DE19806290C2 - Integrierte Entfernungsmeßschaltung - Google Patents
Integrierte EntfernungsmeßschaltungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte
Entfernungsmessschaltung, welche die Position in bezug auf
ein leitfähiges Material wie beispielsweise Metall exakt
feststellen kann, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
Eine derartige integrierte Entfernungsmessschaltung ist
bekannt aus DE 42 13 866 A1. Insbesondere ist ein
Positionssensor zum Erfassen linearer und rotatorischer
Bewegungen mit hoher Auflösung beschrieben. Hierzu ist, eine
Anzahl von Induktivitäten flächig in linearer Anordnung oder
entlang eines Kreises aufgebracht. Sie dienen als
frequenzbestimmende Elemente für mehrere Oszillatoren. Ihre
Induktivitätswerte werden durch Anwesenheit von metallischen
Gegenständen beeinflusst, wodurch gleichzeitig die
Oszillationsfrequenzen beeinflusst werden. Unterschiedliche
Werte für die Oszillationsfrequenzen dienen als Kennwert für
das gesuchte Positionssignal.
Die Technik der Feststellung der Position in bezug auf ein
leitfähiges Material wurde bei verschiedenen
Industriemaschinen eingesetzt. Eine integrierte
Entfernungsmessschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung
lässt sich daher im gesamten Gebiet der industriellen
Fertigung einsetzen. Wird die integrierte
Entfernungsmessschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung zur
Messung der Position eines Roboterarms verwendet, so lässt
sich eine äußerst exakte Steuerung des Roboterarms erzielen.
Aus diesem Grund kann die integrierte
Entfernungsmessschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung bei
sämtlichen Herstellungsvorgängen eingesetzt werden, die unter
Verwendung eines Roboters ablaufen. Darüber hinaus lässt
sich, wenn die integrierte Entfernungsmessschaltung gemäß der
vorliegenden Erfindung in einem Positionsdetektor aufgenommen
ist, eine äußerst genaue Druckmessung erzielen.
Allgemein unterteilt sich eine elektronische Schaltung in
zwei Schaltungen, nämlich eine Schaltung aus konzentrierten
idealen Elementen und eine verteilte Schaltung. Die Schaltung
aus konzentrierten idealen Elementen wird durch eine normale
Differentialgleichung beschrieben, und die verteilte
Schaltung wird durch eine partielle Differentialgleichung
beschrieben. Daher unterscheidet sich der mathematische
Ausdruck für die Schaltung aus konzentrierten idealen
Elementen vollständig von jenem für die verteilte Schaltung.
Eine Schaltung aus konzentrierten idealen Elementen wird für
beinah sämtliche vorbekannten Einrichtungen zur
Entfernungsmessung eingesetzt. Die verteilte Schaltung wird
in der integrierten Entfernungsmeßschaltung gemäß der
vorliegenden Erfindung verwendet.
Bei der Schaltung aus konzentrierten idealen Elementen sind
die Induktivität, die Kapazität und der Widerstand der
Elemente zeitlich konstant, und ändern sich diese Werte
nicht, selbst wenn sich die Frequenz ändert. Andererseits ist
es bei der verteilten Schaltung möglich, daß sich deren
Kapazität und Induktivität infolge des Skin-Effekts
entsprechend ändern, wenn die Frequenz geändert wird. Die
integrierte Entfernungsmeßschaltung gemäß der vorliegenden
Erfindung nutzt die Änderung der Schaltungsparameter der
verteilten Schaltung. Nach Kenntnis des Erfinders der
vorliegenden Erfindung gibt es mit Ausnahme der
erfindungsgemäßen integrierten Entfernungsmeßschaltung keine
Einrichtung zur Messung der Entfernung, welche eine verteilte
Schaltung verwendet.
Als Einrichtungen zur Messung der Entfernung gibt es im
wesentlichen zwei Typen, wobei einerseits ein optisches Gerät
und andererseits ein elektromagnetisches Gerät eingesetzt
wird. Eine Einrichtung nach dem Stand der Technik zur Messung
der Entfernung, welche die stärkeren Ähnlichkeiten mit der
vorliegenden Erfindung aufweist, setzt ein Verfahren zur
elektromagnetischen Feststellung der Position ein. Zur
elektromagnetischen Positionsbestimmung gibt es zwei
Verfahren, nämlich das Verfahren, bei welchem die
elektromagnetische Induktion verwendet wird, sowie das
Verfahren der elektrostatischen Kopplung. Diese Verfahren
verwenden die Schaltung aus konzentrierten idealen Elementen.
Dagegen weist die integrierte Entfernungsmeßschaltung gemäß
der vorliegenden Erfindung eine verteilte Schaltung auf. Das
Grundprinzip der integrierten Entfernungsmeßschaltung gemäß
der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich daher
grundsätzlich von den im Stand der Technik eingesetzten
Vorgehensweisen. Als nächstes wird eine Einrichtung nach dem
Stand der Technik zur Messung der Entfernung beschrieben.
Die elektromagnetische Einrichtung nach dem Stand der Technik
zur Messung der Entfernung verwendet einen Induktor, der
durch dreidimensionale Wicklung von Drähten ausgebildet wird.
Normalerweise wird der Induktor dadurch hergestellt, daß
Kupferdrähte um ein magnetisches Material wie beispielsweise
Ferrit herumgewickelt werden.
In Fig. 1 ist ein Beispiel für eine Einrichtung zur Messung
der Entfernung dargestellt, die einen dreidimensional
ausgebildeten Induktor verwendet. Der dreidimensional
ausgebildete Induktor wird dadurch hergestellt, daß Spulen um
ein magnetisches Material 21 herumgewickelt werden. In den
Spulen fließt ein Wechselstrom. Nähert sich der Ferrit 22 dem
dreidimensionalen Induktor, so ändert sich der in den Spulen
fließende Strom. Die Entfernung zwischen dem Ferrit 22 und
dem magnetischen Material 21 wird durch Messung der Änderung
des Stroms festgestellt.
Die Einrichtung zur elektromagnetischen Entfernungsmessung
unter Einsatz von Spulen weist folgende Nachteile auf.
- 1. Es ist eine relativ hohe elektrische Energie zur Erzeugung eines Magnetflusses infolge eines Stromflusses in den Spulen erforderlich, und daher ist eine große Stromversorgungsquelle erforderlich.
- 2. Das Ausmaß der Wärmeerzeugung wird groß, infolge des hohen Stroms, der in den Spulen fließt.
- 3. Durch den austretenden Magnetfluß wird Rauschen erzeugt. (4) Der Kostenaufwand ist hoch, da ein Vorgang zum Wickeln leitfähiger Drähte erforderlich ist.
- 4. Es ist unmöglich, die Einrichtung klein auszubilden, infolge der dreidimensionalen Wicklung der leitfähigen Drähte.
- 5. Die Meßgenauigkeit läßt sich nicht erhöhen, da die magnetische Schaltung ein magnetisches Material wie beispielsweise Ferrit enthält.
- 6. Es läßt sich keine Messung mit hoher Geschwindigkeit durchführen, infolge des Einsatzes eines niederfrequenten Stroms.
Bei der erfindungsgemäßen integrierten
Entfernungsmeßschaltung fließt ein Wechselstrom, der sich
periodisch ändert, in einen zweidimensional angeordneten
ebenen Induktor. Im allgemeinen gibt es zwei Arten
zweidimensional angeordneter ebener Induktoren, nämlich den
Mäandertyp und den Spiraltyp. In Fig. 2 ist ein Beispiel für
einen zweidimensional angeordneten ebenen Induktor 1 des
Mäandertyps dargestellt, der sich auf der Oberfläche eines
Isolators 3 befindet. Der zweidimensional angeordnete ebene
Induktor 1 wird unter Verwendung von leitfähigem Material wie
beispielsweise Kupfer hergestellt. Der Isolator 3 wird
normalerweise durch Leiterplattenmaterial gebildet,
beispielsweise Papier, Phenol und Glas-Epoxidharz.
