DE4418631B4

DE4418631B4 - Kapazitiver Meßwandler mit Rückkopplungssteuerung

Info

Publication number: DE4418631B4
Application number: DE4418631A
Authority: DE
Inventors: Roger D. Watertown Dowd
Original assignee: GEN SCANNING Inc; General Scanning Inc
Current assignee: Novanta Inc
Priority date: 1993-05-28
Filing date: 1994-05-27
Publication date: 2005-04-14
Anticipated expiration: 2014-05-28
Also published as: GB2279460A; DE4418631A1; GB9413283D0; GB2279460B; US5537109A; JPH0755500A; JP3579739B2

Abstract

Variabler kapazitiver Meßwandler zur Erfassung der Position eines beweglichen Elementes (18), mit
einer ersten stationären, leitenden Geberfläche (12), die mit einer Quelle (41) für oszillierende elektrische Energie verbunden ist;
einer zweiten stationären Fläche (14), die von der ersten Fläche (12) durch einen Spalt (d) beabstandet ist und mehrere elektrisch leitende Erfassungsbereiche (14a bis 14d) umfaßt, die so angeordnet sind, daß sie mit der Geberfläche (12) zusammenwirken können; und
einer dritten beweglichen leitenden Fläche (15), die mit dem beweglichen Element (18) verbunden ist und sich zwischen der Geberfläche (12) und den mehreren Erfassungsbereichen (14a bis 14d) befindet,
wobei die dritte leitende Fläche (15) so geformt und angeordnet ist, daß sie die Menge der von der Geberfläche (12) zu den mehreren Erfassungsbereichen (14a bis 14d) übertragene elektrische Energie in direkter Abhängigkeit von einer relativen Position der dritten Fläche (15) in bezug auf die erste Fläche (12) und die...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft kapazitive Meßwandler und insbesondere kapazitive Meßwandler mit Rückkopplungssteuerung.

Kapazitive Meßwandler werden in großem Umfang dazu verwendet, die Verschiebung oder die Rotation eines Elements wie etwa die lineare Position einer Werkzeugmaschine oder die Winkelposition eines Spiegels oder eines optischen Gitters zu messen. Sie bieten viele Vorteile, da sie äußerst kleine Bewegungen wie etwa die Neigung einer Küstenlinie mit den Gezeitenschwankungen auflösen können, da sie verhältnismäßig billig herzustellen sind, da sie Positionswerte nahezu sofort melden können und da sie unter Verwendung leichter Bauteile hergestellt werden können, weil es wichtig ist, die Trägheit des mit dem Instrument versehenen Elements nicht wesentlich zu erhöhen.

Wie in vielen Veröffentlichungen beschrieben, enthalten kapazitive Meßwandler für die Erfassung von Drehbewegungen wenigstens zwei feste Kondensatorplatten und ein bewegliches Element, das an einer mittig angeordneten Drehwelle angebracht ist. Die Meßwandler können in zwei Typen unterteilt werden. Der erste Typ besitzt als bewegliches Element eine dielektrische Platte, während der zweite als bewegliches Element eine leitende Platte besitzt. Das bewegliche dielektrische Element ist so geformt, daß die Dielektrizitätskonstante veränderlich ist und daher die Kapazität des Meßwandlers von seiner Winkelstellung abhängt. Die bewegliche leitende Platte wird als eine der Elektroden auf demselben Potential gehalten und ist so geformt, daß ein Energieübertrag von einer Elektrode zur anderen je nach deren momentanen Positionen verhindert wird.

Der erste Typ von kapazitiven Meßwandlern ist in dem US-Patent Nr. 3,517,282 von Arthur Miller offenbart. Der Meßwandler enthält zwei voneinander beabstandete Kondensatorplatten sowie eine dazwischen auf einer mittig angeordneten, drehbaren Welle angebrachte dielektrische Platte. Die Kapazität zwischen den stationären Platten hängt von der Position der rotierenden dielektrischen Platte ab. Die dielektrische Platte kann Bereiche besitzen, die mit metallischem Material überzogen sind.

Auch in dem US-Patent Nr. 4,864,295 von Rohr wird das System der Kapazitätserfassung mit beweglichem dielektrischen Element beschrieben. Das Kapazitätssystem ist aus zwei zusammenwirkenden, festen kapazitiven Elementen gebildet; das erste ist aus einer ringförmigen Platte hergestellt, die eine Drehwelle umschließt, während das zweite aus vier gekrümmten Segmenten hergestellt ist, die in bezug auf die Welle symmetrisch angeordnet sind. Zwischen den beiden festen Elementen ist das an der Welle angebrachte, sich bewegende dielektrische Element angeordnet. Das dielektrische Element hat Schmetterlingsform und ändert seine Kapazität in Abhängigkeit von der Drehposition der Welle. Das System enthält ferner eine zusätzliche Kapazität Cr, die nicht von dem beweglichen dielektrischen Element, sondern in gewissem Maß durch das Feld der beiden kapazitiven Elemente beeinflußt wird, wobei in der Beschreibung angegeben wird, daß diese zusätzliche Kapazität Cr der Erfassung von Kapazitätsänderungen aufgrund von Temperaturschwankungen dient. Der Ausgang des Cr-Kondensators ist in einer AGC-Rückkopplungsanordnung ("Automatic Gain Control", d.h. selbsttä tige Verstärkungsregelung) mit dem Oszillator verbunden, der das Kapazitätserfassungsystem treibt.

