DE3931273C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen inkrementellen Drehwinkel- bzw. Längensensor, bei dem auf einem feststehenden Träger eine Spur I mit elektrisch leitfähigen Steg­ teilen angeordnet ist, welche gruppenweise zusammen­ gefaßt sind, und bei dem gegenüber dieser Spur auf dem feststehenden Träger eine weitere Spur II mit elektrisch leitfähigen Stegteilen auf einem bewegbaren Träger ange­ ordnet ist, wobei die Stegteile der beiden Spuren I, II eine veränderbare Kondensatoranordnung bilden, an die mit Hilfe einer Steuerlogik phasenverschobene Wechsel­ spannungen angelegt werden, aus denen ein der Kapazitäts­ änderung proportionales Ausgangssignal als zeitlicher Mittelwert erzeugt wird, welches die zu bestimmende Winkel- bzw. Längenänderung repräsentiert.

Ein Drehwinkelsensor der eingangs beschriebenen Art ist in der DE-OS 36 17 335 dargestellt. Dabei wird das Ausmaß der Verschiebung eines Meßfühlers über die Veränderung der elektrostatischen Kapazität zwischen einer Drehscheibe und einer fest angeordneten Scheibe festgestellt, wobei die Drehscheibe an einer Welle des Meßfühlers und die fest angeordnete Scheibe an einer Grundplatte, der Drehscheibe gegenüberliegend, angeordnet sind. Zwei fest angeordnete Scheiben liegen der Drehscheibe gegenüber. Wenigstens eine der Scheiben ist mit ersten und zweiten Sendeelektroden versehen, die aus einer Vielzahl von mit phasenverschobenen Wechselspannungen beaufschlagten Elektrodenelementen be­ stehen, und diese sind in Umfangsrichtung der Platte unter gleichen Abständen in einer Ringform angeordnet. Die Pha­ sendifferenz zwischen den an die beiden Sendeelektroden angelegten Wechselspannungen beträgt 180°. Ferner ist die Drehscheibe mit ersten und zweiten Empfangselektroden zum Empfang von gleichphasigen Signalen versehen, die von beiden Sendeelektroden elektrostatisch eingekoppelt wer­ den. Jede fest angeordnete Scheibe ist mit einer Ausgangs­ elektrode versehen, die mit der betreffenden Empfangs­ elektrode elektrostatisch gekoppelt ist, um durch elektro­ statische Koppelung ein Signal zu erhalten.

Das zur Weiterverarbeitung anstehende unmittelbare Ausgangssignal eines kapazitiven inkrementellen Weg- oder Winkelsensors ist im allgemeinen sinusförmig. Die beiden Hauptkriterien für die Qualität dieses Ausgangssignals sind die Auflösung, d. h. die Anzahl der erzeugten Sinusperioden pro Weg bzw. Winkeleinheit, sowie die Amplitude des Sinussignals. Diese Kriterien sind gegenläufig, d. h. eine Erhöhung der Auflösung wird in der Regel mit einer Verringerung der Signalamplitude erkauft, da sich die durch die Stegsegmente gebildeten Meßkapazitäten bei kleiner werdendem Abstand der Segmente, wie er für höhere Auflösung erforderlich ist, durch Übersprechen der anliegenden Wechselspannungen in zunehmendem Maße gegenseitig beeinflussen.

Ein gangbarer Weg zur Vermeidung dieser Beeinflussung, wie er in der DD-PS 93 037 beschrieben wird, ist die zusätzliche Unterbringung von Leiterbahnen zwischen benachbarten Stegsegmenten, welche zumeist auf Massepotential liegen und eine abschirmende Wirkung ausüben. Die damit erzielbare Vergrößerung der Amplitude des sinusförmigen Ausgangssignals wird jedoch bei gleicher für die Stegsegmente zur Verfügung stehender Fläche mit einer Verringerung der Auflösung erkauft, da der für die Abschirmbahnen benötigte Platz nicht mehr für weitere Stegsegmente zur Verfügung steht. Außerdem benötigt diese vorbekannte Schaltung einen hohen Aufwand an Schaltungsbauteilen.

Ein Lage-Meßwert-Umformer aus der DE-OS 26 01 088 enthält zwei relativ zueinander bewegliche Wandlerteile, die elektrostatisch miteinander gekoppelte Rotor- und Statorelektroden aufweisen. Die Rotor- und Statorelektroden sind sternförmig auf dem Umfang des Rotors und Stators verteilt. Jede Elektrode besteht aus einem Unterteil und einem Fingerteil, wobei jedes Fingerteil zum benachbarten Fingerteil einen gleichförmigen winkelmäßigen Abstand aufweist, welcher einen Meßzyklus eines Umformers bestimmt. Außerdem sind ringförmige kapazitive Kopplungselemente vorbeschrieben. Dieser vorbekannte Lage-Meßwert-Umwandler benötigt ebenfalls einen hohen Schaltungsaufwand, und erfordert zur Erlangung eines Meßsignals von ausreichender Qualität, d. h. zum Unterdrücken des Übersprechens zwischen benachbarten Fingerelektroden die Einhaltung relativ enger Toleranzen der Luftspaltdicke.

