-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein kapazitives
Positionsmeßsystem. Systeme dieser Art finden beispielsweise
bei der präzisen Messung der Stellung eines Elementes
bezüglich eines anderen Elementes in einer oder in zwei
Raumrichtungen Verwendung.
-
Bei einer Reihe von mechanischen Positionierungssystemen,
die die höchste verfügbare Genauigkeit erfordern, werden
Luftlager zur Minimierung der Reibung und des Spiels
zusammen mit Laserinterferometern zur Positionsbestimmung
verwendet, so wie dies beispielsweise von Hinds in dem
amerikanischen Patent Nr. 4,654,571 vorgeschlagen wird.
Solche Interferometersysteme sind jedoch zwangsläufig teuer
und komplex. Es ergeben sich zudem Schwierigkeiten, wenn man
mehrere dieser Elemente unabhängig voneinander auf einer
gemeinsamen Arbeitsfläche positionieren möchte. Dieses
Problem beruht auf der unvermeidlichen gegenseitigen
Blockierung der vielen unabhängigen Lichtstrahlen für die
Messung, wenn die sich bewegenden Elemente relativ
zueinander einige bestimmte Positionen einnehmen. Der Bedarf
an mehreren dieser unabhängigen Elemente kann beispielsweise
bei bestimmten Arten von hochpräzisen automatisierten
Herstellungs- und Montageverfahren auftreten.
-
Eine attraktive Alternativlösung ergäbe sich, wenn jedes der
sich bewegenden Elemente seine eigene Position in zwei
Raumrichtungen relativ zu einer strukturierten
Arbeitsoberfläche, über die es bewegt wird, direkt bestimmen
könnte. Geeignete Muster ergeben sich automatisch, wenn
zweidimensionale Stellglieder der zuerst von Sawyer in dem
amerikanischen Patent Nr. Re 27,436 vorgeschlagenen Art
verwendet würden. Es gibt jedoch kein Verfahren nach dem
Stand der Technik, mit denen sich die Positionen solcher
Stellglieder oder sogar von einer beliebigen Anzahl
unabhängiger sich bewegender Elemente über einer großen
Arbeitsfläche genau, schnell und mit geringen Kosten messen
lassen.
-
In einem anderen Zusammenhang ist bekannt, daß kapazitive
Meßwandler vorteilhafte Eigenschaften aufweisen. Die
Verwendung kapazitiver Meßwandler zum Messen von Abständen
ist ein etabliertes Verfahren, mit dem sich ungewöhnlich
hohe Auflösungen erreichen lassen, wie von R.V. Jones und
J.C.A. Richards in "The Design and Application of
Capacitance Micrometers" (Journal of Physics E, Science
Instruments, Band 6, Reihe 2, Seiten 589-600, 1973) und von
A.M. Thompson in "The Precise Measurement of Small
Capacitances" (IRE Transactions on Instrumentation, Band 1-
7, Seiten 245-253, 1958) beschrieben wird. Die hohe
Empfindlichkeit liegt schon in der Natur der Sache und ist
letztendlich auf die Tatsache zurückzuführen, daß die
Kondensatoren selbst keine Störungen (noise) erzeugen.
Kapazitive Verfahren dieser Art sind wohl bekannt. Sie
wurden auch angewendet, um digitale lineare
Codiereinrichtungen für eine eindimensionale Querbewegung zu
schaffen, wie von Andermo in dem amerikanischen Patent Nr.
4,420,754 beispielhaft dargelegt wird.
-
Das englische Patent Nr. GB-A-2,123,629 offenbart eine
kapazitive Vorrichtung zum Messen einer Verschiebung. Die
Vorrichtung umfaßt eine Skala und einen Schieber oder einen
Schlitten (slide), die mit einer Elektrodenanordnung
versehen sind, durch die zwei Paare von Kapazitäten gebildet
werden, um die Verschiebung in einer Raumrichtung zu messen.
Diese Kapazitäten sind über Brücken und
Vergleichseinrichtungen oder Komparatoren mit einem
Prozessor verbunden, der so ausgelegt ist, daß er ein
eindimensionales Meßsignal erzeugt, indem er die Perioden
des Signals von den Meßkapazitäten zählt und in diesen
Perioden interpoliert.
