DE4313886A1 - Kapazitiver Positions- bzw. Winkelsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Positions- bzw. Winkelsensor, der zur Auskopplung des elektrischen Abbild­ signales Koppelkapazitäten aufweist, deren Elektroden auf relativ zueinander beweglichen Substraten gegenüberliegend angeordnet sind und eine isolierende Schicht mit einer Di­ elektrizitätszahl größer als Luft aufweisen.

Kapazitive Positions- und Winkelsensoren bestehen aus zwei gegeneinander beweglichen Elektrodenträgern, welche je min­ destens eine Elektrode der sensorischen Kapazität enthal­ ten. Bei Sensoren, bei welchen das elektrische Abbildsignal kapazitiv ausgekoppelt werden soll, sind die sensorischen Kapazitäten je von einer Elektrode einer Koppelkapazität umgeben.

Bei verschiedenen Signalauswerteverfahren wird durch die Koppelkapazität eine Übertragungsfunktion zwischen der me­ chanischen Meßgröße und dem elektrischen Abbildsignal er­ zeugt, welche in den meisten Fällen vom gewünschten li­ nearen Zusammenhang abweicht. Dieser Effekt wird umso klei­ ner, je größer die Koppelkapazität im Verhältnis zur senso­ rischen Kapazität ist.

Soll die wirksame Koppelkapazität vergrößert werden, ohne daß der Flächenbedarf für sie vergrößert wird, kann dies durch eine partielle Beschichtung der Elektroden der Kop­ pelkapazität mit einer isolierenden Schicht, die eine hö­ here relative Dielektrizitätszahl als Luft hat, erreicht werden.

Verwendet man bestimmte metallische Materialien als Elek­ troden, die vorzugsweise harte verschleißfeste Oxide bil­ den, wird die gewünschte Kapazitätsvergrößerung über eine Oxidation der Elektroden vorgenommen.

Diese Ausführung bleibt auf bestimmte Elektrodenmaterialien beschränkt, da z. B. Kupfer keine harten verschleißfesten Oxide bildet.

Außerdem ist die Verwendung von Metallen, die diese Me­ talloxide bilden, vergleichweise kostenintensiv.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen analogen absoluten kapazitiven Positions- bzw. Winkelsensor anzuge­ ben, der bei kostengünstiger Herstellung die Linearität zwischen mechanischer Meßgröße und elektrischem Abbild­ signal gewährleistet, und bei welchem der Flächenbedarf der Elektroden für die Auskoppelkapazität in der gleichen Grö­ ßenordnung wie die der sensorischen Elektrodenflächen liegt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß minde­ stens eine Elektrode der Koppelkapazität mit einer ver­ schleißfesten, metalloxidfreien Passivierungsschicht be­ deckt ist.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß die Passivierungsschicht eine stabile mechanische Abstützung der relativ zueinander beweglichen Elektroden bzw. Elektrodenträger gewährleistet. Zusätzliche Montageschritte zur Realisierung des Elektro­ denabstandes entfallen.

Besonders kostengünstig ist die Realisierung des kapaziti­ ven Sensors, wenn die Passivierungsschicht aus Kunststoff besteht.

Eine Verbesserung der Linearität des elektrischen Ausgangs­ signals ohne Vergrößerung der Elektrodenfläche der Koppel­ kapazität wird, erreicht, wenn der Kunststoff eine relative Dielektrizitätszahl zwischen 2 und 3 aufweist, was vorteil­ hafterweise durch eine Beschichtung der Koppelkapazitäten mit einem Gleitlack auf der Basis von Polytetrafluoräthylen (PTFE) realisierbar ist.

Es sind hochwertige, abrieb- und verschleißfeste Gleitflä­ chen realisierbar, die bei beidseitiger Beschichtung unab­ hängig vom Untergrund sind, wodurch definierte Reibpaarun­ gen gewährleistet werden können.

Die Schichtdicke des PTFE-Gleitlackes beträgt 5-90 µm. Da­ durch können zusätzliche Abstandshalter entfallen.

Die Passivierungsschicht kann auch aus Glas oder Keramik bestehen.

Umschließen die Elektroden der Koppelkapazität die Elektro­ den der sensorischen Kapazität, ist eine gute Abdichtung des dielektrischen Raumes der sensorischen Kapazitäten durch die Passivierungsschicht gewährleistet.

Die Erfindung läßt verschiedene Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figu­ ren erläutert werden.

