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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG:
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Potentiometer und insbesondere
ein Potentiometer, das ein elektrisches Signal erzeugt, das einer
Größe bzw.
einem Ausmaß einer
Wellendrehung entspricht.
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Ein
Potentiometer wird normalerweise verwendet, wenn ein elektrisches
Signal benötigt
wird, das die Größe einer
Verlagerung bzw. Verstellung eines Objektes anzeigt. Das Potentiometer
weist eine Welle, die durch eine externe Kraft gedreht wird, und einen
Wandler bzw. Konverter auf, der eine Drehbewegungsgröße der Welle
in ein elektrisches Signal umwandelt.
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Da
bei einem Potentiometer, das einen Schiebewiderstand zur Umwandlung
einer Drehbewegungsgröße in ein
elektrisches Signal verwendet, ein Abrieb an einem Schiebeteil mit
der Zeit das Verhalten, die Güte
und die Betriebsstabilität
verschlechtert, werden Potentiometer der berührungslosen oder kontaktfreien
Art eingesetzt, um diese Unzulänglichkeiten
zu vermeiden.
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Es
ist ein berührungslos
arbeitendes Potentiometer bekannt, dass den Magnetismus verwendet bzw.
auf diesem basiert. Das Potentiometer ist von der Bauart, die einen
an einem Ende einer Welle befestigen Magneten und einen Sensor aufweist,
der einen Magnetfluss des Magneten in Form eines elektrischen Signals
erfasst. Als Sensor wird eine Hall-Vorrichtung oder eine Induktivitätsvorrichtung
verwendet (vgl. beispielsweise
US-Patentschrift
Nr. 4,395,695 , Spalten 2–4,
1–
3,
bzw.
US-Patentschrift Nr. 3,988,710 ,
Spalten 1–3,
1–
2).
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Als
ein Potentiometer, bei dem die Größe mehrerer Wellenumdrehungen
in einer berührungslosen
Weise in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, ist ein Potentiometer
bekannt, bei dem innerhalb der Welle eine Gewindestange entsprechend der
Wellendrehung linear bewegbar vorgesehen ist und die Position des
Endes der Gewindestange in magnetischer Weise erfasst wird (vgl.
beispielsweise
US-Patentschrift
Nr. 6,411,082 , Spalten 2–3,
1).
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Bei
den in den
US-Patentschriften
Nr. 4,395,695 und
3,988,710 beschriebenen
Konstruktionen wird lediglich eine Drehbewegungsgröße erfasst,
die lediglich einer einzelnen Wellenumdrehung oder weniger als einer
einzelnen Wellenumdrehung entspricht. Ferner ist die Auflösung der
Erfassung der Drehbewegungsgröße gering.
Bei der in der
US-Patentschrift
6,411,082 beschriebenen Konstruktion kann eine Drehbewegungsgröße über mehrere
Wellenumdrehungen hinweg erfasst werden, wobei jedoch die maximale
Drehbewegungsgröße begrenzt ist.
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US 2003/0218458 A1 beschreibt
einen berührungslosen
Positionssensor für
eine Drehwelle. Der Sensor enthält
eine drehbare Eingangswelle, einen Eingangssensormagneten, der mit
der Eingangswelle drehfest verbunden ist, ein Inter-Magnet-Getriebe,
dessen Eingang mit dem Eingangssensormagneten verbunden ist, einen
Ausgangssensormagneten, der mit dem Ausgang des Getriebes verbunden
ist, Magnetfeldsensoren, die die Magnetfelder der Magneten erfassen,
und eine Signalverarbeitungsschaltung, die anhand der Messsignale
der Magnetfeldsensoren den Drehwinkel der Eingangswelle bestimmt.
Die Anordnung weist eine einzelne, über eine begrenzte Anzahl von
Umdrehungen drehbare Welle auf.
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US 6 615 156 52 beschreibt
einen Positionssensor, der eine umlaufende Eingangswelle und eine weitere
feststehende Welle enthält.
Ein Eingangszahnrad rotiert über
der Eingangswelle, während weitere
Zahnräder
unabhängig über der
feststehenden Welle rotieren. Eine Verbindung zwischen den Zahnrädern ermöglicht ein
Zählen
der Umdrehungen der Eingangswelle. Die weitere Welle ist starr angeordnet.
