FI61100B - Kapacitiv staellningsgivare - Google Patents

Description

ΓΓ55^7 r6l «« KUULUTUSJULKAISU

igift [Β] UTLAGG N I NGSSKRI FT 61100 C <45) Patentti myönnetty 10 05 1932 Patent aeddelat V (51) Ky.lk7/lnt.Cl/0 01 D 5/2^3 SUOMI—Fl N LAN D (21) Patentti hakamua — Patentansökninf 802222 (22) Hakamlapthrl — Antefailit|*d«f 11.07.80 ' ' (23) Alkupllvi — Glltlghetadaf 11.07.00 (41) Tullut Julklaukal — Bllvlt effmtllg 12.01.82

Patentti- ia rekisterihallitus - . . . , . . (44) NlhtivUuIptnon ja kuuL|ulkalswt pvm. _

Patent- och registerstyrelsen v ’ Anaflfcan utlagd och utl..krKt.n publkerad 29.01.82 (32)(33)(31) Pyykätty «tuoikeua —Buglrd prtorttet (71) Eflab Oy, Pulttitie 9, 00810 Helsinki 8l, Suomi-Finland(FI) (72) Pauli Järvinen, Vantaa, Suomi-Finland(FI) {Jh) Ruska & Co (5M Kapasitiivinen asennon anturi - Kapacitiv ställningsgivare Tämä keksintä kohdistuu asennon antureihin, mitkä ilmaisevat laitteen paikan epäjatkuvana suureena kapasitanssia hyväksi käyttäen. Laitteen avulla voidaan ilmaista siirtymän suuruus tai laitteen paikka halutulla tarkkuudella, mikä valitaan etukäteen laitetta valmistettaessa. Erityisen edullinen ratkaisu on silloin, kun jostain syystä ei nimenomaan haluta viedä johtimia laitteen liikkuvaan osaan eikä myöskään haluta käyttää muutoin tunnettuja esim. optisia ratkaisuja.

On kehitetty joukko erilaisia laitteita, joiden avulla tietyn osan mekaaninen siirtymä voidaan muuntaa asennon ilmaisevaksi suureeksi, mikä yleensä halutaan sähköisenä suureena. Tällaisia laitteita voidaan toteuttaa eri ilmiöitä käyttäen, esim. vastustyyppisesti eli resistiivisenä, induktiivisena, kapasitiivisena, optisena jne. Yleensä näille ratkaisuille on yhteistä sopivan rasterin tyyppisen kuvion käyttö, joka edellä mainittua ilmiötä hyväksi käyttäen muunnetaan ilmaisemaan liikkuvan laitteen paikka tai liike. Tämän rasterin muoto koodataan sopivalla tavalla ja tunnetaon sinänsä useitakin eri keinoja tämän koodauksen suorittamiseksi esim. Gray koodi, BCD koodi toi muu vastaava. Koodin tiheys määrää sen tarkkuuden, millä asento tai liike sitten ilmaistaan.

2 61100 Käytettäessä optista koodin lukemista täytyy väliaineen luonnollisestikin soveltua optiikan valonsäteen kulkua varten. Halutun tarkkuuden saavuttaminen on sen sijaan helppoa. Käytettäessä vastustyyppistä tai induktiivistä ilmaisua on puolestaan halutun tarkkuuden aikaansaaminen selvästi enemmän vaativaa kuin edellä todettiin. Samoin on vastustyyppisessä tapauksessa suora kosketus liikkuvaan osaan yleensä tarpeen.

Nyt on tämän keksinnön mukaan havaittu, että köytettäessä kapasitiivista ilmaisuperiaatetta voidaan saavuttaa erittäin huomattava tarkkuus ja oleellinen riippumattomuus ympäristöolosuhteista meneteltäessä patenttivaatimuksessa 1 lähemmin määritellyllä tavalla. Muissa oheisissa patenttivaatimuksissa on määritelty erityisiä sovellutusmuotoja tämän patenttivaatimuksen 1 mukaiseen tapaukseen.

