差分电容编码器的制作方法

本实用新型涉及编码器技术领域，特别是涉及一种差分电容编码器。

背景技术：

编码器是将信号或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者称为码盘，后者称为码尺。

编码器常见可分为光学编码器、磁性编码器和电容式编码器。相比于光学编码器和磁性编码器，电容编码器具有一些基本的优势。但是，由于现有技术中的电容式编码器结构复杂、体积较大，适配性较差，难以适用于多种不同的使用场合。

技术实现要素：

基于此，本实用新型提供一种差分电容编码器，结构简单、体积小巧，易于实现小型化。

为了实现本实用新型的目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种差分电容编码器，包括一静盘、相对于所述静盘设置的动盘、及连接所述静盘的处理电路；所述静盘上设有一发射区与接收区，所述发射区与所述接收区分开设置于所述静盘的相对两侧上；所述发射区设置有沿其径向排列的若干粗分激励极与细分激励极；所述接收区包括粗分接收区与细分接收区；所述粗分激励极、所述细分激励极、所述粗分接收区及所述细分接收区均呈扇环状设置；所述粗分接收区与所述粗分激励极处于所述静盘上的同一圆环上，所述细分接收区与所述细分激励极处于所述静盘上的同一圆环上；所述动盘的表面印刷有连续的多个重复图案，所述重复图案构成了完整圆周的电极环，包括粗分电极环及细分电极环；所述处理电路，包括分别连接于所述静盘上两侧的信号激励模块与信号采集模块、连接所述信号采集模块的信号解调模块及连接所述信号解调模块的信号过滤模块。

上述差分电容编码器，其静盘上的发射区与接收区分开设置于该静盘圆周的两侧上，动盘则省去了一般电容式编码器动盘中的反射环，而是直接利用所述电极环的一部分面积作为感应极，另一部分作为反射极。相对比一般的电容编码器，本实用新型差分电容编码器充分利用动、静盘的面积资源，使得所述差分电容编码器的体积更加小巧，可以适配于更多的使用场合；同时也提高了信号的信噪比，增强了该差分电容编码器的抗干扰能力。

在其中一个实施例中，所述静盘与所述动盘同轴心设置，所述动盘位于所述静盘的正上方。

在其中一个实施例中，所述粗分激励极、所述细分激励极以每连续的四个激励电极作为一个周期。

在其中一个实施例中，所述信号激励模块采用频率高于10kHz的正弦波信号作为激励信号，该激励信号分别加载到各个激励电极组上，相邻两个激励电极之间的相位差为90度。

在其中一个实施例中，所述重复图案的形状为正弦波形。

在其中一个实施例中，所述发射区与所述接收区之间还设有一屏蔽区。

在其中一个实施例中，所述静盘与所述动盘均为呈圆环状的PCB板。

在其中一个实施例中，所述屏蔽区为PCB的阻焊部分。

附图说明

图1为本实用新型一较佳实施方式的差分电容编码器的静盘与动盘的结构示意图；

图2为图1所示的差分电容编码器的静盘与处理电路的连接示意图；

图3为图2所示的圆圈A的放大示意图；

附图标注说明：

10-静盘，20-发射区，21-粗分激励极，22-细分激励极，30-接收区，31-粗分接收区，32-细分接收区，40-动盘，41-粗分电极环，42-细分电极环，50-屏蔽区，60-信号激励模块，70-信号采集模块，80-信号解调模块，90-信号过滤模块。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。

请参阅图1至图3，为本实用新型一较佳实施方式的差分电容编码器，安装于电机的机轴上。所述差分电容编码器为两片式反射型的圆容栅编码器，包括一静盘10、相对于所述静盘10设置的动盘40、及连接所述静盘的处理电路；所述静盘10上设有发射区20与接收区30；所述静盘10与所述动盘40同轴心设置，所述动盘40位于所述静盘10的正上方。所述静盘10与所述动盘40均为呈圆环状的PCB板，所述静盘10静止不动，所述动盘40与所述电机的机轴同心安装且随着所述机轴做同步旋转。

