WO2015078466A1 - Sensorsystem zur kapazitiven abstandsmessung - Google Patents

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WO2015078466A1
WO2015078466A1 PCT/DE2014/200651 DE2014200651W WO2015078466A1 WO 2015078466 A1 WO2015078466 A1 WO 2015078466A1 DE 2014200651 W DE2014200651 W DE 2014200651W WO 2015078466 A1 WO2015078466 A1 WO 2015078466A1
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electrode unit
electrode
sensor system
unit
distance measurement
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Application number
PCT/DE2014/200651
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Inventor
Axel Grabowski
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Physik Instrumente (Pi) Gmbh &. Co. Kg
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/14—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring distance or clearance between spaced objects or spaced apertures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/24—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance
    • G01D5/241—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes
    • G01D5/2417—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes by varying separation

Definitions

  • the invention relates to a sensor system for capacitive distance measurement according to claims 1 to 9 and the arrangement of such a sensor system according to claim 10.
  • a sensor system in which a pickup element is arranged on a base element, which is surrounded by two capacitance elements.
  • the complete active electrode structure thus consists of three elements that contribute to the capacitance measurement, wherein the sensor system consisting of the two capacitance elements and the pickup element has a Z- or S-shaped geometry.
  • the capacity change is used in the present case to detect whether a passenger is on the seat of a vehicle by the sensor system is integrated into a vehicle seat.
  • the sensor system of DE 10 2004 039 561 B4 could also be used to determine the distance of two elements to which the capacitance elements are applied.
  • the structure of the sensor system for precise distance measurements would be disadvantageous, since the pickup element is held in position only by means of two flexible bending folds, so that the pickup element has multiple degrees of freedom of movement. With oscillating mounting of the sensor system, the corresponding vibrations can be transmitted to the transducer element, resulting in unstable or erroneous measured values.
  • the object of the present invention is therefore to provide a capacitive sensor system with which very precise distance measurements can be made, and which overcomes the disadvantages of the prior art.
  • a capacitive sensor system is assumed to comprise an evaluation unit, a first electrode unit, a second electrode unit spaced from the first electrode unit, and a flexible and elongate deformation element connecting the first electrode unit and the second electrode unit.
  • Elongated in this context means that the forming element in a first direction has a substantially greater extent than in the direction perpendicular thereto, or in other words that the forming element has a substantially greater length than width.
  • the longitudinal direction or extent direction of the deformation element defines a connection direction, that is to say the direction of the deformation element connecting the two electrode units.
  • the extension of the deformation element transversely to the connection direction defines a transverse direction, which is substantially smaller than the extension of the first electrode unit and / or the second electrode unit in a direction parallel to the transverse direction.
  • the overall geometry of the electrode units and the forming element can be called dumbbell-shaped.
  • the flexible and elongate forming element allows a change in position of the two electrode units independently of each other, so that they can be easily brought into a position where they face each other in a parallel manner.
  • the capacitance of which is u.a. depends on the distance between the two planar electrode units.
  • the electrode units are usually applied to relatively movable elements whose distance is to be determined by means of the capacitance measurement, while the flexible forming element has a substantially U-shape.
  • the arrangement of the electrode units on the relatively movable elements results in a defined position of these to each other, and the forming element does not affect this, because by its large length-to-width ratio no or only very small forces of this on the electrode units or act on the or the movable element (s).
  • the relative movement of the elements whose distance is to be determined therefore sets the forming element only very small forces.
  • the forces acting on the electrode units forces of the forming element are so low that a planar contact of the electrode units results in the moving elements.
  • the ratio of the expansion of the forming element in the transverse direction to the extension of the first electrode unit and / or the second electrode unit in a direction parallel to the transverse direction is less than 1/2, and preferably less than 1/3.
  • first electrode unit and the second electrode unit and the evaluation unit may be arranged on a carrier element and preferably integrated into it, and at least the portion of the carrier element between the first electrode unit and the second electrode unit is flexible and forms the reshaping element.
  • the evaluation unit which preferably comprises a capacitive measuring bridge, serves to evaluate the measuring signal generated by the electrode units. Since only very small capacitances occur or are to be measured, in particular for small and very small electrode units, and at the same time a high signal-to-noise ratio is to be achieved, short electrical connections are advantageous. The fact that the evaluation unit and the two electrode units are arranged at the same time on the carrier element, the electrical connections to the electrode units can accordingly be kept extremely small. The result is an integrated functional sensor unit, formed by the two electrode units connected to one another via the forming element, which generate measuring or sensor signals corresponding to a mutual distance change, and an electronic circuit for the direct evaluation of the sensor signals in the form of the evaluation unit.
