本實用新型涉及位置測量的領(lǐng)域，尤其涉及旋轉(zhuǎn)角測量裝置或線性位置測量裝置。

背景技術(shù)：

旋轉(zhuǎn)角測量裝置，又稱旋轉(zhuǎn)編碼器，是一種用以測量角度和旋轉(zhuǎn)速度的裝置，目前廣泛用于許多領(lǐng)域，例如，可用以測量電機(jī)速度或用于角度控制系統(tǒng)等。根據(jù)實施檢測所依據(jù)的原則，旋轉(zhuǎn)編碼器可分為光學(xué)編碼器、磁性編碼器、電容式編碼器等。電容式旋轉(zhuǎn)編碼器比光學(xué)編碼器更耐用，并且比磁性編碼器更精確。與磁性編碼器相對比，電容式編碼器對環(huán)境磁場也不敏感。

線性位置測量裝置，又稱線性編碼器，是一種用以測量線性移動部分的位置的裝置。該編碼器可為增量的或絕對的。運(yùn)動可由位置隨時間的變化而確定。線性編碼器技術(shù)包括光學(xué)的、磁性的、電感的或電容的。線性編碼器被用于計量儀器、運(yùn)動系統(tǒng)和高精度加工工具中。

現(xiàn)有技術(shù)中的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器包括移動板(又稱轉(zhuǎn)子)和固定板(又稱定子)。移動板可繞軸(例如，旋轉(zhuǎn)部件(如電機(jī))的旋轉(zhuǎn)軸)旋轉(zhuǎn)，從而生成相對固定板的旋轉(zhuǎn)角。移動板包括電活性圖案，尤其是導(dǎo)電或介電材料，而固定板包括發(fā)射區(qū)和接收區(qū)；電場可在固定板上的發(fā)射區(qū)和接收區(qū)之間形成，并且如此形成的電場可由移動板上的電活性圖案在移動板旋轉(zhuǎn)時調(diào)節(jié)。因而，基于固定板上接收區(qū)域的輸出，可確定移動板的旋轉(zhuǎn)角。移動板上的電活性圖案具有周期形狀，例如，諸如重復(fù)的正弦、余弦或三角波的形狀。隨著移動板旋轉(zhuǎn)，在固定板的發(fā)射區(qū)和接收區(qū)之間形成的電場由在固定板上由具有周期形狀的電活性圖案來調(diào)節(jié)，并且相應(yīng)地，生成周期變化，電活性圖案的每個重復(fù)形狀代表電場的一個周期。通過確定移動板在電場的一個周期經(jīng)其旋轉(zhuǎn)的角度，可確定移動板的增量旋轉(zhuǎn)角(即，相對于每個周期開始點的移動板的旋轉(zhuǎn)角)。再者，通過確定移動板的初始位置，可確定移動板的絕對旋轉(zhuǎn)角(即，相對于零點的移動板的實際旋轉(zhuǎn)角)。

在不同的應(yīng)用領(lǐng)域中，確定在一圈中移動板的絕對旋轉(zhuǎn)角有時是必要的，并且能夠確定移動板的多圈旋轉(zhuǎn)角有時是必要的。

通常，旋轉(zhuǎn)角測量裝置的移動板固定于軸，例如，電機(jī)軸，而旋轉(zhuǎn)角測量裝置的其余部分固定于殼體，例如，電機(jī)殼體。因此，軸的軸向位置的變化導(dǎo)致移動板相對于固定板的軸向位置的變化。這個效果可導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)電容式編碼器的靈敏度下降。

使用旋轉(zhuǎn)編碼器的實例在上文中描述的功能性原則和問題也可通過類比延伸至線性編碼器。如果由于任何原因，線性編碼器的移動板和固定板之間的距離改變，則線性編碼器的靈敏度會下降。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于上文，本實用新型的目的是提供一種位置測量裝置，該位置測量裝置能夠確定相對于固定板移動的移動板的線性位置或旋轉(zhuǎn)角度，具有簡單緊湊的結(jié)構(gòu)，以及良好的測量精度和耐用性。

隨后使用旋轉(zhuǎn)編碼器的實例描述該實用新型，但可通過類比延伸至線性編碼器。

根據(jù)本實用新型的旋轉(zhuǎn)角測量裝置包括：

移動板，能夠繞軸旋轉(zhuǎn)，并且包括電活性圖案；

第一固定板，相對移動板而布置，并且包括：

第一發(fā)射區(qū)域；

第一接收區(qū)域，能夠與第一發(fā)射區(qū)域形成第一電場，第一電場由電活性圖案調(diào)節(jié)，因而隨移動板旋轉(zhuǎn)而周期性改變；

