DE19643495C2 - Vorrichtung zur Erkennung einer Winkelstellung eines Richtungsindikators - Google Patents
Vorrichtung zur Erkennung einer Winkelstellung eines RichtungsindikatorsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erkennung
einer Winkelstellung bzw. einer Änderung einer Winkelstellung
eines in seiner Winkelstellung veränderbaren Richtungsindi
kators.
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.
Aus der US 5 530 347 sind eine halbautomatische Vorrich
tung und eine Methode zum Lesen der Koordinaten eines Objektes
mit einer komplizierten Oberflächenstruktur und zur Einspeisung
der entsprechenden Daten in einen Computer, die auf einer Induk
tion basieren, bekannt. Es sollen mit der bekannten Vorrichtung
also nicht Winkel gemessen werden, sondern Koordinaten bestimmt
werden, die in einen Computer insoweit automatisch eingegeben
werden. Dazu wird die Oberfläche zur Festlegung der in den Com
puter einzuspeisenden Punkte mit einer Art Griffelspitze abge
tastet.
Die DE 37 37 434 A1 zeigt nur prinzipiell auf, wie die
Drehstellung und die Drehgeschwindigkeit eines Rotors auf der
Grundlage einer Extremalwertindikation bestimmt werden kann.
Dieser Problematik zum Stand der Technik Rechnung tra
gend, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
vorzuschlagen, welche entsprechende Vorteile bekannter Winkel
sensoren vereinigt und gleichzeitig deren Nachteile soweit wie
möglich vermeidet, insbesondere um etwa so genau zu arbeiten wie
mit einem Potentiometer, und zwar langzeitstabil und unempfind
lich gegenüber thermischen, elektrischen, magnetischen, mechani
schen Störgrößen, 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 mit den Merkmalen im Patentanspruch 1
gelöst.
Ein Extremum wird sich vorrangig als Potentialminimum
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 Lösung ist darauf hinzuweisen, daß hierbei
der Richtungsindikator selbst nicht unbedingt berührungslos
arbeiten muß, aber ggf. berührungslos arbeiten kann, wie im
nachfolgenden noch erläutert wird, jedoch die Erfassung der Win
kelstellung des Richtungsindikators durch die Drehfelddrehung in
quasi berührungslos, und damit verschleißfrei, erfolgt, weil der
Drehfeldvektor nicht körperlich existiert. Vorzugsweise wird
hierzu ein elektrisch steuerbares Drehfeld erzeugt, wobei die
Forderung der elektrischen Steuerbarkeit nicht unbedingt bedeu
tet, daß das Drehfeld selbst elektrisch erzeugt sein muß bzw.
das Drehfeld ein elektrisches Potentialfeld sein muß.
Die Vorrichtung kann mit Hilfe eines ebenen Potential
feldes genauso verwirklicht werden, wie unter Anwendung eines
räumlichen Potentialfeldes. Bei Erzeugung eines räumlichen Po
tentialfeldes und einer entsprechenden Winkelverstellbarkeit des
Richtungsindikators ist unmittelbar die Erkennung der Winkel
stellung des Richtungsindikators im Raum mit nur einem entspre
chend arbeitenden Winkelsensor mit Vorteil möglich.
Die Arbeitsweise der Vorrichtung 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 auch von einer "elektroni
schen Balkenwaage für Winkel" gesprochen werden.
Im Zusammenhang mit der Vorrichtung muß zugestanden wer
den, daß der Aufwand zur mathematischen Verarbeitung größer ist,
als beispielsweise bei potentiometrischen Sensoren, 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 eine gewisse Reaktionszeit
benötigt, insbesondere, wenn eine digitale Regelung erfolgen
soll; jedoch wären trotzdem Betätigungsfrequenzen bis 10 Hertz
möglich.
Demgegenüber sind im Vergleich zu den bekannten Winkel
sensoren die räumliche Erfassung von Winkeln, also beispiels
weise zweier senkrecht aufeinander stehender Winkel, bei gerin
gem Bauvolumen und mit einem sehr geringen Hilfsenergiebedarf
ohne weiteres möglich.
Bei Verwendung eines elektrischen Potentialfeldes ist
eine beachtliche elektromagnetische Störfestigkeit und Tempera
turstabilität gegeben. Die Verwendung eines magnetischen Poten
tialfeldes 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.
