专利名称：确定位置的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于确定带有编码的可相对运动 的载体的位置的方法，并且本发明还涉及一种对应的根据权利要求7的前序部分的装置和 根据权利要求13和15的前序部分的用于执行所述方法的两种传感器元件。
背景技术：
为了确定两个元件之间的相对位置，在很多应用场合，载体采用至少一种条形码 痕迹(Mrichcode-Spur)和至少一个传感器系统，用于检测码信息，例如条形码的码信息。 所检测到的条形码信息允许相对码或相对码载体确定传感器位置，原则上码载体和传感器 均可以相对其余部件构造为可运动的单元。在确定线条位置时，采用线条形的码或刻度和 在局部与其重叠的传感器阵列。角位置可以利用度盘分度线和延伸经过部分度盘分度线的 传感器阵列尤其是CMOS阵列来检测。视应用场合、工作原理和要达到的精度而定，选用各种刻度。例如，度盘分度线可 以按照绝对编码的间隔来划分，在此传感器阵列读取间隔编号，由此粗略确定角度。为了得 到精确的角度值，根据传感器阵列的强度值来确定间隔标记的相对传感器阵列的位置。专利申请公开EP 0085951BUUS 4668862A1和DE 19939643说明了用于位置确定 的各种解决方案。根据EP 0085951 Bi，确定间隔标记的重心。US 4668862A1额外描述了 确定表示各个间隔的刻度图案(Strichmuster)。在DE 19939643A1中确定间隔标记的位 置，其做法是检测大量刻度线的侧面位置并且由此确定唯一的精密值。DE 3528955A1公开了测地仪的角度测量，其中，可转动的刻度盘不仅带有绝对编 码的刻度而且也带有增量刻度ankrementteilimg)。角度值是利用两个沿直径对置地固定 的传感器系统和两个沿直径对置地可转动的传感器系统通过读取这两种刻度确定的。两种 读取的开销很大，而且仍然存在读取误差。如果度盘分度线的中心不是精确地位于转动轴线的中心，那么就出现了偏心误 差，该偏心误差例如可以按照EP 1632754A1的各种实施例来修正。该解决方案仅限于偏心 度，不能将其他误差降至最低。EP 325924A1和DE 199073^A1说明了利用4个采样传感器来确定角位置，其中偏 心误差是通过分析这4个采用传感器的信号来降低的。该位置确定的精度还取决于由采样传感器确定的信号的传输。DE 3445617A1说明 了以1. 5至2. OMHz的传输率串行地发送测量值数据。而高传输率又可能会因所采用的传 感器阵列而出现误差。由于测量精度也与光强有关，因此在US 7^1831B2和US 7^1831B2中说明了 解决方案，在这些解决方案中，按照强度测量(Intensitetsmessung )来调整光源的亮度。US 6483104B1说明了利用脉冲光，以克服与扫描时间短和光线弱有关的问题。在脉冲频率高的 高光强情况下，必须采用复杂的光源和控制器。

发明内容
本发明的任务在于找到一种改善的解决方案，利用该方案，在结合编码或刻度来 确定线条位置或角位置时可以尽可能地避免误差。另一个任务在于在此类线编码器或角度编码器的情况下利用简单的结构实现更 高的读取速度。该任务通过权利要求1、7、13和15的特征得到解决。从属权利要求说明了另选或 有利的可行实施方式。在大量此类应用中，精确读出编码不仅在不运动状态下实现，而且在码载体(进 而刻度)相对探测器旋转或线性移动的情况下实现。在运动状态下(即，当带有编码的载 体相对传感器阵列沿一运动方向运动时)，必须能够执行快速测量。相应地，延伸经过编码 或刻度的局部的传感器阵列必须非常快速地检测在该传感器阵列上的部分编码的图像。而 且还必须尽快处理所检测到的值并确定位置信息。这样，高的相对速度通常要求相应匹配 的读取速度，也就是要求探测器的高采样速率。在传感器阵列的元件上成像时，可区分的码元件形成通常依次沿读取方向读出的 强度分布。读取方向在带有编码的载体的运动方向上具有足够大的分量。载体的该运动方 向在线性位置传感器情况下是一线性方向，沿着该线性方向可以进行前后运动。在围绕转 动点转动的载体(编码在该载体上沿周向延伸)的布置情况下，该运动方向是该周向，其中 可以进行左右转动。在根据现有技术的角度编码器和线编码器的情况下，采用一个、两个或多个传感 器，所述传感器具有多个像素或图像点。例如，在角度编码中在典型情况下两个线性传感器 彼此相距180°的角距或四个线性传感器彼此相距90°的角距。本发明基于这样的认识，在高读取频率或读取速度下误差可能会很多，误差取决 于各种影响参数传感器元件、信号输出级和信号放大器的非线性特性和非理想特性，它们 受到读取频率、所采用的辐射或光的强度和/或受到与温度相关的漂移效应的影响。