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Die
Erfindung betrifft einen Drehwinkelsensor oder Positionssensor,
insbesondere einen sicherheitsgerichteten Gradientengeber.
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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Drehwinkelsensor zur berührungslosen
Bestimmung des Drehwinkels einer Drehachse umfassend eine optische
Strahlungsquelle und einen Detektor. Derartige optische Sensoren
werden unter anderem in geodätischen
Geräten
zur Winkelvermessung eingesetzt. Es sind auch Drehwinkelmessgeräte oder
Drehgeber mit einer elektrooptischen Abtasteinheit bekannt, bei der
Licht eine Kondensorlinse und eine Abtastplatte mit einer lichtdurchlässigen Teilung
durchquert. Das Licht wird dabei durch eine zur Abtastplatte bewegliche
lichtdurchlässige
Skala moduliert und anschließend
von mindestens einem photoelektrischen Empfängerelement detektiert.
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Ein
für Drehwinkelsensoren
häufig
verwendetes Prinzip ist das Reflexlichtprinzip oder das Durchlichtprinzip,
bei dem beispielsweise eine in Messrichtung bewegliche Reflexionszone
oder ein Filter von einer Strahlungsquelle beleuchtet wird, die gegenüber einem
relativ dazu statisch befindlichen Abtastsystem liegen. Das Bild
der Reflexionszone oder des Filters kann dann auf verschiedene Methoden
mit Hilfe von elektrischen Photoempfängern abgetastet werden.
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Die
bekannten Filter haben den Nachteil, dass sie aufgrund von Messfehlern
keine hohe Genauigkeit bei der Feststellung des Drehwinkels zulassen.
Die konventionelle Sensorik lässt
zwar die Eingabe von Schaltschwellen zu, wenn die Messfeldaufnahme
allerdings nur flankengesteuert erfolgt, können sich Bereiche der Blindheit
und Bereiche von Überempfindlichkeit
ergeben.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, den Positionssensor der eingangs genannten
Art dahingehend zu verbessern, dass Messfehler weitgehend vermieden oder
verringert werden.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Drehwinkelsensor mit den im unabhängigen Anspruch
1 definierten Merkmalen gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind
jeweils den Unteransprüchen
zu entnehmen.
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Nach
einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die oben genannte Aufgabe
gelöst
durch einen Drehwinkelsensor zur berührungslosen Bestimmung des
Drehwinkels einer Drehachse umfassend eine optische Strahlungsquelle
und einen Detektor, wobei im Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle
und dem Detektor eine Abschattungsstruktur angeordnet ist, deren
Position sich mit der Drehachse verändert und dem Drehwinkel der
Drehachse derart zugeordnet ist, dass die Abschattungsstruktur zumindest
teilweise von der Strahlung der Strahlungsquelle in Abhängigkeit
vom Drehwinkel der Drehachse beleuchtet und auf den Detektor abgebildet
und/oder projiziert wird.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Drehwinkelsensor
ist in dem Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle und dem Detektor
eine Abschattungsstruktur angeordnet, die von der aus der Strahlungsquelle
stammenden Strahlung zumindest teilweise beleuchtet wird. Die Abschattungsstruktur
weist unterschiedlich reflektive und/oder unterschiedlich transparente
Bereiche bzw. Gradientenfelder auf, deren Position dem Drehwinkel
der Drehachse zugeordnet sind. Mit einer Veränderung des Drehwinkels der
Drehachse verändert
sich somit auch das Intensitätsmuster,
das von der Strahlung durch die Abschattungsstruktur auf den Detektor
abgebildet und/oder projiziert wird. Auf diese Weise können Messfehler
weitgehend vermieden bzw. verringert werden und somit der zu erfassende
Drehwinkel der Drehachse exakter ermittelt werden.
