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Aus der DE-PS 21 35 777 ist ein Sollwertgeber für einen elektrischen
Antrieb bekannt, der zur berührungslosen Erzeugung der Drehzahlsollwerte einen Hallgenerator
und einen gegenüber diesem mit einer aufwendigen Mechanik verstellbaren Magneten
verwendet. Über diese Mechanik wird der Magnet an dem Hallgenerator mit variablem
Abstand vorbeigeführt und die Hallspan-
nung einer elektrischen
Schaltanordnung zugeführt. Für zusätzliche digitale Signale sind, an die Verstellmechanik
des Magneten gekoppelt, gesonderte Kontaktschalter in dem Gehäuse angeordnet.
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Aus der DE-OS 17 63 645 ist ein Solldrehzahl-Stellglied für Kupplungsmotorantriebe
bekannt, bei dem der Kopplungsgrad einer durch eine Wechselspannung beaufschlagten
Primärspule und einer die Steuerspannung liefernden Sekundärspule einstellbar ist.
Dabei werden die beiden Spulen über Vorspannfedern federnd zusammengehalten und
der Luftspalt zwischen ihren Magnetkernen über Betätigungsorgane verstellt. Es ist
notwendig große Massen zu bewegen, insbesondere bei Spulen mit großen Windungszahlen
und großen Magnetkernen, die dann verwendet werden müssen, wenn eine empfindliche
Regelung über einen großen Regelbereich erwünscht ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen kontaktlosen
Signalgeber zu schaffen, der konstruktiv einfach aufgebaut ist und von seinem System
her sowohl als Stufenschalter als auch als stufenloser Schalter einsetzbar ist,
wobei die Massen zu bewegender Teile klein gehalten werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil
des Anspruches 1 gelöst. Ein oder mehrere elektrisch leitende Flächenelemente, bevorzugt
aus Cu-Material, werden als gesonderte Bauteile auf einer Leiterplatte angeordnet.
Eine andere Möglichkeit ist, diese Flächenelemente aus einer Cu-beschichteten Leiterplatte
auszuätzen. Dabei ist es in einfacher Weise möglich, diese Flächenelemente zusammen
mit einer Auswertelektronik zusammen auf einer Leiterplatte anzuordnen. Ein dünner
Draht wird in geringem Abstand relativ zu dem Flächenelement bewegt. Es ist möglich,
diese relative Bewegung durchzuführen, indem der Draht über das feststehende Flächenelement
bewegt wird, wobei die Länge des Drahtes so festgelegt ist, daß sie in jeder Stellung
des Drahtes über dem Flächenelement dieses in seiner Breite überdeckt. Durch die
jeweils vom Draht in der Projektion überdeckte Fläche des Flächenelementes wird
eine elektrische Kapazität gebildet, deren Größe sich mit senkrecht zur Bewegungsrichtung
des Drahtes variierender Breite des Flächenelementes ändert.
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Eine relative Verschiebung von Draht und Flächenelement läßt sich
auch in der Weise durchführen, daß der Draht fest auf der Leiterplatte aufgespannt
wird und das Flächenelement darunter verschiebbar ist oder aber daß der Draht in
Form einer dünnen Leiterbahn aus einer Cu-beschichteten Leiterplatte ausgeätzt ist,
über dem dann das Flächenelement bewegt wird. Abhängig von der Form des Flächenelementes
und der relativen Stellung von Draht und Flächenelement zueinander können durch
die gebildete Kapazität ein oder mehrere Signale abgeleitet werden, die - über eine
entsprechende Elektronik verarbeitet - maschinenantriebssp ezifische Komponenten,
wie beispielsweise Kupplungs- und Bremsspulen zur Drehzahlregelung anzusteuern oder
Fadenabschneider bzw. Nadelpositionierung einer Nähmaschine betätigen. Die Lebensdauer
dieses kontaktlos arbeitenden Signalgebers ist praktisch unbegrenzt, da zur relativen
Bewegung von Draht und Flächenelement zueinander nur die geringe Masse des Drahtes
bewegt werden muß. Die Bewegungsmechanik wird dadurch nur relativ gering belastet.
