WO2003089877A1 - Capacitive inclination device comprising a pendulum - Google Patents

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WO2003089877A1
WO2003089877A1 PCT/EP2003/001918 EP0301918W WO03089877A1 WO 2003089877 A1 WO2003089877 A1 WO 2003089877A1 EP 0301918 W EP0301918 W EP 0301918W WO 03089877 A1 WO03089877 A1 WO 03089877A1
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pendulum
base
capacitor electrode
inclination
electrode
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PCT/EP2003/001918
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Heinz KÜCK
Daniel Warkentin
Daniel Benz
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Hahn-Schickard-Gesellschaft Für Angewandte Forschung E. V.
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    • G01C9/00—Measuring inclination, e.g. by clinometers, by levels
    • G01C9/12—Measuring inclination, e.g. by clinometers, by levels by using a single pendulum plumb lines G01C15/10
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C9/00—Measuring inclination, e.g. by clinometers, by levels
    • G01C9/02—Details
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    • G01C9/06—Electric or photoelectric indication or reading means
    • G01C2009/062—Electric or photoelectric indication or reading means capacitive

Definitions

  • the present invention relates to inclination devices and in particular to inclination sensors or inclination actuators with a pendulum.
  • inclination sensors can be used for a variety of household, industrial and research applications. Examples of this are rollover sensors in motor vehicles, monitoring sensors for alarm systems in vehicles and buildings, position sensors for automated machines, irons, washing machines, etc.
  • inclination sensors are known, the mode of operation of which is based on various principles. For example, inclination sensors are known in order to carry out a capacitance measurement in the event of a change due to inclination.
  • DE 35 45 630 C2 describes, for example, an acceleration and inclination sensor in which a magnetic material is arranged on a flat surface which is divided into four capacitor plate sectors, the magnetic material no longer lying in the middle of the flat surface depending on the inclination, but shifts and deforms in the direction of the incline, so that capacitance changes occur, which are formed by two of the four capacitor plates.
  • Additional inclination sensors carry out a capacitance measurement when there is a change in an area covered by a dielectric.
  • inclination sensors which carry out thermal detection of the inclination by means of a temperature difference (convection) which arises when the inclination is tilted.
  • Other Tilt sensors measure a liquid's slope-dependent conductivity as its height varies. This principle is also referred to as the conductometric principle.
  • Still other inclination sensors detect a tilt by measuring a mechanical tension resulting therefrom. This principle is also called the piezoresistive principle.
  • Still other inclination sensors perform an optical measurement of the inclination by refraction or reflection at interfaces.
  • DE 4106932 AI discloses an inclination sensor with a closed sensor interior.
  • the seismic mass is formed from two sectors of a circle, the seismic mass having a side face which extends away from a suspension of the seismic mass and has an end face.
  • the upper end face is opposite an electrode with a circular cross-section, which is firmly connected to the housing.
  • the face of the lower circular sector of the pendulum, i.e. H. the seismic mass is opposite two electrodes which are also shaped like a sector of a circle.
  • a capacitor is therefore formed by an end face of the rotor as the first capacitor electrode and an arc-shaped electrode opposite the end face as the second capacitor electrode.
  • a disadvantage of this inclination sensor is the fact that, in order to achieve a high capacitance value, either the stood the end face to the fixed electrode must be chosen very small, or that the end face must be chosen very large. If the distance is made very small in order to obtain a high capacitance, the requirements for mechanical accuracy both with regard to the fixed electrodes and with respect to the pendulum increase so that the end face does not touch the fixed electrode in the event of mechanical deviations from the ideal value. This leads to an increase in the price of the inclination sensor due to the high accuracy required during manufacture. If, on the other hand, the end face is enlarged in terms of area and thus also the fixed capacitor electrode, an inclination sensor with a large size, ie with a large volume, results. This also results in increased costs for the inclination sensor.
  • EP 0 981 052 A2 discloses a semiconductor accelerometer switch and a method of manufacturing the same.
  • the accelerometer switch includes a silicon frame that is disposed on a base.
  • the base includes a support section that is attached to the base.
  • a movable bar is connected at one end to the support section.
  • a mass is attached to the other end of the movable beam. Depending on an acceleration exerted on the mass, the bar bends in order to achieve a short circuit between an electrode attached to the bar and a fixed electrode at a certain acceleration.
  • the object of the present invention is to provide a tilting device which can be produced inexpensively and yet has sufficient sensitivity. This object is achieved by a tilting device according to claim 1.
  • the present invention is based on the finding that the capacitance between a pendulum capacitor electrode connected to the pendulum and a base capacitor electrode connected to a base can be increased in that the pendulum capacitor electrode does not form a detection capacitance with respect to its end face, but rather with regard to its side, which extends away from the storage.
  • This makes it possible to use the seismic mass that is required for a pendulum, which takes up a certain size, for the detection capacitor, which means that a higher capacitance per volume can be achieved than with an inclination sensor, in which the face of a pendulum acts as a capacitor electrode.
  • the tilt device can be operated not as a tilt sensor, but also as a tilt actuator in order to consciously deflect the pendulum by means of electrostatic attractive forces in order to achieve mechanical actuation of any kind.
  • the mechanical movement could take place for the purpose of a functional test.
  • Another advantage of the present invention is that due to the sufficient capacity, a "part" of the capacity can be “sacrificed” for a current sensor position detection in order to create a compensated tilt sensor in which the pendulum is always controlled in this way is that it remains in its reference position as far as possible, and then the electrical voltage applied between the capacitor electrodes is a measure of the inclination.
  • Such a compensated sensor has (although the circuit complexity is higher) the advantage that the measuring range, that is to say the maximum “deflection” of the sensor, is not mechanically limited, but is only limited electrically, that is to say by the maximum electrostatic force that can be applied to the sensor, ie electrical voltage.
  • Another advantage of the present invention is that if advantageously several interlocking fixed and movable electrodes are designed in the form of two interlocking "electrode combs" in order to achieve the greatest possible capacity, both the base and the pendulum are suitable for plastic injection molding production.
  • plastic injection molding production less complicated molds are expensive, but rather tight mechanical tolerances, as are known from silicon technology.
  • the possible mold variability is great.
  • the "electrical wiring" is too inexpensive create, since, for example, capacitor electrodes can also easily be metallized selectively and supply lines can also be applied directly to the plastic as selective metallization.
  • FIG. 1 shows a tilting device according to a first exemplary embodiment of the present invention
  • Fig. 2 shows a base of the inclination device of Fig. 1; 3 shows a pendulum device of the inclination device from FIG. 1;
  • FIG. 4 shows a tilting device according to an exemplary embodiment of the invention, in which the pendulum device can be produced from a non-conductive or dielectric material;
  • FIG. 5 shows a tilting device according to a further exemplary embodiment of the present invention, in which the pendulum device does not have to be contacted;
  • 6a and 6b show a schematic representation or an electrical equivalent circuit diagram of a
  • 9a and 9b an alternative preferred suspension in the form of a cutting edge bearing with a rocker on the pendulum device.
  • FIG. 1 shows a tilting device according to the invention with a base 20 which has a suspension 24, on which a pendulum device 10 is suspended, in order to be able to rotate about an axis of rotation 30 with respect to the base 20.
  • the pendulum device 10 can thus be deflected with respect to the base 20 depending on an inclination of the base 20 about the axis 30.
  • the pendulum will turn when the tilt device is operated in a gravitational field, always align parallel to the gravitational field, since the center of gravity of the pendulum device does not coincide with the suspension point.
  • the pendulum device 10 comprises a flat pendulum capacitor electrode 12, which is designed to follow a deflection of the pendulum device with respect to the base, i. H. which is mechanically fixed to the pendulum device 10.
  • the pendulum capacitor electrode 12 forms part of the pendulum, which acts as a seismic mass.
  • the pendulum capacitor electrode is also designed in such a way that it has a lateral side 12a which extends away from the suspension 24 and an end side 12b.
  • a flat base capacitor electrode 22 which stands up from the base in the exemplary embodiment shown in FIG. 1 and, as can be seen from FIG. 1, is laterally opposite the pendulum capacitor electrode, so that a The area of overlap between the pendulum capacitor electrode and the base capacitor electrode results, which varies depending on a deflection of the pendulum with respect to the base due to an inclination about the inclination axis 30.
  • pendulum capacitor electrode and a base capacitor electrode are already sufficient to capacitively detect the inclination of the pendulum with respect to the base around the inclination axis 30, it is preferred to use a plurality of pendulum capacitor electrodes, preferably arranged in parallel, and at the same time a multiplicity of base capacitor electrodes likewise arranged essentially in parallel, which are arranged in the form of two interdigitated combs, as shown in FIG. 1.
  • the individual capacitances formed in this way are connected in parallel to one another, so that ne deflection of the pendulum results in a change in capacitance which is a multiple of a change in capacitance if only one pendulum capacitor electrode and only one base capacitor electrode are present.
  • Fig. 2 shows an illustration of the base without the pendulum device.
  • the base is designed in such a way that there are two partial capacitor electrodes which are electrically insulated from one another, namely the partial capacitor electrode 22 and a further partial capacitor electrode 23.
  • FIG. 3 Analogously to this, a matching pendulum device 10 is shown in FIG. 3, which likewise has two partial capacitor electrodes 12 and 13, which in the simplest case are electrically connected. A difference detection of the inclination of the pendulum with respect to the base is thus possible in order to further improve the resolution and sensitivity of the inclination device.
  • the electrode arrangement described above can also be carried out in such a way that the capacitor sub-electrodes 12 and 13 of the pendulum device are electrically insulated from one another and form two capacitors with the capacitor sub-electrodes 22 and 23 of the base 20, which also detect the difference in the inclination of the pendulum with respect to the Enable base.