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Als
Detektor wird vorzugsweise ein ortsempfindlicher optoelektronischer
Detektor verwendet, der das projizierte Intensitätsmuster in entsprechende elektrische
Signale umsetzt, die zur weiteren Auswertung an eine elektronische
Auswerteeinheit weitergeleitet werden können. Da je nach Drehwinkellage
der Abschattungsstruktur ein verändertes
Intensitätsmuster
auf dem Detektor erscheint, kann daraus die Drehwinkellage bzw.
der Azimuthwinkel der Drehachse ermittelt werden. Die Abschattungsstruktur umfasst
Bereiche bzw. Gradientenfelder mit unterschiedlichem Reflexionsgrad
und/oder verschiedener Transparenz. Die auf den Detektor abgebildeten bzw.
projizierten Intensitätsmuster
können
durch unterschiedliche Arten von Abschattungsstrukturen erzeugt
werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung kann die Abschattungsstruktur auf einer Messscheibe
angeordnet sein, die sich in Abhängigkeit
vom Drehwinkel der Drehachse bewegt. Der Antrieb der Messscheibe
kann direkt mit der Drehachse verbunden sein, so dass die Messscheibe
mit dem gleichen Drehwinkel rotiert wie die zu messende Drehachse.
Alternativ kann die Messscheibe auch über eine Getriebeübersetzung
mit der Drehachse gekoppelt sein, so dass sich die Messscheibe in
einem anderen Verhältnis
bewegt als die zu messende Drehachse. Dadurch kann eine höhere Sensibilität des Drehwinkelsensors
in Bezug auf Drehbewegungen der Drehachse erreicht werden.
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Auf
der Messscheibe können
ortsabhängig unterschiedlich
stark abschattende, reflektierende und/oder transparente Strukturen
aufgebracht sein. Die dadurch abgeschattete, reflektierende oder transmittierte
Lichtstrahlung bildet ein entsprechendes Intensitätsmuster
auf dem Detektor ab, aus dem Rückschlüsse auf
die Drehwinkelposition der Messscheibe und damit der zu messenden
Drehachse gezogen werden können.
Alternativ kann die Abschattungsstruktur auch auf der Mantelfläche eines
Zylinders angeordnet sein, der sich in Abhängigkeit von der Drehbewegung
der Drehachse bewegt.
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Ebenso
kann die Messscheibe nur mit ortsabhängig abschattenden oder transmissiven
Strukturen versehen sein, die im Durchlicht verwendet werden. Dazu
können
beispielsweise am Umfangsrand der Messscheibe abschattende Ausbuchtungen
oder transmissive Einbuchtungen ausgebildet sein, so dass je nach
der Drehwinkelstellung der Messscheibe eine abschattende Ausbuchtung
oder eine transmissive Einbuchtung in den Strahlengang der Strahlungsquelle
tritt. Dadurch wird je nach der Drehwinkelstellung der Messscheibe
entweder die Strahlung durch eine abschattende Ausbuchtung zumindest teilweise
verdeckt bzw. abgeschattet oder die Strahlung kann durch eine transmissive
Einbuchtung ungehindert passieren und auf den Detektor treffen.
Die ortsabhängige
Transmission der Scheibe führt
somit ebenfalls zu entsprechenden Intensitätsmustern, die auf den Detektor
projiziert oder abgebildet werden.
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Die
Abschattungsstruktur kann beispielsweise auf Glas, auf lichtdurchlässigem Kunststoff
oder einem anderen lichtdurchlässigen
Material oder aus einem Material mit herausgeätzten lichtdurchlässigen Strukturen
ausgebildet sein. Die Abschattungsstruktur wird von einem möglichst
parallelen Lichtstrahl aus der Strahlungsquelle zumindest teilweise beleuchtet
und durchdrungen. Auf der gegenüberliegenden
Seite wird das bei Bewegung der Abschattungsstruktur modulierte
Licht über
einen optoelektronischen Detektor, wie z. B. einen Photoempfänger, in
elektrische Signale umgewandelt.
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Die
vorliegende Erfindung kann insbesondere der Überwachung eines Objekts im
Stillstand dienen, wobei das Objekt nur innerhalb vorgegebener Grenzwerte
eine Rotationsbewegung vollziehen darf. Als Stillstand wird dabei
die Einhaltung einer definierten Position verstanden. Dies bedeutet,
dass das zu überwachende
Objekt diese Position auch innerhalb vorgegebener Toleranzen einhalten
muss. Dies kann durchaus zur Folge haben, dass Erschütterungen wie
auch eine aktive Regelung konventionelle Sensorikauswertung temporär Störsignale
erzeugen lässt,
wenn die Schaltschwelle in einem zu engen Schaltfenster betrachtet
wird. Um echte Bewegungen von zulässigen Schwankungen unterscheiden
zu können,
bietet sich die Vorgabe von zulässigen
elektrischen und örtlichen
Toleranzen an.