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US 6 552 533 B2 beschreibt
einen Positionssensor mit einer drehbaren Welle, an der ein Antriebszahnrad
befestigt ist, und mit zwei Drehstellungssensoren, die beide über jeweilige
angetriebene Zahnräder
mit dem Antriebszahnrad gekoppelt sind. Die Drehstellungssensoren
liefern ein lineares Ausgangssignal entlang eines vorgegebenen Winkelbereichs,
wobei dieses Signal in dem nutzbaren Bereich periodisch wiederholt
wird. In einer Ausführungsform
sind die Drehstellungssensoren Magnete.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG:
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Es
ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein berührungsloses
Potentiometer zu schaffen, das bei hoch auflösender Detektion einer Drehbewegungsgröße auf endlos
viele Umdrehungen anwendbar ist.
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Zur
Lösung
des obigen Problems ist gemäß der vorliegenden
Erfindung ein Potentiometer geschaffen, das aufweist: eine endlos
drehbare erste Welle; eine erste Detektionseinrichtung zur magnetischen
Erfassung eines Drehwin kels der ersten Welle in einer kontakt- bzw.
berührungslosen
Weise; eine endlos drehbare zweite Welle; eine zweite Detektionseinrichtung
zur magnetischen Erfassung eines Drehwinkels der zweiten Welle in
einer berührungslosen
Weise; eine Getriebeeinrichtung zur Erhöhung der Drehzahl der ersten
Welle und zur Übertragung der
Drehbewegung auf die zweite Welle; und eine Ausgabeeinrichtung zur
Ausgabe eines einer Drehbewegungsgröße der ersten Welle proportionalen elektrischen
Signals basierend auf einem Detektionssignal von der ersten Detektionseinrichtung
und einem Detektionssignal von der zweiten Detektionseinrichtung.
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Vorzugsweise
weist die Getriebeeinrichtung einen Zahnradmechanismus zur Übertragung
bzw. Übersetzung
einer Drehbewegung gemäß einem
genau festgelegten Drehverhältnis
auf.
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Vorzugsweise
gibt die Ausgabeeinrichtung ein analoges Signal zur Gewinnung eines
analogen Signals aus, das eine Drehbewegungsgröße bzw. ein Drehbewegungsmaß kennzeichnet.
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Es
wird bevorzugt, dass die Ausgabeeinrichtung ein digitales Signal
zur Gewinnung eines digitalen Signals ausgibt, dass ein Drehbewegungsmaß bzw. eine
Dehbewegungsgröße kennzeichnet.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
gibt die Ausgabeeinrichtung ein analoges Signal und ein digitales
Signal aus, um ein analoges Signal und ein digitales Signal zu erhalten,
das eine Drehbewegungsgröße kennzeichnet.
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Vorzugsweise
weist das Potentiometer ferner ein Gehäuse auf, in dem wenigstens
ein Teil der ersten Welle, der zweiten Welle, der ersten Detektionseinrichtung,
der zwei ten Detektionseinrichtung, der Getriebeeinrichtung und der
Ausgabeeinrichtung untergebracht bzw. aufgenommen ist, um auf einfache
Weise die Schaffung eines Komponentenpotentiometers zu ermöglichen.
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Nachdem
das Potentiometer eine endlos drehbare erste Welle; eine erste Detektionseinrichtung
zur magnetischen Erfassung eines Drehwinkels der ersten Welle in
einer berührungslosen
Weise; eine endlos drehbare zweite Welle; eine zweite Detektionseinrichtung
zur magnetischen Erfassung eines Drehwinkels der zweiten Welle in
einer berührungslosen
Weise; eine Getriebeeinrichtung zur Erhöhung der Drehzahl der ersten
Welle und zur Übertragung
der Drehbewegung auf die zweite Welle; und eine Ausgabeeinrichtung
zur Ausgabe eines elektrischen Signals, das einer Drehbewegungsgröße der ersten
Welle proportional ist, auf der Basis eines von der ersten Detektionseinrichtung
herrührenden
Detektionssignals und eines von der zweiten Detektionseinrichtung
herrührenden
Detektionssignals aufweist, kann gemäß der vorliegenden Erfindung
ein berührungslos
arbeitendes Potentiometer verwirklicht werden, das eine hohe Auflösung bei
der Detektion der Drehbewegungsgröße aufweist und auf endlos
viele Umdrehungen anwendbar ist.
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Weitere
Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung erschließen sich
aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der
Erfindung, wie sie in den beigefügten
Zeichnungen veranschaulicht sind.
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KURZE ERLÄUTERUNG DER ZEICHNUNGEN:
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1 zeigt
ein Schaubild unter Veranschaulichung der Konstruktion eines Beispiels
für die
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung, in schematisierter Weise.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung, die den Aufbau des Drehgebers in
einem Beispiel für die
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung veranschaulicht.
