DE4322750C2 - Kapazitiver Drehwinkelsensor - Google Patents

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.