專利名稱：電容式位置檢測器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種電容式位置檢測器，該檢測器包含相互由給定間隙分開的滑塊和標尺，且它們至少沿一個測量路徑相互間可作相對移動，所述滑塊包含至少兩個發射電極;至少一個接收電極;產生加給所述發射電極的電信號的第一裝置，和對所述接收電極所接收到的信號進行計算的第二裝置，以便測定滑塊和標尺的相對位置。
人們已經知道幾個這種電容位置檢測器的例子，它們中的某些，如美國專利No.3342935所揭示的，多數用于兩維位置的工件定位系統，它們也稱為數字轉換器且用作計算機的外圍設備，它們需要嵌入印刷板中的布線陣作為標尺并用電信號激勵，所述信號用滑塊中的接收電極接收，這種接收電極可以是筆尖式或指針式裝置。這種數字轉換器，主要由于復雜的布線陣而太昂貴，無法在更簡單的指針式裝置如鼠式位置指示器就足以完成的各種應用中競爭。
這種電容式位置檢測器的其它一些例子主要用于線度或角度測量設備，如游標卡尺、測微計、度盤指示器、旋轉編碼器，這類檢測器使用具有浮動電極直線陣列的標尺，即這種電極與四周完全電氣絕緣，且面對著具有發射和接收電極的滑塊。美國專利3961318中描述了這種類型的電容式位置檢測器。這些浮動電極雖不需要電氣連接于標尺，但仍有缺陷。標尺可能不是均勻同質的，因為導電電極的下面需要絕緣基片。相鄰浮動電極之間的耦合及濕度引起的標尺表面導電性會使性能下降。而且，浮動電極需提供兩個清楚分開的功能，即耦合到發射電極和把所接收的信號轉發到接收電極，因此它們延伸穿過測量路徑。所述這種電極延伸穿過測量路徑，雖是完成這兩種功能所必需的，但卻妨礙了將這種實施方式擴展到第二維的測量。
本發明目的是為了克服這些缺點，為此，本發明的標尺包含至少一個下凹或突起的外形特征區;對從滑塊發射電極耦連到滑塊接收電極的信號進行檢測和計算的所述第二裝置;所述標尺外形特征區設置得當滑塊(cursor)和標尺(scale)沿至少一個測量路徑作相對移動時會通過改變所述滑塊電極之間的電容耦合而影響所述耦合信號。
本發明使檢測器提高了精度、易于制造且成本低。本發明可直接擴展到對兩維的測量。
按照本發明，標尺可包含幾個突起或下凹的外形元素，它們沿著至少一個測量路徑排列以形成周期結構;滑塊包含至少一個沿所述路徑延伸的電極陣列和遵循空間周期圖型將所述電極接通于至少兩個電信號之一的裝置。
上述結構可使任何大小的標尺提高精度并降低成本。
同樣按照本發明，標尺可至少包含一行沿著至少一個測量路徑呈現周期結構的外形元素;滑塊包含沿所述路徑布置的一行電極，和將所述行的每個電極接通于所述至少兩個電信號之一或接通于放大器輸入端之一或接通于地電位的裝置，以便獲得具有周期相等于所述結構或是其倍數的信號分布，所述交換裝置也能使所述信號分布沿所述電極行移位。
這種結構使標尺可做得非常狹小，于是適用于非常有限的空間。滑塊也能做得非常小。
按照本發明，滑塊可包含沿一個測量路徑排列的兩行相同的發射電極，及平行于這兩行發射電極而設置的接收電極，和在每行電極上產生相似而極性相反的交流信號分布的交換裝置。所述信號分布能夠利用所述交換裝置而使它沿測量路徑移位。接收電極則連接到差分放大器的輸入端。
這種電容式檢測器提供簡單的交換裝置且易于屏蔽所述接收電極，和對接收電極信號進行檢測和計算的所述第二裝置，其結果使它們避免受到不需要的耦合。大大提高測量信號與在滑塊電極和所連電路上的無用耦合之間的比值。
按照本發明，標尺可包含突起或下凹的外形特征區以形成沿兩個垂直測量路徑周期分布的兩維結構。
這樣的標尺容易制造且能在兩維中進行精確的位置檢測。
其它優點將參照附圖本發明的某些實施例在權利要求書及說明書中進行說明，其中
圖1為本發明第一實施例;
圖2a為所述第一實施例的局部剖示圖;
圖2b顯示了作為滑塊和標尺之間的位移X函數的所述第一實施例的差分電容;
圖3a為一環形實施例的局部剖示圖;
圖3b顯示了作為滑塊和標尺之間的位移X函數的該第二實施例的差分電容;
圖4顯示第三實施例的滑塊電極的幾何圖形，圖上疊加有標尺上一個外形特征區的輪廓線;
圖5和圖6為本發明的第四和第五實施例的透視圖;
圖7a是作為滑塊的集成電路的透視圖;
圖7b是通過其內部連接安裝在載體上的滑塊的集成電路的局部剖示圖;
圖7c為其電極面垂直于標尺上帶有規則結構的平面的滑塊的透視圖;
圖8a顯示了一種其外形特征區由介質涂復層填充的線性標尺;
圖8b顯示了由圓柱形齒條構成的線性標尺;
圖8c顯示了由齒輪構成的圓形標尺;
圖8d是由薄板蝕刻或沖壓而成的圓形標尺;
圖8e是由測微螺桿構成的線性和/或圓形標尺的側向及剖示圖;
圖9a顯示了其規則結構由相互垂直的兩個凹槽陣列構成的兩維標尺;
圖9b表示由在遠離滑塊的一側具有規則結構的介質板構成的兩維標尺。
本發明的典型檢測器如圖1所示。它由具有形成規則結構的凹陷的外形特征區的標尺10和具有電極21的滑塊20組成。標尺和滑塊之間的縫隙H在它們相互之間相對移動時保持不變。為清楚起見標明了坐標軸XYZ;X和Y定義了與標尺10的外形特征區11形成的規則結構局部地相切的平面，Z垂直于該切面。圖1所示的標尺10的外形特征區11沿X軸周期性排列;同樣，若干個電極21也沿該軸周期地排列在滑塊20上;于是，外形特征區11會對電極之間的電容產生影響，使這些電容成為滑塊11沿X軸的位置X的函數。當然，其它參量如標尺10和滑塊20之間的縫隙H、標尺材料和外形特征區11的形狀也影響這些電容。應選用適當的電極幾何形狀和測量方法以便使所述其它參量的影響減至最小。
