DE4237652A1

DE4237652A1 - Absolutes kapazitives Wegmeßsystem

Info

Publication number: DE4237652A1
Application number: DE4237652A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Bauer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-11-07
Filing date: 1992-11-07
Publication date: 1994-05-11

Description

Stand der Technik

In der Technik ist der Einsatz von Wegmeßsystemen bekannt (DE-OS 2 2 217 183, DE-OS 24 26 235, DE-OS 26 01 088, DE-PS 28 53 142), die auf kapazitiver Basis arbeiten. Diese werden im allgemeinen durch periodische Signale gespeist. Der Geber wandelt diese Signale in eine Spannung um, die im allgemeinen noch mit vielen Oberwellen behaftet ist, wobei die Grundwelle dieses Signales die Eigenschaft hat, daß ihre Phase der Position des Gebers proportional ist. Aus dieser Phase läßt sich mit elektronischen Mitteln relativ leicht die Position des Gebers bis auf ein Vielfaches der Gitterkonstante mit hoher Auflösung ermitteln, sofern es gelingt die Oberwellen praktisch vollständig zu beseitigen. Das wird bisher im allgemeinen nur unvollständig erreicht. Ferner sind Lösungsvorschläge auf induktiver, kapazitiver oder photoelektrischer Basis bekannt, Meßsysteme zu reali sieren, die eine absolute Ermittlung der Position ermögli chen. Diese Systeme verbrauchen wie die entsprechenden Ausführungsbeispiele für induktive Meßsysteme zeigen (Induk tosyn mit mehreren Spuren) entweder viel Strom und Platz oder sind bei Ausführungsbeispielen auf photoelektrischer Basis mit CCD-Matrixempfängern optisch und mechanisch sehr auf wendig.

Problem

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein absolutes Meßsystem mit geringem Platz- und Energiebedarf zu realisieren, das

- relativ unempfindlich gegenüber Verschmutzungen, Abstandsänderungen und Verkippungen ist,
- einen großen Längenbereich zuläßt, innerhalb dessen eine Absoluterkennung möglich ist,
- eine hohe Genauigkeit zuläßt.

Lösung

Dieses Problem wird dadurch gelöst, daß nach Anspruch 1 ein absolutes kapazitives Wegmeßsystem, bestehend aus einem Gleiter und einem Maßstab zur Bestimmung der absoluten Lage des Gleiters gegenüber dem Maßstab realisiert wird, wobei

a) der Gleiter gegenüber dem Maßstab verschiebbar ange ordnet ist,
b) auf dem Gleiter und Maßstab eine Reihe von Sender- und Empfängerelektroden in M+1 Spuren angeordnet sind, mit 4 M < 1,
c) die Sender- und Empfängerelektroden auf dem Maßstab eine rechteckige Gestalt haben und die jeweilig zu einer Empfängerelektrode gehörige Senderelektrode mit dieser elektrisch leitend verbunden ist,
d) an den Senderelektroden des Gleiters die Signale U1(t)*U_M(t), U2(t)*U_M(t), U3(t)*U_M(t), U4(t)*U_M(t) anliegen, wobei die Signalanteile U1(t), U2(t), U3(t), U4(t) eine Phasenverschiebung von 90° gegeneinander aufweisen und U_M(t) als hoch frequentes Modulationssignal ausgebildet ist.

Um den Oberwellenanteil des Signals möglichst klein zu halten, wird den Senderelektroden des Gleiters, die in der Spur mit der größten Anzahl 4*n von Senderelektroden angeord net sind, die im weiteren kurz als Feinspur bezeichnet werden soll, die Form A und B gegeben, wobei die Form A dadurch charakterisiert ist, daß ihre rechte Umrandung durch die Funktion D₁*xA_R(y/H)±v, ihre linke Umrandung durch die Funktion D₁*xA_L(y/H)±v, die Form B dadurch charakterisiert ist, daß ihre rechte Umrandung durch die Funktion D₁*xB_R(y/H)±v, ihre linke Umrandung durch die Funktion D₁*xB_L(y/H)±v darstellbar ist, wo H die halbe Querausdehnung der Elektrode und D₁ die Breite der Elektroden in der Längsrichtung des Gleiters bedeutet und v der Toleranzbereich der Form sei, für den die Ungleichung

0 mm < v < 0.05 mm (1)

gilt, und die Funktionen xA_L(y), xA_R(y), xB_L(y), xB_R(y) durch die Wertetabelle gegeben seien, die in Anspruch 1, Seite 2 wie dergegeben ist. Es ist zweckmäßig für D₁ = 1 mm und H < 1.5 mm zu wählen.

