電容式位移編碼器的製作方法

2023-12-12 08:49:27

專利名稱：電容式位移編碼器的製作方法
技術領域：
本發明的背景本發明通常涉及位置傳感器，特別涉及旋轉或線性位置的電容式編碼器。
市場上可購得的非接觸全轉式傳感器(通常稱為轉角編碼器)幾乎僅僅是光軸編碼器或電磁分解器。所有這些種類的傳感器在本領域均是已知的。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。
光學編碼器提供了二進位水平的輸出信號且可被分為絕對編碼器和增量編碼器。後一種類型的編碼器更普遍，原因是其結構平整、造價低廉，但它具有以下缺點·僅能測量相對位置。
·這類編碼器對機械裝配和安裝誤差較為敏感。
·這類編碼器的結構僅能夠提供有限的機械使用壽命。
絕對光學編碼器成本更高，更笨重且通常為非組合式。在近些年來，已引入了一種改進的絕對編碼器，其能夠提供正弦信號而不是二進位水平的輸出信號，這些信號能夠被插入以提供增強的解析度。
在上述《Synchro/Resolver Conversion Handbook》中詳細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。單極對分解器能夠提供兩個與sinθ和cosθ成正比的輸出電壓，其中θ為旋轉角度。多極對分解器能夠提供與sin(nθ)和cos(nθ)成正比的輸出信號，其中n為極對的數目。多極對分解器的解析度和精度較高，但其輸出信號不能在整個轉動期間準確確定轉動角度。
雙速分解器等同於在相同軸上的一個單極對分解器和一個多極對分解器的組合。其能夠同時提供兩對輸出電壓，這些電壓被稱為是粗略信道和精細信道。通過處理這些信道，能夠獲得精確清楚的讀數。但是，與其單極對對應裝置或多極對對應裝置相比，這種分解器更為笨重且成本更高。
線性光學編碼器為增量數字裝置，其與增量旋轉編碼器相同，包括一測量頭，其可相對於一個標尺運動且能夠產生輸出脈衝。目前，雖然也存在一些以電磁原理為基礎的線性編碼器，但是高精度、大行程的線性編碼器幾乎僅僅是光學型。目前尚沒有可作為獨立元件在市場上購得的電容式線性編碼器，但是線性電容式編碼器已廣泛應用於數字卡規中。
在本申請的上下文以及權利要求中，術語「編碼器」是指位移傳感器，其中，固定和運動元件之間的相互作用是以一重複圖形為基礎的，所述圖形具有二進位或連續輸出信號。與術語「固定元件」和「定子」相同，可根據旋轉編碼器互換使用術語「運動元件」和「轉子」。同樣，術語「測量頭」和「標尺」分別是指線性編碼器的運動和固定元件。
即使在多年改進之後，無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的組合。
·具有高精度分析率的絕對讀取。
·簡單的結構和低位封裝。
·較低的製造成本。電容式旋轉角度編碼器的基本概念電容式全轉式絕對角度編碼器(CFRAAE)將旋轉角度轉換為以轉子和定子之間相互的電容作用為基礎的輸出信號。它們可被製成能夠模擬單極或多極電磁分解器，即具有每次轉動僅會重複一次或多次的輸出信號，以及多速分解器。
在專利文獻中描述的CFRAAE相對光學或電感編碼器具有顯著的優點。但是，由於存在並未全部發現，意識到或解決的多種困難，因此，CFRAAE裝置已完全從市場上消失。例如·精確的CFRAAE操作要求電容在存在寄生電容和外部幹擾的情況下，以1飛法拉(10-15法拉)進行分辨。因此，對外部幹擾進行屏蔽是最重要的。
·人們認為CFRAAE要求昂貴、高精度及可靠的電子元件。例如，德國專利申請DE 42 15 702披露了一種電容式角度編碼器，其中電容量是單獨通過雷射微調校正的。
·在專利文獻中描述的CFRAAE，需要複雜的信號調節。例如，在德國專利申請DE 36 27 529及相應的美國專利US4,851,835中披露了用於該文章的信號處理系統，其可在此處結合使用。
·缺少各種已知編碼器類型的系統分類和分析。因此，還未發現用於改進的新型結構和可能性。
因此，在該領域流行的觀點是CFRAAE在商業上是不可行的。已發現實際僅可使用有限-轉動(通常小於360°)的電容式傳感器，且僅可用於傳感器被併入主系統的有限用途中，主要用於光學掃描鏡。在美國專利US3,312,892，3,732,553，3,668,572，5,099,386ey 4,864,295中披露了典型的有限-轉動傳感器，它們可在本申請中結合使用。
電磁分解器(與數字或脈衝計數傳感器相比)一類的模擬全轉式傳感器通常能夠提供與轉動角度的正弦和餘弦成正比的兩個正交輸出信號。與電感耦合不同，電容耦合始終是正的，因此通常用於在一電容式傳感器中獲得雙極輸出的唯一方式是測量兩個位移相關電容量的差值。


圖1為說明該原理(其也可適用於電容線性位移傳感器)的典型示意性電路圖。分別使兩個互補激勵電壓Q和Q』作用於固定式發射板41和42上。如本領域已知的那樣，一塊移動接收板40被電容式耦合至兩塊發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和發射板41，42之間的相應電容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，由此可推導出板40相對於板41和42的位置。
從電磁式分解器類推，能夠以單極結構和多極結構製成CFRAAE。可在本申請中結合使用的美國專利US5,598,153披露了一種典型的單極CFRAAE。法國專利申請77 29354披露了一種多極編碼器，其中，每次轉動轉子和定子之間的重疊均會變化六次。上面提到的美國專利US4,851,835披露了一種編碼器，其中單轉子能夠產生粗略信號和精細信號。
在相關專利文獻中披露了用於將一可變電容量轉換為輸出信號的各種方法。這些方法可被分為兩個類1、在振蕩迴路中加入可變電容，通過改變其頻率或工作循環而響應。例如在歐洲專利申請0 459 118 A1，德國專利申請DE 33 28421以及由Arnold和Heddergott在《Elektronpraxis》(1989年3月)發表的題目為「Kapacitive Sensorprinzip zur Absoluten Drehwinkelmessung」(一種用於絕對旋轉角度測量的電容傳感器原理)中披露了這類方法。
2、加入一個交流激勵源，其用於在編碼器中獲得至少一個作為與角度相關的電容量的函數的交流或直流輸出信號。如果要覆蓋(cover)全轉動，則需要兩個這樣的輸出。例如，在可在此處參考使用的美國專利US4,092,579披露了一種電容式分解器，其具有一個激勵電壓電源及兩個分別與旋轉角度的正弦和餘弦成正比的輸出電壓信號。也可在此處參考使用的美國專利US4,429,307披露了一種具有類似電路布置的電容式編碼器，其不同之處在於使用了兩個相反極性的激勵電壓。
例如在歐洲專利申請0 226 716，德國專利申請DE 36 37 529，由Xiujun Li等人在《IEEE Transactions on Instrumentation andMeasurement》，452(1996年4月)，第516-520頁中發表的名稱為「AnAccurate Low-Cost Capactive Absolute Angular-Position Sensor with AFull-Circle Range，」中披露了類似的方案。
基於交流激勵的這類CFRAEE方案的精確性取決於激勵電壓的性質。不精確性一定程度下可能會導致激勵信號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專利申請DE 36 37 529中圖3所說明的那樣，通過電路複雜性能夠克服所帶來的困難。解決方法包括如在歐洲專利申請0 226 716中所建議的模擬正弦電壓的複雜數字模擬，或使用如以Li等人的以上提到的文章中的精確、穩定的模擬電路元件。
德國專利申請DE 37 11 062也披露了一種使用了交流矩形波激勵的電容式位置測量裝置。根據由矩形波激勵電壓與隨轉子轉動而改變的電容量(如該申請中圖2-6所示的)相互作用產生的對一個分級信號的時間取樣計算轉動角度。由於輸入電壓的取樣忽略了其在取樣時間之間的值且易於產生噪音，因此這種離散取樣的缺點在於低信噪比(SNR)。電容式編碼器的類型本領域已知道多種用於電連接CFRAAE中轉子和定子元件以便提供所要求的傳輸，與轉動相關的調製以及在編碼器中對靜電場的檢測的方法。例如，在可在此處參考使用的美國專利US3,873,916和4,404,560具有通用的圖1的電子結構，其中，發射板41和42代表定子，接收板40代表轉子。該結構的問題在於必須使轉子電連接至處理電子線路上。為了能夠實現自由轉動，必須使用具有已知摩擦和不可靠性缺點的滑環來形成所述電連接。
其它的編碼器型式具有靜電場發射器以及位於一個或多個定子元件上的接收器。例如，可在此處參考使用的美國專利5,099,386披露了一種編碼器，其在發射和接收定子之間具有一個絕緣型不導電的轉子。因此，無需電連接至轉子，但會限制旋轉角度。
可在此處參考使用的美國專利US3,668,672和3,732,553披露了與美國專利5,099,386結構大致相同的CFRAAE，其不同之處在於轉子具有一帶有圖形的導電塗層。該塗層被接地且起到可選擇地改變定子元件之間的測量電容的電屏蔽作用。已提出了各種用於使轉子接地的方法。例如，美國專利3,668,672的圖10描述了用於該目的的滑環。這一方案具有會產生摩擦、低可靠性及高成本的缺點。美國專利3,732,553依靠通過一根固定有轉子的軸、在接地編碼器殼體和轉子之間形成接觸而使轉子接地，但該接觸也存在問題，如下所述。
歐洲專利申請0 459 118(在其圖2中)說明了一種用於使轉子接地的接觸端頭。該方案具有與以上提到的美國專利中方案相似的缺點。同樣，接地轉子被用於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在轉子的兩側具有導電塗層，它們電互連，但卻是浮動的。如果至少一個塗層是帶圖形的，則隨後轉子會在定子上的發射和接收板之間起到與一角-相關耦合橋的作用。在可在此處參考使用的美國專利3,845,377；3,312,892；4,092,579；4,851,835；4,238,781及4,788,546中以及德國專利申請DE42 15 702中披露了這種編碼器。在美國專利4,851,835中，多極轉子的圖形的一側被分為多個單獨的元件。
在此處可參考使用的美國專利3,961,318和4,429,307中披露的另一種「摺疊」結構中，發射板和接收板在轉子的一側被設置在單定子的公共固定式基體上，且通過轉子上的導電圖形耦合。另一方面，在這種編碼器的對稱形式中，每一個均具有其自己的發射板和接收板的兩個定子元件被設置在轉子的任意一側。在此處可參考使用的美國專利4,788,546以及德國專利申請37 11 062和英國專利申請GB2 176 013中披露了這種CFRAAE。電容式線性位移編碼器電容式線性位移編碼器(CLDE)在本領域中也是已知的，但是它們僅能使用在CFRAAE文獻中建議的一部分可能布局。例如，在此處可參考使用的美國專利4,429,307披露了一種具有一個頭部的CLDE，該頭部包括兩個正弦導電圖形，它們是由兩個互補激勵電壓激勵的。在標尺上產生電壓且這些電壓經耦合帶電容式地耦合至標尺或發射板上。頭部上的圖形反向耦合至標尺上的正弦和餘弦接收板。因此，移動的頭部電容式地耦合至標尺且無需電線。在所述專利中未提及接收板如何免受外界幹擾以及如何省去從耦合帶至接收板的直接耦合。同樣，由於正弦和餘弦的增益取決於其相應耦合帶的空氣間隙，因此，在空氣間隙之間的任意差異均會影響相對增益。因此，其準確性對頭部和標尺之間的傾斜是敏感的且需要非常穩定和精確的電子元件。
在此處可參考使用的美國專利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，標尺未繞有導電金屬絲且電容式地被耦合至頭部，所述頭部包括激勵源和接收器。可使標尺電極分割且彼此隔離，以便能夠在無需電互連的情況下使幾個標尺對接在一起，從而擴大測量範圍。第二種型式與上述美國專利4,429,307類似。如在該專利中那樣，正弦和餘弦信號的比對傾斜和元件公差均是較敏感的，且對在相鄰的發射板和接收板之間的寄生電容式耦合或免受外部幹擾的問題未提出解決方案。
在此處可參考使用的美國專利4,586,260披露了一種數字遊標卡尺(Vernier Caliper)，其使用了一個電容式線性編碼器。在LarryK.Baxter(IEEE印刷，1997)的《Capacitive Seneors》的第18章中也披露了這種編碼器。所述激勵是通過兩個互補矩形波提供的，而頭部被分為正弦和餘弦部分，每一部分均包括自己的接收板和放大器。標尺未繞有電線。這種CLDE的缺點如下1、由於存在兩個既在空間分離又電分離的信道，因此它們的增益匹配對頭部傾斜以及電子元件的公差和溫度穩定性是較敏感的。
2、標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，但是仍會限制可由插入獲得的精確性。
3、在與運動方向垂直的各個標尺元件之間存在間隙且還增加空間諧波。
本領域已知的高精度CLDE裝置為增量式，即它們能夠提供一個相對而不是絕對的位移讀數。另一方面，在此處可參考使用的美國專利3,312,892披露了一種電容式位移傳感器，其基於三角形固定板和一塊矩形運動板之間的重疊。這種結構包括一個絕對，但實質上是「粗略」的編碼器。
本發明一些方面中的一個目的在於提供改進的電容式轉角編碼器，特別是全轉式絕對角度編碼器。
本發明其它方面的目的在於提供改進的電容性線性位移編碼器。
本發明一些方面的另一個目的在於提供緊湊的獨立式電容式位置編碼器。
本發明中一些方面的另一個目的在於提供這樣的編碼器，其能夠表現出精度提高以及對外界幹擾和環境條件的敏感性降低。
