CN116868029A - 电容感测式旋转编码器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种装置，该装置包括旋转编码器，该旋转编码器包括定子(214)、转子(212)和控制器(218)。定子(214)具有适于围绕可旋转轴(210)的第一部分的开口、发射区域和接收区域。转子(212)具有适于围绕可旋转轴(210)的第二部分的开口、环形导电区域、以及与环形导电区域电耦合的至少一个导体。控制器(218)具有耦合到接收区域的输入，并且具有耦合到发射区域的输出。控制器(218)被配置成在控制器(218)的输出上并且向定子(214)的发射区域发射第一信号，在控制器(218)的输入上并且从定子(214)的接收区域接收第二信号，并基于第二信号确定至少一个导体与接收区域的接近度。

Description

电容感测式旋转编码器
背景技术
比如燃气表、水表和电表等流量计跟踪已经流过流量计的流体或能量的量。流量计可以利用比如一个或多个数字轮等人工指示器来指示自起始值以来已使用的流体或能量的值。
发明内容
根据一个方面，一种装置包括旋转编码器，该旋转编码器包括定子、转子和控制器。定子具有：开口，该开口适于围绕可旋转轴的第一部分；发射区域，该发射区域位于定子的第一同心区域上；以及接收区域，该接收区域位于定子的第二同心区域上。定子的第二同心区域与定子的第一同心区域分离。转子具有：开口，该开口适于围绕可旋转轴的第二部分；环形导电区域，该环形导电区域位于转子的第一同心区域上；以及至少一个导体，该至少一个导体与环形导电区域电气耦合并位于转子的第二同心区域上。转子的第二同心区域与转子的第一同心区域分离。控制器具有耦合到接收区域的输入，并且具有耦合到发射区域的输出。控制器被配置成在控制器的输出上并且向定子的发射区域发射第一信号，在控制器的输入上并且从定子的接收区域接收第二信号，以及基于第二信号确定至少一个导体与接收区域的接近度。
根据另一方面，一种装置包括：可旋转轴；转子，该转子耦合到可旋转轴的第一部分；以及固定基板，该固定基板邻近转子定位。转子包括：中心区域，该中心区域位于转子的第一同心区域上；以及至少一个叶片，该至少一个叶片耦合到中心区域并从中心区域延伸，至少一个叶片位于转子的第二同心区域上。固定基板具有：开口，该开口围绕可旋转轴；发射区域，该发射区域被配置成与中心区域电容耦合；以及电容式传感器阵列，该电容式传感器阵列被配置成与至少一个叶片电容耦合。该装置还包括控制器，该控制器与发射区域和与电容式传感器阵列电气耦合，并被配置成基于发射到发射区域的信号接收来自电容式传感器阵列的输出，并基于该输出确定转子的角旋转。
根据另一方面，一种制造旋转编码器的方法包括：将转子耦合到可旋转轴；将转子定位成邻近具有适于围绕可旋转轴的第二部分的开口的定子；以及将控制器耦合到发射区域和耦合到接收区域。转子具有：开口，该开口适于围绕可旋转轴的第一部分；环形导电区域，该环形导电区域位于转子的第一同心区域上；以及至少一个导体，该至少一个导体与环形导电区域电气耦合并位于转子的第二同心区域上，第二同心区域与第一同心区域分离，定子包括：发射区域，该发射区域位于定子的第一同心区域上；以及接收区域，该接收区域位于定子的第二同心区域上，第二同心区域与第一同心区域分离。控制器被配置成向定子的发射区域发射第一信号，从定子的接收区域接收第二信号，并且基于第二信号确定至少一个导体与接收区域的接近度。
附图说明
在附图中：
图1是具有根据本披露的电容感测式旋转编码器组件的示例流量计组件的框图。
图2是根据本披露的示例流量计的一部分的等距视图。
图3是根据本披露的示例定子PCB的示意图。
图4是根据本披露的示例旋转PCB的示意图。
图5是根据本披露的图1的示例PCB组件的示例部分的侧视图。
图6是根据本披露的图1的示例PCB组件的示例部分的侧视图。
图7是根据本披露的示例流量计的一部分的示意图。
图8是根据本披露的可以用于实施图1的示例感测电路的示例电路的示意图。
图9是根据本披露的可以用于实施图1的另一示例感测电路的示例电路的示意图。
图10是根据本披露的可以用于实施图1的又一示例感测电路的示例电路的示意图。
图11是根据本披露的计数器解码方案的流程图。
