WO2005106397A1 - Drehsteller - Google Patents

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Stefan Schuberth
Thilo Schultheis
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    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
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    • G—PHYSICS
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    • G01D5/347—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells using displacement encoding scales
    • G01D5/3473—Circular or rotary encoders

Definitions

  • the invention relates to a rotary actuator according to the preamble of patent claim 1.
  • An electromagnetic rotary actuator is known from DE 695 09 237 T (EP 0 767 966 B1).
  • DE 199 64 133 A1 also describes a rotary actuator or rotary switch.
  • Rotary actuators of this type have a size plate and grinder system or a magnetic scanning device for determining the angle of rotation.
  • optoelectronic switches are also known.
  • the unpublished DE 103 14 315 proposes to use an existing light source / LED, which is required to illuminate its rotary knob and / or a symbol of an aperture in night design, as part of an encoder to determine the movement and direction information of the rotary actuator or control element. 7 before.
  • the Characteristics of the light source which cannot be used for illumination, are used as the transmitter signal of the encoder.
  • This light signal is coupled into a light distributor and passed on to at least two receivers, which are preferably mounted on the same plane as the light source and on the same circuit board.
  • a digital bit pattern for example Gray code, is generated on the at least two receivers and is further processed in subsequent electronics.
  • the angle of rotation is also determined optically using templates in several planes.
  • optical encoder with a triple photodiode is disclosed in DE 199 63 809 C2, with particular emphasis being given to the evaluation and signal processing.
  • the optical encoder comprises a latching device containing a periodic arrangement of translucent and opaque areas of the same length.
  • the object of the invention is to demonstrate a turntable in which the rotation angle is detected absolutely and also without contact.
  • the invention is based on the idea of using codes on sensors which are arranged radially in a circuit board plane to determine the absolute angular position of the rotary actuator.
  • the mechanical structure is low because there is no need for a light guide and / or a light deflection.
  • Elaborate coding disks or fork light barriers can also be omitted.
  • An otherwise necessary circuit board, for example accommodating these additional components, can also be avoided.
  • the body or a part of the body of the rotary actuator preferably takes over the coding, the corresponding translucent and opaque area before exhibits.
  • a light source is arranged within the turntable and interacts with several sensors. The number of translucent and opaque areas and their length etc. depends on the number of sensors interacting with the light source, the number of detents to be set also playing a role.
  • knob body 1 is a sketchy view of a knob body
  • FIG. 3 shows a coding scheme using five sensors
  • Figure 4 shows a coding scheme using four sensors.
  • a rotary actuator body 1 rotary actuator 100 (Fig. 2) is shown in outline.
  • the body 1 has translucent areas 2 as well as opaque areas 3 as a coding ring.
  • a light source 4 a transmitter LED, is arranged within the rotary actuator body 1, and five sensors 5 to 9, receivers, are mounted opposite each other. These components are preferably applied to a circuit board 10 associated with the rotary actuator.
  • FIG. 2 shows a simplified representation of the rotary actuator 100, which consists of a hollow rotary knob 102 which interacts with a lower knob part 103 and is installed in a panel 104, for example a front panel of a motor vehicle.
  • the rotary actuator 1 or coding ring according to FIG. 1 can be the rotary knob lower part 103 here.
  • the areas 2 and 3 are designed in such a way that the respective angle of rotation can be set with this version from the 33 notches, whereby the areas 2, 3 are not the same length.
  • Such a structure has the effect that the sensors 5 to 9 are actuated differently by the transmission LED 4 when the notches are set.
  • An evaluation of how the sensors 5 to 9 are controlled by the light source 4 is shown in FIG. 3.
  • These signals (decimal numbers) are then evaluated in a conventional manner via an evaluation unit (not shown in more detail).
  • the signals therefore also provide information about the set angle value ⁇ , i.e. the value for the absolute determination of the angle of rotation on the turntable.
  • a gray code is characterized in that only the state of a sensor changes from position to position, as shown in FIG. 4 and can be referred to as a shift code.

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
  • Holding Or Fastening Of Disk On Rotational Shaft (AREA)
  • Rotational Drive Of Disk (AREA)
  • Spinning Or Twisting Of Yarns (AREA)

Abstract

Es wird vorgeschlagen, mittels eines Codierrings, welcher durch ein Teil (1) eines Drehstellers (100) gebildet wird, an Empfangssensoren (5 bis 9), die radial in einer Leiterplattenebene angeordnet sind, die absolute Winkelstellung des Drehstellers (100) zu ermitteln. Der mechanische Aufbau ist dabei gering.

