DE4414529A1

DE4414529A1 - Drehwinkelsensor vom Kapazitätstyp

Info

Publication number: DE4414529A1
Application number: DE4414529A
Authority: DE
Inventors: Motohiro Kinoshita; Fumitoshi Masuda; Masanori Oshima; Hiromu Okunishi; Kiminori Yamauchi
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1993-04-26
Filing date: 1994-04-26
Publication date: 1994-10-27
Anticipated expiration: 2014-04-27
Also published as: IT1270048B; US5657006A; ITMI940774A0; ITMI940774A1; DE4414529C2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Drehwin kelsensor, der einen Drehwinkel durch den Betrag der Än derung der elektrostatischen Kapazität erfaßt.

Fig. 7 zeigt einen Drehwinkelsensor 1 vom Kapazitätstyp, der für die vorliegende Erfindung von Interesse ist. Dieser Drehwinkelsensor 1 ist in der japanischen Gebrauchsmuster anmeldungsoffenlegungsschrift Nr. 55-88109 (1980) beschrie ben.

Dieser Sensor 1 umfaßt ein Gehäuse 2, das aus Metall be steht. Das Gehäuse 2 hält durch die Lager 3 und 4 drehbar eine Welle 5. Zumindest ein Abschnitt der Welle 5, der in dem Gehäuse 2 angeordnet ist, besteht aus einem Metall, das gegenüber dem Gehäuse 2 elektrisch isoliert ist.

Das Gehäuse 2 ist in seinem Inneren mit einer Mehrzahl von festen Elektroden 6 und einer Mehrzahl von Drehelektroden 7, die zwischen den festen Elektroden 6 angeordnet sind, ver sehen. Die Drehelektroden 7 sind an der Welle 5 befestigt. Die Welle 5 ist in gleitendem Kontakt mit einem Kollektor 8, der z. B. aus einem Klavierdraht besteht, der mit einem äußeren Anschluß 9 elektrisch verbunden ist. Der äußere An schluß 9 erstreckt sich durch eine Isolierbuchse 10 durch das Gehäuse 2. Die Isolierbuchse 10 ist ebenfalls angepaßt, um den Kollektor 8 zu halten.

Die festen Elektroden 6 sind elektrisch mit einem anderen äußeren Anschluß 11 verbunden. Der äußere Anschluß 11 er streckt sich durch eine weitere Isolierbuchse 12 durch das Gehäuse 2. Die Isolierbuchse 12 ist ebenfalls angepaßt, um die festen Elektroden 6 zu halten.

Die Formen der festen Elektroden 6 und der Drehelektroden 7 sind so gewählt, daß sich deren überlappende Bereiche mit den Änderungen des Drehwinkels der Welle 5 verändern. Die Welle 5 wird als Reaktion auf einen zu erfassenden Dreh winkel gedreht. Daher werden die sich überlappenden Bereiche der festen und Drehelektroden 6 und 7 in Übereinstimmung mit dem zu erfassenden Drehwinkel verändern, so daß sich eine durch die festen und Drehelektroden 6 und 7 gebildete elektrostatische Kapazität als Reaktion darauf ändert. Diese elektrostatische Kapazität wird von den äußeren Anschlüssen 9 und 11 abgeleitet. Folglich ist es möglich, den zu er fassenden Drehwinkel durch eine Änderung der elektrostati schen Kapazität zu erkennen.

Bei dem oben erwähnten Sensor 1 schließen jedoch leitfähige Wege, die die Drehelektroden 7 mit dem äußeren Anschluß 9 verbinden, einen Abschnitt des Kollektors 8 ein, der in gleitendem Kontakt mit der Welle 5 ist, und die elektrischen Eigenschaften und die Lebensdauer dieses Sensors 1 hängen daher von dem Zustand des Kollektors 8, der in gleitendem Kontakt mit der Welle 5 ist, und der Lebensdauer des Kollek tors 8 selbst ab. Folglich ist dieser Sensor 1 bezüglich seiner Zuverlässigkeit und Dauerhaftigkeit unzureichend.

Die Fig. 8A und 8B zeigen die prinzipiellen Elemente, die in einer weiteren Art eines Drehwinkelsensors vom Kapazi tätstyp eingeschlossen sind, der von Interesse für die vor liegende Erfindung ist. Dieser Drehwinkelsensor ist in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 4-172218 (1992) beschrieben.

Wie in den Fig. 8A und 8B gezeigt ist, umfaßt dieser Sensor eine erste und eine zweite feste Elektrode 13 und 14, die einander gegenüberliegen, und eine Drehplatte 15, die aus einer ferroelektrischen Substanz besteht, die zwischen die festen Elektroden 13 und 14 eingefügt ist. Die erste feste Elektrode 13 hat eine kreisförmige Form, während die zweite feste Elektrode in ein erstes bzw. zweites festes geteiltes Elektrodenbauglied 16 bzw. 17 geteilt ist, die halbkreisför mige Formen haben. Die Drehplatte 15, die in der Form eines Halbkreises ist, ist auf einer drehbar gehaltenen Welle 18 befestigt. Ein erster, zweiter und dritter äußerer Anschluß 19, 20 und 21 sind mit der ersten festen Elektrode 13, dem ersten festen geteilten Elektrodenbauglied 16 bzw. dem zweiten festen geteilten Elektrodenbauglied 17 verbunden.

