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Dokumentenidentifikation DE102006023844A1 07.12.2006
Titel Potentiometer
Anmelder GE Medical Systems Global Technology Company, LLC, Waukesha, Wis., US
Erfinder Narayanasamy, Rajagopal, Karnataka, IN
Vertreter Rüger und Kollegen, 73728 Esslingen
DE-Anmeldedatum 19.05.2006
DE-Aktenzeichen 102006023844
Offenlegungstag 07.12.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.12.2006
IPC-Hauptklasse G01D 5/14(2006.01)A, F, I, 20060519, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01D 5/16(2006.01)A, L, I, 20060519, B, H, DE   G01B 7/30(2006.01)A, L, I, 20060519, B, H, DE   
Zusammenfassung Es ist ein kontaktloses Potentiometer mit hoher Auflösung einer auf endlos viele Umdrehungen anwendbaren Erfassung einer Drehbewegungsgröße geschaffen. Das Potentiometer weist eine endlos drehbare erste Welle (112a), eine erste Detektionseinheit (110a), die einen Drehwinkel der ersten Welle (112a) in einer kontaktlosen Weise magnetisch erfasst, eine endlos drehbare zweite Welle (112b), eine zweite Detektionseinheit (110b), die einen Drehwinkel der zweiten Welle (112b) in einer kontaktlosen Weise magnetisch detektiert, eine Getriebeeinheit (400), die die Drehzahl der Welle verringert und die Drehbewegung auf die zweite Welle (112b) überträgt, und eine Ausgabeeinheit (602, 604, 606) auf, die, basierend auf Detektionssignalen von der ersten Detektionseinheit (110a) und von der zweiten Detektionseinheit (110b), ein zu einer Drehbewegungsgröße der ersten Welle (112a) proportionales elektrisches Signal ausgibt.

Beschreibung[de]
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG:

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Potentiometer und insbesondere ein Potentiometer, das ein elektrisches Signal erzeugt, das einer Größe bzw. einem Ausmaß einer Wellendrehung entspricht.

Ein Potentiometer wird normalerweise verwendet, wenn ein elektrisches Signal benötigt wird, das die Größe einer Verlagerung bzw. Verstellung eines Objektes anzeigt. Das Potentiometer weist eine Welle, die durch eine externe Kraft gedreht wird, und einen Wandler bzw. Konverter auf, der eine Drehbewegungsgröße der Welle in ein elektrisches Signal umwandelt.

Da bei einem Potentiometer, der einen Schiebewiderstand zur Umwandlung einer Drehbewegungsgröße in ein elektrisches Signal verwendet, ein Abrieb an einem Schiebeteil mit der Zeit das Verhalten, die Güte und die Betriebsstabilität verschlechtert, werden Potentiometer der berührungslosen oder kontaktfreien Art eingesetzt, um diese Unzulänglichkeiten zu vermeiden.

Es ist ein berührungslos arbeitendes Potentiometer bekannt, dass den Magnetismus verwendet bzw. auf diesem basiert. Das Potentiometer ist von der Bauart, die einen an einem Ende einer Welle befestigen Magneten und einen Sensor aufweist, der einen Magnetfluss des Magneten in Form eines elektrischen Signals erfasst. Als Sensor wird eine Hall-Vorrichtung oder eine Induktivitätsvorrichtung verwendet (vgl. beispielsweise US-Patentschrift Nr. 4,395,695, Spalten 2–4, 13, bzw. US-Patentschrift Nr. 3,988,710, Spalten 1–3, 12).

Als ein Potentiometer, bei dem die Größe mehrerer Wellenumdrehungen in einer berührungslosen Weise in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, ist ein Potentiometer bekannt, bei dem innerhalb der Welle eine Gewindestange entsprechend der Wellendrehung linear bewegbar vorgesehen ist und die Position des Endes der Gewindestange in magnetischer Weise erfasst wird (vgl. beispielsweise US-Patentschrift Nr. 6,411,082, Spalten 2–3, 1).

Bei den in den US-Patentschriften Nr. 4,395,695 und 3,988,710 beschriebenen Konstruktionen wird lediglich eine Drehbewegungsgröße erfasst, die lediglich einer einzelnen Wellenumdrehung oder weniger als einer einzelnen Wellenumdrehung entspricht. Ferner ist die Auflösung der Erfassung der Drehbewegungsgröße gering. Bei der in der US-Patentschrift 6,411,082 beschriebenen Konstruktion kann eine Drehbewegungsgröße über mehrere Wellenumdrehungen hinweg erfasst werden, wobei jedoch die maximale Drehbewegungsgröße begrenzt ist.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG:

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein berührungsloses Potentiometer zu schaffen, das bei hoch auflösender Detektion einer Drehbewegungsgröße auf endlos viele Umdrehungen anwendbar ist.