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3 zeigt
eine schematische Darstellung unter Veranschaulichung der Struktur
des Getriebe- bzw. Zahnradmechanismus in einem Beispiel für die bevorzugte
Ausführungsform
der Erfindung.
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4 zeigt
ein Blockschaltbild unter Veranschaulichung des elektrischen Aufbaus
anhand eines Beispiels für
die bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG:
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Nachfolgend
ist hier eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen in ihren Einzelheiten
beschrieben. Es ist zu bemerken, dass die vorliegende Erfindung
nicht auf die bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung beschränkt
ist. 1 veranschaulicht einen schematisierten Aufbau
eines Potentiometers. Die vorliegende Vorrichtung stellt ein Beispiel
für die
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung dar. Der veranschaulichte Aufbau der Vorrichtung stellt
ein Beispiel für eine
Potentiometer bezogene bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dar.
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Wie
in 1 veranschaulicht, weist die vorliegende Vorrichtung
eine Welle 100 auf. Die Welle 100 ist über ein
Lager 200 an einem Gehäuse 300 drehbar
befestigt. Die Welle 100 lässt sich endlos drehen. Ein
Ende der Welle 100 ragt von dem Lager 200 nach
außen,
außerhalb
des Gehäuses 300 vor, während das
andere Ende innerhalb des Gehäuses 300 untergebracht
ist. Das Gehäuse 300 stellt
ein Beispiel für
ein Gehäuse
gemäß der vorliegenden
Erfindung dar.
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In
dem Gehäuse 300 sind
zwei Drehgeber, 110a und 110b, untergebracht.
Der Drehwertgeber 110a weist einen Magneten 114a,
der an einem Ende einer Drehwelle 112a angebracht ist,
und einen Sensor 116a auf, der in einer berührungsfreien
Weise dem Magneten gegenüberliegend
angeordnet ist. Der Drehgeber 110a stellt ein Beispiel
für eine
erste Detektionseinrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung dar. Der Drehgeber 110b weist einen Magneten 114b,
der an einem Ende einer Drehwelle 112b angebracht ist,
und einen Sensor 116b auf, der in einer kontaktlosen Weise
dem Magneten gegenüber
angeordnet ist. Der Drehgeber 110b stellt ein Beispiel
für eine
zweite Detektionseinrichtung gemäß der vor liegenden
Erfindung dar.
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2 veranschaulicht
den Aufbau des Drehgebers. Der Magnet 114 ist durch einen
säulenförmigen Permanentmagneten
gebildet, der in einer Richtung entlang seines Umfangs magnetisiert
ist. Der Sensor 116 ist durch eine ASIC-Baugruppe gebildet, die
eine Hall-Vorrichtung und ihre elektronischen Zubehörschaltungen
enthält.
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Der
Sensor 116 gibt ein elektrisches Signal ab, das eine Drehstellung
des Magneten 114 kennzeichnet. Das elektrische Signal ist
beispielsweise ein Signal, das den Winkel einer Umdrehung von 360° des Magneten 114 in
Form von 1024 Schritten bzw. Stufen anzeigt. Der Drehgeber ist vorzugsweise durch
ein auf dem Markt erhältliches
Teil gebildet.
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Die
Drehwelle 112a des Drehgebers 110a ist in koaxialer
Anordnung an dem Ende der Welle 100 angebracht. Die Drehwelle 112b des
Drehgebers 110b ist über
einen Getriebe- bzw.
Zahnradmechanismus 400 mit dem Ende der Welle 100 verbunden.
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Ein
Teil, das die Welle 100 und die Drehwelle 112a enthält, stellt
ein Beispiel für
eine erste Welle gemäß der vorliegenden
Erfindung dar. Die Drehwelle 112b stellt ein Beispiel für eine zweite
Welle gemäß der vorliegenden
Erfindung dar. Der Getriebe- bzw. Zahnradmechanismus 400 stellt
ein Beispiel für
eine Getriebeeinrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung sowie ein Beispiel für
den Zahnradmechanismus dar. Durch Verwendung des Zahnradmechanismus
kann eine Drehung der Welle 100 mit einem genauen Drehübersetzungsverhältnis auf
die Drehwelle 112b übertragen
werden.
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3 veranschaulicht
den Zahnradmechanismus 400 aus der Sicht in der Drehwellenrichtung. Der
Zahnradmechanismus 400 weist beispielsweise sechs Zahnräder 401 bis 406 auf.
Das Zahnrad 401 ist in koaxialer Anordnung an dem Ende
der Welle 100 befestigt. Die Zahnräder 402 bis 406 sind
durch geeignete (nicht veranschaulichte) Lager gelagert.
