DE10222502B4 - Vorrichtung zum Detektieren einer Position eines rotierbaren Körpers - Google Patents

Abstract

Vorrichtung (1) zum Detektieren einer Position eines rotierbaren Körpers (2) mit einer Lichtquelle (3) und einem von dieser mit Licht beaufschlagbaren positionsempfindlichen Sensor (4), wobei eine Position des Körpers (2) mittels des Sensors (4) in Abhängigkeit eines Schwerpunktes eines Auftreffbereiches des von der Lichtquelle (3) emittierten Lichts auf dem Sensor (4) bestimmbar ist und der Schwerpunkt durch einen wenigstens annähernd diametralen Bereich (5) des Körpers (2) in Abhängigkeit der Rotation des Körpers (2) in einem Winkelbereich von 0 bis 2 π stetig verändert wird, wobei das von der Lichtquelle (3) emittierte Licht von einem Umlenkelement (10) auf den Bereich (5) des Körpers (2) ablenkbar ist und von reflektierenden Fläche (6) des Bereichs (5) in Richtung des Sensors (4) reflektiert wird, wobei von dem Bereich (5) in Richtung des Sensors (4) reflektiertes Licht das Umlenkelement (10) ohne Ablenkung durchläuft, und wobei das Umlenkelement als ein Prisma (10) ausgebildet ist, dessen eine...

Description

• Stand der Technik
• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Detektieren einer Position eines rotierbaren Körpers mit einer Lichtquelle und einem von diesem mit Licht beaufschlagbaren positionsempfindlichen Sensor.
• In der Praxis werden zur Detektion von Positionen rotierbarer Körper Kommutierungs-Winkelsensoren mit Hallgeneratoren verwendet, welche von einem magnetischen Impulsring angesteuert werden und im Betrieb ein digitales Winkelinkrement liefern.
• Alternativ hierzu ist es auch vorgesehen, zwei um 90° zueinander versetzt angeordnete Sensoren zu verwenden, die zueinander verschobene Rechtecksignale erzeugen, wobei sich aus den generierten verschobenen Rechtecksignalen sowohl eine Drehrichtung des beobachteten Körpers als auch eine vierfache Auflösung ableiten lassen.
• Nachteilig dabei ist jedoch, daß pro Kanal ein Sensor und eine Leitung erforderlich ist, und daß eine absolute Genauigkeit der ermittelten Position in erheblichem Umfang von dem jeweils verwendeten Impulsring abhängt. Darüber hinaus wirken sich auch die mechanischen Positionstoleranzen, die im zusammengesetzten System zwischen dem Magnet und dem Impulsrad auftreten, stark auf die Genauigkeit der Meßwerte aus.
• Im Falle von unkritischen Umweltbedingungen werden in der Praxis oftmals inkrementale optische Zweikanallösungen verwendet, die eine Auflösung von 16 bis 18000 Inkrementen pro Umdrehung liefern. Der Einsatzbereich optischer Sensoren ist jedoch häufig durch Verschmutzung oder Betauung der optischen Strecke sowie durch eine Degradation von Leuchtdioden insbesondere bei hohen Einsatztemperaturen eingeschränkt.
• Sensoren, deren Funktionsweise von den Umgebungsbedingungen in geringerem Umfang abhängig ist, stellen sogenannten SIN-COS-AMR-Sensoren oder SIN-COS-Hall-Sensoren dar, die für eine Winkelmessung an einem Wellenende prädestiniert sind. Ein Einsatz derartiger Sensoren erfordert jedoch zwingend ein entsprechendes freies Wellenende, da zur Positionserkennung auf einem freien Wellenende ein entsprechend diametral magnetisierter Magnet angebracht werden muß. Ohne eine solche spezielle Anordnung des Magneten ist eine Sen sierung bzw. eine Winkelerfassung mit einem AMR-Sensor nicht durchführbar.
• Des Weiteren ist mit den vorgenannten Systemen eine Absolutwinkelerkennung entweder überhaupt nicht oder nur in unbefriedigender Art und Weise möglich.
