ES2213689T3 - Disco codificado para un dispositivo optoelectronico para medir desplazamientos o angulos. - Google Patents
Disco codificado para un dispositivo optoelectronico para medir desplazamientos o angulos.Info
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Abstract
Dispositivo de medida de ángulo o de recorrido optoelectrónico compuesto por un disco codificador (1) y un dispositivo de sensores fotosensibles (2) dispuesto en posición fija, con un número de convertidores fotoeléctricos (W) situados uno junto al otro en dirección perpendicular al recorrido longitudinal de la codificación (3) y de un dispositivo de iluminación para la reproducción óptica de la codificación (3) del disco codificador (1) sobre la superficie fotosensible del dispositivo sensor (2), comprendiendo el disco codificador (1) como código, un código digital (3) así como una pista codificada analógicamente consistente en un número de segmentos de código (7, 7¿) contiguos alineados en la dirección de la trayectoria de medida y de anchura variable, y el dispositivo de sensores (2) está destinado a explorar la anchura de la pista codificada analógicamente por la iluminación de muchos convertidores (W) distintos, caracterizado por que la pista codificada analógicamente es parte de una pista de código de referencia (4) realizada simétrica respecto a su línea media, y cuyos segmentos de código (7, 7¿) alineados definen una pista de código analógica sin discontinuidades, y cuyos segmentos de código (7, 7¿) tienen una longitud de código que corresponde por lo menos al menor paso de resolución (A) de la codificación digital (3), y donde la configuración de un tal segmento de código (7, 7¿) y el poder de resolución del dispositivo de sensores (2) están armonizadas entre sí, de forma que el movimiento del disco codificador (1) es resoluble sobre la longitud menor de un segmento de código (7, 7¿) en por lo menos dos pasos definidos.
Description
Disco codificado para un dispositivo
optoelectrónico para medir desplazamientos o ángulos.
La invención se refiere a un dispositivo
optoelectrónico para la medición de ángulo o de recorrido, compuesto
por un disco codificador y por un dispositivo de sensores
fotosensibles dispuesto en posición fija, con un número de
convertidores fotoeléctricos situados uno junto al otro en dirección
perpendicular al recorrido longitudinal de la codificación y de un
dispositivo de iluminación para la reproducción óptica de la
codificación del disco codificador sobre la superficie fotosensible
del dispositivo sensor, comprendiendo el disco codificador como
código, un código digital así como una pista codificada
analógicamente consistente en un número de segmentos de código
contiguos alineados en al dirección de la trayectoria de medida.
Los dispositivos de medida de recorrido y de
ángulo son utilizados con frecuencia para el posicionamiento
automático y la medición en máquinas herramientas y en equipos de
medición por coordenadas. Los sensores de ángulo de giro se utilizan
por ejemplo en el ramo de la automoción para determinar la posición
angular absoluta del volante y por esta razón se les conoce como
sensores de ángulo de volante. El ángulo de volante se necesita en
vehículos automóviles para interaccionar con un sistema regulador de
la dinámica de la trayectoria. Un tal sistema regulador de la
dinámica de la trayectoria recibe junto a los mencionados valores
del ángulo de volante otros datos de mediciones, como la velocidad
de giro de las ruedas o el giro del vehículo sobre su eje vertical.
Son necesarios por una parte la posición angular absoluta y por otra
la velocidad del volante; estos valores junto con otros datos
recogidos son evaluados y pueden ser utilizados para el control de
actuadores, por ejemplo de frenos y/o para la gestión del motor.
Se conoce un sensor de ángulo de volante por
ejemplo por DE 40 22 837 A1. El sensor de ángulo de volante descrito
en este documento se compone de dos elementos dispuestos paralelos y
separados -una fuente de luz y un sensor en línea- así como un disco
codificador situado entre la fuente de luz y el sensor en línea, que
está fijado al eje del volante. Como sensor en línea se utiliza una
alineación de sensores CCD. Cómo codificación se ha dispuesto en el
disco codificador una espiral de Arquímedes que se extiende sobre
360º en forma de ranura de luz. A partir de la iluminación de los
elementos convertidores correspondientes del sensor en línea en un
giro de volante es posible deducir la posición efectiva del
volante.
