DE102013102543A1

DE102013102543A1 - Drehgeber mit geringer Leistungsaufnahme

Info

Publication number: DE102013102543A1
Application number: DE102013102543.9A
Authority: DE
Inventors: Martin Winker; Stefan Schwamberger; Guido Schmid
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2013-03-13
Filing date: 2013-03-13
Publication date: 2014-09-18
Anticipated expiration: 2033-03-14
Also published as: DE102013102543B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung bereit, welche Folgendes umfasst
– einen kapazitiven Drehsensor in Form eines Kondensators, welcher eine erste und eine davon elektrisch isolierte zweite Kontaktierelektrode umfasst, zwischen welchen eine Kapazität gebildet ist, welche in Abhängigkeit eines Drehwinkels eines Aktuators des Drehsensors periodisch variiert,
– einen an den Kondensator gekoppelten Komparator, welcher eine zwischen der ersten und der zweiten Kontaktierelektrode des Kondensators abfallende Ladespannung mit einem oberen und einem unteren Schwellenwert vergleicht und basierend auf einem Ergebnis des Vergleichs ein Ausgangssignal an einem Ausgang des Komparators ausgibt,
– einen zwischen die erste Kontaktierelektrode und den Ausgang des Komparators gekoppelten Widerstand und
– einen an den Ausgang des Komparators gekoppelten Zähler.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, eine Ventilanordnung und eine elektromechanische Einheit, die jeweils einen kapazitiven Drehsensor aufweisen.
Hintergrund der Erfindung
Aus dem Stand der Technik sind kapazitive Sensoren bekannt, welche auf Basis der Veränderung der Kapazität eines Kondensators arbeiten. Beispielsweise ist aus der DE 10 2009 019 172 A1 ein kapazitiver Drehsensor bekannt, welcher einen Rotor, einen Stator und eine Auswerteschaltung aufweist. Der Rotor umfasst eine nicht-rotationssymmetrische Rotorscheibe mit einem elektrisch leitfähigen Belag. Der Statorring weist ferner vier Quadranten auf, wobei jeweils die Kapazität zwischen zwei der Quadranten bestimmt wird. Ferner ist aus der US 7,126,495 B2 ein kapazitiver Bewegungs-Encoder bekannt, welcher einen Stator und einen Rotor aufweist. Der Stator weist vier Quadranten auf, welche jeweils mit einer eigenen Versorgungs- bzw. Auswerteschaltung versorgt sind.
Nachteilig an den beschriebenen Ansätzen ist es, dass zur Bestimmung der Position eines Objekts eine aufwändige Auswerteschaltung verwendet wird, welche somit einen erhöhten Leistungsbedarf aufweist. Gerade im Zusammenhang mit sog. Energy-Harvesting-Einrichtungen, welche ohne eine zentrale Energieversorgung arbeiten, ist es jedoch wünschenswert, eine Positionsbestimmung mit möglichst geringem Leistungsverbrauch durchführen zu können.
Kurzer Abriss der Erfindung
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Drehgröße, insbesondere eine Umdrehungszahl, eine Winkelgeschwindigkeit, eine Anzahl von Umdrehungen und/oder eine Anzahl von Umdrehungen innerhalb einer Zeitperiode mit geringem Leistungsverbrauch, geringem Hardwareaufwand und einfachem Aufbau zu erfassen. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, eine Ventilanordnung gemäß Anspruch 16 sowie eine elektromechanische Einheit gemäß Anspruch 17 gelöst.
In einem ersten Aspekt stellt die Erfindung eine Vorrichtung bereit, welche Folgendes umfasst:

– einen kapazitiven Drehsensor in Form eines Kondensators, welcher eine erste und eine davon elektrisch isolierte zweite Kontaktierelektrode umfasst, zwischen welchen eine Kapazität gebildet ist, welche in Abhängigkeit eines Drehwinkels eines Aktuators des Drehsensors periodisch variiert,
– einen an den Kondensator gekoppelten Komparator, zum Beispiel einen Komparator mit Mitkopplung, vorzugsweise einen Schmitt-Trigger, welcher eine zwischen der ersten und der zweiten Kontaktierelektrode des Kondensators abfallende Ladespannung mit einem oberen und einem unteren Schwellenwert vergleicht und basierend auf einem Ergebnis des Vergleichs ein Ausgangssignal, insbesondere ein binäres Ausgangssignal, an einem Ausgang des Komparators ausgibt,
– einen zwischen die erste Kontaktierelektrode und den Ausgang des Komparators gekoppelten Widerstand und
– einen an den Ausgang des Komparators gekoppelten Zähler.

Dabei wird der Kondensator zunächst durch den Ausgang des Komparators über den Widerstand aufgeladen, bis die Ladespannung des Kondensators den oberen Schwellenwert erreicht. Zu diesem Zeitpunkt „kippt” der Komparator, so dass der Kondensator anschließend über den Widerstand entladen wird, bis die Ladespannung den unteren Schwellenwert erreicht. Zu diesem Zeitpunkt „kippt” der Komparator erneut, so dass der Kondensator anschließend wieder aufgeladen wird. An dem Ausgang des Komparators liegt somit in einigen Ausführungsformen ein binäres Signal vor, welches zwischen einem höheren und einem niedrigeren Ausgabewert wechselt. Die Frequenz, mit welcher der Ausgang des Komparators kippt, hängt dabei von der Kapazität des Kondensator ab. Da die Kapazität des Kondensators wiederum von dem Drehwinkel des Aktuators des Drehsensors abhängt, ist die Frequenz des Ausgangssignals des Komparators ein unmittelbares Maß für den Drehwinkel des Aktuators. Dieser lässt sich somit aus der Zählrate des direkt oder indirekt an den Ausgang des Komparators gekoppelten Zählers ablesen.
Der Zähler ist dabei dazu eingerichtet, eine Anzahl positiver und/oder negativer Pulse des binären Ausgangssignals zu zählen. In einigen Ausführungsformen triggert der Zähler auf positive und/oder negative Flanken des Ausgangssignals.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Kondensator ferner eine Kopplungselektrode, welche von der ersten und der zweiten Kontaktierelektrode elektrisch isoliert ist und relativ zu diesen um eine Achse drehbar ist, wobei die zwischen der ersten und der zweiten Kontaktierelektrode gebildete Kapazität durch ein Drehen der Kopplungselektrode um die Achse veränderbar ist. In dieser Ausführungsform ist es somit nicht erforderlich, den drehbar gelagerten Teil des Drehsensors elektrisch zu kontaktieren. Vielmehr können die erste und die zweite Kontaktierelektrode statisch angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen können die erste und die zweite Kontaktierelektrode auf einem gemeinsamen Trägerteil wie beispielsweise einer Leiterplatte angeordnet sein, wie weiter unten noch im Detail beschrieben ist. Die erste und die zweite Kontaktierelektrode können dabei nebeneinander angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen sind die erste und die zweite Kontaktierelektrode voneinander durch einen Steg und/oder Spalt getrennt. Die erste und/oder die zweite Kontaktierelektrode können im Bereich des Stegs bzw. des Spaltes eine Mäanderform aufweisen. Insbesondere können die erste und die zweite Kontaktierelektrode in diesem Bereich eine ineinandergreifende Mäanderform aufweisen. In einer besonders bevorzugten Ausführung ist die Kopplungselektrode derart ausgeführt, dass sie die Kapazitätsänderung während einer Umdrehung einen asymmetrischen Verlauf zeigt, so dass daraus die Drehrichtung bestimmt werden kann.
