专利名称：电容式位移测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于小型测量装置如电子千分尺、测孔仪、千分表、角度测量仪等的电容式位移测量装置。
已经开发了各种进行直线或角度测量的各种电容式测量装置，其中两个标度部分相互关联地放置，这两个标度部分上分别安排了容性耦合电极，通过检测电极之间的电容变化确定两个标度部分的相对位置。这些电容式测量传感器的精度由标度部分上电极的分割数决定。因此，为了得到高的分辨率，需要使发送电极和接收电极中的至少一种电极做得精细。
图29表示现有的电容式位移测量装置的示意图。该装置包括相互位置可以变动的第一和第二标度部分。在第一标度部分上，排列着以恒定间隔隔开的多个第一发送电极1，接收电极4沿着该标度部分的纵向放置。在这种情况下，第一发送电极1的每个单元包括8个电极。从脉冲调制电路6产生8种相位的正弦波信号，这些信号根据来自振荡器5的时钟脉冲被通以脉冲，并且它们的相位相互之间差45°，被送至第一发送电极1。因此，发送电极1的每个单元的宽度等于发送波长间距Wt1。
在第二标度部分上排列着第二接收电极2，其间距Pr2等于发送波长间距Wt1，第二接收电极2与第一标度部分上的4个发送电极1容性耦合。在第二标度部分上还排列着第二发送电极3，它们与第二接收电极2电连接，并与第一标度部分上的第一接收电极4容性耦合。第一接收电极4与测量电路7相连。
在上述装置中，当第一和第二标度部分相对运动时，接收信号的相位根据第一发送电极1和第二接收电极2之间的耦合电容而改变。通过检测接收信号的相位变化就能够测量位移。在这种情况下，由于装置具有8个发送电极，并且这些电极由相位相互之间差45°的多种相位信号驱动，所以能够在Pr2/8的精度范围内确定测量位置。
如果上述电容式测量装置中的第一和第二标度部分由同轴圆筒形部件构成，那么就能够得到小型的圆筒形位移传感器。
图30A和图30B表示在这种圆筒形位移传感器中外圆筒形部件(即定子)和内圆筒形部件(即转子)的展开的电极图案的一个例子。如图所述，在定子的内表面上形成第一发送电极1的两个单元A、B，每个单元具有8个电极，以及形成第一接收电极4。在转子的外表面上形成与第一发送电极1相对的第二接收电极2以及与第一接收电极4相对的第二发送电极3。
为了制造这种圆筒形位移传感器，需要在圆筒形表面上形成电极图案。为了形成这样的电极图案特别是在定子上的电极图案，例如已经提出了几种方法，这些方法如下(1)在柔性印刷电路(FPC)衬底上形成电极图案，然后将FPC固定到圆筒形部件的内表面上(参照USP 5,239,307)；(2)通过激光束加工在圆筒形部件的表面上形成电极图案(参照德国专利No.3,426,750)。
此外，为了进行高精度的测量，必须以很高的同心度来放置定子和转子。然而，在小型圆筒形传感器中要想得到很高的同心度是困难的。尽管同心度差仍要实现高精度测量，就必须安排电极的至少两个单元，如图30A和30B所示。当电极的两个单元以角度方向排列时，通过将电极单元的两个输出进行平均，可以消除定子和转子之间定位不准带来的影响。
然而，在现有技术的圆筒形位移传感器中仍然存在几个问题。首先，采用上述方法在圆筒形部件上形成电极图案是困难的。特别是圆筒形部件越小，形成精确的图案的过程就越困难。其次，将圆筒形部件内表面上的电极图案与外部测量电路相连是困难的，并且组装定子和转子也是困难的。如果需要解决同心度的问题形成电极的两个单元，那么传感器和外部测量电路之间的连线将变得更复杂，并且操作过程也将变得更复杂。由于上述这些问题必须有待于解决，所以圆筒形位移传感器目前还不实用。
本发明的一个目的是提供一种电容式测量装置，它能够很方便地连线和构造，并且它的电极图案也能够很容易地形成。
本发明的另一个目的是提供一种电容式测量装置，它不需要很高的同心度，因此电极图案可以简化。
本发明的第一方面是一种电容式测量装置，用于测量相隔一个预定的间隙、相互可运动地安装的第一和第二部件之间的相对位置，该装置包括放置在第一部件上的发送电极阵列，相互间相位不同的交变信号送至每个发送电极；放置在第一部件上的接收电极，与发送电极阵列隔开；以及放置在第二部件上的耦合电极，与发送电极阵列中的多个电极和接收电极容性耦合，接收电极用于输出对应于第一和第二部件之间的相对位置的电信号，该电信号被送至测量电路，其中第一和第二部件中的一个是具有圆筒形外表面的内部件，另一个是具有不完全圆筒形内表面的外部件，该不完全圆筒形内表面与外表面相对，相隔一个预定的间隙，第一和第二部件或以轴向或以角度方向可相对运动，以及发送电极阵列和接收电极放置在内部件的外表面和外部件的内表面的一个表面上，而耦合电极放置在另一个表面上。
