CN112781628A - 编码器和编码器的检测头 - Google Patents

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Abstract

目的是在电磁感应型编码器中使用具有低功耗的单个电源利用不同电压的分别激励发送线圈。编码器的检测头包括电压调节电路和多个激励电路。激励电路包括谐振电路，该谐振电路包括串联连接的驱动电容器和发送线圈，并且通过在驱动电容器被充电的状态下连接谐振电路的两端来产生交流磁场，交流磁场在设置在标尺上的多个标尺轨道中的标尺线圈中感应出电流。电压调节电路包括第一变压器电容器，并且使用充电的第一变压器电容器控制单个激励电路中的驱动电容器的充电电压。

Description

编码器和编码器的检测头
技术领域
本公开涉及编码器和编码器的检测头。
背景技术
在电磁感应型绝对位移检测器(编码器)中，众所周知，作为用于驱动磁场发生器中的发送线圈(transmission coil)的方法，使用包括发送线圈和电容器的激励电路(例如，日本专利第3366855号)。在该配置中，通过使用串联在电源电压和地之间的第一开关和第二开关、通过第一开关将电源电压施加到激励电路中的电容器以对电容器中的电荷充电、以及接通第二开关，从而形成谐振电路，并且由来自发送线圈的交变信号从发送线圈产生交变磁场。
在绝对编码器的情况下，由于可以采用包括具有不同波长的多个标尺的轨道配置，所以有必要为每个轨道设置激励电路和解调电路。由于基底面积的限制和检测目标的不同(例如，线性类型和旋转类型)，轨道的信号强度不一定彼此相同。为了检测绝对位置，一个轨道(子轨道)被用作辅助轨道，并且在许多情况下，辅助轨道不需要像主轨道那样强的信号强度。然而，当主轨道和子轨道之间的信号强度相差很大时，检测信号超过电路的动态范围，并且可能检测不到准确的位置。因此，期望改变每个轨道的发送线圈的驱动电压，使得信号强度尽可能相等。
发明内容
如上所述，为了均衡施加到多个标尺的信号的强度，可以设想采用这样的配置，在该配置中，准备多个电源，并且对为各个轨道提供的激励电路的电容器充电。然而，由于电池经常被用作诸如游标卡尺之类的手动工具中的电源，所以位置信息被设计成不容易响应于电池电压的改变而改变。例如，通过将模数转换器(ADC)的参考电压设计成与电源电压成比例，即使当发送线圈的驱动电压由于电源电压的改变而改变时，ADC本身的输出数据也不会显著变化。
因此，期望用于驱动发送线圈的电源与单个电源的电压变化成比例。通过由电阻分压法对电源电压进行分压以及通过提供具有分压的缓冲电路，来实现与电源电压成比例的电源，这是值得考虑的。然而，不仅电阻分压法消耗功率，而且缓冲电路也消耗功率，从而导致电池寿命降低。
本公开是鉴于上述情况而做出的。本公开的目的是在电磁感应型编码器中使用具有低功耗的单个电源来利用不同电压分别激励发送线圈。
本公开的第一方面是一种编码器的检测头，包括：多个激励电路，分别包括谐振电路，该谐振电路包括串联连接的驱动电容器和发送线圈，并且被配置为通过在驱动电容器被充电的状态下连接谐振电路的两端来产生交流磁场，交流磁场在设置在标尺上的多个标尺轨道中的标尺线圈中感应出电流；以及电压调节电路，包括第一变压器电容器，并且被配置为使用充电的第一变压器电容器来控制单个激励电路中的驱动电容器的充电电压。
本公开的第二方面是上述检测头，其中，单个激励电路包括：第一开关，其一端连接到电压调节电路；以及第二开关，其一端连接到第一开关的另一端并且其另一端接地，驱动电容器的一端连接在第一开关和第二开关之间，发送线圈的一端连接到驱动电容器的另一端并且其另一端接地，通过接通第一开关并关断第二开关来对驱动电容器充电，并且在对驱动电容器充电之后，发送线圈通过关断第一开关并接通第二开关来产生交流磁场。
本公开的第三方面是上述检测头，其中，电压调节电路被配置为开关电容器电路，该开关电容器电路借由通过对从电源输出的电源电压进行升压或降压而产生的电压来对驱动电容器充电。
本公开的第四方面是上述检测头，其中，开关电容器电路包括：第三开关，其一端接地；第四开关，其一端连接到第三开关的另一端和第一变压器电容器的一端，并且其另一端连接到电源；以及第五开关，其一端连接到电源，并且其另一端连接到第一变压器电容器的另一端和单个激励电路的第一开关。
本公开的第五方面是上述检测头，其中，通过接通第一开关、第三开关和第五开关并关断第二开关和第四开关来对驱动电容器和第一变压器电容器充电，通过接通第一开关和第四开关并关断第二开关、第三开关和第五开关将电压施加到驱动电容器，所述电压是通过将由于驱动电容器中充电的电荷产生的电压和由于第一变压器电容器中充电的电荷产生的电压相加而产生的，并且发送线圈通过接通第二开关同时关断第一开关来产生交流磁场。
本公开的第六方面是上述检测头，其中，通过接通第三开关和第五开关并关断第一开关、第二开关和第四开关来对第一变压器电容器充电，借由通过接通第一开关并关断第二开关至第五开关，将在第一变压器电容器中充电的电荷的一部分移动到驱动电容器，来对驱动电容器充电，并且发送线圈通过接通第二开关同时关断第一开关来产生交流磁场。
本公开的第七方面是上述检测头，其中，开关电容器电路包括：第二变压器电容器；第三开关，其一端接地；第四开关，其一端连接到第三开关的另一端和第二变压器电容器的一端，并且其另一端连接到电源；第五开关，其一端连接到电源；和第六开关，其一端连接到第五开关的另一端和第二变压器电容器的另一端，并且其另一端连接到单个激励电路的第一开关。