In einigen Ausführungsformen sind die erste und die zweite Kontaktierelektrode an einem Stator angeordnet. Die Kopplungselektrode kann an einem Rotor angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen ist der kapazitive Drehsensor in einen Elektromotor integriert. Dabei kann die Kopplungselektrode des kapazitiven Drehsensors mit einem Rotor des Elektromotors drehgekoppelt sein. Die erste und die zweite Kontaktierelektrode können fest an einem Stator des Elektromotors angeordnet oder mit diesem fest verbunden sein.
In einigen Ausführungsformen können die erste und die zweite Kontaktierelektrode aus einer leitfähigen Schicht einer Leiterplatte gebildet sein. Dies ermöglicht die Herstellung der Kontaktierelektroden mittels bekannter Techniken zum Bearbeiten einer Leiterplatte. Wie weiter unten noch im Detail beschrieben ist, können auf der Leiterplatte ferner weitere Komponenten der Vorrichtung wie beispielsweise der Komparator und/oder der Widerstand angeordnet sein.
Die Kopplungselektrode kann bezüglich der Achse zumindest eine Exzentrizität aufweisen. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Kopplungselektrode zwar eine kreisförmige Form aufweist, die Achse sich jedoch nicht in dem Mittelpunkt der kreisförmigen Form befindet. In einigen Ausführungsformen weist die Kopplungselektrode bezüglich der Achse mehr als eine Exzentrizität, insbesondere zwei, drei, vier, sechs oder acht Exzentrizitäten auf. Eine Exzentrizität liegt beispielsweise dann vor, wenn der Abstand der Umfangslinie der Kopplungselektrode zu der Achse in Abhängigkeit des Drehwinkels ein Maximum einnimmt. In einigen Ausführungsformen kann eine Exzentrizität dadurch gebildet sein, dass ein Abstand zwischen der Umfangslinie der Kopplungselektrode zu der Achse in Abhängigkeit des Drehwinkels ein Minimum einnimmt.
In einigen Ausführungsformen können die erste und die zweite Kontaktierelektrode einen gleichen Abstand von der Achse aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass die erste und die zweite Kontaktierelektrode bezüglich der Achse um einen bestimmten Winkel voneinander versetzt sind. Die erste und/oder zweite Kontaktierelektrode können die Form eines Kreissegments aufweisen.
In einigen Ausführungsformen umfasst der Kondensator mehrere erste und/oder mehrere zweite Kontaktierelektroden. Bei mehreren ersten bzw. mehreren zweiten Kontaktierelektroden können diese jeweils elektrisch miteinander verbunden sein. In einigen Ausführungsformen können die mehreren ersten Kontaktierelektroden jeweils eine gleiche Form aufweisen und/oder einen gleichen Abstand zu der Achse aufweisen. Es kann vorgesehen sein, dass die mehreren zweiten Kontaktierelektroden jeweils eine gleiche Form aufweisen und/oder einen gleichen Abstand zu der Achse aufweisen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Kopplungselektrode zu der ersten und zweiten Kontaktierelektrode jeweils einen Abstand in axialer Richtung von mindestens 1 mm auf. Dies ermöglicht eine mechanische Trennung der statisch angeordneten Teile des Drehsensors von den rotierenden Teilen. Hierdurch kann die mechanische Robustheit des Drehsensors erhöht werden. In einigen Ausführungsformen weist die Kopplungselektrode zu der ersten und/oder zweiten Kontaktierelektrode in axialer Richtung einen Abstand von zwischen 0,5 mm und 5 mm, insbesondere zwischen 1 mm und 3 mm und bevorzugt zwischen 1,5 mm und 2,5 mm auf.
In einigen Ausführungsformen ist die Kopplungselektrode von der ersten und/oder zweiten Kontaktierelektrode durch einen Luftspalt getrennt. Die Kopplungselektrode kann von der ersten und/oder zweiten Kontaktierelektrode durch eine Isolationsschicht getrennt sein. Die Isolationsschicht kann insbesondere auf der Kopplungselektrode und/oder der ersten bzw. zweiten Kontaktierelektrode vorgesehen sein. In einigen Ausführungsformen kann die Kopplungselektrode von der ersten und/oder der zweiten Kontaktierelektrode durch ein Gehäuseteil getrennt sein. Das Gehäuseteil kann insbesondere eine Unterseite eines Gehäuseabschnitts bilden, welcher die Kopplungselektrode und gegebenenfalls ein Trägerelement, auf welchem die Kopplungselektrode angeordnet ist, zumindest teilweise umgibt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kopplungselektrode als elektrisch leitende Schicht auf einem Trägerelement angeordnet. Das Trägerelement kann dabei elektrisch isolierend oder elektrisch leitfähig sein. Es ist bevorzugt, dass die Kopplungselektrode durch Aufdampfen auf das Trägerelement erhältlich ist Dies ermöglicht eine einfache Fertigung der Komponenten.
Das Trägerelement kann auf einer Welle gelagert sein oder an eine Welle angeformt sein. Es ist dabei besonders bevorzugt, dass die Welle durch eine Leiterplatte verläuft, auf welcher die erste und/oder zweite Kontaktierelektrode angeordnet sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Kopplungselektrode bezüglich der Achse eine n-fache Drehsymmetrie auf, wobei n eine positive und ganze Zahl ist. In diesen Ausführungsformen weist das an dem Zähler vorliegende Zählerergebnis bei einer vollständigen Drehung der Kopplungselektrode um die Achse einen Zuwachs von größer als eins auf.
Es ist dabei besonders bevorzugt, dass die Kopplungselektrode bezüglich der Achse eine 4-zählige, insbesondere eine 8-zählige und bevorzugt eine 16-zählige Drehsymmetrie aufweist. Dies ermöglicht eine genauere Bestimmung der Drehzahl.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste und/oder die zweite Kontaktierelektrode auf einer Leiterplatte angeordnet. Gegenüber anderen Ausführungsformen der Erfindung, in welchen die erste und die zweite Kontaktierelektrode beispielsweise auf verschiedenen Trägerteilen, beispielsweise verschiedenen Leiterplatten angeordnet sind, ermöglicht diese Ausführungsform eine einfachere Anordnung der Kontaktierelektroden und eine einfachere Fertigung.