具体实施方式
图1是具有输入102和输出104的示例流量计组件100的框图。在基于流体的流量计中，比如液体或气体等流体从输入102流到输出104，同时流量计组件100测量通过其中的流体的量。在输入102和输出104之间，计数器驱动器106被定位成与通过流量计组件100的流体处于流动连通。计数器驱动器106可以包括机械转换设备，以将流过其中或流过其的流体转换成旋转运动。例如，计数器驱动器106可以包括一个或多个齿轮，该一个或多个齿轮被配置成响应于流体流动而旋转。在基于电能的流量计中，在输入102和输出104之间流动的电流以引起电到机械计数器驱动器106将电力转换成机械运动，从而由此使一个或多个齿轮旋转。
计数器组件108耦合到计数器驱动器106，以可视地指示自初始值(例如，0)以来已经流过流量计组件100的流体或能量的累计总量。计数器组件108可以包括响应于计数器驱动器106而旋转的一个或多个数字轮。计数器组件108可以是例如十进制计数器，其具有单独的十进制数字轮，这些十进制数字轮具有沿着每个轮的圆周表面压印出的数字0到9。数字轮的旋转线彼此对齐，并且轮可以以一个轮旋旋一整圈引起相邻轮中的部分旋转的方式耦合。以这样的方式，在个位的数字轮旋旋一整圈引起在十位的数字轮旋转十分之一圈到它的下一数字。每个后继的轮以相同的方式耦合到前一轮。
根据本披露的电容感测式旋转编码器组件110耦合到计数器组件108。电容感测式旋转编码器组件110包括印刷电路板(PCB)组件112，该印刷电路板组件包括其上实施有导体116的转子PCB组件114和其上实施有旋转编码器120的定子PCB组件118。转子PCB组件114针对计数器组件108的每个数字轮包括一个转子PCB，并且每个转子PCB被配置成与其相邻的对应数字轮同时旋转。
定子PCB组件118针对转子PCB组件114的每个转子PCB包括一个定子PCB。如下文更详细披露的，随着每个转子PCB相对于其对应的定子PCB旋转，转子PCB改变定子PCB的感测电容器的电容。
图2是根据示例的示例流量计200的一部分的等距视图。示出了流量计200的计数器组件202和观察面板204。计数器组件202包括围绕轴210沿着公共旋转轴线208布置的多个数字轮206。在图示的示例中，示出了六个数字轮206。然而，在本文中设想了多于或少于六个的数字轮206。六个数字轮206可以在其外圆柱表面上具有相同的标记，或者可以在轮206中的一个或多个上具有不同的标记。当标记有数字0到9时，计数器组件202可以作为十进制计数器操作，其中每个轮206的相邻的左邻轮每转一圈，其就转10圈。
多个转子212附接到多个数字轮206上，每个转子212被耦合成与相应的轮206一起旋转。设置了多个定子214，每个定子214被定位成邻近相应的转子212。基座或基板216为定子214提供支撑。根据本披露的示例，转子212、定子214和基座216由其上形成有电气迹线的一种或多种PCB材料构建。
图3是根据示例的示例定子PCB 300的示意图。定子PCB 300可以用于实施图1的示例旋转编码器120，并且包括由一种或多种PCB材料构建的基板302。可以在基板302中设置开口304，以允许轴或其他物体延伸穿过基板302(例如，参见图7)。
定子PCB 300包括圆形电容式传感器阵列306，该电容式传感器阵列包括围绕基板302的第一同心区域310布置的多个电容式感测区域或接收导体(对于示例电容感测式阵列306，该多个电容式感测区域或接收导体中的一个以附图标记308表示)。如所示出的那样，电容式传感器阵列306内的电容式感测区域308围绕定子PCB 300的旋转轴线312彼此在角度上偏移或分离，并且彼此电气解耦。电容式感测区域308实施电容式传感器阵列306的接收区域或组合式感测电容器。虽然图3中示出的多个电容式感测区域308提供了十个感测区域以供在十进制计数器中实施，但是例如，多个感测区域308可以包括更多或更少的区域以匹配每个轮(例如，图2的数字轮206)上的多个指示器，该多个指示器可以多于或少于十个。
