DE19716091B4

DE19716091B4 - Einrichtung und Verfahren zum Messen der Relativlage zwischen zwei Elementen sowie kapazitive Positionscodierung-Meßeinrichtung

Info

Publication number: DE19716091B4
Application number: DE19716091A
Authority: DE
Inventors: Nils Ingvar Kirkland Andermo
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1996-04-17
Filing date: 1997-04-17
Publication date: 2005-01-27
Anticipated expiration: 2017-04-18
Also published as: US5731707A; CN1181564A; JPH109805A; GB9707733D0; GB2312288A; GB2312288B; JP3438856B2; DE19716091A1; CN1129779C

Abstract

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 Wellenform entsprechen,
mindestens eine weitere Elektrode (160), die an dem ersten Substrat (112) ausgebildet und mit der Elektrodenanordnung (130) über das zweite Substrat (114) kapazitiv 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 Elektrode 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,...

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 angebracht 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 Positionsmeßelementen, wie etwa mit Meßschieber-Backen, gekoppelt, so daß die Relativlage zwischen 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 entsprechend 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 werden 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 entsprechenden 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 Wellenform 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 Winkelphaseninkrement 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 nachfolgend kapazitiv auf eine oder mehrere, zweite Empfängerelektroden an dem Schlitten zurückgekoppelt.

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 Empfängerelektroden 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 Sendeelektroden kann die Phase der räumlichen Wellenform, die an die Sätze aus den ersten Sendeelektroden 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 angebracht sind und die ersten Empfängerelektroden und die zweiten Sendeelektroden an dem Schlitten montiert sind.

Wenn ein vorgegebenes Ausmaß an analoger Signalinterpolation unterstellt wird, ist die Auflösung 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 beieinander angeordnet werden, führt dies zu einer höheren Meßauflösung, da die inkrementale räumliche 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 Elektroden 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 Winkelphasenverschiebung 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 Ausmaß 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 Phasenverschiebung des Ausgangssignals relativ zu dem Eingangssignal wird dann durch analoge Techniken 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 Spannungsimpulse an die Sendeelektroden angelegt. Die zeitliche Lage der Impulse wird dann unter Einsatz einer zeitlichen Phasensteuereinrichtung eingestellt. Hierdurch wird die Phase der räumlichen Wellenform eingestellt, die an die Sendeelektroden angelegt wird. Als Ergebnis weist die zeitliche Phase des gesamten Signals, das kapazitiv auf die zweiten Empfängerelektroden eingekoppelt wird, eine vorbestimmte zeitliche Phase von beispielsweise 0° auf. Die zeitliche Phasensteuereinrichtung kann die zeitliche Phase des gesendeten Signals in Inkrementen ändern, die kleiner sind als die räumlichen Phasenverschiebungsinkremente zwischen benachbarten Elektroden. Folglich gibt die Größe der Phaseneinstellung, die zur Aufrechterhaltung einer Phasenverschiebung 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 Wellenform 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 gleichen 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 aufweisen, 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 Teilungsabständen, die eine Breite von P_t aufweisen, zu einer Verschiebung der räumlichen Wellenform inner halb einer inkrementalen Phasenverschiebung um P_t·P/M. Jedoch ist bei dem kapazitiven Positionscodierer gemäß der US-PS 4,841,225 eine große Anzahl von Schalterverbindungen erforderlich, 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 eingesetzt. Die große Anzahl von Schaltern (nämlich M Sätze × N Schalter je Satz) und die erforderliche 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 Phaseninkrementen 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 Empfängerelektroden mit einer entsprechenden, spezifischen Beziehung hinsichtlich der an die Sendeelektroden 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 Wellenformsignale 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 Manipulieren der räumlichen Wellenform eines auf Elektroden basierenden Positionscodierers bereitgestellt, 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 absolute 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 Spannungssignalen 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 übertragen 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 kontinuierliche und periodische Wellenstruktur wird dadurch erzielt, daß eine Mehrzahl von digitalen, räumlichen, 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 Summation 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 hierdurch 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 mindestens 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 Grenzbereichs 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 beschriebenen 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 Elektrode 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 Impulsen 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.
1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines kapazitiven Positionscodierers, das erfindungsgemäß zusammen mit dem System zur Zusammensetzung einer räumlichen Wellenform eingesetzt wird,
2A-2G zeigen Spannungs- und Signaldarstellungen, wobei eine erste Ausgestaltung der Zuführung von Spannungssignalen zu den Sendeelektroden in jedem Satz bei dem in 1 gezeigten kapazitiven Positionscodierer dargestellt ist,
3A-3C zeigen Spannungs- und Signaldarstellungen, die eine zweite Ausgestaltung für die Zufuhr der Spannungssignale zu den Sendeelektroden in jedem Satz des in 1 gezeigten kapazitiven Positionscodierers veranschaulichen,
4A-4C zeigen Spannungs- und Signaldarstellungen, die eine dritte Ausgestaltung zum Anlegen der Spannungssignale an die Sendeelektroden in jedem Satz bei dem in 1 gezeigten, kapazitiven Positionscodierer veranschaulichen,
5A-5C zeigen Spannungs- und Signaldarstellungen, die eine vierte Ausgestaltung zum Anlegen der Spannungssignale an die Sendeelektroden in jedem Satz bei dem in 1 gezeigten, kapazitiven Positionscodierer veranschaulichen,
6 veranschaulicht, wie die resultierenden räumlichen Wellenformen inkrementale Positionen innerhalb eines einzelnen Teilungsabstands der Elektroden des in 1 gezeigten, kapazitiven Positionscodierers definieren,
7 zeigt einen positiv verlaufenden Impuls,
8 zeigt einen positiv verlaufenden Impuls, dem ein negativ verlaufender Impuls nachfolgt,
9 zeigt Impulse, die an einen herkömmlichen Positionscodierer angelegt werden und die voneinander durch ein Rücksetzintervall beabstandet sein müssen,
10 zeigt eine digitale Wellenform mit zugeordneten Zeit-Markierungen und Daten,
11 veranschaulicht einen Satz aus digitalen Wellenformen für die Einspeisung von unterschiedlichen zusammengesetzten Spannungspegeln durch die Elektroden des in 1 gezeigten, kapazitiven Positionscodierers,
12 zeigt den Signalgenerator und den Signalprozessor bei dem in 1 dargestellten kapazitiven Positionscodierer in größeren Einzelheiten,
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 1 gezeigten, kapazitiven Positionscodierers zu definieren,
14 zeigt bevorzugte Ausführungsformen des in 12 gezeigten Verstärkers, Demodulators und Integrators bei dem kapazitiven Positionscodierer,
15A-15C zeigen unterschiedliche Signalverläufe, die in der Schaltung gemäß 14 bei unterschiedlichen Bedingungen auftreten,
16 zeigt ein Blockschaltbild des allgemeinen Aufbaus des Signalgenerators und des Signalprozessors bei dem in 1 dargestellten kapazitiven Positionscodierer,
17 zeigt ein Blockschaltbild des Signalgenerators und des Signalprozessors bei dem kapazitiven Positionscodierer gemäß 16, und
18 zeigt ein Blockschaltbild eines alternativen Ausführungsbeispiels des Signalgenerators und des Signalprozessors bei dem kapazitiven Positionscodierer gemäß 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 1 gezeigten Positionscodierer. Wie in 1 gezeigt ist, weist der Codierer 100 einen kapazitiven Positionswandler 110 auf, der im wesentlichen dem in 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 elektronische 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 1 dargestellt ist, sind an dem Schlitten 112 zwei Sätze 132 und 134 von ersten Sendeelektroden 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 angeschlossen.
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 räumliche 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 Empfängerelektroden 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 Empfängerelektroden 140 eingekoppelt wurden, werden durch die Verbindungsdrähte 142 zu den zweiten Sendeelektroden 150 geleitet. Die an die zweiten Sendeelektroden 150 angelegten Spannungssignale werden kapazitiv in eine zweite Empfängerelektrode 160 eingekoppelt, die an dem Schlitten 112 angebracht ist und die mit dem Signalprozessor 124 verbunden ist. Das Spannungssignal, 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 zweiten 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 Sendeelektrode 132a und 132f bis 132h sowie 134a und 134f bis 134h in dem ersten und dem zweiten 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 vorstehend 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 Sendeelektroden 130 angelegt werden. Das von der zweiten Empfängerelektrode 160 empfangene Spannungssignal 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 komplementäre 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 kapazitive Kopplung mit denjenigen Sendeelektroden 130, die mit den eine bestimmte Polarität aufweisenden 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 abhängig 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 Wellenform 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 innerhalb einer Strecke, die gleich der Skalen-Wellenlänge λ_F, 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 λ_F/N aufsummiert, um hierdurch die Position des Schlittens 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 Inkrementen bzw. Schritten verschoben werden, die gleich der Strecke λ_F/N sind. Damit ist die digitale Auflösung des in 1 gezeigten Codierers 100 grundsätzlich auf (λ_F/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 zusammengesetzten räumlichen Wellenformen, die durch die Summe aus allen räumlichen, an die Sendeelektroden 130 während eines Meßzyklus angelegten Wellenformen gebildet wird, stellt folglich die Position der räumlichen Aufsummierung von allen räumlichen, an die Sendeelektroden 130 angelegten, 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 Wellenform, die durch Aufsummierung aller Wellenformen während eines Meßzyklus gebildet ist, um einen Bruchteil des Teilungsabstands 136 der Sendeelektroden 130 relativ zu der zusammengesetzten, 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.
2A zeigt schematisch die Elektroden 132a bis 132h des ersten Satzes 132 der ersten Sendeelektroden 130. 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 Elektroden 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 räumlichen, die Basisgrundlage bildenden und in 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 2B gezeigten, räumlichen, die Basisgrundlage bildenden Wellenformen liegen die jeweiligen Schwerpunkte (Zentroide) P₁ bis P₄ jeweils speziell bei dem Mittelpunkt der Elektrode 132d.
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 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 P_S (die Mitte oder der Schwerpunkt repräsentiert die räumliche Phase oder die räumliche Position). P_S liegt an der gleichen Position wie die Schwerpunkte P₁ bis P₄ der vier identischen, die Basisgrundlage bildenden räumlichen Wellenformen, das heißt an dem Mittelpunkt der Elektrode 132d.
Das gemäß dieser Erfindung eingesetzte Verfahren zum Zusammensetzen der räumlichen Wellenform 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 zusammengesetzte Wellenform bringt den gleichen Effekt wie das Anlegen der einzelnen, in 2C gezeigten Spannungssignale an die jeweiligen Elektroden 132a bis 132h an die entsprechenden ersten Sendeelektroden 132a bis 132h während einer einzigen Zeitperiode. Die in 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.
2D zeigt einen weiteren Satz von Spannungssignalen, die an die Sendeelektroden 132a bis 132h angelegt werden. Wie in 2D gezeigt ist, sind die Spannungssignale, die an die Elektroden 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 angelegt wurden und in 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 angelegt, 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 kontinuierlich und periodisch ist und vorzugsweise sinusförmig ausgelegt ist. Die die Basisgrundlage bildenden Wellenformen müssen diese erwünschten Eigenschaften jeweils einzeln nicht bereitstellen oder müssen diese nicht haben. Folglich bietet ihr positionsmäßiges Verhalten lediglich einen groben Ersatz oder eine Alternative zu der erfindungsgemäßen Methode zur Positionssteuerung der zusammengesetzten Wellenform. 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 2E zeigt die zusammengesetzte Wellenform).
Wie in 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 Elektrode 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 2F für die Zeitperiode t''₃ gezeigten 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. 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 2F gezeigten Spannungssignale sind. Der Schwerpunkt P''_S der in 2G gezeigten, zusammengesetzten räumlichen Wellenform ist rechts von dem Schwerpunkt P'_S der in 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 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 P_S der gesamten räumlichen Wellenform ist eine Kombination aus den Schwerpunkten 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 2D. Der Schwerpunkt der gesamten räumlichen Wellenform wie etwa der in 2E gezeigten räumlichen Wellenform kann auch als eine Kombination aus Schwerpunkten veranschaulicht werden, die durch P'₁ bis P'₄ repräsentiert und in 2D gezeigt sind.
Da die positiven und negativen Abschnitte der in den 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 positiven 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 negativen Abschnitts der räumlichen Wellenform liegt dann ebenfalls bei -1, was zu einer Verschiebung 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 Verschiebung 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 Referenzpunkt 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 Mittelpunkt jeder Elektrode und dem Referenzpunkt X bei dem halben Teilungsabstand.
Wie in 2G gezeigt ist, ist die Mitte der Elektrode 132a in einem Abstand von -1,5 Teilungsabständen 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 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 Referenzpunkt X nach links verschoben ist. Im Unterschied hierzu beträgt die berechnete Verschiebung des Schwerpunkts P'_S der in 2C gezeigten räumlichen Wellenform -0,5. Folglich ist der Schwerpunkt der räumlichen Wellenform, die in 2G gezeigt ist, in einem Abstand von einem Viertel des Teilungsabstands 136 rechts von dem Schwerpunkt der räumlichen, in 2C gezeigten Wellenform angeordnet.
Alternativ ist der Schwerpunkt der räumlichen, in 2G gezeigten Wellenform gleich groß wie der Mittelwert der Schwerpunkte P''₁ bis P''₄ der räumlichen Wellenformen, die in den Zeitperioden t''₁ bis t''₄ erzeugt werden, wie es in 2F gezeigt ist. Genauer gesagt liegt der Schwerpunkt jeder der räumlichen Wellenformen in den Zeitperioden t''₁, t''₂ und t''₄ in 2F bei -0,5. Der Schwerpunkt der räumlichen Wellenform in der Zeitperiode t''₃ in 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 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 = -11, 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 Elektroden aufgeprägt werden, derart betrachtet werden, als ob sie aufsummiert würden, um hierdurch die zusammengesetzten, in den 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 Basisgrundlage 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 3C gezeigte Spannungswellenform repräsentiert ist, identisch mit der räumlichen Wellenform, die in 4C dargestellt ist. Jedoch wird die in 4C gezeigte räumliche Wellenform gemäß der Darstellung in 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 Teilungsabstand 136 der Elektroden während der Zeitperiode t₃ verschoben ist.
Im Unterschied hierzu wird die in 3C gezeigte räumliche Wellenform gemäß der Darstellung in 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 3B gezeigten Spannungen die gleiche zusammengesetzte räumliche Wellenform wie die Kombination aus den in 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. Bezugnehmend auf die 5A bis 5C sind die räumlichen Wellenformen, die in den Zeitperioden t₁, t₂ und t₄ erzeugt werden, identisch mit den räumlichen Wellenformen, die in 2D zeigt sind und während der Zeitperioden t'₁, t'₂ bzw. t'₄ erzeugt werden. Ferner ist der Schwerpunkt der während der Zeitperiode t₃ in 5B hervorgerufenen räumlichen Wellenform der gleiche wie der Schwerpunkt, der während der Zeitperiode t'₃ gemäß 2D hergerufen wird. Jedoch wird die räumliche Wellenform, die während der Zeitperiode t'₃ in 2D erzeugt wird, dadurch erzeugt, daß alle acht Elektroden 132a bis 132h angesteuert werden, wohingegen die räumliche Wellenform, die während der Zeitperiode t₃ in 5B erzeugt wird, durch Ansteuerung lediglich der vier Elektroden 132b, 132c, 132f und 132g hervorgerufen wird.
Als Ergebnis unterscheidet sich die in 2E gezeigte Spannungswellenform von der in 5C dargestellten Spannungswellenform. Der Schwerpunkt des positiven Abschnitts der zusammengesetzten räumlichen, in 2E gezeigten Wellenform ist gegenüber dem Referenzpunkt X um – 0,346 (= -4,5/13) verschoben. Folglich ist der Schwerpunkt der gesamten räumlichen Wellenform 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 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.
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 1 32a 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 Einheiten und -4 Einheiten in einer Einheit entsprechenden Inkrementen bzw. Schritten.
Bei dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Spannungssignale an die Elektroden 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 P_t, die bei der Wellenform ϕ₀ in 6 gezeigt ist, nach rechts zu der Position +0,346 P_t verschoben, die bei der Wellenform ϕ₇ in 6 dargestellt ist, wenn die Position 0,00 P_t 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 P_t die Breite des Teilungsabstands 136 der Elektroden 130 bezeichnet. Insbesondere zeigt Tabelle 1 die inkrementalen 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 6 gezeigten Wellenformen kann vielmehr jede beliebige der Elektroden 132a bis 132h oder 134a bis 134h sein.
Tabelle 1
Es ist jedoch festzustellen, daß unterschiedliche, räumliche, die Basisgrundlage bildende Wellenformen 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 Spannungsamplitudeneinheiten von 3, 4, 4, 0, -3, -4, -4, 0 aufweist, einen Schwerpunkt bei -0,409 P_t auf, der zwischen dem Schwerpunkt der Wellenform ϕ₀ bei -0,5 P_t und dem Schwerpunkt der Wellenform ϕ₁ bei -0,346 P_t 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 V_T wie folgt:
Hierbei bezeichnet V_n den Vektor für jede Phase n.
Bei einem System mit 8 Phasen lassen sich die Amplitude und der Winkel des zusammengesetzten Vektors V_T wie folgt berechnen:
In der nachfolgenden Tabelle 2 sind die Amplitude und der Winkel des zusammengesetzten Vektors V_T gezeigt, die unter Einsatz dieser Gleichungen berechnet wurden. Die die Basisgrundlage 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.
Tabelle 2
Die nominalen Positionsschritte bzw. Nenn-Positionsschritte entsprechen 1/8 eines physikalischen 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 V_T innerhalb ± 3% der durchschnittlichen Amplitude, und es ist der Winkelfehler, bezogen auf eine gleichförmige Verteilung der künstlichen 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 7 gezeigte Impuls 200, durch Kopplung durch den kapazitiven Positionswandler 100 übertragen werden kann.
Der in 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 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 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 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 variierende 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 9 gezeigt ist. Gemäß 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 Rücksetzperioden 250 zwischen den Impulsen 200 erforderlich, wenn die Größe und die zeitliche Lage der Impulsübergänge der Impulse 200 erfaßt wird.
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 Markierungen 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 Markierung 310 als ein Null-Impuls 326 definiert, das heißt als Fehlen sowohl eines positiven als auch eines negativen Impulses. Folglich wird der in 10 gezeigte Impulszug 300 als ein effektiver Impulszug 320 decodiert, der in 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 nützliche 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. Eingangssignalen unter Verwendung von lediglich zwei Spannungspegeln: nämlich einer ansteigenden Flanke, einer abfallenden Flanke oder eines Null-Impulses. Dies allein erlaubt schon eine Verdoppelung der Auflösung eines normalen digitalen Systems, das heißt eine Verfeinerung von den üblichen, einem vollen Teilungsabstand entsprechenden Inkrementen auf einem halben Teilungsabstand entsprechende Inkremente.
Aufgrund der Erfassung der Richtung und der zeitlichen Lage der Impulsübergänge, die durch den Positionswandler durch Kopplung übertragen werden, ist die in 9 dargestellte Rücksetzperiode 250 nicht länger erforderlich. Folglich können die Messungen mit relativ hoher Rate durchgeführt 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. 11 zeigt einen Satz von Signalen (a-i), der an jede der Sendeelektroden 130 angelegt werden kann, um hierdurch eine zusammengesetzte Amplitude hervorzurufen, die zwischen +4 und -4 Einheiten liegt und in Schritten von einer Einheit festgelegt werden kann. Wie in 11 gezeigt ist, werden Impulsübergänge bei den zeitlichen Markierungen 310₁ bis 310₄ erzeugt. Die Polarität der zeitlichen Markierungen 310₁ bis 310₄ ist ebenfalls in 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 Spannung 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, hervorgerufen 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 11 veranschaulicht ist. Das Anlegen einer zusammengesetzten Spannungsamplitude 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 Markierungen 310₁ und 310₃ und die Zuführung einer abfallenden Flanke eines Impulses zu der Elektrode 132a bei der positiven zeitlichen Markierung 310₂ .
Die Kopplung jedes der Impulsübergänge durch den kapazitiven Positionswandler 100 gemäß 1 wird durch Erfassungsschaltungen in der elektronischen Schaltung 120 akkumuliert bzw. aufsummiert. Die vier in 11 gezeigten Impulsübergänge, die zur Erzeugung einer zusammengesetzten Amplitude "+4" erforderlich sind, legen tatsächlich nicht eine Amplitude von vier Einheiten an irgendeine der Sendeelektroden 130 an. Der aufsummierte Effekt der vier Impulsübergänge bei der Erfassungsschaltung ist der gleiche, wie wenn ein Impuls mit einer Amplitude von "+4" Einheiten an eine Sendeelektrode 130 angelegt worden wäre.
12 zeigt ein Ausführungsbeispiel der elektronischen Schaltung 120, die in dem in 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 Signalgenerator 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 Ausgangssignale 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 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 Kombination die neun unterschiedlichen, zusammengesetzten Amplituden an den Elektroden 130, um hierdurch die zusammengesetzten, räumlichen Wellenformen für jede der in 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 verstärkt 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 umgewandelt. 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 11 gezeigten Signale (a) bis (i) für eine zeitliche Markierung 310. Weiterhin enthält der Festwertspeicher 470 einen Satz von Koeffizienten, die gemeinsam dazu im Stande sind, jedes der in 11 gezeigten Signale (a) bis (i) zu erzeugen, um hierdurch jede Phase oder Position ϕ₀ bis ϕ₇ der räumlichen Wellenform zu erzeugen, die in 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 Spannungspegel 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 Elektroden 132a bis 132h erzeugt der Mikroprozessor 400 bei dem Wandler 110 eine räumliche Wellenform, die die in 6 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 1 erläutert, ändert sich die Größe der Einkopplung der an die ersten Sendeelektroden 130 angelegten Spannungen auf die ersten Empfängerelektroden 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 positiven 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 Wellenlänge W_t 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 Empfängerelektrode 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 Empfängerelektrode 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 Beibehaltung 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 Teilungsabstand 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 innerhalb jedes Teilungsabstands 136 verschieben kann, wie es in 6 dargestellt ist. Der Mikroprozessor 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 erfindungsgemäßen Ausführungsform des kapazitiven Positionscodierers 100 selbstverständlich auch im Stande, die Position des Schlittens 112 entlang der Skala 114 in Mehrfachwerten des Teilungsabstands 136 zu bestimmen.
Es ist weiterhin anzumerken, daß die in der US-PS 4,878,013 beschriebenen Wandlergestaltungen 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 Meßsystems weiter erhöht wird. Jedoch muß die Verknüpfung der in der US-PS 4,878,013 beschriebenen 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 sorgfältige Beachtung finden.
Das von der zweiten Empfängerelektrode 160 abgegebene Ausgangssignal wird über die Signalleitung 127 an den Verstärker 410 angelegt. Die Amplitude des Ausgangssignals auf der Signalleitung 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 Übertragungsfunktion für die aktuelle Position, bei jedem einzelnen der Phasenkanäle:
Hierbei bezeichnet V_n(t) die Eingangsamplitude der Impulse für den Phasenkanal n zu dem Zeitpunkt t, während T_n(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 Ausgangssignals 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 am die ersten Sendeelektroden 130 angelegte Impulsübergänge zu der zweiten Empfängerelsktrode 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 Signalleitung 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 Demodulator 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 System 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 Intervalle/Teilungsabstand) innerhalb jeder Wellenlänge des Wandlers vorhanden sind, müssen lediglich 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.
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 1 halb-sinusförmig ist, wohingegen die Gestalt der in 13 gezeigten Elektroden rechteckförmig ist. Bei dem nachfolgend beschriebenen Beispiel ist diese in 13 gezeigte Näherung ausreichend.
Insbesondere veranschaulicht 13 die zusammengesetzten Spannungswellenformen ϕ₀ bis ϕ₇ gemäß 6. Jeder der zusammengesetzten Spannungswellenformen ϕ₀ bis ϕ₇ ist eine Skalenelektrode 140 überlagert, die in derjenigen Position gezeigt ist, die zur Erzielung der Null-Bedingung (das heißt es werden keine Impulsübergänge zu ihr gekoppelt) für jede der acht zusammengesetzten Wellenformen ϕ₀ bis ϕ₇ erforderlich ist.
Wie bei der zusammengesetzten räumlichen Wellenform ϕ₀ gemäß 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 Schwerpunkt 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 13 gezeigt ist, die Position der zusammengesetzten räumlichen Wellenform entsprechend verschoben 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 13 diese Verschiebung der Phase der zusammengesetzten räumlichen Wellenform in acht Inkrementen bzw. Schritten entsprechend den acht zusammengesetzten räumlichen Wellenformen ϕ₀ bis ϕ₇ dargestellt, wodurch eine Strecke überdeckt ist, die gleich groß ist wie der Teilungsabstand 136 der Sendeelektroden 130.
In 14 sind der Verstärker 410, der Demodulator 420 und der Integrator 430 in größeren Einzelheiten gezeigt. Die Arbeitsweise dieser Elemente ist in den 15A bis 15C dargestellt. Wie in 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 Wandler 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 V_bias 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 Schalter 423a und einen dritten Schalter 425b des Demodulators 420 angelegt. Ein zweiter Schalter 425a und ein vierter Schalter 423b sind mit einer Vorspannung V_bias verbunden. Der erste und der vierte Schalter 423a und 423b sind mit der von dem Mikroprozessor ankommenden Steuerleitung 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 Mikroprozessor 400 steuert die Schalter 423a, 423b, 425a und 425b derart, daß entweder die Schalter 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 V_bias 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 V_bias 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 Operationsverstärkers 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 eingesetzt werden. Bei diesem System wird das Referenzsignal während eines separaten Referenzzyklus erhalten. Dieser Zyklus wird in gleichartiger Weise wie diejenigen abgearbeitet, die unter Bezugnahme auf die 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 Amplitude des Referenzsignals ungefähr gleich groß ist wie der angenommene bzw. erwartete Spannungsbereich, 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 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 Referenzsignalleitung 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-Wandler 440.
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. 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 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 Schalter 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 Signalleitung 436 zum Öffnen des Schalters 437 des Integrators 430 kurz vor der zeitlichen Markierung 310₁ bis kurz nach der zeitlichen Markierung 310₄ ab. Anschließend schließt der Mikroprozessor 400 nach der zeitlichen Markierung 310₄ des aktuellen Meßzyklus und vor der zeitlichen Markierung 310₁ des nächsten Meßzyklus den Schalter 437, um hierdurch das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 434 rückzusetzen.
Wie in 15B gezeigt ist, weist ein von der zweiten Empfängerelektrode 160 abgegebenes Signal auf der Signalleitung 127 abfallende Flanken bei den zeitlichen Markierungen 310₁ 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 15B bezüglich der Signalleitung 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 310₂ , (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 Vorspannungspegel rückgesetzt, wenn der Schalter 414 durch den hohe bzw. positive Spannung besitzenden 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 rückgesetzt, 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 negative Impulse auf der Signalleitung 412 ab den abfallenden Flanken auf der Signalleitung 127 bei den zeitlichen Markierungen 310₁ und 310₃ .
Nachfolgend werden, wie in 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 V_bias 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 umfassen. Folglich werden die Ausgangsleitung 412 und die Vorspannung V_bias mit der Kapazität 421 mit umgekehrter Polarität verbunden.
Demzufolge werden, wie in 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 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 V_bias 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 Signalleitung 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 Operationsverstärkers 434 zu verbinden. Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers 434 wird auch mit der Vorspannung V_bias verbunden. Wenn die Schalter 427a und 427b geschlossen sind, wird der Knoten 421b somit sofort auf die Vorspannung V_bias 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 Integrator, 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 15B werden durch den Demodulator 420 und den Integrator 430 in geringfügig unterschiedlicher Weise verarbeitet. Wie in 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 V_bias 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 Signalleitung 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 Vorspannung V_bias angeschlossen). Da die Spannung an dem Knoten 421b bei der Vorspannung V_bias 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 Kapazität 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 15B, die bei den zeitlichen Markierungen 310₁ und 310₃ auftreten, sowie die positiven Impulse, die bei den zeitlichen Markierungen 310₂ und 310₄ auftreten, das Ausgangssignal des invertierenden Verstärkers 434 inkremental. Da das Signal auf der Signalleitung 127 gemäß der Darstellung in 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 Übertragungsfunktionen der Phasenkanäle abhängig, über die sie abgegeben werden. Am Ende der Meßperiode gibt der Mikroprozessor 400 ein hohen Pegel aufweisendes Signal auf der Signalleitung 436 ab, nachdem das von dem Integrator 430 abgegebene Ausgangssignal durch den Analog/Digital-Wandler 440 verarbeitet worden ist. Hierdurch wird der Schalter 437 geschlossen, um hierdurch die Kapazität 435 zu entladen und den Integrator 430 zurückzusetzen.
Gemäß 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 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 Signalleitung 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 V_bias 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 negative 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 invertierenden 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 Empfängerelektrode 160 und dem Schwerpunkt der zusammengesetzten räumlichen Wellenform an, wie es in 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 zusammengesetzte, 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 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 1 gezeigte inkrementale Wandler, mit der Ausnahme, daß zwei oder mehr Skalen vorgesehen sind. Die vorliegende Erfindung ist in gleicher Weise bei solchen Wandlern einsetzbar. Es ist lediglich erforderlich, daß die vorliegende Erfindung bei solchen Wandlern derart eingesetzt wird, daß der Signalprozessor 124 mit einer Wählsteuerlogik versehen wird. Die Wählsteuerlogik 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 1 gezeigten kapazitiven Positionscodierers 100 gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten die ersten Sendeelektroden 130 Signale, die eine zusammengesetzte räumliche Wellenform hervorrufen. Die zusammengesetzte räumliche Wellenform wird von dem Schlitten 112 zu der Skala 114 und zumindestens einer zweiten Empfängerelektrode 160 an dem Schlitten 112 zurückgekoppelt. Die zusammengesetzte 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.
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 16 gezeigt ist, empfängt der Mikroprozessor 400 ein Signal V_f, 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 V_f 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 Wellenform 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 17 Signale, die eine zusammengesetzte räumliche Wellenform an den Sendeelektroden 130 repräsentieren, 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 Ausgangssignal 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 12. An dem Ende des Meßzyklus gibt eine Spannung V_f, 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 V_f 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 18 dargestellt ist. Wie in 18 gezeigt ist, gibt der Oszillator 450 in der gleichen Weise wie gemäß 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 Übertragungskanäle 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 Koeffizienten C₀ bis C₇ stellen die Phasenposition eines zusammengesetzten räumlichen Filters durch Multiplikation der von den Elektroden 130 erhaltenen Signale ein. Hierdurch wird das Empfindlichkeitsprofil 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 umgewandelt. 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 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 räumlichen Übertragungsfunktion derart justieren, daß die Rückkopplungsspannung V_f auf einen Minimalwert gebracht wird. Auf der Grundlage des Phaseneinstellungssignals bestimmt der Mikroprozessor 400 die Position des Schlittens 112 relativ zu der Skala 114.
Der Positionswandler 110, der Oszillator 450 und entweder der Modulator 460 gemäß 17 oder der Multiplizierer 460' gemäß 18 bilden eine Übertragungsfunktioseinrichtung. Die Übertragungsfunktion T_f der Übertragungsfunktionseinrichtung führt zur Bildung einer Ausgangsspannung V_f 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 Übereinstimmung mit dem Satz von Adressen, die von dem Mikroprozessor 400 während des Meßzyklus abgegeben werden. Weiterhin ist die Übertragungsfunktion T_f unabhängig davon vorhanden, ob der elektronische Positionscodierer der in 1 gezeigte, inkrementale, kapazitive Positionscodierer 100, ein absoluter Positionscodierer oder irgendeine andere Form eines elektronischen Positionscodierers ist. Weiterhin ist die Übertragungsfunktion T_f unabhängig davon vorhanden, ob der kapazitive Positionscodierer 100 eine räumliche Wellenform an einer oder mehreren 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 Inkremente 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 Mikroprozessors 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 Logikgerät wie etwa einem PLD, PLA, PAL oder dergleichen realisiert werden kann. Es ist weiterhin anzumerken, daß der Festwertspeicher 470 vorzugsweise unter Verwendung eines ROM realisiert wird. Jedoch kann der Festwertspeicher 470 auch unter Einsatz eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM, eines Flash-Speichers, einer festverdrahteten logischen Schaltung oder dergleichen aufgebaut sein.
Mit der Erfindung werden somit ein Verfahren und eine Einrichtung zum Erzeugen von räumlichen Wellenformen in elektronischen Positionscodierern bereitgestellt, die das schrittweise Verschieben 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 angelegt. Jeder Impuls erzeugt eine räumliche Wellenform an einer Vielzahl von Elektroden. Die Signale an den Elektroden werden nach Durchleitung durch einen demodulierenden Phasenschieber aufsummiert. Mindestens eine der räumlichen Wellenformen wird um eine Strecke verschoben, 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

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 Wellenform entsprechen, mindestens eine weitere Elektrode (160), die an dem ersten Substrat (112) ausgebildet und mit der Elektrodenanordnung (130) über das zweite Substrat (114) kapazitiv 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 Elektrode 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) verbunden ist und zum Verschieben der Position der räumlichen Wellenform entlang der Elektrodenanordnung um eine Strecke, die einem ganzzahligen Vielfachen einer vorbestimmten 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 Wellenformschieber 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) bewirkten Verschiebung von mindestens einer weiteren räumlichen Wellenform um ein ganzzahliges Vielfaches der vorbestimmten Strecke unterscheidet, derart, daß die durchschnittliche Verschiebung der Vielzahl der durch den Wellenformschieber gekoppelten räumlichen Wellenformen ein Bruchteil der vorbestimmten Strecke sein kann, wobei das Steuersystem (124) ein Rückkopplungssignal 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 Positionsmessung entspricht, und das Steuersystem das Steuersignal für eine nachfolgende Positionsmessung 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.
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.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenformschieber (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 Koeffizientensatz 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.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenformschieber (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 Speicher 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 Koeffzientensatz 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 logischen Glieder mit jeweiligen Elektroden in der Elektrodenanordnung verbunden sind.
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 Spannungen von den Elektroden in der Elektrodenanordnung (130) als Ergebnis jedes der an die weitere Elektrode bei jeder Messung angelegten Vielzahl von Impulsen erhält.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenformschieber (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 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 an den Elektroden in der Elektrodenanordnung und einer entsprechenden Anzahl von aus dem Speicher bei jeder Positionsmessung ausgegebenen 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 Elektrodenanordnung erhaltenen räumlichen Wellenform und einem jeweiligen Koeffizientensatz entspricht.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenformschieber (122) einen Speicher (470), in dem eine Anzahl von Koeffizientensätzen gespeichert ist, wobei jeder Koeffizientensatz jeweils einer entsprechenden 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 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 Elektrodenanordnung 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 Elektrodenanordnung 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 Koeffizienten aus dem Speicher empfängt, und die Ausgangssignale der logischen Glieder zur Erzeugung des Rückkopplungssignals zusammengefaßt werden.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der kapazitive Positionscodierer (100) ein inkrementaler kapazitiver Positionscodierer ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der kapazitive Positionscodierer (100) ein kapazitiver Absolut-Positionscodierer ist.
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 geleiteten räumlichen. Wellenformen ein Bruchteil des Teilungsabstands der Elektrodenanordnung sein kann.
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 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 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 Elektrodenanordnung 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 (490), der mit der weiteren Elektrode verbunden ist und eine Spannung erzeugt, die die Werte einer Vielzahl der während jeder Messung erzeugten Ausgangssignale anzeigt, und einem Prozessor (400), der mit dem Signalgenerator (122) und dem Akkumulator (490) verbunden ist und ein jeweiliges Steuersignal an den Signalgenerator für jeden Satz von diskreten Spannungen anlegt, wobei der Prozessor die Steuersignale in Abhängigkeit von einem Spannungsrückkopplungssignal 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 vorhergehenden 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.
Meßeinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgenerator (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.
Meßeinrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgenerator (122) eine digitale Wellenform an jede der Elektroden in der Elektrodenanordnung (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.
Meßeinrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgenerator (122) eine digitale Wellenform an jede der Elektroden in der Elektrodenanordnung (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 (490) 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.
Meßeinrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgenerator (122) eine digitale Wellenform an jede der Elektroden in der Elektrodenanordnung während jeder Meßperiode anlegt, wobei die Anzahl, Polarität und zeitliche Lage von logischen Pegelübergängen in jeder der Wellenformen die Größe und die Polarität jeder Komponente der räumlichen Wellenform bestimmen, daß der Akkumulator (490) 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.
Verfahren zum Messen der Relativlage zwischen einem ersten und einem zweiten Substrat (112, 114) in einem kapazitiven Positionscodierer (100), bei dem die Phasenverschiebung einer durch den Positionscodierer übertragenen räumlichen Wellenform der relativen Position 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 Positionsmessung, wobei jedes der Signale eine durch Kopplung erfolgende Übertragung einer entsprechenden 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 Wellenform 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 Phasenverschiebung der durch den Positionscodierer übertragenen räumlichen Wellenform geändert werden, (d) Ermitteln der relativen Bewegung zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat (112, 1141 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 Meßachse (116).
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 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 Meßachse (116) entspricht, und daß der Schritt (a) das Anlegen einer jeweiligen Spannung an jede Elektrode in der Elektrodenanordnung (130) für jede räumliche Wellenform enthält, derart, daß für jede Positionsmessung eine Mehrzahl von Sätzen von Spannungen an die Elektrodenanordnung angelegt wird.
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 Meßachse (116) entspricht, und daß der Schritt (a) das Modulieren einer Vielzahl von Impulsen mittels einer entsprechenden 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.
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 Wellenform 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 Elektrodenanordnung (130) für jede räumliche Wellenform enthält, derart, daß für jede Positionsmessung 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 jeweiligen 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 Spannungen in Abhängigkeit von dem durchschnittlichen Wert der durch Kopplung zu der weiteren Elektrode (160) übertragenen Werte enthält.
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 Wellenform 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 Elektrodenanordnung (130) für jede räumliche Wellenform enthält, derart, daß für jede Positionsmessung 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 jeweiligen an die Elektrodenanordnung (130) angelegten Spannungssätzen gekoppelt werden, enthält.