DE4410918A1

DE4410918A1 - Vorrichtung zur kapazitiven Wegmessung und/oder Positionsbestimmung

Info

Publication number: DE4410918A1
Application number: DE4410918A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Seewang
Original assignee: R & R Ges fur Rationalisierun
Current assignee: R & R Ges fur Rationalisierun
Priority date: 1994-03-29
Filing date: 1994-03-29
Publication date: 1995-10-05

Description

Derartige Vorrichtungen sind bekannt und sie sind mit einem aus einer Mittellage stufenlos manuell verstellbaren, Kondensator flächen bildenden Schieber und feststehenden, Kondensator-Gegen flächen versehen. Dabei sind an jeder Kondensator-Gegenfläche um 180° versetzte Wechselspannungen angelegt, die sich in Mittel lage des Schiebers gegenseitig aufheben, so daß jeder Schieber stellung einem Kapazitätsverhältnis entspricht, wobei die Kapa zitätsverhältnisse sich zu den jeweils wirksamen Kondensator flächen des Schiebers invers verhalten. Dabei kann in bekannter Weise mittels einer Brückenschaltung das relative Kapazitäts verhältnis abgetastet werden. Dabei verändern sich die Kondensa toren gegenfindig, d. h. wenn ein Kondensator größer wird, wird der andere kleiner. Wie bereits erwähnt, heben sich in Mittel stellung der beiden Kondensatoren die beiden Wechselspannungen gegenseitig auf. Für das Abtastergebnis der Brückenschaltung ist nur das Kapazitätsverhältnis entscheidend, nicht die absoluten Kapazitätswerte. Das ableitbare Signal bewegt sich im V-Bereich und kann leicht ausgewertet werden. Die Kapazitätsverhältnisse hängen nur von den vorgesehenen geometrischen Abmessungen ab und sind daher sehr gut reproduzierbar.

Ausgehend von einer solchen bekannten Vorrichtung besteht die Er findung in der Aufteilung der feststehenden Kondensator-Gegenflä chen in n-Flächenteile, die in kartesischen- oder polaren-Koordi naten-symmetrischen Wirk-Flächenteilen angeordnet sind, wobei stets zwei einander kartesisch mit einem aus einer Mittellage stufenlos manuell verstellbaren, Kondensatorflächen bildenden Schieber und feststehenden Kondensator-Gegenflächen, wobei an jeder Kondensator-Gegenfläche um 180° versetzte Wechselspan nungen angelegt sind, die sich in Mittellage des Schiebers gegen seitig aufheben, so daß jede Schieberstellung einem Kapazitäts verhältnis entspricht, wobei die Kapazitätsverhältnisse sich zu dem jeweils wirksamen Kondensatorflächen des Schiebers invers verhalten, und wobei mittels einer Brückenschaltung das relative Kapazitätsverhältnis abtastbar ist. Es besteht somit eine Auflö sung der feststehenden Kondensator-Gegenflächen in n-Flächen teile, die in kartesischen- oder polaren-Koordinaten-symmetri schen Wirk-Flächenteilen angeordnet sind, wobei stets zwei einan der kartesisch oder polarsymmetrisch gegenüberliegende Kodensa tor-Gegenflächen jeweils mit um 180° phasenverschobenen Wechsel spannungen in den X- und Y-Achsen beschaltet sind, und wobei das Signal direkt am Schieber mittels der Brückenschaltung oder über eine neutrale Kondensator-Fläche abgreifbar ist.

Durch diese Maßnahme wird eine Erweiterung der Abtastung um eine Achse in der Weise ermöglicht, daß die Abtastung in X- und Y-Richtung durch die erfindungsgemäße Aufteilung der Abtastflä che erreichbar ist. Die jeweils zusammengehörigen Flächen werden gleichbeschaltet. Die Abtastung ist absolut. Jede Position kann direkt in kartesischen oder bei entsprechend feiner Auflösung direkt in Polar-Koordinaten erfaßt werden.

