CN102884450A

CN102884450A - 叉形光栅、借助叉形光栅定位的装置和方法

Info

Publication number: CN102884450A
Application number: CN2011800215243A
Authority: CN
Inventors: 马库斯·瓦格纳
Original assignee: Sartorius Weighing Technology GmbH
Current assignee: Sartorius Lab Instruments GmbH and Co KG
Priority date: 2010-04-29
Filing date: 2011-02-15
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2031-02-15
Also published as: EP2564242A1; WO2011134560A1; US20130050714A1; DE102010016684A1; US8675211B2; CN102884450B

Abstract

本发明涉及叉形光栅(1)，其具有至少一个第一、第二和第三光传感器(FT1至FT3)，这些光传感器沿着轴线(X)布置，其中，第二光传感器(FT2)位于第一光传感器(FT1)和第三光传感器(FT3)之间。此外，本发明还涉及借助依据本发明的叉形光栅(1)定位的装置和方法。

Description

叉形光栅、借助叉形光栅定位的装置和方法

技术领域

本发明涉及叉形光栅，尤其涉及借助叉形光栅定位的装置和方法。

背景技术

为了探知彼此相对运动的部件的位置，在传统的装置中，使用带有一个发光二极管和两个光传感器的叉形光栅。在一个部件上以有规律的间距附着所谓的标识和窗口，它们与部件的运动一致地经过发光二级管和光传感器之间。当所谓的标识处于光传感器之前时，从发光二级管到光传感器的光流被中断。若窗口处于发光二级管和光传感器之间，那么光流可以自由地落在光传感器上。在此，如此地选择光栅的布置方案或标识及窗口的大小，从而借助电光栅信号既可以确定经过的路径，又可以确定运动方向。前述公知的用于定位的装置的缺陷在于，这些装置仅能够增量地得出位置。为了识别基准位置，例如起始位置或零位置，还需要其它传感器。这个传感器典型地借助其它叉形光栅提供，该叉形光栅在运动主体的整个移动范围内在位置上被单个标识中断。第二个叉形光栅或者说第二个传感器和另一个光传感器以及第二个单独的标识的使用表明了这种布置方案的所不期望的额外费用。

由DE 102 45 170A1公知用于给光学构件定位的装置和方法。在此设置有两个探测器，当接收装置处在一定的锁止位置上时，它们同时探测不同的编码机构。在两个相邻的锁止装置之间的区域中，仅两个探测器中的一个探测编码机构。在这种结构中，不能以简单的方式从光信号中确定转动方向。

由US 6 586 719B1公知用于确定两个物体彼此间相对运动的光栅。在此，SE对(发射器接收器对)交替地布置在两个运动部件的对置侧上。在此，运动部件具有特殊的几何发送特性或反射特性。但这种几何面的结构和评估过于复杂。

由US 5 648 645A公知电梯速度探测器，其中，标识和窗口被布置到电梯井中的测量带上。测量带具有两个区域，在这两个区域上交替地布置有多个大小和间距递减的标识和窗口。此外，设置有应当排除误差的检验标记。在此公开的装置同样需要多个光学中断痕迹(标识和窗口)。同样没有设置运动方向识别装置。

由EP 2101197A1和EP 617298B1公知简单的叉形光栅，其仅具有一个传输段。

由EP 0 377097B1公知用于用四个传感器给转向轮定位的绝对位置探测器，这四个传感器逐个围绕编码盘布置。

前面公知的设施和方法遵循不同的目标并且不能简单地确定基准位置、增量运动和运动方向。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供装置和方法，从而能够以十分简单的方式确定运动部件的基准位置和增量运动以及运动方向。

该技术问题按照本发明通过权利要求1、3和7的主题解决。

按照本发明的第一个方面，提供具有至少三个光传感器的叉形光栅。这三个光传感器沿轴线布置。存在第一光传感器、第二光传感器以及第三光传感器，其中，第二光传感器布置在第一和第三光传感器之间。原则上，以这种方式也可以利用叉形光栅通过增量的位置探知来探知基准位置或零位置。

