CN1347493A

CN1347493A - 电容式位移编码器

Info

Publication number: CN1347493A
Application number: CN00806459A
Authority: CN
Inventors: 伊沙·内茨
Original assignee: Netzer Precision Motion Sensors Ltd
Current assignee: Netzer Precision Motion Sensors Ltd
Priority date: 1999-04-19
Filing date: 2000-03-30
Publication date: 2002-05-01
Anticipated expiration: 2020-03-30
Also published as: US7126495B2; WO2000063653A2; AU3573800A; US20030030570A1; DE60016395T2; EP1173730A2; KR20020010607A; JP2012068255A; WO2000063653A3; ATE467822T1; CA2368140A1; CN1847797B; US6788220B2; EP1173730B1; CN1847797A; DE60044403D1; TW573116B; US20040252032A1; DE60016395D1; US6492911B1

Abstract

一种用于检测运动物体相对于固定物体的位置的电容式运动编码器(140),其包括:至少一个连接至固定物体的固定元件(141),及一运动元件(148),其连接至运动物体且接近于固定物体。一个场发射器(142)产生静电场,该静电场由响应于所述元件相对运动的固定元件和运动元件之间的电容变化而被调制。导电屏蔽(154)与运动和固定物体电分离且封闭了运动元件和固定元件,以保护这些元件不受外界电干扰。处理电路(138)检测被调制的静电场并响应于此而确定运动物体位置的测量值。

Description

电容式位移编码器

本发明的背景

本发明通常涉及位置传感器，特别涉及旋转或线性位置的电容式编码器。

背景技术

旋转角度和线性位移的测量广泛用于位置，速度和加速度控制的各种领域。在由DDC ILC Data Device Corp.(Bohemia，New York，1994)出版的《Synchro/Resolver Conversion Handbook》(第四版)的第一章中概括地披露了用于这些目的的非接触式传感器，其作为参考文献包含在本申请中。

市场上可购得的非接触全转式传感器(通常称为转角编码器)几乎仅仅是光轴编码器或电磁分解器。所有这些种类的传感器在本领域均是已知的。它们既可作为包括其自身轴和轴承的整体装置出售，也可作为被装配在一根主轴上的组合式装置出售。

光学编码器提供了二进制水平的输出信号且可被分为绝对编码器和增量编码器。后一种类型的编码器更普遍，原因是其结构平整、造价低廉，但它具有以下缺点：

·仅能测量相对位置。

·这类编码器对机械装配和安装误差较为敏感。

·这类编码器的结构仅能够提供有限的机械使用寿命。

绝对光学编码器成本更高，更笨重且通常为非组合式。在近些年来，已引入了一种改进的绝对编码器，其能够提供正弦信号而不是二进制水平的输出信号，这些信号能够被插入以提供增强的分辨率。

在上述《Synchro/Resolver Conversion Handbook》中详细描述的电磁分解器绕有电感元件。这些装置较笨重且成本较高，但是却非常耐用。单极对分解器能够提供两个与sinθ和cosθ成正比的输出电压，其中θ为旋转角度。多极对分解器能够提供与sin(nθ)和cos(nθ)成正比的输出信号，其中：n为极对的数目。多极对分解器的分辨率和精度较高，但其输出信号不能在整个转动期间准确确定转动角度。

双速分解器等同于在相同轴上的一个单极对分解器和一个多极对分解器的组合。其能够同时提供两对输出电压，这些电压被称为是粗略信道和精细信道。通过处理这些信道，能够获得精确清楚的读数。但是，与其单极对对应装置或多极对对应装置相比，这种分解器更为笨重且成本更高。

线性光学编码器为增量数字装置，其与增量旋转编码器相同，包括一测量头，其可相对于一个标尺运动且能够产生输出脉冲。目前，虽然也存在一些以电磁原理为基础的线性编码器，但是高精度、大行程的线性编码器几乎仅仅是光学型。目前尚没有可作为独立元件在市场上购得的电容式线性编码器，但是线性电容式编码器已广泛应用于数字卡规中。

在本申请的上下文以及权利要求中，术语“编码器”是指位移传感器，其中，固定和运动元件之间的相互作用是以一重复图形为基础的，所述图形具有二进制或连续输出信号。与术语“固定元件”和“定子”相同，可根据旋转编码器互换使用术语“运动元件”和“转子”。同样，术语“测量头”和“标尺”分别是指线性编码器的运动和固定元件。

即使在多年改进之后，无论光轴编码器还是电磁式分解器均不能提供所有以下理想特点的组合。

·具有高精度分析率的绝对读取。

·简单的结构和低位封装。

·较低的制造成本。电容式旋转角度编码器的基本概念

电容式全转式绝对角度编码器(CFRAAE)将旋转角度转换为以转子和定子之间相互的电容作用为基础的输出信号。它们可被制成能够模拟单极或多极电磁分解器，即具有每次转动仅会重复一次或多次的输出信号，以及多速分解器。

在专利文献中描述的CFRAAE相对光学或电感编码器具有显著的优点。但是，由于存在并未全部发现，意识到或解决的多种困难，因此，CFRAAE装置已完全从市场上消失。例如：

·精确的CFRAAE操作要求电容在存在寄生电容和外部干扰的情况下，以1飞法拉(10^-15法拉)进行分辨。因此，对外部干扰进行屏蔽是最重要的。

·人们认为CFRAAE要求昂贵、高精度及可靠的电子元件。例如，德国专利申请DE 42 15 702披露了一种电容式角度编码器，其中电容量是单独通过激光微调校正的。

·在专利文献中描述的CFRAAE，需要复杂的信号调节。例如，在德国专利申请DE 36 27 529及相应的美国专利US4,851,835中披露了用于该文章的信号处理系统，其可在此处结合使用。

·缺少各种已知编码器类型的系统分类和分析。因此，还未发现用于改进的新型结构和可能性。

因此，在该领域流行的观点是CFRAAE在商业上是不可行的。已发现实际仅可使用有限-转动(通常小于360°)的电容式传感器，且仅可用于传感器被并入主系统的有限用途中，主要用于光学扫描镜。在美国专利US3,312,892，3,732,553，3,668,572，5,099,386ey 4,864,295中披露了典型的有限-转动传感器，它们可在本申请中结合使用。

电磁分解器(与数字或脉冲计数传感器相比)一类的模拟全转式传感器通常能够提供与转动角度的正弦和余弦成正比的两个正交输出信号。与电感耦合不同，电容耦合始终是正的，因此通常用于在一电容式传感器中获得双极输出的唯一方式是测量两个位移相关电容量的差值。

图1为说明该原理(其也可适用于电容线性位移传感器)的典型示意性电路图。分别使两个互补激励电压Q和Q’作用于固定式发射板41和42上。如本领域已知的那样，一块移动接收板40被电容式耦合至两块发射板上且被连接至一电荷放大器43上。电荷放大器43的输出电压与接收板40和发射板41，42之间的相应电容C1和C2的差成正比。处理放大器43的输出以提供微变电容C1-C2的振幅和极性，由此可推导出板40相对于板41和42的位置。

从电磁式分解器类推，能够以单极结构和多极结构制成CFRAAE。可在本申请中结合使用的美国专利US5,598,153披露了一种典型的单极CFRAAE。法国专利申请77 29354披露了一种多极编码器，其中，每次转动转子和定子之间的重叠均会变化六次。上面提到的美国专利US4,851,835披露了一种编码器，其中单转子能够产生粗略信号和精细信号。

在相关专利文献中披露了用于将一可变电容量转换为输出信号的各种方法。这些方法可被分为两个类：

1、在振荡回路中加入可变电容，通过改变其频率或工作循环而响应。例如在欧洲专利申请0 459 118 A1，德国专利申请DE 33 28421以及由Arnold和Heddergott在《Elektronpraxis》(1989年3月)发表的题目为“Kapacitive Sensorprinzip zur Absoluten Drehwinkelmessung”(一种用于绝对旋转角度测量的电容传感器原理)中披露了这类方法。

2、加入一个交流激励源，其用于在编码器中获得至少一个作为与角度相关的电容量的函数的交流或直流输出信号。如果要覆盖(cover)全转动，则需要两个这样的输出。例如，在可在此处参考使用的美国专利US4,092,579披露了一种电容式分解器，其具有一个激励电压电源及两个分别与旋转角度的正弦和余弦成正比的输出电压信号。也可在此处参考使用的美国专利US4,429,307披露了一种具有类似电路布置的电容式编码器，其不同之处在于使用了两个相反极性的激励电压。

例如在欧洲专利申请0 226 716，德国专利申请DE 36 37 529，由Xiujun Li等人在《IEEE Transactions on Instrumentation andMeasurement》，45：2(1996年4月)，第516-520页中发表的名称为“AnAccurate Low-Cost Capactive Absolute Angular-Position Sensor with AFull-Circle Range，”中披露了类似的方案。

基于交流激励的这类CFRAEE方案的精确性取决于激励电压的性质。不精确性一定程度下可能会导致激励信号不具有高谐波纯度及振幅相等，或可能使相移偏离正好90°。如在以上提到的德国专利申请DE 36 37 529中图3所说明的那样，通过电路复杂性能够克服所带来的困难。解决方法包括如在欧洲专利申请0 226 716中所建议的模拟正弦电压的复杂数字模拟，或使用如以Li等人的以上提到的文章中的精确、稳定的模拟电路元件。

德国专利申请DE 37 11 062也披露了一种使用了交流矩形波激励的电容式位置测量装置。根据由矩形波激励电压与随转子转动而改变的电容量(如该申请中图2-6所示的)相互作用产生的对一个分级信号的时间取样计算转动角度。由于输入电压的取样忽略了其在取样时间之间的值且易于产生噪音，因此这种离散取样的缺点在于低信噪比(SNR)。电容式编码器的类型

本领域已知道多种用于电连接CFRAAE中转子和定子元件以便提供所要求的传输，与转动相关的调制以及在编码器中对静电场的检测的方法。例如，在可在此处参考使用的美国专利US3,873,916和4,404,560具有通用的图1的电子结构，其中，发射板41和42代表定子，接收板40代表转子。该结构的问题在于必须使转子电连接至处理电子线路上。为了能够实现自由转动，必须使用具有已知摩擦和不可靠性缺点的滑环来形成所述电连接。

其它的编码器型式具有静电场发射器以及位于一个或多个定子元件上的接收器。例如，可在此处参考使用的美国专利5,099,386披露了一种编码器，其在发射和接收定子之间具有一个绝缘型不导电的转子。因此，无需电连接至转子，但会限制旋转角度。

可在此处参考使用的美国专利US3,668,672和3,732,553披露了与美国专利5,099,386结构大致相同的CFRAAE，其不同之处在于转子具有一带有图形的导电涂层。该涂层被接地且起到可选择地改变定子元件之间的测量电容的电屏蔽作用。已提出了各种用于使转子接地的方法。例如，美国专利3,668,672的图10描述了用于该目的的滑环。这一方案具有会产生摩擦、低可靠性及高成本的缺点。美国专利3,732,553依靠通过一根固定有转子的轴、在接地编码器壳体和转子之间形成接触而使转子接地，但该接触也存在问题，如下所述。

欧洲专利申请0 459 118(在其图2中)说明了一种用于使转子接地的接触端头。该方案具有与以上提到的美国专利中方案相似的缺点。同样，接地转子被用于Li等人的上面提到的文章中以及由Wolffenbuttel以及Van Kampen在《Sensors and Actuators》A.25-27(1991)，第835-843页的题目为“An Integrable Capactive Angular Displacement Sensor withImproved Linearity”的文章中披露的电容式编码器中。

另一种CFRAAE在转子的两侧具有导电涂层，它们电互连，但却是浮动的。如果至少一个涂层是带图形的，则随后转子会在定子上的发射和接收板之间起到与一角-相关耦合桥的作用。在可在此处参考使用的美国专利3,845,377；3,312,892；4,092,579；4,851,835；4,238,781及4,788,546中以及德国专利申请DE42 15 702中披露了这种编码器。在美国专利4,851,835中，多极转子的图形的一侧被分为多个单独的元件。

在此处可参考使用的美国专利3,961,318和4,429,307中披露的另一种“折叠”结构中，发射板和接收板在转子的一侧被设置在单定子的公共固定式基体上，且通过转子上的导电图形耦合。另一方面，在这种编码器的对称形式中，每一个均具有其自己的发射板和接收板的两个定子元件被设置在转子的任意一侧。在此处可参考使用的美国专利4,788,546以及德国专利申请37 11 062和英国专利申请GB2 176 013中披露了这种CFRAAE。电容式线性位移编码器

电容式线性位移编码器(CLDE)在本领域中也是已知的，但是它们仅能使用在CFRAAE文献中建议的一部分可能布局。例如，在此处可参考使用的美国专利4,429,307披露了一种具有一个头部的CLDE，该头部包括两个正弦导电图形，它们是由两个互补激励电压激励的。在标尺上产生电压且这些电压经耦合带电容式地耦合至标尺或发射板上。头部上的图形反向耦合至标尺上的正弦和余弦接收板。因此，移动的头部电容式地耦合至标尺且无需电线。在所述专利中未提及接收板如何免受外界干扰以及如何省去从耦合带至接收板的直接耦合。同样，由于正弦和余弦的增益取决于其相应耦合带的空气间隙，因此，在空气间隙之间的任意差异均会影响相对增益。因此，其准确性对头部和标尺之间的倾斜是敏感的且需要非常稳定和精确的电子元件。

在此处可参考使用的美国专利3,961,318披露了两种不同型式的5型(Type 5)CLDE。在第一种型式中，标尺未绕有导电金属丝且电容式地被耦合至头部，所述头部包括激励源和接收器。可使标尺电极分割且彼此隔离，以便能够在无需电互连的情况下使几个标尺对接在一起，从而扩大测量范围。第二种型式与上述美国专利4,429,307类似。如在该专利中那样，正弦和余弦信号的比对倾斜和元件公差均是较敏感的，且对在相邻的发射板和接收板之间的寄生电容式耦合或免受外部干扰的问题未提出解决方案。

在此处可参考使用的美国专利4,586,260披露了一种数字游标卡尺(Vernier Caliper)，其使用了一个电容式线性编码器。在LarryK.Baxter(IEEE印刷，1997)的《Capacitive Seneors》的第18章中也披露了这种编码器。所述激励是通过两个互补矩形波提供的，而头部被分为正弦和余弦部分，每一部分均包括自己的接收板和放大器。标尺未绕有电线。这种CLDE的缺点如下：

