DE3784360T2

DE3784360T2 - Kapazitanztransduktor fuer positionsmessung.

Info

Publication number: DE3784360T2
Application number: DE8787104886T
Authority: DE
Inventors: Ingvar Andermo
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1986-04-04
Filing date: 1987-04-02
Publication date: 1993-06-24
Anticipated expiration: 2007-04-03
Also published as: US4878013A; JPH0467882B2; CN1009486B; EP0240020B1; IN169992B; EP0240020A3; CN87102624A; JPS62235504A; EP0240020A2; DE240020T1; DE3784360D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Meßwertumformer zur Messung des Betrags der relativen Verschiebung zwischen zwei Skalen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Im speziellen bezieht sich die Erfindung auf einen verbesserten kapazitiven Meßwertumformer zur Lagemessung, bei dem der Betrag der Verschiebung zwischen einem Paar von sich bewegenden Bauteilen, welche relativ zueinander verschoben sind, genau durch Veränderungen der elektrostatischen Kapazität gemessen werden kann.
Elektrische Längen-Meßvorrichtungen sind wohlbekannt. Diese sind elektrischen Längen-Meßvorrichtungen, bei denen zwei Skalen relativ zueinander verschoben sind, und die relative Verschiebungspositionen beider Skalen durch die Veränderungen in der elektrostatischen Kapazität zwischen den auf den beiden Skalen angeordneten Elektroden gemessen werden. Sie können in einem breiten Anwendungsgebiet verwendet werden, von großförmigen Längen-Meßvorrichtungen, wie z. B. dreidimensionale Meßvorrichtungen oder numerisch gesteuerten Bearbeitungsmaschinen, zu tragbaren Meßlehren, Feinmeßlehren und anderen kleinförmigen Längen-Meßvorrichtungen.
Die kapazitiven Meßwertumformer, welche in diesen Längen-Meßvorrichtungen verwendet werden, versorgen ihre Sendeelektroden mit Wechselstromsignalen, vorzugsweise Wechselstromsignale mit einer Anzahl von verschiedenen Phasen, besitzen elektrische Meßschaltungen, welche mit den entsprechenden Empfangselektroden verbunden sind, und verwenden die Veränderungen in der elektrostatischen Kapazität, die durch die relative Verschiebung zwischen beiden Elektroden verursacht wird, um spezifische Positionen zu messen.
In den kapazitiven Meßwertumformern zur Lagemessung der Vergangenheit war es wohlbekannt, daß die Genaugigkeit durch die Anzahl der Teilungen der auf jeder Skala bereitgestellten Elektroden bestimmt wurde. Um Längen-Meßvorrichtungen mit einer hohen Auflösung zu erhalten, wurden in der Vergangenheit entweder die Sendeelektroden oder die Empfangselektroden - oder beide miniaturisiert, um eine Messung mit hoher Genauigkeit möglich zu machen.
Aus der GB-A-2009944 ist ein kapazitiver Meßwertumformer mit hoher Auflösung bekannt. Die grundlegende Wirkungsweise dieser Vorrichtung wird im folgenden anhand der Fig. 7 beschrieben. Die Vorrichtung besitzt eine erste Skala und eine zweite Skala, welche nebeneinander in einer solchen Art positioniert sind, daß sie relativ zueinander verschoben werden können. Wenn der Meßwertumformer z. B. in einer Längen-Meßvorrichtung, wie z. B. Meßlehren eingebaut werden soll, ist die zweite Skala des Meßwertumformers auf der normalen Skala der Meßlehren montiert, und die erste Skala des Meßwertumformers ist auf der Noniusskala der Meßlehren montiert.
Die erste und zweite Skala sind entweder mit Sendeelektroden oder Empfangselektroden ausgestattet, welche kapazitiv miteinander gekoppelt sind, und wenn eine relative Verschiebung zwischen beiden Skalen besteht, werden die relativen Positionen beider Skalen elektrisch durch die Veränderungen der elektrostatischen Kapazität bestimmt.
In Fig. 7 sind eine Anzahl von ersten Sendeelektroden 12 mit einem gleichen Abstand auf der ersten Skala der Noniusskalaseite angeordnet und Wechselstromsignale werden an diese ersten Sendeelektroden von einem Oszillator 30 bereitgestellt. In diesem Beispiel werden die Wechselstromsignale durch einen Phasenumsetzer 34 in Signale mit acht verschiedenen Phasen umgesetzt und diese werden an jede der Sendeelektroden 12 gespeist.
Folglich besitzen in Fig. 7 die Wechselstromsignale jeweils eine Phasendifferenz von 450 und die acht ersten Sendeelektroden 12, welche in einem Block zusammengefaßt sind, werden mit Wechselstromsignalen versorgt, von denen jedes eine verschiedene Phase besitzt.
In der Figur ist der Abstand der Gruppe von ersten Sendeelektroden 12, welche, wie oben beschrieben, in einem Block zusammengefaßt sind, durch den Sendewellenlängenabstand Wt1 dargestellt.
