ОПТИЧЕСКОЕ КОДИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
OPTICAL ENCODING DEVICE

Область техники
Настоящее изобретение касается оптических кодирующих устройств, выдающих логические двоичные сигналы, характеризующие приращения относительного положения двух элементов кодирующего устройства, при этом оба элемента выполнены подвижными относительно друг друга. Эти оптические кодирующие устройства, например угловые кодирующие устройства, используют наподобие потенциометров, например, для ручного управления электронными приборами, чувствительными к входному параметру, который может непрерывно или почти непрерывно меняться, но они являются гораздо более надежными, чем потенциометры. Обычно в применении для авиационного оборудования можно использовать оптическое кодирующее устройство для введения в вычислительное устройство автопилота заданного значения высоты полета или скорости, которое пилот выбирает при помощи кнопки управления, которая приводит в действие кодирующее устройство. Надежность кодирующего устройства и данные, которые он передает, являются при этом основным элементом кодирующего устройства.
Предшествующий уровень техники
Обычно оптическое кодирующее устройство содержит диск, на котором равномерно выполнены метки, причем этот диск приводят в действие вращением при помощи кнопки управления (например, ручной). Фотоэлемент, закрепленный перед диском, детектирует последовательное прохождение отметок, когда кнопка управления приводит в действие диск. Обычно метки выполняют в виде отверстий в непрозрачном диске, при этом с одной стороны диска установлен светодиод, а с другой стороны диска установлен фотоэлемент.
Каждое прохождение метки соответствует приращению на единицу в системе отсчета вращения диска. Угловое разрешение определено угловым шагом отметок, равномерно распределенных по обороту диска. Для детектирования как приращений, так и декрементов угла поворота, когда меняют направление вращения, предусмотрены два фотоэлемента, физически смещенные на нечетное число четвертей шага между собой. Таким образом, логические состояния «освещенный/не освещенный» двух фотоэлементов кодируют на двух битах, которые принимают следующие четыре последовательные значения: 00, 01, 11, 10, когда диск вращают в одном направлении, и следующие четыре последовательные значения 00, 10, 11, 01, когда диск вращают в другом направлении, поэтому легко определить не только появление приращения поворота (изменение состояния одного из битов), но также направление вращения (путем сравнения между одним состоянием элементов и непосредственно предшествующим ему состоянием).
Эти кодирующие устройства требуют высокой точности при изготовлении. В частности, относительное положение фотоэлементов должно зависеть от шага приращения. Это же касается диска, размеры которого и положение каждого отверстия в котором должны соответствовать размерам и положению фотоэлементов.
Краткое изложение существа изобретения
Настоящее изобретение призвано упростить выполнение оптического кодирующего устройства за счет расширения допусков изготовления некоторых элементов кодирующего устройства, в частности допусков позиционирования фотоэлементов, а также допусков размеров и положений отверстий диска.
В этой связи, объектом настоящего изобретения является инкрементное оптическое кодирующее устройство, содержащее два элемента, подвижных относительно друг друга, при этом первый элемент содержит, по меньшей мере, одну метку, а на втором элементе установлена пара фотоэлементов детектирования метки, отличающееся тем, что размеры отметок определены таким образом, чтобы их либо нельзя было детектировать ни одним фотоэлементом, либо можно было детектировать только одним фотоэлементом, либо обоими фотоэлементами, причем длина зоны второго элемента, содержащей пару фотоэлементов детектирования, меньше длины метки, при этом длины измеряют в направлении относительного перемещения двух элементов.
Длины зоны и метки могут быть расстоянием, если относительное движение двух элементов является линейным. Длины могут быть угловыми, если относительное движение является вращательным.
За счет этого увеличивают допуск на изготовление метки. Действительно, минимальная длина метки является длиной зоны. С другой стороны, максимальная длина метки не связана с длиной зоны и зависит только от числа приращений кодирующего устройства.
Последовательные приращения кодирующего устройства определяются, например, при детектировании метки:
- ни одним из фотоэлементов,
- затем первым из фотоэлементов,
- затем обоими фотоэлементами одновременно.
Приращения, следующие за приращением, определенным при детектировании метки одновременно двумя фотоэлементами, определяются, например, при детектировании метки:
- вторым из фотоэлементов,
- затем ни одним из фотоэлементов.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1а-1d изображают различные относительные положения двух элементов, подвижных относительно друг друга, углового кодирующего устройства в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 1е уточняет относительные длины метки первого элемента относительно зоны, содержащей фотоэлементы детектирования метки;
Фиг. 2 изображает кодирование, полученное при помощи двух фотоэлементов детектирования кодирующего устройства;
Фиг. 3 изображает общий вид примера выполнения углового кодирующего устройства.
Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения
Описание представлено для углового кодирующего устройства. Разумеется, изобретение можно также применять в линейном кодирующем устройстве.
