DE112007000198T5

DE112007000198T5 - Mehrachsiger Blasen-Hohlkörper

Info

Publication number: DE112007000198T5
Application number: DE112007000198T
Authority: DE
Inventors: Robert M. Dayton Perchak; Robin Gwen Fairborn Mc Carty
Original assignee: Trimble Navigation Ltd
Current assignee: Trimble Inc
Priority date: 2006-01-24
Filing date: 2007-01-09
Publication date: 2008-11-13
Anticipated expiration: 2027-01-10
Also published as: US7497021B2; WO2007087163A1; CN101375128B; US20070169362A1; DE112007000198B4; CN101375128A

Abstract

Mehrachsige Blasen-Hohlkörpervorrichtung, aufweisend:
einen Blasen-Hohlkörper mit einem Hohlkörperelement, das eine Fluidkammer definiert, die eine gewölbte obere Fläche aufweist,
eine Fluidmenge, mit der die Kammer teilweise befüllt ist, wobei das Fluid in dem oberen Bereich der Kammer eine Blase definiert, die sich abhängig von der Ausrichtung des Hohlkörpers entlang der oberen Fläche bewegt,
eine mittig positionierte Lichtquelle über dem Blasen-Hohlkörper, die ein Licht in die Kammer lenkt,
vier Lichtsensoren, die über dem Blasen-Hohlkörper positioniert sind und um die mittig positionierte Lichtquelle herum angeordnet sind, wobei ein erstes Paar der Sensoren auf zueinander entgegengesetzten Seiten der Lichtquelle entlang einer ersten Achse positioniert sind, und ein zweites Paar der Sensoren auf zueinander entgegengesetzten Seiten der Lichtquelle entlang einer zweiten Achse positioniert sind, wobei die zweite Achse im Wesentlichen senkrecht in Bezug auf die erste Achse ist, und
einen Reflektor unterhalb der Fluidkammer, so dass ein von der Lichtquelle...

Description

In den verschiedensten Steuerungssystemen, bei denen die Ausrichtung eines Maschinenelements gemessen und gesteuert wird, kommen unterschiedliche Libellen-Hohlkörper zum Einsatz. Der Hohlkörper wird typischerweise an dem Maschinenelement befestigt. Der Hohlkörper bewegt sich mit dem Element und liefert ein elektrisches Ausgangssignal oder zeigt die Ausrichtung des Libellen-Hohlkörpers und des Maschinenelements in Bezug auf zumindest eine Achse an. Solche Libellen-Hohlkörper können beispielsweise einen Teil eines Systems bilden, der die Ausrichtung eines Laserstrahl-Transmitters und die Ausrichtung des Strahls steuert, der durch den Transmitter erzeugt wird. In einem Transmitter dieser Art sind vorzugsweise zwei Libellen-Hohlkörper beinhaltet, wobei jeder Hohlkörper einen Hinweis auf eine Ausrichtung des Transmitters in Bezug auf ein Paar von im Wesentlichen orthogonalen Achsen liefert.
Ein Libellen-Hohlkörper beinhaltet typischerweise ein Hohlkörperfassung aus Glas oder Kunststoff, die eine längliche Fluidkammer definiert. Die Kammer weist eine gewölbte obere Fläche auf, die schräg nach unten vom Mittelpunkt des Hohlkörpers weg abfällt. Die Kammer ist teilweise mit einem Fluid befüllt, so dass eine Luftblase in der Kammer mit dem Fluid einbehalten wird. Da der Libellen-Hohlkörper um eine im Allgemeinen horizontale Achse, normal zur Längsrichtung der Kammer geneigt ist, bewegt sich die Blase im Hohlkörper über der gewölbten Fläche der Kammer zu dem höher liegenden der beiden Enden. Der Grad der Bewegung der Blase ist ein Hinweis auf die Ausrichtung des Hohlkörpers in Bezug auf die Horizontale. Es sind verschiedene Anordnungen verwendet worden, um die Position der Blase zu erfassen und ein elektrisches Signal zu erzeugen, das von der Ausrichtung des Libellen-Hohlkörpers abhängig ist und daher die Ausrichtung des Maschinenelements anzeigt.
Eine Art von Libellen-Hohlkörper weist eine elektrisch nichtleitende Hohlkörperfassung auf, die normalerweise aus Glas besteht, das eine längliche, gekrümmte Kam mer definiert, die sich im Allgemeinen abwärts, zu ihren einander entgegengesetzten Enden krümmt. In der Kammer ist eine Menge eines elektrisch leitfähigen Fluids bereitgestellt. Ein solches Fluid kann beispielsweise eine Ketonkomponente aufweisen. Ein Paar von Endelektroden steht mit den oberen Bereichen der Kammer benachbart zu deren zueinander entgegengesetzten Enden in Verbindung und erstreckt sich zum mittleren Bereich der Kammer.
Eine gemeinsame Elektrode erstreckt sich im Wesentlichen über die gesamte Länge der Kammer entlang deren unterer Fläche. Die Luftblase in der Kammer steigt zu dem jeweils ganz oben liegenden Bereich der Kammer auf. Es wird darauf hingewiesen, dass, wenn der Hohlkörper in einer Richtung geneigt wird, die elektrische Impedanz eines Wegs von einer Endelektrode durch das elektrisch leitende Fluid zur gemeinsamen Elektrode zunimmt, während die elektrische Impedanz eines Wegs von der anderen Endelektrode zur gemeinsamen Elektrode abnimmt. Wenn der Hohlkörper in die entgegegengesetzte Richtung geneigt wird, verändern sich umgekehrt auch die Impedanzen von der Endelektrode zur gemeinsamen Elektrode. Obgleich diese Libellen-Hohlkörperanordnung gut funktioniert, ist es notwendig, sowohl über als auch unter dem Libellen-Hohlkörper Verbindungsleitungen vorzusehen. Dies bedeutet wiederum, dass nicht alle dazugehörigen Komponenten auf einer einzigen Schaltungsplatine montiert werden können. Darüber hinaus sind zwei Libellen-Hohlkörper notwendig, um die Ausrichtung eines Maschinenelements um zwei horizontale Achsen einzuschätzen.
