DE69315128T2

DE69315128T2 - Optischer Stellungskodierer des Typs hybrid-digital-analog mit hoher Auflösung

Info

Publication number: DE69315128T2
Application number: DE69315128T
Authority: DE
Inventors: Steve Beccue; Mohsen Khoshnevisan; Bruce G Kolloff; Jonathan P Rode; Jeffrey S Schoenwald; Raymond J D Smith
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1992-07-01
Filing date: 1993-06-30
Publication date: 1998-03-05
Anticipated expiration: 2013-07-01
Also published as: DE69315128D1; EP0577104A1; JPH06103688A; US5451776A; US5336884A; EP0577104B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft optische Codierer, die zum genauen Messen der winkelverschiebung eines Schaftes oder eines Drehgliedes verwendet werden. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Technik zum optischen Feststellen der Winkelposition eines Drehgliedes unter Verwendung einer Kombination aus digitalem und analogem Messen.
Die Notwendigkeit einer Präzisionsmessung in einer Vielzahl von Vorrichtungen verlangt ein preisgünstiges, hochauflösendes Verfahren zum Feststellen einer Winkelposition. Schrittmotoren beispielsweise, wie sie in so unterschiedlichen Anwendungen wie Drehtürmen (gun turrets), Papierherstellungsfabriken, Maschinenwerkzeuge, direkt angetriebene Motoren und Roboteranwendungen, benötigen eine hochpräzise Anzeige der Winkelposition. Eine derartige Winkelverschiebungsinformation kann in nachfolgenden Prozeßschritten oder als eine Rückkopplungsanzeige eines Systemfehlers und einer Fehlausrichtung verwendet werden.
Bekannte absolute Codierer verwenden eine Scheibe, die eine Reihe von kurzen Linien an verschiedenen Radii aufweist, die mit einem Vielkanalleser verbunden ist, um direkt die Position des Codierers in einem binären Format auszulesen. Obwohl ein derartiges System einfach und kostengünstig ist, stellt es nicht die Genauigkeit bereit, die von modernen, hochgenauen Instrumenten verlangt wird.
Die anderen bekannten Codierer verwenden Lasertechnologie, wie beispielsweise der inkrementale Lasercodierer X-1, der von Canon hergestellt wird. Eine komplexe Reihe von Prismen wird in dieser Vorrichtung verwendet, um 225.000 Sinuswellen pro Umdrehung zu erzeugen. Jede der 225.000 Wellen wird weiter in 80 Pulse pro Welle unterteilt, um 18 Millionen Pulse pro Umdrehung zu erzeugen. Das in dem Laserdrehcodierer verwendete Prinzip ist das einer Gitterscheibe, dIe eine Reihe von radial orientierten Strichen um ihren Außenumfang herum aufweist. Die in radialer Richtung orientierten Striche sind sehr klein und müssen auf der Scheibe mit einer großer Präzision positioniert werden. Eine Gitterscheibe mit den benötigten Gitterstreifentoleranzen für den Laserdrehcodierer ist schwierig und teuer herzustellen. Ferner ist es notwendig, daß die Gitterscheibe zusammen mit einer Phasenplatte verwendet wird, die ähnlich strengen Herstellungsrandbedingungen unterworfen ist.
EP-A-0 172 223 lehrt eine Reihe von Referenzmarkierungen Rn, die einer Codierungsmarkierung Ci in binärem Zahlenformat zugewiesen sind, wobei die Codierungsmarkierung Ci eindeutig die Referenzmarkierung Ri identifiziert. Die Intervalle a, b und r zwischen den Codierungsmarkierungskomponenten und den Referenzmarkierungskomponenten, die für jede Kopie der Meßvorrichtung angelegt werden, wenn diese Einheit hergestellt wird, müssen bekannt sein, um die Referenzmarkierungs- und Codierungsmarkierungsdaten richtig zu lesen. Diese speziellen Intervalle werden durch das Zählen der Markierungen der Skaleneinteilung T und dessen Vergleich nit dem gespeicherten Intervallraster in der Auswerteinheit W bestimmt.
DE-A-4 025 055 lehrt eine Drehpositionsauswahlvorrichtung, die eine Speicherscheibe vergleichbar zur Kompaktdisktechnik verwendet. 22 konzentrische Spuren auf der Scheibe enthalten digital codierte Daten, die parallel gelesen werden, um die Drehposition der Scheibe zu bestimmen.
Die Kosten derartiger hochpräziser Drehcodierer sind daher sehr abschreckend. Aufgrund der elektronischen Komponenten in dieser Vorrichtung gibt es daher ferner Einschränkungen hinsichtlich der Betriebsumgebung, in der ein solcher Codierer verwendet werden kann. Die Betriebstemperatur des Codierers muß innerhalb eines Temperaturbereichs von ungefähr 10 ºC bis 40 ºC bleiben. Sönst können nicht nur Ungenauigkeiten in die Messungen eingeführt werden, sondern der Codierer kann beschädigt oder zerstört werden. Daher gibt es einen Bedarf in einigen Anwendungen der Positionsmessung bei niedriger und hoher Temperatur, um eine Vorrichtung zu verwenden, die keine elektronischen Komponenten in dem Positionscodiererkopf benötigt.
Was benötigt wird, ist ein winkelmäßiger Verschiebungsdrehcodierer, der eine Präzision und Auflösung hat, die diejenige übersteigt, die für Codierer in seiner Klasse erhältlich sind. Die Kosten eines derartigen Codierers sollten wesentlich geringer sein als diejenigen, die mit komplexen Laserdrehcodierern verbunden sind, allerdings sollte die Auflösung bedeutend größer sein als diejenige, die mit standardmäßigen direkten digitalen Lesecodierern erzielbar ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Durch die Adaptierung der optischen Kompaktdisktechnologie an die Messung der Drehverschiebung schafft diese Erfindung eine neue Technik zum Erzielen einer hochpräzisen Messung der Winkelposition mit einer signifikanten Reduktion der Herstellungskosten der Meßvorrichtung.
Ein optischer Codierer zum Messen der Winkelposition umfaßt ein drehbares optisches Medium mit einer Hauptoberfläche und einer Drehachse senkrecht zu der Oberfläche, wobei eine Vielzahl von Winkelsektoren gleichförmiger Größe auf der Oberfläche definiert sind. Eine ringförmige digitale Spur ist auf der zu der Achse konzentrischen Oberfläche definiert, wobei eine Vielzahl von digitalen Bits auf der Oberfläche in Folge entlang der digitalen Spur innerhalb jeden Sektors ausgebildet ist. Jedes derartige Bit ist optisch als eine Binärzahl 1 oder eine Binärzahl 0 lesbar, wobei jede Vielzahl von Bits ein binäres Wort definiert. Eine erste analoge Spur ist auf der Oberfläche konzentrisch zu der Achse definiert, wobei eine erste Reihe optisch detektierbarer analoger Markierungen auf der Oberfläche ausgeformt und gleichmäßig in der ersten analogen Spur beabstandet sind. Das binäre Wort in einem Sektor kann optisch gelesen werden, um die Winkelposition dieses Sektors zu definieren und so die ungefähre Winkelposition des Mediums anzuzeigen, während die erste Reihe der analogen Markierungen optisch detektiert werden kann, um die ungefähre Winkelpositionsanzeige zu verbessern und so eine präzisere Winkelposition für das Medium anzugeben.
Die ringförmige digitale Spur kann ein binäres Startsymbol, das auf der digitalen Spur innerhalb jedes Sektors aufgezeichnet ist und einen gemeinsamen Wert in allen Sektoren aufweist, um den Start eines Sektors anzuzeigen, und eine binäre Sektornummer aufweisen, die auf der digitalen Spur innerhalb jedes Sektors aufgezeichnet ist und einen eindeutigen Wert hat, der den Sektor identifiziert, in dem sie aufgezeichnet ist.
