DE69002554T2

DE69002554T2 - Elektrostatische Winkelmessvorrichtung.

Info

Publication number: DE69002554T2
Application number: DE90305426T
Authority: DE
Inventors: Mark A Rosswurn
Original assignee: Cummins Electronics Co Inc
Current assignee: Cummins Inc
Priority date: 1989-05-26
Filing date: 1990-05-18
Publication date: 1993-11-18
Anticipated expiration: 2010-05-19
Also published as: EP0407020A1; JPH0348718A; DE69002554D1; EP0407020B1; JPH0769186B2; US5012237A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf elektrostatische Positionssensoren und insbesondere auf bürstenfreie Winkelmeßvorrichtungen, die Konzepte der Erfassung von reflektierten elektrostatischen Feldern benützen.
Eine Anzahl zum Stand der Technik gehörenden Winkelmeßvorrichtungen benützen elektrostatische Technologie, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das indikativ einer Winkelposition ist. Es sind verschiedene Sensoren entwickelt worden, die Wechselstrom- als auch Gleichstromanregung verwenden. Die elektrostatische Winkelmeßvorrichtung besteht im wesentlichen aus zwei variabel geformten metallischen Platten, wobei die erste stationär angeordnet ist und die zweite gegenüber der ersten rotiert werden kann, um die zwischen den zwei Platten liegende Oberfläche der Platten zu variieren, wodurch ein variabler Kondensator gebildet wird. Eine elektrostatische Aufladungseinrichtung ist mit der stationären Platte verbunden, und die elektrostatische Ladung, die die sich bewegende Platte von der stationären Platte erhält, wird zur stationären Platte mittels eines Kopplungskondensators zurückreflektiert. Nach Reflektion auf die stationäre Platte wird das Signal elektronisch analysiert und die Position der rotierenden Platte in bezug auf die stationäre Platte bestimmt. Beispiele solcher Vorrichtungen sind in US-A-4,092,579 (Weit), US-A-4,040,041 (Fletcher et al.), US-A-4,435,702 (Imai), US-A-3,961,318 (Farrand), US-A-4,418,348 (Tanaka et. al.) und US-A-4,238,781 (Vercellotti et. al.) sowie in der DE-A-3711062 und in der EP-A-0270440 gezeigt.
Typischerweise wird das Ausgangssignal einer elektrostatischen Winkelmeßvorrichtung nach dem Stand der Technik, wie solche in der DE-A-3711062 oder in der EP- A-0270440 gezeigt sind, aus dem Rotor in den Stator mittels eines Kopplungskondensators eingekoppelt. Der Kopplungskondensator wird von zwei parallelen Platten gebildet, welche auf den Stator- und Rotorelementen der Vorrichtung ausgerichtet und registriert sind, wobei diese üblicherweise in Form von gegenüberliegenden, scheibenförmigen Elektroden ausgebildet sind. Ein den Sensoren des Standes der Technik inherentes Problem ist der Verlust an Signalstärke aufgrund von Streukapazitäten, welche die Elektrodenplatten des den Rotor und Stator koppelnden Kondensators beeinflussen. Im Falle,daß die Anwendung einer elektrostatischen Winkelmeßvorrichtung die Installation in nächster Nähe eines metallischen Objekts erfordert, werden die Probleme, welche den Streukapazitäten zuordenbar sind, signifikanter. Ferner können sich zusätzliche Probleme ergeben, falls auf Grund einer speziellen Anwendung, welche den zur Verfügung stehenden Raum für die Vorrichtung begrenzt, Abmessungs- oder Einbaubeschränkungen für die Winkelmeßvorrichtung gegeben sind.
Eine Winkelmeßvorrichtungs-Auslegung, welche den Kopplungskondensator zwischen Rotor und Stator überflüssig machen würde, könnte in den meisten Fällen zu einer Raumeinsparung bis zu 50 % des ursprünglichen Volumens der Winkelmeßvorrichtung führen.
Ein Ziel der vorliegenden Erfingung ist es, eine verbesserte Winkelmeßvorrichtung zur Verfügung zu stellen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Winkelmeßvorrichtung bereitzustellen, welche die Notwendigkeit eines Kopplungskondensators zum Einkoppeln des Rotorsignals in den Stator vermeidet.
Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, eine verglichen mit vorhandenen, alternativen Vorrichtungen in deren Abmessungen erheblich verkleinerte Winkelmeßvorrichtung zur Verfügung zu stellen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine Winkelmeßvorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche nicht von metallischen Objekten in nächster Nähe zur Vorrichtung beeinflußt wird.
Nach der Erfindung ist eine elektrostatische Winkelmeßvorrichtung vorgesehen, mit:
(a) einer Aufladungseinrichtung,
(b) einer Statoreinrichtung zur Erzeugung eines gemusterten elektrostatischen Feldes, wobei die Statoreinrichtung mit der Aufladungseinrichtung verbunden ist,