Der zweite Typ von kapazitiven Meßwandlern ist in dem US-Patent Nr. 3,668,672 von Parnell beschrieben. Der Meßwandler enthält drei parallel angeordnete leitende Platten, wobei die beiden äußeren Platten stationär sind und die innere Platte an einer drehbaren Welle angebracht ist. An eine der äußeren Platten, die Geberplatte genannt wird, wird ein Signal von einer elektrischen Quelle angelegt, während die andere äußere Platte, die Rezeptorplatte genannt wird, sowie die innere Platte, die Siebplatte genannt wird, im wesentlichen auf demselben Potential gehalten werden. Die Kapazität des Meßwandlers, die an der Rezeptorplatte gemessen wird, verändert sich in Abhängigkeit von der Position der Siebplatte, die der Winkelstellung der Welle entspricht.

In dem US-Patent Nr. 3,732,553 von Hardway Jr. wird eine Verbesserung des kapazitiven Meßwandlers von Parnell offenbart. Die Geberplatte des Meßwandlers ist in 2ⁿ Sektoren unterteilt, wobei jeder Sektor mit einer von zwei Quellen für elektrische Eingangssignale mit entgegengesetzter Phase verbunden ist. Die Abschirmplatte enthält zwei 2^n-1 Abschirmungsflügel, während die Rezeptorplatte 2^n-1 aktive Bereiche enthält, die mit dem Verstärker verbunden sind. Die Abschirmungsplatte wird auf Masse oder auf einem bestimmten, niedrigen Signalpegel in bezug auf die Eingangssignale gehalten, ferner enthält der Verstärker eine negative Rückkopplungsschaltung, die den Signalpegel in den aktiven Bereichen auf einem bestimmten, niedrigen Signalpegel in bezug auf die Eingangssignale hält. Es wird beschrieben, daß diese Anordnung der Minimierung der Wirkung von Streukapazitäten sowie der Minimierung der Wirkung der Kraftlinienstreuung zwischen den Kapazitäten dient. Die Kapazitäten sind aufeinander ausgerichtet, so daß eine Nullposition oder signalfreie Position erhalten wird, wenn die Kapazität zwischen den aktiven Bereichen und denjenigen Sektoren der Geberplatte, die mit den Eingangssignalen einer Phase verbunden sind, gleich der Kapazität zwischen diesen aktiven Bereichen und den anderen Sektoren der Geberplatte ist, die mit den Eingangssignalen mit entgegengesetzter Phase verbunden sind. Die Bewegung der Abschirmungsplatte in einer bestimmten Richtung aus der Nullposition läßt dieses Gleichgewicht aus der Nullposition in die entgegengesetzte Richtung auswandern und hat ein negatives Ausgangssignal zur Folge. Die Amplitude der Ausgangssignale ist zu der Strecke, über die sich die Abschirmungsplatte in der jeweiligen Richtung bewegt hat, proportional.

Häufig wird ein kapazitiver Meßwandler in Verbindung mit einem Bewegungsbetätigungselement verwendet, das Energie in Wärme umwandelt und abgibt. Die Wärme verursacht Fehler zwischen den gemeldeten Positionswerten, die während der anfänglichen Eichung erhalten werden, und den im Betrieb tatsächlich erhaltenen Positionswerten. Dies ist beispielsweise bei optischen Abtasteinrichtungen der Fall, bei denen ein Motor mit begrenzter Drehung eine Welle mit einem darauf angebrachten Spiegel antreibt. Es ist aus vielen Gründen, etwa wegen der Erhaltung der dynamischen Bandbreite der Einrichtung von Interesse, den kapazitiven Sensor mit dem Antriebsmotor mechanisch eng gekoppelt zu halten. Eine solche enge Kopplung schafft einen Weg für die Wärmeleitung und setzt den Meßwandler der Dissipation des Motors aus. Es ist zwar möglich, die durch eine solche Wärmeübertragung eingeführten Fehler zu messen und für den Meßwandler geeignete Korrekturen zu entwickeln, dies ist jedoch teuer und unpraktisch auszuführen. Ähnliche Fehler werden durch Änderungen des Umgebungstemperaturpegels und durch die Alterung der Komponenten eingeführt.

Die obenbeschriebenen Fehler können durch Eichung des Ausgangs des Meßwandlers in ausreichend häufigen Intervallen beseitigt werden. Die Eichung wird an bekannten Winkelpositionen ausgeführt, indem die Abtasteinrichtung dazu veranlaßt wird, diese Positionen zu adressieren. Die Ausgangswerte werden dann mit denjenigen Werten verglichen, die während der ursprünglichen Eichung erhalten wurden, um in dem die Abtasteinrichtung antreibenden System geeignete Korrekturen zu bewirken. Diese Technik macht es erforderlich, daß die nutzbare Abtastfunktion mehr oder weniger häufig vorübergehend unterbrochen wird, um die Eichung auszuführen, außerdem wird das System durch die Hinzufügung von optischen Komponenten und von Routinen, die für die Eichung und die Abtastkorrektur erforderlich sind, komplexer.

Es besteht daher noch immer ein Bedarf an einem kapazitiven Meßwandler, der stabil ist in bezug auf die allgemein beobachtete Neigung des Ausgangs sämtlicher kapazitiver Meßwandler zu einer Drift, falls deren Aufbau oder deren elektrische Schaltungen, mit denen sie verbunden sind, altern oder Wärmequellen oder Änderungen der Umgebungstemperatur und der Umgebungsfeuchtigkeit ausgesetzt sind.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kapazitiven Meßwandler zu schaffen, der diesen Bedarf erfüllen kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen kapazitiven Meßwandler für die Erfassung der Position eines beweglichen Elements, der die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale besitzt.

