DE69030151T2

DE69030151T2 - Wellenwinkelkodierer mit einem symmetrischen Coderad

Info

Publication number: DE69030151T2
Application number: DE69030151T
Authority: DE
Inventors: Howard C Epstein
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 1989-10-16
Filing date: 1990-10-04
Publication date: 1997-06-19
Anticipated expiration: 2010-10-05
Also published as: EP0423988A2; EP0423988A3; US5013910A; EP0423988B1; DE69030151D1

Description

Hintergrund der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf einen optischen Wellenwinkelcodierer, welcher elektrische Signale erzeugt, die die Winkelposition einer Welle anzeigen. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine symmetrische Anordnung von Photodetektoren und Fenstern und Speichen bei einem Codierrad zum zuverlässigen Erzeugen eines Indexpulses, um eine Winkelposition der Welle anzuzeigen.
Inkrementale Wellenwinkelcodierer werden verwendet, um die Position und Bewegung eines Codierrads, welches mit einer Welle rotiert, aufzulösen. Solche Codierer umfassen eine Lichtquelle zum Emittieren eines Lichtstrahls, ein Array von transparenten Fenstern und undurchsichtigen Speichen in dem Codierrad zum Modulieren des Lichtstrahls als Reaktion auf eine Drehung des Rads und eine Detektoranordnung zum Empfangen von moduliertem Licht beim Erzeugen von elektrischen Signalen, die die Lichtmenge, welche von den Photodetektoren empfangen wird, anzeigen.
Damit ein Wellenwinkelcodierer eine Anzeige der Absolutposition oder -Lage des Codierrads, während sich dasselbe dreht, erzeugen kann, wird zumindest einmal pro Umdrehung des Codierrads ein Indexpuls erzeugt. Die inkrementellen Signale von einer Datenspur auf dem Codierrad werden verwendet, um eine inkrementelle Bewegung von dem Indexpuls zum Bestimmen der absoluten Winkelposition des Codierrads an irgendeinem Platz entlang der Drehung desselben zu zählen. Somit umfaßt ein solcher Wellenwinkelcodierer mindestens zwei Kanäle von Informationen. Einer der Informationskanäle umfaßt ein Indexsignal, das zumindest einmal während einer Umdrehung bei einer bekannten Winkelposition erzeugt wird, und ein Datensignal, das inkrementelle Veränderungen von der bekannten Position aus anzeigt. Wellenwinkelcodierer sind beispielsweise in dem U.S. Patenten Nr. 4,259,570, 4,266,125, 4,451,731 und 4,691,101 beschrieben.
Ein hoher Grad an Auflösung und Genauigkeit dürfte bei einem solchen Wellenwinkelcodierer benötigt werden. Es ist nicht unüblich, eine Auflösung von 2000 Inkrementen pro Umdrehung der Welle zu spezifizieren. Um eine solche Auflösung zu erreichen, müssen die Fenster durch das Codierrad, durch welche das Licht auf die Fläche der Photodetektoren läuft, schmal sein. Folglich tendiert die Menge an Beleuchtung und die Signalstärke von den Photodetektoren dahin, niedrig zu sein. Um eine geeignete Signalstärke zu erreichen, können zwei oder drei Fenster und entsprechende Photodetektoren für jede Spur verwendet werden, um eine adäquate Signalstärke zu erreichen, während die Indexpulsbreite schmal gehalten wird.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform weist das Codierrad 500 transparente Fenster und eine gleiche Anzahl von undurchsichtigen Speichen zwischen den Fenstern auf der Datenspur auf. Diese Fenster und Speichen weisen eine trapezoidale Gestalt auf, da sie unmittelbar zueinander benachbart auf der kreisförmigen Spur positioniert sind. Eine beispielhafte Nennbreite jedes Fensters und jeder Speiche beträgt 62 µm, während die radiale Länge jedes Fensters etwa 750 µm beträgt. Das Codierrad besteht aus einem optisch undurchsichtigen Material, wie z.B. rostfreiem Stahl, und weist einen Durchmesser von etwa 22 mm auf. Die Fenster sind Löcher, die maskiert und durch die Scheibe geätzt worden sind. Die Abmessungen der Fenster und der Photodetektoren zum Erhalten eines Indexpulses sind vergleichbar. Derartige numerische Werte sind lediglich beispielhaft.
Bei derartigen kleinen Abmessungen wird eine sorgfältige Ausrichtung der Teile des Wellenwinkelcodierers sehr wichtig. Als Art und Weise, um die Ausrichtungsbeschränkungen etwas zu erleichtern, wurde eine Technik entwickelt, um Indexpulse zu erhalten, welche zwei Spuren verwendet. Bei einer solchen Anordnung findet sich eine Indexspur radial innerhalb der Datenspur, während die andere radial außerhalb der Datenspur verläuft. Somit befindet sich der Schwerpunkt der beiden Indexspuren im gleichen radialen Abstand von der Welle wie die Datenspur.
Photodetektoren sind für diese Indexspuren angeordnet, derart, daß, wenn ein Satz von Photodetektoren beleuchtet wird, wenn sich das Codierrad in seiner Indexposition befindet, der andere Satz von Photodetektoren verdunkelt ist.
Eine Gegentaktelektronikanordnung wird dann verwendet, um die Position des Indexpulses zu bestimmen. Bei einer solchen Anordnung existiert, wenn eine der Spuren, wie z.B. die äußere Spur, eine größere Beleuchtung der Photodetektoren aufweist, ein Logiksignal eines bestimmten Sinns, wie z.B. eine logische Eins. Wenn die Beleuchtung der inneren Spur größer als die der äußeren Spur wird, dann existert der entgegengesetzte Sinn des Logiksignals, wie z.B. eine logische Null, welche den Indexpuls bildet.
Die Fenster und Photodetektoren sind derart angeordnet, daß in nur einer Position die Beleuchtung der inneren Spur die Beleuchtung der äußeren Spur überschreitet. Dies wird erreicht, indem die Photodetektoren für die innere Spur mit Fenstern in dieser Position ausgerichtet sind, während die Photodetektoren für die äußere Spur mit undurchsichtigen Speichen ausgerichtet sind.
Bei früheren Anordnungen zum Erzeugen solcher Indexpulse, bei denen mehrere Fenster für eine größere Signalstärke vorhanden sind, wurden die Fenster in einer radialen oder umfangsmäßigen Richtung asymmetrisch positioniert, um zu minimieren, was als Seitenkeulen bezüglich des Indexpulses bezeichnet wird.
Es wird angenommen, daß sich zwei Fenster in einer Spur befinden. Wenn beide Fenster über Photodetektoren sind, existiert ein Photodetektorstrom mit einer Größe von Zwei. Sobald das Codierrad weitergedreht wird, läuft eines der Fenster über einen zweiten Photodetektor, während der andere Photodetektor dunkel bleibt. Dies erzeugt ein Seitenkeulenphotostromsignal mit einer Größe von Eins. Die asymmetrische Anordnung von Fenstern, die sich um eine Indexspur herum erstrecken, tendiert dahin, die Größe dieser Seitenkeulensignale bezüglich des Indexsignals zu minimieren.
Bestimmte Codierräder wurden mit symmetrischen Indexspuren hergestellt, die Indexspuren sind jedoch in einer umfangsmäßigen Richtung von der Symmetrie mit der Datenspur versetzt. Dies wurde derart durchgeführt, daß Phasendifferenzen zum Bestimmen der Drehungsrichtung des Codierrads verwendet werden können.
Beispiele von Codierrädern mit Indexspuren, welche nicht vollständig symmetrisch sind, sind in der US-A-4 451 731 gezeigt. Die US-A-4 451 731 offenbart ein Codierbauglied für einen Positionscodierer mit einer Datenspur mit einer Mehrzahl von einander abwechselnden Fenstern und Speichen und einer ersten und einer zweiten Indexspur.
Es entstanden Situationen, bei denen es wünschenswert ist, ein vollständig symmetrisches Codierrad zu haben. Dies tritt beispielsweise auf, wenn es wünschenswert ist, die Photodetektoren und die Lichtquelle auf entgegengesetzten Seiten des Rads zu schalten, d.h. das Rad umzudrehen. Wenn ein asymmetrisches Codierrad verwendet wird, muß sehr darauf geachtet werden, sicherzustellen, daß die Radausrichtung korrekt ist. Ein nicht korrekter Aufbau mit dem umgedrehten Rad kann einen richtigen Betrieb des Codierers unmöglich machen.
Es ist wünschenswert, ein vollständig symmetrisches Codierrad zu haben, derart, daß dieser mögliche Fehler beim Zusammenbau vermieden werden kann, wodurch Zusammenbauoperationen beschleunigt werden. Ein symmetrisches Codierrad beseitigt ferner die gelegentlichen Fehler, die während der besten Qualität von Zusammenbauoperationen auftreten können, entweder während dem ursprünglichen Aufbau oder bei einem anschließenden Neuaufbau.

