專利名稱：電容編碼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及柵形電容(簡(jiǎn)稱容柵)傳感器，且為變面積型的電容傳感器，用差動(dòng)電容變化量檢測(cè)兩個(gè)物體相對(duì)直線或旋轉(zhuǎn)位移或位置量，特別是能高精度的測(cè)量大位移量。
在德國(guó)和英國(guó)等專利(如GB2139359A)中，闡述的電容編碼器的電路和結(jié)構(gòu)都較為復(fù)雜。據(jù)市場(chǎng)調(diào)查，在美、德及日本等國(guó)每年都有百萬(wàn)臺(tái)以上光電編碼器市場(chǎng)，但光電編碼器也存在著制造復(fù)雜、價(jià)格高、耗電大等缺點(diǎn)。
本發(fā)明針對(duì)上述缺點(diǎn)，進(jìn)一步發(fā)揮容柵的制造工藝簡(jiǎn)單、成本低、功耗低(微功耗)等優(yōu)點(diǎn)，提出一種比現(xiàn)有電容編碼器和光電編碼器電路和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的電容編碼器。
編碼器分有增量式編碼器和絕對(duì)式編碼器兩種?，F(xiàn)分述如下。
按照本發(fā)明所提供的增量式電容編碼器敘述如下，為便于說(shuō)明，以直線運(yùn)動(dòng)的增量式電容編碼器為例加以詳述。增量式電容編碼器有機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳感器和檢測(cè)電路所組成。機(jī)械結(jié)構(gòu)有基座和滑座等；傳感器有相對(duì)平行運(yùn)動(dòng)的定極板和動(dòng)極板，在定極板上的電極是等寬與等距排列，動(dòng)極板上有兩對(duì)電極組，每對(duì)電極組有兩組電極，兩對(duì)電極組共有電極數(shù)目相等的四組電極，每組電極的寬度和排列與定極板上電極是相同的等寬與等距排列，每對(duì)兩組電極的排列按本發(fā)明人的ZL86106551.4發(fā)明專利所給定的差動(dòng)變化排列規(guī)則排列，每對(duì)兩組電容變化是差動(dòng)變化。兩對(duì)電極組相鄰電極的絕緣寬度為T(mén)s/4(Ts＝as+bs柵距，bs電極寬度，as相鄰電極間絕緣寬度)，因此兩對(duì)差動(dòng)變化輸出波形也相差Ts/4，有這方向判別因子，保證動(dòng)極板相對(duì)定極板運(yùn)行時(shí)，脈沖計(jì)數(shù)的加或減，可跟隨運(yùn)動(dòng)方向的改變，自動(dòng)進(jìn)行加或減的變換。所謂動(dòng)極板和定極板是指相對(duì)運(yùn)動(dòng)而言，可根據(jù)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方便進(jìn)行互換，即動(dòng)極板可固定為定極板，而定極板作為運(yùn)動(dòng)的動(dòng)極板。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的增量式電容編碼器的定極板和動(dòng)極板是圓環(huán)形，它對(duì)應(yīng)于直線運(yùn)動(dòng)的增量式電容編碼器的定極板和動(dòng)極板的電極寬度和絕緣寬度分別以?shī)A角表示，這直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的兩種極板電極排列規(guī)則相同，兩種檢測(cè)電路也相同，檢測(cè)電路是分別檢測(cè)每對(duì)兩組電極組電容差動(dòng)變化的電路，兩對(duì)電極組的檢測(cè)電路相同，檢測(cè)每對(duì)兩組電極組電容差動(dòng)變化的電路，由主令振蕩器控制，一對(duì)相同的電子開(kāi)關(guān)、電阻和單端輸入門(mén)電路(反相器)組成周期地充電和放電電路，將一對(duì)差動(dòng)變化電容量轉(zhuǎn)換成一對(duì)差動(dòng)變化的脈沖寬度量，經(jīng)反相，分別取一正相脈沖和另一個(gè)反相脈沖組成兩組，通過(guò)兩個(gè)雙輸入端門(mén)電路的比較，得出兩個(gè)差值，分別觸發(fā)R-S觸發(fā)器的R和S輸入端，R-S觸發(fā)器的輸出是按動(dòng)極板運(yùn)行時(shí)電容差動(dòng)變化規(guī)律變化的方波，在動(dòng)極板相對(duì)定極板恒速運(yùn)行時(shí)，所對(duì)應(yīng)的方波周期正比于定極板上電極的柵距(Ts＝as+bs)，另一對(duì)與上述相同的電極組和檢測(cè)電路，其R-S觸發(fā)器也輸出與上述方波相位相差T/4(T方波周期)的相同方波。這兩組相位相差T/4的方波與增量式的光電編碼器兩組輸出方波相同。若用朱世鴻可編程邏輯器件(PLD)專用設(shè)計(jì)技術(shù)電子工業(yè)出版社1994年1月第1版一書(shū)中202-216頁(yè)所述的三種光電編碼器的PAL16R4，PAL16R8和PAL20X芯片，皆可對(duì)應(yīng)本發(fā)明的檢測(cè)電路加以配接；稍加改編一下編程設(shè)計(jì)文件，即可配用。
