DE3436681A1

DE3436681A1 - Kapazitives verschiebungsmessgeraet

Info

Publication number: DE3436681A1
Application number: DE19843436681
Authority: DE
Inventors: James Atwood Menlo Park Calif. Baer; Charles Bruce Los Altos Calif. Clark; Joseph Stephen Redwood City Calif. Eckerle; Hugh Finch Sunnyvale Calif. Froback; Russell Theodore Los Altos Calif. Wolfram
Original assignee: Mitutoyo Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1983-10-27
Filing date: 1984-10-05
Publication date: 1985-05-09
Also published as: DE3436681C2; US4733235A; JPH0374767B2; JPS6093312A

Description

Kapazitives Verschiebungsmeßgerät

B e s c h r e i b u η g

Die Erfindung bezieht sich auf ein kapazitiv arbeitendes Verschiebungsgrößen-Meßgerät nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und speziell auf ein solches Meßgerät mit

^Q einem Noniussystem, bei dem eine Veränderung der elektrischen Kapazität zwischen Elektroden aufgrund einer relativen Verschiebung zwischen zwei gegeneinander beweglichen Teilen auf der Basis einer Phasenänderung eines Detektorsignals ermittelt und daraus die Verschiebung der beiden

jg Teile gegeneinander aus der Kapazitätsänderung gemessen wird.

Als Meßinstrumente zur Bestimmung einer Länge oder dergleichen eines Gegenstandes, einer Bewegungsgröße von ge-

2Q geneinander beweglichen Gegenständen, wie beispielsweise einer Bewegungsgröße eines Meßelementes gegenüber einem Hauptkörper oder einer Bewegungsgröße eines Gleitelementes an einer Säule sind kapazitive Verschiebungs-Meßinstrumente bekannt, bei denen ein Rahmen, der eine Hauptskala hält, am einen Teil und ein Detektor, der eine Indexskala einschließt, am anderen Teil befestigt wird, und ein relativer Verschiebungswert wird beispielsweise nach einem elektrostatischen Verfahren abgelesen.

QQ Von diesen kapazitiv arbeitenden Verschiebungs-Meßinstrumenten ist als ein solches, bei dem eine Veränderung in der elektrischen Kapazität zwischen den Elektroden aufgrund einer relativen Verschiebung zwischen zwei gegeneinander beweglichen Teilen auf der Basis einer Phasen-

oc änderung eines Detektorsignales gemessen und eine relative Verschiebung zwischen den beiden Teilen aus der Kapazitätsänderung ermittelt wird, beispielsweise von der US-PS 30 68 467 vorgestellt worden. Um den Noniuseffekt

zu erzielen, müssen gemäß dieser Patentschrift die Elektroden jedoch auf dem einen der gegeneinander beweglichen Teile ein komplementär sinuswellenförmiges Muster aufweisen und zwei Paare solcher sinuswellenförmig gestalteter Elektroden sind in der Phase um 90° gegeneinander versetzt. Die gegeneinander beweglichen Teile der Meßvorrichtung werden hierdurch in Breitenrichtung recht groß und es ist darüber hinaus schwierig, die zwei Paare der sinuswellenförmig gestalteten Elektroden so auszubilden, daß sie in der Phase verschoben sind.

In der JP-OS 94 354/79 ist ein Instrument vorgeschlagen worden, bei dem ein Elektrodenpaar verwendet wird und die Frequenzen gegeneinander in einem Signalverarbeitungskreis verschoben werden, um hierdurch den Noniuseffekt zu erzielen. Nachteilig an dieser Anordnung ist, daß die Schaltung sehr kompliziert ist.

Die vorliegende Erfindung ist geschaffen worden, um die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßinstrument der obengenannten Art anzugeben, bei dem man den Noniuseffekt erzielen kann, ohne daß hierzu die Elektrodenanordnung und der Schaltkreis kompliziert sein müssen, so daß das Meßinstrument in der Größe klein gehalten werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Es sind demnach auf einem der gegeneinander beweglichen Teile Sendeelektroden für wenigstens eine Periode einer vorbestimmten Wellenlänge in Bewegungsrichtung des Teiles angeordnet, denen Wechselstromsignale nacheinander von einem Multiplexer zugeführt werden. In Bewegungsrichtung des Bauteiles sind weiterhin Empfangselektrode(n) auf dem Teil angeordnet. Das andere der gegeneinander beweglichen

