DE102011105898A1

DE102011105898A1 - Kapazitiver Drehgeber und Verfahren zum Auswerten der primären Gebersignale

Info

Publication number: DE102011105898A1
Application number: DE102011105898A
Authority: DE
Inventors: Jean-Luc LaMarche; Jaromir Palata
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2011-06-27
Filing date: 2011-06-27
Publication date: 2012-12-27

Abstract

Beschrieben und dargestellt ist ein kapazitiver Drehgeber mit einer feststehenden, kreisringförmigen Sendeelektrode (1), mit mehreren feststehenden, kreisringförmig angeordneten Empfangselektroden (2a bis 2h), mit zwischen der Sendeelektrode (1) und den Empfangselektroden (2a bis 2h) drehbar angeordneten, den Empfangselektroden (2a bis 2h) zugeordneten Kapazitätsänderungselektroden (3a, 3b), mit einer der Sendeelektrode (1) zugeordneten, rechteckförmige Spannungsimpulse erzeugenden Spannungsquelle (4) und mit einer den Empfangselektroden (2a bis 2h) nach geschalteten Auswerteeinheit (5). Erfindungsgemäß sind Empfangselektroden (2a bis 2h) auf vier Kreisringen (6a bis 6d) vorgesehen, also nicht nur Empfangselektroden (2a bis 2e) auf zwei Kreisringen (6a, 6b). Im Einzelnen sind auf den beiden äußeren Kreisringen (6c, 6d) jeweils sechzehn Empfangselektroden (2e bis 2h) vorgesehen und sind die auf dem äußersten Kreisring (6d) vorgesehenen Empfangselektroden (2g, 2h) gegenüber den auf dem benachbarten Kreisring (6c) vorgesehenen Empfangselektroden (6e, 6f) um 22,5° versetzt.

Description

Die Erfindung betrifft einerseits einen kapazitiven Drehgeber mit einer feststehenden, kreisförmigen oder kreisringförmigen Sendeelektrode, mit mehreren feststehenden, kreisringförmig angeordneten Empfangselektroden, mit mindestens einer zwischen der Sendeelektrode und den Empfangselektroden drehbar angeordneten, den Empfangselektroden zugeordneten Kapazitätsänderungselektrode, mit einer der Sendeelektrode zugeordneten, vorzugsweise rechteckförmige Spannungsimpulse erzeugenden Spannungsquelle und mit einer den Empfangselektroden nachgeschalteten Auswerteeinheit. Die Erfindung betrifft andererseits aber auch ein Verfahren zum Auswerten der primären Gebersignale eines kapazitiven Drehgebers, insbesondere zum Auswerten der primären Gebersignale des erfindungsgemäßen kapazitiven Drehgebers.
Drehgeber sind Längen- oder Winkelmessgeräte, die also Lageänderungen (linear) oder Winkeländerungen (rotierend) erfassen können. Sie werden umfangreich in Verbindung mit Werkzeugmaschinen, in der Handhabungs- und Automatisierungstechnik sowie an Mess- und Prüfeinrichtungen eingesetzt.
Bei Drehgebern, um die es vorliegend geht, unterscheidet man zwischen Inkrementalgebern und Absolutwertgebern (vgl. ”Inkrementalgeber” und ”Absolutwertgeber” in ”Wikipedia, Die freie Enzyklopädie”). Bei den Absolutwertgebern wird nochmals unterschieden zwischen Singleturn-Drehgebern und Multiturn-Drehgebern (vgl. ”Wikipedia, Die freue Enzyklopädie”).
Sowohl bei Inkrementalgebern als auch bei Absolutwertgebern werden unterschiedliche Abtastverfahren angewendet. Es gibt vor allem optische und magnetische Drehgeber, aber auch kapazitive Drehgeber. Bei der vorliegenden Erfindung geht es um kapazitive Drehgeber, und zwar um Absolutwertgeber.
Zum Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, wird auf die europäische Offenlegungsschrift 1 251 338 verwiesen. Der daraus bekannte kapazitive Drehwertgeber ist zunächst so aufgebaut, wie das eingangs ausgeführt ist. Darüber hinaus sind bei diesem bekannten kapazitiven Drehgeber Empfangselektroden auf zwei Kreisringen vorgesehen, wobei auf dem inneren Kreisring und auf dem äußeren Kreisring jeweils zwei sich über 180° erstreckende Empfangselektroden vorgesehen sind und die Empfangselektroden auf dem äußeren Kreisring gegenüber den Empfangselektroden auf dem inneren Kreisring um 90° versetzt vorgesehen sind.
Das, was bisher ausgeführt ist, bedarf noch unter verschiedenen Gesichtspunkten der Erläuterung:
Zu beachten ist zunächst, dass es um einen kapazitiven Drehgeber geht. Die Sendeelektrode einerseits und die Empfangselektroden andererseits bilden also miteinander Kapazitäten; sie sind also flächenhaft ausgeführt.
