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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine kapazitive Wegmessvorrichtung,
die für
eine kleine Messvorrichtung, wie z.B. ein elektrisches Mikrometer,
ein Lochprüf-,
Messuhr-Winkelmessgerät und dergleichen
verwendet werden.
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Zahlreiche
kapazitive Messvorrichtungen zur Durchführung von Linear- oder Winkelmessungen wurden
bereits entwickelt, in welchen zwei Skalen, auf welchen jeweils
kapazitiv gekoppelte Elektroden angeordnet sind, in Bezug zueinander
verschoben werden, und die relativen Positionen der zwei Skalen bestimmt
werden, indem die Kapazitätsänderung zwischen
den Elektroden gemessen wird. Die Genauigkeit dieser kapazitiven
Messsensoren wird durch die Teilungsanzahl der Elektroden auf den
Skalen bestimmt. Daher ist es für
die Erzielung einer hohen Auflösung
erforderlich, wenigstens eine von den Sendeelektroden und Empfangselektroden
zu verfeinern.
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29 stellt
eine Übersichtsdarstellung
einer herkömmlichen
kapazitiven Wegmessvorrichtung ähnlich
der von US-A-4 578 868 dar. Die Vorrichtung weist erste und zweite
Skalen auf, die relativ zueinander verschiebbar sind. Auf der ersten
Skala sind mehrere erste Übertragungselektroden 1 mit
einem konstanten Abstand angeordnet und eine Empfangselektrode 4 ist
entlang der Längsrichtung
der Skala angeordnet. In diesem Falle besteht jede Einheit der ersten
Sendeelektroden 1 aus acht Elektroden. 8-Phasen-Sinuswellensignale
mit, welche auf der Basis eines Taktimpulses aus einem Oszillator
getaktet sind, und deren Phasen wechselseitig um 45° verschoben
sind, werden von einer Impulsmodulationsschaltung 6 zur
Zuführung
an die ersten Sendeelektroden 1 erzeugt. Daher ist die
Breite jeder Einheit der Sendeelektroden 1 gleich einem
Sendewellenlängenraster
Wt1.
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Auf
der zweiten Skala sind zweite Empfangselektroden 2 mit
einem Raster Pr2 gleich dem Sendewellenlängenraster Wt1 angeordnet,
welche kapazitiv mit vier Sendeelektroden 1 auf der ersten
Skala gekoppelt sind. Ferner sind auf der zweiten Skala zweite Sendeelektroden 3 angeordnet,
welche elektrisch mit den zweiten Empfangselektroden 2 verbunden
sind und kapazitiv mit der ersten Empfangselektrode 4 auf
der ersten Skala gekoppelt sind. Die erste Empfangselektrode 4 ist
mit einer Messschaltung 7 verbunden.
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In
der Vorrichtung gemäß vorstehender
Beschreibung variiert, wenn die ersten und zweiten Skalen relativ
bewegt werden, die Phase des empfangenen Signals aufgrund der kapazitiven
Kopplung zwischen den ersten Sendeelektroden 1 und der
zweiten Empfangselektroden 2. Es ist möglich, den Weg durch Erfassen
der Phasenvariation des empfangenen Signals zu messen. In diesem
Falle ist es, da die Vorrichtung 8 Sendeelektroden aufweist,
und diese Elektroden durch mehrphasige Signale angesteuert werden,
die in Bezug zueinander um 45° phasenverschoben
sind, möglich,
eine Messposition innerhalb einer Genauigkeit von πr2/8 zu bestimmen.
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Wenn
die ersten und zweiten Skalen in der vorstehend beschriebenen kapazitiven
Messvorrichtung aus koaxial zylindrischen Elementen ausgebildet
sind, ist es möglich,
einen kleinen zylindrischen Wegsensor zu erzielen.
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30A und 30B stellen
ein Beispiel eines erweiterten Elektrodenmusters eines äußeren zylindrischen
Elementes (d.h., eines Stators) und eines inneren zylindrischen
Elementes (d.h., eines Rotors) in einem derartigen zylindrischen
Wegsensor dar. Gemäß Darstellung
in diesen Figuren sind zwei Einheiten A, B der ersten Sendeelektroden 1,
wovon jede Einheit acht Elektroden aufweist, und eine erste Empfangselektrode 4 auf
der Innenoberfläche
der Stators ausgebildet. Zwei Einheiten den ersten Sendeelektroden 1 gegenüberliegender
zweiter Empfangselektroden 2 und der ersten Empfangselektrode 4 gegenüberliegender
zweiter Empfangselektroden 3 sind auf der Außenoberfläche des
Rotors ausgebildet.
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Zur
Herstellung eines derartigen zylindrischen Wegsensors ist es erforderlich,
Elektrodenmuster auf einer zylindrischen Oberfläche zu erzeugen. Verschiedene
Verfahren zum Erzeugen derartiger Elektrodenmuster, insbesondere
der Elektrodenmuster auf dem Stator wurden beispielsweise wie folgt
bereitgestellt: (1) Elektrodenmuster werden auf einem flexiblen
gedruckten Schaltungssubstrat (FPC) erzeugt, dann das FPC an der
Innenoberfläche
eines zylindrischen Elementes befestigt (siehe US Patent 5 239 307);
(2) Elektrodenmuster werden auf der Oberfläche eines zylindrischen Elementes mittels
Laserstrahlbearbeitung (siehe Deutsches Patent Nr. 3 426 750) erzeugt.
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Ferner
ist es für
die Ausführung
einer hoch genauen Messung erforderlich, den Stator und den Rotor
mit einer hohen Konzentrizität
anzuordnen. Es ist jedoch schwierig, eine hohe Konzentrizität in einem
kleinen zylindrischen Sensor zu erzielen. Zum Erzielen einer hoch
präzisen
Messung, obwohl die Konzentrizität
schlecht ist, ist es erforderlich, wenigstens zwei Elektrodeneinheiten
gemäß Darstellung
in 30A und 30B anzuordnen.
Wenn zwei Elektrodeneinheiten in einer Winkeleinrichtung angeordnet
werden, kann der Einfluss einer Fehlausrichtung zwischen dem Stator
und dem Rotor annulliert werden, indem die zwei Ausgangssignale
der Elektrodeneinheiten gemittelt werden.
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Jedoch
bleiben verschiedene Probleme in derartigen zylindrischen Wegsensoren
der herkömmlichen
Technik bestehen. Erstens ist es schwierig, Elektrodenmuster auf
einem zylindrischen Element unter Verwendung der vorstehend erwähnten Verfahren
zu erzeugen. Insbesondere ist, je kleiner das zylindrische Element
ist, desto schwieriger der Prozess für die Herstellung der genauen
Muster. Zweitens ist es schwierig, die Elektrodenmuster auf der
Innenoberfläche
des zylindrischen Elementes mit einer externen Messschaltung zu
verbinden, und einen Stator und einen Rotor zusammenzubauen. Wenn
es erforderlich ist, zwei Elektrodeneinheiten zum Lösen des
Problems der Konzentrizität
zu erzeugen, wird die Verdrahtung zwischen dem Sensor und der externen
Messschaltung noch komplizierter, und der Betriebsprozess wird ebenfalls
komplizierter. Da, wie vorstehend beschrieben, Probleme zu lösen sind, wird
der zylindrische Wegsensor in der Praxis noch nicht eingesetzt.
