DE10060189A1

DE10060189A1 - Kapazitätsabstandssensor für Vorrichtung zur Bestimmung einer Oberflächenkonfiguration

Info

Publication number: DE10060189A1
Application number: DE10060189A
Authority: DE
Inventors: Kiyokazu Okamoto; Sotomitsu Hara; Nobuhisa Nishioka
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1999-12-03
Filing date: 2000-12-04
Publication date: 2001-07-05
Also published as: US20020021133A1; US6480008B2

Abstract

Ein Kapazitätsabstandssensor angepasst für die Messung eines Abstandes zwischen einem Objekt und der Sensorvorrichtung, der geeignet ist für die Bestimmung einer Oberflächenkonfiguration eines Objekts, weist eine Objektivelektrode, eine Bewegungsvorrichtung für die Objektivelektrode und ein Detektionsmittel für den Bewegungsabstand der Objektivelektrode auf. Die Bewegungsvorrichtung ist steuerbar und zwar abhängig von den Signalen von der Objektivelektrode, um dieselbe in einem vorbestimmten Bereich eines Freiraums zu positionieren. Der Abstand zwischen dem Objekt und der Sensorvorrichtung wird basierend auf den Signalen von den Detektionsmitteln und der Objetkivelektrode berechnet.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Abstandssensor geeignet für die Messung eines Freiraums zwischen einer Objektivelektrode und ei nem Objekt als eine Funktion von elektrischen Kapazitätsänderungen zwi schen denselben, und insbesondere bezieht sie sich auf eine kapazitive Messvorrichtung, die auf bzw. in einer Konfigurationsmessvorrichtung für ei ne Oberfläche eines Objekts anwendbar ist.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Kapazitive Abstandssensoren, die auf dem Prinzip basieren, dass die Kapa zität zwischen zwei Kondensatorplatten invers proportional zum Abstand zwi schen ihnen ist, sind gut bekannt. Diese kapazitiven Abstandssensoren ha ben viele Vorteile, wie beispielsweise eine hohe Empfindlichkeit, hohe Ver läßlichkeit, gutes Ansprechverhalten und ein langanhaltendes Leben der Sensoren im Vergleich zu anderen Arten von Abstandssensoren, wie bei spielsweise optische Sensoren, elektromagnetische Sensoren, Fluidsensoren und dergleichen. Zum genauen Messen von kleinen Freiraumabständen mit diesem Abstandssensor ist es von grundlegender Bedeutung, dass der Sen sor eine Elektrodenplatte mit kleiner Stirnseite besitzt und in einem einge schränkten engen Bereich des Freiraums positioniert wird, weil ein kapaziti ver Abstandssensor einen durchschnittlichen Abstand in der Stirnseitenflä che der Elektrodenplatte des Sensors misst und einen effektiven messbaren Bereich für den Freiraumabstand hat, der proportional zur Stirnseitenfläche der Elektrodenplatte ist. Beispielsweise muss im Fall der Messung mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von 1 Nanometer der Sensor im effekti ven Bereich von 100 × den Freiraum positioniert sein.

Ein kapazitiver Abstandssensor mit einer kleinen Stirnseitenfläche kann ei nen Abstand eines begrenzten Bereichs des Freiraums messen. Es ist erfor derlich, dass ein sehr geschickter Techniker oder eine komplizierte Positio niervorrichtung den Sensor benachbart zu einem Objekt im begrenzten Bereich eines Freiraums positioniert. Wenn eine Konfiguration einer Oberfläche eines Objekts aus den Ergebnissen der Abstandsmessung bestimmt wird, ist es noch schwieriger und vergeudet eine menge Zeit, den Sensor bei einer großen Anzahl von Messpunkten auf dem Objekt zu positionieren.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung ist ausgelegt für die Überwindung der zuvor be schriebenen Probleme, die mit der Verwendung von kapazitiven Ab standssensoren assoziiert sind.