  • the circuit of the evaluation unit is advantageously designed as a low-resistance circuit.
  • both the evaluation unit and the two electrode units are integrated components of the carrier element.
  • the evaluation unit may be arranged behind the first electrode unit or behind the second electrode unit in the connection direction and in each case at a distance from the corresponding electrode unit.
  • the connection between the evaluation unit and the corresponding electrode unit is also flexible. A high flexibility of this connection is advantageous because it can reduce or even prevent the introduction of forces into the measuring system by the evaluation section or its special position.
  • the evaluation unit may be part of the first electrode unit or the second electrode unit.
  • the first electrode unit and the second electrode unit may have a planar electrode.
  • the planar electrode of the first electrode unit has a different surface dimension than the planar electrode of the second electrode unit.
  • first electrode unit and / or the second electrode unit additionally to have or have a guard electrode, wherein the guard electrode is arranged circumferentially and spaced from the respective planar electrode.
  • the use of the protective electrode leads to a homogenization of the electric field between the two electrode units in their opposite and parallel arrangement.
  • the carrier element is formed by a printed circuit board, and the printed circuit board is preferably a multilayer board.
  • the printed circuit board is preferably a multilayer board.
  • a multi-layer board has the additional advantage that the critical lines can be performed in the inner layers of the board and there very well shielded.
  • the invention also relates to the arrangement of the sensor for capacitive distance measurement according to the preceding embodiments or developments, in which the first electrode unit and the second electrode unit are in opposite and parallel arrangement. It is particularly advantageous if the two electrode units are in completely overlapping arrangement.
  • Fig. 1 Block diagram relating to a high-precision capacitive sensor system according to the prior art
  • FIG. 2 shows a block diagram relating to a sensor system according to the invention
  • Fig. 3 part of a sensor system according to the invention
  • Fig. 1 shows the block diagram relating to a high-precision capacitive displacement measuring system or distance measuring system according to the prior art.
  • the functional unit 1 comprises the electronic control and the electronic evaluation of the capacitive sensor.
  • the electronic evaluation circuit typically comprises a generator circuit 2 which provides a highly stabilized and preferably sinusoidal AC signal. This signal is coupled into a capacitive measuring bridge 3.
  • the two capacitive sensors 7 and 8 are coupled. The coupling is typically carried out via a line pair 5, which is connected by means of connectors 4 and 6 on one side to the electrodes of the capacitive sensor and on the other side to the electronic evaluation circuit.
  • the cables of this cable pair are typically designed as coaxial cables or even as triaxial cables, since the signals that run on these cables must have good shielding against environmental influences.
  • the measuring signal which is obtained by means of the capacitive measuring bridge 3, is first rectified in the further signal processing by means of a rectifier 9 and then fed to a signal processing element 10 and further processed there to then output it as a measuring signal at the terminal 11 can.
  • FIG. 2 shows the block diagram for a capacitive sensor system according to the invention.
  • Its functional unit comprises fewer elements than the sensor system according to the prior art shown in FIG. 1, namely only the generator circuit 2, the rectifier 9, the signal conditioning element 10 and the terminals 11 and 13.
  • the sensor unit 15, which also forms a functional unit includes the first electrode unit 17, the second electrode unit 18 and the evaluation unit 16 in the form of a capacitive measuring bridge.
  • the evaluation unit 16 is in this case arranged in spatial proximity to the planar electrodes.
  • FIG. 3 shows the part of the sensor system according to the invention without the evaluation unit, comprising the first planar or planar electrode unit 17 with the planar and essentially square-shaped electrode 23 which is completely surrounded by the protective electrode 21, wherein the planar electrode 23 is separated from the Protective electrode is separated by the region 22.
  • the separation region 22 prevents a direct or electrical contacting of planar electrode and protective electrode.
  • the part of the sensor system according to the invention shown in Fig. 3 the second planar or planar electrode unit 18 with the flat and also substantially square-shaped electrode 26, wherein the planar electrode 26 has a smaller surface area or a smaller area than the electrode 23.