• Aus der DE 44 11 553 A1 ist eine Vorrichtung zur Sensierung einer Drehbewegung eines Körpers um seine Drehachse und zur Sensierung einer Verschiebung entlang seiner Drehachse bekannt. Ein gegenüber dem Körper raumfest angeordneter Sensor tastet einen auf dem Umfang des Körpers verlaufenden Bereich ab, wobei dieser Bereich eine durch den Sensor abtastbare, in axialer und entlang des Umfangs sich signifikant ändernde Struktur aufweist. Die Struktur kann dabei die Form eines Dreiecks, eines Sägezahns oder eines ähnlichen Musters aufweisen.
• In der DE 26 46 674 A1 wird ein lageempfindliches Abtast- und Bewegungssystem zur Verwendung in Kombination mit einem sich drehenden Teil bzw. eine optische Messanordnung beschrieben, mittels welcher auf einer Mantelfläche eines rotierenden Teiles angeordnete Strukturen in Form von dreiecksförmigen Sägezahnprofilen oder ähnlichen Mustern mittels optischer Sensoren abgetastet werden können.
• Aus der DE 196 39 971 A1 ist ein optischer Absolutwertcodierer bekannt, der ein auf einer Drehscheibe aufgebrachtes Muster in Form eines lichtdurchlässigen Bandes oder Schlitzes in etwa kreisförmiger Gestalt aufweist. Die beschriebenen Musterdetektiereinrichtungen sind mit positionsempfind lichen Detektoren ausgebildet, deren Signal der Position entspricht, an dem sich der Schwerpunkt des auf den positionsempfindlichen Detektor auftreffenden Lichtes befindet.
• Des Weiteren wird auf die DE 33 07 639 C2 und die EP 0 597 705 A1 als allgemeinen Stand der Technik im Bereich von Vorrichtungen zur Sensierung von Bewegungen von Körpern mittels optischer Abtasteinrichtungen hingewiesen.
• Vorteile der Erfindung
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Detektieren einer Position eines rotierbaren Körpers mit einer Lichtquelle und einem von dieser mit Licht beaufschlagbaren positionsempfindlichen Sensor, mit welcher Vorrichtung eine Position des Körpers in Abhängigkeit eines Schwerpunktes des Auftreffbereiches des von der Lichtquelle emittierten Lichts auf dem Sensor bestimmbar ist, wobei der Schwerpunkt durch einen diametralen Bereich des Körpers in Abhängigkeit der Rotation des Körpers in einem Winkelbereich von 0 bis 2 π stetig verändert wird und das von der Lichtquelle emittierte Licht von einem Umlenkelement auf den Bereich des Körpers ablenkbar ist und von der reflektierenden Fläche des Bereichs in Richtung des Sensors reflektiert wird, wobei von dem Bereich in Richtung des Sensors reflektiertes Licht das Umlenkelement ohne Ablenkung durchläuft, und wobei das Umlenkelement als ein Prisma ausgebildet ist, dessen eine Oberfläche mit einem treppenartigen Oberflächenprofil versehen ist, hat den Vorteil, dass diese universell zur Drehwinkelmessung eingesetzt werden kann und relativ unempfind lich gegenüber Lagetoleranzen ist. Zusätzlich kann die Vorrichtung nach der Erfindung an beliebige Durchmesser angepasst werden, ohne an rotierenden Körpern ein zusätzliches Massenträgheitsmoment zu erzeugen.
• Zudem ist die erfindungsgemäße Vorrichtung durch einen geringen Bauraumbedarf gekennzeichnet, da die Lichtquelle und der Sensor aufgrund der Anordnung des Umlenkelements im Strahlengang des zur Positionsermittlung eingesetzten Lichts in Bezug auf einen rotierenden Körper sowohl in radialer Richtung als auch in axialer Richtung in Platz sparender Art und Weise verteilt am Umfang des rotierenden Körpers angeordnet werden können.
• Des Weiteren hat die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil, daß kein freies Wellenende zur Winkelerkennung erforderlich ist, da der diametrale Bereich auch problemlos an einer Umfangsfläche des Körpers vorgesehen werden kann.