Bei diesem Sensor dreht sich die Welle 18 entsprechend einem zu erfassenden Drehwinkel. Als Reaktion auf diese Drehung der Welle 18 wird die Drehplatte 15 gedreht, so daß sich eine elektrostatische Kapazität, die zwischen der ersten festen Elektrode 13 und dem ersten festen geteilten Elektro denbauglied 16 bildet, und die sich zwischen der ersten festen Elektrode 13 und dem zweiten festen geteilten Elek trodenbauglied 17 bildet, differentiell ändert, und solche differentiell geänderten elektrostatischen Kapazitäten werden durch den ersten und zweiten äußeren Anschluß 19 und 20 bzw. den ersten und dritten äußeren Anschluß 19 und 21 abgeleitet.

Der oben erwähnte Sensor löst das Problem, das bei dem Sen sor 1, der in Fig. 7 gezeigt ist, angetroffen wird, d. h. das Problem, das die elektrischen Eigenschaften und die Lebens dauer des Sensors von dem Zustand des gleitenden Kontaktes und der Lebensdauer des Gleitkontaktabschnittes abhängen, nachdem keine Gleitkontaktabschnitte auf den leitfähigen Wegen zum Ableiten der elektrostatischen Kapazitäten vorge sehen sind. Bei dem Sensor, der in Fig. 8A und 8B gezeigt ist, tritt jedoch das folgende Problem auf:

Die elektrostatische Kapazität, die durch die erste feste Elektrode 13 und das erste feste geteilte Elektrodenbauglied 16 oder durch die erste feste Elektrode 13 und das zweite feste geteilte Elektrodenbauglied 17 gebildet wird, wird maximal, wenn sich die Drehplatte 15 vollständig mit dem ersten oder zweiten festen geteilten Elektrodenbauglied 16 oder 17 überlappt. Unter der Annahme, daß die Drehplatte 15 mittig zwischen der ersten und der zweiten festen Elektrode 13 und 14 angeordnet ist, wird die maximale elektrostatische Kapazität C_MAX wie folgt ausgedrückt: enn

C_MAX = ε_Oε_SS/{(D-T)ε_S+T} . . . (1).

wobei D den Abstand zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 13 und 14 darstellt, T stellt die Dicke der Dreh platte 15 dar, S stellt die gegenüberliegende Fläche der ersten festen Elektrode 13 und des ersten oder zweiten festen geteilten Elektrodenbauglieds 16 oder 17 dar, ε_O stellt die Dielektrizitätskonstante des Vakuums dar, und ε_S stellt die relative Dielektrizitätskonstante der Drehplatte 15 dar.

Die elektrostatische Kapazität, die durch die erste feste Elektrode 13 und das erste feste geteilte Elektrodenbauglied 16 gebildet wird, wird minimiert, wenn keine Drehplatte 15 dazwischen vorgesehen ist. Auf ähnliche Weise wird die elek trostatische Kapazität, die durch die erste feste Elektrode 13 und das zweite feste geteilte Elektrodenbauglied 17 ge bildet wird, ebenfalls minimiert, wenn keine Drehplatte 15 dazwischen vorgesehen ist. Eine solche minimale elektro statische Kapazität C_MIN wird wie folgt ausgedrückt:

C_MIN = ε_OS/D . . . (2).

Folglich wird die Differenz ΔC zwischen dem Maximal- und Minimalwert C_MAX und C_MIN wie folgt ausgedrückt:

ΔC= C_MAX-C_MIN
= ε_O(ε_S-1)ST/[D{Dε_S-T(ε_S-1)}] . . . (3).

Aus der Gleichung (3) ist es offensichtlich, daß es möglich ist, die Differenz ΔC zu vergrößern, indem der Abstand (D-T)/2 zwischen der Drehplatte 15 und der ersten oder zweiten festen Elektrode 13 oder 14 reduziert wird. In diesem Fall muß die Drehplatte 15 in der Mitte des Abstands D zwischen der ersten und der zweiten festen Elektrode 13 und 14 ange ordnet sein, wie es oben beschrieben wurde. Obwohl diese Bedingung erfüllt ist, ist die Reduzierung des oben erwähn ten Abstands (D-T)/2 beschränkt. Diesbezüglich offenbart die japanische Patentanmeldungsoffenlegungsschrift Nr. 4-172218 (1992) keine Einrichtung zum Einstellen der Dreh platte 15, um dieselbe in der Mitte des Abstands D zwischen der ersten und der zweiten festen Elektrode 13 und 14 anzu ordnen.

