AT518531B1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erfassung des Drehwinkels - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Bestimmung eines Drehwinkels (α) eines drehbaren Körpers, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Abstrahlen von Licht mit unterschiedlichen Eigenschaften durch zumindest zwei unterschiedliche Lichtsende-Einheiten (5, 6), welche an dem drehbaren Körper in einem Winkel zueinander bezogen auf die Drehrichtung des Körpers angeordnet sind, Empfang des Lichts durch zumindest zwei Licht-Empfangseinheiten (2, 3), die fix in einem vorgegeben Winkel zueinander angeordnet sind, Auswertung des von den Lichtsende-Einheiten (5 (I), 5 (II), 6) empfangenen Lichts und Erfassen einer Information über den Drehwinkel (α) des Körpers.

Description

Beschreibung
VORRICHTUNG ZUR ERFASSUNG DES DREHWINKELS TECHNISCHES GEBIET
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung des Drehwinkels und der Drehrichtung eines drehbaren Körpers. Die vorgeschlagene Lösung ist geeignet für verschiedene Anwendungen, bei denen eine Erfassung des Drehwinkels vorteilhaft ist.
STAND DER TECHNIK
[0002] Die Erfassung des Drehwinkels eines drehbaren Körpers kann für verschiedene Anwendungen hilfreich sein, beispielsweise für die Erfassung und / oder Regelung von Dreh-Prozessen. Beispielsweise kann eine Erfassung der Kurbelwellenwinkel einer Brennkraftmaschine zur Erkennung des Verbrennungstaktes eines bestimmten Zylinders für die Synchronisation der Zündung oder Einspritzung während des Betriebs der Brennkraftmaschine genutzt werden.
[0003] Die DE 103 16 122 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung der Winkelposition eines drehbaren Körpers mit einem optischen Sensor, der abhängig von der Position des drehbaren Körpers ein Signal erzeugt, und mit einem Steuergerät, welches das Signal des Sensors auswertet. Erfindungsgemäß ist das Signal des Sensors für jedes vorgegebene Winkelsegment unterschiedlich. Dazu ist der drehbare Körper mit einer über den Umfang ansteigenden radialen Erhebung ausgestattet, so dass sich durch die Drehung unterschiedliche Abstände zum Sensor ergeben und diese zur Bestimmung der Winkellage verwendet werden. Für hohe Auflösung und Genauigkeit werden genaue Zeitmesssysteme benötigt, um die Abstände zu ermitteln. Diese Systeme sind nur mit erheblichem Schaltungsaufwand und/oder mittels komplexer Signalverarbeitungsalgorithmen realisierbar.
[0004] Aus der DE2406393C2 geht eine Drehpositionsvorrichtung hervor, die eine Lichtquelle an einem Drehkörper und zwei ortsfeste, nebeneinander angeordnete photoelektrische Elemente aufweist. Das durch die drehende Lichtquelle erzeugte Ausgangssignal der photoelektrischen Elemente wird hinsichtlich der Intensität ausgewertet, welches sich in Abhängigkeit der Drehwinkelstellung des Drehpositionssensors und der damit zusammenhängenden Aufteilung des Lichtstrahls mit definiertem Abstrahlwinkel zwischen den photoelektrischen Elementen ergibt.
[0005] Weiterhin verwendet die Vorrichtung ein zylindrisches Element, das nicht nur die Lichtquelle fixiert, sondern auch als Maske dient, um den Lichtstrahl in eine vorbestimmte Form zu zwingen. Der Hauptnachteil dieser Vorrichtung ist die Notwendigkeit einer solcher Maske, deren komplexe Konstruktion und Montage. Außerdem deckt die Vorrichtung nur einen Teil vom gesamten Winkelbereich des drehbaren Körpers ab. Auch braucht die Vorrichtung Abhängigkeiten zwischen den angewendeten photoelektrischen Elementen.
[0006] Aus der DE3633022A1 ist eine Anordnung zur berührungsfreien Drehwinkelmessung eines Objektes bekannt. Es werden mehrere Lichtquellen und Lichtempfänger für Licht unterschiedlicher Wellenlängen verwendet, mittels welchen eine Messskala mit einem kodierten Muster zellenförmig angestrahlt wird. Das von dem Muster ausgehende wellenlängenkodierte empfangbare Licht dient als Kriterium für das Ausmaß der Drehbewegung des Messskala und damit des Skalaträgers. Der komplexe Aufbau macht das System nicht praktisch für verschiedene Anwendungen (bspw. die Ermittlung der Winkellage eines Verbrennungsmotors). Außerdem besteht ein Problem, wenn der drehbare Körper unrund läuft. Für einen derartigen Fall wären zusätzliche Vorrichtungen und/oder Auswertungsverfahren erforderlich, um dies zu erkennen, ansonsten werden ungenaue Information über die Winkellage weitergeleitet.