Der optische Codierer kann weiterhin eine zweite analoge Spur aufweisen, die auf der Oberfläche konzentrisch zu der Achse definiert ist, wobei eine zweite Reihe von optisch detektierbaren analogen Markierungen auf der Oberfläche ausgeformt und gleichmäßig um die zweite analoge Spur herum beabstandet sind, wobei die Anzahl der Markierungen in der zweiten Reihe gleich der Anzahl der Markierungen in der ersten Reihe ist. Zusätzlich ist jede Markierung innerhalb der zweiten Reihe in einer Umfangsrichtung bezüglich einer entsprechenden Markierung in der ersten Reihe um einen Winkelbetrag verschoben, der gleich einem Achtel des Abstandes der Markierung in der ersten Reihe beträgt. Die zweite Reihe der Markierungen kann optisch zusätzlich zu der ersten Reihe der Markierungen detektiert werden, um die ungefähre Winkelpositionsanzeige zu verbessern.
Die ringförmige digitale Spur kann weiterhin ein binäres Startsymbol, das auf der digitalen Spur innerhalb jedes Sektors aufgezeichnet ist und einen gemeinsamen Wert in allen Sektoren hat, um den Start eines Sektors anzuzeigen, und eine Sektornummer zur Basis 3 aufweisen, die auf der digitalen Spur innerhalb jedes Sektors aufgezeichnet ist und einen eindeutigen Wert hat, der den Sektor identfiziert, in dem sie aufgezeichnet ist, wobei jede Stelle der Sektorzahl mittels ihrer radialen Ausrichtung mit einer Markierung in der ersten analogen Spur oder einer Markierung in der zweiten analogen Spur codiert ist.
Der optische Codierer kann zusätzlich dritte und vierte analoge Spuren aufweisen, die auf der Oberfläche konzentrisch zu der Achse definiert sind, wobei eine dritte Reihe von optisch detektierbaren analogen Markierungen hinsichtlich der ersten Reihe um ein Viertel des Abstands der Markierungen verschoben ist, und eine vierte Reihe der Markierungen um drei Achtel des Abstands der Markierung verschoben ist. Die dritte und vierte Reihe der Markierungen können optisch zusammen mit der ersten und zweiten Reihe der Markierungen gelesen werden, um weiter die ungefähre Winkelpositionsanzeige zu verbessern.
In dieser Ausführungsform kann die ringförmige digitale Spur weiterhin ein binäres Startsymbol, das auf der digitalen Spur innerhalb jedes Sektors aufgezeichnet ist und einen gemeinsamen Wert in allen Sektoren hat, um den Start eines Sektors zu markieren, und eine Sektorzahl zur Basis 5 aufweisen, die auf der digitalen Spur innerhalb jede Sektors aufgezeichnet ist und einen eindeutigen Wert aufweist, der den Sektor identifiziert, in dem es aufgezeichnet ist, wobei jede Ziffer der Sektorzahl mittels ihrer radialen Ausrichtung mit einer Markierung in der ersten analogen Spur, eine Markierung in der zweiten analogen Spur, eine Markierung in der dritten analogen Spur oder eine Markierung in der vierten analogen Spur codiert ist.
Der optische Codierer kann ferner mit einer Lichtquelle zum Beleuchten der Oberfläche entlang eines Radius von der Achse aus versehen sein, wobei der beleuchtete Radius bezüglich der Drehung des Mediums fest ist. Ein digitaler Spursensor mißt den Teil der Beleuchtung, der von den Bits innerhalb der digitalen Spur reflektiert wird, während ein erster analoger Spurdetektor den Teil der Beleuchtung mißt, der von den Markierungen innerhalb der ersten analogen Spur reflektiert wird. Signalverarbeitungs- und Decodiermittel sind zum Konvertieren des Ausgangssignals des digitalen Spursektors in ein binäres Wort und zum Interpolieren der präzisen Winkelposition des Mediums aus dem Ausgangssignal des ersten analogen Spurdetektors vorgesehen.
Der optische Codierer kann ebenfalls eine undurchsichtige Maske aufweisen, die zwischen der Lichtquelle und dem optischen Medium und nahe der Oberfläche des Mediums angeordnet ist, wobei eine digitale Spuröffnung sich in der Maske befindet, um die Beleuchtung einer genauen Fläche der digitalen Spur zu ermöglichen, und eine erste analoge Spuröffnung sich in der Maske befindet, um die Beleuchtung einer präzisen Fläche der ersten analogen Spur zu ermöglichen.
Ein nicht drehender Kopf kann gleitbar mit dem optischen Medium in Eingriff sein. Ein optischer digitaler Spurkollimator ist an dem Lesekopf zum Leiten des Lichts von der Lichtquelle zur digitalen Spur und zum Führen des von der digitalen Spur reflektierten Lichts in den digitalen Spurdetektor befestigt. Ein optischer digitaler Spurkoppler ist zwischen der Lichtquelle, dem optischen digitalen Spurkollimator und dem digitalen Spurdetektor verbunden. Eine optische Faser der digitalen Spur koppelt den optischen digitalen Spurkoppler mit dem optischen digitalen Spurkollimator. Ein erster analoger optischer Spurkollimator ist an dem Lesekopf zum Leiten des Lichts von der Lichtquelle zur ersten analogen Spur und zum Leiten des von der ersten analogen Spur reflektierten Lichts zu dem ersten analogen Spurdetektor befestigt. Ein erster analoger optischer Spurkoppler ist zwischen der Lichtquelle, dem ersten optischen analogen Spurkollimator und dem ersten analogen Spurdetektor verbunden. Eine erste optische Faser der analogen Spur verbindet den ersten analogen optischen Spurkoppler mit dem ersten analogen optischen Spurkollimator.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Figur 1 ist eine Draufsicht einer optischen Codierscheibe, die gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist;
Figur 2 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Codierscheibe der Figur 1, die das Format der digitalen und analogen Spuren auf der Oberfläche der Disk darstellt.
Figur 3 ist ein Diagramm, das schematisch die relativen Positionen der vier analogen Spuren in der fünfspurigen Ausführungsform der in der Figur 1 dargestellten optischen Codierscheibe zeigt.
Figur 4 zeigt schematisch das Startsymbol und die codierte Zahl für die ersten zwanzig oder die letzten zwanzig Sektoren eines beispielhaften Codierschemas zur Basis 5.
Figur 5 zeigt eine Querschnittsseitenansicht eines Codiergeräts, das die in den Figuren 1 bis 2 dargestellte Codierscheibe zeigt.
Figur 6 ist ein schematisches Diagramm des Codiersystems der vorliegenden Erfindung, die das Codiergerät der Figur 5 verkörpert.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Diese Erfindung schafft eine neue Technik zum präzisen Messen einer Winkelposition unter Verwendung eines hybriden optischen Analog-/Digitalcodierers, wobei die Genauigkeit von der Anzahl der verwendeten Spuren abhängt. In der unten diskutierten speziellen Ausführungsform kann beispielsweise eine winkelmäßige Verschiebung auf bis zu 1/1.000; 1/10.000; 1/40.000 oder 1/160.000 einer einzelnen Umdrehung aufgelöst werden. Zusätzliche Verbesserungen in den Auflösungen werden möglich werden, sowie Fortschritte in der Photolithographie, Scheibenherstellung und Laser mit kürzeren Wellenlängen gemacht sind.