Se conocen otros sensores de ángulo de volante
optoelectrónicos que en lugar de la codificación analógica descrita
tienen una codificación digital, por ejemplo un llamado código Gray.
El poder de resolución de un tal código digital depende de la
longitud de la estructura más pequeña. Para la aplicación en el
automóvil se fabrican, con una dificultad razonable, discos
codificadores cuya codificación digital es realizable con un poder
de resolución de aproximadamente 0,7º. Como consecuencia de mayores
exigencias en los sensores de ángulo de volante existe la necesidad
de obtenerlos con un mayor poder de resolución. Sería concebible un
aumento del poder de resolución mediante el afinado del código
digital, pero debido a la finura de las estructuras necesarias sería
de un coste muy elevado.
En DE 196 04 502 A1 se describe un cabezal de
lectura optoelectrónico para la lectura de códigos digitales en el
que tanto la fuente de luz como también el sensor óptico se
encuentran en el mismo lado del disco codificador. Como código se
utiliza un código Gray así como una pista analógica con superficies
de señal en forma de cuña. La pista analógica que sirve para el
aumento del poder de resolución del dispositivo tiene forma de
diente de sierra y comprende posiciones de salto en las cuales no es
posible la asignación inequívoca de señal. Las posiciones de salto
están unidas mediante superficies de señal adecuadas, en las que
está previsto que la evaluación se consiga ya con la sección media
de las superficies de señal adecuadas.
La longitud de un segmento de código de la pista
analógica que a lo largo de la extensión de la pista analógica se
extiende de una primera posición de salto hasta la siguiente
posición de salto, se corresponde con la longitud de paso del código
digital Gray. Puesto que solamente se utiliza el segmento medio de
un tal segmento de código para evitar la evaluación de las
posiciones de salto, la longitud efectiva de segmento de código de
la pista analógica se corresponde con la mitad de la longitud de
paso del código Gray. Con el fin de conseguir una lectura continua
de las superficies de señal analógica según la patente DE 196 04 502
A1, las superficies de señal analógica son leídas alternativamente
por dos líneas de luz. Sin embrago esto presenta considerables
exigencias en el hardware utilizado, como espejos o similares y
tiene como consecuencia imprecisiones en la evaluación de las
superficies de señal analógica en la conmutación de una línea de luz
a la otra. Con esto no es posible la evaluación continua de las
superficies de señal analógica con la codificación conocida de DE
196 04 502 A1, por lo menos libre de errores.
Se conoce otro dispositivo optoelectrónico de
medida de posición o de ángulo y es conocido por DE 40 14 479 A1,
cuyo disco de código muestra un código digital así como un código
analógico. La pista analógica está formada por segmentos de código
lenticulares individuales, no unidos unos a otros. El dispositivo
descrito en DE 40 14 479 A1 funciona según un tipo de barrera
óptica, en el cada pista de código digital está asociada a un
detector. La pista de código analógica muestra dos detectores
dispuestos juntos. Una alineación de sensores, por ejemplo un sensor
en línea no está previsto en el objeto de este documento. Incluso
cuando la pista analógica puede conseguir mediante los segmentos de
pista lenticulares mayor resolución dentro de un determinado
intervalo de ángulo, no se da una estable y alta resolución sobre
toda extensión de la codificación. La resolución se mejora en las
transiciones cuando uno o los dos detectores de la pista analógica
están iluminados o no iluminados. En segmentos más largos no se
constata variación alguna, por ejemplo dentro de un segmento de
código lenticular o entre dos segmentos de pista de código.
Adicionalmente en el disco de código se encuentra
otra pista de referencia, que es continuamente transparente y sólo
sirve para el fin de eliminar y tener en cuenta en la evaluación
diferencias de claridad al iluminar los detectores que no se deben
al movimiento del disco de código.