本公开的第八方面是上述检测头，其中，通过一次或多次执行包括第一步骤和第二步骤的充电循环来对驱动电容器充电，在第一步骤中，通过接通第三开关、第五开关和第六开关并关断第一开关、第二开关和第四开关来对第一变压器电容器和第二变压器电容器充电，在第二步骤中，借由通过接通第一开关、第四开关和第六开关并关断第二开关、第三开关和第五开关，将在第一变压器电容器中充电的电荷移动到驱动电容器和第一变压器电容器，将电压升高到高于电源电压，并且发送线圈通过接通第二开关同时关断第一开关来产生交流磁场。
本公开的第九方面是上述检测头，其中，通过一次或多次执行包括第一步骤和第二步骤的充电循环来对驱动电容器充电，在第一步骤中，通过接通第二开关、第三开关和第五开关并关断第一开关、第四开关和第六开关来对第一变压器电容器充电，在第二步骤中，借由通过接通第一开关、第三开关和第六开关并关断第二开关、第四开关和第五开关，将在第一变压器电容器中充电的电荷移动到第二变压器电容器和驱动电容器，来对第二变压器电容器和驱动电容器充电，并且发送线圈通过接通第二开关同时关断第一开关来产生交流磁场。
本公开的第十方面是上述检测头，其中，电压调节电路包括：第七开关，其一端连接在单个激励电路的第一开关和第二开关之间；和第八开关，与第一变压器电容器并联连接，其一端连接到第七开关，并且其另一端接地，通过接通第八开关和单个激励电路的第一开关并关断第七开关和单个激励电路的第二开关，对单个激励电路的驱动电容器充电并且使第一变压器电容器放电，通过接通第七开关并关断第八开关以及单个激励电路的第一开关和第二开关，将在单个激励电路的驱动电容器中充电的电荷的一部分移动到第一变压器电容器，并且发送线圈通过接通单个激励电路的第二开关以及关断第七开关、第八开关和单个激励电路的第一开关来产生交流磁场。
本公开的第十一方面是上述检测头，其中，电压调节电路包括并联连接的两个或更多个第七开关，两个或更多个第七开关分别连接到两个或更多个激励电路的第一开关，并且通过选择性地接通/关断两个或更多个第七开关中的任何一个第七开关，将与第七开关相对应的单个激励电路选择性地接通/关断。
本公开的第十二方面是上述检测头，其中，电压调节电路包括第九开关，其一端连接在输出电源电压的电源和所连接的激励电路的第一开关之间，第一变压器电容器的一端连接到第九开关并且其另一端接地，通过接通第九开关并关断单个激励电路的第一开关和第二开关来对第一变压器电容器充电，通过接通单个激励电路的第一开关并关断第九开关和单个激励电路的第二开关，将在第一变压器电容器中充电的电荷移动到单个激励电路的驱动电容器，并且发送线圈通过接通单个激励电路的第二开关以及关断第九开关和单个激励电路的第一开关来产生交流磁场。
本公开的第十三方面是上述检测头，其中，电压调节电路还包括第十开关，其一端连接到电源并且其另一端连接在单个激励电路的第一开关和第二开关之间，通过接通第十开关并关断第九开关以及单个激励电路的第一开关和第二开关来对驱动电容器充电，并且发送线圈通过接通单个激励电路的第二开关以及关断第九开关、第十开关和单个激励电路的第一开关来产生交流磁场。
本公开的第十四方面是上述检测头，其中，电压调节电路的第九开关连接在两个或更多个激励电路的第一开关和第一变压器电容器之间，并且通过控制第九开关以及两个或更多个激励电路中的任何一个激励电路的第一开关和第二开关来驱动包括要控制的第一开关和第二开关的单个激励电路。
本公开的第十五方面是上述检测头，其中，设置分别与多个激励电路中的两个或更多个激励电路相对应的两个或更多个电压调节电路。
本公开的第十六方面是一种编码器，包括：标尺，包括多个标尺轨道，标尺线圈设置在每个标尺轨道中；检测头，被配置为在设置在标尺轨道中的标尺线圈中感应出电流，并检测由所感应的电流产生的交流磁场，该交流磁场感应出电流；和信号处理单元，被配置为基于检测结果来检测标尺的位移，其中编码器的检测头包括：多个激励电路，分别包括谐振电路，该谐振电路包括串联连接的驱动电容器和发送线圈，并且被配置为通过在驱动电容器被充电的状态下连接谐振电路的两端来产生交流磁场，交流磁场在设置在标尺上的多个标尺轨道中的标尺线圈中感应出电流；和电压调节电路，包括第一变压器电容器，并且被配置为使用充电的第一变压器电容器来控制单个激励电路中的驱动电容器的充电电压。
根据本公开，可以在电磁感应型编码器中使用具有低功耗的单个电源来利用不同电压分别激励发送线圈。
根据下文给出的详细描述和附图，本公开的上述和其他目的、特征和优点将变得更加全面，附图仅作为说明给出，因此不应被认为是对本公开的限制。
附图说明
图1示意性地示出了根据第一示例性实施例的绝对编码器的配置；
图2示出了标尺和检测头的配置；
图3示意性地示出了根据第一示例性实施例的检测头的配置；
图4示意性地示出了根据第一示例性实施例的开关电容器电路的电路配置；
图5示出了当根据第一示例性实施例的开关电容器电路作为升压电路进行操作时各个开关的切换时序；
图6示意性地示出了当开关S1、S3和S21接通并且开关S2和S22关断时由根据第一示例性实施例的开关电容器电路和激励电路形成的等效电路；
图7示意性地示出了当开关S2和S21接通并且开关S1、S3和S22关断时由根据第一示例性实施例的开关电容器电路和激励电路形成的等效电路；
图8示出了当根据第一示例性实施例的开关电容器电路作为降压电路进行操作时各个开关的切换时序；
图9示意性地示出了当开关S1、S3和S22接通并且开关S2和S21关断时由根据第一示例性实施例的开关电容器电路和激励电路形成的等效电路；
图10示意性地示出了当开关S1和S21接通并且开关S2、S3和S22关断时由根据第一示例性实施例的开关电容器电路和激励电路形成的等效电路；
图11示意性地示出了根据第二示例性实施例的编码器的检测头的主要部分的配置；
图12示意性地示出了根据第二示例性实施例的开关电容器电路的电路配置；
图13示出了当根据第二示例性实施例的开关电容器电路作为升压电路进行操作时各个开关的切换时序；