Aus der Gleichung (3) ist es ebenfalls offensichtlich, daß es möglich ist, die Differenz ΔC zu vergrößern, indem die gegenüberliegende Fläche S vergrößert wird. Wenn die gegen überliegende Fläche S vergrößert wird, wird jedoch der Ge samtsensor unerwünscht vergrößert. Deshalb kann diese Ein richtung nicht einfach verwendet werden. Obwohl eine wesent liche Erhöhung der minimalen elektrostatischen Kapazität verhindert ist, ist die Zunahme der gegenüberliegenden Fläche S beschränkt, weil die minimale elektrostatische Kapazität durch die Fläche S der festen Elektrode 13 und des festen geteilten Elektrodenbauglieds 16 oder 17 und auch durch den Abstand D zwischen diesen beeinflußt ist.

Obwohl es möglich ist, die Differenz ΔC zwischen der ma ximalen und der minimalen elektrostatischen Kapazität durch Reduzierung des Abstands (D-T)/2 zwischen der Drehplatte und der ersten oder zweiten festen Elektrode 13 oder 14 oder durch Vergrößern der gegenüberliegenden Fläche S der ersten festen Elektrode 13 und des ersten oder zweiten festen ge teilten Elektrodenbauglieds 16 oder 17 in dem in Fig. 8A und 8B gezeigten Sensor, wie oben beschrieben wurde, zu er höhen, ist die Erhöhung der Differenz ΔC in jedem Fall be schränkt. Folglich ist es unmöglich, die Drehwinkelerfas sungsempfindlichkeit dieses Sensors bedeutend zu verbessern.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Dreh winkelsensor vom Kapazitätstyp zu schaffen, der keine Gleit kontaktabschnitte in den leitfähigen Wegen zum Ableiten der elektrostatischen Kapazitäten hat, der einen einstellbaren Bereich der elektrostatischen Kapazitäten vergrößern kann.

Diese Aufgabe wird durch einen Drehwinkelsensor vom Kapazi tätstyp nach Anspruch 1 erfüllt.

Der Drehwinkelsensor vom Kapazitätstyp gemäß der vorliegen den Erfindung umfaßt eine Mehrzahl von festen Elektroden einrichtungen, die parallel zueinander mit einem vorge schriebenen Abstand angeordnet sind, eine plattenförmige, bewegliche Elektrodeneinrichtung, die zwischen den festen Elektrodeneinrichtungen parallel zu diesen in einem elek trisch isolierten Zustand von den Elektrodeneinrichtungen angeordnet ist, eine Welle, die die bewegliche Elektroden einrichtung hält, um diese bezüglich der festen Elektroden einrichtungen um eine Mittenachse zu drehen, die zu einer Plattenoberfläche der beweglichen Elektrodeneinrichtung senkrecht ist, und erste und zweite äußere Anschlüsse. Jede der festen Elektrodeneinrichtung umfaßt ein erstes und ein zweites festes geteiltes Elektrodenbauglied, die geteilt sind, um miteinander nicht in leitfähiger Verbindung zu sein. Die bewegliche Elektrodeneinrichtung umfaßt ein erstes und ein zweites bewegliches geteiltes Elektrodenbauglied, die geteilt sind, um miteinander nicht in leitfähiger Ver bindung zu sein. Dieser Sensor umfaßt ferner eine erste leitfähige Einrichtung, um die ersten festen geteilten Elek trodenbauglieder miteinander und mit dem ersten äußeren Anschluß zu verbinden, und eine zweite leitfähige Einrich tung, um die zweiten festen geteilten Elektrodenbauglieder miteinander und mit dem zweiten äußeren Anschluß zu verbin den.

Gemäß der oben beschriebenen vorliegenden Erfindung sind der erste und der zweite äußere Anschluß elektrisch mit den ersten bzw. zweiten festen geteilten Elektrodenbaugliedern, die an den festen Orten vorgesehen sind, verbunden, wodurch es nicht notwendig ist, die erste und zweite leitfähige Ein richtung, die eine solche elektrische Verbindung ausführen, mit Gleitkontaktabschnitten zu versehen. Folglich ist es möglich, die elektrischen Merkmale des Sensors zu stabili sieren und seine Lebensdauer zu erhöhen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt die feste Elektro deneinrichtung bzw. die bewegliche Elektrodeneinrichtung die ersten und zweiten festen geteilten Elektrodenbauglieder bzw. die ersten und zweiten festen beweglichen geteilten Elektrodenbauglieder, die geteilt sind, um miteinander in nicht leitfähiger Verbindung zu sein.