按照本發明，是將滑塊電極21構成一或幾個用來測量兩耦合電容之間的差值的差分電容器來達到上述目的。圖2a顯示了包含兩個發射電極21a、21b和一個接收電極21c的這種結構的局部剖示圖(在XZ平面中)，這些電極全為矩形，由于它們處于垂直于XZ平面的平面中，所示圖2a看不到它們。發射電極21a、21b大小相同且各自連接幅值和頻率相同但極性相反的交流電壓Va、Vb。接收電極21c與兩激勵電極21a、21b等距離，且用同樣大小和形狀的屏蔽電極21g將它與激勵電極隔開，這些屏蔽電極連接一屏蔽電壓Vg如接地或某個電源電壓，以避免無用耦合。在標尺10沒有規則結構的情況下，在發射電極21a和接收電極21c之間的耦合電容Cac及發射電極21b和接收電極21c之間的耦合電容Cbc兩者相等，而耦合到接收電極21c的兩信號相等但極性相反，相互抵消，總信號為零。如果標尺10的外形特征區11即圖2a中的凹陷部分精確正對接收電極21c，則發送電極和接收電極之間的兩耦合電容Cac和Cbc保持相等，因為由所述特征區11對它們產生相等的影響;總信號保持為零且在標尺10和滑塊20之間的縫隙H為任何數值時都一樣。如果外形特征區11不是正對著接收電極21c而是沿X軸有一小的距離為X的偏離，則耦合電容Cac和Cbc將變得不平衡且在接收電極21c上會呈現一個幅值正比于差分電容(Cac-Cbc)的交流信號。圖2b顯示了所述差分電容作為滑塊位移X的函數的情況。實線曲線對應于導電標尺10;而虛線曲線對應于由介質材料制成的標尺10。如果滑塊20稍偏離到右邊(X＞0)，則導電標尺會屏蔽發送電極21b更多而產生正差分電容(Cac-Cbc)，而介質標尺會增加發送電極21b和接收電極(21c)之間的耦合，對于相同的滑塊偏離(X＞0)產生一個負的差分電容(Cac-Cbc)。如果外形特征區11不是如圖2a所示的下凹，而是突起，則差分電容將會有與上述相反的符號。在任何情況下，所述檢測器對于沿X軸的位移會非常敏感，而對于沿Y和Z軸的那些位移的一次項是不敏感的，至少對于偏離差分電容(Cac-Cbc)為零的平衡位置(X＝0)的小位移是這樣。
屏蔽電極21g限制了發射電極21a、21b和接收電極21c通過標尺10和滑塊20之間的縫隙的耦合。如果所述滑塊20是介質，例如一塊印刷電路板或一塊陶瓷基片，則在所述滑塊的背面(反面)設置附加屏蔽電極是必要的，這樣以排除通過它的介質的任何耦合。如果滑塊是一個集成電路芯片，這些電極僅用薄氧化層進行絕緣，則在必要時，基片可摻雜變成具有足夠的導電性以作為屏蔽電極。
圖2a所示電極結構的實際使用限于測量小位移或檢測某些確定的位置，如增量標尺上的絕對參考標記;由于它的周期性，增量標尺僅允許在一個周期內的絕對測量。電源中斷、位移速度過大或噪聲可以使位置顯示誤差等于周期的整數倍。參考標記能粗略地確定位置，指向正確的周期，這樣就可避免位置誤差或至少可檢測出位置誤差。一個絕對參考標記應該在一個限定的間隔內給出“真”信號，而在這間隔之外給出“假”信號。
圖3顯示了這種檢測器的局部剖示圖，它適用于作參考標記。標尺310的外形特征區311和滑塊320的電極相互對中時有一個對稱軸(Z)。電極321b、g、c、g、a在滑塊表面上形成同軸環，接收電極321c在加有交流信號Va、Vb的發送電極321a、321b之間，且由接有屏蔽電壓Vg的屏蔽電極321g與它們隔開。用作參考標記的外形特征區311也有一個圓形形狀，在圖3中為凹坑，標尺假定是導電的。當滑塊正對凹下的外形特征區時則差分電容為正，而當不是這種情形時為負;圖3b表示差分電容(Cac-Cbc)為所述特征區311和滑塊320之間在XY平面中的偏移γ的函數。為了避免由于差分電容對于大的γ值返到零而產生讀數不明確的危險，則可增大電極321b的面積或使其靠近電極321c。這種檢測器可用于兩維。一種可能的應用在于標尺的外形特征區沿X和Y是周期分布的，且滑塊具有沿X和Y也是周期排列的幾組同軸電極321b、g、c、g、a，標尺和滑塊的周期稍有差別，于是提供一種兩維的游標尺，這種游標尺從每一電極組321b、g、c、g、a上所測得的“真”和“假”狀態圖就能確定滑塊位置(X，Y)。最后，如果圖3a的滑塊用作沿一個軸的絕對參考標記，那么矩形電極形狀也許更佳，但其測量原理將仍然相同。
雖然來自發射電極的信號有已知的波形和頻率可選擇性濾出，上述實施例仍可能受到標尺和滑塊之間電位差的影響，如受到接地回路、靜電荷或附近的電噪聲源等影響。