Bei anderen Libellen-Hohlkörpern wird eine photooptische Anordnung zum Erfassen der Position der Blase in der Fluidkammer verwendet. Bei einer solchen Anordnung gibt eine Lichtquelle einen Lichtstrahl ab, der durch die Kammer gelangt und durch ein Paar von Photodetektoren benachbart zu den zueinander entgegengesetzten Enden des Hohlkörpers erfasst wird. Da sich die Blase zu einem der Enden des Hohlkörpers bewegt, verändert sich die Lichtmenge, die die Photodetektoren erreicht, und die relativen elektrischen Ausgangssignale aus den Photodetektoren liefern einen Hinweis auf den Grad der Neigung des Hohlkörpers. Diese Libellen-Hohlkörperanordnung weist den Nachteil auf, dass über und unter dem Hohlkörper Komponenten zum Bestimmen der Position des Strahls erforderlich sind. Der Nachteil dieser Anordnung ist, dass es notwendig ist, eine Lichtquelle und Photodetektoren und deren dazugehörige elektrische Verbindungen über und unter dem Libellen-Hohlkörper bereitzustellen. Wie bei der anderen Art von Libellen-Hohlkörper, auf die vorstehend eingegangen wurde, bedeutet dies, dass nicht alle dazugehörigen Komponenten auf einer einzigen Schaltungsplatine montiert werden können. Darüber hinaus sind zwei Libellen-Hohlkörper notwendig, um die Ausrichtung eines Maschinenelements um zwei horizontale Achsen einzuschätzen.
Es ist zu ersehen, dass daher ein Bedarf für eine Libellen-Hohlkörperkonstruktion besteht, in der alle elektrischen Komponenten auf einer einzigen elektrischen Schaltungsplatine montiert werden können, und für eine Libellen-Hohlkörperkonstruktion, bei der eine Neigung in Bezug auf zwei im Wesentlichen orthogonale Achsen mit einem einzigen Libellen-Hohlkörper gemessen werden können.
Dieser Bedarf wird durch eine mehrachsige Blasen-Hohlkörpervorrichtung, die gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, erfüllt. Die Vorrichtung beinhaltet einen Blasen-Hohlkörper mit einem durchsichtigen Hohlkörperelement, das eine Fluidkammer mit einer gewölbten oberen Fläche definiert, und eine Fluidmenge, mit der die Kammer zum Teil befüllt ist. Im oberen Bereich der Kammer definiert das Fluid eine Blase, die sich abhängig von der Ausrichtung des Hohlkörpers entlang der oberen Fläche bewegt. Durch eine mittig positionierte Lichtquelle, über dem Blasen-Hohlkörper, wird Licht in die Kammer gelenkt. Vier Lichtsensoren sind über dem Blasen-Hohlkörper positioniert und am Umfang um die mittig positionierte Lichtquelle herum angeordnet. Ein erstes Paar der Sensoren ist auf zueinander entgegengesetzten Seiten der Lichtquelle entlang einer ersten Achse positioniert. Ein zweites Paar von Lichtsensoren ist auf zueinander entgegengesetzten Seiten der Lichtquelle entlang einer zweiten Achse positioniert. Die zweite Achse ist im Wesentlichen senkrecht zur ersten Achse. Ein Reflektor ist unterhalb der Fluidkammer positioniert, so dass ein von der Lichtquelle abgegebenes Licht durch die Blase und das Fluid gelangt und durch den Reflektor zu den Lichtsensoren zurückreflektiert wird. Die relativen Lichtwerte, die durch das erste Paar von Sensoren erfasst werden, zeigen die Ausrichtung der ersten Achse in Bezug auf die Horizontale an, und die relativen Lichtwerte, die durch das zweite Paar von Sensoren erfasst werden, zeigen die Ausrichtung der zweiten Achse in Bezug auf die Horizontale an.
Der Reflektor weist einen gespiegelten Reflektor auf, der unterhalb des Blasen-Hohlkörpers positioniert ist. Der Reflektor kann einen Spiegel mit einer reflektierenden Oberfläche aufweisen, wobei der Spiegel durch ein Haftmittel mit einem Brechungsindex, der im Wesentlichen den gleichen Brechungsindex des Materials aufweist, aus dem der Blasen-Hohlkörper gefertigt ist, haftend am Blasen-Hohlkörper befestigt ist.
Der Reflektor kann in der Fluidkammer eine reflektierenden Beschichtung auf der Oberfläche der Kammer gegenüber der gewölbten Fläche aufweisen. Die der gewölbten Fläche gegenüberliegende Fläche ist vorzugsweise im Wesentlichen flach ausgebildet.
Die mittig positioniert Lichtquelle weist eine lichtemittierende Diode auf. Die jeweiligen vier Lichtsensoren weist eine Photodiode auf.
Die Seiten der Fluidkammer zwischen der gewölbten oberen Fläche und der ihr gegenüberliegenden Fläche weisen vorzugsweise lichtabsorbierende Eigenschaften auf, wodurch Fremdlichtreflexionen reduziert werden können. Der Blasen-Hohlkörper kann vor Fremdlicht abgeschirmt werden, das ansonsten ein Fehler in die Messung der Ausrichtungen der Vorrichtung entlang der ersten und zweiten Achsen eingeführt werden könnte. Der Reflektor kann eine reflektierende Beschichtung an der äußeren, unteren Fläche des Blasen-Hohlkörpers aufweisen.
