WO2003009461A1 - Positionsdetektion - Google Patents

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WO2003009461A1
WO2003009461A1 PCT/CH2002/000357 CH0200357W WO03009461A1 WO 2003009461 A1 WO2003009461 A1 WO 2003009461A1 CH 0200357 W CH0200357 W CH 0200357W WO 03009461 A1 WO03009461 A1 WO 03009461A1
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electrode
stator
electrodes
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PCT/CH2002/000357
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Julian Yeandel
Simone Geiser
Michael Krieftewirth
Beat Steffen
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Tecpharma Licensing Ag
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    • A61M5/3155—Mechanically operated dose setting member by rotational movement of dose setting member, e.g. during setting or filling of a syringe

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and a method for detecting the position of one element relative to another element, in particular for detecting the position of a rotor relative to a stator, the invention being particularly directed to a device for metered dispensing of a liquid, in particular in the medical field eg refers to an infusion or injection device, wherein the set dose of the dispensed or dispensed liquid by the relative position of the rotor, such. a threaded rod, to the stator, e.g. a housing or a so-called "pen", can be determined.
  • a dose to be dispensed from a pen is determined by rotating e.g. set a Dosierknopfes and delivered by then pressing the Dosierknopfes.
  • a medical instrument often referred to as a "pen" to be dispensed liquid
  • a dose can, for example, at a wrong dosage to issue warning signals or to prevent the levy. Since usually a setting is made by rotating a rotor located in a housing of the pen, which is usually provided with a thread, the feed of the rotor can be determined from the set for setting the dose rotations and thus a dose to be dispensed or delivered can be determined.
  • rotor is understood to mean a rotatable element which can be moved or displaced in its rotational position and / or axial position relative to a stator.
  • stator are to be understood in the context of the invention so that these two elements can be moved relative to each other, without it matters whether only the rotor, only the stator or both elements are moved simultaneously.
  • it is assumed below of a rotor located in the stator, but the rotor does not have to be completely surrounded by the stator or even lie outside of the stator and can surround it if necessary.
  • the device according to the invention for detecting the position of a rotor relative to a stator has at least one electrode which is arranged on the rotor.
  • the electrode may be embedded on the outside of the rotor or in the rotor, wherein, for example, a dielectric may be provided on the electrode.
  • at least one electrode is provided on the stator, which may also be freely accessible or coated with suitable layers.
  • the arrangement of the electrodes on the rotor and the stator is erf ⁇ ndungshow so that in a relative movement between the rotor and stator, in particular a rotational movement of the rotor relative to the stator, the respective electrodes at a certain relative position of the rotor and stator overlap at least partially, so that a capacitive coupling of the electrodes is obtained. From this capacitive coupling of the at least one rotor electrode and the at least one stator electrode, the relative position of the rotor to the stator can be determined, for example, by the degree of overlap of the respective electrodes and the thus changing capacitive coupling is determined in which relative position rotor and stator to each other.
  • the electrodes are preferably firmly connected to the rotor and the stator.
  • the rotor and / or stator electrode may be formed so that it has a different width depending on the position on the circumference.
  • the rotor electrode may be in the form of an equilateral triangle, which is placed around the outside of a cylindrical rotor, that the base of the triangle is parallel to the longitudinal axis of the rotor and the tip of the rotating around the circumference of the rotor triangle back to the Base of the triangle is present.
  • Such an electrode has a width which changes continuously around the circumference of the rotor. If a stator electrode extending over only a part of the stator is placed opposite such a rotor electrode, the result is a capacitive coupling which varies linearly as a function of the relative rotational position, so that the angular position of the rotor can be determined on the basis of the measured capacitive coupling of these electrodes can be determined relative to the stator.
  • the position of the rotor can be detected by e.g. equidistant around the circumference at the rotor and / or stator electrodes are arranged.
  • inventions which use more than one electrode on the rotor and / or the stator to allow more accurate or easier position detection.
  • the rotor can thus be rotatably mounted without direct electrical contact, wherein the position detection can be made solely due to the capacitive coupling of the at least one rotor electrode with the at least two stator electrodes.
  • the rotor and stator electrodes are arranged so that a capacitor bridge structure can be realized with it.
  • a capacitor bridge will be described with reference to FIG.
  • V total V 1 + N 2
  • V! and V 2 are the voltages dropped across the respective capacitors C 1 and C 2 .
  • the device according to the invention is designed such that one of the capacitors of the capacitor bridge is formed by the capacitively coupled rotor and stator electrodes, wherein furthermore a reference capacitor is provided.
  • the reference capacitor may for example be provided externally, for example on the stator, or be formed by further rotor and stator electrodes.
  • the capacitance change of one of two capacitors connected in series causes a change in the voltage across this capacitor.
  • the measurement of the capacitance or capacitance change can thus be simplified by carrying out a voltage measurement in a known manner.
  • two, three, four or more electrodes are provided on the rotor and / or stator, which can be arranged offset to one another in the radial and / or axial direction, so as to have different capacitive couplings depending on the relative position from rotor to stator allow, based on which the position determination can be made.
  • individual electrodes may be formed so that regardless of the relative position of the rotor and stator always a substantially constant coupling can be obtained, for example, to couple certain constant voltages.
  • the individual electrodes preferably have a different geometry depending on their function, for example, electrodes may be provided on the rotor and / or stator, which have a different length axial extent or width at a defined length in the circumferential direction. Electrodes may also be formed so that they extend with constant or varying width around the entire circumference of the rotor and / or the stator.
  • the rotor electrodes are relatively simply formed, for example, as two mutually opposite electrical from each other separate teilringformige or semi-annular elements, which are arranged on the circumference of a substantially cylindrical rotor.
  • the stator electrodes can also each have or in pairs mutually different surfaces, thus allowing different capacitive couplings depending on the relative position of the rotor electrodes to the stator electrodes. Thereby, a relatively simple design of the rotor can be obtained in comparison to this more complex design of the stator or the stator electrodes, care should be taken in such an embodiment that clear statements regarding the rotational position of the rotor relative to the stator are possible.
  • the opposite route is followed, d. H.
  • the stator electrodes are made relatively simple, while the rotor electrodes have a more complex structure.
  • two electrodes can be provided on the stator, which can be capacitively coupled to a plurality of electrodes on the rotor as a function of the relative position or rotational position.
  • three rotor electrodes are particularly preferably provided, wherein a first rotor electrode has an annular section encircling the rotor and an adjoining partial or half-ring section.
  • the partial ring section points in the direction of the second and third rotor electrodes, wherein the third rotor electrode as well as the first rotor electrode has a ring section and a subsequent partial or semi-annular section, which is offset by 180 ° with respect to the partial ring section of the first electrode and facing the first electrode.
  • the second electrode is arranged, which also has a circumferential annular portion with two adjoining partial or half-ring sections, wherein the first partial ring section in the direction of the first Electrode extends and the second partial ring section extends in the direction of the second electrode, wherein the two partial ring sections are preferably arranged offset by 180 ° from each other.
  • the first, second and third rotor electrode are formed so that these three electrodes can be applied almost completely covering a portion of the stator, ie that these electrodes engage with each other and only a comparatively small preferably constant portion between the respective electrodes.
  • electrodes are disposed opposite to the respective circumferential annular regions of the rotor electrodes, which may, for example, be annular or teilringf ⁇ rmig so as to allow a defined capacitive coupling at any rotational position in a defined manner.
  • the first and third electrodes can be acted upon by a first potential, while the second central electrode is acted upon by a second potential.
  • the first potential may be ground and the second potential may be a supply voltage of, for example, 5V.
  • Two pairs of electrodes, which are offset in the axial direction, are preferably arranged on the stator such that these pairs of electrodes lie opposite the intermeshing partial ring areas of the rotor electrodes.
  • the first and second partial ring regions of the second rotor electrode have a different length corresponding to the respectively opposite partial ring regions of the first and third rotor electrodes offset by 180 °, which corresponds approximately to the respective length of the respective associated stator-electrode pairs.