• Darüber hinaus wird der mit der Vorrichtung bestimmte Drehwinkel des Körpers als absoluter Wert ermittelt, womit insbesondere bei einer Inbetriebnahme eines Systems ein Anfahren eines Referenzpunktes für eine Justierung des Systems vorteilhafterweise unterbleiben kann und eine sogenannte Absolutwinkelerkennung durchgeführt wird. Damit wird mit der Vorrichtung nach der Erfindung ein sogenanntes "power-on"-Drehwinkelsignal, d. h. sofort mit Inbetriebnahme des Systems, als Absolutwert ausgegeben.
• Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach der Erfindung sind der Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.
• Zeichnung
• Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Detektieren einer Position eines rotierbaren Körpers ist in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
• 1 einen Rotor eines Elektromotors und eine Vorrichtung zum Detektieren einer Position des Rotors in einer vereinfachten dreidimensionalen Ansicht,
• 2 die Vorrichtung zum Detektieren einer Position des Rotors gemäß 1 in einer vereinfachten Einzelansicht,
• 3 ein Prisma der Vorrichtung gemäß 2 in einer vergrößerten Seiteneinzelansicht,
• 4 eine Lichtquelle der Vorrichtung gemäß den 1 und 2,
• 5 die Lichtquelle gemäß 4 in einer Längsschnittansicht,
• 6 zwei mögliche Ausgestaltungen des diametralen Bereiches des Rotors, und
• 7 einen in einer Öffnung eines Gehäuses der Vorrichtung angeordneten optischen Körper.
• Beschreibung des Ausführungsbeispiels
• Bezug nehmend auf 1 ist eine Vorrichtung 1 zum Detektieren einer Position eines vorliegend als Rotor 2 eines nicht näher dargestellten Elektromotors ausgeführten rotierbaren Körpers dargestellt, wobei die einzelnen Bauteile der Vorrichtung 1 in 2 näher gezeigt sind.
• Die Vorrichtung 1 umfaßt eine Lichtquelle 3 und einen von der Lichtquelle 3 mit Licht beaufschlagbaren positionsempfindlichen Sensor 4. Der Rotor 2 ist an seiner der Vorrichtung 1 zugewandten Oberfläche mit einem diametralen Bereich 5 ausgebildet, der eine reflektierende Fläche 6 und eine nicht reflektierende Fläche 7 aufweist. Der Anteil der reflektierenden Fläche 6 nimmt in Umfangsrichtung des Rotors 2 ausgehend von einem Nullpunkt 8 stetig ab, und der Anteil der nicht reflektierenden Fläche 7 steigt in dem Maße an, in welchem der Anteil der reflektierenden Fläche 6 abnimmt.
• Es liegt selbstverständlich im Ermessen des Fachmannes, den Anteil der reflektierenden Fläche 6 in Umfangsrichtung des Rotors 2 ausgehend von dem Nullpunkt 8 stetig linear ansteigen zu lassen und den Anteil der nicht reflektierenden Fläche 7 entsprechend zu reduzieren.
• Die Lichtquelle 3 emittiert parallel gerichtetes Licht bzw. parallel zueinander verlaufende Lichtstrahlen 9, welche auf ein optisches Umlenkelement 10 treffen. Das Umlenkelement ist vorliegend als ein Prisma 10 ausgebildet und ist in 3 in einer vergrößerten Einzelansicht dargestellt. Das Prisma 10 weist an seiner der Lichtquelle 3 abgewandten Seite ein treppenartiges Oberflächenprofil 11 auf.
• Das treppenartige Oberflächenprofil 11 ist mit alternierend angeordneten, gegenüber den Lichtstrahlen 9 um 45° geneigt ausgeführten ersten Flächenbereichen 12 und parallel zu den Lichtstrahlen 9 verlaufenden zweiten Flächenbereichen 13 ausgeführt. Durch das treppenartige Oberflächenprofil 11 werden die von der Lichtquelle 3 emittierten Lichtstrahlen 9 von den ersten Flächenbereichen 12 um 90° in Richtung des Rotors 2 umgelenkt und treffen auf einen Meßbereich der Rotoroberfläche, welcher jeweils aktuell unterhalb der Vorrichtung 1 bzw. einer Öffnung 14 eines Gehäuses 15 der Vorrichtung 1 angeordnet ist und einen Teil des Bereiches 5 darstellt. Der Bereich 5 stellt die Summe aller möglichen, während einer vollen Umdrehung des Rotors 2 sich ergebenden Meßbereiche zur Positionserkennung dar.
