專利名稱：電容式位移測量裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于小型測量裝置如電子千分尺、測孔儀、千分表、角度測量儀等的電容式位移測量裝置。
已經(jīng)開發(fā)了各種進行直線或角度測量的各種電容式測量裝置，其中兩個標度部分相互關聯(lián)地放置，這兩個標度部分上分別安排了容性耦合電極，通過檢測電極之間的電容變化確定兩個標度部分的相對位置。這些電容式測量傳感器的精度由標度部分上電極的分割數(shù)決定。因此，為了得到高的分辨率，需要使發(fā)送電極和接收電極中的至少一種電極做得精細。
圖29表示現(xiàn)有的電容式位移測量裝置的示意圖。該裝置包括相互位置可以變動的第一和第二標度部分。在第一標度部分上，排列著以恒定間隔隔開的多個第一發(fā)送電極1，接收電極4沿著該標度部分的縱向放置。在這種情況下，第一發(fā)送電極1的每個單元包括8個電極。從脈沖調制電路6產(chǎn)生8種相位的正弦波信號，這些信號根據(jù)來自振蕩器5的時鐘脈沖被通以脈沖，并且它們的相位相互之間差45°，被送至第一發(fā)送電極1。因此，發(fā)送電極1的每個單元的寬度等于發(fā)送波長間距Wt1。
在第二標度部分上排列著第二接收電極2，其間距Pr2等于發(fā)送波長間距Wt1，第二接收電極2與第一標度部分上的4個發(fā)送電極1容性耦合。在第二標度部分上還排列著第二發(fā)送電極3，它們與第二接收電極2電連接，并與第一標度部分上的第一接收電極4容性耦合。第一接收電極4與測量電路7相連。
在上述裝置中，當?shù)谝缓偷诙硕炔糠窒鄬\動時，接收信號的相位根據(jù)第一發(fā)送電極1和第二接收電極2之間的耦合電容而改變。通過檢測接收信號的相位變化就能夠測量位移。在這種情況下，由于裝置具有8個發(fā)送電極，并且這些電極由相位相互之間差45°的多種相位信號驅動，所以能夠在Pr2/8的精度范圍內確定測量位置。
如果上述電容式測量裝置中的第一和第二標度部分由同軸圓筒形部件構成，那么就能夠得到小型的圓筒形位移傳感器。
圖30A和圖30B表示在這種圓筒形位移傳感器中外圓筒形部件(即定子)和內圓筒形部件(即轉子)的展開的電極圖案的一個例子。如圖所述，在定子的內表面上形成第一發(fā)送電極1的兩個單元A、B，每個單元具有8個電極，以及形成第一接收電極4。在轉子的外表面上形成與第一發(fā)送電極1相對的第二接收電極2以及與第一接收電極4相對的第二發(fā)送電極3。
為了制造這種圓筒形位移傳感器，需要在圓筒形表面上形成電極圖案。為了形成這樣的電極圖案特別是在定子上的電極圖案，例如已經(jīng)提出了幾種方法，這些方法如下(1)在柔性印刷電路(FPC)襯底上形成電極圖案，然后將FPC固定到圓筒形部件的內表面上(參照USP 5,239,307)；(2)通過激光束加工在圓筒形部件的表面上形成電極圖案(參照德國專利No.3,426,750)。
此外，為了進行高精度的測量，必須以很高的同心度來放置定子和轉子。然而，在小型圓筒形傳感器中要想得到很高的同心度是困難的。盡管同心度差仍要實現(xiàn)高精度測量，就必須安排電極的至少兩個單元，如圖30A和30B所示。當電極的兩個單元以角度方向排列時，通過將電極單元的兩個輸出進行平均，可以消除定子和轉子之間定位不準帶來的影響。
然而，在現(xiàn)有技術的圓筒形位移傳感器中仍然存在幾個問題。首先，采用上述方法在圓筒形部件上形成電極圖案是困難的。特別是圓筒形部件越小，形成精確的圖案的過程就越困難。其次，將圓筒形部件內表面上的電極圖案與外部測量電路相連是困難的，并且組裝定子和轉子也是困難的。如果需要解決同心度的問題形成電極的兩個單元，那么傳感器和外部測量電路之間的連線將變得更復雜，并且操作過程也將變得更復雜。由于上述這些問題必須有待于解決，所以圓筒形位移傳感器目前還不實用。
本發(fā)明的一個目的是提供一種電容式測量裝置，它能夠很方便地連線和構造，并且它的電極圖案也能夠很容易地形成。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種電容式測量裝置，它不需要很高的同心度，因此電極圖案可以簡化。
本發(fā)明的第一方面是一種電容式測量裝置，用于測量相隔一個預定的間隙、相互可運動地安裝的第一和第二部件之間的相對位置，該裝置包括放置在第一部件上的發(fā)送電極陣列，相互間相位不同的交變信號送至每個發(fā)送電極；放置在第一部件上的接收電極，與發(fā)送電極陣列隔開；以及放置在第二部件上的耦合電極，與發(fā)送電極陣列中的多個電極和接收電極容性耦合，接收電極用于輸出對應于第一和第二部件之間的相對位置的電信號，該電信號被送至測量電路，其中第一和第二部件中的一個是具有圓筒形外表面的內部件，另一個是具有不完全圓筒形內表面的外部件，該不完全圓筒形內表面與外表面相對，相隔一個預定的間隙，第一和第二部件或以軸向或以角度方向可相對運動，以及發(fā)送電極陣列和接收電極放置在內部件的外表面和外部件的內表面的一個表面上，而耦合電極放置在另一個表面上。