AUFGABE DER ERFINDUNG
[0007] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine genauere, einfachere und günstigere Vorrichtung zur Erfassung des Drehwinkels und der Drehrichtung eines drehbaren Körpers zu ermöglichen. Die Erfindung ermöglicht eine Vorrichtung zur Erfassung des Drehwinkels und der Drehrichtung eines drehbaren Körpers, welche im Vergleich zum Stand der Technik mit geringerem Rechen- und Schaltungsaufwand realisiert werden kann. Außerdem ermöglicht es die Erfindung zu erkennen, wenn der drehbare Körper unrund läuft. Einen derartigen Fall kann die erfindungsgemäße Vorrichtung vorzugsweise innerhalb einer Umdrehung erkennen und einen Korrekturfaktor bestimmen.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
[0008] Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Vorrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels eines drehbaren Körpers bereitzustellen, welche auf einfache Art und Weise die Erfassung eines Drehwinkels eines drehbaren Körpers ermöglicht.
[0009] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und den Ausführungsbeispielen.
[0010] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels eines drehbaren Körpers, wobei der drehbare Körper zumindest zwei unterschiedliche Lichtsende-Einheiten aufweist, die in einem Winkel zueinander, bezogen auf die Drehrichtung des drehbaren Körpers, an dem drehbaren Körper angeordnet sind. Die Lichtsende-Einheiten können Licht mit unterschiedlichen Eigenschaften abstrahlen. Die Vorrichtung weist weiterhin zumindest zwei Licht-Empfangseinheiten auf, die fix in einem vorgegeben Winkel zueinander angeordnet sind. Anhand der Auswertung des von den Lichtsende-Einheiten empfangenen Lichts kann eine Information über den Drehwinkel des drehbaren Körpers ermittelt werden.
[0011] Die Licht-Empfangseinheiten können unterschiedliche Empfangseigenschaften aufweisen.
[0012] Die Licht-Empfangseinheiten können räumlich beabstandet zu dem drehbaren Körper angeordnet sein.
[0013] Die Licht-Empfangseinheiten können an einem Trägerelement für den drehbaren Körper angeordnet sein.
[0014] Zwischen den Lichtsende-Einheiten kann jeweils ein Abschottungselement angeordnet sein, so dass sich die Abstrahlwinkel des von den beiden Lichtsende-Einheiten abgestrahlten Lichts nicht überschneiden.
[0015] Die Vorrichtung kann eine Auswerteeinrichtung aufweisen, wobei die Auswerteeinrichtung sowohl eine Information über das abgestrahlte Licht der Lichtsende-Einheiten als auch des von den Licht-Empfangseinheiten empfangenen Lichts auswertet.
[0016] Die Auswerteeinrichtung kann die Energieprofile der Licht-Empfangseinheiten auswerten und abhängig von der Auswertung der Energieprofile den Drehwinkel des drehbaren Körpers ermitteln.
[0017] Das von den Lichtsende-Einheiten abgestrahlte Licht kann sich hinsichtlich seiner Wellenlänge unterscheiden.
[0018] Die Licht-Empfangseinheiten können unterschiedliche Empfangseigenschaften hinsichtlich der Wellenlänge des zu empfangenden Lichts aufweisen.
[0019] Jede Lichtsende-Einheit kann das Licht gemäß einem vorgegebenen Code abstrahlen, wobei sich die Codes der einzelnen Lichtsende-Einheiten voneinander unterscheiden.
[0020] Die Auswerteeinrichtung kann die Energieprofile der Licht-Empfangseinheiten unter Beachtung der Codes der einzelnen Lichtsende-Einheiten auswerten und abhängig von der Auswertung der Energieprofile den Drehwinkel des drehbaren Körpers ermitteln.
[0021] Der drehbare Körper kann Teil einer Beleuchtungsvorrichtung sein und die Licht-Empfangseinheiten können an einem optischen Element, vorzugsweise einer Sekundäroptik oder einem Reflektor, angeordnet sein.
[0022] Die Erfindung betrifft auch eine Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere eine drehbare Strahlereinheit, aufweisend eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels.
[0023] Die Erfindung betrifft auch einen Motor, insbesondere Verbrennungsmotor, aufweisend eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels.
[0024] Die Erfindung betrifft auch die Verwendung von Lichtsende-Einheiten und Licht-Empfangseinheiten zur Bestimmung eines Drehwinkels eines drehbaren Körpers, wobei der drehbare Körper zumindest zwei unterschiedliche Lichtsende-Einheiten aufweist, die in einem Winkel zueinander, bezogen auf die Drehrichtung des drehbaren Körpers, an dem drehbaren Körper angeordnet sind. Die Lichtsende-Einheiten können Licht mit unterschiedlichen Eigenschaften abstrahlen. Die Vorrichtung kann weiterhin zumindest zwei Licht-Empfangseinheiten aufweisen, die fix in einem vorgegeben Winkel zueinander angeordnet sind. Anhand der Auswertung des von den Lichtsende-Einheiten empfangenen Lichts kann eine Information über den Drehwinkel des drehbaren Körpers ermittelt werden.
[0025] Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Bestimmung eines Drehwinkels eines drehbaren Körpers, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: [0026] - Abstrahlen von Licht mit unterschiedlichen Eigenschaften durch zumindest zwei unterschiedliche Lichtsende-Einheiten, welche an dem drehbaren Körper in einem Winkel zueinander bezogen auf die Drehrichtung des drehbaren Körpers angeordnet sind, [0027] - E mpfang des Lichts durch zumindest zwei Licht-Empfangseinheiten, die fix in einem vorgegeben Winkel zueinander angeordnet sind, [0028] - Auswertung des von den Lichtsende-Einheiten empfangenen Lichts und Erfassen einer Information überden Drehwinkel des drehbaren Körpers.
