DE3740544A1 - Einrichtung zur wandlung einer weg- oder winkelgroesse in eine elektrische inkrementale oder digitale groesse - Google Patents
Einrichtung zur wandlung einer weg- oder winkelgroesse in eine elektrische inkrementale oder digitale groesseInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Wandlung einer
Weg- oder Winkelgröße in eine elektrische inkrementale oder
digitale Größe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige bekannte Wandler bzw. Umsetzer setzen Inkremente
einer Weg- oder Winkelgröße in elektrische Impulse um und
werden daher auch als Inkrementalgeber bezeichnet oder
geben aus den inkrementalen Größen umgewandelte digitale
Daten ab. Derartige Wandler, die digitale Ausgangssignale
bilden, werden beispielsweise eingesetzt als Einstell
elemente oder Positionsgeber für Uhren, Haushaltsgeräte,
medizinische Geräte, Meßgeräte, Funkempfänger oder Hobby
geräte. Mit ihrer Hilfe können die Positionen von Schiebern,
Ventilen oder anderen Stellgliedern erfaßt werden. Im Fahr
zeugbau können sie beispielsweise zur Rückmeldung der
Drosselklappenstellung oder zur Rückmeldung bestimmter
Fahrwerkzustände eingesetzt werden.
Als Massenartikel für die genannten Einsatzmöglichkeiten
scheiden solche Wandler auf opto-elektronischer, induktiver
oder kapazitiver Grundlage aus, die einen hohen Fertigungs
aufwand bedingen, der häufig Voraussetzung für eine hohe
Präzision bzw. große Auflösung ist. Nachteilig ist bei
vielen Anwendungsfällen auch ein relativ hoher Stromverbrauch
bekannter Wandler, der einen permanenten Batteriebetrieb
über mehrere Jahre hinweg praktisch ausschließt.
Es ist bereits eine Einrichtung zur Wandlung einer Weg- oder
Winkelgröße in eine elektrische digitale Größe der eingangs
genannten Gattung bekannt, die deswegen kostengünstig her
stellbar sein soll und nur einen geringen Strombedarf auf
weisen soll (DE-OS 33 38 108). Die Einrichtung hat als Auf
nehmer bzw. kapazitiven Sensor für eine Drehbewegung zwei
winkelversetzt arbeitende, jeweils winkelabhängig veränder
liche Kondensatoren, die beide mit dem Drehwinkel periodisch
zu- und abnehmende Kapazitätswerte aufweisen und deswegen
im folgenden auch als Spurkondensatoren bezeichnet werden.
Außerdem umfaßt der Aufnehmer einen Referenzkondensator,
der aus je einer zentralen kreisförmigen Ladungsfläche auf
einer Rotorplatte und einer Statorplatte besteht, die im
Abstand zueinander angeordnet sind. Auf einem Außenbereich
der Statorplatte ist eine Vielzahl von strahlenförmig ange
ordneten Ladungssektoren angeordnet, die sich jeweils mit
Leersektoren etwa gleicher Winkelbreite abwechseln. Die
Statorplatte weist hingegen in ihrem Außenbereich zwei
Gruppen strahlförmig verteilter Ladungssektoren auf, die
über Leiter jeweils gruppenweise zusammengeschaltet sind
und die zusammen mit den Ladungssektoren der Rotorplatte
die beiden veränderlichen Spurkondensatoren bilden. Die
Kapazitätswerte der Spurkondensatoren und einer Referenz
kondensator-Ladungsfläche können an festen Abgriffen abge
griffen werden; die zweite Referenzkondensator-Ladungsfläche
jedoch, die auf der Rotorplatte sitzt, muß von diesem dreh
baren Element mit einem Schleifkontakt abgegriffen werden.
Abgesehen davon, daß der Referenzkondensator nicht immer
eine konvexe oder konkave Verwerfung der Rotor- oder Stator
platte bei Auswertung der Referenzkapazität ausgleichen
kann, was an sich erwünscht wäre, hat der Schleifkontakt
die bekannten Nachteile, daß er Reibung erzeugt, als Ver
schleißteil die Lebensdauer des Sensors herabsetzt und die
zu erwartende Zuverlässigkeit verringert. Darüber hinaus
ist die Auswertung der Kapazitätswerte der Spurkondensatoren,
die mit dem Kapazitätswert des Referenzkondensators in
Beziehung gesetzt werden sollen, relativ aufwendig. Zur
Auswertung stehen die Spurkondensatoren und der Referenz
kondensator ständig mit je einer Kapazitätsmeßzelle in
Verbindung, welche die in ihnen gebildeten Signale einem
Vergleicher zuführen. In dem Vergleicher wird jeweils ein
Differenzwert zwischen die Kapazitäten jeweils eines der
beiden Spurkondensatoren und des Referenzkondensators ge
bildet. Es entstehen so bei nur zwei Spurkondensatoren
bereits zwei Differenzwerte, die dem Decoder zugeführt
werden. Der Decoder soll diese Differenzwerte hinsichtlich
der Drehrichtung und den Inkrementen der Drehbewegung aus
werten und in entsprechende digitale Signale umsetzen,
welche mit einem elektronischen Zähler erfaßt und angezeigt
werden sollen. Die Meßzellen, der Vergleicher, der Decoder
und der Zähler können dabei Bestandteile eines integrierten
Schaltkreises sein. Hinsichtlich des Decoders ist nicht er
sichtlich, wie dieser Richtungssignale bilden soll, da er
ausschließlich mit UND-Verknüpfungsgattern aufgebaut ist,
die lediglich die gegenwärtig erfaßten Kapazitätswerte
auswerten können, welche aus jeder der beiden möglichen
Richtungen erreichbar sind.