Kurze Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein symmetrisches Codierrad für einen Wellenwinkelcodierer geschaffen, wie es in den Ansrüchen definiert ist. Das Codierrad weist eine umfangsmäßige Datenspur mit einer Mehrzahl von sich abwechselnden Fenstern und Speichen auf. Ein Paar von Indexspuren ist konzentrisch zu der Datenspur vorgesehen. Bei einer dieser Spuren ist ein Paar von Fenstern einer Einheitsbreite vorhanden, wobei eine Speiche zwischen den Fenstern vorhanden ist, welche eine Breite von zumindest zwei Einheiten aufweist. Bei der zweiten Spur ist ein Paar von Fenstern in den gleichen radialen Sektoren vorhanden, in denen sich die Fenster in der ersten Spur befinden, wobei sich das Paar von Fenstern der zweiten Spur um mehr als eine Einheitsbreite entlang der Spur voneinander erstrecken, und wobei ein undurchsichtiger Bereich mit einer Breite von zumindest zwei Einheiten zwischen den Fenstern vorhanden ist.
Für eine minimale Indexpulsbreite ist das Paar von Fenstern in der ersten Datenspur vorzugsweise drei Einheiten voneinander entfernt, während der undurchsichtige Bereich in der zweiten Spur zwei Einheiten breite Speichen umfaßt, wobei ein eine Einheit breites Mittelfenster zwischen den Speichen angeordnet ist. Ein äquivalenter Effekt kann erreicht werden, wenn die Fensterbereiche undurchsichtig und die Speichenbereiche transparent sind, wobei dieselben die gleichen relativen Positionen wie die gerade erwähnten Fenster und Speichen aufweisen.
Ein Muster von Photodetektoren, das einem solchen Muster von Fenstern und Speichen entspricht, wird bei dem Wellenwinkel codierer verwendet. Die Photodetektoren für die erste Spur sind in der gleiche Position wie die Fenster angeordnet, während die Photodetektoren der zweiten Spur in der gleichen Position wie die Speichen angeordnet sind. Ein solcher Wellenwinkelcodierer weist eine Anordnung von Fenstern auf, welche bewirkt, daß Seitenkeulen des Photostroms von den zwei Indexspuren voneinander versetzt sind, wodurch falsche Auslösevorgänge eines Indexpulses minimiert werden.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Diese und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden offensichtlich, sobald dieselbe durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung besser verstanden wird, wenn dieselbe in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird. Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen fragmentarischen Querschnitt eines Wellenwinkelcodierers;
Fig. 2 eine fragmentarische Vorderansicht des Codierrads und der Photodetektoren eines Wellenwinkelcodie rers, der gemäß den Prinzipien dieser Erfindung aufgebaut ist;
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Indexspuren des Ausführungsbeispiels des in Fig. 2 dargestellten Wellenwinkelcodierers;
Fig. 4 mehrere Signalformen, die den Betrieb eines Wellenwinkelcodierers zeigen;
Fig. 5 eine fragmentarische schematische Vorderansicht eines Codierrads gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel eines Wellenwinkelcodierers;
Fig. 6 eine fragmentarische schematische Vorderansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Wellenwinkelcodierers, der gemäß den Prinzipien dieser Erfindung aufgebaut ist; und
Fig. 7 eine fragmentarische schematische Vorderansicht noch eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Wellenwinkelcodierers, welcher tatsächlich ein Negativum des Ausführungsbeispiels von Fig. 3 darstellt.