本发明的第二方面是一种电容式测量装置，用于测量相隔一个预定的间隙、相互可运动地安装的第一和第二部件之间的相对位置，该装置包括放置在第一部件上的发送电极阵列，相互间相位不同的交变信号送至每个发送电极；放置在第一部件上的接收电极，与发送电极阵列隔开；以及放置在第二部件上的耦合电极，与发送电极阵列中的多个电极和接收电极容性耦合，接收电极用于输出对应于第一和第二部件之间的相对位置的电信号，该电信号被送至测量电路，其中第一和第二部件中的一个是具有圆筒形外表面的内部件，另一个是具有圆筒形内表面的外部件，该圆筒形内表面与外表面相对，相隔一个预定的间隙，第一和第二部件或以轴向或以角度方向可相对运动，以及发送电极阵列和耦合电极中的一种放置在内部件的外表面上，另一种放置在外部件的内表面上，发送电极阵列和耦合电极二者都具有带有相同螺旋角的螺旋形图案。
在第一方面中，装置包括具有圆筒形外表面的内部件和具有围绕内部件一半的不完全圆柱形内表面的外部件。由于外部件例如是侧面部分开启的不完全的圆筒，所以易于在内表面形成电极图案，引出导线，和构造部件。例如，如果电极图案及其引线形成在EPC衬底上，然后固定到外部件的内表面，那么形成电极图案包括引线的过程将变得很容易。
在第二方面中，通过利用一个完全的圆筒和一个不完全的圆筒的组合，或利用作为定子和转子的两个完全的圆筒的组合，以及通过以螺旋形图案排列的发送电极和耦合电极，可以得到测量角位移的位移传感器。在该位移传感器中，即使转子和定子之间中心轴未对准，发送电极和相对的耦合电极之间的间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，也能够得到高的测量精度。此外，如果在每个定子和转子中，排列了图案相反的两组电极图案，那么可以消除定子和转子之间轴向不对准带来的影响，并能以高精度测量角位移。
图1A和图1B表示根据本发明一个实施例的包括旋转编码器的电子千分尺的主要部分的平面图和剖视图。
图2A至2D表示旋转编码器的示意性的例子。
图3表示旋转编码器的信号处理电路的结构。
图4A至4C表示根据另一实施例的旋转编码器。
图5A和图5B表示根据另一实施例的旋转编码器的电极图案。
图6A和图6B表示根据另一实施例的旋转编码器的电极图案。
图7表示旋转编码器的信号处理电路的一个例子。
图8表示图7中的信号处理电路的信号波形。
图9A和图9B表示根据另一实施例的旋转编码器的电极图案。
图10A和图10B表示根据另一实施例的旋转编码器的电极图案。
图11表示图10中的旋转编码器的信号处理电路的一个例子。
图12A和图12B表示根据另一实施例的旋转编码器的电极图案。
图13表示根据一个实施例的包括旋转编码器的小型测量装置。
图14表示根据另一实施例的旋转编码器。
图15表示根据另一实施例的旋转编码器。
图16A和图16B表示根据一个实施例的包括旋转编码器的小型测量装置。
图17A至图17C表示根据另一实施例的线性编码器。
图18A和图18B表示根据另一实施例的线性编码器的电极图案。
图19A至图19C表示根据另一实施例的旋转编码器。
图20A和图20B表示根据另一实施例的旋转编码器的电极图案。
图21A和图21B表示根据另一实施例的旋转编码器的电极图案。
图22A和图22B表示根据另一实施例的旋转编码器的电极图案。
图23表示根据另一实施例的旋转编码器的电极图案。
图24A和图24B表示根据另一实施例的旋转编码器的电极图案。
图25A和图25B表示根据另一实施例的旋转编码器的电极图案。
图26A至图26C表示根据另一实施例的线性编码器。
图27A和图27B表示在圆筒的外表面上形成电极图案的方法。
图28表示在圆筒的内表面上形成电极图案的方法。
图29表示构成常规的编码器的原理。
图30A和图30B表示常规的圆筒形编码器的结构。
在根据实施例的下述旋转编码器中，圆筒形内部件作为转子，围绕内部件的圆筒形或不完全圆柱形外部件作为定子。在转子的外表面和定子的内表面上形成电极图案。然而，根据应用也能够交换内外部件的功能，于是内部件作为定子，外部件作为转子。在每种方式中，与驱动和测量电路相连的发送电极和接收电极最好形成在定子上。
图1表示根据本发明的第一实施例的电子千分尺。在该千分尺中，心轴101安装在套103中，并能通过旋转钮102滑动。在套103中，装有旋转编码器10，用于测量心轴101的位移，测量值在显示器104上显示。在显示器104的附近安装了几个开关105。