  • FIG. 2 and FIG. 3 A comparison of FIG. 2 and FIG. 3 shows that the two partial pendulum capacitor electrodes are formed with a tapered end, while the corresponding partial base capacitor electrodes are formed as standing plates with an upper boundary that slopes away from the inside are. If the pendulum moves with respect to the base such that the right pendulum partial capacitor electrode 12 rotates to the right with respect to the base (refer to FIG. 3), the capacitance due to the partial electrode 12 increases, while the capacitance due to the partial electrode 13 decreases. On the other hand, if the pendulum rotates in the other direction with respect to the base, the capacitance due to the sub-electrode 12 decreases, while the capacitance due to the other sub-electrode 13 increases. The direction of rotation can thus be determined by separately detecting these two capacities.
  • the opposing capacitor electrodes are formed in such a way that the capacitance between them is minimal in a reference position.
  • the capacity increases with a deflection from the reference position from the minimum capacity.
  • applying a voltage between the two capacitor electrodes will result in the pendulum being deflected with respect to the base, so that the inclination device can be operated as an actuator.
  • the pendulum device 10 and the base 20 can be contacted on the other hand.
  • the pendulum does not have to be contacted, but contacting the base alone is sufficient.
  • the schematic structure of this embodiment is shown in FIG. 4.
  • the magnitude of the voltage applied is a measure of the inclination
  • the position of the pendulum with respect to the base must be monitored as the actual variable of the control, for this another pair of pendulum capacitor electrode and base capacitor electrode can be used, such as at the rear end of the sensor of FIG , are used.
  • the inclination sensor according to the invention measures the inclination of the base to the gravitational field with respect to the axis 30 by means of the pendulum 10.
  • the tilting of the pendulum with respect to the housing is capacitively read out by the laterally opposite capacitor electrodes.
  • the inclination sensor according to the invention is advantageous in that a construction from a few components is possible due to the underlying operating principle and the resulting shape. Due to this uncomplicated sensor design, the two components shown in FIGS. 2 and 3 can be manufactured cost-effectively on the basis of selectively metallized plastic by means of plastic injection molding technology.
  • the base comprises two bearing points 26, 27 in order to hold the pendulum at corresponding bearing points 29 and 28, respectively.
  • the pendulum including the pendulum capacitor electrodes, is designed as an asymmetrical rotor so that the center of gravity of the pendulum is outside the axis of rotation. This ensures that the pendulum orients itself when the housing is inclined relative to the gravitational field, when the center of gravity is at the lowest position the inclination device according to the invention is operated as an inclination sensor.
  • a capacitor electrode on the base and a capacitor electrode on the pendulum form a capacitor, the intermeshing comb structure causing many such capacitors to increase the sensitivity - be formed.
  • the capacitances formed by the partial electrodes 12 and 22 or 13 and 23 change in inclination in opposite directions to one another.
  • the basic capacitor equation can be used for this.
  • ⁇ o is the electrical field constant
  • ⁇ r is the dielectric constant
  • A is the area covered by the electrodes, ie the area of the overlap area
  • d is the distance between the capacitor plates between the pendulum and the base.
  • the measurement and further processing of the sensor signals can be carried out, for example, by means of a circuit shown in FIG. 7, which will be discussed later.
  • the difference between the two capacitances is detected and converted into a voltage.
  • the differential capacitance when tilted by an angle ⁇ about the tilt axis 30 results from the following equation:
  • ⁇ C 2 ⁇ 0 ⁇
  • ⁇ A ( ⁇ ) is the change in the area of the overlap region, which is dependent on the angle of inclination, between the base capacitor electrodes and the pendulum capacitor electrodes.
  • the pendulum 10 in turn comprises a flat pendulum capacitor electrode 43, which has at least one conductive surface and is rotatably held with respect to the base 20 by means of a suspension axis 44. It should be noted that an exploded view is shown in FIG. 5. In operation, the axis 44 will be received in a bore 45 with low friction. 5 is that energy is coupled into the flat pendulum electrode 43 by means of the semicircular sector electrode 42, a measurement signal depending on the rotation of the pendulum 10 being obtained by contacting the two quarter-circular sector electrodes 41 and 40.
  • this circuit arrangement is shown as a series connection between a first capacitance between the electrode 41 and the electrode 43, followed by a series connection between the electrode 43 and the second quarter-circular sector electrode 40.
  • This exemplary embodiment has the advantage that only the Basis must be contacted, but that no contact must be made with the pendulum. The only requirement is that the pendulum is electrically conductive or at least an electrically conductive surface design in that energy can be coupled into the same through the electrode 42.
  • FIGS. 6a and 6b Another possibility for coupling the energy into the pendulum device without direct contacting is shown schematically in FIGS. 6a and 6b.
  • the base partial electrodes 22 and 23 shown in FIG. 6a and the electrodes of the pendulum device are connected as shown in FIG. 6b.
  • the second capacitor electrode 60 for all four individual capacitances C 3 , C 4 , C 5 and C 6 is the pendulum device, which in this exemplary embodiment is either formed continuously from a conductive material (e.g. metal or conductive plastic) or by a conductive material is coated accordingly.
  • a conductive material e.g. metal or conductive plastic
  • the resolution of the sensor depends on the smallest measurable capacity of the electronics used and results from the following equation:
  • ctmin is the smallest angle to be resolved, ⁇ C max ⁇ the differential capacitance when the measuring range O max of the sensor has been exhausted and C min the minimum detectable change in capacitance of the electronics.
  • FIG. 7 A possible electronic arrangement for reading out, for example, the sensor from FIG. 1 is shown in FIG. 7.
  • the two partial capacitances C x0 and C ' x o are each changed by ⁇ capacitance amounts when the pendulum is deflected with respect to the base, which preferably have an opposite sign, although this is not essential.
  • Signals of the pendulum or the two sub-electrodes 12 and 13 of the pendulum which are electrically insulated from one another are fed into two corresponding operational amplifiers which are fed back in order to act as a charge amplifier.
  • the output signals of the fed-back charge amplifier circuits are each fed to a demodulator circuit, in order to then ultimately be fed into an instrument amplifier OP, which supplies an output signal V out which depends on the inclination of the pendulum with respect to the base.
  • the pendulum is preferably mounted on the base by means of a cutting edge bearing.
  • Cutting edge bearings include a seesaw on the one hand and a cutting edge on the other.
  • 8a shows the base suspension in such a way that it is designed as a rocker with two surfaces intersecting at an angle, the corresponding cutting edge 28 of the pendulum being shown in FIG. 8b.
  • the rocker can also be designed as an “inverted” rocker, and the “cutting edge” can also be made with a radius, as shown in FIG. 9b. It should also be pointed out that both the rocker and the cutting edge can be realized on the pendulum side or on the housing side.
  • a suitable liquid can also be at least partially filled into a housing of the inclination device, which encloses both the base and the pendulum.
  • the buoyancy of the pendulum on the suspension is minimized by the buoyancy of the liquid.
  • the damping of the pendulum can also be set by the liquid.
  • the change in capacitance and thus the sensitivity is increased by the action of a liquid as a dielectric with a dielectric constant greater than air.
  • the movement of the pendulum can be reconstructed using electronics that are able to measure the rate of change of the capacitance.
  • This reconstruction of the movement profile is used to carry out an interpolation with algorithms stored in a memory in order to increase the resolution compared to a measurement in which only capacitance values are recorded without changes in time.

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Abstract

The invention relates to an inclination device comprising a base (20) provided with a suspension element (24), a pendulum device (10) which is suspended on the suspension element (24) so that the pendulum device can be displaced dependent on the inclination in relation to the base. At least one flat pendulum capacitor electrode (12, 13) is provided for detecting the capacity on the pendulum device and the base comprises at least one flat base capacitor electrode (22). The capacitor electrodes are arranged in relation to each other in such a manner that they are laterally opposite each other so that a lateral overlapping area is formed between the two capacitor electrodes, said area varying according to a deflection of the pendulum in relation to the base according to inclination. On the basis of laterally opposite base capacitor electrode and the pendulum capacitor electrode, an inclination sensor having a larger detection capacity per volume unit can be produced.

Description

kapazitive neig ngsvorric tung mit einem pendel capacitive tilt device with a pendulum
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Neigungsvorrichtungen und insbesondere auf Neigungssensoren oder Neigungsaktoren mit einem Pendel.The present invention relates to inclination devices and in particular to inclination sensors or inclination actuators with a pendulum.
Allgemein können Neigungssensoren für eine Vielzahl von Anwendungen aus den Bereichen Haushalt, Industrie und Forschung eingesetzt werden. Beispiele hierfür sind Überschlagssensoren in Kraftfahrzeugen, Überwachungssensoren von Alarmanlagen in Fahrzeugen und Gebäuden, Positionssensoren für automatisierte Maschinen, Bügeleisen, Waschmaschinen etc. Im Stand der Technik sind Neigungssensoren bekannt, deren Wirkungsweisen auf verschiedenen Prinzipien basieren. So sind beispielsweise Neigungssensoren bekannt, um eine Kapazitätsmessung bei neigungsbedingter Änderung durchzuführen .In general, inclination sensors can be used for a variety of household, industrial and research applications. Examples of this are rollover sensors in motor vehicles, monitoring sensors for alarm systems in vehicles and buildings, position sensors for automated machines, irons, washing machines, etc. In the prior art, inclination sensors are known, the mode of operation of which is based on various principles. For example, inclination sensors are known in order to carry out a capacitance measurement in the event of a change due to inclination.