絕對(duì)式電容編碼器，傳感器電極按ZL86106551.4發(fā)明專利給定的“粗測(cè)”與“精瞄”規(guī)則排列。它的檢測(cè)電路也對(duì)應(yīng)有“粗測(cè)”與“精瞄”檢測(cè)電路。兩個(gè)檢測(cè)電路相同。這個(gè)檢測(cè)電路的主令振蕩和電容差動(dòng)變化量轉(zhuǎn)換為脈沖寬度變化量，經(jīng)反相和兩個(gè)差動(dòng)變化的脈沖寬度比較等環(huán)節(jié)，與上述增量式電容編碼器的檢測(cè)電路相同，而是脈沖寬度比較后的差量，在絕對(duì)式電容編碼器中是各自觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路，絕對(duì)位置點(diǎn)是選定在一對(duì)差動(dòng)變化的兩個(gè)電容相等點(diǎn)，這樣一對(duì)差動(dòng)變化的兩個(gè)電容量轉(zhuǎn)換為兩個(gè)差動(dòng)變化的脈沖寬度比較后的差值為零，其對(duì)應(yīng)各自觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)電路的輸出為零，再經(jīng)雙輸入端的或非門(mén)輸出為高電位。當(dāng)“粗測(cè)”和“精瞄”的檢測(cè)電路的輸出皆為高電位時(shí)，經(jīng)雙輸入端的與門(mén)或分別反相后和或非門(mén)電路的輸出為高電位，此為絕對(duì)位置點(diǎn)的瞄準(zhǔn)定位點(diǎn)的輸出信號(hào)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)1.本發(fā)明傳感器制造工藝簡(jiǎn)單，電路簡(jiǎn)單，所用電子元件是常用的電子開(kāi)關(guān)和門(mén)電路，本發(fā)明產(chǎn)品價(jià)格特別低廉；2.本發(fā)明和同類已有電容編碼器，如德國(guó)輸格斯特勒有限公司在臺(tái)灣地區(qū)申請(qǐng)的“移動(dòng)物之控制及定位用之電容性線型或旋轉(zhuǎn)發(fā)送機(jī)”發(fā)明專利(中華民國(guó)專利公報(bào)告編號(hào)133470)相比，電路和傳感器電極圖形都很簡(jiǎn)單；3.本發(fā)明電路的電子元件全是開(kāi)關(guān)元件，無(wú)放大系統(tǒng)所引起的噪聲和累積誤差，穩(wěn)定性、重復(fù)性和再現(xiàn)性好；4.本發(fā)明電路可全部CMOS專用集成化，只需100-1000MOS管，為中規(guī)模集成電路(MSI)，若配接可編程邏輯器件(PLD)，與傳感器接口電路只需100MOS管，為小規(guī)模集成電路(SSI)，CMOS元件有著抗干擾能力強(qiáng)，工作溫度范圍大，工作電壓范圍寬，功耗低、紐扣電池供電體積小，微動(dòng)耗有利于增量式電容編碼器附加停電記憶環(huán)節(jié)；5.傳感器的柵形電極寬度在不小于0.30mm的情況下，(線寬0.30mm的制板工藝是現(xiàn)有通常的制板工藝)，可直接給出脈沖計(jì)數(shù)，或提高旋轉(zhuǎn)式的每轉(zhuǎn)輸出脈沖計(jì)數(shù)，無(wú)需倍頻細(xì)分
6.本發(fā)明的輸出波形直接來(lái)自開(kāi)關(guān)元件的輸出，比光電編碼器的輸出波形好。本發(fā)明的電容編碼器的電氣性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)等要求，可制成與現(xiàn)有光電編碼器相同，等同替換光電編碼器，適應(yīng)市場(chǎng)要求。它不僅適用于工業(yè)生產(chǎn)中位移和位置的檢測(cè)與控制，如數(shù)控機(jī)床、加工中心、機(jī)器人及各種自動(dòng)控制系統(tǒng)；家電行業(yè)中的錄像機(jī)、攝像機(jī)、激光唱機(jī)以及VCD等等位置控制，如伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制中所用的光電、磁鼓及霍爾等元件，若用本發(fā)明，不僅電路簡(jiǎn)單，成本低，而且在結(jié)構(gòu)上也很簡(jiǎn)單；再如錄像機(jī)伺服系統(tǒng)的無(wú)刷電機(jī)(DD電機(jī))，若用本發(fā)明，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，節(jié)省磁性材料。