CN1157585C - 电容型位移测量装置 - Google Patents

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Abstract

一种位移传感器包括一第一标尺(11)和第二标尺(12)，这两标尺彼此相对设置且可沿测量轴线方向相对移动。第一标尺(11)包括一发射电极组(13)和一接收电极(14)。该发射电极组(13)由多个以一基本周期(W1)沿着测量轴线方向排列的发射电极单元组成。每个发射电极单元由沿着测量轴线方向排列的n个发射电极组成，并接收n-相位发射信号的相应的相位信号。接收电极(14)沿着垂直于位移方向的方向邻近于发射电极组(13)。接收电极(14)的宽度等于基本周期(W1)并小于发射电极组(13)的宽度。接收电极(14)在沿其宽度方向并邻近于发射电极组的两端的角部(14a，14b)被切割。第二标尺(12)包括多个以基本周期(W1)形成的连接电极(18)，并电容性连接于发射电极组(13)和接收电极(14)。

Description

电容型位移测量装置
(1)技术领域
本发明涉及一种电容型位移检测器和适合于小尺寸测量装置，如一电子千分尺、测孔器、角规和滑动卡规的测量装置。
(2)背景技术
一种适合于减小尺寸的低功耗的电容型位移检测器用于一小测量装置，如一滑动卡规和半圆筒形电容型旋转检测器。这样的电容型位移检测器的构形使两标尺彼此相对移动，以便通过检测排列在这两标尺上的诸电极之间的静电电容的变化来测量两标尺之间的相对移动量。
图9和10表示了一传统的电容型位移检测器的大致设置情况。该检测器包括一第一标尺1和一第二标尺2，它俩设置得能彼此相对移动，并且相对排列彼此间隔开一间隙。在第一标尺1上形成有诸发射电极3和一接收电极4。这些发射电极3沿其待检测的位移方向以彼此间的一预定的间距排列。在这一实施例中，八个发射电极限定了一对应于一基本周期(W1)的发射电极单元，四个这样的单元U1-U4限定了发射电极组。接收电极4设在沿垂直于移动方向邻近于诸发射电极3之处。接收电极4包括一单个电极，该电极的宽度L2短于发射电极组的宽度L1。更明确地说，接收电极4的宽度L2比诸发射电极3的宽度L1短一发射电极组单元(等于八个发射电极3)的宽度W1。如此，接收电极的每一端位于一内部位置，该位置从相应的发射电极组的两端朝里四个发射电极的距离(W1/2)。
在第二标尺2上形成的是诸连接电极5和电容性连接于诸发射电极3和接收电极4的诸接地电极6。该连接电极5和接地电极6沿位移方向的排列周期与一个发射电极3的单元的宽度W1(即基本周期)相一致。连接电极5和接地电极6的宽度被设定为L3，等于该基本周期的一半左右。
施加给每个发射电极3的单元的是诸八相调制脉冲信号，该诸信号在来自一脉冲调制器电路7的每两个信号输出之间的相位差为45°。在诸连接电极5收到的诸调制信号的总相位是按照在一发射电极3单元与诸连接电极之间沿标尺移动方向的相对位移量而变化。在诸连接电极5收到的诸调制脉冲的相位信号被直接送到接收电极4。为了获得在第一标尺1与第二标尺2之间的相对位移量，在接收电极4收到的相位信号由一测量电路8处理。
如上所述，在这样的电容型位移检测器中，接收电极4的宽度L2短于在第一标尺1上形成的发射电极组的宽度L1。这是因为发射电极组在两端与诸连接电极5的电容性连接是部分的，因此在与发射电极组的两端相连的两接收电极4接收的相位是不一致的。如果接收电极4的宽度L2等于发射电极组的宽度L1，在两端的不一致的相位会很坏地影响检测位移量的精度。为此，通常分别将接收电极4的两端割去连接电极宽度L3，从而使接收电极4的宽度L2变得比发射电极组的宽度L1短。如此，接收电极4只会与连接电极5电容性相连，这样就显现出对应于该标尺位移量的相同的接收相位。