1、由于存在两个既在空间分离又电分离的信道，因此它们的增益匹配对头部倾斜以及电子元件的公差和温度稳定性是较敏感的。

2、标尺图形是矩形而不是正弦形的。所述图形的合成空间谐波虽然被空气间隙大大地抑制，但是仍会限制可由插入获得的精确性。

3、在与运动方向垂直的各个标尺元件之间存在间隙且还增加空间谐波。

本领域已知的高精度CLDE装置为增量式，即它们能够提供一个相对而不是绝对的位移读数。另一方面，在此处可参考使用的美国专利3,312,892披露了一种电容式位移传感器，其基于三角形固定板和一块矩形运动板之间的重叠。这种结构包括一个绝对，但实质上是“粗略”的编码器。

本发明的概述

本发明的一个目的在于提供用于电容式位置检测的改进装置和方法。

本发明一些方面中的一个目的在于提供改进的电容式转角编码器，特别是全转式绝对角度编码器。

本发明其它方面的目的在于提供改进的电容性线性位移编码器。

本发明一些方面的另一个目的在于提供紧凑的独立式电容式位置编码器。

本发明中一些方面的另一个目的在于提供这样的编码器，其能够表现出精度提高以及对外界干扰和环境条件的敏感性降低。

在本发明的最佳实施例中，一种用于检测运动物体相对于固定物体的位置的电容式运动编码器包括：至少一个连接至所述固定物体的固定元件；及一个连接至运动物体的运动元件。通过一块发射板发射一个周期性(时间调制)静电场，所述发射板最好在固定元件上，但也在运动元件上。在其中的一个元件上、通常在运动元件上的一电学活性图形调制响应于运动物体运动的时间调制静电场的包络线。图形最好包括电镀在所述元件上的导电材料，但是也可使用形成带有图形的绝缘运动元件的方法。用于本专利的文本以及权利要求中的术语“电学活性”可以指任何的这种图形。处理电路检测被调制的静电场并分析包络线调制以确定运动元件位置的测量值。

运动元件和固定元件基本上由一导电屏蔽封闭，该导电屏蔽与运动物体和固定物体电隔离，且其能够保护元件不受电干扰。本发明人已发现与现有技术的电容式位置传感器不同，绕编码器使所述屏蔽与其它物体隔离能很好地保护具有固有低信号水平的编码器中提供了，防止外界干扰以及与被提供来产生静电场并操作编码器的激励电压的寄生耦合。最好，导电屏蔽封闭处理电路，以及运动和固定元件。

在本发明的一些最佳实施例中，编码器包括一个转角编码器，最好是一个全转式绝对角度编码器。在这些实施例中，运动元件包括一个转子，运动物体包括一根转动轴，所述的至少一个固定元件包括一个或多个定子，以便处理电路能够确定轴的转动位置的测量值。屏蔽和转子最好在转子被固定在轴上的区域具有迷宫式结构，以便防止电干扰漏进所述屏蔽。

在本发明的另一些最佳实施例中，编码器包括一个线性位移编码器。在这些实施例中，固定元件最好包括一个线性标尺，该线性标尺很长以致不能由屏蔽密封。在这种情况下，屏蔽最好封闭运动元件以及固定元件的一部分，其中运动元件可在任何时间定位在固定元件上。

在本发明的一些最佳实施例中，一种用于检测转动轴位置的电容式转角编码器包括一个发射器和一个接收器，它们通常的形式是位于一个或多个定子上的发射板和接收板。发射器由绕轴设置的多个分段构成，每一个分段均能够以公共频率产生周期性静电场，但具有与其它分段不同的预定相位。最好，对于转子上的每一个或多个极上使用四个分段。通过具有相互成90°相位差的交流电压激励发射器分段。通过转子的转动调制所产生的场，通过接收器接收被调制的场。

与编码器相联系的处理电路包括两个同步检测器电路，其能够从两个相应的发射器激励电源接收周期性输入并与所产生的场同步处理来自接收器的信号，从而产生表示转动角度的正弦和余弦的输出。最好，检测器电路接在一个电荷放大器后面，，通过该电荷放大器接收由所有发射器分段产生的信号以进行处理。与通常使用了信号取样的本领域中已知的编码器所实现的效果相比，这些已知编码器通常使用了信号取样而不是全同步检测，或使用了不只一个信号处理信道而不是本发明使用了单电荷放大器，本发明的相位/正交激励(PQE)以及同步检测，从而能够以更高的准确性，更好的信噪比以及低的对元件值偏差的敏感度来确定转子的角度。因此，无需高稳定性的精密电路以及元件的精细调整。形成的简单的电路能够与转子和定子方便地装配在一起并在导电屏蔽内部被保护。

作为选择，编码器可以包括一整体发射器和分段接收板，并输出如上所述的正弦和余弦信号。在这些最佳实施例中的一个实施例中，编码器还包括一个整流器，该整流器能够对编码器的交流输入进行整流，以为检测器电路提供直流电压，因此编码器能够方便地替代感应式分解器。

在本发明的其它最佳实施例中，应用了相位/正交激励，从而给电容式线性编码器带来相似的优点。

在本发明的一些最佳实施例中，编码器包括多速编码器，其中电学活性图形包括平稳变化的粗略和精细周期电学活性图形，这些图形最好为正弦形状。粗略和精细图形分别具有较低和较高的空间频率，这些频率作为带图形的元件位置的函数。当运动元件运动时，所述图形以较低和较高的空间频率调制静电场的包络线。处理电路能够检测该调制，从而确定运动元件的位置的粗略和精细分辨率的测量。与本领域已知的多速编码器不同，由于图形的平稳变化，处理电路的解调输出是非常精确的。最好，所述粗略测量是一种转动或线性位置的绝对测量。

在一个最佳实施例中，运动元件还具有一个中间电学活性图形，该图形具有在高低频率之间的中间频率。处理电路也能够检测对应所述中间图形的场的调制，从而以介于粗略和精细测量之间的分辨率确定运动元件的位置测量值。

在本发明的一些实施例中，粗略图形被分为多个分段，这些分段分布在运动元件的表面上以减小由于转子相对于定子倾斜而在场调制中产生的偏差。用于该目的的图形分段也可被用于本发明的单速实施例中。

在本发明的编码器包括粗略和精细图形的一些实施例中，处理电路能够切换静电场以便通过两个图形交替对其进行调制。因此，电路能够交替确定运动物体的位置的粗略和精细测量值。所述切换最好通过交替激励固定元件中不同的发射区域进行。通过以此方式在所述区域之间进行转换，利用单个固定元件和单个运动元件，通常为单个转子和单个定子，能够实现粗略和精细测量，而不会造成信号处理电路的重复。

在本发明的另一些实施例中，电容式转角编码器的转子具有电学活性图形，其以预定的角度频率绕轴重复多次，并且具有转动不对称性，如偏心性(即，图形是非轴对称的)。处理电路能够检测由于图形产生的静电场的调制，以便确定转动角度的精细测量值，且还能够检测由于偏心产生的调制，以便确定轴转动角度的粗略测量值。因此，如在以前的最佳实施例中一样，无需独立的粗图形测量和检测信道，从而在一空心轴编码器的情况下，编码器的中心孔能够被制造的比较大以容纳较大的轴尺寸。

在本发明的一些实施例中，运动元件包括多个电学活性分段，这些分段相互由基体中的空隙分离以消除湿膜效应。这些分段可以是电绝缘的也可不是电绝缘的。最好，运动元件包括一个转子，其中电学活性分段绕轴径向向外伸出。使电和机械分离的分段既能够降低编码器对倾斜的敏感性，也能够防止水分聚集而影响测量精度。虽然在本领域已知的一些电容式编码器使用了三维电学活性图形，但是没有一个是本发明的形式。

在本发明的一些实施例中，第一和第二固定元件被设置在运动元件的相对侧，以便由此发射静电场。电位稳定电路能够检测第一固定元件处的交流电势并对第二固定元件施加相反的电势而使运动元件保持在稳定的虚接地电势。无需与运动元件的物理或电接触。在本领域已经知道使运动元件接地在某些编码器中是有益的。但是，与本发明不同，这种现有技术的编码器需要利用一个例如使其接地的滑环与运动元件形成接触。

在本发明的一些实施例中，编码器包括一个线性位移编码器，其中，固定元件包括一个标尺，运动元件包括一个沿标尺移动的测量头。在一些实施例中，发射板和接收板位于所述测量头上，而在标尺上具有与所述板相互作用的电学活性图形。在另一些实施例中，发射板在标尺上，而接收器图形在测量头上。

在这些最佳实施例中，标尺包括挠性印刷电路材料，举例来说，这种材料沿固定物体的表面被固定在利用编码器控制的机器上。所述表面可以是平的或弯曲的。在一个最佳实施例中，固定物体通常是圆柱形的，而编码器被用于测量环绕该圆柱体的轴线的角度。

理想的是，与本领域已知的电容式线性编码器相比，在标尺或测量头上的图形被设计为能够提高测量的稳定性和精度，特别是在对测量头和标尺之间调整、角度和间隙的变化抗变性方面，以及对外界干扰和湿度的抗拒性方面。所述图形最好沿上/下方向和左右方向、相对于测量头和标尺的相对倾斜是对称的，以便降低对倾斜的敏感性。另外，图形最好间歇性地由间隙断开，特别是在图形在标尺上的实施例中，以防止干扰通过图形进入测量头内。最好，使相位/正交激励作用于发射板上，且利用同步检测来处理单个接收板和与其联系的放大器的输出，如上文所述。

在本发明的一些最佳实施例中，电容线性位移编码器提供了绝对位置测量。最好，通过交替检测测量头上或标尺上的精细图形和粗略图形形成所述测量。另外在标尺的一端设置一个标定器，利用该标定器来检测测量头的标定位置，以便为随后的增量测量提供一绝对参考位置。根据本发明的最佳实施例，同样可在转角编码器中设置一个标定器。

因此，提供了一种用于检测运动物体相对于固定物体的位置的电容式运动编码器，其包括：

至少一个固定元件，该元件连接至所述固定物体；

一个运动元件，该元件连接至移动物体且接近所述固定元件；

一个场发射器，其产生一个静电场，该静电场由响应于固定元件和运动元件相对运动的所述元件之间的电容变化而被调制；

一个导电屏蔽，其与运动物体和固定物体电分离，且封闭了运动元件和固定元件以保护这些元件不受外界的电干扰；及

处理电路，其检测被调制的静电场并响应于此确定运动物体位置的测量值。

较理想的是，运动元件包括一个转子，移动物体包括一根转动轴，其中，所述的至少一个固定元件包括至少一个定子，以便处理电路能够确定轴的旋转位置的测量值。更理想的是，导电屏蔽封闭住至少一部分处理电路、转子和所述的至少一个定子。最理想的是，所述的至少一个定子和转子包括印刷电路板，至少所述的一部分处理电路固定在其上。

最好，转子包括一块大致平面板和一个大致非平面环状插孔，用于将转子连接至所述轴上，其中所述屏蔽伸入与插孔相邻的平面内，以防止不受从轴传至转子的电干扰。另外，编码器的结构最好能使转子相对于定子旋转至少360°。

在一个最佳实施例中，编码器包括一个环绕运动元件和固定元件的机械壳体，所述壳体与所述屏蔽电隔离。最好，所述的至少一个固定元件包括两个大致平行、相互分离的固定元件，一个固定元件包括场发射器，另一个元件包括一个场接收器，通过使这些元件压靠在它们之间的挠性导电元件，这些元件在所述壳体中彼此电耦合。

最好，所述固定元件包括一块印刷电路板，该电路板包括一个凸出通过所述屏蔽的延伸部分，该延伸部分与编码器形成电连接。

在一个最佳实施例中，场发射器被固定至固定元件上且被联接，从而形成导电屏蔽的一部分。

最好，所述场发射器固定至固定元件上，其中，运动元件上具有一个电学活性图形，其用于调制静电场。最好，电学活性图形包括一种介电材料，或导电材料。最好，至少一个固定元件包括一个静电场的接收器，其与处理电路相联接。最好，运动元件上的导电性的电学活性图形被保持在大致恒定的电势。另外，运动元件上的导电性、电学活性图形也可以是电浮动的。在一个最佳实施例中，所述的至少一个固定元件包括单个元件，所述发射器和接收器均被固定在该元件上。在另一个最佳实施例中，编码器包括一个第二固定元件，该元件具有一个固定在其上的发射器和接收器。

另外，运动元件上的导电材料与处理电路相联接且用作静电场的一个接收器。

根据本发明的一个最佳实施例，还提供了一种用于检测旋转轴位置的电容式角度编码器，其包括：

一发射器，该发射器包括多个绕所述轴布置的分段，每一分段均以一公共的频率发出周期性静电场，但具有与其它分段不同的预定相位；

一接收器，该接收器响应于所述多个分段发出的场的产生信号，从而通过作为所述轴转动的函数的发射器和接收器之间的电容变化而调制每一个场的接收强度；及

一检测器电路，该电路包括至少一个同步检测器，该检测器能够与所产生的场同步处理信号，以便产生转动角度的输出指示。

较理想的是，所述的至少一个同步检测器包括两个同步检测器，这些检测器能够产生与转动角度的正弦和余弦成正比的相应输出。更加理想的是，接收器包括一个单输入放大信道，通过该信道从所有发射器分段接收信号以便进行处理。

最好，发射板包括一大致平面状发射定子，其被分为绕所述轴的轴线设置的多个分段，其中所述多个分段被设置在四个四分之一圆中。

根据本发明的一个最佳实施例，还提供了一种用于检测旋转轴位置的电容式角度分解器，其包括：

一发射器，其以给定的频率产生响应于一交流电输入的周期性静电场；

一接收器，其包括绕所述轴设置的多个分段，这些分段能够产生响应来自所述发射器的所述场的信号，以便通过作为轴转动的函数的发射器和接收器之间的电容变化调制每一分段接收的所述场；

一信号处理电路，其用于处理由所述接收器分段发出的信号，以便产生一表示转动角度的交流输出；及

一整流电路，其用于对交流输入进行整流，以为检测器电路提供直流电压。

较理想的是，编码器包括一个转子，其被结合以与所述轴一起转动且在其上具有一个电学活性图形，使转子的转动能够调制在接收器接收的场。更理想的是，电学活性图形包括导电材料，所述导电材料被保持在接地电势。

根据本发明的一个最佳实施例，还提供了一种用于检测移动物体相对于固定物体的位置的电容式运动编码器，其包括：

至少一个固定元件，其被连接至固定物体；

一运动元件，该元件连接至移动物体且接近于所述元件；

一个静电场发射器，其与固定元件或运动元件中的一个联系；

一个与固定元件或运动元件中的另一个件相联系的场调制器，其在所述元件上包括平稳变化的粗略和精细周期性电学活性图形，图形分别以较低和较高的空间频率沿元件尺寸变化，其以对应于低、高空间频率的调制频率、通过使固定和运动元件之间的电容响应于元件相对运动而变化来调制静电场，且其基本上没有空间谐波；及