在本發明的最佳實施例中，一種用於檢測運動物體相對於固定物體的位置的電容式運動編碼器包括至少一個連接至所述固定物體的固定元件；及一個連接至運動物體的運動元件。通過一塊發射板發射一個周期性(時間調製)靜電場，所述發射板最好在固定元件上，但也在運動元件上。在其中的一個元件上、通常在運動元件上的一電學活性圖形調製響應於運動物體運動的時間調製靜電場的包絡線。圖形最好包括電鍍在所述元件上的導電材料，但是也可使用形成帶有圖形的絕緣運動元件的方法。用於本專利的文本以及權利要求中的術語「電學活性」可以指任何的這種圖形。處理電路檢測被調製的靜電場並分析包絡線調製以確定運動元件位置的測量值。
運動元件和固定元件基本上由一導電屏蔽封閉，該導電屏蔽與運動物體和固定物體電隔離，且其能夠保護元件不受電幹擾。本發明人已發現與現有技術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具有固有低信號水平的編碼器中提供了，防止外界幹擾以及與被提供來產生靜電場並操作編碼器的激勵電壓的寄生耦合。最好，導電屏蔽封閉處理電路，以及運動和固定元件。
在本發明的一些最佳實施例中，編碼器包括一個轉角編碼器，最好是一個全轉式絕對角度編碼器。在這些實施例中，運動元件包括一個轉子，運動物體包括一根轉動軸，所述的至少一個固定元件包括一個或多個定子，以便處理電路能夠確定軸的轉動位置的測量值。屏蔽和轉子最好在轉子被固定在軸上的區域具有迷宮式結構，以便防止電幹擾漏進所述屏蔽。
在本發明的另一些最佳實施例中，編碼器包括一個線性位移編碼器。在這些實施例中，固定元件最好包括一個線性標尺，該線性標尺很長以致不能由屏蔽密封。在這種情況下，屏蔽最好封閉運動元件以及固定元件的一部分，其中運動元件可在任何時間定位在固定元件上。
在本發明的一些最佳實施例中，一種用於檢測轉動軸位置的電容式轉角編碼器包括一個發射器和一個接收器，它們通常的形式是位於一個或多個定子上的發射板和接收板。發射器由繞軸設置的多個分段構成，每一個分段均能夠以公共頻率產生周期性靜電場，但具有與其它分段不同的預定相位。最好，對於轉子上的每一個或多個極上使用四個分段。通過具有相互成90°相位差的交流電壓激勵發射器分段。通過轉子的轉動調製所產生的場，通過接收器接收被調製的場。
與編碼器相聯繫的處理電路包括兩個同步檢測器電路，其能夠從兩個相應的發射器激勵電源接收周期性輸入並與所產生的場同步處理來自接收器的信號，從而產生表示轉動角度的正弦和餘弦的輸出。最好，檢測器電路接在一個電荷放大器後面，，通過該電荷放大器接收由所有發射器分段產生的信號以進行處理。與通常使用了信號取樣的本領域中已知的編碼器所實現的效果相比，這些已知編碼器通常使用了信號取樣而不是全同步檢測，或使用了不只一個信號處理信道而不是本發明使用了單電荷放大器，本發明的相位/正交激勵(PQE)以及同步檢測，從而能夠以更高的準確性，更好的信噪比以及低的對元件值偏差的敏感度來確定轉子的角度。因此，無需高穩定性的精密電路以及元件的精細調整。形成的簡單的電路能夠與轉子和定子方便地裝配在一起並在導電屏蔽內部被保護。
作為選擇，編碼器可以包括一整體發射器和分段接收板，並輸出如上所述的正弦和餘弦信號。在這些最佳實施例中的一個實施例中，編碼器還包括一個整流器，該整流器能夠對編碼器的交流輸入進行整流，以為檢測器電路提供直流電壓，因此編碼器能夠方便地替代感應式分解器。
在本發明的其它最佳實施例中，應用了相位/正交激勵，從而給電容式線性編碼器帶來相似的優點。
在本發明的一些最佳實施例中，編碼器包括多速編碼器，其中電學活性圖形包括平穩變化的粗略和精細周期電學活性圖形，這些圖形最好為正弦形狀。粗略和精細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。當運動元件運動時，所述圖形以較低和較高的空間頻率調製靜電場的包絡線。處理電路能夠檢測該調製，從而確定運動元件的位置的粗略和精細解析度的測量。與本領域已知的多速編碼器不同，由於圖形的平穩變化，處理電路的解調輸出是非常精確的。最好，所述粗略測量是一種轉動或線性位置的絕對測量。
在一個最佳實施例中，運動元件還具有一個中間電學活性圖形，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對應所述中間圖形的場的調製，從而以介於粗略和精細測量之間的解析度確定運動元件的位置測量值。
在本發明的一些實施例中，粗略圖形被分為多個分段，這些分段分布在運動元件的表面上以減小由於轉子相對於定子傾斜而在場調製中產生的偏差。用於該目的的圖形分段也可被用於本發明的單速實施例中。
在本發明的編碼器包括粗略和精細圖形的一些實施例中，處理電路能夠切換靜電場以便通過兩個圖形交替對其進行調製。因此，電路能夠交替確定運動物體的位置的粗略和精細測量值。所述切換最好通過交替激勵固定元件中不同的發射區域進行。通過以此方式在所述區域之間進行轉換，利用單個固定元件和單個運動元件，通常為單個轉子和單個定子，能夠實現粗略和精細測量，而不會造成信號處理電路的重複。
在本發明的另一些實施例中，電容式轉角編碼器的轉子具有電學活性圖形，其以預定的角度頻率繞軸重複多次，並且具有轉動不對稱性，如偏心性(即，圖形是非軸對稱的)。處理電路能夠檢測由於圖形產生的靜電場的調製，以便確定轉動角度的精細測量值，且還能夠檢測由於偏心產生的調製，以便確定軸轉動角度的粗略測量值。因此，如在以前的最佳實施例中一樣，無需獨立的粗圖形測量和檢測信道，從而在一空心軸編碼器的情況下，編碼器的中心孔能夠被製造的比較大以容納較大的軸尺寸。
在本發明的一些實施例中，運動元件包括多個電學活性分段，這些分段相互由基體中的空隙分離以消除溼膜效應。這些分段可以是電絕緣的也可不是電絕緣的。最好，運動元件包括一個轉子，其中電學活性分段繞軸徑向向外伸出。使電和機械分離的分段既能夠降低編碼器對傾斜的敏感性，也能夠防止水分聚集而影響測量精度。雖然在本領域已知的一些電容式編碼器使用了三維電學活性圖形，但是沒有一個是本發明的形式。
在本發明的一些實施例中，第一和第二固定元件被設置在運動元件的相對側，以便由此發射靜電場。電位穩定電路能夠檢測第一固定元件處的交流電勢並對第二固定元件施加相反的電勢而使運動元件保持在穩定的虛接地電勢。無需與運動元件的物理或電接觸。在本領域已經知道使運動元件接地在某些編碼器中是有益的。但是，與本發明不同，這種現有技術的編碼器需要利用一個例如使其接地的滑環與運動元件形成接觸。
在本發明的一些實施例中，編碼器包括一個線性位移編碼器，其中，固定元件包括一個標尺，運動元件包括一個沿標尺移動的測量頭。在一些實施例中，發射板和接收板位於所述測量頭上，而在標尺上具有與所述板相互作用的電學活性圖形。在另一些實施例中，發射板在標尺上，而接收器圖形在測量頭上。
在這些最佳實施例中，標尺包括撓性印刷電路材料，舉例來說，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器上。所述表面可以是平的或彎曲的。在一個最佳實施例中，固定物體通常是圓柱形的，而編碼器被用於測量環繞該圓柱體的軸線的角度。
理想的是，與本領域已知的電容式線性編碼器相比，在標尺或測量頭上的圖形被設計為能夠提高測量的穩定性和精度，特別是在對測量頭和標尺之間調整、角度和間隙的變化抗變性方面，以及對外界幹擾和溼度的抗拒性方面。所述圖形最好沿上/下方向和左右方向、相對於測量頭和標尺的相對傾斜是對稱的，以便降低對傾斜的敏感性。另外，圖形最好間歇性地由間隙斷開，特別是在圖形在標尺上的實施例中，以防止幹擾通過圖形進入測量頭內。最好，使相位/正交激勵作用於發射板上，且利用同步檢測來處理單個接收板和與其聯繫的放大器的輸出，如上文所述。
在本發明的一些最佳實施例中，電容線性位移編碼器提供了絕對位置測量。最好，通過交替檢測測量頭上或標尺上的精細圖形和粗略圖形形成所述測量。另外在標尺的一端設置一個標定器，利用該標定器來檢測測量頭的標定位置，以便為隨後的增量測量提供一絕對參考位置。根據本發明的最佳實施例，同樣可在轉角編碼器中設置一個標定器。
因此，提供了一種用於檢測運動物體相對於固定物體的位置的電容式運動編碼器，其包括至少一個固定元件，該元件連接至所述固定物體；一個運動元件，該元件連接至移動物體且接近所述固定元件；一個場發射器，其產生一個靜電場，該靜電場由響應於固定元件和運動元件相對運動的所述元件之間的電容變化而被調製；一個導電屏蔽，其與運動物體和固定物體電分離，且封閉了運動元件和固定元件以保護這些元件不受外界的電幹擾；及處理電路，其檢測被調製的靜電場並響應於此確定運動物體位置的測量值。
較理想的是，運動元件包括一個轉子，移動物體包括一根轉動軸，其中，所述的至少一個固定元件包括至少一個定子，以便處理電路能夠確定軸的旋轉位置的測量值。更理想的是，導電屏蔽封閉住至少一部分處理電路、轉子和所述的至少一個定子。最理想的是，所述的至少一個定子和轉子包括印刷電路板，至少所述的一部分處理電路固定在其上。
最好，轉子包括一塊大致平面板和一個大致非平面環狀插孔，用於將轉子連接至所述軸上，其中所述屏蔽伸入與插孔相鄰的平面內，以防止不受從軸傳至轉子的電幹擾。另外，編碼器的結構最好能使轉子相對於定子旋轉至少360°。
在一個最佳實施例中，編碼器包括一個環繞運動元件和固定元件的機械殼體，所述殼體與所述屏蔽電隔離。最好，所述的至少一個固定元件包括兩個大致平行、相互分離的固定元件，一個固定元件包括場發射器，另一個元件包括一個場接收器，通過使這些元件壓靠在它們之間的撓性導電元件，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，該電路板包括一個凸出通過所述屏蔽的延伸部分，該延伸部分與編碼器形成電連接。
在一個最佳實施例中，場發射器被固定至固定元件上且被聯接，從而形成導電屏蔽的一部分。
最好，所述場發射器固定至固定元件上，其中，運動元件上具有一個電學活性圖形，其用於調製靜電場。最好，電學活性圖形包括一種介電材料，或導電材料。最好，至少一個固定元件包括一個靜電場的接收器，其與處理電路相聯接。最好，運動元件上的導電性的電學活性圖形被保持在大致恆定的電勢。另外，運動元件上的導電性、電學活性圖形也可以是電浮動的。在一個最佳實施例中，所述的至少一個固定元件包括單個元件，所述發射器和接收器均被固定在該元件上。在另一個最佳實施例中，編碼器包括一個第二固定元件，該元件具有一個固定在其上的發射器和接收器。
另外，運動元件上的導電材料與處理電路相聯接且用作靜電場的一個接收器。
根據本發明的一個最佳實施例，還提供了一種用於檢測旋轉軸位置的電容式角度編碼器，其包括一發射器，該發射器包括多個繞所述軸布置的分段，每一分段均以一公共的頻率發出周期性靜電場，但具有與其它分段不同的預定相位；一接收器，該接收器響應於所述多個分段發出的場的產生信號，從而通過作為所述軸轉動的函數的發射器和接收器之間的電容變化而調製每一個場的接收強度；及一檢測器電路，該電路包括至少一個同步檢測器，該檢測器能夠與所產生的場同步處理信號，以便產生轉動角度的輸出指示。
較理想的是，所述的至少一個同步檢測器包括兩個同步檢測器，這些檢測器能夠產生與轉動角度的正弦和餘弦成正比的相應輸出。更加理想的是，接收器包括一個單輸入放大信道，通過該信道從所有發射器分段接收信號以便進行處理。
最好，發射板包括一大致平面狀發射定子，其被分為繞所述軸的軸線設置的多個分段，其中所述多個分段被設置在四個四分之一圓中。
根據本發明的一個最佳實施例，還提供了一種用於檢測旋轉軸位置的電容式角度分解器，其包括一發射器，其以給定的頻率產生響應於一交流電輸入的周期性靜電場；一接收器，其包括繞所述軸設置的多個分段，這些分段能夠產生響應來自所述發射器的所述場的信號，以便通過作為軸轉動的函數的發射器和接收器之間的電容變化調製每一分段接收的所述場；一信號處理電路，其用於處理由所述接收器分段發出的信號，以便產生一表示轉動角度的交流輸出；及一整流電路，其用於對交流輸入進行整流，以為檢測器電路提供直流電壓。
較理想的是，編碼器包括一個轉子，其被結合以與所述軸一起轉動且在其上具有一個電學活性圖形，使轉子的轉動能夠調製在接收器接收的場。更理想的是，電學活性圖形包括導電材料，所述導電材料被保持在接地電勢。
根據本發明的一個最佳實施例，還提供了一種用於檢測移動物體相對於固定物體的位置的電容式運動編碼器，其包括
至少一個固定元件，其被連接至固定物體；一運動元件，該元件連接至移動物體且接近於所述元件；一個靜電場發射器，其與固定元件或運動元件中的一個聯繫；一個與固定元件或運動元件中的另一個件相聯繫的場調製器，其在所述元件上包括平穩變化的粗略和精細周期性電學活性圖形，圖形分別以較低和較高的空間頻率沿元件尺寸變化，其以對應於低、高空間頻率的調製頻率、通過使固定和運動元件之間的電容響應於元件相對運動而變化來調製靜電場，且其基本上沒有空間諧波；及處理電路，其檢測被調製的靜電場並響應於此確定運動物體位置的粗略和精細測量值。
最好，固定元件包括定子，其由單個平面元件製成，該元件包括多個導電區域，至少一個導電區域為場發射器，而另一個導電區域用於接收所述場。
更理想的是，運動元件包括一個轉子，其上有電學活性圖形，其中以粗略周期性圖形包括一個在轉子上的大致圓形區域，其相對於所述軸偏心設置，精細周期圖形包括一個在轉子上的正弦圖形，其繞所述軸圓周設置。
在一個最佳實施例中，場調製器還包括一個中間電學活性圖形，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所述場對應於中間頻率的調製。
根據本發明的一個最佳實施例，還提供了一種用於檢測移動物體相對於固定物體的位置的電容式運動編碼器，其包括至少一個固定元件，其被連接至固定物體；一運動元件，該元件連接至移動物體且接近於所述固定元件；一個靜電場發射器，其與固定元件或運動元件中的一個件聯繫；一個與固定元件或運動元件中另一個相聯繫的場調製器，包括在所述元件上的粗略和精細周期性電學活性圖形，圖形分別以較低和較高空間頻率沿元件尺寸變化，其以對應於低空間頻率和高空間頻率的調製頻率、通過使固定和運動元件之間的電容響應於元件相對運動變化來調製靜電場；及處理電路，其用於切換靜電場以便由所述粗略圖形或精細圖形交替對其進行調製，並且其檢測被調製的場以響應於此交替確定移動物體位置的粗略和精細測量值。
