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DE102016204439A1 - Capacitive angle sensor - Google Patents

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DE102016204439A1
DE102016204439A1 DE102016204439.7A DE102016204439A DE102016204439A1 DE 102016204439 A1 DE102016204439 A1 DE 102016204439A1 DE 102016204439 A DE102016204439 A DE 102016204439A DE 102016204439 A1 DE102016204439 A1 DE 102016204439A1
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Germany
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electrodes
rotation
electrode
circuit
angle sensor
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Application number
DE102016204439.7A
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German (de)
Inventor
Klemens Gintner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hochschule Karlsruhe Technik und Wirtschaft
Original Assignee
Hochschule Karlsruhe Technik und Wirtschaft
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Publication date
Application filed by Hochschule Karlsruhe Technik und Wirtschaft filed Critical Hochschule Karlsruhe Technik und Wirtschaft
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen kapazitiven Winkelsensor, der wenigstens drei in einer Ebene um eine Drehachse statisch angeordnete erste Elektroden und eine um die Drehachse drehbare zweite Elektrode aufweist, die in einer zweiten zur ersten parallelen Ebene gegenüber den ersten Elektroden angeordnet ist. Die zweite Elektrode überdeckt dabei wenigstens zwei der ersten Elektroden jeweils unter Bildung einer Kapazität zumindest teilweise. Die Elektroden sind so dimensioniert und angeordnet, dass die zweite Elektrode in einem für die Messung nutzbaren Drehwinkelbereich eine konstante Überdeckung mit einer mittleren der drei ersten Elektroden aufweist und sich die Überdeckung mit den beiden anderen ersten Elektroden bei Drehung in diesem Drehwinkelbereich gegenläufig ändert. Die drei ersten Elektroden sind in einer Messschaltung so elektrisch verschaltet, dass sie zwei Schaltungskapazitäten bilden, jeweils zwischen der mittleren und einer der beiden anderen ersten Elektroden. Die Messschaltung ist dabei so ausgebildet, dass sie eine von den beiden Schaltungskapazitäten abhängige Messgröße als Maß für den Drehwinkel liefert. Der vorgeschlagene Winkelsensor lässt sich mit geringem Platzbedarf realisieren und ermöglicht über einen Winkelmessbereich von ≥ 100° zuverlässige Messergebnisse.The present invention relates to a capacitive angle sensor which has at least three first electrodes statically arranged in a plane about an axis of rotation and a second electrode rotatable about the axis of rotation and arranged in a second to the first parallel plane with respect to the first electrodes. The second electrode covers at least two of the first electrodes in each case at least partially to form a capacitance. The electrodes are dimensioned and arranged such that the second electrode has a constant overlap with a middle one of the three first electrodes in a rotational angle range which can be used for the measurement, and the overlap with the other two first electrodes changes in opposite directions upon rotation in this rotational angle range. The three first electrodes are electrically connected in a measuring circuit so that they form two circuit capacitances, in each case between the middle and one of the other two first electrodes. The measuring circuit is designed so that it delivers a dependent of the two circuit capacitance measurement as a measure of the angle of rotation. The proposed angle sensor can be implemented with a small footprint and enables reliable measurement results over an angle measuring range of ≥ 100 °.

Description

Technisches AnwendungsgebietTechnical application

Die vorliegende Erfindung betrifft einen kapazitiven Winkelsensor, der wenigstens drei in einer ersten Ebene um eine Drehachse statisch angeordnete erste Elektroden und eine um die Drehachse drehbare zweite Elektrode aufweist, die in einer zweiten zur ersten parallelen Ebene gegenüber den ersten Elektroden angeordnet ist und wenigstens zwei der ersten Elektroden jeweils unter Bildung einer Kapazität zumindest teilweise überdeckt. The present invention relates to a capacitive angle sensor comprising at least three first electrodes arranged statically in a first plane about a rotation axis and a second electrode rotatable about the rotation axis arranged in a second to the first parallel plane with respect to the first electrodes and at least two of the first electrodes are each at least partially covered to form a capacitance.

Kapazitive Winkelsensoren sind in vielen technischen Bereichen einsetzbar, in denen die Winkelposition zweier Komponenten, beispielsweise von Fingergliedern einer Handprothese in der Medizintechnik, erfasst werden soll. Kapazitive Winkelsensoren bieten gegenüber magnetischen oder potenziometrischen Messtechniken den Vorteil eines geringen Bauraums. Capacitive angle sensors can be used in many technical fields, in which the angular position of two components, for example of finger links of a hand prosthesis in medical technology, is to be detected. Capacitive angle sensors offer the advantage of a small installation space compared to magnetic or potentiometric measurement techniques.

Das grundsätzliche physikalische Prinzip eines kapazitiven Sensors beruht auf der Funktionsweise eines Kondensators. Die Kapazität C eines einfachen Flächenkondensators hängt von seiner Fläche, dem Abstand der Platten sowie dem dazwischenliegenden Dielektrikum ab: A = ε0·εr· A / l The basic physical principle of a capacitive sensor is based on the operation of a capacitor. The capacitance C of a simple area capacitor depends on its area, the distance between the plates and the intervening dielectric: A = ε 0 · ε r · A / l

Dabei ist ε0 die absolute Dielektrizitätskonstante, εr die relative Dielektrizitätskonstante des zwischen den Platten vorliegenden Dielektrikums, A die überlappende Fläche und l der Abstand der Platten. Wenn sich nun der Abstand der Platten, die Stellung der Platten zueinander oder das dazwischenliegende Dielektrikum ändert, so kann dies über die sich ändernde Kapazität des Kondensators erfasst werden. Ein Beispiel für einen Kondensator mit variabler Kapazität ist ein Drehkondensator. Bei einem Drehkondensator können die meist halbkreisförmigen Elektroden gegeneinander verschoben werden, wodurch die Fläche des Kondensators und damit seine Kapazität geändert wird. Ein Drehkondensator kann damit auch als Winkelsensor eingesetzt werden. Entsprechende Drehwinkelsensoren sind kommerziell erhältlich. Here, ε 0 is the absolute dielectric constant, ε r the relative dielectric constant of the dielectric present between the plates, A the overlapping surface and l the distance of the plates. Now, if the distance of the plates, the position of the plates to each other or the intervening dielectric changes, this can be detected by the changing capacitance of the capacitor. An example of a variable capacity capacitor is a variable capacitor. In a rotary capacitor, the most semi-circular electrodes can be shifted from each other, whereby the surface of the capacitor and thus its capacity is changed. A variable capacitor can thus also be used as an angle sensor. Corresponding rotation angle sensors are commercially available.

Stand der TechnikState of the art

Aus der EP 1 033 578 A2 ist ein kapazitiver Winkelsensor bekannt, der in einer Ausgestaltung drei in einer ersten Ebene um eine Drehachse statisch angeordnete erste Elektroden aufweist, über denen in einer zur ersten Ebene parallelen zweiten Ebene eine um die Drehachse drehbare zweite Elektrode angeordnet ist, die wenigstens zwei der ersten Elektroden jeweils unter Bildung einer Kapazität zumindest teilweise überdeckt. Die beiden äußeren statischen Elektroden bilden dabei Anregungselektroden, die für die Messung zeitversetzt mit Spannungspulsen beaufschlagt werden. Aus den über die mittlere statische Elektrode empfangenen Spannungspulsen kann dann die momentane Winkelposition und Drehrichtung abgeleitet werden. From the EP 1 033 578 A2 a capacitive angle sensor is known, which in one embodiment has three first electrodes arranged statically about a rotation axis in a first plane, over which a second electrode rotatable about the rotation axis is arranged in a second plane parallel to the first plane, the at least two of the first electrodes each at least partially covered to form a capacity. The two outer static electrodes form excitation electrodes which are subjected to time-shifted voltage pulses for the measurement. The instantaneous angular position and direction of rotation can then be derived from the voltage pulses received via the middle static electrode.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen kapazitiven Winkelsensor bereitzustellen, der einen möglichst kleinen Bauraum beansprucht und die Winkelposition auch über einen Winkel- bzw. Messbereich von ≥ 100° bei einfacher Signalauswertung zuverlässig erfassen kann.The object of the present invention is to provide a capacitive angle sensor which requires the smallest possible installation space and can reliably detect the angular position over an angular or measuring range of ≥ 100 ° with simple signal evaluation.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Aufgabe wird mit dem kapazitiven Winkelsensor gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Winkelsensors sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen. The object is achieved with the capacitive angle sensor according to claim 1. Advantageous embodiments of the angle sensor are the subject of the dependent claims or can be found in the following description and the embodiments.