En tales dispositivos optoelectrónicos de medida
de recorrido o ángulo resulta habitualmente problemático el juego
mecánico entre el disco codificador móvil y los detectores fijos,
que especialmente en el objeto de DE 196 94 502 A1 tiene una
importancia no despreciable como consecuencia de la conmutación de
la línea de luces. La corrección de las tolerancias mecánicas de
este tipo no está considerada en ninguno de los documentos
confrontados. En el caso del documento DE 40 14 479 A1 ésta no es
absolutamente necesaria gracias a los detectores - fotodiodos
utilizados.
A partir del estado de la técnica discutido, el
objetivo de la invención consiste en un dispositivo del tipo
descrito en la introducción que no sólo aumenta el poder de
resolución y en especial, uniformemente sobre todo el intervalo de
medida, sino que a la vez permite la corrección de las tolerancias
mecánicas.
Este objeto se consigue según la invención
mediante la pista analógica que es parte de una pista de código de
referencia, realizada simétrica respecto a su línea media, y cuyos
segmentos de código alineados definen una pista de código analógica
sin discontinuidades, y cuyos segmentos de código tienen una
longitud de código que corresponde por lo menos al menor paso de
resolución de la codificación digital, y donde la configuración de
un tal segmento de código y el poder de resolución del dispositivo
de sensores están armonizados entre sí, de forma que el movimiento
del disco codificador es resoluble sobre la longitud menor de un
segmento de código en por lo menos dos pasos definidos.
La disposición de una pista codificada
analógicamente como parte de una pista de código de referencia
continua simétrica respecto a una línea media tiene la ventaja de
que con una sola pista no sólo puede ser leído un código analógico
sino que también puede ser utilizada para la determinación del punto
medio de los impulsos y para tener en cuenta las tolerancias
mecánicas en la evaluación de los elementos convertidores
iluminados. La pista de código codificada analógicamente está
formada toda ella sin discontinuidades, de modo que en toda su
longitud que se extiende paralela a la codificación digital, está
garantizado un poder de resolución constante en cada posición del
disco codificador respecto a los elementos convertidores, por
ejemplo la alineación de sensores. Esta determinación analógica de
posición del disco codificador respecto al dispositivo de sensores
debe ser de las mismas proporciones que el paso más pequeño de
codificación digital y puede repetirse con la frecuencia
correspondiente. La pista de codificación analógica está formada por
una sucesión de segmentos de código en la dirección del movimiento
del disco codificador. El poder de resolución en el intervalo de un
tal segmento de código depende también del poder de resolución del
dispositivo de sensores utilizado, por ejemplo una alineación PDA.
La limitación del poder de resolución a un intervalo parcial muy
pequeño del recorrido total leído tiene un efecto positivo sobre la
anchura necesaria para esta pista, que en consecuencia no aumenta la
anchura del disco codificador.
La pista de código de referencia que está
compuesta por una pista analógica y una pista de referencia está
realizada con simetría respecto a la línea media, por lo que la
codificación analógica tiene toda ella forma ondulada o quebrada. En
el caso de la forma en línea quebrada es conveniente que los
vértices de la pista de código de referencia coincidan con el punto
medio entre dos de las estructuras más pequeñas de la codificación
digital, con el fin de aumentar el poder separador de la
codificación digital.
En una realización conveniente, la longitud de un
segmento de código de la pista analógica coincide con la longitud de
la estructura más pequeña de la codificación digital. En principio
la longitud de un segmento de código analógico puede variar sin
embargo desde la amplitud de paso de resolución más pequeño del
código digital hasta su extensión total.
Se puede prever que se dispongan dos pistas de
código de referencia de este tipo, entre las cuales transcurre la
codificación digital. Las dos pistas de referencia están dispuestas
entonces con un desplazamiento de una respecto de la otra igual a la
amplitud de un paso de resolución del código digital. De este modo
se puede determinar la dirección del movimiento del disco de
código.
De forma ventajosa se aplica un tal disco de
código como parte de un dispositivo sensor de volante de un vehículo
automóvil.
Otras ventajas y realizaciones de la invención
son el objeto de reivindicaciones así como de la descripción de un
ejemplo de realización que sigue en referencia con las figuras
adjuntas:
La figura 1 es una vista desde arriba de un disco
codificador para el sensor de ángulo del volante de un vehículo.