Zur Lösung des obigen Problems ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein Potentiometer geschaffen, das aufweist: eine endlos drehbare erste Welle; eine erste Detektionseinrichtung zur magnetischen Erfassung eines Drehwinkels der ersten Welle in einer kontakt- bzw. berührungslosen Weise; eine endlos drehbare zweite Welle; eine zweite Detektionseinrichtung zur magnetischen Erfassung eines Drehwinkels der zweiten Welle in einer berührungslosen Weise; eine Getriebeeinrichtung zur Erhöhung der Drehzahl der ersten Welle und zur Übertragung der Drehbewegung auf die zweite Welle; und eine Ausgabeeinrichtung zur Ausgabe eines einer Drehbewegungsgröße der ersten Welle proportionalen elektrischen Signals basierend auf einem Detektionssignal von der ersten Detektionseinrichtung und einem Detektionssignal von der zweiten Detektionseinrichtung.

Vorzugsweise weist die Getriebeeinrichtung einen Zahnradmechanismus zur Übertragung bzw. Übersetzung einer Drehbewegung gemäß einem genau festgelegten Drehverhältnis.

Vorzugsweise gibt die Ausgabeeinrichtung ein analoges Signal zur Gewinnung eines analogen Signals aus, das eine Drehbewegungsgröße bzw. ein Drehbewegungsmaß kennzeichnet.

Es wird bevorzugt, dass die Ausgabeeinrichtung ein digitales Signal zur Gewinnung eines digitalen Signals ausgibt, dass ein Drehbewegungsmaß bzw. eine Dehbewegungsgröße kennzeichnet.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform gibt die Ausgabeeinrichtung ein analoges Signal und ein digitales Signal aus, um ein analoges Signal und ein digitales Signal zu erhalten, das eine Drehbewegungsgröße kennzeichnet.

Vorzugsweise weist das Potentiometer ferner ein Gehäuse auf, in dem wenigstens ein Teil der ersten Welle, der zweiten Welle, der ersten Detektionseinrichtung, der zweiten Detektionseinrichtung, der Getriebeeinrichtung und der Ausgabeeinrichtung untergebracht bzw. aufgenommen ist, um auf einfache Weise die Schaffung eines Komponentenpotentiometers zu ermöglichen.

Nachdem das Potentiometer eine endlos drehbare erste Welle; eine erste Detektionseinrichtung zur magnetischen Erfassung eines Drehwinkels der ersten Welle in einer berührungslosen Weise; eine endlos drehbare zweite Welle; eine zweite Detektionseinrichtung zur magnetischen Erfassung eines Drehwinkels der zweiten Welle in einer berührungslosen Weise; eine Getriebeeinrichtung zur Erhöhung der Drehzahl der ersten Welle und zur Übertragung der Drehbewegung auf die zweite Welle; und eine Ausgabeeinrichtung zur Ausgabe eines elektrischen Signals, das einer Drehbewegungsgröße der ersten Welle proportional ist, auf der Basis eines von der ersten Detektionseinrichtung herrührenden Detektionssignals und eines von der zweiten Detektionseinrichtung herrührenden Detektionssignals aufweist, kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein berührungslos arbeitendes Potentiometer verwirklicht werden, das eine hohe Auflösung bei der Detektion der Drehbewegungsgröße aufweist und auf endlos viele Umdrehungen anwendbar ist.

Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung erschließen sich aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, wie sie in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind.

KURZE ERLÄUTERUNG DER ZEICHNUNGEN:

1 zeigt ein Schaubild unter Veranschaulichung der Konstruktion eines Beispiels für die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, in schematisierter Weise.

2 zeigt eine schematische Darstellung, die den Aufbau des Drehgebers in einem Beispiel für die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.

3 zeigt eine schematische Darstellung unter Veranschaulichung der Struktur des Getriebe- bzw. Zahnradmechanismus in einem Beispiel für die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.

4 zeigt ein Blockschaltbild unter Veranschaulichung des elektrischen Aufbaus anhand eines Beispiels für die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG:

Nachfolgend ist hier eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen in ihren Einzelheiten beschrieben. Es ist zu bemerken, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschränkt ist. 1 veranschaulicht einen schematisierten Aufbau eines Potentiometers. Die vorliegende Vorrichtung stellt ein Beispiel für die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dar. Der veranschaulichte Aufbau der Vorrichtung stellt ein Beispiel für eine Potentiometer bezogene bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dar.