Bei einer mehrachsigen Ausrichtungsbestimmungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine mehrachsige Blasen-Hohlkörpervorrichtung verwendet. Die mehrachsige Ausrichtungsbestimmungsvorrichtung beinhaltet einen Blasen-Hohlkörper mit einem transparenten Hohlkörperelement, das eine Fluidkammer mit einer gewölbten oberen Fläche aufweist, und einer Fluidmenge, mit der die Kammer teilweise befüllt ist, um im oberen Bereich der Kammer eine Blase zu definieren. Die Blase bewegt sich abhängig von der Ausrichtung des Hohlkörpers entlang der oberen Fläche. Eine mittig positionierte Lichtquelle ist über dem Blasen-Hohlkörper montiert, die Licht in die Kammer hineinlenkt, und Lichtsensoren sind über dem Blasen-Hohlkörper positioniert und an einem Umfang um die mittig positionierte Lichtquelle herum angeordnet. Ein erstes Paar der Sensoren ist auf zueinander entgegengesetzten Seiten der Lichtquelle entlang einer ersten Achse positioniert, und ein zweites Paar der Sensoren ist auf zueinander entgegengesetzten Seiten der Lichtquelle entlang einer zweiten Achse positioniert. Die zweite Achse ist im Wesentlichen senkrecht zu ersten Achse. Die Sensoren liefern jeweils abhängig von dem aufgenommenen Licht ein elektrisches Leistungssignal. Ein Reflektor ist unter der Fluidkammer so positioniert, dass ein von der Lichtquelle abgegebenen Licht durch die Blase und das Fluid gelangt und durch den Reflektor zu den Lichtsensoren reflektiert wird. Eine erste Schaltung, die auf das elektrische Ausgangssignal von dem ersten Paar von Sensoren anspricht, liefert einen Hinweis auf die Ausrichtung des Blasen-Hohlkörpers in der Richtung der ersten Achse anhand der relativen Lichtwerte, die durch das erste Paar von Sensoren erfasst werden. Eine zweite Schaltung, die auf die elektrischen Ausgangssignale von dem zweiten Paar von Sensoren anspricht, liefert einen Hinweis auf die Ausrichtung des Blasen-Hohlkörpers in der Richtung der zweiten Achse anhand der relativen Lichtwerte, die durch das zweite Paar von Sensoren erfasst werden.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine mehrachsige Blasen-Hohlkörpervorrichtung und eine mehrachsige Ausrichtungsbestimmungsvorrichtung, die eine solche Blasen-Hohlkörpervorrichtung beinhaltet, zu schaffen, bei der die Ausrichtung der Blasen-Hohlkörpervorrichtung mit einer einzigen Vorrichtung bestimmt werden kann und bei der die elektrischen Verbinder allesamt auf einer einzigen Seite der Vorrichtung zum Verbinden mit einer gedruckten Schaltungsplatine positioniert sind. Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachstehenden Beschreibung, der beigefügten Zeichnung und den angehängten Ansprüchen besser offenbar.
1 ist eine perspektivische Ansicht einer mehrachsigen Blasen-Hohlkörpervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Draufsicht auf die mehrachsige Blasen-Hohlkörpervorrichtung von 1;
3A ist eine Schnittansicht der mehrachsigen Blasen-Hohlkörpervorrichtung, die im Allgemeinen entlang der Linie 3-3 in 2 erstellt wurde;
3B ist eine Schnittansicht, die der von 3A ähnlich ist, die eine alternative Konstruktion der mehrachsigen Blasen-Hohlkörpervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
4 ist ein schematisches Diagramm des der Hohlkörpervorrichtung zugeordneten Schaltungsaufbaus;
5A und 5B sind diagrammatische Darstellungen der Hohlkörpervorrichtung, die die Funktionsweise darstellen;
6, 7 und 8 sind Graphen, die Ausgangssignale darstellen, die durch die Hohlkörpervorrichtung geliefert werden; und
9 ist eine Draufsicht auf eine mehrachsige Blasen-Hohlkörpervorrichtung, ähnlich zu 2, in der die Sensoren anders angeordnet sind als in der Darstellung in 2.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine mehrachsige Blasen-Hohlkörpervorrichtung und eine mehrachsige Ausrichtungsbestimmungsvorrichtung unter Verwendung eines solchen Blasen-Hohlkörpers. Die Blasen-Hohlkörpervorrichtung 10 ist in 1, 2 und 3A gezeigt. Die Vorrichtung beinhaltet einen Blasen-Hohlkörper 12 mit einem Hohlkörperelement 14, das eine Fluidkammer 16 definiert, die oben eine gewölbte Flä che 18 aufweist. Wie hier zu entnehmen ist, ist zumindest der obere Bereich des Blasen-Hohlkörperelements 14, das die gewölbte Fläche 18 definiert, durchsichtig. Die Kammer 16 ist teilweise mit einer Fluidmenge 20 befüllt, wobei eine Gasblase 22 im oberen Bereich der Kammer 16 einbehalten ist. Die Blase 22 bewegt sich oben entlang der oberen Fläche 18 abhängig von der Ausrichtung des Hohlkörpers. Dies wird in 5A und 5B diagrammatisch dargestellt und nachstehend ausführlicher erörtert.
Die Blasen-Hohlkörpervorrichtung 10 beinhaltet ferner eine mittig positioniert Lichtquelle, wie z. B. eine lichtemittierende Diode 24, die über dem Blasen-Hohlkörper 12 auf einer gedruckten Schaltungsplatine montiert ist, die mit dem Bezugszeichen 26 bezeichnet wird. In die Kammer 16 wird durch die lichtemittierende Diode 24 Licht gelenkt.