Um den Einfluß des Abstandes Gleiter Maßstab auf den Meß fehler möglichst klein zu halten, werden die Elektroden der Form A und B paarweise so zueinander angeordnet, daß Abstand der Mittellinien der Elektroden der Form A und B voneinander D₁ ist, und der Gleiter 2*n solche Paare enthält und der Abstand Mittellinien dieser Paare voneinander jeweils 2.5*D₁ beträgt.

n genügt dabei der Ungleichung

wobei L die Länge der Empfängerelektroden des Gleiters bedeutet.

Der Feinspur sind zwei Empfängerelektroden zugeordnet, die nebeneinander liegen. Diese haben die Aufgabe, die Signale, die von den Senderelektroden des Maßstabs ausgesendet werden, zu empfangen und an die sich anschließende Elektronik weiterzuleiten.

Um eine Absoluterkennung zu ermöglichen sind in jeder der M Grobspuren 2*N+1 Senderelektroden der Form C® angeordnet, deren Mittellinien einen Abstand D_k voneinander haben, wo D_k größer als der Abstand D₁ ist.

Die Form C® ist dadurch charakterisiert, daß ihre obere Umrandung durch die Funktion yC_oben(x)±g und ihre untere Umrandung durch die Funktion yC_unten(x)±g dargestellt werden kann, wobei

gelten soll, wo h*2*w/π die Querausdehnung der Elektrode in ihrer Mitte, D_k die Breite der Elektroden in der Längs richtung des Gleiters und g der Toleranzbereich der Form sei, für den die Ungleichung

0 mm < g < 0.05 mm

gilt.

Der Wert P des Produkts h*w hat für alle Senderelektroden, die nicht am Rande liegen, den gleichen Wert, während für die am Rande liegenden Senderelektroden dieses Produkt nur den halben Wert aufweist und der Flächeninhalt dieser Elektroden halb so groß ist wie der Flächeninhalt der nicht am Rande liegenden Senderelektroden.

Zu den ebengenannten Senderelektroden sind in jeder Grobspur weitere 2*N Senderelektroden der Form C₋ angeordnet, deren Mittellinien zu der Mittellinie der nächstliegenden Sender elektrode der Form C® einen Abstand D_k/2 haben, wobei die Form C₋ aus der Form C® durch Spiegelung an der Längsachse des Gleiters hervorgeht.

Ferner ist in jeder Spur noch das Spiegelbild der eben be schrieben Anordnung der 2N+1 der Senderelektroden der Form C® und der 2N Senderelektroden der Form C₋ untergebracht, wobei die Spiegelung an der Längsachse des Gleiters erfolgt. Einer geradanzahligen Zahl von Spuren sind jeweils 3 Empfängerelektroden zugeordnet, die in der Mitte in Längsrichtung zwischen je zwei Spuren angeordnet sind und deren mittlere Empfängerelektrode die doppelte Querausdehnung hat wie die beiden übrigen.

Zwischen der Länge L der Empfängerelektroden des Gleiters dem Abstand D_k besteht die Ungleichung

L < = (2*N+3)*D_k (4).

Mit der beschriebenen Anordnung der Elektroden des Gleiters wird erreicht, daß der Oberwellenanteil der Signale auch für N=1 gering ist, sich Verkippungen des Gleiters in Längs- und Querrichtung praktisch keine Meßfehler hervorrufen und ein kompakter Aufbau ermöglicht wird.

M kann sinnvollerweise die Zahlenwerte M = 1, 2, 3, 4 anneh men. Es ist zweckmäßig 16 mm = < D_k < 17 mm und h < = 1 mm für k = 2, 3, . . . M+1 zu wählen.