定子PCB 300还包括围绕基板302的第二同心区域316布置的发射区域314和围绕基板302的第三同心区域320布置的接地区域318。在图示的示例中，第二同心区域316比第一同心区域310更靠近开口304，并且第三同心区域320在第一同心区域310和第二同心区域316两者之间。然而，在另一示例中，第一同心区域310和第二同心区域316可以交换位置。
电容式传感器阵列306的发射区域314、接地区域318和电容式感测区域308可以由基板302上的导电迹线、焊盘和/或区构建，比如由铜或其他PCB金属迹线材料构建。基板302包括多个传感器阵列接触焊盘322，每个焊盘322与相应的电容式感测区域308电气耦合。基板302还包括与接地区域318电气耦合的接地接触焊盘324，并且包括与发射区域314电气耦合的发射接触焊盘326。如所图示的那样，区域308、314、318形成在基板302的同一侧上。如所示出的那样，焊盘322、324、326可以进一步形成在同一侧上，或者一些或全部可以安装在相反侧上，以容纳迹线布线或容纳焊盘322、324、326可以耦合/焊接到的基板302上的连接器。例如，所示的焊盘322、324、326中的六个可以形成在基板302的一侧上，而剩余的六个可以形成在基板302的另一侧上。另外，可以实施一个或多个通孔328，以将迹线的任何部分移动到基板302的相反侧。
图4是可以用于实施图1的示例转子PCB组件114的示例旋转PCB 400的示意图。旋转PCB 400包括由一种或多种PCB材料构建的基板402。可以在基板402中设置开口404，以允许轴或其他物体延伸穿过基板402(例如，参见图7)。
基板402具有形成在其上的成形导体构件406，该成形导体构件包括围绕第一同心区域410布置的导电区域408。在如所示的一个示例中，导电区域408是环形的并且围绕开口404。导体构件406的一对叶片或导体412、414与导电区域408电气耦合并从其延伸。导体412、414居中定位在第二同心区域416上，并且围绕旋转PCB 400的中心旋转轴418在角度上分离并彼此偏移。
在操作中，旋转PCB 400相对于定子PCB 300旋转。当导体412、414与相应的电容式感测区域308重叠时，由于导体构件406的接近度，相应的电容式感测区域308的容将被修改。
图5图示了由形成在定子PCB 300的基板302上的电容式感测区域308和接地区域318形成的电容。接地区域318与电容式感测区域308间隔开(例如，不物理接触、不电气接触等)，以在信号被发射到发射区域314并存在于该发射区域上时形成示例电场500。环形的导电区域408始终与发射区域314和接地区域318重叠。然而，在旋转PCB 400围绕其旋转轴线418旋转时，围绕旋转PCB 400的第二同心区域416交替间隔的导体412、414(图4)周期性地与任何特定的电容式感测区域308重叠。在图5中图示的示例中，导体412、414中的任何一个都没有旋转定位成与电容式感测区域308重叠。因此，电容式感测区域308和接地区域318之间的电场502指示代表没有导体412、414邻近电容式感测区域308时的电容值。在一个示例中，电场502表示在初始校准测试中可测量的默认或基线电容。
随着旋转PCB 400旋转，导体412、414可以移动进入、穿过和移出电场502。当导体412、414中的一个至少部分在电场502上方或附近(例如，接近该电场)时，导体412、414干扰电场502，从而增加电容式感测区域308的电容。图6图示了当导体412、414中的一个邻近电容式感测区域308并与其重叠时，由电容式感测区域308和接地区域318形成的电容。如所图示的那样，经修改的电场504指示当电容式感测区域308和接地区域318非常接近导体412、414中的一个时经历的电容值。
当发射信号被发送到发射区域314时，形成图5和图6中图示的电场500、502和504。返回参考图2，位于基座216上的集成电路(IC)218例如包括输出220，该输出被配置成耦合到多个定子214的发射区域314。如下文进一步描述的那样，IC 218向发射区域314发送发射信号以收集电容值。输出220可以包括到多个定子214的每个发射区域314的不同电气连接，或者可以以复用方案实施。IC 218进一步包括耦合到多个定子214的电容式传感器阵列306的输入222。像输出220一样，IC 218的输入222可以包括到多个定子214的每个发射区域314的不同电气连接，或者可以以复用方案实施。
