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DE4215702A1 - Capacitive rotary angle encoder - contains interleaved stator and rotor plates with conductive surface coatings, one capacitor for excitation of other coarse and fine track to produce sinusoidal functions over full range of 360 deg.. - Google Patents

Capacitive rotary angle encoder - contains interleaved stator and rotor plates with conductive surface coatings, one capacitor for excitation of other coarse and fine track to produce sinusoidal functions over full range of 360 deg..

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Publication number
DE4215702A1
DE4215702A1 DE4215702A DE4215702A DE4215702A1 DE 4215702 A1 DE4215702 A1 DE 4215702A1 DE 4215702 A DE4215702 A DE 4215702A DE 4215702 A DE4215702 A DE 4215702A DE 4215702 A1 DE4215702 A1 DE 4215702A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
stator
rotor
capacitor
angle encoder
angle
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE4215702A
Other languages
German (de)
Inventor
Eckart Dipl Ing Hettlage
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rockwell Collins Deutschland GmbH
Original Assignee
Teldix GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Teldix GmbH filed Critical Teldix GmbH
Priority to DE4215702A priority Critical patent/DE4215702A1/en
Publication of DE4215702A1 publication Critical patent/DE4215702A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/12—Analogue/digital converters
    • H03M1/22—Analogue/digital converters pattern-reading type
    • H03M1/24—Analogue/digital converters pattern-reading type using relatively movable reader and disc or strip
    • H03M1/28—Analogue/digital converters pattern-reading type using relatively movable reader and disc or strip with non-weighted coding
    • H03M1/30—Analogue/digital converters pattern-reading type using relatively movable reader and disc or strip with non-weighted coding incremental
    • H03M1/301—Constructional details of parts relevant to the encoding mechanism, e.g. pattern carriers, pattern sensors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/30—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/24—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance
    • G01D5/241—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes
    • G01D5/2412—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes by varying overlap
    • G01D5/2415—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes by varying overlap adapted for encoders

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Abstract

The encoder contains a stator with separate plates (4,6,8,10) and interleaved rotor plates (5,7,9). The facing stator and rotor surfaces have electrically conducting coatings forming capacitors. Coarse and fine measurement systems are provided by a capacitor whose capacitance varies with rotation. One constant capacitance is independent of rotation. The coatings on the rotor or stator plates are connected in parallel. The constant-value capacitor acts as the excitation capacitor for the other capacitors. The coatings are applied so that the capacitance has a continuous sine or cosine function over the complete 360 deg. angle range. USE/ADVANTAGE - E.g. for use in controlling and positioning moving objects. Angle encoder achieves high resolution with low sensitivity to eccentricities.

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Winkelenkoder aus einem Stator mit mindestens zwei einen gegenseitigen Abstand bildenden Statorscheiben, in deren Zwischenraum mindestens eine Rotorscheibe eines Rotors drehbar angeordnet ist, wobei jeweils auf einander zugewandten Seiten der Statorscheiben und der Rotorscheibe elektrisch leitfähige Beläge angeordnet sind, die mit einem zugeordneten Spalt zwischen der Rotor- und der Statorscheibe jeweils Kondensatoren bilden, wobei ein Grobmeßsystem und ein Feinmeßsystem mit jeweils mindestens einem Kondensator, dessen Kapazitätswert sich bei der Drehung des Rotors ändert, vorgesehen ist und ein Kondensator vorgesehen ist, dessen Kapazität vom Drehwinkel unabhängig ist.The invention relates to a capacitive angle encoder a stator with at least two mutual distances forming stator disks, in the space between them at least a rotor disk of a rotor is rotatably arranged, wherein in each case on mutually facing sides of the stator disks and electrically conductive pads are arranged on the rotor disk, which with an associated gap between the rotor and the Stator disk each form capacitors, with a Coarse measuring system and a fine measuring system, each with at least a capacitor whose capacitance value changes when rotating of the rotor changes, is provided and a capacitor is provided, the capacity of the angle of rotation is independent is.

