DE60016395T2 - Kapazitiver weggeber - Google Patents

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    • G01D2205/70—Position sensors comprising a moving target with particular shapes, e.g. of soft magnetic targets
    • G01D2205/73—Targets mounted eccentrically with respect to the axis of rotation

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Positionssensoren und speziell kapazitive Codierer von rotierender oder linearer Position.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Messungen des Drehwinkels und der linearen Verschiebung werden auf verschiedenen Gebieten breit zur Steuerung von Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung genutzt. Für diese Zwecke genutzte kontaktfreie Sensoren sind allgemein im ersten Kapitel des Synchro/Resolver Conversion Handbook (Synchro-/Resolver-Umwandlungshandbuch), vierte Ausgabe, veröffentlicht durch DDC ILC Data Device Corp. (Bohemia, New York, 1994) beschrieben.
  • Kommerziell erhältliche, kontaktfreie Vollrotationstransducer (üblicherweise als Drehwinkelcodierer bekannt) sind nahezu ausschließlich entweder optische wellencodierer oder elektromagnetische Resolver. Diese beiden Transducertypen sind in der Technik wohlbekannt. Sie werden sowohl als integrierte Geräte, die ihre eigene Welle und Lager enthalten, als auch als modulare Geräte zur Montage auf einer Wirtwelle vertrieben.
  • Optische Codierer verschaffen Binärebenenausgangssignale und können in absolute und inkrementale Typen unterteilt werden. Codierer des letztgenannten Typs sind aufgrund ihrer flachen Konstruktion und niedrigen Kosten populärer, obwohl sie unter den folgenden Mängeln leiden:
    • – Nur die relative Position wird gemessen
    • – Solche Codierer sind empfindlich gegenüber mechanischen Zusammenbau- und Montagefehlern
    • – Die Konstruktion solcher Codierer bietet nur eine begrenzte mechanische Haltbarkeit.
  • Absolute optische Codierer sind teurer, voluminöser und üblicherweise nicht modular. In den letzten Jahren wurde ein modifizierter absoluter Codierer eingeführt, der sinusförmige statt Binärebenenausgangssignalen verschafft, die interpoliert werden können, um eine erhöhte Auflösung zu verschaffen.
  • Elektromagnetische Resolver, die detailliert in dem oben erwähnten Synchro/Resolver Conversion Handbook beschrieben sind, sind gewickelte induktive Komponenten. Sie sind relativ voluminös und teuer, jedoch äußerst haltbar. Einzelpolpaarresolver verschaffen zwei Ausgangsspannungen, die proportional zu sinθ und zu cosθ sind, wobei θ der Drehwinkel ist. Mehrfachpolpaarresolver verschaffen Ausgangsspannungen, die proportional zu sin(nθ) und zu cos(nθ) sind, wobei n die Anzahl Polpaare ist. Auflösung und Präzision des Mehrfachpolpaarresolvers sind hoch, jedoch definieren die Ausgangssignale den Drehwinkel nicht eindeutig über eine volle Umdrehung.
  • Der Zwei-Geschwindigkeiten-Resolver ist äquivalent zu einer Kombination eines Einzelpolpaar- und eines Mehrfachpolpaar-Resolvers auf derselben Welle. Er verschafft gleichzeitig zwei Paare von Ausgangsspannungen, die als Grob- und Feinkanäle bezeichnet werden. Durch Verarbeiten beider Kanäle wird eine präzise und eindeutige Ablesung erhalten. Diese Art von Resolver ist jedoch noch voluminöser und teurer als seine Einzel- oder Mehrfachpolpaar-Gegenstücke.
  • Lineare optische Codierer sind inkrementale digitale Geräte, die, wie inkrementale Rotationscodierer, einen Lesekopf umfassen, der sich relativ zu einer Messlatte bewegt und Ausgangspulse erzeugt. Derzeit sind hochpräzise, langhubige lineare Codierer nahezu ausschließlich vom optischen Typ, obwohl auch einige auf magnetischen Prinzipien basierte lineare Codierer bestehen. Es besteht kein kapazitiver linearer Codierer, der kommerziell als selbständige Komponente erhältlich sind, jedoch werden lineare kapazitive Codierer in digitalen Messschiebern breit verwendet.
  • Im Kontext der vorliegenden Patentanmeldung und in den Ansprüchen bezieht der Begriff "Codierer" sich auf Verschiebetransducer, worin die Wechselwirkung zwischen den stationären und bewegenden Elementen auf einem sich wiederholenden Muster basiert ist, mit entweder einem binären oder kontinuierlichen Ausgangssignal. Die Begriffe "bewegendes Element" und "Rotor" werden in Bezug auf Rotationscodierer austauschbar verwendet, wie auch die Begriffe "stationäres Element" und "Stator". Gleichermaßen beziehen sich die Begriffe "Lesekopf" und "Messlatte" jeweils auf die bewegenden und stationären Elemente von Linearcodierern.
  • Selbst nach vielen Jahren der Entwicklung verschaffen weder optische Wellencodierer noch elektromagnetische Resolver alle der folgenden wünschenswerten Eigenschaften in Kombination:
    • – Absolute Ablesung mit hoher Präzision und Auflösung.
    • – Einfache Konstruktion und wenig aufwendige Verpackung.
    • – Niedrige Fertigungskosten.
  • GRUNDLEGENDE KONZEPTE KAPAZITIVER DREHWINKELCODIERER
  • Kapazitive Vollrotations-Absolutwinkelcodierer (Capacitive, full-rotation, absolute angle encoders, kurz: CFRAAEs) wandeln den Drehwinkel in ein auf kapazitiver Wechselwirkung zwischen einem Rotor und einem Stator basiertes Ausgangssignal um. Sie können so gebaut sein, dass sie entweder den elektromagnetischen Einzelpol- oder Mehrfachpol-Resolver emulieren, d.h., mit einem Ausgangssignal, das sich einmal oder mehrmals pro Umdrehung wiederholt, oder Mehrfachgeschwindigkeitsresolver.
  • Von CRFAAEs, wie in der Patentliteratur beschrieben, würde erwartet, dass sie signifikante Vorteile gegenüber optischen und induktiven Codierern verschaffen. Jedoch hatten CRFAAE-Geräte keinerlei Marktpräsenz aufgrund einer Vielfalt von Schwierigkeiten, wovon nicht alle vollständig identifiziert, anerkannt oder gelöst worden sind. Beispielsweise:
    • • Präziser CRFAAE-Betrieb verlangt die Unterscheidung von Kapazitanzen unter einem Femto-Farad (10–15 Farad) in Gegenwart parasitärer Kapazitanzen und Interferenz von außen. Die Abschirmung gegen äußere Interferenz ist daher von äußerster Wichtigkeit.
    • • Es wurde angenommen, dass CFRAAEs teure, hochpräzise und stabile elektronische Komponenten erfordern. Beispielsweise beschreibt die deutsche Patentanmeldung DE 42 15 702 einen kapazitiven Winkelcodierer, wobei Kapazitanzen individuell durch Lasertrimmen korrigiert werden.
    • • In in der Patentliteratur beschriebenen CFRAAEs ist eine komplexe Signalkonditionierung erforderlich. Signalverarbeitungssysteme zur Verwendung in diesem Kontext sind beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung DE 36 37 529 und in einem übereinstimmenden US-Patent 4.851.835 beschrieben.
    • • Es bestand ein Mangel an systematischer Klassifikation und Analyse der verschiedenen bekannten Codierertypen. Folglich wurden keine neuen Konfigurationen und Verbesserungsmöglichkeiten entdeckt.
  • Es war daher die vorherrschende Ansicht auf dem Gebiet, dass ein CFRAAE kommerziell nicht verwirklichbar sein könnte. Nur kapazitive Transducer mit begrenzter Rotation (im Wesentlichen weniger als 360°) haben praktische Verwendung gefunden, und nur in begrenzten Anwendungen, worin der Transducer in ein Wirtssystem integriert ist, hauptsächlich in optische Spiegelabtaster. Typische Transducer mit begrenzter Rotation sind in den US-Patenten 3.312.892, 3.732.553, 3.668.672, 5.099.386 und 4.864.295 beschrieben.
  • Analoge Vollrotationstransducer, wie etwa elektromagnetische Resolver (im Gegensatz zu digitalen oder pulszählenden) Transducern verschaffen typischerweise zwei orthogonale Ausgangssignale proportional zu dem Sinus und Cosinus des Drehwinkels. Da kapazitive Kopplung, anders als induktive Kopplung, immer positiv ist, ist im allgemeinen das Messen der Differenz zwischen zwei verschiebungsabhängigen Kapazitanzen die einzige Möglichkeit, eine bipolare Ausgangsleistung in einem kapazitiven Transducer zu erhalten.
  • 1 ist ein typisches schematisches Verdrahtungsschema, das dieses Prinzip illustriert (das auch auf kapazitive Linearverschiebungstransducer anwendbar ist). Zwei komplementäre Erregungsspannungen Q und Q' werden an stationäre Transmitterplatten 41 beziehungsweise 42 angelegt. Eine sich bewegende Empfängerplatte 40 ist kapazitiv an beide Transmitterplatten gekoppelt und ist an einen Ladungsverstärker 43 angeschlossen, wie in der Technik bekannt. Die Ausgangsspannung des Ladungsverstärkers 43 ist proportional zur Differenz der jeweiligen Kapazitanzen C1 und C2 zwischen der Empfängerplatte 40 und den Transmitterplatten 41 und 42. Die Ausgangsleistung des Verstärkers 43 wird verarbeitet, um die Amplitude und Polarität der Differentialkapazitanz C1 – C2 zu verschaffen, aus der die Position der Platte 40 relativ zu den Platten 41 und 42 abgeleitet werden kann.
  • In Analogie zu elektromagnetischen Resolvern können CFRAAEs sowohl in Einzelpol- als auch Mehrfachpolkonfigurationen hergestellt werden. Das US-Patent 5.598.153 beschreibt einen typischen Einzelpol-CFRAEE. Die französische Patentanmeldung 77 29354 beschreibt einen Mehrfachpolcodierer, wobei die Überlappung zwischen dem Rotar und einem Stator sechs Mal per Umdrehung variiert. Das oben erwähnte US-Patent 4.851.835 beschreibt einen Codierer, worin ein Einzelrotor sowohl Grob- als auch Feinsignale erzeugt.
  • In der relevanten Patentliteratur sind verschiedene Verfahren beschrieben, um eine variable Kapazitanz in ein Ausgangssignal umzuwandeln. Die Verfahren können in zwei Familien unterteilt werden:
    • 1. Einarbeitung der variablen Kapazitanz in einen Oszillatorschaltkreis, der durch Variieren seiner Frequenz oder seines Auslastungsgrads reagiert. Solche Verfahren sind beispielsweise in der europäischen Patentanmeldung 0 459 118 A1, in der deutschen Patentanmeldung DE 33 28 421 und in einem Artikel mit dem Titel "Kapazitives Sensorprinzip zur absoluten Drehwinkelmessung" von Arnold und Heddergott, in Elektronpraxis (März 1989) beschrieben.
    • 2. Einarbeitung einer Wechselstromerregungsquelle, um zumindest ein Wechselstrom- oder Gleichstrom-Ausgangssignal zu erhalten, das eine Funktion winkelabhängiger Kapazitanzen in dem Codierer ist. Wenn eine volle Umdrehung abgedeckt werden soll, so sind zwei solcher Ausgangsleistungen erforderlich. Beispielsweise beschreibt das US-Patent 4.092.579 einen kapazitiven Resolver mit einer Erregungsspannungsquelle und zwei Ausgangsspannungssignalen, die jeweils zu dem Sinus und Cosinus des Drehwinkels proportional sind. Das US-Patent 4.429.307 beschreibt einen kapazitiven Codierer mit einer gleichartigen Schaltkreisanordnung, außer dass zwei Erregungsspannungen mit entgegengesetzten Polaritäten verwendet werden.
  • Gleichartige Herangehensweisen sind beispielsweise in der europäischen Patentanmeldung 0 226 716, in der deutschen Patentanmeldung DE 36 37 529 und in einem Artikel mit dem Titel "An Accurate Low-Cost Capacitive Absolute Angular-Position Sensor with A Full-Circle Range" (Ein präziser kostengünstiger kapazitiver absoluter Winkelpositionssensor mit einem Vollkreisbereich) von Xiujun Li et al., in IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 45: 2 (April 1996), S.516–520 beschrieben.
  • Die Präzision solcher CFRAEE-Schemata auf Basis von Wechselstromerregung ist von der Qualität der Erregungsspannungen abhängig. Ungenauigkeiten können dazu führen, dass die Erregungssignale nicht von hoher harmonischer Reinheit und von gleicher Amplitude sind, oder falls eine Abweichung von der exakten 90°-Phasenverschiebung vorliegt. Die damit zusammenhängenden Schwierigkeiten können durch Schaltkreiskomplexität überwunden werden, wie durch 3 in der oben erwähnten deutschen Patentanmeldung DE 36 37 529 illustriert. Lösungen umfassen die komplexe digitale Emulation der analogen sinusförmigen Spannungen, wie in der europäischen Patentanmeldung 0 226 716 vorgeschlagen, oder die Anwendung präziser und stabiler analoger Schaltkreiselemente, wie in dem oben erwähnten Artikel von Li et al.
  • Die deutsche Patentanmeldung DE 37 11 062 beschreibt auch eine kapazitive Positionsmessvorrichtung, die Wechselstromrechteckwellenerregung verwendet. Der Drehwinkel wird errechnet auf Basis von Zeitabtastung eines schrittweisen Signals, das aus der Wechselwirkung der Rechteckwellenerregungsspannungen mit Kapazitanz, die mit der Rotordrehung variiert, resultiert (wie in 2–d dieser Anmeldung dargestellt). Der Nachteil solcher diskreter Abtastung ist ein unterlegener Störabstand (signal-to-noise ratio, SNR), da das Abtasten der Eingangsspannung deren Werte zwischen den Abtastzeiten außer Acht läßt und rauschanfällig ist.
  • TYPEN KAPAZITIVER CODIERER
  • In der Technik sind verschiedene Verfahren bekannt, um die Rotor- und Statorelemente eines CFRAAEs elektrisch zu verbinden, um die erforderliche Übertragung, rotationsabhängige Modulation und Erfassen eines elektrostatischen Feldes in dem Codierer zu verschaffen. Beispielsweise haben die US-Patente 3.873.916 und 4.404.560 die allgemeine elektrische Konfiguration von 1, wobei die Transmitterplatten 41 und 42 den Stator darstellen und die Empfängerplatte 40 den Rotor darstellt. Diese Konfiguration ist dadurch problematisch, dass der Rotor elektrisch mit der Verarbeitungselektronik verbunden sein muss. Zur Ermöglichung freier Rotation muss ein Schleifring, mit seinen bekannten Nachteilen von Reibung und Unzuverlässigkeit, verwendet werden, um die elektrische Verbindung zustande zu bringen.
  • Bei anderen Codierertypen ist sowohl der elektrostatische Feldtransmitter als auch der Empfänger auf ein oder mehr Statorelementen angeordnet. Beispielsweise beschreibt das US-Patent 5.099.386 einen Codierer, der einen dielektrisch gemusterten, nichtleitenden Rotor zwischen den Transmitter- und Empfängerstatoren aufweist. Es liegt somit keine Notwendigkeit für eine elektrische Verbindung zu dem Rotor vor, jedoch ist der Drehwinkel begrenzt.
  • DE-A-197 29 347 beschreibt einen kapazitiven Bewegungscodierer mit Eigenschaften wie in der Präambel von Anspruch 1 beschrieben.
  • Die US-Patente 3.668.672 und 3.732.553 beschreiben CFRRAEs von generell ähnlicher Konstruktion zu der in dem US-Patent 5.099.386, außer dass der Rotor eine gemusterte leitende Beschichtung aufweist. Die Beschichtung ist elektrisch geerdet und dient als eine elektrische Abschirmung, die selektiv die gemessene Kapazitanz zwischen den Statorelementen variiert. Zum Erden des Rotors sind verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden. Beispielsweise zeigt 10 des US-Patents 3.558.672 Schleifringe in Verwendung für diesen Zweck. Diese Herangehensweise hat die Nachteile von Reibung, geringer Zuverlässigkeit und hoher Kosten. Das US-Patent 3.732.553 verschafft die Rotorerdung, indem es sich auf den Kontakt zwischen dem geerdeten Rotorgehäuse und dem Rotor durch eine Welle, an der der Rotor befestigt ist, stützt, jedoch kann dieser Kontakt auch problematisch sein, wie weiter hierin nachstehend beschrieben.
  • Die europäische Patentanmeldung 0 459 118 illustriert (in ihrer 2) eine Kontaktspitze, die zur Erdung eines Rotors verwendet wird. Diese Herangehensweise leidet unter Nachteilen, ähnlich denen der oben angeführten US-Patente. Gleichermaßen werden geerdete Rotoren in kapazitiven Codierern verwendet, die in dem oben erwähnten Artikel von Li et al. und in einem Artikel mit dem Titel "An Integrable Capacitive Angular Displacement Sensor with Improved Linearity" (Ein integrierbarer kapazitiver Winkelverschiebungssensor mit verbesserter Linearität) von Wolffenbuttel und van Kampen, in Sensors and Actuators, A.25–27 (1991), S.835–843, beschrieben sind.
  • Ein anderer Typ von CFRAAE hat leitende Beschichtungen auf beiden Seiten des Rotors, die elektrisch miteinander verbunden, jedoch ansonsten schwebend sind. Wenn zumindest eine Beschichtung gemustert ist, dann dient der Rotor als eine winkelabhängige Kopplungsbrücke zwicken Transmitter- und Empfängerplatten an den Statoren. Codierer dieses Typs sind in den US-Patenten 3.845.377, 3.312.892, 4.092.579, 4.851.835, 4.238.781 und 4.788.546 und in der deutschen Patentanmeldung DE 42 15 702 beschrieben. Im US-Patent 4.851.835 ist eine Seite eines Mehrfachpolrotormusters in mehrfache individuelle Elemente aufgeteilt.
  • In einer anderen, in den US-Patenten 3.961.318 und 4.429.307 beschriebenen "Umklapp"-Konfiguration sind die Transmitter- und Empfängerplatten auf einem gemeinsamen stationären Substrat eines Einzelstators auf einer Seite des Rotors angebracht und sind durch das leitende Muster auf dem Rotor gekoppelt. Alternativ sind in einer symmetrischen Version dieses Codierertyps zwei Statorelemente, jedes mit seinen eigenen Transmitter- und Empfängerplatten, auf jeder Seite des Rotors angeordnet. CFRAAEs dieses Typs sind sowohl in dem US-Patent 4.788.546 als auch in der deutschen Patentanmeldung DE 37 11 062 und der britischen Patentanmeldung GB 2 176 013 beschrieben.
  • KAPAZITIVE LINEARVERSCHIEBUNGSCODIERER
  • Kapazitive Linearverschiebungscodierer (CLDEs) sind ebenfalls in der Technik bekannt, haben jedoch nur einen Teilbereich der möglichen, in der CFRAAE-Literatur vorgeschlagenen Topologien genutzt. Beispielsweise beschreibt das US-Patent 4.429.307 einen CLDE mit einem Kopf, der zwei sinusförmige leitende Muster umfasst, die von zwei komplementären Erregungsspannungen erregt werden. Die Spannungen werden auf einer Messlatte erzeugt und mittels Koppelstreifen oder Transmitterplatten kapazitiv mit dem Kopf gekoppelt. Die Muster auf dem Kopf koppeln zurück zu Sinus- und Cosinus-Empfängerplatten auf der Messlatte. Der bewegende Kopf ist somit kapazitiv an die Messlatte gekoppelt und benötigt keine elektrische Verdrahtung. In dem Patent wird nicht erwähnt, wie die Empfängerplatten vor äußerlicher Interferenz geschützt werden und wie Direktkopplung von den Koppelstreifen zu den Empfängerplatten ausgeschaltet wird. Auch wird, da die Verstärkungen der Sinus- und Cosinuskanäle von den Luftspalten ihrer jeweiligen Koppelstreifen abhängen, jede Differenz zwischen den Luftspalten die relative Verstärkung beeinträchtigen. Die Präzision ist daher empfindlich gegenüber Kippung zwischen dem Kopf und der Messlatte und erfordert sehr stabile und präzise elektronische Komponenten.
  • Das US-Patent 3.961.318 beschreibt zwei verschiedene Versionen von CLDEs vom Typ 5. In der ersten Version ist die Messlatte elektrisch unverdrahtet und kapazitiv an den Kopf gekoppelt, der sowohl Erregungsquellen als auch den Empfänger umfasst. Die Messlattenelektroden können segmentiert und voneinander isoliert werden, um das Aneinanderreihen mehrerer Messlatten ohne elektrische Zwischenverbindung zu ermöglichen und somit den Messbereich auszudehnen. Die zweite Version ist gleichartig der in dem oben erwähnten US-Patent 4.429.307. Wie in diesem Patent ist das Verhältnis der Sinus- und Cosinussignale sowohl für Kippung als auch Komponententoleranz empfindlich, und es wird keine Antwort auf Probleme parasitärer kapazitiver Kopplung zwischen den benachbarten Transmitter- und Empfängerplatten oder des Schutzes gegen äußere Interferenz verschafft.