Vier Lichtsensoren 30, 32, 34 und 36 sind über dem Blasen-Hohlkörper 12 positioniert und in einem Umfang um die mittig positionierte Lichtquelle 24 herum angeordnet. Ein jeder der vier Lichtsensoren 30, 32, 34 und 36 kann eine Photodiode aufweisen. Ein erstes Paar von Sensoren 30 und 32 sind auf zueinander entgegengesetzten Seiten der Lichtquelle 24 entlang einer ersten Achse 38 positioniert, und ein zweites Paar von Sensoren 34 und 36 sind auf zueinander entgegengesetzten Seiten der Lichtquelle 24 entlang einer zweiten Achse 40 positioniert. Die zweite Achse 40 ist im Wesentlichen senkrecht zur ersten Achse 38. Alle Photodioden 30, 32, 34 und 36 können auf der gedruckten Schaltungsplatine montiert werden, die mit dem Bezugszeichen 26 bezeichnet wird. Der Blasen-Hohlkörper 12 kann zudem gegebenenfalls mittels eines Haftmittels oder einer anderen Befestigungsstruktur auf der gedruckten Schaltungsplatine 26 befestigt werden.
Ein Reflektor 42 ist unterhalb der Fluidkammer 16 positioniert, so dass ein von der Lichtquelle 24 abgegebenes Licht durch die Blase 22 und das Fluid 20 gelangt und durch den Reflektor 42 zu den Lichtsensoren 30, 32, 34 und 36 reflektiert wird. Wie nachstehend erläutert wird zeigen die relativen Lichtwerte, die durch das erste Paar von Sensoren 30, 32 erfasst werden, die Ausrichtung der ersten Achse 38 in Bezug auf eine Horizontale an, und die relativen Lichtwerte, die durch das zweite Paar von Sensoren 34, 36 erfasst werden, zeigen die Ausrichtung der zweiten Achse 40 in Bezug auf eine Horizontale an. Der Reflektor 42 kann ein Spiegel mit einer reflektierenden Oberfläche 44 sein. Der Spiegel wird vorzugsweise mittels eines Haftmittels 46, das einen Brechungsindex aufweist, der im Wesentlichen den gleichen Brechungsindex des Materials aufweist, aus dem das Blasen-Hohlkörperelement 14 gefertigt ist, haftend am Blasen-Hohlkörper 12 befestigt. Folglich tritt, während das Licht durch das Hohlkörperelement 14 und das Haftmittel 46 gelangt, nur eine geringe Brechung auf. Die Oberfläche 50, die der gewölbten Fläche 18 gegenüberliegt, ist im Wesentlichen flach ausgebildet. Als Alternative kann der Reflektor 42 an der äußeren, unteren Fläche 52 des Blasen-Hohlkörpers 12 eine reflektierende Beschichtung aufweisen.
3B ist eine Zeichnung, die eine alternative Konstruktion des Reflektors darstellt, bei dem die Komponenten der mehrachsigen Blasen-Hohlkörpervorrichtung, die denen der Ausführungsform von 3A entsprechen, mit den entsprechenden Bezugszeichen versehen sind. In der Ausführungsform von 3B handelt es sich bei dem Reflektor 42' um eine reflektierende Beschichtung in der Fluidkammer 16 auf der Oberfläche 50 der Kammer 16 gegenüber der gewölbten Oberfläche 18. Die Oberfläche 50 der Kammer 16 ist im Wesentlichen flach ausgebildet. Die Ausführungsformen von 3A und 3B funktionieren in der gleichen Weise und werden daher nachstehend gemeinsam erläutert.
Die seitliche Fläche 58 der Fluidkammer 16 zwischen der gewölbten oberen Fläche 18 und der ihr gegenüberliegenden Fläche 50 ist vorzugsweise mit einer lichtabsorbierenden Beschichtung beschichtet oder auf andere Weise lichtabsorbierend gestaltet, so dass Fremdlichtreflexionen reduziert werden. Ferner kann der Blasen-Hohlkörper 12 vor Fremdlicht aus der Umgebung abgeschirmt werden, wodurch ansonsten ein Fehler in die Messungen eingeführt werden würde, die für die erste und die zweite Achse vorgenommen werden. Diese Abschirmung kann in Form von passend positionierten Beschichtungen auf den äußeren oder inneren Oberflächen des Hohlkörpers 12 oder zu sätzlichen äußeren Strukturen ausgeführt werden, die das Innere des Hohlkörpers 12 vor Umgebungslicht schützen.
5A und 5B sind schematische Darstellungen der Art und Weise, in der die mehrachsige Blasen-Hohlkörpervorrichtung funktioniert. Es ist zu beachten, dass die Zeichnungen nicht maßstabsgetreu sind, sondern einfach eine Möglichkeit darstellen, die Erfindung besser verständlich zu machen. 5A ist eine mehrachsige Blasen-Hohlkörpervorrichtung in einer im Wesentlichen horizontaler Ausrichtung. Ein im Allgemeinen konisch geformter Lichtstrahl wird durch die lichtemittierende Diode 24 nach unten projiziert. Die Außenkante dieses konisch geformten Strahls wird durch Strahlen 60 und 62 dargestellt. Der Strahl wird an der Schnittstelle zwischen der Gasblase 22 und dem Fluid 20 gebrochen. Während der Lichtstrahl durch das Fluid 20 nach unten gelangt, ist er weiterhin eine Abweichung ausgesetzt und wird durch den Spiegel 42 nach oben reflektiert. Das Licht gelangt schließlich durch den oberen Blasen-Hohlkörper und beleuchtet den Bereich des Photodetektors 30 zur Linken des Strahls 60 und den Bereich des Photodetektors 32 zur Rechten des Strahls 62. Obwohl sich eine Brechung ereignet, während das Licht aus dem Fluid 20 durch den Hohlkörper 12 nach oben gelangt und dann durch die Luft zu den Photodetektoren 30 und 32 gelangt, weil die Beabstandung zwischen den Detektoren 30 und 32 und dem Hohlkörper 12 minimal ist, ist der Effekt dieser Brechung auf die Bereiche der Photodetektoren, die beleuchtet werden, minimal. Wie zu erstehen ist, sind die elektrischen Ausgangssignale aus den beiden Photodetektoren 30 und 32 im Wesentlichen gleich, da die Bereiche der Photodetektoren 30 und 32, die beleuchtet werden, gleich sind. Dadurch wird angezeigt, dass der Hohlkörper 12 im Wesentlichen horizontal entlang der Achse 38 verläuft, die sich zwischen den Photodetektoren 30 und 32 erstreckt.
