專利名稱：光電角度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分的光電角度傳感器，其 被用于確定圍繞軸的轉(zhuǎn)動角度。
背景技術(shù)：
在例如大地測量或工業(yè)測量的許多應用領(lǐng)域中，要求確定方向、角 度和長度來作為位置。角度測量技術(shù)的發(fā)展從機械讀取處理， 一直發(fā)展 到了根據(jù)當今現(xiàn)有技術(shù)的全自動角度測量。
已知的掃描方法為電磁方法、電子方法和光電方法。下述的描述 涉及光電掃描裝置。
常見的用于確定圍繞軸的轉(zhuǎn)動角度的光電角度傳感器具有代碼載體 和光檢測器，它們可以相對于彼此轉(zhuǎn)動。光檢測器例如是光電檢測器、
CCD行陣列或者CCD面陣列。代碼載體通常為圓盤形式或者圓環(huán)形式，
并且沿代碼載體周邊攜帶有可光學檢測的位置代碼，這些位置代碼中的 一部分通過照明裝置而被映射至檢測器。通常，角度傳感器的代碼載體 是轉(zhuǎn)動的。當然，也可以將代碼載體固定，而使檢測器轉(zhuǎn)動。
舉例來說，為了確定從0。至360。的角位置，將編碼布置在整個圓周， 并且該編碼例如具有暗區(qū)域和亮區(qū)域。該整個圓周的角度分辨率由編碼 的類型以及用于讀取該編碼的掃描裝置來確定。例如通過在多個道中應 用代碼，或者通過對代碼進行精細劃分來提高角度分辨率，在此，可實 現(xiàn)的分辨率受到與加工及成本相關(guān)的原因的限制。
US 2002/0018220 Al公開了一種用于確定代碼載體的位移的測量裝 置，在此作為檢測器的是布置在代碼載體上方的包括有機光電檢測器 和有機晶體管的檢測器膜，該代碼載體能夠相對于該檢測器膜位移并具 有可讀代碼。為了照明并且產(chǎn)生代碼的圖像，在檢測器膜的后面設(shè)有包括有機發(fā)光二極管的發(fā)光膜，該發(fā)光膜照亮代碼的一部分，從而在檢測器膜上生成該部分代碼的可評估圖像。
發(fā)光膜早就是己知的。舉例來說，發(fā)光膜被用于顯示器照明、薄膜晶體管顯示器或者出于廣告用途而被用作為圖形元件，并且具有例如大量有機發(fā)光二極管，這些有機發(fā)光二極管是能夠廉價地批量制造的。
根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的角度傳感器的已知缺點是檢測器、代碼載體和照明裝置的布置復雜且該布置要以高精度實現(xiàn)，其中，檢測器和照明裝置通常在任何情況下都分別布置在供有電源的獨立電路板上。 一種實現(xiàn)更簡單的結(jié)構(gòu)并減少供有電源的電路板的數(shù)量的可行方案為將照明裝置和檢測器布置在共用的電路板上，其中，例如通過呈偏轉(zhuǎn)裝置形式的代碼載體，將由轉(zhuǎn)動位置所決定的代碼的圖像投射在檢測器的接收區(qū)域上，
這已經(jīng)在例如US 7,145,127B2中公開了。
為了消除根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的角度傳感器中已知的誤差和不精確(例如代碼載體的非均衡運轉(zhuǎn))，需要對由用于確定角位置的代碼的圖像所確定的數(shù)據(jù)執(zhí)行復雜且持續(xù)的計算再處理。另選地，正在致力于通過硬件方式來消除這些誤差和不精確，例如通過用于精確定位代碼載體的調(diào)節(jié)機構(gòu)，然而已經(jīng)證實這種調(diào)節(jié)機構(gòu)是十分昂貴的。因此，對于根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的精確角度測量來說，為了該目的所采用的部件在制造和裝配時在精度方面通常必須滿足很高的要求。
