DE69530074T2

DE69530074T2 - Kapazitive Messvorrichtung

Info

Publication number: DE69530074T2
Application number: DE69530074T
Authority: DE
Inventors: Pascal Jordil
Original assignee: Brown and Sharpe Tesa SA; Tesa Brown and Sharpe SA
Current assignee: Tesa SARL
Priority date: 1995-06-07
Filing date: 1995-06-07
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2015-06-08
Also published as: JP2824509B2; EP0747673A1; JPH08334378A; US5977781A; EP0747673B1; DE69530074D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine kapazitive Messvorrichtung gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine kapazitive Messvorrichtung beinhaltend einen Massstab, der mit einem Netzwerk von Massstabelektroden ausgestattet ist, und einen Sensor, der mit einem Netzwerk von Sensorelektroden ausgestattet ist, wobei der Sensor gegenüber dem Massstab bewegt werden kann, wobei die beiden Netzwerken von Elektroden kapazitiv miteinander gekoppelt sind, so dass elektrische Signale erzeugt werden können, welche von der resultierenden Kopplung und somit von der relativen Position des Sensors und des Massstabs abhängig sind.
Vorrichtungen von diesem Typ werden beispielsweise in Instrumenten zur Messung von Längen oder Winkeln, wie Messschieber, Messkolonnen oder Winkelmesser, gebraucht. Sie haben den Vorteil einer genauen elektronischen Messung und sind wirtschaftlicher als optische Messsysteme. Patente oder Patentanmeldungen CH648929, US4878013, EP248165, EP501453, EP537800, EP435429, EP413922, EP404980, EP400626 unter anderem beschreiben Beispiele von bekannten Vorrichtungen.
Im Allgemeinen beinhalten diese Vorrichtungen einen Massstab, welcher aus einem gedruckten Schaltkreis oder einem Glasträger besteht, auf welchem die Massstabelektroden abgelegt werden. Der Sensor besteht aus einem zweiten gedruckten Schaltkreis, welcher mit einem Netzwerk von gegenüber den Massstabelektroden liegenden Sensorelektroden ausgestattet ist. Die Massstabelektroden und die Sensorelektroden bilden somit die relativ zu einander mobilen Armaturen eines Netzwerkes von Kondensatoren. Die kapazitive Kopplung zwischen den Sensorelektroden und den Massstabelektroden variiert je nach der relativen Position des Sensors in. Bezug auf den Massstab. Diese Information wird ausgewertet, um die Positionsmessung anzuzeigen.
In diesen Vorrichtungen wird die erreichbare Messgenauigkeit durch verschiedene Faktoren eingeschränkt, wie geometrische Imper fektionen des Sensors oder des Massstabs, insbesondere Ungenauigkeiten der gegenseitigen Anordnung, ein Fehlen von Ebenheit oder Oberflächenunregelmässigkeiten, oder durch Ungenauigkeiten in der Geometrie der Sensorelektroden und der Massstabelektroden. Insbesondere werden die Sensorelektroden im Allgemeinen mit der für die Herstellung von gedruckten Schaltkreisen bekannten Techniken realisiert. Es ist schwierig, mit diesen Techniken eine Genauigkeit in der Geometrie der Elektroden zu erreichen, die mit den gewünschten Messfeinheiten kompatibel ist. Der Massstab leidet unter ähnlichen Problemen, zumindest wenn er aus einem gedruckten Schaltkreis hergestellt wird. Ferner verursachen mechanische Fehler, welche beispielsweise wegen Konstruktionsungenauigkeiten oder Dehnungen verursacht werden, Änderungen im Abstand zwischen den Sensorenelektroden und den Massstabelektroden, und somit Variationen der gemessenen Kapazitäten, welche schwer vorzusehen oder zu korrigieren sind. In den oben erwähnten Patenten wurden mehrere Arten, die Elektroden auf dem Sensor und auf dem Massstab anzubringen, ausgedacht, welche mindestens teilweise diese verschiedenen Fehlerfaktoren zu kompensieren und die Genauigkeit zu erhöhen erlauben.
Stand der Technik
Im Patent CH648929 (TESA) werden die Sensorelektroden in vier von einander um 90° phasenverschobenen Gruppen (A1, A2, B1, B2) aufgeteilt. Jede Gruppe besteht aus drei unterschiedlichen Elektroden, was mindestens teilweise gewisse Fehler zu verteilen und auszumitteln vermag.