还已 经知道的是(但不是必须的)，利用特殊措施来降低所有这些干扰因素，或者采用针对相应 的速度或频率而设计的部件。根据本发明，也可以用费用低或复杂程度低的布置来实现超 越原工作参数的读取速度。读取速度与每单位时间读取的像素数量成正比，因此相当于读取频率。由于各个 像素具有固定的像素宽度(Pixelausdehmmg)，因此读取速度可以理解为每单位时间单位 在读取方向上被读取的传感器宽度Gensorausdehrumg)，该传感器宽度除像素宽度的倍数 之外，对应于每单位时间读取的像素数量。就此而言也称之为读取频率，这是因为其应理解 为每时间单位的读取过程的次数。用于确定位置的传感器阵列的输出级具有输出特性，该输出特性类似于MOSFET 晶体管的输出特性，因此具有取决于工作电压的线性区和饱和区。传感器阵列检测在传感器阵列上成像的编码部分的明暗图案，优选呈波峰形式， 这种波峰表现为在读取方向上从最低值上升到最大值，然而再下降的像素值。传感器阵列 表现出低通滤波器特性和/或非线性，其使得所确定的波峰出现变形，在此呈重心偏移的 弯曲形波峰的变形取决于读取采样频率。已经知道的是，根据所检测到的强度分布确定的 波峰位置是沿读取方向移动的，在此该移动取决于读取方向的“相对带有编码的载体的运动方向”的取向。如果传感器的读取方向关于该运动方向具有同样的特性或者方向，或者如运动方 向的分量，那么就出现沿第一方向的移动。如果传感器的读取方向逆向于码载体的转动方 向或运动方向，或者如运动方向的分量，那么就出现沿相反的第二方向的移动。也就是说， 该移动取决于读取方向相对运动方向的取向。由于这种效果在常见的元件中在读取采样频 率为IMHz时就已经出现，因此在更高读取速度的情况下，例如以高达12. 5MHz的频率读取 像素时，就会出现“伪像(Artefakt) ”。例如，传感器图像沿传感器读取方向变形或移动。如果根据变形的或移动的波峰来确定线条位置或角位置，那么这会导致相对真实 位置值偏移的位置值。这种位置偏移不仅取决于在读取方向和运动方向之间的相对方向， 而且例如还取决于读取频率、在分析波峰时采用的至少一个阈值和/或能够应用在传感器 阵列中的辐射源或光源的强度。另外已经知道，传感器布置方式或其读取方向会造成可能的误差。如果传感器关 于相对编码或其载体的运动方向的其读取方向是同向连接的(例如已知的解决方案就是 这种情况)，那么在读取像素时，从中间读取频率起并且主要是从高于原规定的频率起，基 于由饱和和/或带宽限制造成的非线性效果出现了透射经过刻度的部分辐射的非对称波 峰。在此，从编码到传感器阵列所生成的波峰不仅在边沿出现变化，而且由于饱和效应和非 线性还被“截平”，这会造成沿读取方向的重心移动。如果用于确定位置的传感器阵列均相对编码运动方向具有相同的传感器读取方 向，那么根据不同传感器阵列的波峰位置确定的位置值也将在读取方向上错开一些。此处， 该误差取决于读取频率、结合阈值的分析、光强，并且可能还因为与温度相关的漂移效果而 被增强。如果现在两次以不同方向读取一个传感器，或者两个传感器以成对方式沿相反方 向读取，那么就可以补偿相反方向的彼此相同的偏移。在此，也可以如此布置和读取多个线阵列，作为线性排列的图像点，以造成至少部 分区段的反向读取方向。在此按照有利方式，如此构造这种位于共同的芯片上的线阵列，并 且如此串联连接这些线阵列，以使可以进行一次共同的读取过程，该读取过程以交替沿相 反方向读出线形布置的图像点。这种传感器系统可以构造具有两个、三个、四个或多个线阵 列，在此它们例如用于检测同一部分编码，可以并排排列地布置，也就是说其纵轴取向是彼 此平行的。但是该线阵列也可以沿一条直线布置，也就是说具有一条共同的纵轴线。但是 在此，原则上根据偏移方式和所采用的编码的方式也可以相互组合两种布置，并且利用线 阵列的矩阵式布置。无误差状况的根据本发明的实现还允许与有误差状况进行比较，从而可以由此得 到所出现的误差及其特性(例如与时间或温度的相关性)。这意味着，通过比较同向和沿相 反方向读取的传感器对，可以确定与至少一个参数有关的误差，所述至少一个参数例如是 读取频率、辐射强度或光强和/或温度。在确定从至少一个沿相反方向读取的传感器对的 位置得到的平均后的位置时，该误差基本消失了。如果现在又同向读取至少一个传感器对， 并将确定后的值平均成位置值，那么根据这两个平均值之差，得到了基于当前参数值的误 差。在传感器对的情况下，切换装置允许在同向读取和沿相反方向读取之间进行切换。为 了允许进行相应的比较，应保证在两次测量之间的有效位置不发生改变。
