CN104280053A - 电容式旋转位置编码器及电容式旋转位置检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电容式旋转位置编码器及电容式旋转位置检测方法。编码器包括收发器单元和配对物，收发器单元包括：N个导电的电容敏感区形成的第一布置，敏感区实施为均匀分布于外围并具有预定角度范围内的角度节段；导电的参考区和评价电路，能通过评价电路确定参考区和其中一个敏感区之间的电容值。敏感区和参考区实施为第一电子印刷电路板上的导体迹线结构。配对物与收发器单元对置并能绕着旋转轴相对于收发器单元旋转，并包括：参考耦合区，其与参考区对置地布置；X≥3个的导电的代码区形成的布置，其电连接到参考耦合区。代码区实施为具有与敏感区至少大致相同的预定角度范围的角度节段，并关于旋转轴以非旋转对称角分布的方式布置。

Description

电容式旋转位置编码器及电容式旋转位置检测方法

技术领域

本发明涉及电容式旋转位置编码器以及电容式旋转位置确定的方法。

背景技术

本发明具体地涉及电容式旋转位置编码器的技术领域，在该编码器中，在通过电介质相对于彼此隔离的导电区随旋转位置而变化的重叠和在这种情况下变化的所述导电区之间的电容值的辅助下确定旋转位置。根据简化的理论模型，在这种情况下，所得的电容值与面积重叠比率成正比。

在这种情况下，在旋转编码器中，导电区可用气隙作为电介质无接触地一个在另一个上地进行旋转，结果传感器系统没有出现机械磨损。除了诸如空气的气体之外，这种类型的旋转编码器还可用液体作为电介质(也就是说，例如，在水或油中)进行操作。然而，另选地，还可以采用通过固体电介质相对于彼此对应地绝缘并且(例如)还重叠地滑动的区域。

为了得到绝对的旋转位置，必须提供能够在所需的测量范围(也就是说，例如，整转)内进行明确的(也就是说，绝对的)旋转位置确定的电容区布置。这可以(例如)通过电容比的非旋转对称构造来实现。例如，如(例如)在(例如)US 2005/110768中的便携式音乐播放器的操作单元的情况下已知的，采用布置成环形的多个电容敏感区并且手指(人或被实施为导电电极)沿着环形扫过这多个电容敏感区。然而，与这种操作单元形成对照，在这里讨论的旋转位置编码器具有明显更高的精度和低于1度的角度测量精度，优选地，甚至明显更低，也就是说，例如，在1/10度、1/100度或更低的范围内。

尽管假定可以实现电容区的对应几何构造、电容值与旋转位置的线性或已知的相关性，但这种类型的位置确定还受各种干扰影响(诸如，例如，变化的区域距离、电介质的改变(例如，取决于空气湿度、温度)、外部电场、轴向偏移、区域的不平行)的影响。

具体地，然而，非旋转对称布置表明的缺点是(具体地，如果需要以高角度分辨率进行准确的旋转位置确定)，它们也对各种干扰影响(诸如，离心率、倾斜、轴向距离变化、晃动)和外部干扰场敏感。

在这种情况下，由于造成测量误差的误差影响，导致为进行绝对旋转位置编码而引入的“代码”不对称不能与可能其它的对称移位区分开来。在如(例如)US5,736,865中描述的现有技术中的旋转对称编码的情况下，可以按通过几何形状进行控制的方式来减少或避免这种问题，但由于对称性，导致在这种情况下绝对位置信息不再是可用的。

为了得到准确的绝对位置信息，可仅仅增加沿着外围的敏感区的数量，以由于所述敏感区的角距较小，导致得到更高的角度分辨率。然而，就制造位置编码器而言和信号评价而言，在实践时都是复杂的。被大量制造并且可按相应简单和低成本方式使用的用于确定电容的标准电子组件(具体地，集成电路或用于这种电路的IP核)通常提供对有限数量通道(例如，大致达10、12、14、16或20个通道)的评价。用于评价更大数量的通道(例如，50或更多个通道)的组件没有被用作标准，或者因多路复用器电路等而需要额外的硬件花费。

发明内容

本发明的一个目的在于改进电容式旋转位置编码器，具体地，在一转内被绝对编码的旋转位置编码器，具体地，具有范围小于1度(优选地，0.1度或更低)的高角度精度的旋转位置编码器。

一个特定目的是提供一种电容式旋转位置编码器，该编码器在一转内被绝对编码并且以范围为小于1度(优选地，大约0.1度或更低的幅度范围)的高角度精度来决定旋转位置。

本发明的一个目的是提供一种电容式旋转位置编码器，该编码器可以被实施为使得，在评价期间，至少部分地补偿频繁的误差源(诸如，离心率、晃动、倾斜、环境条件的改变)。

旋转位置编码器的大规模生产还有小型化和成本降低是目的的其它部分。

在这种情况下，本发明的另一个目的还提供了一种用于绝对位置确定的电容式编码器，可用大量的商购常规电子组件并且可用电子生产中常规的标准工序来制作所述电容式编码器。

另一个目的提供了一种在电容式旋转位置传感器中高度准确地确定旋转位置(具体地，在子角度范围内)的对应评价方法，具体地，其中，意图在评价期间对多样性的误差和干扰影响进行补偿或平均。

