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專利名稱：用于測(cè)量長(zhǎng)度和角度的儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種含有一個(gè)電容傳感器的線性或角度測(cè)量?jī)x，所述電容傳感器具有用以發(fā)送耦合信號(hào)，并沿一第一線性或曲線陣列排列的發(fā)射電極，所述發(fā)射電極與在所述電極上產(chǎn)生的第一空間周期模式電信號(hào)第一裝置相連，所述電信號(hào)系沿所述第一陣列進(jìn)行增量移位而產(chǎn)生;所述傳感器還具有用來(lái)接收電容耦合信號(hào)、并與沿所述某一元件的第一陣列判定相對(duì)位置的第二裝置相連的接收電極，所述元件具有一個(gè)第二空間周期陣列，它有著影響發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)之電容耦合的特征。
這種儀器的幾個(gè)實(shí)施例已為公眾所知。一種具有交錯(cuò)電極曲線陣列的即奇數(shù)電極(odd electrode)連接在一起以及偶數(shù)電極(even electrode)連接在一起的旋轉(zhuǎn)式電容編碼器見(jiàn)美國(guó)專利號(hào)為1，674，729的專利文獻(xiàn)中的描述。這些陣列在每個(gè)信號(hào)周期T內(nèi)有兩個(gè)電極，即奇數(shù)電極和偶數(shù)電極上的電信號(hào)的相位相反。為了在空間周期Tx內(nèi)以更高的精度插入，一種較好的做法是，每一空間周期Tx的電極數(shù)N遠(yuǎn)大于2個(gè)例如，位置是用測(cè)量耦合到接收電極上信號(hào)的相位的方法確定的(如果必要，在解調(diào)以后)，存在著由于電極間距為T(mén)x/N而產(chǎn)生的諧波波形和與空間周期Tx有關(guān)的基波波形之間的一個(gè)頻率比N，此比數(shù)越大，用濾波方法濾去不需要的諧波就越容易。
在美國(guó)專利號(hào)為3，342，935的專利文獻(xiàn)中，測(cè)量板上觸針(stylus)的精確位置是用從由絲狀電極的兩個(gè)正交陣列組成的一個(gè)矩陣獲取觸針拾取信號(hào)來(lái)測(cè)量的，其中，每一軸一個(gè)陣列，每一陣列的絲狀電極與四個(gè)正交的正弦波相連，相鄰導(dǎo)線(wire)的相位為(例如)0，90，180，270，0，90度等，每一空間周期Tx有4個(gè)絲狀電極。所有這些實(shí)施例中，電極必須同時(shí)與傳感器和測(cè)量盤(pán)相連，傳感器與測(cè)量盤(pán)之間也必須連接在一起。
德國(guó)專利號(hào)為2.218.824的專利使得電容耦合回到傳感器上的信號(hào)能夠由測(cè)量盤(pán)拾取。建議采用相位測(cè)量方法的英國(guó)專利號(hào)為2.009.944的專利也提供了從測(cè)量盤(pán)回到傳感器的這種耦合。在這兩種情況下，都去掉了傳感器與測(cè)量盤(pán)之間的必要連接，但其代價(jià)是要有一個(gè)更寬的測(cè)量盤(pán)和傳感器范圍。這是由于在發(fā)射電極陣列的旁邊，傳感器需要至少一個(gè)拾取電極，以得到與測(cè)量盤(pán)上的接收電極的電容耦合;另外，一保護(hù)電極需要屏蔽拾取電極，使之不與傳感器上的發(fā)射電極直接耦合。結(jié)果，傳感器的寬度以及測(cè)量盤(pán)使許多應(yīng)用受到限制，或者是由于缺少空間，例如，在小型缸經(jīng)規(guī)探測(cè)器(miniature cylindrical ganging probes)的應(yīng)用中，或者是經(jīng)濟(jì)原因(例如，如果此傳感器被集成在一硅印模(silicon die)，其成本將隨其尺寸而顯著增加。同時(shí)，因?yàn)闇y(cè)量盤(pán)電極必須有兩個(gè)分立區(qū)，一個(gè)區(qū)用來(lái)接收來(lái)自發(fā)射電極陣列的信號(hào)，另一區(qū)用來(lái)把接收信號(hào)耦合回到拾取電極，兩個(gè)區(qū)域連接在一起，測(cè)量盤(pán)電極的形狀和位置大大限制了某些應(yīng)用，特別是在二維測(cè)量盤(pán)的情況下，使這些應(yīng)用成為不可能。
本發(fā)明的一個(gè)目的在于補(bǔ)救這些缺陷，并且為此目的，本發(fā)明的特征在于，所述傳感器包含第三裝置，所述第三裝置用來(lái)暫時(shí)斷開(kāi)發(fā)射電極、然后再與所述第一裝置斷開(kāi)，并使它們與所述第二裝置相連，從而可以瞬間接收，所述第三裝置提供瞬間接收電極的第二空間周期模式，所述第一和第二模式交替位移一增量，從而一個(gè)模式的位移發(fā)生在另一模式的位移之間的間隔內(nèi)，所述元件產(chǎn)生一由瞬時(shí)接收電極接收的信號(hào)的周期漲落。
本發(fā)明使一簡(jiǎn)單、低成本儀器的制造成為可能，即使其傳感器完全集成在一硅印模上也是如此，這是由于窄電極陣列只需要一小區(qū)域的緣故。另外，由于傳感器和測(cè)量盤(pán)之間的局部距離的不同通常是影響精度的主要原因，對(duì)較小尺寸的電極陣列，因減小這些尺寸已經(jīng)使精度得到提高。
本發(fā)明所述傳感器可以被構(gòu)筑成能夠與具有不同類型的元件或測(cè)量盤(pán)一起工作，這些元件或測(cè)量盤(pán)具有影響耦合電容的電極、地貌或其他空間周期參數(shù)。測(cè)量盤(pán)可以具有很簡(jiǎn)單的幾何形狀，例如，電極可以呈矩形，不必與保護(hù)電極分開(kāi)。測(cè)量盤(pán)電極可以比傳感器電極寬、窄，或相同寬度。例如，這就允許對(duì)測(cè)量盤(pán)做直線延伸，可以在用本發(fā)明兩個(gè)傳感器進(jìn)行二坐標(biāo)測(cè)量所述測(cè)量盤(pán)有一個(gè)二維電極陣列。
另外，為了簡(jiǎn)便和測(cè)量精確起見(jiàn)，所述第二裝置能夠在解調(diào)以后，采用對(duì)瞬時(shí)接收電極接收的信號(hào)的相位進(jìn)行估算的方法，來(lái)尋找傳感器所述元件的相對(duì)位置。
在一種最佳實(shí)施例中，所述第一裝置提供一具有周期2Tx的第一空間周期模式，所述2Tx由與第一電勢(shì)相連的N個(gè)電極的第一組構(gòu)成，所述第一電勢(shì)與連接到第二電勢(shì)的N個(gè)電極的第二組一起交替變化，此處N為大于3的整數(shù)，所述第三裝置提供一具有周期Tx的第二空間周期模式，它由至少由一個(gè)與N個(gè)電極的每一組斷開(kāi)、從而進(jìn)行瞬時(shí)接收的電極構(gòu)成，被選瞬時(shí)接收電極在至少兩個(gè)同電位的電極之間。