信號處理電路，

其中裝置還包括：

第二固定板，如第一固定板與移動板相對而布置于相反側(cè)上，并且包括：

第二發(fā)射區(qū)域；

第二接收區(qū)域，能夠與第二發(fā)射區(qū)域形成第二電場，第二電場由電活性圖案調(diào)節(jié)，因而隨移動板旋轉(zhuǎn)而周期性改變；

并且其中，信號處理電路在第一接收區(qū)域和第二接收區(qū)域的輸出的基礎(chǔ)上，確定移動板的旋轉(zhuǎn)角度。

上文的技術(shù)方案的優(yōu)勢為基于第一接收區(qū)域的輸出信號和第二接收區(qū)域的輸出信號確定輸出信號，并且，由于移動板軸向位置的變化的測量錯誤可由兩個輸出信號所補(bǔ)償。

在本實用新型的實施方式中，移動板包括第一電活性圖案，布置于移動板的一側(cè)，和第二電活性圖案，布置于移動板的相反側(cè)，其中第一電場由第一電活性圖案調(diào)節(jié)，第二電場由第二電活性圖案調(diào)節(jié)。因而編碼器包括兩個獨立的感測單元。

在本實用新型的實施方式中，第一電活性圖案的形狀與第二電活性圖案相同。

在本實用新型的實施方式中，第一電活性圖案和第二電活性圖案形狀不同。

在本實用新型的實施方式中，第一發(fā)射區(qū)域與第二發(fā)射區(qū)域形狀相同。

在本實用新型的實施方式中，第一發(fā)射區(qū)域和第二發(fā)射區(qū)域形狀不同。

在本實用新型的實施方式中，第一接收區(qū)域與第二接收區(qū)域形狀相同。

在本實用新型的實施方式中，第一接收區(qū)域與第二接收區(qū)域形狀不同。

在本實用新型的實施方式中，第一接收區(qū)域與第二接收區(qū)域電氣連接。因而僅僅一個傳感器信號必須得到評估。

在本實用新型的實施方式中，第一接收區(qū)域和第二接收區(qū)域沒有電氣連接。因而提供兩個完全獨立的傳感器信號。

在本實用新型的實施方式中，移動板和第一固定板之間的距離與移動板和第二固定板之間的距離相同。因而在理想情況下，提供兩個一致的傳感器信號，以及在非理想情況下，移動板的軸向位置的變化可容易補(bǔ)償。

在本實用新型的實施方式中，信號處理電路在第一和第二電場以及旋轉(zhuǎn)角度或線性位置的基礎(chǔ)上，確定移動板的絕對旋轉(zhuǎn)角度或絕對線性位置。尤其，信號處理電路可在第一接收區(qū)域和第二接收區(qū)域的輸出的基礎(chǔ)上，確定移動板的增量旋轉(zhuǎn)角或線性位置，以及在第一和第二電場的周期以及增量旋轉(zhuǎn)角的基礎(chǔ)上，確定移動板的絕對旋轉(zhuǎn)角。

在本實用新型的實施方式中，編碼器還包括磁體(布置在移動板上)，以及磁性傳感器(布置在第一固定板上，并且當(dāng)移動板旋轉(zhuǎn)時，在磁體的作用下產(chǎn)生角度信號)，并且在由磁性傳感器生成的角度信號的基礎(chǔ)上，確定靜電場的周期。因此，利用這個傳感器，也可確定出絕對旋轉(zhuǎn)角。

附圖說明

結(jié)合所附圖示，通過根據(jù)本實用新型的具體實施方式，下文詳細(xì)解釋本實用新型的目標(biāo)、特征和效果。這些解釋僅僅通過實例的方式給出，而非旨在限制本實用新型的保護(hù)范圍。