Es ist dabei besonders bevorzugt, dass ferner der Zähler und/oder der Komparator auf der Leiterplatte angeordnet sind. Somit ist nur eine Leiterplatte zur Anordnung mehrerer Komponenten erforderlich, wodurch die Vorrichtung weniger Bauteile benötigt, kleiner ausgeführt werden kann und einfacher herzustellen ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens eine der Kopplungselektroden durch eine Abschirmelektrode vor dem Einfluss elektromagnetischer Störfelder geschützt. Besonders bevorzugt ist die Abschirmelektrode oberhalb oder unterhalb mindestens einer der Kontaktierelektroden angeordnet, so dass die Kontaktierelektrode zwischen Kopplungselektrode und Abschirmelektrode liegt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Abschirmelektrode als Gitter ausgeführt und/oder direkt auf der Leiterplatte angebracht. Die Abschirmelektrode kann beispielsweise durch Aufdampfen auf der Leiterplatte angebracht werden. Die Abschirmelektrode ist beispielsweise zwischen 0,4 mm und 2 mm, insbesondere zwischen 0,6 mm und 1,5 mm und bevorzugt etwa 1 mm von der mindestens einen Kontaktierelektrode beabstandet.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Komparator eine Oszillatorschaltung auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsfom ist der Komparator ein Schmitt-Trigger und besonders bevorzugt ein invertierender Schmitt-Trigger. Letzteres ist insbesondere in Ausführungsformen vorteilhaft, in welchen die zweite Kontaktierelektrode, welche nicht mit dem Widerstand gekoppelt ist, ein gegenüber der Versorgungsspannung negatives Potential aufweist. Ein invertierender Schmitt-Trigger schaltet das am Ausgang ausgegebene Signal auf einen negativen Wert, sobald die Ladespannung des Kondensators den oberen Schwellenwert erreicht. Hierdurch wird die erste Kontaktierelektrode über den Widerstand auf einen niedrigen Pegel gezogen. Wenn sich auch die zweite Kontaktierelektrode auf dem niedrigen Pegel befindet, wird der Kondensator somit entladen. Sobald die Ladespannung des Kondensators den unteren Schwellenwert erreicht, schaltet der invertierende Schmitt-Trigger den Ausgang auf einen hohen Pegel, welcher über den Widerstand auch an der ersten Kontaktierelektrode des Kondensators anliegt. Der Kondensator wird somit wieder aufgeladen. Einen Schmitt-Trigger als Komparator zu verwenden hat den Vorteil, dass alle wesentlichen Komponenten der Oszillatorschaltung bereits in typischen Mikrocontrollern vorhanden sind.
Anstelle eines Schmitt-Triggers kann in anderen Ausführungsformen auch eine andere Oszillatorschaltung zur Kapazitätsbestimmung verwendet werden, in der das Ausgangssignal im Wesentlichen von der Kapazität eines Schwingungsgliedes abhängig ist. Es kann aber auch anstelle einer Oszillatorschaltung die Kapazität auf eine andere Art und Weise gemessen werden um die Positionsmessung zu realisieren.
Ohne die Erfindung darauf einzuschränken, wird diese im Folgenden anhand der bevorzugten Ausführungsformen mit einem invertierenden Schmitt-Trigger als Komparator zur Kapazitätsbestimmung beschrieben.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt die zweite Kontaktierelektrode auf einem zeitlich konstanten elektrischen Potential. Dies ergibt einen einfacheren Zusammenhang zwischen dem an dem Zähler vorliegenden Zählergebnis und dem Drehwinkel des Aktuators, ohne dass der Effekt eines zeitlich variierenden Bezugspotentials berücksichtigt werden muss. Die zweite Kontaktierelektrode kann insbesondere auf Masse liegen. Beispielsweise kann die zweite Kontaktierelektrode auf der Masse einer Motoransteuerung liegen, an die die Vorrichtung gekoppelt oder welche in die Vorrichtung integriert ist.
Es ist dabei besonders bevorzugt, dass der Komparator den Ausgang auf das zeitlich konstante elektrische Potential schaltet, wenn die Ladespannung des Kondensators den oberen Schwellenwert überschreitet. In diesen Ausführungsformen weist der Ausgang des Komparators das gleiche elektrische Potential auf wie die zweite Kontaktierelektrode, wenn die Ladespannung des Kondensators den oberen Schwellenwert überschreitet. Der Kondensator wird damit über den Widerstand entladen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der kapazitive Drehsensor mehr als zwei Kontaktierelektroden auf und die Kontaktierelektroden liegen auf mindestens drei unterschiedlichen elektrischen Potentialen. Der Komparator kann den Ausgang in einigen Ausführungsformen auf ein niedrigeres elektrisches Potential schalten, wenn die Ladespannung des Kondensators den oberen Schwellenwert überschreitet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung weiter einen Signalgenerator zum Erzeugen eines gepulsten Signals, welcher mit dem Zähler gekoppelt ist, wobei der Zähler Pulse des Ausgangssignals des Komparators jeweils während eines Pulses des gepulsten Signals zahlt. Das gepulste Signal kann insbesondere an einen Aktivierungseingang des Zählers gekoppelt sein. Insbesondere kann der Signalgenerator in einigen Ausführungsformen ein gepulstes Signal mit einer konstanten Frequenz und einem konstanten Taktverhältnis erzeugen. Der Zähler zählt die Pulse des Ausgangssignals des Komparators nur während eines Pulses des Signalgenerators. Dies ermöglicht es, dass eine Veränderung der Frequenz des Ausgangssignals des Komparators und somit eine Veränderung des Drehwinkels des Aktuators des Drehsensors detektiert werden kann. Es kann vorgesehen sein, dass der Signalgenerator programmierbar ist, um eine Frequenz und/oder ein Taktverhältnis des gepulsten Signals vorzugeben.
In einigen Ausführungsformen setzt der Zähler ein Zählerergebnis am Ende eines Taktes des gepulsten Signals des Signalgenerator zurück. Das am Ende eines Taktes des gepulsten Signals vorliegende Zählergebnis des Zählers ist somit ein Maß für die mittlere Zählrate während des Pulses und somit für die Kapazität des Kondensators. Die Zählrate ist in etwa invers proportional zu der Kapazität des Kondensators. Das am Ende des Taktes vorliegende Zählergebnis ist somit ein Maß für den Drehwinkel des Aktuators.