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Ein
Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht folglich darin,
anhand eines oder mehrerer definierter Gradientenfelder in der Abschattungsstruktur
den Messbereich definiert auf das zu überwachende System anzupassen,
so dass das Schaltkriterium über
den zu überwachenden
Bereich möglichst
stetig verläuft.
Dieser stetige Verlauf des Schaltkriteriums über den Messbereich ist vorzugsweise
im mathematischen Sinne mindestens im ersten Grade stetig.
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Ein
Vorteil des erfindungsgemäßen Drehwinkelsensors
besteht darin, dass die Abschattungsstruktur eine genauere Erfassung
des Drehwinkels und/oder eine sensiblere Überwachung des Stillstands
eines Objekts zulässt.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Drehwinkelsensors ergibt
sich aus der berührungslosen
Messung, die weitgehend ohne mechanische Verschleißerscheinungen
arbeitet. Ferner ist der erfindungsgemäße Drehwinkelsensor verhältnismäßig einfach
und kostengünstig
herzustellen.
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Mit
Hilfe von asymmetrisch gestalteten Abschattungsstrukturen lassen
sich durch den erfindungsgemäßen Drehwinkelsensor
auch absolute Drehwinkel erfassen. Das heißt, wenn die Abschattungsstruktur
auf der einen Seite eines Bereichs bzw. Gradientenfeldes mit maximaler
oder minimaler Strahlungsdurchlässigkeit
eine bestimmte Strukturierung aufweist, die sich von der Strukturierung
auf der anderen Seite des Gradientenfeldes mit maximaler oder minimaler
Strahlungsdurchlässigkeit
unterscheidet, kann mittels eines ortsauflösenden Detektors die Position
der Messscheibe auf der einen Seite der maximalen oder minimalen
Abschattung von der anderen Seite unterschieden werden.
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Eine
optimale Erfassung des zu überwachenden
Drehwinkelbereichs kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass
sich das Schaltkriterium über
den gesamten zu überwachenden
Bereich stetig verändert,
so dass eine eindeutige Erfassung der Rotationsposition in jeder
Stellung des zu überwachenden
Bereichs möglich
ist. Dies kann beispielsweise realisiert werden durch Zuordnung
des Schaltkriteriums mit der entsprechenden Rotations- oder Drehwinkelposition.
Als Schaltkriterium dient der Transmissionsgrad des auf die Abschattungsstruktur der Messscheibe
gerichteten Lichtstrahls, der von dem beleuchteten Gradientenfeld
der Abschattungsstruktur abhängt.
Die Zuordnung des Schaltkriteriums mit der entsprechenden Rotations-
oder Drehwinkelposition erfolgt vorzugsweise vor der eigentlichen
Messung des Schaltkriteriums, d. h. vor der Messung des Transmissionsgrades
des auf die Abschattungsstruktur der Messscheibe gerichteten Lichtstrahls.
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Auf
diese Weise können
Geberflanken, d. h. die Flanken der Abschattungsstruktur, durch
stetig ansteigende ”Kanten” des gemessenen
Transmissionsgrades kontrollierbar werden. Außerdem kann die Hysterese konventioneller
Sensorik ausgenutzt werden, um die Empfindlichkeit des Gesamtsystems
zu bestimmen. Dabei ist es unerheblich, ob die Hysterese einstellbar
oder fest vorgegeben ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst der Drehwinkelsensor einen optischen
Initiator mit einem Sender und einem Empfänger. In der optischen Sender-Empfänger-Strecke
ist eine Abschattungsstruktur angeordnet, die auch als Geber angesehen
werden kann, der zwischen den optisch durchlässigen Bereich und dem optisch
sperrenden Bereich einen Übergangsbereich
mit zunehmender optischer Sperrwirkung umfasst. Dazu ist die Abschattungsstruktur
mit Gradientenfeldern ausgebildet, die unterschiedliche Reflexions-
oder Transmissionsgrade aufweisen. Die Gradientenfelder der Abschattungsstruktur
können
beispielsweise mittels mit gerasterten und/oder gestreuten Punkte-,
Linien-, Loch- oder Keilmustern oder einer beliebig gestalteten
anderen geometrischen Form realisiert werden.
