DE4108954A1

DE4108954A1 - Optischer drehwinkelgeber

Info

Publication number: DE4108954A1
Application number: DE19914108954
Authority: DE
Inventors: Albrecht Dipl Ing Haack
Original assignee: REINSHAGEN KABELWERK GmbH; Kabelwerke Reinshagen GmbH
Current assignee: Delphi Automotive Systems Deutschland GmbH
Priority date: 1991-03-19
Filing date: 1991-03-19
Publication date: 1992-09-24
Anticipated expiration: 2011-03-20
Also published as: DE4108954C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehwinkelgeber, bestehend aus einer koaxial an dem hinsichtlich seiner Drehposition zu erfassenden Objekt befestigbaren Kreisscheibe, die einen Kranz von identischen äquidistanten Abfrage-Kreissektoren aufweist, und aus einem stationär vor der Kreisscheibe anzuordnenden, die Abfrage-Kreissektoren erfassenden Sensor mit nachgeschalteter Auswertestufe.

Es sind derartige Drehwinkelgeber bekannt, die auf kapazitiver Basis arbeiten. Dabei ist eine mit mindestens einer kreissektorförmigen Kondensatorplatte belegte Kreisscheibe ortsfest vor dem hinsichtlich seiner Drehposition zu erfassenden Objekt angeordnet, während eine zweite, mit einem Kranz von kreissektorfömigen Kondensatorplatten belegte Kreisscheibe sich mit dem Objekt dreht. Bei einer Drehung ändert sich die relative Lage der Kondensatorplatten zueinander, und es wird dadurch eine Kapazitätsänderung des Kondensators hervorgerufen. Diese Kapazitätsänderung kann von einer nachgeschalteten Auswertestufe ausgewertet und daraus die Drehposition des Objektes festgestellt werden.

Kapazitiv arbeitende Drehwinkelgeber sind allerdings empfindlich gegenüber Störungen durch elektrische oder elektromagnetische Felder und nur bedingt in explosionsgefährdeten Räumen einsetzbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen die Drehrichtung erkennenden Drehwinkelgeber kompakter Bauform zu schaffen, der unempfindlich gegenüber elektrischen oder elektromagnetischen Feldern ist, der auch in explosionsgefährdeten Räumen einsetzbar ist und der darüber hinaus leicht justierbar und preiswert ist.

Ausgehend von einem Drehwinkelgeber der eingangs genannten Art, ist diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Abfrage-Kreissektoren als Lichtreflexionsfelder ausgebildet sind, daß der Sensor aus drei senkrecht zur Kreisscheibe gerichteten, unmittelbar nebeneinander liegenden Lichtleitfasern besteht, von denen zwei im gleichen Radialabstand vom Kreisscheibenzentrum angeordnet sind und die dritte Lichtleitfaser in einem der beiden Zwickel zwischen erster und zweiter Lichtleitfaser angeordnet ist, und daß die dritte Lichtleitfaser als Sender und die beiden anderen Lichtleitfasern als Empfänger geschaltet sind.

Durch die Erfindung werden eine Reihe von Vorteilen erreicht. Der rein optisch arbeitende Drehwinkelgeber kann durch elektrische oder elektromagnetische Felder nicht gestört werden. Bei der Verwendung hinreichend langer Lichtleitfasern zwischen Sensor und Auswertestufe ist es darüber hinaus möglich, den Drehwinkelgeber ohne einen elektrischen Anschluß in explosionsgefährdeten Räumen zu verwenden. Durch die Ausbildung der Abfrage-Kreissektoren als Lichtreflexionsfelder, welche in Wechsel mit nichtreflektierenden Kreissektoren auf der Kreisscheibe angeordnet sind, muß die Kreisscheibe nur einseitig und nur im Bereich des die Abfrage-Kreissektoren erfassenden Sensors zugänglich sein. Die Kreisscheibe kann direkt an dem hinsichtlich seiner Drehposition zu erfassenden Objekt befestigt werden, oder es können die reflektierenden und nichtreflektierenden Sektoren unmittelbar am Objekt angebracht werden, wodurch eine Fehljustierung der Kreisscheibe bezüglich des Objektes ausgeschlossen ist und eine große mechanische Stabilität erreicht wird. Der die Lichtreflexionsfelder abtastende Sensor besteht aus drei senkrecht zur Kreisebene gerichteten, unmittelbar nebeneinander liegenden Lichtleitfasern. Der von den Lichtleitfasern gebildete Sensor kann sehr klein, nahezu punktförmig, ausgebildet werden, so daß sehr kompakte Ausführungsformen erreicht werden können, die auch bei beengten Platzverhältnissen einbaubar sind.