На фиг. 1а-1d показаны четыре положения углового кодирующего устройства, содержащего два подвижных относительно друг друга элемента 10 и 11. Первый элемент является диском 10, вращающимся вокруг оси 12. Второй элемент 11 образует корпус кодирующего устройства. Ось 12 связана, например, с поворотной кнопкой, которую пользователь может приводить в действие, чтобы ввести двоичные данные при помощи кодирующего устройства. Кодирующее устройство позволяет определить угловое положение диска 10 относительно корпуса 11 во время вращения диска 10 вокруг оси 12 в зависимости от шага приращения.
Предпочтительно кодирующее устройство содержит средства для механического определения стабильных положений двух элементов 10 и 11 относительно друг друга. В случае углового кодирующего устройства эти средства содержат, например, внутреннее зубчатое колесо 13, неподвижно соединенное с корпусом 11, и шарик 14, связанный с диском 10. Шарик 14 может свободно перемещаться поступательным движением относительно диска 10 в радиальном направлении 15 диска. Шарик 14 может перемещаться от одного зубца колеса 13 к другому. На шарик 14 может действовать толкающим усилием не показанная пружина для его удержания в выемке каждого зубца. Стабильные положения диска 10 относительно корпуса 11 определены положениями шарика 14 в выемке каждого зубца колеса 13.
Диск 10 содержит последовательно выполненные отверстия 16, между которыми диск 10 является сплошным. Каждое отверстие 16 образует метку на диске, и сплошное пространство, отделяющее каждое отверстие, характеризует отсутствие метки. Иначе говоря, диск 10 содержит чередование отметок 16 и отсутствия отметок. Метки расположены радиально вокруг оси 12. Диск 10 можно также выполнить из сплошного материала без отверстий, чередуя в радиальном направлении прозрачные зоны, образующие метки, и непрозрачные зоны. В дальнейшем прозрачные зоны будут приравнены к отверстиям 16. Разумеется, изобретение можно применять и при выполнении только одной метки на диске 10.
Корпус 11 содержит пару фотоэлементов 17 и 18 детектирования метки 16. В рассматриваемом примере кодирующее устройство содержит также оптический излучатель, выполненный с возможностью его детектирования двумя фотоэлементами 17 или 18 детектирования. В варианте кодирующее устройство может содержать два оптических излучателя, каждый из которых может быть детектирован одним из фотоэлементов 17 или 18 детектирования. Диск может перемещаться между излучателем или излучателями, с одной стороны, и фотоэлементами 17 или 18, с другой стороны. Излучатель или излучатели выполнены, например, в виде электролюминесцентных диодов, а фотоэлементы 17 и 18 являются фотодиодами, чувствительными к излучению диода или диодов. В варианте, когда кодирующее устройство содержит два электролюминесцентных диода, важно, чтобы каждый фотоэлемент 17 или 18 был чувствительным только к одному диоду.
Необходимость раздельного детектирования каждым из фотоэлементов 17 и 18 предопределяет минимальное расстояние, разделяющее фотоэлементы 17 и 18, с одной стороны, и, в случае необходимости, диоды, с другой стороны. Это расстояние должно обеспечивать, чтобы метка либо не детектировалась ни одним фотоэлементом, либо детектировалась одним фотоэлементом, либо обоими фотоэлементами 17 и 18. Иначе говоря, необходимо, чтобы край одной метки 16 мог остановиться между двумя фотоэлементами 17 и 18 во время поворота диска 10. В присутствии чередующейся последовательности меток 16 и в отсутствие метки 16 пара фотоэлементов 17 и 18 может детектировать каждую метку 16 независимо от следующей. Детектирование метки 16 происходит по ее краю. Таким образом, длина метки 16 не влияет на детектирование метки 16. Следовательно, можно расширить допуски изготовления метки 16. Максимальный предел длины метки 16 зависит только от числа приращений кодирующего устройства. На фиг. 1е показан увеличенный вид фиг. 1с, на котором показана угловая длина α метки 16, которая должна быть больше угловой длины β зоны 19, содержащей пару фотоэлементов 17 и 18 детектирования. Иначе говоря, зона 19 является минимальной площадью, занимаемой обоими фотоэлементами 17 и 18, включая пространство между фотоэлементами 17 и 18.
С другой стороны, изобретение не налагает никакого максимального предела для расстояния, разделяющего фотоэлементы 17 и 18. Существует только максимальный предел для расположения достаточного числа приращений на диске 10.
Кроме того, относительное положение двух фотоэлементов 17 и 18 не зависит от числа приращений. Следовательно, можно стандартизировать кронштейн фотоэлементов 17 и 18 для разных кодирующих устройств с разным шагом приращений.