In einigen Ausführungsformen erzeugt der Signalgenerator das gepulste Signal mit einer Frequenz zwischen 100 Hz und 100 kHz, insbesondere zwischen 200 Hz und 50 kHz und bevorzugt zwischen 500 Hz und 10 kHz. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erzeugt der Signalgenerator das gepulste Signal mit einer Frequenz von etwa 1 kHz. In einigen Ausführungsformen erzeugt der Signalgenerator das gepulste Signal mit einem Pulsweitenverhältnis von zwischen 0,1 und 0,9, insbesondere zwischen 0,3 und 0,7 und bevorzugt zwischen 0,4 und 0,6. Es ist besonders bevorzugt, dass der Signalgenerator das gepulste Signal mit einem Pulsweitenverhältnis von etwa 0,5 erzeugt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind der kapazitive Drehsensor, der Widerstand sowie der obere und der untere Schwellenwert derart ausgelegt, dass das Ausgangssignal am Ausgang des Komparators eine Frequenz zwischen 5 kHz und 10 MHz, insbesondere zwischen 50 kHz und 5 MHz, bevorzugt zwischen 100 kHz und 10 MHz und besonders bevorzugt zwischen 500 kHz und 2 MHz aufweist. Das Verhältnis der Frequenz des gepulsten Signals des Signalgenerators zu einer mittleren Frequenz am Ausgang des Komparators kann kleiner als 1:50 sein. In einigen Ausführungsformen kann das Verhältnis kleiner als 1:100, insbesondere kleiner als 1:500 und bevorzugt kleiner als 1:1000 sein. Die Versorgungsspannung des Komparators liegt beispielsweise zwischen 1,8 V und 5,5 V, bevorzugt zwischen 2,5 V und 3,3 V. Der Komparator weist in einigen Ausführungsformen eine Eingangshysterese auf, so dass ein hohes Logik-Level eingestellt wird, wenn die Eingangsspannung beispielsweise kleiner als ein unterer Spannungswert, z. B. 30% der Versorgungsspannung, ist, während ein niedriges Logik-Level eingestellt wird, wenn die Eingangsspannung beispielsweise über einem oberen Spannungswert liegt, der z. B. 70% der Versorgungsspannung entsprechen kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung ferner einen an den Zähler gekoppelten Sender und/oder eine an den Zähler gekoppelte Schnittstelle, beispielsweise mit einem Sender zum Übertragen eines Zählergebnisses oder einer Zählrate des Zählers, auf. In einigen Ausführungsformen kann die Schnittstelle dazu eingerichtet sein, das Zählergebnis leitungsgebunden, insbesondere kabelgebunden und/oder kabellos zu übertragen. Die Schnittstelle kann insbesondere dazu eingerichtet sein, das Zählergebnis über eine Funkschnittstelle und/oder eine optische Schnittstelle, beispielsweise eine IR-Schnittstelle mittels eines Senders zu übertragen. In einigen Ausführungsformen überträgt die Schnittstelle, bzw. der Sender, das Zählergebnis jeweils zu einem festgelegten Zeitpunkt innerhalb eines Taktes des gepulsten Signals des Signalgenerators und/oder jeweils nach Ablauf von k Takten des gepulsten Signals. Diese Ausfürungsformen ermöglichen es, dass das Zählergebnis des Zählers und somit die Kapazität des Kondensators, welcher ein Maß für den Drehwinkel des Aktuators ist, an einen externen Empfänger übertragen werden kann.
In einigen Ausführungsformen weist die Vorrichtung ferner ein thermoelektrisches Element und/oder ein photoelektrisches Element zur elektrischen Versorgung des Komparators, des Zählers, des Signalgenerators und/oder des Senders auf. Dies ermöglicht eine von einer Netzversorgung unabhängige Leistungsversorgung der Bauelemente.
In einigen Ausführungsformen weist die Vorrichtung ferner einen an einen Ausgang des Zählers gekoppelten Speicher auf, welcher dazu eingerichtet ist, ein oder mehrere Zählergebnisse zu speichern. Insbesondere kann der Zähler und/oder der Speicher dazu eingerichtet sein, das Zählergebnis des Zählers periodisch, beispielsweise mit der Periode des gepulsten Signals des Signalgenerators in dem Speicher abzuspeichern. Dies ermöglicht es, auf vorangegangene Zählergebnisse zurückzugreifen. Ferner kann die Vorrichtung eine Auswertelogik aufweisen, um Differenzen zwischen aufeinanderfolgenden in dem Speicher gespeicherten Zählergebnissen zu bilden, um eine Umdrehungsgeschwindigkeit und/oder Drehzahl des Aktuators zu bestimmen. Durch die Differenzbildung wird eine zeitliche Veränderung der mittleren Zählrate des Zählers und somit der Kapazität ermittelt. Eine solche zeitliche Veränderung der Kapazität zeigt eine Änderung des Drehwinkels des Aktuators an.
In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung eine Ventilanordnung, insbesondere mit einem Heizungsventil, bereit, welche eine Vorrichtung der beschriebenen Art zum Bestimmen einer Ventilstellung aufweist. Auf diese Weise kann die Ventilstellung beispielsweise eines Heizungsventils mit geringem Leistungsverbrauch ausgelesen und beispielsweise an einen Empfänger übertragen werden.
In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung eine elektromechanische Einheit mit einem Motor und einer Vorrichtung der beschriebenen Art bereit, wobei ein Rotor des Motors an den Aktuator des Drehsensors gekoppelt ist. Auf diese Weise kann die Rotorstellung des Motors ausgelesen werden. Die elektromechanische Einheit kann insbesondere als Ventilanordnung, beispielsweise als Heizungsventilanordnung ausgebildet sein. Der Aktuator des Drehsensors kann beispielsweise ein Zahnrad sein, das als Teil eines Getriebes mit einer Antriebswelle eines Elektromotors verbunden ist. Im Falle einer Heizungsventilanordnung, bzw. eines Heizungsventilverstellers, treibt der Elektromotor über das Getriebe eine Abtriebswelle zum Verstellen eines Heizungsventils an.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die elektromechanische Einheit ferner eine elektrische Motoransteuerung auf, wobei zumindest ein Teil der Motoransteuerung sowie der Komparator und der Zähler auf einer Leiterplatte angeordnet sind. Darüber hinaus kann in einigen Ausführungsformen auch die erste und/oder zweite Kontaktierelektrode des Drehsensors auf der Leiterplatte angeordnet sein. Dies ermöglicht eine kompakte Anordnung der Bauelemente.
Weitere Merkmale und Vorteile werden anhand der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen deutlich. Darin zeigt
1a einen Ausschnitt einer Vorrichtung,
1b eine Explosionszeichnung der Vorrichtung nach 1a,
1c die Darstellung der Vorrichtung nach 1a, b in einer Ansicht von schräg unten,
2a eine Explosionszeichnung eines Trägerelements mit einer Kopplungselektrode,
2b das Trägerelement und die Kopplungselektrode nach 2a in einer Ansicht von unten,
2c eine Explosionszeichnung eines Trägerelements mit einer alternativ ausgestalteten Kopplungselektrode,
2d das Trägerelement und die Kopplungselektrode nach 2c in einer Ansicht von unten,
3a eine Explosionszeichnung eines Ausschnitts einer Vorrichtung von schräg unten,
3b die Explosionszeichnung nach 3a in einer Ansicht von schräg oben,
4a eine Explosionszeichnung eines Trägerelements mit einer Kopplungselektrode von schräg oben,
4b eine Explosionszeichnung des Trägerelements mit Kopplungselektrode gemäß 4a von schräg unten
5 die Veränderung der Kapazität des Kondensators in Abhängigkeit von dem Drehwinkel des Aktuators,
6 eine Schaltskizze der Vorrichtung,
7 Zählergebnisse des Zählers über mehrere Pulse eines Signalgenerators bei sich veränderndem Drehwinkel und
8a, b eine Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform.