具有如圖4所示電極結構的和這里描述的滑塊，由于沿接收電極421c存在著起參考或差動電極作用的第二接收電極421d，則能減小這類干擾的影響，至少減少一個數量級。接收電接421c和421d各自連到差動放大器422的輸入端422c和422d。發射電極421a、421b沿靠著接收電極421c，而第二接收電極421d隔的較遠。屏蔽電極421g將發射電極421a、421b與接收電極421c，421d隔開。發射電極421a、421b各接幅值和頻率相等但極性相反的交流信號Va、Vb。如果面對所述電極的標尺10的外形特征區411分別產生非零差分電容(Cac-Cbc)和(Cad-Cbd)，則接收電極421c和421d將分別接收到非零交流信號。由電極421c接收到的信號將比離發射電極421a、421b更遠的電極421d所接收到的信號更強。位于接地平面上的兩平行細長電極之間的電容大略隨它們之間的間隔的平方減少，而在存在另一個接地平面，如這里的標尺的情況下，衰減變得更大且電容隨間隔的下降成指數關系。于是就能使得在兩接收電極421c和421d之間雖只有一個很窄的間隔卻仍維持它們所接收的信號之間有很大的幅值差。由于差分信號由一對接收電極421c、421d接收并用差分放大器422放大，所以這種線路布局對來自發射電極421a、421b的信號是很靈敏的，同時對于標尺410和滑塊420之間的電位差引起的信號是不敏感的，這是因為每個接收電極421c、421d對于標尺的電容實際上相等，所以由電位差產生的這些信號相互抵消。
但是，如果標尺410和滑塊420之間的電位差是由滑塊的發射電極產生，如在導電標尺與滑塊絕緣的情況下，由于標尺和每個接收電極之間的電容的稍為不平衡而形成的差分信號不能忽視，因為它與直接耦合信號相同，結果它不能有效地被濾掉。發射電極結構必須做得對于任何滑塊20位置使得從發射電極421a和421b耦合到標尺的信號理想地保持為零。這樣的結構是通過附加各自接有Va和Vb的發射電極421a′和421b′和附加接有Vg的屏蔽電極421g′來實現的，它們如圖4中虛線所示。電極421a′和421b′沿X軸的順序與電極421a和421b相反，而且后者更接近接收電極421c，前者更接近接收電極421d。所以，如果移動外形特征區411增加來自發射電極421a的耦合而減少來自發送電極421b的耦合，則具有Va極性的交流信號主要出現在接收電極421c上;對于同樣位置，所述外形特征區411同樣減少電極421a′和增加電極421b′的耦合，則具有與Va極性相反的極性的交流信號主要出現在接收電極421d上。當兩接收電極421c、421d連接到一個差分放大器422時，則兩信號相互增強，這是有利的。至于從發送電極421a、421b、421a′和421b′耦合到標尺的信號總和則保持為零，因為圖4的標尺和滑塊有一對稱面，而對稱的發射電極接有極性相反的信號。
上述所有檢測器僅在X＝0(即標尺的外形特征區411正對滑塊電極421處)附近具有有限的足夠線性度的測量范圍。
擴大測量范圍和/或提高分辨率的一種可能方式，已在上面作為圖3所示檢測器的可能應用而說明，就是在滑塊上周期性地排列若干個如圖2a、3a或4所示的電極結構和在標尺上周期性地排列若干個外形特征區411，這兩個陣列的間距稍有不同以便得到“游標尺”效應。例如，沿X軸測量的檢測器，其標尺的結構周期(即構成該結構的相同外形特征區411之間的距離)為1mm，而滑塊具有沿X軸周期為1.1mm的十個電極組;如果在X＝0時，第一電極組正對一個標尺外形特征區411，則其它9個電極組都偏離最接近它們的外形特征區411;在X＝0.1mm，第二電極組將正對標尺外形特征區，在X＝0.2mm，第三電極組正對等等。使用這種“游標尺”效應，允許更大的測量范圍，但是尤其是想得到精細的位置分辨率則需要一個更大的滑塊表面;而且只有充分接近標尺的外形特征區的電極組，因而有足夠的敏感性才對位置測定有所貢獻。
克服測量范圍和分辨率局限性的一個更好辦法是本發明的一種檢測器，它的滑塊520包含一個由相同電極521組成的陣列和使不同的電極組連接到同一個接有電壓Va、Vb、Vg的導體或連接到一放大器的輸入端的交換裝置，(如果接收電極也在陣列之內)。通過適當的交換裝置，陣列中的一些電極521可以配置為發射電極，這些發射電極可以通過在一邊附加一個電極而在另一邊拿掉一個電極的方法沿測量軸位移。如果所述電極陣列的間距對應于分辨率，這些交換裝置可以是美國專利3857092中所述類型，其中電極陣列的電配置方式被切換以便“跟隨”浮動標尺電極或在本發明中跟隨外形特征區。一種替換方式是連續使所述電極陣列的電配置方式移位以便對標尺“掃描”，然后通過過零法或移相法測定位置，例如，如美國專利4437055的權利要求6和7中所揭示的利用接收電極上的解調信號的過零點。如果要尋求比所述電極間距細得多的分辨率，則電極配置方式的移位如美國專利4841225中所示在任何時刻僅可在陣列的一部分上進行。