Demgemäß ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen elektrischen Kapazitätsabstandssensor vorzusehen, der einen festen Rahmen aufweist, eine Objektivelektrode benachbart zu einem Objekt, eine Tragevorrichtung für das Bewegen der Objektivelektrode zur Positionierung der Probe in einen effektiven Messbereich eines Freiraums, Bewegungsabstandsdetektionsmit tel für das Detektieren eines Bewegungsabstandes der Objektivelektrode, Freiraumdetektionsmittel für das Detektieren eines Freiraumabstandes zwi schen der Objektivelektrode und dem Objekt, Berechnungsmittel für das Be rechnen eines Abstandes zwischen dem Objekt und dem Rahmen basierend auf den Signalen von den Bewegungsabstandsdetektionsmitteln und den Freiraumdetektionsmitteln.

Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen elektrischen Kapa zitätsabstandssensor vorzusehen, der einen Rahmen aufweist, eine Objekti velektrode benachbart zum Objekt, eine Stange für das Tragen der Objekti velektrode, einen Linearmotor für die axiale Bewegung der Stange, Frei raumdetektionsmittel für das Detektieren eines Freiraumabstandes zwischen der Objektivelektrode und dem Objekt basierend auf einer Kapazität zwi schen denselben, Steuermittel für die Steuerung des Linearmotors abhängig von einem Signal von den Freiraumdetektionsmittels zur Positionierung der Objektivelektrode in einen vorbestimmten Bereich eines Freiraums zwischen ihnen, Bewegungsabstandsdetektionsmittel für das Detektieren eines Abstandes der Objektivelektrode, Berechnungsmittel für das Berechnen eines Abstandes zwischen dem Objekt und dem Rahmen basierend auf den Si gnalen von den Bewegungsabstandsdetektionsmitteln und den Freiraumde tektionsmitteln.

Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Vorrichtung zur Kon figurationsbestimmung vorzusehen, die geeignet ist für das Bestimmen einer Konfiguration einer Oberfläche eines Objekts, wobei die Vorrichtung einen Kapazitätsabstandssensor aufweist, der eine Objektivelektrode, eine Trage vorrichtung für das Bewegen der Objektivelektrode zur Positionierung der Probe in einem vorbestimmten Bereich eines Freiraums zwischen der Probe und dem Objekt, Bewegungsabstandsdetektionsmittel für das Detektieren eines Bewegungsabstandes der Objektivelektrode, Freiraumdetektionsmittel für das Detektieren eines Freiraumabstandes zwischen der Objektivelektrode und dem Objekt basierend auf einer Kapazität zwischen denselben, Berech nungsmittel für das Berechnen eines Abstandes zwischen dem Objekt und dem Rahmen basierend auf den Signalen von den Bewegungsabstandsde tektionsmitteln und den Freiraumdetektionsmitteln aufweist; ferner eine Posi tioniervorrichtung für die Relativbewegung der Objektivelektrode entlang der Oberfläche des Objekts; und Konfigurationsbestimmungsmittel für das Be stimmen der Konfiguration der Oberfläche des Objekts basierend auf den Signalen von den Berechnungsmitteln.

Ein Kapazitätsabstandssensor der vorliegenden Erfindung weist Bewegungs abstandsdetektionsmittel für das Detektieren eines Bewegungsabstandes der Objektivelektrode und Freiraumdetektionsmittel für das Detektieren des Frei raumabstandes zwischen der Objektivelektrode auf, und daher kann dieser Abstandssensor einen Abstand in einem weiten Bereich messen, sogar wenn eine Objektivelektrode mit einer kleinen Stirnseitenfläche verwendet wird. Des weiteren wird die Objektivelektrode über Rückkopplung gesteuert basie rend auf einem Signal von ihr selbst, wobei es einfach ist, die in einem ef fektiven messbaren Bereich des Freiraums zu positionieren.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische Querschnittansicht eines Kapazitätsab standssensors, in dem Merkmale der vorliegenden Erfindung aufgenommen sind.

Fig. 2 ist eine vergrößerte, perspektivische Ansicht einer Objektivelektrode des Kapazitätsabstandssensors.

Fig. 3 ist eine Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Stangen tragevorrichtung des Kapazitätsabstandssensors.

Fig. 4 ist eine horizontale Schnittansicht der Stangentragevorrichtung, und zwar im wesentlichen entlang der Linie B-B der Fig. 3.

Fig. 5 ist eine schematische, perspektivische Ansicht des ersten Ausfüh rungsbeispiels der Bewegungsabstandsdetektionsvorrichtung.

Fig. 6 ist eine Querschnittansicht des zweiten Ausführungsbeispiels der Be wegungsabstandsdetektionsvorrichtung.

Fig. 7 ist eine Querschnittansicht des dritten Ausführungsbeispiels der Be wegungsabstandsdetektionsvorrichtung.

Fig. 8 ist eine schematische, perspektivische Ansicht des vierten Ausfüh rungsbeispiels der Bewegungsabstandsdetektionsvorrichtung.

Fig. 9 ist eine schematische Querschnittansicht von noch einem Ausfüh rungsbeispiel des Kapazitätsabstandssensors der vorliegenden Erfindung.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Fig. 1 zeigt einen Kapazitätsabstandssensor 10 zum Messen eines Abstan des zwischen dem vorbestimmten Standardpunkt auf einer Sensorvorrich tung und einer Oberfläche eines Objekts 12, und zwar als das bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Kapazitätsab standssenosr 10 weist eine erste Messvorrichtung auf, die eine Objektive lektrode 14, eine Berechnungsschaltung 36 umfasst, und eine zweite Mess vorrichtung, die eine Verschiebungselektrode 30, eine Festelektrode 32 und eine Berechnungsschaltung 34 umfasst.

Der Kapazitätsabstandssensor 10 weist einen zylindrischen Rahmen 20 und eine Objektivelektrode 14 auf, die an einem Ende einer Stange 16 befestigt ist und die nahe zu einer Oberfläche eines Objekts 12 hinweist. Die Stange 16 ist koaxial im zylindrischen Rahmen 20 angeordnet und sie wird zur Bei behaltung einer Neutralposition getragen durch zwei Tragevorrichtungen 18, 18, die getrennt im zylindrischen Rahmen 20 vorgesehen sind. Die Tragevor richtungen 18, 18 besitzen eine Elastizität, die eine Kraft gegen eine axiale Verschiebung bzw. Auslenkung der Stange aus der Neutralposition ausübt.

Ein Linearmotor 26 weist einen Magneten 22 und eine Spule 24 auf, die zwi schen der Stange 16 und dem zylindrischen Rahmen 20 vorgesehen sind. Im in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die zwei Magnete 22, 22 an der Stange 16 befestigt und die zwei Spulen 24, 24 sind an einer Innenseite des zylindrischen Rahmens 20 befestigt. Ein Motorantrieb 28 liefert elektrische Leistung an den Linearmotor 26 für die axiale Bewegung der Stange 16. Ein Teil des zylindrischen Rahmens 20, an dem die Spule 24 befestigt ist, ist vorzugsweise aus Materialien mit einem geringen Magnetwiderstand bzw. einer geringen Reluktanz gefertigt, und zwar aus Gründen der Effizienz des Linearmotors. Ein Zahnstangen- und Zahnradmechanismus mit einem elek trischen Motor kann als Antriebsmittel für die Stange 16 anstatt des Linear motors verwendet werden.

Der Kapazitätsabstandssensor 10 weist eine zweite Messvorrichtung auf, und zwar eine Bewegungsabstandsdetektionsvorrichtung, die eine Verschie bungselektrode 30 befestigt an einem anderen Endteil der Stange 16 und eine Festelektrode 32 befestigt an einer Innenwand des zylindrischen Rah mens 20 aufweist, und zwar an einer gegenüberliegenden Position zur Ver schiebungselektrode 30. Eine Kapazität zwischen der Verschiebungselektro de 30 und der Festelektrode 32 hängt von einem relativen Bewegungsab stand der Stange 16 ab, d. h. der Objektivelektrode vom zylindrischen Rah men 20. Die beiden Elektroden 30, 32 fühlen die Kapazität ab und geben Si gnale aus, die der Kapazität entspricht, und zwar an eine Berechnungs schaltung 34 für das Berechnen eines Bewegungsabstandes der Objektivelektrode 14 basierend auf den Eingabesignalen. Die Berechnungsschaltung 34 liefert das Verschiebungsabstandssignal an eine Berechnungsschaltung 38.

Die Objektivelektrode 14 fühlt eine Kapazität eines Freiraums zwischen der Objektivelektrode 14 und dem Objekt 12 ab und liefert ein Signal entspre chend der Kapazität an eine Berechnungsschaltung 36 für das Berechnen eines Abstandes des Freiraums zwischen ihnen. Die Berechnungsschaltung 36 liefert das Freiraumabstandssignal an die Berechnungsschaltung 38 und den Motorantrieb 28. Ein festgesetzter Wert S1 eines Freiraums, beispiels weise ein Zwischenwert eines effektiv messbaren Freiraums, wird in den Motorantrieb 28 eingegeben. Der Motorantrieb 28 steuert den Linearmotor 26 basierend auf dem Freiraumabstandssignal und den festgesetzten Wert S1 zur Bewegung der Stange 16 für eine Positionierung der Objektivelektrode 14 in einem vorbestimmten Bereich oder einem vorbestimmten Wert eines Freiraumabstandes von der Oberfläche des Objekts 12. Demgemäß wird die Objektivelektrode 14 in einem geeigneten Bereich eines Freiraumabstandes zur genauen Messung eines Freiraumabstandes positioniert. Die Berech nungsschaltung 38 bestimmt einen Abstand zwischen einer Oberfläche des Objekts 12 und einer Standardebene auf dem zylindrischen Rahmen 20 ba sierend auf den Signalen der Berechnungsschaltungen 34 und 36.

Fig. 2 zeigt eine Einzelheit eines Ausführungsbeispiels der Objektivelektrode 14, die eine Scheibenelektrode 40, eine ringförmige Elektrode 42 und einen dazwischen eingefügten ringförmigen Isolator 44 aufweist. Die Scheibene lektrode 40 ist mit Isoliermaterial an der Stange 16 angebracht, die von der Ebene der Elektrode senkrecht weg ragt. Zwei Zuleitungen 46 und 48 sind jeweils mit der Scheibenelektrode 40 und der ringförmigen Elektrode 44 ver bunden. Die Zuleitungen 46, 48 sind mit der Berechnungsschaltung 36 ver bunden. Wenn die Objektivelektrode 14 hinweisend zum Objekt 12 positio niert ist, bilden die beiden Elektroden 40, 42 und das Objekt 12 einen Kon densator. Eine Kapazität des Kondensators ist invers proportional zum durchschnittlichen Abstand des Freiraums in einer projezierten Fläche A der Objektivelektrode 14.

Fig. 3 und 4 zeigen eine Einzelheit eines ersten Ausführungsbeispiels der Stangentragevorrichtung 18. Eine äußere Flanschscheibe 50 ist an der Stan ge 16 mit etwas Raum zwischen einem äußeren Umfang des Flansches 50 und einer Innenwand des zylindrischen Rahmens 20 befestigt. Ein ringförmi ger Innenflansch 52 ist an einer Innenwand des zylindrischen Rahmens 20 befestigt und die Stange 16 geht durch ein Mittelloch des Innenflansches 52 hindurch. Vier Beinglieder 54, die mit einem gleichen Winkel beabstandet sind, sind an den beiden Flanschen 50, 52 angebracht. Jedes der Beinglie der 54, die als ein Stück gebildet sind, weist die beiden an den beiden Flan schen 50, 52 angebrachten Teile 56, 58, zwei Plattenteile 60, 62 und drei Nuten mit elastischen Angeln 64, 66, 68 auf.

Das Beinglied 54 ist in einer Ebene vertikal zur Ebene angeordnet, die die Achse der Stange 16 und die Längsmittellinie des Beingliedes 54 enthält, so dass die Linie normal zur Längsmittellinie des Beingliedes 54 an irgend ei nem Punkt die Achse der Stange 16 kreuzt. Die angebrachten Teile 56, 58 und die Angelnuten 64, 66, 68 haben ungefähr die gleiche Größe wie die Breite der Platten 60, 62 und die Platten 60, 62 biegen sich elastisch an den Angelnuten 64, 66, 68. Fig. 3 und 4 zeigen das Trageglied 54 in einem aus gestreckten Zustand auf der linken Seite und in einem gebogenen Zustand auf der rechten Seite der Zeichnung.

Jede der Angelnuten 64, 66, 68 befindet sich unter einem rechten Winkel zur Längsmittellinie der Beinglieder 54, und demgemäß wird die Längsmittelline des Beingliedes 54 in der gleichen Ebene während einer Biegebewegung des Beingliedes 54 gehalten und eine Radialbewegung der Stange 16 ist einge schränkt. Eine Tragevorrichtung 18 besitzt zumindest drei Beinglieder für das Einschränken einer Radialbewegung der Stange 16 und die zwei Tragevor richtung sind ausgeglichen, um die Stange 16 in die Neutralposition zu zwingen. Für das Erreichen einer gleichmäßigen Biegeeigenschaft ist das Bein glied vorzugsweise durch Präzisionsguss gefertigt.

Fig. 9 zeigt ein anderes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das einen wesentlichen Unterschied zum zuvor unter Bezugnahme auf Fig. 1 be schriebenen ersten Ausführungsbeispiel hat. Ein Unterschied zwischen dem Kapazitätsabstandssensor 100 der Fig. 9 und dem ersten Ausführungsbei spiel der Fig. 1 ist es, dass die Tragevorrichtung ein Paar von statischen Gaslagerungen 112 ist. Die Gaslagerung bzw. das Gaslager 112 weist ein Luftkissen 114 auf, das die Stange 16 umgibt, und eine nicht gezeigte Luft pumpe oder ein Reservoir, die Luft an das Luftkissen 114 liefern. Ausblasan schlüsse des Luftkissens sind an seinem Umfang in der rechtwinkligen Ebe ne zur Stange 16 vorgesehen. Durch Nutzung des statischen Gaslagers wird ein Bereich für einen Bewegungsabstand der Stange vergrößert.

Fig. 5 zeigt eine Einzelheit eines erstes Ausführungsbeispiel einer Bewe gungsabstandsdetektionsvorrichtung, die eine Bewegungselektrode 30 und eine Festelektrode 32 aufweist. Die säulenförmige Bewegungselektrode 30 ist an der Stange 16 befestigt und die ringförmige Festelektrode 32 ist an einer Innenwand des zylindrischen Rahmens 20 angebracht. Ein gegenüber liegendes Gebiet der beiden Elektroden und eine Kapazität zwischen ihnen variiert gemäß einem Bewegungsabstand der Stange 16. Die Berechnungs schaltung 34 berechnet einen Bewegungsabstand der Stange 16, d. h. einen Bewegungsabstand der Objektivelektrode 14 basierend auf einer Varianz einer Kapazität. Es ist auch möglich, dass die säulenförmige Elektrode am Oberende des zylindrischen Rahmens 20 als eine Festelektrode befestigt ist und eine zylindrische Elektrode am Ende der Stange 16 als die Bewegung selektrode befestigt ist.