  • Das US-Patent 4.586.260 beschreibt ein digitale Nonius-Schublehre, die einen kapazitiven linearen Codierer anwendet. Dieser Codierer ist weiter in Kapitel 18 von Capacitive Sensors (Kapazitive Sensoren) von Larry K. Baxter (IEEE Press, 1997) beschrieben. Die Erregung wird mittels zweier komplementärer Rechteckwellen verschafft, und der Kopf ist in Sinus- und Cosinusteile unterteilt, die jeder seine eigene Empfängerplatte und Verstärker umfassen. Die Messlatte ist unverdrahtet. Die Nachteile dieses CLDEs sind wie folgt:
    • 1. Da zwei Signalkanäle vorliegen, die sowohl räumlich als auch elektronisch getrennt sind, ist ihr Verstärkungsabgleich empfindlich für Kippung des Kopfs und für Elektronikkomponententoleranz und Temperaturstabilität.
    • 2. Das Messlattenmuster ist eher rechteckig als sinusförmig. Die resultierenden räumlichen Harmonischen des Musters, obwohl großenteils von dem Luftspalt unterdrückt, begrenzen die durch Interpolation erzielbare Präzision.
    • 3. Es liegen Spalten zwischen individuellen Messlattenelementen vor, die senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufen und weitere räumliche Harmonische hinzufügen.
  • In der Technik bekannte Hochpräzisions-CLDE-Vorrichtungen sind inkremental, d.h. sie ergeben eine relative Verschiebungsablesung statt einer absoluten. Andererseits beschreibt das US-Patent 3.312.892 einen kapazitiven Verschiebungstransducer, der auf der Überlappung zwischen dreieckigen stationären Platten und einer rechteckigen bewegenden Platte basiert ist. Diese Konfiguration stellt einen absoluten, jedoch im Wesentlichen "groben" Codierer dar.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist ein Zweck der vorliegenden Erfindung, verbesserte Vorrichtungen und Verfahren für kapazitive Positionserfassung zu verschaffen.
  • Es ist ein Zweck einiger Aspekte der vorliegenden Erfindung, verbesserte kapazitive Drehwinkelcodierer und insbesondere Vollrotations-Absolutwinkelcodierer zu verschaffen.
  • Es ist ein Zweck anderer Aspekte der vorliegenden Erfindung, verbesserte kapazitive Linearverschiebungscodierer zu verschaffen.
  • Es ist noch ein weiterer Zweck einiger Aspekte der vorliegenden Erfindung, kompakte, freistehende kapazitive Positionscodierer zu verschaffen.
  • Es ist noch ein weiterer Zweck einiger Aspekte der vorliegenden Erfindung, Codierer zu verschaffen, die eine verbesserte Präzision und veringerte Empfindlichkeit für äußere Interferenz und Umweltbedingungen aufweisen.
  • In bevorzugten Ausführungen der vorliegenden Erfindung umfasst ein kapazitiver Bewegungscodierer zum Erfassen der Position eines bewegenden Objekts relativ zu einem stationären Objekt zumindest ein stationäres Element, das an das stationäre Objekt gekoppelt ist, und ein bewegendes Element, das an das bewegende Objekt gekoppelt ist. Ein periodisches (zeitmoduliertes) elektrostatisches Feld wird von einer Transmitterplatte übertragen, die sich vorzugsweise an dem stationären Element befindet, sich jedoch alternativ an dem bewegenden Element befinden kann. Ein elektrisch aktives Muster auf einem der Elemente, typischerweise auf dem bewegenden Element, moduliert die Hülle des zeitmodulierten elektrostatischen Feldes in Reaktion auf Bewegung des bewegenden Objekts. Das Muster umfasst vorzugsweise auf das Element galvanisiertes leitendes Material, obwohl auch Verfahren zur Erzeugung gemusterten dielektrischen bewegenden Elements verwendet werden können. Der Begriff "elektrisch aktiv", wie im Kontext des vorliegenden Patents und in den Ansprüchen verwendet, kann auf jedes beliebige derartige Muster verweisen. Verarbeitungsschalttechnik erfasst das modulierte elektrische Feld und analysiert die Hüllenmodulation, um ein Maß der Position des bewegenden Objekts zu bestimmen.
  • Die bewegenden und stationären Elemente sind im Wesentlichen durch eine leitende Abschirmung umschlossen, die sowohl von den bewegenden als auch den stationären Objekten entkoppelt ist und die die Elemente von elektrischer Interferenz abschirmt. Der Erfinder hat festgestellt, dass, im Unterschied zu in der Technik bekannten kapazitiven Positionssensoren, das Abtrennen der Abschirmung von anderen Objekten um den Codierer herum einen überlegenen Schutz der inhärent niedrigen Signalniveaus in dem Codierer gegen sowohl äußere Interferenz als auch parasitische Kopplung an Erregungsspannungen, die zur Erzeugung des elektrostatischen Feldes und zum Betrieb des Codierers zugeführt werden, verschafft. Vorzugsweise umschließt die leitende Abschirmung sowohl die Verarbeitungsschalttechnik als auch die bewegenden und stationären Elemente.
  • In einigen bevorzugten Ausführungen der vorliegenden Erfindung umfasst der Codierer einen Drehwinkelcodierer, vorzugsweise einen Vollrotations-Absolutwinkelcodierer. In diesen Ausführungen umfasst das bewegende Element einen Rotor, das bewegende Objekt umfasst eine rotierende Welle, und das wenigstens eine stationäre Element umfasst einen oder mehr Statoren, sodass die Verarbeitungsschalttechnik ein Maß der Rotationsposition der Welle bestimmt. Abschirmung und Rotor haben vorzugsweise eine labyrinthförmige Konfiguration in einem Bereich, worin der Rotor an der Welle befestigt ist, um das Lecken elektrischer Interferenz in die Abschirmung zu verhindern.
  • In anderen bevorzugten Ausführungen der vorliegenden Erfindung umfasst der Codierer einen Linearverschiebungscodierer. In diesen Ausführungen umfasst das stationäre Element vorzugsweise eine lineare Messlatte, die zu lang sein kann, um praktisch von der Abschirmung umschlossen zu werden. In diesem Fall umschließt die Abschirmung vorzugsweise das bewegende Element und einen Teil des stationären Elements, über dem das bewegende Element zu jeder gegebenen Zeit positioniert ist.
  • In einigen bevorzugten Ausführungen der vorliegenden Erfindung umfasst ein kapazitiver Drehwinkelcodierer für das Erfassen der Position einer rotierenden welle einen Transmitter und einen Empfänger, typischerweise in Form von Transmitter- und Empfängerplatten an einem oder mehreren Statoren. Der Transmitter besteht aus mehrfachen Segmenten, die über die Welle verteilt sind, wovon jedes ein periodisches elektrostatisches Feld auf einer gemeinsamen Frequenz, jedoch mit einer unterschiedlichen, zuvor festgelegten Phase in Bezug auf die anderen Segmente erzeugt. Vorzugsweise werden vier Segmente für jeden ein oder mehr Pole am Rotor verwendet. Die Transmittersegmente werden mit Wechselspannungen erregt, die in gegenseitiger Quadratur sind. Die sich ergebenden Felder werden durch Rotation eines Rotors moduliert und die modulierten Felder werden vom Empfänger empfangen.
  • Dem Codierer zugeordnete Verarbeitungsschalttechnik umfasst zwei synchrone Detektorschaltkreise, die periodische Eingangsabgaben von zwei jeweiligen Transmittererregungsquellen und Verarbeitungssignale von dem Empfänger in Synchronisation mit dem erzeugten Feld erhalten, um Ausgangsleistungen zu erzeugen, die den Sinus und Cosinus des Drehwinkels angeben. Vorzugsweise folgen die Detektorschaltkreise einem einzelnen Ladungsverstärker, durch den die Signale, die von allen Transmittersegmenten stammen, zur Verarbeitung empfangen werden. Die Verwendung solcher Phasen-/Quadraturerregung (PQE) und synchroner Detektion ermöglicht die Bestimmung des Rotorwinkels mit größerer Präzision, besserem Störabstand und verringerter Empfindlichkeit gegenüber Abweichungen in Komponentenwerten, als dies durch in der Technik bekannte Codierer erreicht wird, die typischerweise Signalabtastung statt vollsynchroner Detektion verwenden oder mehr als einen Signalverarbeitungskanal statt des einzelnen Ladungsverstärkers der vorliegenden Erfindung einsetzen. Folglich wird weder Präzisionsschaltkreistechnik mit hoher Stabilität noch Komponentenverbesserung benötigt. Die resultierende einfache Schalttechnik kann praktischerweise zusammen mit dem Rotor und Stator(en) verpackt und innerhalb der leitenden Abschirmung geschützt werden.
  • Alternativ umfasst der Codierer einen einteiligen Transmitter und segmentierte Empfängerplatten und gibt Sinus- und Cosinussignale ab, wie oben beschrieben. In einer dieser bevorzugten Ausführungsformen umfasst der Codierer weiterhin einen Gleichrichter, der eine Wechselstromeingangsleistung zu dem Codierer gleichrichtet, um dem Detektorschaltkreis Gleichspannung zuzuführen, sodass der Codierer praktischerweise als Ersatz für einen induktiven Resolver dienen werden kann.
  • In anderen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden die Prinzipien von Phasen-/Quadraturerregung angewendet, um einem kapazitiven Linearcodierer gleichartige Vorteile mitzuteilen.
  • In einigen bevorzugten Ausführungen der vorliegenden Erfindung umfasst der Codierer einen Mehrfachgeschwindigkeitscodierer, wobei das elektrisch aktive Muster reibungslos variierende, grobe und feine periodenweise elektrisch aktive Muster umfasst, die vorzugsweise sinusförmig sind. Die Grob- und Feinmuster haben jeweilige niedrige und hohe räumliche Frequenzen als eine Funktion der Position auf dem Element, worauf die Muster geformt sind. Beim Bewegen des bewegenden Elements modulieren die Muster eine Hülle des elektrostatischen Feldes gemäß den niedrigen und hohen räumlichen Frequenzen. Die Verarbeitungsschalttechnik erfasst die Modulation, um Grob- und Feinauflösungsmessungen der Position des bewegenden Objekts zu bestimmen. Die demodulierten Ausgangsleistungen der Verarbeitungsschalttechnik sind aufgrund der reibungslosen Variation der Muster sehr präzise, im Gegensatz zu in der Technik bekannten Mehrfachgeschwindigkeitscodierern. Vorzugsweise ist die Grobmessung ein absolutes Maß von Rotations- oder linearer Position.
  • In einer dieser bevorzugten Ausführungen weist das bewegende Element weiterhin ein dazwischenliegendes elektrisches Muster darauf auf, mit einer räumlichen Frequenz zwischen den hohen und niedrigen Frequenzen. Die Verarbeitungsschalttechnik erfasst ebenfalls die Modulation des Feldes, die dem dazwischenliegenden Muster entspricht, um ein Maß der Position des bewegenden Objekts mit einer Auflösung zu bestimmen, die zwischen den Grob- und Feinmessungen liegt.
  • In einigen dieser Mehrfachgeschwindigkeitsausführungen ist das Grobmuster in eine Vielzahl von Segmenten unterteilt, die über eine Oberfläche des bewegenden Elements verteilt sind, um Variationen zu verringern, die aufgrund von Kippung des Rotors relativ zum Stator in der Modulation des Feldes auftreten. Die Segmentierung des Musters zu diesem Zweck kann auch in Einzelgeschwindigkeitsausführungen der vorliegenden Erfindung angewandt werden.
  • In einigen bevorzugten Ausführungen der vorliegenden Erfindung, worin der Codierer Grob- und Feinmuster umfasst, schaltet die Verarbeitungsschalttechnik das elektrostatische Feld so, dass es abwechselnd von den zwei Mustern moduliert wird. Die Schalttechnik bestimmt somit abwechselnd Grob- und Feinmaße der Position des bewegenden Objekts. Das Schalten wird vorzugsweise durch abwechselndes Erregen verschiedener Übertragungsbereiche des stationären Elements durchgeführt. Dank des Schaltens zwischen den Bereichen auf diese Art und Weise können sowohl die Grob- als auch Feinmessungen unter Verwendung eines einzigen stationären Elements und eines einzigen bewegenden Elements, typischerweise eines einzigen Stators und eines einzigen Rotors, und ohne Verdoppelung in der Signalverarbeitungsschalttechnik vorgenommen werden.
  • In anderen bevorzugten Ausführungen der vorliegenden Erfindung weist der Rotor eines kapazitiven Drehwinkelcodierers ein elektrisch aktives Muster auf, das sich mehrfach auf einer zuvor festgelegten Winkelfrequenz über die welle wiederholt und auch durch eine Rotationsasymmetrie, wie etwa eine Exzentrizität, gekennzeichnet ist (d.h., das Muster ist nicht-achsensymmetrisch). Die Verarbeitungsschalttechnik erfasst die Modulation des elektrostatischen Feldes aufgrund des Musters, um ein Feinmaß des Drehwinkels zu bestimmen, und erfasst auch die Modulation aufgrund der Exzentrizität, um ein Grobmaß des Drehwinkels der Welle zu bestimmen. Es besteht daher kein Bedarf an einem getrennten Grobmuster und Detektionskanal, wie in den vorangehenden bevorzugten Ausführungen, sodass die zentrale Öffnung des Codierers – im Fall eines Hohlwellencodierers – relativ größer gemacht werden kann, um größere Wellengrößen aufzunehmen.
  • In einigen bevorzugten Ausführungen der vorliegenden Erfindung umfasst das bewegende Element eine Vielzahl elektrisch aktiver Segmente, die durch offene Räume in dem Substrat voneinander getrennt sind, um Feuchtigkeitsfilmeffekte zu eliminieren. Die Segmente können elektrisch isoliert sein oder nicht. Vorzugsweise umfasst das bewegende Element einen Rotor, wobei die elektrisch aktiven Segmente radial nach außen um die Welle vorragen. Die Verwendung elektrisch und mechanisch getrennter Segmente reduziert sowohl die Empfindlichkeit des Codierers gegenüber Kippung und verhindert auch, dass Feuchtigkeitsansammlung das Ablesen beeinträchtigt. Obwohl manche in der Technik bekannte kapazitive Codierer dreidimensionale elektrisch aktive Muster verwenden, sind keine davon auf die Weise der vorliegenden Erfindung offen.
  • In einigen bevorzugten Ausführungen der vorliegenden Erfindung sind erste und zweite stationäre Elemente an gegenüberliegenden Seiten des bewegenden Elements angeordnet, um durch diese ein elektrostatisches Feld zu übertragen. Ein Potentialstabilisationsschaltkreis hält das bewegende Element auf einem stetigen, virtuell geerdeten Potential, indem er das Wechselstrompotential an dem ersten stationären Element erfasst und ein entgegengesetztes Potential an das zweite stationäre Element anlegt. Es ist kein physischer oder elektrischer Kontakt mit dem bewegenden Element erforderlich. In der Technik ist bekannt, dass das Erden des bewegenden Elements bei bestimmten Codierertypen vorteilhaft ist.
  • Anders als die vorliegende Erfindung erfordern Codierer solchen Typs des Standes der Technik jedoch, dass Kontakt mit dem bewegenden Element gemacht wird, unter Verwendung beispielsweise eines Schleifrings, um es zu erden.
  • In einigen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst der Codierer einen Linearverschiebungscodierer, wobei das stationäre Element eine Messlatte umfasst und das bewegende Element einen Lesekopf umfasst, der entlang der Messlatte verfährt. In manchen dieser bevorzugten Ausführungen befinden sich die Transmitter- und Empfängerplatten an dem Kopf, und das elektrisch aktive Muster, mit dem die Platten zusammenwirken, befindet sich an der Messlatte. In anderen Ausführungsformen befinden sich die Transmitterplatten an der Messlatte, und das Empfängermuster befindet sich an dem Kopf.
  • In einigen dieser bevorzugten Ausführungen umfasst die Messlatte ein flexibles Material für gedruckte Schaltungen, das entlang einer Oberfläche des stationären Objekts befestigt ist, beispielsweise an einer Maschine, die unter Verwendung des Codierers gesteuert wird. Die Oberfläche kann flach oder gekrümmt sein. In einer solchen bevorzugten Ausführung ist das stationäre Objekt im allgemeinen zylindrisch, und der Codierer wird zum Messen des Winkels um eine Achse des Zylinders verwendet.
  • Vorzugsweise ist das Muster an dem Kopf für verbesserte Stabilität und Messgenauigkeit im Vergleich zu in der Technik bekannten kapazitiven Linearcodierern entworfen, insbesondere in Begriffen von sowohl Immunität in Bezug auf Schwankungen von Ausrichtung, Winkel und Beabstandung zwischen Lesekopf und Messlatte, als auch Immunität in Bezug auf äußere Interferenz und Feuchtigkeit. Vorzugsweise ist das Muster symmetrisch in Bezug auf die relative Kippung von Kopf und Messlatte in sowohl Aufwärts-/abwärts- als auch Seite-an-Seite-Richtungen, um die Kippempfindlichkeit zu verringern. Weiter bevorzugt ist das Muster absatzweise durch Lücken unterbrochen, insbesondere bei Ausführungen, wobei sich das Muster auf der Messlatte befindet, um das Koppeln von Interferenz durch das Muster in den Lesekopf zu verhindern. Vorzugsweise wird auf die Transmitterplatten Phasen-/Quadraturerregung angelegt, und die Ausgangsleistung einer einzigen Empfängerplatte und eines zugehörigen Empfängers wird unter Verwendung von Synchrondetektion verarbeitet, wie hierin voranstehend beschrieben.
  • In einigen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verschafft der kapazitive Linearverschiebungscodierer eine absolute Positionsmessung. Vorzugsweise wird die Messung vorgenommen, indem abwechselnd Fein- und Grobmuster auf dem Lesekopf oder auf der Messlatte erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich ist ein Index an einem Ende der Messlatte vorgesehen, und eine Indexposition des Lesekopfs wird erfasst, indem der Index verwendet wird, um eine absolute Referenzposition für anschließende inkrementale Messungen zu verschaffen. Gleichermaßen kann ein Index in Drehwinkelcodierern in Übereinstimmung mit bevorzugten Ausführungen der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird daher ein kapazitiver Bewegungscodierer zum Erfassen der Position eines bewegenden Objekts relativ zu einem stationären Objekt verschafft, umfassend
    zumindest ein an das stationäre Objekt gekoppeltes stationäres Element;
    ein bewegendes Element, das an das bewegende Objekt gekoppelt ist und sich in der Nähe des stationären Elements befindet;
    einen Feldtransmitter, der ein elektrostatisches Feld erzeugt, das von einer Änderung der Kapazitanz zwischen den stationären und bewegenden Elementen als Reaktion auf die relative Bewegung der Elemente moduliert wird;
    eine leitende Abschirmung, die elektrisch von sowohl dem bewegenden als auch dem stationären Objekt entkoppelt ist und die das bewegende und stationäre Element umschließt, um die Elemente von äußerer elektrischer Interferenz abzuschirmen; und
    Verarbeitungsschalttechnik, die gekoppelt ist, um das modulierte elektrostatische Feld zu erfassen und in Reaktion darauf ein Maß der Position des bewegenden Objekts zu bestimmen.
  • Vorzugsweise umfasst das bewegende Element einen Rotor und umfasst das bewegende Objekt eine rotierende Welle, und wobei das zumindest eine stationäre Element zumindest einen Stator umfasst, sodass die Verarbeitungsschalt-technik ein Maß der Drehposition der Welle bestimmt. Weiter bevorzugt umschließt die leitende Abschirmung zumindest einen Teil der Verarbeitungsschalttechnik zusammen mit dem Rotor und dem zumindest einen Stator. Meistbevorzugt enthalten der zumindest eine Stator und der Rotor gedruckte Leiterplatten, wobei an zumindest einem davon zumindest der Teil der Verarbeitungsschalt-technik montiert ist.
  • Vorzugsweise umfasst der Rotor eine im allgemeinen planare Platte und eine im Wesentlichen nicht-planare, ringförmige Nabe zum Koppeln des Rotors an die Welle, und die Abschirmung erstreckt sich in die Ebene des Rotors benachbart zu der Nabe, um das Überspringen elektrischer Interferenz von der Welle zum Rotor zu verhindern. Vorzugsweise ist der Codierer so konfiguriert, dass der Rotor um zumindest 360° relativ zu dem Stator rotieren kann.
  • In einer bevorzugten Ausführung umfasst der Codierer ein mechanisches Gehäuse um die bewegenden und stationären Elemente, welches Gehäuse von der Abschirmung elektrisch entkoppelt ist. Vorzugsweise umfasst das zumindest eine stationäre Element zwei im allgemeinen parallele, voneinander beabstandete stationäre Elemente, wobei eines den Feldtransmitter enthält und das andere einen Feldempfänger enthält, die in dem Gehäuse durch Druck der Elemente gegen ein dazwischen befindliches flexibles leitendes Element elektrisch miteinander gekoppelt sind.
  • Vorzugsweise umfasst das stationäre Element eine gedruckte Leiterplatte, die eine Verlängerung enthält, die durch die Abschirmung vorragt und mit der eine elektrische Verbindung mit dem Codierer hergestellt wird.
  • In einer bevorzugten Ausführung ist der Feldtransmitter an dem stationären Element befestigt und ist so mit ihm gekoppelt, dass er einen Teil der leitenden Abschirmung bildet.
  • Vorzugsweise ist der Feldtransmitter an dem stationären Element befestigt und ist auf dem bewegenden Element ein elektrisch aktives Muster ausgebildet, das das elektrostatische Feld moduliert. Vorzugsweise enthält das elektrisch aktive Muster ein leitendes Material oder, alternativ oder zusätzlich, ein dielektrisches Material. Vorzugsweise enthält das zumindest eine stationäre Element einen Empfänger des elektrostatischen Feldes, der an die Verarbeitungsschalttechnik gekoppelt ist. Vorzugsweise wird das leitende, elektrisch aktive Muster auf dem bewegenden Element auf einem im allgemeinen konstanten Potential gehalten. Alternativ ist das leitende, elektrisch aktive Muster auf dem bewegenden Element elektrisch schwebend. In einer bevorzugten Ausführung umfasst das zumindest eine stationäre Element ein einziges Element, woran sowohl der Transmitter als auch der Empfänger befestigt sind. In einer anderen bevorzugten Ausführung umfasst der Codierer ein zweites stationäres Element, an dem sowohl ein Transmitter als auch ein Empfänger befestigt ist.