In Fig. 3 ist ein Beispiel für einen zweidimensional
angeordneten ebenen Induktor 31 des Spiraltyps dargestellt,
der sich auf der Oberfläche eines Isolators 33 befindet.
Strom mit extrem hoher Frequenz fließt in den zweidimensional
angeordneten ebenen Induktor, der bei der integrierten
Entfernungsmessschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung
eingesetzt wird. Normalerweise wird Hochfrequenz von 30 MHz
bis 1000 MHz verwendet. Bei Verwendung einer derartig extrem
hohen Frequenz fließt der Strom nur auf der Oberfläche eines
Leiters, jedoch nicht in dessen Innerem. Dieses Phänomen wird
als "Skin-Effekt" bezeichnet. Da Hochfrequenz zur Messung der
Entfernung mit hoher Geschwindigkeit verwendet wird, können
infolge des Skin-Effekts nur derartige Effekte genutzt
werden, die um die Oberfläche des ebenen Induktors herum
auftreten. Nachstehend wird ein Vergleich zwischen
leitfähigem Material durchgeführt, welches sich an die
Oberfläche des zweidimensional angeordneten ebenen Induktors
bzw. an die Oberfläche eines dreidimensional angeordneten
Induktors annähert.
Bei einer Entfernungsmeßeinrichtung, bei welcher das
leitfähige Material nahe an sämtliche Oberflächen des
dreidimensional angeordneten Induktors gebracht wird, wird
der Aufbau der Einrichtung extrem kompliziert. Bei dem
dreidimensional angeordneten Induktor kann daher nur eine der
sechs Oberflächen genutzt werden, und lassen sich die
Induktivitäten der Induktoren an den anderen Oberflächen
nicht ändern. Dagegen läßt sich unter Verwendung eines
einfachen Aufbaus erzielen, daß das leitfähige Material nahe
an die Oberfläche des zweidimensional angeordneten ebenen
Induktors gebracht wird. Wenn die Entfernung zwischen dem
leitfähigen Material und dem ebenen Induktor verringert wird,
gelangen diese beiden Teile in elektrostatische Kopplung. Es
ist unmöglich, wirksam die gesamte elektrostatische Kopplung
einzusetzen, die auf den Oberflächen des dreidimensional
angeordneten Induktors erzeugt wird, jedoch möglich, diese
wirksam auf der Oberfläche des zweidimensional angeordneten
ebenen Induktors zu nutzen. Die Induktivität des Induktors
wird durch den Ausgleich infolge des elektromagnetisch
induzierten Stroms verringert. Die Änderungsrate der
Induktivität des dreidimensional angeordneten Induktors ist
niedriger als die Änderungsrate der Induktivität des
zweidimensional angeordneten Induktors. Daher läßt sich unter
Verwendung des zweidimensional angeordneten ebenen Induktors
eine höhere Empfindlichkeit erzielen, als bei Verwendung des
dreidimensional angeordneten Induktors. Dies führt dazu, daß
eine Verringerung der Meßzeit dadurch erreicht werden kann,
daß man einen Hochfrequenzstrom in dem zweidimensional
angeordneten ebenen Induktor fließen läßt, und läßt sich eine
äußerst exakte integrierte Entfernungsmeßschaltung dadurch
realisieren, daß die elektrostatische Induktion wirksam
genutzt wird, die auf der Oberfläche des zweidimensional
angeordneten Induktors hervorgerufen wird.
Es gibt ein Verfahren zur optischen Feststellung der Position
unter Verwendung eines optischen Gerätes wie beispielsweise
eines Lasers. Die integrierte Entfernungsmeßschaltung gemäß
der vorliegenden Erfindung führt jedoch eine
elektromagnetische Messung der Position durch, und setzt
daher keine optische Vorgehensweise ein. Eine Einrichtung zur
Messung der Entfernung mit einem optischen Gerät weist
folgende Nachteile auf.
- 1. Eine erhebliche Menge an elektrischer Energie ist für ein Lichterzeugungselement und ein Lichtempfangselement erforderlich.
- 2. Die lichtaussendenden und lichtempfangenden Elemente führen zu einem komplizierten Aufbau, und daher ist es schwierig, die Entfernungsmeßeinrichtung klein auszubilden.
- 3. Der Kostenaufwand ist hoch, da kostengünstiges Silizium nicht zur Herstellung der lichtaussendenden und lichtempfangenden Bauteile verwendet werden kann.
- 4. Es ist schwierig, das von dem lichtaussendenden Element ausgesandte Licht exakt auf das Lichtempfangselement auftreffen zu lassen.
Bei einer Entfernungsmeßeinrichtung, die den dreidimensional
ausgebildeten Induktor verwendet, wird der magnetische Fluß
benutzt, der von dem in dem Induktor fließenden Strom erzeugt
wird. Nähert sich das leitfähige Material dem dreidimensional
ausgebildeten Induktor, so geht der erzeugte Magnetfluß durch
das leitfähige Material hindurch, und fließt ein Wirbelstrom
in dem leitfähigen Material infolge des Effekts der
elektromagnetischen Induktion. Durch diesen Effekt wird der
dreidimensional ausgebildete Induktor elektromagnetisch an
das leitfähige Material angekoppelt. Die Stärke der
elektromagnetischen Kopplung zwischen dem dreidimensional
ausgebildeten Induktor und dem leitfähigen Material ist
umgekehrt proportional zur Entfernung zwischen diesen Teilen.
Die Stärke der erzeugten elektromagnetischen Kopplung wird
durch Messung des in dem Induktor fließenden Stroms gemessen.
Daher kann die Entfernung zwischen dem dreidimensional
ausgebildeten Induktor und dem leitfähigen Material auf der
Grundlage der Ergebnisse der Messung des in dem Induktor
fließenden Stroms gemessen werden. Der dreidimensional
ausgebildete Induktor kann daher als integrierte Schaltung
zur Messung der Entfernung den erzeugten Magnetfluß benutzen.
Bei Verwendung des dreidimensionalen Induktors kann daher nur
eine Oberfläche des dreidimensionalen Induktors, zu welcher
der erzeugte Magnetfluß hingeht, als Einrichtung zur Messung
der Entfernung verwendet werden, und die anderen Oberflächen
können nicht benutzt werden. Daher ist ein hoher Strom zur
Erzeugung eines starken Magnetflusses zur Erhöhung der
Empfindlichkeit der Entfernungsmeßeinrichtung erforderlich.
Fließt jedoch ein hoher Strom in dem Induktor, so wird der
elektrische Energieverbrauch groß. Bei einem hohen
elektrischen Energieverbrauch weist die
Entfernungsmeßeinrichtung folgende Nachteile auf.
- 1. Es ist eine große Stromversorgung erforderlich.
- 2. Wird der elektrische Energieverbrauch groß, so ergibt sich eine starke Wärmeerzeugung, was zu einer hohen Temperatur führt. Dies kann sich so auswirken, daß elektronische Schaltungen in der Umgebung nicht normal arbeiten können.
- 3. Maschinen in der Umgebung werden durch das Rauschen beeinflußt, welches durch den starken Magnetfluß hervorgerufen wird.
