Die vorliegende Erfindung betrifft die Vorrichtung eines elektronischen Kompasses mit Analoganzeige, der mit einem Ultraschallmotor angetrieben wird und die Anzeige unterschiedlicher physikalischer Messwerte ermöglicht.

Bei herkömmlichen Kompassen handelt es sich um mechanische Kompasse, die aus einer Kompaßrose bestehen, über der eine freibewegliche, auf einer Pinne sitzende Kompaßnadel die Nordrichtung anzeigt. Später wurden elektronische Kompasse mit Digitalanzeige, jedoch noch keine elektronischen Kompasse mit Analoganzeige erfunden. Jedenfalls gibt es derzeit noch keinen elektronischen Kompaß mit Ultraschallmotor für den Zeigerantrieb. Ein solcher Motor, der auch als Piezomotor bezeichnet wird, kommt zwar bereits in zahlreichen Anwendungen zum Einsatz (Sonar, Ultraschallecholotung, Echographie, Metallurgie, Verfahrensregelung in den unterschiedlichsten Bereichen), wurde aber bisher noch nie auf die Nadelbewegung von Kompassen angewandt.

Des weiteren ermöglicht derzeit noch kein Kompaß - zusätzlich zur Bestimmung des magnetischen Nordpols - die Anzeige der geographischen Höhe und der Uhrzeit mit ein und denselben Zeigern. Kein analoges Uhrwerk ermöglicht alternativ mindestens drei verschiedene Anzeigen, d.h. die Angabe des magnetischen Nordpols, der Höhe sowie der Uhrzeit.

Möchte man mit denselben Zeigern die Richtung des magnetischen Nordpols und die Uhrzeit (Stunden und Minuten) anzeigen, stößt man bei Verwendung herkömmlicher Quarzuhrwerke mit „Lavet“-Motor auf magnetische Interferenzprobleme. „Lavet“-Motoren verwenden Permanentmagnete und elektrische Spulen. Das magnetische Streufeld des Permanentmagneten bewirkt eine Beeinflussung des Erdmagnetfeldes. Die daraus resultierende Ablenkung bewirkt eine Beeinflussung des durch die Magnetfeldsensoren des Kompasses gemessenen Erdmagnetfeldes, so daß diese Sensoren im vorliegenden Fall das aus dem vom „Lavet“-Motor erzeugte Magnetfeld und dem Erdmagnetfeld resultierende Feld messen. Somit ist die Kombination aus einem herkömmlichen Quarzuhrwerk und einer elektronischen Kompaßfunktion in ein und demselben Gehäuse entweder nicht möglich oder mit großem algorithmischen Zusatzaufwand verbunden.

Interferenzprobleme ergeben sich bei der Verwendung eines herkömmlichen „Lavet“-Motors durch das vom Permanentmagneten des Rotors ausgehende Magnetfeld. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet die Möglichkeit, dieses Interferenzproblem zu lösen. Da Ultraschallmotoren kein magnetisches Störfeld erzeugen und somit keinen Einfluß auf die Magnetfeldsensoren eines zusätzlich und alternativ als Höhenmesser und Uhr zu nutzenden Kompasses haben, ist die Messung des Erdmagnetfeldes problemlos möglich. Ultraschallmotoren erzeugen lediglich elektrische Felder, welche bei der Messung des Erdmagnetfeldes nicht stören.

Die drei Funktionen des Kompasses (Anzeige der Richtung des magnetischen Nordpols, Anzeige der Uhrzeit und der Höhe) können somit interferenzfrei koexistieren.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen solchen Kompaß zu schaffen, dessen Arbeitsprinzip auf dem Ultraschallmotor basiert, welcher vorrangig durch die Forschung der Gruppe CETEHOR (France) entwickelt wurde. Dieser Kompaß soll mit einem einzigen Zeigerpaar die kombinierte Anzeige der Himmelsrichtung, der Uhrzeit und der geographischen Höhe ermöglichen.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Kompasses mit Ultraschallmotor besteht in der Anzeige von mindestens drei Angaben mit einem einzigen Zeigerpaar. Dies wird durch die Anwendung des Piezomotors auf den erfindungsgemäßen Kompaß ermöglicht.