• In Abhängigkeit einer bestimmten Position des Rotors 2 ist der diametrale Bereich 5 bzw. der aktuelle Meßbereich durch ein bestimmtes Verhältnis zwischen der reflektierenden Fläche 6 und der nicht reflektierenden Fläche 7 charakteri siert. In Abhängigkeit dieses Verhältnisses wird ein im wesentlichen direkt proportional zu dem Verhältnis stehender Anteil des umgelenkten Lichtes der Lichtquelle 3 von dem Meßbereich des Bereiches 5 in Richtung des positionsempfindlichen Sensors 4 reflektiert. Die reflektierten Lichtstrahlen 16 treten wiederum in das Prisma 10 ein, wobei der Anteil der Lichtstrahlen 16, welcher im Bereich der zweiten Flächenbereiche 13 des Oberflächenprofiles 11 aus dem Prisma 10 austritt, ohne Ablenkung in Richtung des positionsempfindlichen Sensors 4 verlaufen.
• Der positionsempfindliche Sensor 4 ist mit einer photosensitiven Fläche 17 ausgebildet. In dem positionsempfindlichen Sensor 4 wird die Position eines Schwerpunktes eines auftreffenden Lichtpunktes, der einen Auftreffbereich des von der Lichtquelle 3 emittierten und von dem Meßbereich reflektierten Lichts auf dem Sensor bzw. dessen photosensitiver Fläche 17 darstellt, bestimmt. Dies wird vorliegend innerhalb von Nanosekunden mit einer Sub-Nanometer-Auflösung durchgeführt, wobei eine Meßtoleranz von etwa 0,1 erreicht wird.
• Die vorbeschriebene Ausgestaltung des Bereichs 5 mit seinem in Umfangsrichtung sich stetig verändernden Verhältnis zwischen der nichtreflektierenden Fläche 7 und der reflektierenden Fläche 6 führt dazu, daß der Auftreffbereich des von der Lichtquelle 3 emittierten Lichts auf dem positionsempfindlichen Sensor 4 mit zunehmendem Drehwinkel des Rotors 2 ausgehend von dem Nullpunkt 8 stetig verkleinert wird, wodurch auch die Position des Schwerpunktes des Auftreffbereiches verändert wird.
• In Abhängigkeit der Position des Schwerpunktes des Auftreffbereiches auf der photosensitiven Schicht 17 des positionsempfindlichen Sensors 4 variiert der Widerstand des Sensors 4, welcher letztendlich eine charakteristische Größe für die jeweilige Position des Rotors 2 darstellt.
• Die 4 und 5 zeigen die Lichtquelle 3 der Vorrichtung 1, welche vorliegend als eine Stab-Glühfadenlampe ausgebildet ist.
• Hierbei ist ein Glasmantel 18 mit einer Linse 19 zur Generierung von parallel zueinander verlaufenden Lichtstrahlen ausgeführt. Im Innenraum des Glasmantels 18 ist ein Glühfaden 21, mittels welchem das zu emittierende Licht erzeugt wird, angeordnet.
• An seiner Außenseite ist der Glasmantel 18 mit einer reflektierenden Beschichtung 20 ausgeführt, welche vorliegend aus einer Metallbeschichtung, vorzugsweise Silber oder Chrom, ausgeführt ist. Die Beschichtung 20, welche auch in jeder beliebigen anderen geeigneten Art und Weise ausgeführt sein kann, ist auf der gesamten Glasoberfläche des Glasmantels 18 bis auf den Bereich der Linse 19 aufgedampft. Durch die Beschichtung 20 wird eine Streustrahlung des Glühfadens 21 reflektiert, was zu einer Wirkungsgraderhöhung der Lichtquelle 3 führt.
