DE4330302A1

DE4330302A1 - Position display esp. for displaceable ski-binding - has protective housing enclosing all electrical and electronic parts pref. supplied via solar cell

Info

Publication number: DE4330302A1
Application number: DE19934330302
Authority: DE
Inventors: Herbert Knotz
Original assignee: Temic Telefunken Microelectronic GmbH
Current assignee: Atmel Germany GmbH
Priority date: 1992-09-09
Filing date: 1993-09-07
Publication date: 1994-03-10

Abstract

The position display has a housing enclosing an electronic display, a mechanical/electrical transducer and an electronic evaluation and control circuit for the display. The position of the sliding object located outside the housing is coupled to the transducer, which provides a corresponding output signal. Pref., the display is provided via at least one alphanumeric character and/or graphical symbol, the operating current for the display circuit provided by a solar cell. ADVANTAGE - Display is fully enclosed to provide protection from weather etc.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Anzeige der Position eines räumlich verschiebbaren Gegenstands.The invention relates to an arrangement for displaying the Position of a spatially movable object.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine vorteil hafte derartige Anordnung anzugeben.The object of the present invention is to provide an advantage would have to specify such an arrangement.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 angegeben. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung.The invention is specified in claim 1. The Subclaims contain advantageous designs and Developments of the invention.

Durch die elektronische Anzeige ergibt sich eine gegen über einer mechanischen Zeigerpositionsanzeige eindeu tige und leicht ablesbare Anzeige in Form von Ziffern, Buch staben und/oder Symbolen. Durch die Unterbringung in einem gemeinsamen Gehäuse ergibt sich ein einfach zu handhabendes robustes und zuverlässiges Modul, das beispielsweise zum Einsatz unter ungünstigen Umweltbe dingungen mit starken mechanischen Beanspruchungen wie z. B. auf Skiern geeignet ist. Die Anordnung kann weit gehend wartungsfrei ausgeführt werden, insbesondere durch eine miteingebaute Energiequelle in Form einer Solarzelle. Die Anordnung ermöglicht durch die feste Zuordnung von Wandlerstellung und Gegenstandsposition über die Vermittlung der mechanischen Mittel eine abso lute Positionserfassung und -anzeige.The electronic display shows a counter above a mechanical pointer position indicator tige and easy to read display in the form of digits, book letters and / or symbols. By placing in a common housing results in an easy to handling robust and reliable module that for example for use under unfavorable environmental conditions conditions with strong mechanical loads such as e.g. B. is suitable on skis. The arrangement can be wide be carried out maintenance-free, in particular through a built-in energy source in the form of a Solar cell. The arrangement allows through the fixed Assignment of transducer position and object position on the mediation of the mechanical means an abso lute position detection and display.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des Posi tionsanzeigemoduls. Es enthält in einem dicht verschlos senen Gehäuse einen mechanisch/elektrischen Wandler, eine stromsparende Elektronik, eine LCD-Anzeige und eine Solarzelle zur Stromversorgung. Das Gehäuse ist im Bereich der Anzeige und der Solarzelle transparent. An der Durchführung einer Gebermechanik in das Gehäuse innere ist eine Dichtung vorhanden. Fig. 1 shows a schematic representation of the Posi tion display module. It contains a mechanical / electrical converter, energy-saving electronics, an LCD display and a solar cell for power supply in a tightly sealed housing. The housing is transparent in the area of the display and the solar cell. A seal is provided on the implementation of an encoder mechanism in the interior of the housing.

