DE2954266C2

DE2954266C2 -

Info

Publication number: DE2954266C2
Application number: DE19792954266
Authority: DE
Inventors: Hiroomi Yamakitamachi Kanagawa Jp Ogasawara
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-04-26
Filing date: 1979-04-25
Publication date: 1988-09-08
Also published as: FR2424513B1; GB2020815A; GB2020815B; DE2916760A1; CH630461A5; DE2916760C2; FR2424513A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen einer Be wegungsgröße eines sich geradlinig bewegenden Gegenstandes mit einer Fühlervorrichtung mit einem sich geradlinig bewegen den Gegenstand mit zahnartigen Abstufungen an seinen beiden Enden und mit wenigstens zwei ersten feststehenden Elementen mit zahnartigen Abstufungen, die den Seiten des sich geradlinig bewegenden Gegenstandes gegenüberstehen, wodurch ein Paarr Kondensatoren gebildet werden, wobei der sich bewegende Gegen stand als gemeinsame Elektrode dient, und wobei die Abstufungen der ersten feststehenden Elemente in bezug auf die Abstufungen des sich bewegenden Gegenstandes um 180° in der Phase verschoben sind.

Es ist eine Vorrichtung der genannten Art bekannt (US-PS 32 21 256), bei welcher nur zwei feststehende Elemente vorge sehen sind, die dem sich geradlinig bewegenden Gegenstand ge genüberstehen. Mit einer solchen Vorrichtung sind der Genauig keit der Messung einer Bewegungsgröße eines sich geradlinig bewegenden Gegenstandes Grenzen gesetzt.

Es ist auch eine Vorrichtung zum Messen einer Bewegungsgröße eines sich geradlinig bewegenden Gegenstandes bekannt (US-Z: Tibor L. Foldvari, Kurt S. Lion: "Capacitive Transducers Instruments and Control System", Nov. 1964), bei welcher zu sätzlich zweite feststehenden Elemente mit zahnartigen Abstufungen so angeordnet sind, daß sie dem sich geradlinig bewegenden Ge genstand parallel zu den ersten feststehenden Elementen gegen überstehen. Dabei sind die Abstufungen der Elemente in bezug auf die Abstufungen des sich bewegenden Gegenstandes in der Phase nicht verschoben. Auch mit dieser Vorrichtung sind der Meßgenau igkeit Grenzen gesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der genannten Art zu schaffen, mit welche die Bewegungsgröße eines sich geradlinig bewegenden Gegenstandes mit hoher Genauigkeit in der Größenordnung von 1 Mikron oder weniger gemessen werden kann.

Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch die Kombination fol gender Merkmale:

a) Es sind zusätzliche zweite feststehende Elemente mit zahnartigen Abstufungen so angeordnet, daß sie den beiden Seiten des sich geradlinig bewegenden Gegenstandes, und zwar parallel zu den ersten feststehenden Elementen, gegenüberstehen;
b) die zweiten feststehenden Elemente sind in bezug auf die ersten feststehenden Elemente um 180° in der Phase verschoben;
c) die ersten feststehenden Elemente sind elektrisch kom plementär mit den zweiten feststehenden Elementen ver bunden, um jeweils mit der gemeinsamen Elektrode zwei Elektrodenpaare zu bilden.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus dem Unteranspruch.

Aufgrund dieser Anordnung kann ein Signal erhalten werden, des sen Frequenz linear erhöht und verringert wird, und zwar in Ab hängigkeit von der Bewegung des sich geradlinig bewegenden Gegenstandes. Die Bewegungsgröße des sich bewegenden Gegen standes kann mit hoher Genauigkeit erhalten werden, wenn das Signal gezählt wird, und zwar so wie es ist oder nach seiner Teilung in Teile oder nach seiner Behandlung nach anderen Verfahren.

Die Differential-Abstufungen werden gemäß der Erfindung an gewendet. Wenn also die relativen Positionsverhältnisse zwi schen dem sich bewegenden Gegenstand und den beiden fest stehenden Elementen, die dem sich bewegenden Gegenstand zuge kehrt sind, individuell gemessen und dann kombiniert werden, kann ein Signal erhalten werden, welches der Mittelwert der beiden relativen Positionsausgänge ist. Infolgedessen wird, selbst wenn die Abstufungen etwas fehlerhaft sind, der Fehler äußerst klein.

