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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Drehsteller mit inkrementellem
Drehwinkelgeber für den
Einsatz in einem Kraftfahrzeug, bestehend aus einer Handhabe, einer
mit der Handhabe verbundenen Welle, die in einem Gehäuse des
Drehstellers aufgenommen ist, einem Winkelsensor sowie einer Auswerteelektronik.
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In
Kraftfahrzeugen werden Drehsteller mit inkrementellem Drehwinkelgeber
eingesetzt, um die verschiedensten Fahrzeugfunktionalitäten zu steuern.
Dabei ist die Kenntnis des absoluten Drehwinkels des Drehstellers
oftmals nicht notwendig. So ist beispielsweise bei Multifunktionsdrehstellern,
mit denen mehrere Funktionen geregelt werden können, ausschlaggebend, ob und
wie weit der Drehsteller gedreht wurde. Benötigt wird daher eine Information über den
inkrementellen Drehwinkel.
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Bekannte
inkrementelle Drehwinkelgeber weisen eine Lochscheibe auf, die sich
im Bereich einer Lichtschranke dreht. Fällt das Licht der Lichtschranke
durch ein Loch, so wird ein elektronischer Impuls ausgelöst, der
eine Drehung des Drehstellers um einen durch den Lochabstand festgelegten
Winkel anzeigt.
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Der
Nachteil einer derartigen Lösung
besteht darin, dass das Auflösungsvermögen des
inkrementellen Drehwinkelgebers von dem Abstand der Löcher in
der Lochscheibe abhängt
und daher stark limitiert ist. Außerdem ist eine dynamische
Anpassung der Winkelauflösung
an die Erfordernisse der mittels des Drehstellers zu steuernden
Funktionalität
nicht möglich.
Der detektierbare Drehwinkel ist stets ein ganzzahliges Vielfaches
des Winkelabstandes der Löcher
auf der Lochscheibe.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drehsteller
mit inkrementellem Drehwinkelgeber bereitzustellen, der ein hohes
Auflösungsvermögen aufweist
und mit dem auch kleine Drehwinkeländerungen detektiert werden
können.
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Gelöst wird
diese Aufgabe mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 9. Ein Verfahren
zur Bestimmung eines inkrementellen Drehwinkels ist in Anspruch
10 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind den abhängigen Patentansprüchen zu
entnehmen.
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Ein
erfindungsgemäßer Drehsteller
mit inkrementellem Drehwinkelgeber gemäß Patentanspruch 1 besteht
aus einer Handhabe, einer mit der Handhabe verbundenen Welle, die
in einem Gehäuse
des Drehstellers aufgenommen ist, einem drehfest an der Welle befestigten
Kodierelement, das mit periodisch angeordneten Ausnehmungen versehen
ist, sowie mindestens einer Lichtschranke bestehend aus einer Lichtquelle
und einem Fotosensor. Dabei wirken die Lichtschranke und das Kodierelement
derart zusammen, dass die auf den Fotosensor treffende Lichtmenge
abhängig
ist von der Drehstellung des Kodierelementes in Bezug auf die Lichtschranke.
Mittels des Fotosensors ist eine von der auf den Fotosensor einfallenden
Lichtmenge abhängige
analoge Ausgangsspannung erzeugbar. Die Lichtschranke arbeitet im
sichtbaren und/oder infraroten Bereich.
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Durch
die Drehung der Handhabe und der damit verbundenen Drehung des Kodierelementes drehen
sich die Ausnehmungen des Kodierelementes durch den Erfassungsbereich
der Lichtschranke und modulieren so die auf den Fotosensor treffende Lichtmenge.
Dies verursacht eine Modulation der Amplitude der analogen Ausgangsspannung
des Fotosensors. Mittels einer Auswerteelektronik ist dem Verlauf
der analogen Ausgangsspannung ein inkrementeller Drehwinkel des
Drehstellers zuordenbar. Dies geschieht bevorzugt durch eine in
der Auswerteelektronik hinterlegte Referenzkennlinie zur Zuordnung
eines Drehwinkels zu einer Ausgangsspannung des Fotosensors.
