DE102022117186A1

DE102022117186A1 - Positionsgeber, Linearaktuator und Verfahren zur Positionsbestimmung

Info

Publication number: DE102022117186A1
Application number: DE102022117186.8A
Authority: DE
Inventors: Christoph Riehl; Urs Kunz
Original assignee: Ewellix AB
Current assignee: Ewellix AB
Priority date: 2022-07-11
Filing date: 2022-07-11
Publication date: 2024-01-11
Also published as: CN117387665A; US20240011803A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Positionsgeber (10), einen Linearaktuator (1) und ein Verfahren (V) zum Ermitteln einer Position von zwei Bauteilen relativ zueinander. Es sind eine Messeinheit (20) und eine erste, zweite und dritte Elektrodenanordnung (30, 40, 50) vorgesehen. Die dritte Elektrodenanordnung (50) koppelt die erste und zweite Elektrodenanordnung (30, 40) kapazitiv miteinander und ist relativ dazu beweglich. Erfindungsgemäß ist die Messeinheit (20) mit der ersten Elektrodenanordnung (30) durch eine erste Leitungsanordnung (60) und mit der zweiten Elektrodenanordnung (40) durch eine zweite Leitungsanordnung (70) elektrisch leitend verbunden. Die Messeinheit (20) ist dazu eingerichtet, über die erste Leitungsanordnung (60) wenigstens ein Anregungssignal (21) auszusenden und über die zweite Leitungsanordnung (70) wenigstens ein Auslesesignal (22) zu empfangen. Die Messeinheit (22) ist zudem dazu eingerichtet, auf Grundlage des Auslesesignals (22) eine Stellung der dritten Elektrodenanordnung (50) relativ zur ersten und zweiten Elektrodenanordnung (30, 40) zu ermitteln.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Positionsgeber, einen Linearaktuator und ein Verfahren zum Ermitteln einer Position von zwei Bauteilen relativ zueinander.
Zur Bestimmung von Positionen von zwei Bauteilen relativ zueinander sind Positionsgeber bekannt. Insbesondere können mit diesen Positionsgebern Lageänderungen, d. h. eine translatorische Verschiebung, oder Winkeländerungen erfasst und quantifiziert werden. Insofern werden Positionsgeber oftmals eingesetzt, um die Stellung eines Linearaktuators zu ermitteln.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Positionsbestimmung von zwei Bauteilen relativ zueinander zu verbessern, insbesondere den dafür notwendigen Raumbedarf zu verringern sowie den Aufbau eines dazu eingesetzten Positionsgebers zu vereinfachen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Positionsgeber, einen Linearaktuator sowie ein Verfahren zum Ermitteln einer Position von zwei Bauteilen relativ zueinander gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und der folgenden Beschreibung.
Ein Positionsgeber gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung, insbesondere für einen Linearaktuator, weist eine Messeinheit, wenigstens eine erste Elektrodenanordnung, wenigstens eine zweite Elektrodenanordnung und wenigstens eine dritte Elektrodenanordnung auf. Die dritte Elektrodenanordnung koppelt die erste und zweite Elektrodenanordnung kapazitiv miteinander und ist relativ dazu beweglich. Erfindungsgemäß ist die Messeinheit mit der ersten Elektrodenanordnung durch eine erste Leitungsanordnung und mit der zweiten Elektrodenanordnung durch eine zweite Leitungsanordnung elektrisch leitend verbunden. Die Messeinheit ist dazu eingerichtet, über die erste Leitungsanordnung wenigstens ein Anregungssignal, insbesondere eine Sequenz von, vorzugsweise gleichen, Anregungssignalen, auszusenden und über die zweite Leitungsanordnung wenigstens ein Auslesesignal, insbesondere eine Sequenz von Auslesesignalen, zu empfangen. Die Messeinheit ist zudem dazu eingerichtet, auf Grundlage des Auslesesignals (bzw. der Sequenz von Auslesesignalen) eine Stellung der dritten Elektrodenanordnung relativ zur ersten und zweiten Elektrodenanordnung zu ermitteln.
Eine elektrisch leitende Verbindung im Sinne der Erfindung ist vorzugsweise eine unmittelbare oder direkte Verbindung, über die ein elektrisches Strom- oder Spannungssignal übertragbar ist, ohne dass es durch die Verbindung wesentlich beeinträchtigt wird. Eine elektrisch leitende Verbindung schließt insbesondere eine kapazitive Kopplung aus, bei der eine elektrische Leitung durch ein kapazitives Element unterbrochen ist.
Ein Aspekt der Erfindung basiert auf dem Ansatz, eine an sich bekannte Elektrodenkonfiguration eines Positionsgebers aus einer ersten, zweiten und diese beiden kapazitiv koppelnden dritten Elektrodenanordnung mit einem oder mehreren Anregungssignalen direkt anzuregen. Dazu ist zweckmäßigerweise eine erste Leitungsanordnung vorgesehen, die eine Messeinheit mit der ersten Elektrodenanordnung elektrisch leitend verbindet. Entsprechende Abfragesignale können über eine zweite Leitungsanordnung empfangen werden, welche die Messeinheit mit der zweiten Elektrodenanordnung elektrisch leitend verbindet. Aus den Abfragesignalen sind eine Stellung der dritten Elektrodenanordnung relativ zur ersten und zweiten Elektrodenanordnung ableitbar. Auf eine dedizierte Anregungsleitung, wie sie in konventionellen Positionsgebern vorgesehen ist, kann verzichtet werden. Dies erlaubt nicht nur eine aufwandsgünstigere Herstellung des erfindungsgemäßen Positionsgebers, sondern auch die Reduktion des Platzbedarfs.