Die Erfindung betrifft im allgemeinen einen Positions-Meßwandler, der ein stationäres Geberelement mit einer Energiequelle, ein hiervon beabstandetes und mit diesem zusammenwirkendes stationäres Element mit mehreren Erfassungsbereichen sowie ein bewegliches Element enthält, das so beschaffen ist, daß es ein Signal vom Geberelement moduliert, bevor dieses die Erfassungsbereiche erreicht. Der in den einzelnen Erfassungsbereichen erfaßte Signalwert wird dazu verwendet, die Position des beweglichen Elements zu bestimmen und in einer mit dem Geber verbundenen Rückkopplungsschleife eine geeignete Korrektur zu erzielen.

Die obige Aufgabe wird gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung gelöst durch einen kapazitiven Meßwandler, der die im Nebenanspruch 9 angegebenen Merkmale besitzt.

Der Meßwandler gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält eine gemeinsame ringförmige Geberelektrode, die durch eine oszillierende Spannung erregt wird, sowie eine damit zusammenwirkende Oberfläche, die vier um eine Mittelachse ringförmig und symmetrisch angeordnete leitende Erfassungsbereiche enthält. Jeder Quadrantenbereich ist über eine Stromerfassungsschaltung mit Masse eines Erregungsspannungsgebers verbunden. Ein rotierendes Element enthält ein axialsymmetrisches Paar von leitenden Abschirmungssektorplatten, die zwischen die Geberelektrode und die Erfassungselektroden eingesetzt sind und mit Masse in der Weise verbunden sind, daß ihr jeweiliges Potential sehr nahe bei der Spannung der Erfassungselektroden liegt. Die Drehung der Abschirmungssektorplatte erhöht die Fläche eines diametral entgegengesetzten Paars von Erfassungs-Quadrantenelektroden, die der gemeinsamen Elektrode ausgesetzt ist, und verringert die Fläche des anderen Paars, die ebenfalls der gemeinsamen Elektrode ausgesetzt ist, wodurch zwischen den von den Stromerfassungsschaltungen erfaßten Strömen eine Differenz erzeugt wird.