此外，由于編碼的分辨率或者精細度的原因，這種編碼的缺點在于一旦該編碼已經(jīng)制成并安裝到角度傳感器中之后將具有特定精度，基于相應的編碼以該特定精度來確定角位置。此外，根據(jù)編碼的分辨率，增量編碼僅在低于一個有限轉(zhuǎn)速的情況下才能讀取。如果使用具有較低分辨率的粗略編碼，盡管能夠在代碼載體快速轉(zhuǎn)動時追蹤到并確定出角位置，但是在此能夠?qū)崿F(xiàn)的精度低于在具有高分辨率的編碼情況下的精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種改進的角度傳感器，尤其是所述角度傳感器具有較為廉價的構(gòu)造。
5本發(fā)明的另一個目的是提供一種簡化角度測量中的誤差消除的編碼。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種角度傳感器，在測量精度方面，尤其是與轉(zhuǎn)動元件(例如編碼載體)的針對相關(guān)測量所允許的最大轉(zhuǎn)速
相關(guān)聯(lián)地，所述角度傳感器具有可調(diào)整性并且得到了改進。
根據(jù)本發(fā)明，這些目的將通過獨立權(quán)利要求中特征部分的特征來實現(xiàn)?？梢杂蓮膶贆?quán)利要求的特征得到位置測量方法和位置測量裝置的有利的和其它結(jié)構(gòu)及改進。
根據(jù)本發(fā)明的光電角度傳感器具有感光的檢測器和帶有平面狀編碼的代碼載體，其中，代碼載體以能夠圍繞軸相對于檢測器轉(zhuǎn)動的方式布置。與現(xiàn)有技術(shù)的角度傳感器不同，在現(xiàn)有技術(shù)中通常布置有用于在檢測器上產(chǎn)生編碼的可評估圖像的照明裝置的角度傳感器不同，根據(jù)本發(fā)明編碼以自發(fā)光的方式形成。結(jié)果，該編碼自身表現(xiàn)為在檢測器上產(chǎn)生至少一部分編碼的圖像的裝置，其中，針對代碼載體相對于檢測器的轉(zhuǎn)動位置，能夠?qū)λ鰣D像進行評估。
此外，角度傳感器具有評估單元，該評估單元通過讀取圖像來確定代碼載體相對于檢測器的位置，進而確定圍繞軸的待測量的角度。
因此根據(jù)本發(fā)明，可以省略需要以昂貴的方式布置的附加照明裝置。在此，自發(fā)光編碼應該被理解為這樣一種編碼，其被形成用于發(fā)出光輻射、尤其是位于可見光范圍或者近紅外范圍內(nèi)的光。
平面狀編碼可以具有由現(xiàn)有技術(shù)公開的所有圖案。在一個簡單的形式中，該編碼由暗的不發(fā)亮區(qū)域和發(fā)亮區(qū)域構(gòu)成。原則上可以應用所有的自發(fā)光裝置，這些自發(fā)光裝置根據(jù)代碼載體相對于檢測器的轉(zhuǎn)動位置，生成經(jīng)編碼后的光學圖像。該編碼也可以具有發(fā)出不同波長的光的多個區(qū)域。
既可以使用絕對編碼也可以使用相對編碼(即，增量編碼)。然而在相對編碼的情況下存在這樣的缺點，即，在電源故障之后必須重新初始化角度測量裝置。
具體地，自發(fā)光編碼可以通過電致發(fā)光膜(其也被稱為發(fā)亮膜或者
6發(fā)光膜)來實現(xiàn)，并且例如可以具有多個有機發(fā)光二極管。
為了控制編碼，角度傳感器尤其可以具有控制單元，以使得能夠自由配置尤其是還能夠重新配置例如由電致發(fā)光膜產(chǎn)生的編碼。
例如，可以存儲具有不同編碼圖案的多個可選擇的模式。根據(jù)角度測量的要求，例如可以由用戶選擇在各情況下適合于此的編碼，并將其用于角度測量。尤其是，各種編碼圖案在它們的分辨率方面可以是不同的，于是該角度傳感器可以適用于所要求的測量精度。
舉例來說，可以直接通過重新配置編碼，將已知的結(jié)構(gòu)所造成的測量誤差和不精確(如在代碼載體相對于檢測器轉(zhuǎn)動時所出現(xiàn)的非均衡運轉(zhuǎn))考慮在內(nèi)，從而消除這些測量誤差和不精確。因為編碼是以能夠被直接適用的方式形成的，因此就不再需要在現(xiàn)有技術(shù)的角度傳感器情況下所必須的持續(xù)的再處理。
此外，作為一種模式，編碼例如可以具有用于簡單快速地初始化角度傳感器的特殊圖案，以便可靠且快速地確定零位置，并且隨后可以立刻開始測量角度。
