DE2456541B2

DE2456541B2 - Mit einem Rad gekoppeltes elektromechanisches Wandlerelement zum Umsetzen einer Drehbewegung des Rades in die Drehung und die Stellung des Rades angebende elektrische Signale

Info

Publication number: DE2456541B2
Application number: DE2456541A
Authority: DE
Inventors: Roger D. Sunnyvale Bates; Jack S. Berkeley Hawley; Charles P. Los Altos Thacker
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1973-12-20
Filing date: 1974-11-29
Publication date: 1978-07-20
Also published as: US3892963A; FR2255581B1; NL173447B; NL173447C; DE2456541C3; JPS5096246A; GB1480269A; DE2456541A1; CA1043023A; NL7415713A; FR2255581A1

Description

Die Erfindung betrifft ein mit einem Rad gekoppeltes elektromechanisches Wandlerelement zum Umsetzen einer Drehbewegung des Rades in die Drehung und die Stellung des Rades angebende elektrische Signale, mit einer ersten und einer zweiten Blende, die konzentrisch zueinander angeordnet sind und von denen eine Blende gegenüber der anderen Blende verdrehbar angeordnet und derart mit dem Rad gekoppelt ist, daß eine Drehung des Rades auf diese Blende übertragbar ist, daß auf der ersten Blende mehrere Schlitze vorgesehen sind und daß auf der zweiten Blende eine erste und eine zweite Gruppe von Schlitzen vorgesehen sind, denen jeweils ein Fotorezeptor zugeordnet ist, der auf durch die Schlitze fallendes Licht einer Lichtquelle anspricht.

Ein solches elektromechanisches Wandlerelement eignet sich insbesondere zur Verwendung in Stellungsanzeigern, bei denen die von dem Wandlerelement erhaltenen Signale entweder dazu verwandt werden, die Stellung des Stellungsanzeigers sichtbar anzuzeigen oder um die Bewegung eines Läufers auf einer Anzeigeeinrichtung zu steuern.

Aus der US-Patentschrift 35 41541 ist bereits ein solcher Stellungsanzeiger mit verschiedenen Formen von Wandlern zur Umwandlung seiner Bewegung in Stellungssignale bekannt, die in einer Anzeigeeinrichtung benutzt werden. Bei einer Ausführungsform ist jeweils ein Potentiometer mit jeweils einem der Räder des Stellungsanzeigers verbunden, um die Drehbewegung der Räder angebende Signale zu erzeugen. In einer anderen Ausführungsform wird ein Scheibenverschlüßler verwandt, der ein der jeweiligen Drehstellung der Scheibe entsprechendes digitales Ausgangssignal erzeugt. Eine solche Scheibenanordnung ermöglicht umittelbar ein digitales Ausgangssignal anstelle eines analogen Ausgangssignals der ersten Ausführungsform zu erzeugen, das digital umgeformt werden muß, um von einer Computersteuerung einer Katodenstrahlanzeigeeinrichtung verwandt werden zu können.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektromechanisches Wandlerelement der eingangs erwähnten Art anzugeben, mit dem eine genaue Positionsangabe bei einer Drehung des Rades in einer Stellungsanzeigeeinrichtung erhalten werden

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dfift die Schlitze auf der ersten Blende auf einem einzigen Umfang in gleichmäßigem Winkelabstand voneinander angeordnet sind, daß die erste und zweite Gruppe von Schlitzen auf der zweiter Blende auf demselben Umfang angeordnet sind und ihre Gesamtzahl geringer als die Zahl der Schlitze auf der ersten Blende ist, daß die Schlitzbreite der Schlitze auf der zweiten Blende jeweils geringer als die Schlitzbreite der Schlitze auf der ersten Blende ist und daß die Schlitze der ersten Gruppe der zweiten Blende in bezug auf eine Ausrichtung dieser Schlitze mit den Schlitzen der ersten Blende phasenversetzt zu den Schlitzen der zweiten Gruppe angeordnet sind.