• Die Abmessungen der Lichtquelle 3 sind derart gewählt, daß sie in etwa dem Meßbereich bzw. den Abmessungen der photosensitiven Schicht 17 des positionsempfindlichen Sensors 4 entsprechen. Die Lichtquelle 3 erzeugt einen aus parallel zueinander verlaufenden Lichtstrahlen bestehenden Leuchtstrahl, welcher bei der gezeigten bevorzugten Ausführung eine Länge von etwa 1 mm und eine Breite von etwa 4 mm hat.
• Alternativ zu der Stab-Glühfadenlampe kann auch eine andere geeignete Lichtquelle, beispielsweise ein LED oder eine Laserdiode, verwendet werden. Bei der Auswahl der Lichtquelle sollte darauf geachtet werden, daß die Lichtquelle paralleles Licht mit einem geringen Streulichtfaktor emittiert, um eine präzise Ermittlung einer Position eines rotierbaren Körpers zu erreichen.
• Um eine Beeinträchtigung der Detektierung der Position des Rotors 2 durch Streulicht bzw. Fehlmessungen durch Reflektionen bzw. Fremdlicht zu vermeiden, ist das Gehäuse 15 in seinen inneren Bereichen, in welchen die Lichtstrahlen 9 und die reflektierten Lichtstrahlen 16 verlaufen, nicht reflektierend mit einer vorzugsweise lichtabsorbierenden Oberfläche ausgeführt.
• Bei der hier gezeigten Ausführung ist die Meßoberfläche bzw. der Bereich 5 am äußeren Durchmesser des Rotors 2 angeordnet und dient als Winkelsignalgeber für die Rotorlageerkennung.
• Der Bereich 5 ist im Gegensatz zu der restlichen Oberfläche des Rotors 2 über ein entsprechendes Verfahren blank bzw. reflektierend ausgeführt. Dies wird beispielsweise durch ein Polierverfahren, ein sogenanntes Finishen, durch Beschichtungsverfahren oder dergleichen erreicht. Anschlie ßend wird auf der reflektierenden Oberfläche vorzugsweise eine mattschwarze, auf jeden Fall nicht reflektierende, durch den stetigen Verlauf keilförmig ausgeführte weitere Fläche geschaffen, die vorzugsweise durch ein Beschichtungsverfahren oder andere geeignete Behandlungsverfahren erzeugt wird.
• Der positionsempfindliche Sensor 4 ist vorzugsweise ein handelsüblicher eindimensionaler positionsempfindlicher Sensor, auch PSD (Position Sensitive Detector) genannt, mit einer photosensitiven Fläche von vorzugsweise 1 mm × 4 mm, um die Abmessungen der Vorrichtung 1 möglichst gering zu halten. Die Ermittlung des Schwerpunktes ist im wesentlichen unabhängig von der Lichtintensität.
• Die nicht reflektierende Fläche bzw. deren Anteil an dem Bereich 5 beträgt im Nullpunkt 8 Null Prozent. Der Anteil der nicht reflektierenden Fläche 7 an dem Bereich 5 nimmt in Umfangsrichtung des Rotors 2 stetig zu und beträgt nach einem Drehwinkel von 2 π hundert Prozent des Bereiches 5. Durch diese Ausgestaltung des Bereiches 5 wird die Lichteinstrahlbreite in Abhängigkeit einer Rotation des Rotors 2 auf dem positionsempfindlichen Sensor 4 verändert.
• In Abhängigkeit der Rotorstellung und dem damit korrespondierenden Keilabschnitt der reflektierenden Fläche 6 des Bereiches 5 wird ein dieser Rotorstellung entsprechend breiter Lichtstrahl auf die photosensitive Schicht 17 projiziert, was zu einer Veränderung des Widerstandes des Sensors 4 führt. Die Vorrichtung 1 wird in montiertem Zustand dadurch kalibriert, indem der kleinste und der größte Wi derstand des positionsempfindlichen Sensors 4, welcher jeweils bei einem Drehwinkel von 0 bzw. bei 2π vorliegt, aufgenommen wird.
• Um eventuelle Partikelablagerungen oder Verschmutzungen auf dem Bereich 5 sowie in dem Gehäuse 15 zu vermeiden, ist ein nicht näher dargestellter Schmutzfänger vorgesehen, der dicht oberhalb des Bereiches 5 angeordnet ist oder in einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung den Bereich 5 leicht berührt.
