-
Technisches
Gebiet
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Neigungserfassungsvorrichtung
und ein Verfahren für deren
Betrieb, wobei die Vorrichtung von dem Typ ist, der a) ein Gehäuse, b)
einen Strahlungssender und einen Strahlungsempfänger, die in oder an dem Gehäuse angeordnet
sind, um einen Strahlpfad dazwischen zu bilden, c) einen Körper, der
eine Strahlung behindert oder ablenkt und bezüglich des Strahlpfades beweglich
ist, und d) eine Auflageoberfläche
für den
Körper
umfasst, die zumindest zwei mögliche Auflagepositionen
für den
Körper
bezüglich
des Strahlpfades definiert, wobei sich der Körper zwischen den Auflagepositionen
aufgrund der Schwerkraft bei definierten Neigungswinkeln der Vorrichtung bewegen
kann und wobei die Auflagepositionen derart ausgewählt sind,
dass sich eine detektierbare Ausgangssignaldifferenz von dem Strahlungsempfänger in
Abhängigkeit
davon ergibt, welche der Auflagepositionen von dem Körper eingenommen
wird.
-
Hintergrund
-
Neigungs-
oder Schrägheitserfassungsvorrichtungen
oder Neigungs- oder Schrägheitsschaltvorrichtungen
sind bekannt oder sie können
für eine Vielzahl
von Zwecken, beispielsweise für Überschlagsalarme
bei Fahrzeugen, Füllstandssensoren, Bohrlochabweichungsmessinstrumente,
Patientennotfallalarme, Autodiebstahlalarme, Fernsteuerungsvorrichtungen
oder Fernhandhabungsvorrichtungen, Sicherheitsschalter in gefährlichen
Vorrichtungen, etc. verwendet werden.
-
Auch
wurde eine Vielzahl von Techniken zum Detektieren der Winkelorientierung
der Vorrichtung bezüglich
der Schwerkraft angewandt. Frühere
Typen stützten
sich auf eine leitende Flüssigkeit,
insbesondere Quecksilber, die in einer Ampulle mit eindringenden
Elektroden eingeschlossen ist. Andere flüssigkeitsbasierte Detektoren,
wie sie beispielhaft in der
US
5 425 179 aufgeführt
sind, wurden vorgestellt, aber es gibt ein allgemeines Problem mit
dem Vorhandensein von Flüssigkeiten
im Falle eines Defektes und unter anderem erfordert die Oberflächenspannung
und die Flüssigkeitsadhäsion eine
gewisse minimale Größe für einen
zuverlässigen
Betrieb und eine zuverlässige
Detektion. Andere Typen, die beispielhaft in der
US 2 303 360 und der
US 2 540 974 aufgeführt sind,
verwenden ein Rollelement, das bei gewissen Winkeln beweglich ist,
um entweder einen elektrischen Schalter zu betätigen oder einen Spalt in einer
elektrischen Schaltung zu überbrücken, um
ein detektierbares Signal ab zugeben. Diese Vorrichtungen unterliegen
Verschleiß,
Oxidation und Verschmutzung und erfordern eine minimale Größe, um den
erforderlichen Kontaktdruck für
ein zuverlässiges Schalten
bereitzustellen, und können
im Allgemeinen nicht derart ausgebildet werden, dass sie eine kontinuierliche
Rückmeldung
für einen
Neigungswinkel abgeben.
-
Optische
Vorrichtungen mit Elementen, die sich in einem Strahlpfad zwischen
einem Sender und einem Empfänger
bewegen können,
vermeiden mehrere der zuvor erwähnten
Probleme. Ein repräsentativer
Typ gemäß der
US 3 097 565 umfasst sein
als Pendel in dem Strahlpfad aufgehängtes bewegliches Element,
aber er ist nur für
kleine Winkelabweichungen geeignet und erfordert im Allgemeinen
eine Flüssigkeit,
die das Element abdämpft.
Ein anderer Typ verwendet eine opake Kugel, die über einen konkaven Boden beweglich
ist, der um die Strahlachse zentriert ist. Bekannte Vorrichtungen
dieses Typs, zum Beispiel aus der
US
4 450 353 und der
GB
2 072 838 , sind für
eine Miniaturisierung und eine Verwendung bei tragbaren Vorrichtungen
ungeeignet, unter anderem aufgrund der Bodenkonstruktion, der erforderlichen
großen
Kugelbewegung, der Dämpfungsflüssigkeit
und des unzuverlässigen
Ansprechens bei einer Kopfüber-Ausrichtung.
Die Beschreibungen der
US 5 202
559 und der
US 5 030
955 offenbaren ähnliche
auf eine Neigung ansprechende Vorrichtungen zur Verwendung bei in
der Hand gehaltenen Fernsteuerungsanwendungen mit einem Mehrkanalausgang.
Die beschriebenen optischen Vorrichtungen haben mehrere Merkmale,
die weiteren Verbesserungen entgegenstehen, beispielsweise aufgrund
der erforderlichen großen
Kugelbewegung, der Beschränkung
auf ein Ausgangssignal vom digitalen Typ aufgrund vorbereiteter
diskreter Positionen und der Abhängigkeit
von einer vollständigen
optischen Abdichtung mit einem gewissen Kontaktdruck zur Positionserkennung,
was alles eine gewisse minimale Größe der Vorrichtung erfordert.
Eine ähnliche
Vorrichtung ist in der
US 5 373
153 offenbart, bei der ein Boden und eine Decke in die
gleiche Richtung geneigt sind.
-
Da
bekannte Konstruktionen nicht optimal zur Verwendung in beispielsweise
wirklich tragbaren Vorrichtungen sind, gibt es einen anhaltenden
Bedarf nach kleinen, einfachen und kostengünstigen optischen Neigungserfassungsvorrichtungen,
die nicht auf bestimmte Neigungszustände beschränkt sind, und die dennoch eine
hohe und lang anhaltende Betriebszuverlässigkeit haben. Es treten mehrere
Probleme auf, wenn versucht wird, die gegenwärtige Technologie weiter in
Richtung dieser Ziele fortzuentwickeln. Die Miniaturisierung verursacht
gewisse Zuverlässigkeitsprobleme,
beispielsweise eine erhöhte Empfindlichkeit
auf Verunreinigungen. Ein geringerer Raum für seitliche Bewegungen bezüglich des Strahls
verschlechtert den Signal-Rausch- Abstand. Trotz
des begrenzten Platzes muss die Vorrichtung bei den meisten tragbaren
Anwendungen ein stabiles Signal bei einer Kopfüber-Ausrichtung bereitstellen, und
außerdem
ist ein hohes Maß an
Zuverlässigkeit erforderlich,
da die Vorrichtungen häufig
als Teil von Sicherheitssystemen verwendet werden, um gefährliche
Zustände
zu vermeiden oder einen Missbrauch zu vermeiden.
-
Kurzer Abriss
der Erfindung
-
Eine
Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Neigungserfassungsvorrichtung
und ein Verfahren für
deren Betrieb bereitzustellen, die die zuvor angegebenen Nachteile
vermeiden. Eine speziellere Aufgabe ist es, eine derartige Vorrichtung bereitzrustellen,
die zur Verwendung bei tragbaren Instrumenten oder Gegenständen geeignet
ist. Eine weitere Aufgabe ist es, eine derartige Vorrichtung mit einer
kleinen Gesamtgröße und einem
niedrigen Gesamtgewicht bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe ist
es, eine derartige Vorrichtung mit einem zuverlässigen Langzeitbetrieb und
vorhersagbaren Schalteigenschaften bereitzustellen. Noch eine weitere
Aufgabe ist es, eine derartige Vorrichtung bereitzustellen, die
lediglich kleine interne Körperbewegungen für eine zuverlässige Neigungsdetektion
benötigt. Noch
eine weitere Aufgabe ist, eine derartige Vorrichtung mit einer zuverlässigen Arbeitsweise
bei einer Kopfüber-Ausrichtung
bereitzustellen. Noch eine weitere Aufgabe ist es, eine derartige
Vorrichtung bereitzustellen, die eine kontinuierliche Rückmeldung bezüglich des
Neigungswinkels ermöglicht.
Eine weitere Aufgabe ist es, eine derartige Vorrichtung bereitzustellen,
die für
einen weiten Bereich von Neigungswinkeln vorgesehen werden kann.
Noch eine weitere Aufgabe ist es, eine derartige Vorrichtung mit
der Möglichkeit
für eine
Rückmeldung
bereitzustellen, die von der Rollachsenorientierung unabhängig ist.
-
Diese
Aufgaben werden durch eine Vorrichtung und durch ein Verfahren der
eingangs genannten Art mit den in den beigefügten Ansprüchen angegeben Merkmalen gelöst.
-
Während die
Vorrichtungen des Standes der Technik im Allgemeinen große bewegliche
Körper verwenden,
um große
Kräfte
oder eine effziente optische Abschirmung oder Abdichtung bereitzustellen, verwendet
die vorliegende Erfindung einen kleinen Körper, um mehrere der skizzierten
Ziele zu erreichen. Eine kleine Körpergröße erwies sich als erste Vorraussetzung
für reduzierte
Gesamtabmessungen der Vorrichtung. Innerhalb eines gegebenen Raumes kann
ein kleiner Körper
eine größere Relativbewegung
bezüglich
des Strahlpfades durchführen,
was dadurch eine größere detektierbare
Signalveränderung
bewirkt, die, obwohl sie als solche vorteilhaft ist, vorzugsweise
verwendet werden kann, um den Signal-Rausch-Abstand zu verbessern
und um eine weniger effiziente Abdichtungen in kleinen Vorrichtungen
zu kompensieren, was dadurch noch weitere Größenverringerungen ermöglicht.