還有車用傳感器中，機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸位置，油門(mén)角度所用的傳感器，若用本發(fā)明在成本、體積、耗電、溫升范圍及抗干擾等方面都有明顯優(yōu)勢(shì)；7.本發(fā)明無(wú)光電型所需的光源，不存在其耗電、壽命、響應(yīng)頻率和性能價(jià)格比等受光源所制約的缺點(diǎn)；8.本發(fā)明在同一個(gè)基型電路，特別是制成專用芯片，利用傳感器的組合達(dá)到提高軸角編碼器每轉(zhuǎn)輸出沖計(jì)數(shù)，比光電編碼器簡(jiǎn)便，并具有很多潛在優(yōu)勢(shì)。
本發(fā)明借助有關(guān)必要的舉例，結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明如下
圖1本發(fā)明直線運(yùn)動(dòng)的傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2與圖1中與箭頭方向垂直的剖視圖；圖3與圖1中與箭頭方向平行的剖視圖；圖4本發(fā)明直線運(yùn)動(dòng)的增量式傳感器定極板的柵形電極圖；圖5本發(fā)明直線運(yùn)動(dòng)的增量式傳感器動(dòng)極板的柵形電板圖；圖6本發(fā)明增量式傳感器定極板和動(dòng)極板上電極的對(duì)應(yīng)連線示意圖；圖7本發(fā)明旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的增量式傳感器圓環(huán)形動(dòng)極板；圖8本發(fā)明旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的增量式傳感器圓環(huán)形定極板；
圖9本發(fā)明增量式電容編碼器檢測(cè)電路；圖10本發(fā)明圖9檢測(cè)電路選用另一種元件的舉例；圖11本發(fā)明圖9檢測(cè)電路選用可編程邏輯器件(PLD)的舉例；圖12組成本發(fā)明圖9一對(duì)電極組檢測(cè)電路基本環(huán)節(jié)的框圖；圖13本發(fā)明旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的增量式傳感器的組合式圓環(huán)形定極板的舉例；圖14本發(fā)明增量式電容編碼器傳感器動(dòng)極板兩側(cè)都有定極板的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；圖15本明絕對(duì)式電容編碼器檢測(cè)電路。
圖1是組成柵形電容直線位移傳感器的兩個(gè)部件，其中動(dòng)極板可相對(duì)定極板沿著F箭頭的指向平行運(yùn)動(dòng)。圖1，圖2和圖3中，1定極板、2動(dòng)極板、定極板上電極3和動(dòng)極板上電極4之間的距離為d，定極板1是利用基座5安裝在被測(cè)機(jī)件的不動(dòng)部件6上，動(dòng)極板2是利用滑座7安裝在被測(cè)機(jī)件的可動(dòng)部件上(圖中未畫(huà))。圖3中as是定極板上相鄰電極之間絕緣寬度，bs是定極板和動(dòng)極板上電極寬度，as＝bs，柵距Ts＝as+bs，動(dòng)極板上有兩對(duì)電極數(shù)目相等的電極組，每對(duì)電極組有兩組電極數(shù)目相等的電極，這四組內(nèi)的每個(gè)電極寬度和電極之間的絕緣寬度皆與定極板電極相同。每對(duì)電極組中的兩個(gè)相鄰電極之間絕緣寬度，即圖3中a1與b1和a2與b2之間絕緣寬度按本發(fā)明人ZL86106551.4發(fā)明專利所給定的差動(dòng)變化排列現(xiàn)則ad＝as+bs，兩對(duì)電極組相鄰電極之間的絕緣寬度at＝Ts/4。這種排列規(guī)則，也符合本發(fā)明人在ZL86106558.1發(fā)明專利中指出的規(guī)則，as＝4bo-bs，at＝3bo-bs，au＝2bo-bs，在本發(fā)明例中，bs＝2bo(bs是每個(gè)電極有效位移寬度)，as＝bs，at＝bs/2＝Ts/4而au＝nTs(本例n＝0)，對(duì)應(yīng)于ad＝as+bs＝Ts?？梢?jiàn)，柵形電極的排列規(guī)則尚可進(jìn)一步探討，正如本發(fā)明人在“柵形電容式傳感器的設(shè)想”(全國(guó)傳感器學(xué)術(shù)討論會(huì)1984年5月武漢)一文中所述，這柵形線條大有文章可作，也如美國(guó)專利US4586260中指出電容型線性位移測(cè)量技術(shù)，還不是完善的，尚需使其構(gòu)成電容傳感器電極排列最佳化。