Die erfindungsgemäße Lösung verwendet einen neuen Ansatz für die optische Drehpositionscodierung, die Vorteile aus dem existierenden Technologiebereich zieht, der für die Herstellung der Aufzeichnung und Lesen von Compaktdisks entwickelt wurde. Die Technik der Compaktdisk verwendet interferrometrische Reflexion. Daten werden in Compaktdisks durch Einprägen gespeichert, wobei eine Stufe oder Vertiefung in einer Plastikschicht auf der Disk gebildet wird. Die Stufe oder Vertiefung wird zu einer Tiefe ausgebildet, die gleich einem Viertel der Wellenlänge des Lichts ist, das zum Lesen der Disk verwendet wird. Während des Lesens der Daten beleuchtet ein Laserstrahl eine Fläche, die sowohl die Stufe oder Vertiefung als auch eine zusätzliche Fläche darum umfaßt, die gleich derjenigen der Stufe oder Vertiefung ist. Licht, das von der Vertiefung reflektiert wird, wird um 180 º phasenverschoben hinsichtlich des von dem umgebenden Gebiet reflektierten Lichts sein. Die Interferenz zwischen diesen Reflektionen bewirkt, daß die optische Netto-Leistung, die von dieser Fläche der Disk reflektiert wird, nahezu Null ist. Im Gegensatz dazu kann die Abwesenheit einer Vertiefung in einem Bereich, der von dem Detektor beobachtet wird, ein signifikantes optisches Signal ungleich Null erzeugen, da das gesamte reflektierte Licht in Phase sein wird. Informationen können so in einem binären Format auf einer solchen Disk durch das Bestimmen entweder der Anwesenheit oder der Abwesenheit einer Vertiefung als einer binären "1" gespeichert werden, während der andere Zustand als eine binäre "0" bezeichnet wird.
Eine Codierscheibe zur Verwendung in einem optischen Codierer gemäß der vorliegenden Erfindung könnte aus Glas, wie dies konventionellerweise getan wird, hergestellt sein, wobei das Codieren von einer Deckschicht aus Plastik bewerkstelligt wird, in die die Codiervertiefungen von der Mutterscheibe eingeprägt werden. Das Plastik würde dann von einer hochreflektierenden Metallschicht, typischerweise Aluminium oder Gold, bedeckt werden.
Ein kreisförmige Scheibe, die die bekannte Compaktdiskkonstruktion verwendet und einen Radius von ungefähr 3 cm hat, kann zufriedenstellend als ein Positionscodierer verwendet werden, um die notwendige Auflösung zu ergeben. Eine Ausführungsform einer solchen drehbaren Scheibe, die im folgenden als Codierscheibe bezeichnet wird, ist in Draufsicht in Figur 1 als Scheibe 102 gezeigt, die mit einer ringförmigen digitalen Spur 104 an einem Radius r und konzentrisch zur Rotationsachse 106 der Scheibe versehen ist. Eine Anzahl von Winkelsektoren gleicher Größe, wie die von den Linien 108 umrandete Sektorfläche, sind auf der Oberfläche der Scheibe 102 ausgewiesen. Die Scheibe kann beispielsweise in 1.000 derartige Winkelsektoren unterteilt sein. Die Wahl von 1.000 Sektoren basiert auf der Begrenzung, die durch den Radius der Codierscheibe zusammen mit den physikalischen Dimensionen der in der Compaktdisktechnik verwendeten Vertiefungen auferlegt sind. Größere Codierscheiben könnten in mehr Sektoren unterteilt werden, während kleinere Scheiben weniger Unterteilungen benötigen würden. Die Scheibe umfaßt weiterhin ringförmige erste, zweite, dritte und vierte analoge Spuren 110, 112, 114 und 116, die konzentrisch zu der Achse 106 definiert sind.
Figur 2 ist eine vergrößerte Ansicht der Figur 1, die einen Teil des einen Winkelsektors darstellt. Innerhalb der digitalen Spur 104 sind eine Reihe digitaler Bits auf der Oberfläche der Scheibe nacheinanderfolgend entlang der Spur innerhalb jedes Sektors ausgebildet. Jedes derartige Bit ist optisch als eine Binärzahl 1 oder eine Binärzahl lesbar, und jede Reihe der Bits innerhalb eines Sektors definiert ein binäres Wort. In dem dargestellten Sektor sind beispielsweise zehn digitale Bits 120 - 138. Jedes derartige Bit entspricht ebenfalls einer Stufe oder einer Vertiefung, auf die oben Bezug genommen wurde, wobei "dunkle" Bits wie die Bits 120, 124, 130, 132, 134 und 138 Orten entsprechen, in denen Vertiefungen phasenverschobenes Licht erzeugen, das mit von der umgebenden Fläche reflektiertem Licht interferiert, wodurch ein Minimum von reflektierter optischer Energie erzeugt wird. "Helle" Bits, wie beispielsweise die Bits 122, 126, 128 und 136 entsprechen Orten, in denen es keine Vertiefungen gibt, so daß eine maximale Menge optischer Energie von diesen Flächen reflektiert wird. Wie oben erwähnt, könnte der "Sinn eines Bits auch mit gleicher Berechtigung entgegengesetzt sein, wobei die reflektierte optische Energie entweder ein logisches "1"-Bit oder ein logisches "0" Bit anzeigt.
In Figur 2 ist zu bemerken, daß es dort zehn Bits innerhalb des digitalen Wortes gibt, das in dem Sektor enthalten ist. Die ersten beiden Bits 120 und 122 werden als Startsymbol verwendet, wodurch acht Bits übrigbleiben, mit denen Positionsinformation codiert werden kann.
In Abhängigkeit von der Größe der Codierscheibe 102 und anderen Faktoren verläuft eine typische Berechnung einer Sektorengröße wie folgt.
rdδ [r*360*(π/180)]/1000
wobei rdφ die Länge des Sektors und dφ der überstrichene Winkel ist, d.h. 1/1000 von 2π. Mit einem Radius von beispielsweise 3 cm, der gewählt wurde, um eine Winkelauflösung von besser als Eins in 100.000 zu erzielen, würde ein Sektor 188 µm lang sein. Ein digitaler String von zehn Bits, wie im folgenden gezeigt, kann eine absolute Adresse für einen Sektor bis zu einer Auflösung von 1 Teil in 1.000 schaffen. Diese zehn Bits können bequem in dem Zentrum des Winkelsektors untergebracht werden, wobei freier Raum auf beiden Seiten des digitalen Codierungssegmentes zur Wortisolation verbleibt.
Zusätzlich zu der digitalen Spur 104 sind die erste analoge Spur 110 und die zweite analoge Spur 112 in Figur 2 dargestellt. Die erste Spur enthält eine erste Reihe optisch detektierbarer Markierungen, wie beispielsweise die Markierung 142, die gleichmäßig beabstandet in der Spur verteilt sind. In der oben diskutierten Ausführungsform, in der eine Codierscheibe mit einem Radius von 3 cm verwendet wird, gibt es 10.000 derartiger Markierungen 142, die auf der Scheibe in der ersten analogen Spur positioniert sind. In der bevorzugten Ausführungsform haben diese Markierungen einen Mitte-zu-Mitte-Abstand von ungefähr 18,8 µm und eine Breite von ungefähr 4,0 µm, wobei die Dimensionen leicht innerhalb des Bereichs der gegenwärtigen Technik der optischen Compaktdisklithographie liegen.
Die digitale Spur 104 und die erste analoge Spur 110 schaffen inkrementale Positionsinformation relativ zu dem letzten Sektorenwort, das gelesen wurde, zusätzlich zu der Anzeige der Richtung der winkelmäßigen Verschiebung. Eine absolute Position wird daher geschaffen, indem zuerst das digitalen Wort in dem zuletzt gelesenen digitalen Codesegment identifiziert wird, das die Position des entsprechenden Winkelsektors anzeigt. Durch das Zählen der analogen Markierungen in der Spur 110 kann die inkrementale Distanz relativ zu dem Start des Sektors bestimmt werden, um die absolute Position des Codierers abzuleiten. Falls beispiels zehn analoge Markierungen in jedem Sektor verwendet wurden, würde diese Kombination einer digitalen Spur und einer einzelnen analogen Spur eine Genauigkeit von Eins in 10.000 erreichen.