Die Elektrodenanordnungen sind zweckmäßigerweise derart ausgebildet, dass einerseits die erste und andererseits die zweite mit der dritten Elektrodenanordnung jeweils eine oder mehrere Kapazitäten bilden. Die Elektrodenanordnungen sind dabei vorzugsweise derart ausgebildet, dass sich die gebildeten Kapazitäten durch eine Bewegung der dritten relativ zur ersten und zweiten Elektrodenanordnung ändern. Aus den Abfragesignalen können die Kapazitäten abgeleitet werden.
Die erste und zweite Elektrodenanordnung bilden vorzugsweise jeweils eine Messspur. Anders gesagt ist vorzugsweise ein Messspurpaar vorgesehen, bei dem eine erste Messspur die erste Elektrodenanordnung und eine zweite Messspur die zweite Elektrodenanordnung aufweist. Dem Messspurpaar ist zweckmäßigerweise die dritte Elektrodenanordnung zugeordnet. Deren Bewegung relativ zur ersten und zweiten Elektrodenanordnung ist vorzugsweise mit einer Bewegung eines Bauteils relativ zu einem anderen Bauteil gekoppelt oder koppelbar, sodass die Stellung der dritten Elektrodenanordnung relativ zur ersten und zweiten Elektrodenanordnung mit der relativen Position der beiden Bauteile korrespondiert.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung und deren Weiterbildungen beschrieben. Diese Ausführungsformen können jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird, beliebig miteinander sowie mit den im Weiteren beschriebenen Aspekten der Erfindung kombiniert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die dritte Elektrodenanordnung eine Mehrzahl an dritten Elektrodeneinheiten auf. Die dritten Elektrodeneinheiten sind vorzugsweise dazu eingerichtet, mit ersten bzw. zweiten Elektrodeneinheiten der ersten und zweiten Elektrodenanordnung Kapazitäten zu bilden. Jede Elektrodeneinheit kann einer elektrisch leitenden Fläche entsprechen. So ergeben sich die Kapazitäten beispielsweise durch den Überlapp von ersten oder zweiten Flächen, die mit den ersten bzw. zweiten Elektrodeneinheiten korrespondierenden, mit dritten Flächen, die mit den dritten Elektrodeneinheiten korrespondieren.
Vorzugsweise sind alle dritten Elektrodeneinheiten elektrisch leitend miteinander verbunden. Es ist somit keine Schaltung notwendig, um die erste und zweite Elektrodenanordnung kapazitiv miteinander zu koppeln. Insofern lässt sich die Komplexität des Positionsgebers signifikant reduzieren.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die erste Leitungsanordnung eine separate Leitung zu jeder ersten Elektrodeneinheit der ersten Elektrodenanordnung auf. Alternativ oder zusätzlich weist die zweite Leitungsanordnung eine separate Leitung zu jeder zweiten Elektrodeneinheit der zweiten Elektrodenanordnung auf. Dadurch lassen sich einzelne der ersten Elektrodeneinheiten gezielt mit einem Anregungssignal anregen bzw. ein von einer zweiten Elektrodeneinheit erzeugtes, d. h. in einer zweiten Elektrodeneinheit induziertes, Abfragesignal auslesen. Insofern können mehrere Kanäle realisiert werden, die einzelnen ansteuerbar bzw. auslesbar sind.
Insbesondere kann die erste Elektrodenanordnung eine erste Anzahl an ersten Elektrodeneinheiten und die zweite Elektrodenanordnung eine zweite Anzahl an zweiten Elektrodeneinheiten aufweisen. Zweckmäßigerweise entspricht die erste Anzahl der zweiten Anzahl. Sind mehrere Messspurpaare vorgesehen, weist die erste Leitungsanordnung vorzugsweise eine der ersten Anzahl entsprechende Anzahl an Leitungen zu jeweils mehreren ersten Elektrodeneinheiten verschiedener erster Elektrodenanordnungen auf. Dadurch lässt sich die Anzahl an benötigten Leitungen und damit auch der Platzbedarf reduzieren. Insbesondere ist so eine aufwandsgünstigere Herstellung möglich.
Dabei ist eine Anzahl an Elektrodeneinheiten, die durch jeweils dieselbe Leitung der ersten Leitungsanordnung mit der Messeinheit verbunden sind, beispielsweise durch eine Anzahl der ersten Elektrodenanordnungen - d. h. der Anzahl der Messspurenpaare - gegeben.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Messeinheit zum Aussenden einer Sequenz des Anregungssignals, d. h. eines zeitlich verteilten Anregungssignals, und/oder eines frequenzverteilten Anregungssignals eingerichtet. Vorzugsweise ist die Messeinheit zum entsprechenden Empfang mehrerer Abfragesignale eingerichtet. Zweckmäßigerweise ist die Messeinheit zudem dazu eingerichtet, aus einer solchen Sequenz bzw. einem solchen Frequenzspektrum die Stellung der dritten Elektrodenanordnung relativ zur ersten und zweiten Elektrodenanordnung zu ermitteln. Das sequenzielle oder frequenzverteilte Aussenden der Anregungssignale und der entsprechende Empfang der Abfragesignale erlaubt eine effiziente Nutzung der Leitungsanordnungen. Insofern ermöglicht der sequenz- oder frequenzbasierte Betrieb auch eine Reduktion der notwendigen Leitungen.