Aus der EP 258 725 A2 ist ein kapazitiver Linear- oder Drehgeber zum Steuern und Positionieren von bewegten Gegenständen bekannt. In seiner Ausführung als Drehgeber sind zwei einen gegenseitigen Abstand bildende einander gegenüberliegende Statorscheiben, in deren Zwischenraum eine Rotorscheibe drehbar angeordnet ist, vorgesehen. Die Rotorscheibe ist mit einer, mit dem bewegten Gegenstand gekoppelten Welle drehfest verbunden. Auf den jeweils einander zugewandten Seiten der Statorscheiben und der Rotorscheibe sind elektrisch leitfähige Beläge angeordnet, die mit dem Luftspalt jeweils Kondensatoren bilden, deren Kapazitätswerte sich mit der Drehung der Rotorscheibe ändern. Zur Erreichung von Genauigkeit und Auflösung sind die Beläge so auf der Rotorscheibe und den Statorscheiben angeordnet, daß sich mindestens zwei kreisringförmige, konzentrische Bereiche ergeben, von denen der eine Bereich die Meßspur eines Grobmeßsystems und der andere Bereich die Meßspur eines Feinmeßsystems bildet. Die digital erfaßten Werte des Grobmeßsystems werden mit den Werten des Feinmeßsystems so kombiniert, daß sich ein eindeutig definierter Absolutwert für den Drehwinkel ergibt. Dies wird dadurch erreicht, daß die von einander zugeordneten Belägen von Rotorscheibe und Statorscheiben entstehenden Koppelkapazitäten einen Verlauf über die Drehung der Welle aufweisen, der stückweise sinusförmig ist und daß durch Addition mehrerer gegenseitig verschobener und mit unterschiedlichem Vorzeichen versehener stückweise sinusförmig verlaufender Kapazitätsverläufe ein etwa rein sinusförmiger Kapazitätsverlauf mit einer von der Anzahl der Meßspuren abhängigen Periode entsteht. Einer der Luftspalte zwischen Statorscheibe und Rotorscheibe wird als Meßluftspalt verwendet, um die oben angegebenen Winkelmessungen durchzuführen, und der zweite Luftspalt ist als Auskoppelluftspalt ausgebildet, wobei die Beläge auf den sich gegenseitig zugewandten Seiten von Rotorscheibe und Statorscheibe an diesem Luftspalt Kondensatoren bilden, deren Kapazitäten vom Drehwinkel idealerweise völlig unabhängig sind. Deshalb erfüllen diese Kondensatoren nur eine Auskoppelfunktion.From EP 258 725 A2 is a capacitive linear or Encoder for controlling and positioning moving Objects known. In its execution as an encoder two mutually spaced opposing stator disks, in the space between one Rotor disc is rotatably provided. The Rotor disc is with one, with the moving object coupled shaft rotatably connected. On each other facing sides of the stator disks and the rotor disk are electrically conductive coverings arranged with the Air gap each form capacitors, their capacitance values change with the rotation of the rotor disc. To achieve of the accuracy and resolution are the coverings so on the Rotor disk and the stator disks arranged that itself  at least two circular, concentric areas result, of which one area the measuring track of a Coarse measuring system and the other area the measuring track of a Precision measuring system forms. The digitally recorded values of the Coarse measuring systems are like this with the values of the fine measuring system combined that there is a clearly defined absolute value for gives the angle of rotation. This is achieved in that the of mutually associated linings of rotor disc and Coupling capacitances arising stator disks a course have about the rotation of the shaft, piece by piece is sinusoidal and that by adding several to each other shifted and with different sign piecewise sinusoidal capacities approximately purely sinusoidal capacity curve with one of the Number of measuring tracks dependent period arises. One of Air gaps between the stator disc and rotor disc is called Measuring air gap used to the above Angle measurements, and the second air gap is formed as a decoupling air gap, the pads on the mutually facing sides of the rotor disc and Stator disc form capacitors at this air gap, the Capacities ideally completely independent of the angle of rotation are. Therefore, these capacitors only fulfill one Decoupling function.

Es ist Aufgabe der Erfindung einen kapazitiven Winkelenkoder anzugeben, der eine hohe Auflösung und eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Exzentrizität gewährleistet.The object of the invention is a capacitive angle encoder specify the high resolution and low Guaranteed sensitivity to eccentricity.

Die Aufgabe wird durch einen kapazitiven Winkelenkoder mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. The task is carried out by a capacitive angle encoder with the Features of claim 1 solved. Beneficial Further developments are specified in the subclaims.  