  • Alternativ ist das leitende Material an dem bewegenden Element an die Verarbeitungsschalttechnik gekoppelt und dient als ein Empfänger des elektrostatischen Feldes.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird ein kapazitiver Winkelcodierer zur Erfassung der Position einer rotierenden Welle verschafft, umfassend:
    einen Transmitter, der über die welle angeordnete Mehrfachsegmente enthält, wobei jedes Segment ein periodisches elektrostatisches Feld auf einer gemeinsamen Frequenz erzeugt, jedoch eine unterschiedliche, zuvor festgelegte Phase in Bezug auf die anderen Segmente hat;
    einen Empfänger, der Signale erzeugt, die auf die Felder von den Mehrfachsegmenten reagieren, sodass die Stärke des Empfangs jedes der Felder durch eine Schwankung einer Kapazitanz zwischen dem Transmitter und dem Empfänger in Funktion der Rotation der Welle moduliert wird; und
    einen Detektorschaltkreis, der zumindest einen Synchrondetektor enthält, der die Signale in Synchronisation mit dem erzeugten Feld verarbeitet, um eine Ausgangsleistung zu erzeugen, die den Drehwinkel anzeigt.
  • Vorzugsweise enthält der zumindest eine Synchrondetektor zwei Synchrondetektoren, die jeweilige Ausgangsleistungen proportional zu dem Sinus und Cosinus des Drehwinkels erzeugen. Weiter bevorzugt, enthält der Empfänger einen Einzeleingangsleistungsverstärkungskanal, durch den die Signale von allen Transmittersegmenten zur Verarbeitung empfangen werden.
  • Vorzugsweise enthält die Transmitterplatte einen im allgemeinen planaren Transmitterstator, der in um eine Achse einer Welle angeordnete Mehrfachsegmente unterteilt ist, wobei die Mehrfachsegmente meistbevorzugt in vier Quadranten angeordnet sind.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird zusätzlich ein kapazitiver Winkelresolver zum Erfassen der Position einer rotierenden Welle verschafft, umfassend:
    einen Transmitter, der ein periodisches elektrostatisches Feld erzeugt, das auf eine elektrische Wechselstromeingabe auf einer gegebenen Frequenz reagiert;
    einen Empfänger, der über die Welle angeordnete Mehrfachsegmente enthält, die Signale erzeugen, die auf das Feld von dem Transmitter reagieren, sodass das an jedem der Segmente empfangene Feld durch eine Schwankung einer Kapazitanz zwischen dem Transmitter und dem Empfänger als eine Funktion der Rotation der Welle moduliert wird;
    einen Signalverarbeitungsschaltkreis, der die Signale von den Empfängersegmenten verarbeitet, um eine Wechselstromeingabe zu erzeugen, die den Drehwinkel anzeigt; und
    einen Gleichrichterschaltkreis, der die Wechselstromeingabe gleichrichtet, um dem Detektorschaltkreis Gleichspannung zuzuführen.
  • Vorzugsweise enthält der Codierer einen Rotor, der gekoppelt ist, um mit der Welle zu rotieren, und ein elektrisch aktives Muster darauf aufweist, sodass die Rotation des Rotors das an dem Empfänger empfangene Feld moduliert. Weiter bevorzugt enthält das elektrisch aktive Muster leitendes Material, das meistbevorzugt auf einem Erdpotential gehalten wird.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird weiterhin ein kapazitiver Bewegungscodierer zum Erfassen der Position eines bewegenden Objekts relativ zu einem stationären Objekt verschafft, umfassend:
    zumindest ein an das stationäre Objekt gekoppeltes stationäres Element;
    ein bewegendes Element, das an das bewegende Objekt gekoppelt ist und sich in der Nähe des stationären Elements befindet;
    einen elektrostatischen Feldtransmitter, der einem der stationären oder bewegenden Elemente zugeordnet ist;
    einen Feldmodulator, der einem anderen der stationären und bewegenden Elemente zugeordnet ist, der reibungslos variierende grobe und feine periodische elektrisch aktive Muster auf dem Element enthält, wobei die Muster entlang einer Dimension des Elements mit jeweiligen niedrigen und hohen räumlichen Frequenzen variieren, die das elektrostatische Feld modulieren, indem sie eine Kapazitanzschwankung zwischen den stationären und bewegenden Elementen in Reaktion auf die relative Bewegung der Elemente induzieren, auf Modulationsfrequenzen, die den niedrigen und hohen räumlichen Frequenzen entsprechen, im Wesentlichen ohne räumliche Harmonische davon; und
    Verarbeitungsschalttechnik, die gekoppelt ist, um das modulierte elektrostatische Feld zu erfassen und in Reaktion darauf Grob- und Feinmaße der Position des bewegenden Objekts zu bestimmen.
  • Vorzugsweise enthält das stationäre Element einen Stator, der aus einem einzigen planaren Element hergestellt ist, das eine Vielzahl leitender Bereiche enthält, wovon zumindest einer der Feldtransmitter ist und wovon ein anderer das Feld empfängt.
  • Weiter bevorzugt enthält das bewegende Element einen Rotor, woran die elektrisch aktiven Muster geformt sind, sodass das grobe periodische Muster einen im allgemeinen kreisförmigen Bereich an dem Rotor enthält, der exzentrisch über die Welle angeordnet ist, und das feine periodische Muster ein sinusförmiges Muster auf dem Rotor enthält, das in Umfangsrichtung um die Welle angeordnet ist.
  • In einer bevorzugten Ausführung umfasst der Feldmodulator weiterhin ein dazwischenliegendes elektrisch aktives Muster darauf, mit einer räumlichen Frequenz, die zwischen der hohen und niedrigen Frequenz liegt, und die Verarbeitungstechnik erfasst die Modulation des Feldes entsprechend der dazwischenliegenden Frequenz.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird außerdem ein kapazitiver Bewegungscodierer zum Erfassen der Position eines bewegenden Objekts relativ zu einem stationären Objekt verschafft, umfassend:
    zumindest ein an das stationäre Objekt gekoppeltes stationäres Element;
    ein bewegendes Element, das an das bewegende Objekt gekoppelt ist und sich in der Nähe des stationären Elements befindet;
    einen elektrostatischen Feldtransmitter, der einem der stationären oder bewegenden Elemente zugeordnet ist;
    einen Feldmodulator, der einem anderen der stationären und bewegenden Elemente zugeordnet ist, der reibungslos variierende grobe und feine periodische elektrisch aktive Muster auf dem Element enthält, wobei die Muster entlang einer Dimension des Elements mit jeweiligen niedrigen und hohen räumlichen Frequenzen variieren, die das elektrostatische Feld modulieren, indem sie eine Kapazitanzschwankung zwischen den stationären und bewegenden Elementen in Reaktion auf die relative Bewegung der Elemente induzieren, auf Modulationsfrequenzen, die den niedrigen und hohen räumlichen Frequenzen entsprechen; und
    Verarbeitungsschalttechnik, die das elektrostatische Feld so schaltet, dass es abwechselnd durch das Grob- oder durch das Feinmuster moduliert wird, und die das modulierte Feld erfasst, um abwechselnd, in Reaktion darauf, Grob- und Feinmaße der Position des bewegenden Objekts zu bestimmen.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird zusätzlich ein kapazitiver Bewegungscodierer zum Erfassen der Position eines bewegenden Objekts relativ zu einem stationären Objekt verschafft, umfassend:
    ein stationäres Element, das an das stationäre Objekt gekoppelt ist und einen elektrostatischen Feldtransmitter und -empfänger enthält;
    ein bewegendes Element, das an das bewegende Objekt gekoppelt ist und sich in der Nähe des stationären Elements befindet und einen Feldmodulator enthält, der grobe und feine periodische elektrisch aktive Muster auf dem bewegenden Element umfasst, die entlang einer Dimension des Elements mit jeweiligen niedrigen und hohen räumlichen Frequenzen variieren und die das elektrostatische Feld modulieren, indem sie eine Kapazitanzschwankung zwischen den stationären und bewegenden Elementen in Reaktion auf die relative Bewegung der Elemente induzieren, auf Modulationsfrequenzen, die den niedrigen und hohen räumlichen Frequenzen entsprechen; und
    Verarbeitungsschalttechnik, die gekoppelt ist, um das modulierte elektrostatische Feld zu erfassen und in Reaktion darauf Grob- und Feinmaße der Position des bewegenden Objekts zu bestimmen.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird auch ein kapazitiver Winkelcodierer zum Erfassen der Position einer rotierenden Welle verschafft, umfassend:
    einen oder mehr Statoren, wovon einer einen Feldtransmitter enthält, der ein elektrostatisches Feld erzeugt;
    einen Rotor, der gekoppelt ist, um mit der Welle zu rotieren, und ein rotationsasymmetrisches elektrisch aktives Muster darauf aufweist, das das elektrostatische Feld in Reaktion auf die Rotation der Welle moduliert, indem es eine Kapazitanzschwankung zwischen dem Stator und dem Rotor induziert, die sich für jede Umdrehung der Welle ein Mal wiederholt, wobei das Muster in eine Vielzahl von Unterbereichen unterteilt ist, um Schwankungen zu verringern, die aufgrund des Kippens des Rotors relativ zu dem Stator in der Modulation des Feldes auftreten; und
    Verarbeitungsschalttechnik, die gekoppelt ist, um das modulierte elektrostatische Feld zu erfassen und, in Reaktion auf die Grob- und Feinschwankungen, Grob- und Feinmaße des Winkels der Welle zu bestimmen.
  • Vorzugsweise enthält das elektrisch aktive Muster auf dem Rotor einen im allgemeinen kreisförmigen Bereich, der in Bezug auf eine Achse der Welle exzentrisch gelegen ist.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird noch weiter ein kapazitiver Winkelcodierer zum Erfassen der Position einer rotierenden Welle verschafft, umfassend:
    einen an die welle gekoppelten Rotor mit einer elektrisch aktiven Region, die nicht-achsensymmetrisch um eine Achse der Welle ist und ein Muster enthält, das sich umfangsgerichtet auf dem Rotor befindet, das sich mehrfach auf einer zuvor festgelegten Winkelfrequenz über die Welle wiederholt;
    zumindest einen Stator, dem ein elektrostatisches Feld zugeordnet ist, das aufgrund einer Kapazitanzschwankung moduliert wird, welche durch die elektrisch aktive Region aufgrund der Rotation des Rotors induziert wird; und
    Verarbeitungsschalttechnik, die die Modulation des Feldes erfasst, die einmal per Umdrehung der Welle aufgrund der Nicht-Achsensymmetrie der Region auftritt, um in Reaktion darauf ein Grobmaß des Drehwinkels der Welle zu bestimmen, und die die Modulation des Feldes aufgrund des Musters erfasst, um ein Feinmaß des Drehwinkels zu bestimmen.
  • In einer bevorzugten Ausführung enthält der Codierer einen Empfänger, der an einen der einen oder mehr Statoren gekoppelt ist und durch eine Nicht-Achsensymmetrie in Bezug auf die Wellenachse gekennzeichnet ist, sodass das Grobmaß des Winkels in Reaktion auf eine Wechselwirkung zwischen den Nicht-Achsensymmetrien des Feinmusters und des Empfängers bestimmt wird.
  • In einer anderen bevorzugten Ausführung enthält der Codierer einen Schalter, der betätigt wird, um abwechselnd die Grob- und Feinmaße des Winkels zu bestimmen.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird weiterhin ein feuchtigkeitsbeständiger kapazitiver Bewegungscodierer zum Erfassen der Position eines bewegenden Objekts relativ zu einem stationären Objekt verschafft, umfassend:
    zumindest ein stationäres Element, das an das stationäre Objekt gekoppelt ist und dem ein elektrostatisches Feld zugeordnet ist;
    ein bewegendes Element, das an das bewegende Objekt gekoppelt ist, das eine Vielzahl elektrisch aktiver Segmente enthält, die durch Räume voneinander getrennt sind, wobei die Segmente ein Muster formen, das das elektrostatische Feld aufgrund einer Kapazitanzschwankung zwischen den stationären und bewegenden Elementen moduliert, wenn sich das bewegende Element bewegt; und
    Verarbeitungsschalttechnik, die gekoppelt ist, um das modulierte elektrostatische Feld zu erfassen und in Reaktion darauf ein Maß der Position des bewegenden Objekts zu bestimmen.
  • Vorzugsweise wird auf das bewegende Element auftreffendes Fluid von den Segmenten zu den die Segmenten trennenden Räumen befördert.
  • In einer bevorzugten Ausführung enthält das bewegende Objekt eine rotierende Welle, und das bewegende Element enthält einen Rotor, wovon die elektrisch aktiven Segmente radial nach außen um die Welle vorragen, und das zumindest eine stationäre Element enthält zumindest einen Stator, sodass die Verarbeitungsschalttechnik ein Maß der Rotationsposition der Welle bestimmt.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird zudem ein kapazitiver Bewegungscodierer zum Erfassen der Position eines bewegenden Objekts relativ zu einem stationären Objekt verschafft, umfassend:
    ein bewegendes Element, das an das bewegende Objekt gekoppelt ist, auf dem sich ein elektrisch aktives Muster befindet;
    erste und zweite stationäre Elemente, die mit dem stationären Objekt gekoppelt sind, die an gegenüberliegenden Seiten des bewegenden Elements angeordnet sind, um ein alternierendes elektrostatisches Feld hierdurch zu übertragen;
    Verarbeitungsschalttechnik, die gekoppelt ist, um die Modulation des elektrostatischen Feldes in Reaktion auf eine Kapazitanzschwankung zwischen den stationären Elementen aufgrund der Bewegung des elektrisch aktiven Musters darin zu erfassen und in Reaktion darauf ein Maß der Position des bewegenden Objekts zu bestimmen; und
    einen Potentialausgleichsschaltkreis, der das bewegende Element auf einem im allgemeinen konstanten Potential hält, indem er ein alternierendes elektrisches Potential an dem ersten stationären Element erfasst und ein entgegengesetztes Potential an dem zweiten stationären Element anlegt.
  • Vorzugsweise enthält das im allgemeinen konstante Potential eine virtuelle Erdung. Weiter bevorzugt stellt der Potentialausgleichsschaltkreis im Wesentlichen keinen elektrischen Kontakt mit dem bewegenden Element her.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird noch weiter ein kapazitiver Linearverschiebungscodierer zum Erfassen der Position eines bewegenden Objekts relativ zu einem stationären Objekt verschafft, umfassend:
    eine an dem stationären Objekt befestigte Messlatte;
    einen Lesekopf, der an dem bewegenden Objekt befestigt ist, um sich entlang der Messlatte zu bewegen, und einen elektrostatischen Feldtransmitter enthält, der in einer Umgebung des Lesekopfs ein elektrostatisches Feld erzeugt;
    ein auf der Messlatte gebildetes elektrisch aktives Muster, welches Muster eine Kapazitanzschwankung zwischen der Messlatte und dem Lesekopf verursacht, um das elektrostatische Feld in Reaktion auf die Bewegung des Lesekopfs relativ zu der Messlatte zu modulieren, wobei das Muster eine solche Symmetrie aufweist, dass die Modulation durch Kippen des Kopfs relativ zur Messlatte im Wesentlichen unbeeinträchtigt bleibt; und
    Verarbeitungsschalttechnik, die gekoppelt ist, um das modulierte elektrostatische Feld zu erfassen, um die Modulation aufzuspüren und in Reaktion darauf ein Maß der Position des bewegenden Objekts zu bestimmen.
  • Vorzugsweise enthält das Muster eine doppelte Sinusform. Weiter bevorzugt enthält der Lesekopf einen Empfänger, der das modulierte elektrostatische Feld empfängt, und wird das Muster intermittierend durch Lücken in dem Muster unterbrochen, um das Koppeln von Interferenz entlang dem Muster in den Lesekopf zu verhindern, wobei die Lücken in einem spitzen Winkel in Bezug auf eine Längsachse der Messlatte gebildet sind.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird außerdem ein kapazitiver Linearverschiebungscodierer verschafft, zum Erfassen der Position eines bewegenden Objekts relativ zu einem stationären Objekt, umfassend:
    eine Messlatte, die an dem stationären Objekt befestigt ist und einen elektrostatischen Feldtransmitter enthält, der ein elektrostatisches Feld in einer Umgebung der Messlatte erzeugt;
    einen Lesekopf, der an dem bewegenden Objekt befestigt ist, um sich entlang der Messlatte zu bewegen, und worauf ein elektrisch aktives Muster gebildet ist, welches Muster eine Kapazitanzschwankung zwischen der Messlatte und dem Lesekopf verursacht, um das elektrostatische Feld in Reaktion auf die Bewegung des Lesekopfs relativ zu der Messlatte zu modulieren, wobei das Muster eine solche Symmetrie aufweist, dass die Modulation durch Kippen des Kopfs relativ zur Messlatte im Wesentlichen unbeeinträchtigt bleibt; und
    Verarbeitungsschalttechnik, die gekoppelt ist, um das modulierte elektrostatische Feld zu erfassen, um die Modulation aufzuspüren und in Reaktion darauf ein Maß der Position des bewegenden Objekts zu bestimmen.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird zusätzlich ein kapazitiver Linearverschiebungscodierer zum Erfassen der Position eines bewegenden Objekts relativ zu einem stationären Objekt verschafft, umfassend:
    eine Messlatte, die an einer gekrümmten Oberfläche des stationären Objekts befestigt ist;
    einen Lesekopf, der an dem bewegenden Objekt befestigt ist, um sich entlang der Messlatte zu bewegen;
    einen elektrostatischen Feldtransmitter, der ein elektrostatisches Feld in einer Umgebung des Lesekopfs erzeugt;
    ein auf der Messlatte oder dem Lesekopf gebildetes elektrisch aktives Muster, welches Muster eine Kapazitanzschwankung zwischen der Messlatte und dem Lesekopf verursacht, um das elektrostatische Feld in Reaktion auf die Bewegung des Lesekopfs relativ zur Messlatte zu modulieren; und
    Verarbeitungsschalttechnik, die gekoppelt ist, um das modulierte elektrostatische Feld zu erfassen, um die Modulation aufzuspüren und in Reaktion darauf ein Maß der Position des bewegenden Objekts entlang der gekrümmten Oberfläche zu bestimmen.
  • In einer bevorzugten Ausführung hat das stationäre Objekt eine im allgemeinen zylindrische Form, und wobei das Maß der Position des bewegenden Objekts eine Winkelmessung um eine Achse des stationären Objekts beinhaltet.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird weiterhin ein kapazitiver Linearverschiebungscodierer zum Erfassen der Position eines bewegenden Objekts relativ zu einem stationären Objekt verschafft, umfassend:
    eine Messlatte, die an dem stationären Objekt befestigt ist;
    einen Lesekopf, der an dem bewegenden Objekt befestigt ist, um sich entlang der Messlatte zu bewegen;
    an der Messlatte befestigte Transmitterplatten, um ein elektrostatisches Feld in einer Umgebung des Lesekopfs zu erzeugen und empfangen, wobei die Platten Grob- und Feinlesekonfigurationen aufweisen;
    eine elektrisch aktive Empfängerplatte an dem Lesekopf, wobei die Platte derart konfiguriert ist, dass die Bewegung des Kopfs relativ zu der Messlatte eine Kapazitanzschwankung zwischen den Transmitter- und Empfängerplatten verursacht, die das von der Empfängerplatte empfangene elektrostatische Feld moduliert; und
    Verarbeitungsschalttechnik, die gekoppelt ist, um das modulierte elektrostatische Feld zu erfassen, um die Modulation des Feldes in der Groblesekonfiguration aufzuspüren, um in Reaktion darauf ein Grobmaß der Position des bewegenden Objekts zu bestimmen, und um die Modulation des Feldes in der Feinlesekonfiguration aufzuspüren, um in Reaktion darauf ein Feinmaß der Position des bewegenden Objekts zu bestimmen.
  • Vorzugsweise umfasst die Grobmessung eine absolute Positionsmessung.