Во время движения диска 10 вокруг его оси 12 каждый фотоэлемент 17 и 18 улавливает или не улавливает излучение от соответствующего диода в зависимости от присутствия или отсутствия отверстия 16 между фотоэлементом 17 или 18 и его соответствующим диодом.
На фиг. 1а оба фотоэлемента 17 и 18 закрыты диском 10. На фиг. 1b фотоэлемент 17 освещен, а фотоэлемент 18 закрыт. На фиг.1с оба фотоэлемента 17 и 18 освещены. На фиг. 1d фотоэлемент 17 закрыт, а фотоэлемент 18 освещен.
На четырех фиг. 1а-1d показаны по порядку четыре последовательные стабильные положения во время вращения диска 10 вокруг оси 12 по часовой стрелке. В положении, следующем за положением, показанным на фиг. 1d, диск закрывает оба фотоэлемента 17 и 18. Это положение соответствует положению, показанному на фиг. 1а. Разумеется, диск можно вращать в тригонометрическом направлении. В этом случае получают обратный порядок освещения и закрывания фотоэлементов 17 и 18.
На фиг. 2 показано кодирование, полученное при помощи двух фотоэлементов 17 и 18 детектирования в зависимости от стабильных положений диска 10 относительно корпуса 11. В верхней части фиг.2 показаны восемь стабильных положений, обозначенных номерами от 1 до 8. Ломаная пилообразная линия 20 отображает зубцы колеса 13. Кривая 27 характеризует кодирование, полученное при помощи фотоэлемента 17, а кривая 28 отображает кодирование, полученное при помощи фотоэлемента 18. Кодирование, полученное при помощи фотоэлементов 17 и 18, является двоичным и может принимать значения, обозначаемые 0 и 1. Кодирование, полученное при помощи фотоэлемента 17, принимает значение 0 для положений 1, 2, 5 и 6 и значение 1 для положений 3, 4, 7 и 8. Кодирование, полученное при помощи фотоэлемента 18, принимает значение 0 для положений 1, 4, 5 и 8 и значение 1 для положений 2, 3, 6 и 7.
Положения 1 и 5 соответствуют положениям, показанным на фиг.1а. Положения 2 и 6 соответствуют положениям, показанным на фиг. 1d. Положения 3 и 7 соответствуют положениям, показанным на фиг. 1с. Положения 4 и 8 соответствуют положениям, показанным на фиг. 1d. Порядок следования положений от 1 до 8 соответствует вращению диска 10 в тригонометрическом направлении, как это определено при помощи фиг. 1а-1d.
На фиг. 3 в перспективе показан пример выполнения углового кодирующего устройства, содержащего два излучателя и два фотоэлемента 17 и 18, неподвижно соединенных с кронштейном 30 U-образной формы. Кронштейн 30 содержит две расположенные друг против друга ветви 31 и 32. Излучатели находятся на одной из ветвей 31 U, а фотоэлементы 17 и 18 установлены на другой ветви 32 U. Диск 10 перемещается между ветвями U. Когда диск 32 вращается вокруг своей оси 12, отверстия 16 проходят между ветвями кронштейна 30 таким образом, чтобы их могли детектировать фотоэлементы 17 и 18. С диском 10 неподвижно соединен вал 33, проходящий вдоль оси 12. Вал 33 связан с корпусом 11 при помощи опорного подшипника, оставляющего степень свободы вращения вокруг оси 12. Вал 33 позволяет оператору поворачивать диск 10.
Предпочтительно кронштейн 30 неподвижно соединен с платой 34 печатной схемы, позволяющей производить соединения, необходимые для работы излучателей и фотоэлементов 17 и 18. На плате 34 можно также расположить электронные компоненты, связанные с обработкой данных, кодированных при помощи фотоэлементов 17 и 18. Плата 34 расположена, например, в плоскости, параллельной оси 12.
Предпочтительно для обеспечения избыточности кодирования можно дублировать кронштейн 30. На втором кронштейне 30 тоже устанавливают два излучателя и два фотоэлемента 17 и 18. Второй кронштейн 30 можно также расположить на плате 34 печатной схемы. Для улучшения компактности кодирующего устройства обе платы 34 можно расположить параллельно. Говоря более обобщенно, кодирующее устройство содержит два вторых элемента, подвижных относительно только первого элемента, содержащего, по меньшей мере, две метки, при этом на каждом из двух вторых элементов установлена пара фотоэлементов детектирования одной из двух отметок, что обеспечивает избыточность детектирования отметок. Действительно, платы 34 имеют уровень надежности ниже уровня надежности диска 10. Для повышения надежности кодирующего устройства достаточно дублировать платы 34 вокруг одного диска 10. Это дублирование можно также применять для детектирования неисправностей компонентов платы 34, когда кодирование, выдаваемое каждой из пар фотоэлементов 17 и 18, оказывается разным.