Das Prinzip, die Art und die Anwendung der Erfindung ergibt sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbei spiels einer Fühlereinheit in einer Vorrichtung zur Messung der Bewegungsgröße eines sich geradlinig be wegenden Gegenstandes gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines anderen Ausfüh rungsbeispiels einer Fühlereinheit für einen sich geradlinig bewegenden Gegenstand,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer in Verbindung mit der Füh lereinheit nach Fig. 1 verwendeten Schaltung,

Fig. 4a, 4b + 5a, 5b + 5c graphische Darstellungen der Arbeitsprinzipien der er findungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Ausgangscharakteristik der Schaltung nach Fig. 3,

Fig. 7 ein Blockschaltbild einer in Kombination der Fühler einheit nach den Fig. 1 und 2 verwendeten Schaltung, und

Fig. 8 ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbei spiels der erfindungsgemäß verwendeten Schaltung.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel der Fühlereinheit gemäß der Erfin dung, die für einen sich geradlinig bewegenden Gegenstand be stimmt ist.

Das Bezugszeichnen M bezeichnet einen zu messenden Gegen stand oder einen sich geradlinig bewegenden Gegenstand, der sich synchron mit dem vorgenannten zu messenden Gegen stand bewegt. Die Seitenteile des geradlinig bewegten Gegen standes sind mit zahnartigen Einschnitten in gleichen Ab ständen abgestuft. Die feststehenden Elemente S ₁₀ und S ₂₀ umgeben den sich bewegenden Gegenstand. Die Kanten dieser feststehenden Elemente S ₁₀ und S ₂₀ die den Seiten des gerad linig bewegten Gegenstands zugekehrt sind, sind mit zahnarti gen Ausschnitten versehen, die in gleichen Abständen wie diejenigen des geradlinig bewegten Gegenstandes M angeordnet sind. Es wird aber bemerkt, daß die Beziehung in den Abstu fungen bzw. Ausschnitten zwischen dem geradlinig bewegten Ge genstand M und dem feststehenden Element S ₁₀ um 180° in der Phase verschoben sind, und zwar von der Beziehung der Abstufungen zwischen dem bewegten Gegenstand M und dem feststehenden Element S ₂₀. Mit anderen Worten, wenn angenom men ist, daß die Kantenteile des feststehenden Elements S ₁₀, die nicht ausgeschnitten oder ausgenommen sind (im folgenden als "Vorsprünge der Kante") bezeichnet, mit den Vorsprüngen der Seite des bewegten Gegenstandes M zusammenfallen, dann fallen die Vorsprünge der Kante des feststehenden Elementes S ₂₀ mit den Ausnehmungen der Seite des bewegten Gegenstandes M zusammen. Wenn also angenommen wird, daß der bewegte Gegen stand M und das feststehende Element S ₁₀ einen Kondensator bilden und daß der bewegte Gegenstand M und das feststehende Element S ₂₀ einen anderen Kondensator bilden, dann weist die Kapazität des durch den bewegten Gegenstand M und das feststehende Element S ₁₀ gebildeten Kondensators ein Maximum auf, während die Kapazität des durch den bewegten Gegenstand und das feststehende Elements S ₂₀ gebildeten Kondensators ein Minimum ist.

Fig. 2 zeigt ein anderes Beispiel der Fühlereinheit, die einen sich bewegenden Gegenstand M und feststehende Elemente S 10, S 10′, S 20 und S 20′ enthält. In diesem Falle wird der sich bewegende Gegenstand M geradlinig in Richtung des Pfeiles A bewegt. Der sich bewegende Gegenstand M hat zahnartige Abstu fungen Ma und Mb, die in beide Seiten eingeschnitten sind. Die zahnartige Abstufung Ma ist um 180° in der Phase verscho ben in bezug auf die zahnartige Abstufung Mb. Die in Fig. 7 gezeigte Schaltung wird für diese Fühlereinheit verwendet.

Die feststehenden Elemente S 10 und S 10′ haben zahnartige Abstu fungen S 10 a und S 10′a, die miteinander in Phase sind in bezug auf die Abstufungen Ma und Mb. In gleicher Weise haben die feststehenden Elemente S 20 und S 20′ zahnartige Abstufungen S 20 a und S 20′ a, die miteinander in Phase sind in bezug auf die Abstufungen Ma und Mb. Es wird aber bemerkt, daß die Abstufun gen S 10 a und S 20 a der feststehenden Elemente S 10 und S 20 gegen einander um 180° in der Phase verschoben sind in bezug auf die Abstufung Ma. In gleicher Weise sind die Abstufungen S 10′ a und S 20′ a der feststehenden Elemente S 10′ und S 20′ um 180° in der Phase gegeneinander verschoben in bezug auf die Abstufung Mb.

