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專(zhuān)利名稱(chēng)：電容式位移編碼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的背景本發(fā)明通常涉及位置傳感器，特別涉及旋轉(zhuǎn)或線(xiàn)性位置的電容式編碼器。
背景技術(shù)：
旋轉(zhuǎn)角度和線(xiàn)性位移的測(cè)量廣泛用于位置，速度和加速度控制的各種領(lǐng)域。在由DDC ILC Data Device Corp.(Bohemia，New York，1994)出版的《Synchro/Resolver Conversion Handbook》(第四版)的第一章中概括地披露了用于這些目的的非接觸式傳感器，其作為參考文獻(xiàn)包含在本申請(qǐng)中。
市場(chǎng)上可購(gòu)得的非接觸全轉(zhuǎn)式傳感器(通常稱(chēng)為轉(zhuǎn)角編碼器)幾乎僅僅是光軸編碼器或電磁分解器。所有這些種類(lèi)的傳感器在本領(lǐng)域均是已知的。它們既可作為包括其自身軸和軸承的整體裝置出售，也可作為被裝配在一根主軸上的組合式裝置出售。
光學(xué)編碼器提供了二進(jìn)制水平的輸出信號(hào)且可被分為絕對(duì)編碼器和增量編碼器。后一種類(lèi)型的編碼器更普遍，原因是其結(jié)構(gòu)平整、造價(jià)低廉，但它具有以下缺點(diǎn)·僅能測(cè)量相對(duì)位置。
·這類(lèi)編碼器對(duì)機(jī)械裝配和安裝誤差較為敏感。
·這類(lèi)編碼器的結(jié)構(gòu)僅能夠提供有限的機(jī)械使用壽命。
絕對(duì)光學(xué)編碼器成本更高，更笨重且通常為非組合式。在近些年來(lái)，已引入了一種改進(jìn)的絕對(duì)編碼器，其能夠提供正弦信號(hào)而不是二進(jìn)制水平的輸出信號(hào)，這些信號(hào)能夠被插入以提供增強(qiáng)的分辨率。
在上述《Synchro/Resolver Conversion Handbook》中詳細(xì)描述的電磁分解器繞有電感元件。這些裝置較笨重且成本較高，但是卻非常耐用。單極對(duì)分解器能夠提供兩個(gè)與sinθ和cosθ成正比的輸出電壓，其中θ為旋轉(zhuǎn)角度。多極對(duì)分解器能夠提供與sin(nθ)和cos(nθ)成正比的輸出信號(hào)，其中n為極對(duì)的數(shù)目。多極對(duì)分解器的分辨率和精度較高，但其輸出信號(hào)不能在整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)期間準(zhǔn)確確定轉(zhuǎn)動(dòng)角度。
雙速分解器等同于在相同軸上的一個(gè)單極對(duì)分解器和一個(gè)多極對(duì)分解器的組合。其能夠同時(shí)提供兩對(duì)輸出電壓，這些電壓被稱(chēng)為是粗略信道和精細(xì)信道。通過(guò)處理這些信道，能夠獲得精確清楚的讀數(shù)。但是，與其單極對(duì)對(duì)應(yīng)裝置或多極對(duì)對(duì)應(yīng)裝置相比，這種分解器更為笨重且成本更高。
線(xiàn)性光學(xué)編碼器為增量數(shù)字裝置，其與增量旋轉(zhuǎn)編碼器相同，包括一測(cè)量頭，其可相對(duì)于一個(gè)標(biāo)尺運(yùn)動(dòng)且能夠產(chǎn)生輸出脈沖。目前，雖然也存在一些以電磁原理為基礎(chǔ)的線(xiàn)性編碼器，但是高精度、大行程的線(xiàn)性編碼器幾乎僅僅是光學(xué)型。目前尚沒(méi)有可作為獨(dú)立元件在市場(chǎng)上購(gòu)得的電容式線(xiàn)性編碼器，但是線(xiàn)性電容式編碼器已廣泛應(yīng)用于數(shù)字卡規(guī)中。
在本申請(qǐng)的上下文以及權(quán)利要求中，術(shù)語(yǔ)“編碼器”是指位移傳感器，其中，固定和運(yùn)動(dòng)元件之間的相互作用是以一重復(fù)圖形為基礎(chǔ)的，所述圖形具有二進(jìn)制或連續(xù)輸出信號(hào)。與術(shù)語(yǔ)“固定元件”和“定子”相同，可根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器互換使用術(shù)語(yǔ)“運(yùn)動(dòng)元件”和“轉(zhuǎn)子”。同樣，術(shù)語(yǔ)“測(cè)量頭”和“標(biāo)尺”分別是指線(xiàn)性編碼器的運(yùn)動(dòng)和固定元件。
即使在多年改進(jìn)之后，無(wú)論光軸編碼器還是電磁式分解器均不能提供所有以下理想特點(diǎn)的組合。
·具有高精度分析率的絕對(duì)讀取。
·簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和低位封裝。
·較低的制造成本。
電容式旋轉(zhuǎn)角度編碼器的基本概念電容式全轉(zhuǎn)式絕對(duì)角度編碼器(CFRAAE)將旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)換為以轉(zhuǎn)子和定子之間相互的電容作用為基礎(chǔ)的輸出信號(hào)。它們可被制成能夠模擬單極或多極電磁分解器，即具有每次轉(zhuǎn)動(dòng)僅會(huì)重復(fù)一次或多次的輸出信號(hào)，以及多速分解器。
在專(zhuān)利文獻(xiàn)中描述的CFRAAE相對(duì)光學(xué)或電感編碼器具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。但是，由于存在并未全部發(fā)現(xiàn)，意識(shí)到或解決的多種困難，因此，CFRAAE裝置已完全從市場(chǎng)上消失。例如·精確的CFRAAE操作要求電容在存在寄生電容和外部干擾的情況下，以1飛法拉(10-15法拉)進(jìn)行分辨。因此，對(duì)外部干擾進(jìn)行屏蔽是最重要的。
·人們認(rèn)為CFRAAE要求昂貴、高精度及可靠的電子元件。例如，德國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)DE 42 15 702披露了一種電容式角度編碼器，其中電容量是單獨(dú)通過(guò)激光微調(diào)校正的。
·在專(zhuān)利文獻(xiàn)中描述的CFRAAE，需要復(fù)雜的信號(hào)調(diào)節(jié)。例如，在德國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)DE 36 27 529及相應(yīng)的美國(guó)專(zhuān)利US4,851,835中披露了用于該文章的信號(hào)處理系統(tǒng)，其可在此處結(jié)合使用。
·缺少各種已知編碼器類(lèi)型的系統(tǒng)分類(lèi)和分析。因此，還未發(fā)現(xiàn)用于改進(jìn)的新型結(jié)構(gòu)和可能性。
因此，在該領(lǐng)域流行的觀(guān)點(diǎn)是CFRAAE在商業(yè)上是不可行的。已發(fā)現(xiàn)實(shí)際僅可使用有限-轉(zhuǎn)動(dòng)(通常小于360°)的電容式傳感器，且僅可用于傳感器被并入主系統(tǒng)的有限用途中，主要用于光學(xué)掃描鏡。在美國(guó)專(zhuān)利US3,312,892，3,732,553，3,668,572，5,099,386ey 4,864,295中披露了典型的有限-轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器，它們可在本申請(qǐng)中結(jié)合使用。
電磁分解器(與數(shù)字或脈沖計(jì)數(shù)傳感器相比)一類(lèi)的模擬全轉(zhuǎn)式傳感器通常能夠提供與轉(zhuǎn)動(dòng)角度的正弦和余弦成正比的兩個(gè)正交輸出信號(hào)。與電感耦合不同，電容耦合始終是正的，因此通常用于在一電容式傳感器中獲得雙極輸出的唯一方式是測(cè)量?jī)蓚€(gè)位移相關(guān)電容量的差值。


圖1為說(shuō)明該原理(其也可適用于電容線(xiàn)性位移傳感器)的典型示意性電路圖。分別使兩個(gè)互補(bǔ)激勵(lì)電壓Q和Q’作用于固定式發(fā)射板41和42上。如本領(lǐng)域已知的那樣，一塊移動(dòng)接收板40被電容式耦合至兩塊發(fā)射板上且被連接至一電荷放大器43上。電荷放大器43的輸出電壓與接收板40和發(fā)射板41，42之間的相應(yīng)電容C1和C2的差成正比。處理放大器43的輸出以提供微變電容C1-C2的振幅和極性，由此可推導(dǎo)出板40相對(duì)于板41和42的位置。
從電磁式分解器類(lèi)推，能夠以單極結(jié)構(gòu)和多極結(jié)構(gòu)制成CFRAAE。可在本申請(qǐng)中結(jié)合使用的美國(guó)專(zhuān)利US5,598,153披露了一種典型的單極CFRAAE。法國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)7729354披露了一種多極編碼器，其中，每次轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子和定子之間的重疊均會(huì)變化六次。上面提到的美國(guó)專(zhuān)利US4,851,835披露了一種編碼器，其中單轉(zhuǎn)子能夠產(chǎn)生粗略信號(hào)和精細(xì)信號(hào)。
在相關(guān)專(zhuān)利文獻(xiàn)中披露了用于將一可變電容量轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)的各種方法。這些方法可被分為兩個(gè)類(lèi)1、在振蕩回路中加入可變電容，通過(guò)改變其頻率或工作循環(huán)而響應(yīng)。例如在歐洲專(zhuān)利申請(qǐng)0 459 118 A1，德國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)DE 33 28421以及由Arnold和Heddergott在《Elektronpraxis》(1989年3月)發(fā)表的題目為“Kapacitive Sensorprinzip zur Absoluten Drehwinkelmessung”(一種用于絕對(duì)旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量的電容傳感器原理)中披露了這類(lèi)方法。
2、加入一個(gè)交流激勵(lì)源，其用于在編碼器中獲得至少一個(gè)作為與角度相關(guān)的電容量的函數(shù)的交流或直流輸出信號(hào)。如果要覆蓋(cover)全轉(zhuǎn)動(dòng)，則需要兩個(gè)這樣的輸出。例如，在可在此處參考使用的美國(guó)專(zhuān)利US4,092,579披露了一種電容式分解器，其具有一個(gè)激勵(lì)電壓電源及兩個(gè)分別與旋轉(zhuǎn)角度的正弦和余弦成正比的輸出電壓信號(hào)。也可在此處參考使用的美國(guó)專(zhuān)利US4,429,307披露了一種具有類(lèi)似電路布置的電容式編碼器，其不同之處在于使用了兩個(gè)相反極性的激勵(lì)電壓。
例如在歐洲專(zhuān)利申請(qǐng)0 226 716，德國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)DE 36 37 529，由Xiujun Li等人在《IEEE Transactions on Instrumentation andMeasurement》，452(1996年4月)，第516-520頁(yè)中發(fā)表的名稱(chēng)為“AnAccurate Low-Cost Capactive Absolute Angular-Position Sensor with AFull-Circle Range，”中披露了類(lèi)似的方案。
基于交流激勵(lì)的這類(lèi)CFRAEE方案的精確性取決于激勵(lì)電壓的性質(zhì)。不精確性一定程度下可能會(huì)導(dǎo)致激勵(lì)信號(hào)不具有高諧波純度及振幅相等，或可能使相移偏離正好90°。如在以上提到的德國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)DE 36 37 529中圖3所說(shuō)明的那樣，通過(guò)電路復(fù)雜性能夠克服所帶來(lái)的困難。解決方法包括如在歐洲專(zhuān)利申請(qǐng)0 226 716中所建議的模擬正弦電壓的復(fù)雜數(shù)字模擬，或使用如以L(fǎng)i等人的以上提到的文章中的精確、穩(wěn)定的模擬電路元件。
德國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)DE 37 11 062也披露了一種使用了交流矩形波激勵(lì)的電容式位置測(cè)量裝置。根據(jù)由矩形波激勵(lì)電壓與隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)而改變的電容量(如該申請(qǐng)中圖2-6所示的)相互作用產(chǎn)生的對(duì)一個(gè)分級(jí)信號(hào)的時(shí)間取樣計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)角度。由于輸入電壓的取樣忽略了其在取樣時(shí)間之間的值且易于產(chǎn)生噪音，因此這種離散取樣的缺點(diǎn)在于低信噪比(SNR)。
電容式編碼器的類(lèi)型本領(lǐng)域已知道多種用于電連接CFRAAE中轉(zhuǎn)子和定子元件以便提供所要求的傳輸，與轉(zhuǎn)動(dòng)相關(guān)的調(diào)制以及在編碼器中對(duì)靜電場(chǎng)的檢測(cè)的方法。例如，在可在此處參考使用的美國(guó)專(zhuān)利US3,873,916和4,404,560具有通用的圖1的電子結(jié)構(gòu)，其中，發(fā)射板41和42代表定子，接收板40代表轉(zhuǎn)子。該結(jié)構(gòu)的問(wèn)題在于必須使轉(zhuǎn)子電連接至處理電子線(xiàn)路上。為了能夠?qū)崿F(xiàn)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，必須使用具有已知摩擦和不可靠性缺點(diǎn)的滑環(huán)來(lái)形成所述電連接。
其它的編碼器型式具有靜電場(chǎng)發(fā)射器以及位于一個(gè)或多個(gè)定子元件上的接收器。例如，可在此處參考使用的美國(guó)專(zhuān)利5,099,386披露了一種編碼器，其在發(fā)射和接收定子之間具有一個(gè)絕緣型不導(dǎo)電的轉(zhuǎn)子。因此，無(wú)需電連接至轉(zhuǎn)子，但會(huì)限制旋轉(zhuǎn)角度。
可在此處參考使用的美國(guó)專(zhuān)利US3,668,672和3,732,553披露了與美國(guó)專(zhuān)利5,099,386結(jié)構(gòu)大致相同的CFRAAE，其不同之處在于轉(zhuǎn)子具有一帶有圖形的導(dǎo)電涂層。該涂層被接地且起到可選擇地改變定子元件之間的測(cè)量電容的電屏蔽作用。已提出了各種用于使轉(zhuǎn)子接地的方法。例如，美國(guó)專(zhuān)利3,668,672的圖10描述了用于該目的的滑環(huán)。這一方案具有會(huì)產(chǎn)生摩擦、低可靠性及高成本的缺點(diǎn)。美國(guó)專(zhuān)利3,732,553依靠通過(guò)一根固定有轉(zhuǎn)子的軸、在接地編碼器殼體和轉(zhuǎn)子之間形成接觸而使轉(zhuǎn)子接地，但該接觸也存在問(wèn)題，如下所述。
歐洲專(zhuān)利申請(qǐng)0 459 118(在其圖2中)說(shuō)明了一種用于使轉(zhuǎn)子接地的接觸端頭。該方案具有與以上提到的美國(guó)專(zhuān)利中方案相似的缺點(diǎn)。同樣，接地轉(zhuǎn)子被用于Li等人的上面提到的文章中以及由Wolffenbuttel以及Van Kampen在《Sensors and Actuators》A.25-27(1991)，第835-843頁(yè)的題目為“An Integrable Capactive Angular Displacement Sensor withImproved Linearity”的文章中披露的電容式編碼器中。
另一種CFRAAE在轉(zhuǎn)子的兩側(cè)具有導(dǎo)電涂層，它們電互連，但卻是浮動(dòng)的。如果至少一個(gè)涂層是帶圖形的，則隨后轉(zhuǎn)子會(huì)在定子上的發(fā)射和接收板之間起到與一角-相關(guān)耦合橋的作用。在可在此處參考使用的美國(guó)專(zhuān)利3,845,377；3,312,892；4,092,579；4,851,835；4,238,781及4,788,546中以及德國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)DE42 15 702中披露了這種編碼器。在美國(guó)專(zhuān)利4,851,835中，多極轉(zhuǎn)子的圖形的一側(cè)被分為多個(gè)單獨(dú)的元件。
在此處可參考使用的美國(guó)專(zhuān)利3,961,318和4,429,307中披露的另一種“折疊”結(jié)構(gòu)中，發(fā)射板和接收板在轉(zhuǎn)子的一側(cè)被設(shè)置在單定子的公共固定式基體上，且通過(guò)轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)電圖形耦合。另一方面，在這種編碼器的對(duì)稱(chēng)形式中，每一個(gè)均具有其自己的發(fā)射板和接收板的兩個(gè)定子元件被設(shè)置在轉(zhuǎn)子的任意一側(cè)。在此處可參考使用的美國(guó)專(zhuān)利4,788,546以及德國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)37 11 062和英國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)GB2 176 013中披露了這種CFRAAE。
電容式線(xiàn)性位移編碼器電容式線(xiàn)性位移編碼器(CLDE)在本領(lǐng)域中也是已知的，但是它們僅能使用在CFRAAE文獻(xiàn)中建議的一部分可能布局。例如，在此處可參考使用的美國(guó)專(zhuān)利4,429,307披露了一種具有一個(gè)頭部的CLDE，該頭部包括兩個(gè)正弦導(dǎo)電圖形，它們是由兩個(gè)互補(bǔ)激勵(lì)電壓激勵(lì)的。在標(biāo)尺上產(chǎn)生電壓且這些電壓經(jīng)耦合帶電容式地耦合至標(biāo)尺或發(fā)射板上。頭部上的圖形反向耦合至標(biāo)尺上的正弦和余弦接收板。因此，移動(dòng)的頭部電容式地耦合至標(biāo)尺且無(wú)需電線(xiàn)。在所述專(zhuān)利中未提及接收板如何免受外界干擾以及如何省去從耦合帶至接收板的直接耦合。同樣，由于正弦和余弦的增益取決于其相應(yīng)耦合帶的空氣間隙，因此，在空氣間隙之間的任意差異均會(huì)影響相對(duì)增益。因此，其準(zhǔn)確性對(duì)頭部和標(biāo)尺之間的傾斜是敏感的且需要非常穩(wěn)定和精確的電子元件。
在此處可參考使用的美國(guó)專(zhuān)利3,961,318披露了兩種不同型式的5型(Type 5)CLDE。在第一種型式中，標(biāo)尺未繞有導(dǎo)電金屬絲且電容式地被耦合至頭部，所述頭部包括激勵(lì)源和接收器。可使標(biāo)尺電極分割且彼此隔離，以便能夠在無(wú)需電互連的情況下使幾個(gè)標(biāo)尺對(duì)接在一起，從而擴(kuò)大測(cè)量范圍。第二種型式與上述美國(guó)專(zhuān)利4,429,307類(lèi)似。如在該專(zhuān)利中那樣，正弦和余弦信號(hào)的比對(duì)傾斜和元件公差均是較敏感的，且對(duì)在相鄰的發(fā)射板和接收板之間的寄生電容式耦合或免受外部干擾的問(wèn)題未提出解決方案。