但是，在上述传统的电容型位移检测器中，由于发射电极组和接收电极4具有不同的宽度L1和L2，直接来自诸发射电极3而没有旁路诸连接电极5的、混合到接收电极4中的干扰分量变得不平衡了，就影响测量精度。图11是用来说明这点的一个图，它表示诸发射电极3和诸接收电极4的被放大的诸电极图形。来自各诸发射电极3的具有相应的相位分量Δ0°，Δ45°，......，Δ315°的诸干扰混合于接收电极4内。除了来自位于接收电极4的宽度L2内的诸发射电极3a的干扰外，来自位于该宽度外且靠近于接收电极4的两端的发射电极3b和3c的干扰δ135°和δ180°也被混合到接收电极4的该两端内。图12A所示的一矢量图表示了混合到该接收电极4内的这些干扰分量。图12B表示了这些干扰的总的矢量。如果发射电极组的宽度L1等于接收电极4的宽度L2，被混合的干扰Δ0°-Δ315°被抵消为零。但是，如L1＞L2，位于接收电极4的宽度L2之外的发射电极3b和3c的存在会产生成为将混合到一测量值内的干扰分量的被混合的干扰δ135°和δ180°，其结果降低了S/N比值。
为了解决这一问题，可采用几种方法改善该技术里的S/N比值，这些方法诸如：
(1)增加发射电极3单元的数量；
(2)延伸发射电极与接收电极之间的距离；以及
(3)提供诸接地电极，为在诸发射电极与接收电极之间进行屏蔽。
但是，在进一步缩小尺寸的测量装置的情况下，上述方法(1)-(3)中的每一种可阻碍缩小尺寸。即便通过减少单元的数量并缩短电极之间的距离来缩小该测量装置的尺寸，还是期望有一种能有效地减小诸电极间的被混合的干扰的方法。
(3)发明内容
本发明正是考虑到这种情况而产生的，其目的是提供一电容型位移测量装置，该装置能在缩小其尺寸的同时，通过有效地减小在发射与接收电极之间混入的干扰来改善S/N比值。
根据本发明的一个方面，提供一种电容型位移测量装置，它包括一第一标尺和第二标尺，这两标尺彼此相对设置且沿测量轴线方向可相对移动。在该第一标尺上形成的是一由多个发射电极单元组成的发射电极组，该诸电极单元以一基本周期沿一测量轴线方向排列。每个发射电极单元由n个发射电极组成，这些电极沿该测量轴线方向排列以接收诸n相发射信号的相应的相位信号，其中的n指的是一个为2或更大的整数。至少一个接收电极设置在第一标尺上并沿垂直于测量轴线的方向邻近于发射电极。多个连接电极沿该测量轴线方向以与基本周期相同的周期排列在第二标尺上，使电容性连接于在第一标尺上的诸发射电极单元和接收电极。接收电极沿测量轴线方向的宽度等于该基本周期的整数倍，而比发射电极组的沿所述测量轴线方向的宽度小。在接收电极的宽度方向上的两端的位置，相对于发射电极组的两端要朝里些。所述接收电极的所述两端的面对所述邻近于接收电极的若干发射电极的两端的两个发射电极的至少一部分并靠近于所述发射电极组的诸角部被切除掉，使得来自所述两个发射电极和邻近所述若干发射电极的两个发射电极的干扰分量减小。
在本发明中，接收电极的两端，至少靠近于发射电极组的部分被去除掉。因此，能均等来自发射电极组的被混合到接收电极内的诸干扰之间的一相位差，并能通过抵消被混入的干扰最终改善S/N比值。如果沿着接收电极的宽度方向并靠近于发射电极组的两端的诸角部被切成一圆弧或被倾斜切割，仅能减小在发射电极与接收电极之间被混入的干扰分量，难以减少来自诸连接电极被接收的诸信号量。
如此，减少发射电极与接收电极间的被混入的干扰能减少发射电极单元的数量：例如，两个发射电极足够构成该发射电极组。在此情况下，接收电极的宽度可以等于基本周期，并被排列得使沿该接收电极的宽度方向的中心与沿该发射电极单元的宽度方向上的中心对齐。这种排列能获得一小得多的测量装置。
从下面对本发明的诸最佳实施例的描述，将会清楚理解本发明的其他特点和优点。
(4)附图说明
从下面参阅诸附图的详细说明，将会对本发明有较充分的理解，其中：
图1A和1B是图示适用于电子千分尺等的、按照本发明的一实施例的一半圆筒形旋转检测器的附图；
图2A和2B是表示图1的检测器的诸电极的张开的视图；
图3是表示一使用了图1的检测器的测量装置的方块图；
图4是图示该检测器的一电极图形和被混合的干扰的附图；
图5是被混合的诸干扰的矢量图；
图6是图示按照本发明的另一实施例的该检测器的一电极图形的附图；
图7是图示按照本发明的又一实施例的该检测器的一电极图形的附图；
图8是表示按照本发明的一线性位移检测器的一实例的斜视图；
图9是说明一种传统的电容型位移检测器的附图；
图10是图9的检测器的一侧视图；
图11是表示图9的检测器中的一电极图形的附图；以及
图12A和12B是图9的检测器中的诸干扰分量的矢量图。
图1A和1B是图示适用于电子千分尺等的一旋转编码器10的一种结构的斜视的侧视图。
