DE3438234A1

DE3438234A1 - Kapazitives verschiebungs-messinstrument

Info

Publication number: DE3438234A1
Application number: DE19843438234
Authority: DE
Inventors: Joseph Stephen Redwood City Calif. Eckerle
Original assignee: Mitutoyo Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1983-10-27
Filing date: 1984-10-18
Publication date: 1985-05-09
Also published as: JPH0374766B2; JPS6093311A; US4743838A; DE3438234C2

Description

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Kapazitives Verschiebungs-Meßinstrument

Beschreibun

Die Erfindung bezieht sich auf ein kapazitives Verschiebungs-Meßinstrument, und speziell auf ein solches, 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 wird und eine relative Verschiebung zwischen den beiden Teilen aus der

Änderung in der Kapazität gemessen wird. 15

Als Meßinstrumente zur Bestimmung einer Länge oder dergleichen eines Gegenstandes, einer Bewegungsgröße von gegeneinander beweglichen Gegenständen, wie beispielsweise einer Bewegungsgröße eines Meßelementes gegenüber einem Haupt-,

korper 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 25

Verschiebungswert wird beispielsweise nach einem elektrostatischen Verfahren abgelesen.

Von diesen kapazitiven Verschiebungs-Meßinstrumenten ist

als ein solches, bei dem eine Veränderung in der elektri-30

sehen Kapazität zwischen den Elektroden aufgrund einer relativen Verschiebung zwischen zwei gegeneinander beweglichen Teilen auf der Basis einer Phasenänderung eines Detektorsignals gemessen wird und eine relative Verschiebung

zwischen den beiden Teilen aus der Kapazitätsänderung er-35

mittelt wird, beispielsweise in der US-PS 30 68 467 ein Meßinstrument vorgeschlagen worden, bei dem zwei sinuswel-

is

lenartig gestaltete Elektroden, deren vordere Endbereiche zu komplementären Sinuswellenmustern gestaltet sind, verwendet werden. Gemäß dieser US-Patentschrift ist es notwendig, daß wenigstens zwei Sätze von sinuswellenförmig gestalteten Elektroden an zwei relativ zueinander beweglichen Teilen in Breitenrichtung befestigt sind und vier Sätze sinuswellenförmiger Elektroden sollten bei der einen Ausführungsform vorgesehen sein. Dies ist speziell unbrauch-

Q bar für ein Verschiebungs-Meßinstrument kleiner Abmessungen.

In der JP-OS 9^ 354/79 ist ein Instrument vorgeschlagen worden, bei dem nur ein Satz von Platten an zwei gegenpeinander beweglichen Bauteilen in Breitenrichtung angeordnet sind. In diesem Fall wird jedoch ein mehrphasiger Oszillator mit drei oder mehr Phasen benötigt, und wenn der Vorgang digital durchgeführt wird, dann wird die Schaltkreisanordnung weiterhin sehr kompliziert, was nachteilig

Die vorliegende Erfindung ist zu dem Zweck geschaffen worden, die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und ein kapazitives Verschiebungs-Meßinstrument zu schaffen, bei dem nur ein Satz von in

einer durchgehenden Welle gestalteten Elektroden auf zwei gegeneinander beweglichen Teilen in Breitenrichtung vorgesehen sind und kein Mehrphasengenerator benötigt wird, der digitale Vorgang mit einem einfachen Schaltkreis ausge-

führt werden kann, so daß das Meßinstrument in seiner Grö-30

ße klein gehalten werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. 35

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird nur ein Satz von in

einer durchgehenden Welle gestalteten Elektroden auf zwei gegeneinander· beweglichen Bauteilen benötigt und es ist kein Mehrphasenoszillator notwendig, die digitale Auswertung kann mittels eines einfachen Schaltkreises erfolgen, so daß das Meßinstrument in seiner Größe kompakt gehalten werden kann.

Eine spezielle Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist so getroffen, daß die Frequenz des von dem Rechteckwel-

lengenerator erzeugten Rechteckwellensignals hochfrequent in der Größenordnung zwischen 1 und 50 MHz ist, wodurch die kapazitive Reaktanz minimal werden kann.

