KONDENSATORELEMENT MIT ELEKTRODENFLAECHEN-MUSTER FOER KAPA¬ ZITIVE MESSWERTGEBER

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kondensatorelement mit Elektrodenflächen-Muster für kapazitive Messwertgeber gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es sind Anwendungen bekannt, bei denen kapazitive Messwert¬ geber mit gegeneinander verdrehbaren Kondensatorteilen als Messelement für rotative Bewegungen verwendet werden. Auch lineare Anwendungen kapazitiver Messwertgeber sind bekannt, bei denen Teile eines Kondensators linear relativ zueinander verschoben werden. Die Messgenauigkeit und/oder Auflösung solcher Winkel- und Längen-Messwertgeber im jeweils verwen¬ deten Messbereich hängt bei diesen Anwendungen im wesentli¬ chen von der Feinheit der Abstufung der Kapazität dieses Messelementes ab. Dies bedeutet, dass, bei einem Winkelgeber mit Kreissegment- Elektrodenflächen die Auflösung oder Ab¬ stufung der messbaren Winkelunterschiede um so besser ist, je mehr Kreissegmente auf dem Winkelgeber, resp. Kreisseg¬ ment-Elektrodenflächen auf seinem Kondensatorelement defi¬ niert werden können. Identisch gilt, dass für lineare Län¬ gen-Messwertgeber die Auflösung oder Abstufung der messbaren Distanzunterschiede um so besser ist, je mehr Elektrodenflä¬ chen pro Längeneinheit auf dem Kondensatorelement angeordnet sind.

Aufgrund der Tatsache, dass die einzelnen Elektrodenflächen elektrisch miteinander und mit der die einer beliebigen Lage des Messwertgebers entsprechende Kapazität desselben auswer¬ tenden Elektronik verbunden werden müssen, was aufgrund der Anordnung und Geometrie der Elektrodenflächen normalerweise auf der Rückseite des Kondensatorelementes geschieht, ist jede Elektrodenfläche mit zumindest einem Kontaktierungs-

punkt versehen. Herkömmlicherweise handelt es sich dabei um durch die Elektrodenfläche und das diese tragende Substrat hindurch gehende Bohrungen oder Löcher, durch die hindurch die Elektrodenflächen von der Rückseite des Kondensatorele¬ mentes her kontaktiert sind. Die Grosse und Lage dieser Boh¬ rungen oder Löcher beeinflusst nicht nur die Kapazität einer jeden Elektrodenfläche, sofern sie im aktiven Kondensatorbe¬ reich liegen, sondern bestimmen auch ganz wesentlich die kleinstmδglichen Dimensionen der Elektrodenflächen mit. In der Praxis führt dies dazu, dass es schwierig ist, Kondensa¬ torelemente mit Kreissegment-Elektrodenflächen-Mustern mit kleinem Durchmesser herzustellen, auf denen eine grosse An¬ zahl von Kreissegment-Elektrodenflächen angeordnet sind. Auch bei linearen Messwertgebern müssen daher die einzelnen Elektrodenflächen Minimalbreiten aufweisen, die gross genug sind, um die Kontaktierungslδcher im Substrat sicher über¬ decken zu können. Damit sind aber der Auflösung einer Dreh¬ bewegung und einer Linearbewegung recht enge Grenzen ge¬ setzt, da es für eine Wertänderung der Kapazität des Mess¬ wertgebers einer relativ grossen mechanischen Bewegung be¬ darf. Dass diese Tatsache speziell in der Präzisions-Mess- technik Nachteile aufweist, ist für jeden Fachmann nahelie¬ gend.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Kondensatorelement mit Elektrodenflächen-Muster für ka¬ pazitive Messwertgeber zu schaffen, das diese Nachteile eli¬ miniert und es ermöglicht, auf solchen Elementen bei ver¬ gleichbaren Dimensionen ein Mehrfaches an Elektrodenflächen anzuordnen. Dies darf dabei nicht zu Lasten der klar be¬ stimmbaren Kapazität des Kondensators bei jeder beliebigen Stellung des Messwertgebers gehen.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch ein Kondensatore¬ lement mit Elektrodenflächen-Muster gelöst, wie es im Pa¬ tentanspruch 1 definiert ist.

Eine vorteilhafte Ausführungsvariante eines erfindungsgemäs- sen Kondensatorelementes ist nachfolgend anhand der Zeich¬ nung beschrieben. In letzterer zeigt

Fig. 1 ein konventionelles Kondensatorelement mit Elektro¬ denflächen-Muster in vergrössertem Massstab in Draufsicht,

Fig. 2 das Kondensatorelement nach Fig. 1 in Ansicht von hinten,

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Teil desselben Konden¬ satorelementes,

Fig. 4 eine vorteilhafte Ausführungsvariante eines erfin- dungsgemässen Kondensatorelementes mit einem Elektrodenflä¬ chen-Muster mit kreissegmentförmigen Elektrodenflächen mit zentraler Bohrung und zentral angeordneten Anschlüssen, in vergrössertem Masstab in Draufsicht, und

Fig. 5 das Kondensatorelement nach Fig. 4 von unten.