本實(shí)施例以相對(duì)較為簡(jiǎn)單的電子結(jié)構(gòu)獲得了良好的測(cè)量精度。因?yàn)槟Ｊ降目臻g周期是測(cè)量盤(pán)模式的空間周期的兩倍，所以，由于測(cè)量盤(pán)以及影響所有測(cè)量盤(pán)電極的電極之間的電壓差而產(chǎn)生的影響被消除。由于較長(zhǎng)的圖形周期，傳感器與測(cè)量盤(pán)之間更大的間距成為可能，由于在間距增大時(shí)，有用信號(hào)強(qiáng)度降低較少。
鄰近瞬時(shí)接收電極的電極的直接耦合不會(huì)影響測(cè)量，這是由于其電位在所述第一模式位移期間保持不變的緣故。
所述第一和第二結(jié)構(gòu)具有M個(gè)電極的移位增量具有優(yōu)越性，M為一個(gè)接近N/2的整數(shù)。
這樣一個(gè)移位等同于一個(gè)M-N/2個(gè)電極的相當(dāng)小的增量，但所述第一模式的信號(hào)極性隨每一移位而變。由于大量的電極在每一移位時(shí)改變其電位，所以信號(hào)強(qiáng)度很大。另外，對(duì)來(lái)自瞬時(shí)接收電極的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，即，每隔2個(gè)移位反轉(zhuǎn)信號(hào)的極性，則合成信號(hào)將與用所述更小的增量產(chǎn)生的一非解調(diào)信號(hào)相類似，但是，由移動(dòng)靜電荷、壓電特性等產(chǎn)生的不合需要的低頻信號(hào)將被所述解調(diào)拒絕而讓位給容易被濾波的高頻。
在一種較佳實(shí)施例中，移位增量之前或之后N個(gè)電極的第一和第二組所形成的模式對(duì)稱于任一瞬時(shí)接收電極的中點(diǎn)附近，若是隔離的話，或則對(duì)稱于任意一組接近瞬時(shí)接收電極的中點(diǎn)附近。
在沒(méi)有測(cè)量盤(pán)的情況下，或者如果其電極從瞬時(shí)接收電極或電極組的中點(diǎn)看也形成一對(duì)稱模式，則在瞬時(shí)接收電極上耦合的信號(hào)為零，這是因?yàn)閺乃须姌O上刪除了耦合的緣故。這就大大方便了測(cè)量。這種情況也可能發(fā)生在故障或錯(cuò)誤耦合時(shí)對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)試的情況下，這是因?yàn)樵谶@種情況下，在沒(méi)有測(cè)試盤(pán)時(shí)，接收的信號(hào)也不會(huì)消除(或者具有不帶電極和起伏形狀的虛擬測(cè)試盤(pán))。
在一種最佳實(shí)施例中，此儀器包含一個(gè)與2N個(gè)第一線(Pa-Pp)相連接的信號(hào)發(fā)生器，在一條線(Pa)上產(chǎn)生一個(gè)從一個(gè)時(shí)鐘輸入產(chǎn)生的周期信號(hào)輸出，并稱位所述信號(hào)1至2N-1個(gè)時(shí)鐘周期，從而產(chǎn)生2N-1條剩余線(Pb-Pp)的附加2N-1個(gè)信號(hào)，每一電極可以切換到這些線中的一條上。
優(yōu)越之處在于，所述信號(hào)發(fā)生器還與N個(gè)第二線(Rai-Rhp)相連，從而提供所述第二模式，在所述N條第二線(Rai-Rhp)上產(chǎn)生的信號(hào)控制電子電源開(kāi)關(guān)(S1)，使每一電極與所述第一2N線(Pa-Pp)相連或斷開(kāi)，并且電子拾取開(kāi)關(guān)(S2，S3)斷開(kāi)，分別把所述電極與某一差動(dòng)放大器(differential amplifier)相連。這一方案安全，必要的邏輯簡(jiǎn)單。
在一種最佳實(shí)施例中，每一個(gè)電極與第一拾取開(kāi)關(guān)(S2)相連，第一拾取開(kāi)關(guān)(S2)后有一個(gè)第二拾取開(kāi)關(guān)(S3)，所述開(kāi)關(guān)之間的公共部分在所述開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)與一恒定電位相連。這就阻止了電極與差動(dòng)放大器的任意不合需要的耦合。
在一種類似的實(shí)施例中，拾取開(kāi)關(guān)(S2，S3)與二條第三線(I1，I2)中的一條相連，這些線由一換向器(S5，S6)與放大器相連，放大器后接取樣-保持電路，然后再后接一微分-單端轉(zhuǎn)換器、一濾波器和一比較器。
這種實(shí)施例的電子線路制作簡(jiǎn)單，通常不會(huì)影響傳感器精度。
結(jié)合附圖通過(guò)舉例描述本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，可以從描述中和權(quán)利要求書(shū)中看到本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)。


圖1A和1B分別描述本發(fā)明的傳感器和測(cè)量盤(pán)電極的線性(圖1A)和曲線(圖1B)陣列。
圖2舉例描述了電位的四個(gè)連續(xù)狀態(tài)和本發(fā)明一傳感器的瞬時(shí)接收電極模式。
圖3是本發(fā)明傳感器電子電路基本部分的示意圖。
圖4描述的是對(duì)應(yīng)于在圖2中局部描繪的電位模式和瞬時(shí)接收電極模式的所述電子電路的波形和信號(hào)。
本發(fā)明的一種儀器含有一傳感器1，傳感器1帶有一電極陣列10和一由一電極陣列20形成的測(cè)量盤(pán)2，如果1A所示。傳感器1和測(cè)量盤(pán)相互面對(duì)面布設(shè)，以間距H相隔。傳感器1可沿著座標(biāo)X相對(duì)于測(cè)量盤(pán)移動(dòng)，座標(biāo)X即是要予以測(cè)量的。Tx為測(cè)量盤(pán)電極20沿X方向的間距，Tx/N為一個(gè)傳感器電極的間距，N為T(mén)x上的電極數(shù)，圖1中，N＝8。部分傳感器電極10起著作為接收電極10R的功能，接收電極10R受其余電極產(chǎn)生的場(chǎng)的影響，是相對(duì)于測(cè)量盤(pán)2的電極20的位置的函數(shù)。因?yàn)榻邮针姌O的模式不斷發(fā)生移位，所有電極10依次成為接收電極10R。這樣，所有電極10具有相同的功能。這一簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于跨傳感器X的寬度W可以與測(cè)量盤(pán)電極陣列一樣大，在測(cè)量盤(pán)和傳感器必須很窄(W＜＜T)的情況下以及當(dāng)測(cè)量盤(pán)到傳感器的距離H相當(dāng)重要的情況下測(cè)量盤(pán)電極和傳感器電極之間的耦合電容對(duì)于某一給定間距H隨寬度W的增加而急聚下降，這一特性特別有用。假設(shè)測(cè)量盤(pán)和傳感器電極陣列有相同的寬度，對(duì)比值W/H＞＞1的情況，耦合電容的下降約正比于W，而當(dāng)寬度W變得次于間距H時(shí)，耦合電容將以H/W平方的比率顯著趨于下降。