  • the electrode 26 is also completely surrounded or surrounded by a protective electrode 24, wherein again a separation region 25 prevents the direct or electrical contact of planar electrode and protective electrode. Since the two electrode units 17 and 18 have substantially the same external dimensions, and also the width of the separation regions 22 and 25 are substantially equal, it follows that the protection electrode 24 is wider than the protection electrode 21.
  • Both the first electrode unit 17 and the second electrode unit 18 are arranged on a common carrier element in the form of a flexible printed circuit board.
  • the forming element 27 is also an integral part of the carrier element as the connecting portion 20 which connects the second electrode unit 18 with the evaluation unit, not shown here.
  • the electrode units are provided on the non-visible in Fig. 3 back with a flat stiffening element, so that the electrode units have a total of a solid or rigid structure, while the forming element or the connecting portion are very flexible and easy to reshape.
  • connection between the second electrode unit and the evaluation unit is realized via a separate connecting element.
  • the protection electrodes 21 and 24 are driven so that a homogeneous electric field is generated between the planar electrode units 17 and 18 in opposed and parallel arrangement thereof.
  • the use of the protective electrodes and the concomitant homogenization of the electric field ensures a high degree of linearity of the knife edges obtained in a distance measurement.
  • the guard electrodes 21 and 24 are at a ground potential.
  • FIG. 4 shows an arrangement according to the invention of the sensor system without the evaluation unit, wherein the first electrode unit 17 rests flat against the movable element 28, while the second electrode unit 18 bears flat against the stationary element 29.
  • the two electrode units 17 and 18 are thus in opposite and parallel arrangement, with their surfaces overlap.
  • the deformation element 27, which serves for the signal transfer between the units of the sensor system, is bent and has a substantially U-shape, wherein the electrode units 17 and 18 form the extension of the respective leg of this U-shape.
  • the flexible connecting portion 20 adjoining the second electrode unit 18 likewise abuts the stationary element 29.
  • FIG 5 shows the layout of the printed circuit board data for an embodiment of the sensor system according to the invention.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem zur kapazitiven Abstandsmessung, umfassend eine Auswerteeinheit, eine erste Elektrodeneinheit, eine von der ersten Elektrodeneinheit beabstandete zweite Elektrodeneinheit und ein die erste Elektrodeneinheit und die zweite Elektrodeneinheit miteinander verbindendes flexibles und längliches Umformelement, dessen Längsrichtung eine Verbindungsrichtung definiert und welches eine Lageänderung der beiden Elektrodeneinheiten unabhängig voneinander erlaubt, wobei die Ausdehnung des Umformelements quer zur Verbindungsrichtung, welche eine Querrichtung definiert, wesentlich kleiner ist als die Ausdehnung der ersten Elektrodeneinheit und/oder der zweiten Elektrodeneinheit in einer zur Querrichtung parallelen Richtung. Die Erfindung betrifft zudem eine Anordnung eines solchen Sensorsystems.

Description

Sensorsystem zur kapazitiven Abstandsmessung
Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem zur kapazitiven Abstandsmessung nach den Ansprüchen 1 bis 9 und die Anordnung eines solchen Sensorsystems gemäß Anspruch 10.
Aus der DE 10 2004 039 561 B4 ist ein Sensorsystem bekannt, bei dem auf einem Basiselement ein Aufnehmerelement angeordnet ist, das von zwei Kapazitätselementen umgeben ist. Die komplette aktive Elektrodenstruktur besteht damit aus drei Elementen, die zur Kapazitätsmessung beitragen, wobei das Sensorsystem bestehend aus den beiden Kapazitätselementen und dem Aufnehmerelement eine Z- oder S-förmige Geometrie besitzt. Durch entsprechend gerichtete äußere Kräfte auf das Z- oder S-förmige Sensorsystem kommt es zur Annäherung zwischen den Kapazitätselementen und dem Aufnehmerelement und damit zur Kapazitätsänderung. Die Kapazitätsänderung wird im vorliegenden Fall dazu genutzt zu detektieren, ob sich ein Fahrgast auf dem Sitz eines Fahrzeugs befindet, indem das Sensorsystem in einen Fahrzeugsitz integriert ist.
Das Sensorsystem der DE 10 2004 039 561 B4 könnte jedoch ebenso dazu genutzt werden, den Abstand von zwei Elementen, an welche die Kapazitätselemente angelegt sind, zu bestimmen. Allerdings wäre der Aufbau des Sensorsystems für präzise Abstandsmessungen nachteilig, da das Aufnehmerelement nur über zwei flexible Biegefalten in seiner Position gehalten ist, so dass das Aufnehmerelement mehrere Bewegungsfreiheitsgrade aufweist. Bei schwingender Lagerung des Sensorsystems können die entsprechenden Schwingungen auf das Aufnehmerelement übertragen werden, so dass unstabile oder fehlerbehaftete Messwerte resultieren.