Zum Stande der Technik gehört ferner ein kapazitiver Drehdetektor aus der DE 33 28 421 A1. Ein solcher Drehdetektor dient zur Ermittlung der Drehzahl oder der Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle eines Kraftfahrzeuges und ist nach seinem Aufbau zur Feststellung der Verstellung eines Meßfühlers wegen ungenügender Auflösung ungeeignet.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, einen inkrementellen Drehwinkel- bzw. Längensensor der eingangs genannten Art so auszubilden, daß eine extrem gute Auflösung kleinster Winkel- bzw. Längenänderungen erreicht wird, daß ferner der Einfluß des Abstandes zwischen den die Teilungen tragenden feststehenden bzw. bewegbaren Trägern gering bleibt, und daß eine hinreichende Amplitude des Ausgangssignals mit geringem Schaltungsaufwand erreicht wird.

Die Lösung der Aufgabenstellung erfolgt mit den Mitteln des Patentanspruchs 1.

Im Bereich geringer Winkelveränderungen unterhalb der Tei­ lung entspricht dieser Aufbau einem Analog-Sensor, bei größeren Winkeln arbeitet die Anordnung als inkrementeller Sensor.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann es zweckmäßig sein, daß die Teilungen auf dem bewegbaren Träger mit Kontaktbahnen verbunden sind, welche gegenüber gleichartigen Kontaktbahnen auf dem feststehenden Träger einen Kondensator zur Wechselspannungsübertragung bilden.

Die beiden Spuren können sowohl auf linear gegeneinander verschiebbaren Trägern als auch auf Trägern angeordnet sein, welche eine Drehbewegung relativ zueinander ausführen.

Eine andere zweckmäßige Ausbildung kann vorsehen, daß die Teilungen auf relativ zueinander bewegbaren Zylinderflächen angeordnet sind. Anstelle einer Ausbildung, bei der beide zusammenwirkende Spuren I, II aus ineinander verzahnten rechteckigen Flächenelementen aufgebaut sind, kann gegebenenfalls auch eine andere Form der Flächenelemente gewählt werden, um z. B. den Spannungsverlauf in Abhängigkeit vom Drehwinkel möglichst sinusförmig zu machen.

Eine weitere gegebenenfalls zweckmäßige Ausbildung kann vorsehen, daß die Leiterbahnen untereinander verbundener Stegteile der ersten Teilung gegenüber den mit Leiterbahnen verbundenen Stegteilen der zweiten Teilung um die Stegbreite versetzt ineinander geschachtelt sind.

Die durch die Stegteile gebildeten ersten und zweiten Teilungen einschließlich der verbindenden Leiterbahnen und gegebenenfalls der Kontaktbahnen können vorteilhaft als metallische Oberflächenbeschichtung eines isolierenden Trägergrundmaterials ausgebildet sein.

Eine andere zweckmäßige Ausbildung kann vorsehen, daß die durch die Stegteile gebildeten ersten und zweiten Teilungen einschließlich der verbindenden Leiterbahnen und gegebenenfalls der Kontaktbahnen als geätzte, geschnittene oder galvanisch freitragende Metallstrukturen ausgebildet sind.

Auf dem bewegbaren und/oder feststehenden Träger lassen sich ferner Abschirmelemente, beispielsweise Abschirmringe, anbringen. Diese umfassen einige oder alle der elektrisch aktiven Flächen und verringern die gegenseitige Beeinflussung bzw. dienen zur Verbesserung der Signalform. Die Abschirmelemente können dabei sowohl als passive Abschirmung mit Konstantpotentialen als auch als sogenannter getriebener Schirm "mit definierter Spannungsänderung" ausgebildet sein.

Man kann die inneren und äußeren Spuren zur Vermeidung gegenseitiger Beeinflussung auch zeitlich ineinander verschachtelt betreiben. An die Stelle der elektrostatischen Signalgewinnung kann gegebenenfalls auch eine induktive Übertragung oder eine sonstige magnetische Signalgewinnung treten.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Sensors,

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen kreisscheiben­ förmigen, feststehenden Träger,

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen kreisscheiben­ förmigen, bewegbaren Träger,

Fig. 4 eine Draufsicht auf den feststehenden Träger in einer alternativen Aus­ führungsform zur Linearverschiebung,

Fig. 5 ein Prinzipschaltbild zur Verwendung mit der Ausführungsform nach Fig. 2 und 3,

Fig. 6 ein Impulsdiagramm.