Jedoch werden in diesem Patent alle Elektroden von jeder der Elektrodengruppen in der gleichen Ecke des Sensors angebracht. Auf der 1 dieses Patents wird somit ersichtlich, dass alle Elektroden der Gruppe A1 in der oberen linken Ecke des Sensors, all diejenigen der Gruppe B2 in der unteren linken Ecke usw. angeordnet sind. Diese Vorrichtung ist demzufolge auf Fehler in der Positionierung des Sensors gegenüber dem Massstab, und insbesondere auf das Rotieren des Sensors um dessen Längsachse, sehr anfällig.
Im Patent EP404980 beispielsweise werden die Sensorelektroden auch in vier von einander um 90° phasenverschobene Gruppen (1, 2, 3, 4) verteilt. Auf der 4 dieses Patents besteht jede Gruppe aus 5 unterschiedlichen Elektroden, welche mehr oder weniger auf der ganzen Fläche des Sensors verteilt sind, so dass die Gruppen gemischt sind. Die sukzessiven Elektroden gehören somit respektive den Gruppen 1,2,3,4,1,2,3,4,1,2,3 usw. an. Eine identische Folge von Elektroden wird somit periodisch wiederholt.
Patent US4878013 (Andermo) schlägt auch verschiedene Arten vor, die Elektroden auf dem Sensor anzuordnen. Insbesondere zeigen die 3 bis 5 dieses Patents verschiedene Arten, die Elektroden auf dem Sensor anzuordnen, um die Elektroden jeder Gruppe (von 1 bis 6) mehr oder weniger regelmässig auf der ganzen Fläche des Sensors zu verteilen. Die verschiedenen Gruppen von Elektroden sind somit auch durchgemengt. Auf dem Sensor der 4 dieses Patents gehören die sukzessiven Elektroden respektive den Gruppen 1,3,5,4,6,2 an, dann wird die Folge periodisch wiederholt. Im Falle eines Sensors mit einer hohen Zahl von Elektroden, beispielsweise mehr als 50, die in einer eher kleinen Anzahl von Gruppen aufgeteilt sind, beispielsweise 6, wiederholt sich also die gleiche Folge von Elektroden mehrmals. Mit den Ausführungsformen der 2 und 4 wird diese Folge zwar weniger oft wiederholt, aber die Häufigkeit des so gebildeten Musters bleibt hoch.
Aufgrund der Techniken, welche insbesondere für die Herstellung des Massstabs und besonders des Sensors gebraucht werden, werden gewisse Ungenauigkeiten der Geometrie periodisch wiederholt. Dies ist vor allem der Fall bei gewissen Fehlern in der Positionierung oder in der Variation der Elektrodenoberfläche, welche durch die verwendete Brenntechnik verursacht werden. Wenn die Häufigkeit der Wiederholungen dieser Fehler in einem ganzen Verhältnis zur Häufigkeit der Wiederholungen des Elektrodenmusters auf dem Sensor steht, können sich die auf allen Elektroden einer Gruppe resultierenden Fehler addieren anstatt sich zu kompensieren. Das einwandfreie Funktionieren der Vorrichtung ist somit nicht gewährleistet.
Ferner, da sich die Elektrodenfolge auf dem Sensor wiederholt, werden die Elektroden jeder Gruppe regelmässig neben die Elektroden einer anderen gleichen Gruppe angeordnet. Auf der 4 dieses Patents finden sich beispielsweise die Elektroden der Gruppe 3 immer zwischen denen der Gruppe 1 und denen der Gruppe 5. Die Kreuzkopplung zwischen den Elektroden der Gruppe 3 und denen der Gruppe 1 ist somit bedeutend höher als die Kopplung zwischen den Elektroden der Gruppe 3 und denen der Gruppe 6, zum Beispiel. Es resultieren daraus Funktionsasymmetrien, welche die Messung fälschen können.