Angesichts der voranstehenden Überlegungen sind eine
Verringerung des in dem Induktor fließenden Stroms und eine
Erhöhung der Empfindlichkeit dazu erforderlich, eine sehr
genau Entfernungsmeßeinrichtung herzustellen. Aus diesem
Grund ist die elektrostatische Kopplung, die nur einen
kleinen Strom erfordert, der elektromagnetischen Kopplung
vorzuziehen, die zum wirksamen Arbeiten einen hohen Strom
benötigt. Daher wird der Induktor zur Entfernungsmessung
elektrostatisch an das leitfähige Material angekoppelt. Der
Induktor zur Messung der Entfernung weist einen
zweidimensionalen Aufbau auf, so daß die elektrostatische
Kopplung wirksam genutzt werden kann. Wird das leitfähige
Material nahe an den zweidimensional ausgebildeten ebenen
Induktor gebracht, so nimmt die elektrostatische Kopplung ein
Maximum an, erhöht sich die Empfindlichkeit des ebenen
Induktors zur Messung der Entfernung, und erreicht der
Verbrauch an elektrischer Energie ein Minimum. Wenn der
zweidimensional ausgebildete ebene Induktor elektrostatisch
an das leitfähige Material angekoppelt wird, werden ein
leitfähiger Teil des zweidimensional ausgebildeten ebenen
Induktors und das leitfähige Material in der Auswirkung zu
Kondensatoren. Der leitfähige Teil des zweidimensional
ausgebildeten ebenen Induktors wird daher eine Elektrode des
verteilten Kondensators, und das leitfähige Material dessen
andere Elektrode. Im allgemeinen wird, wenn die Frequenz des
in einer Schaltung fließenden Stroms erhöht wird, der in dem
Kondensator fließende Strom erhöht, und der in dem ebenen
Induktor fließende Strom verringert. Wenn die Entfernung
zwischen dem zweidimensional ausgebildeten ebenen Induktor
und dem leitfähigen Material gering ist, wird die
Induktivität des zweidimensional ausgebildeten Induktors
entsprechend verringert, infolge der erhöhten Kapazität des
verteilten Kondensators. Daher steigt die Frequenz eines
Oszillators an, nämlich wegen der verringerten Induktion. Die
Änderung der Entfernung zwischen dem zweidimensional
ausgebildeten ebenen Induktor und dem leitfähigen Material
kann daher durch Feststellung der Frequenzänderung gemessen
werden.
Die Entfernungsmeßeinrichtung ist meist im Inneren eines
Roboters oder einer Maschine im Gebrauch aufgenommen. Die
Anforderungen, welche die Entfernungsmeßeinrichtung erfüllen
muß, sind nachstehend aufgeführt.
- 1. Der Aufbau ist einfach.
- 2. Der Kostenaufwand ist gering.
- 3. Die Abmessungen sind gering, und das Gewicht ist ebenfalls gering, infolge eines beschränkten Raums für die Anbringung.
- 4. Die Meßempfindlichkeit ist hoch.
- 5. Eine Messung bei hoher Geschwindigkeit ist möglich.
- 6. Es ist möglich, eine integrierte Schaltung auszubilden.
- 7. Das von der integrierten Entfernungsmessschaltung erzeugte Rauschen ist gering.
- 8. Der elektrische Energieverbrauch ist gering.
Ein technisches Problem der vorliegenden Erfindung besteht
demnach in der Bereitstellung einer
Entfernungsmesseinrichtung, welche die voranstehend
geschilderten Anforderungen erfüllt.
Dieses technische Problem wird erfindungsgemäß durch eine
integrierte Entfernungsmessschaltung mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst, und einem in einem Gehäuse
aufgenommenen Oszillator sowie einem ebenen Induktor auf, der
auf der Oberfläche des den Oszillator aufnehmenden Gehäuses
angeordnet ist, und der an den Oszillator angeschlossen ist,
um so die Frequenz des Oszillators festzulegen. Die
Abmessungen des Induktors sind durch die Abmessungen des
Gehäuses begrenzt. Nähert sich ein leitfähiges Material an
die Oberfläche des Gehäuses der integrierten Schaltung an,
wird die Frequenz des Oszillators über den ebenen Induktor
geändert. Die Annäherungsentfernung des leitfähigen Materials
kann durch Messung der Frequenzänderung festgestellt werden.
Das leitfähige Material ist meist ein Metall, jedoch kann die
integrierte Entfernungsmessschaltung gemäß der vorliegenden
Erfindung die Annäherungsentfernung auch eines
nichtmetallischen leitfähigen Materials messen,
beispielsweise einer leitfähigen Flüssigkeit.
Bei der integrierten Entfernungsmessschaltung ist die
Oszillatorfrequenz normalerweise größer als 30 MHz, und liegt
vorzugsweise zwischen 30 MHz und 1000 MHz.
Beim Vergleich einer Einrichtung nach dem Stand der Technik,
die einen dreidimensional ausgebildeten Induktor verwendet,
mit der integrierten Entfernungsmeßschaltung gemäß der
vorliegenden Erfindung, bei welcher der zweidimensional
ausgebildete ebene Induktor auf der Oberfläche des Gehäuses
der integrierten Schaltung angeordnet ist, stellen sich
folgende Merkmale der integrierten Entfernungsmeßschaltung
gemäß der vorliegenden Erfindung heraus.
- 1. Der ebene Induktor der integrierten Entfernungsmeßschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung kann unter Einsatz eines Druckverfahrens hergestellt werden. Daher läßt sich eine Massenproduktion des ebenen Induktors bei niedrigem Kostenaufwand erreichen. Im Gegensatz hierzu ist zur Herstellung des dreidimensional ausgebildeten Induktors der Vorgang des Wickelns leitfähiger Drähte erforderlich, was zu hohen Kosten führt.
- 2. Der zweidimensional ausgebildete ebene Induktor kann kleine Abmessungen aufweisen und dünn auf der Oberfläche des Gehäuses der integrierten Schaltung angeordnet sein, infolge seiner ebenen Form. Aus diesem Grund kann die gesamte integrierte Entfernungsmeßschaltung klein ausgebildet werden. Im Gegensatz hierzu ist es schwierig, den dreidimensional ausgebildeten Induktor klein auszubilden.
- 3. Der zweidimensional ausgebildete ebene Induktor kann wirksam die elektrostatische Kopplung nutzen, infolge seines ebenen Aufbaus. Daher kann der Verbrauch an elektrischer Energie verringert werden. Im Gegensatz hierzu verwendet der dreidimensional ausgebildete Induktor die elektromagnetische Induktion statt der elektrostatischen Kopplung, da die Fläche klein ist, die zur Nutzung der elektrostatischen Kopplung zur Verfügung stände. Dies führt zu einem hohen Verbrauch an elektrischer Energie.
- 4. In der Praxis kann die integrierte Entfernungsmeßschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung industriell in weitem Maße eingesetzt werden, da ein leitfähiges Material wie beispielsweise Metall für zahlreiche Industriemaschinen verwendet wird.
- 5. Die elektrostatische Kopplung, die zwischen dem ebenen Induktor und dem leitfähigen Material hervorgerufen wird, ist stark und wirkt auf kurze Entfernung, da sich der ebene Induktor in zwei Dimensionen erstreckt. Die Induktivität L des ebenen Induktors ändert sich daher entsprechend, und läßt sich daher wirksam nutzen. Daraus ergibt sich eine hohe Meßempfindlichkeit.
- 6. Die integrierte Entfernungsmeßschaltung läßt sich in der produzierenden Industrie in weitem Ausmaß einsetzen, infolge ihres einfachen Aufbaus, ihres geringen Gewichtes und des niedrigen Kostenaufwandes.