-
Die Verfahren nach dem Stand der Technik sind jedoch in
wichtigen Punkten unbefriedigend. Das Positionsmeßsystem
darf erstens keine speziellen Wicklungen, Verbindungen oder
schwimmende elektrische Elektroden, die mit der Platte
selbst verbunden sind, erforderlich machen. Das
Ausgangsinformationssignal muß zweitens unabhängig vom
Abstand der Elektroden und von einer damit verbundenen
"Roll-", "Nick-" oder "Gierbewegung" des Sensors sein. Der
Sensor muß schließlich eine ausreichend große Fläche
aufweisen, bei der er über 100te oder sogar 1000te von
pfostenförmigen Substratbereichen mittelt. (Durch diese
letzte Anforderung müssen keine unvernünftig hohen Ansprüche
an die Gleichmäßigkeit des Abstandes zwischen den
pfostenförmigen Bereichen auf der Platte gestellt werden, um
eine hohe Positionsgenauigkeit zu erreichen.) Zusätzliche
Erfodernisse sind geringe Herstellungskosten für die
Sensoren, ein schnelles Ansprechen, ein unabhängiges
Höhenausgangssignal (das unverzüglich die Dicke eines
Luftlagers anzeigt) und eine zugehörige einfache
Ausgabeelektronik.
-
Die FR-A-2 483 603 offenbart eine Meßvorrichtung, die
Gruppen von Sendelektroden und eine Empfangselektrode
umfaßt. Ein mit mehreren Öffnungen versehenes Band oder ein
Riemen aus Metall ist bezüglich der Meßvorrichtung in
Längsrichtung bewegbar. Die Elektroden und das Band bilden
einen differentiellen Kondensator. Der differentielle
Kondensator ermöglicht eine kapazitive Messung der
Verschiebung zwischen den Elektroden und dem Band.
-
Erfindungsgemäß wird ein kapazitives Positionsmeßsystem
gemäß Anspruch 1 geschaffen.
-
Bei der Verwendung von kapazitiven Sensoren zur
Positionsbestimmung besteht (beispielsweise im Unterschied
zu einigen Arten von magnetischen Sensoren) eine
qualitativer Unterschied in der ihnen eigenen hohen
Meßgeschwindigkeit. Dies beruht unmittelbar auf der
Tatsache, daß sie mit Radiofrequenzen betrieben werden und
somit problemlos schnell ansprechen. Dieses schnelle
Ansprechverhalten ist insbesondere für eine Reihe von
Anwendungen zur Steuerung von Bewegungen vorteilhaft, zu
denen auch sehr feinzähnige Motoren mit veränderlichem
magnetischem Widerstand gehören, die sehr hohe
Kommutierungsfrequenzen erfordern, wenn sie mit hoher
Geschwindigkeit betrieben werden sollen.
-
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der zugehörigen
Zeichnungen beschrieben. In den Figuren zeigen:
-
Fig. 1 eine Gesamtdarstellung eines über einen quadrofilaren
Transformator angesteuerten kapazitiven Chevron-
Sensors, der zur Positionsmessung in einer
Raumrichtung einer zweidimensionalen Platte verwendet
wird;
-
Fig. 2 eine Draufsicht auf zwei Gruppen aus jeweils drei
Positionsmeßelektroden, die genau vier tansversale
Perioden der Platte überspannen;
-
Fig. 3 eine Seitenansicht von drei Meßelektroden, die in
Meßrichtung genau zwei Perioden der Platte
überspannen;
-
Fig. 4 eine Darstellung der Stellung maximaler bzw.
minimaler Kapazität einer entsprechenden Elektrode
bezüglich einer Plattenperiode;
-
Fig. 5 eine Draufsicht auf eine Anordnung von Meßelektroden,
die bezüglich der Strukturierung der Platte unter
einem gewissen Winkel angeordnet sind;
-
Fig. 6 und 7 eine Draufsicht bzw. eine Unteransicht eines
konkreten kapazitiven Chevron-
Leiterplattensensors, der so gestaltet ist,
daß er in Querrichtung sieben Plattenperioden
und in Längsrichtung eine sehr viel größere
Anzahl von Plattenperioden überspannt, um ein
hohes Maß an räumlicher Mittelung zu
erreichen;
-
Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel eines selbstabschirmenden
transformatorgekoppelten Ausgabe- oder
Ausleseverfahrens für eine kapazitive Elektrode, die
über einer flach ausgebildeten Boden- oder
Erdungsplatte angeordnet ist;
-
Fig. 9 eine vereinfachte Darstellung eines Verfahrens, das
ein Ausgangssignal liefert, das genau proportional zu
der Höhe h einer über einer flachen Erdungs- oder
Bodenplatte angeordneten Elektrode ist;
-
Fig. 10 eine Darstellung des grundlegenden
Ausgabeverfahrens für ein räumliches
Dreiphasensignal, die den quadrofilaren
Ansteuerungstransformator und das
Transformatorsystem zum Aufsummieren und zur
Differenzbildung zeigt;
-
Fig. 11 eine schematische Gesamtdarstellung eines
Blockdiagramms des Sensorsystems gemäß Fig. 1, in
dem sowohl das Höhenausgangssignal als auch das
dreiphasige Positionsausgangssignal dargestellt
ist;
-
Fig. 12 eine Darstellung des dreiphasigen
Positionsausgangssignals φ1, φ2, φ3, der die
Bedeutung der differentiellen Linearität des
Sensors zu entnehmen ist;
-
Fig. 13 ein Anwendungsbeispiel für die Verwendung von vier
quadratisch angeordneten Chevron-Sensoren, durch
die ein redundantes zweidimensionales
Ausgangssignal für die Position und für den Winkel
in einer Ebene erzeugt wird;
-
Fig. 14 ein Ausführungsbeispiel für die Verwendung zweier
gekrümmter Chevron-Sensoren, durch die ein
Ausgangssignal für eine zweidimensionale lineare
Verschiebung und eine Winkelverschiebung auf einem
Zylinder erzeugt wird;
-
Fig. 15 eine Gesamtdarstellung, der die Verwendung des
dreiphasigen Ausgangssignals φ1, φ2, φ3
zur
Kommuntierung eines Motors zu entnehmen ist,
zusammen mit der Ableitung von Sinus- und Kosinus-
Ausgangssignalen zur Feininterpolation der
Stellung;
-
Fig. 16 eine Draufsicht auf dreiphasige Abtast- oder
Aufnahmeelektroden für einen mit Öffnungen
versehenen Riemen oder ein Band;
-
Fig. 17 einen aufgewickelten, strukturierten, flexiblen
Zollstock (rule) mit einem interpolierenden
Abstandsausgangssignal, das auf der Verwendung
eines mit Öffnungen versehenen Bandes basiert;
-
Fig. 18 eine Seitenansicht einer dreiphasigen kapazitiven
Abtast- oder Aufnahmeeinrichtung, die bei einem
Synchronriemen aus Kunststoff verwendet wird;
-
Fig. 19 eine abgewandelte Ausführungsform des dreiphasigen
kapazitiven Systems, bei dem eine separate
Hochfrequenz-Ansteuerungselektrode verwendet wird,
die hinter dem Synchronriemen aus Kunststoff
angebracht ist; und
-
Fig. 20 einen zweiphasigen Positionssensor, bei dem zur
Erzeugung von sinusförmigen und kosinusförmigen
Ausgangssignalen vier identische Elektroden
verwendet werden, die drei Plattenperioden
überspannen.
Ausführliche Beschreibung
-
Die Grundlagen des kapazitiven Positionsmeßsystems werden
anhand von Fig. 1 besser verständlich. In Fig. 1 ist eine
Meßelektrodenanordnung 1 mit einem vier Wicklungen
umfassenden (quadrofilaren) 1:1:1:1 Transformator 2
verbunden. Die Anordnung ist hierbei in einem geringen
Abstand über einer strukturierten und elektrisch geerdeten
Platte 3 angeordnet. Der Transformator 2 wird über einen
Hochfrequenzoszillator 4 angesteuert, der mit einer Frequenz
im Bereich zwischen 100 kHz und 100 MHz betrieben wird. Die
Verbindungen sind hierbei so ausgebildet, daß die
Dreiergruppen E1, E2, E3 aus mehrfach ausgebildeten
Sensorelektroden oder Meßelektroden jeweils im Gleichklang
spannungsgesteuert werden, d.h., daß sich alle Meßelektroden
stets mit genau der gleichen Amplitude und Phase elektrisch
gemeinam bewegen. Bei dieser Anordnung ist es einfach, die
Meßelektroden E1, E2, E3 vor unerwünschten Streukapazitäten
gegen Erde abzuschirmen, indem die Kabelabschirmung 5 und
die elektrostatische Abschirmung 6 der Meßelektroden
unmittelbar über die Primärwicklung des 1:1:1:1
Transformators angesteuert wird. Auf diese Art und Weise
sind die Hochfrequenzausgangsströme 7, 8 und 9, die alle
drei zu einer virtuellen Erdung fließen, selbst ein Maß für
die Hochfrequenzströme, die aufgrund der Kapazität der
Elektroden E1, E2, E3 zur Platte fließen.
-
Diese Kapazitäten sind umgekehrt wiederum teilweise auf die
Überlappung der Meßelektroden 15, 16, 17 (die in Fig. 2 über
der Platte 3 in Form einer Draufsicht dargestellt sind) mit
den pfostenförmigen Bereichen der Platte zurückzuführen. Es
ist wichtig, darauf hinzuweisen, daß die Breite der
Meßelektroden beispielsweise gleich der Breite eines der
pfostenartigen Bereiche ist, während sie in ihrer Länge
vorzugsweise einem ganzzahligen Vielfachen von
pfostenartigen Bereichen plus Vertiefungen oder Tälern
entspricht ist. Auf diese Art und Weise verändert sich die
Überlappungskapazität der Elektroden zur Erde lediglich bei
einer Bewegung der Meßelektroden in Meßrichtung, während sie
bei einer Bewegung senkrecht zu dieser Richtung im
wesentlichen unverändert bleibt.
-
Aus Fig. 2 ergibt sich auch, daß die Dreiergruppen E1, E2,
E3 aus Meßelektroden unabhängig von der individuellen Breite
in der Tat offensichtlich genau zwei räumliche Perioden der
Platte überspannen, so wie dies in der in Fig. 3 gezeigten
Seitenansicht schematisch dargestellt ist. Die Meßelektroden
15, 16, 17 befinden sich hierbei genau über zwei Perioden
der Platte 3.
-
In der Realität sind die Vertiefungen der Platte mit einem
Epoxidharz (mit der dielektrischen Konstante k) gefüllt, da
die Oberfläche der Platte außerordentlich glatt sein muß, um
als Luftlager mit einem geringen Zwischenraum oder Freiraum
zu wirken. Die Kapazität zwischen Elektroden und Platte wird
folglicherweise modifiziert. Die maximalen und minimalen
Kapazitätwerte Cmax und Cmin entsprechen zudem eigentlich einer
dreidimensionalen Stellung, die signifikante Einflüsse von
einer Streuung der Kraftlinien wiederspiegelt. Die
Positionssignale werden letztendlich aus dem Verhältnis
zwischen maximaler und minimaler Kapazität einer typischen
Elektrode abgeleitet, die in Fig. 4 in zwei Stellungen
schematisch dargestellt ist. Es läßt sich zeigen, daß das
Kapazitätsverhältnis bei dem gegenwärtig verwendeten
zweidimensionalen System durch
-
angenähert werden kann.
-
d ist hierbei die Tiefe einer Vertiefung oder eines Tales,
während der Wert Δ = d/3hk der Modulationsindex ist, der
letztendlich das Stellungssignal erzeugt. Bei gegenwärtigen
Systemen beträgt sein Wert etwa 0,2, wobei es vorteilhaft
ist, ihn so groß wie vernünftigerweise nur möglich zu
machen.
-
Es ist auch offensichtlich, daß sich die in Fig. 2
dargestellte Elektrodenanordnung bei Vorhandensein eines
Luftlagers um einen gewissen Winkel drehen kann, so wie dies
in Fig. 5 angedeutet ist. Hieraus ergibt sich
offensichtlich, daß der Sensor bei einer ausreichend starken
Drehung letztendlich unempfindlich wird gegenüber einer
linearen Bewegung, da die Elektrodenelemente jeweils stets
die nächste Reihe pfostenförmiger Bereich überlappen usw.
-
Dies verdeutlicht, daß es für eine vorgegebene Sensorfläche
vorteilhaft ist, wenn die Elektroden in Bewegungsrichtung
schmal gestaltet sind, während sie in der dazu senkrecht
stehenden Richtung stärker ausgedehnt sind (less extended).
Hierdurch wird der noch zu tolerierende Bereich an
Drehbewegungen maximiert. Der Sensor darf jedoch nicht zu
schmal ausgebildet werden, aus Angst, daß er gegenüber
Querbewegungen außerordentlich sensitiv wird, wenn er in
dieser Richtung zu wenig Perioden der Platte überspannt. Es
ist zudem natürlich unökonomisch, an die Gestaltung der
Meßelektroden selbst übertrieben hohe Anforderungen an die
Toleranzen bei den Abmessungen zu stellen, da die Elektroden
typischerweise durch herkömmliche Photolithographieverfahren
für Leiterplatten hergestellt werden und somit zu stark oder
zu schwach geätzt werden können, was zu geringen und
unkontrollierten, jedoch deutlich spürbaren Veränderungen
bei der Länge der Meßelektroden führt.
-
Dieses Problem läßt sich wiederum umgehen, wenn die
Meßelektroden serpentinenförmig oder in Form eines als
"Chevron-Muster" bezeichneten "Zick-Zack- oder
Winkelmusters" angeordnet werden, wie es in den Fig. 6 und 7
angedeutet ist. Diese Figuren zeigen die Vorder- bzw.
Rückseite eines Positionssensors, wobei die
übereinstimmenden Kanten mit dem Bezugszeichen 27 bzw. 28
versehen sind. Bei Verwendung eines solchen Zick-Zack
Musters können die Dreiergruppen 15, 16, 17 aus
Meßelektroden E1, E2, E3 auf dem Positionssensor 1 alle
möglichen Stellungen innerhalb einer transversalen Periode
der Platte abtasten. Da die Meßelektroden zudem mit ihrer
Länge jeweils eine ganzzahlige Anzahl von pfostenförmigen
Bereichen plus Vertiefungen oder Täler überspannen, wird das
System hierdurch hochgradig unempfindlich gegenüber
Querbewegungen.
-
Wie anhand von Fig. 1 beschrieben wurde, bewegen sich alle
Elektroden E1, E2, E3 elektrisch exakt im Gleichklang, so
daß ihre gegenseitigen Kapazitäten keine Rolle spielen, da
zu keiner Zeit eine Potentialdifferenz auftritt. Es bietet
sich daher an, die Dreiergruppen aus Elektroden jeweils
(über redundante durchkontaktierte oder durchplattierte
Löcher) mit den auf der Rückseite des Leiterplatten- oder
Druckschaltungssensors 1 in Fig. 7 dargestellten drei
Leiterplatten oder Druckschaltungsbussen 21, 22, 23 geeignet
zu verbinden. Bei der konkreten Sensorgestaltung werden
Elektroden mit einer Breite von 20/1000 Zoll verwendet,
wobei 7x64 Plattenperioden, d.h. insgesamt 448
Plattenelemente überspannt werden. Unter der Annahme einer
räumlichen statistischen Unabhängigkeit des Plattenmusters
führt dies bei der Positionsgenauigkeit zu einer
Verbesserung um den Faktor 448 (d.h. um mehr als das 20-
fache) im Vergleich zu dem, was beim Abtasten einzelner
Strukturelemente erreichbar ist.
-
Fig. 8 zeigt (anhand des vereinfachten Falls einer Elektrode
15) die Funktionsweise des speziell entwickelten, sich
selbst abschirmenden transformatorgekoppelten
Kapazitätsmeßverfahrens. Der hier interessierende Wert ist
die Kapazität C1 gegen Erde. Es ist wünschenswert, diese
Kapazität alleine, d.h. unabhängig von irgendwelchen
Streueffekten beliebiger anderer Kapazitäten zu messen. Es
sei bemerkt, daß bei der Verwendung eines bifilaren 1:1
Transformators mit der Primärwicklung 30 und der
Sekundärwicklung 31 die beiden punktierten Enden der
Wicklungen sich exakt im Gleichklang bewegen.
Folglicherweise tritt keine Spannungsdifferenz zwischen der
Kabelabschirmung 28 und dem Kabelkern 30 auf. Entsprechend
liegt auch zwischen der Elektrode 15 und der
elektrostatischen Abschirmung 29 keine Spannung an, so daß
durch den Kondensator C4 kein Hochfrequenzstrom fließt.
Entsprechend fließt auch durch die Kondensatoren C2 und C3
in den sich überlagernden (overlaid) Wicklungen ein zu
vernachlässigender Strom, da sich die entsprechenden Punkte
in beiden Wicklungen jeweils im Gleichklang bewegen. Durch
den Kondensator C5 fließt selbstverständlich ein starker
Strom zur Erde, aber dieser Strom fließt unmittelbar vom
Ausgang des Oszillators 4 und tritt daher im Sekundärkreis
des Transformators nicht auf. Der Strom 1, der an der mit
dem Bezugszeichen 32 versehenen Stelle zu einer (virtuellen)
Erde fließt, ist folglicherweise ein Maß für den Strom, der
durch den Kondensator C1 fließt. In den Fig. 6 und 7 ist zu
erkennen, daß sich auf jeder Seite des Chevron-Sensors
zusätzlich zwei "Fensterrahmenelektroden" 24 und 25
befinden. Diese zwei Elektroden weisen eine gemeinsame
elektrische Erdung oder Leitung auf (electrically common)
und werden ebenfalls über den Oszillator 4 in Fig. 8
gemeinsam mit der elektrostatischen Abschirmung 29
angesteuert, um eine zusätzliche Hochfrequenzabschirmung zu
schaffen, da sie sich ebenfalls elektrisch genau im
Gleichklang mit all den Dreiergruppen aus Meßelektroden
bewegen.