In Ausgestaltung der Erfindung kann der Sensor so vor der Kreisscheibe angeordnet werden, daß die Breite der Abfrage-Kreissektoren im Bereich des Sensors zwischen dem Ein- bis Fünffachen des Durchmessers der Lichtleitfasern beträgt. Insbesondere ist vorgesehen, daß die Breite der Abfrage-Kreissektoren bei Lichtleitfasern von einem Millimeter Durchmesser etwa das Zweifache des Faserdurchmessers beträgt und daß die Breite der Abfrage-Kreissektoren bei Lichtfasern von 0,2 Millimeter Durchmesser etwa das Fünffache dieses Durchmessers beträgt. So wird erreicht, daß bei Auftreffen des Lichtkegels auf einen vorbeiwandernden Abfrage-Kreissektor der reflektierte Lichtstrom in den beiden Empfänger-Lichtleitfasern bis zu einem deutlich erkennbaren Maximum ansteigt und darauf folgend wieder abfällt. Da die beiden als Empfänger geschalteten Lichtleitfasern im gleichen Radialabstand von der Drehachse nebeneinanderliegend angeordnet sind, tritt zwischen den empfangenen Signalen eine Phasenverschiebung auf. Anhand des Voraus- bzw. Nacheilens der Signale in den beiden Empfänger-Lichtleitfasern kann von der nachgeschalteten Auswertestufe die Drehrichtung erkannt werden. Durch die beschriebene Anordnung wird eine Phasenverschiebung von etwa 90° plus/minus 15° erreicht, wodurch die vorgesehene Auswertestufe deutlich zwischen vor- bzw. nacheilenden Empfangssignalen unterscheiden kann. Die Auswertestufe enthält zweckmäßigerweise eine Auswertelogik mit Vorwärts-Rückwärtszähler zur Drehrichtungserkennung. In der Praxis hat sich dabei als Schaltkriterium für den Zähler neben dem Anstieg insbesondere das Abfallen der Lichtströme bewährt. Besonders einfach ist eine solche Auswertelogik aufzubauen, wenn die reflektierenden Abfrage-Kreissektoren und die dazwischen liegenden, nichtreflektierenden Sektoren jeweils mindestens nahezu die gleiche Größe aufweisen.

Die Meßgenauigkeit des Drehwinkelgebers nach der Erfindung wird von der Anzahl der Lichtreflexionsfelder bestimmt. Die Breite der Lichtreflektionsfelder und der daraus resultierende Durchmesser der Kreisscheibe und der damit verbundene Abstand des Sensors von der Drehachse richten sich im wesentlichen nach dem Durchmesser der verwendeten Lichtleitfasern, dem Öffnungswinkel des Sender-Lichtkegels und dem Reflexionsverhalten der Abfrage-Kreissektoren. Bevorzugt kann vorgesehen werden, daß die Anzahl der Kreissektoren, die Größe der Kreisscheibe und der Abstand des Sensors vom Kreisscheibenzentrum derart gewählt sind, daß sich eine Auflösung von 0,5° bis 3° ergibt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert, in der zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Drehwinkelgebers nach der Erfindung,

Fig. 2 die Draufsicht auf eine mit Reflexionsfeldern versehene Kreisscheibe gemäß der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 bis 8 das Reflexionsverhalten der Kreisscheibe in verschiedenen Stellungen vor dem Sensor und

Fig. 9 den Verlauf der von den Empfänger-Lichtleitfasern aufgenommenen, reflektierten Lichtströme L, abhängig von der Drehposition W der Kreisscheibe.