- 7. Es ist möglich, eine hohe Auflösung bei der Messung der Entfernung zu erzielen, da sich der ebene Induktor in einer Ebene befindet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch
dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus
welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:
Fig. 1 eine Schrägansicht einer Entfernungsmeßeinrichtung
nach dem Stand der Technik, die einen Induktor verwendet, der
durch dreidimensionale Wicklung leitfähiger Drähte
hergestellt wird;
Fig. 2 eine Schrägansicht eines zweidimensional ausgebildeten
ebenen Induktors des Mäandertyps;
Fig. 3 eine Schrägansicht eines dreidimensional ausgebildeten
ebenen Induktors des Spiraltyps;
Fig. 4 eine Schrägansicht eines ebenen Induktors, der auf der
oberen Oberfläche einer integrierten Entfernungsmeßschaltung
gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
vorgesehen ist;
Fig. 5 eine Schrägansicht mit der Darstellung eines Zustands,
welchem sich leitfähiges Material an einen ebenen Induktor
annähert, der auf einem Isolator auf der oberen Oberfläche
der integrierten Entfernungsmeßschaltung gemäß einer anderen
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angeordnet ist;
Fig. 6 eine Querschnittsansicht eines ebenen Induktors der
integrierten Entfernungsmeßschaltung und des leitfähigen
Materials in Fig. 5 in Richtung der Y-Achse;
Fig. 7 eine Querschnittsansicht mit einer Darstellung eines
Zustands, in welchem sich leitfähiges Material an einen
ebenen Induktor der integrierten Entfernungsmeßschaltung
gemäß Fig. 6 annähert;
Fig. 8 eine Querschnittsansicht eines ebenen Induktors der
integrierten Entfernungsmeßschaltung und des leitfähigen
Materials in Fig. 5 in Richtung der X-Achse;
Fig. 9 eine schematische Darstellung des Stroms, der durch
eine elektrische Ladung erzeugt wird, welche elektrostatisch
in einem ebenen Induktor der integrierten
Entfernungsmeßschaltung und in dem leitfähigen Material von
Fig. 8 induziert wird;
Fig. 10 eine Querschnittsansicht in Richtung der Y-Achse in
einem Fall, in welchem ein Isolator einen ebenen Induktor der
integrierten Entfernungsmeßschaltung gemäß einer weiteren
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abdeckt;
Fig. 11 eine Querschnittsansicht eines Falls, in welchem sich
leitfähiges Material in Horizontalrichtung in bezug auf den
ebenen Induktor der integrierten Entfernungsmeßschaltung
gemäß Fig. 5 bewegt;
Fig. 12 eine Querschnittsansicht eines Falles, in welchem
sich das leitfähige Material in Fig. 11 weiter in
Horizontalrichtung in bezug auf einen ebenen Induktor bewegt,
und den ebenen Induktor in starkem Ausmaß überlappt;
Fig. 13 ein Diagramm der Beziehung zwischen der Entfernung d
und einer Frequenz f eines Oszillators in der integrierten
Entfernungsmeßschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 14 ein Blockschaltbild eines Beispiels für die
integrierte Entfernungsmeßschaltung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 15 ein Schaltbild eines Beispiels für einen Verstärker,
der in der integrierten Entfernungsmeßschaltung von Fig. 14
verwendet wird;
Fig. 16 ein Schaltbild eines Beispiels für ein
Rückkopplungsnetzwerk, welches in der integrierten
Entfernungsmeßschaltung in Fig. 14 verwendet wird;
Fig. 17 eine Querschnittsansicht eines Beispiels für den
Aufbau eines Stiftes bei der ersten Ausführungsform der
integrierten Entfernungsmeßschaltung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 18 ein Schaltbild eines Beispiels für einen Oszillator,
der in einem elektrischen Stift in Fig. 17 aufgenommen ist;
Fig. 19 ein Blockschaltbild zur Erläuterung der Feststellung
der Position einer Positionsmeßspitze, die in dem Stift in
Fig. 17 aufgenommen ist;
Fig. 20 ein Diagramm der Beziehung zwischen der Entfernung x
gegenüber einem Bezugspunkt leitfähigen Materials und einer
Frequenz s eines Oszillators in der integrierten
Entfernungsmeßschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 21 eine Querschnittsansicht des Aufbaus eines filmdicken
Meßgerätes gemäß der zweiten Ausführungsform der integrierten
Entfernungsmeßschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Bei der integrierten Entfernungsmeßschaltung gemäß der
vorliegenden Erfindung ist die Meßempfindlichkeit
vorzugsweise gleichmäßig, wenn die Induktivität L des ebenen
Induktors klein ist. Der zweidimensional ausgebildete ebene
Induktor mit kleiner Induktivität befindet sich auf der
oberen Oberfläche des Gehäuses der integrierten Schaltung.
Eines der Merkmale der integrierten Entfernungsmeßschaltung
gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß der
zweidimensional ausgebildete ebene Induktor auf der oberen
Oberfläche des Gehäuses der integrierten Schaltung angeordnet
ist.
Wie aus Fig. 4 hervorgeht, ist ein zweidimensional
ausgebildeter ebener Induktor 41 auf einem Isolator auf der
oberen Oberfläche einer integrierten Schaltung 42 angeordnet.
Die integrierte Schaltung 42 ist mit einem Gehäuse aus
beispielsweise Kunststoff und Keramik abgedeckt. Der
zweidimensional ausgebildete ebene Induktor 41 ist auf diesen
Isolatoren angeordnet. Eine Anschlußklemme des
zweidimensional ausgebildeten ebenen Induktors 41 ist mit
einem Stift 412 der integrierten Schaltung verbunden. Bei der
vorliegenden Beschreibung sind die X-, Y-, und Z-Achse wie in
Fig. 4 gezeigt festgelegt, um den Fluß des Stroms zu
erläutern, der in dem mäanderförmigen ebenen Induktor fließt.
In Fig. 5 ist eine integrierte Entfernungsmeßschaltung
gezeigt, bei welcher ein Isolator 53 auf der Oberfläche einer
integrierten Schaltung 52 vorgesehen ist, und ein
zweidimensional ausgebildeter ebener Induktor 51 auf dem
Isolator 53 angeordnet ist. Darüber hinaus zeigt Fig. 5 einen
Zustand, in welchem sich leitfähiges Material 510 an den
zweidimensional ausgebildeten ebenen Induktor 51 annähert.
Die Entfernung zwischen dem leitfähigen Material 510 und dem
zweidimensional ausgebildeten ebenen Induktor 51 wird durch
das Bezugszeichen d bezeichnet.
Nähert sich das leitfähige Material 510 dem zweidimensional
ausgebildeten ebenen Induktor 51, so ändert sich der in dem
zweidimensional ausgebildeten Induktor 51 fließende Strom.
Die Entfernung zwischen dem leitfähigen Material 510 und dem
zweidimensional ausgebildeten ebenen Induktor 51 kann dadurch
festgestellt werden, daß die Frequenzänderung eines
Oszillators gemessen wird, der in der integrierten Schaltung
enthalten ist.
Fig. 6 zeigt die elektrostatische Induktion, die
hervorgerufen wird, wenn die Entfernung zwischen dem
leitfähigen Material 510 und dem zweidimensional
ausgebildeten Induktor 51 groß ist. Fig. 6 zeigt eine
Querschnittsansicht in Richtung der Y-Achse und ist gegenüber
Fig. 5 umgekehrt. In Fig. 6 bezeichnet ein durchgezogener
Pfeil den Magnetfluß, der durch den Strom hervorgerufen wird,
und ein gestrichelter Pfeil die elektrostatische Induktion.
Da der in dem zweidimensional ausgebildeten ebenen Induktor
51 fließende Strom klein ist, ist der erzeugte Magnetfluß
gering. Die elektrostatische Induktion wird auf der
Oberfläche des leitfähigen Materials 510 dadurch
hervorgerufen, daß ein Strom in dem zweidimensional
ausgebildeten ebenen Induktor 51 fließt. Wie aus Fig. 6
hervorgeht, ist bei großer Entfernung d der Kapazitätswert
des verteilten Kondensators 511, der zwischen dem leitfähigen
Material 510 und dem zweidimensional angeordneten ebenen
Induktor 51 hervorgerufen wird, infolge des niedrigen
elektrostatischen Induktionseffektes klein. Der Magnetfluß
wird dadurch erzeugt, daß ein Strom in dem zweidimensional
ausgebildeten ebenen Induktor 51 fließt, jedoch ist die
elektromagnetische Kopplung infolge der großen Entfernung d
gering.