此处CMOS阵列具有这样的优点，即它甚至能够被非毁坏地读取，也就是说同一图 像可以从两侧读取，从而可以得到两项信息。如果现在针对各种参数值(例如读取频率、光强或温度)分别按照上述方式来确 定误差值，那么就可以根据相应的参数来检测误差状况O^ehlerverlauf)。如果某些情况下 必须弃用同向读取的传感器，那么也可以在仅一个传感器或在同向读取的传感器情况下根 据当前参数来进行误差校正。就更为精确的校准而言，这种误差校正可以用于各种读取频 率和/或不同的辐射强度或光强和/或不同的温度。在根据传感器阵列检测到的波峰位置来推导位置时，可以执行与到达传感器阵列 的辐射强度或光强的强度有关的校正。例如，将与强度相关的位置差增加到根据波峰推导 出的位置。但是，在传感器处与当前最大强度有关的信息也可以用于检测可能存在于从辐 射源或光源到传感器阵列路途中的污染物。如果这种污染物过大，那么可能表示需要进行清洁。传感器阵列优选为CMOS阵列或二极管阵列。不言而喻的是，可以采用在读取方向 上进行读取的各种面状和线条形的传感器系统。按照优选方式，这种传感器是检测编码的 条形位置的线阵列。必要时，也可以采用两维的传感器阵列。


附图中结合针对现有技术的图示和针对实施例的图示来解释本发明。在此示意性 示出图1是角度编码器，其具有由两个对置的传感器阵列构成的传感器对；图2示出了根据图1的角度编码器的编码，以及其在传感器对上的成像；图3a示出由理想传感器阵列没有误差地检测到的有效波峰，此处I轴表示强度， PP轴表示像素位置；图3b示出由传感器阵列在高读取速度下带有误差地读取的波峰，其中I轴表示强 度，PP轴表示像素位置；图4示出根据现有技术的结构，该结构包括带有度盘分度线的载体和四个同向布 置的传感器阵列；图5示出由图2的四个传感器阵列在高读取速度下读出的波峰，其中I轴表示强 度，而PP轴表示像素位置；图6以俯视图示出带有度盘分度线的载体和第一实施方式的四个传感器阵列，这 四个传感器阵列以成对方式沿相反方向布置；图7示出由图4的四个传感器阵列带有误差地读出的波峰，其中I轴表示强度，而 PP轴表示像素位置；图8以俯视图示出带有度盘分度线的载体和第二实施方式的四个传感器阵列，这 四个传感器阵列以成对方式沿相反方向布置；图9示出根据本发明的包括两个传感器阵列的线编码器，在这两个传感器阵列上 成像有相同的码元件；图10示出根据本发明的传感器元件的第一实施例，该传感器元件具有两个沿相 反方向布置的传感器阵列，它们分别用于根据图1、4、6、8的旋转编码器和根据图9的线编码器；图11示出根据本发明的传感器元件的第二实施例，其具有平行布置的传感器阵 列；图12示出根据本发明的传感器元件的第三实施例，其具有平行布置的传感器阵 列；图13示出根据本发明的传感器元件的第四实施例，其具有平行布置的传感器阵 列；图14示出根据本发明的传感器元件的第五实施例，其具有一条共同的传感器阵 列纵轴线；图15示出根据本发明的传感器元件的第六实施例，其具有一条共同的传感器阵 列纵轴线；图16示出根据本发明的传感器元件的第七实施例，其具有一条共同的传感器阵 列纵轴线；图17示出根据本发明的传感器元件的第八实施例，其具有一条共同的传感器阵 列纵轴线；图18示出根据本发明的传感器元件的第九实施例，其具有一条共同的传感器阵 列纵轴线；图19示出根据本发明的传感器元件的第十实施例，其具有平行的传感器阵列纵 轴线和多路复用器；以及图20示出根据本发明的传感器元件的第十一实施例，其具有一条共同的传感器 阵列纵轴线和多路复用器。
具体实施例方式图1示意示出此类的角度测量仪或角度编码器的结构构造，其具有传感器对和转 动体2，该传感器对由两个相对设置的传感器阵列1构成，该转动体2带有多个围绕图案中 心设置的图案元件。片形转动体2以能够围绕一轴转动的方式相对支承元件3设置，该支 承元件3带有与其连接的传感器阵列1。转动体2的转动方向定义了相对这两个传感器阵 列1的运动方向。多个码元件通过辐射以可辨认的方式投射在所述至少两个传感器阵列1 上，从而可以确定它们在传感器阵列1区域内的位置。为了确定转动体2的相对支承元件 或者传感器阵列1的当前转动位置，将至少一部分图案元件投射在传感器对的传感器阵列 1上。由此分析得到所投射的图案元件的位置，进而推导出转动位置。视所采用的传感器数 量而定，可以通过求平均值(Mittelbildimg)来消除各种周期性误差的影响，例如偏心误 差或者周期性的分度误差。针对各个传感器阵列1在传感器阵列特定的读取方向上读取表示码元件位置的 值，根据该值在求平均值后推导出转动体2与传感器阵列1或支承元件3的相对位置。本 发明另一方式在于，为了拍摄相同的图案元件(也就是说在码载体和传感器阵列的相同位 置处)在不同的读取方向上两次读取传感器元件的传感器阵列1。两次读取过程的值也可 以进行平均。术语“平均”除了包括简单的求平均之外，还包括复杂的合计