Die Form der Kondensatorflächen kann variabel gestaltet sein. Rotationssymmetrische Flächen haben den Vorteil, daß der Schie ber nicht gegen Verdrehen gesichert werden muß. Bei um 180° phasenverschobenen Wechselspannungen der Kondensatoren kann das Signal direkt am Schieber abgegriffen oder aber über eine zusätz liche Kondensatorfläche ausgekoppelt werden.

Die Abtastung kann mit gleicher Frequenz durch Umschaltung der Flächen zeitlich hintereinander erfolgen. Bei Verwendung von ver schiedenen Frequenzen oder mit 90° Phasenverschiebung für die X- und die Y-Achse kann die Abtastung gleichzeitig erfolgen. Die Un terscheidung der X- und Y-Werte erfolgt mittels eines Synchron- Demodulators.

Der Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfordert nur einen sehr geringen mechanischen Aufwand und ermöglicht eine extrem flache Bauweise, welche eine Bauhöhe von weniger als 30 mm zuläßt. Infolge der berührungslosen Abtastung arbeitet die Vorrichtung praktisch verschleißfrei und erreicht eine sehr hohe Lebensdauer. Sie kann staub- und wasserdicht geschützt wer den (IP 65) und erfordert auch einen sehr geringen Herstell- und Montageaufwand.

Die Vorrichtung ist auf einer Grundplatte aufgebaut, in welcher der Schieber bewegungsbegrenzt geführt und durch eine dielek trisch wirkende Isolierschicht von der als feststehende Kondensa torfläche wirksamen Leiterplatte getrennt ist. Die Leiterplatte selbst ist gegenüber einer die Vorrichtung nach oben abdeckenden Lochplatte mittels einer oberen Isolierschicht ebenfalls ge trennt. Die genannte abdeckende Lochplatte ist mittig zu der feststehenden Kondensatorfläche mit dem Lager für den im Schie ber angelenkten Handhebel für die Schieberbetätigung verbunden. Dieser Handhebel weist einen in einer mittigen Bohrung des Schie bers geführten unteren Stift auf. In die abdeckende Lochplatte ist ein aus einem elastischen Werkstoff bestehender, nach oben konvex ausgeformter und am mittleren Schaft-Teil des Handhebels anliegend und dichtend umschließender Balg eingelassen. Dieser Balg übt wegen seiner Elastizität auf den Handhebel eine diesen jeweils in seine Mittellage zurückführende Rückstellkraft aus. Ferner ist der Balg mit einer sich nach oben fortsetzenden Hülse versehen, welche den Schaft-Teil des Handhebels dichtend um schließt. Die Vorrichtung selbst ist oberhalb der abdeckenden Lochplatte und von dieser beabstandet mit einem nach oben und allseitig wie ein Gehäuse die Vorrichtung umschließenden Deck blech versehen, welches eine obere Öffnung für den Durchtritt und die Beweglichkeit des Handhebels aufweist.

Weitere Merkmale und Besonderheiten der Erfindung sind anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele beschrie ben und näher erläutert. Es zeigen die

Fig. 1 bis 4 Prinzipschaltbilder mit deren Beschaltung, und die

Fig. 5 und 6 Querschnittsdarstellungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung in zwei Schieberstellungen;

Fig. 6 bis 8 drei Ausführungen der Kondensator-Zylinderschei ben mit verschiedener Beschaltung;

Fig. 9 einen Kolbenkörper als Schieber und eine Hülse aus einem Isolierstoff;

Fig. 10 eine Abwicklung der wirksamen Schieberoberfläche gemäß Fig. 9;

Fig. 11 eine Stirnansicht gemäß Fig. 9.