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Da in der Regel bei Arbeitsmaschinen-Antrieben, insbesondere bei
Nähmaschinenantrieben impulsförmige Signale einer bestimmten Größe benötigt werden,
beispielsweise zur Ansteuerung von Kupplung oder Bremse, ist eine Bemessung des
Flächenelementes nach Anspruch 2 besonders zweckmäßig. Die Größe der durch Draht
und Flächenelement gebildeten Kapazität ist unter anderem von der unter dem Draht
befindlichen Breite des Flächenelementes abhängig.
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Wird das Flächenelement nach Anspruch 3 ausgeschaltet, so gibt der
Signalgeber ein sich stufenlos mit der Relativbewegung von Flächenelement und Draht
zueinander änderndes Signal ab, so daß die Drehzahlregelung eines Antriebes stufenlos
erfolgen kann. Die Form der Flächenelemente wird entsprechend den bevorzugt benötigten
Drehzahlbereichen festgelegt Es sind damit bestimmte Drehzahlbereiche in ihrer Regelung
spreizbar, wie es z. B. bei einem Nähmaschinenantrieb in für den Nähbetrieb bevorzugten
Drehzahlbereichen sinnvoll ist Die Anordnung der Flächenelemente nach Anspruch 4
ermöglicht es, mindestens ein Flächenelement für eine stufenlose Signalabgabe und
mindestens ein Flächenelement als Schalter auf einer Leiterplatte anzuordnen.
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Durch diese Anordnung wird ermöglicht, eine Art Steuerprogramm bereits
in die Anordnung und Form der Flächenelemente auf der Leiterplatte hineinzulegen,
ohne dazu zusätzliche mechanische Teile zu benötigen.
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Grundsätzlich können Draht und Flächenelement in jeder denkbaren Weise
relativ zueinander bewegt werden. Zweckmäßig sind die Maßnahmen nach den Ansprüchen
5 und 6, wobei eine Schwenkung des Drahtes über einen durch die auf einem Kreissektor
angeordneten Flächenelemente festgelegten Winkelbereich besonders vorteilhaft sein
kann.
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Liegen die in dem Signalgeber auftretenden Streukapazitäten in der
Größenordnung der durch Draht und Flächenelement gebildeten Kapazität, so kann mit
der Maßnahme nach Anspruch 7 die Empfindlichkeit gegenüber Streukapazitäten vermindert
werden.
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Die Maßnahmen nach den Ansprüchen 8 bis 10 sind zweckmäßige Möglichkeiten,
um aus der durch Draht und Flächenelement gebildeten Kapazität ein Signal abzuleiten,
das dazu geeignet ist, Antriebe von Arbeitsmaschinen anzusteuern.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. In der
Zeichnung zeigt F i g. 1 eine Prinzip-Darstellung eines erfindungsgemäßen Signalgebers,
F i g. 2 ein Ersatzschaltbild von bei einem erfindungsgemäßen Signalgeber auftretenden
Kapazitäten, F i g. 3 ein Schaltbild des elektronischen Aufbaus eines Signalgebers,
F i g. 4 eine Anordnung für einen Signalgeber mit stufenloser Signalveränderung
und Einzelsignalabgabe, F i g. 5 eine Anordnung für einen Signalgeber als Kodierschalter
und F i g. 6 einen Schnitt entsprechend der Schnittlinie VI-VI in Fig.4 bzw. Fig.
5.
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Auf einer in F i g. 1 ausschnittsweise dargestellten Leiterplatte
1 sind drei Flächenelemente 2, 3, 4, von denen zwei rechteckig sind und eines eine
dreieckförmige Geometrie aufweist, in einer Linie nebeneinander angeordnet. Jedes
dieser Flächenelemente 2, 3, 4 ist jeweils mit einem elektrischen Anschluß 2', 3',
4' versehen, die in Form von Leiterbahnen zusammen mit den Flächenelementen 2, 3,
4 aus kupferkaschiertem Leiterplattenmaterial ausgeätzt sind. Ein Draht 5 ist in
einer Nullage zwischen dem einen rechteckigen
Flächenelement 3 und
dem dreieckigen Flächenelement 4 parallel zu der längeren Rechteckseite des Flächenelementes
3 angeordnet. Der Draht 5 läßt sich in die Richtungen des Doppelpfeiles P entweder
über das dreieckige Flächenelement 4 oder aber entgegegesetzt über das erste rechteckige
Flächenelement 3 bzw. das zweite Flächenelement 2 verschieben. Wird der Draht 5,
der einen Durchmesser von etwa 1 mm hat, aus der Nullage heraus über das erste rechteckige
Flächenelement 3, bewegt, so wird durch den Draht 5 und das Flächenelement 3, deren
Abstand voneinander etwa 0,5 mm beträgt, eine elektrische Kapazität CM gebildet.