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Durch
die periodische Anordnung der Ausnehmungen, die bevorzugt stets
die gleiche Form und Größe aufweisen,
im Kodierelement wiederholt sich auch die Ausgangsspannung eines
Fotosensors bei der Drehung der Handhabe des Drehstellers periodisch.
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Bevorzugt
weist der Drehsteller zwei Lichtschranken auf, deren Ausgangssignale
vom Verlauf her identisch aber gegeneinander phasenverschoben sind.
Dabei sind die Lichtschranken derart angeordnet, dass die Ausgangsspannungen
ihrer Fotosensoren eine elektrische Phasenverschiebung aufweisen,
die ungleich einem ganzzahligen Vielfachen von 180° ist. Dies
bedeutet für
die geometrische Anordnung, dass die Lichtschranken, von der Welle
des Drehstellers aus gesehen, mit einem Winkel beabstandet sind,
der ungleich einem ganzzahligen Vielfachen der Hälfte desjenigen Winkels ist,
der zwischen zwei Ausnehmungen im Kodierelement liegt. Dadurch wird
gewährleistet,
dass der Auswerteelektronik zwei verschiedene Spannungen zur Verfügung stehen,
aus denen der Drehwinkel bestimmt wird. Dadurch ist es möglich, unabhängig von
der Form der Ausnehmungen und der Geschwindigkeit, mit der der Drehsteller
betätigt
wird, neben dem Betrag des inkrementellen Drehwinkels auch die Drehrichtung eindeutig
zu bestimmen.
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In
einer Ausgestaltungsform der Erfindung ist das Kodierelement als
Scheibe oder Kreisring ausgebildet und die Ausnehmungen sind auf
einer Kreisbahn der Scheibe oder des Kreisringes angeordnet. Ein
derartiges Kodierelement läßt sich äußerst einfach
und kostengünstig
herstellen und montieren. Der Strahlengang der Lichtschranke verläuft im Wesentlichen
parallel zur Welle des Drehstellers.
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In
einer anderen Ausgestaltungsform ist das Kodierelement als Hohlzylinder
ausgebildet und die Ausnehmungen sind am Umfang des Hohlzylinders angeordnet.
Dabei ist die Lichtschranke derart angeordnet, dass der Strahlengang
im Erfassungsbereich im Wesentlichen senkrecht auf der Welle des
Drehstellers steht. Dadurch wird eine geringe Bautiefe des Drehstellers
erreicht.
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Optional
weist der Drehsteller einen vor der Lichtquelle der Lichtschranke
angeordneten Diffusor auf. Dadurch wird die Ausleuchtung eines flächigen Bereiches
des Kodierelementes erreicht.
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Optional
ist vor der Lichtquelle ein Mittel zur Parallelisierung der Lichtstrahlen
angeordnet. Dadurch wird eine Fokussierung des Lichts auf den Erfassungsbereich
der Lichtschranke erzielt.
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Bevorzugt
ist vor dem Fotosensor eine Sammellinse angeordnet. Dadurch wird
erreicht, dass auch ein kleiner Fotosensor alles durch die Ausnehmungen
des Kodierelementes fallende Licht detektiert.
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In
einer Abwandlung der Erfindung besteht der Drehsteller mit inkrementellem
Drehwinkelgeber aus einer Handhabe, einer mit der Handhabe verbundenen
Welle, die in einem Gehäuse
des Drehstellers aufgenommen ist, sowie einem magnetischen oder kapazitiven
Drehwinkelgeber, wobei mittels des magnetischen oder kapazitiven
Drehwinkelgebers eine vom Drehwinkel der Welle abhängige analoge
Ausgangsspannung erzeugbar ist und mittels einer Auswerteelektronik
dem Verlauf der analogen Ausgangsspannung ein inkrementeller Drehwinkel
des Drehstellers zuordenbar ist. Die von der Auswerteelektronik
auszuwertende analoge Spannung wird in dieser Abwandlung nicht von
einer Lichtschranke, sondern von einem magnetischen oder kapazitiven
Drehwinkelgeber erzeugt. Der magnetische Drehwinkelgeber besteht
beispielsweise aus einem Hall-Sensor. Ein kapazitiver Drehwinkelgeber
besteht beispielsweise aus einem Kondensator, dessen Kapazität durch
Variation des Dielektrikums oder des Plattenabstandes veränderbar
ist.
