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Die vorliegende Erfindung betrifft
Verbesserungen an Winkelsensoren.
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In der US-A-5794355 wird ein Container
beschrieben, der von einem Paar konzentrisch ausgerichteter halbkugelförmiger Oberflächen gebildet wird.
Der Container ist mit einem viskosen Fluid sowie einer Blase aus
einem leichteren Fluid gefüllt
und befindet sich zwischen einer Strahlungsquelle und einem Strahlungsdetektor.
Die Blase ändert
ihre Position in dem Container, wenn der Sensor bewegt wird, und
sendet ein Strahlenbündel
von der Strahlungsquelle durch die Blase, um einen Abschnitt des
Strahlungsdetektors zu aktivieren, während der Rest der Strahlung
von dem Fluid blockiert wird. Eine Zweiachsen-Winkelerfassung erfolgt
mit Hilfe eines Strahlungsdetektors, der ein zweidimensionales Feld
von Gitterelementen (z. B. Fotodioden) umfasst.
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Die Anordnung der US-A-5794355 ist
mit einer Reihe von Problemen behaftet. Zunächst muss der zweidimensionale
Strahlungsdetektor zur Erzielung eines Messbereichs von n Messeinheiten
n*n Gitterelemente haben. Mit zunehmendem Wert von n wird der Strahlungsdetektor
immer größer und
teurer. Zweitens können
zufällige
Messfehler im Signal von dem Strahlungsdetektor groß sein.
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Ein alternatives Verfahren zum Erzielen
von Zweiachsen-Winkelmessungen wird in der US-A-5218771 in Spalte 4 auf den
Zeilen 15–19 vorgeschlagen.
Darin wird die Verwendung von zwei Winkelbewegungsdetektoren vorgeschlagen,
die mit ihren jeweiligen mittleren Achsen lotrecht zueinander ausgerichtet
montiert sind. Die Anordnung der US-5218771 ist jedoch weiterhin
mit dem Problem des zufälligen
Messfehlers behaftet.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden
Erfindung wird ein Zweiachsen-Winkelsensor vorgeschlagen, der Folgendes
umfasst:
eine erste Blasenkammer, die zwei Fluide mit unterschiedlichen
Charakteristiken hat, so dass
eine Blase in der Kammer entsteht;
einen
ersten Blasendetektor zum Erzeugen eines Signals, das die Ausrichtung
der ersten Blasenkammer in Bezug auf eine erste Detektorachse anzeigt,
indem er die Position der Blase in der ersten Blasenkammer erfasst;
eine
zweite Blasenkammer, die zwei Fluide mit unterschiedlichen Charakteristiken
enthält,
so dass eine Blase in der Kammer entsteht;
einen zweiten Blasendetektor
zum Erzeugen eines Signals, das die Ausrichtung der zweiten Blasenkammer
in Bezug auf eine zweite Detektorachse anzeigt, indem er die Position
der Blase in der zweiten Blasenkammer erfasst; und
einen Prozessor
zum Berechnen des Winkels des Sensors in Bezug auf die erste und
die zweite Messachse durch Kombinieren der Signale vom ersten und
vom zweiten Blasendetektor gemäß einem
vorbestimmten Algorithmus, wobei die Messachsen winkelmäßig von
den Detektorachsen versetzt sind.
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Anstatt die Blasendetektoren und
die Blasenkammern auf die Messachsen auszurichten und direkte unabhängige Messwerte
von den Blasendetektoren abzulesen, versetzen wir die Blasendetektoren
und Blasenkammern von den Messachsen und kombinieren die Signale
von den Blasendetektoren. Wir haben erkannt, dass, wenn die Detektorsignale an
Zufallsfehlern mit einer Gauß'schen Verteilung
leiden, der Fehler in Verbindung mit einem Blasendetektor dazu neigt,
den Fehler in Verbindung mit dem anderen Blasendetektor auszulöschen. Somit
wird die kombinierte Messung genauer sein als eine einzelne unabhängige Messung.
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Die Blasenkammern und Blasendetektoren können dann
in ein Sensorgehäuse
eingebaut werden, das auf die Messachsen ausgerichtet ist. So kann
das Sensorgehäuse
beispielsweise einen Joystick umfassen, der so gestaltet ist, dass
er mit der Hand erfasst werden kann, so dass die "Vor- /Zurückstampf'-Richtung auf eine
Messachse und die "Links-/Rechtswälz"-Richtung auf die
andere Messachse ausgerichtet ist. Alternativ kann der Sensor ein Computereingabegerät des "Maus"-Typs sein, das mit
der Hand erfasst wird, aber nicht auf die Verwendung auf einer Oberfläche begrenzt
ist. In diesem Fall ist das Sensorgehäuse so gestaltet, dass es mit
einer oder mit beiden Händen
erfasst werden kann, so dass die "Vor-/Rückwärts"-Richtung auf eine Messachse und die "Links- /Rechtswälz"-Richtung auf die andere
Messachse ausgerichtet ist. Es können
auch eine oder mehrere Tasten in einer Position vorgesehen werden,
um zu gewährleisten,
dass das Sensorgehäuse
in der bevorzugten Ausrichtung erfasst wird. In einer weiteren Alternative
kann der Sensor in einem Fahrzeug oder einem Flugzeug so montiert
werden, dass eine der Messachsen auf die Vorwärtsbewegungsrichtung ausgerichtet
ist.