根据本发明，涉及一种用于绝对确定绕着旋转轴的旋转位置的电容式旋转位置编码器。

这个旋转位置编码器具有收发器单元，所述收发器单元包括：

○N个导电的电容敏感区形成的第一布置，所述敏感区被实施为均匀分布于外围并且具有预定角度范围的角度节段，具体地，大致为360°/N的角度节段(大致由于从技术上推断角度节段之间所需的距离，所述距离与角度节段宽度略微相关，例如，小于角度节段宽度的20％，和/或在可能的制作工程容差的含义内)，

○导电的参考区，以及

○评价电路，能借助于所述评价电路来确定所述参考区和其中一个所述敏感区之间的电容值。

在这种情况下，所述敏感区和所述参考区被实施为第一电子印刷电路板上的导体迹线结构。

这个旋转编码器此外还具有配对物，所述配对物位于与所述收发器单元对置的位置并且能绕着所述旋转轴相对于所述收发器单元旋转，并且该配对物包括：

○参考耦合区，所述参考耦合区以与所述参考区对置的方式布置，

○X≥3个导电的代码区形成的布置，所述代码区形成的布置电连接到所述参考耦合区。

根据本发明，所述代码区被实施为具有与所述敏感区至少大致相同的预定角度范围的角度节段并且被布置成关于所述旋转轴成旋转不对称(或非旋转对称)角分布。

换句话讲，根据本发明，使用不对称来替代对频繁误差源的误差补偿的已知对称，这种不对称被实施为使得，可同样地执行误差补偿但结果可以额外进行绝对位置的确定。

这可以依据不对称根据本发明来实现，所述不对称被按以下这种方式实施：尽管这个几何不对称，但实现了检测到的测量值的对称平衡，基于此，可以执行对误差的补偿。在这种情况下，不对称使得可以确定位置的绝对值，平衡比使得能够对将妨碍确定旋转位置的干扰影响进行数值补偿。

以下，说明根据本发明的电容式旋转位置编码器的一个示例性实施方式。

在这种情况下，旋转位置编码器配备有数量为N的电容敏感区，可以用所述敏感区在各情况下确定相对于参考区(或其它区中的一个)的电容值。

对电容值的这种确定借助于电子电路来实现，所述电子电路也可以被完全或部分实施为芯片中的集成电路。举例来说，这种类型的电容测量的一个可行原理在WO2011/025812或EP 2 470 919中有所描述或者可收集自制造商的数据表，诸如，例如，得自制造商“Analog Devices(模拟装置)”的组件“AD7142”或得自同一或某个其它制造商的类似组件的数据表。这种类型的集成电路已经可以在内部具有各式各样的用于电容确定的补偿和参考电路，例如，用于改变环境条件(诸如，温度、空气湿度等)的校准逻辑或用于改进所确定的电容测量值的其它校准数据。

在这个实施方式中，在敏感区和与RF信号发送器连接的参考区之间在各情况下实现电容确定。

在以环的节段形式示出的示例中，敏感区以圆形方式布置，在各情况下，所述环覆盖(在制造容差的范围内)相同大小的角度节段并且相互分隔开。在这种情况下，环节段就它们的形状而言也可以是近似的，例如，是梯形。

参考区在这个敏感区环的中心设置成圆形或环。另选地或另外地，参考区也可以包围敏感区环。

在这种情况下，敏感区和参考区可以被实施为印刷电路板的导体迹线或导电区，优选地，被实施为外层中的一层，而且以受保护方式实施为外层的方向上的至少一侧的这个区域中的内层(假设外层没有导体迹线)。出于屏蔽目的，屏蔽区可以设置在具有敏感区和参考区的层的下方和/或在围绕敏感区和参考区的平面中。评价电子器件可以按节省空间的方式布置在敏感区的下方，而且它们以被应用控制的方式并排(如果这样是有利的)。

具有评价电路的上述布置可以被设计为旋转位置编码器的“定子”，由于旋转位置编码器因带有评价电路而必须被电接触地连接。在许多应用中，所述定子优选地被实施为旋转编码器的固定部分。在这种情况下，术语“转子”和“定子”取决于所考虑的参考系统并且可以对应地在其它实施方式中以互换方式使用。

在评价期间，由于代码布置，可以补偿根据本发明的旋转编码器的倾斜、旋转轴的离心或安装的倾斜、离心。除了这些效果的补偿之外，根据本发明的旋转编码器还可以用于检测并且量化这些效果，或者用于将它们作为额外测量值进行测量，以此方式，例如，这些原理在WO 2008/083797中有所描述并且在PCT/EP2012/054095或WO 02/21081中的使用示例中进行说明。