Bei einer anderen zum Stand der Technik gehörenden kapazi
tiven Längen- oder Winkelmeßeinrichtung, deren Meßwertauf
nehmer aus einem stationären Teil und einem parallel über
dessen Oberfläche in geringem Abstand zu diesem verschieb
baren Teil besteht, wobei die einander gegenüberliegenden
Oberflächen des stationären und des verschiebbaren Teils
mit Kondensatorbelägen versehen sind, werden nicht die
Kapazitätswerte der gebildeten Kondensatoren ausgewertet,
sondern die Phasenlage vom Sendesignal zu einem Empfangs
signal, die proportional der Verschiebung zwischen dem
stationären Teil und dem verschiebbaren Teil des Meßwert
aufnehmers sein soll (DE-PS 33 40 782). Im einzelnen sind
die Beläge des stationären Teils elektrisch nicht ange
schlossen. Sie werden von dem verschiebbaren Teil berührungs
los abgetastet. Der stationäre Teil besteht aus zwei Reihen
T-förmiger kammartig ineinandergreifender Kondensatorbeläge
und die Kondensatorbeläge des verschiebbaren Teils dienen
teilweise als Sendeelektroden und teilweise als Empfangs
elektroden. Die Sendeelektroden werden mit Wechselspannung
so gespeist, daß ein elektrisches Drehfeld entsteht, welches
an den Empfangselektroden Wechselspannungen erzeugt, deren
Phasenlage von der Stellung des verschiebbaren Teils zum
stationären Teil abhängt. - Die Erzeugung der drei um jeweils
120° phasenverschobenen sinusförmigen Wechselspannungen, die
in die Sendeelektroden eingespeist werden, und die Auswertung
der Wechselspannungen, die mit den Empfangselektroden empfan
gen werden, sind verhältnismäßig aufwendig.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ausgehend
von einer Einrichtung der eingangs genannten Gattung, in der
die weg- oder winkelversetzt angeordneten, mit mehreren
Spurkondensatoren gebildeten Kapazitäten in der Aus
werteschaltung ausgewertet werden, diese so weiterzubilden,
daß bei einer hardwaremäßig einfachen Auswertung die inkre
mentale oder digitale Größe in Abhängigkeit von der Be
wegungsrichtung, mit der der kapazitive Sensor beaufschlagt
wird, präzise erzeugt wird. Damit soll die hohe Auflösung
von unter einem Winkelgrad bei Sensoren, welche mehrere
Spurkondensatoren aufweisen, zumindest erhalten bleiben.
Diese Aufgabe wird durch einen Aufbau der Auswerteschaltung
mit den in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 ange
gebenen Merkmalen gelöst.
Die Auswertung geht davon aus, daß nur die in Abhängigkeit
von dem Weg bzw. dem Winkel sich periodisch ändernden
Kapazitätswerte der Spurkondensatoren miteinander ver
glichen werden. Es erfolgt also kein Vergleich der Kapa
zitätswerte der Spurkondensatoren mit dem Kapazitätswert
eines weg- bzw. drehwinkelunabhängigen Referenzkondensators. Vielmehr wird die sonst mit dem
Referenzkondensator mögliche Fehlerkompensations in noch
besserem Maße durch die Spurkondensatoren selbst erreicht.
