DE69535508T2 - Kapazitive Wegmesseinrichtung - Google Patents

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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • FR-A-1 226 147 beschreibt einen Positionsdetektor unter Verwendung einer spiralig gewickelten Elektrode zur Verwendung in einem kapazitiven Überwachungssystem.
  • 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.
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine kapazitive Messvorrichtung bereit, welche keine hohe Konzentrizität erfordert, wodurch die Elektrodenmuster vereinfacht werden können.
  • 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.
  • In den beigefügten Zeichnungen stellt bzw. stellen dar:
  • 1A und 1B eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht des Hauptabschnittes eines elektrischen Mikrometers mit einem Rotationscodierer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 2A bis 2D schematische Beispiele des Rotationscodierers.
  • 3 einen Aufbau einer Signalverarbeitungsschaltung für den Rotationscodierer.
  • 4A bis 4C Rotationscodierer gemäß weiteren Ausführungsformen.
  • 5A und 5B Elektrodenmuster eines Rotationscodierers gemäß einer weiteren Ausführungsform.
  • 6A und 6B Elektrodenmuster eines Rotationscodierers gemäß einer weiteren Ausführungsform.
  • 7 ein Beispiel einer Signalverarbeitungsschaltung des Rotationscodierers.
  • 8 Signalwellenformen der Signalverarbeitungsschaltung in 7.
  • 9A und 9B Elektrodenmuster eines Rotationscodierers gemäß einer weiteren Ausführungsform.
  • 10A und 10B Elektrodenmuster eines Rotationscodierers gemäß einer weiteren Ausführungsform.
  • 11 ein Beispiel einer Signalverarbeitungsschaltung des Rotationscodierers.
  • 12A und 12B Elektrodenmuster eines Rotationscodierers gemäß einer weiteren Ausführungsform.
  • 13 eine kleine Messvorrichtung, die einen Rotationscodierers gemäß einer Ausführungsform enthält.
  • 14 einen Rotationscodierer gemäß einer Ausführungsform.
  • 15 einen Rotationscodierer gemäß einer Ausführungsform.
  • 16A und 16B eine kleine Messvorrichtung, die einen Rotationscodierer gemäß einer Ausführungsform enthält.
  • 17A bis 17C einen Linearcodierer gemäß einer weiteren Ausführungsform.
  • 18A und 18B Elektrodenmuster eines Linearcodierers gemäß einer weiteren Ausführungsform.
  • 19A bis 19C einen Rotationscodierer gemäß einer weiteren Ausführungsform.
  • 20A und 20B Elektrodenmuster eines Rotationscodierers gemäß einer weiteren Ausführungsform.
  • 21A und 21B Elektrodenmuster eines Rotationscodierers gemäß einer weiteren Ausführungsform.
  • 22A und 22B Elektrodenmuster eines Rotationscodierers gemäß einer weiteren Ausführungsform.
  • 23 Elektrodenmuster eines Rotationscodierers gemäß einer weiteren Ausführungsform.
  • 24A und 24B Elektrodenmuster eines Rotationscodierers gemäß einer weiteren Ausführungsform.
  • 25A und 25B Elektrodenmuster eines Rotationscodierers gemäß einer weiteren Ausführungsform.
  • 26A bis 26C einen Linearcodierer gemäß einer weiteren Ausführungsform.
  • 27A und 27B ein Verfahren zum Herstellen von Elektrodenmustern auf der Außenoberfläche des Zylinders.
  • 28 ein Verfahren zum Herstellen von Elektrodenmustern auf der Innenoberfläche des Zylinders.
  • 29 ein Prinzip für den Aufbau eines herkömmlichen Codierers.
  • 30A und 30B einen Aufbau eines herkömmlichen zylindrischen Codierers.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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°.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Mittels dieser Ausführungsform kann der Einfluss einer Schwankung in axialer Richtung effektiver reduziert werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Verschiedene Ausführungsformen, welche zylindrische Elemente und halbzylindrische Elemente kombinieren, wurden bisher beschrieben. Anschließend werden Rotationscodierer, welche vollständige zylindrische Elemente verwenden, beschrieben.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Obwohl eine geerdete Elektrode 19 auf dem Platz zwischen der Kopplungselektrode 18 ausgebildet ist, kann die geerdete Elektrode 19 weggelassen werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Alternativ werden 8-Phasen-Wechselspannungssignale, deren Phasen sequenziell um 135° verschoben sind, den Sendelektroden 13 gemäß Darstellung in 22B zugeführt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 26B und 26C sind Elektrodenmuster auf der zweiten Skala 72 und der ersten Skala 71, welche jeweils abgewickelt sind.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (9)

  1. Kapazitive Messvorrichtung zum Messen einer relativen Position zwischen ersten und zweiten Elementen (11, 12), welche so angeordnet sind, dass sie relativ zueinander mit einem vorbestimmten Spalt beweglich sind, aufweisend: eine Anordnung von Sendeelektroden (13), die auf dem ersten Element (11) angeordnet sind, eine Einrichtung (21, 22) zum Liefern von Wechselsignalen mit sich voneinander unterscheidenden Phasen aus jeder Sendeelektrode (13); eine Empfangselektrode (14), die auf dem ersten Element (11) so angeordnet ist, dass sie von der Anordnung der Sendeelektroden (13) isoliert ist; und eine Kopplungselektrode (18), die auf dem zweiten Element (12) so angeordnet ist, dass sie kapazitiv mit den mehreren Elektroden in der Anordnung der Sendelektroden (13) und der Empfangselektrode (14) gekoppelt ist, wobei die Empfangselektrode (14) mit einer Messschaltung (23, 24) gekoppelt ist, wodurch ein von der Empfangselektrode (14) ausgegebenes und einer relativen Position zwischen dem ersten und zweiten Element (11, 12) entsprechendes elektrisches Signal im Gebrauch an die Messschaltung (23, 24) geliefert wird, wobei eines von den ersten und zweiten Elementen (11, 12) ein inneres Element mit einer zylindrischen Außenoberfläche ist, das andere ein äußeres Element mit einer zylindrischen Innenoberfläche ist, welche der Außenoberfläche über einen vorbestimmten Spalt gegenüberliegt, und wobei die ersten und zweiten Elemente entweder in axialer oder Winkelrichtung relativ beweglich zueinander gehalten werden; die Anordnung der Sendeelektroden (13) und der Empfangselektrode (14) 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.
  2. Kapazitive Wegmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das äußere Element (11) eine unvollständige zylindrische Innenoberfläche hat.
  3. Kapazitive Wegmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das innere Element (12) gegenüber dem äußeren Element (11) nur in einer Winkelrichtung beweglich gehalten wird; die Anordnung der Sendeelektroden (13) aus mehreren Elektroden besteht, die parallel zueinander auf der Innenoberfläche des äußeren Elementes (11) mit spiralförmigen Mustern angeordnet sind, die Empfangselektrode (14) in der Nähe zu der Anordnung der Sendeelektroden (13) in einer axialen Richtung auf der Innenoberfläche des äußeren Elementes (11) mit einem rechtwinkligen Muster longitudinal in einer Winkelrichtung angeordnet ist, und die Kopplungselektrode (18) aus einem Empfangsabschnitt, der auf der Außenoberfläche des inneren Elementes mit einem spiralförmigen Muster mit demselben Steigungswinkel wie die Anordnung der Sendeelektroden angeordnet ist, um kapazitiv mit der Anordnung von Sendeelektroden gekoppelt zu sein, und aus einem Sendeabschnitt, der auf der Außenoberfläche des inneren Elementes angeordnet ist, um kapazitiv mit der Empfangselektrode gekoppelt zu sein, besteht.
  4. Kapazitive Messvorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Sendeabschnitt der Kopplungselektrode (18) mit einem regelmäßigen Muster longitudinal in Winkelrichtung und gegenüber der Empfangselektrode (14) angeordnet ist, und elektrisch mit dem Empfangsabschnitt (14) verbunden ist.
  5. Kapazitive Messvorrichtung nach Anspruch 3, wobei: die Kopplungselektrode (18) aus einem spiralförmigen Muster sowohl gegenüber der Anordnung der Sendeelektroden (13) als auch der Empfangselektrode (14) ausgebildet ist.
  6. Kapazitive Wegmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Anordnung der Sendeelektroden (13) aus mehreren Elektroden besteht, die parallel zueinander auf der Innenoberfläche des äußeren Elementes (11) mit spiralförmigen Mustern angeordnet sind, die Empfangselektrode (14) in der Nähe der Sendeelektroden (13) in einer Winkelrichtung auf der Innenoberfläche des Äußere Elementes (11) mit einem regelmäßigen Muster longitudinal in einer axialen Richtung angeordnet ist, und die Kopplungselektrode (18) aus einem Empfangsabschnitt besteht, der auf der Außenoberfläche des inneren Elementes (12) mit einem Spiralmuster mit demselben Steigungswinkel wie die Anordnung der Sendeelektroden angeordnet ist, um kapazitiv mit der Anordnung von Sendeelektroden gekoppelt zu sein, und aus einem Sendeabschnitt, der auf der Außenoberfläche des inneren Elementes angeordnet ist, um kapazitiv mit der Empfangselektrode gekoppelt zu sein, besteht.
  7. Kapazitive Messvorrichtung nach Ansprach 1, ferner aufweisend: eine weitere Anordnung von Sendeelektroden (13), die in der Nähe der Anordnung der Sendeelektroden (13) in axialer Richtung auf der Innenoberfläche des äußeren Elementes (11) angeordnet ist, wobei die zwei Anordnungen von Sendeelektroden spiralförmig im umgekehrten Sinne in Bezug zueinander gewickelt sind, und eine weitere Kopplungselektrode (18), die in der Nähe der Kopplungselektrode (18) in axialer Richtung auf der Außenoberfläche des inneren Elementes (11) angeordnet ist, wobei die zwei Kopplungselektroden spiralförmig im umgekehrten Sinne in Bezug zueinander gewickelt sind und den zwei Sätzen der Anordnung der Sendeelektroden gegenüberliegen.
  8. Kapazitive Messvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Anordnung von Sendeelektroden (13) aus N-Elektroden besteht, die um die Innenoberfläche des äußeren Elementes herum angeordnet sind, wobei N eine ganze Zahl größer als 2 ist, die Zuführungseinrichtung (21, 22) dafür angepasst ist, N unterschiedliche Wechselsignale an jede von den N-Elektroden anzulegen, wobei die N unterschiedlichen Wechselsignale in Bezug zueinander um 360/N Grad phasenverschoben sind.
  9. Kapazitive Messvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kopplungselektrode (18) in mehrere Elektroden unterteilt ist, die gleichmäßig mit einem Raster in Abstand angeordnet sind, welches durch Unterteilung des Sendewellenlängenrasters durch eine ganze Zahl größer als 2 erhalten wird.
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