這種尺寸限制(即，寬度W比間距Tx小得多，間距H與所述寬度W具有相同的數(shù)量級(jí))在旋轉(zhuǎn)編碼器中可以經(jīng)常見(jiàn)到，旋轉(zhuǎn)編碼器必須絕對(duì)是一圈或者是一圈的一部分，并且內(nèi)外半徑之間只有很小的差別，例如，如果所述編碼器環(huán)繞一軸構(gòu)筑，則為了建設(shè)性的原因，此間距H不可以做成任意小。圖1B所示的電極陣列最適合于這種情況。傳感器101有一個(gè)由16個(gè)電極110組成的環(huán)形陣列，電極110面向一個(gè)帶有兩個(gè)電極120A、120B的環(huán)形測(cè)量盤(pán)102;這樣，圓形周期Tx對(duì)應(yīng)于半圈的數(shù)量。瞬時(shí)接收電極10R的圖形由兩個(gè)分開(kāi)180度、環(huán)繞周長(zhǎng)成恒定位移的電極構(gòu)成。采用這種方式，在傳感器電極陣列周?chē)筒辉傩枰画h(huán)形接收電極和它們之間的保護(hù)電極，那樣的話，由于所述傳感器電極陣列的寬度W可能較窄，使耦合電容減小，而急劇減小有用信號(hào)。采用本發(fā)明的這一特性而制作的這一電極結(jié)構(gòu)很適合這一特定情況。
其他優(yōu)點(diǎn)在本發(fā)明的傳感器的工作詳細(xì)描述中得到說(shuō)明，其方法是首先分析使電位模式沿瞬時(shí)接收電極上的電極10的陣列移位而產(chǎn)生的效果。為此，圖2舉例描述了本發(fā)明傳感器的一組32個(gè)電極上，電位模式和瞬時(shí)接收電極的四個(gè)連續(xù)狀態(tài)。為了清楚起見(jiàn)，應(yīng)該承認(rèn)，這32個(gè)電極位于一個(gè)更長(zhǎng)的線性陣列的中部，消除有限長(zhǎng)陣列擾動(dòng)的手段將在下文中描述。
圖2中所示的電位模式由兩種電位構(gòu)成V1(白色)、V2(陰影部分)。除了瞬時(shí)接收電極10R，陣列的所有電極10或者處于V1，或者處于V2。所述模式每隔16個(gè)電極重復(fù)一次，盡管刻度周期Tx在圖1中對(duì)應(yīng)于8個(gè)電極(N＝8)，但電位模式的周期為2Tx。對(duì)于瞬時(shí)接收電極10R模式也是這樣，盡管電極8個(gè)一組分開(kāi);事實(shí)上，所述模式由瞬時(shí)接收電極構(gòu)成，這些電極交替地與兩個(gè)放大器的一個(gè)或另一個(gè)輸入端(圖中未畫(huà))相連，所以兩個(gè)模式的周期為2Tx。在任一給定時(shí)刻，每一個(gè)第16個(gè)電極10將具有相同的電位和相同的功能，即，或者在電位V1，或者在V2，或者作為瞬時(shí)接收電極與一個(gè)放大器輸入端相連，或者與另一輸入端相連。這樣，圖2中的電極用a到p的16個(gè)字母表示在2Tx的間隔中相對(duì)位置特征，每一個(gè)字母在圖2所示的32個(gè)電極中出現(xiàn)兩次。因此，具有相同字母的電極，其電位相同，基功能相同。圖2中，在時(shí)刻tOR的模式如下除了瞬時(shí)接收電極10g，電極10a-10h處于電位V2，除了瞬時(shí)接收電極100，電極10i-10p處于電位V1。然后，在時(shí)刻tOS，電位模式平移5個(gè)電極，即向右平移5Tx/8;電極10f，10h-10m處于電位V2，電極10n，10p，10a-10e處于電位V1;瞬時(shí)接收電極10g、10。不動(dòng)，因?yàn)樗鼈兘邮樟擞?個(gè)電極10a-10e而產(chǎn)生的由V2度變公到V1、以及由5個(gè)電極10i-10m產(chǎn)生的由V1變化到V2的電位變化耦合的信號(hào);同時(shí)，接近瞬時(shí)接收電極10g的電極10f和10h以及接近10o的10n和10p保持在同一電位上。受測(cè)量盤(pán)的周期Tx的影響，如圖2中未示出電極的影響，上述電位變化將在所述瞬時(shí)接收電極10g和10o上引起一電位變化。這一電位變化是測(cè)量盤(pán)電極對(duì)傳感器相對(duì)位置的函數(shù)。如果測(cè)量盤(pán)電極正好面向瞬時(shí)接收電極10g和10o，則受所述測(cè)量盤(pán)電極的影響，每一組5個(gè)電極10a-10e和10i-10m的耦合由于對(duì)稱的原因而相等，從而由于這兩個(gè)由5個(gè)電極構(gòu)成的電極組的電位變化具有相反的極性，電極10g和10o上感應(yīng)電位變化的凈值將為零。另一方面，如果測(cè)量盤(pán)電極略微向右移動(dòng)，從一組電極10a-10e到瞬時(shí)接收電極10g的耦合將增加，而從另一組5個(gè)電極10i-10m到另一瞬時(shí)接收電極10o也將增加。假定電位V1高于V2，瞬時(shí)接收電極10g上的電位將增加，瞬時(shí)拉媚電極10o上的電位將下降。相反，如果測(cè)量盤(pán)電極略微左移，則很明顯，電極10g上的電位將減小，電極10o上的電位將增加。如果測(cè)量盤(pán)電極不是正好面向瞬時(shí)接收電極10g和10o，而是與他們等距離，即與它們的距離為T(mén)x/2，則電極10g和10o上感應(yīng)電位的變化將再次為零。
人們看到，瞬時(shí)接收電極10R上的電位變化了一個(gè)周期Tx，且幅度相等，但極性相反，并且是一個(gè)周期函數(shù)，周期為T(mén)x，此周期為所述瞬時(shí)接收電極和測(cè)量盤(pán)電極之間的位移。所以，把二分之一個(gè)瞬時(shí)接收電極連接到差動(dòng)放大器的一個(gè)輸入，另一半瞬時(shí)接收電極連接到其他輸入端，則有用信號(hào)被加倍，而由于傳感器和測(cè)量盤(pán)的電極外部的影響，傳感器和刻度盤(pán)之間電位的整體變化將消除，且這些變化在所述差動(dòng)放大器的兩個(gè)輸入端具有相等的幅度和極性(圖3)。
其次，在時(shí)刻t1R，瞬時(shí)接收電極模式向右平移5個(gè)電極的增量，即5Tx/8。瞬時(shí)接收電極10R現(xiàn)在是電極10l和10d，而電極10g和10o再次與V1和V2相連。其他電極上的電位模式保持不變，并且僅在時(shí)刻t1S，向右平移一個(gè)5個(gè)電極的增量(5Tx/8)，而瞬時(shí)接收電極10l和10d將拾取10f-10g的五電極組V2至V1的躍遷信號(hào)以及5電極組10n、10o、10p、10a、10b上V1至V2的躍遷信號(hào)。這里，靠近瞬時(shí)接收電極10l和10d的電極，即10k，10m，10c，和10e將保持同一電位。
按照?qǐng)D2本發(fā)明傳感器給出的實(shí)例，電位模式描述了必須獲得良好傳感器工作特性的這種模式的特征。一個(gè)特別的特征是在平移期間的瞬時(shí)接收時(shí)，每一電極或一組接近電極的中點(diǎn)附近的平移前后，電位模式之間的對(duì)稱例如，考慮tOR和tOS時(shí)刻的這些模式，人們看到在tOR時(shí)刻，電位為V2，在一個(gè)瞬時(shí)接收電極的右側(cè)有一個(gè)電極10h，左側(cè)有六個(gè)電極10a-10f，在tOS時(shí)刻的同一電位V2，左側(cè)有一個(gè)電極10f，右側(cè)有六個(gè)電極10h-10m。另一個(gè)特征是，本例中的接近瞬時(shí)接收電極的電極10f和10h處于同一電位。