[0029] Weiterhin betrifft die erfindungsgemäße vorgeschlagene Lösung eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung des Drehwinkels eines um eine Achse drehbaren Körpers unter Verwendung von zwei voneinander unabhängig ansteuerbaren Lichtsende-Einheiten sowie zwei voneinander unabhängig auswertbaren Licht-Empfangseinheiten. Die Lichtsende-Einheiten weisen jeweils einen Lichtsende-Einheit auf. Die Licht-Empfangseinheiten weisen Licht-Empfangseinheiten für Licht wie bspw. Photodioden oder Photodioden-Arrays mit einzelnen auswertbaren Photodioden auf. Beispielsweise sind sowohl die Lichtsende-Einheiten als auch die Licht-Empfangseinheiten für jeweils eine unterschiedliche Wellenlänge des auszustrahlenden bzw. zu empfangenden Lichts ausgelegt. Die Lichtsende-Einheiten sind mit einer Achse des drehbaren Körpers wirkverbunden. Die Anordnung der Licht-Empfangseinheiten sowie auch die geometrische Ausgestaltung der Vorrichtung sind vorzugsweise symmetrisch. Entsprechend dem Drehwinkel der Lichtsende-Einheit und Licht-Empfangseinheiten der jeweiligen Lichtsende- und Licht-Empfangseinheiten zueinander ergeben sich unterschiedliche Signale, welche durch eine Auswertung hinsichtlich ihrer Energie eine Rückführung auf den Drehwinkel innerhalb einer Umdrehung, d.h. 0° bis 360°, erlauben. Dadurch ist ein eindeutiges Energieprofil für jeden Drehwinkel bestimmbar.
[0030] Weiterhin ist anhand der Energieprofile eine stufenlose Drehrichtungsbestimmung innerhalb einer Umdrehung möglich.
[0031] Gemäß der Erfindung ist es auch möglich, anhand der Energieprofile der Licht-Empfangseinheiten eine Abweichung von dem gleichmäßigen Umlauf des drehbaren Körpers innerhalb einer Umdrehung als unrunden Lauf erkennen und die Drehbewegung des drehbaren Körpers entsprechend zu korrigieren.
[0032] Erfindungsgemäß vorteilhaft können die Energieprofile der Licht-Empfangseinheiten die Abweichung von dem unrunden Ablauf des drehbaren Körpers innerhalb einer Umdrehung erkennen und korrigieren. Wenn der drehbar Körper unrund läuft, die symmetrische Ausgestaltung der Vorrichtung ist nicht mehr gültig (siehe Fig. 2h). Abhängig von der Abweichung des drehbaren Körpers vom unrunden Ablauf wird die empfangene Lichtenergie der Licht-Empfangseinheiten geändert. Dadurch sind die Energieprofilen Ei und E2 nicht mehr so exakt (wie in Fig. 3 dargestellt). Diese Eigenschaft kann vorteilhaft benutzt werden, um ein Unrund-Warnsignal innerhalb einer Umdrehung zu liefern. Weiterhin zeigt das Ausführungsbeispiel, dass anhand der Energieprofile ein Korrekturfaktor bestimmt werden kann, um eine genauere Information überden Drehwinkel weiter zu leiten.
[0033] Vorzugsweise liefern die Energieprofilen (Ei, E2, E3 und E4) zusätzlich zum Drehwinkel zumindest eine weitere Information. Abhängig von der Empfindlichkeit der Licht-Empfangseinheiten und der Auflösung der Energieprofile können beliebig viele Informationen geliefert werden.
[0034] Vorzugsweise können anhand der Energieprofile zwei Drehwinkel für zwei unterschiedliche und vorbestimmte Zeitpunkte bestimmt werden. Dadurch sind eine kontinuierliche Drehzahlerkennung und eine Erfassung von der Drehzahländerung des drehbaren Körpers innerhalb einer Umdrehung möglich. Je kürzer die Dauer zwischen diesen vorbestimmte Zeitpunkten, desto schneller ist eine Drehzahlerkennung möglich.
[0035] Es wurde herausgefunden, dass die Anordnung der Licht-Empfangseinheiten und die geometrische Ausgestaltung der Vorrichtung zusammen mit einfachen Signalverarbeitungsalgorithmen eine Rolle spielen können, um den Unterschied zwischen verschiedene Winkellagen des drehbaren Körpers deutlicher zu bestimmen. Außerdem hilft es auch, um das lineare Verhältnis zwischen der Energieprofilen und der Drehwinkel zu verbessern.
[0036] Es kann zusätzlich zur Winkelposition zumindest eine weite Information ausgegeben werden, insbesondere die Information „unrund Ablauf des drehbaren Körpers”, über eine Verschmutzung oder die berechnete Drehzahl.
[0037] Es kann eine Selbst-Kalibrierung erfolgen, wobei für vorgegebene Winkelwerte des Drehwinkels die Signale bzw. Energieprofile bekannt sind, insbesondere in einem Speicher abgelegt sind, und mit den gemessenen Werten verglichen werden.