Eine weitere spezielle Ausführungsform der Erfindung be-

steht darin, daß die als durchgehende Welle gestalteten Elektroden voneinander getrennt und isoliert in der Bewegungsrichtung sind, wodurch das Meßinstrument gegenüber den Einflüssen äußerer Störungen nicht so empfindlich ist.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß die vorderen Endbereiche der als durchgehende Welle gestalteten Elektroden ein komplementäres Sinuswellenmuster aufweisen, so daß amplitudenmodulierte Signale, die

sehr einfach demoduliert werden, erhältlich sind. 25

Weitere spezielle Ausführungsformen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung hervor.

Der genaue Aufbau der Erfindung und ihre Vorteile sollen nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht auf die Anordnung der Elektroden auf der Skala bei einer ersten Ausführungsform des kapazitiven Meßinstruments zur Ermittlung

linearer Verschiebungen, bei welchem die Erfindung angewendet ist;

c Fig. 2 eine Draufsicht auf die Anordnung der Elektroden auf dem Schlitten der ersten Ausführungsform;

Fig. 3 ein Blockdiagramm des elektronischen Schaltkreises der ersten Ausführungsform;

Fig. 4 den Verlauf von Wellenformen der Signale in den entsprechenden Abschnitten des elektrischen Schaltkreises der ersten Ausführungsform, und

_1C Fig. 5 eine Draufsicht auf die wesentlichen Bereiche ο

der Anordnung der Elektroden auf dem Schlitten bei einer zweiten Ausführungsform eines kapazitiven Meßinstrumentes zur Ermittlung linearer Verschiebungen, bei welchem die Erfindung angewendet ist.
20

Eine detaillierte Beschreibung eines kapazitiven Meßinstruments zur Ermittlung linearer Verschiebungen wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen gegeben.

Fig. 1 zeigt eine Konfiguration der Elektroden auf einer Skala oder einem Stator bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und Fig. 2 zeigt die Konfiguration der Elektroden auf dem Schlitten, der sich gegenüber der

Skala in Längsrichtung der Skala bewegt, wobei die Elek-30

troden einen vorbestimmten Abstand von der Skala haben.

Die Elektroden, die teilweise in Fig. 1 gezeigt sind, haben zwei Reihen von sinuswellenförmig gestalteten Elektroden 1-7 und 8-14, die in der Bewegungsrichtung des

Schlittens angeordnet sind und deren vorderen Endbereiche 35

in komplementäre Sinuswellenmuster einer Wellenlänge P gestaltet sind und die voneinander durch einen Isolierbereich 17 getrennt und gegeneinander isoliert in Bewegungs-

-.--3* 38 2

richtung des Schlittens angeordnet sind. In Fig, 1 besteht die obere Reihe aus sinuswellenförmigen Elektroden 1-7 und die untere Reihe aus sinuswellenförmig gestalteten Elektroc den 8-14. Fig. 1 zeigt nur einen kurzen Ausschnitt des Stators, das Sinuswellenmuster der Elektroden 1-7 bzw. 8-14 wiederholt sich über die Gesamtlänge des Stators mehrmals.

Andererseits zeigt Fig. 2, daß auf dem Schlitten zwei rela-. _n tiv große Sendeelektroden 20 und 21 angeordnet sind, die den Basisbereichen der zwei Reihen der sinuswellenförmig gestalteten Elektroden 1-7 und 8-14 gegenüberstehen, und relativ schmale Empfangselektroden 22-53, die in Mehrfachzahl (32 bei der vorliegenden Ausführungsform) in der Be-, _ wegungsrichtung des Schlittens und gegenüber den vorderen

Endbereichen der vorgenannten zwei Reihen sinuswellenförmiger Elektroden 1-7 und 8-14 angeordnet sind. Wenn der Schlitten auf der Skala in der normalen Art während der Messung verschoben wird, dann stehen die Elektroden des Schlittens im sehr kleinen Abstand von beispielsweise 0,1 mm den Elektroden der Skala gegenüber. Um das Verhältnis zwischen den Elektroden des Schlittens und den Elektroden der Skala zu verdeutlichen ist der Isolationsbereich in Fig. 2 mit gebrochenen Linien dargestellt. Während des _o_ Meßbetriebes ist der Schlitten gegenüber der Skala in einer Richtung beweglich, die durch den Pfeil A angedeutet ist.