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Die Größe der Kapazität CM hängt von der momentan vom Draht 5 überstrichenen
Breite des jeweiligen Flächenelementes ab. Durch die Rechteckform des Flächenelementes
3 wird in jeder Stellung des Drahtes 5 über dem Flächenelement 3 eine gleichbleibende
Kapazität CM gebildet, die (bei einem Durchmesser des Drahtes von 1 mm und einer
entsprechenden Breite des Flächenelements 3) in der Größenordnung von 0,5 pF liegt.
Aus dieser Kapazität CM ist ein entsprechendes Signal ableitbar, das beispielsweise
bei Verwendung des Signalgebers in einer Industrienähmaschine zur pulsförmigen Ansteuerung
einer Bremse verwendet werden kann, also die Funktion eines Schalters übernimmt.
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Durch weiteres Verschieben des Drahtes 5 in gleicher Richtung über
das zweite rechteckige Flächenelement 2 wird eine weitere Kapazität CM gebildet,
über die etwa ein Fadenabsehneider einer Industrienähmaschine, nach Positionieren
der Nadel, betätigt werden kann.
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Wird der Draht 5 von der Nullage aus entgegengesetzt in Richtung
des dreieckigen Flächenelementes 4 linear verschoben, so wird die gebildete Kapazität
CM durch die Variation der Breite des dreieckigen Flächenelementes 4 senkrecht zur
Bewegungsrichtung (Pfeil P) des Drahtes 5 verändert. Bei dreieckiger, in F i g.
1 gestrichelt dargestellter Form des Flächenelementes 4, kann die Kapazität von
0 bis etwa 0,5 pF kontinuierlich variiert werden. Im Falle der durch die durchgezogene
Linie gebildeten Geometrie des Flächenelementes 4 wird der Bereich zu den niedrigen
Kapazitäten VM hin gespreizt, während dagegen im Bereich der maximalen Kapazität
CM, d. h. im Bereich der maximalen Breite des Flächenelementes 4 senkrecht zur Bewegungsrichtung
des Drahtes 5, eine Grobeinstellung der Kapazitäten CM möglich ist. Ebenso kann
die Geometrie des Flächenelementes in beliebig anderer Form gewählt werden, um einen
bestimmten Kapazitätsbereich zu spreizen.
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Neben der jeweils durch Draht 5 und Flächenelement 2, 3, 4 gebildeten
Kapazität CM treten in dem Signalgeber eine Anzahl von Streukapazitäten auf, die
sowohl der Draht 5 als auch die Flächenelemente 2, 3, 4 gegenüber dem weiteren Aufbau
des Signalgebers und der Umgebung bilden, die in ihrer Größe undefiniert, aber von
gleicher Größenordnung wie die Kapazität CM sein können. Die einzelnen Streukapazitäten
sind insbesondere die Kapazität C, der Flächenelemente 2, 3, 4 zur Unterseite der
Leiterplatte 1, die Kapazität C2 der Flächenelemente 2,3,4 zur Oberseite der Leiterplatte
1, die Kapazität C3 der Flächenelemente 2, 3, 4 zum Eingang einer Auswerteelektronik,
die Kapazität C4 bzw. C5 der Flächenelemente 2,3,4 bzw. des Drahtes 5 zum Aufbau
und zur Umwelt.
