DE19643495A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung einer Winkelstellung eines Richtungsindikators - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung einer Winkelstellung bzw. einer Änderung einer Winkelstellung eines in seiner Winkelstellung veränderbaren Richtungsindikators.

Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Erkennung einer Winkelstellung bzw. einer Änderung einer Winkelstellung eines zur Vorrichtung gehörenden, in seiner Winkelstellung veränderbaren Richtungsindikators, vorzugsweise zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens.

Die Erfindung betrifft einen Winkelsensor oder einen Winkelmesser der in der Lage ist, eine Winkelveränderung zu erkennen und diese Winkelveränderung ggf. anzuzeigen bzw. in proportionaler Weise weiterzugeben. Beispielsweise könnte ein schwenkbarer Bedienungshebel zur Steuerung irgendeiner Vorrich­ tung in seiner Winkelstellung verändert werden, was durch einen Winkelsensor erkannt werden könnte, wobei der Winkelsensor diese Winkeländerung an die zu steuernde Vorrichtung weitergeben könnte. In diesem Sinne kommen sehr vielfältige Einsatzbereiche für einen entsprechenden Winkelsensor in Betracht, beispiels­ weise eine berührungslose Abtastung der Winkelposition von Zeigern und Strömungsfahnen, von paarigen Lichtquellen, eine Triangulationsmessung, die Steuerung oder Erkennung von Winkel­ stellungen von Robotergelenken, Kardanwellen oder dergleichen, oder von zweiachsigen Eingabegeräten für Fernsteuerungen oder Computer und vieles mehr.

Es sind viele Winkelsensoren oder auch Winkelmesser be­ kannt oder auf dem Markt. Bekannte Winkelsensoren können bei­ spielsweise Drehpotentiometer, induktiv arbeitende Differential­ drosseln oder magnetoresistive Sensoren umfassen. Es gibt auch kapazitive Winkelsensoren und es könnten theoretisch sogar an­ dere als elektromagnetische Felder, nämlich z. B. Schallfelder oder Gravitationsfelder Einsatz finden.

Des weiteren ist es möglich, digital arbeitende Winkel­ sensoren, statt analog arbeitender Winkelsensoren zu verwenden. Hierbei handelt es sich beispielsweise um inkrementale Sensoren und Absolutsensoren, die beispielsweise unter Verwendung elek­ tromagnetischer Felder im Infrarotbereich zu finden sind.

Ein Spezialfall eines bekannten Winkelsensors ist z. B. ein Resolver, der eine Winkelmessung mittels Messung des Pha­ senwinkels zwischen zwei räumlich um 90° gegeneinander versetz­ ten sinusförmigen Wechselspannungen erlaubt und als "Vektorzer­ leger" angesprochen werden könnte. Es gibt auch mit Gleichspan­ nung als Hilfsenergie funktionierende Umlaufpotentiometer bzw. Sinus-Cosinus-Potentiometer.

Neuerdings sind Winkelsensoren bekannt geworden, die als "kapazitive Resolver" mit elektronischer Signalverarbeitung be­ trachtet werden können. Eine solche Vorrichtung ist beispiels­ weise auch aus der DE-PS 34 11 979 bekannt.

Eine überschlägige Bewertung der genannten Klassen ana­ loger und digitaler Winkelsensoren im Hinblick auf ihren not­ wendigen Einsatz in einer relativ rauhen Industrie- und Kraft­ fahrzeugumgebung zeigt folgendes Bild:

Potentiometrische Winkelsensoren mit Gleitkontakten sind zwar kostenniedrig herzustellen und begnügen sich mit einfacher Sensorelektronik. Sie sind auch kaum temperaturempfindlich und trotzen magnetischen, elektromagnetischen sowie elektrischen Störfeldern. Sie benötigen aber nachteilig ein reibungsbedingtes Betätigungsdrehmoment und zeigen einen Kontaktverschleiß insbe­ sondere aufgrund mechanischer Zitterschwingungen.

Induktive, kapazitive und magnetische Winkelsensoren ar­ beiten ohne mechanische Reibkontakte, wodurch sich ihre Lebens­ dauer erheblich vergrößert; sie sind jedoch recht ungenau und werden leicht durch Wärme und elektrische bzw. magnetische Fel­ der gestört.

Ohmsche und induktive Resolver sind groß und beanspru­ chen somit viel Raum, der oftmals nicht zur Verfügung steht, und auch viel Hilfsenergie.

Kapazitive Resolver können ihrerseits hochfrequente Störfelder aussenden, durch die sie also selbst ihre Umgebung nachteilig beeinträchtigen können.

Schließlich sind digitale, nämlich inkrementale und co­ dierte Winkelsensoren extrem genau, benötigen aber einen relativ großen Raum, und sie sind überdurchschnittlich kostenaufwendig.