Kondensatormeßanordnungen sind in vielfältigen Ausführungen bekannt. Drehwinkelgeber für hohe Auflösung arbeiten meist mit einer Spur für die grobe Auflösung von 2π und einer oder mehreren Feinspuren, die 2π in mehrere Perioden zerlegen und dann mit hoher Auflösung messen. Aus den Ergebnissen der groben Messung und der feinen Messung ergibt sich dann die Absolutwinkelinformation. Selbstverständlich kann die gleiche Anordnung auch für lineare Messungen angewendet werden. Bei den Spuren wird ein sinus- bzw. cosinusförmiger Verlauf in Abhängigkeit vom Winkel gewählt, weil sich dann Verstärkungsänderungen bei der Auswertung herausheben. Der erfindungsgemäße Winkelenkoder nutzt diese beschriebenen Vorzüge. Da die Geometrien der einzelnen Beläge jedoch ungenau und unsymmetrisch sein können, die Abstände zwischen Statorscheiben und Rotorscheiben oftmals nicht genau eingehalten sind und zudem der Rotor im Stator exzentrisch laufen kann, sind Winkelenkoder in der Praxis mit zahlreichen Fehlern behaftet. Bei der Anordnung gemäß der EP 258 725 A2 wird bereits versucht, diese Fehler statistisch zu reduzieren oder den Einfluß dieser Fehler zu minimieren. Trotzdem ist beim Bau eines Drehgebers nach obiger Schrift auf die hochpräzise Fertigung von Teilen zu achten. Vorzugsweise wird durch den besonders gestalteten Aufbau ein Lasertrimmabgleich nach der Endmontage des kapazitiven Winkelenkoders ermöglicht.Capacitor measuring arrangements are in various designs known. Rotation angle encoders for high resolution usually work with a track for the rough resolution of 2π and one or several fine tracks that break down 2π into several periods and then measure with high resolution. From the results of the then the rough measurement and the fine measurement Absolute angle information. Of course, the same can Arrangement can also be used for linear measurements. At the tracks will have a sinusoidal or cosine curve in Dependence on the angle chosen because then Highlight changes in gain during evaluation. The angle encoder according to the invention uses these described Benefits. However, since the geometries of the individual coverings are inaccurate and can be asymmetrical, the distances between Stator disks and rotor disks are often not accurate are adhered to and the rotor in the stator is eccentric angle encoders are in practice with numerous Buggy. In the arrangement according to EP 258 725 A2 attempts are already being made to statistically reduce these errors or to minimize the influence of these errors. Still is when building an encoder according to the above writing on the high-precision manufacturing of parts. Preferably laser trim adjustment due to the specially designed structure after the final assembly of the capacitive angle encoder.

Eine hohe Genauigkeit bei relativ niedrigen Herstellungskosten wird dadurch erreicht, daß die Fertigung der Einzelteile mit relativ geringer Präzision erfolgen kann und auch die Montage größere Toleranzen zuläßt und daß dann ein Endabgleich, beispielsweise durch Lasertrimmen, nach der Endmontage durchgeführt werden kann. Eine bislang häufig angewandte Methode zur Korrektur von Fehlern ist eine Kalibriermessung mit einen Referenzgeber und die elektronische Speicherung von winkelpositionsabhängigen Korrekturwerten. Diese Methode erfordert jedoch eine Paarung von Sensor und Elektronik. Mit dem vorgeschlagenen Abgleich kann der kapazitive Winkelenkoder von reproduzierbaren winkelabhängigen Fehlern befreit werden, indem man zum Beispiel mit Hilfe eines Referenzwinkelgebers die Ist-Winkel mit den Meßwinkeln vergleicht und daraus für jeden Winkel und jede Kapazität eine Korrekturkapazität bestimmt, die beispielsweise durch einen Laserabgleich der Beläge der Korrekturkapazitäten realisiert werden kann. Somit ist der kapazitive Winkelenkoder nach dem Zusammenbau jedoch bevor er in ein Gehäuse eingebaut wird oder zumindest bevor das Gehäuse mit einem Deckel versehen wird abgleichbar und durch Ungenauigkeiten entstandene winkelabhängige Fehler können korrigiert werden. Durch den Abgleich wird eine hohe endgültige Präzision im vollen Meßbereich erreicht.High accuracy with relatively low manufacturing costs is achieved in that the manufacture of the individual parts with relatively low precision can be done and also the assembly allows larger tolerances and then a final adjustment, for example by laser trimming, after final assembly can be carried out. A widely used so far A method of correcting errors is a calibration measurement with a reference transmitter and the electronic storage of correction values dependent on the angular position. This method  however requires a pairing of sensor and electronics. With the capacitive angle encoder can be the proposed adjustment be freed from reproducible angle-dependent errors, by, for example, using a reference angle encoder compares the actual angle with the measuring angle and uses it for a correction capacity for every angle and capacity determined, for example, by laser alignment Correction capacities can be realized. Consequently is the capacitive angle encoder after assembly before it is installed in a housing or at least before the housing with a lid is adjustable and angle-dependent errors caused by inaccuracies can be corrected. The adjustment is high final precision in the full measuring range.

