DE3635107A1 - Drehstellungsdetektor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehstellungsdetektor, der die Stellung eines rotierenden Körpers als Funktion des Drehwinkels unter Verwendung von Licht erfaßt.

Es sind verschiedene Arten von Drehstellungsdetekoren bekannt. Als Beispiel seien synchrone elektrische Vor­ richtungen, etwa Drehmelder genannt, die von der elektro­ magnetischen Kopplung Gebrauch machen und bei denen die Stellung eines rotierenden Körpers in eine Sinus­ oder Cosinusfunktion umgesetzt wird. Fig. 8 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines Drehmelders, Fig. 9 Signal­ verläufe zur Erläuterung seiner Arbeitsweise.

Wie Fig. 8 zeigt, enthält ein Drehmelder einen Stator 10 und einen Rotor 11 mit jeweiligen Wicklungen, von denen der Rotor 11 an einem nicht dargestellten rotierenden Körper befestigt wird. Das Ausmaß der Kopplung zwischen den beiden Wicklungen ändert sich entsprechend der Dreh­ winkelstellung des rotierenden Körpers. Der Kopplungs­ koeffizient ist eine Sinus- oder Cosinusfunktion eines mechanischen Winkels R (der Stellung des rotierenden Körpers) in bezug auf eine Bezugsachse des Stators.

Wenn die Statorwicklung mit einer Spannung Vs (=Vo×sinωt) gemäß Darstellung in Fig. 9 (a) beaufschlagt wird, erhält man an der Rotorwicklung ein amplitudenmoduliertes Signal Vr = Vo×cosR×sinωt. Unter der Voraussetzung, daß dR/dt«ω ist, ist der Verlauf der Ausgangsspannung Vr gemäß Darstellung in Fig. 9 (b). Durch synchrone Gleich­ richtung mit Hilfe der Spannung Vs erhält man das in Fig. 9 (c) gezeigte Signal. Wenn die Komponente mit der Frequenz ω mit Hilfe eines Tiefpaßfilters aus diesem Signal entfernt wird, erhält man das in Fig. 9 (d) dar­ gestellte Signal, daß der Funktion cos R entspricht. Wenn die Winkelstellung der Rotorwicklung um 90° gedreht wird, erhält man ein der Funktion sin R entsprechendes Signal.

Die beschriebenen bekannten Drehmelder leiden an folgenden Problemen:

• a) Da sowohl für Stator als auch Rotor eine Wicklung er­ forderlich ist, kann der Drehmelder nicht in erwünschtem Maß in Große und Gewicht reduziert werden, was auch einen ungünstigen Einfluß auf die Kosten hat.
• b) Da von der elektromagnetischen Kopplung Gebrauch gemacht wird, benötigt man ein Trägersignal als Erregersignal sowie eine Demodulationsschaltung zum Gewinnen einer sinus- oder cosinusförmigen Abhängigkeit, wodurch der elektrische Schaltungsteil des Drehmelders komplex wird.
• c) Es sind verschiedene Möglichkeiten vorgeschlagen wor­ den, wie man das Positionssignal vom Rotor kontakt­ los erhalten kann. Diese Möglichkeiten erfordern jedoch zusätzliche Teile, die den Aufbau vergrößern und die Kosten erhöhen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen kontaktlosen Dreh­ stellungsdetektor zu schaffen, der klein, leicht und preiswert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Dreh­ stellungsdetektor gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Der Drehstellungsdetektor enthält einen ortsfesten Licht­ emitter, der paralleles Licht emittiert, eine mit einem rotierenden Körper rotierende Abschirmplatte mit einer Lichtdurchlaßöffnung und eine ortsfeste Lichtempfangs­ platte mit einem Lichtempfangsabschnitt, der ein der Beleuchtungsstärke bzw. Lichtmenge proportionales elektrisches Signal erzeugt. Diese drei Komponenten sind in dieser Reihenfolge auf einer gemeinsamen Achse und mit jeweiligen Abständen angeordnet. Die Lichtdurch­ laßöffnung hat eine solche Form, daß Licht vom Licht­ emitter lediglich in einem Bereich, der einem Drehwinkel von 180° um die zentrale Achse entspricht, hindurchgeht. Dadurch kann man in Verbindung mit einem Lichtempfangs­ abschnitt einer vorgegebenen Form ein Ausgangssignal als eine bestimmte Funktion des Drehwinkels erhalten.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Er­ findung,

Fig. 2 (a) bis (c) drei verschiedene relative Stellungen zwischen Abschirmplatte und Licht­ empfangsplatte,

Fig. 3 den Verlauf des Ausgangssignals des Lichtempfangsabschnitts,

Fig. 4 schematisch ein weiteres Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 5 den Verlauf von Ausgangssignalen des Ausführungsbeispiels von Fig. 4,

Fig. 6 schematisch ein weiteres Aus­ führungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 7 den Verlauf der Ausgangssignale beim Ausführungsbeispiel von Fig. 6,

Fig. 8 eine Darstellung zur Erläuterung des Prinzips eines Drehmelders und

Fig. 9 (a) bis (d) Signalverläufe zur Erläuterung der Funktion des Drehmelders von Fig. 8.