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Es kann eine Reihe verschiedener
Algorithmen je nach den Ausgängen
der Detektoren verwendet werden. In einem bevorzugten Beispiel umfasst der
vorbestimmte Algorithmus Folgendes:
Addieren eines Paares von
Werten, die von den Blasendetektorsignalen abgeleitet wurden, um
den Winkel des Sensors in Bezug auf die erste Messachse zu berechnen;
und
Subtrahieren eines Paares von Werten, die von den Blasendetektorsignalen
abgeleitet wurden, um den Winkel des Sensors in Bezug auf die zweite
Messachse zu berechnen.
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Die genaue Form des Algorithmus ist
von der Winkelbeziehung der Achsen abhängig. Diese Achsen können in
einem gewünschten
Winkel voneinander versetzt sein. In einem bevorzugten Beispiel
sind die Detektorachsen jedoch im Wesentlichen im rechten Winkel
zueinander angeordnet, und die Messachsen sind im Wesentlichen in
einem Winkel von 45 Grad zu den Detektorachsen angeordnet. So können die
Blasendetektorsignale einfach addiert oder subtrahiert werden, ohne
dass eines der Signale in Bezug auf das andere Signal vor der Addition
oder Subtraktion auf- oder
abwärts
skaliert werden müsste.
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Ein weiteres Problem mit der Anordnung
der US-A-5794355 besteht darin, dass ein Teil der Strahlung durch
das viskose Fluid übertragen
werden kann, so dass es schwierig wird, die Blase zu erkennen. Die
US-A-5794355 geht dieses Problem dadurch an, dass sie dem viskosen
Fluid einen Farbstoff zugibt, um die Strahlung zu absorbieren. Darüber hinaus
gibt es keine Konstruktionsfreiheit in Bezug auf die Positionierung
des Strahlungsdetektors, d.h. er muss unmittelbar hinter dem Container
auf der gegenüberliegenden
Seite der Strahlungsquelle positioniert werden.
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In der US-A-5218771 werden die die
Blase und die Flüssigkeit
bildenden Materialien so gewählt, dass
die Grenzfläche
dazwischen äußerst reflexionsfähig ist.
Somit erfasst der Detektor von der Oberfläche der Blase reflektiertes
Licht. Ein Problem mit dieser Anordnung besteht darin, dass es keine
Konstruktionsfreiheit in Bezug auf die Positionierung des Strahlungsdetektors
gibt, d. h. er muss so positioniert werden, dass er das reflektierte
Licht von der Blase empfängt.
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Demgemäß kann eine Strahlungsquelle
zum Beleuchten der Blase mit Strahlung bereitgestellt werden, so
dass die Strahlung von der Blase gebrochen wird, wobei
ein
Strahlungsdetektor so positioniert ist, dass er die gebrochene Strahlung
von der Blase erfasst und ein Signal erzeugt, das den Winkel der
Blasenkammer anzeigt.
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Im Gegensatz zum herkömmlichen
Ansatz erfassen wir gebrochene Strahlung von der Blase. Daher braucht
dem Fluid kein Farbstoff zugegeben zu werden. Ferner nehmen wir
verschiedene Anordnungen für
die Strahlungsquelle und den Strahlungsdetektor dadurch auf, dass
entsprechende Brechungsindexe für
die Blasenkammer und die beiden Fluide gewählt werden. Dies ist in Systemen
des Standes der Technik, die reflektiertes oder durchgelassenes
Licht erfassen, nicht möglich,
da der Reflexions- oder Durchlässigkeitswinkel
unabhängig
von den Brechungsindexen fest ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung
wird eine Grenzfläche
so positioniert, dass sie die gebrochene Strahlung von der Blase
empfängt
und die gebrochene Strahlung dem Strahlungsdetektor zuführt. Dadurch
erhöht
sich die Menge an gebrochener Strahlung, die auf den Detektor fällt, wodurch
die Messgenauigkeit verbessert wird.
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Es kann eine Reihe verschiedener
Grenzflächen
bereitgestellt werden. So kann die Grenzfläche beispielsweise einen Lichtleiter
wie z. B. ein faseroptisches Kabel umfassen. In einer Anordnung
umfasst die Grenzfläche
eine oder mehrere Linsen zwischen der Blasenkammer und dem Strahlungsdetektor,
um die gebrochene Strahlung auf den Strahlungsdetektor zu fokussieren.
Alternativ kann die Grenzfläche eine
strahlendurchlässige
Projektion in der Blasenkammer umfassen. Die Projektion hat gewöhnlich eine
Fläche,
die in einem solchen Winkel angeordnet ist, dass gebrochene Strahlung
von der Blase durch die Fläche
passiert und Strahlung aus anderen Richtungen intern von der Fläche zurück in die
Blasenkammer reflektiert wird.
