CN1030588C

CN1030588C - 电容式位置检测器

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Publication number: CN1030588C
Application number: CN92112231A
Authority: CN
Inventors: 迈尔·汉斯·乌尔里希
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-10-15
Filing date: 1992-10-15
Publication date: 1995-12-27
Anticipated expiration: 2007-10-15
Also published as: US5304937A; EP0538184B1; JPH05215506A; CH685214A5; CN1071504A; DE69201477D1; US5394096A; DE69201477T2; EP0538184A1

Abstract

一种电容式位置检测器，它包含具有凹或凸的外形特征区的标尺(10)和包含至少两个发射电极(21a、21b)及由屏蔽电极(21g)隔开的至少一个接收电极(21c)的电极阵列的滑块(20)。滑块(20)发射和接收电极之间的耦合电容(C_ac、C_bc)作为标尺外形特征区(11)相对于滑块的位置(X)的函数而变化，对由接收电极接收的信号的变化进行计测能精密测得标尺和滑块之间的相对位移。

Description

本发明涉及一种电容式位置检测器，该检测器包含相互由给定间隙分开的滑块和标尺，且它们至少沿一个测量路径相互间可作相对移动，所述滑块包含：至少两个发射电极;至少一个接收电极;产生加给所述发射电极的电信号的第一装置，和对所述接收电极所接收到的信号进行计算的第二装置，以便测定滑块和标尺的相对位置。

人们已经知道几个这种电容位置检测器的例子，它们中的某些，如美国专利No.3342935所提示的，多数用于两维位置的工件定位系统，它们也称为数字转换器且用作计算机的外围设备，它们需要嵌入印刷板中的布线阵作为标尺并用电信号激励，所述信号用滑块中的接收电极接收，这种接收电极可以是笔尖式或指针式装置。这种数字转换器，主要由于复杂的布线阵而太昂贵，无法在更简单的指针式装置和鼠式位置指示器就足以完成的各种应用中竞争。

这种电容式位置检测器的其它一些例子主要用于线度或角度测量设备，如游标卡尺、测微计、度盘指示器、旋转编码器，这类检测器使用具有浮动电极直线阵列的标尺，即这种电极与四周完全电气绝缘，且面对着具有发射和接收电极的滑块。美国专利3961318中描述了这种类型的电容式位置检测器。这些浮动电极虽不需要电气连接于标尺，但仍有缺陷。标尺可能不是均匀同质的，因为导电电极的下面需要绝缘基片。相邻浮动电极之间的耦合及湿度引起的标尺表面导电性会使性能下降。而且，浮动电极需提供两个清楚分开的功能，即耦合到发射电极和把所接收的信号转发到接收电极，因此它们延伸穿过测量路径。所述这种电极延伸穿过测量路径，虽是完成这两种功能所必需的，但却防碍了将这种实施方式扩展到第二维的测量。

本发明目的是为了克服这些缺点，为此，本发明的标尺包含：至少一个下凹或突起的外形特征区;对从滑块发射电极耦连到滑块接收电极的信号进行检测和计算的所述第二装置;所述标尺外形特征区设置得当滑块（cursor）和标尺（scale）沿至少一个测量路径作相对移动时会通过改变所述滑块电极之间的电容耦合而影响所述耦合信号。

本发明使检测器提高了精度、易于制造且成本低。本发明可直接扩展到对两维的测量。

按照本发明，标尺可包含几个突起或下凹的外形元素，它们沿着至少一个测量路径排列以形成周期结构;滑块包含至少一个沿所述路径延伸的电极阵列和遵循空间周期图形将所述电极接通于至少两个电信号之一的装置。

上述结构可使任何大小的标尺提高精度并降低成本。

同样按照本发明，标尺可至少包含一行沿着至少一个测量路径呈现周期结构的外形元素;滑块包含沿所述路径布置的一行电极，和将所述行的每个电极接通于所述至少两个电信号之一或接通于放大器输入端之一或接通于地电位的装置，以便获得具有周期相等于所述结构或是其倍数的信号分布，所述交换装置也能使所述信号分布沿所述电极行移位。

这种结构使标尺可做得非常狭小，于是适用于非常有限的空间。滑块也能做得非常小。

按照本发明，滑块可包含沿一个测量路径排列的两行相同的发射电极，及平行于这两行发射电极而设置的接收电极，和在每行电极上产生相似而极性相反的交流信号分布的交换装置。所述信号分布能够利用所述交换装置而使它沿测量路径移位。接收电极则连接到差分放大器的输入端。

这种电容式检测器提供简单的交换装置且易于屏蔽所述接收电极，和对接收电极信号进行检测和计算的所述第二装置，其结果使它们避免受到不需要的耦合。大大提高测量信号与在滑块电极和所连电路上的无用耦合之间的比值。

按照本发明，标尺可包含突起或下凹的外形特征区以形成沿两个垂直测量路径周期分布的两维结构。

这样的标尺容易制造且能在两维中进行精确的位置检测。

其它优点将参照附图本发明的某些实施例在权利要求书及说明书中进行说明，其中：

图1为本发明第一实施例;

图2a为所述第一实施例的局部剖示图;

图2b显示了作为滑块和标尺之间的位移X函数的所述第一实施例的差分电容;

图3a为一环形实施例的局部剖示图;

图3b显示了作为滑块和标尺之间的位移X函数的该第二实施例的差分电容;

图4显示第三实施例的滑块电极的几何图形，图上叠加有标尺上一个外形特征区的轮廓线;

图5和图6为本发明的第四和第五实施例的透视图;