本發明可克服上述這些范圍(量程)和分辨率局限性的檢測器的原理顯示在圖5中。標尺510有一個沿X軸的周期結構，形成所述結構的外形特征區511之間的周期為Tx。滑塊520包含電極之間的間距為Te的相同電極521的陣列。當每個標尺間距Tx有8個電極時，則Te＝Tx/8。交換裝置525允許陣列中的任一電極521連接于下述的某一根線上接于交流信號Va的線525a，接于與Va幅值、頻率相同但極性相反的交流信號Vb的線525b，接于屏蔽電位Vg的線525g，接于差分放大器兩輸入端的線525c和525d。由所述開關裝置525給電極陣列521的信號分配顯示在圖5中。從左邊取第一組8個電極，兩電極521a連于線525a，即接至Va，一個電極521g連于線525g即接于Vg，兩電極521c連于線525c即接于差分放大器522的一輸入端，一電極521g連于線525g即接于Vg，和兩電極521b接于線525b，即接于Vb。標尺510的一個外形特征區511面對這8個電極的某些電極。在一個標尺結構間距Tx上，電極配置方式基本與圖2和其所附文字說明描述的相同。圖5表明兩電極組521a和521b連于信號Va和Vb，而圖2表明兩電極21a和21b連于Va和Vb。這兩電極組各電極分布在對應于電極21c的電極組521c的兩邊，電極組521c作為接收電極連接于放大器。電極組521a、b、c對應于電極21a、b、c，由對應于接于Vg的屏蔽電極21g的也是接于Vg的電極521g和/或導電基片隔開。為了方便起見，耦合電容在圖5和圖2a中通過將定義延伸到電極組同樣進行定義例如Cac定義為一組連于線525a于是接于Va的電極521和一組連于線525c而接入放大器輸入端的電極521之間的電容。
同樣的信號分布可在下一組8個電極上也即在下一個外形特征區511上重復。這里不是這種情況，這里信號分布是每16個電極521才重復，即如圖5所示的周期為2Tx上重復。事實上，在下一個標尺外形特征區上的信號分布不同于前面的一個，其不同點在于Vb取代Va反之亦然所以交流電壓極性相反，并且作為接收電極的521電極接到差分放大器522的另一端。用這樣的信號分布并假定導電標尺具有凹陷的外形特征區，則滑塊向右布作一個小位移時，因跨越最左面的外形特征區511的Cac大于Cbc而產生具有Va極性的信號，該信號通過接收電極組521c接到差分放大器522的一輸入端，而跨越下一外形特征區的Cac小于Cbc，所得信號具有Vb極性并通過電極組521d接入差分放大器522的另一輸入端。
于是，滑塊520的小位移在差分放大器522的輸入端上形成一差動交流信號，而標尺和滑塊間的電位差相等地作用于兩放大器的輸入端，實際上不產生差動信號。由于在間隔2Tx上有完全的發送和接收電極的差分結構，這種檢測器實質上有如圖4所述的相同優點，即對標尺和滑塊間的電位差不敏感，且不會有凈信號由發射電極耦合到標尺上。
電極521陣列上的信號分布能通過交換裝置525左右移動，以便通過使用放大器522的輸出信號作為誤差信號像一個伺服環中那樣對標尺510的外形特征區進行“跟蹤”。另一方面，信號分布可沿電極521陣列“掃描”并利用放大器522輸出信號包絡的“過零點”來找到滑塊520相對于標尺510的位置。
要將接收功能集成在電極521的陣列中，即要將其中的一些電極通過線525c和525d和交換裝置525連到差分放大器522的輸入端，為了避免任何不需要的交流信號、尤其是Va和Vb耦合到這些線525c和525d，就給交換裝置的設計帶來了很嚴格的限制。所述交換裝置不能只包含簡單的開關如單個的場效應管，這是由于處于“斷”或非導電狀態下的源-漏耦合電容這里不能忽略。電極521陣列應通過兩個串聯的這樣的開關連接到線525a、b、c、d，-第三開關當上述開關處于“斷”或非導電時將所述兩開關之間的導體接地以便抑制從連接Va或Vb的電極通過這些“斷”開關電容性耦合到線525c、525d的信號。
符合本發明并有上述同樣優點的、但僅需簡單開關裝置和使接收電極和它們的內部連接更易屏蔽的一種檢測器顯示在圖6中。一滑塊620以透視圖形式表示在標尺610上面，該標尺610有沿X軸排列的外形特征區611，它們形成周期為Tx的規則結構。滑塊620包含兩個沿X軸排列的發射極電極621陣列，及兩個位于這兩個陣列之間的細長接收電極621c、621d，兩細長接收電極621c、621d也沿X軸排列。屏蔽電極621g包圍著兩接收電極621c、621d。接收電極621c、621d沿X的長度是周期Tx的整數倍，而發射電極陣列稍長以維持在整個接收電極范圍內耦合電容基本上不變。實際上，耦合電容隨距離減少如此快以至發射電極陣列在每一端長出Tx/8就足夠了。使發射電極621陣列比接收電極621c、621d稍短些也是可以的。在這種情況下，發射電極621陣列必須復蓋周期Tx的整數倍。為清楚起見，圖6中電極621陣列有一等于Tx/8的間距Te，即8個電極復蓋一個間距Tx。實際中，Tx為毫米級，而電極排列間距將盡可能細以便不用復雜的內插方法就可得到足夠的分辨率。在集成電路上，Te能做到范圍為幾微米至幾十微米以便獲得下文所述的微米分辨率。由于距離對耦合電容有很大影響，因而需要小的間距Te、精確的電極幾何形狀和電極表面極高的平坦度，并且有可能將電路集成在滑塊620上，這就使人們對于使用集成電路的滑塊十分感興趣。
