DE2406393C2

DE2406393C2 - Drehpositionssensor

Info

Publication number: DE2406393C2
Application number: DE2406393A
Authority: DE
Inventors: Jerry Culver City Calif. Matula
Original assignee: Bell & Howell Co Chicago Ill; Bell and Howell Co
Current assignee: Com Products Inc Irvine Calif Us
Priority date: 1973-02-12
Filing date: 1974-02-11
Publication date: 1986-01-23
Also published as: CA1058299A; JPS49114906A; GB1454564A; FR2217668B1; FR2217668A1; JPS58129107U; JPS616404Y2; DE2406393A1; US3828188A

Description

a) die den nahezu punktförmigen Lichtfleck (104) definierende Lichtquelle (96) ist selbst am Drehkörper (84) angebracht, und zwar mit dem Lichtfleck (104) nahe der Rotationsachse (86) zwischen der Rotationsachse und den photoelektri;chen Elementen (88,90),

b) der Abstand der Rotationsachse (86) von den photoelektrischen Elementen (88,90) ist kleiner als die Summe der Ausdehnungen dieser photoelektrischen Elemente (88, 90) in Bewegungsrichtung des Strahlenhündels.

2. Drehpositionssensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine auf dem Drehkörper angeordnete, dem Strahlenbündel eine vorbestimmte Form gebende Maske (108).

3. Drehpositionssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske (108) eine zylindrische öffnung (F i g. 4) aufweise

4. Drehpositionssens&f nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske (108) eine konische Öffnung (F i g. 12) aufweist

5. Drehpositionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein auf dem Drehkörper (84) konzentrisch mit der Rotationsachse (86) angeordnetes, die Lichtquelle (96) halterndes und die Maske (108) bildendes zylindrisches Element (82).

6. Drehpositionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine elektrische Parallelschaltung der Photoelemente (88,90).

7. Drehpositionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehkörper (84) zu einem die Lichtquelle (96) drehenden Spannarm (26,28,52,54) gehört.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Drehpositionssensor nach der im Oberbegriff des Anspruches 1 näher definierten Art.

Drehpositionssensoren finden heute in vielen verschiedenen Bereichen Anwendung. Im Falle von Magnetbandgeräten, beispielsweise, ist es üblich, zwei Hebelarme zur Feststellung der Bandspannung in der Nähe der Vorrats- und der Aufnahmespule vor und hinter einem Bandantrieb, etwa einer Antriebsrolle, vorzusehen. Die Vorrats- und Aufnahmespule werden im allgemeinen von Motoren angetrieben, die mit Servosystemen gekoppelt sind. Die Servosysteme ihrerseits sprechen unter anderem auch auf die Winkelstellung der Spannarme an. In solchen Fällen ist es zweckmäßig, wenn jeder Spannarm mit einem Sensor für die Drehposition ausgerüstet werden kann, der ein Ausgangssignal liefert, welches sich linear mit der Winkelstellung des Spannarms ändert. Gleichzeitig soll natürlich ein solcher Sensor billig, relativ wartungsfrei, mit einem Minimum an beweglichen Teilen ausgerüstet und von geringer Trägheit sein, um die Arbeitsweise des Spannarmes nicht wesentlich zu beeinflussen.

Drehpositionssensoren finden in ähnlicher Weise in Verbindung mit Spannarmen in bestimmten Kameras, etwa Mikrofilmkameras für die Datenverarbeitung, Anwendung. In solchen Fällen ist es wünschenswert, die Spulenmotoren für den Film in Obereinstimmung mit der Stellung der Spannarme zu betreiben, um eine Dehnung des Films zu vermeiden. Eine Dehnung würde den Film quasi belichten und ruinieren. Es ist ferner notwendig, daß der Film von allen Lichtquellen ferngehalten oder abgeschirmt wird, die in Verbindung mit Drehposifionssensoren für die Spannarme benutzt werden. Als Alternative hierzu bietet sich die Verwendung von Lichtquellen an, weiche auf den Film nicht einwirken, etwa Infrarotstrahler.