根據本發明的一個最佳實施例，還提供了一種用於檢測移動物體相對於固定物體的位置的電容式運動編碼器，其包括一個固定元件，其被連接至固定物體，且包括一個靜電場發射器和接收器；一運動元件，該元件連接至移動物體且接近於所述固定元件，並包括一個場調製器，該調製器包括運動元件上的粗略和精細周期性電學活性圖形，圖形分別以較低和較高空間頻率沿元件尺寸變化，其以對應於低空間頻率和高空間頻率的調製頻率、通過使固定和運動元件之間的電容響應於元件相對運動而變化來調製靜電場；及處理電路，其檢測被調製的靜電場且響應於此確定移動物體的位置的粗略和精細測量值。
根據本發明的一個最佳實施例，還提供了一種用於檢測轉動軸位置的電容式角度編碼器，其包括一個或多個定子，其中的一個定子包括用於產生靜電場的場發射器；一個轉子，其與所述軸一起轉動，且具有轉動不對稱的電學活性圖形，該圖形通過使固定和運動元件之間的電容隨軸轉動一次而變化一次來調製響應於所述軸轉動的靜電場，其中，所述圖形被分為多個子區域，以減小由於轉子相對於定子傾斜而在所述場的調製中產生的偏差；及處理電路，其檢測被調製的靜電場，響應於粗略和精細變化且確定所述軸角度的粗略和精細測量值。
最好，轉子上的電學活性圖形包括一個相對於所述軸的軸線偏心設置的大致圓形區域。
根據本發明的一個最佳實施例，還提供了一種用於檢測轉動軸位置的電容式角度編碼器，其包括一個轉子，其被結合至所述軸上，且具有一個電學活性區域，該區域相對於所述軸的軸線是不對稱的，且包括一個圓周設置在轉子上的圖形，所述圖形以規定的角頻繞所述軸重複多次轉動，至少一個定子，有一個靜電場與其聯繫，該靜電場由因轉子轉動而被電學活性區域感應的電容的變化而被調製；及處理電路，其檢測由於所述區域的非軸對稱性而導致的軸每轉一周發生一次的場的調製，從而響應於此確定軸轉動角度的粗略測量值，該處理電路還檢測由於所述圖形而導致的所述場的調製，從而確定轉動角度的精細測量值。
在一個最佳實施例中，編碼器包括一個接收器，其與一個定子或多個定子中的一個結合且相對於所述軸線是不對稱的，以響應於精細圖形和接收器的非軸對稱性之間的相互作用確定角度的粗略測量值。
在另一個最佳實施例中，編碼器包括一個切換器，其用於交替確定角度的粗略和精細測量值。
根據本發明的一個最佳實施例，還提供了一種用於檢測運動物體相對於固定物體的位置的防潮電容運動編碼器，其包括至少一個固定元件，其被結合至所述固定物體上，且有一個靜電場與其相聯繫；一個運動元件，其被結合至所述運動物體，包括多個相互分離的電學活性分段，這些分段形成了一個圖形，該圖形能夠調製由於當運動元件運動時固定和運動元件之間的電容變化所產生的所述靜電場；及處理電路，其檢測被調製的靜電場且響應於此確定運動物體位置的測量。
最好，將打在運動元件上的流體從所述分段排至分隔所述分段的間隙中。
在一個最佳實施例中，運動物體包括一根旋轉軸，所述運動元件包括一個轉子，電學活性部分從該轉子繞所述軸徑向向外伸出，其中，所述至少一個固定元件包括至少一個定子，從而處理電路能夠確定軸的轉動位置的測量值。
根據本發明的一個最佳實施例，還提供了一種用於檢測運動物體相對於固定物體的位置的電容式運動編碼器，其包括一個運動元件，其被結合至運動物體，且具有電學活性圖形；第一和第二固定元件，它們被結合至固定物體上，且被設置在運動元件的相對側，由此發送一個交變靜電場；處理電路，其檢測響應於由於電學活性圖形的運動而產生的固定元件之間電容的變化的靜電場的調製，並響應於此確定運動物體位置的測量；及一個電勢均衡電路，其通過檢測在第一固定元件的交變電勢並將一個反電勢施加在第二固定元件上而使運動元件保持在大致恆定的電勢。
較理想的是，大致恆定的電勢包括虛接地。更理想的是，電勢均衡電路實質上未與運動元件形成電接觸。
根據本發明的一個最佳實施例，還提供了一種用於檢測運動物體相對於固定物體的電容線性位移編碼器，其包括一個標尺，其被固定至固定物體上；一個測量頭，其被固定至運動物體上以沿標尺移動，且包括一個靜電場發射器，該發射器能夠在測量頭附近產生一個靜電場；一個形成在標尺上的電學活性圖形，該圖形產生標尺和測量頭之間的電容變化，以調製響應於測量頭相對於標尺的運動的靜電場，圖形是對稱的以便調製基本上不受測量頭相對於標尺傾斜的影響；及處理電路，其檢測被調製的靜電場，以便檢測所述調製並響應於此確定運動物體位置的測量值。
較理想的是，所述圖形包括一個雙正弦。更理想的是，測量頭包括一個接收器，其能夠接收被調製的靜電場，其中圖形由圖形中的間隙被間斷，以防止沿圖形的幹擾進入測量頭內，其中間隙相對於標尺縱向軸線成銳角。
根據本發明的一個最佳實施例，還提供了一種用於檢測運動物體相對於固定物體的電容線性位移編碼器，其包括一個標尺，其被固定至固定物體上，且包括一個靜電場發射器，該發射器在標尺附近產生一個靜電場；一個測量頭，其被固定至運動物體上以沿標尺移動，且在其上形成一個電學活性圖形，該圖形產生標尺和測量頭之間的電容變化，以調製響應於測量頭相對於標尺的運動的靜電場，圖形是對稱的從而調製基本上不會受到所述測量頭相對於標尺傾斜的影響；及處理電路，其檢測被調製的靜電場，以便檢測所述調製並響應於此確定運動物體位置的測量值。
根據本發明的一個最佳實施例，還提供了一種用於檢測運動物體相對於固定物體的電容式線性位移編碼器，其包括一個標尺，其被固定至固定物體的彎曲表面上；一個測量頭，其被固定至運動物體上以沿標尺移動；
一個靜電場發射器，該發射器能夠在測量頭附近產生一個靜電場；一個形成在標尺或測量頭上的電學活性圖形，該圖形產生標尺和測量頭之間的電容變化，以調製響應於測量頭相對於標尺的運動的靜電場；處理電路，其檢測被調製的靜電場，以檢測所述調製並響應於此確定運動物體沿彎曲表面的位置的測量值。
在一個最佳實施例中，固定物體具有大致為圓柱形的形狀，其中運動物體位置的測量包括相對於固定物體軸線的角度測量。
根據本發明的一個最佳實施例，還提供了一種用於檢測運動物體相對於固定物體的電容線性位移編碼器，其包括一個標尺，其被固定至固定物體上；一個測量頭，其被固定至運動物體上以便沿標尺移動；一被固定至標尺的發射板，以便在測量頭附近產生並接收一個靜電場，所述發射板具有粗略和精細測量結構；一塊在測量頭上的電學活性接收板，該板的結構使測量頭相對於標尺的運動會使發射板和接收板之間的電容發生變化，其調製由接收板接收的靜電場；及處理電路，其檢測被調製的靜電場，以檢測在粗略讀取結構中場的調製，從而響應於此確定運動物體位置的粗略測量值，並檢測在細讀取結構中的場的調製，從而響應於此確定運動物體位置的精細測量值。
最好，所述粗略測量包括絕對位置測量。
在一個最佳實施例中，發射板包括多根發射杆，這些發射杆共同被分為至少兩個三角區，其中在粗結構中，每一區中的杆均被共同激勵。最好，接收板包括一個疊在一大致四邊循形區域上的導電周期圖形，其中當發射板在粗讀取結構中工作時，整個四邊形區域被保持在一公共電勢上。
根據本發明的一個最佳實施例，還提供了一種用於檢測運動物體相對於固定物體的電容線性位移編碼器，其包括至少一個固定元件，其被結合至固定物體上；一個運動元件，其被結合至運動物體上；固定在固定或運動元件上的發射板和接收板，以在運動元件附近產生並接收一個靜電場，所述板包括在固定元件的標定位置處的至少一塊標定板，其中運動元件處在所述的至少一塊標定板附近時的靜電場明顯不同於固定元件上其它位置的靜電場；一個形成在所述元件中的一個元件上的電學活性圖形，其使標尺和測量頭之間的電容發生變化，以調製響應於運動元件的測量頭相對於固定元件的運動的靜電場；及處理電路，其檢測被調製的靜電場，從而當運動元件在標定板附近時，能夠識別所述場的差異，從而響應於此確定運動元件處於標定位置，且其能夠檢測所述調製並響應於此確定運動物體相對於標定位置的位置測量值。
根據本發明的一個最佳實施例，還提供了一種用於檢測旋轉軸位置的方法，其包括在繞軸的多個角度位置發射具有公共頻率的周期靜電場，每一個靜電場均具有與其它信號不同的預定相位；檢測從所述的多個位置發出的場，並響應於由於作為軸旋轉的函數的電容變化而產生的所述場的調製生成信號；與被發射的場的頻率同步處理所述信號，以產生表示轉動角度的輸出。
根據本發明的一個最佳實施例，還提供了一種用於檢測旋轉軸位置的方法，其包括
以規定頻率接收一個交流電輸出；產生響應於所述交流輸入的周期靜電場；調整一部分交流輸入，以便對一個檢測器電路提供直流電壓；在多個位置檢測所述場，並響應於由於作為軸旋轉的函數的電容變化而產生的所述場的調製生成信號；利用檢測器電路處理信號，產生規定頻率的表示轉動角度的AC輸出。
另外，還提供了一種用於檢測運動物體相對於固定物體的位置的方法，其包括在運動物體附近發射一個靜電場；使平穩變化的粗略和精細周期性電學活性圖形與運動物體相聯繫，圖形沿物體運動的尺寸分別以較低和較高頻率變化，其通過使固定和運動元件之間的電容響應於元件相對運動變化、以對應於低空間頻率和高空間頻率的調製頻率來調製靜電場，且其基本上沒有空間諧波；及檢測被調製的靜電場並響應於此確定運動物體位置的粗略和精細測量值。
根據本發明的一個最佳實施例，還提供了一種用於檢測運動物體相對於固定物體的位置的方法，其包括在運動元件附近發射一個靜電場；使粗略和精細周期性電學活性圖形與運動物體相聯繫，所述圖形分別以較低和較高頻率沿物體運動的尺寸變化，其通過使固定和運動元件之間的電容響應於元件的相對運動而變化、以對應於所述低空間頻率和高空間頻率的調製頻率來調製靜電場；及切換所述靜電場，以便通過粗略或精細圖形交替調製所述靜電場；及檢測被調製的場，以響應於此交替確定運動物體位置的粗略和精細測量值。
根據本發明的一個最佳實施例，還提供了一種用於檢測旋轉軸的位置的方法，其包括使所述軸結合具有電學活性區的轉子，所述電學活性區相對於所述軸的軸線是非軸對稱的且包括一個軸向設置在轉子上的圖形，該圖形以預定的角度位置頻率繞所述軸重複多次；在所述運動物體附近發射一個靜電場；檢測由於所述區域的非對稱性而在每一次轉動時產生的場的調製，以響應於此確定運動物體轉動角度的粗略和精細測量值；檢測由於所述圖形產生的場的調製，以確定轉動角度的精細測量值。
根據本發明的一個最佳實施例，還提供了一種用於檢測運動物體相對於固定物體的位置的方法，其包括使一個具有電學活性區域的運動元件結合至一個運動物體上；在運動元件的相對側設置第一和第二固定元件，由此發射一個靜電場；檢測第一固定元件的電勢並將一反電勢施加在第二固定元件上，以使運動元件保持在大致恆定的電勢；及檢測響應於由於電學活性圖形的運動所產生的固定元件間電容變化的靜電場的調製，以響應於此確定運動物體位置的測量值。
根據本發明的一個最佳實施例，還提供了一種用於檢測運動物體相對於固定物體的位置的方法，其包括將一個測量頭固定至運動物體上；沿彎曲表面固定一個撓性標尺；在標尺或測量頭上設置一個電學活性圖形，該圖形會在標尺和測量頭之間產生電容變化，以調製響應於測量頭相對於標尺的運動的靜電場；在測量頭附近產生一靜電場；及檢測被調製的靜電場，以便檢測所述調製，並響應於此確定運動物體沿所述彎曲表面的位置的測量值。
參照以下對本發明的最佳實施例的詳細說明和附圖，將更全面地理解本發明。附圖中
圖11B為根據本發明的一個最佳實施例，與圖11A中轉子一起使用的定子上的導電板的頂視圖；圖11C為根據本發明的一個最佳實施例，代替圖11A中轉子使用的轉子上的導電板的頂視圖；圖12A為根據本發明的一個最佳實施例，用於一雙速編碼器的定子上的導電板的頂視圖；圖12B和12C為根據本發明的最佳實施例，與圖12A中定子一起使用的轉子上的導電板的頂視圖；圖13為示意性框圖，其根據本發明的一個最佳實施例，說明了一種電路，該電路用於同步、相位/正交處理由利用圖12A的定子和圖12B的轉子的電容式轉角編碼器產生的信號；圖14為根據本發明的一個最佳實施例，用於三速編碼器的轉子上的導電板的頂視圖；圖15為示意性框圖，其根據本發明的一個最佳實施例，說明了一種電路，該電路用於同步、相位/正交處理由利用圖12A的定子和圖12B或12C的轉子的轉換、粗略/精細電容式轉角編碼器產生的信號；圖16A為根據本發明的一個最佳實施例，用於沒有粗略圖形的雙速編碼器的定子上的導電板的頂視圖；圖16B為根據本發明的一個最佳實施例，與圖16A中定子一起使用的一個轉子上的導電板的頂視圖；圖17為示意性框圖，其根據本發明的一個最佳實施例，說明了一種電路，該電路用於同步、相位/正交處理由利用圖16A的定子和圖16B的轉子的電容式轉角編碼器產生的信號；圖18A和18C為根據本發明的一個最佳實施例，發射定子和接收定子上的導電板的頂視圖，它們分別用於另一種沒有粗圖形的雙速編碼器；圖18B為根據本發明的一個最佳實施例，與圖18A和18C一起使用的轉子上的導電板的頂視圖；圖19為根據本發明的一個最佳實施例，說明了一種具有三維圖形的轉子，其用於電容式轉角編碼器；圖20為本領域已知的電容式轉角編碼器的示意性剖面圖，其說明了轉子傾斜對編碼器精度的影響；圖21為據本發明的一個最佳實施例，一種具有分段轉子的電容式轉角編碼器的示意性剖面圖；圖22為使用圖21中所示的分段結構的單極轉子的示意性頂視圖；圖23為根據本發明的一個最佳實施例，用於雙速電容式轉角編碼器的混合型轉子的示意性頂視圖；圖24為根據本發明的一個最佳實施例，一種電容線性位移編碼器的示意性側視圖；圖25為圖24中編碼器XXV-XXV截面的示意性剖面圖；圖26A和26B為根據本發明的最佳實施例，用於電容式線性編碼器的測量頭的側視圖，其顯示了其上的電學活性圖形；圖27為根據本發明的一個最佳實施例，用於電容式線性編碼器的標尺的側視圖；圖28為根據本發明的一個最佳實施例，用於電容式線性編碼器的標尺上的分段導電圖形的側視圖；圖29和30為根據本發明的最佳實施例，電容式線性編碼器的示意性剖面圖；圖31A和31B為根據本發明的其它最佳實施例，電容式線性編碼器的示意性剖面圖；圖32為根據本發明的一個最佳實施例，圖31A的編碼器中測量頭的示意性側視圖，其顯示了其上的發射板和接收板；圖33A和33B為根據本發明的一個最佳實施例，一種絕對讀數電容式線性編碼器中各標尺和測量頭的示意性側視圖；圖34為根據本發明的另一最佳實施例，用於絕對讀數電容式線性編碼器的標尺的示意性側視圖；圖35為根據本發明的一個最佳實施例，一標定電容式線性編碼器的示意性側視圖36A和36B為示意性說明從圖35的編碼器得出的讀數的圖表。