Die Anzahl der Grobspuren, die vorhanden sind, hängt ab von dem Absolutbereich D, der realisiert werden soll und - wie in einem Ausführungsbeispiel später gezeigt wird - dem Meßfehler Δx_k in der Spur Nr. k, wobei die Spur Nr. 1 die Feinspur und Nr. 2 die erste Grobspur bezeichnet. Arbeitet man z. B. mit 3 Grobspuren und macht

N=1
M=3
D₁= 1 mm
D₂= 16 mm
D₃= 16.254 mm
D₄= 16.031 mm
L = 82 mm (2*N+3)*D_k = 81.27 mm
n = 15 L/(5*D₁) - 0.7 = 15.9

so ist mit einer zweckmäßigen Auswerteelektronik, wie in einem Ausführungsbeispiel weiter unten noch gezeigt wird, mit einfachen Mitteln eine Absoluterkennung in einem Bereich

möglich.

Arbeitet man wie im Ausführungsbeispiel z. B. mit 2 Grob spuren und macht

M = 2
D₁ = 1 mm
D₂ = 16 mm
D₃ = 16.254 mm
L = 82 mm (2*N+3)*D_k = 81.27 mm
n = 15 L/(5*D₁) - 0.7 = 15.9

möglich. Strebt man in beiden Beispielen eine möglichst kleine Bauweise an, so wird man N = 1, L = 5*D₃ = 81.27 mm und n=15 wählen, um die Beziehung (1), (2) zu erfüllen.

Erreichte Vorteile

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesonde re darin, daß durch die besondere Form der Elektroden und ihrer Anordnung zueinander erreicht wird, daß

- der Oberwellenanteil der Signale vernachlässigbar klein wird,
- Abstandsänderungen, Verkippungen und Verdrehungen des Gleiters gegenüber dem Maßstab nur vernachläs sigbar kleine Meßfehler bewirken.

Damit wird erreicht, daß einerseits der Meßfehler sehr klein wird (etwa 2 µm falls D₁ = 1 mm) und anderseits ein großer Absolutbereich von ca. 2028 mm und größer ermöglicht wird, innerhalb dessen die absolute Position des Gebers erkannt werden kann. Durch Verwendung des kapazitiven Wirkprinzips ergibt sich ferner, daß der Energieverbrauch des Systems minimal ist.

Ausführungsbeispiel

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen Fig. 1 bis Fig. 7 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 Anordnung der Elektroden auf dem Maßstab,

Fig. 2 Anordnung der Elektroden auf dem Gleiter,

Fig. 3 Elektroden der Form A und der Form B,

Fig. 4 Elektroden der Form C®,

Fig. 5 Schaltungsanordnung und Darstellung der Zusammen schaltung mit der Spur (31) des Gleiters,

Fig. 6 Darstellung der Zusammenschaltung mit der Spur (32) des Gleiters,

Fig. 7 Querschnitt durch Gleiter und Maßstab.

Gemäß Fig. 1 und Fig. 7 sind auf einem nichtleitenden Maßstab (18) in 3 Spuren (1), (2), (3) rechteckförmige Elektroden angeordnet. Die Abstände D1, D2, D3 der Empfangselektroden (4) . . . (5), (8) . . . (8a), (12) . . . (12a) voneinander sind in dem Ausführungsbeispiel wie folgt gewählt worden:

M = 2, n = 6, N = 1
D₁ = 1 mm
D₂ = 16 mm
D₃ = 16.254 mm

Um (2) und (3) zu erfüllen wird L = 81.3 mm (2*N+3)*D_k =81.27 mm und der Übersicht halber n = 6 < L/(5*D₁) - 0.7 = 15.56 gewählt.

In der Feinspur (30) Fig. 2 des Gleiters sind 12 Sender elektroden (19) der Form A und 12 Senderelektroden (19a) der Form B erfindungsgemäß paarweise so nebeneinander angeord net, daß der Abstand ihrer Mittellinien voneinander D₁ ist. Der Abstand der Mittellinien dieser Paare beträgt voneinander jeweils 2.5*D₁ = 5 mm. Die zu dieser Spur gehörigen Emp fangselektroden (20), (20a) sind oberhalb der Senderelek troden nebeneinander angeordnet.