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Um Strahlung zu absorbieren, die
nicht von der Blase gebrochen wurde, hat die Blasenkammer vorzugsweise
einen strahlungsabsorptionsfähigen Teil
und ein strahlungsdurchlässiges
Fenster, das sich neben der Blase befindet. Dies kann dadurch erzielt
werden, dass die Blasenkammer aus zwei verschiedenen Materialien
mit verschiedenen Strahlungsabsorptionscharakteristiken hergestellt
wird. In einer bevorzugten Anordnung wird der strahlungsabsorptionsfähige Teil
jedoch von einer Beschichtung aus strahlungsabsorptionsfähigem Material
gebildet.
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In der Anordnung der US-A-5218771
werden eine einzelne Lichtquelle und ein Paar Lichtsensoren in einer
T-förmigen
Anordnung mit den Sensoren auf gegenüberliegenden Seiten der Blasenkammer
platziert. Somit erfasst jeder Sensor Licht, das von der Blase nach
rechts oder links reflektiert wurde. Die Position der Blase wird
durch Analysieren der Ausgänge der
Sensoren abgeleitet. Ein Problem mit diesem System besteht darin,
dass eine komplexe Berechnung unter Verwendung eines standardmäßigen Tabellensuchschemas
durchgeführt
werden muss, um die Position der Blase abzuleiten. Daher umfasst
der Strahlungsdetektor in einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden
Erfindung einen positionsempfindlichen Detektor, wobei die Position
der gebrochenen Strahlung an dem Detektor für die Position der Blase in
der Blasenkammer Indikativ ist. Dadurch ergibt sich ein einfacheres
Verfahren zur Positionsmessung als mit der US-A-5218771.
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Der positionsempfindliche Detektor
umfasst typischerweise ein Feld von Detektoren, z. B. ein ladungsgekoppeltes
Bauelement (CCD). Das Detektorfeld ist gewöhnlich in einer im Wesentlichen
geraden Linie angeordnet. Wenn sich die Blase über einen gekrümmten Pfad
bewegt, wird vorzugsweise eine Zylinderlinse vorgesehen, um den
gekrümmten Pfad
auf einen geradlinigen Detektor zu projizieren.
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Um zu gewährleisten, dass gebrochene Strahlung
von der Blase auf den Detektor fällt,
ist es wichtig, die Strahlungsquelle in der richtigen Position anzuordnen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Strahlungsquelle so
positioniert, dass sie die Blase mit einem Strahlenbündel beleuchtet,
das von der Mitte der Blase versetzt ist. Diese Anordnung gewährleistet,
dass der gebrochene Ausgangsstrahl einen Winkel zum Beleuchtungsstrahl
bildet. Es wird praktischerweise ein Strahlenleiter zum Leiten von Strahlung
zwischen der Strahlungsquelle und der Blase in dem gewünschten
Einfallswinkel vorgesehen.
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Der Brechungsindex des die Blase
bildenden Fluids ist gewöhnlich
geringer als der Brechungsindex des anderen Fluids. In dieser Ausgestaltung
bewirkt die Blase, dass die Beleuchtungsstrahlung divergiert, was
den Bedarf an ein oder mehreren Linsen zum Fokussieren der gebrochenen
Strahlung auf den Strahlungsdetektor erhöht. Die Blase ist praktischerweise
eine Gasblase (aber es können
auch zwei Flüssigkeiten
benutzt werden).
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Die Strahlungsquelle umfasst vorzugsweise eine
Infrarot-Strahlungsquelle, damit der Strahlungsdetektor für sichtbare
optische Hintergrundstrahlung unempfindlich sein kann.
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Wo zwei oder mehr Winkelsensoren
verwendet werden, da kann jeder seine(n) eigene(n) Strahlungsquelle
und Strahlungsdetektor haben, oder es können gemeinsame Quellen und/oder
Detektoren verwendet werden, indem sie z. B. mit unterschiedlichen
Frequenzen je nach dem jeweiligen Sensor arbeiten.
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Ein weiteres Problem mit herkömmlichen Winkelsensoren
besteht darin, dass der Sensor keinen Widerstand gegenüber Bedienereingaben
leistet.
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Es wird vorzugsweise ein Schwungrad
vorgesehen, das eine gyroskopische Kraft erzeugt, um einem Kippen
des Sensors entgegenzuwirken.
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Das Schwungrad erzeugt die Wirkung
einer stabilen Plattform, die Bediener-Feedback erhöht und zu
starke Bedienereingaben dämpft.
In einer bevorzugten Anordnung sind Mittel vorgesehen, um die Drehzahl
des Schwungrades zu variieren, um die gyroskopische Kraft zu variieren,
z. B. in Verbindung mit einem Spiel, das mit dem Winkelsensor als
Eingabegerät
gespielt wird.