被指定为配对物或“转子”的相关联的旋转部分承担以取决于旋转位置的方式将来自参考区的信号耦合到敏感区的任务，使得能确定转子相对于定子的绝对旋转位置。在这种情况下，可以完全无接触地(也就是说，利用定子和转子之间的连续气隙)实现电容耦合。除了空气之外，还可以在转子和定子之间设置其它非导电材料。尽管参考区与转子的导电耦合将实现相同的功能，但移动部分和固定部分之间的电接触经常在其磨损和可靠性方面是不利的，为此，它们通常被避免。

在以下示出的实施方式中，转子被实施为盘形方式。在这种情况下，旋转位置传感器的旋转轴至少大致居中地穿过耦合区或参考区形成的布置。示出的盘在中央具有参考耦合区，参考耦合区变成设置在参考区上方并且优选地具有大致相同的径向尺寸。在设置在定子外部的参考区的上述变形的情况下，这个相对的参考耦合区将对应地同样布置在外部(例如，布置为环)。

这个参考耦合区径向向外(或者，在其它变形形式中，对应地向内)连接到代码区，代码区将“接收到的”信号从参考耦合区电容耦合到敏感区，使得能确定参考区和敏感区之间的电容值。换句话讲，在各情况下，确定定子的参考区和转子的参考耦合区之间的电容以及代码区和相应相邻的敏感区之间的电容的串联连接。

在这种情况下，示出的代码区同样被实施为圆形节段，具体地，是由于圆形形状本身适用于旋转式测量系统。然而，在这种情况下，根据本发明，像示出的相关联敏感区的情况一样，没有以均匀分布方式实现围绕外围划分所述代码区，而是进行非旋转对称几何划分。

由于这个不对称，可在评价用敏感区确定的电容值的辅助下确定转子相对于定子的绝对旋转位置。为此目的，代码区的任意不对称将是足够的，也就是说，例如，包括单个代码区，诸如(例如)在US 5,736,865中。

为了实现更高的角分辨率，现在可以采用电容值确定的电容分辨率的提高。然而，测量电路的物理限制或仅仅因所使用的测量组件对测量分辨率的这种扩大施加限制，可以仅仅用额外的高支出来克服施加的这些限制。具体地，能实现的SNR对于能实现的最大测量精度是最终关键的，并且从某个阈值开始，不能再仅仅通过提高测量分辨率来进一步改进所述SNR。另选地，例如，通过减小带宽并随之延长测量时间并且求平均(如果适宜的话)来实现精度的进一步提高。

为了能够在相同电容分辨率(例如，由所使用的测量组件或测量电路提供的)的情况下用更高的分辨率确定旋转位置，还可以增加敏感区的数量，以在电容测量的大小分辨率相同的情况下执行更准确的位置确定。

根据本发明，依据以下事实实现提高的位置分辨率：借助于代码区和敏感区形成的几何布置和构造，对在电容值的所得测量信号之中误差项求平均。然而，这个几何布置和构造仍然以不对称方式实现，使得还能确定绝对位置信息。在这个布置中能确定的所述误差项涵盖不仅决定性误差(诸如，离心、晃动等)，而且涵盖非决定性误差(诸如，噪声、外部分布影响等)。由于尽管代码区的几何布置的旋转不对称也可以实现测量值的对称，因此能确定决定性误差。由于沿着外围确定多个测量值，导致可以实现(例如)关于噪声项的统计型改进。由于通过这两个效果实现的旋转位置确定中SNR的改进，因此可以实现旋转位置确定的改进。

本发明相应地还涉及一种电容式旋转位置检测的方法，所述方法包括通过将参考区电容耦合到参考耦合区并且经由与所述参考耦合区导电连接的X≥3个的代码区耦合到N个敏感区的子集来确定N个电容值。在这种情况下，借助于评价电路向参考区施加RF信号来确定参考区和敏感区之间的N个电容值。

在这种情况下，所述参考区、所述敏感区和所述评价电路可以布置在被实施为电子印刷电路板的收发器单元上。

所述参考耦合区与所述代码区可以布置在能绕着旋转轴相对于所述收发器单元旋转的配对物上，可以以电无源方式并且不以与收发器单元导电连接的方式来实施所述配对物。举例来说，所述配对物可以被实施为空置的电子印刷电路板，参考耦合区和代码区在其上被实施为导体迹线结构。另选地，所述配对物还可以被实施为带有参考耦合区和代码区的轮廓的压印的金属板部分。

在这种情况下，采用所述代码区的非旋转对称角分布以绝对方式执行所述旋转位置检测。在这种情况下，基于电容比的对称性质，在如所述的旋转位置检测期间实现对所述代码区相对于所述敏感区的几何不正确位置的确定和补偿。