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Der
erfindungsgemäße Drehsteller
wird in einer Ausgestaltungsform durch einen Aktor ergänzt, der
ein drehwinkelabhängiges
haptisches Feedback erzeugt, insbesondere fühlbare Rasten. Diese Haptik wird
bevorzugt durch eine Bremse erzeugt, die beispielsweise als Reibbremse,
elektromagnetische Bremse oder magnetorheologische Bremse ausgebildet
ist. Durch das hohe Winkelauflösungsvermögen des
erfindungsgemäßen Drehstellers
läßt sich ein
sehr präziser
Verlauf der Bremskraft erzeugen. Selbst der Kraftverlauf innerhalb
der Flanken einer Rast kann beliebig gesteuert werden.
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Ein
Verfahren zur Bestimmung eines inkrementellem Drehwinkels eines
Drehstellers besteht aus den Verfahrensschritten Drehen eines direkt oder
indirekt mit einer Handhabe des Drehstellers verbundenen, mit periodischen
Ausnehmungen versehenden Kodierelementes im Erfassungsbereich mindestens
einer Lichtschranke, Modulieren des von einem Fotosensor der Lichtschranke
empfangenen Lichts durch das Kodierelement, Erzeugen einer analogen
Ausgangsspannung im Fotosensor in Abhängigkeit von der Menge des
empfangenen Lichts sowie Bestimmung des Drehwinkels durch Vergleich des
Verlaufs der Ausgangsspannung des Fotosensors mit einer hinterlegten
Kennlinie. Das Verfahren beruht auf einer Auswertung einer kontinuierlichen, analogen
Ausgangsspannung, während
bei herkömmlichen
inkrementellen Drehwinkelgebern eine Zählung diskreter Impulse erfolgt,
die jeweils eine Drehung um einen bestimmten Winkel bedeuten.
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Bevorzugt
wird anhand der Ausgangsspannung des Fotosensors einer zweiten Lichtschranke der
Drehwinkel und/oder die Drehrichtung des Drehstellers eindeutig
bestimmt. Durch die Analyse einer zweiten Ausgangsspannung, die,
wie vorstehend im Rahmen der Vorrichtung bereits besprochen, gegenüber der
ersten Ausgangsspannung eine elektrische Phasenverschiebung aufweist,
die ungleich einem ganzzahligen Vielfachen von 180° ist, ist
der Drehwinkel und/oder die Drehrichtung der Welle des Drehstellers
eindeutig bestimmbar.
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Das
Verfahren ist direkt auf Drehsteller übertragbar, bei denen eine
drehwinkelabhängige
Ausgangsspannung durch einen kapazitiven oder magnetischen Winkelgeber
erzeugt wird.
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Die
Erfindung soll anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.
Dabei zeigt:
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1 eine
Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Drehstellers,
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2 eine
weitere Schnittdarstellung des Drehstellers aus 1,
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3 eine
beispielhafte Referenzkennlinie,
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4 eine
weitere beispielhafte Referenzkennlinie,
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5 einen
Ausschnitt eines weiteren erfindungsgemäßen Drehstellers,
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6 ein
symbolisches Blockschaltbild für einen
Drehsteller mit variabler Haptik und
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7 ein
Blockschaltbild für
eine weitere Ausführungsform
eines Drehstellers mit variabler Haptik.
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1 zeigt
eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Drehstellers 10 bestehend
aus einer Handhabe 11, einer mit der Handhabe verbundenen
Welle 12, die in einem Gehäuse 13 des Drehstellers 10 aufgenommen
ist und einem drehfest an der Welle 12 befestigten Kodierelement 14,
das mit periodisch angeordneten Ausnehmungen 17 versehen ist.
Das Kodierelement 14 ist hohlzylinderförmig ausgebildet, wobei die
Welle 12 die Mittelachse des Hohlzylinders bildet. Die
rautenförmigen
Ausnehmungen 17 sind periodisch wiederkehrend in die Mantelfläche des
Kodierelements 14 eingebracht. Durch Drehung der Handhabe 11 dreht
sich gleichzeitig die Welle 12 und damit das Kodierelement 14.