Weiterhin sind eine Anzahl von zweiten Empfangselektroden 22 in einer Reihe mit gleichem Abstand voneinander auf der zweiten Skala der normalen Skalenseite angeordnet. In der Figur sind die zweiten Empfangselektroden 22 so angeordnet, daß sie mit der Gruppe von ersten Sendeelektroden 12, die in jedem der vorhergenannten Blöcke gebildet sind, korrespondieren. Als Ergebnis davon wird klar, daß der Abstand Pr2 der zweiten Empfangselektroden gleich dem vorhergenannten Sendewellenlängenabstand Wt1 auf der Senderseite ist.
Folglich, wenn diese bekannte Vorrichtung angewandt wird, ist es möglich, Positionen mit einer Genaugigkeit zu bestimmen, welche gleich dem Abstand Pr2 der zweiten Empfangselektroden geteilt durch acht Teile ist und es wird möglich, einen hochauflösenden Meßwertumformer bereitzustellen.
Natürlich kann der Meßwertumformer in einer solchen hochauflösenden Vorrichtung absolute Messungen nur innerhalb der Reichweite des Abstandes Pr2 der zweiten Empfangselektroden durchführen und es wird unmöglich, absolute Positionen zu bestimmen, wenn der Abstand Pr2 überschritten wird. Daher kann gesagt werden, daß die Vorrichtung LS1 im Grunde dazu geeignet ist, relative Messungen durchzuführen.
Die zweiten Sendeelektroden 24 sind elektrisch leitend mit jeder der vorhergenannten zweiten Empfangselektroden 22 mittels der Koppelelektroden 26 verbunden. Die vorhergenannten zweiten Sendeelektroden 24 sind mit der ersten Empfangselektrode 14 kapazitiv gekoppelt, welche parallel zu den vorhergenannten ersten Sendeelektroden 12 auf der ersten Skala ausgerichtet ist. Folglich werden die von dem Phasenumsetzer 34 an die ersten Sendeelektroden 12 angelegten Signale zunächst kapazitiv zwischen diesen und den zweiten Empfangselektroden 22 gekoppelt. Danach werden sie elektrisch zu den zweiten Sendeelektroden 24 geleitet, wonach sie erneut als elektrische Signale von der ersten Empfangselektrode 14 auf der ersten Skala durch die kapazitive Kopplung detektiert werden.
Das Ausgangssignal der vorhergenannten ersten Empfangselektrode 14 unterliegt der elektrischen Verarbeitung in der Meßschaltung 32.
Jedoch war ein Problem mit Meßwertumformern mit einer solchen kleinen Unterteilung wie diejenige wie in Fig. 7, daß die Elektroden auf ein solches Ausmaß miniaturisiert wurden, daß Herstellungstechniken mit extrem hoher Genauigkeit notwendig waren, um sie auf den Skalen exakt anzuordnen.
Normalerweise werden die vorhergenannten Elektroden durch Verfahren, wie z. B. Dampfablagerungen, auf isolierenden Substraten gebildet. Jedoch, das Problem bei der Verwendung der vorhergenannten feingeteilten Elektroden, um hochauflösende Längen-Meßvorrichtungen zu erhalten, war dasjenige, daß es extrem schwierig war, diese herzustellen, was notwendigerweise zu erhöhten Kosten für diese Vorrichtungen führte.
Die Erfindung wurde angesichts der vorhergenannten Nachteile gemacht und ihr Zweck ist es, einen hochauflösenden Meßwertumformer bereitzustellen, welcher keine mechanische Teilung der Elektroden in sehr kleine Unterteilungen notwendig macht.
Diese Aufgabe wird von einer Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Das heißt, wenn diese Erfindung angewendet wird, wird nicht, wie bei der sehr kleinen Unterteilung der Vergangenheit, der einzelner Empfangselektrodenstand in Bruchteile zerlegt, sondern es stehen sich eine Anzahl von Gruppen von Sendeelektroden und Empfangselektroden als eine Anzahl von verschiedenen Gruppen einander gegenüber und die Unterschiede zwischen der Anzahl von beiden Elektroden werden als die Taktsignale herangenommen. Als Ergebnis davon sind die Elektroden selbst mit einem großen Abstand voneinander positioniert, welches einfach herzustellen ist, aber ihre eigene Auflösung kann mittels der vorhergenannten Taktsignale sehr fein sein.
Die vorhergenannten grundlegenden Überlegungen dieser Erfindung sind in der Fig. 2 illustriert.
Dieselben Bauelemente wie diejenigen der bekannten Vorrichtungen, welche in Fig. 7 gezeigt sind, werden die gleichen Symbole in der Fig. 2 zugeordnet und auf eine Erläuterung dieser wird verzichtet.
Ein wesentliches Merkmal dieser Erfindung ist die Tatsache, daß, während die bekannten ersten Sendeelektroden jeweils in eine Anzahl von Unterteilungen in Übereinstimmung mit den zweiten Empfangselektroden 22 geteilt waren, nunmehr die Sendeelektroden nacheinander aus dem Sendewellenlängenabstand Wt1 der Vergangenheit extrahiert sind und diese Elektroden stark vergrößert und angeordnet sind.