Eingangs ist gesagt, dass der kapazitive Drehgeber, von dem die Erfindung ausgeht, eine feststehende, kreisförmige oder kreisringförmige Sendeelektrode aufweist. ”Kreisförmig” oder ”kreisringförmig” resultiert daraus, dass es ja um einen ”Drehgeber” geht; die Sendelektrode muss also rotationssymmetrisch sein. Ob die Sendeelektrode kreisförmig oder kreisringförmig ausgeführt ist, ist nicht kritisch. Wesentlich ist, dass die Sendeelektrode – kreisförmig oder kreisringförmig ausgeführt – flächig allen Empfangselektroden gegenübersteht, weil die entsprechenden Teilflächen der Sendeelektrode mit den Sendeelektroden, wie gesagt, Kapazitäten bilden.
Dadurch, dass bei dem kapazitiven Drehgeber, von dem die Erfindung ausgeht, zwischen der Sendeelektrode und den Empfangselektroden mindestens eine drehbar angeordnete, den Empfangselektroden zugeordnete Kapazitätsänderungselektrode vorgesehen ist, ändert sich die Kapazität zwischen der Sendeelektrode und einer Empfangselektrode in Abhängigkeit davon, ob sich die Kapazitätsänderungselektrode nicht, teilweise oder ganz zwischen der Sendeelektrode und der betrachteten Empfangselektrode befindet.
Im Stand der Technik weisen kapazitive Drehgeber typischerweise auch noch eine Referenzelektrode auf (vgl. dazu insbesondere die deutsche Offenlegungsschrift 10 2007 038 225 , die neben mehreren Messsensoren einen Referenzsensor zeigt).
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die im Stand der Technik bekannten, zuvor angesprochenen kapazitiven Drehgeber zu verbessern, und zwar in Bezug auf das Erzeugen primärer Gebersignale oder/und das Auswerten der primären Gebersignale, wobei mit ”primäre Gebersignale” die Signale zu verstehen sind, die an den Empfangselektroden ”entstehen”, ”anstehen”, ”abgegriffen werden können” bzw. ”als aus den Empfangselektroden heraus fließende Ströme oder in die Empfangselektroden hinein fließende Ströme detektierbar sind”.
Der erfindungsgemäße kapazitive Drehgeber ist nun zunächst und im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass Empfangselektroden, nicht nur, wie im Stand der Technik, auf zwei Kreisringen, sondern auf vier Kreisringen vorgesehen sind. Mit ”auf Kreisringen vorgesehen” ist gemeint, dass die Empfangselektroden in ihrer ”räumlichen Gesamtheit” Kreisringe bilden, die jedoch elektrisch, also galvanisch, keine Kreisringe bilden. Die auf den Kreisringen vorgesehenen Empfangselektroden sind also, selbstverständlich, gegeneinander elektrisch isoliert, so dass es sich, wenn auch auf einem Kreisring angeordnet, um elektrisch voneinander getrennte Empfangselektroden handelt.
Erfindungsgemäß sind also nicht nur, wie im Stand der Technik, Empfangselektroden auf zwei Kreisringen vorgesehen, vielmehr sind Empfangselektroden auf vier Kreisringen vorgesehen. Dabei kann das realisiert sein, was für sich auch im Stand der Technik realisiert ist, dass nämlich auf dem innersten Kreisring und auf dem dem innersten Kreisring benachbarten Kreisring jeweils zwei sich über 180° erstreckende Empfangselektroden vorgesehen sind und die Empfangselektroden auf dem dem innersten Kreisring benachbarten Kreisring gegenüber den auf dem innersten Kreisring vorgesehenen Empfangselektroden um 90° versetzt vorgesehen sind. Vorzugsweise sind dabei, oder losgelöst davon, auf den beiden äußeren Kreisringen jeweils sechzehn Empfangselektroden vorgesehen und sind die auf dem äußersten Kreisring vorgesehenen Empfangselektroden gegenüber den auf dem benachbarten Kreisring vorgesehenen Empfangselektroden um 22,5° versetzt vorgesehen.
Bei der zuletzt beschriebenen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen kapazitiven Drehgebers wird man acht sich jeweils über 22,5° erstreckende Kapazitätsänderungselektroden vorsehen, die den auf den beiden äußeren Kreisringen vorgesehenen Empfangselektroden zugeordnet sind. Für diese Ausführungsform gilt, dass zwischen jeder sich über 22,5° erstreckende Kapazitätsänderungselektrode ein sich über 22,5° erstreckender Freiraum verbleibt.
Bisher sind die Sendeelektrode, die Empfangselektroden und die Kapazitätsänderungselektroden nur funktional betrachtet worden, nämlich als elektrisch leitende Flächen, so dass die Sendeelektrode, die einzelnen Empfangselektroden und die einzelnen Kapazitätsänderungselektroden über ihre gesamte Fläche ein bestimmtes Potential haben. Konstruktiv ausführen kann man die Sendeelektrode, die Empfangselektroden und die Kapazitätsänderungselektroden natürlich ganz unterschiedlich. Vorzugsweise sind die Sendelektrode, die Empfangselektroden oder/und die Kapazitätsänderungselektroden auf aus elektrisch nicht-leitendem Material bestehenden Kreisscheiben verwirklicht. In Bezug auf die Kapazitätsänderungselektroden gilt dabei, dass auf beiden Seiten der mittleren Kreisscheibe deckungsgleiche Kapazitätsänderungselektroden verwirklicht sind und die auf der einen Seite der Kreisscheibe verwirklichten Kapazitätsänderungselektroden galvanisch mit den auf der anderen Seite verwirklichten Kapazitätsänderungselektroden verbunden sind.