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Der
Drehsteller 10 weist weiterhin zwei Lichtschranken auf,
durch deren Erfassungsbereich sich die Ausnehmungen 17 des
Kodierelementes 14 bei Drehung der Handhabe 11 bewegen.
In der Schnittdarstellung aus 1 sind von
den Lichtschranken nur die beiden Lichtquellen 15 und 18 erkennbar,
die im vorliegenden Ausführungsbeispiel
infrarotes Licht emittieren. Vor den Lichtquellen 15 und 18 sind
Diffusoren 16 beziehungsweise 19 angeordnet, mittels derer
der Strahlengang der Lichtschranken optimiert wird.
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Optional
verfügt
der Drehsteller 10 über
ein magnetorheologisches Bremselement, das aus einem drehfest mit
der Welle 12 verbundenen Vorsprung 20 besteht,
der in einer magnetorheologischen Flüssigkeit 21 gelagert
ist. Durch Anlegen einer Spannung ist die Viskosität der magnetorheologischen
Flüssigkeit 21 veränderbar.
Durch Veränderung
der Viskosität
der Flüssigkeit 21 ändert sich
die Kraft, die benötigt
wird, um den Vorsprung 20 durch die Flüssigkeit 21 zu bewegen.
Da diese Kraft über die
Handhabe 11 und die Welle 12 vom Bediener des Drehstellers 10 aufgebracht
werden muss, lässt
sich die zur Drehung der Handhabe 11 benötigte Kraft
und somit die Haptik des Drehstellers 10 programmieren. Alternativ
zu einem magnetorheologischen Bremselement wird ein elektromagnetisches
Bremselement oder eine mechanische Reibbremse verwendet.
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2 zeigt
eine andere Schnittdarstellung des aus 1 bekannten
Drehstellers 10. Der Unterschied in den Schnittdarstellungen
besteht darin, dass in 2 auch das Kodierelement 14 geschnitten
ist. Dies erlaubt einen Blick in den Bereich innerhalb des Kodierelementes 14,
in dem die Infrarotdetektoren 22 und 24 der beiden
Lichtschranken angeordnet sind. Vor den Detektoren 22 und 24 sind
Sammellinsen 23 beziehungsweise 25 angeordnet,
die alles durch die Ausnehmungen 17 fallende Licht der Lichtquellen 15 beziehungsweise 18 auf
die entsprechenden Detektoren 22 und 24 bündeln.
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Die
Detektoren 22 und 24 liefern analoge Ausgangsspannungen,
die abhängig
sind von der durch die Ausnehmungen 17 fallenden Lichtmenge. Durch
Drehung des Kodierelementes 14 wird die auf den Detektor 22 beziehungsweise 24 fallende
Lichtmenge der Lichtquelle 15 beziehungsweise 18 und damit
die Amplitude der Ausgangsspannung moduliert. Dadurch, dass die
Ausnehmungen 17 die gleiche Form aufweisen, wird durch
Drehung der Handhabe 11 ein bezogen auf den Drehwinkel
periodisches Ausgangssignal an den Detektoren 22 und 24 erzeugt.
Die Anzahl der Perioden im Ausgangssignal bei einer vollen Umdrehung
der Handhabe 11 entspricht dabei der Anzahl der Ausnehmungen 17 im Kodierelement 14.
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Die
beiden Lichtschranken sind so angeordnet, dass die analogen Ausgangssignale
der Detektoren 22 und 24 eine unterschiedliche
elektrische Phasenlage aufweisen.
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Dies
bedeutet, dass die von ihrem Verlauf identischen Ausgangssignale
gegeneinander verschoben sind. Dadurch wird gewährleistet, dass der Drehwinkel
und/oder die Drehrichtung der Handhabe 11 eindeutig ermittelt
werden kann. Weist das Kodierelement beispielsweise 36 Ausnehmungen 17 auf,
so wiederholt sich das Ausgangssignal der Detektoren 22 und 24 bei
einer Drehung der Handhabe 11 um 10°.
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Zur
Erzielung eines phasenverschobenen Ausgangssignals ist der räumliche
Abstand der Lichtschranken, bezogen auf die Welle 12, bei 36 symmetrischen
Ausnehmungen 17 ungleich einem ganzzahligen Vielfachen
von 5°.