Da die Lage des Aufnehmerelements nur über die Biegefalten bzw. Biegezonen festgelegt ist, ergeben sich weitere Nachteile, denn die für präzise Abstandsmessungen notwendige definierte Lage zwischen Aufnehmerelement und den Kapazitätselementen ist hierdurch nicht gegeben, was zu einer Nichtlinearität in der Kennlinie des Sensorsystems führen kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein kapazitives Sensorsystem bereitzustellen, mit dem sehr präzise Abstandsmessungen vorgenommen werden können, und das die Nachteile aus dem Stand der Technik überwindet.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Sensorsystem für kapazitive Abstandsmessungen gemäß Anspruch 1, wobei die sich daran anschließenden Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.
Demnach wird von einem kapazitiven Sensorsystem ausgegangen mit einer Auswerteeinheit, einer ersten Elektrodeneinheit, einer von der ersten Elektrodeneinheit beabstandeten zweiten Elektrodeneinheit und einem die erste Elektrodeneinheit und die zweite Elektrodeneinheit miteinander verbindenden flexiblen und länglichen Umformelement. Länglich meint in diesem Zusammenhang, dass das Umformelement in einer ersten Richtung eine wesentlich größere Ausdehnung als in der dazu senkrechten Richtung aufweist, oder mit anderen Worten, dass das Umformelement eine wesentlich größere Länge als Breite aufweist. Die Längsrichtung oder Erstreckungsrichtung des Umformelements definiert hierbei eine Verbindungsrichtung, also die Richtung des die beiden Elektrodeneinheiten verbindenden Umformelements. Die Ausdehnung des Umformelements quer zur Verbindungsrichtung definiert eine Querrichtung, welche wesentlich kleiner ist als die Ausdehnung der ersten Elektrodeneinheit und/oder der zweiten Elektrodeneinheit in einer zur Querrichtung parallelen Richtung. Unter der Annahme, dass die beiden Elektrodeneinheiten eine gleiche oder ähnliche Geometrie besitzen, kann die Gesamtgeometrie aus Elektrodeneinheiten und Umformelement als hantelförmig bezeichnet werden.
Das flexible und längliche Umformelement erlaubt eine Lageänderung der beiden Elektrodeneinheiten unabhängig voneinander, so dass diese leicht in eine Position gebracht werden können, wo sie sich in paralleler Weise gegenüberliegen.
Bei der zuvor beschriebenen Anordnung der Elektrodeneinheiten ergibt sich quasi ein Plattenkondensator, dessen Kapazität u.a. von dem Abstand der beiden ebenen Elektrodeneinheiten abhängt. Die Elektrodeneinheiten liegen hierbei in der Regel an relativ zueinander beweglichen Elementen an, deren Abstand mit Hilfe der Kapazitätsmessung bestimmt werden soll, während das flexible Umformelement im Wesentlichen eine U-Form aufweist. Durch die Anlage der Elektrodeneinheiten an den relativ zueinander beweglichen Elementen ergibt sich eine definierte Lage dieser zueinander, und das Umformelement nimmt hierbei keinen Einfluss, da durch sein großes Länge-zu-Breite-Verhältnis keine bzw. nur sehr geringe Kräfte von diesem auf die Elektrodeneinheiten bzw. auf das bzw. die bewegliche(n) Element(e) einwirken. Der relativen Bewegung der Elemente, deren Abstand zu ermitteln ist, setzt das Umformelement also nur sehr geringe Kräfte entgegen. Gleichzeitig sind die auf die Elektrodeneinheiten einwirkenden Kräfte des Umformelements so gering, dass eine plane Anlage der Elektrodeneinheiten an den beweglichen Elementen resultiert.
Es kann von Vorteil sein, dass das Verhältnis der Ausdehnung des Umformelements in Querrichtung zur Ausdehnung der ersten Elektrodeneinheit und/oder der zweiten Elektrodeneinheit in einer zur Querrichtung parallelen Richtung kleiner als 1/2 ist, und bevorzugt kleiner als 1/3 ist.
Ebenso kann es von Vorteil sein, dass die erste Elektrodeneinheit und die zweite Elektrodeneinheit und die Auswerteeinheit an einem Trägerelement angeordnet und vorzugsweise in dieses integriert sind, und zumindest der Abschnitt des Trägerelements zwischen der ersten Elektrodeneinheit und der zweiten Elektrodeneinheit flexibel ist und das Umformelement bildet.
Die Auswerteeinheit, die bevorzugt eine kapazitive Messbrücke umfasst, dient hierbei der Auswertung des durch die Elektrodeneinheiten generierten Messsignals. Da insbesondere bei kleinen und sehr kleinen Elektrodeneinheiten nur sehr geringe Kapazitäten auftreten bzw. zu messen sind, und gleichzeitig ein hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis erzielt werden soll, sind kurze elektrische Verbindungen vorteilhaft. Dadurch, dass an dem Trägerelement gleichzeitig die Auswerteeinheit und die beiden Elektrodeneinheiten angeordnet sind, können die elektrischen Verbindungen zu den Elektrodeneinheiten dementsprechend äußerst klein gehalten werden. Es resultiert eine integrierte funktionale Sensor-Einheit, gebildet durch die beiden über das Umformelement miteinander verbundenen Elektrodeneinheiten, welche entsprechend einer gegenseitigen Abstandänderung Mess- oder Sensorsignale generieren, und einer elektronischen Schaltung zur direkten Auswertung der Sensorsignale in Form der Auswerteeinheit. Dadurch kann die üblicherweise vorhandene hohe Anzahl an Steckverbindungen auf ein Minimum reduziert werden, und die Rauscheigenschaften des gesamten Sensorsystems werden entscheidend verbessert, da weniger bzw. kürzere elektrische Leitungen bzw. Kabel vorhanden sind, die die rauschanfälligen kapazitiven Signale führen. Die Schaltung der Auswerteeinheit ist hierbei vorteilhaft als niederohmige Schaltung ausgeführt.
Es ist denkbar, dass nicht nur der Abschnitt des Trägerelements, der das Umformelement bildet, flexibel ist, sondern dass das gesamte Trägerelement flexibel ist. Hierbei ist weiterhin denkbar, dass die Bereiche des Trägerelements, an denen die Elektrodeneinheiten angeordnet sind, zusätzliche Versteifungselemente aufweisen, um den Elektrodeneinheiten eine steife Trägerstruktur zu bieten. Zudem ist denkbar, dass sowohl die Auswerteeinheit, als auch die beiden Elektrodeneinheiten integrierte Bestandteile des Trägerelements sind.
Es kann von Vorteil sein, dass die Auswerteeinheit in Verbindungsrichtung gesehen hinter der ersten Elektrodeneinheit oder hinter der zweiten Elektrodeneinheit und jeweils beabstandet zu der entsprechenden Elektrodeneinheit angeordnet ist. Durch diese Anordnung kommt es im Bereich des Umformelements zu keiner Beeinflussung durch ein in diesem Bereich befindliches Verbindungselement oder durch einen Verbindungsabschnitt, durch welches bzw. durch welchen die Auswerteeinheit mit der Elektrodeneinheit bzw. den Elektrodeneinheiten verbunden ist. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Verbindung zwischen der Auswerteeinheit und der entsprechenden Elektrodeneinheit ebenfalls flexibel ist. Eine hohe Flexibilität dieser Verbindung ist deshalb vorteilhaft, weil dadurch die Einleitung von Kräften in das Messsystem durch den Auswerteabschnitt bzw. dessen spezielle Lage reduziert oder gar vermieden werden können.
Weiterhin kann es von Vorteil sein, dass die Auswerteeinheit Teil der ersten Elektrodeneinheit oder der zweiten Elektrodeneinheit ist. Insbesondere kann es von Vorteil sein, dass die Auswerteeinheit auf einer Seite der entsprechenden Elektrodeneinheit, beispielsweise auf einer Rückseite, angeordnet ist.
Zudem kann es von Vorteil sein, dass die erste Elektrodeneinheit und die zweite Elektrodeneinheit eine flächige Elektrode aufweisen. Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die flächige Elektrode der ersten Elektrodeneinheit ein anderes Flächenmaß aufweist als die flächige Elektrode der zweiten Elektrodeneinheit. Indem die Fläche der Elektrode einer Elektrodeneinheit größer ist als die Fläche der Elektrode der anderen Elektrodeneinheit ist selbst bei einer Parallelverschiebung der beiden Elektrodeneinheiten – bei gegenüberliegender und paralleler Anordnung derselben – eine hochpräzise Kapazitätsmessung bzw. Kapazitätsänderungsmessung möglich, da sich die Flächen der Elektroden der ersten Elektrodeneinheit und der zweiten Elektrodeneinheit dann immer noch vollständig überdecken.