(36), Fig. 3 zeigt eine einzelne Elektrode der Form A, (35), Fig. 3 eine einzelne Elektrode der Form B und (38), Fig. 4 eine einzelne Elektrode der Form C®. (39), Fig 4 stellt die Funktion yC_unten(x) mit w = 1.4142 gemäß der Beziehung (3) dar. In den Grobspuren (32), (33) des Gleiters in Fig. 2 sind Senderelektroden der Form C® und der Form C₋ in abwechselnder Reihenfolge angeordnet. Durch die geringe Anzahl der Elek troden, die in Längsrichtung des Gleiters untergebracht werden können, entstehen durch Randeffekte zusätzliche Oberwellen. Diese werden erfindungsgemäß dadurch beseitigt, daß die äußeren Senderelektroden (21), (21a), (21b), (21c), (26), (26a), (26b), (26c) in Fig. 2 nur den halben Flächen inhalt der übrigen Senderelektroden besitzen und für sie ist in der Beziehung (3)

h = 0.7071*h₀
w=1,

und für die übrigen Senderelektroden (22), (22a), (23), (23a), (24), (24a), (27), (27a), (28), (28a), (29), (29a) in der Beziehung (3)

h = h₀
w = 1.4142

gewählt wird. Um den Einfluß von Verkippungen in Querrichtung und Längsrichtung auf die Meßgenauigkeit zu minimalisieren, sind in jeder Grobspur bezüglich der Längs- und Querachse die Senderelektroden spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet worden. Zwei sich spiegelsymmetrisch zur Längsachse gegen überliegende Elektroden werden entsprechend Fig. 6 von den gleichen Signalen gespeist. Es ist deshalb möglich, um die Abmessungen und die Zahl der Signalzuleitun gen zu verkleinern, die Elektrodenpaare (21) . . . (21a), (21b) . . . (21c), (23) . . . (23a), (26) . . . (26a), (26b) . . . (26c), (28) . . . (28a) gemäß Fig. 2 bzw. Fig. 6 so anzuordnen, daß sie sich gegenseitig berühren und so leitend miteinander ver bunden sind.

Der Zwischenraum zwischen den Elektroden ist ansonsten, soweit der Abstand ihrer Umrandungen ein gewisses technolo gisch bestimmtes Mindestmaß von ca. 0.3 mm nicht unterschrei tet, so mit einem metallisch leitenden Belag (30) ausgefüllt, daß er die Elektroden nicht berührt und von ihnen elektrisch isoliert ist.

Jeder Spur des Gleiters ist auf dem Maßstab eine Spur zugeordnet. Zu der Feinspur (31), Fig. 2 des Gleiters gehört auf dem Maßstab die Spur (3), Fig. 1 mit e₁ Empfangselektroden (4), (5) und e₁ Senderelektroden (6), (7), wo e₁ eine ganze Zahl ist, die der Ungleichung

1_Maßstab/(2*D₁) - 1 e₁ 1_Maßstab/(2*D₁)

genügt und 1_Maßstab die Länge des Maßstabes ist.

Zu der Grobspur (32), Fig. 2 des Gleiters gehört auf dem Maßstab die Spur (2), Fig. 1 mit e₂ Empfangselektroden (8), (8a) und e₂ Senderelektroden (10), (10a), wo e₂ eine ganze Zahl ist, die der Ungleichung

1_Maßstab/(2*D₂) - 1 e₂ 1_Maßstab/(2D₂)

genügt.

Analog gehört zu der Grobspur (33), Fig. 2 des Gleiters auf dem Maßstab die Spur (1), Fig. 1 mit e₃ Empfangselektroden (12), (12a) und e₃ Senderelektroden (11), (11a), wo e₃ eine ganze Zahl ist, die der Ungleichung

1_Maßstab/(2*D₃) - 1 e₃ 1_Maßstab/(2*D₃)

genügt.

Mit dieser in Fig. 1 dargestellten Anordnung der Elektroden wird zusammen mit der Form der Senderelektroden des Gleiters erreicht, daß der Oberwellengehalt der Signale sehr klein wird und Verkippungen und Verdrehungen des Gleiters gegenüber dem Maßstab keine Fehler 1. Ordnung hervorrufen.