Mit dem elektomechanischen Wandlerelement können genaue Stellungsangaben erhalten werden, und insbesondere kann mit einer einfachen Anordnung genau zwischen einer Vorwärts- und einer Rückwärtsbewegung unterschieden werden. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Das erfindungsgemäße elektromechanische Wandlerelement eignet sich insbesondere zur Verwendung in einem Mehrkoordinatenstellungsanzeiger, der mittels zweier rechtwinklig zueinander angeordneter Transporträder über eine ihn tragende Fläche in zwei Koordinaten (x-y-Koordinaten) bewegbar ist, wobei die Drehbewegung eines jeden Rades durch ein damit gekoppeltes elektromechanisches Wandlerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in elektrische Signale für eine Anzeigeeinrichtung zur Angabe der jeweiligen Lage des Stellungsanzeigers innerhalb eines x-y-Koordinatensystems umgewandelt wird und wobei die beiden Transporträder am Gehäuse des Steilungsanzeigers derart gelagert sind, daß sie in einer gegenüber der sie tragenden Fläche einen Winkel von 50° bis 70° einschließenden Ebene liegen, wobei die horizontalen Komponenten der Achsen der beiden Transporträder orthogonal zueinander stehen und wobei die Drehung der beiden Transporträder die Bewegung des Stellungsanzeigers in der x- und y-Richtung auf jeweils eine Rolle überträgt, die einerseits in bestimmter Winkelstellung in Reibungskontakt mit dem zugehörigen Transportrad steht und andererseits mit der drehbaren Blende jeweils einen der elektromechanischen Wandler zur Erzeugung von der jeweiligen Lage des Stellungsanzeigers innerhalb des x-y-Koordinatensystems entsprechende elektrische Signale gekoppelt ist.

Im folgenden soll die Erfindung näher anhand eines Mehrkoordinatenstellungsanzeigers erläutert werden. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Draufsicht auf einen Mehrkoordinaten-Stellungsanzeiger,

F i g. 2 eine perspektivische Draufsicht auf den Boden des in Fig. 1 gezeigten Mehrkoordinaten-Stellungsanzeigers, der die Ausrichtung der Räder für die X- und K-Richtung zeigt,

Fig.3 eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines elektromechanischen Wandlers, der einem Transportrad zugeordnet ist, in auseinandergezogener Darstellung,

F i g. 4 eine Ansicht der in F i g. 3 gezeigten Teile von unten,

Fig.5 eine Schnittdarstellung eines in dem Mehrkoordinaten-Stellungsanzeigers montierten elektromechanischen Wandlers längs der Linie A-A in Fig.4 im Zusammenwirken mit dem zugeordneten Transportrad, das die den Stellungsanzeiger tragende Fläche berührt, und

Fig.6 eine Schnittdarstellung des elektromechanischen Wandlers längs der Linie ß-Bder F i g. 3.
In Fig. 1 ist ein Mehrkoordinaten-Stellungsanzeiger 1 dargestellt. Auf dem Oberteil eines Gehäuses 2 des Stellunganzeigers 1 sind Steuerlasten 3 angeordnet, die das Schließen hier nicht gezeigter Schalter bewirken, die Impulse durch ein Kabel 5 abgeben, um bestimmte

Änderungen der auf einem hier nicht gezeigten Anzeigemonitor angezeigten Information zu signalicsieren. Eine horizontale Tragplatte 8 ist fest mit dem Innenraum des Gehäuses 2 verbunden. An dieser Tragplatte sind Wandler 12 und 14 gehaltert.

Die Wandler 12 und 14 sind jeweils mit Schrauben 16 und 18 auf der Tragplatte 8 befestigt, wie dieses in F i g. 2 gezeigt ist. Transporträder 20 und 22 sind jeweils mit den Wandlern 12 und 14 gekoppelt. Die Räder 20 und 22 ermöglichen zusammen mit einem Tragstempel 26, daß der Stellungsanzeiger 1 auf einer ihn tragenden Fläche, wie einem Tisch, nach Art einer Dreipunktlagerung getragen wird. Der Radius der Räder 20 und 22 und die Länge des Tragstempels 26 sind so gewählt, daß sich der Stellungsanzeiger 1 in einer horizontalen Lage gegenüber der horizontalen Fläche befindet. Wird der Stellungsanzeiger 1 auf der ihn tragenden Fläche bewegt, so drehen sich die Räder entsprechend der Bewegung in Richtung der X- und ^-Koordinaten in Berührung mit der Fläche. In diesem Zusiinimenhang gibt die Drehbewegung des Transportrades 20 die Bewegung in Richtung der /Y-Koordinate des Stellungsanzeigers 1 und die Drehung des Transportrades 22 die Bewegung in Richtung der K-Koordinatean.

