DE2601088A1

DE2601088A1 - Lagemesswertumwandler

Info

Publication number: DE2601088A1
Application number: DE19762601088
Authority: DE
Inventors: Joseph Elbling; Robert W Farrand
Original assignee: Farrand Industries Inc
Current assignee: Farrand Industries Inc
Priority date: 1975-01-17
Filing date: 1976-01-14
Publication date: 1976-07-22
Also published as: AU1017576A; AU497309B2; CH613038A5; US3961318A; JPS5919285B2; FR2298079A1; IT1055804B; SE413807B; FR2298079B1; ES444232A1; CA1041630A; NO760154L; JPS51119253A; BR7600219A; NO143291C; SE7600421L; NO143291B; DE2601088C2; GB1523943A

Description

Lag eme ßwertumwandler

Die Erfindung betrifft einen Lagemeßwertumwandler mit zwei relativ zueinander beweglichen Wandlerteilen, die elektrostatisch miteinander gekoppelte Elektroden aufweisen.

Es sind Lagemeßwertumwandler bekannt, welche nach dem Prinzip eines Transformators arbeiten, wobei die beiden relativ zueinander beweglichen Wandler- bzw. Transformatorteile mehrpolige Transformatorwindungen aufweisen, welche magnetisch miteinander koppeln. Um die Meßgenauigkeit eines solchen Umwandlers zu erhöhen, ist es notwendig, den Abstand zwischen den einzelnen Transformatorwindungen zu vermindern, was gleichzeitig zu einer Verminderung des Querschnitts der stromführenden Windungen führt. Die Windungen bestehen üblicherweise aus dünnen gedruckten Kupferschichten. Wird dieser Leitungsquerschnitt vermindert, dann wächst der I ^R Verlust der Windungen wodurch der effektive Übertragungsfaktor des Wandlers drastisch vermindert wird. Die praktisch erreichbare Genauigkeit dieses Lagemeßwertumwandlers ist daher begrenzt.

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Um diesen Nachteil zu vermeiden, wird ein Lagemeßwertumwandler verwendet, der einen hohen Übertragungsfaktor aufweist und bei welchem keine magnetisch induktiven Kupplungseffekte verwendet werden, sondern vielmehr elektrostatische Effekte zwischen Elektroden, welche in einem "bestimmten Muster auf relativ zueinander "beweglichen Wandlerteilen angeordnet sind. Da in diesen Elektroden kein nennenswerter Strom fließt, ist es möglich, die Abmessungen wesentlich zu vermindern wodurch die Genauigkeit des Wandlers erhöht wird, ohne daß hierbei der Übertragungsfaktor vermindert wird.

Neben der durch die Miniaturisierung der Elektrodenabmessungen erhaltenen höheren Genauigkeit ermöglicht eine solche Miniaturisierung die Verwendung von extrem dünnen Elektroden, die in Fotoätztechnik mit wesentlich höherer Lagegenauigkeit hergestellt werden können als dickere Elektroden. Extrem dünne Elektroden von sehr geringer Breite haben auch eine größere mechanische Haftkraft und Stabilität als dickere Elektroden derselben Breite, da sie weniger während des Ätzens hinterschnitten werden, wie dies bei dickeren Elektroden der Fall ist, bei denen dann dieFläche zwischen den Elektroden und der Oberfläche, auf welcher sie angeordnet sind, vermindert wird.

Lagemeßwertumwandler, bei denen elektrostatische Effekte zur Erzeugung elektrischer Signale in Abhängigkeit von winkelmäßigen oder linearen Verschiebungen zweier relativ zueinander beweglicher Teile verwendet werden, sind bekannt. In der US-PS 2 674 729 ist eine Vorrichtung mit zwei relativ zueinander drehbaren Scheiben beschrieben, wobei die Scheiben durch einen geringen Luftspalt von-

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einander getrennt sind. Jede Scheibe trägt eine Vielzahl von entgegengesetzt verschachelten fingerartigen Elektroden. Eine Erregung der Elektroden auf der einen Scheite induziert eine Spannung in den entgegengesetzten Elektroden der anderen Scheibe. Diese Spannung verändert sich, wenn eine Scheibe relativ zur anderen Scheibe gedreht wird, so daß die Spannungsänderung die relative winkelmäßige Stellung anzeigt.

Ein anderer lagemeßwertumwandler nach dem elektrostatischen Prinzip ist in der US-PS 3 125 716 beschrieben. Das nach dem Prinzip der Phasenverschiebung arbeitende Gerät verwendet zwei Sätze von konjugiert sinusförmigen Leitermustern, welche zusammen mit zwei Ausgangsleitern auf einem Stator angeordnet sind. Relativ bewegliche Kopplungselemente sind entgegengesetzt zum sinusförmigen Muster auf einem Rotor angeordnet. Diese werden an eine Wechselspannung angeschlossen. Eine Ausgangsspannung wird in den Ausgangsleitern elektrostatisch induziert, wobei die Phase der Ausgangsspannung sich in Abhängigkeit von der winkelmäßigen Stellung zwischen Stator und Rotor ändert.

Diese bekannten, nach dem elektrostatischen Prinzip arbeitenden Lagemeßwertumwandler weisen jedoch eine Reihe von Nachteilen auf. Die elektrostatische Streukopplung zwischen den Eingangs- und Ausgangselektroden macht eine Abschirmschaltung erforderlich, wie sie beispielsweise in der US-PS 3 219 920 beschrieben ist. Weiterhin weist das Ausgangssignal dieser elektrostatischen Lagemeßwertumwandler unerwünschte harmonische Komponenten auf. Diese harmonischen Komponenten beeinflußen die Genauigkeit der·Lagemeßwertumwandler beträchtlich. Wenn

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der winkelmäßige oder lineare Elektrodenbereich eines Elements relativ zum Elektrodenbereich des entgegengesetzten Elements verändert wird, dann verändert sich die Impedanzbeziehung zwischen den Elementen wodurch es erforderlich ist, die diesbezügliche äußere Schaltung zu justieren, um die Arbeitsweise der Vorrichtung zu optimieren.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein einen hohen Übertragungsfaktor aufweisender Lagemeßwertumwandler vorgeschlagen, der eine Vielzahl von gleichförmigen winkelmäßigen oder linearen Meßzyklen aufweist. Der Lagemeßwertumwandler besteht aus zwei relativ zueinander beweglichen Teilen, von denen jedes eine Oberfläche aufweist, die im Abstand gegenüber der Oberfläche des anderen Teils angeordnet ist. Zwei Sätze von ersten Elektroden sind auf der Oberfläche des einen Teils angeordnet, während eine Vielzahl von Sätzen von zweiten Elektroden und zwei Kopplungselektroden auf der gegenüberliegenden Oberfläche des anderen Teils angeordnet sind. Jede der ersten Elektroden besteht aus einem Unterteil und einem Pingerteil, wobei das Eingerteil vom Grundteil abgeht in einer Richtung quer zur Verschieberichtung der beiden relativ zueinander beweglichen Teilen. Die !"ingerteile jedes Satzes der ersten Elektroden sind in gleichförmigen Abständen entsprechend einem Meßzyklus zueinander angeordnet, wobei die Finger eines Satzes der ersten Elektroden im Abstand eines halben Zykluses zu und zwischen den Fingern des anderen Satzes der ersten Elektroden angeordnet sind. Die Unterteile der Elektroden jedes Satzes können miteinander verbunden sein zur Bildung eines kontinuierlichen Bereichs oder alternativ hierzu können die Unterteile voneinander isoliert sein, was zu bestimmten Vorteilen führt, wie später beschrieben wird *

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Die zweiten Elektroden des anderen Teils umfaßen mindestens zwei Sätze von ineinander verschachtelten Fingern, welche sich quer zur Bewegungsrichtung der beiden relativ zueinander beweglichen Teile erstrecken und welche zueinander im Abstand eines Meßzykluses und entgegengesetzt zu den Fingern der ersten Elektroden angeordnet sind. Auf der Oberfläche des gleichen Teils sind zwei Kopplungselektroden gegenüber den Unterteilen der ersten Elektroden des anderen Teils angeordnet und kapazitiv mit ihnen gekoppelt.

Zur Verbindung jedes Satzes der zweiten Elektroden und zum Anschluß dieser zweiten Elektrodensätze an einen äußeren Schaltkreis sind Schaltmittel vorgesehen. Außerdem sind Schaltmittel vorgesehen zum Anschluß der Kopplungselektroden an einen äußeren Schaltkreis. Zu den ersten Elektroden ist kein äußerer Anschluß vorgesehen. Weitere Merkmale zur Eliminierung unerwünschter elektrostatischer Kopplungen und zur Verminderung unerwünschter harmonischer Anteile beim Betrieb des Wandlers werden nachstehend beschrieben.