假設(shè)每一間距Tx有N個(gè)電極，當(dāng)電位模式平移增量M個(gè)電極時(shí)，N-M個(gè)鄰近電極處于同一電位。由于上述對(duì)稱原因，幾組R個(gè)鄰近瞬時(shí)接收電極必須處于所述N-M個(gè)電極的中間。于是很明顯，如果N-M為偶數(shù)，則R必定為偶數(shù)，如果N-M為奇數(shù)，則R必定為奇數(shù)，特別是，如果N-M為奇數(shù)，則只有一個(gè)瞬時(shí)接收電極(R＝1)。
用數(shù)碼1至N從左至右對(duì)圖2中的間距Tx內(nèi)的N個(gè)電極編號(hào)，第一瞬時(shí)接收電極數(shù)的數(shù)碼是J＝(N+M-R)/2+1并且在只有一個(gè)瞬時(shí)接收電極(R＝1)的情況下J＝(N+M+1)/2對(duì)于間距Tx內(nèi)有8個(gè)電極并且增量為5個(gè)電極的情況，對(duì)應(yīng)于圖2中的電極10g，第一瞬時(shí)接收電極的數(shù)碼J將是7。另一種合適的模式是，間距Tx內(nèi)有16個(gè)電極而增量是9個(gè)電極，那么瞬時(shí)接收電極的數(shù)碼J是13。
在瞬時(shí)接收電極10R的附近，某一平移的前后，使用在電位模式之間具有所述對(duì)稱特性的電位模式和瞬時(shí)接收電極模式，確保了在沒(méi)有測(cè)量盤(pán)的情況下，或者當(dāng)測(cè)量盤(pán)電極環(huán)繞所述電極10R也形成一對(duì)稱模式時(shí)，在所述電極10R上耦合的電位變化為零。在電位模式平移期間，鄰近瞬時(shí)接收電極的電極確保了電極之間不發(fā)生耦合這一點(diǎn)很重要，因?yàn)猷徑姌O之間的窄間距意味著即使在所述間距的變化很小時(shí)，互感電容也有很大變化。
圖2中所示模式的其他特性也令人感興趣。因?yàn)檫@些模式的間距是刻度Tx的兩倍，均衡影響所有測(cè)量盤(pán)(共同模式電壓)電極，在測(cè)量盤(pán)與傳感器之間電位變化的影響可以被減小或者甚至被抑制，這可以從上面看到。這一雙倍模式間距的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在增加測(cè)量盤(pán)至傳感器間距H時(shí)，在瞬時(shí)接收電極上耦合的電位變化的緩慢減小。平移增量接近Tx/2(這里為5Tx/8)的選擇還有下述優(yōu)點(diǎn)，使得能夠在瞬時(shí)接收電極上對(duì)信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單解調(diào)，這個(gè)解調(diào)有另一個(gè)附加優(yōu)點(diǎn)，即杜絕了在測(cè)量盤(pán)和傳感器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)期間由靜電荷產(chǎn)生的低頻噪音信號(hào)或者在振動(dòng)中由壓電效應(yīng)產(chǎn)生的低頻噪音信號(hào)。假定一移位增為5Tx/8，與3Tx/8合在一起接近T/2，但不相等，則從零開(kāi)始，可以以Tx的分?jǐn)?shù)形式(即Tx若等于1)，有下述瞬時(shí)接收電極和刻度之間的相對(duì)位置序列0，5/8，10/8，15/8，20/8，25/8，30/8，35/8，40/8，等。
因?yàn)闇y(cè)量盤(pán)和瞬時(shí)接收電極之間的耦合具有周期為T(mén)x的空間周期性，則在一個(gè)間距內(nèi)的等效相對(duì)位置是0，5/8，2/8，7/8，4/8，1/8，6/8，3/8，0因此與測(cè)量盤(pán)電極的情況相同，有8個(gè)取樣值(sample)成偶數(shù)沿一個(gè)間距Tx分布，從而一間距內(nèi)的每一電極(并延伸至所有電極)依次成為瞬時(shí)接收電極;這是當(dāng)表述為分?jǐn)?shù)Tx(這里是5/8)的平移增量的分子(這里為5)的分母(這里為8)沒(méi)有公共因子的情況，如果不是這樣，每一間距內(nèi)取樣值的數(shù)量至少可以減半。
取f為取樣頻率，用+1，-1，+1，-1，等依次乘以取樣值對(duì)取樣值序列進(jìn)行解調(diào)，則可以得到一頻率為f/8的解調(diào)信號(hào)，因?yàn)轳詈暇哂锌臻g周期性，并且近似為周期是Tx的正弦波，因而極性的改變等效于一平移Tx/2。于是解調(diào)信號(hào)等同于下述取樣值序列0，1/8，2/8，3/8，4/8，5/8，6/8，7/8，0，等。
在濾波去除了低頻噪聲(由所述解調(diào)去除高頻)以及取樣過(guò)程產(chǎn)生的高頻(量化噪聲)以后，這一序列的實(shí)際頻率為f/8。
如果在圖2給出的例子中，平移增量為3Tx/8，即另一平移接近Tx/2，則也可以找到頻率為f/8的解調(diào)頻率，但序列的順序逆轉(zhuǎn)，即相對(duì)于平移的方向向左，0，7/8，6/8，5/8，等等。因此，接近T/2的平移的優(yōu)點(diǎn)就明顯了，因?yàn)檫@樣容易去除低頻噪聲信號(hào)。另外，因?yàn)槊恳黄揭茣r(shí)，電位V1和V2之間的電極變化量正比于平移增量，所以瞬時(shí)接收電極上信號(hào)隨平移增量而增加。但是一條限制是由保持在一個(gè)瞬時(shí)接收電極的每一側(cè)，同一電位的一個(gè)電極的最小值，(即N-M＝3)給出的。
也可以有幾組鄰近瞬時(shí)接收電極，以及(或者)平移增量，從而一個(gè)或多個(gè)瞬時(shí)接收電極每一側(cè)上的多于1個(gè)的電極保持在同一電位上。具有孤立瞬時(shí)接收電極(即模式的每半個(gè)周期(Tx)上有一個(gè)這種電極)模式的優(yōu)點(diǎn)在于換向裝置的簡(jiǎn)化。其缺點(diǎn)在于測(cè)量盤(pán)的耦合電容較小，但這一點(diǎn)由瞬時(shí)接收電極和基片之間的電容等效減小得到部分補(bǔ)償，從而電位的有效變化不會(huì)受到很大影響。
一個(gè)間距Tx上傳感器電極的數(shù)目N也可以從4起向上變化。當(dāng)N＝4時(shí)，有一個(gè)電極改變電位(M＝1)，一個(gè)瞬時(shí)接收電極由兩個(gè)保持在相同電位上的電極隔開(kāi)。N的最佳選擇主要由所要求的線性度、濾波特性以及電子線路的復(fù)雜程度確定;較大的N很明顯需要更為復(fù)雜的電子線路，但只需要一個(gè)簡(jiǎn)單的濾波器，因?yàn)槿赢a(chǎn)生的量化噪聲頻率將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于感興趣的頻率。實(shí)際上，N也可以是由制造技術(shù)(例如，如果傳感器電極基片是一個(gè)印刷電路)限制的。為了說(shuō)明文字及附圖清晰起見(jiàn)，本發(fā)明圖2，3，4中所描述傳感器例子在一個(gè)間距Tx上有8個(gè)電極;如果傳感器是做在硅襯底上的，如在所述例子的情況下，則最好具有較大的N值，例如N＝16(例如，平移增量為M＝9個(gè)電極和隔離的瞬時(shí)接收電極，R＝1)或更多，但是即使對(duì)于級(jí)別為T(mén)x/1000的簡(jiǎn)單濾波裝置，N＝16已足以獲得良好的線性度。