Die oben zusammengefaßten bevorzugten Ausführungsformen einschließlich der Abschirmung der die Erregungsspannung führenden Leiter erzielen die folgenden Vorteile: Die erfaßten Ströme enthalten keinerlei Komponenten, die durch die Streukapazität hervorgerufen werden; dadurch ist eine sehr genaue Messung der Bewegung des Drehelementes möglich. Die Kapazität zwischen der erregten Elektrode und Masse kann in großer Nähe zu der mit den Erfassungselektroden gebildeten Kapazität gehalten werden, wodurch die Last auf die Erregungsquelle minimiert wird; dadurch ist es möglich, höchste Erregungsfrequenzen und somit die höchste Empfindlichkeit zu erzielen. Im Vergleich zu dem beweglichen dielektrischen Element vermeidet die vorliegende Erfindung Nichtlinearitäten, die durch lokale Veränderungen der dielektrischen Eigenschaften innerhalb des Dielektrikums oder durch Dickenschwankungen des Dielektrikums eingeführt werden. Außerdem vermeidet die vorliegende Erfindung die Komplexitäten, die den Einrichtungen zur Kompensation von Temperaturveränderungen eigentümlich sind, wenn die Erfassungselektroden Ströme messen, die aus der Erregung einer Gruppe von Kondensatoren mit variabler Geometrie und mit von der Dielektrizitätskonstante des sich drehenden Dielektrikums abhängender Kapazitäten sowie einer weiteren Gruppe von Kondensatoren mit von der Dielektrizitätskonstante der Luft abhängigen Kapazitäten entstehen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht von leitenden Elektroden eines kapazitiven Meßwandlers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
1A eine Schnittansicht der in 1 gezeigten Elektroden;
1B eine Schnittansicht der Elektroden eines alternativen kapazitiven Meßwandlers;
2 eine Draufsicht der in den 1 und 1A gezeigten Erfassungselektroden, in der auch die Weise der Verbindung ihrer Anschlüsse gezeigt ist;
3 einen Schaltplan eines Steuersystems des Meßwandlers, das für eine hohe Meßwandlerstabilität entwickelt worden ist;
3A einen Schaltplan eines Erregungsoszillators und Verbindungen der Elektroden des Meßwandlers;
4 einen Schaltplan eines alternativen Verfahrens zur Herstellung einer Verbindung mit elektrischer Masse;
4A eine schematische Ansicht eines alternativen Schaltplans zur Erdung der elektrischen Schaltung;
5 die Veränderung der Erregungsspannung und der an den Meßwandlerelektroden entstehenden Spannung in Abhängigkeit von der Zeit für das in 3 gezeigte Steuersystem;
6 einen Schaltplan einer alternativen Ausführungsform des Steuersystems des Meßwandlers; und
7 eine Schnittansicht des kapazitiven Meßwandlers, der einen einen Spiegel antreibenden Motor steuert.
Wie in den 1 und 1A gezeigt, enthält ein kapazitiver Meßwandler 11 eine erste, ringförmige stationäre Elektrode 12, die mit einem Anschluß 13 verbunden ist, sowie eine zweite stationäre Elektrode 14, die vier gekrümmte, leitende Erfassungsbereiche enthält, die um eine Achse 18a, die auch die Mittelachse der Elektrode 12 bildet, symmetrisch angeordnet sind. Der Spalt d zwischen den Oberflächen der Elektroden 12 und 14 liegt üblicherweise im Bereich von 0,508 mm bis 2,540 mm. In den Spalt ist eine dritte, drehbare elektrisch leitende Platte 15 eingesetzt. Die Platte 15 enthält zwei leitende Flügel 16 und 17 in Schmetterlingsform, die Abschnitte der leitenden Bereiche 14a, 14b, 14c und 14d von beliebigen elektrischen Feldlinien, die durch die ringförmige Elektrode 12 erzeugt werden, abschatten. Wie in 1A gezeigt, ist der Außendurchmesser der Flügel größer als der Außendurchmesser der Flächen 12 und 14. Die Platte 15 ist an einer metallischen Antriebswelle 18 angebracht, die um die der Elektrode 12 und der Elektrode 14 gemeinsame Achse 18a drehbar ist und an einem Abschnitt 19 mit einer Antriebsquelle wie etwa einem optischen Abtastmotor verbunden ist. Ein flexibler Draht oder ein Gleitkontakt 20 wird in Verbindung mit der Welle 18 dazu verwendet, zwischen der Platte 15 und einem externen Abschluß 21 eine elektrische Verbindung herzustellen.
Die Flügel 16 und 17 sind aus Stahlblech (Aluminium oder Messing) mit einer Dicke von 8 mm hergestellt und beiderseits von einem Luftspalt von 7 mm umgeben. Die aus Stahl hergestellte Welle 18 besitzt einen Durchmesser von 3,2 mm. Die Elektroden 14a, 14b, 14c und 14d sind aus Kupfer hergestellt. Sämtliche Oberflächen sind mit perfekter Symmetrie hergestellt.