图14示意性地示出了当开关S1、S3和S4接通并且开关S2、S21和S22关断时由根据第二示例性实施例的开关电容器电路和激励电路形成的等效电路；
图15示意性地示出了当开关S2、S4和S21接通并且开关S1、S3和S22关断时由根据第二示例性实施例的开关电容器电路和激励电路形成的等效电路；
图16示出了当根据第二示例性实施例的开关电容器电路作为降压电路进行操作时各个开关的切换时序；
图17示意性地示出了当开关S1、S3和S22接通并且开关S2、S4和S21关断时由根据第二示例性实施例的开关电容器电路和激励电路形成的等效电路；
图18示意性地示出了当开关S1、S4和S21接通并且开关S2、S3和S22关断时由根据第二示例性实施例的开关电容器电路和激励电路形成的等效电路；
图19示意性地示出了根据第三示例性实施例的编码器的检测头的主要部分的配置；
图20示出了第三示例性实施例中激励电路和分压电路的开关的ON/OFF(通/断)时序；
图21示出了根据第三示例性实施例的检测头的修改示例；
图22示意性地示出了根据第四示例性实施例的编码器的检测头的主要部分的配置；
图23示出了第四示例性实施例中激励电路和分压电路的开关的ON/OFF(通/断)时序；
图24示出了根据第四示例性实施例的检测头的修改示例；
图25示出了根据第四示例性实施例的检测头的修改示例；
图26示意性地示出了根据第五示例性实施例的编码器的检测头的主要部分的配置；和
图27示意性地示出了根据第六示例性实施例的编码器的检测头的主要部分的配置。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本公开的实施例。在附图中，相同的元素由相同的附图标记表示，必要时将省略重复的描述。
第一示例性实施例
下面将描述根据第一示例性实施例的电磁感应型绝对编码器。图1示意性地示出了根据第一示例性实施例的绝对编码器100的配置。编码器100包括检测头1、标尺101和信号处理单元102。标尺101和检测头1被配置为可在位移测量方向上相对移动。在下文中，测量方向是X方向。标尺101和检测头1中的每一个的主表面是与X方向和垂直于X方向的Y方向平行的X-Y平面，并且标尺101和检测头1在与X方向和Y方向垂直的Z方向上分开布置。例如，响应于从信号处理单元102输出的控制信号CON，控制检测头1的每个部分的操作。检测头1的检测结果通过检测信号DET输出到信号处理单元102。
图2示出了标尺101和检测头1的配置。其主表面为X-Y平面的标尺101包括其纵向为X方向的板状构件P101。延伸到X方向的标尺轨道T1和T2沿Y方向布置在板状构件P101上。标尺线圈L1在标尺轨道T1上沿X方向周期性地布置。标尺线圈L2在标尺轨道T2上沿X方向周期性地布置。在该示例中，标尺线圈L1和标尺线圈L2沿X方向以不同的周期设置。
检测头1包括其主表面为X-Y平面的板状构件P1。在图2中，为了简化附图，仅示出了与标尺轨道T1相对应的发送线圈L11和接收线圈L12，以及与设置在板状构件P1上的标尺轨道T2相对应的发送线圈L21和接收线圈L22。
发送线圈L11和接收线圈L12被布置成在Z方向上与标尺轨道T1重叠。例如，从激励电路向发送线圈L11提供AC(交流)信号，从而产生感应磁场。由发送线圈L11中产生的感应磁场在标尺线圈L1的线圈L1A中产生感应电流。结果，感应电流也在与线圈L1A成对的线圈L1B中流动。由在线圈L1B中流动的感应电流产生感应磁场，由感应磁场在接收线圈L12中产生感应电流。在接收线圈L12中流动的感应电流作为标尺线圈L1的检测信号(例如，图1中的检测信号DET)被发送到信号处理单元102。
类似地，发送线圈L21和接收线圈L22被布置成在Z方向上与标尺轨道T2重叠。例如，从信号处理单元102向发送线圈L21提供AC(交流)信号，从而产生感应磁场。由发送线圈L21中产生的感应磁场在标尺线圈L2的线圈L2A中产生感应电流。结果，感应电流也在与线圈L2A成对的线圈L2B中流动。由在线圈L2B中流动的感应电流产生感应磁场，并且由感应磁场在接收线圈L22中产生感应电流。在接收线圈L22中流动的感应电流作为标尺线圈L2的检测信号(例如，图1中的检测信号DET)被发送到信号处理单元102。
接下来，将更详细地描述根据本示例性实施例的检测头1。图3示意性地示出了根据第一示例性实施例的检测头1的配置。检测头1包括开关电容器电路10、激励电路EC1和激励电路EC2。检测头1由电源103供应电源电压VDD。
激励电路EC1连接在电源103和地之间。开关电容器电路10连接在电源103和激励电路EC2之间，并且用通过对电源电压VDD升压(step up)或降压(step down)而产生的电压来驱动激励电路EC2。激励电路EC2被插入在开关电容器电路10的输出和地之间。
在下文中，“接通开关”意味着闭合开关以形成电连接状态，“关断开关”意味着断开开关以形成电断开状态。
激励电路EC1包括开关S11和S12、驱动电容器C11以及发送线圈L11。开关S11和S12依次串联连接在开关电容器电路10和地之间。驱动电容器C11和发送线圈L11依次串联连接在开关S11(也称为第一开关)和开关S12(也称为第二开关)之间的节点与地之间。
在激励电路EC1中，通过接通开关S11并关断开关S12，由通过开关S11施加的电压对驱动电容器C11充电。此后，通过关断开关S11并接通开关S12，由驱动电容器C11和发送线圈L11形成LC谐振电路。结果，由谐振产生的AC信号在发送线圈L11中流动，从而产生交变磁场。
激励电路EC2具有与激励电路EC1相同的配置。注意，在激励电路EC2中，驱动电压被供应给开关电容器电路10。即，激励电路EC2中的开关S21(第一开关)、开关S22(第二开关)、驱动电容器C21和发送线圈L21分别对应于开关S11、开关S12、驱动电容器C11和发送线圈L11。