Die Beläge auf den Stator- und Rotorscheiben sind derart ausgebildet, daß kontinuierliche Sinus- bzw. Cosinusverläufe der Signale über den vollen Bereich von 2π vorliegen.The coatings on the stator and rotor disks are like this trained that continuous sine or cosine curves the signals are present over the full range of 2π.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll anhand der Zeichnungen erläutert werden. Es zeigenAn embodiment of the invention is based on the Drawings are explained. Show it

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen kapazitiven Winkelenkoder mit Abgleichmöglichkeit, Fig. 1 shows a cross section through a capacitive angle steering or with adjustment possible,

Fig. 2 die Anordnung der Beläge in der ersten Ebene, Fig. 2 shows the arrangement of the pads in the first plane,

Fig. 3 und 4 die Anordnung der Beläge in der zweiten Ebene. FIGS. 3 and 4, the arrangement of the pads in the second plane.

Der kapazitive Winkelenkoder besteht aus einem Gehäuse 1, das einen Deckel 16 aufweist und mit dem Stator fest verbunden ist. Der Stator weist Statorscheiben 4, 6, 8 und 10 auf. Zwischen den Statorscheiben bewegen sich die Rotorscheiben 5, 7 und 9, die am Rotor 2 befestigt sind. The capacitive angle encoder consists of a housing 1 , which has a cover 16 and is firmly connected to the stator. The stator has stator disks 4 , 6 , 8 and 10 . The rotor disks 5 , 7 and 9 , which are fastened to the rotor 2 , move between the stator disks.

Alle Stator- und Rotorscheiben 4 bis 10 bestehen aus einem Isolatormaterial und dienen als Träger für Kondensatorbeläge. Die Scheiben sind teilweise von oben und unten beschichtet und die Beläge weisen verschiedene Formen auf. Beim dargestellten Winkelenkoder kann man drei Ebenen unterscheiden. Diese Ebenen üben unterschiedliche Funktionen aus. Die erste Ebene wird aus der Oberseite der Statorscheibe 4, der Ober- und der Unterseite der Rotorscheibe 5 und der Unterseite der Statorscheibe 6 gebildet. Die zweite Ebene wird von der Oberseite der Statorscheibe 6 von Ober- und Unterseite der Rotorscheibe 7 und von der Unterseite der Statorscheibe 8 gebildet. Die dritte Ebene wird aus der Rotorscheibe 9 und Statorscheibe 10 gebildet.All stator and rotor disks 4 to 10 consist of an insulator material and serve as a carrier for capacitor coatings. The panes are partially coated from above and below and the pads have different shapes. In the angle encoder shown, three levels can be distinguished. These levels perform different functions. The first level is formed from the top of the stator disk 4 , the top and bottom of the rotor disk 5 and the bottom of the stator disk 6 . The second level is formed by the top of the stator disk 6 from the top and bottom of the rotor disk 7 and by the bottom of the stator disk 8 . The third level is formed from the rotor disk 9 and stator disk 10 .

Die erste Ebene:The first level:

Die Beläge der Oberseite der Statorscheibe 4 und der Unterseite der Statorscheibe 6 sind parallel geschaltet. Ebenso die Beläge von Ober- und Unterseite der Rotorscheibe 5. Auf den beiden Seiten der Rotorscheibe und auf den beiden Statorscheiben sind Kondensatorflächen ausgebildet, die breite ringförmige Flächen einnehmen, die unabhängig von der Winkelposition des Rotors immer eine konstante Koppelkapazität zwischen Statorscheibe und Rotorscheibe herstellen. Diese konstante Koppelkapazität sei die Erregerseite des Winkelenkoders. Ladungen, die in der ersten Ebene auf die Rotorscheibe influenziert werden, werden durch eine leitende Verbindung zwischen dem entsprechenden Belag der Rotorscheibe 5 und den Belägen der Rotorscheibe 7 in die zweite Ebene transportiert. Zusätzlich zur Erregung ist in der ersten Ebene eine Spur als Grobmeßsystem angeordnet, mit dem eine erste grobe Winkelbestimmung im Bereich zwischen 0 und 2π ermöglicht wird. Der Aufbau dieser Spur ist aus Fig. 2 ersichtlich. Auf der Oberseite der Statorscheibe 4 und der Unterseite der Statorscheibe 6 befindet sich zunächst der Erregerbelag 20 und zusätzlich vier Quadrantenbeläge 21 bis 24. Die sich gegenüberstehenden Beläge auf der Oberseite der Statorscheibe 4 und der Unterseite der Statorscheibe 6 sind parallel geschaltet. Die beiden Seiten der Rotorscheibe 5 sind jeweils mit dem Belag 25 beschichtet, der einmal mit dem Erregerbelag 20 eine winkelunabhängige Koppelkapazität bildet und zusätzlich durch die exzentrische Außenkontur mit den vier Quadrantenbelägen vom Winkel ϕ abhängige Koppelkapazitäten bildet. Dabei gilt:
C21(ϕ)-C23(ϕ) = B · sin ϕ,
mit Cÿ Koppelkapazität des Quadrantenbelags ÿ,
C22(ϕ)-C24(ϕ) = B · cos ϕ,
mit Cÿ Koppelkapazität des Quadrantenbelags ÿ. Entsprechend kann der Grobwinkel ϕ ermittelt werden.
ϕ = arctan (B · sin ϕ/B · cos ϕ).The coatings on the top of the stator disk 4 and the underside of the stator disk 6 are connected in parallel. The same applies to the coatings on the top and bottom of the rotor disk 5 . Capacitor surfaces are formed on both sides of the rotor disk and on the two stator disks, which take up wide, annular surfaces which always produce a constant coupling capacitance between the stator disk and the rotor disk, regardless of the angular position of the rotor. This constant coupling capacity is the excitation side of the angle encoder. Charges which are influenced on the rotor disk in the first level are transported into the second level by a conductive connection between the corresponding coating on the rotor disk 5 and the coatings on the rotor disk 7 . In addition to the excitation, a track is arranged in the first level as a coarse measuring system, with which a first coarse angle determination in the range between 0 and 2π is made possible. The structure of this track can be seen in FIG. 2. On the top of the stator disk 4 and the underside of the stator disk 6 there is first the excitation layer 20 and additionally four quadrant layers 21 to 24 . The facing coatings on the top of the stator disk 4 and the bottom of the stator disk 6 are connected in parallel. The two sides of the rotor disk 5 are each coated with the coating 25 , which forms an angle-independent coupling capacity with the excitation coating 20 and additionally forms coupling capacities dependent on the angle ϕ due to the eccentric outer contour with the four quadrant coatings. The following applies:
C 21 (ϕ) -C 23 (ϕ) = Bsin ϕ,
with C ÿ coupling capacity of the quadrant coating ÿ,
C 22 (ϕ) -C 24 (ϕ) = Bcos ϕ,
with C ÿ coupling capacity of the quadrant coating ÿ. The rough angle ϕ can be determined accordingly.
ϕ = arctan (B · sin ϕ / B · cos ϕ).

2. Ebene:2nd level:

Auf der zweiten Ebene sind die Feinspuren des Winkelpositionsmeßsystems ausgebildet. Die Oberseite der Statorscheibe 6 und die Unterseite der Statorscheibe 8 tragen sich entsprechende ringförmige Beläge. Solche Beläge sind in Fig. 4 dargestellt. Sie zeichnen sich dadurch aus, daß sich ihre Fläche in Abhängigkeit vom Winkel ändert. Die Flächenänderungen folgen einer Sinus- bzw. Cosinus-Funktion. Die Oberseite und die Unterseite der Rotorscheibe 7 tragen fächerförmige Beläge (entsprechend Fig. 3). Die Beläge der Rotorscheibe sind miteinander parallel geschaltet und mit den Belägen der Rotorscheibe 5 leitend verbunden. Zwischen den fächerförmigen Belägen der Rotorscheibe und den ringförmigen Belägen der Statorscheiben werden vom Drehwinkel ϕ abhängige Koppelkapazitäten gebildet. Die ringförmigen Beläge der Statorscheiben sind so untereinander parallel geschaltet, daß sich gegenüber den Belägen der Rotorscheibe zwei Paare von Kapazitäten ergeben, welchen nach Differenzbildung den Funktionen:
C1 (n · ϕ) - C2 (n · ϕ) = A · sin (n · ϕ),
C3 (n · ϕ) - C4 (n · ϕ) = A · cos (n · ϕ),
folgen, wobei nε |N.The fine traces of the angular position measuring system are formed on the second level. The top of the stator disk 6 and the underside of the stator disk 8 have corresponding annular coatings. Such coverings are shown in Fig. 4. They are characterized by the fact that their area changes depending on the angle. The area changes follow a sine or cosine function. The top and bottom of the rotor disc 7 have fan-shaped pads (corresponding to Fig. 3). The pads of the rotor disk are connected in parallel with one another and conductively connected to the pads of the rotor disk 5 . Coupling capacitances dependent on the angle of rotation gebildet are formed between the fan-shaped linings of the rotor disk and the annular linings of the stator disks. The ring-shaped linings of the stator disks are connected in parallel with one another in such a way that two pairs of capacities result compared to the linings of the rotor disk, which, after forming the difference, have the functions
C 1 (n · ϕ) - C 2 (n · ϕ) = A · sin (n · ϕ),
C 3 (n · ϕ) - C 4 (n · ϕ) = A · cos (n · ϕ),
follow, where nε | N.