Patentanmeldung EP37800 (Mitutoyo) sowie Patent EP400626 (Mitutoyo) beschreiben einen Sensor, in welchem die Elektroden eine variable Form und Oberfläche aufweisen. Diese Konfiguration erlaubt es, gewisse Parallelitäts- und Rotationsfehler des Sensors zu kompensieren. Die mit der Periodizität der Elektroden verbundenen spezifischen Probleme bestehen jedoch weiter. Ferner wird die erlangte kapazitive Kopplung durch die Grösse der Elektroden eingeschränkt, von denen einige sehr klein sind. Es ist somit nötig, um eine genügende Kopplung für die Messung zu erreichen, dass der Sensor sich mit einem sehr kleinen Abstand über dem Massstab bewegt, was Probleme in der mechanischen Herstellung verursacht.
Ziele der Erfindung
Ein Ziel der Erfindung ist demzufolge, einen kapazitiven Sensor gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 vorzuschlagen, der jedoch die erwähnten Nachteile nicht aufweist.
Ein anderes Ziel ist es, neue Regeln für die Anordnung der Elektroden vorzuschlagen, welche an verschiedene Grössen und verschiedene Typen von Sensoren angepasst sind, und welche die Probleme der Kreuzkopplung zwischen Gruppen von Elektroden sowie die Probleme, die mit den Fehlern in der Herstellung des Sensors und des Massstabs zusammenhängen, einzuschränken vermögen.
Ein anderes Ziel ist es, eine genügende kapazitive Kopplung zwischen den Massstabelektroden und den Sensorelektroden zu erreichen.
Gemäss der Erfindung werden diese Ziele durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 erreicht.
Insbesondere werden diese Ziele durch eine hoch-entropische Anordnung der Elektroden erreicht. Gemäss den neuen Anordnungsregeln der Erfindung überlappen sich zumindest teilweise die Satzintervalle, welche von benannten sukzessiven Sätzen von Sensorelektroden besetzt werden, so dass die verschiedenen Sätze durchgemengt sind. Ein Elektrodensatz wird dadurch definiert, dass er aus einem Ensemble besteht, das eine und nur eine Elektrode jeder Gruppe aufweist.
Dank dieses Merkmals erhält man eine grössere Freiheit für die Anordnung der Elektroden auf dem Sensor als im Fall, wo die Sätze von Elektroden sich nicht überlappen. Es ist somit möglich, die Periodizität der Elektroden erheblich zu reduzieren und die Entropie der Anordnung der Elektroden zu erhöhen.
Gemäss einem anderen Merkmal der Endung, um die Freiheit für die Anordnung der Elektroden noch mehr zu erhöhen, ist die Anzahl der unbesetzten Anfangspositionen zwischen den verschiedenen Paketen von Elektroden variabel.
Gemäss einem anderen Merkmal der Erfindung, ist die Breite der Sensorelektroden grösser als der Abstand zwischen den möglichen Anfangspositionen, welche die Elektroden einnehmen können.
1 ist eine schematische Gesamtansicht, die ein Beispiel einer relativen Anordnung des Sensors und des Massstabs zeigt.
2 zeigt ein erstes Beispiel einer Anordnung der Sensorelektroden gemäss der Erfindung.
3 zeigt ein zweites Beispiel einer Anordnung der Sensorelektroden gemäss der Erfindung.
4 zeigt die Variation der Kapazität auf den verschiedenen Gruppen von Elektroden als Funktion der relativen Position des Sensors und des Massstabs.
Die Messvorrichtung beinhaltet einen auf der 1 dargestellten Massstab 1. Sie ist vorzugsweise fest in Bezug auf die gesamte kapazitive Messvorrichtung, während sich der kapazitive Sensor 2 mit einem geringen Abstand über dem Massstab bewegen kann. Im Falle wo die Messvorrichtung eine Messkolonne oder ein Messschieber ist, ist der Massstab 1 aus einem Stück mit dem Rahmen oder dem Massstab der Vorrichtung, während der Sensor 2 mit einem Gleiter vereinigt ist, der entlang dem Rahmen oder des Massstabs gleiten kann. Die Länge des Sensors ist typischerweise in der Grösse von einigen Zentimetern, gegenüber mehreren Zehnern von Zentimetern für den Massstab. Andere Anordnungen, insbesondere eine Inversion des Massstabs und des Sensors, sind auch möglich. Im Falle einer Vorrichtung für das Messen von Winkeln oder von der Rotation einer Achse, kann der Massstab aus einem Netzwerk von Elektroden auf der Peripherie einer Achse und aus einem Sensor, der im Inneren eines zylindrischen Rings um diese Achse angebracht ist, wie erläutert beispielsweise in Patent EP435429, bestehen.