5B stellt den Effekt der Neigung des Hohlkörpers 12 entlang der Achse 38 dar, d. h. die Senkung des Photodetektors 30 und die Anhebung des Photodetektors 32. Wie unmittelbar zu ersehen ist, vergrößert sich der Bereich des Photodetektors 30, der beleuchtet wird (der Bereich zur Linken des Strahls 60), während sich gleichzeitig der Bereich des Photodetektors 32, der beleuchtet wird, verkleinert (der Bereich zur Rechten des Strahls 62). Folglich übersteigt der Wert des elektrischen Ausgangssignals aus dem Photodetektor 30 den Wert des elektrischen Ausgangssignals aus dem Photodetektor 32, wenn die mehrachsige Blasen-Hohlkörpervorrichtung geneigt wird, wie gezeigt ist.
Es wird auf 4 Bezug genommen, in der erste und zweite Differentialverstärkerschaltungen 64 und 66 gezeigt sind. Die Ausgangssignale der Differentialverstärkerschaltungen werden an einen Mikroprozessor 68 geliefert. Der erste Verstärker 64 spricht auf die elektrischen Ausgangssignale auf den Leitungen 70, 72, 74 und 76 aus dem ersten Paar von Sensoren 30 und 32 an. Der erste Verstärker 64 liefert einen Hinweis auf die Ausrichtung des Blasen-Hohlkörpers in der Richtung der ersten Achse 38 anhand der relativen Lichtwerte, die durch das erste Paar von Sensoren 30 und 32 erfasst werden. Der zweite Verstärker 66 spricht auf die elektrischen Ausgangssignale auf den Leitungen 78, 80, 82 und 84 aus dem zweiten Paar von Sensoren 34 und 36 an. Der zweite Verstärker 66 liefert einen Hinweis auf die Ausrichtung des Blasen-Hohlkörpers in der Richtung der zweiten Achse 40 anhand der relativen Lichtwerte, die durch das zweite Paar von Sensoren 34 und 36 erfasst werden. Die Ausgangssignale der Verstärker 64 und 66 auf den Leitungen 86 und 88 können dann einem Mikroprozessor 68 für eine umgehende Berechnung der Ausrichtung der Blasen-Hohlkörpervorrichtung zugeführt werden.
6–8 zeigen die Ausgangssignale auf den Leitungen 86 und 88 für verschiedene Ausrichtungen der Vorrichtung, wobei 86' das Ausgangssignal auf der Leitung 86 aus dem Differentialverstärker 64 und 88' das Ausgangssignal auf der Leitung 88 aus dem Differentialverstärker 66 ist. 6 zeigt, wie sich das Ausgangssignal 86' auf der Leitung 86 verändert, während die Vorrichtung ausschließlich entlang einer Achse 38 geneigt wird. Es ist zu beachten, dass das Ausgangssignal 88' auf der Leitung 88 während dieses Vorgangs im Wesentlichen den Wert Null behält. Desgleichen ist zu beachten, dass 8 darstellt, wie das Ausgangssignal 88' sich verändert, während die Vorrichtung nur entlang der Achse 40 geneigt wird. Es ist zu beachten, dass das Ausgangssignal 86' auf der Leitung 86 während dieses Vorgangs im Wesentlichen den Wert Null beibehält. Schließlich ist zu beachten, wie sich die Ausgangsspannungen auf beiden Leitungen 86 und 88 verändern, während die Vorrichtung entlang einer Achse geneigt wird, die sich im 45-Grad-Winkel zu sowohl der Achse 38 als auch der Achse 40 befindet. Da die Ausgangssignale auf den Leitungen 86 und 88 im Wesentlichen unabhängig voneinander sind, wobei ein geringes Maß des Übersprechens vorliegt, kann die Richtung und der Betrag einer Neigung, die entlang einer Achse zwischen den Achsen 38 und 40 vorliegt, umgehend bestimmt werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass die mehrachsige Blasen-Hohlkörpervorrichtung der vorliegenden Erfindung gegenüber Vorrichtungen dieser Art aus dem Stand der Technik eine Anzahl von Vorteilen aufweist. Die vorliegende Erfindung ermöglicht entweder eine Erfassung einer Neigung der Vorrichtung in der einen oder der anderen oder in beiden der im Wesentlichen orthogonalen Achsen. Ferner wird die Erfassung der Blasenposition mit einer Lichtquelle und Detektoren erreicht, die allesamt auf der selben Seite der Vorrichtung angeordnet sind. Dadurch können all diese Komponenten auf einer einzigen gedruckten Schaltungsplatine montiert werden, wie in 3A und 3B dargestellt ist, was den Konstruktions- und Verpackungsaufwand der Vorrichtung vereinfacht. Ferner reduziert die vorliegende Erfindung die Anzahl der Komponenten, die erforderlich sind, um die Ausrichtungserfassungsfunktion auszuführen.
Es ist zu beachten, dass, obgleich in den hierin dargestellten Ausführungsformen Sensoren verwendet werden, die angeordnet sind, um eine Neigung entlang eines Paars von im Wesentlichen orthogonalen Achsen zu erfassen, die Positionen der Sensorpaare gegebenenfalls geändert werden können, um die Neigung entlang anderer, nicht-orthogonaler Achsen direkt zu erfassen. Zusätzlich wird darauf hingewiesen, dass der Blasen-Hohlkörper der vorliegenden Erfindung nur ein einzelnes Paar von Detektoren beinhalten kann, wenn gewünscht wird, lediglich die Neigung entlang einer einzelnen Achse zu erfassen, die mit dem Detektorpaar ausgerichtet ist.
