Sensor de ángulo de rotación capacitivo.

Sensor de ángulo de rotación capacitivo que comprende al menos un estator (90,

135) y un rotor rotativo (80, 120, 140, 145) que está conectado con un objeto cuyo ángulo de rotación debe ser medido, presentando el estator unos electrodos de condensador (91, 92) en forma de segmento anular y teniendo el rotor una forma eléctricamente eficaz de tal modo que, en caso de la rotación del rotor, el campo eléctrico que goberna entre los electrodos de condensador y el rotor experimenta una variación periodica que depende del ángulo de rotación,

caracterizado por que

- el rotor presenta una forma o magnitud eléctricamente eficaz cuyo límite es dado en coordenadas polares de acuerdo con la fórmula en la cual.

- r(op) es la magnitud eléctricamente eficaz, en particular el radio del contorno de la forma eléctricamente eficaz,

- op el azimut del sistema de coordenadas polares,

- n el número de periodos locales encima de 360° en la forma eléctricamente eficaz,

- r0 el promedio de segundo grado del radio máximo ra y del radio mínimo ri del límite de la forma eléctricamente eficaz,

- a es una constante que es responsable de la variación del radio r(op), con**Fórmula**

Sensor de ángulo de rotación capacitivo Ámbito técnico

La presente invención se refiere a un dispositivo para la exploración capacitiva de divisiones de circulo, muchas veces denominado como sensor de ángulo de rotación, pero también como codificador de ángulo de rotación o captador rotativo. Muchas aplicaciones para medir la posición, la velocidad o la aceleración precisan estos sensores de ángulo de rotación con una exactitud y resolución extraordinariamente elevadas del valor de ángulo indicado o emitido, muchas veces con una exactitud de pocos minutos angulares. Estos sensores de ángulo de rotación altamente precisos se utilizan frecuentemente en ambientes desfavorables, es decir, ambientes con altas oscilaciones de temperatura y/o vibraciones importantes y/o suciedades y/o agua etc., por ejemplo en turbinas de vapor o de agua, en puertas de presas, en locomotivas o en estructuras de vehículo. También en estas aplicaciones se espera que cumplan con su tarea durante muchos años de modo fiable, exentos de desgaste y de mantenimiento, y sin disminuir la exactitud.

Antecedentes y estado de la técnica

Actualmente, los captadores rotativos se emplean en muchos campos para el mando y control de máquinas y vehículos. Para ello, una importancia especial corresponde a los aparatos libres de contacto ya que funcionan de modo fiable también bajo condiciones difíciles y tienen una larga vida gracias a sus sensores libres de desgaste. Pueden trabajar con una base óptica, inductiva, magnética o capacitiva. Los sensores de ángulo de rotación capacitivos convierten un movimiento giratorio en una señal de salida a través de la interacción capacitiva entre al menos un rotor y al menos un estator. Su estructura sencilla convierte los sensores de ángulo de rotación capacitivos en sensores seguros, robustos y ventajosos. Existen varias maneras de construcción de estos sensores de ángulo de rotación capacitivos. Según la forma y posición de los electrodos y del rotor es posible medir un sector de 360° o una fracción del mismo.

En un primer tipo de construcción, un rotor electroconductor se encuentra a una distancia fija con respecto a un estator o entre dos estatores que contiene o contienen una cierta cantidad de electrodos. La capacidad dependiente de la posición es formada entre estos electrodos de emisión en el estator y el electrodo receptor común en el rotor. Esta construcción es problemática ya que el circuito de medición precisa una conexión eléctrica con el rotor. Esta conexión es formada bien a través de una conexión fija por alambre, bien a través de contactos deslizantes. La primera solución de conexión no permite un giro sin límite del rotor, y la segunda solución no está exenta de fricción y desgaste.

En un segundo tipo de construcción, los electrodos emisores y receptores se encuentran en uno o varios estatores entre los cuales uno (o varios) rotores dieléctricos modulan el campo eléctrico. El rotor dieléctrico está estructurado en su forma de contorno y/o su espesor de manera correspondente para obtener una señal de salida dependiente del ángulo.

Un tercer tipo de construcción difiere del segundo tipo de construcción por el hecho que el rotor se compone de un material estructurado electroconductor o que una capa electroconductora está vertebrada encima de un soporte no conductor. Para esta estructura se coloca una toma de tierra y ella actúa como pantalla eléctrica, de modo que la capacidad entre los electrodos emisores y receptores es modificada de manera selectiva. Para la toma de tierra existen varias técnicas, de las cuales, para un sensor de ángulo de completa rotación, únicamente es útil la toma de tierra sin conexión fija eléctrica o sin anillo deslizante. A través de un circuito de reallmentaclón, con un par adicional de electrodos, el rotor puede ser regulado hasta una masa virtual, es decir, un potencial constante. De esta manera, los anillos deslizantes se vuelven superfluos.