Wenn infolgedessen der sich bewegende Gegenstand M und die feststehenden Elemente S 10, S 10′, S 20 und S 20′ Kondensatoren bilden, dann ist wenn die Kapazität zwischen dem sich bewegen den Gegenstand M und den feststehenden Elementen S 10 und S 10′ ein Maximum ist, die Kapazität zwischen dem sich bewegenden Gegenstand M und den feststehenden Elementen S 20 und S 20′ ein Minimum. Die feststehenden Elemente S 10 und S 10′ sind miteinander verbunden, und es sind die feststehenden Elemente S 20 und S 20′ miteinander verbunden. Infolgedessen kann, selbst dann, wenn die Abstände zwischen dem sich bewegenden Gegenstand M und den feststehenden Elementen S 10 und S 20 unterschiedlich gegenüber den Abständen zwischen dem sich bewegenden Gegenstand M und den feststehenden Elementen S 10′ und S 20′ sind, die Differenz in der Kapazität ausgeschaltet werden. Es kann auf den Fall angewendet werden, in welchem sich der bewegende Gegenstand M in geneigtem Zustand bewegt.

In dem gezeigten Beispiel werrden Meßfehler, die auf die Exzentrizität und die Neigung des sich bewegenden Gegenstan des zurückzuführen sind, kaum erzeugt. Somit kann die Bewe gungsgröße mit hoher Präzision gemessen werden.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung, die in Verbindung mit der Fühlereinheit nach Fig. 1 verwendet wird. In der Schaltung werden Kristallresonatoren X ₁ und X ₂ in Ver bindung mit Oszillatoren OSC ₁ bzw. OSC ₂ verwendet. Ursprünglich ist die Schwingungsfrequenz eines Kristallresonators festge legt. In diesem Falle sind aber die Kristallresonatoren pa rallel zu den Kondensatoren geschaltet, die durch den gerad linig bewegten Gegenstand M und die feststehenden Elemente S ₁₀ und S ₂₀ gebildet sind. Infolgedessen wird die Schwingungs frequenz jedes Kristallresonators entsprechend der Änderung der Kapazität des jeweiligen Kondensators verändert. Die Kapa zitätsänderung der Kondensatoren sind eine sogenannte "Differen tialänderung", bei welcher die Kapazität eines Kondensators erhöht wird, während die Kapazität des anderen Kondensators ver ringert wird. Infolgedessen wird, da die Schwingungsfrequenz eines der Oszillatoren OSC ₁ und OSC ₂ erhöht wird, diejenige des anderen Oszillators verringert. Wenn diese beiden Fre quenzsignale miteinander in einer Mischstufe MIX gemischt wer den, dann kann die Differenzfrequenz f zwischen ihnen erhalten werden. Das Differenzsignal wird zu einer Signal verarbeitenden Schaltung über Draht oder auf drahtlosem Wege übertragen.

Die Teile (a) und (b) der Fig. 4 sind graphische Darstellungen, welche die Ausgangssignale der Oszillatoren OSC ₁ und OSC ₂ und das Ausgangssignal der Mischstufe MIX darstellen, die erzeugt werden, wenn sich der geradling bewegte Gegenstand R in bezug auf die feststehenden Elemente S ₁ und S ₂ bewegt. Zur Verein fachung wird in der Beschreibung ein relativer mittlerer Ab stand d zwischen dem bewegten Gegenstand M und den feststehen den Elementen S ₁₀ und S ₂₀ verwendet. Wenn der bewegte Gegen stand M ungefähr um eine Abstufung in bezug auf die feststehen den Elemente S ₁₀ und S ₂₀ bewegt worden ist, ändern sich die Ausgangsfrequenzen f ₁ und f ₂ der Oszillatoren OSC ₁ undOSC ₂ in nicht linearer Weise, wie es in Teil (a) der Fig. 4 ge zeigt ist.

Es wird bemerkt, daß die Änderungen der Ausgangsfrequenzen f ₁ und f ₂ symmetrisch sind. Wenn eine Charakteristik-Kurve (f ₁-f ₂) von den Änderungen der Ausgangsfrequenzen erhalten ist, dann enthält diese einen wesentlich linearen Teil, wie es in Teil (b) der Fig. 3 gezeigt ist.

