WO2003081175A1 - Tilt sensor - Google Patents

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WO2003081175A1
WO2003081175A1 PCT/EP2003/002975 EP0302975W WO03081175A1 WO 2003081175 A1 WO2003081175 A1 WO 2003081175A1 EP 0302975 W EP0302975 W EP 0302975W WO 03081175 A1 WO03081175 A1 WO 03081175A1
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electrodes
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PCT/EP2003/002975
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Heinz KÜCK
Daniel Warkentin
Daniel Benz
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Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V.
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Definitions

  • the present invention relates to tilt sensors, and more particularly to inexpensive tilt sensors for a variety of applications.
  • inclination sensors can be used for a variety of household, industrial and research applications. Examples of this are rollover sensors in motor vehicles, monitoring sensors for alarm systems in vehicles and buildings, position sensors for automated machines, irons, washing machines etc. Tilt sensors are known in the prior art, the mode of operation of which is based on various principles. For example, inclination sensors are known in order to carry out a capacitance measurement in the event of a change due to inclination.
  • DE 35 45 630 C2 describes, for example, an acceleration and inclination sensor in which a magnetic material is arranged on a flat surface which is divided into four capacitor plate sectors, the magnetic material no longer lying in the middle of the flat surface depending on the inclination, but shifts and deforms in the direction of the incline, so that capacitance changes occur, which are formed by two of the four capacitor plates.
  • DE 41 06 932 AI discloses an inclination sensor with an asymmetrical ro- gate, which always remains parallel to gravity, while a housing in which the rotor is suspended rotates at an incline. The position shift of the rotor to capacitor electrodes on the housing provides a measure of the inclination of the inclination sensor.
  • Additional inclination sensors carry out a capacitance measurement when there is a change in an area covered by a dielectric.
  • inclination sensors which carry out thermal detection of the inclination by means of a temperature difference (convection) which arises when the inclination is tilted.
  • Other inclination sensors measure the inclination-dependent conductivity of a liquid with its height variation. This principle is also referred to as the conductometric principle.
  • Still other inclination sensors detect a tilt by measuring a mechanical tension resulting therefrom. This principle is also called the piezoresistive principle.
  • Still other inclination sensors carry out an optical measurement of the inclination by refraction or reflection at interfaces.
  • DE 1790620 Ul shows an inclination sensor with a metal ball that runs on a curved path.
  • the curved track is provided on the one hand with a resistance layer and on the other hand with a contact rail.
  • the metal ball can also be replaced by a drop of mercury.
  • the position of the metal ball or the drop of mercury is measured with a detection circuit of the bridge circuit type based on the ohmic resistance between the resistance layer and the contact bar.
  • ohmic resistance layers are arranged along a curved path, on which there is a movable electrical contact in the form of a drop of mercury. Depending on the position, an electrical bridge is formed between the two ohmic resistance layers.
  • DE 4238930 AI discloses a position change sensor integrated in a printed circuit board.
  • a disk-shaped movement space is provided for the ball, into which various electrodes protrude.
  • the ball moves to a different location in the disk-shaped movement space due to gravity and therefore short-circuits a different pair of electrodes than before the change in position.
  • DE 4114992 C1 discloses an acceleration and inclination sensor which consists of a cavity which is formed in a conical shape in the sensor housing with the tip pointing downward, with contact pieces arranged on the interior surfaces of the cavity, and a contact body which is positioned in the cavity according to the inclination of the sensor housing.
  • DE 4031344 AI discloses an electronic inclination measuring device with a ceramic substrate on which three electrodes are shown in a comb-like engagement situation. Furthermore, a vessel with a liquid is shown, in which an electrode is partially immersed.
  • the liquid can be an electrical conductor or a dielectric, different liquid levels leading to different electrical properties of the comb-like interdigitated electrode pairs.
  • the object of the present invention is to provide an inexpensive and simple inclination sensor.
  • the present invention is based on the knowledge that an inclination sensor with a path along which a movable element can move depending on the inclination of the inclination sensor and with a detection device for detecting the position of the movable element along the path and / or a change over time the position of the movable element along the track is inexpensive to manufacture and simple to assemble.
  • a movable element a rolling element, such as. B. used a ball or a cylinder, its position on the curved path indicates the tilt of the sensor to the gravitational field with respect to an axis. It is further preferred to determine the position either capacitively or galvanically using an electrode structure.
  • the path is designed as a curved path.
  • the same effect can also be achieved by a straight track and a curved rolling element or by both the track and the rolling element having curved surfaces.
  • the tilt sensor principle according to the invention is advantageous in that it can be easily constructed from a few components. Due to this uncomplicated sensor design, the inclination sensor according to the invention can be flexibly scaled for any application. In this way, larger inclination sensors can be produced in order to detect the inclination of larger objects, or else small inclination sensors to detect the inclination of smaller objects.
  • Another advantage of the present invention is that the curved path can be carried out inexpensively in plastic, and that standardized and inexpensive plastic injection molding production processes in particular can be used without further ado.
  • Another advantage of the present invention is that no temperature compensation device is required for the inclination sensor according to the invention. Another advantage of the present invention is that the inclination sensor is independent of changes in the amount of gravitational acceleration.
  • FIG. 1 shows a three-dimensional schematic view of an inclination sensor according to a preferred exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of an electrode arrangement for detecting the inclination of the inclination sensor and also the direction of inclination;
  • FIG. 5 shows an alternative exemplary embodiment of an electrode arrangement for absolute inclination measurement
  • FIG. 6 shows a basic circuit diagram for measuring the inclination as an analog output signal
  • FIG. 7 shows a schematic basic illustration for the arrangement of two conductor structures, which are formed by means of a
  • Liquid film are electrically connected, the resistance changes depending on the inclination; 8 shows a schematic illustration of a tilt sensor with an electrode arrangement for capacitive tilt detection; and
  • Fig. 9 shows a preferred embodiment of line electrodes and reference electrodes which can be arranged in repeating groups in the path of the movable element.
  • the inclination sensor according to the invention comprises a movable element 10 in the form of a rolling element.
  • the rolling element 10 is accommodated in a curved path 20, the curved path 20 having a radius of curvature with respect to an inclination axis 12.
  • the curved path 20 is accommodated in a housing which has an upper housing part 30 and a lower housing part 40.
  • the sensor can also be designed such that the housing is constructed from one or more side parts.
  • a detection device 50 which is designed to detect the position of the movable element along the path and / or to change the position of the movable element along the path over time.
  • the housing which consists of the upper housing part 30 and the lower housing part 40
  • the housing is formed from plastic and in particular from polymer plastic
  • both the upper housing part 30 and the lower housing part 40 being plastic injection molded parts.
  • the movable element is shown as a rolling element and in particular as a ball.
  • the curved path is designed as a groove, the cross section of which is shown at 14.
  • the upper housing part 30 and the lower housing part 40 are preferably designed such that half of the groove is formed in one housing part, in such a way that the assembly is simple since the movable element can simply be placed in the lower housing part and then to place the upper part of the housing on the lower part of the housing together with the gutter.
  • the channel can also be provided entirely in a housing part, the movable element, such as. B. a ball can be inserted laterally into the channel, after which the insertion opening can be closed by means of a plug for operation of the inclination sensor.
  • the curved track 20 is shown as a gutter in FIG. 1, this is not necessarily the case.
  • the curved path could also simply be a curved flat surface on which the ball can move depending on the inclination, but on which there is also a cylindrical rolling element or even a drop of a conductive liquid with a high surface tension, such as e.g. B. mercury could move.
  • a spherical rolling element in the channel 20 of FIG. 1, but that a cylindrical body can also be provided which does not roll along the channel, but rather because of the channel gravity is pushed back and forth.
  • the gutter can be carried out that any rotationally symmetrical body can roll in it.
  • Other rolling elements that are not rotationally symmetrical such as, for. B. a rolling element with a curved surface, which is in the form of a segment of a circle in cross section and with its curved surface can roll back and forth on the track over a limited area.
  • the electrode arrangement 50 in FIG. 1 is schematically outlined as parallel individual electrodes.
  • voltage can always be applied to two adjacent individual electrodes, and the rolling element is made of a conductive material or has a conductive surface, so that, depending on its position, two adjacent electrodes are short-circuited in such a way that the position of the rolling element can be determined by a current flow through two adjacent electrodes.
  • the individual electrodes are applied in the guide trough which has a curved surface which has a direct influence on the resolution and the measuring range of the sensor.
  • the curvature is represented by a path radius r path .
  • the electrode structure 50 can be designed in such a way that individual electrodes are arranged inside the channel. Depending on the arrangement of the electrodes, different sensor principles can be implemented. B. an incremental counting of the short circuits to detect the position of the movable element along the path, a measurement of the times between the short circuits by one to record a change in the position of the movable element along the track over time, a measurement of the change in resistance via the short circuit, or a measurement of the change in capacitance due to a displacement of the rolling element along the track.
  • a damping of the movable element with a fluid introduced into the channel in order to positively influence the sensor characteristic.
  • a fluid introduced into the channel in order to positively influence the sensor characteristic.
  • a liquid or a gas under pressure can be used here.
  • the individual electrodes of the electrode arrangement 50 are arranged in such a way that when the rolling element 10 takes on the lowest possible position within the groove 20 due to gravity in the earth's magnetic field, two electrodes lying in the groove are electrically connected by the rolling element. An electrical current can thus flow through this connection, which is detected by suitable electronics, as is shown, for example, in FIG. 4. If the distance between two adjacent electrodes is known, the respective inclination of the sensor can thus be determined by counting the short-circuit current pulses.
  • the inclination sensor is designed as an incremental sensor, this means that a single current pulse corresponds to the minimum detectable angle, which is determined by the structural distances between the electrodes and the radius r path of the channel.
  • S ⁇ n is the pitch of the electrode structure produced.
  • s min is measured as the distance between the centers between two individual electrodes of the electrode arrangement 50.
  • the electrode arrangement comprises a central electrode 51, which extends along the curved path and only at a rest position 60, which the rolling element 20 assumes when no inclination is applied, is interrupted by a reference electrode 52 and is located on the other side of the Rest position 60 extends continuously in the channel.
  • the electrode arrangement further comprises a first comb-like electrode arrangement 53 and a second comb-like electrode arrangement 54, the first comb-like electrode arrangement 53 being also referred to as L2, while the second comb-like electrode arrangement 54 is also referred to as L3.
  • the single electrodes extending across the curved path 20, with the curved path along the electrode
  • the processor unit shown in FIG. 4 comprises inputs 62 for lines 51, 52, 53 and 54, a counter 63 for counting the short circuits, preferably between line L1 and either line L2 or line L3, in order to determine the absolute position, and an arithmetic unit 64 and a memory 65 in order to carry out the described algorithm for determining the direction of the ball.
  • the reference line 52 is also present, with a short circuit in which the reference line 52 is involved, such as. z. B.
  • a short circuit between line 52 and line 53 indicates that the ball is in its reference position, which is, for example, a horizontal state of the tilt sensor of FIG. 1, in which the ball is positioned in the "valley" of the curved path.
  • the reference electrode 52 of FIG. 3 can also be used for sensor calibration.
  • the reference electrode 52 which is installed in a precisely defined position in the inclination sensor, is used to calibrate the sensor zero point during operation. In the event of a pulse through this electrode, the measured value can thus be reset by the electronics of FIG. 4.
  • the electronics evaluate the current pulses in several steps.
  • the counter 63 first registers the incoming pulses. Each pulse corresponds to the given by the dimensioning of the sensor size and the line width of the electrode result incremental angle O m i n, which is shown in Fig. 2.
  • O m i n incremental angle
  • the total measured value is therefore adapted in accordance with the direction of inclination, ie incremented or decremented.
  • the direction of inclination is determined by the electronics recognizing the sequence of the conductor tracks contacted and thus determining the direction of the inclination on the basis of the algorithm stored in the memory. It should be noted that malfunctions can occur continuously during operation, such as. B. a power failure of the electronics, a skipping of impulses due to strong vibrations etc. It is therefore preferred to read out at least the reference electrode 52 which, when contacted, causes the current measured value to be compared with the value stored in the memory and, if there is a deviation, accordingly is corrected.
  • the processor system described can be, for example, a high-frequency clocked microprocessor to which the electrodes are connected individually.
  • the electrodes can be combined into suitable groups, as shown for example in FIG. 9.
  • FIG. 9 shows a first group of so-called line electrodes L1, L2, L3, L4, which extend over the web and which intermesh with reference electrodes L Ref ⁇ , L ef2 , L Ref3 and L Ref4 .
  • Such groups of line electrodes L1 to L4 and reference electrodes L Re n to L Ref4 can be arranged one after the other in order to fill up an entire path of a movable element.
  • the arrangement of the line electrodes and the reference electrodes is such that always with reference to a
  • Short circuit between a lead electrode and a reference electrode can be determined where the movable element is within a group. If, for example, there is a short circuit between the reference electrode L Ref ⁇ and the line electrode L4, it is immediately known that the movable element, such as a ball that short-circuits the two electrodes mentioned, is arranged at the top in FIG. 9, since only on this Position a short circuit between the first reference electrode and the fourth lead electrode is possible. If, on the other hand, it is found that there is a short circuit between, for example, the third reference electrode L Ref3 and the third line electrode, it is also known exactly where the ball is, since this short circuit is only possible at a specific position along the path shown in FIG ,
  • a group of line electrodes and reference electrodes is arranged so that they engage in one another in such a way that the absolute position of the ball within a group of line electrodes and reference electrodes can be precisely determined on the basis of a short circuit between a specific line electrode and a specific reference electrode.
  • the distance covered by the interlocking line electrodes and reference electrodes from FIG. 9, that is to say the distance from the lowest line electrode L1 to the uppermost reference electrode L Ref i /, will not be large enough to equip a complete inclination sensor.
  • the position of the ball is then determined by firstly detecting between which reference electrode and which line electrode there is a short circuit. If in this case many groups are arranged along the movement path, it is initially only known at which position within a group the ball is located. However, it is not yet known in which of the different groups the ball is located. However, this information can easily be obtained from the fact that previous position information of the ball is taken into account if it is also taken into account that the ball cannot, for example, jump over a complete group of lead electrodes and interlocking reference electrodes, but that it can, if at all, at most one skipped a few electrodes within a group.
  • the exemplary embodiment of the invention shown in FIG. 3 is considered, in which the ball, for example, is set up of the continuous electrode L1 rolls and whenever it also touches a partial electrode of the other line electrode L2, it generates a short circuit, so starting from an "original reference point" which is determined for example by the reference electrode 52, always based on the number of short circuits that a ball had triggered while it was rolling from one rest point to the next rest point, and the original reference information, a current position of the ball can be determined without the need for pure absolute information become.
  • the wiring complexity increases since now four line electrodes L1 to L4 and four reference electrodes have to be read out selectively in order to always determine where the short circuit is in a group.
  • the selection of the group again takes place on the basis of a history value, and if the ball moves over several groups during a change in inclination, the sequence of the short circuits between the line and reference electrodes can be evaluated, for example by counting, to determine how many groups the ball has moved based on the number of short circuits counted.
  • the number of line electrodes can be as large as desired. It should also be pointed out that the number of reference electrodes can also be arbitrary, the number of line electrodes and the number of reference electrodes need not necessarily be the same. In any case, a number of at least two line electrodes and a number of at least two reference electrodes are required for a hybrid sensor, that is to say for a mixed absolute / relative determination, which are arranged such that at every position of the movable element within the Group is always shorted another pair of a lead electrode and a reference electrode.
  • This embodiment has the disadvantage, on the one hand, that more electrodes have to be evaluated, but has the advantage of greater robustness compared to a jumping of the ball on the track, in that a ball passes through two electrodes, but does not trigger a short-circuit situation when it is jumping. So it turned out emphasized that the distance a ball jumps is always relatively limited. If, therefore, the area of the track covered by a group is larger than the average "jumping distance" of the ball, reliable inclination detection can be carried out easily even under harsh environmental conditions.
  • the inclination sensor corresponds to the previously described inclination sensor with regard to the characteristics of the curved path and the movable element.
  • the electrode arrangement shown in FIG. 5 is preferred as the detection device.
  • the electrode arrangement again comprises a first electrode 51 'which, for. B. has a meandering shape as shown in FIG. 5, and a second electrode 53 ', which also has an example of a meandering shape as shown in FIG. 5.
  • Both electrodes L1, L2 have partial electrodes projecting into the curved path 20, the movable element 10 always short-circuiting between two successive partial electrodes of L1 and L2.
  • the rolling element 10 thus contacts two adjacent electrodes, which run transversely to the track 20.
  • the supplying conductor tracks are arranged in such a way that the total length of the supplying and discharging conductor tracks becomes longer by a certain amount ⁇ l for a subsequent contact.
  • a suitable arrangement is, for example, the meandering shape shown in FIG. 5.
  • the inclination of the sensor housing and the resulting change in position of the movable element 10 thus allow the resistance or the change in resistance of the conductor to be measured and the absolute position of the rolling element to be determined due to the change in the length of the conductors contacted.
  • R Le i t e r is the resistance of the contacted conductor
  • p is the resistivity of the conductor material
  • 1 is the length of the conductor track
  • A is the cross section of the conductor track.
  • an electrode structure can also be used in which the sensor contacts both conductor tracks continuously at the same time.
  • the first conductor 51 ′′ and the second conductor 53 ′′ are both arranged on the curved path 20, for example running parallel to one another at the bottom of the curved path or running parallel to one another laterally on the curved path, in any case in this way that the movable element is in constant contact with the two conductors Ll and L2.
  • the change in resistance of the circuit consisting of L1, L2 and the movable element 10 or the absolute resistance of this circuit again determines the position, which can be converted into an inclination angle ⁇ , for example using a table or an analytical function.
  • FIG. 5 can also be applied to the exemplary embodiment of the detection device shown in FIG. 6.
  • the contacting of the second conductor track which typically runs at an angle to the first conductor track, can consist of a liquid which is introduced into the housing and which does not provide contact between the ball and the second Conductor bridged with high resistance.
  • FIG. 7 It should be noted that the arrangement shown in Fig. 7 is only schematic. Depending on the application, it is preferred in FIG.
  • FIG. 8 shows a detection device which works on a capacitive detection principle.
  • a cross section through a curved web 20 is shown, a first electrode 80 being attached to the bottom of the web, while second electrodes 81, 82 are arranged at lateral boundaries of the web 20.
  • the movable element 10 which is shown in FIG. 8 as a sphere, is conductive, a capacitance is formed between the first electrode 80 and the sphere 10 as the first capacitor electrode and the electrode 82 as the second capacitor electrode.
  • the second electrode 82 is designed as a plurality of discrete sub-electrodes insulated from one another, so that when the ball moves past a sub-electrode there is an increase in capacitance which results in a Decreases in capacity when the ball moves away from the electrode 82 again.
  • the rolling element 10 it is not absolutely necessary for the rolling element 10 to be electrically conductive. Is the same formed from a dielectric that has a different dielectric constant to the surrounding medium, such as. B. air or an insulating liquid, there will also be a capacity increase or decrease.
  • an electrode structure attached to the web is covered by a dielectric.
  • An electrode structure is applied to the rolling element essentially transversely to its rolling direction.
  • the bottom electrodes are designed in such a way that there are opposite electrode fingers arranged transversely to the rolling direction. Due to the inclination-dependent movement of the rolling element
  • the electrode fingers isolated by the dielectric are then detected on the basis of the maximum and maximum capacitance and the inclination of the housing. In particular, there is a maximum if the rolling element is arranged directly above the fingers. On the other hand, there is a minimum if the body is arranged between two adjacent pairs of fingers, the rolling element not influencing the dielectric between the opposing fingers.
  • FIG. 8 can also be used as an alternative if the ball 10 moves along a direction which is represented by an arrow 83. If the ball 10 moves to the left, the capacitance between the ball and the left electrode 82 will increase, while the capacitance between the ball and the right electrode 81 will decrease. If, on the other hand, the ball moves to the right, the capacitance between the electrode 82 and the ball 10 will decrease, while the capacitance between the ball 10 and the right electrode 81 will increase. In this case, it is preferred to use differential detection to achieve higher sensitivity.
  • the times of their changes can also be measured and evaluated, thereby increasing the sensor resolution and in particular also detecting the change in the position of the movable element along the path over time to reach.
  • the time signal is measured in addition to the path signal using a suitable circuit the location and the course of movement of the rolling element are reconstructed.
  • the element 10 can be moved briefly out of its current position by means of energy coupling via the detection device. Appropriate electronics then monitor the reaction of the element 10 by means of the detection device. If the reaction of the element 10 matches an expected reaction, the sensor is functional. However, if there is a deviation from the expected target value, the electronics can conclude that the sensor is malfunctioning.
  • the inclination sensor can also be designed in such a way that inclinations with respect to a second inclination axis are measured simultaneously with inclinations with respect to a first inclination axis.
  • the groove as the curved track in the embodiment shown in FIG. 1, is modified into a two-dimensionally curved plane, and that a further wiring structure in the form of further electrode structures is realized along the plane , so that the movable element 10 can not only move about the inclination axis 12, but also can move about a second inclination axis perpendicular to the inclination axis 12.
  • the position of the movable element with respect to the curved path in the form of a two-dimensional curved surface can then be determined by means of the further electrode structure.

Abstract

The invention relates to a tilt sensor comprising a path (20) made of an injection molded polymer plastic, an element (10) movable along said path, wherein a position of the movable element (10) along said path (20) is dependent upon a tilt of the path relative to a reference position. The tilt sensor also comprises a detection device (50) for detecting the position of the movable element (10) along the path (20) and/or a temporary change of the position of the movable element (10) along said path (20). This tilt sensor structure can be produced economically and provides flexibility in the use thereof.

Description

Neigungssensor tilt sensor
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung bezieht sich Neigungssensoren und insbesondere auf preisgünstige Neigungssensoren für eine Vielzahl von Anwendungsfällen.The present invention relates to tilt sensors, and more particularly to inexpensive tilt sensors for a variety of applications.
Allgemein können Neigungssensoren für eine Vielzahl von Anwendungen aus den Bereichen Haushalt, Industrie und Forschung eingesetzt werden. Beispiele hierfür sind Überschlagssensoren in Kraftfahrzeugen, Überwachungssensoren von Alarmanlagen in Fahrzeugen und Gebäuden, Positionssen- soren für automatisierte Maschinen, Bügeleisen, Waschmaschinen etc. Im Stand der Technik sind Neigungssensoren bekannt, deren Wirkungsweisen auf verschiedenen Prinzipien basieren. So sind beispielsweise Neigungssensoren bekannt, um eine Kapazitätsmessung bei neigungsbedingter Änderung durchzuführen.In general, inclination sensors can be used for a variety of household, industrial and research applications. Examples of this are rollover sensors in motor vehicles, monitoring sensors for alarm systems in vehicles and buildings, position sensors for automated machines, irons, washing machines etc. Tilt sensors are known in the prior art, the mode of operation of which is based on various principles. For example, inclination sensors are known in order to carry out a capacitance measurement in the event of a change due to inclination.
Die DE 35 45 630 C2 beschreibt beispielsweise einen Beschleunigungs- und Neigungssensor, bei dem ein magnetisches Material auf einer ebenen Fläche angeordnet ist, die in vier Kondensatorplattensektoren aufgeteilt ist, wobei je nach Neigung das magnetische Material nicht mehr in der Mitte der ebenen Fläche liegt, sondern sich in Richtung der Neigung verschiebt und verformt, so daß sich Kapazitätsänderungen von Kondensatoren ergeben, die durch jeweils zwei der vier Kondensatorplatten gebildet werden.DE 35 45 630 C2 describes, for example, an acceleration and inclination sensor in which a magnetic material is arranged on a flat surface which is divided into four capacitor plate sectors, the magnetic material no longer lying in the middle of the flat surface depending on the inclination, but shifts and deforms in the direction of the incline, so that capacitance changes occur, which are formed by two of the four capacitor plates.
Die DE 41 06 932 AI offenbart einen Neigungssensor mit einem an einer Neigungsachse aufgehängten asymmetrischen Ro- tor, der immer parallel zur Erdanziehung ausgerichtet bleibt, während sich ein Gehäuse, in dem der Rotor aufgehängt ist, mit einer Neigung mitdreht. Die Positionsverschiebung des Rotors zu Kondensatorelektroden am Gehäuse liefert ein Maß für eine Neigung des Neigungssensors.DE 41 06 932 AI discloses an inclination sensor with an asymmetrical ro- gate, which always remains parallel to gravity, while a housing in which the rotor is suspended rotates at an incline. The position shift of the rotor to capacitor electrodes on the housing provides a measure of the inclination of the inclination sensor.
Weitere Neigungssensoren führen eine Kapazitätsmessung bei neigungsbedingter Änderung einer durch ein Dielektrikum ü- berdeckten Fläche durch.Additional inclination sensors carry out a capacitance measurement when there is a change in an area covered by a dielectric.
Ferner existieren Neigungssensoren, die eine thermische De- tektion der Neigung durch eine bei einer Verkippung entstehende Temperaturdifferenz (Konvektion) durchführen. Andere Neigungssensoren messen wiederum eine neigungsabhängige Leitfähigkeit einer Flüssigkeit bei deren Höhenvariation. Dieses Prinzip wird auch als konduktrometrisches Prinzip bezeichnet.There are also inclination sensors which carry out thermal detection of the inclination by means of a temperature difference (convection) which arises when the inclination is tilted. Other inclination sensors, in turn, measure the inclination-dependent conductivity of a liquid with its height variation. This principle is also referred to as the conductometric principle.
Wieder andere Neigungssensoren detektieren eine Verkippung durch Messung einer hieraus resultierenden mechanischen Spannung. Dieses Prinzip wird auch als piezoresistives Prinzip bezeichnet.Still other inclination sensors detect a tilt by measuring a mechanical tension resulting therefrom. This principle is also called the piezoresistive principle.
Wieder anderen Neigungssensoren führen eine optische Mes- sung der Neigung durch Brechung bzw. Reflexion an Grenzflächen statt.Still other inclination sensors carry out an optical measurement of the inclination by refraction or reflection at interfaces.
Schließlich existieren auch Neigungssensoren, die eine Neigungsmessung durch Änderung der Induktivität einer Spule bei Lageänderung eines Ferrofluids durchführen. Obgleich manche Neigungssensoren sehr genaue Meßwerte liefern, sind sie jedoch für einen breiten Einsatz manchmal zu teuer und im Aufbau zu kompliziert.Finally, there are also inclination sensors which carry out an inclination measurement by changing the inductance of a coil when the position of a ferrofluid changes. Although some inclination sensors provide very precise measured values, they are sometimes too expensive for a wide range of use and too complicated to set up.
Die DE 1790620 Ul zeigt einen Neigungssensor mit einer Metallkugel, die auf einer gekrümmten Bahn läuft. Die gekrümmte Bahn ist einerseits mit einer Widerstandsschicht und andererseits mit einer Kontaktschiene versehen. Die Metallkugel kann auch durch einen Quecksilbertropfen ersetzt werden. Die Position der Metallkugel bzw. des Quecksilbertropfens wird mit einer Erfassungsschaltung vom Brückenschaltungstyp auf der Basis des Ohmschen Widerstandes zwischen der Widerstandsschicht und der Kontaktschiene gemessen.DE 1790620 Ul shows an inclination sensor with a metal ball that runs on a curved path. The curved track is provided on the one hand with a resistance layer and on the other hand with a contact rail. The metal ball can also be replaced by a drop of mercury. The position of the metal ball or the drop of mercury is measured with a detection circuit of the bridge circuit type based on the ohmic resistance between the resistance layer and the contact bar.
Die DE 8806850 Ul offenbart ein passives elektrisches Bauelement zur Gewinnung eines neigungsabhängigen Ohmschen Widerstandswerts. Im einzelnen sind entlang einer gekrümmten Bahn Ohmsche Widerstandsschichten angeordnet, auf denen sich ein beweglicher elektrischer Kontakt in Form eines Quecksilbertropfens befindet. Abhängig von der Lage wird eine elektrische Brücke zwischen den beiden Ohmschen Widerstandsschichten gebildet.DE 8806850 Ul discloses a passive electrical component for obtaining an inclination-dependent ohmic resistance value. In particular, ohmic resistance layers are arranged along a curved path, on which there is a movable electrical contact in the form of a drop of mercury. Depending on the position, an electrical bridge is formed between the two ohmic resistance layers.
Die DE 4238930 AI offenbart einen in einer Leiterplatte integrierten Lageänderungssensor. Im einzelnen ist ein scheibenförmiger Bewegungsraum für die Kugel vorgesehen, in den verschiedene Elektroden hineinragen. Abhängig von einer Lageänderung des Sensors bewegt sich die Kugel aufgrund der Schwerkraft an eine andere Stelle im scheibenförmigen Bewegungsraum und schließt daher ein anderes Elektrodenpaar als vor der Lageänderung kurz. Die DE 4114992 Cl offenbart einen Beschleunigungs- und Neigungssensor, der aus einem in Sensorgehäuse konusförmig mit der Spitze nach unten ausgebildeten Hohlraum mit an den Hohlraum-Innenflächen angeordneten Kontaktstücken und einem im Hohlraum entsprechend der Neigung des Sensorgehäuses lageveränderlich positionierten Kontaktkörper besteht.DE 4238930 AI discloses a position change sensor integrated in a printed circuit board. In particular, a disk-shaped movement space is provided for the ball, into which various electrodes protrude. Depending on a change in position of the sensor, the ball moves to a different location in the disk-shaped movement space due to gravity and therefore short-circuits a different pair of electrodes than before the change in position. DE 4114992 C1 discloses an acceleration and inclination sensor which consists of a cavity which is formed in a conical shape in the sensor housing with the tip pointing downward, with contact pieces arranged on the interior surfaces of the cavity, and a contact body which is positioned in the cavity according to the inclination of the sensor housing.
Die DE 4031344 AI offenbart eine elektronische Neigung- Meßeinrichtung mit einem Keramiksubstrat, auf dem drei E- lektroden in einer kammartigen Ineingriffnahmesituation gezeigt sind. Ferner ist ein Gefäß mit einer Flüssigkeit gezeigt, in das eine Elektrode zum Teil eingetaucht ist. Die Flüssigkeit kann ein elektrischer Leiter oder ein Dielektrikum sein, wobei unterschiedliche Flüssigkeitsstände zu unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften der kammartigen ineinandergreifenden Elektrodenpaare führen.DE 4031344 AI discloses an electronic inclination measuring device with a ceramic substrate on which three electrodes are shown in a comb-like engagement situation. Furthermore, a vessel with a liquid is shown, in which an electrode is partially immersed. The liquid can be an electrical conductor or a dielectric, different liquid levels leading to different electrical properties of the comb-like interdigitated electrode pairs.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen preisgünstigen und einfachen Neigungssensor zu schaffen.The object of the present invention is to provide an inexpensive and simple inclination sensor.
Diese Aufgabe wird durch einen Neigungssensor nach Patentanspruch 1 gelöst.This object is achieved by an inclination sensor according to claim 1.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein Neigungssensor mit einer Bahn, entlang der sich ein bewegliches Element abhängig von der Neigung des Neigungssensors bewegen kann, und mit einer Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Stellung des beweglichen Elements entlang der Bahn und/oder einer zeitlichen Änderung der Stellung des beweglichen Elements entlang der Bahn preisgünstig herstellbar und im Zusammenbau einfach ist. Als bewegliches Element wird vorzugsweise ein Wälzkörper, wie z. B. eine Kugel oder ein Zylinder eingesetzt, dessen Position auf der gekrümmten Bahn die Verkippung des Sensors zum Gravitationsfeld bezüglich einer Achse anzeigt. Dabei wird es ferner bevorzugt, die Position durch eine Elektrodenstruktur entweder kapazitiv oder galvanisch zu bestimmen.The present invention is based on the knowledge that an inclination sensor with a path along which a movable element can move depending on the inclination of the inclination sensor and with a detection device for detecting the position of the movable element along the path and / or a change over time the position of the movable element along the track is inexpensive to manufacture and simple to assemble. As a movable element, a rolling element, such as. B. used a ball or a cylinder, its position on the curved path indicates the tilt of the sensor to the gravitational field with respect to an axis. It is further preferred to determine the position either capacitively or galvanically using an electrode structure.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Bahn als gekrümmte Bahn ausgeführt. Der gleiche Effekt ist jedoch auch durch eine gerade Bahn und einen gekrümmten Wälzkörper oder dadurch zu erreichen, daß sowohl die Bahn als auch der Wälzkörper gekrümmte Oberflächen haben.According to a preferred embodiment, the path is designed as a curved path. However, the same effect can also be achieved by a straight track and a curved rolling element or by both the track and the rolling element having curved surfaces.
Das erfindungsgemäße Neigungssensorprinzip ist dahingehend vorteilhaft, daß es einfach aus wenigen Bauelementen aufbaubar ist. Bedingt durch diese unkomplizierte Sensorbau- weise kann der erfindungsgemäße Neigungssensor für beliebige Anwendungen flexibel skaliert werden. So können größere Neigungssensoren hergestellt werden, um die Neigung größerer Gegenstände zu erfassen, oder aber auch kleine Neigungssensoren, um die Neigung kleinerer Gegenstände zu er- fassen.The tilt sensor principle according to the invention is advantageous in that it can be easily constructed from a few components. Due to this uncomplicated sensor design, the inclination sensor according to the invention can be flexibly scaled for any application. In this way, larger inclination sensors can be produced in order to detect the inclination of larger objects, or else small inclination sensors to detect the inclination of smaller objects.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß sich die gekrümmte Bahn günstig in Kunststoff ausführen läßt, und daß insbesondere standardisierte und preisgünstige Kunststoffspritzgußherstellungsverfahren ohne weiteres zum Einsatz kommen können.Another advantage of the present invention is that the curved path can be carried out inexpensively in plastic, and that standardized and inexpensive plastic injection molding production processes in particular can be used without further ado.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß für den erfindungsgemäßen Neigungssensor keine Temperaturkompensationseinrichtung benötigt wird. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß der Neigungssensor unabhängig gegenüber Betragsänderungen der Erdbeschleunigung ist.Another advantage of the present invention is that no temperature compensation device is required for the inclination sensor according to the invention. Another advantage of the present invention is that the inclination sensor is independent of changes in the amount of gravitational acceleration.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the present invention are explained in detail below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 eine dreidimensionale schematische Ansicht eines Neigungssensors gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;1 shows a three-dimensional schematic view of an inclination sensor according to a preferred exemplary embodiment of the present invention;
Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der erreichbaren Auflösung eines Neigungssensors mit inkrementeller Elektrodenanordnung;2 shows a schematic illustration to explain the achievable resolution of an inclination sensor with an incremental electrode arrangement;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Elektrodenanordnung zur Detektion der Neigung des Neigungssensors und ferner der Neigungsrichtung;3 shows a schematic illustration of an electrode arrangement for detecting the inclination of the inclination sensor and also the direction of inclination;
Fig. 4 ein Prinzipschaltbild einer Auswerteelektronik;4 shows a basic circuit diagram of evaluation electronics;
Fig. 5 ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Elektrodenanordnung zur absoluten Neigungsmessung;5 shows an alternative exemplary embodiment of an electrode arrangement for absolute inclination measurement;
Fig. 6 ein Prinzipschaltbild zur Messung der Neigung als analoges Ausgangssignal;6 shows a basic circuit diagram for measuring the inclination as an analog output signal;
Fig. 7 eine schematische Prinzipdarstellung zur Anord- nung zweier Leiterstrukturen, die mittels eines7 shows a schematic basic illustration for the arrangement of two conductor structures, which are formed by means of a
Flüssigkeitsfilms elektrisch verbunden sind, dessen Widerstand sich neigungsabhängig ändert; Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Neigungssensors mit einer Elektrodenanordnung für eine kapazitive Neigungserfassung; undLiquid film are electrically connected, the resistance changes depending on the inclination; 8 shows a schematic illustration of a tilt sensor with an electrode arrangement for capacitive tilt detection; and
Fig. 9 eine bevorzugte Ausgestaltung von Leitungselektroden und Referenzelektroden, die in sich wiederholenden Gruppen in der Bahn des beweglichen Elements angeordnet werden können.Fig. 9 shows a preferred embodiment of line electrodes and reference electrodes which can be arranged in repeating groups in the path of the movable element.
Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Neigungssensor gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel. Der erfindungsgemäße Neigungssensor umfaßt ein bewegliches Element 10 in Form eines Wälzkörpers. Der Wälzkörper 10 ist in einer gekrümmten Bahn 20 untergebracht, wobei die gekrümmte Bahn 20 ei- nen Krümmungsradius bezüglich einer Neigungsachse 12 aufweist. Die gekrümmte Bahn 20 ist in einem Gehäuse untergebracht, das ein Gehäuseoberteil 30 und ein Gehäuseunterteil 40 aufweist. Alternativ kann der Sensor auch so ausgeführt werden, daß das Gehäuse aus einem oder mehreren Seitentei- len aufgebaut ist.1 shows an inclination sensor according to the invention in accordance with a preferred exemplary embodiment. The inclination sensor according to the invention comprises a movable element 10 in the form of a rolling element. The rolling element 10 is accommodated in a curved path 20, the curved path 20 having a radius of curvature with respect to an inclination axis 12. The curved path 20 is accommodated in a housing which has an upper housing part 30 and a lower housing part 40. Alternatively, the sensor can also be designed such that the housing is constructed from one or more side parts.
In Fig. 1 ist ferner eine Erfassungseinrichtung 50 gezeigt, die zum Erfassen der Stellung des beweglichen Elements entlang der Bahn und/oder einer zeitlichen Änderung der Stel- lung des beweglichen Elements entlang der Bahn ausgebildet ist.1 also shows a detection device 50 which is designed to detect the position of the movable element along the path and / or to change the position of the movable element along the path over time.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem das Gehäuse, das aus dem Gehäuseoberteil 30 und dem Gehäuseunterteil 40 besteht, aus Kunststoff und insbesondere aus Polymerkunststoff gebildet ist, wobei sowohl das Gehäuseoberteil 30 als auch das Gehäuseunterteil 40 Kunststoff-Spritzgußteile sind. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das bewegliche Element als Wälzkörper und insbesondere als Kugel dargestellt. Passend zur Kugel ist die gekrümmte Bahn als Rinne ausgeführt, deren Querschnitt bei 14 gezeigt ist. Das obere Gehäuseteil 30 und das untere Gehäuseteil 40 sind vorzugsweise so ausgebildet, daß die Rinne zur Hälfte in einem Gehäuseteil gebildet ist, derart, daß der Zusammenbau einfach ist, da das bewegliche Element einfach in das unte- re Gehäuseteil gelegt werden kann, um dann das obere Gehäuseteil auf das untere Gehäuseteil samt Rinne zu plazieren. Alternativ kann jedoch auch die Rinne vollständig in einem Gehäuseteil vorgesehen sein, wobei das bewegliche Element, wie z. B. eine Kugel, seitlich in die Rinne eingeführt wer- den kann, wonach die Einführungsöffnung für einen Betrieb des Neigungssensors mittels eines Stöpsels verschlossen werden kann.In a preferred embodiment of the present invention, in which the housing, which consists of the upper housing part 30 and the lower housing part 40, is formed from plastic and in particular from polymer plastic, both the upper housing part 30 and the lower housing part 40 being plastic injection molded parts. In the embodiment shown in Fig. 1, the movable element is shown as a rolling element and in particular as a ball. Matching the ball, the curved path is designed as a groove, the cross section of which is shown at 14. The upper housing part 30 and the lower housing part 40 are preferably designed such that half of the groove is formed in one housing part, in such a way that the assembly is simple since the movable element can simply be placed in the lower housing part and then to place the upper part of the housing on the lower part of the housing together with the gutter. Alternatively, however, the channel can also be provided entirely in a housing part, the movable element, such as. B. a ball can be inserted laterally into the channel, after which the insertion opening can be closed by means of a plug for operation of the inclination sensor.
Obgleich die gekrümmte Bahn 20 in Fig. 1 als Rinne gezeigt ist, ist dies nicht notwendigerweise der Fall. Die gekrümmte Bahn könnte auch einfach eine gekrümmte ebene Fläche sein, auf der sich die Kugel abhängig von der Neigung bewegen kann, auf der sich jedoch auch ein zylindrischer Wälzkörper oder sogar ein Tropfen einer leitfähigen Flüssigkeit mit hoher Oberflächenspannkraft, wie z. B. Quecksilber, bewegen könnte.Although the curved track 20 is shown as a gutter in FIG. 1, this is not necessarily the case. The curved path could also simply be a curved flat surface on which the ball can move depending on the inclination, but on which there is also a cylindrical rolling element or even a drop of a conductive liquid with a high surface tension, such as e.g. B. mercury could move.
Es sei ferner darauf hingewiesen, daß sich in der Rinne 20 von Fig. 1 nicht unbedingt ein kugelförmiger Wälzkörper be- finden muß, sondern daß auch ein zylindrischer Körper vorgesehen sein kann, der sich nicht entlang der Rinne wälzt, sondern der entlang der Rinne aufgrund der Schwerkraft vor- und zurückgeschoben wird. Im weiteren kann die rinne so ausgeführt werden, daß darin ein beliebiger rotationssymmetrischer Körper abrollen kann. Ebenso können auch andere Wälzkörper realisiert werden, die nicht rotationssymmetrisch sind, wie z. B. ein Wälzkörper mit gekrümmter Ober- fläche, der im Querschnitt kreissegmentförmig ist und mit seiner gekrümmten Oberfläche auf der Bahn einen begrenzten Bereich hin- und herrollen kann.It should also be pointed out that there is not necessarily a spherical rolling element in the channel 20 of FIG. 1, but that a cylindrical body can also be provided which does not roll along the channel, but rather because of the channel gravity is pushed back and forth. Furthermore, the gutter can be carried out that any rotationally symmetrical body can roll in it. Other rolling elements that are not rotationally symmetrical, such as, for. B. a rolling element with a curved surface, which is in the form of a segment of a circle in cross section and with its curved surface can roll back and forth on the track over a limited area.
Die Elektrodenanordnung 50 in Fig. 1 ist schematisch als parallele Einzelelektroden skizziert. In der einfachsten Ausführungsform können immer zwei benachbarte Einzelelektroden mit einer Spannung beaufschlagt werden, und ist der Wälzkörper aus einem leitfähigen Material ausgeführt bzw. hat eine leitfähige Oberfläche, so daß, abhängig von seiner Position, zwei benachbarte Elektroden kurzgeschlossen werden, derart, daß die Position des Wälzkörpers durch einen Stromfluß durch zwei benachbarte Elektroden feststellbar ist .The electrode arrangement 50 in FIG. 1 is schematically outlined as parallel individual electrodes. In the simplest embodiment, voltage can always be applied to two adjacent individual electrodes, and the rolling element is made of a conductive material or has a conductive surface, so that, depending on its position, two adjacent electrodes are short-circuited in such a way that the position of the rolling element can be determined by a current flow through two adjacent electrodes.
In diesem Fall sind die Einzelelektroden, von denen ein Querschnitt in Fig. 2 schematisch dargestellt ist, in der Führungsrinne aufgebracht, die eine gewölbte Oberfläche hat, welche direkt Einfluß auf die Auflösung und den Meßbereich des Sensors besitzt. Die Wölbung wird, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, durch einen Bahnradius rBahn dargestellt.In this case, the individual electrodes, a cross section of which is shown schematically in FIG. 2, are applied in the guide trough which has a curved surface which has a direct influence on the resolution and the measuring range of the sensor. As shown in FIG. 2, the curvature is represented by a path radius r path .
Generell kann die Elektrodenstruktur 50 derart ausgebildet sein, daß einzelne Elektroden innerhalb der Rinne angeordnet sind. Je nach Anordnung der Elektroden lassen sich so- mit unterschiedliche Sensorprinzipien realisieren, wie z. B. ein inkrementelles Zählen der Kurzschlüsse, um die Stellung des beweglichen Elements entlang der Bahn zu erfassen, eine Messung der Zeiten zwischen den Kurzschlüssen, um eine zeitliche Änderung der Stellung des beweglichen Elements entlang der Bahn zu erfassen, eine Messung der Widerstandsänderung über den Kurzschluß, ode.r eine Messung der Kapazitätsänderung durch eine Verlagerung des Wälzkörpers entlang der Bahn.In general, the electrode structure 50 can be designed in such a way that individual electrodes are arranged inside the channel. Depending on the arrangement of the electrodes, different sensor principles can be implemented. B. an incremental counting of the short circuits to detect the position of the movable element along the path, a measurement of the times between the short circuits by one to record a change in the position of the movable element along the track over time, a measurement of the change in resistance via the short circuit, or a measurement of the change in capacitance due to a displacement of the rolling element along the track.
Es wird ferner bevorzugt, zur positiven Beeinflussung der Sensorcharakteristik eine Dämpfung des beweglichen Elements mit einem in die Rinne eingebrachten Fluid einzustellen. Hierbei kann prinzipiell eine Flüssigkeit oder ein unter Druck stehendes Gas verwendet werden.It is further preferred to set a damping of the movable element with a fluid introduced into the channel in order to positively influence the sensor characteristic. In principle, a liquid or a gas under pressure can be used here.
Bei der in Fig. 1 dargestellten einfachen Elektrodenstruk- turvariante, die eine inkrementelle Erfassung ermöglicht, sind die einzelnen Elektroden der Elektrodenanordnung 50 derart angeordnet, daß wenn sich der Wälzkörper 10 innerhalb der Rinne 20 bedingt durch die Schwerkraft im Erdmagnetfeld die jeweils tiefstmögliche Position einnimmt, zwei in der Rinne liegende Elektroden durch den Wälzkörper e- lektrisch verbunden werden. Durch diese Verbindung kann somit ein elektrischer Strom fließen, welcher von einer geeigneten Elektronik, wie sie beispielsweise in Fig. 4 dargestellt ist, detektiert wird. Bei bekanntem Abstand zweier nebeneinander liegender Elektroden kann somit durch Zählen der Kurzschlußstromimpulse die jeweilige Neigung des Sensors bestimmt werden.In the simple electrode structure variant shown in FIG. 1, which enables incremental detection, the individual electrodes of the electrode arrangement 50 are arranged in such a way that when the rolling element 10 takes on the lowest possible position within the groove 20 due to gravity in the earth's magnetic field, two electrodes lying in the groove are electrically connected by the rolling element. An electrical current can thus flow through this connection, which is detected by suitable electronics, as is shown, for example, in FIG. 4. If the distance between two adjacent electrodes is known, the respective inclination of the sensor can thus be determined by counting the short-circuit current pulses.
Ist, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, der Neigungssensor als inkrementeller Sensor konzipiert, so bedeutet dies, daß ein einzelner Stromimpuls dem minimalen detektierbaren Winkel, welcher durch die Strukturabstände der Elektroden zueinander und den Radius rBahn der Rinne festgelegt ist, entspricht. Der minimale Winkel ergibt sich folgendermaßen: c ml„ = 2 arcsiniIf, as shown in FIG. 2, the inclination sensor is designed as an incremental sensor, this means that a single current pulse corresponds to the minimum detectable angle, which is determined by the structural distances between the electrodes and the radius r path of the channel. The minimum angle is as follows: c ml "= 2 arcsini
V ^ ' rBahπ JV ^ 'r Bahπ J
In der vorstehenden Gleichung ist Sπάn der Pitch der hergestellten Elektrodenstruktur. smin wird als der Abstand der Mitten zwischen zwei Einzelelektroden der Elektrodenanordnung 50 gemessen.In the above equation, Sπά n is the pitch of the electrode structure produced. s min is measured as the distance between the centers between two individual electrodes of the electrode arrangement 50.
Im nachfolgenden wird auf Fig. 3 Bezug genommen, um eine alternative Elektrodenanordnung dazustellen, mit der sowohl die Neigungsrichtung als auch die Ruheposition eines Wälzkörpers 20 erfaßbar ist. Insbesondere umfaßt die Elektro- denanordnung eine mittlere Elektrode 51, die sich entlang der gekrümmten Bahn erstreckt und nur an einer Ruheposition 60, die der Wälzkörper 20 einnimmt, wenn keine Neigung angelegt ist, durch eine Referenzelektrode 52 unterbrochen ist und sich auf der anderen Seite der Ruheposition 60 wie- der durchgehend in der Rinne erstreckt.In the following, reference is made to FIG. 3 in order to present an alternative electrode arrangement with which both the direction of inclination and the rest position of a rolling element 20 can be detected. In particular, the electrode arrangement comprises a central electrode 51, which extends along the curved path and only at a rest position 60, which the rolling element 20 assumes when no inclination is applied, is interrupted by a reference electrode 52 and is located on the other side of the Rest position 60 extends continuously in the channel.
Die Elektrodenanordnung umfaßt ferner eine erste kammartige Elektrodenanordnung 53 und eine zweite kammartige Elektrodenanordnung 54, wobei die erste kammartige Elektrodenan- Ordnung 53 als auch L2 bezeichnet wird, während die zweite kammartige Elektrodenanordnung 54 auch als L3 bezeichnet wird.The electrode arrangement further comprises a first comb-like electrode arrangement 53 and a second comb-like electrode arrangement 54, the first comb-like electrode arrangement 53 being also referred to as L2, while the second comb-like electrode arrangement 54 is also referred to as L3.
Die Einzelelektroden, die sich quer zur gekrümmten Bahn 20 erstrecken, wobei die gekrümmte Bahn entlang der ElektrodeThe single electrodes extending across the curved path 20, with the curved path along the electrode
51 ausgerichtet ist, sind so bezüglich den Einzelelektroden der anderen Kammelektrode angeordnet, daß ein Versatz x e- xistiert, der zwischen 0 und 0,5 Smin ist. Damit ist es möglich, anhand des zeitlichen Aufeinanderfolgens eines Kurzschlusses zwischen Ll und L3 bzw. zwischen Ll und L2 festzustellen, ob sich die Kugel 20 Bezug nehmend auf Fig. 3 nach links oder nach rechts bewegt.51 is aligned with respect to the individual electrodes of the other comb electrode so that an offset x e- xist, which is between 0 and 0.5 Smin. It is thus possible to determine on the basis of the chronological sequence of a short circuit between L1 and L3 or between L1 and L2 whether the ball 20 moves to the left or to the right with reference to FIG. 3.
Wenn sich die Kugel nach rechts bewegt, wird ein Kurzschluß zwischen der Leitung Ll und der Leitung L3 auftreten. Nach kurzer Zeitspanne wird dann ein Kurzschluß zwischen Ll und L2 auftreten. Wenn sich die Kugel dann weiterbewegt, wird nach längerer Zeit wieder ein Kurzschluß zwischen Ll und L3 auftreten. Bei einer Bewegung nach rechts ist daher die Zeitspanne zwischen zwei Kurzschlüssen der Leitung Ll und der Leitung L3 bzw. L2 kleiner als ein Kurzschluß zwischen der Leitung Ll und L3 und der Leitung Ll und L2.If the ball moves to the right, there will be a short circuit between line L1 and line L3. After a short period of time there will be a short circuit between Ll and L2. If the ball continues to move, a short circuit between L1 and L3 will occur again after a long time. When moving to the right, the time span between two short circuits of line L1 and line L3 or L2 is therefore shorter than a short circuit between line Ll and L3 and line Ll and L2.
Bewegt sich die Kugel dagegen bezüglich Fig. 3 nach links, so wird ein Kurzschluß zwischen der Leitung Ll und L2 auftreten und dann, nach kurzer Zeitspanne ein Kurzschluß zwi- sehen der Leitung Ll und L3 auftreten. Der zeitliche Abstand zwischen einem Kurzschluß der Leitungen Ll und L2 und einem Kurzschluß zwischen den Leitungen Ll und L3 ist somit länger als der zeitliche Abstand zwischen Kurzschlüssen der jeweiligen anderen Leitungen.If, on the other hand, the ball moves to the left with respect to FIG. 3, there will be a short circuit between lines L1 and L2 and then, after a short period of time, there will be a short circuit between lines L1 and L3. The time interval between a short circuit of lines L1 and L2 and a short circuit between lines L1 and L3 is thus longer than the time interval between short circuits of the respective other lines.
Die in Fig. 4 gezeigte Prozessoreinheit umfaßt Eingänge 62 für die Leitungen 51, 52, 53 und 54, einen Zähler 63 zum Zählen der Kurzschlüsse vorzugsweise zwischen der Leitung Ll und entweder der Leitung L2 oder der Leitung L3, um die absolute Position zu bestimmen, sowie eine Recheneinheit 64 und einen Speicher 65, um den beschriebenen Algorithmus zur Richtungsbestimmung der Kugel durchzuführen. Wie es in Fig. 3 gezeigt ist, ist ferner die Referenzleitung 52 vorhanden, wobei ein Kurzschluß, an dem die Referenzleitung 52 beteiligt ist, wie. z. B. ein Kurzschluß zwischen der Leitung 52 und der Leitung 53 darauf hindeutet, daß die Kugel in ihrer Bezugsposition ist, die beispielsweise ein horizontaler Zustand des Neigungssensors von Fig. 1 ist, bei dem die Kugel im „Tal" der gekrümmten Bahn positioniert ist.The processor unit shown in FIG. 4 comprises inputs 62 for lines 51, 52, 53 and 54, a counter 63 for counting the short circuits, preferably between line L1 and either line L2 or line L3, in order to determine the absolute position, and an arithmetic unit 64 and a memory 65 in order to carry out the described algorithm for determining the direction of the ball. As shown in FIG. 3, the reference line 52 is also present, with a short circuit in which the reference line 52 is involved, such as. z. B. A short circuit between line 52 and line 53 indicates that the ball is in its reference position, which is, for example, a horizontal state of the tilt sensor of FIG. 1, in which the ball is positioned in the "valley" of the curved path.
Es sei darauf hingewiesen, daß die Referenzelektrode 52 von Fig. 3 ferner zur Sensorkalibrierung eingesetzt werden kann. Zur Kalibrierung des Sensorsnullpunkts im laufenden Betrieb wird die Referenzelektrode 52, die an genau definierter Position in dem Neigungssensor eingebaut ist, ver- wendet. Bei einem Impuls durch diese Elektrode kann somit der Meßwert durch die Elektronik von Fig. 4 neu eingestellt werden.It should be noted that the reference electrode 52 of FIG. 3 can also be used for sensor calibration. The reference electrode 52, which is installed in a precisely defined position in the inclination sensor, is used to calibrate the sensor zero point during operation. In the event of a pulse through this electrode, the measured value can thus be reset by the electronics of FIG. 4.
Die Auswertung der Strompulse erfolgt durch die Elektronik in mehreren Schritten. Der Zähler 63 registriert zunächst die ankommenden Impulse. Jeder Impuls entspricht dem durch die Dimensionierung der Sensorgröße und der Strukturbreite der Elektrodenfolge gegebenen inkrementellen Winkel Omin, der in Fig. 2 dargestellt ist. Daher wird bei jedem gemes- senen Impuls der Gesamtmeßwert entsprechend der Neigungsrichtung angepaßt, d. h. inkrementiert oder dekrementiert . Die Neigungsrichtung wird, wie es ausgeführt worden ist, ermittelt, indem die Elektronik die Reihenfolge der jeweilig kontaktierten Leiterbahnen erkennt und somit anhand des im Speicher hinterlegten Algorithmus die Richtung der Neigung ermittelt. Es sei darauf hingewiesen, daß im Betrieb ständig Störungen auftreten können, wie z. B. ein Stromausfall der Elektronik, ein Überspringen von Impulsen durch starke Erschütterungen etc. Es wird daher bevorzugt, mindestens die Refe- renzelektrode 52 auszulesen, die bei Kontakt veranlaßt, dass der aktuelle Meßwert mit dem im Speicher hinterlegten Wert verglichen wird und bei Abweichung entsprechend korre- liert wird.The electronics evaluate the current pulses in several steps. The counter 63 first registers the incoming pulses. Each pulse corresponds to the given by the dimensioning of the sensor size and the line width of the electrode result incremental angle O m i n, which is shown in Fig. 2. For each pulse measured, the total measured value is therefore adapted in accordance with the direction of inclination, ie incremented or decremented. The direction of inclination, as has been stated, is determined by the electronics recognizing the sequence of the conductor tracks contacted and thus determining the direction of the inclination on the basis of the algorithm stored in the memory. It should be noted that malfunctions can occur continuously during operation, such as. B. a power failure of the electronics, a skipping of impulses due to strong vibrations etc. It is therefore preferred to read out at least the reference electrode 52 which, when contacted, causes the current measured value to be compared with the value stored in the memory and, if there is a deviation, accordingly is corrected.
In einer bevorzugten Ausführung kann das beschriebene Prozessorsystem beispielsweise ein hochfrequent getakteter Mikroprozessor sein, mit dem die Elektroden einzeln verbunden sind. Zur Reduzierung der Anschlüsse können die Elektroden zu geeigneten Gruppen zusammengefaßt werden, wie es beispielsweise in Figur 9 dargestellt ist. So zeigt Figur 9 eine erste Gruppe von sogenannten Leitungselektroden Ll, L2, L3, L4, die sich über die Bahn erstrecken, und die kammartig mit Referenzelektroden LRefι, Lef2, LRef3 und LRef4 ineinander greifen. Solche Gruppen von Leitungselektroden Ll bis L4 und Referenzelektroden LRen bis LRef4 können nacheinander angeordnet werden, um somit eine gesamte Bahn eines beweglichen Elements aufzufüllen.In a preferred embodiment, the processor system described can be, for example, a high-frequency clocked microprocessor to which the electrodes are connected individually. To reduce the number of connections, the electrodes can be combined into suitable groups, as shown for example in FIG. 9. Thus, FIG. 9 shows a first group of so-called line electrodes L1, L2, L3, L4, which extend over the web and which intermesh with reference electrodes L Ref ι, L ef2 , L Ref3 and L Ref4 . Such groups of line electrodes L1 to L4 and reference electrodes L Re n to L Ref4 can be arranged one after the other in order to fill up an entire path of a movable element.
Im einzelnen ist die Anordnung der Leitungselektroden und der Referenzelektroden so, daß immer anhand einesIn particular, the arrangement of the line electrodes and the reference electrodes is such that always with reference to a
Kurzschlußes zwischen einer Leitungselektrode und einer Referenzelektrode bestimmt werden kann, wo innerhalb einer Gruppe sich das bewegliche Element befindet. Liegt beispielsweise ein Kurzschluß zwischen der Referenzelektrode LRefι und der Leitungselektrode L4 vor, so ist unmittelbar bekannt, daß sich das bewegliche Element, wie z.B. eine Kugel, die die beiden genannten Elektroden kurzschließt, in Figur 9 betrachtet oben angeordnet ist, da nur an dieser Position eine Kurzschluß zwischen der ersten Referenzelektrode und der vierten Leitungselektrode möglich ist. Wird dagegen festgestellt, daß ein Kurzschluß zwischen beispielsweise der dritten Referenzelektrode LRef3 und der dritten Leitungselektrode vorhanden ist, so ist ebenfalls genau bekannt, wo sich die Kugel befindet, da dieser Kurzschluß nur an einer bestimmten Position entlang der in Figur 9 gezeigten Bahn möglich ist.Short circuit between a lead electrode and a reference electrode can be determined where the movable element is within a group. If, for example, there is a short circuit between the reference electrode L Ref ι and the line electrode L4, it is immediately known that the movable element, such as a ball that short-circuits the two electrodes mentioned, is arranged at the top in FIG. 9, since only on this Position a short circuit between the first reference electrode and the fourth lead electrode is possible. If, on the other hand, it is found that there is a short circuit between, for example, the third reference electrode L Ref3 and the third line electrode, it is also known exactly where the ball is, since this short circuit is only possible at a specific position along the path shown in FIG ,
Allgemein ist daher eine Gruppe von Leitungselektroden und Referenzelektroden so ineinander eingreifend angeordnet, daß anhand eines Kurzschlußes zwischen einer bestimmten Leitungselektrode und einer bestimmten Referenzelektrode die absolute Position der Kugel innerhalb einer Gruppe von Leitungselektroden und Referenzelektroden genau bestimmbar ist.In general, therefore, a group of line electrodes and reference electrodes is arranged so that they engage in one another in such a way that the absolute position of the ball within a group of line electrodes and reference electrodes can be precisely determined on the basis of a short circuit between a specific line electrode and a specific reference electrode.
Typischerweise wird die Strecke, die durch die ineinander greifenden Leitungselektroden und Referenzelektroden von Figur 9 überdeckt wird, also die Strecke von der untersten Leitungselektrode Ll bis zur obersten Referenzelektrode LRefi/ nicht groß genug sein, um einen kompletten Neigungssensor auszustatten. Für längeren Bewegungsbahnen wird es daher bevorzugt, die in Figur 9 gezeigte Gruppe mehrfach hintereinander anzuordnen, und jeweils alle ersten Leistungselektroden, alle zweiten Leitungselektroden, alle dritten Leitungselektroden und alle vierten Leitungselekt- roden der einzelnen in der Bewegungsbahn des beweglichen Elements angeordneten Gruppen jeweils miteinander zu ver- binden, und gleichzeitig die Referenzelektroden der einzelnen Gruppen und der entsprechenden Wertigkeit miteinander zu verbinden. Die Bestimmung der Position der Kugel beispielsweise in der Bewegungsbahn findet dann dadurch statt, daß einerseits erfaßt wird, zwischen welcher Referenzelektrode und welcher Leitungselektrode ein Kurzschluß vorhanden ist. Wenn in diesen Fall viele Gruppen entlang der Bewegungsbahn angeordnet sind, so ist es zunächst nur bekannt, an welcher Position innerhalb einer Gruppe sich die Kugel befindet. Es ist jedoch noch nicht bekannt, in welcher der verschiedenen Gruppen sich die Kugel befindet. Diese Information ist je- doch ohne weiteres daraus erhaltbar, daß frühere Positionsinformationen der Kugel berücksichtigt werden, wenn ferner berücksichtigt wird, daß die Kugel beispielsweise nicht eine komplette Gruppe von Leitungselektroden und ineinander greifenden Referenzelektroden überspringen kann, sondern dass sie - wenn überhaupt - höchstens ein paar Elektroden innerhalb einer Gruppe überspringt. Wenn daher die Kurzschlußsituation der Kugel überwacht wird, während die Kugel von einer Gruppe in eine andere Gruppe rollt, so wird eine lückenlose "Gruppenüberstreichung" der Kugel erfaßt werden, so daß es aufgrund dieser "Historieninformation" ohne weiteres möglich ist, nicht nur die Position einer Kugel innerhalb einer Gruppe sondern auch die tatsächliche Gruppe, in der sich die Kugel befindet, zu ermitteln.Typically, the distance covered by the interlocking line electrodes and reference electrodes from FIG. 9, that is to say the distance from the lowest line electrode L1 to the uppermost reference electrode L Ref i /, will not be large enough to equip a complete inclination sensor. For longer trajectories, it is therefore preferred to arrange the group shown in FIG. 9 several times in succession, and to connect each of the first power electrodes, all second lead electrodes, all third lead electrodes and all fourth lead electrodes to the individual groups arranged in the trajectory of the movable element connect, and at the same time to connect the reference electrodes of the individual groups and the corresponding valency. The position of the ball, for example in the path of movement, is then determined by firstly detecting between which reference electrode and which line electrode there is a short circuit. If in this case many groups are arranged along the movement path, it is initially only known at which position within a group the ball is located. However, it is not yet known in which of the different groups the ball is located. However, this information can easily be obtained from the fact that previous position information of the ball is taken into account if it is also taken into account that the ball cannot, for example, jump over a complete group of lead electrodes and interlocking reference electrodes, but that it can, if at all, at most one skipped a few electrodes within a group. Therefore, if the short-circuit situation of the ball is monitored while the ball is rolling from one group to another group, a complete "group sweep" of the ball will be detected, so that it is easily possible due to this "history information", not just the position a sphere within a group, but also to determine the actual group in which the sphere is located.
Die in Figur 9 gezeigte Anordnung aus ineinander greifenden Elektroden, die selektiv auslesbar sind, stellt somit gewissermaßen einen gemischten Absolut-/Relativ-Sensor dar. Wenn beispielsweise das in Figur 3 gezeigte Ausführungsbeispiel der Erfindung betrachtet wird, bei dem die Kugel bei- spielsweise auf der durchgehenden Elektrode Ll rollt und immer dann, wenn sie auch noch eine Teilelektrode der anderen Leitungselektrode L2 berührt, einen Kurzschluß erzeugt, so ist ausgehend von einem „Ur-Referenzpunkt", der bei- spielsweise durch die Referenzelektrode 52 bestimmt ist, immer anhand der Anzahl der Kurzschlüsse, die eine Kugel ausgelöst hatte, während sie von einem Ruhepunkt zum nächsten Ruhepunkt gerollt ist, und der ursprünglichen Referenz- Information eine aktuelle Position der Kugel bestimmbar, ohne daß reine Absolutinformationen benötigt werden. Die selbe Situation könnte erhalten werden, wenn die Kugel nicht auf der Elektrode 51 läuft, sondern wenn die Elektrode Ll genauso wie die Elektrode L2 ausgeführt ist, und sich Teilelektroden der Elektrode Ll in Zwischenräume zwischen Teilelektroden der Elektrode L2 hinein erstrecken. Dieser Fall würde vorhanden sein, wenn alle Referenzelektroden in Figur 9 und alle Leitungselektroden in Figur 9 miteinander kurzgeschlossen wären. Auch dann wäre lediglich ein Relativ-Sensor geschaffen, bei dem zur absoluten Positionsbestimmung der Kugel entlang der Bahn und damit zur Neigungsbestimmung ein Referenzausgangspunkt benötigt wird, der einerseits direkt von einer Referenzelektrode wie in Figur 3 gezeigt, erzeugt werden kann, oder der genauso eine Positionsbestimmung aus der vorherigen Messung sein kann.The arrangement of intermeshing electrodes shown in FIG. 9, which can be read out selectively, thus represents, as it were, a mixed absolute / relative sensor. If, for example, the exemplary embodiment of the invention shown in FIG. 3 is considered, in which the ball, for example, is set up of the continuous electrode L1 rolls and whenever it also touches a partial electrode of the other line electrode L2, it generates a short circuit, so starting from an "original reference point" which is determined for example by the reference electrode 52, always based on the number of short circuits that a ball had triggered while it was rolling from one rest point to the next rest point, and the original reference information, a current position of the ball can be determined without the need for pure absolute information become. The same situation could be obtained if the ball does not run on the electrode 51, but if the electrode Ll is designed in exactly the same way as the electrode L2, and partial electrodes of the electrode L1 extend into spaces between partial electrodes of the electrode L2. This would be the case if all reference electrodes in FIG. 9 and all lead electrodes in FIG. 9 were short-circuited to one another. Even then, only a relative sensor would be created, in which a reference starting point is required to determine the absolute position of the ball along the track and thus to determine the inclination, which on the one hand can be generated directly by a reference electrode as shown in FIG. 3, or which also determines the position can be from the previous measurement.
In diesem Fall, also wenn alle Leitungselektroden miteinander verbunden sind und alle Referenzelektroden in Figur 9 miteinander verbunden sind, entsteht der besprochene Fall von Figur 3. Der Mikroprozessor, der in Figur 4 gezeigt ist, würde dann lediglich einen Leitungsanschluß Ll und einen Leitungs-anschluß LRef haben, und eine Positionsbestimmung würde anhand des Zählens der Kurzschlüsse zwischen der Leitung Ll und der Leitung LRef stattfinden, wobei noch die Historie benötigt wird, also der Stand des beweglichen Elements in der Bahn vor der aktuellen Neigungsänderung oder die vorherige Neigung vor der Änderung zur aktuellen Neigung. Im Fall von Figur 9 steigt der Verdrahtungsaufwand an, da nunmehr vier Leitungselektroden Ll bis L4 und vier Referenzelektroden selektiv ausgelesen werden müssen, um immer festzustellen, wo in einer Gruppe der Kurzschluß ist. Die Auswahl der Gruppe findet wieder auf der Basis eines Historienwerts statt, wobei dann, wenn sich die Kugel während einer Neigungsänderung über mehrere Gruppen bewegt, die Folge der Kurzschlüsse zwischen den Leitungs- und Referenz- elektroden ausgewertet werden kann, und zwar beispielsweise durch Zählen, um anhand der gezählten Kurzschlüsse festzustellen, über wie viele Gruppen sich die Kugel bewegt hat.In this case, that is, when all line electrodes are connected to one another and all reference electrodes in FIG. 9 are connected to one another, the case discussed in FIG. 3 arises. The microprocessor that is shown in FIG. 4 would then only have one line connection L 1 and one line connection LRef, and a position determination would take place based on the counting of the short circuits between the line L1 and the line LRef, whereby the history is still required, i.e. the position of the movable element in the path before the current change in inclination or the previous inclination before the change current inclination. In the case of FIG. 9, the wiring complexity increases since now four line electrodes L1 to L4 and four reference electrodes have to be read out selectively in order to always determine where the short circuit is in a group. The selection of the group again takes place on the basis of a history value, and if the ball moves over several groups during a change in inclination, the sequence of the short circuits between the line and reference electrodes can be evaluated, for example by counting, to determine how many groups the ball has moved based on the number of short circuits counted.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß die Anzahl der Leitungselektroden beliebig groß sein kann. Ferner sei darauf hingewiesen, daß auch die Anzahl der Referenzelektroden beliebig sein kann, wobei die Anzahl der Leitungselektroden und die Anzahl der Referenzelektroden nicht unbedingt gleich sein muß. Auf jeden Fall wird für einen Hybridsen- sor, also für eine gemischte Absolut-/Relativ-Bestimmung, eine Anzahl von wenigstens zwei Leitungselektroden und eine Anzahl von wenigstens zwei Referenzelektroden benötigt, die so angeordnet sind, daß bei jeder Position des beweglichen Elements innerhalb der Gruppe immer ein anderes Paar einer Leitungselektrode und einer Referenzelektrode kurzgeschlossen ist.At this point it should be pointed out that the number of line electrodes can be as large as desired. It should also be pointed out that the number of reference electrodes can also be arbitrary, the number of line electrodes and the number of reference electrodes need not necessarily be the same. In any case, a number of at least two line electrodes and a number of at least two reference electrodes are required for a hybrid sensor, that is to say for a mixed absolute / relative determination, which are arranged such that at every position of the movable element within the Group is always shorted another pair of a lead electrode and a reference electrode.
Dieses Ausführungsbeispiel hat einerseits den Nachteil, daß mehr Elektroden ausgewertet werden müssen, hat jedoch den Vorteil der größeren Robustheit gegenüber einem Springen der Kugel auf der Bahn dahingehend, daß eine Kugel zwar zwei Elektroden durchläuft, jedoch, wenn sie gerade springt, keine Kurzschlußsituation auslöst. So hat sich herausgestellt, daß die Strecke, die eine Kugel springt, immer relativ begrenzt ist. Wenn daher der Bereich der Bahn, der durch eine Gruppe abgedeckt wird, größer als die mittlere "Springstrecke" der Kugel ist, ist auch unter rau- en Umgebungsbedingungen ohne weiteres eine sichere Neigungserfassung durchführbar.This embodiment has the disadvantage, on the one hand, that more electrodes have to be evaluated, but has the advantage of greater robustness compared to a jumping of the ball on the track, in that a ball passes through two electrodes, but does not trigger a short-circuit situation when it is jumping. So it turned out emphasized that the distance a ball jumps is always relatively limited. If, therefore, the area of the track covered by a group is larger than the average "jumping distance" of the ball, reliable inclination detection can be carried out easily even under harsh environmental conditions.
Im nachfolgenden wird Bezug nehmend auf Fig. 5 auf einen Absolutneigungssensor Bezug genommen. Der Neigungssensor entspricht hinsichtlich der Merkmale der gekrümmten Bahn und des beweglichen Elements dem bisher beschriebenen Neigungssensor. Als Erfassungseinrichtung wird jedoch die in Fig. 5 dargestellte Elektrodenanordnung bevorzugt. Die E- lektrodenanordnung umfaßt wieder eine erste Elektrode 51', die z. B. eine wie in Fig. 5 gezeigte meanderförmige Form hat, sowie eine zweite Elektrode 53', die ebenfalls eine wie in Fig. 5 gezeigte beispielsweise meanderförmige Form hat. Beide Elektroden Ll, L2 haben in die gekrümmte Bahn 20 vorstehende Teilelektroden, wobei das bewegliche Element 10 immer einen Kurzschluß zwischen zwei aufeinanderfolgenden Teilelektroden von Ll und L2 ausführt. Der Wälzkörper 10 kontaktiert somit jeweils zwei benachbarte Elektroden, die quer zur Bahn 20 verlaufen. Hierbei sind, wie es in Fig. 5 gezeigt ist, die zuführenden Leiterbahnen so angeordnet, daß die Gesamtlänge der zu- und abführenden Leiterbahnen jeweils für einen nachfolgenden Kontakt um einen gewissen Betrag Δl länger werden. Eine geeignete Anordnung ist beispielsweise die in Fig. 5 gezeigte Mäanderform. Durch Neigung des Sensorgehäuses und der dadurch bedingten Lageände- rung des beweglichen Elements 10 läßt sich somit der Widerstand bzw. die Widerstandsänderung des Leiters messen und bedingt durch die Änderung der Länge der kontaktierten Leiter die absolute Position des Wälzkörpers ermitteln. Dieser Zusammenhang ist durch die nachfolgende Gleichung dargestellt:In the following, reference is made to an absolute inclination sensor with reference to FIG. 5. The inclination sensor corresponds to the previously described inclination sensor with regard to the characteristics of the curved path and the movable element. However, the electrode arrangement shown in FIG. 5 is preferred as the detection device. The electrode arrangement again comprises a first electrode 51 'which, for. B. has a meandering shape as shown in FIG. 5, and a second electrode 53 ', which also has an example of a meandering shape as shown in FIG. 5. Both electrodes L1, L2 have partial electrodes projecting into the curved path 20, the movable element 10 always short-circuiting between two successive partial electrodes of L1 and L2. The rolling element 10 thus contacts two adjacent electrodes, which run transversely to the track 20. Here, as shown in FIG. 5, the supplying conductor tracks are arranged in such a way that the total length of the supplying and discharging conductor tracks becomes longer by a certain amount Δl for a subsequent contact. A suitable arrangement is, for example, the meandering shape shown in FIG. 5. The inclination of the sensor housing and the resulting change in position of the movable element 10 thus allow the resistance or the change in resistance of the conductor to be measured and the absolute position of the rolling element to be determined due to the change in the length of the conductors contacted. This Relationship is shown by the following equation:
A pA p
In der vorstehenden Gleichung ist RLeiter der Widerstand des kontaktierten Leiters, p ist der spezifische Widerstand des Leiterwerkstoffs. 1 ist die Länge der Leiterbahn und A ist der Querschnitt der Leiterbahn.In the above equation, R is Le i t e r is the resistance of the contacted conductor, p is the resistivity of the conductor material. 1 is the length of the conductor track and A is the cross section of the conductor track.
Zur Erzielung eines kontinuierlichen analogen Neigungssignals kann ebenfalls eine Elektrodenstruktur verwendet wer- den, bei welcher der Sensor gleichzeitig beide Leiterbahnen durchgehend kontaktiert. Hierbei sind in Fig. 6 der erste Leiter 51'' und der zweite Leiter 53'' beide auf der gekrümmten Bahn 20 angeordnet, beispielsweise parallel zueinander verlaufend am Boden der gekrümmten Bahn oder parallel zueinander verlaufend seitlich an der gekrümmten Bahn, auf jeden Fall derart, daß das bewegliche Element in dauerndem Kontakt mit den beiden Leitern Ll und L2 ist. Die Widerstandsänderung des Stromkreises bestehend aus Ll, L2 und dem beweglichen Element 10 bzw. der absolute Widerstand dieses Stromkreises bestimmt wieder die Position, die beispielsweise mittels einer Tabelle oder einer analytischen Funktion in einen Neigungswinkel α umzurechnen ist. Die vorstehend im Zusammenhang mit Fig. 5 gegebene Gleichung ist ebenfalls auf das in Fig. 6 gezeigte Ausführungsbei- spiel der Erfassungseinrichtung anwendbar. Neben der gleichzeitigen Kontaktierung beider Leiterbahnen kann ebenfalls der Kontakt nur zu einer Leiterbahn dauerhaft bestehen, die Kontaktierung der zweiten, typischerweise schräg zur ersten Leiterbahn verlaufenden Leiterbahn kann dabei über eine ins Gehäuse eingebrachte Flüssigkeit bestehen, welche den nicht vorhandenen Kontakt zwischen der Kugel und der zweiten Leiterbahn hochohmig überbrückt. Hierzu wird auf Fig. 7 Bezug genommen. Es sei darauf hingewiesen, daß die in Fig. 7 gezeigte Anordnung lediglich schematisch ist. Je nach Anwendungsfall wird es bei Fig. 7 bevorzugt, daß entweder die erste Leiterbahn Ll oder die zweite Leiterbahn L2 in einem Bereich 68 isoliert ist, so daß der Stromfluß hauptsächlich über den Wälzkörper 10 und über den Bereich der Flüssigkeit, der zwischen dem Wälzkör- per 10 und der zweiten Leiterbahn vorhanden ist, stattfindet. Die Kontaktierung der zweiten Leiterbahn L2, die schräg zur ersten Leiterbahn L2 verläuft, erfolgt somit ü- ber die ins Gehäuse des Neigungssensors eingebrachte Flüssigkeit, welche den nicht vorhandenen Kontakt zwischen Ku- gel und zweiter Leiterstruktur hochohmig überbrückt. Dadurch wird der entstehende und hauptsächlich vom Abstand des Wälzkörpers 10 zur zweiten Leiterbahn L2 abhängige Widerstand zur Detektion der Neigung herangezogen. Gleichungsmäßig ausgedrückt lautet dies folgendermaßen:To achieve a continuous analog inclination signal, an electrode structure can also be used in which the sensor contacts both conductor tracks continuously at the same time. 6, the first conductor 51 ″ and the second conductor 53 ″ are both arranged on the curved path 20, for example running parallel to one another at the bottom of the curved path or running parallel to one another laterally on the curved path, in any case in this way that the movable element is in constant contact with the two conductors Ll and L2. The change in resistance of the circuit consisting of L1, L2 and the movable element 10 or the absolute resistance of this circuit again determines the position, which can be converted into an inclination angle α, for example using a table or an analytical function. The equation given above in connection with FIG. 5 can also be applied to the exemplary embodiment of the detection device shown in FIG. 6. In addition to the simultaneous contacting of both conductor tracks, there can also be permanent contact with only one conductor track, the contacting of the second conductor track, which typically runs at an angle to the first conductor track, can consist of a liquid which is introduced into the housing and which does not provide contact between the ball and the second Conductor bridged with high resistance. For this purpose, reference is made to FIG. 7. It should be noted that the arrangement shown in Fig. 7 is only schematic. Depending on the application, it is preferred in FIG. 7 that either the first conductor track L1 or the second conductor track L2 is insulated in a region 68, so that the current flow mainly over the rolling element 10 and over the region of the liquid which is between the rolling element per 10 and the second conductor track is taking place. The contacting of the second conductor track L2, which runs obliquely to the first conductor track L2, thus takes place via the liquid introduced into the housing of the inclination sensor, which bridges the non-existent contact between the ball and the second conductor structure with high resistance. As a result, the resulting resistance, which is mainly dependent on the distance between the rolling element 10 and the second conductor track L2, is used to detect the inclination. Expressed in equal terms, this is:
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In der vorstehenden Gleichung ist der Gesamtwiderstand Rges der Widerstand, der sich durch die Reihenschaltung der neigungsabhängigen Widerstände RLeiter und Rfiussig ergibt. Fig. 8 zeigt im Gegensatz zu den anderen Ausführungsbeispielen eine Erfassungseinrichtung, die auf einem kapazitiven Erfassungsprinzip arbeitet. Insbesondere ist ein Querschnitt durch eine gekrümmte Bahn 20 dargestellt, wobei am Boden der Bahn eine erste Elektrode 80 angebracht ist, während an seitlichen Begrenzungen der Bahn 20 zweite Elektroden 81, 82 angeordnet sind. Wenn das bewegliche Element 10, das in Fig. 8 als Kugel dargestellt ist, leitfähig ist, so bildet sich eine Kapazität zwischen der ersten Elektrode 80 und der Kugel 10 als erste Kondensatorelektrode und der E- lektrode 82 als zweite Kondensatorelektrode. Zur inkremen- talen Erfassung ist, längs der Bahn gesehen, die zweite E- lektrode 82 als eine Mehrzahl von diskreten voneinander i- solierten Teilelektroden ausgeführt, so daß sich, wenn sich die Kugel an einer Teilelektrode vorbeibewegt, eine Kapazitätszunahme ergibt, die in eine Kapazitätsabnahme übergeht, wenn die Kugel sich von der Elektrode 82 wieder entfernt. Es sei darauf hingewiesen, daß es nicht unbedingt erforderlich ist, daß der Wälzkörper 10 elektrisch leitfähig ist. Ist derselbe aus einem Dielektrikum gebildet, das eine unterschiedliche Dielektrizitätskonstante zum umgebenden Medium, wie z. B. Luft oder eine isolierende Flüssigkeit, ist, so wird sich ebenfalls eine Kapazitätszu- oder abnähme ergeben.In the above equation, the total resistance R ges is the resistance that results from the series connection of the inclination-dependent resistors R L i ter and R f iu s sig. In contrast to the other exemplary embodiments, FIG. 8 shows a detection device which works on a capacitive detection principle. In particular, a cross section through a curved web 20 is shown, a first electrode 80 being attached to the bottom of the web, while second electrodes 81, 82 are arranged at lateral boundaries of the web 20. If the movable element 10, which is shown in FIG. 8 as a sphere, is conductive, a capacitance is formed between the first electrode 80 and the sphere 10 as the first capacitor electrode and the electrode 82 as the second capacitor electrode. For incremental detection, as seen along the path, the second electrode 82 is designed as a plurality of discrete sub-electrodes insulated from one another, so that when the ball moves past a sub-electrode there is an increase in capacitance which results in a Decreases in capacity when the ball moves away from the electrode 82 again. It should be noted that it is not absolutely necessary for the rolling element 10 to be electrically conductive. Is the same formed from a dielectric that has a different dielectric constant to the surrounding medium, such as. B. air or an insulating liquid, there will also be a capacity increase or decrease.
Alternativ wird es bevorzugt, eine kapazitive Erfassung dadurch zu realisieren, daß eine auf der Bahn angebrachte E- lektrodenstruktur durch ein Dielektrikum bedeckt ist. Auf dem Wälzkörper ist eine Elektrodenstruktur im wesentlichen quer zu dessen Wälzrichtung aufgebracht. Die Bodenelektroden sind so ausgebildet, daß quer zur Wälzrichtung angeordnete gegenüberliegende Elektrodenfinger vorhanden sind. Durch die neigungsabhängige Bewegung des Wälzkörpers über die durch das Dielektrikum isolierten Elektrodenfinger wird dann anhand entstehender Kapazitätsmaxima- und minima die Neigung des Gehäuses detektiert.- Insbesondere ergibt sich ein Maximum, wenn der Wälzkörper direkt über den Fingern angeordnet ist. Ein Minimum ergibt sich dagegen, wenn der Körper zwischen zwei benachbarten Fingerpaaren angeordnet ist, wobei der Wälzkörper nicht das Dielektrikum zwischen den gegenüberliegenden Fingern beeinflußt.Alternatively, it is preferred to realize capacitive detection in that an electrode structure attached to the web is covered by a dielectric. An electrode structure is applied to the rolling element essentially transversely to its rolling direction. The bottom electrodes are designed in such a way that there are opposite electrode fingers arranged transversely to the rolling direction. Due to the inclination-dependent movement of the rolling element The electrode fingers isolated by the dielectric are then detected on the basis of the maximum and maximum capacitance and the inclination of the housing. In particular, there is a maximum if the rolling element is arranged directly above the fingers. On the other hand, there is a minimum if the body is arranged between two adjacent pairs of fingers, the rolling element not influencing the dielectric between the opposing fingers.
An dieser Stelle sei ferner darauf hingewiesen, daß die in Fig. 8 gezeigte Anordnung auch alternativ eingesetzt werden kann, wenn sich die Kugel 10 entlang einer Richtung bewegt, die durch einen Richtungspfeil 83 dargestellt ist. Bewegt sich die Kugel 10 nach links, so wird die Kapazität zwi- sehen der Kugel und der linken Elektrode 82 zunehmen, während die Kapazität zwischen der Kugel und der rechten E- lektrode 81 abnehmen wird. Bewegt sich die Kugel dagegen nach rechts, so wird die Kapazität zwischen der Elektrode 82 und der Kugel 10 abnehmen, während die Kapazität zwi- sehen der Kugel 10 und der rechten Elektrode 81 zunehmen wird. In diesem Fall wird es bevorzugt, eine Differenzfassung einzusetzen, um eine höhere Empfindlichkeit zu erreichen.At this point it should also be pointed out that the arrangement shown in FIG. 8 can also be used as an alternative if the ball 10 moves along a direction which is represented by an arrow 83. If the ball 10 moves to the left, the capacitance between the ball and the left electrode 82 will increase, while the capacitance between the ball and the right electrode 81 will decrease. If, on the other hand, the ball moves to the right, the capacitance between the electrode 82 and the ball 10 will decrease, while the capacitance between the ball 10 and the right electrode 81 will increase. In this case, it is preferred to use differential detection to achieve higher sensitivity.
Es sei darauf hingewiesen, daß bei allen oben beschriebenen Ausführungsbeispielen neben der Messung der eingehenden Signale ebenfalls die Zeiten deren Änderungen gemessen und ausgewertet werden können, um dadurch eine Erhöhung der Sensorauflösung und insbesondere auch eine Erfassung der zeitlichen Änderung der Stellung des beweglichen Elements entlang der Bahn zu erreichen. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird durch die Messung des Zeitsignals zusätzlich zum Wegsignal mittels einer geeigneten Schaltung der Aufenthaltsort und der Bewegungsverlauf des Wälzkörpers rekonstruiert. Dadurch kann ferner eine höhere Auflösung, als sie durch die gemessenen Signale alleine möglich wäre, mittels Interpolation, d. h. mittels der Nachverfolgung und Vorhersage der Bewegungsbahn, erreicht werden.It should be noted that in all the exemplary embodiments described above, in addition to measuring the incoming signals, the times of their changes can also be measured and evaluated, thereby increasing the sensor resolution and in particular also detecting the change in the position of the movable element along the path over time to reach. In a preferred embodiment, the time signal is measured in addition to the path signal using a suitable circuit the location and the course of movement of the rolling element are reconstructed. As a result, a higher resolution than would be possible using the measured signals alone can also be achieved by means of interpolation, ie by means of tracking and predicting the movement path.
Als eigenständige Überprüfung des Sensors im laufenden Betrieb kann das Element 10 mittels Energieeinkopplung über die Erfassungseinrichtung kurzfristig aus seiner momentanen Lage bewegt werden. Eine entsprechende Elektronik überwacht dann die Reaktion des Elements 10 mittels der Erfassungseinrichtung. Stimmt die Reaktion des Elements 10 mit einer erwarteten Reaktion überein, ist der Sensor funktionsfähig. Ergibt sich allerdings eine Abweichung vom erwarteten Ziel- wert, kann die Elektronik dadurch auf eine Funktionsstörung des Sensors schließen.As an independent check of the sensor during operation, the element 10 can be moved briefly out of its current position by means of energy coupling via the detection device. Appropriate electronics then monitor the reaction of the element 10 by means of the detection device. If the reaction of the element 10 matches an expected reaction, the sensor is functional. However, if there is a deviation from the expected target value, the electronics can conclude that the sensor is malfunctioning.
Schließlich sei darauf hingewiesen, daß der Neigungssensor auch derart ausgeführt werden kann, daß Neigungen bezüglich einer zweiten Neigungsachse gleichzeitig mit Neigungen bezüglich einer ersten Neigungsachse gemessen werden. Hierfür ist es erforderlich, daß die Rinne, als die die gekrümmte Bahn bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ausgeführt ist, in eine zweidimensional gekrümmte Ebene modifi- ziert wird, und daß entlang der Ebene eine weitere Verdrahtungsstruktur in Form von weiteren Elektrodenstrukturen realisiert wird, so daß sich das bewegliche Element 10 nicht nur um die Neigungsachse 12 bewegen kann, sondern ebenfalls um eine zur Neigungsachse 12 senkrechten zweiten Neigungs- achse bewegen kann. Die Stellung des beweglichen Elements bezüglich der gekrümmten Bahn in Form einer zweidimensiona- len gekrümmten Oberfläche ist dann mittels der weiteren E- lektrodenstruktur erfaßbar. Finally, it should be pointed out that the inclination sensor can also be designed in such a way that inclinations with respect to a second inclination axis are measured simultaneously with inclinations with respect to a first inclination axis. For this, it is necessary that the groove, as the curved track in the embodiment shown in FIG. 1, is modified into a two-dimensionally curved plane, and that a further wiring structure in the form of further electrode structures is realized along the plane , so that the movable element 10 can not only move about the inclination axis 12, but also can move about a second inclination axis perpendicular to the inclination axis 12. The position of the movable element with respect to the curved path in the form of a two-dimensional curved surface can then be determined by means of the further electrode structure.

Claims

Patentansprüche claims
1. Neigungssensor mit folgenden. Merkmalen:1. Tilt sensor with the following. features:
einer Bahn (20) , die aus einem Spritzguß- Polymerkunststoff ausgebildet ist;a web (20) formed from an injection molded polymer plastic;
einem entlang der Bahn (20) beweglichen Element (10) , wobei eine Stellung des beweglichen Elements entlang der Bahn (20) von einer Neigung der Bahn (20) bezüglich einer Bezugsstellung (60) abhängt; undan element (10) movable along the path (20), a position of the movable element along the path (20) depending on an inclination of the path (20) with respect to a reference position (60); and
einer Erfassungseinrichtung (Ll, L2, L3, Lref) zum Erfassen der Stellung des beweglichen Elements entlang der Bahn und/oder einer zeitlichen Änderung der Stellung des beweglichen Elements entlang der Bahn.a detection device (L1, L2, L3, Lref) for detecting the position of the movable element along the path and / or a temporal change in the position of the movable element along the path.
2. Neigungssensor nach Anspruch 1,2. inclination sensor according to claim 1,
bei dem die Bahn (20) eine gekrümmte Bahn ist, bei dem die Bahn eine gerade Bahn ist und das bewegliche Element eine gekrümmte Oberfläche hat, die mit der Bahn in Eingriff ist, oder bei dem sowohl die Bahn als auch eine Oberfläche des beweglichen Elements, die mit der Bahn in Eingriff ist, unterschiedliche Krümmungen haben, so daß das Element in Abhängigkeit von der Neigung beweglich ist.wherein the sheet (20) is a curved sheet, the sheet is a straight sheet, and the movable member has a curved surface that engages the sheet, or both the sheet and a surface of the movable member , which is in engagement with the web, have different curvatures so that the element is movable depending on the inclination.
Neigungssensor nach Anspruch 1 oder 2,Tilt sensor according to claim 1 or 2,
bei dem die Erfassungseinrichtung ausgebildet ist, um die Stellung oder eine Änderung der Stellung des be- weglichen Elements mittels einer Elektrodenanordnung (80, 81, 82) kapazitiv zu erfassen.in which the detection device is designed to detect the position or a change in the position of the movable element by means of an electrode arrangement (80, 81, 82) capacitively.
4. Neigungssensor nach Anspruch 3,4. tilt sensor according to claim 3,
bei dem die Erfassungseinrichtung folgende Merkmale aufweist :in which the detection device has the following features:
eine erste Elektrode (80) entlang der Bahn, auf der das bewegliche Element bewegbar ist; unda first electrode (80) along the path on which the movable member is movable; and
zumindest eine zweite Elektrode (81, 82), die so angeordnet ist, daß das bewegliche Element dieselbe nicht berührt, wobei die erste und die zumindest eine zweite Elektrode einen Kondensator bilden.at least one second electrode (81, 82) which is arranged such that the movable element does not touch it, the first and the at least one second electrode forming a capacitor.
5. Neigungssensor nach Anspruch 3 oder 4, bei dem das bewegliche Element (10) ganz oder teilweise leitfähig ist und zusammen mit einer Elektrode (80) der Elektro- denanordnung einen Kondensator bildet, dessen Kapazität von einer Stellung des beweglichen Elements entlang der Bahn (20) abhängt.5. Inclination sensor according to claim 3 or 4, in which the movable element (10) is wholly or partly conductive and, together with an electrode (80) of the electrode arrangement, forms a capacitor whose capacitance depends on a position of the movable element along the path ( 20) depends.
6. Neigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe,6. inclination sensor according to one of the preceding claims,
bei dem das bewegliche Element (10) ein Wälzkörper o- der ein Tropfen einer Flüssigkeit mit einer Oberflächenspannkraft ist, die so gewählt ist, daß sich der Tropfen bei einer Bewegung entlang der Bahn (20) nicht zerteilt .in which the movable element (10) is a rolling element or a drop of a liquid with a surface tension force which is selected such that the drop does not split up when moving along the track (20).
7. Neigungssensor nach Anspruch 6, bei dem der Wälzkörper (10) eine Mehrzahl von quer zu einer Wälzrichtung angeordneten Elektroden aufweist,7. inclination sensor according to claim 6, in which the rolling element (10) has a plurality of electrodes arranged transversely to a rolling direction,
bei dem auf den Elektroden ein Dielektrikum angeordnet ist, auf dem der Wälzkörper angeordnet ist, undin which a dielectric is arranged on the electrodes, on which the rolling element is arranged, and
bei dem eine Bewegung des Wälzkörpers durch Feststellen von Kapazitätsmaxima und Kapazitätsminima zwischen den Elektroden erfaßbar ist.in which a movement of the rolling element can be detected by ascertaining capacitance maxima and capacitance minima between the electrodes.
8. Neigungssensor nach Anspruch 1 oder 2,8. inclination sensor according to claim 1 or 2,
bei dem das bewegliche Element (10) ganz oder teilwei- se elektrisch leitfähig ist, undin which the movable element (10) is wholly or partly electrically conductive, and
bei dem die Erfassungseinrichtung folgende Merkmale aufweist:in which the detection device has the following features:
eine erste Elektrodenanordnung (Ll) ;a first electrode arrangement (L1);
eine zweite Elektrodenanordnung (L2);a second electrode arrangement (L2);
eine Einrichtung zum Anlegen einer Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrodenanordnung, wobei die erste und die zweite Elektrodenanordnung so ausgebildet sind, daß das bewegliche Element abhängig' von der Stellung die erste und die zweite Elektrodenanordnung kurzschließt.in that the movable element ', the first and second electrode assembly shorting means for applying a voltage between the first and the second electrode arrangement, wherein the first and the second electrode arrangement are configured so depending on the position.
Neigungssensor nach Anspruch 8, bei dem die erste Elektrodenanordnung (51') eine Mehrzahl von sich quer zur Bahn erstreckenden ersten Teilelektroden aufweist;Tilt sensor according to claim 8, in which the first electrode arrangement (51 ') has a plurality of first partial electrodes extending transversely to the path;
bei dem die zweite Elektrodenanordnung (51) durchgehend ist; undin which the second electrode arrangement (51) is continuous; and
bei dem die Erfassungseinrichtung ferner eine Einrichtung zum Zählen (63) von Kurzschlüssen zwischen der ersten und der zweiten Elektrodenanordnung oder zum Bestimmen (64) einer Zeit zwischen zwei Kurzschlüssen aufweist .wherein the detection device further comprises a device for counting (63) short circuits between the first and the second electrode arrangement or for determining (64) a time between two short circuits.
10. Neigungssensor nach Anspruch 8,10. inclination sensor according to claim 8,
bei dem die erste Elektrodenanordnung eine Mehrzahl von sich quer zur Bahn erstreckenden ersten Teilelektroden aufweist;in which the first electrode arrangement has a plurality of first sub-electrodes extending transversely to the path;
bei dem die zweite Elektrodenanordnung eine Mehrzahl von sich quer zur Bahn erstreckenden zweiten Teilelektroden aufweist, undin which the second electrode arrangement has a plurality of second sub-electrodes extending transversely to the path, and
bei dem die Erfassungseinrichtung ausgebildet ist, um Kurzschlüsse zwischen der ersten Elektrodenanordnung (51') und der zweiten Elektrodenanordnung (53') zu erfassen.in which the detection device is designed to detect short circuits between the first electrode arrangement (51 ') and the second electrode arrangement (53').
11. Neigungssensor nach Anspruch 8,11. Tilt sensor according to claim 8,
bei dem die erste Elektrodenanordnung eine Mehrzahl von sich quer zur Bahn erstreckenden ersten Teilelektroden aufweist, bei dem die zweite Elektrodenanordnung eine Mehrzahl von sich quer zur Bahn erstreckenden zweiten Teilelektroden aufweist,in which the first electrode arrangement has a plurality of first partial electrodes extending transversely to the path, in which the second electrode arrangement has a plurality of second partial electrodes extending transversely to the path,
wobei zwei benachbarte Teilelektroden der ersten und/oder der zweiten Elektrodenanordnung mäanderförmig miteinander verbunden sind,two adjacent partial electrodes of the first and / or the second electrode arrangement being connected to one another in a meandering manner,
wobei die Erfassungseinrichtung ausgebildet ist, um eine Stellung des beweglichen Elements über einen Ohmschen Widerstand zwischen der ersten Elektrodenanordnung und der zweiten Elektrodenanordnung zu ermitteln.wherein the detection device is designed to determine a position of the movable element via an ohmic resistance between the first electrode arrangement and the second electrode arrangement.
12. Neigungssensor nach Anspruch 9,12. Tilt sensor according to claim 9,
bei dem die Erfassungseinrichtung ferner eine dritte Elektrodenanordnung (54) aufweist, die eine Mehrzahl von sich quer zur Bahn erstreckenden dritten Teil- elektroden aufweist, die zu der Mehrzahl von sich quer zur Bahn erstreckenden ersten Teilelektroden der ersten Elektrodenanordnung um weniger als eine halbe Teilelektrodenbreite versetzt sind,in which the detection device further comprises a third electrode arrangement (54) which has a plurality of third sub-electrodes extending transversely to the web, which is offset from the plurality of first sub-electrodes extending transversely to the web by less than half a sub-electrode width are,
so daß eine Neigungsrichtung daraus bestimmbar ist, ob ein Kurzschluß zwischen der zweiten Elektrodenanordnung und der ersten Elektrodenanordnung zeitlich eher auf einen Kurzschluß zwischen der zweiten Elektrodenanordnung und der dritten Elektrodenanordnung folgt oder nicht.so that an inclination direction can be determined whether a short circuit between the second electrode arrangement and the first electrode arrangement follows in time rather than a short circuit between the second electrode arrangement and the third electrode arrangement or not.
13. Neigungssensor nach Anspruch 8, bei dem die Erfassungseinrichtung ferner eine dritte Elektrodenanordnung (54) aufweist, die eine Mehrzahl von sich quer zur Bahn erstreckenden dritten Teilelektroden aufweist, die zu der Mehrzahl von sich quer zur Bahn erstreckenden ersten Teilelektroden um einen halben Elektrodenzwischenraum versetzt sind.13. Tilt sensor according to claim 8, in which the detection device further comprises a third electrode arrangement (54) which has a plurality of third sub-electrodes extending transversely to the web, which are offset by half an electrode gap from the plurality of first sub-electrodes extending transversely to the web.
14. Neigungssensor nach Anspruch 9,14. Tilt sensor according to claim 9,
bei dem ferner eine Referenzelektrode (52) an der Bezugsstellung (60) des beweglichen Elements (10) vorgesehen ist, mittels der ein Signal ausgebbar ist, wenn sich das bewegliche Element in der Bezugsstellung (60) befindet.in which a reference electrode (52) is also provided at the reference position (60) of the movable element (10), by means of which a signal can be output when the movable element is in the reference position (60).
15. Neigungssensor nach Anspruch 1,15. inclination sensor according to claim 1,
bei dem das bewegliche Element (10) elektrisch leitfähig ist,in which the movable element (10) is electrically conductive,
bei dem eine erste Elektrodenanordnung (51'') vorgesehen ist,in which a first electrode arrangement (51 '') is provided,
bei dem eine zweite Elektrodenanordnung (53'') vorge- sehen ist;in which a second electrode arrangement (53 '') is provided;
wobei die erste Elektrodenanordnung und die zweite E- lektrodenanordnung so angeordnet sind, daß das bewegliche Element entweder beide Elektrodenanordnungen gleichzeitig kontaktiert oder nur eine Elektrodenanordnung kontaktiert und über ein leitfähiges Medium mit der anderen Elektrodenanordnung in leitfähigem Kontakt steht, und wobei ferner eine Einrichtung zum Bestimmen eines Ohmschen Widerstandes zwischen der ersten und der zweiten Elektrodenanordnung vorgesehen ist, der von einer Stellung des beweglichen Elements (10) abhängt.wherein the first electrode arrangement and the second electrode arrangement are arranged in such a way that the movable element either contacts both electrode arrangements at the same time or only contacts one electrode arrangement and is in conductive contact with the other electrode arrangement via a conductive medium, and wherein a device for determining an ohmic resistance between the first and the second electrode arrangement is further provided, which depends on a position of the movable element (10).
16. Neigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,16. Tilt sensor according to one of the preceding claims,
bei dem die Bahn (20) als Rinne mit seitlichen Begrenzungen für das bewegliche Element (10) ausgeführt ist, um eine Neigung gemäß einer Neigungsachse zu erfassen.in which the track (20) is designed as a trough with lateral boundaries for the movable element (10) in order to detect an inclination according to an axis of inclination.
17. Neigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12,17. inclination sensor according to one of claims 1 to 12,
bei dem die Bahn ausgebildet ist, um eine Bewegung des Elements gemäß zwei unterschiedlichen Neigungsachsen zuzulassen.in which the path is designed to allow movement of the element along two different axes of inclination.
18. Neigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,18. Tilt sensor according to one of the preceding claims,
bei dem entlang der Bahn ein Dämpfungsmedium angeordnet ist, um eine Bewegung des beweglichen Elements (10) zu dämpfen.in which a damping medium is arranged along the path in order to dampen a movement of the movable element (10).
19. Neigungssensor nach einem der vorhergehenden Patentansprüche,19. inclination sensor according to one of the preceding claims,
- bei dem das bewegliche Element ganz oder teilweise e- lektrisch leitfähig ist, bei dem die Erfassungseinrichtung folgende Merkmale aufweist :- in which the movable element is completely or partially electrically conductive, in which the detection device has the following features:
eine Mehrzahl von sich über die Bahn erstreckenden Leitungselektroden (Ll, L2, L3, L4);a plurality of lead electrodes (L1, L2, L3, L4) extending across the track;
eine Mehrzahl von sich über die Bahn erstreckenden Referenzelektroden (LRefi, LRef2, LRef3, Lref4) , wobei die Elektroden so ineinander eingreifen, daß eine Kugel an einer Position ein Elektrodenpaar aus einer Leitungselektrode und einer Referenzelektrode kurzschließt und an einer anderen Position ein anderes Leitungspaar mit einer Leitungselektrode und einer Referenzelektrode kurzschließt, wobei sich die Leitungselektrode und/oder die Referenzelektrode des anderen Leitungspaares von der Leitungselektrode und/oder der Referenzelektrode des einen Leitungspaares unterscheidet; unda plurality of reference electrodes (L Ref i, L Re f 2 , L Ref3 , L re f 4 ) extending over the path, the electrodes engaging in one another in such a way that a ball at one position short-circuits an electrode pair consisting of a lead electrode and a reference electrode and in another position short-circuits another line pair with a line electrode and a reference electrode, the line electrode and / or the reference electrode of the other line pair differing from the line electrode and / or the reference electrode of the one line pair; and
wobei die Erfassungseinrichtung ferner ausgebildet ist, um festzustellen, zwischen welchem Leitungspaar ein Kurzschluß vorhanden ist, und um auf der Basis des ermittelten Leitungspaares Neigungsinformationen zu gewinnen.wherein the detection device is further designed to determine between which line pair there is a short circuit and to obtain inclination information on the basis of the determined line pair.
20. Neigungssensor nach Patentanspruch 19,20. inclination sensor according to claim 19,
bei dem entlang der Bahn eine Mehrzahl von Gruppen von Leitungselektroden und Referenzelektroden nacheinander angeordnet sind, wobei Leitungselektroden der selbenin which a plurality of groups of line electrodes and reference electrodes are arranged one after the other along the track, line electrodes of the same
Wertigkeit in allen Gruppen und Referenzelektroden der selben Wertigkeit in allen Gruppen jeweils miteinander verbunden sind, und wobei die Erfassungseinrichtung ferner ausgebildet ist, um eine Gruppe, in der das bewegliche Element einen Kurzschluß auslöst, auf der Basis einer Überwa- chung von Kurzschlüssen zu identifizieren, die das bewegliche, Element auslöst, wenn es sich entlang der Bahn von einer Position zu einer nächsten Position bewegt, wobei die erste Position einer ersten Neigung entspricht und wobei die zweite Position einer zweiten Neigung entspricht.Valence in all groups and reference electrodes of the same valence in all groups are connected to each other, and wherein the detection means is further configured to identify a group in which the movable element triggers a short, on the basis of a monitoring of short circuits which the movable element triggers when it moves along the path from one position to one next position moves, wherein the first position corresponds to a first inclination and wherein the second position corresponds to a second inclination.
21. Neigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,21. Tilt sensor according to one of the preceding claims,
bei dem die Erfassungseinrichtung oder das Element (10) Elektroden aufweist, die auf dem Kunststoff selektiv metallisiert sind.in which the detection device or the element (10) has electrodes which are selectively metallized on the plastic.
22. Neigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe,22. inclination sensor according to one of the preceding claims,
bei dem das bewegliche Element aus Kunststoff ist und ein Metallmaterial aufweist.in which the movable element is made of plastic and has a metal material.
23. Neigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner eine Einrichtung zum Bewirken einer Auslenkung des Elements (10) sowie eine Überwachungseinrichtung aufweist, die so ausgebildet ist, daß eine durch die Einrichtung zum Bewirken bewirkte Ist- Auslenkung des Elements mit einer vorbestimmten Soll- Auslenkung verglichen wird, um auf eine Funktionsfähigkeit des Neigungssensors zu schließen. 23. Tilt sensor according to one of the preceding claims, further comprising a device for causing a deflection of the element (10) and a monitoring device which is designed such that an actual deflection of the element caused by the device for causing with a predetermined target Deflection is compared to conclude that the inclination sensor is functional.
4. Neigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner eine in einem Gehäuse des Neigungssensors integrierte elektronische Schaltung zur Ermittlung der Neigung aufweist. 4. Tilt sensor according to one of the preceding claims, further comprising an electronic circuit integrated in a housing of the tilt sensor for determining the tilt.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7975394B2 (en) 2006-04-07 2011-07-12 Osram Opto Semiconductors Gmbh Tilt sensor
WO2016095894A1 (en) * 2014-12-18 2016-06-23 Deilmann-Haniel Mining Systems Gmbh Inclination sensor for use in mining
WO2018036860A1 (en) * 2016-08-25 2018-03-01 Carebay Europe Ltd. Orientation indicator for a medicament delivery device, a medicament delivery device comprising the orientation indicator, and a trainer for a medicament delivery device, which traner comprises the orientation indicator

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102004019393B4 (en) * 2004-04-19 2006-02-02 Peter Mattes Tilt sensor for making and controlling the balance of riding saddles
DE102011106986B3 (en) * 2011-07-05 2013-01-03 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Orientation sensor for space probe for determination of orientation of sensor housing in gravitational field in aerospace industry, has evaluation unit i.e. microprocessor, determining position of ball in inner side of sensor housing

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1790620U (en) * 1959-03-25 1959-06-18 Erdoel Ag Erdoelwerke Wietze D DEVICE FOR CONTINUOUS MEASUREMENT OF THE DEVIATION OF A HORIZONTAL BORE DRIVED FROM A VERTICAL WELL SHAFT FROM THE HORIZONTAL AND DEVICE TO IT.
FR2520501A1 (en) * 1982-01-27 1983-07-29 Abf Electronic surface or line inclinometer - has orthogonal bearing faces and display of read=out from sensor for angular displacement
FR2554580A1 (en) * 1983-11-03 1985-05-10 Super 73 Detector of the inclination of an object
FR2590467A1 (en) * 1985-11-27 1987-05-29 Von Meks Alexandre Device for adjusting the horizontal level of frames and wall paintings, product and use
US4747216A (en) * 1987-01-23 1988-05-31 Kelly Vincent M Clinometer/accelerometer and method
US5444917A (en) * 1993-11-08 1995-08-29 Nelson; Donald F. Sensing device

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1790620U (en) * 1959-03-25 1959-06-18 Erdoel Ag Erdoelwerke Wietze D DEVICE FOR CONTINUOUS MEASUREMENT OF THE DEVIATION OF A HORIZONTAL BORE DRIVED FROM A VERTICAL WELL SHAFT FROM THE HORIZONTAL AND DEVICE TO IT.
FR2520501A1 (en) * 1982-01-27 1983-07-29 Abf Electronic surface or line inclinometer - has orthogonal bearing faces and display of read=out from sensor for angular displacement
FR2554580A1 (en) * 1983-11-03 1985-05-10 Super 73 Detector of the inclination of an object
FR2590467A1 (en) * 1985-11-27 1987-05-29 Von Meks Alexandre Device for adjusting the horizontal level of frames and wall paintings, product and use
US4747216A (en) * 1987-01-23 1988-05-31 Kelly Vincent M Clinometer/accelerometer and method
US5444917A (en) * 1993-11-08 1995-08-29 Nelson; Donald F. Sensing device

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7975394B2 (en) 2006-04-07 2011-07-12 Osram Opto Semiconductors Gmbh Tilt sensor
WO2016095894A1 (en) * 2014-12-18 2016-06-23 Deilmann-Haniel Mining Systems Gmbh Inclination sensor for use in mining
WO2018036860A1 (en) * 2016-08-25 2018-03-01 Carebay Europe Ltd. Orientation indicator for a medicament delivery device, a medicament delivery device comprising the orientation indicator, and a trainer for a medicament delivery device, which traner comprises the orientation indicator
CN109661249A (en) * 2016-08-25 2019-04-19 艾斯曲尔医疗公司 Towards indicator, including the medicament delivery device towards indicator and the medicament delivery device training aids including this towards indicator

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