La figura 2 es una vista ampliada del disco
codificador de la figura 1 representando las relaciones claro -
oscuro efectivas.
La figura 3a es una ampliación de una parte del
disco codificador de la figura 1 ó 2 en una primera posición de una
alineación de sensores.
La figura 3b es una parte de la representación
ampliada del disco codificador de la figura 3a en una segunda
posición.
Un disco codificador 1 para un sensor de ángulo
de volante de un vehículo está conformado como un disco en forma de
anillo y está acoplado con el giro del eje del volante, de manera no
descrita en la explicación que sigue. El disco codificador 1 está
iluminado por una de sus caras. En la cara opuesta del disco
codificador 1 se encuentra una alineación de sensores, una
alineación PDA 2, cuya superficie fotosensible es iluminada por las
estructuras contenidas en el disco codificador.
El disco codificador 1 lleva un código Gray 3
consistente en nueve pistas con un rango de medida de 360º. La
resolución del código Gray 3 es de aproximadamente 0,7º. Rodeando el
código Gray 3 se encuentra una pista de referencia exterior 4 y una
pista de referencia interior 5. Las pistas de referencia 4, 5 están
codificadas analógicamente.
Para mayor claridad las zonas que son, de hecho,
negras en el disco codificador 1 no están mostradas así en la figura
1. Para mostrar la disposición real, en la figura 2 se muestra una
sección del disco codificador 1 de la figura 1 en su estado
efectivo.
En esta representación resulta evidente que la
superficie fotosensible de la alineación PDA 2 está iluminada por
cada una de las codificaciones 3, 4, 5.
Con el fin de explicar la invención, en la figura
3a están representadas las pistas exteriores S_{1}, S_{2},
S_{3} del código Gray 3 así como la pista de referencia contigua
por el exterior 4. De forma esquemática se muestra también debajo
del disco codificador 1 la alineación PDA 2 con cada uno de los
elementos convertidores optoelectrónicos.
A continuación se describe la pista de código
referencia 4; la pista de código de referencia 5 está configurada de
forma correspondiente. La pista de código de referencia 4 del
ejemplo de realización descrito está formada por una superposición
de una pista de referencia lineal y de una pista de código
analógico. La pista de referencia es necesaria para compensar el
código digital independientemente de variaciones de posición del
disco codificador 1 respecto a la alineación PDA 2 fija. Esto se
realiza mediante la determinación del centro de la pista a partir
del cual se determina la posición del disco codificador 1 respecto a
la alineación PDA 2 y a continuación la posición del resto de pistas
del código Gray 3 mediante la separación conocida de cada una de las
pistas entre sí. Esto sirve por ejemplo para compensar las
tolerancias y en su caso un movimiento no concéntrico del disco
codificador 1.
La pista de código analógico superpuesta a una
tal pista de referencia sirve para resolver adicionalmente los pasos
digitales. En el ejemplo de realización representado, la capacidad
de resolución del código Gray es de aproximadamente 0,7º. Esto
corresponde a la mitad de la amplitud de la menor estructura digital
6. Un tal paso de resolución o su amplitud de paso está indicado en
la figura 3a con la referencia A y la longitud de la menor
estructura digital 6 con la referencia SL. La codificación analógica
se compone en su elemento de menor tamaño de un segmento de código 7
inclinado respecto a la dirección de movimiento del disco
codificador 1, cuya longitud corresponde a la longitud de la menor
estructura digital. Este segmento de código 7 está formado por
flancos que transcurren inclinados respecto a la dirección de
movimiento del disco codificador 1. Con el fin de producir la pista
de código analógico como una pista de código continua, ésta está
formada por segmentos de código inclinados de forma alterna 7, 7',
de manera que se obtiene una línea ondulada o quebrada que se
extiende sobre 360º. En el ejemplo de realización presentado la
pista de referencia 4 se extiende sobre 360º, de forma que cada
segmento de código 7,7' no forma una línea recta como se representa
de forma simplificada en la figura sino que está curvado con el
radio correspondiente de la pista de código de referencia 4.