(c) einer Rotoreinrichtung, die innerhalb des Feldes der Statoreinrichtung angeordnet ist und
(d) einer operativ mit der Statoreinrichtung verbundenen Schaltung zur Erzeugung eines Signals, das ein Maß für die Rotorbewegung innerhalb des von der Statoreinrichtung ausgehenden gemusterten elektrostatischen Feldes ist,
worin die Aufladungseinrichtung zumindest eine Aufladungsquelle aufweist, die betreibbar ist/sind, um die Statoreinrichtung auf einem festgelegten Gleichspannungswert zu halten, wobei die Rotoreinrichtung an ein Referenzpotential angeschlossen ist und die Schaltung zum Messen des Stromflusses von der Aufladungseinrichtung zu der Statoreinrichtung dient, um so ein dQ/dt-Signal als das Signal zu erzeugen, und wobei der Stromfluß die Statoreinrichtung auf dem festgelegten Gleichspannungswert hält und der Tendenz der auf der Statoreinrichtung gehaltenen Ladung entgegenwirkt, sich mit einer Veränderung in dem gemusterten elektrostatischen Feld zu verändern, die die Bewegung der Rotoreinrichtung in dem Feld begleitet.
Mit der vorliegenden Erfindung zusammenhängende Ziele und Vorteile werden aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichung ersichtlich werden, wobei:
Fig. 1 eine diagrammartige Illustration einer typischen Winkelmeßvorrichtung zeigt.
Fig. 2A zeigt eine Frontansicht der in Fig. 1 gezeigten Rotoroberfläche X, welche die Konfiguration der Elektroden eines zum Stand der Technik zählenden Rotors zeigt.
Fig. 2B zeigt eine Frontansicht der in Fig. 1 gezeigten Statoroberfläche Y, welche die metallischen Elektroden eines Stators nach dem Stand der Technik zeigt.
Fig. 3A zeigt ein schematisches Diagramm einer typischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3B zeigt ein schematisches Diagramm einer typischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei eine detaillierte Schaltungsauslegung dargestellt ist.
Fig. 4 zeigt eine Frontansicht der in Fig. 1 gezeigten Rotoroberfläche X, welche die Anordnung der metallischen Plattenelemente des Rotors der Ausführungsform gemäß Fig. 3A zeigt.
Fig. 5 zeigt eine Frontansicht der in Fig. 1 gezeigten Statoroberfläche Y, welche die Anordnung der metallischen Plattenelemente des Stators der Ausführungsform gemäß Fig. 3A und 3B zeigt.
Fig. 6 zeigt ein schematisches Diagramm einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche einen Stator, einen kapazitiv geerdeten Rotor und eine zugehörende Schaltung zeigt.
Um das Verständnis der Grundsätze der Erfindung zu fördern, wird nachfolgend auf die bevorzugte Ausführungsart, welche in den Zeichnungen illustriert ist, Bezug genommen, wobei zur Beschreibung auf die entsprechende Fachsprache zurückgegriffen wird. Es ist jedoch selbstverständlich, daß hierdurch keinerlei Beschränkungen des Erfindungsgedankens beabsichtigt sind, wobei solche Abwandlungen und weitere Modifikationen der gezeigten Vorrichtung und weitere Anwendungsgebiete der Grundsätze der Erfindung, wie hierin beschrieben, zu berücksichtigen sind, die sich normalerweise einem Fachmann des Fachgebiets der vorliegenden Erfindung eröffnen.
Bezugnehmend auf Fig. 1 ist dort eine Illustration einer Winkelmeßvorrichtung 10 gezeigt, welche konzeptartig die Position des Rotors 12 in bezug auf den Stator 14 darstellt. Die Oberfläche X des Rotors 12 und die Oberfläche Y des Stators 14 beinhalten jeweils leitende Elektroden, welche elektrostatisch zusammenwirken, um Kondensatoren zu bilden. Der Rotor 12 ist starr mit einer drehbaren Welle 16 verbunden. Der Stator 14 wird in einer feststehenden Position mittels dem Schaft 18 gehalten, wobei der Schaft 18 am Ende A geankert ist. Bei einem typischen Ausführungsbeispiel einer elektrostatischen Winkelmeßvorrichtung nach dem Stand der Technik, in der der Stator und der Rotor unter Benützung von kupferbeschichteten Glasfaser-Leiterplatten hergestellt sind, sind die Oberflächen X und Y in relativ nächster Nähe zueinander angeordnet, mit einem Luftspalt von ungefähr 0.020 bis 0.050 inch (0,0508-0,127 cm).