通过由代码区和敏感区形成的布置造成的电容分布的不同评价对所述代码区相对于所述敏感区的几何不正确位置进行确定和补偿来实现所述方法。在根据本发明的布置中，当在任一旋转位置中，最多其中一个代码区与其中一个敏感区重叠时，可以不同地评价敏感区的信号，并且在一个敏感区完全重叠时，与其对置的敏感区不存在重叠。

本发明还涵盖一种计算机程序产品，所述计算机程序产品被存储在数据载体上并且被存储为硬连线逻辑，用于在如这里描述的电容式旋转编码器的数量为N个的电容值的辅助下执行旋转角度确定。这个计算机程序产品通过基于对称性质对所述旋转编码器中的几何不正确位置进行数值补偿来执行绝对旋转角度确定。

附图说明

以下，基于在附图中示意性示出的特定示例性实施方式仅仅以举例方式更详细地描述根据本发明的方法和根据本发明的装置，还讨论本发明的其它优点。在这种情况下，示出的附图不应该被视为是成比例的。在附图中，具体地：

图1示出根据旋转位置编码器的本发明的一个实施方式的组件的第一示例性图示，其中，收发器和配对物相互并排地示出；

图2用组装图示出根据本发明的旋转位置编码器的第二示例性实施方式；

图3示出具有参考耦合区和代码区的配对物的根据本发明的一个实施方式的示例；

图4示出具有参考区和敏感区的收发器的根据本发明的一个实施方式的示例；

图5示出不同旋转位置下的根据本发明的旋转位置编码器中的代码区和敏感区的重叠的示例性图示；

图6示出在图3和图4中的示例性实施方式的辅助下在一转内由一个敏感区确定的电容值的分布的图示；

图7示出在图3和图4中的示例性实施方式的辅助下在一转内由所有N个敏感区确定的电容值的分布的图示；

图8用剖视图示出根据本发明的旋转位置编码器的一个示例性实施方式；

图9示出根据本发明的使用旋转位置编码器的使用示例；

图10示出根据本发明的旋转位置编码器的敏感区和代码区的布置的根据本发明的变形形式的示例性图示。

具体实施方式

图1示出用于绝对确定绕着旋转轴的旋转位置的根据本发明的电容式旋转位置编码器的一个实施方式。这个旋转位置编码器具有收发器单元9，收发器单元9包括N个导电的电容敏感区5形成的第一布置，这些敏感区5被实施为具有预定角度范围并且被均匀分布于外围的角度节段。在这种情况下，预定角度范围具体为大致360°/N，从而可以推断出敏感区5之间的间隔，所述间隔基本上小到可以忽略的程度，具体地，比所述角度范围小几个数量级。

此外，收发器单元9还具有导电参考区4和评价电路，能借助于该评价电路来确定参考区4和其中一个敏感区5之间的电容值。

在这种情况下，敏感区5和参考区4被实施为第一电子印刷电路板6上的导体迹线结构。评价电路可被实施为安装在印刷电路板6上的一个或更多个电子组件的形式。

配对物10被布置成与收发器单元9对置，并且配对物以能绕着旋转轴相对于收发器单元旋转的方式布置。所述配对物具有被布置成与参考区4对置的参考耦合区1以及与参考耦合区1电连接的x≥3的导电代码区2形成的布置。在这种情况下，“对置”具体是指参考区4的延伸平面和参考耦合区1的延伸平面至少大致平行。在这种情况下，参考区4的延伸平面和参考耦合区1的延伸平面还至少大致与旋转轴13正交。

在这种情况下，代码区被实施为具有与敏感区至少大致相同的预定角度范围的角度节段，并且这些代码区绕着旋转轴以非旋转对称角分布的方式进行布置。

收发器单元9和配对物10在图1中被相互并排地示出。在各情况下，用图示的轴线的交叉来表达旋转轴13，在此辅助下，也容易清楚地明白代码区2的非旋转对称角分布。为了确定旋转角度，收发器单元9和配对物10以竖向重叠的方式布置，并且收发器单元和配对物之间存在非导电层(优选地，气隙)，在各情况下，轴交叉被图示为至少大致重叠。

在上下文中使用的表述“至少大致”是指(具体地)制造容差、安装容差或其它不精度范围内的偏差，所述不精确通常没有超过20％的偏差，常常甚至明显更低。还可以在本发明的辅助下补偿这些偏差中的许多偏差，导致它们只不明显地影响测量结果，因此事实上在本发明中是能容忍的。

在这种情况下，参考耦合区1和代码区2可以同样地被实施为第二电子印刷电路板6上的导体迹线结构。

从参考区4经由电介质(具体地，跨过气隙)朝向参考耦合区1实现(用箭头7符号表现)出于确定位置的目的而被检测的电容耦合。参考耦合区1连接到代码区2，代码区2进而经由电介质电容耦合到敏感区5(用箭头8符号表现)。借助于所述敏感区5，评价电路确定经由所述路径向着参考区4的电容值。在这种情况下，电容值取决于代码区2相对于敏感区5的旋转位置，使其具有更精确的面积重叠比。没有考虑(例如)直接在参考区4和敏感区5之间有可能出现的寄生电容耦合，这是出于简单起见，具体地，还因为根据本发明可以很大程度上确定和/或补偿偏移等形式的寄生电容耦合。