Wie in 1 veranschaulicht, weist die vorliegende Vorrichtung eine Welle 100 auf. Die Welle 100 ist über ein Lager 200 an einem Gehäuse 300 drehbar befestigt. Die Welle 100 lässt sich endlos drehen. Ein Ende der Welle 100 ragt von dem Lager 200 nach außen, außerhalb des Gehäuses 300 vor, während das andere Ende innerhalb des Gehäuses 300 untergebracht ist. Das Gehäuse 300 stellt ein Beispiel für ein Gehäuse gemäß der vorliegenden Erfindung dar.

In dem Gehäuse 300 sind zwei Drehgeber, 110a und 110b, untergebracht. Der Drehwertgeber 110a weist einen Magneten 114a, der an einem Ende einer Drehwelle 112a angebracht ist, und einen Sensor 116a auf, der in einer berührungsfreien Weise dem Magneten gegenüberliegend angeordnet ist. Der Drehgeber 110a stellt ein Beispiel für eine erste Detektionseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Der Drehgeber 110b weist einen Magneten 114b, der an einem Ende einer Drehwelle 112b angebracht ist, und einen Sensor 116b auf, der in einer kontaktlosen Weise dem Magneten gegenüber angeordnet ist. Der Drehgeber 110b stellt ein Beispiel für eine zweite Detektionseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dar.

2 veranschaulicht den Aufbau des Drehgebers. Der Magnet 114 ist durch einen säulenförmigen Permanentmagneten gebildet, der in einer Richtung entlang seines Umfangs magnetisiert ist. Der Sensor 116 ist durch eine ASIC-Baugruppe gebildet, die eine Hall-Vorrichtung und ihre elektronischen Zubehörschaltungen enthält.

Der Sensor 116 gibt ein elektrisches Signal ab, das eine Drehstellung des Magneten 114 kennzeichnet. Das elektrische Signal ist beispielsweise ein Signal, das den Winkel einer Umdrehung von 360° des Magneten 114 in Form von 1024 Schritten bzw. Stufen anzeigt. Der Drehgeber ist vorzugsweise durch ein auf dem Markt erhältliches Teil gebildet.

Die Drehwelle 112a des Drehgebers 110a ist in koaxialer Anordnung an dem Ende der Welle 100 angebracht. Die Drehwelle 112b des Drehgebers 110b ist über einen Getriebe- bzw. Zahnradmechanismus 400 mit dem Ende der Welle 100 verbunden.

Ein Teil, das die Welle 100 und die Drehwelle 112a enthält, stellt ein Beispiel für eine erste Welle gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Die Drehwelle 112b stellt ein Beispiel für eine zweite Welle gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Der Getriebe- bzw. Zahnradmechanismus 400 stellt ein Beispiel für eine Getriebeeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sowie ein Beispiel für den Zahnradmechanismus dar. Durch Verwendung des Zahnradmechanismus kann eine Drehung der Welle 100 mit einem genauen Drehübersetzungsverhältnis auf die Drehwelle 112b übertragen werden.

3 veranschaulicht den Zahnradmechanismus 400 aus der Sicht in der Drehwellenrichtung. Der Zahnradmechanismus 400 weist beispielsweise sechs Zahnräder 401 bis 406 auf. Das Zahnrad 401 ist in koaxialer Anordnung an dem Ende der Welle 100 befestigt. Die Zahnräder 402 bis 406 sind durch geeignete (nicht veranschaulichte) Lager gelagert.

Das Zahnrad 401 steht mit dem Zahnrad 402 in Eingriff. Das Übersetzungsverhältnis zwischen den Zahnrädern 401 und 402 beträgt 1:A (≥1). Das Zahnrad 403 ist koaxial an dem Zahnrad 402 befestigt. Das Zahnrad 403 steht kämmend mit dem Zahnrad 404 in Eingriff. Das Übersetzungsverhältnis zwischen den Zahnrädern 403 und 404 beträgt 1:B (≥1). Das Zahnrad 405 ist in koaxialer Anordnung an dem Zahnrad 404 befestigt. Das Zahnrad 405 steht mit dem Zahnrad 406 in Eingriff. Das Übersetzungsverhältnis zwischen den Zahnrädern 405 und 406 beträgt 1:C (≥1). Die Drehwelle 112b des Drehgebers 110b ist in koaxialer Anordnung an dem Zahnrad 406 befestigt.

