DE19716091A1 - Einrichtung und Verfahren zum Messen der Relativlage zwischen zwei Elementen sowie kapazitive Positionscodierung-Meßeinrichtung - Google Patents
Einrichtung und Verfahren zum Messen der Relativlage zwischen zwei Elementen sowie kapazitive Positionscodierung-MeßeinrichtungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung und ein Verfahren zum Messen der Relativlage
zwischen zwei Elementen sowie auf eine kapazitive Positionscodierungs-Meßeinrichtung. Ferner
bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Synthetisieren bzw.
Zusammensetzen oder Filtern von Signalen (einer Wellenform bzw. eines Signalverlaufs), die an
eine Mehrzahl von Elektroden eines elektronischen Positionscodierers angelegt oder von diesen
Elektroden empfangen werden, um hierdurch die räumliche Position der Wellenform relativ zu
den Elektroden in Inkrementen einzustellen, die erheblich kleiner als der Teilungsabstand der
Elektroden sind.
Kapazitive Positionscodierer werden in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt. Beispiele für
solche kapazitive Positionscodierer sind der US-PS 3, 857,092 und den US-Patenten 4,420,754,
4,878,013, 4,879,508 und 5,023,559 offenbart. Der Offenbarungsgehalt der vorgenannten
Druckschriften wird hiermit in den Offenbarungsgehalt vorliegender Anmeldung einbezogen. Die
kapazitiven Positionscodierer, die in der US-PS 4,420,754 beschrieben sind, arbeiten mit einem
Schlitten bzw. Schieber, der an einer langgestreckten, stationären Skala gleitverschieblich ange
bracht ist. Der Schlitten ist an der Skala derart montiert, daß er entlang deren Länge, das heißt
in Skalen-Längsrichtung beweglich ist. Der Schlitten und die Skala sind mechanisch mit Posi
tionsmeßelementen, wie etwa mit Meßschieber-Backen, gekoppelt, so daß die Relativlage zwi
schen den Positionsmeßelementen der Position des Schlittens an der Skala entspricht.
Die Skala und der Schlitten enthalten jeweils eine Elektrodenanordnung, die sich jeweils entlang
der Längsrichtung der Skala bzw. des Schlittens erstrecken. Als Beispiel enthält der Schlitten
mehrere Sätze von Sendeelektroden. Die Sendeelektroden, die in jedem Satz einander entspre
chend angeordnet sind, sind miteinander verbunden. An entsprechende Sendeelektroden in
jedem Satz, die entweder an dem Schlitten oder an der Skala ausgebildet sein können, werden
Spannungen angelegt, die jeweils einer von mehreren Phasen eines periodischen Signals, wie
etwa eines Sinussignal oder einer Rechteckwelle, entsprechen.
Als Beispiel können 80 Sendeelektroden an dem Schlitten ausgebildet und in fünf Teilsätze oder
Sätze unterteilt sein. Jeder Teilsatz enthält folglich 16 Elektroden. An die Sendeelektroden wer
den Spannungssignale angelegt, die jeweilige Größen von V₀sin(N2π/16) besitzen, wobei N = 1,
2, 3, . . ., 16 ist. Die N-ten Elektroden aller Sätze erhalten hierbei das gleiche Spannungssignal.
Somit wird zum Beispiel eine Spannung von 0,707V₀ an die zweiten Sendeelektroden jedes
Satzes (Sendeelektroden 2, 18, 34, 50 und 66) angelegt. Als Alternative kann ein erstes Span
nungssignal an die ersten m Sendeelektroden in jedem Satz aus 16 Elektroden angelegt werden,
und es kann eine zweite Spannung den verbleibenden (16-m) Sendeelektroden in jedem Satz
zugeführt werden. Damit wird den Sendeelektroden ein rechteckförmiges Signal aufgeprägt.
Die Spannungssignale, die an die Sendeelektrodensätze angelegt werden, rufen eine "räumliche
Wellenform" hervor. Dies bedeutet, daß sich die elektrische Wellenform über den Raum
erstreckt, der durch jeden Satz der Sendeelektroden belegt wird. Der Abstand zwischen entspre
chenden Punkten an benachbarten Sendeelektroden stellt den "räumlichen Abstand bzw.
Teilungsabstand" der Elektroden dar. Der Abstand zwischen entsprechenden Sendeelektroden in
benachbarten Sätzen ist die "räumliche Wellenlänge" der Sendeelektroden. Die räumliche Wellen
form weist eine Position oder Phase bezüglich der Sätze aus Sendeelektroden auf, die von der
Position der Elektroden abhängt, an die die jeweiligen Spannungssignale angelegt werden.
Bei dem vorstehend angegebenen Beispiel einer rechteckförmigen Welle ist zum Beispiel die
Phase der räumlichen Wellenform als 0° definiert, wenn die ersten acht Elektroden in jedem Satz
die erste Spannung empfangen und die zweiten acht Elektroden die zweite Spannung erhalten.
Die Phase der räumlichen Wellenform kann um 22,5° dadurch verschoben werden, daß die erste
Spannung an die Sendeelektroden 2 bis 9 in jedem Satz angelegt wird, während die zweite
Spannung den Sendeelektroden 1 und 10 bis 16 jedem Satz zugeführt wird.
Allerdings legt die Anzahl von Sendeelektroden in jedem Satz das kleinste Winkelphaseninkre
ment fest, mit dem die räumliche Wellenform verschoben werden kann. In gleicher Weise legt
der Teilungsabstand der Sendeelektroden das kleinste positionsmäßige Inkrement fest, mit dem
die räumliche Wellenform verschoben werden kann. Folglich beträgt der kleinste Phasenwinkel,
mit dem die räumliche Wellenform bei dem vorstehend beschriebenen Beispiel verschoben
werden kann, 22,5°. Allgemeiner ausgedrückt liegt der kleinste Phasenwinkel bei 360°/N, wobei
N die Anzahl von Sendeelektroden in jedem Satz bezeichnet.
Nachdem die Spannungssignale an die Sendeelektroden angelegt sind, werden sie kapazitiv auf
erste Empfängerelektroden an der Skala eingekoppelt. Zweite Sendeelektroden sind mit den
ersten Empfängerelektroden gekoppelt. Folglich werden die Spannungssignale, die kapazitiv auf
die ersten Empfängerelektroden eingekoppelt wurden, zu den zweiten Sendeelektroden gespeist.
Die Spannungssignale, die zu den zweiten Sendeelektroden gespeist wurden, werden nachfol
gend kapazitiv auf eine oder mehrere, zweite Empfängerelektroden an dem Schlitten zurückge
koppelt.
Die Elektroden an der Skala sind derart ausgestaltet, daß sie die Größe der Spannungssignale,
die von den Sendeelektroden an dem Schlitten empfangen werden, in Abhängigkeit von der
Position des Schlittens relativ zu der Skala ändern (oder die Phase der räumlichen Wellenform
verschieben). Die Größe der zusammengefaßten Spannungssignale, die durch die zweiten Emp
fängerelektroden an dem Schlitten empfangen werden (oder die Größe der Phasenverschiebung),
gibt folglich die relative Position zwischen dem Schlitten und der Skala an.
Eine geeignete elektronische Schaltung, die mit den zweiten Empfängerelektroden und mit der
Signalquelle für die Spannungssignale, die an die ersten Sendeelektroden angelegt werden,
verbunden ist, ermittelt die Größe der zusammengefaßten, empfangenen Spannungssignale und
folglich die Position des Schlittens bezüglich der Skala. Die Signalquelle für die ersten Sendeelek
troden kann die Phase der räumlichen Wellenform, die an die Sätze aus den ersten Sendeelektro
den angelegt wird, in geeigneter Form verschieben, während sich der Schlitten entlang der Skala
bewegt.
Die Anordnung der Elektroden an dem Schlitten und an der Skala kann auch umgekehrt werden,
so daß die ersten Sendeelektroden und die zweiten Empfängerelektroden an der Skala ange
bracht sind und die ersten Empfängerelektroden und die zweiten Sendeelektroden an dem Schlit
ten montiert sind.
Wenn ein vorgegebenes Ausmaß an analoger Signalinterpolation unterstellt wird, ist die Auflö
sung für die Abstandsmessung bei den herkömmlichen, kapazitiven Positionscodierern, bei denen
die räumliche Phase der zugeführten räumlichen Wellenform inkremental verschoben wird, eine
Funktion der Dichte bzw. Anzahl und des Teilungsabstands der Sendeelektroden in jedem Satz,
über die sich die räumliche Wellenform erstreckt. Wenn dünnere Sendeelektroden enger beiein
ander angeordnet werden, führt dies zu einer höheren Meßauflösung, da die inkrementale räum
liche Phasenverschiebung über einen kürzeren Abstand hinweg auftritt. Wenn zum Beispiel die
Anzahl von Sendeelektroden bei einer räumlichen Wellenlänge von 2,54 cm (1′′) von 8 Elektro
den auf 16 Elektroden erhöht wird, verringert sich die "wählbare" Winkelphasenverschiebung um
die Strecke eines Elektrodenabstands von 45° auf 22,5°, und es halbiert sich das minimale,
wählbare räumliche Inkrement. Wenn alternativ hierzu die Anzahl von Sendeelektroden bei einer
räumlichen Wellenlänge konstant gehalten wird, und zum Beispiel 16 beträgt, und die räumliche
Wellenlänge von 2,54 cm (1′′) auf 1,27 cm (1/2′′) verringert wird, verringert sich der Abstand,
bei dem eine Phasenverschiebung von 22,5° auftritt, von 3,2 mm (1/8′′) auf 1,6 mm (1/16′′).
Jedoch gibt es eine Grenze für den Minimalwert des Teilungsabstands der Elektroden, wodurch
die Auflösung von kapazitiven Positionscodierern begrenzt wird. Falls die wählbare Winkelpha
senverschiebung zwischen benachbarten Elektroden kleiner als 2π/N (oder 360°/N) gemacht
werden könnte, wobei N die Anzahl von Elektroden in einer räumlichen Wellenlänge bezeichnet,
läßt sich die Auflösung des kapazitiven Codierers verbessern. Insbesondere kann die Auflösung
verbessert werden, ohne daß der Teilungsabstand der Elektroden verringert wird oder das Aus
maß an analoger Signalinterpolation erhöht wird.
Bei den herkömmlichen kapazitiven Positionscodierern ist das kleinste, rein digitale, räumliche
Phaseninkrement auf den Teilungsabstand der Sendeelektroden begrenzt. Jedoch sind Codierer
bekannt, die Inkremente von weniger als dem Teilungsabstand der Sendeelektroden erzielen,
wobei analoge Eingangssignale eingesetzt werden. Als Beispiel sind in der US-PS 4,420,754
zwei spezielle Lösungen beschrieben, bei denen analoge Eingangssignale eingesetzt werden, um
hierdurch positionsmäßige Bestimmungen mit einer Auflösung zu ermöglichen, die feiner ist als
der Teilungsabstand der Sendeelektroden.
Die erste Lösung besteht darin, sinusförmige Signale an die Sendeelektroden anzulegen. Darüber
hinaus können die Sendeelektroden selbst sinusförmig geformt sein. Die zeitliche Phasenver
schiebung des Ausgangssignals relativ zu dem Eingangssignal wird dann durch analoge Techni
ken gemessen. Jedoch ist bei diesem Ansatz eine relativ genaue analoge Interpolationsschaltung
erforderlich, wenn das Verhältnis zwischen dem Teilungsabstand der Sendeelektroden und der
gewünschten, zu erzielenden Positionsauflösung hoch ist. Als Ergebnis ist bei diesem Ansatz zur
Erzielung des notwendigen Ausmaßes an räumlicher Interpolation eine relativ empfindliche und
teure analoge Schaltung, wie etwa sehr genaue Analog/Digital-Wandler, erforderlich.
Bei der zweiten, in der US-PS 4,420,754 beschriebenen Lösung werden gleichförmige Span
nungsimpulse an die Sendeelektroden angelegt. Die zeitliche Lage der Impulse wird dann unter
Einsatz einer zeitlichen Phasensteuereinrichtung eingestellt. Hierdurch wird die Phase der räumli
chen Wellenform eingestellt, die an die Sendeelektroden angelegt wird. Als Ergebnis weist die
zeitliche Phase des gesamten Signals, das kapazitiv auf die zweiten Empfängerelektroden einge
koppelt wird, eine vorbestimmte zeitliche Phase von beispielsweise 0° auf. Die zeitliche Phasen
steuereinrichtung kann die zeitliche Phase des gesendeten Signals in Inkrementen ändern, die
kleiner sind als die räumlichen Phasenverschiebungsinkremente zwischen benachbarten Elektro
den. Folglich gibt die Größe der Phaseneinstellung, die zur Aufrechterhaltung einer Phasenver
schiebung von Null bei den Empfängerelektroden erforderlich ist, die relative Position zwischen
dem Schlitten und der Skala mit hoher Auflösung an.
In der US-PS 4,841,225 ist ein Ansatz zum digitalen Wählen der Phase einer räumlichen Wellen
form derart, daß diese um Inkremente verschoben wird, die kleiner sind als der Teilungsabstand
der Sendeelektroden, offenbart. In der US-PS 4,841,225 werden statt der Zuführung der glei
chen Spannungssignale an die entsprechend positionierten Sendeelektroden in jedem Satz,
unterschiedliche Spannungssignale an die entsprechenden Sendeelektroden in einigen der Sätze
angelegt. Die Phase der räumlichen Wellenform, die an einen Satz der Sendeelektroden angelegt
wird, unterscheidet sich von der Phase der räumlichen Wellenform, die an einen anderen Satz
der Sendeelektroden angelegt wird.
Durch Anlegen von räumlichen Wellenformen mit unterschiedlichen Phasen an unterschiedliche
Sätze von Sendeelektroden werden die Phasen der räumlichen Wellenformen, die an jeden Satz
der Sendeelektroden angelegt werden, durch den Wandler einer räumlichen Mittelwertbildung
unterzogen. Falls Spannungssignale, die eine gegebene räumliche Phasenverschiebung aufwei
sen, an lediglich einen Satz der Sendeelektroden angelegt werden, ist die gemittelte räumliche
Verschiebung gleich groß wie diese Phasenverschiebung, dividiert durch die Anzahl von Sätzen
von Sendeelektroden.
Daher läßt sich die gemittelte räumliche Wellenform um eine Strecke von weniger als dem
Teilungsabstand der Sendeelektroden verschieben. Die gemittelte Phasenverschiebung ist somit
kleiner als 360°/N, wobei N die Anzahl von Sendeelektroden in jedem Satz bezeichnet. Wenn
allgemeiner davon ausgegangen wird, daß M Sätze aus N Sendeelektroden vorhanden sind, führt
die Verschiebung der räumlichen Phase in einer Gruppe um eine Anzahl P von Teilungsabstän
den, die eine Breite von Pt aufweisen, zu einer Verschiebung der räumlichen Wellenform inner
halb einer inkrementalen Phasenverschiebung um Pt·P/M. Jedoch ist bei dem kapazitiven Posi
tionscodierer gemäß der US-PS 4,841,225 eine große Anzahl von Schalterverbindungen erfor
derlich, um an jede Sendeelektrode ein unterschiedliches Spannungssignal individuell anlegen zu
können.
Zur Herstellung der kapazitiven, elektronischen Positionscodierer wird am häufigsten die relativ
billige, mit gedruckten Schaltplatinen bzw. Leiterplatten arbeitende Codierer-Technologie einge
setzt. Die große Anzahl von Schaltern (nämlich M Sätze × N Schalter je Satz) und die erforderli
che Länge des Substrats, das die Sendeelektroden enthält, führen dazu, daß die Lehre gemäß
der US-PS 4,841,225 physikalisch und wirtschaftlich schwierig zu realisieren ist, wenn die mit
gedruckten Schaltplatinen arbeitende Codierer-Technologie eingesetzt wird. Die große Anzahl
von erforderlichen Schaltern läßt sich unter Verwendung von zur Herstellung von integrierten
Schaltungen ausgelegten Methoden für Elektrodenanordnungs-Schaltnetzwerke herstellen.
Jedoch ist diese Herstellungsmethode in vielen Fällen nicht wünschenswert.
In der US-PS 4,878,013 ist ein weiterer Ansatz zur digitalen Auswahl von räumlichen Phasenin
krementen offenbart, die kleiner sind als der physikalische Teilungsabstand der Sendeelektroden.
Bei der Lehre gemäß der US-PS 4,878,013 wird ein spezieller Abstand der Sende- und Empfän
gerelektroden mit einer entsprechenden, spezifischen Beziehung hinsichtlich der an die Sende
elektroden angelegten Treibersignale verknüpft, um hierdurch Auflösungsinkremente zu wählen,
die kleiner sind als der physikalische Teilungsabstand der Sendeelektroden. Ein "künstlicher"
räumlicher Teilungsabstand wird durch die Mehrzahl von Sätzen von Sendeelektroden und die
geeignet beabstandeten Skalen-Elektroden geschaffen. Der effektive künstliche räumliche
Teilungsabstand der Sendeelektroden bei der US-PS 4,878,013 ist effektiv erheblich kleiner als
der aktuelle physikalische Teilungsabstand. Die Inkremente, mit denen die räumlichen Wellen
formsignale digital verschoben werden können, sind demgemäß entsprechend kleiner. Dies stellt
jedoch eher eine geometrische als eine elektronische Lösung des Problems dar.
Mit der vorliegenden Erfindung werden ein Verfahren und eine Einrichtung zum digitalen Manipu
lieren der räumlichen Wellenform eines auf Elektroden basierenden Positionscodierers bereitge
stellt, durch die eine effektive räumliche Wellenformauflösung erzielt werden kann, die kleiner ist
als der Teilungsabstand der Elektroden.
Mit der Erfindung wird weiterhin ein kapazitiver Positionscodierer bereitgestellt, der eine effektive
Auflösung von weniger als dem Teilungsabstand der Sendeelektroden aufweist, und bei dem
keine große Anzahl von Schaltern erforderlich ist.
Mit der Erfindung wird ferner ein kapazitiver Positionscodierer vorgestellt, der eine effektive
Auflösung aufweist, die kleiner ist als der Teilungsabstand der Sendeelektroden, wobei eine
relativ kleine Anzahl von Sätzen von Sendeelektroden eingesetzt wird.
Mit der beanspruchten Einrichtung werden räumliche Wellenformen für inkrementale oder abso
lute kapazitive Positionscodierer synthetisiert bzw. künstlich gebildet. Diese Codierer weisen ein
erstes Substrat sowie ein zweites Substrat auf, die relativ zueinander entlang einer Meßachse
beweglich sind. An dem ersten Substrat sind Sendeelektroden angebracht, die mit Spannungs
signalen zur Erzeugung einer räumlichen Wellenform gespeist werden. Mindestens eine weitere
Elektrode ist an dem ersten Substrat gebildet. Diese mindestens eine weitere Elektrode ist mit
den Sendeelektroden mittels Elektroden an dem zweiten Substrat kapazitiv gekoppelt. Die
Größen der Änderungen der Spannungssignale (Änderungen entweder der Amplitude oder der
Phase), die zwischen den Sendeelektroden und der mindestens einer weiteren Elektrode übertra
gen werden, hängen von der relativen Position zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat
entlang der Meßachse ab.
Zur Erzielung einer gewünschten Genauigkeit weisen die Spannungssignale, die durch den
Wandler fortschreiten bzw. fortgeschaltet werden, eine räumlich kontinuierliche und periodische
Struktur wie etwa eine Rechteckwelle oder vorzugsweise eine Sinuswelle auf. Diese kontinuierli
che und periodische Wellenstruktur wird dadurch erzielt, daß eine Mehrzahl von digitalen, räum
lichen, die Basisgrundlage bzw. Einzelkomponenten bildenden Wellenformen an den Codierer für
jede Positionsmessung angelegt werden. Hierdurch wird eine zusammengesetzte räumliche
Wellenform geschaffen, die eine räumliche Phase aufweist, die der Phase der räumlichen Sum
mation der digitalen, räumlichen, die Basisgrundlage bildenden und an den Codierer angelegten
Wellenformen entspricht.
Im Betrieb bestimmt die Einrichtung (bzw. das System) zunächst die Größe des Signals, das
durch die Empfängerelektroden an dem Schlitten empfangen wird. Die Einrichtung wählt dann
die geeigneten, digitalen, räumlichen, die Basisgrundlage bildenden Wellenformen aus, um hier
durch die räumliche Phase der empfangenen, zusammengesetzten räumlichen Wellenform zur
Erzielung eines vorbestimmten Ausgangswerts einzustellen. Die Einrichtung legt die räumliche
Phase der empfangenen, zusammengesetzten, räumlichen Wellenform durch Ändern von minde
stens einigen der digitalen, räumlichen, die Basisgrundlage bildenden Wellenformen fest.
Bei einem normalen Betrieb führt das Wandlersystem den vorstehend beschriebenen Ablauf
wiederholt durch, so daß der vorbestimmte Ausgangswert innerhalb eines gewünschten Grenz
bereichs gehalten wird. Während dieses auf der neuartigen Gestaltung der digitalen, räumlichen,
die Basisgrundlage bildenden und zur Aufrechterhaltung des vorbestimmten Ausgangswerts
ausgewählten Wellenformen basierenden normalen Betriebs ermittelt die Einrichtung die relative
Position zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat entlang der Meßachse innerhalb eines
Inkrements der Skalen-Wellenlänge. Zur Ermittlung der relativen Position zwischen dem ersten
und dem zweiten Substrat entlang der Meßachse führt die Einrichtung den vorstehend beschrie
benen Betrieb wiederholt durch, wobei die Nettoanzahl von bewegten bzw. durchlaufenen
Skalen-Wellenlängen-Inkrementen aufsummiert wird.
