DE3931273A1 - Inkrementeller drehwinkel- bzw. laengensensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen inkrementellen Drehwinkel- bzw. Längensensor, bei dem auf einem feststehenden Träger eine Spur I mit elektrisch leitfähigen Steg­ teilen angeordnet ist, welche gruppenweise zusammen­ gefaßt sind, und bei dem gegenüber dieser Spur auf dem feststehenden Träger eine weitere Spur II mit elektrisch leitfähigen Stegteilen auf einem bewegbaren Träger ange­ ordnet ist, wobei die Stegteile der beiden Spuren I, II eine veränderbare Kondensatoranordnung bilden, an die mit Hilfe einer Steuerlogik phasenverschobene Wechsel­ spannungen angelegt werden, aus denen ein der Kapazitäts­ änderung proportionales Ausgangssignal als zeitlicher Mittelwert erzeugt wird, welches die zu bestimmende Winkel- bzw. Längenänderung repräsentiert.

Ein Drehwinkelsensor der eingangs beschriebenen Art ist in der DE-OS 36 17 335 dargestellt. Dabei wird das Ausmaß der Verschiebung eines Meßfühlers über die Veränderung der elektrostatischen Kapazität zwischen einer Drehscheibe und einer fest angeordneten Scheibe festgestellt, wobei die Drehscheibe an einer Welle des Meßfühlers und die fest angeordnete Scheibe an einer Grundplatte der Drehscheibe gegenüberliegend angeordnet sind. Zwei fest angeordnete Scheiben liegen der Drehscheibe gegenüber. Wenigstens eine der Scheiben ist mit ersten und zweiten Sendeelektroden versehen, die aus einer Vielzahl von mit phasenverschobenen Wechselspannungen beaufschlagten Elektrodenelementen be­ stehen, und diese sind in Umfangsrichtung der Platte unter gleichen Abständen in einer Ringform angeordnet. Die Pha­ sendifferenz zwischen den an die beiden Sendeelektroden angelegten Wechselspannungen beträgt 180°. Ferner ist die Drehscheibe mit ersten und zweiten Empfangselektroden zum Empfang von gleichphasigen Signalen versehen, die von beiden Sendeelektroden elektrostatisch eingekoppelt wer­ den. Jede fest angeordnete Scheibe ist mit einer Ausgangs­ elektrode versehen, die mit der betreffenden Empfangs­ elektrode elektrostatisch gekoppelt ist, um durch elektro­ statische Koppelung ein Signal zu erhalten.

Gegenüber diesem vorbekannten Stande der Technik geht die Erfindung von der Aufgabenstellung aus, einen kapazitiven Drehwinkel- bzw. Längensensor der eingangs erläuterten Art so auszubilden, daß eine extrem gute Auflösung klein­ ster Winkel- bzw. Längenänderungen erreicht wird, und daß der Einfluß des Abstandes zwischen den die Teilungen tra­ genden feststehenden bzw. bewegbaren Trägern gering bleibt.

Das Kennzeichnende der Erfindung ist darin zu sehen, daß die beiden Spuren I, II aus jeweils ineinander verzahnten ersten und zweiten Teilungen (A₁, B₁; C₁, D₁) von Stegteilen gebildet werden, und daß die Wechselspannungen abwechselnd an die erste Teilung (C₁) und an die zweite Teilung (D₁) angelegt werden, wobei jeweils die andere Teilung des be­ wegbaren Trägers auf konstantem Potential gehalten wird, und die eine Teilung des feststehenden Trägers (B₁) gleich­ phasig und die andere Teilung des feststehenden Trägers (A₁) gegenphasig angesteuert wird. Durch die geometrische Anordnung der Stegteile ergibt sich eine gute Auflösung, d.h. hohe Meßgenauigkeit der Winkeländerung oder der Längen­ verschiebung.

Im Bereich geringer Winkelveränderungen unterhalb der Tei­ lung entspricht dieser Aufbau einem Analog-Sensor, bei größeren Winkeln arbeitet die Anordnung als inkrementeller Sensor.