Wie oben erwähnt wurde, sind vier analoge Spuren 110 -116 in der bevorzugten Ausführungsform vorgesehen. Die zweite analoge Spur 112, die ebenfalls in der vergrößerten Ansicht der Figur 2 dargestellt ist, umfaßt eine zweite Reihe von Markierungen, wie beispielsweise die Markierung 144, die gleichmäßig beabstandet in der Spur angeordnet sind. Die Anzahl der Markierungen in der zweiten Reihe ist gleich derjenigen in der ersten Reihe. Weiterhin sind die Markierungen in der zweiten Reihe in einer Umfangsrichtung hinsichtlich der entsprechenden Markierung in der ersten Reihe um einen Winkelbetrag gleich einem Achtel des Abstands der Markierung in der ersten Reihe versetzt. In ähnlicher Weise enthalten die dritten und vierten analogen Spuren 114 und 116 eine dritte und eine vierte Reihe von Markierungen, von denen jede ebenfalls die gleiche Anzahl der Markierungen wie die erste Serie umfaßt. Die Markierungen in der dritte Serie sind jedoch in einer Umfangsrichtung bezüglich einer entsprechenden Markierung in der ersten Reihe um einen Winkelbetrag gleich einem Viertel des Abstands der Markierungen in der ersten Reihe versetzt, während die Markierungen in der vierten Reihe in einer Umfangsrichtung bezüglich einer entsprechenden Markierung in der ersten Reihe um einen Winkelbetrag gleich drei Achteln des Abstands der Markierungen in der ersten Reihe versetzt sind. Figur 3 ist ein Diagramm, das schematisch die relativen Positionen der Markierungen in den vier analogen Spuren 110, 112, 114 und 116 in der fünfspurigen Ausführungsform der in der Figur 1 dargestellten optischen Kodierscheibe zeigt, wobei Markierungen 142, 144, 143 und 145 der entsprechenden Spuren 110, 112, 114 und 116 dargestellt sind.
Eine spezielle Ausführungsform der ersten digitalen Spur umfaßt eine Implementation unter Verwendung eines Zahlensystems zur Basis 5, um die absolute Position und die Richtung der Drehung der Scheibe anzuzeigen. Das Startsignal und die codierte Zahl für die ersten 20 und die letzten 20 Sektoren eines beispielhaften Codierungsschemas zur Basis 5 sind schematisch in der Figur 4 dargestellt. Die Technik zu dieser Durchführung benötigt zwei oder mehrere Spuren von Daten, d.h. eine digitale Spur und eine oder mehrere analoge Spuren, wobei N Spuren die Verwendung eines Zahlensystems zur Basis N impliziert. Die absoluten Positionsdaten müssen für beide Drehrichtungen lesbar sein und müssen ein eindeutiges "Startsymbol" enthalten, um fehlerfrei den Startpunkt der auf der digitalen Spur in jedem Sektor aufgezeichneten digitalen Information zu bestimmen.
Wenn eine Gesamtzahl von fünf Spuren verwendet werden, werden 1.000 eindeutige Zahlen (Positionen) in einer gleichen Anzahl von Sektoren auf der Scheibe kodiert. Die eindeutigen Zahlen werden schließlich zur Basis 2 übersetzt, wobei zehn Bits benötigt werden, um zwischen 1.000 Zahlen zu unterscheiden. Ein "Startsymbol" wird an dem Beginn jeder Zahl benötigt, um eindeutig ihre Positionen zu bestimmen. Das Startsymbol muß beim vorwärts oder rückwärts lesen eindeutig sein und muß an jeder 1/1.000 Umdrehung in einer beispielhaften Ausführungsform angeordnet sein. Die Verwendung der CD-Technologie verlangt gewisse Randbedingungen. Da eine Vertiefung einer Viertelwellenlänge verwendet wird, um die Hälfte der Punktgröße gegenphasig zurückzusenden, was in einer optischen Null resultiert, müssen alle Markierungen die gleiche Breite haben, obwohl der Abstand zwischen den Markierungen variieren kann. Wegen der Größenrandbedingungen, die die Anzahl der Markierungen limitieren, die innerhalb jedes Sektors in der digitalen Spur angeordnet werden können, kann ferner ein striktes binäres Codierschema nicht möglich sein. Um daher die Daten effizienter zu komprimieren und die Decodierelektronik zu vereinfachen, wird daher ein Zahlensystem zur Basis 5 verwendet. Das Symbol "0" wird durch eine fehlende Markierung wiedergegeben, das Symbol "1" durch eine Markierung, die mit den Markierungen in der ersten analogen Spur ausgerichtet ist (dargestellt in der Figur 4 als ein kreuzweise schraffiertes Rechteck innerhalb der linksten Position innerhalb einer Zifferspalte), "2" durch eine Markierung, die mit den Markierungen in der zweiten analogen Spur ausgerichtet ist (in Figur 4 ein Rechteck, das um eine Position nach rechts innerhalb einer Ziffernspalte hinsichtlich der Position des "1"-Symbols verschoben ist), "3" durch eine Markierung, die mit den Markierungen der dritten analogen Spur ausgerichtet ist (in Figur 4 ein Rechteck, das in zwei Positionen nach rechts innerhalb einer Ziffernspalte hinsichtlich der Position des "1"-Symbols verschoben ist), und "4" durch eine Markierung, die mit der Markierung in der vierten analogen Spur ausgerichtet ist (in Figur 4 ein Rechteck, das um drei Positionen nach rechts innerhalb einer Zifferspalte hinsichtlich der Position eines "1"-Symbols verschoben ist).
Die Sequenz "11" (in der Figur 4 dargestellt in jeder Sektorspalte durch die linken zwei kreuzweise schraffierten rechteckigen Markierungen) ist als Startsymbol ausgewählt. Sieben der verbleibenden Markierungen zur Basis 5 in jedem Sektor werden dann verwendet, um 1.000 eindeutige Zahlen zu codieren. Jedoch legt die CD-Technologie eine zusätzliche Randbedingung auf, die es keinen zwei Markierungen erlaubt, daß sie näher als der Minimumabstand zueinander angeordnet sind. Dies verhindert beispielsweise, daß eine "5" von einer "1" gefolgt wird (es gibt einigen Spielraum in dieser Begrenzung in Abhängigkeit von der Länge, die für jede Markierung gewählt wurde und der Anzahl der verwendeten Spuren, da der Abstand zwischen den Markierungen zunimmt, wenn die Spuren in radialer Richtung weiter entfernt von dem Zentrum des Codierers angeordnet sind). Ferner darf das Startsymbol "11" niemals in irgendeiner Zahl auftreten, um Verwechslung mit dem Startsymbol zu vermeiden. Unter der Annahme einer konservativen Randbedingung, daß keinem der Symbole in der Menge {1, 2, 3, 4} eine kleinere Ziffer außer der Null folgen darf, bleiben 1.954 Zahlen übrig, die in den sieben Ziffern zur Basis 5 dargestellt werden können. In dieser Implementation kann eine Gruppe von Addierern und ein EPROM verwendet werden, um die Zahlen zur Basis 5 in eine binäre Zahl (Basis 2) zu konvertieren, wie dies von dem Fachmann einfach verstanden wird.
Eine Menge von Zahlen für eine spezielle Ausführungsform dieses Codierschemas, wie dies durch das Codieren für die ersten 20 und letzten 20 Sektoren in der Figur 3 dargestellt ist, kann von dem Fachmann unter Verwendung der oben diskutierten Anforderung und Begrenzungen einfach erzeugt werden.