Ein sequentielles Aussenden des Anregungssignals ist hierbei vorzugsweise ein zeitlich aufeinanderfolgendes Aussenden desselben Anregungssignals. Ein Aussenden eines frequenzverteilten Anregungssignals ist hierbei vorzugsweise ein Aussenden eines Anregungssignals mit mehreren Frequenzen, d. h. einem (diskreten) Frequenzspektrum. Durch die Frequenzverteilung des Anregungssignals kann an den zweiten Elektrodeneinheiten gleichzeitig jeweils ein Abfragesignal bei jeweils einer anderen Frequenz des Spektrums erzeugt bzw. abgegriffen werden.
Um die Stellung der zweiten relativ zur dritten Elektrodenanordnung ermitteln zu können, ist die Messeinheit beispielsweise dazu eingerichtet, alle ersten Elektrodeneinheiten mit demselben Anregungssignal über die erste Leitungsanordnung mehrmalig oder frequenzverteilt anzuregen. Die Zahl der Anregungen oder Frequenzen entspricht dabei vorzugsweise der ersten Anzahl, d. h. der Anzahl an ersten Elektrodeneinheiten. Zweckmäßigerweise ist die Messeinheit zudem dazu eingerichtet, für jede Anregung oder Frequenz gezielt ein Abfragesignal von jeweils einer anderen zweiten Elektrodeneinheit über die zweite Leitungsanordnung zu empfangen. Mit anderen Worten wird zum Beispiel über eine breite Anregung der ersten Elektrodenanordnung eine gezielte Sondierung der kapazitiven Kopplung zwischen der dritten Elektrodenanordnung und den einzelnen zweiten Elektrodeneinheiten vorgenommen.
Insofern ist die Messeinheit vorzugsweise dazu eingerichtet, eine Kapazität aus jedem der empfangenen Abfragesignale zu ermitteln. Zweckmäßigerweise ist dabei jede derart ermittelte Kapazität einer der zweiten Elektrodeneinheiten zugeordnet oder zuordenbar. Die derart quantifizierten Kapazitäten, insbesondere deren Verhältnis zueinander, erlauben einen Rückschluss der Stellung der zweiten relativ zur dritten Elektrodenanordnung.
Um die Stellung der ersten relativ zur dritten Elektrodenanordnung ermitteln zu können, ist die Messeinheit beispielsweise dazu eingerichtet, eine erste Elektrodeneinheit mehrmalig oder frequenzverteilt mit einem ersten Anregungssignal und gleichzeitig die übrigen ersten Elektrodeneinheiten nicht oder mit einem vom ersten Anregungssignal verschiedenen zweiten Anregungssignal über die erste Leitungsanordnung anzuregen. Das zweite Anregungssignal kann ein zum ersten Anregungssignal gegenpoliges Anregungssignal sein.
Die Zahl der Anregungen entspricht dabei vorzugsweise der zweiten Anzahl, d. h. der Anzahl an zweiten Elektrodeneinheiten. Zweckmäßigerweise ist die Messeinheit zudem dazu eingerichtet, für jede Anregung oder Frequenz ein Abfragesignal von jeweils einer anderen zweiten Elektrodeneinheit über die zweite Leitungsanordnung zu empfangen. Mit anderen Worten wird zum Beispiel über eine gezielte Anregung der ersten Elektrodenanordnung eine Sondierung der kapazitiven Kopplung zwischen der dritten Elektrodenanordnung und den einzelnen ersten Elektrodeneinheiten vorgenommen, wobei sich die Kopplung zweckmäßigerweise aus der Berücksichtigung mehrerer Abfragesignale an den zweiten Elektrodeneinheiten ergibt.
Insofern ist die Messeinheit vorzugsweise dazu eingerichtet, eine Kapazität aus jedem der empfangenen Abfragesignale zu ermitteln und die ermittelten Kapazitäten aufzuaddieren. Zweckmäßigerweise ist die derart aufaddierte Kapazität der mit dem vorgegebenen Anregungssignal angeregten ersten Elektrodeneinheit zugeordnet oder zuordenbar.
Vorzugsweise ist die Messeinheit dazu eingerichtet, die mehrmalige oder frequenzverteilte Anregung mit dem ersten Anregungssignal und die gleichzeitige Anregung der übrigen ersten Elektrodeneinheiten mit dem zweiten Anregungssignal nacheinander für jede erste Elektrodeneinheit durchzuführen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Messeinheit, die erste Elektrodenanordnung und die zweite Elektrodenanordnung auf einer Leiterplatte ausgebildet, insbesondere aufgedruckt. Dies erlaubt eine aufwandsgünstigere Herstellung.
Vorzugsweise ist die dritte Elektrodenanordnung auf einem an der Leiterplatte beweglich, insbesondere rotierbar oder translatorisch verschiebbar, gelagerten Körper angeordnet. Der Körper ist vorteilhaft zur Reduktion der Komplexität zumindest abschnittsweise aus einem leitfähigen Kunststoff gefertigt, der die dritten Elektrodeneinheiten bilden kann.
Zwischen der ersten und zweiten Elektrodenanordnung einerseits und der dritten Elektrodenanordnung andererseits ist zweckmäßigerweise ein Dielektrikum angeordnet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind mehrere erste Elektrodenanordnungen, mehrere zweite Elektrodenanordnungen und mehrere dritten Elektrodenanordnungen vorgesehen. Mit anderen Worten können mehrere Messspurpaare vorgesehen sein, beispielsweise um die Präzision der ermittelbaren relativen Bauteilposition aus den ermittelten Stellungen der dritten Elektrodenanordnungenen relativ zu den ersten und zweiten Elektrodenanordnung weiter zu erhöhen und/oder den Messbereich zu erweitern. Insbesondere mit zwei ersten, zweiten und dritten Elektrodenanordnungen, d. h. zwei Messspurpaaren, ist so ein Nonius-Prinzip realisierbar.
