专利名称：电容式编码器的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及用于检测相对于固定设置的定子的例如转子等可移动部件的相对位
置的编码器，特别涉及能够使用电容耦合以低的能耗获取位置信息的电容式编码器。
背景技术：
已知作为获取关于旋转体的旋转信息的传感器的电容式编码器。该电容式编码器 能够使用高频信号以高的灵敏度并且利用电容耦合原理以薄的结构来获取旋转体的旋转 信息，因此该电容式编码器可以做的很小。 如在JP61-105421A中揭示的电容式编码器包括安装在相对于主体可旋转的旋转 轴上的旋转板10和安装在主体上、面对旋转板10的静止板12，以检测旋转板相对于静止板 的旋转位移。 在该静止板的表面上的圆周方向以规则间隔设置多个发送电极。电压施加电路施 加正弦波或矩形波，该正弦波或矩形波的相位对发送电极以预定度数相继移置，从而以八 相位电极为一个单元形成多个电极组。为了施加正弦波，必须提供能够产生中频电压的复 杂的模拟放大器，以增加电能消耗。 在旋转板的表面上布置具有与电极组相同数量的接收电极。从而每一个接收电极 面对在静止板上的每一个电极组中的连续的发送电极。 如上所述，在电容式编码器中，已经采用了一种配置，其中，以规则间隔布置多个 发送电极，对各个激励电极施加具有预定移置相位的交变电压，并布置接收电极面对激励 电极，以通过分析由接收电极检测到的电容信号和所施加的交变电压的相位差来获取在发 送电极和接收电极之间的相对运动量。考虑当关闭电源时由电池作为电容式编码器的备用 电源来保持编码器的功能，已经要求使用具有小尺寸、轻重量和低电能消耗的电容式编码 器以高的精确度来执行例如旋转体等可移动部件的位置检测。
发明内容
本发明提供能够基于来自可移动部件的信号以低的能耗获取位置数据的电容式 编码器。 本发明的电容式编码器包括定子，具有互相电独立的至少三个激励电极群和接 收电极，每一个激励电极群由环形设置且相互电连接的激励电极构成，从而形成预定数量 的激励电极组，接收电极与激励电极电独立；可移动部件，相对于定子可移动地设置，并且 具有连接电极和发送电极，面对定子的激励电极环形地设置，以使连接电极具有与激励电 极组相同的数量，发送电极与连接电极电连接，并且被设置成面对定子的接收电极；激励装 置，用于以预定的顺序周期地将二进制电压的激励信号施加到定子的激励电极群；和信号 处理装置，当激励信号施加到定子的激励电极时，处理在可移动部件的连接电极中产生的 并通过发送电极由接收电极接收的检测信号，以基于检测信号的组合模式，确定可移动部 件位于划分区域中的哪一个区域，通过以激励电极群的数量划分每一个激励电极组中的激
3励电极的一个布置周期来预先确定该划分区域。
激励信号可以包括正的或负的脉冲电压。 可移动部件可以是相对于定子执行旋转运动的转子或执行线性运动的线性运动 部件。 与将高频交变电流信号连续地施加到发送电极的现有技术中的电容式编码器相 反，根据本发明的电容式编码器，通过以适当的频率将单个脉冲电压施加到激励电极，以低 的电能消耗获取可移动部件的位置数据。
图1是根据本发明电容式编码器的定子的前视图；
图2是该电容式编码器的可移动部件的前视图；
图3是该电容式编码器的示意图； 图4是表示根据本发明第一实施例相对于定子上的激励电极在可移动部件上的 连接电极的位置、施加到激励电极的激励信号及检测信号的波形的图； 图5a是表示检测信号的组合和其中设置连接电极的基准线的划分区域之间的关 系的表，而图5b是表示在第一实施例中激励电极的一个布置周期的划分区域的图；
图6是信号处理部件的布置的方框图； 图7是表示由信号处理部件执行的处理的算法的流程图； 图8是表示与图4中所示的不同的、施加到激励电极的激励信号和由该激励信号 产生的检测信号的波形的图； 图9是表示其中设置三个激励电极群的本发明的第二实施例的图；
图10a是表示检测信号的组合和其中设置连接电极的基准线的划分区域之间的 关系的表格，而图10b是表示在第二实施例中激励电极的一个布置周期的划分区域的示意 图； 图11是表示其中计数A数量的本发明的第三实施例的图；
图12是表示在第三实施例中处理的算法的流程图；及