处理电路，其检测被调制的静电场并响应于此确定运动物体位置的粗略和精细测量值。

最好，固定元件包括定子，其由单个平面元件制成，该元件包括多个导电区域，至少一个导电区域为场发射器，而另一个导电区域用于接收所述场。

更理想的是，运动元件包括一个转子，其上有电学活性图形，其中以粗略周期性图形包括一个在转子上的大致圆形区域，其相对于所述轴偏心设置，精细周期图形包括一个在转子上的正弦图形，其绕所述轴圆周设置。

在一个最佳实施例中，场调制器还包括一个中间电学活性图形，其具有在高频和低频之间的中间频率，其中处理电路能够检测所述场对应于中间频率的调制。

至少一个固定元件，其被连接至固定物体；

一运动元件，该元件连接至移动物体且接近于所述固定元件；

一个静电场发射器，其与固定元件或运动元件中的一个件联系；

一个与固定元件或运动元件中另一个相联系的场调制器，包括在所述元件上的粗略和精细周期性电学活性图形，图形分别以较低和较高空间频率沿元件尺寸变化，其以对应于低空间频率和高空间频率的调制频率、通过使固定和运动元件之间的电容响应于元件相对运动变化来调制静电场；及

处理电路，其用于切换静电场以便由所述粗略图形或精细图形交替对其进行调制，并且其检测被调制的场以响应于此交替确定移动物体位置的粗略和精细测量值。

一个固定元件，其被连接至固定物体，且包括一个静电场发射器和接收器；

一运动元件，该元件连接至移动物体且接近于所述固定元件，并包括一个场调制器，该调制器包括运动元件上的粗略和精细周期性电学活性图形，图形分别以较低和较高空间频率沿元件尺寸变化，其以对应于低空间频率和高空间频率的调制频率、通过使固定和运动元件之间的电容响应于元件相对运动而变化来调制静电场；及

处理电路，其检测被调制的静电场且响应于此确定移动物体的位置的粗略和精细测量值。

根据本发明的一个最佳实施例，还提供了一种用于检测转动轴位置的电容式角度编码器，其包括：

一个或多个定子，其中的一个定子包括用于产生静电场的场发射器；

一个转子，其与所述轴一起转动，且具有转动不对称的电学活性图形，该图形通过使固定和运动元件之间的电容随轴转动一次而变化一次来调制响应于所述轴转动的静电场，其中，所述图形被分为多个子区域，以减小由于转子相对于定子倾斜而在所述场的调制中产生的偏差；及

处理电路，其检测被调制的静电场，响应于粗略和精细变化且确定所述轴角度的粗略和精细测量值。

最好，转子上的电学活性图形包括一个相对于所述轴的轴线偏心设置的大致圆形区域。

一个转子，其被结合至所述轴上，且具有一个电学活性区域，该区域相对于所述轴的轴线是不对称的，且包括一个圆周设置在转子上的图形，所述图形以规定的角频绕所述轴重复多次转动，

至少一个定子，有一个静电场与其联系，该静电场由因转子转动而被电学活性区域感应的电容的变化而被调制；及

处理电路，其检测由于所述区域的非轴对称性而导致的轴每转一周发生一次的场的调制，从而响应于此确定轴转动角度的粗略测量值，该处理电路还检测由于所述图形而导致的所述场的调制，从而确定转动角度的精细测量值。

在一个最佳实施例中，编码器包括：一个接收器，其与一个定子或多个定子中的一个结合且相对于所述轴线是不对称的，以响应于精细图形和接收器的非轴对称性之间的相互作用确定角度的粗略测量值。

在另一个最佳实施例中，编码器包括一个切换器，其用于交替确定角度的粗略和精细测量值。

根据本发明的一个最佳实施例，还提供了一种用于检测运动物体相对于固定物体的位置的防潮电容运动编码器，其包括：

至少一个固定元件，其被结合至所述固定物体上，且有一个静电场与其相联系；

一个运动元件，其被结合至所述运动物体，包括多个相互分离的电学活性分段，这些分段形成了一个图形，该图形能够调制由于当运动元件运动时固定和运动元件之间的电容变化所产生的所述静电场；及

处理电路，其检测被调制的静电场且响应于此确定运动物体位置的测量。

最好，将打在运动元件上的流体从所述分段排至分隔所述分段的间隙中。

在一个最佳实施例中，运动物体包括一根旋转轴，所述运动元件包括一个转子，电学活性部分从该转子绕所述轴径向向外伸出，其中，所述至少一个固定元件包括至少一个定子，从而处理电路能够确定轴的转动位置的测量值。

根据本发明的一个最佳实施例，还提供了一种用于检测运动物体相对于固定物体的位置的电容式运动编码器，其包括：

一个运动元件，其被结合至运动物体，且具有电学活性图形；

第一和第二固定元件，它们被结合至固定物体上，且被设置在运动元件的相对侧，由此发送一个交变静电场；

处理电路，其检测响应于由于电学活性图形的运动而产生的固定元件之间电容的变化的静电场的调制，并响应于此确定运动物体位置的测量；及

一个电势均衡电路，其通过检测在第一固定元件的交变电势并将一个反电势施加在第二固定元件上而使运动元件保持在大致恒定的电势。

较理想的是，大致恒定的电势包括虚接地。更理想的是，电势均衡电路实质上未与运动元件形成电接触。

根据本发明的一个最佳实施例，还提供了一种用于检测运动物体相对于固定物体的电容线性位移编码器，其包括

一个标尺，其被固定至固定物体上；

一个测量头，其被固定至运动物体上以沿标尺移动，且包括一个静电场发射器，该发射器能够在测量头附近产生一个静电场；

一个形成在标尺上的电学活性图形，该图形产生标尺和测量头之间的电容变化，以调制响应于测量头相对于标尺的运动的静电场，图形是对称的以便调制基本上不受测量头相对于标尺倾斜的影响；及

处理电路，其检测被调制的静电场，以便检测所述调制并响应于此确定运动物体位置的测量值。

较理想的是，所述图形包括一个双正弦。更理想的是，测量头包括一个接收器，其能够接收被调制的静电场，其中图形由图形中的间隙被间断，以防止沿图形的干扰进入测量头内，其中间隙相对于标尺纵向轴线成锐角。

一个标尺，其被固定至固定物体上，且包括一个静电场发射器，该发射器在标尺附近产生一个静电场；

一个测量头，其被固定至运动物体上以沿标尺移动，且在其上形成一个电学活性图形，该图形产生标尺和测量头之间的电容变化，以调制响应于测量头相对于标尺的运动的静电场，图形是对称的从而调制基本上不会受到所述测量头相对于标尺倾斜的影响；及

根据本发明的一个最佳实施例，还提供了一种用于检测运动物体相对于固定物体的电容式线性位移编码器，其包括

一个标尺，其被固定至固定物体的弯曲表面上；

一个测量头，其被固定至运动物体上以沿标尺移动；

一个静电场发射器，该发射器能够在测量头附近产生一个静电场；

一个形成在标尺或测量头上的电学活性图形，该图形产生标尺和测量头之间的电容变化，以调制响应于测量头相对于标尺的运动的静电场；

处理电路，其检测被调制的静电场，以检测所述调制并响应于此确定运动物体沿弯曲表面的位置的测量值。

在一个最佳实施例中，固定物体具有大致为圆柱形的形状，其中运动物体位置的测量包括相对于固定物体轴线的角度测量。

一个标尺，其被固定至固定物体上；

一个测量头，其被固定至运动物体上以便沿标尺移动；

一被固定至标尺的发射板，以便在测量头附近产生并接收一个静电场，所述发射板具有粗略和精细测量结构；

一块在测量头上的电学活性接收板，该板的结构使测量头相对于标尺的运动会使发射板和接收板之间的电容发生变化，其调制由接收板接收的静电场；及

处理电路，其检测被调制的静电场，以检测在粗略读取结构中场的调制，从而响应于此确定运动物体位置的粗略测量值，并检测在细读取结构中的场的调制，从而响应于此确定运动物体位置的精细测量值。

最好，所述粗略测量包括绝对位置测量。

在一个最佳实施例中，发射板包括多根发射杆，这些发射杆共同被分为至少两个三角区，其中在粗结构中，每一区中的杆均被共同激励。最好，接收板包括一个叠在一大致四边循形区域上的导电周期图形，其中当发射板在粗读取结构中工作时，整个四边形区域被保持在一公共电势上。

至少一个固定元件，其被结合至固定物体上；

一个运动元件，其被结合至运动物体上；

固定在固定或运动元件上的发射板和接收板，以在运动元件附近产生并接收一个静电场，所述板包括在固定元件的标定位置处的至少一块标定板，其中运动元件处在所述的至少一块标定板附近时的静电场明显不同于固定元件上其它位置的静电场；

一个形成在所述元件中的一个元件上的电学活性图形，其使标尺和测量头之间的电容发生变化，以调制响应于运动元件的测量头相对于固定元件的运动的静电场；及

处理电路，其检测被调制的静电场，从而当运动元件在标定板附近时，能够识别所述场的差异，从而响应于此确定运动元件处于标定位置，且其能够检测所述调制并响应于此确定运动物体相对于标定位置的位置测量值。

根据本发明的一个最佳实施例，还提供了一种用于检测旋转轴位置的方法，其包括：

在绕轴的多个角度位置发射具有公共频率的周期静电场，每一个静电场均具有与其它信号不同的预定相位；

检测从所述的多个位置发出的场，并响应于由于作为轴旋转的函数的电容变化而产生的所述场的调制生成信号；

与被发射的场的频率同步处理所述信号，以产生表示转动角度的输出。

以规定频率接收一个交流电输出；

产生响应于所述交流输入的周期静电场；

调整一部分交流输入，以便对一个检测器电路提供直流电压；

在多个位置检测所述场，并响应于由于作为轴旋转的函数的电容变化而产生的所述场的调制生成信号；

利用检测器电路处理信号，产生规定频率的表示转动角度的AC输出。

另外，还提供了一种用于检测运动物体相对于固定物体的位置的方法，其包括：

在运动物体附近发射一个静电场；

使平稳变化的粗略和精细周期性电学活性图形与运动物体相联系，图形沿物体运动的尺寸分别以较低和较高频率变化，其通过使固定和运动元件之间的电容响应于元件相对运动变化、以对应于低空间频率和高空间频率的调制频率来调制静电场，且其基本上没有空间谐波；及

检测被调制的静电场并响应于此确定运动物体位置的粗略和精细测量值。

根据本发明的一个最佳实施例，还提供了一种用于检测运动物体相对于固定物体的位置的方法，其包括：

在运动元件附近发射一个静电场；

使粗略和精细周期性电学活性图形与运动物体相联系，所述图形分别以较低和较高频率沿物体运动的尺寸变化，其通过使固定和运动元件之间的电容响应于元件的相对运动而变化、以对应于所述低空间频率和高空间频率的调制频率来调制静电场；及

切换所述静电场，以便通过粗略或精细图形交替调制所述静电场；及

检测被调制的场，以响应于此交替确定运动物体位置的粗略和精细测量值。

根据本发明的一个最佳实施例，还提供了一种用于检测旋转轴的位置的方法，其包括：

使所述轴结合具有电学活性区的转子，所述电学活性区相对于所述轴的轴线是非轴对称的且包括一个轴向设置在转子上的图形，该图形以预定的角度位置频率绕所述轴重复多次；

在所述运动物体附近发射一个静电场；

检测由于所述区域的非对称性而在每一次转动时产生的场的调制，以响应于此确定运动物体转动角度的粗略和精细测量值；

检测由于所述图形产生的场的调制，以确定转动角度的精细测量值。

使一个具有电学活性区域的运动元件结合至一个运动物体上；

在运动元件的相对侧设置第一和第二固定元件，由此发射一个静电场；

检测第一固定元件的电势并将一反电势施加在第二固定元件上，以使运动元件保持在大致恒定的电势；及

检测响应于由于电学活性图形的运动所产生的固定元件间电容变化的静电场的调制，以响应于此确定运动物体位置的测量值。

将一个测量头固定至运动物体上；

沿弯曲表面固定一个挠性标尺；

在标尺或测量头上设置一个电学活性图形，该图形会在标尺和测量头之间产生电容变化，以调制响应于测量头相对于标尺的运动的静电场；

在测量头附近产生一静电场；及

检测被调制的静电场，以便检测所述调制，并响应于此确定运动物体沿所述弯曲表面的位置的测量值。

参照以下对本发明的最佳实施例的详细说明和附图，将更全面地理解本发明。附图中：

附图的简要说明

图1为一示意性电路图，其显示了现有的一种简化的电容式位置传感器；

图2为一示意性说明图，其根据本发明的一个最佳实施例，显示了单极电容式转角编码器和与其联系的电路的顶视图；

图3A-3E为示意性剖面图，它们根据本发明的最佳实施例，显示了电容式运动编码器的类型；

图4为本发明一个最佳实施例的电容式转角编码器的局部剖面图；

图5为本发明另一最佳实施例的电容式转角编码器的局部剖面图；

图6为示意性剖面图，它们根据本发明的最佳实施例，显示了一种电容式转角编码器的电屏蔽的详细结构；

图7为本发明一个最佳实施例中电容式转角编码器的示意性放大图，该编码器具有一个虚接地转子；

图8为一示意性框图，根据本发明的一个最佳实施例，其说明了一种电路，该电路用于同步、相位/正交处理从电容式转角编码器产生的信号；

图9为一示意性电路图，其根据本发明的一个最佳实施例，显示了图8中电路结构的细节；

图10为根据本发明的一个最佳实施例，一种用于模拟电磁分解器的电容式转角编码器和与其联系的电路的示意性放大图，

图11A为本发明一个最佳实施例的多极转子上的导电板的顶视图；

图11B为根据本发明的一个最佳实施例，与图11A中转子一起使用的定子上的导电板的顶视图；

图11C为根据本发明的一个最佳实施例，代替图11A中转子使用的转子上的导电板的顶视图；

图12A为根据本发明的一个最佳实施例，用于一双速编码器的定子上的导电板的顶视图；

图12B和12C为根据本发明的最佳实施例，与图12A中定子一起使用的转子上的导电板的顶视图；

图13为示意性框图，其根据本发明的一个最佳实施例，说明了一种电路，该电路用于同步、相位/正交处理由利用图12A的定子和图12B的转子的电容式转角编码器产生的信号；

图14为根据本发明的一个最佳实施例，用于三速编码器的转子上的导电板的顶视图；

图15为示意性框图，其根据本发明的一个最佳实施例，说明了一种电路，该电路用于同步、相位/正交处理由利用图12A的定子和图12B或12C的转子的转换、粗略/精细电容式转角编码器产生的信号；