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Das Schwungrad wird gewöhnlich von
einem Motor, z. B. einem Gleichstrom- oder Drehstrommotor angetrieben.
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Ein weiteres Problem in Verbindung
mit Blasenwinkelsensoren besteht darin, dass es schwierig ist zu
gewährleisten,
dass die Blase die richtige Größe hat.
Wenn die Blase zu groß oder
zu klein ist, dann kann die Genauigkeit des Sensors beeinträchtigt werden.
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Somit umfasst ein Verfahren zur Herstellung des
Winkelsensors Folgendes:
Bereitstellen eines Containers mit
einem offenen Ende;
im Wesentlichen Füllen des Containers mit Flüssigkeit;
Bereitstellen
eines Deckels mit einer oder mehreren internen Aussparungen;
Schließen des
mit Flüssigkeit
gefüllten
Containers mit dem Deckel, um eine umschlossene Blasenkammer zu
bilden, wobei nach dem Schließen
des Containers eine Gasblase in der oder in jeder internen Aussparung
eingeschlossen wird; und
Anordnen eines Blasendetektors, um
ein Signal zu erzeugen, das die Orientierung der Blasenkammer anzeigt,
indem die Position der Gasblase in der Blasenkammer erfasst wird.
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Es kann eine Reihe von Aussparungen
vorgesehen werden, aber in einer bevorzugten Anordnung wird nur
eine einzige Aussparung vorgesehen, wobei die Aussparung ein Volumen
hat, das dem benötigten
Blasenvolumen entspricht. Der Deckel ist gewöhnlich schwenkbar am Container
angebracht und wird zum Schließen
des Containers gedreht.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der
vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Winkelerkennung
die folgenden Schritte:
- (1) Bereitstellen eines
Winkelsensors, umfassend eine erste und eine zweite Blasenkammer,
die jeweils zwei Fluide mit unterschiedlichen Charakteristiken haben,
so dass eine Blase in jeder Kammer entsteht;
- (2) Erzeugen eines ersten Signals, das die Ausrichtung der ersten
Blasenkammer in Bezug auf eine erste Detektorachse durch Erfassen
der Position der Blase in der ersten Blasenkammer anzeigt;
- (3) Erzeugen eines zweiten Signals, das die Ausrichtung der
zweiten Blasenkammer in Bezug auf eine zweite Detektorachse durch
Erfassen der Position der Blase in der zweiten Blasenkammer anzeigt;
und
- (4) Berechnen des Winkels des Sensors in Bezug auf die erste
und die zweite Messachse durch Kombinieren der ersten und zweiten
Signale gemäß einem
vorbestimmten Algorithmus, wobei die Detektorachsen winkelmäßig von
den Messachsen versetzt sind.
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Die Blasenkammer ist auch vorzugsweise D-förmig, kann
aber auch genauso gut kreisförmig sein
oder eine beliebige andere praktische Form haben.
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Der Winkelsensor gemäß der vorliegenden Erfindung
kann in einer Reihe verschiedener Anwendungen eingesetzt werden.
In einem bevorzugten Beispiel wird der Winkelsensor jedoch in ein
Benutzereingabegerät
eingebaut, z. B. in eine Computer-Spielekonsole oder in einen PC.
Das Eingabegerät
kann einen Joystick umfassen, der mit einer Hand bedient wird, oder
ein Eingabegerät
des "Maus"-Typs, das mit beiden
Händen
gehalten und im freien Raum rotiert wird. Alternativ kann der Winkelsensor
so verwendet werden, dass er die Orientierung eines Fahrzeugs oder
Flugzeugs erfasst.
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Es wird nachfolgend eine Reihe von
Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Begleitzeichnungen
beschrieben. Dabei zeigt:
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1 eine
Querschnittsansicht entlang der Linie B in 2;
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2 eine
Draufsicht auf einen Zweiachsen-Winkelsensor;
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3 einen
Querschnitt entlang der Linie C in 2;
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4 eine
schematische Perspektivansicht des Zweiachsen-Winkelsensors;
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5 einen
Querschnitt durch einen Teil der Blasenkammer, wobei der Lichtweg
der Beleuchtungsstrahlung gezeigt wird, wo keine Blase vorhanden
ist;
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6 einen
Querschnitt durch die Blasenkammer, wobei der von der Blase gebrochene
Strahl gezeigt wird;
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7 ein
schematisches Diagramm der Verarbeitungselektronik des Zweiachsen-Winkelsensors;
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8–10 schematische Draufsichten
auf den Zweiachsen-Winkelsensor von 2;
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11 eine
Seitenansicht der ersten Stufe der Herstellung einer Blasenkammer;
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12 einen
Querschnitt durch die Mitte der Blasenkammer nach dem Schließen des
Deckels;
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13 einen
Querschnitt entlang Linie D in 12;
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14 einen
Querschnitt entlang Linie E in 12;
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15 eine
schematische Ansicht eines alternativen Winkelsensors mit einem
Schwingkreisel (VSG);
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16 eine
von dem Mikroprozessor implementierte Kalibrierungsroutine;
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17 eine
schematische Darstellung eines alternativen Winkelsensors mit einem
Schwungrad;
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18 eine
Perspektivansicht eines Teils eines alternativen Zweiachsen-Winkelsensors;
und
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19 eine
Draufsicht auf ein Benutzereingabegerät.
