CH673172A5

CH673172A5 -

Info

Publication number: CH673172A5
Application number: CH2446/87A
Authority: CH
Inventors: Hans Rudolf Weber
Original assignee: Weber Hans R
Priority date: 1987-06-29
Filing date: 1987-06-29
Publication date: 1990-02-15
Also published as: US4937694A; WO1989000277A1; JPH02500614A; EP0322428A1

Description

BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kondensatorelement mit Elektrodenflächen-Muster für kapazitive Messwertgeber gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es sind Anwendungen bekannt, bei denen kapazitive Messwertgeber mit gegeneinander verdrehbaren Kondensatorteilen als Messelement für rotative Bewegungen verwendet werden. Auch lineare Anwendungen kapazitiver Messwertgeber sind bekannt, bei denen Teile eines Kondensators linear relativ zueinander verschoben werden. Die Messgenauigkeit und/oder Auflösung solcher Winkel- und Längen-Messwertgeber im jeweils verwendeten Messbereich hängt bei diesen Anwendungen im wesentlichen von der Feinheit der Abstufung der Kapazität dieses Messelementes ab. Dies bedeutet, dass, bei einem Winkelgeber mit Kreissegment-Elektrodenflächen die Auflösung oder Abstufung der messbaren Winkelunterschiede um so besser ist, je mehr Kreissegmente auf dem Winkelgeber, resp. Kreissegment-Elektrodenflächen auf seinem Kondensatorelement definiert werden können. Identisch gilt, dass für lineare Längen-Messwertgeber die Auflösung oder Abstufung der messbaren Distanzunterschiede um so besser ist, je mehr Elektrodenflächen pro Längeneinheit auf dem Kondensatorelement angeordnet sind.

Aufgrund der Tatsache, dass die einzelnen Elektrodenflächen elektrisch miteinander und mit der die einer beliebigen Lage des Messwertgebers entsprechende Kapazität desselben auswertenden Elektronik verbunden werden müssen, was aufgrund der Anordnung und Geometrie der Elektrodenflächen normalerweise auf der Rückseite des Kondensatorelementes geschieht, ist jede Elektrodenfläche mit zumindest einem Kontaktierungs-punkt versehen. Herkömmlicherweise handelt es sich dabei um durch die Elektrodenfläche und das diese tragende Substrat hindurch gehende Bohrungen oder Löcher, durch die hindurch die Elektrodenflächen von der Rückseite des Kondensatorelementes her kontaktiert sind. Die Grösse und Lage dieser Bohrungen oder Löcher beeinflusst nicht nur die Kapazität einer jeden Elektrodenfläche, sofern sie im aktiven Kondensatorbereich liegen, sondern bestimmen auch ganz wesentlich die kleinstmögli-5 chen Dimensionen der Elektrodenflächen mit. In der Praxis führt dies dazu, dass es schwierig ist, Kondensatorelemente mit Kreissegment-Elektrodenflächen-Mustern mit kleinem Durchmesser herzustellen, auf denen eine grosse Anzahl von Kreissegment-Elektrodenflächen angeordnet sind. Auch bei linearen io Messwertgebern müssen daher die einzelnen Elektrodenflächen Minimalbreiten aufweisen, die gross genug sind, um die Kontaktierungslöcher im Substrat sicher überdecken zu können. Damit sind aber der Auflösung einer Drehbewegung und einer Linearbewegung recht enge Grenzen gesetzt, da es für eine ls Wertänderung der Kapazität des Messwertgebers einer relativ grossen mechanischen Bewegung bedarf. Dass diese Tatsache speziell in der Präzisions-Messtechnik Nachteile aufweist, ist für jeden Fachmann naheliegend.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrun-20 de, ein Kondensatorelement mit Elektrodenflächen-Muster für kapazitive Messwertgeber zu schaffen, das diese Nachteile eliminiert und es ermöglicht, auf solchen Elementen bei vergleichbaren Dimensionen ein Mehrfaches an Elektrodenflächen anzuordnen. Dies darf dabei nicht zu Lasten der klar bestimmbaren 25 Kapazität des Kondensators bei jeder beliebigen Stellung des Messwertgebers gehen.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch ein Kondensatorelement mit Elektrodenflächen-Muster gelöst, wie es im Patentanspruch 1 definiert ist.