图2示出根据本发明的旋转位置编码器14的组装实施方式，其中，配对物10以能绕着旋转轴13旋转的方式与收发器单元9对置地布置。在配对物和收发器单元之间存在气隙12。因此，配对物10和收发器单元9相互没有导电接触。因此，配对物被实施为电子无源元件，具体地，其不主动生成信号并且没有有源电子组件。在这种情况下，在印刷电路板6的底面示出评价电路11，所述底面位于与敏感区5对置的位置，但在不同实施方式中，评价电路11还可以被设置在收发器单元9的印刷电路板6的顶面。

图3示出配对物10的一个示例性实施方式。在这种情况下，绕着旋转轴13，参考耦合区被图示为是同心的圆或环形区，角度节段与参考耦合区连接并且角度节段从参考耦合区径向延伸出来，所述角度节段形成代码区2。这里，围绕参考耦合区1的代码区2的根据本发明的非旋转对称布置是清楚明显的。在图示的示例中，形成用罗马数字标记的五个代码区2，它们的宽度都覆盖相同的角度范围，但它们相对于彼此的距离有所不同，也就是说，它们是非旋转对称地布置的。在此非旋转对称布置的辅助下，可基于由收发器单元9所确定的电容值，借助于敏感区5来确定配对物10相对于收发器单元9的绝对旋转位置。

尽管是非旋转对称布置，但代码区2因它们与相关联的敏感区5的重叠而出现了对称。用箭头16指示所述对称。附图还示出关于直径轴15的镜像对称。在这些对称的辅助下，可以确定和/或补偿在确定旋转位置时产生的误差。

非旋转对称和所得电容比的对称的根据本发明的组合使得能够准确绝对且可靠地确定位置。具体地，在相对于旋转转动的所述对称中，只评价少量的敏感区5。

在这种情况下，具体地，代码区2被布置成使得，在任意旋转位置处，代码区2中的单个代码区与敏感区5中的一个敏感区最大程度地保持最大的重叠。

具体地，在这种情况下，可以如此选择代码区2的布置以使得，在每个最大重叠中，其中一个与最大重叠对角对置的敏感区5均不被代码区2重叠，也就是说，检测到最小电容值。由此获取的关于电容的最大值和最小值的信息可以被用于(例如)校正电容值的定标。举例来说，可实现对这两个电容值的不同评价，和/或可以执行相对于因此能确定的电容的最小值、最大值或平均值的评价。此外，因此还可以应用(例如)对多个电容值求平均、时间上求平均或统计方法。

在这种情况下，配对物10可以被实施为第二电子印刷电路板3，在第二电子印刷电路板3上，参考耦合区1和代码区2被实施为导体迹线结构。在这种情况下，导体迹线结构可以被具体实施为印刷电路板3外层上的一体的导体迹线区。这种类型的印刷电路板3能在工业上大量生产并且具有成本效益并且使导体迹线结构具有大尺寸稳定性(例如，大致在1/10mm或明显更低的范围内)。此外，诸如FR4的印刷电路板材料(例如)是机械上极其稳定的并且具有有利的热行为。

配对物10还可以在面对收发器单元9的面上和背离收发器单元9的面上设置有导体迹线结构，具体地，在两面上设置有至少大致相同的导体迹线结构。这样带来了针对配对物10的机械卷曲方面的优点，尤其是在温度和/或湿气影响变化的情况下。制作具有两个外层的印刷电路板3在这里是标准工序，能够进行具有成本效益的生产。可能进行的钻孔形成用作旋转轴容器的中央定心孔13同样是印刷电路板生产中的标准工序。

如果需要更高的精度，则电子印刷电路板还可以在上面涂覆有导体结构的陶瓷或玻璃中实施。举例来说，诸如丝网印刷、溅射、蒸气沉积、气相沉积等以及可能后续的掩盖和蚀刻工序的常规方法适于这个目的，可同样地以工业规模和在对应的成本效益下执行。

另选地，配对物10还可以按工业规模简单地以高尺寸精度和高成本效益被制作为被压印的片金属部件。在这种情况下，只压印出带有代码区的参考耦合区的轮廓并且代码区之间的角度范围可保持是空的。

在如图4中所示的收发器单元9的根据本发明的实施方式中，参考区4被实施为单个、圆形的中央参考区4。为了确定电容，评价单元11(这里未示出)可向这个参考区4施加RF信号。所述RF信号接着被电容耦合到配对物10，具体地，经由气隙12电容耦合到参考耦合区1，并且经由与参考耦合区1导电连接的配对物10的代码区2电容耦合回收发器单元9，直至其敏感区5。利用这里用拉丁字母A至L连续标记的N个敏感区5，因而在各情况下可以用N个敏感区5中的一个确定取决于N旋转角度的电容值。