Die Fig. 1 bis 3 illustrieren ein Kondensatorelement mit Elektrodenflächen-Muster gemäss dem Stand der Technik. Fig. 1 zeigt, dass es aufgrund der jeweils an den Kreissegment¬ spitzen der Elektrodenflächen 1 angeordneten inneren Kontak- tierungslöcher 2, die, wie Fig. 3 veranschaulicht, sowohl durch das Substrat 3 als auch durch die auf dieses aufge¬ brachten Kupferschichten der Elektrodenflächen 1 auf der Vorderseite des Kondensatorelementes und der Leiterbahnen 4 auf der Rückseite desselben (Fig. 2) hindurchgehen, nicht möglich ist, die Kreissegment-Elektrodenflächen 1 beliebig schmal zu machen. Dadurch ist es aber auch nicht möglich, bei einem derartigen Kondensatorelement mit ca 20 mm äusse- rem Durchmesser wesentlich mehr als die hier dargestellten sechzehn Kreissegment-Elektrodenflächen 1 anzuordnen. Wie

Fig. 2 zeigt, sind diese auf der Rückseite des Kondensatore¬ lementes sowohl untereinander als auch mit Anschlüssen 5 mittels der Leiterbahnen 4 verbunden. Aufgrund der weiter oben erwähnten Tatsache, dass sich innerhalb der aktiv be¬ nützten Elektrodenflächen der einzelnen Segmente befindliche Kontaktierungslδcher die Genauigkeit der pro Elektrodenflä¬ che erzeugten Kapazität des Kondensators negativ beeinflus¬ sen, ist es zumindest bei Präzisions-Messwertgebern nicht möglich, die inneren Kontaktierungslöcher 2 beliebig weit gegen aussen zu verlegen. Sie müssen gegen das Zentrum des Kondensatorelementes hin ausserhalb der aktiv benützten Elektrodenfläche angeordnet sein. Aus diesem Grunde ist es nicht möglich, mit herkömmlichen Winkelgebern dieser Art die Messgenauigkeit und Auflösung wesentlich zu verbessern.

Die Fig. 4 bis 6 veranschaulichen, wie dieses Problem anhand eines erfindungsgemässen Kondensatorelementes mit Elektro¬ denflächen-Muster gelöst werden kann und gleichzeitig die oft störend über die Peripherie des sonst kreisrunden Kon¬ densatorelementes hinaus ragenden Anschlüsse nach innen, in den zentralen Bereich des Kondensatorelementes, der für die aktive Nutzung als Elektrodenflächen ungeeignet ist, verlegt werden können. Man erkennt bei diesem erfindungsgemässen Kondensatorelement, dass keinerlei durch die Schicht des Ξlektrodenflächen-Musters, die vorteilhafterweise aus Kup¬ fer, aber auch aus jedem anderen geeigneten elektrisch lei¬ tenden Material besteht, hindurchgehende Kontaktierungslö¬ cher oder, bei anderer Ausführung des Teiles Kontaktierungs- kanäle, vorhanden sind. Die Kreissegment-Elektrodenflächen sind von ihrem äussersten bis zu ihrem innersten Rand homo¬ gen und nicht unterbrochen, obwohl sie auf der Rückseite des Kondensatroelementes mittels Leiterbahnen 14 untereinander und mit den innen angeordneten Anschlüssen 15 verbunden sind.

Damit können dank der Erfindung nicht nur feiner auflösende

kapazitive Messwertgeber realisiert werden als bisher, son¬ dern diese können erst noch kleiner dimensioniert werden als dies bis heute möglich war. Zudem lässt sich dadurch eine harmonische Geometrie der Leiterbahnen 14 verwenden, die zu einer für alle Elektrodenflächen gleichen gegenseitigen Be¬ einflussung führt, was die Genauigkeit eines Messwertgebers in positivem Sinne beeinflusst.

Um die Elektrodenflächen 11 von hinten kontaktieren zu kön¬ nen, wird für die Herstellung dieser erfindungsgemässen Kon¬ densatorelemente beispielsweise eine vor dem Beschichten mit den Elektrodenfläαhen und Leiterbahnen gebohrte Substrat¬ scheibe 13 verwendet, auf welche einseitig die Elektroden¬ flächen 11 auflaminiert oder durch andere Mittel aufgebracht werden, derart, dass die leitende Schicht, bei der es sich beispielsweise um eine Metallschicht handelt, die Kontaktie- rungslöcher oder -kanäle vollständig überdeckt. Die auf der Rückseite der Substratscheibe 13 anzuordnenden Leiterbahnen 14 werden dann vorteilhafterweise aufmetallisiert, wobei die Metallisationsschicht sich ebenfalls in den Kontaktierungs- löcher oder -kanälen 12 der Substratscheibe 13 und an der diese gegen die Vorderseite abdeckenden leitenden Schicht, resp. der dort sichtbaren Rückseite der Elektrodenflächen 11 bildet, wodurch diese kontaktiert werden.