Die Ausdrücke "erste" und "zweite" Elektroden werden verwendet um die gegenüberliegenden Sätze von Elektroden zu identifizieren. Diese Ausdrücke dürfen jedoch nicht so interprediert werden, als ob diese Elektroden in einer bestimmten Weise angeschlossen werden würden oder in einer bestimmten Weise elektrostatisch miteinander wirken würden.

Bei dem Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine äußere Spannung an die zweiten Elektroden angelegt, um in den ersten Elektroden eine Spannung zu

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induzieren. Diese Spannung wird kapazitiv gekoppelt zu den Kopplungselektroden, an denen ein Ausgangssignal abgegriffen wird. Dieses Ausgangssignal ändert sich in Abhängigkeit der Relativverschiebung der beiden Wandlerteile. Alternativ hierzu kann eine äußere Spannung an die Kopplungselektroden angelegt werden, die eine Spannung in den ersten Elektroden induzieren, welche kapazitiv gekoppelt sind mit den zweiten Elektroden, an denen ein Ausgangssignal abgegriffen wird.

Mehrere Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Mg. 1 Eine Seitenansicht eines Drehmeßwertumwandlers mit den dazugehörigen Schaltkreisen.

Fig. 2a Eine stirnseitige Ansicht auf das Rotorteil nach Fig. 1 mit einem Rotorelektrodenmuster.

Fig. 2b Eine stirnseitige Ansicht auf den Rotor nach Fig. 1 mit einem anderen Rotorelektrodenmuster.

Fig. 3 Eine stirnseitige Ansicht auf den Stator nach Fig. 1 mit Stator- und Kopplungselektrodenmustern zusammen mit den zugehörigen Schaltkreisen.

Fig. 4 Eine perspektivische Ansicht eines linearen Lagemeßwertumwandlers mit den dazugehörigen Schaltkreisen.

Fig. 5a Eine stirnseitigeAnsicht der Skala nach Fig. mit einem Muster von Skalenelsktroden.

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Fig. 5b Eine stirnseitige Ansicht der Skala nach Fig. mit einem anderen Muster von Skalenelektroden.

Fig. 6 Eine stirnseitige Ansicht auf den Schieber nach Fig. 4 mit einem Muster von Schieberund Kopplungselektroden.

Fig. 7 Eine stirnseitige Ansicht auf die Skala eines zweiten linearen Lagemeßwertumwandlers.

Fig. 8 Eine stirnseitige Ansicht auf den Schieber des zweiten linearen Lagemeßwertumwandlers und

Fig. 9 einen Schnitt durch die Skala und den Schieber des zweiten linearen Lagemeßwertumwandlers entlang der Schnittlinien 9-9 in den Fig. 7 und

Die Fig. 1 zeigt einen Drehlagemeßwertumwandler mit einem kreisförmigen Rotor 10 und einem kreisförmigen Stator 12, welche relativ zueinander um eine gemeinsame Drehachse A-A' drehbar sind. Der Stator 10 ist mittels eines Bolzens 16 an einem Trägerteil 14 angeordnet. Der Rotor 10 ist an einer'konzentrischen Welle befestigt, welche in einem Lager 20 des Trägerteils 14 gelagert ist. Die Welle 18 ist mit einem nicht dargestellten drehbaren Teil verbunden, dessen winkelmäßige Verdrehung zu messen ist. Der Rotor 10 und der Stator weisen starre Isolierteile 11 und "i3 auf, beispielsweise aus Fiberglas, und ihre gegenüberliegenden Oberflächen und 24 sind durch einen kleinen Luftspalt von beispielsweise 0,0254 mm bis 0,509 mm voneinander getrennt.

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Ein Muster 26 von 0,0127 mm dicken Kupferelektroden wird in Fotoätztechnik auf der Oberfläche 22 des Rotors 10 und ein anderes Muster 28 auf der Oberfläche 24 des Stators 12 erzeugt.

Wie später noch im einzelnen beschrieben wird, sind ein Sinussignalgenerator 30, ein Kosinussignalgenerator 32 und ein Detektor 34 über entsprechende Signalleitungen 36, 38 und 40 über Bohrungen im Stator 12 mit Anschlußpunkten an den Elektroden der Statoroberfläche 24 elektrisch verbunden. Diese Verbindungen sind in Fig. 1 schematisch und in Fig. 3 im Detail dargestellt. Keine elektrischen Verbindungen bestehen zu den Elektroden 26 auf der Oberfläche 22 des Rotors.

Ein Muster 26 von Rotor (oder ersten) Elektroden ist in Fig. 2a dargestellt. Ein erster Satz 42 von isolierten Rotorelektroden ist sternförmig um den Umfang des Rotors 10 verteilt angeordnet. Jede Elektrode dieses Satzes weist ein Unterteil 44 und ein Fingerteil 46 auf. Das Fingerteil 46 erstreckt sich vom Unterteil 44 radial in Richtung des Zentrums des Rotors. Im dargestellten Beispiel weist jedes Fingerteil zum benachbarten Fingerteil einen gleichförmigen winkelmäßigen Abstand von 14,4° auf. Dieser Abstand definiert einen Meßzyklus des Umformers. Insgesamt sind 25 Elektroden 42 um das Rotorzentrum herum angeordnet. Die winkelmäßige Breite jedes Fingers beträgt 4,8°. Die Unterteile 44 jeder Elektrode 43 sind jeweils im Abstand von 0,127 mm zueinander angeordnet. Ein zweiter Satz 48 von 25 Rotorelektroden ist verschachtelt zu dem ersten Satz 42 der Rotorelektroden angeordnet. Die Elektroden im Satz 48 haben ebenfalls isolierte Unterteile, wie das Unterteil 50 der Elektrode 49 und Fingerteile, wie das Fingerteil 52, welche sich

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von den Unterteilen radial nach außen erstrecken. Die Fingerteile des Elektrodensatzes 48 weisen zueinander einen gleichförmigen winkelmäßigen Abstand von 14,4 auf. Die winkelmäßige Breite der Fingerteile beträgt jeweils 4,8°. Die Abmessungen der Unterteile der Elektrodensätze 42 und 48 sind so gewählt, daß die zusammengesetzten Bereiche der Unterteile des ersten Satzes der Rotorelektroden gleich sind mit den zusammengesetzten Bereichen der Unterteile des zweiten Satzes der Rotorelektroden. Die Abmessungen der Elektroden in Fig. 2 a sind folgende:

TABELLE I

Abmessung	Lange	mm
a	3,18	mm
	7,44	mm
C	7,70	mm
d	16,89	mm
e	17,14	mm
f	18,41

Eine alternative Ausführungsform einer Elektrodenanordnung 26' der Rotorelektroden ist in Fig. 2b gezeigt. Das Muster 26' ist identisch mit dem zuvor beschriebenen Muster 26 mit Ausnahme, daß die Unterteile des äußeren und des inneren Elektrodensatzes miteinander verbunden sind und jeweils einen durchgehenden Ringbereich 44' bzw. 50' bilden.

Fig. 3 zeigt ein Muster 28 von Elektroden, welche sternförmig auf der Oberfläche 24 des Stators 12 angeordnet sind. Eine erste Kopplungselektrode 54 ist als Ring um den Umfang des Stators 12 und gegenüber den Unterteilen des ersten Satzes 42 der Rotorelektroden angeordnet, wenn Rotor 10 und Stator 12 wie in Fig. 1 gezeigt, angeordnet sind. Die Breite der ersten Kopplungselektrode

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54 ist geringer als die radiale Abmessung der gegenüberliegenden Unterteile der Elektroden 42. Eine zweite Kopplungselektrode 56 in Form eines inneren Ringes ist gegenüber den Unterteilen des zweiten Satzes 48 der Rotorelektroden angeordnet und die Breite dieser Kopplungselektrode 56 ist geringer als die radiale Breite dieser Unterteile.

Um die Verhältnisse zu verdeutlichen, sind bei der Kopplungselektrode 26' in Fig. 2b die Kopplungselektroden 54 und 56 gestrichelt eingezeichnet. Die Breite der Kopplungselektroden 54 und 56 ist so gewählt, daß die Bereiche bzw. Flächen der beiden Kopplungselektroden gleich sind. Jede Kopplungselektrode 54 und 56 hat einen Anschlußpunkt 58 und 60, über die sie an einen äußeren Stromkreis anschlieübar sind, wie später noch beschrieben wird.