Kurz gesagt wird die maximale elektrostatische Kapazität, die durch diesen Sensor geschaffen wird, durch gegenüber liegende Flächen der festen und beweglichen geteilten Elek trodenbauglieder bestimmt. Folglich ist es möglich, die maximale elektrostatische Kapazität durch Vergrößern der gegenüberliegenden Flächen zu vergrößern. Andererseits ist die minimale elektrostatische Kapazität, die durch diesen Sensor geschaffen wird, durch die oben erwähnten gegenüber liegenden Flächen kaum beeinflußt. Deshalb ist es möglich, die gegenüberliegenden Flächen zum Vergrößern der maximalen elektrostatischen Kapazität zu vergrößern, ohne den mini malen Wert im wesentlichen zu beeinflussen, wodurch der ein stellbare Bereich der elektrostatischen Kapazitäten auf ein fache Art vergrößert werden kann.

Bevorzugterweise umfaßt der Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung weiterhin eine Einrichtung zum Einstellen der Ab stände zwischen den festen Elektrodeneinrichtungen und der beweglichen Elektrodeneinrichtung. Gemäß dieser Abstands einstelleinrichtung ist es möglich, die festen und beweg lichen Elektrodeneinrichtungen auf einfache Art in geeignete positionsmäßige Beziehung zueinander zu setzen. Folglich ist es möglich, die Abweichung der elektrostatischen Kapazitä ten, die durch die jeweiligen Sensoren einer Mehrzahl sol cher Sensoren geschaffen wird, zu reduzieren, wodurch die Genauigkeit der elektrostatischen Standardkapazitäten der jeweiligen Sensoren verbessert wird. Weiterhin ist es mög lich, eine ungewöhnliche Reduzierung der Haltespannung des Sensors zu verhindern, die durch den ungewöhnlichen Ansatz der festen und beweglichen Elektrodeneinrichtungen verur sacht wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung beträgt die Anzahl der festen Elektrodeneinrichtungen mindestens Zwei und die der beweglichen Elektrodeneinrichtungen mindestens Eins. Die Anzahl der festen und beweglichen Elektrodeneinrichtungen kann jedoch bei Bedarf erhöht werden. Es ist möglich, die maximale elektrostatische Kapazität durch Erhöhen der Anzahl der festen bzw. beweglichen Elektrodeneinrichtungen weiter zu erhöhen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung, die in einer explodierten Art die Elemente darstellt, die in einem Drehwinkelsensor vom Kapazitätstyp gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin dung enthalten sind;

Fig. 2 eine Längsschnittdarstellung des in Fig. 1 ge zeigten Sensors mit einer hinzugefügten Abdeckung;

Fig. 3A eine perspektivische Darstellung, die die posi tionsmäßige Beziehung zwischen den festen Elek trodeneinrichtungen und der beweglichen Elektro deneinrichtung des in Fig. 1 gezeigten Sensors zum Erzeugen der maximalen elektrostatischen Kapazität darstellt;

Fig. 3B ein Ersatzschaltbild, das den in Fig. 3A gezeigten Zustand darstellt;

Fig. 4A eine perspektivische Darstellung, die die posi tionsmäßige Beziehung zwischen den festen Elektro deneinrichtungen und der beweglichen Elektroden einrichtung in dem in Fig. 1 gezeigten Sensor zum Erzeugen der minimalen elektrostatischen Kapazität darstellt;

Fig. 4B ein Ersatzschaltbild, das den in Fig. 4A gezeigten Zustand darstellt;

Fig. 5 die elektrostatischen Kapazitäten, die durch den in Fig. 1 gezeigten Sensor erzeugt werden, abhängig von den Drehwinkeln der beweglichen Elektrodenein richtung;

Fig. 6 eine Längsschnittdarstellung, die einen Drehwin kelsensor vom Kapazitätstyp gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 7 eine Längsschnittdarstellung, die einen Drehwin kelsensor vom Kapazitätstyp nach dem Stand der Technik zeigt, der für die vorliegende Erfindung von Interesse ist;

Fig. 8A eine perspektivische Darstellung, die die Elemente darstellt, die in einem Sensor vom Kapazitätstyp gemäß einem weiteren Stand der Technik enthalten sind, der für die vorliegende Erfindung von Interesse ist; und

Fig. 8B eine vordere Draufsichtdarstellung, die die in Fig. 8A gezeigten Elemente darstellt.

In Fig. 1 und 2 ist ein Drehwinkelsensor 31 vom Kapazi tätstyp gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt, der eine erste und eine zweite feste Elektrode 32 und 33, die parallel zueinander mit einem vorgeschriebenen Abstand angeordnet sind, und eine beweg liche Elektrode 34, die zwischen den festen Elektroden 32 und 33 parallel dazu in einem Zustand angeordnet ist, indem sie von den festen Elektroden 32 und 33 elektrisch isoliert ist, umfaßt. Die festen Elektroden 32 und 33 bzw. die be wegliche Elektrode 34 sind in der Form von Platten.