图7a是作为滑块的集成电路的透视图;

图7b是通过其内部连接安装在载体上的滑块的集成电路的局部剖示图;

图7c为其电极面垂直于标尺上带有规则结构的平面的滑块的透视图;

图8a显示了一种其外形特征区由介质涂覆层填充的线性标尺;

图8b显示了由圆柱形齿条构成的线性标尺;

图8c显示了由齿轮构成的圆形标尺;

图8d是由薄板蚀刻或冲压而成的圆形标尺;

图8e是由测微螺杆构成的线性和/或圆形标尺的侧向及剖示图;

图9a显示了其规则结构由相互垂直的两个凹槽阵列构成的两维标尺;

图9b表示由在远离滑块的一侧具有规则结构的介质板构成的两维标尺。

本发明的典型检测器如图1所示。它由具有形成规则结构的凹陷的外形特征区的标尺10和具有电极21的滑块20组成。标尺和滑块之间的缝隙H在它们相互之间相对移动时保持不变。为清楚起见标明了坐标轴XYZ;X和Y定义了与标尺10的外形特征区11形成的规则结构局部地相切的平面，Z垂直于该切面。图1所示的标尺10的外形特征区11沿X轴周期性排列;同样，若干个电极21也沿该轴周期地排列在滑块20上;于是，外形特征区11会对电极之间的电容产生影响，使这些电容成为滑块11沿X轴的位置X的函数。当然，其它参量如标尺10和滑块20之间的缝隙H、标尺材料和外形特征区11的形状也影响这些电容。应选用适当的电极几何形状和测量方法以便使所述其它参量的影响减至最小。

按照本发明，是将滑块电极21构成一或几个用来测量两耦合电容之间的差值的差分电容器来达到上述目的。图2a显示了包含两个发射电极21a、21b和一个接收电极21c的这种结构的局部剖示图（在XZ平面中），这些电极全为矩形，由于它们处于垂直于XZ平面的平面中，所示图2a看不到它们。发射电极21a、21b大小相同且各自连接幅值和频率相同但极性相反的交流电压V_a、V_b。接收电极21c与两激励电极21a、21b等距离，且用同样大小和形状的屏蔽电极21g将它与激励电极隔开，这些屏蔽电极连接一屏蔽电压V_g如接地或某个电源电压，以避免无用耦合。在标尺10没有规则结构的情况下，在发射电极21a和接收电极21c之间的耦合电容C_ac及发射电极21b和接收电极21c之间的耦合电容C_bc两者相等，而耦合到接收电极21c的两信号相等但极性相反，相互抵消，总信号为零。如果标尺10的外形特征区11即图2a中的凹陷部分精确正对接收电极21c，则发送电极和接收电极之间的两耦合电容C_ac和C_bc保持相等，因为由所述特征区11对它们产生相等的影响;总信号保持为零且在标尺10和滑块20之间的缝隙H为任何数值时都一样。如果外形特征区11不是正对着接收电极21c而是沿X轴有一小的距离为X的偏离，则耦合电容C_ac和C_bc将变得不平衡且在接收电极21c上会呈现一个幅值正比于差分电容（C_ac-C_bc）的交流信号。因2b显示了所述差分电容作为滑块位移X的函数的情况。实线曲线对应于导电标尺10;而虚线曲线对应于由介质材料制成的标尺10。如果滑块20稍偏离到右边（X＞0），则导电标尺会屏蔽发送电极21b更多而产生正差分电容（C_ac-C_bc），而介质标尺会增加发送电极21b和接收电极（21c）之间的耦合，对于相同的滑块偏离（X＞0）产生一个负的差分电容（C_ac-C_bc）。如果外形特征区11不是如图2a所示的下凹，而是突起，则差分电容将会有与上述相反的符号。在任何情况下，所述检测器对于沿X轴的位移会非常敏感，而对于沿Y和Z轴的那些位移的一次项是不敏感的，至少对于偏离差分电容（C_ac-C_bc）为零的平衡位置（X＝0）的小位移是这样。

屏蔽电极21g限制了发射电极21a、21b和接收电极21c通过标尺10和滑块20之间的缝隙的耦合。如果所述滑块20是介质，例如一块印刷电路板或一块陶瓷基片，则在所述滑块的背面（反面）设置附加屏蔽电极是必要的，这样以排除通过它的介质的任何耦合。如果滑块是一个集成电路芯片，这些电极仅用薄氧化层进行绝缘，则在必要时，基片可掺杂变成具有足够的导电性以作为屏蔽电极。

图2a所示电极结构的实际使用限于测量小位移或检测某些确定的位置，如增量标尺上的绝对参考标记;由于它的周期性，增量标尺仅允许在一个周期内的绝对测量。电源中断、位移速度过大或噪声可以使位置显示误差等于周期的整数倍。参考标记能粗略地确定位置，指向正确的周期，这样就可避免位置误差或至少可检测出位置误差。一个绝对参考标记应该在一个限定的间隔内给出“真”信号，而在这间隔之外给出“假”信号。