Es wird auf 9 Bezug genommen, die eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. 9 ist ähnlich zu 2, und im Hinblick darauf werden bei Bezugnahme auf die entsprechende Struktur identische Bezugszeichen ver wendet. Die Blasenvorrichtung 10 beinhaltet einen Blasen-Hohlkörper 12 mit einem Hohlkörperelement 14, der eine Fluidkammer 16 beinhaltet, die eine gewölbte obere Fläche aufweist. Wie bei den Ausführungsformen von 1–3 definiert zumindest der obere Bereich des Blasen-Hohlkörperelements 14 eine gewölbte Oberfläche 18, die durchsichtig ist. Die Kammer 16 ist teilweise mit einer Fluidmenge befüllt, wobei eine Gasblase 22 im oberen Bereich der Kammer 16 einbehalten ist. Die Blase bewegt sich entlang der oberen Fläche 18 abhängig von der Ausrichtung des Hohlkörpers, wie zuvor in Bezug auf die Ausführungsform von 1–3 erörtert wurde. Die Blasen-Hohlkörpervorrichtung 10 beinhaltet ferner eine mittig positionierte Lichtquelle, wie z. B. eine lichtemittierende Diode 24, der über dem Blasen-Hohlkörper 12 auf einer gedruckten Schaltungsplatine montiert ist. Die lichtemittierende Diode 24 lenkt in der in Bezug auf die Ausführungsform von 1–3 dargestellten Weise ein Licht direkt in die Kammer 16.
Eine ungerade Anzahl von Lichtsensoren (in 9, dargestellt als die drei Lichtsensoren 90, 92 und 94) ist über dem Blasen-Hohlkörper 12 angeordnet und im Wesentlichen in einem Umfang um die mittig positionierte Lichtquelle 24 herum angeordnet. Jeder der drei Lichtsensoren 90, 92 und 94 kann eine Photodiode aufweisen. Ein Sensor 90 ist entlang einer Achse 100 positioniert, ein Sensor 92 ist entlang einer Achse 102 positioniert und ein Sensor 94 ist entlang einer Achse 104 positioniert. Alle Sensoren können auf einer gedruckten Schaltungsplatine montiert sein, die nicht gezeigt ist. Der Blasen-Hohlkörper 12 kann gegebenenfalls auch mittels eines Haftmittels oder einer anderen Befestigungsstruktur auf der Schaltungsplatine montiert werden.
Wie bei der Ausführungsform von 1–3 wird ein Reflektor unterhalb der Fluidkammer 16 positioniert, so dass ein Licht, das von der Lichtquelle 24 emittiert wird, durch die Blase 22 und das Fluid 20 gelangt und durch den Reflektor zu den Lichtsensoren 90, 92 und 94 reflektiert wird. Die relativen Lichtwerte, die durch die Sensoren 90, 92 und 94 erfasst werden, zeigen die Ausrichtung einer jeweiligen der drei Achsen in Bezug auf eine Horizontale an. Die Differenz zwischen einem jeweiligen Sensorausgangssignal und der Summe der Ausgangssignale der anderen beiden Senso ren wird grundsätzlich dazu verwendet, den Wert entlang einer Achse zu bestimmen, die durch den ersten Sensor und zwischen die beiden anderen hindurchgelangt. Die nun folgenden Gleichungen stellen die Form der Berechnungen für die drei Achsen 100, 102 und 104 dar.
Somit wird der „auf der Achse befindliche" Sensor mit der Summe der anderen beiden Sensor verglichen, zwischen denen sich die Achse erstreckt, um eine Hinweis auf eine Neigung entlang der Achse zu liefern. Eine beliebige ungerade Zahl von Sensoren kann in einer derartigen Anordnung verwendet werden, um Neigungsinformationen entlang einer gleichwertigen Anzahl von Achsen zu liefern.
Obgleich zur Veranschaulichung der Erfindung verschiedene veranschaulichende Ausführungsformen und Einzelheiten dargestellt worden sind, werden Fachleute darauf hingewiesen, dass an der hierin offenbarten Erfindung verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung, der in den angehängten Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.
Zusammenfassung
Mehrachsige Blasen-Hohlkörpervorrichtung
Eine mehrachsige Blasen-Hohlkörpervorrichtung beinhaltet einen Blasen-Hohlkörper mit einem Hohlkörperelement, das eine Fluidkammer mit einer gewölbten oberen Fläche definiert, und eine Fluidmenge, mit der die Kammer teilweise befüllt ist. Das Fluid definiert eine Blase im oberen Bereich der Kammer, die sich abhängig von der Ausrichtung des Hohlkörpers entlang der oberen Fläche bewegt. Durch eine mittig positionierte Lichtquelle über dem Blasen-Hohlkörper wird Licht direkt in die Kammer gelenkt, und vier Lichtsensoren, die über dem Blasen-Hohlkörper positioniert und an einem Umfang um die mittig positionierte Lichtquelle herum angeordnet sind, erfassen eine Reflexion des Lichts von einem Reflektor unterhalb der Fluidkammer. Ein erstes Paar von Sensoren ist auf zueinander entgegengesetzten Seiten der Lichtquelle entlang einer ersten Achse positioniert, und ein zweites Paar von Sensoren ist auf zueinander entgegengesetzten Seiten der Lichtquelle entlang einer zweiten Achse positioniert. Die zweite Achse ist im Wesentlichen senkrecht zur ersten Achse.