Die erste feste Elektrode 32 umfaßt ein erstes und ein zweites festes geteiltes Elektrodenbauglied 35 und 36, die geteilt sind, um miteinander nicht in leitfähiger Verbindung zu sein. Ähnlich umfaßt die zweite feste Elektrode 33 ein erstes und ein zweites festes geteiltes Elektrodenbauglied 37 und 38. Ferner umfaßt die bewegliche Elektrode 34 ein erstes und ein zweites bewegliches geteiltes Elektroden bauglied 39 und 40, die geteilt sind, um miteinander nicht in leitfähiger Verbindung zu sein. Diese Elektrodenbauglie der 35 bis 40 sind durch Platten gebildet, die aus einem leitfähigen Material, wie z. B. einem Metall, bestehen. Alternativ können die Elektrodenbauglieder 35 bis 40 mit leitfähigen Filmen versehen sein, die durch Plattieren der Oberflächen der Platten, die aus einem elektrisch isolie rendem Material, wie z. B. einem Harz, bestehen, oder ähn liches gebildet werden.

Dieser Sensor 31 umfaßt als Gehäuse eine Abdeckung 41 und eine Bodenabdeckung 42, die eine Öffnung der Abdeckung 41 schließt. Die Abdeckung 41 und die Bodenabdeckung 42 sind bevorzugterweise aus leitfähigen Materialien hergestellt und geerdet, so daß Elemente, die in einem Raum angeordnet sind, der durch diese Bauglieder definiert ist, nicht durch eine Streukapazität beeinflußt werden. Wenn ein solcher Vorteil nicht erwünscht ist, kann zumindest die Abdeckung 41 oder die Bodenabdeckung 42 aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt sein.

Die bewegliche Elektrode 34 ist durch eine Welle 43 gehal ten, um bezüglich der festen Elektroden 32 und 33 um eine Mittenachse, die senkrecht zu ihrer Plattenoberfläche ist, gedreht zu werden. Genauer gesagt sind das erste und das zweite bewegliche geteilte Elektrodenbauglied 39 und 40 mit Kerben 44 und 45 versehen, wohingegen die Welle 43 mit einer Nut 46 versehen ist. Die Kantenabschnitte der beweglichen geteilten Elektrodenbauglieder 39 und 40, die die Kerben 44 und 45 definieren, nehmen mit der Nut 46 Eingriff, so daß die beweglichen geteilten Elektrodenbauglieder 39 und 40 auf der Welle 43 befestigt sind. Die beweglichen geteilten Elek trodenbauglieder 39 und 40 können mit der Welle 43 durch ein Haftmittel oder ähnliches verbunden sein, oder die Erstge nannten können auf der Letztgenannten mit einer anderen Be festigungsstruktur befestigt sein.

Die Welle 43 ist aus einem elektrisch isolierendem Material, wie z. B. einem Harz, hergestellt. Eine weitere Welle 47 aus Metall ist mit einem unteren Endabschnitt dieser Welle 43 verbunden. Die Welle 47, die sich durch die Bodenabdeckung 42 erstreckt, ist bezüglich der Bodenabdeckung 42 durch Lager 48 und 49 drehbar gehalten. Das Lager 49 ist auf der Welle 47 durch eine Buchse 49a befestigt. Ein zu erfassendes Objekt (nicht gezeigt) ist mit einem Endabschnitt der Welle 47, die über die Bodenabdeckung 42 hervorsteht, verbunden, so daß sich die Welle 47 entsprechend einem zu erfassenden Drehwinkel dreht. Die Welle 43 wird einstückig mit der Welle 47 gedreht, wodurch die bewegliche Elektrode bezüglich der festen Elektroden 32 und 33 gedreht wird.

Die erste und zweite feste Elektrode 32 und 33 sind durch einen Stator 50 gehalten, der aus einem elektrisch isolie rendem Material, wie z. B. einem Harz, hergestellt ist. Genauer gesagt sind Unterlegscheiben-artige Beabstandungen 51 und 52 aus einem leitfähigen Material zwischen den festen geteilten Elektrodenbaugliedern 35 und 37 bzw. zwischen den festen geteilten Elektrodenbaugliedern 36 und 38 angeordnet. Weiterhin sind zylindrische Beabstandungen 53 und 54 aus einem leitfähigen Material zwischen den festen geteilten Elektrodenbaugliedern 37 bzw. 38 und dem Stator 50 ange ordnet. Folglich werden die ersten und zweiten festen Elek troden 32 und 33 und der Stator 50 auf vorgeschriebenen Abständen gehalten. Weiterhin sind die festen geteilten Elektrodenbauglieder 35 bis 38 mit Befestigungslöchern 55 bis 58 versehen. Befestigungsschrauben 59 werden eingeführt, um sich durch die Befestigungslöcher 55, die Beabstandungen 51, die Befestigungslöcher 57 und die Beabstandungen 53 zu erstrecken, und um in die Schraubenlöcher 60 zu passen, die in dem Stator 50 vorgesehen sind. Auf ähnliche Weise werden die Befestigungsschrauben 61 eingefügt, um sich durch die Befestigungslöcher 56, die Beabstandungen 52, die Befesti gungslöcher 58 und die Beabstandungen 54 zu erstrecken, und um in die Schraubenlöcher 62 zu passen, die in dem Stator 50 vorgesehen sind.