In Fig. 1 bezeichnet 1 die Welle eines nicht gezeigten rotierenden Körpers, 2 einen Lichtemitter, 3 eine Abschirmplatte mit einer Lichtdurchlaßöffnung 31 und 4 eine Lichtempfangsplatte mit einem Lichtempfangsab­ schnitt 41. Die Abschirmplatte 3 ist an der Welle 1 des rotierenden Körpers befestigt. Ihre Lichtdurchlaß­ öffnung 31 läßt Licht in einem Bereich entsprechend einem Drehwinkel von 180° ausgehend von einer durch die Achse der Welle 1 gehenden Bezugsachse hindurch. Auf der einen Seite der Abschirmplatte 3 befindet sich der Lichtemitter 2, etwa in Form einer lichtemittierenden Diode, der paralleles Licht emittiert und ringförmig aus­ gebildet ist. Auf der anderen Seite der Abschirmplatte 3 befindet sich die Lichtempfangsplatte 4 mit dem halb­ kreisflächenförmigen Lichtempfangsabschnitt 41. Der Licht­ emitter 2 und die Lichtempfangsplatte 4 sind beide koaxial bezüglich der Achse der Welle 1 (Drehachse) ange­ ordnet. Sowohl der Lichtemitter 2 als auch die Licht­ empfangsplatte 4 sind ortsfest und stehen beide in einem vorgegebenen Abstand zur drehbaren Abschirmplatte 3, so daß sie diese nicht berühren.

Wenn die Welle 1 rotiert, rotiert damit auch die Abschirm­ platte 3, wobei sich der durch die Lichtdurchlaßöffnung 31 der Abschirmplatte 3 dem Licht ausgesetzte Teil des Licht­ empfangsabschnitts 41 verändert. Diese zunehmende Änderung des dem Licht ausgesetzten Teils ist in Fig. 2 (a) bis (c) dargestellt.

Wenn man unter Bezug auf Fig. 2 (a) annimmt, daß α-α eine Bezugsachse des ortsfesten Lichtemitters 2 ist und R der Winkel, den die Achse β-β mit der Achse α-α einschließt, dann ändert sich der Winkel R zunehmend von Fig. 2 (a) zu Fig. 2 (b) und Fig. 2 (c) in dieser Reihenfolge infolge der Drehung der Abschirmplatte 3. Nimmt man die Drehrichtung der Abschirmplatte 3 im Gegenuhrzeigersinn als positiv an, dann ändert sich der dem Licht ausgesetzte Teil des Lichtempfangsabschnitts 41 bei einer Drehung der Abschirmplatte 3 im Gegenuhrzeigersinn ausgehend von der Stellung R = 0 zunehmend, wie durch 41′, 41′′, 41′′′ darge­ stellt. Die dem Licht ausgesetzte Fläche, die hier mit S bezeichnet werden soll, nimmt dabei proportional zu R zu. Die Fläche S erreicht bei R = π ein Maximum und nimmt für π < π proportional zu R ab. Für R = 2π ist die Fläche S = 0.

Die Änderung der Fläche S in Abhängigkeit von R ist in Fig. 3 gezeigt und ergibt einen dreieckförmigen Verlauf. Verwendet man für den Lichtempfangsabschnitt 41 ein Material, das eine der empfangenen Lichtmenge proportionale Spannung abgibt, wie amorphes Silicium, dann wird die Ausgangsspannung Vo proportional der Fläche S des dem Licht ausgesetzten Bereichs des Lichtempfangsabschnitts 41, d.h. der dreieckförmige Verlauf von Fig. 3 zeigt den Zusammen­ hang zwischen der Ausgangsspannung Vo und dem Winkel R. Durch Messen der Ausgangsspannung Vo kann daher die Dreh­ stellung des rotierenden Körpers erfaßt werden.

Mit einem halbkreisflächenförmigen Lichtempfangsabschnitt 41 kann man also die Position des rotierenden Körpers als trigonometrische Funktion seines Drehwinkels darstellen. Aus Analogiegründen ergibt sich, daß bei Änderung der Form, Anordnung und/oder Anzahl des Lichtempfangsabschnitts bzw. von Lichtempfangsabschnitten die Position des rotierenden Körpers auch durch andere Funktionen darge­ stellt werden kann.

