DE19507466C2 - Vorrichtung zur Bestimmung einer Positionsänderung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Posi­ tionsänderung eines aus seiner Ruheposition gebrachten Gegen­ standes in zumindest zwei Achsrichtungen eines räumlichen Koor­ dinatensystems, das sich auf einen beweglichen, jedoch zeitweise ortsfesten Gegenstand, wie z. B. einen PKW bezieht, bestehend aus

• a) einer Schwerkraft erzeugenden Einheit
• b) einem Übersetzungsgetriebe
• c) einer Positionserfassungseinheit.

Vorrichtungen der eingangs genannten Art können aus verschiede­ nen Gründen beispielsweise als Bewegungsmelder oder zur Dieb­ stahlsicherung verwendet werden. Hierzu werden die Vorrichtungen mit dem zu schützenden Gegenstand fest verbunden und im Bedarfs­ fall beispielsweise beim Verlassen des geparkten Fahrzeuges aktiviert. Sobald der zu schützende Gegenstand im aktivierten Zustand aus seiner Ruheposition herausgebracht wird, erfolgt ein Signal entweder akustisch oder optisch, so daß eine unbefugte Benutzung sofort erkannt werden kann.

Aus Soviet patent abstracts, SU-S. Instrumentation, measuring and testing, week 9317, S-02, 93-142252/17 - SU 1737272 A1 ist ein Neigungswinkelsensor mit Beschleunigungskompensation be­ kannt. Dieser besteht aus zwei um die gleiche Achse rotierenden Abschnitten eines geteilten Rahmens, die mit induktiven Kon­ vertern ausgestattet sind. Damit soll der Neigungswinkel von beweglichen Objekten bestimmt werden, wobei die federbelastete Verbindung beider Rahmenhälften zur Festachse der Kompensation eines bei einer beschleunigten Bewegung auftretenden Neigungs­ winkelfehlers dient.

Nach "Bauelemente der physikalischen Technik" von M. Pollermann (Springer Verlag, 1955, Seiten 100-101) sind Schaltkupplungen und Wendegetriebe verschiedener Bauart bekannt, wobei aber nicht angegeben ist, wie man die Abschnitte eines geteilten Rahmens mit Kupplungen oder Getriebeteilen verbinden kann, um einen Neigungswinkel zu bestimmen.

Mit dem in DE 42 13 500 C2, beschriebenen Lotsensor können die Roll- und Nickwinkel eines Geräteträgers angezeigt werden. Dabei sind die Achsen eines Außenrahmens und eines inneren Rahmens konzentrisch angeordnet. Der äußere Rahmen ist mit zwei Drehmomenterzeugern verbunden, die als Drehbeschleunigungsmesser wirken. Über Winkelabgriffe werden die Bewegungsänderungen in Pfeilrichtung erfaßt, aus denen mittels eines Mikroelektronikchips der Absolutbetrag der Geschwindigkeit über Grund berechnet werden kann.

Gemäß Patent Abstracts of Japan P-667 vom Februar 16, 1988 Vol. 12/No. 51 (JP 62-197712 (A)) ist eine Vorrichtung zur Be­ stimmung der Positionsänderung eines Gegenstandes in zumindest zwei Achsrichtungen eines räumlichen Koordinatensystems bekannt. Die Vorrichtung besteht aus einer eine Schwerkraft erzeugenden Einheit mit einem um zwei Achsen drehbaren Pendel, wobei die eine der beiden Achsen fest mit dem Pendel verbunden ist und drehbar in den Längsseiten eines Rahmens gelagert ist. Die ande­ re, senkrecht hierzu angeordnete Achse ist durch die Querseiten des Rahmens geführt. An beiden Enden der freischwingenden Achse des Rahmens ist jeweils ein Neigungssensor angeordnet, während an der senkrecht hierzu angeordneten Achse ein Sensor zur Messung der Rotation befestigt ist. Die bekannte Vorrichtung wird durch ein relativ voluminöses Gehäuse geschützt, das in seinen Abmessungen den sensorenverlängerten Achsenabmessungen ent­ spricht.

