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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Sensor
und auf ein Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Sensors
und insbesondere auf einen kapazitiven Neigungssensor zur hochgenauen
Messung kleiner Verkippungen.
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Kapazitive
Sensoren können
für eine
Vielzahl von Anwendungen aus den Bereichen Haushalt, Industrie und
Forschung eingesetzt werden. Beispiele dafür sind Neigungssensoren, welche
als Überschlagssensoren
in Kraftfahrzeugen, als Überwachungssensoren
von Alarmanlagen in Fahrzeugen und Gebäuden und als Positionssensoren
in automatisierte Maschinen, Bügeleisen,
Waschmaschinen etc. eingesetzt werden können. Ein konkretes Beispiel
ist das Feststellen einer Neigung eines geparkten Fahrzeugs, um
den Fahrzeugführer
auf die Gefahr des Wegrollens des Fahrzeuges hinweisen zu können.
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Eine
Reihe von konventionellen Sensoren wird eingesetzt, um durch die
Erfassung einer messgrößenabhängigen Kapazitätsdifferenz
einer Kondensatoranordnung eine Messgröße, wie beispielsweise die
Neigung bezüglich
einer horizontalen Fläche,
zu ermitteln.
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Hierfür werden
beispielsweise konventionelle Neigungssensoren eingesetzt, die über eine
Messung einer Differenzkapazität
bei neigungsbedingten Änderungen
der überdeckten
Fläche
einer mit einem elektrisch leitfähigen
Pendel gebildeten Differenzial-Kondensator-Anordnung die Neigung
bestimmen. Weitere konventionelle kapazitive Sensoren führen eine
Differenzkapazitätsmessung
durch, wobei eine neigungsbedingte Änderung einer Anordnung einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit
gegenüber
den von ihr zum Teil überdeckten
Kondensatorelektroden ermittelt wird.
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Darüber hinaus
können
herkömmliche
Kapazitätssensoren
eingesetzt werden, um den Drehwinkel einer Welle mittels einer Messung
einer winkelabhängigen
Differenzkapazität
einer Differenzial-Kondensator-Anordnung zu detektieren. Dabei lässt sich die
Differenzial-Kondensator-Anordnung über eine mit der Welle verbundene
elektrisch leitfähige
Scheibe realisieren.
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Konventionelle
Kapazitätssensoren
sind zwar in der Lage, Neigungen und Drehungen in einem großen Winkelbereich
messen zu können,
weisen jedoch eine geringe Sensitivität hinsichtlich kleiner Verkippungen
oder Neigungen auf. Ein solcher Neigungssensor ist beispielsweise
in
DE 4141324 A1 offenbart,
bei dem der Hohlraum zylindrisch geformt ist.
US 5079847 offenbart einen weiteren
kapazitiven Neigungssensor, bei dem die Elektrodenformen derart
ausgebildet sind, dass Neigungen bezüglich zwei senkrecht zueinander
stehenden Drehachsen gemessen werden können. Neben den kapazitiven
Neigungssensoren gibt es noch resistive Sensoren, wie sie beispielsweise
in
DE 19821923 A1 beschrieben sind.
Auch diese Beispiele sind sensitiv über einen großen Winkelbereich.
Für viele
Anwendungen ist es jedoch nicht erforderlich, Neigungen oder Drehungen in
einem Winkelbereich zwischen 0 und 360° oder zwischen 0 und 180° festzustellen,
sondern es ist stattdessen ausreichend, Neigungen in einem Winkelbereich
zwischen beispielsweise 0 und 30° möglichst
exakt zu bestimmen und insbesondere kleine Neigungsänderungen
in einem Winkelbereich von wenigen Grad oder Bruchteilen eines Grads
genau festzustellen.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die
Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Sensor zu schaffen, der insbesondere
Neigungen in einem kleinen Winkelbereich sehr genau messen kann.
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Diese
Aufgabe wird durch einen kapazitiven Sensor nach Anspruch 1 und
18 oder durch ein Verfahren nach Anspruch 19 gelöst.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein kapazitiver
Sensor zum Erfassen einer Messgröße geschaffen
werden kann, indem ein Hohlraum eine nach außen gewölbte Außenwand aufweist und teilweise
mit einer dielektrischen Flüssigkeit
gefüllt
wird, so dass ein Teil des Hohlraums frei bleibt, und der frei gebliebene
Teil eine andere dielektrische Konstante aufweist als die dielektrische
Flüssigkeit.
Ferner wird eine erste und zweite Flächenelektrode in dem Hohlraum
derart angeordnet, dass eine Bewegung des Teils in der dielektrischen
Flüssigkeit
entlang der nach außen
gewölbten Außenwand
ansprechend auf die Messgröße zu einer
Kapazitätsänderung
zwischen der ersten und zweiten Flächenelektrode führt.
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Somit
beschreiben Ausführungsbeispiele
einen kapazitiven flüssigkeitsbasierten
Neigungssensor mit einem speziellen Elektrodendesign, das dazu geeignet
ist, kleinste Winkeländerungen
hochgenau zu messen. Dazu ist die Elektrodenstruktur so ausgelegt,
dass bei einer Verkippung des Sensors eine große Kapazitätsänderung auftritt, die mit einer
hoch auflösenden
Auswerteelektronik so fein gemessen werden kann, dass schon geringste
Verkippungen des Sensors erfasst werden.
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Im
Detail können
Ausführungsbeispiele
folgendermaßen
realisiert sein. Ein erster Elektrodenträger ist mit einer ersten Elektrodenstruktur
versehen, die von dem ersten Elektrodenträger elektrisch isoliert ist.
Der ersten Elektrodenstruktur gegenüber ist eine zweite Elektrodenstruktur,
die auf einem zweiten Elektrodenträger angeordnet ist, ausgebildet und
ist ebenfalls elektrisch von dem zweiten Elektrodenträger isoliert.
Mittels eines Distanzelements kann zwischen den beiden Elektrodenträgern ein
fester Abstand eingestellt werden, so dass die erste Elektrodenstruktur
und die zweite Elektrodenstruktur einen Plattenkondensator bilden.
Die beiden Elektrodenträger
bilden zusammen mit dem Distanzelement eine abgeschlossene Kavität (den Hohlraum),
die teilweise mit einer dielektrischen Flüssigkeit (dielektrisches Fluid)
gefüllt
ist, wodurch die Kapazität
des Plattenkondensators erhöht
wird. Je größer der durch
die dielektrische Flüssigkeit
erreichte (oder vermittelte) Überdeckungsgrad
der Elektrodenstrukturen ist, desto größer wird die Kapazität der Kondensatoranordnung.
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Wenn
das dielektrische Fluid die Kavität fast vollständig ausfüllt, bildet
sich an der Oberseite der Kavität
beispielsweise eine Luftblase im dielektrischen Fluid. Es kann jedoch
auch eine Blase eines anderen Mediums oder eine Vakuumblase gebildet werden.
Bei einer Verkippung des Sensors bewegt sich die beispielhafte Luftblase
immer zum höchsten Punkt
der Kavität.