[0038] Die vorgeschlagene Vorrichtung kann auch zur Bestimmung des Kurbelwelle- und/oder Nockenwellenwinkels in einem Fahrzeug verwendet werden. Die Lichtsende-Einheit sind mit der Achse der Kurbelwelle und/oder Nockenwellen fest verbunden. Im Gehäuse sind die Licht-Empfangseinheiten als integral auswertbare Photodiode Arrays integriert/eingebaut, welche den Umfang der Kurbelwelle und/oder Nockenwellen umspannen. Dadurch ist eine präzise und stufenlose Motorlagenbestimmung möglich, die für die Synchronisation der Zündung oder Einspritzung während des Betriebs der Brennkraftmaschine notwendig ist. Weiterhin erlaubt die Vorrichtung, dass die Motorlagenbestimmung auch im Stillstand möglich ist.
[0039] Vorzugsweise sind sowohl die Lichtsende-Einheiten als auch die Licht-Empfangseinheiten innerhalb der Vorrichtung gegen Umgebungslicht gekapselt angeordnet, um einen möglichen Einfluss von Umgebungslicht zu vermeiden.
[0040] Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.
[0041] Fig. 1 eine geometrische Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung [0042] Fig. 2a ein erstes Ausführungsbeispiel für einen beliebigen
Drehwinkel (a) des drehbaren Körpers für die alternative Vorrichtung [0043] Fig. 2b, 2c, 2d, 2e, 2f und 2g weitere Darstellungen des ersten Ausführungsbeispiels für die Drehwinkel α = 45°, α = 90° α = 180°, α = 270°, α = 100° beziehungsweise α = 260° für die Drehrichtung (DR), die gegen den Uhrzeigersinn ist [0044] Fig. 2h eine Darstellung für einen unrunden Lauf des drehbaren Körpers im Winkelbereich α = 0° und α = 90° [0045] Fig. 3 die Energieprofile der Licht-Empfangseinheiten 1, 2, 3 und 4 abhängig vom Drehwinkel des drehbaren Körpers für den gesamten Winkelbereich, wenn der drehbare Körper exakt rund läuft [0046] Fig. 4 ein Beispiel für die zwei Codes der Lichtsende-Einheit 5(l) und 5(ll) [0047] Fig. 5 eine geometrische Ausgestaltung der alternativen Vorrich tung [0048] Fig. 6 die Energieprofile der Licht-Empfangseinheiten 11,12 und 13 abhängig vom Drehwinkel des drehbaren Körpers für den gesamten Winkelbereich, wenn der drehbare Körper exakt rund läuft [0049] Die Vorrichtung in Fig. 1 besteht aus vier Licht-Empfangseinheiten (1, 2, 3 und 4) und drei Lichtsende-Einheiten (5(l), 5(ll) und 6), die mit der Achse des drehbaren Körpers (7) gelagert sind. Die Licht-Empfangseinheiten sind bspw. als um 45° gedrehtes Quadrat angeordnet, welche den Umfang der Achse des drehbaren Körpers umspannen. Die beiden ersten Lichtsende-Einheiten (5(l) und 5(ll)) senden mit einer ersten Wellenlänge (λ-ι) und gleichzeitig sendet die zweite Lichtsende-Einheit (6) die zweite Wellenlänge (λ2). Außerdem können die ersten Empfangseinheiten (1, 2 und 4) nur die Wellenlänge (λ^ empfangen und die zweite Licht-Empfangseinheit (3) nur die Wellenlänge (λ2) empfangen. Die Anordnung der Licht-Empfangseinheiten sowie auch die geometrische Ausgestaltung der Vorrichtung sind jeweils symmetrisch. Der Null-Zustand (α = 0°) des drehbaren Körpers wird bspw. in Fig. 1 dargestellt. Fig. 2a zeigt ein Beispiel für einen beliebigen Drehwinkel (α) des drehbaren Körpers. Hier sind E^a), E2(a), E3(a) und E4(a) die Energieprofile der Licht-Empfangseinheit (1), (2), (3) beziehungsweise (4) abhängig vom Drehwinkel des drehbaren Körpers für den gesamten Winkelbereich für die Drehrichtung (DR), die gegen den Uhrzeigersinn ist. Die Darstellung der Energieprofile (siehe Fig. 3) basiert auf die Erklärung, die unten genannt wurde.
[0050] Die symmetrische Ausgestaltung der Vorrichtung und die symmetrische Anordnung der Licht-Empfangseinheiten erlaubt es, dass die vier Licht-Empfangseinheiten den gleich Energie Schwellwert (E) für den Null-Zustand (α = 0°) des drehbaren Körpers, d.h. E^O) = E2(0) = E3(0) = E4(0) = E haben. Diese Werte der Energieprofile sind bspw. eindeutig für (α = 0°). Um die Beschreibung der Erfindung deutlicher zu machen, wird angenommen das die Energieprofile der Licht-Empfangseinheiten den Energie Schwellwert (E) nicht überschreiten dürfen. Wenn eine der vier Licht-Empfangseinheiten innerhalb einer Umdrehung mehr als den Energie Schwellwert (E) empfängt, wird von der elektronischen Schaltung der Vorrichtung die empfangene Energie gekappt.