  • the individual elements of the stator electrodes are offset by approximately 90 ° to each other, wherein advantageously the elements of a stator-electrode pair are in axial extension to the elements of the other electrode pair.
  • the arrangement shown in Figure 6A allows a relatively large overlap of the respective electrode surfaces at different rotational positions in order to obtain the largest possible capacitive coupling between the rotor and stator electrodes.
  • At least one locking position of the rotor is provided relative to the stator, in which the rotor is in a defined position, for example after a setting operation.
  • a plurality of latching positions are present, which can suitably lock the rotor in such a way that, during the transition to an adjacent latching position, the latching position is minimized.
  • a displacement of a displaceable element e.g. of the rotor detected longitudinally relative to the stator. It is not necessary that a rotary motion is performed.
  • Such relative movements occur in particular when administering a liquid by means of a pen by pressing the Dosierknopfes, which causes a displacement of the rotor or a threaded rod in the axial direction.
  • a detection of the axial movement of a rotor or a threaded rod is proposed according to the invention.
  • the position detection can be carried out by means of a pressure and / or force sensor, on which a with the displaceable element, e.g. press the dosing knob or the threaded rod coupled element, such as a rod or a spring. If the axial movement is too small, it can be determined from a voltage signal output by the pressure or force sensor, for example a piezoelectric element, that the axial movement was still insufficient to deliver a desired dose. For example, a warning signal can then be output or the delivery of the dose can be prevented.
  • a pressure and / or force sensor on which a with the displaceable element, e.g. press the dosing knob or the threaded rod coupled element, such as a rod or a spring.
  • an electrode may be provided, which is coupled to the Dosierknopf, the threaded rod or another displaceable in the axial direction element.
  • this electrode can be tapped, for example on a non-displaceable electrical resistance in response to the axial displacement at a certain position, a voltage which is characteristic of a particular position of Dosierknopfes or a threaded rod in order to determine the position of this voltage.
  • a capacitive coupling between an axially displaceable element and a relative thereto fixed element take place, wherein based on the change in capacitance, a position detection can be made.
  • the device according to the invention is designed in such a way that in at least one position, e.g. upon complete depression of the dose knob or in its home position, latching or outputting a user perceivable signal to indicate delivery of the desired dose.
  • the rotational position is determined from the capacitive coupling between the rotor and stator electrodes.
  • a capacitance measurement can be carried out by measuring a charging or discharging current and / or by measuring a voltage.
  • the voltage to be applied to a rotor / stator electrode pair is used as the quantity to be measured, which voltage is advantageously compared with a reference voltage, for example by means of a comparator.
  • a peak value detection can be carried out, wherein when exceeding or falling below a certain limit, a signal change occurs and thus binary signals can be generated. This peak detection can also take place during a charge or discharge current measurement of the capacitor formed by the electrodes.
  • the electrodes with associated measuring arrangement are designed so that an error detection and / or error correction can be made, for example, starting from a measured actual state only two possible neighboring states are defined or are, which is a shift or rotation of the rotor in one direction or the other. If a signal is detected which corresponds to an invalid or not provided state, then an error signal can be output which indicates an error in the position detection. Optionally, an error correction can be made depending on the permissible measurement signals used.
  • one or more of the electrodes used may be made of metal or a conductive or magnetizable plastic.
  • Suitable plastics are e.g. made by adding carbon (soot) metal elements, Fe powder or the like.
  • Conductive plastics can e.g. be applied in the z-k injection molding process.
  • FIG. 1 shows a capacitor bridge circuit
  • FIG. 2A shows a rotor-stator arrangement with electrodes according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2B shows the equivalent circuit diagram of the arrangement shown in FIG. 2A
  • FIG. 2C shows output signals of a voltage measurement carried out with the device shown in FIG. 2A at four rotational positions
  • FIG. 3 shows a rotor-stator arrangement according to a second embodiment of the invention
  • Figures 4A to 4D is a schematic representation of a third embodiment of the invention in four different rotational positions
  • Figures 5A and 5B is a schematic illustration of a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 6A shows a device according to a fifth embodiment of the present invention.
  • Figure 6B is a schematic representation of the device shown in Figure 6A;
  • FIG. 7 is a state transition diagram for illustrating the error detection according to the present invention.
  • 8 shows a first embodiment of a device for detecting a
  • FIG 2A schematically shows a threaded rod 1, which serves as a rotor according to the invention and is rotatably mounted in a pen or stator 2, wherein four rotor electrodes are arranged on the rotor 1 in the circumferential direction offset by 90 °, wherein in FIG 2A three rotor electrodes 3 a, 3b, and 3 c can be seen.
  • the rotor electrodes have an approximately equal width in the circumferential direction and have four different lengths in the axial direction.
  • the two stator electrodes 4a and 4b are substantially equal in their dimensions and arranged offset in the axial direction on the inside of the stator 2. In the position shown in FIG.
  • the rotor electrode 3c faces the stator electrodes 4a and 4b and extends in the axial direction approximately from the outer edge of the left stator electrode 4a along its entire axial length to approximately the right outer edge of the second stator electrode 4b, whereby a relatively good capacitive coupling between the rotor electrode 3 c and the stator electrodes 4a and 4b is obtained. If the rotor 1 is rotated so that the rotor electrode 3a is opposed to the stator electrodes 4a and 4b, the capacitive coupling is deteriorated because the rotor electrode 3a has a smaller length in the axial direction than the rotor electrode 3c.
  • FIG. 2B schematically shows the equivalent electrical circuit diagram of the device shown in FIG. 2A, wherein the capacitive coupling between the stator electrode 4a and the rotor electrode 3c can be regarded as a first capacitor C 43 which is connected in series with a second capacitor C 43 is formed by the capacitively coupled electrodes 3 c and 4 b. If the overlapping area of the rotor and stator electrodes decreases, this represents a reduction in the total capacitance formed by the capacitors C 43 and C 3 , which is the case, for example, when the shorter rotor electrode 3a is the stator electrodes 4a and 4b is opposite.
  • FIG. 3 shows a second embodiment of the present invention, wherein, in contrast to the embodiment shown in FIG. 2A, there is provided a further annular electrode 3d formed around the rotor 1, which faces two stator electrodes 4c and 4d offset in the circumferential direction.
  • a reference capacitor C2 can be formed as a series connection of the capacitor 4c, 3d with the capacitor 3d, 4d, which coincides with that through the stator electrodes 4a, 4b and the rotor electrodes 3a to 3c formed capacitor Cl as shown in Figure 1 is connected in series.
  • the embodiment shown in Figure 3 enables a more stable measurement due to the lower dependence of the voltage measured at point P on a deviation of the rotor 1 with respect to its coaxial position with respect to the stator 2, i.
  • the rotor 1 approaches the stator electrodes 4a and 4b due to an irregularity, not only the capacitance C1 formed by these electrodes but also the capacitance of the capacitor C2 formed across the stator electrodes 4c and 4d increases, so that measurement variations can be reduced.
  • FIGS. 4A to 4D show schematically an electrode assembly according to a third embodiment of the invention in four different rotated by 90 ° to each other positions. Below the respective rotational positions, the associated electrical connections of the corresponding capacitors formed by the electrodes are shown.
  • the approximately semi-annular on the rotor opposite electrodes are denoted by 0 and V, wherein the electrode 0 is at ground potential and the electrode V at a supply voltage.
  • the electrodes A and B arranged on the stator which are arranged offset by approximately 90 ° relative to one another, both face the electrode O in a first rotational position of the rotor and thus both are capacitively coupled to ground potential.
  • FIGS. 4A there are only two valid neighbor states, namely the states shown in FIGS. 4B and 4D.
  • a state transition diagram for the four positions shown in FIGS. 4A to 4D is shown in FIG.
  • the arrows represent the permissible state transitions, so that, for example, when passing from state 00 to state 11, there is obviously an error which can be detected. If, for example, the rotor is designed mechanically such that it locks in each case after a rotation through 90 °, then the stable states shown in FIGS. 4A to 4D can be obtained.