图3显示了这种检测器的局部剖示图，它适用于作参考标记。标尺310的外形特征区311和滑块320的电极相互对中时有一个对称轴（Z）。电极（321b、g、c、g、a在滑块表面上形成同轴环，接收电极321c在加有交流信号V_a、V_b的发送电极321a、321b之间，且由接有屏蔽电压V_g的屏蔽电极321g与它们隔开。用作参考标记的外形特征区311也有一个圆形形状，在图3中为凹坑，标尺假定是导电的。当滑块正对凹下的外形特征区时则差分电容为正，而当不是这种情形时为负;图3b表示差分电容（C_ac-C_bc）为所述特征区311和滑块320之间在XY平面中的偏移γ的函数。为了避免由于差分电容对于大的γ值返到零而产生读数不明确的危险，则可增大电极321b的面积或使其靠近电极321c。这种检测器可用于两维。一种可能的应用在于标尺的外形特征区沿X和Y是周期分布的，且滑块具有沿X和Y也是周期排列的几组同轴电极321b、g、c、g、a，标尺和滑块的周期稍有差别，于是提供一种两维的游标尺，这种游标尺从每一电极组321b、g、c、g、a上所测得的“真”和“假”状态图就能确定滑块位置（X，Y）。最后，如果图3a的滑块用作沿一个轴的绝对参考标记，那么矩形电极形状也许更佳，但其测量原理将仍然相同。

虽然来自发射电极的信号有已知的波形和频率可选择性滤出，上述实施例仍可能受到标尺和滑块之间电位差的影响，如受到接地回路、静电荷或附近的电噪声源等影响。

具有如图4所示电极结构的和这里描述的滑块，由于沿接收电极421c存在着起参考或差动电极作用的第二接收电极421d，则能减小这类干扰的影响，至少减少一个数量级。接收电接421c和421d各自连到差动放大器422的输入端422c和422d。发射电极421a、421b沿靠着接收电极421c，而第二接收电极421d隔的较远。屏蔽电极421g将发射电极421a、421b与接收电极421c，421d隔开。发射电极421a、421b各接幅值和频率相等但极性相反的交流信号V_a、V_b。如果面对所述电极的标尺10的外形特征区411分别产生非零差分电容（C_ac-C_bc）和（C_ad-C_bd），则接收电极421c和421d将分别接收到非零交流信号。由电极421c接收到的信号将比离发射电极421a、421b更远的电极421d所接收到的信号更强。位于接地平面上的两平行细长电极之间的电容大略随它们之间的间隔的平方减少，而在存在另一个接地平面，如这里的标尺的情况下，衰减变得更大且电容随间隔的下降成指数关系。于是就能使得在两接收电极421c和421d之间虽只有一个很窄的间隔却仍维持它们所接收的信号之间有很大的幅值差。由于差分信号由一对接收电极421c、421d接收并用差分放大器422放大，所以这种线路布局对来自发射电极421a、421b的信号是很灵敏的，同时对于标尺410和滑块420之间的电位差引起的信号是不敏感的，这是因为每个接收电极421c、421d对于标尺的电容实际上相等，所以由电位差产生的这些信号相互抵消。

但是，如果标尺410和滑块420之间的电位差是由滑块的发射电极产生，如在导电标尺与滑块绝缘的情况下，由于标尺和每个接收电极之间的电容的稍为不平衡而形成的差分信号不能忽视，因为它与直接耦合信号相同，结果它不能有效地被滤掉。发射电极结构必须做得对于任何滑块20位置使得从发射电极421a和421b耦合到标尺的信号理想地保持为零。这样的结构是通过附加各自接有V_a和V_b的发射电极421a′和421b′和附加接有V_g的屏蔽电极421g′来实现的，它们如图4中虚线所示。电极421a′和421b′沿X轴的顺序与电极421a和421b相反，而且后者更接近接收电极421c，前者更接近接收电极421d。所以，如果移动外形特征区411增加来自发射电极421a的耦合而减少来自发送电极421b的耦合，则具有V_a极性的交流信号主要出现在接收电极421c上;对于同样位置，所述外形特征区411同样减少电极421a′和增加电极421b′的耦合，则具有与V_a极性相反的极性的交流信号主要出现在接收电极421d上。当两接收电极421c、421d连接到一个差分放大器422时，则两信号相互增强，这是有利的。至少从发送电极421a、421b、421a′和421b′耦合到标尺的信号总和则保持为零，因为图4的标尺和滑块有一对称面，而对称的发射电极接有极性相反的信号。

上述所有检测器仅在X＝0（即标尺的外形特征区411正对滑块电极421处）附近具有有限的足够线性度的测量范围。

扩大测量范围和/或提高分辨率的一种可能方式，已在上面作为图3所示检测器的可能应用而说明，就是在滑块上周期性地排列若干个如图2a、3a或4所示的电极结构和在标尺上周期性地排列若干个外形特征区411，这两个阵列的间距稍有不同以便得到“游标尺”效应。例如，沿X轴测量的检测器，其标尺的结构周期（即构成该结构的相同外形特征区411之间的距离）为1mm，而滑块具有沿X轴周期为1.1mm的十个电极组;如果在X＝0时，第一电极组正对一个标尺外形特征区411，则其它9个电极组都偏离最接近它们的外形特征区411，在X＝0.1mm，第二电极组将正对标尺外形特征区，在X＝0.2mm，第三电极组正对等等。使用这种“游标尺”效应，允许更大的测量范围，但是尤其是想得到精细的位置分辨率则需要一个更大的滑块表面;而且只有充分接近标尺的外形特征区的电极组，因而有足够的敏感性才对位置测定有所贡献。