Es ist zu erkennen, daß sich für die Spuren des Feinmeßsystems die Sinus- bzw. Cosinus-Funktionen über 2π n-mal periodisch wiederholen. Die Amplituden A sind gleich. Um innerhalb einer Periode den Winkel ϕ zu ermitteln, wird
n · ϕ = arctan (A · sin (n · ϕ)/A · cos (n · ϕ)),
ermittelt. Dabei fällt die Amplitude A, welche durch Driften und Verstärkungsschwankungen beeinflußt wird, heraus. Um den Absolutwinkel ϕ zu ermitteln muß aus der Spur des Grobmeßsystems die n-te Periode ermittelt werden. Dies erfolgt durch Bestimmung des Grobwinkels.It can be seen that the sine or cosine functions for the traces of the precision measuring system are repeated periodically over 2π n times. The amplitudes A are the same. To determine the angle ϕ within a period,
n · ϕ = arctan (A · sin (n · ϕ) / A · cos (n · ϕ)),
determined. The amplitude A, which is influenced by drifting and gain fluctuations, falls out. In order to determine the absolute angle ϕ, the nth period must be determined from the track of the rough measuring system. This is done by determining the rough angle.

3. Ebene:3rd level:

Für jede der zu bestimmenden Kapazitäten ist auf einer weiteren Statorscheibe 10 ein elektrisch leitfähiger Belag vorgesehen, der mit einem Steg 15 auf der Rotorscheibe 9 eine Korrekturkapazität bildet. Jeder Kapazität wird eine solche Korrekturkapazität parallel geschaltet. Der metallische Steg 15 ist auf ein schmales Kreissegment beschränkt und bildet mit den kreisflächenförmigen Belägen 11, 12, 13, 14 auf der Statorscheibe 10 sehr kleine lokale Koppelkapazitäten. Der Steg ist leitend mit den restlichen Belägen des Rotors verbunden. Solange die kreisförmigen Beläge 11, 12, 13 und 14 über den vollen Umfang ihre Breite nicht ändern, ändern sich auch die Korrekturkapazitäten bei Drehung des Rotors nicht. Den Kapazitäten der ersten und zweiten Ebene werden also vom Drehwinkel ϕ unabhängige Korrekturkapazitäten parallel geschaltet. Diese haben somit keinen Einfluß auf die Fehlerverteilung. Nimmt man jedoch für unterschiedliche Drehwinkel ϕ jeweils genau über der Momentanstellung des Stegs 15 eine Breitenänderung der Beläge 11-14 vor, so ändern sich die Korrekturkapazitäten und somit auch die Summenkapazitäten aus den Kapazitäten der ersten und zweiten Ebene und den Korrekturkapazitäten. Somit kann man den mechanischen Teil des Sensors von reproduzierbaren winkelabhängigen Fehlern befreien. Das Verändern der Breite der Beläge kann beispielsweise durch Abtragen mit einem Laser erfolgen, es könnte aber auch ein zusätzliches Beschichten vorgesehen sein.For each of the capacitances to be determined, an electrically conductive coating is provided on a further stator disk 10 , which forms a correction capacitance with a web 15 on the rotor disk 9 . Such a correction capacity is connected in parallel to each capacity. The metallic web 15 is limited to a narrow segment of a circle and forms very small local coupling capacitances with the circular-shaped coverings 11 , 12 , 13 , 14 on the stator disk 10 . The web is conductively connected to the remaining rotor linings. As long as the circular pads 11 , 12 , 13 and 14 do not change their width over their full circumference, the correction capacities do not change when the rotor is rotated. Correction capacities independent of the angle of rotation ϕ are therefore connected in parallel to the capacitances of the first and second levels. These have no influence on the error distribution. Assuming, however, for different angles of rotation φ, respectively exactly above the instantaneous position of the web 15, a width change of the linings 11 to 14 is present, the correction capacity and thus also the sum of capacities of the capacitances of the first and second levels and the correction capacity change. The mechanical part of the sensor can thus be freed from reproducible angle-dependent errors. The width of the coverings can be changed, for example, by ablation with a laser, but an additional coating could also be provided.

