DE4322750A1 - Kapazitiver Drehwinkelsensor - Google Patents
Kapazitiver DrehwinkelsensorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Drehwinkelsensor,
welcher aus einer drehfest mit einer Sensorwelle verbun
denen Rotorscheibe und mindestens einer, am Sensorgehäuse
fixierten Statorscheibe besteht, welche parallel zueinander
ausgerichtet sind und auf der einander zugewandten Seite
Elektrodenstrukturen aufweisen.
Drehwinkelsensoren werden z. B. in Kraftfahrzeugen als
Drosselklappenstellungssensor, Lenkwinkelsensor bzw. als
Niveausensor eingesetzt.
Es ist ein kapazitiver Drehwinkelsensor bekannt, bei wel
chem auf den sich gegenüberliegenden Seiten von Träger
scheiben Elektrodenstrukturen als sensorische Elemente auf
gebracht sind.
Über Abstandshalter ist mindestens eine Statorscheibe starr
mit dem Sensorgehäuse verbunden.
Die Rotorscheibe ist drehfest mit der Welle des Drehwinkel
sensors verbunden, welche nach außerhalb des Sensorgehäuses
geführt und dort mit dem Meßobjekt gekoppelt ist.
Die Sensorwelle wird vom Meßobjekt verdreht und dessen Mo
mentanstellung über eine kapazitive Auswertung des Über
deckungsgrades der Elektrodenstrukturen festgestellt.
Die Rotorscheibe wird zusätzlich axial gegen einen zwischen
Stator- und Rotorscheibe befindlichen Distanzring über ein
Federelement gedrückt. Der Distanzring soll einen konstan
ten Abstand zwischen beiden Trägerscheiben gewährleisten.
Aufgrund der starren mechanischen Verbindung der Stator
scheibe mit dem Sensorgehäuse führen Spannungen in den me
chanischen Elementen des Drehwinkelsensors zu einer Verän
derung des Scheibenabstandes. Infolge der kapazitiven Aus
wertemethode führt diese unerwünschte Änderung des Schei
benabstandes zu einer Verfälschung des Meßergebnisses.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven
Drehwinkelsensor anzugeben, welcher ein mechanisches Spiel
oder thermisch induzierte Bewegungen zwischen Stator- und
Rotorscheibe zuverlässig kompensiert.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die
Statorscheibe die Sensorwelle zentrisch umschließt und
durch Mittel, die eine nichtstarre Verbindung zum Gehäuse
realisieren, gegen Verdrehung gesichert ist.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß Rotor- und
Statorscheibe an einem gemeinsamen Punkt fixiert sind. So
mit können sowohl radiale als auch axiale Kräfte aufgenom
men und Veränderungen des Scheibenabstandes zwischen Rotor-
und Statorscheibe unterbunden werden.
In einer Ausgestaltung weist die Statorscheibe entlang ih
rer Peripherie mindestens eine Ausnehmung auf, in welche
ein gegenüberliegend am Gehäuse befindlicher, in Richtung
der Statorscheibe weisender Vorsprung eingreift, dessen Fe
derkraft größer als die Reibkraft zwischen Rotor- und Sta
torscheibe aber kleiner als die eigene Reibkraft ist.
Durch diese elastische Kopplung werden die an den Scheiben
angreifenden Kräfte kompensiert. Solche Sensoren sind bei
hohen Temperaturen bis zu 150°C einsetzbar. Außerdem wird
somit die zentrische Fixierung der Statorscheibe um die
Sensorwelle gewährleistet.
Vorteilhafterweise bleiben Streuungen der Scheibendicke so
wie thermische Bewegungen der Scheiben oder der Sensorwelle
ohne Einfluß auf den Scheibenabstand, wenn die Stator
scheibe gegen die Rotorscheibe über Abstandshalter vorge
spannt ist. Diese Vorspannung wird durch ein Federelement
realisiert.
Um einen planparallelen Abstand zwischen Stator- und Rotor
scheibe zu gewährleisten, befinden sich zwischen den gegen
überliegenden Elektrodenstrukturen von Stator- und Rotor
scheibe mindestens ein isolierendes Abstandselement
und/oder eine isolierende Schicht auf mindestens einer der
beiden Elektrodenscheiben.
Entsprechend des konstruktiven Aufbaus des Drehwinkel
sensors sind verschiedene Anordnungen der Signalverarbei
tungselektronik möglich, welche in den Unteransprüchen ge
kennzeichnet sind.
Die Erfindung läßt mehrere Ausführungen zu. Eine davon soll
anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher er
läutert werden. Es zeigt:
Fig. 1 erfindungsgemäßer kapazitiver Drehwinkelsensor,
Fig. 2 mechanische Anordnung der Elektrodenträger auf
der Sensorwelle,
Fig. 3 und 4 Varianten der nichtstarren Verbindung zwi
schen Statorscheibe und Gehäuse.
Gemäß Fig. 1 besteht der erfindungsgemäße Drehwinkelsensor
aus einer Statorscheibe 5 und einer Rotorscheibe 6, die
parallel gegenüberliegend am Boden eines topfförmigen Ge
häuses 1 angeordnet sind.