图13是表示在第三实施例中划分区域的布置的图。
具体实施例方式
图l示出根据本发明在电容式编码器中使用的定子。定子10是静止的盘状板，具 有位于其中心的通孔15以及在定子10的一个表面上以固定间隔径向延伸设置的多个激励 电极ll。设置激励电极ll以形成互相电独立的(electricallyind印endent)多个激励电 极群，每一个激励电极群由环形布置的并互相电连接的激励电极组成，如后面描述的。
定子10由具有绝缘表面和适当硬度的板材料构成，板材料例如是玻璃环氧材料， 纸酚醛塑料(商标)叠层材料，通过对玻璃、例如氧化铝等陶瓷制品、例如铁和铝等金属或 例如硅树脂等半导体施加熔化的陶瓷，或对这些材料涂覆绝缘树脂(isolation resin)，或 由绝缘殊(isolation bead)形成的空气层隔离这些材料而获得的材料。
通过光刻由压延铜箔、蒸发铬等构成的传导层，或通过由墨水喷射、丝印或胶印形 成传导墨水的传导层可以形成定子10上的例如激励电极11等导电层。
四个连续的激励电极11a、llb、llc及lid形成激励电极组16，从而在这个示例中 形成总共十个激励电极组。在不同组16中的相同顺序的激励电极11a、llb、llc或lld通 过由图1中的实线或虚线表示的导线互相电连接，以形成四个激励电极群11A、11B、11C及 IID。在设置激励电极11的表面上布置由实线表示的导线，并在与设置激励电极11的表面 相对的表面上布置由虚线表示的导线。 如图l所示，每四个激励电极lla、llb、llc或lld形成四相位的四个激励电极群 11A、11B、11C及IID。每一个群中的激励电极经由环形导体12a、12b、12c或12d以及供电 导体13互相电连接。由具有四相位的激励装置来电激励该激励电极的各个相位。为了电 连接各个激励电极组16中的每四个激励电极11a、llb、llc或lld，从而使每个激励电极组 16中的四个激励电极互相电独立，利用通孔技术电连接激励电极、环形导体以及供电导体。 通常已知通孔技术是印制板的制造技术。 在其表面上设置激励电极11的定子10的内部设置与激励电极11电相关的环形 接收电极14。对接收电极14设置用于输出由接收电极14接收的检测信号的检测信号输出 端子17。 在图1中，在其上形成激励电极11的表面上并且在比激励电极11更里面的部分 布置接收电极。然而，只要接收电极14利用与可移动部件20上的发送电极22静电感应接 收检测信号，也可以在与形成激励电极11的表面相对的表面上设置接收电极14。在图1 中，在定子10的内部设置接收电极14，以面对可移动部件10的发送电极22，然而，在在可 移动部件20的外部布置发送电极22的情况下，也可以在定子10的外部设置接收电极14。
在定子10的中心形成的通孔15不是电容式编码器的基本部件，如果不是必需要 用的，则可以将其省略。 图2表示在电容式编码器中使用的可移动部件20。可移动部件20是具有通孔23 的盘状转子。在可移动部件20的表面上形成径向延伸的多个连接电极21。在图2示出的 示例中，设置十个连接电极21。这些连接电极21是与在可移动部件20的中心部分形成的 发送电极22电连接，从而与发送电极22构成单相的检测电极。 设置定子10和可移动部件20以使得其上形成激励电极11的定子10的表面面对 其上形成连接电极21的可移动部件20的表面，从而由多个连接电极21构成的检测电极根 据静电感应原理检测施加到定子10的激励电极11的激励信号。 在检测电极中产生的信号根据相对于定子10的可移动部件20的相对位置及施加 到激励电极11的激励信号变化。 由可移动部件20的检测电极检测到的单相交变电流信号通过在可移动部件20上 的发送电极22和定子10的接收电极14之间的静电感应发送到定子10的接收电极14。因 此，发送电极22和接收电极14能够以非接触的方式传送检测信号。除了利用静电感应的 装置，还可以使用滑动环或旋转换能器将检测信号从可移动部件20传送到定子10。
图3示意性地表示根据本发明第一实施例具有定子和可移动部件的电容式编码 器。将在其上设置连接电极21的可移动部件20的表面布置为面对在中间具有预定缝隙的 定子10的激励电极11，并且旋转支撑可移动部件20以与定子10同轴。例如，在激励电极 的布置间距是200 ii m的情况下，通常将定子10和可移动部件20之间的缝隙设置为150 y m 至lj 150iim。