克服测量范围和分辨率局限性的一个更好办法是本发明的一种检测器，它的滑块520包含一个由相同电极521组成的阵列和使不同的电极组连接到同一个接有电压V_a、V_b、V_g的导体或连接到一放大器的输入端的交换装置，（如果接收电极也在阵列之内）。通过适当的交换装置，阵列中的一些电极521可以配置为发射电极，这些发射电极可以通过在一边附加一个电极而在另一边拿掉一个电极的方法沿测量轴位移。如果所述电极阵列的间距对应于分辨率，这些交换装置可以是美国专利3857092中所述类型，其中电极阵列的电配置方式被切换以便“跟随”浮动标尺电极或在本发明中跟随外形特征区。一种替换方式是连续使所述电极阵列的电配置方式移位以便对标尺“扫描”，然后通过过零法或移相法测定位置，例如，如美国专利4437055的权利要求6和7中所揭示的利用接收电极上的解调信号的过零点。如果要寻求比所述电极间距细得多的分辨率，则电极配置方式的移位如美国专利4841225中所示在任何时刻仅可在阵列的一部分上进行。

本发明可克服上述这些范围（量程）和分辨率局限性的检测器的原理显示在图5中。标尺510有一个沿X轴的周期结构，形成所述结构的外形特征区511之间的周期为T_x。滑块520包含电极之间的间距为Te的相同电极521的阵列。当每个标尺间距T_x有8个电极时，则Te＝T_x/8。交换装置525允许阵列中的任一电极521连接于下述的某一根线上：接于交流信号V_a的线525a，接于与V_a幅值、频率相同但极性相反的交流信号V_b的线525b，接于屏蔽电位V_g的线525g，接于差分放大器两输入端的线525c和525d。由所述开关装置525给电极阵列521的信号分配显示在图5中。从左边取第一组8个电极，两电极521a连于线525a，即接至V_a，一个电极521g连于线525g即接于V_g，两电极521c连于线525c即接于差分放大器522的一输入端，一电极521g连于线525g即接于V_g，和两电极521b接于线525b，即接于V_b。标尺510的一个外形特征区511面对这8个电极的某些电极。在一个标尺结构间距T_x上，电极配置方式基本与图2和其所附文字说明描述的相同。图5表明两电极组521a和521b连于信号V_a和V_b，而图2表明两电极21a和21b连于V_a和V_b。这两电极组各电极分布在对应于电极21c的电极组521c的两边，电极组521c作为接收电极连接于放大器。电极组521a、b、c对应于电极21a、b、c，由对应于接于V_g的屏蔽电极21g的也是接于V_g的电极521g和/或导电基片隔开。为了方便起见，耦合电容在图5和图2a中通过将定义延伸到电极组同样进行定义：例如C_ac定义为一组连于线525a于是接于V_a的电极521和一组连于线525c而接入放大器输入端的电极521之间的电容。

同样的信号分布可在下一组8个电极上也即在下一个外形特征区511上重复。这里不是这种情况，这里信号分布是每16个电极521才重复，即如图5所示的周期为2T_x上重复。事实上，在下一个标尺外形特征区上的信号分布不同于前面的一个，其不同点在于V_b取代V_a反之亦然所以交流电压极性相反，并且作为接收电极的521电极接到差分放大器522的另一端。用这样的信号分布并假定导电标尺具有凹陷的外形特征区，则滑块向右布作一个小位移时，因跨越最左面的外形特征区511的C_ac大于C_bc而产生具有V_a极性的信号，该信号通过接收电极组521c接到差分放大器522的一输入端，而跨越下一外形特征区的C_ac小于C_bc，所得信号具有V_b极性并通过电极组521d接入差分放大器522的另一输入端。

于是，滑块520的小位移在差分放大器522的输入端上形成一差动交流信号，而标尺和滑块间电位差相等地作用于两放大器的输入端，实际上不产生差动信号。由于在间隔2T_x上有完全的发送和接收电极的差分结构，这种检测器实质上有如图4所述的相同优点，即对标尺和滑块间的电位差不敏感，且不会有净信号由发射电极耦合到标尺上。

电极521阵列上的信号分布能通过交换装置525左右移动，以便通过使用放大器522的输出信号作为误差信号像一个伺服环中那样对标尺510的外形特征区进行“跟踪”。另一方面，信号分布可沿电极521阵列“扫描”并利用放大器522输出信号包络的“过零点”来找到滑块520相对于标尺510 的位置。

要将接收功能集成在电极521的阵列中，即要将其中的一些电极通过线525c和525d和交换装置525连到差分放大器522的输入端，为了避免任何不需要的交流信号、尤其是V_a和V_b耦合到这些线525c和525d，就给交换装置的设计带来了很严格的限制。所述交换装置不能只包含简单的开关如单个的场效应管，这是由于处于“断”或非导电状态下的源一漏耦合电容这里不能忽略。电极521阵列应通过两个串联的这样的开关连接到线525a、b、c、d，一第三开关当上述开关处于“断”或非导电时将所述两开关之间的导体接地以便抑制从连接V_a或V_b的电极通过这些“断”开关电容性耦合到线525c、525d的信号。

符合本发明并有上述同样优点的、但仅需简单开关装置和使接收电极和它们的内部连接更易屏蔽的一种检测器显示在图6中。一滑块620以透视图形式表示在标尺610上面，该标尺610有沿X轴排列的外形特征区611，它们形成周期为T_x的规则结构。滑块620包含两个沿X轴排列的发射极电极621阵列，及两个位于这两个阵列之间的细长接收电极621c、621d，两细长接收电极621c、621d也沿X轴排列。屏蔽电极621g包围着两接收电极621c、621d。接收电极621c、621d沿X的长度是周期T_x的整数倍，而发射电极阵列稍长以维持在整个接收电极范围内耦合电容基本上不变。实际上，耦合电容随距离减少如此快以至发射电极阵列在每一端长出T_x/2就足够了。使发射电极621阵列比接收电极621c、621d稍短些也是可以的。在这种情况下，发射电极621阵列必须覆盖周期T_x的整数倍。为清楚起见，图6中电极621阵列有一等于T_x/8的间距Te，即8个电极履盖一个间距T_x。实际中，T_x为毫米级，而电极排列间距将尽可能细以便不用复杂的内插方法就可得到足够的分辨率。在集成电路上，Te能做到范围为几微米至几十微米以便获得下文所述的微米分辨率。由于距离对耦合电容有很大影响，因而需要小的间距Te、精确的电极几何形状和电极表面极高的平坦度，并且有可能将电路集成在滑块620上，这就使人们对于使用集成电路的滑块十分感兴趣。