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Wie F i g. 2 in einem Ersatzschaltbild zeigt, wird parallel zu den
Streukapazitäten C1 bis Cs eine diskrete Zusatzkapazität Cb geschaltet. Mit einem
Wert der diskreten Zusatzkapazität von CO von 100 pF sind
Änderungen der sehr viel
kleineren Streukapazitäten vernachlässigbar. Auf diese Weise stellen die Kapazitäten
CM und C«, einen gegenüber Streukapazitäten unempfindlichen Spannungsteiler dar.
Bei fester Amplitude der Speise-Wechselspannung Us ist damit die Spannung UM an
der Kapazität 0> gegeben durch ist also linear von der Kapazität CM zwischen
Draht 5 und den Flächenelementen 2, 3, 4 abhängig.
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Diese Spannung Wird dem Eingang einer in Fig. 3 dargestellten Auswerteelektronik
des Signalgebers zugeführt. Um die oben angegebene Linearität zwischen der Spannung
UM an der diskreten Zusatzkapazität CO und der Kapazität CM zwischen Draht 5 und
Flächenelement 2, 3, 4 bei auftretender Belastung parallel zur Zusatzkapazität C>
zu erfüllen, wird die Signalspannung UM einem Elektrometer 6 zugeführt.
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Parallel zum Eingang des Elektrometers 6 liegt ein wegen der Drift
erforderlicher Widerstand 7, der in diesem Ausführungsbeispiel mit 4,7 MQ etwa zehnmal
größer als der Blindwiderstand der Zusatzkapazität C> ist,-falls die Frequenz
der Speisespannung Us im Bereich von mindestens 3 kHz liegt. Eine oberste Frequenz
von etwa 20 kHz ist durch die Grenzfrequenz der Auswerteelektronik gegeben. Die
günstigste Betriebsfrequenz liegt im Bereich von 5 kHz. Die durch das Elektrometer
6, bei Werten der beiden Widerstände Ro und Rz in der Größenordnung von 100 kQ und
1 kfl um den Faktor 100 verstärkte Signalspannung UM wird über einen Kondensator
8 einem Demodulator 9 zugeführt, der zwei Dioden 10 und 11 enthält. Dem Demodulator
9 ist eine Endstufe 12 nachgeschaltet, der das demodulierte Signal zugeführt wird.
Als Endstufe 12 werden z. B.
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Komparatoren (bei Schaltfunktionen) eingesetzt, die durch Zusatz eines
Widerstandes die Funktion eines Linearverstärkers (bei stufenloser Signalgabe) übernehmen.
Mit den entsprechenden am Ausgang UA der Auswerteelektronik erzeugten Signalen werden
arbeitsmaschinenspezifische Antriebskomponenten oder Funktionseinheiten angesteuert.
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In F i g. 4 ist eine Realisierungsvariante des Signalgebers in Form
einer gedruckten Schaltung dargestellt, wobei die in F i g. 3 dargestellte Auswerteelektronik
und die in F i g. 1 erklärten Flächenelemente 2,3,4 auf einer Leiterplatte 13 angeordnet
sind. Neben dem dreickförmigen Flächenelement 4 sind drei rechteckähnliche Flächen
14, 15, 16 nebeneinander angeordnet, die entweder als Schaltstufen oder als Geber
zum Betätigen verschiedener Funktionseinheiten der Arbeitsmaschine verwendet werden
können. Der Draht 5, durch eine gestrichelte Linie angedeutet, ist mittels Drehführung,
die aus einem um die Drehachse 17 drehbaren Hebel 18 besteht, an der Unterseite
des Hebels 18 befestigt, um einen Winkelbereich a drehbar. Der Winkelbereich a wird
durch die Anordnung der Flächenelemente 4, 14, 15, 16 festgelegt. Die rechteckförmigen
Flächen 14, 15, 16 sind Ringsektoren, deren Krümmungsmittelpunkt durch die Drehachse
17 des Hebels 18 gebildet wird, so daß sie senkrecht zur Bewegungsrichtung des Drahtes
5 eine gleichbleibende Breite aufweisen.
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F i g. 5 zeigt eine zweite Ausführungsvariante in Form einer gedruckten
Schaltung, bei dem Flächenelemente 20, 21, 22, 23 auf vom Draht 5 überstreichbaren
Kreisbahnen mit unterschiedlichen Radien auf einer
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