In den 1a–c und 2a, b ist ein kapazitiver Drehsensor dargestellt. Dieser weist ein Trägerelement auf, welches als Leiterplatte 10 ausgebildet ist (s. 1a und 1b). Auf der Leiterplatte 10 sind Kontaktierelektroden 2, 11, 12 angeordnet. Die Kontaktierelektroden 11 und 12 können dabei leitend miteinander zu einer Gesamtelektrode 1 verbunden sein, welche von der Kontaktierelektrode 2 elektrisch isoliert ist, Zwischen den Kontaktierelektroden ist in der Leiterplatte 10 eine Öffnung 16 vorgesehen, um ein Achselement 4 aufzunehmen. Das Achselement 4 verlauft dabei senkrecht zu der Leiterplatte 10. An dem Achselement 4 ist ein Trägerelement 30 angeordnet, welches als Zahnrad ausgebildet ist. Das Trägerelement 30 weist in einem der Leiterplatte 10 benachbarten Bereich einen größeren Radius auf und springt in einem von der Leiterplatte 10 beabstandeten Bereich auf einen geringeren Radius zurück. In beiden Bereichen ist das Trägerelement 30 an seinem Umfang jeweils mit Zähnen besetzt. Ferner ist ein weiteres Getrieberad 6 vorgesehen, das auf seiner Außenseite Zähne aufweist. Die Zähne des Getrieberads 6 greifen dabei in die Zähne des Trägerelements 30 ein. In einigen Ausführungsformen kann das Getrieberad 6 direkt oder indirekt mit einen Elektromotor gekoppelt sein. Auf diese Weise wird die Bewegung des Rotors des Elektromotors auf das Trägerelement 30 übertragen.
Auf der Unterseite des Trägerelements 30 befindet sich eine Kopplungselektrode 3 (s. 1c, 2a und 2b). Die Kopplungselektrode 3 ist kreuzförmig und ist an der Unterseite des Trägerelements 30 zentriert angeordnet. Somit besitzt die Kopplungselektrode 3 bezüglich der durch das Achselement 4 definierten Drehachse eine 4-zählige Drehsymmetrie mit vier Exzentrizitäten.
Während einer Drehung des Trägerelements 30 verändert sich eine räumliche Überlappung zwischen der Kopplungselektrode 3 und den Kontaktierelektroden 11, 12 und 2. Aufgrund der bezüglich der durch das Achselement 4 definierten Achse nicht rotationssymmetrischen Anordnung der Kopplungselektrode 3 verändert sich hierdurch die zwischen den zusammengeschalteten Elektroden 11, 12 und der Kontaktierelektrode 2 gebildete Kapazität. Der Verlauf der Kapazität in Abhängigkeit des Drehwinkels des Trägerelements 30 ist dabei periodisch in dem Drehwinkel des Trägerelements 30 mit einer Periode von 90°. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die beiden Kontaktierelektroden 11 und 12 nicht miteinander zu einer Gesamtelektrode verbunden, sondern einzeln kontaktiert. Dabei werden die Kontaktierelektroden 11 und 12 auf unterschiedliche elektrische Potentiale gesetzt, so dass mit einer geeigneten Gegenelektrode über die Kapazitätsänderung auch die Drehrichtung detektiert werden kann. In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung können die beiden Kontaktierelektroden 11, 12 auf ein gemeinsames elektrisches Potential gesetzt werden, weisen aber unterschiedliche Kapazitäten auf, indem ihre Fläche, Form und/oder ihr axialer Abstand (senkrecht zur Leiterplattenebene) zur Gegenelektrode 3 verschieden gewählt werden. Zum Beispiel kann die Leiterplatte eine kleine Stufe aufweisen, auf der eine der beiden Kontaktierelektroden 11, 12 aufgebracht ist. Dadurch sind weitere Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben, mit denen eine Detektion der Drehrichtung über eine Kapazitätsänderung möglich ist.
Im Beispiel der 1a bis 1c befindet sich ein Gehäuseboden 51 zwischen der Leiterplatte 10 und dem Trägerelement 30, der analog zur Öffnung 16 eine weitere Öffnung aufweist, durch welche das Achselement 4 geführt werden kann. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, die Achsaufnahme in den Gehäuseboden 51 zu integrieren, so dass keine Öffnung im Gehäuse und/oder in der Leiterplatte 10 notwendig ist, woraus sich mehrere Vorteile ergeben. Zum Einen kann das Gehäuse dann besser gegen Feuchtigkeit oder Verschmutzung abgedichtet werden und zum Anderen können sowohl für die Leiterplatte 10 als auch für den Gehäuseboden 51 kleinere Wandstärken gewählt werden, da die Konstruktion nicht durch Öffnungen geschwächt wird. Dadurch kann der Abstand zwischen Kontaktierelektroden 2, 11, 12 und Kopplungselektrode 3 verringert werden und somit eine Kapazitätserhöhung erreicht werden. Dabei ist es auch denkbar, dass das Trägerelement 30 auf dem Gehäuseboden 51 aufliegt. Den Gehäuseboden 51 zwischen den an der Leiterplatte 10 und dem Trägerelement 30 aufgebrachten Elektroden zu platzieren hat den weiteren Vorteil, dass durch Wahl eines geeigneten Materials ein Dielektrikum mit einer hohen Dielektrizitätszahl ε_r verwendet werden kann, so dass die Kapazität der durch die Elektroden gebildeten Kondensatoren weiter erhöht werden kann (ε_r > 1), als dies mit Luft als Dielektrikum (ε_r ≈ 1) möglich wäre.
Eine weitere, optionale aber vorteilhafte Ausgestaltung ist durch das Anbringen einer Abschirmelektrode 13 gegeben. Diese in 1c gezeigte Abschirmelektrode 13 ist vorzugsweise unterhalb der Leiterplatte 51, einer oder mehreren der Kontaktierelektroden 2, 11, 12 gegenüberliegend, angebracht und kann beispielsweise direkt auf die Leiterplatte 51 aufgedampft werden. Im Beispiel ist die Abschirmelektrode 13 als Gitterstruktur ausgebildet und mit Öffnungen versehen, die den Öffnungen der Leiterplatte 10 entsprechend angeordnet sind. Selbstverständlich kann die Abschirmelektrode in anderen Ausführungen auch eine andere Geometrie aufweisen.
Ein Beispiel für eine Kopplungselektrode mit 2-zähliger Drehsymmetrie ist in den 2c und 2d dargestellt. Die dort gezeigte Kopplungselektrode 3' kann alternativ zur in den 2a und 2b dargestellten Kopplungselektrode 3 verwendet werden.