Als nachteilig für sämtliche der genannten Winkelsenso­ ren kommt hinzu, daß die Erfassung eines Winkels im Raum, also beispielsweise eine "geografische Länge" und eine "geografische Breite" des Gesamtwinkels, nur dadurch möglich ist, daß zwei be­ kannte Winkelsensoren für ebene Winkel in geeigneter Weise mit­ einander gekoppelt werden, was besonders umständlich, kostenauf­ wendig und störanfällig ist.

Dieser Problematik zum Stand der Technik Rechnung tra­ gend, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung vorzuschla­ gen, welche entsprechende Vorteile bekannter Winkelsensoren ver­ einigt und gleichzeitig deren Nachteile soweit wie möglich ver­ meidet, insbesondere um etwa so genau zu arbeiten wie mit einem Potentiometer, und zwar langzeitstabil und unempfindlich gegen­ über thermischen, elektrischen, magnetischen, mechanischen Stör­ größen, wobei die daraus resultierende Vorrichtung klein und mit geringen Kosten herzustellen sein soll, sparsam arbeiten soll und vorzugsweise zugleich geeignet für die Messung von Winkeln im Raum sein soll.

Diese Aufgabe wird in verfahrensmäßiger Hinsicht dadurch gelöst, daß mittels des als "Komparator" verwendeten Richtungs­ indikators zwei Punkte eines ebenen oder räumlichen Potential­ feldes ausgezeichnet werden, deren vektoriell zu beschreibende Potentialdifferenz abgegriffen wird, und daß die Winkelposition des Richtungsindikators erkannt wird, indem das Potentialfeld nach Art eines steuerbaren Drehfeldes gesteuert gedreht wird und dabei ein Extremum der abgegriffenen Potentialdifferenz aufge­ sucht wird, bei dessen Vorliegen die Winkelstellung des Rich­ tungsindikators und die Winkelstellung des Drehvektors des Drehfeldes eine definierte, bekannte Winkeldifferenz bzw. Win­ kelstellung zueinander besitzen.

Ein solches Extremum wird sich vorrangig als Potential­ minimum dann einstellen, wenn der Drehfeldvektor und der Rich­ tungsindikator senkrecht zueinander stehen, also der Richtungs­ indikator genau auf einer Null-Äquipotentiallinie zwischen ein­ ander gegenüber stehenden Polen des Potentialfeldes ausgerichtet ist, indem das Potentialfeld in entsprechender Weise relativ zu ihm verdreht wird, bis diese Position erreicht ist.

Bei dieser verfahrensmäßigen Lösung ist darauf hinzuwei­ sen, daß hierbei der Richtungsindikator selbst nicht unbedingt berührungslos arbeiten muß, aber ggf. berührungslos arbeiten kann, wie im nachfolgenden noch erläutert wird, jedoch die Er­ fassung der Winkelstellung des Richtungsindikators durch die Drehfelddrehung in quasi berührungslos, und damit verschleiß­ frei, erfolgt, weil der Drehfeldvektor nicht körperlich exi­ stiert. Vorzugsweise wird hierzu ein elektrisch steuerbares Drehfeld erzeugt, wobei die Forderung der elektrischen Steuer­ barkeit nicht unbedingt bedeutet, daß das Drehfeld selbst elek­ trisch erzeugt sein muß bzw. das Drehfeld ein elektrisches Po­ tentialfeld sein muß.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit Hilfe eines ebenen Potentialfeldes genauso verwirklicht werden, wie unter Anwendung eines räumlichen Potentialfeldes. Bei Erzeugung eines räumlichen Potentialfeldes und einer entsprechenden Winkelver­ stellbarkeit des Richtungsindikators ist unmittelbar die Er­ kennung der Winkelstellung des Richtungsindikators im Raum mit nur einem entsprechend arbeitenden Winkelsensor mit Vorteil möglich.

Das erfindungsgemäße Verfahren könnte als "Winkelkom­ pensationsmethode" bezeichnet werden. Zunächst einmal wird mit dem Richtungsindikator eine beispielsweise gewünschte Winkel­ stellung eingestellt, die mittels des Drehfeldes erkannt wird, indem der Drehfeldvektor nachgeregelt wird, bis er eine paral­ lele, oder häufiger senkrechte Winkelstellung hierzu erreicht hat, wodurch letztlich die vom Richtungsindikator oder entspre­ chend des Richtungsindikators abgegriffene Potentialdifferenz auf ein Minimum bzw. auf Null kompensiert wird, so daß durch die Kompensierung ein Vergleich stattfindet der mit Hilfe des Rich­ tungsindikators als Komparator durchgeführt wird. Bei einem elektrisch steuerbaren Drehfeld ist es damit beispielsweise möglich, einen Folgeregelkreis aufzubauen, mit dessen Hilfe ein entsprechendes elektrisches Meßsignal gewonnen werden kann. Die elektrischen Eingangsgrößen der Einrichtung zur Erzeugung des Drehfeldes tragen nach dieser "Winkelkompensation" die gesuchte Winkelinformation, die in gewünschter Weise signaltechnisch, beispielsweise zu einer Steuerung einer weiteren Vorrichtung, weitergeleitet und verwendet werden kann. Aufgrund dieser "Winkelkompensationsmethode" könnte bei der entsprechend arbei­ tenden Vorrichtung auch von einer "elektronischen Balkenwaage für Winkel" gesprochen werden.