Fig. 1 zeigt schematisch Aufbau und Verwendung eines Drehwinkelgebers nach der Erfindung. An einem hinsichtlich seiner Drehposition, bezogen auf die Achse 1, zu erfassenden Objekt 2 ist koaxial eine Kreisscheibe 3 befestigt. Die Kreisscheibe 3 ist von einem Wellenende 4 durchsetzt. Mittels eines Halters 5 ist ein Sensor 6 stationär im randnahen Bereich der Kreisscheibe 3 angeordnet. Der Sensor 6, vgl. Fig. 2, besteht aus zwei im gleichen Radialabstand R vom Kreisscheibenzentrum Z angeordneten Empfänger-Lichtleitfasern 7, 8 und der Sender-Lichtleitfaser 9. Die Sender-Lichtleitfaser 9 ist im radial außenliegenden Zwickel zwischen erster Empfänger-Lichtleitfaser 7 und zweiter Empfänger-Lichtleitfaser 8 angeordnet. Alle drei Lichtleitfasern 7, 8, 9 sind senkrecht zur Kreisscheibe 3 ausgerichtet. Abhängig von den verwendeten Lichtleitfasern können in bekannter Weise die freiliegenden Stirnflächen plan geschliffen oder mit Linsen versehen sein. Zweckmäßigerweise werden die drei Lichtleitfasern in einem gemeinsamen Kabelmantel 10 bis zur nachgeschalteten Auswertestufe geführt.

Die Kreisscheibe 3 trägt einen Kranz von gleich großen, als Lichtreflexionsfelder 11 ausgebildeten Abfrage-Kreissektoren. Die Abfrage-Kreissektoren 11 und die dazwischen liegenden, nichtreflektierenden Sektoren 12 weisen im Ausführungsbeispiel jeweils gleiche Größe auf. Am Rand der Kreisscheibe 3 sind im Schnitt die drei Lichtleitfasern 7, 8, 9 des Sensors 6 dargestellt. Die Breite B der Abfrage-Kreissektoren 11 im Bereich des Sensors 6 beträgt etwa das Zweifache des Faserdurchmessers der Lichtleitfasern 7, 8, 9. Die zwanzig Lichtreflexionsfelder 11 und die zwanzig nichtreflektierenden Sektoren 12 unterteilen die Kreisscheibe 3 in 9°-Schritte und bestimmen so das Auflösevermögen.

Die Fig. 3 bis 8 veranschaulichen die Funktion des Drehwinkelgebers. In Fig. 3 strahlt die Sender-Lichtleitfaser 9 einen Lichtkegel 13 unter dem Abstrahlwinkel a ab. Der Radialabstand R des Sensors 6 ist so gewählt, daß bei vorgegebenem Abstand S des Sensors 6 von der Kreisscheibe 3 der Durchmesser des Lichtkegels gleich der Breite B der Lichtreflexions felder 11, bzw. der Sektoren 12 ist. In Fig. 3 wird ein nichtreflektierender Sektor 12 angestrahlt, und die Empfänger-Lichtleitfasern 7 und 8 empfangen kein reflektiertes Licht. Dieser Zustand ist in dem Diagramm nach Fig. 9 bei der Drehposition 14 gekennzeichnet. Beim Drehen der Kreisscheibe 3 wandert das Lichtreflexionsfeld 11 in Pfeilrichtung langsam in den Lichtkegel 13 hinein. Zunächst empfängt die erste Empfänger-Lichtleitfaser 7 reflektierte Lichtstrahlen 15, während die zweite Empfänger-Lichtleitfaser 8 noch kein Signal empfängt. Dieser Zustand ist bei der Drehposition 16 in Fig. 9 angegeben. In Fig. 5 ist die Kreisscheibe 3 so weit gewandert, daß die erste Empfänger-Lichtleitfaser 7 im Bereich maximaler Reflexion liegt, während die zweite Empfänger-Lichtleitfaser 8 nur wenige reflektierte Lichtstrahlen empfängt, vgl. Drehposition 17 in Fig. 9. In Fig. 6 liegen dann beide Empfänger-Lichtleitfasern 7, 8 im Bereich maximaler Reflexion, siehe Drehposition 18 in Fig. 9. Beim Weiterwandern nimmt zunächst nur der Reflexion-Lichtstrom L der Empfänger-Lichtleitfaser 7 ab, vgl. Fig. 7 und Drehposition 19 in Fig. 9. Schließlich wird, vgl. Fig. 8 und Drehposition 20 in Fig. 9, ein Zustand erreicht, bei dem die erste Empfänger-Lichtleitfaser 7 nicht mehr im Bereich reflektierter Lichtstrahlen liegt, die zweite Empfänger-Lichtleitfaser 8 aber noch einige Lichtstrahlen empfängt. Beim Weiterwandern der Kreisscheibe 3 strahlt der Lichtkegel 13 entsprechend Fig. 3 wieder vollständig auf einen nicht reflektierenden Sektor 12, womit eine Signalperiode abgeschlossen ist.