图16A为根据本发明的一个最佳实施例，用于没有粗略图形的双速编码器的定子上的导电板的顶视图；

图16B为根据本发明的一个最佳实施例，与图16A中定子一起使用的一个转子上的导电板的顶视图；

图17为示意性框图，其根据本发明的一个最佳实施例，说明了一种电路，该电路用于同步、相位/正交处理由利用图16A的定子和图16B的转子的电容式转角编码器产生的信号；

图18A和18C为根据本发明的一个最佳实施例，发射定子和接收定子上的导电板的顶视图，它们分别用于另一种没有粗图形的双速编码器；

图18B为根据本发明的一个最佳实施例，与图18A和18C一起使用的转子上的导电板的顶视图；

图19为根据本发明的一个最佳实施例，说明了一种具有三维图形的转子，其用于电容式转角编码器；

图20为本领域已知的电容式转角编码器的示意性剖面图，其说明了转子倾斜对编码器精度的影响；

图21为据本发明的一个最佳实施例，一种具有分段转子的电容式转角编码器的示意性剖面图；

图22为使用图21中所示的分段结构的单极转子的示意性顶视图；

图23为根据本发明的一个最佳实施例，用于双速电容式转角编码器的混合型转子的示意性顶视图；

图24为根据本发明的一个最佳实施例，一种电容线性位移编码器的示意性侧视图；

图25为图24中编码器XXV-XXV截面的示意性剖面图；

图26A和26B为根据本发明的最佳实施例，用于电容式线性编码器的测量头的侧视图，其显示了其上的电学活性图形；

图27为根据本发明的一个最佳实施例，用于电容式线性编码器的标尺的侧视图；

图28为根据本发明的一个最佳实施例，用于电容式线性编码器的标尺上的分段导电图形的侧视图；

图29和30为根据本发明的最佳实施例，电容式线性编码器的示意性剖面图；

图31A和31B为根据本发明的其它最佳实施例，电容式线性编码器的示意性剖面图；

图32为根据本发明的一个最佳实施例，图31A的编码器中测量头的示意性侧视图，其显示了其上的发射板和接收板；

图33A和33B为根据本发明的一个最佳实施例，一种绝对读数电容式线性编码器中各标尺和测量头的示意性侧视图；

图34为根据本发明的另一最佳实施例，用于绝对读数电容式线性编码器的标尺的示意性侧视图；

图35为根据本发明的一个最佳实施例，一标定电容式线性编码器的示意性侧视图；

图36A和36B为示意性说明从图35的编码器得出的读数的图表。

最佳实施例的描述电容式编码器的类型分类

鉴于本专利申请的目的，将电容式的旋转编码器及线性编码器按类型分类是有益的。各类型根据静电场发送和接收板的位置、电特性及转子的连接表征。为了方便并清楚地描述本发明的最佳实施例，在下文中描述并应用这种分类，而且这种分类也可以应用到已知的电容式编码器中。但是，应该理解本发明的原理并不限于某种特定的类型，除非特别强调了这种限定。

根据本发明的一个最佳实施例，图2是一个单电极CFRAAE50的示意顶视图，该电极具有转子元件54和单一定子元件52，所述定子元件包括四个四分之一圆形板56、58、60和62。这种类型的编码器在此处被分类为“类型1”。这些四分之一圆形板分别用相同频率的交流电压和0°、90°、180°及270°的相对相移激励。定子和转子元件通常都包括一个绝缘衬底(出于简化未示出)，在其上沉积一种导电图形。因此转子和定子之间的电容随着转子的运动而变化。

转子54的图形被构造为一种偏心圆，例如在由Intertec通讯公司(Ventura，Califomia)的Y.Ohshima和Y.Akiyama所编辑的“伺服传感器-元件及应用”中所述，这在此处被用作参考文献。该偏心圆图形和定子板52的各对顶的四分之一圆形板56-60及58-62之间的差动耦合分别与旋转角的正弦或余弦成正比例。

连接到转子上的一个电荷放大器64的输出电压与四个激励电压的加权和成正比，而且能被处理得到旋转角的所需正弦和余弦。这种方法此后被称为相位/正交激励(PQE)。上述美国专利5,598,153描述了一种编码器，其结构与CFRAAE50的类似，但具有非正弦的输出。

如图2所示，所述的类型1编码器的不足在于转子54必须被电连接到电子处理设备上。但是，它在转子所安装的轴已经与电源相连而且能随着电子处理设备自由转动的情况下是有用的。

根据本发明的最佳实施例，图3A-3E是示意图，局部地表示了五种其它类型的CFRAAE，标以类型2至6。这些类型容许一个移动元件的位移转化为一个成正比的电容变化，而没有电连接到转子的限制。它们通常可用于不受转动限制的角编码器，而且它们中的一些还可以用于线性位移检测。

图3A表示一个类型2编码器70。一个带图形的非导电(绝缘)转子76位于两个静止的定子元件72和74之间，它们每个都包括一个非导电的衬底73。元件72覆盖有导电的发送板78和80，元件74覆盖有一个导电的接收板82。发送板78和80被电激励并与接收板82相互发生电容作用。根据其介电常数，转子76的存在增加了所述板之间的电容。这种类型的编码器对于转子倾斜和轴向位置比较不敏感。上述美国专利5,099,386描述了一种这种类型的编码器。

图3B表示一个类型3编码器90，除了转子76具有一个带图形的导电涂层92之外，编码器90与类型2编码器70相同，所述涂层接地并作为电屏蔽，其选择性地改变定子元件72和74之间的测量电容。与类型2相同，这种类型的编码器对于转子倾斜和轴向位置比较不敏感。但是在已知的类型3编码器中，在转子接地中有困难。例如，如上述美国专利3,668,672中所述，集流环具有摩擦、低可靠性及高成本的缺点。如上述美国专利3,732,553中所述，转子可以通过一根轴与接地的编码器壳体接触而使转子接地，其中转子安装到所述轴上，但是这种方法具有两个严重缺点：

1.轴承上的润滑膜的累积可能导致转子的接地不可靠。

2.壳体上的电噪音被强加给转子并被耦合到接收器。

图3C表示一个类型4编码器94，除了转子76的两侧分别涂有导电涂层96和98之外，编码器94与类型3编码器90相同，所述涂层相互电连接，但也可以是浮动的。如果所述涂层被构以图形，那么转子用作发送板78和80与接收板82之间的一个角相关耦合桥。上面提及的美国专利3,845,377、3,312,892、4,092,579、4,851,835、4,238,781及4,788,546中描述了现有技术中已知的类型4编码器。

图3D表示一个类型5编码器100，其可以被认为是类型4的一种“对折”形式。在这种类型中，发送板78和80及接收板82被设置在转子76一侧的单个定子102的公共静止衬底73上。转子上的导电图形104由发送板激励并耦合到接收板。从接收板出来的输出信号与转子和定子之间的可变互电容成正比。美国专利3,961,318及4,429,307中叙述了类型5编码器。

图3E表示一个类型6编码器110，其实质上是类型5编码器100的一种对称形式。编码器110包括相互连接的相同定子元件112，转子76每边一个定子元件112，所述转子在其两侧都具有一个导电图形114。已知的类型6编码器描述在上述美国专利4,788,546及德国专利申请DE3711062和U.K.专利申请GB2176013中。由于其对称性，与类型5相比，这种结构对转子相对旋转轴的倾斜误差的敏感性较低。CFRAAE结构及静电屏蔽

根据本发明的一个最佳实施例，图4是一个电容式全旋转绝对角编码器(CFRAAE)140的局部剖视图。编码器140包括两个基本平的定子141和142及一个平的转子147，它们最好由印刷电路板制成。该编码器包容在壳体139中，该壳体由短的柱状封闭件143和罩144构成，它们最好是咬合连接。所述壳体最好由塑料，例如聚碳酸酯注塑成形。或者，它可以由金属制成。定子141和142通过一个导电垫圈145隔开，其还可以用作编码器电屏蔽的一部分，这在下面将要描述。

定子141最好包括一个多层印刷电路板，其上安装处理电路138。定子141的所述板的一部分146延伸到壳体139之外用作一个连接终端。定子142上有一个导电区域，其用作一个静电场发送器，而且定子141具有一个相应的区域，该区域用作接收器。所述定子通过一个弹性定向导体147相互电连接，这种导体在商业上称为“Zebra”，当壳体139被封闭时，其在所施加的压力下形成定子间的连接，而不需要焊接。

转子148最好是图19所表示的那种形式，其具有一个轴向延伸149，该延伸具有一个中央孔用以通过一个夹紧环151直接安装到一个主轴150上。这种中空轴连接型式具有简单和紧凑的优点。一个周边槽155容纳安装螺钉(未示出)，其将壳体139以一种已知的伺服安装方式固定。一个内导电套筒152(和一个附加外套筒153一起，如图6所示)用于生成一个迷宫137。所述迷宫联接到壳体139内部的一个导电涂层154，以提供容纳转子148的空间以及电路138的电屏蔽，这在下面将要描述。所述屏蔽使编码器免受外部的电干扰和其它可能经由轴150透过壳体的干扰。如果壳体139由金属制成，那么导电涂层154最好通过一个非导电中间层(未示出)与所述壳体隔开。

本发明所提供的高的机械安装容差确保了编码器140的这种简单、中空轴构造，这在下面将要描述，如果编码器140是一种多级CFRAAE，那么这尤其重要。作为对比，要在光学编码器中应用所述中空轴，不仅需要内轴承以保持转子和定子中间的径向对准，而且需要将整个编码器壳体安装在一个柔性安装框架上以吸收编码器的中空轴和主轴之间的机械安装误差。这种类型的一种典型光学编码器是由Gurnee，Illinois的Danaher Controls所生产的HS35 Sealed Hollowshaft型。

由机械安装误差的容差而带来的此种编码器140的设计另一个优点在于这种类型的单个CFRAAE可以用于一定范围的轴直径。这通过将转子148的中心孔作的尽可能大而且采用一组用于安装在小直径轴上的调整器(未示出)来实现。编码器140还可以采用一个一体轴和轴承，当需要非常高的精确度时用以确保转子和定子之间的最小安装误差。

图5表示根据本发明的另一个最佳实施例的编码器160。编码器160的构造原理和编码器140的相同，但该编码器只有一个定子板162。这种改变是有用的，特别是对于类型5编码器，如图3D所示。编码器160壳体139内的一个导电涂层156屏蔽转子148，代替了编码器140中由定子板142所提供的屏蔽作用。在编码器160的另一种电结构中，涂层156可以包括用作发送板的一部分，而不是作为一个接地的连续涂层。在两种情况中，所述涂层通过一个Zebra连接器连接到板162。

本发明人已经制造了图4和图5中所示的编码器。这些编码器通常具有57mm的外径而且能容纳大至12mm的轴直径。转子148通常被设计为包括32个极对。因此得到的分辨率为20bits(约一度的1/1000)，而且没有错误模式下的精确度为16 bits(约一度的1/1000)。电能消耗约为20mW。这在下面将要详细描述。

尽管此处所述的最佳实施例涉及的定子和转子通常是平的编码器(因此可以使用影印法制造)，可以理解本发明的原理同样可以被应用于其它几何形状的电容式编码器。例如，在本发明的另一个实施例中，一个CFRAAE包括一个柱状转子和定子，这未在图中示出。

现有技术中已经知道有保护接收板免受电容耦合的需要，但现有的CFRAAE装置不能提供足够有效的保护。现有电容式编码器的机械构造的例子见本发明背景技术中引用的参考文献。在所有的这些例子中，由金属制成的机械壳体还用作静电屏蔽，其接地到信号地上。但是这种保护的实际效率是有限的，这是由于编码器工作的机械环境同样连接到相同的信号地。在编码器联接到电机的轴上的典型应用中(特别当它安装在电机壳体内部时)，编码器输出信号将由于地电流的影响而受到干扰。当使用一种切换电源时，这是一个非常严重的问题，如在无电刷的直流或交流矢量控制电机中。

现有技术没有认识到的另一个问题是通过轴耦合到编码器中的干扰。由于所述轴通常由金属制成而且穿过想象上被保护的编码器内部空间，所以轴上的任何噪音将被耦合到接收板上。另外，当编码器和切换模式的电机共用一根轴时，这种情况最严重。超过一定的轴速时该问题被加重，这是由于一层润滑膜建立在轴承球上而且不定期地中断转子和壳体之间的电连续性。实际上，转子和轴变成电浮动的而且成为一个电容桥，该桥将电机绕组的噪音耦合到编码器的接收板上。

根据本发明的一个最佳实施例，图6是编码器140的一个局部示意剖视图，详细地示出了静电保护系统。定子141和142包括印刷电路衬底168和169，其上分别具有一个接收板170和发送板172。转子148具有一个电学活性图形，即一种改变发送和接收板之间电容的东西。尽管不必须，但是所述转子最好包括一个印刷电路衬底，其上具有形成所述图形的导电部分。所述定子、转子和其间的气隙及至少一部分处理电路138，主要是接收器预放大器，由一个静电屏蔽173保护。该屏蔽包括导电内层154，隔开两个定子141和142的导电环145及包括套筒152和153的迷宫137，该迷宫有效地阻止了从轴150到屏蔽内区域的电容耦合，但仍能保证轴和转子148之间的机械耦合。

编码器壳体139(如图4所示)和轴150都是电中性的而且可以呈现任何电势。与现有技术中的编码器不同，所述壳体不具有任何电功能而且出于经济性考虑可以由塑料制成。电路138上的一个屏蔽166最好包括一个位于壳体内侧上的导电涂层，其通常与屏蔽173相接。屏蔽166的接地可以通过与定子141的印刷电路板连接或通过一个柔性片(未示出)实现。或者，屏蔽166可以由板材金属制成。

由于屏蔽173也封闭发送板172，所以它限制了它们的电场并消除了由外部编码器140辐射的电势干扰。另一方面，尽管板172即不接地又不位于任何固定电势，所以它们用作封闭件的一部分，用于保护编码器内的转子空间。涉及固定在一定电势而不是地电势的问题描述在Physics E：Scientific Instrumentation 19(1986)第897-906页Heeren所著的题目为“传感器设计中电容技术的应用”一文中。

为了概括，编码器140的内部元件通过一个方案与环境双向隔离，该方案具有几个特有的优点：

1.采用一个与机械壳体无关的专用屏蔽173。

2.所述屏蔽提供了全方位的保护，而且还能保证旋转耦合到其内部的转子。

3.所述屏蔽包括几个构成部分，包括用于编码器的印刷电路衬底168和169上的导电层154。

4.所述屏蔽的一些构成部分，例如发送板不必位于固定的电势。转子的虚接地

尽管接地转子(类型3)编码器具有许多优点，现有技术中的所有这些编码器需要通过实际接触将地电势施加给转子，这具有许多附带的缺点，这描述在本发明的背景技术中。

根据本发明的一个最佳实施例，图7是一个电容式编码器188的示意分解图，其中转子194上的一个导电涂层195有效地虚接地，而实际上没有被电连接到任何非旋转元件上。涂层195在转子194表面形成一种图形。鉴于本实施例的目的，涂层图形被固定在一个固定电势，不必接地或接到任何其它特定的直流电势，就足够了。实际上，所述图形在施加到发送定子191的电激励频率下能充分地阻止定子191和196之间的电容式相互作用。尽管编码器188以一种单电极编码器形式示出，但可以采用任何数量的电极。