尤其是，能夠?qū)崿F(xiàn)在預定模式之間以事件控制或者時間控制的方式地自動切換。例如針對粗略的角度確定，首先在第一模式中采用低分辨率編碼，隨后自動切換到具有高分辨率編碼的第二模式。在各情況下，也可以在預定時刻，在校準模式中實現(xiàn)自動校準。
代碼載體可以按照現(xiàn)有技術(shù)公開的所有形式來形成，并且能夠以本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的材料(如塑料)制成。尤其是，其可以具有呈圓形橫截面的形狀，如圓盤形、環(huán)形、圓柱體形或者空心圓柱體形。當然代碼載體也可以呈扇形。
具體而言，可以如現(xiàn)有技術(shù)所公開的那樣，采用傳感器陣列作為檢測器，所述傳感器陣列例如是成行地排列的光電二極管、CCD傳感器或CMOS傳感器；也可以是面?zhèn)鞲衅?，其具有在整個面積上布置的光電
二極管、CCD傳感器、CMOS傳感器或PSD傳感器。也可以使用檢測器膜或者掃描膜，尤其是包括有機光電檢測器(例如光電二極管)以及有機晶體管。根據(jù)本發(fā)明的角度測量裝置的一個應用領(lǐng)域在于執(zhí)行方向及角度確定功能的大地測量裝置。例如，經(jīng)緯儀可裝配有水平及垂直刻度盤
(Teilkrds)和相應的讀取裝置，以便于能夠高精度地測量水平及垂直角
度。位置測量裝置也可以被應用在所有類型的測量機中，如具有關(guān)節(jié)臂的坐標測量機。


下面將結(jié)合附圖中示意性示出的具體實施例，純粹示例性地詳細說明根據(jù)本發(fā)明的方法，在此也對本發(fā)明的其他優(yōu)點進行了論述。具體而曰
圖1示出具有根據(jù)本發(fā)明的自發(fā)光編碼的代碼載體；
圖2示出根據(jù)本發(fā)明的角度傳感器的第一實施方式；
圖3示出根據(jù)本發(fā)明的角度傳感器的第二實施方式；
圖4示出根據(jù)本發(fā)明的角度傳感器的第三實施方式；
圖5示出根據(jù)本發(fā)明的角度傳感器的第四實施方式；以及
圖6a和6b示出具有根據(jù)本發(fā)明的兩個不同地配置的編碼的代碼載體。
具體實施例方式
圖1示出環(huán)形的代碼載體2，其具有施加于其上并且以自發(fā)光的方式形成的平面狀編碼3。
編碼3實施為薄膜平面狀元件，其包括多個有機發(fā)光二極管并施加在代碼載體2上。另選地，也可以采用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其他發(fā)亮膜來形成編碼3。
此外，也可以將編碼3施加在代碼載體2上，或者將編碼3直接整合到代碼載體2內(nèi)。將例如有機發(fā)光二極管整合到代碼載體2內(nèi)具有以下優(yōu)點保護有機發(fā)光二極管不受對其有破壞性作用的氧的影響，進而延長了有機發(fā)光二極管的使用壽命。
正如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的那樣，另一種保護編碼的可行方案是覆
8蓋該編碼。
如圖1所示，編碼3例如在沿著代碼載體2周邊的道中交替地具有發(fā)亮區(qū)域和暗區(qū)域。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的光電角度傳感器1，其包括環(huán)形的代碼載體2，代碼載體2具有平面狀的自發(fā)光編碼3。具有一排感光接收區(qū)域的檢測器4設(shè)置在代碼載體2的對面，以使得檢測器4能夠接收由編碼3發(fā)出的輻射，其中，代碼載體2形成為能夠繞軸相對于檢測器4轉(zhuǎn)動。
編碼3具有發(fā)光的和不發(fā)光的區(qū)域，它們沿代碼載體2的周向布置在多個道中。通過應用多個道提高了編碼的分辨率，由此能夠更精確地確定角位置。為此，檢測器4的各個感光元件接收相應地對置的道的由編碼3發(fā)出的輻射，結(jié)果是在檢測器4上產(chǎn)生部分編碼3的可評估圖像，該圖像具有與代碼載體2的相對角位置相關(guān)的信息。因此，編碼3本身是用于在檢測器4上產(chǎn)生圖像的裝置9，與此不同，在現(xiàn)有技術(shù)角度傳感器的情況下，為了產(chǎn)生編碼的圖像，通過其他部件照射該編碼。