三个光传感器中的第一光传感器和第二光传感器之间的间距可以有利地小于三个光传感器中的第二光传感器和第三光传感器之间的间距。由此可以更可靠地探测基准位置或零位置。

三个光传感器和至少一个发光构件有利地布置在共同的壳体中。由此能通过修正窗口和标识的长度既探知运动方向、位置，又探知基准位置(零位置或起始位置)。

叉形光栅可以具有一个或多个发光构件，例如一个或多个发光二极管。所述发光构件如下设计，即，使它们朝着光传感器的方向发射光。发光构件的一个或若干光束由经过的窗口和标识中断或穿过。

依据本发明的叉形光栅同样可以配备有三个发光构件(例如发光二级管，LED)和仅一个光电二极管。发光构件有利地以预先给出的频率交替地发光和再次熄灭。基于对发光构件的操控和光电二极管的相应状态的认知，同样可以得出窗口或标识的相应位置。

叉形光栅可以有利地使用在用于探知两个彼此相对运动的部件的位置或方位的装置中。在其上布置有三个光传感器的轴线有利地沿着标识和窗口的运动方向，所述标识和窗口应与部件的相对运动一致地运动，并且应探知它们的位置、方位或运动方向。

在一种有利的设计方案中，改变至少一个标识的或窗口的长度，从而由此可以自动探知起始位置、零位置或基准位置。这在如下条件下得以实现，即，第一标识或第一窗口比第一和第三光传感器之间的间距更短并且第二标识或第二窗口足够长，以便同时遮盖第一、第二和第三光传感器。因此存在至少一个窗口或标识，其具有相对其它标识和窗口更长的长度。由此通常可以既探知运动部件的增量运动，又可以探知基准位置。一旦第一、第二和第三光传感器同时被遮盖或同时不被遮盖，那么装置就可以探知出已达到基准位置。只要这没有发生，那么光传感器以从第一至第三传感器或从第三至第一光传感器的特定顺序被遮盖或不被遮盖。由此可以借助光入射到光传感器来确定彼此相对运动的部件的运动方向、相对位置和绝对位置或方位。按照本申请，窗口不像标识那样强烈地减少布置在叉形光栅上的发光元件入射到光传感器上的光。在简单的情况中，标识中断从发光元件到一个或多个光传感器的光束。窗口相应地不阻碍光入射。

在一种有利的设计方案中，第二标识的长度可以是第一标识的长度的一倍半。因此标识的长度和窗口的长度例如可以是L1。那么，第二标识(基准标识)的长度L2可以为1.5*L1。第一传感器到第二传感器的间距可以有利地为0.5*L1。第二传感器到第三传感器的间距可以为0.75*L1。

按照另一种设计方案，可以交换窗口和标识。这意味着，针对识别基准位置，不是全部三个传感器被遮盖，而是全部三个传感器同时被照明。

因此，第二窗口的长度可以是第一窗口的长度的一倍半。标识的长度和窗口的长度例如也可以为L1。第二窗口(基准窗口)的长度L2可以为1.5*L1。第一传感器到第二传感器的间距可以有利地为0.5*L1并且第二传感器到第三传感器的间距可以为0.75*L1。

在一种有利的设计方案中，第一光传感器和第二光传感器可以根据信号对称性而用于增量的定位。

依据本发明，可以提供形式上为叉形光栅的共同壳体内的三个光传感器。这总体上意味着更少的组装费用和装配费用。传感器彼此间的间距可以通过在壳体中的布置方案预先确定。单个的光传感器彼此间的校准不再必要。

在另一种设计方案中，也可以在多个单个的壳体中设置光传感器，当空间布置要求这一点时。

依据本发明，也提供用于探知运动部件的位置的方法。位置有利地用叉形光栅探知，该叉形光栅具有至少三个光传感器，它们沿着运动部件的运动方向布置。第二光传感器可以处于第一和第三光传感器之间。

第一光传感器和第二光传感器之间的间距可以有利地小于第二光传感器和第三光传感器之间的间距。基准位置、起始位置或零位置的探知有利地如下由此实现，即，到第一、第二和第三传感器上的光入射被中断。备选地，也可以以如下方式确定基准位置，即，可以同时实现到第一、第二和第三传感器上的光入射或者说能够同时进行到全部三个传感器上的光入射。