En un cuarto tipo de construcción, adicional, el rotor se compone de un soporte aislante, en el que sobre ambos lados están aplicadas unas capas electroconductoras que están conectadas eléctricamente las unas con las otras. Mediante la vertebraclón de al menos una de estas capas se obtiene un acoplamiento dependiente del ángulo entre los electrodos emisores y receptores en los estatores.

Un quinto tipo de construcción consiste únicamente de un estator y un rotor. Encima del mismo sustrato del estator se encuentran los electrodos emisores y receptores. El rotor consiste de capas estructuradas electroconductoras que provocan un acoplamiento dependiente del ángulo entre el electrodo emisor y el electrodo receptor en el estator.

Se conocen unos tipos de construcción adicionales pero que están basados en los tipos de construcción antes descritos.

De esta manera se describe por ejemplo en el documento DE 42 34 016 A1 un dispositivo de medición de posición con función capacitiva que presenta varias capacidades parciales. El valor del mismo varía con la posición de giro de un rotor, en donde la variación sigue en principio una función seno en dependencia del ángulo de rotación del rotor. El rotor o las capacidades parciales presentan unos limites definidos. Los valores medidos de capacidad son convertidos en constantes de tiempo o frecuencias que sirven como valores básicos de una función periódica cuya análisis espectral determina la posición de giro a través del cálculo por microprocesador.

Para mejorar la explicación de la presente invención, el estado de la técnica actual es representado y descrito en relación con las figuras 1 a 6.

Un sensor de ángulo de rotación completa del tercer tipo de construcción que está disponible en el mercado es producido bajo el nombre de "Kinax 2W2" por la empresa Camille Bauer AG, Wohlen, Suiza. En la figura 1, se muestra de modo esquemático en un corte longitudinal y a continuación es descrito en más detalles. El proceso de medición aplicado en el mismo se describe con todo detalle en la patente EP 1 251 338.

En un principio, el condensador dependiente del ángulo de rotación - y por lo tanto el propio generador de valor medido de este sensor de ángulo de rotación - se compone de dos placas de condensador colocadas fijamente en la carcasa; una placa segmentada de condensador diferencial 1 y una placa común de electrodos receptores 2 que se encuentran opuestas a una distancia reducida y entre las cuales se genera un campo eléctrico. Este campo eléctrico es influenciado por la aleta 4 que está dispuesta de modo giratorio alrededor del eje central y conectada fijamente con el eje 5. Entre la placa del electrodo emisor y receptor 1 o 2 se encuentra un anillo distanciador 3 que proporciona una distancia fija, definida, de las placas de electrodo y la aleta 4. La aleta 4 consiste de un aluminio con un espesor de 0.3 mm. La electrónica de valoración 6 está situada en los lados exteriores de las placas de condensador y es alimentada de energía a través de dos filtros de transmisión 7 y es leida. Estos filtros de transmisión 7 forman conjuntamente con los cuencos de carcasa de aluminio 8 y 9 una protección eficaz contra interferencias eléctricas exteriores que actúan sobre el sensor.

Los segmentos de la placa de condensador diferencial 1 forman cuatro electrodos 21 dispuestos de modo concéntrico y respectivamente en forma de media corona circular: E1, E2, E3 y E4. Los pares de electrodos E1, E2 así como E3, E4 forman conjuntamente con el electrodo común receptor 25 en cada caso un condensador diferencial. En este caso están solapadas las zonas de electrodos en forma de media corona circular de los electrodos adyacentes en 90°; ello está representado en la Fig. 2a. Entre estos electrodos de condensador 21 y el electrodo receptor 25 en la Fig. 2b se encuentra un rotor 4 giratorio, electroconductor e igualmente segmentado que está fijado sobre un eje 5 que lleva al exterior y está puesto a tierra virtualmente a través de un circuito de regulación y dos electrodos separados de regulación 22 en los estatores. En caso de una torsión de este eje con respecto a la carcasa se modifican las capacidades de los condensadores diferenciales de acuerdo con la posición angular del eje. Estas modificaciones son determinadas por el circuito de medición 6, que está dispuesto asimismo en la carcasa y realizado de modo digital en el sensor de ángulo de rotación aquí descrito, y son indicadas de manera correspondiente.