圖4本發(fā)明直線運(yùn)動(dòng)的增量式傳感器定極板柵形電極圖，s端為引線端，在圖9中接地或接殼，圖5本發(fā)明直線運(yùn)動(dòng)的增量式傳感器動(dòng)極板柵形電極圖，a1、b1、a2、b2端分別為引線端，在圖9中分別接至反相器(門(mén)電路)的輸入端。圖中bs是電極寬度，as是每組相鄰電極之間的絕緣寬度，ad＝as+bs＝Ts是每對(duì)兩組相鄰電極之間的絕緣寬度，at＝Ts/4，是兩對(duì)相鄰電極之間的絕緣寬度。圖6是本發(fā)明增量式傳感器的定極板和動(dòng)極板電極對(duì)應(yīng)連線示意圖，其中s、a1、b1、a2、b2端分別對(duì)應(yīng)于圖4、圖5和圖9的相應(yīng)端和連線圖。
圖7和圖8分別為本發(fā)明旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的增量式傳感器圓環(huán)形的動(dòng)極板和定極板，s、a1、b1、a2及b2分別對(duì)于圖4和圖5中所述的外引線端，只是與圖4定極板電極圖形對(duì)應(yīng)的圖7是動(dòng)極板，對(duì)應(yīng)圖5動(dòng)極板電圖形的圖8是定極板，這樣有利于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的外引連線，外引線S端是接地(或接殼)端，無(wú)需電刷作為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的外接引線，αb是電極夾角，αa是每組相鄰電極間的絕緣夾角αd是每對(duì)兩組相鄰電極間的絕緣夾角，αt是兩對(duì)電極組相鄰電極間的絕緣夾角，αd＝αa+αb＝αT，αt＝αT/4。
圖9本發(fā)明增量式電容編碼器檢測(cè)電路。圖中R1、R2、R3、R4是等值相同電阻，這四個(gè)電阻的一端分別接至電位器W1和W2的一端，四個(gè)電阻的另一端分別與圖5動(dòng)極板(或圖8定極板)上電極外引端a1、b1、a2、b2同接至電子開(kāi)關(guān)d端和反相器(門(mén)電路)輸入端共接在一起，W1和W2為調(diào)平電位器，其中間抽頭端接至由電阻R5與R6，電容C1和反相器組成的主令振蕩器輸出經(jīng)反相器的整形輸出MG端(或接在電源正端)它的反相輸出MG端供給電子開(kāi)關(guān)控制端e，電子開(kāi)關(guān)c端與圖4定極板(或圖7動(dòng)極板)上s端共同接地(或接殼)。由主令振蕩器、電子開(kāi)關(guān)和反相器(門(mén)電路)組成周期性地充電和放電，將電容傳感器的電容變化量轉(zhuǎn)換為脈沖寬度變化量。在主令振蕩器輸出MG＝1時(shí)，通過(guò)電位器W1和W2經(jīng)電阻R1、R2、R3和R4分別向電容Ca1、Cb1、Ca2和Cb2充電，此時(shí)，MG＝0，電子開(kāi)關(guān)斷開(kāi)a1、b1、a2及b2的接地回路，在MG＝0時(shí)，停止充電，同時(shí)MG＝1合上電開(kāi)關(guān)使c端與d端接通，a1、b1、a2及b2端分別接通地端(s端)，Ca1、Cb1、Ca2及Cb2對(duì)地放電。這一周期性地充電和放電，將兩對(duì)差動(dòng)變化電容Ca1、Cb1和Ca2、Cb2轉(zhuǎn)換為兩對(duì)差動(dòng)變化的脈沖寬度量A1、B1和A2、B2、經(jīng)反相為A1、B1和A2與B2組合為A1與B1、A1與B1和A2與B2、A2與B2，分別由兩個(gè)雙輸入端的與非門(mén)(或者同門(mén)、或者或非門(mén))進(jìn)行比較后，對(duì)應(yīng)的輸出為Ya1、Yb1和Ya2、Yb2，對(duì)應(yīng)與非門(mén)的輸出
和
用這比較后輸出脈沖觸發(fā)與非門(mén)組成的R-S觸發(fā)器(或用雙輸入端或非門(mén)組成的R-S觸發(fā)器如圖10所示)選用這兩個(gè)R-S觸發(fā)器的Q端輸出分別為PHI0和PHI90。這兩個(gè)方波輸出信號(hào)的相位相差90°，即T/4(T周期)，由于兩個(gè)方波輸出信號(hào)相位相差90°，通過(guò)檢測(cè)這兩個(gè)方波輸出信號(hào)相位的超前或滯后，便可確定增量式電容編碼器的位移方向，同時(shí)也為加/減計(jì)數(shù)器提供了與速度有關(guān)的計(jì)數(shù)脈沖。兩個(gè)方波輸出信號(hào)的相位超前或滯后，除與增量式電容編碼器的位移方向有關(guān)外，還取決于制造時(shí)，兩對(duì)差動(dòng)電容變化電極的外引連線端頭a1、b1和a2、b2的標(biāo)定、組成R-S觸歸器是雙輸入端的與非門(mén)，還是雙輸入端的或非門(mén)以及PHI0和PHI90取用R-S觸發(fā)器的Q端還是Q端等。