所述电容值主要取决于代码区2和敏感区5的重叠比，由此导致能确定旋转位置。根据本发明，在这种情况下，考虑到代码区2的非旋转对称角分布，可以确定旋转位置是绝对值。通过在这种情况下造成的电容比，还可以将这里采用的代码区2和敏感区5形成的布置用于确定和补偿对电容值的次影响，所述次影响不用于确定主旋转角度，诸如(例如)几何不正确位置(诸如，轴向偏移，晃动等)以及环境影响(外部场、温度变化和空气湿度变化)。

参照图5，现在将描述并且基于具有12个通道的示例性示例描述具有大量N个电容测量通道的具体实施方式。

假定有N个电容测量通道，存在N个敏感区15(在示出的情况下具有N个角度节段的分段环)，这些敏感区都具有相同的大小并且以在各情况下偏离360度/N(例如，360/12度＝30度)的方式来布置。这种情况下的角度节段(推断敏感区5之间的距离小)相应地也是大致30度宽。参考区4被实施为敏感区5的中心的实心圆。

以彼此叠置的方式示出配对物10与收发器单元9。在这种情况下，敏感区5的角度节段以没有被填充的方式示出，而代码区2的角度节段以被半透明填充的方式示出。面积与参考区4至少大致相同的中心的参考接收区1和下面的参考区4以被更暗填充的方式示出。代码区2与敏感区5的完全重叠也同样被更暗填充。

代码区2被布置成围绕参考接收区1。在这种情况下，存在X＝N/2-1个代码区2，这些代码区2都连接到参考接收区1并且其外径大致对应于敏感区5的外径。

因此，在12个敏感区5的示例中，存在X＝12/2-1＝5个代码区2。

然而，根据本发明，所述X个代码区2并没有像敏感区5一样均匀分布于外围。代码区2的角分布被构造为使得，代码区2中的一个代码区与敏感区5中的一个敏感区的最大重叠出现在360°/(N*X)的旋转角间距处。

在这个实施方式中，代码区2的角分布还被构造为使得，相邻代码区2之间的角间距变化360°/N或0加上360°/(N*X)的倍数。

具体地，在这种情况下，在每一整转中，代码区2中的一个代码区与敏感区5中的一个敏感区的最大耦合出现最大耦合的次数是N乘以X，所述最大耦合是以均匀分布于外围的旋转角实现的。

在各情况下，这里可选择两个区域之间的旋转角是X×360度/(0.5*N^2-N)，其中，X介于(N-1)和(1.5*N-4)之间。

因此，在其中N＝12的示例中，代码区2的角位置的结果是：

由于代码区2在外围不均匀分布，导致可以明确地(也就是说，以绝对方式)确定360度内的旋转位置。

具体地，这里，代码区2形成的布置(也就是说，代码区2之间的空隙的划分)具体被实现为使得，配对物10在一个方向上旋转时，代码区2中的一个代码区与敏感区5中的一个敏感区完全重叠的次序没有以相对于此旋转方向周向地(或对置地)进行的方式发生。在这种情况下，代码区形成的布置和代码区的间隔可以被实现为使得，在配对物10相对于收发器单元9单向旋转期间最大重叠的顺序或次序在各情况下接连与前一个重叠大致对置地形成。因此，在旋转编码器在一个方向上旋转时，不会出现以圆形周向地行进的完全重叠的敏感区的顺序。在配对物10的代码区2进行这种旋转时，在各情况下，因此，其中一个敏感区和其中一个代码区的连续完全重叠大致以位置对置的方式出现。举例来说，在各情况下位于与前一个完全重叠对置的区域(也就是说，例如，在附图中相对于0°标记的区域50)尽可能远的位置的敏感区完全重叠，所述区域大致涵盖与重叠对置的敏感区的一半，也就是说，是与前一重叠大致对角对置的区域。因此，换句话讲，在这种情况下，代码区可以按在旋转编码器的旋转位置单向改变时造成以下的最大重叠顺序这样的方式布置：相对于相应前一个重叠在对角对置区域50中出现最大重叠，也就是说，具体地，以相对于彼此超过45°或90°的角间距实现完全重叠。

如基于旋转0°至30°的一个示例性实施方式在图5中示出的一样，在各情况下，这可以用配对物10的两个代码区2之间的根据本发明确定的旋转角间距来实现。根据本发明的这些间距的最佳布置还可以由本领域的技术人员通过实验或在仿真的背景下进行验证和/或确定。在根据本发明的旋转编码器中，代码区2和敏感区5的这种布置有助于以下事实，即，在为确定旋转位置而进行的电容评价中，可补偿多样性的位置误差和其它干扰影响。