Die 3a und b zeigen einen Ausschnitt einer Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform. Dabei ist eine Leiterplatte 10' vorgesehen, auf welcher sich eine erste Kontaktierelektrode 1' befindet. Die Kontaktierelektrode 1' ist dabei aus einer auf der Leiterplatte 10' befindlichen leitfähigen Schicht hergestellt worden. Die erste Kontaktierelektrode 1' ist als Segment eines Kreisrings ausgebildet. Im Zentrum des Kreisrings befindet sich eine Öffnung 16' in der Leiterplatte 10'. In die Öffnung 16' ist ein Ende eines Achselements 4' aufgenommen, an welchem sich ein Trägerelement 30' ähnlich dem Trägerelement 30 der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsform angeordnet ist. Das Trägerelement 30' ist als Zahnrad ausgebildet. An der Unterseite des Trägerelements 30' befindet sich eine zweite Kontaktierelektrode 2'. Die zweite Kontaktierelektrode 2' läuft halb um das Achselement 4' herum, ist jedoch nicht rotationssymmetrisch ausgebildet. Im Verlauf einer Drehung des Trägerelements 30' um die durch das Achselement 4' definierte Achse verändert sich ein räumlicher Überlapp zwischen der ersten Kontaktierelektrode 1' und der zweiten Kontaktierelektrode 2'. Hierdurch verändert sich eine zwischen den Kontaktierelektroden 1' und 2' gebildete Kapazität. Um diese Kapazitätsveränderung detektieren zu können, sind beide Kontaktierelektroden 1', 2' elektrisch nach außen kontaktiert. Um die zweite Kontaktierelektrode 2' kontaktieren zu können, ist das Trägerelement 30' ferner aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet oder die zweite Kontaktierelektrode 2' ist über eine Leiterbahn und einen Schleifkontakt mit der Welle elektrisch verbunden, wobei die Welle selbst auch aus einem leitfähigen Material, z. B aus einem Metall, hergestellt ist. Die Kontaktierelektrode 2' aus den 3a und 3b kann selbstverständlich auch als Gegenelektrode, analog zur Gegenelektrode 3 aus den 3a und 3b, im Zusammenspiel mit zwei oder mehreren Kontaktierelektroden, verwendet werden. Beispielsweise kann sie mit der in 1b gezeigten Leiterplatte 10 und den darauf aufgebrachten Elektroden 2, 11 und 12 kombiniert werden. Auch im Beispiel der 3a ist die Leiterplatte 10' zur elektromagnetischen Abschirmung mit einer Abschirmelektrode 13' versehen, die in dieser bevorzugten Ausgestaltung die komplette Elektrodenanordnung abschirmt.
In den 4a und 4b ist ein Trägerelement 30'' gemäß einer weiteren Ausführungsform dargestellt, welches sich von den Trägerelementen 30 und 30' durch die Form der aufgebrachten Elektrode unterscheidet. Das Trägerelement 30'' ist als konzentrische Anordnung zweier Zahnräder mit unterschiedlichen Radien aufgebaut. An der Unterseite des Zahnrades mit größerem Radius befindet sich eine Elektrode 3''. Die Elektrode 3'' umgibt eine Mittelachse des Trägerelements 30'' sichelförmig. Dabei umspannt die Elektrode 3'' beispielsweise einen Winkel von etwa 180° um die Mittelachse herum. Es kann dabei in einigen Ausführungsformen vorgesehen sein, dass die Elektrode 3'' als Kopplungselektrode eingesetzt wird, um eine erste und eine zweite Kontaktierelektrode miteinander kapazitiv zu koppeln. Die sichelförmige Kopplungselektrode 3'' hat den Vorteil, dass sie während der Drehung über eine oder mehrere Kontaktierelektroden eine asymmetrische Änderung der Kapazität hervorruft, wodurch die Drehrichtung einfach und zuverlässig bestimmt werden kann. Es sind selbstverständlich auch andere Formen für die Kopplungselektrode möglich, um einen asymmetrischen Kapazitätsverlauf zu erreichen. Es kann in einigen Ausführungsformen aber auch vorgesehen sein, dass eine sichelförmige Elektrode, wie die in den 4a und 4b dargestellte Elektrode 3'', als erste oder zweite Kontaktierelektrode eines Kondensators ausgebildet ist. Zu diesem Zweck kann das Potential der Elektrode 3'' elektrisch nach außen geführt sein.
5 illustriert einen beispielhaften Verlauf einer Kapazität eines kapazitiven Drehsensors in Abhängigkeit von einem Drehwinkel eines Aktuators des Drehsensors. Der anhand der 5 illustrierte kapazitive Drehsensor beruht dabei auf einer rechteckigen Kontaktierelektrode, welche an einem Stator angeordnet ist, sowie einer weiteren rechteckigen Kontaktierelektrode, welche an einem Rotor angeordnet ist. In 5 ist der Verlauf der durch die beiden Kontaktierelektroden gebildeten Kapazität in Abhängigkeit eines Drehwinkels α des Rotors dargestellt. Der in 5 gezeigte Kapazitätsverlauf C/C_max ist dabei auf chic maximale Kapazität C_max normiert.
6 zeigt eine Schaltskizze einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform. Der kapazitive Drehsensor ist dabei als Kondensator C mit variabler Kapazität dargestellt. Als Drehsensor können beispielsweise die in den 1 bis 4 dargestellten Anordnungen verwendet werden. Eine erste Kontaktierelektrode des Kondensators C ist mit dem Eingang eines invertierenden Schmitt-Triggers 110 verbunden, während eine zweite Kontaktierelektrode des Kondensators C auf Masse liegt. Die in diesem Zusammenhang eingeführte Bezeichnung einer ersten und einer zweiten Kontaktierelektrode stimmt nicht notwendigenweise mit der Festlegung überein, wie sie oben im Zusammenhang mit der Beschreibung von Drehsensoren verwendet wird. Beispielsweise kann jeweils eine der Kontaktierelektroden 1, 2, 1', 2'' auf Masse liegen und die jeweils andere Kontaktierelektrode des Sensors mit dem Eingang des Schmitt-Triggers verbunden sein. Ein Ausgang 111 des invertierenden Schmitt-Triggers ist ferner über einen Widerstand R ebenfalls mit der ersten Kontaktierelektrode des Kondensators C verbunden. Ferner ist der Ausgang 111 des Schmitt-Triggers 110 mit einem Zähleingang 121 eines Zählers 120 verbunden. Der Zähler 120 weist ferner einen Aktivierungseingang (enable – EN) 122 auf, welcher mit einem Signalgenerator der Vorrichtung (nicht gezeigt) verbunden ist. Der Signalgenerator stellt an dem Aktivierungseingang 122 des Zähler 120 ein gepulstes Signal 125 bereit. Der Zähler 120 zählt die Pulse in dem an dem Ausgang 111 des Schmitt-Triggers 110 bereitgestellten Signal während eines Pulses des Signals 125. Am Ende einer Periode des Signals 125 setzt der Zähler 120 das Zählergebnis auf Null zurück.