Der vorgeschlagene Winkelsensor weist wenigstens drei in einer ersten Ebene um eine Drehachse statisch angeordnete erste Elektroden und eine um die Drehachse drehbare zweite Elektrode auf, die in einer zweiten zur ersten parallelen Ebene gegenüber den ersten Elektroden angeordnet ist. Die zweite Elektrode überdeckt dabei in Abhängigkeit von der Winkelstellung wenigstens zwei der ersten Elektroden jeweils unter Bildung einer Kapazität zumindest teilweise. Die Drehachse verläuft senkrecht zur ersten und zweiten Ebene. Bei dem vorgeschlagenen Winkelsensor sind die zweite Elektrode und die drei ersten Elektroden so dimensioniert und angeordnet, dass die zweite Elektrode in einem für die Messung genutzten Drehwinkelbereich, im Folgenden auch als Messbereich bezeichnet, eine konstante Überdeckung mit der mittleren der drei ersten Elektroden aufweist und sich die Überdeckung mit den beiden anderen ersten Elektroden, im Folgenden auch als äußere Elektroden bezeichnet, bei Drehung in diesem Drehwinkelbereich gegenläufig ändert. Die Kapazität zwischen der mittleren Elektrode und der zweiten Elektrode ist damit über den gesamten Messbereich annähernd konstant. Die Kapazitäten zwischen den beiden äußeren Elektroden und der zweiten Elektrode ändern sich bei Drehung in diesem Drehwinkel- bzw. Messbereich in Abhängigkeit von der Überdeckung gegenläufig. Die drei ersten Elektroden sind bei dem vorgeschlagenen Winkelsensor in einer Messschaltung so elektrisch verschaltet, dass sie in der Messschaltung zwei Kapazitäten bzw. Kondensatoren bilden, im Folgenden als Schaltungskapazitäten bezeichnet. Eine der Schaltungskapazitäten stellt dabei die Kapazität zwischen der mittleren und einer der äußeren Elektroden, die andere Schaltungskapazität die Kapazität zwischen der mittleren und der anderen äußeren Elektrode dar. Die Messschaltung ist so ausgebildet, dass sie eine von den beiden Schaltungskapazitäten abhängige Messgröße als Maß für den Drehwinkel liefert, wobei als Messgröße eine Frequenz oder eine elektrische Spannungsamplitude oder eine Differenz oder ein Verhältnis zweier Frequenzen oder elektrischer Spannungsamplituden dient. The proposed angle sensor has at least three first electrodes arranged statically in a first plane about an axis of rotation and a second electrode which is rotatable about the axis of rotation and which is arranged in a second to the first parallel plane with respect to the first electrodes. Depending on the angular position, the second electrode at least partially covers at least two of the first electrodes, in each case forming a capacitance. The axis of rotation is perpendicular to the first and second levels. In the proposed angle sensor, the second electrode and the three first electrodes are dimensioned and arranged such that the second electrode has a constant coverage with the middle one of the three first electrodes in a rotational angle range used for the measurement, also referred to below as the measuring range the overlap with the two other first electrodes, also referred to below as outer electrodes, changes in opposite directions during rotation in this rotation angle range. The capacitance between the middle electrode and the second electrode is thus approximately constant over the entire measuring range. The capacitances between the two outer electrodes and the second electrode change in rotation in this Drehwinkel- or measuring range depending on the overlap in opposite directions. In the case of the proposed angle sensor, the three first electrodes are electrically connected in a measuring circuit such that they form two capacitors or capacitors in the measuring circuit, hereinafter referred to as circuit capacitances. One of the circuit capacitances represents the capacitance between the middle and one of the outer electrodes, the other circuit capacitance represents the capacitance between the middle and the other outer electrode. The measuring circuit is designed such that it supplies a measured variable dependent on the two circuit capacitances as a measure of the angle of rotation, wherein a frequency or an electrical voltage amplitude or a difference or a ratio of two frequencies or electrical voltage amplitudes serves as the measured variable.

Die ersten Elektroden und die zweite Elektrode sind vorzugsweise jeweils als Kreissegmente um die Drehachse ausgebildet. In einer bevorzugten Ausgestaltung bilden die beiden äußeren Elektroden zwei Kreissegmente mit einem Winkel α von ≥ 120°. Dies ermöglicht dann bei geeigneter Dimensionierung der zweiten Elektrode auch die Erfassung der Winkelposition über einen Winkel von ≥ 100°. Die mittlere Elektrode bildet dabei ein Kreissegment, das einen Winkel β von vorzugsweise 360°–2α aufweist. Die beiden Ebenen, in denen die ersten Elektroden und die zweite Elektrode angeordnet sind, haben vorzugsweise einen Abstand von ≤ 50 μm. Zwischen den ersten und der zweiten Elektrode ist vorzugsweise eine dielektrische Folie oder Schicht mit einer relativen Dielektrizitätskonstante εr > 3 angeordnet. The first electrodes and the second electrode are preferably each formed as circular segments about the axis of rotation. In a preferred embodiment, the two outer electrodes form two circular segments with an angle α of ≥ 120 °. With suitable dimensioning of the second electrode, this also makes it possible to detect the angular position over an angle of ≥ 100 °. The middle electrode forms a circular segment which has an angle β of preferably 360 ° -2α. The two planes in which the first electrodes and the second electrode are arranged preferably have a spacing of ≦ 50 μm. Between the first and the second electrode, a dielectric film or layer with a relative dielectric constant ε r > 3 is preferably arranged.

Die Messschaltung ist bei dem vorgeschlagenen Winkelsensor in einer Ausgestaltung in Form eines oder zweier Multivibratoren ausgebildet, in denen die beiden Schaltungskapazitäten integriert sind. In einer Variante der Messschaltung ist dabei für jede der beiden Schaltungskapazitäten ein Multivibrator mit einer vom Wert der jeweiligen Schaltungskapazität beeinflussten Umschaltfrequenz vorgesehen. In einer zweiten Variante wird lediglich ein entsprechend modifizierter Multivibrator als Messschaltung eingesetzt, bei dem die Messgröße die Ausgangsfrequenz des Multivibrators ist. Die beiden Schaltungskapazitäten sind dabei so in dem Multivibrator verschaltet, dass sich aufgrund der sich gegenläufig ändernden Schaltungskapazitäten die Ausgangsfrequenz des Multivibrators stärker ändert als bei Nutzung nur einer der Schaltungskapazitäten. The measuring circuit is formed in the proposed angle sensor in one embodiment in the form of one or two multivibrators in which the two circuit capacitances are integrated. In one variant of the measuring circuit, a multivibrator with a switching frequency influenced by the value of the respective circuit capacitance is provided for each of the two circuit capacitances. In a second variant, only a correspondingly modified multivibrator is used as the measuring circuit, in which the measured variable is the output frequency of the multivibrator. The two circuit capacitances are connected in the multivibrator in such a way that the output frequency of the multivibrator changes more strongly than when only one of the circuit capacitances is used due to the circuit capacitances changing in the opposite direction.