Der bewegliche Körper,
der üblicherweise
aus einem schweren Material hergestellt wird, zerstört möglicherweise
die inneren Teile der Vorrichtung, insbesondere falls keine dämpfenden
Flüssigkeiten
vorhanden sind. Bei festen oder permanenten Installationen ist dies
kein schwerwiegendes Problem, da der Körper normalerweise kleine Bewegungen
bezüglich
einer Auflageoberfläche
oder einzelne diskrete Sprünge
bei definierten Winkeln macht. Im Gegensatz dazu werden tragbare
Vorrichtungen typischerweise in jede mögliche Richtung gedreht und
unterliegen einer wiederholten groben Behandlung, einschließlich Fallenlassens
und Vibrationen, wobei unter diesen Bedingungen der Körper derart
wirken kann, dass er seine Umgebung beschädigt oder zumindest eine auf
lange Sicht verschlechtere Funktionsweise aufgrund des kontinuierlichen
Verschleißes
und der angesammelten Bruchstücke
verursacht. Die Veringerung der Größe des beweglichen Körpers wirkt
selbst derart, dass sie diese Probleme deutlich verringert, da das Körpergewicht
mit der dritten Potenz der linearen Abmessungen abnimmt und bei
niedrigen Körpergewichten
und kleinen Körperabmessungen
sogar ein umgebendes Gasmedium anfängt, als ein Dämpfungsfluid
zu wirken. Wenn man sich außerdem
auf eine Abschirmung des Strahlpfades statt auf das Abdichten des
Sender/Empfänger-Fensters
stützt,
ist das Vorhandensein einer kleinen Menge von Partikeln nicht nachteilig
für die
Funktion. Wenn eine Abschirmung statt einer Abdichtung verwendet
wird, wird auch die Nähe
von Sender und Empfänger
zunehmend wichtig und ein kleinerer Körper ermöglicht es diesen Teilen, dass
sie weiter angenähert
werden können,
was im Gegensatz zu der üblichen
Meinung eine weniger als vollständige
Abschirmung kompensiert. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform wird
das Abschirmungsmerkmal statt des Abdichtungsmerkmals dazu verwendet,
um eine Punktberührung
im Gegensatz zu einer Linien- oder Flächenberührung zwischen dem beweglichen
Körper
in seinen verschiedenen Auflagepositionen und der Auflageoberfläche sicherzustellen,
was einem Anhaften, einem Kleben oder einem Verkeilen entgegenwirkt, um
dadurch die freie Beweglichkeit des Körpers und die kontrollierten
Schaltkräfte
trotz des niedrigen Gewichts des beweglichen Körpers aufrecht zu erhalten.
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
sind der Sender und/oder der Empfänger mit Kollimatorlinsen ausgestattet,
die in der Lage sind, den Strahl zu bündeln, die nicht nur das Abschirmverhalten
verbessern, sondern auch einen Schutz für den Sender/Empfänger bereitstellen,
und die als geeignete Punktberührungsoberflächen bezüglich des
Körpers
dienen können.
Noch eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist die Verwendung eines
Körpers
aus ei nem lichtbrechenden Material, das in der Lage ist, den Strahl
zu bündeln,
was im Allgemeinen eine kleinere Körperbewegung für eine gegebene
Strahländerung
erfordert, und wobei dieser Körpertyp
ermöglicht
wird, da gemäß den Prinzipien der
Erfindung keine schweren Körpermaterialien
erforderlich sind. Kleinere Körperbewegungen
wiederum bedeuten niedrigere laterale Platzanforderungen, was für eine kleinere
Gesamtgröße der Vorrichtung sorgt.
Jeglichem Austreten von Strahlung, das von dem Fehlen einer Abdichtung
oder der Punktberührung
verursacht wird, wird durch eine der verschiedenen erwähnten inhärenten oder
optionalen Effizienzkompensationen entgegengewirkt. Da die Funktionsprinzipien
der Erfindung nicht auf einem vollständigen Abdichten in vorbereiteten
Positionen beruhen, sind sie mit breiten Winkelspektren, einer kontinuierlichen
Rückmeldung
von sich ändernden
Neigungswinkeln und sowohl mit gerichteten als auch mit nicht gerichteten
Führungsmerkmalen
der Auflageoberfläche
kompatibel. Aus ähnlichen
Gründen
kann die Vorrichtung auf einfache Weise derart gestaltet werden,
dass sie reproduzierbare Rückmeldungen
bei allen Neigungswinkeln abgibt, zum Beispiel eine vorbestimmte
Rückmeldung
bei einer Kopfüber-Ausrichtung.
Gemäß den Betriebsverfahren
für die
Vorrichtung wird ein zuverlässiges
positionsbezogenes Ausgangssignal durch Überwachen des unverarbeiteten Datenausgangssignals
des Empfängers
und durch Korrektur von u.a. zufälligen
Faktoren sichergestellt. Somit kann auf bisher verwendete mechanische Kompensationseinrichtungen
verzichtet werden und die zuvor beschriebenen Vorteile können im
größtmöglichen
Ausmaß umgesetzt
werden.
-
Weitere
Aufgaben und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden
detaillierten Beschreibung.
-
Detaillierte
Beschreibung
-
Grob
gesagt, umfasst die Vorrichtung der Erfindung ein Gehäuse, den
Sender und Empfänger, den
beweglichen Körper
und eine Auflageoberfläche für den Körper, die
die Bewegungen und die Auflagepositionen für den Körper definiert.
-
Das
Gehäuse
stellt den Referenzpunkt zum Anbringen oder zum relativen Positionieren
von anderen Teilen und dadurch indirekt den Referenzpunkt für die Positionen
und Bewegungen des beweglichen Körpers
dar. "Gehäuse" ist in einem weiten
Sinn zu verstehen, so dass es eine beliebige von mehreren alternativen
Funktionen erfüllt.
Das Gehäuse
kann den Sender und Empfänger
in ihrer gewünschten räumlichen
Beziehung halten, um den Strahlpfad dazwischen sicherzustellen,
wobei das Gehäuse
zu diesem Zweck zumindest eine Befestigung für diese Teile bereitstellen
sollte und, wenn ein Spalt dazwischen vorhanden ist, sich über diesen
Spalt erstrecken sollte. Nichts steht der Verwendung von integralen
Sender/Empfänger-Bauteilen,
die beide Teile in einer festen Beziehung umfassen, entgegen, wobei in
diesem Fall das Gehäuse
ein beliebiges komplementäres
Teil für
die vorliegenden Zwecke bereitstellen kann. In dem Maß, in dem
die Auflageoberfläche Teile
umfasst, die von dem Gehäuse
und den Empfänger/Sender-Teilen
verschieden sind, kann das Gehäuse
auch eine Halterung für
diese Auflageoberflächenteile
bereitstellen, obwohl es, wie beschrieben werden wird, im Allgemeinen
bevorzugt ist, dass das Gehäuse
derartige komplementäre
Auflageoberflächen
bereitstellt, und zur Vereinfachung wird die Erfindung im Umfang
dieser Möglichkeit
beschrieben, sofern es nicht anders angegeben ist. Das Gehäuse kann
eine offene Struktur sein, beispielsweise in Form eines Käfigs, obwohl
es bevorzugt ist, das Gehäuse
auf derartige Weise zu konstruieren, dass es zumindest mit anderen
Teilen eine im Wesentlichen geschlossene oder sogar eine abgedichtete
Struktur bildet. Allgemein ausgedrückt sollte das Gehäuse zusammen
mit den Sender- und Empfängerteilen,
zusammen mit einer zusätzlichen
Auflageoberfläche oder
anderen optionalen Teilen, einen Hohlraum bereitstellen, der zumindest
den Strahl und den beweglichen Körper
umschließt.
Ein abgedichteter Hohlraum kann eine Dämpfungsflüssigkeit wie im Stand der Technik
enthalten, jedoch sind luft- oder gasgefüllte Hohlräume im Allgemeinen bevorzugt.
Das Gehäuse
kann zusätzliche
Funktionen bereitstellen, beispielsweise Befestigungsmittel zum
Anbringen an einer Halterung, was vorzugsweise ein Anbringen in mehreren
alternativen Richtungen zum Bereitstellen der gewünschten
Ausgangssignalorientierung ermöglicht,
doch mit einer geeigneten Anbringung an bestehenden geeigneten Halterungen
in der erfassenden Vorrichtung. Das Material in dem Gehäuse kann
Metall sein, aber vorzugsweise werden Kunststoffmaterialien verwendet,
was das Gewicht reduziert und die Herstellung vereinfacht und was
aufgrund des niedrigen Gewichtes und des niedrigen Verschleißes des
beweglichen Körpers
akzeptabel ist. Wird wieder angenommen, dass die Innenoberfläche des
Gehäuses
der Strahlung ausgesetzt ist, kann es wünschenswert sein, zumindest
die Oberfläche
und vorzugsweise das Material als solches zu modifizieren, um die
Strahlung zu beeinflussen, beispielsweise um die Oberfläche, vorzugsweise
diffus, reflektierend zu machen, um allgemein den Strahlungspegel
in dem Hohlraum zu erhöhen
oder um einen winkeligen oder indirekten Pfad zwischen dem Sender
und Empfänger
zu ermöglichen,
die Oberfläche
absorbierend zu machen, um die Streustrahlung zu reduzieren, wenn
man sich auf direkte Strahlpfade stützt, die Oberfläche fluoreszierend
zu machen, um zwischen einer direkten und einer indirekten Strahlung
zu unterscheiden, oder das Material allgemein nichttransparent zu
machen. Beispielsweise können bei
sichtbarer oder infraroter elektromagnetischer Strahlung Ruß zum Absorbieren
und Metall oder Titanoxid als reflektierende Materialien verwendet
werden. Es ist denkbar, dass das Gehäuse aus mehreren einzelnen
Teilen zusammengesetzt ist, beispielsweise um unterschiedliche Eigenschaften
zu verleihen, aber im Allgemeinen ist es bevorzugt und möglich, das
Gehäuse
als eine integrale Struktur für
eine einfachste Gesamtkonstruktion bereitzustellen. Die Modifikationen
können
eine Anpassung an den verwendeten Strahlungstyp erfordern.
-
Jegliche
Art von Strahlung, die von einem beweglichen Körper abgeschirmt, gebrochen,
umgewandelt oder anderweitig geändert
werden kann, kann in der Vorrichtung verwendet werden. Radioaktive
Strahlung, vorzugsweise eine Alpha- oder Betastrahlung mit niedriger
Energie und/oder niedriger Intensität, kann mit einem radioaktiven
Strahler als Sender und einem Ionisierungssensor als Empfänger verwendet
werden. Es ist bevorzugt, elektromagnetische Phänomene zu verwenden, und die
Strahlung im vorliegenden Sinn kann folglich ein elektrisches oder
magnetisches Feld sein, wobei der Sender die Felderzeugungseinrichtung,
der Empfänger
eine Feldänderungserfassungsschaltung
und der bewegliche Körper
aus einem leitenden, dielektrischen, paramagnetischen oder diamagnetischen
Material ist. Höchst
bevorzugt ist die Strahlung eine elektromagnetische Strahlung mit
einem geeigneten Frequenzbereich zwischen ultraviolett und Mikrowellen
und höchst
bevorzugt im optischen Bereich und Infrarotbereich. Der Sender kann
dann ein Maser oder Laser, Lampen oder höchst bevorzugt Leuchtdioden (LED's) sein, die vorzugsweise
im sichtbaren Frequenzbereich und höchst vorzugsweise im Infrarotfrequenzbereich,
beispielsweise zwischen 300 bis 3000 nm oder zwischen 500 bis 2000
nm, verwendet werden. Gute Ergebnisse wurden im sichtbaren Bereich
sowie im Infrarotbereich bei 950, 870 und 875 nm erzielt. Der Empfänger sollte
an den Sender angepasst sein, und bei den oben angegebenen Typen kann
der Empfänger
ein Fotowiderstand oder besser eine Fotodiode oder ein Fototransistor
sein. Der Empfänger
sollte hinsichtlich der Frequenz an den Sender angepasst sein oder
im Fall einer Fluoreszenz auf eine beliebige daraus resultierende
Frequenz. Die Frequenzanpassung sowohl des Senders als auch des
Empfängers
kann durch die Auswahl des Typs, durch die Verwendung optischer
Filter oder durch die Anwendung elektronischer Filter durchgeführt werden.