最佳實施例的描述電容式編碼器的類型分類鑑於本專利申請的目的，將電容式的旋轉編碼器及線性編碼器按類型分類是有益的。各類型根據靜電場發送和接收板的位置、電特性及轉子的連接表徵。為了方便並清楚地描述本發明的最佳實施例，在下文中描述並應用這種分類，而且這種分類也可以應用到已知的電容式編碼器中。但是，應該理解本發明的原理並不限於某種特定的類型，除非特別強調了這種限定。
根據本發明的一個最佳實施例，圖2是一個單電極CFRAAE50的示意頂視圖，該電極具有轉子元件54和單一定子元件52，所述定子元件包括四個四分之一圓形板56、58、60和62。這種類型的編碼器在此處被分類為「類型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°的相對相移激勵。定子和轉子元件通常都包括一個絕緣襯底(出於簡化未示出)，在其上沉積一種導電圖形。因此轉子和定子之間的電容隨著轉子的運動而變化。
轉子54的圖形被構造為一種偏心圓，例如在由Intertec通訊公司(Ventura，Califomia)的Y.Ohshima和Y.Akiyama所編輯的「伺服傳感器-元件及應用」中所述，這在此處被用作參考文獻。該偏心圓圖形和定子板52的各對頂的四分之一圓形板56-60及58-62之間的差動耦合分別與旋轉角的正弦或餘弦成正比例。
連接到轉子上的一個電荷放大器64的輸出電壓與四個激勵電壓的加權和成正比，而且能被處理得到旋轉角的所需正弦和餘弦。這種方法此後被稱為相位/正交激勵(PQE)。上述美國專利5,598,153描述了一種編碼器，其結構與CFRAAE50的類似，但具有非正弦的輸出。
如圖2所示，所述的類型1編碼器的不足在於轉子54必須被電連接到電子處理設備上。但是，它在轉子所安裝的軸已經與電源相連而且能隨著電子處理設備自由轉動的情況下是有用的。
根據本發明的最佳實施例，圖3A-3E是示意圖，局部地表示了五種其它類型的CFRAAE，標以類型2至6。這些類型容許一個移動元件的位移轉化為一個成正比的電容變化，而沒有電連接到轉子的限制。它們通常可用於不受轉動限制的角編碼器，而且它們中的一些還可以用於線性位移檢測。
圖3A表示一個類型2編碼器70。一個帶圖形的非導電(絕緣)轉子76位於兩個靜止的定子元件72和74之間，它們每個都包括一個非導電的襯底73。元件72覆蓋有導電的發送板78和80，元件74覆蓋有一個導電的接收板82。發送板78和80被電激勵並與接收板82相互發生電容作用。根據其介電常數，轉子76的存在增加了所述板之間的電容。這種類型的編碼器對於轉子傾斜和軸向位置比較不敏感。上述美國專利5,099,386描述了一種這種類型的編碼器。
圖3B表示一個類型3編碼器90，除了轉子76具有一個帶圖形的導電塗層92之外，編碼器90與類型2編碼器70相同，所述塗層接地並作為電屏蔽，其選擇性地改變定子元件72和74之間的測量電容。與類型2相同，這種類型的編碼器對於轉子傾斜和軸向位置比較不敏感。但是在已知的類型3編碼器中，在轉子接地中有困難。例如，如上述美國專利3,668,672中所述，集流環具有摩擦、低可靠性及高成本的缺點。如上述美國專利3,732,553中所述，轉子可以通過一根軸與接地的編碼器殼體接觸而使轉子接地，其中轉子安裝到所述軸上，但是這種方法具有兩個嚴重缺點1.軸承上的潤滑膜的累積可能導致轉子的接地不可靠。
2.殼體上的電噪音被強加給轉子並被耦合到接收器。
圖3C表示一個類型4編碼器94，除了轉子76的兩側分別塗有導電塗層96和98之外，編碼器94與類型3編碼器90相同，所述塗層相互電連接，但也可以是浮動的。如果所述塗層被構以圖形，那麼轉子用作發送板78和80與接收板82之間的一個角相關耦合橋。上面提及的美國專利3,845,377、3,312,892、4,092,579、4,851,835、4,238,781及4,788,546中描述了現有技術中已知的類型4編碼器。
圖3D表示一個類型5編碼器100，其可以被認為是類型4的一種「對摺」形式。在這種類型中，發送板78和80及接收板82被設置在轉子76一側的單個定子102的公共靜止襯底73上。轉子上的導電圖形104由發送板激勵並耦合到接收板。從接收板出來的輸出信號與轉子和定子之間的可變互電容成正比。美國專利3,961,318及4,429,307中敘述了類型5編碼器。
圖3E表示一個類型6編碼器110，其實質上是類型5編碼器100的一種對稱形式。編碼器110包括相互連接的相同定子元件112，轉子76每邊一個定子元件112，所述轉子在其兩側都具有一個導電圖形114。已知的類型6編碼器描述在上述美國專利4,788,546及德國專利申請DE3711062和U.K.專利申請GB2176013中。由於其對稱性，與類型5相比，這種結構對轉子相對旋轉軸的傾斜誤差的敏感性較低。CFRAAE結構及靜電屏蔽根據本發明的一個最佳實施例，圖4是一個電容式全旋轉絕對角編碼器(CFRAAE)140的局部剖視圖。編碼器140包括兩個基本平的定子141和142及一個平的轉子147，它們最好由印刷電路板製成。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，它可以由金屬製成。定子141和142通過一個導電墊圈145隔開，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之外用作一個連接終端。定子142上有一個導電區域，其用作一個靜電場發送器，而且定子141具有一個相應的區域，該區域用作接收器。所述定子通過一個彈性定嚮導體147相互電連接，這種導體在商業上稱為「Zebra」，當殼體139被封閉時，其在所施加的壓力下形成定子間的連接，而不需要焊接。
轉子148最好是圖19所表示的那種形式，其具有一個軸向延伸149，該延伸具有一個中央孔用以通過一個夾緊環151直接安裝到一個主軸150上。這種中空軸連接型式具有簡單和緊湊的優點。一個周邊槽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。一個內導電套筒152(和一個附加外套筒153一起，如圖6所示)用於生成一個迷宮137。所述迷宮聯接到殼體139內部的一個導電塗層154，以提供容納轉子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幹擾和其它可能經由軸150透過殼體的幹擾。如果殼體139由金屬製成，那麼導電塗層154最好通過一個非導電中間層(未示出)與所述殼體隔開。
本發明所提供的高的機械安裝容差確保了編碼器140的這種簡單、中空軸構造，這在下面將要描述，如果編碼器140是一種多級CFRAAE，那麼這尤其重要。作為對比，要在光學編碼器中應用所述中空軸，不僅需要內軸承以保持轉子和定子中間的徑向對準，而且需要將整個編碼器殼體安裝在一個柔性安裝框架上以吸收編碼器的中空軸和主軸之間的機械安裝誤差。這種類型的一種典型光學編碼器是由Gurnee，Illinois的Danaher Controls所生產的HS35 Sealed Hollowshaft型。
由機械安裝誤差的容差而帶來的此種編碼器140的設計另一個優點在於這種類型的單個CFRAAE可以用於一定範圍的軸直徑。這通過將轉子148的中心孔作的儘可能大而且採用一組用於安裝在小直徑軸上的調整器(未示出)來實現。編碼器140還可以採用一個一體軸和軸承，當需要非常高的精確度時用以確保轉子和定子之間的最小安裝誤差。
圖5表示根據本發明的另一個最佳實施例的編碼器160。編碼器160的構造原理和編碼器140的相同，但該編碼器只有一個定子板162。這種改變是有用的，特別是對於類型5編碼器，如圖3D所示。編碼器160殼體139內的一個導電塗層156屏蔽轉子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的另一種電結構中，塗層156可以包括用作發送板的一部分，而不是作為一個接地的連續塗層。在兩種情況中，所述塗層通過一個Zebra連接器連接到板162。
本發明人已經製造了圖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。轉子148通常被設計為包括32個極對。因此得到的解析度為20bits(約一度的1/1000)，而且沒有錯誤模式下的精確度為16 bits(約一度的1/1000)。電能消耗約為20mW。這在下面將要詳細描述。
儘管此處所述的最佳實施例涉及的定子和轉子通常是平的編碼器(因此可以使用影印法製造)，可以理解本發明的原理同樣可以被應用於其它幾何形狀的電容式編碼器。例如，在本發明的另一個實施例中，一個CFRAAE包括一個柱狀轉子和定子，這未在圖中示出。
現有技術中已經知道有保護接收板免受電容耦合的需要，但現有的CFRAAE裝置不能提供足夠有效的保護。現有電容式編碼器的機械構造的例子見本發明背景技術中引用的參考文獻。在所有的這些例子中，由金屬製成的機械殼體還用作靜電屏蔽，其接地到信號地上。但是這種保護的實際效率是有限的，這是由於編碼器工作的機械環境同樣連接到相同的信號地。在編碼器聯接到電機的軸上的典型應用中(特別當它安裝在電機殼體內部時)，編碼器輸出信號將由於地電流的影響而受到幹擾。當使用一種切換電源時，這是一個非常嚴重的問題，如在無電刷的直流或交流矢量控制電機中。
現有技術沒有認識到的另一個問題是通過軸耦合到編碼器中的幹擾。由於所述軸通常由金屬製成而且穿過想像上被保護的編碼器內部空間，所以軸上的任何噪音將被耦合到接收板上。另外，當編碼器和切換模式的電機共用一根軸時，這種情況最嚴重。超過一定的軸速時該問題被加重，這是由於一層潤滑膜建立在軸承球上而且不定期地中斷轉子和殼體之間的電連續性。實際上，轉子和軸變成電浮動的而且成為一個電容橋，該橋將電機繞組的噪音耦合到編碼器的接收板上。
根據本發明的一個最佳實施例，圖6是編碼器140的一個局部示意剖視圖，詳細地示出了靜電保護系統。定子141和142包括印刷電路襯底168和169，其上分別具有一個接收板170和發送板172。轉子148具有一個電學活性圖形，即一種改變發送和接收板之間電容的東西。儘管不必須，但是所述轉子最好包括一個印刷電路襯底，其上具有形成所述圖形的導電部分。所述定子、轉子和其間的氣隙及至少一部分處理電路138，主要是接收器預放大器，由一個靜電屏蔽173保護。該屏蔽包括導電內層154，隔開兩個定子141和142的導電環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到屏蔽內區域的電容耦合，但仍能保證軸和轉子148之間的機械耦合。
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任何電勢。與現有技術中的編碼器不同，所述殼體不具有任何電功能而且出於經濟性考慮可以由塑料製成。電路138上的一個屏蔽166最好包括一個位於殼體內側上的導電塗層，其通常與屏蔽173相接。屏蔽166的接地可以通過與定子141的印刷電路板連接或通過一個柔性片(未示出)實現。或者，屏蔽166可以由板材金屬製成。
由於屏蔽173也封閉發送板172，所以它限制了它們的電場並消除了由外部編碼器140輻射的電勢幹擾。另一方面，儘管板172即不接地又不位於任何固定電勢，所以它們用作封閉件的一部分，用於保護編碼器內的轉子空間。涉及固定在一定電勢而不是地電勢的問題描述在Physics EScientific Instrumentation 19(1986)第897-906頁Heeren所著的題目為「傳感器設計中電容技術的應用」一文中。
為了概括，編碼器140的內部元件通過一個方案與環境雙向隔離，該方案具有幾個特有的優點1.採用一個與機械殼體無關的專用屏蔽173。
2.所述屏蔽提供了全方位的保護，而且還能保證旋轉耦合到其內部的轉子。
3.所述屏蔽包括幾個構成部分，包括用於編碼器的印刷電路襯底168和169上的導電層154。
4.所述屏蔽的一些構成部分，例如發送板不必位於固定的電勢。轉子的虛接地儘管接地轉子(類型3)編碼器具有許多優點，現有技術中的所有這些編碼器需要通過實際接觸將地電勢施加給轉子，這具有許多附帶的缺點，這描述在本發明的背景技術中。
根據本發明的一個最佳實施例，圖7是一個電容式編碼器188的示意分解圖，其中轉子194上的一個導電塗層195有效地虛接地，而實際上沒有被電連接到任何非旋轉元件上。塗層195在轉子194表面形成一種圖形。鑑於本實施例的目的，塗層圖形被固定在一個固定電勢，不必接地或接到任何其它特定的直流電勢，就足夠了。實際上，所述圖形在施加到發送定子191的電激勵頻率下能充分地阻止定子191和196之間的電容式相互作用。儘管編碼器188以一種單電極編碼器形式示出，但可以採用任何數量的電極。
發送定子191包括四個發送板192，分別標以A、B、C和D。如上所述，這些板被各自的激勵電壓激勵並與接收定子196上的一個環形板197及轉子194上的導電圖形195電容式地相互作用。只要圖形195接地或者固定於一個固定的電勢，它就選擇性地阻止四個發送板的交流激勵與所述圖形所擋住的區域中的接收板196相互作用。
圖形195通過一個放大器182固定於固定的電勢，放大器接在定子196上的一個輔助環形板198和定子191上的一個輔助發送板190之間。到圖形195為電浮動的程度，根據其瞬時位置它需要一個源自發送板的交流電勢。此交流電勢與板198相互作用以產生一個電壓，該電壓由放大器182放大並反向。最終電壓VO2被施加給板190以便藉助通過導電圖形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隻朝向轉子圖形195，而不看到發送板192和190。放大器182工作的結果是板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固定的電勢並用作一個保護屏，該屏選擇地阻止從發送板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電荷。信號調節根據本發明的一個最佳實施例，圖8是一個信號調節電路200的示意電路圖。電路200適合於和一個單速CFRAAE，即只給出一對輸出信號的一個編碼器一起使用，這與下面所述的多速實施例相對，其具有兩對(粗略及精細)輸出端。電路200示例了一個和編碼器的相位/正交激勵(PQE)一起使用的同步檢測法。