Der Massstab ist beispielsweise ein Glassmassstab, auf welchem Elektroden 10 durch Metallisieren abgesetzt werden. In einer Variante kann der Massstab auch mit der Herstellungstechnik von gedruckten Schaltkreisen realisiert werden. Der Sensor 2 wird vorzugsweise mittels einer Leiterplatte eines gedruckten Schaltkreises realisiert, auf welche die Sensorelektroden gebrannt werden. Ein Teil der Verarbeitungselektronik, auf dieser Figur nicht dargestellt, kann direkt auf diese Leiterplatte angebracht werden. In einer Variante kann der Sensor mit der Herstellungstechnik integrierter Schaltungen realisiert werden, was erlaubt, zum Preis eines höheren Kostenaufwandes sehr dünne und sehr genaue Elektroden zu realisieren.
Die Massstabelektroden 10 haben in dieser Ausführungsform die Form eines T, wobei der obere Stab 11 des T als Empfangselektrode und der Stiel 12 des T als Übermittlungselektrode funktioniert. Die Massstabelektroden werden von einander isoliert. Der Teil 13 des Massstabs zwischen den Massstabelektroden 10 ist metallisiert und jedoch von den Elektroden 10 in T isoliert, und ist mit der Masse verbunden. Die Massstabelektroden 11 stehen zu einander in einem Abstand einer Massstabeinteilung λ. Die Breite des Stiels der Massstabelektroden, d. h. die Übermittlungselektroden, ist gleich Massstabeinteilung λ/2.
Der Sensor 2 enthält eine Anregungselektrode 20, an der ein pulsierendes Anregungssignal CT angelegt wird. Diese Anregungselektrode wird gegenüber den Empfangselektronen 11 des Massstabs angebracht, um mehrere sukzessive Elektronen zu bedecken. Die Breite der Anregungselektrode ist gleich oder leicht weniger als die Breite 24 der Empfangselektroden des Massstabs. Auf diese Weise wird das Anregungssignal CT kapazitiv an den Empfangselektroden 11 unter dem Sensor übermittelt. Das so gewonnene Signal wird direkt den Stielen 12 der Massstabelektroden übermittelt, welche als Übermittlungselektroden funktionieren. Im Gegenzug polarisieren diese Übermittlungselektroden die darüber, auf dem Sensor platzierten Sensorelektroden 21.
Ein umgekehrtes Funktionieren der Messvorrichtung ist ebenfalls möglich, d. h. die Signale können an den Sensorelektroden 21 angelegt, so dass die Stiele 12 der Massstabelektroden polarisiert werden, danach die Köpfe 11, und im Gegenzug die Elektrode 20, die dann als Messelektrode fungiert.
Die Anordnung der Sensorelektroden 21 gemäss der Erfindung ist nicht auf diese besondere Anordnung der anderen Elektroden auf dem Sensor und auf dem Massstab eingeschränkt. Es ist beispielsweise auch möglich, die Anregungselektroden 20 und die Empfangselektroden 11 wegzulassen, und das Signal CT direkt an die Übermittlungselektroden 12 des Massstabs direkt anzulegen.
Die auf den Sensorelektroden 21 gewonnenen Signale sind von der kapazitiven Kopplung zwischen den Übermittlungselektroden 12 des Massstabs und den Sensorelektroden 21, und somit von der relativen Position des Sensors in Bezug auf den Massstab abhängig. Wenn der Sensor sich bewegt, variieren die gewonnenen Signale periodisch.