  • In einer bevorzugten Ausführung enthält die Transmitterplatte eine Vielzahl von Transmitterstangen, die kollektiv in zumindest zwei dreieckige Regionen unterteilt sind und wobei in der Grobkonfiguration die Stangen in jeder der Regionen kollektiv erregt werden. Vorzugsweise enthält die Empfängerplatte ein leitendes, periodisches Muster, das einer im allgemeinen vierseitigen Region überlagert ist, und wobei, wenn die Transmitterplatte in der Groblesekonfiguration arbeitet, die gesamte vierseitige Region auf einem gemeinsamen elektrischen Potential gehalten wird.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird auch ein kapazitiver Bewegungscodierer zum Erfassen der Position eines bewegenden Objekts relativ zu einem stationären Objekt verschafft, umfassend:
    zumindest ein mit dem stationären Objekt gekoppeltes stationäres Element;
    ein mit dem bewegenden Objekt gekoppeltes bewegendes Element;
    an dem stationären oder dem bewegenden Element befestigte Transmitter- und Empfängerplatten, um in einer Umgebung des bewegenden Elements ein elektrostatisches Feld zu erzeugen und zu empfangen, wobei die Platten zumindest eine Indexplatte an einer Indexposition an dem stationären Element enthalten, sodass das von dem bewegenden Element, während es sich in der Nähe der zumindest einen Indexplatte befindet, angetroffene elektrostatische Feld identifizierbar verschieden ist von dem an anderen Stellen entlang dem stationären Element;
    ein auf einem der Elemente gebildetes elektrisch aktives Muster, welches Muster eine Kapazitanzschwankung zwischen den Elementen verursacht, um das elektrostatische Feld in Reaktion auf die Bewegung des bewegenden Elements relativ zu dem stationären Element zu modulieren; und
    Verarbeitungsschalttechnik, die gekoppelt ist, um das modulierte elektrostatische Feld zu erfassen und die Differenz in dem Feld zu identifizieren, wenn das bewegende Element sich in der Nähe der Indexplatte befindet, um in Reaktion darauf zu bestimmen, dass das bewegende Element sich in der Indexposition befindet, und welche die Modulation aufspürt und in Reaktion darauf ein Maß der Position des bewegenden Objekts relativ zu der Indexposition bestimmt.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird noch weiter ein Verfahren zum Erfassen der Position einer rotierenden Welle verschafft, umfassend:
    das Übertragen periodischer elektrostatischer Felder mit einer gemeinsamen Frequenz auf einer Vielzahl von Winkelorten um die Welle herum, wobei jedes Feld eine von den anderen Signalen verschiedene, zuvor festgelegte Phase aufweist;
    das Erfassen der Felder von der Vielzahl von Orten und das Erzeugen von Signalen in Reaktion auf die Modulation der aufgrund einer Kapazitanzschwankung in Funktion der Rotation der Welle hervorgebrachten Felder; und
    das Verarbeiten der Signale in Synchronisation mit der Frequenz der übertragenen Felder, um Ausgangsleistungen zu erzeugen, die den Drehwinkel anzeigen.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird noch weiter ein Verfahren zum Erfassen der Position einer rotierenden Welle verschafft, umfassend:
    das Empfangen einer elektrischen wechselstromeingabe auf einer gegebenen Frequenz;
    das Erzeugen eines periodischen elektrostatischen Feldes in Reaktion auf die Wechselstromeingabe;
    das Gleichrichten eines Teils der Wechselstromeingabe, um einem Detektorschaltkreis Gleichspannung zuzuführen;
    das Erfassen des Feldes an einer Vielzahl von Orten und das Erzeugen von Signalen in Reaktion auf die Modulation der aufgrund einer Kapazitanzschwankung in Funktion der Rotation der Welle hervorgebrachten Felder; und
    das Verarbeiten der Signale unter Verwendung des Detektorschaltkreises, um eine Wechselstromausgangsleistung auf der gegebenen Frequenz zu erzeugen, die den Drehwinkel anzeigt.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird zusätzlich ein Verfahren zum Erfassen der Position eines bewegenden Objekts relativ zu einem stationären Objekt verschafft, umfassend:
    das Übertragen eines elektrostatischen Feldes in einer Umgebung des bewegenden Objekts;
    das dem bewegenden Objekt Zuordnen reibungslos variierender periodischer elektrisch aktiver Grob- und Feinmuster, wobei die Muster entlang einer Bewegungsdimension des Objekts mit jeweiligen niedrigen und hohen räumlichen Frequenzen variieren, die das elektrostatische Feld modulieren, indem sie eine Kapazitanzschwankung zwischen den stationären und bewegenden Elementen in Reaktion auf die relative Bewegung der Elemente induzieren, auf Modulationsfrequenzen, die den niedrigen und hohen räumlichen Frequenzen entsprechen, im Wesentlichen ohne räumliche Harmonische davon; und
    das Erfassen des modulierten Feldes, um in Reaktion darauf abwechselnd Grob- und Feinmaße der Position des bewegenden Objekts zu bestimmen.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird weiterhin ein Verfahren zum Erfassen der Position eines bewegenden Objekts relativ zu einem stationären Objekt verschafft, umfassend:
    das Übertragen eines elektrostatischen Feldes in eine Umgebung des bewegenden Objekts;
    das dem bewegenden Objekt Zuordnen grober und feiner periodischer, elektrisch aktiver Muster, wobei die Muster entlang einer Bewegungsdimension des Objekts mit jeweiligen niedrigen und hohen räumlichen Frequenzen variieren, indem sie eine Kapazitanzschwankung zwischen den stationären und bewegenden Elementen in Reaktion auf die relative Bewegung der Elemente induzieren, auf Modulationsfrequenzen, die den niedrigen und hohen räumlichen Frequenzen entsprechen;
    das Schalten des elektrostatischen Feldes, sodass es abwechselnd durch das Grob- oder das Feinmuster moduliert wird; und
    das Erfassen des modulierten Feldes, um in Reaktion darauf abwechselnd Grob- und Feinmaße der Position des bewegenden Objekts zu bestimmen.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird weiterhin ein Verfahren zum Erfassen der Position einer rotierenden Welle verschafft, umfassend:
    das an die Welle Koppeln eines Rotors mit einer elektrisch aktiven Region, die nicht-achsensymmetrisch in Bezug zu einer Achse der Welle ist und ein Muster enthält, das umfangsgerichtet auf dem Rotor angeordnet ist, welches Muster sich mehrfach über die Welle auf einer zuvor festgelegten Winkelfrequenz wiederholt;
    das Übertragen eines elektrostatischen Feldes in einer Umgebung des bewegenden Objekts;
    das Erfassen der Modulation des Feldes, die aufgrund der Nicht-Achsensymmetrie der Region ein Mal per Umdrehung auftritt, um in Reaktion darauf ein Grobmaß des Drehwinkels der Welle zu bestimmen; und
    das Erfassen der Modulation des Feldes aufgrund des Musters, um ein Feinmaß des Drehwinkels zu bestimmen.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird auch ein Verfahren zum Erfassen der Position eines bewegenden Objekts relativ zu einem stationären Objekt verschafft, umfassend:
    das Koppeln eines bewegenden Elements, mit darauf einem elektrisch aktiven Muster, mit dem bewegenden Objekt;
    das Anbringen erster und zweiter stationärer Elemente an entgegengesetzten Seiten des bewegenden Elements zur Übertragung eines elektrostatischen Feldes hierdurch;
    das Erfassen eines elektrischen Potentials an dem ersten stationären Element und Anlegen eines entgegengesetzten Potentials an das zweite stationäre Element, um das bewegende Element auf einem im allgemeinen konstanten Potential zu halten; und
    das Erfassen der Modulation des elektrostatischen Feldes in Reaktion auf eine Kapazitanzschwankung zwischen den stationären Elementen aufgrund der Bewegung des elektrisch aktiven Musters darin, um in Reaktion darauf ein Maß der Position des bewegenden Objekts zu bestimmen.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird gleichermaßen ein Verfahren zum Erfassen der Position eines bewegenden Objekts relativ zu einer gekrümmten Oberfläche verschafft, umfassend:
    das Befestigen eines Lesekopfs an dem bewegenden Objekt;
    das Befestigen einer flexiblen Messlatte entlang der gekrümmten Oberfläche;
    das Vorsehen eines elektrisch aktiven Musters an der Messlatte oder dem Lesekopf, welches Muster eine Kapazitanzschwankung zwischen der Messlatte und dem Lesekopf verursacht, um das elektrostatische Feld in Reaktion auf die Bewegung des Lesekopfs relativ zu der Messlatte zu modulieren;
    das Erzeugen eines elektrostatischen Feldes in einer Umgebung des Lesekopfs; und
    das Erfassen des modulierten elektrostatischen Feldes, um die Modulation aufzuspüren und in Reaktion darauf ein Maß der Position des bewegenden Objekts entlang der gekrümmten Oberfläche zu bestimmen.
  • Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung ihrer bevorzugten Ausführungsformen umfassender verstanden, zusammengenommen mit den Zeichnungen, worin:
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ein schematisches Schaltbild ist, das einen vereinfachten kapazitiven Positionssensor zeigt, wie er in der Technik bekannt ist;
  • 2 eine schematische Darstellung ist, die eine Draufsicht eines kapazitiven Einzelpoldrehwinkelcodierers und diesem zugeordneter Schalttechnik in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 3A–3E schematische Schnittdarstellungen sind, die Typen kapazitiver Bewegungscodierer in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigen;
  • 4 eine Teilschnittansicht eines kapazitiven Drehwinkelcodierers in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 5 eine Teilschnittansicht eines kapazitiven Drehwinkelcodierers in Übereinstimmung mit einer anderen bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist;
  • 6 eine schematische Teildarstellung ist, die Details einer elektrischen Abschirmung eines kapazitiven Drehwinkelcodierers in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 7 eine schematische Explosionsdarstellung eines kapazitiven Drehwinkelcodierers mit einem virtuell geerdeten Rotor in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist;
  • 8 ein schematisches Blockdiagramm ist, das einen Schaltkreis für synchrone Phasen-/Quadraturverarbeitung von Signalen illustriert, die von einem kapazitiven Drehwinkelcodierer stammen, in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
  • 9 ein schematisches Schaltbild ist, das Details der Konstruktion des Schaltkreises von 8 in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 10 eine schematische Explosionsdarstellung eines kapazitiven Drehwinkelcodierers und diesem zugeordneter Schalttechnik zum Emulieren eines elektromagnetischen Resolvers in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist;
  • 11A eine Draufsicht von Leiterplatten auf einem Mehrfachpolrotor in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist;
  • 11B eine Draufsicht von Leiterplatten auf einem Stator zur Verwendung mit dem Rotor von 11A in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist;
  • 11C eine Draufsicht von Leiterplatten an einem Rotor zur Verwendung anstelle des Rotors von 11A in Übereinstimmung mit einer anderen bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist;
  • 12A eine Draufsicht von Leiterplatten auf einem Stator zur Verwendung in einem Zwei-Geschwindigkeiten-Codierer in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist; die
  • 12B und 12C Draufsichten von Leiterplatten an Rotoren zur Verwendung mit dem Stator von 12A in Übereinstimmung mit bevorzugten Ausführungen der vorliegenden Erfindung sind;
  • 13 ein schematisches Blockdiagramm ist, das einen Schaltkreis für synchrone Phasen-/Quadraturverarbeitung von Signalen illustriert, die von einem kapazitiven Drehwinkelcodierer stammen, der den Stator von 12A und den Rotor von 12B nutzt, in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
  • 14 eine Draufsicht von Leiterplatten an einem Rotor zur Verwendung in einem Drei-Geschwindigkeiten-Codierer in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist;
  • 15 ein schematisches Blockdiagramm ist, das einen Schaltkreis für synchrone Phasen-/Quadraturverarbeitung von Signalen illustriert, die von einem geschalteten, kapazitiven Grob-/Fein-Drehwinkelcodierer stammen, unter Verwendung des Stators von 12A und des Rotors von 12B oder 12C, in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
  • 16A eine Draufsicht von Leiterplatten auf einem Stator zur Verwendung in einem Zwei-Geschwindigkeiten-Codierer ohne Grobmuster in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist;
  • 16B eine Draufsicht von Leiterplatten an einem Rotor zur Verwendung mit dem Stator von 16A in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist;
  • 17 ein schematisches Blockdiagramm ist, das einen Schaltkreis für synchrone Phasen-/Quadraturverarbeitung von Signalen illustriert, die von einem kapazitiven Drehwinkelcodierer stammen, unter Verwendung des Stators von 16A und des Rotors von 16B, in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung; die
  • 18A und 18C Draufsichten von Leiterplatten auf einem Transmitterstator beziehungsweise einem Empfängerstator zur Verwendung in einem anderen Zwei-Geschwindigkeiten-Codierer ohne Grobmuster, in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung, sind;
  • 18B eine Draufsicht von Leiterplatten an einem Rotor zur Verwendung mit den Statoren der 18A und 18C in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist;
  • 19 eine Illustration eines Rotors mit einem dreidimensionalen Muster zur Verwendung in einem kapazitiven Drehwinkelcodierer in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist;
  • 20 eine schematische Schnittansicht eines kapazitiven Drehwinkelcodierers ist, wie er in der Technik bekannt ist, die den Effekt von Rotorkippung auf die Codiererpräzision illustriert;
  • 21 eine schematische Schnittansicht eines kapazitiven Drehwinkelcodierers mit einem segmentierten Rotor in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist;
  • 22 eine schematische Draufsicht eines Einzelpolrotors ist, der die in 21 gezeigte Segmentierung anwendet;
  • 23 eine schematische Draufsicht eines Rotors vom Hybridtyp zur Verwendung in einem kapazitiven Zwei-Geschwindigkeiten-Drehwinkelcodierer in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist;
  • 24 eine schematische Seitenansicht eines kapazitiven Linearverschiebungscodierers in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist;
  • 25 eine schematische Schnittansicht des Codierers von 24 ist, genommen entlang einer Linie XXV-XXV; die
  • 26A und 26B Seitenansichten von Leseköpfen zur Verwendung in einem kapazitiven Linearcodierer, die elektrisch aktive Muster darauf zeigen, in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung sind;
  • 27 eine Seitenansicht einer Messlatte zur Verwendung in einem kapazitiven Linearcodierer in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist;
  • 28 eine Seitenansicht eines segmentierten leitenden Musters an einer Messlatte zur Verwendung in einem kapazitiven Linearcodierer in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist; die
  • 29 und 30 schematische Schnittansichten kapazitiver Linearcodierer in Übereinstimmung mit bevorzugten Ausführungen der vorliegenden Erfindung sind; die
  • 31A und 31B schematische Schnittansichten kapazitiver Linearcodierer in Übereinstimmung mit anderen bevorzugten Ausführungen der vorliegenden Erfindung sind;
  • 32 eine schematische Seitenansicht eines Lesekopfs in dem Codierer von 31A ist, die Transmitter- und Empfängerplatten daran in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt; die
  • 33A und 33B schematische Seitenansichten einer Messlatte beziehungsweise eines Lesekopfs eines absolut ablesenden kapazitiven Linearcodierers in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung sind;
  • 34 eine schematische Seitenansicht einer Messlatte zur Verwendung in einem absolut ablesenden kapazitiven Linearcodierer in Übereinstimmung mit einer anderen bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist;
  • 35 eine schematische Seitenansicht eines mit einem Index versehenen kapazitiven Linearcodierers in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist; und die
  • 36A und 36B Diagramme sind, die von dem Codierer von 35 abgeleitete Ablesungen illustrieren.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGEN
  • TYPENKLASSIFIKATION KAPAZITIVER CODIERER
  • Für die Zwecke der vorliegenden Patentanmeldung ist es nützlich, kapazitive Rotations- und Linearcodierer durch Typen zu klassifizieren. Jeder Typ wird in Begriffen des Ortes des elektrostatischen Feldtransmitters und der Empfängerplatten und der elektrischen Merkmale und des Anschlusses des Rotors gekennzeichnet. Diese Klassifikation wird hierin nachstehend zwecks der Bequemlichkeit und Deutlichkeit der Beschreibung bevorzugter Ausführungen der vorliegenden Erfindung beschrieben und verwendet und kann auch auf in der Technik bekannte kapazitive Codierer angewandt werden. Es versteht sich jedoch, dass die Prinzipien der vorliegenden Erfindung nicht auf einen bestimmten Typ begrenzt sind, außer wo eine solche Einschränkung ausdrücklich erwähnt wird.
  • 2 ist eine schematische Draufsicht eines Einzelpol-CFRAAEs 50 mit einem Rotorelement 54 und einem einzigen Statorelement 52, das vier Quadrantplatten 56, 58, 60 und 62 enthält, in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Dieser Codierertyp ist hierin als "Typ 1" klassifiziert. Die Quadranten werden mit abwechselnden Spannungen von gleicher Frequenz und mit relativen Phasenverschiebungen von 0°, 90°, 180° beziehungsweise 270° erregt. Sowohl die Stator- als auch Rotorelemente umfassen typischerweise ein isolierendes Substrat (einfachheitshalber nicht dargestellt), auf dem ein leitendes Muster angebracht ist. Folglich schwankt eine Kapazitanz zwischen den Rotor- und Statorelementen, wenn der Rotor sich bewegt.
  • Das Muster von Rotor 54 ist als ein exzentrischer Kreis konfiguriert, wie beispielsweise in Servo Sensors – Elements and Applications ("Servosensoren – Elemente und Anwendungen"), herausgegeben von Y. Ohshima und Y. Akiyama, Intertec Communications Inc. (Ventura, Kalifornien) beschrieben. Die Differentialkopplung zwischen diesem exzentrischen kreisförmigen Muster und jedem diagonalen Quadrantenpaar 56–60 und 58–62 der Statorplatte 52 ist jeweils proportional zu dem Sinus oder Cosinus des Drehwinkels.
  • Die Ausgangsspannung eines mit dem Rotor verbundenen Ladungsverstärkers 64 ist proportional der gewichteten Summe der vier Erregungsspannungen und kann verarbeitet werden, um den gewünschten Sinus und Cosinus des Drehwinkels zu extrahieren. Die Herangehensweise wird hierin im folgenden als Phasen-/Quadraturerregung (PQE) bezeichnet. Das oben erwähnte US-Patent 5.598.153 beschreibt einen Codierer von ähnlicher Konstruktion wie CFRAAE 50, jedoch mit nicht-sinusförmigen Ausgangsleistungen.
  • Der Codierer vom Typ 1, wie in 2 gezeigt, ist darin mangelhaft, dass der Rotor 54 elektrisch mit der Verarbeitungselektronik verbunden sein muss. Er ist jedoch in Situationen gebrauchsgeeignet, worin die Welle, auf der der Rotor montiert ist, bereits an den elektrischen Stromanschluss angeschlossen ist und frei mit der Verarbeitungselektronik rotieren kann.
  • Die 3A–3E sind schematische Schnittdarstellungen, die fünf andere, als Typen 2 bis einschließlich 6 bezeichnete CFRAAE-Typen in Übereinstimmung mit bevorzugten Ausführungen der vorliegenden Erfindung zeigen. Diese Typen gestatten die Umwandlung der Verschiebung eines bewegenden Elements in eine proportionale Kapazitanzänderung ohne die Beschränkung einer elektrischen Verbindung mit dem Rotor. Sie können praktischerweise für Winkelcodierer mit uneingeschränkter Rotation verwendet werden, und einige davon können auch zur Erfassung linearer Verschiebung eingesetzt werden.
  • 3A illustriert einen Codierer 70 vom Typ 2. Ein mit einem Muster versehener, elektrisch nichtleitender (dielektrischer) Rotor 76 befindet sich zwischen zwei stationären Statorelementen 72 und 74, die jedes ein nichtleitendes Substrat 73 umfassen. Das Element 72 ist mit leitenden Transmitterplatten 78 und 80 beschichtet, und das Element 74 ist mit einer leitenden Empfängerplatte 82 beschichtet. Die Transmitterplatten 78 und 80 werden elektrisch erregt und wirken kapazitiv mit der Empfängerplatte 82 zusammen. Das Vorhandensein des Rotors 76 erhöht die Kapazitanz zwischen den Platten in Übereinstimmung mit seiner Dielektrikkonstante. Dieser Codierertyp ist relativ unempfindlich gegenüber Rotorkippung und axialer Position. Ein Codierer dieses Typs ist in dem oben erwähnten US-Patent 5.099.386 beschrieben.
  • 3B illustriert einen Codierer 90 vom Typ 3, der dem Codierer 70 vom Typ 2 ähnlich ist, außer dass der Rotor 76 eine gemusterte leitende Beschichtung 92 aufweist, die elektrisch geerdet ist und als eine elektrische Abschirmung dient, die selektiv die gemessene Kapazitanz zwischen den Statorelementen 72 und 74 variiert. Wie Typ 2 ist dieser Typ ebenfalls relativ unempfindlich für Rotorkippung und axiale Position. Bei in der Technik bekannten Codierern vom Typ 3 gibt es jedoch Schwierigkeiten beim Erden des Rotors. Schleifringe, wie beispielsweise in dem oben erwähnten US-Patent 3.668.672 beschrieben, weisen die Nachteile von Reibung, geringer Verläßlichkeit und hoher Kosten auf. Es ist möglich, den Rotor durch Kontakt mit dem geerdeten Codierergehäuse durch eine Welle, woran der Rotor befestigt ist, zu erden, wie in dem oben erwähnten US-Patent 3.732.553 beschrieben, jedoch weist diese Herangehensweise zwei ernsthafte Nachteile auf:
    • 1. Ein unzuverlässiger Erdkontakt mit dem Rotor kann vom Aufbau eines Schmiermittelfilms an Wellenlagern herrühren.
    • 2. Elektrisches Rauschen am Gehäuse wird auf den Rotor übertragen und wird an den Empfänger gekoppelt.
  • 3C illustriert einen Codierer 94 vom Typ 4, der ähnlich Typ 3 ist, außer dass beide Seiten des Rotors 76 mit leitenden Beschichtungen 96 beziehungsweise 98 beschichtet sind, die elektrisch miteinander verbunden, jedoch ansonsten schwebend sind. Wenn die Beschichtungen mit einem Muster versehen sind, dann dient der Rotor als eine winkelabhängige Kopplungsbrücke zwischen den Transmitterplatten 78 und 80 und der Empfängerplatte 82. In der Technik bekannte Codierer vom Typ 4 sind in den oben erwähnten US-Patenten 3.845.377, 3.312.892, 4.092.579, 4.851.835, 4.238.781 und 4.788.546 beschrieben.
  • 3D illustriert einen Codierer 100 vom Typ 5, der als eine "Umklapp"-Version von Typ 4 betrachtet werden kann. Bei diesem Typ sind die Transmitterplatten 78 und 80 und die Empfängerplatte 82 auf einem gemeinsamen stationären Substrat 73 eines Einzelstators 102 an einer Seite des Rotors 76 angebracht. Ein leitendes Muster 104 auf dem Rotor wird von den Transmitterplatten erregt und koppelt zurück zur Empfängerplatte. Das Ausgangssignal von der Empfängerplatte ist proportional zu der variablen gegenseitigen Kapazitanz zwischen dem Rotor und dem Stator. In der Technik bekannte Codierer vom Typ 5 sind in den oben erwähnten US-Patenten 3.961.318 und 4.429.307 beschrieben.