Daß heißt, wie aus der Fig. 2 ersichtlich, lediglich die erste Elektrode wird aus dem ersten Sendewellenlängenabstand Wt1 der Vergangenheit herausgenommen, d. h. aus der Gruppe von acht Sendeelektroden, vergrößert durch das Bezugszeichen 12-1 gezeigt, und als die erste Sendeelektrode verwendet. Die anderen Elektroden werden eliminiert.
Ebenso wurde die zweite Elektrode 12-2 aus dem ersten Block von Sendeelektroden herausgenommen und die anderen wurden eliminiert. Danach wurden die ersten Sendeelektroden nacheinander herausgenommen, wie durch 12-3, 12-4 . . . 12-8 gezeigt.
Folglich wird klar, daß der Sendewellenlängenabstand Wt1 um ein Achtfaches vergrößert worden ist, verglichen mit der Vergangenheit.
Daher wird aus dem Diagramm, welches die grundlegenden Überlegungen in Fig. 2 illustriert, klar, daß auf der Empfangsseite die Empfangselektroden aus einer Anzahl von Elektroden mit einem gleichen Abstand voneinander gebildet sind, welcher durch Teilen der Länge der vorhergenannten Gruppe von Sendeelektroden, d. h. der Sendewellenlängenabstand Wt1, durch eine vorbestimmte ganze Zahl, in diesem Fall 9, erhalten wird.
Daher wird verständlich, daß in der Fig. 2 der zweite Empfangselektrodenabstand Pr2 den Wert 1/9 · Wt1 annimmt.
Von diesem Diagramm, welches die grundlegenden Überlegungen illustriert, wird klar, daß die ersten Sendeelektroden 12, welche in der Fig. 2 herausgenommen worden sind, jeweils in einem ähnlichen Verhältnis zu den neun zweiten Empfangselektroden 22 stehen, die in einer Reihe angeordnet sind, wie die miniaturisierten ersten Sendeelektroden bezüglich der Empfangselektroden der Fig. 7. Das heißt, in Fig. 2 kann für den Fall, daß beide Skalen relativ zueinander verschoben sind, die relative Verschiebung zwischen den Sendeelektroden und den Empfangselektroden als diejenige der Fig. 7 angenommen werden. Der einzige Unterschied ist derjenige, daß in Fig. 2 die Verschiebung über eine Länge, welche neun Empfangselektroden umspannt, bestimmt werden muß.
Jedoch bedeutet ein solcher Unterschied lediglich, daß in einer Längen-Meßvorrichtung, wie z. B. Meßlehren, die Breite der Noniusskala breiter als in der Vergangenheit sein wird. Tatsächlich, da die Breite der Noniusskala lang genug ist, verglichen mit der Breite jeder der Sendeelektroden, wird das vorhergenannte kennzeichnende Merkmal nicht einen Faktor bilden, welcher die praktische Anwendung der tatsächlichen Vorrichtungen in irgendeiner Weise verhindert.
Fig. 1 ist eine ungefähre perspektivische Zeichnung, welche ein geeignetes Ausführungsbeispiel des kapazitiven Meßwertumformers zur Lagemessung gemäß der vorliegenden Erfindung illustriert.
Fig. 2 ist eine erklärende Zeichnung, welche die grundlegenden Überlegungen dieser Erfindung illustriert.
Fig. 3 ist eine Entwurfszeichnung der Elektroden, welche ein weiteres Ausführungsbeispiel der Anwendung dieser Erfindung illustriert.
Fig. 4 ist eine Entwurfszeichnung der Elektroden, welche noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Anwendung dieser Erfindung illustriert.
Fig. 5 ist ein Schaltkreisdiagramm, welches ein Ausführungsbeispiel der Meßschaltung illustriert zur Verarbeitung der Meßsignale, welche von dem Meßwertumformer der vorliegenden Erfindung erhalten werden.
Fig. 6 ist ein erklärendes Diagramm, welches die Wellenmuster und ein Zeitdiagramm für Fig. 5 zeigt.
Fig. 7 ist ein erklärendes Diagramm eines Meßwertumformers, welcher miniaturisierte Elektroden der Vergangenheit verwendet.
Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Anwendung dieser Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
Die Bauelemente der Fig. 1, welche mit denjenigen, welche in Fig. 7 beschrieben worden sind, übereinstimmen, erhalten die gleichen Symbole und auf deren Erläuterungen wird daher verzichtet.
In der Zeichnung erhält die erste Skala das Bezugszeichen 10 und die zweite Skala das Bezugszeichen 20. Beide Skalen sind in der Noniusskala und der normalen Skala von z. B. Meßlehren enthalten, nebeneinander angeordnet und relativ zueinander verschoben.
Daher wird klar, daß die kapazitive Kopplung zwischen den ersten Sendeelektroden 12, welche auf der ersten Skala 10 bereitgestellt werden, und den zweiten Empfangselektroden 22, welche auf der zweiten Skala vorgesehen sind, stattfindet.