In Fig. 1 befindet sich der Schieber 2 mit seiner wirksamen Kon densatorfläche CF in Mittelstellung. Er kann in den durch den Pfeil angedeuteten Richtungen gegensinnig verschoben werden. Die entsprechenden Kondensator-Gegenflächen sind mit C₁ und C₂ be zeichnet. Jede der Schieberpositionen entspricht einem Kapazi tätsverhältnis und zwar hängt das Kapazitäts-Potential von der Größe der Auslenkung des Schiebers 2 ab. In der dargestellten Mittellage des Schiebers (siehe auch Fig. 2) sind die als Recht eckspannungen gewählten Wechselspannungen gleich groß und heben sich gegenseitig auf. Durch die Brückenschaltung in Fig. 2 können die um 180° versetzt angelegten Rechteckspannungen je nach Schieberverstellung abgegriffen werden. Dabei sind nicht die absoluten Kapazitätswerte maßgebend, sondern lediglich daß Kapazitätsverhältnis. Wenn das von der Schieberauslenkung ausge löste Signal nicht direkt am Schieber abgegriffen wird, kann es über den dritten Kondensator C₃ berührungslos ausgekoppelt wer den.

Die erfindungsgemäße Ausbildungsweise ist in den Fig. 3 und 4 veranschaulicht. Die Erweiterung der Abtastmöglichkeiten im Aus führungsbeispiel um eine zusätzliche Achse in X- und Y-Richtung wird durch die Aufteilung der Abtastflächen ermöglicht. Jeweils zusammengehörige Flächen werden gleichbeschaltet. Wie aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich ist, sind sowohl in der X-Achse wie auch in der Y-Achse die einzelnen Kondensator-Gegenflächen C₁ und C₂ jeweils phasenverschoben mit Rechteckspannungen beschal tet. Das Signal kann (siehe Fig. 1) direkt am Schieber abgegrif fen oder über die zusätzliche Kondensator-Gegenfläche C₃ ausge koppelt werden.

Die Fig. 5 und 6 zeigen beispielhaft den Aufbau der erfindungs gemäßen Vorrichtung 1. Auf der Grundplatte 10 ist in einer Ver tiefung der Schieber 2 bewegungsbegrenzt horizontal geführt. In Fig. 5 ist der Schieber 2 in seiner Mittelstellung dargestellt, während der in Fig. 6 nach rechts um den Betrag F ausgelenkt ist, welcher einer Neigung des Handhebels 8 um den Winkel α ent spricht.

Der Schieber 2 ist mit seiner wirksamen Kondensatorfläche CF durch eine dielektrisch wirkende Isolierungsschicht 11 von der Leiterplatte 12 getrennt, welche die Kondensatorflächen C₁ und C₂ aufweist. Mittels einer weiteren oberen Isolierschicht 13 ist die Leiterplatte 12 gegenüber der die Vorrichtung 1 nach oben ab deckende Lochplatte 14 abgegrenzt.

Wie aus den Darstellungen Fig. 5 und 6 erkennbar ist, befindet sich mittig zu den feststehenden Kondensatorflächen das Lager 9 für den im Schieber 2 angelenkten Handhebel 8 für die Schieberbe tätigung. Dabei ist in einer mittigen Bohrung 7 des Schiebers 2 der untere Teil des Handhebels 8 mit seinem unteren Stift 6 ge führt. Ferner ist vorgesehen, daß in die abdeckende Lochplatte 14 ein aus einem elastischen Werkstoff bestehender, nach oben konvex ausgeformter und am mittleren Schaft-Teil 5 des Handhe bels 8 anliegend und dichtend unschließend ein Balg 4 einge lassen ist.

Durch diese Ausführungsweise wird mittels des Balges 4 die Kon densator-Anordnung absolut dicht und gegen Eindringen von Fremd körpern oder Verunreinigungen abgeschlossen. Der Balg 4 hat außerdem infolge seiner Elastizität die Eigenschaft, infolge der von ihm ausgeübten Rückstellkraft den Handhebel 8 und damit auch den Schieber 2 stets wieder in seine Mittellage zurückzu führen. Um einem absolut dichten Anschluß des Balgs an den Hand hebel 8 zu ermöglichen, ist dieser mit einer Hülse 3 versehen, welche den Schaft-Teil 5 des Handhebels 8 dichtend umschließt.