Vorzugsweise weist dabei jede erste Elektrodenanordnung jeweils drei erste Elektrodeneinheiten und jede zweite Elektrodenanordnung jeweils drei zweite Elektrodeneinheiten auf. Es hat sich gezeigt, dass die dadurch gebildeten drei Kanäle eine gute Präzision bei der Bestimmung der Stellung der ersten oder zweiten Elektrodenanordnung relativ zur dritten Elektrodenanordnung bei vertretbarem (Verschaltungs-)Aufwand mit der Messeinheit ermöglichen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die erste und zweite Elektrodenanordnung jeweils eine Mehrzahl an ersten bzw. zweiten Elektrodeneinheiten auf, wobei eine erste Elektrodeneinheit und/oder eine zweite Elektrodeneinheit mehrere miteinander elektrisch verbundene Elektrodenelemente umfasst. Beispielsweise kann eine erste und/oder zweite Elektrodeneinheit mehrere miteinander elektrisch verbundene, leitfähige Flächen umfassen. Diese Elektrodenelemente sind zweckmäßigerweise in regelmäßigen Abständen, insbesondere in einer festen Abfolge mit den Elektrodenelementen der anderen Elektrodeneinheiten, angeordnet. Dadurch kann die Messgenauigkeit erhöht und/oder der Messbereich erweitert werden.
Ein Linearaktuator gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung weist eine Lineareinheit und einen Positionsgeber gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung auf. Die Lineareinheit ist dabei zum Erzeugen einer translatorischen Bewegung aus einer rotatorischen Bewegung, etwa der Rotation einer Motorwelle, eingerichtet. Beispielsweise kann die Lineareinheit eine von einem Motor angetriebene Gewindespindel und eine auf der Gewindespindel laufende Spindelmutter aufweisen. Zweckmäßigerweise ist eine durch die Betätigung der Lineareinheit erzeugte translatorische Bewegung eines Bauteils der Lineareinheit, etwa der Spindelmutter, mit einer Bewegung der dritten Elektrodenanordnung relativ zur ersten und zweiten Elektrodenanordnung gekoppelt. Zu diesem Zweck kann ein Getriebe, etwa ein oder mehrere Zahnräder, vorgesehen sein. Mithilfe des Positionsgebers kann folglich bauraumgünstig eine Stellung des Linearaktuators, zum Beispiel die Position der Spindelmutter auf der Gewindespindel, präzise und zuverlässig ermittelt werden.
Beim Verfahren gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung zum Ermitteln einer Position von zwei Bauteilen relativ zueinander, insbesondere mithilfe eines Positionsgebers gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, wird eine erste Elektrodenanordnung über eine erste Leitungsanordnung mit wenigstens einem Anregungssignal, insbesondere einer Anregungssequenz aus mehreren (gleichen) Anregungssignalen, angeregt. Bedingt durch diese Anregung wird vorzugsweise wenigstens ein Abfragesignal in einer zweiten Elektrodenanordnung erzeugt, die durch eine dritte Elektrodenanordnung mit der ersten Elektrodenanordnung kapazitiv gekoppelt und relativ zur ersten und zweiten Elektrodenanordnung beweglich ist. Es ist bevorzugt, dass das Abfragesignal über eine zweite Leitungsanordnung empfangen wird und auf Grundlage des Abfragesignals eine Stellung der dritten Elektrodenanordnung relativ zur ersten und zweiten Elektrodenanordnung ermittelt wird. Die derart ermittelte Stellung der dritten relativ zur ersten und zweiten Elektrodenanordnung kann der relativen Position von zwei Bauteilen zugeordnet werden, deren relative Bewegung zweckmäßigerweise mit der Bewegung der dritten relativ zur ersten und zweiten Elektrodenanordnung gekoppelt 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 Positionsgeber gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, dem Linearaktuator gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung und dem Verfahren gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung kombinierbar.
Es zeigen, zumindest teilweise schematisch:

1 ein Beispiel eines Linearaktuators mit einer Lineareinheit und einem Positionsgeber;
2 ein Beispiel einer körperlichen Ausgestaltung eines Positionsgebers;
3 ein Beispiel einer schalttechnischen Ausgestaltung eines Positionsgebers;
4 ein Beispiel eines Verfahrens zum Ermitteln einer Position von zwei Bauteilen relativ zueinander.

1 zeigt ein Beispiel eines Linearaktuators 1 mit einer Lineareinheit 2 und einem Positionsgeber 10. Die Lineareinheit 2 und der Positionsgeber 10 sind über ein Getriebe 3 mit einem Motor 4 gekoppelt. Eine vom Motor 4 erzeugte Rotation wird dadurch von der Lineareinheit 2 in eine Translation und vom Positionsgeber 10 in eine Bewegung einer dritten Elektrodenanordnung relativ zu einer ersten und zweiten Elektrodenanordnung (siehe 2) umgewandelt. Beispielsweise erzeugt die vom Motor 4 auf eine Gewindespindel 5 übertragene Rotation eine Translation einer auf der Gewindespindel 5 laufenden Spindelmutter 6. Die Position der Spindelmutter 6 relativ zu Gewindespindel 5 korrespondiert dabei mit der Position der dritten relativ zur ersten und zweiten Elektrodenanordnung. Insofern kann mithilfe des Positionsgebers 10 eine Stellung des Linearaktuators 1, insbesondere der Lineareinheit 2 bzw. der Spindelmutter 6, ermittelt werden.
2 zeigt ein Beispiel einer körperlichen Ausgestaltung eines Positionsgebers 10 mit einer Messeinheit 20, zwei ersten Elektrodenanordnungen 30, zwei zweiten Elektrodenanordnungen 40 und zwei dritten Elektrodenanordnungen 50. Die Messeinheit 20 ist mit den ersten Elektrodenanordnungen 30 über eine erste Leitungsanordnung 60 und mit den zweiten Elektrodenanordnungen 40 über eine zweite Leitungsanordnung 70 elektrisch leitend verbunden.
Die Messeinheit 20, die ersten und zweiten Elektrodenanordnungen 30, 40 und die Leitungsanordnungen 60, 70 sind auf einer Leiterplatte 80 ausgebildet, insbesondere zumindest teilweise aufgedruckt.
Die dritten Elektrodenanordnungen 50 sind dagegen jeweils auf einem, vorzugsweise scheibenförmigen, Körper 90 angeordnet. Die dritten Elektrodenanordnungen 50 können, zumindest teilweise, auch von den Körpern 90 gebildet sein. Die Körper 90 bestehen dazu vorzugsweise, zumindest teilweise, aus einem leitfähigen Kunststoff.
Die Körper 90 sind in 2 zur besseren Sichtbarkeit der ersten und zweiten Elektrodenanordnungen 30, 40 unterhalb der Leiterplatte 80 dargestellt. Im betriebsbereiten Zustand sind die Körper 90 zweckmäßigerweise jedoch jeweils rotierbar an der Leiterplatte 80 gelagert, etwa mithilfe eines Pins oder einer sonstigen Achse, der bzw. die beispielsweise in eine entsprechende Durchgangsbohrung 81 der Leiterplatte 80 gesteckt wird bzw. ist. Andere Lagerungen sind jedoch auch denkbar. Zwischen den Körpern 90 und der Leiterplatte 80 ist bzw. wird dabei zweckmäßigerweise ein Dielektrikum (nicht gezeigt) angeordnet.
Dabei sind die Körper 90 zweckmäßigerweise derart angeordnet, dass die dritten Elektrodenanordnungen 50 jeweils einer ersten und zweiten Elektrodenanordnung 30, 40 gegenüberliegen. Die dritten Elektrodenanordnungen 50 sind somit relativ zu den ersten und zweiten Elektrodenanordnungen 30, 40 rotierbar, sodass der Positionsgeber 10 eine Winkelstellung der Körper 90 messen kann.
Alternativ zur rotierbaren Lagerung der Körper 90 an der Leiterplatte 80 ist noch eine translatorischen Lagerung, etwa eine Gleitlagerung, denkbar. In diesem Fall sind die Körper 90 zweckmäßigerweise linealartig ausgebildet. Der Positionsgeber 10 kann infolgedessen eine translatorische Verschiebung messen.
Die ersten, zweiten und dritten Elektrodenanordnungen 30, 40, 50 weisen zweckmäßigerweise jeweils mehrere erste, zweite bzw. dritte Elektrodeneinheiten 31, 41, 51 auf, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit nur einige mit einem Bezugszeichen versehen sind. Jede der ersten und zweiten Elektrodeneinheiten 31, 41 kann mehrere Elektrodensegmente umfassen, die zweckmäßigerweise miteinander elektrisch leitend verbunden sind.
Die dritten Elektrodeneinheiten 51 sind vorzugsweise elektrisch leitend miteinander verbunden. Dadurch koppelt jede der dritten Elektrodenanordnungen 50 jeweils eine erste Elektrodenanordnung 30 mit einer zweiten Elektrodenanordnung 40 kapazitiv. Die derart gekoppelten ersten und zweiten Elektrodenanordnungen 30, 40 bilden jeweils ein Paar 100 von Messspuren, mit denen die Stellung der koppelnden, dritten Elektrodenanordnung 50 relativ zur ersten und zweiten Elektrodenanordnung 30, 40 - und damit des Körpers 90 relativ zu Leiterplatte 80 - ermittelbar ist.
Die ersten und zweiten Elektrodeneinheiten 31, 41 sind vorzugsweise separat ausgebildet, d. h. untereinander nicht elektrisch leitend verbunden. Die ersten und zweiten Elektrodeneinheiten 31, 41 können mit der jeweiligen dritten Elektrodenanordnung 50 Kapazitäten bilden. Diese Kapazitäten ändern sich zweckmäßigerweise bei Bewegung der dritten Elektrodenanordnung 50 relativ zu der ersten und zweiten Elektrodenanordnung 30, 40, beispielsweise aufgrund der Ausformung und/oder Anordnung der ersten bzw. zweiten und/oder dritten Elektrodeneinheiten 31, 41, 51.
Infolgedessen kann die Messeinheit 20 jedes Messspurenpaar 100 durch wenigstens ein Anregungssignal, insbesondere eine vorgegebene Sequenz von mehreren (gleichen) Anregungssignalen und/oder einem frequenzverteilten Anregungssignal, anregen und die gebildeten Kapazitäten anhand eines oder mehrerer entsprechender Auslesesignale bestimmen. Zweckmäßigerweise korrespondieren die derart ermittelten Kapazitäten mit der Stellung der dritten Elektrodenanordnungen 50 relativ zu den ersten und zweiten Elektrodenanordnungen 30, 40.
Beispielsweise kann die Messeinheit 20 dazu eingerichtet sein, an den ersten Elektrodenanordnungen 30 über die erste Leitungsanordnung 60 wenigstens ein Anregungssignal anzulegen.
Durch die kapazitive Kopplung über die dritten Elektrodenanordnungen 50 wird ein entsprechendes Auslesesignal von den zweiten Elektrodenanordnungen 40 erzeugt. Die Messeinheit 20 ist zweckmäßigerweise dazu eingerichtet, dieses Auslesesignal über die zweite Leitungsanordnung 70 zu empfangen.
Über eine Kopplung der Körper 90 mit einem beweglichen Bauteil, beispielsweise einer Motorwelle, gegebenenfalls über ein Getriebe, kann mithilfe des Positionsgebers 10 eine Position des Bauteils relativ zu einem anderen, stationären Bauteil ermittelt werden.
3 zeigt ein Beispiel einer schaltungstechnischen Ausgestaltung eines Positionsgebers 10 mit zwei ersten und zweiten Elektrodenanordnungen 30, 40, die zwei Messspurpaare 100 bilden und jeweils durch eine dritte Elektrodenanordnung 50 kapazitiv gekoppelt sind. Eine Messeinheit 20 ist über eine erste Leitungsanordnung 60 mit ersten Elektrodeneinheiten 31 der ersten Elektrodenanordnungen 30 und über eine zweite Leitungsanordnung 70 mit zweiten Elektrodeneinheiten 41 der zweiten Elektrodenanordnung 40 elektrisch leitend verbunden.
Die zweite Leitungsanordnung 70 weist eine separate Leitung 71 für jede zweite Elektrodeneinheit 41 auf. Die erste Leitungsanordnung 60 weist dagegen eine Anzahl an Leitungen 61 auf, welche einer ersten Anzahl an ersten Elektrodeneinheiten 31 einer der ersten Elektrodenanordnung 30 entspricht. Jede dieser Leitungen 61 verbindet dabei die Messeinheit 20 mit zwei ersten Elektrodeneinheiten 31, nämlich mit jeweils einer Elektrodeneinheit 31 aus jeder der beiden ersten Elektrodenanordnungen 30.
Dies erlaubt es der Messeinheit 20, erste Elektrodeneinheiten 31 gezielt mit Anregungssignalen 21 zu beaufschlagen und/oder ein daraufhin von einer zweiten Elektrodeneinheit 41 erzeugtes, etwa in dieser Elektrodeneinheit 41 induziertes, Auslesesignal 22 gezielt zu empfangen.
Um verschiedene Anregungs- und Auslesekombinationen zu ermöglichen, weisen die dritten Elektrodenanordnungen 50 zweckmäßigerweise jeweils mehrere dritte Elektrodeneinheiten 51 auf, die elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Insofern definieren die dritten Elektrodenanordnungen 50 jeweils eine Sternschaltung 52 für die Messspurpaare 100.
4 zeigt ein Beispiel eines Verfahrens V zum Ermitteln einer Position von zwei Bauteilen relativ zueinander. Dabei wird eine Sequenz eines vorgegebenen Anregungssignals 21, etwa mehrmals das (gleiche) Anregungssignal 21, über eine erste Leitungsanordnung 60 an erste Elektrodeneinheiten wenigstens einer ersten Elektrodenanordnung 30 gesendet und entsprechende, an einer zweiten Elektrodenanordnung 40 abgegriffene Auslesesignale über eine zweite Leitungsanordnung 70 empfangen.
In einem ersten Sequenzschritt S1 werden wiederholt alle ersten Elektrodeneinheiten der wenigstens einen ersten Elektrodenanordnungen 30 in einem Anregungsschritt A1 mit dem Anregungssignal 21 beaufschlagt. Bei jeder Wiederholung wird dabei das Auslesesignal in einem Ausleseschritt A2 über eine andere zweite Elektrodeneinheit empfangen. Ein solcher Anregungsschritt A1 und Ausleseschritt A2 ist schematisch als Schaltbild dargestellt. Die Anzahl der Anregungs- und Ausleseschritte A1, A2 entspricht dabei zweckmäßigerweise der (Gesamt-)Zahl der zweiten Elektrodeneinheiten.
Anders gesagt kann gezielt in jeder zweiten Elektrodeneinheit einmal ein Auslesesignal induziert und etwa über einen Analog-Digital-Wandler 23 der Messeinheit erfasst werden. Jedes dieser Auslesesignale korrespondiert dabei mit einer Kapazität der entsprechenden zweiten Elektrodeneinheit.
Sind beispielsweise zwei erste und zweite Elektrodenanordnungen 30, 40 mit jeweils drei ersten bzw. zweiten Elektrodeneinheiten vorgesehen, umfasst der erste Sequenzschritt S1 das sechsmalige Aussenden A1 von Anregungssignalen jeweils an alle ersten Elektrodeneinheiten und das sechsmalige Empfangen A2 eines Auslesesignals über jeweils eine andere der zweiten Elektrodeneinheiten.
In einem zweiten Sequenzschritt S2 wird wiederholt eine erste Elektrodeneinheit der wenigstens einen ersten Elektrodenanordnung 30 im Anregungsschritt A1 mit einem ersten Anregungssignal 21 beaufschlagt. Im selben Anregungsschritt A1 werden gleichzeitig die übrigen ersten Elektrodeneinheiten mit einem vom ersten Anregungssignal 21 verschiedenen, zum Beispiel gegenpoligen, zweiten Anregungssignal 21` beaufschlagt. Alternativ können die übrigen ersten Elektrodeneinheiten nicht mit einem Anregungssignal beaufschlagt werden. Bei jeder dieser Wiederholungen wird dabei das Auslesesignal im Ausleseschritt A2 über eine andere zweite Elektrodeneinheit empfangen. Ein solcher Anregungsschritt A1 und Ausleseschritt A2 ist schematisch als Schaltbild dargestellt. Die Anzahl der Anregungs- und Ausleseschritte A1, A2 entspricht dabei zweckmäßigerweise der (Gesamt-) Zahl der zweiten Elektrodeneinheiten.
Anders gesagt kann gezielt in jeder zweiten Elektrodeneinheit einmal ein Auslesesignal induziert und über den Analog-Digital-Wandler 23 erfasst werden. Jedes dieser Auslesesignale korrespondiert dabei mit einer Kapazität, die aufaddiert der mit dem vorgegebenen Anregungssignal 21 beaufschlagten ersten Elektrodeneinheit zuordenbar ist.
Der zweite Sequenzschritt S2 wird zweckmäßigerweise für jede erste Elektrodeneinheit der wenigstens einen ersten Elektrodenanordnung 30 wiederholt.
Sind beispielsweise zwei erste und zweite Elektrodenanordnungen 30, 40 mit jeweils drei ersten bzw. zweiten Elektrodeneinheiten vorgesehen, umfasst der zweite Sequenzschritt S2 das achtzehnmalige Aussenden A1 des ersten Anregungssignals 21, jeweils drei Mal an eine andere der (insgesamt sechs) ersten Elektrodeneinheiten, optional das achtzehnmalige Aussenden A1 des zweiten Anregungssignals 21', jeweils drei Mal an die übrigen ersten Elektrodeneinheiten, und das achtzehnmalige Empfangen A2 eines Auslesesignals über jeweils eine andere der zweiten Elektrodeneinheiten.
In einem dritten Sequenzschritt S3 wird aus den empfangenen Auslesesignalen bzw. den mit den ersten und zweiten Elektrodeneinheiten korrespondierenden Kapazitäten eine Stellung wenigstens einer dritten Elektrodenanordnung 50, welche die erste und zweite Elektrodenanordnung 30, 40 kapazitiv koppelt, relativ zu diesen ermittelt.
Alternativ ist es auch denkbar, die ersten Elektrodenanordnungen statt mit einer Sequenz von Anregungssignalen 21 im Sequenzschritt S1 mit einem frequenzverteilten Anregungssignal anzuregen und die Auslesesignale an den verschiedenen zweiten Elektrodeneinheiten gleichzeitig auszulesen. Entsprechend können die ersten Elektrodeneinheiten im zweiten Sequenzschritt S2 wiederholt - nämlich für jede der ersten Elektrodeneinheiten einmal - mit einem frequenzverteilten Anregungssignal angeregt werden und die Auslesesignale an den verschiedenen zweiten Elektrodeneinheiten jeweils gleichzeitig ausgelesen werden.
Bezugszeichenliste

1: Linearaktuator
2: Lineareinheit
3: Getriebe
4: Motor
5: Gewindespindel
6: Spindelmutter
10: Positionsgeber
20: Messeinheit
21: Anregungssignal
21': gegenpoliges Anregungssignal
22: Auslesesignal
23: Analog-Digital-Wandler
30: erste Elektrodenanordnung
31: erste Elektrodeneinheit
40: zweite Elektrodenanordnung
41: zweite Elektrodeneinheit
50: dritte Elektrodenanordnung
51: dritte Elektrodeneinheit
52: Sternschaltung
60: erste Leitungsanordnung
61: Leitung
70: zweite Leitungsanordnung
71: Leitung
80: Leiterplatte
81: Durchgangsbohrung
90: Körper
100: Messspurpaar
V: Verfahren
S1-S3: Sequenzschritte
A1: Anregungsschritt
A2: Ausleseschritt

Claims

Positionsgeber (10), insbesondere für einen Linearaktuator (1), aufweisend eine Messeinheit (20), eine erste Elektrodenanordnung (30), eine zweite Elektrodenanordnung (40) und eine dritte Elektrodenanordnung (50), welche die erste und zweite Elektrodenanordnung (30, 40) kapazitiv miteinander koppelt und relativ dazu beweglich ist, dadurch gekennzeichnet , dass die Messeinheit (20) mit der ersten Elektrodenanordnung (30) durch eine erste Leitungsanordnung (60) und mit der zweiten Elektrodenanordnung (40) durch eine zweite Leitungsanordnung (70) elektrisch leitend verbunden und dazu eingerichtet ist, - über die erste Leitungsanordnung (60) wenigstens ein Auslesesignal (21) auszusenden, - über die zweite Leitungsanordnung (70) wenigstens ein Auslesesignal (22) zu empfangen und - auf Grundlage des Abfragesignals (22) eine Stellung der dritten Elektrodenanordnung (50) relativ zur ersten und zweiten Elektrodenanordnung (30, 40) zu ermitteln.
Positionsgeber (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass - die erste Elektrodenanordnung (30) eine Mehrzahl an ersten Elektrodeneinheiten (31) aufweist und die erste Leitungsanordnung (60) eine separate Leitung (61) zu jeder ersten Elektrodeneinheit (31) aufweist und - die zweite Elektrodenanordnung (40) eine Mehrzahl an zweiten Elektrodeneinheiten (41) aufweist und die zweite Leitungsanordnung (70) eine separate Leitung (71) zu jeder zweiten Elektrodeneinheit (41) aufweist.
Positionsgeber (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass - die erste Elektrodenanordnung (30) eine erste Anzahl an ersten Elektrodeneinheiten (31) und die zweite Elektrodenanordnung (40) eine zweite Anzahl an zweiten Elektrodeneinheiten (41) aufweist, - die zweite Leitungsanordnung (70) eine separate Leitung (71) zu jeder zweiten Elektrodeneinheit (41) aufweist und - die erste Leitungsanordnung (60) eine der ersten Anzahl entsprechende Anzahl an Leitungen (61) zu jeweils mehreren ersten Elektrodeneinheiten (31) verschiedener erster Elektrodenanordnungen (30) aufweist.
Positionsgeber (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , dass eine Anzahl an ersten Elektrodeneinheiten (31), die durch jeweils dieselbe Leitung (61) der ersten Leitungsanordnung (60) mit der Messeinheit (20) verbunden sind, durch eine Anzahl der ersten Elektrodenanordnungen (30) gegeben ist.
Positionsgeber (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Messeinheit (20) zum Aussenden einer Sequenz des Anregungssignals (21) und/oder einer eines frequenzverteilten Anregungssignals (21) und entsprechendem Empfang mehrerer Auslesesignale (22) eingerichtet ist, um aus einer solchen Sequenz bzw. einem solchen Frequenzspektrum die Stellung der dritten Elektrodenanordnung (50) relativ zur ersten und zweiten Elektrodenanordnung (30, 40) zu ermitteln.
Positionsgeber (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Messeinheit (20) eingerichtet ist zum - mehrmaligen oder frequenzverteilten Anregen aller ersten Elektrodeneinheiten (31) der ersten Elektrodenanordnung (30) mit demselben Anregungssignal (21) über die erste Leitungsanordnung (60) und - für jede Anregung oder Frequenz, gezielten Empfangen eines Auslesesignals (22) von jeweils einer anderen zweiten Elektrodeneinheit (41) der zweiten Elektrodenanordnung (40) über die zweite Leitungsanordnung (70).
Positionsgeber (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , dass die Messeinheit (20) eingerichtet ist zum Ermitteln einer Kapazität aus jedem der empfangenen Auslesesignale (22), wobei jede derart ermittelte Kapazität einer der zweiten Elektrodeneinheiten (41) zugeordnet ist.
Positionsgeber (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Messeinheit (20) eingerichtet ist zum - mehrmaligen oder frequenzverteilten Anregen derselben ersten Elektrodeneinheit (31) der ersten Elektrodenanordnung (30) mit einem ersten Anregungssignal (21) über die erste Leitungsanordnung (60), - gleichzeitigen Anregen der übrigen ersten Elektrodeneinheiten (31) der ersten Elektrodenanordnung (30) mit einem vom ersten Anregungssignal (21) verschiedenen zweiten Anregungssignal (21`) über die erste Leitungsanordnung (60) und - für jede Anregung oder Frequenz, Empfangen eines Auslesesignals (22) von jeweils einer anderen zweiten Elektrodeneinheit (41) der zweiten Elektrodenanordnung (40) über die zweite Leitungsanordnung (70).
Positionsgeber (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , dass die Messeinheit (20) eingerichtet ist zum Ermitteln einer Kapazität aus jedem der empfangenen Auslesesignale (22) und zum Aufaddieren der ermittelten Kapazitäten, wobei die derart aufaddierte Kapazität der mit dem Anregungssignal (21) angeregten ersten Elektrodeneinheit (31) zugeordnet ist.
Positionsgeber (10) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet , dass die Messeinheit (20) eingerichtet ist, die mehrmalige oder frequenzverteilte Anregung mit dem ersten Anregungssignal (21) und die gleichzeitige Anregung der übrigen ersten Elektrodeneinheiten (31) mit dem zweiten Anregungssignal (21`) nacheinander für jede erste Elektrodeneinheit (31) durchzuführen.
Positionsgeber (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Messeinheit (20), die erste Elektrodenanordnung (30) und die zweite Elektrodenanordnung (40) auf einer Leiterplatte (80) aufgedruckt sind und die dritte Elektrodenanordnung (50) auf einem an der Leiterplatte (80) rotierbar gelagerten Körper (90) angeordnet ist, wobei zwischen der ersten und zweiten Elektrodenanordnung (30, 40) einerseits und der dritten Elektrodenanordnung (50) andererseits ein Dielektrikum angeordnet ist.
Positionsgeber (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass mehrere erste Elektrodenanordnungen (30), mehrere zweite Elektrodenanordnungen (40) und mehrere dritte Elektrodenanordnungen (50) vorgesehen sind, wobei jede erste Elektrodenanordnung (30) jeweils drei erste Elektrodeneinheiten (31) und jede zweite Elektrodenanordnung (40) jeweils drei zweite Elektrodeneinheiten (41) aufweist.
Positionsgeber (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die erste und zweite Elektrodenanordnung (30, 40) jeweils eine Mehrzahl an ersten bzw. zweiten Elektrodeneinheiten (31, 41) aufweisen, wobei eine erste Elektrodeneinheit (31) und/oder eine zweite Elektrodeneinheit (41) mehrere miteinander elektrisch verbundene Elektrodenelemente umfasst.
Linearaktuator (1) mit einer Lineareinheit (2) und einem Positionsgeber (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Verfahren (V) zum Ermitteln einer Position von zwei Bauteilen relativ zueinander, wobei mithilfe einer Messeinheit (20) - eine erste Elektrodenanordnung (30) über eine erste Leitungsanordnung (60) mit wenigstens einem Anregungssignal (21) angeregt wird (A1), sodass wenigstens ein Auslesesignal (22) in einer zweiten Elektrodenanordnung (40), die durch eine dritte Elektrodenanordnung (50) mit der ersten Elektrodenanordnung (30) kapazitiv gekoppelt und relativ zur ersten und zweiten Elektrodenanordnung (30, 40) beweglich ist, erzeugt wird, - das Auslesesignal (22) über eine zweite Leitungsanordnung (70) empfangen wird (A2) und - auf Grundlage des Auslesesignals (22) eine Stellung der dritten Elektrodenanordnung (50) relativ zur ersten und zweiten Elektrodenanordnung (30, 40) ermittelt wird.