將本發(fā)明電路與光電編碼器電路相比如[日]吉野新治等著 張玉龍 朱錫義 黃姜超編譯 傳感器電路設(shè)計(jì)手冊(cè)，中國(guó)計(jì)量出版社1989年12月一書(shū)中185頁(yè)光學(xué)編碼器電路圖2，本發(fā)明與光電編碼器相同性能參數(shù)下，本發(fā)明電路元件少，元件價(jià)格低，元件CMOS化、易于集成，宜于鈕扣電池長(zhǎng)期供電，不存在失電或停電后的基數(shù)難尋和來(lái)自電源端的干擾等問(wèn)題，CMOS元件的溫度范圍，電壓范圍以及抗干擾等方面，也優(yōu)于光電編碼器所用的TTL元件；此外，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需光源的光探器及其所占用的空間和安裝調(diào)試的麻煩。
圖10是本發(fā)明圖9檢測(cè)電路，選用雙二進(jìn)制4選1譯碼器/分離器4555(或4556)元件替換圖9中部分4069和4011元件，并用4555元件輸出Y1＝AB和Y2＝AB觸發(fā)由雙輸入端或非門(mén)組成R-S觸發(fā)由雙輸入端與非門(mén)組成的R-S觸發(fā)器；若用4556，則用其輸出Y1＝AB和Y2＝AB觸發(fā)由雙輸入與非門(mén)組成的R-S觸發(fā)器。本電路4555(或4556)元件輸入端的四個(gè)單端輸入門(mén)電路(反相器)也可省去的。
圖11是本發(fā)明圖9檢測(cè)電路選用可編程邏輯器件(PLD)，替換圖9檢測(cè)電路中部分4069和4011元件的舉例。本圖是對(duì)應(yīng)于朱世鴻可編程邏輯器件PLD實(shí)用設(shè)計(jì)技術(shù)電子工業(yè)出版社1994年1月第1版一書(shū)中202-209頁(yè)所述的第一種抽角編碼器，并將書(shū)中所用的PAL16R4元件，改用為PAL16R6元件，其目的是圖9中A1、B1、A2、B2四端后的反相器和雙輸入端與非門(mén)組成的PHI0和PHI90輸出電路，也并入PAL16R6元件中，圖11中的PHI0和PHI90是對(duì)應(yīng)于圖9中的R-S觸發(fā)器輸出端Q，按上述書(shū)中所述，編寫(xiě)相應(yīng)的設(shè)計(jì)文件。還可將時(shí)鐘CLK振蕩脈沖源和圖9中的主令振蕩源合并入PAL元件中，或公用一個(gè)外接振蕩源由PAL元件進(jìn)行分頻。本例說(shuō)明本發(fā)明的基型電路，若制成通用性廣的專用CMOS芯片，只需100多個(gè)MOS等，其余可用PAL元件或單片微機(jī)芯片。
對(duì)于前述[日]吉野新治等著的傳感器電路設(shè)計(jì)手冊(cè)書(shū)中185頁(yè)圖2的差動(dòng)放大電路、脈沖轉(zhuǎn)換電路和輸出電路的A輸出與B輸出等電路是不可能并入PAL元件中。
圖12是組成本發(fā)明圖9一對(duì)電極組檢測(cè)電路基本環(huán)節(jié)的框圖。G是主令振蕩器。C-T是將電容傳感器的差動(dòng)變化電容量轉(zhuǎn)換為差動(dòng)變化的脈沖寬度量，T-T是脈沖反相器，COMP是脈沖寬度比較，RS-FF是R-S觸發(fā)器。實(shí)現(xiàn)這些基本環(huán)節(jié)的電子檢測(cè)電路和元件很多，除圖9、圖10和圖11外，將電容傳感器的差動(dòng)變化電容量轉(zhuǎn)換為差動(dòng)變化的脈沖寬變量的變換電路，可用電壓比較器和恒流源，也可用雙單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(如4528、4538及4098等元件)脈沖寬度比較還可用與門(mén)、或非門(mén)及其他組合門(mén)元件等，R-S觸發(fā)器還可用4043或4044等元件。圖9電路是經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)單，所用元件只需3-5元人民幣。
