WO1999031465A1 - Berührungslose positions- und/oder wegerkennung - Google Patents

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WO1999031465A1
WO1999031465A1 PCT/EP1998/008288 EP9808288W WO9931465A1 WO 1999031465 A1 WO1999031465 A1 WO 1999031465A1 EP 9808288 W EP9808288 W EP 9808288W WO 9931465 A1 WO9931465 A1 WO 9931465A1
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trigger
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radiation
energy
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PCT/EP1998/008288
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Inventor
Paul Kohlhaas
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Eidenberg, Kaspar
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    • G01D5/25—Selecting one or more conductors or channels from a plurality of conductors or channels, e.g. by closing contacts

Definitions

  • the invention relates to a device for contactless detection of the position and / or the distance traveled. Movement of an element moving along a route.
  • OPTIONAL COPY A sensor system that can be used without restriction in the fields of application mentioned must fulfill a number of basic properties: complete insensitivity to strong magnetic fields (welding currents)
  • Electrical resistance transmitters, potentiometers are a technically clear and widely used sensor system for converting mechanical path information into an electrical measured variable.
  • the system-related weak point of all resistance transmitters is the constantly moving and subject to wear contact resistance track - grinder, which questions operational safety when used with a large number of movement games.
  • Inductive position transmitter systems do not have the problem of contact wear, but are system-sensitive to external magnetic fields. which can only be used to a limited extent in systems with welding processes. In general, the costs are too high for the simple application.
  • an inductively operating displacement sensor system in which a plurality of reed contact switches are connected to a first common voltage potential, with a resistance of one each between the other connections of two adjacent reed contact switches Resistor series circuit is connected, which are connected between the common voltage potential and a second voltage potential.
  • the movable element has a switching magnet which, when moving along the reed contact switch, switches it on or off. Only the "ON” and “OFF" states can be switched with the reed switch contacts.
  • the output characteristic of this inductive displacement sensor system is therefore not very linear. In particular, based on this output characteristic curve, no information about the position of the switching magnet in the area between two reed contact switches can be obtained.
  • the invention has for its object to provide a contactless working encoder system in which, despite the use of spaced-apart electronic switching elements, a statement about the movable element is possible even if this element is located in the area between two adjacent electronic switches.
  • the invention proposes a device for contactless detection of the position and / or the distance covered of an element moving along a path, the device being provided with a series connection of several resistors, the series connection being between a first one
  • Voltage potential and a second voltage potential is switched, and a plurality of non-contact electronic switches, which are connected between the connection points of adjacent resistors and a common connection line, which may be connected to the second voltage potential via a current limiting resistor, the switches along the path in a specific one Distance are arranged in succession, and an energy-releasing trigger unit for contactless switching of the electronic switches, wherein - either the switch arrangement or the trigger unit can be coupled to the movable element, the radiation area in which the trigger unit emits energy and the distance between adjacent switches are selected in this way that the energy on the switch arrangement strikes in an area, the extent of which along the path is at least 1 ⁇ times the distance between adjacent switches, and - between the connecting line and the second voltage potential, an output voltage can be tapped, the level of which corresponds to and / or the switched switch and thus represents the current relative position of the trigger unit to the switch arrangement.
  • electronic switches i.e. Semiconductor switches are used which change from the conductive to the blocking state when exposed to electromagnetic radiation, in particular IR radiation.
  • the movable element is provided with a trigger element which emits electromagnetic radiation, the radiation of which is emitted in a radiation area (emission angle).
  • the arrangement of the electronic switches and the trigger element is such that when the movable element moves along the sequence of electronic switches, at least two electronic switches are each at least partially in the radiation range of the
  • the triggering element which is in particular an IR diode
  • the electronic switches are therefore first transferred to an intermediate state between the blocking and the conducting state the moment they are exposed to the edge zone of the radiation region of the radiation.
  • the switch-on state of the Electronic switches do not occur suddenly, but gradually, which leads to a "smoothing" of the output characteristic of the device according to the invention.
  • there is an output characteristic curve which is essentially continuous and differentiable, so that a statement can also be made about the position of the triggering element when the triggering element is currently between two adjacent electronic switches.
  • the size of the radiation area can be determined or adjustable by means of appropriate optics and / or diaphragms. About such optical elements, in particular filters or the like. it is then also possible to influence the intensity distribution of the radiation energy within the radiation range. This in turn influences the switching time and the type of switching of the individual switches. All of these parameters can be set or specified accordingly in order to achieve the most exact possible continuous and high-resolution detection of the distance covered or the position of the movable element.
  • the trigger element in a fixed manner in order to move the sequence of electronic switches relative to the latter.
  • Another alternative is to selectively expose the electronic switches to the electromagnetic radiation by means of a sliding cover.
  • the diaphragm would take over the function of the triggering element, the diaphragm thereby being between the sequence of the electronic switches on the one hand and an electromagnetic see radiation-emitting arrangement of trigger elements on the other hand is arranged.
  • the "aperture system" described above is particularly suitable for rotary angle encoders, since this structure does not then lead to an "extension" of the overall arrangement in an end position, as would be the case with a linear detector based on the aperture principle, and is therefore space-saving.
  • the triggering elements of the triggering unit are arranged opposite the switches of the switch arrangement which can be switched without contact.