  • 3E illustriert einen Codierer 110 vom Typ 6, der im Wesentlichen eine symmetrische Version des Codierers 100 vom Typ 5 ist. Der Codierer 110 enthält miteinander verbundene identische Statorelemente 112, eines an jeder Seite des Rotors 76, der ein leitendes Muster 114 an seinen beiden Seiten aufweist. In der Technik bekannte Codierer vom Typ 6 sind sowohl in dem oben erwähnten US-Patent 4.788.546 als auch in der deutschen Patentanmeldung DE 37 11 062 und der britischen Patentanmeldung GB 2 176 013 beschrieben. Aufgrund ihrer Symmetrie ist diese Konfiguration weniger empfindlich gegenüber Kippfehlern des Rotors in Bezug zur Rotationsachse als dies Typ 5 ist.
  • ERWÄGUNGEN ZU CFRAAE-KONSTRUKTION UND ELEKTROSTATISCHER ABSCHIRMUNG
  • 4 ist eine Teilschnittdarstellung eines kapazitiven Vollrotations-Absolutwinkelcodierers (CFRAAE) 140 in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Der Codierer 140 enthält zwei im allgemeinen planare Statoren 141 und 142 und einen planaren Rotor 148, die vorzugsweise aus gedruckten Schaltplatten hergestellt sind. Der Codierer ist in einem Gehäuse 139 untergebracht, das aus einer kurzen zylindrischen Umhüllung 143 und einer Abdeckung 144 besteht, die vorzugsweise durch Einrasten verbunden sind. Das Gehäuse ist vorzugsweise aus Kunststoff, wie etwa Polycarbonat, spritzgegossen. Alternativ kann es aus Metall gefertigt sein. Die Statoren 141 und 142 sind mittels eines elektrisch leitenden Distanzrings 145 getrennt, der auch als Teil einer elektrischen Abschirmung für den Codierer dient, wie hierin nachstehend weiter beschrieben.
  • Der Stator 141 umfasst vorzugsweise eine mehrlagige gedruckte Leiterplatte, worauf Verarbeitungsschalttechnik 138 montiert ist. Ein Teilbereich 146 der Platte des Stators 141 erstreckt sich außerhalb des Gehäuses 139, um als eine Anschlussplatte zu dienen. Der Stator 142 weist darauf ein elektrisch leitendes Gebiet auf, das als elektrostatischer Feldtransmitter dient, und der Stator 141 weist ein entsprechendes Gebiet auf, das als der Empfänger dient. Die Statoren sind elektrisch miteinander verbunden mittels eines kommerziell als "Zebra" bekannten Elastomer-Richtungsleiters 147, der die Verbindung zwischen den Statoren unter angelegtem Druck, wenn das Gehäuse 139 geschlossen ist, bildet und kein Löten erfordert.
  • Der Rotor 148, der vorzugsweise von der schematisch in 19 illustrierten Form ist, weist eine axiale Verlängerung 149 mit einer zentralen Öffnung zum direkten Montieren an einer Wirtwelle 150 mittels eines Klemmrings 151 auf. Dieses Hohlwellenbefestigungsschema hat die Vorteile von Einfachheit und Kompaktheit. Eine Umfangsnut 155 nimmt Montageschrauben (nicht dargestellt) auf, die das Gehäuse 139 auf eine in der Technik als Servogestell bekannte Weise halten. Eine innere leitende Manschette 152 (zusammen mit einer optionsweisen äußeren Manschette 153, dargestellt in 6) dient zur Erzeugung eines Labyrinths 137. Das Labyrinth ist mit einer leitenden Beschichtung 154 innerhalb des Gehäuses 139 gekoppelt, um eine elektrische Abschirmung des Raums, der den Rotor 148 enthält, und der Schalttechnik 138 zu verschaffen, wie hierin nachfolgend weiter detailliert ausgeführt. Die Abschirmung schützt den Codierer sowohl vor äußerer elektrischer Interferenz, als auch vor Interferenz, die anderweitig das Gehäuse mittels der Welle 150 durchdringen könnte. Wenn das Gehäuse 139 aus Metall hergestellt ist, so ist die leitende Beschichtung 154 vorzugsweise durch eine nichtleitende Zwischenlage (nicht dargestellt) von dem Gehäuse getrennt.
  • Die einfache Hohlwellenkonstruktion des Codierers 140 wird durch die von der vorliegenden Erfindung verschaffte hohe mechanische Montagefehlertoleranz ermöglicht, wie hierin nachfolgend weiter beschrieben, was besonders signifikant ist, wenn der Codierer 140 ein Mehrfachpol-CFRAAE ist. Im Gegensatz dazu erfordert das Anwenden des Hohlwellenkonzepts auf optische Codierer nicht nur innere Lager, um die radiale Ausrichtung zwischen Rotor und Stator zu bewahren, sondern auch das Montieren des kompletten Codierergehäuses auf einem flexiblen Montagegestell, um mechanische Fehlausrichtung zwischen der Hohlwelle des Codierers und der Wirtwelle, worauf er montiert ist, zu absorbieren. Ein typischer optischer Codierer dieses Typs ist das Modell HS35 Sealed Hollowshaft, produziert von Danaher Controls aus Gurnee, Illinois.
  • Ein anderer Vorteil der Gestaltung von Codierer 140, der sich aus der Toleranz gegenüber mechanischen Montagefehlern ergibt, ist, dass ein einziger CFRAAE dieses Typs für einen breiten Bereich von Wellendurchmessern verwendet werden kann. Dies wird erreicht, indem die zentrale Öffnung des Rotors 148 so groß wie möglich gemacht und ein Satz von Adaptern (nicht dargestellt) zur Montage an Wellen mit kleineren Durchmessern eingesetzt wird. Der Codierer 140 kann auch mit einer integralen Welle und Lagern produziert werden, um eine kleinstmögliche Falschausrichtung zwischen Rotor und Stator sicherzustellen, wenn eine sehr hohe Präzision benötigt wird.
  • 5 illustriert einen Codierer 160 in Übereinstimmung mit einer alternativen bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Die Konstruktion des Codierers 160 ist auf Prinzipien basiert, die ähnlich denen des Codierers 140 sind, jedoch umfasst der Codierer nur eine einzige Statorplatte 162. Diese Variation ist insbesondere für Codierer vom Typ 5 nützlich, wie in 3D illustriert. Eine leitende Beschichtung 156 innerhalb des Gehäuses 139 des Codierers 160 schirmt den Rotor 148 ab, wobei es den Platz der durch die Statorplatte 142 im Codierer 140 verschafften Abschirmung einnimmt. In einer anderen elektrischen Konfiguration des Codierers 160 kann die Beschichtung 156 einen Abschnitt enthalten, der als Transmitterplatten dient, statt eine geerdete, durchlaufende Beschichtung zu sein. In beiden Fällen ist die Beschichtung mittels eines Zebra-Verbindungsstücks mit der Platte 162 verbunden.
  • Codierer mit den in den 4 und 5 dargestellten Konfigurationen sind vom Erfinder produziert worden. Diese Codierer haben typischerweise einen Außendurchmesser von 57 mm und können Wellendurchmesser von bis zu 12 mm aufnehmen. Der Rotor 148 ist typischerweise dazu entworfen, 32 Polpaare zu enthalten. Die so erhaltene Auflösung ist 20 Bit (etwa 1/1000 eines Grades), und die Genauigkeit, ohne Fehlermodellieren, beträgt 16 Bit (etwa 1/100 eines Grades). Die Leistungsaufnahme beträgt etwa 20 mW. Einzelheiten dessen, wie diese Spezifikationen erzielt werden, sind hierin nachfolgend beschrieben.
  • Obwohl hierin beschriebene bevorzugte Ausführungen sich auf Codierer beziehen, wobei Stator und Rotor im allgemeinen planar sind (und somit unter Verwendung von Photolithografieprozessen vorteilhaft hergestellt werden können), versteht es sich, dass die Prinzipien der vorliegenden Erfindung gleichermaßen auf kapazitive Codierer mit anderer Geometrie angewandt werden können. Beispielsweise umfasst ein CFRAAE in einer alternativen Ausführung der Erfindung, die in den Figuren nicht dargestellt ist, einen zylindrischen Rotor und Stator.
  • Die Notwendigkeit, die Empfängerplatte vor kapazitiv gekoppelter Interferenz zu schützen, ist in der Technik bekannt, jedoch sind bestehende CFRAAE-Vorrichtungen daran gescheitert, einen ausreichend effizienten Schutz zu verschaffen. Beispiele der mechanischen Konstruktion kapazitiver Codierer des Standes der Technik sind in den im Hintergrund der Erfindung zitierten Referenzen dargestellt. In all diesen Beispielen dient das aus Metall hergestellte mechanische Gehäuse auch als elektrostatische Abschirmung, die an die Signalerde geerdet ist. Die tatsächliche Effizienz dieses Schutzes ist jedoch begrenzt, da das mechanische Umfeld, worin der Codierer betrieben wird, gleichermaßen an dasselbe Signalerdepotential angeschlossen ist. In typischen Anwendungen, wobei der Codierer an die Welle eines Elektromotors gekoppelt ist (und insbesondere, wenn er innerhalb des Motorgehäuses montiert ist), werden die Codiererausgangssignale als Ergebnis von Erdungsströmen verunreinigt sein. Dies ist ein besonders ernstes Problem, wenn eine Schaltstromzufuhr verwendet wird, wie bei bürstenlosen vektorgesteuerten Gleichstrom- oder Wechselstrommotoren.
  • Ein weiteres, in der Technik nicht anerkanntes Problem, ist durch die Welle in den Codierer gekoppelte Interferenz. Da die Welle im allgemeinen aus Metall hergestellt ist und durch den angenommenerweise geschützten Innenraum des Codierers verläuft, wird jedes Geräusch an der Welle an die Empfängerplatte gekoppelt. wiederum ist diese Situation am ernstesten, wenn der Codierer eine gemeinsame Welle mit einem Schaltmodusmotor teilt. Das Problem wird über bestimmten Wellengeschwindigkeiten erschwert, da ein Schmiermittelfilm sich auf Kugellagern aufbaut und regellos die elektrische Kontinuität zwischen dem Rotor und dem Gehäuse unterbricht. Eigentlich werden der Rotor und die Welle elektrisch schwebend und dienen als eine Kapazitätsbrücke, die Geräusch von den Wicklungen des Motorstators zur Empfängerplatte des Codierers koppelt.
  • 6 ist eine schematische Schnittdarstellung des Codierers 140, die Einzelheiten eines elektrostatischen Schutzschemas in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt. Es wird gezeigt, dass die Statoren 141 und 142 gedruckte Leiterplattensubstrate 168 und 169 umfassen, worauf eine Empfängerplatte 170 beziehungsweise Transmitterplatten 172 aufgalvanisiert sind. Der Rotor 148 weist ein elektrisch aktives Muster auf, d.h. eines, das die Kapazitanz zwischen den Transmitter- und Empfängerplatten ändert. Vorzugsweise, jedoch nicht unbedingt, umfasst der Rotor ein gedrucktes Leiterplattensubstrat, worauf leitende Teile aufgalvanisiert sind, um das Muster zu bilden. Sowohl die Statoren, der Rotor und Luftspalte dazwischen, als auch zumindest ein Teil der Verarbeitungsschalttechnik 138, hauptsächlich der Empfänger-Vorverstärker, sind durch eine elektrostatische Abschirmung 173 geschützt. Diese Abschirmung umfasst die leitende innere Schicht 154, den leitenden Ring 145, der die zwei Statoren 141 und 142 trennt, und das Labyrinth 137, einschließlich der Manschetten 152 und 153, was effizient die kapazitive Kopplung von der Welle 150 zu der Zone innerhalb der Abschirmung blockiert, jedoch noch stets das mechanische Koppeln zwischen Welle und Rotor 148 ermöglicht.
  • Sowohl das Codierergehäuse 139 (in 4 dargestellt), als auch die Welle 150 sind elektrisch neutral und können jedes Potential annehmen. Anders als in der Technik bekannte Codierer dient das Gehäuse keiner elektrischen Funktion und kann wirtschaftlicherweise aus Kunststoff hergestellt werden. Eine Abschirmung 166 über der Schalttechnik 138 umfasst vorzugsweise eine leitende Beschichtung an der Innenseite des Gehäuses, die gemeinsam mit der Abschirmung 173 geerdet ist. Die Erdverbindung mit der Abschirmung 166 kann durch Kontakt mit der gedruckten Leiterplattenerde von Stator 141 oder durch ein flexibles Blatt (nicht dargestellt) erhalten werden. Alternativ kann die Abschirmung 166 aus Metallblech hergestellt werden.
  • Da die Abschirmung 173 auch Transmitterplatten 172 enthält, schränkt sie deren elektrisches Feld ein und eliminiert das Ausstrahlen potentieller Interferenz außerhalb des Codierers 140. Obwohl die Platten 172 weder geerdet noch auf irgendeinem anderen festen Potential sind, dienen sie als ein Teil der Umhüllung, die den Rotorraum innerhalb des Codierers schützt. Erwägungen in Bezug auf Abschirmungen, die auf anderen Potentialen als dem Erdungspotential gehalten werden, sind in einem Artikel mit dem Titel "Application of Capacitance Techniques in Sensor Design" (Anwendung von Kapazitanztechniken bei der Sensorgestaltung) von Heerens, im Journal of Physics E: Scientific Instrumentation 19 (1986), S. 897–906 beschrieben.
  • Zusammenfassend gesagt, sind die internen Elemente des Codierers 140 von der Umgebung bidirektional mittels eines Schemas isoliert, das mehrere einzigartige Eigenschaften aufweist:
    • 1. Eine zweckbestimmte Abschirmung 173 wird unabhängig von dem mechanischen Gehäuse eingesetzt.
    • 2. Die Abschirmung verschafft einen Schutz in alle Richtungen und ermöglicht dennoch eine Rotationskopplung an den darin befindlichen Rotor.
    • 3. Die Abschirmung umfasst mehrere Bestandteile, einschließlich leitender Schichten 165 auf für den Codierer verwendeten gedruckten Leiterplattensubstraten 168 und 169.
    • 4. Manche Bestandteile der Abschirmung, wie etwa die Transmitterplatten, sind nicht unbedingt auf einem festen Potential.
  • VIRTUELLE ERDUNG DES ROTORS
  • Obwohl Codierer mit geerdetem Rotor (vom Typ 3) eine Anzahl von Vorteilen aufweisen, erfordern alle solche in der Technik bekannten Codierer das Anlegen des Erdungspotentials an den Rotor durch physikalischen Kontakt, mit einer Anzahl damit zusammenhängender Nachteile, wie im 'Hintergrund der Erfindung' beschrieben.
  • 7 ist eine schematische Explosionsdarstellung eines kapazitiven Codierers 188, wobei eine leitende Beschichtung 195 auf einem Rotor 194 effektiv (oder virtuell) geerdet ist, ohne tatsächlich an irgendein nicht-rotierendes Element elektrisch angeschlossen zu sein, in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Die Beschichtung 195 bildet ein Muster auf der Oberfläche des Rotors 194. Für die Zwecke dieser Ausführung reicht es aus, dass das beschichtete Muster auf einem festen Potential gehalten wird – nicht notwendigerweise geerdet, oder jedem anderen spezifischen Gleichstrompotential. Im Wesentlichen reicht es aus, dass das Muster die kapazitive Wechselwirkung zwischen den Statoren 191 und 196 auf der Frequenz der elektrischen Erregung blockiert, die an den Transmitterstator 191 angelegt wird. Obwohl der Codierer 188 als Einzelpolcodierer dargestellt ist, könnte jede beliebige Anzahl von Polen verwendet werden.
  • Der Transmitterstator 191 enthält vier Transmitterplatten 192, die mit A, B, C und D bezeichnet sind. Die Platten werden durch jeweilige Erregerspannungen erregt, wie hierin vorangehend beschrieben, und wirken kapazitiv mit einer ringförmigen Platte 197 am Empfängerstator 196 und mit dem leitenden Muster 195 am Rotor 194 zusammen. Solange das Muster 195 geerdet ist oder anderweitig auf einem festen Potential gehalten wird, blockiert es selektiv die Wechselwirkung der Wechselstromerregung der vier Transmitterplatten mit einer Empfängerplatte 196 in den von dem Muster beschatteten Gebieten.
  • Das Muster 195 wird mittels eines Verstärkers 182, der zwischen einer zusätzlichen ringförmigen Platte 198 am Stator 196 und einer zusätzlichen Transmitterplatte 190 am Stator 191 gekoppelt ist, auf dem festen Potential gehalten. In dem Umfang, in dem das Muster 195 elektrisch schwebend ist, nimmt es in Übereinstimmung mit seiner momentanen Position ein Wechselstrompotential von den Transmitterplatten 192 auf. Dieses Wechselstrompotential wirkt mit der Platte 198 zusammen, um eine Spannung zu erzeugen, die vom Verstärker 182 verstärkt und umgekehrt wird. Die resultierende Spannung VO2 wird an die Platte 190 angelegt, um die Spannung an der Platte 198 mittels kapazitiver Kopplung durch das leitende Muster 195 zu verringern. Die Geometrie des Codierers 188 ist derart, dass die Platte 198 nur dem Rotormuster 195 gegenüberliegt und von den Transmitterplatten 192 und 190 verborgen ist. Als Ergebnis des Betriebs des Verstärkers 182 werden die Wechselstromspannungen an der Platte 198 und am Muster 195 im Wesentlichen aufgehoben. Das Muster wird somit auf einem festen Potential gehalten und dient als ein Schirm, der selektiv die kapazitive Kopplung von den Transmitterplatten 192 zur Empfängerplatte 197 blockiert. Die Ausgangsspannung VO1 am Ausgang eines mit der Empfängerplatte 197 gekoppelten Ladungsverstärkers 180 wird daher die in den nicht beschatteten Teilen der Platte 197 induzierte Ladung reflektieren, wie erforderlich.
  • SIGNALKONDITIONIERUNG
  • 8 ist ein schematisches Schaltbild eines Signalkonditionierungsschaltkreises 200 in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Der Schaltkreis 200 ist zur Verwendung mit einem Einzelgeschwindigkeits-CFRAAE geeignet, d.h. einem Codierer, der nur ein Paar von Ausgangssignalen ergibt, im Gegensatz zu hierin nachfolgend beschriebenen Ausführungen mit Mehrfachgeschwindigkeiten, die zwei Paare (grob und fein) von Ausgangsleistungen haben. Der Schaltkreis 200 stellt beispielhaft ein synchrones Detektionsverfahren zur Verwendung mit Phasen-/Quadraturerregung (PQE) des Codierers dar, das auch bequem zur Verwendung bei Mehrfachgeschwindigkeiten-Codierertypen angepasst werden kann.
  • Der Schaltkreis 200 wird vorzugsweise mit einem Transmitterstator mit vier Quadranten verwendet, wie etwa dem in 2 gezeigten Stator 52. Die elektrische Kopplung zwischen den Quadranten und der Stator-Empfängerplatte ist durch jeweilige variable Kapazitanzen 206 bis 209 dargestellt, die durch Vier-Phasen-Wechselstromquellen 202 bis 205 erregt werden, die typischerweise 10 kHz-Rechteckwellen in gegenseitiger Quadratur vorsehen. Ein Ladungsverstärker 210 verstärkt alle vier Kanäle gemeinsam. Die Verstärkerausgangsleistung wird zu zwei identischen Kanälen geleitet, um jeweilige Sinus- und Cosinusausgangsleistungen zu verschaffen.
  • Jeder Kanal enthält einen Synchrondetektor 211 oder 212 und einen Tiefpassfilter 213 oder 214. Der Synchrondetektor 211 wird durch ein in Phase befindliches Referenzsignal von der Quelle 202 gespeist, und seine Ausgangsleistung wird vom Tiefpassfilter 213 gefiltert, um das Sinussignal zu verschaffen. Der Synchrondetektor 212 wird von einem Quadratur-Referenzsignal von der Quelle 203 gespeist, und seine Ausgangsleistung wird vom Tiefpassfilter 214 gefiltert, um das Cosinussignal zu verschaffen. Die Sinus- und Cosinussignale werden vorzugsweise digitalisiert und durch einen Mikrocomputer oder einen digitalen Signalprozessor (in den Figuren nicht dargestellt) verarbeitet, wie dies in der Technik bekannt ist. Die Verarbeitung umfasst typischerweise einen Divisionsvorgang zur Erhaltung des Tangens des Drehwinkels, und der Winkel selbst wird dann durch algebraische Berechnung oder mittels einer Tabelle abgeleitet.
  • Ein Vorteil dieses Signalverarbeitungsschemas, außer seiner Einfachheit, ist, dass die Verstärkung aller vier Kanäle nahezu dieselbe ist, ungeachtet der Toleranzen in den Elektronikkomponenten. Außerdem ist der Wechselstromversatz an den Ausgangsleistungen niedrig, was entscheidend ist, um Fehler in dem errechneten Ausgangswinkel zu minimieren.