圖6也表明了能用于所述檢測器的電路的方框圖。為清楚起見，該方框圖畫在滑塊的外面，但如上所述，電路可裝在滑塊上或滑塊外。不管那種情況，都必須注意避免不希望的耦合，由于接收電極621c和621d在這里與其余部分清楚地隔開，所以這種防止措施是人所共知的，例如可使差分放大器622盡可能接近接收電極。電路工作如下由接收電極621c和621d接收到的交流信號送到差分放大器622的輸入端622c和622d。后者的輸出端連到比較器623的輸入端623c、623d，在這里把差分交流信號變換計數字信號。比較器輸出端623g連到一異或門624的輸入端624a，該異或門624的另一輸入端饋入一調制信號Vm，Vm同時也用于調制發射電極621信號Va和Vb。結果，門624輸出端624q上的信號表示由接收電極621c和621d接收到的差分信號相對于信號Va或Vb的極性。換句話說，所述異或門624由于它除掉了所述信號的調制成分，所以它是個解調器。交流信號Vm來自由振蕩器626產生的時鐘信號Vck，并通過一分頻器627而得到。所述時鐘信號Vck也接到一二進制可逆(UP/down)計數器628的計數輸入端628c，于是該計數器按照連于所述計數器628的可逆輸入端628d的門624輸出端624q上的信號狀況不斷地上下計數。計數器628的輸出端628q、628r、628s分別對應權1、2、4，它們分別連到一解碼器629的輸入端629q、629r、629s，以在它的輸出端629a至629f上產生下面的循環碼，作為3位二進制輸入碼的函數解碼器輸入解碼器輸出srqabcdefgh0000000111100110000111010110000110111110000110011110000101011110001100011110011100011110上表中的零和1表示邏輯狀態，例如負和正的電源電位。如果計數器628向上計數時則所示輸出圖向右移位，如果向下計數則向左移位。該解碼器輸出端629a至629h通過由8個異或門組成的調制器630，這些異或門的輸入端中的一個連接于所述解碼器629的輸出端629a至629h且它們的另一個輸入端連接于調制信號Vm。調制器630的輸出端通過總線連接到兩列電極。如圖6所示，圖6頂部的第一列電極以順序630a、b、c、d、e、f、g、h、a、b、c等連接于調制器630的輸出端;而圖6底部的第二列電極以順序630e、f、g、h、a、b、c、d、e、f等進行連接，使得兩個陣列中具有同一X座標的相對應的電極總是帶有相反極性的交流信號，因為對應的電極通過調制器630連接到解碼器629上彼此相距4個位置的輸出端，因而總是互補的(如上述真值表所示)。
假定3個輸出端628q、r、s為0并隨意地把電極陣列621上與調制信號Vm相同極性的交流信號稱為Va，與Vm極性相反的交流信號稱為Vb，則間隔Tx上的發射電極621上的交流信號順序對第一排列是Va、Va、Va、Va、Vb、Vb、VbVb、Vb;對第二排列是Vb、Vb、Vb、Vb、Va、Va、Va、Va，兩個順序具有相反的極性。為清晰起見，與Vb相連的陣列電極用陰影表示。可以看到，在一個標尺外形特征區611上的信號圖與圖4中所示相同(包括帶有虛輪廓線的電極)。再有，這里圖6中的電極組起圖4中簡單電極的相同作用。圖6中連接于Va的四個第一列電極621組對應于圖4中電極421，連接于Vb的四個第一列電極621組對應于圖4電極421b，連接于Va的四個第二列電極621組對應于電極421a′，而連接于Vb的四個第二列電極組對應于電極421b′。接收和屏蔽電極相同。所以這種檢測器實質上具有如圖4所述的相同優點，即對標尺和滑塊間的電位差不敏感，從滑塊620到標尺610，耦合到標尺的信號和為零，而且具有不受限制的量程和改進了的分辨率。
如果滑塊620沿標尺610稍有移動，則在接收電極621c和621d之間出現一個差分交流信號，因為已知由最近的發射電極陣列優選耦合到上述每個接收電極621c、621d上的信號將會有相反的極性。該差分信號將由差分放大器622放大，由比較器623將其變換為數字信號(具有兩個邏輯電平)，在異或門624中參照交流信號Vm解調，最后確定計數器628的計數方向是向上還是向下，于是將圍繞代表位置的某一平均值擺動。
一般希望獲得比電極陣列621的間距更精細的分辨率，這就必須用附加的電子電路或微控制器編程來對連續的計數器值進行某些平均或濾波。例如取N個連續的計數器629的值的和再用該和值除以N取其平均。第一級數字低通濾波器不斷地將用N除過的當前計數器值加到現行和上。同時從其減去所述和的N分之一。這種算法是已知的且很容易用硬件或軟件來完成。但是為了避免間距Te內的非線性，位置具有標準偏差至少為Te/2的不確定性是有益的，例如由熱噪聲引起的，但它也可由人為引入。而更精細的分辨率也可用其它方法獲得，例如，如美國專利4841225中所揭示的通過在任何時刻只移位電極排列的一部分，而不是所有電極陣列的分布同時移位。
將電子電路和電極集成在單片半導體芯片上給上述本發明的檢測器帶來許多優點，但在這種情況下，由于非常薄的絕緣層使接收電極和基片之間的電容比耦合電容Cac、Cbc、Cad和Cbd大得多，這將使所接收到的電壓降低到微伏級。因此，差分放大器的輸入級的設計和布局是很重的，它應該盡可能地接近所述接收電極并和其它電極屏蔽和/或絕緣開來;這可以用場效應晶體管的柵作為接收電極，甚或完全省去柵極，那末所述晶體管的溝道起接收電極的作用，但溝道和基片之間的電容可能太大;一種更典型的電極布局是設計在厚氧化層上，至少部分與晶體管的柵分開，這樣似乎更好。兩個輸入級電路在這里更有利，兩者都有消除所述電極對基片的電容的影響的功能。