  • a trigger element is therefore directly assigned to each switch.
  • a switch not only receives the radiation energy of the trigger element directly opposite it, but also radiant energy from the edge zone of the radiation area of a trigger element adjacent to this trigger element. This results in "crosstalk", so to speak, which in turn has the advantage that the switches are not switched on suddenly. As explained above, this also contributes to the fact that the switches also have a non-ideal sudden switch-on characteristic, since they are semiconductor components.
  • Fig. 1 is a schematic representation of the wiring of a device according to a first Embodiment with a single light-emitting trigger element moving along phototransistors, the situation when the trigger element is shown in dash-dotted lines, and
  • Fig. 2 to 4 are schematic representations of a second exemplary embodiment, in which several pairs are arranged opposite one another in pairs
  • Switches and release elements are provided with a displaceable diaphragm arranged between them.
  • Main components of the device 10 are one
  • Voltage divider 12 consisting of a larger number n in
  • phototransistors the switching positions of which can be controlled contactless and potential-free, for example by infrared influence.
  • the phototransistors T each have a radiation-sensitive area 14.
  • Each connection point between two adjacent resistors R is connected to the collector of a transistor T.
  • the series connection of the resistors R is connected between V ss and ground GND, while the emitters of the transistors T are connected to ground GND via a current limiting resistor S.
  • the voltage drop across each resistor R is ⁇ U.
  • this phototransistor changes to the conductive state and switches the respective voltage potential U applied to its collector between two resistors R to the common emitter measuring line 16 through to which the emitters of all phototransistors are connected.
  • a trigger element E guided over them and emitting IR radiation, is triggered by a trigger unit 18 (hereinafter referred to as IR emitter element) depending on the direction of movement Switch the voltage potential from 0 volts to V ss rising or from V ss to 0 volts depending on the position of the IR emitter element.
  • the IR emitter element E is coupled to a mechanical displacement sensor with a fixed element 20 and a movable element 22 such that the travel length of the path is identical to the geometric length of the phototransistor row, the voltage level applied to the collector of the respectively activated phototransistor T becomes connected to the measuring line 16, whereby the level of the measuring voltage U M is an image of the respective position of the movable element 22.
  • the number n of resistors R and phototransistors T should therefore not be less than 25-30, by a theoretical step value of 3.5-4.0% of the maximum measuring voltage not to exceed.
  • the radiation area 24 of the IR emitter element E is larger than the light-sensitive surface 14 of each transistor T.
  • the radiation angle 26, the distance 28 of the IR emitter elements E to the phototransistors T and the distance 30 between adjacent phototransistors T is selected such that the radiation energy of the emitter when traveling along the phototransistor arrangement detects the light-sensitive areas 14 of a maximum of two adjacent transistors T simultaneously.
  • the light-sensitive surface 14 of one phototransistor T is preferably located within the radiation region 24 of the IR emitter element E, while the other end of the radiation region 24 is only a part of the light-sensitive surface 14 of the adjacent phototransistor T. reached, this partial area is preferably as half of the photosensitive area 14.
  • the IR emitter element E each weakly exposes the next phototransistor T lying in the direction of movement due to a partial exposure, while the phototransistor T directly opposite the IR emitter element E is still fully exposed.
  • the phototransistors T can thus assume intermediate switching states between fully switched on and completely switched off, which contribute to smoothing the output measuring curve on the measuring line 16.
  • the same effect can be achieved if one takes into account that the radiation intensity within the radiation area 24 is not uniform and drops towards its edge zones.
  • optical elements such as preferably filters, which are located upstream of the IR emitter element E, provided that the IR emitter element E does not already have the desired radiation characteristic with intensity distribution due to its structure.
  • the innovation described enables contactless, contactless and stepless detection and conversion of mechanical paths and positions into a path-proportional, analog electrical control signal with simple effort.
  • the device 10 ' like the device 10, has a phototransistor arrangement which is connected to a voltage unit 12 consisting of n resistors R of the same size.
  • the collectors of the phototransistors T are connected to the nodes between adjacent transistors T, while their emitters are connected to the measuring line 16, which is connected to ground GND via a current limiting resistor S.
  • the voltage divider 12 consisting of the n resistors R with voltage drops ⁇ U across each resistor R is also connected to ground GND and the operating voltage V ss .
  • the measuring voltage is on the measuring line 16 tapped behind the last transistor T viewed from ground GND.
  • the transistor arrangement is part of the fixed element 20 which, in contrast to the device 10 according to FIG. 1, in the device 10 'according to FIGS. 2 to 4 also has a plurality of triggering elements E.
  • These trigger elements E together with a longitudinally displaceable shading element 32, which is part of the movable element 22 of the displacement sensor, form the trigger unit 18.
  • the shading element 32 is provided with an opening 34 and is located between the trigger elements E and the phototransistors T. Die Phototransistors T and the trigger elements E are arranged directly opposite one another.
  • the extent of the opening 34 in the direction of movement of the shading element 32 is selected such that taking into account the distance between adjacent phototransistors T and adjacent IR emitter elements E and the distance between opposing phototransistors and IR emitter elements from the radiation area of an emitter element depending on the position of the shading element 32 next to the full exposure of the photosensitive surface 14 of a phototransistor T, the photosensitive surface of at least one adjacent phototransistor T is at least partially detected. This also results in the intermediate switching states of the phototransistors T already mentioned in connection with the exemplary embodiment according to FIG. 1, since these are initially exposed weakly, then strongly and then again weakly when the shading element is moved.
