Датчик кута повороту вала

Датчик кута повороту вала, що містить розташовані в корпусі напівпровідникові фоточутливі елементи з контактами, кодову систему прозорих та непрозорих для світла ділянок та систему освітлення, який відрізняється тим, що контакти до напівпровідникових фо точутливи х елементів виконані у вигляді кодової системи прозорих та непрозорих для світла ділянок, система освітлення виконана з розмірами, які дорівнюють або перевищують розміри напівпровідникових фоточутливих елементів, а між напівпровідниковими фоточутливими елементами та системою освітлення розташована механічно зв'язана з валом непрозора діафрагма з прозорою для світла проріззю, яка виконана з можливістю освітлення всіх напівпровідникових фоточутливи х елементів. UA (21) a200612789 (22) 04.12.2006 (24) 26.08.2008 (46) 26.08.2008, Бюл.№ 16, 2008 р. (72) БРОДОВИЙ ГРИГОРІЙ ВАСИЛЬОВИЧ, UA, ІЩУК ВІКТОР ПЕТРОВИЧ, UA, КОЛОМЗАРОВ ЮРІЙ ВІКТОРОВИЧ, U A, ОЛЕКСЕНКО ПАВЛО ФЕОФАНОВИЧ, UA, УШЕНІН ЮРІЙ ВАЛЕНТИНОВИЧ, UA, ЦИРКУНОВ ЮРІЙ ЯКИМОВИЧ, UA, ЯЦКО ЛАСЛО ДЮЛОВИЧ, UA (73) ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ ІМ. В.Є. ЛАШКАРЬОВА Н АЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ, UA (56) SU 1610255 A1,30.11.1990 US 7112781 B2, 26.09.2006 US 7026604 B2, 11.04.2006 US 5329121, 12.07.1994 US 4742332, 03.05.1988 FR 2795504, 29.12.2000 C2 2 (19) 1 3 83931 єднаний до валу, має на торці цілий ряд відбиваючих площин, а світловий промінь спрямовують на відбиваючі площини диску. Відбитий світловий промінь спрямовують на лінійний фотодетектор. Мікропроцесор з пам'яттю перетворює сигнал положення світлового променя на лінійному фотодетекторі у кутове положення валу у межах деякої відбиваючої площини багатокутного диску. Таке технічне рішення має суттєві недоліки: неможливість визначення абсолютного значення положення валу, складність виготовлення, великі габарити та маса. Найбільш близькими технічними рішеннями, прийнятими за прототип, є датчики кута повороту валу [4, 5], у яких є система з N фоточутливих елементів з контактами, кодовий диск або кодова стрічка з прозорими та непрозорими для світла ділянками або з відбиваючими чи не відбиваючими світло ділянками, та система освітлення. Якщо система освітлення розташована напроти фоточутливих елементів з контактами, то датчик працює на просвічування і кодовий диск або стрічка мають прозорі та непрозорі для світла ділянки однакової ширини D. Якщо система освітлення та фоточутливі елементи розташовані у одній площині, датчик працює на відбивання світла і кодовий диск або стрічка мають ділянки, що відбивають або не відбивають світло. Ширина d та кількість N фоточутливи х елементів, а також ширина ділянок на кодовому диску або стрічці D пов'язані співвідношенням Nd=(N-1)D. Електронна схема датчика перетворює сигнали від фотоприймачів у цифрові сигнали, які визначають положення валу і повторюються через 2N значень або після проходження кодовою стрічкою або диском відстані 2D. Такий датчик може вимірювати як відносні, так і абсолютні значення кута повороту валу. До недоліків прототипу можна віднести необхідність виготовлення кодового диску або кодової стрічки. Необхідно проводити спеціальні заходи для виключення паразитного освітлювання фоточутливи х елементів, розташованих поруч, тобто забезпечувати високу ступінь паралельності (колімування) світла від освітлювача або суттєве рознесення у просторі фоточутливи х елементів, розташованих поруч. Це спричиняє ускладнення конструкції, збільшення габаритів датчика та зниження його надійності. Крім того, при виході з ладу хоча б одного фоточутливого елементу або системи освітлення, прилад виходить з ладу, що суттєво зменшує його надійність. Задачею запропонованого винаходу є створення конструкції датчика кута повороту валу, яка дозволяє вимірювати абсолютні та відносні кути повороту валу при спрощенні конструкції, зменшенні габаритів та підвищенні надійності. Поставлена задача вирішується завдяки тому, що датчик кута повороту складається з валу, напівпровідникових фоточутливи х елементів з контактами, кодової системи прозорих та непрозорих для світла ділянок та системи освітлення, який відрізняється