本發(fā)明的第二方面是一種電容式測量裝置，用于測量相隔一個預定的間隙、相互可運動地安裝的第一和第二部件之間的相對位置，該裝置包括放置在第一部件上的發(fā)送電極陣列，相互間相位不同的交變信號送至每個發(fā)送電極；放置在第一部件上的接收電極，與發(fā)送電極陣列隔開；以及放置在第二部件上的耦合電極，與發(fā)送電極陣列中的多個電極和接收電極容性耦合，接收電極用于輸出對應于第一和第二部件之間的相對位置的電信號，該電信號被送至測量電路，其中第一和第二部件中的一個是具有圓筒形外表面的內部件，另一個是具有圓筒形內表面的外部件，該圓筒形內表面與外表面相對，相隔一個預定的間隙，第一和第二部件或以軸向或以角度方向可相對運動，以及發(fā)送電極陣列和耦合電極中的一種放置在內部件的外表面上，另一種放置在外部件的內表面上，發(fā)送電極陣列和耦合電極二者都具有帶有相同螺旋角的螺旋形圖案。
在第一方面中，裝置包括具有圓筒形外表面的內部件和具有圍繞內部件一半的不完全圓柱形內表面的外部件。由于外部件例如是側面部分開啟的不完全的圓筒，所以易于在內表面形成電極圖案，引出導線，和構造部件。例如，如果電極圖案及其引線形成在EPC襯底上，然后固定到外部件的內表面，那么形成電極圖案包括引線的過程將變得很容易。
在第二方面中，通過利用一個完全的圓筒和一個不完全的圓筒的組合，或利用作為定子和轉子的兩個完全的圓筒的組合，以及通過以螺旋形圖案排列的發(fā)送電極和耦合電極，可以得到測量角位移的位移傳感器。在該位移傳感器中，即使轉子和定子之間中心軸未對準，發(fā)送電極和相對的耦合電極之間的間隙在角度方向也得到了平均，做到基本恒定。因此，即使同心度不高，也能夠得到高的測量精度。此外，如果在每個定子和轉子中，排列了圖案相反的兩組電極圖案，那么可以消除定子和轉子之間軸向不對準帶來的影響，并能以高精度測量角位移。


圖1A和圖1B表示根據(jù)本發(fā)明一個實施例的包括旋轉編碼器的電子千分尺的主要部分的平面圖和剖視圖。
圖2A至2D表示旋轉編碼器的示意性的例子。
圖3表示旋轉編碼器的信號處理電路的結構。
圖4A至4C表示根據(jù)另一實施例的旋轉編碼器。
圖5A和圖5B表示根據(jù)另一實施例的旋轉編碼器的電極圖案。
圖6A和圖6B表示根據(jù)另一實施例的旋轉編碼器的電極圖案。
圖7表示旋轉編碼器的信號處理電路的一個例子。
圖8表示圖7中的信號處理電路的信號波形。
圖9A和圖9B表示根據(jù)另一實施例的旋轉編碼器的電極圖案。
圖10A和圖10B表示根據(jù)另一實施例的旋轉編碼器的電極圖案。
圖11表示圖10中的旋轉編碼器的信號處理電路的一個例子。
圖12A和圖12B表示根據(jù)另一實施例的旋轉編碼器的電極圖案。
圖13表示根據(jù)一個實施例的包括旋轉編碼器的小型測量裝置。
圖14表示根據(jù)另一實施例的旋轉編碼器。
圖15表示根據(jù)另一實施例的旋轉編碼器。
圖16A和圖16B表示根據(jù)一個實施例的包括旋轉編碼器的小型測量裝置。
圖17A至圖17C表示根據(jù)另一實施例的線性編碼器。
圖18A和圖18B表示根據(jù)另一實施例的線性編碼器的電極圖案。
圖19A至圖19C表示根據(jù)另一實施例的旋轉編碼器。
圖20A和圖20B表示根據(jù)另一實施例的旋轉編碼器的電極圖案。
圖21A和圖21B表示根據(jù)另一實施例的旋轉編碼器的電極圖案。
圖22A和圖22B表示根據(jù)另一實施例的旋轉編碼器的電極圖案。
圖23表示根據(jù)另一實施例的旋轉編碼器的電極圖案。
圖24A和圖24B表示根據(jù)另一實施例的旋轉編碼器的電極圖案。
圖25A和圖25B表示根據(jù)另一實施例的旋轉編碼器的電極圖案。
圖26A至圖26C表示根據(jù)另一實施例的線性編碼器。
圖27A和圖27B表示在圓筒的外表面上形成電極圖案的方法。
圖28表示在圓筒的內表面上形成電極圖案的方法。
圖29表示構成常規(guī)的編碼器的原理。
圖30A和圖30B表示常規(guī)的圓筒形編碼器的結構。
在根據(jù)實施例的下述旋轉編碼器中，圓筒形內部件作為轉子，圍繞內部件的圓筒形或不完全圓柱形外部件作為定子。在轉子的外表面和定子的內表面上形成電極圖案。然而，根據(jù)應用也能夠交換內外部件的功能，于是內部件作為定子，外部件作為轉子。在每種方式中，與驅動和測量電路相連的發(fā)送電極和接收電極最好形成在定子上。
圖1表示根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的電子千分尺。在該千分尺中，心軸101安裝在套103中，并能通過旋轉鈕102滑動。在套103中，裝有旋轉編碼器10，用于測量心軸101的位移，測量值在顯示器104上顯示。在顯示器104的附近安裝了幾個開關105。