  • the effective radiation area of the IR emitter elements E in this exemplary embodiment, which has an effect on the phototransistors T, is determined by the opening 34 and the above-mentioned distances. It is quite possible that the IR emitter elements E themselves have a larger radiation angle; in such a case, the effective radiation area is not determined by the triggering elements E but by the shading element 32 with a triggering unit 18 having an opening 34.
  • the phototransistors T can be compared with resistances in the MOhm range (in the dark) and a few 10 ohms (in the case of exposure) that can be changed by light or IR radiation. If such a phototransistor fully exposed, as it is, for example, in Fig. 2 in which by the IR emitter element E n n exposed transistor T is the case, this phototransistor transmits the voltage present at its collector divider voltage U n almost completely on the common sense line 16 The next phototransistor T n in the direction of movement of the shading element (see the movement sequence of the shading element 32 according to FIGS. 2 to 4). 1 is also still partially exposed at this point in time, but cannot transfer the divider voltage U ⁇ at its collector, which is lower by ⁇ U, against the potential U n .
  • the phototransistor T n _ x is fully exposed, so that the divider voltage O n , 1 is switched through to the measuring line 16.
  • the phototransistor T n is only partially exposed.
  • a portion of U n at the collector of this phototransistor T n is coupled to the measuring line 16. Since the phototransistors T have a diode characteristic, that is to say have a flow direction and a blocking direction, a measuring voltage U M equal to U n is established on the measuring line 16. 1 + ⁇ U2 on .

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Abstract

Die Vorrichtung zur berührungslosen Erkennung der Position und/oder des zurückgelegten Weges eines sich entlang eines Weges bewegenden Elements ist versehen mit einer Reihenschaltung aus mehreren Widerständen (R), wobei die Reihenschaltung zwischen einem ersten Spannungspotential (VS) und einem zweiten Spannungspotential (GND) geschaltet ist und mehreren berührungslos zu schaltenden eletronischen Schaltern, die zwischen die Verbindungspunkte jeweils benachbarter Widerstände (R) und eine gemeinsame gegebenenfalls über einen Strombegrenzungswiderstand mit dem zweiten Spannungspotential (GND) verbundene Verbindungsleitung geschaltet sind. Die Schalter sind entlang des Weges aufeinanderfolgend angeordnet und werden von einer insbesondere an dem bewegbaren Element angeordneten, Strahlung abgebenden Auslöseeinheit berührungslos geschaltet.

Description

Berührungslose Positions- und/oder eqerkennunσ
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Erkennung der Position und/oder des zurückgelegten Weges Bewegung eines sich entlang eines Weges be- wegenden Elements.
Bei automatischen Fertigungsprozessen sind zahlreiche oszillierende Bewegungen diverser Anlagenteile und Geräte zum Greifen, Positionieren, Halten, Spannen etc. vorhanden. Für die Steuerung des automatischen Ablaufes ist die jederzeitige Information der jeweiligen Stellung der Anlagenkomponenten unerläßlich. Bei einfacheren Anlagen und Prozessen kann Erfassung und Information der Endstellungen ausreichend sein. Für diese End- Stellungsmeldungen ist beim derzeitigen technischen Stand eine Vielzahl von Endschaltern unterschiedlichster Arbeitsweise bekannt. Bei großen komplexen Fertigungsstraßen mit vielen in sich verschachtelten Einzelbewegungen wird die Kenntnis nur der Endlagen unzu- reichend. Die zusätzliche, möglichst stufenlose Information beliebiger Zwischenstellungen kann den gesamten automatischen Ablauf erheblich optimieren.
Ein ausgedehntes Anwendungsgebiet für Weg- und Stel- lungssensorik an Anlagenkomponenten besteht in der gesamten chemischen Industrie, Petrochemie, Klimatechnik, wo besonders die Meldung beliebiger Zwischenstellungen von Ventilen, Klappen etc. grundsätzliche Bedeutung für die Prozeßautomaten hat. Wenn auch die Stellhäufigkeit geringer ist, so hat doch ein kontakt- und berührungs- loses System in diesen Bereichen den Vorzug.
BiSTÄTlGUNGSKÖPIE Eine Sensorik, die ohne Einschränkung auf den angeführten Anwendungsgebieten einsetzbar ist, muß eine Anzahl grundsätzlicher Eigenschaften erfüllen: völlige Unempfindlichkeit gegenüber starken Mag- netfeldern (Schweißströme)
Lebensdauer immer wesentlich größer als Maschinenlebensdauer kleine Abmessungen und leichte Anpassung an jeweilige Komponentenmechanik - unempfindlich gegen stoßartige Bewegung und Erschütterung
Linearität und Auflösung möglichst < ± 1,5 % vom Meßweg hohe Temperaturstabilität - normiertes Ausgangssignal 0 - 20 mA und geringe, dem Anwendungsfall angemessene Stückkosten.
Die bisher bekannte Sensorik kann die gewünschten Eigenschaften aus den nachfolgenden Gründen nur teilweise erreichen.