Der oben genannte Ultraschallmotor ist zunächst einmal antimagnetisch. Dadurch wird eine Störung der Magnetfeldsensoren des Kompasses vermieden. Da der Motor kein Magnetfeld erzeugt, kann er die Ausrichtung der Zeiger in Richtung des Erdmagnetfeldes weder beeinträchtigen noch neutralisieren (im Gegensatz zum „Lavet“-Motor).

Ultraschallmotoren bringen überdies den Vorteil mit sich, daß sie bidirektional sind, d.h. die Zeiger werden wie bei einem herkömmlichen Kompaß und/oder Höhenmesser in beide Richtungen bewegt. Da der Piezomotor in beide Richtungen funktioniert (durch Ändern der Ansteuerfrequenz) - im Gegensatz zu herkömmlichen „Lavet“-Motoren, der in der Regel unidirektional ist - eignet er sich besonders für das Funktionieren eines Kompasses und/oder Höhenmessers.

Eine weitere Besonderheit des Ultraschallmotors besteht darin, daß er eine sehr große Kraft bei tiefen Drehzahlen erzeugt und ein hohes Haltemoment aufweist. Ein solcher Motor ermöglicht somit die genaue Endeinstellung und Fixierung der Zeiger. Der Antrieb der Zeiger kann direkt und ohne zusätzliches Getriebe erfolgen .

Durch dieses Merkmal ist der Piezomotor hervorragend für das Funktionieren eines Kompasses und eines Höhenmeters geeignet. Dies gilt besonders für die Endeinstellung der Zeiger, da er nämlich jegliches Nachschwingen, hervorgerufen durch Getriebespiel oder Massenträgheit des Zeigers oder der Zeiger bei Endeinstellung unterdrückt. Der Zeiger oder die Zeiger pendeln sich bei der Anzeige nicht mehr ein (wie bei einem herkömmlichen Kompaß oder Höhenmesser), sondern sie zeigen schlagartig den berechneten Endwert.

Durch den Einsatz eines Ultraschallmotors bei einem elektronischen Kompaß tritt somit auch keine Reibung der Zeiger auf der Pinne mehr auf - wie es bei einem herkömmlichen mechanischen Kompaß der Fall ist. Dies ist ein großer Vorteil bei der genauen Endeinstellung des Zeigers oder der Zeiger.

Wird der Piezomotor bei dem erfindungsgemäßen Kompaß angewandt, ermöglicht er eine schnelle und präzise Anzeige. Die elektronisch ausgeführte Messung und Berechnung des Erdmagnetfeldes erfolgt quasi sofort (innerhalb von Millisekunden) und ohne Genauigkeitsverluste (optimale Genauigkeit).

Nachfolgend soll die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden.

Abb. 1 zeigt eine Innenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung
Abb. 2 ist eine schematische Darstellung (elektrisches Block-Schaltbild) der Anwendung des Piezomotors auf den erfindungsgemäßen Kompaß.
Abb. 3 zeigt eine Außenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Beispiel der Höhen- und Richtungsangabe des Kompasses.

Mit Bezug auf diese Abbildungen weist die Vorrichtung zwei übereinander angeordnete Piezomotoren auf, von denen Motor (1) mit einem bidirektionalen, langen Zeiger verbunden ist, der die Minuten anzeigt, und Motor (2) mit einem bidirektionalen, kurzen Zeiger verbunden ist, welcher die 24-Stundenanzeige eines Präzisions-Zeitmessers übernimmt.

Zwei Magnetfeldsensoren sind dann derart angeordnet, daß sie das Erdmagnetfeld elektronisch messen, wobei der Sensor (3) den vektoriellen Signalanteil zur Messung der Richtung X und der Sensor (4) den vektoriellen Signalanteil zur Messung der Richtung Y erzeugt. Der Winkel zwischen den beiden Sensoren beträgt 90°, so daß die vektorielle Addition beider Sensorsignale (3) und (4) in einem rechtwinkligen Koordinatensystem zur gesuchten Nordrichtung führt, vorausgesetzt, die aufgespannte Fläche der Messrichtung X und Y liegt planparallel zur Horizontalebene.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält ferner zwei in demselben Gehäuse integrierte Beschleunigungssensoren (5 und 6), wiederum einer für die Richtung X und einer für die Richtung Y. Diese beiden Sensoren dienen der Messung der Erdbeschleunigung, die für eine optimale und absolut präzise Bestimmung der magnetischen nördlichen Himmelsrichtung erforderlich ist, sobald die aufgespannte Fläche der Messrichtung X und Y der Magnetfeldsensoren nicht planparallel zur Horizontalebene liegt. Die Messwerte aus den beiden Beschleunigungssensoren dienen der Berechnung des Winkels zwischen der Horizontalebene und der aufgespannte Fläche der Messrichtung X und Y der Magnetfeldsensoren bestimmt. Aus dieser Information wird die Projektion des gemessenen Vektores auf die Horizontalebene vorgenommen. Erst die auf die Horizontalebene projizierte Richtung entspricht präzise der magnetischen nördlichen Himmelsrichtung.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung integriert ferner einen luftdruckempfindlichen Sensor (7) zur Bestimmung der Höhe.