圖1B是有關圖1A中區(qū)域106的放大部分，用來表示旋轉編碼器10的安裝狀態(tài)。旋轉編碼器10包括安裝在心軸101上的轉子12和安裝在套103的內表面上的定子11，以便對著轉子12的外表面。轉子12由與心軸101同軸的圓筒構成，定子11由半個圓筒形環(huán)構成，它具有不完全的內表面，對著轉子12的外表面，相隔一個預定的間隙。裝在轉子12的端部的螺絲108被夾在形成在心軸101外表面上的縱向槽107中，以便沿槽107運動。通過彈簧109施力使轉子12壓向套103的內表面，以避免相對套103沿軸向位移。當心軸101旋轉并沿軸向線性位移時，轉子12與心軸101一起旋轉，但是不沿軸向位移。因此，根據(jù)心軸101的旋轉和線性位移，轉子12相對定子11僅能沿角度方向運動，于是可以測量旋轉位移。
圖2A和圖2B分別表示旋轉編碼器10的安裝狀態(tài)和側視圖。圖2C和圖2D分別表示定子11的內表面和轉子12的展平的外表面。轉子12與定子11同軸安裝，相隔0.1至0.2mm的預定間隙，因此能夠相對運動。
如圖2C所示，放置在定子11的內表面上的是發(fā)送電極陣列13和接收電極14，它們之間相互絕緣。排列發(fā)送電極陣列13，其矩形圖案的長方向沿軸向，在角度方向上相隔預定的間距。在本實施例中，發(fā)送電極陣列13包括N(N是2或大于2的整數(shù))個電極的1個單元。相位相互之間差360°/N的N個交變信號按數(shù)字順序施加到N個發(fā)送電極13上。在本實施例中，N＝8。接收電極14以軸向靠近發(fā)送電極陣列13放置在定子11的內表面上，其矩形圖案的長方向沿角度方向。
發(fā)送電極陣列13和接收電極14實際上與引線15、16一起形成在如虛線所示的FPC襯底17上，并且FPC襯底17被固定到定子11的內表面上。引線15和16從定子11的每邊拉出，并與外部驅動/測量電路相連。
如圖2D所示，在轉子12的外表面，放置了兩個耦合電極18和兩個接地電極19。耦合電極18具有矩形圖案，該圖案的軸向長度復蓋發(fā)送電極陣列13和接收電極14，角度方向的寬度復蓋四個發(fā)送電極13。耦合電極18通過容性耦合從發(fā)送電極陣列13接收發(fā)送的信號，并通過容性耦合向接收電極14發(fā)送接收的信號。這些電極18和19實際上形成在FPC襯底上，并固定到轉子12的外表面上。接地電極19可以省略。
根據(jù)本實施例的旋轉編碼器中的電極結構與圖30A、30B所示的常規(guī)編碼器的結構等同。因此，半周πr(其中r是轉子12的外表面的半徑)等于圖30A、30B所示的發(fā)送波長間距Wt1和接收電極間距Pr2。結果，根據(jù)本實施例，能夠以πr/8或更高的高精度測量角位移。
圖3表示旋轉編碼器10的驅動/測量電路的簡要結構。該電路包括產(chǎn)生時鐘信號的振蕩器21，以及脈沖調制器22，脈沖調制器22向發(fā)送電極陣列13輸出與時鐘信號同步的八種相位的交變信號，相位相互之間差45°。
對應于轉子12和定子11之間的相對旋轉而改變的接收電極14的輸出被送至積分器23，然后積分器23的輸出被送至相位比較器24。比較器24比較輸入信號和基準信號之間的相位差，根據(jù)相移量檢測轉子12和定子11之間的相對位移。比較器2 4的輸出被輸入至計數(shù)器25。計數(shù)器25根據(jù)比較器24的檢測信號對來自振蕩器21的時鐘信號進行計數(shù)，并以數(shù)值在顯示器26上顯示轉子12和定子11之間的相對位移量。
根據(jù)本實施例，由于定子11是由半個圓筒形部件構成的，所以通過采用FPC襯底，很容易在定子11的內表面上形成電極圖案和引線。即使不用FPC襯底，通過例如采用激光束加工技術也容易在定子的內表面上形成電極圖案。另外，由于定子11具有軸向開口，所以激光束可以很容易地通過開口照射到定子11的內表面上。通過焊接、熱壓連接等，也易于將引線與定子11的內表面上的電極圖案相連。
圖4A和4B分別對應于圖2C和2D，表示根據(jù)旋轉編碼器10的另一實施例的展平的電極圖案。如圖4A所示，定子11內表面上的發(fā)送電極陣列13包括相互平行的螺旋形圖案的N(在本實施例中N＝8)個電極。接收電極14以軸向靠近發(fā)送電極陣列13放置，其矩形圖案的長方向沿角度方向。如圖4B所示，轉子12外表面上的耦合電極18具有與發(fā)送電極陣列13相對的接收部分18a和與接收電極14相對發(fā)送部分18b。接收部分18a由螺旋形圖案構成，其螺旋角與發(fā)送電極陣列13相同，發(fā)送部分18b由類似于接收電極14的矩形圖案構成，并與接收部分18a相連。在圖4B中，發(fā)送電極陣列13、接收電極14和耦合電極18之間的重疊狀態(tài)由虛線表示。耦合電極18以與發(fā)送波長Wt1相同的間距Pr放置，其寬度復蓋四個發(fā)送電極13。在圖2的旋轉編碼器中，轉子12轉一圈的相位變化是360°×2＝720°。與之相比，在圖4的旋轉編碼器中，轉子12轉一圈的相位變化是360°。