Im Falle, daß die vorhergenannten ersten Sendeelektroden 12 von dem Oszillator 30 und dem Phasenumsetzer 34 mit einer Anzahl von Wechselstromsignalen mit verschiedenen Phasen gespeist werden, werden diese Wechselstromsignale immer noch Daten über den Kapazitätswert zwischen den Elektroden 12 und 22 enthalten, wenn sie auf die zweite Skalenseite 20 übertragen werden. Diese Signale werden auch elektrisch mittels der Koppelelektroden 26 an die zweiten Sendeelektroden 24 auf der zweiten Skala 20 geleitet und werden auf die erste Skalenseite 10 durch die kapazitive Kopplung zwischen den zweiten Sendeelektroden 24 und der ersten Empfangselektrode 14, welche auf der ersten Skalenseite 10 vorhanden ist, zurückgespeist. Die gewünschte arithmetische Verarbeitung wird von der Meßschaltung 32 ausgeführt werden.
Daher wird, wenn dieses Ausführungsbeispiel angewandt wird, die Schaltung, welche durch den Meßwertumformer zur kapazitiven Messung durchdringt, aus einer einzelnen Schaltung gebildet und man muß keine Bedenken haben bezüglich mechanischer Fehler in den Vorrichtungen oder anderer Fehler, welche z. B. durch Unterschiede in der elektrischen Verzögerungszeit hervorgerufen werden. Daher wird klar, daß die Stabilität beachtlich erhöht worden ist, z. B. verglichen mit den Vorrichtungen der Vergangenheit, in welchen zwei Züge von Sende- und Empfangsschaltungen kombiniert wurden.
Ein charakteristisches Merkmal dieser Erfindung ist das Positionieren der ersten Sendeelektroden 12 und der zweiten Empfangselektroden 22, wie oben beschrieben. In diesem Ausführungsbeispiel bilden die Sendeelektroden 12 eine einzelne Gruppe von acht Elektroden, um acht verschiedene Wechselstromsignale zu empfangen, von denen jedes eine elektrische Phasendifferenz von 45º aufweist.
Daher bildet die Länge dieser Gruppe den Sendewellenlängenabstand Wt1. Der Abstand zwischen jeder der Sendeelektroden ist in der Figur mit Pt1 gekennzeichnet. In diesem Ausführungsbeispiel bestehen die Empfangselektroden aus einer Anzahl von Elektroden 22 mit einem gleichen Abstand voneinander, welcher durch Teilen der Länge der vorhergenannten Gruppe von Sendeelektroden, d. h. der Sendewellenlängenabstand Wt1, durch eine vorgegebene ganze Zahl erhalten wird. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Anzahl dieser Teilungen auf den Wert "3" gesetzt.
Obgleich in diesem Ausführungsbeispiel die ganze Zahl, durch die der vorhergenannte Sendewellenlängenabstand Wt1 geteilt wird, eine Zahl kleiner als die Anzahl der Sendeelektroden 12 innerhalb des Sendewellenlängenabstands Wt1 ist, ist dies nicht ein wesentliches Merkmal dieser Erfindung. Tatsächlich ist es wünschenswert, den Elektrodenabstand Pr2 der zweiten Skala 20 so vorzusehen, daß er die vollständige Länge der Skala so weit wie möglich umfaßt. Dies ist nützlich, um die einfache Herstellung der Elektroden auf der zweiten Skala zu ermöglichen.
Als Ergebnis davon werden die zweiten Empfangselektroden 22 in einer 1-2-3-Sequenz innerhalb des Sendewellenlängenabstandes Wt1 angeordnet, und der Empfangselektrodenabstand Pr2 wird einen Wert von 1/3 Wt1 besitzen.
Andererseits durch Beibehalten dieser Anordnung der zweiten Empfangselektroden 22 werden die vorhergenannten ersten Sendeelektroden 12 einen Abstand Pt1 von 3/8 Pr2 aufweisen.
Die Sequenz, in welcher die Wechselstromsignale an diese angelegt werden, wird, wie in der Figur gezeigt, bestimmt, um die Verarbeitung in der Meßschaltung 32 zu vereinfachen.
Das heißt, wenn der Empfangselektrodenabstand Pr2 durch die Anzahl der Sendeelektroden (in diesem Ausführungsbeispiel ist die Anzahl 8) geteilt wird, werden Wechselstromsignale, welche den geteilten Positionen des vorhergenannten Empfangselektrodenabstandes entsprechen, an jede Sendeelektrode 12 angelegt. In diesem Ausführungsbeispiel werden die Wechselstromsignale in der folgenden Reihenfolge, beginnend von links, angelegt:
1, 4, 7, 2, 5, 8, 3, 6. Es ist in der vorliegenden Erfindung nicht wichtig, daß die Signale in einer solchen Sequenz angelegt werden, aber in den Fällen, in denen die Anzahl der Empfangselektroden kleiner als die Anzahl der Sendeelektroden ist, anders als im Falle der Fig. 2, welche die grundlegenden Überlegungen illustriert, ist es wünschenswert für beide Elektroden, in der Sequenz ihrer Phasenunterschiede angeordnet zu werden, wie in der Zeichnung gezeigt ist. Dies wird später hilfreich sein, um die Verarbeitung der gemessenen Signale zu vereinfachen.
In Fig. 1 beträgt der Abstand Pt1 der ersten Sendeelektroden 3/8 Pr2.