图6也表明了能用于所述检测器的电路的方框图。为清楚起见，该方框图画在滑块的外面，但如上所述，电路可装在滑块上或滑块外。不管那种情况，都必须注意避免不希望的耦合;由于接收电极621c和621d在这里与其余部分清楚地隔开，所以这种防止措施是人所共知的，例如可使差分放大器622尽可能接近接收电极。电路工作如下：由接收电极621c和621d接收到的交流信号送到差分放大器622的输入端622c和622d。后者的输出端连到比较器623的输入端623c、623d，在这里把差分交流信号变换为数字信号。比较器输出端623g连到一异或门624的输入端624a，该异或门624的另一输入端馈入一调制信号V_m，V_m同时也用于调制发射电极621信号V_a和V_b。结果，门624输出端624q上的信号表示由接收电极621c和621d接收到的差分信号相对于信号V_a或V_b的极性。换句话说，所述异或门624由于它除掉了所述信号的调制成分，所以它是个解调器。交流信号V_m来自由振荡器626产生的时钟信号V_ck，并通过一分频器627而得到。所述时钟信号V_ck也接到一二进制可逆（UP/down）计数器628的计数输入端628c，于是该计数器按照连于所述计数器628的可逆输入端628d的门624输出端624q上的信号状况不断地上下计数。计数器628的输出端628q、628r、628s分别对应权1、2、4，它们分别连到一解码器629的输入端629q、629r、629s，以在它的输出端629a至629f上产生下面的循环码，作为3位二进制输入码的函数：

解码器输入解码器输出

s r q a b c d e f g h

0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1

0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1

0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1

0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1

1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0

1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0

1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0

1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0

上表中的零和1表示逻辑状态，例如负和正的电源电位。如果计数器628向上计数时则所示输出图向右移位，如果向下计数则向左移位。该解码器输出端629a至629h通过由8个异或门组成的调制器630，这些异或门的输入端中的一个连接于所述解码器629的输出端629a至629h且它们的另一个输入端连接于调制信号V_m。调制器630的输出端通过总线连接到两列电极。如图6所示，图6顶部的第一列电极以顺序630a、b、c、d、e、f、g、h、a、b、c等连接于调制器630的输出端;而图6底部的第二列电极以顺序630e、f、g、h、a、b、c、d、e、f等进行连接，使得两个阵列中具有同一X座标的相对应的电极总是带有相反极性的交流信号，因为对应的电极通过调制器630连接到解码器629上彼此相距4个位置的输出端，因而总是互补的（如上述真值表所示）。

假定3个输出端628q、r、s为0并随意地把电极阵列621上与调制信号V_m相同极性的交流信号称为V_a，与V_m极性相反的交流信号称为V_b，则间隔T_x上的发射电极621上的交流信号顺序对第一排列是V_a、V_a、V_a、V_a、V_b、V_b、V_bV_b、V_b;对第二排列是V_b、V_b、V_b、V_b、V_a、V_a、V_a、V_a，两个顺序具有相反的极性。为清晰起见，与V_b相连的阵列电极用阴影表示。可以看到，在一个标尺外形特征区611上的信号图与图4中所示相同（包括带有虚轮廓线的电极）。再有，这里图6中的电极组起图4中简单电极的相同作用。图6中连接于V_a的四个第一列电极621组对应于图4中电极421，连接于V_b的四个第一列电极621组对应于图4电极421b，连接于V_a的四个第二列电极621组对应于电极421a′，而连接于V_b的四个第二列电极组对应于电极421b′。接收和屏蔽电极相同。所以这种检测器实质上具有如图4所述的相同优点，即对标尺和滑块间的电位差不敏感，从滑块620到标尺610，耦合到标尺的信号和为零，而且具有不受限制的量程和改进了的分辨率。

如果滑块620沿标尺610稍有移动，则在接收电极621c和621d之间出现一个差分交流信号，因为已知由最近的发射电极阵列优选耦合到上述每个接收电极621c、621d上的信号将会有相反的极性。该差分信号将由差分放大器622放大，由比较器623将其变换为数字信号（具有两个逻辑电平），在异或门624中参照交流信号V_m解调，最后确定计数器628的计数方向是向上还是向下，于是将围绕代表位置的某一平均值摆动。

一般希望获得比电极阵列621的间距更精细的分辨率，这就必须用附加的电子电路或微控制器编程来对连续的计数器值进行某些平均或滤波。例如取N个连续的计数器629的值的和再用该和值除以N取其平均。第一级数字低通滤波器不断地将用N除过的当前计数器值加到现行和上。同时从其减去所述和的N分之一。这种算法是已知的且很容易用硬件或软件来完成。但是为了避免间距Te内的非线性，位置具有标准偏差至少为Te/2的不确定性是有益的，例如由热噪声引起的，但它也可由人为引入。而更精细的分辨率也可用其它方法获得，例如，如美国专利4841225中所提示的通过在任何时刻只移位电极排列的一部分，而不是所有电极阵列的分布同时移位。