Wie Fig. 2 zeigt enthalten die Empfangselektroden 22-53 aktive Empfangselektroden 30-45 im mittleren Bereich, die mit einem elektronischen Schaltkreis verbunden sind, der für die Bestimmung der Lage des Schlittens relativ zur Skala benutzt wird, und inaktive Empfangselektroden 22-29 und 46-53 an den einander gegenüberstehenden Endbereichen der Empfangselektroden in der Bewegungsrichtung des

Schlittens, die nicht mit dem externen Schaltkreis ver-35

bunden sind, jedoch nützlich sind, um die Grenzbedingungen

festzulegen. Diese inaktiven Empfangselektroden 22-29 und 46-53 können auch weggelassen werden, in diesem Falle nimmt jedoch die Meßgenauigkeit leicht ab.

Bei dieser Ausführungsform sind mit den aktiven Empfangselektroden 35-45 insgesamt 16 Elektroden in Benutzung. Die Zahl N dieser aktiven Empfangselektroden ist jedoch nicht begrenzt, soweit N nur wenigstens 2 ist. In der Praxis ist die Obergrenze der Zahl N jedoch möglicherweise um 1QO. Zu Fig. 2 sei hervorgehoben, daß die Länge der von den aktiven Empfangselektroden 30-45 bedeckten Skala gleich der Wellenlänge P des Sinuswellenmusters der Elektroden ist (siehe Fig. 1). Die Länge braucht nicht notwendig

gleich der Wellenlänge P zu sein, doch wenn die Länge der 15

aktiven Empfangselektroden gleich der Wellenlänge P oder einem ganzzahligen Vielfachen von P ist, dann kann das Meßinstrument die beste Leistung erbringen.

Fig. 3 zeigt einen elektronischen Schaltkreis zum Bestim-20

men der Position des Schlittens und die Verbindung zwischen dem Schlitten und den Elektroden. Die Sendeelektroden 20 und 21 sind mit zwei Ausgangsanschlüssen eines Rechteckwellengenerators 60 verbunden. Zur Vereinfachung ist die

Sendeelektrode 20 als Erdung für den Schaltkreis ausge-25

führt. Zur weiteren Vereinfachung der Zeichnung zeigt Fig. 3 eine des wirklichen Schaltkreises in zweierlei Hinsicht. In bezug auf die aktiven Empfangselektroden 30-45 werden nur die ersten acht aktiven Empfangselektroden

30-37 ausführlich dargestellt. In gleicher Weise wie die 30

ersten acht sind die anderen acht aktiven Empfangselektroden 38-45 durch acht Signalleitungen 63, wie Fig. 3 zeigt, angeschlossen. Anstatt weiterhin die entsprechenden sinuswellenförmigen Elektroden der Skala zu zeigen, werden in Fig. 3 alle sinuswellenförmigen Elektroden 1-7 in der oberen Reihe als eine einzige Elektrode mit dem Bezugszeichen 64 dargestellt. In gleicher Weise werden die sinuswe.llenförmigen Elektroden 8-14 in der

*-'3λ38234

unteren Reihe der Skala als eine einzige Elektrode mit dem Bezugszeichen 65 bezeichnet. Wie aus der Analyse des Schaltkreises hervorgeht, haben alle Skalenelektroden in

den entsprechenden Reihen, die unterhalb des Schlittens 5
liegen, im wesentlichen übereinstimmende Potentiale. Die Darstellung der Elektroden in jeder Reihe als miteinander verbunden, wie in Fig. 3 ausgeführt, ist daher elektrisch äquivalent dem wirklichen Meßinstrument, bei dem die verschiedenen Elektroden einer jeden Reihe voneinander getrennt und isoliert sind.