Folglich sind die ersten und zweiten festen Elektroden 32 und 33 durch den Stator 50 gehalten, während die ersten und zweiten festen geteilten Elektrodenbauglieder 35 und 37 elektrisch miteinander durch die Beabstandungen 51 und die Befestigungsschrauben 59 verbunden sind, und die zweiten festen geteilten Elektrodenbauglieder 36 und 38 elektrisch miteinander durch die Beabstandungen 52 und die Befesti gungsschrauben 61 verbunden sind. Weiterhin sind die festen geteilten Elektrodenbauglieder 37 und 38 mit den externen Anschlüssen 63 bzw. 64 elektrisch verbunden, wie es in Fig. 3A gezeigt ist.

Der Stator 50 ist auf der Bodenabdeckung 42 in einer posi tionseinstellbaren Art befestigt. Genauer gesagt ist der Stator an seinem unteren Abschnitt mit einer zylindrischen Buchse 65 versehen, die mit einer Kerbe versehen ist, die sich mit einer relativ großen Länge zur Aufnahme einer Be festigungsschraube 66 vertikal erstreckt. Die Befestigungs schraube 66 nimmt mit einem Kantenabschnitt, der die Kerbe 67 definiert, Eingriff, um in ein Schraubenloch 68, das in dem Stator 50 vorgesehen ist, eingepaßt zu werden.

Die Position des Stators 50 bezüglich der Bodenabdeckung 42 kann in einem Bereich der vertikalen Länge der Kerbe 67 ver ändert werden. Folglich ist es möglich, den Abstand zwischen der ersten festen Elektrode 32 und der beweglichen Elektrode 34 und den zwischen der zweiten festen Elektrode 33 und der beweglichen Elektrode 34 einzustellen, um zueinander gleich zu sein. Wenn diese Abstände zueinander gleich eingestellt sind, ist es möglich, die Abweichung der elektrostatischen Kapazitäten zwischen einer Mehrzahl von Sensoren 31, die erhalten werden, zu reduzieren, wodurch die Genauigkeit der Standardwerte der elektrostatischen Kapazitäten verbessert wird. Die Buchse 65 kann alternativ anstelle der oben er wähnten Kerbe 67 mit einem Schlitz versehen sein. Weiterhin können die Größen der Beabstandungen 51 bis 54 verändert werden, um die Abschnitte der festen Elektroden 32 und 33 bezüglich der beweglichen Elektrode 34 einzustellen.

Die festen geteilten Elektrodenbauglieder 35 bis 38 sind bevorzugterweise nicht in Kontakt mit der Welle 43. Deshalb sind die festen geteilten Elektrodenbauglieder 35 bis 38 mit Kerben 69 bis 72 versehen.

Der einstellbare Bereich der elektrostatischen Kapazitäten, der durch den oben beschriebenen Sensor erzeugt wird, wird nun beschrieben.

Wenn ein Zwischenraum 73 zwischen den beweglichen geteilten Elektrodenbaugliedern 39 und 40 senkrecht zu den Zwischen räumen 74 und 75 zwischen den festen geteilten Elektroden baugliedern 35 und 36 und zwischen den festen geteilten Elektrodenbaugliedern 37 und 38 ist, wie in Fig. 3A gezeigt ist, erzeugt der Sensor 31 die maximale elektrostatische Kapazität C_MAX. Für den Sensor 31 ergibt sich ein Ersatz schaltbild, wie es in Fig. 3B gezeigt ist.

In Fig. 3B stellt das Symbol C₁ eine elektrostatische Kapa zität dar, die in dem Zwischenraum 74 gebildet ist, und das Symbol C₂ stellt die dar, die in dem Zwischenraum 75 gebil det ist. Die Symbole C₃, C₄, C₅ und C₆ stellen die elektro statischen Kapazitäten dar, die zwischen dem ersten beweg lichen geteilten Elektrodenbauglied 39 und den festen ge teilten Elektrodenbaugliedern 35, 36, 37 bzw. 38 gebildet sind. Die Symbole C₇, C₈, C₉ und C₁₀ stellen die elektro statischen Kapazitäten dar, die zwischen dem zweiten beweg lichen geteilten Elektrodenbauglied 40 und den festen ge teilten Elektrodenbaugliedern 35, 36, 37 bzw. 38 gebildet sind. Aus Fig. 3B ist es offensichtlich, daß die gesamte elektrostatische Kapazität, die durch die äußeren Anschlüsse 63 und 64 abgeleitet wird, d. h. die maximale elektrosta tische Kapazität C_MAX wie folgt ausgedrückt wird:

C_MAX = C₁+C₂+(C₃+C₄) (C₅+C₆)/{(C₃+C₄)+(C₅+C₆)} +(C₇+C₈) (C₉+C₁₀)/{(C₇+C₈)+(C₉+C₁₀)} . . . . (4).