圖13本發(fā)明旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的增量式傳感器的組合式圓環(huán)形定極板的舉例。它是在圖8的一套兩對(duì)四組電極的定極板上，再加上一套完全相同的兩對(duì)四組電極組，這兩套的電極寬度相同，電極數(shù)目相同，電極間的絕緣寬度也對(duì)應(yīng)相同。第二套第一組第一個(gè)電極與第一套第一組第一個(gè)電極間的間隔為nαT/8(n是整數(shù))、這種組合式圓環(huán)形定極板所對(duì)應(yīng)的動(dòng)極板和圖7圓環(huán)形動(dòng)極板相同，檢測(cè)電路除共用主令振蕩器外，再加上一套相同的檢測(cè)電路，即在圖9檢測(cè)電路中，除主令振蕩器是公用外，再加上一套相同的檢測(cè)電路，兩套相同的檢測(cè)電路共同受主令振蕩器控制，后加的一套檢測(cè)電輸出為PHI45和PhI135相位相差T/4的方波，而PHI45主PHI0相位差T/8，兩套四線輸出分別為PHI0、PHI45、PHI90和PHI135，計(jì)數(shù)脈沖增加一倍。這種組合比光電編碼器的組合簡(jiǎn)單，組合電極的定位精度由印制線路板工藝保證，且簡(jiǎn)單可靠。不存在光電編碼器中因光電元件安放空間和定位精度難能保證的缺點(diǎn)。本發(fā)明的組合很方便，組合套數(shù)可增加，如把運(yùn)動(dòng)的動(dòng)極板夾在兩個(gè)定極板之間，動(dòng)極板的外引連線端只需接地(或接殼)，無(wú)別的引線，無(wú)需用電刷，在動(dòng)極板的兩側(cè)是組合的定極板，這樣組合定極板電極增加一倍，這種組合方式對(duì)光電編碼器是不可能的。
圖14本發(fā)明增量式電容編碼器傳感器動(dòng)極板兩側(cè)都有定板的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。圖中5和7是動(dòng)極板6兩側(cè)的定極板，動(dòng)極板6和定極板7對(duì)應(yīng)的電極9和8，動(dòng)極板6和定極板5對(duì)應(yīng)的電極10和11，12是動(dòng)極板6旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸，動(dòng)極板6與其兩側(cè)定極板5和7的間距相同，動(dòng)極板6的兩面上電極9和10的電極寬度，電極數(shù)目和電極圖形相等與相同，并同心對(duì)應(yīng)重疊；定極板5和7上電極11和8的圖形與動(dòng)極板上兩面電極10和9的圖形同心。這兩點(diǎn)要求，現(xiàn)有的印制板工藝是簡(jiǎn)便易行的。動(dòng)極板可密封于兩個(gè)定極板之間，不影響動(dòng)極板運(yùn)動(dòng)，這對(duì)保證不受環(huán)境因素影響的好措施。
圖15本發(fā)明絕對(duì)式電容編碼器檢測(cè)電路。圖中C11和C12是一對(duì)“粗測(cè)”差動(dòng)變化電容，C21和C22是一對(duì)“精瞄”差動(dòng)變化電容，絕對(duì)位置點(diǎn)選在C11＝C12和C21＝C22兩點(diǎn)，“精瞄”精度高，量測(cè)區(qū)域?。弧按譁y(cè)”精度低，量測(cè)范圍寬，“粗測(cè)”與“精瞄”檢測(cè)電路的主令振蕩器、一對(duì)差動(dòng)變化電容量轉(zhuǎn)換成一對(duì)差動(dòng)變化的脈沖寬度量、反相和兩個(gè)差動(dòng)變化的脈沖寬度比較等環(huán)節(jié)和上述增量式電容編碼器的檢測(cè)電路(圖9)相同，或相似，圖15中Y11、Y12和Y21、Y22的輸出不是像圖9電路那樣觸發(fā)R-S觸發(fā)器，而是分別觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，圖15中由雙輸入端的或非門(mén)、電容C2(或C3或C4或C5)、電阻R7(或R8或R9或R10)和反相器組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，在C11＝C12和C21＝C22時(shí)，四個(gè)單穩(wěn)態(tài)輸出Q11、Q12和Q21、Q22皆為低電位(零電位)，再由或非門(mén)和反相器組成的輸出QA為高電位，它顯示的是絕對(duì)位置點(diǎn)的瞄準(zhǔn)定位點(diǎn)的輸出信號(hào)。在沒(méi)有瞄準(zhǔn)好時(shí)，QA為低電位(零電位)。兩對(duì)差動(dòng)變化的電極組，合并為一對(duì)差動(dòng)變化的電極組，即C10＝C11+C21和C20＝C12+C22，其“粗測(cè)”與“精瞄”的兩對(duì)電極組的檢測(cè)電路，減并為一對(duì)電極組檢測(cè)電路，電路元件減少一半。若“粗測(cè)”電極寬度與“精瞄”電極寬度相差很大時(shí)，可增加幾對(duì)電極寬度不等的差動(dòng)變化電極組，減少相鄰電極組的電極寬度之差，即b1s＞b2s＞…＞bns；C10＝C11+C21+…+Cn1和C20＝C12+C22+…+Cn2(n是正整數(shù))，避免電極寬度相差很大時(shí)，出現(xiàn)多點(diǎn)瞄準(zhǔn)定位點(diǎn)。