Die DE 35 45 630 C2 beschreibt beispielsweise einen Beschleunigungs- und Neigungssensor, bei dem ein magnetisches Material auf einer ebenen Fläche angeordnet ist, die in vier Kondensatorplattensektoren aufgeteilt ist, wobei je nach Neigung das magnetische Material nicht mehr in der Mitte der ebenen Fläche liegt, sondern sich in Richtung der Neigung verschiebt und verformt, so daß sich Kapazitätsänderungen von Kondensatoren ergeben, die durch jeweils zwei der vier Kondensatorplatten gebildet werden.DE 35 45 630 C2 describes, for example, an acceleration and inclination sensor in which a magnetic material is arranged on a flat surface which is divided into four capacitor plate sectors, the magnetic material no longer lying in the middle of the flat surface depending on the inclination, but shifts and deforms in the direction of the incline, so that capacitance changes occur, which are formed by two of the four capacitor plates.
Weitere Neigungssensoren führen eine Kapazitätsmessung bei neigungsbedingter Änderung einer durch ein Dielektrikum ü- berdeckten Fläche durch.Additional inclination sensors carry out a capacitance measurement when there is a change in an area covered by a dielectric.
Ferner existieren Neigungssensoren, die eine thermische De- tektion der Neigung durch eine bei einer Verkippung entstehende Temperaturdifferenz (Konvektion) durchführen. Andere Neigungssensoren messen wiederum eine neigungsabhängige Leitfähigkeit einer Flüssigkeit bei deren Höhenvariation. Dieses Prinzip wird auch als konduktometrisches Prinzip bezeichnet.There are also inclination sensors which carry out thermal detection of the inclination by means of a temperature difference (convection) which arises when the inclination is tilted. Other Tilt sensors, in turn, measure a liquid's slope-dependent conductivity as its height varies. This principle is also referred to as the conductometric principle.
Wieder andere Neigungssensoren detektieren eine Verkippung durch Messung einer hieraus resultierenden mechanischen Spannung. Dieses Prinzip wird auch als piezoresistives Prinzip bezeichnet.Still other inclination sensors detect a tilt by measuring a mechanical tension resulting therefrom. This principle is also called the piezoresistive principle.
Wieder anderen Neigungssensoren führen eine optische Messung der Neigung durch Brechung bzw. Reflexion an Grenzflächen statt.Still other inclination sensors perform an optical measurement of the inclination by refraction or reflection at interfaces.
Schließlich existieren auch Neigungssensoren, die eine Neigungsmessung durch Änderung der Induktivität einer Spule bei Lageänderung eines Ferrofluids durchführen.Finally, there are also inclination sensors which carry out an inclination measurement by changing the inductance of a coil when the position of a ferrofluid changes.
Die DE 4106932 AI offenbart einen Neigungssensor mit einem abgeschlossenen Sensorinnenraum. Die seismische Masse ist aus zwei Kreissektoren gebildet, wobei die seismische Masse eine Seitenfläche hat, die sich von einer Aufhängung der seismischen Masse weg erstreckt und eine Stirnfläche hat. Insbesondere sind eine erste Stirnfläche eines oberen Kreissektors und eine untere Stirnfläche eines unteren Kreissektors vorhanden. Die obere Stirnfläche liegt einer im Querschnitt kreisbogenförmigen Elektrode gegenüber, die mit dem Gehäuse fest verbunden ist. Die Stirnfläche des unteren Kreissektors des Pendels, d. h. der seismischen Mas- se, liegt zwei ebenfalls kreissektorförmigen Elektroden gegenüber. Ein Kondensator wird daher bei dem bekannten Neigungssensor durch eine Stirnfläche des Rotors als erste Kondensatorelektrode und eine der Stirnfläche gegenüberliegende kreisbogenförmige Elektrode als zweite Kondensator- elektrode gebildet.DE 4106932 AI discloses an inclination sensor with a closed sensor interior. The seismic mass is formed from two sectors of a circle, the seismic mass having a side face which extends away from a suspension of the seismic mass and has an end face. In particular, there is a first end face of an upper circular sector and a lower end face of a lower circular sector. The upper end face is opposite an electrode with a circular cross-section, which is firmly connected to the housing. The face of the lower circular sector of the pendulum, i.e. H. the seismic mass is opposite two electrodes which are also shaped like a sector of a circle. In the known inclination sensor, a capacitor is therefore formed by an end face of the rotor as the first capacitor electrode and an arc-shaped electrode opposite the end face as the second capacitor electrode.
Nachteilig an diesem Neigungssensor ist die Tatsache, daß zum Erreichen eines hohen Kapazitätswerts entweder der Ab- stand der Stirnfläche zu der festen Elektrode sehr klein gewählt werden muß, oder daß die Stirnfläche sehr groß gewählt werden muß. Wird der Abstand sehr klein gemacht, um eine hohe Kapazität zu erhalten, so nehmen die Anforderun- gen an die mechanische Genauigkeit sowohl bezüglich der festen Elektroden als auch bezüglich des Pendels zu, damit die Stirnfläche nicht die feste Elektrode bei mechanischen Abweichungen vom Idealwert berührt. Dies führt zu einem Preisanstieg des Neigungssensors aufgrund der geforderten hohen Genauigkeit bei der Herstellung. Wird dagegen die Stirnfläche flächenmäßig vergrößert und damit auch die feste Kondensatorelektrode, so ergibt sich ein Neigungssensor mit großer Baugröße, d. h. mit einem großen Volumen. Auch dies resultiert in erhöhten Kosten für den Neigungssensor.A disadvantage of this inclination sensor is the fact that, in order to achieve a high capacitance value, either the stood the end face to the fixed electrode must be chosen very small, or that the end face must be chosen very large. If the distance is made very small in order to obtain a high capacitance, the requirements for mechanical accuracy both with regard to the fixed electrodes and with respect to the pendulum increase so that the end face does not touch the fixed electrode in the event of mechanical deviations from the ideal value. This leads to an increase in the price of the inclination sensor due to the high accuracy required during manufacture. If, on the other hand, the end face is enlarged in terms of area and thus also the fixed capacitor electrode, an inclination sensor with a large size, ie with a large volume, results. This also results in increased costs for the inclination sensor.
Andererseits ist eine neigungsabhängige Kapazität nötig, um eine gute Sensorempfindlichkeit zu erreichen, damit sich bei einer Auslenkung des Rotors bezüglich des Gehäuses eine große Kapazitätsvariation ergibt.On the other hand, an inclination-dependent capacitance is necessary in order to achieve good sensor sensitivity so that there is a large capacitance variation when the rotor is deflected with respect to the housing.
Die EP 0 981 052 A2 offenbart einen Halbleiter- Beschleunigungsmesser-Schalter und ein Verfahren zum Herstellen desselben. Der Beschleunigungsmesser-Schalter umfasst einen Siliziumrahmen, der auf einer Basis angeordnet ist. Die Basis umfasst einen Trägerabschnitt, der an der Basis befestigt ist. Ein bewegbarer Balken ist an einem Ende mit dem Trägerabschnitt verbunden. An dem anderen Ende des bewegbaren Balkens ist eine Masse angebracht. Abhängig von einer auf die Masse ausgeübten Beschleunigung biegt sich der Balken, um bei einer bestimmten Beschleunigung einen Kurzschluß zwischen einer an dem Balken befestigten E- lektrode und einer festen Elektrode zu erreichen.EP 0 981 052 A2 discloses a semiconductor accelerometer switch and a method of manufacturing the same. The accelerometer switch includes a silicon frame that is disposed on a base. The base includes a support section that is attached to the base. A movable bar is connected at one end to the support section. A mass is attached to the other end of the movable beam. Depending on an acceleration exerted on the mass, the bar bends in order to achieve a short circuit between an electrode attached to the bar and a fixed electrode at a certain acceleration.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Neigungsvorrichtung zu schaffen, die preisgünstig herstellbar ist und dennoch eine ausreichende Empfindlichkeit hat. Diese Aufgabe wird durch eine Neigungsvorrichtung nach Patentanspruch 1 gelöst.The object of the present invention is to provide a tilting device which can be produced inexpensively and yet has sufficient sensitivity. This object is achieved by a tilting device according to claim 1.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Kapazität zwischen einer mit dem Pendel verbundenen Pendel-Kondensatorelektrode und einer mit einer Basis verbundenen Basis-Kondensatorelektrode dadurch erhöht werden kann, daß die Pendel-Kondensatorelektrode nicht hinsichtlich ihrer Stirnseite eine Erfassungskapazität bildet, son- dern hinsichtlich ihrer seitlichen Seite, die sich von der Lagerung weg erstreckt. Damit ist es möglich, die ohnehin für ein Pendel nötige seismische Masse, die eine bestimmte Größe einnimmt, auch für den Erfassungskondensator auszunützen, wodurch eine höhere Kapazität pro Volumen erreicht werden kann als bei einem Neigungssensor, bei dem die Stirnseite eines Pendels als Kondensatorelektrode fungiert.The present invention is based on the finding that the capacitance between a pendulum capacitor electrode connected to the pendulum and a base capacitor electrode connected to a base can be increased in that the pendulum capacitor electrode does not form a detection capacitance with respect to its end face, but rather with regard to its side, which extends away from the storage. This makes it possible to use the seismic mass that is required for a pendulum, which takes up a certain size, for the detection capacitor, which means that a higher capacitance per volume can be achieved than with an inclination sensor, in which the face of a pendulum acts as a capacitor electrode.
Durch Erhöhen der erreichbaren Kapazität pro Volumen der Neigungsvorrichtung ist es möglich, bei gleicher Sensoremp- findlichkeit einen kleineren Sensor herzustellen, bzw. bei gleicher Sensorgröße einen Sensor mit größeren erlaubten mechanischen Toleranzen und einer größeren Kapazität herzustellen, was insgesamt in einer Preisreduktion resultiert.By increasing the achievable capacity per volume of the inclination device, it is possible to produce a smaller sensor with the same sensor sensitivity, or to produce a sensor with larger permitted mechanical tolerances and a larger capacity with the same sensor size, which results overall in a price reduction.