因此，在激励电路EC2中，通过接通开关S21并关断开关S22，由通过开关S21施加的电压对驱动电容器C21充电。此后，通过关断开关S21并接通开关S22，由驱动电容器C21和发送线圈L21形成LC谐振电路。结果，由谐振产生的AC信号在发送线圈L21中流动，从而产生交变磁场。
注意，激励电路EC1和EC2的操作(诸如接通和关断开关)例如由信号处理单元102控制。
开关电容器电路10被配置为激励电路的电压调节电路。开关电容器电路10可以被配置为升压电路或降压电路。
图4示意性地示出了开关电容器电路10的电路配置。开关电容器电路10包括开关S1至S3以及变压器电容器C1。变压器电容器C1(也称为第一变压器电容器)被设置成用于控制驱动电容器C21的充电电压的电容器。开关S1(也称为第三开关)的一端接地，开关S1的另一端连接到开关S2(也称为第四开关)的一端。开关S2的另一端连接到电源103。开关S3(也称为第五开关)连接在电源103和激励电路EC2的开关S21之间。即，开关S1至S3串联连接在激励电路EC2的开关S21和地之间。变压器电容器C1并联连接到串联连接的开关S2和S3。
通过控制开关S1至S3的开关，开关电容器电路10可以用作升压电路或降压电路。
将描述开关电容器电路10作为升压电路进行操作的情况。图5示出了当开关电容器电路10作为升压电路进行操作时各个开关的切换时序。
首先，开关S1、S3和S21接通，开关S2和S22关断。图6示意性地示出了当开关S1、S3和S21接通并且开关S2和S22关断时由开关电容器电路10和激励电路EC2形成的等效电路。在这种情况下，在电源103和地之间，变压器电容器C1并联连接到在激励电路EC2中串联连接的驱动电容器C21和发送线圈L21。因此，对变压器电容器C1和驱动电容器C21充电。
接下来，开关S2和S21接通，开关S1、S3和S22关断。图7示意性地示出了当开关S2和S21接通并且开关S1、S3和S22关断时由开关电容器电路10和激励电路EC2形成的等效电路。在这种情况下，变压器电容器C1、驱动电容器C21和发送线圈L21串联连接。注意，与图6的情况相比，变压器电容器C1以相反的极性连接。即，通过将由于变压器电容器C1中充电的电荷产生的电压和由于驱动电容器C21中充电的电荷产生的电压相加而产生的电压被施加到驱动电容器C21。在这种情况下，施加到驱动电容器C21的电压由以下表达式(1)表示。
Figure BDA0002749227800000101
因此，可以理解，从开关电容器电路10输出的驱动电压或者施加到驱动电容器C21的电压V是从电源电压VDD升压的电压。此外，通过调节变压器电容器C1的电容，施加到驱动电容器C21的电压V可以被升压到2*VDD。
此后，通过接通开关S22同时关断开关S21，由驱动电容器C21和发送线圈L21形成LC谐振电路。结果，由谐振产生的AC信号在发送线圈L21中流动，从而产生交变磁场。
接下来，将描述开关电容器电路10作为降压电路进行操作的情况。图8示出了当开关电容器电路10作为降压电路进行操作时各个开关的切换时序。在这种情况下，开关S1一直接通，开关S2一直关断。
首先，开关S1、S3和S22接通，开关S2和S21关断。图9示意性地示出了当开关S1、S3和S22接通并且开关S2和S21关断时由开关电容器电路10和激励电路EC2形成的等效电路。在这种情况下，变压器电容器C1连接在电源103和地之间，从而由电源电压VDD对变压器电容器C1充电。由于驱动电容器C21的两端短路，所以使在驱动电容器C21中充电的电荷被放电。
接下来，开关S1和S21接通，开关S2、S3和S22关断。图10示意性地示出了当开关S1和S21接通并且开关S2、S3和S22关断时由开关电容器电路10和激励电路EC2形成的等效电路。在图10中，在上方和左下的电路图中示意性地示出了进行切换之后的电荷，在右下的电路图中示意性地示出了通过进行切换而移动之后的电荷。注意，图10下方的电路图是为了便于理解电荷的移动，应当理解，所示电荷的数量仅是示意性的。在这种情况下，在变压器电容器C1中充电的电荷的一部分被移动到驱动电容器C21。
在这种情况下，施加到驱动电容器C21的电压V由以下表达式(2)表示。
Figure BDA0002749227800000111
因此，可以理解，从开关电容器电路10输出的驱动电压或者施加到驱动电容器C21的电压V是从电源电压VDD降压的电压。
此后，通过接通开关S22同时关断开关S21，由驱动电容器C21和发送线圈L21形成LC谐振电路。结果，由谐振产生的AC信号在发送线圈L21中流动，从而产生交变磁场。
注意，开关电容器电路10的操作(诸如如上所述接通和关断开关)例如由信号处理单元102控制。
尽管上面已经描述了其中开关电容器电路10向激励电路EC2施加驱动电压的配置，但是这仅仅是示例。例如，具有与开关电容器电路10相同配置的开关电容器电路可以被进一步设置成向激励电路EC1施加驱动电压。
如上所述，根据本配置，可以抑制开关电容器电路10中的功耗，并且可以向一个激励电路供应从自单个节电电源输出的电源电压升压或降压的电压。因此，可以使接收线圈所接收的信号的强度成为每个标尺轨道的期望值。
第二示例性实施例
下面将描述根据第二示例性实施例的电磁感应型绝对编码器。根据本示例性实施例的编码器被配置为提供驱动电压，该驱动电压的电压值通过借由开关电容器连续执行电压变换来控制。图11示意性地示出了根据第二示例性实施例的编码器的检测头1A的主要部分的配置。检测头1A具有其中用开关电容器电路10A代替检测头1中的开关电容器电路10的配置。