Bauteile ist mit einer Mehrzahl von Übertragungselektroden in Bewegungsrichtung des Bauteils angeordnet, deren Teilungsabstand von dem der zuvor erwähnten Sendeelektroden abweicht, und die den Sendeelektroden und den Empfangselektrode(n) gegenüberstehen, wodurch eine relative Verschiebung zwischen den zwei gegeneinander beweglichen Teilen auf der Basis einer Phasenänderung der empfangenen Signale gemessen wird, die im wesentlichen dreieckförmigen Verlauf haben und an den Empfangselektroden gewonnen werden, so daß man den Noniuseffekt halten kann, ohne daß die Elektroden eine komplizierte Gestalt haben müssen und der Auswerteschaltkreis kompliziert ist. Die Gesamtanordnung kann daher kompakt aufgebaut werden.

Bei einer spezifischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Anordnung so getroffen, daß zwei Paare Sendeelektroden um 180° gegeneinander phasenverschoben angeordnet sind und eine Phasenänderung eines Differenzsignals der an den zwei Paaren der Empfangselektroden gegenüber den Sendeelektroden empfangenen Signale ermittelt wird, so daß man eine hohe Meßgenauigkeit erzielt.

Die Erfindung, ihre weiteren Merkmale und ihre Vorteile sollen nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht auf die Elektrodenanordnung bei einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein Zeitdiagramm der an die Sendeelektroden vom Multiplexer beim ersten Ausführungsbeispiel angelegten Signale;

Fig. 3 ein Diagramm der an den Empfangselektroden des

ersten Ausführungsbeispiels erscheinenden Signale; 35

Fig. H ein Blockdiagramm eines Signalverarbeitungskreises bei der ersten Ausführungsform der Erfindung, und

, Fig. 5 eine Draufsicht auf die Elektrodenanordnung bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

Bei der ersten Ausführungsform der Erfindung sind die Elekg troden so angeordnet, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Auf diese Fig. sei hier ausdrücklich Bezug genommen, ihr Offenbarungsgehalt ist Bestandteil dieser Beschreibung. Insbesondere offenbaren sich aus ihr erfindungswesentliche Merkmale. Ein bewegliches Bauteil oder Schieber trägt eine _1n Reihe von metallenen Sendeelektroden 1 bis 11 in Form von Platten oder Belägen und eine metallische Empfangselektrode 20, ebenfalls in Form einer Platte oder eines Belages. Ein stationäres Bauteil oder Stator ist mit einer Reihe von metallenen Übertragungselektroden 22 in Form von Platten

, _c oder Belägen versehen. Die Sendeplatten 1 bis 11 und die Io

Empfangsplatte 20 auf dem Schieber und die übertragungsplatten 22 auf dem Stator sind voneinander durch ein dünnes Dielektrikum getrennt. Die Teilung, in der die übertragungsplatten angeordnet sind, ist mit P bezeichnet. Innerhalb

von 9 P sind die Sendeplatten 1 bis 11 in zehn Teilungen 20

angeordnet. Wenn, wie in Fig. 1 dargestellt, der Schieber so angeordnet ist, daß die Sendeplatte 1 vollständig von der Übertragungsplatte 22 überlappt ist, dann nehmen die sich überlappenden Flächen zwischen den Sendeplatten und den Übertragungsplatten, d. h. nehmen die Kapazitäten

zwischen den Platten für die benachbarten Sendeplatten bis zur Platte 6 fortschreitend bis auf Null ab und steigen von dort wieder auf den Maximalwert, der bei der Platte 11 erreicht ist, an. Dieses Verhältnis ist gewählt, um elek-

trische dreieckförmige Wellenformen zu erzeugen, mit deren 30

Hilfe eine Phasenlage zu einer festen Zeitbezugsgröße in eine gerade Linie in Übereinstimmung mit der mechanischen Verschiebung des Schiebers auf dem Stator umgewandelt wird.

