DE2312044A1

DE2312044A1 - Mehrphasentachometer

Info

Publication number: DE2312044A1
Application number: DE2312044A
Authority: DE
Inventors: Johannes Cornelis Vermeulen
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1972-03-20
Filing date: 1973-03-10
Publication date: 1973-10-04
Also published as: FR2176685B1; GB1406902A; US3757128A; JPS4919867A; FR2176685A1

Description

Böblingen, den 21. Februar 1973 bm-aa 23 1204 A

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Ämtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anroelderin: BO 972 002

Hehrphas entachometer

Die Erfindung betrifft ein Mehrphasentachometer mit einer Strahlungsquelle und dieser zugeordneten strahlungsempfindlichen Detektoren, bei dem im Strahlungsweg ein mit einander abwechselnden strahlungsdurchlässigen und s tr ah lungs undurchlässigen Abschnitten bestimmter Form und Teilung versehenes, bewegbares Tachoinetereleinent zur abwechselnden Unterbrechung und Freigabe des Strahlungsweges und vor den Detektoren eine Maske zur Begrenzung der bestrahlten Fläche vorgesehen sind.

Mehrphasentachometer sind gewöhnlich abhängig von der relativen Lage der Detektoren, des bewegbaren Taehometerelementes und der Maske vor den Detektoren untereinander abhängig, d.h. die Phase zwischen den Ausgangssignalen ändert sich mit der relativen Lage eines dieser Elemente. Bei Zweiphasentachoinetern beträgt die Phasendifferenz zwischen den beiden Signalen normalerweise 90°, während bei einem Dreiphasentachoineter die Signale gleichen Abstand untereinander aufweisen. Lageänderungen einzelner Bauelemente eines Tachometers bewirken auch eine Änderung der Pnasenbeziehungen zwischen den Signalen, wodurch Fehlerbedingungen geschaffen werden. Auch beim unterschiedlich starken Altern der einzelnen Tachometerelemente können sich das Hell/Dunkel-Verhältnis sowie die Ausgangssignale ändern. Weiterhin können Verunreinigungen verschiedene Strahlungsinten-

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sitäten an den beiden Detektoren bewirken» Dieser Effekt ist besonders zu beachten bei räumlich getrennten Detektoren.

Es ist bekannt, Mehrphasentachometer mit beispielsweise bis zu 6 Phasen herzustellen. Der Abstand zwischen den Strahlungsdetektoren wird dabei jedoch sehr groß, wodurch die Empfindlichkeit gegenüber unerwünschten Phasenverschiebungen zwischen den einzelnen Aus gangs Signalen noch zunimmt. Zur Herabsetzung dieser Verschiebungen müssen die Detektoren genau justiert werden, was sehr zeitaufwendig ist und kostspielige justierbare Haltevorrichtungen erfordert. Es können jedoch auch dann noch Phasenverschiebungen auftreten, die z.B. durch Vibrationen der mit dem Tachometer verbundenen Maschine verursacht werden.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Mehrphasentachometer anzugeben, daß trotz eines relativen einfachen Aufbaus das Auftreten von unerwünschten Phasenverschiebungen zwischen den einzelnen Ausgangssignalen weitgehend verhindert. Diese Aufgabe wird bei den anfangs genannten Mehrphasentachometer erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Detektoren aus mehreren, in ihrer Anzahl derjenigen der Phasen entsprechenden Gruppen von jeweils elektrisch miteinander verbundenen, parallel zu den Abschnitten des Tachometerelementes verlaufenden, strahlungsempfindlichen Bereichen bestehen, wobei jeweils einzelne Bereiche der verschiedenen Gruppen abwechselnd nebeneinander angeordnet sind und parallel in einem Abstand voneinander verlaufen, der kleiner ist als die Teilung der auf dem Tachometerelement befindlichen Abschnitte. Vorzugsweise ist innerhalb einer Teilung der auf dem Tachometerelement befindlichen Abschnitte jeweils ein strahlungsempfindlicher Bereich der verschiedenen Gruppen angeordnet, wobei die Bereiche einer Gruppe jeweils einen Abstand von einer Teilung untereinander aufweisen. Das Tachometerelement und die Detektoren sind in geeigneter Weise in einer senkrecht zur Längsrichtung der Abschnitte des Tachometerelementes und der strahlungsempfindlichen Bereiche verlaufenden Richtung gegeneinander bewegbar.