Sind nun die Oberseite der Kavität und
die Elektrodenstrukturen geometrisch geeignet gestaltet, so kann
eine sich bei Verkippung gegensinnig ändernde Differenzial-Kondensator-Anordnung realisiert
werden. Zum Beispiel erhöht
sich eine gemessene Kapazität,
währenddessen
sich die andere Kapazität
mit zunehmender Verkippung verringert. Dies kann dadurch erreicht
werden, dass die erste Elektrodenstruktur in zwei voneinander elektrisch isolierte
Bereiche aufgeteilt ist, welche mit der zweiten Elektrodenstruktur
jeweils einen separat auslesbaren Kondensator bilden.
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Aus
dem dargestellten Prinzip ist deutlich, dass der gemessenen Messgröße eine
Bewegung der beispielhaften Luftblase entlang der gewölbten Kavität entspricht.
Die Bewegung der beispielhaften Luftblase kann wie gesagt durch
eine Neigung des kapazitiven Sensors erreicht werden, die zu einer Richtungsänderung
der einwirkenden Schwerkraft führt
und die beispielhafte Luftblase sich deshalb zu dem neuen höchstgelegenen
Punkt innerhalb der Kavität
bewegt. Alternativ kann die Bewegung der beispielhaften Luftblase
auch dadurch verursacht werden, dass der kapazitive Sensor einer
Fliehkraft oder einer anderen Kraft ausgesetzt ist, die auf die
dielektrische Flüssigkeit
und die beispielhafte Luftblase unterschiedlich stark einwirkt,
so dass dadurch eine Bewegung der beispielhaften Luftblase verursacht wird.
Auch wenn die folgenden Ausführungen
sich zumeist auf eine Anwendung als Neigungssensor beschränken, wird
daraus deutlich, dass Ausführungsbeispiele
ebenfalls dazu genutzt werden können,
um Beschleunigungsänderungen,
die beispielsweise auch Fliehkräfte
umfassen können,
festzustellen.
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Bei
Ausführungsbeispielen
ist es nicht erforderlich, die Elektroden ganzflächig innerhalb der Kavität auszubilden,
sondern für
eine möglichst
hohe Sensitivität
ist es ausreichend, dass die Elektroden in jenen Gebieten ausgebildet
sind, entlang derer sich die beispielhafte Luftblase während des
Betriebes oder der Nutzung des Neigungssensors für einen bestimmten Winkelbereich
bewegt. Außerdem
ist es möglich,
die Elektrodenflächen
oder die Elektrodenstrukturen durch mehrere Komponenten zu bilden, die
elektrisch miteinander verbunden sein können, so dass sich ein möglichst
lineares Sensorsignal in Abhängigkeit
der beispielhaften Neigungsänderung
ergibt. Die Linearität
bezieht sich dabei auf die Abhängigkeit
des Sensorsignals von der Messgröße. Wenn sich
z. B. die Neigung von einem ersten Winkel auf einem zweiten Winkel
verdoppelt, verdoppelt sich ebenfalls das gemessene Sensorsignal.
Es ist jedoch ebenfalls möglich,
die Elektroden derart zu wählen, dass
bei sehr kleinen Winkeländerungen
eine nichtlineare Messgrößenänderung
auftritt, währenddessen bei
größeren Winkeländerungen
sich ein lineares Verhalten einstellt. Damit ist es möglich, ganz
gezielt die Elektroden derart zu formen oder auszubilden, das ein
Verstärkungseffekt
hinsichtlich der detektierten Neigungsänderung erfolgt. In diesem
Fall kann bei einer Verdoppelung des Neigungswinkels sich beispielsweise
das Sensorsignal um mehr als das Doppelte ändern.
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Bei
weiteren Ausführungsbeispielen
ist es ebenfalls möglich,
die Kavität
derart zu formen, dass sich keine beispielhafte Luftblase herausbildet,
sondern dass sich der nicht durch die dielektrische Flüssigkeit
gefüllte
Teil sich entlang eines Kanals bewegt (z. B. als freibleibender
Kanalabschnitt) und dass diese Bewegung z. B. durch eine Neigungsänderung oder,
wie oben beschrieben, durch eine einwirkende Fliehkraft oder zusätzliche
Beschleunigung auftritt.
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Ferner
ist es möglich,
die Elektrodenstrukturen so zu wählen,
dass sich die beispielhafte Luftblase entlang der ersten Elektrodenstruktur
bewegt und die zweite Elektrodenstruktur vertikal darunter (z. B. in
Richtung der Schwerkraft während
des Betriebes) angeordnet ist. Mit einer solchen Anordnung der Elektrodenstrukturen
ist es darüber
hinaus leicht möglich,
einen kapazitiven Sensor zu schaffen, der nicht nur eine Neigung
bezüglich
einer Drehachse hoch sensitiv feststellen kann, sondern der gleichzeitig
Drehungen bezüglich
zweier Achsen feststellen kann. Dies ist z. B. dann der Fall, wenn
die nach außen
gewölbte
Außenwand
der Kavität
eine konvexe Linsenform aufweist, so dass die beispielhafte Luftblase
sich bezüglich
einer Fläche
bewegen kann, wobei die Bewegung entlang den beiden Richtungen der
Fläche
Neigungen bezüglich
unterschiedlichen Drehachsen entsprechen. In diesem Fall ist eine Elektrodenstruktur
entlang der gewölbten
Außenwand
ausgebildet.
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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
Querschnittsansicht durch den Hohlraum gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
Raumansicht eines kapazitiven Neigungssensors für die Feststellung einer Drehung um
eine Drehachse;
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3 eine
Querschnittsansicht durch den kapazitiven Neigungssensor der 2;
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4 ein
Ersatzschaltbild für
das Schalten der Elektrodenstrukturen, die in den 2 und 3 gezeigt
sind;
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5 eine
Querschnittsansicht durch die Kavität mit einer Elektrodenstruktur
gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel;
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6 eine
Querschnittsansicht durch die Kavität mit einem ausgebildeten Kanal;
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7 eine
Raumansicht des kapazitiven Sensors mit einer alternativen Gestaltung
der Elektroden;
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8 eine
Draufsicht des in 7 gezeigten kapazitiven Sensors;
und
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9 eine
Draufsicht auf einen kapazitiven Sensor zur Feststellung von Drehungen
bezüglich zwei
unabhängigen
Drehachsen.
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Bezüglich der
nachfolgenden Beschreibung sollte beachtet werden, dass bei den
unterschiedlichen Ausführungsbeispielen
gleiche oder gleichwirkende Funktionselemente gleiche Bezugszeichen aufweisen
und somit die Beschreibung dieser Funktionselemente in den verschiedenen
Ausführungsbeispielen
untereinander austauschbar sind.