La superposición de la pista de código de
referencia descrita anteriormente con la también ya descrita pista
de referencia analógica está dispuesta de manera que la pista de
código de referencia 4 es simétrica respecto a su línea media, de
forma que mediante esta pista de código de referencia 4 se puede
realizar como antes una determinación del centro del impulso para el
reconocimiento de la posición de la pista.
El poder de resolución de la pista de código de
referencia 4 en referencia a su componente analógica depende de la
pendiente del flanco de los segmentos de código 7, 7' así como del
poder de resolución de la alineación PDA 2. En la posición del disco
codificador 1 respecto a la alineación PDA 2 mostrada en la figura
3a se encuentran iluminados a través de la pista de código de
referencia 4, 10 elementos convertidores W. Un movimiento del disco
codificador 1 en
dirección contraria a la de las agujas del reloj respecto a la alineación PDA 2 da lugar a que por ejemplo, después del movimiento del disco codificador 1 en la amplitud de paso de un paso de resolución A de la pista de código de referencia 4, todavía de cinco a seis elementos convertidores W quedan iluminados por la pista de referencia 4. De forma correspondiente se pueden definir pasos intermedios dentro de esta amplitud de movimiento mediante la evaluación de los elementos convertidores W iluminados por la pista de código de referencia 4, por ejemplo cuando están iluminados ocho elementos convertidores W. Esta forma de realización representada en las figuras sirve también para la explicación del funcionamiento de la invención. Variaciones en la pendiente de los segmentos de código 7, 7', o del poder de resolución de la alineación de sensores 2 pueden tener como consecuencia un aumento adicional del poder de resolución.
dirección contraria a la de las agujas del reloj respecto a la alineación PDA 2 da lugar a que por ejemplo, después del movimiento del disco codificador 1 en la amplitud de paso de un paso de resolución A de la pista de código de referencia 4, todavía de cinco a seis elementos convertidores W quedan iluminados por la pista de referencia 4. De forma correspondiente se pueden definir pasos intermedios dentro de esta amplitud de movimiento mediante la evaluación de los elementos convertidores W iluminados por la pista de código de referencia 4, por ejemplo cuando están iluminados ocho elementos convertidores W. Esta forma de realización representada en las figuras sirve también para la explicación del funcionamiento de la invención. Variaciones en la pendiente de los segmentos de código 7, 7', o del poder de resolución de la alineación de sensores 2 pueden tener como consecuencia un aumento adicional del poder de resolución.
En el disco codificador 1, los vértices de la
codificación analógica se encuentran en los puntos medios entre dos
de las estructuras más pequeñas 6 del código Gray 3, puesto que con
esta disposición se aumenta la agudeza separadora en la lectura del
código Gray 3.
La pista de código de referencia interior 5 está
desplazada en un paso de resolución respecto a la pista de código de
referencia 4, de manera que de esta forma no sólo se consigue una
redundancia en la información respecto a la posición de un paso de
resolución A, sino que también se puede determinar el sentido de
giro mediante un sencillo cálculo.
De la descripción de la invención resulta claro,
que mediante el disco codificador según la invención es posible de
forma sencilla el aumento del poder de resolución digital, mediante
la disposición de dos codificaciones analógicas adicionales. Resulta
especialmente ahorradora de espacio la aplicación de una pista de
código de referencia combinada en las figuras, puesto que se dispone
de pistas de referencia y la conformación de la pista de referencia
como una pista de código de referencia no precisa casi espacio en la
dirección radial, de forma que la anchura radial de un disco
codificador anterior respecto a uno según la invención sólo aumenta
de forma inapreciable De esta forma, según el objeto de la invención
es posible utilizar mejor las superficies de los sensores
disponibles. Esto no es desdeñable, especialmente en vistas a las
exigencias sobre los sensores de ángulo de giro de volante en los
que el espacio disponible para el montaje de un módulo de columna de
dirección es limitado.
Junto a la aplicación como disco código circular
para la obtención de una medida de ángulo, el disco codificador
según la invención puede ser utilizado para la medición de
longitudes; en este caso el código no es circular sino que está
construido con un recorrido recto.