在此處可參考使用的美國(guó)專(zhuān)利4,586,260披露了一種數(shù)字游標(biāo)卡尺(Vernier Caliper)，其使用了一個(gè)電容式線(xiàn)性編碼器。在LarryK.Baxter(IEEE印刷，1997)的《Capacitive Seneors》的第18章中也披露了這種編碼器。所述激勵(lì)是通過(guò)兩個(gè)互補(bǔ)矩形波提供的，而頭部被分為正弦和余弦部分，每一部分均包括自己的接收板和放大器。標(biāo)尺未繞有電線(xiàn)。這種CLDE的缺點(diǎn)如下1、由于存在兩個(gè)既在空間分離又電分離的信道，因此它們的增益匹配對(duì)頭部?jī)A斜以及電子元件的公差和溫度穩(wěn)定性是較敏感的。
2、標(biāo)尺圖形是矩形而不是正弦形的。所述圖形的合成空間諧波雖然被空氣間隙大大地抑制，但是仍會(huì)限制可由插入獲得的精確性。
3、在與運(yùn)動(dòng)方向垂直的各個(gè)標(biāo)尺元件之間存在間隙且還增加空間諧波。
本領(lǐng)域已知的高精度CLDE裝置為增量式，即它們能夠提供一個(gè)相對(duì)而不是絕對(duì)的位移讀數(shù)。另一方面，在此處可參考使用的美國(guó)專(zhuān)利3,312,892披露了一種電容式位移傳感器，其基于三角形固定板和一塊矩形運(yùn)動(dòng)板之間的重疊。這種結(jié)構(gòu)包括一個(gè)絕對(duì)，但實(shí)質(zhì)上是“粗略”的編碼器。
本發(fā)明的概述本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供用于電容式位置檢測(cè)的改進(jìn)裝置和方法。
本發(fā)明一些方面中的一個(gè)目的在于提供改進(jìn)的電容式轉(zhuǎn)角編碼器，特別是全轉(zhuǎn)式絕對(duì)角度編碼器。
本發(fā)明其它方面的目的在于提供改進(jìn)的電容性線(xiàn)性位移編碼器。
本發(fā)明一些方面的另一個(gè)目的在于提供緊湊的獨(dú)立式電容式位置編碼器。
本發(fā)明中一些方面的另一個(gè)目的在于提供這樣的編碼器，其能夠表現(xiàn)出精度提高以及對(duì)外界干擾和環(huán)境條件的敏感性降低。
在本發(fā)明的最佳實(shí)施例中，一種用于檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體相對(duì)于固定物體的位置的電容式運(yùn)動(dòng)編碼器包括至少一個(gè)連接至所述固定物體的固定元件；及一個(gè)連接至運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)元件。通過(guò)一塊發(fā)射板發(fā)射一個(gè)周期性(時(shí)間調(diào)制)靜電場(chǎng)，所述發(fā)射板最好在固定元件上，但也在運(yùn)動(dòng)元件上。在其中的一個(gè)元件上、通常在運(yùn)動(dòng)元件上的一電學(xué)活性圖形調(diào)制響應(yīng)于運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)的時(shí)間調(diào)制靜電場(chǎng)的包絡(luò)線(xiàn)。圖形最好包括電鍍?cè)谒鲈系膶?dǎo)電材料，但是也可使用形成帶有圖形的絕緣運(yùn)動(dòng)元件的方法。用于本專(zhuān)利的文本以及權(quán)利要求中的術(shù)語(yǔ)“電學(xué)活性”可以指任何的這種圖形。處理電路檢測(cè)被調(diào)制的靜電場(chǎng)并分析包絡(luò)線(xiàn)調(diào)制以確定運(yùn)動(dòng)元件位置的測(cè)量值。
運(yùn)動(dòng)元件和固定元件基本上由一導(dǎo)電屏蔽封閉，該導(dǎo)電屏蔽與運(yùn)動(dòng)物體和固定物體電隔離，且其能夠保護(hù)元件不受電干擾。本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)與現(xiàn)有技術(shù)的電容式位置傳感器不同，繞編碼器使所述屏蔽與其它物體隔離能很好地保護(hù)具有固有低信號(hào)水平的編碼器中提供了，防止外界干擾以及與被提供來(lái)產(chǎn)生靜電場(chǎng)并操作編碼器的激勵(lì)電壓的寄生耦合。最好，導(dǎo)電屏蔽封閉處理電路，以及運(yùn)動(dòng)和固定元件。
在本發(fā)明的一些最佳實(shí)施例中，編碼器包括一個(gè)轉(zhuǎn)角編碼器，最好是一個(gè)全轉(zhuǎn)式絕對(duì)角度編碼器。在這些實(shí)施例中，運(yùn)動(dòng)元件包括一個(gè)轉(zhuǎn)子，運(yùn)動(dòng)物體包括一根轉(zhuǎn)動(dòng)軸，所述的至少一個(gè)固定元件包括一個(gè)或多個(gè)定子，以便處理電路能夠確定軸的轉(zhuǎn)動(dòng)位置的測(cè)量值。屏蔽和轉(zhuǎn)子最好在轉(zhuǎn)子被固定在軸上的區(qū)域具有迷宮式結(jié)構(gòu)，以便防止電干擾漏進(jìn)所述屏蔽。
在本發(fā)明的另一些最佳實(shí)施例中，編碼器包括一個(gè)線(xiàn)性位移編碼器。在這些實(shí)施例中，固定元件最好包括一個(gè)線(xiàn)性標(biāo)尺，該線(xiàn)性標(biāo)尺很長(zhǎng)以致不能由屏蔽密封。在這種情況下，屏蔽最好封閉運(yùn)動(dòng)元件以及固定元件的一部分，其中運(yùn)動(dòng)元件可在任何時(shí)間定位在固定元件上。
在本發(fā)明的一些最佳實(shí)施例中，一種用于檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸位置的電容式轉(zhuǎn)角編碼器包括一個(gè)發(fā)射器和一個(gè)接收器，它們通常的形式是位于一個(gè)或多個(gè)定子上的發(fā)射板和接收板。發(fā)射器由繞軸設(shè)置的多個(gè)分段構(gòu)成，每一個(gè)分段均能夠以公共頻率產(chǎn)生周期性靜電場(chǎng)，但具有與其它分段不同的預(yù)定相位。最好，對(duì)于轉(zhuǎn)子上的每一個(gè)或多個(gè)極上使用四個(gè)分段。通過(guò)具有相互成90°相位差的交流電壓激勵(lì)發(fā)射器分段。通過(guò)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)制所產(chǎn)生的場(chǎng)，通過(guò)接收器接收被調(diào)制的場(chǎng)。
與編碼器相聯(lián)系的處理電路包括兩個(gè)同步檢測(cè)器電路，其能夠從兩個(gè)相應(yīng)的發(fā)射器激勵(lì)電源接收周期性輸入并與所產(chǎn)生的場(chǎng)同步處理來(lái)自接收器的信號(hào)，從而產(chǎn)生表示轉(zhuǎn)動(dòng)角度的正弦和余弦的輸出。最好，檢測(cè)器電路接在一個(gè)電荷放大器后面，，通過(guò)該電荷放大器接收由所有發(fā)射器分段產(chǎn)生的信號(hào)以進(jìn)行處理。與通常使用了信號(hào)取樣的本領(lǐng)域中已知的編碼器所實(shí)現(xiàn)的效果相比，這些已知編碼器通常使用了信號(hào)取樣而不是全同步檢測(cè)，或使用了不只一個(gè)信號(hào)處理信道而不是本發(fā)明使用了單電荷放大器，本發(fā)明的相位/正交激勵(lì)(PQE)以及同步檢測(cè)，從而能夠以更高的準(zhǔn)確性，更好的信噪比以及低的對(duì)元件值偏差的敏感度來(lái)確定轉(zhuǎn)子的角度。因此，無(wú)需高穩(wěn)定性的精密電路以及元件的精細(xì)調(diào)整。形成的簡(jiǎn)單的電路能夠與轉(zhuǎn)子和定子方便地裝配在一起并在導(dǎo)電屏蔽內(nèi)部被保護(hù)。
作為選擇，編碼器可以包括一整體發(fā)射器和分段接收板，并輸出如上所述的正弦和余弦信號(hào)。在這些最佳實(shí)施例中的一個(gè)實(shí)施例中，編碼器還包括一個(gè)整流器，該整流器能夠?qū)幋a器的交流輸入進(jìn)行整流，以為檢測(cè)器電路提供直流電壓，因此編碼器能夠方便地替代感應(yīng)式分解器。
在本發(fā)明的其它最佳實(shí)施例中，應(yīng)用了相位/正交激勵(lì)，從而給電容式線(xiàn)性編碼器帶來(lái)相似的優(yōu)點(diǎn)。
在本發(fā)明的一些最佳實(shí)施例中，編碼器包括多速編碼器，其中電學(xué)活性圖形包括平穩(wěn)變化的粗略和精細(xì)周期電學(xué)活性圖形，這些圖形最好為正弦形狀。粗略和精細(xì)圖形分別具有較低和較高的空間頻率，這些頻率作為帶圖形的元件位置的函數(shù)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)元件運(yùn)動(dòng)時(shí)，所述圖形以較低和較高的空間頻率調(diào)制靜電場(chǎng)的包絡(luò)線(xiàn)。處理電路能夠檢測(cè)該調(diào)制，從而確定運(yùn)動(dòng)元件的位置的粗略和精細(xì)分辨率的測(cè)量。與本領(lǐng)域已知的多速編碼器不同，由于圖形的平穩(wěn)變化，處理電路的解調(diào)輸出是非常精確的。最好，所述粗略測(cè)量是一種轉(zhuǎn)動(dòng)或線(xiàn)性位置的絕對(duì)測(cè)量。
在一個(gè)最佳實(shí)施例中，運(yùn)動(dòng)元件還具有一個(gè)中間電學(xué)活性圖形，該圖形具有在高低頻率之間的中間頻率。處理電路也能夠檢測(cè)對(duì)應(yīng)所述中間圖形的場(chǎng)的調(diào)制，從而以介于粗略和精細(xì)測(cè)量之間的分辨率確定運(yùn)動(dòng)元件的位置測(cè)量值。
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，粗略圖形被分為多個(gè)分段，這些分段分布在運(yùn)動(dòng)元件的表面上以減小由于轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子傾斜而在場(chǎng)調(diào)制中產(chǎn)生的偏差。用于該目的的圖形分段也可被用于本發(fā)明的單速實(shí)施例中。
在本發(fā)明的編碼器包括粗略和精細(xì)圖形的一些實(shí)施例中，處理電路能夠切換靜電場(chǎng)以便通過(guò)兩個(gè)圖形交替對(duì)其進(jìn)行調(diào)制。因此，電路能夠交替確定運(yùn)動(dòng)物體的位置的粗略和精細(xì)測(cè)量值。所述切換最好通過(guò)交替激勵(lì)固定元件中不同的發(fā)射區(qū)域進(jìn)行。通過(guò)以此方式在所述區(qū)域之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，利用單個(gè)固定元件和單個(gè)運(yùn)動(dòng)元件，通常為單個(gè)轉(zhuǎn)子和單個(gè)定子，能夠?qū)崿F(xiàn)粗略和精細(xì)測(cè)量，而不會(huì)造成信號(hào)處理電路的重復(fù)。
在本發(fā)明的另一些實(shí)施例中，電容式轉(zhuǎn)角編碼器的轉(zhuǎn)子具有電學(xué)活性圖形，其以預(yù)定的角度頻率繞軸重復(fù)多次，并且具有轉(zhuǎn)動(dòng)不對(duì)稱(chēng)性，如偏心性(即，圖形是非軸對(duì)稱(chēng)的)。處理電路能夠檢測(cè)由于圖形產(chǎn)生的靜電場(chǎng)的調(diào)制，以便確定轉(zhuǎn)動(dòng)角度的精細(xì)測(cè)量值，且還能夠檢測(cè)由于偏心產(chǎn)生的調(diào)制，以便確定軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度的粗略測(cè)量值。因此，如在以前的最佳實(shí)施例中一樣，無(wú)需獨(dú)立的粗圖形測(cè)量和檢測(cè)信道，從而在一空心軸編碼器的情況下，編碼器的中心孔能夠被制造的比較大以容納較大的軸尺寸。
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，運(yùn)動(dòng)元件包括多個(gè)電學(xué)活性分段，這些分段相互由基體中的空隙分離以消除濕膜效應(yīng)。這些分段可以是電絕緣的也可不是電絕緣的。最好，運(yùn)動(dòng)元件包括一個(gè)轉(zhuǎn)子，其中電學(xué)活性分段繞軸徑向向外伸出。使電和機(jī)械分離的分段既能夠降低編碼器對(duì)傾斜的敏感性，也能夠防止水分聚集而影響測(cè)量精度。雖然在本領(lǐng)域已知的一些電容式編碼器使用了三維電學(xué)活性圖形，但是沒(méi)有一個(gè)是本發(fā)明的形式。
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，第一和第二固定元件被設(shè)置在運(yùn)動(dòng)元件的相對(duì)側(cè)，以便由此發(fā)射靜電場(chǎng)。電位穩(wěn)定電路能夠檢測(cè)第一固定元件處的交流電勢(shì)并對(duì)第二固定元件施加相反的電勢(shì)而使運(yùn)動(dòng)元件保持在穩(wěn)定的虛接地電勢(shì)。無(wú)需與運(yùn)動(dòng)元件的物理或電接觸。在本領(lǐng)域已經(jīng)知道使運(yùn)動(dòng)元件接地在某些編碼器中是有益的。但是，與本發(fā)明不同，這種現(xiàn)有技術(shù)的編碼器需要利用一個(gè)例如使其接地的滑環(huán)與運(yùn)動(dòng)元件形成接觸。
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，編碼器包括一個(gè)線(xiàn)性位移編碼器，其中，固定元件包括一個(gè)標(biāo)尺，運(yùn)動(dòng)元件包括一個(gè)沿標(biāo)尺移動(dòng)的測(cè)量頭。在一些實(shí)施例中，發(fā)射板和接收板位于所述測(cè)量頭上，而在標(biāo)尺上具有與所述板相互作用的電學(xué)活性圖形。在另一些實(shí)施例中，發(fā)射板在標(biāo)尺上，而接收器圖形在測(cè)量頭上。
在這些最佳實(shí)施例中，標(biāo)尺包括撓性印刷電路材料，舉例來(lái)說(shuō)，這種材料沿固定物體的表面被固定在利用編碼器控制的機(jī)器上。所述表面可以是平的或彎曲的。在一個(gè)最佳實(shí)施例中，固定物體通常是圓柱形的，而編碼器被用于測(cè)量環(huán)繞該圓柱體的軸線(xiàn)的角度。
理想的是，與本領(lǐng)域已知的電容式線(xiàn)性編碼器相比，在標(biāo)尺或測(cè)量頭上的圖形被設(shè)計(jì)為能夠提高測(cè)量的穩(wěn)定性和精度，特別是在對(duì)測(cè)量頭和標(biāo)尺之間調(diào)整、角度和間隙的變化抗變性方面，以及對(duì)外界干擾和濕度的抗拒性方面。所述圖形最好沿上/下方向和左右方向、相對(duì)于測(cè)量頭和標(biāo)尺的相對(duì)傾斜是對(duì)稱(chēng)的，以便降低對(duì)傾斜的敏感性。另外，圖形最好間歇性地由間隙斷開(kāi)，特別是在圖形在標(biāo)尺上的實(shí)施例中，以防止干擾通過(guò)圖形進(jìn)入測(cè)量頭內(nèi)。最好，使相位/正交激勵(lì)作用于發(fā)射板上，且利用同步檢測(cè)來(lái)處理單個(gè)接收板和與其聯(lián)系的放大器的輸出，如上文所述。
在本發(fā)明的一些最佳實(shí)施例中，電容線(xiàn)性位移編碼器提供了絕對(duì)位置測(cè)量。最好，通過(guò)交替檢測(cè)測(cè)量頭上或標(biāo)尺上的精細(xì)圖形和粗略圖形形成所述測(cè)量。另外在標(biāo)尺的一端設(shè)置一個(gè)標(biāo)定器，利用該標(biāo)定器來(lái)檢測(cè)測(cè)量頭的標(biāo)定位置，以便為隨后的增量測(cè)量提供一絕對(duì)參考位置。根據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施例，同樣可在轉(zhuǎn)角編碼器中設(shè)置一個(gè)標(biāo)定器。
因此，提供了一種用于檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體相對(duì)于固定物體的位置的電容式運(yùn)動(dòng)編碼器，其包括至少一個(gè)固定元件，該元件連接至所述固定物體；一個(gè)運(yùn)動(dòng)元件，該元件連接至移動(dòng)物體且接近所述固定元件；一個(gè)場(chǎng)發(fā)射器，其產(chǎn)生一個(gè)靜電場(chǎng)，該靜電場(chǎng)由響應(yīng)于固定元件和運(yùn)動(dòng)元件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的所述元件之間的電容變化而被調(diào)制；一個(gè)導(dǎo)電屏蔽，其與運(yùn)動(dòng)物體和固定物體電分離，且封閉了運(yùn)動(dòng)元件和固定元件以保護(hù)這些元件不受外界的電干擾；及處理電路，其檢測(cè)被調(diào)制的靜電場(chǎng)并響應(yīng)于此確定運(yùn)動(dòng)物體位置的測(cè)量值。
較理想的是，運(yùn)動(dòng)元件包括一個(gè)轉(zhuǎn)子，移動(dòng)物體包括一根轉(zhuǎn)動(dòng)軸，其中，所述的至少一個(gè)固定元件包括至少一個(gè)定子，以便處理電路能夠確定軸的旋轉(zhuǎn)位置的測(cè)量值。更理想的是，導(dǎo)電屏蔽封閉住至少一部分處理電路、轉(zhuǎn)子和所述的至少一個(gè)定子。最理想的是，所述的至少一個(gè)定子和轉(zhuǎn)子包括印刷電路板，至少所述的一部分處理電路固定在其上。
最好，轉(zhuǎn)子包括一塊大致平面板和一個(gè)大致非平面環(huán)狀插孔，用于將轉(zhuǎn)子連接至所述軸上，其中所述屏蔽伸入與插孔相鄰的平面內(nèi)，以防止不受從軸傳至轉(zhuǎn)子的電干擾。另外，編碼器的結(jié)構(gòu)最好能使轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子旋轉(zhuǎn)至少360°。
在一個(gè)最佳實(shí)施例中，編碼器包括一個(gè)環(huán)繞運(yùn)動(dòng)元件和固定元件的機(jī)械殼體，所述殼體與所述屏蔽電隔離。最好，所述的至少一個(gè)固定元件包括兩個(gè)大致平行、相互分離的固定元件，一個(gè)固定元件包括場(chǎng)發(fā)射器，另一個(gè)元件包括一個(gè)場(chǎng)接收器，通過(guò)使這些元件壓靠在它們之間的撓性導(dǎo)電元件，這些元件在所述殼體中彼此電耦合。
最好，所述固定元件包括一塊印刷電路板，該電路板包括一個(gè)凸出通過(guò)所述屏蔽的延伸部分，該延伸部分與編碼器形成電連接。
在一個(gè)最佳實(shí)施例中，場(chǎng)發(fā)射器被固定至固定元件上且被聯(lián)接，從而形成導(dǎo)電屏蔽的一部分。