評估單元5根據(jù)檢測器4的感光元件所生成的信號計算出代碼載體3的待測量的角位置，所述信號是由感光元件的照度決定的。
編碼3例如以能夠自由配置并且尤其能夠被附加地重新配置的方式構(gòu)成，以使得例如能夠改變編碼3的圖案、分辨率或者角度零位置。
為此，角度傳感器1尤其具有控制單元7，其用于控制編碼3的發(fā)光和不發(fā)光區(qū)域，和/或光的類型，例如關(guān)于所發(fā)出的輻射的波長。
圖3示出本發(fā)明的另一實施方式，其中沿著呈環(huán)形的代碼載體2的整個周邊施加編碼3，于是能夠確定從0°至360。的角位置。在此，代碼載體2以能夠繞軸6轉(zhuǎn)動的方式形成，其中，檢測器4是以固定的方式布置的。
根據(jù)本發(fā)明，由控制單元7控制的編碼3是以自發(fā)光的方式形成的，結(jié)果其直接在檢測器4上生成部分編碼3的圖像。
評估單元5通過評估該圖像推導出代碼載體2相對于檢測器4的相對角位置，進而推導得到繞軸6的待測量角度。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的光電角度傳感器1，其具有圓柱形的代碼
9載體2，代碼載體2能夠繞軸6相對于檢測器移動。
根據(jù)本發(fā)明的自發(fā)光編碼3施加在代碼載體2的外側(cè)表面上，并且由呈感光檢測器形式的掃描膜4a圍繞，掃描膜4a尤其具有有機光電二極管或者光電元件。具體而言，掃描膜4a可以包圍代碼載體2的整個側(cè)表面，于是通過編碼3的發(fā)光在掃描膜4a上生成編碼3的完整圖像。如上所述那樣，在該圖像的基礎(chǔ)上通過評估單元5來確定代碼載體2相對于掃描膜4a的角位置，并由此確定待測量的角度。
為了控制編碼3，角度傳感器1仍然具有控制單元7，在該控制單元7中例如存儲有兩種模式。在初始化模式中，例如，控制部件7以下述方式控制自發(fā)光編碼3:編碼3的區(qū)域僅在一個點處(例如在零位置處)是發(fā)光的，并且編碼3的其他區(qū)域是不發(fā)光的，因此能夠快速且精確地確定角度傳感器1的零位置。隨后，在測量模式中，例如，可以顯示適于精確測量角度的高分辨率的編碼3。
圖5示出根據(jù)本發(fā)明的角度傳感器1的另一實施方式。在此，感光檢測器4以及呈圓盤形式的代碼載體2設(shè)置在共同的平面內(nèi)，其中，代碼載體2以能夠繞軸6轉(zhuǎn)動的方式安裝，而檢測器4以固定方式安裝。
自發(fā)光編碼3施加在代碼載體盤的整個圓的區(qū)域上，并且可以通過控制單元7自由配置以及重新配置該自發(fā)光編碼3。
由于通常情況下，比之編碼3能夠?qū)崿F(xiàn)的分辨率而言，檢測器具有更高的分辨率，所以出于微型化的原因有利的是檢測器4的感光區(qū)域形成為小于編碼中要映射到檢測器4上的部分。為此設(shè)有偏轉(zhuǎn)元件8，以使得在各情況下由編碼的部分區(qū)域發(fā)出的輻射被偏轉(zhuǎn)至檢測器表面上，并且在檢測器表面上會聚。由此能夠生成編碼的會聚后的可評估圖像，該圖像包含與代碼載體2相對于檢測器4的角位置相關(guān)的信息。而且，在此可以增強由檢測器4接收到的輻射，由此可以實現(xiàn)更快速地讀取代碼。
為此，偏轉(zhuǎn)元件8例如可以具有折射、衍射或者反射元件，例如彎曲的鏡面。
圖6a和6b示出具有可重新配置的編碼的代碼載體2，該編碼根據(jù)本發(fā)明為自發(fā)光的并且具有各種模式。圖6a示出了處于精細模式中的編碼， 其具有第一編碼配置3a，其中，該編碼具有高分辨率用于精確地確定角 位置。另一方面，圖6b示出了處于粗略模式中的編碼，其具有第二編碼 配置3b，在此，編碼具有較低的分辨率，進而在代碼載體非?？焖俚剞D(zhuǎn) 動時也能夠追蹤到待測量的角位置。
應當明白，所示附圖僅示意性示出了可能實施例的示例。根據(jù)本發(fā) 明可以將各種措施相互組合、并且也可以將各種措施與現(xiàn)有技術(shù)的角度 傳感器相組合。