发送定子191包括四个发送板192，分别标以A、B、C和D。如上所述，这些板被各自的激励电压激励并与接收定子196上的一个环形板197及转子194上的导电图形195电容式地相互作用。只要图形195接地或者固定于一个固定的电势，它就选择性地阻止四个发送板的交流激励与所述图形所挡住的区域中的接收板196相互作用。

图形195通过一个放大器182固定于固定的电势，放大器接在定子196上的一个辅助环形板198和定子191上的一个辅助发送板190之间。到图形195为电浮动的程度，根据其瞬时位置它需要一个源自发送板的交流电势。此交流电势与板198相互作用以产生一个电压，该电压由放大器182放大并反向。最终电压V_O2被施加给板190以便借助通过导电图形195的电容耦合降低板198上的电压。编码器188的几何形状使板198只朝向转子图形195，而不看到发送板192和190。放大器182工作的结果是板198上及图形195上的交流电压基本被消除。因此所述图形被保持在一个固定的电势并用作一个保护屏，该屏选择地阻止从发送板192到接收板197的电容耦合。因此，按照需要，接到接收板197上的一个电荷放大器180的输出端处的输出电压V_O1反映了板197的未遮住部分中感应电荷。信号调节

根据本发明的一个最佳实施例，图8是一个信号调节电路200的示意电路图。电路200适合于和一个单速CFRAAE，即只给出一对输出信号的一个编码器一起使用，这与下面所述的多速实施例相对，其具有两对(粗略及精细)输出端。电路200示例了一个和编码器的相位/正交激励(PQE)一起使用的同步检测法。

电路200最好与具有四个四分之一圆形板的发送定子，例如图2所示的定子52一起使用。这些四分之一圆形板和接收定子板之间的电耦合由相应的可变电容206至209表示，它们由四相位交流电压源202至205激励，在相互90°相位差中其通常提供10kHz的矩形波。电荷放大器210通常放大所有的四个信道。该放大器输出被导向两个相同的信道以提供相应的正弦和余弦输出。

各信道包括一个同步检测器211或212及一个低通过滤器213或214。同步检测器211由电源202的一个同相参考信号器馈以信号，而且其输出由低通过滤器213过滤以提供正弦信号。同步检测器212由电源203的一个90°相位差参考信号器馈以信号，而且其输出由低通过滤器214过滤以提供余弦信号。这些正弦和余弦信号最好被一个微处理器或一个数字信号处理器(图中未示出)数字化处理，这和现有技术中相同。处理过程通常包括一个用以得到旋转角正切的除法操作，然后该角本身通过代数计算或通过一个检索表而得到。

除简单之外，不考虑电子元件的容差，这种信号处理系统的一个优点是所有四个信道的增益几乎相同。而且，输出值的直流偏差低，为了使计算输出角的误差最小这是至关重要的。

具有同步正弦和余弦检测的电路200的PQE方法在现有的电容式编码器中是未知的。尽管上面引证的德国专利申请DE3711062也使用具有一个公共电荷放大器的PQE，但接下来对电荷放大器的输出进行采样，而不是象本发明一样同步地解调。同步检测器211和213在功能上与模拟放大器相同，由放大器210的输入电压及相应的参考矩形波馈以信号。低通滤波器213和214在预定的波宽范围上对输出信号取平均。整个过程与Fourier分析等效，即输出电压与输入电压的总能量成分成正比，输入电压与参考频率同相。如上所述，现有技术的电容式编码器中正弦和余弦输出的信号/噪音比与t/T的平方根成正比，其中T为参考矩形波的周期，t为采样的缝隙时间(aperture time)，其总是比T短得多。同步检测比时间采样提供一个好得多的信号/噪音比，这是由于其输出实际上是整个周期T上许多采样的平均值。

根据本发明的一个最佳实施例，图9是一个示意电路图，表示电路200的执行过程。U₁用作输入电荷放大器210，其给U₂馈以信号，其是一个具有-R₃/R₂收益的电压反向器，其中实际上R₂＝R₃。U₁可以包括任何适当类型的独立或一体FET-输入操作放大器。U₂是一个通用操作放大器。U₃是一个低电荷-输入模拟转换开关，例如由California，Sunnyvale的Maxim Integrated Products制造的MAX393。U₃选择U1或U₂的输出，这分别由电源202和203的矩形波脉冲Sync1或Sync2控制。产生的两个输出为低通过滤的，最好由相应的三阶Sallen-and-Key活性过滤器过滤，这和现有技术中相同，每个包括三个电阻、三个电容及一个电压从动器。不考虑从动元件的容差，这种过滤器在低频时具有一致的增益。放大器U₄和U₅可以是任何低输入偏置、低偏压电流操作放大器。和现有技术中相同，提供所需稳定均匀增益的低通过滤器的另一种类型是Zero-DE-Offset Switched-Capacitor。

因此正弦和余弦处理信道的增益几乎相同，这是由于它们共用U₁和U₂而且对于U₃中的切换电阻非常敏感。总的来说，这两个信道共用除低通过滤器213和214之外的相同的电子元件，但是它们具有统一的增益。实际的信号增益可以变化，主要是由于与放大器210相关联的电容C₁中的变化。但是由于测量角基于两个输出的比值计算，所以两个信道中的增益变化相同，而且不需要精确或稳定的元件。这种信号处理方法的性能非常好。例如，32极对型的输出信号的12bit模拟/数字转换在10kHz的波宽范围上可以提供19bits的角分辨率。

由于电路200的简化，特别是与现有技术中的电容式位置编码电路相比，当它用于接收定子时，它可以将独立的电路元件安装在相同的印刷电路板上，例如图6所示的衬底141上。在该实施例中，所述电路板最好是一个四层电路板，除了屏蔽层154和接收板170之外还有两个信号层。在布置这些层时，应该注意使激励和信号导体之间的距离最大。

根据本发明的一个最佳实施例，图10是一个示意分解图，表示一个电容旋转角编码器230及与其相关的信号处理电路，其中所述编码器和电路被设计成模拟一个传统的线圈绕组解析器。编码器230用作一个单极对解析器的替代物，即为了模拟所述解析器的输入和输出行为，同时具有小的多的尺寸及降低的生产成本。由于该解析器是一种被动元件-实际上是一种具有交流输入和交流输出的可变变压器，而电容式编码器是具有信号处理电路的主动元件，编码器230包括一个整流电路245，其将交流输入电压转换为供给电路的正、负直流电压。

编码器230从一个电压源244接收电能，所述电压源包括一个输入交流承载电压，在7.5kHz时通常为7V RMS，这通常用于现有技术中的解析器。该电压被加到整流电路245上，其给电路元件提供正、负直流电压+Vcc和-Vcc。电压源244最好包括一个双电压倍增器，尽管也可以使用其它合适的交流/直流转换电路。如上所述，参照图7，转子174最好是实际接地。或者，转子174可以电浮动，这和类型2或类型4编码器中相同。如果使用一种类型4 CFRAAE，那么转子图形最好被分段以减少对转子倾斜的敏感度，这在下面将要描述。

编码器本身包括一个发送定子240、一个接收定子248和转子174。发送定子240包括一个发送板241以及实际接地的辅助板170。接收定子248具有四个用于接收的四分之一圆形板247，分别标以A、B、C和D，并包括实际接地的辅助板178，通过实际接地的环路放大器182耦合到板170。这四个用于接收的四分之一圆形板分别连接到四个电荷放大器250、251、252和253上，它们产生相应的交流输出电压Va，Vb，Vc和Vd。通过不同放大器254和255分别产生的电压Va-Vc和Vb-Vd的大小与旋转角的正弦和余弦成正比，这和感应解析器中相同。

本发明人发现当编码器230超过一定的速度旋转时会遇到一个问题，其表现为加到输出信号上的不规则噪音。噪音的主频谱成分位于旋转频率处，通常为50到100Hz。这种问题源自由空气摩擦所引起的转子174上累积的静电荷。由于转子没有电接地，所以这种电荷不能消除。由于该电荷在转子表面上任意扩散，所以它们在接收板247上引起不均衡电压，这表现为输出噪音。该问题的解决办法是增加两个带通过滤器(未示出)，集中在激励频率上，与放大器254和255串联。由于激励频率比旋转频率高得多，所以不需要高选择性，而且带通过滤器可以是简单的Wien-桥网络。另外，由于编码器230具有四个独立的信号通道，这与上面所述的PQE系统不同，而且不能保证所述信道的增益匹配，在生产中需要增益平衡，通常通过电阻校正。多速编码器

单极对CRAAFEs在其精确度上受到限制，尤其是类型5中的那些对转子相对定子的倾斜非常敏感。原则上，多极对编码器更精确而且对机械误差不很敏感，这是由于它们的输出信号在多极范围上取平均。但是，它们不能提供一个绝对的位置读数，除非与下面将要详细解释的单极对编码器组合。

尽管出于简化，图7至10所示的编码器是单极对型式的，其中所用的原理同样可以应用到多极和多速编码器中。在本专利申请的内容中，一个多速编码器被定义为一种包含单极和多极可变电容的编码器。单极电容用作一个粗略信道，其输出信号每次分辨只重复一次，而精细信道每次分辨重复数次。通过结合粗略和精确读数，可以得到具有高精确度和分辨率的一个非模糊转子位置。

根据本发明的一个最佳实施例，图11A和11B分别是类型5多速电容式角编码器转子260上多极导电图形及定子270上发送板的顶视图。为了简化说明，定子和转子上的粗略信道板和耦合板未在图中示出。具有单个定子270的这种编码器等效于一个8极解析器。转子260包括8个正弦循环。定子270包括32个发送板272。每四个板连接到一个公共激励电压线V₁到V₄上。这四个激励电压相互间的相位差为90°。

类型5多速CFRAAE在现有技术中没有，其两个信道采用一个单定子和一个单转子，也许过去是由于这两个信道之间的相互干扰使得它们不能实行。在Arnold和Heddergott的文章中这种结构显然不再考虑了。

根据本发明的一个最佳实施例，图11C是转子262上另一种导电图形的顶视图，其为转子260的相反型式。除了编码器的信号极性相反之外，转子262与转子260相同。

根据本发明的一个最佳实施例，图12A和12B分别是类型5(单定子)两速编码器的定子300和转子310上导电板的顶视图。定子300包括精细发送板313、粗略发送板314和一个接收板312。转子310包括精细图形板317、粗略图形板315和一个与接收板312对置的耦合板316。所有这些转子板都相互连接。板315和316之间的分隔是不必需的而且仅是为了说明而示出的。注意转子310上的粗略和精细图形是光滑变化的，没有尖的边界点，与现有技术中的多速转子不同。因此，当定子300发出的信号如下所述被电路处理时，编码器将给出光滑、纯的正弦输出，基本没有会降低角测量精确度的扭曲。

根据本发明的一个最佳实施例，图12C是转子320上导电板的顶视图。转子320的功能与转子310类似而且可以代替转子310。其不同之处在于它具有一个精细图形板318，该板为上述板317的“相反”型式。

根据本发明的一个最佳实施例，图13是与一个两速编码器一起使用的信号调节电路330的示意图。电路330使用一种PQE方法，基本与参照电路200的上面描述相同，但具有独立的粗略处理信道328和精细处理信道329。

粗略信道可变电容336到339由四相位交流电压332到335激励，通常为10kHz的矩形波。精细信道可变电容分别由电容344到347描述，而且通常被40kHz的矩形波激励。这种电子装置包括一个电荷放大器348，其耦合到接收板312上(图12A)，以便共同为所有的粗略和精细信道服务。放大器输出被导入粗略和精细处理信道，包括同步检测器349至352及低通过滤器354至357。同步检测器349和351分别由同相参考信号332和340馈以信号，而且由低通过滤器354和356过滤以提供粗略和精细正弦信号。同步检测器350和352分别由90度相位差参考信号333和341馈以信号，而且由低通过滤器355和357过滤以提供粗略和精细正弦信号。如上所述，这些模拟信号然后最好被一个微型电子计算机数字化并处理。

根据本发明的另一个最佳实施例，图14是一个三速、类型5CFRAAE的转子380上导电板的顶视图。转子310包括一个精细信道382、一个中间信道384及一个粗略信道386和一个耦合板388。它可以与一个经过适当改动的定子及信号调节电路一起使用，具有三个处理信道而不是两个。图14的构造是有益的，例如在精细信道中具有多次循环的大直径编码器中。在这种情况中，粗略信道可以不必精确到正确地识别正确的精细循环。增加中间信道384可以解决由中间信道及精细信道中的第一次识别正确循环所带来的问题，其中中间信道具有一些介于粗略和精细信道之间的循环。

根据本发明的一个最佳实施例，图15是一个示意图，表示一个与两速旋转编码器，例如图12A-B所示的编码器一起使用的一个两态切换信号调节电路420。电路420相对于图13所示的多信道电路具有更简单及更低元件成本的优点。

可变电容429至432代表编码器的精细信道互电容，可变电容433至436代表编码器的粗略信道互电容。开关425至428由一个公共逻辑信号(未示出)控制以给精细信道电容或粗略信道电容施加激励电压421至424或地电势，以便产生交替的精细或粗略角读数。参照前述实施例所述，一个电荷放大器447提供一个输出电压，该电压由一个同步检测器448和449及低通过滤器450和451处理以给已切换到的信道(精细或粗略)提供正弦和余弦输出。

粗略处理信道最好用于识别编码器的绝对位置。该粗略信号通常仅用于系统初始化。系统一打开，一个逻辑指令通过开关425至428将激励波形引入粗略信道发送板(电容433至436)。产生的粗略信道位置结果用于识别转子位于哪个特定的精细循环。从那开始，激励电压被引入精细信道发送板(电容429至432)，而且精细信道信号被处理以提供一个绝对并精确的转子位置。

根据本发明的一个最佳实施例，图16A和16B分别是定子460和转子470上导电板的顶视图，组成一个两速类型5 CFRAAE。在该实施例中，转子和定子之间的一个多极可变电容即用于产生粗略又用于产生精细角测量值。实际优点是对于一个给定外直径的编码器，可以制造一个较大的中心孔，其容纳一个较大范围的轴直径。