Das Erreichen einer beträchtlichen Menge an Kapazität hat ferner den Vorteil, daß die Neigungsvorrichtung nicht als Neigungssensor, sondern auch als Neigungsaktor betrieben werden kann, um mittels elektrostatischer Anziehungskräfte das Pendel bewußt auszulenken, um eine mechanische Betäti- gung irgendwelcher Art zu erreichen. Insbesondere könnte die mechanische Bewegung zum Zwecke eines Funktionstests erfolgen.Achieving a considerable amount of capacity also has the advantage that the tilt device can be operated not as a tilt sensor, but also as a tilt actuator in order to consciously deflect the pendulum by means of electrostatic attractive forces in order to achieve mechanical actuation of any kind. In particular, the mechanical movement could take place for the purpose of a functional test.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß aufgrund der ausreichenden Kapazität ein „Teil" der Kapazität für eine aktuelle Sensorpositionserfassung „geopfert" werden kann, um einen kompensierten Neigungssensor zu schaffen, bei dem das Pendel immer so angesteuert wird, daß es möglichst in seiner Bezugsposition bleibt, und bei dem dann die zwischen den Kondensatorelektroden angelegte elektrische Spannung ein Maß für die Neigung ist. Ein solcher kompensierter Sensor hat (obgleich der Schaltungsaufwand höher ist), den Vorteil, daß der Meßbereich, also die maximale „Auslenkung" des Sensors nicht mechanisch begrenzt ist, sondern lediglich elektrisch begrenzt ist, also durch die maximal an den Sensor anlegbare elektrostatische Kraft, d. h. elektrische Spannung.Another advantage of the present invention is that due to the sufficient capacity, a "part" of the capacity can be "sacrificed" for a current sensor position detection in order to create a compensated tilt sensor in which the pendulum is always controlled in this way is that it remains in its reference position as far as possible, and then the electrical voltage applied between the capacitor electrodes is a measure of the inclination. Such a compensated sensor has (although the circuit complexity is higher) the advantage that the measuring range, that is to say the maximum “deflection” of the sensor, is not mechanically limited, but is only limited electrically, that is to say by the maximum electrostatic force that can be applied to the sensor, ie electrical voltage.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß, wenn vorteilhafterweise mehrere ineinandergreifende feste und bewegliche Elektroden in Form zweier ineinandergreifender „Elektrodenkämme" ausgeführt sind, um eine möglichst große Kapazität zu erreichen, sowohl die Basis als auch das Pendel für eine Kunststoffspritzgußfertigung geeignet sind. Bei der Kunststoffspritzgussherstellung sind weniger komplizierte Formen teuer, sondern eher enge mechanische Toleranzen, wie sie aus der Siliziumtechnik bekannt sind. Insbesondere bei aus Kunststoff gefertigten erfindungsgemäßen Neigungssensoren ist die mögliche Formenvariabilität groß. Ferner ist auf sehr preisgünstige Art und Weise die „elektrische Verdrahtung" zu erstellen, da beispielsweise Kondensatorelektroden ohne weiteres auch selek- tiv metallisiert werden können und Zuleitungen ebenfalls als selektive Metallisierung direkt auf den Kunststoff aufgebracht werden können.Another advantage of the present invention is that if advantageously several interlocking fixed and movable electrodes are designed in the form of two interlocking "electrode combs" in order to achieve the greatest possible capacity, both the base and the pendulum are suitable for plastic injection molding production. In plastic injection molding production, less complicated molds are expensive, but rather tight mechanical tolerances, as are known from silicon technology. In particular, in the case of tilt sensors according to the invention made of plastic, the possible mold variability is great. Furthermore, the "electrical wiring" is too inexpensive create, since, for example, capacitor electrodes can also easily be metallized selectively and supply lines can also be applied directly to the plastic as selective metallization.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the present invention are explained in detail below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 eine Neigungsvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;1 shows a tilting device according to a first exemplary embodiment of the present invention;
Fig. 2 eine Basis der Neigungsvorrichtung von Fig. 1; Fig. 3 eine Pendeleinrichtung der NeigungsVorrichtung von Fig. 1;Fig. 2 shows a base of the inclination device of Fig. 1; 3 shows a pendulum device of the inclination device from FIG. 1;
Fig. 4 eine Neigungsvorrichtung gemäß einem Ausführungs- beispiel der Erfindung, bei der die Pendeleinrichtung aus einem nicht leitenden bzw. dielektrischen Werkstoff herstellbar ist;4 shows a tilting device according to an exemplary embodiment of the invention, in which the pendulum device can be produced from a non-conductive or dielectric material;
Fig. 5 eine Neigungsvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem die Pendeleinrichtung nicht kontaktiert werden muß;5 shows a tilting device according to a further exemplary embodiment of the present invention, in which the pendulum device does not have to be contacted;
Fig. 6a und 6b eine schematische Darstellung bzw. ein e- lektrisches Ersatzschaltbild einer6a and 6b show a schematic representation or an electrical equivalent circuit diagram of a
Neigungseinrichtung gemäß einemInclination device according to one
Ausführungsbeispiel, bei dem keine unmittelbareEmbodiment in which no immediate
Kontaktierung der Pendeleinrichtung erfolgen muß;Contacting of the pendulum device must take place;
Fig. 7 eine bevorzugte elektronische Ausleseschaltung zum differenzmäßigen Erfassen einer Kapazitätsänderung;7 shows a preferred electronic read-out circuit for the differential detection of a change in capacitance;
Fig. 8a und 8b eine bevorzugte Aufhängung des Pendels auf der Basis in Form einer Schneidenlagerung mit einer Wippe an der Basis; und8a and 8b show a preferred suspension of the pendulum on the base in the form of a cutting edge bearing with a rocker on the base; and
Fig. 9a und 9b eine alternative bevorzugte Aufhängung in Form einer Schneidenlagerung mit einer Wippe an der Pendeleinrichtung.9a and 9b an alternative preferred suspension in the form of a cutting edge bearing with a rocker on the pendulum device.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Neigungsvorrichtung mit einer Basis 20, die eine Aufhängung 24 aufweist, an der eine Pendeleinrichtung 10 aufgehängt ist, um eine Drehung um eine Drehachse 30 bezüglich der Basis 20 ausführen zu können. Die Pendeleinrichtung 10 ist somit abhängig von einer Neigung der Basis 20 um die Achse 30 bezüglich der Basis 20 auslenkbar. Das Pendel wird sich, wenn die Neigungsvorrich- tung in einem Gravitationsfeld betrieben wird, immer parallel zum Gravitationsfeld ausrichten, da der Schwerpunkt der Pendeleinrichtung nicht mit dem Aufhängungspunkt zusammenfällt.1 shows a tilting device according to the invention with a base 20 which has a suspension 24, on which a pendulum device 10 is suspended, in order to be able to rotate about an axis of rotation 30 with respect to the base 20. The pendulum device 10 can thus be deflected with respect to the base 20 depending on an inclination of the base 20 about the axis 30. The pendulum will turn when the tilt device is operated in a gravitational field, always align parallel to the gravitational field, since the center of gravity of the pendulum device does not coincide with the suspension point.
Die Pendeleinrichtung 10 umfaßt eine flächige Pendel- Kondensatorelektrode 12, die ausgebildet ist, um einer Auslenkung der Pendeleinrichtung bezüglich der Basis zu folgen, d. h. die mit der Pendeleinrichtung 10 mechanisch fest verbunden ist. In anderen Worten ausgedrückt bildet die Pendel-Kondensatorelektrode 12 einen Teil des Pendels, das als seismische Masse wirkt. Die Pendel-Kondensatorelektrode ist ferner so ausgebildet, daß sie eine sich von der Aufhängung 24 weg erstreckende seitliche Seite 12a sowie eine Stirnseite 12b hat.The pendulum device 10 comprises a flat pendulum capacitor electrode 12, which is designed to follow a deflection of the pendulum device with respect to the base, i. H. which is mechanically fixed to the pendulum device 10. In other words, the pendulum capacitor electrode 12 forms part of the pendulum, which acts as a seismic mass. The pendulum capacitor electrode is also designed in such a way that it has a lateral side 12a which extends away from the suspension 24 and an end side 12b.
Mit der Basis 20 ist ferner eine flächige Basis- Kondensatorelektrode 22 verbunden, die von der Basis bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel nach oben steht und, wie es aus Fig. 1 ersichtlich ist, der Pendel- Kondensatorelektrode seitlich gegenüberliegt, so daß ein Überlappungsbereich zwischen der Pendel- Kondensatorelektrode und der Basis-Kondensatorelektrode resultiert, der abhängig von einer Auslenkung des Pendels be- züglich der Basis aufgrund einer Neigung um die Neigungsachse 30 variiert.Also connected to the base 20 is a flat base capacitor electrode 22 which stands up from the base in the exemplary embodiment shown in FIG. 1 and, as can be seen from FIG. 1, is laterally opposite the pendulum capacitor electrode, so that a The area of overlap between the pendulum capacitor electrode and the base capacitor electrode results, which varies depending on a deflection of the pendulum with respect to the base due to an inclination about the inclination axis 30.