[0051] Wenn der drehbare Körper rund läuft, zeigt Fig. 3 den normalisierten Wert der Energieprofile E^a), E2(a), E3(a) und E4(a) der Licht-Empfangseinheiten 1, 2, 3 beziehungsweise 4 für die gezeigte Drehrichtung (DR). Aus der oben genannten Erklärung, dass E-i(O) = E2(0) = E3(0) = E4(0) = 1 ist. Wenn der drehbare Körper in DR anfängt sich zu drehen, wird ein Teil der ersten Licht-Empfangseinheit (1) von der zweiten Lichtsende-Einheit (6) mit der zweiten Wellenlänge (λ2) abgedeckt. Dadurch empfängt die erste Licht-Empfangseinheit (1) geringere Energie, weil die erste Licht-Empfangseinheit (1) nur die erste Wellenlänge (λ-ι) empfangen kann. Je größer die abgedeckte Fläche der ersten Licht-Empfangseinheit (1) von der zweiten Lichtsende-Einheit (6) ist, je geringer ist die empfangene Energie der ersten Licht-Empfangseinheit (1). Wenn (α = 90°) ist, wird die erste Licht-Empfangseinheit (1) komplett von der zweiten Lichtsende-Einheit (6), wie in Fig. 2c dargestellt, abgedeckt. Deswegen zeigt Fig. 3, dass Ei(a) abhängig vom Drehwinkel des drehbaren Körpers zwischen (α = 0°) und (α = 90°) kontinuierlich bis Null absinkt. Das Energieprofil Ε-ι(α) wird benutzt, um den aktuellen Drehwinkel des drehbaren Körpers in diesem Winkelbereich zu erfassen. Die Lichtsende-Einheiten sind alternativ auch als Lichtsender bezeichnet.
[0052] Die lineare Darstellung der Energieprofile in Fig. 3 basiert auf mathematischen/physika-lischen Näherungsansätzen, um das Konzept einfacher zu erklären. Es ist empfehlenswert, für eine exaktere Darstellung eine Prüfstandmessung in verschiedenen Betriebspunkten durchzuführen, um die Energieprofile des drehbaren Körpers noch genauer darzustellen. Wenn der drehbare Körper in DR weiter sich dreht, deckt die erste Lichtsende-Einheit 5(11) weiter die erste Licht-Empfangseinheit (1) komplett ab (siehe Fig. 2d), bis (a = 180°) ist. Dadurch wird in Fig. 3 gezeigt, dass Ε-ι(α) zwischen (a = 90°) und (a = 180°) kontinuierlich bis der normalisierten Wert „1“ steigt, weil es vorher erklärt wurde, dass die Energieprofile der Licht-Empfangseinheiten den Energie Schwellwert (E) nicht überschreiten dürfen.
[0053] Wenn der Drehwinkel des drehbaren Körpers größer als 180° und kleiner als 270° ist, empfängt ein Teil der ersten Licht-Empfangseinheit (1) keine Lichtenergie, weil es keine Lichtsende-Einheit in diesem Winkelbereich gibt. Dadurch empfängt die erste Licht-Empfangseinheit (1) weniger Energie. Je größer die abgedeckte Fläche der ersten Licht-Empfangseinheit (1) ist, die kein Licht empfängt, desto geringer ist die empfangene Energie der ersten Licht-Empfangseinheit (1). Wenn (a = 270°) ist, empfängt die erste Licht-Empfangseinheit (1) gar keine Lichtenergie mehr (siehe Fig. 2e). Deswegen zeigt Fig. 3, dass Ε-ι(α) abhängig vom Drehwinkel des drehbaren Körpers zwischen (a = 180°) und (a = 270°) kontinuierlich bis Null absinkt. Anhand der oben genannten (o.g.) Erklärungen können die Energieprofile Ε-ι(α), E2(a), und E3(a), wie in Fig. 3 dargestellt, für den gesamten Winkelbereich des drehbare Körpers weiter erklärt werden.
[0054] Vorzugsweise kann anhand der Energieprofile die Drehrichtung des drehbaren Körpers, wie in Fig. 3 dargestellt, innerhalb einer Umdrehung bestimmt werden. Weiterhin zeigt Fig. 3, dass Ε-ι(α) exakt wie E2(a) ist, wenn der drehbar Körper exakt rund läuft.
[0055] Fig. 3 zeigt, dass die Energieprofile E^a), E2(a) und E3(a) eindeutige Werte für jeden Drehwinkel nur für den halben Winkelbereich haben, d.h. den Winkelbereich (0° bis 180°) oder den Winkelbereich (180° bis 360°), wie in Fig. 3 gezeigt wird, ist E2(a = 100°) = E2(a = 260°) = ß. Außerdem ist E3(a = 100°) = E3(a = 260°) = 0. Auch ist Ε-ι(α) eine exakte Aufnahme von E2(a), um die Abweichung von dem unrunden Ablauf des drehbaren Körpers innerhalb einer Umdrehung zu erkennen und korrigieren, wie vorher erklärt wurde.
[0056] Im Folgenden gilt: Die eckigen Klammern „]a, b[“ bedeuten, dass alle Werte zwischen „a“ und „b“ betrachtet werden, nicht jedoch die Werte „a“ und „b“ selbst.