Claims

Mehrachsige Blasen-Hohlkörpervorrichtung, aufweisend: einen Blasen-Hohlkörper mit einem Hohlkörperelement, das eine Fluidkammer definiert, die eine gewölbte obere Fläche aufweist, eine Fluidmenge, mit der die Kammer teilweise befüllt ist, wobei das Fluid in dem oberen Bereich der Kammer eine Blase definiert, die sich abhängig von der Ausrichtung des Hohlkörpers entlang der oberen Fläche bewegt, eine mittig positionierte Lichtquelle über dem Blasen-Hohlkörper, die ein Licht in die Kammer lenkt, vier Lichtsensoren, die über dem Blasen-Hohlkörper positioniert sind und um die mittig positionierte Lichtquelle herum angeordnet sind, wobei ein erstes Paar der Sensoren auf zueinander entgegengesetzten Seiten der Lichtquelle entlang einer ersten Achse positioniert sind, und ein zweites Paar der Sensoren auf zueinander entgegengesetzten Seiten der Lichtquelle entlang einer zweiten Achse positioniert sind, wobei die zweite Achse im Wesentlichen senkrecht in Bezug auf die erste Achse ist, und einen Reflektor unterhalb der Fluidkammer, so dass ein von der Lichtquelle abgegebenes Licht durch die Blase und das Fluid gelangt und durch den Reflektor zu den Lichtsensoren reflektiert wird, wodurch die relativen Lichtwerte, die durch das erste Paar von Sensoren erfasst werden, die Ausrichtung der ersten Achse in Bezug auf eine Horizontale anzeigen, und die relativen Lichtwerte, die durch das zweite Paar von Sensoren erfasst werden, die Ausrichtung der zweiten Achse in Bezug auf eine Horizontale anzeigen.
Mehrachsige Blasen-Hohlkörpervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Reflektor einen verspiegelten Reflektor aufweist, der unterhalb des Blasen-Hohlkörpers positioniert ist.
Mehrachsige Blasen-Hohlkörpervorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Reflektor einen Spiegel mit einer reflektierenden Oberfläche aufweist, wobei der Spiegel mittels eines Haftmittels mit einem Brechungsindex, der im Wesentlichen mit dem Brechungsindex des Materials identisch ist, aus dem der Blasen-Hohlkörper gefertigt ist, haftend am Blasen-Hohlkörper befestigt ist.
Mehrachsige Blasen-Hohlkörpervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Reflektor eine reflektierende Beschichtung in der Fluidkammer auf der Oberfläche der Kammer gegenüber der gewölbten Fläche aufweist.
Mehrachsige Blasen-Hohlkörpervorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Fläche gegenüber der gewölbten Fläche im Wesentlichen eben ausgebildet ist.
Mehrachsige Blasen-Hohlkörpervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mittig positionierte Lichtquelle eine lichtemittierende Diode aufweist.
Mehrachsige Blasen-Hohlkörpervorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein jeder der vier Lichtsensoren eine Photodiode aufweist.
Mehrachsige Blasen-Hohlkörpervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Seiten der Fluidkammer zwischen der gewölbten oberen Fläche und der gegenüberliegenden Fläche lichtabsorbierend sind, wodurch Fremdlichtreflexionen reduziert werden.
Mehrachsige Blasen-Hohlkörpervorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Blasen-Hohlkörper vor Fremdlicht abgeschirmt wird, das einen Fehler in die für die erste und die zweite Achse gemessenen Ausrichtungen einbringen könnte.
Mehrachsige Blasen-Hohlkörpervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Reflektor eine reflektierende Beschichtung auf der äußeren, unteren Fläche des Blasen-Hohlkörpers aufweist.
Mehrachsige Ausrichtungsbestimmungsvorrichtung, aufweisend: einen Blasen-Hohlkörper mit einem Hohlkörperelement, das eine Fluidkammer mit einer gewölbten oberen Fläche aufweist, eine Fluidmenge, mit der die Kammer teilweise befüllt ist, wobei das Fluid in dem oberen Bereich der Kammer eine Blase definiert, die sich abhängig von der Ausrichtung des Hohlkörpers entlang der oberen Fläche bewegt, eine mittig positionierte Lichtquelle über dem Blasen-Hohlkörper, die ein Licht in die Kammer lenkt, Lichtsensoren, die über dem Blasen-Hohlkörper positioniert und in einem Umfang um die mittig positionierte Lichtquelle herum angeordnet sind, wobei ein erstes Paar der Sensoren auf zueinander entgegengesetzten Seiten der Lichtquelle entlang einer ersten Achse positioniert sind, und ein zweites Paar der Sensoren auf zueinander entgegengesetzten Seiten der Lichtquelle entlang einer zweiten Achse positioniert sind, wobei die zweite Achse im Wesentlichen senkrecht in Bezug auf die erste Achse ist, wobei die jeweiligen Sensoren ein elektrisches Ausgangssignal abhängig von dem aufgenommenen Licht liefern, einen Reflektor unterhalb der Fluidkammer, so dass ein von der Lichtquelle abgegebenes Licht durch die Blase und das Fluid gelangt und durch den Reflektor zu den Lichtsensoren reflektiert wird, eine erste Schaltung, die auf die elektrischen Ausgangssignale von dem ersten Paar von Sensoren anspricht, zum Liefern eines Hinweises auf die Ausrichtung des Blasen-Hohlkörpers in der Richtung der ersten Achse anhand der relativen Lichtwerte, die durch das erste Paar von Sensoren erfasst werden, und eine zweite Schaltung, die auf die elektrischen Ausgangssignale von dem zweiten Paar von Sensoren anspricht, zum Liefern eines Hinweises auf die Ausrichtung des Blasen-Hohlkörpers in der Richtung der zweiten Achse anhand der relativen Lichtwerte, die durch das zweite Paar von Sensoren erfasst werden.
Mehrachsige Blasen-Hohlkörpervorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Reflektor einen gespiegelten Reflektor aufweist, der unterhalb des Blasen-Hohlkörpers positioniert ist.
Mehrachsige Blasen-Hohlkörpervorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Reflektor einen Spiegel mit einer reflektierenden Oberfläche aufweist, wobei der Spiegel mittels eines Haftmittels mit einem Brechungsindex, der im Wesentlichen mit dem Brechungsindex des Materials identisch ist, aus dem der Blasen-Hohlkörper gefertigt ist, haftend am Blasen-Hohlkörper befestigt ist.