Dies liegt darin begründet, dass
die Ausgangsspannung eines Detektors 22 oder 24 in
jeder Periode mindestens ein Maximum und ein Minimum durchläuft. Die
Lichtschranken sind so angeordnet, dass sich ihre Ausgangsspannungen nicht
gleichzeitig in einem Extremum des Spannungsverlaufs befinden.
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Bevorzugt
sind die Ausgangssignale der Detektoren 22 und 24 elektrisch
um 90° gegeneinander verschoben.
Dies bedeutet, dass die Ausgangssignale bezogen auf den Drehwinkel
der Handhabe 11 um ein Viertel desjenigen Winkels verschoben
sind, mit dem sich die Ausnehmungen 17 im Kodierelement 14 wiederholen.
Bei einem Kodierelement 14 mit 36 Ausnehmungen 17 beträgt der Abstand
zwischen den Lichtschranken demnach 2,5°. Aufgrund der Periodizität der Ausnehmungen 17 kann
zu diesem Abstand ein ganzzahliges Vielfaches des Abstandes der
Ausnehmungen hinzuaddiert werden. Der Winkel zwischen den Lichtschranken
kann demnach 2,5°,
12,5°, 22,5° und so weiter
betragen.
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In
den 1 und 2 nicht dargestellt ist eine
Auswerteelektronik, die aus den Ausgangsspannungen der Detektoren 22 und 24 der
Lichtschranken anhand von hinterlegten Kennlinien den inkrementellen
Drehwinkel und/oder die Drehrichtung der Handhabe 11 ermittelt.
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3 zeigt
beispielhaft die Kennlinien der beiden Lichtschranken, die den Verlauf
der Ausgangsspannungen der Detektoren 22 und 25 über den
Drehwinkel der Handhabe 11 zeigen. Die Ausnehmungen 17 sind
derart gestaltet, dass die Ausgangsspannungen einen sinusförmigen Verlauf
aufweisen. Es sei wieder angenommen, dass das Kodierelement 14 wie
im vorhergehenden Zahlenbeispiel 36 Ausnehmungen 17 aufweist.
Damit entspricht eine Periode der Sinusspannung einer Drehung der
Handhabe 11 um 10°.
Die beiden Lichtschranken sind derart angeordnet, dass die Ausgangsspannungen
ihrer Detektoren 22 und 24 um einen Drehwinkel
von 182,5° gegeneinander
verschoben sind. Aufgrund der Periodizität der Ausnehmungen 17 führt dies
zu einer Verschiebung der relativen elektrischen Phasenlage der
Ausgangsspannungen um 90°.
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Zunächst befindet
sich die Handhabe 11 in einer Drehstellung S1. Die Ausgangsspannung
des Detektors 22 in dieser Drehstellung entspricht U2,
die Ausgangsspannung des Detektors 24 der Spannung U1.
Wird die Handhabe in die Position S2 gedreht, so fällt die
Ausgangsspannung des Detektors 22 auf U1 und die Ausgangsspannung
des Detektors 24 steigt auf U2. Aus den Kennlinien und
den Spannungsänderungen
der Detektoren 22 und 24 erkennt eine Auswerteelektronik,
dass die Handhabe 11 um 2,5° gedreht wurde.
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Wird
die Handhabe 11 aus der Stellung S1 in die andere Richtung
in Stellung S3 gedreht, so fällt die
Ausgangsspannung des Detektors 22 ebenfalls auf U1, die
Ausgangsspannung des Detektors 24 steigt jedoch nicht auf
U2, sondern sinkt auf U0. Aus den Kennlinien und den Spannungsänderungen
ermittelt die Auswerteelektronik, dass die Handhabe 11 wieder
um 2,5° gedreht
wurde, diesmal jedoch in die entgegengesetzte Richtung. Bei einer
entsprechend genauen Auswertung der Ausgangsspannungen der Detektoren 22 und 24 lassen
sich beliebig kleine Drehwinkel der Handhabe 11 detektieren.
Die absolute Drehstellung der Handhabe 11 ist durch Integration
der inkrementellen Drehwinkel bestimmbar.