電路200最好與具有四個四分之一圓形板的發送定子，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，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信道。該放大器輸出被導向兩個相同的信道以提供相應的正弦和餘弦輸出。
各信道包括一個同步檢測器211或212及一個低通過濾器213或214。同步檢測器211由電源202的一個同相參考信號器饋以信號，而且其輸出由低通過濾器213過濾以提供正弦信號。同步檢測器212由電源203的一個90°相位差參考信號器饋以信號，而且其輸出由低通過濾器214過濾以提供餘弦信號。這些正弦和餘弦信號最好被一個微處理器或一個數位訊號處理器(圖中未示出)數位化處理，這和現有技術中相同。處理過程通常包括一個用以得到旋轉角正切的除法操作，然後該角本身通過代數計算或通過一個檢索表而得到。
除簡單之外，不考慮電子元件的容差，這種信號處理系統的一個優點是所有四個信道的增益幾乎相同。而且，輸出值的直流偏差低，為了使計算輸出角的誤差最小這是至關重要的。
具有同步正弦和餘弦檢測的電路200的PQE方法在現有的電容式編碼器中是未知的。儘管上面引證的德國專利申請DE3711062也使用具有一個公共電荷放大器的PQE，但接下來對電荷放大器的輸出進行採樣，而不是象本發明一樣同步地解調。同步檢測器211和213在功能上與模擬放大器相同，由放大器210的輸入電壓及相應的參考矩形波饋以信號。低通濾波器213和214在預定的波寬範圍上對輸出信號取平均。整個過程與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，現有技術的電容式編碼器中正弦和餘弦輸出的信號/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為採樣的縫隙時間(aperture time)，其總是比T短得多。同步檢測比時間採樣提供一個好得多的信號/噪音比，這是由於其輸出實際上是整個周期T上許多採樣的平均值。
根據本發明的一個最佳實施例，圖9是一個示意電路圖，表示電路200的執行過程。U1用作輸入電荷放大器210，其給U2饋以信號，其是一個具有-R3/R2收益的電壓反向器，其中實際上R2＝R3。U1可以包括任何適當類型的獨立或一體FET-輸入操作放大器。U2是一個通用操作放大器。U3是一個低電荷-輸入模擬轉換開關，例如由California，Sunnyvale的Maxim Integrated Products製造的MAX393。U3選擇U1或U2的輸出，這分別由電源202和203的矩形波脈衝Sync1或Sync2控制。產生的兩個輸出為低通過濾的，最好由相應的三階Sallen-and-Key活性過濾器過濾，這和現有技術中相同，每個包括三個電阻、三個電容及一個電壓從動器。不考慮從動元件的容差，這種過濾器在低頻時具有一致的增益。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。和現有技術中相同，提供所需穩定均勻增益的低通過濾器的另一種類型是Zero-DE-Offset Switched-Capacitor。
因此正弦和餘弦處理信道的增益幾乎相同，這是由於它們共用U1和U2而且對於U3中的切換電阻非常敏感。總的來說，這兩個信道共用除低通過濾器213和214之外的相同的電子元件，但是它們具有統一的增益。實際的信號增益可以變化，主要是由於與放大器210相關聯的電容C1中的變化。但是由於測量角基於兩個輸出的比值計算，所以兩個信道中的增益變化相同，而且不需要精確或穩定的元件。這種信號處理方法的性能非常好。例如，32極對型的輸出信號的12bit模擬/數字轉換在10kHz的波寬範圍上可以提供19bits的角解析度。
由於電路200的簡化，特別是與現有技術中的電容式位置編碼電路相比，當它用於接收定子時，它可以將獨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。在該實施例中，所述電路板最好是一個四層電路板，除了屏蔽層154和接收板170之外還有兩個信號層。在布置這些層時，應該注意使激勵和信號導體之間的距離最大。
根據本發明的一個最佳實施例，圖10是一個示意分解圖，表示一個電容旋轉角編碼器230及與其相關的信號處理電路，其中所述編碼器和電路被設計成模擬一個傳統的線圈繞組解析器。編碼器230用作一個單極對解析器的替代物，即為了模擬所述解析器的輸入和輸出行為，同時具有小的多的尺寸及降低的生產成本。由於該解析器是一種被動元件-實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處理電路的主動元件，編碼器230包括一個整流電路245，其將交流輸入電壓轉換為供給電路的正、負直流電壓。
編碼器230從一個電壓源244接收電能，所述電壓源包括一個輸入交流承載電壓，在7.5kHz時通常為7V RMS，這通常用於現有技術中的解析器。該電壓被加到整流電路245上，其給電路元件提供正、負直流電壓+Vcc和-Vcc。電壓源244最好包括一個雙電壓倍增器，儘管也可以使用其它合適的交流/直流轉換電路。如上所述，參照圖7，轉子174最好是實際接地。或者，轉子174可以電浮動，這和類型2或類型4編碼器中相同。如果使用一種類型4 CFRAAE，那麼轉子圖形最好被分段以減少對轉子傾斜的敏感度，這在下面將要描述。
編碼器本身包括一個發送定子240、一個接收定子248和轉子174。發送定子240包括一個發送板241以及實際接地的輔助板170。接收定子248具有四個用於接收的四分之一圓形板247，分別標以A、B、C和D，並包括實際接地的輔助板178，通過實際接地的環路放大器182耦合到板170。這四個用於接收的四分之一圓形板分別連接到四個電荷放大器250、251、252和253上，它們產生相應的交流輸出電壓Va，Vb，Vc和Vd。通過不同放大器254和255分別產生的電壓Va-Vc和Vb-Vd的大小與旋轉角的正弦和餘弦成正比，這和感應解析器中相同。
本發明人發現當編碼器230超過一定的速度旋轉時會遇到一個問題，其表現為加到輸出信號上的不規則噪音。噪音的主頻譜成分位於旋轉頻率處，通常為50到100Hz。這種問題源自由空氣摩擦所引起的轉子174上累積的靜電荷。由於轉子沒有電接地，所以這種電荷不能消除。由於該電荷在轉子表面上任意擴散，所以它們在接收板247上引起不均衡電壓，這表現為輸出噪音。該問題的解決辦法是增加兩個帶通過濾器(未示出)，集中在激勵頻率上，與放大器254和255串聯。由於激勵頻率比旋轉頻率高得多，所以不需要高選擇性，而且帶通過濾器可以是簡單的Wien-橋網絡。另外，由於編碼器230具有四個獨立的信號通道，這與上面所述的PQE系統不同，而且不能保證所述信道的增益匹配，在生產中需要增益平衡，通常通過電阻校正。多速編碼器單極對CRAAFEs在其精確度上受到限制，尤其是類型5中的那些對轉子相對定子的傾斜非常敏感。原則上，多極對編碼器更精確而且對機械誤差不很敏感，這是由於它們的輸出信號在多極範圍上取平均。但是，它們不能提供一個絕對的位置讀數，除非與下面將要詳細解釋的單極對編碼器組合。
儘管出於簡化，圖7至10所示的編碼器是單極對型式的，其中所用的原理同樣可以應用到多極和多速編碼器中。在本專利申請的內容中，一個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。單極電容用作一個粗略信道，其輸出信號每次分辨只重複一次，而精細信道每次分辨重複數次。通過結合粗略和精確讀數，可以得到具有高精確度和解析度的一個非模糊轉子位置。
根據本發明的一個最佳實施例，圖11A和11B分別是類型5多速電容式角編碼器轉子260上多極導電圖形及定子270上發送板的頂視圖。為了簡化說明，定子和轉子上的粗略信道板和耦合板未在圖中示出。具有單個定子270的這種編碼器等效於一個8極解析器。轉子260包括8個正弦循環。定子270包括32個發送板272。每四個板連接到一個公共激勵電壓線V1到V4上。這四個激勵電壓相互間的相位差為90°。
類型5多速CFRAAE在現有技術中沒有，其兩個信道採用一個單定子和一個單轉子，也許過去是由於這兩個信道之間的相互幹擾使得它們不能實行。在Arnold和Heddergott的文章中這種結構顯然不再考慮了。
根據本發明的一個最佳實施例，圖11C是轉子262上另一種導電圖形的頂視圖，其為轉子260的相反型式。除了編碼器的信號極性相反之外，轉子262與轉子260相同。
根據本發明的一個最佳實施例，圖12A和12B分別是類型5(單定子)兩速編碼器的定子300和轉子310上導電板的頂視圖。定子300包括精細發送板313、粗略發送板314和一個接收板312。轉子310包括精細圖形板317、粗略圖形板315和一個與接收板312對置的耦合板316。所有這些轉子板都相互連接。板315和316之間的分隔是不必需的而且僅是為了說明而示出的。注意轉子310上的粗略和精細圖形是光滑變化的，沒有尖的邊界點，與現有技術中的多速轉子不同。因此，當定子300發出的信號如下所述被電路處理時，編碼器將給出光滑、純的正弦輸出，基本沒有會降低角測量精確度的扭曲。
根據本發明的一個最佳實施例，圖12C是轉子320上導電板的頂視圖。轉子320的功能與轉子310類似而且可以代替轉子310。其不同之處在於它具有一個精細圖形板318，該板為上述板317的「相反」型式。
根據本發明的一個最佳實施例，圖13是與一個兩速編碼器一起使用的信號調節電路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，但具有獨立的粗略處理信道328和精細處理信道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，通常為10kHz的矩形波。精細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。這種電子裝置包括一個電荷放大器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信道服務。放大器輸出被導入粗略和精細處理信道，包括同步檢測器349至352及低通過濾器354至357。同步檢測器349和351分別由同相參考信號332和340饋以信號，而且由低通過濾器354和356過濾以提供粗略和精細正弦信號。同步檢測器350和352分別由90度相位差參考信號333和341饋以信號，而且由低通過濾器355和357過濾以提供粗略和精細正弦信號。如上所述，這些模擬信號然後最好被一個微型電子計算機數位化並處理。
根據本發明的另一個最佳實施例，圖14是一個三速、類型5CFRAAE的轉子380上導電板的頂視圖。轉子310包括一個精細信道382、一個中間信道384及一個粗略信道386和一個耦合板388。它可以與一個經過適當改動的定子及信號調節電路一起使用，具有三個處理信道而不是兩個。圖14的構造是有益的，例如在精細信道中具有多次循環的大直徑編碼器中。在這種情況中，粗略信道可以不必精確到正確地識別正確的精細循環。增加中間信道384可以解決由中間信道及精細信道中的第一次識別正確循環所帶來的問題，其中中間信道具有一些介於粗略和精細信道之間的循環。
根據本發明的一個最佳實施例，圖15是一個示意圖，表示一個與兩速旋轉編碼器，例如圖12A-B所示的編碼器一起使用的一個兩態切換信號調節電路420。電路420相對於圖13所示的多信道電路具有更簡單及更低元件成本的優點。
可變電容429至432代表編碼器的精細信道互電容，可變電容433至436代表編碼器的粗略信道互電容。開關425至428由一個公共邏輯信號(未示出)控制以給精細信道電容或粗略信道電容施加激勵電壓421至424或地電勢，以便產生交替的精細或粗略角讀數。參照前述實施例所述，一個電荷放大器447提供一個輸出電壓，該電壓由一個同步檢測器448和449及低通過濾器450和451處理以給已切換到的信道(精細或粗略)提供正弦和餘弦輸出。
粗略處理信道最好用於識別編碼器的絕對位置。該粗略信號通常僅用於系統初始化。系統一打開，一個邏輯指令通過開關425至428將激勵波形引入粗略信道發送板(電容433至436)。產生的粗略信道位置結果用於識別轉子位於哪個特定的精細循環。從那開始，激勵電壓被引入精細信道發送板(電容429至432)，而且精細信道信號被處理以提供一個絕對並精確的轉子位置。
根據本發明的一個最佳實施例，圖16A和16B分別是定子460和轉子470上導電板的頂視圖，組成一個兩速類型5 CFRAAE。在該實施例中，轉子和定子之間的一個多極可變電容即用於產生粗略又用於產生精細角測量值。實際優點是對於一個給定外直徑的編碼器，可以製造一個較大的中心孔，其容納一個較大範圍的軸直徑。
定子460包括精細發送板467及四分之一圓形接受板463至466。所述精細板與轉子470上的一個精細圖形板468相互作用。轉子上的一個偏心耦合板461將所述相互作用耦合到接收板上。由於板461的偏心，耦合電容不是旋轉獨立的，除非所有四個四分之一圓形板電容被加在一起。當它們被加在一起時，得到一個精確的信道讀數。在這種情況中，如果精細信道輸出信號被表示為A＝Rsin(nθ)和B＝Rcos(nθ)，那麼它們的矢量和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採用，那麼矢量和R被調製並因此被用於得到粗略信道讀數。
根據本發明的一個最佳實施例，圖17是一個示意方框圖，表示與圖16A和16B所示編碼器一起使用的一個信號處理電路480。在初始化階段，最好是在軸靜止時，四對直流電壓A1、A2、A3和A4及B1、B2、B3和B4從電路480的相應正弦和餘弦信道的輸出得到。這通過依次關閉開關490、491、492和493，並調製在過濾器509和510輸出端出現的輸出直流電壓而實現。各直流電壓是精細電容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中相應的四分之一圓形板463、464、465和466分別對應)，及電荷放大器506、同步解調器507和508及低通過濾器509和510的固定增益的結果。然後計算各對電壓的相應矢量和以提供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。R1-R3和R2-R4的對頂角對差與粗略軸角的所需正弦和餘弦成正比。