(5)具体实施方式
该旋转的编码器10包括一固定在一定子以及诸如此类之上的半圆筒形构件11和一可沿着圆周方向与一转子等一起转动地运动的圆筒形构件12。该圆筒形构件12与该半圆筒形构件11共轴线，两者间留有一定的间隙(0.1-0.2毫米)。
半圆筒形构件11是一第一标尺，并具有形成在其内圆周表面上的一发射电极组13和一接收电极14(如图2A的展开图所示)。在这一实施例中，该发射电极组13由两个发射电极单元U1和U2组成。发射电极单元U1和U2中的每一个包括八个发射电极，并以一基本周期W1设置。该发射电极组13的整个宽度等于2×W1。接收电极14有一与该基本周期一致的宽度W1。接收电极14的排列使其中心与发射电极组13的中心对齐。如此，接收电极14的每一端部位于一内部位置，该位置离发射电极组13的相应的两端的距离为四个发射电极的距离。接近于发射电极组13的接收电极14的两端的角部14a和14b被切为圆弧(R-圆角)。在这一实施例中，发射电极组13和接收电极14设置在由虚线表示出的一块FPC(柔性印刷电路)板17上。该FPC板17有一易于被弯曲的单侧面基片构形，并粘结于半圆筒形构件11的内圆周面上。该FPC板1 7还包括这些电极图形所需的引线15和16，这些引线与这些电极图形一起整体成型。这些引线15和16从位于半圆筒形构件11的一侧边缘部的诸开孔向外拉出。与发射电极组13相连的引线15被设置得与接收电极14和引线16分开，从而不会引入任何干扰混合到接收电极14和与其相连的引线16中。
另一方面，圆筒形构件12用作一第二标尺并具有诸连接电极18和接地电极19，这两种电极在其外圆周面上以基本周期W1交替形成(如图2B所示)。这些电极的每一个的宽度大约为基本周期W1的一半(约等于四个发射电极)。在这一实施例中，沿着圆筒形构件12的外圆周面形成了五套连接电极18和接地电极19。设置诸接地电极19是为了防止额外的干扰混合到接收电极14内，不过如果干扰的影响较小时可省略掉。
图3是表示一使用了这样的电容型位移检测器的一位移测量装置的大致结构的一方块图。输送给形成为一发射电极单元的每八个发射电极的是八相调制脉冲信号，该信号在从作为发射信号发出器的一脉冲调制器电路21传来的每两个信号之间有45°的相位差。发自诸发射电极并通过诸连接电极18由接收电极14接收的诸信号被送入一测量电路22内。来自脉冲调制器电路21的诸参考信号也送给该测量电路22。测量电路22将接收到的诸信号的相位与诸参考信号的相位比较后电算出两标尺之间的相对移动量。最终计算出的值被显示在显示器23上。
图4示意地表示出直接来自发射电极组13混合到接收电极14的主干扰。如图所示的，接近于发射电极组13的接收电极14的两端的角部14a和14b被对称切割为一圆弧。所以，来自与该两角部14a和14b接近的诸发射电极13b、13c，13d和13e的诸干扰分量δ135°、Δ180°、Δ135°和δ180°与传统技术相比减小了。图5表示了诸干扰分量的矢量图。从该图可清楚看出：通过以下方式调节被做成圆角的大小能抵取消混合到接收电极14内的诸干扰分量，即在接收电极14接收的干扰量成为如下关系：
     Δ135°+δ135°
     ＝Δ180°+δ180°
     ＝Δ0°＝Δ45°＝Δ90°＝Δ225°＝Δ270°＝Δ315°。
另一方面，来自发射电极组13经过诸连接电极18由接收电极14接收的诸最初的信号分量难以通过做成圆角而减小。如此，S/N比值得以改善，与传统技术相比它的位移检测精度得以提高。从而达到一足够的测量精度，并且，即便如这一实施例中设定两个单元为发射电极单元的数目仍有助于减小该装置的尺寸。
当然，本发明并不限制于两个发射电极单元的该实施例。恰恰相反，本发明能总的适用于这样一种检测器，即包括由多个发射电极单元组成的一发射电极组和一接收电极。该接收电极有一比发射电极组的宽度短的宽度，接收电极的两端位于发射电极组的两端以内。
不仅以上的R-圆角方法能加工接收电极14的形状。例如，如图6所示，对一接收电极31切斜角31a和31b的方法也能达到同样的效果(C-切斜角)。或者，如图7所示，可将一接收电极14削短以致使该接收电极32的角部32a和32b稍许位于基本周期的宽度W1之内。在这一实施例中，尽管与诸连接电极18的一连接区被稍许减小了，与图4和6的实施例相比该图形本身则容易做到。