Bei Einrichtungen, die nicht im sichtbaren Bereich arbeiten, ist
der Einbau eines Tageslichtfilters zweckmäßig, um unbeabsichtigten Umgebungseinfluss
zu entfernen.
-
Obwohl
der Sender und Empfänger
im vorliegenden Zusammenhang als diskrete Bauteile oder integrale
Bauteile, die beide einen gegenseitigen Spaltabstand besitzen, erörtert wurden,
soll die Terminologie derart verstanden werden, dass sie "Transcei ver" umfasst, das heißt Bauteile,
die beide Funktionen gleichzeitig oder wechselweise ausführen, entweder
mit dem gleichen aktiven Bauteil, das beide Funktionen durchführt, oder
vorzugsweise (für
die beste Anpassung) mit separaten Bauteilen, die in der gleichen
Umhüllung
gehäust
sind. Sender, Empfänger
und Transceiver werden im Folgenden zusammen als "aktive Elemente" bezeichnet. Alle
Bauteile sollen in einem weiten Sinn verstanden werden, und beispielsweise
soll ein beliebiges Bauteil, das dazu ausgelegt ist, eine Rückmeldung
auf Strahländerungen
auszugeben, als ein Empfänger
betrachtet werden.
-
Der
Strahl zwischen dem Sender und dem Empfänger kann auf unterschiedliche
Arten angeordnet sein. Der Strahl kann zumindest einmal reflektiert werden,
bevor er empfangen wird, was eine freie Positionierung der aktiven
Elemente ermöglicht.
Es kann zugelassen werden, dass die Reflektion den Hohlraum mehr
oder weniger gleichmäßig ausfüllt, beispielsweise
durch eine wiederholte gerichtete Reflektion oder vorzugsweise durch
eine diffuse Reflektion auf weichzeichnenden Oberflächen. Die
Positionierungsfreiheit kann verwendet werden, um den Sender und
Empfänger
aus Konstruktionsgründen
in eine einander nicht zugewandte Beziehung zu bringen, beispielsweise
an der gleichen Oberfläche,
wobei sie in die gleiche Richtung gerichtet sind, oder in eine abgewinkelte,
zum Beispiel rechtwinklige, Beziehung zueinander zu bringen, oder
um mehrere Empfänger
in vorbereiteten Positionen bereitzustellen, wie per se bekannt
ist. Es ist jedoch allgemein bevorzugt, einen gerichteten Strahl
zu verwenden, der den Signal-Rausch-Abstand verbessert, der bei einer
entweder unbeabsichtigt oder beabsichtigt unvollständigen Abdichtung
von besonderem Wert ist, wenn man sich auf eine Abschirmung statt
auf eine Abdichtung verlässt,
was weiter zu erörtern
ist. Die Richtwirkung kann auf mehreren Wegen erreicht werden, beispielsweise
passiv durch Vorsehen eines schmalen Erfassungswinkels bei dem Empfänger (durch
Abschirmen oder durch eine Linse), oder indem die Oberflächen des
Hohlraums absorbierend ausgeführt
werden, um eine indirekte Strahlung zu unterdrücken. Vorzugsweise wird sie
aktiv durch Konzentrieren der in Richtung Empfänger gesendeten Strahlung erreicht,
was optional zusammen mit den erwähnten passiven Mitteln eingesetzt
werden kann. Die Konzentration kann durch verschiedene Mittel, beispielsweise
durch Verwendung eines Lasersenders, durch Abschirmung des Senders
oder vorzugsweise durch Verwendung von Linsen, erreicht werden.
Auch bei gerichteten Strahlen kann eine Reflektion vor dem Empfang
zugelassen werden und kann beispielsweise dazu verwendet werden,
um eine der zuvor erwähnten
Konstruktionsfreiheiten zu erzielen, obwohl abbildende Reflektoren statt
diffuser Oberflächen
dann vorzugsweise verwendet werden, und wobei die Reflektion hier
vorzugsweise zusätzlich
dazu eingesetzt werden kann, um die Strahlkonzentration zu unterstützen, beispielsweise
durch Verwendung konkaver Oberflächen.
Der bewegliche Körper
kann auch als eine reflektierende Oberfläche eingesetzt werden, beispielsweise
zum Erhöhen
der Streuung, wenn er sich in dem Strahlpfad als Mittel für seine
Detektion befindet.
-
Eine
spezielle Art zum Implementieren und Verwenden der Positionierungsfreiheit,
die entweder von diffus oder gerichtet reflektierter Strahlung bereitgestellt
wird, ist es, den Sender und Empfänger nahe beieinander und in
die gleiche Richtung ausgerichtet zu positionieren, oder vorzugsweise
kann ein Transceiver für
den gleichen Zweck verwendet werden, wobei sich der bewegliche Körper in
Richtung der Ausrichtung befindet, wobei sich in geeigneter Weise eine
seiner Auflagepositionen nahe an der Anordnung befindet. Ein Ändern des
gesendeten Strahls kann auf verschiedene Arten stattfinden. Der
bewegliche Körper
kann eine weniger stark reflektierende Oberfläche als der Hintergrund haben,
um ein stärkeres
empfangenes Signal zu erzeugen, wenn er von einer nahen Auflageposition
weg bewegt wird, oder umgekehrt kann der Hohlraum eine niedrigere
Reflektivität
als der Körper
haben, um ein höheres
empfangenes Signal bei Anwesenheit des Körpers abzugeben. Die Anordnung
erfordert höchstens
eine Strahlungsöffnung
und kann einen kompakten Aufbau erhalten.
-
Wenn
gerichtete Strahlen verwendet werden, ist ein bevorzugter symmetrischer
und einfacher Aufbau, einen diskreten Sender und einen diskreten Empfänger in
einer entgegengesetzten, einander gegenüberliegenden Anordnung anzuordnen,
wobei man sich dabei weniger auf die reflektierte Strahlung und
mehr auf einen direkten Empfang am Empfänger der gesendeten Strahlung
entlang eines bis auf den beweglichen Körper ununterbrochenen Pfad
verlässt.
Der Strahl sollte dann durch Verwendung eines der erwähnten Mittel
in Richtung Empfänger
konzentriert werden, und der Sender und Empfänger sollten vorzugsweise um
eine gemeinsame Strahlachse zentriert werden. Solange der Strahl
im Wesentlichen auf den Zielbereich fällt, kann er divergent, in
eine parallele Form kolliminiert oder konvergent oder auf den Zielbereich
fokussiert sein. Der Bereich kann durch den projizierten Querschnitt
des beweglichen Körpers
definiert sein, wenn er sich in einer Auflageposition über dem
Empfänger
befindet, oder vorzugsweise wird der Bereich durch den Aufnahmebereich
des Empfängers
definiert, was auch zutrifft, wenn der bewegliche Körper eine
Auflageposition über
dem Sender hat.
-
Es
ist allgemein anzumerken, dass mehrere Sender und/oder mehrere Empfänger bei
allen der zuvor erwähnten
Ausführungsformen
verwendet werden können,
beispiels weise um mehr Vorrichtungspositionsinformation zu gewinnen
oder um die Genauigkeit der Positionsbestimmung des beweglichen Körpers zu
erhöhen.
In vielen Fällen
ist es jedoch bevorzugt und ausreichend, nur einen Sender und nur einen
Empfänger
zu haben.
-
Wie
zuvor angedeutet, kann die Art und Weise, auf die der bewegliche
Körper
den Strahlpfad ändert,
variieren. Im Wesentlichen kann ein "Abdichtungs"-Mechanismus verwendet werden, wobei
der Empfänger
oder der Sender oder die Kammer, in der das Teil untergebracht ist,
mehr oder weniger vollständig
von den verbleibenden Teilen durch den Körper abgedichtet ist, der eine Öffnung zu
dem Teil oder seiner Kammer belegt, was im Allgemeinen eine mehr
oder weniger perfekte Passung zwischen dem Körper und der Öffnung,
einschließlich
zumindest einer Berührung
entlang einer Umfangslinie, besser eine Berührung auf der Umfangsfläche, und
einen gewissen Berührungsdruck
zwischen ihnen erfordert. Eine derartige Abdichtung hat den Vorteil,
dass sie ziemlich unabhängig
von den Absorptionseigenschaften, Reflektionseigenschaften oder
anderen optischen Eigenschaften des Körpers und der Kammer ist, solange
der Körper
opak ist und eine starke Signaldifferenz zwischen dem Körper in
der abgedichteten Position bzw. der nicht abgedichteten Position
gegeben ist. Im Gegensatz dazu kann vorzugsweise ein "Abschirmungs"-Mechanismus verwendet
werden, bei dem man nicht auf eine komplette Abdichtung angewiesen
ist, aber bei dem stattdessen ein gewisser Pegel einer Grundstrahlübertragung
immer aufrecht erhalten wird und vorbestimmte Ausmaße von Strahlempfangsänderungen
Körperbewegungen
anzeigen. Allgemeine Vorteile des Abschirmungsverfahrens sind, dass
eine perfekte Abdichtung in einer diskreten vordefinierten Position
nicht erforderlich ist, dass das Verfahren mit einer kontinuierlichen
oder analogen Rückmeldung
auf die Neigung kompatibel ist, dass das Verfahren empfindlich auf
die optischen Eigenschaften des Körpers, des Hohlraumes und der
Kammern ist, die verwendet werden können, um die Eigenschaften
der Vorrichtung fein abzustimmen, und dass das Verfahren auch bei
transparenten und brechenden beweglichen Wandmaterialien verwendbar ist.