Jede Sensorelektrode 21 gehört je nach ihrer Anfangsposition einer bestimmten Gruppe an. Der Gruppenindex i jeder Elektrode wird als gleich 1 plus die Zahl Modulo N zwischen ihrer Anfangsposition und einer Referenzposition Ref entlang des Sensorelektrodennetzwerkes definiert, wobei N eine Ganzzahl gleich der Anzahl der verschiedenen Gruppen ist. Die Sensorelektroden werden ferner in mindestens zwei Sätze von Elektroden aufgeteilt, wobei ein Elektrodensatz als eine Einheit minimaler Breite definiert wird, die N Elektroden beinhaltet, die je einen verschiedenen Gruppenindex aufweisen, so dass jede Elektrode zu einem und nur einem Satz gehört. Auf den Figuren wird jede Elektrode somit mit einer Referenz 23 des Typs G_j bezeichnet, wobei sich G auf dem Gruppenindex der Elektrode und j auf dem Satzindex bezieht. Zum Beispiel bezeichnet die Elektrode 3₂ die Elektrode im zweiten Satz deren Anfangsposition der Gruppe 3 angehört. Um die Terminologie abzuschliessen bezieht sich hiernach der Ausdruck Paket auf eine Einheit 25 von direkt benachbarten Elektroden, d. h. sie werden nicht durch unbesetzte mögliche Anfangspositionen getrennt.
Im ersten Beispiel einer Anordnung der Elektroden, durch 2 illustriert, werden somit die Sensorelektroden 21 in 5 Sätze von Elektroden aufgeteilt, wobei jeder Satz N = 6 Elektroden beinhaltet. Im Beispiel einer Anordnung der 3 werden die Elektroden in 10 Sätze von N = 6 Elektroden aufgeteilt. N könnte selbstverständlich einen anderen Wert als 6 einnehmen, beispielsweise 4, 8, 10 oder 12. Andere Verteilungsweisen der Elektroden in Gruppen und in Sätzen sind natürlich auch möglich. Die Erfindung wird auch in Vorrichtungen angewendet, in welchen die Anzahl von Elektroden pro Gruppe variabel ist.
Die von den sukzessiven Sätzen von Sensorelektroden besetzten Intervallen werden in den 2 und 3 durch Pfeile illustriert und durch Referenzen des Typs I_j bezeichnet, wobei j den Wert des besonderen Satzindex einnimmt. Man stellt fest, dass diese Intervalle je nach Ausführungsform von konstanter Breite oder nicht sein können.
Die Sensorelektroden besetzen einige der möglichen Anfangspositionen 22, die aufgrund einer Referenzposition Ref in einem regelmässigen Abstand eines Elementarintervals P stehen. Die Breite des Elementarintervals P ist gleich der Breite der Massstabeinteilung λ dividiert durch N. Typischerweise ist die Massstabeinteilung λ einige Millimeter wert und, wenn N gleich 6 ist, ist die Breite des Elementarintervals P einige Zehntel Millimeter wert. Die Referenzposition Ref kann arbiträr entlang dem Netzwerk von Sensorelektroden ausgewählt werden.
Gemäss einem Merkmal dieser Erfindung, ist die Breite der Sensorelektroden 21 grösser als die Breite P der Elementarintervalle zwischen den möglichen Anfangspositionen 22. Die kapazitive Kopplung zwischen den Übermittlungselektroden 12 des Massstabs und den Sensorelektroden 21 wird daher in Bezug auf den Fall verbessert, wo die Breite gleich der Breite des Elementarintervals P ist. Vorzugsweise ist die Breite 24 der Sensorelektroden 21 knapp kleiner als die doppelte Breite der Elementarintervalle P, um so gegenseitig die Elektroden isolieren zu können. Es ist ausserdem möglich, Konfigurationen auszudenken, in welchen die Breite der Elektroden nicht dieselbe für alle Elektroden ist. Die Länge der Sensorelektroden 21 ist gleich der oder knapp kleiner als die Länge der Übermittlungselektroden 12 auf dem Massstab.
Gemäss einem Merkmal der Erfindung werden die Sensorelektroden 21 gemäss einer pseudo-zufälligen Sequenz angeordnet, d. h. eine sehr schwache Wiederholung des Musters, das durch die Zugehörigkeit zu den N Gruppen von sukzessiven Elektroden besteht. Die Folge ist somit nicht periodisch, was erlaubt, die Fehler und periodischen Ungenauigkeiten des Sensors 2 oder des Massstabs 1 optimal zu kompensieren. Diese periodischen Fehler können beispielsweise durch die eingeschränkte Resolution des Programms und des Plotters verursacht werden, die für die Herstellung des Sensors und des Massstabs verwendet werden. Ferner erlaubt es diese nicht-periodische Struktur, die durch die Streukopplungen zwischen den Elektroden der verschiedenen Gruppen verursachten Fehler zu limitieren.