Die Drehwelle 112a des Drehgebers 110a läuft mit einem Verhältnis von 1:1 in Bezug auf die Drehbewegung der Welle 100 um. Die Drehwelle 112b des Drehgebers 110b läuft mit einem Verhältnis von N:1 (N≥1) in Bezug auf die Drehbewegung der Welle 100 um. Dies bedeutet, dass der Getriebe- bzw. Zahnradmechanismus 400 einen Drehzahl verringernden bzw. untersetzenden Getriebe- bzw. Zahnradmechanismus bildet.

In dieser Anordnung rotiert die Drehwelle 112b des Drehgebers 110b in endloser Weise bei einem Untersetzungsverhältnis von 1 Umdrehung pro N Umdrehungen der Drehwelle 112a des Drehgebers 110a. Der Wert von N beträgt beispielsweise 10, wobei jedoch dieser Wert nicht auf den angegebenen Wert beschränkt ist, sondern ein beliebiger geeigneter Wert sein kann. Somit können durch Verwendung des Drehgebers 110a und des Drehgebers 110b in dieser Beziehung ein Detektionssignal, das 1 Umdrehung der Welle 100 in Form von beispielsweise 1024 Stufen kennzeichnet, und ein Detektionssignal, das 10 Umdrehungen der Welle 100 in Form von beispielsweise 1024 Stufen kennzeichnet, erhalten werden.

In dem Gehäuse 300 sind gedruckte Schaltungen bzw. Leiterplatten 502 bis 506 vorgesehen. Die Leiterplatten 502 bis 506 sind durch (nicht veranschaulichte) Haltemittel gehaltert und über nicht veranschaulichte Signalleitungen elektrisch miteinander verbunden. Das Gehäuse 300 weist einen (nicht veranschaulichten) Anschluss zur Verbindung einer Energieversorgung mit diesen gedruckten Schaltungen und zum Senden/Empfangen von Signalen zu/von den gedruckten Schaltungen von außerhalb bzw. nach außen.

Die Sensoren 116a und 116b der Drehgeber 110a und 110b sind jeweils auf den gedruckten Leiterplatten 502 und 504 vorgesehen. Ein Prozessor 602 zur Verarbeitung von von den Sensoren 116a und 116b ausgegebenen Ausgangssignalen sowie seine Schnittstellen 604 und 606 sind auf der Leiterplatte 504 vorgesehen. Als Prozessor 502 wird z.B. ein DSP (digitaler Signalprozessor) verwendet. Eine Energieversorgungs- bzw. Leistungsschaltung 612 und Hilfsschaltungen 614 und 616 sind auf der Leiterplatte 506 vorgesehen.

4 zeigt ein Blockschaltbild des elektrischen Aufbaus der vorliegenden Vorrichtung. Die Sensoren 116a und 116b der Drehgeber 110a und 110b führen die jeweiligen Detektionssignale dem Prozessor 602 basierend auf einem von dem Prozessor 602 gelieferten Takt zu. Die Detektionssignale werden in Form von digitalen Daten zugeführt.

Das Eingangssignal von dem Sensor 116a weist eine Auflösung von z.B. 1024 pro 1 Umdrehung der Welle 100 auf. Das von dem Sensor 116b herrührende Eingangssignal weist eine Auflösung von z.B. 1024 pro 10 Umdrehungen der Welle 100 auf.

Der Prozessor 602 verarbeitet die Eingangssignale, um Daten zu gewinnen, die das Drehmaß bzw. die Drehbewegungsgröße der Welle 100 mit einer Auflösung von z.B. 1048576 (220) pro 10 Umdrehungen kennzeichnet. Die Daten werden jeweils als ein pulsweitenmoduliertes Signal und digitales Datum ausgegeben.

Das Pulsweitenmodulationssignal wird in Form eines analogen Signals über ein Filter 604 ausgeben, während das digitale Datum in Form von seriellen Daten durch eine Sendeempfangseinrichtung bzw. einen Transceiver 606 ausgegeben wird. Es ist zu bemerken, dass die Einrichtung auch derart sein kann, dass lediglich das analoge Signal oder die seriellen Daten ausgegeben werden. Ein den Prozessor 602, das Filter 604 und den Transceiver 606 enthaltendes Teil stellt ein Beispiel für eine Ausgabeeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dar.

Die Sensoren 116a und 116b, der Prozessor 602, das Filter 604 und der Transceiver 606 werden mit einer elektrischer Energie unter Spannungswandlung von 12 V zu 3,3 V von einer externen Spannungsquelle über eine Leistungsschaltung 612 versorgt.