Detaillierte Beschreibung

Ein Wellenwinkelcodierer weist ein Codierrad 10 auf, das auf einer Welle (nicht gezeigt) zur Drehung zwischen einer Lichtquelle 11 und einem geeigneten Array von Photodetektoren 12 befestigt ist, um eine Lichtintensität zu messen, die durch das Codierrad übertragen wird. Die Strukturen sind in dieser Anmeldung schematisch dargestellt, da Details des Aufbaus und der Anordnung im Großen und Ganzen unwesentlich sind und für Fachleute bekannt sind. Ebenfalls könnte statt der Beleuchtung der Photodetektoren, welche direkt dem Codierrad folgen, eine herkömmliche Phasenplatte zwischen denselben angeordnet sein.
Beim Verfolgen der Offenbarung wird es ferner offensichtlich werden, daß die Erfindung nicht auf einen Winkelcodierer begrenzt ist. Dieselbe ist ebenfalls für einen Positionscodierer anwendbar, bei dem eine lineare Spur und nicht eine kreisförmige Spur vorhanden ist. Aus diesem Grund könnte eine lineare Spur als ein Grenzfall einer kreisförmigen Spur mit einem unendlichen Radius betrachtet werden. Es ist jedoch zwecks der Beschreibung und der Ansprüche dieser Anmeldung zweckmäßig, auf die Erfindung in dem Zusammenhang eines Winkelcodierers zu verweisen.
Die Lichtquelle kann beispielsweise einen oder mehrere Festkörperlichtemitter, wie z.B. eine LED, aufweisen, welche für eine gewünschte Wellenlänge der Strahlung ausgewählt sind.
Eine Linse kann verwendet werden, um Licht von der Quelle zum Beleuchten einer Seite des Codierrads auszurichten. Typischerweise sind die Photodetektoren als Flächen auf einem integrierten Schaltungschip gebildet, welcher weitere elektronische Komponenten zum Verarbeiten der Signale von den Photodetektoren aufweist. Das Codierrad kann aus einem unterschiedlichen Material mit Öffnungen für Fenster oder aus einem transparenten Material, das metallisiert oder auf andere Art und Weise beschichtet ist, um ausgewählte Bereiche undurchsichtig zu machen, bestehen. Alternativ kann die Erfindung ein Codierrad mit reflektierenden und nicht-reflektierenden Bereichen verwenden, wobei die Lichtquelle und die Lichtdetektoren auf derselben Seite des Codierrads nebeneinander angeordnet sind.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, weist das Codierrad eine sich umfangsmäßig erstreckende Datenspur mit einander abwechselnden transparenten Fenstern 13 und undurchsichtigen Speichen 14 auf. Ein Array von Photodioden 16 ist neben der Datenspur vorgesehen, und zwar auf der anderen Seite des Codierrads. Licht durch die Fenster beleuchtet aufeinanderfolgende Photodetektoren, während sich das Codierrad dreht, um Änderungen der Wellenwinkelposition anzuzeigen. Solche Arrays von Photodioden zum Liefern von Ausgangssignalen, die eine Wellenrotationsrichtung und einen Wellenrotationswinkel anzeigen, sind bekannt.
Radial innerhalb der Datenspur befindet sich eine innere Indexspur mit einem Paar von Fenstern 17 mit einer undurchsichtigen Speiche 18 zwischen denselben.
Radial außerhalb der Datenspur befindet sich eine äußere Indexspur mit einem mittleren Fenster 19, das eine undurchsichtige Speiche 21 auf jeder Seite aufweist. Hinter der undurchsichtigen Speiche befindet sich in der Umfangsrichtung eine Mehrzahl von größeren lateralen Fenstern 22.
Es sollte offensichtlich sein, daß das, was als eine innere Spur mit einem Paar von Fenstern und als eine äußere Spur mit einer größeren Anzahl von Fenstern beschrieben ist, umgekehrt werden könnte. Die innere Spur könnte das Muster der Fenster in der äußeren Spur und umgekehrt aufweisen. Somit werden die Ausdrücke "innere" und "äußere" in dieser Anmeldung lediglich zwecks der Darstellung eines beispielhaften Ausführungsbeispiels verwendet, wobei sie in einem breiteren Sinn als austauschbar betrachtet werden sollen.
Es ist ebenfalls offensichtlich, daß, obwohl es bevorzugt wird, daß sich die innere und die äußere Indexspur um die Datenspur herum spreizen, ebenso beide Indexspuren innerhalb oder außerhalb der Datenspur räumlich angeordnet werden könnten. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel könnten die beiden Indexspuren innerhalb der Datenspur räumlich angeordnet werden, derart, daß der Umfang der Datenspur für eine gesteigerte Auflösung maximiert werden kann.
Das Array von Fenstern in Fig. 2 ist in der Drehposition dargestellt, in der ein Indexpuls erzeugt wird. Ein Paar von Photodioden 23 ist mit den Fenstern 17 auf der inneren Datenspur ausgerichtet. Ein zweites Paar von Photodioden 24 ist unter den undurchsichtigen Speichen 21 auf der äußeren Spur positioniert. Jede der Photodioden ist in Fig. 2 dargestellt, als ob sie etwas schmäler als das entsprechende Fenster oder die entsprechende Speiche ist. Dies wird zwecks der Darstellung durchgeführt und sollte derart verstanden werden, daß die jeweiligen Photodioden genauso breit wie das entsprechende Fenster oder die entsprechende Speiche sein können. Die Photodioden sind in der radialen Richtung typischerweise kürzer als die Fenster in der Index- und in der Datenspur, um Fehler bezüglich der Konzentrizität zu berücksichtigen, ohne das Lichtausgangssignal wesentlich zu reduzieren. Solche Merkmale sind herkömmlich.