所述发射区20与所述接收区30位于所述静盘10朝向所述动盘40的一面上；所述发射区20与所述接收区30各占据所述静盘10的一边圆环上，且所述发射区20的覆盖面积大于所述接收区30的覆盖面积。在本实施例中，所述发射区20与所述接收区30分开设置于所述静盘10的相对两侧上，相对比一般的电容编码器将发射区与接收区都设置于静盘圆周的同一侧，本实施例中的差分电容编码器具有精简的环宽，使得所述差分电容编码器的体积更加小巧，可以适配于更多的使用场合。

所述发射区20设置有沿其径向排列的若干粗分激励极21与细分激励极22，所述粗分激励极21与所述细分激励极22呈均扇环状设置，所述粗分激励极21 的环宽与所述细分激励极22的环宽相同；所述环宽为扇环的宽度，所述环宽＝ (外径-内径)/2。所述粗分激励极21靠近所述静盘10的圆周内侧，所述细分激励极22靠近所述静盘10的圆周外侧，即所述粗分激励极21与所述细分激励极分别设置在相邻的内环和外环上。所述粗分激励极21、细分激励极22以偶数个激励电极构成一组或者一个周期，如四个、六个、八个等。在本实施例中，所述粗分激励极21、细分激励极22以每连续的四个激励电极为一个周期。

所述接收区30包括一粗分接收区31与细分接收区32，所述粗分接收区31 与细分接收区32均呈扇环状设置。所述粗分接收区31靠近所述静盘10的圆周内侧，所述细分接收区32靠近所述静盘10的圆周外侧，即所述粗分接收区31 与所述细分接收区32分别设置在相邻的内环和外环上。所述粗分接收区31的环宽与所述粗分激励极21的环宽相等，且所述粗分接收区31与所述粗分激励极21处于所述静盘10上的同一圆环上。所述细分接收区32的环宽与所述细分激励极22的环宽相等，且所述细分接收区32与所述细分激励极22处于所述静盘10上的同一圆环上。

所述动盘40，能够绕电机的机轴同步旋转，其表面印刷有连续的多个重复图案，所述重复图案的形状为正弦波形；在其他的实施例中，也可以是余弦波形、方波形或者锯齿状波形等。所述重复图案构成了完整圆周的电极环，包括粗分电极环41及细分电极环42，所述粗分电极环41靠近所述动盘40的圆周内侧，所述细分电极环42靠近所述动盘40的圆周外侧。所述粗分电极环41与所述细分电极环42至少有一个波形的波峰/波谷在圆周上同起点。

在本实施例中的动盘40省去了一般电容式编码器动盘中的反射环，而是直接利用所述电极环的一部分面积作为感应极，另一部分作为反射极。所述感应极与所述静盘10上的发射区20投影重叠，发生电容耦合，所述感应极受到来自所述发射区20的激励而产生感应电信号，所述反射极与所述静盘10上的接收区30投影重叠，所述接收区30接收所述反射极反射的电信号即调制信号，并输出该调制信号用于分析。

为避免所述发射区20与所述接收区30、发射区20内各激励极与激励极之间直接耦合，所述发射区20与所述接收区30之间还设有一屏蔽区50，进一步地，本实施例中的屏蔽区50为PCB的阻焊部分。

本实施例中的处理电路，包括分别连接于所述静盘10上两侧的信号激励模块60与信号采集模块70、连接所述信号采集模块70的信号解调模块80及连接所述信号解调模块80的信号过滤模块90。所述信号激励模块60产生四路正弦波激励信号，分别加载到所述粗分激励极21或所述细分激励极22的各个激励电极组上。在本实施例中，所述信号激励模块60采用频率高于10kHz的正弦波信号作为激励信号，该激励信号分别加载到各个激励电极组上，每个激励电极的信号对应的相位偏移分别为0，90，180和270度，即相邻两个激励电极之间的相位差为360/4＝90度。