图1B是有关图1A中区域106的放大部分，用来表示旋转编码器10的安装状态。旋转编码器10包括安装在心轴101上的转子12和安装在套103的内表面上的定子11，以便对着转子12的外表面。转子12由与心轴101同轴的圆筒构成，定子11由半个圆筒形环构成，它具有不完全的内表面，对着转子12的外表面，相隔一个预定的间隙。装在转子12的端部的螺丝108被夹在形成在心轴101外表面上的纵向槽107中，以便沿槽107运动。通过弹簧109施力使转子12压向套103的内表面，以避免相对套103沿轴向位移。当心轴101旋转并沿轴向线性位移时，转子12与心轴101一起旋转，但是不沿轴向位移。因此，根据心轴101的旋转和线性位移，转子12相对定子11仅能沿角度方向运动，于是可以测量旋转位移。
图2A和图2B分别表示旋转编码器10的安装状态和侧视图。图2C和图2D分别表示定子11的内表面和转子12的展平的外表面。转子12与定子11同轴安装，相隔0.1至0.2mm的预定间隙，因此能够相对运动。
如图2C所示，放置在定子11的内表面上的是发送电极阵列13和接收电极14，它们之间相互绝缘。排列发送电极阵列13，其矩形图案的长方向沿轴向，在角度方向上相隔预定的间距。在本实施例中，发送电极阵列13包括N(N是2或大于2的整数)个电极的1个单元。相位相互之间差360°/N的N个交变信号按数字顺序施加到N个发送电极13上。在本实施例中，N＝8。接收电极14以轴向靠近发送电极阵列13放置在定子11的内表面上，其矩形图案的长方向沿角度方向。
发送电极阵列13和接收电极14实际上与引线15、16一起形成在如虚线所示的FPC衬底17上，并且FPC衬底17被固定到定子11的内表面上。引线15和16从定子11的每边拉出，并与外部驱动/测量电路相连。
如图2D所示，在转子12的外表面，放置了两个耦合电极18和两个接地电极19。耦合电极18具有矩形图案，该图案的轴向长度复盖发送电极阵列13和接收电极14，角度方向的宽度复盖四个发送电极13。耦合电极18通过容性耦合从发送电极阵列13接收发送的信号，并通过容性耦合向接收电极14发送接收的信号。这些电极18和19实际上形成在FPC衬底上，并固定到转子12的外表面上。接地电极19可以省略。
根据本实施例的旋转编码器中的电极结构与图30A、30B所示的常规编码器的结构等同。因此，半周πr(其中r是转子12的外表面的半径)等于图30A、30B所示的发送波长间距Wt1和接收电极间距Pr2。结果，根据本实施例，能够以πr/8或更高的高精度测量角位移。
图3表示旋转编码器10的驱动/测量电路的简要结构。该电路包括产生时钟信号的振荡器21，以及脉冲调制器22，脉冲调制器22向发送电极阵列13输出与时钟信号同步的八种相位的交变信号，相位相互之间差45°。
对应于转子12和定子11之间的相对旋转而改变的接收电极14的输出被送至积分器23，然后积分器23的输出被送至相位比较器24。比较器24比较输入信号和基准信号之间的相位差，根据相移量检测转子12和定子11之间的相对位移。比较器2 4的输出被输入至计数器25。计数器25根据比较器24的检测信号对来自振荡器21的时钟信号进行计数，并以数值在显示器26上显示转子12和定子11之间的相对位移量。
根据本实施例，由于定子11是由半个圆筒形部件构成的，所以通过采用FPC衬底，很容易在定子11的内表面上形成电极图案和引线。即使不用FPC衬底，通过例如采用激光束加工技术也容易在定子的内表面上形成电极图案。另外，由于定子11具有轴向开口，所以激光束可以很容易地通过开口照射到定子11的内表面上。通过焊接、热压连接等，也易于将引线与定子11的内表面上的电极图案相连。
图4A和4B分别对应于图2C和2D，表示根据旋转编码器10的另一实施例的展平的电极图案。如图4A所示，定子11内表面上的发送电极阵列13包括相互平行的螺旋形图案的N(在本实施例中N＝8)个电极。接收电极14以轴向靠近发送电极阵列13放置，其矩形图案的长方向沿角度方向。如图4B所示，转子12外表面上的耦合电极18具有与发送电极阵列13相对的接收部分18a和与接收电极14相对发送部分18b。接收部分18a由螺旋形图案构成，其螺旋角与发送电极阵列13相同，发送部分18b由类似于接收电极14的矩形图案构成，并与接收部分18a相连。在图4B中，发送电极阵列13、接收电极14和耦合电极18之间的重叠状态由虚线表示。耦合电极18以与发送波长Wt1相同的间距Pr放置，其宽度复盖四个发送电极13。在图2的旋转编码器中，转子12转一圈的相位变化是360°×2＝720°。与之相比，在图4的旋转编码器中，转子12转一圈的相位变化是360°。
在本实施例中，与上述实施例一样，电极图案和引线可由FPC衬底构成。在这种情况下，如图4C所示，上面形成引线15、16的FPC衬底17不从边缘拉出，但通过定子11的侧开口拖出。