Fig. 3 stellt ein Fragment des Rads von Fig. 2 schematisch dar, um eine bevorzugte Anordnung von Fenster, Speichen und Photodioden auf den beiden Indexspuren zu zeigen. Die dazwischenliegende Datenspur wurde aus dieser Darstellung entfernt.
Bei dieser bevorzugten Anordnung weisen die zwei Fenster 17 auf der inneren Spur jeweils eine Einheitsbreite w auf. Die undurchsichtige Speiche 18 zwischen den Fenstern ist drei Einheiten breit. Anders ausgedrückt beträgt der Abstand zwischen den Mittellinien der beiden inneren Fenster 4w. Das mittlere Fenster 19 auf der äußeren Datenspur weist ebenfalls eine Breite von einer Einheit w auf. Jede der Speichen 21, die sich um das Mittelfenster auf der äußeren Spur herum spreizen, weist eine Breite von einer Einheit w auf. Somit beträgt der Abstand zwischen benachbarten lateralen Fenstern 22 auf der äußeren Spur 3w, wobei dieser Abstand gleich dem Abstand zwischen den zwei Fenstern auf der inneren Spur ist. Es ist offensichtlich, daß die Einheitsbreiten w in der Tat Winkelbreiten und keine linearen Abmessungen sind, wenn sie sich auf die umfangsmäßigen Spuren eines Codierrads beziehen.
Jedes der lateralen Fenster beginnt in dem gleichen radialen Sektor wie das entsprechende Fenster auf der inneren Spur und erstreckt sich von den undurchsichtigen Speichen 21 weg. Jedes der lateralen Fenster erstreckt sich um mehr als eine Einheitsbreite entlang der äußeren Indexspur von dem entgegengesetzten Fenster weg, wobei es sich vorzugsweise um mehrere Einheiten derart erstreckt.
Somit ist das Codierrad vollständig symmetrisch. Jede Spur ist selbst symmetrisch und symmetrisch bezüglich den anderen Spuren. Die äußere Indexspur weist typischerweise große Fenster um den Rest des Umfangs des Codierrads auf. Nach dem Verlassen der Region, in der der Indexpuls erzeugt wird, kann das Muster von Fenstern asymmetrisch sein, da dies nicht den Indexpuls oder Seitenkeulen eines Photostroms beeinträchtigt. Alles was bei der Symmetrie der Indexspur nötig ist, ist, daß die Speichen zwischen Fenstern schmal genug sind, daß zumindest einer der äußeren Photodetektoren immer beleuchtet ist.
Die Photoströme von den Photodioden auf den Indexspuren sind schematisch in Signalformen A in Fig. 4 gezeigt, während sich das Codierrad dreht. Diese Signalformen sind bezüglich der Winkelposition des Codierrads zentriert, welche einen Indexpuls 26 erzeugt, wie es in Fig. 4A' dargestellt ist. Der Photostrom von dem Paar von Photodioden (welche parallel geschaltet sind) auf der äußeren Indexspur ist durch eine Signalform 0 in Fig. 4 angezeigt. Die Signalform 1 zeigt den Photostrom von Photodioden für die innere Spur an.
An dem linken Rand der Signalformen befindet sich das Codierrad in einer Position, in der die Fenster auf der inneren Spur von den Photodioden entfernt sind, und beide Photodioden für die äußere Spur gegenüber einem der lateralen Fenster 22 oder dergleichen von dem mittleren Fenster 19 entfernt angeordnet sind. Bei einer solchen Position sind die äußeren Photodioden beleuchtet, während die inneren Photodioden nicht beleuchtet sind. Somit existiert ein Photostrom von den beiden äußeren Photodioden und kein Photostrom von den inneren Photodioden.
Wenn sich das Codierrad beispielsweise in Fig. 3 im Uhrzeigersinn dreht, läuft eines der Fenster 17b der inneren Indexspur vor einer inneren Photodiode 23a vorbei. Dies bewirkt einen Anstieg des Photostroms von den inneren Photodioden, wie es durch eine Spitze 27 in der Signalformkurve 1 in Fig. 4A gezeigt ist. Wenn die Platte sich weiter dreht, werden die inneren Photodioden wieder durch undurchsichtige Abschnitte der inneren Spur verdeckt. Die erste Speiche 21b der äußeren Indexspur läuft als nächstes vor der ersten Photodiode 24a vorbei, damit die äußere Spur eine negativ-gerichtete Spitze 28 bewirkt, während der Photostrom abnimmt. Die andere äußere Photodiode 24b bleibt durch ein laterales Fenster 22 beleuchtet, derart, daß der Photostrom nur auf die Hälfte zu Null hin abfällt.
Wenn die Drehung weitergeht, laufen die beiden inneren Fenster 17a und 17b vor den jeweiligen inneren Photodioden 23a und 23b vorbei. Dies bewirkt eine Zunahme des Photostroms von den beiden Photodioden, wie es durch eine Spitze 29 in der Signalform I in Fig. 4A gezeigt ist. Diese Spitze ist doppelt so hoch wie die erste Spitze 28, da beide Photodioden beleuchtet sind. Gleichzeitig verdecken die äußeren Speichen 21a und 21b die äußeren Photodioden 24a und 24b. Dies bewirkt, daß der Photostrom von den äußeren Photodioden auf Null abfällt, wie es durch die negativ-gerichtete Spitze 31 in Fig. 4A angezeigt ist.