Description

B E S C H R E I B U N G
Drehsteller
Die Erfindung betrifft einen Drehsteller nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein elektromagnetischer Drehsteller ist aus der DE 695 09 237 T (EP 0 767 966 B1) bekannt. Auch die DE 199 64 133 A1 beschreibt einen Drehsteller bzw. Drehschalter.
Derartige Drehsteller weisen zur Drehwinkelermittlung eine Schlichtplatte und Schleifersystem oder eine magnetische Abtastvorrichtung auf.
Die DE 199 17 164 A1 beschreibt einen derartigen Schalter, insbesondere Drehschalter, der einen Kontaktbrücken-Schleifer besitzt, durch den codierte Kontaktbahnen einer Codier-Kontaktscheibe je Einstellendlage ein spezifisch codiertes elektrisches Signal-Muster generiert.
Neben magneto-resitiven oder induktiven / kapazitiven Bedienelementen sind auch optoelektronische Schalter bekannt.
In der DE 43 36 729 A1 wird ein optischer Schalter, ein Wippschalter, vorgeschlagen, der aus einer Lichtquelle sowie einem photoelektrischen Wandlerelement besteht. Angestrebt wird, dass durch ein einziges Bauteil eine ausreichende Beleuchtung des Betätigungsorgans sowie der Schaltvorgang des optischen, Schalters selbst vorgenommen wird. Nachteilig ist der komplexe Aufbau eines solchen Schälters.
Eine vorhandene Lichtquelle / LED, welche zur Ausleuchtung seines Drehknopfes und/oder einer Symbolik einer Blende im Nachtdesign benötigt wird, als Teil eines Encoders zur Ermittlung der Bewegungs- und Richtungsinformation des Drehstellers bzw. Bedienelements zu verwenden, schlägt die unveröffentlichte DE 103 14 315. 7 vor. Vorgesehen ist dabei in einer bevorzugten Ausführung, den durch die Abstrahl- Charakteristik der Lichtquelle festgelegten, nicht für die Ausleuchtung verwendbare Strahlenbereich als Sendesignal des Encoders zu verwenden. Dieses Lichtsignal wird in einen Lichtverteiler eingekoppelt und an wenigstens zwei Empfängern weitergegeben, die vorzugsweise in gleicher Ebene wie die Lichtquelle und auf der selben Leiterplatine angebracht sind. An den wenigstens zwei Empfängern wird ein digitales Bitmuster, beispielsweise Gray-Code, erzeugt, welches in einer nachfolgende Elektronik weiterverarbeitet wird.
In einigen Fällen wird der Drehwinkel auch optisch mittels Schablonen in mehreren Ebenen ermittelt.
Ein optischer Encoder mit dreifacher Photodiode wird in der DE 199 63 809 C2 offenbart, wobei insbesondere auf die Auswertung bzw. Signalverarbeitung eingegangen wird. Der optische Encoder umfaßt zur quantitativen Erfassung von linear- oder Drehbewegungen eine Rasteinrichtung enthaltend eine periodische Anordnung lichtdurchlässiger und lichtundurchlässiger Bereiche gleicher Länge.
Hier stellt sich die Erfindung die Aufgabe, einen Drehsteller aufzuzeigen, bei dem die Drehwinkelerfassung absolut und ebenfalls berührungslos erfolgt.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.
Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen formuliert.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, mittels eines Codes an Sensoren, die radial in einer Leiterplattenebene angeordnet sind, die absolute Winkelstellung des Drehstellers zu ermitteln. Der mechanische Aufbau ist dabei gering, da auf einen Lichtleiter und/oder eine Lichtumlenkung verzichtet werden kann. Auch aufwendige Codierscheiben oder Gabellichtschranken können entfallen. Auch eine sonst notwendige, beispielsweise diese zusätzlichen Bauelemente aufnehmende Leiterplatte kann vermieden werden.
Vorzugsweise übernimmt der Körper bzw. ein Teil des Körpers des Drehstellers die Codierung, der dazu entsprechende lichtdurchlässige und lichtundurchlässige Berei- ehe aufweist. Innerhalb des Drehstellers ist eine Lichtquelle angeordnet, die mit mehreren Sensoren zusammenwirkt. Die Anzahl der lichtdurchlässigen als auch lichtundurchlässigen Bereiche sowie deren Länge etc. ist abhängig von der Anzahl der mit der Lichtquelle zusammenwirkenden Sensoren, wobei auch die Anzahl der einzustel- lenden Rasten eine Rolle spielt.