根据本实施例，即使转子12和定子11之间的同心度不够，安装精度也不会对测量精度造成很大的影响。因为作为采用螺旋形电极图案的结果，输出信号的强度在角度方向是均匀的。此外，由于引线15、16是以垂直于编码器的轴的方向拉出的，所以减小了转子12上的耦合电极18和引线15、16之间的相互影响。
图5A和5B分别对应于图4A和4B，表示根据另一实施例的电极图案。在本实施例中，定子11上的接收电极14以角度方向靠近发送电极阵列13放置，其矩形图案的长方向沿轴向。转子12外表面上的耦合电极18仅由螺旋形图案构成，与发送电极阵列13和接收电极14二者容性耦合，其螺旋角与发送电极阵列13相同。另外，与发送电极阵列13容性耦合的耦合电极18的接收部分和与接收电极14容性耦合的耦合电极18的发送部分不再分开，并且这些部分由连续的螺旋形图案构成。
根据本实施例，每个发送电极阵列13和耦合电极18之间的间隙变化，以及耦合电极18和接收电极14之间的间隙变化被平均而得以减小。
图6A和6B分别对应于图4A和4B，表示根据另一实施例的放大的电极图案。在本实施例中，耦合电极18被分成多个间隔均匀的电极，其间距通过发送波长Wt1被整数n(＝2或大于2)除得到。详细地说，上述实施例中的耦合电极18被分成5个电极，然后这些螺旋形图案的电极以2πr/10的间距放置。虽然八个发送电极阵列13具有与图4A中相同的图案，但是交变信号的相位与图4A的不同。另外，如图6A所示，顺序相移135°的八种相位的交变信号被送至发送电极13。
根据本实施例当转子12转1/10(即36°)圈时，输出信号的相位变化恰恰是360°。换句话说，转子12转一圈，输出信号变化10个周期。上述测量方法的原理和详细的测量电路已经在USP 4,878,013的说明书中进行了详尽的描述。
图7表示测量电路，图8表示信号波形和信号与作为时间的横轴之间的关系。在图7中，框100是旋转编码器。具有不同相位的多个交变信号被送至发送电极。振荡器400产生频率可在100至200kHz之间选择的交变信号，用作信号产生源。振荡器400的输出f0被分频器600分频，然后在相位变换器340中变成八个交变信号，它们的每个相位移135°。然后，交变信号在调制器620中被输出f0调制成八个信号200-1、200-2、……、200-8，它们被送至发送电极。
旋转编码器100由来自调制器620的输出信号202驱动，并从接收电极输出位移信号。该位移信号由差动放大器640放大，作为信号204输出。输出信号204的包络线是正弦波形，如图8所示。然后输出信号204在解调器660中被解调，解调器660由振荡器400的输出f0同步。将被解调的信号206的相位与转子处于基准点时产生的基准信号300进行比较，得到相位差。相位差由转子和定子之间的相对位置确定。
包括谐波分量的被解调的信号206经过滤波器680，成为失真较小的信号208。信号208被输入进零交点电路700，检测波形的零交点位置。在这一电路中，计数器720用作数字计算装置，以便得到上述相位差。
计数器720的复位/开始信号与解调器660和控制单元800的触发信号同步。基准信号的零交点信号用作计数器720的开始触发。计数时序由振荡器400的输出f0控制。计数操作由零交点电路700的输出停止。另外，在对应于相位差的位置零交点电路700产生停止信号，如图8所示。
计数器720中的计数值210表示基准信号300与旋转编码器100的相移量。对应于相位差的计数值210在运算电路740中进行处理，变成位置信号。经转变的位置信号经驱动器760送至显示器780。显示器780以数字方式显示测量值。
图9A和9B表示根据另一实施例的旋转编码器的电极图案，该实施例在轴向具有图4A和4B中所示的A、B组电极图案。定子11的内表面上的接收电极14共同用于A和B组。A和B组中的发送电极阵列13具有相反的螺旋形图案。A和B组中的每个相应的发送电极13由相同的相位信号共同驱动。
对应于定子11中的电极图案，A和B组耦合电极18以轴向放置在转子12的外表面上，螺旋形图案相反。
按照本实施例，根据转子12的旋转，A和B部分的相位按相同方向变化。相反，根据转子12轴向的线性运动，A和B部分的相位按相反方向变化。因此，在输出信号中可以自动去除A和B组中的不需要的相移。结果，可以减小轴向变化的影响。
在图9A、9B的实施例中，A和B部分中的信号强度之间的差越小，消除轴向变化影响的效果就越大。图10A和图10B表示根据另一个实施例的电极图案，分别对应于图9A和图9B。在本实施例中，与图9A和9B不同，耦合电极18在A和B部分由分隔区C相互分开，如图10B所示。根据耦合电极18的分开状态，定子11上的A、B部分中的接收电极14相互分开。单独取出A、B部分中的接收电极14的输出以便进行处理。