Zur Illustration der Wirkungsweise der Vorrichtung wird zunächst angenommen, dass der Ausgang 111 des Schmitt-Triggers einen hohen Pegel zeigt. Dieser liegt über den Widerstand R auch an der ersten Kontaktierelektrode des Kondensators C an, so dass der Kondensator C über den Widerstand R geladen wird. Sobald die zwischen der ersten und der zweiten Kontaktierelektrode des Kondensators gemessene Ladespannung einen vordefinierten oberen Schwellenwert überschreitet, schaltet der invertierende Schmitt-Trigger 110 seinen Ausgang 111 auf einen niedrigen Pegel. Dieser liegt über den Widerstand R auch an der ersten Kontaktierelektrode des Kondensators C an. Der Kondensator C wird nun über den Widerstand R wieder entladen. Sobald die Ladespannung des Kondensators C unter einen vorbestimmten unteren Schwellenwert sinkt, schaltet der invertierende Schmitt-Trigger 110 seinen Ausgang 111 auf einen hohen Pegel und der Kondensator C wird erneut geladen. Durch das wiederholte Laden und Entladen des Kondensators C kippt der Ausgang des Schmitt-Triggers zwischen hohem und niedrigem Pegel und es ergibt sich das mit Bezugzeichen 115 dargestellte binäre Ausgangssignal des Schmitt-Triggers 110.
Die Periode des Ausgangssignals 115 hängt dabei von der Kapazität des Kondensators C, dem Widerstand R sowie dem oberen und dem unteren Schwellenwert des Schmitt-Triggers 110 ab. Von diesen Einflussgrößen ist lediglich die Kapazität des Kondensators C veränderbar. Je größer die Kapazität des Kondensators C ist, desto größer ist die Zeitperiode, welche zum Laden bzw. Entladen des Kondensators C erforderlich ist. Somit hängt auch die Periode des Ausgangssignals 115 des Schmitt-Triggers 110 von der Kapazität des Kondensators C ab. Da die Kapazität des Kondensators C wiederum von einem Drehwinkel des Aktuators des Drehsensors abhängt, ist die Frequenz des am Ausgang 111 des Schmitt-Triggers 110 ausgegebenen Signals 115 ein Maß für den Drehwinkel des Aktuators.
Das Ausgangssignal 115 des Schmitt-Triggers 110 ist ferner an den Zähleingang 121 des Zählers 120 gekoppelt. Der Zähler 120 zählt die positiven Pulse in dem Ausgangssignal 115 des Schmitt-Triggers 110. In anderen Ausführungsformen triggert der Zähler 120 auf negative Pulse oder auf positive oder negative Flanken in dem Ausgangssignal 115.
Der Zähler 120 zählt die in den Signal 115 an dem Ausgang 111 des Schmitt-Triggers 110 vorliegenden Pulse nur jeweils während eines Pulses in dem Signal 125 an dem Aktivierungseingang 122 des Zählers 120. Während des Rests eines Taktes des Signals 125, d. h., wenn kein Puls vorliegt, bleibt das Zählerergebnis des Zählers 120 konstant. Dieses Zählerergebnis zeigt eine mittlere Zählrate des Zählers 120 während des vorangegangenene Pulses und somit eine Frequenz des Signals 115 an. Es kann in einigen Ausführungsformen vorgesehen sein, dass die Vorrichtung dieses konstante Zählerergebnis mittels eines Senders (nicht gezeigt) überträgt, während das Signal 125 keinen Puls zeigt. Am Ende jedes Taktes des Signals 125, d. h. zu Beginn des jeweils nächsten Pulses wird das Zählerergebnis des Zählers auf null gesetzt.
7 illustriert beispielhaft den Verlauf eines Zählergebnisses des Zählers 120 über neun aufeinanderfolgende Pulse des gepulsten Signals 125, d. h. in Abhängigkeit der Zeit t, während der Drehwinkel des Aktuators verändert wird. Dabei werden die Pulse in dein Ausgangssignal 115 des Schmitt-Triggers 110 jeweils über eine Pulsweite des von dem Signalgenerator erzeugten gepulsten Signals 125 gezählt. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das gepulste Signal 125 eine Frequenz von 1 kHz aufweist, während die Frequenz des Ausgangssignals 115 des Schmitt-Triggers 110 im Bereich von etwa 1 MHz liegt. Der genaue Wert der Frequenz des Ausgangssignals 115 hängt dabei wie oben beschrieben von der aktuellen Kapazität des Kondensators C und somit von dem Drehwinkel des Aktuators ab. Wie in 7 dargestellt ergeben sich somit pro Puls des gepulsten Signals 125 eine unterschiedliche Anzahl von Pulsen des Ausgangssignals 115 des Schmitt-Triggers 110. Dabei ist die Anzahl der Pulse des Ausgangssignals 115 in etwa reziprok proportional zu der Kapazität des Kondensators C. Die in 7 dargestellten Zählergebnisse pro Puls des gepulsten Signals 125 stellen somit Mittelwerte der Zählraten an dem Zähler 120 dar. Um eine genaue Bestimmung der Position des Aktuators zu ermöglichen, ist es dabei vorteilhaft, dass die Frequenz des gepulsten Signals 125 deutlich geringer ist als der Frequenzbereich, in welchem sich das Ausgangssignal 115 des Schmitt-Triggers 110 bewegt. Bei Verwendung einer asymmetrischen Kopplungselektrode, wie sie z. B. in den 4a und 4b gezeigt ist, ergibt sich der Vorteil, dass der näherungsweise periodische Verlauf der Mittelwerte der Zählraten über die Zeit t hinweg innerhalb einer Periode eine Asymmetrie aufweist (nicht gezeigt), über welche die Drehrichtung einfach bestimmt werden kann.
In den 8a und 8b ist eine weitere Ausführungsform. der Vorrichtung dargestellt. Dabei ist eine Leiterplatte 10''' vorgesehen, welche Kontaktierelektroden aufweist (nicht gezeigt). Ferner ist ein in einem Gehäuse 5' angeordnetes Trägerelement 30''' mit einer Kopplungselektrode 3'' vorgesehen. Das Trägerelement 30''' ist als Zahnrad ausgebildet, welches sich in Eingriff mit einem weiteren Getrieberad 6' befindet. Das Gehäuse 5', in welchem das Trägerelement 30''' angeordnet ist, weist eine Bodenplatte 51' auf, welche sich zwischen dem Trägerelement 30''' und der Leiterplatte 10''' befindet. Auf diese Weise wird die mechanische Robustheit der Anordnung verbessert. Insbesondere kann das Gehäuse 5' sich bewegende Elemente wie beispielsweise das Trägerelement 30''' und das Getrieberad 6' vollständig umgeben, so dass kein Schmutz oder Feuchtigkeit eindringen kann.