将电子电路和电极集成在单片半导体芯片上给上述本发明的检测器带来许多优点，但在这种情况下，由于非常薄的绝缘层使接收电极和基片之间的电容比耦合电容C_ac、C_bc、C_ac和C_bd大得多，这将使所接收到的电压降低到微伏级。因此，差分放大器的输入级的设计和布局是很重的，它应该尽可能地接近所述接收电极并和其它电极屏蔽和/或绝缘开来;这可以用场效应晶体管的栅作为接收电极，甚或完全省去栅极，那末所述晶体管的沟道起接收电极的作用，但沟道和基片之间的电容可能太大;一种更典型的电极布局是设计在厚氧化层上，至少部分与晶体管的栅分开，这样似乎更好。两个输入级电路在这里更有利，两者都有消除所述电极对基片的电容的影响的功能。

第一级是电荷放大器，如由E.O多伯林（Doebelin）在题为“测量系统：应用和设计”中（国会图书馆Nr66-8475，pp623-625）所揭示的。通过在输出端至运算放大器的反相输入端的负反馈通道中使用一个电容器，该输入端（这里是一个接收电极）实际上处于虚地电位，于是避免了至基片的容性损耗电流。为此，由于至基片的电容加到放大器的输入电容上，所以放大器需要高开环增益和带宽。电荷放大器的优点在于对包含在差分结构中的接收电极容易屏蔽，这里两接收电极可以处于相同的金属或扩散屏蔽片之上。

第二级的电路是用作源跟随器的场效应晶体管，其栅极是输入端而源极是输出端。电压增益几乎为1，输入阻抗极高而输出阻抗足够低。为了排除所述至基极的电容效应，电极下的一个扩散井或金属层应与跟随器的输出端相连，于是会增加输出信号的幅值。这里，由于自举作用也需要高的带宽。

本发明的几个可能的滑块720实施例显示在图7a、7b和7c中;标尺710的相应位置用虚线表示。图7a显示了一个由集成电路组成的滑块720a。由它们的轮廓线表示的电极721a配置在电路的右面与标尺710a相对。焊接区731a在左面，焊线732a将这些焊接区连接于滑块架733a上的连接线734a。滑块表面的剩余部分包含电子线路。这样的实施例适合于不影响焊线732a和它们的防护涂层（未图示）的窄标尺710a。图7b也显示一种由集成电路组成的滑块720b，在其两边具有隆起735b，由“胶带自动焊接”（tape automated bonding）连接到支架736b的导体737b上。由它们的轮廓线所示的电极721b沿滑块710b的当中延伸，剩余的表面包含电子电路。如果滑块710b和标尺720b之间的缝隙H约0.1mm是可行的，则标尺720b可延伸至连接部和导体737b上，而不必限定其宽度。

为了保护这种滑块，它们可均匀地被涂履或包封在极薄的包装件中以避免标尺和滑块表面之间太大的缝隙H。如果要求更好的保护，尤其是滑块暴露于标尺的部分，则可在滑块和标尺之间设置一块薄的介质片，或滑块电极可设在薄介质片远离标尺的一侧上，两种情况下都是通过该片进行耦合。图7c所示实施例由于滑块720c的平面上的电极721c垂直于标尺710结构面，所以很容易进行保护;为了保持电极和标尺结构之间的足够窄的缝隙可将电极阵列721c设置得靠近面对标尺的滑块边处。一种像图5中的电极排列将很适合该实施例，这是因为所有电极排列能放置得更贴近该边缘。于是，该滑块能更好地进行保护，这是因为只有它的边缘贴近标尺710c。

本发明的滑块的一种优点在于可有各种适用的标尺和它们的简单结构。图8a至图8e表明本发明的直线和曲线标尺的几个实施例，它们都可与上述滑块类型相配。图8a表示一种直线型标尺810，它具有沿第一路径周期排列的外形特征区811和沿平行于第一路径的第二路径排列的几个外形特征区811r。外形特征区811的结构允许如图5和图6中涉及的增量测量。第二路径外形特征区811r用作基准标记。因此，滑块820包含图5和图6中所示类型的电极排列821，图8a中用轮廓线表示，它们用来沿第一路径进行增量测量，以及用于读取作为基准标记的外形特征区811r的一个或多个电极排列821r，所述排列具有图2、3或4中所示类型。另外，标尺810用介质812涂履得到一个平滑的表面，于是防止灰尘和其它杂物落入凹下的外形特征区811和811r中。所述介质可以填满这些凹槽特征区，或只用坚硬的薄片（板）形介质盖住它们。另一种类型是在介质812中远离滑块820一侧设有所述标尺外形特征区811，于是所述介质812在这种情况下变成在平滑的基片的顶部上的标尺。最后，一种普通的带有刻度的标尺，如游标卡尺或钢尺可直接用作本发明检测器的标尺，因为它的规则结构已蚀刻好。

图8b显示一种其上刻有齿条的圆形柱塞且用作直线标尺810b;这种结构在盘式指示器中可发现，在那里由圆柱形轴承导向。用平直的滑块820b，对于直径为4mm的柱塞来说，1mm数量级的狭长电极排列821b，已足以避免与测量轴交叉方向上的结构的曲率影响测量结果。图8c显示了一种用作圆环形标尺810的齿轮，轮齿就是外形特征区811c;以这种方式可形成一个极简单的旋转编码器。这里滑块820c也是平直的而标尺810c是弯曲的，但这时沿测量通道弯曲;使齿轮直径远大于电极排列长度就足够了。图8d表示由具有冲压或蚀刻在其上的开口的扁平圆盘构成的旋转标尺810d，这些开口就是形成规则结构的外形特征区811d。如果滑块电极不是弯曲的，则由开口811d形成的圆环的直径必须远大于电极排列长度以避免非线性。图8e显示一种用作平移和/或旋转运动的标尺的测微螺旋（micrometer screw），它的螺纹811e形成结构;这种螺纹十分精确且常与测量仪器相结合，在那里它们也用作调节装置。为了改进精度，可使用两个置于直径两端的滑块820e。