  • FIGS. 5A and 5B show a fourth embodiment of the present invention, in which, unlike the third embodiment shown in FIG. 4, four stator electrodes A, B, A 'and B' are provided which are each arranged offset by approximately 90 °. If the electrodes A and A ', as well as the electrodes B and B' electrically connected together, as shown in the adjacent electrical equivalent circuit diagrams, so a capacitor bridge circuit can be formed. Are the surfaces of the electrodes A, B of the Areas of the electrodes A ', B' different, the different rotational positions of the rotor can be clearly detected. If the rotor is rotated from the position 1 indicated by the point P in FIG.
  • Figure 6A shows a fifth embodiment of the present invention, wherein three rotor electrodes 3a, 3b, 3c are provided, and wherein the electrodes each have an annular element facing the stator electrodes 4e, 4f and 4g, while at the electrodes 3a and 3c, a half-ring-shaped electrode element is still provided which corresponds to corresponding semi-annular electrode elements of the electrode 3b on the rotor 1, wherein the semi-annular electrode elements of the electrodes 3a and 3c have a different length, corresponding to the semi-annular electrode elements of the electrode 3b.
  • the electrode pairs 4a, 4b, and 4c, 4d are provided on the stator, which are offset from each other in the axial direction, wherein the electrodes 4a, 4b and 4c, 4d are arranged rotated by about 90 ° from each other.
  • the electrodes 4e, 4f and 4g can be coupled in each rotational position of the rotor 1 continuously a voltage in the rotor electrodes 3a, 3b and 3c.
  • the stator electrodes 4 a, 4 b, and 4 c, 4 d can be determined for measuring the rotational position of the rotor 1, since these electrodes are in each case opposite to the preferably differently polarized semi-annular elements of the respective rotor electrodes as a function of the rotational position.
  • the device shown in FIG. 6A is particularly advantageous due to the large surface overlap of the electrodes, since this makes it possible to achieve strong capacitive couplings, which leads to a greater signal strength.
  • the outer rotor electrodes 3 a and 3 c are coupled to ground potential by means of the stator electrodes 4e and 4g, while the rotor electrode 3b is coupled to a supply voltage via stator electrode 4f.
  • the electrodes 4a, 4c, 4b, 4d are labeled A, A ', B and B'.
  • the rotor electrodes 3a, 3b and 3c are arranged so that the stator electrodes A and A ', on the one hand, and B and B', on the other hand, lie opposite oppositely poled rotor electrodes.
  • a rotor rotation can in turn be detected by measuring or converting the potentials at the stator electrodes A, A ', B and B'.
  • Figure 8 shows a first embodiment of another aspect of the present invention for detecting the longitudinal movement of a displaceable element, e.g. a rotor or a threaded rod.
  • a dose to be dispensed is initially set by means of a rotational movement which can be detected as described above, whereupon the set dose is released by means of an axial or longitudinal movement by pressure on the dosing button D.
  • the Dosierknopf D is connected to a coil spring S, which presses on the force sensor K. From the force measured with the force sensor K, it is possible to deduce the path traveled by the dosing button in the direction of movement shown by the arrow, the force being greater the farther the button is pressed.
  • a force F measured by the force sensor K can be converted into a voltage U, which is compared by means of a comparator with a reference value. If it is determined that a certain limit value is not exceeded by the force F measured by means of the force sensor K, then a warning signal can be output, which indicates that the set dose was not or not completely dispensed.
  • FIG. 9 shows an alternative of the embodiment shown in FIG. 8, wherein an electrical resistor R is arranged running parallel to the dosing button D or the threaded rod G and which can be arranged, for example, on the inside of a housing shell.
  • a tapping electrode E connected to the threaded rod G or the dosing knob D is displaced along the resistance R during a longitudinal movement. If the potential of the tap electrode E is measured with respect to one of the end points of the resistor R, then From this potential, the absolute position of the Dosierknopfes or the threaded rod are determined, which allows a conclusion on the delivered amount of medication.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Detektieren der Position eines Rotors (1) relativ zu einem Stator (2), wobei mindestens eine Elektrode (3) auf dem Rotor und mindestens eine Elektrode (4) auf dem Stator so angeordnet ist, dass die Elektroden (3, 4) bei mindestens einer Drehposition des Rotors (1) relativ zum Stator (2) zumindest teilweise überlappen; sowie auf ein Verfahren zum Messen der Drehposition eines Rotors (1) mit mindestens einer Elektrode (3) relativ zu einem Stator (2) mit mindestens einer Elektrode (4), wobei die Drehposition durch die kapazitive Kopplung der Rotor-Elektrode (3) mit der Stator-Elektrode (4) detektiert wird, sowie eine Vorrichtung zum Detektieren der axialen Verschiebung eines verschiebbaren Elements (1; D, G) mit einer Messvorrichtung (K; E, R), welche die Position des verschiebbaren Elements (1; D, G) detektieren kann.

Description

Positionsdetektion
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Detektieren der Position eines Elements relativ zu einem anderen Element, insbesondere zum Detektieren der Position eines Rotors relativ zu einem Stator, wobei sich die Erfindung insbesondere auf eine Vorrichtung zum dosierten Abgeben einer Flüssigkeit, insbesondere im medizinischen Bereich z.B. ein Infusions- oder Injektionsgerät bezieht, wobei die eingestellte Dosis der abgegebenen bzw. abzugebenen Flüssigkeit durch die relative Lage des Rotors, wie z.B. einer Gewindestange, zum Stator, wie z.B. einem Gehäuse bzw. einem sogenannten "Pen", ermittelt werden kann. Allgemein wird eine von einem Pen abzugebende Dosis durch Drehen z.B. eines Dosierknopfes eingestellt und durch anschließendes Drücken des Dosierknopfes abgegeben.
Zur möglichst exakten Dosierung einer aus einem medizinischen Instrument, oft auch als "Pen" bezeichnet, abzugebenden Flüssigkeit, wie zum Beispiel Insulin, Hormonpräparate oder ähnliches, ist es erforderlich den Einstellvorgang einer Dosis überwachen zu können, um zum Beispiel bei einer Fehldosierung Warnsignale auszugeben oder die Abgabe zu verhindern. Da gewöhnlich eine Einstellung durch Drehen eines in einem Gehäuse des Pens befindlichen Rotors erfolgt, welcher meist mit einem Gewinde versehen ist, kann aus den zum Einstellen der Dosis vorgenommenen Drehungen der Vorschub des Rotors ermittelt und somit eine abzugebende oder abgegebene Dosis bestimmt werden.
Bekannte Vorrichtungen zur Messung dieser Drehbewegung basieren auf mechanischen Prinzipien und sind deshalb aufwändig zu realisieren und relativ ungenau. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Detektieren der Position eines ersten Elements, z.B. eines Rotors relativ zu einem zweiten Element, z.B. einem Stator vorzuschlagen, welche relativ einfach realisiert werden können und eine Positionsdetektion mit hoher Genauigkeit ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Im Sinne der Erfindung wird unter Rotor ein drehbares Element verstanden, welches in seiner Drehlage und/oder axialen Lage relativ zu einem Stator bewegt bzw. verschoben werden kann. Die Begriffe Rotor und Stator sollen im Sinne der Erfindung so verstanden werden, dass diese beiden Elemente relativ zueinander bewegt werden können, ohne dass es dabei darauf ankommt, ob nur der Rotor, nur der Stator oder auch beide Elemente gleichzeitig bewegt werden. Zur Vereinfachung der Beschreibung wird nachfolgend von einem im Stator liegenden Rotor ausgegangen, wobei der Rotor jedoch nicht vollständig vom Stator umgeben werden muss oder sogar außerhalb des Stators liegen und diesen gegebenenfalls umgeben kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Detektieren der Position eines Rotors relativ zu einem Stator weist mindestens eine Elektrode auf, welche auf dem Rotor angeordnet ist. Dabei kann die Elektrode auf der Außenseite des Rotors oder auch im Rotor eingebettet liegen, wobei zum Beispiel ein Dielektrikum auf der Elektrode vorgesehen sein kann. Weiterhin ist auf dem Stator mindestens eine Elektrode vorgesehen, welche ebenfalls frei zugänglich oder mit geeigneten Schichten überzogen sein kann. Die Anordnung der Elektroden auf dem Rotor und dem Stator ist dabei erfϊndungsgemäß so, dass bei einer Relativbewegung zwischen Rotor und Stator, insbesondere einer Drehbewegung des Rotors relativ zum Stator, die jeweiligen Elektroden bei einer bestimmten relativen Position von Rotor und Stator zumindest teilweise überlappen, so dass eine kapazitive Kopplung der Elektroden erhalten wird. Aus dieser kapazitiven Kopplung der mindestens einen Rotor-Elektrode und der mindestens einen Stator- Elektrode kann die relative Lage des Rotors zum Stator ermittelt werden, indem zum Beispiel aus dem Grad der Überlappung der jeweiligen Elektroden und der sich damit verändernden kapazitiven Kopplung ermittelt wird, in welcher relativen Position Rotor und Stator zueinander stehen. Dabei sind die Elektroden bevorzugt fest mit dem Rotor und dem Stator verbunden.