本發(fā)明應(yīng)用舉例。
在直線運(yùn)動(dòng)的增量式電容編碼器圖4中，選as＝bs＝0.40mm，ad＝as+bs＝0.80mm，at＝Ts/4＝0.20mm，每組電極數(shù)為16，每個(gè)電板長(zhǎng)度為30mm，定極板和動(dòng)極板之間距離(d)為0.20mm；選用圖11為檢測(cè)電路，R＝R1＝R2＝R3＝R4＝200k，W1＝W2＝100k，每個(gè)柵距Ts＝as+bs＝0.80mm內(nèi)，有8個(gè)輸出信號(hào)，每個(gè)信號(hào)的分辨率為0.10mm，制作調(diào)試中，上述d和R參數(shù)，根據(jù)實(shí)測(cè)和頻率響應(yīng)(主令振蕩頻率)的要求，適當(dāng)調(diào)整。
目前，市場(chǎng)上分辨為0.10mm的直線或旋轉(zhuǎn)位移測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)字顯示產(chǎn)品，尚屬短缺產(chǎn)品，如鋼卷尺，鋼尺等等產(chǎn)品還是刻度指示，本例可對(duì)此更新發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。
權(quán)利要求
1.電容編碼器有機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳感器和檢測(cè)電路所組成，機(jī)械結(jié)構(gòu)有基座和滑座等；傳感器有相對(duì)平行運(yùn)動(dòng)的定極板和動(dòng)極板，其特征是在直線運(yùn)動(dòng)的增量式電容編碼器定極板上的電極是等寬與等距排列，動(dòng)極板上有兩對(duì)電極組，每對(duì)電極組有兩組電極，兩對(duì)電極組共有電極數(shù)目相等的四組電極，每組電極的寬度和排列與定極板上電極是相同的等寬與等距排列，每對(duì)兩組電極的排列是按差變動(dòng)化規(guī)則排列，兩對(duì)電極組相鄰之間絕緣寬度是Ts/4(Ts＝as+bs、bs電極寬度，as相鄰電極間的絕緣寬度)，所謂動(dòng)極板和定極是指相對(duì)運(yùn)動(dòng)而言，兩者固定和運(yùn)動(dòng)方式可互換。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的增量式電容編碼器的定極板和動(dòng)極板是圓環(huán)形，它對(duì)應(yīng)于直線運(yùn)動(dòng)的增量式電容編碼器的定極板和動(dòng)極板的電極寬度和絕緣寬度分別以?shī)A角表示，這直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的兩種極板電極排列規(guī)則對(duì)應(yīng)相同，兩種檢測(cè)電路也相同，檢測(cè)電路是分別檢測(cè)每對(duì)兩組電極組電容差動(dòng)變化的電路，兩對(duì)電極組的檢測(cè)電路相同，每對(duì)兩組電極組電容差動(dòng)變化的電路，由主令振蕩器控制，一對(duì)相同的電子開(kāi)關(guān)、電阻和單端輸入門(mén)電路(反相器)組成周期地充電和放電電路，將一對(duì)差動(dòng)變化電容量轉(zhuǎn)換成一對(duì)差動(dòng)變化的脈沖寬度量，經(jīng)反相，分別取一正相脈沖和另一反相脈沖組成兩組，通過(guò)兩個(gè)雙輸入端的門(mén)電路比較，得出兩個(gè)差值，分別觸發(fā)R-S觸發(fā)器的R和S端，R-S觸發(fā)器的輸出是一個(gè)方波，另一對(duì)與上述相同的電極組和檢測(cè)電路，其R-S觸發(fā)器也輸出與上述方波相位相差T/4(T方波周期)的相同方波。絕對(duì)式電容編碼器，傳感器的電極按差動(dòng)變化規(guī)則排列，分有“粗測(cè)”與“精瞄”兩對(duì)電極組和對(duì)應(yīng)的“粗測(cè)”和“精瞄”相同的檢測(cè)電路，這個(gè)檢測(cè)電路的主令振蕩器、電容差動(dòng)變化量轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量、反相和兩個(gè)差動(dòng)變化的脈沖寬度比較等環(huán)節(jié)，與上述增量式電容編碼器的檢測(cè)電路相同，而脈沖寬度比較后的差量，在絕對(duì)式電容編碼器中是各自觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路，“粗測(cè)”和“精瞄”的四個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出皆為零時(shí)，再經(jīng)門(mén)電路的變換輸出是高電位，此為絕對(duì)位置點(diǎn)的瞄準(zhǔn)定位點(diǎn)的輸出信號(hào)。