Das System legt entweder eine jeweilige Spannung an jede Elektrode in der Anordnung für jede
räumliche Wellenform an oder empfängt eine jeweilige Spannung von jeder Elektrode in dieser
Anordnung für jede räumliche Wellenform. Folglich wird für jede Positionsmessung eine Mehrzahl
von Spannungssignalen an die Sendeelektroden zu einer Vielzahl von Zeitpunkten angelegt. Falls
das System bzw. die Einrichtung das gleiche Spannungssignal an jede Elektrode in jedem Satz
anlegt, moduliert das System vorzugsweise jedesmal die Impulse mit einer entsprechenden
Anzahl von Koeffizienten. Weiterhin entspricht jeder der Vielzahl von Koeffizienten einer Elek
trode in jedem der Elektrodensätze. Als Ergebnis wird eine Vielzahl von modulierten Impulsen an
jede Elektrode während jeder Messung angelegt. Jeder Satz von modulierten Impulsen bildet eine
räumliche Wellenform, die eine räumliche Gestalt besitzt, die den Sätzen von Koeffizienten
entsprechen. Falls unterschiedliche Spannungssignale an jede der Sendeelektroden angelegt
werden, kann die effektive räumliche Phase aus der zusammengesetzten räumlichen Wellenform
erkannt werden.
Der elektronische Positionscodierer kann auch umgekehrt aufgebaut werden. Die mindestens
eine weitere Elektrode sendet folglich die Wellenform und es empfangen die Sendeelektroden die
Wellenform. Wenn die Spannungssignale statt dessen durch die Sendeelektroden empfangen
werden, wird eine Vielzahl von Impulsen an die mindestens eine weitere Elektrode während jeder
Messung angelegt. Das System steuert vorzugsweise das Vorliegen einer Verbindung und
Verbindungspolarität für jeden Satz von Sendeelektroden während der Mehrzahl von Impulsen
mit einer entsprechenden Vielzahl von Koeffizientensätzen. Jeder Koeffizient in einem Satz
entspricht einer Sendeelektrode in jedem Satz. Jeder Satz von Impulsen wird daher räumlich
moduliert und durch ein wählbares räumliches Filter gefiltert, das eine räumliche Gestalt
aufweist, die durch den Koeffizientensatz bestimmt ist. Im Ergebnis wird die Vielzahl von Impul
sen moduliert und durch jeden der Sätze von Elektroden bei jeder Messung gefiltert.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines kapazitiven Positionscodierers, das
erfindungsgemäß zusammen mit dem System zur Zusammensetzung einer räumlichen
Wellenform eingesetzt wird,
Fig. 2A-2G zeigen Spannungs- und Signaldarstellungen, wobei eine erste Ausgestaltung der
Zuführung von Spannungssignalen zu den Sendeelektroden in jedem Satz bei dem in
Fig. 1 gezeigten kapazitiven Positionscodierer dargestellt ist,
Fig. 3A-3C zeigen Spannungs- und Signaldarstellungen, die eine zweite Ausgestaltung für die
Zufuhr der Spannungssignale zu den Sendeelektroden in jedem Satz des in Fig. 1
gezeigten kapazitiven Positionscodierers veranschaulichen,
Fig. 4A-4C zeigen Spannungs- und Signaldarstellungen, die eine dritte Ausgestaltung zum
Anlegen der Spannungssignale an die Sendeelektroden in jedem Satz bei dem in Fig. 1
gezeigten, kapazitiven Positionscodierer veranschaulichen,
Fig. 5A-5C zeigen Spannungs- und Signaldarstellungen, die eine vierte Ausgestaltung zum
Anlegen der Spannungssignale an die Sendeelektroden in jedem Satz bei dem in Fig. 1
gezeigten, kapazitiven Positionscodierer veranschaulichen,
Fig. 6 veranschaulicht, wie die resultierenden räumlichen Wellenformen inkrementale Positio
nen innerhalb eines einzelnen Teilungsabstands der Elektroden des in Fig. 1 gezeigten,
kapazitiven Positionscodierers definieren,
Fig. 7 zeigt einen positiv verlaufenden Impuls,
Fig. 8 zeigt einen positiv verlaufenden Impuls, dem ein negativ verlaufender Impuls nach
folgt,
Fig. 9 zeigt Impulse, die an einen herkömmlichen Positionscodierer angelegt werden und die
voneinander durch ein Rücksetzintervall beabstandet sein müssen,
Fig. 10 zeigt eine digitale Wellenform mit zugeordneten Zeit-Markierungen und Daten,
Fig. 11 veranschaulicht einen Satz aus digitalen Wellenformen für die Einspeisung von unter
schiedlichen zusammengesetzten Spannungspegeln durch die Elektroden des in Fig. 1
gezeigten, kapazitiven Positionscodierers,
Fig. 12 zeigt den Signalgenerator und den Signalprozessor bei dem in Fig. 1 dargestellten
kapazitiven Positionscodierer in größeren Einzelheiten,
Fig. 13 veranschaulicht, wie die räumliche Wellenform während der Bewegung des Schlittens
relativ zu der Skala modifiziert wird, um hierdurch inkrementale Positionen innerhalb
eines Teilungsabstands der Sendeelektroden des in Fig. 1 gezeigten, kapazitiven Posi
tionscodierers zu definieren,
Fig. 14 zeigt bevorzugte Ausführungsformen des in Fig. 12 gezeigten Verstärkers, Demodula
tors und Integrators bei dem kapazitiven Positionscodierer,
Fig. 15A-15C zeigen unterschiedliche Signalverläufe, die in der Schaltung gemäß Fig. 14 bei
unterschiedlichen Bedingungen auftreten,
Fig. 16 zeigt ein Blockschaltbild des allgemeinen Aufbaus des Signalgenerators und des
Signalprozessors bei dem in Fig. 1 dargestellten kapazitiven Positionscodierer,
Fig. 17 zeigt ein Blockschaltbild des Signalgenerators und des Signalprozessors bei dem kapa
zitiven Positionscodierer gemäß Fig. 16, und
Fig. 18 zeigt ein Blockschaltbild eines alternativen Ausführungsbeispiels des Signalgenerators
und des Signalprozessors bei dem kapazitiven Positionscodierer gemäß Fig. 16.
Bei dem nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird das Verfahren zum Synthetisieren
bzw. Zusammensetzen von räumlichen Wellenformen unter Verwendung einer Elektrodenanord
nung gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise bei einem kapazitiven Positionscodierer
eingesetzt, beispielsweise bei dem in Fig. 1 gezeigten Positionscodierer. Wie in Fig. 1 gezeigt ist,
weist der Codierer 100 einen kapazitiven Positionswandler 110 auf, der im wesentlichen dem in
Fig. 1 der US-PS 4,878,013 gezeigten Positionswandler entspricht.
Der Wandler 110 enthält einen Schlitten bzw. Schieber 112, der benachbart zu einer Skala bzw.
einem Taktlineal 114 angeordnet ist. Der Schlitten 112 bewegt sich relativ zu der Skala 114
entlang einer Meßachse 116. Der kapazitive Positionscodierer 100 enthält weiterhin eine elek
tronische Schaltung 120. Diese elektronische Schaltung 120 weist einen Signalgenerator 122
und einen Signalprozessor 124 auf.
An dem Schlitten 112 ist eine Anordnung von ersten Sendeelektroden 130 angebracht. Wie in
Fig. 1 dargestellt ist, sind an dem Schlitten 112 zwei Sätze 132 und 134 von ersten Sendeelek
troden 130 angeordnet. Jedoch ist anzumerken, daß jede beliebige Anzahl von Sätzen von
Sendeelektroden 130 eingesetzt werden kann.
Die Sendeelektroden 130 sind mit dem Signalgenerator 122 verbunden. Insbesondere sind eine
erste Sendeelektrode 132a in dem ersten Satz 132 und eine erste Sendeelektrode 134a in dem
zweiten Satz 134 jeweils mit dem gleichen Ausgang des Signalgenerators 122 verbunden. In
gleicher Weise sind die jeweiligen zweiten, dritten, usw. Elektroden 132b bis 132h des ersten
Satzes 132 und die zweite, dritte, usw. Elektrode 134b bis 134h des zweiten Satzes 134 jeweils
an die gleichen Signalausgangsleitungen 126b bis 126h des Signalgenerators 122 angeschlos
sen.
Der Abstand zwischen der linken Kante der ersten Sendeelektrode 132a des ersten Satzes 132
und der linken Kante der ersten Sendeelektrode 134a in dem zweiten Satz 134 stellt die räumli
che Wellenlänge der Anordnung von Sendeelektroden 130 dar. Der Teilungsabstand 136 der
Sendeelektroden 130 stellt den Abstand zwischen einem beliebigen Punkt an jeder beliebigen
Sendeelektrode 130 und dem entsprechenden Punkt einer benachbarten Sendeelektrode 130
dar.
Der Schlitten 112 ist nahe an der Skala 114 angeordnet, so daß die Signale, die an die ersten
Sendeelektroden 130 angelegt werden, kapazitiv mit ersten Empfängerelektroden 140 gekoppelt
werden, die in einer Anordnung bzw. Reihe an der Skala 114 angeordnet sind. Jede der Empfän
gerelektroden 140 ist mit einer zweiten Sendeelektrode 150 über einen Verbindungsdraht bzw.
eine Verbindungsleitung 142 verbunden. Die zweiten Sendeelektroden 150 sind ebenfalls in einer
Anordnung bzw. Reihe angeordnet. Die Spannungssignale, die kapazitiv in die ersten Empfän
gerelektroden 140 eingekoppelt wurden, werden durch die Verbindungsdrähte 142 zu den zwei
ten Sendeelektroden 150 geleitet. Die an die zweiten Sendeelektroden 150 angelegten Span
nungssignale werden kapazitiv in eine zweite Empfängerelektrode 160 eingekoppelt, die an dem
Schlitten 112 angebracht ist und die mit dem Signalprozessor 124 verbunden ist. Das Span
nungssignal, das von der zweiten Empfängerelektrode 160 empfangen wird, ist eine Funktion der
Position des Schlittens 112 relativ zu der Skala 114.
Jede erste Elektrode 132a und 134a jedes Satzes 132 und 134 ist mit dem Signalgenerator 122
durch die Signalleitung 126a verbunden. In gleicher Weise ist jede zweite bis achte Elektrode
132b bis 132h des ersten Satzes 132 mit dem Signalgenerator 122 jeweils durch die jeweiligen
Signalleitungen 126b bis 126h verbunden. In gleichartiger Weise sind auch die jeweiligen zwei
ten bis achten Elektroden 134b bis 134h des zweiten Satzes mit dem Signalgenerator 122 durch
die jeweiligen Signalleitungen 126b bis 126h verbunden. Die zweite Empfängerelektrode 160 ist
mit dem Signalprozessor 124 durch die Signalleitung 127 verbunden. Der Signalgenerator 122
und der Signalprozessor 124 sind miteinander durch die Signalleitung oder Signalleitungen 129
verbunden.
Einer periodischen Wellenform entsprechende Spannungssignale werden an die Elektroden 130
in dem ersten und dem zweiten Satz 132 und 134 von dem Signalgenerator 120 angelegt. Falls
die periodische Wellenform zum Beispiel ein Rechtecksignal ist, empfangen die vier ersten
Sendeelektroden 132a bis 132d und 134a bis 134d in dem ersten und dem zweiten Satz 132
und 134 das gleiche erste Spannungssignal (zum Beispiel ein Signal +5 Volt). Die vier weiteren
Elektroden 132e bis 132h und 134e bis 134h in dem ersten und dem zweiten Satz 132 und 134
empfangen die gleiche zweite Spannung (zum Beispiel ein Signal -5 Volt). Statt eine periodische
Wellenform bezüglich der Zeit zu sein, ist de facto die periodische Wellenform räumlich entlang
der Meßachse 116 verteilt. Somit stellt die periodische Wellenform eine "räumliche Wellenform"
dar.
Die Phase dieser räumlichen Wellenform kann durch Ändern der Position innerhalb jedes der
Sätze 132 und 134, bei der sich die Spannungssignale von der ersten Spannung (+5V) zu der
zweiten Spannung (-5V) ändern, inkremental verschoben werden. Folglich wird die Position der
räumlichen Wellenform bei dem vorstehend beschriebenen Beispiel um den Teilungsabstand 136
verschoben, indem die erste Spannung (+5V) an die zweite bis fünfte Sendeelektrode 132b bis
132e und 134b bis 134e in dem ersten und dem zweiten Satz 132 und 134 angelegt wird. Zur
gleichen Zeit wird die zweite Spannung (-5V) an die erste und an die sechste bis achte Sende
elektrode 132a und 132f bis 132h sowie 134a und 134f bis 134h in dem ersten und dem zwei
ten Satz 132 und 134 angelegt. Eine Positionsverschiebung um einen Teilungsabstand 136
entspricht einer räumlichen Phasenverschiebung von 45°. Somit verschiebt sich die Phase um
360°/N, wobei N die Anzahl von Sendeelektroden in jedem Satz bezeichnet. Da bei dem vorste
hend erläuterten Beispiel jeder erste und zweite Satz 132 und 134 acht Sendeelektroden 130
enthält, liegt die Phasenverschiebung bei 360°/8, das heißt bei 45°.
Im Betrieb ist die Amplitude des Spannungssignals, das durch die zweite Empfängerelektrode
160 empfangen wird, eine Funktion sowohl der relativen Position zwischen dem Schlitten 112
und der Skala 114 als auch der räumlichen Wellenform der Signale, die an die ersten Sendeelek
troden 130 angelegt werden. Das von der zweiten Empfängerelektrode 160 empfangene Span
nungssignal stellt die Summe aller Spannungssignale dar, die von den ersten Sendeelektroden
130 über die ersten Empfängerelektroden 140 und die zweiten Sendeelektroden 150 durch
Kopplung übertragen wurden.
Bei einer bestimmten relativen Position zwischen dem Schlitten 112 und der Skala 114 empfängt
die zweite Empfängerelektrode 160 ein Signal mit einer Amplitude von null Volt, wenn komple
mentäre Spannungen an die richtigen bzw. an diejenigen Sendeelektroden 130 angelegt werden,
die in gleichem Ausmaß mit den ersten Empfängerelektroden 140 gekoppelt sind. Wenn sich der
Schlitten 112 dann entlang der Skala 114 bewegt ändert sich die geometrische Beziehung
zwischen den Sendeelektroden 130 und den Empfängerelektroden 140. Folglich wird die kapazi
tive Kopplung mit denjenigen Sendeelektroden 130, die mit den eine bestimmte Polarität aufwei
senden Spannungssignalen gespeist werden, größer als die kapazitive Kopplung mit denjenigen
Sendeelektroden 130, die mit Spannungssignalen gespeist werden, die die andere Polarität
besitzen. Demzufolge wird das Spannungssignal an der zweiten Empfängerelektrode 160 abhän
gig von der Richtung, mit der sich der Schlitten 112 relativ zu der Skala 114 bewegt, entweder
ein positives oder ein negatives Spannungssignal.
Wenn der Schlitten 112 relativ zu der Skala 114 bewegt wird, inkrementiert der Signalgenerator
122 die Position der räumlichen Wellenform, die an die Sendeelektroden 130 bezüglich der
ersten Sendeelektroden 132a bis 132h und 134a bis 134h der Sätze 132 und 134 angelegt
wird, um hierdurch das von der zweiten Empfängerelektrode 160 empfangene Spannungssignal
bei einer Amplitude von im wesentlichen null Volt zu halten. Die Position der räumlichen Wellen
form relativ zu den ersten Sendeelektroden 132a bis 132h und 134a bis 134h der Sätze 132
und 134 entspricht folglich der relativen Position zwischen den Wandlerelementen an dem
Schlitten 112 und an der Skala 114. Unter Heranziehung der Position der räumlichen Wellenform
relativ zu den Sendeelektroden der Sätze 132 und 134 ermittelt der Signalprozessor 124 die
relative Position des Schlittens 112 bezüglich der Skala 114 entlang der Meßachse 116 inner
halb einer Strecke, die gleich der Skalen-Wellenlänge λF, dividiert durch die Anzahl N von
Sendeelektroden oder Phasen, ist.
Die elektronische Schaltung 120 führt den vorstehend beschriebenen Ablauf durch, wobei sie die
Nettoanzahl von durchlaufenen Strecken λF/N aufsummiert, um hierdurch die Position des Schlit
tens 112 relativ zu der Skala 114 zu bestimmen. Wenn angenommen wird, daß die räumliche
Wellenform kontinuierlich und periodisch ist, daß die elektronische Schaltung ein herkömmliches
digitales System ist, das lediglich zwei mögliche Spannungssignaleingänge aufweist (das heißt
die bei dem vorstehend beschriebenen Beispiel eingesetzten Signale +5V und -5V), und daß
lediglich eine räumliche Wellenform bei jedem Meßzyklus eingesetzt wird, kann die Position der
räumlichen, an die Sendeelektroden 130 angelegten Wellenform allerdings lediglich in Inkremen
ten bzw. Schritten verschoben werden, die gleich der Strecke λF/N sind. Damit ist die digitale
Auflösung des in Fig. 1 gezeigten Codierers 100 grundsätzlich auf (λF/N) begrenzt, wenn der
Wandler 110 mit einer herkömmlichen elektronischen Schaltung 120 verbunden ist.
Bei der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Synthetisieren
der räumlichen Wellenform können digitale Auflösungen erzielt werden, die kleiner sind als der
Teilungsabstand 136 der Sendeelektroden 130. Hierzu wird jede Positionsmessung auf der Basis
einer Mehrzahl von räumlichen Wellenformen durchgeführt, die an die Sendeelektroden 130
während jedes Meßzyklus angelegt werden. Die Gestaltung von mindestens einer der räumlichen,
an die Sendeelektroden 130 während jedes Meßzyklus angelegten Wellenformen kann (muß aber
nicht) sich von der Gestaltung der anderen räumlichen, an die Sendeelektroden 130 während des
gleichen Meßzyklus angelegten Wellenformen unterscheiden. Die Position der zusammengesetz
ten räumlichen Wellenformen, die durch die Summe aus allen räumlichen, an die Sendeelektro
den 130 während eines Meßzyklus angelegten Wellenformen gebildet wird, stellt folglich die
Position der räumlichen Aufsummierung von allen räumlichen, an die Sendeelektroden 130 ange
legten, die Basisgrundlage darstellenden Wellenformen dar.
Ein Meßzyklus enthält zum Beispiel vier räumliche, die Basisgrundlage bildende Wellenformen.
Falls die Position von genau einer räumlichen, die Basisgrundlage bildenden Wellenform relativ zu
den anderen, die Basisgrundlage bildenden Wellenformen um den Teilungsabstand 136 der
Sendeelektroden 130 verschoben wird, wird die Position der zusammengesetzten, räumlichen,
über alle vier Meß-Unterzyklen akkumulierten bzw. aufsummierten Wellenform um ein Viertel des
Teilungsabstands 136 relativ zu einer zusammengesetzten, räumlichen Referenz-Wellenform
verschoben, die durch wiederholten Einsatz lediglich einer einzigen, die Basisgrundlage bildenden
Wellenform gebildet wird.
Folglich wird aufgrund der Änderung der Position von mindestens einer der räumlichen, die
Basisgrundlage bildenden Wellenformen die Position der zusammengesetzten, räumlichen Wellen
form, die durch Aufsummierung aller Wellenformen während eines Meßzyklus gebildet ist, um
einen Bruchteil des Teilungsabstands 136 der Sendeelektroden 130 relativ zu der zusammenge
setzten, räumlichen Referenz-Wellenform verschoben. Die Fähigkeit zur wirksamen Änderung der
Position der zusammengesetzten räumlichen Wellenform in Schritten, die kleiner sind als der
Teilungsabstand 136 der Sendeelektroden 130, ermöglicht die Erzielung einer entsprechend
feineren Meßauflösung, wobei eine kostengünstige und genaue digitale Einrichtung eingesetzt
wird.
Fig. 2A zeigt schematisch die Elektroden 132a bis 132h des ersten Satzes 132 der ersten
Sendeelektroden 130. Fig. 2B zeigt die relativen Spannungsamplituden der Spannungssignale,
die an die Elektroden 132a bis 132h zur Erzeugung der vier digitalen, räumlichen, die Basisgrundlage
bildenden Wellenformen zu vier unterschiedlichen Zeitpunkten t₁ bis t₄ angelegt werden.
Zum Zeitpunkt t₁ werden die drei ersten Elektroden 132a bis 132c mit einem Spannungssignal
gespeist, das eine erste Polarität (zum Beispiel +5V) aufweist. Zur gleichen Zeit werden die
Elektroden 132e bis 132g mit einem Spannungssignal gespeist, das die gleiche Größe, jedoch
die entgegengesetzte Polarität besitzt (zum Beispiel -5V).
Das Anlegen einer positiven Spannung an die Elektroden 132a bis 132c führt effektiv zur Bildung
einer einzigen positiven Elektrode, die sich von dem linken Rand der Elektrode 132a bis zu dem
rechten Rand der Elektrode 132c erstreckt (wobei der Abstand zwischen den Elektroden 132
vernachlässigt ist). In gleicher Weise führt das Anlegen einer negativen Spannung an die Elektro
den 132e bis 132g effektiv zur Bildung einer einzigen Elektrode, die sich von dem linken Rand
der Elektrode 132e bis zu dem rechten Rand der Elektrode 132g erstreckt. Bei jeder der räumli
chen, die Basisgrundlage bildenden und in Fig. 2B gezeigten Wellenformen liegt die Mitte oder
der Schwerpunkt jeder der räumlichen, die Basisgrundlage bildenden Wellenformen jeweils bei P₁
bis P₄ (die Mitte oder der Schwerpunkt repräsentiert hierbei die räumliche Phase oder die räumli
che Position). Bei den in Fig. 2B gezeigten, räumlichen, die Basisgrundlage bildenden Wellenfor
men liegen die jeweiligen Schwerpunkte (Zentroide) P₁ bis P₄ jeweils speziell bei dem Mittelpunkt
der Elektrode 132d.
Fig. 2C zeigt die resultierende, zusammengesetzte, räumliche Wellenform, die aus der Summe
der Spannungen resultiert, die an die Elektroden 132a bis 132h während der vier Zeitpunkte oder
Zeitintervalle t₁ bis t₄ angelegt werden. Wie in Fig. 2C gezeigt ist, besitzt die zusammengesetzte
Wellenform eine Amplitude von +4 Einheiten (das heißt dem vierfachen der Spannung, die an
die Elektroden 132a bis 132c angelegt sind) in demjenigen Bereich, der durch die Elektroden
132a bis 132c belegt ist, eine Amplitude mit null Volt in dem durch die Elektrode 132d belegten
Bereich, eine Amplitude von -4 Einheiten in dem durch die Elektrode 132e bis 132g belegten
Bereich, und eine Amplitude von null Volt in dem durch die Elektrode 132h belegten Bereich.
Die Mitte oder der Schwerpunkt der zusammengesetzten räumlichen Wellenform liegt bei PS (die
Mitte oder der Schwerpunkt repräsentiert die räumliche Phase oder die räumliche Position). PS
liegt an der gleichen Position wie die Schwerpunkte P₁ bis P₄ der vier identischen, die Basis
grundlage bildenden räumlichen Wellenformen, das heißt an dem Mittelpunkt der Elektrode
132d.
Das gemäß dieser Erfindung eingesetzte Verfahren zum Zusammensetzen der räumlichen Wellen
form akkumuliert bzw. aufsummiert die digitalen, räumlichen, die Basisgrundlage bildenden
Wellenformen, die an die Elektroden 132a bis 132h während aller vier Zeitperioden t₁ bis t₄
angelegt werden, um hierdurch ein Positionsmeßausgangssignal auf der Grundlage der Position
der aufsummierten zusammengesetzten Wellenform bereitzustellen. Die aufsummierte zusam
mengesetzte Wellenform bringt den gleichen Effekt wie das Anlegen der einzelnen, in Fig. 2C
gezeigten Spannungssignale an die jeweiligen Elektroden 132a bis 132h an die entsprechenden
ersten Sendeelektroden 132a bis 132h während einer einzigen Zeitperiode. Die in Fig. 2C
gezeigte zusammengesetzte Wellenform zeigt die Position der zusammengesetzten, räumlichen
Wellenform an, die an die Sendeelektrode 132a bis 132h während der vier Zeitperioden t₁ bis t₄
angelegt werden.
Fig. 2D zeigt einen weiteren Satz von Spannungssignalen, die an die Sendeelektroden 132a bis
132h angelegt werden. Wie in Fig. 2D gezeigt ist, sind die Spannungssignale, die an die Elektro
den 132a bis 132h während der Zeitdauer t′₁, t′₂ und t′₄ angelegt werden, identisch mit den
Spannungssignalen, die an die Elektroden 132a bis 132h in den Zeitperioden t₁, t₂ und t₄ ange
legt wurden und in Fig. 2B gezeigt sind. Die Positionen der Schwerpunkte der die Basisgrundlage
bildenden, räumlichen Wellenform zu den Zeiten t′₁, t′₂ und t′₄ liegen bei P′₁, P′₂ und P′₄, das
heißt den Mittelpunkten der Elektrode 132d.
Jedoch wird zum Zeitpunkt t′₃ das positive Spannungssignal auch an die Elektrode 132d ange
legt, und es wird das negative Spannungssignal der Elektrode 132h zugeführt. Als Ergebnis wird
der Schwerpunkt der die Basisgrundlage bildenden, räumlichen, zum Zeitpunkt t′₃ zugeführten
Wellenform nach rechts um die Hälfte des Teilungsabstands 136 der Elektroden 130 verschoben
und liegt daher bei der Position P′₃. Die die Basisgrundlage bildenden Wellenformen können frei
geändert werden, so daß ein Freiheitsgrad erreicht wird, der bei dem Wandlersystem mit einer
(einzigen) zusammengesetzten Wellenform nicht erreichbar ist.
Allgemein ist es aufgrund der Systemgenauigkeit erforderlich, daß die zusammengesetzte
Wellenform eine nahezu konstante Form an allen Positionen aufweist, das heißt räumlich konti
nuierlich und periodisch ist und vorzugsweise sinusförmig ausgelegt ist. Die die Basisgrundlage
bildenden Wellenformen müssen diese erwünschten Eigenschaften jeweils einzeln nicht bereit
stellen oder müssen diese nicht haben. Folglich bietet ihr positionsmäßiges Verhalten lediglich
einen groben Ersatz oder eine Alternative zu der erfindungsgemäßen Methode zur Positionssteue
rung der zusammengesetzten Wellenform. Fig. 2E zeigt die Summe der Spannungen, die an die
Elektroden 132a bis 132h während der vier Zeitperioden t′₁ bis t′₄ angelegt werden (das heißt
Fig. 2E zeigt die zusammengesetzte Wellenform).
Wie in Fig. 2E gezeigt ist, weist die zusammengesetzte Wellenform eine Amplitude von +4
Einheiten auf. Diese Amplitude erstreckt sich entlang der Fläche, die durch die Elektroden 132a
bis 132c belegt ist, da diese Elektroden ein positives, einer einzigen Einheit entsprechendes
Spannungssignal während jeder der vier Zeitperioden t₁ bis t₄ erhalten. Jedoch erhält der
Abschnitt der räumlichen Wellenform, der durch die Elektrode 132d belegt ist, ein positives,
einer Einheit entsprechendes Spannungssignal lediglich während der Zeitperiode t′₃. Folglich
weist dieser Abschnitt der zusammengesetzten Wellenform eine Amplitude von + 1 auf.
In gleichartiger Weise besitzt der Abschnitt der zusammengesetzten räumlichen Wellenform, der
sich entlang der Elektroden 132e bis 132g erstreckt, eine Amplitude von -4 Einheiten. Jedoch
erhält der Abschnitt der zusammengesetzten räumlichen Wellenform, der sich entlang der Elek
trode 132h erstreckt, ein negatives, einer Einheit entsprechendes Spannungssignal lediglich
während der Zeitperiode t′₃. Folglich weist dieser Abschnitt der zusammengesetzten Wellenform
eine Amplitude von -1 auf.
Die Verschiebung des Schwerpunkts der die Basisgrundlage bildenden, räumlichen Wellenform
von P′₁, P′₂ und P′₄ zu den Zeitpunkten t′₁, t′₂ bzw. t′₄ zu P′₃ während der Zeitperiode t′₃ führt
zu einer Verschiebung des Schwerpunkts P′S der zusammengesetzten räumlichen Wellenform um
eine Strecke, die kleiner ist als der Teilungsabstand der Elektroden 130. Die Verschiebung des
Schwerpunkts der die Basisgrundlage bildenden, räumlichen Wellenform während der Zeitperiode
t′₃ nach rechts führt zu einer Verschiebung des Schwerpunkts P′s der zusammengesetzten
räumlichen Wellenform nach rechts. Die Größe der Verschiebung ist eine Funktion sowohl der
Anzahl von Zeitperioden t′₁ bis t′₄, während der die die Basisgrundlage bildende, räumliche
Wellenform verschoben wird, als auch der Größe jeder Verschiebung.
Wenn zum Beispiel an die Elektroden 132a bis 132h die in Fig. 2F für die Zeitperiode t′′₃ gezeig
ten Spannungssignale angelegt werden, wird der Schwerpunkt dieser räumlichen, die
Basisgrundlage bildenden Wellenform um einen ganzen Teilungsabstand 136 zu P′′₃ verschoben.
Diese Verschiebung von P₃ zu P′′₃ ist doppelt so groß wie die Verschiebung von P₃ zu P′₃. Fig.
2G zeigt die Summe der Spannungssignale an, die den Elektroden 132a bis 132h aufgeprägt
werden, wenn die Spannungssignale, die während der Zeitdauer t′′₃ zugeführt werden, die in Fig.
2F gezeigten Spannungssignale sind. Der Schwerpunkt P′′S der in Fig. 2G gezeigten, zusammen
gesetzten räumlichen Wellenform ist rechts von dem Schwerpunkt P′S der in Fig. 2E gezeigten,
zusammengesetzten, räumlichen Wellenform angeordnet.
Der Referenzpunkt für alle Messungen bezüglich des positiven Abschnitts ist ein Punkt X, der in
der Mitte zwischen den Elektroden 132b und 132c liegt, wie es in den Fig. 2E und 2G gezeigt
ist. Bei dem negativen Abschnitt der räumlichen Wellenform liegt dieser Referenzpunkt in der
Mitte zwischen den Elektroden 132f und 132g.
Der Schwerpunkt PS der gesamten räumlichen Wellenform ist eine Kombination aus den Schwer
punkten der positiven und der negativen Abschnitte der Wellenform. Dieser Schwerpunkt wird
ausgehend von einem Referenzpunkt bestimmt, der in der Mitte zwischen den Elektroden 132d
und 132c liegt. Folglich liegt der Referenzpunkt für die gesamte räumliche Wellenform bei der
gleichen Position wie P′₃ in Fig. 2D. Der Schwerpunkt der gesamten räumlichen Wellenform wie
etwa der in Fig. 2E gezeigten räumlichen Wellenform kann auch als eine Kombination aus
Schwerpunkten veranschaulicht werden, die durch P′₁ bis P′₄ repräsentiert und in Fig. 2D gezeigt
sind.
Da die positiven und negativen Abschnitte der in den Fig. 2C, 2E und 2G gezeigten räumlichen
Wellenformen komplementär zueinander sind, ist eine Verschiebung des Schwerpunkts bezüglich
des positiven Abschnitts von einer gleich großen Verschiebung des Schwerpunkts bezüglich des
negativen Abschnitts in der gleichen Richtung begleitet und stellt eine gleich große Verschiebung
des Schwerpunkts der gesamten, zusammengefaßten Wellenform in der gleichen Richtung dar.
Somit führt zum Beispiel eine berechnete Position von -1 bezüglich des Schwerpunkts des positi
ven Abschnitts der Wellenform zu einer Positionierung dieses Schwerpunkts in der Mitte bzw. in
dem Zwischenraum zwischen den Elektroden 132a und 132b. Die berechnete Position des nega
tiven Abschnitts der räumlichen Wellenform liegt dann ebenfalls bei -1, was zu einer Verschie
bung dieses Schwerpunkts von seinem Referenzpunkt zu einem Punkt in der Mitte bzw. in dem
Zwischenraum zwischen den Elektroden 132e und 132f führt. In gleicher Weise führt die
berechnete Position des Schwerpunkts der zusammengefaßten Wellenform zu deren Verschie
bung von ihrem Referenzpunkt zu einem Punkt in der Mitte bzw. in dem Zwischenraum zwischen
den Elektroden 132c und 132d.
Bei der Berechnung des Schwerpunkts des positiven Abschnitts der räumlichen Wellenform stellt
der Beitrag, der von jeder Elektrode bereitgestellt wird, das Produkt aus der Spannungsamplitude
an dieser Elektrode und dem Abstand zwischen dem Mittelpunkt dieser Elektrode und dem Refe
renzpunkt X dar. Die Summe der einzelnen Beiträge wird dann durch die Summe der einzelnen
Spannungsamplituden an den Elektroden dividiert. Da der Referenzpunkt X bei diesem Beispiel
zwischen zwei benachbarten Elektroden angeordnet ist, liegt der Abstand zwischen dem Mittel
punkt jeder Elektrode und dem Referenzpunkt X bei dem halben Teilungsabstand.
Wie in Fig. 2G gezeigt ist, ist die Mitte der Elektrode 132a in einem Abstand von -1,5 Teilungs
abständen von dem Referenzpunkt X angeordnet. Die Summe aus den Spannungssignalen, die
an die Elektrode 132a während der vier Zeitperioden t′′₁ bis t′′₄ angelegt werden, beträgt + 3
Einheiten. Der Beitrag, der von der Elektrode 132a stammt, ist folglich gleich -4,5 (das heißt
-1,5·3). Ohne detaillierte Erläuterung des Beitrags, der von den Elektroden 132b bis 132d jeweils
bereitgestellt wird, ergibt sich der Schwerpunkt des positiven Abschnitts der räumlichen, in Fig.
2G gezeigten Wellenform wie folgt
Die berechnete Verschiebung des Schwerpunkt P′′S beträgt somit -0,25. Dies bedeutet, daß der
Schwerpunkt P′′S um ein Viertel des Teilungsabstands 136 der Elektroden 130 von dem Refe
renzpunkt X nach links verschoben ist. Im Unterschied hierzu beträgt die berechnete Verschie
bung des Schwerpunkts P′S der in Fig. 2C gezeigten räumlichen Wellenform -0,5. Folglich ist der
Schwerpunkt der räumlichen Wellenform, die in Fig. 2G gezeigt ist, in einem Abstand von einem
Viertel des Teilungsabstands 136 rechts von dem Schwerpunkt der räumlichen, in Fig. 2C
gezeigten Wellenform angeordnet.
Alternativ ist der Schwerpunkt der räumlichen, in Fig. 2G gezeigten Wellenform gleich groß wie
der Mittelwert der Schwerpunkte P′′₁ bis P′′₄ der räumlichen Wellenformen, die in den Zeitpe
rioden t′′₁ bis t′′₄ erzeugt werden, wie es in Fig. 2F gezeigt ist. Genauer gesagt liegt der Schwer
punkt jeder der räumlichen Wellenformen in den Zeitperioden t′′₁, t′′₂ und t′′₄ in Fig. 2F bei -0,5.
Der Schwerpunkt der räumlichen Wellenform in der Zeitperiode t′′₃ in Fig. 2F liegt bei +0,5. Dies
bedeutet, daß der Schwerpunkt bezüglich der räumlichen Wellenform für den positiven Abschnitt
um einen halben Teilungsabstand 136 von dem Referenzpunkt X nach rechts verschoben ist.
Wenn angenommen wird, daß die gleiche Anzahl von Spannungseinheiten (das heißt 3′′+′′
Spannungseinheiten und 3′′-′′ Spannungseinheiten in Fig. 2F) in jeder Zeitperiode eingesetzt
wird, stellt der Schwerpunkt der zusammengesetzten räumlichen Wellenform die Summe aus den
vier Schwerpunkten der einzelnen räumlichen Wellenformen (-0,5 × 3 + 0,5 = -1), dividiert
durch die Anzahl von Schwerpunkten (4), das heißt -0,25, dar.
Aus diesem Grund kann die Arbeitsweise dieses Ausführungsbeispiels der Erfindung in vielfacher,
unterschiedlicher Weise veranschaulicht werden. Die einzelnen räumlichen Wellenformen können
so betrachtet werden, als ob sie eine zusammengesetzte räumliche Wellenform erzeugen, die
eine Position aufweist, die dem Mittelwert der Positionen der einzelnen räumlichen Wellenformen
entspricht. Alternativ können die Amplituden der Spannungssignale, die den jeweiligen Elektro
den aufgeprägt werden, derart betrachtet werden, als ob sie aufsummiert würden, um hierdurch
die zusammengesetzten, in den Fig. 2C, 2E und 2G gezeigten Wellenformen zu erzeugen, wobei
die Spannungswellenformen eine zusammengesetzte räumliche Wellenform schaffen, die einen
Schwerpunkt an einer Position besitzt, die den Schwerpunkten der Spannungswellenformen
entspricht. Es ist weiterhin festzustellen, daß unterschiedliche Kombinationen von die Basis
grundlage bildenden Spannungsamplituden, die an die ersten Sendeelektroden 130 angelegt
werden, die gleiche zusammengesetzte räumliche Wellenform hervorrufen können. Als Beispiel
ist die zusammengesetzte, räumliche Wellenform, die durch die in Fig. 3C gezeigte Spannungs
wellenform repräsentiert ist, identisch mit der räumlichen Wellenform, die in Fig. 4C dargestellt
ist. Jedoch wird die in Fig. 4C gezeigte räumliche Wellenform gemäß der Darstellung in Fig. 4B
dadurch erzeugt, daß drei Elektroden mit einer positiven Polarität und drei Elektroden mit einer
negativen Polarität angesteuert werden, wobei die räumliche Wellenform um den Teilungsab
stand 136 der Elektroden während der Zeitperiode t₃ verschoben ist.
Im Unterschied hierzu wird die in Fig. 3C gezeigte räumliche Wellenform gemäß der Darstellung
in Fig. 3B dadurch geschaffen, daß alle acht Elektroden 132a bis 132h mit komplementären
Spannungen in den Zeitperioden t₁ und t₃ angesteuert werden, und lediglich vier der Elektroden
132a bis 132h während der Zeitperioden t₂ und t₄ beaufschlagt werden. Unabhängig hiervon ruft
jedoch die Kombination aus den in Fig. 3B gezeigten Spannungen die gleiche zusammengesetzte
räumliche Wellenform wie die Kombination aus den in Fig. 4B gezeigten Spannungen hervor.
Schließlich ist die Verschiebung der Position der zusammengesetzten räumlichen Wellenform
aufgrund einer Verschiebung der Position einer räumlichen Wellenform nicht nur von der Größe
dieser Verschiebung, sondern auch von der Anzahl der Elektroden abhängig, die zur Erzeugung
der verschobenen räumlichen Wellenform beaufschlagt werden. Bezug nehmend auf die Fig. 5A
bis 5C sind die räumlichen Wellenformen, die in den Zeitperioden t₁, t₂ und t₄ erzeugt werden,
identisch mit den räumlichen Wellenformen, die in Fig. 2D zeigt sind und während der Zeitpe
rioden t′₁, t′₂ bzw. t′₄ erzeugt werden. Ferner ist der Schwerpunkt der während der Zeitperiode
t₃ in Fig. 5B hervorgerufenen räumlichen Wellenform der gleiche wie der Schwerpunkt, der
während der Zeitperiode t′₃ gemäß Fig. 2D hergerufen wird. Jedoch wird die räumliche Wellen
form, die während der Zeitperiode t′₃ in Fig. 2D erzeugt wird, dadurch erzeugt, daß alle acht
Elektroden 132a bis 132h angesteuert werden, wohingegen die räumliche Wellenform, die
während der Zeitperiode t₃ in Fig. 5B erzeugt wird, durch Ansteuerung lediglich der vier Elektro
den 132b, 132c, 132f und 132g hervorgerufen wird.
Als Ergebnis unterscheidet sich die in Fig. 2E gezeigte Spannungswellenform von der in Fig. 5C
dargestellten Spannungswellenform. Der Schwerpunkt des positiven Abschnitts der zusammen
gesetzten räumlichen, in Fig. 2E gezeigten Wellenform ist gegenüber dem Referenzpunkt X um
-0,346 (=-4,5/13) verschoben. Folglich ist der Schwerpunkt der gesamten räumlichen Wellen
form gegenüber dem Referenzpunkt zu einer Position -0,346 in dem Zwischenraum zwischen
den Elektroden 132d und 132e verschoben. Im Gegensatz hierzu ist der Schwerpunkt der
zusammengesetzten, in Fig. 5C gezeigten räumlichen Wellenform um -0,409 (=-4,5/11)
verschoben. Folglich ist das Ausmaß, mit der eine Verschiebung der Position einer einzelnen
räumlichen Wellenform die Position der gesamten räumlichen Wellenform verschieben kann,
nicht nur von der Größe der Verschiebung, sondern auch von der Anzahl der Elektroden, die zur
Erzeugung der räumlichen Wellenform angesteuert werden, das heißt von der "Gewichtung" der
einzelnen räumlichen Wellenform, abhängig.
Fig. 6 zeigt einen Satz von Spannungswellenformen, die bei diesem Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. Jede dieser Spannungswellenformen wird dadurch
erzeugt, daß entweder eine positive oder eine negative Spannung an jede der acht Elektroden
132a bis 132h während der vier Zeitperioden t₁ bis t₄ selektiv angelegt wird. Als Ergebnis weist
die zusammengesetzte räumliche Wellenform zusammengesetzte Amplituden auf, die die
Zusammenfassung bzw. Verknüpfung der vier diskreten Spannungsamplituden in jeder der vier
digitalen, räumlichen, die Basisgrundlage bildenden Wellenformen sind. Die Spannungsamplitude
der zusammengesetzten räumlichen Wellenform erstreckt sich über den Bereich von +4 Einhei
ten und -4 Einheiten in einer Einheit entsprechenden Inkrementen bzw. Schritten.
Bei dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Spannungssignale an die Elektro
den 130 so angelegt, daß acht unterschiedliche räumliche Wellenformen Φ₀ bis Φ₇ erzeugt
werden. Der Schwerpunkt P jeder resultierenden zusammengesetzten räumlichen Wellenform ist
von der Position -0,5 Pt, die bei der Wellenform Φ₀ in Fig. 6 gezeigt ist, nach rechts zu der Posi
tion +0,346 Pt verschoben, die bei der Wellenform Φ₇ in Fig. 6 dargestellt ist, wenn die Position
0,00 Pt dem linken Rand einer Elektrode entspricht.
In der nachfolgenden Tabelle 1 ist die Berechnung zur Festlegung dieser Verschiebungen des
Schwerpunkts gegenüber dem linken Rand der Elektrode veranschaulicht, wobei Pt die Breite des
Teilungsabstands 136 der Elektroden 130 bezeichnet. Insbesondere zeigt Tabelle 1 die inkremen
talen Verschiebungen des Schwerpunkts des positiven Abschnitts, und folglich der gesamten
Wellenform für jede Wellenform Φ₀ bis Φ₇, wenn die zusammengesetzte Wellenform relativ zu
einer ersten Sendeelektrode 130 positioniert ist. Dies bedeutet, daß die äußerste linke Elektrode
der Wellenform nicht die erste Elektrode 132a oder 134a des ersten oder des zweiten Satzes
132 oder 134 sein muß. Die äußerste linke Elektrode der in Fig. 6 gezeigten Wellenformen kann
vielmehr jede beliebige der Elektroden 132a bis 132h oder 134a bis 134h sein.
((-1,5) (4) + (-0,5) (4) + (0,5) (4) + (1,5) (0))/12 = -0,500 Pt
((-1,5) (4) + (-0,5) (4) + (0,5) (4) + (1,5) (1))/13 = -0,346 Pt
((-1,5) (3) + (-0,5) (4) + (0,5) (4) + (1,5) (1))/12 = -0,250 Pt
((-1,5) (3) + (-0,5) (4) + (0,5) (4) + (1,5) (2))/13 = -0,115 Pt
((-1,5) (2) + (-0,5) (4) + (0,5) (4) + (1,5) (2))/12 = 0,000 Pt
((-1,5) (2) + (-0,5) (4) + (0,5) (4) + (1,5) (3))/13 = 0,115 Pt
((-1,5) (1) + (-0,5) (4) + (0,5) (4) + (1,5) (3))/12 = 0,250 Pt
((-1,5) (1) + (-0,5) (4) + (0,5) (4) + (1,5) (4))/13 = 0,346 Pt.
((-1,5) (4) + (-0,5) (4) + (0,5) (4) + (1,5) (1))/13 = -0,346 Pt
((-1,5) (3) + (-0,5) (4) + (0,5) (4) + (1,5) (1))/12 = -0,250 Pt
((-1,5) (3) + (-0,5) (4) + (0,5) (4) + (1,5) (2))/13 = -0,115 Pt
((-1,5) (2) + (-0,5) (4) + (0,5) (4) + (1,5) (2))/12 = 0,000 Pt
((-1,5) (2) + (-0,5) (4) + (0,5) (4) + (1,5) (3))/13 = 0,115 Pt
((-1,5) (1) + (-0,5) (4) + (0,5) (4) + (1,5) (3))/12 = 0,250 Pt
((-1,5) (1) + (-0,5) (4) + (0,5) (4) + (1,5) (4))/13 = 0,346 Pt.
Es ist jedoch festzustellen, daß unterschiedliche, räumliche, die Basisgrundlage bildende Wellen
formen zur Erzeugung von anderen zusammengesetzten räumlichen Wellenformen eingesetzt
werden können, die größere oder kleinere Positions-Inkremente bzw. Positionsschritte der
zusammengesetzten räumlichen Wellenform innerhalb eines Teilungsabstands 136 der Elektroden
130 bereitstellen. Als Beispiel weist eine zusammengesetzte, räumliche Wellenform, die Span
nungsamplitudeneinheiten von 3, 4, 4, 0, -3, -4, -4, 0 aufweist, einen Schwerpunkt bei -0,409
Pt auf, der zwischen dem Schwerpunkt der Wellenform Φ₀ bei -0,5 Pt und dem Schwerpunkt der
Wellenform Φ₁ bei -0,346 Pt liegt.
Das vorstehend beschriebene Beispiel wurde vereinfacht, indem lineare Übertragungsfunktionen
hinsichtlich des Wandlers 100 eingesetzt wurden, damit dieses Beispiel leichter verständlich ist.
Es ist aber anzumerken, daß der Wandler 100 bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung eine sinusförmige Signalübertragungsfunktion aufweist. Folglich wird die
Berechnung des Schwerpunkts mathematisch aufwendiger.
Bei sinusförmigen Übertragungsfunktionen läßt sich der Schwerpunkt am einfachsten unter
Einsatz einer Vektorrechnung berechnen. Wenn die zusammengesetzte Amplitude bei jeder
Phasenelektrode jeweils A₀ bis A₇ ist, lautet der zusammengesetzte Vektor VT wie folgt:
Hierbei bezeichnet Vn den Vektor für jede Phase n.
Bei einem System mit 8 Phasen lassen sich die Amplitude und der Winkel des zusammengesetz
ten Vektors VT wie folgt berechnen:
In der nachfolgenden Tabelle 2 sind die Amplitude und der Winkel des zusammengesetzten
Vektors VT gezeigt, die unter Einsatz dieser Gleichungen berechnet wurden. Die die Basisgrund
lage bildenden bzw. elementaren Vektoren (Komponenten-Vektoren) sind hinsichtlich der besten
Amplituden- und Winkelgenauigkeit bei einer gleichförmigen Verteilung von 8 künstlichen
Phasenpositionen für jede physikalische Phasenposition ausgewählt.
Die nominalen Positionsschritte bzw. Nenn-Positionsschritte entsprechen 1/8 eines physikali
schen Phasenschritts, das heißt 1/64 einer Skalen-Wellenlänge. Die relative Amplitude ist die
berechnete, gemäß den vorstehenden Erläuterungen bestimmte Amplitude, dividiert durch die
gemittelte Amplitude bezüglich aller Nennpositionen in Tabelle 2. Wie in Tabelle 2 gezeigt ist,
bleibt die Amplitude des zusammengesetzten Vektors VT innerhalb ±3% der durchschnittlichen
Amplitude, und es ist der Winkelfehler, bezogen auf eine gleichförmige Verteilung der künstli
chen Phasenpositionen, niemals größer als 1% des Phasenintervalls, das heißt kleiner als 1/800
einer Wellenlänge.
Es ist wichtig, zu verstehen, wie die Impulse durch den kapazitiven Positionswandler 100
gekoppelt bzw. übertragen werden. Wie vorstehend diskutiert, werden die Spannungsimpulse,
die an die Sendeelektroden 130 angelegt werden, kapazitiv auf die ersten Empfängerelektroden
140 eingekoppelt. Die Impulse werden dann leitend von den ersten Empfängerelektroden 140 zu
den zweiten Sendeelektroden 150 geleitet. Von den zweiten Sendeelektroden 150 werden die
Impulse kapazitiv auf die zweite Empfängerelektrode 160 eingekoppelt.
Da die Elektroden kapazitiv gekoppelt sind, ist die einzige Signalform, die durch Kopplung durch
den Wandler 100 übertragen werden kann, ein sich zeitlich veränderndes Signal. Somit wird ein
statisches Spannungssignal nicht durch den kapazitiven Positionswandler 100 durch Kopplung
übertragen, wohingegen ein Impulssignal, wie etwa der in Fig. 7 gezeigte Impuls 200, durch
Kopplung durch den kapazitiven Positionswandler 100 übertragen werden kann.
Der in Fig. 7 gezeigte Impuls 200 weist eine Vorderflanke 202, eine rückseitige Flanke 208 und
eine Impulsspannungsamplitude 204 auf.
Vorstehend wurde angenommen, daß die Spannungssignale der Amplitude 204 der Impulse 200
entsprechen, die durch den Signalgenerator 122 an die ersten Sendeelektroden 130 angelegt
werden. Jedoch entspricht die Impulsamplitude 204 der Höhe der vorderen Flanke 202 oder der
hinteren Flanke 206, da die Amplitude 204 gleich groß ist wie die Länge der vorderen Flanke
202 oder der hinteren Flanke 206. Ferner hängt die Polarität (positiv oder negativ) der
Impulsamplitude 204 davon ab, ob die vordere Flanke 202 positiv oder negativ ist.
Der in Fig. 7 gezeigte positive Impuls kann an eine beliebige der ersten Sendeelektroden 130
angelegt werden. Ein positiver Impuls 200, dem ein negativer Impuls 210 unmittelbar nachfolgt,
wie es in Fig. 8 gezeigt ist, kann ebenfalls an eine beliebige der Elektroden 130 angelegt werden.
Allerdings können zwei benachbarte Impulse 200 oder 210 lediglich dann durch den kapazitiven
Codierer durch Kopplung übertragen werden, wenn die Impulse unterschiedliche Werte oder
Polaritäten aufweisen, wie es in Fig. 8 gezeigt ist. Falls benachbarte Impulse 200 die gleiche
Amplitude besitzen, führt der zweite Impuls 200 lediglich dazu, daß der Spannungspegel bei der
gleichen Impulsamplitude für einen weiteren Impulszyklus bleibt. Folglich ist keine zeitlich variie
rende Komponente vorhanden, die durch den kapazitiven Codierer durch Kopplung übertragen
werden könnten.
Somit muß das Spannungssignal, das an die Sendeelektroden 130 angelegt wird "zurückgesetzt"
werden, bevor der nächste Impuls zugeführt wird, wie es in Fig. 9 gezeigt ist. Gemäß Fig. 9 folgt
jedem Impuls 220, 230 und 240 eine Rücksetzperiode 250 nach. Die Dauer der Rücksetzperiode
250 verringert zwingend die Geschwindigkeit, mit der Messungen durchgeführt werden können,
da ein Impuls 200 oder 210 lediglich dann an eine Sendeelektrode 130 angelegt werden kann,
wenn die Dauer der Rücksetzperiode 250 abgelaufen ist.
Jedoch ist bei der Erfassung der Größe und der Polarität der Impulse keine Einfügung von Rück
setzperioden 250 zwischen den Impulsen 200 erforderlich, wenn die Größe und die zeitliche
Lage der Impulsübergänge der Impulse 200 erfaßt wird.
Fig. 10 zeigt einen Impulszug 300 unterhalb einer Mehrzahl von gleich beabstandeten zeitlichen
Markierungen 310. Die zeitlichen Markierungen 310 sind alternierend als positive ("+") zeitliche
Markierungen 312 oder negative ("-") zeitliche Markierungen 314 bezeichnet. Bei jeder zeitlichen
Markierung 310 wird das Vorhandensein oder Fehlen eines Impulsübergangs innerhalb des
Impulszugs 300 erfaßt. Eine ansteigende Flanke 302, die bei einer positiven zeitlichen Markie
rungen 312 auftritt, wird als ein positiver Impuls 322 definiert. In gleicher Weise ist auch eine
abfallende Flanke 304, die bei einer negativen zeitlichen Markierung 314 auftritt, als ein positiver
Impuls 322 definiert, da ein solcher Übergang der nacheilenden Flanke eines positiven Impulses
entspricht.
Umgekehrt ist eine ansteigende Flanke 302, die bei einer negativen zeitlichen Markierung 314
auftritt, als ein negativer Impuls 324 definiert, da der ins Positive verlaufende Übergang der
nacheilenden Flanke eines negativen Impulses entspricht. Eine abfallende Flanke 304, die bei
einer positiven zeitlichen Markierung 312 auftritt, ist in gleichartiger Weise als ein negativer
Impuls 324 definiert, da ein solcher Übergang der vorderen Flanke eines negativen Impulses
entspricht. Schließlich ist das Fehlen eines Impulsübergangs bei einer beliebigen zeitlichen Mar
kierung 310 als ein Null-Impuls 326 definiert, das heißt als Fehlen sowohl eines positiven als
auch eines negativen Impulses. Folglich wird der in Fig. 10 gezeigte Impulszug 300 als ein effek
tiver Impulszug 320 decodiert, der in Fig. 10 dargestellt ist.
Die Festlegung des Fehlens eines Impulsübergangs als ein Null-Impuls, das heißt als Fehlen
sowohl eines positiven als auch eines ins Negative verlaufenden Impulses, stellt eine sehr nützli
che Hinzufügung zu dem digitalen Codiersystem dar. Bei einem digitalen System mit lediglich
zwei möglichen Spannungsamplitudenwerten ermöglicht die Verwendung des Null-Impulses als
mögliche Eingangsgröße die Eingabe von drei möglichen logischen Eingängen bzw. Eingangs
signalen unter Verwendung von lediglich zwei Spannungspegeln: nämlich einer ansteigenden
Flanke, einer abfallenden Flanke oder eines Null-Impulses. Dies allein erlaubt schon eine Verdop
pelung der Auflösung eines normalen digitalen Systems, das heißt eine Verfeinerung von den
üblichen, einem vollen Teilungsabstand entsprechenden Inkrementen auf einem halben Teilungs
abstand entsprechende Inkremente.
Aufgrund der Erfassung der Richtung und der zeitlichen Lage der Impulsübergänge, die durch den
Positionswandler durch Kopplung übertragen werden, ist die in Fig. 9 dargestellte Rücksetzpe
riode 250 nicht länger erforderlich. Folglich können die Messungen mit relativ hoher Rate durch
geführt werden.
Wie vorstehend erwähnt, weisen die zusammengesetzten Wellenformen bei dem beschriebenen
Ausführungsbeispiel Amplituden auf, die um jeweils eine Einheit zwischen +4 und -4 Einheiten
inkrementiert werden können. Fig. 11 zeigt einen Satz von Signalen (a-i), der an jede der Sende
elektroden 130 angelegt werden kann, um hierdurch eine zusammengesetzte Amplitude hervor
zurufen, die zwischen +4 und -4 Einheiten liegt und in Schritten von einer Einheit festgelegt
werden kann. Wie in Fig. 11 gezeigt ist, werden Imp 63414 00070 552 001000280000000200012000285916330300040 0002019716091 00004 63295ulsübergänge bei den zeitlichen Markierun
gen 310₁ bis 310₄ erzeugt. Die Polarität der zeitlichen Markierungen 310₁ bis 310₄ ist ebenfalls
in Fig. 11 dargestellt.
Insbesondere sind die zeitlichen Markierungen 310₁ und 310₃ negative zeitliche Markierungen
312 bzw. 314. Die zeitlichen Markierungen 310₂ und 310₄ sind positive zeitliche Markierungen
314 (bzw. 312). Zur besseren Veranschaulichung der Übergänge zwischen den logischen Pegeln
"0" und "1" ist zwischen diesen logischen Pegeln eine mittlere Linie bei jedem Signal (a) bis (i)
dargestellt.
Das Signal (a) erzeugt eine zusammengesetzte Amplitude von "0", indem eine statische Span
nung des logischen Pegels "1" verwendet wird. Eine zusammengesetzte Amplitude "0" kann
ebenfalls durch eine statische Spannung des logischen Pegels "0" erzeugt werden. Wie bei dem
Signal (b) gezeigt ist, wird eine zusammengesetzte Amplitude "+1" durch eine ansteigende
Flanke bei der positiven zeitlichen Markierung 310₂ erzeugt. Die gleiche zusammengesetzte
Amplitude kann auch durch eine ansteigende Flanke bei der positiven zeitlichen Markierung 310₄
oder durch eine abfallende Flanke bei der negativen zeitlichen Markierung 310₁ oder 310₃
erzeugt werden.
Wie bei dem Signal (c) gezeigt ist, wird eine zusammengesetzte Amplitude "+2" durch eine
ansteigende Flanke bei der positiven zeitlichen Markierung 310₂ und eine abfallende Flanke bei
der negativen zeitlichen Markierung 310₃ geschaffen. Die gleiche zusammengesetzte Amplitude
kann durch andere Impulsübergänge, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten auftreten, hervorgeru
fen werden. Als Beispiel ruft jede beliebige Kombination aus einer fallenden Flanke bei einer
negativen zeitlichen Markierung 310₁ oder 310₃ und einer ansteigenden Flanke bei einer der
positiven zeitlichen Markierungen 310₂ oder 310₄ eine zusammengesetzte Amplitude "+2"
hervor.
Wie in dem Signal (d) gezeigt ist, wird eine zusammengesetzte Amplitude "+3" durch eine
abfallende Flanke bei der negativen zeitlichen Markierung 310₁ und 310₃ und eine ansteigende
Flanke bei der positiven zeitlichen Markierungen 310₂ hervorgerufen. Schließlich wird, wie bei
dem Signal (e) gezeigt ist, eine zusammengesetzte Impulsamplitude "+4" durch ansteigende
Flanken bei den positiven zeitlichen Markierungen 310₂ und 310₃ und durch abfallende Flanken
bei den negativen zeitlichen Markierungen 310₁ und 310₃ erzeugt. Negative zusammengesetzte
Amplituden zwischen -1 und -4 können in gleichartiger Weise erzeugt werden, wie es durch die
Signale (f) bis (i) in Fig. 11 veranschaulicht ist. Das Anlegen einer zusammengesetzten Span
nungsamplitude von "-3" an die Elektrode 132a während der Meßperiode, die sich über die
zeitlichen Markierungen 310₁ bis 310₄ erstreckt, erfordert somit zum Beispiel das Anlegen einer
ansteigenden Flanke eines Impulses an die Elektrode 132a bei den negativen zeitlichen Markie
rungen 310₁ und 310₃ und die Zuführung einer abfallenden Flanke eines Impulses zu der Elek
trode 132a bei der positiven zeitlichen Markierung 310₂.
Die Kopplung jedes der Impulsübergänge durch den kapazitiven Positionswandler 100 gemäß Fig.
1 wird durch Erfassungsschaltungen in der elektronischen Schaltung 120 akkumuliert bzw.
aufsummiert. Die vier in Fig. 11 gezeigten Impulsübergänge, die zur Erzeugung einer zusammen
gesetzten Amplitude "+4" erforderlich sind, legen tatsächlich nicht eine Amplitude von vier
Einheiten an irgendeine der Sendeelektroden 130 an. Der aufsummierte Effekt der vier Impuls
übergänge bei der Erfassungsschaltung ist der gleiche, wie wenn ein Impuls mit einer Amplitude
von "+4" Einheiten an eine Sendeelektrode 130 angelegt worden wäre.
Fig. 12 zeigt ein Ausführungsbeispiel der elektronischen Schaltung 120, die in dem in Fig. 1
dargestellten kapazitiven Positionswandler 100 eingesetzt wird. Aus Gründen der Klarheit sind
lediglich die Verbindungen zu dem ersten Satz 132 der ersten Sendeelektroden 130 und zu der
zweiten Empfängerelektrode 160 gezeigt. Identische Verbindungen sind für jeden Satz 134 der
Sendeelektroden usw. vorgesehen.
Die an die ersten Sendeelektroden 132a bis 132h angelegten Signale werden durch den Signal
generator 122 erzeugt. Der Signalgenerator 122 enthält einen Oszillator 450, der Taktimpulse
erzeugt und an einen Satz von Exklusiv-ODER-Gliedern 462a bis 462h eines Modulators 460
abgibt. Die Ausgangssignale der Exklusiv-ODER-Glieder 462a bis 462h sind jeweils mit den
Signalleitungen 126a bis 126h verbunden. Die Signalleitungen 126a bis 126h legen die Aus
gangssignale der Exklusiv-ODER-Glieder 462a bis 462h jeweils an die Elektroden 132a bis 132h
des ersten Satzes 132 an.
Die Exklusiv-ODER-Glieder 462a bis 462h werden individuell durch Daten aktiviert, die in einem
Festwertspeicher (ROM) 470 gespeichert sind. Der Festwertspeicher 470 enthält eine Nach
schlagetabelle, in der Koeffizienten gespeichert sind, die den in Fig. 11 gezeigten Signalen (a) bis
(i) entsprechen. Die in dem Festwertspeicher 470 gespeicherten Koeffizienten modulieren folglich
die von dem Oszillator 450 abgegebenen Impulse, um hierdurch eines der Signale (a) bis (i) an
jeder der Signalleitungen 126a bis 126h zu bilden. Die Signale (a) bis (i) erzeugen in ihrer Kombi
nation die neun unterschiedlichen, zusammengesetzten Amplituden an den Elektroden 130, um
hierdurch die zusammengesetzten, räumlichen Wellenformen für jede der in Fig. 6 dargestellten
Positionen zu erzeugen.
Die Adressen für den Festwertspeicher 470 werden durch einen Mikroprozessor 400 erzeugt.
Der Mikroprozessor 400 ist weiterhin mit dem Ausgang des Oszillators 450 verbunden. Folglich
kann der Mikroprozessor 400 die zeitliche Lage und Polarität des Oszillationssignal bestimmen,
um hierbei einen Eingang bzw. ein Eingangssignal für jedes der Exklusiv-ODER-Glieder 462a bis
462h in geeigneter Weise auszuwählen.
Die zweite Empfängerelektrode 160 des Wandlers 110 ist durch eine Signalleitung 127 mit
einem Verstärker 410 des Signalprozessors 124 verbunden. Der Verstärker 410 empfängt
weiterhin ein Steuersignal von dem Mikroprozessor 400 über eine Signalleitung 418 und ver
stärkt das von der zweiten Empfängerelektrode 160 empfangene Signal. Das verstärkte Signal
wird dann von dem Verstärker an einen Demodulator 420 abgegeben. Der Demodulator 420 wird
durch drei Steuersignale gesteuert, die von dem Mikroprozessor 400 über die Signalleitungen
422, 424 und 426 abgegeben werden.
Die demodulierten Signale werden an einen Integrator 430 abgegeben, der durch zwei von dem
Mikroprozessor 400 über die Signalleitungen 436 und 438 abgegebene Signale gesteuert wird.
Der Integrator 430 integriert die von der zweiten Empfängerelektrode empfangene Wellenform
über jeden Satz aus vier zeitlichen Markierungen 310₁ bis 310₄ hinweg. Das analoge Signal, das
von dem Integrator 430 entweder über die Signalleitung 432 oder über die Signalleitung 433
abgegeben wird, wird durch einen Analog/Digital-Wandler 440 in ein digitales Signal umgewan
delt. Das von dem Analog/Digital-Wandler 440 abgegebene digitale Signal wird dann in den
Mikroprozessor 400 eingespeist.
Jede Adresse des Festwertspeichers 470 enthält einen Satz von Koeffizienten. Jeder Koeffizient
entspricht dem Vorhandensein und der Polarität eines logischen Pegelübergangs eines der in Fig.
11 gezeigten Signale (a) bis (i) für eine zeitliche Markierung 310. Weiterhin enthält der Festwert
speicher 470 einen Satz von Koeffizienten, die gemeinsam dazu im Stande sind, jedes der in Fig.
11 gezeigten Signale (a) bis (i) zu erzeugen, um hierdurch jede Phase oder Position Φ₀ bis Φ₇ der
räumlichen Wellenform zu erzeugen, die in Fig. 6 dargestellt sind.
Somit bildet der Mikroprozessor 400 zum Beispiel einen zusammengesetzten Amplitudenpegel
von +3 Einheiten an der ersten Sendeelektrode 132a, indem er Adressen des Festwertspeichers
ausgibt, an denen geeignete Koeffizienten für das Exklusiv-ODER-Glied 462a enthalten sind,
derart, daß das Ausgangssignal des Exklusiv-ODER-Glieds 462a bei den zeitlichen Markierungen
310₁ und 310₃ eine abfallende Flanke erzeugt und bei der zeitlichen Markierung 310₂ eine
ansteigende Flanke abgibt sowie bei der zeitlichen Markierung 310₄ einen Null-Impuls (kein
Übergang) erzeugt. Die erste Sendeelektrode 132a erhält somit einen zusammengesetzten Span
nungspegel von "+3".
In gleicher Weise enthalten Adressen des Festwertspeichers, die durch den Mikroprozessor 400
ausgewählt werden, ebenfalls die geeigneten Koeffizienten für die Exklusiv-ODER-Glieder 462b
bis 462h derart, daß zusammengesetzte Amplituden von +4 Einheiten an die Elektroden 132b
und 132c angelegt werden, eine Amplitude mit einer +1 Einheit an die Elektrode 132d angelegt
wird, ein Amplitudenwert von -3 Einheiten der Elektrode 132e aufgeprägt wird, Amplitudenwerte
von -4 Einheiten an die Elektroden 132f und 132g angelegt werden, und ein Amplitudenwert von
-1 Einheit an die Elektrode 132h gegeben wird. Durch Anlegen dieser Amplituden an die Elektro
den 132a bis 132h erzeugt der Mikroprozessor 400 bei dem Wandler 110 eine räumliche Wellen
form, die die in Fig. 2 gezeigte Phase oder Position Φ₂ besitzt.
Der Festwertspeicher 470 muß daher 32 Wörter mit 8 Bit speichern, wobei jedes Bit einer der
Elektroden 132a bis 132h entspricht. Darüber hinaus entspricht jede Adresse dem Sachverhalt,
ob ein Übergang bei einer der zeitlichen Markierungen 310₁ bis 310₄ vorhanden ist oder nicht,
und zwar für jede der acht unterschiedlichen räumlichen Phasen oder Positionen zwischen zwei
benachbarten Elektroden 130.
Wie vorstehend unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert, ändert sich die Größe der Einkopplung
der an die ersten Sendeelektroden 130 angelegten Spannungen auf die ersten Empfängerelektro
den 140 in Abhängigkeit von der relativen Position zwischen dem Schlitten 112 und der Skala
140. Falls die eingegebenen Wellenformen nicht geändert werden, läuft die von der zweiten
Empfängerelektrode 160 empfangene Spannung zyklisch durch den gesamten Bereich von posi
tiven und negativen Spannungen hindurch, wenn sich der Schlitten 112 relativ zu der Skala 114
um eine Strecke bewegt, die gleich groß ist wie ein vollständiger Zyklus oder eine volle Wellen
länge Wt der Anordnung aus den ersten Sendeelektroden 130. Die Größe der von der zweiten
Empfängerelektrode 160 empfangenen Spannung ist eine Funktion der relativen Position
zwischen dem Schlitten 112 und der Skala 114.
Anstelle der Messung des vollständigen Bereichs der Spannung des auf die zweite Empfängere
lektrode 160 eingekoppelten Signals, die teuere, sehr genaue Analog/Digital-Wandler erfordern
würde, wird statt dessen bei dem Meßsystem des kapazitiven Positionscodierers 100 gemäß
dieser Erfindung die Phase oder die Position der an die ersten Sendeelektroden 130 angelegten
räumlichen Wellenform derart eingestellt, daß die Spannung, die auf die zweite Empfängerelek
trode 160 eingekoppelt wird, nahe bei 0 Volt gehalten wird. Jegliche restliche, sich von 0 Volt
unterscheidende Spannung kann dann durch das System unter Verwendung von Analog/Digital-
Wandlern gemessen werden, die geringere Genauigkeits- und Bereichsanforderungen aufweisen,
als diejenigen, die zur Messung des vollen Spannungsbereichs erforderlich wären.
Durch Verfolgung der Größe der Phasenverschiebung der räumlichen Wellenform, die zur Beibe
haltung eines Nullspannungs-Signals an der zweiten Empfängerelektrode 160 erforderlich ist,
ermittelt der Mikroprozessor 400 die Position des Schlittens 112 relativ zu der Skala 114 in
vorab festgelegten Inkrementen. Das Meßsystem des kapazitiven Positionscodierers 100 gemäß
dieser Erfindung führt diese Funktion mit einer Auflösung durch, die kleiner ist als der Teilungs
abstand 136 der ersten Sendeelektroden 130, da das Meßsystem die Phase der räumlichen
Wellenform, die an die Elektroden 130 angelegt wird, in acht Inkrementen bzw. Schritten inner
halb jedes Teilungsabstands 136 verschieben kann, wie es in Fig. 6 dargestellt ist. Der Mikropro
zessor 400 inkrementiert oder dekrementiert die Positionen der räumlichen Wellenformen auf der
Grundlage der Polarität des von dem Integrator 430 abgegebenen Spannungswert, der durch den
Analog/Digital-Wandler 440 bereitgestellt wird. Weiterhin ist das Meßsystem bei der erfindungs
gemäßen Ausführungsform des kapazitiven Positionscodierers 100 selbstverständlich auch im
Stande, die Position des Schlittens 112 entlang der Skala 114 in Mehrfachwerten des Teilungs
abstands 136 zu bestimmen.
Es ist weiterhin anzumerken, daß die in der US-PS 4,878,013 beschriebenen Wandlergestaltun
gen und Verfahren bei dem hier beschriebenen Meßsystem des kapazitiven Positionscodierers
100 eingesetzt werden können, um hierdurch die Inkremente bzw. Schritte, mit denen die Phase
der räumlichen Wellenform verschoben wird, zu verringern, wodurch die Auflösung des Meßsy
stems weiter erhöht wird. Jedoch muß die Verknüpfung der in der US-PS 4,878,013 beschrie
benen Gestaltungen des kapazitiven Positionscodierers und der dort beschriebenen Verfahren mit
dem hier beschriebenen Meßsystem wegen all der in der US-PS 4,878,013 angegebenen Gründe
sorgfältig erfolgen. Insbesondere muß die Reihenfolge, mit der die Elektroden in jedem Satz 132
und 134 angesteuert werden, wegen der in der US-PS 4,878,013 angegebenen Gründe sorgfäl
tige Beachtung finden.
Das von der zweiten Empfängerelektrode 160 abgegebene Ausgangssignal wird über die Signal
leitung 127 an den Verstärker 410 angelegt. Die Amplitude des Ausgangssignals auf der Signal
leitung 127 ist die Summe der Amplitude (einschließlich der Polarität) der Eingangsimpulse, die
von dem Modulator 460 an den Wandler 110 abgegeben werden, multipliziert mit der Übertra
gungsfunktion für die aktuelle Position, bei jedem einzelnen der Phasenkanäle:
Hierbei bezeichnet Vn(t) die Eingangsamplitude der Impulse für den Phasenkanal n zu dem Zeit
punkt t, während Tn(x) die Übertragungsfunktion bei der aktuellen Position x des Schlittens
relativ zu der Skala für den Phasenkanal n bezeichnet. S₁₂₇(t) ist die Amplitude des Ausgangs
signals auf der Signalleitung 127 zu dem Zeitpunkt t.
Der Verstärker 410 wird durch den Mikroprozessor 400 selektiv zur Verstärkung des von der
zweiten Empfängerelektrode 160 abgegebenen Signals während einer Zeitdauer gesteuert, die
alle ansteigenden oder abfallenden Flanken der von dem Oszillator 450 abgegebenen Impulse
umfaßt. Der Verstärker 410 wird zwischen solchen Flankenübergängen deaktiviert. Das Signal
auf der Ausgangsleitung 412 des Verstärkers 410 ist ein Impuls, der jedesmal dann erzeugt wird,
wenn an die ersten Sendeelektroden 130 angelegte Impulsübergänge zu der zweiten Empfän
gerelektrode 160 gekoppelt werden. Die Polarität und die Amplitude der Impulse, die von dem
Verstärker 410 abgegeben werden, ist proportional zu der Amplitude des Signals auf der Signal
leitung 127 bei jedem Impulsübergang.
Die Impulse, die von dem Verstärker 410 abgegeben werden, werden dann in den Demodulator
420 eingespeist. Wie vorstehend erläutert, erfolgt die Interpretation der Polarität der Impulse
nicht auf der Grundlage lediglich der Polarität des Übergangs, sondern auch auf der Grundlage
der zeitlichen Lage des Übergangs. Der Demodulator 420 erzeugt somit einen positive Amplitude
besitzenden Impuls auf den Ausgangsleitungen 422 als Reaktion entweder auf ansteigende
Flanken der Impulse, die von dem Verstärker 410 zu den zeitlichen Markierungen 310₂ oder 310₄
abgegeben werden, oder auf abfallende Flanken der Impulse, die von dem Verstärker 410 bei
den zeitlichen Markierungen 310₁ oder 310₃ abgegeben werden. Umgekehrt erzeugt der Demo
dulator 420 negative Amplitude besitzende Impulse auf den Ausgangsleitungen 422 als Reaktion
entweder auf abfallende Flanken der Impulse, die von dem Verstärker 410 bei den zeitlichen
Markierungen 310₂ oder 310₄ abgegeben werden, oder auf ansteigende Flanken der Impulse, die
von dem Verstärker 410 bei den zeitlichen Markierungen 310₁ oder 310₃ abgegeben werden.
Die von dem Demodulator 420 erzeugten Impulse werden an den Integrator 430 abgegeben. Der
Integrator 430 akkumuliert bzw. integriert die von dem Demodulator 420 abgegebenen Impulse
und gibt ein Signal an den Analog/Digital-Wandler 440 ab, das der Summe aus den von dem
Demodulator 420 abgegebenen Impulsamplituden entspricht.
Die Größe und die Polarität der von dem Integrator 430 abgegebenen Spannung stellt folglich ein
Maß für den Versatz (Offset) zwischen der Phase oder der Position der zusammengesetzten,
räumlichen, an die Sendeelektroden 112 angelegten Wellenform und der Position der zweiten
Empfängerelektrode 114 dar.
Auf der Grundlage des von dem Analog/Digital-Wandler 440 abgegebenen Ausgangswerts
bestimmt der Mikroprozessor 400 die Größe und die Richtung, mit der die räumliche Wellenform
verschoben werden muß, um hierdurch die Größe der Impulsübergänge zu reduzieren, die durch
den Integrator 430 aufsummiert wurden. Der Mikroprozessor 400 zeichnet die Position der
zusammengesetzten Wellenform auf und addiert hierzu eine Korrektur, die anhand des
Ausgangssignals des Analog/Digital-Wandlers 440 festgelegt wird. Der Mikroprozessor 400 zählt
auch die durchlaufenen Wellenlängen, um hierdurch die Position des Schlittens 112 relativ zu der
Skala 114 zu bestimmen.
Der Mikroprozessor 400 steuert eine herkömmliche Anzeige 128 zur Bereitstellung einer visuellen
Darstellung der bestimmten Position.
Es ist anzumerken, daß die Genauigkeit der Positionsmessungen nicht stark von der Genauigkeit
des Analog/Digital-Wandlers abhängt (im Unterschied zu herkömmlichen Systemen), auch wenn
der Signalprozessor 124 mit einem Analog/Digital-Wandler 440 arbeitet. Die relative Genauigkeit
des Analog/Digital-Wandlers 440 ist nicht kritisch, da der Analog/Digital-Wandler 440 lediglich
zur Bestimmung der Größe und der Polarität einer restlichen Spannung in einem begrenzten
Bereich eingesetzt wird, und somit der Analog/Digital-Wandler nicht den vollständigen Bereich
überdecken muß. Wenn die Messung der restlichen Spannung ungleich null ist, wird das von
dem Analog/Digital-Wandler 440 abgegebene Ausgangssignal einfach zur Verschiebung der
Position der zusammengesetzten räumlichen Wellenform in Richtung zu einer Null-Position
verwendet. Folglich muß in dem Signalprozessor 124 kein teurer, sehr genauer Analog/Digital-
Wandler 440 mit einem breiten Umwandlungsbereich eingesetzt werden, der andernfalls zur
Messung des vollen Spannungsbereichs mit der gewünschten Genauigkeit erforderlich wäre.
Als Beispiel beträgt die Wellenlänge des Wandlers 110 5,12 mm, und es weist jeder Satz 8
Elektroden 130 auf. Falls bezüglich des Wandlers 110 eine Auflösung von 10 µm erforderlich ist,
müssen bei der Wellenlänge von 5,12 mm 512 Inkremente bzw. Schritte gemessen werden
können. Da acht Elektroden je Wellenlänge vorhanden sind, muß jedes Teilungsabstandsintervall
zwischen benachbarten Elektroden durch den Analog/Digital-Wandler in 64 Inkremente (512/8)
unterteilt werden, wenn herkömmliche Systeme eingesetzt werden. Eine Interpolation von 64
Inkrementen innerhalb jedes Teilungsabstandsintervalls würde einen Analog/Digital-Wandler mit 6
Bit (2⁶=64) erfordern.
Bei Einsatz der hier beschriebenen Verfahren und Systeme zur Impulsinterpolation und zur
Synthetisierung der räumlichen Wellenform wird jedes Teilungsabstandsintervall selbst in acht
Unterintervalle aufgrund der Arbeitsweise des Verfahrens und Systems zum Zusammensetzen
der räumlichen Wellenform unterteilt. Da 64 Intervalle (8 Teilungsabstände × 8 Inter
valle/Teilungsabstand) innerhalb jeder Wellenlänge des Wandlers vorhanden sind, müssen ledig
lich 8 Inkremente (512/64) in jedem Intervall durch den Analog/Digital-Wandler interpoliert
werden. Folglich ist ein Analog/Digital-Wandler mit lediglich drei Bit (2³=8) erforderlich. Ein
solcher Analog/Digital-Wandler mit drei Bit benötigt erheblich weniger Leistung als
Analog/Digital-Wandler mit höherer Bitstellenanzahl. Folglich ist die Vereinfachung des
Analog/Digital-Wandlers bei dieser Vorgehensweise insbesondere bei digitalen Meßlehren und
dergleichen wertvoll, da diese Vorrichtungen durch eine einzige Batterie geringer Spannung
gespeist werden.
Fig. 13 zeigt die Beziehung zwischen der Phase und der zusammengesetzten, räumlichen, an die
Sendeelektroden 130 angelegten Wellenform und der Position der Skalenelektrode 140. Hierbei
ist anzumerken, daß die Gestalt der Elektroden 140 gemäß Fig. 1 halb-sinusförmig ist, wohinge
gen die Gestalt der in Fig. 13 gezeigten Elektroden rechteckförmig ist. Bei dem nachfolgend
beschriebenen Beispiel ist diese in Fig. 13 gezeigte Näherung ausreichend.
Insbesondere veranschaulicht Fig. 13 die zusammengesetzten Spannungswellenformen Φ₀ bis Φ₇
gemäß Fig. 6. Jeder der zusammengesetzten Spannungswellenformen Φ₀ bis Φ₇ ist eine Skalen
elektrode 140 überlagert, die in derjenigen Position gezeigt ist, die zur Erzielung der Null-Bedin
gung (das heißt es werden keine Impulsübergänge zu ihr gekoppelt) für jede der acht zusammen
gesetzten Wellenformen Φ₀ bis Φ₇ erforderlich ist.
Wie bei der zusammengesetzten räumlichen Wellenform Φ₀ gemäß Fig. 13 dargestellt ist, sind die
akkumulierten, zu der Skalenelektrode 140 gekoppelten Impulsübergänge gleich null, wenn die
seitliche Mitte (bzw. die in Längsrichtung gesehene Mitte) 162 der Skalenelektrode 140 mit dem
Schwerpunkt Z übereinstimmt, der bei der Mitte der zentralen Sendeelektrode 132d liegt. Falls
der Schlitten 112 dann relativ zu der Skala 114 bewegt wird, werden die zu der Skalenelektrode
140 gekoppelten, aufsummierten Impulsübergänge positiv oder negativ sein, abhängig von der
Richtung, in der der Schlitten 112 bewegt worden ist.
Der Mikroprozessor 400 veranlaßt daher den Signalgenerator 122 zur Verschiebung der Position
des Schwerpunkts Z der zusammengesetzten räumlichen Wellenform derart, daß der Schwer
punkt Z der zusammengesetzten räumlichen Wellenform erneut mit der seitlichen Mitte 162 der
Skalenelektrode 140 übereinstimmt.
Wenn sich somit der Schlitten 112 relativ zu der Skala 114 bewegt, muß somit, wie in Fig. 13
gezeigt ist, die Position der zusammengesetzten räumlichen Wellenform entsprechend verscho
ben werden, um hierdurch den Schwerpunkt Z der zusammengesetzten räumlichen Wellenform
bei der seitlichen Mitte 162 der Skalenelektrode 140 zu halten. Wie vorstehend erläutert, ist in
Fig. 13 diese Verschiebung der Phase der zusammengesetzten räumlichen Wellenform in acht
Inkrementen bzw. Schritten entsprechend den acht zusammengesetzten räumlichen Wellenfor
men Φ₀ bis Φ₇ dargestellt, wodurch eine Strecke überdeckt ist, die gleich groß ist wie der
Teilungsabstand 136 der Sendeelektroden 130.
In Fig. 14 sind der Verstärker 410, der Demodulator 420 und der Integrator 430 in größeren
Einzelheiten gezeigt. Die Arbeitsweise dieser Elemente ist in den Fig. 15A bis 15C dargestellt.
Wie in Fig. 14 gezeigt ist, wird das Impulssignal, das von dem Wandler 110 auf der Signalleitung
127 abgegeben wird, an einen Verstärker 416 und einen Schalter 414 des Verstärkers 410
angelegt. Der Verstärker 416 ist ein Differenzverstärker, der eine Kapazität C enthält, die eine
Rückkopplungsimpedanz von dem Ausgang zu dem invertierenden Eingangsanschluß des
Verstärkers bildet. Da die Ausgangsimpedanz des Wandlers 112 an dem Anschluß 127 eine
Kapazität mit dem Wert C₁₂₇ ist, ist die Verstärkung gleich C₁₂₇/C. Wenn der Schalter 414
geschlossen ist, ist die Verstärkung gleich null und es wird eine Leck-Gleichspannung an dem
Eingangsanschluß auf null zurückgesetzt (das heißt es werden die Eingangsanschlüsse auf Vbias
gelegt). Der Schalter 414 wird durch ein Signal gesteuert, das von dem Mikroprozessor 400 auf
der Signalleitung 418 abgegeben wird. Der Schalter 414 ist geschlossen, wenn das Signal auf
der Signalleitung 418 hohen Pegel besitzt.
Das Ausgangssignal des Verstärkers 416 wird über die Signalleitung 412 an einen ersten Schal
ter 423a und einen dritten Schalter 425b des Demodulators 420 angelegt. Ein zweiter Schalter
425a und ein vierter Schalter 423b sind mit einer Vorspannung Vbias verbunden. Der erste und
der vierte Schalter 423a und 423b sind mit der von dem Mikroprozessor ankommenden Steuer
leitung 422 verbunden. In gleicher Weise sind der zweite und der dritte Schalter 425a und 425b
mit der von dem Mikroprozessor 400 ankommenden Steuerleitung 424 verbunden. Der Mikro
prozessor 400 steuert die Schalter 423a, 423b, 425a und 425b derart, daß entweder die Schal
ter 423a und 423b geschlossen sind, oder aber die Schalter 425a und 425b geschlossen sind,
wobei jedoch nicht alle Schalter zur gleichen Zeit geschlossen sind.
Wenn die Schalter 423a und 423b geschlossen sind, ist der Ausgang des Verstärkers 416 an
einen Knoten 421a einer Kapazität 421 angeschlossen. Die Vorspannung Vbias ist an einen
Knoten 421b der Kapazität 421 angelegt. Dies bedeutet eine "nicht invertierende" Verbindung
mit der Kapazität 421. Wenn im Gegensatz hierzu die Schalter 425a und 425b geschlossen sind,
ist der Ausgang des Verstärkers 416 mit dem Knoten 421b verbunden. Die Vorspannung Vbias ist
an den Knoten 421a angelegt. Dies stellt die invertierende" Verbindung mit der Kapazität 421
dar.
Ein Paar von Schaltern 427a und 427b verbinden die Knoten 421a und 421b der Kapazität 421
mittels der Signalleitungen 428 mit dem invertierenden bzw. dem nicht invertierenden Eingang
des Operationsverstärkers 434 des Integrators 430. Die Schalter 427a und 427b sind mit der
von dem Mikroprozessor 400 ankommenden Steuerleitung 426 verbunden. Die Schalter 427a
und 427b sind geschlossen, wenn das Signal auf der Steuerleitung 426 hohen Pegel besitzt.
Die Signalleitung 431 ist an den Ausgang des Operationsverstärkers 434 angeschlossen. Eine
Kapazität 435 und ein Schalter 437 sind zwischen den invertierenden Eingang des Operations
verstärkers 434 und die Signalleitung 432 geschaltet. Der Schalter 437 ist an die von dem
Mikroprozessor 400 ankommende Steuerleitung 436 angeschlossen.
Verschiedene unerwünschte Herstellungs- und Betriebsbedingungen wirken sich negativ auf die
Übertragungsfunktionspegel des kapazitiven Positionswandlers 110 aus. Folglich sollte durch den
Analog/Digital-Wandler 440 ein Referenzsignal als Referenzwert für den gesamten Bereich einge
setzt werden. Bei diesem System wird das Referenzsignal während eines separaten Referenzzy
klus erhalten. Dieser Zyklus wird in gleichartiger Weise wie diejenigen abgearbeitet, die unter
Bezugnahme auf die Fig. 13, 14 und 15 erläutert sind.
Insbesondere wird der Schwerpunkt der räumlichen Wellenform um 90° verschoben. Darüber
hinaus wird eine verringerte Anzahl von Elektroden angesteuert und es wird das Ausgangssignal
über eine verringerte Anzahl von Zyklen integriert. Hierdurch wird sichergestellt, daß die Ampli
tude des Referenzsignals ungefähr gleich groß ist wie der angenommene bzw. erwartete Span
nungsbereich, der zur Umwandlung des Meßsignals erforderlich ist. Die geforderte Genauigkeit
dieses Referenzsignals ist aufgrund der geringen Auflösung des Analog/Digital-Wandlers 440
recht niedrig.
Es wird nun auf Fig. 13 Bezug genommen. Wenn bei jeder der räumlichen Wellenformen Φ₀ bis Φ₇
die räumliche Wellenform nach rechts um zwei vollständige Elektroden 130 verschoben würde
(dies entspricht einer Verschiebung um 90°), würde die Skalenelektrode 140 statt des Empfangs
eines nahe bei null liegenden Signals ein Signal erhalten, das nahe bei einem Maximalwert liegt.
Dies ist es, was während des Referenzzyklus getan wird. Die relative Bedeutung der regulären
Signalgröße des Meßzyklus ist ohne dieses Referenzsignal unklar, da unerwünschte Herstellungs- oder
Betriebsparameter die Gesamtgrößen der durch das System erzeugten Signale unabhängig
von der aktuellen Position des Wandlers 110 nachteilig beeinflussen können.
Somit ist die Signalleitung 431 mit der Referenzsignalleitung 432 oder mit der Meßsignalleitung
433 über einen Schalter 439 in steuerbarer Weise verbunden. Der Schalter 439 ist an die von
dem Mikroprozessor 400 abgehende Steuerleitung 438 angeschlossen. Auf der Referenzsignallei
tung 432 läuft das Referenzsignal für den Analog/Digital-Wandler 440, das zum Einstellen des
Analog/Digital-Wandlers 440 dient. Sobald der Analog/Digital-Wandler 440 eingestellt ist, wird
die Meßsignalleitung 433 benutzt und führt das gemessene Signal zu dem Analog/Digital-Wand
ler 440.
Fig. 15A zeigt die Steuersignale, die von dem Mikroprozessor 400 an den Verstärker 410, den
Demodulator 420 und den Integrator 430 über die Steuerleitungen 418, 422, 424, 426 und 436
abgegeben werden. Fig. 15B und 15C zeigen die von dem Verstärker 410 abgegebenen Signale,
die Spannungen an den Knoten 421a und 421b und das von dem Integrator 430 abgegebene
Ausgangssignal für zwei unterschiedliche, von dem Wandler 110 abgegebene Signale an.
Wie in Fig. 15A gezeigt ist, gibt der Mikroprozessor 400 einen hohe Spannung aufweisenden
Impuls auf der Signalleitung 418 zum Schließen des Schalters 414 für ein kurzes Zeitintervall vor
jeder zeitlichen Markierung 310₁ bis 310₄ ab. Hierdurch wird der Verstärker 416 rückgesetzt.
Der Mikroprozessor 400 gibt hohe Spannung aufweisende Impulse auf der Signalleitung 422 zum
Schließen der Schalter 423a und 423b während der zeitlichen Markierungen 310₂ und 310₄ ab,
wobei die Schalter 423a und 423b während der zeitlichen Markierungen 310₁ und 310₃ offen
bleiben. Im Unterschied hierzu gibt der Mikroprozessor 400 hohe Spannung aufweisende Impulse
auf der Signalleitung 424 zum Schließen der Schalter 425a und 425b während der zeitlichen
Markierungen 310₁ und 310₃ ab, wobei die Schalter 425a und 425b während der zeitlichen
Markierungen 310₂ und 310₄ offen bleiben. Der Mikroprozessor gibt schließlich einen Impulszug
auf der Signalleitung 426 derart ab, daß die Schalter 427a und 427b jedesmal dann offen sind,
wenn irgendeiner der Schalter 423a, 423b, 425a oder 425b geschlossen ist, und daß die Schal
ter 427a und 427b lediglich dann geschlossen sind, wenn alle Schalter 423a, 423b, 425a und
425b offen sind.
Der Mikroprozessor gibt weiterhin einen niedrige Spannung aufweisenden Impuls auf der Signal
leitung 436 zum Öffnen des Schalters 437 des Integrators 430 kurz vor der zeitlichen Markie
rung 310₁ bis kurz nach der zeitlichen Markierung 310₄ ab. Anschließend schließt der Mikropro
zessor 400 nach der zeitlichen Markierung 310₄ des aktuellen Meßzyklus und voriger zeitlichen
Markierung 310₁ des nächsten Meßzyklus den Schalter 437, um hierdurch das Ausgangssignal
des Operationsverstärkers 434 rückzusetzen.
Wie in Fig. 15B gezeigt ist, weist ein von der zweiten Empfängerelektrode 160 abgegebenes
Signal auf der Signalleitung 127 abfallende Flanken bei den zeitlichen Markierungen 310 1 und
310₃ sowie ansteigende Flanken bei den zeitlichen Markierungen 310₂ und 310₄ auf. Wie
vorstehend angegeben, sind die abfallenden Flanken bei den zeitlichen Markierungen 310₁ und
310₃ sowie die ansteigenden Flanken bei den zeitlichen Markierungen 310₂ und 310₄ als positive
Impulsübergänge definiert. Folglich entspricht das Signal, das in Fig. 15B bezüglich der Signallei
tung 127 gezeigt ist, vier positiven Impulsen, die in dem kapazitiven Positionscodierer 110 durch
Kopplung übertragen werden.
Das Signal am Ausgang 412 des Verstärkers 416 beginnt bei der zeitlichen Markierung 310₁ (für
eine kurze Zeitdauer), als Ergebnis der abfallenden Flanke auf der Signalleitung 127 bei der
zeitlichen Markierung 310₁, niedrigen Pegel anzunehmen. Der Verstärker 416 wird dann auf
einen Vorspannungspegel rückgesetzt, wenn der Schalter 414 durch den hohe bzw. positive
Spannung aufweisenden Impuls auf der Signalleitung 418 geschlossen wird. Das Signal an dem
Ausgang 412 des Verstärkers 416 beginnt dann bei der zeitlichen Markierung 310₂1 (für eine
kurze Zeitdauer) hohen Pegel als Ergebnis der ansteigenden Flanke auf der Signalleitung 127 bei
der zeitlichen Markierung 310₂ anzunehmen. Der Verstärker 416 wird erneut auf den Vorspan
nungspegel rückgesetzt, wenn der Schalter 414 durch den hohe bzw. positive Spannung besit
zenden Impuls auf der Signalleitung 418 geschlossen wird.
Das Signal an dem Ausgang 412 nimmt erneut niedrigen Pegel an, und zwar beginnend bei der
zeitlichen Markierung 310₃, als Ergebnis der abfallenden Flanke auf der Signalleitung 127 bei der
zeitlichen Markierung 310₃. Der Verstärker 416 wird erneut auf den Vorspannungspegel rückge
setzt, wenn der Signalschalter 414 durch den hohe bzw. positive Spannung besitzenden Impuls
auf der Signalleitung 418 geschlossen wird. Das Signal an dem Ausgang 412 des Verstärkers
416 nimmt erneut hohen Pegel als Ergebnis der ansteigenden Flanke auf der Signalleitung 127
an, und zwar beginnend bei der zeitlichen Markierung 310₄. Schließlich wird der Verstärker 416
erneut auf den Vorspannungspegel rückgesetzt, wenn der Schalter 414 erneut geschlossen wird.
Der Verstärker erzeugt somit positive Impulse auf der Signalleitung 412 ab den ansteigenden
Flanken auf der Signalleitung 127 bei den zeitlichen Markierungen 310₂ und 310₄, sowie nega
tive Impulse auf der Signalleitung 412 ab den abfallenden Flanken auf der Signalleitung 127 bei
den zeitlichen Markierungen 310₁ und 310₃.
Nachfolgend werden, wie in Fig. 15A gezeigt ist, die Schalter 423a und 423b während der
Zeitintervalle geschlossen, die die zeitlichen Markierungen 310₂ und 310₄ umfassen. Folglich
werden die Ausgangsleitung 412 und die Vorspannung Vbias mit der Kapazität 421 mit nicht
invertierter Polarität verbunden. In gleichartiger Weise werden die Schalter 425a und 425b
während der Zeitintervalle geschlossen, die die zeitlichen Markierungen 310₁ und 310₃ umfas
sen. Folglich werden die Ausgangsleitung 412 und die Vorspannung Vbias mit der Kapazität 421
mit umgekehrter Polarität verbunden.
Demzufolge werden, wie in Fig. 15B gezeigt ist, die negativen Impulse auf der Signalleitung 412
bei den zeitlichen Markierungen 310₁ und 310₃ in die Kapazität 421 mit invertierter Polarität
eingespeist. Die Signale treten an den Knoten 421a und 421b gemäß der Darstellung in Fig. 15B
auf. Dies bedeutet, daß das Signal auf der Signalleitung 424 bei der zeitlichen Markierungen
310₁ und 310₃ hohen Pegel annimmt, so daß die Spannung an dem Knoten 421a durch den
geschlossenen Schalter 425a mit der Vorspannung Vbias verbunden wird, wohingegen der von
der Signalleitung 412 erhaltene negative Impuls durch den geschlossenen Schalter 425b an den
Knoten 421b angelegt wird. Das Signal auf der Signalleitung 424 nimmt dann niedrigen Pegel
an, wodurch die Schalter 425a und 425b geöffnet werden.
Nachfolgend wird der Schalter 427b durch das hohen Pegel aufweisende Signal auf der Signallei
tung 426 geschlossen, um hierdurch den Knoten 421b mit der Referenzspannung (das heißt dem
nicht invertierenden Eingang) des Operationsverstärkers 434 des Integrators 430 zu verbinden.
Der Schalter 427a wird auch durch das hohen Pegel aufweisende Signal auf der Signalleitung
426 geschlossen, um hierdurch den Knoten 421a mit dem invertierenden Eingang des Opera
tionsverstärkers 434 zu verbinden. Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers
434 wird auch mit der Vorspannung Vbias verbunden. Wenn die Schalter 427a und 427b
geschlossen sind, wird der Knoten 421b somit sofort auf die Vorspannung Vbias gelegt. Dies
führt dazu, daß sich die Spannung an dem Knoten 421a um die Spannung erhöht, die zuvor an
die Kapazität 421 angelegt war.
Als Ergebnis wird die Ladung in der Kapazität 421 auf die Kapazität 435 übertragen, die
zwischen die Ausgangsleitung 431 und den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers
434 geschaltet ist. Der Operationsverstärker 434 und die Kapazität 435 wirken als ein Integra
tor, der zum Aufsummieren der von der Kapazität 421 empfangenen Ladung dient. Folglich
verringert sich das von dem Operationsverstärker 434 auf der Signalleitung 431 abgegebene
Ausgangssignal inkremental.
Die positiven Impulse auf der Signalleitung 412 bei den zeitlichen Markierungen 310₂ und 310₄
gemäß Fig. 15B werden durch den Demodulator 420 und den Integrator 430 in geringfügig
unterschiedlicher Weise verarbeitet. Wie in Fig. 15B gezeigt ist, werden die positiven Impulse auf
der Signalleitung 412 bei den zeitlichen Markierungen 310₂ und 310₄ in die Kapazität 421 mit
nicht invertierter Polarität eingespeist. Folglich wird die Spannung an dem Knoten 421b bei den
zeitlichen Markierungen 310₂ und 310₄, bei denen das Signal auf der Signalleitung 422 auf
hohen Pegel ansteigt, an die Vorspannung Vbias über den geschlossenen Schalter 423b angelegt.
Der von der Signalleitung 412 erhaltene positive Impuls wird auch an den Knoten 421a aufgrund
des geschlossenen Schalters 423a angelegt. Das Signal auf der Signalleitung 422 nimmt dann
niedrigen Pegel an, wodurch die Schalter 423a und 423b geöffnet werden. Nachfolgend werden
die Schalter 427a und 427b erneut durch ein hohen Pegel besitzendes Signal auf der Signallei
tung 426 geschlossen. Hierdurch wird der Knoten 421a mit dem invertierenden Eingang des
Operationsverstärkers 434 verbunden und der Knoten 421b mit dem nicht invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers 434 gekoppelt (und der Knoten 421b erneut an die Vorspan
nung Vbias angeschlossen). Da die Spannung an dem Knoten 421b bei der Vorspannung Vbias
bleibt, vergrößert sich die Spannung an dem Knoten 421a um die Amplitude des Impulses auf
der Signalleitung 412.
Als Ergebnis wird die Ladung, die nun an der Kapazität 421 erhalten ist, ebenfalls auf die Kapazi
tät 435 übertragen. Damit verringert sich das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 434 auf
der Signalleitung 431 erneut inkremental.
Als Ergebnis verringern die negativen Impulse gemäß der Darstellung in Fig. 15B, die bei den
zeitlichen Markierungen 310₁ und 310₃ auftreten, sowie die positiven Impulse, die bei den zeitli
chen Markierungen 310₂ und 310₄ auftreten, das Ausgangssignal des invertierenden Verstärkers
434 inkremental. Da das Signal auf der Signalleitung 127 gemäß der Darstellung in Fig. 15B vier
positiven Impulsübergängen entspricht, verringert sich das Ausgangssignal des invertierenden
Verstärkers 434 auf der Signalleitung 431 proportional zu der Summe aus diesen vier
Impulsamplituden. Diese Amplituden sind daher von der Eingangspolarität und von den Übertra
gungsfunktionen der Phasenkanäle abhängig, über die sie abgegeben werden. Am Ende der
Meßperiode gibt der Mikroprozessor 400 ein hohen Pegel aufweisendes Signal auf der Signallei
tung 436 ab, nachdem das von dem Integrator 430 abgegebene Ausgangssignal durch den
Analog/Digital-Wandler 440 verarbeitet worden ist. Hierdurch wird der Schalter 437 geschlos
sen, um hierdurch die Kapazität 435 zu entladen und den Integrator 430 zurückzusetzen.
Gemäß Fig. 15C stellt das von dem kapazitiven Positionswandler 110 auf der Signalleitung 127
abgegebene Signal den invertierten Zustand des Signals auf der Signalleitung 127 dar, das in
Fig. 15B gezeigt ist. Folglich erzeugt der Verstärker 410 positive Impulse auf der Signalleitung
412 bei den zeitlichen Markierungen 310₁ und 310₃, sowie negative Impulse auf der Signallei
tung 412 bei den zeitlichen Markierungen 310₂ und 310₄. In diesem Fall werden die positiven
Impulse bei den zeitlichen Markierungen 310₁ und 310₃ in die Kapazität 421 mit invertierter
Polarität eingespeist, da die Schalter 425a und 425b bei den zeitlichen Markierungen 310₁ und
310₃ geschlossen sind.
Wenn anschließend die Schalter 427a und 427b durch ein hohen Pegel besitzendes Signal auf
der Signalleitung 426 geschlossen werden, wird der Knoten 421b an die Vorspannung Vbias
angeschlossen. Die Spannung an dem Knoten 421a wird somit um die Amplitude des positiven
Impulses auf der Signalleitung 412 verringert, die in der Kapazität 421 gespeichert ist. Die nega
tive Ladung in der Kapazität 421 wird anschließend auf die Kapazität 435 in der vorstehend
beschriebenen Weise übertragen. Damit vergrößert sich das Ausgangssignal des invertierenden
Verstärkers 434 inkremental.
Die negativen Impulse auf der Signalleitung 412, die bei den zeitlichen Markierungen 310₂ und
310₄ auftreten, werden ebenfalls in die Kapazität 421 eingespeist, wie es vorstehend dargelegt
ist. Als Ergebnis wird, wenn die Schalter 427a und 427b geschlossen sind, die Ladung in der
Kapazität 421 zu der Kapazität 435 übertragen, wodurch sich das Ausgangssignal des invertie
renden Verstärkers 434 erneut inkremental vergrößert.
Zusammenfassend stellen der Verstärker 410, der Demodulator 420 und der Integrator 430 eine
analoge Spannung für den Analog/Digital-Wandler 440 bereit. Diese analoge Spannung weist
eine Größe und eine Polarität auf, die durch die Größe und die Polarität der Impulsübergänge
bestimmt sind, die von dem kapazitiven Positionscodierer 110 abgegeben werden. Die analoge
Spannung gibt folglich die Größe und die Polarität des Versatzes zwischen der Mitte der Emp
fängerelektrode 160 und dem Schwerpunkt der zusammengesetzten räumlichen Wellenform an,
wie es in Fig. 13 dargestellt ist. Die Größe und die Polarität des von dem Analog/Digital-Wandler
440 erhaltenen Signals gibt somit die Größe und die Richtung an, mit bzw. in der die zusam
mengesetzte, räumliche, an die Sendeelektroden 130 angelegte Wellenform verschoben werden
muß, um hierdurch den Schwerpunkt der zusammengesetzten räumlichen Wellenform näher zu
der Mitte 162 der Empfängerelektrode 160 zu bringen.
Der Positionswandler 110 gemäß Fig. 1 bestimmt die Position des Schlittens 112 relativ zu der
Skala 114 durch Verfolgung der inkrementalen Bewegung des Schlittens 112. Das Verfahren
und die Vorrichtung zur Zusammensetzung der räumlichen Wellenform gemäß der vorliegenden
Erfindung können auch bei einem absoluten, kapazitiven Positionscodierer eingesetzt werden,
wie der in der US-PS 5,023,559 offenbart ist. Solche absoluten Positionscodierer sind ähnlich
wie der in Fig. 1 gezeigte inkrementale Wandler, mit der Ausnahme, daß zwei oder mehr Skalen
vorgesehen sind. Die vorliegende Erfindung ist in gleicher Weise bei solchen Wandlern einsetz
bar. Es ist lediglich erforderlich, daß die vorliegende Erfindung bei solchen Wandlern derart ein
gesetzt wird, daß der Signalprozessor 124 mit einer Wählsteuerlogik versehen wird. Die Wähl
steuerlogik wählt die Skala aus, auf die die Wandlersignale zur Einwirkung gebracht werden und
von der die Ausgangssignale gelesen werden. Eine derartige Wählsteuerlogik ist dem Fachmann
bekannt und wird daher nicht näher beschrieben.
Bei der vorstehend angegebenen Beschreibung des Meßsystems des in Fig. 1 gezeigten kapaziti
ven Positionscodierers 100 gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten die ersten Sendeelektro
den 130 Signale, die eine zusammengesetzte räumliche Wellenform hervorrufen. Die zusammen
gesetzte räumliche Wellenform wird von dem Schlitten 112 zu der Skala 114 und zumindestens
einer zweiten Empfängerelektrode 160 an dem Schlitten 112 zurückgekoppelt. Die zusammen
gesetzte räumliche, durch die mindestens eine zweite Empfängerelektrode 160 empfangene
Wellenform erzeugt eine Spannung, die die relative Position zwischen dem Schlitten 112 und der
Skala 114 angibt. Es ist jedoch anzumerken, daß die kapazitiven Positionscodierer auch in der
"umgekehrten" Richtung betrieben werden können, wie es in der US-PS 5,023,559 diskutiert ist.
Fig. 16 zeigt das Meßsystem gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Form, die sowohl für die
Vorwärtsrichtung als auch für die umgekehrte Richtung allgemein gültig ist. Wie in Fig. 16
gezeigt ist, empfängt der Mikroprozessor 400 ein Signal Vf, das die Phasenverschiebung einer
räumlichen Wellenform angibt, während diese durch Kopplung in dem Positionswandler 110
übertragen wird. Der Mikroprozessor 400 gibt dann eine Adresse an den Festwertspeicher 470
ab, um hiermit die Koeffizienten auszuwählen, die zur Verschiebung der zusammengesetzten
räumlichen Wellenform für die Verringerung der Rückkopplungsspannung Vf auf null notwendig
sind. Auf der Grundlage der Phaseneinstellung der zusammengesetzten räumlichen Wellenform
zeigt der Mikroprozessor 400 auf der Anzeige 128 die Position des Schlittens 112 relativ zu der
Skala 114 an. Weiterhin gibt der Mikroprozessor 400 während jedes Meßzyklus eine Vielzahl von
Adressen ab, derart, daß die Phasenverschiebung der zusammengesetzten räumlichen Wellen
form der Mittelwert der Phasenverschiebung jeder einzelnen räumlichen Wellenform ist, die jeder
bzw. den jeweiligen Adressen entspricht, die von dem Mikroprozessor 400 abgegeben werden.
Als Beispiel empfängt der kapazitive Positionswandler 110 gemäß der Darstellung in Fig. 17
Signale, die eine zusammengesetzte räumliche Wellenform an den Sendeelektroden 130 reprä
sentieren, und gibt eine Spannung an den zweiten Empfängerelektroden 160 ab, die die relative
Position zwischen dem Schlitten 112 und der Skala 114 des kapazitiven Positionscodierers 110
anzeigt.
Die zusammengesetzte räumliche Wellenform wird durch einen Satz von Exklusiv-ODER-Gliedern
462 eines Modulators 460 erzeugt. Die Exklusiv-ODER-Glieder 462 multiplizieren das Ausgangs
signal des Oszillators 450 mit den entsprechenden jeweiligen Koeffizienten C₀ bis C₇, die von
dem Festwertspeicher 470 abgegeben werden. Jeder Satz der Koeffizienten C₀ bis C₇, die bei
jeder Adresse des Festwertspeichers 470 gespeichert sind, entspricht einer bestimmten Phase
einer einzelnen räumlichen Wellenform, die bei einer der zeitlichen Markierungen 310₁ bis 310₄
angelegt wird. Die Exklusiv-ODER-Glieder 462 des Modulators 460 modulieren folglich die von
dem Oszillator 450 abgegebenen Impulse mit den von dem Festwertspeicher 470 abgegebenen
Koeffizienten C₀ bis C₇.
Während jede der räumlichen Wellenformen an den kapazitiven Positionswandler 110 bei den
zeitlichen Markierungen 310₁ bis 310₄ angelegt wird, wird die resultierende Spannung an der
zweiten Empfängerelektrode 160 in dem Akkumulator 490 aufsummiert. Der Akkumulator 490
enthält den Verstärker 410, den Demodulator 420, den Integrator 430 und den Analog/Digital-
Wandler 440 gemäß Fig. 12. An dem Ende des Meßzyklus gibt eine Spannung Vf, die von dem
Akkumulator 490 abgegeben wird, die Größe und die Richtung der Verschiebung an, die zur
Positionierung der zusammengesetzten räumlichen Wellenform zur Verringerung der Größe von
Vf erforderlich sind.
Wie vorstehend angegeben, kann der kapazitive Positionswandler 110 im wesentlichen in der
gleichen Weise in der umgekehrten Richtung betrieben werden, wie es in Fig. 18 dargestellt ist.
Wie in Fig. 18 gezeigt ist, gibt der Oszillator 450 in der gleichen Weise wie gemäß Fig. 17 vier
Impulse ab, und zwar jeweils einen bei jeder zeitlichen Markierung 310₁ bis 310₄. Diese Impulse
werden an die zweite Empfängerelektrode 160 angelegt. Die Impulse werden von der Elektrode
160 kapazitiv auf Elektroden 150 eingekoppelt, zu den Elektroden 140 übertragen und dann
kapazitiv zu den Elektroden 132a bis 132h gekoppelt (8 Kanäle). Jeder dieser acht Übertra
gungskanäle weist eine Übertragungsfunktion auf, die von der Position des Schlittens 112 relativ
zu der Skala 114 abhängt.
Die Signale werden dann von den ersten Sendeelektroden 130 durch einen Multiplizierer 460′
erhalten, der weiterhin einen Satz von Koeffizienten C₀ bis C₇ von dem Festwertspeicher 470
erhält. Jeder der Koeffizienten C₀ bis C₇ weist einen Wert von -1,0 oder +1 auf. Die Koeffizien
ten C₀ bis C₇ stellen die Phasenposition eines zusammengesetzten räumlichen Filters durch
Multiplikation der von den Elektroden 130 erhaltenen Signale ein. Hierdurch wird das Empfind
lichkeitsprofil der Elektroden 130 räumlich gefiltert. Die Summe aus den von den acht Kanälen
erhaltenen Ausgangsladungen des Multiplizierers 460′ werden dann an einen Akkumulator 490′
angelegt, um somit am Ende der Meßperiode eine Spannung abzugeben.
Diese Spannung wird dann durch den Analog/Digital-Wandler 440 in ein digitales Signal umge
wandelt. Das digitale Signal wird durch den Mikroprozessor 440 zur Bestimmung der Position der
Skala 112 relativ zu dem Schlitten 114 sowie zur Auswahl eines neuen Satzes von Koeffizienten
C₀ bis C₇ verwendet, die von dem Festwertspeicher 470 zur Verschiebung der Phase der von
den Elektroden 130 empfangenen zusammengesetzten räumlichen Wellenform abzugeben sind.
Bei beiden Fig. 17 und 18 gibt der Mikroprozessor 400 ein Phasensignal an den Festwertspeicher
470 zur Abgabe der Koeffizienten C₀ bis C₇ ab, die die Phase der zusammengesetzten räumli
chen Übertragungsfunktion derart justieren, daß die Rückkopplungsspannung Vf auf einen Mini
malwert gebracht wird. Auf der Grundlage des Phaseneinstellungssignals bestimmt der Mikropro
zessor 400 die Position des Schlittens 112 relativ zu der Skala 114.
Der Positionswandler 110, der Oszillator 450 und entweder der Modulator 460 gemäß Fig. 17
oder der Multiplizierer 460′ gemäß Fig. 18 bilden eine Übertragungsfunktionseinrichtung. Die
Übertragungsfunktion Tf der Übertragungsfunktionseinrichtung führt zur Bildung einer Ausgangs
spannung Vf auf der Grundlage sowohl der Position des Schlittens 112 relativ zu der Skala 114
als auch auf der Grundlage der Phase der zusammengesetzten räumlichen Wellenform in Über
einstimmung mit dem Satz von Adressen, die von dem Mikroprozessor 400 während des Meß
zyklus abgegeben werden. Weiterhin ist die Übertragungsfunktion Tf unabhängig davon vorhan
den, ob der elektronische Positionscodierer der in Fig. 1 gezeigte, inkrementale, kapazitive Posi
tionscodierer 100, ein absoluter Positionscodierer oder irgendeine andere Form eines elektroni
schen Positionscodierers ist. Weiterhin ist die Übertragungsfunktion Tf unabhängig davon vor
handen, ob der kapazitive Positionscodierer 100 eine räumliche Wellenform an einer oder mehre
ren Empfängerelektroden empfängt oder eine räumliche Wellenform an einer Vielzahl von
Sendeelektroden erzeugt. In jedem Fall gibt der Mikroprozessor eine Vielzahl von Adressen
während jeder Messung ab, derart, daß die zusammengesetzte, räumliche Wellenform, die aus
allen während eines Meßzyklus auftretenden Phasensignalen resultiert, in ihrer Phase um Inkre
mente bzw. Schritte verschoben werden kann, die kleiner sind als der Teilungsabstand der
Sendeelektroden 130.
Es ist anzumerken, daß der Mikroprozessor 400 unter Verwendung eines programmierten Mikro
prozessors oder Mikrocontrollers (und peripheren integrierten Schaltungselementen), einen ASIC
oder einer anderen integrierten Schaltung, einer festverdrahteten elektronischen oder logischen
Schaltung wie etwa einer Schaltung aus diskreten Elementen, einem programmierbaren Logikge
rät wie etwa einem PLD, PLA, PAL oder dergleichen realisiert werden kann. Es ist weiterhin
anzumerken, daß der Festwertspeicher 470 vorzugsweise unter Verwendung eines ROM reali
siert wird. Jedoch kann der Festwertspeicher 470 auch unter Einsatz eines PROM, eines EPROM,
eines EEPROM, eines Flash-Speichers, einer festverdrahteten logischen Schaltung oder derglei
chen aufgebaut sein.
Mit der Erfindung werden somit ein Verfahren und eine Einrichtung zum Erzeugen von räumlichen
Wellenformen in elektronischen Positionscodierern bereitgestellt, die das schrittweise Verschie
ben der Position einer zusammengesetzten, räumlichen, an einen elektronischen Positionswandler
angelegten Wellenform mit Schrittweiten ermöglichen, die kleiner sind als der Teilungsabstand
der Elektroden des elektronischen Positionswandlers. Die Position der zusammengesetzten,
räumlichen Wellenform wird durch Anlegen von mehreren einzelnen räumlichen Wellenformen an
den elektronischen Positionswandler während einer Positionsmessung justiert. Die Position von
einer oder mehreren einzelnen räumlichen Wellenformen wird in dem Elektroden-Teilungsabstand
entsprechenden Inkrementen geändert. Als Ergebnis ist die Position der zusammengesetzten,
räumlichen, aus den einzelnen räumlichen Wellenformen zusammengesetzten Wellenform die
durchschnittliche Position der einzelnen räumlichen Wellenformen. Bei einem Ausführungsbeispiel
wird die zusammengesetzte räumliche Wellenform an die Sendeelektroden eines elektronischen
Positionswandlers angelegt. Die Position der zusammengesetzten räumlichen Wellenform wird
derart eingestellt, daß die von dem elektronischen Positionswandler erhaltene Spannung auf ein
Minimum gebracht ist. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine Mehrzahl von Impulsen
an eine einzelne Elektrode eines elektronischen Positionswandlers während einer Messung ange
legt. Jeder Impuls erzeugt eine räumliche Wellenform an einer Vielzahl von Elektroden. Die
Signale an den Elektroden werden nach Durchleitung durch einen demodulierenden Phasenschie
ber aufsummiert. Mindestens eine der räumlichen Wellenformen wird um eine Strecke verscho
ben, die dem Teilungsabstand der Elektroden entspricht, was zu einer gemittelten Verschiebung
führt, die kleiner ist als der Teilungsabstand der Elektroden. Die Position der zusammengesetzten
räumlichen Wellenform wird derart eingestellt, daß die Summe der die zusammengesetzte
Wellenform bildenden Spannungen auf einen Minimalwert gebracht wird.
Claims (20)
1. Einrichtung zum Messen der Relativlage zwischen einem ersten und einem zweiten
Element, mit
einem kapazitiven Positionscodierer (100), umfassend
ein erstes und ein zweites Substrat (112, 114), die relativ zu einander entlang einer Meßachse (116) beweglich sind,
eine Elektrodenanordnung (130), die an dem ersten Substrat (112) ausgebildet ist und deren Elektroden mit Spannungen gespeist werden, die einer räumlichen Wellen form entsprechen,
mindestens eine weitere Elektrode (160), die an dem ersten Substrat (112) aus gebildet und mit der Elektrodenanordnung (130) über das zweite Substrat (114) kapazi tiv gekoppelt ist, wobei das von der weiteren Elektrode (160) empfangene Signal auf einer vorbestimmten Übertragungsfunktion basiert, die die Kopplung der räumlichen Wellenform zwischen der Elektrodenanordnung (130) und der bzw. jeder weiteren Elek trode (je kA) in Abhängigkeit von der relativen Position zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat (112, 114) entlang der Meßachse (116) und der Position und Form der räumlichen Wellenform an der Elektrodenanordnung (130) definiert, und
einen Wellenformschieber (122), der mit der Elektrodenanordnung (130) verbun den ist und zum Verschieben der Position der räumlichen Wellenform entlang der Elek trodenanordnung um eine Strecke, die einem ganzzahligen Vielfachen einer vorbe stimmten Strecke entspricht, in Abhängigkeit von einem Steuersignal dient, derart, daß die Verschiebung der räumlichen Wellenform der relativen Position zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat entlang der Meßachse entspricht,
einem Steuersystem (124), das mit der mindestens einen weiteren Elektrode (160) des kapazitiven Positionscodierers (100) und mit dem Wellenformschieber (122) verbunden ist und das Steuersignal an den Wellenformschieber (122) bei jeder Positionsmessung anlegt, wobei das Steuersignal die Kopplung einer Mehrzahl von räumlichen Wellenformen durch den Wellenform schieber und den kapazitiven Positionscodierer während jeder Positionsmessung mit einer durch den Wellenformschieber hervorgerufenen Verschiebung mindestens einer räumlichen Wellenform hervorruft, wobei diese Verschiebung sich von der durch den Wellenformschieber (122) bewirk ten Verschiebung von mindestens einer weiteren räumlichen Wellenform um ein ganzzahliges Vielfaches der vorbestimmten Strecke unterscheidet, derart, daß die durchschnittliche Verschie bung der Vielzahl der durch den Wellenformschieber gekoppelten räumlichen Wellenformen ein Bruchteil der vorbestimmten Strecke sein kann, wobei das Steuersystem (124) ein Rückkopp lungssignal von dem kapazitiven Positionscodierer empfängt, das dem durchschnittlichen Wert der Phasenverschiebung der durch den Wellenformschieber und den kapazitiven Positionscodierer durch Kopplung übertragenen Mehrzahl von räumlichen Wellenformen während jeder Positions messung entspricht, und das Steuersystem das Steuersignal für eine nachfolgende Positions messung in Abhängigkeit von dem Rückkopplungssignal derart erzeugt daß die Rückkopplung verringert wird, und
einem Positionsbestimmungssystem, das das Steuersignal von dem Steuersystem empfängt und dazu ausgelegt ist, die Position des ersten Substrats (112) relativ zu dem zweiten Substrat (114) in Abhängigkeit von dem Steuersignal zu bestimmen.
ein erstes und ein zweites Substrat (112, 114), die relativ zu einander entlang einer Meßachse (116) beweglich sind,
eine Elektrodenanordnung (130), die an dem ersten Substrat (112) ausgebildet ist und deren Elektroden mit Spannungen gespeist werden, die einer räumlichen Wellen form entsprechen,
mindestens eine weitere Elektrode (160), die an dem ersten Substrat (112) aus gebildet und mit der Elektrodenanordnung (130) über das zweite Substrat (114) kapazi tiv gekoppelt ist, wobei das von der weiteren Elektrode (160) empfangene Signal auf einer vorbestimmten Übertragungsfunktion basiert, die die Kopplung der räumlichen Wellenform zwischen der Elektrodenanordnung (130) und der bzw. jeder weiteren Elek trode (je kA) in Abhängigkeit von der relativen Position zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat (112, 114) entlang der Meßachse (116) und der Position und Form der räumlichen Wellenform an der Elektrodenanordnung (130) definiert, und
einen Wellenformschieber (122), der mit der Elektrodenanordnung (130) verbun den ist und zum Verschieben der Position der räumlichen Wellenform entlang der Elek trodenanordnung um eine Strecke, die einem ganzzahligen Vielfachen einer vorbe stimmten Strecke entspricht, in Abhängigkeit von einem Steuersignal dient, derart, daß die Verschiebung der räumlichen Wellenform der relativen Position zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat entlang der Meßachse entspricht,
einem Steuersystem (124), das mit der mindestens einen weiteren Elektrode (160) des kapazitiven Positionscodierers (100) und mit dem Wellenformschieber (122) verbunden ist und das Steuersignal an den Wellenformschieber (122) bei jeder Positionsmessung anlegt, wobei das Steuersignal die Kopplung einer Mehrzahl von räumlichen Wellenformen durch den Wellenform schieber und den kapazitiven Positionscodierer während jeder Positionsmessung mit einer durch den Wellenformschieber hervorgerufenen Verschiebung mindestens einer räumlichen Wellenform hervorruft, wobei diese Verschiebung sich von der durch den Wellenformschieber (122) bewirk ten Verschiebung von mindestens einer weiteren räumlichen Wellenform um ein ganzzahliges Vielfaches der vorbestimmten Strecke unterscheidet, derart, daß die durchschnittliche Verschie bung der Vielzahl der durch den Wellenformschieber gekoppelten räumlichen Wellenformen ein Bruchteil der vorbestimmten Strecke sein kann, wobei das Steuersystem (124) ein Rückkopp lungssignal von dem kapazitiven Positionscodierer empfängt, das dem durchschnittlichen Wert der Phasenverschiebung der durch den Wellenformschieber und den kapazitiven Positionscodierer durch Kopplung übertragenen Mehrzahl von räumlichen Wellenformen während jeder Positions messung entspricht, und das Steuersystem das Steuersignal für eine nachfolgende Positions messung in Abhängigkeit von dem Rückkopplungssignal derart erzeugt daß die Rückkopplung verringert wird, und
einem Positionsbestimmungssystem, das das Steuersignal von dem Steuersystem empfängt und dazu ausgelegt ist, die Position des ersten Substrats (112) relativ zu dem zweiten Substrat (114) in Abhängigkeit von dem Steuersignal zu bestimmen.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenformschieber
(122) jeweilige Spannungen an die Elektroden (132, 134) in der Elektrodenanordnung (130)
anlegt und hierdurch eine räumliche Wellenform der Elektrodenanordnung aufprägt, und daß eine
jeweilige Spannung an der mindestens einen weiteren Elektrode (160) durch jede der Mehrzahl
von an die Elektrodenanordnung für jede Messung angelegten räumlichen Wellenformen erzeugt
wird.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenform
schieber (122)
einen Taktgeber (450), der eine Mehrzahl von Impulsen erzeugt,
einen Speicher (470), in dem eine Mehrzahl von Koeffizientensätzen gespeichert ist, wobei jeder Koeffizientensatz einer jeweiligen Verschiebung der räumlichen Wellenform um ein ganzzahliges Vielfaches des Teilungsabstands (136) der Elektrodenanordnung (130) entspricht und der Speicher durch das Steuersignal derart adressiert wird, daß das Steuersignal den Koeffi zientensatz bestimmt, der aus dem Speicher auszugeben ist, und
einen Modulator (460) aufweist, der eine Mehrzahl von Impulsen von dem Taktgeber und eine entsprechende Anzahl Koeffizienten von dem Speicher bei jeder Positionsmessung empfängt und jeweilige Spannungen an die Elektroden in der Elektrodenanordnung für jeden Impuls anlegt, wobei die Spannungen eine räumliche Wellenform bilden, deren Phase dem Koeffizientensatz entspricht.
einen Taktgeber (450), der eine Mehrzahl von Impulsen erzeugt,
einen Speicher (470), in dem eine Mehrzahl von Koeffizientensätzen gespeichert ist, wobei jeder Koeffizientensatz einer jeweiligen Verschiebung der räumlichen Wellenform um ein ganzzahliges Vielfaches des Teilungsabstands (136) der Elektrodenanordnung (130) entspricht und der Speicher durch das Steuersignal derart adressiert wird, daß das Steuersignal den Koeffi zientensatz bestimmt, der aus dem Speicher auszugeben ist, und
einen Modulator (460) aufweist, der eine Mehrzahl von Impulsen von dem Taktgeber und eine entsprechende Anzahl Koeffizienten von dem Speicher bei jeder Positionsmessung empfängt und jeweilige Spannungen an die Elektroden in der Elektrodenanordnung für jeden Impuls anlegt, wobei die Spannungen eine räumliche Wellenform bilden, deren Phase dem Koeffizientensatz entspricht.
4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenform
schieber (122)
einen Taktgeber (450), der eine Vielzahl von Impulsen erzeugt,
einen Speicher (470), in dem eine Vielzahl von Koeffizientensätzen gespeichert ist, wobei jeder Koeffizientensatz einer jeweiligen Verschiebung der räumlichen Wellenform um ein ganzzahliges Vielfaches des Teilungsabstands der Elektrodenanordnung entspricht, und der Speicher durch das Steuersignal derart adressiert wird, daß das Steuersignal den aus dem Spei cher auszugebenden Koeffizientensatz festlegt, und
einen Modulator (460) aufweist, der eine Mehrzahl der Impulse von dem Taktgeber und eine entsprechende Anzahl von Koeffizienten aus dem Speicher bei jeder Positionsmessung empfängt und jeweilige Spannungen an die Elektroden in der Elektrodenanordnung für jeden Impuls anlegt, wobei die Spannungen eine räumliche Wellenform bilden, die eine dem Koeffzien tensatz entsprechende Phase aufweist, und der Modulator einen Satz von logischen Gliedern (462a bis 462h) enthält, von denen jedes die von dem Taktgeber abgegebenen Impulse und einen entsprechenden Koeffizienten aus dem Speicher empfängt, und die Ausgänge der logi schen Glieder mit jeweiligen Elektroden in der Elektrodenanordnung verbunden sind.
einen Taktgeber (450), der eine Vielzahl von Impulsen erzeugt,
einen Speicher (470), in dem eine Vielzahl von Koeffizientensätzen gespeichert ist, wobei jeder Koeffizientensatz einer jeweiligen Verschiebung der räumlichen Wellenform um ein ganzzahliges Vielfaches des Teilungsabstands der Elektrodenanordnung entspricht, und der Speicher durch das Steuersignal derart adressiert wird, daß das Steuersignal den aus dem Spei cher auszugebenden Koeffizientensatz festlegt, und
einen Modulator (460) aufweist, der eine Mehrzahl der Impulse von dem Taktgeber und eine entsprechende Anzahl von Koeffizienten aus dem Speicher bei jeder Positionsmessung empfängt und jeweilige Spannungen an die Elektroden in der Elektrodenanordnung für jeden Impuls anlegt, wobei die Spannungen eine räumliche Wellenform bilden, die eine dem Koeffzien tensatz entsprechende Phase aufweist, und der Modulator einen Satz von logischen Gliedern (462a bis 462h) enthält, von denen jedes die von dem Taktgeber abgegebenen Impulse und einen entsprechenden Koeffizienten aus dem Speicher empfängt, und die Ausgänge der logi schen Glieder mit jeweiligen Elektroden in der Elektrodenanordnung verbunden sind.
5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Mehrzahl von Impulsen aufeinanderfolgend an die mindestens eine weitere Elektrode
(160) bei jeder Messung angelegt wird, und daß der Wellenformschieber (122) jeweilige Span
nungen von den Elektroden in der Elektrodenanordnung (130) als Ergebnis jedes der an die
weitere Elektrode bei jeder Messung angelegten Vielzahl von Impulsen erhält.
6. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenform
schieber (122)
einen Speicher (470), in dem eine Mehrzahl von Koeffizientensätzen gespeichert ist, wobei jeder Koeffizientensatz einer jeweiligen Verschiebung der räumlichen Wellenform um ein ganzzahliges Vielfaches das Teilungsabstands der Elektrodenanordnung entspricht und der Spei cher durch das Steuersignal derart adressiert wird, daß das Steuersignal den von dem Speicher auszugebenden Koeffizientensatz festlegt, und
einen Demodulator (420) aufweist, der eine Mehrzahl von räumlichen Wellenformen empfängt, die jeweils einem Satz von Spannungen an den Elektroden in der Elektrodenanordnung und einer entsprechenden Anzahl von aus dem Speicher bei jeder Positionsmessung ausgegebe nen Koeffizientensätzen entspricht, wobei der Demodulator jeweilige Spannungen aus jeder der von den Elektroden in der Elektrodenanordnung erhaltenen räumlichen Wellenformen erzeugt und jede dieser Spannungen einen Wert aufweist, der der Phase einer jeweiligen, von der Elektroden anordnung erhaltenen räumlichen Wellenform und einem jeweiligen Koeffizientensatz entspricht.
einen Speicher (470), in dem eine Mehrzahl von Koeffizientensätzen gespeichert ist, wobei jeder Koeffizientensatz einer jeweiligen Verschiebung der räumlichen Wellenform um ein ganzzahliges Vielfaches das Teilungsabstands der Elektrodenanordnung entspricht und der Spei cher durch das Steuersignal derart adressiert wird, daß das Steuersignal den von dem Speicher auszugebenden Koeffizientensatz festlegt, und
einen Demodulator (420) aufweist, der eine Mehrzahl von räumlichen Wellenformen empfängt, die jeweils einem Satz von Spannungen an den Elektroden in der Elektrodenanordnung und einer entsprechenden Anzahl von aus dem Speicher bei jeder Positionsmessung ausgegebe nen Koeffizientensätzen entspricht, wobei der Demodulator jeweilige Spannungen aus jeder der von den Elektroden in der Elektrodenanordnung erhaltenen räumlichen Wellenformen erzeugt und jede dieser Spannungen einen Wert aufweist, der der Phase einer jeweiligen, von der Elektroden anordnung erhaltenen räumlichen Wellenform und einem jeweiligen Koeffizientensatz entspricht.
7. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenform
schieber (122)
einen Speicher (470), in dem eine Anzahl von Koeffizientensätzen gespeichert ist, wobei jeder Koeffizientensatz jeweils einer entsprechenden Verschiebung der räumlichen Wellen form um ein ganzzahliges Vielfaches des Teilungsabstands der Elektrodenanordnung entspricht und der Speicher durch das Steuersignal derart adressiert wird, daß das Steuersignal den von dem Speicher auszugebenden Koeffizientensatz festlegt, und
einen Demodulator (420) aufweist, der eine Mehrzahl von räumlichen Wellenformen empfängt, die jeweils einem Satz von Spannungen, die an den Elektroden in der Elektrodenan ordnung auftreten, und einer entsprechenden Anzahl von aus dem Speicher ausgegebenen Koeffizientensätzen entsprechen, wobei der Demodulator (420) diese Mehrzahl von räumlichen Wellenformen bei jeder Positionsmessung erhält und aus jeder der, von den Elektroden in der Elektrodenanordnung (130) erhaltenen räumlichen Wellenformen jeweilige Spannungen erzeugt, die jeweils einen Wert haben, der der Phase einer jeweiligen räumlichen, von der Elektrodenan ordnung empfangenen Wellenform und einem jeweiligen Koeffizientensatz entspricht, und wobei der Demodulator einen Satz von logischen Gliedern umfaßt, von denen jedes eine jeweilige Spannung von einer Elektrode in der Elektrodenanordnung und einen entsprechenden Koeffizien ten aus dem Speicher empfängt, und die Ausgangssignale der logischen Glieder zur Erzeugung des Rückkopplungssignals zusammengefaßt werden.
einen Speicher (470), in dem eine Anzahl von Koeffizientensätzen gespeichert ist, wobei jeder Koeffizientensatz jeweils einer entsprechenden Verschiebung der räumlichen Wellen form um ein ganzzahliges Vielfaches des Teilungsabstands der Elektrodenanordnung entspricht und der Speicher durch das Steuersignal derart adressiert wird, daß das Steuersignal den von dem Speicher auszugebenden Koeffizientensatz festlegt, und
einen Demodulator (420) aufweist, der eine Mehrzahl von räumlichen Wellenformen empfängt, die jeweils einem Satz von Spannungen, die an den Elektroden in der Elektrodenan ordnung auftreten, und einer entsprechenden Anzahl von aus dem Speicher ausgegebenen Koeffizientensätzen entsprechen, wobei der Demodulator (420) diese Mehrzahl von räumlichen Wellenformen bei jeder Positionsmessung erhält und aus jeder der, von den Elektroden in der Elektrodenanordnung (130) erhaltenen räumlichen Wellenformen jeweilige Spannungen erzeugt, die jeweils einen Wert haben, der der Phase einer jeweiligen räumlichen, von der Elektrodenan ordnung empfangenen Wellenform und einem jeweiligen Koeffizientensatz entspricht, und wobei der Demodulator einen Satz von logischen Gliedern umfaßt, von denen jedes eine jeweilige Spannung von einer Elektrode in der Elektrodenanordnung und einen entsprechenden Koeffizien ten aus dem Speicher empfängt, und die Ausgangssignale der logischen Glieder zur Erzeugung des Rückkopplungssignals zusammengefaßt werden.
8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der kapazitive Positionscodierer (100) ein inkrementaler kapazitiver Positionscodierer ist.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der
kapazitive Positionscodierer (100) ein kapazitiver Absolut-Positionscodierer ist.
10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die vorbestimmte Strecke dem Teilungsabstand (136) der Elektrodenanordnung entspricht,
so daß die durchschnittliche Verschiebung der Vielzahl von durch den Wellenformschieber gelei
teten räumlichen Wellenformen ein Bruchteil des Teilungsabstands der Elektrodenanordnung sein
kann.
11. Kapazitive Positionscodier-Meßeinrichtung mit
einem kapazitiven Positionscodierer (100), der ein erstes und ein zweites Substrat (112, 114), die relativ zueinander entlang einer Meßachse (116) bewegbar sind, eine Elektrodenanord nung (130), die an dem ersten Substrat (112) ausgebildet ist und an deren Elektroden Spannun gen auftreten, die einer räumlichen Wellenform entsprechen, und mindestens eine weitere Elek trode (160) umfaßt, die an dem ersten Substrat (112) ausgebildet ist und mit der Elektrodenan ordnung über das zweite Substrat (114) mit einer Phasenbeziehung, die der relativen Position zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat entlang der Meßachse entspricht, kapazitiv gekoppelt ist,
einem Signalgenerator (122), der mit der Elektrodenanordnung (130) verbunden ist und eine Vielzahl von Sätzen aus diskreten Spannungen an die jeweiligen Elektroden in der Elektro denanordnung für jede Positionsmessung anlegt, wobei der durchschnittliche Wert der an die Elektroden angelegten Spannung zu einer räumlichen Wellenform führt, deren Position relativ zu der Elektrodenanordnung durch ein Steuersignal wählbar ist, und wobei jeder der Sätze von diskreten Spannungen die Erzeugung eines jeweiligen Ausgangssignals an der weiteren Elektrode (160) mit einer Größe und einer Polarität hervorruft, die durch die Position der räumlichen Wellenform relativ zu der Elektrodenanordnung und durch die Phasenbeziehung der kapazitiven Kopplung der räumlichen Wellenform von der Elektrodenanordnung zu der weiteren Elektrode bestimmt sind,
einem Akkumulator (430), der mit der weiteren Elektrode verbunden ist und eine Span nung erzeugt, die die Werte einer Vielzahl der während jeder Messung erzeugten Ausgangs signale anzeigt und
einem Prozessor (400), der mit dem Signalgenerator (122) und dem Akkumulator (430) verbunden ist und ein jeweiliges Steuersignal an den Signalgenerator für jeden Satz von diskre ten Spannungen anlegt, wobei der Prozessor die Steuersignale in Abhängigkeit von einem Span nungsrückkopplungssignal erzeugt, das während einer vorhergehenden Messung gebildet wurde, derart, daß die Position der an die Elektrodenanordnung angelegten räumlichen Wellenform in einer Richtung verschoben wird, die eine Verringerung der Größe des während der vorhergehen den Messung erzeugten Rückkopplungssignals bewirkt, wobei der Prozessor weiterhin aus dem Spannungsrückkopplungssignal die relative Position zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat entlang der Meßachse ermittelt.
einem kapazitiven Positionscodierer (100), der ein erstes und ein zweites Substrat (112, 114), die relativ zueinander entlang einer Meßachse (116) bewegbar sind, eine Elektrodenanord nung (130), die an dem ersten Substrat (112) ausgebildet ist und an deren Elektroden Spannun gen auftreten, die einer räumlichen Wellenform entsprechen, und mindestens eine weitere Elek trode (160) umfaßt, die an dem ersten Substrat (112) ausgebildet ist und mit der Elektrodenan ordnung über das zweite Substrat (114) mit einer Phasenbeziehung, die der relativen Position zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat entlang der Meßachse entspricht, kapazitiv gekoppelt ist,
einem Signalgenerator (122), der mit der Elektrodenanordnung (130) verbunden ist und eine Vielzahl von Sätzen aus diskreten Spannungen an die jeweiligen Elektroden in der Elektro denanordnung für jede Positionsmessung anlegt, wobei der durchschnittliche Wert der an die Elektroden angelegten Spannung zu einer räumlichen Wellenform führt, deren Position relativ zu der Elektrodenanordnung durch ein Steuersignal wählbar ist, und wobei jeder der Sätze von diskreten Spannungen die Erzeugung eines jeweiligen Ausgangssignals an der weiteren Elektrode (160) mit einer Größe und einer Polarität hervorruft, die durch die Position der räumlichen Wellenform relativ zu der Elektrodenanordnung und durch die Phasenbeziehung der kapazitiven Kopplung der räumlichen Wellenform von der Elektrodenanordnung zu der weiteren Elektrode bestimmt sind,
einem Akkumulator (430), der mit der weiteren Elektrode verbunden ist und eine Span nung erzeugt, die die Werte einer Vielzahl der während jeder Messung erzeugten Ausgangs signale anzeigt und
einem Prozessor (400), der mit dem Signalgenerator (122) und dem Akkumulator (430) verbunden ist und ein jeweiliges Steuersignal an den Signalgenerator für jeden Satz von diskre ten Spannungen anlegt, wobei der Prozessor die Steuersignale in Abhängigkeit von einem Span nungsrückkopplungssignal erzeugt, das während einer vorhergehenden Messung gebildet wurde, derart, daß die Position der an die Elektrodenanordnung angelegten räumlichen Wellenform in einer Richtung verschoben wird, die eine Verringerung der Größe des während der vorhergehen den Messung erzeugten Rückkopplungssignals bewirkt, wobei der Prozessor weiterhin aus dem Spannungsrückkopplungssignal die relative Position zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat entlang der Meßachse ermittelt.
12. Meßeinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgenera
tor (122)
einen Taktgeber (450), der eine Vielzahl von Impulsen erzeugt
einen Speicher (470), in dem eine Vielzahl von Koeffizientensätzen gespeichert ist, wobei jeder der Koeffizientensätze einem jeweiligen Satz von diskreten Spannungen entspricht und der Speicher durch das Steuersignal derart adressiert wird, daß das Steuersignal den aus dem Speicher auszugebenden Koeffizientensatz bestimmt, und
einen Satz von logischen Gliedern (462a bis 462h) enthält, die jeweils die Impulse von dem Taktgeber und einen jeweiligen Koeffizienten aus dem Speicher empfangen, wobei die Ausgänge der logischen Glieder mit jeweiligen Elektroden in der Elektrodenanordnung verbunden sind.
einen Taktgeber (450), der eine Vielzahl von Impulsen erzeugt
einen Speicher (470), in dem eine Vielzahl von Koeffizientensätzen gespeichert ist, wobei jeder der Koeffizientensätze einem jeweiligen Satz von diskreten Spannungen entspricht und der Speicher durch das Steuersignal derart adressiert wird, daß das Steuersignal den aus dem Speicher auszugebenden Koeffizientensatz bestimmt, und
einen Satz von logischen Gliedern (462a bis 462h) enthält, die jeweils die Impulse von dem Taktgeber und einen jeweiligen Koeffizienten aus dem Speicher empfangen, wobei die Ausgänge der logischen Glieder mit jeweiligen Elektroden in der Elektrodenanordnung verbunden sind.
13. Meßeinrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der
Signalgenerator (122) eine digitale Wellenform an jede der Elektroden in der Elektrodenanord
nung (130) während jeder Meßperiode anlegt, wobei die Polarität und die zeitliche Lage der
logischen Pegelübergänge in jeder der Wellenformen die Polarität jeder der diskreten Spannungen
bestimmen.
14. Meßeinrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der
Signalgenerator (122) eine digitale Wellenform an jede der Elektroden in der Elektrodenanord
nung (130) während jeder Meßperiode anlegt, wobei die Anzahl, die Polarität und die zeitliche
Lage von logischen Pegelübergängen in jeder der Wellenformen die Größe und die Polarität jeder
Komponente der räumlichen Wellenform bestimmen, und daß der Akkumulator (430) die Anzahl,
zeitliche Lage und Polarität der Übergänge nach der Kopplung von der Elektrodenanordnung zu
der weiteren Elektrode aufsummiert und ein Spannungsrückkopplungssignal in Abhängigkeit von
der Anzahl, Polarität und zeitlichen Lage der Übergänge erzeugt.
15. Meßeinrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der
Signalgenerator (122) eine digitale Wellenform an jede der Elektroden in der Elektrodenanord
nung während jeder Meßperiode anlegt, wobei die Anzahl, Polarität und zeitliche Lage von logi
schen Pegelübergängen in jeder der Wellenformen die Größe und die Polarität jeder Komponente
der räumlichen Wellenform bestimmen, daß der Akkumulator (430) die Anzahl, Polarität und
zeitliche Lage der Übergänge nach der Kopplung von der Elektrodenanordnung zu der weiteren
Elektrode aufsummiert, daß der Akkumulator einen Demodulator (420) umfaßt, der einen Impuls
für jeden Übergang erzeugt, wobei der Impuls eine Polarität besitzt, die durch die Polarität und
die zeitliche Lage des Übergangs bestimmt ist, daß der Akkumulator einen Integrator (430)
enthält, der die Impulse aufsummiert und ein diesen entsprechendes Integrator-Ausgangssignal
erzeugt, und daß der Akkumulator ferner einen Analog/Digital-Wandler (440) umfaßt, dem das
Integrator-Ausgangssignal zugeführt wird und der ein entsprechendes digitales Wort an den
Prozessor anlegt.
16. Verfahren zum Messen der Relativlage zwischen einem ersten und einem zweiten
Substrat (112, 114) in einem kapazitiven Positionscodierer (100), bei dem die Phasenverschie
bung einer durch den Positionscodierer übertragenen räumlichen Wellenform der relativen Posi
tion zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat (112, 114) entlang einer Meßachse (116)
entspricht, mit den Schritten
- (a) Anlegen einer Mehrzahl von Signalen an den Positionscodierer für jede Positions messung, wobei jedes der Signale eine durch Kopplung erfolgende Übertragung einer entspre chenden räumlichen Wellenform durch den Positionscodierer hervorruft und die räumlichen Wellenformen gemeinsam eine zusammengesetzte räumliche Wellenform erzeugen, wobei die Phase der zusammengesetzten Wellenform nach der durch Kopplung erfolgenden Übertragung in dem Positionscodierer dem durchschnittlichen Wert der Phasen der räumlichen Wellenformen und der in dem Positionscodierer aufgetretenen Phasenverschiebung der zusammengesetzten Wellen form entspricht,
- (b) Ermitteln der Phasenverschiebung der zusammengesetzten räumlichen Wellenform nach deren Übertragung durch den kapazitiven Positionscodierer,
- (c) Einstellen der Phase der zusammengesetzten räumlichen Wellenform nach deren Übertragung durch den Positionscodierer in Richtung auf einen vorbestimmten Wert, wozu die Phasen von mindestens einigen der räumlichen Wellenformen unabhängig von der Phasenver schiebung der durch den Positionscodierer übertragenen räumlichen Wellenform geändert werden,
- (d) Ermitteln der relativen Bewegung zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat (112, 114) entlang der Meßachse (116) in Abhängigkeit von der Einstellung der Phase der zusammengesetzten Wellenform, und
- (e) Wiederholen der Schritte (a) bis (d) unter Aufzeichnung der relativen Bewegung zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat (112, 114) zur Bereitstellung einer Anzeige der relativen Position zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat (112, 114) entlang der Meß achse (116).
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,
daß der kapazitive Positionscodierer (100) eine Elektrodenanordnung, die an dem ersten Substrat (112) ausgebildet ist und an deren Elektroden Spannungen auftreten, die einer räumli chen Wellenform entsprechen, und mindestens eine weitere Elektrode (160) umfaßt, die an dem ersten Substrat (112) ausgebildet ist und mit der Elektrodenanordnung (130) mittels des zweiten Substrats (114) kapazitiv gekoppelt ist, wobei die Phasenverschiebung der räumlichen Wellen form zwischen der Elektrodenanordnung (130) und der weiteren Elektrode (160) der relativen Position zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat (112, 114) entlang der Meßachse (116) entspricht, und
daß der Schritt (a) das Anlegen einer jeweiligen Spannung an jede Elektrode in der Elek trodenanordnung (130) für jede räumliche Wellenform enthält, derart, daß für jede Positionsmes sung eine Mehrzahl von Sätzen von Spannungen an die Elektrodenanordnung angelegt wird.
daß der kapazitive Positionscodierer (100) eine Elektrodenanordnung, die an dem ersten Substrat (112) ausgebildet ist und an deren Elektroden Spannungen auftreten, die einer räumli chen Wellenform entsprechen, und mindestens eine weitere Elektrode (160) umfaßt, die an dem ersten Substrat (112) ausgebildet ist und mit der Elektrodenanordnung (130) mittels des zweiten Substrats (114) kapazitiv gekoppelt ist, wobei die Phasenverschiebung der räumlichen Wellen form zwischen der Elektrodenanordnung (130) und der weiteren Elektrode (160) der relativen Position zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat (112, 114) entlang der Meßachse (116) entspricht, und
daß der Schritt (a) das Anlegen einer jeweiligen Spannung an jede Elektrode in der Elek trodenanordnung (130) für jede räumliche Wellenform enthält, derart, daß für jede Positionsmes sung eine Mehrzahl von Sätzen von Spannungen an die Elektrodenanordnung angelegt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,
daß der kapazitive Positionscodierer (100) eine Elektrodenanordnung (130), die an dem ersten Substrat (112) ausgebildet ist und an deren Elektroden Spannungen auftreten, die einer räumlichen Wellenform entsprechen, und mindestens eine weitere Elektrode (160) umfaßt, die an dem ersten Substrat (112) ausgebildet ist und mit der Elektrodenanordnung (130) mittels des zweiten Substrats (114) kapazitiv gekoppelt ist, wobei die Phasenverschiebung der räumlichen Wellenform zwischen der Elektrodenanordnung (130) und der weiteren Elektrode (160) der relativen Position zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat (112, 114) entlang der Meß achse (116) entspricht, und
daß der Schritt (a) das Modulieren einer Vielzahl von Impulsen mittels einer entspre chenden Anzahl von aus einem Speicher (470) erhaltenen Koeffizientensätzen bei jeder Posi tionsmessung enthält, wobei jeder Koeffizient in dem Koeffizientensatz einer Elektrode in der Elektrodenanordnung (130) entspricht, so daß eine Vielzahl von modulierten Impulsen an jede Elektrode bei jeder der Messungen angelegt wird, und jeder Satz von modulierten Impulsen eine räumliche Wellenform bildet, die eine Phase besitzt, die dem Koeffizientensatz entspricht.
daß der kapazitive Positionscodierer (100) eine Elektrodenanordnung (130), die an dem ersten Substrat (112) ausgebildet ist und an deren Elektroden Spannungen auftreten, die einer räumlichen Wellenform entsprechen, und mindestens eine weitere Elektrode (160) umfaßt, die an dem ersten Substrat (112) ausgebildet ist und mit der Elektrodenanordnung (130) mittels des zweiten Substrats (114) kapazitiv gekoppelt ist, wobei die Phasenverschiebung der räumlichen Wellenform zwischen der Elektrodenanordnung (130) und der weiteren Elektrode (160) der relativen Position zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat (112, 114) entlang der Meß achse (116) entspricht, und
daß der Schritt (a) das Modulieren einer Vielzahl von Impulsen mittels einer entspre chenden Anzahl von aus einem Speicher (470) erhaltenen Koeffizientensätzen bei jeder Posi tionsmessung enthält, wobei jeder Koeffizient in dem Koeffizientensatz einer Elektrode in der Elektrodenanordnung (130) entspricht, so daß eine Vielzahl von modulierten Impulsen an jede Elektrode bei jeder der Messungen angelegt wird, und jeder Satz von modulierten Impulsen eine räumliche Wellenform bildet, die eine Phase besitzt, die dem Koeffizientensatz entspricht.
19. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,
daß der kapazitive Positionscodierer (100) eine Elektrodenanordnung (130), die an dem ersten Substrat (112) ausgebildet ist und an deren Elektroden Spannungen auftreten, die einer räumlichen Wellenform entsprechen, und mindestens eine weitere Elektrode (160) enthält, die an dem ersten Substrat (112) ausgebildet ist und mit der Elektrodenanordnung (130) mittels des zweiten Substrats (114) kapazitiv gekoppelt ist, wobei die zwischen der Elektrodenanordnung (130) und der weiteren Elektrode (160) auftretende Phasenverschiebung der räumlichen Wellen form der relativen Position zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat (112, 114) entlang der Meßachse (116) entspricht,
daß der Schritt (a) das Anlegen einer jeweiligen Spannung an jede Elektrode in der Elek trodenanordnung (130) für jede räumliche Wellenform enthält, derart, daß für jede Positionsmes sung eine Mehrzahl von Sätzen von Spannungen an die Elektrodenanordnung (130) angelegt wird, und
daß der Schritt (c) die Ermittlung eines durchschnittlichen Werts der Werte der jeweili gen Signale, die von der Elektrodenanordnung (130) zu der weiteren Elektrode (160) gekoppelt werden, für die Sätze von an die Elektrodenanordnung angelegten Spannungen, und das Ändern von mindestens einigen der an die Elektroden in der Elektrodenanordnung angelegten Spannun gen in Abhängigkeit von dem durchschnittlichen Wert der durch Kopplung zu der weiteren Elek trode (160) übertragenen Werte enthält.
daß der kapazitive Positionscodierer (100) eine Elektrodenanordnung (130), die an dem ersten Substrat (112) ausgebildet ist und an deren Elektroden Spannungen auftreten, die einer räumlichen Wellenform entsprechen, und mindestens eine weitere Elektrode (160) enthält, die an dem ersten Substrat (112) ausgebildet ist und mit der Elektrodenanordnung (130) mittels des zweiten Substrats (114) kapazitiv gekoppelt ist, wobei die zwischen der Elektrodenanordnung (130) und der weiteren Elektrode (160) auftretende Phasenverschiebung der räumlichen Wellen form der relativen Position zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat (112, 114) entlang der Meßachse (116) entspricht,
daß der Schritt (a) das Anlegen einer jeweiligen Spannung an jede Elektrode in der Elek trodenanordnung (130) für jede räumliche Wellenform enthält, derart, daß für jede Positionsmes sung eine Mehrzahl von Sätzen von Spannungen an die Elektrodenanordnung (130) angelegt wird, und
daß der Schritt (c) die Ermittlung eines durchschnittlichen Werts der Werte der jeweili gen Signale, die von der Elektrodenanordnung (130) zu der weiteren Elektrode (160) gekoppelt werden, für die Sätze von an die Elektrodenanordnung angelegten Spannungen, und das Ändern von mindestens einigen der an die Elektroden in der Elektrodenanordnung angelegten Spannun gen in Abhängigkeit von dem durchschnittlichen Wert der durch Kopplung zu der weiteren Elek trode (160) übertragenen Werte enthält.
20. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,
daß der kapazitive Positionscodierer (100) eine Elektrodenanordnung (130), die an dem ersten Substrat (112) ausgebildet ist und an deren Elektroden Spannungen auftreten, die einer räumlichen Wellenform entsprechen, und mindestens eine weitere Elektrode (160) umfaßt, die an dem ersten Substrat (112) ausgebildet ist und die mit der Elektrodenanordnung (130) über das zweite Substrat (114) kapazitiv gekoppelt ist, wobei die zwischen der Elektrodenanordnung (130) und der weiteren Elektrode (160) auftretende Phasenverschiebung der räumlichen Wellen form der relativen Position zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat (112, 114) entlang der Meßachse (116) entspricht,
daß der Schritt (a) das Anlegen einer jeweiligen Spannung an jede Elektrode in der Elek trodenanordnung (130) für jede räumliche Wellenform enthält, derart, daß für jede Positionsmes sung eine Mehrzahl von Spannungssätzen an die Elektrodenanordnung (130) angelegt wird, und
daß der Schritt (b) das Ermitteln eines Durchschnittswerts der Werte der jeweiligen Signale, die von der Elektrodenanordnung (130) zu der weiteren Elektrode (160) bei den jeweili gen an die Elektrodenanordnung (130) angelegten Spannungssätzen gekoppelt werden, enthält.
daß der kapazitive Positionscodierer (100) eine Elektrodenanordnung (130), die an dem ersten Substrat (112) ausgebildet ist und an deren Elektroden Spannungen auftreten, die einer räumlichen Wellenform entsprechen, und mindestens eine weitere Elektrode (160) umfaßt, die an dem ersten Substrat (112) ausgebildet ist und die mit der Elektrodenanordnung (130) über das zweite Substrat (114) kapazitiv gekoppelt ist, wobei die zwischen der Elektrodenanordnung (130) und der weiteren Elektrode (160) auftretende Phasenverschiebung der räumlichen Wellen form der relativen Position zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat (112, 114) entlang der Meßachse (116) entspricht,
daß der Schritt (a) das Anlegen einer jeweiligen Spannung an jede Elektrode in der Elek trodenanordnung (130) für jede räumliche Wellenform enthält, derart, daß für jede Positionsmes sung eine Mehrzahl von Spannungssätzen an die Elektrodenanordnung (130) angelegt wird, und
daß der Schritt (b) das Ermitteln eines Durchschnittswerts der Werte der jeweiligen Signale, die von der Elektrodenanordnung (130) zu der weiteren Elektrode (160) bei den jeweili gen an die Elektrodenanordnung (130) angelegten Spannungssätzen gekoppelt werden, enthält.
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