In einer weiteren Ausgestaltung wird eine Messschaltung eingesetzt, die zwei Verstärkungszweige für eine Wechselspannung aufweist, wobei in jedem der Verstärkungszweige eine der beiden Schaltungskapazitäten angeordnet ist. Die beiden Verstärkungszweige sind vorzugsweise bis auf die Schaltungskapazitäten identisch dimensioniert. Die Messschaltung liefert als Messgröße dabei vorzugsweise ein Verhältnis der Ausgangsspannungsamplituden der beiden Verstärkungszweige. Als Wechselspannung wird dabei bevorzugt eine Rechteckspannung eingespeist. Bei unterschiedlichen Schaltungskapazitäten ändert sich dann die Ausgangsamplitude des jeweiligen Verstärkungszweiges, so dass aus dem Verhältnis der Amplituden auf die Drehstellung der zweiten Elektrode geschlossen werden kann. In a further embodiment, a measuring circuit is used which has two amplification branches for an alternating voltage, one of the two circuit capacitors being arranged in each of the amplifying branches. The two amplification branches are preferably dimensioned identically except for the circuit capacitances. The measuring circuit preferably supplies as a measured variable a ratio of the output voltage amplitudes of the two amplification branches. As AC voltage while a square-wave voltage is preferably fed. With different circuit capacitances, the output amplitude of the respective amplification branch then changes, so that conclusions can be drawn from the ratio of the amplitudes to the rotational position of the second electrode.

Der vorgeschlagene kapazitive Winkelsensor ermöglicht auf kleinstem Bauraum bei entsprechender Dimensionierung der Elektroden eine Messung des Winkels einer Rotation um die Drehachse mindestens im Bereich von ca. 100°. Bei Vergrößerung der beiden äußeren ersten Elektroden auf einen Kreissegmentbereich von > 120° kann auch ein noch größerer Mess- bzw. Winkelbereich erreicht werden. The proposed capacitive angle sensor allows in the smallest space with appropriate dimensioning of the electrodes, a measurement of the angle of rotation about the axis of rotation at least in the range of about 100 °. When enlarging the two outer first electrodes to a circle segment range of> 120 °, an even larger measurement or angle range can be achieved.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung unter Nutzung eines modifizierten Multivibrators als Messschaltung wird die Information über den Winkel als Frequenz ausgegeben. Die Frequenzwerte können dabei in einem relativ großen Bereich von beispielsweise 5kHz bis 200kHz über die Dimensionierung der Messschaltung festgelegt werden. Der modifizierte Multivibrator ist dabei so ausgebildet, dass er zwei Kapazitätswerte – die beiden Schaltungskapazitäten –, die sich gegenläufig ändern, in eine Frequenzänderung wandeln kann. Besonders Mikrocomputer bzw. Mikroprozessoren sind besonders dafür geeignet, Frequenzen zu messen. In a particularly advantageous embodiment using a modified multivibrator as a measuring circuit, the information about the angle is output as a frequency. The frequency values can be set in a relatively large range of, for example, 5 kHz to 200 kHz on the dimensioning of the measuring circuit. The modified multivibrator is designed in such a way that it can convert two capacitance values - the two circuit capacitances - which change in opposite directions, into a frequency change. Especially microcomputers or microprocessors are particularly suitable for measuring frequencies.

Durch eine Mittelwertbildung bei der Frequenzmessung kann beispielsweise das Rauschen unterdrückt werden. Durch geeignete mechanische oder elektrische Kontakte am Winkelsensor könnte auch die Nullposition des Messbereiches leicht erkannt werden, um beispielsweise eine Langzeitdrift oder Ähnliches zu unterdrücken. By averaging in the frequency measurement, for example, the noise can be suppressed. By suitable mechanical or electrical contacts on the angle sensor and the zero position of the measuring range could be easily detected, for example, to suppress a long-term drift or the like.

Bei der ebenfalls sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Messschaltung mit den beiden Verstärkungszweigen kann die relative Änderung der Amplituden der Ausgangsspannungen zur Bestimmung des Winkels herangezogen werden. Dadurch ist eine hohe Gleichtaktunterdrückung möglich, so dass Fertigungsschwankungen oder Verschmutzungseinflüsse weitgehend unterdrückt werden können. Die Nullposition lässt sich bei dieser Messschaltung direkt aus einer Messung ableiten, wie im Ausführungsbeispiel noch näher erläutert wird.In the likewise very advantageous embodiment of the measuring circuit with the two amplification branches, the relative change of the amplitudes of the output voltages can be used to determine the angle. As a result, a high common mode rejection is possible, so that production fluctuations or contamination influences can be largely suppressed. The zero position can be derived directly from a measurement in this measurement circuit, as will be explained in more detail in the embodiment.

Der vorgeschlagene Winkelsensor lässt sich auf sehr kleinem Bauraum mit einer Dicke von < 0,2 mm (reiner Sensoraufbau ohne Kapselung o.ä.) und einem Durchmesser von bspw. ca. 10 mm realisieren. Damit eignet er sich besonders für Anforderungen, bei denen eine Winkelmessung sehr platzsparend realisiert werden soll. Ein Anwendungsbeispiel hierfür ist die Messung der Winkel von Fingergliedern in einer Handprothese im Bereich der Medizintechnik. Selbstverständlich lässt sich der vorgeschlagene Winkelsensor jedoch in allen Bereichen einsetzen, in denen ein Winkel zwischen zwei relativ zueinander bezüglich einer Drehachse beweglichen Komponenten gemessen werden soll. The proposed angle sensor can be implemented in a very small space with a thickness of <0.2 mm (pure sensor structure without encapsulation or the like) and a diameter of, for example, about 10 mm. This makes it particularly suitable for requirements in which an angle measurement is to be realized in a very space-saving manner. An application example of this is the measurement of the angles of phalanges in a prosthetic hand in the field of medical technology. Of course, however, the proposed angle sensor can be used in all areas in which an angle between two relatively relative to a rotational axis movable components to be measured.

Ein nochmals vergrößerter Messbereich kann durch einen zusätzlichen gleichartigen Sensor erreicht werden, der zum ersten Sensor um ca. 90° versetzt und konzentrisch auf der gleichen Drehachse angeordnet ist. An even larger measuring range can be achieved by an additional similar sensor be achieved, which is offset by about 90 ° to the first sensor and is arranged concentrically on the same axis of rotation.

Es besteht auch die Möglichkeit, zusätzlich weitere 3 statische Elektroden spiegelsymmetrisch zu den ersten Elektroden in einer dritten Ebene so anzuordnen, dass die zweite Elektrode zwischen der ersten und dritten Ebene liegt. Dies entspricht einer Anordnung aus zwei Winkelsensoren mit einer gemeinsamen zweiten Elektrode. Dadurch kann bei geeigneter Verschaltung dieser weiteren Elektroden ein größeres Messsignal erhalten werden. Die ersten und die weiteren Elektroden werden dazu in der jeweiligen Messschaltung so elektrisch verschaltet, dass die beiden Winkelsensoren bei einer Drehung der zweiten Elektrode um die Drehachse ein gegenläufiges Messsignal liefern. Durch Differenzbildung der Messsignale wird dann ein insgesamt größeres Signal erhalten. Die Differenzbildung der Messsignale führt auch zu einer vorteilhaften Gleichtaktunterdrückung. Diese Vorteile lassen sich auch durch zwei voneinander getrennte Winkelsensoren auf der gleichen Drehachse realisieren, die dann auch jeweils getrennte zweite Elektroden aufweisen. Die ersten Elektroden der beiden Winkelsensoren werden dann wiederum in der jeweiligen Messschaltung so elektrisch verschaltet, dass die beiden Winkelsensoren bei einer gleichsinnigen Drehung der zweiten Elektroden um die Drehachse ein gegenläufiges Messsignal liefern.It is also possible to additionally arrange another 3 static electrodes mirror-symmetrically to the first electrodes in a third plane so that the second electrode lies between the first and third plane. This corresponds to an arrangement of two angle sensors with a common second electrode. As a result, with a suitable connection of these further electrodes, a larger measurement signal can be obtained. For this purpose, the first and the further electrodes are electrically connected in the respective measuring circuit such that the two angle sensors deliver an opposite measuring signal when the second electrode rotates about the axis of rotation. By difference formation of the measurement signals then an overall larger signal is obtained. The difference of the measurement signals also leads to an advantageous common mode rejection. These advantages can also be realized by two separate angle sensors on the same axis of rotation, which then each have separate second electrodes. The first electrodes of the two angle sensors are then in turn electrically connected in the respective measuring circuit so that the two angle sensors deliver an opposite measuring signal when the second electrodes rotate in the same direction around the axis of rotation.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Der vorgeschlagene kapazitive Winkelsensor wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen: The proposed capacitive angle sensor will be explained in more detail below with reference to exemplary embodiments in conjunction with the drawings. Hereby show:

1 eine schematische Darstellung der Anordnung der einzelnen Elektroden des Winkelsensors – getrennt für beide Ebenen; 1 a schematic representation of the arrangement of the individual electrodes of the angle sensor - separated for both planes;

2 ein Ersatzschaltbild der Kapazitäten des Winkelsensors der 1, 2 an equivalent circuit diagram of the capacitances of the angle sensor 1 .