Auch andere Herstellverfahren, beispielsweise eines, bei dem keine gebohrten Kontaktierungslöcher notwendig sind, da die¬ se durch im Substrat angeordnete leitende Kanäle ersetzt sind, sind möglich.

Das erfindungsgemässe Kondensatorelement mit Elektrodenflä¬ chen-Muster ist im Gegensatz zu den an Hand der vorangehen¬ den Figuren beschriebenen Ausführungsvariante eines Konden¬ satorelementes mit kreissegmentförmigen Elektrodenflächen auch für lineare kapazitive Messwertgeber realisierbar. In dieser Ausführungsvariante wird vorteilhafterweise ein

Elektrodenflächen-Muster mit rechteckigen Elektrodenflächen verwendet, die als parallele Streifen quer zur Messrichtung angeordnet sind, wogegen die Leiterbahnen unabhängig davon verlaufen.

Der Fachmann erkennt leicht, dass sich die Kontaktierungslö- cher oder -kanäle oder -stellen bei derartigem erfindungsge- mässem Aufbau eines Kondensatorelementes mit Elektrodenflä¬ chen-Muster nicht mehr ausserhalb der aktiven Elektrodenflä¬ chen befinden müssen, sind sie doch für das hier nicht dar¬ gestellte komplementäre Kondensatorelement des Kondensators nicht zu erkennen. Da die Elektrodenflächen durch die be¬ schriebene Art der Kontaktierung völlig unbeschädigt blei¬ ben, haben die Kontaktierungslδcher oder -kanäle oder -stel¬ len beim erfindungsgemässen Kondensatorelement auch keiner¬ lei Einfluss auf die Kapazität des Kondensators und werden elektrisch nicht mehr festgestellt. Dies ermöglicht es, bei einem runden Kondensatorelement mit kreissegmentfδrmigen Elektrodenflächen auch die inneren Kontaktierungslöcher oder -kanäle 12 soweit gegen den Aussenrand des Kondensatorele¬ mentes hin zu verlegen, wie dies notwendig ist, damit sie auch bei sehr schmalen Kreissegment-Elektrodenflächen 11 ganz abgedeckt werden.

Dank der Möglichkeit, dass die erfindungsgemässen Kondensa¬ torelemente mit einem Elektrodenflächen-Muster versehen wer¬ den können, das ein Vielfaches an Elektrodenflächen aufweist als vergleichbare herkömmliche derartige Kondensatorelemen¬ te, ist es erstmals möglich, auch bei klein dimensionierten kapazitiven Messwertgebern eine um ein Vielfaches grössere Messgenauigkeit und Auflösung zu erreichen als bisher. Da¬ durch, dass die gesamten vorhandenen Elektrodenflächen als aktive Elektrodenflächen verwendet werden können, da sie keine störenden Kontaktierungslöcher oder -kanäle mehr auf¬ weisen, ist es sogar möglich, Messwertgeber mit vorgegebener Auflösung kleiner zu dimensionieren als bisher. Dies gilt

selbstverständlich auch für erfindungsgemässe Kondensatore¬ lemente für lineare Messwertgeber.

Die Erfindung ermöglicht es aber auch, die an der Peripherie der Kondensatorelemente mit kreissegmentförmigen Elektroden¬ flächen angeordneten und dort oft störenden Anschlüsse in den zentralen Bereich des Kondensatorelementes zu verlegen, da ja die Kreissegment-Elektrodenflächen bis zu ihrem äus- sersten Rand hin als aktive Elektrodenflächen verwendbar sind, was den Vorteil hat, dass ihre wirkungsvollsten Berei¬ che für die Kapazitätsmessung verwendet werden können. Da¬ durch kann, ohne Verluste, auf die Nutzung der relativ wir¬ kungsarmen Spitzen der Kreissegment-Elektrodenflächen ver¬ zichtet werden. An ihre Stelle können die Anschlüsse, vor¬ teilhafterweise von der Scheibenrückseite her kontaktierbar, angeordnet werden. Damit können die Kondensatorelemente mit Elektrodenflächen-Mustern sowohl in ihrem Zentrum als auch an ihrer Peripherie zirkulär begrenzt sein, ohne dass sie dadurch grösser ausgeführt werden müssten. Ein Winkelgeber, der mit einem erfindungsgemässen Kondensatorelement herge¬ stellt wird, kann somit bei wesentlich erhöhter Messgenauig¬ keit und Auflösung kleiner sein als ein herkömmlicher Win¬ kelgeber.