图11表示用于图10A、10B中的实施例的测量电路。与图3不同，来自旋转编码器10的A、B部分的两个输出分别被两个积分器23a、23b积分。积分器23a、23b的两个输出分别在两个相位比较器24a、24b中进行处理。计数器25根据相位比较器24a、24b的检测信号对来自振荡器21的时钟进行计数，以便输出位置数据。在计数器25中，来自每个A、B部分的输出A0、B0被平均，根据下式输出最终的信号(A0＋B0)/2。
根据本实施例，可以更有效地减小轴向变化的影响。
图12A和12B表示根据另一个实施例的电极图案，该实施例是基于图6A和6B的结构发展起来的。如图12A和12B所示，A和B组电极图案分别安排在定子11和转子12上。定子11上的发送电极13和接收电极14与图5A的类似。在本实施例中，A、B组中的接收电极14与图9A和9B的实施例类似，共同连接到外部测量电路。
图13表示采用了上述实施例的小型测量装置。定子11和电路模件32由一体的注模塑料制品构成。因此，定子11不是一个单独的半个圆筒形部件，而是具有与转子12相对的半个圆筒形内表面。在模件32上，安装了LSI33、LCD34、开关35、36和其它必要的部分。定子11具有形成在内表面上的与上述实施例类似的电极图案和引线，并且引线与LSI 33相连。可以通过固定FPC衬底或通过对直接淀积在塑料制品的内表面上的金属膜进行加工来形成电极图案。利用定位衬套31将转子12安装在被测机器(未示出)的心轴上，然后将模件32与衬套31连接。最后，安装盖板37和电池38。
如上所述，小型位移测量装置可以方便地安装在被测机器上。
在本发明中，不完全圆柱形部件不必正好是半个圆筒形部件。例如，如图14所示，不完全的圆筒形定子11可以比完全圆筒形部件的正好一半小。如图15所示，不完全的圆筒形定子11也可以比完全圆筒形部件的正好一半大。在图15的装置中，圆筒形转子12不能通过侧面开口插入定子11，但是可以通过边缘开口插入定子11。在这种情况下，与采用完全的圆筒形部件的情况相比，更容易形成电极图案和拉出引线。
图16A和16B表示另一个实施例，其中定子形成在一个平板上。如图16A所示，定子部分41形成在平板40上。如图16B所示，通过溅射和蚀刻工艺，定子部分41具有与图4A相同的发送电极阵列13和接收电极14。与上述过程同时，在平板40上还形成从定子部分41引出的引线16、17。
LSI43和LCD44安装在平板40上。连接在LSI43和LCD44之间的电线未示出，但形成在平板40上。如图16A所示，转子12与定子部分41相对。在转子12上，与图4B类似地形成耦合电极。
根据本实施例，不需要将FPC衬底用于定子部分41。可以采用常规的技术，如溅射、蒸气淀积、蚀刻等形成定子部分41。结果可以降低制造成本。装置的组装简单。
图17A至17C表示用于线性编码器的另一个实施例。图17A是线性编码器50的立体图。线性编码器50具有类似于上述旋转编码器的半个圆筒形标度部分51和圆筒形标度部分52。图17B和17C分别是展平的标度部分52和51上的电极图案。标度部分52比标度部分51长。阻止标度部分52相对于标度部分51作角度方向运动，而只能作轴向运动，如箭头所示。
如图17C所示，形成在半个圆筒形标度部分51的内表面上的是八个发送电极13和一个接收电极14。发送电极13具有螺旋形图案。虽然在图17C中表示的是对应于发送波长间距Wt1的仅一个单元的发送电极13，但是可以安排多个单元的发送电极。接收电极14靠近发送电极13放置，其矩形图案的长方向沿轴向。
如图17B所示，在标度部分52的外表面沿轴向形成了耦合电极18的多个接收部分18a，其螺旋形图案的螺旋角与发送电极13相同，间距是Pr2(＝Wt1)。每个接收部分18a与四个发送电极13容性耦合。耦合电极18的发送部分18b与接收电极14容性耦合，以轴向加长的图案形成。耦合电极18可以由围绕标度部分52的连续的螺旋形图案构成。
该线性编码器与常规的编码器具有不同的结构，但是结构的原理与图29的相同。因此，它可以测量标度部分52相对于标度部分51沿轴向的相对运动的线性位移。
图18A和18B表示另一个实施例，该实施例具有在角度方向的类似于图17B和17C所示的两组电极图案。根据这一实施例，可以减小标度部分51和52之间的轴不对准产生的影响。
至此已经描述了将圆筒形部件和半个圆筒形部件组合起来的几个实施例。下面将描述具有两个完全的圆筒形部件的旋转编码器。