• Bezug nehmend auf 6 sind zwei Ausführungsformen des diametralen Bereiches 5, 5' des Rotors 2 gezeigt. Dabei entspricht die keilförmig ausgeführte reflektierende Fläche 6 der zu den 1 bis 5 beschriebenen Ausführungsform des diametralen Bereiches 5 und die Darstellung, welche die reflektierende Fläche 6' als diagonal verlaufende Linie zeigt, entspricht einer weiteren Ausführungsform des diametralen Bereichs 5', wobei eine Fläche 7' die nicht reflektierende Fläche des diametralen Bereiches 5' darstellt.
• Die diametralen Bereiche 5, 5' sind jeweils in Einzeldarstellung als teilweise Abwicklungen der Oberfläche eines Rotors in 6 dargestellt, wobei eine Absolutwinkelerkennung beim Einsatz eines diametralen Bereiches 5' wie nachfolgend beschrieben erfolgt.
• Aufgrund des diagonalen Verlaufes der mit einer gleichmäßigen Breite ausgeführten reflektierenden Fläche 6' des diametralen Bereiches 5' wird der Schwerpunkt des Auftreffpunktes des Lichts der Lichtquelle 3 auf der photosensiti ven Fläche 17 des Sensors in Abhängigkeit einer Position des Rotors 2 verändert. Dabei ergibt sich die Veränderung des Schwerpunktes jedoch nicht aus der Veränderung der Breite des Auftreffbereiches auf der photosensitiven Fläche 17, sondern daraus, daß die Breite des Auftreffbereiches gleich bleibt und der Auftreffbereich durch den diagonalen Verlauf der reflektierenden Fläche 6' verschoben wird. Die Wirkungsweise des Sensors 2 und die sich aus dem Widerstand des Sensors 2 ergebende Drehwinkelerkennung entspricht der zu den 1 bis 5 beschriebenen Funktion des Sensors 2.
• Die 7 zeigt stark schematisiert und in vergrößerter Darstellung die Öffnung 14 des Gehäuses 15 aus 2, wobei in den Strahlengang der Lichtstrahlen 9 sowie der reflektierten Lichtstrahlen 16 ein vorliegend im Querschnitt elliptisch ausgeführter Linsenstab 22 vorgesehen ist, der als optischer Körper zur Fokussierung der von der Lichtquelle 3 ausgehenden Lichtstrahlen 9 eingesetzt wird. Mit dem Linsenstab 22 werden die von dem Prisma 10 abgelenkten Lichtstrahlen 9 beim Eintreten in den Linsenstab 22 sowie beim Austreten aus dem Linsenstab 22 derart abgelenkt, daß sie in einem Fokusbereich 23 auf den diametralen Bereich 5 des Rotors 2 auftreffen.
• Die von dem Linsenstab 22 umgelenkten Lichtstrahlen 9' werden auf der reflektierenden Fläche 6 in Richtung des Linsenstabs 22 reflektiert und die reflektierten Lichtstrahlen 16' werden beim Eintritt in den Linsenstab 22 sowie beim Austritt aus dem Linsenstab 22 wieder in annähernd parallel gerichtete Lichtstrahlen 16 umgelenkt. Durch die Anordnung eines optischen Körpers zum Fokussieren des Lichts der Lichtquelle 3 wird ein schmaler Beleuchtungsstrahl in Richtung des diametralen Bereiches 5 erzeugt, der anschließend wieder in parallel gerichtetes Licht entzerrt wird. Die Anordnung des Linsenstabs 22 führt auf einfache Art und Weise zu einer Erhöhung der Meßgenauigkeit der Vorrichtung 1.
• Die vorstehend beschriebene Vorrichtung 1 ist in allen Positioniereinrichtungen, bei welchen ein Rotor bzw. eine Welle oder ein rotatorisch zu bewegendes Bauteil in einer bestimmten Drehlage exakt zu positionieren ist, einsetzbar.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist mit geringem Bauraumbedarf an jeder beliebigen Stelle eines rotierenden Körpers, beispielsweise an dessen Außendurchmesser oder an einem Innendurchmesser im Falle einer Hohlwelle oder aber an einer Planfläche oder einer Schrägfläche positionierbar.