1. Elektrische Widerstandsgeber, Potentiometer sind eine technisch klare und viel angewendete Sensorik zur Umformung einer mechanischen Weginformation in eine elektrische Meßgröße. Systembedingte Schwachstelle aller Widerstandsgeber ist die ständig bewegte und Verschleiß unterworfene Kontaktstelle Widerstandsbahn - Schleifer, was die Betriebs- Sicherheit bei Einsatz mit großer Anzahl von Bewegungsspielen in Frage stellt.
2. Induktiv arbeitende Weggebersysteme haben das Problem des Kontaktverschleißes nicht, sind aber systembedingt empfindlich gegen fremde Magnetfei- der und daher nur bedingt bei Anlagen mit Schweißvorgängen einsetzbar. Für den einfachen Anwendungsfall sind allgemein auch die Kosten zu hoch.
3. Systeme auf Basis Kapazitätsänderung oder Ultraschall sind von Aufwand und Kosten nicht für den massierten Einsatz z.B. in Fertigungsstraßen geeignet .
Aus US-PS-3, 976, 963 ist ein induktiv arbeitendes Weggebersystem bekannt, bei dem mehrere Reed-Kontakt- Schalter mit einem ersten gemeinsamen Spannungspotential verbunden sind, wobei zwischen die anderen Anschlüsse jeweils zweier benachbarter Reed-Kontakt- Schalter jeweils ein Widerstand einer Widerstands- Reihenschaltung geschaltet ist, die zwischen dem gemeinsamen Spannungspotential und einem zweiten Spannungspotential geschaltet sind. Das bewegbare Element weist einen Schaltmagneten auf, der bei Bewegung ent- lang der Reed-Kontaktschalter diese ein- bzw. ausschaltet. Mit den Reed-Schaltkontakten lassen sich jeweils nur die Zustände "EIN" und "AUS" schalten. Die Aus- gangskennlinie dieses induktiven Weggebersystems ist also in starkem Maße nicht linear. Insbesondere lassen sich anhand dieser Ausgangskennlinie keinerlei Informationen über die Position des Schaltmagneten im Bereich zwischen zwei Reed-Kontaktschaltern entnehmen.
Aus DE-B-25 38 275 ist eine Lichtschranke mit mehreren lichtaussendenden Elementen und diesen gegenüberliegenden lichtempfangenden Schaltern bekannt, die parallel zu einer widerstandsfreien Schaltung geschaltet sind. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein berührungslos arbeitendes Weggebersystem zu schaffen, bei dem trotz Verwendung voneinander beabstandeter elektronischer Schaltelemente eine Aussage über das bewegbare Element auch dann möglich ist, wenn sich dieses Element im Bereich zwischen zwei benachbarten der elektronischen Schalter befindet.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine Vorrichtung zur berührungslosen Erkennung der Position und/oder des zurückgelegten Weges eines sich entlang eines Weges bewegenden Elements vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung versehen ist mit einer Reihenschaltung aus mehreren Widerständen, wobei die Reihenschaltung zwischen einem ersten
Spannungspotential und einem zweiten Spannungspotential geschaltet ist, und mehreren berührungslos zu schaltende elektronischen Schaltern, die zwischen die Verbindungs- punkte jeweils benachbarter Widerstände und eine gemeinsame gegebenenfalls über einen Strombegrenzungswiderstand mit dem zweiten Spannungspotential verbundene Verbindungsleitung geschaltet sind, wobei die Schalter entlang des Weges in einem bestimmten Abstand aufeinanderfolgend angeordnet sind, und einer Energie abgebenden Auslöseeinheit zum berührungslosen Schalten der elektronischen Schalter, wobei - entweder die Schalteranordnung oder die Auslöseeinheit mit dem bewegbaren Element koppelbar ist, der Abstrahlbereich, in dem die Auslöseeinheit Energie abgibt, und der Abstand benachbarter Schalter derart gewählt sind, daß die Energie auf die Schalteranordnung in einem Bereich auftrifft, dessen Erstreckung entlang des Weges mindestens das 1^-fache des Abstandes benachbarter Schalter beträgt, und - zwischen der Verbindungsleitung und dem zweiten Spannungspotential eine Ausgangsspannung abgreifbar ist, deren Pegel dem bzw. den geschalteten der Schalter entspricht und damit die augenblickliche Relativposition der Auslöseeinheit zu der Schalteranordnung repräsentiert.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden also als berührungslos zu schaltende Schalter elektronische, d.h. Halbleiter-Schalter eingesetzt, die bei Aussetzung einer elektromagnetischen Strahlung, insbesondere von IR-Strahlung vom leitenden in den sperrenden Zustand übergehen. Das bewegbare Element ist mit einem elektromagnetische Strahlung aussendenden Auslöseelement versehen, dessen Strahlung in einem Abstrahlbereich (Ab- Strahlwinkel) ausgesendet wird. Die Anordnung der elektronischen Schalter und des Auslöseelements ist derart getroffen, daß sich bei Bewegung des bewegbaren Elements entlang der Aufeinanderfolge von elektronischen Schaltern jeweils mindestens zwei elektronische Schalter zumindest teilweise im Abstrahlbereich des
Auslöseelements befinden. Die Intensität der Energie
(Strahlung) des Auslöseelements, bei dem es sich insbesondere um eine IR-Diode handelt, ist zwar konstant aber nicht gleichmäßig, da die Intensität der Strahlungsenergie zu den Rändern des Abstrahlbereichs abfällt. Die elektronischen Schalter werden also in dem Augenblick, in dem sie der Randzone des Abstrahlbereichs der Strahlung ausgesetzt sind, zunächst einen Zwischenzustand zwischen dem sperrenden und dem leitenden Zustand überführt. Der Einschalt -Zustand der elektronischen Schalter erfolgt also nicht schlagartig, sondern allmählich, was zu einer "Glättung" der Ausgangskennlinie der erfindungsgemäßen Vorrichtung führt. Mit anderen Worten stellt sich also eine Ausgangskennlinie ein, die im wesentlichen stetig und differenzierbar ist, so daß über die Position des Auslöseelements auch dann eine Aussage getroffen werden kann, wenn sich das Auslöseelement gerade zwischen zwei benachbarten elektronischen Schaltern befindet .