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4 zeigt
ebenfalls die Kennlinien für
zwei Lichtschranken in Form der Ausgangsspannungen der Detektoren 22 und 24 über dem
Drehwinkel der Handhabe 11 bei einem Kodierelement 14 mit 36 Ausnehmungen 17.
Diesmal ist die Form der Ausnehmungen 17 so gewählt, dass
die Ausgangsspannungen einen dreieckförmigen Verlauf aufweisen. Dies
hat den Vorteil, dass keine vollständige Kennlinie in der Auswerteelektronik
hinterlegt werden muß. Zwischenwinkel
lassen sich durch Interpolation zwischen der minimalen und maximalen
Ausgangsspannung der Detektoren 22 beziehungsweise 24 ermitteln.
Die Bestimmung des inkrementellen Drehwinkels aus den Ausgangsspannungen
der Lichtschranken erfolgt wie vorstehend anhand der Kennlinien
in 3 beschrieben.
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Prinzipiell
können
die Ausnehmungen 17 jede beliebige, auch eine asymmetrische
Form annehmen. Die Auswerteelektronik enthält für die verwendete Form der Ausnehmungen 17 entsprechende
Kennlinien der Ausgangsspannungen der Lichtschranken über dem
Drehwinkel.
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5 zeigt
einen Ausschnitt eines Drehstellers 30. Dargestellt sind
eine Welle 31 und ein mit der Welle 31 drehfest
verbundenes Kodierelement 32, das wieder als Hohlzylinder
ausgebildet ist. Im Unterschied zu dem Drehsteller 10 aus
den 1 und 2 sind die Ausnehmungen jedoch
nicht mitten in der Mantelfläche
des Hohlzylinders angeordnet, sondern als dreieckförmige Ausnehmungen 33 an
einem Ende des Hohlzylinders. Diese Ausgestaltungsform ermöglicht eine
besonders einfache und kosteneffiziente Herstellung des Kodierelementes 32.
Das Kodierelement 32 ist wiederum durch den Erfassungsbereich
zweier Lichtschranken drehbar. Die erste Lichtschranke besteht aus
einer Lichtquelle 34, einem vor der Lichtquelle angeordneten
Diffusor 35 und einem Detektor 36. Die zweite
Lichtschranke besteht aus einer Lichtquelle 37, einem Diffusor 38 und einem
Detektor 39.
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6 zeigt
schematisch ein Blockschaltbild eines Drehstellers 40 mit
programmierbarer Haptik. Der Drehsteller 40 wird über eine
Handhabe 41 bedient, die drehfest mit einer Welle 42 verbunden
ist. Die Welle 42 ist ebenfalls mit einem Winkelgeber 43 verbunden,
der aus einem nicht dargestellten Kodierelement, mindestens einer
nicht dargestellten Lichtschranke und einer ebenfalls nicht dargestellten
Auswerteelektronik besteht. Der Winkelgeber 43 liefert einen
inkrementellen Drehwinkel, wie es anhand der 1 bis 4 beschrieben
wurde.
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Durch
eine Feedback-Elektronik 44 wird ein Steuersignal erzeugt,
mittels dessen über
eine Ansteuerelektronik 45 ein Aktor 46 betrieben
wird. Bei dem Aktor 46 handelt es sich beispielsweise um
eine mechanische Reibbremse, ein elektromagnetisches oder ein magnetorheologisches
Bremselement. Mittels des Aktors 46 wird ein Bremsmoment
erzeugt, das der Drehung der Handhabe 41 entgegensteht. Somit
läßt sich
eine Haptik erzeugen, die beispielsweise aus Rasten oder Anschlägen besteht.
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Die
Ansteuerelektronik 45 erzeugt aus dem Steuersignal der
Feedback-Elektronik 44 ein Leistungssignal, das den Aktor 46 ansteuert.
Bei der Ansteuerelektronik 45 handelt es sich im Wesentlichen um
eine Verstärkerschaltung.