In manchen Anwendungsfällen ist der Einsatz derartiger Geräte durch besondere Auflagen erschwert. So bestehen Anforderungen für Bewegungsmelder, insbesondere für Diebstahlwarnanlagen bei Fahrzeugen beispielsweise hinsichtlich eines geringen Gewichtes, geringer Außenabmessungen, beliebiger Einbaulage, Unempfindlich­ keit gegenüber Klima und Staub, geringer Energieverbräuche, absoluter Funktionssicherheit.

Für die Entwicklung einer Vorrichtung zur Bestimmung einer Posi­ tionsänderung in zumindest zwei Achsrichtungen eines räumlichen Koordinatensystems stellt sich daher die Aufgabe, die bisher bekannten Vorrichtungen hinsichtlich ihres Raumbedarfs, ihres Gewichtes, ihrer Funktionssicherheit sowie einer universellen Verwendbarkeit zu optimieren, wobei möglichst auf Standardbau­ elemente für die Herstellung der neuen Vorrichtung zurückgegrif­ fen werden sollte.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Patentan­ sprüchen 1 und 3 angegebenen Merkmale gelöst. Es hat sich gezeigt, daß mit der vorgeschlagenen Vorrichtung auch geringste Lageverände­ rungen mit einer Auflösung von bis zu 10 Bogen-Minuten und einem Ansprechwinkel von 0,5° zuverlässig erfaßt werden können. Es lassen sich Baugrößen von 30 × 30 × 30 mm für die gesamte Vor­ richtung erreichen. Das Gewicht der kompletten Baugruppe kann unterhalb von 30 g gehalten werden.

Üblicherweise sind die Sicherungsfunktionen in einem Schaltka­ sten der Größe 125 × 90 × 39 mm Außenabmessung untergebracht. Die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich daher leicht in die­ sem Kasten integrieren, wobei die zur Auswertung der Positions­ änderung notwendige Elektronik ebenfalls in diesem Sicherungs­ kasten untergebracht ist. Das gesamte Sicherungssystem kann an beliebiger Stelle in das zu schützende Objekt eingebaut werden.

Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße Vorrichtung über eine Leiterplatte mit Anschlüssen und Befestigungsstiften zu einer Einheit verbunden und in das Sicherungsgehäuse eingesetzt. Zur Abschirmung der Auswerteelektronik kann die erfindungsgemäße Vorrichtung von einem Metallgehäuse umgeben werden.

Die erwähnte Auflösung von bis zu 10 Bogenminuten resultiert aus der bei Taktscheiben üblichen Vollkreis-Einteilung von 1024 Schritten bei 360° Gesamtwinkel. Die Auflösung der Taktscheibe zeigt dann pro Schritt zwei Flanken (Anstieg, Abfall) zur Erken­ nung und Auswertung des Taktsignals. Dies ergibt einen Auflösungs­ winkel von 10,5 Bogenminuten. Der Ansprechwinkel von 0,5° wurde unter Berücksichtigung der bei einer Zweipunktlagerung zu erwar­ tenden Reibung bestimmt. Die Genauigkeit ist für die angegebenen Einsatzzwecke ausreichend, sie kann jedoch auch durch Verwendung reibungsarmer Materialien noch verbessert werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispie­ les näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Explosionsdarstellung einer horizontal angeordneten Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestim­ mung einer Positionsänderung,

Fig. 2 Kraftfluß bei einer Bewegungsänderung der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung,

Fig. 3 Explosionsdarstellung einer vertikal angeordneten Va­ riante der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestim­ mung einer Positionsänderung,

Fig. 4 Querschnitt durch den oberen Befestigungsteil der er­ findungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 5 Gesamtansicht des Gehäuses der erfindungsgemäßen Vor­ richtung.

Gemäß Fig. 1 besteht die erfindungsgemäße Vorrichtung aus einem Rahmen 1, in dem ein oder mehrere Pendel 2, 2a auf einer Pen­ delachse 3 um die X-Achse drehbar angeordnet sind. Die Pendel­ achse 3 ist an den Längsseiten 5a, 5b des Rahmens 1 in üblicher Weise um 360° drehbar gelagert.

Senkrecht zur Achsrichtung der Pendelachse 3 befinden sich an den Querseiten 6a, 6b des Rahmens 1 Lagerzapfen 4a, 4b. Der Lagerzapfen 4b ist in einer Kalotte 11b schwenkbar gelagert, der Lagerzapfen 4a dreht sich in einer Kalotte 11a, die mit dem Gehäuse des Bewegungsmelders fest verbunden ist.