Zusätzlich
hat das Verfahren mehrere ausnutzbare Vorteile für kleine Vorrichtungen, die
kleine bewegliche Körper
umfassen, da keine vollständige
Abdichtung, keine Berührungsdrücke, keine
Linien- oder Oberflächenberührung erforderlich
ist, sondern nur eine Punktberührung,
die nachstehend zu erörtern ist,
und dennoch ist es gegenüber
Verschmutzung unempfindlich.
-
Zusätzlich zu
seinem Änderungseffekt
bezüglich
des Hauptstrahles durch Abdichten oder Abschirmen, indem die aktiven
Elemente abgeschattet werden, können
verschiedene Verfahren zum Erhöhen
der erfassten Ausgangssignaldifferenz als Rück meldung auf die Verschiebungen
des beweglichen Körpers
verwendet werden, von denen einige zuvor angedeutet wurden und von
speziellem Wert sind, wenn das Abschirmungsverfahren verwendet wird oder
wenn eine empfindliche kontinuierliche Rückmeldung auf die Neigung wünschenswert
ist. Eine verstärkte
Rückmeldung
bezüglich
des Körperversatzes
kann auch dazu ausgenutzt werden, um die erforderliche seitliche
Körperbewegung
für eine
bestimmte Neigungsdetektion zu begrenzen, was in dieser Richtung
eine entsprechende Verringerung der Vorrichtungsgröße ermöglicht.
Dem beweglichen Körper
können
kontrastierende Absorptionseigenschaften verglichen mit den Oberflächen des
Hohlraums gegeben werden, entweder stärker absorbierend als der Hohlraum
oder vorzugsweise schwächer absorbierend.
Im letzteren Fall kann der Körper
nach Art einer Abbildung reflektieren, insbesondere dann, wenn erreicht
werden kann, dass die fokussierte Strahlung auf den Körper auftrifft,
oder er kann für höchste Zuverlässigkeit
diffus reflektierend gemacht werden. Sowohl der Hohlraum als auch
der Körper können eine
stark absorbierende Beschaffenheit aufweisen, welche vorzugsweise
zusammen mit stark gerichteten Strahlen verwendet werden kann. Ein
Zusatz zu Änderungsverfahren,
die auf opaken Körpern basieren,
ist die Möglichkeit
der Verwendung von transparenten Körpern, was aufgrund der Freiheit hinsichtlich
der Materialauswahl möglich
ist, die durch die Erfindung bereitgestellt wird, und ein bevorzugter
Weg ist es, den Körper
sowohl transparent als auch brechend zu machen, was insbesondere
zusammen mit angepassten gerichteten eingehenden Strahlen einen
ausgehenden gebrochenen Strahl mit einer stark erhöhten Empfindlichkeit
gegenüber
einem Versatz ergeben kann. Das Prinzip kann auf verschiedene Arten
benutzt werden, beispielsweise derart, dass die Änderungen des empfangenen Strahles infolge
von Veränderungen
der Abschirmung und Änderungen
der Ablenkung eine positive Interferenz erzeugen, beispielsweise
durch geeignetes Positionieren des Empfängers, oder vorzugsweise umgekehrt, so
dass sie eine negative Interferenz erzeugen, um das empfangene Signal
durch Brechen abzuschwächen,
während
die Abschirmung auch abgeschwächt wird,
und umgekehrt. Ein weiteres mögliches Änderungsprinzip
ist es, die Strahlungsfrequenz zu ändern, beispielsweise durch
einen Fluoreszenzmechanismus, wie zuvor angedeutet, oder mittels
Herausfilterns durch Absorbieren einer oder mehrerer von mehreren
diskreten Frequenzen oder eines erfassbaren Teils eines kontinuierlichen
Spektrums. Die Oberflächen
des Hohlraumes können
derart wirken, dass sie die Frequenz ändern, um beispielsweise eine
Unterscheidung zwischen einer direkten und indirekten Strahlung
zu ermöglichen,
oder der bewegliche Körper
kann durch Reflektieren oder Durchlassen derart wirken, dass er
die Frequenz ändert, um
beispielsweise eine Unterscheidung zwischen einer Strahlung zu ermöglichen,
die auf den Körper auftrifft/durch
ihn hindurch läuft
bzw. um ihn herum verläuft.
Die Änderungsverfahren
können
einzeln oder in Kombination verwendet werden.
-
Obwohl
es möglich
ist, bewegliche Körper von
vielerlei Formen zu verwenden, beispielsweise polygonal, ist es
bevorzugt, insbesondere wenn eine Rückmeldung bei gewissen Neigungsrichtungen wünschenswert
ist, einen im Wesentlichen kugelförmigen Körper zu verwenden. Die Körperoberfläche kann
glatt sein, aber ihr kann auch eine Struktur für spezielle Zwecke gegeben
werden, beispielsweise eine weichzeichnenden Oberfläche für eine diffuse Reflektion.
Aufgrund der angesprochenen Gründe
ist es wünschenswert,
insbesondere bei kleinen beweglichen Körpern, Vorkehrung gegen ein
Anhaften, ein Kleben und ein Verkeilen des Körpers zu treffen, die seine
beabsichtigte freie Bewegung in dem Hohlraum verhindern können, und
eine gewisse Oberflächenstruktur
kann hier hilfreich sein, beispielsweise eine Mehrfacettenoberfläche oder
zahlreiche Vertiefungen, wie beispielsweise bei einem Golfball.
Das Material für
den beweglichen Körper
kann relativ frei gewählt
werden. Es können übliche Metallmaterialien verwendet
werden, aber da die Funktionsweise nicht auf hohen Körpergewichten
oder Kontaktdrücken
beruht, können
auch andere Materialien verwendet werden, beispielsweise Glas oder
Kunststoffmaterialien, vorzugsweise vernetzte Kunststoffe, beispielsweise
Polykarbonate, wobei die letzteren Typen transparente und brechende
Körper
für die
zuvor erwähnten
Zwecke ermöglichen.
Materialien geringer Dichte, zum Beispiel niedriger als 3 und vorzugsweise
niedriger als 2 g/cm3, können verwendet werden, um den
Verschleiß zu
reduzieren und die Dämpfung zu
verbessern. Jegliches verwendetes Material kann modifiziert werden,
um geeignete optische Eigenschaften zu erzielen, entweder hinsichtlich
der Form oder hinsichtlich einer Oberflächenbeschichtung, oder es ist
für die
höchste
Langzeitruverlässigkeit
in das Körpermaterial
gemischt. Die Modifikation kann dazu dienen, die Strahlungsabsorption
oder Reflektivität
zu erhöhen
oder zu verringern oder sie kann dazu dienen, die Strahlungsfrequenz,
wie beschrieben, zu ändern.
Die Körpergröße sollte
klein sein, und ausgedrückt
als der Durchmesser einer Kugel mit einem entsprechenden Volumen,
sollte der Durchmesser weniger als 10 mm betragen, vorzugsweise
weniger als 5 mm, besser weniger als 3 mm, mehr bevorzugt weniger
als 2 mm und höchst
bevorzugt weniger als 1 mm, jeweils in Abhängigkeit von der Anwendung.
Sehr kleine Körpergrößen können benutzt
werden, um die dargestellten Vorteile zu erhöhen. Ein bevorzugtes Herstellungsverfahren
für die
kleinsten Größen ist
die Mikromechanik, in geeigneter Weise mit "linearen" Richteigenschaften, wie erläutert wird,
und höchst
vorzugsweise mit integrierten aktiven Elementen. Dennoch könnte der
Durchmesser 0,001 mm für
die besten optischen und dynami schen Eigenschaften überschreiten
und vorzugsweise auch 0,01 mm für
nicht integrale Mechanik und im letzteren Fall höchst vorzugsweise 0,1 mm.
-
Die
Auflageoberfläche
definiert im Allgemeinen, wie sich der Körper bei verschiedenen Neigungswinkeln
der Vorrichtung bewegen oder aufliegen wird, und bei der bevorzugten
Anordnung, bei der die Auflageoberfläche und der Sender/Empfänger in
einer festen Beziehung zueinander sind, auch wie sich der Körper bezüglich des
Strahles verhält. Die
Auflageoberfläche
sollte zumindest zwei Auflagepositionen mit unterschiedlichen Strahländerungseffekten
bereitstellen. Unter "Auflageposition" ist eine Position
zu verstehen, die der bewegliche Körper einnehmen kann und zu
der und von der er durch Schwerkraft bewegt werden kann. Die Positionen können "diskret" in dem Sinn sein,
dass die Positionen stabil sind und eine Aktivierungsenergie zum Versetzen
daraus erfordern, oder die Positionen können "kontinuierlich" in dem Sinn sein, dass die Positionen
ein Kontinuum oder eine Oberfläche
bilden, über
die sich der Körper
frei bewegen kann und eine beliebige Position ohne andere Beschränkungen
außer
einer möglichen
Reibung einnehmen kann. Kontinuierliche Positionen sind hauptsächlich dann
von Interesse, wenn eine kontinuierliche Rückmeldung bezüglich des
Neigungswinkels wünschenswert
ist, und können
in Form einer konkaven Oberfläche
bereitgestellt werden, die einen beliebigen geeigneten Querschnitt
haben kann wie beispielsweise ein Kreissegment für einen gleichmäßigen Körperversatz über den
Winkel hinweg oder einen beliebigen anderen gekrümmten Querschnitt, um beispielsweise
die Empfindlichkeit für
gewisse Winkel zu erhöhen
oder um weiter entfernt von dem Strahl eine modifizierte Versatzrückmeldung
abzugeben. Bei vielen Anwendungen ist es bevorzugt, zumindest eine
und vorzugsweise zumindest zwei diskrete Positionen zu verwenden,
was zu einem "Hysterese"-Effekt führt, der
sicherstellt, dass die Vorrichtung um einen definierten Winkel zurückgeneigt
werden muss, um den Körper
aus der Position zu entfernen, und zwar verglichen mit dem Neigungswinkel,
der ihn in die gleiche Position brachte, um beispielsweise ein wiederholtes
Hin-und-Her-Kippen zwischen Positionen bei gewissen Winkeln zu vermeiden.
Geeignete Hysterese-Winkel können
zwischen 0° und
45° und
vorzugsweise zwischen 5° und
30° liegen.