Weiter oben ist ausgeführt, dass sich die Erfindung einerseits mit dem Erzeugen primärer Gebersignale, andererseits aber auch mit dem Auswerten der primären Gebersignale befasst. Insoweit ist ein erfindungsgemäßer kapazitiver Drehgeber, wie als zum Stand der Technik gehörend eingangs beschrieben oder mit einem Merkmal oder mehreren Merkmalen des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen kapazitiven Drehgebers, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit den Empfangselektroden nachgeschaltete Gleichrichter aufweist und dass die Gleichrichter so ausgeführt und die Empfangselektroden derart mit den Gleichrichtern und die Gleichrichter derart untereinander verschaltet sind, dass jeweils die Differenz der Ströme der einzelnen Empfangselektrodenpaare gebildet wird. Das bedarf nach der Erläuterung:
Empfangselektrodenpaare werden immer durch die Empfangselektroden gebildet, die sich auf einem Kreisring benachbart befinden. Das sind also auf dem innersten Kreisring die beiden Empfangselektroden und auf dem dem innersten Kreisring benachbarten Kreisring ebenfalls die beiden Empfangselektroden. In Bezug auf die Empfangselektroden, die auf den beiden äußeren Kreisringen vorgesehen sind, bilden immer zwei benachbarte Empfangselektroden ein Empfangselektrodenpaar.
Die Ströme der einzelnen Empfangselektroden sind die die Kapazitäten zwischen der Sendeelektrode und den Empfangselektroden aufladenden bzw. entladenden Ströme. Mit ”Differenz der Ströme der einzelnen Empfangselektrodenpaare” ist also die Differenz der Ströme der zu einem Empfangselektrodenpaar gehörenden Empfangselektroden gemeint.
Eine bevorzugte Ausführungsform des zuletzt beschriebenen erfindungsgemäßen kapazitiven Drehgebers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichrichter als Synchron-Gleichrichter ausgeführt sind und von den Spannungsimpulsen der Spannungsquelle gesteuerte Schalter aufweisen und dass die Spannungsimpulse ohne eine Zeitverzögerung die Schalter steuern und zeitverzögert an die Sendeelektrode gelangen. Dadurch ist erreicht, dass Ströme erst dann fließen, wenn sich die zu den Synchron-Gleichrichtern gehörenden Schalter in der richtigen Position befinden, also ”richtig” geschlossen sind.
So, wie der erfindungsgemäße kapazitive Drehgeber bisher beschrieben ist, stellen die Ausgänge der den Empfangselektroden nachgeschalteten Gleichrichter als primäre Gebersignale gleichgerichtete, in ihrer Größe von der Stellung der Kapazitätsänderungselektroden abhängige Ströme zur Verfügung. Für die weitere Verarbeitung der Gebersignale empfiehlt sich nun eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen kapazitiven Drehgebers, die dadurch gekennzeichnet, dass jedem Paar von Gleichrichtern ein die Differenz der Ströme der einzelnen Empfangselektrodenpaare in eine proportionale Spannung umsetzender Strom-Spannungs-Konverter nachgeschaltet ist. Dabei empfiehlt sich eine Ausgestaltung derart, dass die Strom-Spannungs-Konverter Tiefpassfilter aufweisen und die Differenz der Ströme der einzelnen Empfangselektrodenpaare symmetrisch zu einer Spannung, die der halben Versorgungsspannung entspricht, in eine proportionale Spannung umsetzen. Die anfänglich als Ströme vorliegenden Gebersignale, primäre Gebersignale genannt, liegen nunmehr als den Strömen proportionale Spannungen, sekundäre Gebersignale genannt, vor. Die sekundären Gebersignale, also die den Strömen proportionalen Spannungen, müssen nun weiter ausgewertet werden. Das geschieht vorzugsweise dadurch, dass den den auf den beiden inneren Kreisringen vorgesehenen Empfangselektrodenpaaren zugeordneten Strom-Spannungs-Konvertern Komparatoren nachgeschaltet sind und an den Ausgängen der Komparatoren eine erste, ”grobe” Drehgeberinformation in digitaler Form zur Verfügung steht. Vorzugsweise sind den den auf den beiden äußeren Kreisringen vorgesehenen Empfangselektrodenpaaren zugeordneten Strom-Spannungs-Konvertern Analog-Digital-Umsetzer nachgeschaltet, so dass dann an den Ausgängen der Analog-Digital-Umsetzer eine zweite, ”feingliedrige” Drehgeberinformation in digitaler Form zur Verfügung steht.