Prinzipiell ist eine Vielzahl von Ausgestaltungen der Geometrien von Rotor- und Stator- Elektrode denkbar, wobei diejenigen Ausführungsformen bevorzugt werden, welche eine absolute Aussage bezüglich eines Drehwinkels des Rotors relativ zum Stator ermöglichen. Hierzu kann zum Beispiel die Rotor- und/oder Stator-Elektrode so ausgebildet sein, dass sie eine unterschiedliche Breite in Abhängigkeit von der Position auf dem Umfang aufweist. Zum Beispiel kann die Rotor-Elektrode die Form eines gleichseitigen Dreiecks aufweisen, welches so um die Außenseite eines zylinderförmigen Rotors gelegt wird, dass die Grundseite des Dreiecks parallel zur Längsachse des Rotors verläuft und die Spitze des um den Umfang des Rotors umlaufenden Dreiecks wieder an der Grundseite des Dreiecks anliegt. Eine solche E- lektrode weist eine sich um den Umfang des Rotors kontinuierlich verändernde Breite auf. Wird einer solchen Rotor-Elektrode eine sich nur über einen Teil des Stators erstreckende Stator-Elektrode gegenüber gelegt, so ergibt sich eine sich linear in Abhängigkeit von der relativen Drehposition verändernde kapazitive Kopplung, so dass anhand der gemessenen kapazitiven Kopplung dieser Elektroden die Winkellage des Rotors relativ zum Stator ermittelt werden kann.
Jedoch kann auch mit einfacheren Geometrien der Elektroden die Position des Rotors detek- tiert werden, indem z.B. äquidistant um den Umfang am Rotor und/oder Stator Elektroden angeordnet sind.
Es sind auch andere Ausgestaltungen der Erfindung denkbar, welche mehr als nur eine Elektrode auf dem Rotor und/oder dem Stator verwenden, um eine genauere oder einfachere Positionsdetektion zu ermöglichen. Inbesondere ist es vorteilhaft auf dem Stator mindestens zwei Elektroden vorzusehen, welche mit mindestens einer Elektrode des Rotors gekoppelt werden können, da so die Rotor-Elektrode in Abhängigkeit von der Drehposition mit einer oder beiden Stator-Elektroden kapazitiv gekoppelt ist und somit eine Messung vorgenommen werden kann, ohne die drehbar gelagerte Rotor-Elektrode zum Beispiel mittels Schleifkontakten mit den Stator-Elektroden zu verschalten. Der Rotor kann somit ohne direkten elektrischen Kontakt drehbeweglich gelagert werden, wobei die Positionsdetektion allein aufgrund der kapazitiven Kopplung der mindestens einen Rotor-Elektrode mit den mindestens zwei Stator- Elektroden vorgenommen werden kann.
Bevorzugt sind die Rotor- und Stator-Elektroden so angeordnet, dass damit eine Kondensator- Brücken-Struktur realisiert werden kann. Allgemein wird einen Kondensator-Brücke unter Bezugnahme auf Figur 1 beschrieben.
Figur 1 zeigt eine Reihenschaltung zweier Kondensatoren Cl und C2, wobei die gesamte über beide Kondensatoren anliegende Spannung VGesamt = Vi + N2; V! und V2 sind die an den jeweiligen Kondensatoren Cl und C2 abfallenden Spannungen. Für das Verhältnis der Spannung Ni zur Gesamtspannung NGesamt gilt:
Ni / NGesamt = C2 / (Cl + C2) ...Gleichung (1)
Vorteilhaft wird die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgestaltet, dass einer der Kondensatoren der Kondensator-Brücke durch die kapazitiv gekoppelten Rotor- und Stator-Elektroden gebildet wird, wobei weiterhin ein Referenz-Kondensator vorgesehen ist. Der Referenz- Kondensator kann zum Beispiel extern, beispielsweise am Stator vorgesehen sein oder durch weitere Rotor- und Stator-Elektroden ausgebildet werden. Insbesondere ist es vorteilhaft eine Seite des Referenzkondensators mit einer Stator-Elektrode zu verbinden um somit möglichst wenig elektrische Verbindungen am drehenden Rotor anbringen zu müssen.
Aus obiger Gleichung ist ersichtlich, dass die Kapazitätsänderung eines von zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren eine Änderung der Spannung an diesem Kondensator bewirkt. Durch die Verwendung eines Referenz-Kondensators kann somit die Messung der Kapazität bzw. Kapazitätsänderung vereinfacht werden, indem auf bekannte Art eine Spannungsmessung vorgenommen wird. Bei geeigneter Anordnung und Ausbildung von Rotor- und Stator- Elektroden ist es sogar nicht erforderlich den absoluten Wert der an einer Elektrode oder einem Kondensator auftretenden Spannung zu messen, um eine Positionsbestimmung vorneh- men zu können. Es kann ausreichend sein, die an einer Elektrode bzw. einem Kondensator anliegende Spannung mit einem Referenzwert zum Beispiel mittels eines Komparators zu vergleichen und so eine Aussage zu erhalten, ob die an dem Kondensator anliegende Spannung bzw. das Potential einer Kondensatorelektrode oberhalb oder unterhalb des Referenzwertes liegt. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da die bei medizinischen Instrumenten verwendeten Elemente relativ klein sind und demzufolge auch die bei Relativbewegungen zwischen Rotor- und Stator-Elektrode auftretenden Kapazitätsänderungen relativ klein sind und im Pi- cofarad-Bereich liegen. Wird eine Kapazitätsänderung zum Beispiel dadurch gemessen, dass eine sich ändernde Spannung mit einem Referenzwert verglichen wird und ein binäres Signal ausgegeben wird, welches anzeigt, ob die Spannung oberhalb oder unterhalb des Referenzwertes liegt, so ist es nicht erforderlich den absoluten Wert der Kapazitätsänderung zu bestimmen. Hierdurch kann die Messung vereinfacht werden. Bei geeigneter Anordnung und Ausbildung von Rotor- und Stator-Elektroden kann aus so erzeugten binären Signalen eine Aussage bezüglich einer Drehposition bzw. Drehrichtung gewonnen werden.