Vorteilhaft wird die Gebermechanik als Drehachse senk recht zur Gehäusewand ausgeführt, die in dieser Richtung keinen Bewegungsanteil aufweist, wie in Fig. 2. Die Gehäusedurchführung wird beispielsweise mit einem O-Ring abgedichtet. Der mechanisch/elektrische Wandler wird dabei vorzugsweise als Drehwandler aus geführt. Damit können sowohl direkt Drehpositionen, des Gegenstands G als auch über an sich bekannte mechanische Umsetzungen Positionen anderer Freiheits grade, z. B. Linearpositionen erfaßt werden.The encoder mechanism is advantageously designed as an axis of rotation perpendicular to the housing wall, which has no movement component in this direction, as in FIG. 2. The housing bushing is sealed, for example, with an O-ring. The mechanical / electrical converter is preferably performed as a rotary converter. This allows both direct rotational positions of the object G and positions of other degrees of freedom, e.g. B. linear positions can be detected.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der mech anischen Gehäusedurchführung ist durch einen Kipp hebel mit Drehachse parallel zur Gehäusewand möglich, (Fig. 3). Die Kippbewegung weist ebenfalls keinen Bewegungsanteil senkrecht zur Gehäusewand auf. Der mechanisch/elektrische Wandler wird dabei vorzugsweise als Linearwandler ausgeführt und über eine Mitnehmer vorrichtung bewegt.Another advantageous embodiment of the mechanical housing bushing is possible by means of a rocker arm with an axis of rotation parallel to the housing wall ( FIG. 3). The tilting movement likewise has no movement component perpendicular to the housing wall. The mechanical / electrical converter is preferably designed as a linear converter and moved via a driver device.

Im Gegensatz zu einer Schubstange, die die Position über eine Linearbewegung an den mechanisch/elektrischen Wandler weitergibt, haben diese Realisierungen den Vorteil, daß beispielsweise keine Eiskristalle oder Schmutzteile, die an der Schubstange festsitzen, in das Gehäuseinnere transportiert werden können. Die Kristalle können bei anschließender Erwärmung auf der empfindlichen Elektronik kondensieren und zum Ausfall führen. Schmutzteile können im mechanisch/ elektrischen Wandler stören.In contrast to a push rod, the position via a linear movement on the mechanical / electrical Transducer passes, these realizations have the Advantage that, for example, no ice crystals or Debris stuck to the push rod in the inside of the housing can be transported. The Crystals can appear on subsequent heating the sensitive electronics and condense Failure. Dirt parts can be mechanically / disturb electrical converter.

Bei beiden Ausführungsformen ist eine Hebelübersetzung zwischen der zu erfassenden Position und dem mechanisch/ elektrischen Wandler möglich. Diese kann entweder bei großen externen Wegstrecken den internen Weg, und damit auch die Baugröße des Wandlers, verkleinern, oder, bei einem kurzen externen Weg, die Auflösung im mecha nisch/elektrischen Wandler, bei gleichen Strukturgrößen, erhöhen.In both embodiments there is a lever ratio between the position to be recorded and the mechanical / electrical converter possible. This can either be done at large external routes the internal route, and thus also reduce the size of the converter, or, with a short external path, the resolution in the mecha niche / electrical converter, with the same structure sizes, increase.