Der Sensor der genannten Art kann zweckmäßig in der Weise ausgebildet sein, daß in der einen Halbperiode eines perio­ dischen Arbeitszyklus die Wechselspannung an die erste Tei­ lung (C₁) angelegt wird, während der bewegbare Träger mit seiner zweiten Teilung (D₁) auf einem konstanten Potential gehalten wird, und der feststehende Träger mit der ersten Teilung (A₁) gegenphasig zur Teilung (C₁) angesteuert wird und der feststehende Träger mit seiner zweiten Teilung (B₁) gleichphasig zur ersten Teilung (C₁) angesteuert wird, und daß in der anderen Halbperiode des Arbeitszyklus die Wechsel­ spannung an die zweite Teilung (D₁) angelegt wird, während die erste Teilung (C₁) auf konstantem Potential gehalten wird, daß die Teilung (A₁) gegenphasig zur Teilung (D₁) angesteuert wird, während die zweite Teilung (B₁) gleich­ phasig zur Teilung (D₁) angesteuert wird, und daß die Kapazität zwischen der Teilung (A₁) und der Teilung (C₁) und/oder zwischen der Teilung (D₁) und der Teilung (B₁) gemessen wird.

Bei der genannten Ausführungsform sind die Teilung bildenden Stegteile durch Leiterbahnen verbunden.

Bei einer Ausführung, bei der eine direkte Kontaktierung des bewegbaren Trägers nicht möglich oder nicht sinnvoll ist, erfolgt die Potentialübertragung auf die Teilung des bewegbaren Trägers vorteilhaft durch einander gegenüberlie­ gende Kontaktbahnen, welche einen Koppelkondensator zur Wechselspannungsübertragung bilden.

Die beiden Spuren können vorteilhaft sowohl auf linear gegeneinander verschiebbaren Trägern, als auch auf Trägern angeordnet sein, welche eine Drehbewegung relativ zueinander ausführen. Dabei können die Teilungen zweck­ mäßig auf relativ zueinander bewegbaren Kreisscheiben oder auf relativ zueinander bewegbaren Zylinderflächen angeord­ net sein.

Anstelle einer Ausbildung, bei der beide zusammenwirkende Spuren I, II aus ineinander verzahnten rechteckigen Flächenele­ menten aufgebaut sind, kann auch gegebenenfalls eine andere Form der Flächenelemente gewählt werden, um z.B. den Spannungs­ verlauf in Abhängigkeit vom Drehwinkel möglichst sinusförmig zu machen.

Die mit Leiterbahnen untereinander verbundenen Stegteile der ersten Teilung können vorteilhaft gegenüber den mit Leiterbahnen verbundenen Stegteilen der zweiten Teilung um die Stegbreite versetzt ineinandergeschachtelt sein.

Die Frequenz der angelegten Wechselspannungen liegt vorzugs­ weise zwischen 20 kHz und 1 MHz. Die Wechselspannungen kön­ nen zweckmäßig eine Impulsfolge bilden, wobei zur Erzeugung der Impulse die Ladung oder Entladung der Kapazitäten zwischen den jeweiligen Spuren ausgenutzt werden kann.

Die durch die Stegteile gebildeten ersten und zweiten Teilungen einschließlich der verbindenden Leiterbahnen und gegebenenfalls der Kontaktbahnen können vorteilhaft als metallische Oberflächenbeschichtung eines isolierenden Trägergrundmaterials ausgebildet sein. Eine andere zweck­ mäßige Ausbildung kann vorsehen, daß die durch die Steg­ teile gebildeten ersten und zweiten Teilungen einschließ­ lich der verbindenden Leiterbahnen und gegebenenfalls der Kontaktbahnen als geätzte, geschnittene oder galvanisch freitragende Metallstrukturen ausgebildet sind.