Ferner wird erreicht, daß mit einem. Gleiter gemäß Fig. 2, mit den drei Empfängerelektroden (25a), (25), (25b) zwischen der Spur (32) und der Spur (33), den zwei Empfängerelek troden (20), (20a) zwischen der Spur (31) und der Spur (32) und einer zweckmäßigen Auswerteelektronik mit einfachen Mitteln eine Absoluterkennung in einem Bereich

möglich ist. Im Ausführungsbeispiel ist dann D = 2048 mm.

Durch die Form der Senderelektroden (19), (19a), (21), (21a), (21b), (21c), (22), (22a), (23), (23a), (24), (24a), (26), (26a), (26b), (26c), (27), (27a), (28), (28a), (29), (29a) des Gleiters in Fig. 2, ihrer Anordnung und der eben beschriebenen Anordnung der Sender- und Empfangselek troden auf dem Maßstab in Fig. 1 wird erreicht, daß Signale mit extrem niedrigem Oberwellengehalt erzeugt werden, daß Verkippungen und Verdrehungen des Gleiters gegenüber dem Maßstab keine Fehler 1. Ordnung hervorrufen, daß die Elektroden der Feinspur (31) in Fig. 2 so zu einander angeordnet werden können, daß die Abstände ihrer Mittellinien voneinander D₁ betragen können, daß die Elektroden in den Grobspuren (32), (33) in Fig. 2 so zu einander angeordnet werden können, daß die Abstände ihrer Mittellinien vonein ander D₂/2 bzw. D₃/2 betragen können. Dadurch wird erreicht, daß die Anordnung der Elektroden so erfolgen kann, wie sie in Fig. 2 dargestellt worden ist.

Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die Abhängigkeit der Phase der Signale vom Abstand s des Gleiters (30a) vom Maßstab (18) in Fig. 7 klein wird, und daß so erreicht werden kann, daß der Interpolationsfehler klein wird. In Fig. 7 ist der Querschnitt des Gleiters und des Maßstabes dargestellt. Gleiter und Maßstab sind in der x-Richtung gemäß Fig. 7 gegeneinander verschiebbar, wobei bei einer Ver schiebung die Koppelkapazitäten zwischen den Empfänger elektroden (4), (5), (8), (8a), (12), (12a) des Maßstabes in Fig. 1 bzw. Fig. 7 und den Senderelektroden (19), (19a), (21), (21a), (21b), (21c), (22), (22a), (23), (23a), (24), (24a), (26), (26a), (26b), (26c), (27), (27a), (28), (28a), (29), (29a) des Gleiters in Fig. 2 bzw. Fig. 7 sich verändern.

In Fig. 5 ist das Blockschaltbild der elektronischen Anordnung dargestellt, mittels derer der Absolutwert ermittelt wird. In dieser Figur ist übersichtshalber nur die Zusammenschal tung des Systems mit den Elektroden des Spur (31) in Fig. 2 des Gleiters dargestellt worden.

Fig. 6 zeigt die entsprechende Zusammenschaltung mit den Elektroden der Spur (32) in Fig. 2 des Gleiters. Die Senderelektroden der einzelnen Spuren (31), (32), (33) des Gleiters in Fig. 2 werden mit 4 Signalen U1(t)*U_M(t), U3(t)*U_M(t), U4(t)*U_M(t) erregt, wobei die niederfrequenten Signalanteile U1(t), U2(t), U3(t), U4(t) eine Phase 0°, 90°, 180°, 270° gegenüber einem Bezugssignal U_B(t) besitzen. U_M(t) ist ein hochfrequentes Modulationssignal, das auch an dem Metallbelag (30) in Fig. 2, Fig. 5, Fig. 6, Fig. 7 anliegt und diesem über die Leitung (40) in Fig. 5 zugeführt wird, Der Metallbelag (30) füllt die Fläche - wie oben schon bemerkt - aus, die sich zwischen den Elektroden befindet und ist von diesen elektrisch isoliert. Die elektronische Einrichtung (58) in Fig. 5, die die obengenannten Signale erzeugt, wird von der rechentechnischen Einrichtung (59) über die Busleitung (57) so gesteuert, daß gleichzeitig immer nur eine Spur des Gleiters in Fig. 2 mit den obengenannten Signalen erregt wird. In Fig. 5 ist als Beispiel die Zu sammenschaltung der Elektroden der Feinspur (31) in Fig. 2 mit der Einrichtung (58) in Fig. 5 dargestellt. Fig. 6 zeigt die Zusammenschaltung der Einrichtung (58) mit den Elektroden der mittleren Spur (32) in Fig. 2. In gleicher Weise sind die Elektroden der oberen Spur (33) mit den Signalen (56), (56a), (56b), (56c) der Einrichtung (58) in Fig. 5 verbunden. Dabei übertragen