Wie Fig. 1 zeigt, werden die Sendeplatten 1 bis 11 indi-35

viduell von Ausgängen eines Multiplexers 24 erregt. Ein Eingang des Multiplexers 24 wird von einem Oszillator 26 vorgegebener Amplitude erregt, der mit einer so hohen

Frequenz arbeitet, daß eine ausreichende elektrische Kopplung durch die Reaktanz der Kapazität zwischen den Platten erzielt wird» Abtaststeuersignale bewirken, daß der Multiplexer 24 das Signal des Oszillators 26 nacheinander auf jeweils nur eine der Platten 1 bis 10 schaltet und dann auf Eins zurückkehrt, um den Zyklus zu wiederholen. Die Sendeplatte 11 ist die erste einer zweiten Serie von Platten und ist mit der Sendeplatte 1 im Inneren des Multiplexers 24 verbunden. Jedes Sendesignal, das gemäß Fig. 2 in der Zeitskala dargestellt ist, erscheint an einer einzelnen zugehörigen Sendeplatte. Die Signale an den Sendeplatten 1 bis 11 werden von den übertragungsplatten 22 während der ihnen zugeordneten Zeitabschnitte im Abtastzyklus auf die Empfangsplatte 20 übergekoppelt. Die Amplitude eines jeden auf die Empfangsplatte 20 übergekoppelten Signals ist direkt proportional der Überlappungsfläche und daher der Kapazität zwischen jeder Sendeplatte und den Übertragungsplatten, so daß das sich an der Empfangsplatte 20 ergebende zusammengesetzte Signal die mit R in Fig. 3 bezeichnete Wellenform hat. Die Umhüllende dieser Wellenform R nach der Gleichrichtung und der Filterung ist dort ebenfalls dargestellt.

Wenn der Schieber dann aus der in Fig. 1 dargestellten Position nach rechts bewegt wird, so daß dann die der Sendeplatte 1 nachfolgenden Sendeplatten der Reihe nach jeweils eine übertragungsplatte 22 vollständig überlappen, dann bewegt sich das Segment der zusammengesetzten Wellenform R, das die Maximalamplitude hat, vom Zeitsegment 1 zum Zeitsegment 2 usw. des Multiplexer-Abtastzyklus, und die anderen Segmente der Wellenform, die geringere Amplituden haben, bewegen sich ebenfalls auf spätere Zeitsegmente. Die Umhüllende der gesamten zusammengesetzten Wellenform bewegt sich daher in der Zeit- oder Phasenlage gegenüber einer Bezugszeit, die beispielsweise die Startzeit am Zeitsegment 1 sein kann. Die Phasenlage der Umhüllenden verschiebt sich um einen vollständigen Zyklus oder 360° gegenüber der Bezugszeit bei einer Schieberbewegung vom Teilungs-

abstand P.

Ein vereinfachter elektronischer Schaltkreis zum Umwanden der Phasenverschiebung der 'Umhüllenden in einen numerischen Wert ist in Fig. 4 dargestellt. Danach schiebt der Ausgang eines Taktgebers 30 einen Abtastzähler 32 stufenweise, dessen Ausgänge zur Steuerung des Multiplexers 24 verwendet werden. Der Abtastzähler 32 versorgt weiterhin einen Dekodierer 34, der einen Bezugszeitimpuls zu jeweils gleichem Zeitpunkt in jedem Abtastzyklus erzeugt. Dieser Bezugszeitimpuls setzt den Positionszähler 36 in Betrieb, der von den Taktimpulsen des Taktgenerators 30 weitergeschaltet wird. Die empfangenen Signale von der Empfangsplatte 20 werden durch einen Stromverstärker 38, der eine Nulleingangsimpedanz aufweist, verstärkt. Dies stellt sicher, daß die Ausgangssignalamplituden direkt proportional der Kapazität zwischen der Sendeplatte und der übertragungsplatte ist.

Die R-Hüllkurve am Ausgang des Stromverstärkers 38 wird hier um 180° gegenüber der Wellenform in Fig. 3 verschoben, die Hüllkurve wird von einem Hüllkurvendetektor, bestehend aus einer Diode 40 und einem einfachen RC-Filter 42 detektiert. Das Hüllkurvensignal gelangt dann in einen Amplitudenkomparator 44, dem eine Vergleichsspannung V zugeführt ist, die so eingestellt ist, daß ein Schalten am Ausgang bei den Nulldurchgangspunkten der Hüllkurve bewirkt wird, wenn diese als eine Wechselstromschwingung ohne .Gleichstromkomponente betrachtet wird. Die Übergänge von minus nach plus des Ausgangssignals des Komparators 44 unterbricht dann das Weiterzählen am Positionszähler 36. Der Positionszähler 36 wird zu jedem Startzeitpunkt auf Null gesetzt, so daß der gezählte Wert zum Stoppzeitpunkt proportional der Schieberverschiebung innerhalb eines Stator-Teilungsabstandes ist.