Unter nunmehriger Bezugnahme auf Fig. 2A bzw. 2B ist dort jeweils die Frontansicht eines Rotors 12 bzw. eines Stators 14 einer Winkelmeßvorrichtung nach dem Stand der Technik gezeigt. Der Rotor 12 gemäß Fig. 2A ist auf einer Leiterplatte 22, welche mit einer leitenden Folie beschichtet ist, ausgebildet, wobei diese geätzte Leiterbahnen in der Oberfläche der leitenden Folie aufweist. Eine Rotorkopplungskondensatoroberfläche 20 und Rotorschaufeln 21 werden mittels Wegätzen der leitenden Folie hergestellt, um die gezeigte Metalleiterbahnen zu erzeugen. In ähnlicher Weise ist in Fig. 2B ein Stator nach dem Stand der Technik gezeigt, der eine mit negativen Zwischenzähnen 27 verbundene Ringelektrode 26, eine mit positiven Zwischenzähnen 29 verbundene positive Ringelektrode 28 und eine Kopplungskondensatoroberfläche 30 aufweist, welche sämtlich in die leitende Folie der Leiterplatte 24 für den Stator 14 eingeätzt sind. Ausführliche Information über die Betriebsweise einer Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik kann entnommen werden aus dem US-Patent 4,998,103, welches auf Grund der US-Anmeldung Nr. 343031 mit Titel "Verbesserte Elektrostatische Winkelmeßvorrichtung" erteilt und die am 25.4.1989 von M. Rosswurm et. al. angemeldet wurde.
In Fig. 3A ist ein schematisches Diagramm einer elektrostatischen Winkelmeßvorrichtung 31 gezeigt, in der die vorliegende Erfindung Eingang gefunden hat. Dort ist ein Rotor 60 gezeigt welcher Rotorschaufeln 62 aufweist, die mit positiven Zwischenzähnen 68 und negativen Zwischenzähnen 72 eines Stators 64 zusammenwirkt. Das Zusammenwirken der Rotorschaufeln 62 und der Zwischenzähne 68 und 72 erzeugt zwei variable Kondensatoren C1RS und C2RS. Die Statorplatten und die Zwischenzähnen 68 und 72 werden auf einem festgelegten Gleichspannungswert gehalten, wobei +VDC an der Platte 68 und -VDC an der Platte 72 anliegt. In der Praxis würden die Ladungsquellen 33 und 34 typischerweise konstante Spannungsquellen sein. Die Schaufeln 62 des Rotors 60 werden auf einem bestimmten konstanten elektrostatischen Potential auf Grund der Spannungsquelle 35 gehalten. Die Spannungsquelle 35 kann jedoch entfallen und die Schaufeln 62 des Rotors können direkt geerdet oder kapazitiv geerdet sein, wodurch ein AC-Erdungsdsignal zur Verfügung gestellt wird. Der Stator 64 und der Rotor 60 sind in ähnlicher Weise wie der zuvor beschriebene Stator 14 bzw. Rotor 12 einer Winkelmeßvorrichtung nach dem Stand der Technik, wie sie in den Figuren 2A und 2B gezeigt sind, aufgebaut. Zu beachten ist hierbei jedoch, daß der Kopplungskondensator Rotor - Stator gemäß dem Stand der Technik bei der Winkelmeßvorrichtung 31 gemäß Fig. 3A vollständig entfällt. Während der Rotor in dem elektrostatischen Feld (E) rotiert, welches von dem positiven und negativen Potential der Zwischenzähne 68 und 72 erzeugt wird, wird von den Statorzwischenzähnen Ladung verloren und gewonnen. Die Ladungsfluktuationen bewirken, daß ein DQ/Dt-Stromsignal, welches proportional zur Veränderungsrate des zum Stator 64 reflektierten E-Feldes ist, zwischen den Elektroden 68 und 72 fliegt. Die Veränderung des E-Feldes im Stator wird direkt von der Winkelstellung der Rotorschaufeln beeinflußt, welche eine konstante Spannung aufweisen, während sie durch das E-Feld des Stators passieren. Das E-Feld des Stators (dessen Bezugs-Nullpotential auf Unendlich gesetzt ist) verändert sich, wenn die Rotorelektroden oder Schaufeln 62 in die Nähe der Statorelektroden oder Zwischenzähne 68 und 72 bewegt werden. Der sich bewegende Rotor reflektiert einen sich verändernden Wert für das elektrostatische Feld auf Grund der Veränderung des nahen Feldpotentials. Ein Ladungs- oder Stromfluß findet statt, um die Elektroden 78 und 72 auf den vorbestimmten Spannungen +VDC und -VDC zu halten. Dieser Stromfluß wird gemessen und benutzt, um die Winkelposition zu bestimmen.
Die Veränderung des reflektierten E-Feldes kann auch als eine Veränderung der Stator - Rotor Kapazität aufgefaßt werden. Die "Kapazität" zwischen dem Rotor und dem Stator verändert sich, während der Rotor in bezug auf den Stator rotiert. Das dC/dt (Veränderungsrate der Stator - Rotor Kapazität in bezug auf die Zeit) bewirkt, daß ein dQ/dt (oder Strom) zu und von den Statorplatten 68 und 72 fließt. Dieser Strom kann mittels einer elektrischen Schaltung gemessen werden, welche auf Stromflüsse anspricht.