In F i g. 3 ist eine Seitenansicht in auseinandergezogener Darstellung eines Transportrades 22 zusammen mit dem mit ihm gekoppelten Wandler gezeigt. Das Rad 22 ist drehbar an einem Wandlergehäuse 30 mit Hilfe einer Schraube 32 und einer mit einem Flansch versehenen Welle 34 gelagert. Die Drehung des in dem Gehäuse 30 gelagerten Rades 22 bewirkt die Drehung einer aus gehärtetem Stahl hergestellten Rolle 38. Die Drehung des Rades 22 wird damit auf die Rolle 38 übertragen, die auf einer Welle 40 aufgepaßt ist. Die Rolle 38 wird auf der Welle 40 mit Hilfe zugehöriger Kugellager 42 und 44 auf jeder Seite festgehalten, die über eine Schraube 48 befestigt sind. Eine Blende 46 ist einstückig mit dem einen Ende der Welle 40 neben dem Kugellager 42 verbunden, um eine sich drehende Blendenanordnung zu bilden. Die Schraube 48 ist so befestigt, daß die Innenringe der Kugellager 42 und 44, die Rolle 38 und die Welle 40 sich zueinander in einer festen Beziehung befinden. Die Drehung der Rolle 38, die durch Drehung des Rades 22 verursacht wird, bewirkt damit die Drehung der Blende 46.

Eine feste Blende 52, mit einem größeren Durchmesser als der der sich drehenden Blende 46, ist auf den Innenflächen des Gehäuses 30 so befestigt, daß sie konzentrisch zu der sich drehenden Blende 46 angeordnet ist. Am äußeren Ende der Blende 52 ist eine Lampe 56 befestigt, die in die Blende 46 hineinragt, um in dieser eine Lichtquelle zu bilden. Wie auch in der entsprechenden, in Fig. 4 gezeigten Ansicht von unten zu erkennen ist, hat die sich drehende Blende 46 eine Vielzahl von Schlitzen, die um ihrem Umfang mit gleichem Abstand zueinander angeordnet sind. Die Schlitze haben einen gegenseitigen Abstand Xund eine Breite von etwa von Vj X. Bei dem bevorzugten

Ausführungsbeispiel beträgt die Schlitzgröße etwa 0,53 mm χ 5,1 mm. Die feste Blende 52 weist zwei Gruppen von Schlitzen auf, wobei die Schlitze einer gegebenen Gruppe die gleiche Winkelanordnung wie die Blende 46 haben, jedoch die Winkelanordriung zwischen den Schlitzen unterschiedlicher Gruppen um ein Viertel oder ein ganzzahliges Vielfaches des Winkelabstandes zwischen den Schlitzen versetzt sind. Jede Gruppe von Schlitzen der Blende 52 wirkt mit einem zugeordneten Kanal 60 zusammen, an dessen Ende ein lichtempfindliches Element 66, wie ein Fototransistor angeordnet ist, der auf jedes Zusammenfallen von Schlitzen der sich drehenden Blende 46 und der festen Blende 52 anspricht, das den von der Lampe 56 ausgestrahlten Licht durch einen zugehörigen Kanal 60 hindurch ein Auftreffen auf dem lichtempfindlichen Element 66 ermöglicht.

Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das lichtempfindliche Element 66 ein Fototransistor. Mit dem Auftreffen des Lichts auf den Fototransistor 66 fließt ein Strom vom Kollektor zum Emitter, um ein Signal zu erzeugen, dessen Signalübergänge die Drehung des Transportrades 22 angeben. Da die Breite der Schlitze der Blende 46 gleich der halben Entfernung zwischen den Schlitzen ist, ist die vom Transistor 66 erzeugte Signalform während der Drehung des Rades 22 zur Hälfte ein Signal hohen Pegels und zur Hälfte ein Signal niedrigen Pegels. Drei Schlitze bilden jeweils eine Gruppe von Schlitzen der Blende 52, wobei jeder Schlitz so schmal wie möglich in bezug auf die Empfindlichkeit des Transistors 66 ist. Infolge dieser praktischen Erwägungen haben die Schlitze der Blende 52 etwa ein Drittel der Breite der Schlitze der Blende 46. Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Schlitze also etwa 0,18 mm breit und etwa 6,4 mm lang. Die relative Breite der Schlitze der jeweiligen Blenden 46 und 52 machen Übergangsgradienten der Lichtintensität so klein wie möglich, die sonst beim Zusammenfallen der Schlitze auftreten und Mehrdeutigkeiten beim Schalten des Transistors 66 bewirken würden.