相对于所有敏感区5，在各情况下，以360度/(N*(N/2-1))的角间距重复敏感区5中的一个敏感区和代码区2中的一个代玛区的完全重叠。

换句话讲，在示出的布置中，如附图中示出的一样，必须根据这个公式(也就是说，假定N＝12，6度时)确定敏感区5中的一个敏感区处的电容的最大值之间的绕旋转轴的旋转角间距。然而，如在示出的示例中清楚的，在转动期间接连出现的最大重叠不一定按周向顺序进行。

在相对于具有最大重叠的敏感区5的各情况下(所述敏感区被图示为暗的)，存在不与代码区2重叠并且进而具有最小电容值的敏感区5。仅作为示例，这样能够对最小值和最大值进行不同评价，由此导致可以确定和/或补偿其可能的公共偏差。在考虑附图时，根据本发明的代码区和敏感区布置的这个实施方式的甚至进一步不同的或对称的性质是明显的，通过求平均、最大似然法或统计法，可以用于进一步提高位置测量值。然而，经正式的证实，对其的一般数学描述太复杂，以致不能够在此详细阐明。

按照上述的电容比，可以提高电容测量的分辨率，并且在多个敏感区5进行评价的辅助下，可以按绝对方式和高位置精度和可重复性确定旋转位置。

图6示出在360°的整转内借助于敏感区5中的一个敏感区(或者敏感区与代码区中的一个代码区的与之成比例的面积重叠)确定的电容值的示图。图示揭示了，基于其值是0的角度范围和什么角的值是1，在整转期间，在这个敏感区5上扫过的X(在示例中，X＝5)个代码区2的不同间隔。所示出的信号峰的相同形状是由全部X个代码区5的相同节段宽度造成的。

图7示出根据图4中的方案指定的示例中的全部十二个敏感区5的信号的示图。图示揭示了，在每个旋转角度下根据本发明的对称比，在此辅助下，可以根据本发明实现角度测量值的改进。此外，从中显而易见的是，可以在这些信号的辅助下明确地确定每个角位置，这意味着，配对物10相对于收发器单元9的旋转角度被绝对编码。

图8示出其中配对物10被安装在旋转轴13上的根据本发明的一个实施方式的示例。例如，借助于凸缘23将配对物10安到旋转轴13上，适于通过配对物10中心中的孔来定心。此外，旋转轴13可以穿过中央孔插入配对物10中并且粘接在那里或焊接在那里。借助于两个轴承20以可旋转方式安装旋转轴13，其中，此安装在旋转编码器的前部21中实施，还可以被实施为旋转轴13的外部组件，用于确定旋转位置的旋转编码器被安在旋转轴13上。收发器单元9以与配对物10相距一定距离的方式安装在外壳22的后部中。由于根据本发明可确定并且补偿收发器单元9相对于配对物10的几何不正确位置，因此可在比较高的尺寸容差的情况下实现所述收发器单元和配对物的安装，而同时不造成旋转位置测量精度的关键性损失。

图9示出为了执行极坐标中的空间测量，根据本发明，借助于两个旋转编码器14扩大手持光电距离测量装置25以形成3D坐标测量机的使用示例。在不同的使用示例中，还可以仅针对一个方向只使用单个旋转编码器14。

在如图10中所示的根据本发明的旋转编码器14的实施方式中，敏感区5的数量N不是12，而是8和16，代码区2的数量相应地不是5，而分别是3和7。其它方面根据如上说明的本发明来实施。

在其中N＝8的以上示出的示例性实施方式中，按照以上的说明：代码区2的角位置的结果是：

在其中N＝16的以上示出的示例性实施方式中，按照以上的说明：代码区2的角位置的结果是：

这里使用的根据本发明的旋转编码器和方法还可以用于其它应用领域，具体地，用于需要对应的高且准确的旋转位置分辨率和高的单元数量低单元成本的应用领域，例如，用作电动机的旋转编码器等。除了旋转编码器之外，具体地，在测量范围受限制的情况下或在绝对编码周期性重复的情况下，还可以按照根据本发明的构思类似地实施线性编码器。

如这里阐述的旋转位置编码器(所述旋转位置编码器在这里被描述为是电容式的)的对称原理还可以应用于其它传感器原理，例如，磁或光检测原理。

Claims (15)