Die restlichen Elektroden an der Statoroberfxäche 24 sind Stator- (oder zweite) Elektroden, unterteilt in zwei Phasen, angeordnet in räumlicher Quadratur (90° Verschiebung), wobei jede Phase weiterhin unterteilt ist in zwei Phasensektoren. Die erste Phase der Statorelektroden umfaßt Sektoren 62 und 64, welche einander diametral gegenüberliegen und zwischen den Kopplungselektroden 54 und 56 angeordnet sind und den Fingerteilen 46 und 52 der Rotorelektroden gegenüberstehen. Die zweite Phase der Sektorelektroden besteht aus diametral einander gegenüber liegenden Sektoren 66 und 68 zwischen den Phasensektoren 62 und 64, wobei die Anordnung in Quadratur relativ zur ersten Phase der Statorelektroden getroffen ist, d.h. in gleichförmigem Abstand um ein Viertel eines Meßzyklus außerhalb der Phase mit dem Abstand der ersten

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Phasenelektroden. Die Anordnung der Statorelektroden "bezüglich der Rotorelektroden 26' ist in Pig. 2b gestrichelt dargestellt, wo der Statorelektrodensektor 64 gestrichelt eingezeichnet ist. Jeder Sektor der Statorelektroden weist eine erste Gruppe von radial verlaufenden Fingern 70._-^ auf, zwischen denen verschachtelt eine zweite Gruppe von radial verlaufenden Fingern 72. _Ώ angeordnet ist. Die Finger jeder Gruppe haben zueinander einen gleichförmigen Abstand von 14,4° und ihre radiale Breite beträgt 4,8°. Sie sind elektrisch miteinander verbunden über Leiterstreifen 74a ti· Die Tabelle II zeigt die winkelmäßigen Stellungen jeder der 48 Statorelektroden, beginnend mit der O°-Stellung in Fig. 3 im Gegenuhrzeigersinn um das Statorzentrum herum.

TABELLE II

Statorelektrode Zentrumslinie Statoreleictrode Zentrumsl,

1.	Phasensektor	0°	1.	Phasensektor	180.0
	62	7.2		64	187.2
		14.4			194.4
		21.6			201.6
		28.8			208.8
		36.0			216.6
		43.2			232.2
		50.4			230.4
		57.6			237.6
		64.8			244.8
		72.0			252.0
		79.2			259.2
2.	Phasensektor	90.0	2.	Phasensektor	270.0
	66	97.2		68	277.2
		104.4			284.4
		111.6			291.6
		118.8			298.8
		126.0			306.0
		133.2			313.2

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7036/25/Ch/w - 12 - 12. Jan. 1976 Statorelektrode Zentrumslinie Statorelektrode Zentrumsl.

2.	Phasensektor	140.4	2.	Phasensektor	320.4
	66	147.6		68	327.6
		154.8			334.8
		162.0			342.0
		'.'69.2			349.2

Die Anschlüsse 76. ττ sind so ausgebildet, daß die Statorelektroden über Anschlußdrähte an äußere Stromkreise anschließbar sind, wobei die Anschlußdrähte durch den Statorkörper 12 hindurch zu den Anschlüssen 76._TT geführt und dort verlötet oder in anderer Weise elektrisch verbunden sind. Der von den Fingern 70.__D und 72. -η eingenommene radiale Abstand in jedem Sektor ist geringer als der radiale Abstand der gegenüberliegenden Rotorelektrodenfinger 46 und 52. Die Abmessungen der Elektroden in Pig. 3 ist in Tabelle III wiedergegeben.

TABELLE	III	mm
Abmessung	Länge	τηΐη
g	3.55	mm
h	6.98	mm
i	7.95	mm
3'	8.25	mm
k	8.51	mm
1	16.20	mm
m	16.48	mm
η	16.64	mm
O	17.27
P	18.29

Die Fig. 3 zeigt ebenfalls die Verbindungen der Stator- und Kopplungselektroden im äußeren Stromkreis zur Messung der relativen winkelmäßigen Stellung von Stator 12 und Rotor 10. Der Sinusgenerator 30 erzeugt eine Wechselspannung von beispielsweise 50 IcHz mit einer

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Spitzenspannung von 60 V. Die Amplitude des Ausgangs des Sinusgenerators 30 ist so eingestellt, daß sie proportional dem Sinus eines "Steuerwinkels" θ ist. Der Sinusgenerator 30 ist verbunden mit den Statorelektroden der ersten Phase. Ein Ausgang ist angeschlossen an den Anschluß 76A der äußeren Elektrodengruppe 70A des Sektors 62 und mit dem Anschluß 76D der inneren Gruppe der diametral gegenüberliegenden Elektroden 72B des Sektors 64. Der andere Ausgang des Generators 30 ist verbunden mit dem Anschluß 76B der inneren Elektrodengruppe 72A des Sektors 62 und mit dem Anschluß 76C der äußeren Elektrodengruppe 70B des Sektors 64. Der zum Generator 30 identische Kosinusgenerator 32 ist so eingestellt, daß seine Ausgangsspannung proportional dem Kosinus des Befehlswinkels Q ist. Der Kosinusgenerator ist mit den Statorelektroden der zweiten Phase 66 und 68 verbunden. Ein Ausgang ist angeschlossen an den Anschluß 76P der inneren Elektroden 72C des Sektors 66 und an die äußeren Elektroden 7OD des Sektors 68. Der andere Ausgang ist verbunden mit dem Anschluß 76E der äußeren Elektroden 70C des Sektors 66 und mit dem Anschluß 76H der inneren Elektroden 72D des Sektors 68. Ein Detektor 34, d.h. ein Wechselstromvoltmeter ist an die Anschlüsse 58 und 60 der Kopplungselektroden 54 und 56 angeschlossen.

Der Drehmelder nach den Fig. 1, 2 und 3 weist 50 Pole und 25 MeßzyKlen auf. Jeder Meßzyklus entspricht einer winkelmäßigen Verdrehung von 14,4° zwischen Rotor und Stator. Jeder Meßzyklus kann wiederum abgesehen werden als ein Meßbereich eines 360° Befehlswinkels. Im Betrieb werden die Signalamplituden der Generatoren 30 und 32 einges-tellt proportional dem Sinus und dem Kosinus eines gegebenen Befehlswinkels Θ. Diese den

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Statorelektroden 70^-p und 72_A__D zugeführten Spannungen induzieren elektrostatisch eine Spannung in den gegenüberliegenden Rotorelektroden 42 und 48 und diese induzierte Spannung wird kapazitiv rückgekoppelt von den Unterteilen 50 und 44 der Rotorelektroden zu den Kopplungselektroden 54 und 56 des Stators 12. Die vom Voltmeter 54 zwischen den Kopplungselektroden 54 und gemessene Spannung ist ein Fehlersignal, dessen Amplitude eine Funktion der Differenz zwischen dem Befehlswinkel θ (Sollstellung) und der tatsächlichen winkelmäßigen Stellung (Iststellung) zwischen dem Rotor und dem Stator innerhalb eines Meßzykluses ist. Dieses Fehlersignal geht gegen Null, wenn die tatsächliche winkelmäßige Stellung zwischen Rotor und Stator innerhalb eines Meßzykluses gleich dem Befehlswinkel θ wird, "d.h. wenn der Istwert gleich dem Sollwert wird.

Obwohl der Sinusgenerator 30 und der Kosinusgenerator 32 als getrennte elektrische Einheiten dargestellt sind, ist es selbstverständlich, daß die beiden Generatoren zu einem einzigen Generator zusammengefaßt sein können, der eine feststehende primäre Transformatorwicklung und zwei bewegbare Sekundärwicklungen auf einer Welle aufweist. Die Sekundärwicklungen haben um 90° versetzte Achsen und in ihnen werden Spannungen proportional dem Sinus und dem Kosinus des Winkels der Welle relativ zu der Primärwicklung induziert. Andere Sinus- und Kosinusgeneratoren können ebenfalls verwendet werden, wie beispielsweise solche, die in den US-PS 3 686 487 und 3 745 560 gezeigt sind.

Auf diese Weise ist es möglich, den Rotor 10 genau relativ zum Stator 12 zu positionieren durch Einstellen

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der Sinus- und Kosinusspannungen entsprechend einer gewünschten Winkelstellung θ und durch Bewegen des Rotors 10 relativ zum Stator 12 so lange, Ms das Voltmeter 34 die Spannung ο anzeigt.

Es ist selbstverständlich, daß die äußeren Stromkreise auch, in anderer Weise als vorbeschrieben angeschlossen werden können. Beispielsweise ist es möglich, daß an die Kopplungselektroden 54 und 56 ein Signalgenerator konstanter Amplitude angeschlossen wird. An die Anschlüsse 76. τι der Statorelektroden werden dann zwei Voltmeter angeschlossen. Die in den Voltmetern gemessenen Spannungen sind proportional dem Sinus und dem Kosinus der tatsächlichen winkelmäßigen Stellung zwischen Rotor und Stator innerhalb eines Meßzyklus. Weiterhin ist esmöglich, daß die an die Statorelektroden nach Fig. 3 angeschlossenen Signalgeneratoren 30 und gleiche und konstante Amplituden haben, die jedoch zeitlich um 90° gegeneinander phasenverschoben sind, so daß das über die Kopplungselektroden 54 und 56 entstehende resultierende Signal wohl eine konstante Amplitude aufweist, jedoch zeitlich phasenverschoben ist relativ zu den Signalen der Generatoren wobei diese Phasenverschiebung proportional der winkelmäßigen Stellung zwischen Rotor und Stator innerhalb eines Meßzyklus ist. Diese Phasenverschiebung kann erfaßt werden mittels eines Phasendetektors, der an die Kopplungselektroden 54 und 56 angeschlossen ist.