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1 zeigt
eine Querschnittsansicht durch einen Hohlraum 10 eines
kapazitiven Sensors, wobei der Hohlraum 10 eine nach außen gewölbte Außenwand 20 aufweist
und in dem Hohlraum 10 eine dielektrische Flüssigkeit 30 eingebracht
ist. Die dielektrische Flüssigkeit 30 lässt einen
Teil 40 des Hohlraums 10 offen, wobei der Teil 40 entlang
der nach außen gewölbten Außenwand 20 angeordnet
ist und eine andere Dielektrizitätskonstante
als die Dielektrizitätskonstante
der dielektrischen Flüssigkeit
aufweist. Ferner ist eine erste Flächenelektrode 50 in
dem Hohlraum bzw. an einer Seitenwand des Hohlraums ausgebildet
und eine zweite Flächenelektrode 60 (in der 1 nicht
gezeigt) ist an einer der Seitenwand gegenüberliegenden Seitenwand ausgebildet.
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Die
erste Flächenelektrode 50 weist
in diesem Ausführungsbeispiel
einen ersten Bereich 50a und einen zweiten Bereich 50b auf,
wobei beide Bereiche entlang einer Trennlinie 51 elektrisch
voneinander isoliert sind. Die erste und zweite Flächenelektrode 50 und 60 sind
damit derart ausgebildet, dass eine Bewegung Δs des Teils 40 in der
dielektrischen Flüssigkeit 30 entlang
der nach außen
gewölbten
Außenwand 20 ansprechend
auf eine Messgröße (z. B. einer
Neigung) zu einer Kapazitätsänderung
zwischen dem ersten Bereich der ersten Flächenelektrode 50a und
zweiten Flächenelektrode 60 führt. Entsprechend
gegenläufig
verhält
sich die Kapazitätsänderung
zwischen dem zweiten Bereich der ersten Flächenelektrode 50b und
der zweiten Flächenelektrode 60.
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Die
nach außen
gewölbte
Außenwand 20 weist
eine nur schwach gekrümmte
Oberfläche
auf, so dass sich eine Flächennormale
N1 entlang einer lateralen oder seitlichen Ausdehnung B der nach
außen
gewölbten
Außenwand 20 in
einen Bereich von weniger als 45° oder
in einem Bereich von weniger als 20° oder in einem Bereich von weniger
als 10° ändert. Alternativ
kann die schwach nach außen
gewölbte
Außenwand 20 derart
gestaltet werden, dass der doppelte Krümmungsradius der gekrümmten Oberfläche der
Außenwand 20 größer oder
mehr doppelt so groß oder
zumindest fünfmal
größer ist
als die seitliche Ausdehnung B. Die laterale Ausdehnung B kann beispielsweise
ein maximaler Durchmesser des Hohlraums 10 sein. Damit
kann erreicht werden, dass wenn der Krümmungsdurchmesser bereits etwas
größer ist
als die seitliche Ausdehnung B, nicht mehr der volle 180° Winkelbereich
bei Drehungen/Neigungen abgedeckt wird, was ein Merkmal von Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung ist. Die Stärke der Wölbung der Außenwand 20 kann
beispielsweise hinsichtlich einer gewünschten Sensitivität des Neigungssensors
optimiert werden: je geringer oder schwächer die Wölbung je höher die Sensitivität. Die Breite
oder Ausdehnung B bestimmt dann (bei gewählter Wölbung) den Winkelbereich der ausgemessen
werden kann.
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Die
konkrete Form des Teils 40 hängt zum großen Teil von den Benetzungseigenschaften
der nach außen
gewölbten
Außenwand 20 oder
der Seitenwände
des Hohlraums 10 bezüglich
der dielektrischen Flüssigkeit 30 ab.
Erfindungsgemäß ist beispielsweise
so viel dielektrische Flüssigkeit
in den Hohlraum 10 eingebracht, dass der Teil 40 seitlich durch
die dielektrische Flüssigkeit 30 und
nicht durch eine Wand des Hohlraums 10 begrenzt ist (seitlich bezieht
sich dabei beispielsweise auf die Bewegungsrichtung Δs). Der Teil 40 kann
somit beispielsweise eine Luftblase sein, die sich in der dielektrischen
Flüssigkeit 30 ausgebildet
hat. Alternativ kann der Teil 40 aber auch Vakuum oder
ein anderes Medium aufweisen, welches sich mit der dielektrischen Flüssigkeit 30 nicht
mischt und eine andere Dielektrizitätskonstante als die der dielektrischen
Flüssigkeit 30 aufweist.
Es ist dabei vorteilhaft, wenn der Unterschied der Dielektrizitätskonstanten
möglichst
groß ist.
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2 zeigt
eine Raumansicht des kapazitiven Sensors zum Erfassen einer Messgröße, wobei der
Hohlraum 10 durch einen ersten Elektrodenträger 11 und
einen zweiten Elektrodenträger 12 als auch
durch ein Distanzelement 13 begrenzt ist. Das Distanzelement 13 definiert
dabei die nach außen
gewölbte
Außenwand 20 entlang
derer sich nach Füllen des
Hohlraumes 10 mit der dielektrischen Flüssigkeit 30 der Teil 40 herausbildet.
Das Distanzelement 13 weist eine Schichtdicke d auf, die
einen festen Abstand zwischen dem ersten und zweiten Elektrodenträger 11, 12 definiert.
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Auf
dem ersten Elektrodenträger 11 ist
die erste Flächenelektrode 50 oder
eine erste Elektrodenstruktur ausgebildet und auf dem zweiten Elektrodenträger 12 ist
die zweite Flächenelektrode 60 oder eine
zweite Elektrodenstruktur ausgebildet. Die erste und zweite Flächenelektrode 50, 60 können beispielsweise
durch Aufdampfen auf den ersten und zweiten Elektrodenträger 11, 12 erzeugt
werden oder aber auch in diesen integriert sein. Optional kann eine
Isolation zwischen dem ersten Elektrodenträger 11 (zweiten Elekt rodenträger 12)
und der ersten Flächenelektrode 50 (zweiten
Flächenelektrode 60)
ausgebildet sein. Die erste Flächenelektrode 50 weist den
ersten Bereich 50a und den zweiten Bereich 50b auf,
die entlang der Trennlinie 51 voneinander elektrisch isoliert
sind. Die Trennlinie 51 ist bei diesem Ausführungsbeispiel
nicht durch eine gerade Linie gegeben, sondern weist eine Krümmung auf,
die derart gewählt
werden kann, dass sich bei der kapazitiven Messung ein möglichst
linearer Zusammenhang zwischen der Messgröße (Neigung oder Drehung) um
eine Drehachse 80 und der erfassten Kapazitätsänderung
ergibt.
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Aus
der 2 ist ersichtlich, dass bei leichten Drehungen
um die Drehachse 80 eine Verschiebung des Teils 40 entlang
der nach außen
gewölbten Außenwand 20 erzeugt
wird, dass jedoch bei größeren Drehungen
um die Drehachse 80 sich der Teil 40 kaum bewegt
und infolge dessen zu keiner weiteren Kapazitätsänderung führt. Zum Beispiel wird der
Teil 40 bei einer Drehung zwischen 45 und 90° um die Drehachse 80 in
der in 2 dargestellten Situation sich in einem der Eckpunkte
des durch das Distanzelement 13 definierten Hohlraumes 10 befinden.