• Alternativ kann die Vorrichtung nach der Erfindung auch derart ausgeführt sein, daß die Lichtquelle im Inneren des Körpers angeordnet ist und der diametrale Bereich eine Aussparung in dem Körper darstellt. Eine Breite der Aussparung nimmt dabei in Abhängigkeit der Umfangsrichtung des Körpers stetig zu- oder ab. Der positionsempfindliche Sensor ist bei einer solchen Ausführung der Vorrichtung an der Außenseite des Körpers angeordnet. Die sich stetig verändernde Breite der Aussparung stellt prinzipmäßig die reflektierende Fläche dar, so daß die vorbeschriebene Veränderung der Leuchtbreite in Abhängigkeit der Rotation auch bei dieser Ausgestaltung gegeben ist.
• Bei einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung kann es auch vorgesehen sein, daß die Aussparung mit einem lichtdurchlässigen Material gefüllt ist.
• Das Umlenkelement kann alternativ auch als Scheibe ausgeführt sein, an der das von der Lichtquelle emittierte Licht zunächst auf den Bereich des rotierbaren Körpers abgelenkt und anschließend von dem Bereich des rotierbaren Körpers reflektiert wird. Das reflektierte Licht tritt anschließend ohne Ablenkung durch das Umlenkelement bzw. die Scheibe hindurch. Die Scheibe nutzt dabei den physikalischen Effekt des Totalreflexionswinkels.
• Der Effekt ist durch eine Ablenkung des Lichtstrahls unterhalb eines definierten Auftreffwinkels des Lichtstrahls auf der Oberfläche des Umlenkelements charakterisiert. D. h. bei einem Auftreffwinkel, der größer als der Totalreflexionswinkel ist, wird der Lichtstrahl von dem Umlenkelement nur geringfügig oder gar nicht abgelenkt. Lichtstrahlen, welche senkrecht auf die Oberfläche des Umlenkelementes treffen, erfahren keine Ablenkung. Bei einem abweichenden Auftreffwinkel tritt im allgemeinen eine mehr oder weniger starke Reflexion auf. Lediglich bei sogenannten λ/4-Beschichtungen, welche zur Entspiegelung verwendet werden, unterbleibt eine Ablenkung.
• Besonders vorteilhaft ist die Anwendung einer erfindungsgemäß ausgestalteten Vorrichtung bei Positioniereinrichtungen elektromechanischer Bremsen, wie sie beispielsweise in der DE 195 43 098 C2 oder der WO 96/03301 beschrieben sind, denn mit der Vorrichtung nach der Erfindung ist eine deutliche Verbesserung derartiger Bremssysteme erzielbar.
• Bei einem Einsatz der Vorrichtung nach der Erfindung in einem bekannten Bremssystem kann der rotierbare Körper beispielsweise ein Rotor eines Elektromotors sein, mittels dem Reibelemente, die mit einer Bremsscheibe, Bremstrommel oder dergleichen zusammenwirken, betätigbar sind.
• Des weiteren kann der Gegenstand der vorliegenden Erfindung beispielsweise auch in verschiedenen Fertigungseinrichtungen eingesetzt werden, bei welchen bestimmte Aufgaben und Funktionen von einer Winkelposition eines rotierbaren Bauteiles abhängig sind.