Es kann von Vorteil sein, dass die erste Elektrodeneinheit und/oder die zweite Elektrodeneinheit zusätzlich eine Schutzelektrode aufweisen bzw. aufweist, wobei die Schutzelektrode jeweils umlaufend und beabstandet zur jeweiligen flächigen Elektrode angeordnet ist. Die Verwendung der Schutzelektrode führt zu einer Homogenisierung des elektrischen Feldes zwischen den beiden Elektrodeneinheiten bei deren gegenüberliegender und paralleler Anordnung.
Außerdem kann es von Vorteil sein, dass das Trägerelement durch eine Leiterplatte gebildet ist, und die Leiterplatte bevorzugt eine Mehrlagenplatine ist. Mit Hilfe einer Leiterplatte ist eine besonders kostengünstige Fertigung des Sensorsystems möglich. Eine Mehrlagenplatine hat darüber hinaus den Vorteil, dass die kritischen Leitungen in den Innenlagen der Platine geführt und dort sehr gut abgeschirmt werden können.
Die Erfindung betrifft zudem die Anordnung des Sensors zur kapazitiven Abstandsmessung gemäß den vorhergehenden Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen, bei welcher sich die erste Elektrodeneinheit und die zweite Elektrodeneinheit in gegenüberliegender und paralleler Anordnung befinden. Dabei ist es insbesondere von Vorteil, wenn sich die beiden Elektrodeneinheiten in vollständig überdeckender Anordnung befinden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
Fig. 1: Blockschaltbild betreffend ein hochpräzises kapazitives Sensorsystem nach dem Stand der Technik
Fig. 2: Blockschaltbild betreffend ein erfindungsgemäßes Sensorsystem
Fig. 3: Teil eines erfindungsgemäßen Sensorsystems
Fig. 4: Anordnung des Teils des Sensorsystems nach Fig. 3
Fig. 5: Layoutdaten für eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorsystems
Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild betreffend ein hochpräzises kapazitives Wegmesssystem oder Abstandsmesssystem gemäß dem Stand der Technik. Die funktionale Einheit 1 umfasst die elektronische Ansteuerung und die elektronische Auswertung des kapazitiven Sensors. Die elektronische Auswerteschaltung umfasst typischerweise eine Erzeugerschaltung 2, die ein hochstabilisiertes und vorzugsweise sinusförmiges AC-Signal bereitstellt. Dieses Signal wird in eine kapazitive Messbrücke 3 eingekoppelt. An die kapazitive Messbrücke 3 sind die beiden kapazitiven Sensoren 7 und 8 angekoppelt. Die Ankopplung erfolgt typischerweise über ein Leitungspaar 5, das mittels Steckverbindern 4 und 6 auf einer Seite an die Elektroden des kapazitiven Sensors und auf der anderen Seite an die elektronische Auswerteschaltung angeschlossen ist. Die Kabel dieses Kabelpaars sind typischerweise als Koaxialkabel oder sogar als Triaxialkabel ausgeführt, da die Signale, die auf diesen Leitungen laufen, eine gute Schirmung gegen Umgebungseinflüsse aufweisen müssen. Das Messsignal, das mittels der kapazitiven Messbrücke 3 gewonnen wird, wird in der weiteren Signalverarbeitung zunächst mittels eines Gleichrichters 9 gleichgerichtet und dann einem Signalaufbereitungselement 10 zugeführt und dort weiter aufbereitet, um es dann als Messsignal am Anschluss 11 ausgeben zu können.
Fig.2 zeigt das Blockschaltbild für ein erfindungsgemäßes kapazitives Sensorsystem. Dessen funktionale Einheit umfasst weniger Elemente als das Sensorsystem nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 1, nämlich nur noch die Erzeugerschaltung 2, den Gleichrichter 9, das Signalaufbereitungselement 10 und die Anschlüsse 11 und 13. Die Sensoreinheit 15, die ebenfalls eine funktionale Einheit bildet, umfasst die erste Elektrodeneinheit 17, die zweite Elektrodeneinheit 18 und die Auswerteeinheit 16 in Form einer kapazitiven Messbrücke. Die Auswerteeinheit 16 ist hierbei in räumlicher Nähe zu den flächigen Elektroden angeordnet. Dadurch kann bei der elektrischen Verbindung durch das Kabel 19 auf eine aufwändige Koaxialverkabelung verzichtet werden, und es können einfachere und kostengünstigere Steckverbinder 13 und 14 im Vergleich zum Stand der Technik Verwendung finden.