Auf der Krone befindet sich ein Drücker, mit dem per Knopfdruck die gewünschte Funktions- und Anzeigeart gewählt werden kann (Kompaß zur Bestimmung der magnetischen nördlichen Himmelsrichtung, Höhenmesser zur Höhenangabe, Präzisions-Zeitmesser zur Zeitangabe), während er gleichzeitig das Ausrichten der Zeiger durch Drehung ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen Mikrocontroller (9) auf, der für die Verarbeitung der von den verschiedenen Sensoren (Magnetfeldsensor, Beschleunigungssensor und Luftdrucksensor) erzeugten Signale erforderlich ist. Diese Signale werden anschließend über einen Verstärker (10) zu dem mit dem Minutenzeiger (1) verbundenen Piezomotor und über einen zweiten Verstärker (11) zu dem mit dem Stundenzeiger (2) verbundenen Piezomotor weitergeleitet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist schließlich eine gedruckte Schaltung (12) auf, auf die die elektronischen Bauelemente aufgelötet sind. Abbildung 2 zeigt eine Ansicht des elektrischen Blockschaltbildes der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Die verschiedenen Sensoren [die Magnetfeldsensoren (3) und (4), die Beschleunigungssensoren (5) und (6), der Luftdrucksensor (7)] erzeugen analoge elektrische Signale, die in einer ersten Phase in digitale Signale umgewandelt werden. Nach dieser raschen Digitalisierung der Signale erfolgt in einer zweiten Phase zunächst die Linearisisierung der digitalisierten Informationen und dann deren Verarbeitung durch einen Mikrocontroller (9).

Dieser Mikrocontroller erzeugt wiederum Informationen, die in einer letzten Phase über die Verstärker (10) und (11) an die Piezmotoren übertragen werden, welche eine Zeigerpositionsregelung enthalten. Die beiden Piezomotoren übertragen dann die von dem Mikrocontroller berechneten Daten zur Anzeige auf die Zeiger.

Abbildung 3 zeigt die Außenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Mit Bezug auf diese Abbildung weist die Vorrichtung einen bidirektionalen, langen Zeiger auf, der zur Minutenangabe dient sowie einen breiteren, kürzeren Zeiger für die 24-Stundenanzeige (Präzisions-Zeitmesser-Funktion).

Wird der erfindungsgemäße Kompaß alternativ als Höhenanzeiger in der Höhenmeßfunktion verwendet, gibt der kleinere der beiden Zeiger eine genaue und endgültige Anzeige der Höhe in 100 Höhenmeterschritten und der andere Zeiger zeigt die Höhe in 1000 Höhenmeterschritten an. Die Kombination der beiden Zeiger ergibt somit eine präzise Höhenbestimmung. Im vorliegenden Fall beträgt die in der Abbildung angegebene Höhe 5150 m.

Alternativ ermöglichen die beiden Zeiger die gradmäßige Richtungsangabe, wenn sie zur Bestimmung der nördlichen Himmelsrichtung verwendet werden. Sie richten sich dann auf einer einzigen Achse derart aus, daß der Winkel zwischen ihnen 180° beträgt. So ausgerichtet, verbinden sich die beiden Zeiger zu einem einzigen und zeigen eine gegebene Richtung an. Im vorliegenden Fall ist der Kompaß auf Ost-Nord-Ost ausgerichtet.

Patentansprüche

1. Elektronischer Kompaß mit Analoganzeige, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zeiger mit einem Ultraschallmotor (einem sogenannten Piezomotor) verbunden ist.

2. Analoger elektronischer Kompaß mit Piezomotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er einen oder mehrere Sensoren oder Magnetfeldsensoren zur elektronischen Messung des Erdmagnetfeldes aufweist.