\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\+#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
1 \+ Disco codificador\cr 2 \+ Alineación PDA\cr 3 \+ Código
Gray\cr 4 \+ Pista de código de referencia\cr 5 \+ Pista de código
de referencia\cr 6 \+ Estructura más pequeña del código Gray\cr 7,
7' \+ Segmento de código analógico\cr A \+ Paso de resolución del
código Gray\cr SL \+ Longitud de estructura\cr W \+ Elemento
convertidor\cr}
Claims (9)
1. Dispositivo de medida de ángulo o de recorrido
optoelectrónico compuesto por un disco codificador (1) y un
dispositivo de sensores fotosensibles (2) dispuesto en posición
fija, con un número de convertidores fotoeléctricos (W) situados uno
junto al otro en dirección perpendicular al recorrido longitudinal
de la codificación (3) y de un dispositivo de iluminación para la
reproducción óptica de la codificación (3) del disco codificador (1)
sobre la superficie fotosensible del dispositivo sensor (2),
comprendiendo el disco codificador (1) como código, un código
digital (3) así como una pista codificada analógicamente consistente
en un número de segmentos de código (7, 7') contiguos alineados en
la dirección de la trayectoria de medida y de anchura variable, y el
dispositivo de sensores (2) está destinado a explorar la anchura de
la pista codificada analógicamente por la iluminación de muchos
convertidores (W) distintos, caracterizado por que la pista
codificada analógicamente es parte de una pista de código de
referencia (4) realizada simétrica respecto a su línea media, y
cuyos segmentos de código (7, 7') alineados definen una pista de
código analógica sin discontinuidades, y cuyos segmentos de código
(7, 7') tienen una longitud de código que corresponde por lo menos
al menor paso de resolución (A) de la codificación digital (3), y
donde la configuración de un tal segmento de código (7,7') y el
poder de resolución del dispositivo de sensores (2) están
armonizadas entre sí, de forma que el movimiento del disco
codificador (1) es resoluble sobre la longitud menor de un segmento
de código (7, 7') en por lo menos dos pasos definidos.
2. Dispositivo según la reivindicación 1,
caracterizado por que la longitud de un segmento de código
(7, 7') de la pista de código de referencia (4) del disco
codificador (1) se extiende sobre la longitud de la estructura más
pequeña (6) de la codificación digital (3).
3. Dispositivo según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado por que los flancos correspondientes a los
segmentos de código (7,7') de la pista de referencia (4) del disco
codificador (1) están inclinados de manera que forman un ángulo
respecto a la dirección del movimiento del disco codificador
(1).
4. Dispositivo según la reivindicación 3,
caracterizado por que los flancos del segmento de código (7,
7') forman una línea quebrada.
5. Dispositivo según la reivindicación 4
caracterizado por que los vértices de la pista de código de
referencia (4) en forma de línea quebrada están en posición
correspondiente a los puntos medios del intervalo entre dos de las
estructuras más pequeñas (6) de la codificación digital (3).
6. Dispositivo según la reivindicación 5
caracterizado por que sobre el disco codificador (1) se
dispone una segunda pista de referencia (5) y las pistas de código
digital (3, S_{1}, S_{2}, S_{3}) se encuentran entre las
pistas de código de referencia (4, 5), estando desplazada una de las
pistas de referencia (5) respecto a la otra (4) en la anchura de un
paso de resolución (A) del código digital (3).
7. Dispositivo según una de las reivindicaciones
de 1 a 6 caracterizado por que el disco codificador (1) es
circular y la pista de código de referencia (4) se extiende
correspondientemente sobre 360º.
8. Dispositivo según la reivindicación 7
caracterizado por que los segmentos de código (7, 7') de la
pista de código de referencia (4) del disco codificador (1) están
inclinados de manera que forman un ángulo respecto a la dirección
del movimiento del disco codificador (1) y en correspondencia con la
curvatura de la pista de código de referencia (4) son flancos
curvados.
9. Dispositivo según una de las reivindicaciones
de 1 a 8 caracterizado por que el dispositivo de medida de
ángulo o de recorrido optoelectrónico es el sensor de ángulo de la
dirección de un vehículo automóvil para la determinación de la
posición angular del volante.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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