最好，所述場(chǎng)發(fā)射器固定至固定元件上，其中，運(yùn)動(dòng)元件上具有一個(gè)電學(xué)活性圖形，其用于調(diào)制靜電場(chǎng)。最好，電學(xué)活性圖形包括一種介電材料，或?qū)щ姴牧稀Ｗ詈茫辽僖粋€(gè)固定元件包括一個(gè)靜電場(chǎng)的接收器，其與處理電路相聯(lián)接。最好，運(yùn)動(dòng)元件上的導(dǎo)電性的電學(xué)活性圖形被保持在大致恒定的電勢(shì)。另外，運(yùn)動(dòng)元件上的導(dǎo)電性、電學(xué)活性圖形也可以是電浮動(dòng)的。在一個(gè)最佳實(shí)施例中，所述的至少一個(gè)固定元件包括單個(gè)元件，所述發(fā)射器和接收器均被固定在該元件上。在另一個(gè)最佳實(shí)施例中，編碼器包括一個(gè)第二固定元件，該元件具有一個(gè)固定在其上的發(fā)射器和接收器。
另外，運(yùn)動(dòng)元件上的導(dǎo)電材料與處理電路相聯(lián)接且用作靜電場(chǎng)的一個(gè)接收器。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，還提供了一種用于檢測(cè)旋轉(zhuǎn)軸位置的電容式角度編碼器，其包括一發(fā)射器，該發(fā)射器包括多個(gè)繞所述軸布置的分段，每一分段均以一公共的頻率發(fā)出周期性靜電場(chǎng)，但具有與其它分段不同的預(yù)定相位；一接收器，該接收器響應(yīng)于所述多個(gè)分段發(fā)出的場(chǎng)的產(chǎn)生信號(hào)，從而通過(guò)作為所述軸轉(zhuǎn)動(dòng)的函數(shù)的發(fā)射器和接收器之間的電容變化而調(diào)制每一個(gè)場(chǎng)的接收強(qiáng)度；及一檢測(cè)器電路，該電路包括至少一個(gè)同步檢測(cè)器，該檢測(cè)器能夠與所產(chǎn)生的場(chǎng)同步處理信號(hào)，以便產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)角度的輸出指示。
較理想的是，所述的至少一個(gè)同步檢測(cè)器包括兩個(gè)同步檢測(cè)器，這些檢測(cè)器能夠產(chǎn)生與轉(zhuǎn)動(dòng)角度的正弦和余弦成正比的相應(yīng)輸出。更加理想的是，接收器包括一個(gè)單輸入放大信道，通過(guò)該信道從所有發(fā)射器分段接收信號(hào)以便進(jìn)行處理。
最好，發(fā)射板包括一大致平面狀發(fā)射定子，其被分為繞所述軸的軸線(xiàn)設(shè)置的多個(gè)分段，其中所述多個(gè)分段被設(shè)置在四個(gè)四分之一圓中。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，還提供了一種用于檢測(cè)旋轉(zhuǎn)軸位置的電容式角度分解器，其包括一發(fā)射器，其以給定的頻率產(chǎn)生響應(yīng)于一交流電輸入的周期性靜電場(chǎng)；一接收器，其包括繞所述軸設(shè)置的多個(gè)分段，這些分段能夠產(chǎn)生響應(yīng)來(lái)自所述發(fā)射器的所述場(chǎng)的信號(hào)，以便通過(guò)作為軸轉(zhuǎn)動(dòng)的函數(shù)的發(fā)射器和接收器之間的電容變化調(diào)制每一分段接收的所述場(chǎng)；一信號(hào)處理電路，其用于處理由所述接收器分段發(fā)出的信號(hào)，以便產(chǎn)生一表示轉(zhuǎn)動(dòng)角度的交流輸出；及一整流電路，其用于對(duì)交流輸入進(jìn)行整流，以為檢測(cè)器電路提供直流電壓。
較理想的是，編碼器包括一個(gè)轉(zhuǎn)子，其被結(jié)合以與所述軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)且在其上具有一個(gè)電學(xué)活性圖形，使轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)能夠調(diào)制在接收器接收的場(chǎng)。更理想的是，電學(xué)活性圖形包括導(dǎo)電材料，所述導(dǎo)電材料被保持在接地電勢(shì)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，還提供了一種用于檢測(cè)移動(dòng)物體相對(duì)于固定物體的位置的電容式運(yùn)動(dòng)編碼器，其包括
至少一個(gè)固定元件，其被連接至固定物體；一運(yùn)動(dòng)元件，該元件連接至移動(dòng)物體且接近于所述元件；一個(gè)靜電場(chǎng)發(fā)射器，其與固定元件或運(yùn)動(dòng)元件中的一個(gè)聯(lián)系；一個(gè)與固定元件或運(yùn)動(dòng)元件中的另一個(gè)件相聯(lián)系的場(chǎng)調(diào)制器，其在所述元件上包括平穩(wěn)變化的粗略和精細(xì)周期性電學(xué)活性圖形，圖形分別以較低和較高的空間頻率沿元件尺寸變化，其以對(duì)應(yīng)于低、高空間頻率的調(diào)制頻率、通過(guò)使固定和運(yùn)動(dòng)元件之間的電容響應(yīng)于元件相對(duì)運(yùn)動(dòng)而變化來(lái)調(diào)制靜電場(chǎng)，且其基本上沒(méi)有空間諧波；及處理電路，其檢測(cè)被調(diào)制的靜電場(chǎng)并響應(yīng)于此確定運(yùn)動(dòng)物體位置的粗略和精細(xì)測(cè)量值。
最好，固定元件包括定子，其由單個(gè)平面元件制成，該元件包括多個(gè)導(dǎo)電區(qū)域，至少一個(gè)導(dǎo)電區(qū)域?yàn)閳?chǎng)發(fā)射器，而另一個(gè)導(dǎo)電區(qū)域用于接收所述場(chǎng)。
更理想的是，運(yùn)動(dòng)元件包括一個(gè)轉(zhuǎn)子，其上有電學(xué)活性圖形，其中以粗略周期性圖形包括一個(gè)在轉(zhuǎn)子上的大致圓形區(qū)域，其相對(duì)于所述軸偏心設(shè)置，精細(xì)周期圖形包括一個(gè)在轉(zhuǎn)子上的正弦圖形，其繞所述軸圓周設(shè)置。
在一個(gè)最佳實(shí)施例中，場(chǎng)調(diào)制器還包括一個(gè)中間電學(xué)活性圖形，其具有在高頻和低頻之間的中間頻率，其中處理電路能夠檢測(cè)所述場(chǎng)對(duì)應(yīng)于中間頻率的調(diào)制。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，還提供了一種用于檢測(cè)移動(dòng)物體相對(duì)于固定物體的位置的電容式運(yùn)動(dòng)編碼器，其包括至少一個(gè)固定元件，其被連接至固定物體；一運(yùn)動(dòng)元件，該元件連接至移動(dòng)物體且接近于所述固定元件；一個(gè)靜電場(chǎng)發(fā)射器，其與固定元件或運(yùn)動(dòng)元件中的一個(gè)件聯(lián)系；一個(gè)與固定元件或運(yùn)動(dòng)元件中另一個(gè)相聯(lián)系的場(chǎng)調(diào)制器，包括在所述元件上的粗略和精細(xì)周期性電學(xué)活性圖形，圖形分別以較低和較高空間頻率沿元件尺寸變化，其以對(duì)應(yīng)于低空間頻率和高空間頻率的調(diào)制頻率、通過(guò)使固定和運(yùn)動(dòng)元件之間的電容響應(yīng)于元件相對(duì)運(yùn)動(dòng)變化來(lái)調(diào)制靜電場(chǎng)；及處理電路，其用于切換靜電場(chǎng)以便由所述粗略圖形或精細(xì)圖形交替對(duì)其進(jìn)行調(diào)制，并且其檢測(cè)被調(diào)制的場(chǎng)以響應(yīng)于此交替確定移動(dòng)物體位置的粗略和精細(xì)測(cè)量值。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，還提供了一種用于檢測(cè)移動(dòng)物體相對(duì)于固定物體的位置的電容式運(yùn)動(dòng)編碼器，其包括一個(gè)固定元件，其被連接至固定物體，且包括一個(gè)靜電場(chǎng)發(fā)射器和接收器；一運(yùn)動(dòng)元件，該元件連接至移動(dòng)物體且接近于所述固定元件，并包括一個(gè)場(chǎng)調(diào)制器，該調(diào)制器包括運(yùn)動(dòng)元件上的粗略和精細(xì)周期性電學(xué)活性圖形，圖形分別以較低和較高空間頻率沿元件尺寸變化，其以對(duì)應(yīng)于低空間頻率和高空間頻率的調(diào)制頻率、通過(guò)使固定和運(yùn)動(dòng)元件之間的電容響應(yīng)于元件相對(duì)運(yùn)動(dòng)而變化來(lái)調(diào)制靜電場(chǎng)；及處理電路，其檢測(cè)被調(diào)制的靜電場(chǎng)且響應(yīng)于此確定移動(dòng)物體的位置的粗略和精細(xì)測(cè)量值。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，還提供了一種用于檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸位置的電容式角度編碼器，其包括一個(gè)或多個(gè)定子，其中的一個(gè)定子包括用于產(chǎn)生靜電場(chǎng)的場(chǎng)發(fā)射器；一個(gè)轉(zhuǎn)子，其與所述軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，且具有轉(zhuǎn)動(dòng)不對(duì)稱(chēng)的電學(xué)活性圖形，該圖形通過(guò)使固定和運(yùn)動(dòng)元件之間的電容隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)一次而變化一次來(lái)調(diào)制響應(yīng)于所述軸轉(zhuǎn)動(dòng)的靜電場(chǎng)，其中，所述圖形被分為多個(gè)子區(qū)域，以減小由于轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子傾斜而在所述場(chǎng)的調(diào)制中產(chǎn)生的偏差；及處理電路，其檢測(cè)被調(diào)制的靜電場(chǎng)，響應(yīng)于粗略和精細(xì)變化且確定所述軸角度的粗略和精細(xì)測(cè)量值。
最好，轉(zhuǎn)子上的電學(xué)活性圖形包括一個(gè)相對(duì)于所述軸的軸線(xiàn)偏心設(shè)置的大致圓形區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，還提供了一種用于檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸位置的電容式角度編碼器，其包括一個(gè)轉(zhuǎn)子，其被結(jié)合至所述軸上，且具有一個(gè)電學(xué)活性區(qū)域，該區(qū)域相對(duì)于所述軸的軸線(xiàn)是不對(duì)稱(chēng)的，且包括一個(gè)圓周設(shè)置在轉(zhuǎn)子上的圖形，所述圖形以規(guī)定的角頻繞所述軸重復(fù)多次轉(zhuǎn)動(dòng)，至少一個(gè)定子，有一個(gè)靜電場(chǎng)與其聯(lián)系，該靜電場(chǎng)由因轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)而被電學(xué)活性區(qū)域感應(yīng)的電容的變化而被調(diào)制；及處理電路，其檢測(cè)由于所述區(qū)域的非軸對(duì)稱(chēng)性而導(dǎo)致的軸每轉(zhuǎn)一周發(fā)生一次的場(chǎng)的調(diào)制，從而響應(yīng)于此確定軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度的粗略測(cè)量值，該處理電路還檢測(cè)由于所述圖形而導(dǎo)致的所述場(chǎng)的調(diào)制，從而確定轉(zhuǎn)動(dòng)角度的精細(xì)測(cè)量值。
在一個(gè)最佳實(shí)施例中，編碼器包括一個(gè)接收器，其與一個(gè)定子或多個(gè)定子中的一個(gè)結(jié)合且相對(duì)于所述軸線(xiàn)是不對(duì)稱(chēng)的，以響應(yīng)于精細(xì)圖形和接收器的非軸對(duì)稱(chēng)性之間的相互作用確定角度的粗略測(cè)量值。
在另一個(gè)最佳實(shí)施例中，編碼器包括一個(gè)切換器，其用于交替確定角度的粗略和精細(xì)測(cè)量值。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，還提供了一種用于檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體相對(duì)于固定物體的位置的防潮電容運(yùn)動(dòng)編碼器，其包括至少一個(gè)固定元件，其被結(jié)合至所述固定物體上，且有一個(gè)靜電場(chǎng)與其相聯(lián)系；一個(gè)運(yùn)動(dòng)元件，其被結(jié)合至所述運(yùn)動(dòng)物體，包括多個(gè)相互分離的電學(xué)活性分段，這些分段形成了一個(gè)圖形，該圖形能夠調(diào)制由于當(dāng)運(yùn)動(dòng)元件運(yùn)動(dòng)時(shí)固定和運(yùn)動(dòng)元件之間的電容變化所產(chǎn)生的所述靜電場(chǎng)；及處理電路，其檢測(cè)被調(diào)制的靜電場(chǎng)且響應(yīng)于此確定運(yùn)動(dòng)物體位置的測(cè)量。
最好，將打在運(yùn)動(dòng)元件上的流體從所述分段排至分隔所述分段的間隙中。
在一個(gè)最佳實(shí)施例中，運(yùn)動(dòng)物體包括一根旋轉(zhuǎn)軸，所述運(yùn)動(dòng)元件包括一個(gè)轉(zhuǎn)子，電學(xué)活性部分從該轉(zhuǎn)子繞所述軸徑向向外伸出，其中，所述至少一個(gè)固定元件包括至少一個(gè)定子，從而處理電路能夠確定軸的轉(zhuǎn)動(dòng)位置的測(cè)量值。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，還提供了一種用于檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體相對(duì)于固定物體的位置的電容式運(yùn)動(dòng)編碼器，其包括一個(gè)運(yùn)動(dòng)元件，其被結(jié)合至運(yùn)動(dòng)物體，且具有電學(xué)活性圖形；第一和第二固定元件，它們被結(jié)合至固定物體上，且被設(shè)置在運(yùn)動(dòng)元件的相對(duì)側(cè)，由此發(fā)送一個(gè)交變靜電場(chǎng)；處理電路，其檢測(cè)響應(yīng)于由于電學(xué)活性圖形的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的固定元件之間電容的變化的靜電場(chǎng)的調(diào)制，并響應(yīng)于此確定運(yùn)動(dòng)物體位置的測(cè)量；及一個(gè)電勢(shì)均衡電路，其通過(guò)檢測(cè)在第一固定元件的交變電勢(shì)并將一個(gè)反電勢(shì)施加在第二固定元件上而使運(yùn)動(dòng)元件保持在大致恒定的電勢(shì)。
較理想的是，大致恒定的電勢(shì)包括虛接地。更理想的是，電勢(shì)均衡電路實(shí)質(zhì)上未與運(yùn)動(dòng)元件形成電接觸。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，還提供了一種用于檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體相對(duì)于固定物體的電容線(xiàn)性位移編碼器，其包括一個(gè)標(biāo)尺，其被固定至固定物體上；一個(gè)測(cè)量頭，其被固定至運(yùn)動(dòng)物體上以沿標(biāo)尺移動(dòng)，且包括一個(gè)靜電場(chǎng)發(fā)射器，該發(fā)射器能夠在測(cè)量頭附近產(chǎn)生一個(gè)靜電場(chǎng)；一個(gè)形成在標(biāo)尺上的電學(xué)活性圖形，該圖形產(chǎn)生標(biāo)尺和測(cè)量頭之間的電容變化，以調(diào)制響應(yīng)于測(cè)量頭相對(duì)于標(biāo)尺的運(yùn)動(dòng)的靜電場(chǎng)，圖形是對(duì)稱(chēng)的以便調(diào)制基本上不受測(cè)量頭相對(duì)于標(biāo)尺傾斜的影響；及處理電路，其檢測(cè)被調(diào)制的靜電場(chǎng)，以便檢測(cè)所述調(diào)制并響應(yīng)于此確定運(yùn)動(dòng)物體位置的測(cè)量值。
較理想的是，所述圖形包括一個(gè)雙正弦。更理想的是，測(cè)量頭包括一個(gè)接收器，其能夠接收被調(diào)制的靜電場(chǎng)，其中圖形由圖形中的間隙被間斷，以防止沿圖形的干擾進(jìn)入測(cè)量頭內(nèi)，其中間隙相對(duì)于標(biāo)尺縱向軸線(xiàn)成銳角。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，還提供了一種用于檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體相對(duì)于固定物體的電容線(xiàn)性位移編碼器，其包括一個(gè)標(biāo)尺，其被固定至固定物體上，且包括一個(gè)靜電場(chǎng)發(fā)射器，該發(fā)射器在標(biāo)尺附近產(chǎn)生一個(gè)靜電場(chǎng)；一個(gè)測(cè)量頭，其被固定至運(yùn)動(dòng)物體上以沿標(biāo)尺移動(dòng)，且在其上形成一個(gè)電學(xué)活性圖形，該圖形產(chǎn)生標(biāo)尺和測(cè)量頭之間的電容變化，以調(diào)制響應(yīng)于測(cè)量頭相對(duì)于標(biāo)尺的運(yùn)動(dòng)的靜電場(chǎng)，圖形是對(duì)稱(chēng)的從而調(diào)制基本上不會(huì)受到所述測(cè)量頭相對(duì)于標(biāo)尺傾斜的影響；及處理電路，其檢測(cè)被調(diào)制的靜電場(chǎng)，以便檢測(cè)所述調(diào)制并響應(yīng)于此確定運(yùn)動(dòng)物體位置的測(cè)量值。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，還提供了一種用于檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體相對(duì)于固定物體的電容式線(xiàn)性位移編碼器，其包括一個(gè)標(biāo)尺，其被固定至固定物體的彎曲表面上；一個(gè)測(cè)量頭，其被固定至運(yùn)動(dòng)物體上以沿標(biāo)尺移動(dòng)；
一個(gè)靜電場(chǎng)發(fā)射器，該發(fā)射器能夠在測(cè)量頭附近產(chǎn)生一個(gè)靜電場(chǎng)；一個(gè)形成在標(biāo)尺或測(cè)量頭上的電學(xué)活性圖形，該圖形產(chǎn)生標(biāo)尺和測(cè)量頭之間的電容變化，以調(diào)制響應(yīng)于測(cè)量頭相對(duì)于標(biāo)尺的運(yùn)動(dòng)的靜電場(chǎng)；處理電路，其檢測(cè)被調(diào)制的靜電場(chǎng)，以檢測(cè)所述調(diào)制并響應(yīng)于此確定運(yùn)動(dòng)物體沿彎曲表面的位置的測(cè)量值。