Wie ersichtlich ist, wird in dieser Ausführungsform der Erfindung jeglicher Rotorsignalverlust auf Grund von Streukapazitäten eliminiert, da das Rotorpotential in bezug auf die Systemerdung festgelegt bleibt. Es sei ferner bemerkt, dar die gesamte Ausgangssignalerfassung mittels der Überwachung des Stromflusses zum Stator erfolgt, so daß zusätzliche Mittel zur Übertragung der Rotorinformation auf einen nicht rotierenden Abgriff, welcher auf oder nahe dem Stator angeordnet ist, nicht länger benötigt werden. Da die Notwendigkeit eines Kopplungskondensators entfällt, kann das Volumen der Winkelmeßvorrichtung bis zu 50 % reduziert werden. Da keine Signalinformation von dem Rotor auf den Stator übertragen wird, brauchen auch keine Vorkehrungen implementiert werden, um Energie auf den Rotor zu übertragen, um diesen abzuschirmen oder zu sichern, und es ist keine Elektronik für Rotorabschirmtechniken notwendig.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf Fig. 3B ist ein schematisches Diagramm einer verbesserten Winkelmeßvorrichtung 31 gezeigt, in der die vorliegende Erfindung wie gezeigt ausgeführt ist. Eine Spannungsreferenz +VREF wird dem positiven Eingang eines Verstärkers U1 zugeführt. Der Ausgang des Verstärkers U1 ist mit dem Widerstand R1 mittels des Signalpfads 40 verbunden, welcher hier nachfolgend als Signal 40 bezeichnet wird. Der Ausgang von U1 ist ebenfalls kapazitiv mit dem Widerstand R4 mittels des Kondensators C1 gekoppelt. Der andere Anschluß des Widerstands R4 ist mit R5 und mit dem positiven Eingang des Verstärkers U3 verbunden. Widerstand R5 stellt einen Bias-Pfad zur Erdung von Bias-Strömen aus dem positiven Eingang von U3 zur Verfügung und bestimmt in Verbindung mit R3, R4 und R6 den Verstärkungsgrad des Differenzverstärkers U3. Der Widerstand R1 ist mit dem verbleibenden Ende mit dem negativen Ende des Verstärkers U1 verbunden und ebenfalls mit der positiven Statorringelektrode 66 und Zwischenzähnen 68. Negativspannung VREF wird dem positiven Eingang des Verstärkers U2 zugeleitet. Der Ausgang des Verstärkers U2 ist mittels des Signalpfads 42 oder Signal 42 mit dem Widerstand R2 verbunden. Der verbleibende Anschluß des Widerstands R2 ist mit den negativen Statorzwischenzähnen 72 durch die Ringelektrode 70 und dem negativen Eingang des Verstärkers U2 verbunden. Der Signalpfad 42 oder Signal 42 ist kapazitiv mittels des Kondensators C2 mit dem Widerstand R3 verbunden. Der verbleibende Anschluß des Widerstands R3 ist mit dem negativen Eingang des Verstärkers U3 verbunden, sowie mit dem Rückkopplungswiderstand R6. Der Ausgang von U3 ist mit dem verbleibenden Anschluß von R6 verbunden und stellt ebenfalls die Ausgangsspannung der Schaltung V&sub0; zur Verfügung. Der Rotor 60 ist derart dargestellt, daß die Rotorschaufeln 62 den Zwischenzähnen 68 und 72 gegenüberliegen. Die Rotorschaufeln 62 sind geerdet. Die Drehbewegung des Rotors 60 bewirkt, daß die Kondensatoren, welche von den Zwischenzähnen 68 und 72 mit den Rotorschaufeln 62 gebildet werden, in deren Kapazität variieren, wodurch ein elektrostatischer Effekt auf den Zwischenzähnen 68 und 72 bewirkt wird. Um die Zwischenzähne 68 und 72 auf einer festgelegten Spannung zu halten, wird ein Stromfluß von den Verstärkern U1 und U2 durch die Widerstände R1 bzw. R2 dem Stator 64 und insbesondere den Elektroden 66 und 70 geliefert. Der Strom, der durch die Widerstände R1 und R2 fließt, bewirkt die Spannungsabfälle V&sub1; bzw. V&sub2;, die dem Differenzverstärker U3 zugeführt werden. Typische Werte für R1 und R2 sind 500 Kohm. Die Kondensatoren C1 und C2 besitzen eine Kapazität von typischerweise 0,1 Microfarad, und die Widerstände R3, R4, R5 und R6 liegen typischerweise in einer Größenordnung von 100 Kohm. Ein OP-Verstärker mit der Bezeichnung LM 1558, welcher von NATIONAL SEMICONDUCTOR hergestellt wird, kann für die Verstärker U1, U2 und U3 verwendet werden. Die Adresse von NATIONAL SEMICONDUCTOR ist 2900 Semiconductor Drive, Santa Clara, Calif. 95051.
Die Verstärker U1 und U2 sind in einer Rückkopplungskonfiguration in geschlossener Schleife angeordnet, wobei die Plus- und Minusspannungen der Zwischenzähne jeweils rückgeführt und mit +VREF- und -VREF-Spannungen verglichen werden. Während Strom von U1 auf die positive Statorplatte fließt, verändert sich die Spannung V&sub1; um das benötigte Maß, um die positive Statorplatte 68 auf dem Referenzpotential zu halten. U1 wirkt als Stromquelle oder -Senke für die positiven Statorzwischenzähne 68. Der Widerstand R1 wandelt die Ladungsquellen oder einen Senkstrom in eine einfach zu verarbeitende Spannungsveränderung V&sub1; um. Das positive Spannungsausgangssignal, welches bei Signal 40 auftritt, wird wie folgt berechnet:
V40=R1 (dQ1/dt) + VREF,
wobei Q1 die Ladung auf den positiven Statorzwischenzähnen 68 ist.