權(quán)利要求
1. 一種光電角度傳感器(1)，其用于確定圍繞軸(6)的轉(zhuǎn)動角度，該光電角度傳感器(1)包括具有平面狀編碼(3)的代碼載體(2)；感光檢測器(4)，所述代碼載體(2)和該檢測器(4)能夠圍繞所述軸(6)彼此相對地運動；裝置(9)，其用于在所述檢測器(4)上以下述方式生成所述編碼的至少一部分的可評估圖像該圖像包含與所述代碼載體(2)相對于所述檢測器(4)的轉(zhuǎn)動位置相關(guān)的信息；以及評估單元(5)，其用于根據(jù)所述圖像來確定所述轉(zhuǎn)動角度，其特征在于，所述編碼(3)是以自發(fā)光的方式形成的，因此所述編碼(3)自身至少部分地表現(xiàn)為用于生成可評估圖像的所述裝置(9)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光電角度傳感器(1)，其特征在于，所述 編碼(3)具有多個有機發(fā)光二極管。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l或2所述的光電角度傳感器(la、 lb)，其特征在 于，所述編碼(3)呈電致發(fā)光膜的形式。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的光電角度傳感器(l)，其特征在于， 用于配置所述編碼(3)的控制單元(7)。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的光電角度傳感器(l)，其特征在于， 所述編碼(3)以能夠自由配置的方式形成。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的光電角度傳感器(l)，其特征在于， 所述編碼(3)以能夠重新配置的方式形成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的光電角度傳感器(1)，其特征在于，所述 角度傳感器(1)具有能夠選擇性地設(shè)置的多個模式，其中，針對所述多 個模式中的各模式不同地配置所述編碼。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的光電角度傳感器(l)，其特征在于， 所述裝置(9)附加地具有用于將所述圖像偏轉(zhuǎn)后投射到所述檢測器(4) 上的偏轉(zhuǎn)裝置(8)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的光電角度傳感器(1)，其特征在于，所述 偏轉(zhuǎn)裝置(8)形成為用于將所述圖像會聚在所述檢測器(4)上。
10. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的光電角度傳感器(1)，其特征在 于，所述檢測器(4)呈掃描膜(4a)的形式，所述掃描膜尤其包含有機 光電二極管或者光電元件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于確定圍繞軸的轉(zhuǎn)動角度的光電角度傳感器，所述光電角度傳感器包括具有平面狀編碼(3)的代碼載體(2)；感光檢測器，其中該代碼載體(2)和該檢測器能夠圍繞所述軸彼此相對地運動；用于在檢測器上以下述方式生成所述編碼的至少一部分的可評估圖像的裝置該圖像包含與代碼載體(2)相對于檢測器的轉(zhuǎn)動位置相關(guān)的信息；以及用于根據(jù)該圖像確定轉(zhuǎn)動角度的評估單元。在此，所述編碼(3)是以自發(fā)光的方式形成的，因此所述編碼自身至少部分地表現(xiàn)為用于生成可評估圖像的所述裝置。
文檔編號G01D5/347GK101501455SQ200780030254
公開日2009年8月5日 申請日期2007年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月18日
發(fā)明者海因茨·利普納 申請人:萊卡地球系統(tǒng)公開股份有限公司