Auf den einander zugewandten Seiten sind als sensorische
Elemente Elektroden der drehwinkelabhängigen Kapazität auf
gebracht. Außerdem sind auch Koppelelektroden vorhanden,
die das drehwinkelabhängige elektrische Signal von der Ro
torscheibe 6 wieder kapazitiv auf die Statorscheibe 5 zu
rückkoppeln. Auf diese bekannte Weise wird jegliche mecha
nische Kontaktierung der sensorischen Elektroden, die als
unzulässig angesehen wird, vermieden.
Auf diese Elektroden ist zur Realisierung des Elektrodenab
standes eine dielektrische Schicht aufgebracht, die aus ei
nem PTFE-Gleitlack besteht.
Des weiteren können beide Scheiben zusätzliche Elektroden
aufweisen, die die sensorischen Kapazitäten vor elektro
magnetischen Störsignalen abschirmen.
Sowohl die Statorscheibe 5 als auch die Rotorscheibe 6 sind
innerhalb des Sensorgehäuses 1 auf der Sensorwelle 8 zen
trisch gelagert. Die Sensorwelle 8 ist über einen Lager
bereich 10 am Sensorgehäuse 1 drehbar befestigt und nach
außerhalb des Gehäuses 1 geführt, wo sie drehfest mit einem
Meßobjekt gekoppelt ist.
Die Rotorscheibe 6 ist mit der Sensorwelle 8 mechanisch
fest verbunden.
Die Statorscheibe 5 ist über Verbindungselemente 11, 12
(Fig. 3 und 4) mit dem Sensorgehäuse 1 verbunden. Sie trägt
auf der der Rotorscheibe abgewandten Seite eine auf einer
Trägerplatine 2b befindliche Signalverarbeitungselektronik
2, welche mittels mehrerer senkrecht zur Trägerplatine 2b
und Statorscheibe 5 stehenden Halterungen 2a montiert ist.
Außerdem wird die Einheit aus Trägerplatine 2b und
Signalverarbeitungselektronik 2 mittels Anzapfungen am Ge
häusedeckel 1a in der vorgegebenen Lage gehalten.
Sowohl die Lagerung 10 der Sensorwelle 8 als auch das Sen
sorgehäuse 1 sind hermetisch dicht ausgeführt. Zur Abdich
tung der Welle 8 sind Dichteelemente 7 im Lagerbereich 10
vorgesehen.
Von der Statorelektrode 5 ist eine flexible elektrische
Verbindung 9 an das Gehäuse 1 geführt.
Im weiteren soll die mechanische Anordnung der Elektroden
träger 5, 6 auf der Sensorwelle 8 gemäß Fig. 2 näher erläu
tert werden.
Das in das Gehäuse 1 hineinragende Wellenende der Sensor
welle 8 schließt mit einer Buchse 3 ab, welche mechanisch
fest und somit drehbar mit der Welle 8 verbunden ist.
Auf der Buchse 3 sind sowohl die Statorscheibe 5 als auch
die Rotorscheibe 6 zentrisch gelagert.
Die Rotorscheibe 6 ist über die Buchse 3 mechanisch fest
mit der Sensorwelle 8 verbunden, während die Statorscheibe 5
innerhalb eines zulässigen Spiels beweglich auf der
Buchse 3 sitzt.
Mit Hilfe eines Federelementes 4, welches sich ebenfalls
auf die Buchse 3 stützt, wird eine bestimmte Kraft auf die
Statorscheibe 5 ausgeübt, die somit gegen die Rotorscheibe
6 gedrückt wird.
Streuungen der Scheibendicke und thermische Bewegungen der
Scheiben 5, 6 oder der Welle 8 haben somit keinen Einfluß
auf den Scheibenabstand.
Gemäß Fig. 3 weist die Statorscheibe 5 eine annähernd halb
kreisförmige Ausnehmung 11 auf. Das die Statorscheibe 5 um
schließende Gehäuse 1 weist einen einteiligen, annähernd
ankerförmigen Klemmkörper 12 auf, der der Ausnehmung 11 der
Statorscheibe 5 direkt gegenüberliegt und kraftschlüssig in
diese eingreift.
Die Elastizität hinsichtlich der angreifenden Kräfte wird
über die freien Enden des Klemmkörpers 12 sichergestellt,
die gegen die Wandungen der Ausnehmung 11 drücken. Der Be
wegungsspielraum des Klemmkörpers 12 in der Ausnehmung 11
Ast so ausgelegt, daß die Reibkraft zwischen Statorscheibe
5 und Rotorscheibe 6, die durch die Drehbewegung der Rotor
scheibe 6 hervorgerufen wird, keine Bewegung der Stator
scheibe 5 und damit keinen Winkelfehler erzwingen kann.
Durch diese Anordnung wird die Statorscheibe 5 gegenüber
dem Gehäuse 1 gegen Verdrehung gesichert und somit eine
quasifeste Verbindung zwischen Statorscheibe 5 und Gehäuse
1 erreicht.