Die Größe des Abstrahlbereichs kann bei dem Auslöse- element durch eine entsprechende Optik und/oder Blende bestimmt sein bzw. einstellbar sein. Über derartige optische Elemente, insbesondere Filter o. dgl . ist es dann auch möglich, Einfluß auf die Intensitäts- verteilung der Strahlungsenergie innerhalb des Abstrahlbereichs zu nehmen. Damit wiederum wird der Schaltzeitpunkt und die Art des Umschaltens der einzelnen Schalter beeinflußt. All diese Parameter können eingestellt werden bzw. entsprechend vorgegeben sein, um eine möglichst exakte kontinuierliche und hoch auflösende Detektion des zurückgelegten Weges bzw. der Position des bewegbaren Elements zu erzielen.
Alternativ zu der zuvor beschriebenen Konstruktion der Vorrichtung ist es selbstverständlich auch möglich, das Auslöseelement feststehend anzuordnen, um relativ zu diesem die Aufeinanderfolge von elektronischen Schaltern zu bewegen. Als weitere Alternative ist daran ge- dacht, über eine verschiebbare Blende jeweils selektiv die elektronischen Schalter der elektromagnetischen Strahlung auszusetzen. Die Blende würde insoweit die Funktion des Auslöseelements übernehmen, wobei die Blende dabei zwischen der Aufeinanderfolge der elektro- nischen Schalter einerseits und einer elektromagneti- sehe Strahlung abgebenden Anordnung von Auslöse- elementen andererseits angeordnet ist. Das zuvor beschriebene "Blendensystem" eignet sich insbesondere bei Drehwinkelkodierern, da dieser Aufbau dann nicht zu einer "Verlängerung" der Gesamtanordnung in einer Endstellung führt, wie es bei einem auf dem Blendenprinzip aufbauenden Lineardetektor der Fall wäre, somit also platzsparend ist.
Bei dem zuvor beschriebenen "Blendensystem" sind die Auslöseelemente der Auslöseeinheit den berührungslos zu schaltenden Schaltern der Schalteranordnung gegenüberliegend angeordnet. Jedem Schalter ist also ein Auslöseelement direkt zugeordnet. Je nach Position der Öffnung in einem zwischen die Anordnungen von Schaltern und Auslöseelementen längs des Weges bewegbaren Abschattungselements gelangt jedoch auf einen Schalter nicht nur die Strahlungsenergie des diesem direkt gegenüberliegenden Auslöseelements, sondern auch Strahlungsenergie aus der Randzone des Abstrahlbereichs eines diesem Auslöseelement benachbarten Auslöseelements. Damit kommt es sozusagen zu einem "Übersprechen", was wiederum den Vorteil mit sich bringt, daß die Schalter nicht schlagartig eingeschaltet werden. Hierzu trägt, wie oben erläutert auch bei, daß die Schalter eine ebenfalls nicht ideale schlagartige Einschaltcharakteristik aufweisen, da es sich um Halbleiterbauelemente handelt.
Nachfolgend werden anhand der Figuren zwei Ausführungs- beispiele der Erfindung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Beschaltung einer Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel mit einem einzigen sich entlang von Phototransistoren bewegenden licht- aussendenden Auslöseelement, wobei die Situation bei Bewegung des Auslöseelements strichpunktiert dargestellt ist, und
Fign. 2 bis 4 schematische Darstellungen eines zweiten Ausführungsbeispiels, bei dem mehrere jeweils paarweise einander gegenüberliegend angeordnete
Schalter und Auslöseelemente mit einer dazwischen angeordneten verschiebbaren Blende vorgesehen sind.