In Fig. 1 ist eine drehbare Antriebswelle 1 dargestellt, welche mit einer den bewegbaren Träger bildenden Kreis­ scheibe 2 drehfest verbunden ist. Gegenüber der drehbaren Kreisscheibe 2 ist eine feststehende Kreisscheibe 3 in geringem Abstand angeordnet, welche den feststehenden Träger bildet. Auf den beiden Kreisscheiben 2, 3 sind auf den einander zugekehrten Innenseiten Teilungen A₁, B₁ und A₂, B₂ sowie C₁, C₂ und D₁, D₂ angebracht, welche aus ineinander verzahnten Stegteilen gebildet werden. Die Teilungen A₁ und B₁ sowie A₂, B₂; C₁, D₁ und C₂, D₂ bilden jeweils gegenüberliegende Spuren, deren Kapazi­ tätsänderung bei der Drehbewegung der bewegbaren Kreis­ scheibe 2 mit Hilfe einer Meßschaltung 4 bestimmt wird, welche die Kapazitätsänderungen als Änderung der Meßgröße in einem Anzeigegerät 5 ausgibt.

Die Teilungen A₁ und B₁ bilden eine äußere Spur I auf dem feststehenden Träger, während die Teilungen C₁ und D₁ eine äußere Spur II auf dem bewegbaren Träger dar­ stellen.

Die Teilungen A₂ und B₂ gehören zu einer inneren Spur III auf dem feststehenden Träger, während die Teilungen C₂ und D₂ die innere Spur IV des bewegbaren Trägers bilden. Die inneren Spuren III und IV dienen zur Gewinnung einer Meßgröße über den Drehsinn der Bewegung.

Eine geometrische Ausbildung der Spuren I-IV zeigen die Fig. 2 und 3. Die Spur I besteht aus der ersten Tei­ lung A₁ und der zweiten Teilung B₁. Teilung A₁ weist Steg­ teile 8 auf, die untereinander mit einer Leiterbahn 9 verbunden sind. In gleicher Weise besteht die zweite Tei­ lung B₁ aus Stegteilen 15 und einer verbindenden Leiter­ bahn 16.

Die Teilung C₁ der drehbaren Scheibe besteht ebenfalls aus Stegteilen 6, die mit einer Leiterbahn 7 untereinan­ der verbunden sind. Zur Übertragung der elektrischen Meß­ werte ist die Leiterbahn 7 über eine Radialverbindung 12 mit einer Kontaktbahn 13 verbunden, welcher eine äußere Kontaktbahn 14 auf der feststehenden Scheibe (vgl. Fig. 2) gegenüberliegt und mit dieser einen Kondensator für die Übertragung von Wechselspannungen bildet.

Die Teilung D₁ auf dem bewegbaren Träger besteht aus Steg­ teilen 10, die durch eine Leiterbahn 11 miteinander verbun­ den sind, welche über eine Radialverbindung 17 mit einer innenliegenden Kontaktbahn 18 in Verbindung steht. Diese innenliegende Kontaktbahn 18 wirkt mit der Kontaktbahn 19 auf der feststehenden Scheibe (Fig. 2) als Kondensa­ tor zur Spannungsübertragung zusammen.

Die Teilungen in der Ausführungsform der Fig. 2 und 3 sind gleichartig aufgebaut.

Zur Kontaktierung der einzelnen Teilungen und zum An­ schluß der Verbindungsleitungen der Steuerschaltung sind auf der feststehenden Scheibe Anschlußpunkte 20 vorge­ sehen. Durch die kapazitive Übertragung mit Hilfe der Kon­ taktbahnen kann die als bewegbarer Träger ausgebildete Drehscheibe ohne ortsfeste Verbindungsanschlüsse ausgebil­ det werden.

Die Kapazitäten und deren Änderungen können dabei als Spannungen, Frequenzen oder Zeiten in bekannter Weise bestimmt werden.

Fig. 4 zeigt einen schematisch gleichen Aufbau der fest­ stehenden Teilungen A₁, B₁ zur Messung von Linearverschiebung.

Die bevorzugt für die Ausbildung nach Fig. 2, 3 und 4 benutzte Meßschaltung ist in Fig. 5 dargestellt. Man er­ kennt eine Steuerlogik 27, die mit zwei als Multivibra­ toren ausgebildeten Oszillatoren 28, 29 zusammenwirkt. Zur Erzeugung der phasenverschobenen Wechselspannungen dienen Phasenschieber 30, 31. Die Kapazitäten zwischen den einzel­ nen Teilungen sind durch C_AC und C_BD angedeutet. Die Aus­ werteschaltung kann im übrigen in verschiedener Weise aus bekannten Bauteilen aufgebaut werden. Sie dient zur Bestim­ mung der Kapazitätsänderung bei Relativbewegung der Schei­ ben, wobei das Ausgangssignal U_a durch die in der Steuer­ logik 27 gebildeten Einschaltzeiten der jeweiligen Kapa­ zitäten entsteht.