5
激励装置30的输出连接到用于各个相位的各个供电端子18a、18b、18c及18d。激 励装置30包括以预定间隔相继地输出单脉冲电压的激励信号SA、 SB、 SC及SD的序列发生 器31以及放大从序列发生器31输出的信号的驱动器32。定子10的检测信号输出端子17 和信号处理部件40电连接，由定子10的接收电极14接收的检测信号SG输出到信号处理 部件40。 下面将说明由上述电容式编码器检测可移动部件的旋转位置(角度)的方式。
如上所述，定子IO装备顺时针方向移置布置的四个激励电极群11A、11B、11C及 IID，从而以这个顺序环形地布置四个连续的激励电极11a、llb、llc及lld。在激励电极 11a、llb、llc及lld的一个布置周期(one cycle of arrangement)中，在各个激励电极组 中，激励电极lla表示O度，激励电极lib表示90度，激励电极11c表示180度，而激励电 极lld表示270度。 如图3所示，将在可移动部件20的径向延伸的每一个连接电极21的两侧21L和
21R中的左边一侧设置为可移动部件20的旋转位置的基准线21L，将在径向延伸的一个激
励电极11的两侧IIL和10R中的左边一侧设置为定子11的位置的基准线11L。 以激励电极群11A、11B、11C及11D的数量划分每一个激励电极组16中的激励电
极11a、llb、llc及lld的一个布置周期，S卩，在本示例中激励电极群为四个，从而使用定子
10的基准线11L来确定用于检测连接电极21的位置的划分区域。本实施例的电容式编码
器确定连接电极21的基准线21L位于哪个划分区域中，并输出该确定结果。 激励装置30中的序列发生器31施加正脉冲电压，对于四相位的激励电极群(four
phases of the excitation-electrode sets) 11A、11B、11C及11D，正脉冲电压是互相独立，
而在信号处理部件40中存储在连接电极21中产生并由接收电极14接收的检测信号SG，从
而基于该检测信号SG的组合模式，确定连接电极21的基准线21L位于四个划分区域中的
哪一个区域。 根据这个实施例，使用四个群和10组的激励电极11的设置，利用可移动部件20 的每一个旋转的四十分之一部分的转换(resolution)可以确定可移动部件20的旋转位置。 检测信号SG包括响应于该激励信号的脉冲电压的上升沿和下降沿的正电压和负 电压。在本示例中，信号处理部件40工作，以采用检测信号SG的正电压作为有效信号并忽 略负电压。 下面参考图4具体说明可移动部件的位置检测。 图4表示相对于定子10上的激励电极11的可移动部件20的连接电极21的各种 位置，并且还表示选择地施加到激励电极11的激励信号以及在连接电极21的各个位置上 产生的检测信号。 在图4的示例中，序列发生器31以激励电极群11A — 11B — 11C — 11D的顺序施 加相同的正脉冲。在图4的下部表示相对于激励电极的布置周期的角度。在图4的示例中， 激励电极群11A表示0，360，...度，激励电极群1 IB表示90,450，...度，激励电极群11C 表示180， 540，...度，激励电极群IID表示270,630，...度。 在图4中，激励电极群11A中的一个激励电极的左侧IIL用作连接电极21的旋转 位置的检测基准。在最上位置所描述的连接电极21表示基准线21L设置在0度的情况。在位置ml，由于连接电极21面对激励电极群IIA和激励电极群11B，因此，仅当激励信号施加 到激励电极群IIA和激励电极群11B时检测信号才出现。当施加激励信号时，在接收电极 14中出现由X1、X2表示的检测信号(电压)。 下面参考图6说明信号处理部件40的实施例，并参考图7说明由信号处理部件40
执行的处理。信号处理部件40接收来自电容式编码器100的检测信号SG，并在RAM 42中
存储所接收的信号。然后，组合所获取的数据，并基于所组合的数据从ROM 43中的状态数