In Fig.5 ist eine Schnittdarstellung des montierten Wandlers längs der Linie A-A der Fig.4 gezeigt. Die relative Anordnung der Blenden 46 und 52, der Welle 40, des Transportrades 22 und des Gehäuses 30 ist klar zu erkennen. In Fig.6 ist eine Schnittdarstellung des montierten Wandlers längs der Linie B-B der Fig.3 gezeigt. Die relative Anordnung der Schlitze der jeweiligen Blenden 46 und 52 in bezug auf den Kanal 60 und den Transistor 66 ist ebenfalls klar zu erkennen.

Die Anzahl der Schlitze in der sich drehenden Blende bestimmt die Anzahl der Ausgangsimpulse, die vom Transistor 66 pro Entfernungseinheit erzeugt werden, die der Stellungsanzeiger auf der ihn tragenden Fläche zurücklegt. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind 30 Schlitze über den Umfang der sich drehenden Blende 46 vorgesehen, die zu einem jeweiligen Ausgangssignal des Transistors 66 mit fünfzig Impulsen pro 2,5 cm führen, die von dem Stellungsanzeiger auf der Fläche zurückgelegt werden. Da die Signalform des Ausgangssignals des Transistors 66 zur Hälfte hohen und zur Hälfte niedrigen Pegel hat, sind die die Drehung des Rades 22 angebenden Ausgangssignale etwa eine Rechteckwelle, deren Impulsbreite gleich der Impulspause ist. Da die Gruppen von Schlitzen der Blende 52 winkclmäßig um eine Differenz von ¹A um die Winkelentfernung zwischen den Schlitzen versetzt sind, ist eine Rechteckwclle, die von einem Transistor 66 erzeugt wird, gegenüber der jeweils anderen um 90° phasenversetzt. Die Drehrichtung des Rades 22 ist daher dadurch zu bestimmen, welches Ausgangssignal der Transistoren dem anderen Ausgangssignal um eine Phasendifferenz voreilt.

Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Transportrad 22 eine aus Stahl hergestellte Kugellageranordnung, dessen Innenlaufring axial auf einer festen Welle 34 angeordnet ist, wie dieses in F i g. 5 gezeigt ist.

Infolge der Winkelbeziehung zwischen der Rolle 38 und der Welle 34 behält das Rad 22 die Berührung mit der Rolle 38 durch die natürliche Kraft aufrecht, die von der den Stellungsanzeiger 1 tragenden Fläche ausgeübt wird. Das in dieser Weise angeordnete Rad 22 bewirkt eine reibungsarme Drehung, die wirksam die Bewegung des Stellungsanzeigers 1 über die ihn tragende Fläche überträgt. Die erwähnte Lagerung des Rades 22 am Gehäuse 30 ist derart, daß das Rad 22 in einer Ebene liegt, die etwa 60° gegenüber der den Stellungsanzeiger

1 tragenden Fläche angeordnet ist. Diese Winkelanordnung des Rades 22 zwischen der es tragenden Fläche und der Rolle 38 verbessert die Übertragung einer Radialbewegung vom Rad auf die Rolle 38, ohne daß zusätzliche mechanische Elemente, wie Vorspannfedem, erforderlich sind, die selbst Drehkräfte durch Erzeugung unerwünschter Rollreibungsverluste aufnehmen würden. Der Bereich der zulässigen Winkelstellung der Radebene gegenüber der es tragenden Fläche liegt zwischen 50 und 70°. Die Berührungskanten des Rades 22 sind mit einem Radius von etwa 0,51 bis etwa 0,64 mm abgerundet, um eine geeignete Auflage des Rades 22 auf der es tragenden Fläche zu bewirken, so daß das Rad 22 den tatsächlichen Wert seiner X- oder V-Koordinate der Bewegung des Stellungsanzeigers 1 aufnimmt und diesen Wert über seine Kopplung an die sich drehende Blende 46 überträgt.