Unter Beachtung der oben beschriebenen Vereinfachung sind, wie in Fig. 3 gezeigt, sechzehn aktive Empfangselektroden

30-45 mit den Eingangsanschlüssen eines Multiplexers 66 15

verbunden, der entsprechend sechzehn Kanäle aufweist. Die Wirkung des Multiplexers 66 ist theoretisch mit gestrichelten Linien in Fig. 3 angedeutet. Ein Adresseneingang des Multiplexers 66, bestehend aus Signalleitungen 67, ist mit einem Zählregister eines 4-Bit-Binärzählers 68 verbun-

Die Betrachtung der relativen Elektrodenbereiche, die in Fig. 2 dargestellt sind, ergibt, daß ein Kondensator, der

von der Sendeelektrode 21 und der oberen Reihe der sinus-25

wellenförmigen Elektroden 1-7 gebildet ist, eine relativ große Kapazität im Vergleich zu jener zwischen einer einzelnen Empfangselektrode und jeder Reihe der Skalenelektroden hat. Dieser Kondensator, der von der Sendeelektrode 21 und der oberen Reihe der sinuswellenförmigen Elektroden

1-7 gebildet wird, ist in Fig. 3 mit dem Bezugszeichen 69 bezeichnet. In gleicher Weise ist in Fig. 3 der Kondensator, der von der Sendeelektrode 20 und der unteren Reihe der sinuswellenförmigen Elektroden 8-14 gebildet wird, mit dem Bezugszeichen 70 bezeichnet. Dieser Kondensator hat ebenfalls eine relativ große Kapazität. Der Kondensator, der von den aktiven Empfangselektroden und den Skalen-, elektroden gebildet wird, ist in Fig. 3 als veränderliche

3A3823A

Kondensatoren dargestellt. Tatsächlich ändert sich die Kapazität eines jeden dieser Kondensatoren, wenn der Schlitten gegenüber der Skala verschoben wird.

Unter Beachtung, daß die Kapazität der Kondensatoren 69 und 70 relativ groß ist, kann man aus dem Kreis nach Fig. 3 sehen, daß jede aktive Empfangselektrode die Ausgangselektrode eines kapazitiven Spannungsteilers ist, und daß die Spannung an jeder dieser Elektroden ein gewisser Bruchteil der Spannung ist, die von dem Rechteckwellengenerator 60 erzeugt wird. Wenn der Schlitten wie in Fig. 2 dargestellt positioniert wird, dann ist dieser Bruchteil für die Elektroden 36, 37 und 38 ziemlich klein, und er ist ziemlich groß (d.h. nahezu gleich 1,0) für die Elektroden 30, 31, -

44 und'45. Für die Elektroden 33 und 41 ist der Bruchteil ungefähr 0,5.

Die Frequenz des Rechteckwellengenerators 60 ist vorzugsweise ziemlich hoch (z.B. 1 bis 50 MHz), um die kapazitive

Reaktanz zu minimisieren. Fig. 3 zeigt, daß ein Frequenzteiler 71 dazu verwendet wird, eine Taktfrequenz zu erzeugen, die für den Zähler 68 geeignet ist. Diese Taktfrequenz bestimmt die Zyklen pro Meßvorgang und, um die Messung mit hoher Genauigkeit durchzuführen, ist eine ziem-

lieh niedrige Frequenz wünschenswert. Damit jedoch der Schaltkreis auf die erwartete maximale Schlittengeschwindigkeit richtig ansprechen kann, muß die Frequenz ausreichend hoch sein. Als Folge davon würde eine geeignete Taktfrequenz wahrscheinlich zwischen 10 und 100 KHz liegen. Es wird 30

daher ein Frequenzteilverhältnis C im Frequenzteiler 71 in geeigneter Größe gewählt, um dem Zähler 68 die benötigte Taktfrequenz zur Verfügung zu stellen.-

Der Ausgang des Multiplexers 66 an der Signalleitung 72 ist ein amplitudenmoduliertes Reckteckwellensignal. Eine Trägerfrequenz in diesem amplitudenmodulierten Signal ist gleich der Frequenz des Rechteckwellengenerators 60. Wei-

terhin wird die Modulationsfrequenz gleich der Taktfrequenz (auf der Signalleitung 73) geteilt durch 16 sein. Unter Bezugnahme auf Fig. 2 und zusätzlich auf Fig. 3 sieht man, daß die Phase der Modulation gegenüber der Phase des signifikantesten Bitausgangs (MSB) des Zählers 68 von der Position des Schlittens auf der Skala abhängt. Der Schaltkreis nach Fig. 3 ist so gestaltet, daß er diese Phasendifferenz 0 mißt und daher die Position des Schlittens gegenüber der Skala ermittelt.
10

