DE69735058T2 - Neigungssensorvorrichtung und -betriebsverfahren - Google Patents

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Description

  • 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.

Claims (42)

  1. Neigungserfassungsvorrichtung (1), umfassend: a) ein Gehäuse (7), b) einen Strahlungssender (2, 31) und einen Strahlungsempfänger (3, 32), die in oder an dem Gehäuse angeordnet sind, um einen Strahlpfad dazwischen zu bilden, c) einen Körper (13), der eine Strahlung behindert oder ablenkt und bezüglich des Strahlpfades beweglich ist, und d) eine Auflageoberfläche für den Körper, 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 ausgelegt sind, dass sich unterschiedliche Ausgangssignale von dem Strahlungsempfänger in Abhängigkeit davon ergeben, welche der Auflagepositionen durch den Körper eingenommen ist, dadurch gekennzeichnet: – dass die Größe des beweglichen Körpers (13), ausgedrückt als der Durchmesser einer Kugel mit einem entsprechenden Volumen, kleiner als 10 mm ist; – dass die Vorrichtung mindestens eine Kollimationslinse oder eine Sammellinse (4, 4') umfasst; – dass in zumindest einer Auflageposition die Auflageoberfläche derart ausgelegt ist, dass sich nur eine Punktberührung mit dem Körper (13) ergibt; und dadurch, – dass eine Linse (4') derart angeordnet ist, dass sich zumindest ein Berührungspunkt mit dem Körper (13) ergibt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des beweglichen Körpers (13) geringer als 3 mm ist und 0,01 mm überschreitet.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (7) zumindest einen Teil der Auflageoberfläche umfasst.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (7) einen Teil eines Hohlraumes (12) bildet, der zumindest den Strahl und den beweglichen Körper (13) umschließt.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (12) ein Gas enthält.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung eine elektromagnetische Strahlung in einem Frequenzbereich zwischen Ultraviolett und Infrarot umfasst.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (2) eine Leuchtdiode und der Empfänger (3) eine Photodiode oder einen Phototransistor umfasst.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (2) und der Empfänger (3) einen Transceiver (17, 21) umfassen.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (31) und der Empfänger (32) derart angeordnet sind, dass sie im Wesentlichen in die gleiche Richtung gerichtet sind.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (2) und der Empfänger (3) gegenüberliegend angeordnet sind, wobei sie sich bei einem gemeinsamen Abstand einander gegenüberstehen.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangssignalsdifferenz auf einem unvollständigen Abschirmungsmechanismus basiert, bei dem ein gewisser Übertragungspegel beibehalten wird und die Abschirmungspegel einen Hinweis auf die Position des Körpers (13) geben.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche Körper (13) ihn gegenüber seiner Umgebung abhebende Absorptionseigenschaften hat.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper bezüglich der Strahlung transparent und brechend ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zum detektierbaren Ändern der Strahlungsfrequenz zwischen dem Sender (2) und dem Empfänger (3) bereitgestellt wird.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (13) kugelförmig ist.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (13) eine Mehrzahl von Unregelmäßigkeiten aufweist.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflageoberfläche zumindest eine Oberfläche mit kontinuierlichen Auflagepositionen umfasst, über die sich der Körper (13) in Reaktion auf verschiedene Neigungswinkel frei bewegen kann.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflageoberfläche zumindest eine eigenständige Auflageposition umfasst, die derart angeordnet ist, dass der Körper (13) stabil gehalten wird, und dass eine Aktivierungsenergie zum Verschieben des Körpers daraus erforderlich ist.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die eigenständige Auflageposition derart angeordnet ist, dass sie eine Winkelhysterese zum Verschieben zu bzw. von der Position bereitstellt.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei eigenständige Auflagepositionen vorgesehen und derart konstruiert sind, dass es für den Körper (13) keine stabile Position dazwischen gibt.
  21. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflageoberfläche Auflagepositionen um den gesamten Umfang einer Querschnittsreferenzebene durch den Strahlpfad und parallel zum Strahlpfad bereitstellt.
  22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Umfang eine Schnittkontur mit einer konkaven Gestalt und eine Schnittkontur mit einer einwärts vorstehenden oder konvexen Gestalt umfasst, um zu vermeiden, dass sie von dem Körper eingenommen wird.