In Fig. 9 sind der empfangene Lichtstrom 21 von der ersten Empfänger-Lichtleitfaser 7 in einer durchgezogenen und der von der zweiten Empfänger-Lichtleitfaser 8 empfangene Lichtstrom 22 in einer gestrichelten Linie dargestellt. Die beiden Kurven 21, 22 sind deutlich phasenverschoben. Wird das Ansteigen oder Abfallen der Lichtleistung an den steilen Flanken 23, 24 als Schaltkriterium für die Auswertestufe genutzt, kann diese zuverlässig zwischen vor- und nacheilenden Empfangssignalen unterscheiden und den Drehsinn feststellen.

Bezugszeichenliste

1 Achse
2 Objekt
3 Kreisscheibe
4 Wellenende
5 Halter
6 Sensor
7 Empfänger-Lichtleitfaser
8 Empfänger-Lichtleitfaser
9 Sender-Lichtleitfaser
10 Kabelmantel
11 Lichtreflexionsfeld
12 nichtreflektierender Sektor
13 Lichtkegel
14 Drehposition
15 reflektierte Lichtstrahlen
16 Drehposition
17 Drehposition
18 Drehposition
19 Drehposition
20 Drehposition
21 Lichtstrom
22 Lichtstrom
23 Flanke
24 Flanke
L empfangener Lichtstrom
W Drehposition
R Radialabstand
Z Kreisscheibenzentrum
B Breite
a Abstrahlwinkel
S Abstand

Claims

1. Drehwinkelgeber, bestehend aus einer koaxial an dem hinsichtlich seiner Drehposition zu erfassenden Objekt befestigbaren Kreisscheibe, die einen Kranz von identischen äquidistanten Abfrage-Kreissektoren aufweist, und aus einem stationär vor der Kreisscheibe anzuordnenden, die Abfrage-Kreissektoren erfassenden Sensor mit nachgeschalteter Auswertestufe, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfrage-Kreissektoren als Lichtreflexionsfelder (11) ausgebildet sind, daß der Sensor (6) aus drei senkrecht zur Kreisscheibe (3) gerichteten, unmittelbar nebeneinanderliegenden Lichtleitfasern (7, 8, 9) besteht, von denen zwei (7, 8) im gleichen Radialabstand (R) vom Kreisscheibenzentrum (Z) angeordnet sind und die dritte Lichtleitfaser (9) in einem der beiden Zwickel zwischen erster (7) und zweiter (8) Lichtleitfaser angeordnet ist, und daß die dritte Lichtleitfaser (9) als Sender und die beiden anderen Lichtleitfasern (7, 8) als Empfänger geschaltet sind.

2. Drehwinkelgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (B) der Abfrage-Kreissektoren (11) im Bereich des Sensors (6) zwischen dem Ein- bis Fünffachen des Durchmessers der Lichtleitfasern (7, 8, 9) beträgt.

3. Drehwinkelgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (B) der Abfrage-Kreissektoren (11) bei Lichtleitfasern (7, 8, 9) von einem Millimeter Durchmesser etwa das Zweifache des Faserdurchmessers beträgt.

4. Drehwinkelgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (B) der Abfrage-Kreissektoren (11) bei Lichtfasern (7, 8, 9) von 0,2 mm Durchmesser etwa das Fünffache dieses Durchmessers beträgt.

5. Drehwinkelgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden Abfrage-Kreissektoren (11) und die dazwischenliegenden, nichtreflektierenden Sektoren (12) jeweils mindestens nahezu die gleiche Größe aufweisen.

6. Drehwinkelgeber nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Kreissektoren (11, 12), die Größe der Kreisscheibe (3) und der Abstand (R) des Sensors (6) vom Kreisscheibenzentrum (Z) derart gewählt sind, daß sich eine Auflösung von 0,5° bis 3° ergibt.

7. Drehwinkelgeber nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertestufe eine Auswertelogik mit Vorwärts-Rückwärtszähler enthält, die zwischen jeweils den in elektrische Signale umgewandelten vor- bzw. nacheilenden Empfangssignalen (21, 22) der beiden Empfangs-Lichtleitfasern (7, 8) unterscheidet.