Wenn diskrete Positionen verwendet werden, ist es ferner bevorzugt, dass
die Oberfläche
zwischen diesen Positionen ohne jegliche stabile Position für den Körper konstruiert
wird, indem beispielsweise dieses Teil konvex oder vorzugsweise
flach gemacht wird, um dadurch eine "digitale" Rückmeldung
bereitzustellen, bei der der Körper
im Wesentlichen entweder eine diskrete Position oder eine andere
diskrete Position einnimmt. Die Stabilität der diskreten Positionen
kann in Form einer Ausnehmung oder einer Nut bereitgestellt werden,
in die der Körper
fallen kann, die vorzugsweise eine spitze Kante verglichen mit der
Körperkrümmung aufweist,
um einen deutlichen Kanteneffekt bereitzustellen. Falls mehr als
zwei diskrete Positionen, wenn sie in einer genau vertikalen Querschnittsreferenzebene
bezüglich
der Schwerkraft betrachtet werden, bereitgestellt werden, bilden
sie eine näherungsweise
konkave Oberfläche,
wie es bei einer kontinuierlichen Oberfläche der Fall ist, jedoch mit
einer nicht kontinuierlichen, beispielsweise polygonalen, Kontur.
Der Winkel zwischen benachbarten Auflagepositionen kann irgendwo
zwischen 0° und
180°, normalerweise
zwischen 30° und
170° und
vorzugsweise zwischen 60° und
160° liegen.
Falls es gewünscht
ist, können
kontinuierliche und diskrete Positionen kombiniert werden.
-
Die
Auflageoberfläche
kann vorzugsweise Auflageposition überall um die zuvor erwähnte vertikale
Ebene herum bereitstellen, um definierte Körperpositionen in jeder dieser
Orientierungen bereitzustellen, was von einem besonderen Wert bei
tragbaren Vorrichtungen ist. Der konkave Charakter der Oberfläche kann
sich dann überall
um die Hohlraumquerschnittskontur erstrecken, um beispielsweise eine
näherungsweise
symmetrische, obwohl nicht notwendigerweise identische, Körperrückmeldung
in einer Standardposition und seiner entsprechenden Kopfüber-Position
abzugeben. Bei anderen Anwendungen ist es bevorzugt, den konkaven
Charakter auf bestimmte Winkel um eine Standardposition herum zu
beschränken
und eine gleichmäßige Rückmeldung
oder keine Rückmeldung
in den verbleibenden Positionen abzugeben. Eine bevorzugte Abwandlung dieser
Möglichkeiten
ist es, dass der Körper
im Wesentlichen die gleiche Position an den Enden des konkaven Bereichs
und bei der Kopfüber-Ausrichtung
einnimmt, was erreicht werden kann, indem die Querschnittskontur
anstatt auf eine konkave Weise auf eine konvexe Weise in den Hohlraum
ragt, wo es gewünscht
ist, zu vermeiden, dass sie der Körper einnimmt. Unabhängig von
dem Gesamtaufbau sollte zumindest ein Abschnitt der Kontur die konkave
Gestalt haben, die eine Rückmeldung
auf die Neigung ergibt. Zumindest Teile in der Nähe des Strahles, aber vorzugsweise
alle Teile entlang der Hohlraumkontur, sollten definierte Körperpositionen
ergeben, was durch eine deutlich konkave oder deutlich konvexe Form
erzielt werden kann, sofern nicht, wie erwähnt, flache Bereiche zwischen
den stabilen diskreten Positionen verwendet werden.
-
Es
ist auch bevorzugt, die Hohlraumabmessungen an den Hauptdurchmesser
des beweglichen Körpers
anzupassen, so dass die Positionen, die der Körper einnehmen kann, und vorzugsweise
alle derartigen Positionen, und die Kanäle für den Körper, die durch die benachbarten
Auflageoberflächenteile
gebildet werden, in ihrer Größe beschränkt sind,
um Körperbewegungen
seitlich zu seiner beabsichtigten Bewegung zwischen den Auflagepositionen
zu beschränken.
Dies deshalb, um eindeutigere Rückmeldungen
bereitzustellen und um einen unnötigen
Verschleiß zu
verringern. Folglich ist es bevorzugt, dass derartige seitliche
Abmessungen auf weniger als das Zweifache und vorzugsweise als weniger
als das 1,5-fache und höchst
bevorzugt auf weniger als das 1,3-fache des Körperhauptdurchmessers beschränkt sind.
Die Körperbewegungen
zwischen Auflageoberflächen
für eine
Ausgangssignalrückmeldung
im Allgemeinen seitlich zu dem Strahlpfad hängen von dem Gesamtlayout der
Vorrichtung ab. Nach wie vor ist es meistens von Interesse, die
seitlichen Enden der Bewegungen aus Größengründen zu beschränken, und
vorzugsweise beträgt
der Abstand zwischen den Enden weniger als das Fünffache, vorzugsweise weniger
als das Vierfache und höchst
bevorzugt weniger als das Dreifache des Körperhauptdurchmessers. Obwohl
optionale Mittel beschrieben wurden, die das Ausgangssignal sehr
empfindlich auf einen Körperversatz
machen, ist es von großem
Interesse, einen Abstand zwischen den Extrempositionen von zumindest
einem Zehntel, besser von zumindest der Hälfte und höchst bevorzugt von zumindest
dem einfachen des Körperhauptdurchmessers
zu ermöglichen.
Diese Werte sind nur ein Hinweis und können an die speziell verwendete
Ausführungsform
angepasst werden. Insbesondere wenn gerichtete Strahlen verwendet
werden, ist es häufig
von Interesse, seitliche Körperbewegungen
zu ermöglichen,
die es ermöglichen,
dass der Strahl gänzlich
unabgeschirmt ist. Wenn ein brechender Körper verwendet wird, können auf ähnliche
Weise die kleinsten vorgeschlagenen seitlichen Abstände aufgrund
der starken Strahlablenkung verwendet werden, die selbst bei kleinen
Versätzen
erreicht wird. Wenn die zuvor erwähnte Möglichkeit einer negativen Interferenz
zwischen der Rückmeldung
von der Brechung bzw. der Abschirmung verwendet wird, kann es von
Interesse sein, die seitlichen Extrempositionen im Wesentlichen
auf den Punkt zu beschränken,
wo die Rückmeldung
die Richtung ändert,
beispielsweise dann, wenn die Reduzierung aufgrund des Brechungsversatzes
niedriger wird als die Erhöhung
aufgrund einer niedrigeren Abschirmung.
-
Der
Vorrichtung können
richtungsabhängige Eigenschaften
gegeben werden, so dass sie nur oder unterschiedlich empfindlich
ist bei Neigungen in der oben erwähnten vertikalen Referenzebene
verglichen mit Neigungskomponenten rechtwinklig zu der Ebene, das
heißt
in unterschiedlichen Neigungs-"Richtungen". Derartige "lineare" Eigenschaften können erreicht
werden, indem die Tiefe der Vorrichtung begrenzt wird oder indem
Führungsstrukturen
an der Auflageoberfläche
angeordnet werden, z. B. in Form von Erhöhungen und Tälern, die
seitliche Körperbewegungen
in der Ebene ermöglichen,
aber Bewegungen senkrecht dazu verhindern. Falls die Tiefe der Vorrichtung
ausreichend ist, können ähnliche
Führungsstrukturen
verwendet werden, um einen oder mehrere zusätzliche Pfade für den Körper bei
einem beliebigen hori zontalen Winkel zu der zuerst erwähnten Referenzebene,
vorzugsweise senkrecht dazu, bereitzustellen, und die unterschiedlichen Pfade
können
sich an einem Scheitel kreuzen, von dem sich der Körper entlang
eines ausgewählten Pfades
in Abhängigkeit
von der Neigungsrichtung bewegen kann. Die verschiedenen Pfade können unterschiedliche
Neigungswinkelrückmeldungen
haben oder sie können
die gleiche Rückmeldung
haben. Die Anordnung kann auch verwendet werden, um übermäßige Drehbewegungen
durch den Körper
zu vermeiden, was immer noch mit der Unabhängigkeit gegenüber einem
Rollen oder der Quasi-Rotationssymmetrie kompatibel ist, falls zahlreiche
Strahlpfade aus dem Scheitel herausstrahlen. Die einfachste Konstruktion
(und in vielen Anwendungen ausreichend) ist eine im Wesentlichen
rotationssymmetrische Auflageoberflächenstruktur, wie sie durch
eine Rotation der beschriebenen Ebene mit der Hohlraumkontur um
eine Symmetrieachse erhalten wird.
-
Wie
angedeutet, können
der Strahlpfad und folglich die Positionierung der aktiven Elemente
eine Vielzahl von Formen annehmen, beispielsweise geradlinig im
Falle eines unbehinderten Strahlpfades, winklig im Fall einer Spiegelreflektion
oder eine hohlraumfüllende
Strahlung oder vor-und-zurück
im Fall einer Anordnung vom Transceivertyp, und die Positionierung
des Strahles bezüglich
der Auflageoberfläche
kann demgemäss
variieren. Die winklige Anordnung ist dazu geeignet, mit mehreren
Empfängern
in definierten Positionen kombiniert zu werden, um beispielsweise
zwischen verschiedenen Neigungsrichtungen zu unterscheiden oder
um vorzugsweise zwischen verschiedenen Neigungswinkeln zu unterscheiden,
und hier ist eine bevorzugte Anordnung, dem Sender eine zentrale
Position, zum Beispiel an dem zuvor beschriebenen Scheitel oder
der zuvor beschriebenen Symmetrieachse, und den Empfängern eine
Position um den seitlichen Umfang bzw. die seitlichen Kontur herum
zu geben. Vorzugsweise sind die Auflagepositionen über zumindest
einem der aktiven Elemente angeordnet. Gerade Strahlen, entweder
gemäß der hindernisfreien
oder der Vor-und-Zurück-Anordnung,
sind bevorzugt, und vorzugsweise ist der Strahl dann mittig bezüglich des Hohlraumes
angeordnet und vorzugsweise mutig und symmetrisch bezüglich des
Hauptabschnittes von konkaver Gestalt der Auflageoberfläche. Ferner ist
es bevorzugt, dass eine Auflageposition, höchst bevorzugt eine diskrete
Auflageposition, über
einem Transceiver und über
dem Sender und/oder Empfänger,
vorzugsweise dem Letzteren, in einer geraden und hindernisfreien
Anordnung oder über
beiden bei einer symmetrischen Kopfüber-Anordnung, wie beschrieben,
angeordnet ist.
-
Das
Positionieren der optisch aktiven Elemente kann durch direktes Einbeziehen
des Elementes in eine Wand der Auflageoberfläche, durch eine Plazierung
unter der Wand im Falle von transparenten Wänden, aber vorzugsweise an
oder unter einer Öffnung
in der Wand, durchgeführt
werden, was die höchste
Konstruktionsfreiheit, beispielsweise zum Abschirmen und zum Führen des
Strahles, ergibt, oder um eine geeignete Auflageoberfläche für den Körper bereitzustellen.