Im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren muß zugestanden werden, daß der Aufwand zur mathematischen Verarbei­ tung größer ist, als beispielsweise bei potentiometrischen Sen­ soren, jedoch ist heutzutage eine derartige Signalverarbeitung mit zumeist ohnehin vorhandenen Rechnern problemlos möglich, da derartige Rechner die erforderlichen mathematischen Aufgaben quasi "nebenbei" erledigen können. Außerdem wird zur Durchfüh­ rung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine gewisse Reaktionszeit benötigt, insbesondere, wenn im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens, was durchaus möglich wäre, eine digitale Regelung erfolgen soll; jedoch wären mit dem erfindungsgemäßen Verfahren trotzdem Betätigungsfrequenzen bis 10 Hertz möglich.

Demgegenüber sind im Vergleich zu den bekannten Winkel­ sensoren bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens die räumliche Erfassung von Winkeln, also beispielsweise zweier senkrecht aufeinander stehender Winkel, bei geringem Bauvolumen und mit einem sehr geringen Hilfsenergiebedarf ohne weiteres möglich.

Bei Verwendung eines elektrischen Potentialfeldes ist zudem beim erfindungsgemäßen Verfahren eine beachtliche elektro­ magnetische Störfestigkeit und Temperaturstabilität gegeben. Die Verwendung eines magnetischen Potentialfeldes würde besonders kleine, mikromechanische Dimensionen zulassen. Ein solches Feld müßte aber gut abgeschirmt sein, da es störanfälliger wäre.

Ein elektrisches Potentialfeld wird nach einer Weiter­ bildung der Erfindung in einfacher Weise durch Paare von gegen­ polig und diametral einander gegenüberliegend angeordneten Elek­ troden erzeugt. Beispielsweise könnte ein ebenes Potentialfeld mit Hilfe von vier Elektroden, also zwei Elektrodenpaaren, er­ zeugt werden, die kreuzförmig angeordnet sind. Es wären natür­ lich auch eine Vielzahl von Elektrodenpaaren, die sternförmig bzw. kranzförmig angeordnet sind, möglich. Bei einer entspre­ chend großen Anzahl von Elektrodenpaaren könnten hinreichend kleine Winkelprägungen realisiert werden.

Ein räumliches Potentialfeld, insbesondere ein mehr oder weniger kugelförmiges Potentialfeld, könnte in einfacher Weise bereits dadurch erzeugt werden, daß zusätzlich zu den vier kreuzweise angeordneten Elektroden, die ein ebenes Potentialfeld bilden, zwei weitere Elektroden als Elektrodenpaar auf der dritten orthogonalen Achse angeordnet sind. Letztlich wäre damit ein Potentialfeld mit einander überlagernden Drehfeldern und vektoriell überlagerten Drehfeldvektoren gegeben. In ähnlich zwangloser Weise wie sich die Drehfeldvektoren selbst vektoriell überlagern ist auch mit der erfindungsgemäßen Lösung in einfa­ cher zwangloser Weise die räumliche Erkennung einer Winkelstel­ lung mit geografischer Breite und geografischer Länge möglich.

Das Potentialfeld kann wenigstens mit einem Teilbereich in einem leitfähigen Stoff erzeugt werden, wozu ein flüssiger oder gasförmiger Stoff oder auch ein fester Stoff in Betracht kommt.

Hinzugefügt werden kann an dieser Stelle, daß die Ver­ wendung eines elektrischen Potentialfeldes sich auch deshalb an­ bietet, weil ein solches Feld keine Wandlung der Energieform seiner Eingangs- und Ausgangsgrößen erfordert, also seiner Steuerungsgrößen und seiner Kontrollgrößen.

Eine nächste Weiterbildung der Erfindung, für die auch selbständiger Schutz beansprucht wird, sieht vor, daß die mittels des Richtungsindikators auszuzeichnenden Punkte bzw. Punktbereiche durch den Richtungsindikator selbst durch Hervor­ rufung einer elektrischen Leitfähigkeit dieser bzw. der zu ihnen führenden Bereiche mit Potentialen aus den Elektroden versorgt werden.