тим, що контакти до напівпровідникових фоточутливи х елементів виконують у вигля 4 ді кодової системи прозорих та непрозорих для світла ділянок, систему освітлення виконують з розмірами, які дорівнюють або перевищують розміри напівпровідникових фоточутливи х елементів, між напівпровідниковими фоточутливими елементами та системою освітлення розташовують механічно зв'язану з валом датчика непрозору діафрагму з прозорою для світла проріззю, яка забезпечує освітлення всіх напівпровідникових фоточутли вих елементів. Позитивний ефект запропонованої конструкції досягається завдяки тому, що фоточутливі елементи формують у суцільній напівпровідниковій пластині, а контакти до них, які мають форму кодового поля (поз. 2-5 на Фіг.1, показано тільки чотири старших розряди), складаються з прозорих вікон у певних місцях контакту з непрозорого металу (поз. 6 на Фіг.1). З того ж металу формують загальний електрод напівпровідникових фоточутли вих елементів (поз. 1 на Фіг.1). Таким чином, контакти напівпровідникових фоточутливи х елементів виконують одночасно дві функції знімання електричного сигналу та кодування положення світлового штри ха, сформованого прозорою для світла проріззю діафрагми. Таким чином, відпадає необхідність у виготовленні кодового диску як окремого конструктивного елементу. Крім того, систему освітлення виконують з окремих джерел світла, наприклад, розміщують на друкованій платі (поз. 7 на Фіг.2) яскраві малогабаритні світлодіоди (поз. 8 на Фіг.2). Світлодіоди розміщені таким чином, що утворюють суцільне джерело світла з розмірами, які дорівнюють або перевищують розміри напівпровідникових фоточутливи х елементів. Тому при виході з ладу навіть декількох одиночних джерел світла прилад не втрачає працездатності. Враховуючи суттєве зменшення габаритів, у одному корпусі можна розмістити дві однакові системи, що складаються з напівпровідникових фоточутливих елементів, системи освітлення та механічно зв'язаної з валом непрозорої діафрагми з прозорою для світла проріззю. При виході з ладу однієї системи друга продовжує працювати, що ще більше підвищує надійність датчика. Реалізована конструкція двоканального датчика кута повороту валу представлена на Фіг.3. У корпусі 9 з герметичними кришками 10 розміщено дві кремнієві пластини з фоточутливими елементами та кодовими контактами з алюмінію 11, які з'єднані з платами електроніки 12. Між двостороннім освітлювачем, що складається з розміщених на друкованій платі 7 яскравих світлодіодів 8, та кремнієвими пластинами з фоточутливими елементами та кодовими контактами з алюмінію 11 розміщено непрозорі діафрагми 13 з прозорими для світла прорізями, що жорстко зв'язані з валом 14, кут повороту якого визначають. Відстані між системами освітлення та кремнієвими пластинами з фоточутли вими елементами задано прокладками 15. Порівняльні характеристики виготовленого зразка з наявним промисловим аналогом представлені у таблиці. 5 83931 6 Таблиця Параметр Принцип дії Кількість каналів МУ-615А Контактний Одноканальний Вихідний сигнал Вимірюваний кут повороту Нелінійність Габаритні розміри Маса Робоча температура Аналоговий Робочий ±30° Повний -±60° ±3% 39,5´54´41мм 3 0,16кг -60...+85°С Крім перелічених у таблиці переваг датчик кута повороту валу запропонованої конструкції є більш надійним. Джерела інформації: 1. John A. Wereb. Shaft rotation analyzer using variable capacitance transducer maintained at a constant voltage. US Patent №4,963,829. Oct. 16, 1990. 2. W. Golker. Magnetic shaft angle encoder. US Patent №4,742,332. Ma y 3, 1988. Запропонований датчик Безконтактний Двоканальний з роздільним живленням каналів Послідовний код або аналоговий Робочий -±90° ±0,5% Ø39,5´54´41мм 3 0,16кг -60...+85°С 3. D. В. Leviton. Rotary encoding device with polygonal reflector and centroid detection. US Patent №5,329,121. Jul. 12, 1994. 4. Chong Chee Keong, Seberang Jaya. Vernierscaled high-resolution encoder. US Patent №7,026,604 B2. Apr. 11, 2006. 5. Sheau Yang Ch'ng, Frank Kwong Yew Kiu, Mee Choo Ong. Absolute encoder. US Patent №7,112,781 B2. Sep. 26, 2006. 7 Комп’ютерна в ерстка C.Литв иненко 83931 8 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601