-
Eine besondere Eigenschaft des in Fig. 8 dargestellten
Verfahrens und der Hauptgrund für die Entwicklung der
vorliegenden Erfindung besteht darin, daß das Verfahren eine
einfache und direkte Messung von Kapazitäten gegen Erde
ermöglicht. Dies ist an sich schon nützlich, das Verfahren
kann jedoch noch dahingehend erweitert werden, daß es als
zusätzliche Eigenschaft noch das Messen des Abstandes zur
Erde ermöglicht, wobei dieses Messen von Natur aus auf eine
lineare Art und Weise erfolgt. (Dies bildet einen scharfen
Gegensatz zu allen Verfahren nach dem Stand der Technik zur
Messung der Kapazität als Funktion des Abstandes, bei denen
schon von Natur aus eine reziproke Beziehung verwendet
wird.) Das Verfahren, mit dem sich dieses erreichn läßt, ist
in Fig. 9 dargestellt.
-
Das nichtpunktierte Ende der Sekundärwicklung 31 des
Transformators ist hier mit einer virtuellen Erde verbunden,
die durch den Emitter eines Transistors 36 gebildet wird,
dessen Basis geerdet ist. (In dieser und in allen
nachfolgenden Figuren wurden zur besseren Übersichtlichkeit
alle Einrichtungen für Vorströme und Vorspannungen des
Transistors weggelassen.) Auf diese Art und Weise wird der
von der Elektrode 15 zur Erde fließende Hochfrequenzstrom
durch den Gleichrichter 37 gleichgerichtet und an der mit
dem Bezugszeichen 38 versehenen Stelle von einem
festgelegten Bedarfswert (demanded value) substrahiert. Die
verbleibende Differenz zwischen den zwei Werten wird nun an
der mit dem Bezugszeichen 39 versehenen Stelle verstärkt und
dazu verwendet, die Amplitude des Hochfrequenzoszillators 4
zu steuern. Auf dieser Art und Weise wird die
Hochfrequenzamplitude selbst konstant geregelt (servoed), so
daß stets sichergestellt ist, daß von der Elektrode 15 aus
ein konstanter Verschiebungsstrom zur Erde fließt. Da die
Impedanz der Elektrode 15 zur Erde selbst genau proportional
zu dem Abstand ist (im Rahmen der Näherung eines
Kondensators mit parallelen Platten), ergibt sich, daß das
Ausgangssignal des Systems schon an sich proportional zum
Abstand ist, ohne daß irgendwelche Korrekturen vorgenommen
werden müssen oder daß reziproke Werte gebildet werden
müssen.
-
Das lineare Abstandsmeßverfahren ist, wie in Fig. 10
angedeutet ist, als integraler Bestandteil in das
Positionsmeßsystem mittel Chevron-Elektroden integriert. Die
Positionsmeßelektroden 15, 16, 17 werden hier im Gleichklang
über den 1:1:1:1 Transformator 43 angesteuert und die
resultierenden Hochfrequenzströme fließen über die Stufen
44, 45 und 46 mit geerdeter Basis. Anschließend werden durch
die 1:1:1 Transformatoren T2, T3, T4 passiv (und sehr
stabil) die Stromdifferenzen gebildet und es werden die
Transistoren 50, 51, 52 mit geerdeter Basis angesteuert. Die
Ausgangssignale dieser drei Transistoren bilden umgekehrt
wiederum die Hochfrequenzpositionsinformationen φ1, φ2, φ3.
Der durch die drei Elektroden 15, 16, 17 fließende
Gesamthochfrequenzstrom ergibt sich andererseits durch
Summation an dem Emitter des Transistors 53. Er wird
verwendet, um die Amplitude der Hochfrequenzsteuerung oder
des Hochfrequenzantriebs 54 zu regeln, um das Ausgangssignal
für die Höheninformation zu erzeugen, so wie dies in
Verbindung mit Fig. 9 genau beschrieben wurde.
-
Ein weiteres Merkmal dieses Ansatzes besteht darin, daß eine
ausgezeichnete Gleichtaktunterdrückung (common-mode
rejection) bei den transversalen Positionssignalen selbst
erzeugt wird, da sich durch Differenzbildung gebildet
werden. Hierdurch kann, falls gewünscht, eine Anschlußschnur
beträchtlicher Länge verwendet werden, um die sich bewegende
Positionssensoreinheit mit der Hauptelektronik des Systems
zu koppeln, ohne daß hierbei irgendwelche Probleme durch
Streueffekte bei der Meßwertaufnahme entstehen.
-
Die zuvor beschriebenen Elemente werden alle miteinander
kombiniert, um das in Fig. 11 dargestelltes vollständiges
System zur Messung der Position und der Höhe zu schaffen.
Die drei (räumlichen) Positionsphasenausgangssignale werden
durch die bei der Hochfrequenzträgerfrequenz betriebenen
synchronen Detektoren 58, 59, 60 und durch die
Hochfrequenzfilter 63, 64, 65 gebildet. Die
Hochfrequenzansteuerung selbst wird durch einen gemeinsamen
Oszillator 61 gebildet (durch den mehrere unabhängige
Positionssensoren für eine Messung der XY-Bewegung
angesteuert werden) auf den eine lineares elektronisches
Dämpfungsglied 62 folgt. Hierdurch wiederum wird die
geregelte Hochfrequenzsteuerung für die Elektroden 15, 16,
17 gesteuert, so wie dies zuvor anhand der Fig. 9 und 10
beschrieben wurde.
-
Das endgültige Ausgangssignal dieses Systems besteht aus
einem Signal, das die Höhe der Meßelektrode über der
Platte und die drei im wesentlichen sinusförmigen
Positionssignale 69, 70, 71 repräsentiert, die in Fig. 12
dargestellt sind. Diese Positionssignale überspannen
umgekehrt wiederum eine räumliche Plattenperiode 72 und sind
im räumlichen Bereich um 0º, 120º und 240º zueinander
versetzt. Eine wichtige Eigenschaft dieses System besteht in
der hohen Zyklus-zu-Zyklus Reproduzierbarkeit jedes dieser
drei Positionssignale. Dies beruht unmittelbar auf der
räumlichen Mittelung, die durch die Verwendung einer großen
Elektrodenanordnung der in Fig. 6 gezeigten Art
hervorgerufen wird. Die differentielle Linearität ist
folglicherweise hoch, was bedeutet, daß alle Abstände, wie
z.B. die Abstände 73 und 74 in Fig. 12, zwischen
entsprechenden Segmenten, wie z.B. AB und BC, im
wesentlichen gleich sind. (Dies ist sehr wichtig, falls eine
genaue Interpolation der Positionsinformation innerhalb der
Plattenperioden gewünscht wird.)
-
Ein Positionsmeßsystem der bisher beschriebenen Art kann auf
mancherlei Art und Weise verwendet werden. Eine Möglichkeit
besteht in der Montage von vier dieser Chevron-Sensoren 78,
79, 80, 81 entlang der Kanten eines Quadrates, so wie dies
in Fig. 13 dargestellt ist. Bei dieser Anordnung wird für
ein auf einem Luftlager gleitendes zweidimensionales
Stellglied ein redundantes Ausgangssignal für die X- und Y-
Koordinate und für den Winkel erzeugt.
-
Auf die gleiche Art und Weise wird durch die Verwendung
eines geeignet gekrümmten Sensors 83, 84 der gleichen Art
ein Positionsausgangssignal auf der Oberfläche eines
Zylinders 85 erzeugt, so wie dies in Fig. 14 angedeutet ist.
Bei beiden Anwendungen wird durch die Verwendung einer Zick-
Zack-förmigen Sensoranordnung (Chevron-Sensoren) ein hohes
Maß von Unabhängigkeit bei der Ausgabe der zwei unabhängigen
Freiheitsgrade erreicht.
-
Obgleich die Erzeugung eines 3-Phasen-Ausgangssignals für
eine Reihe von Anwendungen besonders gut geeignet ist,
insbesondere bei Mehrphasen-Motorkommutationen, ist bei
anderen Gelegenheiten häufig auch ein 2-phasiges Sinus-
Kosinus-Format erwünscht. Im vorliegenden Fall wird dies
durch das in Fig. 15 dargestellte Verfahren erreicht, das zu
einem gewöhnlichen Kanal A, Kanal B Ausgangssignal einer Art
führt, die dazu geeignet ist, die meisten kommerziellen
elektronischen Positionierungssysteme anzusteuern. (Dieses
System wirkt analog zu der Umwandlung von einem
"Synchro"- zu einem "Resolver"-Format bei magnetischen Systemen durch
die Verwendung eines "Scott T"-Transformators, mit Ausnahme
der Tatsache, daß das System im vorliegenden Falle bis herab
zu Gleichstrom funktioniert (to work down to DC).)