為了產(chǎn)生圖2舉例說(shuō)明的、本發(fā)明傳感器的電位模式和瞬時(shí)接收電極模式，并且為了從耦合到所述瞬時(shí)接收電極上的信號(hào)中獲取測(cè)量盤(pán)與傳感器之間的相對(duì)位置，可以使用一種電子線路，其主要部分示于圖3。這一電路產(chǎn)生的波形和信號(hào)如圖4所示。
由外部時(shí)鐘信號(hào)CK同步的信號(hào)發(fā)生器30產(chǎn)生在16線Pa-Pp加一線XI上具有16個(gè)時(shí)鐘周期Tck的周期性的信號(hào)，以及在8線Rai-Rhp上具有8個(gè)時(shí)鐘周期Tck的周期性的信號(hào)。
16條線Pa-Pp通過(guò)開(kāi)關(guān)S1a-S1p分別與相對(duì)應(yīng)的電極10a-10p相連，即線Pa通過(guò)開(kāi)關(guān)Sa與電極10a相連，Pb通過(guò)Sb與10b相連，等等，從而將電位模式(V1或V2)施加到電極上。如圖4所述，所述線上的電位模式與圖2所示相應(yīng)電極上電位模式相同，時(shí)刻tOR設(shè)定為時(shí)間軸(t)的原點(diǎn)(OT)。對(duì)于時(shí)刻tOS，t1R和t1s的情況也是如此。這樣，信號(hào)發(fā)生器30在這些線Pa-Pp上產(chǎn)生電極10a-10p的電位模式。因?yàn)閷?duì)應(yīng)于16個(gè)電極，圖2所示的信號(hào)模式具有2Tx的空間周期，并且在偏離時(shí)鐘信號(hào)CK的每一周期TCK，對(duì)應(yīng)于5個(gè)電極有一個(gè)5Tx/8的平移，在線Pa-Pp上產(chǎn)生的電位模式每隔16個(gè)時(shí)鐘周期再次相同。在線Pa-Pp上產(chǎn)生所述電位模式的必要信號(hào)發(fā)生器邏輯圖中未詳細(xì)畫(huà)出，但可以很容易從圖4所示的信號(hào)中導(dǎo)出，特別是，如果重新標(biāo)注，延遲線Pa上的信號(hào)，使第一個(gè)時(shí)鐘周期延遲至第15個(gè)時(shí)鐘周期，則可以得到線Pa-Pp上的信號(hào)。需要做的只是產(chǎn)生線Pa上所示的周期序列，然而借助于信號(hào)發(fā)生器30整體一部分的移位寄存器，獲得以下順序的15個(gè)其他信號(hào)。
Pf，Pk，Pp，Pe，Pj，Po，Pd，Pi，Pn，Pc，Ph，Pm，Pb，Pg，Pl，每一個(gè)信號(hào)從前一個(gè)信號(hào)延遲一個(gè)時(shí)鐘周期。注意，由于電位模式移位增量為5個(gè)電極，所以序列中的相鄰線精確地與電極5Tx/8或5個(gè)分開(kāi)的電極對(duì)應(yīng)。
瞬時(shí)接收電極模式受8條線Rai-Php的控制，每條線控制用線號(hào)標(biāo)記的電極的選擇，例如，線Rgo控制電極10g和10o。當(dāng)這條線處于邏輯狀態(tài)“1”時(shí)，相應(yīng)的電極作瞬時(shí)接收。這里，圖4中所示的線Rai-Rhp上的信號(hào)還是對(duì)應(yīng)于圖2中所示的瞬時(shí)接收電極模式，例如圖4中，在時(shí)刻tOR和tOS，線Rgo處于邏輯狀態(tài)“1”時(shí)，圖2中電極10g和10o同時(shí)處于瞬時(shí)接收狀態(tài)。同一電極每隔8個(gè)時(shí)鐘周期再次處于瞬時(shí)接收狀態(tài)，因此，線Rai-Rhp上的信號(hào)的周期是8個(gè)時(shí)鐘周期。如圖4所示，線Rai-Rhp上的信號(hào)以下述順序獲取邏輯狀態(tài)“1”Rgo，Rdl，Rai，Rnf，Rkc，Rhp，Rem，Rbj。
這里，此序列中的相鄰線還是控制相隔5Tx/8的瞬時(shí)接收電極方式。當(dāng)這些線上的信號(hào)模式在線Pa-Pp上的電位模式移位之間改變時(shí)，可以用“主”雙穩(wěn)態(tài)輸出產(chǎn)生一個(gè)模式，并用“從屬”雙穩(wěn)態(tài)”輸出產(chǎn)生另一個(gè)模式，從而從上述移位寄存器產(chǎn)生線Rai-Rhp上的信號(hào)。還需一些附加組合和計(jì)時(shí)邏輯。用各種邏輯電路很容易實(shí)現(xiàn)提供圖4所示信號(hào)的完整信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)，此處不再示出。
設(shè)計(jì)電極開(kāi)關(guān)和信號(hào)處理電路必須特別小心，以防止產(chǎn)生的信號(hào)和瞬時(shí)接收電極之間的不需要的耦合，這些電路的示意圖如圖3所示。每一電極10a-10p通電子開(kāi)關(guān)S1a-S1p中一個(gè)具有相同標(biāo)號(hào)的電子開(kāi)關(guān)與線Pa-Pp中相同標(biāo)號(hào)的線相連，例如，電極10a通過(guò)S1a與Pa相連。每一個(gè)開(kāi)關(guān)S1a-S1p受線Rai-Rhp中具有共同標(biāo)號(hào)的線控制，例如，S1a和S1i受Rai控制。除了S1以外，同一線Rai-Rhp還控制三個(gè)具有同樣標(biāo)號(hào)的其他電子開(kāi)關(guān)S2，S3，S4;例如，電極10a與受線Rai控制的S1a，S2a，S3a，S4a相連。這三個(gè)開(kāi)關(guān)S2，S3，S4將具有同一標(biāo)號(hào)的電極連接到(或者不連接到)兩條拾取線I1或I2中的一條上。例如，當(dāng)線Rai上的控制信號(hào)處于邏輯狀態(tài)“0”時(shí)，此信號(hào)閉合它所控制的開(kāi)關(guān)S1，例如S1a，從而將電極10a連接到線Pa上，即連接到電位模式(V1或V2)上。開(kāi)關(guān)S2a和S3a也受線Rai控制，被邏輯狀態(tài)“0”打開(kāi)，從而從拾取線I1上斷開(kāi)電極10a，而同樣也受所述線控制的開(kāi)關(guān)S4a由所述邏輯電平閉合。開(kāi)關(guān)S4a將開(kāi)關(guān)S2a和S3a之間的線連接到一恒定電位，從而起一個(gè)保護(hù)電路的作用，防止從電極至拾取線通過(guò)打開(kāi)開(kāi)關(guān)S2，S3而發(fā)生電容耦合。例如，當(dāng)線Rgo上的控制信號(hào)處于邏輯狀態(tài)“1”時(shí)，此信號(hào)打開(kāi)它所控制的開(kāi)關(guān)S1，例如S1g，從而從線Pg(即電位模式)上斷開(kāi)電極10g。這里，一個(gè)簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)就夠了，因?yàn)橹灰鲩_(kāi)關(guān)S1g保持打開(kāi)狀態(tài)，線Pg上的電位不會(huì)改變。線Rgo上的邏輯汰態(tài)“1”還閉合開(kāi)關(guān)S2g，S3g，并打開(kāi)開(kāi)關(guān)S4g，從而使電極10g與拾取線I2相連。電極10g變成瞬時(shí)接收電極10R，與開(kāi)關(guān)S1O，S2O，S3O，S4O相連的電極10o受同一線Rgo的控制。注意，上述例子也適用于所有電極10，開(kāi)關(guān)S1至S4以及線R。