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Die Erfindung wird iin folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 die vereinfacht dargestellte Anordnung eines

beanspruchten Mehrphasentachometers,

Fig. 2 die Anordnung der einzelnen Detektorelemente und

der auf dem Tachometerelement befindlichen Abschnitte in einer bekannten Vorrichtung,

Fig. 3 zwei sinusförmige Ausgangssignale eines zwei-

phasentachometers in idealisierter Form,

Fig. 4 die Anordnung der einzelnen Detektorbereiche

und der Abschnitte auf dem Tachometerelement bei einem beanspruchten Mehrphasentachometer,

Fig. 5 die Abhängigkeit der Phasenbeziehung von relativen Lageänderungen bei einem bekannten und einem beanspruchten Zweiphasentachometer,

Fig. 6 einen in einem Halbleiterplättchen hergestellten

Detektor und

Fig. 7 die vereinfachte Darstellung eines Dreiphäsen-

tachometers.

Die Fig. 1 enthält ein Tachometer mit einer durchsichtigen Scheibe 10. Es können in gleicher Weise Tachometer mit reflektierenden Scheiben verwendet werden. Eine Lichtquelle 11 sendet einen durch die Scheibe 10 hindurchgehenden Lichtstrahl 12 aus. Eine Maske 13, die vorzugsweise direkt vor einem Detektorelement 14 angeordnet ist, begrenzt die Fläche des auftreffenden Lichtes. Das Detektorelement 14 liefert über die Leitungen 15 und 16

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zwei um 90° gegeneinander versetzte Signale zu einem Detektorkreis 17. Dieser sendet ein Geschwindigkeit»- und ein Richtungssignal zu einer Motorsteuerung 18. Von dieser wird der
Motor 19 entsprechend den vom Detektorkreis 17 gelieferten
Signalen gesteuert. Eine solche Tachometeranordnung kann beispielsweise für den Kapstanantrieb bei Magnetbandgeräten verwendet werden.

Alle Detektorbereiche 21 für beide Phasen des Tachometersignals liegen dem gleichen, durch die Maske 13 begrenzten Bogen der Scheibe 10 gegenüber. Abgesehen von geringen Justierungen des Detektorelementes 14 relativ zur Maske 13 und zur Scheibe 10 werden keine unerwünschten Phasenverschiebungen der Signale auf den Leitungen 15 und 16 festgestellt, d.h. bei einem Zweiphasentachometer mit 90 Phasenverschiebung bleibt diese Phasenverschiebung auch bei geringen Veränderungen der Lage des Detektorelementes 14 gegenüber der Maske 13 oder der Scheibe 10 erhalten.

Die Fig. 3 zeigt zwei idealisierte sinusförmige Signale 23 und 24, die untereinander eine Phasenverschiebung von 9O besitzen. Werden diese Signale von der bekannten Anordnung nach Fig. 2 erzeugt, dann bewirken bereits geringe Lageveränderungen der Detektorelemente eine erhebliche zusätzliche Phasenverschiebung, wie durch die Pfeile 25 in Fig. 3 angedeutet ist.

In Fig. 2 stellen die schraffieren Rechtecke 27 die undurchlässigen Abschnitte einer Tachometerscheibe dar, während die Spalte zwischen ihnen den durchsichtigen Abschnitten entsprechen. Die Signale 23 und 24 werden von den Detektorbereichen 30 und 31 erzeugt, die unterhalb der benachbarten Maskenöffnungen 32 und 33 liegen. In Fig. 2 sind die Detektorbereiche 30 und 31 in ihrer idealen Lage gegenüber den Rechtecken 27 auf der Detektorscheibe und den öffnungen 32 und 33 dargestellt. Wenn die Detektorbereiche jedoch radial oder tangential bezüglich der Tachometerscheibe oder axial in Richtung der Ro-

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tationsachse verschoben werden, dann ergibt sich eine unerwünschte Phasenverschiebung zwischen den Signalen 23 und 24, die von der Geometrie des Detektorsystems abhängt. Die zusätzliche Phasenverschiebung in Grad wird durch die folgende Beziehung bestimmt:

χ 360°

Die Längenabmessungen A, B und C sind in Fig. 2 dargestellt. C entspricht der Teilung der Abschnitte auf der Tachometerscheibe, B ist der Mittenabstand zwischen benachbarten Lichtstrahlen, wenn sie an der gleicher Stelle wie A gemessen werden und A stellt den Abstand zwischen den Mitten der getrennten Detektorelemente dar. Wenn die Detektoren oder die Maske verschoben werden, ändert sich B, wodurch sich eine variable Phasenverschiebung und Amplitude ergibt.

Bei digitalen Tachometern mit hoher Auflösung ist der Teilungsabstand C relativ klein, so daß auch A und B sehr kleine Werte annehmen müssen, um eine relativ konstante Phasenverschiebung zwischen den Signalen zu erhalten. Dies wird mit dem beanspruchten Mehrphasentachometer erreicht.

Das Detektorelement 14 in Fig. 1 ist in Fig. 4 vergrößert dargestellt. Das Signal 23 wird einem Leiter 40 entnommen, während das Signal 24 von einem Leiter 41 geliefert wird. Die Detektorbereiche 43 erstrecken sich vom Leiter 40 ausgehend abwärts unter der öffnung 42 A der Maske 42. Dicht neben den Detektorbereichen 43 und parallel zu diesen verlaufen die von der Leitung 41 aufwärts gerichteten Detektorbereiche 44. Die Abstände der Detektorbereiche 43 untereinander entsprechen ebenso wie die Abstände der Detektorbereiche 44 untereinander einer Teilung der Abschnitte auf der Tachometerscheibe, d.h. dem Abstand C. Die schraffierten Flächen in Fig. 4 entsprechen den lichtundurchlässigen Abschnitten der Tachometerscheibe im Bereich der öffnung 42A. Durch die dargestellte Anordnung, bei der die Detektorbe-

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reiche 44 zwischen die Detektorbereiche 43 gelegt sind, wobei zur Erzeugung einer Phasenverschiebung von 90 der Abstand zwischen zwei benachbarten Detektorbereichen 43 und 44 einem Viertel des Abstandes zwischen zwei gleichartigen Detektorbereichen 43 oder 44 entspricht, wird eine unerwünschte Phasenverschiebung praktisch unterbunden. Die tatsächliche Phasenverschiebung ergibt sich durch die folgende Beziehung:

§ χ 360°

Die Abstände C und D sind aus Fig. 4 ersichtlich. Diese Abstände sind konstant, so daß sich bei einer Veränderung der Lage der Detektorbereiche in Bezug auf die Maske oder die Tachometerscheibe keine Veränderung der Phasenbeziehung zwischen den Signalen ergibt.

Bei Vergleichsuntersuchungen mit den in Fig. 2 und in Fig. 4 dargestellten Anordnungen mit einer Tachometerscheibe von 5 cm Durchmesser wurde bei einer Anordnung nach Fig. 2 gefunden, daß eine axiale Verschiebung des Detektorelementes um 0,125 mm, d.h, eine Vergrößerung des Abstandes zwischen Detektorelement und Maske um diesen Betrag, eine zusätzliche Phasenverschiebung um 90° bewirkt, d.h. ausgehend von einer ursprünglichen Phasenverschiebung von 90° erhält man nun eine Phasenverschiebung von 0° oder 180°. Bei einem Detektorelement nach Fig. 4 wurde bei einer entsprechenden Lageveränderung keine Änderung der Phasenverschiebung festgestellt.

Bei einem zweiten vergleichenden Versuch wurden die Detektorelemente gegenüber der Tachometerscheibe nach rechts verschoben. Bei der Anordnung nach Fig. 2 bewirkte eine Verschiebung in zur Drehung der Tachometerscheibe tangentialer Richtung um 0,25 mm eine zusätzliche Phasenverschiebung von 90 , so daß die Phasenverschiebung zwischen den Signalen 23 und 24 nun 180° betrug. Eine entsprechende Verschiebung um 1,25 mm bei der An-

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Ordnung nach Fig. 4 ergab keine zusätzliche Phasenverschiebung zwischen den Signalen 23 und 24. Durch die Anordnung nach Fig. 4 wird somit der Justiervorgang wesentlich vereinfacht, wobei außerdem die Zuverlässigkeit des Tachometersystems erhöht wird.