Um eine noch grössere Freiheit für die Anordnung der Elektroden zu erlangen und somit die Periodizität zu reduzieren, durchdringen sich die von den sukzessiven Sätzen besetzten Satzintervallen I_j gegenseitig, so dass die verschiedenen Sätze durchgemengt werden. Insbesondere auf der 2 ist die Folge der Sensorelektroden 21 6₁, 4₁, 1₁, 5₁, 3₁ dann 5₂, 3₂, 6₂, 4₂ und 2₁. Die fetzte Elektrode 2₁ des Satzes X₁ wird von den anderen Elektroden des gleichen Satzes durch vier Elektroden getrennt. Man stellt fest, dass die Elektrodensätze X₁ und X₂ sich gegenseitig durchdringen, und dass die Tiefe der Durchdringung variabel ist.
Dieses Merkmal erlaubt es ferner, die von den sukzessiven Sätzen besetzten Intervalle I_j über grössere Breiten zu verteilen. Da mechanische Unregelmässigkeiten im Allgemeinen eine schwache Häufigkeit aufweisen, ist es somit möglich, sie besser zu kompensieren.
Um eine noch grössere Auswahl in der Anordnung der Sensorelektroden zu erlangen, ist die Anzahl der unbesetzten möglichen Anfangspositionen 22 zwischen den verschiedenen Paketen von Elektroden 26 vorzugsweise variabel. Auf der 2 zum Beispiel ist eine einzige Anfangsposition zwischen den Paketen {6₁; 4₁} und {1₁; 5₁; 3₁} verfügbar, während zwei mögliche Anfangspositionen zwischen den Paketen {1₁; 5₁; 3₁} und {5₂; 3₂} verfügbar sind. Auf diese Weise ist es nochmals möglich, insbesondere die Periodizität der Sensorelektroden 21 zu reduzieren und die Anordnungsentropie zu erhöhen.
Die Anzahl der Sensorelektroden 21 in jeder Gruppe ist identisch, damit die von jeder Elektronengruppe gelieferten Signale eine möglichst ähnliche Form aufweisen. Eine andere Lösung könnte sein, eine variable Anzahl Elektroden pro Gruppe zu haben und damit bestimmte Sätze, die unvollständig sind. Es wäre dann nötig, die Gesamtoberfläche der Elektroden, die nicht konstant ist, zu kompensieren, indem Elektroden von verschiedener Grösse oder angepasste Mittel in der Elektronik der Auswertung vorgesehen werden.
Es ist im Allgemeinen wünschenswert, dass eine grosse Anzahl der möglichen Anfangspositionen 22 für die Sensorelektroden 21 besetzt ist, um die kapazitive Kopplung zu verbessern. Im Beispiel der Anordnung der 2 ist die Nicht-Periodizität optimal und die Anzahl der Elektroden konstant, aber die Anzahl der nicht besetzten möglichen Anfangspositionen 22 ist relativ hoch. Wenn der vorhandene Platz auf dem Sensor genügend ist, zum Beispiel in Sensoren von grosser Abmessung bestimmt zur Kolonnenmessung, kann die kapazitive Kopplung durch Hinzufügen von zusätzlichen Elektrodensätzen, wie in der Anordnung der 3, erhöht werden.
Es wäre möglich, die Dichte der Sensorelektroden 21 zu erhöhen, indem Elektroden zwischen den Paketen hinzugefügt werden. Jedoch erhielte man dann eine Struktur, welche erneut eine gewisse Periodizität aufweisen würde, die aber auf jeden Fall kleiner als diejenige der meisten der Anordnungen des Standes der Technik wäre.