虽然在以上的实施例描述的是几个旋转编码器的实例，本发明也能应用于一线性编码器(线性位移检测器)，以用于如图8所示的一种滑动卡规。该线性编码器40包括一由一平板组成的第一标尺41和一与第一标尺相对由平板组成的第二标尺42。该第一标尺41包括在其上形成的一发射电极组43和接收电极44。第二标尺42包括在其上形成的诸连接电极45和诸接地电极46。对接收电极44的靠近于发射电极组43的诸角部进行削角处理。
如上描述的，在本发明中，接收电极的两端至少靠近于发射电极组的部分被切割掉。因此，能均等来自发射电极组的被混合到接收电极内的诸干扰之间的一相位差，并能通过抵消被混入的干扰，最终改善S/N比值。如此，能减小装置的尺寸，与此同时能提高位移检测精度。
在描述了与本发明一致的诸实施例后，本领域里的技术人员将会清楚理解与本发明一致的其他实施例和变化设计。所以，不应当将本发明看作限制于已揭示的诸实施例，而仅由所附的诸权利要求的精神和范围所限制。

Claims (9)

1.一种电容型位移测量装置，它包括：
一第一标尺和一第二标尺，这两标尺彼此相对设置且沿测量轴线方向可相对移动；
一发射电极组，它形成在所述第一标尺上，它由以一基本周期沿测量轴线方向排列的多个发射电极单元组成，每个发射电极单元由n个发射电极组成，这些电极沿该测量轴线方向排列以接收诸n相发射信号的相应的相位信号，其中的n指的是一个为2或更大的整数；
至少一个接收电极，它设置在所述第一标尺上并沿垂直于所述测量轴线的方向邻近于所述发射电极；以及
多个连接电极，它们沿所述测量轴线方向以与所述基本周期相同的周期排列在所述第二标尺上，以致电容性连接于在所述第一标尺上的诸所述发射电极单元和接收电极；其特征在于，
所述接收电极沿所述测量轴线方向的宽度等于所述基本周期的整数倍而比所述发射电极组的沿所述测量轴线方向的宽度小，在所述接收电极的宽度方向上的两端的位置，相对于所述发射电极组的两端要朝里些，所述接收电极的所述两端的面对所述邻近于接收电极的若干发射电极的两端的两个发射电极(13c，13d)的至少一部分并靠近于所述发射电极组的诸角部被切除掉，使得来自所述两个发射电极(13d，13c)和邻近所述若干发射电极的两个发射电极(13b，13e)的干扰分量减小。
2.按照权利要求1的电容型位移测量装置，其特征在于，沿着所述接收电极的宽度方向并靠近于所述发射电极组的所述两端的诸角部被切成一圆弧形。
3.按照权利要求1的电容型位移测量装置，其特征在于，沿着所述接收电极的宽度方向并靠近于所述发射电极组的所述两端的诸角部被倾斜地切割。
4.按照权利要求1的电容型位移测量装置，其特征在于，所述发射电极组包括两个发射电极单元；所述接收电极的宽度等于所述基本周期，其排列得使沿其宽度方向的中心与沿所述发射电极组的宽度方向的中心对齐。
5.按照权利要求1的电容型位移测量装置，其特征在于，所述第一标尺包括一半圆筒形构件，该构件具有形成在其内圆周面上的所述发射电极组和接收电极；所述第二标尺包括一圆筒形构件，该构件具有形成在其外圆周面上的诸所述连接电极，所述第二标尺与所述半圆筒形构件同轴线且可转动地设置，并与所述半圆筒形构件间隔一定的间距，从而，所述第一标尺和所述第二标尺组成一旋转编码器。
6.按照权利要求5的电容型位移测量装置，其特征在于，所述发射电极组和接收电极形成在一柔性印刷电路板上并连接于所述半圆筒形构件的内圆周面。
7.如权利要求1所述的电容型位移测量装置，其特征在于，它还包括：
一发射信号发生器，用于产生n-相发射信号；
以及
一测量电路，用于检测诸所述被接收的信号输出的相位，并电算所述第一与第二标尺间的相对运动。
8.按照权利要求1的电容型位移测量装置，其特征在于，沿着所述接收电极的宽度方向并靠近于所述发射电极组的所述两端的诸角部被斜切成R圆角。
9.按照权利要求1的电容型位移测量装置，其特征在于，沿着所述接收电极的宽度方向并靠近于所述发射电极组的所述两端的诸角部被斜切成C一切斜角。
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