Auf dem gegenwärtigen Stand der Technik sind zahlreiche Drehpositionssensoren vorgeschlagen worden, weiche aber nur einige der oben angeführten positiven Eigenschaften besitzen. Einer dieser Sensoren sieht vor, daß eine Licht aussendende Diode oder eine andere Infrarot-Strahlungsquelle in der Nähe des sich drehenden Teils des Spam>armes oder eines anderen Organs angeordnet wird, um einen von ihr ausgehenden Strahl auf einen Spiegel zu lenken, der sich mit dem Spannarm dreht. Wenn sich der Spannarm dreht, reflektiert der Spiegel größere oder kleinere Anteile des Strahls auf eine oder mehrere Photoelemente, die in der Nähe des Spannarmes angeordnet sind. Sensoren dieser Art liefern ein Ausgangssignal, das sich etwa linear mit der Winkelstellung des Spannarmes ändert Bei Anwendungsfällen mit Filmen belichten Infrarotquellen den Film nicht und ersparen so teure oder komplizierte Lichtabschirmungen. Sensoren dieser Art weisen jedoch zahlreiche Nachteile auf, welcfte ihre Anwendung in vielen Fällen ausschließen. Beispielsweise sind solche Einrichtungen unnötig komplex, weil die verschiedenen Komponenten einschließlich des Spiegels geeignet ausgerichtet werden müssen, um die gewünschte Strahlreflexion zu erzielen. Daraus resultieren häufige Wartungsarbeiten. Die Anwesenheit eines Spiegels verstärkt die Trägheit, welche ein sehr unerwünschter Faktor bei einigen Spannarmen sein kann, erheblich. Ein weiteres Problem ist der Raumbedarf, den solche Sensoren oft haben. Da sich die Lichtintensität bekanntlich

5J mit dem Quadrat des Abstands von der Quelle ändert, ist es oft notwendig, die Licht aussendende Diode oder eine andere Quelle und die Photoelemente in beträchtlichem Abstand vom Spiegel anzuordnen, um eine geringe Änderung des totalen Abstandes im Lichtweg von der Diode über den Spiegel zu den Photoelementen im gewünschten Arbeitswinkelbereich zu erhalten.

Idealerweise sollte die Licht aussendende Diode oder eine andere Lichtquelle daher direkt auf dem drehbaren Organ, etwa dem Spannarm, sitzen, um einen Strahl direkt auf eines oder mehrere Photoelemente lenken zu können. Eine solche Anordnung hätte die Vorteile eines einfachen, kompakten, billigen, weitgehend wartungsfreien und mit geringer Trägheit behafteten Aufbaues. Vorrichtungen solcher Art sind aber bis jetzt unpraktisch oder nicht realisierbar gewesen, weil sich neben anderen Gründen die Lichtintensität ändert und damit ein nicht mehr lineares Ausgangssignal erzeugt wird.
Aus dem DE-GM 19 42 304 ist ein Positionssensor mit

einer Lichtquelle, zwei Linsen, einem Fenster und einem Spiegel bekannt Nachteilig dabei ist jedoch, daß die Lichtquelle gegenüber den Photosensoren sehr weit entfernt ist. Außerdem ist die Lichtquelle stationär, so daß zur Übermittlung der zu registrierenden Drehbewegung ein Spiegel verwendet werden muß.

In der US-PS 30 12 469 wird eine Kurvenscheibe vorgeschlagen, mit der man Drehbewegungen erfassen kann. Dabei handelt es sich jedoch nicht um einen Drehpositionssensor.

Aus der DE-OS 19 57 161 ist es bei photoelektrischen Umsetzern bekannt, Photodioden in einer Gegenparallelschaltung anzuordnen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drehpositionssensor mit etwa linearem Ausgangssignal zu schaffen, wobei eine hohe Lichtintensität und ein möglichst großer Arbeitswinkel gegeben sein soll.

Erfhidungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst

Es ist festgestellt worden, daß die Anordnung der lichtaussendenden Diode oder einer anderen Lichtquelle in unmittelbarer Nähe der Rotationsachse und auf der Seite, auf der sich die Photoelemente befinden, und die Anordnung der Photoelemente relativ nahe an der Lichtquelle und relativ nahe zueinander ein etwa lineares, kombiniertes Ausgangssignal der Photoelemente entsprechend der Winkelstellung des drehbaren Organs bewirkt, wenn das Ausgangssignal in geeigneter Weise verstärkt und verarbeitet wird. Bei geeigneter Aufrechterhaltung der verschiedenen Abstände unterliegt der Abstand zwischen Lichtquelle und der Ebene der Photoelemente sehr kleinen Änderungen in einem relativ großen Winkelbereich für die Stellung des drehbaren Organs. Bei der Einhaltung dieser Bedingungen ändert sich das Ausgangssignal jedes Photoelementes etwa linear mit dem Strahlanteil, der aus der Lichtquelle dort auffällt. Dies gilt trotz der Tatsache, daß die Beleuchtungsintensität mit zunehmendem Winkelabstand von der zentialen Achse der lichtaussendenden Diode schnell abnimmt