Hauptbestandteile der Vorrichtung 10 sind ein
Spannungsteiler 12 , der aus einer größeren Anzahl n in
Reihe geschalteter gleichgroßer Widerstände R besteht, und eine gleiche Anzahl n Halbleiterschalter T
(nachfolgend Phototransistoren genannt) , deren Schalt- läge kontaktlos und potentialfrei durch z.B. Infraroteinfluß gesteuert werden kann. Die Phototransistoren T weisen jeweils eine strahlungsempfindliche Fläche 14 auf . Jede Verbindungsstelle zwischen zwei benachbarten Widerständen R ist mit dem Kollektor eines Transistors T verbunden. Die Reihenschaltung der Widerstände R ist zwischen Vss und Masse GND geschaltet, während die Emitter der Transistoren T über einen Strombegrenzungs- widerstand S mit Masse GND verbunden sind. Der Spannungsabfall über jeden Widerstand R ist ΔU. Wird die strahlungsempfindliche Fläche 14 eines der Transistoren T einer IR-Emission ausgesetzt, geht dieser Phototransistor in den leitenden Zustand über und schaltet das jeweilige, an seinen Kollektor zwischen zwei Widerständen R anstehende Spannungs- potential U auf die gemeinsame Emitter-Meßleitung 16 durch, an die die Emitter sämtlicher Phototransistoren angeschlossen sind.
Werden die Phototransistoren T geometrisch so in einer Reihe angeordnet, wie sie im Schaltbild elektrisch mit dem Spannungsteiler verbunden sind, so wird ein über sie hinweg geführtes, IR-Strahlung aussendendes Auslöseelement E einer Auslöseeinheit 18 (nachfolgend IR-Emitterelement genannt) je nach Bewegungsrichtung ein von 0 Volt bis Vss steigendes oder von Vss bis 0 Volt abfallendes, von der Stellung des IR- Emitterelements abhängiges Spannungspotential auf die Meßleitung schalten.
Wird die Bewegung des IR-Emitterelements E an einen mechanischen Weggeber mit feststehendem Element 20 und bewegbarem Element 22 so gekoppelt, daß die Stellweglänge des Weges mit der geometrischen Länge der Photo- transistorreihe identisch ist, wird der am Kollektor des jeweils aktivierten Phototransistors T anliegende Spannungspegel auf die Meßleitung 16 geschaltet, wodurch die Höhe der Meßspannung UM ein Abbild der jeweiligen Wegstellung des bewegbaren Elements 22 ist.
Dieser Spannungspegel ändert sich theoretisch in Sprüngen der Größe ΔU = Vss : n. Die Anzahl n der Widerstände R und Phototransistoren T sollte daher nicht unter 25 - 30 liegen, um einen theoretischen Sprungwert von 3,5 - 4,0 % der maximalen Meßspannung nicht zu überschreiten.
Wie anhand von Fig. 1 zu erkennen ist, ist der
Abstrahlbereich 24 des IR-Emitterelements E größer als die lichtempfindliche Fläche 14 jedes Transistors T. Der Abstrahlwinkel 26, der Abstand 28 des IR-Emitter- elements E zu den Phototransistoren T und der Abstand 30 benachbarter Phototransistoren T ist derart gewählt, daß die Strahlungsenergie des Emitters beim Entlangfahren entlang der Phototransistor-Anordnung die licht- empfindlichen Flächen 14 von maximal zwei benachbarten Transistoren T gleichzeitig erfaßt. Vorzugsweise liegt innerhalb des Abstrahlbereichs 24 des IR-Emitterelements E je nach dessen Position an dem einen Ende die lichtempfindliche Fläche 14 des einen Photo- transistors T, während das andere Ende des Abstrahl- bereichs 24 lediglich einen Teil der lichtempfindlichen Fläche 14 des benachbarten Phototransistors T erreicht, wobei diese Teilfläche vorzugsweise als die Hälfte der lichtempfindlichen Fläche 14 ist. Mit einer derartigen Anordnung wird erreicht, daß das IR-Emitterelement E jeweils den nächsten in Bewegungsrichtung liegenden Phototransistor T aufgrund einer teilweisen Belichtung schwach belichtet, während der dem IR-Emitterelement E jeweils direkt gegenüberliegende Phototransistor T noch voll belichtet wird. Damit können die Phototransistoren T Zwischenschaltzustände zwischen vollständig eingeschaltet und vollständig ausgeschaltet einnehmen, die zur Glättung der Ausgangs-Meßkurve auf der Meßleitung 16 beitragen. Den gleichen Effekt kann man erreichen, wenn man berücksichtigt, daß die Strahlungsintensität innerhalb des Abstrahlbereichs 24 nicht gleichmäßig ist und zu dessen Randzonen hin abfällt. Dies kann insbesondere auch durch optische Elemente wie vorzugsweise Filter realisiert werden, die dem IR- Emitterelement E vorgelagert sind, sofern das IR- Emitterelement E nicht schon aufgrund seiner Struktur die gewünschte Abstrahlcharakteristik mit Intensitätsverteilung aufweist . Da der optische Übergang der IR-Emission auf zwei folgende IR-Detektoren in Bewegungsrichtung nicht sprunghaft erfolgt, können bei entsprechender Gestaltung des optischen IR-Weges "weiche" Schaltübergänge entstehen, wobei der Sprungwert auf Werte unter ± 1 % zurückgeht. Der resultierende wegproportionale Spannungspegel erscheint für die weitere Verarbeitung "stufenlos proportional" .
Die beschriebene Neuerung ermöglicht mit einfachem Aufwand eine berührungslose, kontaktlose und stufenlose Erkennung und Umsetzung mechanischer Wege und Stellungen in ein wegproportionales, analoges elektrisches Steuersignal .