die Leitungen (41), (55), (56)
das Signal U1(t)*U_M(t) mit der (Phase 0°),
die Leitungen (42), (55b), (56b)
das Signal U2(t)*U_M(t) mit der (Phase 90°),
die Leitungen (44), (55a), (56a)
das Signal U3(t)*U_M(t) mit der (Phase 180°),
die Leitungen (43), (55c), (56c)
das Signal U4(t)*U_M(t) mit der (Phase 270°)

oder haben den Pegel Low, je nachdem welche Spur gerade erregt wird.

Aus Fig. 6 ist ersichtlich, daß an je zwei sich symmetrisch gegenüberliegenden Senderelektroden die gleichen Signale angelegt sind. Die Signale, die an den Empfangselektroden (20), (20a), (25), (25a), (25b) entstehen, werden über die Signalleitungen (64), (64a), (64b) den Demodulatoren (48), (47) in Fig. 5 zugeführt.

Die Signale, die an den Senderelektroden des Gleiters in Fig. 2, Fig. 5 , Fig. 6 anliegen, koppeln über die Senderelek troden des Gleiters in die Empfangselektroden (4), (5), (8), (8a), (12), (12a) des Maßstabs (s. Fig 1 und Fig. 7) elektrisch ein und erzeugen dort und den mit ihnen elektrisch ver bundenen Senderelektroden (6), (7), (10), (10a), (11), (11a) Influenzladungen. Diese so erzeugten Ladungen erzeugen jetzt ihrerseits in den ihnen entsprechenden Empfangselektroden (20), (20a), (25), (25a), (25b) des Gleiters in Fig. 2 bzw. Fig. 7 wieder Influenzladungen. In die genannten Empfangselek troden koppeln daneben auch das Modulationssignal U_M(t) ein, das an dem Metallbelag (30) in Fig. 2 anliegt. Durch die besondere Anordnung der Elektroden in Fig. 2 wird ferner erreicht, daß die Signale, die von den Senderelektroden des Gleiters direkt auf die Empfangselektroden des Gleiters übersprechen, sich gegenseitig aufheben und so dieses Übersprechen keine Störungen hervorruft. Insgesamt entstehen an den Empfangselektroden (20), (20a), (25), (25a), (25b) des Gleiters die beiden Signale

wo T die Periodendauer des Signals, t die Zeit und x die Position des Gleiters relativ zum Maßstab in Längsrichtung ist. k ist die Nummer der Spur (31), (32), (33) gemäß Fig. 2, die gerade aktiv ist, wo k = 1, 2, 3 sein kann.

Diese beiden Signale gelangen über eine Demodulationsschaltung (47), (48), die den Träger U_m(t) aus dem Signal entfernt, über den Differenzverstärker (49) zu dem Schmitt-Trigger (50) in Fig. 5, an dessen Ausgang das Recht ecksignal U_mess

entsteht. Bezeichnet man mit P_k die Phase des Signals in oder Beziehung (10), die entsteht, wenn die Spur Nr. k aktiv ist, so gelten die folgenden Beziehungen:

(p1 - p2) * a = x/D (11)
p2 * a = x/(2*D₂) - n2 * 2 * D₂ (12)
p3 * a = x/(2*D₃) - n3 * 2 * D₁ (13)

wobei a=2*π, n2 und n3 ganze Zahlen sind und D sich aus der Beziehung (7) ergibt. Es wird dabei vorausgesetzt, daß 0 x < D ist. Die Phasen p_k werden auf bekannte Weise mittels einer Torschaltung (51) relativ zu der Phase des Bezugssignals U_B(t), welches über die Leitung (65) von (58) zur Torschal tung (51) gelangt, elektronisch gemessen und das Ergebnis im Register R_k abgelegt, sofern die Spur Nr. k aktiviert war (k = 1, 2, 3).