Hierfür können insbesondere Materialien Verwendung finden, die bei Licht,- Druck- oder radioaktiver Strahlungsein­ wirkung leitfähig werden, wobei der Richtungsindikator über entsprechende Quellen oder Möglichkeiten verfügen müßte. Die vom Richtungsindikator auszuzeichnenden Bereiche würden bei einer solchen Lösung also gerade dadurch ausgezeichnet, daß sie durch den Richtungsindikator selbst leitfähig gemacht werden und da­ durch überhaupt ein Potential erhalten bzw. eine Potentialdiffe­ renz bilden, die erfaßbar ist. Hierzu könnte beispielsweise bei einem ebenen Potentialfeld ein konzentrischer Ringbereich, ent­ weder der Außenbereich oder der Innenbereich mit einem elektri­ schen Potential versorgt werden, während der konzentrische Kom­ plementärbereich, also der Innenbereich oder der Außenbereich noch ohne elektrische Versorgung ist, weil er von dem versorgten Bereich beispielsweise durch eine kreisförmige Widerstandsbahn elektrisch getrennt ist. Der unversorgte Bereich könnte in ein­ zelne versorgbare Segmente geteilt sein. Mittels des Richtungs­ indikators könnte zur Versorgung von bestimmten, insbesondere einander diametral gegenüberliegenden Segmenten, die an dieser Stelle vorhandene Widerstandsbrücke leitfähig gemacht werden. Beispielsweise könnte hierzu Halbleitermaterial verwendet werden, das durch entsprechende Einwirkung leitfähig wird. Diese Einwirkung könnte durch den Richtungsindikator selbst weitgehend berührungslos erfolgen, indem der Richtungsindikator einfach nur strahlende radioaktive Quellen oder Lichtquellen umfaßt, um ent­ sprechende voltaische Effekte hervorzurufen.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung der eingangs genannten Gattung, vorzugsweise zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, zeichnet sich in selbständiger Lösung der gestellten Aufgabe aus durch eine Einrichtung zur Erzeugung eines nach Art eines Drehfeldes gesteuert drehbaren Potentialfeldes, in dem der Richtungsindikator (Komparator) zwei Punkte auszuzeichnen in der Lage ist, eine Einrichtung zur Abgreifung einer vektoriell be­ schreibbaren Potentialdifferenz zwischen den ausgezeichneten Punkten, die mit dem Richtungsindikator nicht identisch sein muß, aber sein kann, eine Steuereinrichtung zur gesteuerten Drehung des Drehfeldes bzw. seines Drehfeldvektors und eine Regeleinrichtung zur Erfassung der Winkelbeziehung zwischen der Winkelposition des Drehfeldvektors und des Richtungsindikators anhand des Potentialdifferenzverlaufes der vom Richtungsindika­ tors abgegriffenen Potentialdifferenz bei Drehung des Drehfel­ des. Natürlich kann eine Signalverarbeitungseinrichtung zur Erzeugung, Verarbeitung, Verwertung und/oder Weitergabe eines auf dem Ausgang der Regeleinrichtung basierenden Signales vor­ gesehen sein.

Die Funktionsweise und die sich daraus ergebenden Vor­ teile einer solchen erfindungsgemäßen Vorrichtung sind sinngemäß bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert worden, so daß an dieser Stelle entsprechende Wieder­ holungen vermieden werden sollen. Entsprechend geben die An­ sprüche 9 bis 11 vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung wieder, die im Hinblick auf das erfindungsge­ mäße Verfahren schon angesprochen oder zumindest in ihren Mög­ lichkeiten und Vorteilen angedeutet worden sind.

Ausführungsbeispiele, aus denen sich weitere erfinderi­ sche Merkmale ergeben, sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen Prinzipaufbau des erfindungsgemäßen Winkel­ sensors für einen ebenen Winkel,

Fig. 2 geometrische Bestimmungsstücke für einen ebenen Winkel,

Fig. 3 geometrische Bestimmungsstücke für ebene Winkel­ paare "geografische Länge" und "geografische" Breite,

Fig. 4 einen Prinzipaufbau des erfindungsgemäßen Winkel­ sensors für Winkelpaare,

Fig. 5 einen Prinzipaufbau eines erfindungsgemäßen Win­ kelsensors für einen ebenen Winkel mit elektri­ schem Strömungsdrehfeld und optoelektronischer Kontaktierung,

Fig. 6 eine Vorderansicht eines Winkelsensors nach Fig. 5,

Fig. 7 einen ersten Schnitt durch einen erfindungsge­ mäßen Winkelsensor für einen ebenen Winkel mit elektrischem Strömungsdrehfeld und optoelektroni­ scher Kontaktierung mittels transparenter Kollek­ torbahnen,

Fig. 8 einen zweiten Schnitt durch den Winkelsensor nach Fig. 7 und

Fig. 9 eine Draufsicht einer erfindungsgemäßen Drehfeld­ einrichtung für eine digitale elektrische Ansteu­ erung.

Ein erfindungsgemäßer Winkelsensor nach dem Prinzip der Winkelkompensation ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. Der zu messende ebene mechanische Winkel α ist die Führungsgröße eines bekannten Folgeregelkreises. Der Winkel α wird mit einem Hebel 5 eingeleitet. Als Istwert fungiert der ebene Drehfeldwinkel α_feld. Er gibt die Richtung des Drehfeldvektors eines elektrisch steuerbaren Drehfeldes wieder. Das Feld selbst muß kein elektri­ sches sein.