Wenn die von der zweiten analogen Spur erhältliche Information mit derjenigen der digitalen Spur und der ersten analogen Spur kombiniert wird, wird die erreichbare Auflösung in der beispielhaften Ausführungsform verdoppelt in ein Teil aus 20.000. Ferner, da die zwei Reihen der Markierung 142 und 144 in den zwei analogen Spuren um 90 º gegenphasig sind, kann eine Quadraturinterpolation verwendet werden, um weiterhin die Auflösung auf Eins in 40.000 zu erhöhen. Eine derartige Quadraturinterpolation benötigt nur vier zusätzliche Genauigkeitsbits und ist daher unter Verwendung eines gewöhnlichen Mikroprozessors oder Logikschaltkreises einfach realisierbar.
Mit der Addition der dritten und vierten analogen Spuren 114 und 116 ist eine Markierung für jede 45 Phasenänderung in der analogen Reihe vorgesehen. Dies ist äquivalent (in einer Ausführungsform, die 10 Markierungen pro analoger Spur pro Sektor hat) zum Schaffen von 40 analogen Markierungen pro Winkelsektor. Die Rohauflösung mit der von der Verwendung der vier analogen Spuren 110 - 116 bereitgestellten zusätzlichen Information wird erhöht auf ein Teil in 40.000. Wiederum kann eine digitale Interpolation der Rohinformation durchgeführt werden, um einen Multiplikationsfaktor von vier zu ergeben, was in einer Genauigkeit in der beispielhaften Ausführungsform in einem Teil in 160.000 resultiert.
Jede der Spuren, nämlich die digitale Spur 104 und die vier analogen Spuren 110 - 116, benötigen einen Kanal für die optische Adressierung. Die mit den vier analogen Spuren verbundenen optischen Kanäle benötigen im wesentlichen nur vier zusätzliche Bits für die endgültige Genauigkeitszahl. Das Codieren wird daher mit einer Spur, der digitalen Spur 104, für eine absolute digitale Auflösung von 1.000 Teilen pro Umdrehung durchgeführt, während eine, zwei oder vier analoge Spuren die inkrementale Positionsinformation relativ zur letzten Sektorposition bereitstellen und eine digitale Interpolation der vier Bits für die analogen Spuren schaffen die endgültige Auflösungsstärke.
Innerhalb der industriellen Umgebung, in der Codierer oft arbeiten müssen, gibt es mehrere praktische Probleme, die angesprochen werden müssen. Typischerweise wird das Drehglied, auf dem die Codierscheibe befestigt ist, nicht konsistent innerhalb einer einzigen Ebene rotieren. Derartige Abweichungen von der Drehung in der Ebene sind als "Wobblen" bekannt, das mit der Möglichkeit des konsistenten und genauen Lesens der Codierscheibein Konflikt gerät. Wobble kann sich aufgrund einer Vielzahl von Gründen entwickeln, wie beispielsweise Temperaturänderungen in der Maschine, die die Codierscheibe antreibt, oder eine Verschlechterung der Befestigung zwischen der Codierscheibe und der Vorrichtung, deren Winkelposition gemessen werden soll. Wenn erhöhte Temperaturen in der zu messenden Maschinerie präsent sind, kann die Hitze ferner die mit den üblicherweise erhältlichen Codierern verbundene Elektronik herabsetzen. Wärmebeschädigung ist insbesondere wahrscheinlich, wenn ein metallischer Drehschaft verwendet wird, um die winkelmäßige Verschiebung an die Codiervorrichtung zu übertragen, da der Metallschaft einen effizienten Wärmeleiter bildet.
In Übereinstimmung mit der Vorrichtung und dem Verfahren der vorliegenden Erfindung können diese Begrenzungen, die von dem Wobble und der Wärmeempfindlichkeit herstammen, von der Codierfunktion verbessert oder ausgeschlossen werden. Figur 5 ist eine Querschnittsansicht einer Codiereinheit unter Verwendung der Codierscheibe der Figuren 1 und 2. Hier sind erste und zweite ringförmige Beschichtungen 146 und 148 niedriger Reibung auf die Oberfläche der Codierscheibe 102 aufgebracht worden. Ein Gehäuse 150 umschließt den Codierer und schafft die Struktur, die notwendig ist, um eine winkelmäßige Verschiebung trotz Wobble und trotz einer thermisch rauhen Betriebsumgebung bestimmen zu können. Das Gehäuse 150 enthält an einem Ende eine Öffnung zum drehbaren Einführen eines Codierschafts 152 in das Innere. Der Codierschaft ist an der Codierscheibe 102 befestigt, so daß sowohl der Codierschaft also auch die Codierscheibe sich zusammen drehen.
Gegenüber der Codierscheibe 102 ist eine Lesekopfscheibe 154. Die Lesekopfscheibe 154 trägt ein Paar Kufen 156 und 158, die vorzugsweise aus einem Fluorkohlenstoffmaterial hergestellt oder mit einer Fluorkohlenstoffbeschichtung wie Teflon beschichtet sind. Die Kufe 156 ist gleichmäßig gegenüber der Beschichtung 146 niedriger Reibung angeordnet, während die Kufe 158 gleichmäßig gegenüber der Beschichtung 148 niedriger Reibung angeordnet ist. Die Lesekopfscheibe 154 ist an einem Schaft 160 befestigt. Ein Deckel 162 ist fest an das Gehäuse 150 angebracht und ist von dem Gehäuse entfembar, um einen Service- und Wartungszugang zu schaffen. Die Innenseite der Abdeckung 162 ist teilweise mit einem Füllmaterial 164 bepackt, das dazu dient, eine zusätzliche Stütze für den Schaft 160 zu bilden. Der Schaft 160 ist fest mit der Abdeckung 162 und der Lesekopfscheibe 154 verbunden, um eine Drehung der Lesekopfscheibe zu verhindern.
Eine Kompressionsfeder 166 umfaßt den Schaft 160 zwischen dem Füllmaterial 164 und der Lesekopfscheibe 154, um die Lesekopfscheibe hin zu der Codierscheibe 102 zu drücken. Dieses Vorspannen der Lesekopfscheibe bringt die Kufen 156 und 158 in direktem Gleitkontakt mit den Beschichtungen 146 und 148 niedriger Reibung auf der Codierscheibe. Alternativ könnte der Lesekopf auf der Rückseite der Codierscheibe montiert werden, um das Design zu vereinfachen. Zusätzlich kann die Form der Markierungen in der digitalen und den analogen Spuren so gewäht werden, daß sie die Empfindlichkeit des Systems gegenüber in der Ebene liegendem Wobble der Codierscheibe minimiert.
Eine Reihe erster kollimierender Transferoptiken 168, 170, 171, 174 und 176 sind in der Lesekopfscheibe 154 angeordnet. Diese Elemente sind ein Feld optischer Fasern mit geeigneten Fokussieroptiken oder alternativ eine Serie von Linsenstangen mit Gradientenindex (GRIN) . Jeder der ersten kollimierenden Transferoptiken ist über eine einzelne Spur der Codierscheibe 102 positioniert. In der Abdeckung 162 und gegenüberliegend der ersten kollimierenden Transferoptiken ist eine Gruppe von zweiten kollimierenden Transferoptiken 178, 180, 182, 184 und 186 innerhalb des Füllmaterials 164 montiert. Jedes Element in den zweiten kollimierenden Transferoptiken ist mit einem entsprechenden Element in der Reihe der ersten kollimierenden Transferoptiken ausgerichtet. Eine Reihe von fünf optischen Fasern 188, 190, 192, 194 und 196 erstreckt sich von einem entfernten Punkt in bezug auf die drehende Codiereinheit, um sich mit entsprechenden Elementen in der zweiten Reihe der kollimierenden Transferoptiken zu verbinden. Auf diese Weise wird ein einziger optischer Kanal oder Verbindung zwischen jeder Faser in der Gruppe der optischen Fasern 188 - 196 hergestellt, und so zu jedem der fünf Spuren der Codierscheibe 102, nämlich der digitalen Spur 104 und den vier analggen Spuren 110, 112, 114 und 116. Es kann wünschenswert sein, eine undurchlässige Maske 234 anzuordnen, die nahe der Oberfläche der Codierscheibe positioniert ist. Diese Maske enthält Öffnungen, die die Beleuchtung einer präzisen Fläche der digitalen Spur und der analogen Spuren erlaubt, um einen effektiveren interferometrischen Effekt beim Lesen der dunklen Bits zu gewährleisten.