Jedoch kommt es bei kleineren Drehungen (z. B. von weniger als 10°) zu einer
starken Verschiebung Δs des
Teils 40 entlang der nach außen gewölbten Außenwand 20 und demzufolge
zu einer signifikanten Änderung
der Kapazität
zwischen dem ersten Bereich der ersten Flächenelektrode 50a und
der zweiten Flächenelektrode 60.
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3 zeigt
eine Querschnittsansicht durch das Distanzelement 13 in
der 2. Es ist somit ersichtlich, wie das Distanzelement 13 den
Hohlraum 10 und insbesondere die nach außen gewölbte Außenwand 20 definiert.
Ferner ist ersichtlich, dass die erste Flächenelektrode 50 nicht
ganzflächig über auf dem
ersten Elektrodenträger 11 ausgebildet
ist, sondern sich lediglich in einem Bereich erstreckt, der von dem
Teil 40 bei der seitlichen Bewegung Δs parallel zur nach außen gewölbten Außenwand 20 überstrichen
wird. Die erste Flächenelektrode 50 weist
wiederum den ersten Bereich 50a und den zweiten Bereich 50b auf,
die entlang der Trennlinie 51 elektrisch voneinander isoliert
sind. Beide Teile werden elektrisch kontaktiert und sind an einer
Auswerteeinheit oder Messelektronik 90 angeschlossen. In
der 3 ist die zweite Flächenelektrode 60,
die ebenfalls an die Auswerteeinheit 90 angeschlossen ist,
nicht gezeigt.
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Somit
zeigt 3 eine Anordnung im Schnitt durch das Distanzelement 13 und
verdeutlicht außerdem
die elektrische Auslesung des Sensors. Die beiden voneinander isolierten
Teilflächen 50a,
b der ersten Elektrodenstruktur 50 werden an die Messelektronik 90 angeschlossen.
Die zweite Elektrodenstruktur 60, die beispielsweise vollflächig auf
der zweiten Elektrodenhalterung 12 ausgebildet sein kann,
wird ebenfalls an die Messelektronik 90 angeschlossen, so
dass zwischen dem ersten Bereich 50a der ersten Elektrodenstruktur
und der zweiten Elektrodenstruktur 60 (= erste Teilkondensatoranordnung)
eine erste Teilkapazität
C1 und zwischen dem zweiten Bereich 50b der ersten Elektrodenstruktur
und der zweiten Elektrodenstruktur 60 (= zweite Teilkondensatoranordnung)
eine zweite Teilkapazität
C2 gemessen werden kann.
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Die
erste Teilkondensatoranordnung bildet sich somit entlang einer ersten Überdeckungsfläche A1 als
auch entlang einer Schnittfläche
des ersten Bereichs 50a mit dem Teil 40 (beispielhafte
Luftblase). In analoger Weise bildet sich die zweite Teilkondensatoranordnung
entlang einer zweiten Überdeckungsfläche A2 und
einer weiteren Schnittfläche des
zweiten Bereichs 50b mit dem Teil 40 heraus. Beide
Beiträge
zur ersten (und auch beide Beiträge zur
zweiten) Teilkondensatoranordnung liefern parallel geschaltete kapazitive
Beiträge
zur ersten (und zur zweiten) Teilkapazität C1 (und C2), wie in der 4 noch
näher beschrieben
wird. Die Kapazitäten der
beiden Beiträge
unterscheiden sich, da die Dielektrizitätskonstante des Teils 40 sich
von der Die lektrizitätskonstante
der dielektrischen Flüssigkeit
unterscheidet.
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Die
erste Überdeckungsfläche A1 ist
dabei durch den Überdeckungsgrad
des ersten Bereichs 50a der ersten Elektrodenstruktur 50 mit
der zweiten Elektrodenstruktur 60 gegeben, wobei die Überdeckung
durch die dielektrische Flüssigkeit 30 definiert ist.
Analog ist die zweite Überdeckungsfläche A2 durch
den Überdeckungsgrad
des zweiten Teils 50b der ersten Flächenelektrode 50 mit
der zweiten Flächenelektrode 60 gegeben.
Die erste Überdeckungsfläche A1 ist
somit innerhalb des ersten Bereichs 50a komplementär zu der
Schnittfläche,
die die beispielhafte Luftblase 40 mit dem ersten Bereich 50a bildet. Analog
ist die zweite Überdeckungsfläche A2 komplementär zu jener
Schnittfläche
die der zweite Bereich 50b mit der beispielhaften Luftblase 40 bildet.
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Eine
Verkippung des Sensors und damit eine Bewegung Δs der beispielhaften Luftblase 40 ändert gegensinnig
die beiden Teilkapazitäten
C1 und C2, da sich in diesem Fall der Überdeckungsgrad A1 in der ersten
Teilkondensatoranordnung vergrößert, während sich
der Überdeckungsgrad
A2 der zweiten Teilkondensatoranordnung verkleinert bzw. umgekehrt
(je nach der Drehrichtung).
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Dadurch
ergibt sich ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der Verkippung
(Neigung) des Sensors und der messbaren Kapazitätsdifferenz der beiden Teilkondensatoranordnungen.
Aufgrund der Form der beispielhaften Luftblase 40 ergibt
sich in der Nulllage des Sensors nicht unbedingt die Kapazitätsdifferenz
Null, da bei der oberen (erste) Teilkondensatoranordnung ein größerer Bereich
nicht vom dielektrischen Fluid 30 überdeckt ist als bei der unteren
(zweite) Teilkondensatoranordnung. Dieser Umstand bewirkt außerdem eine
nichtlineare Kapazitätsänderung
in Abhängigkeit
von der Verkippung, jedoch ist die eindeutige Zuordnung zwischen
Verkippwinkel (Drehung um die Drehachse 80) und der Kapazitätsdifferenz
stets gegeben. Durch eine geeignete Wahl der Elektrodenform kann
jedoch auch in diesem Fall eine quasi lineare Kennlinie erzielt
werden. Diese Wahl der Elektroden kann beispielsweise durch eine
Wahl der Trennlinie 51, die die beiden Bereiche der ersten
Flächenelektrode 50 trennt,
erfolgen. Wie bereits in der 2 und 3 dargestellt, ist
es im Allgemeinen nicht vorteilhaft, eine lineare Ausgestaltung
dieser Trennlinie 51 zu wählen, sondern stattdessen die
Trennlinie 51 so zu krümmen, dass
sich möglichst
eine lineare Kennlinie (Kapazitätsänderung
als Funktion des Neigungswinkels) ergibt. Zwischen der Krümmung und
der Wölbung
der Außenwand 20 wird
im Allgemeinen eine Beziehung bestehen, wobei die Beziehung beispielsweise
von der Form des Teils 40 abhängt. Die Form des Teils 40 hängt ihrerseits
zum einen von der Oberflächenspannung
der dielektrischen Flüssigkeit 30 und
zum anderen von dem Grad der Benetzung der Außenwand 20 von der
dielektrischen Flüssigkeit 30.