3 ein Ersatzschaltbild, das zusätzlich die Schaltungskapazitäten des Winkelsensors zeigt, die in der Messschaltung genutzt werden; 3 an equivalent circuit diagram, which additionally shows the circuit capacitance of the angle sensor, which are used in the measuring circuit;

4 ein beispielhaftes Schaltbild für einen Multivibrator, wie er in der Messschaltung eingesetzt werden kann; 4 an exemplary circuit diagram for a multivibrator, as it can be used in the measurement circuit;

5 ein beispielhaftes Schaltbild für eine Messschaltung auf Basis eines modifizierten Multivibrators; 5 an exemplary circuit diagram for a measuring circuit based on a modified multivibrator;

6 ein Beispiel für eine Änderung der Frequenz in Abhängigkeit von der Drehstellung des kapazitiven Winkelsensors mit der Messschaltung der 5; 6 an example of a change in frequency as a function of the rotational position of the capacitive angle sensor with the measuring circuit of 5 ;

7 ein weiteres beispielhaftes Schaltbild für eine Messschaltung des vorgeschlagenen kapazitiven Winkelsensors; 7 a further exemplary circuit diagram for a measuring circuit of the proposed capacitive angle sensor;

8 ein Beispiel für das Verhältnis der maximalen Peak-to-Peak-Werte der beiden Ausgangsspannungen bei der Messschaltung der 7 in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Winkelsensors; 8th an example of the ratio of the maximum peak-to-peak values of the two output voltages in the measuring circuit of 7 depending on the angular position of the angle sensor;

9 ein weiteres Beispiel für die Anordnung und Dimensionierung der Elektroden beim vorgeschlagenen Winkelsensor; 9 another example of the arrangement and dimensioning of the electrodes in the proposed angle sensor;

10 eine schematische Darstellung der Anordnung von zwei der Winkelsensoren übereinander zur Erweiterung des Winkelmessbereiches; und 10 a schematic representation of the arrangement of two of the angle sensors one above the other to expand the angle measuring range; and

11 eine schematische Darstellung einer Anordnung von zwei der Winkelsensoren mit gemeinsamer zweiter Elektrode. 11 a schematic representation of an arrangement of two of the angle sensors with a common second electrode.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention

Der vorgeschlagene kapazitive Winkelsensor weist wenigstens drei statische Elektroden in einer ersten Ebene auf, die um eine senkrecht zur ersten Ebene verlaufende Drehachse angeordnet sind. In einer zweiten Ebene parallel zur ersten Ebene ist gegenüber den ersten Elektroden eine zweite Elektrode angeordnet, die in der zweiten Ebene um die Drehachse drehbar ist. 1 zeigt hierzu schematisch ein Beispiel für die Anordnung und Ausgestaltung der ersten Elektroden in der ersten Ebene und der zweiten Elektrode in der zweiten Ebene. Der linke Teil der 1 zeigt hierbei die drei ersten Elektroden 1, 3, 4 in der ersten Ebene, die rechte Teilabbildung die zweite Elektrode 2 in der zweiten Ebene. Im vorliegenden Beispiel sind die Elektroden jeweils kreissegmentförmig um die Drehachse 5 ausgebildet. Die Elektroden befinden sich dabei jeweils auf einem geeigneten Träger mit einer planen Oberfläche, der im vorliegenden Beispiel mit kreisförmiger Geometrie ausgebildet ist. Der Träger mit den drei ersten Elektroden 1, 3, 4 ist statisch, während der Träger mit der zweiten Elektrode 2 um die Drehachse 5 drehbar gelagert ist. Die Drehmöglichkeit ist durch die Pfeile in der 1 angedeutet. Die Drehrichtung ist dabei frei wählbar. The proposed capacitive angle sensor has at least three static electrodes in a first plane, which are arranged about an axis of rotation extending perpendicular to the first plane. In a second plane parallel to the first plane, a second electrode, which is rotatable about the axis of rotation in the second plane, is arranged opposite to the first electrodes. 1 schematically shows an example of the arrangement and configuration of the first electrode in the first plane and the second electrode in the second plane. The left part of the 1 shows the three first electrodes 1 . 3 . 4 in the first level, the right part of the picture shows the second electrode 2 in the second level. In the present example, the electrodes are each a circle segment around the axis of rotation 5 educated. The electrodes are each on a suitable support with a flat surface, which is formed in the present example with a circular geometry. The carrier with the three first electrodes 1 . 3 . 4 is static while the wearer is using the second electrode 2 around the axis of rotation 5 is rotatably mounted. The possibility of rotation is indicated by the arrows in the 1 indicated. The direction of rotation is freely selectable.

Bei dem vorgeschlagenen Winkelsensor sind die drei statisch angeordneten Elektroden 1, 3 und 4 mit einer Messschaltung verbunden, die in der 1 nicht dargestellt ist. Die zweite Elektrode 2 wird nicht elektrisch kontaktiert und dient lediglich der kapazitiven Kopplung von jeweils zwei der gegenüberliegenden ersten Elektroden. Im vorliegenden Beispiel weisen die Kreissegmente der ersten Elektroden 1, 3 und 4 jeweils einen Winkel von etwa 120° auf. Die zweite Elektrode bildet ein Kreissegment mit einem Winkel von in diesem Beispiel 240°. Dadurch überdeckt in einer Nullstellung des Winkelsensors die zweite Elektrode 2 die beiden ersten Elektroden 1 und 3 vollständig. In diesem Beispiel entspricht dies einer Nullstellung des Winkelsensors, wie dies in 1 auch angedeutet ist. In the proposed angle sensor are the three statically arranged electrodes 1 . 3 and 4 connected to a measuring circuit which in the 1 not shown. The second electrode 2 is not electrically contacted and serves only the capacitive coupling of two of the opposite first electrodes. In the present example, the circle segments of the first electrodes 1 . 3 and 4 each at an angle of about 120 °. The second electrode forms a circle segment with an angle of 240 ° in this example. As a result, covers the second electrode in a zero position of the angle sensor 2 the first two electrodes 1 and 3 Completely. In this example, this corresponds to a zero position of the angle sensor, as in 1 is also indicated.