瞬時(shí)接收電極接收的信號(hào)通過(guò)拾取線I1，I2的中介以及電子換向器S5，S6與由開(kāi)關(guān)S7，S8取樣的兩個(gè)放大器31，32相連。每一放大器31，32后面有一個(gè)取樣保持電路33，34，取樣保持電路33，34的輸出與一個(gè)單端轉(zhuǎn)換器35的差動(dòng)端相連，其后接一濾波器36和一比較器37。由于有這個(gè)差動(dòng)輸入端的單端轉(zhuǎn)換器35，假設(shè)放大器31，32的增益相等，則由所述放大器和差動(dòng)輸入端單端轉(zhuǎn)換器組成的電路等效于一個(gè)差動(dòng)放大器，即放大其輸入端處信號(hào)之間的差值(VDI)。交換放大器輸入端上的所述信號(hào)，只能改變所述信號(hào)差值VDI的極性。
電極對(duì)的序例依次成為瞬時(shí)接收狀態(tài)，在圖3中從時(shí)刻O(píng)(tOR)開(kāi)始，并用其標(biāo)號(hào)表示如下go，ld，ai，fn，kc，ph，em，jb，og，dl，ia，nf，ck，hp，me，bj。
如果上述序列中具有左標(biāo)號(hào)的電極與放大器31的輸入端相連，并且具有右標(biāo)號(hào)的電極與放大器32的輸入端相連，則合成的信號(hào)序列用上述分?jǐn)?shù)Tx表述與下述位置等效0，5/8，2/8，7/8，4/8，1/8，6/8，3/8，0等等。在頻率f/2下解調(diào)，即將序列+1，-1，+1，-1等乘上述序列，并濾波，則可以得到頻率為f/8(即周期8Tck)的周期波形。所述解調(diào)可以在放大之后，但這里是在放大器前面做的;為此，每一第二電極對(duì)連接到拾取線I1，I2的連接線必須交換，從而瞬時(shí)接收電極以下述序列被連接到放大器輸入端31，32go，dl，ai，nf，kc，hp，em，bj，og，ld，ia，fn，ck，ph，me，jb，對(duì)應(yīng)于第一個(gè)標(biāo)號(hào)的電極與輸入端31相連，對(duì)應(yīng)于第二個(gè)標(biāo)號(hào)的電極與輸入端32相連。把開(kāi)關(guān)S3a，S3b，S3d，S3e，S3g，S3h，S3k，S3n與拾取線I1相連，把開(kāi)關(guān)S3c，S3f，S3i，S3j，S3l，S3m，S3o，S3p與I2相連，并且把線I1與放大器輸入端31相連，線I2與放大器輸入端32相連，上述序列中的8個(gè)第一電極對(duì)將被正確連接，但最后8個(gè)電極對(duì)將被跳過(guò)，所以有受線X1控制的換向器S5，S6，且換向器S5，S6跳過(guò)從拾取線I1，I2至放大器31，32輸入端的連接線，從而重新建立正確的連接順序。
因此可以容易地把隔離的(即不鄰接的)瞬時(shí)接收電極模式連接到放大器31，32的輸入端兩條拾取線I1，I2(每一電極僅可與拾取線I1，I2中的一條相連)和兩個(gè)換向器S5，S6就足夠了。
開(kāi)關(guān)S7，S8受時(shí)鐘信號(hào)控制。在瞬時(shí)接收電極10R的模式移位以后，放大器31，32(為反相放大器)的輸出與輸入短路(因?yàn)殚_(kāi)關(guān)S7，S8閉合)。因此電位實(shí)際上相同，放大器相同，放大器31，32的輸入端之間的差動(dòng)電壓VDI接近零。在時(shí)鐘信號(hào)的下降沿(邏輯“1”至邏輯“0”躍遷)，開(kāi)關(guān)S7，S8打開(kāi)，后續(xù)移位電位模式產(chǎn)生的耦合信號(hào)在由輸出信號(hào)VH如圖4所示的電路35從一個(gè)差動(dòng)輸入端單端信號(hào)轉(zhuǎn)換而來(lái)之前，將由電路33、34放大、取樣并保持。然后，一低通濾波器或帶通濾波器36放大頻率接近f/8的解調(diào)波形，去除其諧波和其他噪聲，從而得到圖4所示的信號(hào)VO。然后，此信號(hào)由比較器37變換成一邏輯信號(hào)VC。相對(duì)于參考信號(hào)而得到的此信號(hào)VC的相位移動(dòng)是測(cè)量盤(pán)1和傳感器2之間位移的精確測(cè)量，所述參考信號(hào)由時(shí)鐘頻率被8除而得到。
這種精確性的原因一部分是因?yàn)樾盘?hào)的大部分諧波已經(jīng)被濾掉，用過(guò)零點(diǎn)(zero-crossingpoints)的方法(即在比較器37的輸出端處所述邏輯信號(hào)VD的躍遷)對(duì)其相位的判定不會(huì)引入明顯誤差。另一個(gè)原因是，如果兩種躍遷(向上和向下)都用來(lái)測(cè)量此相位，則對(duì)于兩種躍遷來(lái)說(shuō)，奇數(shù)諧波和直流偏差的影響正好相反(提前其中一個(gè)而滯后另一個(gè))，從而其影響正好抵消。因此，可以以兩個(gè)或兩個(gè)以上隨后的躍遷的時(shí)間平均值(等效于這些后續(xù)躍遷中心的虛設(shè)躍遷的時(shí)間)測(cè)量相位移動(dòng)，并與頻率為f/8的所述參考信號(hào)中的一個(gè)躍遷時(shí)間進(jìn)行比較時(shí)間差被所述參考信號(hào)的周期除，所得的相位移動(dòng)用“圈數(shù)”(360度相位角)來(lái)表示。每一“圈”(這里即為時(shí)間差8Tck的每一周期)對(duì)應(yīng)于測(cè)量盤(pán)和傳感器之間的空間移位Tx。很顯然，如果測(cè)量盤(pán)與光標(biāo)之間的相對(duì)位置不變，則相位(即時(shí)間差)也保持不變。為了獲得更精確的位置，可以對(duì)幾次測(cè)量取平均。
測(cè)量傳感器和測(cè)量盤(pán)之間幾個(gè)空間周期Tx上的位移是簡(jiǎn)單明了的，即不斷記錄“圈數(shù)”在一“圈”或8Tx中加入位移之前，分別在每一完整“圈”(即，相位角從360度至0度，0度至360度的每一躍遷時(shí))分別加入或相應(yīng)減去某一位移Tx。