图19A表示根据一个实施例的旋转编码器60。编码器60包括转子62和围绕转子62的定子61。转子62与定子61同轴组装，相隔一个预定的间隙，因此相对于定子61只能沿角度方向运动。图19B和19C分别表示展平的转子62的外表面和展平的定子61的内表面。
如图19C所示，与图4A相类似，在定子61的圆筒形内表面上形成发送电极阵列13和接收电极14。发送电极阵列13具有一组八个电极，这些电极由从定子61一端算起以预定间隔并带有预定螺旋角的螺旋形图案构成。在定子61的另一端，形成接收电极14，其矩形图案的长方向沿角度方向。发送电极13和接收电极14二者都绕在定子61的内表面上。
如图19B所示，与发送电极13和接收电极14容性耦合的耦合电极18形成在转子62的外表面上。耦合电极18具有与发送电极13容性耦合的接收部分18a和与接收电极14容性耦合的发送部分18b。接收部分18a具有螺旋角与发送电极13相同的螺旋形图案，并复盖四个发送电极13。矩形图案的发送部分18b绕在外表面。
虽然在耦合电极18之间的空间形成了接地电极19，但是接地电极19可以省略。
发送电极13和接收电极14通过预定的引线(未示出)引出，以便与驱动/测量电路相连。与图4A相类似，相位相互之间差45°的交变信号被按数字顺序送至发送电极13。
在本实施例中，转子62的外表面的一圈2πr等于图29所示的发送波长间距Wt1和接收电极间距Pr2。结果根据本实施例，能够以πr/8或更高的高精度测量角位移。
根据本实施例，定子61和转子62之间的轴不对准不会产生影响。这是因为围绕表面形成了一个单元的螺旋形电极，输出信号的平均强度是沿角度方向平均的。
图20A和20B表示定子61的另一电极图案。在图20A中，耦合电极18的发送部分18b是由螺旋形图案构成的，该图案是从类似于图5B的螺旋形接收部分18a延长得到的。在图20B中，发送部分18b与图19B的图案相同，并延续到接收部分18a，在发送部分18b和接收部分18a之间没有特别的空间。
根据图20A中的电极图案，与图19B比较，可能是引起传感器缝隙的原因的定子61相对于转子62的轴向不对准是允许的。这是因为与图19B中接收部分18a在宽度1(＜10)以内形成不同，图20A中的耦合电极18在轴向宽度10以内整个作为接收部分。此外，由于电极图案简单，所以电极图案的制造过程变得简单。然而，实际上对着接收电极14的发送部分18b的区域大约是图19B的一半。
根据图20B的电极图案，不仅定子61相对于转子62的轴向不对准是允许的，而且对着接收电极14的发送部分18b的区域保证足够大。
图21A和21B是分别对应于图19A和19B的另一电极图案。在这一实施例中，转子62的长度12小于定子61的长度11。转子62上的电极图案与图20A的相同，定子61上的电极图案与图19C的相同。
作为应用上述关系的结果，从定子61引出引线变得容易。此外，允许定子61和转子62的轴向不对准。
图22A和22B表示对应于图19A和19B的一个改进的实施例的另一电极图案。在这一实施例中，耦合电极18分成5(一般是大于2的整数)个均匀隔开的电极，其间距通过用5去除发送波长Wt1得到。于是这些电极带有螺旋形图案以2πr/10的间距放置。虽然八个发送电极13与图19C的图案相同，但是交变信号的相位与图19C不同。另外，顺序移相135°的八种相位的交变信号被送至发送电极13，如图22B所示。
根据这一实施例，当转子62旋转1/5圈(即72°)时，输出信号的相位变化正好是360°。换句话说，当转子62旋转一圈时，输出信号变化5个周期。上述实施例的测量方法的原理和详细的测量电路与图6A和6B的实施例相同。
在图22A中，耦合电极18仅由包括接收部分和发送部分的螺旋形图案构成。与此不同，也能够采用图23所示的电极图案，例如接收部分18a由螺旋形图案构成，而发送部分18b由矩形图案构成，其长方向沿角度方向。结果，耦合电极18可以在定子61上以大面积对着接收电极14。
图24A和24B表示根据另一个实施例的旋转编码器的电极图案，该实施例在轴向具有图21A和21B所示的A、B组电极图案。在定子61上形成具有相反图案的两组发送电极阵列13和接收电极14。A和B组之间具有空间2a，因此相对于基准点ZP可以允许轴向不对准。A和B组中的每个相应的发送电极13由相同相位的信号共同驱动。A、B组中的接收电极14共同与测量电路相连。
对应于定子61中的电极图案，具有相反螺旋形图案的耦合电极18的A组和B组沿轴向放置在转子62的外表面上。
按照本实施例，根据转子62的旋转，A和B部分的相位按相同方向变化。相反，根据转子62轴向的线性运动，A和B部分的相位按相反方向变化。然而，如果线性运动限制在2a内，则在输出信号中消除了A和B部分的上述相位变化。结果，可以减小轴向变化的影响。