9(komplexereAggreate)，例如通过给传感器阵列1的值设置权函数，该权函数例如也可以 与时间或温度相关地变化。这样也可以顾及到传感器的漂移效应，尤其是与本发明可用的 误差分析结合。图1出于清楚原因没有示出光束源或照明装置。但是，这些布置属于常见 实现方式，并且对于本领域技术人员是已知的；另外，其也可以按照类似于线编码器的图9 所示的例子的方式来实现。图2示意示出根据图1的角度编码器的编码，以及这些编码在传感器对上的成像。 图中示出了图案元件4，在这里该图案元件的图案中心与转动轴线重合。可以为由传感器阵 列1构成的传感器对的布置方式定义中心DZ，在理想情况下该中心DZ应该与该图案中心和 转动轴线彼此重合，从而不会出现偏心误差。另外，可以关于该探测器系统定义χ轴和y轴 作为参考变量，根据这些参考变量可以确定转动位置。出于清楚的原因，在这些示例中仅将 设置在转动体上的编码作为增量码示出，该增量码具有一系列等距的相同类型的图案元件 4。然而，本发明方法不限于此，而是基本上能够采用所有类型的增量码或绝对码。根据图3a，在精确确定位置的理想情况下，通过将码元件投射或成像在传感器阵 列上而形成并利用方形波峰5，该方形波峰的位置对应于码元件(尤其是刻度或条形码)的 相对各传感器阵列的有效位置。现在，至少通过位置值(必要时通过宽度)来表明所测得 的方形波峰5(作为波形)的特征。例如方形波峰5的中点适合作为该位置。根据图3b，由传感器阵列有效地读取的波峰6可能带有误差。该误差取决于读取 速度和读取方向，并且可能造成变形的波峰6。视参数(如强度和读取速度)而定，理想方 波信号发生变形，其中，除了因饱和效应导致的边沿变形外，峰值位置也可能发生偏移，从 而造成重心在读取方向上偏移的非对称的波峰6。波峰6或者其重心的位置例如可以这样 确定，即小于一阈值的所有像素值均设置为“0”，并且将大于该阈值的所有像素值均设置为 “1”。因非对称波峰6造成的方形波峰5相对期望的方形波峰5的偏移取决于该非对称 (Asymmetrie)，并且取决于所采用的阈值。可以看到的是，除了读取速度和读取方向之外，其他参数(如辐射强度尤其是光 强和温度)也对所确定的波峰重心的偏移产生影响，对这种误差影响的孤立量化以及消除 可能意味着高昂的费用。图4、图6和图8示出了角度编码器的典型传感器配置，在此通过所采用的传感器 阵列S1、S2、S3、S4以及其布置例如可以确定偏心误差。根据图4、图6和图8，至少两个传 感器阵列，但是优选四个传感器阵列Si、S2、S3和S4均被分配了部分的条形码或度盘分度 线。在该实施方式中，编码是作为度盘分度线布置在作为转动体2的支撑盘上。支撑盘可 以围绕其中心相对传感器阵列Si、S2、S3和S4转动。该编码设置在传感器阵列Si、S2、S3 和S4处的径向区域中，但是图中未示出。旋转中的转动体2的周向运动保证了，相对传感 器阵列Si、S2、S3和S4，码的运动方向基本沿着传感器阵列Si、S2、S3和S4的纵向。位置确定可以通过任意的编码(也就是任意的图案、绝对码和/或增量码)来实 现。不言而喻，在线的系统中，在线的载体上采用线条形延伸的编码。根据图5和图7，图4或图6的各个传感器阵列Si、S2、S3和S4在各个时刻均给 出了一条强度曲线(图4或图6中以数字“1”来表示)，所述强度曲线均从第一像素开始沿 读取方向检测。图5和图7在此示出带有失真的信号曲线，例如该信号曲线在高读取频率下将如何表现。如果以更低的频率读取传感器阵列Si、S2、S3和S4，那么该信号曲线就近 似于理想方波形状。在图4中，具有所有传感器阵列Si、S2、S3和S4的传感器元件沿着周向在其读取 方向上是与第一实施方式相同地取向或者连接的，也就是说，它们在转动方向上以相同的 方向被读取，正如现有技术所实现的那样。这意味着，始自第一像素的像素读取是统一地与 转动体2旋转方向同向或在沿相反方向进行的。在图6和图8中取消了这种统一的取向，并 且读取方向是彼此交错的，也就是说就运动方向而言，至少一个传感器阵列1是以沿其他 传感器阵列1的读取方向相反的方向被读取的。尤其是，各传感器对可以沿相同方向或沿 相反方向读取，从而在偶数布置的情况下可以成对地补偿。在此应当注意，与转动体2的运 动不关联地观察的读取方向可以是反向的；而与此相反，在与转动体的运动关联的情况下， 该读取方向被定义为同向的。如图4所示，其中传感器阵列S2和S4与旋转不关联，应被视 为沿相反方向读取。