Es kann ferner gegebenenfalls zweckmäßig sein, auf dem beweg­ baren und/oder feststehenden Träger Abschirmelemente, bei­ spielsweise Abschirmringe anzubringen. Diese umfassen einige oder alle der elektrisch aktiven Flächen und verringern die gegenseitige Beeinflussung bzw. dienen zur Verbesserung der Signalform. Die Abschirmelemente können dabei vorteilhaft so­ wohl als passive Abschirmung mit Konstantpotential, als auch als sogenannter "getriebener Schirm" mit definierter Spannungs­ änderung ausgebildet sein.

Ein weiterer Vorteil kann gegebenenfalls dadurch erreicht werden, daß die inneren und äußeren Spuren zur Vermeidung gegenseitiger Beeinflussung zeitlich ineinanderverschachtelt betrieben werden.

Anstelle der elektrostatischen Signalgewinnung kann gegebe­ nenfalls zweckmäßig auch eine induktive Übertragung oder eine sonstige magnetische Signalgewinnung erfolgen.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung dargestellt, aus denen sich weitere Erfin­ dungsmerkmale ergeben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Sensors,

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen kreisscheiben­ förmigen, feststehenden Träger,

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen kreisscheiben­ förmigen, bewegbaren Träger,

Fig. 4 eine Draufsicht auf den feststehenden Träger in einer alternativen Ausführungs­ form zur Linearverschiebung,

Fig. 5 ein Prinzipschaltbild zur Verwendung mit der Ausführungsform nach Fig. 2 und 3,

Fig. 6 ein Impulsdiagramm.

In Fig. 1 ist eine drehbare Antriebswelle 1 dargestellt, welche mit einer den bewegbaren Träger bildenden Kreis­ scheibe 2 drehfest verbunden ist. Gegenüber der drehbaren Kreisscheibe 2 ist eine feststehende Kreisscheibe 3 in geringem Abstand angeordnet, welche den feststehenden Träger bildet. Auf den beiden Kreisscheiben 2, 3 sind auf den einander zugekehrten Innenseiten Teilungen A₁, B₁ und A₂, B₂ sowie C₁, C₂ und D₁, D₂ angebracht, welche aus ineinander verzahnten Stegteilen gebildet werden. Die Teilungen A₁ und B₁ sowie A₂, B₂; C₁, D₁ und C₂, D₂ bilden jeweils gegenüberliegende Spuren, deren Kapazi­ tätsänderung bei der Drehbewegung der bewegbaren Kreis­ scheibe 2 mit Hilfe einer Meßschaltung 4 bestimmt wird, welche die Kapazitätsänderungen als Änderung der Meßgröße in einem Anzeigegerät 5 ausgibt.

Die Teilungen A₁ und B₁ bilden eine äußere Spur I auf dem feststehenden Träger, während die Teilungen C₁ und D₁ eine äußere Spur II auf dem bewegbaren Träger dar­ stellen.

Die Teilungen A₂ und B₂ gehören zu einer inneren Spur III auf dem feststehenden Träger, während die Teilungen C₂ und D₂ die innere Spur IV des bewegbaren Trägers bilden. Die inneren Spuren III und IV dienen zur Gewinnung einer Meßgröße über den Drehsinn der Bewegung.

Eine geometrische Ausbildung der Spuren I-IV zeigen die Fig. 2 und 3. Die Spur I besteht aus der ersten Tei­ lung A₁ und der zweiten Teilung B₁. Teilung A₁ weist Steg­ teile 8 auf, die untereinander mit einer Leiterbahn 9 verbunden sind. In gleicher Weise besteht die zweite Tei­ lung B₁ aus Stegteilen 15 und einer verbindenden Leiter­ bahn 16.

Die Teilung C₁ der drehbaren Scheibe besteht ebenfalls aus Stegteilen 6, die mit einer Leiterbahn 7 untereinan­ der verbunden sind. Zur Übertragung der elektrischen Meß­ werte ist die Leiterbahn 7 über eine Radialverbindung 12 mit einer Kontaktbahn 13 verbunden, welcher eine äußere Kontaktbahn 14 auf der feststehenden Scheibe (vgl. Fig. 2) gegenüberliegt und mit dieser einen Kondensator für die Übertragung von Wechselspannungen bildet.