Fig. 6 zeigt das zugehörige Impulsdiagramm. Es ist der Spannungsverlauf an der äußeren Spur I dargestellt, die durch die Teilungen A₁ und B₁ gebildet wird. Oberhalb der Teilungen A₁, B₁ ist der Spannungsverlauf in den Kon­ taktbahnen 14 und 19 gezeigt.

Das Ausgangssignal U_a ist eine Impulsspannung, wobei der Drehwinkel zwischen den Kreisscheiben 2, 3 durch die Ein-Schalt­ zeiten t₁ und t₂ oder über eine aus diesen abgeleitete Funk­ tion (z.B. Differenz, Verhältnis, Summe; Differenz dividiert durch Summe oder ähnliches) gemessen wird.

Claims (8)

1. Inkrementeller Drehwinkel- bzw. Längensensor, bei dem auf einem feststehenden Träger eine Spur I mit elektrisch leitfähigen Stegteilen angeordnet ist, welche gruppenweise zusammengefaßt sind, und bei dem gegenüber dieser Spur auf dem feststehenden Träger eine weitere Spur II mit elektrisch leitfähigen Stegteilen auf einem bewegbaren Träger angeordnet ist, wobei die beiden Spuren veränderbare Kondensatoranordnung bilden, an die mit Hilfe einer Steuerlogik phasenverschobene Wechselspannungen angelegt werden, aus denen ein der Kapazitätsänderung proportionales Ausgangssignal als zeitlicher Mittelwert erzeugt wird, welches die zu bestimmende Meßgröße der Winkel- bzw. Längenänderung repräsentiert, mit den Merkmalen, daß die beiden Spuren (I, II) jeweils aus ineinander verzahnten, durch die Stegteile gebildeten ersten und zweiten Teilungen (A₁, B₁; C₁, D₁) bestehen, daß in der einen Halbperiode (t₁) eines periodischen Arbeitszyklus die Wechselspannung an die erste Teilung des bewegbaren Trägers (C₁) angelegt wird, während die zweite Teilung des bewegbaren Trägers (D₁) auf einem konstanten Potential gehalten wird, und die erste Teilung des feststehenden Trägers (A₁) gegenphasig zur ersten Teilung des bewegbaren Trägers (C₁) angesteuert wird, und die zweite Teilung des feststehenden Trägers (B₁) gleichphasig zur ersten Teilung des bewegbaren Trägers (C₁) angesteuert wird, und daß in der anderen Halbperiode (t₂) des Arbeitszyklus die Wechselspannung an die zweite Teilung des bewegbaren Trägers (D₁) angelegt wird, während die erste Teilung des bewegbaren Trägers (C₁) auf konstantem Potential gehalten wird, und daß die erste Teilung des feststehenden Trägers (A₁) gegenphasig zur zweiten Teilung des bewegbaren Trägers (D₁) angesteuert wird, während die zweite Teilung des feststehenden Trägers (B₁) gleichphasig zur zweiten Teilung des bewegbaren Trägers (D₁) angesteuert wird, und daß in der Steuerlogik (27) Einschaltzeiten der jeweiligen Kapazitäten entsprechend den beiden Halbperioden (t₁, t₂) gebildet werden, aus denen die Meßgröße bestimmt wird.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilungen auf dem bewegbaren Träger mit Kontaktbahnen (z. B. 13; 18) verbunden sind, welche gegenüber gleichartigen Kontaktbahnen (14; 19) auf dem feststehenden Träger einen Kondensator zur Wechselspannungsübertragung bilden.

3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilungen (I, II) auf relativ zueinander bewegbaren Zylinderflächen angeordnet sind.

4. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Leiterbahnen (7, 9) untereinander verbundenen Stegteile (6, 8) der ersten Teilung gegenüber den mit Leiterbahnen (11, 16) verbundenen Stegteilen (10, 15) der zweiten Teilung um die Stegbreite versetzt ineinandergeschachtelt sind.

5. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Wechselspannungen zwischen 20 kHz und 1 MHz liegt.

6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannungen eine Impulsfolge bilden.

7. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Stegteile gebildeten ersten und zweiten Teilungen einschließlich der verbindenden Leiterbahnen und gegebenenfalls der Kontaktbahnen als metallische Oberflächenbeschichtung eines isolierenden Trägergrundmaterials ausgebildet sind.

8. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Stegteile gebildeten ersten und zweiten Teilungen einschließlich der verbindenden Leiterbahnen und gegebenenfalls der Kontaktbahnen als geätzte, geschnittene oder galvanisch freitragende Metallstrukturen ausgebildet sind.