Wenn der Zwischenraum 73 zwischen den beweglichen geteilten Elektrodenbaugliedern 39 und 40 parallel zu den Zwischen räumen 74 und 75 zwischen den festen geteilten Elektroden baugliedern 35 und 36 und zwischen den festen geteilten Elektrodenbaugliedern 37 und 38 ist, wie in Fig. 4A gezeigt ist, erzeugt der Sensor 31 andererseits die minimale elek trostatische Kapazität C_MIN. Fig. 4B zeigt das elektrische Ersatzschaltbild, das sich dadurch ergibt.

In Fig. 4B stellt das Symbol C₁₁ die gesamte elektrostati sche Kapazität einer seriellen elektrostatischen Kapazität dar, die durch die geteilten Elektrodenbauglieder 35, 39, 40 und 36 erzeugt wird, und die, die durch die geteilten Elek trodenbauglieder 37, 39, 40 und 38 erzeugt wird. Aus Fig. 4B ist es offensichtlich, daß die gesamte elektrostatische Kapazität, die durch die äußeren Anschlüsse 63 und 64 abge leitet wird, d. h. die minimale elektrostatische Kapazität C_MIN, wie folgt ausgedrückt wird:

C_MIN = C₁+C₂+C₁₁ . . . . (5).

In einem Zustand, in dem ein solcher Minimalwert C_MIN er zeugt wird, ist die elektrostatische Kapazität C₁₁ extrem klein. Weiterhin sind die elektrostatischen Kapazitäten C₁ und C₂ nicht durch gegenüberliegende Flächen der ersten und zweiten festen Elektrode 32 und 33 und der beweglichen Elek trode 34 besetzt. Wenn die gegenüberliegenden Flächen der festen Elektroden 32 und 33 und der beweglichen Elektrode 34 vergrößert werden, um die maximale elektrostatische Kapa zität C_MAX zu vergrößern, wird daher auf den Minimalwert C_MIN im wesentlichen kein Einfluß ausgeübt. Folglich ist es möglich, die Differenz zwischen der maximalen und der mini malen elektrostatischen Kapazität C_MAX und C_MIN leicht zu vergrößern, d. h. den einstellbaren Bereich der elektrosta tischen Kapazitäten.

Fig. 5 zeigt die elektrostatischen Kapazitäten, die durch den Sensor 31 erzeugt werden, die durch Änderungen der Drehwinkel der beweglichen Elektrode 34 verändert werden.

Während der Sensor 31 gemäß dem oben erwähnten Ausführungs beispiel zwei feste Elektroden 32 und 33 und eine bewegliche Elektrode 34 umfaßt, kann die Anzahl von solchen Kombina tionen aus festen und beweglichen Elektroden weiter erhöht werden, wie später noch in Fig. 6 beschrieben wird. Es ist möglich, die maximale elektrostatische Kapazität, die er zeugt wird, durch Erhöhen der Anzahl der Kombination von festen und beweglichen Elektroden zu erhöhen. Andererseits wird die minimale elektrostatische Kapazität durch eine solche Erhöhung der Anzahl der Kombination von festen und beweglichen Elektroden nicht sonderlich erhöht. Folglich ist es möglich, den einstellbaren Bereich der elektrostatischen Kapazitäten weiter zu vergrößern.

Fig. 6 ist eine Schnittdarstellung, die der in Fig. 2 ent spricht, die einen Drehwinkelsensor 31a vom Kapazitätstyp gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. In Fig. 6 sind Elemente, die denen, die in Fig. 2 gezeigt sind, entsprechen, durch ähnliche Bezugs zeichen bezeichnet, um eine redundante Beschreibung zu ver meiden.

Der Sensor 31a, der in Fig. 6 gezeigt ist, umfaßt zusätzlich zu den Elementen, die denen entsprechen, die im Sensor 31, der in Fig. 2 gezeigt ist, eingeschlossen sind, eine dritte feste Elektrode 76, eine zweite bewegliche Elektrode 77 und Beabstandungen 78 und 79. Weiterhin sind eine Welle 43 und die Befestigungsschrauben 59 und 61 bezüglich ihrer Länge verglichen mit denen, die in Fig. 2 gezeigt sind, weiter vergrößert. Zusätzlich ist die Welle 43 mit einer weiteren Nut 80 zum Anordnen der zweiten beweglichen Elektrode 77 versehen.

Während die Welle bei jedem der oben erwähnten Ausführungs beispiele aus einem elektrisch zu isolierenden Material hergestellt ist, kann dieselbe alternativ auf einem Metall hergestellt sein, so daß lediglich ein Abschnitt, der mit der beweglichen Elektrode 34 (und 77) in Kontakt ist, mit einem elektrisch isolierenden Material bedeckt ist.