  • Die PQE-Herangehensweise von Schaltkreis 200, mit synchroner Sinus- und Cosinusdetektion, ist in der Technik kapazitiver Codierer unbekannt. Obwohl die oben angeführte deutsche Patentanmeldung DE 37 11 062 auch PQE mit einem gemeinsamen Ladungsverstärker nutzt, wird die Ladungsverstärkerausgangsleistung dann abgetastet, statt synchron demoduliert, wie in der vorliegenden Erfindung. Synchrondetektoren 211 und 213 sind funktionell gleich zu analogen Multiplikatoren, gespeist durch eine Eingangsspannung vom Verstärker 210 und durch die jeweiligen Referenz-Rechteckwellen. Die Tiefpassfilter 213 und 214 erzielen einen Durchschnitt des Ausgangssignals über eine zuvor festgelegte Bandbreite. Der gesamte Vorgang ist äquivalent zu einer Fourieranalyse, in dem Sinn, dass die Ausgangsspannung proportional dem Gesamtenergiegehalt der Eingangsspannung in Phase mit der Referenzfrequenz ist. Der Störabstand an den Sinus- und Cosinusausgangsleistungen bei in der Technik bekannten Codierern, wie hierin vorangehend beschrieben, ist proportional der Quadratwurzel von t/T, wobei T die Periode der Referenz-Rechteckwelle und t die Öffnungszeit der Abtastung ist, die unweigerlich viel kürzer ist als T. Synchrondetektion verschafft gegenüber Zeitabtastung einen weit überlegenen Störabstand, da ihre Ausgangsleistung im Wesentlichen der Durchschnittswert vieler Abtastungen über die Periode T ist.
  • 9 ist ein schematisches Schaltbild, das eine Verwirklichung des Schaltkreises 200 in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt. U1 dient als Eingangsladungsverstärker 210, der U2 speist, der ein Spannungswechselrichter mit einer Verstärkung von –R3/R2 ist, wobei im Wesentlichen R2 = R3. U1 kann jeden geeigneten Typ diskreten oder integrierten FET-Eingangsfunktionsverstärkers umfassen. U2 ist ein Allgemeinzweck-Funktionsverstärker. U3 ist ein analoger Niederlast-Injektionsschalter, wie etwa ein MAX 393, hergestellt von Maxim Integrated Products aus Sunnyvale, Kalifornien. U3 wählt entweder die Ausgangsleistung von U1 oder U2, wie von den Rechteckwellenpulsen Sync1 oder Sync2 von den Quellen 202 beziehungsweise 203 befohlen. Die resultierenden zwei Ausgangsleistungen werden tiefpassgefiltert, vorzugsweise durch jeweilige Sallen-and-Key-Aktivfilter dritter Klasse, die in der Technik wohlbekannt sind, wobei jeder drei Widerstände, drei Kondensatoren und einen Spannungsfolger enthält. Ein solcher Filter hat auf Niederfrequenzen eine Einheitenverstärkung, ungeachtet der Toleranzen der passiven Komponenten. Die Verstärker U4 und U5 können beliebige Funktionsverstärker mit niedrigem Eingabeversatz und niedrigem Vormagnetisierungsstrom sein. Ein alternativer Typ Tiefpassfilter, der die erwünschte, stabile Einheitenverstärkung bereitstellt, ist der Null-Wechselstrom-Versatz-geschaltete Kondensatortyp, ebenfalls wohlbekannt in der Technik.
  • Die Verstärkungen der Sinus- und Cosinus-Verarbeitungskanäle sind also nahezu dieselben, da sie U1 und U2 miteinander teilen und sehr unempfindlich für Schaltwiderstand in U3 sind. Insgesamt nutzen die zwei Kanäle gemeinsam dieselben Elektronikkomponenten, außer den Tiefpassfiltern 213 und 214, die jedoch eine Einheitenverstärkung haben. Die eigentlichen Signalverstärkungen können variieren, hauptsächlich aufgrund von Variationen in dem dem Verstärker 210 zugeordneten Kondensator C1. Da der gemessene Winkel jedoch auf dem Verhältnis der zwei Ausgangsleistungen berechnet wird, ist die Verstärkungsschwankung in beiden Kanälen dieselbe und werden keine präzisen oder stabilen Komponenten benötigt. Die Leistung dieses Signalverarbeitungsverfahrens ist sehr gut. Beispielsweise wurde festgestellt, dass eine 12-Bit-Analog-/Digital-Umwandlung der Ausgangssignale einer Version mit 32 Polpaaren eine Winkelauflösung von 19 Bit über eine Bandbreite von 10 kHz verschaffte.
  • Aufgrund der Einfachheit des Schaltkreises 200, insbesondere in Vergleich zu in der Technik bekannter kapazitiver Positionscodierschalttechnik, ist es möglich, die diskreten Schaltkreiselemente auf derselben gedruckten Leiterplatte zu montieren, die für den Empfängerstator verwendet wird, beispielsweise auf dem in 6 gezeigten Substrat 141. In dieser Ausführung ist die Leiterplatte vorzugsweise eine vierlagige gedruckte Leiterplatte, mit zwei Signalschichten zusätzlich zur Abschirmungslage 154 und der Empfängerplatte 170. Bei der Gestaltung dieser Schichten sollte darauf geachtet werden, dass der Abstand zwischen den Erregungs- und Signalleitern maximalisiert wird.
  • 10 ist eine schematische Explosionsdarstellung, die einen kapazitiven Drehwinkelcodierer 230 und diesem zugeordnete Signalverarbeitungsschalttechnik illustriert, wobei der Codierer und die Schalttechnik entworfen sind, um einen klassischen drahtgewickelten Resolver zu emulieren, in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Der Codierer 230 soll als einspringender Ersatz für einen Einzelpolpaarresolver dienen, d.h., um das Eingangs- und Ausgangsverhalten des Resolvers zu emulieren, während er weitaus einfacher ist und verringerte Herstellungskosten hat. Da der Resolver ein passives Element ist – im Wesentlichen ein variabler Transformator mit einer Wechselstromeingangs- und einer Wechselstromausgangsleistung, während kapazitive Codierer aktive Elemente mit Signalverarbeitungsschalttechnik sind, enthält der Codierer 230 einen Gleichrichtschaltkreis 245, der eine Wechselstromeingangsspannung in Plus- und Minus-Gleichstromzufuhrspannungen zum Speisen der elektronischen Schalttechnik umwandelt.
  • Der Codierer 230 empfängt Energie von einer Spannungsquelle 244, die eine Eingabe-Wechselstrom-Trägerspannung umfasst, typischerweise 7 V quadratischer Mittelwert auf 7,5 kHz, wie dies üblicherweise für in der Technik bekannte Resolver verwendet wird. Diese Spannung wird an den Gleichrichtschaltkreis 245 angelegt, der den Schaltkreiselementen die Plus- und Minus-Wechselspannungen +Vcc und –Vcc zuführt. Vorzugsweise umfasst die Spannungsquelle 244 einen Zweispannungsverdoppler, wie in der Technik bekannt, obwohl gleichermaßen jeder andere geeignete Wechselstrom-/Gleichstromumwandlungsschaltkreis verwendet werden kann. Der Rotor 174 ist vorzugsweise virtuell geerdet, wie hierin vorangehend unter Bezug auf 7 beschrieben. Alternativ kann der Rotor elektrisch schwebend sein, wie in einem Codierer vom Typ 2 oder Typ 4. Wird ein CFRAAE vom Typ 4 verwendet, so ist das Rotormuster vorzugsweise segmentiert, um die Empfindlichkeit gegenüber Rotorkippung zu verringern, wie hierin nachstehend beschrieben.
  • Der Codierer selbst umfasst einen Transmitterstator 240, einen Empfängerstator 248 und den Rotor 174. Der Transmitterstator 240 umfasst eine Transmitterplatte 241, zusammen mit der virtuell geerdeten Zusatzplatte 170. Der Empfängerstator 248 hat vier Empfängerquadrantenplatten 247, die mit A, B, C und D bezeichnet sind, zusammen mit der virtuell geerdeten Zusatzplatte 178, die mittels des virtuell erdenden Rahmenverstärkers 182 mit der Platte 170 gekoppelt sind. Die vier Empfängerquadrantenplatten sind jeweils mit vier Ladungsverstärkern 250, 251, 252 und 253 verbunden, die entsprechende Wechselstromausgangs-spannungen Va, Vb, Vc und Vd erzeugen. Die Amplituden der Spannungen Va–Vc und Vb–Vd, die jeweils mittels Differentialverstärkern 254 und 255 erzeugt werden, sind proportional zu dem Sinus und Cosinus des Drehwinkels, wie bei einem induktiven Resolver.
  • Der Erfinder stellte fest, dass der Codierer 230, wenn er über einer bestimmten Geschwindigkeit rotiert wird, unter einem Problem leidet, das sich als den Ausgangssignalen hinzuaddiertes Zufallsrauschen manifestiert. Die Hauptspektrumkomponente des Rauschens ist an der Rotationsfrequenz – typischerweise 50 bis 100 Hz. Die Quelle des Problems wurde zurückverfolgt auf am Rotor 174 aufgrund von Luftreibung angesammelte elektrostatische Ladung. Diese Ladung kann sich nicht verteilen, da der Rotor nicht elektrisch geerdet ist. Da die Ladung zufallsverteilt auf der Rotoroberfläche ausgebreitet ist, induziert sie ungleiche Spannungen an den Empfängerplatten 247, die als Ausgangsrauschen auftreten. Die Lösung für dieses Problem ist das Hinzufügen von zwei Bandpassfiltern (nicht dargestellt), die auf die Erregungsfrequenz zentriert sind, in Serienschaltung mit den Verstärkern 254 und 255. Da die Erregungsfrequenz viel höher als die Rotationsfrequenz ist, wird keine hohe Selektivität benötigt und können die Bandpassfilter einfache Wien-Brückennetze sein. Da der Codierer 230 vier getrennte Signalkanäle hat, anders als in dem hierin voranstehend beschriebenen PQE-Schema, und das Zusammenpassen der Verstärkung der Kanäle nicht garantiert ist, wird in der Produktion eine Verstärkungsentzerrung benötigt, typischerweise durch Einstellen der Widerstände.
  • MEHRFACHGESCHWINDIGKEITSCODIERER
  • Einzelpolpaar-CFRAAEs sind in ihrer Genauigkeit begrenzt, und insbesondere die vom Typ 5 sind sehr empfindlich gegenüber Kippen des Rotors relativ zum Stator. Mehrfachpolpaar-Codierer sind im Prinzip präziser und viel weniger empfindlich gegenüber mechanischen Ungenauigkeiten, da über die Mehrfachpole ein Durchschnitt ihrer Ausgangssignale gebildet wird. Sie verschaffen jedoch keine absolute Positionsablesung, es sei denn mit einem Einzelpolpaarcodierer kombiniert, wie nachstehend ausgeführt.
  • Obwohl einfachheitshalber die in den 7–10 gezeigten Codierer Einzelpolpaartypen sind, können die darin verkörperten Prinzipien gleichermaßen auf Mehrfachpol- und Mehrfachgeschwindigkeitscodierer angewendet werden. Im Kontext der vorliegenden Patentanmeldung ist ein Mehrfachgeschwindigkeitscodierer als ein Codierer definiert, der sowohl variable Einzelpol- als auch Mehrfachpolkapazitanzen enthält. Die Einzelpolkapazitanz dient als ein Grobkanal, dessen Ausgangssignale sich ein Mal per Umdrehung wiederholen, während die feinen Kanalsignale sich mehrmals per Umdrehung wiederholen. Durch Kombinieren von Grob- und Feinablesungen ist es möglich, eine unzweideutige Rotorposition mit hoher Genauigkeit und Auflösung zu erhalten.
  • Die 11A und 11B sind jeweils Drauf sichten eines leitenden Mehrfachpolmusters an einem Rotor 260 und von Transmitterplatten an einem Stator 270 eines kapazitiven Mehrfachwinkelcodierers vom Typ 5, in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Zwecks Einfachheit der Darstellung sind die Grobkanalplatten und Koppelplatten an sowohl Stator als auch Rotor in den Figuren nicht dargestellt. Dieser Codierer mit seinem Einzelstator 27 ist äquivalent zu einem Achtpolresolver. Der Rotor 260 enthält acht sinusförmige Zyklen. Der Stator 270 enthält 32 Transmitterplatten 272. Jede vierte Platte ist mit einer gemeinsamen Erregungsspannungsleitung V1 bis einschließlich V4 verbunden. Die vier Erregungsspannungen sind in gegenseitiger Quadratur.
  • Mehrfachgeschwindigkeits-CFRAAEs vom Typ 5, die für beide Kanäle einen Einzelstator und einen Einzelrotor einsetzen, sind im Stand der Technik nicht vorgeschlagen worden, vielleicht weil die gegenseitige Interferenz zwischen den zwei Kanälen sie in der Vergangenheit unpraktisch gemacht hat. Diese Konfiguration wird in dem oben erwähnten Artikel von Arnold und Heddergott ausdrücklich abgelehnt.
  • 11C ist eine Draufsicht eines unterschiedlichen leitenden Musters an einem Rotor 262, der eine negative Version von Rotor 260 ist, in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Der Rotor 262 ist äquivalent zum Rotor 260, außer dass die Signalpolarität des Codierers entgegengesetzt sein wird.
  • Die 12A und 12B sind jeweils Draufsichten von Leiterplatten an einem Stator 300 und einem Rotor 310 eines (Einzelstator)-Zwei-Geschwindigkeiten-Codierers vom Typ 5 in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Der Stator 300 umfasst Feintransmitterplatten 313, Grobtransmitterplatten 314 und eine Empfängerplatte 312. Der Rotor 310 umfasst die Feinmusterplatte 317, die Grobmusterplatte 315 und eine Kopplungsplatte 316 gegenüber der Empfängerplatte 312. Alle Rotorplatten sind miteinander verbunden. Die Trennung zwischen den Platten 315 und 316 ist unnötig und wird nur zu Illustrationszwecken gezeigt. Es wird angemerkt, dass sowohl die Grob- als auch Feinmuster am Rotor 310 reibungslos variieren, ohne scharfe Grenzpunkte, anders als in der Technik bekannte Mehrgeschwindigkeitsrotoren. Folglich wird, wenn die Signale vom Stator 300 durch Schalttechnik verarbeitet werden, wie hierin nachstehend beschrieben, der Codierer glatte, saubere sinusförmige Ausgangsleistungen ergeben, im Wesentlichen ohne Verzerrungen, die die Genauigkeit der Winkelmessung verringern könnten.
  • 12C ist eine Draufsicht von Leiterplatten an einem Rotor 320, in Übereinstimmung mit einer alternativen Ausführung der vorliegenden Erfindung. Der Rotor 320 ist funktionell gleichartig zu dem Rotor 310 und kann statt diesem eingesetzt werden. Er unterscheidet sich darin, dass er eine Feinmusterplatte 318 aufweist, die das "Negativ" der Platte 317 ist, wie oben beschrieben.
  • 13 ist ein schematisches Diagramm eines Signalkonditionierungsschaltkreises 330 zur Verwendung bei einem Zweigeschwindigkeitencodierer in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Der Schaltkreis 330 verwendet eine PQE-Herangehensweise, die im Wesentlichen gleichartig zu der hierin vorangehend in Bezug auf Schaltkreis 200 beschriebenen, jedoch mit getrennten Grobverarbeitungskanälen 328 und Feinverarbeitungskanälen 329 ist.
  • Die variablen Grobkanalkapazitanzen 336 bis 339 werden von Vierphasen-Wechselspannungen 332 bis 335 erregt, typischerweise 10 kHz-Rechteckwellen. Die variablen Feinkanalkapazitanzen werden jeweils durch die Kapazitanzen 344 bis 347 abgebildet und werden typischerweise durch 40 kHz-Rechteckwellen erregt. Die Elektronik umfasst einen Ladungsverstärker 348, der an die Empfängerplatte 312 (12A) gekoppelt ist, um alle Grob- und Feinkanäle gemeinsam zu bedienen. Die Verstärkerausgangsleistung wird zu den Grob- und Feinverarbeitungskanälen gelenkt, die Synchrondetektoren 349 bis 352 und Tiefpassfilter 354 bis 357 umfassen. Die Synchrondetektoren 349 und 351 werden von in Phase befindlichen Referenzsignalen 332 beziehungsweise 340 gespeist und werden von den Tiefpassfiltern 354 und 356 gefiltert, um die Grob- und Feinsinussignale zu verschaffen. Die Synchrondetektoren 350 und 352 werden durch Quadraturreferenzsignale 333 beziehungsweise 341 gespeist und werden von den Tiefpassfiltern 355 und 357 gefiltert, um die Grob- und Feincosinussignale zu verschaffen. Wie hierin vorangehend erwähnt, werden diese Analogsignale dann vorzugsweise digitalisiert und durch einen Mikrocomputer verarbeitet.
  • 14 ist eine Draufsicht von Leiterplatten an einem Rotor 380 eines Drei-Geschwindigkeiten-CFRAAEs vom Typ 5 in Übereinstimmung mit einer anderen bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Der Rotor enthält einen Feinkanal 382, einen mittleren Kanal 384 und einen Grobkanal 386, zusammen mit einer Koppelplatte 388. Er ist in Zusammenwirken mit einem geeignet angepassten Stator und Signalkonditionierschalttechnik zu verwenden, mit drei Verarbeitungskanälen statt zwei. Die Konfiguration von 14 ist beispielsweise bei Codierern mit großem Durchmesser mit vielen Zyklen im Feinkanal nützlich. In solchen Fällen könnte der Grobkanal nicht präzise genug sein, um den richtigen Feinzyklus korrekt zu identifizieren. Die Hinzufügung des mittleren Kanals 384, mit einer Anzahl von Zyklen zwischen denen der Grob- und Feinkanäle, kann das Problem lösen, indem der richtige Zyklus zuerst in dem mittleren Kanal und dann in dem Feinkanal identifiziert wird.
  • 15 ist ein schematisches Schaltbild, das einen schaltbaren Zweistands-Signalkonditionierungsschaltkreis 420 zur Verwendung mit einem Zwei-Geschwindigkeiten-Drehcodierer zeigt, wie der durch die 12A–B illustrierte, in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Der Schaltkreis 420 hat die Vorteile größerer Einfachheit und verringerter Komponentenanzahl im Vergleich zu Mehrkanalschaltkreisen, wie dem in 13 dargestellten.
  • Variable Kapazitanzen 429 bis 432 stellen die gegenseitigen Feinkanalkapazitäten des Codierers dar, und die variablen Kapazitanzen 433 bis 436 stellen die gegenseitigen Grobkanalkapazitanzen dar. Die Schalter 425 bis 428 werden von einem gemeinsamen Logiksignal (nicht dargestellt) befohlen, um Erregungsspannungen 421 bis 424, oder Erdpotential, an entweder die Feinkanal- oder Grobkanalkapazitanzen anzulegen, sodass abwechselnd Fein- und Grobwinkelablesungen durchgeführt werden. wie in Bezug auf vorangehende Ausführungen beschrieben, verschafft ein Ladungsverstärker 447 eine Ausgangsspannung, die von Synchrondetektoren 448 und 449 und Tiefpassfiltern 450 und 451 verarbeitet wird, um die Sinus- und Cosinusausgangsleistungen für denjenigen der Kanäle (fein oder grob), der eingeschaltet wurde, zu verschaffen.
  • Vorzugsweise wird der Grobverarbeitungskanal verwendet, um die absolute Position des Codierers zu identifizieren. Dieses Grobsignal wird typischerweise nur zur Systeminitialisierung benötigt. Beim Einschalten des Systems lenkt eine Logiksteuerung die Erregungswellenformen anfänglich mittels Schaltern 425 bis 428 zu Grobkanaltransmitterplatten (Kapazitanzen 433 bis 436). Die sich ergebende Grobpositionsbestimmung wird verwendet, um zu identifizieren, auf welchem spezifischen Feinzyklus der Rotor sich befindet. Von da an werden die Erregungsspannungen zu den Feinkanaltransmitterplatten (Kapazitanzen 429 bis 432) gelenkt, und die Feinkanalsignale werden verarbeitet, um eine absolute und präzise Rotorposition zu verschaffen.
  • Die 16A und 16B sind Draufsichten von Leiterplatten an einem Stator 460 beziehungsweise einem Rotor 470, die einen Zwei-Geschwindigkeiten-CFRAAE vom Typ 5 bilden, in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführung wird eine variable Mehrfachpolkapazitanz zwischen dem Rotor und dem Stator verwendet, um sowohl Grob- als auch Feinwinkelmessungen zu erzeugen. Der sich ergebende praktische Vorteil ist, dass für einen gegebenen Außendurchmesser des Codierers eine größere zentrale Öffnung gemacht werden kann, die einen relativ größeren Bereich von Wellendurchmessern aufnimmt.
  • Der Stator 460 umfasst Feintransmissionsplatten 467 und Quadrantenempfängerplatten 464 bis 466. Die Feinplatten wirken mit einer Feinmusterplatte 468 am Rotor 470 zusammen. Eine exzentrische Kopplungsplatte 461 am Rotor koppelt die Wechselwirkung an die Empfängerplatten. Aufgrund der Exzentrizität der Platte 461 ist die Kopplungskapazitanz nicht rotationsmäßig unabhängig, wenn nicht alle vier Quadrantenkapazitanzen addiert werden. Wenn sie addiert werden, wird eine präzise Feinkanalablesung erhalten. In diesem Fall, wenn die Feinkanalausgangssignale als A = Rsin(nθ) und B = Rcos(nθ) dargestellt werden, dann ist ihre Vektorsumme R eine Konstante, gegeben durch:
    Figure 00740001
    wenn nicht alle Empfängerquadranten eingesetzt werden, so wird jedoch die Vektorsumme R moduliert und kann somit verwendet werden, um die Grobkanalablesung abzuleiten.
  • 17 ist ein schematisches Blockdiagramm, das einen Signalverarbeitungsschaltkreis 480 zur Verwendung mit dem Codierer der 16A und 16B illustriert, in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Während einer Initialisierungsperiode, vorzugsweise während die Welle stationär ist, werden vier Paar Wechselspannungen A1, A2, A3 und A4 und B1, B2, B2 und B4 aus den Ausgangsleistungen der jeweiligen Sinus- und Cosinuskanäle des Schaltkreises 480 erhalten. Dies wird durchgeführt, indem die Schalter 490, 491, 492 und 493 aufeinanderfolgend geschlossen und die Wechselstrom-Ausgangsspannungen, die an den Ausgängen der Filter 509 und 510 auftreten, abgetastet werden. Jede Wechselspannung ist das Ergebnis von Feinkapazitanzen 482, 483, 484 und 485 und einer spezifischen Quadrantenkopplungskapazitanz 486, 487, 488 oder 489 (die jeweils den Quadranten 463, 464, 465 und 466 in 16A entsprechen), zusammen mit der festen Verstärkung des Ladungsverstärkers 506, der Synchrondemodulatoren 507 und 508 und der Tiefpassfilter 509 und 510. Dann wird die entsprechende Vektorsumme jedes Spannungspaars berechnet, um die Größen R1, R2, R3 und R4 zu verschaffen, die proportional zu den Werten der Quadrantenkopplungskapazitanzen an dem speziellen Wellenwinkel sind. Die Diagonalpaardifferenzen von R1 – R3 und R2 – R4 sind proportional zu dem gewünschten Sinus und Cosinus des Grobwellenwinkels.
  • Nach diesem Initialisierungsvorgang werden die vier Schalter 490 bis 493 geschlossen, wobei der Codierer auf den Feinmodus umgeschaltet wird. In diesem Modus werden die Spannungsquellen 494 bis 497 und die variablen Kapazitanzen 482 bis 485, aufgrund der Wechselwirkung der Feinstatorplatten mit dem Feinrotormuster, zur Bestimmung des Feinwellenwinkels verwendet.
  • Die 18A, 18B und 18C sind Draufsichten eines Transmitterstators 520, eines Rotors 525 beziehungsweise eines Empfängerstators 527, die zusammen einen Codierer vom Typ 4 bilden, in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Dieser Codierer stellt beispielhaft ein zweites Schema zur Erhaltung von Einzelpolsignalen aus einer gegenseitigen Mehrfachpolkapazitanz dar.
  • Der Stator 520 enthält eine Mehrfachpol-Transmitteranordnung, die mehrfache Transmitterplatten 529 umfasst, wie in dem in 11B gezeigten Rotor 270. In diesem Fall sind die Platten 529 jedoch in vier Quadrantengruppen 521 bis 524 aufgeteilt, wovon jede getrennt erregt werden kann. Der Stator 527 enthält eine ringförmige Empfängerplatte 528. Der Rotor 525 hat ein leitendes Mehrfachpolmuster 526 auf beiden Seiten, und die zwei leitenden Muster sind elektrisch verbunden.
  • Von dem Empfängerstator 527 empfangene Signale werden von einem Schaltkreis verarbeitet, der im allgemeinen ähnlich dem in 8 dargestellten Schaltkreis 200 ist. In diesem Fall stellen die Kapazitanzen 206 bis 209 die variablen Kapazitanzen aufgrund der Gruppe von Transmitterplatten in jedem Quadranten dar. Solange die Platte 526 am Rotor 525 ein ideales Mehrfachpolmuster hat, werden die Sinus- und Cosinusausgangssignale von den Tiefpassfiltern 213 und 214 die Feinkanäle darstellen, ungeachtet dessen, ob ein oder mehr Transmitterquadranten erregt werden. Wenn jedoch das Rotormuster von der Idealen abweicht, beispielsweise aufgrund von Exzentrizität in Bezug zur Rotationsachse oder aufgrund eines Kippens um die Achse oder einer ein Mal pro Zyklus auftretenden Schwankung in seiner Dicke, so werden die Ausgangssignale eine ein Mal per Umdrehung auftretende Amplitudenmodulation enthalten, wenn nicht alle Quadranten erregt werden. Eine solche Exzentrizität oder andere Abweichung kann leicht eingebracht werden. Wenn somit jeder Quadrant abwechselnd erregt wird und die Größen R1 – R3 und R2 – R4 wie zuvor erzeugt werden, so werden der Sinus und Cosinus des Grobwellenwinkels erhalten. Werden alle Quadranten erregt, so werden der Sinus und Cosinus des Feinkanals präzise erhalten.
  • Andere äquivalente Schemata sind möglich, welche alle einen Mehrfachpolrotor mit einer Art von Abweichung von der Symmetrie aufweisen, die sich ein Mal per Umdrehung wiederholt, und einen Stator, der zwischen zwei Konfigurationen umgeschaltet werden kann: einer symmetrischen und einer mit einer Eigenschaft, die die Symmetrie durchbricht. Wenn beispielsweise ein Rotor mit einem idealen Mehrfachpolmuster verwendet wird, worin eine Gruppe von einem oder mehr Zyklen fehlt, so wird das Signal nicht beeinträchtigt, wenn der Stator sich in der symmetrischen (gruppierte Quadranten) Betriebsart befindet. Die Signalamplitude wird jedoch mit einer Einmal-per-Umdrehung-Rate moduliert, wenn der Stator auf die asymmetrische (Einzelquadrant) Betriebsart umgeschaltet wird.
  • In noch anderen bevorzugten Ausführungen der vorliegenden Erfindung ist ein Mehrfachpolrotor mit einer Einmal-pro-Zyklus-Symmetriefehler an einen Stator mit einer gleichartigen Sorte von Symmetriefehler gekoppelt. In diesem Fall muss kein Umschalten stattfinden. Beispielsweise kann der Stator 270 (in 11B dargestellt) dezentriert sein, oder ein Segment 272 des Stators kann entfernt sein. Die gegenseitige Wechselwirkung der Rotor- und Statordefekte führt zu einer zyklischen Modulation der Signalgröße R. Während einer Initialisierungsperiode, wenn der Rotor sich dreht, wird R überwacht, um die Position zu identifizieren, wo es seinen Maximum- oder Minimumwert erreicht. Diese Position wird als die Indexposition des Rotors definiert. Danach, während des normalen Betriebs, wird der zyklische Fehler im Feinsignal, das der oben erwähnten zyklischen Modulation zugeordnet ist, vorzugsweise korrigiert, um eine präzise, absolute Ablesung zu verschaffen. Solche Ausführungen haben den Vorteil, dass die zentrale Öffnung des Rotors noch größer gemacht werden kann, da nur das Feinmuster benötigt wird, ohne eine Kopplungs- oder Grobmusterplatte.
  • SEGMENTIERTE UND DREIDIMENSIONALE ROTOREN
  • 19 ist eine schematische, bildliche Ansicht eines Rotors 520 mit einem dreidimensionalen leitenden Muster, in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführung ist der Rotor entlang des leitenden Musters ausgeschnitten, wodurch eine Vielzahl radialer Verlängerungen 522 von einem massiven zentralen Teil 526 und mit dazwischenliegenden offenen Aussparungen 524 zwischen den Verlängerungen gebildet wird. Diese Rotorgestaltung ist besonders vorteilhaft bei einem Codierer, der in einer feuchten oder klammen Umgebung betrieben werden muss. wenn die Rotorseiten flach sind, wie dies in der Technik im allgemeinen praktiziert wird, kann Feuchtigkeit einen Film bilden, der das leitende Muster überschwemmt, sodass der Codierer aufhört zu funktionieren. Wenn der Rotor 520 verwendet wird, ist die Leistung dieselbe, ungeachtet, ob ein Wasserfilm vorhanden ist, und der Rotor ergibt weiterhin präzise Ablesungen. In der Tat erhöht sich das Signalniveau, da die Kapazitanzdifferenz per Einheitsbereich zwischen den gemusterten und offenen Bereichen größer ist als sonst. Obwohl offene Aussparungen 524 nur bei dem Feinkanal anwendbar sind, ist dieser Kanal am entscheidensten für die Leistung des Codierers. Gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung wird das Grobkanalmuster teilweise ausgespart, indem das Substrat dünner gemacht wird, um Feuchtigkeitseffekte zu reduzieren, indem die Kapazitanz per Einheitsbereich in dem ausgesparten Muster kleiner als in nassen, nicht ausgesparten Bereichen gemacht wird.
  • Die oben erwähnte europäische Patentanmeldung 0226716 beschreibt einen kapazitiven Codierer vom Typ 4 mit einem dreidimensionalen Rotormuster, der die Präzision der elektrostatischen Feldverteilung in dem Codierer verbessern soll. Die Anmeldung bezieht sich nicht auf Feuchtigkeitseffekte, und die darin beschriebenen Aussparungen des Musters sind geschlossen. Aus diesem Grund ist der Rotor 520 den in der Technik bekannten dreidimensionalen Rotoren überlegen, insbesondere bei Ausführungen geerdeter Rotoren (Typ 3), wobei der geerdete Wasserfilm als eine kontinuierliche Abschirmung dienen wird, ungeachtet dessen, ob das Rotormuster teilweise ausgespart ist oder nicht. Die Gestaltung von Rotor 520 ist auch bei Codierern vom Typ 4 gebrauchsgeeignet.
  • Das Substrat des Rotors 520, wie auch das von hierin beschriebenen Rotoren mit anderer Gestaltung, kann aus jedem geeigneten nichtleitenden Material hergestellt sein, das, wo dies anwendbar ist, mit einem leitenden Muster beschichtet ist, wie etwa kupferbekleidetes Glasepoxy, oder vakuummetallisierte Glasscheiben. Vorzugsweise stellen die Rotorscheibe und der zentrale Teil 526 ein einziges Teil dar, das aus verstärktem Kunststoff, wie etwa glasverstärktem Polykarbonat, geformt ist. Ein bevorzugtes Verfahren zum selektiven Anbringen der leitenden Beschichtung auf dem Rotor in dieser Ausführung nutzt einen als Heißpressen bekannten Prozess, wobei eine dünne Metallfolie selektiv von einer kontinuierlichen Rolle dem Substrat zugeführt wird und durch Druck einer mit einem Muster versehenen heißen Platte darauf beschichtet wird. In einer bevorzugten Ausführung wird das Muster zuerst in Relief auf dem eingespritzten Substrat gebildet, welches dann unter Verwendung einer flachen, nicht mit einem Muster versehenen Platte beschichtet wird. Ein Vorteil eines solchen geformten Rotors ist, dass er eine präzise und konsistente Aufzeichnung des Musters in Bezug zu der rotierenden Welle garantiert.
  • In einer anderen bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung (nicht in den Figuren dargestellt) ist ein äußerer Rand des Rotors etwas über das Niveau des gemusterten Teils erhöht. Der erhöhte Teil dient als ein Abstandhalter, der den Kontakt zwischen dem gemusterten Teil und der zugewendeten Statorplatte verhindert, um eine Beschädigung der Beschichtung vor der Erstellung der richtigen Trennung zwischen dem Stator und Rotor bei der Endmontage des Codierers zu verhindern. Ein weiterer Vorteil des erhöhten Musters erweist sich unter Bedingungen hoher Feuchtigkeit, worin sich ein Wasserfilm auf dem Rotor bilden kann, wie hierin vorangehend beschrieben.
  • Noch eine andere Option ist, den leitenden Bereich des Rotors aus einem kohlenstoffverstärkten oder anderen leitenden Polymer zu machen, das zusammen mit einem nichtleitenden Polymer für die anderen Rotorteile eingespritzt wird.
  • Eine wichtige Eigenschaft, die bei jedem Rotationssensor wünschenswert ist, ist Unempfindlichkeit gegenüber mechanischer Verschiebung des Rotors außer der Rotation, wie etwa Verschiebung aufgrund von Exzentrizität oder Kippung in Bezug zur Rotationsachse, oder gegenüber axialen Montagefehlern. Alle CFRAAEs in Übereinstimmung mit bevorzugten Ausführungen der vorliegenden Erfindung sind großenteils unempfindlich gegenüber axialen Montagefehlern, da solche Fehler höchstens die gemeinsame Verstärkung der Sinus- und Cosinuskanäle beeinträchtigen würden, nicht aber deren Verhältnis, das den errechneten Winkel bestimmt. Das Signal in einem kapazitiven Mehrfachpolcodierer ist ein kombinierter Beitrag der vielen Pole. Folglich weist ein solcher Codierer, anders als optische Codierer, eine beträchtliche Eigenkompensation und Toleranz gegenüber sowohl Kippung als auch radialer Fehlausrichtung des Rotors in Bezug auf den Stator auf.
  • Ein Einzelpol-CFRAAE jedoch ist aufgrund seiner Natur empfindlich gegenüber Rotorexzentrizitätsfehlern. Seine Empfindlichkeit gegenüber Kippfehlern hängt von seinem Typ ab, wobei die Typen 2 und 3 die am wenigsten empfindlichen sind. Da ein CFRAAE vom Typ 4 den Vorteil der Einfachheit aufweist, wäre es besonders wünschenswert, seine Unempfindlichkeit gegenüber Rotorkippung zu verbessern.
  • 20 ist eine schematische Schnittansicht eines CFRAAE 538 vom Typ 4, wie er in der Technik bekannt ist, die den Effekt von Rotorkippung illustriert. Der Codierer 538 enthält einen ersten Stator 540 mit leitenden Transmittermusterbeschichtungen 541 und 545; einen zweiten Stator 542 mit einer leitenden Empfängerbeschichtung 543; und einen Rotor 544, der etwas gekippt ist, mit den elektrisch miteinander verbundenen leitenden Beschichtungen 547 und 548. Der schmalere Luftspalt an der rechten Seite des Codierers zwischen dem Stator 540 und Rotor 544 erhöht den Beitrag des Transmittermusters 541 in Bezug auf das Muster 545 zu dem vom Stator 542 empfangenen Gesamtsignal. Der Unterschied in den Beiträgen beeinträchtigt das Verstärkungsverhältnis zwischen den zwei Kanälen, was zu einem Ausgangsfehler führt. Obwohl die Kapazitanz zwischen dem Rotor 544 und der Empfängerbeschichtung 543 auch durch die Kippung modifiziert wird, ist dieser Effekt beiden Beiträgen gemein und beeinflusst ihr Verstärkungsverhältnis nicht.
  • 21 ist eine schematische Schnittansicht eines CFRAAE 560 vom Typ 4 in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Die leitenden Muster an den zwei Seiten eines Rotors 561 sind in mehrfache Elemente 562–570 segmentiert, die in Bezug zueinander elektrisch isoliert sind. Die zwei Seiten jedes Elements, mit jeweiligen Beschichtungen 547 und 548, sind elektrisch miteinander verbunden. In diesem Fall, unter Vernachlässigung von Streuungsfeldeffekten, ist die Serienverbindung der Kapazitanzen C1 und C2, zwischen der Beschichtung 545 und dem Rotorelement 562 beziehungsweise zwischen dem Rotorelement und der Beschichtung 543, im wesentlichen unabhängig von der Position des Rotorelements 562. Die Serienverbindung der Kapazitanzen C3 und C4, die dem Element 570 zugeordnet sind, als auch der den anderen Rotorelementen zugeordneten Kapazitanzen, sind gleichermaßen im Wesentlichen positionsunabhängig. Von daher ist die Gesamtkapazitanz des Musters großenteils unabhängig von der Kippung.
  • 22 ist eine schematische Draufsicht des Rotors 561 in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Die Figur illustriert die Segmentierung der Beschichtung 547 in mehrfache Segmenten 572, die auf die Weise der Segmente 562–570, gezeigt in 21, in einer Einzelpolpaarkonstruktion segmentiert sind. Das US-Patent 4.851.835 beschreibt eine segmentierte Konstruktion des Mehrfachpolmusters auf einem Rotor für einen CFRAAE vom Typ 4. Jedoch ist die Verbesserung der Immunität des Codierers gegenüber Rotorkippung in diesem Fall von geringerer Bedeutung, da der Mehrfachpolrotor aufgrund der Eigenkompensation der individuellen Pole inhärent unempfindlich gegenüber Kippung ist, wie hierin vorangehend beschrieben. Anders als in der Technik bekannte Codierer verschafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Kippimmunität bei dem Einzelpolpaarrotor 561.
  • 23 ist eine schematische Draufsicht eines hybriden Rotors 580, der zwei CFRAAE-Typen in einer einzigen Vorrichtung kombiniert, in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Der Rotor 580 umfasst ein dielektrisches Substrat, das gussgeformt ist, um ein dreidimensionales, mehrpoliges Feinkanalmuster 582 zu ergeben. Dieses Muster ist daher vom Typ 2. Ein leitendes Muster 584, vorzugsweise segmentiert, wie hierin vorangehend beschrieben, ist auf dem Rotorsubstrat geformt, um als Grobkanal zu dienen. Das Grobmuster fungiert somit als ein CFRAAE vom Typ 4. Andere Kombinationen verschiedener Typen sind ebenfalls möglich.
  • KAPAZITIVE LINEARVERSCHIEBUNGSCODIERER
  • Die hierin vorangehend beschriebenen Konzepte in Bezug auf Drehwinkelmessung können auch auf kapazitive Linearverschiebungscodierer (CLDE) angewendet werden. Solche Codierer enthalten ein festes Element – eine Messlatte –, die den gesamten Bewegungsbereich überspannt, und ein bewegendes Element, das typischerweise so kurz wie praktisch möglich gemacht ist und als Lesekopf bezeichnet wird. Obwohl die Messlatte abgeschirmt sein kann, beispielsweise durch einen leitfähigen Balg oder dergleichen, wie hierin nachstehend beschrieben, ist es üblicherweise praktischer, den viel kürzeren Kopf abzuschirmen. Daher ist es vorzuziehen, jedoch nicht essentiell, dass der Kopfteil des CLDE den Empfänger enthält. Anders als der Mehrfachpolpaar-CFRAAE mit seiner Eigenkompensation von Kippfehlern, fehlt es dem CLDE an Kreissymmetrie und ist er nicht inhärent unempfindlich gegenüber relativer Kippung zwischen Messlatte und Kopf. Bevorzugte Ausführungen der vorliegenden Erfindung sind dazu entworfen, diesen Mangel zu überwinden.
  • Die 24 und 25 sind schematische Illustrationen eines CLDEs 600 mit einem Zwei-Platten-Lesekopf 602 in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung. 24 ist eine Seitenansicht, die die Basiskonfiguration des Codierers zeigt, die als ein Codierer vom Typ 2, 3 oder 4 verwirklicht werden kann. 25 ist eine schematische Schnittansicht, genommen entlang einer Linie XXV-XXV in 24, die die Verwirklichung von Typ 2 als Beispiel zeigt.
  • Der CLDE 600 umfasst eine Messlatte 604 zusammen mit dem Kopf 602. Wie in 25 gesehen, enthält der Kopf eine Empfängerplatte 606 und eine Transmitterplatte 608. In der Verwirklichung von Typ 2 ist die Messlatte 604 aus einem dielektrischen Material gefertigt und enthält eine sich wiederholende dreidimensionale Kante, vorzugsweise in Sinusform, statt einer geraden Kante. Bei dem CLDE vom Typ 3 oder 4, wie hierin nachstehend beschrieben, ist das Muster mit einer leitenden Beschichtung auf die Messlatte gedruckt. Analog zu dem in 19 gezeigten dreidimensionalen Rotormuster kann das Messlattenmuster dreidimensional sein, obwohl es in diesem Fall zu Montagezwecken nötig sein wird, die Messlatte entlang ihrer Mittellinie zu greifen, statt unten, wie in den 24 und 25 dargestellt. Vorzugsweise wird der Kopf 602 durch eine geerdete äußere Abschirmung 610 vor elektrischer Interferenz geschützt.
  • 26A ist eine schematische Seitenansicht eines Lesekopfs 604 eines CLDEs vom Typ 1, in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Der CLDE vom Typ 1 enthält Transmitterplatten auf der Messlatte und eine einzelnde Empfängerplatte am Kopf 604, die ein symmetrisches doppelt sinusförmiges Muster 612 aufweist. Die doppelte Sinusform ist um zwei Achsen symmetrisch. Daher sind Fehler aufgrund von sowohl Kopfkippung um eine Längsachse parallel zur Bewegungsrichtung, als auch Rotation um eine Achse senkrecht zu dem Luftspalt zwischen Kopf und Messlatte im Wesentlichen selbstkompensierend. Die Verwendung des Musters 612 verringert somit die Empfindlichkeit des Codierers 600 gegenüber Kopfkippung im Vergleich zu CLDE-Vorrichtungen des Standes der Technik. Fehler aufgrund von Kippung um eine Achse senkrecht zur Bewegungsrichtung werden in Proportion zur Anzahl von Zyklen in dem Muster minimiert.
  • 26B ist eine schematische Seitenansicht eines Lesekopfs 620, in Übereinstimmung mit einer anderen bevorzugten Ausführung des Typs 1 der vorliegenden Erfindung. In diesem Fall ist ein symmetrisches, doppelt sinusförmiges Empfängermuster 622 durch leitende geerdete Schichten 621 und 623 an beiden Seiten davon gegen äußere Interferenz geschützt.
  • 27 ist eine schematische Seitenansicht einer Messlatte 602 für einen CLDE vom Typ 1 mit einer Transmitterplatte 608, in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Die Messlatte 602 wird vorzugsweise im Zusammenwirken mit dem Kopf 604 oder 620 verwendet. Die Transmitterplatte umfasst ein Muster von vielfachen Stangen 624, die durch Vierphasen-Wechselspannungen, vorzugsweise Rechteckwellen, erregt werden, wie hierin vorangehend unter Bezug auf CFRAAE-Ausführungen beschrieben. Vorzugsweise wird PQE-Erregung eingesetzt, zusammen mit dem in 8 gezeigten Einzelkanaldetektions- und -demodulationsschema, um die Empfindlichkeit von CLDE 600 gegenüber Komponententoleranzen zu verringern und im Wesentlichen gleiche Verstärkungen in den Sinus- und Cosinuskanälen zu verschaffen.