-
Obwohl die zuvor beschriebenen Systeme hauptsächlich für
eine zweidimensionale Positionsmessung entwickelt wurden,
ergibt sich unmittelbar auch ihre Anwendung bei
eindimensionalen Fällen (hier wird kein Zick-Zack-förmiges
Muster oder "Chevron-Muster" benötigt, da keine Bewegung in
einer senkrechten Richtung stattfindet) . Die einfachste
Anwendung dieser Art besteht in der Verwendung eines
Systems, das im wesentlichen zu dem in den Fig. 1 und 11
dargestellten System identisch ist, mit Ausnahme der
Tatsache, daß der Sensor nun über eine Horizontalebene
(ground plane) bewegt wird, in der anstatt in zwei
Richtungen lediglich in einer Richtung Vertiefungen oder
Nuten eingeschnitten sind. Alternativ hierzu kann der Sensor
selbst stationär sein und das Substrat (das das räumlich
modulierte kapazitive Muster aufweist) kann die Form eines
langen flexiblen strukturierten Metallbandes (oder
isolierenden Bandes) 95 aufweisen, so wie dies
beispielsweise in Fig. 16 dargestellt ist. Falls gewünscht,
kann solch ein Band aufgerollt sein, um ein Analogen zu
einem flexiblen Stahlzollstock eines Tischlers oder
Zimmermanns zu schaffen. Hierbei entsteht jedoch, wie in
Fig. 17 dargestellt ist, ein hoch aufgelöstes elektrisches
Ausgangssignal.
-
Ein anderer Punkt betrifft die Art und Weise, in der von dem
Positionssensor die Hochfrequenzströme erhalten werden. Alle
bisher beschriebenen Systeme weisen die in Fig. 18
dargestellte Form auf, d.h., daß für die Meßelektroden eine
Transformatoransteuerung verwendet wird. Diese Methode, die
üblicherweise verwendet wird, wird hier beispielhaft anhand
der Verwendung eines Synchronriemens (timing belt) 98 aus
Kunststoff (der sowohl als kapazitiv strukturiertes Substrat
als auch als sich bewegendes Element dient) beschrieben, der
zusammen mit der gleichen Elektronik 99 verwendet wird, wie
sie in Fig. 11 dargestellt ist. Es ist zudem praktisch, die
durch die Elektroden 15, 16, 17 festgestellten Kapazitäten
unter Verwendung der geerdeten Gegenelektrode 100 genau zu
bestimmen.
-
Für diesen Fall und für eine Reihe von analogen Fällen, bei
denen entsprechend nichtgeerdete Elektroden verwendet
werden, kann man bei dem System jedoch auf den
Ansteuerungstransformator verzichten, so wie dies in Fig. 19
dargestellt ist. Die Meßelektronik (d.h. die Transistoren
44, 45, 46 in Fig. 10) wird hier unmittelbar über die
Meßelektroden 15, 16, 17 angesteuert, während die geregelte
Hochfrequenzansteuerung an die Gegenelektrode (back plane)
100 angelegt ist. Unter der Voraussetzung, daß geeignete
Elektroden zur Verfügung stehen, kann dieses Verfahren
vorteilhaft sein.
-
Bei einem letzten Ausführungsbeispiel wird die Verwendung
von genau drei Meßelektroden E1, E2, E3 (und von Vielfachen
davon), die der Verwendung einer beliebigen anderen Anzahl
vorzuziehen ist, modifiziert. Es läßt sich zeigen, daß dies
die minimale Anzahl ist, die für eine eindeutige
Positionsbestimmung benötigt ist. Sie weist den zusätzlichen
Vorteil auf, daß die um 0º, 120º, 240º räumlich zueinander
versetzten Ausgangssignale zur Kommutierung von 3-
Phasenmotoren geeignet sind. Es können jedoch auch andere
Mehrphasenverfahren verwendet werden, wobei nach wie vor die
gleichen Ansteuerungs- und Meßverfahren genutzt werden. Eine
solche Anordnung ist in Fig. 20 dargestellt. Bei dieser
Anordnung überspannt ein Basissatz von vier Elektroden E1,
E2, E3, E4 genau drei Plattenperioden. (Dies läßt sich mit
Fig. 11 vergleichen, in der drei Elektroden zwei
Plattenperioden überspannen.) Aus den Differenzen der E1, E3
und E2, E4-Signale erhält man zwei Ausgangssignale, die
räumlich um 90º zueinander versetzt sind, d.h., daß dieses
System Positionsausgangssignale erzeugt, die identisch sind
zu den in Fig. 15 dargestellten sinusförmigen und
kosinusförmigen Ausgangssignalen. Dies ist in den Fällen
nützlich, in denen gerade zwei um 90º versetzte
Ausgangssignale erforderlich sind.