  23. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflageoberfläche Endpunkte für die Bewegungen des Körpers lateral zum Strahl bereitstellt, wobei der Abstand zwischen den Endpunkten weniger als das fünffache des Körperhauptdurchmessers und mehr als die Hälfte des Durchmessers be trägt.
  24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflageoberfläche im Wesentlichen rotationssymmetrisch bezogen auf eine Rotation der Referenzebene ist.
  25. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (2) und der Empfänger (3) zumindest teilweise gegen die Auflageoberfläche oder das Gehäuse abgedichtet sind.
  26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung derart gemacht ist, dass der Sender (2) und der Empfänger (3) nur teilweise eingeschlossen sind.
  27. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (2) und/oder der Empfänger (3) größer als der bewegliche Körper (13) sind/ist.
  28. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Auflageposition der Auflageoberfläche derart angeordnet ist, dass sich nur eine Punktberührung mit dem Körper (13) ergibt.
  29. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflageoberfläche derart angeordnet ist, dass sich zumindest zwei Berührungspunkte ergeben.
  30. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Berührungspunkte an einer Ausnehmung in der Auflageoberfläche vorgesehen sind, wobei die Ausnehmung mit dem Körper (13) nicht kongruent ist.
  31. Vorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Berührungspunkt von einem vorstehenden Mittel in Form einer Spitze oder einer anderen Struktur bereitgestellt wird, wobei sich der Berührungspunkt außerhalb einer Linie zwischen zwei anderen Berührungspunkten oder innerhalb des Umfangs, der durch drei oder mehr Berührungspunkte definiert wird, befindet, und der den Körper (13) von den anderen Punkten anhebt.
  32. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflageposition in dem Strahlpfad angeordnet ist.
  33. Verfahren zum Betreiben einer Neigungserfassungsvorrichtung des Typs, der einen Strahlungssender (2, 31) und einen Strahlungsempfänger (3, 32), die derart angeordnet sind, dass sie einen Strahlpfad dazwischen bilden, und einen Körper (13) umfasst, der aufgrund der Schwerkraft bezüglich des Strahlpfades beweglich ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des beweglichen Körpers (13), ausgedrückt als Durchmesser einer Kugel mit einem entsprechenden Volumen, kleiner als 10 mm ist, dass eine Linse (4') derart angeordnet ist, dass sich zumindest ein Berührungspunkt mit dem Körper (13) ergibt und dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Überwachen des Ausgangssignals von dem Empfänger (3, 32), um eine Funktion (52, 62) der Amplitude über der Zeit zu erhalten, und – Verarbeiten der Daten von der Funktion, um ein modifiziertes Signal zu erhalten
  34. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass es den Schritt des Abtastens diskreter Werte von dem Ausgangssignal umfasst, um die Funktion darzustellen.
  35. Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass es den Schritt des Durchführens des Abtastens auf digitale Weise in dem Sinne, dass die Amplitude mit einem Referenzpegel (56) verglichen wird, und des Einstellens der entsprechenden Werte auf eine binäre 1 oder 0 in Abhängigkeit davon umfasst, ob sich die Amplitude über oder unter dem Referenzpegel befindet.
  36. Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass es den Schritt des Durchführens des Abtastens auf analoge Weise in dem Sinne umfasst, dass absolute Amplitudenwerte (65) wiederholt aufgezeichnet werden.
  37. Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass es den Schritt des Umwandelns analoger Werte in digitale Werte (66) vor dem Weiterverarbeiten umfasst.
  38. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass es den Schritt des Verarbeitens der Daten in Echtzeit umfasst.
  39. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass es den Schritt des gleichzeitigen Verarbeitens von zumindest zwei Werten der Funktion zu einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt umfasst.
  40. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass das Verarbeiten derart durchgeführt wird, dass sich ein modifiziertes Signal analog zu einer Dämpfung der Bewegungen des Körpers (13) ergibt.
  41. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitung derart durchgeführt wird, dass sich ein modifiziertes Signal analog zu einer Antwort einer kalibrierten Vorrichtung ergibt.
  42. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass das Verarbeiten derart durchgeführt wird, dass sich ein modifiziertes Signal analog zu einer Hystereseantwort von dem Körper (13) ergibt.
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