1.一种用于绝对确定绕着旋转轴的旋转位置的电容式旋转位置编码器，所述旋转位置编码器包括：

■收发器单元，该收发器单元包括：

○N个导电的电容敏感区形成的第一布置，所述敏感区被实施为均匀分布于外围并且具有预定角度范围的角度节段，具体地，具有大致360°/N的角度范围的角度节段，

○导电的参考区，以及

○评价电路，能借助于所述评价电路来确定所述参考区和其中一个所述敏感区之间的电容值，

其中，所述敏感区和所述参考区被实施为第一电子印刷电路板上的导体迹线结构，

■配对物，该配对物位于与所述收发器单元对置的位置并且能绕着所述旋转轴相对于所述收发器单元旋转，所述配对物包括：

○参考耦合区，该参考耦合区以与所述参考区对置的方式布置，

○X≥3个的导电的代码区形成的布置，所述代码区形成的布置电连接到所述参考耦合区，

其特征在于，

所述代码区：

●被实施为具有与所述敏感区至少大致相同的预定角度范围的角度节段，并且

●关于所述旋转轴以非旋转对称角分布的方式进行布置。

2.根据权利要求1所述的旋转位置编码器，其特征在于，

所述代码区被布置成使得，在任一任意旋转位置处，所述代码区中最多只有一个代码区与所述敏感区中的一个敏感区实现它们的最大重叠。

3.根据权利要求2所述的旋转位置编码器，其特征在于，

所述代码区被布置成使得，在旋转位置单向改变时产生最大重叠的序列，其中所述最大重叠相对于相应的之前的最大重叠出现在斜对角对置的区域中，具体地，也就是说，在单向旋转时，最大重叠以彼此超过45°或90°的角间距来实现。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的旋转位置编码器，其特征在于，

所述配对物被实施为第二电子印刷电路板，并且所述参考耦合区和所述代码区具体地被实施为所述第二电子印刷电路板上的一体的导体迹线结构。

5.根据权利要求4所述的旋转位置编码器，其特征在于，

所述配对物的面对以及背离所述收发器单元的面上设置有至少大致相同的导体迹线结构。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的旋转位置编码器，其特征在于，

所述参考区被实施为单个参考区，所述评价电路向所述单个参考区施加RF信号，该RF信号被电容耦合到所述配对物并且从所述配对物经由所述代码区耦合到所述敏感区，使得能确定所述参考区和其中一个所述敏感区之间的N个取决于旋转角度的电容值。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的旋转位置编码器，其特征在于，

所述代码区的数量是X＝N/2-1。

8.根据权利要求1至7中的任一项所述的旋转位置编码器，其特征在于，

所述代码区和所述敏感区具有至少大致相同的几何形状。

9.根据权利要求2至8中的任一项所述的旋转位置编码器，其特征在于，

在每个所述最大重叠中，所述敏感区中的与所述最大重叠斜对角对置的那一个敏感区不与代码区重叠，和/或所述代码区形成的布置关于至少一个直径轴线镜像对称。

10.根据权利要求1至9中的任一项所述的旋转位置编码器，其特征在于，

所述代码区的角分布被设置成使得，其中一个所述代码区与其中一个所述敏感区的最大重叠出现在360°/(N*X)的旋转角间距处。

11.根据权利要求1至10中的任一项所述的旋转位置编码器，其特征在于，

所述代码区的角分布被设置成使得，相邻代码区之间的角间距改变360°/N或0加上360°/(N*X)的倍数，具体地，其中，每次旋转出现的其中一个所述代码区与其中一个所述敏感区的最大耦合的次数是(N*X)。

12.根据权利要求1至11中的任一项所述的旋转位置编码器，其特征在于，

在所述收发器单元上，N＝12个敏感区被布置成围绕以圆形方式实施的参考电极、角范围为360°/N的环节段，并且

在所述配对物上，布置角范围为360°/N的X＝5个的代码区，所述代码区一体地连接到以圆形方式实施的中央参考耦合区，

具体地，其中，所述代码区相对于彼此的角间距是360°/N+m*360°/(N*X)，其中，m＝1、…、3。

13.一种电容式旋转位置检测方法，所述方法包括：

■将参考区电容耦合到参考耦合区；以及

■将参考耦合区经由X≥3个与该参考耦合区导电连接的代码区电容耦合到N个敏感区的子集，

其中，评价电路通过向所述参考区施加RF信号来确定所述参考区和所述敏感区之间的N个电容值，其中，

■所述参考区与所述敏感区和所述评价电路布置在被实施为电子印刷电路板的收发器单元上，

■所述参考耦合区与所述代码区布置在能绕着旋转轴相对于所述收发器单元旋转的配对物上，

其特征在于，

利用所述代码区的非旋转对称角分布以绝对方式实现所述旋转位置检测，具体地，其中，在旋转位置检测期间基于对称性质实现对所述代码区相对于所述敏感区的几何不正确位置的确定和补偿。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，

对所述代码区相对于所述敏感区的几何不正确位置的确定和补偿通过对由其布置造成的电容分布的差异评价来实现，其中，在任一任意旋转位置中，最多其中一个所述代码区最大程度地与其中一个所述敏感区重叠，具体地，其中，与完全重叠对置的那个敏感区不存在重叠。

15.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品被存储在数据载体上或者被存储为硬连线逻辑，用于在根据权利要求1至12中的任一项所述的旋转编码器的N个电容值的辅助下执行旋转角度确定，具体地，其中，所述旋转角度确定基于对称性质电容式编码通过对所述旋转编码器中的几何不正确位置进行数值补偿来执行绝对旋转角度确定，具体地，其中，在根据权利要求1至10中的任一项的旋转位置编码器中或者在与所述旋转位置编码器连接的评价电路中执行所述旋转角度确定。