Die Elektrode 3 wird in der vorliegenden Patentanmeldung als mittlere Elektrode, die beiden Elektroden 1 und 4 als äußere Elektroden bezeichnet. Die beiden Träger mit den jeweiligen Elektroden liegen bei dem vorgeschlagenen Winkelsensor in einem Abstand übereinander, durch den jeweils eine Kapazität zwischen der zweiten Elektrode 2 und der jeweiligen ersten Elektrode gebildet wird, die die zweite Elektrode in der jeweiligen Winkelstellung überdeckt. Je größer die Überdeckung, desto größer ist die entsprechende Kapazität. Damit kann für diese Anordnung das Ersatzschaltbild der 2 angegeben werden, das jeweils die Kapazitäten C12 zwischen der Elektrode 1 und der Elektrode 2, C23 zwischen Elektrode 2 und der Elektrode 3 und C24 zwischen der Elektrode 2 und der Elektrode 4 umfasst. Für einen Drehwinkelbereich von 120° ergibt sich für die beiden Kapazitäten C12 und C24 ein gegenläufiges Verhalten. Sinkt der Wert von C12 bei Drehung des Trägers mit der zweiten Elektrode 2, so steigt gleichzeitig der Wert von C24 aufgrund der Änderung der Überdeckung zwischen den Elektroden 1 und 2 bzw. zwischen den Elektroden 2 und 4. Der Wert von C23 bleibt in erster Näherung konstant, da die Überdeckung der beiden Elektroden 2 und 3 aufgrund der gewählten Dimensionierung der Elektrode 2 im Drehwinkelbereich von 120° stets gleich ist. The electrode 3 is used in the present patent application as a central electrode, the two electrodes 1 and 4 referred to as external electrodes. In the case of the proposed angle sensor, the two carriers with the respective electrodes lie at a distance one above the other, through which in each case a capacitance between the second electrode 2 and the respective first electrode is covered, which covers the second electrode in the respective angular position. The larger the coverage, the larger the corresponding capacity. Thus, the equivalent circuit of the 2 are given, each having the capacitances C 12 between the electrode 1 and the electrode 2 , C 23 between electrode 2 and the electrode 3 and C 24 between the electrode 2 and the electrode 4 includes. For a rotation angle range of 120 ° results for the two capacities C 12 and C 24 opposite behavior. When the carrier rotates, the value of C 12 decreases with the second electrode 2 At the same time, the value of C 24 increases due to the change in the coverage between the electrodes 1 and 2 or between the electrodes 2 and 4 , The value of C 23 remains constant in the first approximation, since the overlap of the two electrodes 2 and 3 due to the selected dimensioning of the electrode 2 in the rotation angle range of 120 ° is always the same.

Die zweite Elektrode 2 koppelt jeweils zwei der von ihr zumindest teilweise überdeckten ersten Elektroden kapazitiv. Insgesamt werden durch diese kapazitive Kopplung zwischen den Anschlüssen der Elektroden 1 und 3 bzw. 3 und 4 zwei unterschiedliche Kapazitätswerte C13 und C34 erhalten, die sich bei einer Drehung aufgrund der Änderung von C12 und C24 gegenläufig ändern. Das entsprechende Ersatzschaltbild ist in 3 dargestellt. Hierbei gilt:

Figure DE102016204439A1_0002
The second electrode 2 in each case two of the first electrodes, which are at least partially covered by it, capacitively couple. Overall, this capacitive coupling between the terminals of the electrodes 1 and 3 respectively. 3 and 4 get two different capacitance values C 13 and C 34 , which change in opposite directions upon rotation due to the change of C 12 and C 24 . The corresponding equivalent circuit diagram is in 3 shown. Where:
Figure DE102016204439A1_0002

Wird zwischen den ersten Elektroden 1, 3 und 4 und der zweiten Elektrode 2 als Dielektrikum beispielsweise eine Teflonfolie mit einer Dicke von 25 μm und einem εr von 3,1 eingesetzt, so ergibt sich bei einem Durchmesser der Kreisscheibe für die drei Kreissegmente der 1 von 12 mm und Kreissegmentwinkeln von jeweils 120° bei jeweils vollständiger Überdeckung durch die zweite Elektrode 2 jeweils eine Kapazität von ca. 8 pF. Will be between the first electrodes 1 . 3 and 4 and the second electrode 2 used as a dielectric, for example, a Teflon film with a thickness of 25 microns and an ε r of 3.1, then results in a diameter of the circular disk for the three circle segments of 1 of 12 mm and circle segment angles of 120 ° each with complete coverage by the second electrode 2 each with a capacity of approx. 8 pF.

Zur Bestimmung der jeweiligen Winkelstellung des der zweiten Elektrode des vorgeschlagenen Winkelsensors werden im Folgenden unterschiedliche Messschaltungen beispielhaft dargestellt. 4 zeigt hierbei einen Multivibrator, wie er beispielsweise in der vorliegenden oder in einer modifizierten Form gemäß 5 als Messschaltung oder Teil der Messschaltung eingesetzt werden kann. Bei einer derartigen Schaltung tritt ein Umschalten der Ausgangsspannung U_out dann auf, wenn die am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OPV anliegende Spannung U_n betragsmäßig größer wird als U_p. Aufgrund der in 4 dargestellten Beschaltung ist dies immer gewährleistet, da die Spannung U_n am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers die Ausgangsspannung U_out theoretisch im Grenzfall erreichen könnte. Vorher wird jedoch die Spannung U_n größer als die Spannung U_p und dies führt zum Umschalten von U_out. Beispielhafte Werte für die Widerstände R1, R2 und R3 in dieser Schaltung sind R1 = 10 kΩ, R2 = kΩ und R3 = 470 kΩ. GD ist in dieser und den weiteren Schaltungen eine Referenzspannung. Die Umschaltfrequenz ist dann von der Größe der Kapazität C1 in der Schaltung der 4 abhängig. Wählt man eine der beiden Kapazitäten C13 oder C34, in der vorliegenden Patentanmeldung auch als Schaltungskapazitäten bezeichnet, als die Kapazität C1 in der Schaltung der 4, so kann aus der Umschaltfrequenz auf die Größe dieser Kapazität geschlossen werden. Hierbei muss gegebenenfalls eine eventuelle parasitäre Kapazität der Messschaltung berücksichtigt werden, die vorher bestimmt werden kann. Durch Nutzung zweier dieser Multivibratoren der 4 mit jeweils der Schaltungskapazität C13 bzw. C34, kann die gegenläufige Änderung von C13 und C34 vorteilhaft als Frequenzänderung der jeweiligen Ausgangsspannung U_out gemessen werden. Durch eine Verhältnisbildung der Ausgangsfrequenzen der beiden Multivibratoren kann dann der Winkel abgeleitet werden, auch wenn sich die absoluten Werte von C13 bzw. C34 durch überlagerte Störeffekte in gleicher Weise ändern sollten – z.B. aufgrund von Verschmutzung oder Ähnlichem. In order to determine the respective angular position of the second electrode of the proposed angle sensor, different measuring circuits will be exemplified below. 4 in this case shows a multivibrator, such as in the present or in a modified form according to 5 can be used as a measuring circuit or part of the measuring circuit. In such a circuit, switching of the output voltage U_out occurs when the voltage U_n present at the inverting input of the operational amplifier OPV becomes greater in magnitude than U_p. Due to the in 4 this is always ensured, since the voltage U_n at the inverting input of the operational amplifier could theoretically reach the output voltage U_out in the limiting case. Before that, however, the voltage U_n becomes greater than the voltage U_p and this leads to the switching of U_out. Exemplary values for the resistors R1, R2 and R3 in this circuit are R1 = 10 kΩ, R2 = kΩ and R3 = 470 kΩ. GD is a reference voltage in this and the other circuits. The switching frequency is then of the size of the capacitance C1 in the circuit of 4 dependent. If one chooses one of the two capacitors C 13 or C 34 , referred to in the present patent application as circuit capacitance, as the capacitance C1 in the circuit of 4 , it can be concluded from the switching frequency on the size of this capacity. In this case, if necessary, a possible parasitic capacitance of the measuring circuit must be taken into account, which can be determined beforehand. By using two of these multivibrators the 4 each with the circuit capacitance C 13 and C 34 , the opposite change of C 13 and C 34 can be advantageously measured as a change in frequency of the respective output voltage U_out. By forming a ratio of the output frequencies of the two multivibrators, the angle can then be derived, even if the absolute values of C 13 or C 34 should change in the same way due to superimposed parasitic effects - eg due to contamination or the like.