3. Analoger elektronischer Kompaß mit Piezomotor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß er einen oder mehrere Beschleunigungssensoren zur Messung der Erdbeschleunigung für eine optimale (lageunabhängige) Bestimmung der nördlichen Himmelsrichtung aufweist.

4. Analoger elektronischer Kompaß mit Piezomotor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er einen oder mehrere Verstärker aufweist, die einem Mikrocontroller nachgeordnet sind, sowie eine gedruckte Schaltung, auf die die elektronischen Bauelemente aufgelötet sind.

5. Analoger elektronischer Kompaß mit Piezomotor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er einen elektronischen Höhenmesser mit Analoganzeige integriert.

6. Analoger elektronischer Kompaß mit Piezomotor und integriertem analogen elektronischen Höhenmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dasselbe Zeigerpaar sowohl zur Richtungs- als auch zur Höhenangabe dient.

7. Analoger elektronischer Kompaß mit Piezomotor und integriertem analogen elektronischen Höhenmesser nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß er mindestens einen Luftdrucksensor zur elektronischen Höhenmessung aufweist.

8. Analoger elektronischer Kompaß mit Piezomotor und integriertem analogen elektronischen Höhenmesser nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß er in einem multifunktionalen elektronischen Präzisions-Zeitmesser mit Analoganzeige eingebaut ist, der in der Regel als Armbanduhr ausgeführt wird.

9. Analoger elektronischer Kompaß mit Piezomotor und integriertem analogen elektronischen Höhenmesser, der in einen multifunktionalen elektronischen Präzisions-Zeitmesser mit Analoganzeige nach Anspruch 8 integriert ist, dadurch gekennzeichnet, daß dasselbe Zeigerpaar sowohl zur Richtungs-, Höhen- und Zeitangabe, als auch zur Angabe der Weckzeit dient.

10. Analoger elektronischer Kompaß mit Piezomotor und integriertem analogen elektronischen Höhenmesser, der in einen multifunktionalen elektronischen Präzisions-Zeitmesser mit Analoganzeige nach Anspruch 1 - 9 integriert ist, dadurch gekennzeichnet, daß er einen auf seiner Krone angeordneten Drücker zur Wahl der gewünschten Funktions- oder Anzeigeart per Knopfdruck und zur Ausrichtung der Zeigerposition durch Drehung aufweist.

Zusammenfassung

Analoger elektronischer Kompaß mit Ultraschallmotor (auch Piezomotor genannt) und integriertem analogen elektronischen Höhenmesser, der sich in einem multifunktionalen elektronischen Präzisions-Zeitmesser mit Analoganzeige, in der Regel in Form einer Armbanduhr ausgeführt, befindet.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung eines elektronisches Kompasses mit Analoganzeige, deren Arbeitsprinzip auf der Technik des Piezomotors beruht, und so die Anzeige mehrerer unterschiedlicher physikalischer Messwerte (nördliche Himmelsrichtung, Höhe und Zeit) mittels derselben Zeiger ermöglicht. Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus zwei Piezomotoren (1) und (2), die eine Einrichtung zur Detektion der Zeigerposition enthält, wobei jeder Motor mit einem bidirektionalen Zeiger verbunden ist. Die Vorrichtung umfaßt zwei Magnetfeldsensoren (3) und (4), zwei Beschleunigungssensoren (5) und (6) und einen Luftdrucksensor (7). Die von den Sensoren erzeugten elektrischen Signale werden digitalisiert, dann linearisiert und schließlich von einem Mikrocontroller verarbeitet (9), der wiederum Signale erzeugt, die über die Verstärker (10) und (11) zu den Motoren geleitet werden; dabei ist der Verstärker (10) mit dem Piezomotor (1) und der Verstärker (11) mit dem Piezomotor (2) verbunden. Der erfindungsgemäße Kompaß enthält ferner eine gedruckte Schaltung (12), auf die die verschiedenen elektronischen Bauelememte aufgelötet sind. Des weiteren befindet sich auf seiner Krone ein Drücker (8) zur Wahl der unterschiedlichen Funktions- und Anzeigearten sowie zur Justierung der Zeiger.
Der erfindungsgemäße Kompaß ist in erster Linie für Sportler (Taucher), für militärische Zwecke (im Topographiebereich) und für Amateurfunker konzipiert.