然而如果注意到转动体2的待测位置，并且因此而关联至定义运动方 向的转动，那么该读取事实上是同向地进行的。在图6中，在运动方向上，两对传感器阵列Sl和S2以及S3和S4在其读取方向上 分别以同向或反向的方式布置。这样，彼此相邻和彼此成角度的由传感器阵列S1、S2和S3、 S4构成的传感器对在周向(即转动方向)上从第一像素开始以成对方式彼此沿相反方向读 取。根据图5或图7示出的所读出的波峰6'和6"或所读出的波峰6'和6〃的重心， 确定该码相对相应传感器阵列的位置值。在确定准确位置时，首先可以针对各个传感器阵 列的所读取的波峰6'确定位置值，接下来将所述位置值平均至精确的位置，或者在与位置 无关地求解的值的等级上进行平均，从而从传感器阵列的波峰位置开始可以通过直接综合 这些值来执行位置确定，甚至无需确定各个传感器阵列的位置值。根据图6，传感器阵列S1、S2、S3和S4关于其相对码的运动方向的读取方向，尤其 是度盘分度线的周向，是以成对方式沿相反方向连接的，或者是在该方向上被读取的。在 此，图7示出了透射经过刻度的部分辐射或部分光线的波峰-重心的在读取像素时出现的 偏移，在沿相反方向读取传感器阵列Si、S2、S3、S4的情况下均逆向于pp轴的方向。相应 于波峰6"的偏移，根据传感器阵列S1、S2、S3、S4的波峰6"推导出的位置值也偏移一些。 在关于沿相反方向读取的传感器阵列S1、S2、S3、S4的“传感器阵列对” O^aar)来平均推导 出的位置时，波峰6"的非对称得以消除，进而各个传感器阵列S1、S2、S3、S4的彼此相对的 偏移误差也就基本得以消除。这种设置不仅消除了在传感器平面内的横向的x/y漂移，而 且也消除了角度漂移，也就是测定的转动位置的因漂移引起的变化。比较图5和图7可以清楚看到，同向的波峰偏移全都基本表现为相同的偏移。图 7中波峰6"的交替各异的方向以成对方式消除了这种误差。由此可以清楚明白这种校正 位置值的简单可行方案。如果现在传感器阵列以不同的传感器对或者读取布置(Ausleseanordmmg)进行 读取，那么就可以时而分析误差状况，时而分析误差补偿状况，并且根据差异化观察而归纳 为系统特性或元件特性，或者其温度漂移特性。这例如可以通过可切换的读取方向来实现， 或者通过读取方向固定而数量加倍的传感器阵列来实现，在后一种情况下仅采用具有相应 的理想读取方向的传感器阵列。此时，例如图6所示的布置可以具有总共四个双传感器阵
11列，或者八个两两反向连接且可选择性读取的传感器阵列。如果通过实现读取状态接收到 根据图4在一侧、而根据图6在另一侧生成的信号，那么就得到根据图5和根据图7的强度 分布。它们在表示位置的值或所确定的位置方面是彼此略有不同的。在此，这种区别相当于 误差，这种误差可以归结至当前的参数，如读取速度、光强和温度。如果现在例如仅逐步地 调整一个参数值并且确定与其对应的误差，那么该误差也可以用于校准或检验的目的。尤 其在下述情况下可以实现这一点传感器阵列可以在分组不同的情况下或者在自由选择的 情况下被读取。在此，可以通过选择性地逆向于其余阵列的读取方向地设置单个或多个阵 列，必要时与局部变化的强度或者其他参数相关联，以生成各种关系，这些关系还使得可以 利用复杂的方法来确定系统，例如借助统计估算法(如最大似然估算)。因此，读取方向的 改变允许通过切换单个或多个阵列或其成对分组的读取方向来生成一定数量的预定测量 状态。在此，根据本发明的解决方案不限于角度编码器或者具有四个传感器的那些。根据 本发明，也可以实现传感器数量为偶数的测量装置，例如具有6个或8个探测器。而且，在 相应的校准或加权时可以采用奇数布置，例如在三个探测器的情况下加倍地考虑那个反向 连接的探测器的数值，或者相应地增强。这样，根据本发明例如可以分析具有3、5或7个探 测器的布置。图8示出图6所实现的读取关系的一种另选方式，其具有本发明第二实施方式的4 个以成对方式沿相反方向布置的传感器阵列Si、S2、S3和S4。在此，彼此对置的传感器阵 列Sl和S3以及S2和S4作为传感器对在运动方向上反向连接。这里产生关系，即四个传 感器阵列Si、S2、S3、S4中的两个沿运动方向读取，两个逆向于该运动方向读取，其中与图 6相关的补偿效果产生在信号分析中。该布置克服了角度漂移(类似于图6的布置)，但是 与图6的布置不同，没有克服x/y漂移。图9示意示出根据本发明的线编码器，其具有传感器元件的传感器阵列Sl'和 S2'，线条编码载体8的相同的码元件成像在所述传感器阵列Sl'和S2'上。除了采用平 面几何形状之外(例如用于测量线性偏移)，该结构也可以应用在测量圆柱体刻度或圆柱 体的转动位置中。