Die Teile (a) bis (c) der Fig. 5 zeigen die Tatsache, daß, wenn der nicht lineare Teil einer im wesentlichen linearen Charakteristik-Kurve (Teil (a) der Fig. 5), der durch die Differentialoperation zwischen einer beweglichen Elektrode und feststehenden Elektrode erhalten ist, einer im wesentli chen sinusförmigen Charakteristik-Kurve (Teil (b) der Fig. 5), die durch die Bewegung des geradlinig bewegten Gegenstandes in bezug auf die feststehenden Elemente erhalten ist, über lagert wird, eine Charakteristik-Kurve erhalten wird, die in einem Bereich von +90°C bis -90° linear ist und die als ganzes eine dreieckförmige Charakteristik-Kurve ist.

Die Gestalt der im wesentlichen sinusförmigen Charakteristik- Kurve kann wahlweise in gewissem Maße geändert werden, und zwar durch geeignete Wahl der Größe des bewegten Gegenstandes M und der feststehenden Elemente S ₁₀ und S ₂₀ und des Abstandes zwischen den Elektroden. Es kann also die in dem Teil (c) der Fig. 5 gezeigte dreieckförmige Charakteristik-Kurve durch Über lagerung der im wesentlichen sinusförmigen Charakteristik- Kurve auf die beiden Endteile der im wesentlichen linearen Charakteristik-Kurve, die stark von der geraden Linie abwei chen, erhalten werden. Die dreieckförmige Charakteristik-Kurve hat an jeder vorbestimmten Bewegungsstrecke einen Biegepunkt, und sie kann deshalb für die Feststellung einer Bewegungs strecke verwendet werden.

In dem oben beschriebenen Beispiel ist ein einziger sich be wegender Gegenstand zwischen einem Paar feststehender Elemen te so angeordnet, daß sie in ein und derselben Ebene liegen. Die Erfindung ist aber nicht hierauf oder hierdurch beschränkt.

So ist es beispielsweise möglich, daß die feststehenden Ele mente in mehreren parallelen Ebenen angeordnet sind, wobei ein gemeinsamer, sich bewegender Gegenstand für diese fest stehenden Elemente vorgesehen ist.

Fig. 6 zeigt die kontinuierliche Änderung des Differenzfre quenzsignals f in Abhängigkeit von der Bewegung des gerad linig bewegten Gegenstandes M. Wenn sich der Gegenstand bewegt, wird die Differenzfrequenz bei einer Abstufungsteilung erhöht, jedoch bei der nächsten Abstufungsteilung verringert. Es ist notwendig, die Frequenz linear zu erhöhen und zu erniedrigen. Dies kann durch geeignete Wahl der Gestalt der zahnartigen Einschnitte erreicht werden, d. h. der Ausnehmungen und Vor sprünge des bewegten Gegenstandes M und der feststehenden Ele mente S ₁₀ und S ₂₀.

Da die Frequenz wiederholt, linear erhöht und erniedrigt wird, kann eine Abstufungsteilung in gleiche Teile unterteilt werden. Infolgedessen kann die Zählung mit viel größerer Genauigkeit als diejenige der Abstufungsteilung durchgeführt werden. Es wird z. B. angenommen, daß die Abstufungsteilung eine Meßein heit beträgt. Wenn in diesem Falle die Abstufungsteilung in 100 Teile unterteilt wird, dann kann die Abzählung durch die 1/100 Einheit erfolgen. Wenn die Abstufungsteilung in mehr Teile unterteilt werden kann, dann können die Abstufungs intervalle länger gemacht werden.