Die Erfindung umfaßt auch noch räumlich dreidimensional sich er streckende Kondensator-Wirkflächen in Verbindung mit einem eben falls räumlichen Abtastkörper, wobei beliebige, achs- oder zen tralpolar-symmetrische Raumgebilde möglich sind. Beispielhaft können die aus den Fig. 6 bis 8 ersichtlichen achssymmetrischen Konfigurationen von Zylinderscheiben 21 mit zu deren Z-Achse zentrischen Hohlzylinderflächen 20 als feststehende Kondensa tor-Gegenflächen bereitgestellt werden. Die jeweils vier eine Art Paket bildenden, jedoch gegeneinander elektrisch getrennten Zylinderscheiben 21 können systematisch unterschiedlich - wie aus den Bezeichnungen ersichtlich - beschaltet sein, so daß die Abtastmöglichkeiten erweitert werden; die Abtastmöglichkeiten sind dreifach erweiterbar, wenn die Beschaltung derselben Vor richtung wahlweise durch Vertauschen der Anschlüsse veränderbar ist.

Die Fig. 9 zeigt eine Teilschnitt-Darstellung: Mit 22 ist der zylindrische Kolbenkörper als Abtastorgan bezeichnet, der von der als Dielektrikum wirkenden - im Schnitt dargestellte - Hülse 23 aus einem Isoliermaterial umgeben ist. Der zylindrische Kol benkörper 23 ist in der Darstellung mit zwei Kolbenstangen 24 versehen, mittels welchen er durch nicht dargestellte Führungs organe in der Z-Achse axial- und/oder radialbeweglich gelagert ist. Die Fig. 10 läßt eine Abwicklung der Oberfläche des zylin drischen Kolbenkörpers erkennen, die zwei elektrisch getrennte wirksame Flächenteile aufgeteilt ist. Es ist auch eine Auftei lung in mehr als zwei Flächenteile möglich, wie aus Fig. 11 zu ersehen ist, wo jeder Flächenteil durch Polstrahlen vom benach barten in geradzahliger Anzahl getrennt ist, wobei diese jeweils Winkel von 30° - wie dargestellt - oder 45° oder 60° beschrei ben. Durch diese Möglichkeiten wird der insgesamt zu verwirk lichende Abtastbereich noch vergrößert.

Bezugszeichenliste

1 Vorrichtung
2 Schieber
3 Hülse
4 Balg
5 Schaft-Teil
6 unterer Stift
7 Bohrung
8 Handhebel
9 Lager
10 Grundplatte
11 Isolierschicht
12 Leiterplatten
13 Isolierschicht
14 Lochplatte
15 Deckblech
16 Öffnung
20 Hohlzylinderfläche
21 Zylinderscheibe
22 Kolbenkörper
23 Hülse
CF Kondensatorflächen
C₁ Kondensatorgegenfläche
C₂ Kondensatorgegenfläche
C₃ Kondensatorgegenfläche

Claims

1. Vorrichtung zur kapazitiven Wegmessung und/oder Positionsbe stimmung einer Achse

a) mit einem aus einer Mittellage stufenlos manuell verstell baren, Kondensatorflächen (CF) bildenden Schieber (2) und feststehenden Kondensator-Gegenflächen (C₁, C₂),
b) wobei an jeder Kondensator-Gegenfläche (C₁, C₂) um 180° ver setzte Wechselspannungen angelegt sind, die sich in Mittel lage des Schiebers (2) gegenseitig aufheben,
c) so daß jede Schieberstellung einem Kapazitätsverhältnis ent spricht, wobei die Kapazitätsverhältnisse sich zudem jeweils wirksamen Kondensatorflächen (CF) des Schiebers (2) invers verhalten,
d) wobei mittels einer Brückenschaltung das relative Kapazi tätsverhältnis abtastbar ist,