該初始化過程之後，關閉四個開關490至493，因此所述編碼器被切換到精細模式。在該模式中，由於精細定子板與精細轉子板的相互作用，電壓源494至497和可變電容482至485被用於確定精確的軸角。
根據本發明的一個最佳實施例，圖18A、18B和18C分別是一個發送定子520、一個轉子525及一個接收定子527的頂視圖，它們一起組成一個類型4編碼器。該編碼器是一種第二構形的示例，用以從一個多極互電容得到一個單極信號。
定子520包括一個多極發送組，包括多級發送板529，這和圖11B中所示的轉子270中的相同。但是，在這種情況中，板529被分成四個四分之一圓形板組521到524，每個可以被單獨激勵。定子527包括一個環形接收板528。轉子525在其兩側具有一個多極導電圖形526，而且這兩個導電圖形是電連接的。
從接收定子527接收到的信號由一個基本與圖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。只要轉子525上的板526具有一種理想的多極圖形，那麼從低通過濾器輸出的輸出正弦和餘弦信號將代表精細信道，而不管是否激勵一個或多個四分之一接收板。但是，如果轉子圖形偏離理想，例如由於相對旋轉軸線傾斜或關於軸傾斜或在其厚度中每循環一次變化而引起的，那麼如果不是所有的四分之一圓形板被激勵，輸出信號將包括一個每循環一次的幅度調製。這種偏心或其它的偏差易被引入。因此，如果每個四分之一圓形板被依次激勵而且大小R1-R3和R2-R4被產生，那麼就得到粗略軸角的正弦和餘弦。當所有的四分之一圓形板被激勵時，可以精確得到精細信道的正弦和餘弦。
也可以有其它的等效系統，它們都具有一個多極轉子和一個定子，該轉子具有某種類型的每轉重複一次的對稱偏差，所述定子可以在兩種結構之間切換一種是對稱的，一種具有打破對稱的特點。例如，如果使用具有一個理想多極圖形的轉子，其中丟掉了一組一次或多次循環，那麼當定子處於對稱(成組的四分之一圓形板)模式時，信號將不受影響。
在本發明的另一個最佳實施例中，具有每循環一次的對稱缺陷的多極轉子被聯接到一個具有相同種類對稱缺陷的定子上。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。轉子和定子缺陷的相互作用導致信號大小R的一種循環調製。在初始化階段，當轉子旋轉時，R被監控以便確定它達到其最大或最小值時的位置。該位置被定義為轉子的標定位置。之後，在正常操作期間，精細信號中的循環誤差，其與上述循環調製相關聯，最好被校正以便提供一個精確、絕對的讀數。這種實施例具有轉子中心孔可以被作得較大的優點，這是由於僅需要精細圖形，而沒有一個耦合或粗略圖形板。分段及三維轉子根據本發明的一個最佳實施例，圖19是轉子520的一個示意圖解視圖，該轉子具有一個三維導電圖形。在該實施例中，所述轉子被沿導電圖形切開，形成若干源自一個實心中央部分526的徑向延伸522並具有延伸之間的中間開口槽524。這種轉子設計對於必須在一種潮溼環境中工作的編碼器尤其有利。如果轉子表面是平的，這基本和現有技術中相同，那麼溼氣可能形成一層膜，該膜會干擾所述導電圖形，因此編碼器不能發揮正常功能。當使用轉子520時，不考慮是否有水膜出現，性能相同。實際上，信號水平增加，這是由於有圖形的及開口區域之間單位面積的電容差比其它得大。儘管開口槽524僅適用於精細信道，但該信道對於編碼器的性能不是最關鍵的。根據本發明的一個實施例，粗略信道圖形通過使襯底更薄而被部分地製成凹的以便減少溼氣影響，這通過使凹處圖形中每單位面積的電容比潮溼的、非凹處區域中的電容小而得以實現。
上述歐洲專利申請0226716描述了一種具有三維轉子圖形的類型4電容式編碼器，其旨在提高編碼器中靜電場分布的精確度。這種應用不涉及潮溼影響，而且此處所述的圖形的凹處被封閉。鑑於此，轉子520比現有技術中的三維轉子更優越，特別是在接地轉子(類型3)實施例中，其中接地水膜將用作一個連續屏蔽，不管轉子圖形是否被局部作成凹形。轉子520的這種設計在類型4編碼器中也是有用的。
轉子520以及上述其它樣式的轉子的襯底可以由任何合適的非導電材料製成，如果適用，其被塗以一個導電圖形，例如包銅玻璃環氧樹脂或真空噴塗金屬玻璃板。轉子板和中央部分526最好組成一個單獨部件，其由加強塑料模製，例如填充有玻璃的聚碳酸酯。該實施例中用於在轉子上選擇性地施加導電塗層的一種優選方法是一種已知的熱衝壓方法，其中一個薄金屬膜被選擇性地從一個連續滾子轉移到襯底上並通過一個有圖形的熱板壓力而塗在其上。在一個最佳實施例中，所述圖形首先浮雕地形成在注塑成形的襯底上，然後用一個平的無圖形熱板進行塗覆。這種模製轉子的一個優點是它保證所述圖形相對旋轉軸的精確及穩定對準。
在本發明的另一個最佳實施例中(未在圖中示出)，轉子的外邊緣稍高於圖形部分。升高部分用作一個隔片，其防止圖形部分和面對的定子板之間的接觸，以便在編碼器的最後裝配中在定子和轉子中間建立適當隔離之前避免對塗層的損壞。升高圖形的另一個優點在高溼度條件下更顯然，其中水膜可以形成在轉子上，如上所述。
另一種方法是使轉子的導電區域由填碳或其它導電聚合物的材料製成，其與用於轉子其它部件的一種非導電聚合物一起注塑。
任何旋轉傳感器中所需的一種重要特徵是對於轉子而不是旋轉的機械位移不敏感，例如由相對旋轉軸線或軸向安裝誤差的偏心或傾斜而引起的位移。根據本發明最佳實施例的所有CFRAAE對於軸向安裝誤差很不敏感，這是由於這種誤差最多將影響正弦和餘弦信道的公共增益，而不是決定計算角的它們的比值。多極電容式編碼器中的信號是許多極的共同作用。結果，不象光學編碼器，這種編碼器對轉子相對導致的傾斜和軸向安裝誤差具有相當的自我補償和容限。
但是，單極CFRAAE本身對轉子偏心誤差是敏感的。其對傾斜誤差的敏感度取決於其類型，類型2和3是不太敏感的。由於類型4CFRAAE具有簡單的優點，所以它對於改善其對轉子傾斜的敏感性特別需要。
圖20是一個類型4 CFRAAE 538的示意剖面圖，這和現有技術中相同，表示轉子傾斜的作用。編碼器538包括具有發送導電圖形塗層541和545的第一定子540；具有一個接收導電塗層543的第二定子542；及一個轉子544，其稍微傾斜並與導電塗層547和548電連接。定子540和轉子544之間編碼器右側的較窄氣隙增加了相對於圖形545的發送圖形541對定子542所接收的全部信號的作用。這種作用上的差別影響了兩個信道之間的增益比值，導致輸出誤差。儘管轉子544和接收塗層543之間的電容也通過傾斜校正，但這種效果對於所述作用是共同的而且不影響它們的增益比值。
根據本發明的一個最佳實施例，圖21是一個類型4 CFRAAE 560的示意剖面圖。轉子561兩側上的導電圖形被分成多個單元562-570，它們彼此電絕緣。各單元的兩個表面及各自的塗層547和548相互電連接。在這種情況中，忽略邊緣場效應，塗層545和轉子元件562之間及轉子單元和塗層543之間的相應電容C1及C2的串聯連接基本與轉子單元562的位置無關。與單元570相關聯的電容C3和C4的串聯連接及與其它轉子單元相關聯的電容同樣與位置無關。因此，所述圖形的總電容與傾斜大大無關。
根據本發明的一個最佳實施例，圖22是轉子561的一個示意頂視圖。該圖表示塗層547被分成若干段572，其與圖21中所示的在一個單極對結構中所示的段562-570的劃分方式相同。美國專利4,851,835描述了類型4 CFRAAE的轉子上多極圖形的一種劃分結構。但是編碼器對轉子傾斜的不敏感性的改進在這種情況中較不重要，這是由於多極轉子由於獨立極的自我補償而對傾斜一直不敏感的緣故，如上所述。與現有技術中的編碼器不同，本發明單極對轉子561有更高的傾斜不敏感性。
根據本發明的一個最佳實施例，圖23是一個混合式轉子580的示意頂視圖，其在一個裝置中組合了兩種CFRAAE類型。轉子580包括一個絕緣襯底，其被模製從而具有三維多極精細信道圖形582。因此，該圖形是屬於類型2的。如上所述，一個導電圖形584，最好是分段的，形成在轉子襯底上以用作粗略信道。因此粗略圖形用作一個類型4CFRAAE。也可以有其它不同類型的組合。電容式線性位移編碼器此上所述的與旋轉角測量相關的基本原理也可用於電容式線性位移編碼器(CLDE)。這種編碼器包括一個固定元件，一個標尺，其跨越被稱為運動的全範圍，以及一個運動元件，該元件通常作的儘可能短並測量頭。儘管所述標尺可以被屏蔽，例如如下所述被一個導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，儘管這不是必要的。與多極對CFRAAE不同，由於其傾斜誤差的自身補償，CLDE缺少圓形對稱性並對標尺和頭部之間的相對傾斜固有的不敏感性。本發明的最佳實施例的設計可以克服該缺點。
根據本發明的一個最佳實施例，圖24和25是具有一個雙板測量頭602的CLDE 600的示意圖。圖24是一個側視圖，表示編碼器的基本結構，其可以被當作類型2、3或4編碼器。圖25是沿圖24 XXV-XXV線的一個示意剖視圖，表示類型2裝置。
CLDE 600包括一個標尺604及一個頭部602。如圖25中所示，所述頭部包括一個接收板606和一個發送板608。在類型2裝置中，標尺604由一種絕緣材料製成並包括一個重複的三維邊緣，形狀最好是正弦，而不是一個直邊。在類型3或類型4 CLDE中，如下所述，圖形用一個標尺上的導電塗層印刷。標尺圖形可以是三維的，與圖19所示的三維轉子圖形類似，儘管在這種情況中出於安裝目的必須沿其中心線而不是如圖24和25中所示的在底部處固定標尺。最好通過一個接地外罩610保護頭部602免受電幹擾。
根據本發明的一個最佳實施例，圖26A是類型1 CLDE的測量頭部604的示意側視圖。類型1 CLDE包括位於標尺上的發送板和一個位於頭部604上的接收板，其具有一個對稱的雙正弦圖形612。雙正弦圖形關於兩個軸對稱。因此，由相對於平行於運動方向的縱向軸線的頭部傾斜以及圍繞垂直於頭部和標尺之間氣隙的軸線的旋轉所引起的誤差基本可以自己補償。因此相對於現有技術的CLDE裝置，圖形612的使用減小了編碼器600的頭部傾斜敏感性。由繞垂直於運動方向的軸線的傾斜所引起的誤差與圖形中的循環數量成正比地減至最小。
根據本發明的另一個優選類型1實施例，圖26B是一個測量頭部620的示意側視圖。在這種情況中，一個對稱的、雙正弦接收圖形622通過其側面的導電接地層621和623而免受外部幹擾。
根據本發明的一個最佳實施例，圖27是一個類型1 CLDE標尺602的示意側視圖，該標尺具有一個發送板608。標尺602最好與頭部604或620一起使用。發送板包括一個多條624圖形，這些條被四相交流電壓激勵，最好是矩形波，如上所述參照CFRAAE實施例。最好採用PQE激勵以及圖8中所示的單信道檢測和解調系統，以便減低CLDE 600對元件容差的敏感性並在正弦和餘弦信道中提供基本相等的增益。
根據本發明的另一個最佳實施例，圖28是用在類型4 CLDE中的一個標尺630上雙正弦圖形632的示意側視圖。儘管接地屏蔽610(圖25)基本足以防止電幹擾進入類型2和3 CLDEs中的測量頭部602，在類型4 CLDE中，標尺上的一個連續導電圖形可以拾取幹擾並將它耦合到接收器606。如圖28中所示，這種對幹擾的敏感性通過具有傾斜間隙634的分段圖形632而大大降低了。因此在任何時候都有效的圖形的分段被屏蔽在頭部602內部並與屏蔽610外部的未保護分段絕緣。由於各段間的間隙634傾斜，所以未損害作為頭部行程函數的測量電容的正弦相關性。和現有技術中相同，垂直間隙將給圖形引起的電容的正弦變化帶來不連續性。因此，與現有技術的CLDE裝置相比，圖形632的使用增加了可得到的插值深度，並因此提高了編碼器的精確度。
根據本發明的一個最佳實施例，圖29是另一個CLDE 640的示意剖面圖。CLDE 640的結構與CLDE 600(圖24和25)的相反，其包括一個靜止標尺644，該標尺具有一個接收板646和一個與其中的縱向槽鄰接的發送板648。一個移動頭部642位於槽內部。當移動頭部不能被電接近或由於某種原因必須是電被動的時，這種相反構造是有用的。
根據本發明的另一個最佳實施例，圖30是一個被屏蔽的相反的CLDE 650的示意剖面圖。標尺654具有一個具有迷宮形狀的縱向槽並包括一個接地屏蔽656以保護板646和648及頭部652。CLDE 650原理與CLDE 640相同，但更抗外部幹擾。
最好是，標尺644和頭部642(圖29)都包括印刷電路，它們以使用傳統FR-4襯底材料的多層印刷電路技術為基礎。通常，標尺印刷電路板的前層包括接收板648，而內層包括激勵線路和一個屏蔽接地平面。相同的技術可以被用在此處所述的其它最佳實施例中。在本發明的類型1和類型5實施例中，其中標尺包括一個單發送(或接收)板，而且遠離頭部的標尺的後側是自由的，該標尺可以由一種薄的多層襯底製成，然後其可以被粘結到使用編碼器的機器上。如果這種柔性標尺被粘結到一個圓柱狀表面，那麼它可以確保進行角測量。另一種可能是依次對接幾個標尺元件，如圖28中所示的類型。由於對接可得到的精確度不能與CLDE的精確度相比，所以最好使用一個標定過程以存儲元件的位置誤差。
在本發明的一個最佳實施例的典型應用中，標尺由一種0.3mm厚、12mm寬、500mm長的FR-4條狀物製成。頭部圖形的循環長度是2mm，而測量的解析度是0.1μm。
根據本發明的一個最佳實施例，圖31A是類型5 CLDE 660的一個示意剖面圖。該CLDE包括一個標尺662和一個移動頭部664，其具有發送板668和670及一個位於其內表面上的接收板674。標尺662的內表面最好具有一個分段的圖形，例如圖28中所示的圖形632。儘管該圖形被分段以使幹擾最小，如上所述，但頭部的接收板未被一個相對的板保護，和CLDE 600(圖25)中相同。因此，標尺662的後側塗有一個接地塗層666，以便保護所述分段的單元免受外部幹擾，它們與接收板674相對。出於相同的目的，頭部664在其外表面具有一個接地塗層676。