所述信号采集模块70电连接所述静盘10上的接收区40，采集来自反射极 24反射回来的调制信号。在所述差分电容编码器上电时，通过一个多路控制开关，先向所述粗分激励极31加载激励信号，所述信号采集模块70此时与所述粗分接收区31相连接，可获得粗分的调制信号；然后再切换所述多路控制开关，向所述细分接收区32加载激励信号，可获得细分的调制信号。由于该调制信号幅值微弱，需要进行放大，将信号幅值提高到数百毫伏至数千毫伏，故所述信号采集模块70中含有一运放器。假设某一激励电极组上的第一个激励电极命名为A，所述动盘20与所述静盘10发生相对旋转移动后，在所述信号采集模块 70可接收到的电信号电荷为其中K为系数，与许多印刷有关，如激励信号幅度、激励电极条面积、动盘与静盘之间气隙、气隙介电常数等，一般在特定设计和工作环境下，K近似为常数。

所述信号解调模块80电连接所述信号采集模块70，所述信号解调模块80 接收经过放大的调制信号，与激励信号相乘可以分离激励信号和位移信号。本实施例中采用正弦激励信号，所述调制信号与正弦激励信号相乘，信号结果包括激励信号两倍频率的三角函数和位移的余弦函数与激励信号两倍频率的信号相比，所述位移的余弦函数是直流量，经过所述信号过滤模块 90去掉高频分量，就得到了同理类似，当激励源为余弦激励信号时，所述信号解调模块80接收的调制信号与余弦激励信号相乘，信号结果包括激励信号两倍频率的三角函数和位移的正弦函数与激励信号两倍频率的信号相比，所述位移的正弦函数是直流量，经过所述信号过滤模块90去掉高频分量，就得到了在本实施例中，所述信号过滤模块90为一低通滤波器。通过上述方法获得位移的正余弦信号后，就可以通过各种计算方式解算处位移量，市面上已有产品可以直接接受这种正余弦信号作为编码器的输出，该技术已经相当成熟，所以本实用新型不再赘述中间的计算过程。

由于两片式电容器容易受到电机电磁干扰或其噪声干扰，本实施例中将所述粗分接收区31、所述细分接收区32充分利用，实现背景噪声抑制。请再次参阅图2，所述信号采集模块70采用一个双极运放，该双极运放的正输入端连接所述细分接收区32，该双极运放的负输入端连接所述粗分接收区31。当所述细分激励极22负载工作时，所述细分接收区32采集到的是细分的调制信号及其背景噪声信号，此时所述粗分接收区31上仅接收到背景噪声信号，并没有接收有效信号，一般情况下，所述细分接收区32与所述粗分接收区31接收到的背景噪声大致相当，在所述双极运放中，背景噪声抑制，有效信号放大。同理，当所述粗分激励极21负载工作时，所述粗分接收区31采集的是粗分的调制信号及其背景噪声信号，此时所述细分接收区32上仅接收到背景噪声信号，并没有接收有效信号，在双极运放中，背景噪声得以抑制，有效信号放大。利用这种方法，在不增加所述静盘10的面积和尺寸的情况下，有效地抑制了背景噪声干扰，提高了所述差分电容编码器的性能和可靠性。

上述差分电容编码器，其静盘上的发射区与接收区分开设置于该静盘圆周的两侧上，动盘则省去了一般电容式编码器动盘中的反射环，而是直接利用所述电极环的一部分面积作为感应极，另一部分作为反射极。相对比一般的电容编码器，本实用新型差分电容编码器充分利用动、静盘的面积资源，使得所述差分电容编码器的体积更加小巧，可以适配于更多的使用场合；同时也提高了信号的信噪比，增强了该差分电容编码器的抗干扰能力。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。