Anhand der Fign. 2 bis 4 soll nachfolgend ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung näher erläutert werden. Soweit die Elemente dieser alternativen Vorrichtung 10' gleich denen der Vorrichtung 10 der Fig. 1 sind, sind sie mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Vorrichtung 10' weist wie die Vorrichtung 10 eine Phototransistor-Anordnung auf, die mit einem Spannungs- teuer 12 aus n gleichgroßen Widerständen R verschaltet ist. Die Kollektoren der Phototransistoren T sind dabei mit den Knotenpunkten zwischen benachbarten Transistoren T verbunden, während ihre Emitter mit der Meßleitung 16 verbunden sind, die über einen Strom- begrenzungswiderstand S mit Masse GND verbunden ist. Auch der aus den n Widerständen R bestehende Spannungsteiler 12 mit Spannungsabfällen ΔU an jedem Widerstand R ist mit Masse GND und der Betriebsspannung Vss verbunden. Die Meßspannung wird an der Meßleitung 16 hinter dem von der Masse GND aus betrachtet letzten Transistor T abgegriffen.
Die Transistoranordnung ist Teil des feststehenden Elements 20, das im Unterschied zur Vorrichtung 10 gemäß Fig. 1 bei der Vorrichtung 10' gemäß den Fign. 2 bis 4 auch eine Vielzahl von Auslöseelementen E aufweist. Diese Auslöseelemente E bilden zusammen mit einem längsverschiebbaren Abschattungselement 32, das Bestandteil des bewegbaren Elements 22 des Weggebers ist, die Auslöseeinheit 18. Das Abschattungselement 32 ist mit einer Öffnung 34 versehen, und befindet sich zwischen den Auslöseelementen E und den Photo- transistoren T. Die Phototransistoren T und die Auslöseelemente E sind direkt einander gegenüberliegend angeordnet. Die Erstreckung der Öffnung 34 in Bewegungsrichtung des Abschattungselements 32 ist derart gewählt, daß unter Berücksichtigung des Abstandes benachbarter Phototransistoren T sowie benachbarter IR-Emitterelemente E und des Abstandes einander gegenüberliegender Phototransistoren und IR- Emitterelemente vom Abstrahlbereich eines Emitterelements je nach Position des Abschattungselements 32 neben der vollen Belichtung der lichtempfindlichen Fläche 14 eines Phototransistors T auch die lichtempfindliche Fläche zumindest eines benachbarten Phototransistors T zumindest teilweise erfaßt wird. Damit kommt es auch hier zu den bereits im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 erwähnten Zwischenschaltzuständen der Phototransistoren T, da diese bei Bewegung des Abschattungselements zunächst schwach, dann stark und dann wieder schwach belichtet werden. Der effektiv sich auf die Phototransistoren T auswirkende Abstrahlbereich der IR-Emitterelemente E bei diesem Ausführungsbeispiel wird durch die Öffnung 34 und die oben erwähnten Abstände bestimmt. Es ist durchaus möglich, daß die IR-Emitterelemente E selbst einen größeren Abstrahlwinkel aufweisen; in einem derartigen Fall wird der effektive Abstrahlbereich nicht durch die Auslöseelemente E sondern durch das Abschattungselement 32 mit Öffnung 34 aufweisenden Auslöseeinheit 18 bestimmt.
Die Funktionsweise der Vorrichtung 10' wird nachfolgend anhand der Fign. 2 bis 4 kurz erläutert.
Die Phototransistoren T sind mit durch Lichteinfall oder IR-Strahlungseinfall veränderbaren Widerständen im MOhm-Bereich (bei Dunkelheit) und einigen 10 Ohm (bei Belichtung) vergleichbar. Ist ein derartiger Phototransistor voll belichtet, wie es beispielsweise in Fig. 2 bei dem durch das IR-Emitterelement En belichteten Transistor Tn der Fall ist, so überträgt dieser Phototransistor die an seinem Kollektor anliegende Teilerspannung Un fast vollständig auf die gemeinsame Meßleitung 16. Der in Bewegungsrichtung des Abschattungselements (siehe die Bewegungsabfolge des Abschattungselements 32 gemäß den Fign. 2 bis 4) nächste Phototransistor Tn.1 ist zwar zu diesem Zeitpunkt auch noch teilbelichtet, kann aber die um ΔU niedrigere Teilerspannung U^ an seinem Kollektor nicht gegen das Potential Un übertragen.
Beim weiteren Bewegen des Abschattungselementes 32 stellt sich schließlich die Situation gemäß Fig. 3 ein, in der die Phototransistoren Tn und T-,^ durch die beiden IR-Emitterelemente E„ und En-1 nur teilbelichtet sind und somit sich im höherohmigen Zustand befinden. Die Summe beider Durchlässe ergibt auf der Meßleitung 16 die Meßspannung UM gleich Un.ΔU/2.