Bei der beschriebenen Verdrehung der Detektorelemente gegenüber der Tachometerscheibe werden die Detektorbereiche gegenüber den lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Abschnitten der Tachometerscheibe verschoben. Diese Verschiebung bedingt auch eine Reduzierung der Signalamplitude. Bei der Anordnung nach Fig. 2 tritt dabei zusätzlich eine Phasenverschiebung zwischen den Signalen auf, wie die Gerade b in Fig. 5 zeigt. Bei der Anordnung nach Fig. 4 dagegen ergibt sich bei einer Lageverschiebung keine zusätzliche Phasendifferenz, wie aus der Geraden a ersichtlich ist. Weitere Untersuchungen zeigten, daß kombinierte Bewegungen verschiedener Größe, d.h. tangentiale, axiale und radiale Bewegungen, ähnliche Ergebnisse brachten. Es ergaben sich somit bei Anordnungen nach Fig. 2 jeweils zusätzliche Phasenverschiebungen, während bei Anordnungen nach Fig. 4 die Phasenlage konstant blieb.

Die Fig. 6 zeigt den typischen Aufbau eines als integrierte Halbleiterschaltung ausgebildeten Detektorelementes, das dem in Fig. 4 dargestellten Detektorelement entspricht. Das HaIbleiterplättchen weist einen Isolationbereich 50 auf, in dem ein Bereich 51 vom entgegengesetzten Leitungstyp eindiffundiert ist. Zur Bildung des Signals 23 sind in den Bereich 51 Detektorbereiche 52 und 53 eindiffundiert, die mit dem leitenden Bereich 40 verbunden sind. Zwischen diesen liegt ein Detektorbereich 55, der an den in Fig. 6 nicht gezeigten leitenden Bereich 41 angeschlossen ist. Die photoelektrischen Eigenschaften der Halbleiteranordnung ergeben sich durch die übergänge zwischen den Detektorbereichen 52, 53 und 55 und dem Bereich 51. Das Halbleiterplättchen nach Fig. 6 enthält weiterhin einen Verstärker. Dieser ist als Bereich 57 lediglich angedeutet, da die Ausbildung derartiger Verstärker in einer inte-

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grierten Halbleiterschaltungsanordnung als bereits bekannt vorausgesetzt wird.

In Fig. 7 ist in vereinfachter Form ein beanspruchtes Dreiphasentachometer dargestellt. Eine Lichtquelle. 60 sendet durch eine lichtdurchlässige Tachometerscheibe 61 hindurchgehendes Licht aus. An ihrem Umfang weist die Scheibe 61 eine größere Anzahl von lichtdurchlässigen Abschnitten 62 auf. Die, Abschnitte 62 sind so angeordnet, daß ihre Längsachsen tangential zu einem koaxial zu der Scheibenachse liegenden Kreis 63 verlaufen. Das durch die Abschnitte 62 hindurchgehende Licht wird von drei Detektorelementen 65, 66 und-67 aufgenommen, die entsprechende Signale auf den Leitungen A_f B und C zu einer Auswerteschaltung 69 liefern. Jedes der Detektorelemente 65, 66 und 67 enthält ein Paar von photoempfindlichen Bereichen innerhalb des HaIbleiterplättchens 70. Die Bereiche des Detektorelejaentes 65 sind elektrisch mit einem inneren leitenden Bereich 71 verbunden, während die Bereiche des Detektorelementes 66 an einen äußeren leitenden Bereich 72 angeschlossen sind. Die Bereiche des Detektorelementes 67 schließlich stehen mit einem weiteren äußeren Bereich 73, der über dem Bereich 72 liegt, in Verbindung. Zwischen den leitenden Bereichen 72 und 73 befindet sich eine elektrisch isolierende Schicht 74.