Der mechanisch/elektrische Wandler arbeitet vorzugsweise nach einem kapazitiven Prinzip. Zur absoluten Erfassung der Positionen enthält der Wandler in der einfachsten Re alisierung für jede anzuzeigende Position eine Positi onselektrode. Fig. 4 zeigt eine lineare Anordnung mit vier Elektroden 1 bis 4. Die verschiedenen Platten werden in einem Zeitmultiplexverfahren zu unterschiedlichen Zeit punkten mit elektrischen Wechselsignalen angesteuert. Diese Wechselsignale werden über eine mit der Gebermecha nik verschiebbare Leiterbahnstruktur, in der Figur schraf fiert gezeichnet, auf eine gemeinsame Elektrode G kapazi tiv eingekoppelt. Zwischen den Positionselektroden und der gemeinsamen Elektrode G einerseits, und der verschiebbaren Leiterbahnstruktur anderseits, befindet sich ein dünnes Dielektrikum. Durch diese Anordnung ergibt sich eine Rei henschaltung aus zwei Kapazitäten. Die Zeitpunkte zu denen an der gemeinsamen Elektrode G die Wechselsignale detek tiert werden, entsprechen den Positionen. Die Positions elektroden sind durch eine schmale geerdete Trennelektrode von dem verschiebbaren Träger der gemeinsamen Elektrode entkoppelt.The mechanical / electrical converter preferably works on a capacitive principle. For the absolute detection of the positions, the converter contains, in the simplest implementation, a position electrode for each position to be displayed. Fig. 4 shows a linear arrangement with four electrodes 1 through 4. The various plates are controlled in a time-division multiplex process at different times with alternating electrical signals. These alternating signals are capacitively coupled to a common electrode G via a track structure that can be moved with the transducer technology, shown in a hatched manner in the figure. There is a thin dielectric between the position electrodes and the common electrode G on the one hand, and the displaceable conductor track structure on the other hand. This arrangement results in a series connection of two capacitors. The times at which the alternating signals are detected at the common electrode G correspond to the positions. The position electrodes are decoupled from the displaceable carrier of the common electrode by a narrow earthed separating electrode.

Bei der Verwendung einer drehbaren Gebermechanik ist es zweckmäßig, die Struktur des mechanisch/elektrischen Wand lers kreisförmig auszubilden. Fig. 5 zeigt ein Beispiel. Soll die interne Drehbewegung in eine externe Linearbewe gung umgesetzt werden, ist ein Kreissektor mit bis zu etwa 90 Grad zweckmäßig. Arbeitet das Positionsanzeigemodul als reiner Drehgeber, kann ein Vollkreis sinnvoll sein. Bei kreisförmigen Wandlerstrukturen wird die gemeinsame Elek trode G in der Nähe des Kreismittelpunktes angeordnet. Da durch ergibt sich eine Verkleinerung der Empfangselektro denfläche, die sich durch eine Verkleinerung der Streuka pazität als Verbesserung der Sensorempfindlichkeit aus wirkt.When using a rotatable encoder mechanism, it is expedient to form the structure of the mechanical / electrical wall circular. Fig. 5 shows an example. If the internal rotary movement is to be converted into an external linear movement, a circular sector with up to about 90 degrees is expedient. If the position indicator module works as a pure encoder, a full circle can be useful. In the case of circular transducer structures, the common electrode G is arranged in the vicinity of the center of the circle. This results in a reduction in the receiving area, which has the effect of improving the sensor sensitivity by reducing the scattering capacity.

In weiteren Ausbildungsformen können z. B. zur Erhöhung der Auflösung mehrere Spuren für die Positionselektroden ver wendet werden. Werden Positionselektroden überlappend an geordnet, können mehr Positionen aufgelöst werden als Elektroden notwendig sind. Dies wirkt sich, insbesondere bei der Verwendung einer momolithisch integrierten Schal tung für die Elektronik, positiv auf die Anzahl der An schlüsse der Schaltung aus. Fig. 6 zeigt drei Ausbil dungsformen mit vier überlappenden Positionselektroden zur Auflösung von sieben Positionen P1-P7.In other forms of training z. B. to increase the resolution, several tracks for the position electrodes are used ver. If position electrodes are arranged overlapping, more positions can be resolved than electrodes are necessary. This has a positive effect on the number of connections of the circuit, especially when using a momolithically integrated circuit for the electronics. Fig. 6 shows three training forms with four overlapping position electrodes for the resolution of seven positions P1-P7.

Fig. 6a Positionselektroden parallel und linear angeord net Fig. 6a position electrodes parallel and linear angeord net

Fig. 6b Positionselektroden seriell und linear angeord net Fig. 6b position electrodes serially and linearly angeord net

Fig. 6c Positionselektroden seriell und kreisförmig an geordnet Fig. 6c position electrodes arranged in series and circular

Durch spezielle Gestaltungen der Positionselektrodenbrei ten können auch nichtlineare Abhängigkeiten zwischen Weg und Anzeige realisiert werden, oder die Nichtlinearität beim Übergang von einer Linear- auf eine Drehbewegung aus geglichen werden.Through special designs of the position electrode porridge can also have non-linear dependencies between paths and display can be realized, or the non-linearity when moving from a linear to a rotary motion be compared.

Das angegebene Positionsanzeigemodul nach Fig. 1 ist vor teilhafterweise auch zur Bestimmung und Anzeige mehrerer Positionen geeignet. Es sind dann in einem Gehäuse ent sprechend mehrere Wandler, mehrere Durchführungen mit Ge bermechaniken und Dichtungen vorhanden. Die Anzeige der Meßgrößen erfolgt mit einem LCD-Modul, beispielsweise in verschiedenen Feldern oder umschaltbar. Es ist ebenfalls möglich, mehrere Meßgrößen in der Elektronikschaltung mit einander zu kombinieren, und nur ein Ergebnis anzuzeigen. Alle Ausführungsformen der Positionselektroden (Fig. 4 bis 6) lassen sich verwenden. Für die Elektronikschaltung ist dabei besonders vorteilhaft, daß bei Parallelschaltung der Positionselektroden aller Wandler die Anzahl der not wendigen Anschlüsse nur um die Anzahl der zusätzlichen Wandler erhöht zu werden braucht. Fig. 7 zeigt dazu ein Beispiel mit zwei Wandlern W1, W2 mit je vier Positionen. Die Elektronikschaltung E besitzt dabei vier Signalaus gänge A1 bis A4 und zwei Eingänge E1 und E2. Die beiden Eingänge werden mit Hilfe des Multiplexschalters M peri odisch wechselnd mit der weiteren Schaltung verbunden, die die Auswertung und ggf. eine Kombination vornimmt, und schließlich die Anzeige steuert. Die Wandler können auch unterschiedlich ausgeführt sein. Beliebige Kombinationen von Linear- und Drehwandlern, auch mit unterschiedlichen Positionszahlen und Rastermaßen sind möglich.The specified position display module according to FIG. 1 is also suitable for determining and displaying several positions. There are then several converters, several bushings with Ge mechanics and seals available in one housing. The measured variables are displayed with an LCD module, for example in different fields or switchable. It is also possible to combine several measured variables in the electronic circuit with one another and to display only one result. All embodiments of the position electrodes ( FIGS. 4 to 6) can be used. For the electronic circuit, it is particularly advantageous that when the position electrodes of all transducers are connected in parallel, the number of not agile connections need only be increased by the number of additional transducers. Fig. 7 shows an example of this with two transducers W1, W2, each with four positions. The electronic circuit E has four signal outputs A1 to A4 and two inputs E1 and E2. The two inputs are connected with the multiplex switch M periodically or alternately to the further circuit, which carries out the evaluation and possibly a combination, and finally controls the display. The converters can also be designed differently. Any combination of linear and rotary converters, even with different position numbers and grid dimensions, is possible.

Der Umschaltpunkt der Positionsanzeige hängt von der An sprechempfindlichkeit der Elektronik, der relativen Di elektrizitätskonstanten und Dicke des verwendeten Di elektrikums ab. Aufgrund von Materialtoleranzen, Tempe ratur- und Spannungsabhängigkeiten ist er nicht konstant. Es ergibt sich vielmehr ein Umschaltbereich.The switching point of the position indicator depends on the type Speech sensitivity of the electronics, the relative Di Electricity constants and thickness of the Di used electrical from. Due to material tolerances, tempe Temperature and voltage dependencies are not constant. Rather, there is a switching range.