[0057] Weiterhin wird mit Fig. 2 gezeigt, dass die Licht-Empfangseinheit (4) für den Winkelbereich ]0°, 180°[ von der ersten Lichtsende-Einheit 5(l) oder für den Winkelbereich ]180°, 360°[ von der ersten Lichtsende-Einheit 5(ll) beleuchtet wird. Diese Information wird zusammen mit den Ε-ι(α), E2(a) und E3(a) benutzt, um eindeutige Werte für jeden Drehwinkel für den gesamten Winkelbereich zu haben. Fig. 2f, 2g und Fig. 3 zeigen, dass unter Zuhilfenahme der Licht-Empfangseinheit (4) eindeutig berechnet werden kann, ob der Drehwinkel 100° oder 260° ist.
[0058] Fig. 3 zeigt, dass das Energieprofil E4(a) nur zwischen zwei Stufen unterscheiden kann („Ein“ und „Aus“). Wenn die Lichtenergie, die auf die Licht-Empfangseinheit (4) fällt einen bestimmten Pegel (hier nicht gezeigt) erreicht, ist E4(a) auf die Stufe „Ein“ gesetzt. Sonst ist E4(a) auf die Stufe „Aus“ gesetzt. Die Gehäuse (9) und (10) sichern, dass die Licht-Empfangseinheit (4) von den ersten Lichtsende-Einheiten 5(l) und 5(ll) nicht gleichzeitig beleuchtet werden kann. Wenn der drehbare Körper still steht, wird die erste Lichtsende-Einheit 5(l) oder die erste Lichtsende-Einheit 5(ll) eingeschaltet, um die zwei Winkelbereiche ]0°, 180°[ und ]180°, 360°[zu unterscheiden. Alternativ können zwei verschieden Codes benutzt werden, um die ersten Lichtsende-Einheiten 5(l) und 5(ll) zu unterscheiden. Fig. 4 zeigt beispielsweise zwei periodische Codes (C,(t) und Cn(t)). Hier ist Tc die Dauer der Perioden der Codes.
[0059] Vorteilhafterweise können die Energieprofile der Licht-Empfangseinheiten die Abweichung von der unrunden Bewegung des drehbaren Körpers innerhalb einer Umdrehung erken nen und korrigieren. Abhängig von der Abweichung des drehbaren Körpers vom unrunden Ablauf, wird die empfangene Lichtenergie der Licht-Empfangseinheiten (1,2, 3 und 4) geändert. Wenn der drehbare Körper bspw. zwischen (a = 0°) und (a = 90°) unrund läuft, dann ist die symmetrische Ausgestaltung der Vorrichtung nicht mehr gültig. Beispielsweise zeigt Fig. 2h, dass die Drehachse des drehbaren Körpers (7) mehr in Richtung der ersten Licht-Empfangseinheit (1) als der Licht-Empfangseinheit (2) verschoben wird, weil der Körper unrund läuft. Dadurch empfängt die erste Licht-Empfangseinheit (1) mehr Lichtenergie als die Licht-Empfangseinheiten (1), weil sich die Lichtsende-Einheit (5 und 6) nicht mehr im Zentrum der Vorrichtung befinden. Anhand die o.g. Erklärung für die Darstellung in Fig. 3, sind auch die Energieprofile der Licht-Empfangseinheiten E^a) und E2(a) nicht mehr so exakt. Dann wird ein Unrund-Warnsignal innerhalb einer Umdrehung vom Steuergerät (hier nicht dargestellt) erstellt.
[0060] Weiterhin kann ein Korrekturfaktor innerhalb einer Umdrehung bestimmt werden. Wenn bspw. die empfangene Lichtenergie der Licht-Empfangseinheit (1) einen zusätzlich bestimmten Betrag für bestimmter Drehwinkel (a0) empfängt, weil der drehbare Körper unrund läuft, dann wird dieser zusätzlich Betrag von der empfangenen Lichtenergie der Licht-Empfangseinheit (2) für den gleichen Drehwinkel (ao) abgezogen. Diese Annahme ist eine gute Näherung, weil die ursprüngliche Anordnung der Licht-Empfangseinheiten sowie auch die geometrische Ausgestaltung der Vorrichtung symmetrisch waren.
[0061] Fig. 3 zeigt, dass E^a = 45°) = 0.5 und E2(45°) = 0.5, wenn der Drehbare Körper exakt rund läuft. Anhand der Darstellung in Fig. 2h empfangen die erste Licht-Empfangseinheit (1) mehr Lichtenergie als die zweie Licht-Empfangseinheit. Dadurch wird bspw. angenommen, dass E-i(45°) = 0.7 und E2(45°) = 0.3 sind. In diesem Beispiel wird E-i(45°) mit 0.2 erhöht. Deswegen wird 0.2 von E2(45°) für die o.g. Erklärung abgezogen. Dann wird ein Korrekturfaktor (KF) wie folgt berechnet: [0062] KF = [E1(45°)-E2(45°)]/2.
[0063] In diesem Beispiel wird (KF = 0.2) bestimmt. Danach wird der Wert vom KF vom Energieprofil £^45°) abzogen (0.7 - 0.2 = 0.5). Mittels der Werte der Energieprofile E^a) = 0.5, E2(a) und E3(a) wird der Drehwinkel von 45° bestimmt.