Bei der zuletzt beschriebenen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen kapazitiven Drehgebers erfolgt die Bestimmung der Stellung der den Empfangselektroden zugeordneten Kapazitätsänderungselektroden, also die Bestimmung des Absolutwinkels, in zwei Schritten. Als erstes wird die Position der Kapazitätsänderungselektroden, also die Position der drehbar angeordneten, mit den Kapazitätsänderungselektroden versehenen Kreisscheibe mit Hilfe der Empfangselektrodenpaare auf den beiden inneren Kreisringen auf eine achtel Umdrehung genau bestimmt. Im zweiten Schritt wird dann die genaue Position der die Kapazitätsänderungselektroden aufweisenden Kreisscheibe bestimmt.
Von ganz besonderer Bedeutung ist eine Ausgestaltung und Weiterbildung des erfindungsgemäßen kapazitiven Drehgebers, die dadurch gekennzeichnet ist, dass den den auf den beiden äußeren Kreisringen vorgesehenen Empfangselektrodenpaaren zugeordneten Strom-Spannungs-Konvertern Gleichrichter nachgeschaltet und den Gleichrichtern eine Addiereinheit nachgeschaltet ist. Es werden also zunächst die analogen sekundären Gebersignale der auf den beiden äußeren Kreisringen vorgesehenen Empfangselektrodenpaare, die als dreieckförmige Spannungen vorliegen, gleichgerichtet und dann addiert. Die Addition dieser beiden dreieckförmigen Spannungen erzeugt eine Vergleichsspannung, die – unabhängig von der Position der mit den Kapazitätsänderungselektroden versehenen Kreisscheibe, konstant ist. Was ist mit dieser Vergleichsspannung gewonnen?
Die, wie zuvor beschrieben, gewonnene Vergleichsspannung wird bei einer weiter bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kapazitiven Drehgebers dazu benutzt, den Einfluss von Ursachen für Messungenauigkeiten zu reduzieren oder gar zu eliminieren. Solche Ursachen können in eventuellen axialen Bewegungen der Kreisscheiben oder/und in eventuellen Temperaturdriften der Bauteile vorliegen.
Die bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen kapazitiven Drehgebers, die mit der zuvor erläuterten Vergleichsspannung arbeitet, ist ergänzend dadurch gekennzeichnet, dass an den Ausgang der Addiereinheit der Istwert-Eingang eines Reglers, vorzugsweise eines PID-Reglers angeschlossen ist und dass die Spannungsquelle, die der Sendeelektrode zugeordnet Spannungsimpulse erzeugt, als spannungsgesteuerter Oszillator ausgeführt ist und der Steuer-Ausgang des Reglers an den Steuer-Eingang der als spannungsgesteuerter Oszillator ausgeführten Spannungsquelle angeschlossen ist. Bei dieser Ausführungsform wird also die, wie im Einzelnen erläutert gewonnene, Vergleichsspannung als Istwert mit einer Referenzspannung als Sollwert dem Regler zugeführt und der Ausgang dieses Reglers beeinflusst dann die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators. Über die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators wird dann wiederum in die gesamte Auswerteeinheit so eingegriffen, dass eine zunächst vorhandene Differenz zwischen der Vergleichsspannung und der Referenzspannung ausgeregelt wird.
Schließlich geht noch eine weitere Lehre der Erfindung dahin, die Ausgänge der Komparatoren und der Analog-Digital-Umsetzer mit den Eingängen eines NAND-Gatters zu verbinden. Das gibt die Möglichkeit, die Umdrehungen zu zählen. Immer dann, wenn an allen Eingängen des NAND-Gatters kein High-Signal anliegt, gibt das NAND-Gatter – für eine erfolgte Umdrehung – einen Impuls ab.
Bisher ist die grundsätzliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen kapazitiven Drehgebers und sind bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen kapazitiven Drehgebers beschrieben worden. Eingangs ist gesagt, dass die Erfindung auch ein Verfahren zum Auswerten der primären Gebersignale eines kapazitiven Drehgebers, insbesondere zum Auswerten der primären Gebersignale des erfindungsgemäßen kapazitiven Drehgebers betrifft. Das soll im Folgenden kurz dargestellt werden.
Zunächst wird erfindungsgemäß die Differenz der Ströme der einzelnen Empfangselektrodenpaare gebildet. Dann wird die Differenz der Ströme der einzelnen Empfangselektrodenpaare in eine proportionale Spannung umgesetzt, vorzugsweise in eine symmetrisch zur halben Versorgungsspannung liegende proportionale Spannung. Danach erfolgt dann ein unterschiedliches weiteres Auswerten der den Empfangselektrodenpaaren auf den inneren Kreisringen entsprechenden Spannungen einerseits und der den Empfangselektrodenpaaren auf den äußeren Kreisringen entsprechenden Spannungen andererseits. Die den Empfangselektrodenpaaren auf den inneren Kreisringen entsprechenden Spannungen werden mit Hilfe von Komparatoren verglichen, die den Empfangselektrodenpaaren auf den äußeren Kreisringen entsprechenden Spannungen werden mit Hilfe von Analog-Digital-Umsetzern ausgewertet.