Obgleich bereits eine Pendel-Kondensatorelektrode und eine Basis-Kondensatorelektrode ausreichend sind, um die Neigung des Pendels bezüglich der Basis um die Neigungsachse 30 kapazitiv zu erfassen, wird es bevorzugt, eine Vielzahl von vorzugsweise parallel angeordneten Pendel- Kondensatorelektroden zu verwenden, und gleichzeitig eine Vielzahl von ebenfalls im wesentlichen parallel angeordne- ten Basis-Kondensatorelektroden zu verwenden, die in Form zweier ineinander greifender Kämme angeordnet sind, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Die einzelnen hierdurch gebildeten Kapazitäten sind zueinander parallel geschaltet, so daß ei- ne Auslenkung des Pendels eine Kapazitätsänderung ergibt, die ein Vielfaches einer Kapazitätsänderung ist, wenn nur eine Pendel-Kondensatorelektrode und nur eine Basis- Kondensatorelektrode vorhanden sind.Although a pendulum capacitor electrode and a base capacitor electrode are already sufficient to capacitively detect the inclination of the pendulum with respect to the base around the inclination axis 30, it is preferred to use a plurality of pendulum capacitor electrodes, preferably arranged in parallel, and at the same time a multiplicity of base capacitor electrodes likewise arranged essentially in parallel, which are arranged in the form of two interdigitated combs, as shown in FIG. 1. The individual capacitances formed in this way are connected in parallel to one another, so that ne deflection of the pendulum results in a change in capacitance which is a multiple of a change in capacitance if only one pendulum capacitor electrode and only one base capacitor electrode are present.
Fig. 2 zeigt eine Darstellung der Basis ohne die Pendeleinrichtung. Insbesondere ist in Fig. 2 zu sehen, daß die Basis so gestaltet ist, daß zwei voneinander elektrisch isolierte Teil-Kondensatorelektroden vorhanden sind, nämlich die Teil-Kondensatorelektrode 22 und eine weitere Teil- Kondensatorelektrode 23.Fig. 2 shows an illustration of the base without the pendulum device. In particular, it can be seen in FIG. 2 that the base is designed in such a way that there are two partial capacitor electrodes which are electrically insulated from one another, namely the partial capacitor electrode 22 and a further partial capacitor electrode 23.
Analog hierzu ist in Fig. 3 eine zusammenpassende Pendeleinrichtung 10 gezeigt, die ebenfalls zwei Kondensator- Teilelektroden 12 und 13 aufweist, die im einfachsten Fall elektrisch verbunden sind. Damit ist eine Differenzerfassung der Neigung des Pendels bezüglich der Basis möglich, um die Auflösung und Empfindlichkeit der Neigungsvorrichtung weiter zu verbessern.Analogously to this, a matching pendulum device 10 is shown in FIG. 3, which likewise has two partial capacitor electrodes 12 and 13, which in the simplest case are electrically connected. A difference detection of the inclination of the pendulum with respect to the base is thus possible in order to further improve the resolution and sensitivity of the inclination device.
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Die oben beschriebene Elektrodenanordnung kann ebenfalls derart ausgeführt werden, daß die Kondensator- Teilelektroden 12 und 13 der Pendeleinrichtung voneinander elektrisch isoliert sind und mit den Kondensator- Teilelektroden 22 und 23 der Basis 20 zwei Kondensatoren bilden, welche ebenfalls eine Differenzerfassung der Neigung des Pendels bezüglich der Basis ermöglichen.The electrode arrangement described above can also be carried out in such a way that the capacitor sub-electrodes 12 and 13 of the pendulum device are electrically insulated from one another and form two capacitors with the capacitor sub-electrodes 22 and 23 of the base 20, which also detect the difference in the inclination of the pendulum with respect to the Enable base.
Bei einem Vergleich von Fig. 2 und Fig. 3 wird ersichtlich, daß die beiden Teil-Pendel-Kondensatorelektroden mit einem spitz zulaufenden Ende gebildet sind, während die entsprechenden Teil-Basis-Kondensatorelektroden als stehende Platten mit von innen nach außen abfallender oberer Begrenzung gebildet sind. Wenn sich das Pendel bezüglich der Basis so bewegt, daß sich die rechte Pendel-Teilkondensatorelektrode 12 bezüglich der Basis nach rechts dreht (Bezug nehmend auf Fig. 3) , so nimmt die Kapazität aufgrund der Teilelektrode 12 zu, während die Kapazität aufgrund der Teilelektrode 13 abnimmt. Wenn sich das Pendel bezüglich der Basis dagegen in die andere Richtung dreht, so nimmt die Kapazität aufgrund der Teilelektrode 12 ab, während die Kapazität aufgrund der anderen Teilelektrode 13 zunimmt. Damit ist durch getrenntes Erfassen dieser beiden Kapazitäten die Drehrichtung bestimmbar.A comparison of FIG. 2 and FIG. 3 shows that the two partial pendulum capacitor electrodes are formed with a tapered end, while the corresponding partial base capacitor electrodes are formed as standing plates with an upper boundary that slopes away from the inside are. If the pendulum moves with respect to the base such that the right pendulum partial capacitor electrode 12 rotates to the right with respect to the base (refer to FIG. 3), the capacitance due to the partial electrode 12 increases, while the capacitance due to the partial electrode 13 decreases. On the other hand, if the pendulum rotates in the other direction with respect to the base, the capacitance due to the sub-electrode 12 decreases, while the capacitance due to the other sub-electrode 13 increases. The direction of rotation can thus be determined by separately detecting these two capacities.
Bei dem alternativen Ausführungsbeispiel, bei dem die Neigungsvorrichtung als Aktor wirkt, sind die gegenüberliegen- den Kondensatorelektroden so gebildet, daß in einer Bezugsstellung die Kapazität zwischen denselben minimal ist. Die Kapazität nimmt bei einer Auslenkung aus der Bezugsstellung von der minimalen Kapazität aus zu. In diesem Fall wird ein Anlegen einer Spannung zwischen den beiden Kondensator- elektroden dazu führen, daß das Pendel bezüglich der Basis ausgelenkt wird, so daß die Neigungsvorrichtung als Aktor betreibbar ist.In the alternative embodiment, in which the inclination device acts as an actuator, the opposing capacitor electrodes are formed in such a way that the capacitance between them is minimal in a reference position. The capacity increases with a deflection from the reference position from the minimum capacity. In this case, applying a voltage between the two capacitor electrodes will result in the pendulum being deflected with respect to the base, so that the inclination device can be operated as an actuator.
Wird die Neigungsvorrichtung als Sensor betrieben, so kön- nen die Pendeleinrichtung 10 und die Basis 20 andererseits kontaktiert werden. Alternativ ist es jedoch auch möglich, bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel lediglich die Basiseinrichtung zu kontaktieren. Hierzu ist es jedoch erforderlich, daß beispielsweise die Teilelektrode 12 des Pendels zwischen zwei Elektroden der Basis aufgenommen ist, so daß das Ein- und Ausdrehen der Teilelektrode 12 zwischen den beiden Basiselektroden zu einer Kapazitätsänderung zwischen den beiden Elektroden führt. In diesem Fall muß das Pendel nicht kontaktiert werden, sondern genügt eine Kon- taktierung allein der Basis. Der schematische Aufbau dieser Ausführung ist in Fig. 4 dargestellt.If the inclination device is operated as a sensor, the pendulum device 10 and the base 20 can be contacted on the other hand. Alternatively, however, it is also possible to only contact the base device in the exemplary embodiment shown in FIG. 1. For this purpose, however, it is necessary, for example, for the partial electrode 12 of the pendulum to be received between two electrodes of the base, so that the screwing in and out of the partial electrode 12 between the two base electrodes leads to a change in capacitance between the two electrodes. In this case, the pendulum does not have to be contacted, but contacting the base alone is sufficient. The schematic structure of this embodiment is shown in FIG. 4.
Im umgekehrten Fall würde, wenn zwei Pendel- Kondensatorelektroden vorhanden sind, die eine Basis- Kondensatorelektrode zwischen sich aufnehmen, lediglich eine Kontaktierung der Pendeleinrichtung genügen, während die Basis nicht kontaktiert werden muß. Darüber hinaus ist es auch möglich, als Werkstoff für die Pendeleinrichtung bzw. für die Basis ein Dielektrikum ohne Metallflächen zu verwenden.Conversely, if there are two pendulum capacitor electrodes that hold a base capacitor electrode between them, only one contacting of the pendulum device would suffice, while the base need not be contacted. In addition, it is also possible to use the material for the pendulum device or to use a dielectric for the base without metal surfaces.
Im Falle eines kompensierten Neigungssensors, bei dem die „Meßkapazität" zwischen einer Pendel-Kondensatorelektrode und einer Basis-Kondensatorelektrode so angesteuert wird, daß sich das Pendel trotz einer Neigung nicht auslenkt, ist die Höhe der angelegten Spannung ein Maß für die Neigung. Um diese Regelung durchführen zu können, muß die Stellung des Pendels bezüglich der Basis als Ist-Größe der Regelung überwacht werden. Hierzu kann ein anderes Paar von Pendel- Kondensatorelektrode und Basis-Kondensatorelektrode, wie z. B. am hinteren Ende des Sensors von Fig. 1, eingesetzt werden.In the case of a compensated inclination sensor, in which the “measuring capacitance” between a pendulum capacitor electrode and a base capacitor electrode is controlled so that the pendulum does not deflect despite an inclination, the magnitude of the voltage applied is a measure of the inclination In order to be able to carry out control, the position of the pendulum with respect to the base must be monitored as the actual variable of the control, for this another pair of pendulum capacitor electrode and base capacitor electrode can be used, such as at the rear end of the sensor of FIG , are used.