Die Teilung D₁ auf dem bewegbaren Träger besteht aus Steg­ teilen 10, die durch eine Leiterbahn 11 miteinander verbun­ den sind, welche über eine Radialverbindung 17 mit einer innenliegenden Kontaktbahn 18 in Verbindung steht. Diese innenliegende Kontaktbahn 18 wirkt mit der Kontaktbahn 19 auf der feststehenden Scheibe (Fig. 2) als Kondensa­ tor zur Spannungsübertragung zusammen.

Die Teilungen in der Ausführungsform der Fig. 2 und 3 sind gleichartig aufgebaut.

Zur Kontaktierung der einzelnen Teilungen und zum An­ schluß der Verbindungsleitungen der Steuerschaltung sind auf der feststehenden Scheibe Anschlußpunkte 20 vorge­ sehen. Durch die kapazitive Übertragung mit Hilfe der Kon­ taktbahnen kann die als bewegbarer Träger ausgebildete Drehscheibe ohne ortsfeste Verbindungsanschlüsse ausgebil­ det werden.

Die Kapazitäten und deren Änderungen können dabei als Spannungen, Frequenzen oder Zeiten in bekannter Weise bestimmt werden.

Fig. 4 zeigt einen schematisch gleichen Aufbau der fest­ stehenden Teilungen A₁, B₁ zur Messung von Linearverschiebung.

Die bevorzugt für die Ausbildung nach Fig. 2, 3 und 4 benutzte Meßschaltung ist in Fig. 5 dargestellt. Man er­ kennt eine Steuerlogik 27, die mit zwei als Multivibra­ toren ausgebildeten Oszillatoren 28, 29 zusammenwirkt. Zur Erzeugung der phasenverschobenen Wechselspannungen dienen Phasenschieber 30, 31. Die Kapazitäten zwischen den einzel­ nen Teilungen sind durch C_AC und C_BD angedeutet. Die Aus­ werteschaltung kann im übrigen in verschiedener Weise aus bekannten Bauteilen aufgebaut werden. Sie dient zur Bestim­ mung der Kapazitätsänderung bei Relativbewegung der Schei­ ben, wobei das Ausgangssignal U_a durch die in der Steuer­ logik 27 gebildeten Einschaltzeiten der jeweiligen Kapa­ zitäten entsteht.

Fig. 6 zeigt das zugehörige Impulsdiagramm. Es ist der Spannungsverlauf an der äußeren Spur I dargestellt, die durch die Teilungen A₁ und B₁ gebildet wird. Oberhalb der Teilungen A₁, B₁ ist der Spannungsverlauf in den Kon­ taktbahnen 14 und 19 gezeigt.

Das Ausgangssignal U_a ist eine Impulsspannung, wobei der Drehwinkel zwischen den Kreisscheiben 2, 3 durch die Schalt­ zeiten t₁ und t₂ oder über eine aus diesen abgeleitete Funk­ tion (z.B. Differenz, Verhältnis, Summe; Differenz dividiert durch Summe oder ähnliches) gemessen wird.

Claims (13)