Besonders bevorzugt sind zwei, drei, vier oder mehr Elektroden auf dem Rotor und/oder Stator vorgesehen, welche in radialer und/oder axialer Richtung versetzt zueinander angeordnet sein können, um so in Abhängigkeit von der relativen Position von Rotor zu Stator verschiedene kapazitive Kopplungen zu ermöglichen, anhand welcher die Positionsbestimmung vorgenommen werden kann. Dabei können einzelne Elektroden so ausgebildet sein, dass unabhängig von der relativen Position von Rotor und Stator stets eine im Wesentlichen konstante Kopplung erhalten werden kann, um zum Beispiel bestimmte konstante Spannungen einzukuppeln. Die einzelnen Elektroden weisen dabei bevorzugt eine in Abhängigkeit von ihrer Funktion unterschiedliche Geometrie auf, wobei zum Beispiel Elektroden auf dem Rotor und/oder Stator vorgesehen sein können, welche eine unterschiedlich lange axiale Erstreckung bzw. Breite bei einer definierten Länge in Umfangsrichtung haben. Es können Elektroden auch so ausgebildet sein, dass sie sich mit konstanter oder wechselnder Breite um den gesamten Umfang des Rotors und/oder des Stators erstrecken.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Rotor-Elektroden relativ einfach ausgebildet, zum Beispiel als zwei einander gegenüberliegende elektrisch voneinander getrennte teilringformige oder halbringförmige Elemente, welche auf dem Umfang eines im Wesentlichen zylinderförmigen Rotors angeordnet sind. Auf der dem Außenumfang des Rotors gegenüberliegenden Innenfläche des Stators, welche bevorzugt einen im Wesentlichen konstanten Abstand zur Außenfläche des Rotors aufweist, sind in Umfangsrichtung des Stators verteilt zwei, drei, vier oder mehr Elektroden, bevorzugt gleichverteilt um die Drehachse des Rotors oder symmetrisch bezüglich der Drehachse des Rotors vorgesehen. Die Stator- Elektroden können auch jeweils oder paarweise voneinander verschiedene Flächen aufweisen, um somit in Abhängigkeit von der relativen Lage der Rotor-Elektroden zu den Stator- Elektroden verschiedene kapazitive Kopplungen zu ermöglichen. Dadurch kann eine relativ einfache Ausbildung des Rotors bei im Vergleich hierzu komplexerer Ausbildung des Stators bzw. der Stator-Elektroden erhalten werden, wobei bei einer solchen Ausgestaltung darauf geachtet werden sollte, dass eindeutige Aussagen bezüglich der Drehposition des Rotors relativ zum Stator möglich sind.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der umgekehrte Weg beschritten, d. h. die Stator-Elektroden werden relativ einfach ausgestaltet, während die Rotor-Elektroden eine komplexere Struktur aufweisen. Dabei können zum Beispiel zwei E- lektroden auf dem Stator vorgesehen sein, welche mit einer Mehrzahl von Elektroden auf dem Rotor in Abhängigkeit von der relativen Lage bzw. Drehlage kapazitiv gekoppelt werden können.
Besonders bevorzugt sind, wie in einer Ausführungsform in Figur 6A gezeigt, drei Rotor- Elektroden vorgesehen, wobei eine erste Rotor-Elektrode einen um den Rotor umlaufenden ringförmigen Abschnitt und einen daran anschließenden Teil- oder Halbringabschnitt aufweist. Der Teilringabschnitt weist in Richtung der zweiten und dritten Rotor-Elektroden, wobei die dritte Rotor-Elektrode ebenso wie die erste Rotor-Elektrode einen Ringabschnitt und einen daran anschließenden Teil- oder Halbringabschnitt aufweist, welcher bezüglich des Teilringabschnittes der ersten Elektrode um 180° versetzt ist und in Richtung der ersten Elektrode weist. Zwischen der ersten und dritten Elektrode ist die zweite Elektrode angeordnet, welche ebenfalls einen umlaufenden Ringabschnitt aufweist mit zwei daran anschließenden Teil- bzw. Halbringabschnitten, wobei sich der erste Teilringabschnitt in Richtung der ersten Elektrode erstreckt und der zweite Teilringabschnitt in Richtung der zweiten Elektrode erstreckt, wobei die beiden Teilringabschnitte bevorzugt um 180° voneinander versetzt angeordnet sind. Besonders bevorzugt sind die erste, zweite und dritte Rotor-Elektrode so ausgebildet, dass diese drei Elektroden fast flächendeckend auf einen Teilbereich des Stators aufgebracht werden können, d. h. dass diese Elektroden ineinander eingreifen und nur ein vergleichsweise geringer bevorzugt konstanter Abschnitt zwischen den jeweiligen Elektroden liegt. Dabei muss jedoch sichergestellt sein, dass die einzelnen Elektroden elektrisch voneinander isoliert sind. Am Stator sind den jeweils umlaufenden ringförmigen Bereichen der Rotor-Elektroden gegenüberliegend Elektroden angeordnet, welche z.B. ringförmig oder teilring- fδrmig sein können, um so bei jeder beliebigen Drehposition auf definierte Weise gleichbleibend eine kapazitive Kopplung zu ermöglichen. Somit können zum Beispiel die erste und dritte Elektrode mit einem ersten Potential beaufschlagt werden, während die zweite mittlere Elektrode mit einem zweiten Potential beaufschlagt wird. Das erste Potential kann zum Beispiel Erde und das zweite Potential eine Versorgungsspannung von zum Beispiel 5 V sein. Bevorzugt sind in axialer Richtung versetzt zwei Elektroden-Paare so am Stator angeordnet, dass diese Elektroden-Paare den ineinander eingreifenden Teilringbereichen der Rotor- Elektroden gegenüberliegen. Vorteilhaft weisen die ersten und zweiten Teilringbereiche der zweiten Rotor-Elektrode entsprechend den jeweils gegenüberliegenden um 180° versetzten Teilringbereichen der ersten und dritten Rotor-Elektrode eine unterschiedliche Länge auf, welche in etwa der jeweiligen Länge der jeweils zugeordneten Stator-Elektroden-Paare entspricht. Besonders bevorzugt sind die einzelnen Elemente der Stator-Elektroden um etwa 90° versetzt zueinander angeordnet, wobei vorteilhaft die Elemente des einen Stator-Elektroden- Paares in axialer Verlängerung zu den Elementen des anderen Elektroden-Paares liegen. Die in Figur 6A gezeigte Anordnung ermöglicht eine relativ große Überlappung der jeweiligen Elektrodenflächen bei verschiedenen Drehpositionen, um eine möglichst große kapazitive Kopplung zwischen Rotor- und Stator-Elektroden zu erhalten.
Bevorzugt ist mindestens eine Rastposition des Rotors relativ zum Stator vorgesehen, in welcher der Rotor z.B. nach einem Einstellvorgang in einer definierten Lage ist. Vorteilhaft sind mehrere Rastpositionen, insbesondere bei konstanten Abständen, vorhanden, welche geeignet den Rotor so verrasten können, dass beim Übergang zu einer benachbarten Rastposition min- destens eine Rotor- und/oder Stator-Elektrode einer anderen Elektrode des Stators bzw. Rotors gegenüberliegt, um so eine Umpolung mindestens einer Elektrode zu bewirken.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung, welcher auch unabhängig von den oben beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden kann, wird eine Verschiebung bzw. Position eines verschiebbaren Elements, z.B. des Rotors in Längsrichtung relativ zum Stator de- tektiert. Dabei ist es nicht erforderlich, dass eine Drehbewegung ausgeführt wird.
Solche Relativbewegungen treten insbesondere beim Verabreichen einer Flüssigkeit mittels eines Pens durch Drücken des Dosierknopfes auf, welcher eine Verschiebung des Rotors bzw. einer Gewindestange in axialer Richtung bewirkt. Um zu detektieren ob die axiale Bewegung des Rotors bzw. einer Gewindestange ausreichend ist, um eine erforderliche bzw. eingestellte Menge zu verabreichen wird erfindungsgemäß eine Detektion der axialen Bewegung eines Rotors bzw. einer Gewindestange vorgeschlagen.