Die mittels des Richtungsindikators auszuzeichnenden
Punkte bzw. Punktbereiche können durch den Richtungsindikator
selbst durch Hervorrufung 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.
Natürlich kann eine Signalverarbeitungseinrichtung zur
Erzeugung, Verarbeitung, Verwertung und/oder Weitergabe eines
auf dem Ausgang der Regeleinrichtung basierenden Signales vor
gesehen sein.
Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Prinzipaufbau eines Winkelsensors
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 eines Winkelsensors für
Winkelpaare,
Fig. 5 einen Prinzipaufbau eines Winkelsensors für einen
ebenen Winkel mit elektrischem Strömungsdrehfeld
und optoelektronischer Kontaktierung,
Fig. 6 eine Vorderansicht eines Winkelsensors nach Fig. 5
Fig. 7 einen ersten Schnitt durch einen Winkelsensor für
einen ebenen Winkel mit elektrischem Strömungs
drehfeld und optoelektronischer Kontaktierung
mittels transparenter Kollektorbahnen,
Fig. 8 einen zweiten Schnitt durch den Winkelsensor nach
Fig. 7 und
Fig. 9 eine Draufsicht einer Drehfeldeinrichtung für
Ein 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
αfeld. Er gibt die Richtung des Drehfeldvektors eines
elektrisch steuerbaren Drehfeldes wieder. Das Feld selbst muß
kein elektrisches 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 αfeld hängt von den angelegten elektrischen
Spannungen Uxx zwischen den Klemmen x und -x sowie Uyy zwischen
den Klemmen y und -y im Idealfall wie folgt ab:
αfeld = Arctan (Uyy/Uxx).
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 ΔUα 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:
ΔUα ~ sin (α - αfeld)
Bei sehr hoher Vorwärtsverstärkung der Regeleinrichtung
3 wird ΔUα praktisch gleich Null. Dann folgt in guter Näherung:
sin (α - αfeld) = 0
Dann schließlich
α = αfeld
aber auch α = αfeld + π . n 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 Uxx und
Uyy 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 = αfeld = Arctan (Uyy/Uxx)
oder eine der realen Drehfeldkennlinie angepaßte inverse trigo
nometrische Funktion zu rechnen. Das kann mit Hilfe einer mathe
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/4 |
α = π/2 - Arctan (Uxx/Uyy) | für π/4 < α ≦ π/2 |
α = π/2 + Arctan (Uxx/Uyy) | für π/2 < α ≦ 3π/4 |
α = π + Arctan (Uyy/Uxx) | für 3π/4 < α ≦ π |
Fig. 2 wurde bereits oben herangezogen. Hier sei wieder
holt, daß ein ebener (oder räumlicher) Winkel durch das Verhält
nis zweier (oder dreier) Größen definiert ist. Für ebene Winkel
hat man also in jedem Falle zwei Wege zu messen. Das umgeht man,
wenn der Kreisradius konstant 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 Uxx, Uyy und Uzz, so
kann man folgendes Winkelpaar mathematisch gewinnen:
α = Arctan (Uyy/Uxx) "geographische Länge",
β = Arctan (Uyy/(Uxx 2 + Uyy 2)1/2) "geografische Breite"
β = Arctan (Uyy/(Uxx 2 + Uyy 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.
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 ΔUα und ΔUβ gelan
gen über vier bewegliche Leitungen 8a bis 8d zur Regeleinrich
tung 3.
Die Feldelektroden 6a bis 6f für die x-, 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 Uxx, Uyy und Uzz 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 Drehfeldeinrichtung verwenden.
Beispielsweise so: Führungsgrößen sind Uxx, Uyy und Uzz. und β
als Regelgrößen folgen motorgetrieben. Ein raumbeweglicher
Zeiger erreicht seine Endlage für ΔUα ≈ 0 und ΔUβ ≈ 0.
Fig. 5 illustriert ein Prinzip eines berührungslos ar
beitenden Winkelsensors. Die Drehfeldeinrichtung 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 ΔUα weiterleiten.
Nachteilig ist die mechanische Kommutierung des Kompa
ratorsignals ΔUα 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 ΔUα. 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 ΔUα 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 ΔUα 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 ΔUα, 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 Uxx und Uyy ledig
lich die Werte +Uo, -Uo 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
keisdurchmesser 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 αfeld 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 αfeld.