30 Eine vorteilhafte Ausführungsvariante eines erfindungsge-mässen Kondensatorelementes ist nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. In letzterer zeigt:

Fig. 1 ein konventionelles Kondensatorelement mit Elektro-denflächen-Muster in vergrössertem Massstab in Draufsicht, 35 Fig. 2 das Kondensatorelement nach Fig. 1 in Ansicht von hinten,

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Teil desselben Kondensatorelementes,

Fig. 4 eine vorteilhafte Ausführungsvariante eines erfin-40 dungsgemässen Kondensatorelementes mit einem Elektrodenflä-chen-Muster mit kreissegmentförmigen Elektrodenflächen mit zentraler Bohrung und zentral angeordneten Anschlüssen, in vergrössertem Massstab in Draufsicht, und

Fig. 5 das Kondensatorelement nach Fig. 4 von unten. 45 Die Fig. 1 bis 3 illustrieren ein Kondensatorelement mit Elektrodenflächen-Muster gemäss dem Stand der Technik. Fig. 1 zeigt, dass es aufgrund der jeweils an den Kreissegmentspitzen der Elektrodenflächen 1 angeordneten inneren Kontaktierungslöcher 2, die, wie Fig. 3 veranschaulicht, sowohl durch das Sub-50 strat 3 als auch durch die auf dieses aufgebrachten Kupferschichten der Elektrodenflächen 1 auf der Vorderseite des Kondensatorelementes und der Leiterbahnen 4 auf der Rückseite desselben (Fig. 2) hindurchgehen, nicht möglich ist, die Kreissegment-Elektrodenflächen 1 beliebig schmal zu machen. Da-55 durch ist es aber auch nicht möglich, bei einem derartigen Kondensatorelement mit ca. 20 mm äusserem Durchmesser wesentlich mehr als die hier dargestellten sechszehn Kreissegment-Elektrodenflächen 1 anzuordnen. Wie Fig. 2 zeigt, sind diese auf der Rückseite des Kondensatorelementes sowohl unterein-60 ander als auch mit Anschlüssen 5 mittels der Leiterbahnen 4 verbunden. Aufgrund der weiter oben erwähnten Tatsache,

dass sich innerhalb der aktiv benützten Elektrodenflächen der einzelnen Segmente befindliche Kontaktierungslöcher die Genauigkeit der pro Elektrodenfläche erzeugten Kapazität des 65 Kondensators negativ beeinflussen, ist es zumindest bei Präzi-sions-Messwertgebern nicht möglich, die inneren Kontaktierungslöcher 2 beliebig weit gegen aussen zu verlegen. Sie müssen gegen das Zentrum des Kondensatorelementes hin ausser

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halb der aktiv benützten Elektrodenfläche angeordnet sein. Aus diesem Grunde ist es nicht möglich, mit herkömmlichen Winkelgebern dieser Art die Messgenauigkeit und Auflösung wesentlich zu verbessern.

Die Fig. 4 bis 6 veranschaulichen, wie dieses Problem anhand eines erfindungsgemässen Kondensatorelementes mit Elektrodenflächen-Muster gelöst werden kann und gleichzeitig die oft störend über die Peripherie des sonst kreisrunden Kondensatorelementes hinaus ragenden Anschlüsse nach innen, in den zentralen Bereich des Kondensatorelementes, der für die aktive Nutzung als Elektrodenflächen ungeeignet ist, verlegt werden können. Man erkennt bei diesem erfindungsgemässen Kondensatorelement, dass keinerlei durch die Schicht des Elek-trodenflächen-Musters, die vorteilhafterweise aus Kupfer, aber auch aus jedem anderen geeigneten elektrisch leitenden Material besteht, hindurchgehende Kontaktierungslöcher oder, bei anderer Ausführung des Teiles Kontaktierungskanäle, vorhanden sind. Die Kreissegment-Elektrodenflächen sind von ihrem äusserten bis zu ihrem innersten Rand homogen und nicht unterbrochen, obwohl sie auf der Rückseite des Kondensatorelementes mittels Leiterbahnen 14 untereinander und mit den innen angeordneten Anschlüssen 15 verbunden sind.

Damit können dank der Erfindung nicht nur feiner auflösende kapazitive Messwertgeber realisiert werden als bisher, sondern diese können erst noch kleiner dimensioniert werden als dies bis heute möglich war. Zudem lässt sich dadurch eine harmonische Geometrie der Leiterbahnen 14 verwenden, die zu einer für alle Elektrodenflächen gleichen gegenseitigen Beeinflussung führ, was die Genauigkeit eines Messwertgebers in positivem Sinne beeinflusst.

Um die Elektrodenflächen 11 von hinten kontaktieren zu können, wird für die Herstellung dieser erfindungsgemässen Kondensatorelemente beispielsweise eine vor dem Beschichten mit den Elektrodenflächen und Leiterbahnen gebohrte Substratscheibe 13 verwendet, auf welche einseitig die Elektrodenflächen 11 auflaminiert oder durch andere Mittel aufgebracht werden, derart, dass die leitende Schicht, bei der es sich beispielsweise um eine Metallschicht handelt, die Kontaktierungslöcher oder -kanäle vollständig überdeckt. Die auf der Rückseite der Substratscheibe 13 anzuordnenden Leiterbahnen 14 werden dann vorteilhafterweise aufmetallisiert, wobei die Metallisationsschicht sich ebenfalls in den Kontaktierungslöcher oder -kanälen 12 der Substratscheibe 13 und an der diese gegen die Vorderseite abdeckenden leitenden Schicht, resp. der dort sichtbaren Rückseite der Elektrodenflächen 11 bildet, wodurch diese kontaktiert werden.

Auch andere Herstellverfahren, beispielsweise eines, bei dem keine gebohrten Kontaktierungslöcher notwendig sind, da diese durch im Substrat angeordnete leitende Kanäle ersetzt sind, sind möglich.

Das erfindungsgemässe Kondensatorelement mit Elektrodenflächen-Muster ist im Gegensatz zu den anhand der vorangehenden Figuren beschriebenen Ausführungsvariante eines Kondensatorelementes mit kreissegmentförmigen Elektrodenflächen auch für lineare^kapazitive Messwertgeber realisierbar.

In dieser Ausführungsväriante wird vorteilhafterweise ein Elektrodenflächen-Muster mit rechteckigen Elektrodenflächen verwendet, die als parallele Streifen quer zur Messrichtung angeordnet sind, wogegen die Leiterbahnen unabhängig davon ver-5 laufen.

Der Fachmann erkennt leicht, dass sich die Kontaktierungslöcher oder -kanäle oder -stellen bei derartigem erfindungsge-mässem Aufbau eines Kondensatorelementes mit Elektrodenflächen-Muster nicht mehr ausserhalb der aktiven Elektrodenflä-lo chen befinden müssen, sind sie doch für das hier nicht dargestellte komplementäre Kondensatorelement des Kondensators nicht zu erkennen. Da die Elektrodenflächen durch die beschriebene Art der Kontaktierung völlig unbeschädigt bleiben, haben die Kontaktierungslöcher oder -kanäle oder -stellen beim i5 erfindungsgemässen Kondensatorelement auch keinerlei Ein-fluss auf die Kapazität des Kondensators und werden elektrisch nicht mehr festgestellt. Dies ermöglicht es, bei einem runden Kondensatorelement mit kreissegmentförmigen Elektrodenflächen auch die inneren Kontaktierungslöcher oder -kanäle 12 so-20 weit gegen den Aussenrand des Kondensatorelementes hin zu verlegen, wie dies notwendig ist, damit sie auch bei sehr schmalen Kreissegment-Elektrodenflächen 11 ganz abgedeckt werden.