Bei einer Rotation der Tachometerscheibe 61 in der angegebenen Pfeilrichtung sprechen zuerst die Bereiche des Detektorelementes 65 auf das durchfallende- Licht an, dann die Bereiche des Detektorelementes 66 und schließlich auch die Bereiche des Detektorelementes 67. Es ergeben sich somit drei aufeinanderfolgende Signale, die die Richtung und die Geschwindigkeit der Drehung anzeigen. Bei einer entgegengesetzten Drehrichtung ist die Signalfolge umgekehrt.

Das beanspruchte Mehrphasentachometer bezieht sich auf Systeme mit 2, 3, 4 oder mehr Phasen. Durch die spezielle Anordnung der Detektorbereiche wird erreicht, daß bei einer Verschiebung

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zwischen dem Detektorelement und der Tachometerscheibe alle Detektorbereiche in gleicher Weise beeinflußt werden, so daß ,eine resultierende zusätzliche Phasenverschiebung nicht auftritt.

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Claims

PATE N TANSP RÜCHE

Mehrphasentachometer mit einer Strahlungsquelle und dieser zugeordneten strahlungsempfindlichen Detektoren, bei dem im Strahlungsweg ein mit eiander abwechselnden strahlungsdurchlässigen und strahlungsundurchlässigen Abschnitten bestimmter Form und Teilung versehenes, bewegbares Tachometerelement zur abwechselnden Unterbrechung und Freigabe des Strahlungsweges und vor den Detektoren eine Maske zur Begrenzung der bestrahlten Fläche vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren aus mehreren, in ihrer Anzahl derjenigen der Phasen entsprechenden Gruppen von jeweils elektrisch miteinander verbundenen, parallel zu den Abschnitten des Tachometerelementes verlaufenden, strahlungsempfindlichen Bereichen bestehen, wobei jeweils einzelne Bereiche der verschiedenen Gruppen abwechselnd nebeneinander angeordnet sind und parallel in einem Abstand voneinander verlaufen, der kleiner ist als die Teilung der auf dem Tachometerelement befindlichen Abschnitte.
2. Mehrphasentachometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb einer Teilung der auf dem Tachometerelement befindlichen Abschnitte jeweils ein strahlungsempfindlicher Bereich der verschiedenen Gruppen angeordnet ist und daß die Bereiche einer Gruppe jeweils einen Abstand von einer Teilung untereinander aufweisen.
3. Mehrphasentachometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Tachometerelement und die Detektoren in einer senkrecht zur Längsrichtung der Abschnitte des Tachometerelementes und der strahlungsempfindlichen Bereiche verlaufenden Richtung gegeneinander bewegbar sind.

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4. Mehrphasentachometer nach einem der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, dal? die vor den Detektoren befindliche Maske eine öffnung aufweist, deren Länge in Richtung der Bewegung zwischen Tachometerelement und Detektoren einem ganzzahligen Wert der Teilung der Abschnitte auf dem Tachometerelement entspricht.
5. Mehrphasentachometer nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den strahlungsempfindlichen Bereichen der verschiedenen Gruppen gering ist gegenüber der Teilung der Abschnitte auf dem Tachometerelement und daß die lichtdurchlässigen Abschnitte schmal gegenüber den lichtundurchlässigen Abschnitten sind.
6. Mehrphasentachometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen zwei strahlungsempfindlichen Bereichen zur Erzielung einer Phasenverschiebung von 90
der Abschnitte entspricht.

Phasenverschiebung von 90° einem Viertel der Teilung
7. Mehrphasentachometer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Tachometerelement eine kreisförmige Scheibe ist und daß sich die Abschnitte und strahlungsempfindlichen Bereiche in radialer Richtung erstrecken.
8. Mehrphasentachometer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Tachometerelement eine kreisförmige Scheibe ist und daß die Abschnitte und strahlungsempfindlichen Bereiche tangential zu einem Kreis, der koaxial zur Achse der Scheibe angeordnet ist, verlaufen.

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9. Mehrphasentachometer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,, daß die Detektoren in einem Halbleiterplättchen angeordnet sind und daß die strahlungsempfindlichen Bereiche durch in einem Substrat mit einem bestimmten Leitungstyp verlaufende Zonen vom entgegengesetzten Leitungstyp dargestellt sind.

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Leefseife