被定位成靠近计数器组件202的观察面板204允许通过计数器组件202放置到其中的外壳体(未示出)的一部分来看到计数器组件202。观察面板204上的指示器224可以与多个数字轮206对齐，以可视地指示计数器组件202的数值。
图7图示了根据本披露的示例流量计组件700的一部分的示意图。如所图示的那样，三个数字轮组件702、704、706一起组装在计数器组件708中。数字轮组件702的数字轮710固定耦合到旋转PCB 712，并且数字轮710和旋转PCB 712中的一个或两个固定耦合到穿过其中的轴714。因此，数字轮710、轴714和旋转PCB 712一致旋转。数字轮组件704、706还包括固定耦合到相应旋转PCB 720、722的相应数字轮716、718，使得数字轮716的旋转引起旋转PCB 720中的相同旋转，并且数字轮组件718的旋转引起旋转PCB 722中的相同旋转。数字轮716、718还包括形成在其中的通道或孔口(未示出)，以允许轴714穿过其中。然而，与数字轮组件702不同，数字轮716、718不是固定地附接到轴714，而是被允许独立于该轴旋转。
耦合到轴714的计数器驱动器724使得轴714和数字轮710以及附接到其上的旋转PCB 712基于通过流量计组件700的流体或能量的流动而旋转。例如，流动到旋转组件726可以直接耦合到轴714，或者可以通过齿轮组件728耦合。计数器驱动器724被设计成将流体或能量流动转换成旋转运动，该旋转运动引起轴714旋转以及因此引起第一数字轮710旋转。数字轮710包括齿轮接合构件730，该齿轮接合构件被配置成引起被定位成邻近第一数字轮710和第二数字轮716的齿轮732的部分旋转。齿轮732的旋转引起数字轮716的部分旋转。因此，数字轮710的每次旋转通过齿轮732引起数字轮716中的部分旋转。根据一个示例，数字轮710的十次旋转引起数字轮716的一整圈旋转。类似地，数字轮716上的齿轮接合构件734接合被定位成邻近第二数字轮716和第三数字轮718的齿轮736。根据本文中提供的示例，数字轮716的十次旋转引起数字轮718的一整圈旋转。
每个数字轮组件702、704、706还包括相应的定子PCB 738、740、742，每个定子PCB耦合到其上具有IC 746的基板744，该IC被配置成基于确定由定子PCB 738、740、742经历的多个电容值来确定数字轮710、716、718的角旋转。定子PCB 738、740、742还可以包括开口，比如开口304(图3)，以允许轴714穿过其中。附加地，被形成为允许齿轮732、736和它们的公共轴748穿过其中的开口(未示出)可以根据布置形成。
图8是呈振荡器电路的形式的电容式传感器阵列306的组合式感测电容器802的示例感测电路800的示意图。示例感测电路800可以用于实施嵌入在IC 218内或者另外地该IC可访问的示例感测电路。当控制输入804被设置为逻辑高(例如，等于电源电压Vcc)时，示例电阻器梯形网络806为示例比较器810创建示例参考输入808，该参考输入随着比较器810的示例输出812而改变。示例参考输入808切换，并且具有与电容式传感器802的充电和放电相反的极性。在图8的示例中，如果电阻器梯形网络806的电阻器R具有近似相等的电阻，则比较器810的输出812的振荡或周期频率fOSC可以数学地表示为：
fosc＝1/(1.386RcC传感器)，
其中C传感器是电容式传感器802的电容，其响应于导体(比如示例导体构件406)的接近度而变化。如上面结合图3至图6所讨论的那样，在导体干扰电场502、504时，电容式传感器804的电容增加，并且因此，比较器810的输出812的周期频率fOSC增加。也就是说，周期频率fOSC可以用作电容式传感器802的电容的度量。
为了确定(例如，估计、测量等)比较器810的输出信号812的周期频率fOSC，示例感测电路800包括示例计数器820和示例计数寄存器830。示例计数器820通过例如对输出812的上升沿或下降沿进行计数来对输出信号812的周期进行计数。以周期性的间隔，当前周期计数被存储在示例计数寄存器830中用于随后的检索，并且计数器820被重置。存储在计数寄存器830中的计数越大，输出812的周期频率fOSC越高，并且电容式传感器802的电容越大，这指示由导体对电容式传感器802的越大的干扰。