在一個(gè)最佳實(shí)施例中，固定物體具有大致為圓柱形的形狀，其中運(yùn)動(dòng)物體位置的測(cè)量包括相對(duì)于固定物體軸線(xiàn)的角度測(cè)量。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，還提供了一種用于檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體相對(duì)于固定物體的電容線(xiàn)性位移編碼器，其包括一個(gè)標(biāo)尺，其被固定至固定物體上；一個(gè)測(cè)量頭，其被固定至運(yùn)動(dòng)物體上以便沿標(biāo)尺移動(dòng)；一被固定至標(biāo)尺的發(fā)射板，以便在測(cè)量頭附近產(chǎn)生并接收一個(gè)靜電場(chǎng)，所述發(fā)射板具有粗略和精細(xì)測(cè)量結(jié)構(gòu)；一塊在測(cè)量頭上的電學(xué)活性接收板，該板的結(jié)構(gòu)使測(cè)量頭相對(duì)于標(biāo)尺的運(yùn)動(dòng)會(huì)使發(fā)射板和接收板之間的電容發(fā)生變化，其調(diào)制由接收板接收的靜電場(chǎng)；及處理電路，其檢測(cè)被調(diào)制的靜電場(chǎng)，以檢測(cè)在粗略讀取結(jié)構(gòu)中場(chǎng)的調(diào)制，從而響應(yīng)于此確定運(yùn)動(dòng)物體位置的粗略測(cè)量值，并檢測(cè)在細(xì)讀取結(jié)構(gòu)中的場(chǎng)的調(diào)制，從而響應(yīng)于此確定運(yùn)動(dòng)物體位置的精細(xì)測(cè)量值。
最好，所述粗略測(cè)量包括絕對(duì)位置測(cè)量。
在一個(gè)最佳實(shí)施例中，發(fā)射板包括多根發(fā)射桿，這些發(fā)射桿共同被分為至少兩個(gè)三角區(qū)，其中在粗結(jié)構(gòu)中，每一區(qū)中的桿均被共同激勵(lì)。最好，接收板包括一個(gè)疊在一大致四邊循形區(qū)域上的導(dǎo)電周期圖形，其中當(dāng)發(fā)射板在粗讀取結(jié)構(gòu)中工作時(shí)，整個(gè)四邊形區(qū)域被保持在一公共電勢(shì)上。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，還提供了一種用于檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體相對(duì)于固定物體的電容線(xiàn)性位移編碼器，其包括至少一個(gè)固定元件，其被結(jié)合至固定物體上；一個(gè)運(yùn)動(dòng)元件，其被結(jié)合至運(yùn)動(dòng)物體上；固定在固定或運(yùn)動(dòng)元件上的發(fā)射板和接收板，以在運(yùn)動(dòng)元件附近產(chǎn)生并接收一個(gè)靜電場(chǎng)，所述板包括在固定元件的標(biāo)定位置處的至少一塊標(biāo)定板，其中運(yùn)動(dòng)元件處在所述的至少一塊標(biāo)定板附近時(shí)的靜電場(chǎng)明顯不同于固定元件上其它位置的靜電場(chǎng)；一個(gè)形成在所述元件中的一個(gè)元件上的電學(xué)活性圖形，其使標(biāo)尺和測(cè)量頭之間的電容發(fā)生變化，以調(diào)制響應(yīng)于運(yùn)動(dòng)元件的測(cè)量頭相對(duì)于固定元件的運(yùn)動(dòng)的靜電場(chǎng)；及處理電路，其檢測(cè)被調(diào)制的靜電場(chǎng)，從而當(dāng)運(yùn)動(dòng)元件在標(biāo)定板附近時(shí)，能夠識(shí)別所述場(chǎng)的差異，從而響應(yīng)于此確定運(yùn)動(dòng)元件處于標(biāo)定位置，且其能夠檢測(cè)所述調(diào)制并響應(yīng)于此確定運(yùn)動(dòng)物體相對(duì)于標(biāo)定位置的位置測(cè)量值。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，還提供了一種用于檢測(cè)旋轉(zhuǎn)軸位置的方法，其包括在繞軸的多個(gè)角度位置發(fā)射具有公共頻率的周期靜電場(chǎng)，每一個(gè)靜電場(chǎng)均具有與其它信號(hào)不同的預(yù)定相位；檢測(cè)從所述的多個(gè)位置發(fā)出的場(chǎng)，并響應(yīng)于由于作為軸旋轉(zhuǎn)的函數(shù)的電容變化而產(chǎn)生的所述場(chǎng)的調(diào)制生成信號(hào)；與被發(fā)射的場(chǎng)的頻率同步處理所述信號(hào)，以產(chǎn)生表示轉(zhuǎn)動(dòng)角度的輸出。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，還提供了一種用于檢測(cè)旋轉(zhuǎn)軸位置的方法，其包括
以規(guī)定頻率接收一個(gè)交流電輸出；產(chǎn)生響應(yīng)于所述交流輸入的周期靜電場(chǎng)；調(diào)整一部分交流輸入，以便對(duì)一個(gè)檢測(cè)器電路提供直流電壓；在多個(gè)位置檢測(cè)所述場(chǎng)，并響應(yīng)于由于作為軸旋轉(zhuǎn)的函數(shù)的電容變化而產(chǎn)生的所述場(chǎng)的調(diào)制生成信號(hào)；利用檢測(cè)器電路處理信號(hào)，產(chǎn)生規(guī)定頻率的表示轉(zhuǎn)動(dòng)角度的AC輸出。
另外，還提供了一種用于檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體相對(duì)于固定物體的位置的方法，其包括在運(yùn)動(dòng)物體附近發(fā)射一個(gè)靜電場(chǎng)；使平穩(wěn)變化的粗略和精細(xì)周期性電學(xué)活性圖形與運(yùn)動(dòng)物體相聯(lián)系，圖形沿物體運(yùn)動(dòng)的尺寸分別以較低和較高頻率變化，其通過(guò)使固定和運(yùn)動(dòng)元件之間的電容響應(yīng)于元件相對(duì)運(yùn)動(dòng)變化、以對(duì)應(yīng)于低空間頻率和高空間頻率的調(diào)制頻率來(lái)調(diào)制靜電場(chǎng)，且其基本上沒(méi)有空間諧波；及檢測(cè)被調(diào)制的靜電場(chǎng)并響應(yīng)于此確定運(yùn)動(dòng)物體位置的粗略和精細(xì)測(cè)量值。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，還提供了一種用于檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體相對(duì)于固定物體的位置的方法，其包括在運(yùn)動(dòng)元件附近發(fā)射一個(gè)靜電場(chǎng)；使粗略和精細(xì)周期性電學(xué)活性圖形與運(yùn)動(dòng)物體相聯(lián)系，所述圖形分別以較低和較高頻率沿物體運(yùn)動(dòng)的尺寸變化，其通過(guò)使固定和運(yùn)動(dòng)元件之間的電容響應(yīng)于元件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而變化、以對(duì)應(yīng)于所述低空間頻率和高空間頻率的調(diào)制頻率來(lái)調(diào)制靜電場(chǎng)；及切換所述靜電場(chǎng)，以便通過(guò)粗略或精細(xì)圖形交替調(diào)制所述靜電場(chǎng)；及檢測(cè)被調(diào)制的場(chǎng)，以響應(yīng)于此交替確定運(yùn)動(dòng)物體位置的粗略和精細(xì)測(cè)量值。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，還提供了一種用于檢測(cè)旋轉(zhuǎn)軸的位置的方法，其包括使所述軸結(jié)合具有電學(xué)活性區(qū)的轉(zhuǎn)子，所述電學(xué)活性區(qū)相對(duì)于所述軸的軸線(xiàn)是非軸對(duì)稱(chēng)的且包括一個(gè)軸向設(shè)置在轉(zhuǎn)子上的圖形，該圖形以預(yù)定的角度位置頻率繞所述軸重復(fù)多次；在所述運(yùn)動(dòng)物體附近發(fā)射一個(gè)靜電場(chǎng)；檢測(cè)由于所述區(qū)域的非對(duì)稱(chēng)性而在每一次轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的場(chǎng)的調(diào)制，以響應(yīng)于此確定運(yùn)動(dòng)物體轉(zhuǎn)動(dòng)角度的粗略和精細(xì)測(cè)量值；檢測(cè)由于所述圖形產(chǎn)生的場(chǎng)的調(diào)制，以確定轉(zhuǎn)動(dòng)角度的精細(xì)測(cè)量值。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，還提供了一種用于檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體相對(duì)于固定物體的位置的方法，其包括使一個(gè)具有電學(xué)活性區(qū)域的運(yùn)動(dòng)元件結(jié)合至一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體上；在運(yùn)動(dòng)元件的相對(duì)側(cè)設(shè)置第一和第二固定元件，由此發(fā)射一個(gè)靜電場(chǎng)；檢測(cè)第一固定元件的電勢(shì)并將一反電勢(shì)施加在第二固定元件上，以使運(yùn)動(dòng)元件保持在大致恒定的電勢(shì)；及檢測(cè)響應(yīng)于由于電學(xué)活性圖形的運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的固定元件間電容變化的靜電場(chǎng)的調(diào)制，以響應(yīng)于此確定運(yùn)動(dòng)物體位置的測(cè)量值。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，還提供了一種用于檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體相對(duì)于固定物體的位置的方法，其包括將一個(gè)測(cè)量頭固定至運(yùn)動(dòng)物體上；沿彎曲表面固定一個(gè)撓性標(biāo)尺；在標(biāo)尺或測(cè)量頭上設(shè)置一個(gè)電學(xué)活性圖形，該圖形會(huì)在標(biāo)尺和測(cè)量頭之間產(chǎn)生電容變化，以調(diào)制響應(yīng)于測(cè)量頭相對(duì)于標(biāo)尺的運(yùn)動(dòng)的靜電場(chǎng)；在測(cè)量頭附近產(chǎn)生一靜電場(chǎng)；及檢測(cè)被調(diào)制的靜電場(chǎng)，以便檢測(cè)所述調(diào)制，并響應(yīng)于此確定運(yùn)動(dòng)物體沿所述彎曲表面的位置的測(cè)量值。
參照以下對(duì)本發(fā)明的最佳實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明和附圖，將更全面地理解本發(fā)明。附圖中附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明圖1為一示意性電路圖，其顯示了現(xiàn)有的一種簡(jiǎn)化的電容式位置傳感器；圖2為一示意性說(shuō)明圖，其根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，顯示了單極電容式轉(zhuǎn)角編碼器和與其聯(lián)系的電路的頂視圖；圖3A-3E為示意性剖面圖，它們根據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施例，顯示了電容式運(yùn)動(dòng)編碼器的類(lèi)型；圖4為本發(fā)明一個(gè)最佳實(shí)施例的電容式轉(zhuǎn)角編碼器的局部剖面圖；圖5為本發(fā)明另一最佳實(shí)施例的電容式轉(zhuǎn)角編碼器的局部剖面圖；圖6為示意性剖面圖，它們根據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施例，顯示了一種電容式轉(zhuǎn)角編碼器的電屏蔽的詳細(xì)結(jié)構(gòu)；圖7為本發(fā)明一個(gè)最佳實(shí)施例中電容式轉(zhuǎn)角編碼器的示意性放大圖，該編碼器具有一個(gè)虛接地轉(zhuǎn)子；圖8為一示意性框圖，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，其說(shuō)明了一種電路，該電路用于同步、相位/正交處理從電容式轉(zhuǎn)角編碼器產(chǎn)生的信號(hào)；圖9為一示意性電路圖，其根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，顯示了圖8中電路結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)；圖10為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，一種用于模擬電磁分解器的電容式轉(zhuǎn)角編碼器和與其聯(lián)系的電路的示意性放大圖，圖11A為本發(fā)明一個(gè)最佳實(shí)施例的多極轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)電板的頂視圖；
圖11B為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，與圖11A中轉(zhuǎn)子一起使用的定子上的導(dǎo)電板的頂視圖；圖11C為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，代替圖11A中轉(zhuǎn)子使用的轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)電板的頂視圖；圖12A為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，用于一雙速編碼器的定子上的導(dǎo)電板的頂視圖；圖12B和12C為根據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施例，與圖12A中定子一起使用的轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)電板的頂視圖；圖13為示意性框圖，其根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，說(shuō)明了一種電路，該電路用于同步、相位/正交處理由利用圖12A的定子和圖12B的轉(zhuǎn)子的電容式轉(zhuǎn)角編碼器產(chǎn)生的信號(hào)；圖14為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，用于三速編碼器的轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)電板的頂視圖；圖15為示意性框圖，其根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，說(shuō)明了一種電路，該電路用于同步、相位/正交處理由利用圖12A的定子和圖12B或12C的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)換、粗略/精細(xì)電容式轉(zhuǎn)角編碼器產(chǎn)生的信號(hào)；圖16A為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，用于沒(méi)有粗略圖形的雙速編碼器的定子上的導(dǎo)電板的頂視圖；圖16B為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，與圖16A中定子一起使用的一個(gè)轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)電板的頂視圖；圖17為示意性框圖，其根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，說(shuō)明了一種電路，該電路用于同步、相位/正交處理由利用圖16A的定子和圖16B的轉(zhuǎn)子的電容式轉(zhuǎn)角編碼器產(chǎn)生的信號(hào)；圖18A和18C為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，發(fā)射定子和接收定子上的導(dǎo)電板的頂視圖，它們分別用于另一種沒(méi)有粗圖形的雙速編碼器；圖18B為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，與圖18A和18C一起使用的轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)電板的頂視圖；圖19為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，說(shuō)明了一種具有三維圖形的轉(zhuǎn)子，其用于電容式轉(zhuǎn)角編碼器；圖20為本領(lǐng)域已知的電容式轉(zhuǎn)角編碼器的示意性剖面圖，其說(shuō)明了轉(zhuǎn)子傾斜對(duì)編碼器精度的影響；圖21為據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，一種具有分段轉(zhuǎn)子的電容式轉(zhuǎn)角編碼器的示意性剖面圖；圖22為使用圖21中所示的分段結(jié)構(gòu)的單極轉(zhuǎn)子的示意性頂視圖；圖23為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，用于雙速電容式轉(zhuǎn)角編碼器的混合型轉(zhuǎn)子的示意性頂視圖；圖24為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，一種電容線(xiàn)性位移編碼器的示意性側(cè)視圖；圖25為圖24中編碼器XXV-XXV截面的示意性剖面圖；圖26A和26B為根據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施例，用于電容式線(xiàn)性編碼器的測(cè)量頭的側(cè)視圖，其顯示了其上的電學(xué)活性圖形；圖27為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，用于電容式線(xiàn)性編碼器的標(biāo)尺的側(cè)視圖；圖28為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，用于電容式線(xiàn)性編碼器的標(biāo)尺上的分段導(dǎo)電圖形的側(cè)視圖；圖29和30為根據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施例，電容式線(xiàn)性編碼器的示意性剖面圖；圖31A和31B為根據(jù)本發(fā)明的其它最佳實(shí)施例，電容式線(xiàn)性編碼器的示意性剖面圖；圖32為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，圖31A的編碼器中測(cè)量頭的示意性側(cè)視圖，其顯示了其上的發(fā)射板和接收板；圖33A和33B為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，一種絕對(duì)讀數(shù)電容式線(xiàn)性編碼器中各標(biāo)尺和測(cè)量頭的示意性側(cè)視圖；圖34為根據(jù)本發(fā)明的另一最佳實(shí)施例，用于絕對(duì)讀數(shù)電容式線(xiàn)性編碼器的標(biāo)尺的示意性側(cè)視圖；圖35為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，一標(biāo)定電容式線(xiàn)性編碼器的示意性側(cè)視圖；