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Das
Zahnrad 401 steht mit dem Zahnrad 402 in Eingriff.
Das Übersetzungsverhältnis zwischen
den Zahnrädern 401 und 402 beträgt 1:A (≥ 1). Das Zahnrad 403 ist
koaxial an dem Zahnrad 402 befestigt. Das Zahnrad 403 steht
kämmend
mit dem Zahnrad 404 in Eingriff. Das Übersetzungsverhältnis zwischen den
Zahnrädern 403 und 404 beträgt 1:B (≥ 1). Das Zahnrad 405 ist
in koaxialer Anordnung an dem Zahnrad 404 befestigt. Das
Zahnrad 405 steht mit dem Zahnrad 406 in Eingriff.
Das Übersetzungsverhältnis zwischen
den Zahnrädern 405 und 406 beträgt 1:C (≥ 1). Die Drehwelle 112b des
Drehgebers 110b ist in koaxialer Anordnung an dem Zahnrad 406 befestigt.
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Die
Drehwelle 112a des Drehgebers 110a läuft mit
einem Verhältnis
von 1:1 in Bezug auf die Drehbewegung der Welle 100 um.
Die Drehwelle 112b des Drehgebers 110b läuft mit
einem Verhältnis von
N:1 (N ≥ 1)
in Bezug auf die Drehbewegung der Welle 100 um. Dies bedeutet,
dass der Getriebe- bzw.
Zahnradmechanismus 400 einen Drehzahl verringernden bzw.
untersetzenden Getriebe- bzw. Zahnradmechanismus bildet.
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In
dieser Anordnung rotiert die Drehwelle 112b des Drehgebers 110b in
endloser Weise bei einem Untersetzungsverhältnis von 1 Umdrehung pro N
Umdrehungen der Drehwelle 112a des Drehgebers 110a.
Der Wert von N beträgt
beispielsweise 10, wobei jedoch dieser Wert nicht auf den
angegebe nen Wert beschränkt
ist, sondern ein beliebiger geeigneter Wert sein kann. Somit können durch
Verwendung des Drehgebers 110a und des Drehgebers 110b in dieser
Beziehung ein Detektionssignal, das 1 Umdrehung der Welle 100 in
Form von beispielsweise 1024 Stufen kennzeichnet, und ein Detektionssignal,
das 10 Umdrehungen der Welle 100 in Form von beispielsweise
1024 Stufen kennzeichnet, erhalten werden.
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In
dem Gehäuse 300 sind
gedruckte Schaltungen bzw. Leiterplatten 502 bis 506 vorgesehen. Die
Leiterplatten 502 bis 506 sind durch (nicht veranschaulichte)
Haltemittel gehaltert und über
nicht veranschaulichte Signalleitungen elektrisch miteinander verbunden.
Das Gehäuse 300 weist
einen (nicht veranschaulichten) Anschluss zur Verbindung einer Energieversorgung
mit diesen gedruckten Schaltungen und zum Senden/Empfangen von Signalen
zu/von den gedruckten Schaltungen von außerhalb bzw. nach außen.
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Die
Sensoren 116a und 116b der Drehgeber 110a und 110b sind
jeweils auf den gedruckten Leiterplatten 502 und 504 vorgesehen.
Ein Prozessor 602 zur Verarbeitung von von den Sensoren 116a und 116b ausgegebenen
Ausgangssignalen sowie seine Schnittstellen 604 und 606 sind
auf der Leiterplatte 504 vorgesehen. Als Prozessor 502 wird
z. B. ein DSP (digitaler Signalprozessor) verwendet. Eine Energieversorgungs- bzw. Leistungsschaltung 612 und
Hilfsschaltungen 614 und 616 sind auf der Leiterplatte 506 vorgesehen.
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4 zeigt
ein Blockschaltbild des elektrischen Aufbaus der vorliegenden Vorrichtung.
Die Sensoren 116a und 116b der Drehgeber 110a und 110b führen die
jeweiligen Detektionssignale dem Prozessor 602 basierend
auf einem von dem Prozessor 602 gelieferten Takt zu. Die
Detektionssignale werden in Form von digitalen Daten zugeführt.
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Das
Eingangssignal von dem Sensor 116a weist eine Auflösung von
z. B. 1024 pro 1 Umdrehung der Welle 100 auf. Das von dem
Sensor 116b herrührende
Eingangssignal weist eine Auflösung von
z. B. 1024 pro 10 Umdrehungen der Welle 100 auf.