Wie schon zuvor erwähnt, können sowohl die Rotorelektroden nach Fig. 2a als auch nach Fig. 2b verwendet werden. Bei der Elektrodenanordnung nach Fig. 2a sind die einzelnen Rotorelektroden (oder ersten Elektroden)

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physikalisch voneinander isoliert, was den Vorteil hat, daß die Statorelektroden stets eine konstante Impedanz untereinander und zu den gegenüberliegenden Statorelektroden "sehen", unabhängig von dem relativen winkelmäßigen Bereich der Stator- und der Rotorelektroden. Obwohl dieser Vorteil nicht kritisch ist bei dem gezeigten speziellen Ausführungsbeispiel, bei denen die Rotorelektroden sich über volle 360 erstrecken, so ist dieser Vorteil jedoch von Bedeutung, wenn die Rotorelektroden oder die Statorelektroden sich über weniger als 360 erstrecken und wo das Hinzufügen von zusätzlichen Sektoren von Rotorelektroden mit kontinuierlichen Unterteilen gemäß Fig. 2b die Impedanz der Vorrichtung beträchtlich verändern würde und eine Einstellung der Parameter der äußeren Stromkreise erforderlich machen würde. Die zueinander isolierten ersten Elektroden spielen jedoch eine bedeutendere Rolle in Verbindung mit linearen Lagemeßwertwandlern, von denen zwei Ausführungsbeispiele nachfolgend beschrieben sind.

Die Verminderung der unerwünschten harmonischen Komponenten in den elektrostatischen Kopplungswellen zwischen den Rotor- und Statorelektroden wird gemäß der Erfindung erreicht durch entsprechende Dimensionierung der Breiten der Rotor- und der Statorelektroden relativ zu ihren Abständen in einer analogen Weise, wie dies bei elektromagnetisch gekoppelten Umwandlern erreicht wird, wie sie beispielsweise in der US-PS 2 799 835 beschrieben sind. Demgemäß kann irgendeine gegebene Harmonische des G-rundzykluses in der elektrostatischen Kopplungswelle zwischen den Rotor- und den Statorelektroden vermindert werden durch Dimensionierung der Breite der Elektrodenfinger quer zur Richtung der Relativbewegung zwischen Rotor und

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Stator, derart, daß die Breite jeder Elektrode gleich, dem Meßzyklus der Vorrichtung dividiert durch N ist, wobei N die Zahl der unerwünschten Harmonischen ist.

Im dargestellten Beispiel wird die dritte Harmonische der G-rundwelle reduziert, da die winkelmäßige Breite jedes Elektrodenfingers 4,8° ist, d.h. ein Drittel von 14,4° des Meßzykluses. Eine Dimensionierung des Breiten/Zyklusverhältnisses entweder für die Rotorelektroden oder für Statorelektroden kann zur Unterdrückung einer unerwünschten Harmonischen vorgenommen werden. Es ist auch möglich, verschiedene Verhältnisse bei den Rotor- und den Statorelektroden vorzunehmen zur Verminderung zwei verschiedener harmonischer Komponenten in der elektrostatischen Kopplungswelle zwischen den Elektroden.

Unerwünschte harmonische Komponenten können auch vermindert werden in der elektrostatischen Kopplungswelle zwischen Rotor und Stator durch Maßnahmen analog denjenigen, wie sie im US-PS 2 799 835 in Verbindung mit magnetisch induktiv arbeitenden Lagemeßtransformatoren beschrieben sind. Durch diese Maßnahmen kann eine harmonische Komponente der Größenordnung Ή in der Kupplungswelle reduziert werden, falls der winkelmäßige Bereich, jeder Gruppe der zweiten (Stator-) Elektroden entweder vermindert oder gedehnt wird durch einen Winkel gleich einem Meßzyklus dividiert durch die Zahl IT. Im dargestellten Beispiel erstrecken sich die Sektoren 62, 64, 66 und 68iber einen Winkelbereich von 86,4 (6 χ 14.4 )· Soll beispielsweise die fünfte harmonische Komponente in der Kupplungswelle unterdrückt werden, dann wird der Winkelbereich jeder der Sektoren entweder gleichförmig

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gespreizt oder gleichförmig vermindert durch ein Fünftel des 14,4° großen Meßzykluses, d.h. um 2,9°, so daß der .jeweilige Winkelbereich nunmehr 89,3 oder 83,5° beträgt.

Ein weiterer Vorteil ist in der Verminderung der unerwünschten kapazitiven Streukopplung zwischen den Statorelektroden und den Kopplungselektroden zu sehen. Wie die Fig. 3 zeigt, ist jede der beiden Phasen der Statorelektroden unterteilt in zwei getrennte Elektrodensektoren, d.h. die erste Phase der Statorelektroden ist unterteilt in die Sektoren 62 und 64 und die zweite Phase der Statorelektroden umfaßt die Sektoren 66 und 68. Die ersten und zweiten Phasensektoren 62, 66, 64 und 68 sind wechselweise zueinander angeordnet, so daß, 'wenn die Statoreleictroden wie gezeigt an einen äußeren Stromkreis angeschlossen werden, die an den Statorelektroden anliegenden Spannungen, die kapazitiv mit den Kopplungselektroden 54 und 56 zusa-iümenarbeiten, einander ausbalancieren, so daß unerwünschte kapazitive Streukopplungen wirksam ausgeschlossen werden. In der Schaltung nach Fig. 3 ist der Ausgang des Sinussignalgenerators 30 verbunden mit dem Anschluß 76 A der äußeren Gruppe 7OA der Statorelektroden der ersten Phase in Sektor 62. Es sei vorausgesetzt, daß dieser Ausgang die maximale positive Spannung aufweist. Dieser Ausgang ist jedoch gleichzeitig verbunden mit dem Anschluß 76D der inneren G-ruppe der Stator elektroden 72B in Sektor 64. Der andere Ausgang des Sinussignalgenerators 30 weist die maximale negative Spannung auf. Dieser Ausgang ist verbunden mit dem Anschluß 76B der inneren Gruppe der Statorelektroden 72A der ersten Phase in Sektor 62 und mit dem Anschluß 76C der äußeren Gruppe der Elektroden 70B

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in Sektor 64. Die Wirkung der Spannungen an den Statorelektroden 70. _Ώ und 72. -r der ersten Phase

A—±5 A—±5

auf die inneren und äußeren Kopplungselektroden 54 und 56 balanciert sich genau aus und die kapazitive Einstreuung zwischen diesen Statorelektroden 7O.__B und 72» -n und den Kopplungselektroden 54 und 56 ist vermindert. Die Statorelektrode der zweiten Phase in den Sektoren 66 und 68 sind entsprechend angeordnet und über die Anschlüsse 76_e_tt dem Kosinussignalgenerator 32 verbunden, so daß die kapazitive Streukopplung zwischen diesen Elektroden 7O_n ^ und 72_n ^ und den Kopplungselektroden 54 und 56 ausgeglichen und wirksam ausgelöscht wird. Hieraus ergibt sich, daß die wechselweise Anordnung der Statorphasensektoren 62, 66, 64. und 68 längs des Wegs der Relatiwerschiebung auf diese Weise unerwünschte Kopplungen vermindert unabhängig davon, ob die Statorelektroden 70« -Q und 72. j. elektrisch direkt durch einen Generator erregt werden und ein Signal von den Kopplungselektroden 54 und 56 abgegriffen wird oder ob die Kopplungselektroden 54 und 56 direkt erregt werden und Signale von den Statorelektroden 70_A__D und 72._£ abgegriffen werden.