根據本發明的一個最佳實施例，圖31B是另一種類型5 CLDE 680的示意剖面圖，其與CLDE 660的原理相同。在CLDE 680中，接地保護由移動頭部682的一個延伸件684提供。因此標尺662包括一個接地連接是不必須的。
圖32是頭部664的一個示意側視圖，表示其上的發送板668和670及接收板674的布置。發送板最好包括若干條狀物，如圖27所示，它們設置在接收板674任一側的上下行，接收板674電容式地耦合到標尺圖形632的中央部分(圖28)。所述頭部和圖形的對稱結構有助於使CLDE對頭部傾斜和旋轉的敏感性最小。用於CLDE的優選信號調節系統是一種圖8所示類型的PQE系統。
圖32的CLDE中所用的原理也可以用在類型6結構(圖中未示出)中。在這種情況中，頭部包括具有發送和接收板的兩個電路襯底，在標尺的任一側上有一個這樣的襯底，其中這兩種圖形相互電連接。這種設置具有提高抗幹擾性、增加信號增益及減少對頭部傾斜敏感性的優點。
根據本發明的一個最佳實施例，圖33A和33B分別是類型1絕對CLDE的標尺700和頭部714的示意側視圖。這種情況中的CLDE的結構與CLDE 600的類似(圖31A)，而且在操作上類似於可切換、兩速CFRAAEs。因此它可以在一個粗略模式和一個精細模式之間切換，前一模式提供頭部714相對標尺700的絕對位置，後一模式在操作上等效於增量的CLDE 660。只要粗略模式中的讀數誤差比一個精細信道循環的長度小，粗略和精細讀數就可以被結合以提供一個絕對位置讀數，該讀數具有僅由精細信道限制的精確度和解析度。
如圖33A所示，標尺700上的一個發送器圖形702基本上與圖27中所示的相同，除了圖形的各條708由一個對角分隔線分開以形成兩個三角組704和706之外。各組704和706中的條708被單獨饋以四個PQE線並能被切換以便用作獨立的、垂直條或用作公共的、三角發送器。頭部714具有一個圖形716，其最好與圖26B中所示的圖形622相同。
對於精細模式操作，其具有遞增的位置結果，各條708的兩部分的相應PQE線相互連接，而且實現了增量的CLDE操作。頭部714的圖形716的上下區域718和720與中央正弦部分722不相連，而是接地，如上參照圖26B所示。
在粗略模式中，為了得到絕對位置讀數，兩組704和706中各組中的所有局部條相互連接。測量頭的上下區域不與地相連而是連接到部分722，因此形成一個四邊形的板。如果測量頭714和三角形組704之間的電容是C1，而且與組706相對應的電容是C2，那麼差C1-C2與頭部相對標尺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量輸出中的任何波動最小，測量頭的導向和從動邊724及726最好被歪斜，因此所述板呈現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別的精細循環的最大數量。因此，對於精細圖形的一個給定循環長度，粗略信道精確度決定了總的測量長度。相同地，對於給定的測量長度，粗略信道精確度決定了最小精細循環長度，並因此決定了可得到的解析度。為了使粗略信道的精確度最大，兩個主要的誤差源最好被最小化1.標尺700和頭部714之間氣隙的容差，其即影響C1又影響C2。由於氣隙相同地影響C1和C2，所以此誤差可以通過由C1+C2的和值校正C1-C2的差值而消除。
2.頭部714相對平行於運動方向的軸線的傾斜，其影響C1和C2之間的平衡。該誤差不能通過計算克服。
根據本發明的一個最佳實施例，圖34是標尺730上另一種發送器圖形732的示意側視圖，其能夠克服上述傾斜敏感性的問題。粗略模式中採用三個三角形734、736和738，而不是兩個，形成一種與傾斜軸線對稱的結構。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，那麼C1和C2中的變化至少對於第一階是自我補償的。
從一種增量編碼器中得到絕對讀數的另一種方法是在已知的位置產生一個標定脈衝，其被定義為機械0-在線性編碼器中通常為標尺的一端。系統一打開，頭部被移動超過標定位置，而且從這之後確定絕對位置。該技術可以被用在角度及線性電容式編碼器中。
根據本發明的一個最佳實施例，圖35是類型1線性編碼器750的示意側視圖，表示標定原理。如上所述，包括多個發送條756的一個標尺754具有附加的標定發送板751和752，通常位於其一端。一個測量頭753包括一個矩形接收板。頭部753最好具有一個轉換圖形，例如測量頭714上的圖形716(圖33B)，因此它能用作用於精細測量和標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函數的差C1-C2，圖36B表示和C1+C2。差信道中零輸出信號與和信道中預設極限之上的輸出信號的重合表示標定位置。
用於編碼器750的信號調節最好基於圖13所示電路330的一個簡化型式。在這種情況中，與位置信道相關的條756用一個頻率下的四相電壓340至343激勵，以在低通過濾器356和357的輸出端提供正弦和餘弦信號。標定信道的板751和752由電壓源332和333激勵以在低通過濾器354和355的輸出端提供信號，其與標定電容C1和C2成正比。
除了此處參照CLDE所描述的特徵之外，可以理解參照CFRAAE裝置所述的其它特點可以被改進以與CLDE一起使用，反之亦然。更通常地，儘管在此處所述的實施例中，電容式移動編碼器的各個方面以特定的組合和結構被描述，但在其它裝置中基於本發明的原理，類似的元件和特徵可以被進行不同的改動和分組，鑑於此，參照此處所述的六種編碼器型式中一種所描述的創造性特徵通常可也以應用於其它型式。所有這些組合或分組、改進及構造被認為是在本發明的範圍中。
上面所述的最佳實施例僅作為示例，本發明的全部範圍由權利要求限定。
權利要求
1.一種用於檢測運動物體相對於固定物體的位置的電容式運動編碼器，其包括至少一個固定元件，該元件連接至所述固定物體；一個運動元件，該元件連接至移動物體且接近所述固定元件；一個場發射器，其產生一個靜電場，該靜電場通過響應於固定元件和運動元件之間的相對運動的所述元件之間的電容變化而被調製；一個導電屏蔽，其與運動物體和固定物體電分離，且封閉了運動元件和固定元件以便保護這些元件不受外界的電幹擾；及處理電路，其檢測被調製的靜電場並響應於此而確定運動物體位置的測量值。
2.根據權利要求1所述的編碼器，其特徵在於運動元件包括一個轉子，移動物體包括一根轉動軸，其中，所述的至少一個固定元件包括至少一個定子，使處理電路能夠確定軸的旋轉位置的測量值。
3.根據權利要求2所述的編碼器，其特徵在於導電屏蔽使至少一部分處理電路與轉子和所述的至少一個定子封閉在一起。
4.根據權利要3所述的編碼器，其特徵在於所述的至少一個定子和轉子包括印刷電路板，所述的至少一部分處理電路安裝在至少一塊印刷電路板上。
5.根據權利要求2所述的編碼器，其特徵在於轉子包括一塊大致平面板和一個大致非平面環狀插孔，用於將轉子連接至所述軸上，其中所述屏蔽伸入轉子與插孔相鄰的平面內，以防止從軸傳至轉子的電幹擾。
6.根據權利要求2所述的編碼器，其特徵在於編碼器的結構能夠使轉子相對於定子旋轉至少360°。
7.根據前面權利要求中任一項所述的編碼器，其包括一環繞運動元件和固定元件的機械殼體，所述殼體與所述屏蔽電隔離。
8.根據權利要求7所述的編碼器，其特徵在於所述的至少一個固定元件包括兩個大致平行、相互分離的固定元件，一個包括場發射器，另一個包括場接收器，通過使這些元件壓靠在它們之間的撓性導電元件，這些元件在所述殼體中彼此電耦合。
9.根據權利要求1-6中任意一條所述的編碼器，其特徵在於所述固定元件包括一塊印刷電路板，該印刷電路板包括一個凸出通過所述屏蔽的延伸部分，該延伸部分與編碼器形成電連接。
10.根據權利要求1-6中任意一條所述的編碼器，其特徵在於場發射器被固定至固定元件上且被聯接，從而形成導電屏蔽的一部分。
11.根據權利要求1-6中任意一條所述的編碼器，其特徵在於所述場發射器被固定至固定元件上，其中，運動元件其上具有一個電學活性圖形，其用於調製靜電場。
12.根據權利要求11所述的編碼器，其特徵在於所述電學活性圖形包括一種介電材料。
13.根據權利要求11所述的編碼器，其特徵在於所述電學活性圖形包括一種導電材料。
14.根據權利要求13所述的編碼器，其特徵在於所述導電材料與處理電路相聯接且用作靜電場的接收器。
15.根據權利要求13所述的編碼器，其特徵在於所述的至少一個固定元件包括靜電場的接收器，其與處理電路相聯接。
16.根據權利要求15所述的編碼器，其特徵在於運動元件上的導電性、電學活性圖形被保持在大致恆定的電勢。
17.根據權利要求15所述的編碼器，其特徵在於所述運動元件上的導電性、電學活性圖形是電浮動的。
18.根據權利要求15所述的編碼器，其特徵在於所述的至少一個固定元件包括單個元件，所述發射器和接收器均被固定在該元件上。
19.根據權利要求16所述的編碼器，其包括第二固定元件，該元件具有固定在其上的發射器和接收器。
20.一種用於檢測旋轉軸位置的電容式角度編碼器，其包括一發射器，該發射器包括多個繞所述軸布置的分段，每一分段均以一公共的頻率發出周期性靜電場，但具有與其它分段不同的預定相位；一接收器，該接收器產生響應於所述多個分段的場的信號，從而通過作為所述軸轉動函數的發射器和接收器之間的電容變化來調製每一個場的接收強度；及一檢測器電路，該電路包括至少一個同步檢測器，該檢測器與所產生的場同步地處理信號，從而產生轉動角度的輸出指示。
21.根據權利要求20所述的編碼器，其特徵在於所述的至少一個同步檢測器包括兩個同步檢測器，這些檢測器能夠產生與轉動角度的正弦和餘弦成正比的相應輸出。
22.根據權利要求20所述的編碼器，其特徵在於所述接收器包括一個單輸入放大信道，通過該信道接收所有發射器分段的信號以進行處理。
23.根據權利要求20-22中任一條所述的編碼器，其特徵在於所述發射板包括一個大致為平面形狀的發射定子，其被分為繞所述軸的軸線設置的多個分段。
24.根據權利要求23所述的編碼器，其特徵在於所述多個分段被設置在四個象限中。
25.根據權利要求23所述的編碼器，其特徵在於所述接收器包括一個大致為平面的轉子，其具有相對於所述軸的軸線是軸不對稱的接收區域，且其與靠近所述定子的所述軸一起轉動。
26.根據權利要求25所述的編碼器，其特徵在於所述接收區域具有大致環形的形狀，其偏心於所述軸的軸線。
27.根據權利要求23所述的編碼器，其特徵在於所述接收器包括一大致為平面狀的接收定子，並包括一大致平面狀轉子，其具有相對於所述軸的軸線是軸不對稱的電學活性區域，且其與軸一起轉動並調製所接收的信號。
28.根據權利要求27所述的編碼器，其特徵在於所述電學活性區域大致為圓形的形狀，其偏心於所述軸的軸線。
29.一種用於檢測旋轉軸位置的電容式角度分解器，其包括一發射器，其以給定的頻率產生響應於一交流電輸入的周期性靜電場；一接收器，其包括繞所述軸設置的多個分段，這些分段產生響應於來自所述發射器的所述場的信號，從而通過作為軸轉動函數的發射器和接收器之間的電容變化調製每一分段接收的場；一信號處理電路，其用於處理由所述接收器分段發出的信號，從而產生一指示轉動角度的交流輸出；及一整流電路，其用於對交流輸入進行整流，以便對檢測器電路提供直流電壓。
30.根據權利要求29所述的編碼器，其特徵在於所述信號處理電路與所產生的場同步地處理信號，其中交流輸出包括兩個分別與轉動角度的正弦和餘弦成正比的輸出。
31.根據權利要求29所述的編碼器，其包括一個轉子，其與所述軸一起轉動，且在其上具有一個電學活性圖形，從而轉子的轉動能夠調製接收器接收的場。
32.根據權利要求31所述的編碼器，其特徵在於所述電學活性圖形包括導電材料。
33.根據權利要求32所述的編碼器，其特徵在於所述導電材料被保持在接地電勢。
34.一種用於檢測移動物體相對於固定物體的位置的電容式運動編碼器，其包括至少一個固定元件，其被連接至固定物體；一運動元件，該元件連接至移動物體且接近所述固定元件；一個靜電場發射器，其與固定元件或運動元件中的一個相聯繫；一個與固定元件或運動元件中的另一相聯繫的場調製器，其在所述元件上包括平穩變化的粗略和精細周期性電學活性圖形，圖形以相應的較低和較高空間頻率沿元件尺寸變化，其以相應於高、低空間頻率的調製頻率，通過使固定元件和運動元件之間的電容響應於元件的相對運動而發生變化，來對靜電場進行調製，且其基本上沒有空間諧波；及處理電路，其檢測被調製的靜電場並響應於此確定此運動物體位置的粗略和精細測量值。
35.根據權利要求34所述的編碼器，其特徵在於運動元件包括一個轉子，且運動物體包括一根轉動軸，其中，固定元件包括一個定子，以便處理電路確定所述軸的轉動位置的測量值。
36.根據權利要求35所述的編碼器，其特徵在於所述轉子包括單個平面元件，其包括多個導電區域，至少一個導電區域為場發射器，而另一個導電區域用於接收所述場。
37.根據權利要求35所述的編碼器，其特徵在於在所述轉子上有電學活性圖形，粗略周期性圖形包括一個在轉子上的大致圓形區域，其相對於所述軸偏心設置，其中精細周期圖形包括一個在轉子上的正弦圖形，其繞所述軸圓周設置。
38.根據權利要求37所述的編碼器，其特徵在於粗略圖形的大致圓形區域被分為多個子區域，這些子區域被分布在轉子的表面上，以便減小由於轉子相對於定子傾斜而在所述場的調製中產生的偏差。
39.根據權利要求34-38中任意一條所述的編碼器，其特徵在於所述場調製器還包括一個中間電學活性圖形，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所述場對應於中間頻率的調製。