定子460包括精细发送板467及四分之一圆形接受板463至466。所述精细板与转子470上的一个精细图形板468相互作用。转子上的一个偏心耦合板461将所述相互作用耦合到接收板上。由于板461的偏心，耦合电容不是旋转独立的，除非所有四个四分之一圆形板电容被加在一起。当它们被加在一起时，得到一个精确的信道读数。在这种情况中，如果精细信道输出信号被表示为A＝Rsin(nθ)和B＝Rcos(nθ)，那么它们的矢量和R由下式给出：

R = \sqrt{A^{2} + B^{2}}

如果不是所有的四分之一圆形接收板被采用，那么矢量和R被调制并因此被用于得到粗略信道读数。

根据本发明的一个最佳实施例，图17是一个示意方框图，表示与图16A和16B所示编码器一起使用的一个信号处理电路480。在初始化阶段，最好是在轴静止时，四对直流电压A₁、A₂、A₃和A₄及B₁、B₂、B₃和B₄从电路480的相应正弦和余弦信道的输出得到。这通过依次关闭开关490、491、492和493，并调制在过滤器509和510输出端出现的输出直流电压而实现。各直流电压是精细电容482、483、484和485及特定的四分之一圆形板耦合电容486、487、488或489(与图16A中相应的四分之一圆形板463、464、465和466分别对应)，及电荷放大器506、同步解调器507和508及低通过滤器509和510的固定增益的结果。然后计算各对电压的相应矢量和以提供R₁、R₂、R₃和R₄，它们与特定轴角处的四分之一耦合电容值成正比。R₁-R₃和R₂-R₄的对顶角对差与粗略轴角的所需正弦和余弦成正比。

该初始化过程之后，关闭四个开关490至493，因此所述编码器被切换到精细模式。在该模式中，由于精细定子板与精细转子板的相互作用，电压源494至497和可变电容482至485被用于确定精确的轴角。

根据本发明的一个最佳实施例，图18A、18B和18C分别是一个发送定子520、一个转子525及一个接收定子527的顶视图，它们一起组成一个类型4编码器。该编码器是一种第二构形的示例，用以从一个多极互电容得到一个单极信号。

定子520包括一个多极发送组，包括多级发送板529，这和图11B中所示的转子270中的相同。但是，在这种情况中，板529被分成四个四分之一圆形板组521到524，每个可以被单独激励。定子527包括一个环形接收板528。转子525在其两侧具有一个多极导电图形526，而且这两个导电图形是电连接的。

从接收定子527接收到的信号由一个基本与图8中所示电路200相同的电路处理。在这种情况中，电容206至209代表由各四分之一圆形板中接收板组所引起的可变电容。只要转子525上的板526具有一种理想的多极图形，那么从低通过滤器输出的输出正弦和余弦信号将代表精细信道，而不管是否激励一个或多个四分之一接收板。但是，如果转子图形偏离理想，例如由于相对旋转轴线倾斜或关于轴倾斜或在其厚度中每循环一次变化而引起的，那么如果不是所有的四分之一圆形板被激励，输出信号将包括一个每循环一次的幅度调制。这种偏心或其它的偏差易被引入。因此，如果每个四分之一圆形板被依次激励而且大小R₁-R₃和R₂-R₄被产生，那么就得到粗略轴角的正弦和余弦。当所有的四分之一圆形板被激励时，可以精确得到精细信道的正弦和余弦。

也可以有其它的等效系统，它们都具有一个多极转子和一个定子，该转子具有某种类型的每转重复一次的对称偏差，所述定子可以在两种结构之间切换：一种是对称的，一种具有打破对称的特点。例如，如果使用具有一个理想多极图形的转子，其中丢掉了一组一次或多次循环，那么当定子处于对称(成组的四分之一圆形板)模式时，信号将不受影响。

在本发明的另一个最佳实施例中，具有每循环一次的对称缺陷的多极转子被联接到一个具有相同种类对称缺陷的定子上。在这种情况中，不需要切换。例如，定子270(如图11B所示)可以不居中，或者定子的一部分272可以被去掉。转子和定子缺陷的相互作用导致信号大小R的一种循环调制。在初始化阶段，当转子旋转时，R被监控以便确定它达到其最大或最小值时的位置。该位置被定义为转子的标定位置。之后，在正常操作期间，精细信号中的循环误差，其与上述循环调制相关联，最好被校正以便提供一个精确、绝对的读数。这种实施例具有转子中心孔可以被作得较大的优点，这是由于仅需要精细图形，而没有一个耦合或粗略图形板。分段及三维转子

根据本发明的一个最佳实施例，图19是转子520的一个示意图解视图，该转子具有一个三维导电图形。在该实施例中，所述转子被沿导电图形切开，形成若干源自一个实心中央部分526的径向延伸522并具有延伸之间的中间开口槽524。这种转子设计对于必须在一种潮湿环境中工作的编码器尤其有利。如果转子表面是平的，这基本和现有技术中相同，那么湿气可能形成一层膜，该膜会干扰所述导电图形，因此编码器不能发挥正常功能。当使用转子520时，不考虑是否有水膜出现，性能相同。实际上，信号水平增加，这是由于有图形的及开口区域之间单位面积的电容差比其它得大。尽管开口槽524仅适用于精细信道，但该信道对于编码器的性能不是最关键的。根据本发明的一个实施例，粗略信道图形通过使衬底更薄而被部分地制成凹的以便减少湿气影响，这通过使凹处图形中每单位面积的电容比潮湿的、非凹处区域中的电容小而得以实现。

上述欧洲专利申请0226716描述了一种具有三维转子图形的类型4电容式编码器，其旨在提高编码器中静电场分布的精确度。这种应用不涉及潮湿影响，而且此处所述的图形的凹处被封闭。鉴于此，转子520比现有技术中的三维转子更优越，特别是在接地转子(类型3)实施例中，其中接地水膜将用作一个连续屏蔽，不管转子图形是否被局部作成凹形。转子520的这种设计在类型4编码器中也是有用的。

转子520以及上述其它样式的转子的衬底可以由任何合适的非导电材料制成，如果适用，其被涂以一个导电图形，例如包铜玻璃环氧树脂或真空喷涂金属玻璃板。转子板和中央部分526最好组成一个单独部件，其由加强塑料模制，例如填充有玻璃的聚碳酸酯。该实施例中用于在转子上选择性地施加导电涂层的一种优选方法是一种已知的热冲压方法，其中一个薄金属膜被选择性地从一个连续滚子转移到衬底上并通过一个有图形的热板压力而涂在其上。在一个最佳实施例中，所述图形首先浮雕地形成在注塑成形的衬底上，然后用一个平的无图形热板进行涂覆。这种模制转子的一个优点是它保证所述图形相对旋转轴的精确及稳定对准。

在本发明的另一个最佳实施例中(未在图中示出)，转子的外边缘稍高于图形部分。升高部分用作一个隔片，其防止图形部分和面对的定子板之间的接触，以便在编码器的最后装配中在定子和转子中间建立适当隔离之前避免对涂层的损坏。升高图形的另一个优点在高湿度条件下更显然，其中水膜可以形成在转子上，如上所述。

另一种方法是使转子的导电区域由填碳或其它导电聚合物的材料制成，其与用于转子其它部件的一种非导电聚合物一起注塑。

任何旋转传感器中所需的一种重要特征是对于转子而不是旋转的机械位移不敏感，例如由相对旋转轴线或轴向安装误差的偏心或倾斜而引起的位移。根据本发明最佳实施例的所有CFRAAE对于轴向安装误差很不敏感，这是由于这种误差最多将影响正弦和余弦信道的公共增益，而不是决定计算角的它们的比值。多极电容式编码器中的信号是许多极的共同作用。结果，不象光学编码器，这种编码器对转子相对导致的倾斜和轴向安装误差具有相当的自我补偿和容限。

但是，单极CFRAAE本身对转子偏心误差是敏感的。其对倾斜误差的敏感度取决于其类型，类型2和3是不太敏感的。由于类型4CFRAAE具有简单的优点，所以它对于改善其对转子倾斜的敏感性特别需要。

图20是一个类型4 CFRAAE 538的示意剖面图，这和现有技术中相同，表示转子倾斜的作用。编码器538包括具有发送导电图形涂层541和545的第一定子540；具有一个接收导电涂层543的第二定子542；及一个转子544，其稍微倾斜并与导电涂层547和548电连接。定子540和转子544之间编码器右侧的较窄气隙增加了相对于图形545的发送图形541对定子542所接收的全部信号的作用。这种作用上的差别影响了两个信道之间的增益比值，导致输出误差。尽管转子544和接收涂层543之间的电容也通过倾斜校正，但这种效果对于所述作用是共同的而且不影响它们的增益比值。

根据本发明的一个最佳实施例，图21是一个类型4 CFRAAE 560的示意剖面图。转子561两侧上的导电图形被分成多个单元562-570，它们彼此电绝缘。各单元的两个表面及各自的涂层547和548相互电连接。在这种情况中，忽略边缘场效应，涂层545和转子元件562之间及转子单元和涂层543之间的相应电容C₁及C₂的串联连接基本与转子单元562的位置无关。与单元570相关联的电容C₃和C₄的串联连接及与其它转子单元相关联的电容同样与位置无关。因此，所述图形的总电容与倾斜大大无关。

根据本发明的一个最佳实施例，图22是转子561的一个示意顶视图。该图表示涂层547被分成若干段572，其与图21中所示的在一个单极对结构中所示的段562-570的划分方式相同。美国专利4,851,835描述了类型4 CFRAAE的转子上多极图形的一种划分结构。但是编码器对转子倾斜的不敏感性的改进在这种情况中较不重要，这是由于多极转子由于独立极的自我补偿而对倾斜一直不敏感的缘故，如上所述。与现有技术中的编码器不同，本发明单极对转子561有更高的倾斜不敏感性。

根据本发明的一个最佳实施例，图23是一个混合式转子580的示意顶视图，其在一个装置中组合了两种CFRAAE类型。转子580包括一个绝缘衬底，其被模制从而具有三维多极精细信道图形582。因此，该图形是属于类型2的。如上所述，一个导电图形584，最好是分段的，形成在转子衬底上以用作粗略信道。因此粗略图形用作一个类型4CFRAAE。也可以有其它不同类型的组合。电容式线性位移编码器

此上所述的与旋转角测量相关的基本原理也可用于电容式线性位移编码器(CLDE)。这种编码器包括一个固定元件，一个标尺，其跨越被称为运动的全范围，以及一个运动元件，该元件通常作的尽可能短并测量头。尽管所述标尺可以被屏蔽，例如如下所述被一个导电波纹管或其它装置屏蔽，但屏蔽短得多的头部通常更方便一些。因此最好是CLDE的头部包括接收器，尽管这不是必要的。与多极对CFRAAE不同，由于其倾斜误差的自身补偿，CLDE缺少圆形对称性并对标尺和头部之间的相对倾斜固有的不敏感性。本发明的最佳实施例的设计可以克服该缺点。

根据本发明的一个最佳实施例，图24和25是具有一个双板测量头602的CLDE 600的示意图。图24是一个侧视图，表示编码器的基本结构，其可以被当作类型2、3或4编码器。图25是沿图24 XXV-XXV线的一个示意剖视图，表示类型2装置。

CLDE 600包括一个标尺604及一个头部602。如图25中所示，所述头部包括一个接收板606和一个发送板608。在类型2装置中，标尺604由一种绝缘材料制成并包括一个重复的三维边缘，形状最好是正弦，而不是一个直边。在类型3或类型4 CLDE中，如下所述，图形用一个标尺上的导电涂层印刷。标尺图形可以是三维的，与图19所示的三维转子图形类似，尽管在这种情况中出于安装目的必须沿其中心线而不是如图24和25中所示的在底部处固定标尺。最好通过一个接地外罩610保护头部602免受电干扰。

根据本发明的一个最佳实施例，图26A是类型1 CLDE的测量头部604的示意侧视图。类型1 CLDE包括位于标尺上的发送板和一个位于头部604上的接收板，其具有一个对称的双正弦图形612。双正弦图形关于两个轴对称。因此，由相对于平行于运动方向的纵向轴线的头部倾斜以及围绕垂直于头部和标尺之间气隙的轴线的旋转所引起的误差基本可以自己补偿。因此相对于现有技术的CLDE装置，图形612的使用减小了编码器600的头部倾斜敏感性。由绕垂直于运动方向的轴线的倾斜所引起的误差与图形中的循环数量成正比地减至最小。

根据本发明的另一个优选类型1实施例，图26B是一个测量头部620的示意侧视图。在这种情况中，一个对称的、双正弦接收图形622通过其侧面的导电接地层621和623而免受外部干扰。

根据本发明的一个最佳实施例，图27是一个类型1 CLDE标尺602的示意侧视图，该标尺具有一个发送板608。标尺602最好与头部604或620一起使用。发送板包括一个多条624图形，这些条被四相交流电压激励，最好是矩形波，如上所述参照CFRAAE实施例。最好采用PQE激励以及图8中所示的单信道检测和解调系统，以便减低CLDE 600对元件容差的敏感性并在正弦和余弦信道中提供基本相等的增益。

根据本发明的另一个最佳实施例，图28是用在类型4 CLDE中的一个标尺630上双正弦图形632的示意侧视图。尽管接地屏蔽610(图25)基本足以防止电干扰进入类型2和3 CLDEs中的测量头部602，在类型4 CLDE中，标尺上的一个连续导电图形可以拾取干扰并将它耦合到接收器606。如图28中所示，这种对干扰的敏感性通过具有倾斜间隙634的分段图形632而大大降低了。因此在任何时候都有效的图形的分段被屏蔽在头部602内部并与屏蔽610外部的未保护分段绝缘。由于各段间的间隙634倾斜，所以未损害作为头部行程函数的测量电容的正弦相关性。和现有技术中相同，垂直间隙将给图形引起的电容的正弦变化带来不连续性。因此，与现有技术的CLDE装置相比，图形632的使用增加了可得到的插值深度，并因此提高了编码器的精确度。

根据本发明的一个最佳实施例，图29是另一个CLDE 640的示意剖面图。CLDE 640的结构与CLDE 600(图24和25)的相反，其包括一个静止标尺644，该标尺具有一个接收板646和一个与其中的纵向槽邻接的发送板648。一个移动头部642位于槽内部。当移动头部不能被电接近或由于某种原因必须是电被动的时，这种相反构造是有用的。

根据本发明的另一个最佳实施例，图30是一个被屏蔽的相反的CLDE 650的示意剖面图。标尺654具有一个具有迷宫形状的纵向槽并包括一个接地屏蔽656以保护板646和648及头部652。CLDE 650原理与CLDE 640相同，但更抗外部干扰。