Fig. 6 und Fig. 7 zeigen die Einzelheit des zweiten Ausführungsbeispiels der Bewegungsabstandsdetektionsvorrichtung. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Bewegungselektrode 70 und die Festelektrode 74 aus jeweils drei scheibenartigen Elektroden 70, 74 gebildet. Die Bewegungselektroden 70 sind an der Stange 16 mit einem Raum in die axiale Richtung angebracht und die Elektroden 70 sind elektrisch mit einem Leiter 72 verbunden. Die Fe stelektroden 74, die getrennt an der Innenwand des zylindrischen Rahmens 20 angebracht sind, liegen eine jede jeweils gegenüber zu den Bewegung selektroden 70, und die Elektroden 74 sind elektrisch mit einem Leiter 76 verbunden. Die Festelektroden 74 haben Mittellöcher, wobei sich die Stange 16 axial durch die Löcher bewegt. Die Kapazität zwischen den Bewegungse lektroden 70 und den Festelektroden 74 ist proportional zu einem Bewe gungsabstand der Stange 16, wobei demgemäß die Berechnungsschaltung 34 einen Bewegungsabstand der Stange 16 berechnet, d. h. einen Bewe gungsabstand der Objektivelektrode 14 basierend auf der Varianz einer Ka pazität. Im Fall dieses Ausführungsbeispiels, das eine Vielzahl von Schei benelektroden verwendet, kann die einander gegenüberliegende Fläche bei der Elektroden 70, 74 vergrößert werden zur Messung eines weiten Bereichs des Bewegungsabstandes der Objektivelektrode 14. Die Bewegungselektro de 70 und die Festelektrode 74 sind in einem ausreichenden Abstand von der Objektivelektrode 14 angeordnet, um eine kapazitive Kopplung zwischen ihnen zu vermeiden.

In Fig. 7 sind zwei Bewegungselektroden 80 und zwei Festelektroden 84, die im Durchmesser vergrößerte sind, in einem axial erweiterten Teil 78 des zy lindrischen Rahmens 20 angeordnet, wobei dieser ausreichend beabstandet ist von der Objektivelektrode 14. Die Bewegungselektroden 80 und die Fe stelektroden 84 sind elektrisch mit Leitern 82 bzw. 86 verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel ist das einander gegenüber liegende Gebiet der beiden Elektroden 80, 84 vergrößert, während beide Elektroden 80, 84 ausreichend weit weg von der Objektivelektrode 14 angeordnet sind.

Fig. 8 zeigt eine schematische Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiel ei ner Bewegungsabstandsdetektionsvorrichtung. Die mehreren parallelen Plattenelektroden 90 sind an der Innenwand des zylindrischen Rahmens 20 angebracht und die mehreren parallelen Plattenelektroden 88 sind an der Stange 16 angebracht, wobei eine Platte der Plattenelektroden 88 in der Nähe einer jeden Platte der Plattenelektroden 90 plaziert ist. Die mehreren Platten der Bewegungselektrode 88 und der Festelektrode 90 sind elektrisch mit zwei jeweiligen Leitern, nicht gezeigt, verbunden. Zusätzlich kann ein op tisches Abstandsmessgerät oder eine lineare Skala für die Bewegungsab standsdetektionsvorrichtung anstatt der zuvor beschriebenen kapazitiven Detektionsvorrichtungen verwendet werden.