Um axiale Bewegungen der Scheiben, z. B. durch thermische
Ausdehnung ohne Verwerfung oder Verbiegung der Stator
scheibe 5 zu ermöglichen, muß die Federkraft der Anzapfun
gen 12 kleiner sein als die von ihnen ausgehende Reibkraft.
Diese Verdrehsicherung 11, 12 gewährleistet gleichzeitig
die zentrische Fixierung der Statorscheibe 5 um die Sensor
welle 8.
Eine andere Ausgestaltung der Verdrehsicherung 11, 12 ist
in Fig. 4 dargestellt. Hierbei befinden sich am Außenrand
der Statorscheibe 5 zwei um 180° versetzte Ausnehmungen 11.
In jede dieser Ausnehmungen 11 ragt ein zweiteiliger Klemm
körper 12, wobei jeder Teil hakenförmig mit halbrunden En
den ausgebildet ist.
Im Ausschnitt Y weist die an sich annähernd halbkreisför
mige Ausnehmung 11 halbrunde Aussparungen zur Aufnahme der
Enden des Klemmkörpers 12 auf. Mit dieser Verbindung stellt
der Klemmkörper 12 an seinen jeweiligen Enden eine
formschlüssige Verbindung mit der Ausnehmung 11 der Stator
scheibe 5 her.
Die Elastizität hinsichtlich der angreifenden Kräfte wird
über die gebogene Form des Klemmkörpers 12 gewährleistet.
Im Ausschnitt Z ist eine kraftschlüssige Verbindung darge
stellt, indem die halbrunden Enden des hakenförmigen Klemm
körpers 12 gegen die geraden Wandungen der Ausnehmung 22
gedrückt werden.
Anzahl und Ausgestaltungen der Verdrehsicherungen sind sehr
vielfältig und von der konkreten Gestaltung und dem Anwen
dungsfall des Drehwinkelsensors abhängig.
So kann das Gehäuse mindestens eine Ausnehmung aufweisen,
in welche der an der Statorplatte befindliche Vorsprung
eingreift.
Claims (8)
1. Kapazitiver Drehwinkelsensor, bestehend aus einer dreh
fest mit einer Sensorwelle verbundenen Rotorscheibe und
mindestens einer, am Sensorgehäuse fixierten Statorscheibe,
welche planparallel zueinander ausgerichtet sind und auf
den einander zugewandten Seiten Elektrodenstrukturen auf
weisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorscheibe (5)
die Sensorwelle (8) zentrisch umschließt und durch Mittel
(11, 12), die eine nichtstarre Verbindung zum Gehäuse (1)
realisieren, gegen Verdrehung gesichert ist.
2. Kapazitiver Drehwinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Statorscheibe (5) entlang ihrer
Peripherie mindestens eine Ausnehmung (11) aufweist, in
welche ein gegenüberliegend am Gehäuse (1) befindlicher, in
Richtung der Statorscheibe (5) weisender Vorsprung (12)
eingreift, dessen Federkraft größer als die Reibkraft zwi
schen Rotorscheibe (6) und Statorscheibe (5) aber kleiner
als die eigene Reibkraft ist.
3. Kapazitiver Drehwinkelsensor nach Anspruch 1 oder 2, da
durch gekennzeichnet, daß die Statorscheibe (5) gegen die
Rotorscheibe (6) über Abstandshalter vorgespannt ist.
4. Kapazitiver Drehwinkelsensor nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß sich zwischen den gegenüberliegenden
Elektrodenstrukturen von Statorscheibe (5) und Rotorscheibe
(6) mindestens ein isolierendes Abstandselement und/oder
eine isolierende Schicht auf mindestens einer der beiden
Elektrodenscheiben befindet.
5. Kapazitiver Drehwinkelsensor nach Anspruch 3 oder 4, da
durch gekennzeichnet, daß die Statorscheibe (5) durch ein
Federelement (4) gegen die Rotorscheibe (6) vorgespannt
ist.
6. Kapazitiver Drehwinkelsensor nach einem der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverar
beitungselektronik (2) auf der der Rotorscheibe (6) abge
wandten Seite der Statorscheibe (5) angebracht ist.
7. Kapazitiver Drehwinkelsensor nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungselektronik (2)
auf einer Trägerplatine (2b) untergebracht ist, welche über
Halterungselemente (2a) auf der Statorscheibe (5) montiert
ist.
8. Kapazitiver Drehwinkelsensor nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Trägerplatine (2b) direkt am Sen
sorgehäuse (1) befestigt ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4322750A DE4322750C2 (de) | 1993-07-08 | 1993-07-08 | Kapazitiver Drehwinkelsensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE4322750A DE4322750C2 (de) | 1993-07-08 | 1993-07-08 | Kapazitiver Drehwinkelsensor |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE4322750A1 true DE4322750A1 (de) | 1995-01-12 |
DE4322750C2 DE4322750C2 (de) | 2002-09-26 |
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ID=6492255
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DE4322750A Expired - Fee Related DE4322750C2 (de) | 1993-07-08 | 1993-07-08 | Kapazitiver Drehwinkelsensor |
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1993
- 1993-07-08 DE DE4322750A patent/DE4322750C2/de not_active Expired - Fee Related
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