Ein amplitudenmoduliertes Signal auf der Signalleitung wird von einem Verstärker 7H verstärkt und das resultierende Ausgangssignal des Verstärkers 7¹J wird von einem Wellendetektor aufgenommen, der aus einer Diode 72, einem

Widerstand 76 und einem Kondensator 77 besteht. Das detektierte Modulationssignal wird auf der Signalleitung 78 gefunden, dieses Signal hat jedoch einen Gleichspannungsversatz. Ein Hochpaßfilter, bestehend aus einem Kondensator und einem Widerstand 80, beseitigt den Gleichspannungsver-

satz und hinterläßt ein nullsymmetrisches Modulationssignal auf der Signalleitung 81. Verschiedene Schaltkreise zur Demodulation sind bekannt und könnten eingesetzt werden. Beispielsweise kann anstelle der Diode 75, der Widerstände 76 und 80 und der Kondensatoren 77 und 79, die in

Fig. 3 verwendet werden, ein Synchrondemodulator eingesetzt werden. Der Vorteil eines Synchrondemodulators besteht darin, daß er sehr einfach in integrierter Schaltkreistechnik unter Verwendung der kleinsten Zahl von Kondensatoren hergestellt werden kann. Die Kondensatoren 77

und -79 in Fig. 3 müssen relativ große Kapazität aufweisen und es wäre daher schwierig, sie in integrierter Schaltkreistechnik auszuführen.

Zurückkommend auf Fig. 3 sei erläutert, daß das demodulierte Signal auf der Signalleitung 81 dem einen Eingang IN1 der Eingangsanschlüsse eines Phasendetektors 82 zugeführt wird. Ein Eingangssignal am anderen Eingang IN2 der Ein-

ΛΜ

gangsanschlüsse des Phasendetektors 82 ist ein Signal vom signifikantesten Bit-Ausgang des Zählers 68. Der Ausgang des Phasendetektors 82 auf der Signalleitung 83 hat daher

eine Spannung, die proportional zur Phase 0 des demodulier-5

ten Signals gegenüber der Phase des signifikantesten Bit des Zählers 68 ist und daher die Position des Schlittens auf der Skala anzeigt.

Anstelle des Phasendetektors 82 mit analogem Ausgang, wie in Fig. 3 dargestellt, kann auch ein Phasendetektor mit digitalem Ausgang verwendet werden. Es ist notwendig, daß der Phasendetektor 82 in der Lage ist, eine Phasenmessung über einen Bereich von mehreren 360° durchzuführen. Dieses Merkmal erlaubt es dem Meßinstrument, eine genaue und eindeutige Messung von Distanzen, die gleich mehreren Wellenlängen P des Sinuswellenmusters sind, auszuführen. Die Phasendetektoren, die in der Lage sind, mehr als 360° zu messen, haben typischerweise die Möglichkeit für eine Rücksetzung.

In Fig. 3 ist der Rücksetzeingang des Phasendetektors 82

als Signalleitung 84 dargestellt.

Fig. 4 zeigt Beispiele von Wellenformen der Signale in den entsprechenden Bereichen der ersten Ausführungsform.

Es ist wünschenswert, daß die Kapazitäten zwischen den aktiven Empfangselektroden 30-45 und den Skalenelektroden so groß, wie es praktisch möglich ist, sind, um das Signal-/ Rausch-Verhältnis des empfangenen Signals maximal zu machen. Es ist weiterhin wünschenswert, die Wellenlänge P des Sinuswellenmusters so klein wie möglich zu machen, bis die Grenzen der Photolithographietechnik erreicht sind, um ein hohes Auflösungsvermögen zu erreichen. Unglücklicherweise nehmen mit der Wellenlänge P auch die Kapazitäten der aktiven Elektroden ab, die jedoch so groß wie möglich sein sollten. Diese gegensätzlichen Forderungen lassen sich erfüllen, wenn man das Schema nach der zweiten Ausführungsform verwendet, das in Fig. 5 dargestellt ist.