Ein nützliches Merkmal des praktisch ausgeführten Instrumentes ist die Fähigkeit, den angezeigten Zählwert in jeder Position des Schiebers auf Null zu setzen, so daß Re-

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lativmessungen von dieser Position ausgehend sehr einfach durchgeführt werden können. Eine Modifikation der Betriebsweise des beschriebenen Systems würde diese Funktion ermöglichen. Anstelle den Positionszähler 36 am Beginn eines jeden Abtastzyklus auf Null zurückzusetzen, würde man es ihm nämlich erlauben, immer wieder von Null durch seinen gesamten Zählbereich zu zählen. Wenn man dann einen Nullsetzschalter drückt, dann würde man den Positionszähler 36 an dem Minus-Nach-Plus-Nulldurchgang der R-Hüllkurve auf Null setzen. Der Positionszähler 36 ist so re-synchronisiert, daß ein Zählergebnis von Eins am ersten Taktimpuls erscheint, der dem Nulldurchgang folgt. Wenn der Nullsetzschalter losgelassen wird, dann bewirkt der nachfolgende Nulldurchgang, daß der Zählwert in ein Anzeigespeicherregister übernommen wird, es würde jedoch der Zähler 36 nicht, wie zuvor, angehalten. Wenn der Schieber in der betreffenden Stellung bleibt, dann würde fortwährend der Zählwert Null in das Anzeigeregister eingetaktet. Wenn der Schieber dann aus dieser Position fortgeschoben wird, dann erscheinen die Nulldurchgänge zu anderen Zeitpunkten und die eingetakteten Zählwerte relativ zu der ursprünglichen Null-Bezugszeit oder -stellung würden sich dann ergeben.

Wenn in dem oben beschriebenen Kreis dieselbe Taktfrequenz sowohl den Abtastzähler 32 als auch den Positionszähler versorgt, dann beträgt das Auflösungsvermögen der Anzeige des Positionszählers 36 1/10 der Teilung P, was durch die Anzahl der Platten bestimmt wird, die während eines vollständigen Abtastzyklus des Multiplexers 24 erregt werden. Wenn man im Gegensatz hierzu einen Frequenzteiler 46 zwischen dem Taktgenerator 30 und dem Abtastzähler 32 verwendet, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, dann wird das Auflösungsvermögen auf 1/10 geteilt durch das Teilerverhältnis gesteigert. Beispielsweise für ein Teilerverhältnis von Zehn ergibt sich dann ein Auflösungsvermögen des Zählers 36 von P/100.

In einem praktisch ausgeführten System würde man auch

Schaltkreismittel vorgesehen, mit denen die Anzahl der Statorteilungen gezählt würde, die man bei der Schieberbewegung überstreicht. Diese Zählung würde man mit dem Zählergebnis der Noniuszählung zusammenfassen, um ein Gesamtmeßergebnis für die Schieberbewegung, ausgehend von einem anfänglichen Nullwert-Ausgangspunkt, zu erzielen.

In der beschriebenen Ausführungsform sind ein Satz Sendeplatten 1 bis 11 und eine Empfangsplatte 20 vorgesehen.

Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform sind jedoch zwei Sätze Sendeplatten 1 bis. 11 und 1¹ bis 11' vorgesehen, die jeweils um 180° in der Phasenlage gegeneinander verschoben sind, und es sind zwei entsprechende Sätze Empfangsplatten 20 und 20' vorhanden. Man erhält ein Differenzsignal aus den Empfangssignalen der Empfangsplatten 20 und 20' mit Hilfe eines Differenzverstärkers 50, und es ist möglich, die Verschiebung des Schiebers aus einer Änderung des Phasenwinkels des Differenzsignals zu ermitteln.

Bei dieser Ausführungsform ist die Meßgenauigkeit um ein beachtliches Maß verbessert.

Die obigen Ausführungsformen sind unter Bezugnahme auf ein Meßinstrument zur Ermittlung linearer Verschiebungen erläutert worden. Es sei jedoch betont, daß die Erfindung nicht auf diese spezielle Anwendungsform beschränkt ist, vielmehr läßt sie sich auch zur Ermittlung von Drehwinkeln und als Winkelkodierer verwenden, wenn die Anordnung der Elektroden entsprechend gewählt ist.

