DE4232116A1 - Anordnung für einen kapazitiven Drehwinkelsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Drehwinkelsensor, der aus einer eine Elektrode tragenden Rotorplatte und einer Statorplatte besteht, welche mehr als eine Elektrode besitzt, wobei Rotor- und Statorplatte relativ zueinander bewegbar und kreisförmig ausgebildet sind und sich gegen­ überliegend Kondensatoren bilden.

Einfache Drehkondensatoranordnungen bestehen aus mindestens einer Rotor- und mindestens einer Statorplatte. Der Rotor trägt eine halbkreisförmige Elektrode, während der Stator zwei halbkreisförmige Elektroden besitzt bzw. umgekehrt.

Bildet man zur Bestimmung des Drehwinkels Φ in einer Aus­ werteschaltung ein Abbildsignal, das dem Quotienten aus einer Kapazität zwischen den Elektroden 1 und 2 (C₁) bzw. 1 und 3 (C₂) und der Summe dieser Kapazitäten entspricht oder den Quotienten ihrer elektrischen Abbildsignale, so gilt

wobei Y das Ausgangssignal der Auswerteeinrichtung dar­ stellt.

Im Idealfall, d. h. unter Vernachlässigung von kapazitiven Streueffekten, gilt dabei für die winkelabhängige Kapazität c(Φ)

mit der relativen Dielektrizitätskonstante ε des Mediums zwischen den Elektroden, der absoluten Dielektrizitätskon­ stante ε₀, dem Abstand d der ideal planen, parallelen Elek­ troden und der winkelabhängigen wirksamen Elektrodenfläche A(Φ).

Aus diesen o.g. Beziehungen ergibt sich der Zusammenhang zwischen dem interessierenden Drehwinkel Φ und dem Aus­ gangssignal Y.

In der Praxis sind jedoch die beiden Elektrodenträger nicht ideal plan und können auch nicht ideal parallel angeordnet werden, was entsprechend der oben aufgezeigten Beziehungen einen Einfluß auf das winkelabhängige Ausgangssignal Y hat.

Um solche mechanischen Toleranzen auszugleichen, ist ein absoluter kapazitiver Stellungs- bzw. Winkelgeber bekannt, bei welchem drei bzw. vier Elektrodenflächen in einer Ebene eines planaren Stators angeordnet sind, die mittels einer weiteren Elektrodenfläche auf einem Rotor und einer Auswerteschaltung ein stellungs- bzw. winkelabhängi­ ges Spannungssignal produzieren. Nachteilig an dieser Anordnung ist, daß der Winkelmeßbereich auf maximal 120 Grad beschränkt bleibt. Die kapazitiv wirksame Fläche ist über den Geber verteilt. Durch eine Schirmelektrode, die zusätzlich zur winkelunabhängigen Auskoppelelektrode vorge­ sehen ist, entsteht weiterer Flächenbedarf im Randbereich des Elektrodenträgers.

Die Anzahl der verwendeten unabhängigen Elektrodenflächen erfordert außerdem eine umfangreiche Auswerteschaltung zur Verknüpfung der gelieferten Spannungssignale.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung für einen kapazitiven Drehwinkelgeber anzugeben, die sowohl die Schieflage der Elektrodenträger als auch ihre Durchbie­ gung bzw. Unebenheiten toleriert und einen einfachen Aufbau besitzt, sowie durch eine kostengünstige und störsichere elektronische Schaltung ausgewertet werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Rotor- und die Statorelektroden innerhalb des Meßbereiches ganzflächig ausgebildet sind, ihr äußerer Rand kreisbogen­ förmig und/oder geradlinig gestaltet ist und die von der Drehachse in Umfangsrichtung gerichtete Begrenzung von Sta­ tor- und Rotorelektrode von einer geraden, radial von der Drehachse ausgehenden Linie abweicht.

Durch dieses spezielle Elektrodenlayout wird erreicht, daß der mittlere Elektrodenabstand unabhängig vom Drehwinkel konstant bleibt, da er aus Flächenanteilen gebildet wird, die in der Summe gleichzeitig alle Gebiete der kapazitiven Fläche erfassen.

