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Drehdetektor
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Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Drehdetektor.
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Der erfindungsgemäße Detektor wird beispielsweise dazu benutzt, die
Drehzahl oder die Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle eines Kraftfahrzeuges zu ermitteln.
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Bei einem bekannten Verfahren zum Ermitteln der Drehzahl der Maschinenkurbelwelle
eines Kraftfahrzeuges wird ein Zahnrad an der Kurbelwelle befestigt,und ein Magnetkern,
auf den eine Spule gewickelt ist, wird dem Zahnrad gegenüber angeordnet.Wenn das
Zahnrad durch die Drehung der Kurbelwelle gedreht wird, wird in der Spule durch
die Flußänderung aufgrund der Drehung des Zahnrades eine wechselnde elektromotorische
Kraft induziert. Die Drehzahl der Kurbelwelle wird aus der induzierten elektromotorischen
Kraft gemessen.
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Bei diesem bekannten Verfahren ändert sich jedoch die Feststellungscharakteristik
für die Drehzahl in Abhängigkeit vom Drehzahlbereich. Wenn die Drehzahl der Kurbelwelle
niedrig ist, wird eine kleine elektromotorische Kraft induziert. Das bekannte Verfahren
hat daher den Nachteil, daß die Ermittlung der Drehzahl der Kurbelwelle in niedrigen
Drehzahlbereichen unmöglich ist.
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Durch die Erfindung soll daher ein Drehdetektor geschaffen werden,
mit dem eine fehlerfreie Ermittlung der Drehzahl eines Drehkörpers im Bereich niedriger
Drehzahlen möglich ist..
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Dazu umfaßt der erfindungsgemäße Drehdetektor eine erste, fest angebrachte
Platte mit einer ersten vmd einer zlveiten
Elektrode, eine zweite,
fest angebrachte Platte mit einer fünfth Elektrode, eine drehbare Platte, die zwischen
der ersten' und der zweiten, fest angebrachten Platte angeordnet ist, Wine dritte
und eine vierte Elektrode aufweist und sich mit der Drehung des Drehkörpers drehen
kann, wobei die dritter und die vierte Elektrode dieselbe Form wie die erste-und
die zweite Elektrode haben, die dritte Elektrode der ersten oder zweiten Elektrode
und, die vierte Elektrode der fünften Elektrode zugewandt ist, und eine Drehdetektoreinheit
mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten Inverter und einer Frequenzdetektorschaltung.Iz
Die Drehdetektoreinheit umfaßt einen geschlossenen Schalt kreis, der aus einem ersten
Inverter und einem Widerstand besteht, einen RC-Schwingkreis, der dadurch gebildet
ist, daß ein Ausgang des zweiten Inverters mit der ersten oder zweiten Elektrode
verbunden ist, ein Ausgang des dritten Inverters mit der zweiten oder ersten Elektrode
verbunden ist, und ein Eingang des ersten Inverters mit der fünften Elektrode verbunden
ist, und eine Schaltung zum Ermitteln der Frequenz des RC-Schwingkreises.
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Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung besonders bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 in einer
Querschnittsansicht den allgemeinen Aufbau eines AusfUhrungsbeispiels des erfindungsgemäßen
Drehdetektors, Fig. 2 den Aufbau des in Fig. 1 dargestellten Drehdetektors im einzelnen,
Fig.
3 und 4 die Äquivalentschaltungen eines Schwingkreises im in Fig. 2 dargestellten
Detektor, und Fig. 5,6,7 und 8 weitere abgewandelte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen
Drehdetektors.
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Der allgemeine Aufbau eines AusfUhrungsbeispiels des erfindungsgemäßen
Drehdetektors ist in Fig. 1 dargestellt. Der Aufbau des in Fig. 1 dargestellten
Detektors ist im einzelnen in Fig. 2 dargestellt. Wie es in Fig. 1 dargestellt ist,
sind eine erste, fest -angebrachte Platte 11, eine zweite, fest angebrachte Platte
13, eine drehbare Platte 12 und eine Drehdetektoreinheit 100 in einem Gehäuse 101
aufgenommen.
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Eine Welle 14, die durch einen Drehkörper gedreht wird, ist in einem
Lager 114 aus einem Öl enthaltenden Metall und ähnlichem gehalten, das in der Wand
des Gehäuses 101 angeordnet ist. Das Gehäuse 101 ist durch einen Gehäusedeckel 102
geschlossen. Die erste, fest angebrachte Platte 11 und die zweite, fest angebrachte
Platte 13 sind am Gehäuse 101 mit Hilfe von Schraubenbolzen befestigt, die nicht
dargestellt sind. Die drehbare Platte 12 ist an der Welle 14 mit Hilfe eines Schraubenbolzens
15 befestigt.
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Die erste, fest angebrachte Platte 11, die zweite,, fest angebrachte
Platte 13 und die drehbare Platte 12 bestehen aus einem isolierenden Material, wie
beispielsweise Glas, Keramik oder Kunststoff. Auf diese Platten sind durch Aufdrucken,
aufdampfen oder durch andere Verfahren Elektroden aufgebracht.
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Eine elektronische Schaltung in der Drehdetektoreinheit 300 ist mit
den Elektroden auf der ersten, fest angebrachten Platte 11 und der zweiten, fest
angebrachten Platte 13 über Leiter 121, 122 und 123 verbunden.
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HalbkrBisförmige Elektroden 211 und 212 sind auf der rechten Seitenfläche
11b der ersten, fest angebrachten Platte 11 angebracht. Die Elektrode 211 ist mit
dem Ausgang eines Invertergliedes 303 verbunden. Die Elektrode 212 ist mit dem Ausgang
eines Invertergliedes 302 verbunden. Eine halbkreisförmige Elektrode 221, die der
Elektrode 211 oder 222 ähnlich ist, ist auf der linken Seitenfläche 12a der drehbaren
Platte 12 angebracht. Eine weitere halbkreisförmige Elektrode 222, die der Elektrode
211 oder 212 ähnlich ist, ist auf, der rechten Seitenfläche 12b der drehbaren Platte
12 angebracht. Die Elektrode 222 ist mit der Elektrode 221 verbunden. Eine kreisförmige
Elektrode 231 ist auf der rechten Seitenfläche 13b der zweiten, fest angebrachten
Platte 13 vorgesehen. Die Elektrode 231 ist mit dem Eingang eines Invertergliedes
301 verbunden. Der Anschluß 308 ist mit der Spannungsquelle VDD verbunden, während
der Anschluß 309 an Masse liegt.
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Ein Schwingkreis wird durch die Kapazitäten, die von den Elektroden
der ersten, fest angebrachten Platte 11, der zweiten, fest angebrachten Platte 13
und der drehbaren Platte 12 gebildet werden, die Inverterglieder 301,302 und 303
und einem Widerstand 304 gebildet. Ein derartiger Schwingkreis wird beispielsweise
in der Japanischen Offenlegungsschrift No.55-96724 beschrieben.
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Eine Frequenzdetektorschaltung 306 in der Drehdetektoreinheit 300
niamt die Schingungsfrequenz des Schwinglrreisos wahr, der aus den Kapazitäten und
den Invertern besteht.
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In dieser Weise wird vom Ausgang 307 der Frequenzdetektorschaltung
306
ein Signal mit dem logischen Wert l'1t' oder "O" erzeugt.
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Im folgenden wird die Arbeitsweise des in Fig. 2 dargestellten Detektors
beschrieben. Wenn die Elektrode 221 auf der drehbaren Platte 12 der Elektrode 212
auf der ersten, fest angebrachten Platte 11 zugewandt ist und keine Elektrode auf
der drehbaren Platte 12 der Elektrode 211 der ersten, fest angebrachten Platte 11
zugewandt ist, dann läßt sich die Kapazität C1, die durch die Elektrode 211 auf
der ersten, fesi angebrachten Platte 11 und die Elektrode 231 auf der zweiten, fest
angebrachten Platte 13 gebildet wird, durch die folgende Gleichung ausdrücken:
wobei £o die Dielektrizitätskonstante des Vakuums, die Dielektrizitätskonstante
des Dielektrikums, S den Flächenbereich der Elektrode 211, li den Abstand zwischen
der drehbaren Platte 12 und der ersten, fest angebrachten Platte 11, der gleich
dem Abstand zwischen der drehbaren Platte 12 und der zweiten, fest angebrachten
Platte 13 ist, und 12 die Stärke der drehbaren Platte 12 bezeichnen.
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Die Kapazität C2, die durch die Elektrode 212 auf der ersten, fest
angebrachten Platte 11 und die Elektrode 231 auf der zweiten, fest angebrachten
Platte 13 gebildet wird, wird durch die folgende. Gleichung ausgedrückt:
Aus den Gleichungen (1) und (2) werden die folgende Gleichung Und die folgende Ungleichung
erhalten:
C2 - C1 > 0 (4) Wenn demgemäß 12 > 11 und der Durchmesser der Elektrode 211
wesentlich größer als 12 ist, wird die folgende Beziehung erhalten: 2 »c1 (5) In
diesem Fall wird der Schwingkreis, der aus den Kapazitäten und den Invertern im
Detektor von Fig. 2 besteht, einem bekannten RC-Schwingkreis äquivalent, der in
Fig. 3 dargestellt ist. Der Schwingkreis von Fig. 2 erzeugt somit ein Ausgangssignal
von einigen zehn Kilohertz.
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Wenn die Elektrode 221 auf der drehbaren Platte 12 der Elektrode 211
auf der ersten, fest angebrachten Platte zugewandt ist, und wenn keine Elektrode
auf der drehbaren Platte 12 der Elektrode 212 auf der ersten, fest angebrachten
Platte 11 nach einer halben Umdrehung aus der in Fig. 2 dargestellten Stellung zugewandt
ist, ändert sich die oben
beschriebene Beziehung zwischen C1 und
C2 zu der folgenden Beziehung: cl 9 C2 (6) In diesem Fall wird der Schwingkreis,
der aus den Kapazitäten und den Invertern im Detektor von Fig. 2 besteht, einem
anderen bekannten Ringschwingkreis äquivalent, der in Fig. 4 dargestellt ist. Der
in Fig. 2 dargestellte Schwingkreis erzeugt somit ein Ausgangssignal von einigen
MHz.
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Das Ausgangssignal des Schwingkreises liegt an der Frequenzdetektorschaltung
306, an der eine Bezugsfrequenz vorgewählt ist. Die Frequenzdetektorschaltung 306
erzeugt ein Signal mit dem logischen Wert "", wenn die Frequenz des anliegenden
Signals größer als die Bezugsfrequenz ist, und erzeugt ein Signal mit dem logischen
Wert tXOtt, wenn die Frequenz des anliegenden Signals kleiner als die Bezugsfrequenz
ist. Somit werden am Ausgang Signale mit den logischen Werten "1" und "O" nach Maßgabe
der Drehung der drehbaren Platte 12 entsprechend der Drehung des Drehkörpers erzeugt.
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Durch das Zählen der Anzahl der Signale mit dem logischen Wert "1"
pro Zeiteinheit vom Ausgang 307 ist es möglich, die Drehzahl des Drehkörpers zu
ermitteln.
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Da bei dem in Fig. 2 dargestellten Detektor die Amplitude des Schwingungssignals
selbst dann auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird, wenn die Drehzahl des Drehkörpers
niedrig wird erfolgt eine fehlerfreie Ermittlung der Frequenz des Schwingungssignals
unabhängig von Rauschsignalen, so daß eine genaue Bestimmung der Drehzahl des Drehkörpers
selbst im Bereich niedriger Drehzahl des Drehkörpers sichergestellt ist.
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Im folgenden werden anhand der Fig. 5.627 und~8 abgewandelte~l
Ausftilirungsbeispiele
der Erfindung beschrieben.
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Bei det in Fig. 5 dargestellten Detektor ist statt der drehbaren Platte
12 aus einem isolierenden Material mit Elektroden 221 und 222 bei dem in Fig. 2
dargestellten Detektor eine drehbare Metallplatte 120 vorgesehen. Die nicht dargestellte
Welle, an der die drehbare Platte befestigt ist, besteht aus einem Metall, an dem
die drehbare Platte 120 befestigt ist, und liegt an Masse. Die drehbare Platte 120
wirkt somit als elektrostatische Abschirmung.
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Wenn bei dem in Fig. 5 dargestellten Detektor die drehbare Platte
120 der Elektrode 212 auf der ersten, fest angebrachten Platte 11 zugewandt ist,
wird das elektrische Feld der Elektrode 212 nicht auf die Elektrode 231 auf der
zweiten, fest angebrachten Platte 13 übertragen. Stattdessen wird das elektrische
Feld der Elektrode 211 auf die Elektrode 231 übertragen. Der Schwingkreis des in
Fig. 5 dargestellten Detektors wird somit dem bekannten RC-Schwingkreis äquivalent,
der in Fig. 3 dargestellt ist. Dementsprechend wird ein Impuls signal mit einem
Impuls pro Umdrehung am Ausgang 307 nach Maßgabe der Umdrehung der drehbaren Platte
120 entsprechend der Drehung des Drehkörpers erzeugt.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 6 dargestellt.
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In Fig. 6 sind zur Erleichterung des Verständnisses die Platten weggelassen
und nur die Elektroden dargestellt. Die erste Elektrode 211 und die zweite Elektrode
212 sind auf der ersten, fest angebrachten Platte 11 vorgesehen, eine siebte Elektrode
235 und eine achte Elektrode 236 sind aus der zweiten, fest angebrachten Platte
13 vorgesehen, eine dritte Elektrode 223 und eine vierte Elektrode 224 sind auf
der linsen Seitenfläche der drehbaren L'lattsc 12 vorgesehen7 und eine fünfte Elektrode
225 und eine sechste Elektrode 226 sind auf der rechten Seitenfläche der drehbaren
Platte
12 vorgesehen.
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Die erste Elektrode 211 ist mit dem an Masse liegenden Anschluß 309
der Drehdetektoreinheit 300 verbunden. Die zweite Elektrode 212 ist mit dem Eingang
des Invertergliedes 301 verbunden. Die Elektroden 223 und 224 sind den Elektroden
211 und 212 zugewandt. Die ringförmige Elektrode 225 ist mit der Halbkreiselektrode
223 verbunden, während die ringförmige Elektrode 226 mit der Halbkreiselektrode
224 verbunden ist. Die Elektroden 235 und 236 sind den Elektroden 225 und 226 zugewandt.
Die Elektrode 235 ist mit dem Ausgang des Invertergliedes 303 verbunden, während
die Elektrode 236 mit dem Ausgang des Invertergliedes 302 verbunden ist.
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Bei der in Fig. 6 dargestellten Stellung ist eine Kapazität zwischen
der Elektrode 212 und der Elektrode 226 über das Elektrodenpaar 212 und 224 und
das Elektrodenpaar 226 und 236 gebildet. Eine weitere Kapazität ist zwischen der
Elektrode 211 und der Elektrode 235 über das Elektrodenpaar 211 und 223 und das
Elektrodenpaar 225 und 235 gebildet. Da die Elektrode 211 an Masse liegt, wirkt
nur die Kapazität, die zwischen der Elektrode 212 und der Elektrode 236 gebildet
ist als Kapazität für den Schwingkreis in der Drehdetektoreinheit 300. Der Detektor
von Fig. 6 arbeitet daher äquivalent dem bekannten RC-Schwingkreis, der in Fig.
3 dargestellt ist.
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Wenn nach einer halben Umdrehung aus der in Fig. 6 dargestellten Stellung
die Elektrode 224 der Elektrode 211 zuge-l wandt ist, und die Elektrode 223 der
Elektrode 212 zugewandt ist, ist eine Kapazität zwischen der Elektrode 236 und der
Elektrode 211 und zwischen der Elektrode 235 und der Elektrode 212 gebildet. Da
die Elektrode 211 an Masse liegt, wirkt nur die Kapazität zwischen der Elektrode
212 und der
Elektrode 235 als Kapazität für den Schwingkreis in
der Drehdetektoreinheit 300. Der Detektor von Fig. 6 arbeitet daher äquivalent dem
bekannten Ringschwingkreis, der in Fig. 4 dargestellt ist. Es wird daher ein Impulssignal
mit einem Impuls pro Umdrehung am Ausgang 307 nach Maßgabe der Drehung der drehbaren
Platte 12 entsprechend der Drehung des Drehkörpers erzeugt.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig.7 dargestellt.
In Fig. 7 fehlen die Platten zur Erleichterung des Verständnisses und sind nur die
Elektroden dargestellt. Bei dem in Fig. 7 dargestellten Detektor sind eine erste
Elektrode 213 und eine zweite Elektrode 214 an der ersten, fest angebrachten Platte
11 vorgesehen, ist eine fünfte Elektrode 231 an der zweiten, fest angebrachten Platte
13 vorgesehen, ist die dritte Elektrode 223 auf der linken Seitenfläche der drehbaren
Platte 12 vorgesehen, und ist die vierte Elektrode 224 auf der rechten Seitenfläche
der drehbaren Platte 12 vorgesehen. Die Elektrode 223 ist mit der Elektrode 224
verbunden.
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Bei dem in Fig. 7 dargestellten Detektor wird ein Impulssignal mit
sechS Impulsen pro Umdrehung am Ausgang 307 nach Maßgabe der Umdrehung der drehbaren
Platte 12 ähnlich wie bei der Arbeitsweise der in Fig. 2 dargestellten Einrichtung
erzeugt.
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Wenn die Elektroden 223 und 224 auf der drehbaren Platte mit Masse
verbunden sind, wird ein Impulssignal mit sechs Impulsen pro Umdrehung am Ausgang
307 entsprechend der Umdrehung der drehbaren Platte 12 ähnlich wie bei der Arbeitsweise
der in Fig. 5 dargestellten Einrichtung erzeugt. Durch die Wahl der Form der Elektroden
auf der ersten, fest angebrachten Platte 11 und der drehbaren Platte 12 ist es somit
möglich, ein Impuls signal mit einer gewählten Anzahl von Impulsen
pro
Umdrehung oder ein Impulssignal mit einer gewählten Impulsform zu erhalten.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 8 dargestellt.
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In Fig. 8 sind zur Erleichterung des Verständnisses die Platten weggelassen
und nur die Elektroden dargestellt. Bei der in Fig. 8 dargestellten Einrichtung
wird ein Impulssignal mit acht Impulsen pro Umdrehung am Ausgang 307 entsprechend
der Umdrehung der drehbaren Platte erzeugt.
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