最好是，标尺644和头部642(图29)都包括印刷电路，它们以使用传统FR-4衬底材料的多层印刷电路技术为基础。通常，标尺印刷电路板的前层包括接收板648，而内层包括激励线路和一个屏蔽接地平面。相同的技术可以被用在此处所述的其它最佳实施例中。在本发明的类型1和类型5实施例中，其中标尺包括一个单发送(或接收)板，而且远离头部的标尺的后侧是自由的，该标尺可以由一种薄的多层衬底制成，然后其可以被粘结到使用编码器的机器上。如果这种柔性标尺被粘结到一个圆柱状表面，那么它可以确保进行角测量。另一种可能是依次对接几个标尺元件，如图28中所示的类型。由于对接可得到的精确度不能与CLDE的精确度相比，所以最好使用一个标定过程以存储元件的位置误差。

在本发明的一个最佳实施例的典型应用中，标尺由一种0.3mm厚、12mm宽、500mm长的FR-4条状物制成。头部图形的循环长度是2mm，而测量的分辨率是0.1μm。

根据本发明的一个最佳实施例，图31A是类型5 CLDE 660的一个示意剖面图。该CLDE包括一个标尺662和一个移动头部664，其具有发送板668和670及一个位于其内表面上的接收板674。标尺662的内表面最好具有一个分段的图形，例如图28中所示的图形632。尽管该图形被分段以使干扰最小，如上所述，但头部的接收板未被一个相对的板保护，和CLDE 600(图25)中相同。因此，标尺662的后侧涂有一个接地涂层666，以便保护所述分段的单元免受外部干扰，它们与接收板674相对。出于相同的目的，头部664在其外表面具有一个接地涂层676。

根据本发明的一个最佳实施例，图31B是另一种类型5 CLDE 680的示意剖面图，其与CLDE 660的原理相同。在CLDE 680中，接地保护由移动头部682的一个延伸件684提供。因此标尺662包括一个接地连接是不必须的。

图32是头部664的一个示意侧视图，表示其上的发送板668和670及接收板674的布置。发送板最好包括若干条状物，如图27所示，它们设置在接收板674任一侧的上下行，接收板674电容式地耦合到标尺图形632的中央部分(图28)。所述头部和图形的对称结构有助于使CLDE对头部倾斜和旋转的敏感性最小。用于CLDE的优选信号调节系统是一种图8所示类型的PQE系统。

图32的CLDE中所用的原理也可以用在类型6结构(图中未示出)中。在这种情况中，头部包括具有发送和接收板的两个电路衬底，在标尺的任一侧上有一个这样的衬底，其中这两种图形相互电连接。这种设置具有提高抗干扰性、增加信号增益及减少对头部倾斜敏感性的优点。

根据本发明的一个最佳实施例，图33A和33B分别是类型1绝对CLDE的标尺700和头部714的示意侧视图。这种情况中的CLDE的结构与CLDE 600的类似(图31A)，而且在操作上类似于可切换、两速CFRAAEs。因此它可以在一个粗略模式和一个精细模式之间切换，前一模式提供头部714相对标尺700的绝对位置，后一模式在操作上等效于增量的CLDE 660。只要粗略模式中的读数误差比一个精细信道循环的长度小，粗略和精细读数就可以被结合以提供一个绝对位置读数，该读数具有仅由精细信道限制的精确度和分辨率。

如图33A所示，标尺700上的一个发送器图形702基本上与图27中所示的相同，除了图形的各条708由一个对角分隔线分开以形成两个三角组704和706之外。各组704和706中的条708被单独馈以四个PQE线并能被切换以便用作独立的、垂直条或用作公共的、三角发送器。头部714具有一个图形716，其最好与图26B中所示的图形622相同。

对于精细模式操作，其具有递增的位置结果，各条708的两部分的相应PQE线相互连接，而且实现了增量的CLDE操作。头部714的图形716的上下区域718和720与中央正弦部分722不相连，而是接地，如上参照图26B所示。

在粗略模式中，为了得到绝对位置读数，两组704和706中各组中的所有局部条相互连接。测量头的上下区域不与地相连而是连接到部分722，因此形成一个四边形的板。如果测量头714和三角形组704之间的电容是C₁，而且与组706相对应的电容是C₂，那么差C₁-C₂与头部相对标尺700的位移成正比。为了使由条708间间隙引起的粗略模式中的测量输出中的任何波动最小，测量头的导向和从动边724及726最好被歪斜，因此所述板呈现一种平行四边形的形式。

粗略信道的精确度决定了可以被识别的精细循环的最大数量。因此，对于精细图形的一个给定循环长度，粗略信道精确度决定了总的测量长度。相同地，对于给定的测量长度，粗略信道精确度决定了最小精细循环长度，并因此决定了可得到的分辨率。为了使粗略信道的精确度最大，两个主要的误差源最好被最小化：

1.标尺700和头部714之间气隙的容差，其即影响C₁又影响C₂。由于气隙相同地影响C₁和C₂，所以此误差可以通过由C₁+C₂的和值校正C₁-C₂的差值而消除。

2.头部714相对平行于运动方向的轴线的倾斜，其影响C₁和C₂之间的平衡。该误差不能通过计算克服。

根据本发明的一个最佳实施例，图34是标尺730上另一种发送器图形732的示意侧视图，其能够克服上述倾斜敏感性的问题。粗略模式中采用三个三角形734、736和738，而不是两个，形成一种与倾斜轴线对称的结构。如果C₁是由三角形734和738引起的组合电容，C₂是由三角形736引起的电容，那么C₁和C₂中的变化至少对于第一阶是自我补偿的。

从一种增量编码器中得到绝对读数的另一种方法是在已知的位置产生一个标定脉冲，其被定义为机械0-在线性编码器中通常为标尺的一端。系统一打开，头部被移动超过标定位置，而且从这之后确定绝对位置。该技术可以被用在角度及线性电容式编码器中。

根据本发明的一个最佳实施例，图35是类型1线性编码器750的示意侧视图，表示标定原理。如上所述，包括多个发送条756的一个标尺754具有附加的标定发送板751和752，通常位于其一端。一个测量头753包括一个矩形接收板。头部753最好具有一个转换图形，例如测量头714上的图形716(图33B)，因此它能用作用于精细测量和标定信道的公共接收器。

图36A和36B是电容C₁和C₂的图表，其分别感应在头部753和板751、头部753和板752之间。图36A表示作为头部位移的一个函数的差C₁-C₂，图36B表示和C₁+C₂。差信道中零输出信号与和信道中预设极限之上的输出信号的重合表示标定位置。

用于编码器750的信号调节最好基于图13所示电路330的一个简化型式。在这种情况中，与位置信道相关的条756用一个频率下的四相电压340至343激励，以在低通过滤器356和357的输出端提供正弦和余弦信号。标定信道的板751和752由电压源332和333激励以在低通过滤器354和355的输出端提供信号，其与标定电容C₁和C₂成正比。

除了此处参照CLDE所描述的特征之外，可以理解参照CFRAAE装置所述的其它特点可以被改进以与CLDE一起使用，反之亦然。更通常地，尽管在此处所述的实施例中，电容式移动编码器的各个方面以特定的组合和结构被描述，但在其它装置中基于本发明的原理，类似的元件和特征可以被进行不同的改动和分组，鉴于此，参照此处所述的六种编码器型式中一种所描述的创造性特征通常可也以应用于其它型式。所有这些组合或分组、改进及构造被认为是在本发明的范围中。

上面所述的最佳实施例仅作为示例，本发明的全部范围由权利要求限定。

Claims

1.一种用于检测运动物体相对于固定物体的位置的电容式运动编码器，其包括：

至少一个固定元件，该元件连接至所述固定物体；

一个场发射器，其产生一个静电场，该静电场通过响应于固定元件和运动元件之间的相对运动的所述元件之间的电容变化而被调制；

一个导电屏蔽，其与运动物体和固定物体电分离，且封闭了运动元件和固定元件以便保护这些元件不受外界的电干扰；及

处理电路，其检测被调制的静电场并响应于此而确定运动物体位置的测量值。

2.根据权利要求1所述的编码器，其特征在于：运动元件包括一个转子，移动物体包括一根转动轴，其中，所述的至少一个固定元件包括至少一个定子，使处理电路能够确定轴的旋转位置的测量值。

3.根据权利要求2所述的编码器，其特征在于：导电屏蔽使至少一部分处理电路与转子和所述的至少一个定子封闭在一起。

4.根据权利要3所述的编码器，其特征在于：所述的至少一个定子和转子包括印刷电路板，所述的至少一部分处理电路安装在至少一块印刷电路板上。

5.根据权利要求2所述的编码器，其特征在于：转子包括一块大致平面板和一个大致非平面环状插孔，用于将转子连接至所述轴上，其中所述屏蔽伸入转子与插孔相邻的平面内，以防止从轴传至转子的电干扰。

6.根据权利要求2所述的编码器，其特征在于：编码器的结构能够使转子相对于定子旋转至少360°。

7.根据前面权利要求中任一项所述的编码器，其包括：一环绕运动元件和固定元件的机械壳体，所述壳体与所述屏蔽电隔离。

8.根据权利要求7所述的编码器，其特征在于：所述的至少一个固定元件包括两个大致平行、相互分离的固定元件，一个包括场发射器，另一个包括场接收器，通过使这些元件压靠在它们之间的挠性导电元件，这些元件在所述壳体中彼此电耦合。

9.根据权利要求1-6中任意一条所述的编码器，其特征在于：所述固定元件包括一块印刷电路板，该印刷电路板包括一个凸出通过所述屏蔽的延伸部分，该延伸部分与编码器形成电连接。

10.根据权利要求1-6中任意一条所述的编码器，其特征在于：场发射器被固定至固定元件上且被联接，从而形成导电屏蔽的一部分。

11.根据权利要求1-6中任意一条所述的编码器，其特征在于：所述场发射器被固定至固定元件上，其中，运动元件其上具有一个电学活性图形，其用于调制静电场。

12.根据权利要求11所述的编码器，其特征在于：所述电学活性图形包括一种介电材料。

13.根据权利要求11所述的编码器，其特征在于：所述电学活性图形包括一种导电材料。

14.根据权利要求13所述的编码器，其特征在于：所述导电材料与处理电路相联接且用作静电场的接收器。

15.根据权利要求13所述的编码器，其特征在于：所述的至少一个固定元件包括静电场的接收器，其与处理电路相联接。

16.根据权利要求15所述的编码器，其特征在于：运动元件上的导电性、电学活性图形被保持在大致恒定的电势。

17.根据权利要求15所述的编码器，其特征在于：所述运动元件上的导电性、电学活性图形是电浮动的。

18.根据权利要求15所述的编码器，其特征在于：所述的至少一个固定元件包括单个元件，所述发射器和接收器均被固定在该元件上。

19.根据权利要求16所述的编码器，其包括第二固定元件，该元件具有固定在其上的发射器和接收器。

20.一种用于检测旋转轴位置的电容式角度编码器，其包括：

一接收器，该接收器产生响应于所述多个分段的场的信号，从而通过作为所述轴转动函数的发射器和接收器之间的电容变化来调制每一个场的接收强度；及

一检测器电路，该电路包括至少一个同步检测器，该检测器与所产生的场同步地处理信号，从而产生转动角度的输出指示。

21.根据权利要求20所述的编码器，其特征在于：所述的至少一个同步检测器包括两个同步检测器，这些检测器能够产生与转动角度的正弦和余弦成正比的相应输出。

22.根据权利要求20所述的编码器，其特征在于：所述接收器包括一个单输入放大信道，通过该信道接收所有发射器分段的信号以进行处理。

23.根据权利要求20-22中任一条所述的编码器，其特征在于：所述发射板包括一个大致为平面形状的发射定子，其被分为绕所述轴的轴线设置的多个分段。

24.根据权利要求23所述的编码器，其特征在于：所述多个分段被设置在四个象限中。

25.根据权利要求23所述的编码器，其特征在于：所述接收器包括一个大致为平面的转子，其具有相对于所述轴的轴线是轴不对称的接收区域，且其与靠近所述定子的所述轴一起转动。

26.根据权利要求25所述的编码器，其特征在于：所述接收区域具有大致环形的形状，其偏心于所述轴的轴线。

27.根据权利要求23所述的编码器，其特征在于：所述接收器包括一大致为平面状的接收定子，并包括一大致平面状转子，其具有相对于所述轴的轴线是轴不对称的电学活性区域，且其与轴一起转动并调制所接收的信号。

28.根据权利要求27所述的编码器，其特征在于：所述电学活性区域大致为圆形的形状，其偏心于所述轴的轴线。

29.一种用于检测旋转轴位置的电容式角度分解器，其包括：

一接收器，其包括绕所述轴设置的多个分段，这些分段产生响应于来自所述发射器的所述场的信号，从而通过作为轴转动函数的发射器和接收器之间的电容变化调制每一分段接收的场；

一信号处理电路，其用于处理由所述接收器分段发出的信号，从而产生一指示转动角度的交流输出；及

一整流电路，其用于对交流输入进行整流，以便对检测器电路提供直流电压。

30.根据权利要求29所述的编码器，其特征在于：所述信号处理电路与所产生的场同步地处理信号，其中交流输出包括两个分别与转动角度的正弦和余弦成正比的输出。

31.根据权利要求29所述的编码器，其包括一个转子，其与所述轴一起转动，且在其上具有一个电学活性图形，从而转子的转动能够调制接收器接收的场。

32.根据权利要求31所述的编码器，其特征在于：所述电学活性图形包括导电材料。

33.根据权利要求32所述的编码器，其特征在于：所述导电材料被保持在接地电势。

34.一种用于检测移动物体相对于固定物体的位置的电容式运动编码器，其包括：

至少一个固定元件，其被连接至固定物体；

一运动元件，该元件连接至移动物体且接近所述固定元件；

一个静电场发射器，其与固定元件或运动元件中的一个相联系；

一个与固定元件或运动元件中的另一相联系的场调制器，其在所述元件上包括平稳变化的粗略和精细周期性电学活性图形，图形以相应的较低和较高空间频率沿元件尺寸变化，其以相应于高、低空间频率的调制频率，通过使固定元件和运动元件之间的电容响应于元件的相对运动而发生变化，来对静电场进行调制，且其基本上没有空间谐波；及

处理电路，其检测被调制的静电场并响应于此确定此运动物体位置的粗略和精细测量值。

35.根据权利要求34所述的编码器，其特征在于：运动元件包括一个转子，且运动物体包括一根转动轴，其中，固定元件包括一个定子，以便处理电路确定所述轴的转动位置的测量值。

36.根据权利要求35所述的编码器，其特征在于：所述转子包括单个平面元件，其包括多个导电区域，至少一个导电区域为场发射器，而另一个导电区域用于接收所述场。

37.根据权利要求35所述的编码器，其特征在于：在所述转子上有电学活性图形，粗略周期性图形包括一个在转子上的大致圆形区域，其相对于所述轴偏心设置，其中精细周期图形包括一个在转子上的正弦图形，其绕所述轴圆周设置。