Claims

Patentanspruch e

1. Kapazitiv arbeitendes Verschiebegrößen-Meßinstrument mit Noniuseinrichtung, bei dem eine Veränderung der elek-

25 trischen Kapazität zwischen Elektroden aufgrund einer Verschiebung zwischen zwei gegeneinander beweglichen Teilen auf der Basis einer Phasenänderung eines Ermittlungssignals ermittelt und ein Verschiebungswert zwischen den zwei Teilen aus der Änderung der Kapazität gemessen wird, da-

30 durch gekennzeichnet , daß das Meßinstrument enthält:

a) Einen Oszillator (26) zum Erzeugen eines Wechselstromsignals einer vorbestimmten Amplitude;

b) einen Multiplexer (24) zum aufeinanderfolgenden Umschalten der Wechselstromsignale vom Oszillator (26);

c) Sendeelektroden (1 bis 11) wenigstens für einen Zyklus auf einem der gegeneinander beweglichen Teile, die in vorbestimmter Teilung in Bewegungsrichtung des Teils angeordnet sind und an die die Wechselstromsignale vom Multiplexer (24) nacheinander angelegt werden;

d) eine Mehrzahl von Übertragungselektroden (22), die an dem anderen der gegeneinander beweglichen Teile mit vorbestimmter Teilung (P) angeordnet sind, welche Teilung von der der Elektroden abweicht, wobei die übertragungs-

elektroden (22) den Sendeelektroden (1 bis 11) teilweise gegenüberstehen;

e) wenigstens eine Empfangselektrode (20), die auf dem erstgenannten der beiden gegeneinander beweglichen Teile angeordnet ist und dem verbleibenden Teil der Über-

tragungselektroden (22) gegenübersteht, und

f) einen Phasendetektor (32 bis 44) zur Ermittlung einer Phasenänderung der im wesentlichen dreieckwellenförmig verlaufenden Empfangssignale, die von der Empfangselektrode (20) geliefert werden.

2. Meßinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zwei Paare (1 bis 11, 1' bis 11') Sendeelektroden vorgesehen sind, die in der Phasenlage um 18O° gegeneinander verschoben sind, und daß eine Phasenänderung eines Differenzsignals der an zwei Paaren (20, 20') Empfangselektroden, die den Sendeelektroden gegenüberstehen, empfangen werden, ermittelt wird.

3- Meßinstrument nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Phasendetektor enthält:

Einen Taktgenerator (30), einen Abtastzähler (32) zum Abgeben eines Abtastsignals an den Multiplexer (24) in Abhängigkeit der Takte des Taktgenerators (30), einen Dekodierer (34) zum Erzeugen eines Zeitbezugssignals für jeden

Abtastzyklus in Abhängigkeit eines Ausgangssignals des Abtastzählers (32), einen Stromverstärker (38) zum Verstärken der Ausgangssignale der Empfangselektrode(n) (20), einen Hüllkurvendetektor (40, 42) zum Erzeugen eines Hüllkurvensignals von im wesentlichen dreieckiger Wellenform, das am Ausgang des Stromverstärkers (38) ansteht, einen Komparator (44) zum Erzeugen eines Nulldurchgangssignals der Wechselstromwellenform nach dem Entfernen einer Gleichstromkomponente aus dem von dem Hüllkurvendetektor (40, 42) abgegebenen Hüllkurvensignal, und einen Positionszähler (36) zum Starten der Zählung von Taktsignalen in Abhängigkeit des Zeitbezugssignals von dem Dekodierer (34) und zum Erzeugen eines Positionszählwertes entsprechend einer Phasenänderung eines empfangenen Signals durch Unterbrechen der Zählung in Abhängigkeit von dem Nulldurchgangssignal vom Komparator (44).

4. Meßinstrument nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß ein Teiler (46) zwischen dem Takt- generator (30) und dem Abtastzähler (32) angeordnet ist.

5. Meßinstrument nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß als Stromverstärker (38) ein solcher mit Nulleingangsimpedanz verwendet ist.

6. Meßinstrument nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Hüllkurvendetektor eine Diode (40) und ein einfaches RC-Filter (42) aufweist.

7. Meßinstrument nach einem der Ansprüche 3 bis 6 dadurch gekennzeichnet , daß der Positionszähler (36) wiederholend von Null bis zum Maximalwert zählt und die Zählung der Taktsignale bei einer Bezugsposition beginnt, wo ein Nullschalter eingeschaltet wird nach dem Nulldurchgangspunkt des Hüllkurvensignals.