Das gesamte kapazitive Gleichgewicht des Wandlers wird noch verbessert indem die entsprechenden kombinierten Bereiche der unterteile 44 und 50 der Rotorelektroden 42 und 48 gleich sind und ebenso die Bereiche der gegenüberliegenden Kopplungselektroden 54 und 56. Wie sich aus derPig. 2b und den Dimensionsangaben in den Tabellen I und III ergibt, ist die radiale Abmessung jeder Kopplungselektrode 54 und 56 geringer als die Radialabmessung der gegenüberliegenden Unterteile 44 und 50 der Rotorelektroden, wobei diese Kopplungselektroden 54 und 56

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zentrisch innerhalb des Bereichs der Unterteile 44 und 50 liegen, so daß die Kopplungselektroden praktisch nicht elektrostatisch zusammenwirken mit den Fingern 46 und 52 der Rotorelektroden 42 und 48. In entsprechender Weise ist die radiale Länge der Elektrodenfinger 70. -η und 72. -η des Stators geringer als die radiale Länge der gegenüberliegenden Elektrodenfinger 46 und des Rotors wobei die erstgenannten Finger innerhalb des Bereichs der Rotorfinger angeordnet sind, so daß die einzelnen Statorelektroden 7O.__D und 72.__D praktisch nicht mit den Unterteilen 44 und 50 der Rotorelektroden koppeln. Diese Dimensionierung der Kopplungsund der Statorelektroden relativ zu den Rotorelektroden ermöglicht a.uch eine gewisse Toleranz bezüglich der Flucht zwischen der Drehachse des Rotors und der Achse des Stators.

Der lineare Meßwertwandler gemäß den Fig. 4 bis 6 weist einen Meßzyklus von 0,254 mm auf. Fig. 4 zeigt einen linearen Wandler mit einem bewegbaren Schieber 100 der im Abstand zu einer feststehenden Skala 102 angeordnet ist. Der Schieber 100 ist an einem Befestigungsteil befestigt, das seinerseits an einem Maschinenteil oder einem anderen mechanisch bewegten Teil angeordnet ist, dessen lineare Verschiebung relativ zu der feststehenden Skala 102 bestimmt werden soll. Die Bewegung des Maschinenteilsoder des beweglichen Teils und damit des Schiebers 100 erfolgt parallel zur Längsachse der Skala 102. Die Skala 102 und der Schieber 100 können aus Aluminium oder einem anderen geeigneten Material bestehen, wobei die einander gegenüberstehenden Oberflächen 106 und 108 durch einen schmalen Luftspalt beispielsweise der Größenordnung von 0,076 mm getrennt sind.

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Muster von Kupferelektroden einer Dicke von 0,0127 nun sind auf den einander gegenüberstehenden Oberflächen 106 und 108 aufgebracht. £alls Skala und Schieber aus Metall sind, sind die Kupferelektroden von den Oberflächen 106 und 108 durch eine dünne Isolier- und Haftschicht von den Oberflächen getrennt. Das Elektrodenmuster 110 der Skala nach Fig. 5a ist auf der Oberfläche 108 angebracht, während das Elektrodenmuster 112 des Schiebers und die Kopplungselektroden auf dem Schieber 106 aufgebracht sind. Ein Sinussignalgenerator 114, ein Kosinussignalgenerator 116 und ein Detektor 118 sind an die Schieber- und Kopplungselektroden an der Schieberoberfläche über entsprechende Signalleitungen 120, 122 und 124 angeschlossen, wobei diese Signalleitungen durch das Befestigungsteil 104 und den Schieber 100 hindurchgehen und mit Anschlußpunkten der Elektroden verbunden sind. Zu den Skalaelektroden 110 bestehen keine elektrischen Verbindungen.

Ein Muster von Skala- (oder ersten) Elektroden 110 ist in Fig. 5a gezeigt. Ein erster Satz von zueinander isolierten Elektroden ist in gleichförmigen Abständen entlang der Längsachse der Skala 102 angeordnet. Jede Elektrode in diesem Satz weist ein Unterteil 128 und ein sich vom Unterteil erstreckender Fingerteil I30 auf, welcher quer zur Verschieberichtung angeordnet ist. Ein zweiter Satz 132 von in gleichförmigen Abständen isoliert angeordneten Elektroden ist in Fig. 5a gezeigt, wobei jede Elektrode ebenfalls ein Unterteil 134 und einen Fingerteil I36 aufweist. Im dargestellten Beispiel sind die Finger jedes Satzes 126 und 132 in einem gegenseitigen Abstand von 0,254 mm angeordnet und weisen eine Breite von 0,0864 mm auf. Die Finger I36 des zweiten

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Satzes 132 der Skalaelektroden sind in einem Abstand von einem halben Zyklus verschachtelt zu den Fingern 130 des ersten Satzes 126 der Skalaelektroden angeordnet, so daß der Abstand zwischen benachbarten ineinander verschachtelten Fingern 13O und 136 0,047 mm beträgt. Die Unterteile 128 und 134 jedes Elektrodensatzes sind durch einen Spalt von 0,0127 mm voneinander getrennt und ihre Breite entlang der Längsachse der Skala beträgt 0,241 mm. Die restlichen Abmessungen der Elektroden sind in Tabelle IV wiedergegeben.

TABELLE IV Abmessung Länge

a 1,27 mm

b 1,65 mm

c 12,32 mm

d 12,70 mm

e 13,97 mm

Eine geeignete Anzahl von Skalaelektroden wird längs der Skala 102 angeordnet. Vorzugsweise besteht die Skala aus einzelnen standardisierten Segmenten von jeweils 254 mm Länge.

Ein alternatives Muster 110' der Skalaelektroden ist in Fig. 5b gezeigt. Das Muster 110' ist identisch zu dem Muster 110 mit Ausnahme der Unterteile 128 und der beiden Sätze der Skalaelektroden die in Form von kontinuierlichen Bereichen 138 und HO ausgebildet sind.

Die Fig. 6 zeigt ein Muster 112 von Schieber- und Kopplungseleütroden auf der Schieberoberfläche 106. Zwei Kopplungselektroden 142 und 144 sind in Form von Streifen gegenüber den Unterteilen 128 und 134 der Skalaelektroden

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angeordnet. Die Flächen der beiden Kopplungselektroden 142 und 144 sind gleich und jede Kopplungselektrode 142 und 144 weist einen Anschlußpunkt 146 und 147 auf, über die die Kopplungselektroden an einen äußeren Stromkreis anschließbar sind. In Fig. 6 ist ein Spannungsdetektor 118 an die Anschlüsse 146 und 147 angeschlossen.

Vier Gruppen von Schieber- (oder zweiten) Elektroden 148, 150, 160 und 162 sind weiterhin auf der Schieberoberflache 106 angeordnet. Eine erste Phase von Schieberelektroden umfaßt zwei im Abstand zueinander angeordnete Gruppen von Elektroden 148 und 150, wobei jede Gruppe aus einem Satz von 25 Fingern 152. -□ besteht, jeder Finger eine Breite von 0,0864 mm aufweist und die Finger 152 zueinander einen gleichförmigen Abstand von 0,254 mm haben, entsprechend einem Meßzyklus und verschachtelt hierzu ein gleicher Satz von 25 Fingern 154 a -^angeordnet ist. Die Finger 152 ,.-g und 154 λ -d jedes Satzes sind elektrisch miteinander verbunden durch Leiterstreifen 156 ._-p die mit Anschlüssen 158. η zum Anschluß an äußere Stromkreise versehen sind. Eine zweite Phase von Schieberelektroden umfaßt zwei im Abstand zueinander angeordnete Elektrodengruppen 160 und 162. Jede dieser Gruppen besteht wie die zuvor beschriebenen Gruppen 148 und 150 aus einem Satz von 25 Fingern 164*_-g welche 0,0864 mm breit sind und einen Abstand von 0,254 mm zueinander aufweisen. Verschachtelt hierzu ist ein weiterer Satz von 25 gleichen Fingern 166. -n angeordnet. Die Finger 164, 3 und ¹66>δ_β der zweiten Phase der Schieberelektroden sind um₍ 90 phasenverschoben (Quadratur) relativ zu den entsprechenden Lagen der Finger 152.-Q und 154* -D der ersten Schieberelektroden, d.h. sie sind um ein Viertel eines Meßzykluses, d.h. um 0,0635 mm versetzt angeordnet. Jeder Fingersatz 164» Tj ^un^· ^^A-B

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weist einen Leiterstreifen ¹68^__D auf, von denen jeder einen elektrischen Anschluß ¹7O. ^ zum Anschluß an einen äußeren Stromkreis aufweist. Die Tabelle V gibt die restlichen Dimensionen in Fig. 5 wieder.

TABELLE	V	mm
Abmessung	Länge	mm
a	1,016	mm
b	1,778	mm
C	1,905	mm
d	9,65	mm
e	12,70	mm
f	13,72
g	0,190

Wie durch die gestrichelten Linien in Mg. 5a gezeigt ist, stehen die Kopplungselektroden 142 und 144 den Unterteilen 128 und 134 der Skalaelektroden gegenüber. Ihre Abmessungen quer zur Bewegungsrichtung sind geringer als diejenigen der Unterteile 128 und 134. In entsprechender Weise stehen die Schieberelektrodengruppen 148, 150, 160 und 162 den Fingern der Skalaelektroden gegenüber, wobei die Länge der Finger der Schieberelektroden geringer ist als die Länge der Finger der Skalaelektroden.