Ein Fenster kann für
Abschirmungszwecke oder zum Bereitstellen von Brechungseigenschaften
bereitgestellt werden. Es ist bevorzugt, eine Linse oder ein Linsensystem
einzubeziehen, um den Strahl auf eine beliebige der beschriebenen
Arten zu beeinflussen, vorzugsweise eine Kollimationslinse, damit
sich ein stärker
konzentrierter Strahl ergibt, oder eine Sammellinse, damit sich
ein konvergenter Strahl ergibt. Die Linse kann an der Auflageoberfläche oder
der Öffnung
angebracht sein, aber vorzugsweise ist sie ein Teil des aktiven Elementes
selbst. Wenn Linsen verwendet werden, sollte zumindest eines der
aktiven Elemente, vorzugsweise der Sender, damit ausgestattet sein,
aber höchst
vorzugsweise sind beide Elemente mit Linsen versehen. Der Abstand
zwischen Sender und Empfänger
einer einzelnen Konstruktion bei geraden Pfaden kann vorzugsweise
an die oben angegebenen Kanalabstände für Körperbewegungen zwischen den Auflagepositionen
bzw. gegebenenfalls den Seitenpfaden angepasst sein. Es ist angebracht,
zumindest die aktiven Teile der aktiven Elemente, beispielsweise
deren Fenster oder deren Öffnung,
gegen die Auflageoberfläche
oder das Gehäuse
abzudichten, um den Einfall oder die Abgabe von Streustrahlung zu vermeiden.
Das kann auf eine herkömmliche
Weise geschehen, indem das aktive Element in einer eigenen Kammer
abgegrenzt wird. Vorzugsweise werden die aktiven Elemente jedoch
nur teilweise auf eine derartige Weise eingeschlossen, dass der
Rest des Elementes ausgesetzt ist, was erreicht werden kann, indem
das Element an das Gehäuse
zumindest um den zuvor erwähnten
aktiven Teil oder vorzugsweise um seinen Hauptumfang angebracht
wird, wobei der umschlossene Teil vorzugsweise im zuvor erwähnten Sinn
abgedichtet ist. Das teilweise Einschließen des Elementes hilft beim
Reduzieren der Gesamtgröße der Vorrichtung,
indem die Elemente als strukturelle Komponenten verwendet werden
und indem die Zuführungsdrähte des
Elementes oder andere vorbereiteten Verbindungen für eine vereinfachte
mechanische und elektrische Verbindung und ein Befestigen an einer
Stützeinrichtung,
beispielsweise einer Leiterplatte, offen liegen. Die Vorrichtung
der Erfindung ist mit kleinen Elementen kompatibel, in geeigneter Weise
mit einer Hauptabmessung im Bereich von 0,1 mm bis 10 mm und vorzugsweise
zwischen 1 mm und 5 mm über
einen Querschnitt parallel zu dem aktiven Teil. Vorzugsweise ist
das Elementbauteil größer als
der bewegliche Körper.
-
Wie
angedeutet, ist vorzugsweise eine Punktberührung statt einer Linien- oder
Oberflächenberührung zwischen
dem beweglichen Körper
und der Auflageoberfläche
in zumindest einer, vorzugsweise mehreren und höchst vorzugsweise in allen der
Auflagepositionen des Hohlraumes bereitzustellen, um die freie Beweglichkeit
des Körpers
sicherzustellen. Ein einziger Berührungspunkt, beispielsweise
zwischen einer Kugel und einer Oberfläche, kann verwendet werden,
aber für
Zuverlässigkeitszwecke und
zu Zwecken der dynamischen Stabilität ist es bevorzugt, zumindest
zwei Berührungspunkte
zu verwenden, die häufig
für kontinuierliche
Auflagepositionen für
die zuvor angegebenen Zwecke ausreichend sind oder ausreichend sind,
falls kontinuierliche Auflagepositionen das gleiche Strahländerungsergebnis,
beispielsweise entlang eines Umfanges, der entlang der Strahlachse
zentriert ist, ergeben, und für die
höchste
statische Stabilität
ist es bevorzugt, zumindest drei Berührungspunkte zu verwenden,
die häufig
für diskrete
Auflagepositionen ausreichend sind. Eine bevorzugte Art und Weise
zum Anordnen der zumindest zwei Berührungspunkte zum Zwecke einer
variablen Rückmeldung
ist es, Oberflächenführungsstrukturen,
beispielsweise vom Typ einer Erhöhung
und eines Tals, zu verwenden, die bezüglich der Richteigenschaften
allgemein erwähnt
wurden, wobei über
diese Strukturen der bewegliche Körper in eine dynamische Berührung mit
den zwei benachbarten Erhöhungen
kommen kann. Drei oder mehr Berührungspunkte
können
durch ähnliche
Prinzipien bereitgestellt werden, beispielsweise durch zusätzliche
Querführungsstrukturen
oder vorzugsweise durch Anordnen der Auflageposition an einem Scheitel
der Führungsstruktur,
wie beschrieben ist. Ein allgemeineres Verfahren, das auch zusammen
mit einer genau rotationssymmetrischen Auflageoberfläche für eine Rückmeldung
in allen Richtungen anwendbar ist, ist es, eine Nut an der Auflageposition bereitzustellen,
wobei die Nut nicht mit dem Körper kongruent
ist, beispielsweise eine quadratische Nut für einen kugelförmigen Körper, was
eine Punktberührung
mit einer beliebigen gewünschten
Anzahl von Punkten ergibt. Eine bevorzugte Anordnung, die eine hoch
zuverlässige
Beweglichkeit des Körpers
sicherstellt, ist es, ein beliebiges Verfahren zu kombinieren, das
zumindest zwei, aber vorzugsweise zumindest drei, Berührungspunkte,
beispielsweise gemäß einer
beliebigen der zuvor angegebenen Möglichkeiten, oder sogar eine
Linien- oder Oberflächenberührung mit
einem vorstehenden Element in der Form einer Spitze oder einer beliebigen
anderen Struktur, die einen zusätzlichen
Berührungspunkt
mit dem Körper
ergibt, bereitstellt, wobei der Punkt vorzugsweise innerhalb des
Umfangs angeordnet ist, der durch die zuerst erwähnten Punkte definiert ist und
den Körper
geringfügig
von den zuerst erwähnten
Punkten anhebt, um die Berührung
mit zumindest einem der zuerst erwähnten Punkte aufzuheben und in
der Tat jegliche Linien- oder Oberflächenberührung aufzuheben, die sonst
vorhanden wäre.
Ohne Nachteil kann das vorstehende Element derart angeordnet sein,
dass es mehrere stabile Positionen zwischen ihm und jeglichem Teil
aus den zuerst erwähnten Punkte
bereitstellt.
-
Die
Punktberührungsprinzipien
des vorangegangenen Absatzes können
mit Auflagepositionen ohne einem aktiven Element kombiniert werden,
aber sie können
auch vorzugsweise zusammen mit einem derartigen Element verwendet
werden. Im letzteren Fall bedeutet das Punktberührungsprinzip im Allgemeinen,
dass weniger als eine vollständige
Strahlungsabdichtung bereitgestellt wird und dass das Abschirmungsverfahren,
wie es definiert ist, zum Detektieren darauf beruht, was nicht ausschließt, dass
ein beliebiges alternatives Änderungsverfahren,
beispielsweise eine Brechung, gleichzeitig vorhanden sein kann.
Alle Verfahren sind mit dieser Möglichkeit kompatibel,
beispielsweise kann die Scheitelerhöhung oder die nichtkongruente
Nut über
dem Element angeordnet sein, wobei die Nut ein Teil eines Loches über dem
Element sein kann und das vorstehende Element kann mit dem Element
koaxial sein. Eine bevorzugte Weise zum Implementieren der letzten
Alternative, die nicht den Strahl oder den Betrieb stört, ist
es, ein beliebiges strahlungsaktives Teil für das vorstehende Element zu
verwenden, und bevorzugterweise kann eine Linsenanordnung für diesen Zweck
verwendet werden.
-
Die
beschriebene Vorrichtung kann für
einen beliebigen bereits in der Technik bekannten Zweck eingesetzt
werden, beispielsweise als Füllstandssensor,
Alarm, Sicherheitsschalter, Nachverfolgungssensor, Steuerungsmanipulator,
Beschleunigungsmesseinrichtung oder für einen beliebigen anderen
Zweck. Die Vorrichtung ist insbesondere bei Artikeln für eine beabsichtigte
oder unbeabsichtigte wiederholte Orientierung in vielen Richtungen,
beispielsweise tragbaren Vorrichtungen, bei kleinen Artikeln, die
nicht in der Lage sind, auf einfache Weise große Sensoren aufzunehmen, beispielsweise
in der Hand gehaltenen Vorrichtungen, und bei Artikeln, bei denen
eine hohe Zuverlässigkeit
und Sicherheit vorzusehen sind, beispielsweise Sicherheitseinrichtungen,
Notfalleinrichtungen oder medizinischen Einrichtungen, nützlich.
Wie angedeutet, kann die Vorrichtung einzeln entweder für eine gleichartige
Rückmeldung
um eine Symmetrieachse oder für
unterschiedlich angepasste Rückmeldungen
in verschiedenen Richtungen verwendet werden. Mehrere Vorrichtungen
können
zusammenwirkend verwendet werden, beispielsweise gerichtete Vorrichtungen,
die für
eine Rückmeldung
in verschiedenen Richtungen, beispielsweise entlang dreier orthogonaler
Achsen, angeordnet sind.
-
Im
Allgemeinen sollte die Vorrichtung zum Entfalten ihrer vollständigen Nützlichkeit
mit einer geeigneten Elektronik kombiniert werden, um die aktiven
Elemente anzu steuern und um das bereitgestellte Ausgangssignal zu
extrahieren und zu verwenden. Die Art einer derartigen Hilfselektronik
hängt stark von
der verwendeten Anwendung ab und ist keine primäre Aufgabe der vorliegenden
Erfindung. Die Elektronik sollte zumindest in der Lage sein, die
Ausgangssignaldifferenz zu detektieren, die durch die Strahländerungen
von dem beweglichen Körper
verursacht werden, entweder, um kontinuierliche oder diskrete Winkeldaten
zu extrahieren und diese in Verwendung zu bringen, beispielsweise
bei einem einfachen Schalter, einer Initiierungseinrichtung oder
einem Alarm oder einer wiederholten oder kontinuierlichen Überwachung.