图12示意性地示出了开关电容器电路10A的电路配置。开关电容器电路10A具有这样的配置，在该配置中，开关S4和变压器电容器C2(也称为第二变压器电容器)被添加到根据第一示例性实施例的开关电容器电路10。开关S4(也称为第六开关)被插入在开关S3和激励电路EC2的开关S21之间。变压器电容器C2被插入在地和开关S4的激励电路EC2侧的一端之间。
接下来，将描述根据第二示例性实施例的编码器的操作。如在根据第一示例性实施例的开关电容器电路10的情况下，通过控制开关S1至S4的开关，开关电容器电路10A可以用作升压电路和降压电路。
首先，将描述开关电容器电路10A作为升压电路进行操作的情况。图13示出了当开关电容器电路10A作为升压电路进行操作时各个开关的切换时序。在根据第二示例性实施例的编码器中，通过多次重复充电循环，可以将连续升压的驱动电压施加到激励电路EC2。
下面将描述每个充电循环中的充电操作。首先，开关S1、S3和S4接通，开关S2、S21和S22关断。图14示意性地示出了当开关S1、S3和S4接通并且开关S2、S21和S22关断时由开关电容器电路10A和激励电路EC2形成的等效电路。在这种情况下，变压器电容器C1和变压器电容器C2并联连接在电源103和地之间。因此，对变压器电容器C1和C2充电。
然后，开关S2、S4和S21接通，开关S1、S3和S22关断。图15示意性地示出了当开关S2、S4和S21接通并且开关S1、S3和S22关断时由开关电容器电路10A和激励电路EC2形成的等效电路。在图15中，在上方和左下的电路图中示意性地示出了进行切换之后的电荷，在右下的电路图中示意性地示出了通过进行切换而移动之后的电荷。应当理解，图15下部的电路图是为了便于理解电荷转移，并且所显示的电荷数量仅是示意性的。在这种情况下，变压器电容器C2、驱动电容器C21和发送线圈L21并联连接。充电的变压器电容器C1以相反极性被插入到变压器电容器C2、驱动电容器C21和发送线圈L21的高压侧。结果，电荷从变压器电容器C1移动到变压器电容器C2和驱动电容器C21，并且在图12所示的节点N1处施加到变压器电容器C1和驱动电容器C21的电压(充电电压)上升，即在图12所示的节点N1处的电压上升。
因此，可以理解，通过仅执行一次包括两个开关步骤的充电循环，从开关电容器电路10A输出的驱动电压，即施加到驱动电容器C21的电压V，变成被升压到高于电源电压VDD的电压。
如图13所示，通过多次重复充电循环，施加到驱动电容器C21的电压V可以连续地和逐步地增加。在本配置中，通过将充电循环重复足够的次数(在图3中为N次)，施加到驱动电容器C21的电压V可以被升压到2*VDD。
此后，通过接通开关S22同时关断开关S21，由驱动电容器C21和发送线圈L21形成LC谐振电路。结果，由谐振产生的AC信号在发送线圈L21中流动，从而产生交变磁场。
接下来，将描述开关电容器电路10A作为降压电路进行操作的情况。在这种情况下，通过多次重复充电循环，开关电容器电路10A可以向激励电路EC2施加降压到适当值的驱动电压。
图16示出了当开关电容器电路10A作为降压电路进行操作时各个开关的切换时序。如图16所示，开关S1一直接通，开关S2一直关断。
首先，开关S1、S3和S22接通，开关S2、S4和S21关断。图17示意性地示出了当开关S1、S3和S22接通并且开关S2、S4和S21关断时由开关电容器电路10A和激励电路EC2形成的等效电路。在这种情况下，变压器电容器C1连接在电源103和地之间，从而由电源电压VDD对变压器电容器C1充电。由于驱动电容器C21的两端短路，所以使在前一充电循环中在驱动电容器C21中充电的电荷被放电。
接下来，开关S1、S4和S21接通，开关S2、S3和S22关断。图18示意性地示出了当开关S1、S4和S21接通并且开关S2、S3和S22关断时由开关电容器电路10A和激励电路EC2形成的等效电路。在图18中，在上方和左下的电路图中示意性地示出了进行切换之后的电荷，并且在右下的电路图中示意性地示出了通过进行切换而移动之后的电荷。注意，图18下方的电路图是为了便于理解电荷的移动，应当理解，所示电荷的数量仅是示意性的。在这种情况下，在变压器电容器C1中充电的电荷的一部分被移动到变压器电容器C2和驱动电容器C21。
因此，可以理解，通过仅执行一次包括两个开关步骤的充电循环，从开关电容器电路10A输出的驱动电压，即施加到驱动电容器C21的电压V，变成降压到低于电源电压VDD的电压。
此外，如图13所示，通过多次执行充电循环(在图16中为四次)，施加到驱动电容器C21的电压，即图12所示的节点N1的电压，可以连续地和逐步地增加。在本配置中，通过重复充电循环，可以将施加到驱动电容器C21的电压控制在0至VDD的范围内。
此后，通过接通开关S22同时关断开关S21，由驱动电容器C21和发送线圈L21形成LC谐振电路。结果，由谐振产生的AC信号在发送线圈L21中流动，从而产生交变磁场。
尽管上面已经描述了其中开关电容器电路10A向激励电路EC2施加驱动电压的配置，但是这仅仅是示例。例如，如在第一示例性实施例的情况下，具有与开关电容器电路10A相同配置的开关电容器电路可以被进一步设置成向激励电路EC1施加驱动电压。
如上所述，根据本配置，可以抑制开关电容器电路10A中的功耗，并且可以向一个激励电路供应从自单个节电电源输出的电源电压升压或降压的电压。
此外，根据本配置，即使当驱动电压被升压或降压时，也可以将驱动电压控制在预定范围内。
因此，可以使接收线圈所接收的信号的强度成为每个标尺轨道的期望值。
第三示例性实施例
下面将描述根据第三示例性实施例的编码器。在本示例性实施例中，激励电路EC2的驱动电压由与第一和第二示例性实施例的配置不同的配置供应。图19示意性地示出了根据第三示例性实施例的编码器的检测头2的主要部分的配置。检测头2设有分压电路21，而不是检测头1和1A的开关电容器电路。