据表中读取状态数据。由CPU 41执行这些算法操作。 下面说明图7中示出的处理的算法。[步骤SA1]:将电压施加的数量设置为变量N。[步骤SA2]:将变量A设置为"1 "。[步骤SA3]:对序列发生器指示第A个电压施加。[步骤SA4]:确定电压施加是否完成，如果没有，则重复该确定。如果电压施加完 成，处理前进到步骤SA5。[步骤SA5]:从接收电极获取检测信号。[步骤SA6]:编码并保存检测信号。每一个检测信号可以取正值和负值或零的两 个状态，因此可以由一比特信息来表示。
[步骤SA7]:变量A增加"1 "。[步骤SA8]:确定变量A是否等于变量N。如果确定结果为是，则处理前进到步骤
SA9。如果确定结果为否，则处理返回步骤SA3。[步骤SA9]:读取并组合所存储的数据以产生确定数据。[步骤SA10]:参考存储检测信号的组合和相应的划分区域之间的关系的状态数 据表，确定连接电极位于哪个划分区域中。
[步骤SA11]:输出所确定的划分区域。 图5a表示状态数据表，存储检测信号SG的组合和其中设置了如图4所示的连接 电极的基准线的划分区域之间的关系。参考该状态数据表，基于检测信号SG的组合模式， 能够确定连接电极21的基准线21L位于哪个区域中。在图5b中示出的线Zl到Z4是划分 区域的分界线，这些线分别包括在第一到第四区域中。 图8表示施加到激励电极的激励信号，它与图4示出的激励信号是不同的。
在图4的示例中，按照激励电极群11A — 11B — 11C — 11D的顺序，以在一个激励 脉冲返回到零之后输出下一个脉冲的方式将激励脉冲输出到各个相位，然而，在图8的示 例中，各个脉冲是重叠的。 在图4的示例中，信号处理部件40采用是有效的检测信号SG的正电压，然而，在
本示例中，信号处理部件40采用是有效的检测信号SG的正和负电压两者。 在图4的示例中，通过激励信号的一个输出获得一个确定结果，然而，根据如图8
所示的施加激励信号的方式，能够获取两个确定结果，即，基于响应于激励信号的脉冲的上
升沿的检测信号的确定结果，以及基于响应于激励信号的脉冲的下降沿的检测信号的确定结果。 应该注意，由于响应于上升沿的检测信号和响应于激励信号的下降沿的检测信号 是相反的，因此必须执行倒转响应于激励信号的下降沿的检测信号的符号或修改所存储的数据的内容的处理，等等。 下面说明其中设置了三相位的激励电极的第二实施例。 在本实施例中，如图9所示，定子包括顺时针顺序布置的三个激励电极群11A、11B 及11C。三个激励电极群11A、11B及11C中的各个激励电极的布置构成一个周期。激励电 极群11A表示0，360，...度，激励电极群IIB表示120,450，...度，激励电极群11C表示 240,600， .度。 本实施例中的电容式编码器确定相对于激励电极11的基准线11L，可移动部件20 的连接电极21的基准线21L位于三个划分区域中的哪一个区域，并输出确定结果。
对于该检测，激励装置30的序列发生器31对于激励电极群11A、11B及11C的三 个相位独立地施加脉冲电压，并且在信号处理部件40中存储在接收电极14中产生的检测 信号SG，从而基于检测信号SG的组合，确定连接电极21的基准线21L位于三个划分区域中 的哪一个区域。 下面参考图9具体说明该检测。图9表示可移动部件20的连接电极21相对于定 子10上的激励电极11的位置，并且还表示从序列发生器31选择地施加到激励电极11的 激励信号和在各个位置的检测信号。 在图9的示例中，序列发生器31以激励电极群11A — 11B — 11C的顺序施加相同 的脉冲。在图9的下部表示相对于激励电极的布置周期的角度，如已经提到的，激励电极群 11A表示0，360，...度，激励电极群IIB表示120,480，...度，激励电极群11C表示240， 600，...度。 在图9中，激励电极群11A中的一个激励电极的左侧IIL用作连接电极21的位置 检测的基准。在最上位置所描述的连接电极21表示基准线21L设置在0度的情况。在该 位置，由于连接电极21面对激励电极群IIA和激励电极群IIB，因此仅当激励信号施加到激 励电极群11A和激励电极群11B时检测信号(电压)才出现。 图10a表示状态数据表，存储检测信号的组合和其中如图9所示的设置了连接电 极的划分区域之间的关系。参考该状态数据表，基于检测信号的组合，能够确定连接电极的 基准线位于哪个区域中。在图10b中的线Zl到Z3是划分区域的分界线，这些线分别包括