Der Kapazitätsabstandssensor 10 der Erfindung ist geeignet für die Anwen dung in einer Konfigurationsbestimmungsvorrichtung, die angepasst ist für das Bestimmen einer Oberflächenkonfiguration eines Objekts basierend auf den Freiraumabständen bei einer großen Anzahl von Messpunkten auf der Oberfläche des Objekts. Der Kapazitätsabstandssensor 10 ist an einem in den Figur nicht gezeigten Roboterarm montiert, der betrieben wird in einem Programmmodus oder unter Nutzung von manuellen Steuerungen für die Po sitionierung des Kapazitätsabstandssensors 10 an einem Messpunkt enlang irgend einer von drei orthogonalen Achsen auf der Oberfläche des Objekts 12. Ein vorbestimmter Wert S1 eines Freiraums, beispielsweise ein Zwi schenwert des effektiv messbaren Freiraums, wird in den Motorantrieb 28 eingegeben. Der Roboterarm bewegt den Kapazitätsabstandssensor 10 für seine Positionierung am Messpunkt auf dem Objekt 12 und bei dem ungefäh ren festgesetzten Wert des Freiraums gemäß der Anweisung, dann bewegt der Roboterarm die Sensorvorrichtung 10 horizontal entlang der Oberfläche des Objekts 12. Die Objektivelektrode 14 detektiert kontinuierlich oder zwi schendurch an den angewiesenen Messpunkten eine Kapazitiät und liefert einen Kapazitätswert an die Berechnungsschaltung 36, wobei diese Schal tung 36 ein einem Freiraumabstand entsprechendes Signal an den Motoran trieb 28 und die Abstandsberechnungsschaltung 38 ausgibt. Der Motoran trieb 28 steuert den Linearmotor 26 basierend auf dem Signal von der Schaltung 36 zur Bewegung der Stange 16 für das Einstellen der Position der Objektivelektrode 14 auf den Freiraum mit dem vorbestimmten Wert S1. Der Bewegungsabstand der Objektivelektrode wird durch die beiden Elektro den 30, 32 und die Berechnungsschaltung 34 detektiert. Diese Schaltung 34 gibt das Signal entsprechend zum Bewegungsabstand in die Abstandsberechnugsschaltung 38 aus. Die nicht in den Figur gezeigte Konfigurationsbe stimmungsvorrichtung bestimmt basierend auf den kontinuierlichen oder ge legentlichen Signalen von der Abstandsberechnungsschaltung 38 eine An zeige der Schnittansicht und dergleichen.

Claims

1. Ein Kapazitätsabstandssensor (10, 100) angepasst für das Messen eines Abstandes zwischen einem Objekt (12) und der Sensorvorrichtung als eine Funktion von elektrischen Kapazitätsänderungen zwischen ihnen, wobei die Sensorvorrichtung einen festen Rahmen (20) und eine Objektivelektrode (14) hat, gekennzeichnet durch
Tragemittel für die Bewegung der Objektivelektrode (14) für ihre Posi tionierung in einem vorbestimmten Bereich eines Freiraums zwischen der Objektivelektrode (14) und dem Objekt (12),
Bewegungsabstandsdetektionsmittel (30, 32, 34) für das Detektieren eines Bewegungsabstandes der Objektivelektrode (12);
Freiraumdetektionsmittel (14, 36) für das Detektieren eines Freirau mabstandes zwischen der Objektivelektrode (14) und dem Objekt (12),
Abstandsberechnungsmittel (38) für das Berechnen eines Abstandes basierend auf den Signalen von den Bewegungsabstandsdetektionsmitteln (34) und den Freiraumdetektionsmitteln (36).

2. Kapazitätsabstandssensor (10, 100) nach Anspruch 1, weiter gekenn zeichnet dadurch, dass die Tragemittel ein Antriebsmittel (22, 24) aufweisen für das Bewegen der Objektivelektrode (14) und ferner ein Steuermittel (28) für die Steuerung der Antriebsmittel (22, 24) abhängig von einem Signal von den Freiraumdetektionsmitteln (36).

3. Kapazitätsabstandssensor (10, 100) gemäß Anspruch 1, weiter ge kennzeichnet dadurch, dass die Tragemittel eine Stange (16) aufweisen, die die Objektivelektrode (14) angebracht an deren Ende trägt;
ferner ein Stangentragemittel (18, 112) für das axial bewegbare Tra gen der Stange (16);
einen Linearmotor, der einen Magneten (22) und eine Spule (24) auf weist; und
Steuermittel (28) für die Steuerung des Linearmotors abhängig von einem Signal von den Freiraumdetektionsmitteln (36).

4. Kapazitätsabstandssensor (10, 100) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, weiter gekennzeichnet dadurch, dass die Tragemittel ein Stangentrage mittel (18, 112) für das elastische Vorspannen der Stange in eine Neutralpo sition aufweisen.