Gemäß einer ersten Ausführungsform kann die Positionsdetektion mittels eines Druck- und/oder Kraftsensors erfolgen, auf welchen ein mit dem verschiebbaren Element, z.B. dem Dosierknopf oder der Gewindestange gekoppeltes Element, wie zum Beispiel eine Stange oder eine Feder drückt. Falls die axiale Bewegung zu gering ist, kann anhand eines von dem Druck- oder Kraftsensor, zum Beispiel eines Piezo-Elements ausgegebenen Spannungssignals ermittelt werden, dass die axiale Bewegung noch nicht ausreichend war, um eine gewünschte Dosis abzugeben. Es kann dann zum Beispiel ein Warnsignal ausgegeben oder die Abgabe der Dosis verhindert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann eine Elektrode vorgesehen sein, welche mit dem Dosierknopf, der Gewindestange oder einem anderen in axialer Richtung verschiebbaren Element gekoppelt ist. Mit dieser Elektrode kann zum Beispiel an einem nicht verschiebbaren elektrischen Widerstand in Abhängigkeit von der axialen Verschiebung an einer bestimmten Position eine Spannung abgegriffen werden, welche charakteristisch für eine bestimmte Position des Dosierknopfes oder einer Gewindestange ist, um aus dieser Spannung die Position zu ermitteln. Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann eine kapazitive Kopplung zwischen einem axial verschiebbaren Element und einem relativ dazu feststehenden Element erfolgen, wobei anhand der Kapazitätsänderung eine Positionsdetektion vorgenommen werden kann.
Vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgestaltet, dass in mindestens einer Position, also z.B. bei vollständigem Eindrücken des Dosierknopfes oder in seiner Ausgangsposition eine Verrastung erfolgt oder ein vom Benutzer wahrnehmbares Signal ausgegeben wird, um so die Abgabe der gewünschten Dosis anzuzeigen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Messen der Drehposition eines mit mindestens einer Elektrode versehenen Rotors relativ zu einem mit mindestens einer Elektrode versehenen Stator wird aus der kapazitiven Kopplung zwischen Rotor- und Stator-Elektrode die Drehposition ermittelt. Insbesondere kann hierbei eine Kapazitätsmessung durch Messung eines Lade- oder Entladestromes und/oder durch Messung einer Spannung erfolgen.
Bevorzugt wird als zu messende Größe die an einem Rotor-/Stator-Elektroden-Paar anliegende Spannung verwendet, welche vorteilhaft mit einer Referenzspannung verglichen wird, zum Beispiel mittels eines Komperators. Dabei kann eine Spitzenwertdetektion vorgenommen werden, wobei bei überschreiten bzw. unterschreiten eines gewissen Grenzwertes eine Signaländerung auftritt und somit binäre Signale erzeugt werden können. Diese Spitzenwertdetektion kann auch bei einer Lade- bzw. Entladestrommessung des durch die Elektroden gebildeten Kondensators erfolgen.
Besonders bevorzugt sind die Elektroden mit zugehöriger Messanordnung so ausgelegt, dass eine Fehlererkennung und/oder Fehlerkorrektur vorgenommen werden kann, zum Beispiel indem ausgehend von einem gemessen Ist-Zustand nur zwei mögliche Nachbarzustände definiert werden bzw. sind, welche eine Verschiebung bzw. Drehung des Rotors in die eine oder die andere Richtung kennzeichnen. Wird ein Signal ermittelt, welches einem ungültigen oder nicht vorgesehenem Zustand entspricht, so kann ein Fehlersignal ausgegeben werden, welches einen Fehler bei der Positionsdetektion anzeigt. Gegebenenfalls kann in Abhängigkeit von den verwendeten zulässigen Messsignalen eine Fehlerkorrektur vorgenommen werden.
Vorteilhaft können eine oder mehrere der verwendeten Elektroden aus Metall oder einem leitenden oder magnetisierbaren Kunststoff sein. Geeignete Kunststoffe werden z.B. durch Zugabe von Kohlenstoff (Russ) Metallelementen, Fe-Pulver oder ähnliches hergestellt. Leitende Kunststoffe können z.B. im z-k Spritzgussverfahren angebracht werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben werden. Es zeigen:
Figur 1 eine Kondensator-Brücken-Schaltung;
Figur 2A eine Rotor-Stator-Anordnung mit Elektroden gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 2B das Ersatzschaltbild der in Figur 2A gezeigten Anordnung;
Figur 2C Ausgangssignale einer mit der in Figur 2A gezeigten Vorrichtung durchgeführten Spannungsmessung bei vier Drehpositionen;
Figur 3 eine Rotor-Stator-Anordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Figuren 4A bis 4D eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung in vier verschiedenen Drehpositionen;
Figur 5A und 5B eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 6A eine Vorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 6B eine schematische Darstellung der in Figur 6A gezeigten Vorrichtung;
Figur 7 ein Zustands-Übergangs-Diagramm zur Veranschaulichung der Fehlererkennung gemäß der vorliegenden Erfindung; Figur 8 eine erste Ausfuhrungsform einer Vorrichtung zur Detektion einer
Längsbewegung; und Figur 9 eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zur Detektion einer
Längsbewegung.
Figur 2A zeigt schematisch eine Gewindestange 1, welche als Rotor im Sinne der Erfindung dient und drehbar in einem Pen bzw. Stator 2 gelagert ist, wobei auf dem Rotor 1 in Umfangsrichtung um jeweils 90° versetzt vier Rotor-Elektroden angeordnet sind, wobei in Figur 2A drei Rotor-Elektroden 3 a, 3b, und 3 c gesehen werden können. Die Rotor-Elektroden weisen in Umfangsrichtung eine in etwa gleiche Breite auf und haben vier voneinander unterschiedliche Längen in axialer Richtung. Die beiden Stator-Elektroden 4a und 4b sind bezüglich ihrer Abmessungen im wesentlichen gleich ausgebildet und in axialer Richtung versetzt auf der Innenseite des Stators 2 angeordnet. In der in Figur 2A gezeigten Position liegt die Rotor-Elektrode 3 c den Stator-Elektroden 4a und 4b gegenüber und erstreckt sich in axialer Richtung in etwa von der äußeren Kante der linken Stator-Elektrode 4a entlang deren gesamter axialer Länge bis in etwa zur rechten äußeren Kante der zweiten Stator-Elektrode 4b, wodurch eine relativ gute kapazitive Kopplung zwischen der Rotor-Elektrode 3 c und dem Stator-Elektroden 4a und 4b erhalten wird. Wird der Rotor 1 so gedreht, dass die Rotor-Elektrode 3 a den Stator- Elektroden 4a und 4b gegenüber liegt, so wird die kapazitive Kopplung verschlechtert, da die Rotor-Elektrode 3 a eine kleinere Länge in axialer Richtung aufweist als die Rotor-Elektrode 3c.
Figur 2B zeigt schematisch das elektrische Ersatzschaltbild der in Figur 2A gezeigten Vorrichtung, wobei die kapazitive Kopplung zwischen der Stator-Elektrode 4a und der Rotor- Elektrode 3 c als erster Kondensator C43 aufgefasst werden kann, welcher in Reihe zu einem zweiten Kondensator C43 geschaltet ist, der durch die kapazitiv gekoppelten Elektroden 3 c und 4b gebildet wird. Nimmt die Überlappungsfläche der Rotor- und Stator-Elektroden ab, so stellt dies eine Verringerung der durch die Kondensator C43 und C3 gebildeten Gesamtkapazität dar, was zum Beispiel der Fall ist, wenn die kürzere Rotor-Elektrode 3 a den Stator- Elektroden 4a und 4b gegenüberliegt. Wird diese durch die Kondensator C43 und C34 gebildete Gesamtkapazität Cl mit einem Referenz-Kondensator C2 in Serie geschaltet, so ergibt sich gemäß obiger Gleichung (1) bei der in Figur 1 gezeigten Verschaltung eine Messanordnung, mit welcher bei einer zwischen den Kondensatoren am Punkt P angelegten Spannungs- Messvorrichtung bei Drehung des Rotors 1 im Stator 2 qualitativ der in Figur 2C gezeigte Spannungsverlauf für die vier Drehpositionen erhalten wird, bei denen die Rotor-Elektroden 3 den Stator-Elektroden 4 gegenüberliegen, wobei die vier jeweils unterschiedlichen Spannungs-Pegel durch die vier unterschiedlich lang ausgebildeten Rotor-Elektroden 3 verursacht werden.