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Der
Prozessor 602 verarbeitet die Eingangssignale, um Daten
zu gewinnen, die das Drehmaß bzw.
die Drehbewegungsgröße der Welle 100 mit
einer Auflösung
von z. B. 1048576 (220) pro 10 Umdrehungen
kennzeichnet. Die Daten werden jeweils als ein pulsweitenmoduliertes
Signal und digitales Datum ausgegeben.
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Das
Pulsweitenmodulationssignal wird in Form eines analogen Signals über ein
Filter 604 ausgeben, während
das digitale Datum in Form von seriellen Daten durch eine Sendeempfangseinrichtung bzw.
einen Transceiver 606 ausgegeben wird. Es ist zu bemerken,
dass die Einrichtung auch derart sein kann, dass lediglich das analoge
Signal oder die seriellen Daten ausgegeben werden. Ein den Prozessor 602,
das Filter 604 und den Transceiver 606 enthaltendes
Teil stellt ein Beispiel für
eine Ausgabeeinrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung dar.
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Die
Sensoren 116a und 116b, der Prozessor 602,
das Filter 604 und der Transceiver 606 werden mit
einer elektrischer Energie unter Spannungswandlung von 12 V zu 3,3
V von einer externen Spannungsquelle über eine Leistungsschaltung 612 versorgt.
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Das
von der vorliegenden Vorrichtung ausgegebene Ausgangssignal zeigt
die Drebewegungsgröße bzw.
das Maß der
Drehung der Welle 100 mit einer Auflösung von z. B. 1048576 (220) Stufen pro 10 Umdrehungen an. In dieser
Anordnung bildet die vorliegende Vorrichtung ein Potentiometer der
berührungsfrei
arbeitenden Art, das ein Signal ausgibt, das die Drehbewegungsgröße der Welle 100 mit
hoher Auflösung
anzeigt. Da die Welle 100 sich endlos drehen lässt, ist
die Vorrichtung auf unbegrenzt vielfache Umdrehungen anwendbar.
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Außerdem kann,
nachdem der Prozessor 602 programmierbar ist, eine Drehreferenzposition, d.
h. eine Nullposition, der Welle 100 willkürlich festgesetzt
werden.
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Da
sämtliche
Bestandteile in dem Gehäuse aufgenommen
sind, kann die vorliegende Vorrichtung ferner in Form einer verkleinerten
und kompakten Komponente verwirklicht werden. Nachdem diese kompakte
Vorrichtung eine analoge Ausgabe ermöglicht, kann ein herkömmliches
analoges Potentiometer ohne weiteres durch die vorliegende Vorrichtung
ersetzt werden.
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Es
können
viele, weit unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung
konfiguriert werden, ohne dass dadurch der Schutzumfang und der
Rahmen der vorliegenden Erfindung berührt werden. Es sollte verständlich sein,
dass die vorliegende Erfindung nicht auf die speziellen Ausführungsformen,
die in der Beschreibung beschrieben sind, beschränkt ist, sondern in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.
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Es
ist ein kontaktloses Potentiometer mit hoher Auflösung einer
auf endlos viele Umdrehungen anwendbaren Erfassung einer Drehbewegungsgröße geschaffen.
Das Potentiometer weist eine endlos drehbare erste Welle 112a,
eine erste Detektionseinheit 110a, die einen Drehwinkel
der ersten Welle 112a in einer kontaktlosen Weise magnetisch
erfasst, eine endlos drehbare zweite Welle 112b, eine zweite Detektion seinheit 110b,
die einen Drehwinkel der zweiten Welle 112b in einer kontaktlosen
Weise magnetisch detektiert, eine Getriebeeinheit 400,
die die Drehzahl der Welle verringert und die Drehbewegung auf die
zweite Welle 112b überträgt, und
eine Ausgabeeinheit 602, 604, 606 auf,
die basierend auf Detektionssignalen von der ersten Detektionseinheit 110a und
von der zweiten Detektionseinheit 110b ein zu einer Drehbewegungsgröße der ersten
Welle 112a proportionales elektrisches Signal ausgibt.
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- 100
- Welle
- 110a,
110b
- Drehgeber
- 112a,
112b
- Drehwelle
- 114a,
114b
- Magnet
- 116a,
116b
- Sensor
- 200
- Lager
- 300
- Gehäuse
- 400
- Getriebe-/Zahnradmechanismus
- 401–406
- Zahnrad
- 502–506
- gedruckte
Schaltung/Leiterplatte
- 602
- Prozessor
- 604
- Filter
- 606
- Transceiver/Sende-Empfangs-Einrichtung
- 612
- Energieversorgungs-/Leistungsschaltung
- 614,
615
- Hilfs-/Zubehörschaltung