Wie oben beschrieben, wird von dem Ausführungsbeispiel, welches in Fig. 1 gezeigt ist, klar, daß in dieser Erfindung die Empfangselektroden 22 mit einem gleichen Abstand voneinander angeordnet sind, welcher durch Teilen des Sendeelektrodenwellenlängenabstandes Wt1 durch eine ganze Zahl erhalten wird. Daher wird es möglich, Positionen mit einer Skalengenauigkeit zu messen, welche gleich der Anzahl der Sendeelektroden innerhalb der Gruppe von Sendeelektroden 12 innerhalb eines Empfangselektrodenabstandes Pr2, d. h. 1/8, ist.
Fig. 3 illustriert eine weitere Kombination von Sende- und Empfangselektroden gemäß der vorliegenden Erfindung.
In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 empfangen die Sendeelektroden 12 Wechselstromsignale mit acht verschiedenen Phasen, wie in Fig. 1. Ihr Sendewellenlängenabstand ist durch Wt1 gekennzeichnet, und der Elektrodenabstand ist durch Pt1 gekennzeichnet. Die Empfangselektroden 22 in diesem Ausführungsbeispiel besitzen eine Anordnung, in welcher der vorhergenannte Sendewellenlängenabstand Wt1 in fünf Teile unterteilt ist. Als Ergebnis davon wird der Empfangselektrodenabstand Pr2 zu 1/5 Wt1.
In diesem Ausführungsbeispiel wird ebenso die Sequenz, in welcher die Signale an die Sendeelektroden 12 angelegt werden, durch die Positionen bestimmt, an welchen der Empfangselektrodenabstand Pr2 durch acht, der Anzahl der Sendesignale, geteilt ist. In der Figur werden die Signale in der folgenden Sequenz, beginnend von links angelegt: 1, 6, 3, 8, 5, 2, 7, 4.
In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 wird der Sendeelektrodenabstand Pt1 auf den Wert 5/8 Pr2 gesetzt.
Fig. 4 illustriert noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Ein kennzeichnendes Merkmal dieses Ausführungsbeispiels ist die Tatsache, daß die Sendeelektroden 12 durch ungleiche Intervalle voneinander beabstandet sind.
Das heißt, in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 bilden sechs Sendeelektroden eine Gruppe und bestimmen den Sendewellenlängenabstand, aber der Elektrodenabstand Pt1 innerhalb dieser Gruppe ist nicht gleichmäßig und die Elektroden sind in drei kleinere Untergruppen geteilt.
Jedoch wird es sogar in diesem Typ der Vorrichtung möglich, wenn die Empfangselektrodenseite 22 in einer Reihe mit gleichen Intervallen angeordnet ist, gute Positionsmeßvorgänge auszuführen, ohne die Vorteile der vorliegenden Erfindung einzubüßen.
Natürlich ist sogar in dieser Art der Anordnung von ungleichen Intervallen, die Sequenz, in welcher die Wechselstromsignale angelegt werden, durch die Position bestimmt, welche durch Teilen des Empfangselektrodenabstandes Pr2 durch die Anzahl der Sendeelektroden erhalten wird, in der gleichen Art wie oben beschrieben. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Sequenz 1, 3, 5, 4, 6, 2 ausgewählt.
In diesem in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Empfangselektrodenabstand Pr2 zu 1/3 Wt1 gewählt.
Fig. 5 illustriert ein Ausführungsbeispiel einer Längen-Meßschaltung, welche mit einem Meßwertumwandler gemäß der vorliegenden Erfindung, wie oben beschrieben, verbunden ist. Fig. 6 zeigt die Wellenmuster an seinen verschiedenen Stellen und ein Zeitverlaufsdiagramm.
Der Meßwertumformer der vorliegenden Erfindung, wie oben beschrieben, ist durch das Bezugszeichen 100 gekennzeichnet. Wechselstromsignale mit einer Anzahl von verschiedenen Phasen werden an seine ersten Sendeelektroden angelegt. Diese Wechselstromsignale werden von dem Oszillator 30 erhalten. Die Frequenz dieses Oszillatorausgangssignals f&sub0; braucht gemäß der vorliegenden Erfindung nicht besonders hoch sein, sondern ein Ausgangssignal einer relativ niedrigen Frequenz, z. B. um 100-200 kHz, kann verwendet werden.
Das Ausgangssignal f&sub0; des vorhergenannten Oszillators 30 unterliegt einer weiteren Frequenzteilung durch den Frequenzteiler 60 und die resultierenden Signale werden dem Meßwertumformer 100 zugeführt. Die Signale werden auch als Synchronisationssignale für den Modulator und Demodulator verwendet und sie enthalten einen der Faktoren, welche die Auflösung der Vorrichtung bestimmen. Jedoch, da diese Grundfrequenz ebenso wie die Frequenzen der Wechselstromsignale, welche frequenzgeteilt und an die ersten Sendeelektroden angelegt werden, niedrig sind, wie oben erwähnt, besitzt die Erfindung den Effekt, daß eine ausreichende Auflösung mit kostengünstigen Vorrichtungen mit einem vereinfachten Schaltungsaufbau erhalten werden kann.