分压电路21被配置为激励电路的电压调节电路，并且包括开关SW21和SW22以及分压电容器Cd2。分压电容器Cd2被提供为变压器电容器(也称为第一变压器电容器)，以用于控制驱动电容器C21的充电电压。开关SW21(也称为第七开关)的一端连接在激励电路EC2中的开关S21和开关S22之间，并且其另一端连接到分压电容器Cd2和开关SW22(也称为第八开关)的一端。分压电容器Cd2的另一端和开关SW22的另一端接地。
接下来，将描述检测头2的操作。图20示出了第三示例性实施例中激励电路和分压电路的开关的ON/OFF(通/断)时序。首先，通过接通开关S21和SW22并关断开关S22和SW21，对驱动电容器C21充电，并且使分压电容器Cd2放电。
接下来，通过接通开关SW21并关断开关S21、S22和SW22，将在驱动电容器C21中充电的电荷的一部分移动到分压电容器Cd2。驱动电容器C21两端的电压V由以下表达式表示。
Figure BDA0002749227800000151
然后，通过接通开关S22并关断开关S21、SW21和SW22，由驱动电容器C21和发送线圈L21形成LC谐振电路。因此，由谐振产生的AC信号流向发送线圈L21以产生AC磁场。
激励电路和分压电路的开关的开/关操作由例如信号处理单元102控制。
如上所述，根据本配置，通过调节分压电容器Cd2的电容值，激励电路EC2的驱动电压可以被设置成0至电源电压VDD范围内的任意电压。在本配置中，可以通过在电路设计时确定电容值或者通过使用分压电容器Cd2作为可变电容器来调节分压电容器Cd2的电容值。
通过持续关断开关SW21，激励电路EC2可以像激励电路EC1的情况一样由电源电压VDD驱动。
除了激励电路EC2之外，可以提供与激励电路EC1相对应的分压电路。图21示出了根据第三示例性实施例的检测头2的修改示例。如图21所示，在检测头2A的激励电路EC1和电源103之间，提供了具有与分压电路21相同配置的分压电路21A。分压电路21A具有开关SW11(第七开关)、开关SW12(第八开关)和分压电容器Cd1(也称为第一变压器电容器)。开关SW11、开关SW12和分压电容器Cd1分别对应于分压电路21的开关SW21、开关SW22和分压电容器Cd2。分压电路21A和激励电路EC1的操作与分压电路21和激励电路EC2的操作相同，因此将省略其描述。根据本配置，可以理解，激励电路EC1可以由分压电路21A驱动。
第四示例性实施例
下面将描述根据第四示例性实施例的编码器。根据本示例性实施例的编码器是根据第三示例性实施例的编码器的修改示例，并且本示例性实施例中的分压电路的配置不同于第三示例性实施例中的配置。图22示意性地示出了根据第四示例性实施例的编码器的检测头3的主要部分的配置。检测头3具有其中用分压电路31代替检测头2的分压电路21的配置。
分压电路31具有开关SW23(也称为第九开关)和分压电容器Cd2。开关SW23连接在电源103和开关S21之间。分压电容器Cd2的一端连接在开关SW23和开关S21之间，并且其另一端接地。
下面将描述检测头3的操作。图23示出了第四示例性实施例中激励电路和分压电路的开关的ON/OFF(通/断)时序。首先，通过接通开关SW23并关断开关S21和S22，对分压电容器Cd2充电。
接下来，通过接通开关S21并关断开关S22和SW23，将在分压电容器Cd2中充电的电荷的一部分移动到驱动电容器C21。驱动电容器C21两端的电压由以下等式(4)表示：
Figure BDA0002749227800000161
然后，通过接通开关S22并关断开关S21和SW23，由驱动电容器C21和发送线圈L21形成LC谐振电路。因此，由谐振产生的AC信号流向发送线圈L21以产生AC磁场。
如上所述，根据本配置，通过调节分压电容器Cd2的电容值，激励电路EC2的驱动电压可以被设置成0至电源电压VDD的范围内的任意电压，如在第三示例性实施例的情况下一样。在本配置中，可以通过在电路设计时确定电容值或者通过使用分压电容器Cd2作为可变电容器来调节分压电容器Cd2的电容值。
在该配置中，尽管分压电容器Cd2中充电的电荷的一部分移动到驱动电容器C21，但是并没有使分压电容器Cd2中的电荷全部都被放电。因此，分压电容器Cd2的第二次和随后的充电可以以比第一次充电更高的速度和更少的功耗来执行。因此，与使在分压电容器Cd2中充电的所有电荷都被放电的第三示例性实施例相比，可以降低功耗。
当开关SW23接通时，开关S21也接通，使得激励电路EC2可以由电源电压VDD驱动，像激励电路EC1的情况一样。
在这种情况下，由于驱动电容器C21和分压电容器Cd2都用电源电压VDD充电，并且开关S21和SW23串联连接，从而增加了电阻。因此，充电时间变得比第三示例性实施例中的充电时间长。为了防止这种情况，可以提供用于对驱动电容器C21充电的旁路开关。
图24示出了根据第四示例性实施例的检测头3的修改示例。图24所示的检测头3A的分压电路32具有其中旁路开关SW24(也称为第十开关)被添加到分压电路31的配置。当由电源电压VDD对驱动电容器C21充电时，通过接通开关SW24而不是接通开关S21和SW23，激励电路EC2可以像激励电路EC1的情况一样由电源电压VDD驱动。
除了激励电路EC2之外，可以提供与激励电路EC1相对应的分压电路。
图25示出了根据第四示例性实施例的检测头3的修改示例。如图25所示，分压电路31A被进一步设置在检测头3B的激励电路EC1和电源103之间。分压电路31A具有开关SW13(第九开关)和分压电容器Cd1。开关SW13和分压电容器Cd1分别对应于分压电路31的开关SW23和分压电容器Cd2。分压电路31A和激励电路EC1的操作与分压电路31和激励电路EC2的操作相同，因此将省略其描述。根据本配置，可以理解，激励电路EC1可以由分压电路31A驱动。