38.根据权利要求37所述的编码器，其特征在于：粗略图形的大致圆形区域被分为多个子区域，这些子区域被分布在转子的表面上，以便减小由于转子相对于定子倾斜而在所述场的调制中产生的偏差。

39.根据权利要求34-38中任意一条所述的编码器，其特征在于：所述场调制器还包括一个中间电学活性图形，其具有在高频和低频之间的中间频率，其中处理电路能够检测所述场对应于中间频率的调制。

40.一种用于检测移动物体相对于固定物体的位置的电容式运动编码器，其包括：

至少一个固定元件，其被连接至固定物体；

一运动元件，该元件连接至移动物体且接近所述固定元件；

一个与固定元件或运动元件中的另一相联系的场调制器，在所述元件上包括粗略和精细周期性电学活性图形，图形以相应的较低和较高空间频率沿元件尺寸变化，其以对应于低空间频率和高空间频率的调制频率、通过使固定和运动元件之间的电容响应于元件的相对运动而发生变化，来调制静电场；及

处理电路，其用于转换静电场从而通过所述粗略图形或精细图形交替对其进行调制，并且其检测被调制的场，从而响应于此交替确定移动物体位置的粗略和精细测量值。

41.根据权利要求40所述的编码器，其特征在于：运动元件包括一个转子，且运动物体包括一根转动轴，其中，所述的至少一个固定元件包括一个转子，以处理电路能够确定所述轴的转动位置的测量值。

42.一种用于检测移动物体相对于固定物体的位置的电容式运动编码器，其包括：

一运动元件，该元件连接至移动物体且接近所述固定元件，且包括一个场调制器，该调制器在运动元件上包括粗略和精细周期性电学活性图形，图形以相应的较低和较高空间频率沿元件尺寸改变，其以对应于低空间频率和高空间频率的调制频率、通过使固定和运动元件之间的电容响应于元件相对运动而变化，来调制静电场；及

处理电路，其检测被调制的静电场且响应于此确定的移动物体的位置的粗略和精细测量值。

43.根据权利要求42所述的编码器，其特征在于：运动元件包括一个转子，且运动物体包括一根转动轴，其中，固定元件包括一个转子，该转子包括多个导电区域，其中的至少一个导电区域为场发射器而另一个导电区域为接收器，从而处理电路能够确定所述轴的转动位置的测量值。

44.一种用于检测转动轴位置的电容式角度编码器，其包括：

一个转子，其与所述轴一起转动，且具有转动不对称的电学活性图形，该图形通过使所述轴每转一周，就固定和运动元件之间的电容重复一次变化，来调制响应于轴转动的静电场。其中，所述图形被分为多个子区域，以便减小由于转子相对于定子倾斜而在所述场的调制中产生的偏差；及

处理电路，其检测被调制的静电场且响应于此确定粗略和精细变化的所述轴角度的粗略和精细测量值。

45.根据权利要求44所述的编码器，其特征在于：在转子上的电学活性图形包括一个相对于所述轴的轴线偏心设置的大致圆形区域。

46.一种用于检测转动轴位置的电容式角度编码器，其包括：

一个转子，其被结合至所述轴上，且具有一个电学活性区域，该区域相对于所述轴的轴线是不对称的且包括一个圆周设置在转子上的图形，所述图形以预定的角度频率绕所述轴重复多次，

至少一个定子，有一个静电场与其联系，该静电场由于电有效区域因转子转动而导致的电容变化而被调制。

处理电路，其检测由于所述区域的非轴对称性而在轴每次转动时形成的场的调制，从而响应于此确定轴转动角度的粗略测量值，且该处理电路能够检测由于所述图形产生的所述场的调制，从而确定转动角度的精细测量值。

47.根据权利要求46所述的编码器，其特征在于：所述电学活性区域包括一个大致圆形的区域，该区域相对于轴线是偏心的。

48.根据权利要求46所述的编码器，其包括：一个接收器，其与一个定子或多个定子中的一个结合，且其特征在于相对于所述轴线是不对称的，以便响应于精细图形和接收器的非轴对称性之间的相互作用而确定角度的粗略测量值。

49.根据权利要求46-48中任意一条所述的编码器，其包括一个传感器，其用于交替确定角度的粗略和精细测量值。

50.根据权利要求49所述的编码器，其特征在于：所述定子包括多个导电区，每一个导电区均被联接至处理电路，处理电路响应于传感器的动作而将从所述导电区接收的信号分组，以便交替确定粗略和精细角度测量值。

51.一种用于检测运动物体相对于固定物体的位置的防潮电容运动编码器，其包括：

一个运动元件，其被结合至所述运动物体，包括多个相互分离的电学活性分段，这些分段形成了一个图形，该图形对运动元件运动时固定和运动元件之间的电容变化所产生的所述静电场进行调制；及

处理电路，其检测被调制的静电场，且响应于此而确定运动物体位置的测量值。

52.根据权利要求51所述的编码器，其特征在于：打在运动元件上的流体从所述分段被排至所述分段之间的间隙中。

53.根据权利要求51或52所述的编码器，其特征在于：所述运动物体包括一根旋转轴，所述运动元件包括一个转子，电学活性部分从该转子绕所述轴径向向外伸出，其中，所述的至少一个固定元件包括至少一个定子，从而处理电路能够确定轴的转动位置的测量值。

54.一种用于检测运动物体相对于固定物体的位置的电容式运动编码器，其包括：

一个运动元件，其被结合至运动物体，且在其上具有一个电学活性图形；

第一和第二固定元件，它们被结合至固定物体上，且被设置在运动元件的相对侧，以便由此发送一个交变静电场；

处理电路，其被耦合以检测响应于固定元件之间因电学活性图形的运动而产生的电容变化的静电场的调制，并响应于此确定运动物体位置的测量值；及

一个电势均衡电路，其通过检测在第一固定元件的交变电势并将一个反电势施加在第二固定元件上，而使运动元件保持在大致恒定的电势。

55.根据权利要求54所述的编码器，其特征在于：所述大致恒定的电势包括一虚接地。

56.根据权利要求54所述的编码器，其特征在于：电势均衡电路实质上未与运动元件形成电接触。

57.根据权利要求54-56中任意一条所述的编码器，其特征在于：运动元件包括一根旋转轴，运动元件包括一个结合至所述轴的转子，其中，第一和第二固定元件包括一对定子，从而处理电路能够确定轴的旋转位置的测量值。

58.一种用于检测一个运动物体相对于一个固定物体的电容线性位移编码器，其包括

一个标尺，其被固定至固定物体上；

一个测量头，其被固定至运动物体上以便沿标尺移动，且包括一个静电场发射器，该发射器能够在测量头附近产生一个静电场；

一个形成在标尺上的电学活性图形，该图形导致标尺和测量头之间的电容变化，以便调制响应于测量头相对于标尺的运动的静电场，图形是对称的，从而调制基本上不受测量头相对于标尺的倾斜的影响；及

处理电路，其检测被调制的静电场，从而检测所述的调制并响应于此确定的运动物体位置的测量。

59.根据权利要求58所述的编码器，其特征在于：所述图形包括一个双正弦。

60.根据权利要求58或59所述的编码器，其特征在于：测量头包括一个接收器，其能够接收被调制的静电场，其中图形被图形中的间隙被中断，以便阻止沿图形的干扰进入测量头内，其中相对于标尺纵向轴线成锐角。

61.一种用于检测一个运动物体相对于一个固定物体的电容线性位移编码器，其包括

一个测量头，其被固定至运动物体上以便沿标尺移动，且在其上有电学活性图形，该图形使标尺和测量头之间的电容发生变化，从而调制响应于测量头相对标尺的运动的静电场，图形是对称的，从而调制基本上不受所述测量头相对于标尺的倾斜的影响；及

处理电路，其检测被调制的静电场，从而检测所述调制并响应于此确定运动物体位置的测量。

62.根据权利要求60所述的编码器，其特征在于：所述图形包括双正弦。

63.一种用于检测运动物体相对于固定物体的位置的电容式线性位移编码器，其包括

一个标尺，其被固定至固定物体的弯曲表面上；

一个测量头，其被固定至运动物体上以便沿标尺移动；

一个形成在标尺或测量头上的电学活性图形，该图形使标尺和测量头之间的电容产生变化，从而调制响应于测量头相对标尺的运动的静电场；

处理电路，其检测被调制的静电场，从而检测所述调制，并响应于此确定运动物体沿弯曲表面的位置的测量。

64.根据权利要求63的编码器，其特征在于：固定物体具有大致圆柱形的形状，其中运动物体位置的测量包括相对于固定物体轴线的角度测量。

65.一种用于检测运动物体相对于固定物体的位置的电容线性位移编码器，其包括

一个标尺，其被固定至固定物体上；

一个测量头，其被固定至运动物体上以便沿标尺移动；

一被固定至标尺的发射板，以便在测量头附近产生并接收静电场，所述发射板具有粗略和精细读取结构；

一块在测量头上的电学活性接收板，该板的结构使测量头相对于标尺的运动会产生发射板和接收板之间的电容变化，其能够调制由接收板接收的静电场；及

处理电路，其检测被调制的静电场，以便检测在粗略读取结构中场的调制，从而响应于此确定运动物体位置的粗略测量，并检测在一精细读取结构中的场的调制，从而响应于此确定运动物体位置的精细测量。

66.根据权利要求65所述的编码器，其特征在于：所述粗略测量包括绝对位置测量。

67.根据权利要求65或66所述的编码器，其特征在于：发射板包括多个发射杆，这些发射杆全体被分为至少两个三角区，其中在粗结构中，每一区中的杆均被共同激励。

68.根据权利要求67所述的编码器，其特征在于：接收板包括一个叠加在一大致四边形区域上的导电周期图形，其中当发射板在粗读取结构中工作时，整个四边形区域被保持在一公共电势上。

69.一种用于检测运动物体相对于固定物体的位置的电容线性位移编码器，其包括

至少一个固定元件，其被结合至固定物体上；

一个运动元件，其被结合至运动物体上；

被固定在固定或运动元件上的发射板和接收板，以便在运动元件附近产生并接收静电场，所述板在固定元件上的标定位置处包括至少一块标定板，运动元件在所述的至少一块标定板附近遇上的静电场明显不同于沿固定元件的其它位置的静电场；

一个形成在所述元件中的一个上的电学活性图形，其使标尺和测量头之间的电容发生变化，从而响应于运动元件相对固定元件的运动而调制静电场；及

处理电路，其检测被调制的静电场，当运动元件在标定板附近时，识别所述场的差异，从而响应于此确定运动元件处于标定位置，且其能够检测所述调制响应于此并确定运动物体相对于标定位置的位置的测量。

70.根据权利要求69所述的编码器，其特征在于：固定元件包括一个线性标尺，该标尺在其一端具有标定板，其中运动元件包括一个沿标尺运动的测量头。

71.一种用于检测旋转轴位置的方法，其包括：

检测所述的多个位置发出的场，并产生响应于由于作为轴旋转的函数的电容的变化而产生的所述场的调制的信号；

与被发射的场的频率同步地处理所述信号，从而产生指示转动角度的输出。

72.根据权利要求71所述的方法，其特征在于：信号的处理包括产生与转动角度的正弦和余弦成正比的输出。

73.一种用于检测旋转轴位置的方法，其包括：

以规定频率接收一个交流电输入；

产生响应所述交流输入的周期静电场；

调整一部分交流输入，从而为检测器电路提供直流电压；

在多个位置检测所述场，并产生响应于由于作为轴旋转的函数的电容的变化所产生的所述场的调制的信号；

利用检测器电路处理信号，从而以规定频率产生一个指示旋转角度的交流输出。

74.根据权利要求73所述的方法，其特征在于：信号的处理包括产生与转动角度的正弦和余弦成正比的输出。

75.一种用于检测运动物体相对于固定物体的位置的方法，其包括：

在运动物体附近发射一个静电场；

将平稳变化的粗略和精细周期性电学活性图形与运动物体相联系，图形沿物体运动的方向、分别以较低和较高频率变化，其以相应于低、高空间频率的调制频率，通过使固定和运动元件之间的电容响应于元件的相对运动而变化，来调制静电场；且其基本上没有空间谐波；及

检测被调制的静电场并响应于此确定运动物体位置的粗略和精细测量。

76.根据权利要求75所述的方法，其特征在于；运动物体包括一根旋转轴，其中使图形与运动物体的联系包括在转子上限定一个大致圆形区域，该区域相对于所述轴偏心设置。

77.一种用于检测运动物体相对于固定物体的位置的方法，其包括：

在运动元件附近发射一个静电场；

使粗略和精细周期性电学活性图形与运动物体相联系，所述图形分别以较低和较高频率沿物体运动的方向变化，其以相应于低、高空间频率的调制频率，通过使固定和运动元件之间的电容响应于元件的相对运动而变化，来调制静电场；及

切换所述静电场，从而通过粗略或精细图形交替调制所述静电场；及

检测被调制的场，从而响应于此交替确定运动物体位置的粗略和精细测量。

78.一种用于检测旋转轴的位置的方法，其包括：

使所述轴结合具有一个电学活性区的转子，所述电学活性区相对于所述轴的轴线是非轴对称的且包括一个轴向设置在转子上的图形，该图形以预定的角度位置频率相对于所述轴重复多次；

在所述运动物体附近发射一个静电场；

检测由于所述区域的非对称性而在每一次转动时产生的场的调制，从而响应于此确定运动物体转动角度的粗略和精细测量；

检测由于所述图形产生的场的调制，以便确定转动角度的精细测量。

79.根据权利要求78所述的方法，其特征在于：结合所述转子包括使转子与一个电学活性区域相结合，所述电学活性区域的特征是关于所述轴的转动轴线是非轴对称的。

80.一种用于检测运动物体相对于固定物体的位置的方法，其包括：

使一个具有电学活性区域的运动元件与一个运动物体相结合；

在运动元件的相对侧设置第一和第二固定元件，便由此发射一个静电场；

检测第一固定元件的电势并将一反电势施加在第二固定元件上，从而使运动元件保持在大致恒定的电势；及

检测响应于由于其上的电学活性图形的运动所产生的固定元件间电容变化的静电场的调制，从而响应于此确定运动物体位置的测量。

81.一种用于检测运动物体相对于固定物体的位置的方法，其包括：

将一个测量头固定至运动物体上；

沿弯曲表面固定一个挠性标尺；

在标尺或测量头上设置一个电学活性图形，该图形使标尺和测量头之间的电容产生变化，从而调制响应于测量头相对于标尺的运动的静电场；

在测量头附近产生一静电场；及

检测被调制的静电场，从而检测所述调制，并响应于此确定运动物体沿所述弯曲表面的位置的测量。