图9是呈电荷转移电路的形式的电容式传感器阵列306的组合式感测电容器902的另一示例感测电路900的示意图。图9的示例感测电路900可以用于实施嵌入在IC 218内或者另外地该IC可访问的示例感测电路。在图9中，电阻器-电容器(RC)网络904用于对电路电压906充电。通过利用控制示例开关SW1和SW2的信号908进行控制，电荷被周期性地从感测电容器902转移到RC网络904。当导体接近电容式传感器902时，电容式传感器902的电容增加，并且在信号908的每个周期，更多的电荷从电容式传感器902转移到RC网络904。通过利用计数器910计数使电路电压906超过阈值电压VREF所需的信号908的周期的数量，可以确定电容式传感器902的电容的度量。以周期性的间隔，当前计数被存储在示例计数寄存器912中用于随后的检索，并且计数器910被重置。存储在计数寄存器902中的计数越小，电容式传感器904的电容越大，这指示由导体对电容式传感器904的越大的干扰。
图10是呈sigma-delta感测电路的形式的电容式传感器阵列306的组合式感测电容器1002的又一示例感测1000的示意图。图10的示例感测电路1000可以用于实施嵌入在IC218内或者另外地该IC可访问的示例感测电路。在图10中，电容式传感器1002对为电路电压1006充电的电阻器-电容器(RC)网络1004充电。当导体接近电容式传感器1002时，电容式传感器1002的电容增加，并且电荷从电容式传感器1002更快地转移到电路电压1006。一旦电路电压1006超过阈值参考电压VREF，比较器1008跳闸，并且电路电压1006通过电阻器1010的放电开始。在电容式传感器1002的电容增加时，随着由电容式传感器1002进行的充电继续，放电变慢。利用计数器1012计数振荡器1016的输出信号1014的周期的数量直到放电完成，可以确定电容式传感器1002的电容。以周期性的间隔，当前计数被存储在示例计数寄存器1018中用于随后的检索，并且计数器1012被重置。存储在计数寄存器1018中的计数越大，电容式传感器1002的电容越大，这指示由导体对电容式传感器1002的越大的干扰。
图11是根据示例的可由微控制器或IC(例如，图2的IC 218)执行的计数器解码方案1100的流程图。可以执行计数器解码方案1100来确定具有一个或多个数字轮的计数器组件(例如，图1、图2、图7的计数器组件108、202、708)的数值。IC从存储在计算机可读存储器存储设备上的一组校准参数中读取校准参数(步骤1102)。校准参数可以包括查找表，并具有计数器组件的每个定子PCB的每个电容式感测区域(例如，图3的定子PCB 300的电容式感测区域308)的默认电容值。例如，校准参数可以在计数器组件的制造过程期间被测量和存储，并且可以包括当转子导体(例如，图4的导体412、414)不与电容式感测区域重叠时每个电容式感测区域的感测电容值。此外，校准参数可包括当一个或两个转子导体分别与电容式感测区域重叠时每个电容式感测区域的感测电容值。以这样的方式，如下所述，在计数器解码方案1100期间，每个电容式感测区域的默认或基线电容值可以被存储并用于归一化。
设置要被解码的第一轮(“解码轮”)(步骤1104)，并且该第一轮可以是最高有效位轮(例如，在三位计数器中的千位上的轮)、最低有效位轮(例如，在三位计数器中的个位上的轮)、或者两者之间的任何轮。对于要解码的解码轮，对应于解码轮的相应定子用于从其电容式传感器阵列获取电容值测量结果。方案1100通过将来自执行方案1100的IC的电压信号发射到定子的发射区域来启用(步骤1106)解码轮的定子上的发射(“TX”)引脚。从定子上的每个电容式感测区域(例如，图3的电容式感测区域308)获取电容测量结果(步骤1108)。电容测量结果可以包括确定每个电容式感测区域上的电容值，例如，如图8至图10中所述。
