DE102018220366A1

DE102018220366A1 - Winkelmesseinrichtung zur Bestimmung eines Winkels zwischen einem Rotor und einem gegenüberliegenden Stator

Info

Publication number: DE102018220366A1
Application number: DE102018220366.0A
Authority: DE
Inventors: Shahrokh Sanati; Tobias Becker
Original assignee: TE Connectivity Germany GmbH
Current assignee: TE Connectivity Germany GmbH
Priority date: 2018-11-27
Filing date: 2018-11-27
Publication date: 2020-05-28

Abstract

Winkelmesseinrichtung (100) zur Bestimmung eines Winkels zwischen einem Rotor (300) und einem gegenüberliegenden Stator (300), wobei der Rotor (300) drehbar um eine Rotationsachse (340) zum Stator (200) angeordnet ist. Die Winkelmesseinrichtung (100) umfasst einen Speicherkondensator (110) mit einer Injektionselektrode (210), die am Stator (200) ausgebildet ist, und einer Speicherelektrode (310), die am Rotor (300) ausgebildet ist, wobei durch Anlegen einer Spannung an der Injektionselektrode (210) unabhängig vom Winkel zwischen dem Rotor (300) und dem Stator (200) eine Ladung in der Speicherelektrode (310) gespeichert wird. Ferner umfasst die Winkelmesseinrichtung einen Messkondensator (120) mit einer Winkelsensorelektrode (220), die am Stator (200) ausgebildet ist, und einer Winkelgeberelektrode (320), die am Rotor (300) ausgebildet ist, wobei die Kapazität des Messkondensators (120) von dem Winkel zwischen dem Rotor (300) und dem Stator (200) abhängt. Ferner umfasst die Winkelmesseinrichtung einen Sensor, der mit der Winkelsensorelektrode (220) verbunden ist, zum Messen der Kapazitätsänderung des Messkondensators (120), und wobei die Speicherelektrode (310) und die Winkelgeberelektrode (320) elektrisch leitend verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Winkelmesseinrichtung zur Bestimmung eines Winkels zwischen einem Rotor und einem gegenüberliegenden Stator. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung eines Winkels zwischen einem Rotor und einem gegenüberliegenden Stator.
Generell wird bei einer Winkelmesseinrichtung eine bestimmte Anzahl an Impulsen pro Umdrehung ermittelt. Diese Impulse werden durch einen Drehsensor, auch als Encoder bezeichnet, am anderen Ende einer Sensorleitung in einem Auswertegerät decodiert. Wie beispielsweise aus der deutschen Patentanmeldung DE 102 16 376 A1 bekannt, kann die physikalische Technologie der Winkelmesseinrichtung optisch, magnetisch, induktiv oder potentiometrisch ausgestaltet sein.
Häufig werden die Impulse durch regelmäßige Muster auf Scheiben oder Maßstäben, die in dieser Anmeldung auch als Winkelgeber bezeichnet werden, erzeugt. Insbesondere werden optische oder magnetische Muster mit Hilfe eines Winkelsensors, auch als Drehsensor oder Encoder bezeichnet, in elektrische Impulse umgewandelt. Generell kann die Winkelmessung relativ oder absolut erfolgen. Eine relative Winkelmessung bedeutet, dass ein Nullimpuls pro Umdrehung erzeugt wird und basierend auf dem winkelabhängigen gemessenen Impuls der relative Winkel ermittelt wird. Weiterhin bedeutet eine absolue Winkelmessung, dass der winkelabhängige Impuls einem absoluten Winkel zugeordnet wird.
Zur optischen Winkelmessung sind diverse Einrichtungen und Verfahren bekannt, z. B. Laser-Systeme, Theodolithen, Nivellierinstrumente, Stereo-Kamerasysteme. Optische Winkelmesseinrichtungen zeichnen sich durch eine hohe Auflösungen aus. Allerdings stellen optische System zumeist hohe Anforderungen an die Toleranzen bei der Montage und sind anfällig gegen Verschmutzung.
Alternativ können magnetische Winkelmesseinrichtungen verwendet werden. Diese haben gegenüber optischen Sensoren den Vorteil, dass sie gegen Verschmutzung resistenter sind. Allerdings sind die magnetischen Strukturgrößen der Muster zumeist gröber als die Strukturgrößen vergleichbarer optischer Sensoren. Somit ist die Auflösung der magnetischen Sensoren im Vergleich zu optischen Sensoren geringer.
Alternativ können auch potentiometrische Winkelmesseinrichtungen verwendet werden. Diese haben aber, wie aus der deutschen Patentanmeldung DE 10 2010 021 367 A1 bekannt, insbesondere den Nachteil, dass keine berührungslose Winkelmessung möglich ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Winkelmesseinrichtung zu realisieren, die zumindest einen der oben erwähnten Nachteile überkommt. Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine günstige Winkelmesseinrichtung herzustellen. Eine weitere Aufgabe liegt darin, eine einfache Herstellung zu ermöglichen. Weiterhin soll die Winkelmesseinrichtung hohe Auflösungen liefern. Insbesondere sollen die Toleranzen beim Einbau der Winkelmesseinrichtung möglichst groß sein. Weiterhin soll die Winkelmesseinrichtung flexibel einsetzbar sein. Insbesondere soll die Winkelmesseinrichtung robust gegenüber Verschmutzung sein und für verschiedene Anwendungen auf verschiedenen Größenskalen einsetzbar sein. Weiterhin soll die Winkelmesseinrichtung robust gegenüber elektrischen Störfeldern sein.
Die obigen Aufgaben werden durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Erfindungsgemäß wird eine Winkelmesseinrichtung zur Bestimmung eines Winkels zwischen einem Rotor und einem gegenüberliegenden Stator ausgegeben, wobei der Rotor drehbar um eine Rotationsachse zum Stator angeordnet ist. Die Winkelmesseinrichtung umfasst einen Speicherkondensator mit einer Injektionselektrode, die am Stator ausgebildet ist, und einer Speicherelektrode, die am Rotor ausgebildet ist, wobei durch Anlegen einer Spannung an der Injektionselektrode unabhängig vom Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator eine Ladung in der Speicherelektrode gespeichert wird. Weiterhin umfasst die Winkelmesseinrichtung einen Messkondensator mit einer Winkelsensorelektrode, die am Stator ausgebildet ist, und einer Winkelgeberelektrode, die am Rotor ausgebildet ist, wobei die Kapazität des Messkondensators von dem Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator abhängt. Weiterhin umfasst die Winkelmesseinrichtung einen Sensor, der mit der Winkelsensorelektrode verbunden ist, zum Messen der Kapazitätsänderung des Messkondensators. Die Speicherelektrode und die Winkelgeberelektrode der Winkelmesseinrichtung sind elektrisch leitend verbunden.
Nach dem Anlegen einer Gleichspannung an die Injektionselektrode des Speicherkondensators lädt sich die gegenüberliegende Speicherelektrode gegenpolig auf. Bei einer Gleichspannungsquelle folgt die Spannung am Kondensator einer Exponentialfunktion mit negativem Exponenten, so dass der Strom mit der Zeit asymptotisch gegen null geht. Haben Spannungsquelle und Kondensator die gleiche Spannung, dann fließt kein Strom, d.h. der Kondensator ist voll geladen.
Generell gilt, je größer die Kapazität C_S des Speicherkondensators ist, desto mehr Ladung Q kann ein Kondensator bei einer bestimmten Spannung U, die an der Injektionselektrode angelegt wird, speichern.
Erfindungsgemäß ist der Speicherkondensator so ausgestaltet, dass unabhängig vom Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator eine Ladung Qs an der Speicherelektrode gespeichert wird. In anderen Worten, durch den Effekt der Influenz, auch als elektrostatische Induktion bezeichnet, kommt es, wenn die Spannung Us an der Injektionselektrode angelegt wird, durch das elektrische Feld des Speicherkondensators zu einer räumlichen Verschiebung elektrischer Ladungen an der Speicherelektrode. Am Beispiel des Plattenkondensators oder Zylinderkondensators bedeutetet das, dass die Injektionselektrode der Speicherelektrode gegenüberliegt und sich die Injektionselektrode und die Speicherelektrode unabhängig vom Winkel zumindest teilweise überlappen.
Die influenzierte Ladung Qs, die erfindungsgemäß unabhängig vom Winkel im Speicherkondensator gespeichert wird, ermöglicht es, dass der Rotor als passives Bauelement gestaltet werden kann. Insbesondere muss der Rotor nicht mit einer unabhängigen Spannungsversorgung versehen sein und kann separiert vom Stator angebracht werden.
Erfindungsgemäß ist auf dem Rotor die Speicherelektrode elektrisch mit der Winkelgeberelektrode des Messkondensators verbunden. Durch diese elektrische Verbindung werden Ladungsträger zwischen der Speicherelektrode und der Winkelgeberelektrode verschoben, sobald die influenzierte Ladung Qs in der Speicherelektrode gespeichert wird. Insbesondere wird auf der Winkelgeberelektrode eine gegengleiche Ladung Q_M influenziert.
Der Ladung Q_M , die an der Winkelgeberelektrode influenziert wird, führt zu einer Spannung UM an der Winkelsensorelektrode des Messkondensators. Die Winkelsensorelektrode ist mit einem Sensor verbunden. Der Sensor misst die Spannung UM und kann somit Kapazitätsänderungen detektieren. Insbesondere neuartige Sensoren, die günstig in der Herstellung sind, ermöglichen hochgenaue Messung von Kapazitätsänderungen.
Erfindungsgemäß hängt die Kapazität C_M des Messkondensators von dem Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator ab. Bei bekannter Ladung Q_M , die an der Winkelgeberelektrode influenziert wird, kann über Messen der Spannung UM der Winkel zwischen Rotor und Stator ermittelt werden.
Vorteilhafterweise wird winkelunabhängig eine konstante Ladung Qs an der Winkelgeberelektrode influenziert, so dass auch die Ladung Q_M konstant ist. Dem Fachmann ist klar, dass Q_M aber auch über die Geometrie des Systems bestimmbar ist.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Injektionselektrode und die Winkelsensorelektrode auf einer Statorscheibe angeordnet. Außerdem sind die Speicherelektrode und die Winkelgeberelektrode auf einer Rotorscheibe angeordnet. Vorteilhafterweise sind die Rotorscheibe und die Statorscheibe auf einer Welle drehbar um die Rotationsachse angeordnet und die Rotorscheibe und die Statorscheibe sind in Richtung der Rotationsachse versetzt zueinander angeordnet.
Somit können Rotor und Stator entlang der Rotationsachse angeordnet werden. In anderen Worten, Speicherkondensator und Messkondensator bilden Plattenkondensatoren. Dem Fachmann ist klar, dass alternativ Rotor und Stator als Zylinder ausgebildet sein können, wobei der Rotorzylinder und der Statorzylinder ineinanderstecken. In anderen Worten, Speicherkondensator und Messkondensator können alternativ auch als Teile eines Zylinderkondensators ausgebildet sein.
Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform hängt die Kapazität des Messkondensators von der Überdeckungsfläche der Winkelsensorelektrode und der Winkelgeberelektrode ab. Eine derartige Anordnung ermöglicht, dass besonders einfach besonders große Kapazitätsänderung realisiert werden können. Dem Fachmann ist klar, dass alternativ die Kapazität von der relativen Primitivität eines Dielektrikums, das zwischen Rotor und Stator eingebracht werden kann, winkelabhängig eingestellt werden kann.
Generell gilt für den Plattenkondensator, dass die Kapazität proportional zur Fläche der Kondensatorelektroden und invers proportional zum Abstand der Kondensatorelektroden ist. Aufgrund der Darstellung wird im Folgenden vereinfacht angenommen, dass die Winkelgeberelektrode und die Winkelsensorelektrode Flächen eines Plattenkondensator sind. Dann gilt, dass durch die Drehung des Rotors relativ zum Stator die Überdeckungsfläche geändert wird. Durch die Änderung der Überdeckungsfläche ändert sich die Kapazität des Messkondensators und somit kann der Winkel bestimmt werden.
Beispielsweise, wenn die Winkelgeberelektrode auf der Statorscheibe angeordnet ist und die Winkelsensorelektrode auf der Rotorscheibe angeordnet ist, ist die Kapazität des Messkondensators hoch, wenn die Winkelgeberelektrode gegenüber der Winkelsensorelektrode liegt, und die Kapazität des Messkondensators ist niedrig, wenn die Winkelgeberelektrode azimutal oder radial versetzt zur Winkelsensorelektrode ist.
Dem Fachmann ist klar, dass alternativ auch eine Änderung im Abstand zwischen Winkelgeberelektrode und Winkelsensorelektrode zu einer Kapazitätsänderung führen. Beispielsweise kann der Rotor auf einer schraubenförmigen Schnecke angeordnet sein und durch die Abstandsänderung zum Sensor kann eine Kapazitätsänderung erfolgen, die vom Winkel abhängt.
Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Injektionselektrode als Kreisringsegment oder als Kreisring um die Rotationsachse ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich ist die Speicherelektrode als Kreisringsegment oder als Kreisring um die Rotationsachse ausgebildet. Insbesondere, wenn Injektionselektrode und Speicherelektrode als Kreisring ausgeführt werden, kann winkelunabhängig eine konstante Ladung auf der Speicherelektrode influenziert werden. Dem Fachmann ist klar, dass beispielsweise aber auch die Injektionselektrode oder die Speicherelektrode als Kreisringsegment ausgestaltet sein können, um beispielsweise Bauraum zu sparen.
Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Messkondensator eine Vielzahl von N Kondensatorelementen aufweist, wobei N eine ganze Zahl größer 1 ist. Weiterhin besteht die Winkelsensorelektrode aus einer Vielzahl von N Messzellen und jede der N Messzellen ist elektrisch isoliert von der Vielzahl von N Messzellen am Stator ausgebildet, wobei jede Messzelle und die Winkelgeberelektrode je ein Kondensatorelement bilden. Außerdem umfasst die Winkelmesseinrichtung eine Vielzahl von M Sensoren, wobei M eine ganze Zahl größer 1 und kleiner oder gleich N ist und wobei jeder der M Sensoren mit zumindest einer der N Messzellen zum Messen der Kapazitätsänderung des Kondensatorelements verbunden ist.
Durch die Verwendung von mehreren Sensoren kann die Genauigkeit der Winkelmesseinrichtung weiter erhöht werden.
Zusätzlich können die N Messzellen in L Messsegmenten gruppiert werden, wobei jedes der L Messsegmente K benachbart angeordnete Messzellen umfasst, wobei K und L ganze Zahlen größer 1 und kleiner N sind. Außerdem ist jeder der M Sensoren mit L Messzellen verbunden ist.
Insbesondere vorteilhaft ist, wenn jedes der L Messsegmente acht Kondensatorelement aufweist und diese mit zwei Sensoren verbunden sind. Insbesondere acht Kondensatorelemente ermöglichen eine differentielle Messung. Somit können sowohl Interferenzen durch externe elektrische Felder unterdrückt oder reduziert werden als auch die Fehler in der Ausrichtung zwischen Rotor und Stator kompensiert werden, beispielsweise wenn der Rotor nicht parallel zum Stator ausgerichtet ist. Dem Fachmann ist klar, dass eine Winkelmessung aber auch mit nur vier Kondensatorelementen möglich ist.
Insbesondere durch das Verbinden mehrerer Messzellen mit einem Sensor können Fehler, beispielsweise die Verschmutzung einer Messzelle, ausgeglichen werden.
Zusätzlich kann jedem der M Sensoren jeweils eine der K Messzellen eines Messsegments zugeordnet sein.
Das Verbinden gleicher Messzellen unterschiedlicher Messsegmente verbessert die Sensibilität des Sensors. Insbesondere wird dadurch die Messspannung erhöht. Außerdem können durch dadurch Fehler vermieden oder zumindest reduziert werden. Insbesondere können Fehler, die durch die mechanische Ausrichtung des Winkelsensorelektrode zur Winkelgeberelektrode verursacht sind, vermieden werden. Weiterhin können Störsignale, die durch externe elektrische Felder verursacht sind, vermieden werden, indem die Signale symmetrisch übertragen werden.
Besonders platzsparend ist es, wenn zumindest ein Teil der N Messzellen kreisförmig um die Rotationsachse angeordnet wird.
Zusätzlich oder alternativ können je zwei Messzellen der Vielzahl von N Messzellen ein Messzellenpaar bilden, wobei die Messzellen eines Messzellenpaars zur Rotationsachse radial versetzt zueinander angeordnet sind. Insbesondere wenn die Kapazität des Messkondensators sinusförmig vom Winkel abhängt, ermöglicht ein Paar von Messzellen eine differentielle Messung. Somit kann die Genauigkeit weiter erhöht werden.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform ist die Winkelgeberelektrode als geschlossene Kurve um die Rotationsachse ausgebildet. Insbesondere vorteilhaft ist, wenn die geschlossene Kurve ein Kreisring moduliert mit einer periodischen Funktion der Periode P ist, wobei P eine ganze Zahl größer oder gleich 1 ist, und der Schwerpunkt der geschlossenen Kurve versetzt zur Rotationsachse ist.
Beispielsweise, wenn die Periode 1 ist, ist die geschlossene Kurve ein Kreisring, wobei der Schwerpunkt des Kreisrings versetzt zum Mittelpunkt der Drehachse ist. Somit verändert sich die Kapazität des Messkondensators während einer Umdrehung sinusförmig und bei geeigneter Platzierung der Winkelgeberelektrode zur Winkelsensorelektrode kann jedem Kapazitätswert des Messkondensator ein Winkel zugeordnet werden.
Somit kann die Winkelgeberelektrode besonders platzsparend am Rotor angebracht werden und die Messung kann besonders robust erfolgen.
Besonders vorteilhaft ist, wenn in dieser Ausführungsform zusätzlich ein Messzellenpaar verwendet wird. Dann kann eine Winkelgeberelektrode so zur Winkelsensorelektrode angeordnet werden, dass eine Messzelle eine sinusförmige Änderung der Kapazität misst und eine zweite Messzelle eine cosinusförmige Änderung der Kapazität misst. Aus der Kombination der beiden Werte kann der Winkel besonders robust bestimmt werden. Beispielsweise kann dann der Arkustangens gebildet werden, der einen robusten Wert zur Winkelbestimmung liefet.
Vorteilhaft ist es, wenn in dieser Ausführungsform die Periode L ist und N Messzellen in L Messsegmenten gruppiert sind. Somit kann die Informationsdichte der Winkelposition in der Winkelgeberelektrode besonders effizient codiert werden und die M Sensoren diese Information besonders genau messen.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform sind die Injektionselektrode und die Winkelsensorelektrode als gedruckte Strukturen auf einer Leiterplatte gefertigt. Alternativ oder zusätzlich sind die Speicherelektrode und die Winkelgeberelektrode als gedruckte Strukturen auf einer Leiterplatte gefertigt. Alternativ oder zusätzlich umfasst die Wickelmesseinrichtung eine Spannungsversorgung, die mit der Injektionselektrode verbunden ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Leiterplatte als gedruckte Leiterplatte (engl. printed circuit board „PCB“) gefertigt ist und die elektrischen Bauteile, also der Winkelsensorelektrode, die Winkelgeberelektrode, die Injektionselektrode, die Speicherelektrode und oder die elektrische Verbindung zwischen Speicherelektrode und Winkelgeberelektrode aus Kupfer gefertigt sind.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform umfasst die Winkelmesseinrichtung eine Spannungsversorgung, die mit der Injektionselektrode verbunden ist.
Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Winkelmesseinrichtung einen zweiten Messkondensator, mit einer zweiten Winkelsensorelektrode die am Stator ausgebildet ist, und eine zweite Winkelgeberelektrode, die am Rotor ausgebildet ist, wobei die Kapazität des zweiten Messkondensators vom Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator abhängt, und wobei die Speicherelektrode und die zweite Winkelgeberelektrode elektrisch leitend verbunden sind.
Ein zweiter Messkondensator ermöglicht, dass die Auflösung der Winkelmesseinrichtung weiter erhöht werden kann. Außerdem kann somit besonders effizient eine absolute Winkelmessung erfolgen, da zwei Messsignale verglichen werden können. Somit kann das Prinzip eines Nonius angewandt werden.
Insbesondere kann die Auflösung erhöht werden, wenn die erste und die zweite Winkelgeberelektrode jeweils als geschlossene Kurve um die Rotationsachse ausgeführt sind, wobei die geschlossene Kurve ein Kreisring moduliert mit einer periodischen Funktion der Periode P ist, und der Schwerpunkt der geschlossenen Kurve versetzt zur Rotationsachse ist, und die Periode P1 der ersten Winkelgeberelektrode und die Periode P2 der Winkelgeberelektrode teilerfremd sind. Dann ist es möglich, dass das Prinzip eines Nonius für die Winkelmesseinrichtung besonders platzsparend umgesetzt werden kann. Somit können sehr hohe Auflösungen erzielt werden.
Dem Fachmann ist klar, dass durch weitere Messkondensatoren das System weiter verbessert werden kann.
Eine erfindungsgemäßes Verfahren zur Bestimmung eines Winkels zwischen einem Rotor und eines gegenüberliegenden Stators, wobei der Rotor drehbar um eine Rotationsachse zum Stator angeordnet ist, die Schritte umfassend:

Bereitstellen eines Speicherkondensators mit einer Injektionselektrode, die am Stator ausgebildet ist, und einer Speicherelektrode, die am Rotor ausgebildet ist,
Bereitstellen eines Messkondensator mit einer Winkelsensorelektrode, die am Stator ausgebildet ist, und eine Winkelgeberelektrode, die am Rotor ausgebildet ist, wobei die Kapazität des Messkondensators vom Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator abhängt
Bereitstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen der Speicherelektrode und der Winkelgeberelektrode,
Anlegen einer Spannung an der Injektionselektrode zum gegenpoligen Aufladen der Speicherelektrode,

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird diese anhand der in den nachfolgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen und gleichen Bauteilbezeichnungen versehen. Weiterhin können auch einige Merkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsformen für sich eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen.
Es zeigen:

1 eine schematische Ansicht einer Statorscheibe;
2 eine schematische Ansicht einer Rotorscheibe;
3 eine schematische Ansicht einer Statorscheibe überdeckt mit einer Rotorscheibe; und
4 ein ein Graph der gemessenen Signale des Winkelmesseinrichtung.

Die vorliegende Erfindung wird nun mit Hilfe der Figuren und zunächst mit 1 beschrieben. 1 ist eine schematische Ansicht der Statorscheibe 200 der Winkelmesseinrichtung. Die Statorscheibe 200 umfasst eine Injektionselektrode 210, eine erste Winkelsensorelektrode 220 und eine zweite Winkelsensorelektrode 230. Die Injektionselektrode 210, die erste Winkelsensorelektrode 220 und die zweite Winkelsensorelektrode 230 sind Rotationssymmetrisch um die Rotationsachse 240 angeordnet.
Die Injektionselektrode 210 und die Winkelsensorelektroden 220 und 230 sind aus einem leitenden Material, beispielweise Kupfer, gefertigt und sind auf einer elektrisch isolierenden Fläche 250 angeordnet. Beispielsweise kann die elektrisch isolierende Fläche 250 eine flexible Leiterplatte sein, auf die die elektrischen Strukturen der Injektionselektrode 210 und der Winkelsensorelektroden 220 und 230 gedruckt sind. Alternativ kann die Statorscheibe aus einem starren Material gefertigt werden. An der Rotationsachse 240 kann eine Ausnehmung vorgesehen sein, um beispielweise die Statorscheibe 200 an einer Welle zu fixieren.Entsprechend der gezeigten Ausführungsform ist die Injektionselektrode 210 als Kreisring mit Radius S1 ausgebildet. Alternativ kann die Injektionselektrode auch als Kreisringsegment ausgebildet sein. Weiterhin hat die Injektionselektrode 210 den kleinsten Abstand zur Rotationsachse 240 und die Winkelsensorelektrode 220 und 230 haben größere Radien. Alternativ kann die Injektionselektrode auch zwischen den Winkelsensorelektroden 220 und 230 angeordnet sein oder der Abstand zur Rotationsachse 240 der Injektionselektrode kann größer sein als der Abstand der Winkelsensorelektrode 220 und 230 zur Rotationsachse 240.
Entsprechend einer Ausführungsform besteht die erste Winkelsensorelektrode 220 aus einer Vielzahl von Messzellen. In 1 sind aus Übersichtsgründen lediglich Messzellen 221-223 der ersten Winkelsensorelektrode 220 mit Referenzzeichen versehen. Die Messzelle 221 formt ein Kreisringsegment mit Radius S21 und die Messzellen 222 und 223 formen Kreisringsegmente mit Radius S22 relativ zur Rotationsachse 240. Insbesondere ermöglicht die Vielzahl von Messzellen mit unterschiedlichen Radien S21 und S22, dass Paare von Messzellen gebildet werden können. Wie später mit Bezug auf 3 näher ausgeführt wird, können Paare von Messzellen unterschiedlich verschaltet werden, beispielsweise können Parallel- oder Differenzschaltung realisiert werden.
Beispielsweise umfasst ein erstes Paar die Messzellen 221 und 222. Der Schwerpunkt jeder Messzelle des ersten Paars hat einen ersten Winkel α1 relativ zur Rotationsachse 240, der im Wesentlichen gleich für die Messzellen 221 und 222 ist und wobei die Radien S21 und S22 der Messzellen 221 und 222 unterschiedlich sind.
Alternativ oder zusätzlich umfasst ein zweites Paar die Messzellen 221 und 223. Der Schwerpunkt der Messzelle 221 des zweiten Paars hat einen ersten Winkel α1 relativ zur Rotationsachse 240. Der Schwerpunkt der Messzelle 223 des zweiten Paars hat einen zweiten Winkel α2 relativ zur Rotationsachse 240. Insbesondere ist der Winkel α1 unterschiedlich zum Winkel α2.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform besteht die zweite Winkelsensorelektrode 230, wie die erste Winkelsensorelektrode, auch aus einer Vielzahl von Messzellen. In 1 sind aus Übersichtsgründen lediglich Messzellen 231-233 der zweiten Winkelsensorelektrode 230 mit Referenzzeichen versehen. Messzelle 231 formt ein Kreisringsegment mit Radius S31 und Messzellen 232 und 233 formen Kreisringsegmente mir Radius S32 zur Rotationsachse 240. Die Radien S31 und S32 der zweiten Winkelsensorelektrode 230 sind größer als die Radien S21 und S22 der ersten Winkelsensorelektrode 220.
Insbesondere ermöglicht die Vielzahl von Messzellen mit unterschiedlichen Radien S31 und S32, dass weitere Paare von Messzellen gebildet werden können. Wie später mit Bezug zu 3 näher ausgeführt, können Paare von Messzellen unterschiedlich verschaltet werden, beispielsweise können Parallel- oder Differenzschaltung realisiert werden.
Beispielsweise umfasst ein erstes Paar die Messzellen 231 und 222. Der Schwerpunkt jeder Messzelle des ersten Paars hat einen ersten Winkel β1 relativ zur Rotationsachse 240, der im Wesentlichen gleich für die Messzellen 231 und 232 ist und wobei die Radien der Messzellen 231 und 232 unterschiedlich sind.
Alternativ oder zusätzlich umfasst ein zweites Paar die Messzellen 231 und 233. Der Schwerpunkt der Messzelle 231 des zweiten Paars hat einen ersten Winkel β1 relativ zur Rotationsachse 240. Der Schwerpunkt der Messzelle 233 des zweiten Paars hat einen zweiten Winkel β2 relativ zur Rotationsachse 240. Insbesondere ist der Winkel β1 unterschiedlich zum Winkel β2.
Alle Messzellen der erste Winkelsensorelektrode und der zweite Winkelsensorelektrode sind voneinander elektrisch isoliert auf der Rotationsscheibe 200 angeordnet. Insbesondere wird die Isolierung durch die elektrisch isolierende Fläche 250 gewährleistet.
2 zeigt eine schematische Ansicht einer Rotorscheibe 300 der Winkelmesseinrichtung. Die Rotorscheibe 300 umfasst eine Speicherelektrode 310, eine erste Winkelgeberelektrode 320 und eine zweite Winkelgeberelektrode 330. Die Speicherelektrode 310 ist mit der ersten Winkelgeberelektrode 320 über eine erste elektrische Verbindung 360 elektrisch leiten verbunden. Die zweite Winkelgeberelektrode 330 ist über eine zweite elektrisch leitende Verbindung 370 mit der ersten Winkelgeberelektrode 320 verbunden. Die Speicherelektrode 310 ist rotationssymmetrisch um die Rotationsachse 340 angeordnet. Die Schwerpunkte der Winkelgeberelektroden 320 und 330 sind versetzt zur Rotationsachse 340 angeordnet.
Die Speicherelektrode 310, die Winkelgeberelektroden 320 und 330, und die elektrischen Verbindungen 360 und 370 sind aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise Kupfer, gefertigt und sind auf einer elektrisch isolierenden Fläche 350 angeordnet. Beispielsweise kann die elektrisch isolierende Fläche 350 eine flexible Leiterplatte sein, auf die die elektrischen Strukturen die Speicherelektrode 310 und die Winkelgeberelektrode 320 und 330 und die elektrischen Verbindungen 360 und 370 gedruckt sind. Alternativ kann die Rotorscheibe aus einem starren Material gefertigt werden. An der Rotationsachse 340 kann eine Ausnehmung vorgesehen sein, um Beispielweise die Rotorscheibe 300 an einer Welle zu fixieren. Entsprechend der gezeigten Ausführungsform ist die Speicherelektrode 310 als Kreisring mit Radius R1 ausgebildet. Alternativ kann die Speicherelektrode auch als Kreisringsegment ausgebildet sein. Weiterhin hat die Speicherelektrode 310 den kleinsten Abstand zur Rotationsachse 340 und die Winkelgeberelektroden 320 und 330 haben größere Radien. Alternativ kann die Speicherelektrode 310 auch zwischen den Winkelgeberelektrode 320 und 330 angeordnet sein oder der Abstand zur Rotationsachse 340 kann größer sein als der Abstand der Winkelsensorelektrode 320 und 330 zur Rotationsachse 240.
Die erste Winkelgeberelektrode 320 bildet eine geschlossene Kurve um die Rotationsachse 340. Insbesondere ist die geschlossene Kurve ein Kreisring mit Radius R2, der moduliert ist mit einer periodischen Funktion P1. Wie in 2 gezeigt, ist der Kreisring in 5 Sektoren unterteilt. Die Grenzen eines Segments 321 sind durch gestrichelte Linien dargestellt. Innerhalb eines Segments 321 ist eine Funktion auf den Kreisring moduliert. Wie beispielsweise in 2 gezeigt, ist die zugrundeliegende Funktion eine Sinusschwingung. Somit ist gewährleistet, dass die Segmentgrenzen die geschlossene Kurve stetig und differenzierbar sind. Die Periode der Funktion P1, mit der der Kreisring moduliert ist, ist in dieser Ausführungsform 5. Dem Fachmann ist klar, dass die Periode jede natürliche Zahl L1 größer gleich 1 annehmen kann. Die beiden gestrichelten Linien, die das Segment 321 abgrenzen, sind jeweils an den Maximalwerten der Sinusschwingung angedeutet.
Der Schwerpunkt 380 der geschlossenen Kurve der ersten Winkelgeberelektrode 320 ist versetzt zur Rotationsachse 340 angeordnet. Wie beispielsweise in 2 gezeigt, ist der Schwerpunkt der geschlossenen Kurve im Bild oberhalb der Rotationsachse 340.
Die erste elektrische Verbindung 360 ist beispielsweise bei einem minimalen Abstand zwischen Speicherelektrode 310 und Winkelgeberelektrode 320 angeordnet. Dem Fachmann ist klar, dass auch weitere elektrische Verbindungen zwischen Speicherelektrode 310 und erster Winkelgeberelektrode 320 vorgesehen sein können.
Die zweite Winkelgeberelektrode 330 bildet, wie die erste Winkelgeberelektrode 320, eine geschlossene Kurve um die Rotationsachse 340. Die geschlossene Kurve der zweiten Winkelgeberelektrode 330 bildet einen Kreisring mit Radius R3, der moduliert ist mit einer periodischen Funktion P2. Der Radius R3 der zweiten Winkelgeberelektrode 330 ist größer als der Radius R2 der ersten Winkelgeberelektrode 320. Der Kreisring der zweiten Winkelgeberelektrode ist in sieben Sektoren unterteilt. Die Grenzen eines Segments 331 sind durch gestrichelte Linien dargestellt. Wie beispielsweise in 2 gezeigt, ist die zugrundeliegende Funktion der periodischen Funktion eine Sinusschwingung. Somit ist gewährleistet, dass an den Segmentgrenzen die geschlossene Kurve stetig und differenzierbar ist. Diese Periode der Funktion P2, mit der der Kreisring der zweiten Winkelgeberelektrode 330 moduliert ist, ist in dieser Ausführungsform sieben. Dem Fachmann ist klar, dass die Periode jede natürliche Zahl L2 größer gleich 1 annehmen kann. Vorteilhaft ist, wie später näher mit Bezug zu 4 beschrieben, wenn die natürlichen Zahlen L1 und L2 teilerfremd sind.
Der Schwerpunkt der geschlossenen Kurve der zweiten Winkelgeberelektrode 330 ist versetzt zur Rotationsachse 340 angeordnet. Insbesondere fällt der Schwerpunkt der zweiten Winkelgeberelektrode mit dem Schwerpunkt der ersten Winkelgeberelektrode zusammen. Wie beispielsweise in 2 gezeigt, ist der Schwerpunkt der geschlossenen Kurve im Bild oberhalb der Rotationsachse 340.
Die zweite elektrische Verbindung 370 ist beispielsweise bei einem minimalen Abstand zwischen der ersten Winkelgeberelektrode 320 der zweiten Winkelgeberelektrode 330 angeordnet. Dem Fachmann ist klar, dass auch weitere elektrische Verbindungen zwischen der ersten Winkelgeberelektrode 320 und der zweiten Winkelgeberelektrode 330 vorgesehen sein können.
3 zeigt eine Winkelmesseinrichtung 100, die eine Statorscheibe 200, wie in 1 gezeigt, und eine Rotorscheibe 300, wie in 2 gezeigt, umfasst. Insbesondere ist in 3 die Statorscheibe mit der Rotorscheibe überdeckt. Dadurch wird ein Speicherkondensator 110, ein erster Messkondensator 120 und ein zweiter Messkondensator 130 gebildet. Der Speicherkondensator 110, der erste Messkondensator 120 und der zweite Messkondensator 130 sind rotationssymmetrisch um die Rotationsachse 140 angeordnet.
Die Rotationsachse 140 liegt auf der Rotationsachse 240 und 340.
Der Speicherkondensator 110 wird geformt durch die Injektionselektrode, wie in 1 beschrieben, und die Speicherelektrode, wie in 2 beschrieben, die sich überdecken. Auch wenn in 3 nicht gezeigt, kann die Injektionselektrode mit einer Spannungsversorgung versehen ist. Insbesondere kann die Injektionselektrode auf der Rückseite der Statorscheibe eine Spannungsversorgung aufweisen.
Die Grenzen des ersten Messkondensators 120 sind durch die gestrichelten Linien 121 und 123 angedeutet. Der erste Messkondensator 120 wird geformt durch die erste Winkelsensorelektrode 220, wie in 1 beschrieben, und die erste Winkelgeberelektrode 320, wie in 2 beschrieben, die sich zumindest teilweise überdecken.
Eine Kondensatorplatte des Messkondensators wird durch die Vielzahl von N1 Messzellen der ersten Winkelsensorelektrode, wie in 1 beschrieben, geformt. In der gezeigten Ausführungsform umfasst die erste Winkelsensorelektrode N1=40 Messzellen. Die radialen Grenzen der Messzellen der erste Winkelsensorelektrode sind durch die gestrichelten Linien 121, 122 und 123 angedeutet. Exemplarisch sind die Grenze zwischen zwei Messzellen, die auf einem Kreisring liegen, durch die durchgezogenen Linien 124 und 126 angedeutet.
Die gegenüberliegende Kondensatorplatte des ersten Messkondensators 120 wird durch die erste Winkelgeberelektrode, wie in 2 beschrieben, geformt. Die Grenzen der Winkelgeberelektrode sind durch die durchgezogene Linien 125 und 127 angezeigt.
Der erste Messkondensator 120 umfasst L=5 Messsegmente, wobei jedes Messsegment eine Vielzahl von M=8 Kondensatorelementen 1 bis 8 aufweiset. In 3 ist beispielsweise das Kondensatorsegment 128 angedeutet, dass durch die durchgezogene Linien 124, 125, 126 und 127 begrenzt wird. Das Kondensatorsegment 128 des ersten Messkondensators 120 umfasst je eines der Kondensatorelemente 1 bis 8.
Die Grenzen des zweiten Messkondensators 130 sind durch die gestrichelten Linien 131 und 133 angedeutet. Der zweite Messkondensator 130 wird geformt durch die zweite Winkelsensorelektrode 230, wie in 1 beschrieben, und die zweite Winkelgeberelektrode 330, wie in 2 beschrieben, die sich zumindest teilweise überdecken.
Eine Kondensatorplatte des Messkondensators wird durch die Vielzahl von N2 Messzellen der zweiten Winkelsensorelektrode, wie in 1 beschrieben, geformt. In der gezeigten Ausführungsform umfasst die zweite Winkelsensorelektrode N2=56 Messzellen. Die radialen Grenzen der Messzellen der zweiten Winkelsensorelektrode sind durch die gestrichelten Linien 131, 132 und 133 angedeutet. Exemplarisch sind Grenze zwischen 2 Messzellen, die auf einem Kreisring liegen, durch die durchgezogenen Linien 134 und 136 indiziert.
Die gegenüberliegende Kondensatorplatte des zweiten Messkondensators 130 wird durch die zweite Winkelgeberelektrode, wie in 2 beschrieben, geformt. Die Grenzen der Winkelgeberelektrode sind durch die durchgezogene Linien 135 und 137 angezeigt.
Der zweite Messkondensator 130 umfasst L=7 Messsegmenten, wobei jedes Messsegment eine Vielzahl von M=8 Kondensatorelementen 1 bis 8 aufweiset. In 3 wird beispielsweise eines der sieben Kondensatorsegment des zweiten Messkondensators durch die durchgezogene Linien 134, 135, 136 und 137 begrenzt. Dieses Kondensatorsegment des zweiten Messkondensators 130 umfasst, wie das Kondensatorsegment 128 des ersten Messkondensators 120, je eines der Kondensatorelemente 1 bis 8.
Entsprechend einer Ausführungsform sind gleiche Kondensatorelemente 1 bis 8 aller Kondensatorsegmente des ersten Messkondensators 120 elektrisch verbunden. Außerdem sind gleiche Kondensatorelemente 1 bis 8 aller Kondensatorsegmente des zweiten Messkondensators 130 elektrisch verbunden. Entsprechend der Ausführungsform gezeigt in 3 sind also die fünf Kondensatorelemente mit der gleichen relativen Lage in jedem der der fünf Messsegment (beispielsweise alle Kondensatorelement mit der Nummer 1) des ersten Messkondensators 120 elektrisch verbunden.
Am konkreten Beispiel aus 3 sind die fünf Kondensatorelemente mit dem Bezugsziechen 1 des ersten Messkondensators 120 elektrisch verbunden. Zusätzlich sind die fünf Kondensatorelemente mit dem Bezugszeichen 2 des ersten Messkondensators 120 elektrisch verbunden, usw. Ferner sind die sieben Kondensatorelemente mit dem Bezugszeichen 1 des zweiten Messkondensators 120 elektrisch verbunden. Außerdem sind die sieben Kondensatorelemente mit dem Bezugszeichen 2 des zweiten Messkondensators 130 elektrisch verbunden, usw.
Wie in 3 gezeigt, haben gleich nummerierte Kondensatorelemente des ersten Messkondensators 120 gleiche Überdeckungsfläche. Außerdem haben gleich nummerierte Kondensatorelemente des zweiten Messkondensators 130 gleiche Überdeckungsflächen. Es werden also die Kondensatorelemente eines Messkondensators elektrisch verbunden, die gleiche Überdeckungsfläche aufweisen. Da diese Elemente den gleichen theoretischen Messwert liefern, kann somit das Messsignal verstärkt werden. Außerdem können somit Fehler, beispielsweise verursacht durch eine ungenaue mechanische Ausrichtung des Stators zum Rotor, reduziert oder sogar vermieden werden. Außerdem können somit Fehler durch externe elektrische Felder, beispielsweise inhomogene elektrische Felder, reduziert oder sogar vermieden werden.
Im Folgenden wird eines der Messsegmente betrachtet, beispielsweise Messsegment 128. Insbesondere gelten die folgenden Betrachtungen für die Messsegmente des ersten Messkondensators 120 sowie für die Messsegmente des zweiten Messkondensators 130.
Jedes der Kondensatorelemente 1 bis 8 eines Kondensatorsegments ist mit einem Kapazitätssensor verbindbar. Über eine Messung der Spannung kann gefolgert werden, welche Kapazität jedes der Kondensatorelement 1 bis 8 aufweist. Insbesondere zeigt 3, dass die Überdeckungsfläche innerhalb eines Kondensatorsegments für jedes Kondensatorelement vom Winkel α (erster Messkondensator) oder β (zweiter Messkondensator) abhängen. Insbesondere erfolgt dies aus dem Zusammenspiel von Winkelgeberelektrode und Winkelsensorelektrode. Die zugrundeliegende Funktion, hier die Sinusschwingung, mit der der Kreisring der Winkelgeberelektrode moduliert ist, überdeckt einen Winkelbereich. Beispielsweise im Fall des ersten Messkondensators 360°/5= 72°. Jedes Messsegment bestehend aus 8 Messzellen überdeckt den gleichen Winkelbereich. Beispielsweise im Fall des ersten Messkondensators auch 360°/5= 72°.
In 3 ist der eine feste Rotorposition zur Statorpoition gezeigt. In diesem Fall (eine erste Winkelstellung) sind die Überdeckungsfläche, und damit die Kapazität, der Kondensatorelemente 1 und 3 geringer als die Überdeckungsfläche, und damit die Kapazität, der Kondensatorelemente 5 und 7. Wenn sich die Rotorscheibe gegenüber der Statorscheibe dreht, ändern sich die Überdeckungsflächen und damit die Kapazität der Kondensatorelemente 1, 3, 5 und 7. Diese Kapazitätsänderung führt zu einer Spannungsänderung. Die gleichen Überlegungen gelten für die Kondensatorelemente 2,4, 6 und 8. Dem Fachmann ist klar, dass ein Segment nicht notwendigerweise aus 8 Kondensatorelementen bestehen muss.
Entsprechend einer besonders vorteilhaften Ausführungsform werden die acht Kondensatoren eines Kondensatorsegments miteinander verschaltet. Dabei werden Messpaare, wie bereits mit Bezug zu 1 beschrieben, gebildet. Insbesondere werden die Kondensatorelemente, die gleiche Kapazitäten in Abhängigkeit vom Drehwinkel aufweisen, parallelgeschalte.
In dem Beispiel, das in 3 gezeigt ist, werden die Kapazitäten der Kondensatorelemente 1 und 6 parallelgeschaltet und bilden die Kapazität C16. Außerdem werden die Kapazitäten der Kondensatorelemente 2 und 5 parallelgeschaltet und bilden die Kapazität C25. Ferner werden die Kapazitäten der Kondensatorelemente 3 und 8 parallelgeschaltet und bilden die Kapazität C38. Schließlich werden die Kapazitäten der Kondensatorelemente 4 und 7 parallelgeschaltet und bilden die Kapazität C47.
Durch Bilden von Kondensatorpaaren, die jeweils radial versetzt zueinander sind, können Fehler vermieden werden und der Messung wird robuster. Diese Verbindung wird beispielsweise in 1 durch die Verbindung der Messzellen, die das zweite Paar von Messzellen 221 und 223 der ersten Winkelsensorelektrode oder das zweite Paar von Messzellen 231 und 233 der zweiten Winkelsensorelektrode, beschrieben.
Zusätzlich wird ein Signal durch den Vergleich der Differenzen der Spannungen von je zwei parallelgeschalteten Kondensatorpaaren detektiert. Anhand der Ausführungsform von parallelgeschalteten Kondensatorpaaren ergibt sich dann für das Signal, das von zwei Sensoren gemessen wird: $A sin α = V_{C16} - V_{C25}$
und $A' cos α = V_{C38} - V_{C47},$
wobei α der Winkel zwischen Rotor und Stator ist und A und A' die Amplituden der beiden Sensoren sind. Im Idealfall ist A=A'. Falls A nicht gleich A' ist, werden entsprechend einer Ausführungsform die Amplituden durch einen Korrekturmechanismus in der Datenverarbeitung so korrigiert, dass sie gleich sind und damit die Werte der beiden Sensoren vergleichbar sind.
Insbesondere ist diese Signalführung besonderes tolerant gegenüber Störeinstrahlungen. Somit können Fehler vermieden werden und der Messung wird robuster. Dem Fachmann ist klar, dass auch anders eine differentielle Messung der Signale möglich ist. Beispielsweise könnte entsprechend einer alternativen nicht gezeigten Ausführungsform das Signal durch den Vergleich der Differenzen der Spannungen von einem ersten Paar von Messzellen 221 und 222, wie in 1 beschrieben, detektiert werden.
4 zeigt theoretische Werte für die Winkelbeziehung des Winkelsensors aus 3. Im oberen Graphen 400 ist die Signalstärke in Abhängigkeit von der mechanischen Drehposition des Rotors zum Stator.
Das Signal 402 ist nach Gleichung (1) für den ersten Messkondensator 120 ermittelt. Das zweite Signal 404 ist nach Gleichung (2) auch für den ersten Messkondensator 120 ermittelt. Insbesondere zeigt sich, dass beide Signale die Periode P1=5 des ersten Messkondensators 120 aufweisen.
Weiterhin zeigt der obere Graph 400 die Signale 406 und 408, die analog zu den Signalen 402 und 404 für den zweiten Messkondensator 130 ermittelt werden. Insbesondere zeigt sich, dass beide Signale 406 und 408 die Periode P2=7 des zweiten Messkondensators 130 aufweisen.
Im unteren Graphen 410 sind eine erste abgeleitete Größe 412, nämlich der Arkustangens der Signale 402 und 404, und eine zweite abgeleitete Größe 414, nämlich der Arkustangens der Signale 406 und 408, abgebildet.
Somit kann durch geeignete Verschaltung der 8 Messzellen eines Messsegments der Winkel besonders robust gemessen werden. Weiterhin kann durch zwei unabhängige Messungen des Winkels, nämlich mit dem ersten Messkondensator und dem zweiten Messkondensator, der Winkel besonders genau bestimmt werden. Insbesondere wenn die Perioden P1 und P2 teilerfremd sind, kann der Winkel interpoliert werden und die Messgenauigkeit kann gesteigert werden.
Dem Fachmann ist klar, dass durch weitere Messkondensatoren die Genauigkeit weiter gesteigert werden kann. Außerdem kann durch eine Erhöhung der Periode die Winkelauflösung gesteigert werden.
Allgemein wird die Ansteuer- und Auswerteelektronik, also die Spannungsversorgung und die Sensoren zum Messen des Winkels, am Stator angebracht. Alternativ kann die Elektronik aber auch am Rotor angebracht werden.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform kann ein Abschirmelement vorgesehen sein. Das Abschirmelement kann beispielsweise ein Gehäuse aus einem leitenden Material, wie Metall sein, in die die Winkelmesseinrichtung aufgenommen ist. Alternativ kann das Abschirmelement ein Gehäuseteil aus einem leitenden Material, wie Metall sein, in die der Rotor aufgenommen ist.
Dem Fachmann ist klar, dass die Winkelmessung auch ohne Interpolation absolut erfolgen kann. Ein Nullimpuls kann beispielsweise über die elektrische Verbindung 360 erfolgen.
Bezugszeichenliste

100: Winkelmesseinrichtung
110: Speicherkondensator
120: erste Messkondensator
121, 123: Grenze des ersten Messkondensator
122, 124, 126: Grenzen zwischen Messzellen des ersten Messkondensator
125, 127: Grenzen der Winkelgeberelektrode des ersten Messkondensator
128: Kondensatorsegment
130: zweite Messkondensator
131, 133: Grenze des zweiten Messkondensator
132, 134, 136: Grenzen zwischen Messzellen des zweiten Messkondensator
135, 137: Grenzen der Winkelgeberelektrode des zweiten Messkondensator
200: Statorscheibe
210: Injektionselektrode
220: erste Winkelsensorelektrode
221 - 223: Messzellen
230: zweite Winkelsensorelektrode
231 - 234: Messzellen
140, 240, 340: Rotationsachse
250, 350: Elektrisch isolierende Fläche
300: Rotorscheibe
310: Speicherelektrode
320: erste Winkelgeberelektrode
321: Segment der ersten Winkelgeberelektrode
330: zweite Winkelgeberelektrode
331: Segment der zweiten Winkelgeberelektrode
360: erste elektrische Verbindung
370: zweite elektrisch leitende Verbindung
380: Schwerpunkt
400, 10: Graphen
402, 404, 406, 408: Messsignal
412, 414: Abgeleitete Größe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10216376 A1 [0002]
DE 102010021367 A1 [0006]

Claims

Winkelmesseinrichtung (100) zur Bestimmung eines Winkels zwischen einem Rotor (300) und einem gegenüberliegenden Stator (300), wobei der Rotor (300) drehbar um eine Rotationsachse (340) zum Stator (200) angeordnet ist, die Winkelmesseinrichtung (100) umfassend: einen Speicherkondensator (110) mit einer Injektionselektrode (210), die am Stator (200) ausgebildet ist, und einer Speicherelektrode (310), die am Rotor (300) ausgebildet ist, wobei durch Anlegen einer Spannung an der Injektionselektrode (210) unabhängig vom Winkel zwischen dem Rotor (300) und dem Stator (200) eine Ladung in der Speicherelektrode (310) gespeichert wird, einen Messkondensator (120) mit einer Winkelsensorelektrode (220), die am Stator (200) ausgebildet ist, und einer Winkelgeberelektrode (320), die am Rotor (300) ausgebildet ist, wobei die Kapazität des Messkondensators (120) von dem Winkel zwischen dem Rotor (300) und dem Stator (200) abhängt, einem Sensor, der mit der Winkelsensorelektrode (220) verbunden ist, zum Messen der Kapazitätsänderung des Messkondensators (120), und wobei die Speicherelektrode (310) und die Winkelgeberelektrode (320) elektrisch leitend verbunden sind.
Winkelmesseinrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei die Injektionselektrode (210) und die Winkelsensorelektrode (220) auf einer Statorscheibe (200) angeordnet sind; die Speicherelektrode (310) und die Winkelgeberelektrode (320) auf einer Rotorscheibe (300) angeordnet sind; und wobei die Rotorscheibe (300) und die Statorscheibe (200) auf einer Welle drehbar um die Rotationsachse (140) angeordnet sind und die Rotorscheibe (300) und die Statorscheibe (200) in Richtung der Rotationsachse (140) versetzt sind.
Winkelmesseinrichtung (100) nach einem der Anspruch 1 oder 2, wobei die Kapazität des Messkondensators (120) von der Überdeckungsfläche der Winkelsensorelektrode (220) und der Winkelgeberelektrode (320) abhängt.
Winkelmesseinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, wobei die Injektionselektrode (210) als Kreisringsegment oder als Kreisring um die Rotationsachse (140) ausgebildet ist und/oder wobei die Speicherelektrode (310) als Kreisringsegment oder als Kreisring um die Rotationsachse (140) ausgebildet ist.
Winkelmesseinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Messkondensator (120) eine Vielzahl von N Kondensatorelementen (1 - 8) aufweist, wobei N eine ganze Zahl größer 1 ist; die Winkelsensorelektrode (220) aus einer Vielzahl von N Messzellen (221 bis 223) besteht und jede der N Messzellen elektrisch isoliert von der Vielzahl von N Messzellen am Stator (200) ausgebildet ist, wobei jede Messzelle und die Winkelgeberelektrode (320) je ein Kondensatorelement (1 - 8) bilden; und eine Vielzahl von M Sensoren, wobei M eine ganze Zahl größer 1 und kleiner oder gleich N ist und wobei jeder der M Sensoren mit zumindest einer der N Messzellen (221 bis 223) zum Messen der Kapazitätsänderung des Kondensatorelements verbunden ist.
Winkelmesseinrichtung (100) nach Anspruch 5, wobei die N Messzellen (221 bis 223) in L Messsegmenten (128) gruppiert sind, wobei jedes der L Messsegmente (128) K benachbart angeordnete Messzellen (221 bis 223) umfasst, wobei K und L ganze Zahlen größer 1 und kleiner N sind; und wobei jeder der M Sensoren mit L Messzellen verbunden ist.
Winkelmesseinrichtung (100) nach Anspruch 6, wobei jeder der M Sensoren jeweils einer der K Messzellen (221 bis 223) eines Messsegments zugeordnet ist.
Winkelmesseinrichtung (100) nach Ansprüche 5 bis 7, wobei zumindest ein Teil der N Messzellen (222, 223) kreisförmig um die Rotationsachse (240) angeordnet sind.
Winkelmesseinrichtung (100) nach Anspruch 5 bis 8, wobei je zwei Messzellen der Vielzahl von N Messzellen ein Messzellenpaar (221 und 223, 221 und 222) bilden, wobei die Messzellen eines Messzellenpaars zur Rotationsachse (240) radial versetzt voneinander angeordnet sind.
Winkelmesseinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei die Winkelgeberelektrode (320) als geschlossene Kurve um die Rotationsachse (340) ausgebildet ist.
Winkelmesseinrichtung (100)nach Anspruch 10, wobei die geschlossene Kurve ein Kreisring moduliert mit einer periodischen Funktion (321) der Periode P ist, wobei P eine ganze Zahl größer oder gleich 1 ist, und der Schwerpunkt der geschlossenen Kurve versetzt zur Rotationsachse (340) ist.
Winkelmesseinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Injektionselektrode (210) und die Winkelsensorelektrode (220) als gedruckte Strukturen auf einer Leiterplatte (250) gefertigt sind und/oder wobei die Speicherelektrode (310) und die Winkelgeberelektrode (320) als gedruckte Strukturen auf einer Leiterplatte (350) gefertigt sind, und/oder weiterhin umfassend eine Spannungsversorgung, die mit der Injektionselektrode ()210 verbunden ist.
Winkelmesseinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, weiterhin umfassend einen zweiten Messkondensator (230), mit einer zweiten Winkelsensorelektrode (230) nach einem der der Ansprüche 1, oder 5 bis 9, die am Stator (200) ausgebildet ist, und eine zweite Winkelgeberelektrode (330) nach einem der Ansprüche 1,10 oder 11, die am Rotor (300) ausgebildet ist, wobei die Kapazität des zweiten Messkondensators vom Winkel zwischen dem Rotor (300) und dem Stator (200) abhängt, und wobei die Speicherelektrode (310) und die zweite Winkelgeberelektrode (330) elektrisch leitend verbunden sind.
Winkelmesseinrichtung (100) nach Ansprüchen 11 und 13, wobei die Periode P1 der ersten Winkelgeberelektrode (320) und die Periode P2 der Winkelgeberelektrode (330) teilerfremd sind.
Verfahren zur Bestimmung eines Winkels zwischen einem Rotor (200) und eines gegenüberliegenden Stators (300), wobei der Rotor (200) drehbar um eine Rotationsachse (340) zum Stator (200) angeordnet ist, das Verfahren die Schritte umfassend: Bereitstellen eines Speicherkondensators (110) mit einer Injektionselektrode (210), die am Stator (200) ausgebildet ist, und einer Speicherelektrode (310), die am Rotor (300) ausgebildet ist, Bereitstellen eines Messkondensator (120) mit einer Winkelsensorelektrode (220), die am Stator (200) ausgebildet ist, und eine Winkelgeberelektrode (320), die am Rotor (300) ausgebildet ist, wobei die Kapazität des Messkondensators (120) vom Winkel zwischen dem Rotor (300) und dem Stator (200) abhängt Bereitstellen einer elektrisch leitenden Verbindung (260) zwischen der Speicherelektrode (310) und der Winkelgeberelektrode (320), Anlegen einer Spannung an der Injektionselektrode (210) zum gegenpoligen Aufladen der Speicherelektrode (310), Messen der Kapazitätsänderung des Messkondensators (120).