Fig. 7 zeigt die elektrostatische Induktion, die
hervorgerufen wird, wenn die Entfernung d zwischen dem
leitfähigen Material 510 und dem zweidimensional
ausgebildeten ebenen Induktor 51 gering ist. In Fig. 7 zeigt
ein durchgezogener Pfeil den Magnetfluß an, der durch Strom
hervorgerufen wird, und zeigt ein gestrichelter Pfeil die
elektrostatische Induktion an. Wie aus Fig. 7 hervorgeht, ist
bei geringfügiger Entfernung d der zweidimensional
ausgebildete ebene Induktor 51 elektrostatisch und stark an
das leitfähige Material 510 angekoppelt. Da die
elektrostatische Induktion groß ist, ist der Kapazitätswert
des verteilten Kondensators 511 groß, der zwischen dem
leitfähigen Material 510 und dem zweidimensional
ausgebildeten ebenen Induktor 51 hervorgerufen wird.
In Fig. 8 ist der verteilte Kondensator 511 dargestellt, der
zwischen dem leitfähigen Material 510 und dem zweidimensional
ausgebildeten ebenen Induktor 51 hervorgerufen wird. Auf der
X-Achse ist die Richtung des Stroms aufgetragen, der in dem
zweidimensional ausgebildeten ebenen Induktor 51 fließt. Fig.
8 zeigt eine Querschnittsansicht in Richtung der X-Achse. An
den zweidimensional ausgebildeten ebenen Induktor 51, der
sich auf dem Isolator 53 befindet, wird eine Spannung
angelegt, und daher eine elektrische Ladung hervorgerufen.
Die erzeugte elektrische Ladung ist durch die Vorzeichen Plus
(+) und Minus (-) bezeichnet. Wenn die Entfernung d zwischen
dem leitfähigen Material 510 und dem zweidimensional
ausgebildeten ebenen Induktor 51 gering ist, wird eine starke
elektrostatische Induktion erzeugt, und dann wird die
Kapazität des verteilten Kondensators 511 groß, der zwischen
dem leitfähigen Material 510 und dem zweidimensional
ausgebildeten ebenen Induktor 51 ausgebildet wird. Infolge
des Effekts der elektrostatischen Induktion wird eine
elektrische Ladung mit entgegengesetztem Vorzeichen im
Vergleich zu jener in dem zweidimensional ausgebildeten
ebenen Induktor 51 in dem leitfähigen Material 510 induziert.
Die elektrische Ladung, die in dem leitfähigen Material 510
induziert wird, wird durch die Symbole (+) und Minus (-)
bezeichnet.
Fig. 9 ist eine Querschnittsansicht des leitfähigen Materials
510 und des zweidimensional ausgebildeten ebenen Induktors 51
in Richtung der X-Achse. Der zweidimensional ausgebildete
ebene Induktor 51 befindet sich auf dem Isolator 53. In dem
zweidimensional ausgebildeten ebenen Induktor 51 fließt ein
Strom i. Infolge des Effekts der elektrostatischen Induktion
wird eine elektrische Ladung mit entgegengesetzten Vorzeichen
im Vergleich zu jener des zweidimensional ausgebildeten
ebenen Induktors 51 in dem leitfähigen Material 510
induziert. Der in dem leitfähigen Material 510 fließende
Strom ist mit dem Bezugszeichen I bezeichnet. Die Richtung
des Stroms I ist entgegengesetzt zu jener des Stroms i. Ist
die Entfernung d gering, so ist der in dem leitfähigen
Material fließende Strom I hoch. Der in dem zweidimensional
ausgebildeten ebenen Induktor 51 fließende Strom i erzeugt
einen Magnetfluß in den umgebenden Raum hinein, und daher
tritt eine elektromagnetische Kopplung zwischen dem erzeugten
Magnetfluß und dem Strom auf, was zu einer Selbstinduktivität
führt. Die Selbstinduktivität entspricht der Induktivität L
des zweidimensional ausgebildeten ebenen Induktors 51.
Andererseits erzeugt auch der Strom I, der in dem leitfähigen
Material 510 fließt, einen Magnetfluß in den umgebenden Raum
hinein. Da die Richtung des Stroms I entgegengesetzt jener
des Stroms i ist, ist die Richtung des von dem Strom I
erzeugten Magnetflusses entgegengesetzt jener des durch den
Strom i erzeugten Magnetflusses. Der von dem Strom i erzeugte
Magnetfluß wird daher durch den von dem Strom I erzeugten
Magnetfluß ausgeglichen, so daß der resultierende Magnetfluß
gering ist. Daher wird die Induktivität L des zweidimensional
ausgebildeten ebenen Induktors 51 entsprechend durch das
leitfähige Material 510 verringert, welches sich an den
zweidimensional ausgebildeten ebenen Induktor 51 annähert.
Wenn nämlich die Entfernung d zwischen dem leitfähigen
Material 510 und dem zweidimensional ausgebildeten ebenen
Induktor 51 verringert wird, verringert sich entsprechend die
Induktivität L. Im Gegensatz hierzu wird, wenn die Entfernung
d zwischen dem leitfähigen Material 510 und dem
zweidimensional ausgebildeten ebenen Induktor 51 zunimmt, die
Induktivität L entsprechend vergrößert. Die Änderung der
Entfernung d kann daher durch Messung der Änderung der
Induktivität L als Frequenzänderung des Oszillators
festgestellt werden. Bei der integrierten
Entfernungsmeßschaltung der vorliegenden Erfindung kann die
Entfernung d zwischen dem leitfähigen Material 510 und dem
zweidimensional ausgebildeten ebenen Induktor 51 dadurch
festgestellt werden, daß die Frequenz f unter Verwendung des
Frequenzzählers 7 gemessen wird, da sich die Frequenz f des
Oszillators ändert, wenn sich die Induktivität L ändert.
Im allgemeinen wird, wenn die Frequenz der
Oszillatorschaltung erhöht wird, die aus einem Induktor und
einem Kondensator besteht, der in dem Induktor fließende
Strom verringert, und der in dem Kondensator fließende Strom
erhöht. Bei der integrierten Entfernungsmeßschaltung gemäß
der vorliegenden Erfindung wird der zweidimensional
ausgebildete ebene Induktor 51 verwendet. Wenn sich daher das
leitfähige Material 510 dem zweidimensional ausgebildeten
ebenen Induktor 51 nähert, wird das leitfähige Material 510
elektrostatisch an den zweidimensional ausgebildeten ebenen
Induktor 51 gekoppelt. Wie in Fig. 8 gezeigt, wird der
zweidimensional ausgebildete ebene Induktor 51 zu einer
Elektrode des verteilten Kondensators 511, und wird das
leitfähige Material 510 zu dessen anderer Elektrode, und
daher sind diese beiden Elektroden elektrostatisch
miteinander gekoppelt. Wie aus Fig. 9 hervorgeht, wird bei
einer Verringerung der Entfernung zwischen dem leitfähigen
Material 510 und dem zweidimensional ausgebildeten ebenen
Induktor 51 die Kapazität des verteilten Kondensators 511
erhöht. Wenn daher die Frequenz des in der Schaltung
fließenden Stromes hoch ist, wird der in dem leitfähigen
Material 510 über den verteilten Kondensator 511 fließende
Strom erhöht. Der Magnetfluß, der von dem in dem leitfähigen
Material 510 fließenden Strom erzeugt wird, und der durch den
in den ebenen Induktor 51 fließenden Strom erzeugte
Magnetfluß sind elektromagnetisch gekoppelt und gleichen
einander aus. Daher wird die Induktivität des zweidimensional
ausgebildeten Induktors 51 entsprechend verringert. Die
Frequenz f des Oszillators, der durch die Induktivität L des
zweidimensional ausgebildeten ebenen Induktors 51 und die
Kapazität C eines idealen Kondensators gebildet wird, läßt
sich durch folgende Gleichung ausdrücken:
f × f x L × C = (1/2π) × (1/2π) (1)
Wie aus der voranstehenden Gleichung (1) hervorgeht wird,
wenn die Induktivität L des ebenen Induktors 51 verringert
wird, die Frequenz f des Oszillators erhöht. Die Frequenz f
des Oszillators kann unter Verwendung des Frequenzzählers
gemessen werden. Nähert sich das leitfähige Material 510 an
den zweidimensional ausgebildeten ebenen Induktor 51 an, und
verringert sich die Entfernung zwischen diesen Teilen, wird
der in dem leitfähigen Material 510 fließende Strom erhöht,
da die Kapazität des verteilten Kondensators 511 erhöht wird.