圖1表示現(xiàn)有技術(shù)的旋轉(zhuǎn)角測量裝置；

圖2表示本實用新型實施方式中的旋轉(zhuǎn)角測量裝置；

圖3表示靈敏度相對于軸向位移的關(guān)系。

具體實施方式

圖1表示現(xiàn)有技術(shù)的旋轉(zhuǎn)編碼器的基本部件。該旋轉(zhuǎn)編碼器包括移動板1，能夠繞軸2旋轉(zhuǎn)，并且包括電活性圖案3。固定板4相對移動板1布置，并且包括發(fā)射區(qū)域5以及接收區(qū)域6(能夠與發(fā)射區(qū)域5形成電場)。電場由電活性圖案3調(diào)節(jié)，因而隨移動板1旋轉(zhuǎn)而周期性改變。信號處理電路7在接收板6的輸出的基礎(chǔ)上，確定移動板1的增量旋轉(zhuǎn)角，并且在電場的周期和增量旋轉(zhuǎn)角的基礎(chǔ)上，確定移動板1的絕對旋轉(zhuǎn)角。

線性位置編碼器(未示出)在原理上具有相同的構(gòu)造，不同在于，在旋轉(zhuǎn)編碼器的情況下，移動板和固定板相對彼此繞常軸旋轉(zhuǎn)，在線性編碼器的情況下，移動板和固定板相對彼此沿線性軸移動。

在圖2中，創(chuàng)新的編碼器的同等部分用相同的參考數(shù)字指定，但具有撇號。旋轉(zhuǎn)編碼器包括移動板1’，能夠繞軸2’旋轉(zhuǎn)，并且包括第一電活性圖案3’。第一固定板4’與移動板1’相對地布置，并且包括第一發(fā)射區(qū)域5’以及第一接收區(qū)域6’(能夠與第一發(fā)射區(qū)域5’形成電場)。電場由第一電活性圖案3’調(diào)節(jié)，因而隨移動板1’旋轉(zhuǎn)而周期性改變。信號處理電路7’在第一接收區(qū)域6’的輸出的基礎(chǔ)上，確定移動板1’的增量旋轉(zhuǎn)角，并且在電場的周期和增量旋轉(zhuǎn)角的基礎(chǔ)上，確定移動板1’的絕對旋轉(zhuǎn)角。

根據(jù)該實用新型的旋轉(zhuǎn)編碼器另外包括第二固定板8’，如第一固定板4’與移動板1’相對而布置在相反側(cè)上。第二固定板8’包括第二發(fā)射區(qū)域9’和第二接收區(qū)域10’(能夠與第二發(fā)射區(qū)域9’形成第二電場)。

移動板包括第一電活性圖案3’(布置于移動板1’的一側(cè)上，面對第一固定板4’)，和第二電活性圖案11’(布置于移動板1’的相反側(cè)，面對第二固定板8’)。第一電場由第一電活性圖案3’調(diào)節(jié)，并且第二電場由第二電活性圖案11’調(diào)節(jié)。

兩電場得到調(diào)節(jié)，并且隨移動板1’旋轉(zhuǎn)而周期性改變。信號處理電路7’在第一接收區(qū)域6’和第二接收區(qū)域10’的輸出的基礎(chǔ)上確定移動板1’的增量旋轉(zhuǎn)角，以及在第一和第二電場的周期和增量旋轉(zhuǎn)角的基礎(chǔ)上，確定移動板1’的絕對旋轉(zhuǎn)角。

根據(jù)該實用新型，解決軸向位移問題的技術(shù)特征為除第一固定板4’外的第二固定板8’。不像僅僅具有一個固定板的當(dāng)前技術(shù)水平下的編碼器，創(chuàng)新性的電容式編碼器包括兩個固定板，在移動板的每側(cè)一個。

相同的原理可以類比方式轉(zhuǎn)移至具有移動板和的兩個固定板的線性編碼器。

以其最簡單的形式，第二固定板11’具有與第一固定板8’相同的電極圖案(發(fā)射/接收區(qū)域)，并且電極圖案的相對應(yīng)部分電氣連接。旋轉(zhuǎn)(移動)板位于兩個固定板之間。優(yōu)選地，該實用新型的旋轉(zhuǎn)板在兩側(cè)具有相同的電極圖案(電活性圖案)。

在現(xiàn)有技術(shù)和該實用新型中，固定板上的電極都可分為兩組：

(1)激勵電極(區(qū)域)

(2)接收電極(區(qū)域)