第一級是電荷放大器，如由E.O多伯林(Doebelin)在題為“測量系統應用和設計”中(國會圖書館Nr66-8475，pp623-625)所揭示的。通過在輸出端至運算放大器的反相輸入端的負反饋通道中使用一個電容器，該輸入端(這里是一個接收電極)實際上處于虛地電位，于是避免了至基片的容性損耗電流。為此，由于至基片的電容加到放大器的輸入電容上，所以放大器需要高開環增益和帶寬。電荷放大器的優點在于對包含在差分結構中的接收電極容易屏蔽，這里兩接收電極可以處于相同的金屬或擴散屏蔽片之上。
第二級的電路是用作源跟隨器的場效應晶體管，其柵極是輸入端而源極是輸出端。電壓增益幾乎為1，輸入阻抗極高而輸出阻抗足夠低。為了排除所述至基極的電容效應，電極下的一個擴散井或金屬層應與跟隨器的輸出端相連，于是會增加輸出信號的幅值。這里，由于自舉作用也需要高的帶寬。
本發明的幾個可能的滑塊720實施例顯示在圖7a、7b和7c中;標尺710的相應位置用虛線表示。圖7a顯示了一個由集成電路組成的滑塊720a。由它們的輪廓線表示的電極721a配置在電路的右面與標尺710a相對。焊接區731a在左面，焊線732a將這些焊接區連接于滑塊架733a上的連接線734a。滑塊表面的剩余部分包含電子線路。這樣的實施例適合于不影響焊線732a和它們的防護涂層(未圖示)的窄標尺710a。圖7b也顯示一種由集成電路組成的滑塊720b，在其兩邊具有隆起735b，由“膠帶自動焊接”(tapeautomatedbonding)連接到支架736b的導體737b上。由它們的輪廓線所示的電極721b沿滑塊710b的當中延伸，剩余的表面包含電子電路。如果滑塊710b和標尺720b之間的縫隙H約0.1mm是可行的，則標尺720b可延伸至連接部和導體737b上，而不必限定其寬度。
為了保護這種滑塊，它們可均勻地被涂復或包封在極薄的包裝件中以避免標尺和滑塊表面之間太大的縫隙H。如果要求更好的保護，尤其是滑塊暴露于標尺的部分，則可在滑塊和標尺之間設置一塊薄的介質片，或滑塊電極可設在薄介質片遠離標尺的一側上，兩種情況下都是通過該片進行耦合。圖7c所示實施例由于滑塊720c的平面上的電極721c垂直于標尺710結構面，所以很容易進行保護;為了保持電極和標尺結構之間的足夠窄的縫隙可將電極陣列721c設置得靠近面對標尺的滑塊邊處。一種像圖5中的電極排列將很適合該實施例，這是因為所有電極排列能放置得更貼近該邊緣。于是，該滑塊能更好地進行保護，這是因為只有它的邊緣貼近標尺710c。
本發明的滑塊的一種優點在于可有各種適用的標尺和它們的簡單結構。圖8a至圖8e表明本發明的直線和曲線標尺的幾個實施例，它們都可與上述滑塊類型相配。圖8a表示一種直線型標尺810，它具有沿第一路徑周期排列的外形特征區811和沿平行于第一路徑的第二路徑排列的幾個外形特征區811r。外形特征區811的結構允許如圖5和圖6中涉及的增量測量。第二路徑外形特征區811r用作基準標記。因此，滑塊820包含圖5和圖6中所示類型的電極排列821，圖8a中用輪廓線表示，它們用來沿第一路徑進行增量測量，以及用于讀取作為基準標記的外形特征區811r的一個或多個電極排列821r，所述排列具有圖2、3或4中所示類型。另外，標尺810用介質812涂復得到一個平滑的表面，于是防止灰塵和其它雜物落入凹下的外形特征區811和811r中。所述介質可以填滿這些凹槽特征區，或只用堅硬的薄片(板)形介質蓋住它們。另一種類型是在介質812中遠離滑塊820一側設有所述標尺外形特征區811，于是所述介質812在這種情況下變成在平滑的基片的頂部上的標尺。最后，一種普通的帶有刻度的標尺，如游標卡尺或鋼尺可直接用作本發明檢測器的標尺，因為它的規則結構已蝕刻好。
圖8b顯示一種其上刻有齒條的圓形柱塞且用作直線標尺810b;這種結構在盤式指示器中可發現，在那里由圓柱形軸承導向。用平直的滑塊820b，對于直徑為4mm的柱塞來說，1mm數量級的狹長電極排列821b，已足以避免與測量軸交叉方向上的結構的曲率影響測量結果。圖8c顯示了一種用作圓環形標尺810的齒輪，輪齒就是外形特征區811c;以這種方式可形成一個極簡單的旋轉編碼器。這里滑塊820c也是平直的而標尺810c是彎曲的，但這時沿測量通道彎曲;使齒輪直徑遠大于電極排列長度就足夠了。圖8d表示由具有沖壓或蝕刻在其上的開口的扁平圓盤構成的旋轉標尺810d，這些開口就是形成規則結構的外形特征區811d。如果滑塊電極不是彎曲的，則由開口811d形成的圓環的直徑必須遠大于電極排列長度以避免非線性。圖8e顯示一種用作平移和/或旋轉運動的標尺的測微螺旋(micrometerscrew)，它的螺紋811e形成結構;這種螺紋十分精確且常與測量儀器相結合，在那里它們也用作調節裝置。為了改進精度，可使用兩個置于直徑兩端的滑塊820e。
本發明的檢測器能很方便地配置起來以測量兩維尺寸。上面已描述了一種適用的滑塊。一種如圖2或圖3所示的兩維電極陣列組，它們沿X和Y的周期與對應的標尺結構周期稍有差別，可通過使用其“游標尺”效應來測定X和Y。另一種可能性是通過交換裝置構成行或列的電極陣列。為了測定Y，沿Y向構成一種類同于圖5中所示的電配置，而電極按行連接(設行是沿X方向的);而為了測量X，則沿X方向構成所述電配置而電極按列連接。于是，滑塊交替地進行X和Y測量。