Es kann z. B. ein magnetisches sein. Denkbar ist aber auch irgendein noch zu findendes Drehfeld, dessen Feldrichtung erstens definiert elektrisch steuerbar ist (vektorielle Überla­ gerung z. B. zweier in einem bestimmten mechanischen Winkel zu­ einander stehender Komponenten). Zweitens muß ein solches Dreh­ feld eine Nullpunkt oder Minimumindikation erlauben, welche auf die Differenz mechanischer Winkel - Feldwinkel anspricht.

Ein elektrisches Strömungsfeld bietet sich an, weil es keine Wandlung der Energieform seiner Eingangs- und Ausgangs­ größen erfordert und weil es aufgrund seiner hohen Energiedichte sehr störfest ist. Dann wird die Drehfeldeinrichtung 1 zu einer elektrischen Widerstandsscheibe mit vier Feldelektroden 6a bis 6d. Der Winkel α_feld hängt von den angelegten elektrischen Spannungen U_xx zwischen den Klemmen x und -x sowie U_yy zwischen den Klemmen y und -y im Idealfall wie folgt ab:

α_feld = Arctan (U_yy/U_xx).

Der Komparator 2 für ein elektrisches Strömungsfeld be­ steht aus einem drehbaren Elektrodenpaar. Zunächst stelle man sich einfach zwei Gleitkontakte 7a und 7b (Bürsten, Schleifer) vor, die eine Spannungsdifferenz ΔU_α mit Hilfe zweier beweg­ licher Leitungen 8a und 8b abgreifen. Diese Spannungsdifferenz ist bekanntlich der elektrischen Feldstärke des Strömungsfeldes und dem Abstand der Kontakte untereinander proportional. Sie hängt glücklicherweise noch von dem Winkel des Kontaktpaares zur Richtung des Strömungsfeldes ab:

ΔU_α ∼ sin (α-α_feld).

Bei sehr hoher Vorwärtsverstärkung der Regeleinrichtung 3 wird ΔU_α praktisch gleich Null. Dann folgt in guter Näherung:

sin (α-α_feld) = 0.

Dann schließlich

α = α_feld

aber auch α = α_feld + π.rad mit n = 0, 1, 2, . . ., was Mehrdeutig­ keiten ab π = 180° bedeutet. 360° lassen sich mit einer Dreh­ feldelektronik erreichen, die immer wieder bei 0° startet.

In der Regel wird das Winkelsignal in digitaler Form be­ nötigt. Die Signalverarbeitung 4 hat dann die Spannungen U_xx und U_yy zu digitalisieren, falls das nicht schon in der Regelschlei­ fe geschehen ist. Man denke an bekannte binär gestufte Kompensa­ tions- bzw. Iterationsverfahren mit einem elektrischen Digital- Analog-Wandler im Rückkopplungszweig. Abschließend ist

α = α_feld = Arctan (U_yy/U_xx)

oder eine der realen Drehfeldkennlinie angepaßte inverse trigo­ nometrische Funktion zu rechnen. Das kann mit Hilfe einer mathe­ matischen Reihe erfolgen. Damit die Quotienten den Wert 1 nicht überschreiten, kann man eine Bereichsteilung nach folgendem Muster einführen:

α = Arctan (Uyy/Uxx)	für 0 < α < = π/a
α = π/2 - Arctan (Uxx/Uyy)	für π/4 < α < = π/2
α = π/2 + Arctan (Uxx/Uyy)	für π/2 < α < = 3 π/4
α = π + Arctan (Uyy/Uxx)	für 3 π/4 < α < = π

Fig. 2 wurde bereits oben herangezogen. Hier sei wieder­ holt, daß ein ebener (oder räumlicher) Winkel durch das Verhält­ nis zweier Größen definiert ist. Man hat also in jedem Falle zwei Wege zu messen. Das umgeht man, wenn der Kreisradius kon­ stant ist, der dann eben nur einmal zu messen ist.

Fig. 3 führt in den Raum. Der ebene mechanische Winkel β steht für die "geografische Breite". Gebietet man über ein räumliches Drehfeld mit den Eingangsgrößen U_xx, U_yy und U_zz, so kann man folgendes Winkelpaar mathematisch gewinnen:

α= Arctan (U_yy/U_xx) "geographische Länge",
β= Arctan (U_zz/(U_xx ² + U_yy ²)^1/2) "geografische Breite"

Wie dies verwirklicht werden kann, zeigt Fig. 4. Man formt die Widerstandsscheibe aus Fig. 1 zu einer Kugel. Die Drehfeldeinrichtung 1 besteht nun aus einer Widerstandskugel und sechs Feldelektroden 6a bis 6f. Der Komparator 2 ist jetzt zwei­ achsig. Sein Hebelarm 5 vermag in der x-y-Ebene den ebenen me­ chanischen Winkel α einzunehmen und zugleich gewissermaßen vom Äquator aus in Richtung Pol den ebenen mechanischen Winkel β zu haben.