Der Abstand zwischen der lichtaussendenden Diode und den Photoelementen ist relativ klein, jedoch größer als der Abstand zwischen den Photoelementen. Es wurde gefunden, daß eine solche Vorrichtung ein Ausgangssignal liefert das sich etwa linear n;i». der Winkelstellung in einem Winkelbereich ändert, dessen oberer und unterer Extremwert durch die Winkelstellungen definiert ist, bei denen das Strahlenbündel am äußersten Rand eines der Photoelemente stefeL

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann der Arbeitsbereich des Drehpositionssensors in gewünschter Weise erweitert werden, indem der Winkelbereich des Strahlenbündels, etwa durch eine geeignete Maske, vergrößert wird. Bei Verwendung einer Maske für einen Winkelbereich des Strahlenbündels von etwa 90° beispielsweise ergibt sich ein linearer Arbeitsbereich von 50° und mehr.

Die folgende Beschreibung und die Zeichnungen dienen zur weiteren Erläuterung dieser Erfindung. Die Zeichnungen zeigt

F i g. 1 die Draufsicht auf einen Teil einer Kamera des Typs, in welchem Drehpositionssensoren nach der Erfindung vorteilhaft eingesetzt werden können,

F i g. 2 die Draufsicht auf ein Magnetbandgerät des Typs, in welchem Drehpositionssensoren nach der Erfindung vorteilhaft einsetzt werden können,

F i g. 3 die räumliche Ansicht eines Drehpositionssen

sors nach der Erfindung,

F i g. 4 die Schnittansicht des Sensors von F i g. 3, wobei der Schnitt längs der Linie 4-4 geführt worden ist,

F i g. 5 ein Diagramm für einen Teil des Sensors von Fig.3, wobei die Arbeitsweise des Sensors demonstriert werden soll,

Fig.6 ein Diagramm für das Ausgangssignal eines einzelnen Photoelementes, das sich nahe am Licht aussendenden Teil des Sensors von Fig.3 befindet als ίο Funktion der Winkelposition des Sensors,

F i g. 7 ein Diagramm mit den Ausgangssignalen jedes der Photoelemente des Sensors von F i g. 3 als Funktion der Winkeiposition des Sensors,

F i g. 8 ein Diagramm der Ausgangssignale der Photoelemente des Sensors von F i g. 3 als Funktion der Win kelposition des Sensors, wenn die Ausgangssignale der Photoelemente in Übereinstimmung mit der Schaltung von F i g. 9 kombiniert worden sind,

Fig.9 ein Schaltbild einer elektrischen Schaltung, welche die Photoelemente des Sensors von F i g. 3 miteinander koppelt, um ein einziges Ausgangssignal zu produzieren,

F i g. 10 ein Schaltbild einer bevorzugten elektrischen Schaltung zum Kombinieren und Verstärken der Ausgangssignale der Photoelemente des Sensors von F i g. 3, wobei gleichzeitig die Verstärkung variabel ist,

F i g. 11 ein Diagramm der Ausgangssignale der Photoelemente des Sensors von Fig.3 als Funktion der Winkelposition des Sensors, wenn die Ausgangssignale über die Schaltung 10 kombiniert worden sind,

Fig. 12 eine Schnittansicht durch den Sensor von F i g. 3, entsprechend dem Schnitt von F i g. 4, wobei ein alternativer Aufbau für einen breiteren Lichtstrahl dargestellt ist und

Fig. 13 vier verschiedene graphische Darstellungen der Ausgangssignale der Photoelemente des Sensors von F i g. 3, wobei der breitere Strahl entsprechend der Darstellung von Fig. 12 benutzt wird und die Ausgangssignale in der Schaltung von Fig. 10 verarbeitet worden sind, und wobei jede der vier verschiedenen Kurven einer anderen Verstärkung in der Schaltung von Fig. 10 entspricht.

