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Die
vorliegende Erfindung betrifft Kreisel und insbesondere einen verbesserten,
zweiachsigen "Verdrehmassen" bzw. "Spinning Mass" Kreisel mit offener
Regelschleife, der fähig
ist, ohne die Verwendung von Schleif- bzw. Gleitringen die winkelmäßigen Eingabegeschwindigkeit
um zwei orthogonale Achsen zu erfassen.
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Kreisel
nach dem Stand der Technik, die ein gyroskopisches Element (Kreiselrad)
und einen Verdrehmotor beinhalten, beinhalten typischerweise piezoelektrische
Kristalle als Abgriffe. Wird dem Kreisel eine Winkelbewegung auferlegt,
so wird der piezoelektrische Kristall gebogen, was ein elektrisches
Signal als Funktion der Biegung liefert. Das elektrische Signal
wird dann über
mit dem Kristall verbundene Drähte
weitergeleitet und dann durch an der Welle montierte Schleif- bzw.
Gleitringe zum Zwecke der Verwendung durch externe Schaltungen.
Diese Vorrichtungen nach dem Stand der Technik erfordern zusätzliche
Bearbeitungsmerkmale und zusätzliche Montagekomponenten,
wie beispielsweise die Schleifringe. Während des Zusammenbauvorgangs muß große Sorgsamkeit
walten. Überdies
unterliegen Ausgangssignale der Abgriffe von dem piezoelektrischen
Kristall stark einer Verunreinigung des Schleifrings, wodurch die
Lebensdauer des Kreisels aufgrund der Abnutzung des Schleifrings
wesentlich reduziert wird.
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Das
US-Patent Nr. 4,715,227 offenbart einen Kreisel zur Erfassung von
Winkelgeschwindigkeiten bzw. -raten und Linearbeschleunigungen unter
Verwendung eines diamantförmigen
piezoelektrischen Kristallträgers.
Diese Vorrichtung leidet unter den oben erwähnten Problemen, wenn die piezoelektrischen
Kristalle für
Abgriffe verwendet werden.
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Das
US-Patent Nr. 5,156,056 offenbart einen Kreisel mit zwei speziell
zurückgehaltenen
piezoelektrischen Kristallen, die senkrecht zu der Verdrehachse
fluchten. Diese Vorrichtung nach dem Stand der Technik hat die oben
erläuterten
Probleme. Das heißt,
daß die
Verwendung der piezoelektrischen Kristalle Schleifringe erfordert.
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Daher
besteht eine Notwendigkeit für
einen verbesserten, zweiachsigen Kreisel, der Winkeleingabegeschwindigkeiten
bzw. -raten um zwei orthogonale Achsen erfassen kann, ohne daß Schleifringe verwendet
werden müssen.
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Die
EP-A-0 457 083 offenbart einen Kreisel, umfassend einen Rotor, der
an einer drehenden Welle montiert ist und einen kreisförmigen Vorsprung
an einer seiner Oberflächen
hat, ein Aufschiebelement, das ein flexibles Teil hat und an der
drehenden Welle und dem Rotor angebracht ist, eine Vorrichtung zum Verdrehen
der Welle und des Rotors, eine Lichtquelle, die auf einer stationären Platte
angeordnet ist, um Licht im wesentlichen senkrecht zu einer Oberfläche des
kreisförmigen
Vorsprungs auszusenden, einen Lichtsensor, der auf der stationären Platte
und an einer Seite des kreisförmigen
Vorsprungs, der Lichtquelle gegenüberliegend angeordnet ist,
um ein elektrisches Signal als Funktion der Menge an empfangenem
Licht zu erzeugen, wobei die Lichtquelle und der Lichtsensor derart
positioniert sind, daß das
empfangene Licht repräsentativ
ist für
eine dem Kreisel auferlegte Drehwinkelgeschwindigkeit bzw. – rate.