辐射源或光源在这两个传感器阵列Sl'和S2'上形成码元件的投射，该 传感器阵列Sl'和S2'构成传感器对，该传感器对在线条编码载体8的运动方向上同向或 反向地读取。这样，根据本发明的解决方案也可以应用在线性系统上，在所示例子中，码的 相同位置在两个探测器上成像，然而是沿相反方向读取的。通过两个传感器阵列来检测同 一码元件的该布置，也可以实现用于图6和图8所示的布置。当然也可以实现这样的本发明实施方式，在该实施方式中，不同的码位置被成像 在两个前后布置的传感器阵列上，或者用于线编码器的相应的码系统和两维偏移。同样，该 原理也可以仅借助一个传感器阵列来实现，该传感器阵列的值是在获得通过成像而具体化 的信息的情况下，依次或同时在两个不同的方向上读取的。此处，代替由两个分别具有特定 取向和读取方向的传感器阵列Sl'和S2'构成的传感器对，采用具有两个反向读取方向 的传感器阵列。正如在其他实施例中那样，此处原则上也采用两种原理的组合，也就是说， 可以在一个共同的布置中组合使用具有反向读取方向的传感器对和具有两个读取方向的 独立传感器阵列。图10示出两个传感器阵列，其具有平行的布置，用于根据图9的线编码器；在此， 该传感器阵列被布置在共同的支承芯片上，作为本发明传感器元件的第一实施例；如果两个传感器阵列组合在一个传感器元件中，那么这也可以实现用于图6和图8的实施例。两 个传感器阵列被构造为线阵列，该线阵列依次包括N像素、Ia-Na像素或Ib-Nb像素；线阵 列表现为依次排列的像素，这种排列不是必须按照直线形式来实现。相反，只要线阵列可以 被连续地读取，那么可以采用按照曲线依次排列像素来作为该线阵列。术语“线阵列”在此 包括图像点的类似圆形地布置的序列或环段。在该例子中，两个线阵列分别具有自己的数 据线路，作为用于读取像素的信号输出端。在此，数据线路分别设置在两个线阵列的相对两 端，从而并行地但是在相反方向上，也就是说反向或倒向读取这两个线阵列。在此如此选定 这两个线阵列的间距，以使相同的码元件分别被这两个线阵列的像素检测到。两个线阵列 可以彼此靠近地(也就是说间距很小)并排排列，从而应共同检测的码尽量一致地投射在 这两个线阵列上。例如，该间距可以被保持得小于线阵列的宽度或者至少保持在其宽度或 其宽度的两或三倍的范围内。两个信号输出端允许高的读取速度，但是也增加了复杂程度， 由于必须保证两个信号处理。另选地，根据本发明也可以以类似方式反向读取面状传感器的行或列或者图像点 的矩阵式布置。图11示出本发明传感器元件的第二实施例，该传感器元件具有传感器阵列的并 排布置，并且是共同地连续读取的。在该实施例中，这两个传感器阵列也有利地布置在共同 的支承芯片上，其中，它这样串联连接，以使得它作为唯一一个传感器阵列在一个共同的读 取过程中以相反的读取方向被读取。在此，两个传感器阵列如同图10的布置一样，彼此与 其纵轴平行地取向。这样，这种布置相当于被断开成两部分的传感器阵列，这两部分是相继 连接的。与根据图10的布置相比，由于共同的读取过程并且仅包括一个信号输出端或一个 数据线路，虽然读取速度降低了，但是分析可以仅采用一个共同的信号处理来进行，从而仅 需很少的花费。另外，误差或影响可以按照共同的方式作用于这两行。例如，尤其是漂移效 果或者亮度关联性(HelligkeitsabMngigkeit)或局部波动可以基于共同的输出级来补偿。与 图10相关地说明的传感器阵列间的小间距的优点也存在于这种具有连续读取过程的平行 布置中。图11的传感器元件也可以通过补充额外的传感器阵列来得以扩充，从而得到在 图12中示出的传感器元件，作为第三实施例。在该实施例中，η个传感器阵列是平行布置、 相继连接或者说串联连接的，在此读取方向是交替的；换言之，就相对第一传感器阵列纵轴 线的方向而言，从一个传感器阵列到另一个传感器阵列是调转方向的。在该实施例中，η为 偶数，从而实现了一条以成对方式反向读取的线阵列。原则上，这种布置也可以以奇数η的传感器阵列来构成，从而得到本发明传感器 元件的图13所示的第四实施例。由于奇数而未与其他传感器阵列配对的最后一个阵列例 如可以在分析中被设置一个权重函数(Gewichtsfunktion)，或者与同向读取的另一个传感 器阵列一起被平均，然后再与另一个反向读取的传感器阵列配对。这样就造成了一个传感 器对，它作为“2+1，，布置具有总共三个传感器阵列，其中两个是同向读取的，只有一个应考 虑权重函数，然后再与反向读取的第三传感器阵列的结果进行结合，从而实现了将2对1阵 列的组合的传感器阵列与第三阵列进行配对。该布置例如可以用于尽量充分利用在边缘 处照明情况不佳的码投射(Cocbprojektion)。