Diese Umkehr der Größe des Photostroms von den zwei Indexspuren bewirkt, daß die Gegentaktschaltung einen Indexpuls 26 erzeugt, wobei die ansteigende Flanke desselben auftritt, wenn der Photostrom der inneren Spur den Photostrom der äußeren Spur überschreitet, während die fallende Flanke auftritt, wenn der Photostrom der äußeren Spur wieder größer als der Photostrom der inneren Spur ist. Die Pulsbreite ist im wesentlichen die gleiche Breite wie die der Fenster und Speichen. In anderen Worten ist die Dauer des Pulses die Zeit, die das Codierrad benötigt, um sich um eine Einheitsbreite w zu drehen.
Da das Rad in der Umfangsrichtung symmetrisch ist, existieren zusätzliche Spitzen in den Photostromsignalformen über den Indexpuls hinaus, welche im wesentlichen zu den Spitzen identisch sind, wenn der Indexpuls erreicht wird, wenn sich dasselbe weiter dreht.
Zwischen der Spitze 28, bei der eine der äußeren Photodioden durch das Codierrad verdeckt ist, und der Spitze 31, bei der beide äußeren Dioden verdeckt sind, läuft das mittlere Fenster in der äußeren Indexspur vor der ersten Photodiode 24a vorbei. Dies bringt den Photostrom für die äußere Spur wieder auf den Strom hoch, bei dem die Dioden vollständig beleuchtet sind. Dies stellt eine scharfe mittlere Spitze 31 sicher.
Es wird ebenfalls angemerkt, daß die Seitenkeulenspitzen für die innere und die äußere Spur nicht zusammenfallen. Dies ist der Fall, da mit Ausnahme der Indexposition eine Beleuchtung eines Photodetektors für die innere Spur von der Verdeckung irgendeines Photodetektors von der äußeren Spur versetzt ist. Da sie voneinander versetzt sind, werden falsche Auslösevorgänge vermieden.
Obwohl es bevorzugt wird, ein mittleres Fenster mit einer Einheitsbreite zu haben, wie es oben beschrieben worden ist, kann die Breite dieses Fensters im wesentlichen auf Null reduziert werden, wie es in dem alternativen Ausführungsbeispiel von Fig. 5 dargestellt ist. Bei dieser Darstellung befindet sich das Codierrad in der Indexpulsposition bezüglich den Photodioden. Strukturelle Merkmale in Fig. 5 sind durch Bezugszeichen angezeigt, die um 100 größer als die vergleichbaren Merkmale in Fig. 3 sind. Somit sind beispielsweise die Fenster der inneren Spur in Fig. 5 mit 117 numeriert, um einen Zusammenhang mit den Fenstern der inneren Spur 17 in Fig. 3 herzustellen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel weist jedes Fenster der inneren Spur eine Breite w auf, wobei der undurchsichtige Bereich zwischen den Fenstern auf der inneren Spur 2w beträgt. Der undurchsichtige Bereich zwischen den lateralen Fenstern 122 auf der äußeren Spur beträgt 2w. Die damit einhergehende Beabstandung der Photodioden ist ähnlich, derart, daß, wenn sich das Codierrad in der Indexposition befindet, die Photodioden 123 der inneren Spur durch die Fenster der inneren Spur beleuchtet sind, während die Photodioden 124 der äußeren Spur durch den undurchsichtigen Bereich zwischen den lateralen Fenstern verdeckt sind.
Diese Anordnung resultiert in einer Signalform, wie sie in einem Muster B in Fig. 4 dargestellt ist. Die Breite des Indexpulses 126 aufgrund dieser Beabstandung von Fenstern und Photodetektoren ist größer als die Breite des Indexpulses 26 bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, wodurch die Winkelauflösung verringert wird, die durch dieses Ausführungsbeispiel eines Wellenwinkelcodierers erreichbar ist.
Es ist ebenfalls durchführbar, ein symmetrisches Codierrad für einen Wellenwinkelcodierer zu verwenden, bei dem das mittlere Fenster 219 breiter als eine Einheit ist, wie es in Fig. 6 dargestellt ist. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel sind die Fenster 217 der inneren Spur entsprechend der erhöhten Breite des mittleren Fensters weiter voneinander beabstandet. Diese Fenster der inneren Spur befinden sich in denselben radialen Sektoren wie der Beginn der lateralen Fenster 222, die sich von den Speichen 221 weg erstrecken.
Das Signalformmuster für ein solches Ausführungsbeispiel ist in Linie C von Fig. 4 dargestellt. Dasselbe ähnelt dem Signalformmuster für das Ausführungsbeispiel von Fig. 3, wobei jedoch ein zusätzlicher Raum zwischen Spitzen vorhanden ist. Die Indexpulsbreite aufgrund der Überkreuzung von Photoströmen von der inneren und der äußeren Photodiode ist die gleiche wie bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3.
Es wird jedoch bevorzugt, daß die Fenster näher als bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 aneinander angeordnet sind, derart, daß das laterale Ausmaß der Lichtquelle klein gehalten werden kann. Ferner ist als allgemeine Regel die Beleuchtung näher an der Mitte der Lichtquelle besser ausgerichtet als eine Beleuchtung in der Nähe der Kanten der Lichtquelle. Ein Mangel an Ausrichtung tendiert dahin, die Flanken der Signalformspitzen zu verbreitern, wodurch die Auflösung verschlechtert werden kann. Es ist wünschenswert, das umfangsmäßige Ausmaß klein zu halten, derart, daß die Konzentrizitätsanforderung weniger scharf ist. Eine breitere Beabstandung der Fenster tendiert dahin, daß eine engere Toleranz bezüglich der Konzentrizität benötigt wird, um die gewünschte Genauigkeit und Auflösung zu erreichen. Die Anordnung von Fig. 3 schafft das kleinste Winkelausmaß von Indexfenstern für eine minimale Indexpulsbreite.