应当理解，图25中的分压电路31可以用分压电路32代替，并且图25中的分压电路31A可以用与分压电路32具有相同配置的分压电路代替。
第五示例性实施例
下面将描述根据第五示例性实施例的编码器。根据本示例性实施例的编码器的检测头4是根据第三示例性实施例的编码器的检测头2的修改示例，并且具有能够利用一个分压电路驱动激励电路EC1或激励电路EC2的配置。图26示意性地示出了根据第五示例性实施例的编码器的检测头4的主要部分的配置。检测头4具有其中用分压电路41代替检测头2的分压电路21的配置。
分压电路41具有其中用开关SW42代替分压电路21中的开关SW21并进一步添加开关SW41的配置。开关SW41的一端连接在激励电路EC1的开关S11和开关S12之间，并且其另一端连接到分压电容器Cd2的高压侧的一端。开关SW41和SW42对应于第八开关。
即，开关SW22和SW41以及分压电容器Cd2构成与激励电路EC1相对应的分压电路，并且开关SW22和SW42以及分压电容器Cd2构成与激励电路EC2相对应的分压电路。
因此，通过像分压电路21的开关SW21的情况那样接通/关断开关SW41，分压电路41可以像分压电路21的情况那样驱动激励电路EC1。通过像分压电路31的开关SW21的情况那样接通/关断开关SW42，分压电路41可以像分压电路21的情况那样驱动激励电路EC2。
如上所述，根据本配置，通过向根据第三示例性实施例的分压电路21仅添加一个开关，激励电路EC1和激励电路EC2中的任何一个可以由分压电路驱动。此外，根据本配置，与图21所示的配置相比，可以减少分压电容器的数量和开关的数量，使得可以减小电路规模。
第六示例性实施例
下面将描述根据第六示例性实施例的编码器。根据本示例性实施例的编码器的检测头5是根据第四示例性实施例的编码器的检测头3的修改示例，并且具有能够用一个分压电路驱动激励电路EC1和EC2两者的配置。图27示意性地示出了根据第六示例性实施例的编码器的检测头5的主要部分的配置。检测头5具有其中用分压电路51代替检测头3的分压电路31的配置。
在分压电路51中，分压电路31的开关SW23的低压侧的一端不仅连接到开关S21和分压电容器Cd2，还连接到激励电路EC1的开关S11的高压侧的一端。
即，当开关SW23与激励电路EC1的开关S11和S12一起被控制时，分压电路51可以驱动激励电路EC1。当开关SW23与激励电路EC2的开关S21和S22一起被控制时，分压电路51可以驱动激励电路EC2。
如上所述，根据本配置，分压电路51可以驱动激励电路EC1和激励电路EC2中的任何一个。此外，根据本配置，与图25所示的配置相比，可以减少分压电容器的数量和开关的数量，使得可以减小电路规模。
其他示例性实施例
本公开不限于上述实施例，并且可以在不脱离本公开的范围的情况下进行适当的改变。例如，标尺轨道的数量可以是三个或更多个，并且设置在检测头中的激励电路的数量可以是三个或更多个。在这种情况下，激励电路的一部分可以由根据上述示例性实施例的分压电路驱动，其余部分可以由电源电压驱动，或者它们全部可以由分压电路驱动。
在第四和第五示例性实施例中，尽管已经描述了用一个分压电路驱动两个激励电路中的任何一个的示例，但是应当理解，可以用一个分压电路驱动三个或更多个激励电路中的任何一个。
此外，可以驱动与分压电路相同数量的激励电路，或者如第四和第五示例性实施例所述，一个分压电路可以连接到两个或更多个激励电路。
在第一示例性实施例中描述的开关电容器电路的配置仅仅是示例，并且应当理解，可以使用具有其他配置的开关电容器电路。本领域普通技术人员可以根据需要组合第一至第六示例性实施例。根据如此描述的公开，显而易见的是，本公开的实施例可以以多种方式变化。这种变化不应被视为脱离本公开的精神和范围，并且对于本领域技术人员来说显而易见的所有这种修改都旨在包括在所附权利要求的范围内。

Claims (16)

1.一种编码器的检测头，包括：
多个激励电路，分别包括谐振电路，所述谐振电路包括串联连接的驱动电容器和发送线圈，并且被配置为通过在驱动电容器被充电的状态下连接所述谐振电路的两端来产生交流磁场，交流磁场在设置在标尺上的多个标尺轨道中的标尺线圈中感应出电流；和
电压调节电路，包括第一变压器电容器，并且被配置为使用充电的第一变压器电容器来控制单个激励电路中的驱动电容器的充电电压。
2.根据权利要求1所述的编码器的检测头，其中
所述单个激励电路包括：
第一开关，其一端连接到所述电压调节电路；和
第二开关，其一端连接到第一开关的另一端，并且其另一端接地，驱动电容器的一端连接在第一开关和第二开关之间，
发送线圈的一端连接到驱动电容器的另一端，并且其另一端接地，
通过接通第一开关并关断第二开关来对驱动电容器充电，以及
在对驱动电容器充电之后，发送线圈通过关断第一开关并接通第二开关来产生交流磁场。
3.根据权利要求2所述的编码器的检测头，其中，所述电压调节电路被配置为开关电容器电路，所述开关电容器电路借由通过对从电源输出的电源电压进行升压或降压而产生的电压来对驱动电容器充电。
4.根据权利要求3所述的编码器的检测头，其中
所述开关电容器电路包括：
第三开关，其一端接地；
第四开关，其一端连接到第三开关的另一端和第一变压器电容器的一端，并且其另一端连接到电源；和
第五开关，其一端连接到电源，并且其另一端连接到第一变压器电容器的另一端和所述单个激励电路的第一开关。
5.根据权利要求4所述的编码器的检测头，其中
通过接通第一开关、第三开关和第五开关并关断第二开关和第四开关来对驱动电容器和第一变压器电容器充电，