Der Verstärker U2 wirkt in ähnlicher Weise als Quelle oder Senke für die Ladung, welche benötigt wird, um die negativen Statorzwischenzähne 72 auf der negativen Referenzspannung -VREF zu halten. So lange die Veränderungsrate der Ladung innerhalb der Spannungs- und Frequenzgrenzen der Verstärker U1 oder U2 liegen, werden die Statorzwischenzähne 68 und 72 auf einer konstanten Bezugsgleichspannung verbleiben. Daher sollte die Verstärkerbandbreite des für diese Vorrichtung gewählten OP-Verstärkers unter Berücksichtigung der Spannungs- und Frequenzerfordernisse der Winkelmeßvorrichtung ausgewählt werden.
Veränderungen oder Deviationen der Winkelposition des Rotors 60 in bezug auf den Stator 64 werden durch die Messung der Differenz zwischen der Spannung am Signal 40 und Signal 42 erfaßt. U3 dient als differenzieller Ausgangsverstärker, dessen Verstärkung von dem R6 zu R3 Verhältnis und R6 zu R4 Verhältnis bestimmt wird. Falls R3 und R4 gleichwertig sind und R5 und R6 gleichwertig sind, dann ergibt sich die Endausgangsspannung V&sub0; wie folgt:
V&sub0; = R6/R3 (V&sub4;&sub0; - V&sub4;&sub2;)
In einer typischen Anwendungsform, in der eine Winkelverschiebung eines Rotationselements gemessen werden muß, ist eine im Stand der Technik gut bekannte Schaltung mit dem Ausgangssignal V&sub0; verbunden. Üblicherweise transformiert eine solche Schaltung das pseudo-sinusförmige Signal, welches bei V&sub0; erzeugt wird, in eine rechteckige Welle. Nachfolgend wird die rechteckige Welle dem Eingang einer logischen Schaltung zugeführt, wodurch die Winkelstellung durch das Zählen der Übergänge des Rechteck-Wellensignals von "low" auf "high" bestimmt wird, wobei jeder Übergang einer festliegenden Winkelverschiebung des Rotors in Bezug auf den Stator entspricht.
Zwei wichtige Merkmale dieser Ausführungsform sollten dem Fachmann ersichtlich sein. Erstens wird ein Ladungsverlust oder -gewinn von dem Stator auf Grund von Veränderung in der Statorspannung beseitigt, da die Statorzwischenzähne auf einer konstanten Gleichspannung gehalten werden. Die gezeigte Ausführungsform sichert akurate Messungen von Ladungsströmen auf Grund von Veränderungen dem Winkelposition des Rotors, welche von den Einflüssen von Streukapazitäten unbeeinflußt sind. Zweitens werden die Abmessungen des Stators und des Rotors auf Grund der Beseitigung des Kopplungskondensators, welcher in den zum Stand der Technik gehörenden Geräten notwendig ist, verkleinert. Die verminderten Abmessungsvorgaben werden sich in einer Einsparung der Gesamtabmessungen für eine Winkelmeßvorrichtung niederschlagen.
Es sollte für den Fachmann ebenfalls ersichtlich sein, daß, obwohl diese Ausführungsform eine bipolare Anwendung beschreibt, welche 3 Verstärker benötigt, das Konzept mit einem unipolaren Satz an Statorzwischenzähnen ausgeführt werden kann, wodurch lediglich ein Verstärker benötigt würde. Der Nachteil dieser Vereinfachung liegt in einer Verminderung von 6dB im Ausgangssignal und einer hieraus resultierenden Verminderung des Signal/Rauschen Verhältnis oder S/R-Verhältnis.
Unter Bezugnahme auf Fig. 4 ist eine Frontansicht des Rotors 60 gezeigt. Als Beispiel einer typischen Ausbildungsform sind Rotorschaufeln 62 in die leitende Folie der Leiterplatte 61 eingeätzt. Verglichen mit dem zum Stand der Technik gehörenden Rotor 12 gemäß Fig.2A, zeigt der Rotor 60 eindeutig eine Raumeinsparung, die darin liegt, daß die Länge einer jeden Schaufel 62 auf Grund der Tatsache vergrößert ist, daß die Rotorkopplungsoberfläche 20 gemäß Fig. 2A nicht länger für die erfindungsgemäße Winkelmeßvorrichtung benötigt wird. Daher braucht für Elektroden gleicher Länge der Durchmesser der Leiterplatte 61 nicht gleich grob wie der Durchmesser der Leiterplatte zu sein, welcher benötigt wird, um den Rotor gemäß Fig.2A herzustellen. Die mit 63 bezeichnete Fläche ist freiliegendes Glasfasermaterial der Leiterplatte 61.
Unter Bezugnahme auf Fig. 5 ist ein Stator 64 gezeigt, der zur Benützung mit der Winkelmeßvorrichtung, in der die Erfindung eingebunden und in Fig. 3A gezeigt ist, ausgebildet ist. Die gleichen Raumeinsparungen, welche mit dem Rotor 60 erzielt und oben beschrieben wurden, lassen sich ebenfalls unter Bezugnahme auf den Stator gemäß dem Stand der Technik gemäß Fig. 2B feststellen, wenn dieser mit dem Stator 64 verglichen wird, in dem die Erfindung eingebunden ist.