附图说明

本发明的其它方面由接下来借助附图对实施例的说明得出，其中，

图1示出了依据本发明的实施例的叉形光栅；

图2示意性示出了依据本发明的方法和装置；

图3简化地示出了依据本发明的电路布局。

具体实施方式

图1示出了依据本发明的叉形光栅1。叉形光栅由固定的壳体构建并且具有两个对置平行的臂2和3，接片4使所述臂彼此保持在固定的间距上并且彼此保持在固定的配位关系上。在臂2中典型地有一个或多个发光元件，例如一个或多个发光二级管(英语：Light Emitting Diode=LED)，发光二极管在运行时朝着对置的臂3发射光。在对置的臂3中有三个切槽SL1、SL2和SL3。它们按照本发明如下布置，即，第一切槽SL1和第二切槽SL2比第二切槽SL2和第三切槽SL3更为靠近。在每一个切槽SL1、SL2和SL3后方各布置一个光传感器(光电二极管或光电传感器)，其探测光是否已通过切槽入射。此外，切槽SL1、SL2和SL3沿轴线X布置，该轴线也对应着标识和窗口的运动方向，标识和窗口布置在相对于另一部件运动的部件上。沿运动方向

的运动是作为旋转运动或者圆周运动的一部分的线性的或逐段近似的线性运动，从而标识和窗口相应地在叉形光栅的臂2和3之间沿其运动。运动与两个相互运动的部件的运动一致，这两个部件的相对位置应当被确定。

两个切槽SL1和SL2的间距，更确切地说外棱边到外棱边的间距为L1。切槽SL1和SL3的间距，更确切地说同样是外棱边到外棱边的间距为L2。第二切槽SL2到第三切槽SL3的间距大于L1(同样在相背离的外棱边上测量)。按照本发明，现在存在至少一个标识(第二标识或基准标识)，其具有大于长度L1的长度L2。另一个标识(第一标识)典型地具有长度L1。类似地也可以设置带有长度L1或L2的窗口。

带有长度L1的标识可以同时仅遮盖切槽SL1和SL2。仅带有长度L2的标识(基准标识)可以同时遮盖SL1和SL3并且在这种布置中因此也同时遮盖位于SL1和SL3之间的第二切槽SL2(或者说位于其后方的光传感器)。由此能用一个以及同样的装置，亦即所示的叉形光栅1，在壳体中既实现了基准位置又实现了增量的定位。标识的间距，亦即窗口的宽度或者说长度尤其也可以为L1。

图2是简化的示意图，借助该图详细阐释了叉形光栅或使用依据图1的叉形光栅1的装置的工作方式。装置5在此仅示意性示出并且据此例如既包括带有光传感器FT1、FT2和FT3以及发光元件LED的叉形光栅1又包括运动的部件(未示出)，标识F1和F2布置在该部件上。标识F1对应于带有长度L1的第一种类型的标识。每个标识都与下一个标识通过窗口W1分开，窗口在本实施例中同样具有长度L1。仅第二种类型的标识(基准标识)F2具有长度L2。长度L2对应于第一光传感器FT1和第三光传感器FT3的外间距。光传感器FT1、FT2和FT3的位置可以例如与在图1中示出的切槽SL1、SL2和SL3对应。第一光传感器FT1和第三光传感器FT3彼此间也具有外间距L2。第一光传感器FT1和第二光传感器FT2相关于它们的外棱边而具有间距L1。第二光传感器FT2与第三光传感器FT3的间距大于L1(同样在传感器的相背离的外棱边上测量)。因此，在相应的位置上标识F1同时遮盖两个光传感器FT1和FT2，但不是全部三个光传感器FT1、FT2和FT3。仅带有长度L2的基准标识F2在相应的位置中同时遮盖三个光传感器FT1、FT2和FT3。在有利的设计方案中，标识F1的大小以及每个窗口W1的大小恰好为L1。基准标识的也就是第二种类型的标识的大小为1.5*L1。因此L2等于1.5*L1。此外，光传感器FT1到光传感器FT2的距离相关于两个传感器的中心线为0.5*L1。光传感器FT2到光传感器FT3的距离相关于中心线为0.75*L1。光传感器FT1和FT2通常用于增量的定位。

第二种类型的标识(基准标识F2)不必恰好具有两个光传感器FT1和FT3(或者说切槽SL1和SL3)的间距的长度。虽然这是有利的，但如下的设计方案同样是可行的，即，基准标识比两个外置的光传感器FT1和FT3的间距更长。