Fig. 7 zeigt eine Meßschaltung einschließlich der angeschalte ten Fühlereinheit, wie oben beschrieben. Es werden Kristall resonatoren X ₁ und X ₂ in Kombination mit Oszillatoren OSC 1 und OSC ₂ verwendet. Die Schwingungsfrequenz jedes der Kristall resonatoren X ₁ und X ₂ ist festgelegt. Da aber die Kristall resonatoren in Reihe mit den durch den sich bewegenden Gegen stand R und die feststehenden Elemente S 10, S 10′ und S 20 und S 20′ gebildeten Kondensatoren geschaltet sind, werden die Schwingungsfrequenzen der Kristallresonatoren geändert, wenn sich die Kapazitäten der Kondensatoren mit der Drehung des sich bewegenden Gegenstandes ändern. Die Kapazitätsänderungen der Kondensatoren sind sogenannte "Differentialänderungen", bei denen sich die Kapazität eines Kondensators erhöht, wäh rend sich die Kapazität des anderen Kondensators verringertg. Wenn also die Schwingungsfrequenz eines der Oszillatoren OSC ₁ und OSC ₂ vergrößert wird, wird diejenige des anderen Konden sators verringert. Wenn diese Frequenzsignale in einer Misch stufe MIX miteinander gemischt werden, kann die Differenzfre quenz f zwischen ihnen erhalten werden. Die Änderungen der Differenzfrequenz f sind in Fig. 6 gezeigt.

Mit diesem Beispiel werden Meßfehler, die auf die Exzentrizi tät und Neigung des sich bewegenden Gegenstandes zurückzufüh ren sind, kaum bewirkt. Somit kann die Rotationsgröße mit hoher Genauigkeit gemessen werden.

Fig. 8 zeigt ein anderes Verfahren zur Verarbeitung der Ausgangssignale der Oszillatoren OSC ₁ und OSC ₂. Die beiden Ausgangssignale der beiden Oszillatoren werden über Empfänger RCV Mischstufen MIX ₁ und MIX ₂ zugeführt, wo sie mit örtlichen Schwingungsfrequenzen LO ₁ und LO ₂ für eine Frequenzumwandlung gemischt werden. Die Ausgangssignale der Mischstufen werden in einem Mischer MIX ₃ miteinander gemischt, um ein Meßsignal f zu erhalten.

Wenn die Differenz zwischen den Ausgangsfrequenzen der Oszil latoren OSC ₁ und OSC ₂ mehrere kH 7 beträgt, ist das Signalin tervall 0,2 bis 0,3 msec, welches der Bewegung eines sich kon tinuierlich bewegenden Gegenstandes nicht folgen kann. Wenn dagegen eine Frequenz von 10 bis 20 MHz, als Ausgangsfrequenz der Oszillatoren OSC ₁ und OSC ₂ erhalten wird und diese Fre quenz unverändert verwendet wird, so ist eine solche Frequenz für einen Frequenz-Spannungs-Wandler nicht geeignet. Dieses Problem kann durch die Anordnung nach Fig. 8 gelöst werden. Da das Signalintervall in der Größenordnung von Mikrosekunden ist, liegt eine Signaländerung im Bereich von mehreren kHz und damit in einem Fehlerbereich. Diese Schwierigkeit wird ausgeschaltet.

Claims

1. Vorrichtung zum Messen einer Bewegungsgröße eines sich geradlinig bewegenden Gegenstandes mit einer Fühler vorrichtung mit einem sich geradlinig bewegenden Gegenstand mit zahnartigen Abstufungen an seinen beiden Enden und mit wenigstens zwei ersten feststehenden Elementen mit zahnarti gen Abstufungen, die den Seiten des sich geradlinig bewegen den Gegenstandes gegenüberstehen, wodurch ein Paar Kondensa toren gebildet werden, wobei der sich bewegende Gegenstand als gemeinsame Elektrode dient, und wobei die Abstufungen der ersten feststehenden Elemente in bezug auf die Abstufungen des sich bewegenden Gegenstandes um 180° in der Phase verscho ben sind, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merk male:

a) Es sind zusätzlich zwei feststehende Elemente (S 10′, S 20′) mit zahnartigen Abstufungen (S 10′a, S 20′a) so angeord net, daß sie den beiden Seiten des sich geradlinig bewegenden Gegenstandes (M), und zwar parallel zu den ersten feststehen den Elementen (S 10, S 20) gegenüberstehen;
b) die zweiten feststehenden Elemente (S 10′, S 20′) sind in bezug auf die ersten feststehenden Elemente (S 10, S 20) um 180° in der Phase verschoben;
c) die ersten feststehenden Elemente (S 10, S 20) sind elek trisch komplementär mit den zweiten feststehenden Elementen (S 10′, S 20′) verbunden, um jeweils mit der gemeinsamen Elektrode (M) zwei Elektrodenpaare (S 10, S 10′; S 20, S 20′) zu bilden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der sich bewegende Gegenstand (M) festgehalten wird, während die feststehenden Elemente (S 10, S 20; S 10′, S 20′) relativ zu dem Gegenstand (M) bewegt werden.