Daher wird die elektromagnetische Kopplung verstärkt. Die
Selbstinduktivität L des zweidimensional ausgebildeten ebenen
Induktors 51 verringert sich entsprechend, durch den
Ausgleichseffekt bei dem Strom i und dem entgegengesetzten
Strom I. Daher kann die Änderung der Entfernung zwischen dem
leitfähigen Material 510 und den zweidimensional
ausgebildeten ebenen Induktor 51 durch Messung der Änderung
der Frequenz f des Oszillators festgestellt werden.
Fig. 10 ist eine Querschnittsansicht einer integrierten
Schaltung 102 in Richtung der Y-Achse. Ein Stift 1012 der
integrierten Schaltung ist im unteren Abschnitt der
integrierten Schaltung 102 vorgesehen und auf übliche Weise
mit einer Leiterplatte (einer gedruckten Schaltung)
verbunden. Der zweidimensional ausgebildete ebene Induktor
101 ist in dem oberen Abschnitt der integrierten Schaltung
102 angeordnet. Der zweidimensional ausgebildete ebene
Induktor 101 ist durch den Isolator 103 abgedeckt. Da der in
dieser Figur dargestellte ebene Induktor 101 durch den
Isolator 103 abgedeckt ist, gelangt das leitfähige Material
1010 mit dem ebenen Induktor 101 nicht in direkten Kontakt,
wenn sich das leitfähige Material 1010 dem ebenen Induktor
101 nähert.
Nähert sich das leitfähige Material 1010 dem zweidimensional
ausgebildeten ebenen Induktor 101, so wird beinahe derselbe
elektromagnetische Effekt wie im Falle eines nicht
vorhandenen Isolators 103 hervorgerufen, da der Isolator 103
so dünn ist. Die vorliegende Erfindung umfaßt daher einen
Fall, in welchem der zweidimensional ausgebildete ebene
Induktor 101 mit einem Isolator 103 abgedeckt ist.
Als nächstes wird ein Fall betrachtet, in welchem sich das
leitfähige Material parallel zum zweidimensional
ausgebildeten ebenen Induktor bewegt. Wie aus Fig. 11
hervorgeht, ändert sich der Überlappungsbereich zwischen dem
zweidimensional ausgebildeten ebenen Induktor 51 und dem
leitfähigen Material 510, wenn sich das leitfähige Material
510 parallel zum zweidimensional ausgebildeten ebenen
Induktor 51 in Richtung der Y-Achse bewegt. Im
Überlappbereich S zwischen dem zweidimensional ausgebildeten
ebenen Induktor 51 und dem leitfähigen Material 510 tritt
eine elektrostatische Kopplung des leitfähigen Materials 510
zum zweidimensional ausgebildeten ebenen Induktor 51 auf.
Daher wird der verteilte Kondensator 511 in den
Überlappbereich S ausgebildet, fließt der Strom in dem
leitfähigen Material 510 und dem zweidimensional
ausgebildeten Induktor 51 und wird dann das leitfähige
Material 510 elektrostatisch mit dem zweidimensional
ausgebildeten ebenen Induktor gekoppelt. Dies führt dazu, daß
sich die Induktivität L des zweidimensional ausgebildeten
ebenen Induktors 51 entsprechend ändert.
Wenn daher, wie in Fig. 12 gezeigt, der Überlappungsbereich S
zunimmt, erhöht sich die Frequenz f des Oszillators
entsprechend Gleichung (1). Die Änderung des
Überlappungsbereiches 5 zwischen dem zweidimensional
ausgebildeten ebenen Induktor 51 und dem leitfähigen Material
510 kann daher durch Messung der Änderung der Frequenz f des
Oszillators festgestellt werden. Eine Änderung der Position
des leitfähigen Materials 510 und des zweidimensional
ausgebildeten ebenen Induktors 51 in bezug aufeinander kann
daher durch Messung der Änderung der Frequenz f des
Oszillators festgestellt werden. Selbst in einem Fall, in
welchem sich der Überlappungsbereich 5 dadurch ändert, dass
die Position des leitfähigen Materials 510 und des
zweidimensional ausgebildeten ebenen Induktors 51 in bezug
aufeinander geändert wird, ändert sich daher im wesentlichen
die Entfernung zwischen dem leitfähigen Material 510 und dem
zweidimensional ausgebildeten ebenen Induktor 51. Die
integrierte Entfernungsmessschaltung gemäß der vorliegenden
Erfindung lässt sich daher in einem Fall einsetzen, in
welchem sich der Überlappungsbereich ändert.
Wie in Fig. 5 gezeigt, wird die Entfernung zwischen dem
leitfähigen Material 510 und dem zweidimensional
ausgebildeten ebenen Induktor 51 durch das Bezugszeichen d
bezeichnet. Die Beziehung zwischen der Frequenz f des
Oszillators und der Entfernung d ist in Fig. 13 dargestellt.
Aus dieser Figur geht hervor, dass bei einer Entfernung d von
weniger als 3 mm bis 4 mm die Frequenz f des Oszillators
extrem zunimmt. Wenn die integrierte Entfernungsmessschaltung
gemäß der vorliegenden Erfindung bei einem Roboter oder einem
Positionsdetektor eingesetzt wird, lässt sich eine hohe
Messempfindlichkeit dadurch erzielen, dass sie in einem
Bereich eingesetzt wird, in welchem sich die Frequenz des
Oszillators in bezug auf eine sehr kleine Änderung der
Entfernung d stark ändert.
Wenn die Entfernung zwischen dem leitfähigen Material 510 und
dem zweidimensional ausgebildeten ebenen Induktor 51
verringert wird, verringert sich die Induktivität L des
zweidimensional ausgebildeten ebenen Induktors 51
entsprechend und erhöht sich entsprechend die Frequenz f des
Oszillators, wie dies in Fig. 13 gezeigt ist. Bei der
integrierten Entfernungsmeßschaltung gemäß der vorliegenden
Erfindung kann daher die Entfernung d zwischen dem
leitfähigen Material 510 und dem zweidimensional
ausgebildeten ebenen Induktor 51 dadurch exakt festgestellt
werden, daß die Frequenz f des Oszillators mit dem
Frequenzzähler gemessen wird.
Bei einer Einrichtung, die einen Frequenzzähler zur Messung
der Frequenz der integrierten Entfernungsmeßschaltung
verwendet, kann das digitale Ausgangssignal der integrierten
Entfernungsmeßschaltung mit dem Frequenzzähler gemessen
werden. Wenn daher ein Meßobjekt bewegt wird, an welchem der
zweidimensional ausgebildete ebene Induktor 51 der
integrierten Entfernungsmeßschaltung gemäß der vorliegenden
Erfindung befestigt ist, kann die Bewegungsentfernung des
Objekts digital erfaßt werden. Wenn das Meßobjekt mit daran
angebrachtem leitfähigen Material 510 bewegt wird, kann
darüber hinaus die Bewegungsentfernung des Objekts digital
gemessen werden.
Da die Entfernung dadurch gemessen wird, daß die Signale von
der integrierten Entfernungsmeßschaltung durch einen
Digitalcomputer verarbeitet werden, können im allgemeinen die
Signale, die von der integrierten Entfernungsmeßschaltung
gemäß der vorliegenden Erfindung abgegeben werden, direkt
unter Verwendung des Digitalsignals in den Computer
eingegeben werden. Eine Entfernungsmeßeinrichtung nach dem
Stand der Technik, die ein Analogsignal ausgibt, erfordert
einen Quantisierungsvorgang unter Verwendung von A/D-Wandlern
über eine Verstärkerschaltung, um die Meßwerte in den
Computer einzugeben.