Die 4 zeigt die Variationen der resultierenden Kapazitäten CM_i zwischen den Übermittlungselektroden 12 des Massstabs und den verschiedenen Gruppen von Elektroden, wenn der Sensor 2 sich gegenüber dem Massstab 1 bewegt, im Beispiel mit N = 6. Die Kapazität CM₁ entspricht der resultierenden Kapazität zwischen den Übermittlungselektroden 12 und allen Elektroden der Gruppe X₁, die Kapazität CM₂ entspricht der resultierenden Kapazität zwischen den Übermitlungselektroden 12 und allen Elektroden der Gruppe X₂, und so weiter. Die Kapazitäten variieren periodisch zwischen C_max und C_min. Die Kapazität C_max entspricht der Situation, in welcher die Sensorelektroden 21 der betrachteten Gruppe die Massstabelektroden 12 ohne seitliches Übertreten bedecken, beispielsweise der Kapazität entsprechend der Gruppe X₅ in der auf 1 illustrierten Position des Sensors. Die Kapazität C_min entspricht den Streukapazitäten, wenn die Elektroden sich absolut nicht decken, beispielsweise der Kapazität für die Gruppe X1 in der auf 1 illustrierten Position des Sensors. In Praxis ist C_min annähernd gleich null. Die Variationsperiode ist gleich der Massstabeinteilung λ. Die Phasenverschiebung zwischen den Kapazitäten, die den verschiedenen Gruppen entsprechen, ist gleich 360°/N, d. h. 60° in diesem Beispiel mit N = 6. Diese Phasenverschiebung entspricht der Breite des Elementarintervals P zwischen den möglichen Anfangspositionen 22 für die Sensorelektroden 21. Es ist somit möglich, eine tiefere Definition als diejenige, die durch die Massstabeinteilung λ definiert ist, zu erreichen.
Zwei Haupttypen von Messschaltkreisen können verwendet werden, um die Position des Sensors 2 in Bezug auf den Massstab 1 zu bestimmen. Der erste Typ, beschrieben beispielsweise im schon erwähnten Patent CH648929, ist der sogenannte Einfach-Injektion und Mehrfach-Empfang Typ. Das Prinzip besteht darin, ein einziges Anregungssignal CT in die Anregungselektrode 20 des Sensors 20 zu injizieren, und die von den N verschiedenen Gruppen von Elektroden des Sensors 2 empfangenen Signale zu messen. Die an jedem Zeitpunkt resultierenden N Kapazitäten CM₁ werden dann gemessen, beispielsweise durch Ausgleichung einer kapazitiven Brücke, und erlauben es, die Position des Sensors zu bestimmen.
Der zweite Typ, beschrieben beispielsweise in der Patentanmeldung EP94105586.5 oder in den Patenten EP184584 und EP053091, ist der sogenannte Mehrfach-Injektion und Einfach-Empfang Typ. Das allgemeine Prinzip besteht darin, N verschiedene Signale, beispielsweise von einander phasenverschoben, in die N Gruppen von Sensorelektroden 21 zu injizieren, und das Signal, das auf der als Empfangselektrode fungierende Elektrode 20 empfangen wird, zu messen. Je nach Form und Typ der injizierten Signale werden im Allgemeinen die Phase, die Amplitude oder die Frequenzvariation des empfangenen Signals als Information verwendet, um die Position des Sensors 2 in Bezug auf den Massstab 1 zu bestimmen. Um die Aussenstörungen zu vermeiden ist es bekannt, die N Signale zu modulieren, bevor sie an den Elektroden angelegt werden, und das auf der Elektrode 20 empfangene Signal zu demodulieren. Es wird oft für diesen zweiten Typ eine doppelte Empfangselektrode 20 auf dem Sensor vorgesehen, und die Anordnung der Massstabelektroden 10 anzupassen, um auf beiden Empfangselektroden um 180° verschobenen Signale zu erhalten.
Andere Typen von Messschaltkreise können selbstverständlich auch angewandt werden, welche die Vorteile der erfindungsgemässen Anordnung der Sensorelektroden 20 verwenden. Je nach Typ von Schaltkreis können die Anordnung, die Form und das Funktionieren der Elektroden auf dem Sensor und auf dem Massstab im Vergleich zum auf der 1 illustrierten Beispiel deutlich variieren.
Die Beschreibung und die Figuren beziehen sich im Wesentlichen auf dem Fall einer Vorrichtung zur Messung von Längen, wie Messschieber oder Höhenmessgerät. Die Erfindung ist jedoch ohne Schwierigkeit auf andere Typen von kapazitiven Messvorrichtungen anwendbar, wie Vorrichtungen zur Messung von Winkeln, von Winkelpositionen, von linearer Geschwindigkeit oder Winkelgeschwindigkeit, usw.