基于校准参数对所获取的电容测量结果中的每一个进行归一化(步骤1110)。归一化可以包括从校准参数中找出最近测量的电容值和经校准的电容值之间的差异。分析电容测量结果以标识(步骤1112)一个或多个最大电容值。转子的导体构件的叶片(例如导体)的数量指示可以被标识的较大的电容值的数量。在一个示例中，对于本文中描述的其中双叶状导体构件406包括两个导体412、414的实施例，可以确定两个最大值。
基于(多个)最大标识电容值确定转子的角旋转或位置(步骤1114)。当转子具有单个导体叶片时，转子的角旋转或位置可以被确定为对应于感测到最大值的电容式感测区域的位置。当转子具有多个导体叶片时，多个电容式感测区域感测到较大的电容值。在这种情况下，转子的角旋转或位置可以基于感测与多个导体叶片的角偏移相关的较大值的电容式感测区域的角偏移来确定。当固定到旋转轴(例如，图2的轴210)时，转子的角旋转或位置的确定与轴的角旋转或位置相关联。在一个示例中，当转子被旋转为使得第一导体(例如，导体412)与第一电容式感测区域对齐并且第二导体(例如，导体414)与第四电容式感测区域对齐时，转子的旋转角度可以被已知为某个值，比如0度。例如，当第一导体与第二电容式感测区域对齐并且第二导体与第五电容式感测区域对齐时，转子的旋转角度可以被已知为36度。转子的其他旋转角度同样是已知的。
基于当解码轮被旋转到特定位置时哪个数字或符号被指示，在转子的旋转角度和对应解码轮上的数字或符号之间存在关联性。由于转子的旋转匹配数字轮的旋转，确定(步骤1116)解码轮的轮值包括基于数字轮的角旋转或位置解码轮的面上的与例如视觉指示器(例如，图2的指示器224)对齐的数字或其他符号。例如，如果转子的角位置是0度的角，则0度处的数字轮的对应角位置可以对应于数字值“零”。类似地，如果转子的角位置是180度的角，则180度处的数字轮的对应角位置可以对应于数字值“五”。
计数器解码方案1100确定(步骤1118)是否还有附加的轮要被解码。如果是(1120)，则解码轮被设置(步骤1122)为要解码的下一轮，并且执行返回到步骤1106以解码下一轮。
如果没有剩余附加轮要解码(1124)，计数器解码方案1100可以加上所有经解码的数字，并确定所得到的计数器数字是否合理(步骤1126)。例如，如果基于当前数字与历史日志的比较，计数器数字小于先前解码的数字，则可以确定在其中期望较大数字的示例中，当前值不合理。如果当前数字不合理(1128)，则方案1100的执行可以返回到步骤1104，以重新评估计数器组件的所有轮。然而，如果计数器数值是合理的(1130)，则计数器数值可以被记录(步骤1132)到历史日志或其他存储器位置中。计数器解码方案1100然后可以结束(步骤1134)。
出于说明和描述的目的，已经呈现了本发明的各种优选实施例的上述描述。其并非旨在是穷尽性的或将本发明局限于所披露的精确形式，并且显然根据上述传授内容可以进行许多修改和变化。选择和描述上述示例实施例是为了最佳地解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域其他技术人员能够在各种实施例中最佳地利用本发明，并且进行适合于所设想的特定用途的各种修改。本发明的范围旨在由所附权利要求来限定。

Claims (20)

1.一种装置，包括：
旋转编码器，所述旋转编码器包括：
定子，所述定子具有适于围绕可旋转轴的第一部分的开口，所述定子进一步包括：
发射区域，所述发射区域位于所述定子的第一同心区域上；以及
接收区域，所述接收区域位于所述定子的第二同心区域上，所述第二同心区域与所述第一同心区域分离；
转子，所述转子具有适于围绕所述可旋转轴的第二部分的开口，所述转子进一步包括：
环形导电区域，所述环形导电区域位于所述转子的第一同心区域上；以及
至少一个导体，所述至少一个导体与所述环形导电区域电耦合并位于所述转子的第二同心区域上，所述第二同心区域与所述第一同心区域分离；以及
控制器，所述控制器具有耦合到所述接收区域的输入，并且具有耦合到所述发射区域的输出，其中所述控制器被配置成：
在所述控制器的输出上并且向所述定子的发射区域发射第一信号；
在所述控制器的输入上并且从所述定子的接收区域接收第二信号；以及
基于所述第二信号，确定所述至少一个导体与所述接收区域的接近度。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述控制器被配置成基于所述至少一个导体与所述接收区域的接近度来确定所述可旋转轴的旋转位置。