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Alternativ
kann der Initiator auch über
einen Näherungssensor
realisiert werden. Dazu ist die Messscheibe bzw. der Geber anstelle
von Löchern oder
kantigen Markern beispielsweise mit kontinuierlich ansteigenden
Vertiefungen und Erhöhungen bzw.
Ausbuchtungen und Einbuchtungen versehen.
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Die
vorliegende Erfindung kann sowohl zur Überwachung oder Messung von
Rotationsbewegungen als auch zur Überwachung oder Messung von
Linearbewegungen angewendet werden. Zur Überwachung von transversalen
Linearbewegungen muss die Abschattungsstruktur lediglich auf eine
gerade Strecke übertragen
werden, die transversale Bewegungen zusammen mit dem zu überwachenden Objekt
relativ zu einer statisch angeordneten Messvorrichtung vollzieht.
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Im
Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von bevorzugten
Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Drehwinkelsensors gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung;
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2 schematische
Darstellungen von Abschattungsstrukturen in drei unterschiedlichen
Ausführungsformen,
wie sie beispielsweise in einem erfindungsgemäßen Drehwinkelsensor eingesetzt
werden können;
und
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3 eine
schematische Darstellung einer Messscheibe mit tangentialen und
radialen Abschattungsstrukturen in einer Ausführungsform, wie sie beispielsweise
in einem erfindungsgemäßen Drehwinkelsensor
eingesetzt werden kann.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines Drehwinkelsensors gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Der erfindungsgemäße Drehwinkelsensor umfasst
im Wesentlichen eine Strahlungsquelle 1, die einen Lichtstrahl 3 erzeugt,
eine Abschattungsstruktur 4, die den aus der Strahlungsquelle 1 austretenden
Lichtstrahl 3 zumindest teilweise abschattet, sowie einen
Detektor 2, der die Intensität der auf den Detektor 2 fallenden
Strahlung 3 erfasst. Bei der in 1 dargestellten
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Drehwinkelsensors
ist die Abschattungsstruktur auf einer Messscheibe 4 ausgebildet,
die im Strahlengang 3 zwischen der Strahlungsquelle 1 und
dem Detektor 2 angeordnet ist. Die Drehwinkelposition der
Messscheibe 4 verändert
sich mit dem Drehwinkel der Drehachse D und ist mit dieser derart
gekoppelt, dass die Abschattungsstruktur 4 von der Strahlung 3 der
Strahlungsquelle 1 in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Drehachse
D beleuchtet und auf den Detektor 3 abgebildet und/oder
projiziert wird.
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Die
Abschattungsstruktur 4 weist unterschiedlich stark reflektierende
und/oder unterschiedlich transparente Bereiche bzw. Gradientenfelder
auf, deren Position dem Drehwinkel der Drehachse D zugeordnet sind.
Mit einer Veränderung
des Drehwinkels der Drehachse D verändert sich somit auch das Intensitätsmuster,
das von der Strahlung 3 durch die Abschattungsstruktur 4 auf
den Detektor 2 abgebildet und/oder projiziert wird. Die
Drehbewegung der Drehachse D und damit die Drehbewegung der Messscheibe
mit der Abschattungsstruktur 4 wird durch den Doppelpfeil
in 1 angedeutet. Die Abschattungsstruktur kann auf
einer Messscheibe 4 oder auch auf der Mantelfläche eines
Zylinders aufgetragen sein, der sich in Abhängigkeit von der Drehbewegung
der Drehachse D bewegt.