Fig. 7 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines symme trischen Codierrads und von Photodetektoren dar. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die innere Spur zwei Fenster mit der Einheitsbreite w auf. Zwischen den Fenstern der inneren Spur ist eine Speiche 32 mit einer Einheitsbreite vorhanden. Wenn das Rad in der Indexposition ist, wird ein Paar von Photodetektoren 33 der inneren Spur durch das Fenster beleuchtet. Die äußere Spur weist ein mittleres Fenster 34 mit einer Breite von 3w auf. Auf jeder Seite des mittleren Fensters ist eine undurchsichtige Speiche 36 mit einer Einheitsbreite vorhanden. Über jeder Speiche auf der äußeren Spur existiert ein laterales Fenster 37, wobei jedes derselben sich um zwei oder mehr Einheiten von den Speichen weg erstreckt. Ein Paar von Photodetektoren 38 der äußeren Spur sind hinter den Speichen 36 positioniert, wenn sich das Rad in der Indexposition befindet.
Die Signalformen, die bei einer Drehung des Codierrads bei diesem Ausführungsbeispiel erzeugt werden, sind in einem Teil D von Fig. 4 dargestellt. Es ist zu sehen, daß die negativ-gerichteten Seitenkeulen 39 in dem Photostrom der äußeren Spur nicht mit den positiv-gerichteten Seitenkeulen 41 des Photostroms der inneren Spur zusammenfallen.
Es kann angemerkt werden, daß dieses Ausführungsbeispiel eines Wellenwinkelcodierers in der Tat das Negativum des in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiels darstellt. Die innere Spur in Fig. 7 weist Fenster in den gleichen Positionen wie die Speichen in der äußeren Spur in Fig. 3 auf. Die mittlere Speiche in Fig. 7 entspricht dem mittleren Fenster in der äußeren Spur in Fig. 3. Auf ähnliche Weise sind die Fenster und Speichen in der äußeren Spur in Fig. 7 das Negativum der Speichen und Fenster in der inneren Spur in Fig. 3. Die Photodetektoren sind gleichzeitig neu angeordnet. Diese beiden Ausführungsbeispiele schaffen ein minimales winkliges Ausmaß entlang der Indexspuren für einen einzigen schmalen Indexpuls.
Obwohl die Fenster und Speichen bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen im wesentlichen die gleichen Breiten aufweisen, kann eine bestimmte Variation der relativen Breiten annehmbar oder sogar wünschenswert sein. Es kann beispielsweise wünschenswert sein, etwas breitere Fenster auf einer der Indexspuren als auf der anderen zu haben, derart, daß die Größe des Photostroms von den jeweiligen Photodioden auf unterschiedliche Werte eingestellt werden kann. Wenn beispielsweise die Beleuchtungsintensität bei einer Spur etwas niedrig ist, können größere Fenster und Photodioden verwendet werden, um den Photodiodenstrom zu steigern. Somit können die relativen Breiten verschiedener Teile der Indexspuren um 30% oder um einen ähnlichen Wert unterschiedlich sein, während sie doch als gleich betrachtet werden.
Aus den Signalformmustern, die in Fig. 4 dargestellt sind, ist zu sehen, daß jedes der Ausführungsbeispiele Seitenkeulen auf der inneren und äußeren Spur erzeugt, welche bei unterschiedlichen Positionen auftreten. Durch Vermeiden des Zusammenfallens der Seitenkeulen trotz der Verwendung eines symmetrischen Codierrads kann ein falscher Auslösevorgang eines sichtbaren Indexpulses bei einer fehlerhaften Position vermieden werden. Somit behalten die beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiele die Vorteile eines symmetrischen Codierrads bei, welches invertiert werden kann, während doch die Spitzen des Photostrom versetzt werden, um zu verhindern, daß die Seitenkeulen auf beiden Spuren zusammenfallen.
Obwohl begrenzte Ausführungsbeispiele eines Wellenwinkelcodierers, welcher ein symmetrisches Codierrad verwendet, hierin beschrieben und dargestellt sind, ist es offensichtlich, daß viele Modifikationen und Variationen vorhanden sein können. Somit kann beispielsweise statt des Vorhandenseins von zwei Fenstern auf einer der Spuren zum Steigern des Photostroms und zum Liefern eines schmalen Indexpulses ein zusätzliches Paar von Fenstern von jeder Seite des mittleren Paars beabstandet sein, um einen im Vergleich zu einer einzigen Photodiode vierfachen verfügbaren Photostrom zu haben.
Das Codierrad wurde beschrieben, als ob ein einziger Indexpuls vorhanden ist, der pro Umdrehung des Rads erzeugt wird. Wenn es erwünscht ist, können mehrere Sätze von Indexfenstern und Speichen um die Spuren herum vorgesehen werden, um mehrere Indexpulse zu erzeugen.
Wie es oben erwähnt wurde, kann der Codierer, obwohl er hierin als ein Rad bezeichnet wird, ein linearer Positionscodierer sein. Viele anderen Modifikationen und Variationen werden für Fachleute offensichtlich sein.