F i g. 1 zeigt einen Teil einer Kamera des Typs, in welchem Drehpositionssensoren im Sinne dieser Erfindung vorteilhaft verwendet werden können. D;s Kame ra 10 in F i g. 1 ist von der Art, die für Mikrofilmaufnahmen in der Datenverarbeitung benutzt wird. Sie enthält zwei Rollen 12 und 14 zur Handhabung eines photographischen Films 16, der von einer Rolle zur anderen läuft so und dabei an einem Filmfenster und einer Linse 18 vorbeigeführt wird. Der Film 16 passiert mehrere Führungsrollen 20, welche ihn zwischen den Spulen 12 und 14 führen.

Um eine Dehnung oder anderweitige Zerstörung des Films 16 und damit quasi seine Belichtung zu vernwiden, und um die Arbeitsweise der Kamera 10 im allgemeinen zu verbessern, wird der Film 16 über zwei Führungsrollen 22 und 24 geführt, welche entsprechend drehbar an den Enden von; wei Spannarmen 26 und 28 sitzen. Der Spannhebel 26 kann sich um eine Achse 30 drehen, so daß sieb die Führungsrolle 22 auf einem Kreisbogen (durch den Pfeil 32 angedeutet) bewagt. Jn ähnlicher Weise ist der Arm 28 um eine Achse 34 drehbar, wobei die Rolle 24 sich auf einem Kreisbogen bewegen kann (durch den Pfeil 36 angedeutet).

Die Spulen 12 und 14 werden individuell von (nicht dargestellten) Motoren angetrieben, die ihrerseits über ein Servosystem gesteuert werden, das auf das Verhal-

ten des Films 16 anspricht. Unter anderem sprechen solche Servosysteme auf die Filmspannung an, welche durch die Drehpositionen der Spannarme 26 und 28 wiedergegeben wird. Im Idealfall sind die Arme 26 und 28 jeweils mit einem Drehpositionssensor versehen, welcher Ausgangssignale liefert, die sich linear mit der Winkelstellung oder Drehposition der Arme 26 und 28 ändern, im Beispiel von F i g. 1 sind die Arme 26 und 28 entsprechend mit Drehpositionssensoren 38 und 40 (in gestrichelten Linien angedeutet und in Verbindung mit F i g. 3 unten beschrieben) versehen.

Fig.2 zeigt ein weiteres Beispiel für die große Zweckmäßigkeit der dieser Erfindung zugrundeliegenden Drehpositionssensoren. Die Vorrichtung von F i g. 2 ist derjenigen von Fig. 1 ähnlich, sie beinhaltet aber keine Filmkamera sondern ein Magnetbandgerät. Das Magnetband 42 wird von einer Antriebsrolle 44 an einer Verarbeitungseinrichtung 46, welche Magnet-Schreibheinhalten kann, vorbeitransnorliert. und

zwar zwischen zwei gegenüberliegenden Spulen 48 und 50. Wie in der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung werden auch hier die Spulen 48 und 50 individuell von Motoren (nicht dargestellt) über ein Servosystem, das auf das Verhalten des Magnetbandes 42 anspricht, gesteuert. Die Bandspannung wird von zwei Armen 52 und 54, 2s welche um entsprechende Achsen 56 bzw. 62 sitzen, bestimmt. Die Führungsrollen 60 und 62 sind an den Enden der Arme 52 bzw. 54 entgegengesetzt den Achsen 56 und 58 drehbar und erfassen das Magnetband 42. Der Spannarm 52 kann sich um die Achse 56 drehen, wobei die Führungsrolle 60 sich auf einem Kreisbogen, der durch einen Pfeil 64 angedeutet ist. bewegt. In gleicher Weise kann sich der Arm 54 um eine Achse 58 drehen, wobei sich die Rolle 62 auf einem Kreis, angedeutet durch den Pfeil 66, bewegt. Die Sensoren 68 und 70 liefern Signale, die sich linear mit den Drehpositionen der Arme 52 und 54 ändern. Die Sensoren 68 und 70, welche den Sensoren 38 und 40 von F i g. 1 entsprechen, werden unten in Verbindung mit F i g. 3 beschrieben.