Figur 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei im Unterschied zu der in Figur 2A gezeigten Ausfuhrungsform eine weitere ringförmig um den Rotor 1 ausgebildete Elektrode 3d vorgesehen ist, der in Umfangsrichtung zueinander versetzt zwei Stator-Elektroden 4c und 4d gegenüberliegen. Durch diese zusätzlichen Elektroden 3d, 4c und 4d kann ein Referenz-Kondensator C2 als Reihenschaltung des Kondensators 4c, 3d mit dem Kondensator 3d, 4d ausgebildet werden, welcher mit dem durch die Stator-Elektroden 4a, 4b und den Rotor-Elektroden 3a bis 3c gebildeten Kondensator Cl wie in Figur 1 gezeigt in Serie geschaltet wird. Die in Figur 3 gezeigte Ausführungsform ermöglicht eine stabilere Messung aufgrund der geringeren Abhängigkeit der am Punkt P gemessenen Spannung von einer Abweichung des Rotors 1 bezüglich seiner koaxialen Lage zum Stator 2, d.h. falls sich zum Beispiel aufgrund einer Unregelmäßigkeit der Rotor 1 an die Stator-Elektroden 4a und 4b annähert erhöht sich nicht nur die mittels dieser Elektroden gebildete Kapazität Cl sondern auch die Kapazität des über die Stator-Elektroden 4c und 4d gebildeten Kondensators C2, so dass Messschwankungen verringert werden können.
Die Figuren 4A bis 4D zeigen schematisch eine Elektroden-Anordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung in vier unterschiedlichen um 90° zueinander gedrehten Positionen. Unterhalb der jeweiligen Drehpositionen sind die zugehörigen elektrischen Verschal- tungen der korrespondierenden durch die Elektroden gebildeten Kondensatoren gezeigt. Die in etwa halbringförmigen auf dem Rotor sich einander gegenüberliegenden Elektroden sind mit 0 und V gekennzeichnet, wobei die Elektrode 0 auf Erdpotential und die Elektrode V an einer Versorgungsspannung liegt. Aus Figur 4A ist ersichtlich, dass die am Stator angeordneten Elektroden A und B, welche um etwa 90° versetzt zueinander angeordnet sind, in einer ersten Drehposition des Rotors beide der Elektrode 0 gegenüberliegen und somit beide kapazitiv mit Masse-Potential gekoppelt sind. Demzufolge ergibt sich die unter der schematischen Rotor- Stator- Ansicht gezeigte elektrische Ersatzschaltung, wonach die mittels der Stator- Elektrode A und B gebildeten Kondensatoren beide einseitig an Masse liegen. Wird das an den Elektroden A und B anliegende Potential zum Beispiel mittels eines Komparators mit einer Referenzspannung verglichen, welche bevorzugt halb so groß ist wie das Potential der Elektrode V, so liegt an den beiden Stator-Elektroden A und B der binäre Wert 0 an. Wird der Rotor um 90° nach rechts gedreht, wie in Figur 4B gezeigt, so liegt die Stator-Elektrode B weiter auf 0 Potential, während die Stator-Elektrode A jetzt der Rotor-Elektrode V gegenüber liegt und kapazitiv mit dieser gekoppelt ist, so dass die Elektrode A auf einem höheren Potential liegt, schematisch gezeigt durch das elektrische Ersatzschaltbild. Unter Verwendung eines Komparators kann für die Stator-Elektrode A der binäre Wert 1 erhalten werden. Bei weiterer Drehung des Rotors um 90° ergibt sich die in Figur 4C gezeigte Anordnung, wobei die Stator- Elektroden A und B beide auf den binären Wert 1 gebracht werden. Figur 4D zeigt den Zustand bei weiterer Drehung des Rotors um 90°, so dass die Stator-Elektrode A wieder auf 0- Potential liegt, während die Stator-Elektrode B mit dem Potential der Rotor-Elektrode V gekoppelt ist. Demzufolge kann für jede der vier Drehpositionen aus den mittels der Stator- Elektroden A, B ermittelten binären Werte ein zweistelliger binärer Code = AB gebildet werden. Für einen Zustand, zum Beispiel der in Figur 4A gezeigten Drehposition, gibt es nur zwei gültige Nachbarzustände, nämlich die in den Figuren 4B und 4D gezeigten Zustände. Ein Zustands-Übergangs-Diagramm für die vier in Figur 4A bis 4D gezeigten Positionen ist in Figur 7 gezeigt. Die Pfeile stellen dabei die zulässigen Zustandsübergänge dar, so dass zum Beispiel bei Übergang von dem Zustand 00 in den Zustand 11 offensichtlich ein Fehler vorliegt, welcher detektiert werden kann. Wird der Rotor zum Beispiel mechanisch so ausgelegt, dass er jeweils nach einer Drehung um 90° verrastet, so können die in den Figuren 4A bis 4D gezeigten stabilen Zustände erhalten werden.
Die Figuren 5A und 5B zeigen eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei anders als bei der in Figur 4 gezeigten dritten Ausführungsform vier Stator-Elektroden A, B, A' und B' vorgesehen sind, welche jeweils um ungefähr 90° versetzt angeordnet. Werden die Elektroden A und A', sowie die Elektroden B und B' elektrisch miteinander verbunden, wie in den nebenstehenden elektrischen Ersatzschaltbildern gezeigt, so kann eine Kondensator-Brücken-Schaltung ausgebildet werden. Sind die Flächen der Elektroden A, B von den Flächen der Elektroden A', B' verschieden, so können die verschiedenen Drehpositionen des Rotors eindeutig detektiert werden. Wird der Rotor von der in Figur 5A gezeigten durch den Punkt P angedeuteten Position 1 um 90° nach rechts zur Position 2 gedreht, so ergibt sich bezüglich der Elektroden A, A' keine Veränderung der elektrischen Verschaltung. Jedoch tritt bezüglich der Elektroden B, B' eine Umpolung auf, welche gemessen werden kann bzw. mittels eines Komperators in ein Binärsignal umgesetzt werden kann.
Obwohl verschiedene Ausführungsformen einer Binärkodierang beispielhaft beschrieben wurden, wird angemerkt, dass eine Vielzahl weiterer Ausführungsformen der Erfindung denkbar sind, welche zum Beispiel einen mehrstelligen Code verwenden, wobei die Anzahl und Position der Rotor- und/oder Stator-Elektroden verändert werden kann.
Figur 6A zeigt eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei drei Rotor- Elektroden 3a, 3b, 3c vorgesehen sind und wobei die Elektroden jeweils ein ringförmiges E- lement aufweisen, welches den Stator-Elektroden 4e, 4f und 4g gegenüberliegt, während an den Elektroden 3a und 3c noch jeweils ein halbringförmiges Elektrodenelement vorgesehen ist, welches korrespondierenden halbringförmigen Elektrodenelementen der Elektrode 3b auf dem Rotor 1 gegenüberliegt, wobei die halbringförmigen Elektrodenelemente der Elektroden 3 a und 3 c eine unterschiedliche Länge aufweisen, korrespondierend zu den halbringförmigen Elektrodenelementen der Elektrode 3b. Entsprechend diesen unterschiedlichen Längen sind am Stator die Elektrodenpaare 4a, 4b, und 4c, 4d vorgesehen, welche in axialer Richtung voneinander versetzt sind, wobei die Elektroden 4a, 4b und 4c, 4d um jeweils circa 90° voneinander gedreht angeordnet sind. Mittels der Elektroden 4e, 4f und 4g kann bei jeder Drehposition des Rotors 1 kontinuierlich eine Spannung in die Rotor-Elektroden 3 a, 3b und 3 c eingekoppelt werden. Die Stator-Elektroden 4a, 4b, und 4c, 4d können zur Messung der Drehposition des Rotors 1 ermittelt werden, da diesen Elektroden in Abhängigkeit von der Drehposition jeweils die bevorzugt unterschiedlich gepolten halbringförmigen Elemente der jeweiligen Rotor-Elektroden gegenüberliegen. Die in Figur 6A gezeigte Vorrichtung ist durch die große Flächenüberlappung der Elektroden besonders vorteilhaft, da hierdurch starke kapazitive Kopplungen ermöglicht werden können, was zu einer größeren Signalstärke führt. Wie aus der schematischen Anordnung von Figur 6B ersichtlich, sind die äußeren Rotor-Elektroden 3 a und 3 c mittels der Stator-Elektroden 4e und 4g mit Masse-Potential gekoppelt, während die Rotor-Elektrode 3b über Stator-Elektrode 4f mit einer Versorgungsspannung gekoppelt ist. Bei der in Figur 6A gezeigten Anordnung sind zur Vereinfachung die Elektroden 4a, 4c, 4b, 4d mit A, A', B und B' bezeichnet. Die Rotor-Elektroden 3a, 3b und 3c sind so angeordnet, dass die Stator-Elektroden A und A' einerseits, sowie B und B' andererseits jeweils entgegengesetzt gepolten Rotor-Elektroden gegenüber liegen. Eine Rotordrehung kann wiederum durch Messen bzw. Umwandeln der Potentiale an den Stator-Elektroden A, A', B und B' erkannt werden.