Tällä keksinnöllä saavutettavat erityiset edut, muunmuassa riippumattomuus ympäristöstä voidaan ymmärtää yksinkertaisemmin luettaessa seuroavassa esitetty keksinnön edullisen suoritusmuodon kuvaus. Tämä on toteutustapaus usean näytteen mittaamisen suorittavan mittalaitteen asennon anturista, jota esittää kuva 1. Kuva 2 esittää painopiiritekniikalla toteutettua vastaanotinliuskan vaihtokohtaa.

Ilmaisun perustuessa kapasitiiviseen toimintaan on laitteen sähköisen piirin ensimmäisenä osana oskillaattori 41, millä valitaan laitteen toimintataajuus. Tämä oskillaattori tuo aikaansaamansa taajuuden nk. lähetinlius-koihin 11 ja 12, joiden sijainti muihin liuskoihin nähden laitteessa tullaan kuvaamaan myöhemmin. Oskillaattorin jännitteet tuodaan lähetin-liuskoille vastakkaisvoiheisina, joten näiden jännitteiden kunkin hetkinen summa maan (runko) suhteen on mahdollisimman hyvin vakio. Tämän lisäksi on laitteistossa nk. vastaanotinliuskat 21, 22 ja 31, 32 sijoitettuna samoin "kiinteäksi" lähetinliuskoihin nähden ja on jompikumpi, joko lähetin-liuskat tai vastaanotinliuskat sijoitettu myöhemmin esitettävällä tavallo "koodatuksi" niin, että asento sitten siitä pystytään yksikäsitteisesti lukemaan. Yhden lähetinliuskojen parin ja yhden vastaanotinliuskojen parin teoreettisessa tapauksessa ei täten ole väliä kumpi liuskoista on koodattu, mutta käytännössä halutaan yleensä käyttää yhtä lähetinliuskojen paria ja useita vastaanotinliuskoja kytkettynä eri ilmaisukohtien koodiin, jotta s asento voidaan ilmaista halutulla tarkkuudella eli ei ainoastaan yhden vaihtokohdan muodostamana kaksiasentoisena ilmaisuna. Tällöin luonnollisestikin lähetinliuskot ovat suoria ja vostaanotinliuskat on koodattu aikaansaamaan kyseinen ilmaisu.

3 61100 Löhetinliuskot jo vastaanotinliuskat on sijoitettu keskenään kiinteästi esim. samaan osaan siten, että ne eivät sinänsä ole kytkeytyneenä toisiinsa mutta ne ovat kytkettävissä käytettäessä ylimääräisiä liikkuvia, konden-saattoriparin toisia levyjä 14 ja 15. Kytkentä kulkee täten lähetinlius-koisto (esim. Il) liikkuvien levyjen (esim. 14) kondensaattoreihin ja sitten liikkuvista levyistä (esim. 14) uudelleen vastaanotinlevyihin (esim. 21) toisen kondensaattoriparin välityksellä. Käytettäessä alempana tarkemmin kuvattavaa kondensaattoreiden muodostamistapaa on kytkeytyminen erittäin tiivistä.

Liikkuvat levyt 14 ja 15 eivät täten tarvitse mitään erityistä virtalähdettä ja voidaan ne sijoittaa mittalaitteen liikkuvaan osaan ja sen mukaan, missä liikkuva levy sijaitsee vastaanotinliuskoihin nähden,aikaansaavat ne kytkennän vastaanotinliuskan sarjan tähän kohtaan. Koska liuskat ovat rakenteeltaan koodattuja muuttuu ilmaisu sitten liikkuvien levyjen sijainti-kohdan mukaisesti.

Vastaanotinliuskot on sitten yhdistetty standardirakenteiseen ja siis sinänsä tunnettuun erovahvistimeen 42, jollaisena tunnetaan esim. integroituja piiriosia. Erovahvistimen tulo on edullista olla virtaohjattu (Zin = O), koska näin vahvistimen tuloimpedanssi oikosulkee vastaanotinliuskojen mahdollisesti erisuuruisen hojakapasitanssin ja koska vastaanotinliuskoissa ei esiinny signaali jännitettä, on tästä se hyöty, että ko. liuskojen lähistöllä olevien johtavien esineiden aiheuttama kapasitanssi ei- aiheuta siirtymää tunnistettavaan paikkaon. Erovahvistimen 42 ja oskillaattorin 41 merkit voidaan nyt ohjata ilmaisimeen 43, mikä antaa ulostulona positiivisen tai negatiivisen jännitteen sen mukaan kumpi lähetinliuskoista on kytkettynä kumpaan vastaanotinliuskoista liikkuvien levyjen sen hetkisellä asennolla.