Fig. 1 Koaxiale Anordnung der Elektrodenflächen auf ei­ nem Elektrodenträger eines Winkelsensors,

Fig. 2 geometrischer Aufbau des Winkelsensors.

Fig. 1 zeigt einen Elektrodenträger 1, auf dem sich der Be­ reich 3 mit den sensorischen Kapazitäten befindet. Dieser Bereich 3 wird von einem Ringbereich 2 für die Koppelkapa­ zitäten umschlossen. Die genaue Struktur des Bereiches 3 der sensorischen Kapazität wurde dabei nicht dargestellt.

In Fig. 2 sind die gegeneinander beweglichen Elektrodenträ­ ger 1 dargestellt, wobei jeder Elektrodenträger 1 für sich den Aufbau gemäß Fig. 1 aufweist. Es sind die sich gegen­ überstehenden Elektroden dargestellt, die einerseits die sensorischen Kapazitäten 3 mit Luftdielektrikum 5 und ande­ rerseits die Koppelkapazität 2 bilden.

Beide sich gegenüberliegende Elektrodenbereiche der Koppel­ kapazität 2 sind mit einem Gleitlack 4 auf der Basis von Polytetrafluoräthylen (Teflon) beschichtet, der eine Schichtdicke von ca. 70 bis 80 µm aufweist.

Dieser Gleitlack kann in einfacher Weise durch Siebdruck, Sprühen, Tauchen oder durch Auflaminieren einer Lackfolie appliziert werden.

Aufgrund dieses Gleitlackdielektrikums, welches eine rela­ tive Dielektrizitätszahl von ca. 2,1 hat, ist eine Verdop­ pelung der Koppelkapazität im Vergleich zu einer Koppelka­ pazität mit Luftdielektrikum bei gleichem Flächenbedarf möglich.

Bei der dargestellten Variante sind beide sich gegenüber­ stehenden Elektrodenbereiche der Koppelkapazität 2 mit dem PTFE-Gleitlack 4 beschichtet. Eine einseitige Beschichtung ist auch möglich.

Die sich gegenüberliegenden Bereiche der Koppelkapazität 2 können auch mit verschiedenen Passivierungsschichten be­ deckt sein. Die auszuwählenden Materialpaarungen müssen da­ bei eine geringe Gleitreibung aufweisen.

Für die Elektrodenträger 1 und die Elektrodenbereiche 2, 3 sind auch andere Formen denkbar, z. B. rechteckförmige Trä­ gerkonturen und entsprechende Elektrodenbereiche 2, 3 oder auch gewölbte Trägergeometrien.

Die Gleitlackschicht 4 übernimmt neben der Funktion des Di­ elektrikums die Realisierung der mechanischen Abstützung und des definierten Abstandes zwischen sich gegenüberlie­ genden Elektrodenbereichen. Auch die Abdichtung des dielek­ trischen Raumes der sensorischen Kapazitäten gegenüber Schmutz und Feuchtigkeit wird durch die Gleitlackschicht 4 übernommen.

Claims (8)

1. Kapazitiver Positions- bzw. Winkelsensor, der zur Aus­ kopplung des elektrischen Abbildsignales Koppelkapazitäten aufweist, deren Elektroden auf relativ zueinander bewegli­ chen Substraten gegenüberliegend angeordnet sind und eine isolierende Schicht mit einer relativen Dielektrizitätszahl größer als Luft aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß min­ destens eine Elektrode der Koppelkapazität mit einer ver­ schleißfesten, metalloxidfreien Passivierungsschicht be­ deckt ist.

2. Kapazitiver Positions- bzw. Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Passivierungsschicht aus Kunststoff besteht.

3. Kapazitiver Positions- bzw. Winkelsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff eine relative Dielektrizitätszahl zwischen 2 und 3 aufweist.

4. Kapazitiver Positions- bzw. Winkelsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Polytetrafluoräthylen Be­ standteil des Kunststoffes ist.

5. Kapazitiver Positions- bzw. Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Passivierungsschicht aus Glas oder Keramik besteht.

6. Kapazitiver Positions- bzw. Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Passi­ vierungsschicht eine Schichtdicke von 5-90 µm aufweist.

7. Kapazitiver Positions- bzw. Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialpaarungen eine geringe Gleitreibung aufweisen.

8. Kapazitiver Positions- bzw. Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden der Koppelkapazität die Elektroden der sensori­ schen Kapazität umschließen.