Claims (9)

1. Kapazitiver Winkelenkoder aus einem Stator mit mindestens zwei einen gegenseitigen Abstand bildenden Statorscheiben (4, 6, 8, 10), in deren Zwischenraum mindestens eine Rotorscheibe (5, 7, 9) eines Rotors (2) drehbar angeordnet ist, wobei jeweils auf einander zugewandten Seiten der Statorscheiben und der Rotorscheibe elektrisch leitfähige Beläge angeordnet sind, die mit einem zugeordneten Spalt zwischen der Rotor- und der Statorscheibe jeweils Kondensatoren bilden, wobei ein Grobmeßsystem und ein Feinmeßsystem mit jeweils mindestens einem Kondensator, dessen Kapazitätswert sich mit der Drehung des Rotors (2) ändert, vorgesehen ist und ein Kondensator vorgesehen ist, dessen Kapazität vom Drehwinkel unabhängig ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoren jeweils aus sich entsprechenden Belägen auf zwei Seiten einer Rotorscheibe (5, 7) und aus sich entsprechenden Belägen auf den der Rotorscheibe gegenüberliegenden Seiten von Statorscheiben gebildet werden, wobei die Beläge auf der Rotorscheibe bzw. den Statorscheiben jeweils parallel geschaltet sind, daß der Kondensator, dessen Kapazität vom Drehwinkel unabhängig ist, als Erregerkondensator von anderen Kondensatoren dient, und daß die Beläge derart ausgebildet sind, daß die Winkelabhängigkeit der Kapazitätswerte über den vollen Winkelbereich von 2π einer kontinuierlichen Sinus- oder Cosinus-Funktion folgt.1. Capacitive angle encoder consisting of a stator with at least two stator disks ( 4 , 6 , 8 , 10 ) forming a mutual distance, in the space between which at least one rotor disk ( 5 , 7 , 9 ) of a rotor ( 2 ) is rotatably arranged, in each case on mutually facing sides of the stator disks and the rotor disk are arranged electrically conductive coatings which each form capacitors with an associated gap between the rotor and stator disks, a coarse measuring system and a fine measuring system each having at least one capacitor, the capacitance value of which rotates with the rotation of the rotor ( 2 ) changes, is provided and a capacitor is provided, the capacitance of which is independent of the angle of rotation, characterized in that the capacitors each consist of corresponding coatings on two sides of a rotor disk ( 5 , 7 ) and of corresponding coatings on that of the rotor disk opposite sides formed by stator washers the, the coatings on the rotor disk or the stator disks are connected in parallel, that the capacitor, whose capacitance is independent of the angle of rotation, serves as an excitation capacitor of other capacitors, and that the pads are designed such that the angular dependence of the capacitance values over the full angular range of 2π follows a continuous sine or cosine function. 2. Kapazitiver Winkelenkoder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einen Kondensator bildende Beläge auf der einen Scheibe aus n gleichmäßig verteilten miteinander verbundenen Kreissegmenten und auf der anderen Scheibe aus mindestens einem ringförmigen Belag bestehen, dessen Fläche pro Winkelsegment sich über 2π periodisch ändert.2. Capacitive angle encoder according to claim 1, characterized characterized in that a capacitor forming deposits on the a disk of n evenly distributed with each other connected circle segments and on the other disc  at least one annular covering, the area periodically changes over 2π per angular segment. 3. Kapazitiver Winkelenkoder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmigen Beläge derart miteinander parallelgeschaltet sind, daß sich gegenüber den kreissegmentartigen Belägen zwei Paare von Kapazitäten C1, C2, C3, C4 ergeben, welche nach Differenzbildung den folgenden vom Drehwinkel ϕ abhängigen Funktionen folgen:
C1 - C2 = A sin (n · ϕ) und
C3 - C4 = A cos (n · ϕ), n ε |N.3. Capacitive angle encoder according to claim 2, characterized in that the ring-shaped pads are connected in parallel with one another in such a way that two pairs of capacitances C 1 , C 2 , C 3 , C 4 result compared to the segment-like pads, which, after forming the difference, follow the rotation angle ϕ dependent functions follow:
C 1 - C 2 = A sin (n · ϕ) and
