DE102020122368A1

DE102020122368A1 - Positionssensor und Herstellungsverfahren sowie Verfahren zur Ermittlung einer Stellung eines Linearaktuators

Info

Publication number: DE102020122368A1
Application number: DE102020122368.4A
Authority: DE
Inventors: Urs Kunz; Christoph Riehl
Original assignee: Ewellix AB
Current assignee: Ewellix AB
Priority date: 2020-08-26
Filing date: 2020-08-26
Publication date: 2022-03-03
Anticipated expiration: 2040-08-27
Also published as: CN114111546A; US20220065666A1; US11680827B2; DE102020122368B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Positionssensor (1), insbesondere für einen Linearaktuator (10), sowie ein Herstellungsverfahren (100) für solch einen Positionssensor (1), einen Linearaktuator (10) mit einem solchen Positionssensor (1) sowie ein Verfahren (50) zur Ermittlung einer Stellung eines Linearaktuators (10). Dabei ist eine Kondensatoranordnung (2) und eine Datenverarbeitungseinrichtung (5) vorgesehen. Die Kondensatoranordnung (2) umfasst ein erstes Kondensatorelement (3) und ein relativ zum ersten Kondensatorelement (3) beweglich angeordnetes zweites Kondensatorelement (4) und ist zur Erzeugung eines kapazitiven Signals eingerichtet. Die Datenverarbeitungseinrichtung (5) ist zur Ermittlung der Position des zweiten Kondensatorelements (4) relativ zum ersten Kondensatorelement (3) auf Grundlage des kapazitiven Signals eingerichtet. Erfindungsgemäß ist das zweite Kondensatorelement (4) aus einem elektrisch leitfähigen Polymer gefertigt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Positionssensor, insbesondere für einen Linearaktuator, sowie ein Herstellungsverfahren für einen solchen Positionssensor, einen Linearaktuator mit einem solchen Positionssensor sowie ein Verfahren zur Ermittlung einer Stellung eines Linearaktuators.
Positionssensoren werden auf vielen technischen Gebieten eingesetzt, um die Relativposition von zueinander beweglich gelagerten Bauteilen oder -gruppen zu ermitteln. Solche beweglich zueinander gelagerten Bauteile oder -gruppen treten zum Beispiel in Linearaktuatoren auf, die in vielen technischen Systemen verwendet werden, um lineare Bewegungen auszuführen. Linearaktuatoren weisen dabei üblicherweise einen Motor und eine durch den Motor angetriebene Umwandlungseinrichtung auf, welche eine Rotationsbewegung des Motors in eine Linearbewegung umwandeln kann. Diese Umwandlungseinrichtung kann beispielsweise als Kugelgewindetrieb oder als Rollengewindetrieb ausgebildet sein und weist in der Regel eine auch als Lineareinheit bezeichnete Komponente auf, welche die Linearbewegung ausführt.
Eine Rückmeldung über die Position der Lineareinheit kann beispielsweise benötigt werden, um einen mechanischen Verfahrweg des Linearaktuators zu begrenzen, um eine präzise Positionierung zu ermöglichen oder um anderen Systemen eine Information über die aktuelle Position der Lineareinheit zu geben. Bislang werden solche Positionsrückmeldungen häufig durch inkrementelle Codierer, sog. Inkrementalgeber, bereitgestellt. Diese Systeme sind jedoch häufig aufwändig und benötigen viele Bauteile, wodurch sie kostenintensiv werden. Beispielsweise benötigt ein Inkrementalgeber üblicherweise zwei Sensoren, eine Berechnungseinheit und eine Backup-Einheit. Bei einer Bewegung der Lineareinheit geben die beiden Sensoren zwei elektrische, um 90° phasenverschobene Signale ab, aus denen die zurückgelegte Wegstrecke und die Bewegungsrichtung der Lineareinheit ermittelt werden können. Basierend auf der Wegstrecke und der Bewegungsrichtung kann die Berechnungseinheit eine Position der Lineareinheit bestimmen. Damit ist diese Positionsbestimmung aber indirekt, d. h. nicht absolut.
Daher kann während eines Abschaltens oder bei einem Energieausfall die aktuelle Positionsinformation verloren gehen. Um dies zu verhindern, ist in der Regel die Backup-Einheit zur Speicherung der aktuellen Positionsinformation vorgesehen. Inkrementalgeber müssen jedoch eventuell nach dem Einschalten erneut referenziert werden, da Änderungen der Position in ausgeschaltetem Zustand nicht erfasst werden.
Als Alternative zu solchen Inkrementalgebern wurden daher sogenannte Positionsencoder entwickelt, welche üblicherweise auf einem kapazitiven Messprinzip basieren. Solche Positionsencoder ermöglichen auch direkte, d. h. absolute, Positionsbestimmungen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten, insbesondere vereinfachten, Positionssensor anzugeben, insbesondere für einen Linearaktuator. Es ist insbesondere eine Aufgabe, die Stellung eines Linearaktuators auf einfache und kostengünstige Weise zu ermitteln.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Positionssensor, insbesondere für einen Linearaktuator, einen Linearaktuator mit einem solchen Positionssensor, ein Herstellungsverfahren für einen Positionssensor und ein Verfahren zum Ermitteln der Stellung eines Linearaktuators.
Ein Positionssensor, insbesondere für einen Linearaktuator, gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist eine Kondensatoranordnung und eine Datenverarbeitungseinrichtung auf. Die Kondensatoranordnung umfasst ein erstes Kondensatorelement und ein relativ zum ersten Kondensatorelement beweglich angeordnetes zweites Kondensatorelement und ist zur Erzeugung eines kapazitiven Signals eingerichtet. Die Datenverarbeitungseinrichtung ist zur Ermittlung der Position des zweiten Kondensatorelements relativ zum ersten Kondensatorelement auf Grundlage des kapazitiven Signals eingerichtet. Erfindungsgemäß ist das zweite Kondensatorelement aus einem elektrisch leitfähigen Polymer gefertigt.
Ein Aspekt der Erfindung basiert auf dem Ansatz, in einem Positionssensor eine Kondensatoranordnung wenigstens aus einem ersten Kondensatorelement und einem zweiten, aus einem elektrisch leitfähigen Polymer gefertigten Kondensatorelement, welches relativ zum ersten Kondensatorelement beweglich gelagert ist, vorzusehen. Das zweite Kondensatorelement ist in bevorzugter Weise zur Verbindung mit wenigstens einer beweglichen Komponente zum Beispiel eines Linearaktuators eingerichtet. Dadurch kann sich das zweite Kondensatorelement bei der Betätigung des Linearaktuators, d. h. im Betrieb des Linearaktuators, mit der Komponente relativ zum ersten Kondensatorelement bewegen. Ein solches, vorzugsweise vollständig aus dem elektrisch leitfähigen Polymer bestehendes zweites Kondensatorelement ist dabei nicht nur kostengünstig und schnell herstellbar, sondern aufgrund seines im Vergleich zu konventionellen, zumindest teilweise metallischen Kondensatorelementen geringeren Gewichts besonders vorteilhaft in Linearaktuatoren einsetzbar. Da keine metallischen Komponenten in das zweite Kondensatorelement eingearbeitet sind oder werden müssen, kann das Kondensatorelement auch kleiner als konventionelle Kondensatorelemente gefertigt sein, wodurch es sich leichter in einen Linearaktuator integrieren lässt. Insbesondere kann das zweite Kondensatorelement einstückig ausgebildet, d. h. in einem Stück bzw. „aus einem Guss“ ausgeführt, sein. Anders gesagt kann das zweite Kondensatorelement ausschließlich aus einem Polymer gefertigt sein, das elektrisch leitfähig ist. Beispielsweise kann das zweite Kondensatorelement, gegebenenfalls unter Zusatz von Kohlenstofffasern (CF), aus Polyvinylchlorid (PVC), Polyetheretherketon (PEEK), Polyoxymethylen (POM), Polyamid (PA) oder dergleichen gefertigt sein.