在上述实施例中，A、B部分之间的空间2a可以不在定子61上，而在转子62上的耦合电极18的两组之间。
图25A和25B分别表示对应于图24A和24B的另一个实施例的电极图案，其中更可以允许A和B部分之间的信号强度的变化。在这一实施例中，与图24A和24B不同，耦合电极18在A和B部分由分隔区C相互分开，如图25A所示。根据耦合电极18的分开状态，定子61上的A、B部分中的接收电极14相互分开。单独取出A、B部分中的接收电极14的输出以便进行处理。
用于这一实施例中的测量电路与图11的相同。作为在该测量电路中进行平均处理的结果，可以更有效地减小轴向变化的影响。
图26A至26C表示根据另一个实施例的带有两个圆筒形部件的线性编码器。图26A是线性编码器的立体图。该编码器具有同轴的第一圆筒形标度部分71和第二圆筒形标度部分72。第二标度部分72比第一标度部分71长，并通过预定的机构(未示出)固定，从而相对于第一标度部分71只能作轴向位移，如箭头所示。
图26B和26C分别是展平的第二标度部分72和第一标度部分71上的电极图案。
如图26C所示，第一标度部分71具有形成在圆筒形内表面上的八个发送电极13和一个接收电极14。发送电极13具有螺旋形图案，位于间隔区g外侧。虽然在图26C中表示的是对应于发送波长间距Wt1的仅一个单元的八个发送电极13，但是可以安排多个单元的发送电极。接收电极14在间隔区g中形成，其矩形图案的长方向沿轴向。
如图26B所示，在第二标度部分72的螺旋形外表面沿轴向形成了多个耦合电极18，其螺旋形图案的螺旋角与发送电极13相同，间距是Pr2(＝Wt1)。每个耦合电极18具有与四个发送电极13容性耦合的接收部分18a和与接收电极14容性耦合的发送部分186。
该线性编码器具有与常规的编码器不同的结构，但是结构的原理与图29的相同。因此，它可以测量标度部分72相对于标度部分71沿轴向的相对运动的线性位移。
在上述实施例中，圆筒形或半个圆筒形部件的内表面和外表面上的电极图案由FPC衬底构成。在这种情况下，可选择绝缘体或金属材料作为圆筒形或半个圆筒形部件。
图27A和27B表示形成圆筒形部件80的外表面上的螺旋形电极图案的另一种方法。如图27B中放大的截面所示，圆筒形部件80由注模塑料体81构成，在它的外表面涂了导电膜82，如Au、Ni等。导电膜82例如是10μm厚。如图27A所示的加工装置具有螺套部件85、能够以一个预定间距进给的进给螺杆83、和切刀84。圆筒形部件80固定在进给螺杆83一个端部，然后将切刀施加在圆筒形部件80的外表面上。然后进给螺杆83进给圆筒形部件80。于是，在圆筒形部件80的外表面上形成例如深0.3μm的螺旋槽。结果，在外表面上形成导电膜82的螺旋形电极图案。
通过利用上述方法，可以很容易地形成图5B、图6B等中所示的转子上的螺旋形电极图案。通过控制加工时的旋转方向，可以形成图9B或图12B中所示的两组螺旋形电极图案。即使除了螺旋形图案外电极还有其它图案，例如如图4B所示的图案，也可以通过旋转控制和进给控制的组合来形成。
图28表示在圆筒形部件90的内表面形成螺旋形电极图案的一种方法。圆筒形部件90由注模塑料体91构成，在它的内表面涂了导电膜92。准备一个在边缘具有八个切刀94的切削工具93。通过与图27A相同的方法进给圆筒形部件90，于是切削工具93伸进圆筒形部件90。这样通过八个切刀94将导电膜92切成螺旋形图案。利用该方法，可以形成图19C中所示的圆筒形定子61的螺旋形发送电极13。对于例如图4A中所示的半个圆筒形定子，也可以用类似的方法形成螺旋形发送电极13。
在上述实施例中，内轴是每个都具有圆筒形空腔的圆筒形部件。然而，其它的没有空腔的圆柱形部件也可用作内轴。至于外环部件，不仅可以用辊轧成的薄板，而且也可以用包括其中形成圆筒形空腔的圆筒形和矩形块的材料。另外，至于外环部件，可以用具有能够对着内部件的圆筒形或不完全圆筒形内表面的可选材料。
权利要求
1.一种电容式测量装置，用于测量相隔一个预定的间隙、相互可运动地安装的第一和第二部件之间的相对位置，该装置包括放置在所述第一部件上的发送电极阵列，相互间相位不同的交变信号送至每个发送电极；放置在所述第一部件上的接收电极，与所述发送电极阵列隔开；以及放置在所述第二部件上的耦合电极，与所述发送电极阵列中的多个电极和所述接收电极容性耦合，所述接收电极用于输出对应于所述第一和第二部件之间的相对位置的电信号，该电信号被送至测量电路，其中所述第一和第二部件中的一个是具有圆筒形外表面的内部件，另一个是具有不完全圆筒形内表面的外部件，该不完全圆筒形内表面与所述外表面相对，相隔一个预定的间隙，所述第一和第二部件或以轴向或以角度方向可相对运动，以及所述发送电极阵列和所述接收电极放置在所述内部件的所述外表面和所述外部件的所述内表面的一个表面上，而所述耦合电极放置在另一个表面上。
