DE202004001444U1

DE202004001444U1 - Kapazitiver Drehgeber

Info

Publication number: DE202004001444U1
Application number: DE202004001444U
Authority: DE
Original assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Current assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Priority date: 2004-01-26
Filing date: 2004-01-26
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2014-01-27

Abstract

Drehgeber mit folgenden Merkmalen:
einem teilweise leitfähigen Rotor (3), der in einem Stator (5) drehbar aufgehängt ist, so dass der Rotor die zu messende Drehung aufnehmen kann;
mit dem Rotor verbundene flächigen Kondensatorelektroden (21, 22, 21', 22'), die der Bewegung des Rotors folgen;
mit dem Stator verbundene flächigen Kondensatorelektroden (11 – 14, 11' – 14'), die den Rotor-Kondensatorelektroden gegenüber liegen, so dass ein Überlappungsbereich zwischen der Rotor-Kondensatorelektroden und den Stator-Kondensatorelektroden resultiert, der abhängig von einer Drehung des Stators variiert.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Drehgeber und insbesondere Lenkwinkelsensoren, bei dem 360° oder mehr absolut gemessen werden können.
Drehwinkelsensoren auch Drehgeber genannt werden in einer Vielzahl von Anwendungen aus Automobilbau, Industrie und Forschung eingesetzt, um die Winkelstellung bei Drehbewegungen zu erfassen. Beispiele hierfür sind die Lenkwinkelerfassung im Kraftfahrzeug für Fahrstabilitätssysteme, die Positionserfassung von rotierenden Bauelementen in Maschinen oder den Neigungswinkel eines Pendels.
Aus der Literatur sind eine Reihe von möglichen Wirkprinzipien bekannt. Dabei werden hauptsächlich optische und induktive Prinzipien verfolgt.
Für die optischen Prinzipien werden hauptsächlich transparente Scheiben (zumeist aus Glas) eingesetzt, welche mit einer strukturierten Maskierschicht aus Metall versehen sind.
Dabei lassen sich zwei Arten von Sensoren realisieren: Inkremental-Drehgeber und absolut messende Sensoren.
Bei Inkremental-Drehgebern wird die Messung einer relativen Positionsänderung durch Unterteilung der Struktur auf der Kreisscheibe in eine Vielzahl von Strichen erreicht. Absolut messende Sensoren werden mit strukturierten Scheiben realisiert, welche die absolute Position als Codierung auf mehreren parallelen Spuren hinterlegt erfassen.
Zur Auswertung beider Möglichkeiten werden Reflexlicht- oder Durchlichtverfahren eingesetzt.
Als induktive Verfahren sind im Stand der Technik das Resolververfahren und der induktive Impulsgeber bekannt.
Resolver sind Transformatoren mit einer Rotorwicklung und zwei um 90° versetzten Statorwicklungen. Bei Rotation des Rotors kann anhand der induzierten Spannungen in den beiden Statorwicklungen auf die aktuelle absolute Position geschlossen werden.
Bei induktiven Impulsgebern ist ein mit einer Spule umwickelter Permanentmagnet an eine an der Mantelfläche strukturierte rotierende Scheibe aus Metall (z. B. ein Zahnrad) angenährt. Dabei ändert sich periodisch der Abstand von Scheibe zu Magnet, wobei in der Spule eine Spannung mit drehgeschwindigkeitsabhängiger Amplitude induziert wird.
Ebenfalls existieren Anordnungen, bei denen zwischen Permanentmagnet und Zahnscheibe Feldplatten oder Hall-Elemente angeordnet sind, welche die Änderung der einwirkenden magnetischen Flussdichte detektieren.
Problem
Nachfolgend beschriebener Erfindung liegt das Problem zugrunde, dass bei den herkömmlichen optischen Drehgebern mit absoluter Winkelerfassung die notwendige Auflösung des Winkels bei kleinem Bauvolumen und sehr kostengünstiger Fertigung derzeit nicht realisieren werden kann.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Drehgeber zu schaffen, der preisgünstig herstellbar ist und dennoch eine ausreichende Empfindlichkeit hat. Diese Aufgabe wird durch Anspruch 1 gelöst.
Bei diesem kapazitiv ausgelesenem Drehwinkelgeber ist ein halbkreisförmiger oder kreisförmiger teilweise leitfähiger Rotor (3), z.B. als Leiterplatte (PCB) oder Molded Interconnected Device (MID-Bauteil) auf einer Welle (1) befestigt, die die Drehung aufnimmt. Der teilweise leitfähige Rotor und die Welle sind drehbar in einem feststehenden Gehäuse (5) (oder auch Stator), der ebenfalls teilweise leitfähige Bereiche aufweist (siehe 1) gelagert. Diese teilweise leitfähigen Bereiche an den Positionen auf dem Stator (Pos. 1, Pos. 4 (2)) und dem Rotor (Pos. 2, Pos. 3 (3)) bilden Elektroden (11–22). Bei geeigneter Beschaltung bilden diese Elektroden Kapazitäten, z.B. C1 und C2. Die Verschaltung ist in 4 für die äußeren Elektroden (11, 12, 11', 12', 21) exemplarisch dargestellt. Wobei 11 und 12 die Elektroden an Pos.1; 11' und 12' die Elektroden an Pos. 4; 21 die Elektroden an Pos. 2 und 21' die Elektrode an Pos. 3 darstellen. Dreht sich der Rotor im Gehäuse, wie durch den Pfeil angedeutet ist, überstreichen die Elektroden des Rotors (z. B. 21 und 21') die Elektroden des Stators, z.B. 11, 12, 11' und 12'. Aufgrund der variierenden Überdeckung verändert sich die Größe der Kapazitäten. Diese Kapazitätsänderungen kann über eine geeignete Schaltung z.B. einen Differential-Kapazitäts-zu-Spannungs-Konverter ähnlich wie in 5 und eine nachfolgende Signalverarbeitung ausgelesen werden und in äquivalentes Spannungssignal gewandelt werden. Ebenso erzeugen die inneren Elektroden (13, 14, 13', 14' 22 und 22') Kapazitäten. Jedoch sind die inneren Elektroden des Stators bei diesen Elektroden um 90° versetzt. Dadurch ist es möglich mit dieser Anordnung den gesamten Messbereich von 360° absolut zu erfassen.
1: Schnitt durch den Drehgeber
2: Elektrodenanordnung auf dem Stator Pos. 1 und Pos. 4
3: Elektrodenanordnung auf dem Rotor Pos. 2 und Pos. 3
4: Elektrische Verschaltung der äußeren Elektroden
5: Differential-Kapazitäts-zu-Spannungs-Konverter

Claims

Drehgeber mit folgenden Merkmalen: einem teilweise leitfähigen Rotor (3), der in einem Stator (5) drehbar aufgehängt ist, so dass der Rotor die zu messende Drehung aufnehmen kann; mit dem Rotor verbundene flächigen Kondensatorelektroden (21, 22, 21', 22'), die der Bewegung des Rotors folgen; mit dem Stator verbundene flächigen Kondensatorelektroden (11 – 14, 11' – 14'), die den Rotor-Kondensatorelektroden gegenüber liegen, so dass ein Überlappungsbereich zwischen der Rotor-Kondensatorelektroden und den Stator-Kondensatorelektroden resultiert, der abhängig von einer Drehung des Stators variiert.
Drehgeber nach Anspruch 1 bei dem äußere und innere Kondensatorelektroden vorhanden sind, und bei dem die äußeren Kondensatorelektroden des Stators um 90° zu den inneren verdreht sind, so dass mit dem Drehgeber volle 360° ausgelesen werden können.
Drehgeber nach Anspruch 1 und 2, bei dem zwei solcher Anordnungen durch eine Übersetzung verbunden sind, so dass es eine Anordnung zur groben Auflösung mit geringe Empfindlichkeit der Drehbewegung gibt und eine Anordnung zur feinen Auflösung mit hohe Empfindlichkeit gibt.
Drehgeber nach Anspruch 1, 2 und 3, bei dem der Rotor (3) und/oder der Stator (5) aus teilweise metallisiertem Kunststoff besteht:
Drehgeber nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, bei dem eine geeignete Signalverarbeitung vorhanden ist, um die Kapazitätsänderungen in ein zur Drehung äquivalentes Spannungssignal zu wandeln.