In der Situation gemäß Fig. 4 ist der Phototransistor Tn_x voll belichtet, so daß die Teilerspannung On,1 auf die Meßleitung 16 durchgeschaltet wird. Der Phototransistor Tn ist lediglich teilweise belichtet. Dadurch wird noch ein Anteil von Un am Kollektor dieses Phototransistors Tn auf die Meßleitung 16 gekoppelt. Da die Phototransistoren T eine Diodencharakteristik aufweisen, also eine Durchfluß- und eine Sperrichtung aufweisen, stellt sich auf der Meßleitung 16 eine Meßspannung UM gleich Un.1+ΔU2 ein. Somit stellen sich auch bei dieser Ausgestaltung der Erfindung "weiche" Schalt - Übergänge der Phototransistoren T ein, die den sich bei schlagartigen Schaltzustandsänderungen ergebenden treppenförmigen Verlauf der Meßspannung in Abhängigkeit von dem Weg bzw. der Position des Abschattungselements glättet, wodurch eine stetige und differenzierbare Funktion entsteht. Aufgrund dieses Funktionsverlaufs läßt sich die Stellung des Abschattungselements und damit die Stellung des bewegbaren Elements 22 des Weggebers auch dann eindeutig und genau bestimmen, wenn die Öffnung 34 sich zwischen zwei benachbarten Phototransistoren T bzw. IR-Emitterelementen E befindet.
Die vorstehend beschriebene Sensorik zur kontaktlosen und berührungslosen Stellungs- und Wegerkennung ist also insbesondere dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem zu erkennenden mechanischen Bewegungselement mit- bewegtes IR-Emitterelement optisch IR-Transistoren
(Detektoren) einschaltet, von deren jeder (wie in den
Figuren dargestellt) mit seinem Kollektor an der Ver- bindung zwischen zwei Widerständen R des Spannungstei- lers mit n gleichen Widerständen R angeschlossen ist und die anstehende Teilspannung auf die gemeinsame Emitterleitung schaltet, wobei mit der geometrischen Anordnung der IR-Transistoren (Detektoren) eine feste Zuordnung zwischen mechanischem Weg und vom jeweiligen IR-Transistor (Detektor) durchgeschalteter Teilspannung entsteht, die eine eindeutige Aussage über Weg und Stellung darstellt und bei großer Anzahl n Widerstände R und Transistoren (Detektoren) eine fast stufenlose wegproportionale Änderung der Meßspannung über den zu erfassenden Weg ermöglicht. Anstelle der IR-Strahlung können auch (sichtbares) Licht, Schall, Ultraschall oder ein Magnetfeld mit den jeweils geeigneten Halbleiterschaltern verwendet werden.

Claims

A N S P R U C H E
Vorrichtung zur berührungslosen Erkennung der Position und/oder des zurückgelegten Weges eines sich entlang eines Weges bewegenden Elements, mit einer Reihenschaltung aus mehreren Widerständen (R) , wobei die Reihenschaltung zwischen einem ersten Spannungspotential (Vss) und einem zweiten Spannungspotential (GND) geschaltet ist, und mehreren berührungslos zu schaltende elektronischen Schaltern, die zwischen die Verbindungs- punkte jeweils benachbarter Widerstände (R) und eine gemeinsame gegebenenfalls über einen Strombegrenzungswiderstand mit dem zweiten Spannungspotential (GND) verbundene Verbindungsleitung geschaltet sind, wobei die Schalter entlang des Weges in einem bestimmten Abstand aufeinanderfolgend angeordnet sind, und einer Energie abgebenden Auslöseeinheit zum berührungslosen Schalten der elektronischen Schalter, wobei entweder die Schalteranordnung oder die Auslöseeinheit mit dem bewegbaren Element koppelbar ist, der Abstrahlbereich, in dem die Auslöseeinheit Energie abgibt, und der Abstand benachbarter Schalter derart gewählt sind, daß die Energie auf die Schalteranordnung in einem Bereich auf rifft, dessen Erstreckung entlang des Weges mindestens das I - ache des Abstandes benachbarter Schalter beträgt, und zwischen der Verbindungsleitung und dem zweiten Spannungspotential (GND) eine AusgangsSpannung abgreifbar ist, deren Pegel dem bzw. den ge- schalteten der Schalter entspricht und damit die augenblickliche Relativposition der Auslöseeinheit zu der Schalteranordnung repräsentiert .
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslöseeinheit ein die Energie abgebendes Auslöseelement aufweist und daß das Auslöseelement mit dem bewegbaren Element koppelbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstrahlbereich der von dem Auslöseelement abgegebenen Energie durch eine Optik und/oder Blende bestimmt ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Auslöseeinheit mehrere jeweils Energie abgebende Auslöseelemente aufweist, die den Schaltern der Schalteranordnung gegenüberliegend entlang des Weges angeordnet sind, und daß die Auslöseeinheit ferner ein Abschattungselement aufweist, das zwischen der Schalteranordnung und den Auslöseelementen angeordnet und mit dem bewegbaren Element koppelbar ist und das eine Öffnung aufweist, durch die hindurch Energie, die von mindestens zwei benachbarten Auslöseelementen, in deren Bereich sich die Öffnung befindet, Energie zu zumindest Teilen der beiden diesen Auslöseelementen gegenüberliegenden Schaltern gelangt .
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslöseelement ein elektromagnetische Strahlung, insbesondere IR-Strahlung aussendendes Element ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslöseelement ein Schall, insbesondere Ultraschall, aussendendes oder ein Magnetfeld erzeugendes Element ist .
7. Stellglied mit einem feststehenden Element sowie einem dazu relativ bewegbaren Element und einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche .
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