5. Kapazitätsabstandssensor (10, 100) nach Anspruch 1 oder Anspruch 3, weiter gekennzeichnet dadurch, dass die Bewegungsabstandsdetektions mittel eine Bewegungsskala bzw. Bewegungswaage mit der Stange und Skalenlesemittel aufweisen.

6. Kapazitätsabstandssensor (10, 100) gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 3, weiter gekennzeichnet dadurch, dass die Bewegungsabstandsdetektions mittel ein Laserabstandsmessgerät aufweisen.

7. Kapazitätsabstandssensor (10, 100) nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, dass der Rahmen ein zylindrisches Gehäuse (20) ist, und dass die Stange (16) koaxial im Gehäuse (20) angeordnet ist, wobei die Tragemittel (18, 22, 24) zwischen der Stange (16) und dem Gehäuse (20) angeordnet sind.

8. Kapazitätsabstandssensor (10, 100) nach Anspruch 3 oder Anspruch 7, gekennzeichnet dadurch, dass die Bewegungsabstandsdetektionsmittel eine am Rahmen (20, 78) befestigte Elektrode (74, 84), eine an der Stange (16) befestigte Elektrode (70, 80) und Berechnungsmittel (34) aufweisen, die den Bewegungsabstand der Objektivelektrode (14) basierend auf einer Vari anz der Kapazität proportional zu einem Abstand zwischen den beiden Elek troden (70, 80, 74, 84) berechnen.

9. Kapazitätsabstandssensor nach Anspruch 3 oder Anspruch 7, gekenn zeichnet dadurch, dass die Bewegungsabstandsdetektionsmittel eine am Rahmen (20) befestigte Elektrode (32, 90), eine an der Stange (16) befe stigte Elektrode (30, 88) und Berechnungsmittel (34) aufweisen, um den Bewegungsabstand der Objektivelektrode (14) basierend auf einer Varianz ei ner Kapazität proportional zu einem gegenüberliegenden Gebiet bzw. einer gegenüberliegenden Fläche der beiden Elektroden (30, 88, 32, 90) zu be rechnen.

10. Kapazitätsabstandssensor (10, 100) nach Anspruch 3 oder Anspruch 7, gekennzeichnet dadurch, dass die Stangentragemittel (112) zumindest zwei statische Gaslagerungen bzw. Gaslager (114) aufweisen.

11. Kapazitätsabstandssensor (10, 100) nach Anspruch 7, gekennzeichnet dadurch, dass die Stangentragemittel (18) ein Paar von Vorspannmitteln (18) aufweisen, die getrennt angeordnet sind für das Vorspannen der Stange (16) in die Neutralposition, und wobei die Vorspannmittel (18) zumindest drei ela stische Beinglieder (54) aufweisen, die zwischen einem Flansch (50) der Stange (16) und einem Flansch (52) des Gehäuses (20) angeordnet sind.

12. Kapazitätsabstandssensor (10, 100) nach Anspruch 11, gekennzeich net dadurch, dass die elastischen Beinglieder (54) befestigte Teile (56, 58) an beiden Enden, Plattenteile (54, 62) und Nuten (64, 66, 68) der Angeln vertikal zur Längsmittellinie aufweisen.

13. Konfigurationsbestimmungsvorrichtung geeignet für das Bestimmen einer Oberflächenkonfiguration eines Objekts (12), die Folgendes aufweist:
den Kapazitätsabstandssensor (10, 100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, eine Positionierungsvorrichtung für das Bewegen der Objektivelektro de (14) relativ entlang der Oberfläche des Objekts (12);
Konfigurationsbestimmungsmittel für das Bestimmen der Oberflächen konfiguration des Objekts (12) basierend auf den Signalen von den Berech nungsmitteln (38), wobei die Berechnungsmittel einen Bewegungsabstand der Objektivelektrode basierend auf einer Varianz einer Kapazität zwischen den beiden Elektroden berechnen.