Beim Vergleich einer digitalen Entfernungsmeßeinrichtung und
einer analogen Entfernungsmeßeinrichtung weist die digitale
Entfernungsmeßeinrichtung folgende Merkmale auf.
- 1. Weder ein Verstärker noch ein A/D-Wandler sind bei der digitalen Meßeinrichtung erforderlich, und daher ergeben sich keine hohen Gesamtkosten bei Digitalsystemen.
- 2. Die Digitalsignale, die von der integrierten Entfernungsmeßschaltung ausgegeben werden, werden nicht durch Rauschen beeinträchtigt, und daher sind die Meßwerte stabil und verläßlich, selbst bei einer langen Ausgangsleitung.
- 3. Sämtliche integrierten Entfernungsmeßschaltungen können so ausgelegt sein, daß sie Digitalschaltungen sind, und daher läßt sich die Implementierung einer derartigen integrierten Entfernungsmeßschaltung einfach realisieren.
Fig. 14 zeigt ein Blockschaltbild für ein Beispiel für die
integrierte Entfernungsmeßschaltung, welche den
zweidimensional ausgebildeten ebenen Induktor 51 verwendet.
Ein diskreter Kondensator 54 ist in Reihenschaltung
angeschlossen, um eine LC-Schaltung 58 auszubilden. Ein
Signal von der LC-Schaltung 58 wird einem Verstärker 55
zugeführt. Von dem Verstärker 55 ausgegebene Signale werden
in ein Rückkopplungsnetzwerk 56 und einen Frequenzzähler 57
eingegeben. Ein von dem Rückkopplungsnetzwerk 56 ausgegebenes
Signal wird mit positiver Rückkopplung den zweidimensional
ausgebildeten ebenen Induktor 51 zugeführt, so daß ein
Oszillator 59 entsteht. Das Signal der integrierten
Entfernungsmessschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung
wird von dem Frequenzzähler 57 ausgegeben.
Fig. 15 zeigt ein Beispiel für den Verstärker 55 der
integrierten Entfernungsmessschaltung gemäß Fig. 14. Der
Verstärker 55 weist einen Eingang Vin und einen Ausgang Vout
auf. Der Eingang Vin wird einem Gate eines Treibertransistors
Q1 zugeführt, und ein Lasttransistor Q2 ist mit dem Drain des
Treibertransistors Q1 verbunden. Ein Drain des
Lasttransistors Q2 ist an eine Versorgungsspannung Vdd
angeschlossen, und die Source des Lasttransistors Q2 stellt
den Ausgang Vout dar. Ein dem Eingang Vin zugeführtes Signal
wird verstärkt und vom Ausgang Vout ausgegeben. Sämtliche
Arten von Transistoren, beispielsweise ein Bipolartransistor
und ein Feldeffekttransistor, können bei der integrierten
Entfernungsmessschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung
eingesetzt werden, da die Art des Transistors nicht kritisch
ist. Darüber hinaus kann ein Operationsverstärker den
Verstärker der integrierten Entfernungsmessschaltung gemäß
der vorliegenden Erfindung ersetzen.
Fig. 16 zeigt ein Beispiel für das Rückkopplungsnetzwerk 56,
welches Widerstände der integrierten Entfernungsmessschaltung
von Fig. 14 einsetzt. Das Rückkopplungsnetzwerk 56 weist
Widerstände R1 und R2 auf. Ein Signal, welches dem Eingang
Vin des Rückkopplungsnetzwerkes 56 zugeführt wird, wird
abgeschwächt und bei Vout ausgegeben.
In Fig. 17 ist ein Beispiel für einen Fall gezeigt, in
welchem die integrierte Entfernungsmessschaltung gemäß der
vorliegenden Erfindung bei einem elektrischen Stift verwendet
wird. Der elektrische Stift 1713 in Fig. 17 stellt die
Position einer Positionserfassungsstange 1714 mit der
integrierten Entfernungsmeßschaltung fest. Der elektrische
Stift 1713 ist mit der integrierten Entfernungsmeßschaltung
versehen, welche das leitfähige Material 1710 einer
Metallplatte aufweist, die Positionserfassungsstange 1714,
die sich in Axialrichtung bewegt, einen elastischen Körper
1715 zum elastischen Herunterdrücken der
Positionserfassungsstange 1714 in dieser Figur, und den
zweidimensional ausgebildeten ebenen Induktor 171.
Die integrierte Entfernungsmeßschaltung ist mit dem
zweidimensional ausgebildeten ebenen Induktor 171 versehen,
welcher in dieser Figur nach unten zeigt. Das leitfähige
Material 1710 ist an der Spitze der Positionserfassungsstange
1714 befestigt. Ein Teil des elastischen Körpers 1715 ist an
die Positionserfassungsstange 1714 angeschlossen. Wenn auf
die Positionserfassungsstange 1714 ein Druck einwirkt, und
sie sich daher nach oben bewegt, verlängert sich der
elastische Körper 1715 und zieht elastisch die
Positionserfassungsstange 1714 nach unten. Wenn sich das
leitfähige Material 1710 nach oben und unten bewegt, ändert
sich die Entfernung zwischen dem zweidimensional
ausgebildeten ebenen Induktor 171 und dem leitfähigen
Material 1710. Daher ändert sich die Frequenz f eines
Oszillators 179, der in der integrierten
Entfernungsmeßschaltung vorgesehen ist. Der Druck, der in
eine Änderung der Position nach oben oder unten in der
Positionserfassungsstange 1714 durch den elastischen Körper
1715 umgewandelt wird, kann dadurch festgestellt werden, daß
die Frequenz des Oszillators 179 durch den Frequenzzähler
gemessen wird, der innerhalb oder außerhalb der integrierten
Entfernungsmeßschaltung vorgesehen ist. Aus diesem Grund kann
der elektrische Stift 1713 einen Stiftdruck feststellen,
nämlich durch Messung des Drucks, der auf die
Positionserfassungsstange 1714 einwirkt. Sowohl der
Stiftdruck als auch die Stiftverfolgungstrajektorie können
daher unter Verwendung des elektrischen Stiftes 1713 mit
einem Positionsdigitalisierer festgestellt werden.
Die integrierte Entfernungsmeßschaltung gemäß der
vorliegenden Erfindung dient zu dem Zweck die Entfernung zu
messen. Wie in Fig. 17 gezeigt ist, kann die integrierte
Entfernungsmeßschaltung jedoch auch einen Druck messen, über
den elastischen Körper 1715, infolge einer einfachen
Umwandlung einer Verschiebung in einen Druck. Eine Feder und
ein Gummistück stellen praktische Beispiele für den
elastischen Körper 1715 dar.
Fig. 18 zeigt ein Schaltbild der integrierten
Entfernungsmeßschaltung, die in dem elektrischen Stift
aufgenommen ist, der in Fig. 17 gezeigt ist. Bei der in
diesem Schaltbild dargestellten integrierten
Entfernungsmeßschaltung sind der zweidimensional ausgebildete
ebene Induktor 171 und der diskrete Kondensator 174 in Reihe
geschaltet, um eine LC-Schaltung 178 auszubilden. Das
Ausgangssignal der LC-Schaltung 178 wird dem
Rückkopplungsnetzwerk 176 zugeführt. Das
Rückkopplungsnetzwerk 176 umfaßt die Widerstände R1 und R2.
Das Ausgangssignal des Rückkopplungsnetzwerkes 178 wird von
dem Verstärker 175 verstärkt, und positiv rückgekoppelt. Die
Anschlußklemme für negative Rückkopplung des Verstärkers 175
ist über einen Widerstand R3 an Masse gelegt. Das
Ausgangssignal des Verstärkers 175 wird dem zweidimensional
ausgebildeten ebenen Induktor 171 hinzuaddiert.