Das Anschlußmuster der äußeren Stromkreise beim Umformer nach Fig. 4 entspricht demjenigen nach Fig. 1. Ein Sinussignalgenerator II4 mit einer Signalamplitude proportional dem Sinus eines gegebenen Sollwertwinkels θ ist angeschlossen an die Schieberelektroden der Elektrodengruppe 148 und 150. Wie die Fig. zeigt, ist ein Ausgang des Generators 114 verbunden mit dem Anschluß ¹⁵⁸A ^{des oberen} Streifens 156_A

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des unteren Streifens 156D. Der andere Ausgang des Generators 116 ist verbunden mit den beiden restlichen Anschlußpunkten 158-g und 158_C der Elektrodengruppen 148 und 150. Ein Kosinussignalgenerator 116, dessen Amplitude proportional dem Kosinus eines Sollwertwinkels θ ist, ist verbunden mit der zweiten Phase der Schieberelektrodengruppen 160 und 162 in entsprechend kompensierender Weise, d.h. ein Ausgang des Generators ist mit dem oberen Anschluß 170. und dem unteren Anschluß 170y> und der andere Ausgang mit den restlichen Anschlüssen 170_Ώ und 17O_n verbunden. Mit den Anschlüssen 146 und 147 der Kopplungselektroden 142 und 144 ist ein Signaldetektor 118 verbunden. Wenn die Generatoren 114 und 116 die Schieberelektrodengruppen 148, 150, 160 und 162 erregen, um eine Spannung in den Skalaelektroden 110 zu induzieren, dann wird diese induzierte Spannung rückgekoppelt zu den Kopplungselektroden 142 und 144 und mittels des Detektors 118 gemessen. Jeder Meßzyklus umfaßt einen Sollwertwinkel von 360°. Der Detektor 118 erfaßt eine Spannung Full, wenn die Iststellung zwischen Skala 110 und Schieber 112 gleich dem Sollwertwinkel θ innerhalb eines Meßzykluses ist. Die Amplitude der zwischen den Kopplungselektroden 142 und 144 gemessenen Spannung ist eine Funktion der linearen Relativstellung zwischen Skala und Schieber innerhalb eines Meßzykluses von 0,254 mm.

Anstelle der zuvor beschriebenen Anschlußweise können die Anschlüsse auch in anderer Weise vorgesehen sein. Es ist beispielsweise möglich, daß ein Signalgenerator konstanter Amplitude die Kopplungselektroden H2 und 144 erregt und an die Schieberelektroden zwei Spannungsdetektoren angeschlossen sind, welche die Sinus- und

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die Kosinusspannungen erfassen, die der relativen Winkelstellung θ zwischen Skala 110 und Schieber 112 innerhalb eines Meßzykluses entsprechen. Alternativ hierzu können zwei Signalgeneratoren konstanter Amplitude und gleicher Frequenz jedoch mit einer 90 Phasenverschiebung an die erste und zweite Phase der Schieberelektrodengruppen 148, 150, 160 und 162 angeschlossen sein und an den Kopplungselektroden 142 und 144 ist ein Phasendetektor angeschlossen, welcher die Phasendifferenz der Spannung der Kopplungseiektroden relativ zu einer der Generatoren erfaßt, wobei diese Phasendifferenz der relativen Winkelstellung Θ entspricht.

Bei dem linearen Meßwertumwandler kann sowohl das Skalamuster nach Pig. 5a. als auch dasjenige nach Fig. 5b verwendet werden. Es ist jedoch vorzuziehen, daß Skalenmuster 110 nach Fig. 5a mit den isolierten Elektroden zu verwenden, da dies in der Praxis Vorteile mit sich bringt. Üblicherweise besteht die Skala der Meßvorrichtung aus Skalenelementen standardisierter Größe, welche zusammengefügt werden, damit die Skala eine bestimmte Länge aufweist, die dem speziellen Anwendungsfall angepaßt ist. Beispielsweise besteht eine Skala aus standardisierten Elementen, die jeweils eine Länge von 254 mm aufweisen. Der Schieber nach Fig. 6 weist eine Länge von 38 mm auf. Für bestimmte Anwendungsfälle ist es ausreichend, wenn die Skala aus nur einem Element besteht, jedoch für viele Anwendungsfälle mit relativ großen Meßwegen ist es erforderlich, daß zwei oder mehr Skalenelemente genau fluchtend aneinander gefügt werden müssen. Wird nun das Muster 110' nach Fig. 5b verwendet, bei welchem die Unterteile kontinuierlich miteinander verbunden sind, dann verändert sich

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die Impedanz zwischen dem Schieber und den Kopplungselektroden und den Skalaelektroden in Abhängigkeit von der Anzahl der verwendeten Skalenelemente. Diese Impedanzveränderung erfordert eine entsprechende Einstellung der Parameter der äußeren Schaltkreise, um den maximalen Übertragungsfaittor und eine optimale Arbeitsweise des Geräts zu erhalten. Wird jedoch das Muster 110 mit den isolierten Skalenelektroden nach Pig. 5a verwendet, dann findet keine Veränderung der Impedanzverhältnisse zwischen dem Schieber und der Sicala statt, wenn zusätzliche Skalasektionen verwendet werden. Es ist also keine Anpassung der äußeren Schaltkreise notwendig, so daß für letztere standardisierte Schalteinstellungen verwendet werden können. Durch die Isolierung der Elektroden wird auch erreicht, daß irgendwelche Rauschspannungen die in den Skalaelektroden induziert werden, auf die Schieberelektroden nur von den Skalaelektroden übertragen werden, die den Schieberelektroden jeweils gegenüberstehen.

Wie schon zuvor beim Drehmelder beschrieben, können unerwünschte Komponenten in der elektrostatischen Kopplungswelle zwischen den Skalen- und Schieberelektroden vermindert werden durch entsprechende Dimensionierung der Elektroden. Im dargestellten Beispiel haben die Skalenfinger 130 und 136 und die Schieberfinger 15² _A__B, 154 ¹^A-B ^{und 1}^^A-B 3^{eweils eine} Breite von 0,086 mm, was einem Drittel des Meßzykluses der Vorrichtung entspricht. Auf diese Welle wird die dritte Harmonische der Grundkopplungsfrequenz vermindert. Soll beispielsweise die fünfte Harmonische vermindert werden, wird die Elektrodenbreite 0,051 mm, was einem Fünftel des Meßzykluses entspricht. Durch Dimensionierung des Breiten/ Zyklus-Verhältnisses entweder für die Skalen- oder für

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die Schieberelektroden können unerwünschte harmonische Komponenten in der elektrostatischen Kopplungswelle unterdrückt werden. Werden bei den Skalen- und bei den f'cbiebereleittroden unterschiedliche Breiten gewählt, dann ist es auf diese Weise möglich, harmonische Komponenten verschiedener Größenordnungen zu vermindern.

Harmonische Komponenten in der Kupplungswelle können auch vermindert werden durch die andere zuvor beschriebene Maßnahme, nämlich durch Spreizen oder Vermindern der linearen Abmessung der Schieber- (oder zweiten) Elektrodengruppen durch einen Betrag gleich dem Meßzyklus dividiert durch U, wobei IT die Zahl der unerwünschten Harmonischen ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Schieberelektrodengruppen 148, 150, 160 und 162 jeweils eine länge von 6,35 nun auf. Um die fünfte Harmonische in der Kupplungswelle zu unterdrücken ist es notwendig, die Länge jeder Gruppe um ein Fünftel eines Meßzykluses (0,05 mm) zu spreizen oder zusammenzudrücken, so daß nunmehr die Länge entweder 6,4 mm oder 6,3 mm beträgt.

Unerwünschte kapazitive Kopplungen zwischen den Schieberelektroden und den Kopplungselektroden können im wesentlichen vermindert werden durch Aufteilen jeder Phase der Schieberelektroden in Gruppen, d.h. die Gruppen 148 und I50 für die erste Phase und die Gruppen 160 und 162 für die zweite Phase, und durch wechselweise Anordnung dieser Gruppen längs des Verschiebewegs, wie dies die Fig. 6 zeigt. Bei dieser Anordnung wird ein Anschluß des Sinussignalgenerators 114- an die Elektrodengruppe 148 der ersten Phase angeschlossen an einem Punkt, der der Kopplungselektrode 14-2 benachbart

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ist und an die andere Elektrodengruppe 150 der ersten Phase an einem Punkt, der der anderen Kopplungselektrode 144 benachbart ist. Der andere Anschluß des Sinusgenerators 114 wird an die restlichen Anschlüsse dieser Elektrodengruppen 148 und 150 angeschlossen. Der Effekt der Sinussignalerregung auf die Kopplungselektroden 142 und 144 wird hier vollständig ausgeglichen und ist daher wirksam eliminiert.Der Kosinussignalgenerator 116 wird in korrespondierender Weise an die Elektroden der Gruppen 160 und 162 angeschlossen, so daß auch hier die kapazitive Kopplung mit den beiden Kopplungselektroden 142 und 144 eliminiert wird.