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4 zeigt
ein Ersatzschaltbild für
die erste Teilkapazität
C1 und die zweite Teilkapazität
C2. Die erste Teilkapazität
C1 ist durch die oben erwähnten zwei
Beiträge
gegeben, wobei der erste Beitrag C1a die dielektrische Flüssigkeit 30 und
der zweite Beitrag C1b den Teil 40 als dielektrisches Medium,
das zwischen dem ersten Bereich der ersten Flächenelektrode 50a und
der zweiten Flächenelektrode 60 angeordnet
ist, aufweist. In analoger Weise ist die zweite Teilkapazität C2 ebenfalls
durch zwei Beiträge gegeben,
wobei der erste Beitrag C2a ebenfalls die dielektrische Flüssigkeit 30 und
der zweite Beitrag C2b den Teil 40 als dielektrisches Medium,
welches zwischen dem zweiten Bereich der ersten Flächenelektrode 50b und
der zweiten Flächenelektrode 60 angeordnet
ist, aufweist. Die zweite Flächenelektrode 60 kann
beispielsweise mit Masse verbunden werden, so dass die beiden Signale
an dem ersten und zweiten Bereich der ersten Flächenelektrode 50a, 50b als
Messsignal genutzt werden können.
Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn nicht direkt die Teilkapazitäten C1 und C2
gemessen werden, sondern wenn stattdessen die Differenz zwischen
den beiden Teilkapazitäten
C1–C2
als die zu erfassende Messgröße verwendet
wird. Die Messung dieser Differenzkapazität der sich gegensinnig ändernden
Teilkapazitäten
C1 und C2 ist vorteilhaft, weil dadurch Störeinflüsse wie Temperatur und/oder
Feuchte kompensiert werden können.
Bei diesem Ersatzschaltbild ist zu beachten, dass die Kapazitäten C1a,
C1b, C2a und C2b von der Neigung des kapazitiven Sensors abhängen. Obwohl
sich die Flächen
der ersten und zweiten Flächenelektrode 50, 60 als
solche nicht ändern, ändert sich
aber das dielektrische Medium und somit die effektive dielektrische
Konstante zwischen der ersten und zweiten Flächenelektrode 50, 60.
Genauer gesagt überdeckt
die dielektrische Flüssigkeit 30 in
Abhängigkeit
von der Neigung (oder der Position des Teils 40) einen
mehr oder weniger großen
Teil der ersten und zweiten Flächenelektrode 50, 60.
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Mit
diesem Ersatzschaltbild wird also berücksichtigt, dass der Bereich
der Elektroden, der nicht vom Fluid (dielektrische Flüssigkeit 30) überdeckt
ist, einen Beitrag zur Kapazität
liefert. Die Teilkondensatoranordnung (C1, C2) ist also wie dargestellt
eine Parallelschaltung eines Kondensators mit Dielektrikum (C1a,
C2a) und eines zweiten Kondensators mit Luft (C1b, C2b). Bei einer
Neigung vergrößert sich
z. B. die Fläche
des Kondensators C1a mit Dielektrikum, während sich die Fläche des
Kondensators mit Luft C1b verkleinert. In Summe ergibt sich bei
der Parallelschaltung eine Vergrößerung des
Teilkondensators C1, da die Änderung
des Kondensators mit Dielektrikum C1a aufgrund der beispielsweise
höheren Dielektrizitätskonstanten
die Verkleinerung des Luftkondensators C1b sozusagen „überkompensiert”. Analoge
Betrachtungen gelten für
die Teilkondensatoranordnung C2, wobei sich beide Teilkondensatoranordnungen
gegensinnig zueinander verhalten können (um beispielsweise die
besagte Temperatur- und Feuchtekompensation zu erreichen), so dass, wenn
die Teilkondensatoranordnung C2 sich verkleinert, sich die Teilkondensatoranordnung
C1 vergrößert.
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5 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel,
bei dem im Vergleich zu dem in 3 gezeigten
Ausführungsbeispiel,
die Form der ersten Flächenelektrode 50 geändert wurde.
Insgesamt weist das Ausführungsbeispiel
in 5 vier Teile für
die erste Flächenelektrode 50 auf,
wobei einen ersten Bereich 50a und ein dritter Bereich 50c elektrisch
miteinander verbunden sind. Ferner ist der zweite Bereich 50b mit
einem vierten Bereich 50d elektrisch miteinander verbunden.
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Der
erste und zweite Bereich 50a und 50b der ersten
Elektrodenstruktur 50 bilden dabei im wesentlichen ein
Rechteck, das parallel zur nach außen gewölbten Außenwand 20 (leicht)
gekrümmt
ist und die Trennlinie 51 einer leicht gekrümmten Diagonale des
Rechtecks folgt. In der 5 wurde die Elektrodenstruktur
der 3 dahingehend dupliziert, dass zusätzlich zu
dem ersten Bereich 50a und dem zweiten Bereich 50b ein
dritter Bereich 50c und ein vierter Bereich 50d hinzugefügt wurden,
wobei der dritte und vierte Bereich 50c, 50d eine
analoge Form aufweisen wie der erste und der zweite Bereich 50a, 50b.
Der dritte und vierte Bereich 50c, d bilden somit ebenfalls im
wesentlichen ein Rechteck, das parallel zur nach außen gewölbten Außenwand 20 gekrümmt ist
und die Trennlinie 51 einer leicht gekrümmten Diagonale des Rechtecks
folgt. Die beiden so gebildeten Rechtecke sind entlang ihrer langen
Seite elektrisch voneinander isoliert angeordnet. Damit wird erreicht, dass
beispielsweise alle vier Bereiche 50a, b, c, d elektrisch
voneinander isoliert auf den ersten Elektrodenträger 11 angeordnet
sind, wobei die elektrische Verbindung schaltungstechnisch außerhalb
des kapazitiven Sensors erfolgen kann.
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Die
Höhe der
ersten Flächenelektrode 50 kann
beispielsweise wiederum durch eine radiale Ausdehnung R der beispielhaften Luftblase 40 gegeben
sein und sich im wesentlichen über
die laterale Breite B des Hohlraums 10 erstrecken.
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Somit
zeigt 5 eine alternative Gestaltung der ersten Elektrodenstruktur 50.
Durch die kammartige Unterteilung der ersten Elektrodenstruktur 50 in
mehrere übereinander
liegende Streifen kann damit der negative Einfluss der runden Form der
beispielhaften Luftblase 40 auf die Linearität des Ausgangssignals
minimiert werden, da sich die Änderungen
der vom dielektrischen Fluid 40 überdeckten Bereiche in den
beiden Teilkondensatoranordnungen C1 und C2 gegenseitig annähern.
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6 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel,
bei dem innerhalb des Hohlraums 10 ein weiteres Distanzelement 14 derart
angeordnet ist, dass der Teil 40 des Hohlraums 10 sich
zwischen dem Distanzelement 13 und dem weiteren Distanzelement 14 herausbildet
und der Teil 40 lediglich seitlich (entlang der Bewegungsrichtung Δs) von der
dielektrischen Flüssigkeit 30 begrenzt
wird. Somit ist der Teil 40 auf der der gewölbten Außenwand 20 gegenüberliegenden
Seite 21 von dem weiteren Distanzelement 14 begrenzt.
