DE102019106525A1 - Capacitive rotation angle sensor - Google Patents

Capacitive rotation angle sensor Download PDF

Info

Publication number
DE102019106525A1
DE102019106525A1 DE102019106525.9A DE102019106525A DE102019106525A1 DE 102019106525 A1 DE102019106525 A1 DE 102019106525A1 DE 102019106525 A DE102019106525 A DE 102019106525A DE 102019106525 A1 DE102019106525 A1 DE 102019106525A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
electrode
rotation angle
angle sensor
capacitor
rotation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102019106525.9A
Other languages
German (de)
Inventor
Mario Ruoff
Patrik Schretzlmaier
Martin Winker
Johannes Eisenring
Robert KASTNER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MinebeaMitsumi Inc
Original Assignee
MinebeaMitsumi Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MinebeaMitsumi Inc filed Critical MinebeaMitsumi Inc
Priority to DE102019106525.9A priority Critical patent/DE102019106525A1/en
Publication of DE102019106525A1 publication Critical patent/DE102019106525A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/24—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance
    • G01D5/241—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes
    • G01D5/2412—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes by varying overlap
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D2205/00—Indexing scheme relating to details of means for transferring or converting the output of a sensing member
    • G01D2205/70—Position sensors comprising a moving target with particular shapes, e.g. of soft magnetic targets
    • G01D2205/77—Specific profiles
    • G01D2205/773—Spiral profiles

Abstract

Kapazitiver Drehwinkelsensor zur Drehwinkelbestimmung, umfassend eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode, beabstandet zu der ersten Elektrode, wobei die zweite Elektrode in Bezug auf die erste Elektrode verdrehbar ist, wobei ein Umriss der zweiten Elektrode einen Umriss der ersten Elektrode überlappt, wobei die Überlappung durch Verdrehen der Elektroden in Bezug aufeinander änderbar ist und wobei eine Drehachse der zweiten Elektrode innerhalb des Umrisses der ersten Elektrode liegt.Capacitive angle of rotation sensor for determining the angle of rotation, comprising a first electrode, a second electrode, spaced apart from the first electrode, wherein the second electrode is rotatable with respect to the first electrode, wherein an outline of the second electrode overlaps an outline of the first electrode, the overlap through Rotation of the electrodes with respect to one another can be changed and wherein an axis of rotation of the second electrode lies within the outline of the first electrode.

Description

Gebietarea

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Drehwinkelsensor, umfassend eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, beabstandet zu der ersten Elektrode, wobei die zweite Elektrode in Bezug auf die erste Elektrode verdrehbar ist.The invention relates to a capacitive angle of rotation sensor, comprising a first electrode and a second electrode, spaced apart from the first electrode, the second electrode being rotatable with respect to the first electrode.

Hintergrundbackground

Zur Bestimmung von Drehwinkeln, werden unter anderem kapazitiven Drehwinkelsensoren eingesetzt. Bekannte kapazitive Drehwinkelsensoren, z.B. aus DE 42 32 116 A1 , haben allerdings den Nachteil, dass diejenige Sensorelektrode, die auf einem Bauteil aufgebracht wird, dessen Drehwinkel gemessen werden soll, stets leitend kontaktiert sein muss um z.B. mit dem Eingang einer Messvorrichtung verbunden werden zu können. Der Einsatz kapazitiver Drehwinkelsensoren zur Drehwinkelmessung ist daher aufwändig und kostenintensiv.Capacitive angle sensors are used to determine angles of rotation. Known capacitive rotation angle sensors, for example from DE 42 32 116 A1 , however, have the disadvantage that the sensor electrode that is applied to a component whose angle of rotation is to be measured must always be in conductive contact in order to be able to be connected to the input of a measuring device, for example. The use of capacitive rotation angle sensors to measure the rotation angle is therefore complex and costly.

Die Erfindung macht es sich zu Aufgabe, einen kapazitiven Drehwinkelsensor bereitzustellen, der diese Nachteile zumindest abmildert.It is an object of the invention to provide a capacitive rotation angle sensor which at least mitigates these disadvantages.

Kurzbeschreibung der ErfindungBrief description of the invention

Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.This object is achieved by the invention specified in the independent claims. Advantageous further developments can be found in the subclaims.

Erfindungsgemäß geschaffen ist ein kapazitiver Drehwinkelsensor, umfassend: eine erste Elektrode; eine zweite Elektrode, beabstandet zu der ersten Elektrode, wobei die zweite Elektrode in Bezug auf die erste Elektrode verdrehbar ist; wobei die zweite Elektrode die erste Elektrode überlappt, wobei die Überlappung durch Verdrehen der Elektroden relativ zueinander änderbar ist und wobei eine Drehachse der zweiten Elektrode innerhalb eines Umrisses der ersten Elektrode liegt.According to the invention, a capacitive rotation angle sensor is provided, comprising: a first electrode; a second electrode spaced from the first electrode, the second electrode being rotatable with respect to the first electrode; wherein the second electrode overlaps the first electrode, the overlap being changeable by rotating the electrodes relative to one another and wherein an axis of rotation of the second electrode lies within an outline of the first electrode.

Die Erfindung schafft einen Drehkondensator mit veränderlicher Kapazität, wobei durch eine Änderung der Überlappung der Elektrodenflächen der ersten und zweiten Elektroden die Kapazität des Drehkondensators variiert wird. Die Variation der Kapazität des Drehkondensators bildet ein Maß für einen zu bestimmenden Drehwinkel. Die Drehachse derjenigen Elektrode, die in Bezug auf die jeweils andere Elektrode verdrehbar ist, liegt dabei immer innerhalb der Elektrodenfläche der jeweils anderen Elektrode. Dadurch ergibt sich, dass es zumindest einen Bereich innerhalb der beiden Elektrodenflächen gibt, in dem sich die Elektrodenflächen der ersten und zweiten Elektrode stets überlappen. Dieser stets überlappende Bereich der Elektroden bildet einen ersten Kondensator. Der durch die Drehung der Elektroden vorgegebene Bereich in dem sich die Überlappung der Elektrodenflächen ändert, bildet einen zweiten Kondensator, der mit dem ersten Kondensator in Reihe geschaltet ist. Während der zweite Kondensator durch die Variation der Überlappung eine erste veränderliche Kapazität aufweist, die ein Maß für den Drehwinkel sein kann, kann der zweite Kondensator eine zweite, insbesondere von einem Drehwinkel unabhängige und konstante, Kapazität aufweisen und mit einem Massepotential verbunden sein. Durch die Reihenschaltung ist der zweite Kondensator durch den ersten Kondensator mit dem Massepotential verbunden. Daher muss der zweite Kondensator, also der eigentliche Meßkondensator, nicht elektrisch leitend mit dem Massepotential verbunden werden. Eine elektrische Kopplung kann daher entfallen. Der zweite Kondensator ist durch den ersten Kondensator rein kapazitiv mit dem Massepotential gekoppelt. Dadurch wird die Herstellung vereinfacht und ist kostengünstiger möglich.The invention provides a variable capacitor with variable capacitance, the capacitance of the variable capacitor being varied by changing the overlap of the electrode surfaces of the first and second electrodes. The variation in the capacitance of the variable capacitor forms a measure for a rotation angle to be determined. The axis of rotation of that electrode that can be rotated with respect to the respective other electrode is always within the electrode surface of the respective other electrode. This means that there is at least one area within the two electrode areas in which the electrode areas of the first and second electrodes always overlap. This always overlapping area of the electrodes forms a first capacitor. The region in which the overlap of the electrode surfaces changes, which is predetermined by the rotation of the electrodes, forms a second capacitor which is connected in series with the first capacitor. While the second capacitor has a first variable capacitance due to the variation of the overlap, which can be a measure of the angle of rotation, the second capacitor can have a second, in particular independent and constant, capacitance and be connected to a ground potential. As a result of the series connection, the second capacitor is connected to the ground potential through the first capacitor. The second capacitor, that is to say the actual measuring capacitor, therefore does not have to be connected to the ground potential in an electrically conductive manner. An electrical coupling can therefore be omitted. The second capacitor is coupled purely capacitively to the ground potential through the first capacitor. This simplifies production and is more cost-effective.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Umriss der ersten und der zweiten Elektrode jeweils spiral- und/oder schneckenförmig. Der Umriss der Elektroden ist der Umriss der Elektrodenflächen, auch Plattenschnitt genannt. Der Plattenschnitt steht für eine funktionale Abhängigkeit der Kapazität vom Drehwinkel. Durch die Wahl eines geeigneten Plattenschnittes/Umrisses ist eine eineindeutige Zuordnung von Kapazität zu Drehwinkel möglich. Die Zuordnung ist aber nur eindeutig, wenn der Umriss entsprechend gewählt wird. Ein spiral- insbesondere schneckenförmiger Umriss der beiden Elektroden bewirkt, dass die Kapazität des Drehkondensators, hier insbesondere des zweiten Kondensators, über 360 Grad hinweg stets unterschiedliche Werte annimmt. Jeder Winkel hat einen eigenen Kapazitätswert der eine Zuordnung eines Drehwinkels erlaubt. Ein spiral- oder schneckenförmiger Umriss erzeugt bei einer Verdrehung über 360 Grad eine sinusförmige Kapazitätsänderung und erlaubt daher durch Zeit- und Gradientenmessung die Bestimmung einer Position, bzw. des Drehwinkels der zweiten Elektrode relativ zu der ersten Elektrode. Spiral- oder schneckenförmig im Sinne der Anmeldung ist ein Umriss, wenn seine Einhüllende eine Spirale oder Schneckenlinie ist, die um einen Punkt oder eine Achse verläuft und sich je nach Betrachterperspektive von diesem/r entfernt oder annähert. Beispielsweise entspricht der Umriss der ersten und zweiten Elektrode einer ebenen Spirale z.B. einer archimedischen Spirale oder einer logarithmischen Spirale.In one embodiment of the invention, an outline of the first and the second electrode is each spiral and / or helical. The outline of the electrodes is the outline of the electrode surfaces, also called the plate section. The plate section stands for a functional dependence of the capacity on the angle of rotation. By choosing a suitable plate section / outline, a one-to-one assignment of capacitance to rotation angle is possible. The assignment is only clear if the outline is chosen accordingly. A spiral, in particular helical, contour of the two electrodes has the effect that the capacitance of the variable capacitor, here in particular the second capacitor, always assumes different values over 360 degrees. Each angle has its own capacitance value which allows an assignment of a rotation angle. A spiral or worm-shaped contour generates a sinusoidal change in capacitance when rotated over 360 degrees and therefore allows the determination of a position or the angle of rotation of the second electrode relative to the first electrode by means of time and gradient measurements. An outline is spiral or snail-shaped in the sense of the application if its envelope is a spiral or snail-line that runs around a point or an axis and, depending on the perspective of the observer, moves away from or approaches it. For example, the outline of the first and second electrodes corresponds to a plane spiral e.g. an Archimedean spiral or a logarithmic spiral.

In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die erste Elektrode ferner eine erste Elektrodenfläche und eine zweite Elektrodenfläche, wobei die erste Elektrodenfläche innerhalb der zweiten Elektrodenfläche angeordnet ist und von der zweiten Elektrodenfläche elektrisch isoliert ist. Dadurch ergibt sich die Reihenschaltung des ersten und des zweiten Kondensators. Die erste Elektrodenfläche bildet mit der Elektrodenfläche der zweiten Elektrode den ersten Kondensator. Die zweite Elektrodenfläche bildet mit der Elektrodenfläche der zweiten Elektrode den zweiten Kondensator. Dadurch wird die kapazitive Kopplung des zweiten Kondensators, sprich der zweiten Elektrode, mit dem Massepotential erreicht.In one embodiment of the invention, the first electrode further comprises a first electrode area and a second electrode area, the first electrode area being arranged within the second electrode area and from the second Electrode surface is electrically isolated. This results in the series connection of the first and the second capacitor. The first electrode area forms the first capacitor with the electrode area of the second electrode. The second electrode area forms the second capacitor with the electrode area of the second electrode. This achieves the capacitive coupling of the second capacitor, i.e. the second electrode, to the ground potential.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Elektrodenfläche konzentrisch um die Drehachse herum angeordnet. Die erste Elektrodenfläche ist dann die Fläche, das stets mit der Elektrodenfläche der zweiten Elektrode überlappt und den ersten Kondensator bildet.In one embodiment of the invention, the first electrode surface is arranged concentrically around the axis of rotation. The first electrode area is then the area which always overlaps with the electrode area of the second electrode and forms the first capacitor.

Insbesondere ist die erste Elektrodenfläche kreisförmig. Dadurch ergibt sich keine Änderung der Überlappung mit der Elektrodenfläche der zweiten Elektrode beim Verdrehen.In particular, the first electrode area is circular. As a result, there is no change in the overlap with the electrode surface of the second electrode during rotation.

In einer Ausgestaltung der Erfindung weist die erste Elektrode eine Isolationsfläche aufweist, welche zwischen der erste Elektrodenfläche und der zweiten Elektrodenfläche angeordnet ist und die erste Elektrodenfläche in Umfangsrichtung vollständig umschließt. So ist eine einfache Isolation des ersten und des zweiten Kondensators durch Beabstandung geschaffen. Dies vereinfacht die Herstellung weiter, weil keine zusätzlichen Isolatoren benötigt werden.In one embodiment of the invention, the first electrode has an insulation surface which is arranged between the first electrode surface and the second electrode surface and completely surrounds the first electrode surface in the circumferential direction. This creates a simple isolation of the first and the second capacitor by spacing them apart. This further simplifies production because no additional insulators are required.

In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die erste und/oder die zweite Elektrodenfläche durch Platten, Folien oder elektrisch leitfähige Schichten gebildet. Dadurch wird die Herstellung vereinfacht und kostengünstiger.In one embodiment of the invention, the first and / or the second electrode surface are formed by plates, foils or electrically conductive layers. This simplifies production and makes it cheaper.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die zweite Elektrode durch eine Folie oder eine elektrisch leitfähige Schicht gebildet. Die zweite Elektrode ist insbesondere auf ein bewegliches Glied, beispielsweise auf ein Zahnrad eines Aktuators, aufgebracht. Das bewegliche Glied kann einfach z.B. mit einer Folie beklebt werden. Dies vereinfacht die Herstellung weiter.In one embodiment of the invention, the second electrode is formed by a film or an electrically conductive layer. The second electrode is in particular applied to a movable member, for example to a gearwheel of an actuator. The movable member can simply e.g. can be covered with a film. This further simplifies production.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Elektrode in eine Leiterplatte integriert. Insbesondere kann die erste Elektrode in eine Leiterplatte einlaminiert oder insbesondere galvanisch oder chemisch auf eine Leiterplatte aufgebracht sein. Die erste Elektrode ist daher als Teil einer Leiterplatte herstellbar. Dadurch kann die Herstellung vereinfacht werden.In one embodiment of the invention, the first electrode is integrated into a circuit board. In particular, the first electrode can be laminated into a circuit board or, in particular, can be applied galvanically or chemically to a circuit board. The first electrode can therefore be manufactured as part of a printed circuit board. This can simplify production.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Überlappung der ersten Elektrodenfläche der ersten Elektrode mit der zweiten Elektrode bei einer relativen Drehbewegung der Elektroden zueinander, insbesondere bei einem Verdrehen der zweiten Elektrode relativ zu der ersten Elektrode, konstant. Die erste Elektrodenfläche der ersten Elektrode bildet zusammen mit der Elektrodenfläche der zweiten Elektrode einen Plattenkondensator konstanter Kapazität. Dadurch kann eine konstante kapazitive Kopplung eines Messsystems mit dem Massepotential erreicht werden. Diese ist notwendig, weil die zweite Elektrode auf dem beweglichen Teil, z.B. auf einem Aktuatorzahnrad sitzt und nicht mit dem Massepotential koppelbar ist. Die erste Elektrodenfläche der ersten Elektrode bildet also zusammen mit der Elektrodenfläche der zweiten Elektrode einen Referenzkondensator zur Messung der veränderlichen Kapazität eines zweiten Plattenkondensators, der durch die zweite Elektrodenfläche der ersten Elektrode und der Elektrodenfläche der zweiten Elektrode gebildet ist.In one embodiment of the invention, the overlap of the first electrode surface of the first electrode with the second electrode is constant when the electrodes are rotated relative to one another, in particular when the second electrode is rotated relative to the first electrode. The first electrode surface of the first electrode together with the electrode surface of the second electrode forms a plate capacitor of constant capacitance. A constant capacitive coupling of a measuring system with the ground potential can thereby be achieved. This is necessary because the second electrode is on the moving part, e.g. sits on an actuator gear and cannot be coupled to the ground potential. The first electrode surface of the first electrode thus forms, together with the electrode surface of the second electrode, a reference capacitor for measuring the variable capacitance of a second plate capacitor, which is formed by the second electrode surface of the first electrode and the electrode surface of the second electrode.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Stelltrieb, insbesondere ein Aktuator in einem Fahrzeug, geschaffen, der Stelltrieb umfassend: ein erstes Glied, insbesondere eine Leiterplatte; ein zweites Glied, insbesondere ein Zahnrad; und einen Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1-10, wobei das erste Glied die erste Elektrode umfasst und das zweite Glied die zweite Elektrode umfasst. Der erfindungsgemäße Stelltrieb macht es sich zunutze, dass die zweite Elektrode auf einem beweglichen Glied angeordnet sein kann und z.B. als Folie aufbringbar ist, und nicht elektrisch leitend kontaktiert werden muss, sondern rein kapazitiv mit dem Massepotential verbunden ist.According to a further aspect of the invention, an actuator, in particular an actuator in a vehicle, is created, the actuator comprising: a first member, in particular a printed circuit board; a second member, in particular a gear; and a rotation angle sensor according to any one of claims 1-10, wherein the first member comprises the first electrode and the second member comprises the second electrode. The actuator according to the invention makes use of the fact that the second electrode can be arranged on a movable member and e.g. can be applied as a film, and does not have to be contacted in an electrically conductive manner, but is connected purely capacitively to the ground potential.

FigurenlisteFigure list

Anhand der beigefügten Zeichnungen ist eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:

  • die 1a und 1b, beispielhafte Elektroden eines Drehwinkelsensors gemäß der Erfindung;
  • die 2a und 2b, die beispielhaften Elektroden gemäß 1 in verschiedenen Verdrehpositionen;
  • die 3, ein Ersatzschaltbild eines erfindungsgemäßen Drehwinkelsensors;
  • die 4, eine graphische Darstellung einer veränderlichen Kapazität eines erfindungsgemäßen Drehwinkelsensors über einem Drehwinkel.
An exemplary embodiment of the invention is described in more detail with reference to the accompanying drawings. Show it:
  • the 1a and 1b , exemplary electrodes of a rotation angle sensor according to the invention;
  • the 2a and 2 B , the exemplary electrodes according to 1 in different twisting positions;
  • the 3 , an equivalent circuit diagram of a rotation angle sensor according to the invention;
  • the 4th , a graphical representation of a variable capacitance of a rotation angle sensor according to the invention over a rotation angle.

FigurenbeschreibungFigure description

1a zeigt eine beispielhafte erste Elektrode 1 eines Drehwinkelsensors 2 gemäß der Erfindung. Die erste Elektrode 1 weist einen spiral- oder schneckenförmigen Umriss 3 auf. Die erste Elektrode 1 bildet eine erste Platte eines Drehkondensators. Die erste Elektrode 1 weist eine erste Elektrodenfläche 4 und eine zweite Elektrodenfläche 5 auf. Die erste Elektrode 1 weist eine Isolationsfläche 6 auf, welche zwischen der erste Elektrodenfläche 4 und der zweiten Elektrodenfläche 5 angeordnet ist. Die Isolationsfläche 6 umschließt die erste Elektrodenfläche 4 in Umfangsrichtung vollständig. Die erste Elektrodenfläche 4 ist kreisförmig ausgebildet und von der Isolationsfläche 6 umschlossen, welche ringförmig ausgebildet ist. Das erste Elektrodenfläche 4 ist konzentrisch zu einer Drehachse 7 angeordnet. Die erste Elektrodenfläche 4 ist durch die Isolationsfläche 6 von der zweite Elektrodenfläche 5 getrennt und von der zweiten Elektrodenfläche 5 radial äquidistant beabstandet. Die erste Elektrodenfläche 4 ist durch die Beabstandung gegen die zweite Elektrodenfläche 5 elektrisch isoliert. 1a shows an exemplary first electrode 1 a rotation angle sensor 2 according to the invention. The first electrode 1 has a spiral or helical outline 3 on. The first electrode 1 forms a first plate of a variable capacitor. The first electrode 1 has a first electrode surface 4th and a second electrode area 5 on. The first electrode 1 has an isolation area 6th on, which is between the first electrode surface 4th and the second electrode area 5 is arranged. The isolation area 6th encloses the first electrode area 4th completely in the circumferential direction. The first electrode area 4th is circular and separated from the isolation surface 6th enclosed, which is annular. The first electrode area 4th is concentric to an axis of rotation 7th arranged. The first electrode area 4th is through the isolation area 6th from the second electrode area 5 separated and from the second electrode surface 5 radially equidistantly spaced. The first electrode area 4th is due to the spacing from the second electrode surface 5 electrically isolated.

1b zeigt eine beispielhafte zweite Elektrode 8 eines Drehwinkelsensors 2 gemäß der Erfindung. Die zweite Elektrode 8 weist denselben spiral- oder schneckenförmigen Umriss 3 auf wie die erste Elektrode 1. Die Umrisse 3 der ersten und zweiten Elektroden 1,8 sind deckungsgleich. Die zweite Elektrode 8 ist durch eine elektrisch leitende Folie gebildet. 1b shows an exemplary second electrode 8th a rotation angle sensor 2 according to the invention. The second electrode 8th has the same spiral or helical outline 3 like the first electrode 1 . The Outlines 3 the first and second electrodes 1 , 8th are congruent. The second electrode 8th is formed by an electrically conductive film.

2a zeigt die erste und die zweite Elektrode 1,8 gemäß den 1a und 1b in einer ersten Verdrehposition. Die Umrisse 3 der erste und der zweiten Elektrode 1,8 sind vollständig kongruent. Ein Verdrehwinkel α um die Drehachse 7 ist Null. Die erste und die zweite Elektrode 1,8 bilden einen Plattenkondensator mit veränderlicher Kapazität. Die erste Elektrodenfläche 4 der ersten Elektrode 1 bildet zusammen mit der zweiten Elektrode 8 einen ersten Kondensator 9 konstanter Kapazität. Die erste Elektrodenfläche 4 der ersten Elektrode 1 ist leitend mit einem Massepotential 17 verbunden. Die zweite Elektrodenfläche 5 der ersten Elektrode 1 bildet zusammen mit der zweiten Elektrode 8 einen zweiten Kondensator 10 mit variabler Kapazität. 2a shows the first and second electrodes 1 , 8th according to the 1a and 1b in a first twisted position. The Outlines 3 the first and second electrodes 1 , 8th are completely congruent. A twist angle α around the axis of rotation 7th is zero. The first and second electrodes 1 , 8th form a plate capacitor with variable capacitance. The first electrode area 4th the first electrode 1 forms together with the second electrode 8th a first capacitor 9 constant capacity. The first electrode area 4th the first electrode 1 is conductive with a ground potential 17th connected. The second electrode area 5 the first electrode 1 forms together with the second electrode 8th a second capacitor 10 with variable capacity.

2b zeigt die erste und die zweite Elektrode 1,8 gemäß den 2a in einer zweiten Verdrehposition um die Drehachse 7. Die zweite Elektrode 8 ist in Bezug auf die erste Elektrode 1 um einen Winkel α verdreht. Die Überlappung der ersten Elektrodenfläche 4 der ersten Elektrode 1 mit der zweiten Elektrode 8 ist bei jedem Verdrehwinkel α konstant. Dadurch ergibt sich, dass der erste Kondensator 9 eine konstante Kapazität hat. Die Überlappung der zweiten Elektrodenfläche 5 der ersten Elektrode 1 mit der zweiten Elektrode 8 ist entlang des Verdrehwinkels α veränderlich. Dadurch ergibt sich, dass der zweite Kondensator 10 eine variable Kapazität hat. Der Wert der variablen Kapazität des zweiten Kondensators 10, der ein Maß für Verdrehwinkel α ist, ist von der Überlappung abhängig. Die Überlappung ist von den Umrissen der ersten und zweiten Elektroden 1,8 abhängig. 2 B shows the first and second electrodes 1 , 8th according to the 2a in a second rotational position about the axis of rotation 7th . The second electrode 8th is with respect to the first electrode 1 rotated by an angle α. The overlap of the first electrode area 4th the first electrode 1 with the second electrode 8th is constant at every twist angle α. This results in the first capacitor 9 has a constant capacity. The overlap of the second electrode area 5 the first electrode 1 with the second electrode 8th is variable along the angle of rotation α. This results in the second capacitor 10 has a variable capacity. The value of the variable capacitance of the second capacitor 10 , which is a measure of the angle of rotation α, depends on the overlap. The overlap is from the outline of the first and second electrodes 1 , 8th dependent.

3 zeigt ein Ersatzschaltbild eines erfindungsgemäßen Drehwinkelsensors 2. Zur Verdeutlichung ist das Ersatzschaltbild in Überlagerung der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 8 dargestellt. Das Ersatzschaltbild zeigt den ersten Kondensator 9 mit konstanter Kapazität und den zweiten Kondensator 10 mit variabler Kapazität. Zudem zeigt das Ersatzschaltbild eine parasitäre Kapazität 11, die in jeder praktische Anwendung des Drehwinkelsensors 2 auftritt. Der erste Kondensator 9 ist zwischen dem Massepotential 17 und dem zweiten Kondensator 10 gekoppelt. Der zweite Kondensator 10 ist zwischen dem ersten Kondensator 9 und einem Messausgang 12 gekoppelt, welcher beispielsweise mit einem Eingang eines Mikrokontrollers verbunden sein kann. Die mit dem Massepotential 17 gekoppelte Elektrode 13 des ersten Kondensators 9 entspricht dabei der ersten Elektrodenfläche 4 der ersten Elektrode 1. Die mit dem zweiten Kondensator 10 gekoppelte Elektrode 14 des ersten Kondensators 9 entspricht der zweiten Elektrode 8, bzw. einem Bereich auf der zweiten Elektrode 8, der einer Projektion der ersten Elektrodenfläche 4 der ersten Elektrode 1 auf die zweite Elektrode 8 entspricht. Die mit dem ersten Kondensator 9 gekoppelte Elektrode 15 des zweiten Kondensators 10 entspricht der zweiten Elektrode 8. Die mit dem Messausgang 12 gekoppelte Elektrode 16 des zweiten Kondensators 10 entspricht der zweiten Elektrodenfläche 5 der ersten Elektrode 1. Dadurch ist die zweite Elektrode 8 über den ersten Kondensator 9 mit dem Massepotential 17 gekoppelt. 3 shows an equivalent circuit diagram of a rotation angle sensor according to the invention 2 . For clarification, the equivalent circuit is superimposed on the first electrode 1 and the second electrode 8th shown. The equivalent circuit shows the first capacitor 9 constant capacitance and the second capacitor 10 with variable capacity. In addition, the equivalent circuit shows a parasitic capacitance 11 that is used in every practical application of the rotation angle sensor 2 occurs. The first capacitor 9 is between the ground potential 17th and the second capacitor 10 coupled. The second capacitor 10 is between the first capacitor 9 and a measurement output 12 coupled, which can for example be connected to an input of a microcontroller. The one with the ground potential 17th coupled electrode 13 of the first capacitor 9 corresponds to the first electrode area 4th the first electrode 1 . The one with the second capacitor 10 coupled electrode 14th of the first capacitor 9 corresponds to the second electrode 8th , or an area on the second electrode 8th , that of a projection of the first electrode area 4th the first electrode 1 on the second electrode 8th corresponds. The one with the first capacitor 9 coupled electrode 15th of the second capacitor 10 corresponds to the second electrode 8th . The one with the measurement output 12 coupled electrode 16 of the second capacitor 10 corresponds to the second electrode area 5 the first electrode 1 . This is the second electrode 8th through the first capacitor 9 with the ground potential 17th coupled.

4 zeigt eine graphische Darstellung der veränderlichen Kapazität des zweiten Kondensators 10 des erfindungsgemäßen Drehwinkelsensors 2 über einem Verdrehwinkel α. Durch die Wahl eines spiral- oder schneckenförmigen Umrisses 3 der ersten und zweiten Elektroden 1,8 ändert sich bei einer Verdrehung die Überlappung zwischen der zweiten Elektrodenfläche 5 und der zweiten Elektrode 8 sinusförmig. Dementsprechend ändert sich auch die Kapazität des zweiten Kondensators 10 sinusförmig und liefert so ein Maß für den Verdrehwinkel α. 4th Figure 12 shows a graph of the variable capacitance of the second capacitor 10 of the rotation angle sensor according to the invention 2 over a twist angle α. By choosing a spiral or helical outline 3 the first and second electrodes 1 , 8th the overlap between the second electrode surface changes with a rotation 5 and the second electrode 8th sinusoidal. The capacitance of the second capacitor also changes accordingly 10 sinusoidal and thus provides a measure for the angle of rotation α.

5 zeigt zwei Ansichten eines beispielhaften Stellantriebs 18. Der Stellantrieb 18 umfasst einen Elektromotor 18 und ein von dem Elektromotor 18 angetriebenes Zahnradgetriebe 24. Der Stellantrieb 18 weist einen Drehwinkelsensor 2 gemäß den 1 bis 3 auf. Die erste Elektrode 1 des Drehwinkelsensors 2 ist an einem ersten Glied 19 des Stellantriebs 18 angeordnet. Das erste Glied 19 des Stellantriebs 18 ist als eine Leiterplatte 26 ausgebildet. Die zweite Elektrode 8 des Drehwinkelsensors 2 ist an einem zweiten Glied 20 des Stellantriebs 18 angeordnet, welches während eines Betriebs des Stellantriebs 18 relativ zu dem ersten Glied 19 des Stellantriebs 18 rotiert. Das zweite Glied 20 des Stellantriebs 18 ist als ein Zahnrad 25 des Zahnradgetriebes 24 ausgebildet, welches während eines Betriebs des Stellantriebs 18 relativ zu der Leiterplatte 26 rotiert. 5 shows two views of an exemplary actuator 18th . The actuator 18th includes an electric motor 18th and one from the electric motor 18th driven gear transmission 24 . The actuator 18th has a rotation angle sensor 2 according to the 1 to 3 on. The first electrode 1 of the rotation angle sensor 2 is on a first link 19th of the actuator 18th arranged. The first link 19th of the actuator 18th is called a circuit board 26th educated. The second electrode 8th of the rotation angle sensor 2 is on a second link 20th of the actuator 18th arranged, which during operation of the actuator 18th relative to the first term 19th of the actuator 18th rotates. The second link 20th of the actuator 18th is as a gear 25th of the gear transmission 24 formed, which during operation of the actuator 18th relative to the circuit board 26th rotates.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
erste Elektrodefirst electrode
22
DrehwinkelsensorRotation angle sensor
33
spiral- oder schneckenförmiger Umrissspiral or helical outline
44th
erste Elektrodenflächefirst electrode area
55
zweite Elektrodenflächesecond electrode surface
66th
AusnehmungRecess
77th
DrehachseAxis of rotation
88th
zweite Elektrodesecond electrode
99
Kondensator konstantCapacitor constant
1010
Kondensator variabelVariable capacitor
1111
parasitäre Kapazitätparasitic capacitance
1212
MessausgangMeasurement output
1313
Elektrodeelectrode
1414th
Elektrodeelectrode
1515th
Elektrodeelectrode
1616
Elektrodeelectrode
1717th
MassepotentialGround potential
1818th
StellantriebActuator
1919th
Gliedelement
2020th
Gliedelement
2222nd
ElektromotorElectric motor
2424
ZahnradgetriebeGear transmission
2525th
Zahnradgear
2626th
LeiterplatteCircuit board

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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.This list of the documents listed by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 4232116 A1 [0002]DE 4232116 A1 [0002]

Claims (11)

Kapazitiver Drehwinkelsensor (2) umfassend: eine erste Elektrode (1); eine zweite Elektrode (8), beabstandet zu der ersten Elektrode (1), wobei die zweite Elektrode (8) in Bezug auf die erste Elektrode (1) verdrehbar ist; wobei die zweite Elektrode (8) die erste Elektrode (1) überlappt, wobei die Überlappung durch Verdrehen der Elektroden (1,8) relativ zueinander änderbar ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehachse (7) der zweiten Elektrode (8) innerhalb eines Umrisses der ersten Elektrode (1) liegt.A capacitive angle of rotation sensor (2) comprising: a first electrode (1); a second electrode (8) at a distance from the first electrode (1), the second electrode (8) being rotatable with respect to the first electrode (1); wherein the second electrode (8) overlaps the first electrode (1), wherein the overlap can be changed by rotating the electrodes (1,8) relative to one another, characterized in that an axis of rotation (7) of the second electrode (8) within an outline of first electrode (1). Drehwinkelsensor (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Umriss (3) der ersten und der zweiten Elektrode (1,8) spiral- und/oder schneckenförmig ist.Rotation angle sensor (2) Claim 1 , characterized in that an outline (3) of the first and the second electrode (1,8) is spiral and / or helical. Drehwinkelsensor (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (1) ferner folgendes umfasst: eine erste Elektrodenfläche (4); und eine zweite Elektrodenfläche (5); wobei die erste Elektrodenfläche (4) innerhalb der zweiten Elektrodenfläche (5) angeordnet ist und von der zweiten Elektrodenfläche (5) elektrisch isoliert ist.Rotation angle sensor (2) Claim 1 or 2 , characterized in that the first electrode (1) further comprises: a first electrode surface (4); and a second electrode surface (5); wherein the first electrode surface (4) is arranged within the second electrode surface (5) and is electrically isolated from the second electrode surface (5). Drehwinkelsensor (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrodenfläche (4) konzentrisch um die Drehachse (7) herum angeordnet ist.Rotation angle sensor (2) Claim 3 , characterized in that the first electrode surface (4) is arranged concentrically around the axis of rotation (7). Drehwinkelsensor (2) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrodenfläche (4) kreisförmig ist.Rotation angle sensor (2) Claim 3 or 4th , characterized in that the first electrode surface (4) is circular. Drehwinkelsensor (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (1) eine Isolationsfläche (6) aufweist, welche zwischen der erste Elektrodenfläche (4) und der zweiten Elektrodenfläche (5) angeordnet ist und die erste Elektrodenfläche (4) in Umfangsrichtung vollständig umschließt.Rotation angle sensor (2) according to one of the Claims 3 to 5 , characterized in that the first electrode (1) has an insulating surface (6) which is arranged between the first electrode surface (4) and the second electrode surface (5) and completely surrounds the first electrode surface (4) in the circumferential direction. Drehwinkelsensor (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Elektrodenfläche (4,5) durch Platten, Folien oder elektrisch leitfähige Schichten gebildet sind.Rotation angle sensor (2) according to one of the Claims 3 to 6th , characterized in that the first and / or the second electrode surface (4, 5) are formed by plates, foils or electrically conductive layers. Drehwinkelsensor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (8) durch eine Folie oder eine elektrisch leitfähige Schicht gebildet istRotation angle sensor (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the second electrode (8) is formed by a film or an electrically conductive layer Drehwinkelsensor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (1) in eine Leiterplatte integriert ist.Rotation angle sensor (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the first electrode (1) is integrated in a printed circuit board. Drehwinkelsensor (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlappung der ersten Elektrodenfläche (4) mit der zweiten Elektrode (8) bei einer relativen Drehbewegung der Elektroden (1, 8) zueinander konstant ist.Rotation angle sensor (2) according to one of the Claims 3 to 7th , characterized in that the overlap of the first electrode surface (4) with the second electrode (8) is constant when the electrodes (1, 8) are rotated relative to one another. Stelltrieb, insbesondere Aktuator in einem Fahrzeug, umfassend: ein erstes Glied (19); ein zweites Glied (20); und einen Drehwinkelsensor (2) nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Glied die erste Elektrode (1) umfasst und das zweite Glied die zweite Elektrode (8) umfasst.A servo drive, in particular an actuator in a vehicle, comprising: a first member (19); a second member (20); and a rotation angle sensor (2) according to one of the Claims 1 - 10 , characterized in that the first member comprises the first electrode (1) and the second member comprises the second electrode (8).
DE102019106525.9A 2019-03-14 2019-03-14 Capacitive rotation angle sensor Pending DE102019106525A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019106525.9A DE102019106525A1 (en) 2019-03-14 2019-03-14 Capacitive rotation angle sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019106525.9A DE102019106525A1 (en) 2019-03-14 2019-03-14 Capacitive rotation angle sensor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102019106525A1 true DE102019106525A1 (en) 2020-09-17

Family

ID=72240995

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102019106525.9A Pending DE102019106525A1 (en) 2019-03-14 2019-03-14 Capacitive rotation angle sensor

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102019106525A1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4232116A1 (en) * 1992-09-25 1994-03-31 Vdo Schindling Capacitive rotation angle sensor arrangement - has rotor and stator plates carrying electrodes designed for dimensional and positioning tolerance
EP0893672A1 (en) * 1997-07-25 1999-01-27 Sc2N Angle sensor, especially for a steering column of a motor vehicle
DE10255578A1 (en) * 2002-11-28 2004-06-09 Valeo Wischersysteme Gmbh Device for capacitive determination of motor shaft rotation angle and revolution rate has oscillation circuit with capacitor with electrodes rotatable relative to each other and microcontroller
DE102009019172A1 (en) * 2009-04-28 2010-11-04 Hengstler Gmbh Capacitive rotation sensor
DE102017219931A1 (en) * 2017-01-30 2018-08-02 Dr. Johannes Heidenhain Gesellschaft Mit Beschränkter Haftung Sensor for position measurement

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4232116A1 (en) * 1992-09-25 1994-03-31 Vdo Schindling Capacitive rotation angle sensor arrangement - has rotor and stator plates carrying electrodes designed for dimensional and positioning tolerance
EP0893672A1 (en) * 1997-07-25 1999-01-27 Sc2N Angle sensor, especially for a steering column of a motor vehicle
DE10255578A1 (en) * 2002-11-28 2004-06-09 Valeo Wischersysteme Gmbh Device for capacitive determination of motor shaft rotation angle and revolution rate has oscillation circuit with capacitor with electrodes rotatable relative to each other and microcontroller
DE102009019172A1 (en) * 2009-04-28 2010-11-04 Hengstler Gmbh Capacitive rotation sensor
DE102017219931A1 (en) * 2017-01-30 2018-08-02 Dr. Johannes Heidenhain Gesellschaft Mit Beschränkter Haftung Sensor for position measurement

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2622311B1 (en) Capacitive rotary transducer
DE102007037217B4 (en) Inductive measuring device for non-contact detection of the relative rotational position between two bodies with diametrically arranged coils
DE2218824B2 (en) A method of measuring the displacement of one electrode of a differential capacitor relative to the other electrodes
DE102014208642A1 (en) Sensor arrangement for detecting angles of rotation on a rotating component in a vehicle
DE102013224098A1 (en) Sensor arrangement for detecting angles of rotation on a rotating component in a vehicle
DE102004056049A1 (en) Sensor for use as torque sensor, has stator unit with coil circuit having flexible substrate running along sensor region, and evaluation circuit to evaluate signal received from one coil to determine value for rotary position of rotor units
DE102013221193A1 (en) Sensor arrangement for detecting angles of rotation on a rotating component in a vehicle
DE102014117821A1 (en) Sensor system for a steering wheel of a motor vehicle, steering wheel with such a sensor system and method for operating such a sensor system
DE102009027191A1 (en) Device for determining a torque and / or a rotation angle of a shaft
EP3728880B1 (en) Device and method for determining a state variable
DE102019106525A1 (en) Capacitive rotation angle sensor
DE2848173C3 (en) Sensor arrangement
DE102007010737A1 (en) Device for detecting absolute angle of rotation of shaft, particularly steering shaft, has main rotor and auxiliary rotor, in which both rotors are coupled with shaft in movable way
DE2937248A1 (en) Angle measurement device capacitive transducer - has dielectric discs carrying circle sector electrode layers rotating w.r.t. each other
EP3707479B1 (en) Positioning motors by means of capacitive measuring
DE1813153A1 (en) Device for converting a mechanical path change into electrical signals
EP2507807B1 (en) Switch and switching arrangement for analysing of at least two switching states of the switch
DE102019214219A1 (en) Measuring device
EP3738211B1 (en) Method for determining the deflection of the actuator of a capacitive multipath force sensor module
DE102018132098A1 (en) Electronic circuit board
DE3310208A1 (en) READING DEVICE FOR THE COUNTER READING OF A ROLL COUNTER
DE102016005232A1 (en) Rotor position sensor for an electrical machine with a capacitive sensor
DE102010048750A1 (en) Circuit device for evaluation of switching states of e.g. multistage rotary switch used for operating windscreen wiper of motor car, has control unit combining analog and digital evaluation results to discriminate switching states
DE102017206491A1 (en) Apparatus and method for determining an angular position of a mechanical component
DE102016211802A1 (en) Method and device for determining a number of revolutions

Legal Events

Date Code Title Description
R163 Identified publications notified