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 (4)
1. Vorrichtung zur Erkennung einer Winkelstellung eines Richtungsindikators,
der um einen Drehpunkt in eine bestimmte Winkelstellung drehbar ist,
mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines ebenen oder räumlichen Potentialfeldes,
wobei mit dem Richtungsindikator eine Potentialdifferenz in dem Potentialfeld abge griffen wird,
und mit einer Regeleinrichtung, die das Potentialfeld nach Art eines Drehfeldes dreht bis die mit dem Richtungsindikator abgegriffene Potentialdifferenz ein Extremum er reicht, und daraus die Winkelstellung bestimmt.
mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines ebenen oder räumlichen Potentialfeldes,
wobei mit dem Richtungsindikator eine Potentialdifferenz in dem Potentialfeld abge griffen wird,
und mit einer Regeleinrichtung, die das Potentialfeld nach Art eines Drehfeldes dreht bis die mit dem Richtungsindikator abgegriffene Potentialdifferenz ein Extremum er reicht, und daraus die Winkelstellung bestimmt.
2. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Po
tentialfeld von Paaren gegenpolig und einander gegenüberliegend angeordneter Elek
troden erzeugt wird.
3. Vorrichtung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
Richtungsindikator das Potentialfeld über Widerstandsflächen abgreift.
4. Vorrichtung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ab
griff des Richtungsindikators über Lichtquellen, radioaktive Quellen oder Druckorgane
auf entsprechend empfindliche Widerstandsflächen erfolgt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1996143495 DE19643495C2 (de) | 1996-10-22 | 1996-10-22 | Vorrichtung zur Erkennung einer Winkelstellung eines Richtungsindikators |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19643495A1 DE19643495A1 (de) | 1998-04-30 |
DE19643495C2 true DE19643495C2 (de) | 2000-04-27 |
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ID=7809402
Family Applications (1)
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DE1996143495 Expired - Fee Related DE19643495C2 (de) | 1996-10-22 | 1996-10-22 | Vorrichtung zur Erkennung einer Winkelstellung eines Richtungsindikators |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19643495C2 (de) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB1348378A (en) * | 1970-09-18 | 1974-03-13 | Pullan B R | Apparatus providing signals corresponding to the position of points on a surface |
DE3737434A1 (de) * | 1987-11-04 | 1989-05-24 | Duerrwaechter E Dr Doduco | Verfahren zum bestimmen der drehwinkelstellung einer drehbar gelagerten elektrischen wicklung und schaltungsanordnung zur ausfuehrung des verfahrens |
DE3411979C2 (de) * | 1983-03-30 | 1990-10-18 | Siemens Ag, 1000 Berlin Und 8000 Muenchen, De | |
US5530347A (en) * | 1992-06-24 | 1996-06-25 | Andre A. M. Heerwegh | Induction-based semi-automatic device and method for reading coordinates of objects with a complicated structure and inputting data thereon into a computer |
DE69209017T2 (de) * | 1991-12-09 | 1996-10-02 | Neopost Ind | Winkelposition-Sensor mit fortlaufender geschlossener Widerstandsspur und Messverfahren dafür |
-
1996
- 1996-10-22 DE DE1996143495 patent/DE19643495C2/de not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB1348378A (en) * | 1970-09-18 | 1974-03-13 | Pullan B R | Apparatus providing signals corresponding to the position of points on a surface |
DE3411979C2 (de) * | 1983-03-30 | 1990-10-18 | Siemens Ag, 1000 Berlin Und 8000 Muenchen, De | |
DE3737434A1 (de) * | 1987-11-04 | 1989-05-24 | Duerrwaechter E Dr Doduco | Verfahren zum bestimmen der drehwinkelstellung einer drehbar gelagerten elektrischen wicklung und schaltungsanordnung zur ausfuehrung des verfahrens |
DE69209017T2 (de) * | 1991-12-09 | 1996-10-02 | Neopost Ind | Winkelposition-Sensor mit fortlaufender geschlossener Widerstandsspur und Messverfahren dafür |
US5530347A (en) * | 1992-06-24 | 1996-06-25 | Andre A. M. Heerwegh | Induction-based semi-automatic device and method for reading coordinates of objects with a complicated structure and inputting data thereon into a computer |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE19643495A1 (de) | 1998-04-30 |
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Legal Events
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: SCHOLZ, PETER, DR.-ING., 82140 OLCHING, DE |
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D2 | Grant after examination | ||
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8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |