DE19729347A1

DE19729347A1 - Position measurement arrangement for absolute angle- and path measurement

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Publication number: DE19729347A1
Application number: DE19729347A
Authority: DE
Inventors: Franz Gleixner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-07-09
Filing date: 1997-07-09
Publication date: 1999-01-14

Abstract

The position measurement arrangement includes a capacitive measurement receiver with at least one stator which comprises reciprocally isolated reference electrode surface areas, and a linear movable sensor rotating with respect to the stator. An evaluation unit supplies the reference electrodes with AC voltages necessary for the evaluation, transforms the sensor signal to a signal corresponding to the angle and/or path, and provides it at a measuring output. The sensor comprises two of each other isolated measuring electrodes, which sample respectively one reference electrode area displaced for a half measuring period through capacitive voltage division of the voltages at the respectively opposite reference electrodes. The voltages of the measuring electrodes are transferred capacitively to the evaluation unit, through two respectively separate electrodes connected with the measuring electrodes.

Description

Die Erfindung umfaßt eine Vorrichtung für absolute Winkel- oder Wegmessung mit wenigstens einem Stator, der gegeneinander isolierte Referenzelektroden aufweist, mit einem gegenüber dem oder den Statoren rotativ oder linear beweglichen mit dem Meßobjekt verbundenen Sensor, der zwei Meßelektroden aufweist, die in einem definierten Abstand zu den Referenzelek trodenflächen geführt werdend mit einer Ansteuerschaltung, die an die Referenzelektroden Referenzspannungspotentiale definier ter Höhe und Frequenz anlegt, und mit einer Auswerteschaltung, der die von den Sensorelektrodenflächen gewonnenen Potentiale zugeführt werden und welche diese Potentiale zur Gewinnung eines der Meßgröße proportionalen Meßsignals verarbeitet.The invention includes a device for absolute angular or Path measurement with at least one stator that opposes each other Has isolated reference electrodes, with one compared to the or the stators rotatably or linearly movable with the Sensor connected to the test object, which has two measuring electrodes, the at a defined distance from the reference elec tread surfaces are guided with a control circuit that Define reference voltage potentials on the reference electrodes ter height and frequency, and with an evaluation circuit, the potentials obtained from the sensor electrode surfaces are supplied and what these potentials for extraction processed a measurement signal proportional to the measured variable.

Eine derartige Meßvorrichtung ist beispielsweise aus DE 37 11 062 C2 bekannt. Bei dieser Präzisionsmeßvorrichtung wird ein Aufbau vorgeschlagen, bei dem eine Sensorelektroden fläche in vorm eines Kreissegments mit einem Zentriwinkel von 180° zwischen mehreren Referenzelektrodenflächen geführt wird.Such a measuring device is, for example, from DE 37 11 062 C2 known. With this precision measuring device a structure is proposed in which a sensor electrode area in front of a segment of a circle with a central angle of 180 ° between several reference electrode surfaces.

In EP 0 551 066 B1 ist ein Aufbau mit einer symmetrischen Sensorfläche beschrieben, der jedoch nicht zur Absolutmessung über einen Winkelbereich von 360° geeignet ist.EP 0 551 066 B1 describes a structure with a symmetrical one Sensor surface described, but not for absolute measurement is suitable over an angular range of 360 °.

Für die Messung wird in bekannter Weise ein kapazitiver Spannungsteiler verwendete im einfachsten Ball besteht ein kapazitiver Spannungsteiler zu einem Paar von feststehenden Kondensatorplatten und einer in geringem definierten Abstand vorbeigeführten Sensorplatte, welche zu den beiden feststehen den Kondensatorplatten eine von der Position abhängige Kapazi tät bildet. Auf der Sensorplatte bildet sich dadurch durch kapazitive Spannungsteilung eine Spannung aus, welche von der Speisespannung der beiden Kondensatorplatten, vom Abstand der Sensorplatte von den Referenzelektroden und von der Fläche, mit der die Sensorplatte die einzelnen Referenzplatten überdeckt, abhängig ist. Die Spannung auf der Sensorplatte ist abgesehen von den Randbereichen proportional zur überdeckten Fläche und damit zur Parallelverschiebung der Sensorelektrode gegenüber den Statorelektroden.A capacitive is used for the measurement in a known manner Voltage divider used in the simplest ball is one capacitive voltage divider to a pair of fixed Capacitor plates and one at a short defined distance passed sensor plate, which are fixed to the two the capacitor plates a capacitance depending on the position activity forms. This forms on the sensor plate capacitive voltage division a voltage from the Supply voltage of the two capacitor plates, from the distance of the Sensor plate from the reference electrodes and from the surface with which the sensor plate covers the individual reference plates, is dependent. There is no voltage on the sensor plate from the edge areas proportional to the covered area and with respect to the parallel displacement of the sensor electrode the stator electrodes.

Für eine Winkelmessung über einen Winkel von 360° besteht die Meßvorrichtung aus mehreren feststehenden im Kreis angeordneten Kondensatorflächen und einer Sensorplatte in Form eines Ring segments, welche mit der Welle des Meßsystems mechanisch ver bunden ist und parallel zu den im Kreis angeordneten Kondensa torflächen geführt wird. Wenn auf eine einzelne Referenzelek trode eine Spannung angelegt wird, bildet sich auf der Sensor elektrode durch kapazitive Spannungsteilung eine Spannung aus, die durch das Flächenverhältnis der aktiven Referenzelektrode zu den anderen an Bezugsspannung liegenden Referenzelektroden bestimmt wird. Durch zeitliche versetzte Speisung der einzelnen Elektroden und entsprechende Auswertung der Sensorspannung läßt sich für jede Elektrode ein eigener Wert ermitteln. Die Span nungsteilerverhältnisse ergeben einzelne von der Position des Rotors abhängige Funktionen, welche eine eindeutige Zuordnung des Winkels über eine volle Umdrehung erlauben. Für die Auswer tung werden wiederum mehrere Methoden vorgeschlagen.For an angle measurement over an angle of 360 ° there is Measuring device made of several fixed arranged in a circle Capacitor surfaces and a sensor plate in the form of a ring segments that mechanically ver with the shaft of the measuring system is bound and parallel to the condens arranged in a circle door surfaces is guided. If on a single reference elec If a voltage is applied, the sensor forms electrode by capacitive voltage division, by the area ratio of the active reference electrode to the other reference electrodes connected to the reference voltage is determined. By delayed feeding of the individual Electrodes and appropriate evaluation of the sensor voltage can determine a separate value for each electrode. The Span Ratio of dividing divisions results from the position of the Rotor-dependent functions, which have a unique assignment allow the angle over a full turn. For the Auswer Several methods are again proposed.

Bei kapazitiven Spannungsteilern dieser Art ist die Führung der Sensorelektrode über den Referenzelektroden von entscheidender Bedeutung für die Genauigkeit des Meßsystems. Um eine für eine Messung ausreichende Kapazität mit linearem Verlauf zu erzie len, muß ein relativ geringer Abstand zwischen Sensorelektrode und Spannungstellerelektroden gewählt werden. Geringe Abstands unterschiede zwischen den einzelnen Bereichen der Stator- und Rotorelektroden bewirken eine Kapazitätsänderung und damit eine Signalveränderung, die eine Verschiebung der Meßelektrode vor täuschen. Bei Winkelsensoren tritt eine Reihe von Fehlerquellen auf Exzentrizität, Winkelabweichungen zwischen der Achse des Rotors und dem Stator mit den feststehenden Elektroden, Unebenheiten, Teilungsfehler der feststehenden Elektroden, Ungenauigkeit der Lagerung. Eine Verbesserung wird dadurch erzielt, daß die Sensorelektrode zwischen zwei feststehenden Elektrodenflächen angeordnet wird (DE 37 11 062 Fig. 3a). Diese Anordnung behebt einige der Fehler dadurch, daß bei Abstandsdifferenzen in axialer Richtung bei einer Sollposition in der Mitte sich die Fehler weitgehend aufheben. Nicht kompensiert werden allerdings Fehler durch Exzentrizität, Teilungsfehler und radialem Schlag der Lager. Darüber hinaus ist dieser Aufbau dadurch kompliziert, daß der Rotor mit der Sensorelektrode durch den Träger für die feststehenden Referenzelektroden hindurchgeführt werden muß.With capacitive voltage dividers of this type, guiding the sensor electrode over the reference electrodes is of crucial importance for the accuracy of the measuring system. In order to achieve sufficient capacitance for a measurement with a linear profile, a relatively small distance between the sensor electrode and voltage regulator electrodes must be selected. Small differences in distance between the individual areas of the stator and rotor electrodes cause a change in capacitance and thus a change in signal, which falsify a displacement of the measuring electrode. In the case of angle sensors, a number of error sources occur eccentricity, angular deviations between the axis of the rotor and the stator with the fixed electrodes, bumps, pitch errors of the fixed electrodes, inaccuracy of the bearing. An improvement is achieved in that the sensor electrode is arranged between two fixed electrode surfaces (DE 37 11 062 Fig. 3a). This arrangement eliminates some of the errors by largely eliminating the errors in the case of distance differences in the axial direction at a desired position in the middle. However, errors due to eccentricity, pitch errors and radial runout of the bearings are not compensated for. In addition, this structure is complicated in that the rotor with the sensor electrode has to be passed through the carrier for the fixed reference electrodes.

Dieser Aufbau ist auf Grund des asymmetrischen Aufbaus der Sen sorelektrode relativ empfindlich gegenüber Toleranzen bezüglich der Zentrierung der Stator- und Meßelektrodenflächen, einer Winkelabweichung zwischen den Achsen des Stator- und Rotorsystems und der Abstandstoleranzen. Das heißt, daß die durch Fer tigungs- und Montagetolerenzen oder durch Temperaturdehnungen bedingten Abweichungen einen großen Einfluß auf das Meßergebnis haben.This structure is due to the asymmetrical structure of the Sen sensor electrode is relatively sensitive to tolerances the centering of the stator and measuring electrode surfaces, one Angular deviation between the axes of the stator and rotor systems and the distance tolerances. That means that the through Fer tolerance and assembly tolerances or due to thermal expansion conditioned deviations have a great influence on the measurement result to have.

Weiterhin ist das Meßsystem empfindlich gegenüber Störeinstreu ungen, die vor allem von der Welle des Sensors eingekoppelt werden können. Während die Teile des Stators mit einfachen Mit teln abgeschirmt werden können, gestaltet sich die Schirmung der Sensorfläche wegen der notwendigen beweglichen mechanischen Verbindung zum Meßobjekt schwierig. Dieses Problem tritt beson ders bei Hohlwellensensoren auf, weil dort eine normalerweise metallische Welle durch den Sensor hindurchgeführt wird. Die Störungen zeigen sich vor allem, wenn die Auswerteschaltung nicht auf gleichem Potential wie die Mechanik ist, mit der das Meßsystem verbunden ist.The measuring system is also sensitive to interference Solutions that are mainly coupled by the shaft of the sensor can be. While the parts of the stator with simple Mit shielding, the shielding is designed the sensor surface because of the necessary movable mechanical Connection to the test object difficult. This problem occurs particularly on hollow shaft sensors because there is usually one metallic wave is passed through the sensor. The Malfunctions are particularly evident when the evaluation circuit is not at the same potential as the mechanics with which Measuring system is connected.

Für die Signalauswertung wird bisher die Auswertung der Signalamplituden im linearen Bereich der Kennlinien vorgesehen. Bei der Umschaltung von einem Kennlinienteil zum nächsten tritt hier eine Kennliniensprung aufs wenn durch Ungenauigkeiten im Aufbau oder der elektronischen Auswerteschaltung die Teilberei che am Umschaltpunkt nicht exakt zusammenstimmen. An diesem Um schaltpunkt sind daher gehäuft Fehler zu erwarten. Um diese zu vermeiden, ist daher eine hohe Fertigungsgenauigkeit und/oder zusätzlicher Justageaufwand notwendig. Derartige Fehler lassen sich meist auch elektronisch nicht korrigieren, weil Mehr deutigkeiten auftreten können.So far, the evaluation of the Signal amplitudes are provided in the linear range of the characteristic curves. When switching from one part of the curve to the next occurs here a jump in the characteristic curve if due to inaccuracies in Construction or the electronic evaluation circuit not exactly match at the switchover point. On this order switching point, errors are therefore to be expected. To this too avoid, is therefore a high manufacturing accuracy and / or additional adjustment effort necessary. Let such mistakes usually do not correct themselves electronically because more clearances can occur.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Positionsmeß vorrichtung für absolute Winkel- und Wegmessung der gattungsge mäßen Art derart zu verbessern, daß bei gleichen oder niedrige ren Ansprüchen an die Fertigungs- und Bauteiletoleranzen eine höhere Genauigkeit erzielt wird und gleichzeitig die Empfind lichkeit gegenüber Störeinstreuungen erheblich verringert wird.The invention is based on the object, a position measurement device for absolute angle and displacement measurement of the generic type moderate manner to improve such that at the same or low demands on manufacturing and component tolerances higher accuracy is achieved and at the same time the sensibility sensitivity to interference is significantly reduced.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einem Winkelsensor mit im Kreis angeordneten Referenzelektroden zwei drehbar gela gerte um 180° versetzt angeordnete Sensorelektroden von minde stens dem Zentriwinkel einer Statorelektrode vorgesehen sind, deren Potentiale über Koppelelektroden getrennt der Auswerte schaltung zugeführt werden. In der Auswerteelektronik wird nun die Differenz zwischen den an die Koppelelektroden übertragenen Signalen verstärkt und so verknüpft, daß ein der Winkelposition entsprechendes Meßsignal gebildet wird. Für diese Anordnung wird zusätzlich noch eine elektronische Auswertung vorgeschla gen, bei der das Problem der Übergänge zwischen den Meßberei chen vermieden wird.This object is achieved in that with an angle sensor with reference electrodes arranged in a circle, two rotatable gela Sensor electrodes from minde offset by 180 ° at least the central angle of a stator electrode are provided, their potentials are separated from the evaluations via coupling electrodes circuit are supplied. In the evaluation electronics is now the difference between those transmitted to the coupling electrodes Signals amplified and linked so that one of the angular position corresponding measurement signal is formed. For this arrangement an electronic evaluation is also suggested conditions where the problem of transitions between the measuring ranges Chen is avoided.

Durch die Verwendung von zwei gegenüberliegenden Referenz elektroden entsteht ein Signal, das dem Mittelwert der beiden Positionen entspricht. Dadurch entsteht bei einem Fehler durch Exzentrizität an der einen Sensorelektrode z. B. eine positive, an der anderen Sensorelektrode eine ähnlich großer negative Ab weichung, so daß sich die Fehler bei einer Mittelwertbildung weitgehend aufheben. Bei einem einseitigen Aufbau mit doppelten Sensorelektroden ergibt sich hinsichtlich der Abhängigkeit des Meßwerts von den Fehlern in radialer Richtung ein ähnliches Verhalten wie beim beidseitigen Aufbau eines Sensors mit einer einzelnen Sensorfläche. Das System erlaubt weitere Verbesserung durch die Anordnung der Sensorelektroden beiderseits der Meß elektroden und/oder zylindrischem Aufbau. By using two opposite reference electrodes produces a signal that is the average of the two Positions. This causes a failure Eccentricity on the one sensor electrode z. B. a positive, a similarly large negative Ab on the other sensor electrode softening, so that the errors in averaging largely repeal. With a one-sided construction with double Sensor electrodes result from the dependence of the Measured value from the errors in the radial direction a similar Behavior like when building a sensor on both sides with a single sensor surface. The system allows further improvement by the arrangement of the sensor electrodes on both sides of the measuring electrodes and / or cylindrical structure.

Die Verbesserung der Störfestigkeit ergibt sich dadurch, daß die Störungen, die kapazitiv wegen unzureichender Schirmung von der Welle auf die Sensorelektroden eingekoppelt werden, bei ge eigneter Gestaltung mit annähernd gleicher Intensität und Phase auf die beiden Sensorelektroden eingekoppelt werden. Wenn diese Störspannung mit annähernd gleicher Intensität an den invertie renden und den nicht invertierenden Eingang eines Differenzver stärkers gelangt, wird am Ausgang ein Signal erscheinen, das nur noch einem Bruchteil der eingekoppelten Störspannung ent spricht. Für die Störempfindlichkeit ist das Verhältnis der Störspannung zum Nutzsignal entscheidend. Dieses wird dadurch noch weiter verbessert, daß zwei Sensorelektrodenflächen wirk sam sind.The improvement in immunity results from the fact that the interference that is capacitive due to insufficient shielding from the shaft are coupled onto the sensor electrodes at ge suitable design with approximately the same intensity and phase be coupled onto the two sensor electrodes. If those Interference voltage with approximately the same intensity at the invertie and the non-inverting input of a difference ver stronger, a signal will appear at the output that only a fraction of the injected interference voltage ent speaks. For the sensitivity to interference, the ratio is Interference voltage to the useful signal is crucial. This becomes further improved that two sensor electrode surfaces act are sam.

Für die Auswertung der am Differenzverstärker abgegebenen Meß spannung wird ein Verfahren vorgeschlagen, das gegenüber den bisherigen Verfahren eine höhere Auflösung und eine stetige Ausgangskennlinie garantiert. Hier wird der gesamte, auch nichtlineare Bereich der einzelnen Kennlinien mit zur Messung herangezogen und die Punkte für die Bereichsumschaltung in Teile der Kennlinie verlegt, in denen die Steigung Null ist. Durch eine Begrenzung der Kennlinie wird erreicht, daß am Um schaltpunkt ein genau vorgegebener Wert eingehalten wird.For the evaluation of the measurement given at the differential amplifier a method is proposed which is compared to the previous methods a higher resolution and a steady Output characteristic guaranteed. Here's the whole, too non-linear range of the individual characteristic curves for measurement used and the points for the range switching in Parts of the characteristic curve in which the slope is zero. By limiting the characteristic curve it is achieved that at Um switching point, a precisely specified value is maintained.

Zur Messung von Wegen läßt sich die Anordnung so treffen, daß zwei Reihen von einer Anzahl n in Meßrichtung verlaufende Refe renzelektroden fest angeordnet sind, über die ein in Meßrich tung verschiebliches Sensorelement mit zwei Sensorelektroden mit der Breite von mindestens einer Referenzelektrode geführt wird, wobei jeweils eine Sensorelektrode über eine der beiden Reihen von Referenzelektroden geführt wird. Die Speisung dieser n Referenzelektrodenpaare erfolgt so, daß bei der ersten Reihe die Speisespannung U1. . .Un angelegt werden, während an die zweite Reihe die Spannungen U_n/2, U_n/2+1, U_n/2+2, . . . U_n, U1, U2. . .U_n/2-1 angelegt werden. Über weitere an sich bekannte Koppelelektroden werden die Signale an einen Differenzeingang eines Verstärkers geführt. Die Signale werden entsprechend aus gewertet und in ein Signal entsprechend der Position des Sen sorelements umgewandelt. To measure paths, the arrangement can be such that two rows of a number n extending in the measuring direction reference electrodes are fixedly arranged, via which a sensor element displaceable in the measuring direction is guided with two sensor electrodes with the width of at least one reference electrode, in each case a sensor electrode is passed over one of the two rows of reference electrodes. These n reference electrode pairs are supplied in such a way that the supply voltage U1 in the first row. . .Un are applied while the voltages U _{n / 2} , U _{n / 2 + 1} , U _{n / 2 + 2} ,. . . U _n , U1, U2. . .U _{n / 2-1 can be} created. The signals are fed to a differential input of an amplifier via further coupling electrodes known per se. The signals are evaluated accordingly and converted into a signal according to the position of the sensor element.

Die Vorteile entsprechen denen des Winkelgebers. Einflüsse von Abstandsschwankungungen auf Grund von Fehlern der Führung des Sensorelements und die Empfindlichkeit gegenüber Störeinstreu ungen über den mechanischen Anschluß des Sensorelements werden verringert. Die elektronische Auswertung läßt eine gegenüber anderen kapazitiven Sensoren eine höhere Auflösung und Genauig keit zu, weil sich der Meßwert aus einer Reihen von Meßkurven zusammensetzt und eine stetige Kennlinie erreicht wird.The advantages correspond to those of the angle encoder. Influences of Distance fluctuations due to errors in the management of the Sensor element and sensitivity to interference be about the mechanical connection of the sensor element decreased. The electronic evaluation leaves one opposite other capacitive sensors higher resolution and accurate speed because the measured value consists of a series of measurement curves composed and a constant characteristic is achieved.

Es wird noch vorgeschlagen, eine Erkennung des Anfangs- und/oder Endbereichs vorzusehen, um Mehrdeutigkeiten zu verhin dern. Bei Wegmessung kann die Reihenfolge der Referenzelektro den mehrfach über den Meßweg hinweg wiederholt werden.It is also proposed to detect the initial and / or Provide end range to avoid ambiguity other. When measuring the distance, the order of the reference electric which are repeated several times across the measurement path.

Das Funktionsprinzip erlaubt eine Reihe vorteilhafter Ausge staltungen. Diese werden in der nachfolgenden Beschreibung und den zeichnerischen Darstellungen weiter ausgeführt.The principle of operation allows a number of advantageous features events. These are described in the following description and the graphic representations continued.

In den Zeichnungen zeigen.Show in the drawings.

Fig. 1 Blockschaltbild eines Winkelsensors für absolute Win kelmessung. Fig. 1 block diagram of an angle sensor for absolute Win angle measurement.

Fig. 2 Ersatzschaltbild für die Anordnung nach Fig. 1. Fig. 2 equivalent circuit diagram for the arrangement of FIG. 1.

Fig. 3 Diagramm der sich ergebenden Teilspannungen von Elektrodenpaaren über den Drehwinkel, bzw. Position, die zur Ermittlung des auszugebenden Meßwerts herangezogen werden. Fig. 3 diagram of the resulting partial voltages of electrode pairs over the angle of rotation or position, which are used to determine the measured value to be output.

Fig. 4 Diagramm der sich ergebenden Teilspannungen einzelner Elektroden und der resultierenden Differenzspannung mit und ohne Fehler. Fig. 4 diagram of the resulting partial voltages of individual electrodes and the resulting differential voltage with and without errors.

Fig. 5 Diagramm der sich ergebenden Teilspannungen einzelner Elektrodenpaare unter Berücksichtigung der Randeffekte. Fig. 5 diagram of the resulting partial voltages of individual electrode pairs taking into account the edge effects.

Fig. 6 Diagramm mit dem aus den einzelnen Teilspannungen gebildeten Zwischenwert. Fig. 6 diagram with the intermediate value formed from the individual partial voltages.

Fig. 7 Diagramm der Bildung des endgültigen Meßwerts aus dem Zwischenwert und einem Zusatzwert. Fig. 7 diagram of the formation of the final measured value from the intermediate value and an additional value.

Fig. 8 Schematische geschnittene Ansicht eines einfachen Meß wertaufnehmers für absolute Winkelmessung. Fig. 8 Schematic sectional view of a simple transducer for absolute angle measurement.

Fig. 9 Schematische Darstellung eines Sensors für Wegmessung. Fig. 9 Schematic representation of a sensor for displacement measurement.

Das Ausführungsbeispiel eines kapazitiven Winkelsensors ist Fig. 1 schematisch zusammen mit den für die Funktion erforder liche elektrischen Komponenten dargestellt. Die Gebereinheit 1 ist in einer Draufsicht dargestellt. In einem Gehäuse 1a sind kreisförmig angeordnet isoliert Elektroden 2. .7 (Referenzelektroden) in Form eines Zylinders angeordnet. Im Ge häuse 1a ist der Rotor 8 mit der Welle 9 drehbar gelagert. Auf dem Rotor sind die Sensorelektroden 10 und 11 in Form von Zy linderteilflächen mit einem Zentriwinkel von mindestens dem einer Referenzelektrode (2. . .7) jeweils um 180° versetzt so angeordnet, daß sie bei einer Drehung des Rotors an den Referenzelektroden 2. . .7 vorbeigeführt werden. Zusätzlich sind noch die zylindrischen Koppelelektroden 12 und 13 auf dem Rotor angeordnet. Meßelektrode 10 ist mit Koppelelektrode 12, Meßelektrode 11 mit Koppelelektrode 13 elektrisch verbunden. Den mit dem Rotor verbundenen Koppelelektroden 12 und 13 liegen die mit dem Gehäuse verbundenen feststehenden ebenfalls zylindrischen Koppelelektroden 14 und 15 gegenüber. Die Koppelelektroden 14 und 15 sind mit den Eingängen eines Differenzverstärkers 24 verbunden. Der Ausgang dieses Verstärker wird an eine Auswerteschaltung 23 geführt. Die Auswerteschaltung sorgt für die Speisung der Referenzelektroden 2. .7, indem es Steuerspannungen am Anschluß 22 für die elektronischen Schalter 16. . .21 erzeugt, und zugleich die Höhe der Speisespannung an den elektronischen Schaltern 16. . .21 steuert. Der Meßwert wird über das Interface 21 vorzugsweise als Digitalwert ausgegeben.The embodiment of a capacitive angle sensor is shown schematically in FIG. 1 together with the electrical components required for the function. The transmitter unit 1 is shown in a top view. In a housing 1 a are insulated electrodes arranged in a circle. 2 . 7 (reference electrodes) arranged in the form of a cylinder. In Ge housing 1 a, the rotor 8 is rotatably mounted with the shaft 9 . On the rotor, the sensor electrodes 10 and 11 in the form of Zy are alleviated in part surfaces with a central angle of at least a reference electrode (2... 7) are each offset by 180 ° so arranged that it during rotation of the rotor to the reference electrodes 2. . . 7 are passed. In addition, the cylindrical coupling electrodes 12 and 13 are arranged on the rotor. Measuring electrode 10 is electrically connected to coupling electrode 12 , measuring electrode 11 to coupling electrode 13 . The coupling electrodes 12 and 13 connected to the rotor are opposite the stationary, likewise cylindrical coupling electrodes 14 and 15 connected to the housing. The coupling electrodes 14 and 15 are connected to the inputs of a differential amplifier 24 . The output of this amplifier is fed to an evaluation circuit 23 . The evaluation circuit supplies the reference electrodes 2 . . 7 , by supplying control voltages at the connection 22 for the electronic switches 16 . . . 21 generated, and at the same time the level of the supply voltage at the electronic switches 16th . . 21 controls. The measured value is preferably output as a digital value via the interface 21 .

Fig. 2 zeigt ein Ersatzschaltbild des Gebers nach Fig. 1. Dabei stellen die Kondensatoren 30. .35 die Kapazitäten dar, die durch die Meßelektrode 10, Fig. 1 gegenüber den Referenzelektroden 2. .1, Fig. 1 gebildet werden, während die Kondensatoren 36. .41 die Kapazitäten zwischen Sensorelektrode 11, Fig. 1 und den Referenzelektroden 2. .7 darstellen. Die Koppelkapazitäten 48 und 49 stellen die Kapazitäten zwischen den Zylinderflächen 12 und 14, bzw. 13 und 15 dar. Die Kapazitäten 30. .41 ändern sich abhängig von der Stellung des Rotors. Die Summe der Kapazitäten 30. .35 und die der Kapazitäten 36. .41 bleiben konstant und wer den durch Fläche und Abstand der Meßelektroden 10 und 11 gegenüber den Statorelektroden 2. .7 bestimmt. Die Summen sind bei einem fehlerfreien Aufbau gleich groß. Die Spannungsquellen 42. .47 sind niederohmig. Die Koppelkapazitäten 48 und 49 sind bei geeigneter Auslegung gleich groß und unabhängig von der Winkelstellung des Gebers. Nicht dargestellt sind Kapazitäten nach Masse, welche lediglich eine gleichmäßige Verringerung aller Ausgangssignale am Eingang des Differenzverstärkers verursachen. FIG. 2 shows an equivalent circuit diagram of the sensor according to FIG. 1. The capacitors 30 . . 35 represents the capacitances caused by the measuring electrode 10 , FIG. 1 compared to the reference electrodes 2 . . 1 , FIG. 1 are formed while the capacitors 36 . . 41 the capacitances between sensor electrode 11 , FIG. 1 and the reference electrodes 2 . . 7 represent. The coupling capacitances 48 and 49 represent the capacitances between the cylinder surfaces 12 and 14 , or 13 and 15. The capacitances 30 . . 41 change depending on the position of the rotor. The total of capacities 30 . . 35 and capacity 36 . . 41 remain constant and who the by the area and distance of the measuring electrodes 10 and 11 relative to the stator electrodes 2nd . 7 determined. The totals are the same size if the setup is error-free. The voltage sources 42 . . 47 are low-resistance. The coupling capacitances 48 and 49 are the same size with a suitable design and independent of the angular position of the encoder. Capacities to ground are not shown, which only cause a uniform reduction of all output signals at the input of the differential amplifier.

Die Kondensatoren 52 und 53 stellen die unerwünschte Kapazität zwischen der Welle 9 (Fig. 1) und den Sensor- und Koppelelektroden 10, 11, 12 und 13 (Fig. 1) dar. Die von der Welle ausgehende Störspannung ist durch die Spannungsquelle 51 dargestellt.The capacitors 52 and 53 represent the undesired capacitance between the shaft 9 ( FIG. 1) and the sensor and coupling electrodes 10 , 11 , 12 and 13 ( FIG. 1). The interference voltage emanating from the shaft is represented by the voltage source 51 .

Die Referenzelektroden 2. . .7 bilden die drei Paare 2/5, 3/6 und 4/7, die nacheinander mit Spannungsimpulsen gleicher Höhe beaufschlagt werden, wobei die Spannungen gegenüberliegender Referenzelektroden jeweils entgegengesetzt sind. Dadurch werden in den drehbar gelagerten Sensorelektroden 10 und 11 entgegen gesetzte Spannungen kapazitiv eingekoppelt, die über die Koppelelektroden 12, 13 und 14, 15 in den Verstärker 24 eingekoppelt werden. Dessen Ausgangsspannung wird von der Auswerteschaltung im Laufe der einzelnen Taktimpulse erfaßt. Die Umsetzung der für eine kapazitive Messung notwendigen Wechselspannungs- bzw. Impulsgrößen in Gleichspannungswerte ist Stand der Technik und wird daher nicht näher erläutert. Die den Taktimpulsen zugeordneten Spannungen lassen sich aus dem Ersatzschaltbild ableiten und ergeben für jedes Paar von Statorelektroden einen Spannungsverlauf über eine Umdrehung nach Fig. 3, welche einen idealisierten Spannungsverlauf ohne die durch Randeffekte an den Übergängen auftretenden Abrundungen darstellt. Die Kurven P1, P2 und P3 sind jeweils den Statorelektrodenpaaren 2/5, 3/6 und 3/7 zuzuordnen.The reference electrodes 2 . . . 7 form the three pairs 2/5, 3/6 and 4/7, the succession of the same height with voltage pulses are applied, wherein the voltages of opposing reference electrodes are respectively opposed. As a result, opposite voltages are capacitively coupled into the rotatably mounted sensor electrodes 10 and 11, which voltages are coupled into the amplifier 24 via the coupling electrodes 12 , 13 and 14 , 15 . Whose output voltage is detected by the evaluation circuit in the course of the individual clock pulses. The conversion of the AC voltage or pulse quantities necessary for a capacitive measurement into DC voltage values is state of the art and is therefore not explained in more detail. The voltages assigned to the clock pulses can be derived from the equivalent circuit diagram and, for each pair of stator electrodes, result in a voltage curve over one revolution according to FIG. 3, which represents an idealized voltage curve without the roundings occurring at the transitions due to edge effects. The curves P1, P2 and P3 are respectively assigned to the Statorelektrodenpaaren 2/5, 3/6 and 3 /. 7

Grundsätzlich kann man sich die 3 Kurven P1, P2 und P3 aus je weils 2 Kurvenverläufen zusammengesetzt vorstellen. In Fig. 4 ist der prinzipielle Verlauf dieser Teilspannungen für ein Referenzelektrodenpaar dargestellt. Dabei ist UP+ und UP- der Verlauf, der sich aus einem fehlerfreien Aufbau ergibt. Aus der Differenz der Werte UP+ und UP- ergibt sich der Wert UP.Basically, you can imagine the 3 curves P1, P2 and P3, each composed of 2 curves. In FIG. 4, the basic course of these divided voltages is shown for a reference pair of electrodes. UP + and UP- is the process that results from a faultless setup. The value UP results from the difference between the values UP + and UP-.

Wenn nun durch einen Fehler z. B. Exzentrizität der Abstand zwi schen den Referenz- und Sensorelektroden über den Umfang un gleichmäßig wird, verändert sich der Verlauf der Meßwerte der einzelnen Referenzelektroden bei geringen Fehlern so, daß der ursprüngliche Wert mit einer Sinusfunktion über den Meßwinkel moduliert wird. Es ergeben sich dann die Verläufe nach UPX+ und UPX-. Bei einem unsymmetrischen Aufbau würde nur einer dieser Werte zur Ermittlung des Meßwinkels herangezogen werden. Es ist leicht zu erkennen, daß dies zu einem erheblichen Fehler führen würde. Wenn die Differenz aus den beiden Werten UPX+ und UPX- zur Bildung des Meßwerts UPX herangezogen wird, heben sich die Fehler weitgehend auf. Dieser Wert ist in Fig. 4 durch Punkte auf dem Verlauf für UP dargestellt und zeigt nur geringe Abwei chungen vom idealen Verlauf.If now by an error z. B. eccentricity of the distance between the reference and sensor electrodes over the circumference becomes uneven, the course of the measured values of the individual reference electrodes changes with small errors so that the original value is modulated with a sine function over the measuring angle. The curves according to UPX + and UPX- then result. In the case of an asymmetrical structure, only one of these values would be used to determine the measurement angle. It is easy to see that this would lead to a significant error. If the difference between the two values UPX + and UPX- is used to form the measured value UPX, the errors largely cancel each other out. This value is represented in FIG. 4 by points on the course for UP and shows only slight deviations from the ideal course.

Ein weiteres Problem stellt sich durch Einstreuungen von Störspannungen von Seiten der Rotorwelle. Die Rotorwelle ist üblicherweise aus Stahl und daher leitfähig. Sie ragt in den Innenraum des Gebers hinein. Dadurch bildet sich eine unerwünschte Kapazität zwischen den Sensorelektroden und der Geberwelle. Die Geberwelle ist normalerweise elektrisch mit dem Gehäuse des Gebers verbunden. Dieses Gehäuse ist nicht immer auch auf dem Potential der Geberstromversorgung. Dadurch können sich der Meßspannung unerwünschte Störspannungen überlagern. Bei einer geeigneten Gestaltung nehmen beide Werte gleiche Kapazität an. Die Signalquelle 51, Fig. 2 stellt die Störspannung dar, die über die Welle eingekoppelt wird. Die Störspannung wird über die Kapazitäten 52 und 53 auf Sensor- und Koppelelektroden eingekoppelt. Es läßt sich leicht erkennen, daß die Störspannungen an den Eingängen des Verstärkers 50 gleiche Werte annehmen, denn jeweils die Kapazitäten 52 und 53, 48 und 49 sowie die Summen aus den Kapazitäten 30. .35 und 36. .41 gleich sind. Wenn die Stör spannung keine Spannungsdifferenz am Eingang des Differenzver stärkers erzeugt, wird sich am Ausgang des Verstärkers keine dem Nutzsignal überlagerte Störspannung zeigen.Another problem is posed by interference from the rotor shaft. The rotor shaft is usually made of steel and therefore conductive. It protrudes into the interior of the encoder. This creates an undesirable capacitance between the sensor electrodes and the encoder shaft. The encoder shaft is normally electrically connected to the encoder housing. This housing is not always at the potential of the encoder power supply. As a result, unwanted interference voltages can be superimposed on the measuring voltage. With a suitable design, both values assume the same capacity. The signal source 51 , FIG. 2 represents the interference voltage that is injected via the shaft. The interference voltage is coupled in via capacitors 52 and 53 on sensor and coupling electrodes. It can easily be seen that the interference voltages at the inputs of the amplifier 50 assume the same values, because the capacitances 52 and 53 , 48 and 49 as well as the sums from the capacitances 30 . . 35 and 36 . . 41 are the same. If the interference voltage does not generate a voltage difference at the input of the differential amplifier, no interference voltage superimposed on the useful signal will show at the output of the amplifier.

Der Verlauf der 3 Kurven P1, P2 und P3 aus Fig. 2 ermöglicht eine eindeutige Bestimmung des Winkels über eine volle Umdre hung, einschließlich des Übergangs beim Drehen der Welle über mehr als eine Umdrehung. Dies kann beispielsweise in bekannter Weise (DE 37 11 062 C2) dadurch geschehen, daß zunächst die Werte P1, P2 und P3 miteinander verglichen werden. Aus dem Ver gleich läßt sich ein Bereich ermitteln, in dem eine der 3 Kur ven linear ansteigt, bzw. abfällt. Diesem Bereich wird dann ein Startwert zugeordnet. Zu diesem Startwert wird dann noch der Wert der ermittelten Kurve so addiert, bzw. subtrahiert, daß eine linear ansteigende Funktion entsteht. Diese Methode wird deshalb gewählt, weil der Kurvenverlauf in den Bereichen vor dem Erreichen des Maximal- oder Minimalwerts oder des Null punkts wegen der unvermeidlichen Randeffekte nicht mehr linear ist. Sie hat jedoch den Nachteil, daß bei geringfügigen Abwei chungen der Werte zueinander Unstetigkeiten in der Kennlinie auftreten, weil unter Umständen beim Erreichen eines neuen Be reichs der gerade aktive Wert noch nicht den erwarteten Grenz wert zum neuen Bereich erreicht hat.The course of the 3 curves P1, P2 and P3 from FIG. 2 enables the angle to be clearly determined over a full revolution, including the transition when the shaft is rotated over more than one revolution. This can be done, for example, in a known manner (DE 37 11 062 C2) by first comparing the values P1, P2 and P3. From the comparison, a range can be determined in which one of the 3 curves increases or decreases linearly. A start value is then assigned to this area. The value of the curve determined is then added or subtracted to this starting value in such a way that a linearly increasing function is produced. This method is chosen because the curve in the areas before reaching the maximum or minimum value or the zero point is no longer linear due to the inevitable edge effects. However, it has the disadvantage that discrepancies in the characteristic curve occur with slight deviations of the values from one another, because under certain circumstances, when a new area is reached, the currently active value has not yet reached the expected limit value for the new area.

Eine vorteilhafte Möglichkeit besteht darin, daß die Werte al ler 3 Kurven gleichzeitig auch im nichtlinearen Bereich zur Bildung des Meßwerts herangezogen werden. Dies ist dadurch mög lich, daß sich die Randeffekte gegenseitig weitgehend aufheben. Fig. 5 zeigt eine Meßkurve mit den erkennbaren Abrundungen an den Übergängen von einem linearen Anstieg, bzw. Abfall der Kennlinie zu einem flachen Teil im Maximum, Minimum und im Nullpunkt. Wenn bei einer Drehung des Rotors die Meßelektrode eine Statorelektrode vollständig zu überdecken beginnt, wird gleichzeitig ein Bereich erreicht, der zuvor nicht von einer Meßelektrode überdeckt war. Die Randeffekte beim Eintreten in den Bereich haben einen ähnlichen Verlauf wie bei der vollständigen Überdeckung, so daß sie sich bei einer Addition zu einem linearen Verlauf ergänzen. Damit als Meßwert ein stetig ansteigender Wert aus den einzelnen Teilspannungen erzeugt werden kann, sind die Teilspannungen bei steigender Kennlinie zu addieren und bei fallender Kennlinie zu subtrahieren. Fig. 6 zeigt den Spannungsverlauf der Zwischenwerte PA1, PA2, PA3, die aus den Teilspannungen P1, P2, P3 gewonnen werden. Durch Summierung der 3 Werte PA1, PA2, PA3 entsteht ein Wert ZW. Dieser Wert verläuft linear von einem negativen Wert, der dem Minimum, bzw. dem Maximum der jeweiligen Kurve entspricht, zu einem positiven Wert, der dem nächsten Maximum, bzw. Minimum entspricht. Danach springt der Wert auf einen gleich hohen, jedoch negativen Wert. Als Kriterium für die Erkennung der Steigung der jeweiligen Kennlinie dient der Vergleich der beiden anderen Werte. Für P1 wird P2 mit P3 verglichen usw. Für P1 z. B. gilt, daß die Kennlinie steigt, solange P2 größer als P3 ist. Diese Kriterien dienen gleichzeitig zur Auswahl eines weiteren bis zum nächsten Extremwert konstanten Werts SW Fig. 7, der so zum Wert ZW addiert wird, daß die Kennlinie stetig ansteigt.An advantageous possibility is that the values of all three curves are simultaneously used in the non-linear range to form the measured value. This is possible because the marginal effects largely cancel each other out. FIG. 5 shows a measurement curve with the discernible roundings at the transitions from a linear increase or decrease in the characteristic curve to a flat part in the maximum, minimum and zero point. If, when the rotor rotates, the measuring electrode begins to completely cover a stator electrode, an area is reached which was not previously covered by a measuring electrode. The edge effects when entering the area have a similar course to that of the complete cover, so that they add up to a linear course when added. So that a continuously increasing value can be generated from the individual partial voltages as a measured value, the partial voltages must be added as the characteristic curve increases and subtracted as the characteristic curve falls. Fig. 6 shows the voltage waveform of the intermediate values PA1, PA2, PA3, are obtained from the partial voltages P1, P2, P3. By summing the 3 values PA1, PA2, PA3, a value ZW is created. This value runs linearly from a negative value which corresponds to the minimum or maximum of the respective curve to a positive value which corresponds to the next maximum or minimum. Then the value jumps to an equally high but negative value. The comparison of the other two values serves as a criterion for the detection of the slope of the respective characteristic curve. For P1 P2 is compared with P3 etc. For P1 z. B. applies that the characteristic curve increases as long as P2 is greater than P3. These criteria are also used for selecting one another until the next extreme value constant value SW Fig. 7, which is thus added to the value ZW that the characteristic curve increases steadily.

Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, daß zur Verwendung des gesamten Kennlinienbereichs die Auflösung des Meßsystems doppelt so hoch ist wie bei einem System, bei dem nur Teilbe reiche der Kennlinie verwendet werden.The advantage of this arrangement is that it can be used the resolution of the measuring system of the entire characteristic range is twice as high as in a system in which only partial loads ranges of the characteristic curve can be used.

Es läßt sich leicht erkennen, daß die Spannungswerte so aus zu legen sind, daß die Differenz zwischen Maximum und Minimum gleich dem Gesamtmeßbereich (360°) geteilt durch die Anzahl der Referenzelektroden sein muß. Ebenso muß die Höhe der Stufen der Zusatzspannung, die beim Übergang zum nächsten Bereich addiert wird, diesem Wert entsprechen.It is easy to see that the voltage values look like this too are that the difference between maximum and minimum equal to the total measuring range (360 °) divided by the number of Must be reference electrodes. The height of the steps of the Additional voltage that adds to the transition to the next area will correspond to this value.

Zur Erlangung eines genauen Meßwerts kann in bekannter Weise eine elektronische Regelung eingesetzt werden, mit welcher durch Verändern des Verstärkungsfaktors oder der Speisespannung der Referenzelektroden der Summenwert der 3 Teilspannungen so geregelt werden, daß die Extremwerte mit den theoretisch erfor derlichen Werten übereinstimmen. Alternativ kann durch eine geeignete Division der Meßwert entsprechend über den Summenwert normiert werden. In order to obtain an accurate measured value, it can be done in a known manner an electronic control can be used with which by changing the gain factor or the supply voltage of the reference electrodes the total value of the 3 partial voltages be regulated that the extreme values with the theoretically required such values match. Alternatively, a appropriate division of the measured value according to the total value be standardized.

Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß die Unstetigkeiten beim Übergang von einem Bereich zum nächsten be hoben werden können. Dies geschieht dadurch, daß die Maximal- und Minimalwerte von P1, P2 und P3 geringfügig größer gehalten werden, als für die Summierung der Meßwerte zur Erreichung der Meßgrößen notwendig ist, und diese Werte auf den theoretischen Maximal- und Minimalwert (Meßbereich geteilt durch Anzahl der Statorelektroden) begrenzt werden. Damit werden eine modifi zierte Kurven P1', P2' und P3' erzeugt. Diese Kurven sind ste tig und haben in den Umschaltpunkten exakt den für die Summie rung am Umschaltpunkt erforderlichen Wert. Dadurch wird zwar eine geringe Verfälschung der Kennlinie hervorgerufen, diese Maßnahme aber gewährleistet die Erzeugung einer stetigen Meß kurve. Daneben besteht noch die Möglichkeit, durch Regelung der Signalamplituden oder durch geeignete Divisionsverfahren am den Umkehrpunkten genau-theoretisch erforderlichen Wert zu erzie len.Another advantage of this method is that the Discontinuities in the transition from one area to the next can be lifted. This happens because the maximum and Minimum values of P1, P2 and P3 kept slightly larger be considered as for the summation of the measured values to achieve the Measured variables are necessary, and these values on the theoretical Maximum and minimum value (measuring range divided by number of Stator electrodes) are limited. It will be a modifi ornamental curves P1 ', P2' and P3 'generated. These curves are ste and have exactly the same for the summation in the switching points value at the switchover point. This will a slight falsification of the characteristic, this However, measure ensures the generation of a constant measurement Curve. There is also the option of regulating the Signal amplitudes or by suitable division methods on the To achieve reversal points the theoretically required value len.

Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungs beispiels für den mechanischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Winkelgebers in einer einfachen Ausführung. In einem Gehäuse 54 aus einem Isolierstoff, das im Innenbereich mit einer leitfähi gen Beschichtung versehen ist, ist eine Leiterplatte 56 einge setzt, die auf ihrer Unterseite die Referenzelektroden 57. .62 und die Koppelelektroden 64 und 65 und Schirmflächen in Form von einer gedruckten Schaltung aufweist. Diese Leiterflächen sind mit den Bauteilen der Auswerteschaltung auf der Oberseite elektrisch verbunden. Fig. 8b zeigt eine Ansicht auf die Unterseite der Leiterplatte 56. Die Flächen 57. .62 stellen die Referenzelektroden dar, welche den Elektroden 2. .7 in Fig. 1 entsprechen; die Ringe 64 und 65 sind die Koppelelektroden entsprechend 14 und 15 Fig. 1. Die Fläche 63 dient zur Abschirmung und ist wie der leitfähige Überzug des Innenraums 63 an den elektrischen Bezugspunkt der Auswerteschaltung angeschlossen. Fig. 8 shows a schematic representation of an embodiment example for the mechanical structure of an angle encoder according to the invention in a simple embodiment. In a housing 54 made of an insulating material, which is provided in the interior with a conductive coating, a circuit board 56 is inserted, the reference electrodes 57 on its underside. . 62 and the coupling electrodes 64 and 65 and screen surfaces in the form of a printed circuit. These conductor surfaces are electrically connected to the components of the evaluation circuit on the top. Fig. 8b shows a view of the underside of the circuit board 56. Areas 57 . . 62 represent the reference electrodes which correspond to the electrodes 2 . . 7 in Fig. 1 correspond; the rings 64 and 65 are the coupling electrodes corresponding to 14 and 15 Fig. 1. The surface 63 serves for shielding and, like the conductive coating of the interior 63, is connected to the electrical reference point of the evaluation circuit.

Im Gehäuse 54 ist der Rotor 67 mit der Welle 66 mit Hilfe des Lagers 55 drehbar gelagert. Auf der Oberfläche des Drehkörpers 67 aus Isolierstoff sind die leitfähigen Flächen 68. .70 aufge bracht. Die Flächen 68 und 69 sind die Sensorelektroden, ent sprechend 10 und 11 von Fig. 1. Die Ringe 70 und 71 stellen die Koppelelektroden (entsprechend 14, 15 in Fig. 1) dar und sind mit den Sensorelektroden 68 und 69 elektrisch verbunden. Die Sensorelektroden 68 und 69 liegen den Referenzelektroden gegenüber und bilden von der Winkelstellung des Rotors abhängige Kapazitäten mit den Statorelektroden 57. .62. Die Elektroden 70 und 71 liegen den Elektroden 64 und 65 gegenüber und übertragen die von den Referenzelektroden in die Sensorelektroden 68 und 69 eingekoppelte Meßspannung an die Auswerteschaltung.The rotor 67 is rotatably mounted in the housing 54 with the shaft 66 with the aid of the bearing 55 . The conductive surfaces 68 are on the surface of the rotating body 67 made of insulating material. . 70 brought up. The surfaces 68 and 69 are the sensor electrodes, accordingly 10 and 11 of Fig. 1. The rings 70 and 71 represent the coupling electrodes (corresponding to 14, 15 in Fig. 1) and are electrically connected to the sensor electrodes 68 and 69 . The sensor electrodes 68 and 69 lie opposite the reference electrodes and form capacitances with the stator electrodes 57 that are dependent on the angular position of the rotor. . 62 . The electrodes 70 and 71 lie opposite the electrodes 64 and 65 and transmit the measurement voltage coupled into the sensor electrodes 68 and 69 from the reference electrodes to the evaluation circuit.

Die dargestellte Mechanik zeigt nur eine sehr einfache Ausfüh rung eines erfindungsgemäßen Winkelgebers. Der Vorteil dieses Aufbaus liegt darin, daß bei einem sehr einfachen mechanischen Aufbau gleiche und teilweise bessere Leistungsmerkmale erzielt werden, als bei einem Geber mit einfacher Sensorelektrode, die zwischen zwei Statorleiterplatten (DE 37 11 062, Fig. 3a, 3b) geführt wird. Weitere Verbesserungen der Genauigkeit lassen sich durch zweiseitigen Aufbau und/oder durch zylinderförmige Elektroden erreichen.The mechanics shown only shows a very simple embodiment of an angle encoder according to the invention. The advantage of this design is that the same and sometimes better performance characteristics are achieved with a very simple mechanical design than with an encoder with a simple sensor electrode which is guided between two stator circuit boards (DE 37 11 062, Fig. 3a, 3b). Further improvements in accuracy can be achieved by means of two-sided construction and / or by means of cylindrical electrodes.