gekennzeichnet durch

e) Aufteilung der feststehenden Kondensator-Gegenflächen (C₁, C₂ . . .) in n-Flächenteile, die in kartesischen- oder polar koordinaten- symmetrischen Wirk-Flächenteilen angeordnet sind,
f) wobei stets zwei einander kartesisch oder polarsymmetrisch gegenüberliegende Kondensator-Gegenflächen jeweils mit um 180° phasenverschobenen Wechselspannungen in den X- und Y- Achsen beschaltet sind, und
g) wobei das Signal direkt am Schieber (2) mittels einer Brük kenschaltung oder über eine neutrale Kondensator-Fläche (C₃) abgreifbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die feststehenden Kondensator-Gegenflächen (C₁, C₂, . . .) eine rotationssymmetrische Form aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung zeitlich aufeinanderfolgend durchführbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei 90° Phasenverschiebung für die Achsen X und Y eine gleichzeitige Abtastung durchführbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anlegung unterschiedlicher Frequenzen für die Achsen X und Y bei deren Unterscheidbarkeit mittels eines Synchron-Demula tors eine gleichzeitige Abtastung durchführbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (2) winkelverstellbar bzw. rotierbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder einem oder mehrerer der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die fest stehenden Kondensatorflächen (C₁, C₂) Bestandteil der Leiter platten (12) sind.

8. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, da durch gekennzeichnet, daß auf einer Grundplatte (10) der Schieber (2) bewegungsbegrenzt geführt und durch eine dielek trisch wirkende Isolierungsschicht (11) von der als feststehende Kondensatorfläche (C₁, C₂) wirksamen Leiterplatte (12) getrennt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte (12) gegenüber einer die Vorrichtung (1) nach oben abdeckende Lochplatte (14) mittels einer oberen Iso lierschicht (13) getrennt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mit der abdeckenden Lochplatte (14) mittig zu der fest stehenden Kondensatorfläche (C₁, C₂, C₃) das Lager (9) für den im Schieber (2) angelenkten Handhebel (8) für die Schieberbetäti gung verbunden ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Handhebel (8) einen in einer mittigen Bohrung (7) des Schiebers (2) geführten unteren Stift (6) aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in die abdeckende Lochplatte (14) ein aus einem elastischen Werkstoff bestehender, nach oben konvex ausgeformter und am mit tleren Schaft-Teil (5) des Handhebels (8) anliegend und dichtend umschließender Balg (4) eingelassen ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Balg (4) auf den Handhebel (8) und damit auf den Schie ber (2) eine diesen in seine Mittellage zurückführende Rückstell kraft ausübt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Balg (4) sich nach oben in eine dem Schaft-Teil (5) des Handhebels (8) dichtend umschließende Hülse (3) fortsetzt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 8 und/oder wenigstens einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der abdeckenden Lochplatte (14) und von dieser beabstandet ein die Vorrichtung (1) nach oben und allseitig wie ein Gehäuse um schließendes Deckblech (15) angeordnet ist, welches eine Öff nung (16) für die Beweglichkeit des Handhebels (8) aufweist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die feststehenden Kondensator-Gegenflächen (C₁, C₂ . . .) als sich räumlich erstreckende Kondensator-Wirkflächen und der Schie ber als räumliches, dreidimensionales Gebilde gestaltet sind.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, das die feststehenden Kondensator-Gegenflächen (C₁, C₂ . . .) als in einer zentralen Z-Achse angeordnete Hohlzylinderflächen (20) von axial hintereinanderliegenden, gegeneinander elektrisch ge trennten Zylinderscheiben (21), und der Schieber als zentri scher, in der Z-Achse beweglicher Kolbenkörper (22) ausgebildet sind.

18. Vorrichtung nach den Ansprüchen 16 und 17 dadurch gekenn zeichnet, daß je nach der Beschaltung der Zylinderscheiben (21) zur Abtastung der Kolbenkörper (22) in der Z-Achse axial verschiebbar oder um die Z-Achse drehbar ist oder daß beide Ab tastungen kombinierbar sind.

19. Vorrichtung nach den Ansprüchen 17 und 18, dadurch gekenn zeichnet, daß sich zwischen dem Kolbenkörper (22) und den hohlzylindrischen Kondensator-Wirkflächen (20) eine zylinder mantelförmige dielektrische Zone erstreckt.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Zone aus Luft besteht, und der Kolbenkör per (22) in der Z-Achse zentriert außerhalb der Kondensator- Anordnung geführt ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Zone aus einem Isolierstoff besteht, der als Hülse (23) ausgebildet ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (23) mit dem Kolbenkörper (22) oder mit den hohl zylindrischen Kondensator-Wirkflächen (20) verbunden ist.