DE19718024C2 - Weg-/Winkelsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Weg-/Winkelsensor, umfassend eine an einem Träger angeordnete, mit einer Wechselspannung beaufschlagbare Potentiometerbahn, eine an dem Träger angeordnete Kollektorbahn, eine über der Potentiometerbahn verschieblich geführte erste Sonde und eine elektrisch mit dieser gekoppelte, über der Kollektorbahn verschieblich geführte zweite Sonde.

Ein derartiger kapazitätsgekoppelter, berührungsloser Weg-/Winkelsensor geht beispielsweise aus der US 5 525 955 hervor.

Solche Weg-/Winkelsensoren werden zum Beispiel in Hydraulik-Zylindern eingesetzt, um die Position des Kolbens zu erfassen.

Aus der WO 95/10757 geht ein Wegsensor hervor, bei dem ein röhrenförmiges Glied aus einem dielektrischen oder nicht leitenden Material in einem metallischen Gehäuse angeordnet ist. Vorsprünge sind einstückig mit diesem röhrenförmigen, nicht leitenden oder dielektrischen Glied verbunden. Zwei Sonden sind in diesen Vorsprüngen angeordnet.

Aus der DE 44 47 295 A1 geht ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer jeweiligen örtlichen Position eines Körpers durch kapazitive Abtastung hervor, bei dem eine an einem Spannungsverteilungselement anliegende Versorgungs­ spannung so umgeschaltet wird oder die Speisung so mit phasenverschobenen Spannungen erfolgt, dass sich mindestens zwei unterschiedliche Versorgungsspannungs-Verteilungsmuster in zeitlicher Abfolge über den Spannungsteiler ergeben.

Aus der DE 44 47 294 A1 geht ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer jeweiligen örtlichen Position eines Körpers hervor, bei dem ein mindestens in einer Richtung räumlich ausgedehntes Spannungs(ver)teiler-Element mit einer Wechselspannung gespeist wird, wobei eine Potentialmeßsonde entsprechend dem zu erfassenden Weg, des Winkels oder der Postition geführt und in einem solchen berührungsfreien Abstand zum Spannungs(ver)teiler-Element gehalten wird, dass die Potentialmeßsonde je nach er von ihr eingenommenen Postition unterschiedliche Wechselspannungsamplituden des Wechselspannungsamplitudenverteilungsmusters durch kapazitive Einkopplung erfaßt, dabei ist die Potentialmeßsonde mit einer Potentialkoppelsonde verbunden, die kapazitiv auf eine Koppelelektrode arbeitet, von welcher der von der Potentialmeßsonde erfaßte Wechselspannungsamplitudenmeßwert zur Auswertung übertragen wird.

Bei einem bekannten und in Fig. 3 dargestellten Wegsensor sind sowohl die Potentiometerbahn 82 als auch die Kollektorbahn 84 auf beiden Seiten eines Trägers 80 angeordnet, der im wesentlichen eine I-förmige Gestalt aufweist.

Zwar ist dieser Träger 80 in den meisten Fällen von einem metallischen Rohr umgeben, welches der Abschir­ mung elektromagnetischer Störeinflüsse von außen dient. Durch diese Abschirmung können jedoch Überkopplungen zwischen der Potentiometerbahn 82 und der Kollektorbahn 84, die durch ein im wesentlichen dipolartiges elek­ trisches Feld E, das sich um die Potentiometerbahn 82 und die Kollektorbahn 84 ausbildet, hervorgerufen werden (vgl. Fig. 3), nicht vermieden werden.

Auch bei einer beliebigen anderen Anordnung der Potentiometerbahn 82 und der Kollektorbahn 84, bei­ spielsweise bei einer aus der obenerwähnten US 5 525 ­ 955 bekannten parallelen Anordnung der Potentiometer­ bahn und der Kollektorbahn können elektrische Störfel­ der E entstehen, welche die Wirkungsweise des Weg-/­ Winkelsensors nachteilig beeinflussen.

Darüber hinaus existieren bei derartigen Weg-/Winkel­ sensoren eine Vielzahl von parasitären Kapazitäten und Verlustwiderständen. In Fig. 4 sind solche parasitären Impedanzen schematisch schaubildlich dargestellt.

Wie aus Fig. 4 hervorgeht, existieren parasitäre Kapazitäten Cpm' und Verlustwiderstände Rpm' zwischen der Potentiometerbahn und der Masse, beispielsweise einem Gehäuse.

Ferner existieren parasitäre Kapazitäten Ckm' und Verlustwiderstände Rkm' zwischen der Kollektorbahn und der Masse.

Darüber hinaus treten parasitäre Kapazitäten Csm und Verlustwiderstände Rsm zwischen der elektrischen Koppelleitung der beiden Meßsonden und der Masse auf.

Durch die Anschlußleitungen und die Auswerteelektronik sind schließlich weitere parasitäre Kapazitäten und Verlustwiderstände bedingt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Weg-/Winkelsensor der gattungsgemäßen Art derart zu verbessern, daß sowohl durch elektromagnetische Felder als auch durch parasitäre Kapazitäten und Verlustwider­ stände hervorgerufene Störeinflüsse minimiert werden und dadurch die Meß-Präzision des Weg-/Winkelsensors erhöht wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Weg-/Winkelsensor der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf Massepotential liegende Abschirmflächen vorgesehen sind, welche die Potentiometerbahn, die Kollektorbahn und die über diesen geführten Sonden derart umgeben, daß sowohl die Potentiometerbahn zusammen mit der ihr zugeordneten ersten Sonde als auch die Kollektorbahn zusammen mit der ihr zugeordneten zweiten Sonde in jeweils voneinander räumlich getrenn­ ten, abgeschirmten Räumen angeordnet sind.

Das Anordnen der Potentiometerbahn zusammen mit der ihr zugeordneten ersten Sonde sowie der Kollektorbahn zusammen mit der ihr zugeordneten zweiten Sonde in räumlich voneinander getrennten, abgeschirmten Räumen hat den großen Vorteil, daß die Ausbildung von elek­ tromagnetischen Feldern zwischen der Potentiometerbahn und der Kollektorbahn und ein daraus resultierender Störeinfluß weitestgehend vermieden werden. Vielmehr entstehen elektromagnetische Felder lediglich noch innerhalb der beiden voneinander räumlich getrennten, abgeschirmten Räume, wobei Feldlinien durch die auf Massepotential liegenden Abschirmflächen auf besonders vorteilhafte Weise gewissermaßen "abgesaugt" werden.

Rein prinzipiell können die Abschirmflächen auf die unterschiedlichste Art und Weise ausgebildet und angeordnet sein. Sie können beispielsweise an dem Träger befestigt sein.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform, die sich insbesondere hinsichtlich der Herstellung des Trägers und der Abschirmflächen als sehr vorteilhaft erweist, sieht vor, daß die Abschirmflächen mit dem Träger einstückig verbunden sind. Auf diese Weise können Träger und Abschirmflächen in einem Bearbeitungsvor­ gang, beispielsweise durch Strangpressen, hergestellt werden. Darüber hinaus ist auf diese Weise auch sichergestellt, daß Träger und Abschirmflächen auf dem gleichen Potential, d. h. dem Massepotential, liegen.

Um insbesondere die sich zwischen der Potentiometerbahn sowie der Kollektorbahn und dem auf Massepotential liegenden Träger ausbildenden parasitären Kapazitäten und Verlustwiderstände zu minimieren, aber auch hinsichtlich einer einfachen Montage ist bei einer vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, daß an dem Träger benachbart zu den Abschirmflächen in jedem der abgeschirmten Räume Vorsprünge zur Lagefixierung sowohl der Potentiometerbahn als auch der Kollektorbahn ausgebildet sind.

Diese Vorsprünge ermöglichen zum einen eine leichte Montage der Potentiometerbahn sowie der Kollektorbahn, zum anderen wird durch sie eine sehr präzise Lagefixie­ rung der Potentiometerbahn sowie der Kollektorbahn erreicht, so daß ein präziser Abstand zwischen den über der Potentiometerbahn/Kollektorbahn geführten Sonden und der Potentiometerbahn/Kollektorbahn gegeben ist.

Rein prinzipiell können die Potentiometerbahn und die Kollektorbahn an den Vorsprüngen auf unterschiedlichste Art und Weise befestigt werden. Sie könnten beispiels­ weise an den Vorsprüngen durch eine Klebeverbindung befestigt werden.

Eine sehr vorteilhafte Ausführungsform, die nicht nur eine einfache Montage ermöglicht, sondern auch Un­ ebenheiten der Vorsprünge oder der Kollektor- bzw. der Potentiometerbahn auszugleichen ermöglicht, sieht vor, daß die Potentiometerbahn und die Kollektorbahn durch ein elastisches Rückstellmittel, vorzugsweise eine Gummischnur, gegen die Vorsprünge gepreßt werden.

Um parasitäre Kapazitäten zwischen den beiden vonein­ ander getrennten Bereichen einer auf an sich bekannte Weise durch gesteuertes Abfräsen eines Teils der Widerstandsbahn linearisierten Potentiometerbahn auszuschließen, ist vorzugsweise vorgesehen, daß der über dem Linearisierbereich der Potentiometerbahn angeordnete Vorsprung den Linearisierbereich der Poten­ tiometerbahn überdeckt. Es versteht sich, daß der Träger hierbei auf einem definierten Spannungspotential liegt.

Hinsichtlich der Ausbildung der Abschirmflächen wurden bislang keine näheren Angaben gemacht. Rein prinzipiell können die Abschirmflächen jede beliebige Gestalt aufweisen, beispielsweise eine ebene, eine abgewinkelte oder eine beliebig gekrümmte Gestalt.

Bei einer insbesondere auch hinsichtlich der Stabilität des Weg-/Winkelsensors vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Abschirmflächen zu jeweils der Potentiometerbahn und der Kollektorbahn hin im wesent­ lichen kreisförmig gebogen sind und daß zwischen jeweils zwei sich unmittelbar gegenüberliegenden Abschirmflächen wenigstens eine Öffnung für die Führung und elektrische Kontaktierung der Sonden vorgesehen ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegen­ stand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichne­ rischen Darstellung einiger Ausführungsbeispiele.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine geschnittene Darstellung eines er­ sten Ausführungsbeispiels eines erfin­ dungsgemäßen Weg-/Winkelsensors unter Weglassung der Sonden;

Fig. 2a, b schematisch die unabhängige Linearität über der Position bei dem in Fig. 1 dargestellten erfindungsgemäßen Weg- /Winkelsensor (a) und bei dem in Fig. 3 dargestellten, aus dem Stand der Tech­ nik bekannten Weg-/Winkelsensor (b);

Fig. 3 eine Schnittdarstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten Weg-/Win­ kelsensors unter Weglassung der Sonden und

Fig. 4 schematisch schaubildlich die Darstel­ lung der parasitären Kapazitäten und Verlustwiderstände, die prinzipiell bei Weg-/Winkelsensoren auftreten können.

Ein Ausführungsbeispiel eines Weg-/Winkelsensors, dargestellt in Fig. 1, umfaßt einen als Ganzen mit 10 bezeichneten Träger, an welchem eine Potentiometerbahn 20 und eine Kollektorbahn 30 angeordnet sind.

Einstückig mit dem Träger 10 verbunden sind Abschirm­ flächen 11, 12, welche die Potentiometerbahn 20 überdecken, sowie Abschirmflächen 13, 14, welche die Kollektorbahn 30 überdecken. Diese Abschirmflächen 11, 12, 13, 14 sind kreisförmig in Richtung jeweils der Potentiometerbahn 20 bzw. der Kollektorbahn 30 gebogen, wobei zwischen den Abschirmflächen 11, 12, die der Potentiometerbahn 20 gegenüberliegen, und zwischen den Abschirmflächen 13, 14, die der Kollektorbahn 30 gegenüberliegen, jeweils eine Öffnung 15, 16 vorgesehen ist für die Führung und die elektrische Kontaktierung der der Potentiometerbahn zugeordneten ersten Sonde (nicht dargestellt) bzw. der der Kollektorbahn 30 zugeordneten zweiten Sonde (nicht dargestellt). Die Sonden werden im vorliegenden Fall senkrecht zur Blattebene über der Potentiometer-/Kollektorbahn (20, 30) bewegt.

Sowohl die Potentiometerbahn 20 und die ihr zugeordnete erste Sonde, als auch die Kollektorbahn 30 und die ihr zugeordnete zweite Sonde sind durch die Ausbildung der Abschirmflächen 11, 12 bzw. 13, 14 in jeweils vonein­ ander räumlich getrennten abgeschirmten Räumen 22 bzw. 32 angeordnet.

Da die Abschirmflächen 11, 12, 13, 14 zusammen mit dem Träger 10 auf Massepotential liegen, werden elektrische Feldlinien, die von der Potentiometerbahn 20 oder von der Kollektorbahn 30 ausgehen, von den ihnen jeweils benachbart angeordneten, auf Masse liegenden Abschirm­ flächen 11, 12 bzw. 13, 14 gewissermaßen "abgesaugt", wobei bei dieser Anordnung das naturgesetzliche Prinzip ausgenutzt wird, daß Feldlinien auf leitenden Flächen (hier den Abschirmflächen 11, 12, 13, 14) senkrecht enden.

Durch die Ausbildung der beiden räumlich voneinander getrennten abgeschirmten Räume 22, 32, in denen jeweils die Potentiometerbahn 20 zusammen mit der ihr zugeord­ neten Sonde sowie die Kollektorbahn 30 zusammen mit der ihr zugeordneten Sonde angeordnet sind, wird eine von einem elektrischen Feld hervorgerufene Störung, wie sie bei aus dem Stand der Technik bekannten Weg-/Winkelsen­ soren auftritt und im Zusammenhang mit Fig. 3 weiter oben beschrieben wurde, weitestgehend vermieden. Elektrische Felder können durch die Ausbildung der Abschirmflächen 11, 12, 13, 14 jeweils nur in den beiden räumlich voneinander getrennten, abgeschirmten Räumen 22, 32 entstehen. Die in diesen beiden Räumen entstehenden Felder können jedoch nicht in Wechselwir­ kung zueinander treten.

Durch diese Anordnung der Abschirmflächen 11, 12, 13, 14 werden daher durch elektrische Felder hervorgerufene parasitäre Kapazitäten Cpk' und Verlustwiderstände Rpk' (vgl. Fig. 4) zwischen der Potentiometerbahn und der Kollektorbahn vermieden, da solche elektrischen Felder gar nicht erst entstehen können.

Benachbart zu den Abschirmflächen 11, 12 bzw. 13, 14 sind an dem Träger Vorsprünge 24, 25 bzw. 34, 35 angeordnet, an welchen die Potentiometerbahn 20 bzw. die Kollektorbahn 30 zur Anlage kommen.

Sowohl die Potentiometerbahn 20 als auch die Kollektor­ bahn 30 werden an den jeweils ihnen zugeordneten Vor­ sprüngen 24, 25 bzw. 34, 35 dabei durch z. B. jeweils eine Gummischnur 26, 36 angedrückt, die in einer für sie vor­ gesehenen Ausnehmung 16 bzw. 17 in dem Träger 10 zwischen der Potentiometerbahn 20 und der die Aus­ nehmung 16 begrenzenden Fläche des Trägers 10 bzw. zwischen der Kollektorbahn 30 und der die Ausnehmung 17 begrenzenden Fläche angeordnet sind. Durch diese elastische Anordnung werden Unebenheiten der Vorsprünge 24, 25, 34, 35 und/oder der Potentiometerbahn 20 bzw. der Kollektorbahn 30 ausgeglichen. Dabei ist zu beachten, daß ein in Fig. 1 dargestellter Träger durchaus eine Länge von 1000 mm und mehr aufweisen kann, so daß sich Unebenheiten erheblich auswirken können.

Durch die Vorsprünge 24, 25, an denen die Potentiome­ terbahn 20 zur Anlage kommt, sowie die Vorsprünge 34, 35, an denen die Kollektorbahn 30 zur Anlage kommt, wird ein präzises Positionieren der Potentiometerbahn 20 bzw. der Kollektorbahn 30 ermöglicht. Durch diese Vorsprünge wird insbesondere auch sichergestellt, daß der Abstand zwischen der jeweils über der Potentiome­ terbahn 20 bzw. der Kollektorbahn 30 geführten Sonde und der Potentiometerbahn 20 bzw. der Kollektorbahn 30 konstant gehalten wird. Die Länge eines der über der Potentiometerbahn 20 liegenden Vorsprünge ist dabei so gewählt, daß der Linearisierungsbereich 21 der Poten­ tiometerbahn 20 durch den Vorsprung 25 überdeckt wird. Der Vorsprung 25 liegt zusammen mit dem Träger 10 auf einem definierten Spannungspotential, beispielsweise dem Massepotential. Hierdurch werden parasitäre Kapazitäten zwischen den beiden voneinander getrennten Bereichen einer auf an sich bekannte Weise durch gesteuertes Abfräsen eines Teils der Widerstandsbahn linearisierten Potentiometerbahn verhindert.

Durch diese Ausbildung des Weg-/Winkelsensors werden auch parasitäre Kapazitäten Cpm' und Verlustwiderstände Rpm' zwischen der Potentiometerbahn 20 und dem Massepo­ tential sowie parasitäre Kapazitäten Ckm' und Ver­ lustwiderstände Rkm' zwischen der Kollektorbahn 30 und dem Massepotential minimiert.

In Fig. 2a ist die unabhängige Linearität über der Position eines in Fig. 1 dargestellten Wegsensors dargestellt.

Die mit I dargestellte Kurve entspricht dem Lineari­ tätsverlauf in Abhängigkeit von der Position der Sonden des Wegsensors ohne ein diesen umgebendes metallisches Rohr. Der mit II bezeichnete Verlauf entspricht einer Linearitätsmessung in Abhängigkeit von der Position der Sonden des in einem potentialfreien Rohr angeordneten Wegsensors. Der mit III über der Position der Sonden dargestellte Linearitätsverlauf entspricht demjenigen des in einem auf Massepotential liegenden Rohr angeord­ neten Wegsensors.

In Fig. 2b ist auf entsprechende Weise der Linearitäts­ verlauf über der Position bei einem Wegsensor, wie er in Fig. 3 schematisch dargestellt ist, gezeigt. Die in Fig. 2b dargestellten Messungen sind unter den gleichen Meßbedingungen vorgenommen worden, wie die in Fig. 2a dargestellten Messungen. Die Meßkurvenverläufe sind in entsprechender Weise wie in Fig. 2a bezeichnet.

Eine Gegenüberstellung der Fig. 2a und der Fig. 2b zeigt, daß bei dem in Fig. 1 dargestellten Wegsensor eine sehr gute Linearität unabhängig von der Anordnung und den Umgebungsbedingungen des Wegsensors gegeben ist, wohingegen sich bei dem Wegsensor, dessen Lineari­ tätsverlauf in Fig. 2b dargestellt ist, ein wesentlich schlechterer Linearitätsverlauf über der Position ergibt, der insbesondere auch von der Anordnung und den Umgebungsbedingungen des Wegsensors abhängig ist.

So ist beispielsweise bei dem in Fig. 2b dargestellten Verlauf ein besonders unlinearer Verlauf gegeben, wenn der Wegsensor in einem potentialfreien Rohr angeordnet ist. Derartige Einflüsse spielen bei dem in Fig. 1 dargestellten Wegsensor, dessen Linearitätsverlauf in Fig. 2a dargestellt ist, keine Rolle.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß sich bei dem in Fig. 1 dargestellten Wegsensor eine von den Meßbedingungen, der Anordnung des Wegsensors und den Umgebungsbedingungen unabhängige Verbesserung der Linearität ergibt.

Claims (6)

1. Weg-/Winkelsensor, umfassend eine an einem Träger (10) angeordnete, mit einer Wechsel­ spannung beaufschlagte Potentiometerbahn (20), eine an dem Träger (10) angeordnete Kollektorbahn (30), eine über der Potentiometerbahn (20) verschieblich geführte erste Sonde und eine elektrisch mit dieser gekoppelte, über der Kollektorbahn verschieblich geführte zweite Sonde, dadurch gekennzeichnet, daß auf Massepotential liegende Abschirmflächen (11, 12, 13, 14) vorgesehen sind, welche die Potentio­ meterbahn (20), die Kollektorbahn (30) und die über diesen geführten Sonden derart umgeben, daß sowohl die Potentiometerbahn (20) zusammen mit der ihr zugeordneten ersten Sonde, als auch die Kollektorbahn (30) zusammen mit der ihr zugeord­ neten zweiten Sonde in jeweils voneinander räum­ lich getrennten, abgeschirmten Räumen (22, 32) angeordnet sind.

2. Weg-/Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmflächen (11, 12, 13, 14) mit dem Träger (10) einstückig verbunden sind.

3. Weg-/Winkelsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Träger (10) benachbart zu den Abschirmflächen (11, 12, 13, 14) in jedem der beiden abgeschirmten Räume (22, 32) Vorsprünge (24, 25, 34, 35) zur Lagefixierung der Potentiometerbahn (20) bzw. der Kollektorbahn (30) ausgebildet sind.

4. Weg-/Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentio­ meterbahn (20) und die Kollektorbahn (30) jeweils durch elastische Rückstellmittel, vorzugsweise Gummischnüre (26, 36), gegen die Vorsprünge (24, 25, 34, 35) gedrückt werden.

5. Weg-/Winkelsensor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der über dem Linea­ risierbereich der Potentiometerbahn (20) ange­ ordnete Vorsprung (25) den Linearisierbereich (21) der Potentiometerbahn (20) überdeckt.

6. Weg-/Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirm­ flächen (11, 12, 13, 14) zu jeweils der Potentiometerbahn (20) und der Kollektorbahn (30) hin im wesentlichen kreisförmig gebogen sind, und daß zwischen jeweils zwei sich unmittelbar gegen­ überliegenden Abschirmflächen (11, 12; 13, 14) jeweils wenigstens eine Öffnung (15; 16) für die Führung und elektrische Kontaktierung der Sonden vorgesehen ist.