Fig. 19 zeigt ein Blockschaltbild für einen Fall, in welchem
die Position der Positionserfassungsstange 1714, die in dem
elektrischen Stift 1713 in Fig. 17 aufgenommen ist, dadurch
festgestellt wird, daß die integrierte
Entfernungsmeßschaltung gemäß Fig. 18 eingesetzt wird. Das
Blockschaltbild enthält den Oszillator 179, den
Frequenzzähler 177, einen Pufferspeicher 1716 und eine
Steuerschaltung 1717. Wenn auf die
Positioniererfassungsstange 1714 des elektrischen Stiftes
1713 ein Druck einwirkt, und sie sich daher nach oben bewegt,
ändert sich die Frequenz f des Oszillators 179, der in der
integrierten Entfernungsmeßschaltung aufgenommen ist. Die
Frequenz f wird mit Hilfe des Frequenzzählers 177 gemessen,
und die Meßdaten werden in den Pufferspeicher 1716
gespeichert. Der Frequenzzähler 177 und der Pufferspeicher
1716 werden über die Steuerschaltung 1717 gesteuert. Der
Stiftdruck, der auf dem elektrischen Stift 1713 einwirkt,
kann dadurch gemessen werden, daß die in dem Pufferspeicher
1716 gespeicherten Daten ausgelesen werden.
Fig. 20 zeigt ein Versuchsergebnis für den Einsatz der
integrierten Entfernungsmeßschaltung gemäß der vorliegenden
Erfindung zur Feststellung der relativen Lage des
zweidimensional ausgebildeten ebenen Induktors und des
leitfähigen Materials. Eine Trennentfernung, die von dem
Bezugspunkt des leitfähigen Materials 1710 aus gemessen wird,
wird durch das Bezugszeichen x bezeichnet, und ist durch
folgende Gleichung definiert:
d + x = c
(wobei c eine Konstante ist); wenn daher die Trennentfernung
x gegenüber dem Bezugspunkt zunimmt, verringert sich die
Entfernung d. Die Beziehung zwischen der Trennentfernung x
und der Frequenz f des Oszillators 179, der in der
integrierten Entfernungsmessschaltung aufgenommen ist, ist in
Fig. 20 dargestellt. Fig. 20 zeigt ein Versuchsergebnis in
einem Fall, in welchem der Wert von c 1000 µm beträgt. Bei
dem elektrischen Stift 1713 in Fig. 17 nimmt dann, wenn sich
das leitfähige Material 1710 an den zweidimensional
ausgebildeten ebenen Induktor 171 dadurch annähert, dass ein
Druck auf die Positionserfassungsstange 1714 ausgeübt wird,
die Trennentfernung x zu, und die Entfernung d ab. Dies führt
zu einer Erhöhung der Frequenz f des Oszillators 179. Wie aus
Fig. 20 hervorgeht beträgt, wenn sich die Entfernung x von 0
auf 700 µm ändert, die Erhöhung der Frequenz des Oszillators
11,8 MHz, und daher beträgt die Auflösung des
Zählerausgangswertes 11.800.000, ist also extrem groß.
In dem elektrischen Stift 1713 ändert sich daher das digitale
Ausgangssignal der integrierten Entfernungsmessschaltung
gemäß der vorliegenden Erfindung wesentlich, wenn sich die
Position der Positionserfassungsstange 1714 nur geringfügig
ändert. Die integrierte Entfernungsmessschaltung gemäß der
vorliegenden Erfindung kann daher die Positionsverschiebung
oder Druckänderung der Positionserfassungsstange 1714 mit
hoher Empfindlichkeit feststellen.
Eine Filmdickenmesseinrichtung 2120, die in Fig. 21
dargestellt ist, wird nachstehend als zweite Anwendung der
integrierten Entfernungsmessschaltung gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben. Das Filmdickenmessgerät 2120 dient
dazu, die Dicke eines Dünnfilms 2118 zu messen,
beispielsweise eines Filmblattes, und zwar mit hoher
Genauigkeit. Der zweidimensional ausgebildete ebene Induktor
211 der integrierten Schaltung wird in Berührung mit dem
Dünnfilm 2118 gebracht, der sich auf einem Metallständer 2119
als leitfähigem Material befindet. Die Entfernung zwischen
dem zweidimensional ausgebildeten ebenen Induktor 211 und dem
Metallständer 2119 ist gleich der Dicke des Dünnfilms 2128.
Daher kann die Dicke des Dünnfilms 2118 gemessen werden, da
die Entfernung zwischen dem zweidimensional ausgebildeten
ebenen Induktor 211 und dem Metallständer 2119 durch die
Frequenzänderung des Oszillators 219 gemessen wird. Es läßt
sich eine Auflösung von zumindest 10.000.000 bei einer 1
Sekunde dauernden Messung erzielen, da die verwendete
Frequenz etwa 100 MHz beträgt. Darüber hinaus ist es einfach,
den Filmdruck zu steuern, und die Meßdaten mit einem Computer
zu verarbeiten, infolge des digitalen Ausgangssignals der
Filmdickenmeßeinrichtung 2120. Aus diesem Grund kann die
integrierte Entfernungsmeßschaltung gemäß der vorliegenden
Erfindung in der gesamten Industrie in weitem Ausmaß
eingesetzt werden.
Die vorliegende Erfindung läßt sich in verschiedenen
Ausführungsformen verwirklichen, ohne vom Wesen oder den
wesentlichen Eigenschaften der Erfindung abzuweichen, und
daher sind die vorliegenden Ausführungsformen als erläuternd,
nicht jedoch als einschränkend zu verstehen, da sich der
Umfang der vorliegenden Erfindung aus der Gesamtheit der
vorliegenden Anmeldeunterlagen ergibt und von den beigefügten
Patentansprüchen umfaßt sein soll.
Claims (12)
1. Entfernungsmessschaltung, enthaltend:
- a) einen ebenen Induktor (41; 51; 101);
- b) einen Oszillator, der mit dem Induktor verbunden ist und dessen Frequenz sich gemäß einem Abstand eines gegenüber dem Induktor beabstandeten und leitfähigen Materials, zu dem die Entfernung gemessen werden soll, verändert;
- c) eine Auswerteschaltung zum Bestimmen der Frequenz des Oszillators;
- a) die Auswerteschaltung als integrierte Schaltung zusammen mit dem Oszillator in einem Gehäuse aufgenommen ist,
- b) der Induktor (101) in dem oberen Abschnitt des Gehäuses angeordnet ist, und
- c) die Abmessungen des Induktors (101) durch die Abmessungen des Gehäuses begrenzt sind.
2. Entfernungsmessschaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Frequenz des Oszillators höher als 30 MHz ist.
3. Entfernungsmessschaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Oszillator einen Operationsverstärker (175), einen
Kondensator (174) und den ebenen Induktor (171)
aufweist.
4. Entfernungsmessschaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der ebene Induktor ein mäanderförmiger Induktor (51)
ist.
5. Entfernungsmessschaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der ebene Induktor ein spiralförmiger Induktor (31) ist.
6. Entfernungsmessschaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Anschlussklemme des ebenen Induktors an einen
Anschlussstift (512) der integrierten Schaltung (52)
angeschlossen ist.
7. Entfernungsmessschaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein zweidimensional ausgebildeter ebener Induktor (51)
auf einem Isolator (53) angeordnet ist, der auf der
oberen Oberfläche des Gehäuses der integrierten
Schaltung (52) vorgesehen ist.
8. Entfernungsmessschaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Oberfläche des ebenen Induktors (101) von einem
Isolator (103) abgedeckt ist.
9. Entfernungsmessschaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die integrierte Entfernungsmessschaltung mit einem
Frequenzzähler (57) zur Feststellung der Frequenz des
Oszillators und zur Ausgabe von Digitalsignalen versehen
ist.
10. Entfernungsmessschaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Oszillator mit einem Verstärker (55) und einem
Rückkopplungsnetzwerk (56) zum Rückkoppeln eines
Ausgangssignals des Verstärkers versehen ist.
11. Entfernungsmessschaltung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
in dem Rückkopplungsnetzwerk Widerstände (R1, R2)
vorgesehen sind.
12. Entfernungsmessschaltung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Verstärker einen Transisor (Q1) aufweist.
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