2.按權(quán)利要求1所規(guī)定的電容編碼器，其特征是一對(duì)電極組檢測(cè)電路有主令振蕩器、電容傳感器的差動(dòng)變化電容量轉(zhuǎn)換為差動(dòng)變化的脈沖寬度量的變換電路、反相器、脈沖寬度比較電路和R-S器等基本環(huán)，實(shí)現(xiàn)這些基本環(huán)節(jié)的電子檢測(cè)電路和元件很多，將電容傳感器的差動(dòng)變化電容量轉(zhuǎn)換為差動(dòng)變化的脈沖寬度量的變換電路，可用電壓比較器和恒流源，也可用雙單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(如4528、4538及4098等元件)，脈沖寬度比較可用與門(mén)或者或非門(mén)及其他組合門(mén)電路等，R-S觸發(fā)器可用4043或4044等元件，還可用可編程邏輯器件PLD簡(jiǎn)化基型電路。
3.按權(quán)利要求1和2所規(guī)定的電容編碼器，其特征是選用雙二進(jìn)制4選1譯碼器/分離器4555或4556元件，替換檢測(cè)電路中部分反相器和雙端輸入門(mén)電路，減少檢測(cè)電路中的通用元件數(shù)量。
4.按權(quán)利要求1和2所規(guī)定的電容編碼器，其特征是選用可編程邏輯器件PLD元件，替換檢測(cè)電路中部分反相器和雙端輸入門(mén)電路，減少檢測(cè)電路的通用元件數(shù)量。
5.按權(quán)利要求1所規(guī)定的電容編碼器，其特征是將傳感器定極板上的一套兩對(duì)四組電極組，擴(kuò)增為兩套完全相同的兩對(duì)四組電極，其所對(duì)應(yīng)的動(dòng)極板不變，增加的和原有的電極寬度相同，電極數(shù)目相同，電極間的絕緣寬度也對(duì)應(yīng)相同，第二套第一組第一個(gè)電極與第一套第一組第一個(gè)電極間的間隔為nαT/8(n是整數(shù))，檢測(cè)電路除共用主令振蕩器外，再加上一套相同的檢測(cè)電路，兩套檢測(cè)電路相同，同受主令振蕩控制，輸出計(jì)數(shù)脈沖數(shù)提高一倍。還可把動(dòng)極板夾在兩個(gè)定極之間，增加了定極板，擴(kuò)增組合電極組的套數(shù)，增加輸出計(jì)數(shù)脈沖。
6.按權(quán)利要求1所規(guī)定的絕對(duì)式電容編碼器，其特征是把“粗測(cè)”和“精瞄”兩對(duì)電極組并聯(lián)組合時(shí)，把兩對(duì)差動(dòng)變化的電極組，合并為一對(duì)差動(dòng)變化的電極組，即C10＝C11+C21和C20＝C12+C22，對(duì)應(yīng)的“粗測(cè)”和“精瞄”的兩對(duì)電極組的檢測(cè)電路減并為一對(duì)電極組檢測(cè)電路，若“粗測(cè)”電極寬度與“精瞄”電極寬度相差很大時(shí)，可增加幾對(duì)電極寬度不等的差動(dòng)變化電極組，減小相鄰電極組的電極寬度之差，即b1s＞b2s＞…＞bns；c10＝c11+c21+…+cn1和c20＝c12+c22+…+cn2(n是正整數(shù))，避免電極寬度相差很大時(shí)出現(xiàn)多點(diǎn)瞄準(zhǔn)定位點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種電容編碼器,有增量式和絕對(duì)式兩種。電路是CMOS元件,易于集成化,結(jié)構(gòu)工藝簡(jiǎn)單,成本低,功耗低(微功耗)。廣泛運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)中位移和位置的檢測(cè)與控制,如數(shù)控機(jī)床、加工中心、機(jī)器人及自動(dòng)控制系統(tǒng);家電行業(yè)中的錄像機(jī)、攝像機(jī)、激光唱機(jī)及VCD等等位置控制和伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制等;機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸位置和油門(mén)角度等檢測(cè)皆可運(yùn)用。
文檔編號(hào)G01D5/24GK1240928SQ9811536
公開(kāi)日2000年1月12日 申請(qǐng)日期1998年6月30日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月30日
發(fā)明者王祖斌, 汪錦春 申請(qǐng)人:王祖斌