Die in den 8a und 8b gezeigte Vorrichtung ist als Ventilsteller für eine Heizung ausgeführt. Das Trägerelement 30''' ist dabei Teil einer von einem Elektromotor 7 angetriebenen Getriebeanordnung 8. Der Elektromotor treibt dabei ein Antriebszahnrad 6'' an, das die Kraft über die Getriebeanordnung mit dem Trägerelement 30''' zu einem Abtriebsrad bin überträgt. Das Abtriebsrad ist dann mit einer Exzenterscheibe verbunden, über die das Heizungsventil verstellt werden kann. Dazu ist am Außenumfang der Exzenterscheibe der Innenring eines Wälzlagers angeordnet. Der Außenumfang des Wälzlagers wirkt dann über ein Übertragungselement auf einen Ventilstift des Heizungsventils, so dass dieses geöffnet und geschlossen werden kann. Üblicherweise sind solche Ventile mit Rückstellfedern versehen, gegen deren Kraft der Elektromotor arbeiten muss. Um die erforderliche Kraft beim Verstellen des Ventils zu reduzieren, kann es daher vorteilhaft sein, mittels einer weiteren Feder die Rückstellkraft des Ventils zumindest teilweise zu kompensieren. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Feder als Torsionsfeder ausgestaltet, deren einer Schenkel am Gehäuse des Heizungsventilstellers gelagert ist während der andere Schenkel gegen das Wälzlager drückt. Für weitere Details zum Heizungsventilsteller siehe auch die DE 10 2012 102 615 A1 , deren Inhalt zur Ausführung des Ventilstellers und zu dessen Wirkung ausdrücklich in die vorliegende Offenbarung mit einbezogen ist.
Weitere Modifikationen der dargestellten Ausführungsformen sind möglich. Beispielsweise kann anstelle eines invertierenden Schmitt-Triggers in einigen Ausführungsformen eine andere Meßvorrichtung zur Kapazitätsbestimmung genutzt werden. Alternativ oder zusätzlich zu den beschriebenen Ausführungsformen können der Komparator, der Zähler und/oder der Signalgenerator der Vorrichtung auf der gleichen Leiterplatte angeordnet sein wie die Kontaktierelektroden. Es kann in einigen Ausführungsformen vorgesehen sein, dass die Vorrichtung einen Sender zum Übertragen eines Zählergebnisses des Zählers aufweist. Die Kopplungselektrode oder eine der Kontaktierelektroden kann mit dem Rotor eines Motors oder einem beweglichen Teil eines Ventils gekoppelt sein.
Bezugszeichenliste

1, 1', 2, 2': Kontaktierelektrode
10, 10', 10''': Leiterplatte
11, 12,: Kontaktierelektrode
13, 13': Abschirmelektrode
16, 16': Öffnung
3, 3', 3'': Kopplungselektrode
30, 30', 30'', 30''': Trägerelement
4, 4': Achselement
5, 5': Gehäuse
51, 51': Bodenplatte
6, 6': Getrieberad
110: Komparator
111: Ausgang
115: Signal
120: Zähler
121: Zähleingang
122: Aktivierungseingang
125: Signal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009019172 A1 [0002]
US 7126495 B2 [0002]
DE 102012102615 A1 [0072]

Claims

Vorrichtung, welche Folgendes umfasst: – einen kapazitiven Drehsensor in Form eines Kondensators (C), welcher eine erste und eine davon elektrisch isolierte zweite Kontaktierelektrode (1, 2; 1', 2') umfasst, zwischen welchen eine Kapazität gebildet ist, welche in Abhängigkeit eines Drehwinkels eines Aktuators des Drehsensors periodisch variiert, – einen an den Kondensator (C) gekoppelten Komparator (110), welcher eine zwischen der ersten und der zweiten Kontaktierelektrode (1, 2; 1', 2') des Kondensators (C) abfallende Ladespannung mit einem oberen und einem unteren Schwellenwert vergleicht und basierend auf einem Ergebnis des Vergleichs ein Ausgangssignal (115) an einem Ausgang (111) des Komparators (110) ausgibt, – einen zwischen die erste Kontaktierelektrode (1, 2; 1', 2') und den Ausgang (111) des Komparators (110) gekoppelten Widerstand (R) und – einen an den Ausgang (111) des Komparators (110) gekoppelten Zähler (120).
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Kondensator (C) ferner eine Kopplungselektrode (3; 3'; 3'') umfasst, welche von der ersten und der zweiten Kontaktierelektrode (1, 2) elektrisch isoliert ist und relativ zu diesen um eine Achse drehbar ist, wobei die zwischen der ersten und der zweiten Kontaktierelektrode (1, 2) gebildete Kapazität durch ein Drehen der Kopplungselektrode (3; 3'; 3'') um die Achse veränderbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Kopplungselektrode (3; 3'; 3'') zu der ersten und zweiten Kontaktierelektrode (1, 2) jeweils einen Abstand in axialer Richtung von mindestens 1 mm aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Kopplungselektrode (3; 3'; 3'') als elektrisch leitende Schicht auf einem Trägerelement (30; 30'; 30''; 30''') angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Kopplungselektrode (3; 3'; 3'') durch Aufdampfen auf das Trägerelement (30; 30'; 30''; 30''') erhältlich ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Kopplungselektrode (3) bezüglich der Achse eine n-fache Drehsymmetrie aufweist, wobei n eine positive und ganze Zahl ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste und/oder die zweite Kontaktierelektrode (1, 2) auf einer Leiterplatte (10; 10') angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei ferner der Zähler (120) und/oder der Komparator (110) auf der Leiterplatte angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Komparator (110) eine Oszillatorschaltung aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Komparator (110) ein invertierender Schmitt-Trigger ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zweite Kontaktierelektrode (1, 2; 1', 2') auf einem zeitlich konstanten elektrischen Potential liegt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der kapazitive Drehsensor mehr als zwei Kontaktierelektroden (1, 2; 1', 2') aufweist und wobei die Kontaktierelektroden auf mindestens drei unterschiedlichen elektrischen Potentialen liegen.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Komparator (110) den Ausgang (111) auf ein niedrigeres elektrisches Potential schaltet, wenn die Ladespannung des Kondensators (C) den oberen Schwellenwert überschreitet.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, welche weiter einen Signalgenerator zum Erzeugen eines gepulsten Signals (125) umfasst, welcher mit dem Zähler (120) gekoppelt ist, und wobei der Zähler (120) Pulse des Ausgangssignals (115) des Komparators (110) jeweils während eines Pulses des gepulsten Signals (125) zählt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, welche ferner eine an den Zähler (120) gekoppelte Schnittstelle und/oder einen an den Zähler (120) gekoppelten Sender zum Übertragen eines Zählergebnisses oder einer Zählrate des Zählers (120) aufweist.
Ventilanordnung, insbesondere mit einem Heizungsventil, welche die Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche zum Bestimmen einer Ventilstellung aufweist.
Elektromechanische Einheit mit einem Motor und der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei ein Rotor des Motors an den Aktuator des Drehsensors gekoppelt ist.