Als Beispiel einer typischen Ausbildungsform ist der Stator 64 auf einer Leiterplatte 65 unter Benutzung von Säureätzprozessen hergestellt, die bei der Herstellung von Leiterplatten gut bekannt sind, um die Ringelektrode 66 und die mit der Elektrode 66 verbundenen Zwischenzähne 68 auszubilden, welche eine Platte des Kondensators C1RS aus Fig. 3A bilden. In ähnlicher Weise ist die Ringelektrode 70 mit den negativen Zwischenzähnen 72 verbunden, welche eine der Platten des Kondensators C2RS aus Fig. 3A mit den Schaufeln 62 des Rotors 60 aus Fig. 4 ausmachen. Diese Zwischenzähne oder -vorsprünge der Ringelektroden 66 und 70 sind so angeordnet, um im wesentlichen die Winkel, welche von gegenüberliegenden Zwischenzähnen ausgebildet werden, zu halbieren. Die Ringelemente 66, 68, 70 und 72 bilden somit konzentrische Elektroden, welche ineinander verzahnte Abschnitte haben, welche zur Erzeugung eines gemusterten elektrostatischen Feldes mittels Anlegen von verschiedenen Potentialen an jeder Ringelektrode geeignet sind. Es sollte ferner bemerkt werden, daß die Anzahl der Schaufeln 62 des Rotors 60 aus Fig. 4 identisch in Anzahl und Winkelstellung zur Anzahl der Zwischenzähne 68 oder der Anzahl der Zwischenzähne 72 ist. Die Oberfläche 67, welche auf der Leiterplatte 65 dargestellt ist, ist während des Ätzprozesses freigelegtes Leiterplattenmaterial, welches einen Isolator zwischen den Elektroden 70 und 66 des Stators 64 bildet.
Eine andere Ausbildungsform für den Stator 64 gemäß Fig. 5 und den Rotor gemäß. Fig 4 beinhaltet das Auftragen einer Paste aus metallischen Partikeln mittels Siebdruck auf einem Substratmaterial bestehend aus Porzellan auf Stahl, welches als Rotor- und Statorbasismaterial verwendet wird. Dieses Verfahren wird zur Bildung der Elektroden 62 aus Fig. 4 und der Elektroden 72, 68 70 und 66 aus Fig. 5 verwendet. Verschiedene metallische Partikel können in der flüssigen metallischen Paste verwendet werden, beispielsweise Kupfer-, Silber- oder Goldpartikel. Die Paste wird auf die Porzellanauf-Stahl-Substratoberfläche des Rotors oder Stators im Siebdruckverfahren in der Form der gewünschten Elektroden aufgetragen. Das Substrat wird hiernach gesintert oder gebrannt, um das Metall zu verflüssigen und die Metallpartikel auf der Oberfläche des Porzellan-auf-Stahl-Substrats anzubinden, wodurch die Elektroden erzeugt werden.
Unter Bezugnahme auf Fig. 6 ist ein schematisches Diagramm einer verbesserten Winkelmeßvorrichtung 81, in der die vorliegende Erfindung eingebunden ist, gezeigt. Die Spannungseingangssignale +VREF und -VREF werden den positiven Eingängen der Verstärker U1 bzw. U2 zugeleitet. Der Ausgang des Verstärkers U1 liefert dem Widerstand R1 und Kondensator C1 ein Signal 40. Der Ausgang des Verstärkers U2 liefert dem Widerstand R2 und dem Kondensator über den Signalpfad 42 ein Signal. Der verbleibende Anschluß des Widerstands R1 ist mit dem negativen Eingang des Verstärkers U1 und mit der negativen Elektrode 66 und den Zwischenzähnen 68 des Stators 64 verbunden.
Der verbleibende Anschluß des Widerstandes R2 ist mit der Elektrode 70 und den Zwischenzähnen 72 und dem negativen Eingang des Verstärkers U2 verbunden. Der Kondensator C2 ist mit dem Widerstand R3 verbunden. Der verbleibende Anschluß des Widerstandes R3 ist mit dem negativen Eingang des Verstärkers U3 und dem Widerstand R6 verbunden. Der Widerstand R6 ist dann mit dem Ausgang des Verstärkers U3 verbunden, wo das Ausgangssignal V&sub0; von dem Verstärker U3 zugeführt wird. Der Kondensator C1 ist mit dem Widerstand R4 verbunden, der seinerseits mit dem positiven Eingang des Verstärkers U3 und mit dem Widerstand R5, welcher ein Bias-Pfad zur Erdung des positiven Eingangs des Verstärkers U3 liefert, verbunden ist. Der Unterschied zwischen der Winkelmeßvorrichtung, die in Fig. 3B und der Winkelmeßvorrichtung 81, die in Fig. 6 gezeigt ist, liegt in dem Kondensator 80, der eine kapazitive Erdungskopplung für die Rotorschaufeln 62 des Rotors 60 bildet. In der Nähe geerdete metallische Objekte in Nachbarschaft zum Rotor 60 werden im wesentlichen die Streukapazitäten liefern und ausgleichen, welche in geeigneter Weise den Kondensator 80 ersetzen werden. Daher wäre es keine Notwendigkeit, eine elektrische Verbindung zu den Rotorschaufeln 62 bereitzustellen, da die über die Streukapazitäten erfolgte Kopplung Rotor 60 - Erdung eine Wechselspannungserdungsreferenz für die Rotorschaufeln 62 zur Verfügung stellt.
Während die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung und in der voranstehenden Beschreibung detailliert gezeigt und beschrieben wurde, werden diese als illustrativ und nicht restriktiv in deren Charakter angesehen, wobei es selbstverständlich ist, daß nur das bevorzugte Ausführungsbeispiel gezeigt und beschreiben wurde und daß alle Veränderungen und Modifikationen, welche innerhalb des Erfindungsgedankens liegen, durch die Ansprüche geschützt werden sollen.