在本實施例中，與上述實施例一樣，電極圖案和引線可由FPC襯底構成。在這種情況下，如圖4C所示，上面形成引線15、16的FPC襯底17不從邊緣拉出，但通過定子11的側開口拖出。
根據(jù)本實施例，即使轉子12和定子11之間的同心度不夠，安裝精度也不會對測量精度造成很大的影響。因為作為采用螺旋形電極圖案的結果，輸出信號的強度在角度方向是均勻的。此外，由于引線15、16是以垂直于編碼器的軸的方向拉出的，所以減小了轉子12上的耦合電極18和引線15、16之間的相互影響。
圖5A和5B分別對應于圖4A和4B，表示根據(jù)另一實施例的電極圖案。在本實施例中，定子11上的接收電極14以角度方向靠近發(fā)送電極陣列13放置，其矩形圖案的長方向沿軸向。轉子12外表面上的耦合電極18僅由螺旋形圖案構成，與發(fā)送電極陣列13和接收電極14二者容性耦合，其螺旋角與發(fā)送電極陣列13相同。另外，與發(fā)送電極陣列13容性耦合的耦合電極18的接收部分和與接收電極14容性耦合的耦合電極18的發(fā)送部分不再分開，并且這些部分由連續(xù)的螺旋形圖案構成。
根據(jù)本實施例，每個發(fā)送電極陣列13和耦合電極18之間的間隙變化，以及耦合電極18和接收電極14之間的間隙變化被平均而得以減小。
圖6A和6B分別對應于圖4A和4B，表示根據(jù)另一實施例的放大的電極圖案。在本實施例中，耦合電極18被分成多個間隔均勻的電極，其間距通過發(fā)送波長Wt1被整數(shù)n(＝2或大于2)除得到。詳細地說，上述實施例中的耦合電極18被分成5個電極，然后這些螺旋形圖案的電極以2πr/10的間距放置。雖然八個發(fā)送電極陣列13具有與圖4A中相同的圖案，但是交變信號的相位與圖4A的不同。另外，如圖6A所示，順序相移135°的八種相位的交變信號被送至發(fā)送電極13。
根據(jù)本實施例當轉子12轉1/10(即36°)圈時，輸出信號的相位變化恰恰是360°。換句話說，轉子12轉一圈，輸出信號變化10個周期。上述測量方法的原理和詳細的測量電路已經(jīng)在USP 4,878,013的說明書中進行了詳盡的描述。
圖7表示測量電路，圖8表示信號波形和信號與作為時間的橫軸之間的關系。在圖7中，框100是旋轉編碼器。具有不同相位的多個交變信號被送至發(fā)送電極。振蕩器400產(chǎn)生頻率可在100至200kHz之間選擇的交變信號，用作信號產(chǎn)生源。振蕩器400的輸出f0被分頻器600分頻，然后在相位變換器340中變成八個交變信號，它們的每個相位移135°。然后，交變信號在調制器620中被輸出f0調制成八個信號200-1、200-2、……、200-8，它們被送至發(fā)送電極。
旋轉編碼器100由來自調制器620的輸出信號202驅動，并從接收電極輸出位移信號。該位移信號由差動放大器640放大，作為信號204輸出。輸出信號204的包絡線是正弦波形，如圖8所示。然后輸出信號204在解調器660中被解調，解調器660由振蕩器400的輸出f0同步。將被解調的信號206的相位與轉子處于基準點時產(chǎn)生的基準信號300進行比較，得到相位差。相位差由轉子和定子之間的相對位置確定。
包括諧波分量的被解調的信號206經(jīng)過濾波器680，成為失真較小的信號208。信號208被輸入進零交點電路700，檢測波形的零交點位置。在這一電路中，計數(shù)器720用作數(shù)字計算裝置，以便得到上述相位差。
計數(shù)器720的復位/開始信號與解調器660和控制單元800的觸發(fā)信號同步?；鶞市盘柕牧憬稽c信號用作計數(shù)器720的開始觸發(fā)。計數(shù)時序由振蕩器400的輸出f0控制。計數(shù)操作由零交點電路700的輸出停止。另外，在對應于相位差的位置零交點電路700產(chǎn)生停止信號，如圖8所示。
計數(shù)器720中的計數(shù)值210表示基準信號300與旋轉編碼器100的相移量。對應于相位差的計數(shù)值210在運算電路740中進行處理，變成位置信號。經(jīng)轉變的位置信號經(jīng)驅動器760送至顯示器780。顯示器780以數(shù)字方式顯示測量值。
圖9A和9B表示根據(jù)另一實施例的旋轉編碼器的電極圖案，該實施例在軸向具有圖4A和4B中所示的A、B組電極圖案。定子11的內表面上的接收電極14共同用于A和B組。A和B組中的發(fā)送電極陣列13具有相反的螺旋形圖案。A和B組中的每個相應的發(fā)送電極13由相同的相位信號共同驅動。
對應于定子11中的電極圖案，A和B組耦合電極18以軸向放置在轉子12的外表面上，螺旋形圖案相反。
按照本實施例，根據(jù)轉子12的旋轉，A和B部分的相位按相同方向變化。相反，根據(jù)轉子12軸向的線性運動，A和B部分的相位按相反方向變化。因此，在輸出信號中可以自動去除A和B組中的不需要的相移。結果，可以減小軸向變化的影響。
在圖9A、9B的實施例中，A和B部分中的信號強度之間的差越小，消除軸向變化影響的效果就越大。圖10A和圖10B表示根據(jù)另一個實施例的電極圖案，分別對應于圖9A和圖9B。在本實施例中，與圖9A和9B不同，耦合電極18在A和B部分由分隔區(qū)C相互分開，如圖10B所示。根據(jù)耦合電極18的分開狀態(tài)，定子11上的A、B部分中的接收電極14相互分開。單獨取出A、B部分中的接收電極14的輸出以便進行處理。
圖11表示用于圖10A、10B中的實施例的測量電路。與圖3不同，來自旋轉編碼器10的A、B部分的兩個輸出分別被兩個積分器23a、23b積分。積分器23a、23b的兩個輸出分別在兩個相位比較器24a、24b中進行處理。計數(shù)器25根據(jù)相位比較器24a、24b的檢測信號對來自振蕩器21的時鐘進行計數(shù)，以便輸出位置數(shù)據(jù)。在計數(shù)器25中，來自每個A、B部分的輸出A0、B0被平均，根據(jù)下式輸出最終的信號(A0＋B0)/2。
根據(jù)本實施例，可以更有效地減小軸向變化的影響。
圖12A和12B表示根據(jù)另一個實施例的電極圖案，該實施例是基于圖6A和6B的結構發(fā)展起來的。如圖12A和12B所示，A和B組電極圖案分別安排在定子11和轉子12上。定子11上的發(fā)送電極13和接收電極14與圖5A的類似。在本實施例中，A、B組中的接收電極14與圖9A和9B的實施例類似，共同連接到外部測量電路。
圖13表示采用了上述實施例的小型測量裝置。定子11和電路模件32由一體的注模塑料制品構成。因此，定子11不是一個單獨的半個圓筒形部件，而是具有與轉子12相對的半個圓筒形內表面。在模件32上，安裝了LSI33、LCD34、開關35、36和其它必要的部分。定子11具有形成在內表面上的與上述實施例類似的電極圖案和引線，并且引線與LSI 33相連?？梢酝ㄟ^固定FPC襯底或通過對直接淀積在塑料制品的內表面上的金屬膜進行加工來形成電極圖案。利用定位襯套31將轉子12安裝在被測機器(未示出)的心軸上，然后將模件32與襯套31連接。最后，安裝蓋板37和電池38。
如上所述，小型位移測量裝置可以方便地安裝在被測機器上。
在本發(fā)明中，不完全圓柱形部件不必正好是半個圓筒形部件。例如，如圖14所示，不完全的圓筒形定子11可以比完全圓筒形部件的正好一半小。如圖15所示，不完全的圓筒形定子11也可以比完全圓筒形部件的正好一半大。在圖15的裝置中，圓筒形轉子12不能通過側面開口插入定子11，但是可以通過邊緣開口插入定子11。在這種情況下，與采用完全的圓筒形部件的情況相比，更容易形成電極圖案和拉出引線。
圖16A和16B表示另一個實施例，其中定子形成在一個平板上。如圖16A所示，定子部分41形成在平板40上。如圖16B所示，通過濺射和蝕刻工藝，定子部分41具有與圖4A相同的發(fā)送電極陣列13和接收電極14。與上述過程同時，在平板40上還形成從定子部分41引出的引線16、17。
LSI43和LCD44安裝在平板40上。連接在LSI43和LCD44之間的電線未示出，但形成在平板40上。如圖16A所示，轉子12與定子部分41相對。在轉子12上，與圖4B類似地形成耦合電極。
根據(jù)本實施例，不需要將FPC襯底用于定子部分41?？梢圆捎贸Ｒ?guī)的技術，如濺射、蒸氣淀積、蝕刻等形成定子部分41。結果可以降低制造成本。裝置的組裝簡單。
圖17A至17C表示用于線性編碼器的另一個實施例。圖17A是線性編碼器50的立體圖。線性編碼器50具有類似于上述旋轉編碼器的半個圓筒形標度部分51和圓筒形標度部分52。圖17B和17C分別是展平的標度部分52和51上的電極圖案。標度部分52比標度部分51長。阻止標度部分52相對于標度部分51作角度方向運動，而只能作軸向運動，如箭頭所示。
如圖17C所示，形成在半個圓筒形標度部分51的內表面上的是八個發(fā)送電極13和一個接收電極14。發(fā)送電極13具有螺旋形圖案。雖然在圖17C中表示的是對應于發(fā)送波長間距Wt1的僅一個單元的發(fā)送電極13，但是可以安排多個單元的發(fā)送電極。接收電極14靠近發(fā)送電極13放置，其矩形圖案的長方向沿軸向。
如圖17B所示，在標度部分52的外表面沿軸向形成了耦合電極18的多個接收部分18a，其螺旋形圖案的螺旋角與發(fā)送電極13相同，間距是Pr2(＝Wt1)。每個接收部分18a與四個發(fā)送電極13容性耦合。耦合電極18的發(fā)送部分18b與接收電極14容性耦合，以軸向加長的圖案形成。耦合電極18可以由圍繞標度部分52的連續(xù)的螺旋形圖案構成。
該線性編碼器與常規(guī)的編碼器具有不同的結構，但是結構的原理與圖29的相同。因此，它可以測量標度部分52相對于標度部分51沿軸向的相對運動的線性位移。
圖18A和18B表示另一個實施例，該實施例具有在角度方向的類似于圖17B和17C所示的兩組電極圖案。根據(jù)這一實施例，可以減小標度部分51和52之間的軸不對準產(chǎn)生的影響。
至此已經(jīng)描述了將圓筒形部件和半個圓筒形部件組合起來的幾個實施例。下面將描述具有兩個完全的圓筒形部件的旋轉編碼器。
圖19A表示根據(jù)一個實施例的旋轉編碼器60。編碼器60包括轉子62和圍繞轉子62的定子61。轉子62與定子61同軸組裝，相隔一個預定的間隙，因此相對于定子61只能沿角度方向運動。圖19B和19C分別表示展平的轉子62的外表面和展平的定子61的內表面。
如圖19C所示，與圖4A相類似，在定子61的圓筒形內表面上形成發(fā)送電極陣列13和接收電極14。發(fā)送電極陣列13具有一組八個電極，這些電極由從定子61一端算起以預定間隔并帶有預定螺旋角的螺旋形圖案構成。在定子61的另一端，形成接收電極14，其矩形圖案的長方向沿角度方向。發(fā)送電極13和接收電極14二者都繞在定子61的內表面上。
如圖19B所示，與發(fā)送電極13和接收電極14容性耦合的耦合電極18形成在轉子62的外表面上。耦合電極18具有與發(fā)送電極13容性耦合的接收部分18a和與接收電極14容性耦合的發(fā)送部分18b。接收部分18a具有螺旋角與發(fā)送電極13相同的螺旋形圖案，并復蓋四個發(fā)送電極13。矩形圖案的發(fā)送部分18b繞在外表面。
雖然在耦合電極18之間的空間形成了接地電極19，但是接地電極19可以省略。
發(fā)送電極13和接收電極14通過預定的引線(未示出)引出，以便與驅動/測量電路相連。與圖4A相類似，相位相互之間差45°的交變信號被按數(shù)字順序送至發(fā)送電極13。
在本實施例中，轉子62的外表面的一圈2πr等于圖29所示的發(fā)送波長間距Wt1和接收電極間距Pr2。結果根據(jù)本實施例，能夠以πr/8或更高的高精度測量角位移。
根據(jù)本實施例，定子61和轉子62之間的軸不對準不會產(chǎn)生影響。這是因為圍繞表面形成了一個單元的螺旋形電極，輸出信號的平均強度是沿角度方向平均的。
圖20A和20B表示定子61的另一電極圖案。在圖20A中，耦合電極18的發(fā)送部分18b是由螺旋形圖案構成的，該圖案是從類似于圖5B的螺旋形接收部分18a延長得到的。在圖20B中，發(fā)送部分18b與圖19B的圖案相同，并延續(xù)到接收部分18a，在發(fā)送部分18b和接收部分18a之間沒有特別的空間。
根據(jù)圖20A中的電極圖案，與圖19B比較，可能是引起傳感器縫隙的原因的定子61相對于轉子62的軸向不對準是允許的。這是因為與圖19B中接收部分18a在寬度1(＜10)以內形成不同，圖20A中的耦合電極18在軸向寬度10以內整個作為接收部分。此外，由于電極圖案簡單，所以電極圖案的制造過程變得簡單。然而，實際上對著接收電極14的發(fā)送部分18b的區(qū)域大約是圖19B的一半。
根據(jù)圖20B的電極圖案，不僅定子61相對于轉子62的軸向不對準是允許的，而且對著接收電極14的發(fā)送部分18b的區(qū)域保證足夠大。
圖21A和21B是分別對應于圖19A和19B的另一電極圖案。在這一實施例中，轉子62的長度12小于定子61的長度11。轉子62上的電極圖案與圖20A的相同，定子61上的電極圖案與圖19C的相同。
作為應用上述關系的結果，從定子61引出引線變得容易。此外，允許定子61和轉子62的軸向不對準。
圖22A和22B表示對應于圖19A和19B的一個改進的實施例的另一電極圖案。在這一實施例中，耦合電極18分成5(一般是大于2的整數(shù))個均勻隔開的電極，其間距通過用5去除發(fā)送波長Wt1得到。于是這些電極帶有螺旋形圖案以2πr/10的間距放置。雖然八個發(fā)送電極13與圖19C的圖案相同，但是交變信號的相位與圖19C不同。另外，順序移相135°的八種相位的交變信號被送至發(fā)送電極13，如圖22B所示。
根據(jù)這一實施例，當轉子62旋轉1/5圈(即72°)時，輸出信號的相位變化正好是360°。換句話說，當轉子62旋轉一圈時，輸出信號變化5個周期。上述實施例的測量方法的原理和詳細的測量電路與圖6A和6B的實施例相同。
在圖22A中，耦合電極18僅由包括接收部分和發(fā)送部分的螺旋形圖案構成。與此不同，也能夠采用圖23所示的電極圖案，例如接收部分18a由螺旋形圖案構成，而發(fā)送部分18b由矩形圖案構成，其長方向沿角度方向。結果，耦合電極18可以在定子61上以大面積對著接收電極14。
圖24A和24B表示根據(jù)另一個實施例的旋轉編碼器的電極圖案，該實施例在軸向具有圖21A和21B所示的A、B組電極圖案。在定子61上形成具有相反圖案的兩組發(fā)送電極陣列13和接收電極14。A和B組之間具有空間2a，因此相對于基準點ZP可以允許軸向不對準。A和B組中的每個相應的發(fā)送電極13由相同相位的信號共同驅動。A、B組中的接收電極14共同與測量電路相連。
對應于定子61中的電極圖案，具有相反螺旋形圖案的耦合電極18的A組和B組沿軸向放置在轉子62的外表面上。
按照本實施例，根據(jù)轉子62的旋轉，A和B部分的相位按相同方向變化。相反，根據(jù)轉子62軸向的線性運動，A和B部分的相位按相反方向變化。然而，如果線性運動限制在2a內，則在輸出信號中消除了A和B部分的上述相位變化。結果，可以減小軸向變化的影響。
在上述實施例中，A、B部分之間的空間2a可以不在定子61上，而在轉子62上的耦合電極18的兩組之間。
圖25A和25B分別表示對應于圖24A和24B的另一個實施例的電極圖案，其中更可以允許A和B部分之間的信號強度的變化。在這一實施例中，與圖24A和24B不同，耦合電極18在A和B部分由分隔區(qū)C相互分開，如圖25A所示。根據(jù)耦合電極18的分開狀態(tài)，定子61上的A、B部分中的接收電極14相互分開。單獨取出A、B部分中的接收電極14的輸出以便進行處理。
用于這一實施例中的測量電路與圖11的相同。作為在該測量電路中進行平均處理的結果，可以更有效地減小軸向變化的影響。
圖26A至26C表示根據(jù)另一個實施例的帶有兩個圓筒形部件的線性編碼器。圖26A是線性編碼器的立體圖。該編碼器具有同軸的第一圓筒形標度部分71和第二圓筒形標度部分72。第二標度部分72比第一標度部分71長，并通過預定的機構(未示出)固定，從而相對于第一標度部分71只能作軸向位移，如箭頭所示。
圖26B和26C分別是展平的第二標度部分72和第一標度部分71上的電極圖案。
如圖26C所示，第一標度部分71具有形成在圓筒形內表面上的八個發(fā)送電極13和一個接收電極14。發(fā)送電極13具有螺旋形圖案，位于間隔區(qū)g外側。雖然在圖26C中表示的是對應于發(fā)送波長間距Wt1的僅一個單元的八個發(fā)送電極13，但是可以安排多個單元的發(fā)送電極。接收電極14在間隔區(qū)g中形成，其矩形圖案的長方向沿軸向。
如圖26B所示，在第二標度部分72的螺旋形外表面沿軸向形成了多個耦合電極18，其螺旋形圖案的螺旋角與發(fā)送電極13相同，間距是Pr2(＝Wt1)。每個耦合電極18具有與四個發(fā)送電極13容性耦合的接收部分18a和與接收電極14容性耦合的發(fā)送部分186。
該線性編碼器具有與常規(guī)的編碼器不同的結構，但是結構的原理與圖29的相同。因此，它可以測量標度部分72相對于標度部分71沿軸向的相對運動的線性位移。
在上述實施例中，圓筒形或半個圓筒形部件的內表面和外表面上的電極圖案由FPC襯底構成。在這種情況下，可選擇絕緣體或金屬材料作為圓筒形或半個圓筒形部件。
圖27A和27B表示形成圓筒形部件80的外表面上的螺旋形電極圖案的另一種方法。如圖27B中放大的截面所示，圓筒形部件80由注模塑料體81構成，在它的外表面涂了導電膜82，如Au、Ni等。導電膜82例如是10μm厚。如圖27A所示的加工裝置具有螺套部件85、能夠以一個預定間距進給的進給螺桿83、和切刀84。圓筒形部件80固定在進給螺桿83一個端部，然后將切刀施加在圓筒形部件80的外表面上。然后進給螺桿83進給圓筒形部件80。于是，在圓筒形部件80的外表面上形成例如深0.3μm的螺旋槽。結果，在外表面上形成導電膜82的螺旋形電極圖案。
通過利用上述方法，可以很容易地形成圖5B、圖6B等中所示的轉子上的螺旋形電極圖案。通過控制加工時的旋轉方向，可以形成圖9B或圖12B中所示的兩組螺旋形電極圖案。即使除了螺旋形圖案外電極還有其它圖案，例如如圖4B所示的圖案，也可以通過旋轉控制和進給控制的組合來形成。
圖28表示在圓筒形部件90的內表面形成螺旋形電極圖案的一種方法。圓筒形部件90由注模塑料體91構成，在它的內表面涂了導電膜92。準備一個在邊緣具有八個切刀94的切削工具93。通過與圖27A相同的方法進給圓筒形部件90，于是切削工具93伸進圓筒形部件90。這樣通過八個切刀94將導電膜92切成螺旋形圖案。利用該方法，可以形成圖19C中所示的圓筒形定子61的螺旋形發(fā)送電極13。對于例如圖4A中所示的半個圓筒形定子，也可以用類似的方法形成螺旋形發(fā)送電極13。
在上述實施例中，內軸是每個都具有圓筒形空腔的圓筒形部件。然而，其它的沒有空腔的圓柱形部件也可用作內軸。至于外環(huán)部件，不僅可以用輥軋成的薄板，而且也可以用包括其中形成圓筒形空腔的圓筒形和矩形塊的材料。另外，至于外環(huán)部件，可以用具有能夠對著內部件的圓筒形或不完全圓筒形內表面的可選材料。
權利要求
1.一種電容式測量裝置，用于測量相隔一個預定的間隙、相互可運動地安裝的第一和第二部件之間的相對位置，該裝置包括放置在所述第一部件上的發(fā)送電極陣列，相互間相位不同的交變信號送至每個發(fā)送電極；放置在所述第一部件上的接收電極，與所述發(fā)送電極陣列隔開；以及放置在所述第二部件上的耦合電極，與所述發(fā)送電極陣列中的多個電極和所述接收電極容性耦合，所述接收電極用于輸出對應于所述第一和第二部件之間的相對位置的電信號，該電信號被送至測量電路，其中所述第一和第二部件中的一個是具有圓筒形外表面的內部件，另一個是具有不完全圓筒形內表面的外部件，該不完全圓筒形內表面與所述外表面相對，相隔一個預定的間隙，所述第一和第二部件或以軸向或以角度方向可相對運動，以及所述發(fā)送電極陣列和所述接收電極放置在所述內部件的所述外表面和所述外部件的所述內表面的一個表面上，而所述耦合電極放置在另一個表面上。
2.根據(jù)權利要求1的電容式測量裝置，其中所述內部件僅在角度方向能夠相對所述外部件進行相對運動，所述發(fā)送電極陣列包括在所述外部件的所述內表面上的沿角度方向按預定間距排列的多個電極，每個電極是矩形圖案，其長方向沿軸向，所述接收電極在所述外部件的所述內表面上以軸向靠近所述發(fā)送電極陣列放置，其矩形圖案的長方向沿角度方向，以及所述耦合電極具有矩形圖案，放置在所述內部件的所述外表面上，矩形圖案的沿軸向的長復蓋所述發(fā)送電極陣列和所述接收電極，而矩形圖案的沿角度方向的寬復蓋所述發(fā)送電極陣列中的多個電極。
3.一種電容式測量裝置，用于測量相隔一個預定的間隙、相互可運動地安裝的第一和第二部件之間的相對位置，該裝置包括放置在所述第一部件上的發(fā)送電極陣列，相互間相位不同的交變信號送至每個發(fā)送電極；放置在所述第一部件上的接收電極，與所述發(fā)送電極陣列隔開；以及放置在所述第二部件上的耦合電極，與所述發(fā)送電極陣列中的多個電極和所述接收電極容性耦合，所述接收電極用于輸出對應于所述第一和第二部件之間的相對位置的電信號，該電信號被送至測量電路，其中所述第一和第二部件中的一個是具有圓筒形外表面的內部件，另一個是具有圓筒形內表面的外部件，該圓筒形內表面與所述外表面相對，相隔一個預定的間隙，所述第一和第二部件或以軸向或以角度方向可相對運動，所述發(fā)送電極陣列和所述接收電極放置在所述內部件的所述外表面和所述外部件的所述內表面的一個表面上，而所述耦合電極放置在另一個表面上，以及所述發(fā)送電極陣列和所述耦合電極二者都具有帶有相同螺旋角的螺旋形圖案。
4.根據(jù)權利要求3的電容式位移測量裝置，其中所述外部件具有不完全的圓筒形內表面。
5.根據(jù)權利要求3的電容式位移測量裝置，其中所述內部件僅在角度方向能夠相對所述外部件進行相對運動，所述發(fā)送電極陣列包括在所述外部件的所述內表面上相互平行放置的多個電極，具有螺旋形圖案，所述接收電極在所述外部件的所述內表面上以軸向靠近所述發(fā)送電極陣列放置，其矩形圖案的長方向沿角度方向，以及所述耦合電極包括放置在所述內部件的所述外表面上的與所述發(fā)送電極陣列容性耦合的接收部分，具有螺旋形圖案，其螺旋角與發(fā)送電極陣列的相同，還包括放置在所述內部件的所述外表面上的與所述接收電極容性耦合的發(fā)送部分。
6.根據(jù)權利要求5的電容式測量裝置，其中所述耦合電極的所述發(fā)送部分具有矩形圖案，其長方向沿角度方向，并且對著所述接收電極，而且與所述接收部分電連接。
7.根據(jù)權利要求5的電容式測量裝置，其中所述耦合電極由與所述發(fā)送電極陣列和所述接收電極都相對的螺旋形圖案構成。
8.根據(jù)權利要求3的電容式位移測量裝置，其中所述發(fā)送電極陣列包括在所述外部件的所述內表面上相互平行放置的多個電極，具有螺旋形圖案，所述接收電極在所述外部件的所述內表面上以角度方向靠近所述發(fā)送電極陣列放置，其矩形圖案的長方向沿軸向，以及所述耦合電極包括放置在所述內部件的所述外表面上的與所述發(fā)送電極陣列容性耦合的接收部分，具有螺旋形圖案，其螺旋角與發(fā)送電極陣列的相同，還包括放置在所述內部件的所述外表面上的與所述接收電極容性耦合的發(fā)送部分。
9.根據(jù)權利要求3的電容式測量裝置，進一步包括在所述外部件的所述內表面上沿軸向靠近所述發(fā)送電極陣列放置的另一發(fā)送電極陣列，這兩組發(fā)送電極陣列具有相反的圖案，以及在所述內部件的所述外表面上沿軸向靠近所述耦合電極放置的另一耦合電極，這兩組耦合電極具有相反的圖案，并且分別對著所述兩組發(fā)送電極陣列。
10.根據(jù)權利要求3的電容式測量裝置，其中所述發(fā)送電極陣列包括在所述外部件的所述內表面上排列的N個電極，其中N是大于2的整數(shù)，N個不同的交變信號施加到N個電極的每一個上，所述N個不同的交變信號的相互相位差360/N度。
11.根據(jù)權利要求3的電容式測量裝置，其中所述耦合電極被分成均勻間隔的多個電極，其間距通過用大于2的一個整數(shù)去除發(fā)送波長間距得到。
全文摘要
旋轉編碼器10由半個圓筒形定子11和圓筒形轉子12構成。轉子12與定子11同軸放置，相隔一個預定的間隙。螺旋形圖案的多個發(fā)送電極13和矩形圖案的接收電極14形成在定子12的內表面上。發(fā)送電極13和接收電極14由帶有引線15、16的FPC襯底17構成。在轉子12的外表面上形成螺旋形圖案的耦合電極18，以便與發(fā)送電極13和接收電極14容性耦合。
文檔編號G01B3/20GK1141426SQ9512142
公開日1997年1月29日 申請日期1995年12月7日 優(yōu)先權日1994年12月7日
發(fā)明者佐佐木康二 申請人:三豐株式會社