圖36A和36B為示意性說(shuō)明從圖35的編碼器得出的讀數(shù)的圖表。
最佳實(shí)施例的描述電容式編碼器的類(lèi)型分類(lèi)鑒于本專(zhuān)利申請(qǐng)的目的，將電容式的旋轉(zhuǎn)編碼器及線(xiàn)性編碼器按類(lèi)型分類(lèi)是有益的。各類(lèi)型根據(jù)靜電場(chǎng)發(fā)送和接收板的位置、電特性及轉(zhuǎn)子的連接表征。為了方便并清楚地描述本發(fā)明的最佳實(shí)施例，在下文中描述并應(yīng)用這種分類(lèi)，而且這種分類(lèi)也可以應(yīng)用到已知的電容式編碼器中。但是，應(yīng)該理解本發(fā)明的原理并不限于某種特定的類(lèi)型，除非特別強(qiáng)調(diào)了這種限定。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，圖2是一個(gè)單電極CFRAAE50的示意頂視圖，該電極具有轉(zhuǎn)子元件54和單一定子元件52，所述定子元件包括四個(gè)四分之一圓形板56、58、60和62。這種類(lèi)型的編碼器在此處被分類(lèi)為“類(lèi)型1”。這些四分之一圓形板分別用相同頻率的交流電壓和0°、90°、180°及270°的相對(duì)相移激勵(lì)。定子和轉(zhuǎn)子元件通常都包括一個(gè)絕緣襯底(出于簡(jiǎn)化未示出)，在其上沉積一種導(dǎo)電圖形。因此轉(zhuǎn)子和定子之間的電容隨著轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)而變化。
轉(zhuǎn)子54的圖形被構(gòu)造為一種偏心圓，例如在由Intertec通訊公司(Ventura，California)的Y.Ohshima和Y.Akiyama所編輯的“伺服傳感器-元件及應(yīng)用”中所述，這在此處被用作參考文獻(xiàn)。該偏心圓圖形和定子板52的各對(duì)頂?shù)乃姆种粓A形板56-60及58-62之間的差動(dòng)耦合分別與旋轉(zhuǎn)角的正弦或余弦成正比例。
連接到轉(zhuǎn)子上的一個(gè)電荷放大器64的輸出電壓與四個(gè)激勵(lì)電壓的加權(quán)和成正比，而且能被處理得到旋轉(zhuǎn)角的所需正弦和余弦。這種方法此后被稱(chēng)為相位/正交激勵(lì)(PQE)。上述美國(guó)專(zhuān)利5,598,153描述了一種編碼器，其結(jié)構(gòu)與CFRAAE50的類(lèi)似，但具有非正弦的輸出。
如圖2所示，所述的類(lèi)型1編碼器的不足在于轉(zhuǎn)子54必須被電連接到電子處理設(shè)備上。但是，它在轉(zhuǎn)子所安裝的軸已經(jīng)與電源相連而且能隨著電子處理設(shè)備自由轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下是有用的。
根據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施例，圖3A-3E是示意圖，局部地表示了五種其它類(lèi)型的CFRAAE，標(biāo)以類(lèi)型2至6。這些類(lèi)型容許一個(gè)移動(dòng)元件的位移轉(zhuǎn)化為一個(gè)成正比的電容變化，而沒(méi)有電連接到轉(zhuǎn)子的限制。它們通常可用于不受轉(zhuǎn)動(dòng)限制的角編碼器，而且它們中的一些還可以用于線(xiàn)性位移檢測(cè)。
圖3A表示一個(gè)類(lèi)型2編碼器70。一個(gè)帶圖形的非導(dǎo)電(絕緣)轉(zhuǎn)子76位于兩個(gè)靜止的定子元件72和74之間，它們每個(gè)都包括一個(gè)非導(dǎo)電的襯底73。元件72覆蓋有導(dǎo)電的發(fā)送板78和80，元件74覆蓋有一個(gè)導(dǎo)電的接收板82。發(fā)送板78和80被電激勵(lì)并與接收板82相互發(fā)生電容作用。根據(jù)其介電常數(shù)，轉(zhuǎn)子76的存在增加了所述板之間的電容。這種類(lèi)型的編碼器對(duì)于轉(zhuǎn)子傾斜和軸向位置比較不敏感。上述美國(guó)專(zhuān)利5,099,386描述了一種這種類(lèi)型的編碼器。
圖3B表示一個(gè)類(lèi)型3編碼器90，除了轉(zhuǎn)子76具有一個(gè)帶圖形的導(dǎo)電涂層92之外，編碼器90與類(lèi)型2編碼器70相同，所述涂層接地并作為電屏蔽，其選擇性地改變定子元件72和74之間的測(cè)量電容。與類(lèi)型2相同，這種類(lèi)型的編碼器對(duì)于轉(zhuǎn)子傾斜和軸向位置比較不敏感。但是在已知的類(lèi)型3編碼器中，在轉(zhuǎn)子接地中有困難。例如，如上述美國(guó)專(zhuān)利3,668,672中所述，集流環(huán)具有摩擦、低可靠性及高成本的缺點(diǎn)。如上述美國(guó)專(zhuān)利3,732,553中所述，轉(zhuǎn)子可以通過(guò)一根軸與接地的編碼器殼體接觸而使轉(zhuǎn)子接地，其中轉(zhuǎn)子安裝到所述軸上，但是這種方法具有兩個(gè)嚴(yán)重缺點(diǎn)1.軸承上的潤(rùn)滑膜的累積可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的接地不可靠。
2.殼體上的電噪音被強(qiáng)加給轉(zhuǎn)子并被耦合到接收器。
圖3C表示一個(gè)類(lèi)型4編碼器94，除了轉(zhuǎn)子76的兩側(cè)分別涂有導(dǎo)電涂層96和98之外，編碼器94與類(lèi)型3編碼器90相同，所述涂層相互電連接，但也可以是浮動(dòng)的。如果所述涂層被構(gòu)以圖形，那么轉(zhuǎn)子用作發(fā)送板78和80與接收板82之間的一個(gè)角相關(guān)耦合橋。上面提及的美國(guó)專(zhuān)利3,845,377、3,312,892、4,092,579、4,851,835、4,238,781及4,788,546中描述了現(xiàn)有技術(shù)中已知的類(lèi)型4編碼器。
圖3D表示一個(gè)類(lèi)型5編碼器100，其可以被認(rèn)為是類(lèi)型4的一種“對(duì)折”形式。在這種類(lèi)型中，發(fā)送板78和80及接收板82被設(shè)置在轉(zhuǎn)子76一側(cè)的單個(gè)定子102的公共靜止襯底73上。轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)電圖形104由發(fā)送板激勵(lì)并耦合到接收板。從接收板出來(lái)的輸出信號(hào)與轉(zhuǎn)子和定子之間的可變互電容成正比。美國(guó)專(zhuān)利3,961,318及4,429,307中敘述了類(lèi)型5編碼器。
圖3E表示一個(gè)類(lèi)型6編碼器110，其實(shí)質(zhì)上是類(lèi)型5編碼器100的一種對(duì)稱(chēng)形式。編碼器110包括相互連接的相同定子元件112，轉(zhuǎn)子76每邊一個(gè)定子元件112，所述轉(zhuǎn)子在其兩側(cè)都具有一個(gè)導(dǎo)電圖形114。已知的類(lèi)型6編碼器描述在上述美國(guó)專(zhuān)利4,788,546及德國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)DE3711062和U.K.專(zhuān)利申請(qǐng)GB2176013中。由于其對(duì)稱(chēng)性，與類(lèi)型5相比，這種結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)子相對(duì)旋轉(zhuǎn)軸的傾斜誤差的敏感性較低。
CFRAAE結(jié)構(gòu)及靜電屏蔽根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，圖4是一個(gè)電容式全旋轉(zhuǎn)絕對(duì)角編碼器(CFRAAE)140的局部剖視圖。編碼器140包括兩個(gè)基本平的定子141和142及一個(gè)平的轉(zhuǎn)子147，它們最好由印刷電路板制成。該編碼器包容在殼體139中，該殼體由短的柱狀封閉件143和罩144構(gòu)成，它們最好是咬合連接。所述殼體最好由塑料，例如聚碳酸酯注塑成形。或者，它可以由金屬制成。定子141和142通過(guò)一個(gè)導(dǎo)電墊圈145隔開(kāi)，其還可以用作編碼器電屏蔽的一部分，這在下面將要描述。
定子141最好包括一個(gè)多層印刷電路板，其上安裝處理電路138。定子141的所述板的一部分146延伸到殼體139之外用作一個(gè)連接終端。定子142上有一個(gè)導(dǎo)電區(qū)域，其用作一個(gè)靜電場(chǎng)發(fā)送器，而且定子141具有一個(gè)相應(yīng)的區(qū)域，該區(qū)域用作接收器。所述定子通過(guò)一個(gè)彈性定向?qū)w147相互電連接，這種導(dǎo)體在商業(yè)上稱(chēng)為“Zebra”，當(dāng)殼體139被封閉時(shí)，其在所施加的壓力下形成定子間的連接，而不需要焊接。
轉(zhuǎn)子148最好是圖19所表示的那種形式，其具有一個(gè)軸向延伸149，該延伸具有一個(gè)中央孔用以通過(guò)一個(gè)夾緊環(huán)151直接安裝到一個(gè)主軸150上。這種中空軸連接型式具有簡(jiǎn)單和緊湊的優(yōu)點(diǎn)。一個(gè)周邊槽155容納安裝螺釘(未示出)，其將殼體139以一種已知的伺服安裝方式固定。一個(gè)內(nèi)導(dǎo)電套筒152(和一個(gè)附加外套筒153一起，如圖6所示)用于生成一個(gè)迷宮137。所述迷宮聯(lián)接到殼體139內(nèi)部的一個(gè)導(dǎo)電涂層154，以提供容納轉(zhuǎn)子148的空間以及電路138的電屏蔽，這在下面將要描述。所述屏蔽使編碼器免受外部的電干擾和其它可能經(jīng)由軸150透過(guò)殼體的干擾。如果殼體139由金屬制成，那么導(dǎo)電涂層154最好通過(guò)一個(gè)非導(dǎo)電中間層(未示出)與所述殼體隔開(kāi)。
本發(fā)明所提供的高的機(jī)械安裝容差確保了編碼器140的這種簡(jiǎn)單、中空軸構(gòu)造，這在下面將要描述，如果編碼器140是一種多級(jí)CFRAAE，那么這尤其重要。作為對(duì)比，要在光學(xué)編碼器中應(yīng)用所述中空軸，不僅需要內(nèi)軸承以保持轉(zhuǎn)子和定子中間的徑向?qū)?zhǔn)，而且需要將整個(gè)編碼器殼體安裝在一個(gè)柔性安裝框架上以吸收編碼器的中空軸和主軸之間的機(jī)械安裝誤差。這種類(lèi)型的一種典型光學(xué)編碼器是由Gurnee，Illinois的Danaher Controls所生產(chǎn)的HS35 Sealed Hollowshaft型。
由機(jī)械安裝誤差的容差而帶來(lái)的此種編碼器140的設(shè)計(jì)另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于這種類(lèi)型的單個(gè)CFRAAE可以用于一定范圍的軸直徑。這通過(guò)將轉(zhuǎn)子148的中心孔作的盡可能大而且采用一組用于安裝在小直徑軸上的調(diào)整器(未示出)來(lái)實(shí)現(xiàn)。編碼器140還可以采用一個(gè)一體軸和軸承，當(dāng)需要非常高的精確度時(shí)用以確保轉(zhuǎn)子和定子之間的最小安裝誤差。
圖5表示根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)最佳實(shí)施例的編碼器160。編碼器160的構(gòu)造原理和編碼器140的相同，但該編碼器只有一個(gè)定子板162。這種改變是有用的，特別是對(duì)于類(lèi)型5編碼器，如圖3D所示。編碼器160殼體139內(nèi)的一個(gè)導(dǎo)電涂層156屏蔽轉(zhuǎn)子148，代替了編碼器140中由定子板142所提供的屏蔽作用。在編碼器160的另一種電結(jié)構(gòu)中，涂層156可以包括用作發(fā)送板的一部分，而不是作為一個(gè)接地的連續(xù)涂層。在兩種情況中，所述涂層通過(guò)一個(gè)Zebra連接器連接到板162。
本發(fā)明人已經(jīng)制造了圖4和圖5中所示的編碼器。這些編碼器通常具有57mm的外徑而且能容納大至12mm的軸直徑。轉(zhuǎn)子148通常被設(shè)計(jì)為包括32個(gè)極對(duì)。因此得到的分辨率為20bits(約一度的1/1000)，而且沒(méi)有錯(cuò)誤模式下的精確度為16bits(約一度的1/1000)。電能消耗約為20mW。這在下面將要詳細(xì)描述。
盡管此處所述的最佳實(shí)施例涉及的定子和轉(zhuǎn)子通常是平的編碼器(因此可以使用影印法制造)，可以理解本發(fā)明的原理同樣可以被應(yīng)用于其它幾何形狀的電容式編碼器。例如，在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)CFRAAE包括一個(gè)柱狀轉(zhuǎn)子和定子，這未在圖中示出。
現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)知道有保護(hù)接收板免受電容耦合的需要，但現(xiàn)有的CFRAAE裝置不能提供足夠有效的保護(hù)。現(xiàn)有電容式編碼器的機(jī)械構(gòu)造的例子見(jiàn)本發(fā)明背景技術(shù)中引用的參考文獻(xiàn)。在所有的這些例子中，由金屬制成的機(jī)械殼體還用作靜電屏蔽，其接地到信號(hào)地上。但是這種保護(hù)的實(shí)際效率是有限的，這是由于編碼器工作的機(jī)械環(huán)境同樣連接到相同的信號(hào)地。在編碼器聯(lián)接到電機(jī)的軸上的典型應(yīng)用中(特別當(dāng)它安裝在電機(jī)殼體內(nèi)部時(shí))，編碼器輸出信號(hào)將由于地電流的影響而受到干擾。當(dāng)使用一種切換電源時(shí)，這是一個(gè)非常嚴(yán)重的問(wèn)題，如在無(wú)電刷的直流或交流矢量控制電機(jī)中。
現(xiàn)有技術(shù)沒(méi)有認(rèn)識(shí)到的另一個(gè)問(wèn)題是通過(guò)軸耦合到編碼器中的干擾。由于所述軸通常由金屬制成而且穿過(guò)想象上被保護(hù)的編碼器內(nèi)部空間，所以軸上的任何噪音將被耦合到接收板上。另外，當(dāng)編碼器和切換模式的電機(jī)共用一根軸時(shí)，這種情況最嚴(yán)重。超過(guò)一定的軸速時(shí)該問(wèn)題被加重，這是由于一層潤(rùn)滑膜建立在軸承球上而且不定期地中斷轉(zhuǎn)子和殼體之間的電連續(xù)性。實(shí)際上，轉(zhuǎn)子和軸變成電浮動(dòng)的而且成為一個(gè)電容橋，該橋?qū)㈦姍C(jī)繞組的噪音耦合到編碼器的接收板上。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，圖6是編碼器140的一個(gè)局部示意剖視圖，詳細(xì)地示出了靜電保護(hù)系統(tǒng)。定子141和142包括印刷電路襯底168和169，其上分別具有一個(gè)接收板170和發(fā)送板172。轉(zhuǎn)子148具有一個(gè)電學(xué)活性圖形，即一種改變發(fā)送和接收板之間電容的東西。盡管不必須，但是所述轉(zhuǎn)子最好包括一個(gè)印刷電路襯底，其上具有形成所述圖形的導(dǎo)電部分。所述定子、轉(zhuǎn)子和其間的氣隙及至少一部分處理電路138，主要是接收器預(yù)放大器，由一個(gè)靜電屏蔽173保護(hù)。該屏蔽包括導(dǎo)電內(nèi)層154，隔開(kāi)兩個(gè)定子141和142的導(dǎo)電環(huán)145及包括套筒152和153的迷宮137，該迷宮有效地阻止了從軸150到屏蔽內(nèi)區(qū)域的電容耦合，但仍能保證軸和轉(zhuǎn)子148之間的機(jī)械耦合。
編碼器殼體139(如圖4所示)和軸150都是電中性的而且可以呈現(xiàn)任何電勢(shì)。與現(xiàn)有技術(shù)中的編碼器不同，所述殼體不具有任何電功能而且出于經(jīng)濟(jì)性考慮可以由塑料制成。電路138上的一個(gè)屏蔽166最好包括一個(gè)位于殼體內(nèi)側(cè)上的導(dǎo)電涂層，其通常與屏蔽173相接。屏蔽166的接地可以通過(guò)與定子141的印刷電路板連接或通過(guò)一個(gè)柔性片(未示出)實(shí)現(xiàn)。或者，屏蔽166可以由板材金屬制成。
由于屏蔽173也封閉發(fā)送板172，所以它限制了它們的電場(chǎng)并消除了由外部編碼器140輻射的電勢(shì)干擾。另一方面，盡管板172即不接地又不位于任何固定電勢(shì)，所以它們用作封閉件的一部分，用于保護(hù)編碼器內(nèi)的轉(zhuǎn)子空間。涉及固定在一定電勢(shì)而不是地電勢(shì)的問(wèn)題描述在Physics EScientific Instrumentation 19(1986)第897-906頁(yè)Heeren所著的題目為“傳感器設(shè)計(jì)中電容技術(shù)的應(yīng)用”一文中。
為了概括，編碼器140的內(nèi)部元件通過(guò)一個(gè)方案與環(huán)境雙向隔離，該方案具有幾個(gè)特有的優(yōu)點(diǎn)1.采用一個(gè)與機(jī)械殼體無(wú)關(guān)的專(zhuān)用屏蔽173。
2.所述屏蔽提供了全方位的保護(hù)，而且還能保證旋轉(zhuǎn)耦合到其內(nèi)部的轉(zhuǎn)子。
3.所述屏蔽包括幾個(gè)構(gòu)成部分，包括用于編碼器的印刷電路襯底168和169上的導(dǎo)電層154。
4.所述屏蔽的一些構(gòu)成部分，例如發(fā)送板不必位于固定的電勢(shì)。轉(zhuǎn)子的虛接地盡管接地轉(zhuǎn)子(類(lèi)型3)編碼器具有許多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)有技術(shù)中的所有這些編碼器需要通過(guò)實(shí)際接觸將地電勢(shì)施加給轉(zhuǎn)子，這具有許多附帶的缺點(diǎn)，這描述在本發(fā)明的背景技術(shù)中。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，圖7是一個(gè)電容式編碼器188的示意分解圖，其中轉(zhuǎn)子194上的一個(gè)導(dǎo)電涂層195有效地虛接地，而實(shí)際上沒(méi)有被電連接到任何非旋轉(zhuǎn)元件上。涂層195在轉(zhuǎn)子194表面形成一種圖形。鑒于本實(shí)施例的目的，涂層圖形被固定在一個(gè)固定電勢(shì)，不必接地或接到任何其它特定的直流電勢(shì)，就足夠了。實(shí)際上，所述圖形在施加到發(fā)送定子191的電激勵(lì)頻率下能充分地阻止定子191和196之間的電容式相互作用。盡管編碼器188以一種單電極編碼器形式示出，但可以采用任何數(shù)量的電極。
發(fā)送定子191包括四個(gè)發(fā)送板192，分別標(biāo)以A、B、C和D。如上所述，這些板被各自的激勵(lì)電壓激勵(lì)并與接收定子196上的一個(gè)環(huán)形板197及轉(zhuǎn)子194上的導(dǎo)電圖形195電容式地相互作用。只要圖形195接地或者固定于一個(gè)固定的電勢(shì)，它就選擇性地阻止四個(gè)發(fā)送板的交流激勵(lì)與所述圖形所擋住的區(qū)域中的接收板196相互作用。