Zu bemerken ist die Kombination der Spielräume zwischen der Lesekopfscheibe 154 und dem Füllmaterial 164. Die mechanische Konstruktion der rotierenden Codiereinheit 150 ermöglicht es der Lesekopfscheibe der Codierscheibe in dem Fall zu folgen, in dem die Codierscheibe ein Wobble entwickelt. Die begrenzte Unterstützung, die die Lesekopfscheibe nahe ihrer konzentrischen Mitte erhält, ermöglicht es, daß beliebige derartige Wobble-Kräfte effektiv in eine Folgebewegung transmittiert werden. Wie von dem Fachmann gewürdigt werden wird, werden die Lesekopfscheibe 154 und ihre damit verbundenen kollimierenden Optiken 186 - 176 nicht benötigt werden, falls die Breite des Felds der optischen Elemente 178 - 186 ausreichend groß ist. Mehr noch, falls die optischen Fasern 188 - 196 in naher Umgebung zur Codierscheibe 102 gehalten werden können, werden keine fokussierenden optischen Elemente benötigt werden. In der letzteren Implementation wird jedoch eine präzise Ausrichtung benötigt. Diese Ausrichtung kann beispielsweise durch geätzte Nuten in einem Silizium oder anderem Substrat sein, was durch chemisches oder mechanisches Linieren oder Fräsen erreicht werden kann.
Bezugnehmend auf die Figur 6 wird ein schematisches Diagramm des hybriden digital-analogen Systems der vorliegenden Erfindung einschließlich der drehenden Codiereinheit der Figur 5 dargestellt. Die Gruppe der in der Figur 5 dargestellten optischen Fasern 188 - 196 erstreckt sich von der Drehcodiereinheit 150 zu einer Reihe von faseroptischen Kopplern 198, 200, 202, 204 und 206. Diese faseroptischen Koppler sind typischerweise dreitorige Vorrichtungen, die es ermöglichen, daß Licht, das in ein erstes Tor eingeführt wird, aus einem zweiten Tor transmittiert. Licht, das zu dem zweiten Tor zurückkehrt, wird zu einem dritten Tor umdirigiert. Auf diese Weise kann ein Laser oder eine andere Lichtquelle an dem ersten Tor eingeführt werden, um durch das zweite Tor zu einer Außenstelle (remote location) dirigiert zu werden. Licht, das zu dem zweiten Tor zurückkehrt, wird zu dem dritten Tor anstelle zur Quelle zurück dirigiert, um besser das zurückkehrende Licht ohne Interferenz von der Quelle zu messen und detektieren zu können.
Daher sind die ersten Tore der faseroptischen Koppler mit einer Lichtquelle in der Form einer Lasers 208 verbunden. Ein Fächerungs- oder Dispersionskoppler 210 wird eingesetzt, um Licht von dem Laser in jedes der ersten Tore der faseroptischen Koppler 198-206 zu koppeln. Auf diese Weise wird ein einzelner Laser konfiguriert, um Licht in der gleichen Weise zuzuführen, wie dies fünf separate Laser tun würden. Der Fachmann ist es klar, daß ein optischer Isolator notwendig sein kann, um eine Rückkopplung in den Laser 208 und die resultierende Instabilität des Signalpegels zu verhindern. Eine lichtemittierende Diode oder andere inkohärente Lichtquelle würde keinen Isolator benötigen.
Jedes der drei Tore der faseroptischen Koppler sind individuell mit einer Reihe photoempfindlicher Detektoren 212, 214, 216, 218 und 220 mittels einer Reihe optischer Fasern 222, 224, 226, 228 und 230 gekoppelt. Die Detektoren konvertieren die optischen Signale von den zweiten Toren der faseroptischen Koppler in elektrische Signale. Eine elektrische Signalverarbeitungs- und Decodiervorrichtung 232 ist elektrisch mit den Detektoren 212 - 220 verbunden. Die Signalverarbeitungs- und Decodiervorrichtung ist üblicherweise ein Computer, ein Microprozessor oder eine digitale Logik, die zum Lesen, Interpretieren und Ausgeben der digitalen Signale programmiert ist, die er (sie) von den Detektoren empfangen hat. Die zweiten Tore der faseroptischen Koppler 198 - 206 sind mit den optischen Fasern 188 - 196 sowohl zum Transmittieren des Lichts zu der drehenden Codiereinheit 150 und zum Empfangen der digitalen Signale von ihr verbunden.
Die optische Kopplung könnte ebenfalls mit einer alternativen Ausführung durchgeführt werden, die es ermöglicht den dreitorigen faseroptischen Koppler zu eliminieren und das Laserlicht durch separate Beleuchtungsfasern zu der Codiereinheit zu leiten. Das von der Scheibe reflektierte Licht wird in diesem Entwurf durch eine Gruppe von Sammelfasern gesammelt, die direkt mit den Detektoren jeder Spur verbunden sind. In Abhängigkeit von der Anwendung und der gewünschten Länge der Fasern könnte dieser Ansatz eine Option niedrigerer Kosten durch die Elimination der faseroptischen Koppler schaffen.
Unter Bezug auf die Figuren 4 und 5 wird der hochauflösende optische hybride Digital/Analogpositionscodierer gemäß der vorliegenden Erfindung wie folgt betrieben. Licht des Lasers 208 wird in die faseroptischen Koppler 198 - 206 geleitet. Dieses Licht läuft von den zweiten Toren der optischen Koppler entlang der optischen Fasern 188 - 196 und in die zweiten kollimierenden Transferoptiken 178 - 168, in der die Querschnittsfläche, in der das Licht sich fortpflanzt, etwas vergrößert ist. Diese Vergrößerung der Querschnittsfläche erleichtert die Transmission und verringert die Verluste des Lichts während seines Laufs zwischen den ersten kollimierenden Transferoptiken 168 - 176 und den zweiten kollimierenden Transferoptiken 178 - 186. Eine vergrößerte Querschnittsfläche des Lichts in diesem Spalt dient dazu, den Lichtverlust durch eine beliebige Fehlausrichtung zwischen den ersten und zweiten kollimierenden Transferoptiken aufgrund der Verschiebung der Lesekopfscheibe zu verringern. Die optischen Fasern 188 - 196 sollten vorzugsweise Single-Mode-Fasern sein, um den von der Reflektion des Lichts von den Vertiefungen und der umgebenden Oberfläche bewirkten interferrometrischen Effekt aufrecht zu erhalten. Multimodefasern werden das Interferenzsignal über die Länge der Fasern verzerren und verschlechtern.
Das Licht verläuft quer zu dem Spalt und in die ersten kollimierenden Transferoptiken 186 - 176, von wo es zum Fokussieren auf die spezielle Spur der Codierscheibe positioniert wird, mit der es assoziiert ist. Daher enthalten die ersten kollimierenden Transferoptiken Fokussieroptiken auf der Seite gegenüber der Codierscheibe, um effizient Licht auf die Codierscheibe zu richten und das reflektierte Licht zu sammeln. Die zweiten kollimierenden Transferoptiken dienen zur Anpassung an die numerische Apertur der Gruppe der optischen Fasern 188 - 196. Die ersten kollimierenden Transferoptiken 168 - 176 dienen sowohl dazu, die nach unten laufenden Eingangsstrahlen auf die Codierscheibe zu fokussieren und die von der Oberfläche der Codierscheibe reflektierten Strahlen zu sammeln. Die Größe des Fokuspunktes auf der Codierscheibe muß mit Toleranz gegenüber Fluktuationen in der Position der Codierscheibe hinsichtlich der Lesekopfscheibe und lateraler Toleranz gegenüber zirkularen Verschiebungen aufgrund von Wobble gewählt werden.