Auf der Taktscheibenwelle 9 sitzt einerseits eine Taktscheibe 10, anderer­ seits ein Kegelrad 8, das mit einem weiteren Kegelrad 7 kämmt, das auf der Pendelachse 3 befestigt ist.

Es ergibt sich nun ein Kraftfluß, wie er in Fig. 2 als Prinzip­ bild dargestellt ist. Man erkennt den Rahmen 1, in dem die Pen­ delachse 3 mit dem Pendel 2 drehbar, gelagert ist. Es ist wich­ tig, daß die Taktscheibenwelle 9 von der Achse 4 des Rahmens 1 entkoppelt ist. Dies bedeutet, daß zwischen dem oberen Querträger 6a des Rahmens 1 und dem Kegelrad 8 ein Lager angeordnet ist, vorzugs­ weise ein fliegendes Lager, bestehend aus einem Lagerzapfen 4a und einer Kalotte 11a. Es ist aber auch möglich, die Taktscheibenwelle 9 als Hohlwelle auszubilden und über einen vom Rahmen 1 oder vom Ge­ häuse aus geführter. Zapfen oder Dorn eine sichere Lagerung der geteilten Welle zu ermöglichen.

In einer vorteilhaften Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung ist die Taktscheibenwelle 9 zwischen Kegelrad 8 und Taktscheibe 10 zusätzlich gelagert. Hierzu kann eine Querstrebe vom Gehäuse her in den Bereich zwischen Kegelrad 8 und Taktscheibe 10 geführt werden, ohne dabei die Funktion des Bewegungsmelders zu beein­ trächtigen. Es muß eine volle Umdrehung um die X- und Y-Achse vom Kegelrad 7, 8 und der Taktscheibe 10 in jedem Fall gewähr­ leistet sein.

Bei einer Drehung des Pendels 2 um die X-Achse der Pendelachse 3 dreht sich das Kegelrad 7 und damit das mit ihm kämmende Ke­ gelrad 8. Mit dem Kegelrad 8 dreht sich die auf der Taktschei­ benwelle 9 festsitzende Taktscheibe 10, die eine Strichmarkie­ rung 10a zur Erfassung durch einen Sensor 12 aufweist. Der beschriebene Kraftfluß gilt für eine Drehbewegung bzw. Posi­ tionsänderung um die durch die Pendelachse 3 verlaufende X-Ach­ se.

Bei einer Drehbewegung um die in Y-Richtung verlaufende Takt­ scheibenwelle 9 wird die Markierung 1 0a ebenfalls bewegt und zwar unmittelbar aufgrund Massenträgheit der Taktscheibe 10. Der Kraftfluß verläuft also stets in den Markierungsbereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung, so daß für alle Bewegungen um die X-Y-Achse eine vollständige Detektierung garantiert ist.

Mit der dargestellten horizontal angeordneten Variante der er­ findungsgemäßen Vorrichtung lassen sich bevorzugt Drehbewegungen um die X-Y-Achse erfassen. Dabei sind die Pendelmassen für beide genannten Achsen direkt wirksam. Es muß lediglich dafür gesorgt werden, daß die Lagerkalotten 11a, 11b außerhalb der Peripherie des Kegelrades 7 und der Taktscheibe 10 angeordnet sind, dies bedeutet, daß das gesamte System aus schwerkrafterzeugender Einheit, Übersetzungsgetriebe und Positionserfassungseinheit ohne Behinderung um 360° um die X- und Y-Achse drehbar ist.

Wie eingangs beschrieben sind die beiden Pendelgewichte 2 und 2a auf einer gemeinsamen Pendelachse 3 angeordnet und in den Längs­ seiten 5a, 5b des Rahmens 1 drehbar gelagert. Auf der Pendelachse 3 ist ebenfalls das Kegelrad 7 fest angeordnet, wobei die Ge­ wichte von Kegelrad 7 und Pendel 2 und 2a so bemessen sind, daß eine stabile Gleichgewichtslage bei waagerechter Lage der Pen­ delachse erreicht wird.