Es soll nun auf F i g. 3 Bezug genommen werden, wo ein Sensor 80. der dieser Erfindung entspricht, dargestellt ist. Er besteht aus einem etwa zylindrischen Element 82, das auf einem drehbaren Teil 84 fest montiert ist. Die Drehposition des Teiles 84 soll bestimmt werden. Das zylindrische Element 82 ist so befestigt, daß seine Längsachse mit der Drehachse des drehbaren Teils 84 zusammenfällt. Der Sensor 80 enthält zwei etwa ebene Photoelemente 88 und 90, die in einer gemeinsamen Ebene in der Nähe des zylindrischen Elementes 82 liegen. Aus F i g. 4 geht hervor, daß die Photoelemente 88 und 90 auf gegenüberliegenden Seiten liegen und etwa senkrecht zu einem gemeinsamen Radius, dargestellt durch die gestrichelte Linie 92, angeordnet sind. Die Linie 92 stellt eine radiale Achse für den Sensor 80 dar. Die Achse 92 steht senkrecht auf der Rotationsachse 86, sie steht senkrecht auf der von den photoelektrischen Elementen 88 und 90 gebildeten Ebene und sie liegt in einer Ebene, die von der Drehachse 86 gebildet und senkrecht zu der von den Photoelementen 88 und 90 gebildeten Ebene steht. Die Photoelemente 88 und 90 enthalten mehrere Leitungen 94. welche Signale, die von den Photoelementen 88 und 90 bei Lichteinfall erzeugt worden sind, weiterleiten.

Das zylindrische Element 82 dient sowohl zur Befestigung wie auch als Maske für eine Lichtquelle, die eine Licht aussendende Diode 96 sein kann. Die Diode 96 sitzt in einer kreisförmigen Öffnung 98. die sich durch das Element 82 hindurch von einer eingearbeiteten Nut 100 aus erstreckt. Fig.4 zeigt, daß die Diode 96 so befestigt ist, daß ihre Mittelachse, die senkrecht zur Rotationsachse 86 ist, mit dem Radius 92 zusammenfällt. Die Mittelachse der Diode % liegt in einer Ebene, welche senkrecht zu der von den Photoelementen 88 und 90 gebildeten Ebene ist, wenn sich das Element 82 dreht. Obwohl die Diode % einen relativ großen Kolben 102 im Vergleich zum Querschnitt des Elementes 82 besitzt, so wie in F i g. 4 dargestellt, geht das erzeugte Licht von einer Fläche auf der Diode 96 aus, die genügend klein ist, um als punktförmige Quelle 104 betrachtet werden zu können. Die Diode % ist vorzugsweise so befestigt, daß die punktförmige Queile 104 nahe an der Rotationsachse 86 und auf der den Photoelementen 88 und 90 zugewandten Seite liegt. Zwei Leitungen 106 gehen von der Basis der Diode 96 aus und sind mit einer geeigneten Energiequelle gekoppelt.

Das zylindrische Element 82 trägt nicht nur die Diode 96. sondern dient auch als Maske dafür, um das von der Diode 96 ausgehende Licht in einen Strahl bestimmter Form und mit genügender Breite umzuformen, so daß der Sensor einen gewünschten Arbeitswinkelbereich erhält. Im Beispiel von Fig.4 sitzt der vordere Teil der Diode 96 in einer annähernd zylindrischen Öffnung 108 des Teils 82. Die Öffnung 108 stellt eine Erweiterung der Öffnung 98 dar, in welcher die Basis der Diode % befestigt ist. Aus den unten folgenden Erläuterungen geht hervor, daß die Breite des von der Punktquelle 104 der Diode 96 ausgehenden Strahls von der durch die Öffnung 108 gebildeten Maske bestimmt wird. Der Strahl beschreibt einen bestimmten Weg, wenn sich das Element 84 dreht Die Photoelemente 88 und 90 liegen, von diesem Strahlweg aus betrachtet, nebeneinander und bezüglich der Rotationsachse 86 auf einem Kreisumfang.

Die Licht aussendende Diode 96 und ihre Maskenöffnung 108 sind zusammen mit Teilen der Photoelemente 88 und 90 in F i g. 5 stark vergrößert dargestellt. Die in F i g. 5 angegebenen speziellen Abmessungen beziehen sich auf ein Beispiel eines Sensors, der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung konstruiert und erfolgreich getestet worden ist. Die Diode 96 sitzt in der Öffnung 108, welche einen Durchmesser von etwa A = 43 mm besitzt. Ihre punktförmige Lichtquelle 104 ist etwa B = 4,1 mm von den Oberflächen der Photoelemente 88 und 90 entfernt. Die Drehachse 86 hat einen Abstand von etwa C = 5,1 mm von den Oberflächen der Photoelemente 88 und 90.