Von besonderer Bedeutung ist des Weiteren eine Lehre, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die den Empfangselektrodenpaaren auf den äußeren Kreisringen entsprechenden Spannungen gleichgerichtet, nach dem Gleichrichten addiert und schließlich die so gewonnene Spannung als Vergleichsspannung, in Verbindung mit einer Referenzspannung, zur Steuerung der als spannungsgesteuerter Oszillator ausgeführten Spannungsquelle herangezogen wird.
Im Einzelnen gibt es nun verschiedene Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen kapazitiven Drehgeber auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und auf das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel. Es zeigen:
1 in schematischer Form, als Blockdarstellung, ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen kapazitiven Drehgebers,
2 wiederum schematisch, eine Darstellung der zu dem kapazitiven Drehgeber nach 1 gehörenden Kreisscheiben,
3 ein Ausführungsbeispiel von zwei zu dem kapazitiven Drehgeber nach 1 gehörenden Gleichrichtern,
4 ein Ausführungsbeispiel von zwei zu dem erfindungsgemäßen kapazitiven Drehgeber nach 1 gehörenden Strom-Spannungs-Konvertern,
5 ein Ausführungsbeispiel eines zu dem erfindungsgemäßen kapazitiven Drehgeber nach 1 gehörenden Komparators und
6 ein Ausführungsbeispiel eines besonderen Details aus dem erfindungsgemäßen kapazitiven Drehgeber nach 1.
Der in der 1 in schematischer Form, als Blockdarstellung, dargestellte kapazitive Drehgeber besteht zunächst und im Wesentlichen, funktional ausgedrückt, aus einer feststehenden, kreisförmigen oder kreisringförmigen, im Ausführungsbeispiel kreisringförmigen Sendeelektrode 1, aus mehreren feststehenden, kreisringförmig angeordneten Empfangselektroden 2, aus zwischen der Sendeelektrode 1 und den Empfangselektroden 2 drehbar angeordneten, den Empfangselektroden 2 zugeordneten Kapazitätsänderungselektroden 3, aus einer der Sendeelektrode 1 zugeordneten, rechteckförmige Spannungsimpulse erzeugenden Spannungsquelle 4 und aus einer den Empfangselektroden 2 nachgeschalteten Auswerteeinheit 5.
Wie im Stand der Technik bekannt, gehören zu dem schematisch dargestellten kapazitiven Drehgeber mehrere Empfangselektroden 2, die auf Kreisringen 6 vorgesehen sind bzw. Kreisringe 6 bilden. Es sind nämlich auf einem innersten Kreisring 6a und auf dem dem innersten Kreisring 6a benachbarten Kreisring 6b jeweils zwei sich über 180° erstreckende Empfangselektroden 2a, 2b, 2c und 2d vorgesehen, wobei die Empfangselektroden 2c und 2d auf dem dem innersten Kreisring 6a benachbarten Kreisring 6b gegenüber den auf dem innersten Kreisring 6a vorgesehenen Empfangselektroden 2a und 2b um 90° versetzt vorgesehen sind.
Zu dem, was zuvor als zum Stand der Technik gehörend beschrieben worden ist, korrespondiert, dass im Ausführungsbeispiel, wie im Stand der Technik, eine sich über 180° erstreckende, den auf den beiden inneren Kreisringen 6a und 6b vorgesehenen Empfangselektroden 2a, 2b, 2c und 2d zugeordnete Kapazitätsänderungselektrode 3a vorgesehen ist.
Für den erfindungsgemäßen kapazitiven Drehgeber gilt nun zunächst, dass zusätzlich zu den Empfangselektroden 2a, 2b, 2c und 2d weitere Empfangselektroden 2e, 2f, 2g und 2h vorgesehen sind, und zwar auf weiteren, den inneren Kreisringen 6a und 6b nach außen folgenden Kreisringen 6c und 6d. Im Einzelnen sind auf den beiden äußeren Kreisringen 6c und 6d jeweils sechzehn Empfangselektroden 2e bis 2h vorgesehen und sind die auf dem äußersten Kreisring 6d vorgesehenen Empfangselektroden 2g und 2h gegenüber den auf dem benachbarten Kreisring 6c vorgesehenen Empfangselektroden 2e, 2f um 22,5° versetzt. Dazu korrespondiert, dass den auf den beiden äußeren Kreisringen 6c und 6d vorgesehenen Empfangselektroden 2e bis 2h acht sich jeweils über 22,5° erstreckende Kapazitätsänderungselektroden 3b zugeordnet sind. Zwischen den Kapazitätsänderungselektroden 3b, die sich, wie bereits gesagt, über 22,5° erstrecken, befinden sich jeweils Freiräume, die sich ebenfalls über 22,5° erstrecken.
Wie weiter oben gesagt, ist der grundsätzliche Aufbau des erfindungsgemäßen kapazitiven Drehgebers zunächst funktional beschrieben worden. Konstruktiv kann das, was zuvor funktional beschrieben worden ist, dadurch realisiert sein, dass die Sendeelektrode 1, die Empfangselektroden 2a bis 2h sowie die Kapazitätsänderungselektroden 3a und 3b auf aus elektrisch nichtleitendem Material bestehenden Kreisscheiben 7 verwirklicht sind, einer Kreisscheibe 7a mit der Sendeelektrode 1, einer Kreisscheibe 7b mit Empfangselektroden 2a bis 2h sowie einer Kreisscheibe 7c mit den Kapazitätsänderungselektroden 3a und 3b. Dabei sind auf beiden Seiten der mittleren Kreisscheibe 7c deckungsgleiche Kapazitätsänderungselektroden 3a und 3b verwirklicht und sind die auf der einen Seite der Kreisscheibe 7c verwirklichten Kapazitätsänderungselektroden 3a und 3b galvanisch mit den auf der anderen Seite verwirklichten Kapazitätsänderungselektroden 3a und 3b verbunden.
Der 1 kann entnommen werden, dass im dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen kapazitiven Drehgebers die Auswerteeinheit 5 den Empfangselektroden 2a bis 2d und 2e bis 2h nach geschaltete Gleichrichter 8 aufweist, nämlich Gleichrichter 8a und 8b für die Empfangselektroden 2a und 2b, Gleichrichter 8c und 8d für die Empfangselektroden 2c und 2d, Gleichrichter 8e und 8f für die Empfangselektroden 2e und 2f sowie Gleichrichter 8g und 8h für die Empfangselektroden 2g und 2h. Die Empfangselektroden 2a bis 2d und 2e bis 2h sind derart mit den Gleichrichtern 8a bis 8d und 8e bis 8h verschaltet, dass jeweils die Differenz der Ströme der einzelnen Empfangselektrodenpaare 2a und 2b, 2c und 2d, 2e und 2f sowie 2g und 2h gebildet wird.
In 3 ist angedeutet, dass im Ausführungsbeispiel die Gleichrichter 8, dargestellt für die Gleichrichter 8a und 8b, als Synchron-Gleichrichter ausgeführt sind und von den Spannungsimpulsen der Spannungsquelle 4 gesteuerte Schalter 9 aufweisen. Die Spannungsimpulse der Spannungsquelle 5 steuern ohne eine Zeitverzögerung die Schalter 9, gelangen jedoch zeitverzögert an die Sendeelektrode 1. Damit ist sichergestellt, dass Ströme von den Empfangselektroden 2 erst dann über die Gleichrichter 8 fließen, wenn die Schalter 9 in der richtigen Position sind, also geschlossen sind.
Wie die 1 zeigt, gilt für das dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen kapazitiven Drehgebers, dass jedem Paar von Gleichrichtern 8a und 8b, 8c und 8d, 8e und 8f sowie 8g und 8h ein die Differenz der Ströme der einzelnen Empfangselektrodenpaare 2a und 2, 2c und 2d, 2e und 2f sowie 2g und 2h in eine proportionale Spannung umsetzender Strom-Spannungs-Konverter 10 nachgeschaltet ist. Den Gleichrichtern 8a und 8b ist ein Strom-Spannungs-Konverter 10a, den Gleichrichtern 8c und 8d ein Strom-Spannungs-Konverter 10b, den Gleichrichtern 8e und 8f ein Strom-Spannungs-Konverter 10c und den Gleichrichtern 8g und 8h ein Strom-Spannungs-Konverter 10d nachgeschaltet.
In der 4 sind die Strom-Spannungs-Konverter 10a und 10b etwas detailliert dargestellt. Erkennbar ist, dass die Strom-Spannungs-Konverter 10a und 10b Tiefpassfilter 11a und 11b aufweisen.
Eingangsseitig sind die Strom-Spannungs-Konverter 10 einerseits an eine Spannung angeschlossen, die der halben Versorgungsspannung entspricht, und andererseits mit den Ausgängen der Gleichrichter 8 verbunden. Die Strom-Spannungs-Konverter 10a bis 10d setzen die Differenz der Ströme der einzelnen Empfangselektrodenpaare 2a und 2b, 2c und 2d, 2e und 2f sowie 2g und 2h symmetrisch zur anliegenden konstanten Spannung, die der halben Versorgungsspannung entspricht, natürlich proportional zur Differenz der Ströme.
Für das in 1 schematisch dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen kapazitiven Drehgebers gilt weiter, dass den auf den beiden inneren Kreisringen 6a und 6b vorgesehenen Empfangselektrodenpaaren 2a und 2b sowie 2c und 2d zugeordneten Strom-Spannungs-Konvertern 10a, 10b Komparatoren 12 nachgeschaltet sind, nämlich Komparatoren 12a bis 12d. An den Ausgängen der Komparatoren 12a bis 12d steht eine erste, ”grobe” Drehgeberinformation in digitaler Form zur Verfügung. Einzelheiten können der 5 entnommen werden.
Weiter gilt für den erfindungsgemäßen kapazitiven Drehgeber, was jedoch im Einzelnen nicht dargestellt ist, dass den den auf den beiden äußeren Kreisringen 6c und 6d vorgesehenen Empfangselektrodenpaaren 2e und 2f sowie 2g und 2h zugeordneten Strom-Spannungs-Konvertern 10c und 10d Analog-Digital-Umsetzer nachgeschaltet sind. An den Ausgängen der Analog-Digital-Umsetzer steht eine zweite, ”feingliedrige” Drehgeberinformation in digitaler Form zur Verfügung.
Im Übrigen gilt für das dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen kapazitiven Drehgebers, auch wenn das nicht in allen Einzelheiten dargestellt ist, eine Maßnahme von ganz besonderer Bedeutung. Zunächst sind den den auf den beiden äußeren Kreisringen 6c und 6d vorgesehenen Empfangselektrodenpaaren zugeordneten Strom-Spannungs-Konvertern Gleichrichter 13 nachgeschaltet, nämlich Gleichrichter 13a und 13b, und ist den Gleichrichtern 13a und 13b eine Addiereinheit 14 nachgeschaltet. An den Ausgang der Addiereinheit 14 ist der Istwert-Eingang eines Reglers, nämlich eines PID-Reglers 15 angeschlossen.
In Verbindung mit dem, was unmittelbar zuvor beschrieben worden ist, ist von Bedeutung, dass im Ausführungsbeispiel die Spannungsquelle 4 als spannungsgesteuerter Oszillator ausgeführt ist und der Steuer-Ausgang des Reglers, also des PID-Reglers 15 an den Steuer-Eingang der als spannungsgesteuerter Oszillator ausgeführten Spannungsquelle 4 angeschlossen ist.
Schließlich ist in der 1 noch angedeutet, dass bei dem erfindungsgemäßen kapazitiven Drehgeber die Ausgänge der Komparatoren 12a bis 12d und der – im Einzelnen nicht dargestellten – Analog-Digital-Umsetzer mit den Eingängen eines NAND-Gatters 16 verbunden sind.
In der 1 ist nicht dargestellt, wie die einzelnen Bauelemente des in schematischer Form, als Blockdarstellung, gezeigten kapazitiven Drehgebers miteinander verbunden sind. Diese Verbindungen, die der besseren Übersicht wegen nicht eingezeichnet sind, ergeben sich für den Fachmann jedoch ohne Weiteres aus dem, was insgesamt beschrieben ist.
Die 3 bis 5 zeigen nur schematisch mögliche Ausführungsbeispiele von zu einem erfindungsgemäßen kapazitiven Drehgeber gehörenden Gleichrichtern (3), Strom-Spannungs-Konverter (4) und Komparatoren (5). Das, was in 6 schematisch dargestellt ist, gehört zu der Realisierung der ”feingliedrigen” Drehgeberinformation.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1251338 [0005]
DE 102007038225 [0009]

Claims

Kapazitiver Drehgeber mit einer feststehenden, kreisförmigen oder kreisringförmigen Sendeelektrode, mit mehreren feststehenden, kreisringförmig angeordneten Empfangselektroden, mit mindestens einer zwischen der Sendeelektrode und den Empfangselektroden drehbar angeordneten, den Empfangselektroden zugeordneten Kapazitätsänderungselektrode, mit einer der Sendeelektrode zugeordneten, vorzugsweise rechteckförmige Spannungsimpulse erzeugenden Spannungsquelle und mit einer den Empfangselektroden nach geschalteten Auswerteeinheit, dadurch gekennzeichnet, dass Empfangselektroden (2a bis 2h) auf vier Kreisringen (6a bis 6d) vorgesehen sind.
Kapazitiver Drehgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf den beiden äußeren Kreisringen (6c, 6d) jeweils sechzehn Empfangselektroden vorgesehen sind und die auf dem äußersten Kreisring (6d) vorgesehenen Empfangselektroden (2g, 2h) gegenüber den auf dem benachbarten Kreisring (6c) vorgesehenen Empfangselektroden (2e, 2f) um 22,5° versetzt vorgesehen sind.
Kapazitiver Drehgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass acht sich jeweils über 22,5° erstreckende, durch Freiräume getrennte, die auf den beiden äußeren Kreisringen (6c, 6d) vorgesehenen Empfangselektroden (2e bis 2h) zugeordnete Kapazitätsänderungselektroden (13b) vorgesehen sind.
Kapazitiver Drehgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeelektrode (1), die Empfangselektroden (2) oder/und die Kapazitätsänderungselektrode (3) bzw. die Kapazitätsänderungselektroden (3a, 3b) auf aus elektrisch nicht-leitendem Material bestehenden Kreisscheiben (7a, 7b, 7c) verwirklicht sind.
Kapazitiver Drehgeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf beiden Seiten der mittleren Kreisscheibe (7c) wirkungsgleiche Kapazitätsänderungselektroden (3a, 3b) verwirklicht sind und die auf der einen Seite der Kreisscheibe (7c) verwirklichten Kapazitätsänderungselektroden (3a, 3b) galvanisch mit den auf der anderen Seite verwirklichten Kapazitätsänderungselektroden (3a, 3b) verbunden sind.
Kapazitiver Drehgeber mit einer feststehenden, kreisförmigen oder kreisringförmigen Sendeelektrode, mit mehreren feststehenden, kreisringförmig angeordneten Empfangselektroden, mit mindestens einer zwischen der Sendeelektrode und den Empfangselektroden drehbar angeordneten, den Empfangselektroden zugeordneten Kapazitätsänderungselektrode, mit einer der Sendeelektrode zugeordneten, vorzugsweise rechteckförmige Spannungsimpulse erzeugenden Spannungsquelle und mit einer den Empfangselektroden nach geschalteten Auswerteeinheit, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (5) den Empfangselektroden (2) nach geschaltete Gleichrichter (8) aufweist und die Gleichrichter (8) so ausgeführt und die Empfangselektroden (2) derart mit den Gleichrichtern (8) verschaltet sind, dass jeweils die Differenz der Ströme der einzelnen Empfangselektrodenpaare (2a und 2b, 2c und 2d, 2e und 2f sowie 2g und 2h) gebildet wird.
Kapazitiver Drehgeber nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichrichter (8) als Synchron-Gleichrichter ausgeführt sind und von den Spannungsimpulsen der Spannungsquelle (4) gesteuerte Schalter (9) aufweisen und dass die Spannungsimpulse ohne Zeitverzögerung die Schalter (9) steuern und zeitverzögert an die Sendelektrode (1) gelangen.
Kapazitiver Drehgeber nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Paar von Gleichrichtern (8a und 8b, 8c und 8d, 8e und 8f sowie 8g und 8h) ein die Differenz der Ströme der einzelnen Empfangselektrodenpaare (2a und 2b, 2c und 2d, 2e und 2f sowie 2g und 2h) in eine proportionale Spannung umsetzender Strom-Spannungs-Konverter (10a bis 10d) nachgeschaltet ist.
Kapazitiver Drehgeber nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strom-Spannungs-Konverter (10) Tiefpassfilter (11) aufweisen und die Differenz der Ströme der einzelnen Empfangselektrodenpaare (2a und 2b, 2c und 2d, 2e und 2f sowie 2g und 2) symmetrisch zu einer Spannung, die der halben Versorgungsspannung entspricht, in eine proportionale Spannung umsetzen.
Kapazitiver Drehgeber nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass den den auf den beiden inneren Kreisringen (6a, 6b) vorgesehenen Empfangselektrodenpaaren (2a und 2b sowie 2c und 2d) zugeordneten Strom-Spannungs-Konvertern (10a und 10b) Komparatoren (12a und 12b) nachgeschaltet sind und an den Ausgängen der Komparatoren (12a und 12b) eine erste, ”grobe” Drehgeberinformation in digitaler Form zur Verfügung steht.
Kapazitiver Drehgeber nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass den den auf den beiden äußeren Kreisringen (6c, 6d) vorgesehenen Empfangselektrodenpaaren (2e und 2f sowie 2g und 2h) zugeordneten Strom-Spannungs-Konvertern (10c und 10d) Analog-Digital-Umsetzer nachgeschaltet sind und an den Ausgängen der Analog-Digital-Umsetzer eine zweite, ”feingliedrige” Drehgeberinformation in digitaler Form zur Verfügung steht.
Kapazitiver Drehgeber nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass den den auf den beiden äußeren Kreisringen (6c, 6d) vorgesehenen Empfangselektrodenpaaren (2e und 2f sowie 2g und 2h) zugeordneten Strom-Spannungs-Konvertern (10c und 10d) Gleichrichter (13) nachgeschaltet sind und den Gieichrichtern (13) eine Addiereinheit (14) nachgeschaltet ist.
Kapazitiver Drehgeber nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass an den Ausgang der Addiereinheit (14) der Istwert-Eingang eines Reglers, vorzugsweise eines PID-Reglers (15) angeschlossen ist.
Kapazitiver Drehgeber nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle (4) als spannungsgesteuerter Oszillator ausgeführt ist und der Steuer-Ausgang des Reglers bzw. des PID-Reglers (15) an den Steuer-Eingang der als spannungsgesteuerter Osziliator ausgeführten Spannungsquelle (4) angeschlossen ist.
Kapazitiver Drehgeber nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgänge der Komparatoren (12) und der Analog-Digital-Umsetzer mit den Eingängen eines NAND-Gatters (16) verbunden sind
Verfahren zum Auswerten der primären Gebersignale eines kapazitiven Drehgebers, insbesondere eines kapazitiven Drehgebers nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Ströme der Empfangselektroden gleichgerichtet werden und jeweils die Differenz der Ströme der einzelnen Empfangselektrodenpaare gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz der Ströme der einzelnen Empfangselektrodenpaare in eine proportionale Spannung umgesetzt, vorzugsweise in eine symmetrisch zur halben Versorgungsspannung liegende proportionale Spannung umgesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die den Empfangselektrodenpaaren auf den inneren Kreisringen entsprechenden Spannungen mit Hilfe von Komparatoren verglichen, die den Empfangselektrodenpaaren auf den äußeren Kreisringen entsprechenden Spannungen mit Hilfe von Analog-Digital-Umsetzern ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die den Empfangselektrodenpaaren auf den äußeren Kreisringen entsprechenden Spannungen gleichgerichtet, nach dem Gleichrichten addiert und schließlich die so gewonnene Spannung als Vergleichsspannung, in Verbindung mit einer Referenzspannung, zur Steuerung der als spannungsgesteuerter Oszillator ausgeführten Spannungsquelle herangezogen wird.