Während die aus Metall bestehende Welle 47 mit der elek trisch isolierenden Welle 43 in jedem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele verbunden ist, können diese Wellen 43 und 47 alternativ durch eine einstückige Komponente aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt sein.

Claims

1. Drehwinkelsensor vom Kapazitätstyp, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

eine Mehrzahl von festen Elektrodeneinrichtungen (32, 33), die parallel zueinander mit einem vorgeschriebenen Abstand angeordnet sind;
eine plattenförmige bewegliche Elektrodeneinrichtung (34), die zwischen den festen Elektrodeneinrichtungen (32, 33) parallel zu diesem in einem elektrisch isolier ten Zustand von den festen Elektrodeneinrichtungen (32, 33) angeordnet ist;
eine Welle (43, 47), die die bewegliche Elektrodenein richtung (34) hält, um diese bezüglich der festen Elek trodeneinrichtungen (32, 33) um eine Mittelachse, die zu einer Plattenoberfläche der drehbaren Elektrodeneinrich tung (34) senkrecht ist, zu drehen; und
einen ersten und einen zweiten äußeren Anschluß (63, 64), wobei jede der festen Elektrodeneinrichtungen (32, 33) ein erstes und ein zweites festes geteiltes Elektroden bauglied (35, 36, 37, 38) umfaßt, die geteilt sind, um miteinander nicht in leitfähiger Verbindung zu sein,
wobei die bewegliche Elektrodeneinrichtung (34) ein erstes und ein zweites bewegliches geteiltes Elektroden bauglied (39, 40) umfaßt, die geteilt sind, um mitein ander nicht in leitfähiger Verbindung zu sein,
eine erste leitfähige Einrichtung (51, 53, 59), um die ersten festen geteilten Elektrodenbauglieder (35, 37) miteinander und mit dem äußeren Anschluß (63) zu verbin den; und
eine zweite leitfähige Einrichtung (52, 54, 61), um die zweiten festen geteilten Elektrodenbauglieder (36, 38) miteinander und mit dem zweiten äußeren Anschluß (64) zu verbinden.

2. Sensor gemäß Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch eine Einrichtung (51-54, 66, 67) zum Einstellen von Beabstandungen zwischen den festen Elektrodeneinrich tungen (32, 33) und der beweglichen Elektrodeneinrich tung (34).

3. Sensor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beabstandungseinstelleinrichtung eine Einrich tung (51-54, 66, 67) umfaßt, um die jeweiligen Posi tionen der festen Elektrodeneinrichtungen (32, 33) ein zustellen.

4. Sensor gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Einstellen der jeweiligen Po sitionen der festen Elektrodeneinrichtungen (32, 33) einen Stator (50), der in einer positionssteuerbaren Art vorgesehen ist, eine erste Beabstandungseinrichtung (51, 53), die zwischen dem Stator (50) und dem ersten festen geteilten Elektrodenbauglied (37) bzw. einer Mehrzahl der ersten festen geteilten Elektrodenbauglieder (35, 37) angeordnet ist, und eine zweite Beabstandungsein richtung (52, 54), die zwischen dem Stator (50) und dem zweiten festen geteilten Elektrodenbauglied (38) bzw. zwischen einer Mehrzahl von zweiten festen geteilten Elektrodenbaugliedern (36, 38) angeordnet ist, umfaßt.

5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (50) die erste und zweite Beabstandungs einrichtung (51-54) in elektrisch isoliertem Zustand voneinander hält, wobei die erste und die zweite Beab standungseinrichtung (51-54) eine Leitfähigkeit auf weist und Teile der ersten bzw. zweiten leitfähigen Ein richtung darstellt.

6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet,
daß die Anzahl der festen Elektrodeneinrichtungen (32, 33) Zwei beträgt, und
daß die Anzahl der beweglichen Elektrodeneinrichtungen (34) Eins ist.

7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die Anzahl der festen Elektrodeneinrichtungen (32, 33, 76) mindestens Drei beträgt, und
daß die Anzahl der beweglichen Elektrodeneinrichtungen (34, 77) um Eins kleiner ist als die Anzahl der festen Elektrodeneinrichtungen (32, 37, 76).

8. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (43) eine Mehrzahl der beweglichen Elek trodeneinrichtungen (34, 77) in elektrisch isoliertem Zustand voneinander hält.

9. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die festen Elektrodeneinrichtungen (32, 33) in der Form von Platten sind.

10. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, ferner gekennzeichnet durch ein Gehäuse (41, 42) zur Aufnahme der festen Elektro deneinrichtungen (32, 33) und der beweglichen Elektro deneinrichtung (34), aus dem ein Teil der Welle (47) hervorsteht.

11. Sensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (41, 42) eine Leitfähigkeit aufweist.