Außerdem wird die Auswertung insofern vereinfacht, als der
Vergleich mit dem Kapazitätswert des gesonderten Referenz
kondensators entfällt. Da auch keine Beläge eines Referenz
kondensators auf Bauteilen - Platten - des kapazitiven
Sensors vorzusehen sind, können deren Flächen besser für
andere Beläge beispielsweise für größere Spurkondensatoren
oder für einen zusätzlichen Koppelkondensator genutzt
werden. Bei der Auswertung der Kapazitätswerte der Spur
kondensatoren ist weiter wichtig, daß eine richtungsab
hängige elektrische inkrementale oder digitale Größe durch
Auswertung der in den Speicherelementen enthaltenen Daten
zuverlässig und wenig aufwendig in dem Dekoder ermöglicht
ist, die in dem jedem Speicherelement zugeordneten Ver
gleichselement gebildet werden. Im einzelnen werden zur
Auswertung der weg- oder winkelabhängigen Kapazitätswerte
der Spurkondensatoren diese getaktet zunächst auf ein erstes
elektrisches Bezugspotential gesetzt und anschließend auf
ein zweites Bezugspotential umgeladen. Die Geschwindigkeit
der Umladung hängt dabei von dem Kapazitätswert des Spur
kondensators ab. Die Spurkondensatorspannung erreicht
während des Umladens somit mehr oder weniger rasch ein
fest eingestelltes Schwellenpotential. Zum Zeitpunkt der
Schwellenpotentialüberschreitung des einen Spurkondensators
wird mit einem diesem zugeordneten Vergleichselement erfaßt,
ob der Kapazitätswert eines zweiten Spurkondensators das
Schwellenpotential überschritten hat oder nicht. Das Ver
gleichselement bildet damit einen digitalen Vergleich
zwischen den Kapazitätswerten dieser beiden Spurkondensatoren.
Der Vergleichswert wird in dem mit dem Vergleichselement
gekoppelten Speicherelement festgehalten und steht zur Aus
wertung in dem Dekoder mit den üblichen Verknüpfungselementen
zur Verfügung. In dem Dekoder werden somit die Speicher
inhalte sämtlicher Speicherelemente verknüpft, von denen
jedes die Vergleichsergebnisse zwischen den Kapazitäts
werten zweier verglichener Spurkondensatoren beinhaltet.
Wenn die Vergleichsergebnisse in den Speicherelementen ge
speichert sind, werden die Spurkondensatoren wieder auf ihr
erstes elektrisches Bezugspotential zurückgesetzt und ein
neuer Taktzyklus beginnt. Während eines Taktes bzw. einer
Periode nehmen die verschiedenen Speicherelemente unter
schiedliche Zustände ein, je nachdem, wann das Schwellen
potential durch die Umladung des Spurkondensators erreicht
wird, welcher das ihm zugeordnete Vergleichselement steuert.
Dies erlaubt bei geringem Aufwand eine hohe Auflösung. -
Da jeder Spurkondensator gleichzeitig einen Vergleichs
kondensator für einen anderen Spurkondensator darstellt,
entfällt ein gesonderter Vergleichskondensator, der nur zur
im wesentlichen weg- oder winkelunabhängigen Fehlerkompen
sation dient.
In einer bevorzugten Ausführungsform nach Anspruch 2 sind
drei Spurkondensatoren weg- oder winkelversetzt angeordnet,
und die Kapazität jedes der drei Spurkondensatoren wird mit
der Kapazität jedes der beiden anderen Spurkondensatoren
verglichen. Dabei beträgt der Versatz der drei Spur
kondensatoren zwei Drittel des Periodizitätsintervalls,
welches durch den Abstand zwischen zwei leitfähigen
Elementen des gegenüberstehenden Belags, der allen Spur
kondensatoren gemeinsam ist, definiert ist.
Im einzelnen ist die Auswerteschaltung besonders vorteil
haft nach Anspruch 3 ausgebildet. Diese Auswerteschaltung
umfaßt die Umladeeinrichtung sowie das Schwellwertelement
für jeden Spurkondensator zur Kapazitätserfassung sowie
für jeden Spurkondensator ein bistabiles Flip-Flop, welches
mit den angegebenen Eingängen die Vergleichsfunktion neben
der Speicherfunktion ausübt. Das Schwellenwertelement kann
in wenig aufwendiger Weise durch einen Komparator gebildet
werden, an dessen einem Eingang die Referenzspannung liegt
und dessen anderer Eingang mit der Spannung des Spur
kondensators beaufschlagt wird.
Jede taktgesteuerte Umladeeinrichtung besteht in wirksamer
aber wenig aufwendiger Weise aus einem taktgesteuerten
Schalttransistor, welcher den Spurkondensator abwechselnd
auf Massepotential schaltet, welches ein erstes Bezugs
potential darstellt oder an ein stromtreibendes Element an
schließt, welches an einem zweiten Bezugspotential liegt.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Einrichtung mit drei
weg- oder winkelversetzten Spurkondensatoren ist jeder dieser
Spurkondensatoren mit einer taktgesteuerten Umladeeinrichtung
sowie mit je einem Auswertkanal verbunden, der das Schwell
wertelement sowie das Vergleichselement mit gekoppeltem
Speicher umfaßt. Es ergibt sich so ein übersichtlicher Auf
bau der Einrichtung, die eine richtungsabhängige inkrementale
oder digitale Größe mit hoher Genauigkeit bildet.
Zur Erhöhung der Auflösung kann in der Einrichtung jeder
Spurkondensator außer mit der nachgeschalteten taktge
steuerten Umladeeinrichtung mit jeweils mehreren Auswert
kanälen in Verbindung stehen, in denen die Schwellwert
elemente mit abgestuften Spannungsschwellwerten dimensioniert
sind. Die Erhöhung der Auflösung des Wandlers setzt dabei
eine geeignete Verknüpfung der Speicherzustände in dem
Dekoder voraus.
In einer Ausführungsform der Auswerteschaltung nach An
spruch 7 ist jedes Vergleichselement zum Vergleich der Zeit
konstanten der verglichenen Spurkondensatoren ausgebildet.
In einer anderen Ausführungsform der Auswerteschaltung nach
Anspruch 8 weist diese die Merkmale auf, daß jeder Spur
kondensator durch eine Ladeeinrichtung auf eine konstante
Spannung aufladbar ist und daß die zu vergleichenden Spur
kondensatoren mit einem Ladungsbilanzkomparator in Ver
bindung stehen. Solche Ladungsbilanzkomparatoren werden in
MOS-Technologie bevorzugt hergestellt und finden Anwendung
in Schalter-Kondensatorfiltern bzw. Flash-Konvertern.
Bevorzugt ist die gesamte elektrische Auswerteschaltung,
die zumindest die Vergleichselemente, die Speicherelemente
sowie den Dekoder umfaßt, aber auch die taktgesteuerten
Umladeeinrichtungen mit den Schalttransistoren umfassen
kann, in einem applikationsspezifischen Halbleiterbaustein
realisiert. Der Halbleiterbaustein kann bevorzugt in strom
sparender CMOS-Technologie aufgebaut sein.
Zur Vermeidung von parasitären Kapazitäten ist der Halb
leiterbaustein vorteilhaft direkt auf einem Teil, dem
Stator des kapazitiven Sensors montiert, d.h. gebondet.
Der zu der Einrichtung gehörende kapazitive Sensor ist nach
Anspruch 12 bevorzugt mit den Merkmalen ausgebildet, daß
die Spurkondensatoren durch je eine Spurkondensator-Stator
elektrode auf dem Stator sowie eine allen Spurkondensator-
Statorelektroden im Abstand gegenüberstehende, gemeinsame
Spurkondensator-Rotorelektrode auf einem beweglichen Sensor
teil gebildet sind und daß der Sensor einen Koppelkondensator
aufweist, über welchen die Spurkondensatoren mit der Umlade
einrichtung und den Auswertkanälen koppelbar ist. - Der
besondere Vorteil dieser Ausbildung des kapazitiven Sensors
besteht darin, daß sämtliche Spurkondensatoren über den
Koppelkondensator schleifarmfrei auf das erste Bezugspotential
bzw. Massepotential gelegt werden können, so daß Reibungs
einflüsse, welche die Zuverlässigkeit und die Genauigkeit
der Auswertung verringern könnten, entfallen.
In der Ausführungsform als Drehwinkelwandler hat die Ein
richtung die Merkmale, daß die Spurkondensator-Statorelek
troden auf einem plattenförmigen Stator kreisringförmig
angeordnet sind und die Spurkondensator-Rotorelektrode auf
einem plattenförmigen, gegenüberstehenden Rotor konform ange
bracht ist, der außerdem eine rotationssymmetrische Elektrode
des Koppelkondensators trägt. Diese Ausbildung des kapazitiven
Sensors zeichnet sich durch große Kompaktheit bei hohem er
reichbarem Auflösungsvermögen aus. Die Flächenbereiche des
Stators und des Rotors, die für die Anordnung der Spur
kondensatorelektroden weniger in Betracht kommen, sind hier
zur Aufbringung der Elektroden des Koppelkondensators ge
nutzt.
In einer alternativen Ausführungsform der Vorrichtung,
nämlich des kapazitiven Sensors als Drehwinkelmesser, sind
die Elektroden der Spurkondensatoren auf dem Umfang zweier,
im Abstand konzentrisch ineinander rotierender Zylinder an
geordnet, von denen der eine als Rotor, der andere als
Stator ausgebildet ist. Durch die zylindrische Anordnung
können bei verhältnismäßig kleinem Durchmesser hohe Kapa
zitätswerte der Spurelektroden erreicht werden, die sich
leicht auswerten lassen.
Für einen direkten Wegstreckenwandler sind die Elektroden
der Spurkondensatoren bevorzugt auf zwei, in geringem Ab
stand übereinanderlaufender Flächen als Lineale ausgebildet.
Es erübrigt sich hier eine Umwandlung einer translatorischen
Bewegung, die gemessen werden soll, in eine Drehbewegung.
Statt der beiden Lineale können nach Anspruch 16 die gegen
einander verschiebbaren Teile des kapazitiven Sensors auch
als mit Abstand ineinanderlaufende zylindrische Stäbe aus
gebildet sein, welche die Elektroden tragen. Auch in diesem
Fall ist eine Erhöhung der Kapazitätswerte der Spurkonden
satoren erreichbar.
Nach Anspruch 17 wird der geringe Abstand zwischen dem be
weglichen Sensorteil und dem Stator des kapazitiven Sensors
zweckmäßig durch ein dielektrisches Material gehalten,
welches einen Mindestabstand gewährleistet.
Bei der Ausbildung des kapazitiven Sensors mit einem Rotor
kann dieser aus leitfähigem Material bestehen. Der Koppel
kondensator wird in diesem Fall durch eine dritte Elektrode,
die in geringem Abstand zu der Rückseite des Rotors ange
ordnet ist, gebildet. Der Rotor selbst stellt in diesem Fall
außer der einen Elektrode, welche allen Spurkondensatoren
gemeinsam ist, eine Elektrode des Koppelkondensators dar.
Der Rotor kann in einer Ausführungsform als Stanzteil aus
geführt sein; es ist aber auch die Fertigung des Rotors
als Ätzteil möglich. Mit dem Ätzteil lassen sich - bei
allerdings höherem Herstellungsaufwand - größere Genauig
keiten erzielen.
Der Stator selbst kann in einer Schichttechnologie, bei
spielsweise in Dickschichttechnik hergestellt sein, wobei
als Dielektrikum keine Abdeckglasur dient. Mit der Schicht
technologie können die verschiedenen Elektroden unproble
matisch angeordnet und mit kreuzungsfreien Leitungszügen
zum Anschluß an äußere Schaltelemente gekoppelt sein.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einer beispielhaften
Einrichtung zur Drehwinkelwandlung anhand einer Zeichnung
mit fünf Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen kapazitiven Sensor
zur Drehwinkelwandlung,
Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Rotor des Sensors,
Fig. 3 eine Draufsicht auf den Stator des Sensors,
Fig. 4 eine Auswerteschaltung, in welcher der Sensor ange
ordnet ist,
Fig. 5aKapazitätswerte der drei Spurkondensatoren des Sensors
nach Fig. 1 und
Fig. 5b die zugehörigen Ausgangssignale der Speicherelemente.
Aus Fig. 1 ist ersichtlich, wie auf einer Platine 1 eines
kapazitiven Sensors, die mit einem Deckel 2 abgedeckt ist,
ein Stator 3 angeschraubt ist, dem in geringem Abstand 4
gegenüberstehend ein Rotor 5 zugeordnet ist. Der Rotor ist
mit einer Welle 6 verbunden, die durch den Stator und ein
Kugellager 7 nach außen herausragt. Die Welle wird mit einer
Einrichtung verbunden, deren Drehwinkel in eine elektrische
digitale Größe umzuwandeln ist. Elektroden auf dem Rotor
und dem Stator stehen über eine mehradrige Leitung 9 in
Verbindung, die aus dem mit der Platine und dem Deckel ge
bildeten Gehäuse nach außen herausgeführt ist.
Der Rotor 5 trägt die dem Stator 1 zugewandte gemeinsame
Rotor-Gegenelektrode 9, von der in Fig. 2 nur ein Abschnitt
dargestellt ist. Die Rotor-Gegenelektrode ist allen Spur
kondensatoren gemeinsam. Sie weist radial nach außen
stehende leitfähige Elemente 10 auf, die durch gleichgroße
isolierende Zwischenräume 11 getrennt sind. Die leit
fähigen Elemente 10 sind mit einer inneren Ringfläche 12
verbunden, die eine Elektrode eines Koppelkondensators
bildet. Eine Mittelbohrung 13 dient zur Anbringung der
Welle 6.
Die dem Rotor zugewandte in Fig. 3 abgebildete Seite des
Stators 3 weist in der Mitte eine Ringfläche 14 auf, die
zusammen mit der Ringfläche 12 des Rotors die Koppelkapazität
bildet. Auch die rotationssymmetrische Elektrodenanordnung
auf dem Stator ist nur ausschnittsweise dargestellt. In dem
Flächenbereich außerhalb der Ringfläche 4 sind die drei
Stator-Elektroden 15, 16, 17 in Umfangsrichtung gegeneinander
versetzt angeordnet, und zwar so, daß zwischen einer Gruppe
von drei Stator-Elektroden, von denen jede zu einem Spur
kondensator gehört, zu der nächsten Gruppe ein größerer
Zwischenraum besteht. In Fig. 3 ist je ein leitfähiges
Element der radial ringförmigen Anordnung sämtlicher leit
fähigen Elemente einer der Stator-Elektroden mit dessen Be
zugszeichen 15 bzw. 16 bzw. 17 versehen. Sämtliche sich
radial erstreckenden leitfähigen Elemente einer Stator-
Elektrode stehen über eine Ringleitung 18 bzw. 19 bzw. 20
miteinander in Verbindung, die jeweils zu einem der An
schlüsse 21, 22, 23 geführt sind. Ein weiterer Anschluß 24 a
ist mit der Ringfläche 14 des Koppelkondensators verbunden.
Aus den Fig. 1 und 2 kann ersehen werden, wie ein Versatz
zwischen zwei benachbarten leitenden Elementen einer Gruppe
auf dem Stator 3 zwei Drittel α beträgt, wobei α als
Periodizitätsintervall bezeichnet ist, welches durch den
Abstand zweier leitfähiger Elemente 10 der Rotor-Gegen
elektrode in Fig. 2 definiert ist. Der Abstand zweier Gruppen leit
fähiger Elemente des Stators beträgt n X α, wobei n eine ganze Zahl ist.
In Fig. 4 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Auswerte
schaltung der Kapazitätswerte der durch die Stator-Elektroden
15, 16, 17 und der gemeinsamen Rotor-Gegenelektrode 9 ge
bildeten Spurkondensatoren dargestellt, die in Fig. 4 mit
24, 25, 26 bezeichnet sind. Die Spurkondensatoren sind
einerseits über die Anschlüsse 21, 22, 23 und andererseits
über den Koppelkondensator 27 mittels des Anschlusses 24 a
mit der Auswerteschaltung verbunden. Der kapazitive Sensor
gemäß den Fig. 1-3 ist dabei innerhalb des mit einer
unterbrochenen Linie dargestellten Teils der Fig. 4 ent
halten.
Gemäß Fig. 4 liegt eine Elektrode des Koppelkondensators
auf Masse 28. Die Anschlüsse 21, 22, 23 sind jeweils mit
einer Umladeeinrichtung verbunden, die im wesentlichen aus einem
Schalttransistor 29, 30, 31 und einem stromtreibenden
Element 32, 33, 34 besteht. Je eine Elektrode des Schalt
transistors liegt auf Masse 28 als erstem Bezugspotential,
während die stromtreibenden Elemente 32, 33, 34 an ein
zweites Bezugspotential 35 angeschlossen sind. Die Basis
anschlüsse sämtlicher Schalttransistoren 30-32 werden
parallel von einem Taktgeber 36 gesteuert.
Die Auswerteschaltung umfaßt weiterhin für jeden Spur
kondensator ein Schwellwertelement 37 bzw. 38 bzw. 39,
welches aus einem mit einer Referenzspannung 40, die den
Schwellwert bildet, verbundenen Komparator besteht, der
mit der Spannung eines der Spurkondensatoren über einen
Eingang 41 bzw. 42 bzw. 43 beaufschlagt wird. Die Ausgänge
44, 45, 46 der Schwellwertelemente sind an Eingangs
schaltungen von FlipFlops 47, 48, 49 angeschlossen. Jedes
Flip-Flop, welches als Master-Slave-Flip-Flop ausgebildet
ist,hat einen vorbereitenden Dateneingang 50 bzw. 51 bzw. 52
sowie einen dynamischen auslösenden Eingang 53, 54, 55. Die
Flip-Flops mit ihren Eingangsschaltungen sind dabei so auf
gebaut, daß jeweils ein Ausgang 56, 57, 58 einen bestimmten
logischen Pegel. z.B. "1", annimmt, wenn der Pegel auf dem
dynamischen auslösenden Eingang von logisch 0 auf 1 springt
und dabei an dem vorbereitenden Dateneingang eine logische
1 anlag.
Die Ausgänge 56, 57, 58 der Flip-Flops 47, 48, 49 sind in
einem Dekoder 59, der ebenfalls von dem Taktgeber 36 ge
steuert wird, so logisch miteinander verknüpft, daß auf
einer Ausgangsleitung 60 Impulse bei einer Drehrichtung des
Sensors, z.B. im Uhrzeigersinn auftreten, die dem zurück
gelegten Drehwinkel entsprechen und umgekehrt Impulse auf
einer zweiten Ausgangsleitung 61, wenn der Sensor in ent
gegengesetzter Richtung, d.h. entgegengesetzt dem Uhrzeiger
sinn gedreht wird. Die Verknüpfung ergibt sich dabei aus der
Konfiguration der Signale an den Speicherausgängen 56, 57,
58, die in Fig. 5b dargestellt und den Kapazitätswerten der
Spurkondensatoren 24, 25, 26 in Fig. 5a zugeordnet sind.
In Fig. 5a sind die Spurkapazitäten C in Abhängigkeit von
dem Drehwinkel dargestellt, wobei T einem Periodizitäts
intervall α in den Fig. 2 und 3 entspricht.
Zu der Funktion der Auswerteschaltung in Fig. 4 wird er
läutert:
Der Taktgeber 36 hält zunächst bei geschlossenen Schalt
transistoren 29, 30, 31 die Spurkondensatoren 24, 25, 26
auf dem ersten Bezugspotential 28 "Masse". Fällt der Takt
geberpegel auf dieses erste Bezugspotential ab, so öffnen
die Schalttransistoren 29, 30, 31 und die stromtreibenden
Elemente 32, 33, 34 laden die Spurkondensatoren 24, 25, 26
auf das zweite Bezugspotential 35 auf. Wenn dabei die Spur
kondensatorspannung an einem der Spurkondensatoren den Wert
der Referenzspannung 40 überschreitet, mit dem die Schwell
wertelemente 37, 38, 39 beaufschlagt sind, so schaltet der
Ausgang 44, 45, 46 des betreffenden Komparators um. Bei
spielsweise wird bei Umschaltung des Ausgangs 44 auf logisch
1 der Dateneingang 50 des Flip-Flop 47 vorbereitet, während
zugleich ein logischer Sprung von 0 auf 1 an einem dynamischen
Eingang 55 des Flip-Flop 49 auftritt. Hat zuvor bereits die
Kondensatorspannung des Spurkondensators 26 den Wert der
Referenzspannung 40 überschritten, was mit dem Schwellwert
element 39 festgestellt ist, so liegt auch an dem Datenein
gang 52 des Flip-Flop 49 das logische Signal 1 und der
dynamische Eingang 55 veranlaßt die Umschaltung des Flip-Flop
in der Weise, daß dieser einen Zustand hält, in dem an
seinem Ausgang 58 eine logische 1 erscheint. Entsprechend
werden für inkrementale Winkelstellungen, die gemäß Fig. 5a
definierte Kapazitätswerte der Spurkondensatoren zur Folge
haben, die Ausgänge 56, 57, 58 der Kippstufen, auf die in
Fig. 5b zugeordneten logischen 0 oder 1 Potentiale einge
stellt. Die Kurvenform gemäß Fig. 5a hängt dabei von der
Gestalt der leitfähigen Segmente der Stator-Elektroden und
der Rotor-Elektrode ab. In der zugeordneten Fig. 5a ist
dargestellt, daß innerhalb einer Periode T sechs unter
schiedliche Kombinationen von Signalen auf den Ausgängen
56-58 ausgewertet werden.
Die Frequenz des Taktgebers 36 ist so hoch, daß bei der
höchsten Winkelgeschwindigkeit, die von dem Sensor erfaßt
wird, sämtliche inkrementalen Winkelstellungen ausgewertet
werden, d.h. als digitale Signale auf den Ausgängen der
Flip-Flops 47, 48, 49 zur Auswertung in dem Dekoder zur
Verfügung stehen.
Claims (21)
1. Einrichtung zur Wandlung einer Weg- oder Winkelgröße in
eine elektrische inkrementale oder digitale Größe, mit
einem kapazitiven Sensor in Form von wenigstens zwei
weg- oder winkelversetzt angeordneten Spurkondensatoren,
die in Abhängigkeit von dem Weg bzw. dem Winkel sich
periodisch ändernde Kapazitäten aufweisen, sowie mit
einer Auswerteschaltung, die wenigstens einen mit den
Spurkondensatoren in Verbindung stehenden Vergleicher
und einen diesem nachgeschalteten Dekodierer mit Aus
gängen für weg- bzw. winkelproportionale, bewegungs
richtungsbewertete Impulse umfaßt,
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Auswerteschaltung die Kapazität jedes Spur
kondensators (24, 25, 26) mittels je eines Vergleichs
elements (47, 48, 49) nur mit der Kapazität jedes
anderen Spurkondensators (24, 25, 26) verglichen wird,
daß jedes Vergleichselement (47, 48, 49) mit einem das
Vergleichsergebnis speichernden Speicherelement gekoppelt
ist und daß die Speicherelemente mit Eingängen des
Dekodierers (59) in Verbindung stehen.
2. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß drei Spurkondensatoren (24, 25, 26) weg- oder winkel
versetzt angeordnet sind und daß die Kapazität jedes der
drei Spurkondensatoren mit der Kapazität jedes der beiden
anderen Spurkondensatoren verglichen wird.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Spurkondensator (24, 25, 26) an eine taktge
steuerte Umladeeinrichtung (29, 32; 30, 33; 31, 34) sowie
an ein Schwellwertelement (37, 38, 39) angeschlossen ist,
daß jedes Vergleichselement (47, 48, 49) mit dem ge
koppelten Speicherelement aus einem bistabilen Flip-Flop
mit einem auslösenden dynamischen Eingang (53, 54, 55)
und einem vorbereitenden Dateneingang (50, 51, 52) besteht,
an den ein Ausgang (z.B. 44) des Schwellwertelements
(z.B. 37) eines der Spurkondensatoren (z.B. 24) ange
schlossen ist und daß mit dem auslösenden dynamischen
Eingang (z.B. 53) des Flip-Flop (z.B. 47) ein Ausgang
(z.B. 45) des einem weiteren Spurkondensator (z.B. 25)
zugeordneten Schwellwertelements (z.B. 38) verbunden ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß jede taktgesteuerte Umladeeinrichtung einen taktge
steuerten Schalttransistor (29, 30, 31) umfaßt, welcher
den Spurkondensator abwechselnd auf Massepotential oder
an ein stromtreibendes Element schaltet.
5. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß jeder von den drei weg- oder winkelversetzten Spur
kondensatoren (24, 25, 26), der mit einer taktgesteuerten
Umladeeinrichtung (29, 32; 30, 33; 31, 34) verbunden ist,
mit je einem Auswertkanal in Verbindung steht, der das
Schwellwertelement (37, 38, 39) sowie das Vergleichs
element (47, 48, 49) mit gekoppeltem Speicher umfaßt.
6. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Spurkondensator mit nachgeschalteter taktge
steuerter Umladeeinrichtung mit jeweils mehreren Aus
wertkanälen in Verbindung steht, in denen die Schwell
wertelemente mit abgestuften Spannungsschwellwerten
dimensioniert sind.
7. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß jedes Vergleichselement zum Vergleich der Zeit
konstanten der verglichenen Spurkondensatoren ausgebildet
ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Spurkondensator durch eine Ladeeinrichtung auf
eine konstante Spannung aufladbar ist und daß die zu
vergleichenden Spurkondensatoren mit einem Ladungsbilanz
komparator in Verbindung stehen.
9. Einrichtung nach den Ansprüchen 1-8,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine elektrische Auswerteschaltung, die zumindest
die Vergleichselemente, die Speicherelemente sowie den
Dekodierer umfaßt, in einem applikationsspezifischen
Halbleiterbaustein realisiert ist.
10. Einrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Halbleiterbaustein in CMOS-Technologie gefertigt
ist.
11. Einrichtung nach den Ansprüchen 1-10,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Halbleiterbaustein direkt auf dem Stator montiert
ist.
12. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Spurkondensatoren des kapazitiven Sensors durch
je eine Spurkondensator-Statorelektrode (15, 16, 17) auf
dem Stator (3) sowie eine allen Spurkondensator-Stator
elektroden im Abstand gegenüberstehende, gemeinsame Spur
kondensator-Rotorelektrode (9) auf einem beweglichen Sensor
teil gebildet sind und daß der Sensor einen Koppelkonden
sator (12, 14) aufweist, über welchen die Spurkondensatoren
mit der Umladeeinrichtung und den Auswertkanälen koppelbar
sind.
13. Einrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Spurkondensator-Statorelektroden (15, 16, 17) auf
einem plattenförmigen Stator (3) kreisringförmig ange
ordnet sind und die Spurkondensator-Rotorelektrode (9)
auf einem plattenförmigen, gegenüberstehenden Rotor (5)
angebracht ist, der außerdem eine rotationssymmetrische
Elektrode (12) des Koppelkondensators trägt.
14. Einrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Elektroden der Spurkondensatoren auf dem Umfang
zweier, im Abstand konzentrisch ineinander rotierender
Zylinder angeordnet sind, von denen der eine als Rotor,
der andere als Stator ausgebildet ist.
15. Einrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Elektroden der Spurkondensatoren auf zwei im Ab
stand übereinanderlaufenden Flächen als Lineale ausgebildet
sind.
16. Einrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Elektroden der Spurkondensatoren auf zwei, mit
Abstand ineinanderlaufender zylindrischen Stäben in
Längsrichtung angeordnet sind, die in Längsrichtung
gegeneinander verschiebbar sind.
17. Einrichtung nach den Ansprüchen 12-16,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Abstand zwischen dem beweglichen Sensorteil und
dem Stator durch ein dielektrisches Material gehalten wird.
18. Einrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Rotor aus leitfähigem Material besteht und daß
der Koppelkondensator durch eine dritte Elektrode, die
in geringem Abstand zu der Rückseite des Rotors ange
ordnet ist, gebildet wird.
19. Einrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Rotor als Stanzteil ausgeführt ist.
20. Einrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Rotor als Ätzteil ausgeführt ist.
21. Einrichtung nach einem der Ansprüche 12-19,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Stator in einer Schichttechnologie hergestellt
ist, wobei als Dielektrikum eine Abdeckglasur dient.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3740544A DE3740544C2 (de) | 1987-11-30 | 1987-11-30 | Einrichtung zur Wandlung einer Weg- oder Winkelgröße in eine elektrische inkrementale oder digitale Größe |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE3740544A DE3740544C2 (de) | 1987-11-30 | 1987-11-30 | Einrichtung zur Wandlung einer Weg- oder Winkelgröße in eine elektrische inkrementale oder digitale Größe |
Publications (2)
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DE3740544A1 true DE3740544A1 (de) | 1989-06-08 |
DE3740544C2 DE3740544C2 (de) | 1999-08-12 |
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ID=6341574
Family Applications (1)
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