Um das Gleichgewicht der Gesamtkapazität sicherzustellen, sind außerdem die kombinierten Bereiche der Unterteile 128 und 134 und die Bereiche der beiden Kopplungselektroden 142 und 144 miteinander gleich. Die Breite der Kopplungselektroden 142 und 144 ist geringfügig geringer als die Breite der gegenüberstehenden Unterteile 128 und 134 und die Länge der Elektrodenfinger des Schiebers ist geringer als diejenige der Finger der Skala, so daß die Kopplungselektroden nicht mit den Elektrodenfingern der Skala und die Echieberelektroden nicht mit den Unterteilen der Skalenelektroden kuppeln. Außerdem sind die einander gegenüberstehenden Teile mittig angeordnet, wie dies derFig. 5a zu entnehmen ist. Durch diese Dimensionierung ist außerdem sichergestellt, daß irgendwelche Zentrierungsfehler bezüglich der Längsachse ausgeglichen werden.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel eines linearen Lagemeßwertumwandlers nach den Fig. 7 bis 9 beträgt der Meßzyklus 0,254 mm. Die Fig. 7 zeigt den Aufbau

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einer Skala 200. Außerdem sind dort die äußeren Schaltkreise gezeigt, welche an diese Skala angeschlossen sind. Die Skala 200 besteht aus einem Unterteil 201, aus einem unmagnetischen Metall, wie beispielsweise aus Aluminium, wobei dieses Unterteil fest an einen Träger montiert ist. Verschachtelt angeordnete Skalaelektroden 202 sind isoliert längs des Unterteils 201 angeordnet. Die Skalaelektroden 202 sind 0,0 127 mm dick und gegenüber dem Unterteil durch eine dünne Schicht eines Isolierklebers isoliert. Die verschachtelt angeordneten Elektroden bestehen aus Fingern 204 und 205 einer Breite von O,O864jml und einer Länge von 10 mm. Der Mitte zu Mitte Abstand zwischen benachbarten Elektroden 202 beträgt 0,127 mm, d.h. der Hälfte eines Meßzykluses der Vorrichtung.

•Abwechselnd sind die Elektroden 202 verbunden mit zwei Leiterstreifen 206 und 207, welche elektrische Anschlußpunkte 208 und 209 aufweisen.

Zwei Sinuskollektorelektroden 210 und 211 sind beidseits der Elektroden 202 angeordnet. Die Elektrode 210 hat einen Anschlußpunkt 212 und die Elektrode 211 einen Anschlußpunkt 213. Parallel zu den Sinuskollektorelektroden 210 und 211 sind zwei Kosinuskollektorelektroden 2 14 und 215 angeordnet, welche Anschlüsse 216 und 217 aufweisen.

Der in Fig. 8 dargestellte Schieber 218 besteht aus einem Aluminiumunterteil 219, welches gegenüber der Skala 200 angeordnet ist, wie dies die Fig. 9 zeigt, und welches sich längs der Skala 200 bewegt. Das Schieberunterteil 219 trägt zwei Phasen von 0,0127 mm dicken Kupfereiektroden, welche isoliert angeordnet sind. Eine

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Phase der Schieberelektroden besteht aus drei Sinuselektrodengruppen 220. _n. Eine zweite Phase von Sehieberelektroden besteht aus vier Kosinuselektrodengruppen 222. -p.. Die Sinuselektrodengruppe 220. ist mittig auf dem Schieber 218 angeordnet und weist 64 ineinander verschachtelte Finger auf, von denen jeder 0,0864 nun breit ist und bei denen der gegenseitigeAbstand von Mitte zu Mitte 0,127 mm beträgt. Die Sinuselektrodengruppen 220-n und 220^ haben jeweils 32 ineinander verschachtelte Pinger der gleichen Breite und des gleichen Abstands wie bei der Gruppe 220.. Die Finger jeder Sinuselektrodengruppe 220. ~ sind abwechselnd verbunden durch Sinusleitergrundstreifen 224« -p, welche gegenüber dem Sinuskollektorstreifen 210 und 211 angeordnet sind und mit ihnen koppeln, wie dies Fig. 9 zeigt.

Die Kosinuselektrodengruppen 222. _Ώ haben jeweils 32 miteinander verschachtelte Finger der gleichen Breite und desselben Abstands wie die Sinuselektrodengruppen ²²⁰A-C* "°^{1β iin}S^er der Kosinuselektrcdengruppen 222. ^ sind jedoch, relativ zu den Fingern der Sinuselektrodengruppen 220. ρ um 90° phasenverschoben versetzt angeordnet, d.h. die Versetzung zwischen den Sinus- und den Kosinusgruppen beträgt ein Viertel eines Meßzykluses. Die Finger jeder Sinuselektrodengruppe 222. -^ sind abwechselnd verbunden mit Kosinusleitergrundstreifen 226. TT, welche gegenüber den Kosinuskollektorstreifen 214 und 215 angeordnet sind und mit ihnen kapazitiv koppeln, wie dies aus Fig. 9 zu entnehmen ist. Die Skala. 200 weist zum Schieber 218 einen Abstand oder luftspalt von 0,076 mm auf. Die Sinusleitergrundstreifen 224._-b sind kapazitiv gekoppelt mit den Sinuskollektorstreifen

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210 und 211. Die Kosinusleitergrundstreifen 226_A__H sind kapazitiv gekoppelt mit den Kosinusleiterstreifen 214 und 215. Die Sinus- und Kosinuselektrodengruppen 22O.__c und 222. _D sind kapazitiv gekoppelt mit den Skalaelektroden 202.

Die in Fig. 7 gezeigten äußeren Schaltkreise sind mit den Elektroden der Skala 200 in gleicher Weise verbunden, wie die äußeren Schaltkreise an den Schieber 100 beim ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 4. Ein Sinusgenerator 228 erzeugt eine Signalamplitude proportional dem Sinus eines bestimmten Befehlswinkels θ (Sollstellung) innerhalb eines Meßzykluses und ist über die Leitungen 229 angeschlossen an die Anschlüsse 212 und 213 der Sinuskollektorstreifen 210 und 211. Ein Kosinusgenerator 230 mit einer Signalamplitude proportional dem Kosinus des Winkels θ ist angeschlossen über die Leitungen 231 an die Anschlüsse 216 und 217 der Kosinuskollektorstreifen 214 und 215. Ein Spannungsdetektor 232 ist über die Anschlüsse 208 und 209 und über die Leitungen 233 an die Leiterstreifen 206 und 207 der Skalaelektroden angeschlossen. Der Wechselspannungsgenerator 228 ist über die Sinuskollektorstreifen 210 und 211 angekoppelt an die gegenüberliegenden Sinusleiterstreifen 224» p und an die Sinuselektrodengruppen 220. p. Die im Kosinusgenerator erzeugte Spannung ist an die Kosinuselektrodengruppen ²²²A-D ^anS^elcoPP^el'^t üfcer die Kosinuskollektor streif en 214 und 215 und die Kosinusleiterstreifen 226. ^.Diese

A—ti

Sinus- und Kosinussignale werden elektrostatisch zurückgekoppelt auf die ineinander verschachtelten Skalaelektroden 202. Die resultierende Fehlersignalspannung wird vom Detektor 232 von den Leiterstreifen 206 und

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207 abgegriffen. Die vom Detektor 232 erfaßte Spannung wird Null, wenn die Stellung zwischen Skala 200 und Schieber 218 innerhalb eines Meßzykluses gleich dem Winkel θ ist. Ist das Fehlersignal nicht gleich Null, dann ist die gemessene Spannung eine Funktion der Differenz zwischen der Istlage und der Sollage, wobei die letztere innerhalb eines Meßzykluses durch den Winkel Q definiert ist.

Die Anschlüsse der äußeren Stromkreise kann auch in anderer Weise erfolgen, wie dies schon zuvor beschrieben wurde. Beispielsweise kann ein Signalgenerator konstanter Amplitude die Skaiaelektroden 202 erregen und zwei Spannungsdetektoren erfassen die Sinus- und die Kosinusspannungen der Sinus- und Kosinuskollektorstreifen 210, 211, 214 und 215, wobei diese Spannungen trigonometrisch bezogen sind auf den Winkel θ zwischen Skala 200 und Schieber 218 innerhalb eines Meßzykluses. Alternativ hierzu können zwei Signalgeneratoren konstante Amplitude und gleicher Frequenz jedoch mit einer 90° Phasenverschiebung an die Sinus- und Kosinuskollektorstreifen 210, 211, 214 und 215 angeschlossen sein, und an die Elektrodenleiterstreifen 206 und 207 ist ein Phasendetektor angeschlossen, der die Phase des Signals an den Skalaelektroden 202 relativ zu einer der Phasen des Generators mißt, wobei die Phasenverschiebung der Relativlage zum Sollwinkel θ entspricht. Breite und Abstand der Finger der Sitalaelektroden 202 und der Sinus- und Kosinuselektroden 220. _n und 222. ^ ist so ausge-

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legt, wie in den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen, um eine unerwünschte harmonische Komponente, vorzugsweise die dritte Harmonische, in der Kupplungswelle zwischen den Skalaelektroden 202 und den Sinus-

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und Kosinuselektrodengruppen 220_A__c und 222_A__D zu vermindern.