本发明的检测器能很方便地配置起来以测量两维尺寸。上面已描述了一种适用的滑块。一种如图2或图3所示的两维电极阵列组，它们沿X和Y的周期与对应的标尺结构周期稍有差别，可通过使用其“游标尺”效应来测定X和Y。另一种可能性是通过交换装置构成行或列的电极阵列。为了测定 Y，沿Y向构成一种类同于图5中所示的电配置，而电极按行连接（设行是沿X方向的）;而为了测量X，测沿X方向构成所述电配置而电极按列连接。于是，滑块交替地进行X和Y测量。

一种更实际和更经济的办法是简单地在同一滑块和同一标尺上使用两个或多个线性检测器;至少沿X一个检测器和沿Y一个检测器。如果它们具有图5或图6中所述类型，则从检测器到检测器通过标尺不存在耦合。当然标尺应具有使一个坐标对另一坐标影响最小的结构。一种极端情况是极窄的电极构造;如果规则结构由孔槽的栅格构成，则检测器完全可能位于两行孔槽之间，测不出任何结果。这种极端情况表明需要优化哪些参数以避免两个坐标之间的影响。首先，电极结构的有效宽度应约等于结构周期或其倍数。外形特征区不应该太小或隔的太开以免产生死区，为了同样的理由，缝隙H也不应该太小。H的最佳值对导电标尺为结构周期的0.1至0.3倍之间，对于介质标尺稍大于此值。最后，采用X和Y各自分开的检测器的所述方案的优点在于能承受滑块和标尺之间的更大的角度误差，这一点对于鼠标器（鼠式位置指示器）特别重要，这是因为它不能总是与它的基座对齐。

图9a和图9b显示了两维标尺的两个实施例。第一实施例则由图9a表明，标尺910a为具有两组垂直的周期地隔开的槽的金属或介质板。两个检测器920a设在一共同的支架938a上。图9b中所示第二个实施例包含标尺910b，其特征在于一个质板用作包含两个检测器920b的“鼠标器”的“鼠标器基座”。该基座有一平滑的上平面便于“鼠标器”滑行，而在其底面有由孔形凹陷外形特征区911b构成的规则结构，则检测器920b通过介质层读出。

其它这种标尺可由具有规则结构的纸张构成，这种结构可通过绘图仪上的纸张驱动轮滚刻压印而成。织物也有两维的规则结构。在这种情况下和在上述其它情况下，使电极信号分布的周期与标尺结构周期相匹配是有益的，例如在不同的应用中可使用同样的滑块。一种应用已通过滑块对结构的空间谐波的敏感度而获得。例如，如果沿测量路径的结构轮廓是方的，如平坦表面中的沟槽，则滑块可“锁定”在最接近它自己周期的谐波上;于是可使标尺的周期为滑块电配置方式周期的三倍。另一可替代的方法是配置交换装置，以选择几种不同的周期。需要的话，可自动测定正确的周期。一种可能的方法是用电极扫描电极阵列并通过检测信号的过零点来测定周期。

显然上述各实施例没有限定本发明的意思，且根据本发明可作任何所需的修改。尤其是本发明能很方便地用于三维检测器和用于具有凹或凸的特征区的结构而每间距具有大量电极的检测器。

Claims

1、一种电容式位置检测器包含：通过给定的距离(H)相互隔开和可沿至少一个测量路径(X)相对移动的滑块(20)和标尺(10)，所述滑块包含：至少两个发射电极(21a、21b)；至少一个接收电极(21c)；产生加给所述发射电极电信号的第一装置(629)；和对由所述接收电极所接收到的信号进行计测的第二装置；其特征在于，标尺(10)包含：至少一个凹或凸的外形特征区(11)，所述第二装置处理在所述滑块上从所述发射电极耦合到所述接收电极的信号，所述标尺外形特征区(11)的构成使得当所述滑块(20)和标尺(10)沿测量路径(X)有相对位移时会通过耦合电容(C_ac、C_bc)的变化而影响耦合到所述滑块的所述信号。

2、如权利要求1所述电容式位置检测器，其特征在于，所述标尺（10）包含若干个沿至少一个测量路径（X）排列的凹或凸的外形特征区（11）以形成周期性规则结构，所述滑块包含至少一个沿所述测量路径（X）延伸的电极阵列和在一个周期分布中将至少两个电信号（V_a、V_b）连接于所述各电极的开关装置。

3、如权利要求2所述的电容式位置检测器，其特征在于，加给至少两个发射电极（21a，21b）的电信号（V_a、V_b）是两个幅值和频率相同而极性相反的交流信号，所述发射电极大体上与接收电极（21c）共面。

4、如权利要求3所述电容式位置检测器，其特征在于，所述标尺（510）包含一个沿至少一个测量路径（X）形成具有周期（T_x）的周期结构的外形特征区阵列，所述滑块（520）包含：沿所述路径延伸的至少一行电极（521）;和按照其周期对应于所述周期结构的周期（T_x）或其倍数的给定信号分布把所述行电极的每一个电极连接到交流信号（V_a、V_b）之一、或连接到交流放大器（522）输入端之一、或连接到屏蔽电位的交换装置（525），所述交换装置（525）能使所述分布沿所述电极行（521）移位。