3.如权利要求2所述的装置，其中，所述第二信号指示所述转子的至少一个导体与所述定子的接收区域之间的电容。
4.如权利要求1所述的装置，其中，所述定子的接收区域包括电容式传感器阵列。
5.如权利要求1所述的装置，其中，所述定子的第一同心区域比所述定子的第二同心区域更靠近所述定子的开口。
6.如权利要求5所述的装置，其中，所述定子进一步括位于第三同心区域上的接地区域，所述第三同心区域被定位在所述定子的第一同心区域与所述定子的第二同心区域之间。
7.如权利要求5所述的装置，其中，所述定子的第一同心区域被配置成与所述转子的第一同心区域重叠；并且
其中，所述定子的第二同心区域被配置成与所述转子的第二同心区域重叠。
8.如权利要求1所述的装置，其中，所述转子的至少一个导体包括：
第一导体；以及
第二导体，所述第二导体围绕所述转子的旋转轴线与所述第一导体在角度上偏移。
9.如权利要求8所述的装置，其中，所述定子的接收区域进一步包括多个接收导体，所述多个接收导体中的每个接收导体独立地与所述控制器耦合，并且围绕所述定子的中心同心轴线彼此在角度上偏移；并且
其中，当所述第一导体被定位成邻近所述多个接收导体中的第一接收导体并且所述第二导体被定位成邻近所述多个接收导体中的第二接收导体时，所述多个接收导体中的至少第三接收导体沿着所述第一接收导体和第二接收导体之间的最短角距离被定位在所述第一接收导体和第二接收导体之间。
10.一种装置，包括：
可旋转轴；
转子，所述转子耦合到所述可旋转轴的第一部分、并且包括：
中心区域，所述中心区域位于所述转子的第一同心区域上；以及
至少一个叶片，所述至少一个叶片耦合到所述中心区域并从所述中心区域延伸，所述至少一个叶片位于所述转子的第二同心区域上；
固定基板，所述固定基板被定位成邻近所述转子并具有围绕所述可旋转轴的开口，所述固定基板包括：
发射区域，所述发射区域被配置成与所述中心区域处于电容耦合；以及
电容式传感器阵列，所述电容式传感器阵列被配置成与所述至少一个叶片处于电容耦合；以及
控制器，所述控制器与所述发射区域并且与所述电容式传感器阵列电耦合，并且被配置成：
基于发射到所述发射区域的信号接收所述电容式传感器阵列的输出；以及
基于所述输出确定所述转子的角旋转。
11.如权利要求10所述的装置，其中，所述转子的基板包括印刷电路板(PCB)材料；并且
其中，所述电容式传感器阵列包括形成在所述PCB材料的表面上的铜。
12.如权利要求10所述的装置，其中，所述电容式传感器阵列包括围绕所述固定基板的第一同心区域布置的多个接收导体；并且
其中，所述发射区域围绕所述固定基板的第二同心区域布置。
13.如权利要求12所述的装置，其中，所述控制器在被配置成确定所述角旋转时，被配置成：
确定所述多个接收导体中的每个接收导体与所述转子之间的电容值；
基于所确定的电容值将所述多个接收导体中的至少一个接收导体与所述至少一个叶片关联；以及
基于所述至少一个接收导体的角位置和所述至少一个叶片的角位置来确定所述转子的角旋转。
14.如权利要求13所述的装置，其中，所述控制器进一步被配置成：
从一组校准参数中获取用于所述至少一个接收导体的校准参数；以及
确定所述校准参数与所述电容式传感器的输出之间的差异。
15.如权利要求12所述的装置，进一步包括：
数字轮，所述数字轮耦合到所述转子；以及
流量计，所述流量计被配置成允许流体和能量中的一个的量流过其中，并且基于流过所述流量计的量来旋转所述数字轮。
16.如权利要求15所述的装置，其中，所述流量计进一步包括与所述数字轮对齐的指示器；并且
其中，所述控制器在被配置成确定所述角旋转时，被配置成：
确定所述多个接收导体中的每个接收导体与所述转子之间的电容值；
基于所确定的电容值将所述多个接收导体中的至少一个接收导体与所述至少一个叶片关联；
基于所述至少一个接收导体的角位置和所述至少一个叶片的角位置来确定所述转子的角旋转；以及
将所述转子的角旋转与和所述指示器对齐的数字轮的数值关联。
17.一种控制器，所述控制器被配置成：
向定子的发射区域发射第一信号，其中所述发射区域位于所述定子的第一同心区域上；