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Bei
dieser bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Drehwinkelsensors
umfasst die sich in Messrichtung rotierende Scheibe mit der Abschattungsstruktur 4 verschiedene
Gradientenfelder mit lichtdurchlässigen,
weniger lichtdurchlässigen
und nicht lichtdurchlässigen
Bereichen auf. Die Gradientenfelder der Abschattungsstruktur 4 unterscheiden
sich folglich durch ihren Transmissionsgrad, der die darauf treffende
Lichtstrahlung dementsprechend mehr oder weniger abschattet bzw.
passieren lässt.
Im Gegensatz zu der drehbaren Messscheibe 4 ist sowohl
die Strahlungsquelle 1 als auch die Messrichtung bzw. der
Detektor 2 relativ zur Drehachse D statisch angeordnet.
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Die
Messrichtung stellt ein ortsempfindlicher optoelektronischer Detektor 2 dar,
der das projizierte Intensitätsmuster
in entsprechende elektrische Signale umwandelt, die zur weiteren
Auswertung an eine elektronische Auswerteeinheit (nicht dargestellt)
weitergeleitet werden. In Abhängigkeit
von der Drehwinkellage der Abschattungsstruktur 4 tritt
ein Gradientenfeld mit unterschiedlichem Transmissionsgrad in den
Strahlengang 3, so dass auf dem Detektor 2 ein verändertes
Intensitätsmuster
erscheint. Der Detektor wandelt die auftreffende Strahlungsintensität in ein
entsprechendes elektrisches Signal um. Aufgrund der zuvor festgelegten
Zuordnung zwischen dem vom Detektor 2 gelieferten elektrischen
Intensitätssignal
und dem Drehwinkel der Drehachse D kann die Drehwinkellage bzw.
der Azimuthwinkel der Drehachse D ermittelt werden.
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Die
auf den Detektor 2 abgebildeten bzw. projizierten Intensitätsmuster
können
durch unterschiedliche Arten von Abschattungsstrukturen 4 erzeugt
werden. Die 2 zeigt schematische Darstellungen
von Beispielen für
Abschattungsstrukturen 4 in drei unterschiedlichen Ausführungsformen
A, B und C, wie sie beispielsweise in einem erfindungsgemäßen Drehwinkelsensor
eingesetzt werden können.
Die erste Abschattungsstruktur A weist eine quasi lineare Struktur
auf, die zweite Abschattungsstruktur B eine keilförmige Strukturierung
und die dritte Abschattungsstruktur C eine gekörnte bzw. punktierte Struktur.
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Jede
Abschattungsstruktur A, B, C umfasst jeweils Bereiche oder Gradientenfelder
A1, A2, A3 bzw. B1, B2, B3 bzw. C1, C2, C3 mit unterschiedlicher
Transparenz und/oder verschiedenem Reflexionsgrad. Die Gradientenfelder
A1, B1, C1 weisen einen von links nach rechts stetig abnehmenden Transmissionsgrad
auf, die Gradientenfelder A2, B2, C2 weisen einen minimalen Transmissionsgrad
bzw. eine maximale Abschattung auf und die Gradientenfelder A3,
B3, C3 weisen einen von links nach rechts stetig zunehmenden Transmissionsgrad
auf. Mit der Drehbewegung der auf der Messscheibe 4 aufgebrachten
Abschattungsstruktur A, B oder C durch den Strahlengang 3 kann
anhand der auf dem Detektor 2 erzeugten Intensität der Projektionsbilder
der Drehwinkel der Drehachse D auf stetige und exakte Weise ermittelt
werden.
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Es
ist auch möglich,
dass eine Abschattungsstruktur aus Gradientenfeldern mit unterschiedlichen
Strukturen kombiniert wird. So kann beispielsweise links neben einem
Gradientenfeld mit maximalem Transmissionsgrad A2, B2 oder C2 ein
Gradientenfeld mit einer punktierten Struktur A1, A3, C1 oder C3
angeordnet sein, während
auf der gegenüberliegenden
Seite rechts neben dem Gradientenfeld mit maximalem Transmissionsgrad
ein Gradientenfeld mit einer keilförmigen Struktur B1 oder B3
angeordnet ist. Auf diese Weise kann anhand eines vom Detektor 2 erfassten,
ortsaufgelösten
Projektionsbilds zusätzlich
ermittelt werden, ob sich die Messscheibe 4 und damit die
Drehachse D in Messrichtung nach links oder nach rechts bewegt.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann die Messscheibe 4 mit ortsabhängig abschattenden
oder transmissiven Strukturen versehen sein, die im Durchlicht verwendet
werden. 3 zeigt eine schematische Darstellung
einer Messscheibe 4, die mit tangentialen und radialen
Abschattungsstrukturen ausgestattet ist. Dazu sind beispielsweise
am Umfangsrand der Messscheibe 4 abschattende Ausbuchtungen 5 oder transmissive
Einbuchtungen 6 ausgebildet. Bei dieser tangentialen Anordnung
befindet sich die Abschattungsstruktur folglich am Umfang der Messscheibe 4.