Claims

1. Elektrostatische Winkelmessvorrichtung (31, 81) mit:

(a) einer Aufladungseinrichtung (33, 34);

(b) einer Statoreinrichtung (66, 68, 70, 72) zur Erzeugung eines gemusterten elektrostatischen Feldes, wobei die Statoreinrichtung (66, 68, 70, 72) mit der Aufladungseinrichtung (33, 34) verbunden ist;

(c) einer Rotoreinrichtung (60, 62) , die innerhalb des Feldes der Statoreinrichtung (66,68, 70, 72) angeordnet ist und

(d) einer operativ mit der Statoreinrichtung (66, 68, 70, 72) verbundenen Schaltung zur Erzeugung eines Signals, das ein Maß für die Rotorbewegung inerhalb des von der Statoreinrichtung (66, 68, 70, 72) ausgehenden gemusterten elektrostatischen Feldes ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Aufladungseinrichtung (33, 34) zumindest eine Aufladungsquelle (33, 34) aufweist, die betreibbar ist/sind, um die Statoreinrichtung (66, 68, 70, 72) auf einem festgelegten Gleichspannungswert zu halten, wobei die Rotoreinrichtung (60, 62) an ein Referenzpotential (35) angeschlossen ist und die Schaltung zum Messen des Stromflußes von der Aufladungseinrichtung (33, 34) zu der Statoreinrichtung (66, 68, 70, 72) dient, um so ein dQ/dt-Signal als das Signal zu erzeugen, und wobei der Stromfluß die Statoreinrichtung (66, 68, 70, 72) auf dem festgelegten Gleichspannungswert hält und der Tendenz der auf der Statoreinrichtung (66, 68, 70, 72) gehaltenen Ladung entgegenwirkt, sich mit einer Veränderung in dem gemusterten elektrostatischen Feld zu verändern, die die Bewegung der Rotoreinrichtung (60, 62) in dem Feld begleitet.

2. Elektrostatische Winkelmessvorrichtung (31, 81) nach Anspruch 1, mit einer ersten und einer zweiten Aufladungsquelle (33, 34) und in der die Statoreinrichtung erste und zweite konzentrische, ineinander verzahnte Elektroden (66 und 68, 70 und 72) aufweist, wobei die erste Aufladungsquelle (33), mit der ersten Elektrode (66 und 68) und die zweite Aufladungsquelle (34) mit der zweiten Elektrode (70, 72) verbunden ist.

3. Elektrostatisches Winkelmessvorrichtung (31, 81) nach Anspruch 2, worin die erste und die zweite Aufladungsquelle (33, 34) OP-Verstärkerschaltungen (41, 42) aufweisen.

4. Elektrostatische Winkelmessvorrichtung (31, 81) nach Anspruch 3, worin die Verstärkerschaltungen (41, 42) einer Spannungsfolgerkonfiguratton angeordnet sind.

5. Elektrostatische Wlnkelmessvorrichtung (31, 81) nach Anspruch 4, worin der Ausgang (40, 42) einer jeden Spannungsfolger-OP-Verstärkerschaltung (41, 42) (R1, R2) einem ersten Draht eines Widerstandes (R1, R2) zugeführt wird, wobei der Widerstand (R1, R2) auch einen zweiten Draht besitzt, der an eine Rückkopplungsschleife sowie an eine der Elektroden (66 und 68, 70, und 72) angeschlossen tst, und wobei das dQ/dt- Signal proportional abgeleitet wird von er Spannung, die an den Widerständen (R1, R2) anliegt.

6. Elektrostatische Winkelmessvorrichtung (31, 81) nach Anspruch 1, worin die Statoreinrichtung (66 und 68, 70 und 72) und die Rotoreinrichtung (60, 62) auf metallbeschichtetem Kartenmaterlal für bedruckte Schaltungen ausgebildet sind.