這些相位角在360度上的躍遷，即8Tck上的時(shí)間差，只可以通過(guò)連續(xù)測(cè)量，或者在實(shí)踐中在足夠小的時(shí)間間隔內(nèi)，最好該時(shí)間間隔能分隔信號(hào)VC的兩次躍變，并且在兩次連續(xù)測(cè)量之間、每次測(cè)量的相位差從8Tck變到O或者相反方向變化時(shí)加進(jìn)或減去一位移Tx來(lái)加以識(shí)別。因此，時(shí)間間隔內(nèi)測(cè)量盤(pán)和傳感器之間相對(duì)位置的判定是確定的，并在較大的時(shí)間間隔內(nèi)遞增，即，傳感器必須永遠(yuǎn)保持位移記錄。上面描述的相位測(cè)量方法僅作為例子給出，還可以使用其他方法。
噪聲信號(hào)還可能在比較器37的輸出端處產(chǎn)生極度的相位跳動(dòng)。這種情況下，一種經(jīng)典的解決方法是使用一種所謂鎖相環(huán)(phase locked loop圖中未畫(huà)出)，其中，內(nèi)部振蕩器的輸出用來(lái)跟蹤或鎖定在感興趣信號(hào)的平均相位上，這里感興趣的信號(hào)可以是所述比較器輸出，或者也可以是濾波器36的輸出，或者甚至是輸入端的單端轉(zhuǎn)換器35的輸出。
如上所述，本發(fā)明傳感器功能的描述是通過(guò)檢查較長(zhǎng)陣列的中點(diǎn)上電極10的特性來(lái)進(jìn)行的，這些電極受到的影響相似。對(duì)于圖1B中所示旋轉(zhuǎn)實(shí)施例中“沒(méi)有端點(diǎn)”的陣列的所有電極當(dāng)然是這種情況，但對(duì)于圖1A中所述線性陣列的端點(diǎn)，電極10受到影響的情形就不是這樣，而可能使測(cè)量搞錯(cuò)，特別是在傳感器和測(cè)量盤(pán)之間未對(duì)準(zhǔn)時(shí)尤其是這樣。一種明顯的補(bǔ)救方式是廢棄來(lái)自靠近陣列端點(diǎn)瞬時(shí)接收電極的信號(hào)在本發(fā)明傳感器的情況下，這可以簡(jiǎn)單地不再將靠近端點(diǎn)的電極連接到線I1，I2上，從而也不再連接到放大器輸入端上。必須仔細(xì)確保仍然可以連接到放大器輸入端的所有電極10延伸整數(shù)個(gè)空間周期2Tx，從而在一個(gè)周期T上得到均勻的瞬時(shí)接收電極分布。
這樣一種簡(jiǎn)單但卻有效的措施還不足以消除測(cè)量盤(pán)和傳感器之間未對(duì)準(zhǔn)、特別是從傳感器陣列的一端到另一端間距變化的影響，這一未對(duì)準(zhǔn)或間距變化引起瞬時(shí)接收電極耦合電容單調(diào)的變化，作為其在陣列中的位置的函數(shù)。瞬時(shí)接收電極10R的“重心”在一個(gè)空間周期Tx以內(nèi)移動(dòng)。因?yàn)橐鸬恼`差是測(cè)量盤(pán)和傳感器相對(duì)位置的函數(shù)，所以引起的誤差有一個(gè)周期Tx。濾掉這一誤差只可以去掉其空間諧波;為了去掉空間周期Tx的剩余誤差，一個(gè)簡(jiǎn)單的竅門(mén)是使所述可連接電極在兩個(gè)區(qū)域上延伸，每一區(qū)域跨越整數(shù)個(gè)周期2Tx，并相隔Tx/2，從而相似但平移了Tx/2的它們的誤差曲線將趨于相互抵消。
一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，可能使傳感器傾斜一給定的角度，而使電極陣列的表面保持與測(cè)量盤(pán)表面平行，同樣，也用同樣的方法使測(cè)量盤(pán)電極(或地形特征)傾斜，從而兩種陣列的電極至少保持局部平行。這就可能使一具有給定空間周期Tx的傳感器能夠讀取周期Tw大于Tx的測(cè)量盤(pán)。除了能夠用一給定傳感器間距在各種測(cè)量盤(pán)比率進(jìn)行測(cè)量以外，還可以用組合兩個(gè)或兩個(gè)以上具有相應(yīng)測(cè)量盤(pán)的不同傾斜程度傳感器而始終保持一高分辨率的情況下，在更大的周期內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。注意，如果Tw遠(yuǎn)大于Tx，則傾斜角趨于90度。
十分清楚，本發(fā)明并不僅限于上述實(shí)施例，而可以在權(quán)利要求1的范圍內(nèi)進(jìn)行適當(dāng)修改。
一種可能性是改進(jìn)第二裝置的工作性能，例如，采用一高性能帶通濾波器36來(lái)提高靈敏度。同樣的目的也可以通過(guò)減小傳感器電極至基底電容從而提高瞬時(shí)接收電極上電壓信號(hào)的方式來(lái)獲得，在一片半導(dǎo)體襯底上，這可以能過(guò)在電極下加入聚酰亞胺來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于電極在V1和V2之間變換，所以電容的減小具有減小電容電流的附加優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明也可以用于二維測(cè)量，方法是，提供一具有面向一個(gè)測(cè)量盤(pán)2的電極10的兩個(gè)正交陣列的光標(biāo)，測(cè)量盤(pán)2沿兩個(gè)正交方向具有一呈空間周期性的電極20的陣列。
測(cè)量盤(pán)2也可以具有任意一種易影響傳感器信號(hào)的器件20，例如一種加高的或中空的介電或?qū)щ娖骷?br> 最后，本發(fā)明所述傳感器顯然適用于靜電諧波微型電機(jī)(electrostatic harmonic micromotor)中的集成，即，使轉(zhuǎn)動(dòng)筒形轉(zhuǎn)子位于略大直徑的筒形定子內(nèi)運(yùn)動(dòng)，或者是一個(gè)其周邊在一半面狀定子上轉(zhuǎn)動(dòng)的平面盤(pán)形轉(zhuǎn)子(轉(zhuǎn)子和定子平面形成一很小的角度)。旋轉(zhuǎn)速度是激勵(lì)場(chǎng)的角速度和定子與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)路徑(代表接觸點(diǎn)或接觸線的順序)之間長(zhǎng)度差的函數(shù)。所述長(zhǎng)度差很難控制，因此，必須調(diào)整激勵(lì)場(chǎng)的角速度，從而保持恒定旋轉(zhuǎn)速率(例如手表中的情形)。這可以由集成在定子上的本發(fā)明所述傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，測(cè)量盤(pán)由一間隙或一轉(zhuǎn)子上的電極陣列形成。
旋轉(zhuǎn)電位模式產(chǎn)生的電場(chǎng)甚至可以用來(lái)對(duì)電機(jī)供電。如上所述，轉(zhuǎn)子的角速度(即其速度)，也可以用信號(hào)VC的相位角來(lái)測(cè)量。鎖相環(huán)對(duì)產(chǎn)生用于傳感器和向電機(jī)供電的所述旋轉(zhuǎn)電位模式的時(shí)鐘頻率進(jìn)行調(diào)整，保持在一恒定旋轉(zhuǎn)速度上。
本發(fā)明所述儀器也可以以電機(jī)的其他形式集成，從而控制和(或者)調(diào)節(jié)其旋轉(zhuǎn)速度。