圖形195通過(guò)一個(gè)放大器182固定于固定的電勢(shì)，放大器接在定子196上的一個(gè)輔助環(huán)形板198和定子191上的一個(gè)輔助發(fā)送板190之間。到圖形195為電浮動(dòng)的程度，根據(jù)其瞬時(shí)位置它需要一個(gè)源自發(fā)送板的交流電勢(shì)。此交流電勢(shì)與板198相互作用以產(chǎn)生一個(gè)電壓，該電壓由放大器182放大并反向。最終電壓VO2被施加給板190以便借助通過(guò)導(dǎo)電圖形195的電容耦合降低板198上的電壓。編碼器188的幾何形狀使板198只朝向轉(zhuǎn)子圖形195，而不看到發(fā)送板192和190。放大器182工作的結(jié)果是板198上及圖形195上的交流電壓基本被消除。因此所述圖形被保持在一個(gè)固定的電勢(shì)并用作一個(gè)保護(hù)屏，該屏選擇地阻止從發(fā)送板192到接收板197的電容耦合。因此，按照需要，接到接收板197上的一個(gè)電荷放大器180的輸出端處的輸出電壓VO1反映了板197的未遮住部分中感應(yīng)電荷。
信號(hào)調(diào)節(jié)根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，圖8是一個(gè)信號(hào)調(diào)節(jié)電路200的示意電路圖。電路200適合于和一個(gè)單速CFRAAE，即只給出一對(duì)輸出信號(hào)的一個(gè)編碼器一起使用，這與下面所述的多速實(shí)施例相對(duì)，其具有兩對(duì)(粗略及精細(xì))輸出端。電路200示例了一個(gè)和編碼器的相位/正交激勵(lì)(PQE)一起使用的同步檢測(cè)法。
電路200最好與具有四個(gè)四分之一圓形板的發(fā)送定子，例如圖2所示的定子52一起使用。這些四分之一圓形板和接收定子板之間的電耦合由相應(yīng)的可變電容206至209表示，它們由四相位交流電壓源202至205激勵(lì)，在相互90°相位差中其通常提供10kHz的矩形波。電荷放大器210通常放大所有的四個(gè)信道。該放大器輸出被導(dǎo)向兩個(gè)相同的信道以提供相應(yīng)的正弦和余弦輸出。
各信道包括一個(gè)同步檢測(cè)器211或212及一個(gè)低通過(guò)濾器213或214。同步檢測(cè)器211由電源202的一個(gè)同相參考信號(hào)器饋以信號(hào)，而且其輸出由低通過(guò)濾器213過(guò)濾以提供正弦信號(hào)。同步檢測(cè)器212由電源203的一個(gè)90°相位差參考信號(hào)器饋以信號(hào)，而且其輸出由低通過(guò)濾器214過(guò)濾以提供余弦信號(hào)。這些正弦和余弦信號(hào)最好被一個(gè)微處理器或一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器(圖中未示出)數(shù)字化處理，這和現(xiàn)有技術(shù)中相同。處理過(guò)程通常包括一個(gè)用以得到旋轉(zhuǎn)角正切的除法操作，然后該角本身通過(guò)代數(shù)計(jì)算或通過(guò)一個(gè)檢索表而得到。
除簡(jiǎn)單之外，不考慮電子元件的容差，這種信號(hào)處理系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是所有四個(gè)信道的增益幾乎相同。而且，輸出值的直流偏差低，為了使計(jì)算輸出角的誤差最小這是至關(guān)重要的。
具有同步正弦和余弦檢測(cè)的電路200的PQE方法在現(xiàn)有的電容式編碼器中是未知的。盡管上面引證的德國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)DE3711062也使用具有一個(gè)公共電荷放大器的PQE，但接下來(lái)對(duì)電荷放大器的輸出進(jìn)行采樣，而不是象本發(fā)明一樣同步地解調(diào)。同步檢測(cè)器211和213在功能上與模擬放大器相同，由放大器210的輸入電壓及相應(yīng)的參考矩形波饋以信號(hào)。低通濾波器213和214在預(yù)定的波寬范圍上對(duì)輸出信號(hào)取平均。整個(gè)過(guò)程與Fourier分析等效，即輸出電壓與輸入電壓的總能量成分成正比，輸入電壓與參考頻率同相。如上所述，現(xiàn)有技術(shù)的電容式編碼器中正弦和余弦輸出的信號(hào)/噪音比與t/T的平方根成正比，其中T為參考矩形波的周期，t為采樣的縫隙時(shí)間(aperture time)，其總是比T短得多。同步檢測(cè)比時(shí)間采樣提供一個(gè)好得多的信號(hào)/噪音比，這是由于其輸出實(shí)際上是整個(gè)周期T上許多采樣的平均值。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，圖9是一個(gè)示意電路圖，表示電路200的執(zhí)行過(guò)程。U1用作輸入電荷放大器210，其給U2饋以信號(hào)，其是一個(gè)具有-R3/R2收益的電壓反向器，其中實(shí)際上R2＝R3。U1可以包括任何適當(dāng)類(lèi)型的獨(dú)立或一體FET-輸入操作放大器。U2是一個(gè)通用操作放大器。U3是一個(gè)低電荷-輸入模擬轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，例如由California，Sunnyvale的Maxim Integrated Products制造的MAX393。U3選擇U1或U2的輸出，這分別由電源202和203的矩形波脈沖Sync1或Sync2控制。產(chǎn)生的兩個(gè)輸出為低通過(guò)濾的，最好由相應(yīng)的三階Sallen-and-Key活性過(guò)濾器過(guò)濾，這和現(xiàn)有技術(shù)中相同，每個(gè)包括三個(gè)電阻、三個(gè)電容及一個(gè)電壓從動(dòng)器。不考慮從動(dòng)元件的容差，這種過(guò)濾器在低頻時(shí)具有一致的增益。放大器U4和U5可以是任何低輸入偏置、低偏壓電流操作放大器。和現(xiàn)有技術(shù)中相同，提供所需穩(wěn)定均勻增益的低通過(guò)濾器的另一種類(lèi)型是Zero-DE-Offset Switched-Capacitor。
因此正弦和余弦處理信道的增益幾乎相同，這是由于它們共用U1和U2而且對(duì)于U3中的切換電阻非常敏感。總的來(lái)說(shuō)，這兩個(gè)信道共用除低通過(guò)濾器213和214之外的相同的電子元件，但是它們具有統(tǒng)一的增益。實(shí)際的信號(hào)增益可以變化，主要是由于與放大器210相關(guān)聯(lián)的電容C1中的變化。但是由于測(cè)量角基于兩個(gè)輸出的比值計(jì)算，所以?xún)蓚€(gè)信道中的增益變化相同，而且不需要精確或穩(wěn)定的元件。這種信號(hào)處理方法的性能非常好。例如，32極對(duì)型的輸出信號(hào)的12bit模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換在10kHz的波寬范圍上可以提供19bits的角分辨率。
由于電路200的簡(jiǎn)化，特別是與現(xiàn)有技術(shù)中的電容式位置編碼電路相比，當(dāng)它用于接收定子時(shí)，它可以將獨(dú)立的電路元件安裝在相同的印刷電路板上，例如圖6所示的襯底141上。在該實(shí)施例中，所述電路板最好是一個(gè)四層電路板，除了屏蔽層154和接收板170之外還有兩個(gè)信號(hào)層。在布置這些層時(shí)，應(yīng)該注意使激勵(lì)和信號(hào)導(dǎo)體之間的距離最大。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，圖10是一個(gè)示意分解圖，表示一個(gè)電容旋轉(zhuǎn)角編碼器230及與其相關(guān)的信號(hào)處理電路，其中所述編碼器和電路被設(shè)計(jì)成模擬一個(gè)傳統(tǒng)的線(xiàn)圈繞組解析器。編碼器230用作一個(gè)單極對(duì)解析器的替代物，即為了模擬所述解析器的輸入和輸出行為，同時(shí)具有小的多的尺寸及降低的生產(chǎn)成本。由于該解析器是一種被動(dòng)元件-實(shí)際上是一種具有交流輸入和交流輸出的可變變壓器，而電容式編碼器是具有信號(hào)處理電路的主動(dòng)元件，編碼器230包括一個(gè)整流電路245，其將交流輸入電壓轉(zhuǎn)換為供給電路的正、負(fù)直流電壓。
編碼器230從一個(gè)電壓源244接收電能，所述電壓源包括一個(gè)輸入交流承載電壓，在7.5kHz時(shí)通常為7V RMS，這通常用于現(xiàn)有技術(shù)中的解析器。該電壓被加到整流電路245上，其給電路元件提供正、負(fù)直流電壓+Vcc和-Vcc。電壓源244最好包括一個(gè)雙電壓倍增器，盡管也可以使用其它合適的交流/直流轉(zhuǎn)換電路。如上所述，參照?qǐng)D7，轉(zhuǎn)子174最好是實(shí)際接地。或者，轉(zhuǎn)子174可以電浮動(dòng)，這和類(lèi)型2或類(lèi)型4編碼器中相同。如果使用一種類(lèi)型4CFRAAE，那么轉(zhuǎn)子圖形最好被分段以減少對(duì)轉(zhuǎn)子傾斜的敏感度，這在下面將要描述。
編碼器本身包括一個(gè)發(fā)送定子240、一個(gè)接收定子248和轉(zhuǎn)子174。發(fā)送定子240包括一個(gè)發(fā)送板241以及實(shí)際接地的輔助板170。接收定子248具有四個(gè)用于接收的四分之一圓形板247，分別標(biāo)以A、B、C和D，并包括實(shí)際接地的輔助板178，通過(guò)實(shí)際接地的環(huán)路放大器182耦合到板170。這四個(gè)用于接收的四分之一圓形板分別連接到四個(gè)電荷放大器250、251、252和253上，它們產(chǎn)生相應(yīng)的交流輸出電壓Va，Vb，Vc和Vd。通過(guò)不同放大器254和255分別產(chǎn)生的電壓Va-Vc和Vb-Vd的大小與旋轉(zhuǎn)角的正弦和余弦成正比，這和感應(yīng)解析器中相同。
本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)當(dāng)編碼器230超過(guò)一定的速度旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)遇到一個(gè)問(wèn)題，其表現(xiàn)為加到輸出信號(hào)上的不規(guī)則噪音。噪音的主頻譜成分位于旋轉(zhuǎn)頻率處，通常為50到100Hz。這種問(wèn)題源自由空氣摩擦所引起的轉(zhuǎn)子174上累積的靜電荷。由于轉(zhuǎn)子沒(méi)有電接地，所以這種電荷不能消除。由于該電荷在轉(zhuǎn)子表面上任意擴(kuò)散，所以它們?cè)诮邮瞻?47上引起不均衡電壓，這表現(xiàn)為輸出噪音。該問(wèn)題的解決辦法是增加兩個(gè)帶通過(guò)濾器(未示出)，集中在激勵(lì)頻率上，與放大器254和255串聯(lián)。由于激勵(lì)頻率比旋轉(zhuǎn)頻率高得多，所以不需要高選擇性，而且?guī)ㄟ^(guò)濾器可以是簡(jiǎn)單的Wien-橋網(wǎng)絡(luò)。另外，由于編碼器230具有四個(gè)獨(dú)立的信號(hào)通道，這與上面所述的PQE系統(tǒng)不同，而且不能保證所述信道的增益匹配，在生產(chǎn)中需要增益平衡，通常通過(guò)電阻校正。
多速編碼器單極對(duì)CRAAFEs在其精確度上受到限制，尤其是類(lèi)型5中的那些對(duì)轉(zhuǎn)子相對(duì)定子的傾斜非常敏感。原則上，多極對(duì)編碼器更精確而且對(duì)機(jī)械誤差不很敏感，這是由于它們的輸出信號(hào)在多極范圍上取平均。但是，它們不能提供一個(gè)絕對(duì)的位置讀數(shù)，除非與下面將要詳細(xì)解釋的單極對(duì)編碼器組合。
盡管出于簡(jiǎn)化，圖7至10所示的編碼器是單極對(duì)型式的，其中所用的原理同樣可以應(yīng)用到多極和多速編碼器中。在本專(zhuān)利申請(qǐng)的內(nèi)容中，一個(gè)多速編碼器被定義為一種包含單極和多極可變電容的編碼器。單極電容用作一個(gè)粗略信道，其輸出信號(hào)每次分辨只重復(fù)一次，而精細(xì)信道每次分辨重復(fù)數(shù)次。通過(guò)結(jié)合粗略和精確讀數(shù)，可以得到具有高精確度和分辨率的一個(gè)非模糊轉(zhuǎn)子位置。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，圖11A和11B分別是類(lèi)型5多速電容式角編碼器轉(zhuǎn)子260上多極導(dǎo)電圖形及定子270上發(fā)送板的頂視圖。為了簡(jiǎn)化說(shuō)明，定子和轉(zhuǎn)子上的粗略信道板和耦合板未在圖中示出。具有單個(gè)定子270的這種編碼器等效于一個(gè)8極解析器。轉(zhuǎn)子260包括8個(gè)正弦循環(huán)。定子270包括32個(gè)發(fā)送板272。每四個(gè)板連接到一個(gè)公共激勵(lì)電壓線(xiàn)V1到V4上。這四個(gè)激勵(lì)電壓相互間的相位差為90°。
類(lèi)型5多速CFRAAE在現(xiàn)有技術(shù)中沒(méi)有，其兩個(gè)信道采用一個(gè)單定子和一個(gè)單轉(zhuǎn)子，也許過(guò)去是由于這兩個(gè)信道之間的相互干擾使得它們不能實(shí)行。在A(yíng)rnold和Heddergott的文章中這種結(jié)構(gòu)顯然不再考慮了。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，圖11C是轉(zhuǎn)子262上另一種導(dǎo)電圖形的頂視圖，其為轉(zhuǎn)子260的相反型式。除了編碼器的信號(hào)極性相反之外，轉(zhuǎn)子262與轉(zhuǎn)子260相同。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，圖12A和12B分別是類(lèi)型5(單定子)兩速編碼器的定子300和轉(zhuǎn)子310上導(dǎo)電板的頂視圖。定子300包括精細(xì)發(fā)送板313、粗略發(fā)送板314和一個(gè)接收板312。轉(zhuǎn)子310包括精細(xì)圖形板317、粗略圖形板315和一個(gè)與接收板312對(duì)置的耦合板316。所有這些轉(zhuǎn)子板都相互連接。板315和316之間的分隔是不必需的而且僅是為了說(shuō)明而示出的。注意轉(zhuǎn)子310上的粗略和精細(xì)圖形是光滑變化的，沒(méi)有尖的邊界點(diǎn)，與現(xiàn)有技術(shù)中的多速轉(zhuǎn)子不同。因此，當(dāng)定子300發(fā)出的信號(hào)如下所述被電路處理時(shí)，編碼器將給出光滑、純的正弦輸出，基本沒(méi)有會(huì)降低角測(cè)量精確度的扭曲。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，圖12C是轉(zhuǎn)子320上導(dǎo)電板的頂視圖。轉(zhuǎn)子320的功能與轉(zhuǎn)子310類(lèi)似而且可以代替轉(zhuǎn)子310。其不同之處在于它具有一個(gè)精細(xì)圖形板318，該板為上述板317的“相反”型式。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，圖13是與一個(gè)兩速編碼器一起使用的信號(hào)調(diào)節(jié)電路330的示意圖。電路330使用一種PQE方法，基本與參照電路200的上面描述相同，但具有獨(dú)立的粗略處理信道328和精細(xì)處理信道329。
粗略信道可變電容336到339由四相位交流電壓332到335激勵(lì)，通常為10kHz的矩形波。精細(xì)信道可變電容分別由電容344到347描述，而且通常被40kHz的矩形波激勵(lì)。這種電子裝置包括一個(gè)電荷放大器348，其耦合到接收板312上(圖12A)，以便共同為所有的粗略和精細(xì)信道服務(wù)。放大器輸出被導(dǎo)入粗略和精細(xì)處理信道，包括同步檢測(cè)器349至352及低通過(guò)濾器354至357。同步檢測(cè)器349和351分別由同相參考信號(hào)332和340饋以信號(hào)，而且由低通過(guò)濾器354和356過(guò)濾以提供粗略和精細(xì)正弦信號(hào)。同步檢測(cè)器350和352分別由90度相位差參考信號(hào)333和341饋以信號(hào)，而且由低通過(guò)濾器355和357過(guò)濾以提供粗略和精細(xì)正弦信號(hào)。如上所述，這些模擬信號(hào)然后最好被一個(gè)微型電子計(jì)算機(jī)數(shù)字化并處理。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)最佳實(shí)施例，圖14是一個(gè)三速、類(lèi)型5CFRAAE的轉(zhuǎn)子380上導(dǎo)電板的頂視圖。轉(zhuǎn)子310包括一個(gè)精細(xì)信道382、一個(gè)中間信道384及一個(gè)粗略信道386和一個(gè)耦合板388。它可以與一個(gè)經(jīng)過(guò)適當(dāng)改動(dòng)的定子及信號(hào)調(diào)節(jié)電路一起使用，具有三個(gè)處理信道而不是兩個(gè)。圖14的構(gòu)造是有益的，例如在精細(xì)信道中具有多次循環(huán)的大直徑編碼器中。在這種情況中，粗略信道可以不必精確到正確地識(shí)別正確的精細(xì)循環(huán)。增加中間信道384可以解決由中間信道及精細(xì)信道中的第一次識(shí)別正確循環(huán)所帶來(lái)的問(wèn)題，其中中間信道具有一些介于粗略和精細(xì)信道之間的循環(huán)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，圖15是一個(gè)示意圖，表示一個(gè)與兩速旋轉(zhuǎn)編碼器，例如圖12A-B所示的編碼器一起使用的一個(gè)兩態(tài)切換信號(hào)調(diào)節(jié)電路420。電路420相對(duì)于圖13所示的多信道電路具有更簡(jiǎn)單及更低元件成本的優(yōu)點(diǎn)。
可變電容429至432代表編碼器的精細(xì)信道互電容，可變電容433至436代表編碼器的粗略信道互電容。開(kāi)關(guān)425至428由一個(gè)公共邏輯信號(hào)(未示出)控制以給精細(xì)信道電容或粗略信道電容施加激勵(lì)電壓421至424或地電勢(shì)，以便產(chǎn)生交替的精細(xì)或粗略角讀數(shù)。參照前述實(shí)施例所述，一個(gè)電荷放大器447提供一個(gè)輸出電壓，該電壓由一個(gè)同步檢測(cè)器448和449及低通過(guò)濾器450和451處理以給已切換到的信道(精細(xì)或粗略)提供正弦和余弦輸出。
粗略處理信道最好用于識(shí)別編碼器的絕對(duì)位置。該粗略信號(hào)通常僅用于系統(tǒng)初始化。系統(tǒng)一打開(kāi)，一個(gè)邏輯指令通過(guò)開(kāi)關(guān)425至428將激勵(lì)波形引入粗略信道發(fā)送板(電容433至436)。產(chǎn)生的粗略信道位置結(jié)果用于識(shí)別轉(zhuǎn)子位于哪個(gè)特定的精細(xì)循環(huán)。從那開(kāi)始，激勵(lì)電壓被引入精細(xì)信道發(fā)送板(電容429至432)，而且精細(xì)信道信號(hào)被處理以提供一個(gè)絕對(duì)并精確的轉(zhuǎn)子位置。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，圖16A和16B分別是定子460和轉(zhuǎn)子470上導(dǎo)電板的頂視圖，組成一個(gè)兩速類(lèi)型5CFRAAE。在該實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子和定子之間的一個(gè)多極可變電容即用于產(chǎn)生粗略又用于產(chǎn)生精細(xì)角測(cè)量值。實(shí)際優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于一個(gè)給定外直徑的編碼器，可以制造一個(gè)較大的中心孔，其容納一個(gè)較大范圍的軸直徑。