Claims

1. Ein Codierbauglied für einen Positionscodierer, mit folgenden Merkmalen:

einer Datenspur mit einer Mehrzahl von sich abwechselnden Fenstern (13) und Speichen (14);

einer ersten Indexspur; und

einer zweiten Indexspur, wobei die Indexspuren jeweils in einer Richtung entlang der jeweiligen Indexspur, in einer longitudinalen Richtung zueinander und in einer longitudinalen Richtung bezüglich der Datenspur symmetrisch sind, wobei das Codierbauglied ferner folgende Merkmale aufweist:

ein Paar von Fenstern (17) mit einer Breite von einer Einheit in der ersten Indexspur;

eine Speiche (18) zwischen den zwei Fenstern mit einer Breite von mindestens zwei Einheiten;

einem Paar von Fenstern (22) in der zweiten Indexspur in den gleichen radialen Sektoren wie die Fenster (17) in der ersten Indexspur, welche sich um mehr als eine Breite von einer Einheit entlang der Spur voneinander entfernt erstrecken; und

einen undurchsichtigen Bereich mit einer Breite von zumindest zwei Einheiten zwischen den Fenstern in der zweiten Indexspur, wobei die relativen Positionen der Fenster und undurchsichtigen Bereiche in der ersten und in der zweiten Indexspur derart angeordnet sind, daß eine Beleuchtung durch die Fenster (17) der ersten Indexspur erfaßt wird, und daß eine Beleuchtung durch den undurchsichtigen Bereich der zweiten Indexspur nur dann verdeckt wird, wenn sich das Codierbauglied in einer Indexposition befindet.

2. Ein Codierbauglied gemäß Anspruch 1, bei dem das Paar von Fenstern (17) in der ersten Indexspur mehr als zwei Einheiten voneinander entfernt ist, während der undurchsichtige Bereich in der zweiten Indexspur Speichen (21) mit einer Breite von zwei Einheiten aufweist, wobei ein Fenster (19) zwischen den Speichen angeordnet ist.

3. Ein Codierbauglied gemäß Anspruch 1, bei dem das Paar von Fenstern (17) in der ersten Indexspur drei Einheiten voneinander entfernt ist, während der undurchsichtige Bereich in der zweiten Indexspur Speichen (21) mit einer Breite von zwei Einheiten aufweist, wobei ein Fenster (19) mit einer Breite von einer Einheit zwischen den Speichen angeordnet ist.