In einer in 1B gezeigten alternativen Ausführungsform ist der Durchmesser der Flügel 116, 117 des beweglichen Leiters 115 kleiner als der Außendurchmesser der stationären Elektroden. Dadurch wird eine veränderliche Vorspannungslast der Dioden der Erfassungsschaltung geschaffen, wodurch die Leistung des Meßwandlers verbessert wird, indem die Dioden der Erfassungsschaltung auf einen stabileren Arbeitspunkt vorgespannt werden.
2 zeigt diametral entgegengesetzte leitende Bereiche 14a und 14c, die mit einem Ausgangsanschluß 31 verbunden sind, sowie diametral entgegengesetzte leitende Bereiche 14b und 14d, die mit einem zweiten Ausgangsanschluß 32 verbunden sind. Die elektrische Kapazität, die zwischen den Anschlüssen 13 und 31 erzeugt wird, kann als aus drei Komponenten zusammengesetzt angesehen werden: 1) der Kapazität C_a1 zwischen der Elektrode 12 und den nicht abgeschatteten Flächen der leitenden Bereiche 14a und 14c, wenn sich der Rotor an seiner Mittelposition befindet; 2) der zusätzlichen Kapazität C_a zwischen der Elektrode 12 und den nicht abgeschatteten Flächen der leitenden Bereiche 14a und 14c, wenn sich die Platte in der durch den Pfeil 22 gezeigten Richtung dreht; und 3) der zusätzlichen Streukapazität C_sa, die zwischen den Anschlüssen 13 und 31 erzeugt wird. Ebenso kann die elektrische Kapazität, die zwischen den Anschlüssen 13 und 32 erzeugt wird, als aus entsprechenden Komponenten C_b1, C_b und C_sb zusammengesetzt angesehen werden, mit dem Unterschied, daß C_b abnimmt, wenn sich die Platte 15 in der durch den Pfeil 22 gezeigten Richtung dreht.
3 zeigt eine Ausführungsform der Erfassungsschaltung, die dazu verwendet wird, die Gesamtstabilität der kapazitiven Meßwandler- oder Sensoreinrichtung zu erzielen. Der Anschluß 13 ist mit einer Quelle verbunden, die durch einen Erregungsoszillator 41 gegeben ist, der typischerweise mit einer Frequenz von ungefähr 10 MHz arbeitet, wobei die Frequenz teilweise durch die zwischen den Anschluß 13 und Massepotential angelegte kapazitive Last bestimmt wird und wobei der Oszillator 41 mit einer Amplitude von ungefähr 100 Volt schwingt. Frequenzen im Bereich von 2 MHz bis 100 MHz sind jedoch ebenso möglich. Der Schaltplan der Quelle ist in 3A gezeigt und enthält eine Geberelektrode 12 (Grundplatte), eine Platte 15 (Schmetterling) sowie die gekrümmten leitenden Bereiche 14a, 14b, 14c und 14d.
Wenn die an den Anschluß 13 angelegte Spannung ansteigt und ungefähr einen Spannungsabfall V über der Spannung V liegt, welche über den Elektroden der Kondensatoren C_a1, C_a, C_sa, C_b1, C_b und C_sb gehalten wird, wie durch die Linie 71 in 5 gezeigt ist, wird den Kondensatoren C_a1, C_a, C_sa, C_b1, C_b und C_sb durch einen Strom zur Masse über die Dioden 43 und 44 Ladung zugeführt. Wenn die an den Anschluß 13 angelegte Spannung abnimmt und ungefähr einen Diodenspannungsabfall V_d unter der Spannung V_c liegt, die über den Elektroden der Kondensatoren C_a1, C_a, C_sa, C_b1, C_b und C_sb gehalten wird, wie durch die Linie 72 in 5 gezeigt ist, werden die Kondensatoren C_a1, C_a, C_sa, C_b1, C_b und C_sb durch den Stromfluß durch die Rückkopplungswiderstände 45 und 46 der Operationsverstärker 47 bzw. 48 und durch die Dioden 49 und 50 entladen.
Die Vorwärts- und Rückkopplungswege der Operationsverstärker 47 und 48 sind so geschaltet, daß Verbindungspunkte 51 und 52 auf Massepotential gehalten werden. Folglich liegen die leitenden Bereiche 14a, 14b, 14c und 14d sehr nahe bei dem elektrischen Potential der Elektrode 15. Mit einer etwas höher entwickelten Schaltung können anstelle der Verbindungspunkte 51 und 52 die Verbindungspunkte 31 und 32 auf Massepotential gehalten werden, um sicherzustellen, daß die Elektrode 15 und die leitenden Bereiche 14a, 14b, 14c und 14d auf demselben elektrischen Potential liegen.
Alternativ kann der Anschluß 21 mit zwei in Gegenkopplung geschalteten Dioden 61 und 62, die eine Verbindung mit Masse herstellen, verbunden sein, wie in 4 gezeigt ist, um die Elektrode 15 auf das gleiche Potential wie an den Verbindungspunkten 31 und 32 hochzuheben oder abzusenken.
Wie in 4A gezeigt, sind in einer bevorzugten Ausführungsform zwei zusätzliche Dioden 63, 64 mit den Dioden 61, 62 der in 4 gezeigten Ausführungsform in Reihe geschaltet. Es ist nämlich festgestellt worden, daß diese Anordnung die Anpassung des Potentials des beweglichen Leiters an die Potentiale, auf denen die Verbindungspunkte 31, 32 liegen, verbessert und die Empfindlichkeit des Meßwandlers gegenüber Temperaturschwankungen reduziert. In einer alternativen Schaltung können Zener-Dioden mit Widerständen in Reihe geschaltet sein, um die gewünschte Anpassung zu erzielen.