一種更實際和更經濟的辦法是簡單地在同一滑塊和同一標尺上使用兩個或多個線性檢測器;至少沿X一個檢測器和沿Y一個檢測器。如果它們具有圖5或圖6中所述類型，則從檢測器到檢測器通過標尺不存在耦合。當然標尺應具有使一個坐標對另一坐標影響最小的結構。一種極端情況是極窄的電極構造;如果規則結構由孔槽的柵格構成，則檢測器完全可能位于兩行孔槽之間，測不出任何結果。這種極端情況表明需要優化哪些參數以避免兩個坐標之間的影響。首先，電極結構的有效寬度應約等于結構周期或其倍數。外形特征區不應該太小或隔的太開以免產生死區，為了同樣的理由，縫隙H也不應該太小。H的最佳值對導電標尺為結構周期的0.1至0.3倍之間，對于介質標尺稍大于此值。最后，采用X和Y各自分開的檢測器的所述方案的優點在于能承受滑塊和標尺之間的更大的角度誤差，這一點對于鼠標器(鼠式位置指示器)特別重要，這是因為它不能總是與它的基座對齊。
圖9a和圖9b顯示了兩維標尺的兩個實施例。第一實施例由圖9a表明，標尺910a為具有兩組垂直的周期地隔開的槽的金屬或介質板。兩個檢測器920a設在一共同的支架938a上。圖9b中所示第二個實施例包含標尺910b，其特征在于一個質板用作包含兩個檢測器920b的“鼠標器”的“鼠標器基座”。該基座有一平滑的上平面便于“鼠標器”滑行，而在其底面有由孔形凹陷外形特征區911b構成的規則結構，則檢測器920b通過介質層讀出。
其它這種標尺可由具有規則結構的紙張構成，這種結構可通過繪圖儀上的紙張驅動輪滾刻壓印而成。織物也有兩維的規則結構。在這種情況下和在上述其它情況下，使電極信號分布的周期與標尺結構周期相匹配是有益的，例如在不同的應用中可使用同樣的滑塊。一種應用已通過滑塊對結構的空間諧波的敏感度而獲得。例如，如果沿測量路徑的結構輪廓是方的，如平坦表面中的溝槽，則滑塊可“鎖定”在最接近它自己周期的諧波上;于是可使標尺的周期為滑塊電配置方式周期的三倍。另一可替代的方法是配置交換裝置，以選擇幾種不同的周期。需要的話，可自動測定正確的周期。一種可能的方法是用電極掃描電極陣列并通過檢測信號的過零點來測定周期。
顯然上述各實施例沒有限定本發明的意思，且根據本發明可作任何所需的修改。尤其是本發明能很方便地用于三維檢測器和用于具有凹或凸的特征區的結構而每間距具有大量電極的檢測器。
權利要求
1.一種電容式位置檢測器包含通過給定的距離(H)相互隔開和可沿至少一個測量路徑(X)相對移動的滑動(20)和標尺(10)，所述滑塊包含至少兩個發射電極(21a、21b)；至少一個接收電極(21c)；產生加給所述發射電極電信號的第一裝置(629)；和對由所述接收電極所接收到的信號進行計測的第二裝置；其特征在于，標尺(10)包含；至少一個凹或凸的外形特征區(11)，所述第二裝置處理在所述滑塊上從所述發射電極耦合到所述接收電極的信號，所述標尺外形特征區(11)的構成使得當所述滑塊(20)和標尺(10)沿測量路徑(X)有相對位移時會通過耦合電容(Cac、Cbc)的變化而影響耦合到所述滑塊的所述信號。
2.如權利要求1所述電容式位置檢測器，其特征在于，所述標尺(10)包含若干個沿至少一個測量路徑(X)排列的凹或凸的外形特征區(11)以形成周期性規則結構，所述滑塊包含至少一個沿所述測量路徑(X)延伸的電極陣列和在一個周期分布中將至少兩個電信號(Va、Vb)連接于所述各電極的開關裝置。
3.如權利要求1或2所述電容式位置檢測器，其特征在于，加給至少兩個發射電極(21a，21b)的電信號(Va、Vb)是兩個幅值和頻率相同而極性相反的交流信號，所述發射電極大體上與接收電極(21c)共面。
4.如權利要求3所述電容式位置檢測器，其特征在于，所述標尺(510)包含一個沿至少一個測量路徑(X)形成具有周期(Tx)的周期結構的外形特征區陣列，所述滑塊(520)包含沿所述路徑延伸的至少一行電極(521);和按照其周期對應于所述周期結構的周期(Tx)或其倍數的給定信號分布把所述行電極的每一個電極連接到交流信號(Va、Vb)之一、或連接到交流放大器(522)輸入端之一、或連接到屏蔽電位的交換裝置(525)，所述交換裝置(525)能使所述分布沿所述電極行(521)移位。
5.如權利要求4所述電容式位置檢測器，其特征在于，所述交換裝置(525)允許信號分布至少具有這樣一個信號序列至少一個電極(521a)連接于第一交流信號(Va);至少一個電極(521g)連接于屏蔽電位(Vg);至少一個電極(521c)連接于差分放大器(522)的第一輸入端(525c);至少一個電極(521g)連接于屏蔽電位(Vg);至少一個電極(521b)連接于第二交流信號;至少一個電極(521g)連接于屏蔽電位(Vg)，至少一個電極(521d)連接于差分放大器(522)的第二輸入端;和至少一個電極(521g)連接于屏蔽電位，所述信號序列的周期對應于兩個標尺周期。
6.如權利要求1所述電容式位置檢測器，其特征在于，所述滑塊(420)包含至少一對相同的、共面的、連接于差分放大器(422)的兩輸入端的接收電極(421c、421d);和至少兩個更靠近接收電極之一(421c)的發射電極(421a、421b)。