Da sich die Lichtintensität mit dem Quadrat des Abstandes ändert, ist die Diode 96 relativ nahe an den Photoelementen 88 und 90 angebracht, um eine hohe Lichtintensität, wie in F i g. 5 gezeigt, zu erzielen. Aus diesem Grund ist der Abstand zwischen der Drehachse 86 und den Photoelementen 88 und 90 kleiner als die gemeinsame Breite der Photoelemente 88 und 90 im vorliegenden Beispiel. Ein weiterer Grund für die Befestigung der Diode 96 nahe an den Photoelementen 88 und 90 ist die Realisierung eines relativ großen Arbeitswinkels, so wie unten erläutert

Wenn die Mittelachse der Diode 96 mit dem gemeinsamen Radius 92 zusammenfällt, ist der Winkel <*, der als Winkel zwischen dem Radius 92 und der Mittelachse der Diode 96 definiert ist, gleich 0°. Dreht sich die Diode 96 um die Achse 86, bis der Zylinder der Maske 108 an der Außenkante des Photoelementes 88 steht, dann hat die Maske die in Fig.5 durch unterbrochene Linien dargestellte Orientierung. Der Winkel λ kann für diese spezielle Position unter der Voraussetzung, daß

D = 2,16 mm
werden:

und C = 5,1 mm, wie folgt berechnet

sin λ = -^- = 0,425

Daraus ergibt sich:
a = 25° 20'

Da die Diode % auch in der entgegengesetzten Richtung bis zu einem Punkt gedreht werden kann, wo der Zylinder der Maske 108 an der Kante des Pnotoelementes 90 steht, ergibt sich daraus ein Winkelbereich von etwa 50°, in welchem das Licht aus der Diode 96 beide Photoelemente 88 und 90 in unterschiedlichem Ausmaß trifft. Die Drehung der Diode % um einen Winkel von etwa 25° bewirkt, daß der Abstand zwischen der Punkt-ί.,αΜα tClA t.r,A A**w /"VUA-flXrtkA A~~ Dkntn >Ι·Μ·ηΙ« QQ

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und 90 von etwa B — 4,1 mm auf etwa B' -= 4,15 mm zunimmt, wobei die punktförmige Quelle 104 dann die in F i g. 5 bezeichnete Position 104' einnimmt Gleichzeitig nimmt der Abstand zwischen der punktförmigen Lichtquelle 104 und der Oberfläche der Photcelemente 88 und 90 längs der Zentralachse der Diode % von etwa B = 4,1 mm auf etwa B" = 4,6 mm zu.

Die Intensität des Lichts von der Diode 96 ändert sich als Funktion des Winkels bezüglich der Zentralachse der Diode. Bei einem Winkel von 45° relativ zur Zentralachse beträgt die Lichtintensität nur noch etwa V₄ im .'ergleich zu der längs der Zentralachse bei Dioden dieses Typs. Doch in Übereinstimmung mit dieser Erfindung wurde gefunden, daß das kombinierte Ausgangssignal der Photoelemente 88 und 90 sich nahezu linear mit der Winkelstellung der Diode 96 ändert, solange der senkrechte Abstand zwischen Punktquelie 104 und den benachbarten Oberflächen der Photoelen^ente 88 und 90 nur einer relativ geringen Änderung unterliegt. Im vorliegenden Beispiel schwankt dieser Abstand nur um etwa 0,05 mm über einen Winkelbereich von 50°. Um dies zu verifizieren, kann ein einzelnes Photoelement vor die Diode % gesetzt werden. Das Ausgangssignal des Elementes wird mit einem Digitalvoltmeter gemessen, und zwar bei vielen verschiedenen Winkelpositionen der Diode 96. Die Ergebnisse sind in F i g. 6 dargestellt Aus F i g. 6 geht hervor, daß das Auigangssignal des einzelnen Photoelementes in einem Bereich von 50° etwa linear und nur zwischen 362 mV und 368 mV oder um etwa 2% schwankt Dies erhärtet ferner die Tatsache, daß das Ausgangssignal des Photoelementes sich primär als Funktion des Teils des Lichtstrahls ändert, welcher auf das Photoelement fällt Änderungen infolge der Abstandsschwankungen zwischen punktförmiger Lichtquelle und Oberfläche des Photoelementes sind gering. Im vorliegenden Beispiel ergibt sich daraus eine etwa lineare Abhängigkeit für einen Winkelbereich von etwa 50⁰C, solange die Photoelemente breit genug sind. Im Beispiel von F i g. 5 muß jedes der Photoelemente 88 und 90 wenigstens etwa 2 χ 2,4 mm oder 4,8 mm breit sein. Es wurde festgestellt, daß Photoelemente mit etwa 5 mm Breite diesen Anforderungen genügen. Ein im Sinne dieser Erfindung konstruierter und erfolgreich getesteter Sensor enthielt beispielsweise Photoelemente mit etwa 5 mm Breite und etwa 20 mm Höhe.