在第一到第三区域中。 下面参考图11-13说明本发明的第三实施例。 图ll表示具有四相位激励电极ll的电容式编码器，其中，信号处理部件40具有
用于存储先前的划分区域数据的区域寄存器45及用于存储A数量的A数量计数器46，每
当可移动部件20的移动超过一个A (激励电极的一个布置周期)时就更新A数量。下面
参考图12说明使用区域寄存器45和A数量计数器46计算A数量的方式。 如图13所示，以逆时针方向预先确定第一到第四划分区域。在这个示例中，第一
区域和第二区域之间的分界线设置为A数量的转变，这样当连接电极21的基准线21L从
第一区域进入第二区域时就确定可移动部件20已经移动了 1 A 。以顺时针方向从第一区域
到第二区域的运动在一个A之内，从而不更新A数量计数器。确定的第一个步骤是确定
区域寄存器的值是表示第一区域或第二区域。作为第二个步骤，确定在当前处理周期中获
得的区域数据是表示第一区域或第二区域。 下面说明图12所示的流程图的各个步骤。
[步骤SB1]:读取前一个区域数据。[步骤SB2]:确定前一个区域数据是否表示第一区域。如果确定前一个区域数据
表示第一区域，则处理前进到步骤SB3，如果否，则处理前进到步骤SB5。[步骤SB3]:确定当前区域数据是否表示第二区域。如果确定当前区域数据表示
第二区域，则处理前进到步骤SB4，如果否，则处理终止。[步骤SB4] : A数量计数器递增"1"并存储。[步骤SB5]:确定前一个区域数据是否表示第二区域。如果确定前一个区域数据 表示第二区域，则处理前进到步骤SB6，如果否，则处理终止。[步骤SB6]:确定当前区域数据是否表示第一区域。如果确定当前区域数据表示
第一区域，则处理前进到步骤SB7，如果否，则处理终止。[步骤SB7] : A数量计数器递减"1"并存储，并且处理终止。 通过这个实施例，能够可靠地检测可移动部件20经过激励电极11的多个布置周 期的旋转位置。
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权利要求
一种电容式编码器，包括定子，所述定子具有互相电独立的至少三个激励电极群和与所述激励电极电独立的接收电极，每一个激励电极群由环形设置且相互电连接的激励电极构成，从而形成预定数量的激励电极组；可移动部件，相对于所述定子可移动地设置并且具有连接电极和发送电极，所述连接电极环形设置以面对所述定子的所述激励电极，具有与所述激励电极组相同的数量，所述发送电极与所述连接电极电连接并且被设置成面对所述定子的所述接收电极；激励装置，用于以预定的顺序周期地将二进制电压的激励信号施加到所述定子的激励电极群；和信号处理装置，当所述激励信号施加到所述定子的所述激励电极时，处理在所述可移动部件的所述连接电极中产生的并通过所述发送电极由所述接收电极接收到的检测信号，以便基于所述检测信号的组合模式确定所述可移动部件位于划分区域中的哪一个区域，所述划分区域是以激励电极群的数量划分每一个激励电极组中的激励电极的一个设置周期预先确定的。
2. 根据权利要求1所述的电容式编码器，其特征在于所述激励信号包括正的或负的脉 冲电压。
全文摘要
本发明提供一种能够以低的能耗获取可移动部件的位置数据的电容式编码器。该电容式编码器包括定子、面对定子设置的可移动部件、激励装置及信号处理装置。定子具有互相电独立的至少三个激励电极群，每一个激励电极群由环形布置且相互电连接的激励电极构成，从而形成预定数量的激励电极组。可移动部件具有与激励电极组相同数量的连接电极。该激励装置以预定顺序周期性地将激励信号施加到激励电极群。该信号处理装置基于在连接电极中产生的检测信号的组合模式确定可移动部件位于激励电极的一个布置周期的划分区域中的哪一个区域。
文档编号G01D5/243GK101750104SQ20091025398
公开日2010年6月23日 申请日期2009年12月11日 优先权日2008年12月12日
发明者三井秀年, 仮屋功, 内田裕之, 尾高俊一, 谷口满幸 申请人:发那科株式会社