Mittels einer elektronischen, rechentechnischen Einrichtung (59) wird unter Benutzung der Inhalte der Register R₁ (52), R₂ (53), R₃ (54) zunächst x aus der Beziehungen (5) mit einer Meßunsicherheit Δx₁ ermittelt, wobei Δx₁ kleiner 2*D2 sein muß, damit n2 in (6) anschließend sicher bestimmt werden kann. Das ist sicher der Fall, da der Interpolationsfehler auf Grund der besonderen Form der Elektroden in der Größenordnung D/1000 liegt. Analog wird dann x noch einmal aus der Beziehung (6) ermittelt, aber jetzt mit einer Meßunsicherheit Δx₂ < 2*D3 < 2*D2, wobei Δx₂ etwa die Größe von 2*D2/1000 hat. Dadurch wird die Eliminierung von n3 aus (7) und damit die endgültige Berechnung des X-Wertes aus (7) mit einer Meßunsicherheit Δx₃ von ca. D1/1000 = 2 µm ermöglicht.

Dieser x-Wert wird in einem Zähler gespeichert. Der Inhalt des Zählers wird entweder seriell über eine serielle Schnitt stelle (68) oder über eine sogenannte Z-Schnittstelle (60) ausgegeben. Erfolgt die Ausgabe der Information über die Z-Schnittstelle (60), wird mit dem Takt des Systems der genannte Zähler auf Null heruntergezählt. Die dazu notwendi gen Impulse erzeugen mit elektronischen Mitteln die Impulse Z00 und Z90, wobei die Impulse Z90 gegenüber den Impulsen Z00 eine Phasenverschiebung von 90 Grad aufweisen und diese über die Ausgänge (61), (62) der Z-Schnittstelle ausgegeben werden. Nachdem dies geschehen ist, werden dem Gleiter von der elektronischen Einrichtung nur noch die Eingangssignale für die Spur mit der kleinsten Gitterkonstante zugeführt. Die elektronische Einrichtung ermittelt bei eventuell eintreten den Wegverschiebungen aus der Veränderung der Phase den zurückgelegten Weg und gibt diesen in Form der eben genannten Z00- und Z90-Impulse über die Z-Schnittstelle (60) nach außen aus, wobei je nach dem Vorzeichen der Wegänderung die Phasenverschiebung der Z90-Impulse gegenüber den Z00- Impulsen +90 Grad bzw. -90 Grad beträgt. Das hat den Vorteil, daß die nachfolgenden Einrichtungen, die darauf eingerichtet sind, den Meßwert inkremental zu erfassen, mit dem System ohne weiteres zusammengeschaltet werden können.

Claims

1. Absolutes kapazitives Wegmeßsystem, bestehend aus einem Gleiter und einem Maßstab zur Bestimmung der- absoluten Lage des Gleiters gegenüber dem Maßstab, wobei