Besonders vorteilhaft wird als Messschaltung bei dem vorgeschlagenen Winkelsensor jedoch ein modifizierter Multivibrator eingesetzt, in dem beide sich gegenläufig ändernden Schaltungskapazitäten C13 und C34 verschaltet sind. 5 zeigt ein Beispiel für eine derartige Messschaltung. Die vorgeschlagene Verschaltung gemäß 5 ist hierbei besonders günstig. Wenn der Kondensator C13 (mit relativ großem Kapazitätswert) geladen wird, so wird gleichzeitig durch den kleiner werdenden Kondensator C34 der Ladestrom verringert (Gesamtwiderstand aus R6, R7 und C13 wird insgesamt größer). Insgesamt führt dies zu einer Erhöhung der Zeit beim Umladen, also zu einer kleineren Frequenz von U_out. Umgekehrt gilt Ähnliches. Wird C13 kleiner, so wird zusätzlich insgesamt der Strom zum Umladen über R6, R7 und C13 größer, was insgesamt zu einer Erhöhung der Frequenz von U_out führt. Hierdurch wird also durch das gegenläufige Verhalten der beiden Schaltungskapazitäten C13 und C34 die Frequenz von U_out zusätzlich verändert. Dies führt insgesamt zu einer größeren Frequenzänderung und damit zu einem größeren Messsignal gegenüber der Verwendung des Multivibrators gemäß 4. Beispielhafte Werte für die Widerstände in dieser Schaltung sind R4 = 10 kΩ, R5 = 10 kΩ, R6 = 100 kΩ und R7 = 220 kΩ.However, a modified multivibrator is used particularly advantageously as the measuring circuit in the proposed angle sensor, in which both the circuit capacitors C 13 and C 34, which change in opposite directions, are connected. 5 shows an example of such a measuring circuit. The proposed interconnection according to 5 is particularly favorable here. When the capacitor C 13 (with a relatively large capacitance value) is charged, the charging current is simultaneously reduced by the decreasing capacitor C 34 (total resistance from R 6, R 7 and C 13 becomes larger overall). Overall, this leads to an increase in the time during reloading, that is, to a smaller frequency of U_out. Conversely, the same applies. If C 13 becomes smaller, then it becomes additional Overall, the current for reloading over R6, R7 and C 13 larger, resulting in an overall increase in the frequency of U_out. As a result, the frequency of U_out is additionally changed by the opposing behavior of the two circuit capacitances C 13 and C 34 . Overall, this leads to a larger frequency change and thus to a larger measurement signal compared with the use of the multivibrator according to FIG 4 , Exemplary values for the resistors in this circuit are R4 = 10kΩ, R5 = 10kΩ, R6 = 100kΩ and R7 = 220kΩ.

6 zeigt hierbei eine Messung der Frequenz der Messschaltung gemäß 5 bei einer Dimensionierung der Elektroden des Winkelsensors, wie sie in Verbindung mit 1 erläutert wurde. Der Durchmesser der Kreisscheibe mit den Elektroden betrug dabei jeweils 12 mm. Als Dielektrikum wurde Teflon mit einer Dicke von 25 μm und einem εr von ca. 3,1 verwendet. Als Kapazitätswert ergibt sich für C13 bzw. C34 bei jeweils vollständiger Überdeckung jeweils ein Wert von 8 pF. Die Messung der 6 wurde über einen Winkelbereich von 360° durchgeführt. In dem für eine Messung mit diesem Winkelsensor als Messbereich nutzbaren Winkelbereich von 100° bis 210° ergab sich ein annähernd linearer Verlauf, wobei der Punkt von 0° in 6 nicht der Nullposition des Messbereiches in 1 entspricht. 6 shows a measurement of the frequency of the measuring circuit according to 5 when dimensioning the electrodes of the angle sensor, as in connection with 1 was explained. The diameter of the circular disk with the electrodes was 12 mm in each case. Teflon with a thickness of 25 μm and an ε r of about 3.1 was used as the dielectric. The capacitance value for C 13 and C 34 is in each case a value of 8 pF for each complete coverage. The measurement of 6 was performed over an angular range of 360 °. In the angular range of 100 ° to 210 °, which can be used as the measuring range for a measurement with this angle sensor, an approximately linear course was obtained, the point of 0 ° in 6 not the zero position of the measuring range in 1 equivalent.

7 zeigt ein weiteres Beispiel für eine Messschaltung, wie sie beim vorgeschlagenen Winkelsensor eingesetzt werden kann. Diese Messschaltung gleicht einem Ladungsverstärker. Hier wird die Winkelinformation nicht als frequenzcodiertes Signal sondern als amplitudenmoduliertes Signal ausgegeben, d.h. der Peak-to-Peak (Spitze-zu-Spitze) Wert der Ausgangsspannungen U1 bzw. U2 enthält die Information über den Drehwinkel des Aufbaus nach 1. Die beiden Schaltungskapazitäten C13 und C34 verändern sich wiederum gegenläufig und sind in den beiden Verstärkungszweigen der Messschaltung eingesetzt. In diesem Beispiel wird ein Multivibrator mit dem Operationsverstärker OPV1 zur Erzeugung einer Rechteckschwingung verwendet, welche dann über die beiden Kapazitäten C13 und C34 auf die beiden Operationsverstärker OPV2 und OPV3 aufgeschaltet wird. Aufgrund der Rückkopplung über die Kondensatoren Cr1 und Cr2 und die relativ hochohmigen Widerstände Rr1 und Rr2 erfolgt dann eine Verstärkung, die im Wesentlichen eine Wechselspannungsverstärkung darstellt. Anstelle des Multivibrators zur Erzeugung einer Rechteckschwingung als Eingangssignal kann selbstverständlich auch eine andere Schaltung zur Erzeugung einer Wechselspannung oder Wechselspannungsquelle eingesetzt werden. Beispielhafte Werte für die Widerstände und zusätzlichen Kondensatoren in dieser Schaltung sind R1 = 10 kΩ, R2 = kΩ und R3 = 330 kΩ, R4 = 56 kΩ, R5 = 56 kΩ, Rr1 = 680 kΩ und Rr2 = 680 kΩ, C3 = 15 pF, Cm1 = 5 pF, Cr1 = 15 pF und Cr2 = 15 pF. 7 shows another example of a measuring circuit, as it can be used in the proposed angle sensor. This measurement circuit is similar to a charge amplifier. Here, the angle information is output not as a frequency-coded signal but as an amplitude-modulated signal, ie the peak-to-peak value of the output voltages U1 and U2 contains the information about the rotation angle of the structure according to 1 , The two circuit capacitances C 13 and C 34 in turn change in opposite directions and are used in the two amplification branches of the measuring circuit. In this example, a multivibrator with the operational amplifier OPV1 is used to generate a square wave, which is then connected via the two capacitors C 13 and C 34 to the two operational amplifiers OPV2 and OPV3. Due to the feedback via the capacitors Cr1 and Cr2 and the relatively high-value resistors Rr1 and Rr2, a gain then takes place which essentially represents an AC voltage amplification. Instead of the multivibrator for generating a square wave as an input signal, of course, another circuit for generating an AC voltage or AC voltage source can be used. Exemplary values for the resistors and additional capacitors in this circuit are R1 = 10 kΩ, R2 = kΩ and R3 = 330 kΩ, R4 = 56 kΩ, R5 = 56 kΩ, Rr1 = 680 kΩ and Rr2 = 680 kΩ, C3 = 15 pF , Cm1 = 5 pF, Cr1 = 15 pF and Cr2 = 15 pF.

8 zeigt Ergebnisse einer Messung mit dieser Messschaltung und einer Ausgestaltung des Winkelsensors mit den bereits im letzten Beispiel angegebenen Dimensionen. Die 8 zeigt das Verhältnis der Spitze-zu-Spitze Werte der beiden Ausgangsspannungen U1pp zu U2pp über den Drehwinkel. Deutlich erkennbar ist ein nahezu linearer Zusammenhang für U1pp/U2pp für einen Winkelbereich von ca. 100° (Drehwinkel von 20° bis 120°). Durch die Bildung des Verhältnisses können vorteilhafterweise zum Beispiel auch Fertigungsunterschiede oder andere Effekte weitgehend unterdrückt werden, die die beiden Kapazitäten C13 und C34 in gleicher Weise verändern. Bei einer definierten Winkelstellung sind U1pp und U2pp bei dieser Messschaltung gleich groß. Vorzugsweise wird diese Stellung als Referenz für die Nullposition des Messbereichs genutzt, da sie bei der Messung durch Bildung der Differenz U1pp–U2pp jederzeit aufgefunden bzw. angefahren werden kann. Ein mechanischer Anschlag oder sonstige Mittel zur Bestimmung der Nullposition sind dadurch nicht mehr erforderlich. 8th shows results of a measurement with this measurement circuit and an embodiment of the angle sensor with the dimensions already given in the last example. The 8th shows the ratio of the peak-to-peak values of the two output voltages U1pp to U2pp over the rotation angle. Clearly visible is a nearly linear relationship for U1pp / U2pp for an angular range of about 100 ° (rotation angle of 20 ° to 120 °). The formation of the ratio can advantageously also be used, for example, to largely suppress manufacturing differences or other effects which change the two capacitances C 13 and C 34 in the same way. At a defined angular position, U1pp and U2pp are the same size for this measurement circuit. Preferably, this position is used as a reference for the zero position of the measuring range, since it can be found or approached at any time during the measurement by forming the difference U1pp-U2pp. A mechanical stop or other means for determining the zero position are no longer required.

Mit einem kleineren Design des Winkelsensors, beispielsweise mit sechs Millimeter Durchmesser der Kreisscheibe, werden ähnliche Ergebnisse erzielt, d.h. es ergibt sich ebenfalls eindeutiger Zusammenhang zwischen dem Drehwinkel ϕ und dem Messsignal. With a smaller design of the angle sensor, for example with six millimeter diameter of the disc, similar results are achieved, i. it also results in a clear relationship between the rotation angle φ and the measurement signal.

Die jeweils sich gegenüberliegenden ersten und zweiten Elektroden sollten möglichst plan aufeinander liegen – mit einem zwischenliegenden Dielektrikum. Dies kann auch durch zusätzlichen Druck erreicht werden, mit dem die Träger für die jeweiligen Elektroden gegeneinander gedrückt werden. Hierdurch wird der Abstand zwischen den Elektroden verringert, was zu einem höheren Kapazitätswert führt. Insgesamt ist dadurch eine noch bessere Signalqualität bei höherer Reproduzierbarkeit zu erwarten. The opposing first and second electrodes should be as flat as possible - with an intermediate dielectric. This can also be achieved by additional pressure with which the carriers for the respective electrodes are pressed against each other. This reduces the distance between the electrodes, resulting in a higher capacitance value. Overall, this results in even better signal quality and higher reproducibility.

Der Winkelbereich kann bei dem in der 1 beispielhaft dargestellten Sensor noch erweitert werden, indem die mittlere Elektrode 3 kleiner und die äußeren Elektroden 1, 4 entsprechend größer gewählt werden. Dies in 9 beispielhaft angedeutet. The angle range can be at the in the 1 exemplified sensor can still be extended by the middle electrode 3 smaller and the outer electrodes 1 . 4 be chosen correspondingly larger. This in 9 indicated by way of example.

Die 0°-Position, bei der die Messung startet bzw. der Messbereich beginnt, wird bei dem vorgeschlagenen Winkelsensor vorzugsweise automatisch erkannt. Dies kann durch geeignete elektrische Kontakte oder einen definierten mechanischen Endanschlag der mechanischen Drehung realisiert werden. Damit kann auch bei sich langsam verändernden Werten der Kapazitäten C13 und C34 der richtige Winkelwert ermittelt werden. The 0 ° position at which the measurement starts or the measuring range begins is preferably automatically detected in the case of the proposed angle sensor. This can be realized by suitable electrical contacts or a defined mechanical end stop of the mechanical rotation. Thus, even with slowly changing values of the capacitances C 13 and C 34, the correct angle value can be determined.

10 zeigt schließlich noch ein weiteres Beispiel zur Erweiterung des Winkelbereichs. Hierbei wird auf der gleichen Drehachse 5 ein weiterer Winkelsensor mit drei weiteren statischen Elektroden 1a, 4a, 3a und einer drehbaren Elektrode 2a angeordnet, wobei dieser zweite Winkelsensor gegenüber dem ersten Winkelsensor um 120° verdreht ist. Dies ist in der 10 angedeutet. Der zweite Winkelsensor ist in der 10 lediglich zur besseren Darstellbarkeit mit einem größeren Durchmesser dargestellt. Beide Winkelsensoren können natürlich auch den gleichen Durchmesser aufweisen. Die Nutzung von zwei Winkelsensoren erfordert auch zwei entsprechende Messschaltungen, wobei durch diese Ausgestaltung aber insgesamt ein größerer Winkelbereich erfasst werden kann. 10 Finally, shows another example of the extension of the angle range. This will be on the same axis of rotation 5 another Angle sensor with three additional static electrodes 1a . 4a . 3a and a rotatable electrode 2a arranged, this second angle sensor is rotated relative to the first angle sensor by 120 °. This is in the 10 indicated. The second angle sensor is in the 10 only shown for better representation with a larger diameter. Of course, both angle sensors can also have the same diameter. The use of two angle sensors also requires two corresponding measuring circuits, but overall a larger angular range can be detected by this configuration.

11 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Anordnung, bei der zwei Winkelsensoren mit gemeinsamer zweiter Elektrode 2 auf der gleichen Drehachse 5 angeordnet sind. Die drei ersten Elektroden 1a, 3a, 4a sind dabei in einer ersten Ebene, die zweite Elektrode 2 in einer zweiten Ebene und die drei weiteren ersten Elektroden 1b, 3b, 4b in einer dritten Ebene angeordnet. Die Ebenen sind parallel zueinander, wobei die zweite Ebene zwischen der ersten und der dritten Ebene liegt. Die Elektroden befinden sich dabei wiederum jeweils auf einem geeigneten Träger mit einer planen Oberfläche. Die beiden Träger mit den insgesamt sechs ersten Elektroden sind statisch, während der Träger mit der zweiten Elektrode 2 um die Drehachse 5 drehbar gelagert ist. Die ersten Elektroden 1b, 3b, 4b der dritten Ebene liegen dabei deckungsgleich über den ersten Elektroden 1a, 3b, 4b der ersten Ebene, so dass sie sich genau überdecken. Die drei statisch angeordneten Elektroden der ersten und dritten Ebene sind jeweils mit einer Messschaltung verbunden, wie sie in den vorangegangenen Beispielen bereits beschrieben wurde. Allerdings ist die Verschaltung der Elektroden der ersten und dritten Ebene vertauscht, wie dies durch die Vertauschung der Bezeichnungen der Elektroden (1b und 4b vertauscht bzgl. 1a und 4a) in der 11 angedeutet ist. Damit liefern die beiden Messschaltungen bei einer Drehung der zweiten Elektrode 2 ein gegenläufiges Signal. Bei Anstieg des Messsignals, bspw. der Frequenz oder Spannungsamplitude, der einen Messschaltung sinkt das Messsignal der anderen Messschaltung und umgekehrt. Durch Differenzbildung beider Messsignale kann eine Gleichtaktunterdrückung erreicht und ein insgesamt größeres Messsignal erhalten werden als bei Nutzung nur eines Winkelsensors. 11 shows a schematic representation of another arrangement in which two angle sensors with a common second electrode 2 on the same axis of rotation 5 are arranged. The first three electrodes 1a . 3a . 4a are in a first level, the second electrode 2 in a second level and the three other first electrodes 1b . 3b . 4b arranged in a third level. The planes are parallel to each other with the second plane between the first and third planes. The electrodes are again each on a suitable support with a flat surface. The two carriers with the total of six first electrodes are static, while the carrier with the second electrode 2 around the axis of rotation 5 is rotatably mounted. The first electrodes 1b . 3b . 4b the third level are congruent over the first electrodes 1a . 3b . 4b the first level so that they overlap exactly. The three statically arranged electrodes of the first and third levels are each connected to a measuring circuit, as has already been described in the preceding examples. However, the interconnection of the electrodes of the first and third levels is reversed, as can be seen by the reversal of the designations of the electrodes ( 1b and 4b exchanged with respect. 1a and 4a ) in the 11 is indicated. Thus, the two measuring circuits deliver upon rotation of the second electrode 2 an opposite signal. When the measured signal, for example the frequency or voltage amplitude, of one measuring circuit rises, the measuring signal of the other measuring circuit decreases and vice versa. By forming the difference between the two measurement signals, a common-mode suppression can be achieved and an overall larger measurement signal can be obtained than when using only one angle sensor.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1, 1a/b1, 1a / b
Äußere erste Elektrode Outer first electrode
2, 2a2, 2a
Drehbare zweite Elektrode Rotatable second electrode
3, 3a/b3, 3a / b
Mittlere erste Elektrode  Middle first electrode
4, 4a/b4, 4a / b
Äußere erste Elektrode Outer first electrode
55
Drehachse axis of rotation