Dank der Möglichkeit, dass die erfindungsgemässen Kondensatorelemente mit einem Elektrodenflächen-Muster versehen 25 werden können, das ein Vielfaches an Elektrodenflächen aufweist als vergleichbar herkömmliche derartige Kondensatorelemente, ist es erstmals möglich, auch bei klein dimensionierten kapazitiven Messwertgebern eine um ein Vielfaches grössere Messgenauigkeit und Auflösung zu erreichen als bisher. Da-30 durch, dass die gesamten vorhandenen Elektrodenflächen als aktive Elektrodenflächen verwendet werden können, da sie keine störenden Kontaktierungslöcher oder -kanâlé mehr aufweisen, ist es sogar möglich, Messwertgeber mit vorgegebener Auflösung kleiner zu dimensionieren als bisher. Dies gilt selbstver-35 ständlich auch für erfindungsgemässe Kondensatorelemente für lineare Messwertgeber.

Die Erfindung ermöglicht es aber auch, die an der Peripherie der Kondensatorelemente mit kreissegmentförmigen Elektrodenflächen angeordneten und dort oft störenden Anschlüsse in 40 den zentralen Bereich des Kondensatorelementes zu verlegen, da ja die Kreissegment-Elektrodenflächen bis zu ihrem äusser-sten Rand hin als aktive Elektrodenflächen verwendbar sind, was den Vorteil hat, dass ihre wirkungsvollsten Bereiche für die Kapazitätsmessung verwendet werden können. Dadurch kann, 45 ohne Verluste, auf die Nutzung der relativ wirkungsarmen Spitzen der Kreissegment-Elektrodenflächen verzichtet werden. An ihre Stelle können die Anschlüsse, vorteilhafterweise von der Scheibenrückseite her kontaktierbar, angeordnet werden. Damit können die Kondensatorelemente mit Elektrodenflächen-Mu-50 stern sowohl in ihrem Zentrum als auch an ihrer Peripherie zirkulär begrenzt sein, ohne dass sie dadurch grösser ausgeführt werden müssten. Ein Winkelgeber, der mit einem erfindungsgemässen Kondensatorelement hergestellt wird, kann somit bei wesentlich erhöhter Messgenauigkeit und Auflösung kleiner 55 sein als ein herkömmlicher Winkelgeber.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Kondensatorelement mit Elektrodenflächen-Muster für kapazitive Messwertgeber mit relativ zueinander verschiebbaren Kondensatorteilen zwecks Veränderung der Kapazität des Messwertgebers in Abhängigkeit von der relativen Lage der Kondensatorteile zueinander, wobei die einzelnen Elektrodenflächen (11) auf einer Seite einer isolierenden Substratschicht (13) angeordnet sind, wogegen diese Elektrodenflächen (ll) untereinan-der und mit zu der elektrischen Schaltung führenden Anschlüssen (15) durch Leiterbahnen (14) elektrisch verbunden sind, die auf der anderen Seite der Substratschicht (13) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenflächen (11) kon-taktlöcherfrei sind und die Leiterbahnen (14) von der Rückseite der Substratschicht (13) her durch in dieser vorhandenen Kon-taktierungslöcher oder -kanälen (12) hindurch mit den sich über diese Kontaktierungslöcher (12) hinweg erstreckenden, nicht durchbrochenen Elektrodenflächen (11) rückseitig elektrisch verbunden sind.

2. Kondensatorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenflächen (11) aus auf eine aus elektrisch isolierendem Material bestehenden Substratschicht (13) einseitig über die darin vorhandenen Kontaktierungslöcher oder -kanälen (12) sich erstreckenden aufgebrachten elektrisch leitenden Schicht bestehen, wogegen die Leiterbahnen (14) aus einem sich auf der anderen Seite der Substratschicht (13) und durch die Kontaktierungslöcher oder -kanäle (12) hindurch bis an die Rückseite der Elektrodenflächen (11) reichenden elektrisch leitenden Material bestehen.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Kondensatorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse (15) vom Elektrodenflächen-Mu-ster weg gegen das Zentrum hin angeordnet sind.