In einer weiteren Ausführungsvariante ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in vertikaler Position dargestellt. Fig. 3 zeigt ein gegenüber Fig. 1 abgeänderten Aufbau, wobei das Pendelge­ wicht 2 mittig im Rahmen 1 zwischen den Längsseiten 5a, 5b an geordnet ist. Die Getriebeteile 7, 8 können hier als Reibrad­ antriebe ausgebildet sein, wobei ein Kraftfluß auch bei nicht fluchtender Position der Rahmenachse 4 und der Taktscheibenwelle 9 ermöglicht wird. Ebenso wie bei der Ausführung nach Fig. 1, sitzt auf der Welle 9 ein mit dem Getrieberad 8 fest verbundenes Taktscheibenrad 10. Der in Fig. 3 nicht dargestellte Lagerblock für die Kalotten 11a, 11b liegt soweit außerhalb der Peripherie des Getrieberades 7 und der Taktscheibe 10, daß das gesamte System ohne Behinderung um die X- und Y-Achse um 360° drehbar ist.

Mit dieser Ausführung lassen sich bevorzugt kombinierte Bewegun­ gen in X-Y-Richtung detektieren. Des weiteren sind Drehbewegungen um die Z-Achse erfaßbar, weil durch die Kalottenlagerung zwi­ schen Rahmen 1 und Taktscheibe 10 räumliche Positionsänderungen als resultierende in X- oder Y-Richtung erfaßt werden. Dabei verursachen nicht-achsparallele Bewegungen im räumlichen Koor­ dinatensystsem Lageveränderungen zwischen Sensor und Taktschei­ be, die durch Bewegungsänderungen des Pendels noch verstärkt werden.

Es können Durchsichts- oder Reflektions-Taktscheiben verwendet werden. Entsprechend sind die Sensoren entweder auf einer Seite oder auf beiden Seiten der Taktscheibe angeordnet. Auf einer Scheibe von 1 Zoll Durchmesser lassen sich ca. 1000 Markierungen unterbringen, so daß eine Auflösung von bis zu 10 Bogen-Minuten erreicht werden kann. Der Ansprechwinkel beträgt dabei 0,5°.

Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung einer Positionsänderung besteht darin, daß auf einen zweiten Sensor verzichtet werden kann und dennoch Positionsände­ rungen in mindestens zwei Achsrichtungen erfaßbar sind. Der Verzicht auf den zweiten Sensor ermöglicht einen äußerst gerin­ gen Energieverbrauch von ca. 5 mA im Stand-by-Betrieb. Hierzu ist es allerdings Voraussetzung, daß der Sensor pulsierend ar­ beitet, beispielsweise mit einer Einschaltphase von ca. 10 mSek. und einer Ruhephase von 30 mSek. Es werden übliche Standardsen­ soren, beispielsweise von Hewlett Packart verwendet. Ihr Ein­ satzbereich reicht von -40°C bis +80°C, im Sonderfall bis zu +140°C.

Für die Taktscheibe kann übliches Filmmaterial verwendet werden, mit dem sich äußerst genaue Markierungen (hell/dunkel) aufbrin­ gen lassen. Es können aber auch andere Materialien wie geätzte Metallscheiben oder bedampfte Kunststoffe verwendet werden. Durch die Verwendung von nur einer Taktscheibe und eines Sensors kann auf komplizierte Elektronik für die Auswertung der Signale verzichtet werden.

Der Einfluß von Klima und Staub wird durch eine vollständige Kapselung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgeschaltet. Le­ diglich die Kontaktstifte (Anschlußstifte des Sensors) ragen aus dem Gehäuse heraus, das staubdicht abgeschlossen ist. So lassen sich sowohl die Einflüsse der Luftfeuchtigkeit als auch Einflüs­ se von Öldämpfen, Staubkörnern oder Wassernebeln vermeiden.

Es hat sich gezeigt, daß mit dem erfindungsgemäßen Gerät auch Beschleunigungsmessungen in jeder Achsrichtung möglich sind. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist daher auch für die Sicher­ heitstechnik, in der zerstörenden und nichtzerstörenden Prüf­ technik an Modellkörpern verwendbar.

Die Kegelräder werden vorzugsweise aus Kunststoffen hergestellt, es lassen sich aber auch die in der klassischen Uhrenmechanik verwendeten Stoffe, wie rostfreier Stahl und Buntmetall einset­ zen.