Dieser erfindungsgemäße Sensor für Winkelpaare funktio­ niert ebenfalls nach dem unter Fig. 1 beschriebenen Prinzip der Winkelkompensation. Der Komparator 2 trägt vier kreuzförmig an­ geordnete Kontakte 7a bis 7d, die man sich der Anschaulichkeit halber als Gleitkontakte vorstellen kann. Sie bewegen sich auf der Kugeloberfläche. Die Regelabweichungen ΔU_α und ΔU_β gelan­ gen über vier bewegliche Leitungen 8a bis 8d zur Regeleinrich­ tung 3.

Die Feldelektroden 6a bis 6f für die y-, y- und z-Feld­ vektorkomponenten befinden sich im Inneren der Kugel. Man er­ kennt den Unterschied bezüglich der Einspeisung für die Wider­ standsscheibe in Fig. 1: Auch das Streufeld außerhalb der x-, y- und z-Feldelektroden läßt eine Winkeldetektion zu, allerdings mit geringerem Signalhub in der Umgebung des Nullpunktes. Liegt der Komparator 2 im Kugelinneren, braucht der Hebel 5 ein Betä­ tigungsfenster auf Kosten der Arbeitsfläche, falls eine starre mechanische Kopplung gewählt wird.

Aus den drei Teilen der Regelgröße U_xx, U_yy und U_zz sind die Winkel α und β - wie oben zu Fig. 3 aufgeschrieben - zu be­ rechnen.

Auch wäre es interessant, ein 3D-Anzeigegerät zu spei­ sen. Dazu könnte man die erfindungsgemäße Drehfeldeinrichtung verwenden. Beispielsweise so: Führungsgrößen sind U_xx, U_yy und U_zz. α und β als Regelgrößen folgen motorgetrieben. Ein raumbe­ weglicher Zeiger erreicht seine Endlage für ΔU_α ≈ 0 und ΔU_β ≈ 0.

Fig. 5 illustriert ein Prinzip eines berührungslos ar­ beitenden erfindungsgemäßen Winkelsensors. Die Drehfeldeinrich­ tung 1 setzt sich zusammen aus einer Widerstandsbahn (eigentlich Hohlzylinder) und vier Feldelektroden 6a bis 6d. 9a und 9b sind die Hälften einer geteilten Kollektorbahn (Schleifring), die ΔU_α weiterleiten.

Nachteilig ist die mechanische Kommutierung des Kompa­ ratorsignals ΔU_α was mit zwei 360°-Kollektorbahnen verhindert oder durch eine entgegengerichtete elektronische Kommutierung ausgeglichen werden kann.

Die elektrisch leitende Verbindung zwischen Widerstands- und Kollektorring wird durch eine lichtempfindliche Widerstands­ bahn 10 realisiert. Das kann ein Fotowiderstand (oder Fotolei­ ter) sein, aber auch eine Halbleitersperrschicht (Fotodiode als lichtgesteuerter Widerstand). Ein um α drehbarer zweiarmiger Lichtverteiler 11 transportiert die elektromagnetische Strahlung einer feststehenden Lichtquelle 12 mit ihrem Emissionszentrum 12a zu den Kontaktorten. Diese beiden "optoelektronischen Brücken" führen zu zwei elektrischen Potentialen für den Span­ nungsabfall ΔU_α. Der Bedarf an Hilfsenergie ist uner­ wünscht, jedoch gering. So reicht ein Speisestrom unter 1 mA für eine herkömmliche Infrarotluminiszenzdiode. Wird ein solcher Winkelsensor in heller Umgebung betrieben, läge eine zusätzliche Einspeisung von Umgebungslicht als "Kontaktlicht" nahe.

Fig. 6 zeigt anhand eines "Drahtmodells", wie die Bau­ gruppe aus Fig. 5 komplettiert werden kann. Drehfeldeinrichtung 1, lichtempfindliche Widerstandsbahn 10 und Kollektorbahnen 9a und 9b liegen auf einem Substrat 13, welches auch einen ringför­ migen integrierten Schaltkreis 14 für eine Regel- und Signalver­ arbeitungselektronik beherbergt. Der Lichtverteiler 11 wird von einer topfförmigen Blende 15 aufgenommen. Die Blende 15 soll verhindern, daß Streulicht undefiniert auf die lichtempfindliche Widerstandsbahn 10 fällt. In der Blende 15 sitzt ein Lager 16. Die zugehörige Achse 17 ist hohl und fest mit dem Gehäusedeckel 18 verbunden. Angetrieben werden Blende 15, Lichtverteiler 11 und Lager 16 von einer Welle 20. Diese dreht sich um den zu messenden Winkel α in einem Lager 21, welches von einem Gehäu­ setopf 19 gehalten wird. Elektrische Verbindungen sind wegge­ lassen. Zur Größenvorstellung seien mögliche Abmessungen ge­ nannt: Gehäusetopf 19 mit Durchmesser = 15 mm, Höhe = 12 mm. Welle 20 mit Durchmesser = 4 mm.