Die Ausgänge an den Verbindungspunkten 53 und 54 der Operationsverstärker 47 bzw. 48 sind Spannungen, die zur jeweiligen Amplitude der Ströme proportional sind, die durch die Anschlüsse 31 und 32 fließen. Die Spannungen an den Verbindungspunkten 53 und 54 werden in eine Diffe renzschaltung 55 eingegeben, um am Anschluß 56 ein Signal zu erzeugen, das zur Differenz der erfaßten Ströme proportional ist. Die Differenz wird dazu verwendet, die Position der Flügel 16 und 17 in bezug auf die Bereiche 14a, 14b, 14c und 14d zu bestimmen.
Die Spannungen an den Verbindungspunkten 53 und 54 werden außerdem in eine Summierschaltung 57 eingegeben, die einen Operationsverstärker 58 enthält, um am Verbindungspunkt 59 eine Fehlerspannung zu erzeugen, die zur Differenz zwischen 1) der Summe der erfaßten Ströme und 2) einem Referenzwert proportional ist, der durch eine an den Anschluß 60 des Verstärkers 58 angelegte Spannung repräsentiert wird. Die Fehlerspannung am Verbindungspunkt 59 wird unter Verwendung der Integrierschaltung 42 integriert. Der Ausgang des Integrierers 42 steuert entweder die Amplitude V₀ oder die Frequenz f₀ des Erregungsoszillators 41.
Ein alternatives Verfahren zur Erfassung des durch die Anschlüsse 31 und 32 fließenden Stroms ist in 6 gezeigt. In dieser Konfiguration ziehen die Kapazitäten C_a1, C_a, und C_sa über die Diode 82 Ladungen an. Die Kapazitäten C_b1, C_b und C_sb werden über die Diode 83 entladen. Die Nettoladung, die in den Summationsverbindungspunkt des Verstärkers 85 fließt, ist gleich der Differenz der beiden erwähnten Ladungen und daher zur Differenz zwischen der Summe der Kapazitäten C_a1, C_a, und C_sa und der Summe der Kapazitäten C_b1, C_b und C_sb proportional. Der Ausgang des Transimpedanz-Verstärkers 85 ist eine Spannung, deren Mittelwert zur mechanischen Drehung proportional ist. Die Kapazitäten C_a1, C_a, und C_sa werden über die Diode 81 in den Summierverbindungspunkt des Transimpedanz-Verstärkers 87 entladen. Der in den Summierverbindungspunkt des Transimpedanz-Verstärkers 86 fließende Strom wird durch den Verstärker 87 und den Widerstand 88 invertiert und zu dem Strom addiert, der sich aus den Kapazitäten C_b1, C_b und C_sb, die über die Diode 84 Ladungen anziehen, ergibt. Der Ausgang des Transimpedanz-Verstärkers 86 ist eine Spannung, die zur Summe der Kapazitäten C_a1, C_a, C_sa C_b1, C_b und C_sb proportional ist. In diesem Verfahren erfordern nur die beiden Widerstände 88 und 89 eine genaue Anpassung. Wie vorhin wird der Ausgang mit einer Referenzspannung 60 verglichen, wobei die Differenz durch einen Integrierer 90 integriert wird und der Ausgang des Integrierers 90 entweder die Amplitude V₀ oder die Frequenz f₀ des Erregungsoszillators 70 steuert.
Wie oben beschrieben, werden die Drehplatte 15 und die gekrümmten Elektrodenbereiche 14a, 14b, 14c und 14d auf dem gleichen elektrischen Potential gehalten, welches angenähert oder genau gleich dem Massepotential ist. Dadurch ist sichergestellt, daß Veränderungen des Abstandes der Drehplatte 15 von den gekrümmten Elektrodenbereichen nur eine minimale Auswirkung auf das elektrische Feld und daher auf die Kapazität haben, die zwischen der ringförmigen Elektrode 12 und denjenigen Bereichen der gekrümmten Elektroden erzeugt wird, die nicht durch die Drehelektrode abgeschirmt sind.
Die Differenz der erfaßten Ströme, die für die Bestimmung der Position der Welle 18 verwendet wird, lautet folgendermaßen: IDifferenz = Ia1 – Ib1 + [(Ia – Ib)θ] + Isa – Isb wobei I_a1 und I_b1 die erfaßten Ströme an den Erfassungsanschlüssen sind, wenn θ = 0, d.h. wenn sich die Welle an ihrer Mittelposition befindet; I_a der erfaßte Strom pro Einheitsdrehung der Welle am Erfassungsanschluß 31 ist; I_b der erfaßte Strom pro Einheitsdrehung der Welle am Erfassungsanschluß 32 ist, der üblicherweise sehr nahe bei (–I_a) liegt; I_sa der Streustrom ist, der aufgrund der Streukapazität zwischen der ringförmigen Elektrode und der ersten Erfassungsschaltung 30 fließt, und I_sb der Streustrom ist, der aufgrund der Streukapazität zwischen der ringförmigen Elektrode und der zweiten Erfassungsschaltung 34 fließt; und θ die Winkelverschiebung der Drehwelle ist. Der Durchmesser der Drehflügel 16 und 17 ist größer als der Durchmesser der gekrümmten Elektrodenbereiche, wobei die radialen Kanten von der Umgebung der Enden der gekrümmten Elektroden über die Arbeits-Winkelauswanderung des Meßwandlers in einem Abstand gehalten werden; dadurch werden im wesentlichen parasitäre Wirkungen beseitigt, außerdem werden I_a und I_b über die gesamte Arbeits-Winkelauswanderung des Meßwandlers konstant gehalten. Durch die Sicherstellung der Symmetrie der gekrümmten Elektroden und der mit den beiden Erfassungsanschlüssen verbundenen Schaltungen können sowohl I_a1 und I_b1 als auch I_sa und I_sb nahezu identisch gemacht werden. Wenn I_a und I_b konstant sind, ist I_a1 = I_b1, I_sa = I_sb und außerdem ist der Strom I_Differenz, der am Anschluß 56 erfaßt wird, zur Wellendrehung proportional.