Der erfindungsgemäße Neigungssensor mißt die Neigung der Basis zum Gravitationsfeld bezüglich der Achse 30 mittels des Pendels 10. Insbesondere wird, wie es ausgeführt worden ist, die Verkippung des Pendels gegenüber dem Gehäuse durch die sich seitlich gegenüberliegenden Kondensatorelektroden kapazitiv ausgelesen. Der erfindungsgemäße Neigungssensor ist dahingehend vorteilhaft, daß aufgrund des zugrundeliegenden Wirkprinzips und der daraus resultierenden Formgebung ein Aufbau aus wenigen Bauelementen möglich ist. Be- dingt durch diese unkomplizierte Sensorbauweise ist eine Herstellung der beiden in Fig. 2 und 3 gezeigten Bauelemente auf der Basis von selektiv metallisiertem Kunststoff mittels Kunststoffspritzgußtechnik kostengünstig möglich.The inclination sensor according to the invention measures the inclination of the base to the gravitational field with respect to the axis 30 by means of the pendulum 10. In particular, as has been explained, the tilting of the pendulum with respect to the housing is capacitively read out by the laterally opposite capacitor electrodes. The inclination sensor according to the invention is advantageous in that a construction from a few components is possible due to the underlying operating principle and the resulting shape. Due to this uncomplicated sensor design, the two components shown in FIGS. 2 and 3 can be manufactured cost-effectively on the basis of selectively metallized plastic by means of plastic injection molding technology.
Wie es insbesondere aus Fig. 3 ersichtlich ist, umfaßt die Basis zwei Lagerstellen 26, 27, um das Pendel an entsprechenden Lagerstellen 29 bzw. 28 zu halten. Das Pendel samt Pendel-Kondensatorelektroden ist als asymmetrischer Rotor so gestaltet, daß sich der Schwerpunkt des Pendels außer- halb der Drehachse befindet. Hierdurch wird gewährleistet, daß sich das Pendel bei Neigung des Gehäuses gegenüber dem Gravitationsfeld wieder in seine Ursprungslage, bei der der Schwerpunkt an der tiefsten Position ist, ausrichtet, wenn die erfindungsgemäße Neigungsvorrichtung als Neigungssensor betrieben wird.As can be seen in particular from FIG. 3, the base comprises two bearing points 26, 27 in order to hold the pendulum at corresponding bearing points 29 and 28, respectively. The pendulum, including the pendulum capacitor electrodes, is designed as an asymmetrical rotor so that the center of gravity of the pendulum is outside the axis of rotation. This ensures that the pendulum orients itself when the housing is inclined relative to the gravitational field, when the center of gravity is at the lowest position the inclination device according to the invention is operated as an inclination sensor.
Zur Absolutmessung der Neigung und zur Gewinnung eines kon- tinuierlichen analogen Neigungssignals bilden, wie es ausgeführt worden ist, eine Kondensatorelektrode an der Basis und eine Kondensatorelektrode an dem Pendel einen Kondensator, wobei die ineinandergreifende Kammstruktur dazu führt, daß viele solche Kondensatoren zur Erhöhung der Empfind- lichkeit gebildet werden. Bei Neigung der Basis gegenüber dem Pendel verändern sich die durch die Teilelektroden 12 und 22 bzw. 13 und 23 gebildeten Kapazitäten neigungsmäßig entgegengesetzt zueinander. Hierzu kann die Kondensator- Grundgleichung angesetzt werden.For absolute measurement of the inclination and for obtaining a continuous analog inclination signal, as has been explained, a capacitor electrode on the base and a capacitor electrode on the pendulum form a capacitor, the intermeshing comb structure causing many such capacitors to increase the sensitivity - be formed. When the base is inclined with respect to the pendulum, the capacitances formed by the partial electrodes 12 and 22 or 13 and 23 change in inclination in opposite directions to one another. The basic capacitor equation can be used for this.
Figure imgf000013_0001
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Hierbei ist εo die elektrische Feldkonstante, εr die Die- lektrizitätszahl, A die von den Elektroden überdeckte Fläche, also die Fläche des Überlappungsbereichs, und d der Abstand der Kondensatorplatten zwischen Pendel und Basis.Here, εo is the electrical field constant, ε r is the dielectric constant, A is the area covered by the electrodes, ie the area of the overlap area, and d is the distance between the capacitor plates between the pendulum and the base.
Die Messung und Weiterverarbeitung der Sensorsignale kann beispielsweise durch eine in Fig. 7 dargestellte Schaltung erfolgen, auf die später eingegangen wird. Hierbei wird zur Steigerung der Meßempfindlichkeit die Differenz beider Kapazitäten erfaßt und in eine Spannung umgewandelt. Die Dif- ferenzkapazität bei Neigung um einen Winkel α um die Neigungsachse 30 ergibt sich gemäß folgender Gleichung:The measurement and further processing of the sensor signals can be carried out, for example, by means of a circuit shown in FIG. 7, which will be discussed later. To increase the sensitivity, the difference between the two capacitances is detected and converted into a voltage. The differential capacitance when tilted by an angle α about the tilt axis 30 results from the following equation:
M{a)M {a)
ΔC = 2ε0ε, Hierbei ist ΔA(α) die vom Neigungswinkel abhängige Flächenänderung des Überlappungsbereichs zwischen den Basis- Kondensatorelektroden und den Pendel-Kondensatorelektroden.ΔC = 2ε 0 ε, Here, ΔA (α) is the change in the area of the overlap region, which is dependent on the angle of inclination, between the base capacitor electrodes and the pendulum capacitor electrodes.
Neben einer direkten elektrischen Kontaktierung des Pendels beispielsweise über dessen Lagerung 26, 27 besteht ebenfalls die Möglichkeit, Energie über eine weitere Kapazität einzukoppeln. Hierbei wird beispielsweise die in Fig. 5 ge- zeigte Neigungsvorrichtung eingesetzt.In addition to direct electrical contacting of the pendulum, for example via its bearing 26, 27, there is also the possibility of coupling in energy via a further capacitance. For example, the inclination device shown in FIG. 5 is used here.
Auf einer Basis 20 sind, wie es aus Fig. 5 ersichtlich ist, drei sektorförmige Elektrodenflächen 40, 41 und 42 angebracht, wobei die Sektorelektrode 42 eine Halbkreisform hat, während die beiden Sektorelektroden 40, 41 jeweils voneinander isolierte Viertelkreis-Elektroden sind. Das Pendel 10 umfaßt wiederum eine flächige Pendel- Kondensatorelektrode 43, die zumindest eine leitende Oberfläche hat und mittels einer Aufhängungsachse 44 drehbar bezüglich der Basis 20 gehalten wird. Es sei darauf hinge- wiesen, daß in Fig. 5 eine Explosionsansicht dargestellt ist. Im Betrieb wird die Achse 44 in einer Bohrung 45 reibungsarm aufgenommen sein. Die Funktionalität der Neigungsvorrichtung von Fig. 5 besteht darin, daß mittels der halb- kreisförmigen Sektorelektrode 42 Energie in die flächige Pendelelektrode 43 eingekoppelt wird, wobei ein Meßsignal abhängig von der Drehung des Pendels 10 durch Kontaktierung der beiden viertelkreisförmigen Sektorelektroden 41 und 40 erhalten wird. Im Ersatzschaltbild stellt sich diese Schal- tungsanordnung als Serienschaltung zwischen einer ersten Kapazität zwischen der Elektrode 41 und der Elektrode 43 dar, gefolgt von einer Serienschaltung zwischen der Elektrode 43 und der zweiten viertelkreisförmigen Sektorelektrode 40. Dieses Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, daß le- diglich die Basis kontaktiert werden muß, daß jedoch keine Kontaktierung des Pendels erfolgen muß. Voraussetzung ist lediglich, daß das Pendel elektrisch leitfähig ist bzw. zumindest eine elektrisch leitfähige Oberflächengestaltung dahingehend hat, daß in dasselbe Energie durch die Elektrode 42 eingekoppelt werden kann.5, three sector-shaped electrode surfaces 40, 41 and 42 are attached, the sector electrode 42 having a semicircular shape, while the two sector electrodes 40, 41 are each quarter-circle electrodes insulated from one another. The pendulum 10 in turn comprises a flat pendulum capacitor electrode 43, which has at least one conductive surface and is rotatably held with respect to the base 20 by means of a suspension axis 44. It should be noted that an exploded view is shown in FIG. 5. In operation, the axis 44 will be received in a bore 45 with low friction. 5 is that energy is coupled into the flat pendulum electrode 43 by means of the semicircular sector electrode 42, a measurement signal depending on the rotation of the pendulum 10 being obtained by contacting the two quarter-circular sector electrodes 41 and 40. In the equivalent circuit diagram, this circuit arrangement is shown as a series connection between a first capacitance between the electrode 41 and the electrode 43, followed by a series connection between the electrode 43 and the second quarter-circular sector electrode 40. This exemplary embodiment has the advantage that only the Basis must be contacted, but that no contact must be made with the pendulum. The only requirement is that the pendulum is electrically conductive or at least an electrically conductive surface design in that energy can be coupled into the same through the electrode 42.
Eine andere Möglichkeit zur Einkopplung der Energie in die Pendeleinrichtung ohne direkte Kontaktierung ist schematisch in Fig. 6a und Fig. 6b gezeigt. Dabei werden die in Fig. 6a dargestellten Basis-Teilelektroden 22 und 23 und die Elektroden der Pendeleinrichtung wie in Fig. 6b dargestellt angeschlossen. Die zweite Kondensatorelektrode 60 für alle vier Einzelkapazitäten C3, C4, C5 und C6 ist die Pendeleinrichtung, die bei diesem Ausführungsbeispiel entweder durchgehend aus einem leitenden Material (z. B. Metall oder leitfähiger Kunststoff) gebildet ist oder durch ein leitendes Material entsprechend beschichtet ist.Another possibility for coupling the energy into the pendulum device without direct contacting is shown schematically in FIGS. 6a and 6b. The base partial electrodes 22 and 23 shown in FIG. 6a and the electrodes of the pendulum device are connected as shown in FIG. 6b. The second capacitor electrode 60 for all four individual capacitances C 3 , C 4 , C 5 and C 6 is the pendulum device, which in this exemplary embodiment is either formed continuously from a conductive material (e.g. metal or conductive plastic) or by a conductive material is coated accordingly.