Figur 8 zeigt eine erste Ausführungsform eines anderen Aspekts der vorliegenden Erfindung zur Detektion der Längsbewegung eines verschiebbaren Elements, z.B. eines Rotors bzw. einer Gewindestange. Üblicherweise wird bei einem Pen eine abzugebende Dosis zunächst mittels einer Drehbewegung eingestellt, welche wie oben beschrieben detektiert werden kann, woraufhin die eingestellte Dosis mittels einer axialen bzw. Längsbewegung durch Druck auf den Dosierknopf D abgegeben wird. Erfindungsgemäß ist der Dosierknopf D mit einer Spiralfeder S verbunden, welche auf den Kraftsensor K drückt. Aus der mit dem Kraftsensor K gemessenen Kraft kann auf den mit dem Dosierknopf in der durch den Pfeil gezeigten Bewegungsrichtung zurückgelegten Weg geschlossen werden, wobei die Kraft umso größer ist, je weiter der Knopf gedrückt wird. Hierzu kann zum Beispiel eine vom Kraftsensor K gemessene Kraft F in eine Spannung U umgesetzt werden, welche mittels eines Komperators mit einem Referenzwert verglichen wird. Wird festgestellt, dass ein bestimmter Grenzwert durch die mittels des Kraftsensors K gemessene Kraft F nicht überschritten wird, so kann ein Warnsignal ausgegeben werden, welches anzeigt, dass die eingestellte Dosis nicht oder nicht vollständig abgegeben wurde.
Figur 9 zeigt eine Alternative der in Figur 8 gezeigten Ausführungsform, wobei parallel zum Dosierknopf D oder der Gewindestange G verlaufend ein elektrischer Widerstand R angeordnet ist, welcher zum Beispiel auf der Innenseite einer Gehäuseschale angeordnet sein kann. Eine mit der Gewindestange G oder dem Dosierknopf D verbundene Abgriffelektrode E wird bei einer Längsbewegung entlang des Widerstandes R verschoben. Wird das Potential der Abgriffelektrode E in Bezug auf einen der Endpunkte des Widerstandes R gemessen, so kann aus diesem Potential die absolute Position des Dosierknopfes bzw. der Gewindestange ermittelt werden, was einen Rückschluss auf die abgegebene Medikamentenmenge erlaubt.
Allgemein kann mit den in Figur 8 und 9 gezeigten Ausführungsformen eine Aussage über tatsächliche Abgabemengen gemacht werden. Dabei kann z.B. ein Warnsignal ausgegeben werden, falls eine eingestellte Dosis nicht vollständig abgegeben wurde und/oder eine tatsächlich abgegebene Dosis ermittelt werden, um die noch fehlende Menge bei einem weiteren Verabreichungsvorgang abzugeben.

Claims

PositionsdetektionPatentansprüche
1. Vorrichtung zum Detektieren der Position eines Rotors (1) relativ zu einem Stator (2), wobei mindestens eine Elektrode (3) auf dem Rotor (1) und mindestens eine Elektrode (4) auf dem Stator (2) so angeordnet ist, dass die Elektroden (3, 4) bei mindestens einer Drehposition des Rotors (1) relativ zum Stator (2) zumindest teilweise überlappen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei mindestens zwei Elektroden (4a, 4b) auf dem Stator (2) angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens ein Referenzkondensator vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Referenzkondensator durch mindestens eine Rotor-Elektrode (3d) und mindestens eine Stator-Elektrode (4c, 4d) gebildet wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Referenzkondensator mit mindestens einer Stator-Elektrode (4a, 4b) verbunden ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Spannungsmessvorrichtung und/oder ein Komparator mit einer Rotor-Elektrode (3) und/oder einer Stator- Elektrode (4) und/oder einem Referenzkondensator verbunden ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwei, drei, vier oder mehr Elektroden auf dem Rotor (1) und/oder auf dem Stator (2) vorgesehen sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Rotor- und/oder Stator-Elektroden einzeln oder paarweise eine voneinander verschiedene Geometrie, insbesondere eine unterschiedliche Fläche aufweisen.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine Rotor- Elektrode (3) und/oder mindestens eine Stator-Elektrode (4) einen ringförmigen Abschnitt aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei auf dem Rotor (1) und/oder Stator (2) mindestens eine Elektrode vorgesehen ist, welche dem ringförmigen Elektrodenbereich der Statoroder Rotor-Elektrode gegenüberliegt.
11. Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Rotor-Elektrode (3) und/oder die Stator-Elektrode (4) einen teilringförmigen Bereich aufweist.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rotor-Elektroden (3) und die Stator-Elektroden (4) so angeordnet sind, dass bei einer Drehung des Rotors (1) relativ zum Stator (2) mit einem vorgegebenen Winkel eine Umpolung mindestens einer Rotor-Elektrode (3) und/oder Stator-Elektrode (4) stattfinden kann.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine Rastposition des Rotors (1) im Stator (2) vorgesehen ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei der Drehwinkel zwischen zwei Rastpositionen so groß ist, dass mindestens eine der Rotor-Elektroden (3) und/oder Stator-Elektroden (4) umgepolt werden kann.
15. Vorrichtung zum Detektieren der axialen Verschiebung eines verschiebbaren Elements (1; D, G) mit einer Messvorrichtung (K; E, R), welche die Position des verschiebbaren Elements (1; D, G) detektieren kann.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Messvorrichtung ein Druck- oder Kraftsensor (K) ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Messvorrichtung ein oder mehrere Schleifringe oder ein variabler Widerstand (R) mit Abgriffelektrode (E) ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Messvorrichtung mindestens eine Elektrode aufweist, bei welcher die kapazitive Kopplung zu einer Gegenelektrode bei einer Verschiebung geändert wird.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei eine Verrastung des verschiebbaren Elements (1; G, D) in mindestens einer Position vorgesehen ist.
20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine Elektrode (3, 4; E) aus leitendem Kunststoff ist.
21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung ein Infusionsgerät oder ein Injektionsgerät ist.
22. Verfahren zum Messen der Drehposition eines Rotors (1) mit mindestens einer Elektrode (3) relativ zu einem Stator (2) mit mindestens einer Elektrode (4), wobei die Drehposition durch die kapazitive Kopplung der Rotor-Elektrode (3) mit der Stator-Elektrode (4) detek- tiert wird.
23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei der Grad der kapazitiven Kopplung der Rotor- Elektrode (3) mit der Stator-Elektrode (4) durch eine Spannungsmessung ermittelt wird.
24. Verfahren nach Anspruch 22, wobei der Grad der kapazitiven Kopplung zwischen Rotor- Elektrode (3) und Stator-Elektrode (4) durch eine Strommessung erfolgt.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, wobei eine Spitzenwertdetektion durchgeführt wird, um ein binäres Messsignal zu erhalten.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25, wobei eine Fehlererkennung und/oder eine Fehlerkorrektur anhand der gemessenen Werte erfolgt.
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