[0064] Fig. 5 zeigt eine geometrische Ausgestaltung einer alternativen Vorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
[0065] Fig. 6 zeigt für das weitere Ausführungsbeispiel die Energieprofile der ersten Licht-Empfangseinheiten (11) und (13) sowie einer zweiten Licht-Empfangseinheit (12) abhängig vom Drehwinkel des drehbaren Körpers für den gesamten Winkelbereich, wenn der drehbare Körper exakt rund läuft. Anhand diese Beispiels ist ersichtlich, dass es nicht zwingend vier Licht-Empfangseinheiten zur Umsetzung der Erfindung benötigt. Gemäß diesem Beispiel werden zwei erste Licht-Empfangseinheiten sowie eine zweite Licht-Empfangseinheit benötigt, um den Drehwinkel bestimmen.
[0066] Für bestimmte Anwendungsfälle kann es auch ausreichend sein, jeweils nur eine einzelne erste Licht-Empfangseinheit sowie eine einzelne zweite Licht-Empfangseinheit zu verwenden, um den Drehwinkel eines drehbaren Körpers zu bestimmen.
[0067] Die Energieprofile der Licht-Empfangseinheiten und insbesondere die Erkennung einer Abweichung von der gleichmäßigen Bewegung des drehbaren Körpers innerhalb einer Umdrehung kann beispielsweise auch dazu genutzt werden, um eine Störung oder beispielsweise eine korrigieren Schmutz der Vorrichtung, insbesondere der Licht-Empfangseinheiten und / oder der Lichtsende-Einheiten festzustellen. Derartige Verschmutzungen können beispielsweise durch Verölungen oder Staubablagerungen hervorgerufen werden.
[0068] Für die Verwendung zur stufenlosen Winkellage eines Verbrennungsmotors muss bspw. eine Vorrichtung nach Fig. 5 mit der Achse der Kurbelwelle und/oder Nockenwelle (hier nicht dargestellt) wirkverbunden sein. Dadurch ist eine genaue Motorlagebestimmung möglich.
[0069] Für das Verfahren zur Drehzahlerkennung eines Verbrennungsmotors wird bspw. eine Vorrichtung nach Fig. 5 mit der Achse der Kurbelwelle und/oder Nockenwelle wirkverbunden sein und anhand der Energieprofile wird einen ersten Wert W1 des Drehwinkels nach einer Auswerteinheit (hier nicht dargestellt) geliefert und in einer Speicherzelle eines Speicher (hier nicht dargestellt) gespeichert. Wird einen vorgebestimmten Zeitdauer T erreicht, wird der zweite Wert W2 geliefert. Mittels der Auswerteinheit wird die Drehzahl des Verbrennungsmotors abhängig von den zwei Werten W1 und W2 unter der Berücksichtigung dem vorgebestimmten Zeitdauer T gerechnet (siehe Fig. 3).
[0070] Die vorgeschlagene Vorrichtung mit dem drehbaren Körper kann Teil einer Beleuchtungsvorrichtung, beispielsweise einer drehbaren Strahlereinheit sein, aufweisend eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels. Die Licht-Empfangseinheiten können an einem optischen Element, vorzugsweise einer Sekundäroptik, einem Halte- oder Befestigungselement oder einem Reflektor, angeordnet sein. Die Lichtsende-Einheiten können beispielsweise an dem drehbaren Teil eines Strahlers angeordnet sein.
[0071] Anhand der Ausführungsbeispiele wird deutlich, dass mit der vorliegenden Erfindung, eine genauere Erfassung des Drehwinkels und der Drehrichtung eines drehbaren Körpers möglich ist. Weitere Vorteile der Erfindung sind die Einfachheit und die günstige Realisierung.
BEZUGSZEICHENLISTE 1,2 und 4 Die ersten Licht-Empfangseinheiten (bspw. integral auswertbare Photodiode
Arrays, die nur die Wellenlänge A-ι empfangen können) 3 Die zweiten Licht-Empfangseinheiten (bspw. integral auswertbare Photodiode
Arrays, die nur die Wellenlänge λ2 empfangen können) 5(l) und 5(ll) Die ersten Lichtsende-Einheiten (kann nur die Wellenlänge Ai senden) 6 Die zweite Lichtsende-Einheit (kann nur die Wellenlänge λ2 senden) 7 Die Achse des drehbaren Körpers in Drehrichtung DR dreht 8 Die Achse der Lichtsende-Einheit (5 und 6) 9, 10 Die Gehäuse der ersten Lichtsende-Einheit 5(l) beziehungsweise 5(ll) 11 und 12 Die ersten Licht-Empfangseinheiten (bspw. integral auswertbare Photodiode
Arrays, die nur die Wellenlänge A1 empfangen können) 13 Die zweite Licht-Empfangseinheit (bspw. integral auswertbare Photodiode Arrays, die nur die Wellenlänge A2 empfangen können)

Claims (18)

  1. Patentansprüche
    1. Vorrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels (a) eines drehbaren Körpers, wobei der drehbare Körper zumindest zwei unterschiedliche Lichtsende-Einheiten (5 (I), 5 (II), 6) aufweist, die in einem Winkel zueinander, bezogen auf die Drehrichtung des drehbaren Körpers, an dem drehbaren Körper angeordnet sind, und wobei die Lichtsende-Einheiten (5 (I), 5 (II), 6) Licht mit unterschiedlichen Eigenschaften abstrahlen, und wobei die Vorrichtung weiterhin zumindest zwei Licht-Empfangseinheiten (2, 3) aufweist, die fix in einem vorgegebenen Winkel zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Auswertung des von den Licht-Empfangseinheiten (2, 3) empfangenen Lichts eine Information über den Drehwinkel (a) des drehbaren Körpers ermittelt werden kann.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Licht-Empfangseinheiten (2, 3) unterschiedliche Empfangseigenschaften aufweisen.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Licht-Empfangseinheiten (2, 3) räumlich beabstandet zu dem drehbaren Körper angeordnet sind.