  • 28 ist eine schematische Seitenansicht eines doppelt sinusförmigen Musters 632 an einer in einem CLDE vom Typ 4 verwendeten Messlatte 630, in Übereinstimmung mit einer anderen bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Obwohl die Erdungsabschirmung 610 (25) im allgemeinen ausreichend ist, um das Eintreten elektrischer Interferenz in den Lesekopf 602 bei CLDEs vom Typ 2 und 3 zu verhindern, könnte in dem CLDE vom Typ 4 ein kontinuierliches leitendes Muster auf der Messlatte Interferenz aufnehmen und an den Empfänger 606 koppeln. Wie in 28 gezeigt, wird diese Interferenzanfälligkeit durch das Segmentieren des Musters 632 mit geneigten Spalten 634 stark reduziert. Die Segmente des Musters, die in jedem Moment aktiv sind, sind daher innerhalb des Kopfs 602 abgeschirmt und sind von ungeschützten Segmenten außerhalb der Abschirmung 610 isoliert. Da die Spalten 634 zwischen den Segmenten geneigt sind, wird die Sinusabhängigkeit der gemessenen Kapazitanz als eine Funktion des Kopfwegs nicht behindert. Vertikale Spalten, wie sie in der Technik bekannt sind, würden aufgrund des Musters eine Diskontinuität in die sinusförmig schwankende Kapazitanz einbringen. Somit erhöht die Verwendung des Musters 632 die erzielbare Interpolationstiefe und folglich die Präzision des Codierers im Vergleich zu in der Technik bekannten CLDE-Vorrichtungen.
  • 29 ist eine schematische Schnittillustration eines anderen CLDEs 640 in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Die Konstruktion des CLDE 640 ist dadurch in Bezug auf den CLDE 600 "umgekehrt" (24 und 25), dass er eine stationäre Messlatte 644 umfasst, die eine Empfängerplatte 646 und eine Transmitterplatte 648 aufweist, die an einem Längsschlitz darin anliegen. Ein bewegender Kopf 642 verfährt in dem Schlitz. Die umgekehrte Konstruktion ist nützlich, wenn der bewegende Kopf nicht elektrisch zugänglich ist oder aus einem anderen Grund elektrisch passiv sein muss.
  • 30 ist eine schematische Schnittillustration eines abgeschirmten umgekehrten CLDE 650, in Übereinstimmung mit noch einer anderen bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Die Messlatte 654 weist einen Längsschlitz mit einer labyrinthartigen Form auf und enthält eine geerdete Abschirmung 656, um die Platten 646 und 648 und den Kopf 652 zu schützen. Der CLDE 650 ist im Prinzip gleichartig CLDE 640, ist jedoch im allgemeinen widerstandsfähiger gegen äußere Interferenz.
  • Vorzugsweise umfassen sowohl die Messlatte 644 als auch der Kopf 642 (29) gedruckte Schaltungen, die auf mehrlagiger gedruckte Leiterplatten-Technologie unter Verwendung konventionellen FR-4-Substratmaterials basiert sind. Typischerweise enthält die Vorderschicht der gedruckten Leiterplatte der Messlatte eine Transmitterplatte bzw. -platten 648, und die inneren Schichten enthalten Erregungsleitungen und eine abschirmende Erdungsebene. In den hierin beschriebenen anderen bevorzugten Ausführungen kann eine gleichartige Technologie verwendet werden. In Ausführungen des Typs 1 und Typs 5 der vorliegenden Erfindung, worin die Messlatte eine einzige Transmitter- (oder Empfänger-) platte umfasst und die Rückseite der Messlatte, vom Kopf abgewandt, frei ist, kann die Messlatte aus einem dünnen mehrlagigen Substrat hergestellt sein, die dann an die Maschine geklebt werden kann, worin der Codierer verwendet wird. Wenn diese flexible Messlatte an eine zylindrische Oberfläche geklebt ist, ermöglicht sie das Ausführen von Winkelmessungen. Eine andere Möglichkeit ist das Aneinanderstoßenlassen der Enden mehrerer Messlattenelemente, wie etwa des in 28 gezeigten Typs, in Serie. Da die erzielbare Präzision des Aneinanderstoßenlassens der Enden nicht der Präzision von CLDE gleichkommt, wird vorzugsweise ein Eichvorgang verwendet, um die Positionierungsfehler der Elemente zu speichern.
  • In einer typischen Verwirklichung einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wurde die Messlatte aus einem FR-4-Streifen von 0,3 mm Dicke, 12 mm Breite und 500 mm Länge hergestellt. Die Zykluslänge des Kopfmusters betrug 2 mm, und die gemessene Auflösung betrug 0,1 μm.
  • 31A ist eine schematische Schnittillustration eines CLDE 660 vom Typ 5, in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Der CLDE enthält eine Messlatte 662 und einen bewegenden Kopf 664, der an seiner Innenfläche Transmitterplatten 668 und 670 und eine Empfängerplatte 674 aufweist. Vorzugsweise weist die Innenseite der Messlatte 662 ein segmentiertes Muster auf, wie etwa das in 28 gezeigte Muster 632. Obwohl das Muster segmentiert ist, um das Aufnehmen von Interferenz zu minimieren, wie oben erläutert, ist die Empfängerplatte des Kopfs nicht durch eine gegenüberliegende Platte geschützt, wie bei CLDE 600 (25). Daher ist die Rückseite der Messlatte 662 mit einer geerdeten Beschichtung 666 beschichtet, um die Segmente, die sich gegenüber der Empfängerplatte 674 befinden, vor äußerer Interferenz zu schützen. Zu demselben Zweck weist der Kopf 664 eine geerdete Beschichtung 676 an seiner Außenfläche auf.
  • 31B ist eine schematische Schnittillustration eines anderen CLDE 680 vom Typ 5, im Prinzip gleichartig zu CLDE 660, in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung. In dem CLDE 680 wird der Erdungsschutz durch eine Verlängerung 684 eines bewegenden Kopfs 682 verschafft. Es ist daher nicht notwendig, dass die Messlatte eine Erdungsverbindung enthält.
  • 32 ist eine schematische Seitenansicht des Kopfs 664, die die Anordnung der Transmitterplatten 668 und 670 und der Empfängerplatte 674 daran zeigt. Die Transmitterplatten umfassen vorzugsweise Stangen, wie in 27 gezeigt, die an beiden Seiten der Empfängerplatte 674, die kapazitiv an den zentralen Teil des Messlattenmusters 632 (28) gekoppelt ist, in oberen und unteren Reihen angeordnet sind. Die symmetrische Konstruktion des Kopfs und des Musters hilft, die Empfindlichkeit des CLDEs gegenüber Kopfkippung und Rotation zu minimieren. Das bevorzugte Signalkonditionierungsschema für den CLDE ist ein PQE-Schema des in 8 gezeigten Typs.
  • Die in dem CLDE von 32 verkörperten Prinzipien können auch in einer Konfiguration des Typs 6 (in den Figuren nicht dargestellt) verkörpert sein. In dem Fall enthält der Kopf zwei Schaltkreissubstrate mit Transmitter- und Empfängerplatten, ein solches Substrat auf jeder Seite der Messlatte. Gleichermaßen weist die Messlatte ein Muster, wie etwa ein Muster 632, an ihren beiden Seiten auf, wobei die zwei Muster elektrisch miteinander verbunden sind. Diese Verwirklichung hat die Vorteile verbesserter Immunität gegenüber Interferenz, verbesserter Signalverstärkung und verringerter Empfindlichkeit gegenüber Kopfkippung.
  • Die 33A und 33B sind schematische Seitenansichten einer Messlatte 700 beziehungsweise eines Kopfs 714 eines absoluten CLDEs vom Typ 1, in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Der CLDE in diesem Fall ist von der Struktur her gleichartig zu CLDE 600 (31A) und vom Betrieb her gleichartig den hierin vorangehend beschriebenen schaltbaren Zwei-Geschwindigkeiten-CFRAAEs. Er kann somit zwischen einem Grobmodus, der die absolute Position des Kopfs 714 relativ zur Messlatte 700 verschafft, und einem Feinmodus, der im Betrieb dem inkrementalen CLDE 660 äquivalent ist, umgeschaltet werden. Solange der Ablesefehler in dem Grobmodus kleiner ist als die Länge eines Feinkanalzyklus, können die Grob- und Feinablesungen kombiniert werden, um eine absolute Bewegungsablesung mit einer nur durch den Feinkanal begrenzten Präzision und Auflösung zu verschaffen.
  • Wie in 33A gezeigt, ist ein Transmittermuster 702 an der Messlatte 700 im Wesentlichen gleichartig dem in 27 gezeigten, außer dass individuelle Stangen 708 des Musters von einer diagonalen Trennlinie 710 gespalten werden, um zwei dreieckige Gruppen 704 und 706 zu bilden. Die Stangen 708 in jeder Gruppe 704 und 706 werden getrennt mit vier PQE-Leitungen gespeist und können so geschaltet werden, dass sie als individuelle, vertikale Stangen oder als kollektive, dreieckige Transmitter arbeiten. Der Kopf 714 weist ein Muster 716 auf, das vorzugsweise gleichartig dem in 26B gezeigten Muster 622 ist.
  • Für den Feinmodusbetrieb mit inkrementaler Positionsbestimmung werden die jeweiligen PQE-Leitungen der zwei Teile jeder Stange 708 miteinander verbunden, und ein inkrementaler CLDE-Betrieb wird erhalten. Die oberen und unteren Bereiche 718 und 720 des Musters 716 am Kopf 714 sind von einem zentralen, sinusförmigen Teil 722 abgekoppelt und mit der Erde verbunden, wie hierin vorangehend unter Bezug auf 26B beschrieben.
  • Um absolute Positionsablesungen zu erhalten, sind im Grobmodus alle Teilstangen in jeder der zwei Gruppen 704 und 706 miteinander verbunden. Die oberen und unteren Bereiche des Lesekopfs sind von der Erde abgekoppelt und mit dem Teil 722 verbunden, wodurch sie eine vierseitige Platte bilden. Wenn die Kapazitanz zwischen dem Lesekopf 714 und der dreieckigen Gruppe 704 C1 ist und die entsprechende Kapazitanz zur Gruppe 706 C2 ist, dann ist die Differenz C1 – C2 proportional zu der Bewegung des Kopfs in Bezug auf die Messlatte 700. Um jegliche Welligkeit in der gemessenen Ausgangsleistung im Grobmodus aufgrund der Spalten zwischen Stangen 708 zu minimieren, sind die Führungs- und nachlaufenden Kanten 724 und 726 des Lesekopfs vorzugsweise abgeschrägt, sodass die Platte eine Parallelogrammform annimmt.
  • Die Präzision des Grobkanals bestimmt die maximale Anzahl von Feinzyklen, die identifiziert werden können. Daher bestimmt der Grobkanal für eine gegebene Zykluslänge des Feinmusters präzise die gesamte Messlänge. Auf äquivalente Weise bestimmt der Grobkanal für eine gegebene Messlänge präzise die Mindestfeinzykluslänge und somit die erzielbare Auflösung. Zur Maximierung der Präzision des Grobkanals werden vorzugsweise zwei größere Fehlerquellen minimiert:
    • 1. Die Toleranz in dem Luftspalt zwischen der Messlatte 700 und dem Kopf 714, die sowohl C1 als auch C2 beeinflusst. Da der Luftspalt C1 und C2 gleichermaßen beeinflusst, kann dieser Fehler durch Normalisieren der Differenz C1 – C2 durch die Summe C1 + C2 ausgeschaltet werden.
    • 2. Kippen des Kopfs 714 in Bezug auf eine Achse parallel zur Bewegungsrichtung, was das Gleichgewicht zwischen C1 und C2 beeinträchtigt. Dieser Fehler kann nicht durch Berechnungen überwunden werden.
  • 34 ist eine schematische Seitenansicht eines alternativen Transmittermusters 732 an einer Messlatte 730, welches dazu entworfen ist, das oben erwähnte Problem der Kippempfindlichkeit zu überwinden, in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Drei Dreiecke 734, 736 und 738, statt zwei, werden im Grobmodus eingesetzt, was zu einer Konfiguration führt, die in Bezug auf die Kippachse symmetrisch ist. Wenn C1 die kombinierte Kapazitanz aufgrund der Dreiecke 734 und 738 ist und C2 die Kapazitanz aufgrund des Dreiecks 736 ist, dann sind Schwankungen in C1 und C2, zumindest bis zur ersten Größenordnung, selbstkompensierend.
  • Ein anderes Verfahren, das verwendet werden kann, um eine absolute Ablesung von einem inkrementalen Codierer zu erzielen, ist das Erzeugen eines Indexpulses an einer bekannten Stelle, die als eine mechanische Null definiert ist – im Fall eines Linearcodierers üblicherweise eines der Enden der Messlatte. Beim Einschalten des Systems wird der Kopf über die Indexstelle bewegt, und ab dann wird der absolute Ort festgelegt. Diese Technik kann sowohl bei kapazitiven Winkel- als auch Linearcodierern eingesetzt werden.
  • 35 ist eine schematische Seitenansicht eines kapaziten Linearcodierers 750 vom Typ 1, die dieses Indexierungskonzept illustriert, in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung. An eine Messlatte 754, die mehrfache Transmitterstangen 756 umfasst, wie hierin vorangehend beschrieben, sind zusätzliche Index-Transmitterplatten 751 und 752 zugefügt, typischerweise an einem ihrer Enden. Ein Lesekopf 753 umfasst eine rechteckige Empfängerplatte. Vorzugsweise weist der Kopf 753 ein geschaltetes Muster auf, wie etwa das Muster 716 am Kopf 714 (33B), sodass es als ein gemeinsamer Empfänger für sowohl die Feinmessungs- als auch Indexkanäle dienen kann.
  • Die 36A und 36B sind Diagramme, die schematisch eine Kapazitanz C1 zeigen, erfasst zwischen Kopf 753 und Platte 751, und eine Kapazitanz C2, erfasst zwischen Kopf 753 und Platte 752. 36A zeigt die Differenz C1 – C2 als eine Funktion der Kopfverschiebung, und 36B zeigt die Summe C1 + C2. Das Zusammenfallen eines Null-Ausgangssignals in dem Differenzkanal mit einem Ausgangssignal über einer zuvor festgelegten Schwelle in dem Summenkanal zeigt den Indexort an.
  • Die Signalkonditionierung für den Codierer 750 ist vorzugsweise auf einer vereinfachten Version des in 13 gezeigten Schaltkreises 330 basiert. In diesem Fall werden dem Positionskanal zugeordnete Stangen 756 mit Vierphasenspannungen 340 bis 343 auf einer Frequenz erregt, um die Sinus- und Cosinussignale an den Ausgängen der Tiefpassfilter 356 und 357 zu verschaffen. Die Platten 751 und 752 des Indexkanals werden durch Spannungsquellen 332 und 333 erregt, um Signale an dem Ausgang der Tiefpassfilter 354 und 355 zu verschaffen, die proportional zu den Indexkapazitanzen C1 und C2 sind.
  • Zusätzlich zu den Eigenschaften, die hierin spezifisch unter Bezug auf CLDEs beschrieben wurden, versteht es sich, dass andere hierin vorangehend unter Bezug auf CFRAAE-Vorrichtungen beschriebene Eigenschaften auch für die Verwendung bei CLDEs angepasst werden können, und umgekehrt. Allgemeiner, obwohl in den hierin beschriebenen bevorzugten Ausführungen Aspekte kapazitiver Bewegungscodierer in bestimmten Kombinationen und Konfigurationen gezeigt werden, können gleichartige Elemente und Eigenschaften angepasst und in anderen, auf den Prinzipien der vorliegenden Erfindung basierten Vorrichtungen umgruppiert werden. In dieser Hinsicht können erfinderische Eigenschaften, die unter Verweis auf einen der hierin definierten sechs Codierertypen beschrieben wurden, typischerweise auch auf andere Typen angewendet werden. Alle derartigen Kombinationen und Unterkombinationen, Anpassungen und Konfigurationen werden als innerhalb der Reichweite der vorliegenden Erfindung liegend betrachtet.
  • Es ist daher anzuerkennen, dass die oben beschriebenen bevorzugten Ausführungen als Beispiele angeführt werden und die vollständige Reichweite der Erfindung nur durch die Ansprüche begrenzt wird.

Claims (19)

  1. Kapazitiver Bewegungscodierer (140) zum Erfassen der Position eines sich relativ zu einem stationären Objekt bewegenden Objekts (150), mit wenigstens einem stationären Element (141, 142), das mit dem stationären Objekt gekoppelt ist; einem sich bewegenden Element (148), das mit dem sich bewegenden Objekt gekoppelt ist und sich in der Nähe des stationären Elements befindet; einem Feldsender (172), der ein elektrostatisches Feld erzeugt, das durch eine Kapazitätsänderung zwischen dem stationären Element und dem sich bewegenden Element in Reaktion auf eine relative Bewegung der Elemente moduliert wird; einer leitenden Abschirmung (173), die sowohl von dem sich bewegenden Objekt als auch von dem stationären Objekt elektrisch entkoppelt ist; und einer Verarbeitungsschaltungsanordnung (138), die so angeschlossen ist, dass sie das modulierte elektrostatische Feld erfasst und in Reaktion darauf einen Messwert für die Position des sich bewegenden Objekts bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Abschirmung das sich bewegende Element und das stationäre Element umschließt, ohne das sich bewegende Objekt zu umschließen, und einen Schlitz (137) aufweist, durch den das sich bewegende Element mit dem sich bewegenden Objekt mechanisch gekoppelt ist, während das sich bewegende Element und das stationäre Element innerhalb der Abschirmung gegenüber äußeren elektrischen Störungen abgeschirmt ist.
  2. Codierer nach Anspruch 1, bei dem das sich bewegende Element einen Rotor umfasst und das sich bewegende Objekt eine Drehwelle umfasst und bei dem das wenigstens eine stationäre Element wenigstens einen Stator umfasst, so dass die Verarbeitungsschaltungsanordnung einen Messwert der Drehposition der Welle bestimmt.
  3. Codierer nach Anspruch 2, bei dem die leitende Abschirmung wenigstens einen Abschnitt der Verarbeitungsschaltungsanordnung zusammen mit dem Rotor und dem wenigstens einen Stator umschließt.
  4. Codierer nach Anspruch 3, bei dem der wenigstens eine Stator und der Rotor gedruckte Leiterplatten umfassen, wobei auf wenigstens einer von ihnen wenigstens der Abschnitt der Verarbeitungsschaltungsanordnung montiert ist.
  5. Codierer nach Anspruch 2, bei dem der Rotor eine im Allgemeinen ebene Platte und eine im Wesentlichen nicht ebene, ringförmige Nabe für die Kopplung des Motors mit der Welle umfasst und bei dem sich die Abschirmung in die Ebene des Rotors in der Nähe der Nabe erstreckt, um zu verhindern, dass die elektrische Störung von der Welle zum Rotor wandert.
  6. Codierer nach Anspruch 2, wobei der Codierer so konfiguriert ist, dass sich der Rotor relativ zu dem Stator um wenigstens 360° drehen kann.
  7. Codierer nach Anspruch 1, mit einem mechanischen Gehäuse um das sich bewegende Element und um das stationäre Element, wobei das Gehäuse von der Abschirmung elektrisch entkoppelt ist.
  8. Codierer nach Anspruch 7, bei dem das wenigstens eine stationäre Element zwei im Allgemeinen parallele, voneinander beabstandete stationäre Elemente umfasst, wovon eines den Feldsender enthält und das andere einen Feldempfänger enthält, die miteinander im Gehäuse durch den Druck der Elemente gegen ein dazwischen befindliches flexibles leitendes Element elektrisch gekoppelt sind.
  9. Codierer nach Anspruch 1, bei dem das stationäre Element eine gedruckte Leiterplatte umfasst, die eine Verlängerung enthält, die durch die Abschirmung vorsteht und mit der eine elektrische Verbindung mit dem Codierer hergestellt wird.
  10. Codierer nach Anspruch 1, bei dem der Feldsender an dem stationären Element befestigt und so mit ihm gekoppelt ist, dass er einen Teil der leitenden Abschirmung bildet.
  11. Codierer nach Anspruch 1, bei dem der Feldsender an dem stationären Element befestigt ist und bei dem auf dem sich bewegenden Element ein elektrisch aktives Muster ausgebildet ist, das das elektrostatische Feld moduliert.
  12. Codierer nach Anspruch 11, bei dem das elektrisch aktive Muster ein dielektrisches Material enthält.
  13. Codierer nach Anspruch 11, bei dem das elektrisch aktive Muster ein leitendes Material enthält.
  14. Codierer nach Anspruch 13, bei dem das leitende Material mit der Verarbeitungsschaltungsanordnung gekoppelt ist und als ein Empfänger des elektrostatischen Feldes dient.
  15. Codierer nach Anspruch 13, bei dem das wenigstens eine stationäre Element einen Empfänger des elektrostatischen Feldes umfasst, der mit der Verarbeitungsschaltungsanordnung gekoppelt ist.
  16. Codierer nach Anspruch 15, bei dem das leitende, elektrisch aktive Muster auf dem sich bewegenden Element auf einem im Allgemeinen konstanten Potenzial gehalten wird.
  17. Codierer nach Anspruch 15, bei dem das leitende, elektrisch aktive Muster auf dem sich bewegenden Element elektrisch schwebend ist.
  18. Codierer nach Anspruch 15, bei dem das wenigstens eine stationäre Element ein einziges Element umfasst, an dem sowohl der Sender als auch der Empfänger befestigt ist.
  19. Codierer nach Anspruch 16, mit einem zweiten stationären Element, an dem sowohl ein Sender als auch ein Empfänger befestigt sind.
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