Dabei ergibt sich eine maximale Abschattung bzw. ein minimaler Transmissionsgrad
des von der Strahlungsquelle 1 erzeugten Lichtstrahls 3, wenn
die Messscheibe 4 mit einer Ausbuchtung 5 in den
Strahlengang 3 des Lichtstrahls hineinragt und es ergibt
sich eine minimale Abschattung bzw. ein maximaler Transmissionsgrad,
wenn die Messscheibe 4 gerade mit einer Einbuchtung 6 den
Strahlengang 3 des Lichtstrahls unbeeinträchtigt passieren lässt.
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Dazu
sind die abschattenden Ausbuchtungen 5 und die transmissiven
Einbuchtungen 6 am Umfangsrand der Messscheibe 4 mit
stetig ansteigenden und stetig abfallenden Kanten ausgebildet. Auf
diese Weise wird der Strahlengang 3 der Strahlungsquelle 1 je
nach der Drehwinkelstellung der Drehachse D bzw. der Messscheibe 4 entweder durch
eine abschattende Ausbuchtung 5 oder eine transmissive
Einbuchtung 6 beeinflusst. Dabei wird je nach der Drehwinkelstellung
der Messscheibe 4 entweder die Strahlung 3 durch
eine abschattende Ausbuchtung 5 zumindest teilweise verdeckt
bzw. abgeschattet oder die Strahlung 3 kann durch eine
transmissive Einbuchtung 6 entsprechend ungehindert passieren
und auf den Detektor 2 treffen. Die stetig ansteigenden
und stetig abfallenden Kanten der Ausbuchtungen 5 und Einbuchtungen 6 bewirken
eine stetige Änderung
der Intensität
des auf den Detektor 2 treffenden Lichtstrahls 3 in
Abhängigkeit
von der Drehbewegung der Messscheibe 4 und damit eine zuverlässige Bestimmung
der Drehwinkelposition der Drehachse D.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann die Messscheibe 4 mehrere unterschiedliche
Abschattungsstrukturen A, B, C aufweisen, die über den Umfang der Messscheibe 4 verteilt sind.
Auf diese Weise umfasst die Messscheibe 4 mehrere Gradientenfelder
mit minimalem Transmissionsgrad, mehrere Gradientenfelder mit maximalem Transmissionsgrad
A2, B2, C2. Je nach Ausgestaltung der unterschiedlichen Abschattungsstrukturen A,
B, C kann die Messscheibe 4 auch mehrere Gradientenfelder
A1, A3, B1, B3, C1, C3 mit in Messrichtung stetig ansteigendem Transmissionsgrad und/oder
Gradientenfelder A1, A3, B1, B3, C1, C3 mit in Messrichtung stetig
abnehmendem Transmissionsgrad aufweisen. Alternativ kann die Messscheibe 4 mehrere
identische oder ähnliche
Abschattungsstrukturen A, B oder C aufweisen, die sich über den Umfang
der Messscheibe 4 wiederholen.
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Wie
oben bereits beschrieben, kann die Messscheibe 4 mit tangentialen
und/oder radialen Abschattungsstrukturen 5, 6 ausgestattet
sein, die in Abhängigkeit
vom Drehwinkel der Drehachse D eine abschattende oder transmissive
Wirkung auf die Strahlung 3 der Strahlungsquelle 1 ausüben. Dazu können beispielsweise
am Umfangsrand der Messscheibe 4 abschattende Ausbuchtungen 5 oder transmissive
Einbuchtungen 6 ausgebildet sein, die je nach Drehposition der
Drehachse D bzw. der Messscheibe 4 in den Strahlengang
der Strahlenquelle ganz oder teilweise hineinragen.