Claims

Kapazitive Messvorrichtung beinhaltend ein Massstab (1) mit einem Netzwerk von Massstabelektroden (11) ausgestattet, welche mit einer Massstabeinteilung (λ) angeordnet sind, und einen Sensor, der gegenüber benanntem Massstab bewegt werden kann, wobei der Sensor mit einem Netzwerk von Sensorelektroden (21) ausgestattet ist, in welcher: die Sensorelektroden (21) in Anfangspositionen (22) im Abstand eines Elementarintervals (P) angeordnet sind, welches durch Dividieren der Massstabeinteilung (λ) durch N erreicht wird, wobei N eine Ganzzahl grösser als oder gleich 2 ist, so dass die Phase der Sensorelektroden N verschiedene Werte annimmt, jede Sensorelektrode (21) einen Gruppenindex (23) hat, welcher 1 plus der Zahl Modulo N der Elementarintervalen (P) zwischen der Anfangsposition (22) dieser Elektrode und deren Referenzposition (Ref) entlang des Sensorelektrodennetzwerkes entspricht, Sensorelektroden (21), welche den gleichen Gruppenindex (23) und somit die gleiche Phase aufweisen, durch Sensorelektroden mit einem anderen Gruppenindex getrennt werden, benannte Sensorelektroden (21) in mindestens zwei Elektrodensätze auf dem Sensor (2) aufgeteilt werden, wobei ein Elektrodensatz als eine Gruppe von N Elektroden mit einem verschiedenen Gruppenindex (23) definiert wird, wobei jede Sensorelektrode (21) zu einem einzigen Satz gehört, jeder Satz von Sensorelektroden(21) über einem Satzinterval (I_j) grösser als die Massstabeinteilung (λ) verteilt wird, die Kapazitäten (Cmi), welche zwischen den Massstabelektroden (11) und den Gruppen von Sensorelektroden (21) entstehen, von der relativen Position des Sensors (2) in Bezug auf den Massstab (1) abhängen, dadurch gekennzeichnet, dass: die Satzintervalle (I_j), welche von benannten sukzessiven Sätzen von Sensorelektroden besetzt werden, sich gegenseitig durchdringen, so dass die verschiedenen Sätze durchgemengt werden.
Kapazitive Messvorrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelektroden (21) in Paketen (25) verteilt sind, wobei jedes Paket aus einer Elektrode oder aus mehreren direkt aneinanderliegenden Elektroden besteht, und dass die Anzahl möglicher unbesetzter Anfangspositionen (22) zwischen den verschiedenen Paketen variabel ist.
Kapazitive Messvorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Sensorelektroden (21) grösser als die Breite benannter Elementarintervallen (P) zwischen den möglichen Anfangspositionen (22) ist.
Kapazitive Messvorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folge der Gruppenindexe innerhalb der verschiedenen Sätze von Sensorelektroden verschieden ist.
Kapazitive Messvorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenseitige Durchdringungstiefe der verschiedenen Sätze variabel ist.
Kapazitive Messvorrichtung gemäss einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Elektroden pro Paket variabel ist.
Kapazitive Messvorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Massstabelektrode (10) einen Teil enthält, welcher gegenüber den Sensorelektroden (21) liegt und als Übermittlungselektrode (12) funktioniert, und dass die Breite dieses Teils, welcher als Übermittlungselektrode funktioniert, mehr oder weniger der Hälfte (λ/2) der Masseinheit (λ) entspricht.
Kapazitive Messvorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (2) ferner mit mindestens einer Anregungselektrode (20) ausgestattet ist, und dass jede Massstabelektrode (10) einen Teil enthält, welcher gegenüber der Anregungselektrode oder -elektroden (20) liegt und als Empfängerelektrode (12) funktioniert, so dass die Anregungselektrode oder -elektroden (29) des Sensors mindestens einen Teil der Massstabelektroden (10) mit einem Anregungssignal (CT) polarisieren kann.
Kapazitive Messvorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (2) ferner mit mindestens einer Empfängerelektrode (20) ausgestattet ist, und dass die Vorrichtung nach dem Prinzip der Mehrfachinjektion verschiedener Signale auf die Sensorelektroden (21) und des einfachen Empfangs auf mindestens der Empfangselektrode (20) funktioniert.