Λ5

Eine verbesserte Anordnung für die Empfangselektroden ist in Fig. 5 dargestellt. Jede aktive Empfangselektrode ist mit einer Anzahl (in dieser zweiten Ausführungsform mit drei) ähnlichen Empfangselektroden verbunden, die jeweils eine Distanz P voneinander aufweisen. Beispielsweise sind die zusätzlichen Elektroden, die mit der aktiven Empfangselektrode 30 verbunden sind, mit 30', 30^!t und 30''' in Fig. 5 bezeichnet. Zusätzliche Elektroden, die mit der ak- -₀ tiven Empfangselektrode 31 verbunden sind, sind mit 31', 31 * * und 31''' in Fig. 5 bezeichnet usw. Um eine Unübersichtlichkeit in der Zeichnung zu vermeiden, sind in Fig. drei Punkte (...) verwendet, um die Fortsetzung des sich wiederholenden Musters der aktiven Empfangselektroden oder

,,_ Leiter darzustellen.
lo

Es sei betont, daß die Technik nach Fig. 5 auf jede Zahl von aktiven Empfangselektroden jedes Satzes ausgedehnt werden kann. Beispielsweise würden sechs aktive Empfangselektroden pro Satz zur Folge haben, daß die aktive Empfangselektrode 30 mit den aktiven Empfangselektroden 30·, 30'', 30'", 30^ltft und 30''¹'¹ verbunden wäre.

Ein weiterer Vorteil dieser zweiten Ausführungsform be-

steht darin, daß die Kapazität von mehreren Wellenzügen 2b

sich addiert, wodurch Fehler in den Abmessungen der aktiven Empfangselektroden und dergleichen unterdrückt werden, wodurch die Meßgenauigkeit vergrößert wird.

Ein weiterer Vorteil dieser zweiten Ausführungsform be-30

trifft die inaktiven Empfangselektroden 22-29 und 46-53 (siehe Fig. 2). Es sei hervorgehoben, daß diese inaktiven Empfangselektroden einen relativ großen Anteil (um 25%) des Gesamtflächenbereiches aller Schlittenelektroden

einnehmen. Andererseits kann die Anordnung nach Fig. 5 die-35

sen Anteil auf einen vernachlässigbaren Wert (ungefähr 8% in Fig. 5) verringert werden. Die Verkleinerung der Fläche der inaktiven Elektroden ist erwünscht, weil die Gesamt-

größe der Schlittenanordnung dadurch verringert werden kann. Eine Verkleinerung der Schlittenfläche ist speziell bedeutsam, wenn das Meßinstrument als ein in der Hand zu g haltendes Gerät verwendet werden soll. Wegen des Maßstabes der Zeichnung nach Fig. 5 war es notwendig, die inaktiven Elektroden 47-53 in Fig. 5 nicht darzustellen.

Bei all den oben beschriebenen Ausführungsformen sind ₁q durchgehend wellenförmig gestaltete Elektroden verwendet, bei denen die Wellen Sinusgestalt haben. Die Wellenform dieses durchgehenden Musters ist jedoch nicht auf die Sinuswelle beschränkt, andere Wellenformen, wie beispielsweise Dreieckswellen, können ebenfalls eingesetzt werden.

Bei allen oben beschriebenen Ausführungsformen ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die Messung linearer Verschiebungen dargestellt. Das Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht notwendigerweise hierauf be-

„_n schränkt, und es ist klar, daß die vorliegende Erfindung auch zur Messung von Drehwinkeln und für Winkelkodierer verwendet werden kann.

Claims

Patentansprüche

1. Kapazitives Verschiebungs-Meßinstrument, bei dem eine Änderung der elektrischen Kapazität zwischen Elektroden aufgrund einer relativen Verschiebung zwischen zwei gegen-25 einander beweglichen Teilen auf der Basis einer Phasenänderung eines Detektorsignals ermittelt und eine relative Verschiebung zwischen den beiden Teilen aus der Kapazitätsänderung gemessen wird, dadurch gekennzeich

net

daß das Meßinstrument enthält:

a) einen Rechteckwellengenerator (60) zum Erzeugen von Rechteckwellensignalen;

b) zwei Sendeelektroden (20, 21) auf einem der beiden ge-35 geneinander beweglichen Teile, die in Bewegungsrichtung angeordnet sind, und die mit dem Rechteckwellengenerator (60) verbunden sind und Rechteckwellen mit

zueinander invertierter Phase empfangen;