Die Auflösung des Sensors ist von der kleinsten meßbaren Kapazität der verwendeten Elektronik abhängig und ergibt sich aus folgender Gleichung:The resolution of the sensor depends on the smallest measurable capacity of the electronics used and results from the following equation:
Figure imgf000015_0001
Figure imgf000015_0001
ctmin ist hierbei der kleinste aufzulösende Winkel, ΔCmaxα die Differenzkapazität bei ausgeschöpftem Meßbereich Omax des Sensors und Cmin die minimale erfaßbare Kapazitätsänderung der Elektronik.ctmin is the smallest angle to be resolved, ΔC maxα the differential capacitance when the measuring range O max of the sensor has been exhausted and C min the minimum detectable change in capacitance of the electronics.
Eine mögliche Elektronikanordnung zum Auslesen beispiels- weise des Sensors von Fig. 1 ist in Fig. 7 dargestellt. Hierbei werden die beiden Teilkapazitäten Cx0 und C'xo bei einer Auslenkung des Pendels bezüglich der Basis jeweils um Δ-Kapazitätsbeträge verändert, die vorzugsweise ein entgegengesetztes Vorzeichen haben, obgleich dies nicht wesent- lieh ist. Signale des Pendels bzw. der beiden voneinander elektrisch isolierten Teilelektroden 12 und 13 des Pendels werden in zwei entsprechende Operationsverstärker eingespeist, die rückgekoppelt sind, um als Ladungsverstärker zu wirken. Die Ausgangssignale der rückgekoppelten Ladungsverstärkerschaltungen werden jeweils einer Demodulatorschaltung zugeführt, um dann letztendlich in einen Instrumenten-Verstärker-OP eingespeist zu werden, der ein Ausgangssignal Vout liefert, das von der Neigung des Pendels bezüglich der Basis ab- hängt.A possible electronic arrangement for reading out, for example, the sensor from FIG. 1 is shown in FIG. 7. In this case, the two partial capacitances C x0 and C ' x o are each changed by Δ capacitance amounts when the pendulum is deflected with respect to the base, which preferably have an opposite sign, although this is not essential. Signals of the pendulum or the two sub-electrodes 12 and 13 of the pendulum which are electrically insulated from one another are fed into two corresponding operational amplifiers which are fed back in order to act as a charge amplifier. The output signals of the fed-back charge amplifier circuits are each fed to a demodulator circuit, in order to then ultimately be fed into an instrument amplifier OP, which supplies an output signal V out which depends on the inclination of the pendulum with respect to the base.
Die Fig. 8a, 8b und 9a, 9b zeigen verschiedene Lagerungsmöglichkeiten. Vorzugsweise wird das Pendel auf der Basis mittels einer Schneidenlagerung gelagert. Schneidenlagerun- gen umfassen eine Wippe einerseits und eine Schneide andererseits. In Fig. 8a ist die Basisaufhängung derart gezeigt, daß sie als Wippe mit zwei sich in einem Winkel schneidenden Flächen ausgebildet ist, wobei die dazu korrespondierende Schneide 28 des Pendels in Fig. 8b darge- stellt ist. Alternativ kann die Wippe auch, wie es in Fig. 9a dargestellt ist, als „invertierte" Wippe ausgeführt sein, und die „Schneide" kann auch, wie es in Fig. 9b gezeigt ist, mit einem Radius gefertigt sein. Ferner sei darauf hingewiesen, daß sowohl die Wippe als auch die Schneide pendelseitig oder gehäuseseitig realisierbar sind.8a, 8b and 9a, 9b show different storage options. The pendulum is preferably mounted on the base by means of a cutting edge bearing. Cutting edge bearings include a seesaw on the one hand and a cutting edge on the other. 8a shows the base suspension in such a way that it is designed as a rocker with two surfaces intersecting at an angle, the corresponding cutting edge 28 of the pendulum being shown in FIG. 8b. Alternatively, as shown in FIG. 9a, the rocker can also be designed as an “inverted” rocker, and the “cutting edge” can also be made with a radius, as shown in FIG. 9b. It should also be pointed out that both the rocker and the cutting edge can be realized on the pendulum side or on the housing side.
Zur weiteren Minimierung der Lagerreibung kann ferner eine geeignete Flüssigkeit in ein Gehäuse der Neigungsvorrichtung zumindest teilweise gefüllt sein, das sowohl die Basis als auch das Pendel einfaßt. Durch die Auftriebskraft der Flüssigkeit wird die LageraufStandskraft des Pendels an der Aufhängung minimiert. Neben der Reduzierung der Lagerreibung kann durch die Flüssigkeit ebenfalls die Dämpfung des Pendels eingestellt werden. Darüber hinaus wird die Kapazi- tätsänderung und damit die Empfindlichkeit durch die Wirkung einer Flüssigkeit als Dielektrikum mit einer Die- lektrizitätszahl größer als Luft erhöht. Schließlich sei darauf hingewiesen, daß neben der absoluten Kapazitätsmessung oder alternativ auch eine Zeitmessung durchgeführt werden kann, um die Änderungsgeschwindigkeit der Kapazität zu erfassen. Hierdurch kann eine Erhöhung der Sensorauflösung herbeigeführt werden. Unter Verwendung einer Elektronik, die in der Lage ist, die Messung der Änderungsgeschwindigkeit der Kapazität zu erfassen, kann der Bewegungsverlauf des Pendels rekonstruiert werden. Diese Rekonstruktion des Bewegungsverlaufs wird dazu verwendet, mit in einem Speicher hinterlegten Algorithmen eine Interpolation durchzuführen, um die Auflösung im Vergleich zu einer Messung zu erhöhen, bei der lediglich Kapazitätswerte ohne zeitliche Änderungen derselben erfaßt werden. To further minimize the bearing friction, a suitable liquid can also be at least partially filled into a housing of the inclination device, which encloses both the base and the pendulum. The buoyancy of the pendulum on the suspension is minimized by the buoyancy of the liquid. In addition to reducing the bearing friction, the damping of the pendulum can also be set by the liquid. In addition, the change in capacitance and thus the sensitivity is increased by the action of a liquid as a dielectric with a dielectric constant greater than air. Finally, it should be pointed out that, in addition to the absolute capacity measurement or alternatively, a time measurement can also be carried out in order to record the rate of change of the capacity. In this way, an increase in the sensor resolution can be brought about. The movement of the pendulum can be reconstructed using electronics that are able to measure the rate of change of the capacitance. This reconstruction of the movement profile is used to carry out an interpolation with algorithms stored in a memory in order to increase the resolution compared to a measurement in which only capacitance values are recorded without changes in time.

Claims

Patentansprüche Patent claims
1. Neigungsvorrichtung mit folgenden Merkmalen:1. Inclination device with the following features:
einer Basis (20) mit einer Aufhängung (24);a base (20) with a suspension (24);
einer Pendeleinrichtung (10) , die an der Aufhängung drehbar aufgehängt ist, so daß die Pendeleinrichtung abhängig von einer Neigung bezüglich der Basis (20) auslenkbar ist;a pendulum device (10) which is rotatably suspended on the suspension so that the pendulum device can be deflected depending on an inclination with respect to the base (20);
einer mit der Pendeleinrichtung (10) verbundenen flächigen Pendel-Kondensatorelektrode (12, 13), die einer Auslenkung bezüglich der Basis (20) folgt, wobei die Pendel-Kondensatorelektrode eine seitliche Seite (12a) , die sich von einer Neigungsachse weg erstreckt, und eine Stirnseite (12b) aufweist; unda flat pendulum capacitor electrode (12, 13) connected to the pendulum device (10), which follows a deflection with respect to the base (20), the pendulum capacitor electrode having a lateral side (12a) which extends away from an axis of inclination, and has an end face (12b); and
einer mit der Basis (20) verbundenen flächigen zweiten Basis-Kondensatorelektrode (22) , die der seitlichen Seite (12a) der ersten Kondensatorelektrode gegenüber- liegt, so daß ein Überlappungsbereich zwischen der Pendel-Kondensatorelektrode und der Basis- Kondensatorelektrode resultiert, der abhängig von ei- ner Auslenkung der Pendeleinrichtung (10) bezüglich der Basis (20) aufgrund einer Neigung variiert.a flat second base capacitor electrode (22) connected to the base (20), which lies opposite the lateral side (12a) of the first capacitor electrode, so that an overlap area results between the pendulum capacitor electrode and the base capacitor electrode, which depends on a deflection of the pendulum device (10) with respect to the base (20) varies due to an inclination.
2. Neigungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der mit der Basis (20) eine Einkoppel-Elektrode (42) verbunden ist, die bezüglich der Pendel-Kondensatorelektrode so angeordnet ist, daß sich ein weiterer Überlappungsbereich zwischen der Einkoppelelektrode (42) und der Pendel-Kondensatorelektrode (43) ergibt, und2. Inclination device according to claim 1, in which a coupling electrode (42) is connected to the base (20), which is arranged with respect to the pendulum capacitor electrode in such a way that there is a further overlap area between the coupling electrode (42) and the pendulum Capacitor electrode (43) results, and
bei der die Basis-Kondensatorelektrode (41) und eine weitere Basis-Kondensatorelektrode (40) kontaktierbar sind, um eine Neigung der Pendeleinrichtung (10) kapazitiv zu erfassen. in which the base capacitor electrode (41) and a further base capacitor electrode (40) can be contacted in order to capacitively detect an inclination of the pendulum device (10).