In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Innenränder der Rotor- und Statorelektroden in gleichen Winkelabständen radial gestuft.

Vorteilhafterweise bleibt bei dieser Anordnung die Kapazi­ tätszunahme/-abnahme über den Drehwinkel konstant, so daß ein linerarer Zusammenhang zwischen dem Drehwinkel und der Kapazitätsänderung erzeugt wird und Schieflage der Elektro­ denträger bzw. Durchbiegung oder Unebenheiten derselben die drehwinkelabhängigen Kapazitäten nicht beeinflussen.

Dieser Effekt wird dadurch unterstützt, daß einer aufstei­ genden stufigen Begrenzung der einen Statorelektrode eine entsprechend absteigende stufige Begrenzung der anderen Statorelektrode gegenüberliegt.

Eine besonders günstige Anordnung erhält man, wenn die erste Statorelektrode in radialen 45-Grad-Abschnitten in den Bereichen zwischen 0 bis 135 Grad von außen nach innen abnehmend und von 180 bis 315 Grad von außen nach innen zunehmend gestaltet und die zweite Statorelektrode kom­ plementär ausgeführt ist.

Dabei wird der/die Flächenzuwachs/-abnahme der Kapazitäten auf verschiedene radial Bereiche und über den Umfang ver­ teilt. Montageungenauigkeiten und damit verbundene Lageab­ weichungen von Nennlagen der verwendeten konstruktiven Ele­ mente werden optimal ausgeglichen.

Die beiden Statorelektroden sind dabei vorzugsweise durch einen an allen Stellen den gleichen Abstand aufweisenden Spalt getrennt, was einen Ausgleich von temperaturabhängi­ gen Längenänderungen der verwendeten Konstruktionsteile er­ möglicht.

Die Dreielektrodenanordnung erlaubt außerdem die Auswertung der Sensorsignale über eine einfache, kostengünstige Schal­ tungsanordnung. Der Sensor arbeitet dabei als Absolutwert­ geber.

Zur Realisierung der kapazitiven Kopplung sind sowohl die Rotorelektrode als auch die beiden Statorelektroden von je einer Elektrode der Koppelkapazität umgeben. Dadurch ent­ fällt die Notwendigkeit der elektrischen Kontaktierung der Rotorplatte.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zu ihrer weiteren Verdeutlichung ist eine davon in der Zeich­ nung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.

Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Elektrodenlayout,

Fig. 2 Draufsicht auf den kapazitiven Drehwinkelsensor aus Richtung des Rotors,

Fig. 3 eine Auswerteschaltung für den kapazitiven Dreh­ winkelsensor.

In Fig. 1a ist die kreisförmige Statorplatte 5 abgebildet, welche die beiden Statorelektroden 2 und 3 trägt, die kom­ plementär ausgebildet sind. Der äußere Rand 2a, 3a der bei­ den Statorelektroden 2 und 3 ist kreisbogenförmig ausgebil­ det. Die Innenränder 2b, 3b sind gestuft geformt. Der Innenrand 2b der ersten Statorelektrode 2 nimmt die Stufung von 0-135 Grad von außen nach innen ab. Dabei ist die Statorplatte 5 in 45 Grad-Segmente eingeteilt.

Im Bereich von 180-315 Grad nimmt die Stufung von außen nach innen zu.

Die Statorelektroden 2, 3 sind von einer Elektrode 6 der Koppelkapazität vollständig radial umgeben.

In Fig. 1b ist die kreisförmige Rotorplatte 4 dargestellt, die die Rotorelektrode 1 trägt. Die Rotorelektrode 1 weist die Form der ersten Statorelektrode 2 auf und ist kreis­ ringförmig von der Gegenelektrode 7 der Koppelkapazität um­ geben, mit welcher sie auch elektrisch verbunden ist.

Die Rotor- 4 und die Statorplatte 5 sind gleich groß.

Wie in Fig. 2 zu sehen ist, bestehen die Statorelektroden 2, 3 aus Ringsegmenten und einem inneren Kreissegment. Wird nun die Rotorelektrode 1 über den Statorelektroden 2,3 ver­ dreht, wie in Fig. 2 abgebildet, erfolgt der Flächenzu­ wachs/-abnahme der Kapazitäten C₁ bzw. C₂ nicht wie bisher üblich ausschließlich einer radialen Linie, sondern er wird auf verschiedene radiale Bereiche und über den Umfang ver­ teilt. Der maximale Meßbereich wird dabei von dem Winkel gebildet, der von einer Elektrodenfläche eingeschlossen wird.