在本发明的实施例中，两个光传感器FT1和FT2的信号被定值为两位的二进制信号。这由下面的列表1得出：

表1：第一种类型的标识F1(或窗口W1)

FT1	FT2	FT3
			0	0	1
1	0	1
			1	0	0
1	1	0
			0	1	0
0	1	1
			0	0	1

当标识F1从左向右经过光传感器FT1和FT2时，始终产生如前面表1那样的顺序。当然，逻辑电平也可以反过来定值或者说进行倒转，由此获得表中相应倒转的值。同样可以说明带有长度L1的窗口经过时的电平和要么存在表1中给出的值，要么存在倒转后的值。借助该顺序始终能够确定如下，即，其中一个标识F1(或窗口W1)沿哪个方向运动经过光传感器FT1、FT2。光传感器FT3在这种增量的定位中不一定必须考虑在内。当现在第二类型的标识F2(或带有相应长度的窗口)运行经过传感器时，可以额外地得到下面的列表2的两个状态：

表2：第二种类型的标识F2(或窗口W2)的特殊状态

FT1	FT2	FT3
			0	0	0
1	1	1

其中，如下也适用于表2，即，根据叉形光栅、光传感器的类型以及由此限定的倒转次数，如用于标识或窗口的三个零一样，能够同样得出三个一。由此可以毫无问题地按逻辑推导出基准位置。

在其它简化的设计方案中设置多个基准位置或零位置。相应地也可以设置多个基准标识或基准窗口。

信号的评估借助逻辑电路或在微控制器、计算机或类似物中进行。相应的电子器件可以是装置的组成部分或者在外部实现。

装置例如是水平仪并且运动的部件是水平仪的一部分，例如水平仪的遮盖装置或罩。罩例如进行圆周运动以便打开和关闭。在罩或遮盖装置上布置有根据本发明的窗口和标识。这些标识和窗口通过带有三个光传感器和发光元件(例如发光二级管)的叉形光栅与打开运动或关闭运动一致地运动。除了增量的位置外，也能够可靠地通过基准标识或基准窗口借助依据本发明的叉形光栅识别罩的或遮盖装置的零位置。

图3示出了依据本发明的叉形光栅1的简化示意图，该叉形光栅例如布置在装置5中，该装置也包括运动部件。在依据图3的图中探讨了叉形光栅在电路技术上的实现。相应地，第一臂2具有发光二级管LED，该发光二级管的阳极和阴极连接到电压源上，以发光。只要不存在光路的中断，发光二级管LED的光就会落在第二臂3上，光传感器FT1、FT2和FT3布置在第二臂中。这些光传感器在NPN型的双极晶体管的基础上进行设计。通过光入射到光传感器FT1、FT2和FT3的基极上而使通过晶体管的电流成为可能。集电极均联接在结点C上。通过各个晶体管的电流可以分别在发射极上得到或者说抽取。单个的光传感器FT1、FT2和FT3有利地依据与图2和图1相关的几何参数布置。然后可以借助对信号E1、E2和E3的评估依据前面的描述来实施定位和基准位置确定。

在变化的实施方式中，叉形光栅配备有三个发光构件(例如三个LEDs)和仅一个光传感器。在这种设计方案中，三个发光构件必须以一个预先给出的、足够高的频率交替地接通和切断。基于对发光元件的操控和光传感器(例如光电二极管)的以此为基础的状态的认知，同样可以得出窗口或标识的各自的位置。相应地，也可以依据前面所描述的方面借助延长的标识或延长的窗口确定基准位置或零位置。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.叉形光栅，用于探测运动部件的运动，在该运动部件上布置有窗口和标识，其中，叉形光栅在一个臂上具有一个或多个在运行时朝着对置的臂发射光的发光元件，并且在对置的臂上具有至少一个第一、第二和第三光传感器(FT1至FT3)，其中，三个光传感器（FT1至FT3）布置在沿着窗口和标识的运动方向的轴线上，其中，第二光传感器(FT2)位于第一光传感器(FT1)和第三光传感器(FT3)之间，并且第一光传感器(FT1)和第二光传感器(FT2)之间的间距(L1)小于第二光传感器(FT2)和第三光传感器(FT3)之间的间距，以便通过在所述臂之间运动的窗口和标识中断或实现从一个或多个发光元件到仅第一光传感器(FT1)上的或同时到第二和第三光传感器(FT2、FT3)上的光入射，而探测运动部件的增量运动，以及通过同时中断或同时实现从一个或多个发光元件到第一、第二和第三光传感器(FT1、FT2、FT3)上的光入射，而探测运动部件的基准位置。