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Die
Feedback-Elektronik 44 erzeugt in Abhängigkeit des Drehwinkels und
der Drehrichtung der Handhabe 41 ein Steuersignal zur Erzeugung
eines Bremsmomentes durch den Aktor 46. Dabei ist die Zuordnung
eines Bremsmomentes zu einem Drehwinkel und/oder einer Drehrichtung
beliebig programmierbar. Insbesondere lassen sich Rasten erzeugen, deren
Verteilung unabhängig
ist von der Anzahl und der Form der Ausnehmungen im Kodierelement. Durch
die hohe Winkelauflösung
des Winkelgebers 43 ist eine große Anzahl von Rasten bei einer
Umdrehung der Handhabe 41 realisierbar. Darüber hinaus läßt sich
der Verlauf des Bremsmomentes innerhalb einer Rast beliebig gestalten.
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In
einer alternativen Ausgestaltungsform ist die Auswerteelektronik
statt in den Winkelgeber 43 in die Feedback-Elektronik 44 integriert.
Dadurch ist nur eine elektronisch Schaltung zur Auswertung der Ausgansspannungen
der Lichtschranken und zur Erzeugung des Steuersignals für die Ansteuerelektronik notwendig.
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7 zeigt
die Struktur einer alternativen Ausgestaltungsform eines Drehstellers 50.
In Analogie zu dem Drehsteller 40 aus 6 ist
eine Handhabe 51 über
eine Welle 52 mit einem Winkelgeber 53 und einem
Aktor 56 verbunden. Der Winkelgeber 53 stellt
einer Feedback-Elektronik 54 den Drehwinkel und/oder die
Drehrichtung der Handhabe 51 zur Verfügung. In Abhängigkeit
dieser Daten erzeugt die Feedback-Elektronik 54 ein Steuersignal,
das über die
Ansteuerelektronik 55 an den Aktor 56 weitergeleitet
wird, der ein entsprechendes Bremsmoment erzeugt, das der Drehung
der Handhabe 51 entgegensteht. In einer alternativen Ausgestaltungsform
ist die Auswerteelektronik statt in den Winkelgeber 53 in
die Feedback-Elektronik 54 integriert. Dadurch ist nur eine
elektronisch Schaltung zur Auswertung der Ausgansspannungen der
Lichtschranken und zur Erzeugung des Steuersignals für die Ansteuerelektronik notwendig.
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Darüber hinaus
ist der Winkelgeber 53 direkt mit der Ansteuerelektronik 55 verbunden.
Die Ansteuerelektronik 55 erhält vom Winkelgeber 53 die Ausgangsspannung
des Detektors einer der Lichtschranken. Diese Ausgangsspannung wird
also über die
Ansteurelektronik 55 als Steuersignal für den Aktor 56 verwendet,
das aufgebrachte Bremsmoment ist direkt abhängig von der Ausgangsspannung
des Detektors der Lichtschranke. Somit lassen sich mittels des Aktors 56 ohne
Zwischenschaltung der Feedback-Elektronik 54 Rasten erzeugen,
wobei die Anzahl der Rasten der Anzahl der Ausnehmungen im Kodierelement
entspricht. Mittels der Feedback-Elektronik 54 lässt sich
das Bremsmoment zusätzlich
beeinflussen, beispielsweise zur Erzeugung eines Anschlags oder
einer exponierten Rast, wie einer Mittenrast.
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Prinzipiell
lässt sich
durch Verwendung von mehr als zwei Lichtschranken das Auflösungsvermögen und
die Zuverlässigkeit
des Winkelgebers weiter erhöhen,
beispielsweise indem ein Rauschen des Detektorsignals herausgemittelt
wird. Die Phasenlagen der Ausgangssignale der zusätzlichen
Lichtschranken ist dabei beliebig.
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Der
Kerngedanke der Erfindung liegt darin, einen inkrementellen Drehwinkel
nicht durch Zählung diskreter
Impulse zu ermitteln, sondern durch Auswertung der analogen Ausgangsspannung
eines Winkelgebers eine hohe Winkelauflösung zu erzielen. Die Erzeugung
einer amplitudenmodulierten Ausgangsspannung mittels einer Lichtschranke,
in deren Erfassungsbereich sich ein Kodierelement mit Ausnehmungen
dreht, ist daher nur beispielhaft zu verstehen. So ist ein analoges
Ausgangssignal beispielsweise auch mittels eines magnetischen oder kapazitiven
Drehwinkelsensors erzeugbar.