Una aleta que corresponde a la placa de condensador diferencial 20 se muestra en la Fig. 3. Se compone de aluminio de un espesor de 0.3mm y apantalla el electrodo receptor 2 en un área angular de 180°. En el interior, la aleta presenta una congruencia con los... [Seguir leyendo]

1. Sensor de ángulo de rotación capacitivo que comprende al menos un estator (90, 135) y un rotor rotativo (80, 120, 140, 145) que está conectado con un objeto cuyo ángulo de rotación debe ser medido, presentando el estator unos electrodos de condensador (91, 92) en forma de segmento anular y teniendo el rotor una forma eléctricamente eficaz de tal modo que, en caso de la rotación del rotor, el campo eléctrico que goberna entre los electrodos de condensador y el rotor experimenta una variación periódica que depende del ángulo de rotación, caracterizado por que

- el rotor presenta una forma o magnitud eléctricamente eficaz cuyo límite es dado en coordenadas polares de acuerdo con la fórmula = ^n a'cos(n'{P) + rt> en la cual

- r(cp) es la magnitud eléctricamente eficaz, en particular el radio del contorno de la forma eléctricamente eficaz,

- cp el azimut del sistema de coordenadas polares,

- n el número de periodos locales encima de 360° en la forma eléctricamente eficaz,

- r0 el promedio de segundo grado del radio máximo ra y del radio mínimo r¡ del límite de la forma eléctricamente eficaz,

- a es una constante que es responsable de la variación del radio r(cp), con

n n

2. Sensor de ángulo de rotación de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el rotor (80, 120, 140, 145) presenta por lo menos dos zonas de rotor concéntricas diferentes que forman unas pistas, una pista gruesa (82, 123, 142, 146) y una pista de precisión (81, 121, 141), presentando estas pistas una forma exterior y/o un espesor y/o una constante dieléctrica y/o una conductividad que varian de modo diferente sobre la periferia, y estando cada pista en interacción eléctrica con una zona opuesta de un electrodo de condensador segmentado (91, 92), y presentando por lo menos la pista de precisión la forma eléctricamente eficaz.

3. Sensor de ángulo de rotación de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado por que la pista gruesa (82, 123, 142, 146) está dispuesta concéntricamente en el interior y la pista de precisión (81, 121, 141) concéntricamente en el exterior.

4. Sensor de ángulo de rotación de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado por que la pista gruesa (82, 123, 142, 146) corresponde al menos aproximadamente a la forma eléctricamente eficaz.

5. Sensor de ángulo de rotación de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque está prevista una tercera zona de rotor (124) dispuesta concéntricamente, de modo preferente en el interior, que constituye una tercera pista, y por que los electrodos de condensador presentan una zona (131) con la cual esta tercera pista está en interacción eléctrica.

6. Sensor de ángulo de rotación de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que un segundo estator está previsto, que presenta un electrodo de condensador no segmentado (95, 130) y por que el rotor está dispuesto entre el electrodo de condensador segmentado (90, 135) y el no segmentado (95, 130).

7. Sensor de ángulo de rotación de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que el límite sobre el rotor entre las pistas (81, 82 y 122, 123, 142) define una forma eléctricamente eficaz, de modo preferente la forma eléctricamente eficaz de la pista gruesa (123, 142).

8. Sensor de ángulo de rotación de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que la forma eléctricamente eficaz de la pista de precisión está formada por el borde periférico exterior (81, 121, 141) del rotor.

9. Sensor de ángulo de rotación de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que al menos una de las pistas (81, 142) del rotor se compone de un material dieléctrico.

10. Sensor de ángulo de rotación de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que el rotor se compone de un material dieléctrico, la pista gruesa está formada por modulación de espesor del material y/o la pista de precisión está formada por un borde periférico según la forma eléctricamente eficaz.

11. Sensor de ángulo de rotación de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que el rotor se compone de un material dieléctrico, estando definidos el borde periférico de la pista gruesa al menos de modo aproximativo y el borde periférico de la pista de precisión de manera exacta por la forma eléctricamente eficaz.

12. Sensor de ángulo de rotación de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que al

menos una de las pistas (122, 123) del rotor está compuesta de un material electroconductor, estando todas las pistas conductoras mantenidas en un potencial eléctrico constante a través de un circuito de regulación.

13. Sensor de ángulo de rotación de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que la 10 pista de precisión y/o la pista gruesa (142) se componen de orificios pasantes (146), de modo preferente elípticos,

cuya delimitación radialmente exterior y/o radialmente interior define la forma eléctricamente eficaz de la pista respectiva.

14. Sensor de ángulo de rotación de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los 15 electrodos de condensador segmentados se componen de al menos dos zonas (91, 92) en forma de corona circular

dispuestas concéntricamente que están segmentadas de manera diferente.

15. Sensor de ángulo de rotación de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que el estator presenta en su lado opuesto a los electrodos de condensador al menos una parte de un circuito de

2 0 alimentación y/o de valoración (110) del sensor de ángulo de rotación, comprendiendo el mismo de modo preferente un microprocesor y/o un convertidor integrado de capacidad a digital.