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 1033578 A2 [0005] EP 1033578 A2 [0005]

Claims (12)

Kapazitiver Winkelsensor, der wenigstens – drei in einer ersten Ebene um eine Drehachse (5) statisch angeordnete erste Elektroden (1, 3, 4), die senkrecht zur ersten Ebene verläuft, und – eine um die Drehachse (5) drehbare zweite Elektrode (2) aufweist, die in einer zweiten zur ersten parallelen Ebene gegenüber den ersten Elektroden (1, 3, 4) angeordnet ist und wenigstens zwei der ersten Elektroden (1, 3, 4) jeweils unter Bildung einer Kapazität zumindest teilweise überdeckt, – wobei die zweite Elektrode (2) und die drei ersten Elektroden (1, 3, 4) so dimensioniert und angeordnet sind, dass die zweite Elektrode (2) in einem Drehwinkelbereich eine konstante Überdeckung mit einer mittleren (3) der drei ersten Elektroden (1, 3, 4) aufweist und sich die Überdeckung mit den beiden anderen ersten Elektroden (1, 4) bei Drehung in diesem Drehwinkelbereich gegenläufig ändert, und – wobei die drei ersten Elektroden (1, 3, 4) in einer Messschaltung so elektrisch verschaltet sind, dass sie in der Messschaltung zwei Schaltungskapazitäten, jeweils zwischen der mittleren (3) und einer der beiden anderen ersten Elektroden (1, 4), bilden und die Messschaltung so ausgebildet ist, dass sie eine von den beiden Schaltungskapazitäten abhängige Frequenz oder elektrische Spannungsamplitude oder eine Differenz oder ein Verhältnis zweier Frequenzen oder elektrischer Spannungsamplituden als Maß für den Drehwinkel liefert.Capacitive angle sensor comprising at least - three in a first plane about a rotation axis ( 5 ) statically arranged first electrodes ( 1 . 3 . 4 ), which is perpendicular to the first plane, and - one about the axis of rotation ( 5 ) rotatable second electrode ( 2 ) in a second to the first parallel plane with respect to the first electrodes ( 1 . 3 . 4 ) and at least two of the first electrodes ( 1 . 3 . 4 ) are each at least partially covered to form a capacitance, - wherein the second electrode ( 2 ) and the three first electrodes ( 1 . 3 . 4 ) are dimensioned and arranged such that the second electrode ( 2 ) in a rotation angle range a constant coverage with a middle ( 3 ) of the three first electrodes ( 1 . 3 . 4 ) and the overlap with the other two first electrodes ( 1 . 4 ) changes in rotation in this rotation angle range in opposite directions, and - wherein the three first electrodes ( 1 . 3 . 4 ) are electrically connected in a measuring circuit such that they have two circuit capacitances in the measuring circuit, in each case between the middle ( 3 ) and one of the other two first electrodes ( 1 . 4 ), and the measuring circuit is designed so that it provides a dependent of the two circuit capacitances frequency or electrical voltage amplitude or a difference or a ratio of two frequencies or electrical voltage amplitudes as a measure of the angle of rotation. Kapazitiver Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Elektroden (1, 3, 4) und die zweite Elektrode (2) jeweils die Geometrie von Kreissegmenten aufweisen.Capacitive angle sensor according to claim 1, characterized in that the first electrodes ( 1 . 3 . 4 ) and the second electrode ( 2 ) each have the geometry of circle segments. Kapazitiver Winkelsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden anderen ersten Elektroden (1, 4) jeweils Kreissegmente von ≥ 120° bilden. Capacitive angle sensor according to claim 2, characterized in that the two other first electrodes ( 1 . 4 ) each form circle segments of ≥ 120 °. Kapazitiver Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messschaltung für jede der beiden Schaltungskapazitäten einen Multivibrator mit einer vom Wert der jeweiligen Schaltungskapazität beeinflussten Umschaltfrequenz aufweist.Capacitive angle sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the measuring circuit for each of the two circuit capacitances comprises a multivibrator having a switching frequency influenced by the value of the respective circuit capacitance. Kapazitiver Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messschaltung als Multivibrator mit einer vom Wert der beiden Schaltungskapazitäten abhängigen Umschaltfrequenz ausgebildet ist, wobei eine der beiden Schaltungskapazitäten in einem Rückkopplungszweig des Multivibrators angeordnet und die Messgröße die Ausgangsfrequenz des Multivibrators ist.Capacitive angle sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the measuring circuit is designed as a multivibrator having a dependent on the value of the two circuit capacitance switching frequency, wherein one of the two circuit capacitances arranged in a feedback branch of the multivibrator and the measured variable is the output frequency of the multivibrator. Kapazitiver Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messschaltung zwei Verstärkungszweige für eine Wechselspannung als Eingangsspannung aufweist, wobei in jedem der Verstärkungszweige eine der beiden Schaltungskapazitäten angeordnet ist, und wobei die Messschaltung als Messgröße ein Verhältnis und/oder eine Differenz der Ausgangsspannungsamplituden der beiden Verstärkungszweige liefert.Capacitive angle sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the measuring circuit comprises two amplification branches for an AC voltage as an input voltage, wherein one of the two circuit capacitances is arranged in each of the amplification branches, and wherein the measuring circuit as a measured variable, a ratio and / or a difference the output voltage amplitudes of the two gain branches supplies. Kapazitiver Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Ebene ≤ 50 µm beträgt.Capacitive angle sensor according to one of claims 1 to 6, characterized in that the distance between the first and the second plane is ≤ 50 microns. Kapazitiver Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den ersten Elektroden (1, 3, 4) und der zweiten Elektrode (2) eine dielektrische Folie oder Schicht mit einer relativen Dielektrizitätskonstante εr > 3 angeordnet ist.Capacitive angle sensor according to one of claims 1 to 7, characterized in that between the first electrodes ( 1 . 3 . 4 ) and the second electrode ( 2 ) a dielectric film or layer with a relative dielectric constant ε r > 3 is arranged. Anordnung aus wenigstens zwei der kapazitiven Winkelsensoren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, die auf der gleichen Drehachse (5) angeordnet sind. Arrangement of at least two of the capacitive angle sensors according to one of Claims 1 to 8, which are mounted on the same axis of rotation ( 5 ) are arranged. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Winkelsensoren eine gemeinsame zweite Elektrode (2) aufweisen, die um die Drehachse (5) drehbar ist.Arrangement according to claim 9, characterized in that the two angle sensors a common second electrode ( 2 ), which around the axis of rotation ( 5 ) is rotatable. Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Elektroden (1, 3, 4) der beiden Winkelsensoren in der jeweiligen Messschaltung so elektrisch verschaltet sind, dass die beiden Winkelsensoren bei einer Drehung der zweiten Elektrode(n) (2) um die Drehachse (5) ein gegenläufiges Messsignal liefern.Arrangement according to claim 9 or 10, characterized in that the first electrodes ( 1 . 3 . 4 ) of the two angle sensors in the respective measuring circuit are electrically connected in such a way that the two angle sensors rotate when the second electrode (s) ( 2 ) about the axis of rotation ( 5 ) provide an opposite measurement signal. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Winkelsensoren um einen Winkel gegeneinander versetzt auf der Drehachse (5) angeordnet sind.Arrangement according to claim 9, characterized in that the two angle sensors offset by an angle to each other on the axis of rotation ( 5 ) are arranged.
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