Die Summe der von den Erfassungsschaltungen 30 und 34 erfaßten Ströme lautet folgendermaßen: ISumme = Ia1 + Ib1 + [(Ia + Ib)θ] + Isa + Isb
Bei Verwendung eines einzigen Dielektrikums (Fluid oder Vakuum) in den aktiven Meßwandler-Spalten und durch Sicherstellung der Symmetrie der Meßwandlergeometrie sind die Absolutwerte von I_a und I_b mit hoher Genauigkeit einander angepaßt, selbst wenn Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen auftreten. Dann gilt: ISumme = Ia1 + Ib1 + Isa + Isb wobei I_Summe von der Wellendrehung unabhängig ist. Indem ferner die Erfassungsschaltungen auf Massepotential gesetzt werden, wodurch die Verwendung jeglichen Dielektrikums mit Ausnahme der Luft zwischen den Erfassungselektroden 14a, 14b, 14c und 14d und der ringförmigen Elektrode 12 vermieden wird, ergibt die Summe der erfaßten Ströme bei konstanter Spannung V₀ eine genaue quantitative Anzeige nicht nur von Änderungen der Verstärkung des Meßwandlers, die aufgrund der Wärmeübertragung, der Alterung oder aufgrund von Änderungen der Umgebungstemperatur oder -feuchtigkeit entstehen können, sondern auch von Änderungen, die in der Meßwandler-Erregerquelle aufgetreten sein können. Daher wird die Summe der erfaßten Ströme in einer Rückkopplungsschleife 60A als Steuersignal verwendet, um den Wert v₀ zu modifizieren und die Summe unverändert zu halten. Indem sichergestellt ist, daß die Summe der erfaßten Signale unverändert bleibt, bleibt auch die Differenz der erfaßten Signale bei jeder gegebenen Rotorposition bei Vorhandensein der obenerwähnten Störeinflüsse unverändert. Somit schafft die Rückkopplungsschleife 60A eine geeignete Fehlerkompensation. Um das Rauschen zu reduzieren, sind sämtliche Elemente des Meßwandlers, die nicht geerdet sind, geeignet abgeschirmt. Die 100 V-Leistungsversorgungsleitung der Elektrode 12 ist ebenfalls auf Masse abgeschirmt.
Wie in 7 gezeigt, steuert der kapazitive Meßwandler 11 einen Motor 100, der einen oszillierenden Spiegel 115 antreibt, der seinerseits einen Strahl 117 ablenkt. Die Welle 18, die durch Lager 104 unterstützt ist, ist mit einem Rotor 102 verbunden, der im Hohlraum eines Stators 106 oszilliert. Der Motor 100, der im Gehäuse 101 untergebracht ist, sowie der Meßwandler 11, der im Gehäuse 99 untergebracht ist, sind jeweils für eine optimale Leistung geeignet abgeschirmt. Die Meßwandlerschaltung 10 befindet sich in der Nähe der Erfassungsoberfläche 14, die in bezug auf die Oberfläche 12 mittels einer Schraube 103 an einer geeigneten Position gehalten wird. Die Anordnung des Motors 100 und dessen Kopplung mit dem Messwandler 11 kann auf die gleiche Weise erzielt werden, wie sie entweder im US-Patent Nr. 5,099,386, ausgegeben am 24. März 1992, oder in der Druckschrift US 5,225,770 beschrieben ist, wobei auf diese beiden Dokumente Bezug genommen wird, als ob sie hier vollständig enthalten wären. Diese Dokumente lehren außerdem die optimale Anordnung der Elektroden-Zwischenverbindungen und der Lager 104. Um ferner das Rauschen im Messwandler zu minimieren, ist es wichtig, die Drahtverbinder an die Treiberspulen miteinander zu verdrillen und den Rotor 102 geeignet zu erden, wie in der Druckschrift US 5,225,770 beschrieben ist.
Obwohl die bevorzugte Ausführungsform vier Kapazitäten verwendet, die zur Erfassung der Drehposition einer Welle angeordnet sind, kann das beschriebene Konzept auf eine größere Anzahl von Kapazitäten erweitert werden, die geeignet angeordnet sind, um Rotations- oder Translations-Bewegungen zu erfassen. Ferner können die Oberflächen der Kapazitäten zylindrisch oder halbkugelförmig sein. Die Rückkopplungs-Kompensation kann anstelle des Summensignals einige andere geeignete funktionalen Abhängigkeiten von Signalen verwenden, die an den Erfassungsbereichen erfasst werden. Weitere Ausführungsformen liegen im Umfang der folgenden Ansprüche.