a) der Gleiter gegenüber dem Maßstab verschiebbar angeordnet ist,
b) auf dem Gleiter und Maßstab eine Reihe von Sender- und Empfängerelektroden in M+1 Spuren angeordnet sind, mit 4 M < 1,
c) die Sender- und Empfängerelektroden auf dem Maßstab eine rechteckige Gestalt haben und die jeweilig zu einer Empfängerelektrode gehörige Senderelektrode mit dieser elektrisch leitend verbunden ist,
d) an den Senderelektroden des Gleiters die Signale U1(t)*U_M(t), U2(t)*U_M(t), U3(t)*U_M(t), U4(t)*U_M(t) anliegen, wobei die Signalanteile U1(t), U2(t), U3(t), U4(t) eine Phasenverschiebung von 90° gegeneinander aufweisen und U_M(t) als hochfrequentes Modulationssignal ausgebildet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Senderelektroden des Gleiters, die in der Spur mit der größten Anzahl 4*n von Senderelek troden angeordnet sind, die Form A und B aufweisen, wobei die Form A dadurch charakterisiert ist, daß ihre rechte Umrandung durch die Funktion D₁*xA_R(y/H)±v, ihre linke Umrandung durch die Funktion D₁*xA_L(y/H)±v, die Form B dadurch charakterisiert ist, daß ihre rechte Umrandung durch die Funktion D₁*xB_R(y/H)±v, ihre linke Umrandung durch die Funktion D₁*xB_L(y/H)±v darstellbar ist, wo H die halbe Querausdehnung der Elektrode und D₁ die Breite der Elektroden in der Längsrichtung des Gleiters bedeutet und v der Toleranzbereich der Form sei, für den die Ungleichung 0 mm < v < 0.05 mmgilt, und die Funktionen xA_L(y), xA_R(y), xB_L(y), xB_R(y) durch die folgende Wertetabelle gegeben seien: die Elektroden der Form A und B paarweise so zueinander angeordnet sind, daß Abstand der Mittellinien der Elektroden der Form A und B voneinander D₁ ist, und der Gleiter 2*n solche Paare enthält und der Abstand der Mittellinien dieser Paare voneinander jeweils 2.5*D₁ beträgt, n der Ungleichung genügt, wobei L die Länge der Empfängerelektroden des Gleiters bedeutet,
daß in jeder der M Grobspuren 2*N+1 Senderelektroden der Form C® angeordnet sind, deren Mittellinien einen Abstand D_k voneinander haben, wo D_k größer als der Abstand D₁ ist, wobei die Form C® dadurch charakterisiert ist, daß ihre obere Umrandung durch die Funktion yC_oben(x)±g und ihre untere Umrandung durch die Funktion yC_unten(x)±g dargestellt werden kann, wobei für gelten soll, wo h*2*w/π die Querausdehnung der Elektrode in ihrer Mitte, D_k die Breite der Elektroden in der Längs richtung des Gleiters und g der Toleranzbereich der Form sei, für den die Ungleichung0 mm < g < 0.05 mmgilt, und der Wert P des Produkts h für alle Senderelektroden, die nicht am Rande liegen, den gleichen Wert hat, während für die am Rande liegenden Senderelektroden dieses Produkt nur den halben Wert aufweist und der Flächeninhalt dieser Elektroden halb so groß ist wie der Flächeninhalt der nicht am Rande liegenden Senderelektroden,
daß zu diesen ebengenannten Senderelektroden weitere 2*N Senderelektroden der Form C₋ angeordnet sind, deren Mittel linien zu der Mittellinie der nächstliegenden Senderelek trode der Form C® einen Abstand D_k/2 haben, wobei die Form C₋ aus der Form C® durch Spiegelung an der Längsachse des Gleiters hervorgeht,
daß in der ebengenannten Spur noch das Spiegelbild der eben beschrieben Anordnung der 2N+1 der Senderelektroden der Form C® und der 2N Senderelektroden der Form C₋ untergebracht ist, wobei die Spiegelung an der Längsachse des Gleiters erfolgt,
daß einer geradanzahligen Zahl von Spuren jeweils 3 Empfän gerelektroden zugeordnet sind, die in der Mitte in Längs richtung zwischen je zwei Spuren angeordnet sind und deren mittlere Empfängerelektrode die doppelte Querausdehnung hat, wie die beiden übrigen,
daß zwischen der Länge L der Empfängerelektroden des Gleiters dem Abstand D_k jeder Grobspur Nr. k die UngleichungL (2*N+3)*D_kbesteht.

2. Absolutes kapazitives Wegmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur gleichen Zeit immer nur eine Spur der Senderelektroden des Gleiters mit Signalen beaufschlagt wird.

3. Absolutes kapazitives Wegmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Grobspur des Gleiters zwei sich spiegelsymmetrisch in Querrichtung gegenüberliegende Sender elektroden mit den gleichen Signalen beaufschlagt werden.

4. Absolutes kapazitives Wegmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für alle Senderelektroden der Grobspuren des Gleiters mit k < 1, die nicht am Rande liegen, vorzugs weise w = √, h = h₀ist und die Größen h, w für die Senderelektroden am Rande vorzugsweise die Werte annehmen, und h₀ der Ungleichung1 mm < h₀ < 10 mmgenügt.