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Der
erfindungsgemäße Drehwinkelsensor kann
ferner in einer Kombination mit einem induktiven Näherungssensor
betrieben werden. Der induktive Näherungssensor (nicht gezeigt)
kann eine Annäherung
der am Umfangsrand der Messscheibe 4 ausgebildeten Ausbuchtungen 5 und
Einbuchtungen 6 bei einer Rotationsbewegung der Messscheibe 4 bzw.
der Drehachse D induktiv detektieren. Wenn die Messscheibe 4 beispielsweise
aus Metall gefertigt ist, kann der induktive Näherungssensor die metallischen
Ausbuchtungen 5 von den Einbuchtungen 6 aufgrund
des induktiven Metalls unterscheiden, das sich in der Nähe des Näherungssensors
befindet.
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Wenn
die Ausbuchtungen 5 und die Einbuchtungen 6 am
Umfangsrand der Messscheibe 4 mit in Messrichtung stetig
ansteigenden und stetig abfallenden Kanten ausgebildet sind, kann
der induktive Näherungssensor
den Drehwinkel der Messscheibe 4 bzw. der Drehachse D aufgrund
der zunehmenden bzw. abfallenden induktiven Wirkung des Metalls
erfassen. Wenn sich eine Ausbuchtungen 5 dem induktiven
Näherungssensor
nähert,
nimmt die induktive Wirkung des Metalls zu, und wenn sich eine Einbuchtungen 6 dem
induktiven Näherungssensor
nähert, nimmt
die induktive Wirkung des Metalls ab.
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Während in
der vorliegenden Beschreibung bestimmte exemplarische Ausführungsformen
der Erfindung im Detail beschrieben und in den beigefügten Zeichnungen
dargestellt wurden, sind solche Ausführungsformen lediglich illustrativ
zu verstehen und nicht einschränkend
für den
Schutzbereich der Erfindung auszulegen. Es wird deshalb darauf hingewiesen,
dass verschiedene Modifikationen an den beschriebenen, dargestellten
oder anderen Ausführungsformen
der Erfindung vorgenommen werden können, ohne von dem durch die
beigefügten
Ansprüche
definierten Schutzumfang und dem Kern der Erfindung abzuweichen.
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So
kann die vorliegende Erfindung z. B. sowohl zur Überwachung oder Messung von
Rotationsbewegungen als auch zur Überwachung oder Messung von
Linearbewegungen angewendet werden. Zur Überwachung von transversalen
Linearbewegungen muss die Abschattungsstruktur lediglich auf eine
gerade Strecke übertragen
werden, die transversale Bewegungen zusammen mit dem zu überwachenden
Objekt relativ zu einer statisch angeordneten Messvorrichtung vollzieht.
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- 1
- Strahlungsquelle
- 2
- Detektor
- 3
- Strahlengang
bzw. Lichtstrahl
- 4
- Messscheibe
mit Abschattungsstruktur
- 5
- Erhebungen
bzw. Ausbuchtungen
- 6
- Vertiefungen
bzw. Einbuchtungen
- A
- Abschattungsstruktur
mit feiner Punktierung
- B
- Abschattungsstruktur
mit keilförmiger
Strukturierung
- C
- Abschattungsstruktur
mit grober Punktierung
- A1
- Gradientenfeld
mit abfallendem Transmissionsgrad
- A2
- Gradientenfeld
mit maximaler Abschattung
- A3
- Gradientenfeld
mit ansteigendem Transmissionsgrad
- B1
- Gradientenfeld
mit abfallendem Transmissionsgrad
- B2
- Gradientenfeld
mit maximaler Abschattung
- B3
- Gradientenfeld
mit ansteigendem Transmissionsgrad
- C1
- Gradientenfeld
mit abfallendem Transmissionsgrad
- C2
- Gradientenfeld
mit maximaler Abschattung
- C3
- Gradientenfeld
mit ansteigendem Transmissionsgrad
- D
- Drehachse