Claims (13)

1. Vorrichtung (1) zum Detektieren einer Position eines rotierbaren Körpers (2) mit einer Lichtquelle (3) und einem von dieser mit Licht beaufschlagbaren positionsempfindlichen Sensor (4), wobei eine Position des Körpers (2) mittels des Sensors (4) in Abhängigkeit eines Schwerpunktes eines Auftreffbereiches des von der Lichtquelle (3) emittierten Lichts auf dem Sensor (4) bestimmbar ist und der Schwerpunkt durch einen wenigstens annähernd diametralen Bereich (5) des Körpers (2) in Abhängigkeit der Rotation des Körpers (2) in einem Winkelbereich von 0 bis 2 π stetig verändert wird, wobei das von der Lichtquelle (3) emittierte Licht von einem Umlenkelement (10) auf den Bereich (5) des Körpers (2) ablenkbar ist und von reflektierenden Fläche (6) des Bereichs (5) in Richtung des Sensors (4) reflektiert wird, wobei von dem Bereich (5) in Richtung des Sensors (4) reflektiertes Licht das Umlenkelement (10) ohne Ablenkung durchläuft, und wobei das Umlenkelement als ein Prisma (10) ausgebildet ist, dessen eine Oberfläche mit einem treppenartigen Oberflächenprofil (11) versehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von der Lichtquelle (3) parallel gerichtetes Licht emittiert wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich (5) des Körpers (2) derart ausgeführt ist, daß der Auftreffbereich des Lichts auf dem Sensor (4) mit zunehmendem Drehwinkel des Körpers (2) ausgehend von einem Nullpunkt (8) stetig verkleinert oder vergrößert wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich (5) einen Teil der Oberfläche des Körpers (2) darstellt und von der Lichtquelle (3) emittiertes Licht reflektiert, wobei der Bereich eine reflektierende Fläche (6) und eine nicht reflektierende Fläche (7) aufweist und der Anteil der reflektierenden Fläche (6) in Umfangsrichtung des Körpers (2) ausgehend von dem Nullpunkt (8) stetig linear ansteigt oder abnimmt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich (5') derart ausgeführt ist, daß eine Größe des Auftreffbereiches des Lichts der Lichtquelle (3) auf dem Sensor (4) mit zunehmendem Drehwinkel des Körpers (2) ausgehend von einem Nullpunkt (8) gleich bleibt und eine Lage des Auftreffbereiches stetig in Abhängigkeit der Drehrichtung des Körpers (2) in eine mit der Drehrichtung korrespondierende Richtung verlagert wird.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Oberflächenprofil (11) erste Flächenabschnitte (12) mit einer derartigen Neigung gegenüber den von der Lichtquelle emittierten Lichtstrahlen (9) aufweist, daß diese auf einen Teil des Bereiches (5) abgelenkt werden und diese abgelenkten Lichtstrahlen (9) von dem Bereich (5) in Richtung des Sensors (4) reflektiert werden, wobei die reflektierten Lichtstrahlen (16) aus dem Prisma (10) durch zweite Flächenabschnitte (13) des Oberflächenprofils (11) im wesentlichen ohne Ablenkung austreten und auf den Sensor (4) treffen.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (4) mit einer photosensitiven Fläche (17) versehen ist, die in Abhängigkeit des Schwerpunktes des Auftreffbereiches des von der Lichtquelle (3) emittierten Lichts einen definierten Widerstand aufweist, anhand dessen eine Position des Körpers (2) bestimmbar ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (3) als eine Stab-Glühfadenlampe ausgebildet ist, dessen Glasmantel (18) mit einer Linse (19) zur Generierung von parallel zueinander verlaufenden Lichtstrahlen versehen ist und der Glasmantel (18) bis auf den Bereich der Linse (19) eine reflektierende Beschichtung (20) aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (1) ein Gehäuse (15) aufweist, welches im Inneren nichteflektierend, vorzugsweise mit einer lichtabsorbierenden Wandung, ausgeführt ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Öffnung (14) des Gehäuses (15) ein optischer Körper (22) zum Fokussieren von in Richtung des diametralen Bereichs (5) strahlenden Lichts der Lichtquelle (3) und zum parallelen Ausrichten von dem diametralen Bereich (5) in die Öffnung (14) reflektierten Licht.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle im Inneren des Körpers angeordnet ist und der wenigstens annähernd diametrale Bereich eine Aussparung in dem Körper darstellt, wobei eine Breite der Aussparung in Umfangsrichtung des Körpers ausgehend von einem Nullpunkt zunimmt oder abnimmt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß in der Aussparung ein lichtdurchlässiges Material angeordnet ist.
13. Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der vorstehend genannten Ansprüche in einer Positioniereinrichtung, vorzugsweise einer elektromagnetischen Bremse für Fahrzeuge, bei welcher ein rotatorisch zu bewegender Körper zu positionieren ist.