Kuten on siis mainittu kytkee liikkuvien levyjen kumpikin pari jommankumman lähetinliuskoista jompaankumpaan vastaanotinliuskoista. Vastoanotin-liuskat vaihtelevat koodauksensa mukaisesti paikkojaan siten, että liikkuvien levyjen ylittäessä siirtymäkohdan 16 kytkeytyminen lähetinliuskoista vaihtuu vastakkaiseksi vastaanotinliuskoissa. Nk. paincpiiritekniikan avulla voidaan sähköisen eristyslevyn (esim. lasikuituepoksi) pintaan aikaansaada sähköä johtavia folioita, joiden avulla voidaan toteuttaa monimutkainen komponenttien välinen sähköinen kytkentä eristävän runkolevyn toimiessa mekaanisena kiinnitysalustana. Foliokuvioiden muoto jo määrä eivät vaikuta levyn tuotantohintaan .(Levyn hintaan vaikuttaa lähinnä pinta-ala, 4 61100 yksi toi kaksi puolta, reikien lukumäärä.). On edullista käyttää em. tekniikkaa tämän asentoanturin toteuttamiseen, koska sen vaatimat mittatarkkuudet ja erikoiset johteiden muodot on näin helposti saavutettaivssa (kuva 2). Yleensä tämän tyyppistä anturia tarvitaan laitteen yhteydessä, jossa on paljon muuta elektroniikkaa. Anturi voidaan suunnitella varsinaisen elektroniikkalevyn reunaan. Näin vältytään lähes kaikilta mekaanisilta asennus- ja sähköisiltä kytkentäkustannuksilta. Piiriliuskan lisäksihän laitteessa tarvitaan mekaanisia osia ainoastaan hahlo, joka sisältää kaksi eristettyä sähköä johtavaa liuskaa (esim. tinapaperia).

Tämä ratkaisu vastaanotinliuskojen kytkemiseksi vuoronperään eri lähetin-liuskoihin voidaan erityisen helposti toteuttaa käyttämällä tämän suoritusmuodon mukaisesti kaksipuolista painetun piirin kaltaista kapasitiivista osaa, jolloin lähetinliuskat sijaitsevat painetun piirilevyn eri puolilla sijaiten koko ajan sen samalla puolella mutta vastaanotinliuskat on kytketty siten, että siirtymäkohdassa aina levyn "alapuolella" ollut levyn osa (esim. 31) siirtymäkohdan 16 jälkeen on yhdistettynä nyt piirilevyn "yläpuolella" olevaan kapasitiiviseen pintaan (esim. 32). Kun liikkuvat levyt ovat tarpeellisen kokoisia vastaavia kapeita kapasitiivisid liuskoja 14 ja 15, jotka ovat lähes kosketuksissa lähetinliuskan 11/12 kanssa ja samoin "kosketuksissa" vastaanotinliuskojen 21/31 tai 32/22 kanssa,kytkentä määräytyy liikkuvista levyistä joko levyn "yläpuolella" tai piirilevyn "alapuolella" oleviin vastaanotinliuskojen osiin. Kuvassa 2 on levyn eri puolilla olevat liuskat 21 ja 22 yhdistetty toisiinsa reiässä 1 olevalla kuparoinnilla. Vastaavalla tavalla on yhdistetty toisiinsa eri puolilla olevat liuskat 31 ja 32 reiässä 2 olevalla kuparoinnilla. Liuskat 21 ja 32 ovat levyn yhdellä puolella ja liuskat 22 ja 31 toisella puolella.