Die Fokussierfunktion könnte ebenfalls durch miniaturisierte binäre optische Linsen, durch "Linsenaufbringen" auf das Ende der Stäbe oder durch die Verwendung von Gradientindexlinsen (GRIN) mit korrektem Abstand bewerkstelligt werden, um Licht auf die Codierscheibe zu fokussieren und die reflektierten Signale zu sammeln. Der letztere Ansatz ist robuster bezüglich Ausrichtungstoleranzen zum Sammeln des von der Codierscheibe reflektierten Lichts und sorgt für die Kommunikation eines vergrößerten kollimierten Strahles zwischen der Lesekopfscheibe und beliebigen derartigen GRIN-Linsen in der ersten kollimierenden Transferoptik.
Während der Detektion der Winkelverschiebung dreht sich der Codierschaft 152 zusammen mit dem Mechanismus, mit der er verbunden ist, wobei ebenfalls die Codierscheibe 102 gedreht wird. Reflektionen der Codierscheibe treten in der im vorangegangenen beschriebenen Weise für dunkle Bits, helle Bits und analoge Markierungen auf der Codierscheibe auf. Da der Schreiblesekopf 154 gleitend in Eingriff mit der Codierscheibe ist, bewirkt ein beliebiges Wobblen der Codierscheibe ebenfalls ein kongruentes Wobblen der Lesekopfscheibe. Selbst wenn kongruentes Wobblen auftritt, sichert der enge Kontakt der Lesekopfscheibe gegen die Codierscheibe die Gleichmäßigkeit des Abstandes zwischen der Codierscheibe und der ersten kollimierenden Transferoptik 186 - 176. Die Gleichförmigkeit dieses Spalts stellt sicher, daß die kollimierende Transferoptik ihren Fokus auf jeder entsprechenden Spur der Codierscheibe beibehalten wird.
Von jeder der Spuren auf der Oberfläche der Codierscheibe reflektiertes Licht wird in das damit verbundene Element der ersten kollimierenden Transferoptik transmittiert und daher in die zweite kollimierende Transferoptik 178 - 186. Licht von der zweiten kollimierenden Transferoptik wird impedanzmäßig an die optischen Fasern 188 - 196 angepaßt. Wiederum wird die Information einer Spur getrennt von der Information in den anderen Spuren gehalten, während jede Informationsspur in die damit verbundene einzelne optische Faser geleitet wird. Licht, das durch die optischen Fasern läuft, wird von den zweiten zu den dritten Toren der Koppler 198 - 206 und in die Detektoren 212 - 220 gerichtet, in denen die optischen Signale in digitale elektrische Signale konvertiert werden. Die digitalen elektrischen Signale werden dann in die Signalverarbeitungs- und Decodiervorrichtung 232 für die weitere Bearbeitung geleitet. Die Signalverarbeitungs- und Decodiervorrichtung muß nicht eine Vorrichtung mit einer ungewöhnlich hohen Geschwindigkeit sein. Falls beispielsweise eine maximale Umdrehungsgeschwindigkeit von 2.500 Umdrehungen pro Minute oder 42 Umdrehungen pro Sekunde angenommen wird, beträgt die maximale Bitabtastrate, die zum Lesen der analogen Spuren 110 - 116 an der untersten Nyquist-Rate benötigt wird:
2 * 42 Um/s * 10 Bis/Sektor * 1000 Sektoren = 840 kbits/s 2)
Diese Datenrate stellt eine sehr konservative Taktrate für kommerziell erhältliche Computersysteme dar. Das Komprimieren dieser Bits der digitalen Spur 104 in einen Abschnitt des digitalen Codiersegments, anstelle einer gleichmäßigen Verteilung in jedem Winkelsektor, zum räumlichen Isolieren der Wörter würde leicht die benötigte Rate auf die Größenordnung von ungefähr 1 MHz erhöhen.
Es ist klar, daß die individuellen optischer Fasern 188 - 196 und die individuellen faseroptischen Koppler 188 - 206 durch eine einzelne Faser ersetzt werden können, die zusammen mit einer Reihe von wellenlängenteilenden Multiplexkopplern verwendet wird. Die Verwendung der wellenlängenteilenden Multiplexkopplern würde voraussetzen, daß jede Spur der Codierscheibe auf einer separaten Wellenlänge arbeitet. Dies würde das Design etwas komplizieren, aber würde die Verwendung einer einzigen Faser anstelle der Vielzahl von optischen Fasern erleichtern.
Die bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung ist im vorangegangen dargestellt und beschrieben worden. Modifikationen und zusätzliche Ausführungsformen sind jedoch zweifelsfrei dem Fachmann gegenwärtig. Änderungen beispielsweise der Materialien, der Orientierung, des Herstellungsverfahrens und anderer Kennlinien und Designparameter werden als innerhalb des Rahmens der beanspruchten Erfindung liegend betrachtet. Ferner können aquivalente Elemente anstelle der hier dargestellten und beschriebenen substituiert werden, Teile oder Verbindungen können umgekehrt oder in anderer Weise ausgetauscht werden und bestimmte Merkmale der Erfindung können unabhängig von anderen Merkmalen verwendet werden. Beispielsweise kann die digitale Spurcodiertechnik ebenfalls dort angewendet werden, wo eine verschiedene Anzahl von analogen Spuren eingesetzt werden. Von speziellem Interesse sind der Falle zweier Spuren, wo das Verfahren ein wenig modifiziert wird, und dreier Spuren, wo konventionelle Quadraturdaten gleichzeitig implementiert werden können. Durch das Minimieren der Anzahl der Spuren ergeben sich Kostenersparnisse, während die Leistungsfähigkeit durch die Erhöhung der Anzahl der Spuren verbessert wird. In der dreispurigen Implementation sind die zwei inneren Spuren konventionell mit einer Standard 90 º-Quadratur. Die äußere Spur in einer derartigen Ausführungsform kann eine Numerierung zur Basis 3 verwenden, die identisch zu derjenigen implementiert ist, die in dem Fall mit fünf Spuren beschrieben wurde, aber mit einer höheren Packdichte höher als diejenige, die bei einem binären oder Grey-Code- Schema erreicht werden würde. Die Verwendung zweier Spuren stellt eine wesentliche Kostenreduzierung dar. In diesem Falle reduziert sich das Codierschema auf die Basis 2 und es gibt kein Startsymbol. In dieser Implementation jedoch ist keine Quadratur erhältlich, um die Richtung zu bestimmen. Eine leichte Modifikation dieses Schemas kann eine adäquate Leistungsfähigkeit schaffen. Das Startsymbol kann als eine Spur codiert werden, die in Phase mit der inkrementalen Spur ist. Alle anderen Bits werden dann mit einem 90 ºPhasenverschiebung bezüglich der inkrementalen Spur codiert. Das Design wird es erlauben, die Richtung, in der die Codierscheibe sich dreht, aufgrund einer beliebigen Ziffer außer dem Startsymbol zu bestimmen, wobei nur zwei Bits in der Datenspur verlorengehen. Daher sollten die beispielhaften Ausführungsformen als darstellend anstelle abschließend betrachtet werden, während die nachfolgenden Ansprüche mehr den vollen Rahmen der Erfindung anzeigen.