Typische Abmessungen für ein Gehäuse enthaltend die erfindungs­ gemäße Vorrichtung sind: Länge × Breite × Höhe = 30 × 30 × 30 mm. Die komplette Sensortechnik kann in diesem Gehäuse bei einem Gesamtgewicht von ca. 30 g. untergebracht werden. Durch wei­ tere Miniaturisierung lassen sich auch kleinere Gehäuseeinheiten von ca. 20 × 20 × 20 mm herstellen.

Wie in den Fig. 3 bis 5 dargestellt, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung von einem Gehäuse 13 umgeben, das mit Befestigungs­ stiften 14 an beliebiger Stelle des Sicherungsbehälters ange­ bracht werden kann. Aus dem Gehäuse 13 ragen lediglich Kontakt­ stifte 15 der Leiterplatte 16 heraus. Das ganze kann bei ent­ sprechender Vorbereitung leicht auswechselbar für eine Dieb­ stahlsicherung in einem Pkw eingesetzt werden.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Positionsänderung eines aus seiner Ruheposition gebrachten Gegenstandes in zumindest zwei Achsrichtungen eines räumlichen Koordinatensystems, das sich auf einen beweglichen, jedoch zeitweise ortsfesten Gegenstand, wie z. B. einen PKW bezieht, bestehend aus

• a) einer Schwerkraft erzeugenden Einheit aus einem um zwei Achsen drehbaren Pendel (2), wobei die eine der beiden Pendelachsen (3) fest mit dem Pendel (2) verbunden ist und drehbar in den Längsseiten (5a, 5b) eines Rahmens (1) gelagert ist, während die andere, senkrecht hierzu angeordnete Achse (4) durch die Querseiten (6a, 6b) des Rahmens (1) geführt ist,
• b) einem auf der ersten der beiden Pendelachsen (3) außerhalb des Rahmens (1) angeordneten ersten Getriebeteil (7) des Übersetzungsgetriebes, das mit einem zweiten Ge­ triebeteil (8) kämmt, dessen Drehachse senkrecht und im wesentlichen achsparallel zur Drehachse (4) verläuft, und
• c) einer auf einer Taktscheibenwelle (9) des zweiten Getriebeteils (8) angeordneten Taktscheibe (10), deren Positions­ änderung von einem Sensor (12) erfaßt wird.

2. Vorrichtung zur Bestimmung einer Positionsänderung nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (1) aus einem rechteckförmigen Rahmen be­ steht, wobei die Längsseiten (5a, 5b) etwa in der Mitte mit Bohrungen für die Aufnahme der ersten Pendelachse (3) ver­ sehen sind während die Querseiten (6a, 6b) des Rahmens (1) etwa in ihrer Mitte angeordnete, senkrecht zur Pendelachse (3) stehende Nadelzapfen (4a, 4b) aufweisen, die in ent­ sprechend geformten Kalotten (11a, 11b) gelagert sind.

3. Vorrichtung zur Bestimmung einer Positionsänderung in der X-Y Achserichtung eines räumlichen Koordinatensystems, be­ stehend aus einem um die X-Achse drehbaren Pendel (2), dessen Pendelachse (3) in einem Rechteckrahmen (1) gelagert ist,
wobei der Rahmen (1) um eine in Y-Richtung weisende Dreh­ achse (4) schwenkbar ist und
daß in Verlängerung der Y-Achse eine Taktscheibenwelle (9) angeordnet ist, auf der sowohl eine Taktscheibe (10) als auch das zweite Getriebeteil (8) angeordnet sind,
wobei das zweite Getriebeteil als Kegelrad (8) ausgebildet ist und mit einem Kegelrad (7) kämmt, das als erstes Ge­ triebeteil auf einer Pendelachse (3) angeordnet ist, die in X-Richtung verläuft.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die X- und Y-Achse in einer waagerechten Ebene an­ geordnet sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerkalotten (11a, 11b) außerhalb der durch die Drehbewegung des Kegelrades (7) und der Taktscheibe (10) um die X- und Y-Achse beschriebenen Peripherie angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (1) um die X-Achse drehbar gelagert ist, wobei eine in Z-Richtung bewegliche Verbindung zwischen Taktscheibenachse (9) und Rahmenlagerung (4a, 4b) vorgese­ hen ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in Z-Richtung bewegliche Lagerung aus einem flie­ genden Lager besteht, das zwischen der oberen Querseite des Rahmens (6b) und dem Kegelrad (8) angeordnet ist.