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In Übereinstimmung
mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Kreisel: einen Rotor,
der an einer drehenden Welle montiert ist und einen kreisförmigen Flansch
an einer seiner Oberflächen
hat; ein Aufschiebelement, das einen flexiblen Flansch hat, der
konzentrisch zu und befestigt ist an der drehenden Welle und dem
Rotor;
eine Vorrichtung zum Verdrehen der Welle und des Rotors; eine
erste Lichtquelle, die auf einer stationären Platte angeordnet ist,
um Licht im wesentlichen senkrecht zu einer Oberfläche des
kreisförmigen Flanschs
auszusenden; einen ersten Lichtsensor, der auf der stationären Platte,
so
wie an einer Seite des kreisförmigen Flansches, der ersten
Lichtquelle gegenüberliegend,
angeordnet ist, um ein elektrisches Signal als Funktion der Menge
an empfangenem Licht zu erzeugen;
eine zweite Lichtquelle,
die auf der stationären
Platte, fluchtend zu der ersten Lichtquelle, an einer Seite der Welle,
der ersten Lichtquelle gegenüberliegend,
angeordnet ist; und
einen zweiten Lichtsensor, der auf der
stationären Platte
und an einer Seite des kreisförmigen
Flansches, der zweiten Lichtquelle gegenüberliegend, angeordnet ist,
um ein elektrisches Signal als Funktion der Menge an empfangenem
Licht zu erzeugen.
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Die
vorliegende Erfindung liefert eine vereinfachte, billige Lösung für Anwendungen,
die einen zweiachsigen Kreisel erfordern.
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Die
vorliegende Erfindung liefert auch eine Regelschleifenvorrichtung,
die keine elektromagnetischen Vorrichtungen erfordert, die ein Drehmoment liefern.
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Die
vorliegende Erfindung sieht auch eine Regelschleifenvorrichtung
vor, die keine Draht bewundenen Spulen und Magnete erfordert.
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Ein
Merkmal der vorliegenden Erfindung ist das Vorsehen eines vereinfachten,
zweiachsigen Kreisels mit offener Regelschleife, der aus kommerziell
verfügbaren
LEDs und optischen Detektoren als Rotorabgriffen gebaut werden kann,
wodurch die Notwendigkeit für
drahtgewundene, mittels Wechselstrom angeregte Spulen und laminierte
Eisenkerne, entfällt.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die reduzierte Anzahl an
Bauteilen, die erforderlich ist, um den Kreisel herzustellen.
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Ein
anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Vereinfachung
der für
ihren Betrieb erforderlichen Elektronik.
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Noch
ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in dem Vermeiden
magnetischer Drehmomentgeber und Abgreifer, spezieller magnetische
Stähle
und ihre damit in Verbindung stehenden Wärmebehandlungen können ersetzt
werden durch billigere Rotor- und Gehäusematerialien, wie beispielsweise
rostfreien Stahl.
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Bei
einem Beispiel hat der Kreisel einen Rotor, der an einer drehenden
Welle montiert ist. Der Rotor hat einen kreisförmigen Flansch, der sich von einer
seiner Oberflächen
und senkrecht dazu erstreckt. Ein Aufschiebelement mit einem flexiblen Flansch
ist konzentrisch zu der rotierenden Welle und dem Rotor angebracht.
Ein Hysteresis-synchroner elektrischer Antriebsmotor wird dazu verwendet, um
die Kombination aus Welle und Rotor zu verdrehen. Eine Lichtquelle
ist auf einer stationären
Platte angeordnet, um Licht senkrecht zu einer Oberfläche des
kreisförmigen
Flansches des Rotors auszusenden. Ein Lichtsensor ist ebenfalls
auf der stationären Platte
und an einer Seite des kreisförmigen
Flansches, der Lichtquelle gegenüberliegend,
angeordnet, um ein elektrisches Signal als Funktion der Menge an
empfangenem Licht zu erzeugen. Die Lichtquelle und der Lichtsensor
sind derart positioniert, daß lediglich
ein Teil des Lichts von der Quelle auf den Sensor auftrifft, wenn
der Kreisel sich in einem bewegungslos rotierenden Zustand befindet.
Wenn der Rotor jedoch als Funktion der dem Kreisel auferlegten Winkelrotationsgeschwindigkeit
bzw. -rate geneigt wird, variiert die von dem Sensor empfangene Menge
an Licht und erzeugt dabei ein elektrisches Signal, das hinweisend
ist für
die Winkeldrehungsgeschwindigkeit.