Fig. 7 und 8 sollen eine Drehfeldeinrichtung 1 für elek­ trische Strömungsfelder mit zwei 360°-Kollektorbahnen für das Komparatorsignal ΔU_α verdeutlichen. Auch sieht man eine Auf­ bauvariante mit der Welle 20 auf der Oberseite des Substrats 13. Die Kollektorbahnen 9a und 9b sind lichtdurchlässig (transpa­ rente Dünnschichtelektroden). Die beiden Lichtbündel des Licht­ verteilers 11, der nunmehr in eine optische Verteilerplatte ge­ bettet ist, scheinen durch die Kollektorbahnen 9a und 9b auf die lichtempfindlichen Widerstandsbahnen 10a und 10b. Man bemerkt, daß das Komparatorsignal ΔU_α nicht konzentrisch abgegriffen wird. Trotzdem wird die Richtung des Drehfeldvektors mit einem Nullsignal detektiert, wenn die Gerade durch die beiden Schwer­ punkte der Lichtflecke senkrecht auf dem Vektor des elektrischen Strömungsfeldes steht. Die Blende 15 dämpft Streulicht auf die jeweils benachbarte lichtempfindliche Widerstandsbahn 10a oder 10b, welche als dünne Fotowiderstands- oder Halbleitersperr­ schichten ausgeführt sein kann. Die Drehfeldeinrichtung 1 mit ihren vier Feldelektroden 6a bis 6d liegt als Widerstandsbahn auf dem Substrat 13. Dieses trägt sechs Anschlußflächen X, Y, -X -Y und zwei Anschlußflächen ΔU_α, die mittels sechs Leiterbah­ nen bzw. Bonddrähten 23a bis 23f kontaktiert sind. Die Licht­ quelle 12 befindet sich ebenfalls auf dem Substrat 13 unter dem Drehpunkt der Welle 20.

Ergänzend eine nicht gezeichnete Variante für zwei kon­ zentrische 360°-Leiterbahnen: Diese liegen beiderseits einer z. B. halbleitenden Widerstandsscheibe. Zwei drehstarr gekoppelte optische Verteilerplatten transportieren die elektromagnetische Strahlung jeweils auf Ober- und Unterseite der Widerstands­ scheibe.

Fig. 9 ist ein konzeptionelles Modell für die Drehfeld­ einrichtung 1 eines weiteren digitalen erfindungsgemäßen Winkel­ sensors.

Die Richtungen eines Drehfeldvektors werden quantisiert. Die bisherigen Ausführungsbeispiele gingen von der Drehfeldein­ richtung 1 mit vier Feldelektroden 6a bis 6d aus. Die zwischen ihnen erzeugten Feldvektoren überlagerten sich zu einem resul­ tierenden Drehfeldvektor einer bestimmten Richtung.

Erlaubt man nun für die Feldspannung U_xx und U_yy ledig­ lich die Werte +U_o, -U_o und Null, und können zwei nebeneinander und gegenüberliegende Feldspannungen gleichzeitig anliegen (vgl. Halbschrittbetrieb bei Schrittmotoren), so sind maximal acht 45°-Sprünge eines Drehfeldvektors möglich. Verfügt man über acht statt vier Feldelektroden, halbiert sich die Schrittweite der Winkelsprünge auf 360°/(2*8) = 22,5°. Für 0,1°-Winkelschritte wären folglich 360°/(2*0,1∘) = 1800 Feldelektroden anzuschließen Nimmt man den Durchmesser einer Kontaktscheibe 24 mit 10 µm und einen Isolationsabstand von 5 µm an, wäre ein minimaler Teil­ kreisdurchmesser von ungefähr 8,6 mm erforderlich; ohne Halb­ schrittbetrieb ungefähr 17,2 mm.

Der Anschaulichkeit halber sind nur 36 Feldelektroden 6.1 bis 6.36 gezeichnet. Jede ist mit einem Analogschalter 25 verbunden, von denen mindestens zwei diametral positionierte eingeschaltet sind. Auf diese Weise entsteht im elektrischen Strömungsfeld der Drehfeldeinrichtung 1 ein Vektor, dessen Feld­ winkel davon abhängt, welche Schalterpaare aktiv sind. Ein Da­ tenwort steuert die Eingänge der Analogschalter 25.1 bis 25.36. Aufgrund einer eindeutigen und stabilen Zuordnung von Datenwort und Drehfeldwinkel α_feld kann dieses Datenwort als digitale Kom­ pensationsgröße herhalten. Eine geeignete Steuerelektronik für eine sukzessive Approximation könnte durch Variation bekannter elektronischer Potentiometerschaltungen gewonnen werden. Denkbar ist ferner eine Kombination von digitaler und analoger Nachfüh­ rung des Drehfeldwinkels α_feld.

Abschließend zum Einsatz magnetischer Permanentfelder und magnetischer Wechselfelder.

Als Komparator in einem Permanentmagnetfeld könnte eine magnetoresistive Brückenschaltung drehbar gelagert werden. Ein magnetisches Drehfeld wäre mit Flachspulen in Dünnschichttechnik machbar. Mikromechanische Dimensionen sind vorstellbar, aller­ dings wiegen folgende Nachteile schwer: 2 bis 4 bewegte Kompa­ ratorelektroden oder entsprechende Gleitkontakte; kleines Kom­ paratorsignal bei großer Hilfsenergie; störanfällig gegenüber äußeren Magnetfeldern; Offsetprobleme.