从所述定子的接收区域接收第二信号，其中：
所述接收区域位于所述定子的第二同心区域上；
所述第二信号是基于所述第一信号与形成在被定位成邻近所述定子的转子上的导体构件的相互作用的；并且
其中，所述导体构件包括至少一个导体叶片；以及
基于所述第二信号，确定所述至少一个导体叶片与所述接收区域的接近度。
18.如权利要求17所述的控制器，其中，所述控制器在被配置成确定所述至少一个导体叶片与所述接收区域的接近度时，被配置成确定所述至少一个导体叶片和所述接收区域之间的电容。
19.如权利要求18所述的控制器，其中，所述接收区域包括围绕所述第一同心区域布置的多个接收导体；并且
其中，所述控制器在被配置成确定所述至少一个导体叶片和所述接收区域之间的电容时，被配置成：
确定所述多个接收导体中的每个接收导体与所述导体构件之间的电容值；以及
基于所确定的电容值，将所述多个接收导体中的至少一个接收导体与所述至少一个叶片相关联。
20.如权利要求19所述的控制器，其中，所述控制器进一步被配置成基于已关联的所述至少一个接收导体的角位置来确定所述转子的角旋转。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4499465A (en) * 1981-03-18 1985-02-12 Nippon Soken, Inc. Capacitive-type incremental and reference angular rotation detecting apparatus
US6492911B1 (en) * 1999-04-19 2002-12-10 Netzer Motion Sensors Ltd. Capacitive displacement encoder
US7559134B2 (en) * 2003-11-04 2009-07-14 Cyberoptics Corporation Pick and place machine with improved component placement inspection
CN103116424A (zh) * 2011-11-16 2013-05-22 飞思卡尔半导体公司 触摸板电容式传感器电路
EP3282230B1 (de) * 2014-12-04 2020-02-05 Hexagon Technology Center GmbH Absoluter kapazitiver winkelencoder
JP6769799B2 (ja) * 2016-09-21 2020-10-14 日本電産サンキョー株式会社 ロータリエンコーダ、およびロータリエンコーダの絶対角度位置検出方法
JP6870372B2 (ja) * 2017-02-20 2021-05-12 株式会社ニコン エンコーダ装置、駆動装置、ステージ装置、及びロボット装置
EP3622256A4 (en) * 2017-05-12 2020-05-13 Texas Instruments Incorporated CAPACITIVE SENSOR ENCODER AND METHOD
JP2019132066A (ja) * 2018-01-31 2019-08-08 株式会社小松製作所 回転駆動システム及び油圧ショベル
JP2019152224A (ja) * 2018-02-28 2019-09-12 株式会社小松製作所 減速機、回転駆動システム及び油圧ショベル
WO2020255682A1 (ja) * 2019-06-21 2020-12-24 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 回転検出器及びそれを備えたモータ
RU200279U1 (ru) * 2020-05-27 2020-10-15 Акционерное общество "Научно-производственный центр "Полюс" Емкостный дифференциальный датчик угла поворота вала

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