  4. 4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Licht-Empfangseinheiten (2, 3) an einem Trägerelement des drehbaren Körpers angeordnet sind.
  5. 5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Lichtsende-Einheiten (5 (I), 5 (II), 6) jeweils ein Abschottungselement angeordnet ist, so dass sich die Abstrahlwinkel des von den beiden Lichtsende-Einheiten (5 (I), 5 (II), 6) abgestrahlten Lichts nicht überschneiden.
  6. 6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Auswerteeinrichtung aufweist, wobei die Auswerteeinrichtung sowohl eine Information über das abgestrahlte Licht der Lichtsende-Einheiten (5 (I), 5 (II), 6) als auch des von den Licht-Empfangseinheiten (2, 3) empfangenen Lichts auswertet.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung die Energieprofile der Licht-Empfangseinheiten (2, 3) auswertet und abhängig von der Auswertung der Energieprofile den Drehwinkel (a) des drehbaren Körpers ermittelt.
  8. 8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das von den Lichtsende-Einheiten (5 (I), 5 (II), 6), abgestrahlte Licht hinsichtlich seiner Wellenlänge unterscheidet.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Licht-Empfangseinheiten (2, 3) unterschiedliche Empfangseigenschaften hinsichtlich der Wellenlänge des zu empfangenden Lichts aufweisen.
  10. 10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Lichtsende-Einheit (5 (I), 5 (II), 6) das Licht gemäß einem vorgegebenen Code abstrahlt, wobei sich die Codes der einzelnen Lichtsende-Einheiten (5 (I), 5 (II), 6) voneinander unterscheiden.
  11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 6 und Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung die Energieprofile der Licht-Empfangseinheiten (2, 3) unter Beachtung der Codes der einzelnen Lichtsende-Einheiten (5 (I), 5 (II), 6) auswertet und abhängig von der Auswertung der Energieprofile den Drehwinkel (a) des drehbaren Körpers ermittelt.
  12. 12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Winkelposition zumindest eine weitere Information ausgegeben wird, insbesondere die Information „unrunder Ablauf des drehbaren Körpers“, über eine Verschmutzung oder die berechnete Drehzahl.
  13. 13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Selbst-Kalibrierung erfolgt, wobei für vorgegebene Winkelwerte des Drehwinkels die Signale bzw. Energieprofile bekannt sind, insbesondere in einem Speicher abgelegt sind, und mit den gemessenen Werten verglichen werden.
  14. 14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der drehbare Körper Teil einer Beleuchtungsvorrichtung ist und die Licht-Empfangseinheiten (2, 3) an einem optischen Element, vorzugsweise einer Sekundäroptik oder einem Reflektor, angeordnet sind.
  15. 15. Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere eine drehbare Strahlereinheit, aufweisend eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  16. 16. Motor, insbesondere Verbrennungsmotor, aufweisend eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
  17. 17. Verwendung von Lichtsende-Einheiten und Licht-Empfangseinheiten zur Bestimmung eines Drehwinkels (a) eines drehbaren Körpers, wobei der drehbare Körper zumindest zwei unterschiedliche Lichtsende-Einheiten (5 (I), 5 (II), 6) aufweist, die in einem Winkel zueinander, bezogen auf die Drehrichtung des drehbaren Körpers, an dem drehbaren Körper angeordnet sind, und wobei die Lichtsende-Einheiten (5 (I), 5 (II), 6) Licht mit unterschiedlichen Eigenschaften abstrahlen, und wobei die Vorrichtung weiterhin zumindest zwei Licht-Empfangseinheiten (2, 3) aufweist, die fix in einem vorgegebenen Winkel zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Auswertung des von den Lichtsende-Einheiten (5 (I), 5 (II), 6) empfangenen Lichts eine Information über den Drehwinkel (a) des drehbaren Körpers ermittelt werden kann.
  18. 18. Verfahren zur Bestimmung eines Drehwinkels (a) eines drehbaren Körpers, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: - Abstrahlen von Licht mit unterschiedlichen Eigenschaften durch zumindest zwei unterschiedliche Lichtsende-Einheiten(5, 6), welche an dem drehbaren Körper in einem Winkel zueinander bezogen auf die Drehrichtung des drehbaren Körpers angeordnet sind, - Empfang des Lichts durch zumindest zwei Licht-Empfangseinheiten (2, 3), die fix in einem vorgegebenen Winkel zueinander angeordnet sind, - Auswertung des von den Lichtsende-Einheiten (5 (I), 5 (II), 6) empfangenen Lichts und Erfassen einer Information über den Drehwinkel (a) des drehbaren Körpers. Hierzu 8 Blatt Zeichnungen
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