Mißt man die Ausgangssignale der in F i g. 3 und 4 gezeigten Sensoren 88 und 90 einzeln ohne Last bei Drehung, dann erhält man ein Diagramm der in F i g. 7 gezeigten Art Aus F i g. 7 geht hervor, daß im Bereich von —20° bis +20° die Ausgangssignaleder Photoelemente 88 und 90 relativ graduell abfallen, was einen nahezu linearen Zusammenhang mit der Winkelposition ergibt. Außerhalb dieses Bereiches fallen die Kurven steil ab, weil der innere Widerstand eines der Photoelemente stark zunimmt. Aus diesem Grund ist eine Serienschaltung der Photoelemente 88 und 90 oft nicht so erwünscht wie eine Parallelschaltung.
Eine Parallelschaltung, bei der die Photoelemente 88

ίο und 90 als Stromquelle benutzt werden, ist in Fig.9 dargestellt. Das Ausgangssignal dieser Schaltung, gemessen als Funktion der Winkelstellung des Sensors, ist in F i g. 8 abgebildet. Es sei in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, daß das kombinierte Ausgangssignal der Photoelemente 88 und 90, wie es etwa durch die in F i g. 9 gezeigte Parallelschaltung geliefert wird, sich praktisch als lineare Funktion der Winkelposition des Sensors im Bereich von etwa 40° oder von —20° bis ! 20° ändert Dies reicht für vi**!s A:v.ver;dun";iä!!c des Sensors, etwa in der Kamera ven Fig. 1 oder in dem Bandgerät von F i g. 2, leicht aus, weil dort der maximale Bewegungsbereich der Spannarme oft in der Größenordnung von 25° liegt. Aus F i g. 8 geht ferner hervor, daß das kombinierte Ausgangssignal der Photoelemente 88 und 90, wie es etwa von der Parallelschaltung in F i g. 9 geliefert wird, noch besser einer linearen Funktion angenähert ist, als die einzelnen Ausgangssignale der Photoelemente 88 und 90, die in F i g. 7 gezeigt sind. Daraus folgt, daß einige der Nichtlinearitäten in den Ausgangssignalen der einzelnen Photoelemente durch Kombination eben dieser Signale ausgeschaltet werden können.

Die Parallelschaltung der Photoelemente in der in F i g. 9 gezeigten Art und Weise führt zu hervorragender thermischer Stabilität, was eine natürliche Eigenschaft von Photoelementen des Solarzellen-Typs ist, wenn sie kurzgeschlossen werden. Der Innenwiderstand dieser Schaltung ändert sich in einem Winkelbereich von etwa 40° nur sehr wenig. In einem dieser Erfindung entsprechenden Beispie! schwankte der Innenwiderstand zwischen 97 Ohm in der Mittelstellung (λ = 0°) und 91 Ohm an den Extrempunkten (pe = ± 17,5°). Dies bewirkt eine gute Temperaturstabilität für sehr große Temperaturbereiche.

F i g. 10 zeigt eine Schaltung, in der die Photoelemente 88 und 90 parallel geschaltet sind und welche vorteilhaft in der in F i g. 1 gezeigten Kamera oder in dem in F i g. 2 gezeigten Bandgerät verwendet werden kann. In der Schaltung von Fi g. 10 kann die maximale Verstärkung berechnet werden, wenn man den minimalen Ausgangssignalpegel des Photoelementes kennt, der auf 5 vOlt verstärkt wird, wobei die Toleranzen der Ausgangssignale der Photoelemente und auch die mechanischen Toleranzen in Betracht gezogen werden müssen.