2.根据权利要求1的电容式测量装置，其中所述内部件仅在角度方向能够相对所述外部件进行相对运动，所述发送电极阵列包括在所述外部件的所述内表面上的沿角度方向按预定间距排列的多个电极，每个电极是矩形图案，其长方向沿轴向，所述接收电极在所述外部件的所述内表面上以轴向靠近所述发送电极阵列放置，其矩形图案的长方向沿角度方向，以及所述耦合电极具有矩形图案，放置在所述内部件的所述外表面上，矩形图案的沿轴向的长复盖所述发送电极阵列和所述接收电极，而矩形图案的沿角度方向的宽复盖所述发送电极阵列中的多个电极。
3.一种电容式测量装置，用于测量相隔一个预定的间隙、相互可运动地安装的第一和第二部件之间的相对位置，该装置包括放置在所述第一部件上的发送电极阵列，相互间相位不同的交变信号送至每个发送电极；放置在所述第一部件上的接收电极，与所述发送电极阵列隔开；以及放置在所述第二部件上的耦合电极，与所述发送电极阵列中的多个电极和所述接收电极容性耦合，所述接收电极用于输出对应于所述第一和第二部件之间的相对位置的电信号，该电信号被送至测量电路，其中所述第一和第二部件中的一个是具有圆筒形外表面的内部件，另一个是具有圆筒形内表面的外部件，该圆筒形内表面与所述外表面相对，相隔一个预定的间隙，所述第一和第二部件或以轴向或以角度方向可相对运动，所述发送电极阵列和所述接收电极放置在所述内部件的所述外表面和所述外部件的所述内表面的一个表面上，而所述耦合电极放置在另一个表面上，以及所述发送电极阵列和所述耦合电极二者都具有带有相同螺旋角的螺旋形图案。
4.根据权利要求3的电容式位移测量装置，其中所述外部件具有不完全的圆筒形内表面。
5.根据权利要求3的电容式位移测量装置，其中所述内部件仅在角度方向能够相对所述外部件进行相对运动，所述发送电极阵列包括在所述外部件的所述内表面上相互平行放置的多个电极，具有螺旋形图案，所述接收电极在所述外部件的所述内表面上以轴向靠近所述发送电极阵列放置，其矩形图案的长方向沿角度方向，以及所述耦合电极包括放置在所述内部件的所述外表面上的与所述发送电极阵列容性耦合的接收部分，具有螺旋形图案，其螺旋角与发送电极阵列的相同，还包括放置在所述内部件的所述外表面上的与所述接收电极容性耦合的发送部分。
6.根据权利要求5的电容式测量装置，其中所述耦合电极的所述发送部分具有矩形图案，其长方向沿角度方向，并且对着所述接收电极，而且与所述接收部分电连接。
7.根据权利要求5的电容式测量装置，其中所述耦合电极由与所述发送电极阵列和所述接收电极都相对的螺旋形图案构成。
8.根据权利要求3的电容式位移测量装置，其中所述发送电极阵列包括在所述外部件的所述内表面上相互平行放置的多个电极，具有螺旋形图案，所述接收电极在所述外部件的所述内表面上以角度方向靠近所述发送电极阵列放置，其矩形图案的长方向沿轴向，以及所述耦合电极包括放置在所述内部件的所述外表面上的与所述发送电极阵列容性耦合的接收部分，具有螺旋形图案，其螺旋角与发送电极阵列的相同，还包括放置在所述内部件的所述外表面上的与所述接收电极容性耦合的发送部分。
9.根据权利要求3的电容式测量装置，进一步包括在所述外部件的所述内表面上沿轴向靠近所述发送电极阵列放置的另一发送电极阵列，这两组发送电极阵列具有相反的图案，以及在所述内部件的所述外表面上沿轴向靠近所述耦合电极放置的另一耦合电极，这两组耦合电极具有相反的图案，并且分别对着所述两组发送电极阵列。
10.根据权利要求3的电容式测量装置，其中所述发送电极阵列包括在所述外部件的所述内表面上排列的N个电极，其中N是大于2的整数，N个不同的交变信号施加到N个电极的每一个上，所述N个不同的交变信号的相互相位差360/N度。
11.根据权利要求3的电容式测量装置，其中所述耦合电极被分成均匀间隔的多个电极，其间距通过用大于2的一个整数去除发送波长间距得到。
全文摘要
旋转编码器10由半个圆筒形定子11和圆筒形转子12构成。转子12与定子11同轴放置，相隔一个预定的间隙。螺旋形图案的多个发送电极13和矩形图案的接收电极14形成在定子12的内表面上。发送电极13和接收电极14由带有引线15、16的FPC衬底17构成。在转子12的外表面上形成螺旋形图案的耦合电极18，以便与发送电极13和接收电极14容性耦合。
文档编号G01B3/20GK1141426SQ9512142
公开日1997年1月29日 申请日期1995年12月7日 优先权日1994年12月7日
发明者佐佐木康二 申请人:三丰株式会社