Das Ausgangssignal des vorhergenannten Frequenzteilers 60 wird weiter von einem Phasenumsetzer 34 in die gewünschten acht Wechselstromsignale 200-1 bis 200-8 umgewandelt, welche jeweils eine elektrische Phasendifferenz von 45º aufweisen. Daher ist es wünschenswert für diese acht Wechselstromsignale mit verschiedenen Phasen, daß sie den ersten Sendeelektroden, wie diejenigen der Fig. 1, wie oben beschrieben, zugeführt werden.
Die vorhergenannten acht Wechselstromsignale werden in dem Modulator 62 mit dem Ausgangssignal f&sub0; des vorhergenannten Oszillators 30 moduliert und diese Signale 200-1 bis 200-8 werden an die ersten Sendeelektroden 12 des Meßwertumformers 100 gespeist.
Nachdem die vorhergenannten Wechselstromsignale 202 an den Meßwertumformer 100 angelegt worden sind, wie oben beschrieben, unterliegen sie einer Umwandlung ihrer Signalpegel entsprechend der relativen Verschiebungspositionen der ersten und zweiten Skalen. Dann werden sie als elektrische Signale von der ersten Empfangselektrode ausgegeben. Dieses Ausgangssignal wird von dem differenziellen Verstärker 64 als Signal 204 ausgegeben. Man kann verstehen, daß dies ein Signal sein wird mit einer Einhüllenden, welche eine sinusförmige Kurve beschreibt, wie in Fig. 6 gezeigt ist.
Das Ausgangssignal 204 dieses Differenzverstärkers 64 wird weiter von dem Demodulator 66 demoduliert und es ist klar, daß sein Ausgangssignal 206 eine Phasendifferenz aufweisen wird, verglichen mit dem Referenzsignal 300, wenn beide Skalen sich an ihren Referenzpositionen befinden. Durch das Bestimmen dieser Phasendifferenz kann man einen absoluten Wert finden, welcher durch die relativen Positionen der beiden Skalen bestimmt ist.
Nebenbei bemerkt, enthält das Ausgangssignal 206 des vorhergenannten Demodulators 66 Hochfrequenzkomponenten, wie in der Figur gezeigt ist. In diesem Ausführungsbeispiel werden die Hochfrequenzkomponenten durch einen Filter 68 herausgefiltert, um ein Signal 208 zu erhalten, welches keine Hochfrequenzkomponenten aufweist.
Das vorhergenannte Signal 208 wird dann einer Null-Durchgangsschaltung 70 zugeführt, wo die Null-Durchgangsposition des Wellenmusters bestimmt wird.
In diesem Ausführungsbeispiel umfaßt die Vorrichtung einen Zähler 72, da die vorhergenannte Phasendifferenz digital berechnet wird. In diesem Ausführungsbeispiel werden seine Reset/ Start-Signale synchron von den Triggersignalen des Modulators 62 und Demodulators 66 von der Steuereinheit 80 gesteuert. Das Starten von Messungen durch die Vorrichtung wird als ein Trigger für das Referenzsignal verwendet und der Zähler 72 beginnt von diesem Zeitpunkt an seine Zähloperationen. Der Zeitverlauf des Zählens durch den Zähler 72 wird durch die Ausgangsfrequenz f&sub0; des Oszillators 30 gesteuert.
Ein Stoppen des Zählens durch den Zähler 72 wird durch Signale der vorhergenannten Null-Durchgangsschaltung 70 gesteuert. Bei der Phasenposition in Fig. 6 gibt die vorhergenannte Null-Durchgangsschaltung 70 ein Stoppsignal an den Zähler 72 von dem Ausgangssignal 208 des Filters 68 aus und die Zähloperationen des genannten Zählers 72 werden zu diesem Zeitpunkt gestoppt.
Folglich kennzeichnet der Zählerstand des genannten Zählers 72 die Phasendifferenz, um die das Referenzsignal 300 durch den Meßwertumformer verschoben worden ist. Wie oben erwähnt, wird bei Gebrauch der Erfindung diese Phasendifferenz der Abweichung D (x) zwischen den beiden Skalen 10 und 20 zum Meßzeitpunkt entsprechen und das Ausgangssignal des genannten Zählers 72 wird von der arithmetischen Einheit 74 verarbeitet werden, um es in einen absoluten Wert umzuwandeln.
Das Ausgangssignal der arithmetischen Einheit 74, das von der Steuereinheit 80 gesteuert ist, wird durch den Anzeigetreiber 76 übertragen und stellt das gewünschte Anzeigesignal der Anzeigeeinheit 78 zur Verfügung. Die genannten Meßwerte werden in gewöhnlicher Weise digital angezeigt.
In diesem Ausführungsbeispiel kann die genannte Anzeigeeinheit 78 aus einer Flüssigkeitskristallanzeigeneinheit bestehen, welche auf die Oberfläche einer z. B. Noniusskala einer Meßlehre eingebettet und befestigt ist. Dies ermöglicht dem Bediener, den gemessenen Längenwert leicht abzulesen.
Wie oben erläutert, ist es möglich, wenn die Erfindung angewandt wird, Positionen mit einer hohen Auflösung zu messen, ohne die Sende- oder Empfangselektroden zu miniaturisieren. Insbesondere ist dies sehr vorteilhaft für kostengünstige, tragbare, batteriegetriebene Längenmeßeinrichtungen.

Claims

1. Kapazitiver Meßwertumformer zur Lagemessung mit einer ersten Skala (10) und einer zweiten Skala (20), welche naheliegend zueinander so positioniert sind, daß sie relativ entlang einer Meßachse verschoben werden können, wobei

die erste Skala (10) erste Sendeelektroden (12) aufweist, die in der Richtung der Meßachse ausgerichtet sind, und wenigstens eine Gruppe von Elektroden bilden, welche einen Sendewellenlängenabstand (Wt1) umspannen und an die eine Anzahl von Wechselstromsignalen mit verschiedenen Phasen entsprechend angelegt werden; und eine erste Empfangselektrode (14), die elektrisch von den genannten ersten Sendeelektroden (12) isoliert ist,

die genannte zweite Skala (20) zweite Empfangselektroden (22) aufweist, die aus einer Gruppe von Elektroden bestehen, die mit gleichem Abstand (Pr2) voneinander in der Richtung der Meßachse angeordnet sind, um so kapazitiv mit den genannten ersten Sendeelektroden (12) gekoppelt zu werden, und zweite Sendeelektroden (24), die aus einer Gruppe von Elektroden bestehen, die in der Richtung der Meßachse angeordnet sind, um so kapazitiv mit der genannten ersten Empfangselektrode (14) gekoppelt zu werden,