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Gemäß den 1–4 beleuchtet ein Paar Infrarot-Punktlichtquellen 1, 2 jeweils
eine jeweilige transparente gegossene Acrylharz-Blasenkammer 3, 4 mit
IR-Strahlung. Strahlung von der Blasenkammer 3 wird auf
einen IR-CCD-Liniensensor 5 und Strahlung von der Blasenkammer 4 auf
einen IR-CCD-Liniensensor 6 abgebildet. Die Bildgabeoptik
für jede Blasenkammer 3, 4 ist
identisch, und die Optik für
die Blasenkammer 3 ist in 1 ausführlich dargestellt.
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Die Blasenkammer 3 hat einen
D-förmigen Innenhohlraum
mit einer halbkreisförmigen
Oberseite 9 und einer planaren Unterseite 10.
Der Hohlraum ist teilweise mit einem ersten Fluid, Ethanol 7,
gefüllt, so
dass eine Blase 8 aus einem zweiten Fluid, Luft, bleibt,
die am oberen Rand des Hohlraums an der Oberseite 9 schwimmt.
Wie in 1 gezeigt, gewährleistet
die D-Form des Hohlraums, dass die Blase 8 an der Oberseite 9 anliegt,
aber nicht an der Unterseite 10 anliegt. Die Folge ist,
dass sich die Blase 8 leicht über einen bogenförmigen Pfad 31 neben
der gekrümmten
Oberseite 9 bewegt, während
die Blasenkammer 3 rotiert. Natürlich können auch andere Fluidkombinationen
wie Wasser und Luft oder zwei nicht mischbare Flüssigkeiten verwendet werden.
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Infrarotstrahlung von der Quelle 1 wird
mit einem konisch geformten Leiter 11 (in 4 in Perspektivansicht deutlich dargestellt)
mit parallelen Seiten 12, 13 in Richtung auf den Pfad 31 geführt. Eine Projektion 14 ist
ebenfalls auf der Ausgangsseite der Blasenkammer 3 vorgesehen.
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Die optischen Hauptbetriebsarten
des Sensors sind in 5 und 6 dargestellt. Der Deutlichkeit halber
wurden die gestrichelten Querschnittslinien in 5 und 6 weggelassen.
Gemäß 5 passiert, wenn keine Blase
vorhanden ist, Strahlung 15 von der Lichtquelle 1 im
Wesentlichen ungebrochen (abgesehen von einer geringen Brechung
an der Grenzfläche
zwischen Acryl und Ethanol) durch die Blasenkammer 3.
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Wenn eine Blase vorhanden ist, wird
der Beleuchtungsstrahl in Richtung auf die Blase gebrochen, wie
in 5 zu sehen ist und
nachfolgend ausführlich
erörtert
wird.
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Die parallelen Seiten 12, 13 des
Lichtleiters 11 bilden einen Winkel von 43° zu einer
horizontalen Linie 16. Infolge dessen wird ein Beleuchtungsstrahlenbündel von
der Lichtquelle 1 nach oben in einem Winkel von 43° in Richtung
auf die Blase gerichtet, wie durch Strahl 17 angedeutet
ist. Das Beleuchtungsstrahlenbündel
wird geringfügig
nach unten zur Acryl/Ethanol-Grenzfläche hin
gebrochen, wie durch Strahl 18 angedeutet ist. Der Stahl 18 (der
sich in der Mitte des Beleuchtungsstrahlenbündels befindet) ist von der
Mitte 33 der Blase 8 versetzt. Infolgedessen wird
das Beleuchtungsstrahlenbündel
an der Ethanol/Luft-Grenzfläche
nach unten gebrochen, wie durch Strahl 19 angedeutet ist.
Der Brechungswinkel ist aufgrund der großen Veränderung des Brechungsindexes
an der Ethanol/Luft-Grenzfläche
relativ groß.
Falls notwendig, kann der Brechungswinkel dadurch verstellt werden,
dass verschiedene Fluide gewählt
werden. Die Strahlung wird dann weiter an der Luft/Ethanol-Grenzfläche nach
unten gebrochen, wie durch Strahl 20 angedeutet ist. Schließlich wird die
Strahlung geringfügig
an der Ethanol/Acryl-Grenzfläche
gebrochen, so dass ein Ausgangsstrahl wie bei 24 angedeutet
entsteht.
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Die Brechungsindexe der Fluide sowie
die Größe der Blase 8 werden
so gewählt,
dass der Ausgangsstrahl in Richtung auf die Projektion 14 geleitet wird
und einen Winkel von 43° zur
horizontalen Linie 16 bildet. In einem Beispiel hat das
die Blasenkammer 3 bildende Acryl einen Brechungsindex
von 1,49, das Ethanol hat einen Brechungsindex von 1,36, und die
Luftblase 8 hat einen Brechungsindex von etwa 1,00.
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Die Projektion 14 hat eine
Oberseite 21, die einen Winkel von 43° zur horizontalen Linie 16 bildet. Die
Projektion 14 hat auch eine abgewinkelte Ausgangsfläche 23,
die im Wesentlichen lotrecht zum Ausgangsstrahlenbündel liegt.
Dadurch wird gewährleistet,
dass das Ausgangsstrahlenbündel
(wie durch Strahl 24 illustriert) von der Ausgangsfläche 23 durchgelassen
wird, ohne reflektiert zu werden.
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Während
der primäre
Lichtweg der Beleuchtungsstrahlung in 5 illustriert
ist, folgt ein Teil der Strahlung anderen Lichtwegen. So wird z.
B. ein Teil der Strahlung von der fernen Wand der Blase reflektiert
und in die Blase zurückgestreut.
Dies führt
zu einer gleichmäßigen Hintergrundbeleuchtung.
Die Vorder- und Rückwand
des Hohlraums im unteren Teil der Kammer trägt eine D-förmige, optisch absorptionsfähige Beschichtung 25, 26 (in 3, 5 und 6 gezeigt),
um diese Hintergrundbeleuchtung zu dämpfen. Zusätzlich wird evtl. Streustrahlung,
die in einem Winkel von weniger als dem kritischen Acryl/Luft-Winkel
von 42° auf
die schräge
Ausgangsfläche 23 fällt, in
die Blasenkammer zurück
reflektiert.
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Wieder bezugnehmend auf die 1 und 2, eine Weitwinkel-Plankonkavlinse 27 sowie
ein Paar doppelt konvexer Linsen 28, 29 bilden
die Strahlung von der Projektion 14 auf eine flache Ebene
(nicht dargestellt) ab. Zwei doppelt konvexe Linsen 28, 29 werden
verwendet, weil die benötigte
Fokallänge kurz
ist, und dies lässt
sich leichter mit einem Paar Linsen erzielen. Eine Zylinderlinse 30 modifiziert
den Lichtweg so, dass der halbrunde Pfad 31 unabhängig von
der Änderung
der vertikalen Position auf den geraden Liniensensor 5 abgebildet
wird, wenn sich die Blase 8 in dem halbkreisförmigen Bogen
bewegt. Die Zylinderlinse 30 hat die zusätzliche
Funktion, die anscheinende Bewegung der Strahlung von der Blase zu
expandieren, während
sich die Blase in Richtung auf die Wegaußengrenzen bewegt. Während ihrer Bewegung über den
Pfad 31 wird der Blasenweg in der Horizontalen proportional
reduziert, aber die Zylinderlinse 30 hat die Wirkung, dies
zu einer lineareren Verschiebung entlang des Liniensensors 5 zu
expandieren.
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Die Liniensensoren 5, 6 sind
praktischerweise auf jeweiligen Leiterplatten 34, 35 montiert.
Die optische Achse der Linsen ist optimal auf die Mitte des Pfades 31 der
Blase in der Kammer ausgerichtet.
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Gemäß 7 werden die Erfassungssignale 40, 41 von
den CCD-Liniensensoren 5, 6 zu einem Einzelchip-Microcontroller 42 geführt, der
ein intern gespeichertes Programm ausführt. Der Microcontroller 42 wandelt
die analogen Erfassungssignale 40, 41 für jedes
Pixel jedes Liniensensors 5, 6 mit einem auf dem
Microcontroller befindlichen A/D-Konverter in einen digitalen Wert
um. Der Microcontroller 42 führt auch zusätzliche
Funktionen aus, wie z. B. Prüfen
auf Tastenschalterschließungen
von einem Tastenfeld 43, die Anzeige von anwendergewählten Konfigurationen
mit einem Symboldisplay 44 sowie Speichern oder Abrufen
von Konfigurationseinrichtungen und/oder Kalibrierungsdaten in einem
nichtflüchtigen Speichergerät 45.
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Der Microcontroller 42 errechnet
den Winkel des Sensors und kommuniziert den Winkel des Sensors (und
eventuelle sonstige Daten) zu einem Host-Controller 46 (wie
z. B. einer Computerspielekonsole oder einem PC). Der Winkel wird
mit Bezug auf lotrechte Messachsen X, Y (in 2 und 4 dargestellt)
mit dem nachfolgend mit Bezug auf die 8-10 erörterten Algorithmus errechnet.
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In den schematischen Darstellungen
der 8-10 sind die beiden Liniensensoren 5, 6 mit
+/- Positionen in derselben Richtung dargestellt wie die Blasenkammern 3, 4.
In der Praxis wird die Blasenverschiebung aufgrund der Umkehr des
Bildes durch die Linsen 27–30 als eine Bewegung
in der der Blasenbewegung entgegengesetzten Richtung erfasst. Diese
Umkehr wird in praktischen Implementationen berücksichtigt, wurde jedoch der
Deutlichkeit halber in den 8-10 ignoriert.
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Die Liniensensoren 5, 6 sind
auf lotrechte Detektorachsen A, B mit 45° zu den X- und Y-Messachsen ausgerichtet.
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In 8 wurde
der Sensor im Uhrzeigersinn um die Y-Achse wie bei 50 angedeutet
gedreht. Die Folge ist, dass sich die Blase 8 (und auch
der entsprechende helle Fleck 8' auf dem Liniensensor 5)
in der positiven Richtung A bewegt hat. Die Blase 51 (und
der zugehörige
helle Fleck 51' auf
dem Liniensensor 6) hat sich in der negativen B-Richtung
bewegt.
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In 9 wurde
der Sensor gegen den Uhrzeigersinn um die X-Achse wie bei 52 angedeutet
gedreht. Blase 8 und Blase 51 haben sich jeweils
in den negativen Richtungen A und B bewegt.
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In 10 wurde
der Sensor im Uhrzeigersinn um die Y-Achse wie bei 50 angedeutet
und gegen den Uhrzeigersinn um die X-Achse wie bei 52 angedeutet
gedreht. Infolge dessen hat sich diese Blase 8 zur Mitte
der Kammer zurückbewegt,
während
sich die Blase 51 in Richtung auf das negative B-Ende der
Kammer bewegt hat.
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Der Microcontroller 42 implementiert
somit den folgenden Algorithmus. Dabei gilt:
Blasenposition
in der Mitte = 50
Volle positive Bewegung = 101
Volle
negative Bewegung = 0
A = Position von Blase 8 in
Richtung A
B = Position von Blase 51 in Richtung B θy = A – Bz.
B. für
A = 50, B = 50 (Mitte um Y-Achse) θy = 50 – 50
= 0z. B. für
A = 70, B = 30 (Rechtswälzen
um Y-Achse) θy = 70 – 30
= 40z. B. für
A = 101, B = 0 (volles Rechtswälzen
um Y-Achse) θy = 101 – 0
= 101z. B für
A = 35, B = 65 (Linkswälzen
um Y-Achse) θy = 35 – 65
= –30z.
B. für
A = 0, B = 101 (volles Linkswälzen
um Y-Achse) θy = 0 – 101
= –101
θx = ((Mitte – A) + (Mitte – B))z.
B. für
A = 50, B = 50 (Mitte um X-Achse) θx = ((50 – 50) – (50 – 50) = 0z. B. für A = 30,
B = 30 (Vorwärtsstampfen
um X-Achse) θx = (50 – 30)
+ (50 – 30)
= 40z. B. für
A = 65, B = 65 (Rückwärtsstampfen
um X-Achse) θx = ((50 – 65) + (50 – 65)) = –30.
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Die Werte θx und θY werden vom Microcontroller 42 zum
Host 46 ausgegeben und können (zum Beispiel) zum Ausgeben
von Befehlen zu einem Computerspiel verwendet werden, das vom Host 46 ausgeführt wird.
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Ein Verfahren zur Herstellung von
einer der Blasenkammern 3, 4 wird nachfolgend
mit Bezug auf die 11-14 beschrieben. Die Acrylblasenkammer wird
als offener D-förmiger
Container 16 mit einem Flansch 62 ausgebildet,
der um seine Unterkante verläuft.
Ein Deckel 61 ist mit einem gefederten Scharnier 63 am
Container 60 befestigt. Der Deckel 61 hat auch
eine kuppelförmige
Aussparung 65 sowie ein flexibles U-förmiges Arretierelement 64.
Der Container wird bis zum Rand mit Ethanol gefüllt, dann wird der Deckel 61 geschlossen
und mit dem Flansch 62 gesperrt, der wie in den 12-14 gezeigt im U-förmigen Arretierelement 64 aufgenommen
wird. Dadurch bleibt eine Luftblase mit einem Volumen zurück, das
etwa dem Volumen der Aussparung 65 in der Blasenkammer
entspricht. Es kann mehr als eine Aussparung 65 im Deckel 61 ausgebildet
werden, wenn dies zum Erzeugen einer größeren Blase nötig ist.
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In der alternativen Ausgestaltung
von 15 erzeugt ein digitaler
Schwingkreisel 70 (wie z. B. der von Murata hergestellte
Sensor ENC-05E) ein elektronisches Signal, das Betrag und Richtung
der Bewegung in Grad um die X-Achse anzeigt. Eine zylindrische Blasenkammer 71 enthält zwei
Fluide mit unterschiedlichen Charakteristiken, so dass eine Blase 72 in
der Kammer 71 entsteht. Eine Leuchtdiode 73 sendet
einen schmalen Lichtstrahl durch die Mitte der Blasenkammer 71 in
Richtung auf einen Lichtsensor 74 aus. Sobald die Blase 72 den
Mittelpunkt passiert, wird sie vom Sensor 74 erfasst.
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Ein Microcontroller 75 implementiert
die in 16 gezeigte Kalibrierungsroutine.