3. Neigungsvorrichtung nach Anspruch 1,3. Inclination device according to claim 1,
bei der mit der Pendeleinrichtung (10) zumindest eine weitere Pendel-Kondensatorelektrode verbunden ist, die so angeordnet ist, daß zwischen der Pendel- Kondensatorelektrode und der weiteren Pendel- Kondensatorelektrode ein Zwischenraum vorhanden ist, in den sich die Basis-Kondensatorelektrode (22) er- streckt.in which at least one further pendulum capacitor electrode is connected to the pendulum device (10), which is arranged in such a way that there is a gap between the pendulum capacitor electrode and the further pendulum capacitor electrode into which the base capacitor electrode (22) is located - stretches.
4. Neigungsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 1,4. Inclination device according to claim 3 or 1,
bei der mit der Basis (20) zumindest eine weitere Ba- sis-Kondensatorelektrode verbunden ist, die so angeordnet ist, daß zwischen der Basis- Kondensatorelektrode und der weiteren Basis- Kondensatorelektrode ein Zwischenraum vorhanden ist, in den sich die Pendel-Kondensatorelektrode erstreckt.in which at least one further base capacitor electrode is connected to the base (20), which is arranged in such a way that there is a gap between the base capacitor electrode and the further base capacitor electrode into which the pendulum capacitor electrode extends.
5. Neigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,5. Inclination device according to one of the preceding claims,
bei der die Pendeleinrichtung (10) als zumindest teil- weise metallisiertes Kunststoffteil und die Basis (20) als zumindest teilweise metallisiertes Kunststoffteil ausgebildet sind.in which the pendulum device (10) is designed as an at least partially metallized plastic part and the base (20) is designed as an at least partially metallized plastic part.
6. Neigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,6. Inclination device according to one of claims 1 to 4,
bei der die Pendeleinrichtung (10) und/oder die Basis (20) aus leitfähigem Kunststoff hergestellt sind.in which the pendulum device (10) and/or the base (20) are made of conductive plastic.
7. Neigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden An- sprüche,7. Inclination device according to one of the preceding claims,
bei der die Pendel-Kondensatorelektrode und die Basis- Kondensatorelektrode so ausgebildet sind, daß der Ü- berlappungsbereich in einer Bezugsstellung maximal ist und bei einer Auslenkung der Pendeleinrichtung (10) bezüglich der Basis (20) abnimmt.in which the pendulum capacitor electrode and the base capacitor electrode are designed so that the Ü- Overlap area is maximum in a reference position and decreases when the pendulum device (10) is deflected with respect to the base (20).
8. Neigungsvorrichtung nach Anspruch 7,8. Inclination device according to claim 7,
bei der ferner eine Einrichtung zum Erfassen einer aktuellen Stellung zwischen der Pendel- Kondensatorelektrode und der Basis- Kondensatorelektrode vorhanden ist;in which there is also a device for detecting a current position between the pendulum capacitor electrode and the base capacitor electrode;
bei der ferner eine variable Spannung zwischen die Pendel-Kondensatorelektrode und die Basis- Kondensatorelektrode anlegbar ist, undin which a variable voltage can also be applied between the pendulum capacitor electrode and the base capacitor electrode, and
bei der ferner eine Regelung vorhanden ist, um abhängig von der aktuellen Stellung zwischen Pendel- Kondensatorelektrode und Basis-Kondensatorelektrode die variable Spannung so zu regeln, daß die maximale Kapazität vorhanden ist, so daß die Spannung ein Maß für die Neigung ist.in which there is also a control system in order to regulate the variable voltage depending on the current position between the pendulum capacitor electrode and the base capacitor electrode so that the maximum capacity is present, so that the voltage is a measure of the inclination.
9. Neigungsvorrichtung nach Anspruch 8,9. Inclination device according to claim 8,
der ferner eine Funktionsüberprüfungseinrichtung aufweist, die ausgebildet ist, um eine durch ein Absenken der Regelspannung hervorgerufene Bewegung der Pendeleinrichtung zu erfassen und auszuwerten, um eine selbsttätige Funktionsanalyse der Neigungsvorrichtung durchzuführen.which further has a functional testing device which is designed to detect and evaluate a movement of the pendulum device caused by a reduction in the control voltage in order to carry out an automatic functional analysis of the inclination device.
10. Neigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,10. Inclination device according to one of claims 1 to 7,
bei der die Pendel-Kondensatorelektrode (12) und die Basis-Kondensatorelektrode (22) so ausgebildet sind, daß der Überlappungsbereich in einer Bezugsstellung minimal ist und bei einer Auslenkung der Pendeleinrichtung (10) bezüglich der Basis (20) zunimmt, und wobei zwischen der Pendel-Kondensatorelektrode und der Basis-Kondensatorelektrode eine Spannung anlegbar ist, um die Pendeleinrichtung (10) bezüglich der Basis aus- zulenken, so daß die Neigungsvorrichtung als Aktor betreibbar ist.in which the pendulum capacitor electrode (12) and the base capacitor electrode (22) are designed such that the overlap area is minimal in a reference position and increases when the pendulum device (10) is deflected with respect to the base (20), and wherein a voltage can be applied between the pendulum capacitor electrode and the base capacitor electrode in order to deflect the pendulum device (10) with respect to the base, so that the inclination device can be operated as an actuator.
11. Neigungsvorrichtung nach Anspruch 10,11. Inclination device according to claim 10,
die eine Funktionsüberprüfungseinrichtung aufweist, die ausgebildet ist, um eine durch Anlegen einer Spannung hervorgerufene Bewegung zu erfassen, und um aufgrund einer erwarteten Reaktion im Vergleich zu der erfaßten Reaktion eine Funktionsüberprüfung der Nei- gungsvorrichtung durchzuführen.which has a function check device which is designed to detect a movement caused by applying a voltage and to carry out a function check of the inclination device based on an expected reaction in comparison to the detected reaction.
12. Neigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,12. Inclination device according to one of the preceding claims,
bei der die Pendel-Kondensatorelektrode und/oder die Basis-Kondensatorelektrode in zwei voneinander isolierte Teilelektroden (12, 13; 22, 23) aufgeteilt sind, die so ausgebildet sind, daß Teilkapazitäten zwischen zwei jeweiligen Teilelektroden bei einer Aus- lenkung der Pendeleinrichtung (10) bezüglich der Basis (20) unterschiedlich veränderlich sind.in which the pendulum capacitor electrode and/or the base capacitor electrode are divided into two partial electrodes (12, 13; 22, 23) that are insulated from one another and are designed in such a way that partial capacitances between two respective partial electrodes occur when the pendulum device (10 ) can be changed differently with respect to the base (20).
13. Neigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,13. Inclination device according to one of the preceding claims,
bei der die Basis-Kondensatorelektrode und die Pendel- Kondensatorelektrode derart ausgebildet sind, daß sich in einer Ersatzschaltung zwei hintereinander geschaltete Kapazitäten (C3, C4; C5, C6) ergeben, so daß le- diglich entweder die Basis oder die Pendeleinrichtung unmittelbar elektrisch kontaktiert sind. in which the base capacitor electrode and the pendulum capacitor electrode are designed in such a way that two capacitances (C 3 , C 4 ; C 5 , C 6 ) connected in series result in an equivalent circuit, so that only either the base or the pendulum device are directly electrically contacted.
14. Neigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,14. Inclination device according to one of the preceding claims,
bei der die Aufhängung eine Schneidenlagerung auf- weist, die eine Wippe (26) und eine Schneide (28) aufweist, wobei die Wippe (26) an der Pendeleinrichtung (10) oder der Basis (20) und die Schneide (28) an der Basis (20) oder der Wippe (10) ausgebildet sind.in which the suspension has a cutting edge bearing which has a rocker (26) and a cutting edge (28), the rocker (26) being on the pendulum device (10) or the base (20) and the cutting edge (28) on the Base (20) or the rocker (10) are formed.
15. Neigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,15. Inclination device according to one of the preceding claims,
bei der die Schneide (28) eine Kante oder einen Radius aufweist.in which the cutting edge (28) has an edge or a radius.
16. Neigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,16. Inclination device according to one of the preceding claims,
bei der in dem Überlappungsbereich eine Flüssigkeit vorhanden, die eine relative Dielektrizitätskonstante aufweist, die größer als 1 ist.in which there is a liquid in the overlap area that has a relative dielectric constant that is greater than 1.
1 . Neigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,1 . Inclination device according to one of the preceding claims,
bei der sich die Pendeleinrichtung (10) zumindest teilweise in einer Flüssigkeit befindet, deren Viskosität derart ausgewählt ist, daß eine erwünschte Dämpfung der Pendeleinrichtung (10) resultiert.in which the pendulum device (10) is at least partially in a liquid whose viscosity is selected such that a desired damping of the pendulum device (10) results.
18. Neigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,18. Inclination device according to one of the preceding claims,
bei der die Pendeleinrichtung von einer Flüssigkeit zumindest teilweise umgeben ist, deren Auftriebskraft so gewählt ist, daß eine Reibung zwischen der Pendeleinrichtung und der Basis an der Aufhängung reduziert ist. in which the pendulum device is at least partially surrounded by a liquid whose buoyancy is selected such that friction between the pendulum device and the base on the suspension is reduced.
9. Neigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die in einem Gehäuse untergebracht ist, das mit einer dielektrischen Flüssigkeit zumindest teil- weise gefüllt ist. 9. Inclination device according to one of the preceding claims, which is housed in a housing which is at least partially filled with a dielectric liquid.
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