Bei den Ausführungsformen der Positionselektroden in den Fig. 4 bis 6 wird angenommen, daß die Breite der beweg lichen Leiterstruktur, im Vergleich zur Breite der Positi onselektroden, möglichst klein ist. Damit wird der Um schaltbereich auf einen kleinen Bereich, der maximal der Breite der beweglichen Elektrode entspricht, begrenzt. Dieses Verhalten ist z. B. für Anwendungen mit relativ grober Auflösung und gerasteten Positionen ausreichend. Die minimale Breite der beweglichen Elektrode ist jedoch durch einen Minimalwert für die Koppelkapazität begrenzt, der für die elektrische Funktion notwendig ist. Besonders bei kleinen Rastermaßen kann daher der Unsicherheitsbe reich nicht mehr ausreichend klein gemacht werden.In the embodiments of the position electrodes in FIGS . 4 to 6, it is assumed that the width of the movable conductor structure is as small as possible compared to the width of the position electrodes. So that the switching range is limited to a small area that corresponds to the maximum width of the movable electrode. This behavior is e.g. B. sufficient for applications with relatively coarse resolution and locked positions. However, the minimum width of the movable electrode is limited by a minimum value for the coupling capacitance, which is necessary for the electrical function. Especially with small grid dimensions, the area of uncertainty can therefore no longer be made sufficiently small.

Es werden zwei Verfahren angegeben, die auch bei, im Ver gleich zu den Positionselektroden, relativ breiten beweg lichen Elektroden einen kleinen Umschaltbereich ermögli chen. Als entscheidendes Kriterium für das Umschalten der Anzeige von einer Position zur nächsten wird das Flächen verhältnis der von der beweglichen Elektrode überdeckten benachbarten Positionselektroden ausgenutzt. Die Umschal tung soll erfolgen, wenn beide Flächen gleich groß sind. Die Elektronikschaltungen erkennen aufgrund ihrer besonde ren Ausführungsformen die unterschiedlichen Kapazitäten der benachbarten Positionselektroden zur beweglichen, und über die Reihenschaltung, zur gemeinsamen Elektrode. Für die angegebenen Verfahren eignen sich nur einspurige Wand ler entsprechend den Fig. 4 und 5, die sowohl einfach als auch mehrfach, siehe Fig. 7, im Modul vorhanden sein können.Two methods are specified which also allow a small switching range in comparison to the position electrodes with relatively wide movable electrodes. The area ratio of the adjacent position electrodes covered by the movable electrode is used as a decisive criterion for switching the display from one position to the next. The switchover should take place when both areas are of the same size. Due to their special embodiments, the electronic circuits recognize the different capacitances of the adjacent position electrodes for the movable electrode and, via the series connection, for the common electrode. For the specified method, only single-track wall ler corresponding to FIGS. 4 and 5 are suitable, which can be present in the module both single and multiple times, see FIG. 7.

Beim ersten Verfahren werden die Positionselektroden im Zeitmultiplex mit einer Wechselspannung angesteuert. Ab hängig von der Stellung der beweglichen Elektrode wird das Signal einer oder zweier benachbarter Positionselektroden in die gemeinsame Elektrode kapazitiv eingekoppelt. Diese ist mit dem Sensoreingang der Elektronik verbunden, die aus den Zeitpunkten, zu denen beispielsweise das erste Si gnal detektiert wird, die Position bestimmt und anzeigt. Eine Regelschaltung, die an sich bekannt ist, reduziert die Empfindlichkeit der Empfangselektronik so weit, daß das eingekoppelte Signal gerade noch erkannt wird. Werden prinzipiell von zwei Positionselektroden Signale überge koppelt, stellt sich die Regelung auf das größere ein und unterdrückt das kleinere. Damit wird dasjenige Signal de tektiert, und die entsprechende Position angezeigt, das über die Positionselektrode mit der größeren Fläche einge koppelt wird.In the first method, the position electrodes in the Time division multiplexed with an AC voltage. From depending on the position of the movable electrode Signal from one or two adjacent position electrodes capacitively coupled into the common electrode. This is connected to the sensor input of the electronics, the from the times when, for example, the first Si gnal is detected, the position is determined and displayed. A control circuit, which is known per se, reduces the sensitivity of the receiving electronics so far that the injected signal is just recognized. Will principally signals from two position electrodes couples, the control adjusts to the larger and suppresses the smaller one. So that signal de tect, and the corresponding position displayed, the inserted over the position electrode with the larger area is coupled.

Beim zweiten Verfahren werden die Positionselektroden im Zeitmultiplex mit einer Oszillatorschaltung verbunden. Über die Stellung der beweglichen Elektrode wird eine Ka pazität zu der gemeinsamen Elektrode gebildet, die für den Oszillator frequenzbestimmend ist. Die Schwingfrequenz ist umgekehrt proportional zur Kapazität. In einer verglei chenden Logikschaltung wird die niedrigste Frequenz detek tiert, und die entsprechende Position angezeigt. Der Um schaltbereich läßt sich damit bis auf einen kleinen Be reich reduzieren, der durch die Auflösung der Frequenzmes sung gegeben ist.In the second method, the position electrodes in the Time division multiplex connected to an oscillator circuit. A Ka is about the position of the movable electrode capacitance to the common electrode formed for the Oscillator is frequency determining. The vibration frequency is inversely proportional to the capacity. In a compare logic circuit, the lowest frequency is detected tated, and the corresponding position is displayed. The order switching range can be used except for a small Be reduce richly by the resolution of the frequency measurement solution is given.

Die Elektronikschaltung enthält alle Schaltungsteile, die zur Ansteuerung der Positionselektroden, zur Detektion und Auswertung der positionsabhängigen Kriterien, und zur An steuerung der LCD-Anzeige notwendig sind. Wesentlich für die Elektronik ist eine möglichst geringe Stromaufnahme, damit bei möglichst geringer Beleuchtung der Solarzelle genügend Betriebsspannung vorhanden ist, bzw. eine mög lichst kleinflächige Solarzelle verwendet werden kann. Dies wird durch die Verwendung der CMOS-Schaltungstechnik, vorzugsweise in einer monolithisch integrierten Schaltung, erreicht.The electronic circuit contains all circuit parts that for controlling the position electrodes, for detection and Evaluation of the position-dependent criteria, and to the To control of the LCD display are necessary. Essential for the electronics are the lowest possible power consumption, with the least possible illumination of the solar cell sufficient operating voltage is available, or a possible as small a solar cell as possible can be used. This is through the use of CMOS circuitry, preferably in a monolithically integrated circuit, reached.

Mit einer Solarzelle zur Stromversorgung ist der Betrieb der Positionsanzeige sowohl in normal beleuchteten Innen räumen, als auch im Freien möglich. Die Solarzelle ist hinter einem abgedichteten Fenster des Gehäuses angeordnet und vorzugsweise durch ein UV-Filter geschützt.Operation is with a solar cell for power supply the position indicator both in normally illuminated interiors clear as well as possible outdoors. The solar cell is arranged behind a sealed window of the housing and preferably protected by a UV filter.

Claims

1. Arrangement for displaying the position of a spatially displaceable object, characterized in that an electronic display device, a mechanical-electrical converter and a control and evaluation electronics are housed in a housing and that a fixed association between the transducer position and the position via mechanical means of the object located outside the housing.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the housing is dirt and waterproof.

3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized records that the display device at least one alphanumeric element and / or symbol displays ent holds.

4. Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized characterized in that a solar cell for energy ver care is provided.

5. Arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized characterized in that the converter as a rotary converter with one led through a housing opening to the outside Axis of rotation is executed.

6. Arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized characterized in that the converter with a rocker arm tilt point located in a bushing is cash.

7. Arrangement according to one of claims 1 to 6, characterized characterized in that the converter is a capacitive converter is.

8. Arrangement according to one of claims 1 to 7, characterized characterized in that several transducers in the same housing are arranged.

9. Arrangement according to one of claims 1 to 9, characterized characterized in that the object is one along a ski sliding ski binding is.