Das von der vorliegenden Vorrichtung ausgegebene Ausgangssignal zeigt die Drebewegungsgröße bzw. das Maß der Drehung der Welle 100 mit einer Auflösung von z.B. 1048576 (220) Stufen pro 10 Umdrehungen an. In dieser Anordnung bildet die vorliegende Vorrichtung ein Potentiometer der berührungsfrei arbeitenden Art, das ein Signal ausgibt, das die Drehbewegungsgröße der Welle 100 mit hoher Auflösung anzeigt. Da die Welle 100 sich endlos drehen lässt, ist die Vorrichtung auf unbegrenzt vielfache Umdrehungen anwendbar.

Außerdem kann, nachdem der Prozessor 602 programmierbar ist, eine Drehreferenzposition, d.h. eine Nullposition, der Welle 100 willkürlich festgesetzt werden.

Da sämtliche Bestandteile in dem Gehäuse aufgenommen sind, kann die vorliegende Vorrichtung ferner in Form einer verkleinerten und kompakten Komponente verwirklicht werden. Nachdem diese kompakte Vorrichtung eine analoge Ausgabe ermöglicht, kann ein herkömmliches analoges Potentiometer ohne weiteres durch die vorliegende Vorrichtung ersetzt werden.

Es können viele, weit unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung konfiguriert werden, ohne dass dadurch der Schutzumfang und der Rahmen der vorliegenden Erfindung berührt werden. Es sollte verständlich sein, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die speziellen Ausführungsformen, die in der Beschreibung beschrieben sind, beschränkt ist, sondern in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.

Es ist ein kontaktloses Potentiometer mit hoher Auflösung einer auf endlos viele Umdrehungen anwendbaren Erfassung einer Drehbewegungsgröße geschaffen. Das Potentiometer weist eine endlos drehbare erste Welle 112a, eine erste Detektionseinheit 110a, die einen Drehwinkel der ersten Welle 112a in einer kontaktlosen Weise magnetisch erfasst, eine endlos drehbare zweite Welle 112b, eine zweite Detektionseinheit 110b, die einen Drehwinkel der zweiten Welle 112b in einer kontaktlosen Weise magnetisch detektiert, eine Getriebeeinheit 400, die die Drehzahl der Welle verringert und die Drehbewegung auf die zweite Welle 112b überträgt, und eine Ausgabeeinheit 602, 604, 606 auf, die basierend auf Detektionssignalen von der ersten Detektionseinheit 110a und von der zweiten Detektionseinheit 110b ein zu einer Drehbewegungsgröße der ersten Welle 112a proportionales elektrisches Signal ausgibt.

100
Welle
110a, 110b
Drehgeber
112a, 112b
Drehwelle
114a, 114b
Magnet
116a, 116b
Sensor
200
Lager
300
Gehäuse
400
Getriebe-/Zahnradmechanismus
401–406
Zahnrad
502–506
gedruckte Schaltung/Leiterplatte
602
Prozessor
604
Filter
606
Transceiver/Sende-Empfangs-Einrichtung
612
Energieversorgungs-/Leistungsschaltung
614, 615
Hilfs-/Zubehörschaltung


Anspruch[de]
Potentiometer

mit einer endlos drehbaren ersten Welle (112a);

mit einer ersten Detektionseinheit (110a) zur magnetischen Erfassung eines Drehwinkels der ersten Welle (112a) in einer berührungslosen Weise;

mit einer endlos drehbaren zweiten Welle (112b);

mit einer zweiten Detektionseinheit (110b) zur magnetischen Erfassung eines Drehwinkels der zweiten Welle (112b) in einer berührungslosen Weise;

mit einer Getriebeeinheit (400) zur Erhöhung der Drehzahl der ersten Welle (112a) und zur Übertragung der Drehbewegung auf die zweite Welle (112b); und

mit einer Ausgabeeinheit (602, 604, 606) zur Ausgabe eines elektrischen Signals, das einer Drehbewegungsgröße der ersten Welle (112a) proportional ist, basierend auf einem Detektionssignal von der ersten Detektionseinheit (110a) und einem Detektionssignal von der zweiten Detektionseinheit (110b).
Potentiometer nach Anspruch 1, wobei die Getriebeeinheit (400) einen Zahnradsmechanismus aufweist. Potentiometer nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ausgabeeinheit (602, 604) ein analoges Signal ausgibt. Potentiometer nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ausgabeeinheit (602, 606) ein digitales Signal ausgibt. Potentiometer nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ausgabeeinheit (602, 604, 606) ein analoges Signal und ein digitales Signal ausgibt. Potentiometer nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 5, die ferner ein Gehäuse (300) aufweist, das wenigstens einen Teil der ersten Welle (112a), der zweiten Welle (112b), der ersten Detektionseinheit (110a), der zweiten Detektionseinheit (110b), der Getriebeeinheit (400) und der Ausgabeeinheit (602, 604, 606) aufnimmt.






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