7.如權利要求6的電容式位置檢測器，其特征在于，對應于所述更靠近接收電極之一(421c)的每組發射電極(421a、421b)，所述滑塊(420)包含另一組更靠近另一接收電極(421d)的相同的發射電極(421a′、421b′)，在接收電極(421c、421d)兩側上對應的發射電極(421a、421b′;421b、421a′)連接于幅值、頻率相同而極性相反的交流信號，所述標尺(410)的外形特征區(411)的形狀使得能通過它的移位改變發射電極和接收電極之間的耦合電容并在差分放大器(422)的兩輸入端之間獲得差分信號。
8.如權利要求3和7的電容式位置檢測器，其特征在于，所述滑塊(620)包含兩行沿測量路徑(X)排列的相同的發射電極(621)和沿每個所述行延伸的接收電極(621c、621d)，向每行發射電極(621)提供相同但極性相反的交流信號分布的交換裝置(629)，所述開關裝置(629)允許所述分布沿所述行移位，每個接收電極(621c、621d)連接于差分放大器(622)的輸入端(622c、622d)。
9.如權利要求8所述電容式位置檢測器，其特征在于，所述差分放大器(622)連接于比較器(623)將所述放大的信號變換為數字信號，該數字信號在解調器(624)中被解調，解調器的輸出信號控制一個可逆計數器(628)的計數方向，該可逆計數器的輸出信號通過一解碼器(629)和調制器(630)產生沿兩行發射電極(621)上的所述交流信號分布。
10.如權利要求1所述電容式位置檢測器，其特征在于，所述標尺(310)包含至少一個環形凸或凹的外形特征區(311)，所述滑塊(320)具有至少一組包含至少一個位于發射電極(321a、321b)之間的環形接收電極(321c)的同心電極，每一發射電極連接于兩交流信號(Va、Vb)的一個或另一個。
11.如權利要求1、6、7或10之一所述電容式位置檢測器，其特征在于，所述標尺(10)包含以給定間距沿第一測量路徑周期排列的外形特征區(11)，所述滑塊(20)包含沿相同路徑周期排列的電極組，但具有稍有差別的間距以便產生“游標尺”效應。
12.如權利要求11所述電容式位置檢測器，其特征在于，所述標尺(10)的外形特征區(11)也以給定間距沿第二測量路徑周期排列，且所述滑塊(20)電極組也是沿該第二測量路徑以稍有差別的間距周期排列，以便沿兩測量路徑都獲得“游標尺”效應。
13.如權利要求1至9之一所述的檢測器，其特征在于，所述標尺(910a)包含沿兩個相互垂直的測量路徑周期排列的凸或凹的外形特征區(911a)。
14.如權利要求13所述檢測器，其特征在于，所述滑塊包含一個兩維電極陣列，該陣列交替地連接成平行于第一路徑的各行和連接成平行于第二路徑的各列，所述行、列交替連接于所述第一和第二裝置。
15.如權利要求13所述檢測器，其特征在于，所述滑塊(938a、939b)包含兩個電極排列以便沿兩相互垂直的測量路徑確定滑塊和標尺之間的相對位置。
16.如權利要求13所述檢測器，其特征在于，所述標尺是一個具有緊貼滑塊的平滑上表面和其底部表面上具有兩維孔穴陣列的介質板(911b)。
17.如權利要求1至11之一所述的電容式位置檢測器，其特征在于，所述標尺或是其上帶有齒條(811b)的圓柱塞(810b)、或是一個齒輪(810c)、或是含有凹或凸外形特征區(811d)的轉盤(810d)、或是一個測微螺旋。
18.如權利要求1、2、10、11或13之一所述的電容式位置檢測器，其特征在于，所述標尺(810)包含用對滑塊呈現平滑表面的材料(812)覆蓋的凹或凸的外形特征區(811)，所述材料在所述結構(811)上形成一填滿或不填滿所述下凹結構(811)的涂覆層。
19.如權利要求1至18之一所述的檢測器，其特征在于，所述滑塊(720a)是一個含有發射電極和接收電極的集成電路。
20.如權利要求1至11之一所述的檢測器，其特征在于，所述滑塊的電極面(721c)垂直于設有凹或凸的外形特征區的標尺(710c)的面。
21.如權利要求4至8之一所述的檢測器，其特征在于，所述交換裝置(525，629)可在電極陣列上使信號分布移動以便跟蹤標尺(510、610)相對于滑塊(520、620)的位移。
22.如權利要求4至8之一所述的檢測器，其特征在于，所述交換裝置(525、629)可使信號分布在電極陣列上連續地移動，以便獲得恒速掃描，滑塊(520、620)和標尺(510、610)的相對位置可用過零法或相位法獲得。
全文摘要
一種電容式位置檢測器，它包含具有凹或凸的外形特征區的標尺(10)和包含至少兩個發射電極(21a、21b)及由屏蔽電極(21g)隔開的至少一個接收電極(21c)的電極陣列的滑塊(20)。滑塊(20)發射和接收電極之間的耦合電容(C
文檔編號G01B7/00GK1071504SQ9211223
公開日1993年4月28日 申請日期1992年10月15日 優先權日1991年10月15日
發明者邁爾·漢斯·烏爾里希 申請人:邁爾·漢斯·烏爾里希
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