C 3 - C 4 = A cos (n · ϕ), n ε | N. 4. Kapazitiver Winkelenkoder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß einen Kondensator bildende Beläge auf der einen Scheibe aus einem Kreisringsegment und auf der anderen Scheibe aus einem kreis- oder ringförmigen Belag bestehen, dessen Fläche pro Winkelsegment sich über 2π periodisch ändert.4. Capacitive angle encoder according to one of claims 1 to 3, characterized in that coverings forming a capacitor on the one disc from a circular ring segment and on the another disc from a circular or ring-shaped coating exist, the area per angular segment is over 2π changes periodically. 5. Kapazitiver Winkelenkoder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für das Grobmeßsystem auf einer Scheibe vier Kreisringsegmente und auf der anderen Scheibe ein kreisförmiger Belag, dessen Fläche pro Winkelsegment sich über 2π einmal periodisch ändert, aufweist und gegenüberliegende Kreisringsegmente zu dem kreisförmigen Belag Kapazitäten aufweisen, die nach Differenzbildung dem folgenden von Drehwinkel ϕ abhängige Funktionen folgen:
C21 - C23 = B · sin ϕ und
C22 - C24 = B · cos ϕ.5. Capacitive angle encoder according to claim 4, characterized in that for the coarse measuring system on one disk four circular ring segments and on the other disk a circular coating, the area per angular segment changes periodically over 2π, and having opposite circular ring segments to the circular coating capacities which follow the following functions depending on the angle of rotation nach after forming the difference:
C 21 - C 23 = B · sin ϕ and
C 22 - C 24 = Bcos ϕ. 6. Kapazitiver Winkelenkoder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Seite einer Statorscheibe (10) nach dem Zusammenbau des Winkelenkoders und wahlweise vor Verschluß oder Einbau in ein Gehäuse (16) zugänglich ist, daß die Seite der Statorscheibe (10) leitfähige Beläge (11-14) aufweist, daß die zu dieser Statorscheibe (10) zugehörige, auf der von den Belägen (11-14) abgewandten Seite der Statorscheibe (10) liegende Rotorscheibe (9) einen radial verlaufenden leitenden Steg (15) aufweist, daß jeweils einer der leitfähigen Beläge (11-14) mit dem Steg (15) einen Korrekturkondensator bildet, der einem der Kondensatoren parallel geschaltet ist, daß die Kapazität jedes Korrekturkondensators durch Verändern der Beläge (11-14) für jeden beliebigen Winkel einstellbar ist.6. Capacitive angle encoder according to one of claims 1 to 5, characterized in that one side of a stator disc ( 10 ) after assembly of the angle encoder and optionally before closure or installation in a housing ( 16 ) is accessible that the side of the stator disc ( 10 comprising 14), that the corresponding to this stator (10) on which the coverings (11 - -) conductive coverings (11 lying remote 14) side of the stator disc (10), rotor disc (9) has a radially extending conductive web (15) , in that each one of the conductive pads (11-14) forms a correction capacitor connected to the web (15) of one of the capacitors is connected in parallel, that the capacitance of each correction capacitor by changing the coverings (11-14) adjustable to any angle is. 7. Kapazitiver Winkelenkoder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Steg (15) auf ein schmales Kreissegment beschränkt ist.7. Capacitive angle encoder according to claim 6, characterized in that the web ( 15 ) is limited to a narrow segment of a circle. 8. Kapazitiver Winkelenkoder nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Beläge (11-14) auf der zugänglichen Seite der Statorscheibe (10) vor einer Veränderung kreisringförmig ausgebildet sind.8. Capacitive angle encoder according to one of claims 6 or 7, characterized in that the coverings ( 11 - 14 ) on the accessible side of the stator disc ( 10 ) are annular before a change. 9. Kapazitiver Winkelenkoder nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Beläge (11-14) auf der zugänglichen Seite der Statorscheibe (10) mit einem Laser bearbeitbar sind.9. Capacitive angle encoder according to one of claims 6 to 8, characterized in that the coatings ( 11 - 14 ) on the accessible side of the stator disc ( 10 ) can be processed with a laser.
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