Fig. 4 zeigt schematisch ein hiervon ausgehendes anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 5 zeigt den Ver­ lauf von Ausgangssignalen bei diesem Ausführungsbei­ spiel.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4 sind zwei Licht­ empfangsabschnitte 41 a und 41 b jeweils gleicher Fläche vorgesehen, die sich je über einen Winkel von 180° er­ strecken. Wie beim Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ist die Fläche des Bereichs des jeweiligen Lichtempfangsab­ schnitts 41 a, 41 b, der durch die Lichtdurchlaßöffnung 31 der Abschirmplatte 3 dem Licht ausgesetzt ist, dem Winkel R proportional. Die beiden Lichtempfangsab­ schnitte 41 a und 41 b sind um einen Winkel von 90° gegen­ einander versetzt. Man erhält von diesen Lichtempfangs­ abschnitten 41 a und 41 b demzufolge die beiden Ausgangs­ spannungen Va bzw. Vb, die in Fig. 5 dargestellt sind, d.h. ein zweiphasiges Ausgangssignal, von dem die beiden Phasen gegeneinander um einen Winkel von 90° phasenver­ schoben sind. 4′ ist hier die Lichtempfangsplatte.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Er­ findung. Die bei diesem Ausführungsbeispiel erhaltenen Signalverläufe sind in Fig. 7 dargestellt.

Das Ausführungsbeispiel von Fig. 6 ähnelt dem von Fig. 4 insofern, als ein zweiphasiges Ausgangssignal mit den Ausgangsspannungen Vc und Vd von zwei Lichtempfangsab­ schnitten 41 c bzw. 41 d erhalten wird. Das Ausführungs­ beispiel von Fig. 6 unterscheidet sich von dem in Fig. 4 hinsichtlich der Formen der Lichtempfangsabschnitte 41 c und 41 d, die so gewählt sind, daß die Ausgangsspannungen Sinusfunktionen des Winkels R sind. Es braucht nicht mehr betont zu werden, daß bei Verwendung lediglich eines der Lichtempfangsabschnitte des Ausführungsbeispiels von Fig. 6 ein Detektor für die Abgabe einer Ausgangsspannung geschaffen werden kann die eine Sinusfunktion des Winkels R ist. In Fig. 6 ist die Lichtempfangsplatte mit 4′′ bezeichnet.

Durch Änderung der Anzahl, der Form und/oder Anordnung der Lichtempfangsabschnitte kann die Anzahl der Phasen des Ausgangssignals sowie die Funktion ihrer Abhängig­ keit vom Drehwinkel ausgewählt werden.

Da bei der Erfindung eine Abschirmplatte mit einer Licht­ durchlaßöffnung zusammen mit einem drehbaren Körper dreh­ bar und koaxial zu einem ortsfesten Lichtemitter und einem oder mehreren ortsfesten Lichtempfangsabschnitten und zwischen diesen angeordnet ist, so daß die Fläche des freigelegten Bereichs des Lichtempfangsabschnitts bzw. der Lichtempfangsabschnitte eine Funktion des Dreh­ winkels des drehbaren Körpers ist, kann eine kleine und leichte Drehstellungsdetektorvorrichtung geschaffen werden, bei der die Stellung des drehbaren Körpers direkt in kontaktloser Weise als Funktion des Drehwinkels erfaßt werden kann.

Claims (4)

1. Drehstellungsdetektor, dadurch gekennzeich­ net, daß zwischen einem ortsfesten Lichtemitter (2) und einer ortsfesten Lichtempfangsplatte (4) mit einem vorgegebenen Abstand sowohl vom Lichtemitter (2) als auch von der Licht­ empfangsplatte (4) eine Abschirmplatte (3) auf einer Welle (1) eines drehbaren Körpers mit diesem drehbar angeordnet ist, daß die Abschirmplatte (3) eine Lichtdurchlaßöffnung (31) aufweist, die Licht vom Lichtemitter (2) jeweils nur zu einer Hälfte der Lichtempfangsplatte (4) durchläßt, und daß die Lichtempfangsplatte (4) wenigstens einen Lichtempfangsab­ schnitt (41) vorgegebener Form aufweist, der ein elektrisches Signal proportional der Lichtmenge erzeugt derart, daß vom Lichtempfangsabschnitt ein Ausgangssignal in Form einer vor­ gegebenen Funktion vom Drehwinkel des drehbaren Körpers erhalten wird.

2. Drehstellungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Lichtempfangsplatte (4′; 4′′) zwei um einen vorgegebenen Winkel gegeneinander ver­ setzte Lichtempfangsabschnitte (41 a, 41 b; 41 c, 41 d) auf­ weist und mehrere Arten von Ausgangssignalen erhalten wer­ den.

3. Drehstellungsdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die graphische Darstellung der Funktion eine Dreieckswelle ist.

4. Drehstellungsdetektor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die graphische Darstellung der Funktion eine Sinuswelle ist.