Claims

Variabler kapazitiver Meßwandler zur Erfassung der Position eines beweglichen Elementes (18), mit einer ersten stationären, leitenden Geberfläche (12), die mit einer Quelle (41) für oszillierende elektrische Energie verbunden ist; einer zweiten stationären Fläche (14), die von der ersten Fläche (12) durch einen Spalt (d) beabstandet ist und mehrere elektrisch leitende Erfassungsbereiche (14a bis 14d) umfaßt, die so angeordnet sind, daß sie mit der Geberfläche (12) zusammenwirken können; und einer dritten beweglichen leitenden Fläche (15), die mit dem beweglichen Element (18) verbunden ist und sich zwischen der Geberfläche (12) und den mehreren Erfassungsbereichen (14a bis 14d) befindet, wobei die dritte leitende Fläche (15) so geformt und angeordnet ist, daß sie die Menge der von der Geberfläche (12) zu den mehreren Erfassungsbereichen (14a bis 14d) übertragene elektrische Energie in direkter Abhängigkeit von einer relativen Position der dritten Fläche (15) in bezug auf die erste Fläche (12) und die zweite Fläche (14) begrenzt, gekennzeichnet durch eine elektrische Verbindungsschaltung (30), die mit den Erfassungsbereichen (14a bis 14d) und der dritten Fläche (15) verbunden und so angeordnet ist, daß sie die Erfassungsbereiche (14a bis 14d) und die dritte Fläche (15) im wesentlichen auf dem gleichen Potential hält; eine elektrische Meßschaltung (55), die mit jedem der Erfassungsbereiche (14a bis 14d) verbunden und so beschaffen und angeordnet ist, daß sie die relative Position der dritten Fläche (15) auf der Grundlage der Energiemenge mißt, die von den einzelnen Erfassungsbereichen (14a bis 14d) empfangen wird; und eine elektrische Steuerschaltung (60A), die mit der elektrischen Meßschaltung (55) und mit der Quelle (41) in einer Rückkopplungsanordnung verbunden und so beschaffen ist, daß sie die Energiemenge, die die Quelle (41) zur Geberfläche (12) liefert, auf der Grundlage der von den Erfassungsbereichen (14a bis 14d) empfangenen Energiemenge steuert.
Kapazitiver Meßwandler gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung (55) so beschaffen und angeordnet ist, daß sie die Differenz der von den Erfassungsbereichen (14a bis 14d) empfangenen Energien mißt, um die relative Position zu bestimmen.
Kapazitiver Meßwandler gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung (85, 86) so beschaffen und angeordnet ist, daß sie die Summe der von den Erfassungsbereichen (14a bis 14d) empfangenen Energien mißt.
Kapazitiver Meßwandler gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (60A) die Summe der Energien verwendet, um die Energiemenge zu steuern, die die Quelle (41) der Geberfläche (12) zuführt.
Kapazitiver Meßwandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte leitende bewegliche Fläche (15) so beschaffen ist, daß sie in bezug auf die erste Fläche (12) und die zweite Fläche (14) eine Drehbewegung ausführen kann.
Kapazitiver Meßwandler gemäß Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen ersten elektrischen Ausgangsanschluß (31), der mit einer ersten Gruppe von Bereichen (14a, 14c) der zweiten Fläche (14) verbunden ist; einen zweiten elektrischen Ausgangsanschluß (32), der mit einer zweiten Gruppe von Bereichen (14b, 14d) der zweiten Fläche (14) verbunden ist; und wobei die dritte Fläche (15) eine Form besitzt, derart, daß sie während ihrer Drehung die Fläche der ersten Gruppe von Bereichen (14a, 14c), die der ersten Fläche (12) ausgesetzt ist, erhöht und symmetrisch die Fläche der zweiten Gruppe von Bereichen (14b, 14d), die der ersten Fläche (12) ausgesetzt ist, erniedrigt.
Kapazitiver Meßwandler gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste leitende Geberfläche (12) flach ist und durch zwei konzentrische Kreise mit derselben Symmetrieachse (18a) definiert ist; die elektrisch leitenden Erfassungsbereiche der zweiten Fläche (14) vier gekrümmte, flache Bereiche (14a bis 14d) sind, die durch Kreisbögen zweier konzentrischer Kreise mit derselben Symmetrieachse (18a) definiert sind; und die Form der dritten Fläche (15) in bezug auf die Achse (18a) symmetrisch ist und wenigstens zwei Flügel (16, 17) enthält, die durch die Kreisbögen eines um die Achse (18a) zentrierten Kreises definiert sind.
Kapazitiver Meßwandler gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der die Flügel (16, 17) definierenden Kreis einen größeren Durchmesser als der äußere Kreis besitzt, der die Erfassungsbereiche (14a bis 14d) definiert.
Variabler kapazitiver Meßwandler zur Erfassung der Position eines beweglichen Elementes (18), mit einer ersten stationären leitenden Fläche (12), die sich in einem dielektrischen Fluid oder im Vakuum befindet und mit einer Quelle (41) für oszillierende Spannung verbunden ist; und einer zweiten stationären Fläche (14), die von der ersten Fläche (12) durch einen konstanten Spalt (d) beabstandet ist und in mehrere Paare von elektrisch leitenden Bereichen (14a, 14c; 14b, 14d) unterteilt ist, wobei die Bereiche (14a, 14c; 14b, 14d) eines Paars mit einem ersten elektrischen Ausgangsanschluß (31; 32) verbunden sind und die Bereiche (14b, 14d; 14a, 14c) des anderen Paars mit einem zweiten Ausgangsanschluß (32; 31) verbunden sind, gekennzeichnet durch eine dritte leitende Fläche (15), die zwischen der ersten Fläche (12) und der zweiten Fläche (14) angeordnet, mit dem beweglichen Element (18) verbunden und so beschaffen ist, daß sie eine Translations- oder Rotationsbewegung ausführen kann, wobei sie so geformt ist, daß ihre Bewegung in einer Richtung eine Zunahme der Fläche der mit dem ersten Anschluß (31) verbundenen Bereiche (14a, 14c), die der ersten Fläche (12) ohne Behinderung durch die dritte Fläche (15) ausgesetzt ist, bewirkt, wobei diese Bewegung eine symmetrische Abnahme der Fläche derjenigen Bereiche (14b, 14d) bewirkt, die mit dem zweiten Anschluß (32) verbunden sind, die der ersten Fläche (12) ohne Behinderung durch die dritte Fläche (15) ausgesetzt ist; eine erste elektrische Einrichtung (30), die die Bereiche (14a bis 14d) der zweiten Fläche (14) und die dritte Fläche (15) im wesentlichen auf dem gleichen zeitlich veränderlichen Potential hält; eine zweite elektrische Einrichtung (55), die mit den Anschlüssen (31, 32) verbunden ist, um eine Position der dritten Fläche (15) auf der Grundlage der Amplitude der Differenz der oszillierenden Ladung zu messen, die durch den ersten und den zweiten Ausgangsanschluß (31, 32) fließt; eine dritte elektrische Einrichtung (57), die mit den Anschlüssen (31, 32) verbunden ist, um die Amplitude der Summe der oszillierenden Ladung zu messen, die durch den ersten und den zweiten Ausgangsanschluß (31, 32) fließt; und eine vierte elektrische Einrichtung (42), die mit der dritten Einrichtung (57) und mit der Quelle (41) verbunden ist, um die Quelle (41) der oszillierenden Spannung in der Weise zu steuern, daß die Amplitude der Summe des oszillierenden Ladungsflusses konstant bleibt.
Kapazitiver Meßwandler gemäß Anspruch 1 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle (41) eine Wechselspannung mit einer Frequenz im Bereich von 2 MHz bis 100 MHz erzeugt.
Kapazitiver Meßwandler gemäß Anspruch 1 oder 9, der mit einem Motor (101) der einen Rotor (102) aufweist verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehung des Rotors (102) des Motors (101) durch ein Positionssignal vom Meßwandler (11) gesteuert wird.
Kapazitiver Meßwandler gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei mit der dritten Fläche (115) parallel und zueinander in entgegengesetzter Richtung geschaltete Dioden (61, 62) umfaßt.
Kapazitiver Meßwandler gemäß Anspruch 13, gekennzeichnet durch zwei zusätzliche Dioden (63, 64), die jeweils mit der entsprechenden der zwei parallelgeschalteten Dioden (61, 62) in Reihe geschaltet sind.
Kapazitiver Meßwandler gemäß Anspruch 9 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die parallel geschalteten Dioden (61, 62) zwischen der dritten Fläche (15) und der Masse verbunden sind.