die entsprechenden Elektroden der genannten zweiten Empfangselektroden (22) und die zweiten Sendeelektroden (24) elektrisch leitend miteinander über Koppelelektroden (26) gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Empfangselektroden (22) mit einem gleichen Abstand (Pr2) voneinander angeordnet sind, welcher durch Teilen des Sendewellenlängenabstands (Wt1) der genannten Gruppe von ersten Sendeelektroden (12) durch eine vorbestimmte ganze Zahl N mit einem Wert größer als Eins erhalten wird, und

daß eine Maßstabsgenauigkeit, welche gleich einem Bruchteil der Anzahl der ersten Sendeelektroden innerhalb der genannten Gruppe von ersten Sendeelektroden (12) des genannten Empfangselektrodenabstands (Pr2) möglich ist.

2. Kapazitiver Meßwertumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Empfangselektrodenabstand (Pr2) durch Teilen des Sendewellenlängeabstands (Wt1) der genannten Gruppe von ersten Sendeelektroden (12) durch eine ganze Zahl N, welche geringer als die Anzahl der ersten Sendeelektroden (12) innerhalb der Gruppe der ersten Sendeelektroden ist, erhalten wird.

3. Kapazitiver Meßwertumformer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Sendeelektroden (12) verschieden große Abstände (Pt1) voneinander besitzen.

4. Kapazitiver Meßwertumformer nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sequenz der Phasen der Wechselstromsignale, welche an die ersten Sendeelektroden (12) in der genannten Gruppe angelegt werden, durch Teilen des zweiten Empfangselektrodenabstandes (Pr2) durch die Anzahl der ersten Sendeelektroden (12) in der genannten Gruppe bestimmt wird, so daß die Wechselstromsignale Phasen in einer Sequenz besitzen, die den geteilten Positionen des zweiten Empfangselektrodenabstandes (Pr2) entspricht, an jede der ersten Sendeelektroden (12) in der genannten Gruppe gemäß den entsprechenden relativ geteilten Positionen, an denen die ersten Sendeelektroden (12) in der genannten Gruppe angeordnet sind, angelegt werden.

5. Kapazitiver Meßwertumformer nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Empfangselektroden (14) die Ausgangssignale abtasten, welche von den zweiten Sendeelektroden (24) erzeugt werden, die kapazitiv mit den ersten Sendeelektroden (12) gekoppelt sind, im Ansprechen auf die genannten Wechselstromsignale mit verschiedenen Phasen, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, welches die Summe des abgetasteten Ausgangssignals der zweiten Elektroden repräsentiert, und daß eine Meßschaltung (32) bereitgestellt wird, zum Ableiten von Meßdaten vom Ausgangssignal der ersten Empfangselektroden (14).

6. Kapazitiver Meßwertumformer nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Signalerzeugungseinrichtung (30, 34) bereitgestellt ist, zur Erzeugung einer Anzahl von Signalen, welche sukzessive bezüglich der Phase in Schritten von 360º geteilt durch die Anzahl der Signale zunehmen und daß jedes dieser Signale an eine entsprechende der ersten Sendeelektroden (12) in der genannten Gruppe von Sendeelektroden angelegt wird.

7. Kapazitiver Meßwertumformer nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Sendeelektroden (12) in jeder der genannten Gruppen von Sendeelektroden in wenigstens zwei Untergruppen gruppiert sind, wobei die Sendeelektroden in jeder der genannten Untergruppen mit einem ersten Abstand gleichmäßig voneinander beabstandet sind und die genannten Untergruppen mit einem zweiten Abstand, welcher verschieden von dem ersten Abstand ist, gleichmäßig voneinander beabstandet sind.

8. Kapazitiver Meßwertumformer nach einem der vorangehenden Ansprüche, die auf Anspruch 5 rückbezogen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung (32) eine Einrichtung (68) umfaßt zum Filtern von Hochfrequenzkomponenten von dem Ausgangssignal der ersten Empfangselektroden (14), um ein im wesentlichen sinusförmiges Meßsignal zu erhalten, sowie eine Einrichtung (70, 72) zum Messen der Phasen des Meßsignals relativ zu einem der genannten Wechselstromsignale, um Meßdaten zu erhalten.

9. Kapazitiver Meßwertumformer nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Skala (10) und die zweite Skala (20) entweder als die normale Skala oder die Noniusskala von Meßlehren verwendet werden.