例如，在η = 3的传感器阵列中并且在传感 器元件边缘照明情况减弱的情况下，靠外的两个传感器阵列可以根据较差照明情况进行加权，并且与位于对称布置中心的传感器阵列进行比较或结合。视应用而定，在非对称条件 下，这两个侧翼的阵列也可以彼此不同地被加权。但是，除了具有并排排列的传感器阵列(其纵轴彼此平行取向)的传感器元件之 外，也可以采用相继排列的布置，从而传感器阵列沿其纵轴线前后跟随，进而所有图像点或 像素均布置在一条直线上。这种传感器元件的例子在图14中作为本发明传感器元件的第 五实施例示出，其具有一条共同的传感器阵列纵轴线。在该实施例中，以类似于图10的方 式独立地读取这两个传感器阵列，因而这两个传感器阵列分别具有自己的数据线路和信号 输出端。这种线性布置例如可以用在下述场合在纵向上形状相同的编码(例如，一种简单 的增量码)在该方向上移动，从而在编码被适当投射、且传感器阵列的间距为编码周期数 倍的情况下，这两个传感器阵列探测到相同的成像。图15和图16示出了一种串联连接，其包括对两个传感器阵列的共同的读取过程， 作为本发明传感器元件的第六和第七实施例，两个传感器阵列的读取方向在图15中是彼 此相向地延伸(或者说取向)的，而在图16中是彼此远离地延伸(或者说取向)的。传感器阵列的沿纵轴线前后跟随的布置可以用η多个传感器阵列来实现，在此η 既可以是奇数也可以是偶数。图17和18示出了它的例子，作为本发明传感器元件的第八 和第九实施例。图19和图20示出了本发明传感器元件的第十和第十一实施例，其具有多路复用 器，在此图19实现为彼此平行的传感器阵列纵轴线，图20实现为一条共同的传感器阵列纵 轴线。原则上，根据本发明也可以实现矩阵式布置，其中传感器阵列不仅并排而且也前 后布置，这样例如可以用来确定在两个轴上的运动或移动。对此，如果能够按照相应方式读 取行和列，那么也可以采用面状阵列。
权利要求
1.一种确定可运动载体(2、8)上的编码相对于至少一个传感器元件的位置的方法，所 述传感器元件具有至少一个传感器阵列(1、Si、Sl'、S2、S2'、S3、S4)，尤其是CMOS传感 器阵列，其中， 所述载体(2、8)能够沿着运动方向相对于所述传感器元件运动； 所述传感器元件的所述至少一个传感器阵列(1、Si、Sl'、S2、S2'、S3、S4)通过由 所述传感器元件读取所述传感器阵列(1、Si、Sl'、S2、S2'、S3、S4)所检测到的值来确定 码元件(4)在所述传感器阵列(1、Si、Sl'、S2、S2'、S3、S4)的区域内的位置，所述码元件 通过辐射而以可区分的方式成像；以及 通过平均根据所述值来确定所述位置，其特征在于，或者分两次并且以相反的读取方向读取所述至少一个传感器阵列(1、Si、Sl'、S2、 S2'、S3、S4)；和/或相对于所述载体的运动方向以成对方式沿相反方向读取一个传感器对，所述一 个传感器对由两个传感器阵列(1、S1、S1'、S2、S2'、S3、S4)构成，所述两个传感器阵列分 别具有阵列特定的读取方向。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于， 采用两个传感器对，所述两个传感器对具有沿相反方向读取的传感器阵列(1、S1、S2、 S3、S4)； 优选为度盘分度线的编码沿周向分布在所述载体( 上； 传感器对的被沿相反方向读取的传感器阵列(1、S1、S2、S3、S4)基本彼此沿直径对置 或者彼此成角度地设置。
3.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述码元件(4)是按照波峰形状 (6、6’、6”)被所述至少一个传感器阵列(1、S1、S1'、S2、S2'、S3、S4)检测到的，其中采用 至少一个阈值来确定波峰位置。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在基于利用所述至少一个传感器阵列(1、 SUSl'、S2、S2'、S3、S4)检测到的波峰(6、6'、6〃)的波峰位置来推导位置值时，可以 与下列参数中的至少一个有关地执行校正-读取频率-阈值-辐射强度或者-温度，尤其是将与参数有关的位置差增加到根据波峰位置推导得到的位置值。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，在至少一个检验步骤中或者至少一个 检查步骤中，不仅同向而且还沿相反方向读取至少一个传感器对，并且根据其中确定的两 个位置值之差来推导出检验参数和/或干扰指示。