-
Die
Art und Weise, wie die vorliegende Vorrichtung verwendet wird, muss
sich nicht von der des Standes der Technik unterscheiden. Im Allgemeinen wurden ähnliche
Vorrichtungen auf eine derartige Art und Weise verwendet, dass das
Ausgangssignal von dem Empfänger
einfach während
deren Bewegung überwacht
wurde und dass bei einem gewissen Ausgangssignalpegel ein Signal
ausgegeben wurde, um einen beliebigen der zuvor erwähnten Vorgänge auszulösen. Das
Ausgangssignal von der vorliegenden Vorrichtung kann auf die gleiche
Weise aufbereitet werden. Aus mehreren Gründen ist es jedoch bevorzugt,
ein Anwendungsverfahren bereitzustellen, das das Ausgangssignal
auf eine durchdachtere Weise aufbereitet. Erstens kann mehr Nutzinformation
aus dem Signal extrahiert werden. Zweitens kann die Signalinformation
verwendet werden, um zufällige
Faktoren in der Rückmeldung
der Vorrichtung zu kompensieren, um ein zuverlässigeres, aufbereitetes Signal
zu extrahieren. Drittens können
vorhergehende Hardwaremerkmale durch Software ersetzt werden, um
beispielsweise eine kleinere oder einfachere Vorrichtung zu ermöglichen.
-
Demgemäss schafft
die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung, wobei
das Ausgangssignal der Vorrichtung hinsichtlich seiner Funktion
der Amplitude über
die Zeit direkt oder indirekt überwacht
wird und die Funktion verarbeitet wird, bevor ein Vorgang darauf
basiert. Die erhaltene Funktion wird als kontinuierlich behandelt,
aber es ist bevorzugt, dass die Werte vom Ausgang der Vorrichtung
abgetastet werden, was in unregelmäßigen, aber vorzugsweise in
regelmäßigen, Zeitintervallen bei
einer bestimmten Frequenz durchgeführt werden kann. Das Abtasten
kann auf eine beliebige von mehreren bekannten Arten durchgeführt werden.
Das Abtasten kann in dem Sinne digital sein, dass die Amplitude
mit einem Referenzpegel verglichen wird und sie entweder auf eine
binäre
1 oder eine binäre
0 in Abhängigkeit
davon gesetzt wird, ob sich die Amplitude über oder unter dem Referenzpegel
befindet, der variieren kann, aber vorzugsweise festgelegt ist. Unter
anderem ist zum Extrahieren von mehr Information aus den Rohdaten
ein analoges Abtastver fahren im Allgemeinen bevorzugt, bei dem der
absolute Amplitudenwert der Funktion wiederholt erfasst wird. Der
analoge Wert kann in einem Analogprozessor verarbeitet werden, aber
es ist höchst
bevorzugt, den Wert in eine digitale Form umzuwandeln und ihn in
einem Digitalprozessor zu verarbeiten. Das Signal kann in einer
per se bekannten Art gefiltert werden, um gewisse Frequenzbereiche
zu entfernen.
-
Die
Funktionswerte können
gespeichert werden und zu einem beliebigen Zeitpunkt und mit einer beliebigen
Rate verarbeitet werden, aber im Allgemeinen ist eine Echtzeitverarbeitung
bei den meisten Anwendungen bevorzugt, die immer noch eine gewisse
Speicherung der Werte erfordern kann, damit sie zu einem gegebenen
Zeitpunkt gleichzeitig verarbeitet werden. Es ist bevorzugt, dass
die Verarbeitung zumindest zwei, vorzugsweise drei und höchst vorzugsweise
eine Mehrzahl von Funktionswerten zu einem Zeitpunkt berücksichtigt.
Die Verarbeitung kann in einem beliebigen bekannten Prozessortyp stattfinden,
der vorzugsweise einen Mikrocontroller, beispielsweise einen Standardmikroprozessor
oder eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung, umfasst.
-
Die
Verarbeitung kann im Betrieb eine beliebige Art von Körperbewegung
oder Neigung über
die Zeitinformation zum Aufzeichnen oder für einen sofortigen Vorgang
für einen
beliebigen der beispielhaft dargestellten Zwecke extrahieren. Es
ist jedoch bevorzugt, dass die Verarbeitung zusätzlich dazu dient, das Rohsignal
von der Vorrichtung zu modifizieren, um es für seinen beabsichtigten Zweck
zuverlässiger zu
machen, wobei einige der Modifikationen beispielhaft dargestellt
werden.
-
Die
Verarbeitung kann analog zu einer physikalischen Dämpfung der
Körperbewegung
durchgeführt
werden. Bei kontinuierlichen Auflagepositionen kann das beispielsweise
durch Herausfiltern gewisser Frequenzen, durch Herausmitteln von
Bewegungen um einen Gleichgewichtspunkt oder durch Extrapolieren
einer Regressionskurve erreicht werden. Bei diskreten Auflagepositionen
kann ein ähnliches
Ergebnis auf einer verzögerten
oder wiederholten Überprüfung nach
Amplituden basieren, die einer Körperposition
entsprechen, die mit einer stabilen Auflageposition korrespondiert.
-
Die
Verarbeitung kann eine Kalibrierung der Vorrichtung, beispielsweise
durch Aufzeichnen des Ist-Ausgangssignals der Vorrichtung bei definierten Neigungswinkeln,
entweder statisch, beispielsweise für diskrete Auflagepositionen,
oder dynamisch für kontinuierliche
Auflagepositionen und/oder der Rückmeldungen
der Vorrichtung auf verschiedene Störungen, beispielsweise hinsichtlich Änderungen
der Ansteuerungszustände,
Umgebungsbedingungen, etc., durchführen.
-
Die
Verarbeitung kann analog zum Bereitstellen einer physikalischen
Hysterese für
die Körperbewegung
erfolgen, indem beispielsweise ein gewisses Maß an Amplitudenänderung
zum Ausgeben eines Signals erforderlich ist, das einer Änderung
von einer Auflageposition zu einer anderen entspricht, um beispielsweise
ein häufiges
Springen um einen Gleichgewichtswinkel zu unterdrücken.
-
Die
Verarbeitung kann derart arbeiten, dass sie Entscheidungskriterien
für durchzuführende Handlungen
festlegt, beispielsweise Amplitudenpegel, die für kritische Neigungen als signifikant
zu interpretieren sind, oder Amplitudenbereiche, die für Handlungen
verboten sind.
-
Zusammenfassung
der Zeichnungen
-
1A und 1B zeigen
teilweise im Schnitt eine erste Ausführungsform der Vorrichtung mit
einem diskreten Senderbauteil und einem diskreten Empfängerbauteil,
wenn sie sich in der horizontalen bzw. vertikalen Orientierung befinden. 1C zeigt
eine Modifikation der Vorrichtung der 1A und 1B,
die einen Transceiver verwendet.
-
2 zeigt
einen Teilschnitt einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung,
die ein integriertes Sender/Empfänger-Bauteil
verwendet.
-
3A und 3B zeigen
schematisch dritte Ausführungsformen
der Vorrichtung, die einen Transceiver des Typs verwendet, bei dem
das aktive Element in die gleiche Richtung gerichtet ist.
-
4A und 4B zeigen
im Schnitt eine vierte Ausführungsform
der Vorrichtung, die einen transparenten und brechenden beweglichen
Körper verwendet.
-
5A und 5B stellen
schematisch Aufbereitungsverfahren für das Ausgangsignal der Vorrichtung
dar.
-
Beschreibung
der Zeichnungen
-
Die
Vorrichtung der 1A und 1B, die allgemein
mit 1 gekennzeichnet ist, umfasst einen diskreten Sender 2 in
Form einer Leuchtdiode und einen diskreten, ähnlich geformten Empfänger 3 in Form
eines Fototransistors, die beide mit konvexen Kollimationslinsen 4 und 4' und elektrischen
Anschlussdrähten 5 und 5' versehen sind.
Eine Strahlachse zwischen dem Sender und dem Empfänger ist mit
einer gestrichelten Linie 6 angedeutet. Ein Gehäuseteil 7 ist
um eine Strahlachse 6 rotationssymmetrisch und weist eine
im Allgemeinen zylindrische äußere Mantelfläche auf,
die an den ringförmigen Flächen 8 und 9 endet,
an denen der Sender 2 bzw. der Empfänger 3 durch Kleben
an ihren größten Mittelabschnittsflanschen
derart angebracht sind, dass sich ihre vorderen Teile in das Gehäuse erstrecken und
ihre verbleibenden Teile uneingeschlossen bleiben. Der eingeschlossene
Teil des Empfängers 3 ist in
einer Kammer 10 mit einer Öffnung 11 in Richtung des
Hohlraums 12, der durch die Innenflächen des Gehäuses 7 und
den Sender 2 gebildet wird, angeordnet. Die Auflageoberflächen für den beweglichen kugelförmigen Körper 13 werden
zumindest aus drei Teilen gebildet: dem inneren, kegelstumpfförmigen Teil 14 des
Gehäuses 7,
das einen im Allgemeinen konkaven Boden bereitstellt, dem zylindrischen
Innenteil 15 des Gehäuses
und den vorstehenden vorderen Teilen des Senders 2, die
eine sich im Allgemeinen nach innen erstreckende konvexe Oberfläche bereitstellen.
Da die konische Oberfläche 14 eine im
Wesentlichen gerade Rolllinie für
den Körper 13 bereitstellt
und da die vorstehenden Teile des Senders 2 mit der Linse 4 eine
im Allgemeinen konvexe Oberfläche
ohne stabile Positionen für
den Körper
ergeben, stellt die Auflageoberfläche als Ganzes im Wesentlichen
zwei diskrete Auflagepositionen für den Körper bereit, und zwar eine
am Scheitel des Gehäuseteils 14,
unmittelbar über
der Öffnung 11 und dem
Empfänger 3,
wie in 1B gezeigt ist, und die andere
am Umfang des zylindrischen Gehäuseteils 15,
wie in 1A gezeigt ist. Die letztere
Position ist auch in einer Kopfüber-Ausrichtung
stabil aufgrund der bewegungsbegrenzenden Kanäle, die zwischen dem Gehäuse 7 und
insbesondere der Linse 4 oder dem Sender 2 bereitgestellt
werden. Obwohl der Körper 13 um
die Umfangsoberfläche 15 des
Gehäuses in
der Auflageposition von 1A zirkulieren
kann, hat er immer den gleichen Änderungseffekt
auf den Strahl aufgrund der symmetrischen Gestalt einer derartigen
Bewegung bezüglich
der Strahlachse. In beiden Auflagepositionen hat der Körper 13 nur
eine Punktberührung
mit seinen Auflageoberflächen.