Fig. 3 zeigt den Teil des erfindungsgemäßen Sensorsystems ohne die Auswerteeinheit, aufweisend die erste planare oder ebene Elektrodeneinheit 17 mit der flächigen und im Wesentlichen quadratförmigen Elektrode 23, welche komplett umgeben bzw. umringt ist von der Schutzelektrode 21, wobei die flächige Elektrode 23 von der Schutzelektrode durch den Bereich 22 getrennt ist. Der Trennbereich 22 verhindert eine direkte bzw. elektrische Kontaktierung von flächiger Elektrode und Schutzelektrode. Weiterhin umfasst der in Fig. 3 dargestellte Teil des erfindungsgemäßen Sensorsystems die zweite planare oder ebene Elektrodeneinheit 18 mit der flächigen und ebenfalls im Wesentlichen quadratförmigen Elektrode 26, wobei die flächige Elektrode 26 ein geringeres Flächenmaß oder eine kleinere Fläche besitzt als die Elektrode 23. Die Elektrode 26 ist ebenfalls komplett umgeben bzw. umringt von einer Schutzelektrode 24, wobei wiederum ein Trennbereich 25 die direkte bzw. elektrische Kontaktierung von flächiger Elektrode und Schutzelektrode verhindert. Da die beiden Elektrodeneinheiten 17 und 18 im Wesentlichen die gleichen äußeren Abmessungen aufweisen, und auch die Breite der Trennbereiche 22 und 25 im Wesentlichen gleich ist, folgt, dass die Schutzelektrode 24 breiter ist als die Schutzelektrode 21.
Sowohl die erste Elektrodeneinheit 17, als auch die zweite Elektrodeneinheit 18 ist an einem gemeinsamen Trägerelement in Form einer flexiblen Leiterplatte angeordnet. Das Umformelement 27 ist ebenso integraler Bestandteil des Trägerelements wie der Verbindungsabschnitt 20, der die zweite Elektrodeneinheit 18 mit der hier nicht dargestellten Auswerteeinheit verbindet. Die Elektrodeneinheiten sind auf der in Fig. 3 nicht einsehbaren Rückseite mit einem flächigen Versteifungselement versehen, so dass die Elektrodeneinheiten insgesamt eine feste oder starre Struktur aufweisen, während das Umformelement bzw. der Verbindungsabschnitt sehr flexibel und leicht umzuformen sind.
Es ist auch denkbar, dass die Verbindung zwischen zweiter Elektrodeneinheit und Auswerteeinheit über ein separates Verbindungselement realisiert ist.
Die Schutzelektroden 21 und 24 werden derart angesteuert, dass ein homogenes elektrisches Feld zwischen den planaren Elektrodeneinheiten 17 und 18 bei gegenüberliegender und paralleler Anordnung derselben erzeugt wird. Durch die Verwendung der Schutzelektroden und der damit einhergehenden Homogenisierung des elektrischen Feldes wird eine hohe Linearität der bei einer Abstandsmessung erhaltenen Messergebenisse gewährleistet. In einer möglichen Konfiguration liegen die Schutzelektroden 21 und 24 auf einem Massepotential.
Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung des Sensorsystems ohne die Auswerteeinheit, wobei die erste Elektrodeneinheit 17 an dem beweglichen Element 28 plan anliegt, während die zweite Elektrodeneinheit 18 an dem feststehenden Element 29 plan anliegt. Die beiden Elektrodeneinheiten 17 und 18 befinden sich demnach in gegenüberliegender und paralleler Anordnung, wobei sich ihre Flächen überdecken. Das Umformelement 27, das dem Signaltransfer zwischen den Einheiten des Sensorsystems dient, ist gebogen und weist im Wesentlichen eine U-Form auf, wobei die Elektrodeneinheiten 17 und 18 die Verlängerung des jeweiligen Schenkels dieser U-Form bilden. Der sich an die zweite Elektrodeneinheit 18 anschließende flexible Verbindungsabschnitt 20 liegt ebenfalls an dem feststehenden Element 29 an. Der in Fig. 4 darstellte Doppelpfeil kennzeichnet die Bewegungsrichtungen des beweglichen Elements 28 gegenüber dem feststehenden Element 29, wobei das Sensorsystem anhand einer Kapazitätsmessung den Abstand zwischen den Elementen 28 und 29 bestimmen soll. Durch die Flexibilität und die spezielle Geometrie des Umformelements 27 ist zum Einen gewährleistet, dass sich die Elektrodeneinheiten plan an die Oberflächen der Elemente 28 und 29 anlegen können und damit eine durch die Oberflächen der Elemente 28 und 29 definierte und eindeutige Lage zueinander einnehmen. Zum Anderen setzt die Flexibilität des Umformelements 27 der Bewegung des beweglichen Elements 28 keinen oder einen nur vernachlässigbaren Widerstand entgegen. Die Flexibilität des Verbindungsabschnitts 20 sorgt hierbei in analoger Weise dafür, dass die zweite Elektrodeneinheit nicht in der planen Anlage am feststehenden Element 29 behindert ist.
Fig. 5 zeigt das Layout der Leiterplattendaten für eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorsystems.

Claims (10)

  1. Sensorsystem zur kapazitiven Abstandsmessung, umfassend eine Auswerteeinheit (16), eine erste Elektrodeneinheit (17), eine von der ersten Elektrodeneinheit beabstandete zweite Elektrodeneinheit (18) und ein die erste Elektrodeneinheit und die zweite Elektrodeneinheit miteinander verbindendes flexibles und längliches Umformelement (27), dessen Längsrichtung eine Verbindungsrichtung definiert und welches eine Lageänderung der beiden Elektrodeneinheiten unabhängig voneinander erlaubt, wobei die Ausdehnung des Umformelements quer zur Verbindungsrichtung, welche eine Querrichtung definiert, wesentlich kleiner ist als die Ausdehnung der ersten Elektrodeneinheit und/oder der zweiten Elektrodeneinheit in einer zur Querrichtung parallelen Richtung.
  2. Sensorsystem zur kapazitiven Abstandsmessung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Ausdehnung des Umformelements in Querrichtung zur Ausdehnung der ersten Elektrodeneinheit und/oder der zweiten Elektrodeneinheit in einer zur Querrichtung parallelen Richtung kleiner als 1/2 ist, und bevorzugt kleiner als 1/3 ist.
  3. Sensorsystem zur kapazitiven Abstandsmessung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrodeneinheit und die zweite Elektrodeneinheit und die Auswerteeinheit an einem Trägerelement angeordnet und vorzugsweise in dieses integriert sind, und zumindest der Abschnitt des Trägerelements zwischen der ersten Elektrodeneinheit und der zweiten Elektrodeneinheit flexibel ist und das Umformelement bildet.
  4. Sensorsystem zur kapazitiven Abstandsmessung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit in Verbindungsrichtung gesehen hinter der ersten Elektrodeneinheit oder hinter der zweiten Elektrodeneinheit und jeweils beabstandet zu dieser angeordnet ist.
  5. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit Teil der ersten Elektrodeneinheit oder der zweiten Elektrodeneinheit ist.
  6. Sensorsystem zur kapazitiven Abstandsmessung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrodeneinheit und die zweite Elektrodeneinheit eine flächige Elektrode aufweisen.
  7. Sensorsystem zur kapazitiven Abstandsmessung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die flächige Elektrode der ersten Elektrodeneinheit ein anderes Flächenmaß aufweist als die flächige Elektrode der zweiten Elektrodeneinheit.
  8. Sensorsystem zur kapazitiven Abstandsmessung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrodeneinheit und/oder die zweite Elektrodeneinheit zusätzlich eine Schutzelektrode aufweisen bzw. aufweist, wobei die Schutzelektrode jeweils umlaufend und beabstandet zur flächigen Elektrode angeordnet ist.
  9. Sensorsystem zur kapazitiven Abstandsmessung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement durch eine Leiterplatte gebildet ist, und die Leiterplatte bevorzugt eine Mehrlagenplatine ist.
  10. Anordnung des Sensorsystems zur kapazitiven Abstandsmessung gemäß den vorhergehenden Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste Elektrodeneinheit (17) und die zweite Elektrodeneinheit (18) in gegenüberliegender und paralleler Anordnung befinden.
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