1. Inkrementeller Drehwinkel- bzw. Längensensor, bei dem auf einem feststehenden Träger eine Spur I mit elektrisch leitfähigen Stegteilen angeordnet ist, welche gruppenweise zusammengefaßt sind, und bei dem gegenüber dieser Spur auf dem feststehenden Träger eine weitere Spur II mit elektrisch leit­ fähigen Stegteilen auf einem bewegbaren Träger angeordnet ist, wobei die Stegteile der beiden Spuren eine veränderbare Kondensatoranordnung bil­ den, an die mit Hilfe einer Steuerlogik phasenver­ schobene Wechselspannungen angelegt werden, aus denen ein der Kapazitätsänderung proportionales Ausgangssignal als zeitlicher Mittelwert erzeugt wird, welches die zu bestimmende Winkel- bzw. Längenänderung repräsentiert, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die beiden Spuren (I, II) jeweils aus ineinander verzahnten ersten und zweiten Teilen (A₁, B₁; C₁, D₁) von Stegteilen gebildet werden, und daß die Wechselspannungen abwechselnd an die erste (C₁) und an die zweite Teilung (D₁) angelegt werden, wobei jeweils die andere Teilung des bewegbaren Trägers auf konstan­ tem Potential gehalten wird und die eine Teilung des feststehenden Trägers (B₁) gleichphasig und die andere Teilung des feststehenden Trägers (A₁) gegen­ phasig angesteuert wird.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in der einen Halbperiode eines periodischen Arbeitszyklus die Wechselspannung an die erste Teilung (C₁) angelegt wird, während der be­ wegbare Träger mit seiner zweiten Teilung (D₁) auf einem konstanten Potential gehalten wird, und der fest­ stehende Träger mit der ersten Teilung (A₁) gegenphasig zur Teilung (C₁) angesteuert wird, und der feststehende Träger mit seiner zweiten Teilung (B₁) gleichphasig zur ersten Teilung (C₁) angesteuert wird, und daß in der anderen Halbperiode des Arbeitszyklus die Wechselspan­ nung an die zweite Teilung (D₁) angelegt wird, während die erste Teilung (C₁) auf konstantem Potential gehal­ ten wird, und daß die Teilung (A₁) gegenphasig zur Teilung (D₁) angesteuert wird, während die zweite Tei­ lung (B₁) gleichphasig zur Teilung (D₁) angesteuert wird, und daß die Kapazität zwischen der Teilung (A₁) und der Teilung (C₁) und/oder zwischen der Teilung (D₁) und der Teilung (B₁) gemessen wird.

3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die die Teilungen bildenden Steg­ teile (6, 8, 10, 15) durch Leiterbahnen (7, 9, 11, 16) verbun­ den sind.

4. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Teilungen auf dem bewegbaren Träger mit Kontaktbahnen (z.B. 13; 18) verbunden sind, welche gegenüber gleichartigen Kontaktbahnen (14; 19) auf dem feststehenden Träger einen Kondensator zur Wechselspannungsübertragung bilden.

5. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Spuren (I, II) auf li­ near gegeneinander verschiebbaren Trägern angeordnet sind.

6. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Spuren (I, II) auf durch Drehbewegung relativ zueinander bewegbaren Trä­ gern angeordnet sind, und jeweils in der Art einer Innen­ verzahnung ineinandergreifende erste und zweite Teilungen aufweisen.

7. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Teilungen auf relativ zueinan­ der bewegbaren Kreisscheiben (2, 3) angeordnet sind.

8. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Teilungen (I, II) auf relativ zueinander bewegbaren Zylinderflächen angeordnet sind.

9. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die mit Leiterbahnen (7, 9) unter­ einander verbundenen Stegteile (6, 8) der ersten Teilung gegenüber den mit Leiterbahnen (11, 16) verbundenen Steg­ teilen (10, 15) der zweiten Teilung um die Stegbreite ver­ setzt ineinandergeschachtelt sind.

10. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Frequenz der Wechselspannungen zwischen 20 kHz und 1 MHz liegt.

11. Sensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechsel­ spannungen eine Impulsfolge bilden.

12. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Stegteile gebildeten ersten und zweiten Teilungen einschließlich der verbindenden Leiterbahnen und gegebenenfalls der Kontakt­ bahnen als metallische Oberflächenbeschich­ tung eines isolierenden Trägergrundmaterials ausgebildet sind.

13. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Stegteile gebildeten ersten und zweiten Teilungen einschließlich der verbindenden Leiterbahnen und gegebenenfalls der Kontakt­ bahnen als geätzte, geschnittene oder galva­ nisch freitragende Metallstrukturen ausge­ bildet sind.