Claims

1. Optischer Codierer zum Messen einer Winkelposition, der aufweist:

ein drehbares optisches Medium (102) mit einer Hauptoberfläche und einer Drehachse (106) senkrecht zu der Oberfläche, wobei eine Vielzahl von Winkelsektoren (108) gleicher Größe auf der Oberfläche definiert sind;

eine auf der Oberfläche konzentrisch zur Achse definierten ringförmigen digitalen Spur (104);

eine Vielzahl von digitalen Bits (120), die auf der Oberfläche nacheinanderfolgend entlang der digitalen Spur innerhalb jedes Sektors ausgebildet sind, wobei ein derartiges Bit optisch als eine binäre 1 oder eine binäre lesbar ist und jede derartige Vielzahl von Bits ein binäres Wort einschließlich eines Startsymbols zum Anzeigen eines Startpunktes für das binäre Wort definiert;

N ringförmige analoge Spuren (110), die auf der Oberfläche konzentrisch zur Achse definiert sind, wobei N eine ganze Zahl gleich oder größer als 2 ist; und

N Reihen optisch detektierbarer analoger Markierungen (142), die auf der Oberfläche ausgebildet sind, wobei die Markierungen in jeder Reihe gleichmäßig entlang der entsprechenden analogen Spur beabstandet sind, die Anzahl der Markierungen in jeder Reihe gleich ist und sie in einer Umfangsrichtung hinsichtlich der entsprechenden Markierung in einer benachbarten Reihe um einen Winkelbetrag versetzt sind, der gleich einem Teil des Abstandes der Markierung in der benachbarten Reihe ist;

wobei jede der Ziffern jedes binären Worts mit den Markierungen in einer der analogen Spuren ausgerichtet ist, um den von den Ziffern dargestellten Wert anzuzeigen, und das binäre Wort eines Sektors optisch gelesen werden kann, um die Winkelposition dieses Sektors zu identifizieren und so die ungefähre Winkelposition des Mediums anzuzeigen, und wobei die N Reihen der analogen Markierungen optisch detektiert werden können, um die ungefähre Winkelpositionsanzeige zu verbessern und so eine präzisere Winkelposition des Mediums anzuzeigen.

2. Verfahren zum Messen einer Winkelposition, das die folgenden Schritte aufweist:

Bereitstellen eines drehbaren optischen Mediums (102), das eine Hauptoberfläche und eine Drehachse (106) senkrecht zur Oberfläche hat;

Definieren einer Vielzahl von Winkelsektoren (108) gleicher Größe auf der Oberfläche;

Definieren einer ringförmigen digitalen Spur (104), die auf der Oberfläche konzentrisch zur Achse definiert ist;

Bilden einer Vielzahl von digitalen Bits (120) auf der Oberfläche in Reihe entlang der digitalen Spur innerhalb jedes Sektors, wobei jedes derartige Bit optisch als eine binäre 1 oder eine binäre 0 lesbar ist, jede der Vielzahl der Bits ein binäres Wort einschließlich eines Startsymbols zum Anzeigen eines Startpunkts für das binäre Wort definieren;

Definieren N ringförmiger analoger Spuren (110) auf der Oberfläche konzentrisch zu der Achse, wobei N eine ganze Zahl größer gleich 2 ist;

Bilden N Reihen optisch detektierbarer analoger Markierungen (142) auf der Oberfläche, wobei die Markierungen in jeder Reihe gleichmäßig um die entsprechende analoge Spur beabstandet sind, die Anzahl der Markierungen in jeder Reihe gleich ist und sie in eine Umfangsrichtung in bezug zu entsprechenden Markierungen in einer benachbarten Reihe um einen Winkelbetrag gleich einem Bruchteil des Abstandes der Markierungen in der benachbarten Reihe versetzt sind;

Optisches Lesen des binären Wortes in einem Sektor zum Identifizieren der Winkelposition des Sektors, um so die ungefähre Winkelposition des Mediums anzuzeigen, wobei jede Ziffer jedes binären Worts mit den Markierungen in einer der analogen Spuren ausgerichtet ist, um den durch die Ziffern dargestellten Wert anzuzeigen; und

Optisches Detektieren der N Reihen der analogen Spuren zum Verbessern der ungefähren Winkelpositionsanzeige und um so eine präzisere Winkelposition des Mediums anzuzeigen.