DE4322750C2 - Kapazitiver Drehwinkelsensor - Google Patents
Kapazitiver DrehwinkelsensorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Drehwinkelsensor.
Drehwinkelsensoren werden z. B. in Kraftfahrzeugen als Drosselklappenstel
lungssensor, Lenkwinkelsensor bzw. als Niveausensor eingesetzt.
Es ist ein kapazitiver Drehwinkelsensor bekannt, bei welchem auf den sich
gegenüberliegenden Seiten von Trägerscheiben Elektrodenstrukturen als
sensorische Elemente aufgebracht sind.
Über Abstandshalter ist mindestens eine Statorscheibe starr mit dem Sensorgehäuse
verbunden.
Die Rotorscheibe ist drehfest mit der Welle des Drehwinkelsensors verbunden,
welche nach außerhalb des Sensorgehäuses geführt und dort mit dem Meßobjekt
gekoppelt ist.
Die Sensorwelle wird vom Meßobjekt verdreht und dessen Momentanstellung über
eine kapazitive Auswertung des Überdeckungsgrades der Elektrodenstrukturen
festgestellt.
Die Rotorscheibe wird zusätzlich axial gegen einen zwischen Stator- und
Rotorscheibe befindlichen Distanzring über ein Federelement gedrückt. Der
Distanzring soll einen konstanten Abstand zwischen beiden Trägerscheiben
gewährleisten.
Aufgrund der starren mechanischen Verbindung der Statorscheibe mit dem
Sensorgehäuse führen Spannungen in den mechanischen Elementen des
Drehwinkelsensors zu einer Veränderung des Scheibenabstandes. Infolge der
kapazitiven Auswertemethode führt diese unerwünschte Änderung des
Scheibenabstandes zu einer Verfälschung des Meßergebnisses.
Die gleichen Nachteile weist ein aus der EP 0 004 764 A1 bekannter kapazitiver
Drehwinkelsensor auf, welcher aus einer drehfest mit einer Welle verbundenen
Rotorscheibe und einer Statorscheibe besteht, welche über Federn und einen
Abstandshalter planparallel zueinander ausgerichtet sind.
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 durch die Merkmale des Patentanspruchs 1
gelöst.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß Rotor- und Statorscheibe an einem
gemeinsamen Punkt fixiert sind. Somit können sowohl radiale als auch axiale Kräfte
aufgenommen und Veränderungen des Scheibenabstandes zwischen Rotor- und
Statorscheibe unterbunden werden.
In einer Ausgestaltung weist die Statorscheibe entlang ihrer 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
ist 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 Statorscheibe
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 drehfest mit einer
Sensorwelle verbundenen Rotorscheibe und mindestens einer Statorscheibe,
welche planparallel zueinander ausgerichtet sind und auf den einander
zugewandten Seiten Elektrodenstrukturen aufweisen, wobei 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 zwischen Rotorscheibe (6) und Statorscheibe
(6) aber kleiner als die eigene Reibkraft ist.
3. Kapazitiver Drehwinkelsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch 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, dadurch gekennzeichnet,
daß die Statorscheibe (5) durch ein Federelement (4) gegen die Rotorscheibe (6)
vorgespannt ist.
6. Kapazitiver Drehwinkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungselektronik (2) auf der der
Rotorscheibe (6) abgewandten 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 Sensorgehäuse (1) befestigt ist.
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DE4322750A Expired - Fee Related DE4322750C2 (de) | 1993-07-08 | 1993-07-08 | Kapazitiver Drehwinkelsensor |
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DE (1) | DE4322750C2 (de) |
Cited By (1)
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CN104520151A (zh) * | 2012-07-04 | 2015-04-15 | 黑拉许克联合股份有限公司 | 旋转角度传感器 |
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EP0004764A1 (de) * | 1978-04-03 | 1979-10-17 | Ing. C. Olivetti & C., S.p.A. | Wandler zur Erzeugung stroboskopischer Signale |
-
1993
- 1993-07-08 DE DE4322750A patent/DE4322750C2/de not_active Expired - Fee Related
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