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Der
allgemeine Zweck dieser Erfindung, wie auch eine bevorzugte Art
der Verwendung, ihre Vorteile und Merkmale, werden am besten verständlich unter
Bezugnahme auf die folgende, detaillierte Beschreibung eines illustrativen
Ausführungsbeispiels unter
Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen durchgehend gleiche
Teile in deren Figuren bezeichnen und in denen:
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1 eine
perspektivische Ansicht des Kreisels nach der vorliegenden Erfindung
darstellt, wobei ein Teil weggeschnitten ist, um dessen Inneres
zu zeigen;
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2 eine
Querschnittsansicht des in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung aufgebauten Kreisels ist;
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3A eine
perspektivische Ansicht des in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung aufgebauten Rotors ist;
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3B eine
perspektivische Ansicht der Aufschiebung zum Halten des Rotors an
der Hauptwelle ist;
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4 eine
perspektivische Ansicht des stationären Plattenaufbaus für den optischen
Abgriff ist;
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5 ein
Detail im Querschnitt ist in Darstellung des mechanischen Betriebs
der vorliegenden Erfindung;
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6 ein
Kurvendiagramm ist in Darstellung des elektrischen Betriebs der
vorliegenden Erfindung;
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7A und 7B Details
des Flansches, der LEDs und der Photosensoren darstellen; und
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8 eine
graphische Darstellung der durch den Referenzstrobe erzeugten Referenzimpulse
ist.
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Die
folgende Beschreibung ist dazu vorgesehen, es einem Durchschnittsfachmann
zu ermöglichen,
die Erfindung auszuführen
und zu nutzen und gibt die besten Arten wieder, von denen die Erfinder meinen,
wie die Erfindung ausgeführt
werden kann. Jedoch werden verschiedenste Modifikationen dem Durchschnittsfachmann
leicht verständlich
sein, da die allgemeinen Prinzipien der vorliegenden Erfindung hier
speziell umrissen wurden, um einen zweiachsigen, Regelschleifen
nutzenden "Spinning Mass" Kreisel vorzusehen,
der fähig
ist, winkelmäßige Eingaben
zu erfassen.
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Bezugnehmend
nun auf 1 stellt eine perspektivische,
weggeschnittene Zeichnung den in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung aufgebauten Kreisel dar. Eine Welle 10 kann frei
um eine zentrale oder Z-Achse 11 drehen und die Welle 10 ruht
auf Lagern 12. Die Welle 10 wird über einen Hysteresis-Synchronmotor 13 um
die Z-Achse 11 verdreht. Eine flexible bzw. elastische
Aufschiebung 15 ist auf eine Ende der Welle 10,
dem Motor 13 gegenüberliegend,
gepreßt.
Die Aufschiebung 15 hat einen unteren Flansch 15A mit
einem geringfügig größeren Durchmesser
als der des oberen Bereichs der Aufschiebung. Dieser untere Flansch 15A ist
in das Innere des Innenumfangs eines Rotors 16 preßgepaßt. Dadurch
wird der Rotor 16 mit der Aufschiebung 15 verdreht
und kann sich von Seite zu Seite frei neigen, was hier im folgenden
weiter erläutert wird.
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Ebenfalls
ist in der aufgeschnittenen Ansicht der 1 eine stationäre Platte 17 gezeigt,
auf der mehrere lichtemittierende Dioden ("LED") 18 montiert
sind, sowie eine gleiche Anzahl an Photodetektoren 19 oder
Lichtsensoren. Die Platte 17 ist stationär und dreht
sich in Bezug auf die Welle 10 und den Rotor 16 nicht.
Details der Platte 17 sind in 4 gezeigt
und werden hier unten vertieft.
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Bezugnehmend
nun auf 2, ist ein Querschnitt des erfindungsgemäßen Kreisels
gezeigt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Bauteile. Der
Rotor 16 weist einen unten beringten Flansch 16A auf,
der senkrecht zu dem Rotor und dazu konzentrisch ist, um einen Teil
des von den LEDs 18 ausgesandten Lichts abzufangen. Wie
in 5 dargestellt und hier unten vertieft, wird sich
bei Neigung des Rotors 16 die von den LEDs 18 zu
den Detektoren gelangende Menge an Licht als Funktion dieser Neigung
verändern.
Der Kreisel ist in einem Gehäuse 20 und
einem Lagerblock 21 eingeschlossen.
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Bezugnehmend
nun auf 3A, ist dort der Rotor 16 detaillierter
dargestellt. Der Rotor 16 kann aus Weichstahl hergestellt
sein. In dieser Ansicht ist der Rotor 16 umgekehrt gezeigt,
um den Flansch 16A mit einer darin ausgebildeten Aussparung 35 darzustellen.
Die Aussparung 35 wird dazu verwendet, um einen Referenzstrobe
zu erzeugen und wird hier im folgenden weiter erläutert. In
dem Rotor 16 sind mit Gewinde versehene Öffnungen 22 hergestellt,
die verwendet werden zum Ausgleichen bzw. Auswuchten des Rotors 16.
Bezugnehmend nun auf 3B, ist dort die Aufschiebung 15 detaillierter
dargestellt. Die Aufschiebung 15 weist einen unteren Flansch 15A auf,
der zwei Biegeschenkel ausbildet, die eine Torsionsachse definieren,
welche dem Rotor 16 einen rotationsmäßigen Freiheitsgrad um eine Achse,
senkrecht zu der Wellenachse 11, liefert. Der Flansch 16A kann
unter Verwendung eines Drahtelektroerosionsbearbeitungs-(oder EDM-)
Prozesses geschnitten werden, mit Hilfe dessen leitende Metalle über elektrische
Funkenentladung erodiert werden können.
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Bezugnehmend
nun auf 4, ist dort die stationäre Platte 17 detaillierter
gezeigt. Die Platte 17 weist eine zentrale Öffnung 23 auf,
deren Durchmesser größer ist
als der Durchmesser der Welle 10. Die Photodetektoren 19 oder
Sensoren sind am Umfang der Platte 17 montiert und in dem
dargestellten Ausführungsbeispiel
sind vier derartige Sensoren gezeigt. Vier LEDs 18A, 18B, 18C und 18D sind
axial zu jedem der Detektoren 19A, 19B, 19C bzw. 19D fluchtend
montiert; sie sind jedoch um einen kurzen Abstand von den Detektoren
diametral nach innen beabstandet. Insbesondere sind die LEDs 18A und 18B und
dazugehörigen
Detektoren 19A und 19B auf der X-Achse 24 fluchtend;
und die LEDs 18C und 18D und die dazugehörigen Detektoren 19C und 19D sind auf
der Achse 25 fluchtend. Festzuhalten sei der Spalt zwischen
dem LED 18A und dem Detektor 19A, wobei der Spalt
beachtlich breiter ist als die Dicke des Flansches 16A,
um jegliche Neigebewegung des Rotors 16 zu erlauben, wie
dies hier im folgenden erläutert
wird. Ähnliche
Spalte sind zwischen den verbleibenden LEDs und ihren dazugehörigen Detektoren
vorgesehen. In anderen Ausführungsbeispielen der
Erfindung sind minimal ein LED und ein optischer Detektor für beide
Abgriffachsen wünschenswert.
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Bezugnehmend
nun auf 5, sind dort Details der Beziehung
zwischen dem LED 18, den Photodetektoren 19 und
dem Rotorflansch 16A dargestellt. In einem bewegungslosen
Zustand, d.h. bei dem sich der Rotor 16 dreht und keine
externen Rotationsgeschwindigkeiten bzw. -kräfte an dem Kreisel anliegen,
wird Licht von dem LED 18 an den Detektor 19 übertragen,
wie dies durch die Pfeile in 5 dargestellt
ist. Aufgrund des geringen Abstands des Flansches 16A,
wird lediglich ein Teil des Lichts von dem LED 18 durch
den Detektor 19 empfangen. Mit anderen Worten, wird ein
Teil des Lichts von dem LED 18 durch den Flansch 16A abgeschattet,
wie dies durch eine Rotorschattenmaske 26 in 5 dargestellt.
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Wird
dem Kreisel eine externe Drehungseingabegeschwindigkeit bzw. -rate
auferlegt, so neigt sich der Rotor 16 in eine Position 16' und der Flansch 16A neigt
sich in eine Position 16A'.
Dadurch kann mehr Licht von dem LED 18 zu dem Detektor 19 gelangen,
wobei die Änderung
der Lichtintensität
als Bewegung des Kreisels erfaßt
wird. Dies wird detaillierter in 6 dargestellt
und weiter hier unten erläutert.
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Beispielhaft
und unter Bezugnahme nun auf 6, sind
dort die Ausgangswellenformen des optischen Detektors von dem Kreisel
während
einer konstanten winkelmäßigen Eingabegeschwindigkeit
um die X-Gehäuse-Kreiselachse
gezeigt. Wie hier oben unter Bezugnahme auf 5 angedeutet,
erzeugt ein Gleichstrom an dem LED 18 eine konstante Quelle
emittierenden Lichts, das auf dem optischen Detektor 19 auftrifft.
Das Gleichstromausgangssignal des Detektors verändert sich mit der Menge an
auftreffendem Licht. Die winkelmäßige Bewegung
des Kreisels (einschließlich
des Rotars 16) aufgrund einer Gehäuseeingabegeschwindigkeit bzw.
-rate bewirkt, daß die
Rotorschattenmaske 26 die Menge an Ausleuchtung auf dem
optischen Detektor 19 verändert. Das Ergebnis ist ein
Gleichstromausgangssignal des Detektors, das proportional ist zu
der Gehäuseeingabegeschwindigkeit.
Dieses Gleichstromausgangssignal ist in 6 als horizontale
Linie 30 gezeigt.
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Die
Wellenform 31 oder θ ist
die Rotorbewegung während
einer auferlegten Gehäuseeingabegeschwindigkeit,
gesehen von einem wellenbezogen (rotierend) festen Beobachter. Die
Frequenz der Wellenform 31 ist die gleiche wie die der
Wellenverdrehung oder 1N. Beispielhaft bewirkt eine Eingabe um die
X-Gehäuseachse
ein Y-Gehäuseabgriffabgabesignal
(Wellenform 32), das eine Gleichstromkomponente plus eine "2N" Wechselstromkomponente
beinhaltet. Zudem ist ein X-Gehäuseabgriffabgabesignal
(Wellenform 33) eine "2N" Wechselstromkomponente,
die um 90° phasenverschoben
ist zu der Y-Gehäuseabgriffwechselstromkomponente.
Aus dem Vorstehenden und 6 ist erkennbar, daß wenigstens
zwei mögliche
Verfahren bestehen, um ein nützliches
Abgriffsignal zu erhalten.
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Ein
erstes dieser beiden Verfahren besteht darin, die Gleichstromkomponente
des Abgabesignals bzw. Ausgangssignals zu messen (d.h., den Y-Abgriff
für eine
X-Gehäuseeingabegeschwindigkeit und
den X-Abgriff für
eine Y-Gehäuseeingabegeschwindigkeit)
bei Filterung und Unterdrückung
der 2N-Wechselstromkomponente. Dieses Verfahren vereinfacht die
Abgriffverarbeitungselektronik durch Ausschalten der Notwendigkeit
für eine
Abgriffdemodulation. Dieses Verfahren erfordert minimal zwei optische
Abgriffe, und zwar einen entlang der X-Gehäuseachse vorgesehenen und einen
anderen, entlang der Y-Gehäuseachse.
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Ein
zweites Verfahren zur Erzielung eines nützlichen Abgriffsignals erfordert
lediglich einen Abgriff, der entweder entlang der X- oder der Y-Gehäuseachse
vorgesehen sein kann. Das Wechselstromausgangssignal der Abgriffe
ist proportional zu den winkelmäßigen Eingabegeschwindigkeitskomponenten
der X- und Y-Gehäuseachsen.
Dieses Wechselstromausgangssignal von dem Abgriff wird demoduliert
unter Verwendung sowohl eines 2N sin wie auch 2N cos Demodulationsreferenzsignals.
Ein Detektor für
die Wellengeschwindigkeit kann dazu verwendet werden, um die 2N
sin und 2N cos Referenzsignale zu erzeugen. Die resultierenden beiden
demodulierten Ausgangssignale, welche die winkelmäßigen Eingabegeschwindigkeitskomponenten
der X- und Y-Kreiselgehäuseachsen
wiedergeben, werden gefiltert, um die Gleichstromausgangssignalkomponenten
zu erhalten. Diese Gleichstromkomponenten sind proportional zu den
winkelmäßigen Eingangsgeschwindigkeitskomponenten
des Kreisels.
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Bezugnehmend
nun auf 7A, ist ein Detail eines Abschnitts
des Rotors 16 mit Flansch 16A, LED 18A und
Photosensor 19A, montiert auf der stationären Platte 17,
in einer weggeschnittenen Ansicht gezeigt. Diese Zeichnung zeigt
die Abschattung 26 auf dem Photosensor 18, die
in einem Ruhezustand durch den Flansch 16A bewirkt wird. 7B stellt dieselben
Komponenten bzw. Bauteile dar, wobei jedoch die Referenzaussparung 35 all
das Licht von dem LED 18A auf dem Detektor 19A freilegt.
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Bezugnehmend
nun auf 8, stellt ein Impulsdiagramm
einen Referenzstrobe 36 dar, der einen Einzelimpuls für jede Umdrehung
des Rotors 16 umfaßt.
Dieser Referenzstrobe 36 wird dazu verwendet, um sinusförmige und
kosinusförmige
Referenzwellenformen zu erzeugen, die in dem hier oben beschriebenen
Demodulationsvorgang Verwendung finden.
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Während die
Erfindung insbesondere unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
gezeigt und beschrieben wurde, ist es für den Durchschnittsfachmann
selbstverständlich,
daß verschiedenste Änderungen
in der Ausführung
und den Details daran vorgenommen werden können, ohne von dem Bereich
der Erfindung abzuweichen.