Wie sich aus den Fig. 7 bis 9 ergibt, ist die länge der Sinuselektrodengruppen 222. -p auf dem Schieber in Drehrichtung gesehen größer als die Länge der Kosinuselektrodengruppen 220«_p. Hieraus ergibt sich,

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daß die ineinander verschachtelten Pinger der Sinuses eictrodengruppen 222. -^ die Kosinuskollektorstreifen 210 und 211 kreuzen und damit kapazitiv koppeln. Diese Kopplung wirkt sich jedoch in keiner Weise aus, da beide Sätze der ineinander verschachtelten linger jeder Sinuselektrodengruppe 222, -^ jeden Kosinuskollektorstreifen 210 und 211 kreuzt und die Kopplungsrichtung benachbarter Finger jeweils entgegengesetzt ist, so daß die resultierende Gesamtkopplung gleich KuIl ist,

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Claims

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Ansprüche

■; 1.) Lagemeßwertumwandler mit zwei relativ zueinander ^x-.y beweglichen Wandlerteilen, die elektrostatisch miteinander gekoppelte Elektroden aufweisen, dadurch gekennzeichnet , daß auf dem einen Wandlerteil zwei Sätze von ersten Elektroden angeordnet sind, von denen jede ein Unterteil und ein Fingerteil aufweist, wobei die benachbarten Fingerteile jedes Satzes den Abstand eines Meßzykluses zueinander aufweisen und die Fingerteile beider Sätze ineinander verschachtelt sind und benachbarte Fingerteile des einen und des ande-• ren Satzes einen Abstand eines halben Meßzykluses zueinander haben, daß auf dem anderen Wandlerteil zwei Sätze von zweiten Elektroden angeordnet sind, von denen jede ein Fingerteil aufweist, die den Fingerteilen der ersten Elektroden gegenüber angeordnet sind, wobei die benachbarten Fingerteile jedes Satzes etwa den Abstand eines Meßzykluses zueinander haben und die Fingerteile beider'Sätze gleichmäßig ineinander verschachtelt sind, und dieses andere Wandlerteil weiterhin Kopplungselektroden trägt, die den Grundteilen der ersten Elektroden gegenüberliegend angeordnet sind, und daß jeder Satz der zweiten Elektroden und die Kopplungselektroden Anschlußmittel zum -Anschluß dieser Elektroden an äußere Stromkreise aufweisen.
2. Lagemeßwertumwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Unterteile jedes Satzes der ersten Elektroden elektrisch miteinander verbunden sind.

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3. Lagemeßwertumwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die ersten Elektroden elektrisch voneinander isoliert sind.
4. lagenießwer bumwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die kombinierte Fläche der Unterteile des einen Satzes der ersten Elektroden gleich der kombinierten Fläche der Unterteile des anderen Satzes der ersten Elektroden ist.
5. lagemeßwertumwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Fläche der ersten Kopplungselektrode gleich der Fläche der zweiten Kopplungselektrode ist.
6. Lagemeßwertumwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Abmessungen der Unterteile der beiden Sätze der ersten Elektroden in einer Richtung quer zur Verschieberichtung des Wandlers größer ist als die entsprechenden Abmessungen der gegenüberliegenden Kopplungselektroden, wobei die Flächen der ersten und zweiten Kopplungselektrode untereinander gleich sind.
7. Lagemeßwertumwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Abmessung der Fingerteile der ersten Elektroden quer zur Verschieberichtung des Wandlers größer ist als die entsprechende Abmessung der gegenüberliegenden Finger der zweiten Elektroden.

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8. Lagemeßwertumwandler nach Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Breite jedes Pingerteils der ersten Elektroden parallel zur Verschieberichtung der beiden Wandlerteile gleich dein Meßzyklus dividiert durch IT ist, wobei N die Zahl einer unerwünschten harmonischen Komponente eines G-rundfrequenzsignals ist, welches von einem äußeren Stromkreis an den Wandler angelegt wird, wobei diese unerwünschte harmonische Komponente in der Kupplungswelle zwischen den ersten und den zweiten Elektroden vermindert wird.
9. Lagemeßwertumwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Breite jedes Fingerteils der zweiten Elektroden parallel zur Verschieberichtung der beiden Wandlerteile gleich einem Meßzyklus dividiert durch N ist, wobei N die Zahl der unerwünschten harmonischen Komponente eines Grundfrequenzsignals ist, das von einem äußeren Stromkreis an den handler angelegt wird, wobei diese unerwünschte harmonische Komponente in der Kupplungswelle zwischen den ersten und den zweiten Elektroden vermindert wird.
10. Lagemeßwertumwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Wandlerteile um eine gemeinsame Achse drehbar sind.
11. Lagemeßwertumwandler nach Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Wandlerteile längs eines linearen Wegs bewegbar sind.

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12. Lagemeßwertumwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß auf dem anderen Wandlerteil zwei weitere Sätze von zweiten Elektroden angeordnet sind, deren Fingerteile denjenigen der ersten Elektroden gegenüber angeordnet sind, wobei benachbarte Fingerteile jedes Satzes einen Abstand von etwa einem Meßzyklus zueinander aufweisen und die Fingerteile der beiden weiteren Sätze gleichmäßig ineinander verschachtelt sind, daß die Fingerteile der beiden weiteren Sätze relativ zu den Fingerteilen der beiden Sätzen von zweiten Elektroden um eine Quadratur versetzt angeordnet sind und daß jeder weitere Satz der zweiten Elektrodenanschlußmittel zum Anschluß dieser Elektroden an einen äußeren Stromkreis aufweist.
13. Lagemeßwertumwandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Sätze von ineinander verschachtelten zweiten Elektroden in mehreren im Abstand angeordneten ersten Phasengruppen und die beiden weiteren Sätze von ineinander verschachtelten zweiten Elektroden in mehreren im Abstand angeordneten zweiten Phasengruppen angeordnet sind, wobei die ersten Phasengruppen und die zweiten Phasengruppen längs des Verschiebungswegs der beiden Wandlerteile abwechselnd angeordnet sind.
14. Lagemeßwertumwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß auf dem einen Wandierteil zwei weitere Sätze erster Elektroden angeordnet sind, von denen jede ein Unterteil und ein Fingerteil aufweist, wobei die benachbarten

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Fingerteile jedes Satzes den Abstand eines Meßzykluses zueinander aufweisen und die Fingerteile der beiden Sätze ineinander verschachtelt sind und benachbarte Fingerteile des einen und des anderen Satzes einen Abstand eines halben Meßzykluses zueinander haben, wobei die Fingerteile der weiteren Sätze der ersten Elektroden relativ zu den Fingerteilen der beiden Sätze von ersten Elektroden um eine Quadratur versetzt angeordnet sind.
15. Lagemeßwertumwandler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Sätze von ineinander verschachtelten ersten Elektroden in mehreren im Abstand angeordneten ersten Phasengruppen und die weiteren Sätze von ineinander verschachtelten Elektroden in mehreren im Abstand angeordneten zweiten Phasengruppen angeordnet sind, wobei die ersten Phasengruppen und die zweiten Phasengruppen wechselweise längs des Verschiebewegs der beiden Wandlerteile angeordnet sind.
16. Lagemeßwertumwandler nach Anspruch 14, dadux'ch gekennzeichnet , daß auf dem anderen Wandlerteil eine dritte und vierte Kopplungselektrode angeordnet ist, die den G-rundteilen der beiden weiteren Sätze von ersten Elektroden gegenüberliegend angeordnet sind, wobei die dritte und vierte Kopplungselektrode Anschlußmittel zum Anschluß an einen äußeren Stromkreis aufweist.
17. Lagemeßwertumwandler nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet , daß die Fingerteile der beiden weiteren Sätze von ersten Elektroden

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gegenüber den ersten und zweiten Kopplungselektroden angeordnet sind, wobei die weiteren Sätze von ersten Elektroden abwechselnd gleiche und entgegengesetzte Ladungen in der ersten und zweiten Kopplungselektrode induzieren, derart, daß die Gesamtkopplung von diesen zusätzlichen Sätzen von ersten Elektroden in den ersten und zweiten Kopplungselektroden insgesamt Null ist.

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