定子460包括精細(xì)發(fā)送板467及四分之一圓形接受板463至466。所述精細(xì)板與轉(zhuǎn)子470上的一個(gè)精細(xì)圖形板468相互作用。轉(zhuǎn)子上的一個(gè)偏心耦合板461將所述相互作用耦合到接收板上。由于板461的偏心，耦合電容不是旋轉(zhuǎn)獨(dú)立的，除非所有四個(gè)四分之一圓形板電容被加在一起。當(dāng)它們被加在一起時(shí)，得到一個(gè)精確的信道讀數(shù)。在這種情況中，如果精細(xì)信道輸出信號(hào)被表示為A＝Rsin(nθ)和B＝Rcos(nθ)，那么它們的矢量和R由下式給出R=A2+B2]]>如果不是所有的四分之一圓形接收板被采用，那么矢量和R被調(diào)制并因此被用于得到粗略信道讀數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，圖17是一個(gè)示意方框圖，表示與圖16A和16B所示編碼器一起使用的一個(gè)信號(hào)處理電路480。在初始化階段，最好是在軸靜止時(shí)，四對(duì)直流電壓A1、A2、A3和A4及B1、B2、B3和B4從電路480的相應(yīng)正弦和余弦信道的輸出得到。這通過(guò)依次關(guān)閉開(kāi)關(guān)490、491、492和493，并調(diào)制在過(guò)濾器509和510輸出端出現(xiàn)的輸出直流電壓而實(shí)現(xiàn)。各直流電壓是精細(xì)電容482、483、484和485及特定的四分之一圓形板耦合電容486、487、488或489(與圖16A中相應(yīng)的四分之一圓形板463、464、465和466分別對(duì)應(yīng))，及電荷放大器506、同步解調(diào)器507和508及低通過(guò)濾器509和510的固定增益的結(jié)果。然后計(jì)算各對(duì)電壓的相應(yīng)矢量和以提供R1、R2、R3和R4，它們與特定軸角處的四分之一耦合電容值成正比。R4-R3和R2-R4的對(duì)頂角對(duì)差與粗略軸角的所需正弦和余弦成正比。
該初始化過(guò)程之后，關(guān)閉四個(gè)開(kāi)關(guān)490至493，因此所述編碼器被切換到精細(xì)模式。在該模式中，由于精細(xì)定子板與精細(xì)轉(zhuǎn)子板的相互作用，電壓源494至497和可變電容482至485被用于確定精確的軸角。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，圖18A、18B和18C分別是一個(gè)發(fā)送定子520、一個(gè)轉(zhuǎn)子525及一個(gè)接收定子527的頂視圖，它們一起組成一個(gè)類(lèi)型4編碼器。該編碼器是一種第二構(gòu)形的示例，用以從一個(gè)多極互電容得到一個(gè)單極信號(hào)。
定子520包括一個(gè)多極發(fā)送組，包括多級(jí)發(fā)送板529，這和圖11B中所示的轉(zhuǎn)子270中的相同。但是，在這種情況中，板529被分成四個(gè)四分之一圓形板組521到524，每個(gè)可以被單獨(dú)激勵(lì)。定子527包括一個(gè)環(huán)形接收板528。轉(zhuǎn)子525在其兩側(cè)具有一個(gè)多極導(dǎo)電圖形526，而且這兩個(gè)導(dǎo)電圖形是電連接的。
從接收定子527接收到的信號(hào)由一個(gè)基本與圖8中所示電路200相同的電路處理。在這種情況中，電容206至209代表由各四分之一圓形板中接收板組所引起的可變電容。只要轉(zhuǎn)子525上的板526具有一種理想的多極圖形，那么從低通過(guò)濾器輸出的輸出正弦和余弦信號(hào)將代表精細(xì)信道，而不管是否激勵(lì)一個(gè)或多個(gè)四分之一接收板。但是，如果轉(zhuǎn)子圖形偏離理想，例如由于相對(duì)旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)傾斜或關(guān)于軸傾斜或在其厚度中每循環(huán)一次變化而引起的，那么如果不是所有的四分之一圓形板被激勵(lì)，輸出信號(hào)將包括一個(gè)每循環(huán)一次的幅度調(diào)制。這種偏心或其它的偏差易被引入。因此，如果每個(gè)四分之一圓形板被依次激勵(lì)而且大小R4-R3和R2-R4被產(chǎn)生，那么就得到粗略軸角的正弦和余弦。當(dāng)所有的四分之一圓形板被激勵(lì)時(shí)，可以精確得到精細(xì)信道的正弦和余弦。
也可以有其它的等效系統(tǒng)，它們都具有一個(gè)多極轉(zhuǎn)子和一個(gè)定子，該轉(zhuǎn)子具有某種類(lèi)型的每轉(zhuǎn)重復(fù)一次的對(duì)稱(chēng)偏差，所述定子可以在兩種結(jié)構(gòu)之間切換一種是對(duì)稱(chēng)的，一種具有打破對(duì)稱(chēng)的特點(diǎn)。例如，如果使用具有一個(gè)理想多極圖形的轉(zhuǎn)子，其中丟掉了一組一次或多次循環(huán)，那么當(dāng)定子處于對(duì)稱(chēng)(成組的四分之一圓形板)模式時(shí)，信號(hào)將不受影響。
在本發(fā)明的另一個(gè)最佳實(shí)施例中，具有每循環(huán)一次的對(duì)稱(chēng)缺陷的多極轉(zhuǎn)子被聯(lián)接到一個(gè)具有相同種類(lèi)對(duì)稱(chēng)缺陷的定子上。在這種情況中，不需要切換。例如，定子270(如圖11B所示)可以不居中，或者定子的一部分272可以被去掉。轉(zhuǎn)子和定子缺陷的相互作用導(dǎo)致信號(hào)大小R的一種循環(huán)調(diào)制。在初始化階段，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，R被監(jiān)控以便確定它達(dá)到其最大或最小值時(shí)的位置。該位置被定義為轉(zhuǎn)子的標(biāo)定位置。之后，在正常操作期間，精細(xì)信號(hào)中的循環(huán)誤差，其與上述循環(huán)調(diào)制相關(guān)聯(lián)，最好被校正以便提供一個(gè)精確、絕對(duì)的讀數(shù)。這種實(shí)施例具有轉(zhuǎn)子中心孔可以被作得較大的優(yōu)點(diǎn)，這是由于僅需要精細(xì)圖形，而沒(méi)有一個(gè)耦合或粗略圖形板。
分段及三維轉(zhuǎn)子根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，圖19是轉(zhuǎn)子520的一個(gè)示意圖解視圖，該轉(zhuǎn)子具有一個(gè)三維導(dǎo)電圖形。在該實(shí)施例中，所述轉(zhuǎn)子被沿導(dǎo)電圖形切開(kāi)，形成若干源自一個(gè)實(shí)心中央部分526的徑向延伸522并具有延伸之間的中間開(kāi)口槽524。這種轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)對(duì)于必須在一種潮濕環(huán)境中工作的編碼器尤其有利。如果轉(zhuǎn)子表面是平的，這基本和現(xiàn)有技術(shù)中相同，那么濕氣可能形成一層膜，該膜會(huì)干擾所述導(dǎo)電圖形，因此編碼器不能發(fā)揮正常功能。當(dāng)使用轉(zhuǎn)子520時(shí)，不考慮是否有水膜出現(xiàn)，性能相同。實(shí)際上，信號(hào)水平增加，這是由于有圖形的及開(kāi)口區(qū)域之間單位面積的電容差比其它得大。盡管開(kāi)口槽524僅適用于精細(xì)信道，但該信道對(duì)于編碼器的性能不是最關(guān)鍵的。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，粗略信道圖形通過(guò)使襯底更薄而被部分地制成凹的以便減少濕氣影響，這通過(guò)使凹處圖形中每單位面積的電容比潮濕的、非凹處區(qū)域中的電容小而得以實(shí)現(xiàn)。
上述歐洲專(zhuān)利申請(qǐng)0226716描述了一種具有三維轉(zhuǎn)子圖形的類(lèi)型4電容式編碼器，其旨在提高編碼器中靜電場(chǎng)分布的精確度。這種應(yīng)用不涉及潮濕影響，而且此處所述的圖形的凹處被封閉。鑒于此，轉(zhuǎn)子520比現(xiàn)有技術(shù)中的三維轉(zhuǎn)子更優(yōu)越，特別是在接地轉(zhuǎn)子(類(lèi)型3)實(shí)施例中，其中接地水膜將用作一個(gè)連續(xù)屏蔽，不管轉(zhuǎn)子圖形是否被局部作成凹形。轉(zhuǎn)子520的這種設(shè)計(jì)在類(lèi)型4編碼器中也是有用的。
轉(zhuǎn)子520以及上述其它樣式的轉(zhuǎn)子的襯底可以由任何合適的非導(dǎo)電材料制成，如果適用，其被涂以一個(gè)導(dǎo)電圖形，例如包銅玻璃環(huán)氧樹(shù)脂或真空噴涂金屬玻璃板。轉(zhuǎn)子板和中央部分526最好組成一個(gè)單獨(dú)部件，其由加強(qiáng)塑料模制，例如填充有玻璃的聚碳酸酯。該實(shí)施例中用于在轉(zhuǎn)子上選擇性地施加導(dǎo)電涂層的一種優(yōu)選方法是一種已知的熱沖壓方法，其中一個(gè)薄金屬膜被選擇性地從一個(gè)連續(xù)滾子轉(zhuǎn)移到襯底上并通過(guò)一個(gè)有圖形的熱板壓力而涂在其上。在一個(gè)最佳實(shí)施例中，所述圖形首先浮雕地形成在注塑成形的襯底上，然后用一個(gè)平的無(wú)圖形熱板進(jìn)行涂覆。這種模制轉(zhuǎn)子的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它保證所述圖形相對(duì)旋轉(zhuǎn)軸的精確及穩(wěn)定對(duì)準(zhǔn)。
在本發(fā)明的另一個(gè)最佳實(shí)施例中(未在圖中示出)，轉(zhuǎn)子的外邊緣稍高于圖形部分。升高部分用作一個(gè)隔片，其防止圖形部分和面對(duì)的定子板之間的接觸，以便在編碼器的最后裝配中在定子和轉(zhuǎn)子中間建立適當(dāng)隔離之前避免對(duì)涂層的損壞。升高圖形的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在高濕度條件下更顯然，其中水膜可以形成在轉(zhuǎn)子上，如上所述。
另一種方法是使轉(zhuǎn)子的導(dǎo)電區(qū)域由填碳或其它導(dǎo)電聚合物的材料制成，其與用于轉(zhuǎn)子其它部件的一種非導(dǎo)電聚合物一起注塑。
任何旋轉(zhuǎn)傳感器中所需的一種重要特征是對(duì)于轉(zhuǎn)子而不是旋轉(zhuǎn)的機(jī)械位移不敏感，例如由相對(duì)旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)或軸向安裝誤差的偏心或傾斜而引起的位移。根據(jù)本發(fā)明最佳實(shí)施例的所有CFRAAE對(duì)于軸向安裝誤差很不敏感，這是由于這種誤差最多將影響正弦和余弦信道的公共增益，而不是決定計(jì)算角的它們的比值。多極電容式編碼器中的信號(hào)是許多極的共同作用。結(jié)果，不象光學(xué)編碼器，這種編碼器對(duì)轉(zhuǎn)子相對(duì)導(dǎo)致的傾斜和軸向安裝誤差具有相當(dāng)?shù)淖晕已a(bǔ)償和容限。
但是，單極CFRAAE本身對(duì)轉(zhuǎn)子偏心誤差是敏感的。其對(duì)傾斜誤差的敏感度取決于其類(lèi)型，類(lèi)型2和3是不太敏感的。由于類(lèi)型4CFRAAE具有簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，所以它對(duì)于改善其對(duì)轉(zhuǎn)子傾斜的敏感性特別需要。
圖20是一個(gè)類(lèi)型4CFRAAE 538的示意剖面圖，這和現(xiàn)有技術(shù)中相同，表示轉(zhuǎn)子傾斜的作用。編碼器538包括具有發(fā)送導(dǎo)電圖形涂層541和545的第一定子540；具有一個(gè)接收導(dǎo)電涂層543的第二定子542；及一個(gè)轉(zhuǎn)子544，其稍微傾斜并與導(dǎo)電涂層547和548電連接。定子540和轉(zhuǎn)子544之間編碼器右側(cè)的較窄氣隙增加了相對(duì)于圖形545的發(fā)送圖形541對(duì)定子542所接收的全部信號(hào)的作用。這種作用上的差別影響了兩個(gè)信道之間的增益比值，導(dǎo)致輸出誤差。盡管轉(zhuǎn)子544和接收涂層543之間的電容也通過(guò)傾斜校正，但這種效果對(duì)于所述作用是共同的而且不影響它們的增益比值。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，圖21是一個(gè)類(lèi)型4CFRAAE 560的示意剖面圖。轉(zhuǎn)子561兩側(cè)上的導(dǎo)電圖形被分成多個(gè)單元562-570，它們彼此電絕緣。各單元的兩個(gè)表面及各自的涂層547和548相互電連接。在這種情況中，忽略邊緣場(chǎng)效應(yīng)，涂層545和轉(zhuǎn)子元件562之間及轉(zhuǎn)子單元和涂層543之間的相應(yīng)電容C1及C2的串聯(lián)連接基本與轉(zhuǎn)子單元562的位置無(wú)關(guān)。與單元570相關(guān)聯(lián)的電容C3和C4的串聯(lián)連接及與其它轉(zhuǎn)子單元相關(guān)聯(lián)的電容同樣與位置無(wú)關(guān)。因此，所述圖形的總電容與傾斜大大無(wú)關(guān)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，圖22是轉(zhuǎn)子561的一個(gè)示意頂視圖。該圖表示涂層547被分成若干段572，其與圖21中所示的在一個(gè)單極對(duì)結(jié)構(gòu)中所示的段562-570的劃分方式相同。美國(guó)專(zhuān)利4,851,835描述了類(lèi)型4CFRAAE的轉(zhuǎn)子上多極圖形的一種劃分結(jié)構(gòu)。但是編碼器對(duì)轉(zhuǎn)子傾斜的不敏感性的改進(jìn)在這種情況中較不重要，這是由于多極轉(zhuǎn)子由于獨(dú)立極的自我補(bǔ)償而對(duì)傾斜一直不敏感的緣故，如上所述。與現(xiàn)有技術(shù)中的編碼器不同，本發(fā)明單極對(duì)轉(zhuǎn)子561有更高的傾斜不敏感性。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，圖23是一個(gè)混合式轉(zhuǎn)子580的示意頂視圖，其在一個(gè)裝置中組合了兩種CFRAAE類(lèi)型。轉(zhuǎn)子580包括一個(gè)絕緣襯底，其被模制從而具有三維多極精細(xì)信道圖形582。因此，該圖形是屬于類(lèi)型2的。如上所述，一個(gè)導(dǎo)電圖形584，最好是分段的，形成在轉(zhuǎn)子襯底上以用作粗略信道。因此粗略圖形用作一個(gè)類(lèi)型4CFRAAE。也可以有其它不同類(lèi)型的組合。
電容式線(xiàn)性位移編碼器此上所述的與旋轉(zhuǎn)角測(cè)量相關(guān)的基本原理也可用于電容式線(xiàn)性位移編碼器(CLDE)。這種編碼器包括一個(gè)固定元件，一個(gè)標(biāo)尺，其跨越被稱(chēng)為運(yùn)動(dòng)的全范圍，以及一個(gè)運(yùn)動(dòng)元件，該元件通常作的盡可能短并測(cè)量頭。盡管所述標(biāo)尺可以被屏蔽，例如如下所述被一個(gè)導(dǎo)電波紋管或其它裝置屏蔽，但屏蔽短得多的頭部通常更方便一些。因此最好是CLDE的頭部包括接收器，盡管這不是必要的。與多極對(duì)CFRAAE不同，由于其傾斜誤差的自身補(bǔ)償，CLDE缺少圓形對(duì)稱(chēng)性并對(duì)標(biāo)尺和頭部之間的相對(duì)傾斜固有的不敏感性。本發(fā)明的最佳實(shí)施例的設(shè)計(jì)可以克服該缺點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，圖24和25是具有一個(gè)雙板測(cè)量頭602的CLDE 600的示意圖。圖24是一個(gè)側(cè)視圖，表示編碼器的基本結(jié)構(gòu)，其可以被當(dāng)作類(lèi)型2、3或4編碼器。圖25是沿圖24XXV-XXV線(xiàn)的一個(gè)示意剖視圖，表示類(lèi)型2裝置。
CLDE 600包括一個(gè)標(biāo)尺604及一個(gè)頭部602。如圖25中所示，所述頭部包括一個(gè)接收板606和一個(gè)發(fā)送板608。在類(lèi)型2裝置中，標(biāo)尺604由一種絕緣材料制成并包括一個(gè)重復(fù)的三維邊緣，形狀最好是正弦，而不是一個(gè)直邊。在類(lèi)型3或類(lèi)型4CLDE中，如下所述，圖形用一個(gè)標(biāo)尺上的導(dǎo)電涂層印刷。標(biāo)尺圖形可以是三維的，與圖19所示的三維轉(zhuǎn)子圖形類(lèi)似，盡管在這種情況中出于安裝目的必須沿其中心線(xiàn)而不是如圖24和25中所示的在底部處固定標(biāo)尺。最好通過(guò)一個(gè)接地外罩610保護(hù)頭部602免受電干擾。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，圖26A是類(lèi)型1CLDE的測(cè)量頭部604的示意側(cè)視圖。類(lèi)型1CLDE包括位于標(biāo)尺上的發(fā)送板和一個(gè)位于頭部604上的接收板，其具有一個(gè)對(duì)稱(chēng)的雙正弦圖形612。雙正弦圖形關(guān)于兩個(gè)軸對(duì)稱(chēng)。因此，由相對(duì)于平行于運(yùn)動(dòng)方向的縱向軸線(xiàn)的頭部?jī)A斜以及圍繞垂直于頭部和標(biāo)尺之間氣隙的軸線(xiàn)的旋轉(zhuǎn)所引起的誤差基本可以自己補(bǔ)償。因此相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的CLDE裝置，圖形612的使用減小了編碼器600的頭部?jī)A斜敏感性。由繞垂直于運(yùn)動(dòng)方向的軸線(xiàn)的傾斜所引起的誤差與圖形中的循環(huán)數(shù)量成正比地減至最小。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選類(lèi)型1實(shí)施例，圖26B是一個(gè)測(cè)量頭部620的示意側(cè)視圖。在這種情況中，一個(gè)對(duì)稱(chēng)的、雙正弦接收?qǐng)D形622通過(guò)其側(cè)面的導(dǎo)電接地層621和623而免受外部干擾。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，圖27是一個(gè)類(lèi)型1CLDE標(biāo)尺602的示意側(cè)視圖，該標(biāo)尺具有一個(gè)發(fā)送板608。標(biāo)尺602最好與頭部604或620一起使用。發(fā)送板包括一個(gè)多條624圖形，這些條被四相交流電壓激勵(lì)，最好是矩形波，如上所述參照CFRAAE實(shí)施例。最好采用PQE激勵(lì)以及圖8中所示的單信道檢測(cè)和解調(diào)系統(tǒng)，以便減低CLDE 600對(duì)元件容差的敏感性并在正弦和余弦信道中提供基本相等的增益。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)最佳實(shí)施例，圖28是用在類(lèi)型4CLDE中的一個(gè)標(biāo)尺630上雙正弦圖形632的示意側(cè)視圖。盡管接地屏蔽610(圖25)基本足以防止電干擾進(jìn)入類(lèi)型2和3CLDEs中的測(cè)量頭部602，在類(lèi)型4CLDE中，標(biāo)尺上的一個(gè)連續(xù)導(dǎo)電圖形可以拾取干擾并將它耦合到接收器606。如圖28中所示，這種對(duì)干擾的敏感性通過(guò)具有傾斜間隙634的分段圖形632而大大降低了。因此在任何時(shí)候都有效的圖形的分段被屏蔽在頭部602內(nèi)部并與屏蔽610外部的未保護(hù)分段絕緣。由于各段間的間隙634傾斜，所以未損害作為頭部行程函數(shù)的測(cè)量電容的正弦相關(guān)性。和現(xiàn)有技術(shù)中相同，垂直間隙將給圖形引起的電容的正弦變化帶來(lái)不連續(xù)性。因此，與現(xiàn)有技術(shù)的CLDE裝置相比，圖形632的使用增加了可得到的插值深度，并因此提高了編碼器的精確度。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，圖29是另一個(gè)CLDE 640的示意剖面圖。CLDE 640的結(jié)構(gòu)與CLDE 600(圖24和25)的相反，其包括一個(gè)靜止標(biāo)尺644，該標(biāo)尺具有一個(gè)接收板646和一個(gè)與其中的縱向槽鄰接的發(fā)送板648。一個(gè)移動(dòng)頭部642位于槽內(nèi)部。當(dāng)移動(dòng)頭部不能被電接近或由于某種原因必須是電被動(dòng)的時(shí)，這種相反構(gòu)造是有用的。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)最佳實(shí)施例，圖30是一個(gè)被屏蔽的相反的CLDE 650的示意剖面圖。標(biāo)尺654具有一個(gè)具有迷宮形狀的縱向槽并包括一個(gè)接地屏蔽656以保護(hù)板646和648及頭部652。CLDE 650原理與CLDE 640相同，但更抗外部干擾。