2.根据权利要求1所述的叉形光栅，其中，所述三个光传感器(FT1、FT2、FT3)和所述一个或多个发光元件布置在共同的壳体中。

3.用于探知运动部件的位置的装置，其中，该装置包括依据前述权利要求之一所述的叉形光栅(1)和所述运动部件，其中，叉形光栅(1)沿着运动部件的运动方向布置，并且其中，在运动部件上交替地布置有标识(F1、F2)和窗口(W1)，其中，窗口(W1)不像标识(F1、F2)那样强烈地减少布置在叉形光栅(1)上的发光元件入射到光传感器(FT1至FT3)上的光，并且第一标识(F1)或第一窗口(W1)的长度(L1)比第一光传感器(FT1)和第三光传感器(FT3)之间的间距(L2)短，并且第二标识(F2)或第二窗口(W2)的长度(L2)等于或大于第一光传感器(FT1)和第三光传感器(FT3)之间的间距(L2)。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述第二标识(F2)的长度(L2)是所述第一标识(F1)的长度(L1)的一倍半。

5.根据权利要求3或4所述的装置，其中，所述第一光传感器(FT1)到所述第二光传感器(FT2)的间距(L1)是所述第一标识(F1)的长度的一半，并且所述第二光传感器(FT2)到所述第三光传感器(FT3)的间距是所述第一标识(F1)的长度的四分之三。

6.用于利用叉形光栅(1)探知运动部件的位置的方法，其中，在运动部件上交替地布置有标识(F1、F2)和窗口(W1)并且三个光传感器(FT1至FT3)处于沿着窗口和标识的运动方向的轴线上，该方法带有下列步骤：通过运动部件的窗口和标识同时中断光束到仅一个或两个光传感器上的入射，基于前一步骤确定运动部件的运动方向和/或增量位置，通过运动部件的窗口和标识同时中断光束到三个光传感器上的入射并且基于前一步骤确定运动部件的基准位置或者通过运动部件的窗口和标识同时允许光束到仅一个光传感器或两个光传感器的入射，基于前一步骤确定运动部件的运动方向和/或增量位置，通过运动部件的窗口和标识同时实现光束到三个光传感器上的入射，并且基于前一步骤确定运动部件的基准位置。

Claims

1.叉形光栅，用于探测运动部件的运动，在该运动部件上布置有窗口和标识，其中，叉形光栅在一个臂上具有一个或多个在运行时朝着对置的臂发射光的发光元件，并且在对置的臂上具有至少一个第一、第二和第三光传感器(FT1至FT3)，其中，第二光传感器(FT2)位于第一光传感器(FT1)和第三光传感器(FT3)之间，并且第一光传感器(FT1)和第二光传感器(FT2)之间的间距(L1)小于第二光传感器(FT2)和第三光传感器(FT3)之间的间距，以便通过窗口和标识中断或实现从一个或多个发光元件到仅第一光传感器(FT1)上的或同时到第二和第三光传感器(FT2、FT3)上的光入射，而探测运动部件的增量运动，以及通过同时中断或同时实现从一个或多个发光元件到第一、第二和第三光传感器(FT1、FT2、FT3)上的光入射，而探测运动部件的基准位置。

6.用于利用叉形光栅(1)探知运动部件的位置的方法，该方法带有下列步骤：通过运动部件同时中断光束到仅一个或两个光传感器上的入射，基于前一步骤确定运动部件的运动方向和/或增量位置，通过运动部件同时中断光束到三个光传感器上的入射并且基于前一步骤确定运动部件的基准位置或者通过运动部件同时允许光束到仅一个光传感器或两个光传感器的入射，基于前一步骤确定运动部件的运动方向和/或增量位置，通过运动部件同时实现光束到三个光传感器上的入射，并且基于前一步骤确定运动部件的基准位置。