Fig. 9 zeigt in einer schematische Darstellung eine Anordnung zur Wegmessung nach dem oben beschriebenen Verfahren. In einem Gehäuse 72, sind senkrecht stehend isoliert die Referenz elektroden 73. . .80 und 81. .88 in zwei gegenüberliegenden Reihen angeordnet. Sie entsprechen den Referenzelektroden 2. .7 von Fig. 1. Da eine Sensorelektrode bei einer linearen Anordnung eine Statorelektroden im Gegensatz zur Anordnung für eine Winkelmessung nur einmal überstreichen kann, ist für jede der beiden Meßelektroden 90, 91 eine eigene Reihe von gegenüberlie genden Statorelektroden vorgesehen. Der eigentliche Meßbereich umfaßt die Breite von 6 Referenzelektroden 74. . .79, bzw. 82. . .87. Die Randelektroden 73, 80, 81 und 88 dienen dazu, die Kennlinie so zu vervollständigen, daß sie wie eine Kennlinie eines Win kelgebers erscheint. Auf Führungselementen 97 ist der Meß schlitten 96 verschieblich gelagert. Das von der Anordnung ab gegebene Meßsignal gibt die Stellung dieses Schlittens 96 ge genüber dem Gehäuse 72 wieder. Auf dem- Meßschlitten 96 sind die beiden Sensorelektroden 90 und 91 gegeneinander isoliert senkrecht stehend so aufgebaut, daß sie in einem kleinen definierten Abstand an den Statorelektroden 73. . .80, bzw. 81. .88 verbeigeführt werden. Die Meßelektrode 90 ist mit den Koppelelektroden 92, Meßelektrode 91 mit Koppelelektrode 93 elektrisch verbunden. Die Koppelelektroden 92, 93 wiederum werden parallel zu den im Gehäuse 72 isoliert senkrecht aufgebauten Koppelelektroden 94, bzw. 95 in geringem Abstand angeordnet. Die feststehenden Koppelelektroden 94, 95 sind mit den beiden Eingänge des Differenzverstärker 99 elektrisch verbunden. Die Statorelektroden 73. . .88 werden durch die Auswerteelektronik 98 so gespeist, daß gegenüberliegende Elektroden jeweils entgegengesetzte Spannungsimpulse erhalten. Dies entspricht einem Versatz um 180° bei einem Winkelgeber nach Fig. 1. Die Tabelle zeigt das Anschlußschema der Statorelektroden
Fig. 9 shows a schematic representation of an arrangement for distance measurement according to the method described above. In a housing 72 , the reference electrodes 73 are insulated vertically. . . 80 and 81 . . 88 arranged in two opposite rows. They correspond to the reference electrodes 2 . . 7 of Fig. 1. Since a sensor electrode in a linear arrangement can sweep a stator electrodes in contrast to the arrangement for an angle measurement only once, a separate row of opposing stator electrodes is provided for each of the two measuring electrodes 90 , 91 . The actual measuring range comprises the width of 6 reference electrodes 74 . . . 79 or 82 . . . 87 . The edge electrodes 73 , 80 , 81 and 88 serve to complete the characteristic so that it appears as a characteristic of a win kelgebers. On guide elements 97 , the measuring carriage 96 is slidably mounted. The measurement signal given by the arrangement indicates the position of this carriage 96 in relation to the housing 72 . On the measuring carriage 96 , the two sensor electrodes 90 and 91 are constructed so that they stand vertically isolated from each other so that they are at a small defined distance from the stator electrodes 73 . . . 80 or 81 . . 88 are brought about. The measuring electrode 90 is electrically connected to the coupling electrodes 92 , measuring electrode 91 to the coupling electrode 93 . The coupling electrodes 92 , 93, in turn, are arranged parallel to the coupling electrodes 94 , 95, which are vertically insulated in the housing 72 , at a short distance. The fixed coupling electrodes 94 , 95 are electrically connected to the two inputs of the differential amplifier 99 . The stator electrodes 73 . . . 88 are fed by the evaluation electronics 98 in such a way that opposite electrodes each receive opposite voltage pulses. This corresponds to an offset of 180 ° in the case of an angle encoder according to FIG. 1. The table shows the connection diagram of the stator electrodes

Die Anordnung ergibt den gleichen Signalverlauf wie in Fig. 5. über den Meßweg und nach Umsetzung entsprechend Fig. 6 und Fig. 7 ein lineares Ausgangssignal über den Weg. Nach Überfahren der 6 Referenzelektroden springt die Kennlinie allerdings wieder auf 0. Dies ist zwar bei einer absoluten Winkelmessung erforderlich, bei einer Wegmessung würde dies zu einer unzuläs sigen Mehrdeutigkeit führen. Daher ist die Speisespannung der letzten Statorelektroden 80 und 88 durch eine zusätzliche Schaltung 100 und 101 so z. B. durch einen separaten Taktzyklus T1A, T4A gekennzeichnet, so daß erkannt werden kann, ob der Meß schlitten im Anfangs- oder Endbereich steht.The arrangement provides the same waveform as in Fig. 5. over the measurement path and after conversion corresponding to Fig. 6 and Fig. 7 a linear output signal over the path. After passing over the 6 reference electrodes, however, the characteristic curve jumps back to 0. This is necessary for an absolute angle measurement, for a distance measurement this would lead to an impermissible ambiguity. Therefore, the supply voltage of the last stator electrodes 80 and 88 by an additional circuit 100 and 101 so z. B. characterized by a separate clock cycle T1A, T4A, so that it can be recognized whether the measuring slide is in the start or end range.

Claims

1. Position measuring device for absolute angle and displacement measurement comprising a capacitive measuring sensor with at least one stator, which has mutually insulated reference electrode surfaces, and a rotationally or linearly movable sensor relative to the stator and an evaluation circuit which feeds the reference electrodes with alternating voltages required for the evaluation which converts the signal emitted by the encoder into a signal corresponding to the angle or path and emits it to a measuring output, characterized in that the sensor has two measuring electrodes which are insulated from one another and each have a reference electrode region offset by half a measuring period by capacitive voltage division of the potentials of the respective scan opposite reference electrodes, and capacitively transfer their potentials to the evaluation circuit by means of two separate electrodes electrically connected to the electrodes connected to the stator be.

2. Position measuring device for angle measurement according to claim 1, characterized in that the central angle of the Measuring electrode area larger than the central angle of an individual Is reference electrode.

3 position measuring device for displacement measurement according to claim 1, characterized in that the width of the Measuring electrode area larger than the width of a single Is reference electrode.

4. Position measuring device according to claim 1, characterized records that the central angle of the measuring electrode surface is so small is that a reference electrode area is not simultaneously from both measuring electrodes is covered.

5. Position measuring device for displacement measurement according to claim 1, characterized in that an additional facility is provided for recognizing the start and end range.

6. Position measuring device for displacement measurement according to claim 1, characterized in that the arrangement over the measuring path the reference voltage areas are repeated periodically.

7. position measuring device for displacement measurement according to claim 7, characterized in that additional devices for Detection of the measurement period can be provided.

8. Position measuring device according to claim 1, characterized shows that the voltage difference between the Forms measuring electrodes and coupling electrodes to the stator transferred, is used for evaluation.

9. Position measuring device according to claim 1, characterized records that the reference electrodes through the evaluation scarf tion are fed so that the individual reference electro the or of individual opposing reference electrodes pair voltages transmitted into the measuring electrodes individually as Partial values can be recorded.

10. Position measuring device according to claim 9, characterized characterized in that the individually recorded partial values to a individual path or angle values can be summarized that one between the extreme values of each Partial values constant predetermined value each individual partial value if the characteristic curve increases via path or angle and positive at falling characteristic is added negatively so that there is a characteristic curve continuously increasing with the path or angle results.

11. Position measuring device according to claim 10, characterized characterized in that to determine the slope of each Characteristic curves of at least two other partial values with each other compare values.

12. Position measuring device according to claim 9 to 11, characterized characterized in that the sum of the absolute values of the partial values as a reference measure for the evaluation of the individual partial values is used.

13. Position measuring device according to claim 9 to 12, characterized characterized in that the sum of the absolute values by a Control the gain of the input amplifier or the height the supply voltage of the reference electrodes kept constant becomes.

14. Position measuring device according to claim 10, characterized characterized that the amount of the partial values is limited.