40.一種用於檢測移動物體相對於固定物體的位置的電容式運動編碼器，其包括至少一個固定元件，其被連接至固定物體；一運動元件，該元件連接至移動物體且接近所述固定元件；一個靜電場發射器，其與固定元件或運動元件中的一個聯繫；一個與固定元件或運動元件中的另一相聯繫的場調製器，在所述元件上包括粗略和精細周期性電學活性圖形，圖形以相應的較低和較高空間頻率沿元件尺寸變化，其以對應於低空間頻率和高空間頻率的調製頻率、通過使固定和運動元件之間的電容響應於元件的相對運動而發生變化，來調製靜電場；及處理電路，其用於轉換靜電場從而通過所述粗略圖形或精細圖形交替對其進行調製，並且其檢測被調製的場，從而響應於此交替確定移動物體位置的粗略和精細測量值。
41.根據權利要求40所述的編碼器，其特徵在於運動元件包括一個轉子，且運動物體包括一根轉動軸，其中，所述的至少一個固定元件包括一個轉子，以處理電路能夠確定所述軸的轉動位置的測量值。
42.一種用於檢測移動物體相對於固定物體的位置的電容式運動編碼器，其包括一個固定元件，其被連接至固定物體，且包括一個靜電場發射器和接收器；一運動元件，該元件連接至移動物體且接近所述固定元件，且包括一個場調製器，該調製器在運動元件上包括粗略和精細周期性電學活性圖形，圖形以相應的較低和較高空間頻率沿元件尺寸改變，其以對應於低空間頻率和高空間頻率的調製頻率、通過使固定和運動元件之間的電容響應於元件相對運動而變化，來調製靜電場；及處理電路，其檢測被調製的靜電場且響應於此確定的移動物體的位置的粗略和精細測量值。
43.根據權利要求42所述的編碼器，其特徵在於運動元件包括一個轉子，且運動物體包括一根轉動軸，其中，固定元件包括一個轉子，該轉子包括多個導電區域，其中的至少一個導電區域為場發射器而另一個導電區域為接收器，從而處理電路能夠確定所述軸的轉動位置的測量值。
44.一種用於檢測轉動軸位置的電容式角度編碼器，其包括一個或多個定子，其中的一個定子包括用於產生靜電場的場發射器；一個轉子，其與所述軸一起轉動，且具有轉動不對稱的電學活性圖形，該圖形通過使所述軸每轉一周，就固定和運動元件之間的電容重複一次變化，來調製響應於軸轉動的靜電場。其中，所述圖形被分為多個子區域，以便減小由於轉子相對於定子傾斜而在所述場的調製中產生的偏差；及處理電路，其檢測被調製的靜電場且響應於此確定粗略和精細變化的所述軸角度的粗略和精細測量值。
45.根據權利要求44所述的編碼器，其特徵在於在轉子上的電學活性圖形包括一個相對於所述軸的軸線偏心設置的大致圓形區域。
46.一種用於檢測轉動軸位置的電容式角度編碼器，其包括一個轉子，其被結合至所述軸上，且具有一個電學活性區域，該區域相對於所述軸的軸線是不對稱的且包括一個圓周設置在轉子上的圖形，所述圖形以預定的角度頻率繞所述軸重複多次，至少一個定子，有一個靜電場與其聯繫，該靜電場由於電有效區域因轉子轉動而導致的電容變化而被調製。處理電路，其檢測由於所述區域的非軸對稱性而在軸每次轉動時形成的場的調製，從而響應於此確定軸轉動角度的粗略測量值，且該處理電路能夠檢測由於所述圖形產生的所述場的調製，從而確定轉動角度的精細測量值。
47.根據權利要求46所述的編碼器，其特徵在於所述電學活性區域包括一個大致圓形的區域，該區域相對於軸線是偏心的。
48.根據權利要求46所述的編碼器，其包括一個接收器，其與一個定子或多個定子中的一個結合，且其特徵在於相對於所述軸線是不對稱的，以便響應於精細圖形和接收器的非軸對稱性之間的相互作用而確定角度的粗略測量值。
49.根據權利要求46-48中任意一條所述的編碼器，其包括一個傳感器，其用於交替確定角度的粗略和精細測量值。
50.根據權利要求49所述的編碼器，其特徵在於所述定子包括多個導電區，每一個導電區均被聯接至處理電路，處理電路響應於傳感器的動作而將從所述導電區接收的信號分組，以便交替確定粗略和精細角度測量值。
51.一種用於檢測運動物體相對於固定物體的位置的防潮電容運動編碼器，其包括至少一個固定元件，其被結合至所述固定物體上，且有一個靜電場與其相聯繫；一個運動元件，其被結合至所述運動物體，包括多個相互分離的電學活性分段，這些分段形成了一個圖形，該圖形對運動元件運動時固定和運動元件之間的電容變化所產生的所述靜電場進行調製；及處理電路，其檢測被調製的靜電場，且響應於此而確定運動物體位置的測量值。
52.根據權利要求51所述的編碼器，其特徵在於打在運動元件上的流體從所述分段被排至所述分段之間的間隙中。
53.根據權利要求51或52所述的編碼器，其特徵在於所述運動物體包括一根旋轉軸，所述運動元件包括一個轉子，電學活性部分從該轉子繞所述軸徑向向外伸出，其中，所述的至少一個固定元件包括至少一個定子，從而處理電路能夠確定軸的轉動位置的測量值。
54.一種用於檢測運動物體相對於固定物體的位置的電容式運動編碼器，其包括一個運動元件，其被結合至運動物體，且在其上具有一個電學活性圖形；第一和第二固定元件，它們被結合至固定物體上，且被設置在運動元件的相對側，以便由此發送一個交變靜電場；處理電路，其被耦合以檢測響應於固定元件之間因電學活性圖形的運動而產生的電容變化的靜電場的調製，並響應於此確定運動物體位置的測量值；及一個電勢均衡電路，其通過檢測在第一固定元件的交變電勢並將一個反電勢施加在第二固定元件上，而使運動元件保持在大致恆定的電勢。
55.根據權利要求54所述的編碼器，其特徵在於所述大致恆定的電勢包括一虛接地。
56.根據權利要求54所述的編碼器，其特徵在於電勢均衡電路實質上未與運動元件形成電接觸。
57.根據權利要求54-56中任意一條所述的編碼器，其特徵在於運動元件包括一根旋轉軸，運動元件包括一個結合至所述軸的轉子，其中，第一和第二固定元件包括一對定子，從而處理電路能夠確定軸的旋轉位置的測量值。
58.一種用於檢測一個運動物體相對於一個固定物體的電容線性位移編碼器，其包括一個標尺，其被固定至固定物體上；一個測量頭，其被固定至運動物體上以便沿標尺移動，且包括一個靜電場發射器，該發射器能夠在測量頭附近產生一個靜電場；一個形成在標尺上的電學活性圖形，該圖形導致標尺和測量頭之間的電容變化，以便調製響應於測量頭相對於標尺的運動的靜電場，圖形是對稱的，從而調製基本上不受測量頭相對於標尺的傾斜的影響；及處理電路，其檢測被調製的靜電場，從而檢測所述的調製並響應於此確定的運動物體位置的測量。
59.根據權利要求58所述的編碼器，其特徵在於所述圖形包括一個雙正弦。
60.根據權利要求58或59所述的編碼器，其特徵在於測量頭包括一個接收器，其能夠接收被調製的靜電場，其中圖形被圖形中的間隙被中斷，以便阻止沿圖形的幹擾進入測量頭內，其中相對於標尺縱向軸線成銳角。
61.一種用於檢測一個運動物體相對於一個固定物體的電容線性位移編碼器，其包括一個標尺，其被固定至固定物體上，且包括一個靜電場發射器，該發射器在標尺附近產生一個靜電場；一個測量頭，其被固定至運動物體上以便沿標尺移動，且在其上有電學活性圖形，該圖形使標尺和測量頭之間的電容發生變化，從而調製響應於測量頭相對標尺的運動的靜電場，圖形是對稱的，從而調製基本上不受所述測量頭相對於標尺的傾斜的影響；及處理電路，其檢測被調製的靜電場，從而檢測所述調製並響應於此確定運動物體位置的測量。
62.根據權利要求60所述的編碼器，其特徵在於所述圖形包括雙正弦。
63.一種用於檢測運動物體相對於固定物體的位置的電容式線性位移編碼器，其包括一個標尺，其被固定至固定物體的彎曲表面上；一個測量頭，其被固定至運動物體上以便沿標尺移動；一個靜電場發射器，該發射器能夠在測量頭附近產生一個靜電場；一個形成在標尺或測量頭上的電學活性圖形，該圖形使標尺和測量頭之間的電容產生變化，從而調製響應於測量頭相對標尺的運動的靜電場；處理電路，其檢測被調製的靜電場，從而檢測所述調製，並響應於此確定運動物體沿彎曲表面的位置的測量。
64.根據權利要求63的編碼器，其特徵在於固定物體具有大致圓柱形的形狀，其中運動物體位置的測量包括相對於固定物體軸線的角度測量。
65.一種用於檢測運動物體相對於固定物體的位置的電容線性位移編碼器，其包括一個標尺，其被固定至固定物體上；一個測量頭，其被固定至運動物體上以便沿標尺移動；一被固定至標尺的發射板，以便在測量頭附近產生並接收靜電場，所述發射板具有粗略和精細讀取結構；一塊在測量頭上的電學活性接收板，該板的結構使測量頭相對於標尺的運動會產生發射板和接收板之間的電容變化，其能夠調製由接收板接收的靜電場；及處理電路，其檢測被調製的靜電場，以便檢測在粗略讀取結構中場的調製，從而響應於此確定運動物體位置的粗略測量，並檢測在一精細讀取結構中的場的調製，從而響應於此確定運動物體位置的精細測量。
66.根據權利要求65所述的編碼器，其特徵在於所述粗略測量包括絕對位置測量。
67.根據權利要求65或66所述的編碼器，其特徵在於發射板包括多個發射杆，這些發射杆全體被分為至少兩個三角區，其中在粗結構中，每一區中的杆均被共同激勵。
68.根據權利要求67所述的編碼器，其特徵在於接收板包括一個疊加在一大致四邊形區域上的導電周期圖形，其中當發射板在粗讀取結構中工作時，整個四邊形區域被保持在一公共電勢上。
69.一種用於檢測運動物體相對於固定物體的位置的電容線性位移編碼器，其包括至少一個固定元件，其被結合至固定物體上；一個運動元件，其被結合至運動物體上；被固定在固定或運動元件上的發射板和接收板，以便在運動元件附近產生並接收靜電場，所述板在固定元件上的標定位置處包括至少一塊標定板，運動元件在所述的至少一塊標定板附近遇上的靜電場明顯不同於沿固定元件的其它位置的靜電場；一個形成在所述元件中的一個上的電學活性圖形，其使標尺和測量頭之間的電容發生變化，從而響應於運動元件相對固定元件的運動而調製靜電場；及處理電路，其檢測被調製的靜電場，當運動元件在標定板附近時，識別所述場的差異，從而響應於此確定運動元件處於標定位置，且其能夠檢測所述調製響應於此並確定運動物體相對於標定位置的位置的測量。
70.根據權利要求69所述的編碼器，其特徵在於固定元件包括一個線性標尺，該標尺在其一端具有標定板，其中運動元件包括一個沿標尺運動的測量頭。
71.一種用於檢測旋轉軸位置的方法，其包括在繞軸的多個角度位置發射具有公共頻率的周期靜電場，每一個靜電場均具有與其它信號不同的預定相位；檢測所述的多個位置發出的場，並產生響應於由於作為軸旋轉的函數的電容的變化而產生的所述場的調製的信號；與被發射的場的頻率同步地處理所述信號，從而產生指示轉動角度的輸出。
72.根據權利要求71所述的方法，其特徵在於信號的處理包括產生與轉動角度的正弦和餘弦成正比的輸出。
73.一種用於檢測旋轉軸位置的方法，其包括以規定頻率接收一個交流電輸入；產生響應所述交流輸入的周期靜電場；調整一部分交流輸入，從而為檢測器電路提供直流電壓；在多個位置檢測所述場，並產生響應於由於作為軸旋轉的函數的電容的變化所產生的所述場的調製的信號；利用檢測器電路處理信號，從而以規定頻率產生一個指示旋轉角度的交流輸出。
74.根據權利要求73所述的方法，其特徵在於信號的處理包括產生與轉動角度的正弦和餘弦成正比的輸出。
75.一種用於檢測運動物體相對於固定物體的位置的方法，其包括在運動物體附近發射一個靜電場；將平穩變化的粗略和精細周期性電學活性圖形與運動物體相聯繫，圖形沿物體運動的方向、分別以較低和較高頻率變化，其以相應於低、高空間頻率的調製頻率，通過使固定和運動元件之間的電容響應於元件的相對運動而變化，來調製靜電場；且其基本上沒有空間諧波；及檢測被調製的靜電場並響應於此確定運動物體位置的粗略和精細測量。
76.根據權利要求75所述的方法，其特徵在於；運動物體包括一根旋轉軸，其中使圖形與運動物體的聯繫包括在轉子上限定一個大致圓形區域，該區域相對於所述軸偏心設置。
77.一種用於檢測運動物體相對於固定物體的位置的方法，其包括在運動元件附近發射一個靜電場；使粗略和精細周期性電學活性圖形與運動物體相聯繫，所述圖形分別以較低和較高頻率沿物體運動的方向變化，其以相應於低、高空間頻率的調製頻率，通過使固定和運動元件之間的電容響應於元件的相對運動而變化，來調製靜電場；及切換所述靜電場，從而通過粗略或精細圖形交替調製所述靜電場；及檢測被調製的場，從而響應於此交替確定運動物體位置的粗略和精細測量。
78.一種用於檢測旋轉軸的位置的方法，其包括使所述軸結合具有一個電學活性區的轉子，所述電學活性區相對於所述軸的軸線是非軸對稱的且包括一個軸向設置在轉子上的圖形，該圖形以預定的角度位置頻率相對於所述軸重複多次；在所述運動物體附近發射一個靜電場；檢測由於所述區域的非對稱性而在每一次轉動時產生的場的調製，從而響應於此確定運動物體轉動角度的粗略和精細測量；檢測由於所述圖形產生的場的調製，以便確定轉動角度的精細測量。
79.根據權利要求78所述的方法，其特徵在於結合所述轉子包括使轉子與一個電學活性區域相結合，所述電學活性區域的特徵是關於所述軸的轉動軸線是非軸對稱的。
80.一種用於檢測運動物體相對於固定物體的位置的方法，其包括使一個具有電學活性區域的運動元件與一個運動物體相結合；在運動元件的相對側設置第一和第二固定元件，便由此發射一個靜電場；檢測第一固定元件的電勢並將一反電勢施加在第二固定元件上，從而使運動元件保持在大致恆定的電勢；及檢測響應於由於其上的電學活性圖形的運動所產生的固定元件間電容變化的靜電場的調製，從而響應於此確定運動物體位置的測量。
81.一種用於檢測運動物體相對於固定物體的位置的方法，其包括將一個測量頭固定至運動物體上；沿彎曲表面固定一個撓性標尺；在標尺或測量頭上設置一個電學活性圖形，該圖形使標尺和測量頭之間的電容產生變化，從而調製響應於測量頭相對於標尺的運動的靜電場；在測量頭附近產生一靜電場；及檢測被調製的靜電場，從而檢測所述調製，並響應於此確定運動物體沿所述彎曲表面的位置的測量。
全文摘要
一種用於檢測運動物體相對於固定物體的位置的電容式運動編碼器(140),其包括:至少一個連接至固定物體的固定元件(141),及一運動元件(148),其連接至運動物體且接近於固定物體。一個場發射器(142)產生靜電場,該靜電場由響應於所述元件相對運動的固定元件和運動元件之間的電容變化而被調製。導電屏蔽(154)與運動和固定物體電分離且封閉了運動元件和固定元件,以保護這些元件不受外界電幹擾。處理電路(138)檢測被調製的靜電場並響應於此而確定運動物體位置的測量值。
文檔編號G01D5/24GK1347493SQ00806459
公開日2002年5月1日 申請日期2000年3月30日 優先權日1999年4月19日
發明者伊沙·內茨 申請人:內茨精密運動傳感器有限公司