Kun vastaanotinliuskaparien lukumäärä ja erovahvistimien ja ilmaisimien vastaava lukumäärä alunpitäen nyt oli valittu liikkeen halutun ilmaisupi-tuuden ja halutun ilmaisutarkkuuden mukaan käytetään vaihtokohtien järjestelyssä sitä koodiperustella, mikä ilmaisun toteuttamiseen kulloinkin on valittu. Koodien tunnetun luonteen mukaisesti on täten olemassa vastaanotinliusko jen kondensaottoreiden sarja, joka vaihtaa kytkinlevyn puolelta * toiselle jokaisessa halutussa ilmaisukohdassa eli sillä jakovälillä, mikä tarkkuudeksi on valittu. Jokin toinen vastaanotinliuskojen pari vaihtaa puolta kytkinlevyssä vain puolella edellämainitusta tiheydestä eli kytkinlevyn kummallakin puolella olevat vastaanotinliuskojen pituudet ovat kaksinkertaisia edelliseen verrattuna. Tämän lisäksi on sitten peruspituuteen verrattuna nelinkertaista, kahdeksankertaistu jne. pituutta käyttävät

Claims (3)

61100 5 vastoanotinliuskojen parit vaihtumakohtien muuttuessa valitun koodin mukaisesti. Mittaliuskat ja hahlo muodostavat symmetrisen kondensaattoriyhdistelmän oskillaattorin 41 lähdön ja jonkin vastoanotinliuskojen erovahvistimista 42 tulonapojen välille. Ilmaisun suunnan vaihto tapahtuu liikkuvien liuskojen ollessa vastaanottoliuskojen vaihtumakohdan 16 keskellä. Liikkuvien liuskojen avulla saatava kapasitiivinen kytkentä on tasapainossa voihtumakoh-dassa erittäin lyhyellä matkalla koska vahvistimien vahvistus on käytännössä muodostettavissa erittäin korkeaksi. Tällöin ilmaisun merkin napaisuus vaihtuu hyvin nopeasti liikkuvan hahlon liikkuessa ja paikka ilmaistaan tarkasti koodatun ulostulo jännitteen avulla. Näin saatua digitaalista sakara-aallon muotoista merkkiä käytetään sitten sinänsä tunnetuilla keinoilla laitteiston myöhemmissä osissa 44. Täten on nyt kuvattu tämän keksinnön edullisena pidetty toteutusmuoto, mitä voidaan halutulla tavalla vaihdella oheisten patenttivaatimusten puitteissa.

1. Kapasitiivinen asennon anturi, missä on laitteen toimintaa varten valitulla taajuudella ja aaltomuodolla toimiva oskillaattori, esim. painetun piirin tapaan muodostetut, liikkeen halutun ilmaisumatkan pituiset lähetinlevyt liitettynä tähän oskillaattoriin sekä vastaavat vastaanotinlevyt kytkettynä erovahvistimeen, esim. integroidun piirin vahvistimeen, minkä jälkeen ilmaisimella voidaan ilmaista lähetinliuskojen ja vastoanotinliuskojen välinen kytkeytyminen yhteen liikkuvien levyjen avulla, mitkä on sijoitettu siihen laitteeseen, jonka asento halutaan ilmaista, tunnettu siitä, että lähetinlevyt (11/12) ja vastaanotinlevyt (21/31 tai 32/22) on muodostettu sillä tavoin pareittain, että liikkuvat levyt (14/15) yhdistävät sijaites-saan ilmaisukohdan (16) toisella puolella määrätyn lähetinlevyistä määrättyyn vostaanotinliuskaan,mutta siirryttyään ilmaisukohdan toiselle puolelle tämä kytkeytyminen on vaihtunut vastakkaiseksi. $

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kapasitiivinen asennon anturi, tunnet-t u siitä, että lähetinliusko ja (H/l2) on yksi suora pari kun taas vas-taanotinliuskoja (21/31 + 32/22) on useampia pareja kukin omaan erovahvis-timeensa (42) yhdistettynä, ilmaisukohtien 06) eri pareille vastaanotin- 6 61100 liuskoja ollessa erilaisia ja muodostaessa halutun koodin asennon yksikäsitteistä ilmaisua varten halutulla matkalla.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen kapasitiivinen asennon anturi, tunnettu siitä, että lähetinliuskat ja vastaanotinliuskat on muodostettu kaksipuolisen painetun piirin tapaan eri puolille sopivaa levyä ja että ilmaisukohdassa (16) se levypari, joka vaihtaa tilannetta,vaihtaa asentoaan painetun levyn toiselta puolelta toiselle sopivan piirin sisäisen kytkennän avulla. \ 9