6.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，以高于IMHz尤其是高于IOMHz的 频率读取所述至少一个传感器阵列(1、Si、Sl'、S2、S2'、S3、S4)。
7.一种确定可运动载体(2、8)上的编码相对于至少一个传感器元件的位置的装置，所 述传感器元件具有至少一个传感器阵列(1、Si、Sl'、S2、S2'、S3、S4)，尤其是CMOS传感器阵列，其中， 所述载体(2、8)能够沿着运动方向相对所述传感器元件运动， 所述至少一个传感器阵列(1、Si、Sl'、S2、S2'、S3、S4)通过由所述至少一个传感器元件读取所检测到的值来确定码元件(4)在所述传感器元件区域内的位置，所述码元件通过辐射而以可区分的方式成像；以及 通过平均根据所述值来确定所述位置， 其特征在于，-所述至少一个传感器阵列(1、Si、Sl'、S2、S2'、S3、S4)如此与分析电路连接，以便分两次以相反的读取方向读取所述传感器阵列；和/或-由两个传感器阵列(1、Si、Sl'、S2、S2'、S3、S4)构成的一个传感器对以成对方式如此取向并且如此与分析装置连接，即一个传感器对的所述两个传感器阵列(1、S1、S1'、·52、S2'、S3、S4)能够相对所述载体0、8)的运动方向以沿相反读取方向被读取，其中，所述两个传感器阵列分别具有相对所述载体(2、8)运动方向的、阵列特定的读取方向。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于， 采用两个传感器对，所述两个传感器对具有沿相反方向读取的传感器阵列(1、S1、S2、·53、S4)； 编码优选为度盘分度线沿周向分布在所述载体( 上； 传感器对的所述沿相反方向读取的传感器阵列(1、S1、S2、S3、S4)基本彼此沿直径对置或者彼此成角度地设置。
9.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，设有检验或检查装置，其允许执行至少一个检验步骤或至少一个检查步骤，其中至少一个传感器对能够沿相反方向也能够沿同一方向被读取，并且根据其中确定的两个位置值之差能够推导出检验参数和/或干扰指
10.根据权利要求7至9之一所述的装置，其特征在于，传感器对的传感器阵列的阵列特定的读取方向是能够改变的，尤其是能够自由切换的。
11.根据权利要求7至10之一所述的装置，其特征在于，能够以高于IMHz尤其是高于 IOMHz的频率读取所述至少一个传感器阵列(1、Si、Sl'、S2、S2'、S3、S4)。
12.根据权利要求7至11之一所述的装置，其特征在于，传感器对的两个传感器阵列 (Si'、S2')检测相同的码元件G)。
13.传感器元件，其具有至少两个传感器阵列，尤其是位于一个共同的芯片上，所述传感器元件用于执行根据权利要求1至11之一所述的方法，其特征在于，所述至少两个传感器阵列如此串联连接，以使得-这两个传感器阵列以相反读取方向、尤其是交替的读取方向， -并且在一个共同的读取过程中作为唯一的传感器阵列被读取，尤其是采用多路复用器通过依次读取来进行。
14.根据权利要求13所述的传感器元件，其特征在于，所述至少两个传感器阵列按照它们的纵轴线彼此平行的方式取向，或者按照它们的纵轴线位于共同的轴线内的方式来布置。
15.传感器元件，其具有至少两个传感器阵列，尤其是位于一个共同的芯片上，所述传感器元件用于执行根据权利要求1至11之一所述的方法，其特征在于，所述至少两个传感 器阵列分别具有一个信号输出端，并且所述至少两个传感器阵列按照它们的纵轴线彼此平 行的方式取向，其中，这些传感器阵列之间的间距小于其宽度的三倍。
全文摘要
为了确定在可运动载体上的编码的位置，载体(2)能够相对具有至少一个传感器阵列的传感器元件(S1、S2、S3、S4)沿着一运动方向在所述传感器阵列的范围内运动。所述至少一个传感器阵列确定在传感器元件区域内的码元件的位置，该码元件通过辐射而以可区分的方式成像，其中，所检测到的值在至少一个读取方向上被读取并且由此确定位置值。在此两次以相反的读取方向读取至少一个传感器阵列，或者相对所述载体的运动方向以成对方式沿相反方向读取由两个传感器阵列构成的传感器对，所述两个传感器阵列分别具有一个阵列特定的读取方向。根据以可区分的方式成像的码元件的位置推导出位置值，并且对其平均，就可以以更高精度提供该位置。在此仅以很小的开销显著提升了精度。
文档编号G01D5/249GK102150017SQ200980135605
公开日2011年8月10日 申请日期2009年8月28日 优先权日2008年9月12日
发明者伯恩哈德·施普伦格 申请人:莱卡地球系统公开股份有限公司