DE3740544C2 - Einrichtung zur Wandlung einer Weg- oder Winkelgröße in eine elektrische inkrementale oder digitale Größe - Google Patents

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.

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 in­ krementalen Größen umgewandelte digitale Daten ab. Derartige Wandler, die digitale Ausgangssignale bilden, werden bei­ spielsweise eingesetzt als Einstellelemente oder Positions­ geber für Uhren, Haushaltsgeräte, medizinische Geräte, Meßge­ räte, Funkempfänger oder Hobbygeräte. Mit ihrer Hilfe können Positionen von Schiebern, Ventilen oder anderen Stellgliedern erfaßt werden. Im Fahrzeugbau 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 be­ kannter 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 bekannt, die kostengünstig herstellbar sein soll und nur einen geringen Strombedarf aufweisen soll (DE-OS 33 38 108). Die Einrichtung hat als Aufnehmer bzw. kapazitiver Sensor für eine Drehbewe­ gung 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 Pha­ senlage von der Stellung des verschiebbaren Teils zum statio­ nären 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.

Bei einer vorbekannten kapazitiven Wegestreckenmeßeinrichtung der eingangs genannten Gattung werden insgesamt vier Platten mit Elektroden zur Bildung der Kondensatoren, deren Kapazität ausgewertet wird, eingesetzt (DE 31 44 506 A1). Dazu werden die Kapazitätswerte von vier Spurkondensatoren einem Ver­ gleich unterzogen, und zwar jeweils zwei Kondensatoren in zwei Gruppen. So werden mit einem der Vergleicher die Kapazi­ täten zweier Kondensatoren miteinander verglichen und mit einem anderen der Vergleicher die Kapazitäten zweier weiterer Kondensatoren. Nicht offenbart ist, daß drei Spurkondensato­ ren weg- oder winkelversetzt angeordnet sind, noch daß die Kapazität jedes von drei Spurkondensatoren mit der Kapazität jedes der beiden anderen Spurkondensatoren verglichen wird. Diese aufwendige Auswertung ergibt kein Dreiphasensystem des Kapazitätsverlaufs.

Diese Nachteile gelten auch für eine zum Stand der Technik gehörende Auswerteelektronik für Differentialkondensatoren zur Verwendung in Sensoren, in der je ein Komparator die Spannung von einem von zwei Kondensatoren mit einer Referenz­ spannung vergleicht (DE 35 16 162 A1).

In einer anderen bekannten Vorrichtung zur Messung der Rela­ tivlage von zwei Objekten zueinander durch Kapazitätsmessung mit einem kapazitiven Differential-Meßwertaufnehmer aus min­ destens zwei ersten, mechanisch mit dem einen Objekt verbind­ baren leitenden Auflagen und mindestens einer zweiten, mecha­ nisch mit dem anderen Objekt verbindbaren leitenden Auflage, wobei von der zweiten Auflage mit den ersten Auflagen zwei in Abhängigkeit von der Relativlage der Objekte veränderliche Meßkapazitäten gebildet sind und die Werte der beiden Meßka­ pazitäten in einem von der Relativlage der Objekte abhängigen Verhältnis zueinander stehen, wird ebenfalls kein Dreiphasen­ system des Kapazitätsverlaufs gebildet, das eine einfache Bauweise und Auswertung bei hoher Auflösung gestattet (DE 30 13 284 C2).

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ausgehend von einer Einrichtung der eingangs genannten Gattung, in der die weg- oder winkelversetzt angeordneten, mit mehreren Spurkon­ densatoren gebildeten Kapazitäten in der Auswerteschaltung ausgewertet werden, diese so weiterzubilden, daß bei einer hardwaremäßig einfachen Auswertung die inkrementale oder digitale Größe in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung, mit der der kapazitive Sensor beaufschlagt wird, präzise erzeugt wird. Damit soll die hohe Auflösung von unter einem Winkel­ grad bei Sensoren, welche mehrere Spurkondensatoren aufwei­ sen, zumindest erhalten bleiben.

Diese Aufgabe wird durch einen Aufbau der Auswerteschaltung mit den in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebe­ nen Merkmalen gelöst.

Somit sind drei Spurkondensatoren weg- oder winkelversetzt angeordnet, und die Kapazität jedes der drei Spurkondensato­ ren wird mit der Kapazität jedes der beiden anderen Spurkon­ densatoren verglichen.