最好是，標(biāo)尺644和頭部642(圖29)都包括印刷電路，它們以使用傳統(tǒng)FR-4襯底材料的多層印刷電路技術(shù)為基礎(chǔ)。通常，標(biāo)尺印刷電路板的前層包括接收板648，而內(nèi)層包括激勵(lì)線(xiàn)路和一個(gè)屏蔽接地平面。相同的技術(shù)可以被用在此處所述的其它最佳實(shí)施例中。在本發(fā)明的類(lèi)型1和類(lèi)型5實(shí)施例中，其中標(biāo)尺包括一個(gè)單發(fā)送(或接收)板，而且遠(yuǎn)離頭部的標(biāo)尺的后側(cè)是自由的，該標(biāo)尺可以由一種薄的多層襯底制成，然后其可以被粘結(jié)到使用編碼器的機(jī)器上。如果這種柔性標(biāo)尺被粘結(jié)到一個(gè)圓柱狀表面，那么它可以確保進(jìn)行角測(cè)量。另一種可能是依次對(duì)接幾個(gè)標(biāo)尺元件，如圖28中所示的類(lèi)型。由于對(duì)接可得到的精確度不能與CLDE的精確度相比，所以最好使用一個(gè)標(biāo)定過(guò)程以存儲(chǔ)元件的位置誤差。
在本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例的典型應(yīng)用中，標(biāo)尺由一種0.3mm厚、12mm寬、500mm長(zhǎng)的FR-4條狀物制成。頭部圖形的循環(huán)長(zhǎng)度是2mm，而測(cè)量的分辨率是0.1μm。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，圖31A是類(lèi)型5CLDE 660的一個(gè)示意剖面圖。該CLDE包括一個(gè)標(biāo)尺662和一個(gè)移動(dòng)頭部664，其具有發(fā)送板668和670及一個(gè)位于其內(nèi)表面上的接收板674。標(biāo)尺662的內(nèi)表面最好具有一個(gè)分段的圖形，例如圖28中所示的圖形632。盡管該圖形被分段以便干擾最小，如上所述，但頭部的接收板未被一個(gè)相對(duì)的板保護(hù)，和CLDE 600(圖25)中相同。因此，標(biāo)尺662的后側(cè)涂有一個(gè)接地涂層666，以便保護(hù)所述分段的單元免受外部干擾，它們與接收板674相對(duì)。出于相同的目的，頭部664在其外表面具有一個(gè)接地涂層676。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，圖31B是另一種類(lèi)型5CLDE 680的示意剖面圖，其與CLDE 660的原理相同。在CLDE 680中，接地保護(hù)由移動(dòng)頭部682的一個(gè)延伸件684提供。因此標(biāo)尺662包括一個(gè)接地連接是不必須的。
圖32是頭部664的一個(gè)示意側(cè)視圖，表示其上的發(fā)送板668和670及接收板674的布置。發(fā)送板最好包括若干條狀物，如圖27所示，它們?cè)O(shè)置在接收板674任一側(cè)的上下行，接收板674電容式地耦合到標(biāo)尺圖形632的中央部分(圖28)。所述頭部和圖形的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)有助于使CLDE對(duì)頭部?jī)A斜和旋轉(zhuǎn)的敏感性最小。用于CLDE的優(yōu)選信號(hào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一種圖8所示類(lèi)型的PQE系統(tǒng)。
圖32的CLDE中所用的原理也可以用在類(lèi)型6結(jié)構(gòu)(圖中未示出)中。在這種情況中，頭部包括具有發(fā)送和接收板的兩個(gè)電路襯底，在標(biāo)尺的任一側(cè)上有一個(gè)這樣的襯底，其中這兩種圖形相互電連接。這種設(shè)置具有提高抗干擾性、增加信號(hào)增益及減少對(duì)頭部?jī)A斜敏感性的優(yōu)點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，圖33A和33B分別是類(lèi)型1絕對(duì)CLDE的標(biāo)尺700和頭部714的示意側(cè)視圖。這種情況中的CLDE的結(jié)構(gòu)與CLDE 600的類(lèi)似(圖31A)，而且在操作上類(lèi)似于可切換、兩速CFRAAEs。因此它可以在一個(gè)粗略模式和一個(gè)精細(xì)模式之間切換，前一模式提供頭部714相對(duì)標(biāo)尺700的絕對(duì)位置，后一模式在操作上等效于增量的CLDE 660。只要粗略模式中的讀數(shù)誤差比一個(gè)精細(xì)信道循環(huán)的長(zhǎng)度小，粗略和精細(xì)讀數(shù)就可以被結(jié)合以提供一個(gè)絕對(duì)位置讀數(shù)，該讀數(shù)具有僅由精細(xì)信道限制的精確度和分辨率。
如圖33A所示，標(biāo)尺700上的一個(gè)發(fā)送器圖形702基本上與圖27中所示的相同，除了圖形的各條708由一個(gè)對(duì)角分隔線(xiàn)分開(kāi)以形成兩個(gè)三角組704和706之外。各組704和706中的條708被單獨(dú)饋以四個(gè)PQE線(xiàn)并能被切換以便用作獨(dú)立的、垂直條或用作公共的、三角發(fā)送器。頭部714具有一個(gè)圖形716，其最好與圖26B中所示的圖形622相同。
對(duì)于精細(xì)模式操作，其具有遞增的位置結(jié)果，各條708的兩部分的相應(yīng)PQE線(xiàn)相互連接，而且實(shí)現(xiàn)了增量的CLDE操作。頭部714的圖形716的上下區(qū)域718和720與中央正弦部分722不相連，而是接地，如上參照?qǐng)D26B所示。
在粗略模式中，為了得到絕對(duì)位置讀數(shù)，兩組704和706中各組中的所有局部條相互連接。測(cè)量頭的上下區(qū)域不與地相連而是連接到部分722，因此形成一個(gè)四邊形的板。如果測(cè)量頭714和三角形組704之間的電容是C1，而且與組706相對(duì)應(yīng)的電容是C2，那么差C1-C2與頭部相對(duì)標(biāo)尺700的位移成正比。為了使由條708間間隙引起的粗略模式中的測(cè)量輸出中的任何波動(dòng)最小，測(cè)量頭的導(dǎo)向和從動(dòng)邊724及726最好被歪斜，因此所述板呈現(xiàn)一種平行四邊形的形式。
粗略信道的精確度決定了可以被識(shí)別的精細(xì)循環(huán)的最大數(shù)量。因此，對(duì)于精細(xì)圖形的一個(gè)給定循環(huán)長(zhǎng)度，粗略信道精確度決定了總的測(cè)量長(zhǎng)度。相同地，對(duì)于給定的測(cè)量長(zhǎng)度，粗略信道精確度決定了最小精細(xì)循環(huán)長(zhǎng)度，并因此決定了可得到的分辨率。為了使粗略信道的精確度最大，兩個(gè)主要的誤差源最好被最小化1.標(biāo)尺700和頭部714之間氣隙的容差，其即影響C1又影響C2。由于氣隙相同地影響C1和C2，所以此誤差可以通過(guò)由C1+C2的和值校正C1-C2的差值而消除。
2.頭部714相對(duì)平行于運(yùn)動(dòng)方向的軸線(xiàn)的傾斜，其影響C1和C2之間的平衡。該誤差不能通過(guò)計(jì)算克服。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，圖34是標(biāo)尺730上另一種發(fā)送器圖形732的示意側(cè)視圖，其能夠克服上述傾斜敏感性的問(wèn)題。粗略模式中采用三個(gè)三角形734、736和738，而不是兩個(gè)，形成一種與傾斜軸線(xiàn)對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)。如果C1是由三角形734和738引起的組合電容，C2是由三角形736引起的電容，那么C1和C2中的變化至少對(duì)于第一階是自我補(bǔ)償?shù)摹?br> 從一種增量編碼器中得到絕對(duì)讀數(shù)的另一種方法是在已知的位置產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)定脈沖，其被定義為機(jī)械0-在線(xiàn)性編碼器中通常為標(biāo)尺的一端。系統(tǒng)一打開(kāi)，頭部被移動(dòng)超過(guò)標(biāo)定位置，而且從這之后確定絕對(duì)位置。該技術(shù)可以被用在角度及線(xiàn)性電容式編碼器中。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，圖35是類(lèi)型1線(xiàn)性編碼器750的示意側(cè)視圖，表示標(biāo)定原理。如上所述，包括多個(gè)發(fā)送條756的一個(gè)標(biāo)尺754具有附加的標(biāo)定發(fā)送板751和752，通常位于其一端。一個(gè)測(cè)量頭753包括一個(gè)矩形接收板。頭部753最好具有一個(gè)轉(zhuǎn)換圖形，例如測(cè)量頭714上的圖形716(圖33B)，因此它能用作用于精細(xì)測(cè)量和標(biāo)定信道的公共接收器。
圖36A和36B是電容C1和C2的圖表，其分別感應(yīng)在頭部753和板751、頭部753和板752之間。圖36A表示作為頭部位移的一個(gè)函數(shù)的差C1-C2，圖36B表示和C1+C2。差信道中零輸出信號(hào)與和信道中預(yù)設(shè)極限之上的輸出信號(hào)的重合表示標(biāo)定位置。
用于編碼器750的信號(hào)調(diào)節(jié)最好基于圖13所示電路330的一個(gè)簡(jiǎn)化型式。在這種情況中，與位置信道相關(guān)的條756用一個(gè)頻率下的四相電壓340至343激勵(lì)，以在低通過(guò)濾器356和357的輸出端提供正弦和余弦信號(hào)。標(biāo)定信道的板751和752由電壓源332和333激勵(lì)以在低通過(guò)濾器354和355的輸出端提供信號(hào)，其與標(biāo)定電容C1和C2成正比。
除了此處參照CLDE所描述的特征之外，可以理解參照CFRAAE裝置所述的其它特點(diǎn)可以被改進(jìn)以與CLDE一起使用，反之亦然。更通常地，盡管在此處所述的實(shí)施例中，電容式移動(dòng)編碼器的各個(gè)方面以特定的組合和結(jié)構(gòu)被描述，但在其它裝置中基于本發(fā)明的原理，類(lèi)似的元件和特征可以被進(jìn)行不同的改動(dòng)和分組，鑒于此，參照此處所述的六種編碼器型式中一種所描述的創(chuàng)造性特征通常可也以應(yīng)用于其它型式。所有這些組合或分組、改進(jìn)及構(gòu)造被認(rèn)為是在本發(fā)明的范圍中。
上面所述的最佳實(shí)施例僅作為示例，本發(fā)明的全部范圍由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測(cè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)的電容式角度編碼器，所述編碼器包括至少一個(gè)定子，所述定子包括用于產(chǎn)生靜電場(chǎng)的靜電場(chǎng)發(fā)射器；靜電場(chǎng)接收器，用于接收所述靜電場(chǎng)并對(duì)此產(chǎn)生響應(yīng)信號(hào)；轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子與所述軸一同旋轉(zhuǎn)，且其上具有粗略和精細(xì)周期性電學(xué)活性圖形，所述精細(xì)圖形包括圍繞所述軸圓周設(shè)置的正弦圖形；其中所述圖形通過(guò)促使所述發(fā)射器和接收器之間的電容發(fā)生周期性變化，從而對(duì)響應(yīng)于所述軸旋轉(zhuǎn)的靜電場(chǎng)進(jìn)行調(diào)制；以及處理電路，其連接至所述接收器上，從而檢測(cè)信號(hào)中發(fā)生的周期變化，并響應(yīng)于所述周期變化而確定所述軸旋轉(zhuǎn)角度的粗略和精細(xì)測(cè)量值。
2.如權(quán)利要求1所述的編碼器，其中所述粗略和精細(xì)圖形中的至少一個(gè)包含有電介質(zhì)材料。
3.如權(quán)利要求2所述的編碼器，其中所述靜電場(chǎng)發(fā)射器用于周期性產(chǎn)生具有給定傳輸頻率的靜電場(chǎng)，其中所述處理電路包含至少一個(gè)同步檢測(cè)器，所述檢測(cè)器與所產(chǎn)生的電場(chǎng)同步處理信號(hào)。
4.如權(quán)利要求2所述的編碼器，其中所述處理電路包含單輸入放大信道，用于處理所述信號(hào)的粗略和精細(xì)分量。
5.如權(quán)利要求2所述的編碼器，其中所述處理電路包含一個(gè)或多個(gè)可切換元件，所述可切換元件在檢測(cè)信號(hào)的粗略分量和精細(xì)分量之間進(jìn)行切換。
6.如權(quán)利要求1所述的編碼器，其中至少一個(gè)定子包含第一定子板和第二定子板，所述第一定子板位于所述定子的第一側(cè)邊上，且包含所述靜電場(chǎng)發(fā)射器；所述第二定子板位于所述定子的第二側(cè)邊上，與第一側(cè)邊相對(duì)，且包含所述靜電場(chǎng)接收器。
7.如權(quán)利要求6所述的編碼器，其中所述靜電場(chǎng)發(fā)射器用于周期性產(chǎn)生具有給定傳輸頻率的靜電場(chǎng)，其中所述處理電路包含至少一個(gè)同步檢測(cè)器，所述檢測(cè)器與所產(chǎn)生的電場(chǎng)同步處理信號(hào)。
8.如權(quán)利要求6所述的編碼器，其中所述處理電路包含單輸入放大信道，用于處理所述信號(hào)的粗略和精細(xì)分量。
9.如權(quán)利要求6所述的編碼器，其中所述處理電路包含一個(gè)或多個(gè)可切換元件，所述可切換元件在檢測(cè)信號(hào)的粗略分量和精細(xì)分量之間進(jìn)行切換。
10.如權(quán)利要求1所述的編碼器，其中所述至少一個(gè)定子包含有定子板，所述定子板位于定子的第一側(cè)邊上，并在其上形成有靜電場(chǎng)發(fā)射器和靜電場(chǎng)接收器。
11.如權(quán)利要求10所述的編碼器，其中所述定子板包含第一定子板，且所述至少一個(gè)定子還包含第二定子板，所述第二定子板位于定子的第二側(cè)邊上，與第一側(cè)邊相對(duì)；其中所述第一定子板包含第一靜電場(chǎng)發(fā)射器和第一靜電場(chǎng)接收器，所述第二定子板包含第二靜電場(chǎng)發(fā)射器和第二靜電場(chǎng)接收器。
12.如權(quán)利要求10所述的編碼器，其中所述靜電場(chǎng)發(fā)射器用于周期性產(chǎn)生具有給定傳輸頻率的靜電場(chǎng)，其中所述處理電路包含至少一個(gè)同步檢測(cè)器，所述同步檢測(cè)器用于與所產(chǎn)生的電場(chǎng)同步處理信號(hào)。
13.如權(quán)利要求10所述的編碼器，其中所述處理電路包含單輸入放大信道，用于處理所述信號(hào)的粗略和精細(xì)分量。
14.如權(quán)利要求10所述的編碼器，其中所述處理電路包含一個(gè)或多個(gè)可切換元件，所述可切換元件在檢測(cè)信號(hào)的粗略分量和精細(xì)分量之間進(jìn)行切換。
15.如權(quán)利要求1所述的編碼器，其中所述粗略和精細(xì)圖形中的至少一個(gè)包含有導(dǎo)電材料。
16.如權(quán)利要求15所述的編碼器，其中所述導(dǎo)電材料是電浮動(dòng)的。
17.如權(quán)利要求15所述的編碼器，其中當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，所述導(dǎo)電材料保持大體恒定的電位。
18.如權(quán)利要求15所述的編碼器，其中所述靜電場(chǎng)發(fā)射器用于周期性產(chǎn)生具有給定傳輸頻率的靜電場(chǎng)，其中所述處理電路包含至少一個(gè)同步檢測(cè)器，所述同步檢測(cè)器與所產(chǎn)生的電場(chǎng)同步處理信號(hào)。
19.如權(quán)利要求15所述的編碼器，其中所述處理電路包含單輸入放大信道，用于處理所述信號(hào)的粗略和精細(xì)分量。
20.如權(quán)利要求15所述的編碼器，其中所述處理電路包含一個(gè)或多個(gè)可切換元件，所述可切換元件在檢測(cè)信號(hào)的粗略分量和精細(xì)分量之間進(jìn)行切換。
全文摘要
一種用于檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體相對(duì)于固定物體的位置的電容式運(yùn)動(dòng)編碼器(140)，其包括至少一個(gè)連接至固定物體的固定元件(141)，及一運(yùn)動(dòng)元件(148)，其連接至運(yùn)動(dòng)物體且接近于固定物體。一個(gè)場(chǎng)發(fā)射器(142)產(chǎn)生靜電場(chǎng)，該靜電場(chǎng)由響應(yīng)于所述元件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的固定元件和運(yùn)動(dòng)元件之間的電容變化而被調(diào)制。導(dǎo)電屏蔽(154)與運(yùn)動(dòng)和固定物體電分離且封閉了運(yùn)動(dòng)元件和固定元件，以保護(hù)這些元件不受外界電干擾。處理電路(138)檢測(cè)被調(diào)制的靜電場(chǎng)并響應(yīng)于此而確定運(yùn)動(dòng)物體位置的測(cè)量值。
文檔編號(hào)G01D5/12GK1847797SQ200510137540
公開(kāi)日2006年10月18日 申請(qǐng)日期2000年3月30日 優(yōu)先權(quán)日1999年4月19日
發(fā)明者伊莎·內(nèi)茨 申請(qǐng)人:希克傳感器有限公司