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FR-A-1
226 147 beschreibt einen Positionsdetektor unter Verwendung einer
spiralig gewickelten Elektrode zur Verwendung in einem kapazitiven Überwachungssystem.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung weist eine kapazitive Messvorrichtung zum Messen einer relativen
Position zwischen ersten und zweiten Elementen, welche so angeordnet
sind, dass sie relativ zueinander mit einem vorbestimmten Spalt
beweglich sind, auf: eine Anordnung von Sendeelektroden, die auf
dem ersten Element angeordnet sind, eine Einrichtung zum Liefern
von Wechselspannungssignalen mit sich voneinander unterscheidenden
Phasen an jede Sendeelektrode; eine Empfangselektrode, die auf dem
ersten Element so angeordnet ist, dass sie von der Anordnung der
Sendeelektroden isoliert ist; und eine Kopplungselektrode, die auf
dem zweiten Element so angeordnet ist, dass sie kapazitiv mit den
mehreren Elektroden in der Anordnung der Sendelektroden und der
Empfangselektrode gekoppelt ist, wobei die Empfangselektrode mit
einer Messschaltung verbunden ist, wodurch ein von der Empfangselektrode
ausgegebenes und einer relativen Position zwischen dem ersten und
zweiten Element entsprechendes elektrisches Signal im Gebrauch an die
Messschaltung geliefert wird, wobei
eines von den ersten und
zweiten Elementen ein inneres Element mit einer zylindrischen Außenoberfläche ist,
das andere ein äußeres Element
mit einer zylindrischen Innenoberfläche ist, welche der Außenoberfläche über einen
vorbestimmten Abstand gegenüberliegt,
und wobei die ersten und zweiten Elemente entweder in axialer oder
Winkelrichtung relativ beweglich zueinander gehalten werden;
die
Anordnung der Sendeelektroden und der Empfangselektrode auf einer
von der Außenoberfläche des
inneren Elementes und der Innenoberfläche des äußeren Elementes angeordnet
sind, und die Kopplungselektrode auf der anderen angeordnet ist,
und
sowohl die Anordnung der Sendeelektroden als auch die Kopplungselektrode
spiralförmige
Muster mit demselben Steigungswinkel haben.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine kapazitive Messvorrichtung bereit,
welche keine hohe Konzentrizität
erfordert, wodurch die Elektrodenmuster vereinfacht werden können.
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Durch
die Verwendung einer Kombination eines vollständigen Zylinders und eines
unvollständigen
Zylinders, oder einer Kombination von zwei unvollständigen Zylindern
für einen
Stator und einen Rotor und durch Anordnen der Sendeelektroden und der
Kopplungselektroden mit spiralförmigen
Mustern ist es möglich,
einen Wegsensor zum Messen eines Winkelweges zu erzielen. In dem
Wegsensor wird, selbst wenn die Stifte zwischen dem Rotor und dem Stator
fehl ausgerichtet sind, der Spalt zwischen den einander gegenüberliegenden
Sendeelektroden und Kopplungselektroden in der Winkelrichtung so
gemittelt, dass er angenähert
konstant ist. Daher ist es, selbst wenn die Konzentrizität nicht
hoch ist, möglich, eine
hoch genaue Messung zu erzielen. Ferner kann, wenn auf jedem von
dem Stator und Rotor zwei Sätze
von Elektrodenmustern mit zu einander umgekehrten Mustern angeordnet
sind, der Einfluss einer Fehlausrichtung in axialer Richtung zwischen
dem Stator und dem Rotor annulliert werden, und es ist möglich, den
Winkelweg mit hoher Genauigkeit zu messen.
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In
den beigefügten
Zeichnungen stellt bzw. stellen dar:
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1A und 1B eine
Draufsicht und eine Querschnittsansicht des Hauptabschnittes eines elektrischen
Mikrometers mit einem Rotationscodierer gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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2A bis 2D schematische
Beispiele des Rotationscodierers.
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3 einen
Aufbau einer Signalverarbeitungsschaltung für den Rotationscodierer.
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4A bis 4C Rotationscodierer
gemäß weiteren
Ausführungsformen.
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5A und 5B Elektrodenmuster
eines Rotationscodierers gemäß einer
weiteren Ausführungsform.
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6A und 6B Elektrodenmuster
eines Rotationscodierers gemäß einer
weiteren Ausführungsform.
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7 ein
Beispiel einer Signalverarbeitungsschaltung des Rotationscodierers.
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8 Signalwellenformen
der Signalverarbeitungsschaltung in 7.
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9A und 9B Elektrodenmuster
eines Rotationscodierers gemäß einer
weiteren Ausführungsform.
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10A und 10B Elektrodenmuster
eines Rotationscodierers gemäß einer
weiteren Ausführungsform.
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11 ein
Beispiel einer Signalverarbeitungsschaltung des Rotationscodierers.
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12A und 12B Elektrodenmuster
eines Rotationscodierers gemäß einer
weiteren Ausführungsform.
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13 eine
kleine Messvorrichtung, die einen Rotationscodierers gemäß einer
Ausführungsform
enthält.
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14 einen
Rotationscodierer gemäß einer Ausführungsform.
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15 einen
Rotationscodierer gemäß einer Ausführungsform.
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16A und 16B eine
kleine Messvorrichtung, die einen Rotationscodierer gemäß einer Ausführungsform
enthält.
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17A bis 17C einen
Linearcodierer gemäß einer
weiteren Ausführungsform.
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18A und 18B Elektrodenmuster
eines Linearcodierers gemäß einer
weiteren Ausführungsform.
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19A bis 19C einen
Rotationscodierer gemäß einer
weiteren Ausführungsform.
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20A und 20B Elektrodenmuster
eines Rotationscodierers gemäß einer
weiteren Ausführungsform.
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21A und 21B Elektrodenmuster
eines Rotationscodierers gemäß einer
weiteren Ausführungsform.
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22A und 22B Elektrodenmuster
eines Rotationscodierers gemäß einer
weiteren Ausführungsform.
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23 Elektrodenmuster
eines Rotationscodierers gemäß einer
weiteren Ausführungsform.
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24A und 24B Elektrodenmuster
eines Rotationscodierers gemäß einer
weiteren Ausführungsform.
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25A und 25B Elektrodenmuster
eines Rotationscodierers gemäß einer
weiteren Ausführungsform.
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26A bis 26C einen
Linearcodierer gemäß einer
weiteren Ausführungsform.
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27A und 27B ein
Verfahren zum Herstellen von Elektrodenmustern auf der Außenoberfläche des
Zylinders.
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28 ein
Verfahren zum Herstellen von Elektrodenmustern auf der Innenoberfläche des
Zylinders.
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29 ein
Prinzip für
den Aufbau eines herkömmlichen
Codierers.
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30A und 30B einen
Aufbau eines herkömmlichen
zylindrischen Codierers.
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In
den nachstehend beschriebenen Rotationscodierern gemäß den Ausführungsformen
dienen zylindrische innere Elemente als Rotoren und zylindrische
oder unvollständig
zylindrische äußere Elemente,
die die inneren Elemente umgeben, dienen als Statoren. Elektrodenmuster
sind auf den Außenoberflächen der
Rotoren und den Innenoberflächen der
Statoren ausgebildet. Jedoch ist es abhängig von den Anwendungen möglich, die
Funktion der inneren und äußeren Elemente
so zu vertauschen, dass die inneren Elemente als Statoren und die äußeren Elemente
als Rotoren dienen. In allen Modi ist es zu bevorzugen, dass die
Sende- und Empfangselektroden, welche mit den Treiber- und Messschaltungen
verbunden sind, auf den Statoren ausgebildet sind.
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1 stellt ein elektrisches Mikrometer gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar. In dem Mikrometer wird eine Spindel 101 in
einem Gehäuse 103 festgehalten
und kann mittels eines Knopfes 102 verschoben werden. In dem
Gehäuse 103 ist
ein Rotationscodierer 10 zur Messung des Wegs der Spindel 101 eingebaut,
und der gemessene Wert wird auf einer Anzeige 104 dargestellt.
Mehrere Schalter 105 sind in der Nähe der Anzeige 104 montiert.
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1B ist
ein vergrößerter Querschnitt
um einen Bereich 106 in 1A, um
den eingebauten Zustand des Rotationscodierers 10 darzustellen.
Der Rotationscodierer 10 weist einen auf der Spindel 101 befestigten
Rotor 12 und einen auf der Innenoberfläche des Gehäuses 103 so eingebauten
Stator 11 auf, dass er der Außenoberfläche des Rotors 12 gegenüberliegt.