通过接通第一开关和第四开关并关断第二开关、第三开关和第五开关将电压施加到驱动电容器，所述电压是通过将由于驱动电容器中充电的电荷产生的电压和由于第一变压器电容器中充电的电荷产生的电压相加而产生的，并且
发送线圈通过接通第二开关同时关断第一开关来产生交流磁场。
6.根据权利要求4所述的编码器的检测头，其中
通过接通第三开关和第五开关并关断第一开关、第二开关和第四开关来对第一变压器电容器充电，
借由通过接通第一开关并关断第二开关至第五开关，将在第一变压器电容器中充电的电荷的一部分移动到驱动电容器，来对驱动电容器充电，并且
发送线圈通过接通第二开关同时关断第一开关来产生交流磁场。
7.根据权利要求3所述的编码器的检测头，其中
所述开关电容器电路包括：
第二变压器电容器；
第三开关，其一端接地；
第四开关，其一端连接到第三开关的另一端和第二变压器电容器的一端，并且其另一端连接到电源；
第五开关，其一端连接到电源；和
第六开关，其一端连接到第五开关的另一端和第二变压器电容器的另一端，并且其另一端连接到所述单个激励电路的第一开关。
8.根据权利要求7所述的编码器的检测头，其中
通过一次或多次执行包括第一步骤和第二步骤的充电循环来对驱动电容器充电，
在所述第一步骤中，通过接通第三开关、第五开关和第六开关并关断第一开关、第二开关和第四开关来对第一变压器电容器和第二变压器电容器充电，
在所述第二步骤中，借由通过接通第一开关、第四开关和第六开关并关断第二开关、第三开关和第五开关，将在第一变压器电容器中充电的电荷移动到驱动电容器和第一变压器电容器，将电压升高到高于电源电压，并且
发送线圈通过接通第二开关同时关断第一开关来产生交流磁场。
9.根据权利要求7所述的编码器的检测头，其中
通过一次或多次执行包括第一步骤和第二步骤的充电循环来对驱动电容器充电，
在所述第一步骤中，通过接通第二开关、第三开关和第五开关并关断第一开关、第四开关和第六开关来对第一变压器电容器充电，
在所述第二步骤中，借由通过接通第一开关、第三开关和第六开关并关断第二开关、第四开关和第五开关，将在第一变压器电容器中充电的电荷移动到第二变压器电容器和驱动电容器，来对第二变压器电容器和驱动电容器充电，并且
发送线圈通过接通第二开关同时关断第一开关来产生交流磁场。
10.根据权利要求2所述的编码器的检测头，其中
所述电压调节电路包括：
第七开关，其一端连接在所述单个激励电路的第一开关和第二开关之间；和
第八开关，与第一变压器电容器并联连接，其一端连接到第七开关，并且其另一端接地，
通过接通第八开关和所述单个激励电路的第一开关并关断第七开关和所述单个激励电路的第二开关，对所述单个激励电路的驱动电容器充电并且使第一变压器电容器放电，
通过接通第七开关并关断第八开关以及所述单个激励电路的第一开关和第二开关，将在所述单个激励电路的驱动电容器中充电的电荷的一部分移动到第一变压器电容器，并且
发送线圈通过接通所述单个激励电路的第二开关以及关断第七开关、第八开关和所述单个激励电路的第一开关来产生交流磁场。
11.根据权利要求10所述的编码器的检测头，其中
所述电压调节电路包括并联连接的两个或更多个第七开关，
所述两个或更多个第七开关分别连接到两个或更多个激励电路的第一开关，并且
通过选择性地接通/关断所述两个或更多个第七开关中的任何一个第七开关，将与第七开关相对应的单个激励电路选择性地接通/关断。
12.根据权利要求2所述的编码器的检测头，其中
所述电压调节电路包括第九开关，其一端连接在输出电源电压的电源和所连接的激励电路的第一开关之间，
第一变压器电容器的一端连接到第九开关，并且其另一端接地，
通过接通第九开关并关断所述单个激励电路的第一开关和第二开关来对第一变压器电容器充电，
通过接通所述单个激励电路的第一开关并关断第九开关和所述单个激励电路的第二开关，将在第一变压器电容器中充电的电荷移动到所述单个激励电路的驱动电容器，并且
发送线圈通过接通所述单个激励电路的第二开关以及关断第九开关和所述单个激励电路的第一开关来产生交流磁场。
13.根据权利要求12所述的编码器的检测头，其中
所述电压调节电路还包括第十开关，其一端连接到电源，并且其另一端连接在所述单个激励电路的第一开关和第二开关之间，
通过接通第十开关并关断第九开关以及所述单个激励电路的第一开关和第二开关来对驱动电容器充电，并且
发送线圈通过接通所述单个激励电路的第二开关以及关断第九开关、第十开关和所述单个激励电路的第一开关来产生交流磁场。
14.根据权利要求12或13所述的编码器的检测头，其中
所述电压调节电路的第九开关连接在所述两个或更多个激励电路的第一开关和第一变压器电容器之间，并且
通过控制第九开关以及所述两个或更多个激励电路中的任何一个激励电路的第一开关和第二开关来驱动包括要控制的第一开关和第二开关的所述单个激励电路。
15.根据权利要求10或12所述的编码器的检测头，其中，设置分别与所述多个激励电路中的两个或更多个激励电路相对应的两个或更多个电压调节电路。
16.一种编码器，包括：
标尺，包括多个标尺轨道，标尺线圈设置在每个标尺轨道中；
检测头，被配置为在设置在标尺轨道中的标尺线圈中感应出电流，并检测由所感应的电流产生的交流磁场，该交流磁场感应出电流；和
信号处理单元，被配置为基于检测结果来检测所述标尺的位移，其中
编码器的所述检测头包括：
多个激励电路，分别包括谐振电路，所述谐振电路包括串联连接的驱动电容器和发送线圈，并且被配置为通过在驱动电容器被充电的状态下连接所述谐振电路的两端来产生交流磁场，交流磁场在设置在标尺上的多个标尺轨道中的标尺线圈中感应出电流；和
电压调节电路，包括第一变压器电容器，并且被配置为使用充电的第一变压器电容器来控制单个激励电路中的驱动电容器的充电电压。
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