In dem Zwischenraum zwischen dem Distanzelement 13 und
dem weiteren Distanzelement 14, in dem der Teil 40 herausgebildet
ist, ist die erste Flächenelektrode 50 an
einer Seitenwand (Elektrodenträger 11)
ausgebildet, wobei die erste Flächenelektrode 50 wiederum
einen ersten Bereich 50a und einen zweiten Bereich 50b aufweist,
die, wie in der 3 dargestellt, entlang der Trennlinie 51 unterbrochen
sind. Das weitere Distanzelement 14 kann dabei derart in
dem Hohlraum 10 angeordnet sein, dass sich deren Oberfläche in den
Hohlraum 10 hineinwölbt,
so dass die nach außen
gewölbte
Außenwand 20 und
eine Seitenwand 21 des weiteren Distanzelements 14 im
wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Der Kanal zwischen der
nach außen
gewölbten Außenwand 20 und
der Seitenwand 21 kann dabei derart gewählt werden, dass der Abstand
zwischen den beiden Wänden
kleiner ist als eine laterale Ausdehnung (in Bewegungsrichtung Δs) des Teils 40.
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Somit
zeigt 6 eine weitere Alternative, um die Linearität des Sensorsignals
zu verbessern. Durch das Einbringen des kapillar formenden Elements 14 wird
ein schlauchförmiges
Gebiet 16 ausgebildet, indem sich die beispielhafte Luftblase 40 befinden
kann. Da diese an der oberen sowie unteren Wand 20 und 21 des
schlauchförmigen
Gebiets 16 anhaftet, bildet sich die Oberfläche der
beispielhaften Luftblase 40 annähernd senkrecht zu den beiden Wänden 20, 21 und
damit in radialer Richtung innerhalb der gesamten Kavität aus. Auf
diese Weise wird ein annähernd
gleich großer Überdeckungsgrad
(A1 = A2, siehe 3) für beide Teilkondensatoranordnungen
in der Nulllage sowie ein lineares Sensor-Ausgangssignal erzielt,
da sich die Oberfläche der
Luftblase 40 in radialer Richtung ausbildet und in Umfangsrichtung
bewegt. Die radiale Richtung bezieht sich dabei auf eine Richtung
parallel zur Flächennormale
entlang der nach außen
gewölbten
Außenwand
und die Umfangsrichtung entspricht der Bewegungsrichtung Δs der beispielhaften
Luftblase 40.
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7 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel,
bei dem die erste und zweite Flächenelektrode 50 und 60 nicht
entlang von Seitenwänden
ausgebildet sind, sondern bei dem die erste Flächenelektrode 50 entlang
der nach außen
gewölbten
Außenwand 20 angeordnet
ist und die zweite Flächenelektrode 60 auf
den gegenüberliegenden
Elektrodenträger 12 (Boden)
ausgebildet ist. Die 7 zeigt somit eine Raumansicht
des kapazitiven Sensors, wobei die in dem Hohlraum eingebrachte
dielektrische Flüssigkeit 30 durch
den zweiten Elektrodenträger 12 nach
unten begrenzt ist und seitlich durch eine erste Seitenwand 15a und
eine zweite Seitenwand 15b begrenzt wird. Die nach außen gewölbte Außenwand 20 ist entlang
des ersten Elektrodenträgers 11 ausgebildet, so
dass sich die erste Flächenelektrode 50 und
die zweite Flächenelektrode 60 in
einem Abstand d zueinander befinden, der durch die erste und zweite Seitenwand 15a und 15b definiert
ist. Es kann dabei vorteilhaft sein, wenn der zweite Elektrodenträger 12 ebenfalls
eine Wölbung
aufweist, die insbesondere parallel zur Wölbung der Außenwand 20 ausgebildet sein
kann. Damit wird nämlich
erreicht, dass der (effektive) Abstand d, der die Kapazität der Kondensatoranordnungen
bestimmt, innerhalb des Hohlraumes konstant bleibt. Ferner kann
die beispielhafte Luftblase sich ebenfalls über die ganze Höhe der Kavität erstrecken.
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Wie
in den Ausführungsbeispielen
zuvor auch, weist die erste Flächenelektrode
einen ersten Bereich 50a und einen zweiten Bereich 50b auf,
die entlang einer Trennlinie 51 voneinander elektrisch isoliert
sind, so dass sich bei eingebrachter dielektrischer Flüssigkeit 30 der
erste Teilkondensator wiederum zwischen dem ersten Bereich 50a und
der zweiten Flächenelektrode 60 und
der zweite Teilkondensator zwischen dem zweiten Bereich 50b und
der zweiten Flächenelektrode 60 herausbildet.
Die Trennlinie 51 zwischen dem ersten und zweiten Bereich 50a und 50b kann
bei diesem Ausführungsbeispiel
wiederum als eine Diagonale entlang der rechteckig ausgebildeten
ersten Flächenelektrode 50 ausgebildet
sein. Bei einer aufrechten Position des kapazitiven Sensors bildet
sich somit entlang der nach außen
gewölbten
Außenwand 20 die
beispielhafte Luftblase 40 heraus, die bei einer Drehung
um die Drehachse 80 eine Bewegung Δs entlang der nach außen gewölbten Außenwand 20,
auf die die erste Flächenelektrode 50 ausgebildet
ist, beschreibt.
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Folglich
ist bei diesem Ausführungsbeispiel die
erste Flächenelektrode 50 gekrümmt und
zwar entlang einer Tangentialrichtung, die parallel zur Bewegung Δs verläuft. Die
Trennlinie 51 zwischen dem ersten und zweiten Bereich 50a, 50b erscheint
deshalb in einer Draufsicht als eine Gerade. Die zweite Flächenelektrode 60 kann
wiederum ganzflächig
auf dem zweiten Elektrodenträger 12 ausgebildet
sein (z. B. durch Bedampfen) und ist deshalb in der Figur nicht
explizit gezeigt.
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8 zeigt
das gleiche Ausführungsbeispiel in
einer Draufsicht auf die Seite des ersten Elektrodenträgers 11,
wobei die als Rechteck gestaltete erste Flächenelektrode 50 mit
dem ersten und zweiten Bereich 50a und 50b von
oben sichtbar ist und die beispielhafte Luftblase 40 in
der Mitte erscheint. Seitlich ist der kapazitive Sensor durch die
erste und zweite Seitenwand 15a und 15b getrennt
und der erste und zweite Bereich der ersten Flächenelektrode 50a, 50b werden
entsprechend elektrisch kontaktiert und mit einer Auswerteeinheit 90 verbunden.