5、如权利要求4所述电容式位置检测器，其特征在于，所述交换装置（525）允许信号分布至少具有这样一个信号序列：至少一个电极（521a）连接于第一交流信号（V_a）;至少一个电极（521g）连接于屏蔽电位（V_g）;至少一个电极（521c）连接于差分放大器（522）的第一输入端（525c）;至少一个电极（521g）连接于屏蔽电位（V_g）;至少一个电极（521b）连接于第二交流信号;至少一个电极（521g）连接于屏蔽电位（V_g），至少一个电极（521d）连接于差分放大器（522）的第二输入端;和至少一个电极（521g）连接于屏蔽电位，所述信号序列的周期对应于两个标尺周期。

6、如权利要求1所述电容式位置检测器，其特征在于，所述滑块（420）包含：至少一对相同的、共面的、连接于差分放大器（422）的两输入端的接收电极（421c、421d）;和至少两个更靠近接收电极之一（421c）的发射电极（421a、421b）。

7、如权利要求6的电容式位置检测器，其特征在于，对应于所述更靠近接收电极之一（421c）的每组发射电极（421a、421b），所述滑块（420）包含另一组更靠近另一接收电极（421d）的相同的发射电极（421a′、421b′），在接收电极（421c、421d）两侧上对应的发射电极（421a、421b′;421b、421a′）连接于幅值、频率相同而极性相反的交流信号，所述标尺（410）的外形特征区（411）的形状使得能通过它的移位改变发射电极和接收电极之间的耦合电容并在差分放大器（422）的两输入端之间获得差分信号。

8、如权利要求3和7的电容式位置检测器，其特征在于，所述滑块（620）包含两行沿测量路径（X）排列的相同的发射电极（621）和沿每个所述行延伸的接收电极（621c、621d），向每行发射电极（621）提供相同但极性相反的交流信号分布的交换装置（629），所述开关装置（629）允许所述分布沿所述行移位，每个接收电极（621c、621d）连接于差分放大器（622）的输入端（622c、622d）。

9、如权利要求8所述电容式位置检测器，其特征在于，所述差分放大器（622）连接于比较器（623）将所述放大的信号变换为数字信号，该数字信号在解调器（624）中被解调，解调器的输出信号控制一个可逆计数器（628）的计数方向，该可逆计数器的输出信号通过一解码器（629）和调制器（630）产生沿两行发射电极（621）上的所述交流信号分布。

10、如权利要求1所述电容式位置检测器，其特征在于，所述标尺（310）包含至少一个环形凸或凹的外形特征区（311），所述滑块（320）具有至少一组包含至少一个位于发射电极（321a、321b）之间的环形接收电极（321c）的同心电极，每一发射电极连接于两交流信号（V_a、V_b）的一个或另一个。

11、如权利要求1、6、7或10之一所述电容式位置检测器，其特征在于，所述标尺（10）包含以给定间距沿第一测量路径周期排列的外形特征区（11），所述滑块（20）包含沿相同路径周期排列的电极组，但具有稍有差别的间距以便产生“游标尺”效应。

12、如权利要求11所述电容式位置检测器，其特征在于，所述标尺（10）的外形特征区（11）也以给定间距沿第二测量路径周期排列，且所述滑块（20）电极组也是沿该第二测量路径以稍有差别的间距周期排列，以便沿两测量路径都获得“游标尺”效应。

13、如权利要求1所述的检测器，其特征在于，所述标尺（910a）包含沿两个相互垂直的测量路径周期排列的凸或凹的外形特征区（911a）。

14、如权利要求13所述检测器，其特征在于，所述滑块包含一个两维电极阵列，该阵列交替地连接成平行于第一路径的各行和连接成平行于第二路径的各列，所述行、列交替连接于所述第一和第二装置。

15、如权利要求13所述检测器，其特征在于，所述滑块（938a、939b）包含两个电极排列以便沿两相互垂直的测量路径确定滑块和标尺之间的相对位置。

16、如权利要求13所述检测器，其特征在于，所述标尺是一个具有紧贴滑块的平滑上表面和其底部表面上具有两维孔穴阵列的介质板（911b）。

17、如权利要求1所述的电容式位置检测器，其特征在于，所述标尺或是其上带有齿条（811b）的圆柱塞（810b）、或是一个齿轮（810c）、或是含有凹或凸外形特征区（811d）的转盘（810d）、或是一个测微螺旋。

18、如权利要求1所述的电容式位置检测器，其特征在于，所述标尺（810）包含用对滑块呈现平滑表面的材料（812）覆盖的凹或凸的外形特征区（811），所述材料在所述结构（811）上形成一填满或不填满所述下凹结构（811）的涂覆层。

19、如权利要求1所述的检测器，其特征在于，所述滑块（720a）是一个含有发射电极和接收电极的集成电路。

20、如权利要求1所述的检测器，其特征在于，所述滑块的电极面（721c）垂直于设有凹或凸的外形特征区的标尺（710c）的面。

21、如权利要求2所述的检测器，其特征在于，所述交换装置（525，629）可在电极阵列上使信号分布移动以便跟踪标尺（510、610）相对于滑块（520、620）的位移。

22、如权利要求2所述的检测器，其特征在于，所述交换装置（525、629）可使信号分布在电极阵列上连续地移动，以便获得恒速扫描，滑块（520、620）和标尺（510、610）的相对位置可用过零法或相位法获得。