權(quán)利要求
1.一種線性或角度測(cè)量?jī)x，它包含一電容傳感器(1)，所述電容傳感器具有用來(lái)發(fā)送電容耦合信號(hào)、并沿一第一線性或曲線陣列排列的發(fā)射電極(10)，所述發(fā)射電極(10)與在所述電極上產(chǎn)生電信號(hào)的第一空間周期模式的第一裝置(30)相連，所述電信號(hào)用增量沿所述第一陣列進(jìn)行移位，所述傳感器(1)具有接收電容耦合信號(hào)、并與用來(lái)對(duì)沿一構(gòu)件(2)的所述第一陣列的相對(duì)位置進(jìn)行判定的第二裝置(31-37)相連的接收電極(10R)，所述構(gòu)件(2)具有可以影響發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)的電容耦合的第二空間周期陣列器件(20)，其特征在于，所述傳感器(1)包含用來(lái)瞬時(shí)斷開(kāi)發(fā)射電極(10)并依次從所述第一裝置(30)斷開(kāi)、并把它們連接到所述第二裝置(31-37)、從而變成瞬時(shí)接收的第三裝置(S1，S2，S3)，所述第三裝置(S1，S2，S3)提供瞬時(shí)接收電極(10R)的第二空間周期模式，所述第一和第二模式用逐次遞進(jìn)的方式交替進(jìn)行移位，從而在其他模式的移位之間的期間進(jìn)行一種模式的移位，所述構(gòu)件(2)產(chǎn)生瞬時(shí)接收電極(10R)接收的信號(hào)的周期性漲落。
2.如權(quán)利要求1所述的儀器，其特征在于，所述第二裝置(31-37)能夠在解調(diào)以后，用鑒定瞬時(shí)接收電極接收的信號(hào)的相位的方法，確定所述構(gòu)件相對(duì)于傳感器的相對(duì)位置。
3.如權(quán)利要求1所述的儀器，其特征在于，所述第一裝置(30)提供一具有由第一組由N個(gè)電極構(gòu)成的、周期為2Tx的第一空間周期模式，所述N個(gè)電極與和第二組N個(gè)電極一起交替變化的第一電勢(shì)相連，所述第二組N個(gè)電極與第二電勢(shì)相連，N為一大于3的整數(shù)，所述第三裝置提供一具有周期Tx的第二空間周期模式，所述周期Tx由至少一個(gè)從每一組N個(gè)電極斷開(kāi)、從而處于瞬時(shí)接收狀態(tài)的一個(gè)電極(10R)構(gòu)成，所選瞬時(shí)接收電極處于至少兩個(gè)同電位的電極(10)之間。
4.如權(quán)利要求3所述的儀器，其特征在于，每一次，每一組N個(gè)電極(10)中只有一個(gè)電極(10R)處于瞬時(shí)接收狀態(tài)。
5.如權(quán)利要求3所述的儀器，其特征在于，每一次，每一組N個(gè)電極(10)中至少有兩個(gè)相鄰電極(10R)處于瞬時(shí)接收狀態(tài)。
6.如權(quán)利要求3所述的儀器，其特征在于，所述第一和第二模式具有M個(gè)電極的移位增量，M為3和N-3之間的整數(shù)，N和M沒(méi)有公因子。
7.如權(quán)利要求6所述的儀器，其特征在于，所述第一和第二模式具有M個(gè)電極的移位增量，M為接收N/2的整數(shù)。
8.如權(quán)利要求3至6中任一權(quán)利要求所述的儀器，其特征在于，移位遞增前后由第一組和第二組N個(gè)電極形成的模式，對(duì)稱于任一瞬時(shí)接收電極(10R)中點(diǎn)附近，如果瞬時(shí)接收電極是隔離的，則要么對(duì)稱于任一組相鄰瞬時(shí)接收電極(10R)的中點(diǎn)附近。
9.如權(quán)利要求3至8中任一權(quán)利要求所述的儀器，其特征在于，與第一電勢(shì)相連的電極中的瞬時(shí)接收電極(10R)與差動(dòng)放大器(35)的一個(gè)輸入端相連，與第二電勢(shì)相連的電極中的瞬時(shí)接收電極(10R)與所述差動(dòng)放大器的另一輸入端相連。
10.如權(quán)利要求3所述的儀器，其特征在于，它還包含一與2N條第一線(Pa-Pp)相連的信號(hào)發(fā)生器(30)，在一條線(Pa)上產(chǎn)生從一時(shí)鐘輸入導(dǎo)出的周期信號(hào)輸出，并由1至2N-1個(gè)時(shí)鐘周期移位所述信號(hào)，從而產(chǎn)生用于2N-1條其余線(Pa-Pp)上的另外2N-1個(gè)信號(hào)，每一電極可以被切換到這些線中的一條上。
11.如權(quán)利要求10所述的儀器，其特征在于，所述信號(hào)發(fā)生器(30)也與N條第二線(Rai-Rhp)相連，從而給出所述第二模式，在所述N條第二線(Rai-Rhp)上產(chǎn)生的信號(hào)控制使每一電極與所述第一2N條線(Pa-Pp)中的一條斷開(kāi)或相連的電子電源開(kāi)關(guān)(S1)以及使所述電極與一差動(dòng)放大器的輸入端分別斷開(kāi)、相連的電子拾取開(kāi)關(guān)(S2，S3)。
12.如權(quán)利要求11所述的儀器，其特征在于，每一電極(10)與一后面跟有第二拾取開(kāi)關(guān)(S3)的第一拾取開(kāi)關(guān)(S2)相連，當(dāng)所述開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，所述開(kāi)關(guān)之間的公共部分與一恒定電勢(shì)相連。
13.如權(quán)利要求11或12所述的儀器，其特征在于，拾取開(kāi)關(guān)(S2，S3)與兩條第三線(I1，I2)中的一條相連，所述第三線(I1，I2)由換向器(S5，S6)連接到放大器(31，32)上，其后接至取樣保持電路(33，34)，然后換至一差動(dòng)單端轉(zhuǎn)換器(35)、一濾波器(36)和一比較器(37)。
14.如權(quán)利要求9所述的儀器，其特征在于，靠近所述第一陣列尾端的瞬時(shí)接收電極(10R)不再與所述第二裝置相連，而跨越2Tx整數(shù)周期的電極可與之相連。
15.如權(quán)利要求1所述的儀器，其特征在于，它還可以借助于具有二個(gè)正交電極陣列的傳感器(1)與沿兩個(gè)正交方向具有空間周期陣列的所述構(gòu)件(2)一起工作，可用于二維測(cè)量。
16.如權(quán)利要求1至14所述儀器的一種用途，其特征在于，所述儀器集成在一電機(jī)中，用于控制和/或者調(diào)節(jié)其旋轉(zhuǎn)速度。
全文摘要
電容傳感器(1)包含一線性或曲線電極陣列(10)，可以精確確定測(cè)試盤(pán)(2)和傳感器(1)之間的相對(duì)位置。由于傳感器可以被集成在半導(dǎo)體印模上，且刻度可以很窄，所以可以極端小型化并且成本很低。
文檔編號(hào)G01B7/00GK1109583SQ94117258
公開(kāi)日1995年10月4日 申請(qǐng)日期1994年10月19日 優(yōu)先權(quán)日1993年10月19日
發(fā)明者漢斯·烏爾里?！み~耶 申請(qǐng)人:漢斯·烏爾里?！み~耶