4. Ein Codierrad gemäß Anspruch 1, bei dem das Bauglied ein Rad (10) ist, wobei sich die Datenspur umfangsmäßig um das Rad (10) herum erstreckt, wobei die erste Indexspur konzentrisch auf einer Seite der Datenspur angeordnet ist, während die zweite Indexspur konzentrisch auf der anderen Seite der Datenspur angeordnet ist.

5. Ein Codierbauglied gemäß Anspruch 1, bei dem die erste Indexspur auf einer Seite der Datenspur ist, während die zweite Indexspur auf der anderen Seite der Datenspur ist.

6. Ein Positionscodierer mit folgenden Merkmalen:

einer Quelle einer Beleuchtung (11),

mindestens einem Photodetektor (12);

einem Codierbauglied gemäß Anspruch 1 zwischen der Quelle der Beleuchtung (11) und dem Datenphotodetektor (12), wobei die Datenspur von sich abwechsenden Fenstern (17, 19, 22) und Speichen (18, 21) des Codierrads abwechselnd den Datenphotodetektor bei einer Bewegung des Codierrads beleuchtet und verdeckt;

einem ersten Paar von Indexphotodetektoren (23), die neben der ersten Indexspur sind und angeordnet sind, um mittels der Fenster (17) in der ersten Indexspur beleuchtet zu werden, wenn sich das Codierbauglied in einer Indexposition befindet; und

einem zweiten Paar von Indexphotodetektoren (24), welche neben der zweiten Indexspur sind und angeordnet sind, um von dem undurchsichtigen Bereich der zweiten Indexspur verdeckt zu werden, wenn sich das Codierbauglied in der Indexposition befindet, wobei die relativen Positionen der Fenster (17, 19, 22) und der undurchsichtigen Bereiche (18, 21) in der ersten und in der zweiten Indexspur derart sind, daß eine Beleuchtung eines Photodetektors (23) für die erste Indexspur von einer Verdeckung eines Photodetektors (24) für die zweite Indexspur mit Ausnahme in der Indexposition versetzt ist.

7. Ein Positionscodierer gemäß Anspruch 6, bei dem die Fenster des Paars von Fenstern (17) der ersten Indexspur um mehr als zwei Einheiten voneinander entfernt angeordnet sind, während der undurchsichtige Bereich der zweiten Indexspur zwei Speichen (21) aufweist, wobei jede Speiche (21) eine Einheit breit ist, und wobei ein mittleres Fenster (19) zwischen den Speichen (21) vorhanden ist.

8. Ein Positionscodierer gemäß Anspruch 7, bei dem das mittlere Fenster (19) eine Breite von einer Einheit aufweist, während die Fenster (17) in der ersten Indexspur um einen Abstand von drei Einheiten voneinander beabstandet sind.

9. Ein Positionscodierer gemäß Anspruch 7, bei dem das mittlere Fenster (19) eine Breite von mehr als einer Einheit aufweist, während die Fenster (17) in der ersten Indexspur um einen Abstand von mehr als drei Einheiten voneinander beabstandet sind.

10. Ein Positionscodierer gemäß Anspruch 6, bei dem die Fenster des Paars von Fenstern (17) der ersten Indexspur drei Einheiten voneinander entfernt sind, während der undurchsichtige Bereich der zweiten Indexspur Speichen (21) mit einer Breite von einer Einheit aufweist, wobei sich ein Fenster (19) mit einer Breite von einer Einheit zwischen den Speichen befindet.

11. Ein Positionscodierer gemäß Anspruch 10, bei dem die Indexphotodetektoren (24) für die zweite Indexspur durch die Speichen (21) verdeckt sind, wenn die Indexphotodetektoren (23) für die erste Indexspur mittels der Fenster (17) in der ersten Indexspur beleuchtet werden.

12. Ein Positionscodierer gemäß Anspruch 6, bei dem jedes Fenster (17) in der ersten Indexspur eine Breite von einer Einheit aufweist, wobei der Abstand zwischen den Fenstern (17) in der ersten Indexspur eine Einheit beträgt, und der undurchsichtige Bereich in der zweiten Indexspur zwei Speichen (21) umfaßt, wobei jede Speiche (21) eine Einheit breit ist, und wobei ein mittleres Fenster (19) mit einer Breite von drei Einheiten zwischen den Speichen angeordnet ist.

13. Ein Positionscodierer gemäß Anspruch 12, bei dem die Indexphotodetektoren (24) für die zweite Indexspur durch die Speichen (21) verdeckt sind, wenn die Indexphotodetektoren (23) für die erste Indexspur mittels der Fenster (17) in der ersten Indexspur beleuchtet werden.

14. Ein Positionscodierer gemäß Anspruch 6, bei dem das Codierbauglied ein Rad (10) mit einer sich umfangsmäßig erstreckenden Datenspur aufweist, wobei die erste Indexspur konzentrisch innerhalb der Datenspur angeordnet ist, während die zweite Indexspur konzentrisch außerhalb der Datenspur angeordnet ist.

15. Ein Positionscodierer gemäß Anspruch 6, bei dem die erste Indexspur auf einer Seite der Datenspur ist, während die zweite Indexspur auf der anderen Seite der Datenspur ist.

16. Ein Positionscodierer gemäß Anspruch 6, bei dem das Codierbauglied linear ist.