依照旋轉(zhuǎn)板的旋轉(zhuǎn)角在激勵和接收電極之間形成電容在最簡單的情況下，所檢測信號的幅度可以以下形式表達(dá)：

其中一些歐姆電阻R、作為電容量，其中該電容量由各種電容的互相連接、角頻率ω和激勵信號的幅度U_exc以及旋轉(zhuǎn)角的函數(shù)所形成。通常，歐姆電阻R相比阻抗可忽略；因此以下近似公式

成立。

該實用新型的優(yōu)勢為編碼器對旋轉(zhuǎn)板的軸向移動的靈敏度降低。此類移動由于例如電動機(jī)軸的熱膨脹而發(fā)生。

假設(shè)旋轉(zhuǎn)板的軸向位置變化為Δx。在根據(jù)當(dāng)前技術(shù)水平的編碼器中，當(dāng)前技術(shù)水平的旋轉(zhuǎn)板和固定板之間的距離從x增加至x+Δx。

隨后，因為

a)兩個共面電極之間的電容量與電極之間的距離間接成正比(假設(shè)相對于在與距離正交的方向上電極的延伸，該距離可被忽略)，以及

b)以上公式(20)

檢測到的信號的幅度以以下因數(shù)減少：

a₁(Δx)＝[1/(x+Δx)]/(1/x)＝x/(x+Δx)＝1/(1+Δx/x)。 (30)

對于根據(jù)該實用新型的編碼器，讓我們假定，

x₁＝x₂＝2x (40)

并且，電極圖案與根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的那些編碼器相同。因而，因為旋轉(zhuǎn)板和第一固定板之間的電容并聯(lián)連接至旋轉(zhuǎn)板和第二固定板之間的電容，兩編碼器的電容相等。產(chǎn)生相等電容的替代性方式將為選擇x₁＝x₂＝x，并且使根據(jù)該實用新型的編碼器的電極圖案的面積僅僅為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的編碼器的電極圖案的面積的一半。

對于根據(jù)該實用新型的編碼器，旋轉(zhuǎn)板的軸向位置的變化Δx會將旋轉(zhuǎn)板和第一固定板之間的距離從x₁增加至x₁+Δx₁，但將旋轉(zhuǎn)板和第二固定板之間的距離從x₂減少至x₂-Δx₂。由此，由于上文已提及的電容的并聯(lián)連接，所檢測信號的幅度會以以下y系數(shù)改變：

a₂(Δx)＝[1/(x1+Δx)+1/(x2-Δx)]/(1/x1+1/x2)。 (50)

插入(40)進(jìn)一步給出：

a₂(Δx)＝[1/(2x+Δx)+1/(2x-Δx)]/[1/(2x)+1/(2x)]

＝[4x/(4x²-Δx²)]/(1/x)

＝4x²/(4x²-Δx²)

＝1/[1–(Δx/(2x))²]

圖3示出在Δx/x上的“靈敏度函數(shù)”a₁(Δx)和a₂(Δx)。

從圖中可看出，根據(jù)該實用新型的編碼器對軸向位移的靈敏度比根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的編碼器差得多。

旋轉(zhuǎn)板僅僅在一側(cè)具有電極圖案也是可能的。在這個情況中，這個電極圖案對于兩旋轉(zhuǎn)板的電極圖案都有效，并且，關(guān)于電容的計算，必須考慮移動板1(例如，PCB材料FR4)的介電常數(shù)(ε_r)。

如果編碼器不需要一體地連接至電動機(jī)，安裝編碼器的過程可非常簡單：首先安裝第二固定板。隨后連接旋轉(zhuǎn)板至電機(jī)軸。隨后安裝第一固定板，以及將其連接至第二固定板。

如果由于某些原因，旋轉(zhuǎn)板有必要連接在兩個固定板之前，那么第二固定板也可由兩個獨立部分構(gòu)成，每個覆蓋180°。

參考標(biāo)號列表

1、1’ 移動(旋轉(zhuǎn))板

2、2’ 軸

3、3’ 電活性圖案

4、4’ 固定板

5、5’ 發(fā)射區(qū)域

6、6’ 接收區(qū)域

7、7’ 信號處理電路

8’ 第二固定板

9’ 第二發(fā)射區(qū)域

10’ 第二接收區(qū)域

11’ 第二電活性圖案

旋轉(zhuǎn)角

電容

R 歐姆電阻

ω 角頻率

U_exc 激勵信號的幅度

旋轉(zhuǎn)角的函數(shù)

Δx (1、1’)的軸向位置的變化

X (1、1’)和(4、4’)之間的距離