Anhand eines Ausführungsbeispiels mit Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden.
Es zeigt
Fig. 1 eine skizzenhafte Sicht auf einen Drehknopfkörper,
Fig. 2 Darstellung eines Drehstellers nach dem Stand der Technik,
Figur 3 ein Codierschema mittels fünf Sensoren,
Figur 4 ein Codierschema mittels vier Sensoren.
In Fig. 1 ist ein Drehstellerkörper 1 Drehstellers 100 (Fig. 2) skizzenhaft dargestellt. Der Körper 1 weist umfangsseitig lichtdurchlässige Bereiche 2 sowie lichtundurchlässige Bereiche 3 als Codierring auf. Innerhalb des Drehstellerkörpers 1 ist eine Lichtquelle 4, eine Sende-LED, angeordnet, der fünf Sensoren 5 bis 9, Empfänger, gege- nüberstehend angebracht sind. Diese Bauelemente sind vorzugsweise auf einer zum Drehsteller zugehörigen Leiterplatte 10 aufgebracht.
In Fig. 2 ist in einer vereinfachten Darstellung der Drehsteller 100 dargestellt, der aus einem hohlen Drehknopf 102 besteht, das mit einem Drehknopfunterteil 103 zusam- menwirkt und in einer Blende 104, beispielsweise einer Frontblende eines Kraftfahrzeuges, eingebaut ist. Der Drehstellkörper 1 bzw. Codierring nach Fig. 1 kann hier das Drehknopfunterteil 103 sein.
Die Anzahl der maximal möglichen Rasten n bestimmt sich nach
Figure imgf000005_0001
wobei x = Anzahl der Sensoren ist. Der Drehwinkel α ermittelt sich nach α = n x φ, wobei φ = der Rastwinkel ist.
Bei einem Drehwinkel gesamt von 360° ergibt sich somit eine Rast nach
Figure imgf000006_0001
bei 5 Sensoren von 33.
Die Bereiche 2 und 3 sind so konzipiert, dass sich mit dieser Ausführung aus den 33 Rasten der jeweilige Drehwinkel einstellen lassen, wobei die Bereiche 2, 3 nicht gleicher Länge sind.
Ein derartiger Aufbau bewirkt, dass die Sensoren 5 bis 9 beim Einstellen der Rasten unterschiedlich von der Sende-LED 4 angesteuert werden. Eine Auswertung, wie die Sensoren 5 bis 9 durch die Lichtquelle 4 angesteuert werden, ist in der Fig. 3 darge- stellt. Über eine nicht näher dargestellte Auswerteeinheit werden diese Signale (Dezimalzahlen) dann in herkömmlicher Art und Weise ausgewertet. Die Signale geben somit neben der Information über die eingestellte Rast auch Auskunft über den eingestellten Winkelwert α, d.h., den Wert für die absolute Drehwinkelermittlung am Drehsteller.
Bei geschickter Anordnung der Sensoren und einem Drehwinkelbereich von kleiner als 360° ist es auch möglich, einen Grey-Code zu realisieren. Ein Grey-Code zeichnet sich dadurch aus, dass sich von Stellung zu Stellung nur jeweils der Zustand eines Sensors ändert, wie in Fig. 4 dargestellt und als Schiebe-Code bezeichnet wer- den kann.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Drehsteller (100) mit einem optischen Encoder, aufweisend wenigstens eine Sende-LED (4) sowie mehrere Empfangssensoren (5 bis 9), welche radial in einer Leiterplattenebene nebeneinander und auf die entsprechende Sende-LEDs (4) ausgerichtet sind, wobei ein Drehstellkörperteil (1 , 103) als Codierring umfangs- seitig lichtdurchlässige Bereiche (2) und lichtundurchlässige Bereiche (3) auf- weist, die beim Verdrehen des Drehstellerkörperteils (1 , 103) zwischen Sende- LEDs (4) und Empfängersensoren (5 bis 9) bewegt werden, wodurch bei eingestellten Rasten Signale für eine absolute Drehwinkelermittlung erzeugt werden.
2. Drehsteller nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Sende-LEDs (4) und Empfängersensoren (5 bis 9) auf einer Leiterplatte (10) angebracht sind.
3. Drehsteller nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche (2, 3) nicht gleicher Länge sind.
Drehsteller nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der lichtdurchlässigen als auch lichtundurchlässigen Bereiche (2, 3) sowie deren unterschiedlichen Längen abhängig von der Anzahl der mit der Sende-LED (4) zusammenwirkenden Sensoren (5 bis 9) ist.
Drehsteller nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der einzustellenden Rasten abhängig die Anzahl der Empfängersensoren (5 bis 9) ist.
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