3. Elektrostatische Winkelmessvorrichtung (31, 81) nach Anspruch 2, worin die erste ineinander verzahnte, konzentrische Elektrode (70, 72) eine erste Ringelektrode (70) beinhaltet, die mit der Rotationsachse des Rotors (60, 62) axial ausgerichtet ist, wobei die erste Ringelektrode (70) Elektroden (32) einer vorbestimmten Länge aufweist, die sich radial auswärts erstrecken und an vorbestimmten, einen fixierten Winkelabstand zueinander aufweisenden Stellen der ersten Ringelektrode (30) angeoronet sind, wobei die zweite ineinander verzahnte, konzentrische Elektrode (66, 68) eine zweite Ringelektrode (66) aufweist, die konzentrisch zu von der ersten Ringelektrode (70) abstehenden Elektroden (72) ist und einen größeren Radius als den Radius der abstehenden Elektroden (72) hat, und wobei die zweite Ringelektrode (66) Elektroden (68) besitzt, die sich radial einwärts von der zweiten Ringelektrode (66) in Freiräume erstrecken, die von den metallenen Elektroden (72) der ersten Ringelektrode (70) definiert werden.

8. Elektrostatische Winkelmessvorrichtung (31, 81) nach Anspruch 1 zur Messung der Winkelverschiebung eines Rotationselements, worin die Aufladungseinrichtung (33, 34) eine erste Schaltung (U1, 40, R1) zum Liefern eines ersten, festliegenden Gleichspannungsausgangssignals aufweist, wobei die Statoreinrichtung (66, 68) an das festgelegte Gleichspannungsausgangssignal zur Erzeugung des gemusterten elektrostatischen Feldes angeschlossen ist, und ferner eine zweite Schaltung (U2, 42, R2) zum Liefern eines zweiten, festliegenden Gleichspannungsausgangssignals an die Statoreinrichtung (30, 32) aufweist, wobei die operativ an die Statoreinrichtung (66, 68, 70, 72) gekoppelte Schaltung zum Erzeugen eines für die Rotorbewegung indikativen Signals Strommessmittel zum Überwachen eines von der ersten und zweiten Schaltung (U1, 40, R1; U2, 42, R2) zu der Statoreinrichtung (66, 68, 70, 72) fließenden Stromes in Antwort auf die Rotation des Rotors (60, 62) aufweist.

9. Elektrostatische Winkelmessvorrichtung (31, 81) nach Anspruch 8, worin die Statoreinrichtung (66, 68, 70, 72) erste und zweite Elektroden (66, 68, 70, 72) aufweist, die jeweils an dem ersten bzw. zweiten festliegenden Spannungsausgangssignal angeschlossen sind.

10. Elektrostatische Winkelmessvorrichtung (31, 81) nach Anspruch 9, worin das erste und das zweite Spannungsausgangssignal entgegengesetzte Polaritäten besitzten.

11. Elektrostatische Winkelmessvorrichtung (31, 81) nach Anspruch 9, worin die erste und die zweite Elektrode (66, 68, 70, 72) konzentrische Ringelektroden (66 und 70) sind.

12. Elektrostatische Winkelmessvorrichtung (31, 81) nach Anspruch 11, worin die konzentrischen Ringelektroden (66 und 70) jeweils radiale Vorsprünge (68 uno 72) besitzen, die an vorbestimmten Winkelintervallen angeordnet sind und sich radial in Richtung zur gegenüberliegenden Ringelektrode (66 und 70) erstrecken.

13. Elektrostatische Winkelmessvorrichtung (31, 81) nach Anspruch 12, worin die radialen Vorsprünge (68 und 72) so angeordnet sind, daß die von der äußeren Ringelektrode (66) radial nach innen hervorstehenden Vorsprünge (68) im wesentlichen die Winkel halbieren, die von den Elektrodenvorsprüngen (72) definiert werden, die sich radial nach außen von der inneren, konzentrischen Ringelektrode (70) erstrecken.

14. Elektrostatische Winkelmessvorrichtung (31, 81) nach Anspruch 13, worin die Rotoreinrichtung (60, 62) gegenseitig verbundene Rotorelektroden (62) aufweist, die sich in radialer Richtung von der Rotationsachse des Rotors (60, 62) erstrecken, wobei die Rotorelektroden (62) angeordnet sind, um in einer senkrecht zur Rotationsachse des Rotors (60, 62) angeordneten Ebene zu rotieren.

15. Elektrostatische Winkelmessvorrichtung (31, 81) nach Anspruch 14, worin die Rotorelektroden (62) mit Winkelabstand so angeordnet sind, daß sie den Elektrodenvorsprüngen (68) der äußeren, konzentrischen Ringelektrode (66) gegenüberliegen und demnach den Elektrodenvorsprüngen (72) der Inneren, konzentrischen Ringelektrode (70) gegenüberliegen, wenn der Rotor (60, 62) in Folge der Rotation des Rotationselements rotiert.

16. Elektrostatische Winkelmessvorrichtung (31, 81) nach Anspruch 1, worin die Statoreinrichtung (66, 68, 70, 72) und die Rotoreinrichtung (60, 62) auf einem Keramik-auf-Stahl- Substrat (63, 67) hergestellt sind, mit Elektroden (62, 68, 72), die auf der Oberseite des Substrats (63, 67) geformt und angeordnet sind.