Die Ankopplung der sensorischen Kapazitäten an die Auswer­ teeinrichtung erfolgt einerseits über die Statorelektroden 2 und 3 und andererseits über die drehwinkelunabhängige Koppelkapazität, die aus denen in Fig. 1 dargestellten Elektroden 6 und 7 gebildet wird. Der Vorteil dieser Lösung besteht darin, daß für diesen Geber nur zwei Elektrodenträ­ ger benötigt werden und die an Masse anliegende Koppelkapa­ zität die innenliegenden sensorischen Kapazitäten elek­ trisch abschirmt.

In Fig. 3 wird eine Auswerteschaltung für den Geber G ge­ zeigt. Wie bereits erwähnt, werden die Elektroden 1, 7 der Rotorplatte 4 kapazitiv an die Auswerteschaltung ange­ koppelt, wodurch keine mechanische Kontaktierung des Rotors notwendig wird.

Der kapazitive Geber G bildet mit den Widerständen 11 und 12 Zeitglieder, die mit dem Umschalter 8 alternierend an einen Schmitt-Trigger 9 angeschlossen werden. Dieser Relaxationsozillator erzeugt eine Wechselspannung an einem Ausgang, die einem Frequenzteiler 10 mit dem Teilungsver­ hältnis n zugeführt wird.

Nach jeweils n Perioden der Wechselspannung am Eingang des Teilers 10 schaltet dieser den Umschalter 8 und damit zugleich die Zeitglieder des Oszillators. Am Ausgang des Frequenzteilers 10 steht somit eine tastverhältnismodu­ lierte Wechselspannung zur Verfügung, die mit einem Tief­ paß, bestehend aus Widerstand 13 und Kondensator 14, geglättet wird und mittels eines Ausgangsverstärkers 15 bezüglich Offset und Verstärkung korrigiert werden kann. Diese Anordnung gewährleistet eine störsichere Signalverar­ beitung.

Claims (7)

1. Anordnung für einen kapazitiven Drehwinkelsensor beste­ hend aus einer eine Elektrode tragenden Rotorplatte und einer Statorplatte, welche mehr als eine Elektrode besitzt, wobei Rotor- und Statorplatte relativ zueinander bewegbar und kreisförmig ausgebildet sind und sich gegenüberliegend Kondensatoren bilden, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Rotor- (1) und die Statorelektroden (2, 3) inner­ halb des Meßbereiches ganzflächig ausgebildet sind, wobei ihr äußerer Rand (1a, 2a, 3a) kreisbogenförmig und/oder geradlinig gestaltet ist,
• - die von der Drehachse in Umfangsrichtung gerichtete Begrenzung (1b, 2b, 3b) von Stator- (2, 3) und Rotor­ elektrode (1) von einer geraden, radial von der Drehachse ausgehenden Linie abweicht.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorelektrode (1) die identische Form einer der Sta­ torelektroden (2, 3) aufweist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenränder (1b, 2b, 3b) der Rotor- (1) und Statorelek­ troden (2, 3) in gleichen Winkelabständen radial gestuft sind.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß einer aufsteigenden stufigen Begrenzung der einen Stator­ elektrode eine entsprechend absteigende stufige Begrenzung der anderen Statorelektrode gegenüberliegt.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Statorelektrode (2) in radialen 45 Grad-Abständen in den Bereichen zwischen 0 bis 135 Grad von außen nach innen abnehmend und von 180 bis 315 Grad von außen nach innen zunehmend gestaltet ist und die zweite Statorelek­ trode (3) komplementär ausgeführt ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Statorelektroden (2, 3) durch einen an allen Stellen den gleichen Abstand aufweisenden Spalt getrennt sind.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Rotorelektrode (1) als auch die beiden Statorelektroden (2, 3) von je einer Elektrode (6, 7) der Koppelkapazität umgeben sind.