Das elektrisch leitfähige Polymer kann außerdem eine bewegliche Lagerung des zweiten Kondensatorelements relativ zum ersten Kondensatorelement erleichtern. Es ist insbesondere denkbar, dass das zweite Kondensatorelement am ersten Kondensatorelement gleitgelagert ist. Durch das aus dem Polymer gefertigte zweite Kondensatorelement kann auf dedizierte Lager, beispielsweise Kugellager oder dergleichen, verzichtet werden, wodurch sich die Anzahl der Bauteile senken und damit Bauraum gewinnen und/oder Gewicht einsparen lässt.
Aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit des Polymers kann die Kondensatoranordnung zur Erzeugung eines kapazitiven Signals eingerichtet sein. Dabei ist ein kapazitives Signal hierbei insbesondere ein, vorzugsweise elektrisches, Signal, welches die Kapazität der Kondensatoranordnung charakterisiert. Dieses Signal kann entsprechend mit der Anordnung des ersten und zweiten Kondensatorelements relativ zueinander variieren. Das Signal wird beispielsweise größer, wenn eine durch das zweite Kondensatorelement abgedeckte Fläche des ersten Kondensatorelements, insbesondere einer Elektrodenanordnung des ersten Kondensatorelements, zunimmt. Dagegen wird das Signal beispielsweise kleiner, wenn die durch das zweite Kondensatorelement abgedeckte Fläche des ersten Kondensatorelements, insbesondere der Elektrodenanordnung, abnimmt. Eine abgedeckte Fläche ist hierbei beispielsweise ein Überlappbereich, in dem sich das erste Kondensatorelement, insbesondere die Elektrodenanordnung, und das zweite Kondensatorelement gegenüberliegen.
Zur Verarbeitung des kapazitiven Signals ist in bevorzugter Weise eine Datenverarbeitungseinrichtung vorgesehen. Diese kann insbesondere dazu eingerichtet sein, auf Grundlage des kapazitiven Signals eine Position des zweiten Kondensatorelements relativ zum ersten Kondensatorelement zu ermitteln. Die derart ermittelte Position kann dann zum Beispiel an einen Benutzer oder an eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung eines Antriebs des Linearaktuators ausgegeben werden.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung und deren Weiterbildungen beschrieben, die jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird, beliebig miteinander sowie mit den im Weiteren beschriebenen Aspekten der Erfindung kombiniert werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das erste Kondensatorelement eine Elektrodenanordnung und eine zwischen der Elektrodenanordnung und dem zweiten Kondensatorelement angeordnete dielektrische Schicht auf. Die Elektrodenanordnung ist zweckmäßigerweise aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt und kann einen oder mehrere leitfähige Bereiche auf dem ersten Kondensatorelement bilden. Zur Verarbeitung des kapazitiven Signals ist die Elektrodenanordnung vorzugsweise mit der Datenverarbeitungseinrichtung signalverbunden, etwa durch eine elektrische Leitung.
Die dielektrische Schicht ist in bevorzugter Weise direkt auf der Elektrodenanordnung aufgetragen. Mit anderen Worten bedeckt die dielektrische Schicht die Elektrodenanordnung. Durch die dielektrische Schicht kann eine elektrische Isolation der Elektrodenanordnung vom aus dem elektrisch leitfähigen Polymer gefertigten zweiten Kondensatorelement erzielt werden. Gleichzeitig kann die dielektrische Schicht feldverstärkend wirken, d. h. zur Verstärkung eines elektrischen Felds zwischen der Elektrodenanordnung und dem zweiten Kondensatorelement beitragen. Dadurch kann das von der Kondensatoranordnung erzeugbare kapazitive Signal verstärkt und damit eine Ungenauigkeit bei der Ermittlung der relativen Position vom erstem zum zweiten Kondensatorelement vermindert werden.
Vorzugsweise ist das erste Kondensatorelement als Leiterplatte (printed circuit board, pcb) ausgebildet. Solche Leiterplatten können in großem Umfang und sehr kostengünstig produziert werden. Gleichzeitig lassen sich solche Leiterplatten auch sehr schnell und präzise fertigen. Dadurch kann die Verfügbarkeit des ersten Kondensatorelements erhöht und gleichzeitig die Kosten des damit gebildeten Positionssensors gesenkt werden.
Die Elektrodenanordnung ist dabei zweckmäßigerweise aus einer oder mehreren Leiterbahnen oder -flächen auf der Leiterplatte gebildet. Diese Leiterbahnen oder -flächen - und damit auch die Elektrodenanordnung - bestehen vorteilhaft aus Kupfer. Die Verarbeitung von Kupfer auf Leiterplatten zur Bildung von Leiterbahnen, zum Beispiel durch ätzen, ist wohlbekannt und lässt sich sehr gut kontrollieren. Daher kann auf diese Weise leicht eine wohldefinierte Elektrodenanordnung geschaffen werden. Zudem lassen sich Leiterbahnen mit sehr geringen Ausdehnungen präzise fertigen. Dies erlaubt nicht nur einen Positionssensor von geringen Ausmaßen, sondern kann auch die Detektionsgenauigkeit erhöhen.
Die dielektrische Schicht ist dabei zweckmäßigerweise aus Lötstopplack, zum Beispiel Epoxidharz, gebildet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Positionssensor eine Führungseinrichtung zum Führen einer Bewegung des zweiten Kondensatorelements relativ zum ersten Kondensatorelement auf. Die Führungseinrichtung kann zum Beispiel eine Schienenanordnung, insbesondere wenigstens ein Schienenelement, umfassen, entlang der das erste und/oder zweite Kondensatorelement beweglich ist. Durch die Führungseinrichtung kann eine zuverlässige und präzise Bewegung des zweiten Kondensatorelements relativ zum ersten Kondensatorelement sichergestellt werden.
Vorzugsweise ist die Führungseinrichtung dabei vom ersten Kondensatorelement und/oder vom zweiten Kondensatorelement gebildet. D. h., dass zumindest ein Teil der Führungseinrichtung als Teil des ersten und/oder zweiten Kondensatorelements ausgebildet sein kann. Insbesondere kann zumindest ein Teil der Führungseinrichtung einstückig mit dem ersten und/oder zweiten Kondensatorelement ausgebildet sein. Zum Beispiel kann die Führungseinrichtung zumindest teilweise aus dem elektrisch leitfähigen Polymer gefertigt und/oder durch die Leiterplatte gebildet sein. Dies ermöglicht eine besonders raum- und bauteilsparende Realisierung der Führungseinrichtung.
Beispielsweise kann das erste und/oder zweite Kondensatorelement einen oder mehrere Vorsprünge aufweisen, die derart angeordnet und/oder ausgebildet sind, dass das jeweils andere Kondensatorelement an diesem bzw. diesen Vorsprüngen entlang beweglich ist. Durch die Bewegung an den Vorsprüngen entlang lässt sich das erste bzw. das zweite Kondensatorelement zuverlässig „auf Spur“ halten, d. h. geradlinig führen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das zweite Kondensatorelement relativ zum ersten Kondensatorelement rotierbar gelagert. Das kapazitive Signal charakterisiert dabei vorzugsweise einen Verdrehwinkel zwischen dem ersten und dem zweiten Kondensatorelement. Durch den Positionssensor mit einem rotierbar gelagerten zweiten Kondensatorelement kann beispielsweise die Rotation einer Antriebswelle oder die Rotation einer mit der Antriebswelle gekoppelten Spindel eines Gewinde- oder Rollentriebs präzise überwacht werden. Insbesondere lässt sich so gegebenenfalls die Anzahl der Umdrehungen der Antriebswelle oder Spindel ermitteln, woraus auf einen Verfahrweg einer Lineareinheit geschlossen werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das zweite Kondensatorelement oder das erste Kondensatorelement einen Vorsprung mit einem zumindest im Wesentlichen kreisförmigen Umfang und das jeweils andere Kondensatorelement eine kreisförmige Öffnung auf, in welche der Vorsprung eingreift. Der Vorsprung kann beispielsweise zylinderförmig oder konisch ausgebildet sein. Die Öffnung kann beispielsweise die Öffnung einer Bohrung, d. h. einer runden Vertiefung, oder eines Durchgriffs sein. Durch den Eingriff des Vorsprungs in die Öffnung lässt sich die Beweglichkeit des zweiten Kondensatorelements in einer Ebene parallel zum ersten Kondensatorelement auf eine Rotation in dieser Ebene auf einfache Weise beschränken.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das zweite Kondensatorelement eine Außenverzahnung zum Erzeugen einer Bewegung des zweiten Kondensatorelements relativ zum ersten Kondensatorelement auf. Mithilfe der Außenverzahnung kann das zweite Kondensatorelement leicht mit rotierbaren Komponenten des Linearaktuators, zum Beispiel mit einer Antriebswelle oder einer Spindel, gekoppelt werden. Dadurch lässt sich der Positionssensor leicht in den Linearaktuator integrieren.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das zweite Kondensatorelement relativ zum ersten Kondensatorelement geradlinig beweglich gelagert. Mit anderen Worten ist das zweite Kondensatorelement dazu eingerichtet, eine Translationsbewegung relativ zum ersten Kondensatorelement auszuführen. Dadurch kann eine Absolutposition der Lineareinheit unmittelbar bestimmt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das zweite Kondensatorelement oder das erste Kondensatorelement wenigstens eine Führungsschiene in Form eines länglichen, d. h. sich in Längsrichtung des zweiten oder ersten Kondensatorelements erstreckenden, Vorsprungs auf. Vorzugsweise ist das jeweils andere Kondensatorelement dabei zum Anliegen an der wenigstens einen Führungsschiene ausgebildet. Dadurch kann ein seitliches Abrutschen sowie ein Verdrehen des zweiten Kondensatorelements bei der Bewegung relativ zum ersten Kondensatorelement vermieden oder ein entsprechendes Abrutsch- bzw. Verdrehrisiko zumindest vermindert werden. Beim Bewegen relativ zum ersten Kondensatorelement kann das zweite Kondensatorelement so zuverlässig „auf Spur“ gehalten werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das zweite Kondensatorelement oder das erste Kondensatorelement zwei parallele Führungsschienen in Form jeweils eines länglichen Vorsprungs auf. Das jeweils andere Kondensatorelement ist dabei vorzugsweise zumindest abschnittsweise zwischen den zwei Führungsschienen angeordnet. Die zwei Führungsschienen können somit eine seitliche Aufnahme für das jeweils andere Kondensatorelement bilden. Dies ermöglicht eine besonders zuverlässige Ausrichtung des zweiten Kondensatorelements am ersten Kondensatorelement, insbesondere eine besonders zuverlässige laterale Positionierung des zweiten Kondensatorelements relativ zum ersten Kondensatorelement.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das erste Kondensatorelement eine Oberfläche auf, auf der das zweite Kondensatorelement bei seiner Bewegung relativ zum ersten Kondensatorelement gleitet. Diese Oberfläche wird vorzugsweise von der dielektrischen Schicht des ersten Kondensatorelements, insbesondere vom Lötstopplack, gebildet. Durch das Gleiten auf der Oberfläche kann auf dedizierte Lager zur Lagerung des zweiten Kondensatorelements verzichtet werden. Insbesondere kann die Kondensatoranordnung so besonders kompakt ausgebildet werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das zweite Kondensatorelement ein elastisch ausgebildetes Sicherungselement auf, das zur Festlegung des zweiten Kondensatorelements relativ zum ersten Kondensatorelement hinsichtlich wenigstens eines Freiheitsgrads ausgebildet ist. Das Sicherungselement kann zum Beispiel als Federelement, insbesondere als Blattfeder, ausgebildet sein. Dabei ist das Sicherungselement vorzugsweise dazu eingerichtet, das zweite Kondensatorelement an das erste Kondensatorelement, insbesondere die dielektrische Schicht, anzudrücken. Dadurch lässt sich ein konstanter Abstand zwischen dem ersten und zweiten Kondensatorelement zuverlässig einstellen. Insbesondere kann ein sicherer Sitz des zweiten Kondensatorelements im Linearaktuator sichergestellt werden. Beispielsweise kann zuverlässig verhindert werden, dass das zweite Kondensatorelement bei einer Bewegung relativ zum ersten Kondensatorelement aus der Führungseinrichtung herausspringt.
Dabei kann das Sicherungselement beispielsweise derart angeordnet sein, dass es sich an einem Gehäuse des Linearaktuators abstützt. Beispielsweise kann das zweite Kondensatorelement zwischen dem Gehäuse und dem ersten Kondensatorelement in der Weise angeordnet sein, dass das Sicherungselement am Gehäuse anliegt und elastisch verformt ist. Durch die bei dieser Verformung erzeugte Federkraft kann das zweite Kondensatorelement zuverlässig auf das erste Kondensatorelement, beispielsweise in die Führungseinrichtung, gedrückt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Kondensatoranordnung wenigstens ein weiteres, relativ zum ersten Kondensatorelement beweglich angeordnetes Kondensatorelement auf. Die Kondensatoranordnung ist zweckmäßigerweise entsprechend dazu eingerichtet, neben dem kapazitiven Signal wenigstens ein weiteres kapazitives Signal zu erzeugen. Die Datenverarbeitungseinrichtung ist zweckmäßigerweise ebenfalls entsprechend dazu eingerichtet, neben der Position des zweiten Kondensatorelements relativ zum ersten Kondensatorelement auch wenigstens eine weitere Position des wenigstens einen weiteren Kondensatorelements zum ersten Kondensatorelement zu ermitteln, und zwar auf Grundlage des wenigstens einen weiteren kapazitiven Signals. Durch das wenigstens eine weitere Kondensatorelement lässt sich der Messbereich des Positionssensors erweitern und/oder die Messgenauigkeit des Positionssensors erhöhen.
Das zweite Kondensatorelement und das wenigstens eine weitere Kondensatorelement sind dabei in bevorzugter Weise abhängig voneinander relativ zum ersten Kondensatorelement beweglich. Das bedeutet, dass sich die Position des wenigstens einen weiteren Kondensatorelements relativ zum ersten Kondensatorelement bei einer Bewegung des zweiten Kondensatorelements relativ zum ersten Kondensatorelement vorzugsweise in definierter Weise ebenfalls ändert. Dabei ist das wenigstens eine weitere Kondensatorelement vorzugsweise analog zum zweiten Kondensatorelement derart mit wenigstens einer beweglichen Komponente des Linearaktuators verbindbar, dass bei der Betätigung des Linearaktuators, d. h. im Betrieb des Linearaktuators, auch das wenigstens eine weitere Kondensatorelement relativ zum ersten Kondensatorelement bewegt wird.
Mithilfe des wenigstens einen weiteren Kondensatorelements kann beispielsweise ein sogenannter Multiturn-Drehgeber (multiturn absolute encoder) für den Linearaktuator realisiert werden, mit dem sich Verdrehwinkel einer rotierbaren Komponente des Linearaktuators von mehr als 360° ermitteln lassen. Zu diesem Zweck kann die Anzahl von vollen Umdrehungen des zweiten oder des wenigstens einen weiteren Kondensatorelements relativ zum ersten Kondensatorelement durch die Position des jeweils anderen Kondensatorelements relativ zum ersten Kondensatorelement codiert sein. Das bedeutet, dass sich die Position des zweiten oder des wenigstens einen weiteren Kondensatorelements relativ zum ersten Kondensatorelement durch die Position des jeweils anderen Kondensatorelements relativ zum ersten Kondensatorelement einer von mehreren möglichen Stellungen der rotierbaren Komponente zuordnen lässt.
Ist beispielsweise lediglich das zweite Kondensatorelement derart mit der rotierbaren Komponente verbunden, dass eine Umdrehung der rotierbaren Komponente auch eine Umdrehung des zweiten Kondensatorelements relativ zum ersten Kondensatorelement bewirkt, kann aus dem entsprechenden kapazitiven Signal nicht abgeleitet werden, wie oft sich die Komponente bereits gedreht hat. Ist jedoch auch wenigstens ein weiteres Kondensatorelement derart mit der rotierbaren Komponente verbunden, dass eine Umdrehung der rotierbaren Komponente nur einen Bruchteil einer Umdrehung des wenigstens einen weiteren Kondensatorelements bewirkt, kann mithilfe des entsprechenden wenigstens einen weiteren kapazitiven Signals die Anzahl der Umdrehungen und mithilfe des kapazitiven Signals die genaue Ausrichtung der rotierbaren Komponente ermittelt werden.
Ein Linearaktuator gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung weist einen Positionssensor gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung auf. Zweckmäßigerweise weist der Linearaktuator einen Antrieb, zum Beispiel einen Elektromotor, und eine Umwandlungseinrichtung zur Umwandlung einer vom Antrieb erzeugten Rotationsbewegung in eine auch als Translationsbewegung bezeichnete Linearbewegung auf. Die Umwandlungseinrichtung kann beispielsweise als Schraubgetriebe, insbesondere als Kugel- oder Rollengewindetrieb, ausgebildet sein und eine auch als Spindel oder Leitspindel bezeichnete Schraube und auf dieser Schraube bewegliche Mutter aufweisen. Vorzugsweise ist die Spindel mit dem Antrieb, zum Beispiel über ein Getriebe, gekoppelt, sodass die Mutter die Lineareinheit des Linearaktuators bildet. Es sind aber auch Varianten möglich, in denen der Antrieb mit der Mutter gekoppelt ist, sodass die Spindel die Lineareinheit bildet.
Dabei ist das zweite Kondensatorelement in bevorzugter Weise derart mit einer beweglichen Komponente des Linearaktuators verbunden, insbesondere an dieser Komponenten befestigt, dass eine Betätigung des Linearaktuators, d. h. ein Verfahren der Lineareinheit, eine Bewegung des zweiten Kondensatorelements relativ zum ersten Kondensatorelement bewirkt. Das zweite Kondensatorelement kann zum Beispiel direkt an der Lineareinheit befestigt sein. Alternativ kann das zweite Kondensatorelement aber auch an einer Antriebswelle des Antriebs befestigt oder zumindest mit dieser gekoppelt sein.
Auf Grundlage der ermittelten Position des zweiten Kondensatorelements relativ zum ersten Kondensatorelement kann dadurch auch eine Stellung des Linearaktuators ermittelt werden. Eine Stellung des Linearaktuators ist hierbei insbesondere durch eine Position der Lineareinheit gekennzeichnet. Eine Stellung des Linearaktuators kann beispielsweise durch das Verhältnis des durch die Lineareinheit zurückgelegten Wegs zum maximal möglichen Verfahrweg definiert sein.
Beim Verfahren zur Ermittlung einer Stellung eines Linearaktuators gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird (i) mithilfe einer Kondensatoranordnung, die ein erstes Kondensatorelement und ein relativ zum ersten Kondensatorelement beweglich angeordnetes, aus einem elektrisch leitfähigen Polymer gefertigtes zweites Kondensatorelement aufweist, ein kapazitives Signal erzeugt, und (ii) mithilfe einer Datenverarbeitungseinrichtung eine Position des zweiten Kondensatorelements relativ zum ersten Kondensatorelement auf Grundlage des kapazitiven Signals ermittelt. Mithilfe des Verfahrens kann beispielsweise die Stellung eines Linearaktuators gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung ermittelt werden. Insbesondere wird das Verfahren vorzugsweise mithilfe eines Positionssensors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung durchgeführt.
Beim Herstellungsverfahren für einen Positionssensor gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird (i) ein erstes Kondensatorelement bereitgestellt, (ii) ein zweites Kondensatorelement aus einem elektrisch leitfähigem Polymer additiv gefertigt, (iii) das zweite Kondensatorelement relativ zum ersten Kondensatorelement in einer Kondensatoranordnung beweglich angeordnet, sodass durch die gebildete Kondensatoranordnung ein kapazitives Signal erzeugbar ist und (iv) die Kondensatoranordnung mit einer Datenverarbeitungseinrichtung zur Ermittlung einer Position des zweiten Kondensatorelements relativ zum ersten Kondensatorelement auf Grundlage des kapazitiven Signals signalverbunden. Vorzugsweise kann somit ein Positionssensor gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung hergestellt werden.
Das zweite Kondensatorelement wird dabei vorzugsweise einstückig gefertigt. Das zweite Kondensatorelement kann beispielsweise durch selektives Lasersintern (SLS) aus dem elektrisch leitfähigen Polymer gefertigt werden. Dies erlaubt ein kostengünstiges und bedarfsweises Fertigen des zweiten Kondensatorelements. Insgesamt kann so ein aus nur wenigen Bauteilen bestehender Positionssensor mit geringen Ausmaßen und geringem Gewicht gefertigt werden, der dadurch besonders vorteilhaft in einen Linearaktuator integrierbar ist.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Soweit zweckdienlich, sind hierin gleich wirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt - auch nicht in Bezug auf funktionale Merkmale. Die bisherige Beschreibung wie auch die nachfolgende Figurenbeschreibung enthalten zahlreiche Merkmale, die in den abhängigen Unteransprüchen teilweise zu mehreren zusammengefasst wiedergegeben sind. Diese Merkmale wie auch alle übrigen oben und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung offenbarten Merkmale wird der Fachmann jedoch auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfügen. Insbesondere sind alle genannten Merkmale jeweils einzeln und in beliebiger geeigneter Kombination mit dem Positionssensor gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, dem Linearaktuator gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, dem Verfahren gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung und dem Herstellungsverfahren gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung kombinierbar.
Es zeigen, zumindest teilweise schematisch:

1 ein erstes Beispiel eines Linearaktuators mit einem Positionssensor;
2 ein zweites Beispiel eines Linearaktuators mit einem Positionssensor;
3 ein Beispiel einer Kondensatoranordnung;
4 ein Beispiel eines ersten Kondensatorelements;
5 ein Beispiel eines zweiten Kondensatorelements;
6 das zweite Kondensatorelement aus 5 aus einer anderen Perspektive;
7 ein Beispiel eines Verfahren zur Ermittlung einer Stellung eines Linearaktuators; und
8 ein Beispiel eines Herstellungsverfahrens für einen Positionssensor.

1 zeigt ein erstes Beispiel eines Linearaktuators 10 mit einem Positionssensor 1 zur Ermittlung einer Stellung des Linearaktuators 10. Der Positionssensor 1 weist eine Kondensatoranordnung 2 mit einem ersten Kondensatorelement 3 und einem relativ zum ersten Kondensatorelement 3 beweglich gelagerten zweiten Kondensatorelement 4 auf sowie eine Datenverarbeitungseinrichtung 5. im vorliegenden Beispiel ist das zweite Kondensatorelement 4 geradlinig entlang des ersten Kondensatorelements 3 beweglich. Das zweite Kondensatorelement 4 kann beispielsweise als auf dem ersten Kondensatorelement 3 laufender Schlitten ausgebildet sein.
Der Linearaktuator 10 weist weiterhin einen Antrieb 11 und eine Umwandlungseinrichtung 12 mit einer Spindel 13 und einer durch die Spindel 13 antreibbaren, insbesondere linear beweglichen, Lineareinheit 14 auf. Der Antrieb 11 ist dabei über ein Getriebe 15 mit der Spindel 13 gekoppelt. Dadurch ist eine Rotation einer Antriebswelle 11a des Antriebs 11, etwa eines Elektromotors, auf die Umwandlungseinrichtung 12 übertragbar. Die Lineareinheit 14 umfasst dabei eine Mutter 16 mit einem Innengewinde, das mit einem Außengewinde der Spindel 13 in Eingriff steht. Dadurch kann die Umwandlungseinrichtung 12 die auf die Spindel 13 übertragene Rotation der Antriebswelle 11a in eine Translation der Mutter 16 und damit einer mit an der Mutter 16 befestigten Schubhülse 17 umwandeln.
Der Positionssensor 1 und die Umwandlungseinrichtung 12 sind in einem Gehäuse 18 angeordnet. Die Schubhülse 17 kann zumindest abschnittsweise durch eine Öffnung aus dem Gehäuse 18 herausragen. Insbesondere kann die Schubhülse 17 bei einer Translation durch die Öffnung aus dem Gehäuse 18 zumindest abschnittsweise herausgefahren oder in das Gehäuse 18 eingefahren werden.
An einem der Mutter 16 gegenüberliegenden Ende der Schubhülse 17 ist ein Betätigungselement 19, zum Beispiel an der Schubhülse 17 befestigt, zum Beispiel in die Schubhülse 19 eingeschraubt. Das Betätigungselement 19 kann an einer Last befestigt und so die Last linear bewegt werden.
Das zweite Kondensatorelement 4 ist zweckmäßigerweise aus einem elektrisch leitfähigen Polymer gefertigt. Das zweite Kondensatorelement 4 kann insbesondere einstückig, d. h. vollständig aus dem elektrisch leitfähigen Polymer, gefertigt sein. Obwohl das zweite Kondensatorelement 4 keine metallische Komponente, zum Beispiel keine metallische Elektrodenanordnung, aufweist, kann die Kondensatoranordnung 2 dadurch ein kapazitives Signal erzeugen.
Das kapazitive Signal kann dabei charakteristisch für die Position des zweiten Kondensatorelements 4 relativ zum ersten Kondensatorelement 3 sein. Die Datenverarbeitungseinrichtung 5 ist vorzugsweise dazu eingerichtet, dieses Signal zu verarbeiten. Dazu ist die Datenverarbeitungseinrichtung 5 zweckmäßigerweise mit der Kondensatoranordnung 2, insbesondere mit dem ersten Kondensatorelement 3, signalverbunden, etwa über eine Signalleitung 6. Auf Grundlage des derart an der Datenverarbeitungseinrichtung 5 bereitgestellten kapazitiven Signals kann die Verarbeitungseinrichtung 5 dann die Position des zweiten Kondensatorelements 4 relativ zum ersten Kondensatorelement 3 ermitteln.
Vorzugsweise ist die Datenverarbeitungseinrichtung 5 auch dazu eingerichtet, aus der ermittelten relativen Position von erstem und zweitem Kondensatorelement 3, 4 die Stellung des Linearaktuators 10 abzuleiten. Die Stellung des Linearaktuators 10 kann zum Beispiel durch die Position der Lineareinheit 14 bzw. der Mutter 16 innerhalb des Gehäuses 18 definiert sein. Dadurch kann für die Stellung des Linearaktuators 10 auch charakteristisch sein, wie weit die Schubhülse 17 aus dem Gehäuse 18 herausragt, d. h. ausgefahren ist.
Um anhand der relativen Position von erstem und zweitem Kondensatorelement 3, 4 auf die Stellung des Linearaktuators 10 rückschließen zu können, ist das zweite Kondensatorelement 4 in bevorzugter Weise derart mit der Lineareinheit 14 verbunden, dass bei einer Bewegung der Lineareinheit 14 auch das zweite Kondensatorelement 4 relativ zum ersten Kondensatorelement 3 bewegt wird. Dies lässt sich zum Beispiel auf einfache Weise erreichen, indem das zweite Kondensatorelement 4 an der Lineareinheit 14, insbesondere an der Mutter 16, befestigt ist, etwa angeschraubt, angeklebt, formschlüssig aufgenommen und/oder dergleichen.
In einer hier nicht gezeigten Variante ist es sogar denkbar, dass das zweite Kondensatorelement 4 von der Lineareinheit 14, insbesondere von der Mutter 16, gebildet wird. Dazu kann die Lineareinheit 14, insbesondere die Mutter 16, aus dem elektrisch leitfähigen Polymer gefertigt sein. Dadurch kann die Anzahl der Bauteile des Linearaktuators 10 weiter reduziert werden. Insbesondere lässt sich so die Ausmaße des Linearaktuators 10 und/oder sein Gewicht weiter verringern.
2 zeigt ein zweites Beispiel eines Linearaktuators 10 mit einem Positionssensor 1 zur Ermittlung einer Stellung des Linearaktuators 10. Der Linearaktuator 10 ist dabei in bevorzugter Weise im Wesentlich identisch zu dem in 1 gezeigten Linearaktuator ausgebildet. Er kann insbesondere einen Antrieb 11, eine Umwandlungseinrichtung 12 mit einer Spindel 13 und einer Lineareinheit 14 und ein Getriebe 15 zum Koppeln einer Antriebswelle 11a des Antriebs 11 mit der Umwandlungseinrichtung 12, insbesondere der Spindel 13, aufweisen. Auch hier ist vorzugsweise eine Schubhülse 17 an einer Mutter 16 der Lineareinheit 14 befestigt, sodass die Schubhülse 17 mitsamt einem Betätigungselement 19 durch die Translation der Lineareinheit 14 entlang der Spindel 13 aus einem Gehäuse 18 ausgefahren oder in das Gehäuse 18 eingefahren werden kann.
Dagegen ist der Positionssensor 1 aus 2 unterschiedlich zum Positionssensor aus 1 ausgebildet. Ein zweites Kondensatorelement 4 ist vorliegend nämlich nicht geradlinig beweglich relativ zu einem ersten Kondensatorelement 3 einer Kondensatoranordnung 2 angeordnet, sondern rotierbar. Zweckmäßigerweise ist daher zumindest das zweite Kondensatorelement 4, vorzugsweise auch das erste Kondensatorelement 3, scheibenförmig ausgebildet.
Während das erste Kondensatorelement 3 vorzugsweise stationär im Gehäuse 18 angeordnet ist, sitzt das zweite Kondensatorelement 4 vorzugsweise verdrehfest auf der Spindel 13. Dadurch kann ein von der Kondensatoranordnung 2 über eine Signalleitung 6 an einer Datenverarbeitungseinrichtung 5 bereitgestelltes kapazitives Signal einen Verdrehwinkel des zweiten Kondensatorelements 4 relativ zum ersten Kondensatorelement 3 und damit auch der Spindel 13 charakterisieren. Die Datenverarbeitungseinrichtung 5 kann entsprechend zur Ermittlung einer Position des zweiten Kondensatorelements 4 relativ zum ersten Kondensatorelement 3 auf Grundlage des kapazitiven Signals eingerichtet sein. Durch den direkten Sitz des zweiten Kondensatorelements 4 auf der Spindel 13 lässt sich dabei eine hohe Winkelauflösung des Positionssensors 1 erreichen.
Zusätzlich kann die Datenverarbeitungseinrichtung 5 auch zur Ermittlung der Stellung des Linearaktuators 10 auf Grundlage der ermittelten Position des zweiten Kondensatorelements 4 relativ zum ersten Kondensatorelement 3, insbesondere des kapazitiven Signals, eingerichtet sein. Zweckmäßigerweise ist die Datenverarbeitungseinrichtung 5 dabei dazu eingerichtet, der Ermittlung der Stellung des Linearaktuators 10 einen vorgegebenen Hub der Lineareinheit 14 bei einer Umdrehung der Spindel 13 zugrunde zu legen. Die Rotation der Spindel 13 bzw. des zweiten Kondensatorelements 4 kann so leicht in eine Position der Lineareinheit 14 umgerechnet werden.
Alternativ zum in 2 gezeigten Beispiel kann das zweite Kondensatorelement 4 auch auf andere Weise mit der Spindel 13 gekoppelt sein. In einer Variante kann das zweite Kondensatorelement 4 eine Außenverzahnung aufweisen und kämmend mit einem auf der Spindel 13 verdrehsicher sitzenden Zahnrad angeordnet sein. Eine solche Kopplung hat den Vorteil, dass gegebenenfalls der Messbereich des Positionssensors 1 erweiterbar ist. Denn mit einem verdrehsicher auf der Spindel 13 sitzenden zweiten Kondensatorelement 4 lässt sich lediglich ein Hub der Lineareinheit 14 auflösen, der mit einer Umdrehung der Spindel 13 (und damit einer Umdrehung des zweiten Kondensatorelements 4) korrespondiert. Dagegen kann ein negatives Übersetzungsverhältnis zwischen dem auf der Spindel 13 verdrehsicher sitzenden Zahnrad und dem außenverzahnten zweiten Kondensatorelement 4 derart gewählt sein, dass eine Umdrehung der Spindel 13 nur den Bruchteil einer Umdrehung des zweiten Kondensatorelements 4 bewirkt. Anders gesagt kann das zweite Kondensatorelement 4 derart untersetzt sein, dass auch ein mit mehreren Umdrehungen der Spindel 13 korrespondierender Hub der Lineareinheit 14 auflösbar ist.
In diesen voranstehend beschriebenen Varianten muss das zweite Kondensatorelement 4 nicht zwangsweise im Bereich der Spindel 13 angeordnet sein. Vielmehr ist es auch denkbar, dass zum Beispiel das Zahnrad zum Antrieb des außenverzahnten zweiten Kondensatorelements 4 an einer anderen rotierenden Komponente des Linearaktuators 10 verdrehsicher angeordnet ist, zum Beispiel direkt auf der Antriebswelle 11a.
3 zeigt ein Beispiel einer Kondensatoranordnung 2 eines Positionssensors für einen Linearaktuator. Die Kondensatoranordnung 2 umfasst ein erstes Kondensatorelement 3 und ein zweites Kondensatorelement 4, welches relativ zum ersten Kondensatorelement 3 beweglich gelagert ist. Das erste Kondensatorelement 3 weist vorzugsweise eine Elektrodenanordnung 7 aus einem elektrisch leitfähigen Material, zum Beispiel einem Metall, auf. Das zweite Kondensatorelement 4 ist zweckmäßigerweise aus einem elektrisch leitfähigen Polymer gefertigt. Die Kondensatoranordnung 2 ist damit dazu eingerichtet, ein kapazitives Signal zu erzeugen.
Das kapazitive Signal ist dabei vorzugsweise charakteristisch für eine Position des zweiten Kondensatorelements 4 relativ zum ersten Kondensatorelement 3. Dafür weist die Elektrodenanordnung 7 wenigstens eine metallische Elektrode, im vorliegenden Beispiel zwei Elektroden 7a, 7b, auf, die beide mit dem zweiten Kondensatorelement 4 elektrisch wechselwirken können. Zum Beispiel ist ein elektromagnetisches Feld zwischen jeder der Elektroden 7a, 7b und dem zweiten Kondensatorelement 4 erzeugbar. Das kapazitive Signal kann im vorliegenden Beispiel daher zwei Signalanteile enthalten, nämlich jeweils einen Signalanteil pro Elektrode 7a, 7b. Dabei lässt beispielsweise das Verhältnis dieser beiden Signalanteile einen Rückschluss auf die relative Position vom ersten und zweiten Kondensatorelement 3, 4 zu.
Die Elektroden 7a, 7b erstrecken sich zweckmäßigerweise nicht über die gesamte Länge des ersten Kondensatorelements 3. Vielmehr sind sie bevorzugt jeweils derart ausgebildet, dass sich ein in 3 schraffiert dargestellter Überlappbereich 8a, 8b, in dem sich die jeweilige Elektrode 7a, 7b und das zweite Kondensatorelement 4 gegenüberliegen, bei einer Bewegung des zweiten Kondensatorelements 4 relativ zum ersten Kondensatorelement 3 ändern kann. Durch die Änderung des Überlappbereichs 8a, 8b ändert sich auch der jeweilige Signalanteil.
Wird im vorliegenden Beispiel das zweite Kondensatorelement 4 nach rechts bewegt, verringert sich der Überlappbereich 8a zwischen der ersten Elektrode 7a und dem zweiten Kondensatorelement 4. Somit wird der der ersten Elektrode 7a zuordenbare Signalanteil kleiner. Gleichzeitig vergrößert sich aber der Überlappbereich 8b zwischen der zweiten Elektrode 7b und dem zweiten Kondensatorelement 4. Somit wächst der der zweiten Elektrode zuordenbare Signalanteil.
Um eine präzise Führung des zweiten Kondensatorelements 4 bei der Bewegung relativ zum ersten Kondensatorelement 3 zu erreichen, kann eine Führungseinrichtung 20 vorgesehen sein. Im vorliegenden Beispiel wird die Führungseinrichtung 20 zumindest von einem Teil des zweiten Kondensatorelements 4 gebildet. Das zweite Kondensatorelement 4 weist zu diesem Zweck zwei Führungsschienen 21 in Form länglicher Vorsprünge 22 auf. Die Vorsprünge 22 erstrecken sich entlang zwei einander gegenüberliegenden Längskanten 4a, 4b des Kondensatorelements 4. Die Vorsprünge 22 sind zweckmäßigerweise derart ausgebildet, dass das erste Kondensatorelement 3 zwischen ihnen anordenbar ist. Dadurch können zwei Längskanten 3a, 3b des ersten Kondensatorelements 3 an den Vorsprüngen 22 anliegen. Das zweite Kondensatorelement 4 kann somit als Schlitten ausgebildet sein, der eine geradlinige Bewegung des zweiten Kondensatorelements 4 relativ zum ersten Kondensatorelement 3 ermöglicht.
Das von der Kondensatoranordnung 2 erzeugte Signal ist vorzugsweise mithilfe einer Datenverarbeitungseinrichtung 5 verarbeitbar. Die Datenverarbeitungseinrichtung 5 kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, auf Grundlage des kapazitiven Signals die Position des zweiten Kondensatorelements 4 relativ zum ersten Kondensatorelement 3 zu ermitteln. Vorzugsweise ist die Datenverarbeitungseinrichtung 5 auch dazu eingerichtet, die ermittelte Position auszugeben, zum Beispiel an einen Benutzer oder an eine andere Komponente des Linearaktuators, zum Beispiel an eine Antriebssteuerung.
Zur Verarbeitung des kapazitiven Signals sind die Elektroden 7a, 7b über eine Signalleitung mit je einem Leitungsteil 6a, 6b pro Elektrode 7a, 7b mit der Datenverarbeitungseinrichtung 5 signalverbunden. Im vorliegenden Beispiel ist das erste Kondensatorelement 3 als Leiterplatte 23 (printed circuit board, pcb) ausgebildet. Solche Leiterplatten 23 werden auch als gedruckte Schaltungen bezeichnet und können beispielsweise aus einem elektrisch isolierenden Träger, zum Beispiel einem faserverstärkten Kunststoff, gefertigt sein, auf dem elektrisch leitende Verbindungen angeordnet sind. Diese auch kurz als Leiterbahnen bezeichneten Verbindungen sind vorzugsweise aus einer dünnen Kupferschicht geätzt. Die Leiterplatte 23 umfasst vorzugsweise auch eine Schicht aus einem elektrisch isolierenden Lötstopplack, welcher die Leiterbahnen auf der Oberfläche des Trägers bedeckt und zum Beispiel vor Korrosion schützt.
Neben der Signalleitung, insbesondere den beiden Leitungsteilen 6a, 6b, kann auch die Elektrodenanordnung 7, insbesondere die Elektroden 7a, 7b, als Leiterbahnen der Leiterplatte 23 ausgebildet sein. Zur Bildung der Elektrodenanordnung 7, insbesondere der Elektroden 7a, 7b, können die entsprechenden Leiterbahnen der Leiterplatte 23 zumindest abschnittsweise entsprechend breiter ausgeführt sein. Das erste Kondensatorelement 3 lässt sich dadurch mit wenig Aufwand fertigen.
Weiter vorteilhaft an der Ausbildung des ersten Kondensatorelements 3 als Leiterplatte 23 ist auch, dass der Lötstopplack eine dielektrische Schicht der Kondensatoranordnung 2 bilden kann. Dadurch lassen sich die elektrischen Felder zwischen den Elektroden 7a, 7b der Elektrodenanordnung 7 und dem zweiten Kondensatorelement 4 und damit auch das kapazitive Signal verstärken. Die dielektrische Schicht kann auch eine Oberfläche des ersten Kondensatorelements 3 bilden, auf der das zweite Kondensatorelement 4 bei seiner Bewegung relativ zum ersten Kondensatorelement 1 gleitet. Dabei lässt sich der relativ niedrige Reibungskoeffizient des Lötstopplacks vorteilhaft ausnutzten.
4 zeigt ein Beispiel eines ersten Kondensatorelements 3, welches analog zum in 3 gezeigten ersten Kondensatorelement zweckmäßigerweise als Leiterplatte 23 ausgebildet ist. Das erste Kondensatorelement 3 weist im gezeigten Beispiel zwei Elektrodenanordnungen 7 mit mehreren Elektroden 7a, 7b auf, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit nur zwei mit einem Bezugszeichen versehen sind. Mithilfe der zwei Elektrodenanordnungen 7 kann ein sogenannter Multiturn-Drehgeber realisiert werden, indem einer der Elektrodenanordnungen 7 ein zweites Kondensatorelement (siehe 5) und der anderen der Elektrodenanordnungen 7 ein weiteres, analog zum zweiten Kondensatorelement ausgebildetes Kondensatorelement gegenüberliegend angeordnet wird.
Die Elektroden 7a, 7b sind kreisförmig angeordnet, sodass immer zumindest ein Teil der Elektrodenanordnung 7 bei einer Rotation des jeweils gegenüberliegenden Kondensatorelements relativ zum ersten Kondensatorelement 3 dem zweiten bzw. weiteren Kondensatorelement gegenüberliegt. Die Elektroden 7a, 7b können dabei als Segmentelektroden ausgebildet sein, die jeweils einem Kreissegment der kreisförmigen Elektrodenanordnung entsprechen. Die in 4 radial außenliegenden Elektroden 7a, 7b können zum Beispiel zur Übertragung eines Anregungssignals auf das zweite bzw. weitere Kondensatorelement vorgesehen sein, während die in 4 radial innenliegenden Elektroden (ohne Bezugszeichen) vorzugsweise zum Auskoppeln des Signals aus dem zweiten bzw. weiteren Kondensatorelement vorgesehen sind.
Das erste Kondensatorelement 3 weist im vorliegenden Beispiel außerdem zwei, vorzugsweise konzentrisch mit den kreisförmig angeordneten Elektroden 7a, 7b ausgebildete, Öffnungen 24 auf. Jede der Öffnungen 24 kann zum Beispiel einen Teil einer Führungsvorrichtung 20 zur Führung einer Rotationsbewegung des zweiten Kondensatorelements relativ zum ersten Kondensatorelement 3 bilden. Es ist beispielsweise denkbar, dass die Öffnungen 24 zur Aufnahme eines entsprechenden Vorsprungs des zweiten oder weiteren Kondensatorelements eingerichtet sind. Dabei weist der innere Rand jeder Öffnung 24 vorzugsweise einen metallischen Abschluss 25 auf, zum Beispiel eine Beschichtung aus einem Metall oder einen Metallbeschlag, um Abrieb zu minimieren.
5 zeigt ein Beispiel eines zweiten Kondensatorelements 4, welches zweckmäßigerweise aus einem elektrisch leitfähigen Polymer gefertigt ist. Das zweite Kondensatorelement 4 ist scheibenförmig ausgebildet und weist eine Außenverzahnung 26 auf, die mit einer Verzahnung an einer beweglichen Komponente eines Linearaktuators, zum Beispiel mit einem auf einer Antriebswelle sitzendem Zahnrad, in Eingriff gebracht werden kann. Auf einer ersten axialen Seitenfläche 4c weist das zweite Kondensatorelement 4 zudem mehrere Erhebungen 28 auf, die zur Anordnung gegenüber einer Elektrodenanordnung, insbesondere Elektroden, eines ersten Kondensatorelements (siehe 4) vorgesehen sind. Die Erhebungen 28 können somit insbesondere zur Aufnahme eines Anregungssignals vom ersten Kondensatorelement ausgebildet sein. Wenigstens ein Bereich zumindest einer Erhebung kann zudem zum Auskoppeln des Signals aus dem zweiten Kondensatorelement 4 ausgebildet sein. Das ausgekoppelte (kapazitive) Signal ist dabei vorzugsweise von einem Überlappbereich zwischen den Erhebungen 28 und der Elektrodenanordnung des ersten Kondensatorelements abhängig und damit charakteristisch für die Position des zweiten Kondensatorelements 4 relativ zum ersten Kondensatorelement. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist nur eine der Erhebungen mit einem Bezugszeichen versehen.
Die Erhebungen 28 überragen dabei die Außenverzahnung 26 in axialer Richtung. Dadurch kann das zweite Kondensatorelement 4 mit den Erhebungen 28 am ersten Kondensatorelement, insbesondere einer dielektrischen Schicht, anliegen bzw. gleiten.
Das zweite Kondensatorelement 4 weist zudem einen Vorsprung 27 mit einem im Wesentlichen kreisförmigen Umfang auf. Der Vorsprung 27 ist vorzugsweise konzentrisch mit einer Rotationsachse des zweiten Kondensatorelements 4 angeordnet und kann einen Teil einer Führungseinrichtung 20 zur Führung einer Bewegung des zweiten Kondensatorelements 4 relativ zum ersten Kondensatorelement bilden. Der Vorsprung 27 kann zum Beispiel dazu eingerichtet sein, in eine entsprechende Öffnung eines ersten Kondensatorelements (siehe 4) einzugreifen.
Vorzugsweise ist der Vorsprung 27 zumindest abschnittsweise als Hohlzylinder mit einer Ausnehmung 29 auf seiner Mantelfläche ausgebildet. Die Ausnehmung 29 kann sich vom Vorsprung 27 auch als Durchgriff bis in die axiale Seitenfläche, insbesondere bis zu einer Erhebung 28, des zweiten Kondensatorelements 4 erstrecken. Dadurch lässt sich Raum schaffen für ein Sicherungselement des zweiten Kondensatorelements 4 (siehe 6), das bei Belastung bis in die Ausnehmung 29 hinein elastisch verformt werden kann.
6 zeigt das zweite Kondensatorelement 4 aus 5 aus einer anderen Perspektive. Im Gegensatz zu 5 sind dem Betrachter nicht mehr die Erhebungen und der Vorsprung auf der ersten axialen Seitenfläche zugewandt, sondern eine zweite axiale Seitenfläche 4d und damit das Sicherungselement 30.
Das Sicherungselement 30 ist vorzugsweise elastisch ausgebildet und ragt aus der zweiten axialen Seitenfläche 4d hervor. Das Sicherungselement 30 kann insbesondere dazu eingerichtet sein, bei einer elastischen Verformung eine Federkraft zu erzeugen. Dadurch lässt sich das zweite Kondensatorelement 4 beispielsweise zwischen einer Komponente eines Linearaktuators, zum Beispiel einem Gehäuse, und dem ersten Kondensatorelement, zum Beispiel der in 4 gezeigten Leiterplatte, einspannen. Das Sicherungselement 30 kann dabei zuverlässig verhindern, dass der Vorsprung (siehe 5) bei einer Rotation des zweiten Kondensatorelements 4 relativ zum ersten Kondensatorelement aus der Öffnung des ersten Kondensatorelements (siehe 4) herausspringt.
7 zeigt ein Beispiel eines Verfahrens 50 zur Ermittlung einer Stellung eines Linearaktuators.
In einem Verfahrensschritt S1 wird mithilfe einer Kondensatoranordnung ein kapazitives Signal erzeugt. Die Kondensatoranordnung weist zweckmäßigerweise ein erstes Kondensatorelement und ein relativ zum ersten Kondensatorelement beweglich angeordnetes, bevorzugt aus einem elektrisch leitfähigen Polymer gefertigtes zweites Kondensatorelement auf.
Das zweite Kondensatorelement ist dabei vorzugsweise mit einer beweglichen Komponente des Linearaktuators, zum Beispiel mit einer Lineareinheit oder einer Antriebswelle eines Antriebs des Linearaktuators, gekoppelt. Dadurch kann eine Bewegung der beweglichen Komponente in eine Bewegung des zweiten Kondensatorelements übersetzt werden. Aus einer Position des zweiten Kondensatorelements relativ zum ersten Kondensatorelement lässt sich so die Stellung des Linearaktuators ableiten.
Entsprechend wird in einem weiteren Verfahrensschritt S2 mithilfe einer Datenverarbeitungseinrichtung eine Position des zweiten Kondensatorelements relativ zum ersten Kondensatorelement auf Grundlage des kapazitiven Signals ermittelt. Die ermittelte Position wird vorzugsweise ausgegeben, zum Beispiel an einen Benutzer und/oder eine andere Komponente des Linearaktuators, etwa an eine Antriebssteuerung.
8 zeigt ein Beispiel eines Herstellungsverfahrens 100 für einen Positionssensor.
In einem Verfahrensschritt V1 wird ein erstes Kondensatorelement bereitgestellt. Zu diesem Zweck kann beispielsweise eine Leiterplatte gefertigt werden. Die dabei gebildeten Leiterbahnen der Leiterplatte, zum Beispiel durch Ätzen erzeugte Kupferleiterbahnen, können zumindest abschnittsweise eine Elektrodenanordnung des ersten Kondensatorelements bilden.
In einem weiteren Verfahrensschritt V2 wird ein zweites Kondensatorelement aus einem elektrisch leitfähigen Polymer additiv gefertigt. Beispielsweise kann das zweite Kondensatorelement durch selektives Lasersintern (SLS) gefertigt werden. Dadurch ist die Form des zweiten Kondensatorelements im Wesentlichen frei vorgebbar. In einem weiteren Verfahrensschritt V3 wird das zweite Kondensatorelement relativ zum ersten Kondensatorelement in einer Kondensatoranordnung beweglich angeordnet, sodass durch die gebildete Kondensatoranordnung ein kapazitives Signal erzeugbar ist. Dazu kann das zweite Kondensatorelement beispielsweise schlittenartig auf das erste Kondensatorelement aufgesetzt werden, sodass das zweite Kondensatorelement gradlinig entlang dem ersten Kondensatorelement gleiten kann. Alternativ kann das zweite Kondensatorelement zumindest abschnittsweise in das erste Kondensatorelement eingesteckt werden, sodass das zweite Kondensatorelement relativ zum ersten Kondensatorelement rotieren kann. Beispielsweise kann ein zylinderförmiger oder konischer Vorsprung des zweiten Kondensatorelements mit einer Öffnung im ersten Kondensatorelement in Eingriff gebracht werden, sodass das zweite Kondensatorelement um den Vorsprung rotierbar ist.
In einem weiteren Verfahrensschritt V4 wird die Kondensatoranordnung mit einer Datenverarbeitungseinrichtung zur Ermittlung einer Position des zweiten Kondensatorelements relativ zum ersten Kondensatorelement Grundlage des kapazitiven Signals signalverbunden. Zu diesem Zweck kann das erste Kondensatorelement, insbesondere eine Elektrodenanordnung des ersten Kondensatorelements, elektrisch leitend mit der Datenverarbeitungseinrichtung verbunden werden.
Dabei ist es denkbar, dass der Verfahrensschritt V4 im Wesentlichen gleichzeitig mit Verfahrensschritt V2, d. h. in dessen Rahmen, durchgeführt wird. So kann eine Signalleitung, insbesondere mehrere Leitungsteile (siehe 3), gleichzeitig mit der Elektrodenanordnung gefertigt werden, insbesondere wenn die Datenverarbeitungseinrichtung ebenfalls auf der Leiterplatte angeordnet ist oder sogar zumindest teilweise von der Leiterplatte gebildet wird.
Bezugszeichenliste

1: Positionssensor
2: Kondensatoranordnung
3: erstes Kondensatorelement
3a, 3b: Längskante
4: zweites Kondensatorelement
4a, 4b: Längskante
4c, 4d: Seitenfläche
5: Datenverarbeitungseinrichtung
6: Signalleitung
6a, 6b: Leitungsteile
7: Elektrodenanordnung
7a, 7b: Elektrode
8a, 8b: Überlappbereich
10: Linearaktuator
11: Antrieb
11a: Antriebswelle
12: Umwandlungseinrichtung
13: Spindel
14: Lineareinheit
15: Getriebe
16: Mutter
17: Schubhülse
18: Gehäuse
19: Betätigungselement
20: Führungseinrichtung
21: Führungsschiene
22: länglicher Vorsprung
23: Leiterplatte
24: Öffnung
25: metallischer Abschluss
26: Außenverzahnung
27: Vorsprung
28: Erhebung
29: Ausnehmung
30: Sicherungselement
50: Verfahren
100: Herstellungsverfahren
S1, S2: Verfahrensschritte des Verfahrens
V1-V4: Verfahrensschritte des Herstellungsverfahrens

Claims

Positionssensor (1), insbesondere für einen Linearaktuator (10), mit - einer Kondensatoranordnung (2), die ein erstes Kondensatorelement (3) und ein relativ zum ersten Kondensatorelement (3) beweglich angeordnetes zweites Kondensatorelement (4) aufweist und zur Erzeugung eines kapazitiven Signals eingerichtet ist, und - einer Datenverarbeitungseinrichtung (5) zur Ermittlung der Position des zweiten Kondensatorelements (4) relativ zum ersten Kondensatorelement (3) auf Grundlage des kapazitiven Signals, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Kondensatorelement (4) aus einem elektrisch leitfähigen Polymer gefertigt ist.
Positionssensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kondensatorelement (3) eine Elektrodenanordnung (7) und eine zwischen der Elektrodenanordnung (7) und dem zweiten Kondensatorelement (4) angeordnete dielektrische Schicht aufweist und als Leiterplatte (23) ausgebildet ist.
Positionssensor (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Führungseinrichtung (20) zum Führen einer Bewegung des zweiten Kondensatorelements (4) relativ zum ersten Kondensatorelement (3), wobei die Führungseinrichtung (20) vom ersten Kondensatorelement (3) und/oder dem zweiten Kondensatorelement (4) gebildet ist.
Positionssensor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Kondensatorelement (4) relativ zum ersten Kondensatorelement (3) rotierbar gelagert ist.
Positionssensor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Kondensatorelement (4) oder das erste Kondensatorelement (3) einen Vorsprung (27) mit einem im Wesentlichen kreisförmigen Umfang und das jeweils andere Kondensatorelement (3, 4) eine kreisförmige Öffnung (24) aufweist, in welche der Vorsprung (27) eingreift.
Positionssensor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Kondensatorelement (4) eine Außenverzahnung (26) zum Erzeugen einer Bewegung des zweiten Kondensatorelements (4) relativ zum ersten Kondensatorelement (3) aufweist.
Positionssensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Kondensatorelement (4) relativ zum ersten Kondensatorelement (3) geradlinig beweglich gelagert ist.
Positionssensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Kondensatorelement (4) oder das erste Kondensatorelement (3) wenigstens eine Führungsschiene (21) in Form eines länglichen Vorsprungs (22) aufweist und das jeweils andere Kondensatorelement (3, 4) zum Anliegen an der wenigstens einen Führungsschiene (21) ausgebildet ist.
Positionssensor (1) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Kondensatorelement (4) oder das erste Kondensatorelement (3) zwei parallele Führungsschienen (21) in Form jeweils eines länglichen Vorsprungs (22) aufweist und das jeweils andere Kondensatorelement (3, 4) zumindest abschnittsweise zwischen den zwei Führungsschienen (21) angeordnet ist.
Positionssensor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kondensatorelement (3) eine Oberfläche aufweist, auf der das zweite Kondensatorelement (4) bei seiner Bewegung relativ zum ersten Kondensatorelement (3) gleitet.
Positionssensor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Kondensatorelement (4) ein elastisch ausgebildetes Sicherungselement (30) aufweist, das zur Festlegung des zweiten Kondensatorelements (4) relativ zum ersten Kondensatorelement (3) hinsichtlich wenigstens eines Freiheitsgrads ausgebildet ist.
Positionssensor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoranordnung (2) wenigstens ein weiteres, relativ zum ersten Kondensatorelement (3) beweglich angeordnetes Kondensatorelement aufweist.
Linearaktuator (10) mit einem Positionssensor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Verfahren (50) zur Ermittlung einer Stellung eines Linearaktuators (10), bei dem - mithilfe einer Kondensatoranordnung (2), die ein erstes Kondensatorelement (3) und ein relativ zum ersten Kondensatorelement (3) beweglich angeordnetes, aus einem elektrisch leitfähigen Polymer gefertigtes zweites Kondensatorelement (4) aufweist, ein kapazitives Signal erzeugt wird (S1), und - mithilfe einer Datenverarbeitungseinrichtung (5) eine Position des zweiten Kondensatorelements (4) relativ zum ersten Kondensatorelement (3) auf Grundlage des kapazitiven Signals ermittelt wird (S2).
Herstellungsverfahren (100) für einen Positionssensor (1), bei dem - ein erstes Kondensatorelement (3) bereitgestellt wird (V1), - ein zweites Kondensatorelement (4) aus einem elektrisch leitfähigem Polymer additiv gefertigt wird (V2), - das zweite Kondensatorelement (4) relativ zum ersten Kondensatorelement (3) in einer Kondensatoranordnung (2) beweglich angeordnet wird (V3), sodass durch die gebildete Kondensatoranordnung (2) ein kapazitives Signal erzeugbar ist, und - die Kondensatoranordnung (2) mit einer Datenverarbeitungseinrichtung (5) zur Ermittlung einer Position des zweiten Kondensatorelements (4) relativ zum ersten Kondensatorelement (3) auf Grundlage des kapazitiven Signals signalverbunden wird (V4).