Der Microcontroller liest das Signal vom VSG bei 76 und
prüft die Position
der Blase bei 77. Wenn sich die Blase in der mittleren
Position (78) befindet, wird das Signal vom VSG bei 79 genullt.
Die kalibrierten Daten werden dann bei 80 zu einer CPU 81 zurückgegeben.
Zwei der Geräte
von 15 können so
positioniert werden, dass ein Zweiachsen-Winkelsensor des in 1 gezeigten Typs erzeugt
wird.
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In einer weiteren alternativen Ausgestaltung, die
in 17 dargestellt ist,
erzeugt ein Winkelsensor 90 (z. B. der Blasenwinkelsensor
von 1 oder der VSG-Winkelsensor
von 15) ein Signal,
das die Ausrichtung des Sensors anzeigt. Ein Schwungrad 91 (das
vorzugsweise in der Form eines AC-Synchronmotors vorliegt) wird
um die Z-Achse gedreht, um eine gyroskopische Kraft zu erzeugen,
wenn der Sensor 90 um die X-Achse zu einer Seite geschwenkt
wird. Dieser Widerstand erzeugt den Effekt einer stabilen Plattform,
die Bediener-Feedback und Spielvergnügen erhöhen kann, und dämpft eine
zu starke Eingabe seitens des Bedieners.
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Ein Controller 92 ist vorgesehen,
um die Drehzahl des Schwungrads 91 in Verbindung mit einem
bestimmten gespielten Spiel zu ändern.
Wenn also das Schwungrad 91 beschleunigt wird, dann wird
es für
den Bediener schwieriger, den Sensor zu schwenken, und wenn das
Schwungrad 91 verlangsamt wird, wird es leichter, den Sensor
zu schwenken.
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In einer weiteren Anwendung kann
ein Schwingeffekt dadurch erzielt werden, dass das Schwungrad wiederholt
und schnell beschleunigt und verlangsamt wird.
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18 ist
eine Perspektivansicht eines alternativen Winkelsensors. Eine gekrümmte röhrenförmige Blasenkammer 100 wird
auf die Achse A ausgerichtet und enthält eine Luftblase 101,
die sich entlang der Blasenkammer 100 bewegt, wenn die
Blasenkammer um die Detektorachse B gedreht wird. Fünf Leuchtdioden 102–106 sind
in gleichem Abstand auf einer Seite der Blasenkammer 100 angeordnet.
Fünf Lichtdetektoren 107–111 sind
auf der gegenüberliegenden
Seite der Blasenkammer 100 angeordnet. Somit können fünf aufeinander
folgende Positionen der Blase 101 erfasst werden. In diesem Beispiel
ist der Sensor praktischerweise so angeordnet, dass die Leuchtdioden 102–106 und
die Detektoren 107–111 ihre
Informationen gemeinsam nutzen önnen,
so dass zweimal so viele Inkremente entstehen wie Detektoren vorhanden
sind. Eine zweite Blasenkammer (nicht dargestellt) sowie ein zweiter
Satz von Dioden/Detektoren (nicht dargestellt) wird auf die B-Achse
ausgerichtet, so dass ein Zweiachsen-Sensor ähnlich dem Sensor von 1 entsteht. Die Signale
von den zehn Detektoren werden zum Errechnen der Ausrichtung des
Sensors in Bezug auf die Messachsen X, Y kombiniert.
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19 ist
eine Draufsicht auf ein Computerspielkonsolen-Eingabegerät 90,
in dem sich ein Winkelsensor (nicht dargestellt) befindet. Es kann
jeder beliebige der in den 1–10, 15, 17 oder 18 gezeigten Sensoren verwendet
werden. Wie in 19 gezeigt,
ist das Sensorgehäuse 91 mit
einem Satz von Knöpfen 92 und
einem Cursor-Controller 93 ausgestattet. Der Sensor (nicht
dargestellt) ist mit seinen Detektorenachsen A, B und Messachsen
X, Y wie in 19 gezeigt
angeordnet. Das Eingabegerät 90 ist so
ausgelegt, dass es mit beiden Händen
erfasst werden kann, wobei die Knöpfe 92 mit dem rechten Daumen
und der Cursor-Controller 93 mit dem linken Daumen betätigt werden.
Dadurch wird gewährleistet,
dass die Y-Messachse vom Bediener aus gesehen direkt nach vorne
zeigt. Das Gehäuse 91 kann auch
so geeignet gestaltet sein (z. B. rechteckig oder dreieckig), dass
gewährleistet
wird, dass das Eingabegerät
in der richtigen Ausrichtung gehalten wird.
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Das Eingabegerät 90 ist beim Gebrauch
mit einer Computerspielekonsole oder einem PC über ein flexibles Kabel (nicht
dargestellt) verbunden. Somit wird die Steuerung eines Spiels dadurch
erzielt, dass das Gerät
im freien Raum gehalten und nach links oder rechts gekippt wird,
um einen Links- oder Rechtsbewegungsbefehl auszugeben.