Der Rotor 12 besteht aus einem zylindrischen Stift koaxial
zu der Spindel 101, und der Stator 11 besteht
aus einer halben zylindrischen Hülse,
welche eine unvollständige
der Außenoberfläche des Rotors 12 mit
einem vorbestimmten Spalt gegenüberliegende
Innenoberfläche
aufweist. Eine an dem Endabschnitt des Rotors 12 angebrachte
Schraube 108 ist in einer auf der Außenoberfläche des Rotors 12 ausgebildeten
Längsnut 111 so
festgehalten, dass sie entlang der Nut 107 verschiebbar
ist. Der Rotor 12 wird mittels einer Feder 109 an
die Innenoberfläche
des Gehäuses 103 angedrückt, um
einen Weg in der axialen Richtung gegenüber dem Gehäuse 103 zu verhindern.
Wenn sich die Spindel 101 dreht und linear in axialer Richtung
verschiebt, dreht sich der Rotor 12 zusammen mit der Spindel 101,
verschiebt sich aber in der axialen Richtung nicht. Daher ist der Rotor 12 nur
in einer Winkelrichtung gegenüber
dem Stator 11 in Abhängigkeit
von dem Rotations- und Linearweg der Spindel 101 beweglich,
wodurch der Rotationsweg gemessen werden kann.
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2A und 2B stellen
den eingebauten Zustand bzw. die Seitenansicht des Rotationscodierers 10 dar. 2C und 2D stellen
die Innenoberfläche
des Stators 11 und die Außenoberfläche des Rotors 12 dar,
welche jeweils abgewickelt sind. Der Rotor 12 ist koaxial
zu dem Stator 11 mit einem vorbestimmten Abstand von 0,1
bis 0,2 mm so angeordnet, dass er relativ bewegbar ist.
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Gemäß Darstellung
in 2C ist auf der Innenoberfläche des Stators 11 eine
Anordnung von Sendeelektroden 13 und einer Empfangselektrode 14 angeordnet,
welche voneinander isoliert sind. Die Anordnung der Sendeelektroden 13 ist
mit rechteckigen Mustern longitudinal in axialer Richtung in einem vorbestimmten
Raster in der Winkelrichtung angeordnet. Die Anordnung der Sendeelektroden 13 in dieser
Ausführungsform
besteht aus einer Einheit von N Elektroden (N ist ein geradzahliges
Vielfaches von 2 oder mehr). N Wechselspannungssignale, welche um
360°/N zueinander
verschoben sind, werden in einer numerischen Reihenfolge den N Sendeelektroden 13 zugeführt. In
dieser Ausführung
ist N = B. Die Empfangselektrode 14 ist in der Nähe zu der Sende elektrodenanordnung 13 in
axialer Richtung auf der Innenoberfläche des Stators 11 mit
einem rechteckigen Muster longitudinal in Winkelrichtung angeordnet.
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Die
Sendeelektrodenanordnung 13 und die Empfangselektrode 14 sind übrigens
zusammen mit Zuleitungen 15, 16 auf einem FPC-Substrat 17 gemäß Darstellung
durch eine gestrichelte Linie ausgebildet, und das FPC-Substrat 17 ist
an der Innenoberfläche
des Stators 11 befestigt. Die Zuleitungsdrähte 15 und 16 sind
aus jeder Kante des Stators 11 herausgeführt und
mit einer externen Treiber/Mess-Schaltung verbunden.
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Auf
der Außenoberfläche des
Rotors 12 sind gemäß Darstellung
in 2D zwei Kopplungselektroden 18 und zwei
Masseelektroden 19 angeordnet. Die Kopplungselektroden 18 sind
mit rechteckigen Mustern ausgebildet, deren Länge in axialer Richtung der
Muster die Sendeelektrodenanordnung 13 und die Empfangselektrode 14 überdeckt,
und deren Breite in Winkelrichtung vier Sendeelektroden 13 überdeckt.
Die Kopplungselektroden 18 dienen zum Empfangen der von
der Sendeelektrodenanordnung 13 gesendeten Signale mittels
kapazitiver Kopplung, und dienen dazu, das empfangene Signal an
die Empfangselektrode 14 mittels kapazitiver Kopplung zu
senden. Diese Elektroden 18 und 19 sind übrigens auf
einem FPC-Substrat ausgebildet und an der Außenoberfläche des Rotors 12 befestigt.
Die Masseelektroden 19 können weggelassen sein.
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Die
Anordnung der Elektroden in dem Rotationscodierer gemäß der Ausführungsform
ist äquivalent
zu der des in den 30A, 30B dargestellten
herkömmlichen
Codierers. Daher ist der Halbzyklus πr (wobei r der Radius der Außenoberfläche des Rotors 12 ist)
gleich dem in den 30A, 30B dargestellten
Sendewellenlängenraster
Wt1 und dem Empfangselektrodenraster Pr2. Demzufolge ist es gemäß dieser
Ausführungsform
möglich,
den Winkelweg mit einer Genauigkeit von πr/8 oder größer zu messen.
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3 stellt
einen Übersichtsaufbau
der Treiber/Messschaltung des Rotationscodierers 10 dar. Diese
Schaltung enthält
einen Oszillator 21, welcher ein Taktsignal erzeugt, und
einen Impulsmodulator 22, welcher mit dem Taktsignal synchronisierte
und zueinander um 45° phasenverschobene
Wechselspannungssignale mit acht Phasen an die Sendeelektrodenanordnung 13 ausgibt.
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Das
Ausgangssignal der Empfangselektrode 14, welches sich entsprechend
der Relativdrehung zwischen dem Rotor 12 und dem Stator 11 verändert, wird
an einen Integrator 23 gegeben, dann das Ausgangssignal
des Integrators 23 an einen Phasenkomparator 14 weitergegeben.
Der Komparator 24 vergleicht die Phasendifferenz zwischen
dem Eingangssignal und einem Bezugssignal und detektiert einen relativen
Weg zwischen dem Rotor 12 und dem Stator 11, der
einem Betrag der Phasenverschiebung entspricht. Das Ausgangssignal
des Komparators 24 wird in einen Zähler 25 eingegeben.
Der Zähler 25 zählt die
Taktsignale aus dem Oszillator 21 in Abhängigkeit
von dem detektierten Signal des Komparators 24 und der
Betrag des relativen Weges zwischen dem Rotor 12 und dem
Stator 11 wird auf der Anzeige 26 mit numerischen
Werten dargestellt.
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Gemäß der Ausführungsform
ist es, da der Stator 11 aus einem Halbzylinderelement
besteht, leicht, die Elektrodenmuster und die Zuleitungsdrähte auf
der Innenoberfläche
des Stators 11 unter Verwendung eines FPC-Substrates zu
erzeugen. Selbst wenn das FPC-Substrat nicht verwendet wird, können die
Elektrodenmuster leicht auf der Innenoberfläche des Stators beispielsweise
unter Anwendung einer Laserstrahlbearbeitungstechnologie ausgebildet werden.
Alternativ kann, da der Stator 11 eine Längsöffnung in
axialer Richtung aufweist, ein Laserstrahl leicht auf die Innenoberfläche des
Stators 11 durch die Öffnung
hindurch aufgestrahlt werden. Es ist auch leicht, die Zuleitungsdrähte mit
den Elektrodenmustern auf der Innenoberfläche des Stators 11 durch
Löten,
Thermokompressionsverbindung und dergleichen zu verbinden.
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4A und 4B,
welche jeweils den 2C und 2D entsprechen,
stellen die abgewickelten Elektrodenmuster gemäß einem weiteren Beispiel des
Rotationscodierers 10 dar. Gemäß Darstellung in 4A besteht
die Sendeelektrodenanordnung 13 auf der Innenoberfläche des
Stators 11 aus N Elektroden, die parallel zueinander mit
spiralförmigen
Mustern (wobei N = 8 in dieser Ausführung ist) angeordnet sind.
Die Empfangselektrode 14 ist in der Nähe zu der Sendeelektrodenanordnung 13 in
einer axialen Richtung mit einem rechteckigen Muster longitudinal
in Winkelrichtung angeordnet. Die Kopplungselektroden 18 auf
der Außenoberfläche des
Rotors 12 gemäß Darstellung
in 4B weisen der Sendeelektrodenanordnung 13 gegenüberliegende Empfangsabschnitte 18a und
eine der Empfangselektrode 14 gegenüberliegenden Sendeabschnitt 18b auf.
Die Empfangsabschnitte 18a sind aus spiralförmigen Mustern
mit demselben Steigungswinkel wie die Sendeelektrodenanordnung 13 ausgebildet,
und der Sendeab schnitt 18b ist aus einem rechteckigen Muster ähnlich dem
der Empfangselektrode 14 ausgebildet und mit den Empfangsabschnitten 18a verbunden.
In 4B ist der Überlappungszustand
zwischen der Sendelektrodenanordnung 13, der Empfangselektrode 14,
und den Kopplungselektroden 18 durch gestrichelte Linien
dargestellt. Die Kopplungselektroden 18 sind in demselben
Raster Pr wie die Sendewellenlänge
Wt1 mit Breiten angeordnet, welche vier Sendeelektroden 13 überdecken.
In dem Rotationscodierer von 2 ist
die Phasenänderung
in einer Umdrehung des Rotors 12 gleich 360° × 2 = 720°. Im Gegensatz
dazu ist in dem Rotationscodierer in 4 die
Phasenänderung
in einer Umdrehung des Rotors 12 gleich 360°.
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In
dieser Ausführungsform
können
die Elektrodenmuster und die Zuleitungsdrähte auf einem FPC-Substrat
in derselben wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform
erzeugt werden. In diesem Falle werden gemäß Darstellung in 4C das
FPC-Substrat 17,
auf welchem die Zuleitungen 15, 16 ausgebildet
sind, nicht von den Kanten, sondern aus der Seitenöffnung des
Stators 11 herausgeführt.
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Gemäß der Ausführungsform übt, selbst wenn
die Konzentrizität
zwischen dem Stator 11 und dem Rotor 12 nicht
ausreicht, die Einbaugenauigkeit keinen großen Einfluss auf die Messgenauigkeit
aus, da als Folge der Verwendung der spiralförmigen Elektrodenmuster die
Intensität
der Ausgangssignale in einer Winkelrichtung ausgeglichen wird. Ferner wird,
da die Zuleitungen 15, 16 in senkrechter Richtung
zu der Achse des Codierers herausgeführt werden, die Interferenz
zwischen den Kopplungselektroden 18 auf dem Rotor 12 und
den Zuleitungen 15, 16 verringert.
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5A und 5B stellen
Elektrodenmuster gemäß einer
weiteren Ausführungsform
dar, die den 4A bzw. 4B entsprechen.
In dieser Ausführungsform
ist die Empfangselektrode 14 auf dem Stator 11 in
der Nähe
der Sendeelektrodenanordnung 13 in einer Winkelrichtung
angeordnet und weist ein rechteckiges Muster longitudinal in axialer Richtung
auf. Die Kopplungselektrode 18 auf der Außenoberfläche des
Rotors 12 ist aus nur einem einzigen Spiralmuster ausgebildet,
das kapazitiv sowohl mit der Sendeelektrodenanordnung 13 als
auch der Empfangselektrode 14 mit demselben Steigungswinkel
wie die Sendeelektrodenanordnung 13 gekoppelt ist. Alternativ
kann der Empfangsabschnitt der Kopplungselektrode 18, welcher
kapazitiv mit der Sendelektrodenanordnung 13 gekoppelt
ist, nicht von dem Sendeabschnitt der Kopplungselektrode 18 unterschieden
werden, welche kapazitiv mit der Empfangselektrode 14 gekoppelt
ist, und diese Abschnitte sind in einem zusammenhängenden
Spiralmuster ausgebildet.
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Gemäß dieser
Ausführungsform
wird die Abweichung der Spalte zwischen allen Sendeelektroden 13 und
der Kopplungselektrode 18, und die Abweichung der Spalte
zwischen der Kopplungselektrode 18 und der Empfangselektrode 14 zur
Verkleinerung ausgeglichen.
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6A und 6B stellen
vergrößerte Elektrodenmuster
gemäß einer
weiteren Ausführungsform,
welche jeweils den 4A bzw. 4B entsprechen,
dar. In dieser Ausführungsform
ist die Kopplungselektrode 18 in mehrere Elektroden unterteilt,
die gleichmäßig in einem
durch Unterteilung der Sendewellenlänge Wt1 durch eine ganze Zahl
n (= 2 oder größer) erzielten
Raster beabstandet sind. Genauer gesagt wird die Kopplungselektrode 18 in
den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen in fünf Elektroden
unterteilt, und dann diese Elektroden in einem Raster von 2πr/10 in spiralförmigen Mustern angeordnet.
Obwohl die Anordnung 13 mit acht Sendeelektroden dasselbe
Muster wie das von 4A aufweist, sind die Phasen
der Wechselspannungssignale gegenüber denen in 4A unterschiedlich. Alternativ
werden 8-Phasen-Wechselspannungssignale,
deren Phasen sequenziell um 135° verschoben sind,
den Sendeelektroden 13 gemäß Darstellung in 6A zugeführt. Gemäß dieser
Ausführungsform ist,
wenn der Rotor 12 eine 1/10-Umdrehung (d.h., 36°) ausführt, die
Phasenänderung
des Ausgangssignals genau 360°.
Mit anderen Worten, wenn der Rotor 12 eine Umdrehung ausführt, ändert sich
das Ausgangssignal über
zehn Perioden. Das Prinzip des Messverfahrens und der detaillierten
Messschaltung in der vorstehend erwähnten Ausführungsform wurde im Detail
in der Beschreibung des US Patentes 4 878 013 beschrieben.
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7 stellt
die Messschaltung dar und 8 stellt
die Signalwellenformen und die Beziehungen zwischen den Signalen
dar, wobei die horizontale Achse als Zeit dient. In 7 ist
ein Block 100 ein Rotationscodierer. Mehrere Wechselspannungssignale
mit voneinander unterschiedlichen Phasen werden den Sendeelektroden
zugeführt.
Ein Oszillator 400, welcher ein Wechselspannungssignal
mit einer gewählten
Frequenz zwischen 100 bis 200 kHz erzeugt, wird als eine Signalerzeugungsquelle
verwendet. Ein Ausgangssignal f0 des Oszillators 400 wird durch
einen Frequenzteiler 600 geteilt, und dann in acht Wechselspannungssignale
ungewandelt, deren Phasen bei einem Phasentransformator 340 um 135° zueinander
verschoben werden. Dann werden die Wechselspannungssignale mit dem
Ausgangssignal f0 bei dem Modulator 620 zu
den acht Signalen 200-1, 200-2,... 200-8 moduliert, welche den Sendeelektroden
zugeführt
werden.
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Der
Rotationscodierer 100 wird von den Ausgangssignalen 202 aus
dem Modulator 620 angesteuert, und gibt ein Wegsignal von
der Empfangselektrode aus. Das Wegsignal wird durch einen Differenzverstärker 640 verstärkt, um
als ein Signal 204 ausgegeben zu werden. Die Hüllkurve
des Ausgangssignals 204 ist gemäß Darstellung in 8 eine
Sinuswellenform. Das Ausgangssignal 204 wird dann in einem
Demodulator 660 demoduliert, welcher mit dem Ausgangssignal
f0 des Oszillators 400 synchronisiert
ist. Durch Vergleichen der Phase des demodulierten Signals 206 und
des Bezugssignals 300, das erzeugt wird, wenn sich der
Rotor an einem Bezugspunkt befindet, wird eine Phasendifferenz ϕ erhalten.
Die Phasendifferenz ϕ ist durch die relative Position zwischen
dem Rotor und dem Stator bestimmt.
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Das
harmonische Komponenten enthaltende demodulierte Signal 206 wird
durch ein Filter 680 geführt, um das weniger gestörte Signal 208 zu
erhalten. Das Signal 208 wird in eine Nulldurchgangsschaltung 700 eingegeben,
um eine Nulldurchgangsposition der Wellenform zu detektieren. In
dieser Schaltung wird ein Zähler 720 als
eine digitale Berechnungseinrichtung verwendet, um die vorstehend erwähnte Phasendifferenz ϕ zu
erhalten.
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Die
Rücksetz/Start-Signale
für den
Zähler 720 sind
mit dem Auslösersignal
des Demodulators 660 und einer Steuerschaltung 800 synchronisiert. Das
Nulldurchgangssignal des Bezugssignals wird als ein Startauslöser des
Zählers 720 verwendet.
Der Zähltakt
wird durch das Ausgangssignal f0 des Oszillators 400 gesteuert.
Die Zähloperation
wird durch das Ausgangssignal der Nulldurchgangsschaltung 700 beendet.
Alternativ erzeugt die Nulldurchgangsschaltung 700 ein
Stoppsignal an der Position, die der Phasendifferenz ϕ entspricht,
wie es in 8 dargestellt ist.
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Ein
Zählwert 210 in
dem Zähler 720 stellt
einen Betrag der Phasenverschiebung des Bezugssignals 300 durch
den Rotationscodierer 100 dar. Der der Phasendifferenz
entsprechende Zählwert 210 wird
in einer Berechnungsschaltung 740 zur Umwandlung in ein
Positionssignal verarbeitet. Das umgewandelte Positionssignal wird über einen
Treiber 760 an eine Anzeige 780 geliefert. Die
Anzeige 780 zeigt einen gemessenen Wert in digitaler Weise
an.
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9A und 9B stellen
Elektrodenmuster in einem Rotationscodierer gemäß einer weiteren Ausführungsform
dar, welcher A-, B-Sätze
von in 4A und 4B dargestellten
Elektrodenmustern aufweist. Die Empfangselektrode 14 auf
der Innenoberfläche
des Stators 11 wird gemeinsam für die A- und B-Sätze verwendet.
Die Sendeelektrodenanordnung 13 in den A- und B-Sätzen weisen
zueinander umgekehrte Spiralmuster auf. Jede von entsprechenden
Sendeelektroden 13 in den A- und B-Sätzen wird gemeinsam durch dasselbe
Phasensignal angesteuert.
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Gemäß dem Elektrodenmuster
in dem Stator 11 sind die A- und B-Sätze der Kopplungselektroden 18 auf
der Außenoberfläche des
Rotors 12 in axialer Richtung mit zueinander umgekehrten
Spiralmustern angeordnet.
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Gemäß der Ausführungsform ändern sich die
Phasen von A- und B-Abschnitten in derselben Richtung in Abhängigkeit
von der Rotation des Rotors 12. Im Gegensatz dazu ändern sich
die Phasen von A- und B-Abschnitten in umgekehrten Richtungen zueinander
in Abhängigkeit
von der Linearbewegung des Rotors 121 in axialer Richtung.
Daher können
unnötige
Phasenverschiebungen in den A- und B-Sätzen automatisch in dem Ausgangssignal
annulliert werden. Demzufolge kann ein Einfluss einer Abweichung
in axialer Richtung reduziert werden.
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In
der Ausführungsform
der 9A, 9B, ist, je kleiner der Unterschied
zwischen den Signalintensitäten
in den A- und B-Abschnitten ist, desto größer der Effekt des Annullierungseinflusses
einer Abweichung in axialer Richtung. 10A und 10B stellen Elektrodenmuster gemäß einer
weiteren Ausführungsform
dar, die jeweils 9A und 9B entsprechen.
In dieser Ausführungsform
sind unterschiedlich zu den 9A, 9B die
Kopplungselektroden 18 voneinander zwischen den A- und
B-Abschnitten gemäß Darstellung
in 10B durch einen Trennungsbereich C getrennt. Gemäß der Trennung der
Kopplungselektroden 18 werden die Empfangselektroden 14 in
den A-, B-Abschnitten
des Stators 11 voneinander getrennt. Das Ausgangssignal
der Empfangselektroden 14 in A-, B-Abschnitten wird getrennt
zur Verarbeitung entnommen.
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Die
für die
Ausführungsform
in den 10A, 10B verwendete
Messschaltung ist in 11 dargestellt. Unterschiedlich
zu 3 werden zwei Ausgangssignale von den A-, B-Abschnitten des Rotationscodierers 10 durch
zwei Integratoren 23a, bzw. 23b integriert. Die
zwei Ausgangssignale aus den Integratoren 23a, 23b werden
in zwei Phasenkomparatoren 24a bzw. 24b verarbeitet.
Der Zähler 25 zählt Takte
aus dem Oszillator 21 in Abhängigkeit von den detektierten
Signalen der Phasenkomparatoren 24a, 24b, um Positionsdaten
auszugeben. In dem Zähler 25 werden
die Ausgangssignale A0, B0, die jeweils von den A-, B-Abschnitten
abgeleitet sind, gleichgesetzt, um das resultierende Signal gemäß der nachstehenden
Formel: (A0 + B0)/2 auszugeben.
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Mittels
dieser Ausführungsform
kann der Einfluss einer Schwankung in axialer Richtung effektiver
reduziert werden.
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12A und 12B stellen
Elektrodenmuster gemäß einer
weiteren Ausführungsform
dar, welche auf der Basis des Aufbaus in den 6A und 6B entwickelt
wurde. Gemäß Darstellung
in den 12A und 12B sind
A- und B-Sätze
von Elektrodenmustern auf dem Stator 11 bzw. dem Rotor 12 angeordnet.
Das Layout der Sendeelektroden 13 und der Empfangselektrode 14 auf
dem Stator 11 ist ähnlich
dem von 5A. In dieser Ausführungsform
sind die Empfangselektroden 14 in den A-, B-Sätzen gemeinsam
mit einer externen Messschaltung ähnlich wie in der Ausführungsform
der 9A und 9B verbunden.
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13 stellt
einen Aufbau einer kleinen Messvorrichtung dar, in welcher die vorstehend
beschriebenen Ausführungsformen
angewendet werden. Der Stator 11 und das Schaltungsmodul 32 sind aus
einem spritrgeformten Kunststoffprodukt als ein Körper ausgebildet.
Daher ist der Stator 11 kein einzelnes halbzylindrisches
Element, sondern weist eine halbe zylindrische Innenoberfläche auf,
welche dem Rotor 12 gegenüberliegt. Auf dem Modul 32 sind eine
LSI 33, ein LCD 34, Schalter 35, 36 und
weitere notwendige Teile montiert. Der Stator 11 weist
Elektrodenmuster und Zuleitungen auf, die auf der Innenoberfläche ähnlich wie
in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet sind, und
die Zuleitungen sind mit der LSI 33 verbunden. Die Elektrodenmuster
können
durch Befestigen eines FPC-Substrates oder durch Bearbeiten eines Metallfilms,
der direkt auf der Innenoberfläche
des Kunststoffproduktes abgeschieden ist, her gestellt werden. Der
Rotor 12 wird auf einer Spindel einer (nicht dargestellten)
Messmaschine unter Verwendung einer Positionsausrichtungsbuchse 31 befestigt,
und dann das Modul 32 mit der Buchse 31 verbunden.
Schließlich
werden eine Abdeckung 37 und eine Batterie 38 hinzugefügt.
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Gemäß vorstehender
Beschreibung kann die kleine Wegmessvorrichtung leicht in der Messmaschine
eingebaut werden
In der vorliegenden Erfindung ist es nicht
erforderlich, dass das unvollständige
Zylinderelement lediglich ein Halbzylinderelement ist. Beispielsweise
kann gemäß Darstellung
in 14 ein unvollständiger zylindrischer Stator 11,
der kleiner als die Hälfte
eines vollständigen
zylindrischen Elementes ist, verwendet werden. Gemäß Darstellung
in 15 kann ein unvollständiger Stator 11,
der größer als
die Hälfte
eines vollständigen
zylindrischen Elementes ist, ebenfalls verwendet werden. In der
Vorrichtung von 15 kann der zylindrische Rotor 12 nicht
in den Stator 11 durch die Seitenöffnung eingeführt werden, kann
aber in den Stator 11 durch die Kantenöffnung eingesetzt werden. In
diesem Falle ist es im Vergleich zu einem Falle, dass ein komplettes
zylindrisches Element verwendet wird, leichter, die Elektrodenmuster
zu erzeugen und die Zuleitungen herauszuführen.
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16A und 16B stellen
eine weitere Ausführungsform
dar, in welcher ein Stator auf einer Platte ausgebildet ist. Gemäß Darstellung
in 16A ist ein Statorabschnitt 41 auf einer
Platte 40 ausgebildet. Der Statorabschnitt 41 weist,
wie es in 16B dargestellt ist, dieselbe
Sendeelektrodenanordnung 13 und die Empfangselektrode 14 wie
in 4A aufgrund von Sputter- und Ätzprozessen auf. Auf der Platte 14 werden
auch von dem Statorabschnitt 41 aus verlängerte Zuleitungen 16, 17 zur
selben Zeit in den vorstehend beschriebenen Prozessen erzeugt.
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Eine
LSI 43 und ein LCD 44 sind auf der Platte 40 montiert.
Elektrische Leiter, welche die LSI 43 und das LCD 44 verbinden,
sind nicht dargestellt, aber auf der Platte 40 ausgebildet:
Der Rotor 12 ist dem Statorabschnitt 41 gegenüberliegend
angeordnet, wie es in 16A dargestellt
ist. Auf dem Rotor 12 ist die Kopplungselektrode ähnlich wie
in 4B ausgebildet.
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Gemäß dieser
Ausführungsform
ist es nicht erforderlich, ein FPC-Substrat für den Statorabschnitt 41 zu
verwenden. Es ist möglich,
den Statorabschnitt 41 unter Verwendung herkömmlicher
Techniken, wie Sputtern, Dampfabscheiden, Ätzen und dergleichen herzustellen.
Demzufolge können
die Herstellungskosten reduziert werden. Die Montage der Vorrichtung
ist einfach.
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17A bis 17C stellen
eine weitere auf einen Linearcodierer angewendete Ausführungsform
dar. 17A ist eine Draufsicht auf
den Linearcodierer 50. Der Linearcodierer 50 besitzt
eine halbzylindrische Skala 51 und eine zylindrische Skala 52 ähnlich dem
vorstehend beschriebenen Rotationscodierer. 17B und 17C sind Elektrodenmuster auf der Skala 52 bzw.
der Skala 51, welche abgewickelt sind. Die Skala 52 ist
länger
als die Skala 51. Die Skala 52 ist an einer Relativbewegung
in Winkelrichtung zu der Skala 51 gehindert, und nur in
einer axialen Richtung gemäß Darstellung
durch einen Pfeil beweglich.
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Auf
der Innenoberfläche
der halbzylindrischen Skala 51 sind gemäß Darstellung in 17C acht Sendeelektroden 13 und eine
Empfangselektrode 14 angeordnet. Die Sendeelektroden 13 weisen spiralförmige Muster
auf. Obwohl nur eine einem Sendewellenlängenraster Wt1 entsprechende
Einheit von Sendeelektroden 13 in 17C dargestellt ist,
können
mehrere Einheiten der Sendeelektroden angeordnet sein. Die Empfangselektrode 14 ist
in der Nähe
zu den Sendeelektroden 13 mit einem rechteckigen Muster
longitudinal in axialer Richtung angeordnet.
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Auf
der Außenoberfläche der
Skala 52 gemäß Darstellung
in 17B sind mehrere Empfangsabschnitte 18a der
Kopplungselektrode 18 mit spiralförmigen Mustern mit demselben
Steigungswinkel wie die Sendeelektroden 13 bei dem Raster
Pr2 (= Wt1) in axialer Richtung angeordnet. Jeder Empfangsabschnitt 18a ist
kapazitiv mit vier Sendeelektroden 13 gekoppelt. Der Sendeabschnitt 18b der Kopplungselektrode 18,
welche kapazitiv mit der Empfangselektrode 14 gekoppelt
ist, ist mit einem länglichen
Muster in axialer Richtung ausgebildet. Die Kopplungselektrode 18 kann
als ein kontinuierliches Spiralmuster ausgebildet sein, das die
Skala 52 umgibt.
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Der
Linearcodierer besitzt einen anderen Aufbau gegenüber dem
herkömmlichen
Codierer, aber das Aufbauprinzip ist dasselbe wie das von 29.
Daher ist er in der Lage, den linearen Weg der Skala 52 zu
messen, die sich relativ in Bezug auf die Skala 51 in axialer
Richtung bewegt.
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18A und 18B stellen
eine weitere Ausführungsform
dar, welche zwei Sätze
von in den 17B und 17C dargestellten
Elektrodenmustern in Winkelrichtung aufweisen. Gemäß dieser
Ausführungsform
kann der Einfluss einer axialen Fehlanpassung zwischen den Skalen 51 und 52 reduziert werden.
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Verschiedene
Ausführungsformen,
welche zylindrische Elemente und halbzylindrische Elemente kombinieren,
wurden bisher beschrieben. Anschließend werden Rotationscodierer,
welche vollständige
zylindrische Elemente verwenden, beschrieben.
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19A stellt einen Rotationscodierer 60 gemäß einer
Ausführungsform
dar. Der Codierer 60 besteht aus einem Rotor 62 und
einem den Rotor 62 umgebenden Stator 61. Der Rotor 62 ist
so, dass er mit einem vorbestimmten Spalt nur in einer Winkelrichtung
in Bezug auf den Stator 61 beweglich ist, koaxial zu dem
Stator 61 montiert. 19B und 19C stellen die abgewickelte Außenoberfläche des
Rotors 62 bzw. die abgewickelte Innenoberfläche des
Stators 61 dar.
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Gemäß Darstellung
in 19C sind die Sendeelektrodenanordnung 13 und
die Empfangselektrode 14 auf der zylindrischen Innenoberfläche des Stators 61 ähnlich wie
in 4A angeordnet. Die Sendelektrodenanordnung 13 weist
einen Satz von acht Elektroden auf, der aus spiralförmigen Mustern mit
einem vorbestimmten Steigungswinkel in einem vorbestimmten Raster
von einem Ende des Stators 61 aus verläuft. Die Empfangselektrode 14 ist
in einem rechteckigen Muster longitudinal in Winkelrichtung an dem
anderen Ende des Stators 61 ausgebildet. Sowohl die Sendeelektroden 13 als
auch die Empfangselektrode 14 führen eine Umdrehung auf der
Innenoberfläche
des Stators 61 aus.
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Gemäß Darstellung
in 19B ist eine mit den Sendeelektroden 13 und
der Empfangselektrode 14 kapazitiv gekoppelte Kopplungselektrode 18 auf der
Außenoberfläche des
Rotors 62 ausgebildet. Die Kopplungselektrode 18 weist
einen mit den Sendeelektroden 13 kapazitiv gekoppelten
Empfangsabschnitt 18a und einen kapazitiv mit der Empfangselektrode 14 gekoppelten
Sendeabschnitt 18b auf. Der Empfangsabschnitt 18a weist
ein spiralförmiges Muster
mit demselben Steigungswinkel wie die Sendeelektroden 13 auf,
und überdeckt
vier Sendelektroden 13. Der Sendeabschnitt 18b mit
einem rechteckigen Musters führt
eine Umdrehung auf der Außenoberfläche aus.
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Obwohl
eine geerdete Elektrode 19 auf dem Platz zwischen der Kopplungselektrode 18 ausgebildet
ist, kann die geerdete Elektrode 19 weggelassen werden.
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Die
Sendeelektroden 13 und die Empfangselektrode 14 werden über (nicht
dargestellte) vorbestimmte Zuleitungen herausgeführt, um mit einer Treiber/Mess-Schaltung
verbunden zu werden. Wechselspannungssignale, welche um 45° zueinander
phasenverschoben sind, werden in numerischer Reihenfolge den Sendeelektroden 13 ähnlich wie
in 4A zugeführt.
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In
dieser Ausführungsform
ist eine Umdrehung 2nr der Außenoberfläche des
Rotors 12 gleich dem Sendewellenlängenraster Wt1 und dem Empfangselektrodenraster
Pr2 gemäß Darstellung
in 29. Demzufolge ist es gemäß dieser Ausführungsform
möglich,
den Winkelweg mit einer hohen Genauigkeit von πr/8 oder besser zu messen.
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Gemäß dieser
Ausführungsform
gibt es keinen Einfluss aus einer axialen Fehlausrichtung zwischen
dem Stator 61 und dem Rotor 62. Da eine Einheit
der spiralförmigen
Elektroden um die Oberfläche herum
ausgebildet ist, wird die Bemittelte Intensität des Ausgangssignals in der
Winkelrichtung ausgeglichen.
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20A und 20B stellen
weitere Elektrodenmuster des Stators 62 dar. In 20A ist der Sendeabschnitt 18b der Kopplungselektrode
aus einem spiralförmigen
Muster ausgebildet, das von dem spiralförmigen Empfangsabschnitt 18a ähnlich dem von 5B verlängert ist.
In 20B ist der Sendeabschnitt 18b in demselben
Muster wie in 19B ausgebildet und zu dem Empfangsabschnitt 18a hin ohne
einen wesentlichen Zwischenraum zwischen dem Sendeabschnitt 18b und
dem Empfangsabschnitt 18a verlängert.
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Gemäß den Elektrodenmustern
in 20A ist im Vergleich zu 19B eine
Fehlrausrichtung in axialer Richtung des Stators 11 bezüglich des
Rotors 12, wie sie beispielsweise durch Sensortoleranzen bewirkt
werden kann, zulässig.
Da im Gegensatz dazu der Empfangsabschnitt 18a innerhalb
der Breite I (<I0) in 19B ausgebildet
ist, arbeitet die Kopplungselektrode 18 in 20A insgesamt als ein Empfangsabschnitt in der
Breite I0 in axialer Richtung. Da ferner
die Elektrodenmuster einfach sind, wird der Herstellungsprozess
der Elektrodenmuster einfach. Jedoch ist die Fläche des tatsächlich der Empfangselektrode 14 gegenüberliegenden
Sendeabschnittes 18b etwa angenähert die Hälfte in 19B.
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Gemäß den Elektrodenmustern
in 20B ist nicht nur eine Fehlausrichtung in axialer
Richtung des Stators 61 in Bezug auf den Rotor 62 zulässig, sondern
auch sichergestellt, dass die Fläche
des dem Empfangsabschnitt 14 gegenüberliegenden Sendeabschnittes 18b ausreichend
groß ist.
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21A und 21B sind
weitere Elektrodenmuster, die denen von 19A bzw. 19B entsprechen. In dieser Ausführungsform
ist die Länge
I2 des Rotors 62 kleiner als die
Länge I1 des Stators 61. Die Elektrodenmuster
auf dem Rotor 62 sind dieselben wie die von 20A, und die Elektrodenmuster auf dem Stator 61 sind
dieselben wie die von 19C.
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Als
Folge der Anwendung der vorstehenden Relationen wird das Herausführen der
Zuleitungen aus dem Stator 61 leicht. Ferner ist eine Fehlausrichtung
zwischen dem Stator 61 und dem Rotor 62 in axialer
Richtung zulässig.
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22A und 22B stellen
weitere Elektrodenmuster einer den 19A und 19B entsprechend entwickelten Ausführungsform
dar. In dieser Ausführungsform
ist die Kopplungselektrode 18 in fünf (im Allgemeinen ein ganzzahliger
Wert größer als
2) Elektroden unterteilt, die gleichmäßig mit einem Raster beabstandet
sind, das durch Unterteilung der Sendewellenlänge Wt1 durch 5 erzielt wird. Dann
sind diese Elektroden bei einem Raster von 2πr/10 mit spiralförmigen Mustern
angeordnet. Obwohl die acht Sendelektroden 13 dieselben
Muster wie die in 19C aufweisen, unterscheiden
sich die Phasen der Wechselspannungssignale von denen in 19C.
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Alternativ
werden 8-Phasen-Wechselspannungssignale, deren Phasen sequenziell
um 135° verschoben
sind, den Sendelektroden 13 gemäß Darstellung in 22B zugeführt.
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Gemäß dieser
Ausführungsform
ist, wenn der Rotor 62 eine 1/5-Umdrehung (d.h., 72°) ausführt, die
Phasenänderung
des Ausgangssignals genau 360°.
Mit anderen Worten, wenn sich der Rotor 62 um eine Umdrehung dreht, ändert sich
das Ausgangssignal über
fünf Perioden.
Das Prinzip des Messverfahrens und der detaillierten Messschaltung in
der vorstehend erwähnten
Ausführungsform
ist das der 6A und 6B.
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In 22A sind die Kopplungselektroden 18 nur
aus spiralförmigen
Mustern ausgebildet, welche die Empfangsabschnitte und die Sendeabschnitte enthalten.
Im Gegensatz dazu ist es möglich,
die in 23 dargestellten Elektrodenmuster
so zu verwenden, dass die Empfangsabschnitte 18a aus spiralförmigen Mustern
ausgebildet sind, und der Sendeabschnitt 18b aus einem
rechteckigen Muster longitudinal in Winkelrichtung ausgebildet ist.
Demzufolge können
die Kopplungselektroden 18 der Empfangselektrode 14 auf
dem Stator 61 mit einer großen Fläche gegenüberliegen.
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24A und 24B stellen
Elektrodenmuster eines Rotationscodierers gemäß einer weiteren Ausführungsform
dar, welcher A-, B-Sätze
von in den 21A und 21B dargestellten
Elektrodenmustern in axialer Richtung aufweist. Auf dem Stator 61 sind
zwei Sätze
der Sendelektrodenanordnung 13 und der Empfangselektrode 14 mit
zueinander umgekehrten Mustern ausgebildet. Es liegt ein Zwischenraum
von 2a zwischen den A- und B-Sätzen so vor, dass eine Fehlrausrichtung
in axialer Richtung in Bezug auf den Bezugspunkt ZP zulässig ist.
Jede entsprechende Sendelektrode 13 in den A- und B-Sätzen wird
gemeinsam durch dasselbe Phasensignal angesteuert. Die Empfangselektroden 14 in
den A-, B-Sätzen
sind gemeinsam mit der Messschaltung verbunden.
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Entsprechend
dem Elektrodenmuster in dem Stator 61 sind die A- und B-Sätze der
Kopplungselektroden 18 auf der Außenoberfläche des Rotors 62 in axialer
Richtung mit zueinander umgekehrten Spiralmustern angeordnet.
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Gemäß der Ausführungsform ändern sich die
Phasen der A- und B-Abschnitte in derselben Richtung in Abhängigkeit
von der Drehung des Rotors 62. Im Gegensatz dazu ändern sich
die Phasen der A- und B-Abschnitte in umgekehrten Richtungen zueinander
in Abhängigkeit
von einer linearen Bewegung des Rotors 62 in axialer Richtung.
Wenn jedoch die lineare Bewegung auf 2a beschränkt ist,
werden die vorstehenden Phasen änderungen
der A- und B-Abschnitte in den Ausgangssignalen ausgelöscht. Demzufolge
kann ein Abweichungseinfluss in axialer Richtung reduziert werden.
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In
der vorstehenden Ausführungsform
kann der Zwischenraum 2a zwischen den A- und B-Abschnitten
nicht auf den Stator 61 gelegt werden, sondern zwischen
die zwei Sätze
der Kopplungselektroden 18 auf dem Rotor 62.
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25A und 25B stellen
Elektrodenmuster gemäß einer
weiteren Ausführungsform
dar, welche jeweils den 24A und 24B entspricht, in welchen eine größere Abweichung
der Signalintensität
zwischen A- und B-Abschnitten zulässig ist. In dieser Ausführungsform
sind unterschiedlich zu den 24A, 24B die Kopplungselektroden 18 voneinander
zwischen den A- und B-Abschnitten gemäß Darstellung in 25A als ein Trennungsbereich C getrennt. Abhängig von
der Trennung der Kopplungselektroden 18 sind die Empfangselektroden 14 in
den A-, B-Abschnitten auf dem Stator 61 voneinander getrennt.
Die Ausgangssignale der Empfangselektroden 14 in den A-,
B-Abschnitten werden einzeln zur Verarbeitung herausgeführt.
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Die
in dieser Ausführungsform
verwendete Messschaltung ist dieselbe wie in 11. Als
Folge des Mittelungsprozesses in der Messschaltung kann der Einfluss
einer Abweichung in axialer Richtung effektiver reduziert werden.
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26A bis 26C stellen
einen Linearcodierer mit zwei zylindrischen Elementen gemäß einer
weiteren Ausführungsform
dar. 26A ist eine perspektivische
Ansicht des Linearcodierers. Dieser Codierer weist eine erste zylindrische
Skala 71 und eine zweite zylindrische Skala 72 auf,
welche koaxial sind. Die zweite Skala 72 ist länger als
die erste Skala 71 und ist durch einen (nicht dargestellten)
vorbestimmten Mechanismus so gehalten, dass sie in Bezug auf die
erste Skala 71 nur in einer axialen Richtung gemäß Darstellung
durch einen Pfeil verschiebbar ist.
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26B und 26C sind
Elektrodenmuster auf der zweiten Skala 72 und der ersten
Skala 71, welche jeweils abgewickelt sind.
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Die
erste Skala 71 weist gemäß Darstellung in 26C acht Sendeelektroden 13 und eine
Empfangselektrode 14 auf, die auf der zylindrischen Innenoberfläche ausgebildet sind.
Die Sendeelektroden 13 sind mit spiralförmigen Mustern außerhalb
eines Spaltbereichs von g angeordnet. Obwohl nur eine Einheit aus
acht Sendelektroden 13, die einem Sendewellenlängenraster
Wt1 entsprechen, in 26C dargestellt sind, können mehrere
Einheiten der Sendelektroden angeordnet sein. Die Empfangselektrode 14 ist
mit einem rechteckigen Muster longitudinal in axialer Richtung in
dem Spaltbereich von g angeordnet.
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Auf
der zylindrischen Außenoberfläche der zweiten
Skala 72 gemäß Darstellung
in 26B sind mehrere Kopplungselektroden 18 mit
spiralförmigen Mustern
mit demselben Steigungswinkel wie der Sendeelektroden 13 in
einem Raster Pr2 (= Wt1) in axialer Richtung ausgebildet. Jede Kopplungselektrode 18 weist
einen Empfangsabschnitt 18a auf, der kapazitiv mit vier
Sendeelektroden 13 gekoppelt ist, und einen Sendeabschnitt 18b,
der kapazitiv mit der Empfangselektrode 14 gekoppelt ist.
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Der
Linearcodierer weist einen gegenüber dem
herkömmlichen
Codierer unterschiedlichen Aufbau auf, aber das Aufbauprinzip ist
dasselbe wie das von 29. Daher ist es möglich, den
linearen Weg der Skala 72, die sich in Bezug auf die Skala 71 bewegt,
in axialer Richtung zu messen.
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In
den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind Elektrodenmuster
auf den Innen- und Außenoberflächen der
zylindrischen oder halbzylindrischen Elemente auf FPC-Substraten
ausgebildet. In diesem Falle wird optional ein Isolator- oder Metallmaterial
für das
zylindrische oder das halbzylindrische Element verwendet.
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27A und 27B stellen
ein weiteres Verfahren zum Erzeugen spiralförmiger Elektrodenmuster auf
einer Außenoberfläche eines
zylindrischen Elementes 80 dar. Gemäß Darstellung in dem vergrößerten Abschnitt
in 27B besteht das zylindrische Element 80 aus
einem spritzgeformten Kunststoffkörper 81, auf dessen
Außenoberfläche ein
leitender Film 82, beispielsweise Au, Ni und dergleichen
plattiert ist. Der leitende Film 82 ist beispielsweise
10 μm dick.
Die Bearbeitungsvorrichtung weist gemäß Darstellung in 27A ein Mutternelement 85, eine Vorschubspindel 83,
welche mit einer vorbestimmten Steigung zugestellt werden kann und eine
Schneidelement 84 auf. Das zylindrische Element wird fest
auf einem Endabschnitt der Zustellungsspindel 83 befestigt,
und dann wird die Schneidelement 84 auf die Außenoberfläche des
zylindrischen Elementes 80 aufgebracht. Dann wird das zylindrische
Element 80 mit der Zustellungsspindel 83 zugestellt.
Somit kann eine spiralförmige
Nut 86 mit beispielsweise 0,3 μm Tiefe auf der Außenoberfläche des
zylindrischen Elementes 80 ausgebildet werden. Demzufolge
wird ein spiralförmiges
Elektrodenmuster des leitenden Films 82 auf der Außenoberfläche ausgebildet.
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Durch
Anwendung des vorstehenden Verfahrens können die spiralförmigen Elektrodenmuster auf
den Rotoren gemäß Darstellung
in 5B, 6B und dergleichen leicht hergestellt
werden. Zwei Sätze
der spiralförmigen
Elektrodenmuster gemäß Darstellung
in 9B oder 12B können durch
Steuerung der Rotationsrichtung während der Bearbeitung hergestellt
werden. Selbst Elektroden mit anderen Mustern zusätzlich zu
den Spiralmustern, wie sie beispielsweise in 4B dargestellt sind,
können
ebenfalls durch Kombination einer Rotationssteuerung und Zuführungssteuerung
hergestellt werden.
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28 stellt
ein Verfahren zur Erzeugung spiralförmiger Elektrodenmuster in
einer Innenoberfläche
eines zylindrischen Elementes 90 dar. Das zylindrische
Element 90 ist aus einem spritzgeformten Kunststoffkörper 91 ausgebildet,
auf dessen Innenoberfläche
ein leitender Film 92 plattiert ist. Ein Schneidwerkzeug 93 mit
acht Schneidelementen 94 an seinem Rand wird bereitgestellt.
Das zylindrische Element 90 wird mittels desselben Verfahrens
wie dem in 27A dargestellten so zugeführt, dass
das Schneidwerkzeug 93 in das zylindrische Element 90 eingeführt wird.
Somit wird der leitende Film 92 durch acht Schneidelemente 94 zur
Erzeugung spiralförmiger
Muster geschnitten. Mittels dieses Verfahrens können die spiralförmigen Sendeelektroden 13 des
in 19C dargestellten zylindrischen Stators 61 hergestellt
werden. Für
den in 4A dargestellten halbzylindrischen
Stator können
die spiralförmigen Sendeelektroden 13 in
einer ähnlichen
Weise hergestellt werden.
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In
den vorstehenden Ausführungsformen sind
die Innenstifte zylindrische Elemente, welche jeweils einen zylindrischen
Hohlraum aufweisen. Es können
jedoch andere zylindrische Elemente, welche keinen Hohlraum aufweisen
als einen Innenstift verwendet werden. Als die Außenhüllenelemente
können
nicht nur gerollte dünne
Platten, sondern auch andere verschiedene Materialien, einschließlich zylindrischer
und rechteckiger Blöcke,
in welchen zylindrische Hohlräume
ausgebildet sind, verwendet werden. Alter nativ können als die Außenhüllenelemente optionale
Materialien mit zylindrischen oder unvollständigen zylindrischen Innenoberflächen, die
dem inneren Element gegenüberliegen
können,
verwendet werden.