Die zweite Flächenelektrode 60 ist
in der gezeigten Draufsicht nicht sichtbar, wobei auch diese zweite Flächenelektrode 60 mit
der Auswerteeinheit 90 verbunden ist. Da die erste Flächenelektrode 50 senkrecht
zur Draufsicht gekrümmt
ist, erscheint sie als Rechteck, wobei entlang der Diagonale von
links unten nach rechts oben die Trennlinie 51 gezeigt
ist, die den ersten und den zweiten Bereich 50a und 50b voneinander
elektrisch isoliert. Die erste Teilkondensatoranordnung C1 umfasst
somit zwei Bereiche: einen ersten Bereich der ersten Flächenelektrode 50a, der
nicht von der beispielhaften Luftblase 40 kontaktiert wird,
und einen zweiten Bereich, der von der beispielhaften Luftblase 40 kontaktiert
wird. Analog umfasst die zweite Teilkondensatoranordnung C2 ebenfalls
zwei Beiträge:
einen ersten Beitrag, der durch jenen Flächenanteil des zweiten Teils
der ersten Flächenelektrode 50b bestimmt,
der nicht mit der beispielhaften Luftblase 40 in Kontakt
ist, und einen zweiten Beitrag, der wiederum dazu komplementär ist und
jenem Flächenteil
des zweiten Teils der ersten Flächenelektrode 50b entspricht,
der mit der beispielhaften Luftblase 40 in Kontakt ist.
Wie oben beschrieben weisen beide Beiträge aufgrund der unterschiedlichen
dielektrischen Eigenschaften der beispielhaften Luftblase 40 und
der dielektrischen Flüssigkeiten 30 unterschiedliche
Kapazitäten
auf, wobei die Sensitivität
des kapazitiven Sensors größer wird
je größer der
Unterschied in den Dielektrizitätskonstanten (des
Teils 40 im Vergleich zur dielektrischen Flüssigkeit 30)
ist.
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Somit
ist in 7 und 8 eine zweite grundsätzliche
Ausführungsvariante
des Sensorprinzips gezeigt, die sich von den in den 2 bis 6 gezeigten
Ausführungsbeispielen
unterscheidet (7 zeigt eine Explosionsdarstellung
und 8 die gleiche Variante in der Draufsicht). Die
durchsichtige Darstellung der ersten Flächenelektrode 50 als auch
des ersten Elektrodenträgers 11 dient
der Anschaulichkeit und ist im Allgemeinen nicht gegeben. Bei diesem
Ausführungsbeispiel
ist wie gesagt der erste Elektrodenträger 11 mit der ersten
Flächenelektrode 50 gewölbt geformt
und bildet mit dem zweiten Elektrodenträger 12, der die zweite
Flächenelektrode 60 trägt (die
in der Zeichnung nicht dargestellt ist), ohne Einsatz eines Distanzelements 13 die
Kavität 10.
An der Vorder- und Rückseite
sind lediglich Seitenwände 15a und 15b als
Abschluss der Kavität 10 gebildet.
Die Kavität 10 wird
wiederum mit einer dielektrischen Flüssigkeit 30 teilweise
gefüllt,
wobei sich eine beispielhafte Luftblase 40 analog zu den
anderen Ausführungsvarianten
am höchsten
Punkt der Kavität
befindet. Vorteilhaft an dieser Anordnung ist, dass der Überdeckungsgrad
A1, A2 der beiden Teilkondensatoranordnungen in der Nulllage identisch ist.
Ferner ist bei einer Verkippung des Sensors um die Verdrehungsachse 80 die
Flächenänderung
der nicht überdeckten
Elektrodenfläche
beider Teilkondensatoranordnungen C1 und C2 betragsmäßig gleich.
Eine effektive Änderung
des Abstandes zwischen den beiden Elektrodensturen kann, wie oben beschrieben,
dadurch kompensiert werden, dass die zweite Flächenelektrode 60 parallel
zur ersten Flächenelektrode 50 gewölbt ist.
Somit zeichnet sich dieses Ausführungsbeispiel
durch eine hohe Linearität
des Sensor-Ausgangssignals
(Sensorkennlinien) aus.
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9 zeigt
eine direkte Fortführung
der in den 7 und 8 gezeigten
Ausführungsführungsvariante,
bei der eine Feststellung einer Drehung oder Neigung bezüglich zwei
verschiedenen Drehachsen 80a, b möglich ist. Dazu wird die in
der 7 gezeigte nach außen gewölbte Außenwand 20 bezüglich zwei
Richtungen gekrümmt
(z. B. in Form einer konvexen Linse) und die so gekrümmte Oberfläche dient
als Elektrodenträger 11 für die erste
Flächenelektrode 50.
Um eine unabhängige
Feststellung verschiedener Drehungen bezüglich verschiedener Drehachsen
zu erreichen, weist die erste Flächenelektrode 50 bei
diesem Ausführungsbeispiel vier
Bereiche auf: einen ersten Bereich 50a, einen zweiten Bereich 50b,
einen dritten Bereich 50c und einen vierten Bereich 50d.
Alle vier Bereiche sind dabei durch eine Trennlinie 51 (in
Form eines Kreuzes) voneinander elektrisch isoliert und bilden eine
nach außen
gewölbte
konvexe Fläche
(senkrecht zur Zeichenebene der 9). Die
beispielhafte Luftblase 40 ist dabei in der 9 wiederum
mittig gezeigt, wodurch eine Nulllage definiert werden kann. Bei
einer Drehung um die Drehachse 80a bewegt sich die beispielhafte
Luftblase 40 entlang der Richtung 8a und bei einer
Drehung um die Drehachse 80b bewegt sich die beispielhafte
Luftblase 40 entlang der Richtung 8b. Durch eine
differenzielle Erfassung der Kapazitäten beispielsweise bezüglich der
Bereiche 50b, 50d kann somit eine Neigung bezüglich der
Drehachse 80b festgestellt werden. In analoger Weise kann beispielsweise
durch eine differenzielle Erfassung bezüglich der Kondensatorflächen 50a, 50c eine
Neigung oder Drehung bezüglich
der Drehachse 80a festgestellt werden.
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In
der 9 sind der erste und zweite Elektrodenträger 11, 12,
die in der hier gezeigten Draufsicht übereinander liegen, wie auch
die erste und zweite Seitenwand 15a, b lediglich schematisch
dargestellt (vergleiche Raumansicht 7). Durch
eine entsprechend geringe Krümmung
der linsenförmig ausgestalteten
nach außen
gewölbten
ersten Flächenelektrode 50 kann
somit – wie
in den anderen Ausführungsbeispielen
auch – die
Sensitivität
bezüglich
der Neigungen oder Drehungen eingestellt werden.
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Somit
zeigt 9 eine Erweiterung des Ausführungsbeispiels aus der 7 und 8.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist der erste Elektrodenträger 11 (wie
gesagt) nicht nur in eine Dimension gewölbt, sondern weist beispielsweise
eine sphärisch geformte
innere Oberfläche
auf. Dadurch kann das Messprinzip auf zwei Verkippungsachsen (bezüglich der
Achse 80a, 80b) ausgeweitet werden. Dazu wird die
erste Elektrodenstruktur 50 in vier voneinander elektrisch
isolierte Teilbereiche (50a, 50b, 50c, 50d) aufgeteilt,
wobei jeweils ihre Kapazität
gegen die zweite, beispielsweise vollflächig ausgestaltete Elektrodenstruktur 60,
auf den zweiten Elektrodenträger 12 gemessen
wird. Durch eine geeignete Verschaltung und Auswertung kann dann
auf die Verkippung des Sensors in zwei Raumachsen geschlossen werden.