In der Position von 1A haben die Oberflächen 14 und 15 einen
unterschiedlichen Radius bezüglich
des Körpers 13 und
ergeben nur eine Punktberührung wie
die konvexe Linse 4. In der Position von 1B sind
spezielle Einrich tungen bereitgestellt, damit sich eine Punktberührung ergibt.
An der Öffnung 11 könnte der
Körper 13 theoretisch
eine Linienberührung
in Umfangsrichtung haben, aber das wird verhindert, indem der Empfänger 3 derart
positioniert ist, dass seine Linse 4' den Körper 13 geringfügig von
der Öffnung 16 anhebt,
so dass sich nur zwei Berührungspunkte
ergeben, einer mit der Linse 4' und einer an der Oberfläche 14.
Auch in dieser Auflageposition könnte
man sich vorstellten, dass sich der Körper um die Symmetrieachse 6 ohne Änderungseffekt
bezüglich
des Strahles dreht. Insgesamt werden die Vorteile bei einer vom
Rollen unabhängigen
Vorrichtung erzielt. In 1C wurden
der Sender 2 und der Empfänger 3 durch den Transceiver 17 ersetzt,
und die Position des Senders 2 wurde durch einen Verschluss 18 mit
einer nach innen konvexen Oberfläche ersetzt.
Um den Änderungseffekt
zu verstärken,
können
die Oberflächen
des Gehäuses 7,
des Verschlusses 18 und der Kammer 10 strahlungsabsorbierend gemacht
werden, wohingegen der Körper 13 entweder
auf diffuse Weise oder auf abbildende Weise reflektierend sein kann.
-
2 zeigt
schematisch und nicht maßstabsgerecht
eine Ausführungsform
einer Sensorvorrichtung 20, die einen handlesüblich erhältlichen
Typ (zum Beispiel ISOI Sharp 24) eines integrierten Sender/Empfänger-Bauteils 21 verwendet,
das in einem Gehäuse
von Gabeltyp mit einem definierten Spalt zwischen den aktiven Elementen
angeordnet ist. Die aktiven Elemente haben je eine Linse 22 und 22' und verbindende
Anschlussdrähte 23 und 23'. Ein Gehäuseteil 24 bildet
einen Einsatz in den Spalt zwischen den aktiven Elementen und hat
eine um eine Achse 25 rotationssymmetrische Form und ist
aus einer Stabscheibe aus Kunststoff, zum Beispiel Plexiglas oder
Polycarbonat, hergestellt, in dem eine Bohrung mittels einer Drehbank
ausgebildet wurde, wobei die Bohrung einen zylindrischen Teil 26,
einen kegelstumpfförmigen
Teil 27, der als eine konvexe Auflageoberfläche wirkt,
und einen engen zylindrischen Teil 28, der eine Öffnung über einer
Linse 22' bildet, aufweist.
Ein bewegliche Körper 29 ist
in einer ersten Auflageoberflächenposition über der Öffnung 28 gezeigt.
Bei der gezeigten Position hat der Körper 29 eine Linienberührung in
Umfangsrichtung mit der Öffnung 28,
aber wie bei der vorangegangenen Ausführungsform ist es möglich, das
Gehäuse 24 tiefer
anzuordnen, um den Körper
durch die Linse 22' anzuheben,
damit eine Punktberührung
bereitgestellt wird. Das Gehäuse 24 erzeugt
zusammen mit dem oberen Teil des Bauteils 21 einen Hohlraum,
der den Körper 29 und
den Strahl beschränkt.
Die Funktion ähnelt
derjenige der Ausführungsform
von 1, das heißt, der Körper hat eine zweite Auflageposition an
der zylindrischen Oberfläche 26 und
kann aufgrund des Vorhandenseins der Linse 22 daran gehindert
werden, dass er den Strahl bei einer Kopfüber-Ausrichtung blockiert.
-
Die 3A und 3B zeigen
in schematischer Form eine Vorrichtung 30, bei der ein
Sender 31 und ein Empfänger 32 in
die gleiche Richtung gerichtet sind, wobei der Empfänger die
Form eines Ringes aufweist, der den Sender umgibt. Der Sender 31 hat
einen Kollimationslinsenteil 33, der einen näherungsweise
parallelen Strahl 34 erzeugt. Das Gehäuse 35 ist ein einfacher
Mantel mit einem zylindrischen Teil 36 und einem konischen
Teil 37 und weist eine Rotationssymmetrie um eine Achse 38 auf.
Ein beweglicher Körper 39 ist
auf abbildende Art reflektierend, und das Innere des Gehäuses 35 ist
derart gemacht, dass es die Strahlung absorbiert. In 3A ist
die Körperposition
symmetrisch zu dem Strahl und der Anordnung der aktiven Elemente,
und der Strahl 34 von dem Sender 31 wird gegen
den Körper 39 in Richtung
des ringförmigen
Empfängers 32 reflektiert, wohingegen
die gestreute Strahlung von den Wänden des Gehäuses 35 im
Wesentlichen reflektiert wird. Bei der Position des Körpers 39 von 3B passiert
der Strahl 34 den Körper
und von den Gehäuseoberflächen wird
im Wesentlichen gestreut und absorbiert. Obwohl die Vorrichtung
konstruktionsbedingt unabhängig
von einem Rollen ist, kann sie Neigungsrichtungen anzeigen, falls
der ringförmige Empfänger 32 aus
mehreren unabhängigen
Empfangspunkten gefertigt ist.
-
Die 4A und 4B zeigen
in schematischer Form eine Vorrichtung 40, die einen transparenten
und brechenden Körper 41 in
einem Gehäuse 42 mit
einem zylindrischen Teil 43, einem kegelstumpfförmigen Teil 44 und
einen nach innen ragenden oberen Teil 45 verwendet. Der
obere Teil 45 hat eine Öffnung
zu einem abgeschirmten Empfänger 46 und
der kegelstumpfförmige
Teil 44 hat eine Öffnung zu
einem Sender mit einer Linse 47, die einen im Wesentlichen
parallelen Ausgangsstrahl ergibt. In 4A ist
die Position des brechenden Körpers 41 symmetrisch
zu der Achse zwischen dem Sender und dem Empfänger, und der Körper bricht
den eingehenden Strahl von der Linse 47 zu einem konvergierenden
Ausgangsstrahl 48, der auf dem Empfänger 46 näherungsweise
fokussiert ist. In 4B wurde der Körper 41 durch
Neigung oder Beschleunigung der Vorrichtung 40 in eine
neue Auflageposition in der Nähe
des zylindrischen Gehäuseteils 43 bewegt.
Obwohl sie nicht genau maßstabgetreu
gezeichnet ist, stellt die Figur dar, dass die relativ kleine Verschiebung
des Körpers
nur um einen Bruchteil seines Durchmessers einen Ausgangsstrahl 48 ergibt,
der seitlich des Empfängers 46 fokussiert
ist, was dessen Rückmeldung
praktisch auf null bringt. Wie bei der vorangegangenen Ausführungsform
können
die Oberflächen
des Hohlraumes absorbierend sein, um eine gestreute Strahlung zu
unterdrücken.
-
Die 5A und 5B geben
eine schematische Darstellung eines Aufbereitungsverfahrens für das Ausgangssignal
der Vorrichtung, wobei 5A auf einem digitalen und 5B auf
einem analogen Abtastverfahren beruht. In 5A zeigt
das Diagramm 51 auf der linken Seite eine Kurve 52 der
Amplitude über
der Zeit, wobei angenommen wird, dass sie ein kontinuierliches Ausgangssignal
von dem Fototransistorempfänger 53 ist.
Das Ausgangssignal wird in einen Komparator 54 eingespeist,
in den auch ein Referenzpegelsignal 55 eingespeist wird,
dessen Pegel mit der Linie 56 in Diagramm 51 angedeutet
ist, und ein Ausgangssignal von dem Komparator 54 ist eine
Folge von binären
Ziffern, wie mit 57 in dem Diagramm 51 veranschaulicht
ist. Die binäre
Folge wird in einen Mikrocontrollerprozessor 58 zur Weiterverarbeitung
eingespeist, was das Erzeugen eines Signals umfassen kann, das gemäß einem
beliebigen der skizzierten allgemeinen Prinzipien modifiziert ist.
In ähnlicher
Weise zeigt 5B im Diagramm 61 schematisch
die gleiche Kurve 62, die von einem Fototransistor 63 ausgegeben
wird. Ein Filter 64 kann verwendet werden, um gewisse Frequenzbereiche,
beispielsweise untypische hohe und niedrige Schwingungen, zu eliminieren.
In dem A/D-Wandler 66 wird die variierende Amplitudenkurve
bei häufigen
zeitlich äquidistanten
Punkten abgetastet, wie mit 65 angedeutet, und die entsprechenden
Amplitudenwerte werden in Digitalwerte umgewandelt. Die Digitalwerte
werden dann in einen Mikrocontroller 67 zum Weiterverarbeiten
gemäß dem Vorstehenden
eingespeist.
-
Zur
Vereinfachung wurden die verschiedenen als Beispiel dienenden Ausführungsformen
in vereinfachter und vereinheitlichter Weise beschrieben. Alle als
Beispiel dienenden Ausführungsformen können derart
modifiziert werden, dass sie die verschiedenen Möglichkeiten umfassen, die in
dem Abschnitt "Detaillierte
Beschreibung" beschrieben
sind. Beispielsweise wurde der im Allgemeinen konkave Auflageoberflächenboden
einfach als konisch dargestellt, obwohl es klar ist, dass er zu
einem Typ mit einer kontinuierlichen Auflageoberfläche oder
diskret mit stabilisierenden Ausnehmungen modifiziert werden kann. Ähnlich sind
die Ausführungsformen
omnidirektional und rotationssymmetrisch gezeigt, obwohl sie, wie
beschrieben, gleichermaßen
sehr wohl direktional oder asymmetrisch sein können. Die gezeigten zylindrischen
Gehäuseteile
und die nach innen ragenden oberen Teile können durch kontinuierliche oder
diskrete Auflageoberflächen
ringsum des vertikalen Schnitts der Referenzumfangsebene ersetzt werden.
Die verschiedenen beschriebenen Strahländerungs- und Ausgangssignalsverstärkungsverfahren
können
auch angewendet werden.