c) zwei Elektroden (1-7, 8-14), die eine durchgehende Wel lenform aufweisen und auf dem anderen der zueinander

beweglichen Teile in Bewegungsrichtung derselben angeordnet sind, wobei die Basisabschnitte den zwei Sendeelektroden (20, 21) gegenüberstehen und die vorderen Endbereiche ein zueinander komplementäres, durchgehendes Wellenmuster aufweisen;
10

d) Empfangselektroden (22-53), die in mehrfacher Zahl auf dem ersten Teil in Bewegungsrichtung angeordnet sind und den vorderen Endbereichen der das Wellenmuster aufweisenden Elektroden (1-7, 8-14) gegenüberstehen;

e) einen Multiplexer (66) zum sukzessiven Aufnehmen der Ausgänge der Empfangselektroden (22-53);

f) einen Demodulator (75, 76, 77) zum Verarbeiten der

Rechteckwellensignale, die in eine Wellenform entsprechend der vom Multiplexer (66) abgegebenen durchgehenden Wellen amplitudenmoduliert sind, um dadurch demodulierte Signale entsprechend der Amplitudenmodulation zu erhalten, und

g) einen Phasendetektor (82) zum Ermitteln einer Phasenänderung im vom Demodulator (75, 76, 77) abgegebenen demodulierten Signal.

2. Meßinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das vom Rechteckwellengenerator (60) abgegebene Rechteckwellensignal eine Frequenz zwischen 1 und 50 MHz aufweist.

3. Meßinstrument nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Elektroden (1-7, 8-14) durchgehenden Wellenmusters in Bewegungsrichtung voneinan-

der getrennt und isoliert sind.

4. Meßinstrument nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da-

_durch gekennzeichnet , daß die vorderen End-5

bereiche der Elektroden (1-7, 8-14) durchgehenden Wellenmusters zueinander komplementäre Sinuswellenform aufweisen.

5. Meßinstrument nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Empfangselektroden (22-53) aktive Empfangselektroden (30-45) aufweisen, die mit dem Multiplexer (66) verbunden sind, und inaktive Empfangselektroden (22-29, 46-53) enthalten, die an den einander gegenüberstehenden Endbereichen in Bewegungsrichtung gesehen angeordnet sind und nicht mit dem Multiplexer

(66) verbunden sind.

6. Meßinstrument nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß eine Mehrzahl von Sätzen aktiver

Empfangselektroden (30-45) vorgesehen sind. 20

7. Meßinstrument nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet , daß ein Satz aktiver Empfangselektroden (30-45) 2 bis 100 Elektroden aufweist.

8. Meßinstrument nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch

gekennzeichnet , daß die Länge eines Satzes aktiver Empfangselektroden (30-45) gleich der Wellenlänge (P) des durchgehenden Wellenmusters oder einem ganzen

Vielfachen davon ist.
30

9. Meßinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gek.ennzeichnet , daß die Umschaltfrequenz des Multiplexers (66) zwischen 10 und 100 KHz

liegt.
35

10. Meßinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß ein Umschalt-

frequenzsignal für den Multiplexer (66) durch Frequenzteilung des Rechteckwellensignals erzeugt wird, das von dem Rechteckwellengenerator (60) abgegeben wird.

11. Meßinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet , daß der Demodulator einen Wellendetektor (75, 76, 77) zum Detektieren der amplitudemnodulierten Rechteckwellensignale, die vom Multiplexer (66) abgegeben werden, enthält, und weiterhin ein Hochpaßfilter (79, 80) aufweist, um die Gleichspannungsversatz-Komponente zu entfernen.

12. Meßinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet , daß der Demodula-15

tor einen Synchrondemodulator zum Extrahieren einer Amplitudenmodulationskomponente aus dem amplitudenmodulierten Rechteckwellensignal aufweist, das vom Multiplexer (66) abgegeben wird.

13- Meßinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Phasendetektor (82) eine Phasendifferenz zwischen den demodulierten Signalen, die von dem Demodulator (75, 76, 77) abgegeben werden, und Abtaststeuersignalen des Multiplexers (66)

ermittelt.

14. Meßinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichne t, daß der Phasendetektor (82) Phasenänderungen über 360° oder mehr ermitteln

kann.