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Bei
den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen
ist davon ausgegangen worden, dass die dielektrische Flüssigkeit 40 eine
größere Dichte
aufweist als die beispielhafte Luftblase 40, so dass sich die
beispielhafte Luftblase in vertikaler Richtung oben und die dielektrische
Flüssigkeit
in vertikaler Richtung unten (bezüglich der Schwerkraft) befindet. Es
ist jedoch gleichermaßen
möglich,
dass die dielektrische Flüssigkeit
leichter ist als beispielsweise ein Medium, welches sich innerhalb
des beispielhaften Teils 40 (keine Luftblase in diesem
Fall) befindet. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass
zunächst
die dielektrische Flüssigkeit 30 in
den Hohlraum 10 und danach eine weitere dielektrische Flüssigkeit,
die nicht mit der dielektrischen Flüssigkeit 30 mischt,
eingefüllt
wird. Beide dielektrische Flüssigkeiten
weisen vorteilhafterweise möglichst
unterschiedliche dielektrische Konstanten auf. In Abhängigkeit
davon, welche der beiden dielektrischen Flüssigkeiten schwerer bzw. eine
höhere
Dichte aufweist, befindet sich in diesem Ausführungsbeispiel der Teil 40 entweder
oben oder unten. In jedem Fall ist der kapazitive Sensor so anzuordnen,
dass sich der Teil 40 entlang der nach außen gewölbten Außenwand 20 (die
oben oder unten sein kann) angeordnet ist. Die bisher in Ausführungsbeispielen
beschriebene Neigung oder Drehung um die Drehachse ist jedoch dazu äquivalent,
dass zusätzlich
zur Schwerkraft eine (seitliche) Beschleunigung oder Kraft auftritt,
die eine Verschiebung des Teils 40 entlang der nach außen gewölbten Außenwand 20 bewirkt.
Diese seitliche Kraft kann beispielsweise eine Fliehkraft oder eine
andere Beschleunigung sein, die seitlich auf den kapazitiven Sensor
einwirkt.
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Eine
weitere Ausführung
der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass beide Flächenelektroden – sowohl
die erste Flächenelektrode 50 als
auch die zweite Flächenelektrode 60 – geteilt
sind (zwei Differential-Kondensatorstrukturen) und derart angeordnet
sind, dass die messbare Kapazitätsdifferenz an
der zweiten geteilten Elektrodenstruktur sich gegensinnig zu der
Kapazitätsdifferenz
an der ersten geteilten Elektrodenstruktur ändert. Dies kann beispielsweise
dadurch erreicht werden, dass die Trennungslinie 51 zwischen
den Elektroden bei der einen geteilten Elektrodenstruktur von links
unten nach rechts oben verläuft,
wie dies beispielsweise in der 3 gezeigt
ist, und bei der anderen Elektrodenstruktur von rechts unten nach
links oben verläuft.
In diesem Fall kann die redundante Ausführung der Messelektroden dazu
genutzt werden, um Feuchtigkeits- und Temperatureinflüsse, welche
das Messsignal verändern,
herauszurechnen. Dadurch wird eine noch höhere Genauigkeit des Systems
erreicht und der Einsatzbereich des kapazitiven Neigungssensors erweitert.
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10 zeigt
dafür ein
konkretes Ausführungsbeispiel,
bei dem sowohl die erste Flächenelektrode 50 als
auch die zweite Flächenelektrode 60 geteilt
sind, wobei die erste Flächenelektrode
einen ersten Bereich 50a und einen zweiten Bereich 50b und auch
die zweite Flächenelektrode 60 ebenfalls
einen ersten Bereich 60a und einen zweiten Bereich 60b aufweisen,
die durch eine (gekrümmte)
Trennlinie 61 voneinander isoliert sind. Die Trennlinie
entlang der ersten Flächenelektrode 51,
die den ersten und zweiten Bereich 50a, b elektrisch voneinander
trennt, verläuft
dabei entlang der einen Diagonale der als Rechteck geformten ersten
Flächenelektrode 50,
wohingegen die Trennlinie 61 entlang der anderen Diagonale
der ebenfalls als Rechteck geformten zweiten Flächenelektrode 60 verläuft. Die
erste und zweite Flächenelektrode 50, 60 befinden
sich dabei in dem Abstand d, der beispielsweise durch das Distanzelement 13 realisiert
werden kann.
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Die
Sensitivität
des kapazitiven Sensors kann zum einen durch eine Variation der
Gestaltung der Flächenelektroden 50, 60 erreicht
werden und zum anderen durch eine Variation der nach außen gewölbten Außenwand 20 erreicht
werden. Bezüglich
der Gestaltung der Flächenelektroden 50, 60 wurden
in den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen
bereits einige konkrete Realisierungen dargestellt. Wie bei der 1 bereits
beschrieben kann die nach außen
gewölbte
Außenwand 20 so
gewählt werden,
dass sich die Bewegung Δs
des Teils 40 für bestimmte
Neigungen besonders stark ändert.
Im Allgemeinen wird bei einer nur schwach konvex gekrümmten Außenwand 20 eine
hohe Sensitivität
erreicht, währenddessen
eine starke nach außen
gewölbte
Außenwand
eine geringe Sensitivität
zeigen wird. Oft wird es weniger vorteilhaft sein, dass die nach
außen
gewölbte
Außenwand
eine halbkreisförmige
Form aufweist, sondern stattdessen nur ein Kreissegment darstellt,
wobei der Kreis einen sehr großen
Radius haben sollte, um eine möglichst
hohe Sensitivität
zu erreichen. Beim Einstellen der hohen Sensitivität ist jedoch
zu berücksichtigen,
dass eine hohe Sensitivität
in der Regel damit einhergeht, dass nur ein begrenzter Winkelbereich
erfassbar ist und dass ab einem bestimmten Grenzwinkel weitere Neigungen
kaum oder nur sehr eingeschränkt
erfassbar sind.
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Bei
weiteren Ausführungsbeispielen
kann die dielektrische Flüssigkeit
und der Hohlraum 10 derart beschaffen sein, dass die Innenwände der Sensorkavität 10 besser
oder schlechter benetzt werden. Durch diese Eigenschaften kann die
Form der beispielhaften Luftblase 40, die sich beim Füllen des Hohlraums 10 mit
der dielektrischen Flüssigkeit 30 herausbildet,
beeinflusst werden. Auch die Anzahl der Bereiche der ersten und
zweiten Flächenelektrode 50, 60 und
deren Form kann weiter variiert sein (z. B. drei Bereiche pro Flächenelektrode).