Mehrachsige Blasen-Hohlkörpervorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Reflektor eine reflektierende Beschichtung in der Fluidkammer auf der Oberfläche der Kammer gegenüber der gewölbten Fläche aufweist.
Mehrachsige Blasen-Hohlkörpervorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Fläche gegenüber der gewölbten Fläche im Wesentlichen eben ausgebildet ist.
Mehrachsige Blasen-Hohlkörpervorrichtung nach Anspruch 11, wobei die mittig positionierte Lichtquelle eine lichtemittierende Diode aufweist.
Mehrachsige Blasen-Hohlkörpervorrichtung nach Anspruch 11, wobei ein jeder der Lichtsensoren eine Photodiode aufweist.
Mehrachsige Blasen-Hohlkörpervorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Seiten der Fluidkammer zwischen der gewölbten oberen Fläche und der gegenüberliegenden Fläche lichtabsorbierend sind, wodurch Fremdlichtreflexionen reduziert werden.
Mehrachsige Blasen-Hohlkörpervorrichtung nach Anspruch 18, wobei der Blasen-Hohlkörper vor Fremdlicht abgeschirmt wird, das einen Fehler in die für die erste und die zweite Achse gemessenen Ausrichtungen einbringen könnte.
Mehrachsige Blasen-Hohlkörpervorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Reflektor eine reflektierende Beschichtung auf der äußeren, unteren Fläche des Blasen-Hohlkörpers aufweist.
Blasen-Hohlkörpervorrichtung, aufweisend: einen Blasen-Hohlkörper mit einem Hohlkörperelement, das eine Fluidkammer mit einer gewölbten oberen Fläche definiert, eine Fluidmenge, mit der die Kammer teilweise befüllt ist, wobei das Fluid in dem oberen Bereich der Kammer eine Blase definiert, die sich abhängig von der Ausrichtung des Hohlkörpers entlang der oberen Fläche bewegt, eine mittig positionierte Lichtquelle über dem Blasen-Hohlkörper, die ein Licht in die Kammer lenkt, eine Mehrzahl von Sensoren, die über dem Blasen-Hohlkörper positioniert sind und an einem Umfang um die mittig positionierte Lichtquelle herum angeordnet sind, einen Reflektor unterhalb der Fluidkammer, so dass ein von der Lichtquelle abgegebenes Licht durch die Blase und das Fluid gelangt und durch den Reflektor zu den Lichtsensoren reflektiert wird, wobei die relativen Lichtwerte, die durch die Sensoren erfasst werden, auf die Ausrichtung der Blasen-Hohlkörpervorrichtung hinweisen.
Blasen-Hohlkörpervorrichtung nach Anspruch 21, wobei der Reflektor einen gespiegelten Reflektor aufweist, der unterhalb des Blasen-Hohlkörpers positioniert ist.
Blasen-Hohlkörpervorrichtung nach Anspruch 22, wobei der Reflektor einen Spiegel mit einer reflektierenden Oberfläche aufweist, wobei der Spiegel mittels eines Haftmittels mit einem Brechungsindex, der im Wesentlichen mit dem Brechungsindex des Materials identisch ist, aus dem der Blasen-Hohlkörper gefertigt ist, haftend am Blasen-Hohlkörper befestigt ist.
Blasen-Hohlkörpervorrichtung nach Anspruch 21, wobei der Reflektor eine reflektierende Beschichtung in der Fluidkammer auf der Oberfläche der Kammer gegenüber der gewölbten Fläche aufweist.
Blasen-Hohlkörpervorrichtung nach Anspruch 24, wobei die Fläche gegenüber der gewölbten Fläche im Wesentlichen eben ausgebildet ist.
Blasen-Hohlkörpervorrichtung nach Anspruch 21, wobei die mittig positionierte Lichtquelle eine lichtemittierende Diode aufweist.
Blasen-Hohlkörpervorrichtung nach Anspruch 21, wobei ein jeder der vier Lichtsensoren eine Photodiode aufweist.
Blasen-Hohlkörpervorrichtung nach Anspruch 21, wobei die Seiten der Fluidkammer zwischen gewölbten oberen Fläche und der gegenüberliegenden Fläche lichtabsorbierend sind, wodurch Fremdlichtreflexionen reduziert werden.
Blasen-Hohlkörpervorrichtung nach Anspruch 28, wobei der Blasen-Hohlkörper vor Fremdlicht abgeschirmt wird, das einen Fehler in die die erste und die zweite Achse gemessenen Ausrichtungen einbringen könnte.
Blasen-Hohlkörpervorrichtung nach Anspruch 21, wobei der Reflektor eine reflektierende Beschichtung auf der äußeren, unteren Fläche des Blasen-Hohlkörpers aufweist.
Blasen-Hohlkörpervorrichtung nach Anspruch 21, wobei die Mehrzahl der Sensoren, die über dem Blasen-Hohlkörper positioniert sind, im Wesentlichen um einen Umfang herum in gleichen Abständen voneinander angeordnet sind, und wobei die Mehrzahl der Sensoren eine ungerade Anzahl von Sensoren beinhaltet.
Blasen-Hohlkörpervorrichtung nach Anspruch 31, wobei die Mehrzahl der Sensoren drei Sensoren aufweist.
Blasen-Hohlkörpervorrichtung nach Anspruch 21, wobei die Mehrzahl der Sensoren, die über dem Blasen-Hohlkörper positioniert sind, im Wesentlichen um einen Umfang herum in gleichen Abständen voneinander angeordnet sind, wobei die Mehrzahl der Sensoren eine gerade Anzahl von Sensoren beinhaltet, und wobei die Mehrzahl der Sensoren zu einer Mehrzahl von Sensorpaaren gruppiert ist.