In einem magnetischen Wechselfeld reicht eine Induk­ tionsspule als Komparator. Nachteilig ist der erhebliche Aufwand an Hilfsenergie. Dennoch wäre zu untersuchen, ob sich erfin­ dungsgemäße Winkelsensoren mit einer Art mikroelektronischer und mikromechanischer Spulentechnik bauen ließen. So kann man mit einem einfachen Leiterkreuz Drehfelder - wenn auch recht ener­ giearme - erzeugen. Problematisch scheint eine an das Induk­ tionsgesetz gebundene Spulengeometrie für extrem kleine Luft­ spalte zu sein.

Claims (10)

1. Verfahren zur Erkennung einer Winkelstellung bzw. einer Änderung einer Winkelstellung eines in seiner Winkel­ stellung veränderbaren Richtungsindikators dadurch gekennzeichnet, daß mittels des als Komparator verwendeten Richtungsindikators zwei Punkte eines ebenen oder räumlichen Potentialfeldes ausge­ zeichnet werden, deren vektoriell zu beschreibende Potentialdif­ ferenz abgegriffen wird, und daß die Winkelposition des Rich­ tungsindikators erkannt wird, indem das Potentialfeld nach Art eines Drehfeldes gesteuert gedreht wird und ein Extremum der abgegriffenen Potentialdifferenz aufgesucht wird, bei dessen Vorliegen die Winkelstellung des Richtungsindikators und die Winkelstellung des Drehfeldvektors des Drehfeldes eine definier­ te bekannte Winkeldifferenz besitzen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Potentialfeld ein elektrisch steuerbares Drehfeld er­ zeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Potentialfeld mittels Paaren von gegenpolig und diame­ tral einander gegenüberliegend angeordneter Elektroden erzeugt wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Potentialfeld mit einander überlagernden Drehfeldern und vektoriell überlagerter Drehfeldvektoren erzeugt wird.

5. Verfahren zur Erkennung einer Winkelstellung, vor­ zugsweise nach Anspruch 2 und einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mittels des Richtungsanzeigers auszuzeichnenden Punkte bzw. Punktbereiche durch den Richtungsindikator selbst durch Hervorrufung einer elektrischen Leitfähigkeit dieser bzw. der zu ihnen führenden Bereiche mit Potentialen aus den Elektroden versorgt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Ver­ wendung eines bei Licht-, Druck- oder radioaktiver Strahlungs­ einwirkung leitfähig werdenden Materials zur Einwirkung des mit einer entsprechenden Quelle bzw. Möglichkeit ausgestatteten Richtungsindikators.

7. Vorrichtung zur Erkennung einer Winkelstellung bzw. einer Änderung einer Winkelstellung eines zur Vorrichtung ge­ hörenden, in seiner Winkelstellung veränderbaren Richtungsin­ dikators, vorzugsweise zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (1) zur Erzeugung eines nach Art eines Dreh­ feldes gesteuert drehbaren Potentialfeldes, in dem der Rich­ tungsindikator (Komparator 2) zwei Punkte auszuzeichnen in der Lage ist, eine Einrichtung zur Abgreifung einer vektoriell beschreibbaren Potentialdifferenz zwischen den ausgezeichneten Punkten, eine Steuereinrichtung zur gesteuerten Drehung des Drehfeldes bzw. seines Drehfeldvektors und eine Regeleinrichtung (3) zur Erfassung der Winkelbeziehung zwischen der Winkelposi­ tion des Drehfeldvektors und des Richtungsindikators (2) anhand des Potentialdifferenzverlaufes der vom Richtungsindikator abge­ griffenen Potentialdifferenz bei Drehung des Drehfeldes.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Paare von gegenpolig und einander gegenüberliegend angeordneten, vorzugsweise elektrischen Elektroden zur Erzeugung eines ebenen oder räumlichen Potentialfeldes und durch eine an die Potential­ feldform angepaßte Orientierungs- bzw. Führungsfläche (10) für den Richtungsindikator (2).

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Orientierungsfläche (10) entlang der die Auszeichnungs­ bereiche (7) des Richtungsindikators (2) zur Auszeichnung von Punktbereichen des Potentialfeldes bewegbar sind als Wider­ standsbahn bzw. -fläche ausgebildet ist, die mit im Bereich der Auszeichnungsflächen (7) des Richtungsindikators (2) angeordne­ ten bzw. vorhandenen Quellen (12) oder Organen zur Versorgung mit Potentialen aus den Elektroden (6) leitfähig zu machen sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Richtungsindikator (2) über Lichtquellen (12), radioak­ tive Quellen oder Druckorgane verfügt und die Widerstandsbahn bzw. -fläche (10) mit einer entsprechenden Empfindlichkeit aus­ gestaltet ist.