Bei dieser Ausbildung der Spurkondensatoren und des Kapazi­ tätsvergleichs wird ein übersichtlicher Aufbau der Einrich­ tung, die eine richtungsabhängige inkrementale oder digitale Größe mit hoher Genauigkeit bildet, erreicht. Insbesondere ist die bei üblicher Leiterplattentechnik vergleichsweise gute Auflösung hervorzuheben, die sich aus den sechs Zustän­ den der Ausgangssignale über ein Periodizitätsintervall er­ gibt. Es kann daher auf eine feinere Einteilung der Elektro­ den auf den Platten, um zu einer hohen Auflösung zu gelangen, verzichtet werden.

Generell geht die Auswertung davon aus, daß nur die in Ab­ hängigkeit von dem Weg bzw. dem Winkel sich periodisch än­ dernden Kapazitätswerte der Spurkondensatoren miteinander verglichen werden. Es erfolgt also kein Vergleich der Kapazi­ tätswerte der Spurkondensatoren mit dem Kapazitätswert eines weg- bzw. drehwinkelunabhängigen Referenzkondensators. Viel­ mehr wird die sonst mit dem Referenzkondensator mögliche Fehlerkompensation in besserem Maße durch die Spurkondensato­ ren selbst erreicht. Außerdem ist die Auswertung insofern einfach, als der Vergleich mit dem Kapazitätswert des gesonderten Referenz­ kondesators 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 Bezugspotentail 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 Schwellenpo­ tential 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 Vergleichskondensa­ tor für einen anderen Spurkondensator darstellt, entfällt ein gesonderter Vergleichskondensator, der nur zur im wesentli­ chen weg- oder winkelunabhängigen Fehlerkompensation dient.

Gemäß Anspruch 2 beträgt der Versatz zwischen je zwei benach­ barten der drei Spurkondensatoren zwei Drittel des Periodizi­ tätsintervalls, welches durch den Abstand zwischen zwei leit­ fähigen Elementen des gegenüberstehenden Belags, der allen Spurkondensatoren gemeinsam ist, definiert ist. Daraus ergibt sich ein vergleichsweise niedriger Aufwand für die Einrich­ tung bei einer geforderten Auflösung der Messung.

Im einzelnen ist die Auswerteschaltung besonders vorteilhaft nach Anspruch 3 ausgebildet. Diese Auswerteschaltung umfaßt die Umladeeinrichtung sowie das Schwellwertelement für jeden Spurkondensator zur Kapazitätserfassung sowie für jeden Spur­ kondensator ein bistabiles Flip-Flop, welches mit den angege­ benen Eingängen die Vergleichsfunktion neben der Speicher­ funktion ausübt. Das Schwellerwertelement kann in wenig auf­ wendiger Weise durch einen Komparator gebildet werden, an dessen einem Eingang die Referenzspannung liegt und dessen anderer Eingang mit der Spannung des Spurkondensators beauf­ schlagt wird.

Jede taktgesteuerte Umladeeinrichtung besteht in wirksamer aber wenig aufwendiger Weise aus einem taktgesteuerten Schalttransistor, welcher den Spurkondensator abwechselnd auf Massepotential schaltet, welches ein erste 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. 5a Kapazitätswerte 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 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 24a 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 leitfähiger Elemente des Stators beträgt n.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 24a 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 Schalttran­ sistors liegt auf Masse 28 als erstem Bezugspontential, 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 Flip-Flops 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 50 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 Spurkodensatoren 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 Weiser, 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, bewegungsrich­ tungsbewertete Impulse umfaßt, wobei in der Auswerte­ schaltung die Kapazität jedes Spurkondensators (24, 25, 26) mittels je eines Vergleichselements (47, 48, 49) mit der Kapazität wenigstens eines anderen Spurkondensators (24, 25, 26) verglichen wird, wobei jedes Vergleichs­ element (47, 48, 49) mit einem das Vergleichsergebnis speichernden Speicherelement gekoppelt ist und wobei die Speicherelemente mit Eingängen des Dekodierers (59) in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß drei Spurkondensatoren (24, 25, 26) auf einem Stator (3) und einem Rotor (5) weg- oder winkelversetzt ange­ ordnet sind und daß die Kapazität jedes der drei Spur­ kondensatoren mit der Kapazität jeder der beiden anderen Spurkondensatoren verglichen wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Versatz zwischen je zwei benachbarten der drei Spurkondensatoren (24, 25, 26) zwei Drittel eines Peri­ odizitätsintervalls beträgt, welches durch den Abstand zwischen zwei leitfähigen Elementen (10) eines gegen­ überstehenden Belags, der allen Spurkondensatoren ge­ meinsam ist, definiert ist.

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.