Während die Fig.3 bis 6 einen Wandler 14 und das Transportrad 22 zeigen, geben die gleichen Darstellungen auch Aufbau und Wirkungsweise des Wandlers 12 und seines zugehörigen Transportrades 20 an. Da die horizontale Komponente der Achsen der zugehörigen Räder 20 und 22 orthogonal zueinander ist, ist das Transportrad 20 so angeordnet, daß es die Bewegung des Stellungsanzeigers 1 in einer Koordinatenrichtung aufnimmt, die gegenüber der vom Transportrad 22 aufgenommenen Koordinatenrichtung um 90° versetzt ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mit einem Rad gekoppeltes elektromechanisches Wandlerelement zum Umsetzen einer Drehbewegung des Rades in die Drehung und die Stellung des Rades angebende elektrische Signale, mit einer ersten und einer zweiten Blende, die konzentrisch zueinander angeordnet sind und von denen eine Blende gegenüber der anderen Blende verdrelibar angeordnet und derart mit dem Rad gekoppelt ist, daß eine Drehung des Rades auf diese Blende übertragbar ist, daß auf der ersten Blende mehrere Schlitze vorgesehen sind und daß auf der zweiten Blende eine erste und eine zweite Gruppe von Schlitzen vorgesehen sind, denen jeweils ein Fotorezeptor zugeordnet ist, der auf durch die Schlitze fallendes Licht einer Lichtquelle anspricht, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze auf dei· ersten Blende (46) auf einem einzigen Umfang in gleichmäßigem Winkelabstand voneinander angeordnet sind, daß die erste und zweite Gruppe von Schlitzen auf der zweiten Blende (52) auf demselben Umfang angeordnet sind und ihre Gesamtzahl geringer als die Zahl der Schlitze auf der ersten Blende (46) ist, daß die Schlitzbreite der Schlitze auf der zweiten Blende (52) jeweils geringer als die Schlitzbreite der Schlitze auf der ersten Blende (46) ist und daß die Schlitze der ersten Gruppe der zweiten Blende (52) in bezug auf eine Ausrichtung dieser Schlitze mit den Schlitzen der ersten Blende (46) phasenversetzt zu den Schlitzen der zweiten Gruppe angeordnet sind.

2. Wandlerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze der ersten Blende (46) mit gleichen Winkelabständen zueinander angeordnet sind und die Schlitze der ersten Gruppe der zweiten Blende (52) den gleichen Winkelabstand wie die Schlitze der ersten Blende (46) haben.

3. Wandlerelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze der ersten Gruppe der zweiten Blende (52) gegenüber den Schlitzen der zweiten Gruppe dieser Blende (52) um ein Viertel des Winkelabstandes der Schlitze versetzt sind, wodurch die Impulsfolgen der beiden lichtempfindlichen Elemente (66) zueinander um 90° phasenversetzt sind.

4. Wandlerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Schlitze der ersten Blende (46) etwa gleich der Hälfte des Abstandes zwischen den Schlitzen ist.

5. Wandlerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Schlitze der zweiten Blende (52) ein Drittel der Breite der Schlitze der ersten Blende (46) ist.

6. Elektromechanisches Wandlerelement zur Verwendung in einem Mehrkoordinaten-Stellungsanzeiger (1), der mittels zweier rechtwinklig zueinander angeordneter Transporträder (20, 22) über eine ihn tragende Fläche in zwei Koordinaten (x-y-Koordinaten) bewegbar ist, wobei die Drehbewegung eines jeden Rades (20, 22) durch ein damit gekoppeltes elektromechanisches Wandlerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in elektrische Sginale für eine Anzeigeeinrichtung zur Angabe der jeweiligen Lage des Stellungsanzeigers innerhalb eines x-y-Koordinatensystems umgewandelt wird und wobei die beiden Transporträder (20, 22) am Gehäuse des Stellungsanzeigers (1) derart gelagert sind, daß sie in einer gegenüber der sie tragenden Fläche einen Winkel von 50° bis 70° einschließenden Ebene liegen, wobei die horizontalen Komponenten der Achsen der beiden Transporträder orthogonal zueinander stehen und wobei die Drehung der beiden Transporträder (20, 22) die Bewegung des Stellungsanzeigers (1) in der x- und /-Richtung auf jeweils eine Rolle (38) überträgt, die einerseits in bestimmten Winkelstellungen in Reibungskontakt mit dem zugehörigen Transportrad (20 bzw. 22) steht und andererseits mit der drehbaren Blende (46) jeweils einen der elektromechanischen Wandler (12 bzw. 14) zur Erzeugung von der jeweiligen Lage des Stellungsanzeigers innerhalb des x-y-Koordinatensystems entsprechende elektrische Signale gekoppeltist.

7. Elektromechanisches Wandlerelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Transporträder (20, 22) jeweils in einer Ebene liegen, die einen Winkel von etwa 60° gegenüber der sie tragenden Fläche einschließen.