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Das
Gebiet der Erfindung betrifft ein Verfahren und/oder eine Vorrichtung,
zur Bestimmung mittels eines Lichtbündels die relative oder absolute Lage
eines Massverkörperungsträgers nach
einer bestimmten Bewegungsrichtung relativ zu einem weiteren Träger, welche
umfasst:
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- a- eine Lichtquelle zur Erzeugung eines Lichtflusses,
- b- ein Massverkörperungsträger, der
eine Massverkörperung
umfasst, die in den Lichtfluss angeordnet ist, den er modifiziert
- c- ein Träger,
der ein oder mehrere Empfängerelemente
enthält,
die den modifizierten Lichtfluss auffangen können,
- d- ein oder mehrere Empfängerelemente,
die aufgefangene Lichtintensität
in einer physischen Effekt umwandeln können.
- e- und eine Detektionschaltung, für die Erzeugung eines elektrischen
Signal
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Das
ermöglicht,
Bewegungs- und Positionssensoren zu herstellen.
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Die
Patentanmeldung 474.149 A2 (Kawamura) beschreibt eine identische
Vorrichtung in der Form eines inkrementalen Drehgebers. Das Funktionsprinzip
ist dadurch gekennzeichnet dass die Massverkörperung aus einer transparenten
Halb-Teilung und aus einer fokalisierendenHalb-Teilung gebildet
wird, zu denen zwei lichtempfindliche Dioden, dessen Breite eine
Halb-Teilung bemessen wird. Die möglich erreichbare Auflösung durch
die Vorrichtung wird nicht quantifiziert.
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Die
Abmessung des Lichtspots wird als unendlich klein definiert und
die so genannte Dunkelzone als wie ohne Licht anwesend wäre. Dieser
Gesichtspunkt ist gültig,
solange die Optik vollkommen ist, und die Diffraktionsprobleme nicht
in Betracht genommen werden.
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Die
Funktion der Vorrichtung hängt
unter anderem von der Abmessung des Lichtspots ab, die durch die
fokalisierende optische Elemente auf den Empfängerelementen gebündelt werden.
Für zum Beispiel
eine Linse von 20μm
mit einer Brennweite von 80μm,
was eine Teilungsgrösse
von 40μm
entspricht, die Breite des Lichtspots 30% der Breite des Empfängerelements
betragen wird. Die Stromkurven, die in der Anmeldung von Kamawura
beschrieben wurden, sind nicht mehr brau-chbar, insbesondere die
Auflösung
wird nicht wie angegeben multipliziert werden können.
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Die
Einheitsauflösung
der Vorrichtung entspricht einem Abwechslung des digitalen Signals
je Teilungslänge.
Die Auflösung
des Sensors wird durch die Auflösung
der Massverkörperung
definiert.
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Die
Einheitsauflösung
entspricht der Auflösung,
die durch die geometrische und physische Anordnung der Empfängerelemente
bestimmt ist. Die Auflösung
der Massverkörperung
entspricht der Auflösung,
die durch die Abmessung einer Teilung der Massverkörperung
definiert ist.
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Ein
anderer Nachteil dieser Vorrichtung liegt in der unkonventionelle
Auslegung des Positionssignals, was eine Bremse an einer Vermarktung
des Produktes darstellt.
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Ausserdem
dokumentiert der Antrag nicht die Zwänge bezüglich der Konzeption der Lichtquelle.
Sie stellt nicht bevorzugte Formen der Linse dar, um die Auflösung der
Vorrichtung zu verbessern.
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Die
Patentanmeldung
EP 0206 656 (Léonard)
beschreibt eine Vorrichtung, die mit einer Massverkörperung
mit eine Halb-Portion im Durchlicht und eine zweite Halb-Portion
im Auflicht funktioniert. Eine Miniaturisierung des Massverkörperungsträgers ist begrenzt,
entweder aus Gründen
der mechanischen Fertigung oder durch die hohen Kosten bezüglich des Herstellens
einer Massverkörperung
aus Glas durch lithographische Verfahren.
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Der
Patentanmeldung
EP
0489399 A2 (Igaki), setzt eine Reihe von optischen Elementen,
die auf einem Zylinder angeordnet sind und einem Lichtfluss ein,
die dieselbe Massverkörperung
zweimal durchquert. Bei einem ersten Durchgang wird eine Hälfte des
Lichtflusses reflektiert, und die andere Hälfte wird durch Gitterwirkung
modifiziert und ist auf der entgegen angeordneten Seite der Massverkörperung
abgebildet, wo der Lichtfluss nach drei unterschiedlichen Richtungen
geteilt wird. Die Auflösung, die
erhalten werden kann, hängt
von der Wellenlänge des
Lichtes und vom Durchmesser des Massverkörperungsträgers nach der Formel ab:
(N-1/4)·(Auflösungsschritt)·(Auflösungsschritt)/
(Wellenlänge)
< Durchmesser der
Massverkörperung <
(N+1/4)·(Auflösungsschritt)·(Auflösungsschritt)/ (Wellenlänge) -
Das
bedeutet, dass bei einem Durchmesser von 15 mm eine Auflösung von
ungefähr
760 Schritten entspricht. Das Handelsprodukt kündigt eine Auflösung von
ungefähr
80 '000 Schritte
von Teilung an, was mit einer komplexen Detektion-schaltung für die Verarbeitung
der Signalen aus der drei Dioden erreicht werden kann. Die in zwingender Zylinderform Anordnung
des Massverkörperungsträger ist
für, zum Beispiel,
einen Neigungssensor nicht geeignet.
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Das
Patent
US-4531300 zeigt
ein Beispiel eines Neigungssensors, die mit einer identischen Technik
wie Léonard
ausgebildet ist. Diese Vorrichtung ist besonders Platz raubend und
kostspielig, um mit den klassischen Blasenprodukten zu konkurrenzieren.
Die Benutzung kapazitiver oder magneto-resistiver Sensoren erfordert
einen analog/digital Umsetzschaltung mit mehr als 12 bits Auflösung, was schwieriger
wird zu umsetzen, als es wäre
mit einer reinen Digitalschaltung.
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Die
Patentanmeldung
PCT/EP 93/02415 beschreibt
ein Erfassungssystem von Kilometern, das einen Sensor für die Bemessung
der Bewegung eines Fahrzeugs einsetzt. Der Einsatz eines Gravitationssensors
ist von Interesse wegen ihre Stabilität über der Zeit und ihrer Einfachheit.
Die zu messenden Werte verlangen einen hoch auflösenden Sensor, das auf dem
Markt nicht verfügbar
ist.
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Die
oben beschriebenen Vorrichtungen erlauben nicht Sensoren mit kleinen
Abmessungen für die
Bestimmung von absoluter Position mit einer linearen Code als es
im Patentanmeldung
JP 3006423 beschrieben
ist, zu herstellen. Sie erlauben auch nicht, hoch auflösende Gravitationssensoren
zu herstellen, wie es auf dem Markt für bestimmte Anwendungen gefragt
wird.
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Die
Ziele der Erfindung greift auf einem neuen Verfahren und neuer Vorrichtung
zurück,
um die Nachteile zum Stand der Technik, insbesondere was die Auflösung betrifft,
die Funktion für
die inkrementale und absolute Messung einer Verschiebung.
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Andere
Zielsetzungen der Erfindung bestehen darin, die elektrischen Eigenschaften
dieses Vorrichtungstyps zu verbessern, insbesondere was den Stromverbrauch
betrifft, und die Herstellkosten zu reduzieren.
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Die
Erfindung wird durch Ansprüche
1 und 5 gekennzeichnet, die Unteransprüche 34 bis 37 beschreiben spezifische
Anwendungen der Erfindung. Die übrigen
Unteransprüche
beschreiben spezielle oder vorzügliche
Ausführungsformen
der Erfindung.
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Die
im Anspruch 1 gekennzeichnete Verfahren unterscheidet sich vom Verfahren,
das von Kawamura beschrieben wurde, in dem ein einzigen Lichtspot
mit wenigstens einem Empfängerelement für die Erzeugung
eines Wechselsignals benutzt wird, das die Versetzung des Massverkörperungsträgers in
Bezug zu einem Trägers
beschreibt, worauf die Empfängerelemente
angeordnet sind.
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Eine
bevorzugte Ausführung
der Vorrichtung enthält
eine Massverkörperung
mit aus Zylinderlinsen, die nebeneinander angeordnet sind. In diesem Fall
kann die ganze Energie, die die Massverkörperung durchquert, auf ein
oder mehreren Empfängerelementen
gebündelt
werden. Eine vorgezogene Anordnung der Empfängerelemente besteht in einer Reihe
von Elementen, deren Breite in Verhältnis zur Mittellinie der Massverkörperung
kleiner ist als die Teilungslänge,
was auch erlaubt, eine höhere
Einheitsauflösung
zu erhalten, die von der Teilung der Massverkörperung definiert wurde. Mit
einer hohen Einheitsauflösung
kann für
eine entsprechende Auflösung,
die Schaltung vereinfacht werden.
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Der
Vorteil der Erfindung besteht darin, ein optisches Messsystem zu
bauen, das unter optimalen Bedingungen arbeitet, dieses sowohl bei
Abmessung mit breiten Teilungen als auch für Abmessungen die an der durch
den optischen Elementen angrenzende Auflösungsmöglichkeiten stossen. Die vorgegebene
Möglichkeit
die Einheitsauflösung
zu erhöhen
in Bezug auf derjeniger der Massverkörperung gibt weitere Möglichkeiten
bei einem optimalen Wahl der beiden Alternativen.
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Die
zylindrische Form der Linse macht es möglich, die Breite des Lichtspots
mit einem Höchstwert
zu bestimmen und durch die Wahl der Länge von dieser, einen ausreichenden
Fluss an Lichtenergie zu garantieren. Es macht es ebenfalls möglich und
in einer eleganten Weise eine geeignete Anordnung der Massverkörperung
zu realisieren, die für Messvorrichtung
mit absolutem Wert eingesetzt werden kann. Die längliche Form des Lichtspots,
die durch die Zylinderlinse charakterisiert ist, wird auch besonders
an die Umsetzung der Vorrichtung angepasst, die in Darstellung 10a beschrieben wurde.
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Die
Erfindung macht es möglich
kostengünstige
Sensoren mit sehr hoher Auflösung
und/oder kleinen Abmessungen zu realisieren. Dank der kleinen Abmessung
der Linsen und dank dass die Lichtquelle sehr nah vom Massverkörperungsträger angeordnet
werden kann, können
Sensoren mit sehr kleine axiale Abmessungen realisiert werden.
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Das
nachstehende Ausführungsbeispiel macht
es möglich,
die Vorteile der Erfindung hinsichtlich der bekannten Stand der
Technik besser zu illustrieren: als Beispiel, eine Massverkörperung
mit Linsen einer Breite von 16 μm
und einer brennweite von 80μm,
die mit Empfängerelementen
einer Breite von 4μm
und einer Länge
von 200 μm
kombiniert werden. Eine Breite dieser Elemente entspricht eine Teilungslänge von
16μm. Diese
Anordnung macht es möglich auf
einem Durchmesser von 15,3 mm 3000 Teilungen zu erhalten. Die Modulation
des Lichtflusses ist dermassen, dass die mögliche minimale Breite „M" des auf dem Ebene
der Lichtssensoren anfallende Lichtbundle bemisst in etwa 3m. Der
Einsatz von 4 Dioden eines breite von 4μm pro Teilung macht es möglich, mit
einer differentialbewertung eine Auflösung mit 6000 Teilungen zu erreichen.
Ein zweite um 1/4·1/4 einer
Teilung verschobene Gruppe von Empfängerelemente macht es möglich ein
Cosinus Signal auszubilden. Eine einfache Detektionschaltung, die
die Einheitsauflösung
durch 4 multipliziert, macht es möglich eine Auflösung auf
24'000 Schritte
zu erreichen. Mit einer Detektionsschaltung und einer mechanischen
Vorrichtung guter Qualtität
könnte
dieselbe Auflösung
256 fach höher
sein, dass heisst einer Auflösung
von 153'000 Teilung.
Die Wahl einer Brennweite von 40μm,
die mit einer gepflegten Anordnung der wesentlichen Bestandteile
der Vorrichtung kombiniert ist, würde es möglich machen, die hier oben angegebene
Auflösung
zu verdoppeln.
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Die
von Kawamura vorgeschlagene Vorrichtung, zurückgebracht auf das obige Beispiel
entspricht einer Teilung der Massverkörperung von 8 μm, was einen
Linsenbreite von 4μm
entspricht, was unrealisierbar ist, da die Brennweite so einer 1–2 μm betragen
müsste,
um eine genügend
kleinen Lichtspot zu generieren. Hinzu kommt, dass der Verhältnis der
durch den Empfänger
elementen erzeugten Stromsignal für einen unendlich kleinen Spot
von 8 ist. Diese zwei Werte beweisen, dass die Vorrichtung von Kawamura
bei solchen Auflösungswerten nicht
funktionsfähig
sein kann. Umgekehrt mit der Kawamura Vorrichtung kann eine Einheitsauflösung von ungefähr 10 Mal
niedriger als die Erfindung erreichen. Gemäss der Darstellung von 4 läuft
es eher darauf hinaus, dass bei gleicher Einheitsauflösung, gleichen
Lichtfluss und unter idealen Funktionsbedingungen die Erfindung
macht es möglich,
ein elektrisches Signal eines Wertes um 8 Fach höher als den durch die von Kawamura
beschriebene Vorrichtung erzeugter Signal.
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Eine
Analyse der Vorrichtung nach Leopard lässt erblicken, dass mit einer
derartigen Vorrichtung eine Auflösung
von 2 bis 4 Fach niedriger, bei einer vergleichbaren technischen
Ausführung
von 3 bis 4 Fach niedriger als der Vorrichtung der Erfindung erreicht
werden kann. Eine Massverkörperung
mit vergleichbarer Auflösung
fordert eine 8μm
Gitterperiode, was nicht wirtschaftlich herstellbar ist.
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Das
oben erwähnte
Beispiel beweist, dass nach dem bekannten Stand der Technik nicht
möglich ist,
bessere Einheitsauflösungen
als mit der Erfindung. zu erreichen. Die Erfahrungen, die gemacht wurden,
haben bis zum heutigen Tag bewiesen, dass es ohne spezielle Vorkehrung
möglich
sein wird, Massverkörperungen
gemäss
der Erfindung einer Teilungslänge
von 8μm
herzustellen.
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Die
Massverkörperung
kann durch Kunststoffspritzen hergestellt werden, was in der gleichen Operation
möglich
macht, den Massverkörperungsträger zu produzieren.
Die Hinzufügung
von zusätzlichen
Baufunktionen, wie zum Beispiel eine Hilfe für die Montage, ohne messbare
Erhöhung
der Herstellungskosten verwirklicht werden.
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Unteranspruch
5 beschreibt die Grundlagen der Konzeption der Vorrichtung. Unteranspruch
7 beschreibt die Eigenschaften der Empfängerelemente Unteranspruch
8 beschreibt eine bevorzugte Anordnung der Empfängerelemente, die es möglich macht, über ein
Paar von Empfängerelement
ein alternatives Signal 22 zu erzeugen, dessen Wert oder
Form unabhängig
von der Intensität
des Lichtflusses ist. Unteranspruch 9 beschreibt, dass die Empfängerelemente
unter mehreren Teilungen verteilt werden können. Unteranspruch 12 beschreibt,
dass für
eine optimale Position der Lichtquelle ein optimales Verhältnis zwischen
der Breite des Lichtspots und der Breite der Empfängerelemente
einem Signal in Form eines Sinus entspricht, das für eine grössere Auflösung der Vorrichtung
integriert werden kann. Unteranspruch 18 beschriebt eine bevorgezogene
Ausführung
der optischen Elementen, die einer Zylinderlinse entspricht.
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Die
Unteransprüche
14 und 15 beschreiben eine Massverkörperung mit unterschiedlichen
optischen Elementen, jede Teilung wird einen Zahlenwert zugeteilt,
der es möglich
macht, die absolute Position des Massverkörperungsträgers nach dem in Unteranspruch
2 beschriebenen Verfahren zu bestimmen. Damit können absoluten Drehgeber mit vergleichbaren
Abmessungen als den oben beschriebenen Vorrichtungen zu konstruieren.
Diese Technologie, die durch die Verwendung von Zylinderlinsen einfach
umsetzbar werden kann, ist für
die Konstruktion von absoluten Drehgeber von kleineren Abmessungen
besonders vorteilhaft.
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Die
Detektionschaltung kann mit den Empfängerelementen auf dem gleichen
Träger
integriert werden, was auch der Fall für zum Beispiel einen absoluten
Drehgeber mit 13 Bits Auflösung.
Der Schaltung wird von geringem Ausmass und billig sein.
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Die
Erfindung erlaubt dank den oben beschriebenen Eigenschaften, neue
Produkte einfacher Konzeption zu konstruieren, die mit wenig Bauelemente
funktionieren, die nach der bekannten Stand der Technik nicht realisierbar
sind. Er macht es möglich
Sensoren herzustellen, die gleichzeitig billig, hoch auflösend, mit
kleinerer Abmessungen, die wenig Strom verbrauchen, die inkrementalen
Impulse und/oder absoluten Positionswerte liefern können, und
die im Einklang mit der künftige
Entwicklung der Mikroelektronik, die sich im Sinne der Miniaturisierung
und der sparenden Energieverbraucht entwickelt.
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Für die Beschreibung
der Erfindung wird auf den folgenden Figuren bezogen
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1 Schematische
Darstellung der Messvorrichtung.
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2 Zusammenspiel zwischen elektrisches
und Lichtsignal
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3 Anordnung
der Elemente
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4 Vergleich der Eigenschafen
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5 Bevorzugte
Konzeption der Massverkörperung
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6 fokalisierenden
Portion
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7 Diverse
Ausführung
der Messvorrichtung
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8 Diverse
Ausführung
der Messvorrichtung
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9 Anordnung der Empfängerelemente
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10 Signal nach Kawamura
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11 Massverkörperung mit numerischer Zuteilung
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12 Beispiel von linearem Code
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13 Massverkörperungsträger für einen Drehgeber
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14 Schaltung
für absolute
Messvorrichtung
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15 Synchronisierung
der Positionssignale
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16 Beispiel
einer neuronischen Schaltung
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17 Oszillationen
und Verfahren zur Bemessung
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18 Anordnung der Lichtquelle
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19 Darstellung
einer Gravitationssensors
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20 Gleitlager
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21 Lager mit geringer Reibung
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22 Oszillierende
Scheibe
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23 Ein
elektronischer Neigungssensor
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24 Schema
Block eines Kilometerzählers
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25 Drehgeber
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Die
Lichtquelle ist der Bauteile, der am meistens Strom verbraucht.
Es wird daher interessant, diese Energie gut einzusetzen.
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Ein
Empfängerelement
entspricht eine Diode, die in CMOS-Technik integriert wurde, hat
eine interne Kapazität,
die die Grenze der Funktion gemäss dem
durch das Empfängerelement
hervorgebrachten Strom und dem in der Detektionschaltung fliessenden
Stromniveau definieren wird. Diese Kapazität wird auch die mindesten erforderlicher
Leuchtstärker definieren
und/oder die Höchstgeschwindigkeit
der Bewegung zwischen des Massverkörperungsträüger und einem Empfängerelements.
Der Wert der Kapazität
der Diode hängt
hauptsächlich
von seiner eigenen Oberfläche,
aber auch von der benutzten Fertigungstechnik ab.
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Die
Bündlung
des Lichtflusses macht es möglich
die Lichtdichte zu erhöhen,
demzufolge die Fläche
und die Störkapazität der Empfängerelementen
zu reduzieren.
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Der
Einsatz von optischen Elementen mit geringen Abmessungen macht es
möglich,
die Abmessung des Empfängers
in axialer Richtung zu reduzieren. Für einen gleichen Verhältnis zwischen
der Distanz, die die Lichtquelle und das optische Element trennt,
und die Breite des optischen Elements besteht eine gleiche Intensität des Lichtflusses,
der für
die Abtastung nützlich
ist.
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Der
Einsatz von optischen Elementen mit geringen Abmessungen macht es
auch möglich
die Abmessung der Empfängerelemente
zu reduzieren, die eine Integration der Funktion der Abtastung oder
Lesung auf dem gleichen Träger
oder Chip ermöglicht.
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Die
Herstellung der optischen Elemente oder der Massverkörperung
kann durch Elektronenstrahl ausgeführt werden. Ein X-Y Tischanordnung
mit einer nanometrischen Auflösung
macht es möglich
optische Elemente in optimaler Qualität auf Grund von entsprechenden
binären
Daten zu bearbeiten.
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Ein
Punkt oder eine Sektion eines Elektronbündels wird auf dem Werkstück nach
den Achse X-Y verschoben. Die Achse Z wird durch Modulation der
Intensität
des Elektronflusses erhalten. Diese Methode erlaubt, durch Beseitigung
oder Veränderung
von unterschiedlichen Materialen wie Polymere, insbesondere Polycarbonate,
Quarzes, Stähle,
die für
den Bau von Kunststoffspritzwerkzeuge eingesetzt werden können, oder
andere Materialien. Bei der Verwendung eines Models in Polymere,
wird eine Kopie des Models durch elektrolytische Nickelabscheidung
oder mit anderen Legierungen erzeugt. Das so erzeugte Teil wird
zum Beispiel in einer Kunststoffspritzwerkzeug festgehalten. Diese
Verfahren macht es möglich,
Massverkörperungen
an den in diesem Dokument beschriebenen unterschiedlichen Formen
zu fertigen.
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1 stellt
die verschiedenen Elemente dar, die zur Vorrichtung gehören können, die
in schematische Form nach einer bestimmten Schnitt dargestellt werden,
das heisst eine Lichtquelle 1 einer Breite, Abmessung oder
Sektion S 101, eine Linse oder eine optische Vorrichtung 2,
die es ermöglich
in optimale Weise den Lichtfluss zu modifizieren nach der schematischen
Darstellung gemäss
Linien 13, ein Schnitt durch die Massverkörperungsträgers 3,
der aus einer Folge von zylindrischen optischen Elemente 4 einer Breite
G21 besteht, die eine bündelnde
Portion enthält,
die ermöglicht
das Licht nach den Linien 12 und 13 auf den Bildebene 7 an
einem genannten Punkt, Lichtspot, 11 einer Abmessung B10.
Die Lichtempfängerelemente 6a und 6b einer
Breite oder Abmessung R 9 sind Bestandsteile der Träger B. Die
Linie 18 stellen den Rand einer Teilung. Die Linien 17 stellen
die geometrische Achse der Teilung dar, die hier der optischen Achse
der optischen Elemente 4 entspricht. Der Massverkörperungsträger 3 kann
sich horizontal nach Pfeil 25 in Verhältnis zu den Empfängerelemente 6 verschieben.
Die Abmessungen c 14, a 15, und b 16 sind hier um die Anordnung
der Elemente im Verhältnis
zur Massverkörperung
zu darstellen und den durch eine Strich-Punktlinie 5 dargestellten
Endplan zu definieren, die eine Angrenzung in Form einer Linie darstellt, über die
hinaus es nicht mehr möglich
wird, die Abmessung der Figur auf dem Bildebene 7 zu verkleinern.
Die Kurve 24 stellt die Verteilung der Lichtintensität auf den
Bildebene 7 dar. Sie wird durch die zwei Abmessungen M
20 und L 19 gekennzeichnet. Das Bild des elektrischen Signals, das
durch die Bewegung 25 des Massverkörperungsträgers 3 im Verhältnis zu
einem Trägers 8 erzeugt
wird, wird in 22 dargestellt, die Maxima in 22a und
die Minima in 22b. Zu einer zentrierten Position des Lichtspots 11 im
Verhältnis
zu einem Empfängerelement 6 kann
einen Signalwert mit Maxima 22a oder Minima 22b entsprechen.
Dieses Signal kann in einem digitalen und/oder analogen Signal konvertiert werden 23.
Zu einem logischen Wert des digitalen Signals 23 kann ein
Positionssignal dargestellt werden.
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Die
Lichtquelle 1 wird vorzugsweise eine in längliche
Form ausgebildete Diode, die hier im Schnitt dargestellt ist. Eine
Breite von 20 bis 200 μP kann
für diese
Vorrichtung einsetzbar sein. Sie kann einer Laserquelle oder anderen
sein, die im Bereich des UV, des sichtbaren Licht, des Infrarots
oder anderes sein. Die optische Vorrichtung 2 macht es
möglich
der durch die Massverkörperung
fliessenden Lichtfluss parallel zu machen. Die Vorrichtung kann auch
ohne die optische Vorrichtung 2 verwirklicht werden.
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Das
Lichtbündel 13,
das durch ein optisches Element 4 definiert wurde, wird
auf den Bildebene 7 gebündelt,
in einem Punkt, das durch einen Lichtspot 11 dargestellt
wird. Die Breite B 10 des Lichtspots 11 ist niedriger als
die Figur auf den Bildebene 7 der Querschnitt des optischen
Elements 4.
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Die
Energie konvertierenden oder auf Licht empfindlichen Empfängerelemente 6 können mit
der Technologie CMOS von Typ P+/N kompatible Dioden sein oder andere,
Phototransistoren oder andere Elemente, die es möglich machen, die Lichtenergie
aus der Lichtquelle in einem Strom zu konvertieren und/oder Einfluss
auf die physischen Eigenschaften der Empfängerelemente zu nehmen. Sie
können
auf der gleichen geometrischen Ebene angeordnet und auf demselben
Träger 8 integriert
zu werden.
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Eine
Gruppe von Empfängerelementen
wird durch die Kombination der Empfängerelemente 6a und 6b oder,
im Fall der 9, 6a und 6b oder 6c und 6d.
Eine Gruppe von Empfängerelementen
erfasst die Empfängerelemente,
die erlauben, einen Signalwechsel 22 zu bilden. Eine Gruppe
von Empfängerelementen
kann auch nur ein Empfängerelement erfassen,
das mit einem Bezugswert kombiniert wird, der, zum Beispiel, durch
den Schaltkreis erzeugt wird. In diesem Fall wird das Empfängerelement
die Hälfte
eines Signalwechsels 22, von dem die Hälfte eines digitalen Signalwechsels 23 erzeugt
wird.
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Eine
Einheit von Empfängerelementen 56, 57 (9), entspricht ein oder mehreren Gruppen von
Empfängerelementen,
die es möglich
macht, ein oder mehrere Signalwechsel 22 zu bilden. Als
Regel wird das aus einer ersten Einheit von Empfängerelementen erzeugte digitale
Signal 23 als Ausgang oder Kanal A genannt. Ein aus einer
zweiten Einheit von Empfängerelemente
erzeugte Signal, das vorzugsweise identisch und um ¼ Signalwechsel
verschoben ist, wird als Ausgang B genannt. Die spätere Bewertung
der Kanäle
A und B macht es möglich
die Bewegungsrichtung des Massverkörperungträgers festzustellen und die
Einheitsauflösung
der Vorrichtung zu erhöhen.
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Die
Abmessung 10 des Lichtspots 11, die wohl niedriger
als die Länge
der Teilung 23 ist, macht es möglich die Einheitsauflösung der
Vorrichtung zu erhöhen.
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Der
Träger 8 kann
einen Chip oder einen integrierten Schaltkreises auf Silizium darstellen,
in den die Empfängerelemente
und vorzugsweise die Detektionchaltung integriert wird. Die Detektionschaltung
macht es möglich
die aus den Empfängerlemente
gelieferten Ströme
in einem Signal und/oder Information zu konvertieren, die durch
weitere elektronische Vorrichtungen verwendet werden können. Mehrere
Träger 3 können eine
Massverkörperung
untergeordnet werden.
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Als
Regel, eine Massverkörperung
besteht in einer Anreihung von optischen Elementen, die eine bündelnde
Portion enthalten, die das Licht an einer Stelle des Trägers 8 bündelt. Wenn
zu einem optischen Element gehören
zwei Lichtspots, es handelt sich denn um zwei überdeckte oder unterschiedliche Massverkörperungen.
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Die
Abmessung S,101 stellt die Breite der Lichtquelle 1 dar.
Die Abmessung B,10 stellt die nützliche
Breite des Lichtspots auf das Bildebene 7 dar. Die Abmessung
a,15 stellt den Abstand zwischen zwischen der Lichtquelle und/oder
das Lichtobjekt 1 und der optischen Vorrichtung 2,
die vorzugsweise der Brennweite der optischen Vorrichtung 2 entspricht.
Die Abmessung c,14 stellt den Distanz zwischen der Endplan 5 und
der optischen Vorrichtung 2 dar. Die Abmessung b,16, die
die fokale Länge
f entsprechen kann, stellt die Distanz zwischen den fokalisierten
Elementen 4 und den Figursplan 6 dar. Die Abmessung
G,21 stellt die Teilungslänge
oder die Breite des fokalisierendenElements 4 dar. Die
Abmessung R,9 stellt die Breite und/oder die durchschnittliche Breite
des Empfängerelements 6 dar.
Die Abmessung L,19 stellt die Minimalgrösse der ersten Ordnung dar,
die der optischen Auflösung
des fokalisierendenElements entspricht. Die Abmessung M,20 stellt
due nutzbare Breite des Lichtsignal, der eine maximale relative
Lichtdichte im Vergleich zur Restbeleuchtung. Zum Beispiel die nutzbare
Breite macht es möglich,
die Abmessung der Lichtquelle 1 zu bestimmen.
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Die
Beziehung zwischen der Breite des Lichtspots 10 und der
Breite der Lichtquelle 1 ist durch die Formel S/B = a/b
gegeben. Die minimale Breite des Lichtspots ist durch die Formel
gegeben: Lmin = c1· Lambda·b/E, Bei
einer Wert c1 von 2.22 ist ein zweiter Maxima der Lichtdichte zu
finden, Lambda ist für
die Wellenlänge
des Lichtes, b für
die Brennweite und E für
die Breite des fokalisierendenElements 4. Der Wert von
c14, der ein Grenzwert ist, kann folgender Mass in augedruckt werden:
c = M/L·S·E/(c1·Lambda).
Für einen
Wert von a > c die Breite
L, oder M wird konstant bleiben. Für einen Wert von a < c verändert sich
die Breite des Lichtspots nach den Werten a und c. Wenn man der Abstand
a verändert,
dies im Bereich von a < c,
wird es möglich
die Breite M zu verändern
und auf der Gleichung R/M und ebenfalls auf die Formgebung des elektrischen
Signals 22 Einfluss zu nehmen.
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Es
geht aus den obigen Überlegungen
hervor, dass die Wahl der Brennweite der fokalisierendenElemente
für eine
optimale Energieeffizienz ausschlaggebend ist Zu einer kleinen Brennweite
entspricht ein minimaler Wert L oder M, was es möglich macht für eine Breite
der Lichtquelle S und eine gegebene Breite des Empfängerelements
R, die Lichtquelle nah zum Massverkörperungsträger anzuordnen, was bedeutet,
am meistens mögliche
Lichtenergie aus der Lichtquelle aufzufangen. Es geht auch daraus
hervor, dass es vorteilhafter ist, eine Lichtquelle 1 zu
benutzen, die zum Beispiel im Blauen oder Grün arbeitet, als im Infrarot,
da die kritische Abmessung Lmin geringer ist.
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Der
Abstand zwischen der optischen Vorrichtung 2 und dem Massverkörperungsträger 3 spielt eine
sekundäre
Rolle. Ohne die optische Vorrichtung 2 werden die Abmessung 15 und 14 als
Ursprung das bündelnde
Element 4 und die optischen Achsen werden in Richtung der
Lichtquelle 1 zusammenlaufen. Daraus ergibt sich eine verfälschte Verteilung
der Lichtspots 11 auf das Bildebene 7.
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Der
Bildebene 7 kann der Fokalebene der fokalisierenden Elemente 4, 31 entsprechen.
Die Praxis zeigt, dass die optimale Bildebene bei einem Abstand
von 1· 1.2
der brennweite der fokalisierenden Elemente liegt.
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Der
Bildebene 7 kann auch auf einer entfernten Ebene mit Maxima
der Beleuchtung, die auf eine Überlagerung
der Gesetze der geometrischen Optik und der diffraktionnellen Optik
zurückzuführen sind.
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Die 2a und 2b zeigt
wie den Verhältnis
R/M wichtig sein kann.
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Zum
veranschaulichen wird zwei extreme Anordnungen 2a wobei
die Gleichung „R/M > 1" und die 2b „R/M < 1" nebeneinander betrachtet. Ein
Paar von Empfängerelementen 6a und 6b sind auf
der Bildebene dargestellt. Sie erhalten ein Signal einer Lichtstärke gemäss 24 und
erzeugen mittels eines nicht dargestellten Schlatkreises ein elektrisches Signal 22.
Zum Beispiel das Empfängerelement 6a erzeugt
einen Strom produziertes 6a ein Strom, der einem positiven
Wert gemäss
der empfangenen Licht entspricht, und das Empfängerelement 6b erzeugt
einen Strom, der einem negativen Werte gemäss der empfangenen Licht entspricht.
Beleuchtung. Der so erzeugte Unterschied der Werte, der auch aus
dem durch den zwei Empfängerelementen
erzeugten Stromunterschied entsprechen kann, entspricht einem Signalwert 22,
der nach der Bewegung des Massverkörperungsträgers 3 sich periodisch
verändert.
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Mit
dem Einsatz von zwei um ein ¼ Teilung verschobene
Gruppe von Empfängerelemente
wird es möglich
sein, zwei Signale zu erzeugen, die einem ein Sinus und der anderem
ein Kosinus entprechen. Die Darstellung dieser zwei Signale auf
eine X-Y Ebene macht es möglich
einen Vektor 26 zu definieren, dessen Wert während der
Verlagerung des Massverkörperungsträgers nach 25 sich
gemäss Kurve 27 verändern wird.
Der Wert des Winkels des Vektors wird durch 28 dargestellt.
-
Für eine Gleichung
R/M > 1, die Form
von Kurve 27 wird sich einem Viereck, nach 2a,
annähern,
für einen
Bericht R/M < 1
von einer Raute, nach 2b, und für eine Gleichung R/M = 1 von
einem Kreis (nicht dargestellt).
-
Die
Stabilität
der Kurve wird von mechanischen und geometrischen Eigenschaften
der Vorrichtung, sowie von der Güte
der Empfängerdiode
abhängen.
Bei einer stabile Kurve wird es möglich der Wert des Positionswinkel 28 mit
mehr oder weinige Genauigkeit zu nutzen
-
Die
Formqualität
der Kurve 27, die am Besten einem Kreis entspricht, macht
es möglich
anhand der elektrischen Signale einer genauen Bestimmung der Position
zu ermitteln. Zum Beispiel eine Kurve, die wie in 2a dargestellt
ist, wird Fehler bei der Bestimmung der geometrischen Position einfliessen lassen.
-
Diese
zwei qualitativen Betrachtungsweise zeigt die wirkliche Auflösungsfähigkeit
des Messsystems, das höher
als die Einheitsauflösung
der Vorrichtung sein werden kann, gegenwärtig von einem 4 bis 256 Mal
höheren
Wert.
-
Das
Verhältnis
M/R hängt
vom Verhältnis
a/c ab, der durch die Form und die Abmessung der Lichtquelle 1 gekennzeichnet
ist. Die Beziehung zwischen a und c wird a/c ≤ 1 sein. Bei a/c > 1 bleibt die Figursbreite
unverändert
und geht Lichtenergie verloren, weil die Winkelöffnung der fokalisierten Element
unnötigerweise
reduziert wird.
-
Die 3 stellt
einen 3D-Sicht der bevorzugten Anordnung der Bauelemente der Vorrichtung
dar, dass heisst eine durch Linie 38 abgegrenzte Darstellung
Massverkörperungsträger 3,
eine Massverkörperung 30,
die aus einer nach der Leit- oder Mittellinie 32 gerichtete
Anreihung von mit einer bündelnde Portion
vorgesehenen optischen Elementen 4 gebildet wurde, eine
Bildebene 7, der die Oberfläche des Trägers 8 entspricht,
worauf die Empfängerelemente 6 einer
Breite 9 angeordnet sind.
-
Die
Linie 33 stellt den Umkreis der FlächeFigur der optischen Elemente 2 nach
den Linien 288 auf die Bildebene 7 dar, die durch
die Linie 333 abgegrenzte Fläche 34, die FlächeFigur
der fokalisierendenPortion 31 einer Breite 35 und
die Intersektionsfläche 37 aus
der Fläche 34 und
der Oberfläche
des Empfängerelements 6 von
Breite 9. Die Breite 35 der Figur der fokalisierendenPortion 31 wird
grösser
als der Breite 9 des Empfängerelements 6 sein,
damit das Signal 22 kann in der gewünschten Form ausgebildet werden.
-
Das
Empfängerelement 6 kann
senkrecht zur Mittellinie 32 gerichtet werden. Er wird
vorzugsweise von länglicher
oder hauptsächlich
rechteckiger Form sein, was es, für die gleiche Fertigungstechnik, möglich macht,
die umwandelbare Menge an Lichtenergie pro Breiteeinheit 9 des
Empfängerelements 6 zu
erhöhen
und/oder die Auflösung
der Vorrichtung für
die gleiche Menge an Lichtenergie zu erhöhen. Die Breite des Empfängerelements
kann von 2μm oder
mehr sein. Vorzugsweise ist die Summe der Breite jedes Empfängerelements,
die eine und dieselbe Teilung unterordnet ist, gleich oder kleiner
als der Teilungslänge.
Eine andere mögliche
Anordnung der Empfängerelemente
wird in 11d dargestellt.
-
Eine
hauptsächlich
rechteckige Form versteht sich als Oberfläche zu sein, die sich einen Rechteck
annähert,
wobei in Richtung der Breite 9 mit wenigstens zwei parallele
oder zum Zentrum der Kurve der Mittellinie 32 annähern parallel
zusammenlaufende Seiten irgendwelcher Form und in der Breite von
zwei Seiten irgendeiner Form ausgebildet ist.
-
Die 4a–4d stellt
einen Vergleich zwischen dem Stand der Technik und die Erfindung dar,
wobei für
jede Vorrichtung die Einheitsauflösung und der Lichtfluss unverändert bleibt.
Diese Überlegungen
gelten für
zylindrische spherische Linsen. 4a, 4b und 4c die
Anordnung des Massverkörperungsträgers für verschiedene
Technologien und zwei schematische Darstellungen der Anordnung der
optischen Elemente 4 dar, die bei einem Abstand von 1/4
eines Teilung angeordnet sind.
-
Die 4a stellt
die Erfindung dar. Der Stand der Technik wird in der 4b für Kawamura und 4c für Leopard
dargestellt. Die Linse von 4a deckt
eine Oberfläche,
die vier Diodebreiten entspricht. Ein Wert, der höher ist
als 4 Dioden, wäre auch
möglich,
weil die Abmessung des Lichtspots kann leicht bis Grenzwerte verkleinert
werden, die gleich oder ähnlich
sein können
als M = 4·Lambda·f/E.
-
Die 4b stellen
die Form und der Wert der Intensität des Stromes dar, der durch
das Empfängerelement
erzeugt wurde. Die hier im Trapez ausgebildete Kurve 39a,
was auf das kleine Abmessung des Lichtspots zurückzuführen ist, stellt den Intensitätswert für die 4a dar,
die Kurve 39b und 39c der Intensitätswert für die 4b,
die Kurve 39d der Intensitätswert für die 4c. Die
Intensität
des Signals für 4a, 39a ist
von einem Wert 4, für
die 4 für 39b von 1 und für 39c von
ungefähr
0.8, für
die 4c von 1.
-
Die
Formunterschiede der Kurve 39b und 39c gibt einen
Ansatz über
wie das Signals durch die Breite des Lichtspots verschlechtet werden
kann. Das Verhältnis
zwischen der Breite des Lichtspots und die Breite der Teilung ist
von ungefähr
B/R = 2.22·Lambda·f/E·E. Zum
Beispiel für
einen Wert E = 20μm
und f = 80μm
wird die Überdeckung
von 30% sein, was in etwa durch die Kurve 39c dargestellt werden
kann. Die Form dieser Kurve (Kawamura) lässt vorhersehen, dass die für eine Erhöhung der Auflösung durch
Auswertung des elektrischen Signals vorgesehene Vorrichtung im Falle
der Kurve 39c nicht angewendet werden kann.
-
Es
muss gemerkt werden, dass die Grösse des
alternativen Signals, das durch die Kombination der zwei Empfängerelemente 6a und 6b erzeugt
wurde, macht es möglich
eine Höhe
des Intensitätswechsels
zu erreichen:
- – von einem Faktor 8 für 4a
- – von
einem Faktor 1 für 4b unter
optimale Bedingungen
- – von
einem Faktor 2 für 4c
-
Es
geht deutlich daraus hervor, dass für eine gleiche Einheitsauflösung die
Lösung
der Erfindung ein Signal mit viel höheren Werten, als es sich aus der
Stand der Technik ableiten lässt,
produzieren kann. Man muss allerdings feststellen, dass die Form von
Kurve 39 von der Qualität
der Schattenzonen abhängt.
Die Kurve 24 aus der 1 stellt
eine durchgeführte
Messung mit Linsen von 16μm
dar und gibt eine Idee um die begegneten Verteilung der Lichtenergie.
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Die
Formeln, die für
die Berechnung der Abmessungen des Lichtspots benutzt wurden, berücksichtigt
die Gitterwirkungen nicht. Die Erfahrung hat gezeigt, dass diese
Werte richtig waren.
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Die
Figilddung 5, 6a–6d stellen verschiedene
Formen der Ausführung
des optischen Elements dar. Die 5 stellt
ein Teil eines Massverkörperungsträgers 5 dar,
der eine Massverkörperung 30 umfasst,
die aus einer Anreihung von optischen Elementen oder Teilungen 4 ausgebildet
wurde, deren bündelnde
Portion 31 aus einem zylindrischen optischen Element einer
Breite 21 und einer Länge 40 ausgebildet
wird, die die Teilung 4 überdenkend ist, die perpendikulär an der
Mittellinie 32 angeordnet werden können. Die Linsen können zum
Beispiel eine Breite E 35 von 8μm
oder mehr, eine Brennweite eines Wertes, der zwischen 2·E und
6·E angesiedelt ist,
und eine Länge,
die zwischen 50 und 600 μm
angesiedelt ist. Sie entsprechen einer linearen oder hauptsächlich linearen
fokalisierenden Portion.
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Die
optischen Elemente 4 oder die fokalisierenden Teile 31 können aus
gleichen Material, vorzugsweise aus Kunststoff, ausgeführt werden,
was es möglich
macht, den Massverkörperungsträger zur gleichen
Zeit wie die optischen Elemente herzustellen, zum Beispiel durch
Kunststoffspritzen. Es ist auch möglich, die Massverkörperung
durch Abdruck eines Werkzeuges auf einem Rohträger zu bilden. Mehrere Materialien
können
auch in der Konstruktion der Massverkörperungsträgers eingesetzt werden.
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Ein
Massverkörperungsträger 3 kann
unterschiedlichen Formen annehmen und kann geometrische Elemente
beinhalten, um seine Montage auf der Vorrichtung zu vereinfachen.
Ein selber Massverkörperungsträger 2 kann
ein oder mehrere Massverkörperungen 30 beinhalten,
die je identische oder unterschidlichen optische Elemente beinhalten
können. Die
Mittellinie 32 kann ein Kreis sein. Sie kann die Richtung
der Bewegung des Massverkörperungsträgers an
einem bestimmten Punkt entsprechen.
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Die 6, 6a–6d stellt
verschiedene mögliche
Konstruktion des optischen Elements 4 von Breite 21 und
von Länge 40 dar,
die eine bündelnde
Portion 31 beinhalten kann, die eine unregelmässige Verteilung
der Lichtintensität
auf die Bildebene 7 erzeugt, in einer derartige Weise wo
die entsprechende Anteil mit einer hohe Lichtintensität durch
einen Lichtspot 11 gekennzeichnet ist, der vorzugswiese
eine längliche
und/oder hauptsächlich rechteckiger
Oberfläche
des Bildebenes 7 darstellt. Sie entspricht einer hauptsächlich linearen
fokalisierenden Portion.
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Die
Figur der fokalisierenden Portion 31 auf dem Massverkörperungsträger 3 kann
von länglicher und/oder
hauptsächlich
rechteckiger Form sein.
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Eine
lineare Aufteilung der Lichtspot macht es möglich, in einer optimale und
selektive Weise der Lichtfluss auf den Empfängerelemente 6 zu
verteilen.
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Die 6a stellt
ein optisches Element 4 von Breite 21 und von
Länge 40 dar,
die eine bündelnde Portion 31 beinhaltet,
deren Form doppelkegelich aus konischem Volumen gebildet wurde,
dessen Fokalwert von einem Punkt zum anderen der Teilung verschieden
sein wird, die 6b, deren Form zylindrisch und
verteilt auf den ganzen optische Element 4 gebildet wurde,
die 6c, deren Form pyramidal mit 4 Flächen und
verteilt auf den ganzen optischen Element 4 gebildet wurde,
die 6d, deren Form einen Pyramide mit abgerundete
Enden und verteilt auf einen Teil der optischen Element 4 gebildet
ist.
-
Die
zylindrischen oder pyramidenförmiger Oberflächen können eine
annähernde
geometrische oder eine asymmetrische Form entsprechen, die an die
gewünschten
optischen Eigenschaften besser angepasst ist. Im Falle einer runden
Massverkörperung
wird diese Form zum Zentrum der Radius der Massverkörperung
konvergieren, im Rahmen einer Teilung mit einem Zahlenwert, diese
Form wird in Bezug auf der optischen Achse 17 asymmetrisch
ausfallen.
-
Eine
pyramidenförmige
Form kann zwei konvexe Seiten umfassen, die hinsichtlich einer zylindrischen
Form möglich
macht, einen Lichtspot auszubilden, dessen Abmessungen wenig empfindlich
zur Veränderung
des Abstandes zwischen dem Träger 8 und
der Massverkörperungsträger 3 sein
wird.
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Die
Möglichkeit,
die Form einer Linse zum Beispiel zylindrischer Form im Sinn der
Länge zu
wölben
gibt eine zusätzliche
Möglichkeit,
mehr Energie im Lichtspot zu konzentrieren oder die Länge des Lichtspots
im Verhältnis
zu Länge 40 des
optischen Elements zu reduzieren.
-
Die
obigen Beispiele können
auch für
eine binäre
und/oder diffractionnelle Frensel Linse gelten. Die Linsen binären Typs
haben den Nachteil der Licht sowohl zu bündeln als auch in unterschiedlichen Richtungen
zu verteilen, was dazu führt,
dass die Lichtintensität
am Fokalpunkt 50% einer Wert, die mit geometrische Linse erreicht
wurde. Reine Diffraktionslinsen stellen eine weitere Ausführungsmöglichkeit
dar.
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Die 7 stellt
eine spezielle Anordnung der Vorrichtung dar. Die Lichtquelle 1 entspricht
einer Leuchtdiode 1, vor der eine undurchsichtige Maske 46 angeordnet
ist, womit die Abmessung S,101 von der Lichtquelle oder leuchtende
Objekt definiert werden kann. Die Lichtstrahlen 13 werden
durch eine optische Vorrichtung 2 auf dem Massverkörperungsträger 3 gelenkt.
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Die
Konfiguration des Empfängerssystems umfasst
eine optische Vorrichtung 47, die möglich macht, die Bildebene 7 auf
den Träger 8 mit
den auf einen grösseren
Abstand zu Massverkörperungsträger 3 angeordnete
Empfängerselemente
abzubilden. Diese Anordnung macht es möglich Vorrichtung zu bauen,
deren mechanischen Abstand 48 ist grösser als den Abstand b,16,
der zur Brennweite des optischen Elements 4 entsprechen
kann.
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Die
mechanischen Elemente können
besser angeordnet werden. Eine minimale Brennweite kann für einen
besseren leuchtenden Ertrag gewählt
werden, die Abmessung S 101 von der Lichtquelle kann grösser gewählt werden.
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Die
optische Vorrichtung 47 kann aus ein oder mehreren Linsen
gebildet werden, deren optische Ebene vorzugsweise zwischen der
Bildebene 7 und dem Träger 8 angeordnet
wird. Er kann auch aus einem Element gemacht werden, das möglich macht, die
aus einer konvergierenden Massverkörperung, wie es beim Drehgeber
zu finden ist, in einer Anreihung von parallelen Lichtspots auf
dem Träger 8 abzubilden.
Er kann durch Kunststoffspritzen produziert werden. Er macht es
möglich,
auf kostengünstige Weise
eine integrierte Schaltung an unterschiedliche Massverkörperung
anzupassen.
-
Die 8 stellen
eine Ausführung
für eine
im Auflicht funktionierende Vorrichtung dar, die aus einer Massverkörperung 3,
ein lichtreflektierendes optisches Element 4, eine Lichtquelle 1 und
die Empfängerelemente 6 gebildet
ist. Die Linien 12 und 13 stellen den Rahmen des
nützlichen
Lichtflusses dar. Die Endebene 5 liegt hinter der Bildebene 7 angesiedelt,
der in diesem Beispiel sowohl die Lichtquelle 1 als auch
die Empfängerelemente 6 enthält.
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Eine
Vorrichtung, die im Auflichtverfahren funktioniert, ist für hohe Temperatur
Anwendungen besten geeignet. Polycarbonate, zum Beispiel, verliert
all diese optische Transparenzqualitäten unter erhöhten Temperaturen.
Der Einsatz von einem zum Beispiel aus Aluminium hergestellten Massverkörperungsträger leitet
diese Nachteile um. Unterdessen ist es einfacher, die Lichtquelle 1 mit
den Empfängerelementen 6 solidarisch
anzuordern.
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Die 9, 9a–9c stellt
die Anordnung der Empfängerelemente
auf dem Träger 8 dar, der
mit der Bildebene 7 übereinstimmend
ist, und eine vereinfachte Darstellung der Detektionschaltung für eine inkrementaler,
deren Einheit zwei mal höher als
die Auflösung
der Massverkörperung
ist,
-
Die 9a stellt
schematisch einen Aschnitt des Massverkörperungsträgers 3, der Bildebene 7, der
Empfängerelemente 6,
der Lichtfluss 13 dar. Die Linien 17 stellen die
optische Achse der Teilung und die Linien 18 die Grenzen
der Teilung.
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Die
Empfängerelemente
bilden zwei Gruppen von Empfängerelemente 6a/6b und 6c/6d,
die sich eine selbe Teilung untergeordnet sind, und, die geometrisch
nach der Figur von wenigstens zwei Teilungen 18 auf die
Bildebene 17 angeordnet sind. Ein ausreichender Abstand
zwischen den Empfängerelementen
muss respektiert werden, um jede Art von Funktionsbeeinflussung
zwischen den benachbarten Elementen zu vermeiden. Zum Beispiel zu
einer Diodebreite von 4μm
muss ein minimaler Abstand von 3 μm
zwischen beiden Elementen eingehalten werden.
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Die 9b stellt
die Anordnung der Empfängerelemente 6a 6b 6c und 6d für die 9a,
die Lichtspots 11 und eine Detektionschaltung 54a und 54b zur
Erzeugung ein digitales Signal 23a dar, das einem Kanal „A" entsprechen kann.
Die Empfängerelemente 6a 6b 6c und 6d stellen
eine Einheit von Empfängerelementen
dar. Eine erste Gruppe von Empfängerelementen 6a/6b ist
mit dem Schaltung 54a und eine zweite Gruppe 6c/6d mit
der Schaltung 54b verbunden. Die Schaltung 54a und 54b konditionieren
je ein Wechselsignal, die in 55 hinzugefügt oder
kombiniert werden, um das digitale Signal 23a zu liefern.
Die Umsetzung des analogen Signals in einem digitalen Signal kann
durch die Schaltung 54 und/oder 55 erfolgen. Die
Detektionschaltung wird durch 59b definiert.
-
Der
Abschnitt 9c stellt eine andere Anordnung der Empfängerelementen
dar, die eine Einheit von Empfängerelemente 56 mit
den Elementen 6a, 6b 6c und 6d und
eine Einheit von Empfängerelemente 57 mit
den Elementen 6aa, 6bb 6cc und 6dd. Jede
Einheit umfasst zwei Empfängerelementgruppen
zusammenfasst. Jede Einheit beinhaltet zwei Gruppe von Empfängerelementen.
Die Distanz zwischen den zwei Einheiten wird von einem Wert sein, der
1/8 der Länge 21 der
Teilung entspricht.
-
Die
Detektionschaltung 59c beinhaltet die Auswertungsschaltung 58a 58b,
die ausgehend aus den durch zwei Paardioden erzeugten Stromsignal ein
digitales Ausgangssignal 23ba, 23bb, die Kanäle „A" und "B", erzeugen. Sie kann auch ein nicht
dargestellten Resolver enthalten, das ermöglich, die Auflösung des
Systems auf Grund eines Sinussignals aus 58a und ein Kosinussignal
aus 58b zu multiplizieren und die digitalen Signale 23ba und 23bb abzuliefern.
-
Die
Anordnung der Detektionschaltung 54 aus der 9b führt eine
differentielle Messung für jede
Gruppe von Empfängerelemente
aus. Die Detektionschaltung 58 aus der Ausbildung 9c führt eine differentielle
Messung für
jede Einheit von Empfängerelementen,
die zwei Gruppe von Empfängerelement
umfassen. Andere Anordnungen sind möglich.
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Die
Anordnung der Empfängerelemente,
die in 9b dargestellt sind, bringen
den Vorteil einer Breite von Lichtspot 11, die der Länge des
Empfängerelements
entsprechen kann, zu entsprechen. Die Zustellung einer zweiten Einheit
von Empfängerelementen
kann durch die Verteilung der Empfängerelemente nach vier Teilungen
in der gleichen Reihe erfolgen. Sie kann auch auf mehreren Reihen
erfolgen.
-
Die
Anordnung der Empfängerelemente,
die in 9c dargestellt sind, lässt eine
Einheit von Empfängerelementen
pro Teilung erscheinen, was eine Anordnung der Empfängerelemente über zwei Reihen
benötigt.
der Empfängerelemente
verlangt. Die Anordnung der Empfängerelemente
auf einer Reihe, die unter mehreren Teilungen verteilt wurde, entspricht
einem besseren Lichtertrag der Vorrichtung.
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Die 10a macht Hinweis auf eine andere Anordnung der
Empfängerelemente,
die im Sinn der Erfindung einer interessanten Ausführungsalternative
entspricht. Die Form des elektrischen Signals, die aus den Empfängerelementen
stammt, ist durch die Form und die geometrische Anordnung der Dioden 6a und 6b sowie
die Breite B,10 des Lichtspots gekennzeichnet.
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Die
Dioden, die ein selbe Teilung unterordnet sind, als 6a und 6b,
können
nebeneinander oder in Serie unten mehrere Teilungen angeordnet werden. Die
geometrische Form der zwei Dioden verändert sich in regelmässige Abstände nach
der Teilungslänge 21.
Bei der Bewegung der Lichtspots 11 nach der Mittellinie 32 werden
diese, wenigstens auf einem Teil der Teilung, die zwei Dioden wiedererlangen 6a, und 6b gleichzeitig
berühren.
Die zwei Flächen,
die durch die Überdeckung
des Lichtspots und jeder der Dioden 6a und 6b abgegrenzt
wurden, muss grosse Variation erzeugen, um ein brauchbares alternatives Signal 22 zu
erzeugen.
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Zu
einer minimalen Breite von Lichtspot B,10 kann eine treue Reproduktion
der Form der Dioden, die gewissermassen im Silizium abgedruckt sind.
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Die 10b zeigt eine Ausführung die ermöglichen
soll, ein Sinussignal zu erzeugen, bei der 10c eine
annähernde
Form eines Sinussignal, bei 10d als
Sägezähnsignal 10c.
Diese letzte Ausführung
mit einer Massverkörperung
mit einer Anreihung von zylindrischen Linsen könnte den durch Kawamura dargestellten
Sensor verbessern.
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Die 11a–11d stellt in schematische Weise eine Abschnitt
der Massverkörperungsträger 3,
mehrere optische Elemente oder Teilungen 4 von unterschiedlichen
Typen, zu denen einen Wert 60 gegeben wird, die Bildebene 7 und
die Teilungslinien 18 dar. Die Richtung des Lichtflusses
wird schematisch durch die Pfeile 61 dargestellt, der auf
den Lichtspots 11 gerichtet sind.
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Die
optischen Elemente 4 haben andere Formen und optischen
Eigenschaften, zu denen eine Form und/oder eine Position des Lichtspots 11 in
Verhältnis
zu der Bildebene 7 oder der Umkreises 33 gehört, die
von einer Teilung zu den anderen unterschiedlich sind und durch
die Empfängerelemente 6 festgestellt
werden können.
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Die 11a stellt schematisch eine Portion einer Massverkörperung 3 mit
zwei unterschiedlicher Ausführung
von optischen Elementen mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften 61 dar,
zu denen ein binärer
Zahlenwert 60 zugeordnet ist. Dasselbe gilt für die 11b und 11c,
die eine Massverkörperung
darstellt, die 4 unterschiedlichen Wert, beziehungsweise 3 unterschiedlicher
Werte ausweisen.
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Die 11d eine weitere Anordnung einer Massverkörperung
mit zwei unterschiedlichen Typ von optischer Elemente, die eine
symmetrische fokalisierende Portion und eine ohne bündelnde
Portion umfassen, die transparent, undurchsichtig oder spiegelnd
sein können.
Der Unterschied der Lichtstärke auf
die Bildebene 7 macht es möglich mithilfe einer Gruppe
von Empfängerelementen 6 den
anwesenden Teilungstyp zu erkennen. Der Wert 60 kann von binärer Basis
sein.
-
Eine
Massverkörperung
kann irgendeine Anzahl unterschiedlicher Typs anderer von optischen Elementen
enthalten. Diese Zahl entspricht der mathematischen Basis des Zahlenwertes 60.
Er ist aufgrund der Ausführung
und der Herstellungstoleranzen limitiert.
-
Die 12a zeigt auf schematische Weise den Schnitt eines
Massverkörperungsträgers 3,
die asymetrische optischen Elemente 4 mit einem binärem Wert 60,
der Bildebene 7, worauf 4 Empfängerelemente 6 nach
dem Figur von 4 Teilung angeordnet sind. Die Linien 18 stellen
den Rand der Teilung und die Pfeile 61 auf schematischer
Weise die Richtung des Lichtflusses dar.
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Die
Detektionmöglichkeit
dieser Anordnung besteht aus vier Zahlenwerte, die durch die Strichpunktlinie 63 eingerahmt
sind, die eine Positionszahl 62 entsprechen, der durch
die Empfängerelemente 6 festgestellt
werden kann, die auch einer Gruppe oder einer Einheit von Empfängerelementen
entsprechen kann.
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Die
Positionszahl 62 kann durch die Position des Massverkörperungsträgers 3 hinsichtlich
des Trägers 8 gekennzeichnet
werden. Die Länge
der Positionszahl 62 kann irgendein sein und hängt von der
Anzahl der Teilungen ab, die durch die Empfängerelemente auf der Bildebene 7 analysiert
werden können.
Die analysierten Teilungen können
ein oder mehreren Massverkörperungen
entsprechen.
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Die 12b stellt das mathematische Verfahren dar, das
möglich
macht, eine Vorrichtung mit absoluter Messung mit der Verwendung
eine Massverkörperung
mit zwei Teilungstyp zu bauen. Die Anordnung der Teilung nach Zahlenwert
wird in 64 dargestellt. Der Rahmen 63 wird eine
Positionszahl 62 von 4 Bits erscheinen lassen, indem er
sich von oben nach unten verschieben wird. Für jede Position des Rahmens
gehört
einen durch den Pfeil in Kolonne 65 angegebenen Wert. Dasselbe
Verfahren wird für
eine Positionszahl angewendet, die eine andere Anzahl von Bits umfasst.
-
Die 13a und 13b zeigt
ein Massverkörperungsträger mit
einer scheibenförmigen
Teil 68 und einem Naben 69. Die scheibenförmige Teil
enthält eine
aus vorzugsweise identische optische Elementen ausgebildete Massverkörperung 67 und
eine zweite mit Massverkörperungsegmenten
ausgebildete Massverkörperung 66,
die als Indexfunktion eingesetzt werden können. Jedes Segment kann ein
oder mehrere optische Elemente enthalten.
-
Eine
vorgezogene Anordnung würde
mehrere optische Elementtypen enthalten, so dass jedem Segment eine
Positionszahl 62 zugeordnet werden kann. Jedes Segment
enthält
vorzugsweise einen Referenzcode.
-
Ein
Referenzcode enthält
einer Massverkörperung,
die mehrere Typs von optischen Elementen umfasst, deren ein Teil
speziell gekennzeichnet ist, so dassdie Grundlage für die Bestimmung
der 62 gewährleisten
ist. Er kann sich um eine Kombination von spezifischer Typs von
optischen Elementen handeln. Die Verwendung einer Zahl mit Basis
zwei oder drei macht es möglich,
einen solchen Referenzcode einfach zu erzeugen, der zum Beispiel
ein im Positionszahl angeordnete Digit als Referenzpunkt reserviert.
Der Referenzcode kann in Linien oder in eigener Massverkörperung
angeordnet werden der Vorteil dieser Vorrichtung besteht darin quasi
absolute Drehgeber zu bauen, die eine schnelle Lektüre eines Referenzpunktes
ermöglicht.
-
Die 14 zeigt
eine mögliche
Anordnung der Empfängerelementen
und der Detektionschaltung für
den Bau einer absoluten Messvorrichtung mit 9 bits Auflösung. Die
Vorrichtung umfasst eine Massverkörperung 78, die aus
identischen optischen Elementen und eine Massverkörperung 79,
die aus unterschiedlichen optischen Elementen gebildet ist. Die Massverkörperungen
sind durch die Linien 18, die ihre Figur auf den Träger 8 darstellen,
eine durch die Elemente 76, 72 und 73 dargestellte
Detektionschaltung, die ein oder mehrere Speicherzone enthalten können, die
Ausgangsschnittstellen durch 71a, 71b und 71c und
die internen Verbindungen an der Detektionschaltung durch 74a, 74b 75a und 75b.
Der Wert des Positionssignals bei der Ausgangsverbindungen 71b und 71c entspricht
den Digit x0 x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 und x9 von Positionszahl 62.
-
Die
erste Massverkörperung 78 wird
mit identischen optischen Elementen ausgebildet. Eine erste Einheit
von Empfängerelementen 56 enthält eine
Gruppe von Empfängerelementen,
die zwei Empfängerelemente
umfassen, 6a und 6b. Eine zweite Einheit von Empfängerelementen 57,
die hinsichtlich der ersten Einheit um ¼ einer Teilungslänge verschoben
ist, enthält
eine Gruppe von Empfängerelementen,
die zwei Empfängerelemente
umfassen, 6aa und 6bb.
-
Die
zweite Massverkörperung 79 wird
von einer Anreihung von Teilung ausgebildet, die aus zwei unterschiedlichen
Typs von optischen Elementen besteht. (13a)
Die Empfängerelemente
werden in einer ersten Gruppe von sieben Einheiten Empfängerelemente 6ax verteilt,
die sieben Teilungen entsprechen. Eine zweite Gruppe wird aus sieben
Einheiten von Empfängerelementen
gebildet, die um 1/4 einer Teilungslänge verschoben sind. Es werden
durch eine Anreihung von Empfängerelementen 6bx dargestellt.
-
Die
Empfängerelemente
von Einheit 56 und 57 sind mit der Schaltkreis 76 verbunden,
der mittels eines Resolver die digitalen Signale für die Kanälen „A" und „B" erzeugt. Die Detektionschaltung
erzeugt die ersten Digit der Positionszahl 62, die die
Position des Lichtspots hinsichtlich des Empfängerelemente 6a, 6b 6aa und 6bb kennzeichnet.
In diesem Beispiel handelt es sich um die zwei erst Digit x0 und
x1. Es kann um mehrere Digit handeln je nach Auflösung der
Resolver.
-
Jede
Gruppe von Empfängerelementen 6ax und 6cx,
die eine Teilung untergordnet ist, ist an Schaltkreis 72 angeschlossen,
der es ermöglich,
die Position der Lichtspots zu lokalisieren. Zu jeder Gruppe von
Empfängerelementen
entspricht ein erstes Positionssignal 74a oder 74b,
das durch den Schaltkreis 72 erzeugt wird.
-
Die
Werte werden 74a und 74b werden durch den Schaltkreis 73 aufgenommen.
Jeder Schaltkreis 73 erhält die Signale 75a und 75b,
die den Ausgangssignalen 71a oder einem Positionssignal
entsprechen können.
Der Positionssignal kann die relative Position einer Teilung der
Massverkörperung 78 zum
Trägers 8 feststellen.
Jeder Schaltkreis 73 kann durch eine logische Analyse den
Zahlenwert der Teilung auf Grund der Positionssignale 74a 74b 75a und 75b ermitteln,
die durch ein Positionssignal 62 zum Ausgang 71c nach
dem Beispiel der 14 gegeben ist. Die Funktion
der Schaltkreis 73 macht es möglich das Lesen der Zahlenwert
aus der Massverkörperung 79 mit
den Positionssignalen aus der Massverkörperung 78 zu synkronisieren.
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Zu
jedem Schaltkreis 73 gehört eine Teilung und eine Ausgang 71c für ein Digit „xn" des Positionssignals 62.
Zur Massverkörperung 78 können mehrere
Digits von Positionszahl 62 gehören.
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Zu
Massverkörperung 79 können mehrere Massverkörperungen
mit optischen Elementen unterschiedlicher Typen gehören. Zu
einer Teilung der Massverkörperung 79 können mehrere
Gruppe von Empfängerelementen
und jeder Gruppe kann mehrere Empfängerelemente umfassen.
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Zu
jeden Massverkörperungen
können
mehrere Einheiten von Empfängerelementen
gehören, die
in mehreren Gruppen entlang der Massverkörperung verteilt werden können, und
jeder Gruppe von Empfängerelementen
kann entsprechen mehrere Empfängerelemente
gehören.
Die Teilungslänge kann
von einer Massverkörperung
zur anderen verschieden sein.
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Die 15a zeigt die Anordnung und das Verfahren
für die
Aufklärung
der Funktion von Schaltkreis 73.
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Die
Rechtecke 80a 80b 80c und 80d beschreiben
Bereiche bei denen die Position des Zentrums einer Teilung von Massverkörperung 78 und/oder 79 betrachtet
wird. Die zwei Linien 18 zeigt die Abgrenzung einer Teilung
in Bezug zu den Empfängerelementen 6a und 6aa,
die die Massverkörperung 78 untergeordnet
sind, dessen Lichtfluss durch den Pfeil 61a dargestellt
ist. Die Empfängerelemente 6ax und 6aax und
der Lichtfluss 61b oder 61c beziehen sich zur
Massverkörperung 79.
Der dem Lichtfluss zugeteilte Zahlenwert kann 1 für 61b und
0 für 61c betragen.
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Das
Empfängerelement 6ax wird
für die
numerische Bewertung der Teilung bei der Stellung 80a und 80c,
das Element 6cx bei der Stellung 80b und 80d.
Zu einer Stellung 80a gehört ein umgekehrtes Signal 74a,
zu einer Stellung 80b eine umgekehrtes Signal 74b,
zu einer Stellung 80c ein Signal 74a, zu einer
Stellung 80d ein Signal 74b. Die anderen Kombinationen
werden nicht genutzt. In der Tat nur ein Teil der Breite des Empfängerelements
wird tatsächlich
für die
Bestimmung der Positionszahl 62 benutzt. Der benutzte Teil
der Empfängerelemente 6ax und 6cx wird
mit einem leeren Rechtecks 77c dargestellt.
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Ein
Absolutdrehgeber ist mit einem Umdrehungszähler vollständig, der vorzugsweise durch eine
Batterie gepuffert wird. Ein solcher Umdrehungszähler wird nicht im obigen Schaltkreis
dargestellt.
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Die 15b zeigt eine andere Anordnung der Empfängerelemente
nach der Massverkörperung 79,
wo zu jeder Teilung lediglich ein Empfängerelement 6ax untergeordnet
ist. Die Positionsbereiche 81a 81b 81c und 81d entsprechen
den Positionsbereiche 80a 80b 80c und 80d von 15a. Dieselbe Überlegung, die sich auf die
logische Funktion von Schaltkreis 73 bezieht, kann auch
nachgezogen werden. An den Positionen 81b und 81d kann
der Einfluss des Lichtflusses 61b oder 61c in
einem Punkt des Empfängerelements
zwei unterschiedliche Signale 74 produzieren, was keine
korrekte Bestimmung der Positionszahl 62 garantieren kann.
Der benutze Teil des Empfängerelements 6ax wird
durch 77b dargestellt.
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Eine
Reduzierung des benutzten Teil 76b des Empfängerelements 6ax macht
es möglich
diese Fehler zu eliminieren. Die Bestimmung der Positionswert 62 erfolgt
dann nur beim 81a und 81c. Der Wert der Signale 71c kann
in Schaltkreis 73 gespeichert werden. Diese Anordnung stellt
einen praktischen Nachteil dar, weil beim Aufschalten der Vorrichtung, eine
Bestimmung der absoluten Position bei der Stellungen 81b und 81d nicht
garantiert ist. Die absolute Position kann erst durch eine kleine
Bewegung gesucht werden.
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Eine
weitere Möglichkeit
besteht darin, in mehreren Speicherzellen die Änderungen der Positionszahl 62 zu
verfolgen. Eine Positionsänderung kann
aufgrund dieser Informationen freigemacht oder gewährleistet
werden. Eine Tabelle kann zum Beispiel drei Positionszahlen enthalten,
den derzeitigen Wert und die zwei benachbarten Zahlen. Die benachbarten
Positionszahlen können
je nach Bedarf berechnet werden. Diese Bestimmung kann den Nachteil
eines möglichen
Verlustes des absoluten Wertes umgehen.
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Die
Anordnung der Empfängerelemente,
der Teilungen und Zahlenwerte in den erwähnten Beispielen können anders
zugeteilt werden.
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Für eine Anpassung
des Schaltkreises an mehreren Ausführung von Massverkörperung,
da die Entwicklung von integrierten Schaltkreisen komplex und kostspielig
ist, wird es wünschenswert
sein, einen Schaltkreis zu planen, der eine Menge von Empfängerelementen
enthält,
die durch Bonding oder durch metallische Verbindungen verbunden
werden können,
die zu nur ein lithographischer Maske gehören.
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Die 16 zeigt
eine an der Vorrichtung angepasster neuronischer Schaltkreises,
die für
den Bau der oder eines Teiles der Detektionschaltung eingesetzt
werden kann. Der Schaltkreis umfasst ein neuronische Netz 148 mit
diesen bestimmten Knoten 149, an denen einen Schaltkreis 147 angebunden wird,
der ein Empfängerelement 6 und
einen Ausgang für
das digitalen Signals enthält,
der den in 15 dargestellten Verbindungen 71a 71b 74a und 74b entsprechen
können.
Jeder Knoten des Netzes ist vorzugsweise mit seinem Nachbar durch
einen Widerstand 150 verbunden, und in Richtung der Masse
durch vorzugsweise eine leitfähige
Bauteile 151. Die Bauteile 150 und 151 können eine
oder mehrere Widerstände
und/oder Transistoren darstellen, die vorzugsweise eine lineare
Eigenschaft haben. Die Verbindungsspannung kann durch ein oder mehrere Schaltkreise
gebracht werden, die auf der Figur nicht dargestellt wurden, die
gegebenenfalls von Schaltkreis 147 abhängen können. Die Wahl der Werte von Leitfähigkeiten
und/oder von Widerstand ist für
die Empfindlichkeit der Detektionsschaltung entscheidend.
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Der
Schaltkreis 147 umfasst ein Empfängerelement, das einen Strom 152 erzeugt.
Die Anordung der Transistoren 161, 162 und 163 erzeugt
einen Strom 153 und 156 ebenso Wert wie 152.
Der Strom 157 ergibt sich aus der Summe der Ströme, die
durch die Empfängerelemente
geliefert werden. Die Anordnung der Transistoren 164 und 165 definiert
Strom 154, der den Unterschied zwischen den Strom 153 und 155 darstellt,
der durch einen Bewertungsschaltkreis 158 (threshold) in
binärem
Wert umgewandelt wird.
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Dieser
Schaltkreistyp hat den Vorteil, eine grosse Anzahl von Empfängerelementen
kontrollieren zu können,
indem die Empfängerelemente
auf demselben Träger 8 mitintegriert
werden können.
Es ist für
die Konstuktion der Detektionschaltung einer absoluten Kodiereinrichtung
besonders interessant.
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Die 17a und 17b stellt
ein Verfahren dar, das möglich
macht, die durchschnittliche Position einer oszillierenden Vorrichtung 84 zu
berechnen, die maximale Amplitude der drei letzten Oszillationen 85a 85b und 85c.
Ein Rotationsregister 86 speichert die 3 Werte 85a 85b und 85c.
Der durchschnittliche Wert 85c und 85a wird durch 87 berechnet,
und der durchschnittliche Wert 87 und 85b durch 88,
was es möglich
macht, den realen Wert sofort nach der Erfassung eines neuen Wertes 85c zu
registrieren
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Dieses
Verfahren macht es möglich,
einen Sensor für
eine schnelle Bestimmung der Positionsdaten ohne dass es notwendig
wird auf einen Dämpfvorrichtung
zurückzugreifen.
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Die 18a 18b 18c 18d 18. und 18f zeigen unterschieldiche Anordnung der Lichtquelle 1,
des Massverkörperungsträgers 3,
der die halbe Schnitt eines kreisförmige Massverkörperungsträger 30 darstellt,
der optischen Elementen 91, des Lichtflusses 90 und
ein oder mehrerer Empfängerelemente 6.
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Die
Vorteile dieser Erfindung sind:
- – der Bau
von Messzellen, die sehr hohen Auflösungen von bis 0.0005° von Winkeln
mit einem einfachen Schaltkreis aufweisen,
- – der
Bau von Sensoren, die stabile Messungen über die Zeit, auch bei erhöhte Veränderungen von
Temperatur und Feuchtigkeit aufweisen.
- – der
Bau von Bewegungsensor für
Fahrzeuge mit niedrige eigenschwingungswert:
- – die
zusätzlich
zu den obigen Vorteilen eine grosse Qualität bei der Messung von kleinen
Beschleunigungen um 0.5 mg aufweisen.
- – die
eine kostengünstige
Bauweise für
die Automobilbranche ermöglichen.
und
möglich
macht den Bau von Digitalpotentiometer mit einer Auflösung von
10 bis 16 bits in kleinen Abmessungen und zu wettbewerbsfähigen Preisen.
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In
der 19 zeigt eine Zusammenstellung eines Gravitationssensors
mit seinem Schaltkreis, der umfasst ein Gehäuse 201, ein oszillierendes
mechanisches System 231 mit einer exzentrisch angeordnete
Schwergewicht 204 und eine Scheibe 202, auf die
ein oder mehrere Massverkörperungen 203 angeordnet
werden kann, die es möglich
machen, die Position oder die Winkelbewegung des oszillierenden
Systems 231 durch ein oder mehrere Empfängerelemente 250 zu
lesen.
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Das
oszillierende mechanische System 231 liegt auf einem Lager
schwacher Reibungswert mit limitierter Winkelbewegungen 207 solidarisch
zu Achse 208, derjenige mittels einer abgelegenen Schwergewicht 206 ein
zweites oszillierendes mechanisches System bildet, das vorzugsweise
auf zwei Lagern Ebenheiten 209 und 210 aufgestellt
wird, die Körper mit
Gehäuse 201 machen.
Die Lager Uhrmachertyp 209 und 210 machen Körper mit
dem Gehäuse
und sind vorzugsweise von stossfester Typ.
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Ein
oder mehrere Leseköpfe 250 oder
Gruppe von Empfängerelement 6 werden
vorzugsweise abstandsgleich auf einem Umfang angeordnet, der den
Abmessungen des Massverkörperung
entsprichen. Der dargestellte Lesekopf 250 umfasst eine Lichtquelle 211,
eine optische Vorrichtung 220 und ein oder mehrere auf
eine integrierte Schaltung 205 oder Träger 8 angeordnete
Empfängerelemente.
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Die
zwei Leseköpfe
werden vorzugsweise um 180° einen
des anderen angeordnet sein, die so möglich machen, die Exzentrizitätsfehler
des Massverkörperung 203 zur
Drehzentrum des oder der Lager des Sensors während des Lesen durch Aufzählen der
Impulse zu kompensieren, die aus den zwei Systemen stammen. Die
Lichtquelle 211 stellt eine leuchtende Diode oder andere
Lichtquelle zum Beispiel am Tritium aktivierte Radioluminezenz dar,
das die notwendige Energie liefert, um die Bewegung der Massverkörperung 203 mithilfe
der integrierten Schaltung 205 zu bestimmen.
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Das
optische System 220 hat die Aufgabe, eine gute Lesung der
Position des Massverkörperung
zu gewährleisten.
Wenn die Teilung des Massverkörperung
klein wird, wird die Distanz zwischen der Scheibe und der Detektionschaltung
kritisch. Die Bondingsfäden
und die mechanische Montage werden nicht ermöglichen, Bedingungen für optimale
Lesung umzusetzen. Es wird dann notwendig, zum Beispiel, ein optisches
Element einzuführen,
das sich aus ein oder mehreren Linsen zusammensetzt, die das Bild
des Lichtflusses auf dem Bildebene, wo die Empfängerelemente angeordnet sind,
Figildet. Eine andere Möglichkeit
beruht auf den Einsatz einen bund von Lichtleitfasern, die mehrere
nebeneinander angeordnete Lichtfasern umfassen, die vorzugsweise
gestellt oder auf die Oberfläche
der Empfänger geklebt
wird.
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Die
Massstab 203 oder die Massverkörperung wird aus einer Anreihung
von optischen Elementen bestehen. Diese optischen Elemente können durch
Kunststoffspritzen oder durch mechanischen Abdruck in einem metallischen
oder aus Plastik hergestellten Träger gebaut werden. Die Scheibe 231 kann
auch auf Lager 209 und 210 beruhen, was dagegen
die mechanische Auflösung
des Empfängers reduzieren
wird. An Stelle der Gleitlager 209 und 210 können Miniaturrolllagern,
Lager mit gewöhnlicher Reibung
und/oder kontrollierte Magnetlager, das heisst, deren Position elektrisch
kontrolliert werden kann. Der Einsatz von permanenten Magnetlagern
ist mit zu diesem Zweck angepassten Materialien auch denkbar.
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Der
Einsatz von mehreren Massverkörperung 203 hat
den Vorteil, einen Übergang
von einem Messsystem zu einem anderen, zum Beispiel von mm/m in
Gradwinkel (360 Teilungen) oder anderen Werten zu ermöglichen,
ohne dass es notwenig wird, diese Werte durch Berechnung zu konvertieren.
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Ein
digitaler Schaltkreis 212, der vorzugsweise ein Mikroprozessorsystem
darstellt, der von ein oder mehreren Leiter 217 mit der
integrierten Schaltung 205 verbunden ist, ist verantwortlich
für die
Verwaltung der gemessenen Werte, für das Anzeigen auf einen optischen
Indikator 213 oder durch akustische Methode 214,
die Verwaltung ein oder mehrerer Druckknöpf 215 und andere
ins System zu integrierender Aufgaben. Vorzugsweise wird eine Batterie 216 den
Stromkreis versorgen.
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Die 20 zeigt
ein Gleitlager, die Welle 219 von Durchmesser „d", der auf einem Lager 18 von Durchmesser „D" beruht. Der Punkt 220a stellt
den Schwerpunkt des osziellenden Systems dar. Der Punkt 220b stellt
die extreme Stellung des Schwerpunkts vor Rutschen der Welle 219 auf
dem Lager 218 dar. Das Vektor 224 stellt das Gewicht
der Scheibe „G" dar und das Vektor 223 die
maximale Reibungskraft, die μ × D/2 × G entspricht.
Der Wert „e" stellt die Distanz
zwischen der Drehachse und dem Schwerpunkt des oszillierenden Systems
dar.
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Die
Anordnung der zwei Vektoren zeigt den Beziehung zwischen der Kräften, die
in Spiele vor dem Rutschen der zwei Teile hineingehen. Die extreme
Position des Schwerpunkts 220b und der Wert des Lagerdurchmessers 219 sowie
des Reibungskoeffizienten bestimmen die minimale mechanische Winkelauflösung des
Systems, die entspricht: – 2 × arctan
((μo × D)/(2 × e)) Das
heisst zum Beispiel wird die minimale mechanische Winkelauflösung mit
Werten von D= 70μm, μo = 0.12,
e = 5 0.096 Grad betragen.
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Ein
anderer Lagertyp besteht in einem segmentierten Gleitlager, dessen
entsprechende Durchmesser sehr niedriger Wert wie beispielsweise
zu 10μm
reduziert werden kann, ohne dass der Widerstand oder die Herstellung
unmöglich
werden. Eine Auflösung
mit den Werten von D = 10μm, μo = 0.12, e
= 5 beträgt
0.014 Grad.
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Ein
anderer Lagertyp besteht in einem Rollenl mit sehr schwacher Reibung,
deren minimale mechanische Winkelauflösung ist: = 2 × arctan (0.00066·√(d/2)/(e)).
Die minimale mechanische Auflösung
mit Werten von D = 200 μm,
d = 180μm, μo = 0.12,
e = 5 beträgt
0.00454 Grad.
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Ein
anderen Lagertypen besteht in der Benutzung eines flexiblen Stückes vorzugsweise
eine Feder, die es möglich
macht, eine Suspension eines begrenzten Winkelausschlags zu bauen,
der mit geringer Reibung funktioniert, aber, die den Nachteil aufweist,
eine Kraft einzuführen,
die zur Winkelausschlag proportional ist.
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Die
Benutzung eines Lagers mit geringer Reibung mit einem eingeschränkten Winkelausschlag,
der mit einem zweiten oszillierenden System 230 (19)
kombiniert wurde, ermöglicht
die Vorteile des Ersten zu nutzen. Das erste oszillierende System 231 19,
wird so ausgelegt, dass er von einem Winkelwert oszillieren kann,
der wenigstens höher
ist als der mechanische Winkelauflösungswinkels des zweiten oszillierenden
Systems 230.
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Die 21a zeigt eine einfache Form des Rollenlagers,
das eine Welle 219 umfasst, auf der ein Lager 218 gestellt
wird, dessen Winkelausschlag mittels eines Stiftes oder eines mit
Welle 219 solidarischen Fingers 221, die sich
innerhalb einer mit Lager 218 solidarischen Öffnung 222 verschieben
kann. Die zwei Rollflächen
der Stücken 219 und 218 können glatt
oder vorzugsweise ganz oder teilweise verzahnt, so dass ein relatives
Rutschen um einen Winkel der zwei oszillierenden Systeme vermieden
werden kann. Eine Verzahnung wird eine zusätzliche Reibung auf Kosten
der Vorteile des Systems einführen.
Die Verwendung einer evolventen Verzahnung mit einem grossem Druckwinkel
wird ermöglichen diesen
Nachteil zu reduzieren. Die Verwendung eines anderen Verzahnungsprofils
kann auch in Betracht gezogen werden.
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Die 21b stellt eine starrere Lösung dar, die dagegen mehr
Reibung entwickelt, die eine Welle 219 einer Radius „r" und ein Lager 218 einer
Radius „R" umfasst. Diese Anordnung
hat zum Vorteil, die Winkelposition zwischen den zwei oszillierenden Systemen 231 und 230 zu
garantieren. Der Ausschlagwinkel kann durch das Lager oder durch
einen zusätzlichen
in 21a beschriebenen Anschlag kontrolliert werden.
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Die 22 zeigt
eine Scheibe mit vorzugsweise konstanter Dicke 225, einer
Welle 226, die in einem Lager mit höheren Durchmesser gelagert
ist, eine Öffnung 229,
die ermöglicht,
den Schwerpunkt 227 auf einer Abstand „e" zur Drehachse der Scheibe 225 oder
der gesamte Massverkörperung 228,22 zu verschieben,
die ermöglich,
die Winkelbewegung der Scheibe 225 zu bestimmen.
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Der
Abstabd des Schwerpunkts „e" zum Drehpunkt des
Lagers und die Trähigkeitsmasse
der Scheibe sind zwei wichtige Werte, die die Eigenfrequenz des
Systems definieren. Ein kleiner Wert „e" reduziert die Eigenfrequenz, aber dagegen
reduziert auch die mechanische Auflösung. Für der Bau von Sensoren mit
geringen Eigenfrequenz wird es notwendig Lager mit geringer Reibung
und einem zweiten oszillierenden System 230 zu wählen.
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Die 23 zeigt
ein Neigungmessgerät
mit elektronischem Blasen, das einen Körper 232 mit einer
Referenzseite 234 umfasst. Ein Gravitationssensor 235,
wie oben beschrieben ist, wird mechanisch direkt oder mit einer
elastischen Zwischenverbindung oder Antischockbefestigung auf dem
Körper
von Gerät 232 festgemacht
und mit einer Detektionschaltung 236 elektrisch verbunden,
die zum Beispiel dem Benutzer über
die gemessenen Werte über
eine oder mehrere numerischer Anzeige 237 mitteilen wird, und/oder
ein oder mehrere akustische Signalgeber 251 und/oder ein
oder mehrere optische Signalbauteile 252 und/oder ein verstellbares Anzeiger 255. 233 stellt
eine Seitenansicht des Messgerätes
dar.
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Der
Anzeige 255 kann manuell und/oder über ein oszillierendes System,
das dem oszillierenden System 235 ähnlich ist, gerichtet werden.
Die Mitteilung der Signale für
den Anzeiger kann durch metallische Kontakte und/oder durch infrarote und/oder
induktive Übertragung
erfolgen.
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Dieses
Messgerät
wird fähig
sein, mit grosser Genauigkeit die Neigung einer Ebene in Beziehung
zum Lot zu messen und/oder die Neigung eines Ebene mit einem anderen
zu vergleichen.
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Die
24 zeigt
das Blockschema eines Kilometerzählers
dar, der in der internationalen Patentnachfrage
PCT/EP 93/02415 (
WO 9.406.100 ) in Figioldung
3a und
3b beschrieben
wurde, das ein Gehäuse
238 umfasst,
eine erste Ermittlungseinheit
239 mit einem Signaleingang
242 und
einem Schaltkreis für
die Verarbeitung dieses Signals
243, mit dem vorzugsweise
ein kilometrisches Impulssignal verbunden wird. Eine zweite Ermittlugnseinheit
240,
die eine Sensoreinheit
244, vorzugsweise eine Beschleunigungsensor-einheit,
umfasst, und ein Schaltkreis für die
Verarbeitung dieses Signals
245, ein Vergleicher
246,
ein digitaler Schaltkreis zum Beispiel ein Mikroprozessor
247,
eine Speichereinheit
248 und ein Datenschnitstelle
249 für die Übertragun
der Daten nach Aussen.
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Die
Verwendung eines wie oben beschriebenen Gravitationssensors macht
es möglich,
die Bedingungen, die durch die Vorrichtung in 24 gefordert
wurden, in einfache Weise und mit geringen Kosten zu erfüllen. Die
Verarbeitung der Daten erfolgt digital, dadurch wird die Ausführung von
Algorythmen stark vereinfacht und die Verarbeitungszeit für die zweite
Ermittlungseinheit 245 sowie des angrenzenden elektronischen
Schaltkreises reduziert. Er hat insbesondere den Vorteil leicht
durch einfaches Nullsetzen des Zählers
geeicht zu werden.
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Die
Werte aus dem Beschleunigunsgsensor 244 und aus der Streckensensor 242 werden
in 245 und 243 in Beschleunigungswert oder Streckenwerte umgewandelt
und in 246 verglichen. Aufgrund der Tatsache, dass ein
Fahrzeug nicht immer nach den horizontalen Ebene gerichtet wird,
sind die Vergleichsdaten mit Fehler behaftet. Eine Analyse durch statistische
Methode der Vergleichswerte wird trotzdem möglich machen, ob die kilometrischen
Impulswerte konstant oder korrekt sind.
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Dieses
Verfahren ermöglicht,
den Wert der kilometrischen Impulse automatisch zu quantifizieren,
dies durch Vergleich der Streckenimpulse während der Beschleunigungsperiode,
was die Montage des Geräts
auf dem Fahrzeug vereinfachen wird. Er kann überwacht werden, ob das Fahrzeug
während dem
Fahren die Streckenimpulse dem Erfassungssystem abliefert und/oder
ob diese Impulsewerte korrekt oder nicht sind. Die kontrollierten
Werte werden im Speicher abgelegt und gleichzeitig mit der Kilometerdaten
eine EDV-Anlage überreicht.
Die EDV-Anlage wird die gespeicherten Daten auswertet.
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Der
Einsatz eines Sensor mit absoluter Massverkörperung wird die Zuverlässigkeit
des Systems erhöhen
können,
da die Messungen aufstützend
auf einer unveränderten
Lot basiert werden, was die Zuverlässigkeit des Algorythmen zur
Kontrolle der Erfassung erhöhen
wird. Dieselbe Berechnungsbasis wird nach einer Stromabschaltung
aufrechterhalten bleiben können.
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Die 25 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines Drehgeber, das einen Massverkörperungsträger 2, der auf eine
Hohlwelle 261 angeordnet ist, einen Träger 8, wo die Empfängerelemente
angeordnet sind, eine Lichtquelle 1, ein Gehäuse 230, 236 und Rollenlager 262 umfasst.