Bei einem Rückkopplungswiderstand von 62 Kiloohm kann der gewünschte Eingangswiderstand berechnet werden, der in diesem Fall üblicherweise mit 180 0hm gewählt wird. Wird die Schaltung von F i g. 10 mit einem der Spannarme in den in F i g. 1 oder F i g. 2 gezeigten Geräten angewendet, kann die Ausgangsspannung so eingestellt werden, daß sie zwischen 0 und +10VoIt schwankt, wenn der Spannarm zwischen den Extrempunkten bewegt wird. Sind beide Photoelemente 88 und 90 kurzgeschlossen, dann wird die Ausgangsspannung mit Hilfe des 5-Kiloohm-Potentiometers auf 5 Volt eingestellt Bei der Bewegung des Spannungsarmes kann die Ausgangsspannung über das 500-Ohm-Potentiometer auf +10 Volt eingestellt werden. Nach der Stellung

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des Armes auf die O-Volt-Position wird das 5-Kiloohm-Potentiometer auf eine Ausgangsspannung von 0 Volt nachgestellt. Die entgegengesetzte Armposition entspricht dann + 10 Volt.

Fig. 11 zeigt die Ausgangsspannung der Schaltung von Fig. 10 als Funktion der Winkelposition des Sensors von F i g. 3 und F i g. 4. Es sei darauf hingewiesen, daß im Bereich von ±12,5° eine hohe Linearität besteht. Wie oben erwähnt, liegt die maximale Spannarmbewegung in vielen Geräten von der in Fig. 1 und Fig. 2 ι ο gezeigten Art in der Größenordnung von 25°. Daraus folgt, daß der Sensor praktisch vollständig linear in diesem Bereich arbeitet.

Für bestimmte Anwendungsfälle kann es erwünscht sein, wenn der Arbeitswinkelbereich des Sensors größer is und doch eine etwa lineare Abhängigkeit gegeben ist. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht in der Erweiterung des von der Diode 96 ausgehenden Lichtstrahls, so wie in Fig. 12 gezeigt. Die Vorrichtung von Fig. 12 entspricht der von Fig.4 mit der Abweichung, daß die Maskenöffnung 108 teilweise konisch und nicht zylindrisch ausgebildet und so bemessen ist, daß ein Lichtstrahl mit einem Winkel von wenigstens 90° abgegeben werden kann. Da₁ wie oben erwähnt, die Wirkung des Winkelbereichs des Sensors für alle praktischen Fäl-Ie nur durch die physikalischen Extrempunkte begrenzt ist, bei denen der Lichtstrahl an den äußeren Kanten des einen oder anderen Photoelementes steht, ist einzusehen, daß eine Vergrößerung der Strahlbreite den Arbeitswinkelbereich des Sensors erhöht. Diesen Sachverhalt zeigt F i g. 13, wo die Ausgangsspannung der Schaltung von Fig. 10 für verschiedene Winkelpositionen des Sensors von Fig. 12 dargestellt sind. Jede der vier Kurven in Fig. 13 entspricht einer anderen Verstärkung in der Schaltung von Fig. 10. Die Kurven in Fig. 13 sind mit A, B, C und D gekennzeichnet, und zwar in der Reihenfolge absteigender Verstärkung, so wie durch die Einstellung des 500-Ohm-Potentiometers in der Schaltung von Fig. 10 vorgesehen. Bei der höchsten Verstärkung »/4« nimmt die Ausgangsspannung auf Kosten eines begrenzten Winkelbereichs, in welchem Linearität besteht, stark zu und ab. Bei der Kurve A beträgt der lineare Bereich etwa ± 15° und damit der Gesamtbereich etwa 30°. Das andere Extrem gibt die Kurve D wieder, wo die Änderung der Ausgangsspannung bei einer bestimmten Änderung der Winkelposition erheblich geringer ist. Gleichzeitig wird jedoch der Arbeitswinkelbereich wesentlich größer. Er beträgt für die Kurve D wenigstens etwa ±30°, d. h. es ergibt sich ein Bereich von insgesamt 60°. Auf jeden Fall ist einzusehen, daß eine Verbreiterung des Lichtstrahls, so wie in Fig. 12 realisiert, einen allgemein vergrößerten Arbeitswinkelbereich liefert, in welchem der Sensor linear anspricht.

55 Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Drehpositionssensor mit einer einen nahezu punktförmigen Lichtfleck auf einem um eine definierte Rotationsachse drehbar gelagerten Drehkörper erzeugenden Lichtquelle, sowie mit zwei nebeneinander in einer Ebene angeordneten photoelektrischen Elementen zur drehkörperstellungsabhängigen Erfassung und Wandlung eines von dem Lichtfleck ausgehenden, gegenüber den photoelektrischen Elementen bewegbaren Strahlenbündels, g e kennzeichnet durch folgende Merkmale: