用于測量長度和角度的儀器制造技術

電容傳感器（１）包含一線性或曲線電極陣列（１０），可以精確確定測試盤（２）和傳感器（１）之間的相對位置。由于傳感器可以被集成在半導體印模上，且刻度可以很窄，所以可以極端小型化并且成本很低。（*該技術在2014年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種含有一個電容傳感器的線性或角度測量儀，所述電容傳感器具有用以發送耦合信號，并沿一第一線性或曲線陣列排列的發射電極，所述發射電極與在所述電極上產生的第一空間周期模式電信號第一裝置相連，所述電信號系沿所述第一陣列進行增量移位而產生;所述傳感器還具有用來接收電容耦合信號、并與沿所述某一元件的第一陣列判定相對位置的第二裝置相連的接收電極，所述元件具有一個第二空間周期陣列，它有著影響發射信號和接收信號之電容耦合的特征。這種儀器的幾個實施例已為公眾所知。一種具有交錯電極曲線陣列的即奇數電極(odd electrode)連接在一起以及偶數電極(even electrode)連接在一起的旋轉式電容編碼器見美國專利號為1，674，729的專利文獻中的描述。這些陣列在每個信號周期T內有兩個電極，即奇數電極和偶數電極上的電信號的相位相反。為了在空間周期Tx內以更高的精度插入，一種較好的做法是，每一空間周期Tx的電極數N遠大于2個例如，位置是用測量耦合到接收電極上信號的相位的方法確定的(如果必要，在解調以后)，存在著由于電極間距為Tx/N而產生的諧波波形和與空間周期Tx有關的基波波形之間的一個頻率比N，此比數越大，用濾波方法濾去不需要的諧波就越容易。在美國專利號為3，342，935的專利文獻中，測量板上觸針(stylus)的精確位置是用從由絲狀電極的兩個正交陣列組成的一個矩陣獲取觸針拾取信號來測量的，其中，每一軸一個陣列，每一陣列的絲狀電極與四個正交的正弦波相連，相鄰導線(wire)的相位為(例如)0，90，180，270，0，90度等，每一空間周期Tx有4個絲狀電極。所有這些實施例中，電極必須同時與傳感器和測量盤相連，傳感器與測量盤之間也必須連接在一起。德國專利號為2.218.824的專利使得電容耦合回到傳感器上的信號能夠由測量盤拾取。建議采用相位測量方法的英國專利號為2.009.944的專利也提供了從測量盤回到傳感器的這種耦合。在這兩種情況下，都去掉了傳感器與測量盤之間的必要連接，但其代價是要有一個更寬的測量盤和傳感器范圍。這是由于在發射電極陣列的旁邊，傳感器需要至少一個拾取電極，以得到與測量盤上的接收電極的電容耦合;另外，一保護電極需要屏蔽拾取電極，使之不與傳感器上的發射電極直接耦合。結果，傳感器的寬度以及測量盤使許多應用受到限制，或者是由于缺少空間，例如，在小型缸經規探測器(miniature cylindrical ganging probes)的應用中，或者是經濟原因(例如，如果此傳感器被集成在一硅印模(silicon die)，其成本將隨其尺寸而顯著增加。同時，因為測量盤電極必須有兩個分立區，一個區用來接收來自發射電極陣列的信號，另一區用來把接收信號耦合回到拾取電極，兩個區域連接在一起，測量盤電極的形狀和位置大大限制了某些應用，特別是在二維測量盤的情況下，使這些應用成為不可能。本專利技術的一個目的在于補救這些缺陷，并且為此目的，本專利技術的特征在于，所述傳感器包含第三裝置，所述第三裝置用來暫時斷開發射電極、然后再與所述第一裝置斷開，并使它們與所述第二裝置相連，從而可以瞬間接收，所述第三裝置提供瞬間接收電極的第二空間周期模式，所述第一和第二模式交替位移一增量，從而一個模式的位移發生在另一模式的位移之間的間隔內，所述元件產生一由瞬時接收電極接收的信號的周期漲落。本專利技術使一簡單、低成本儀器的制造成為可能，即使其傳感器完全集成在一硅印模上也是如此，這是由于窄電極陣列只需要一小區域的緣故。另外，由于傳感器和測量盤之間的局部距離的不同通常是影響精度的主要原因，對較小尺寸的電極陣列，因減小這些尺寸已經使精度得到提高。本專利技術所述傳感器可以被構筑成能夠與具有不同類型的元件或測量盤一起工作，這些元件或測量盤具有影響耦合電容的電極、地貌或其他空間周期參數。測量盤可以具有很簡單的幾何形狀，例如，電極可以呈矩形，不必與保護電極分開。測量盤電極可以比傳感器電極寬、窄，或相同寬度。例如，這就允許對測量盤做直線延伸，可以在用本專利技術兩個傳感器進行二坐標測量所述測量盤有一個二維電極陣列。另外，為了簡便和測量精確起見，所述第二裝置能夠在解調以后，采用對瞬時接收電極接收的信號的相位進行估算的方法，來尋找傳感器所述元件的相對位置。在一種最佳實施例中，所述第一裝置提供一具有周期2Tx的第一空間周期模式，所述2Tx由與第一電勢相連的N個電極的第一組構成，所述第一電勢與連接到第二電勢的N個電極的第二組一起交替變化，此處N為大于3的整數，所述第三裝置提供一具有周期Tx的第二空間周期模式，它由至少由一個與N個電極的每一組斷開、從而進行瞬時接收的電極構成，被選瞬時接收電極在至少兩個同電位的電極之間。本實施例以相對較為簡單的電子結構獲得了良好的測量精度。因為模式的空間周期是測量盤模式的空間周期的兩倍，所以，由于測量盤以及影響所有測量盤電極的電極之間的電壓差而產生的影響被消除。由于較長的圖形周期，傳感器與測量盤之間更大的間距成為可能，由于在間距增大時，有用信號強度降低較少。鄰近瞬時接收電極的電極的直接耦合不會影響測量，這是由于其電位在所述第一模式位移期間保持不變的緣故。所述第一和第二結構具有M個電極的移位增量具有優越性，M為一個接近N/2的整數。這樣一個移位等同于一個M-N/2個電極的相當小的增量，但所述第一模式的信號極性隨每一移位而變。由于大量的電極在每一移位時改變其電位，所以信號強度很大。另外，對來自瞬時接收電極的信號進行解調，即，每隔2個移位反轉信號的極性，則合成信號將與用所述更小的增量產生的一非解調信號相類似，但是，由移動靜電荷、壓電特性等產生的不合需要的低頻信號將被所述解調拒絕而讓位給容易被濾波的高頻。在一種較佳實施例中，移位增量之前或之后N個電極的第一和第二組所形成的模式對稱于任一瞬時接收電極的中點附近，若是隔離的話，或則對稱于任意一組接近瞬時接收電極的中點附近。在沒有測量盤的情況下，或者如果其電極從瞬時接收電極或電極組的中點看也形成一對稱模式，則在瞬時接收電極上耦合的信號為零，這是因為從所有電極上刪除了耦合的緣故。這就大大方便了測量。這種情況也可能發生在故障或錯誤耦合時對傳感器進行測試的情況下，這是因為在這種情況下，在沒有測試盤時，接收的信號也不會消除(或者具有不帶電極和起伏形狀的虛擬測試盤)。在一種最佳實施例中，此儀器包含一個與2N個第一線(Pa-Pp)相連接的信號發生器，在一條線(Pa)上產生一個從一個時鐘輸入產生的周期信號輸出，并稱位所述信號1至2N-1個時鐘周期，從而產生2N-1條剩余線(Pb-Pp)的附加2N-1個信號，每一電極可以切換到這些線中的一條上。優越之處在于，所述信號發生器還與N個第二線(Rai-Rhp)相連，從而提供所述第二模式，在所述N條第二線(Rai-Rhp)上產生的信號控制電子電源開關(S1)，使每一電極與所述第一2N線(Pa-Pp)相連或斷開，并且電子拾取開關(S2，S3)斷開，分別把所述電極與某一差動放大器(differential amplifier)相連。這一方案安全，必要的邏輯簡單。在一種最佳實施例中，每一個電極與第一拾取開關(S2)相連，第一拾取開關(S2)后有一個第二拾取開關(S3)本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種線性或角度測量儀，它包含一電容傳感器（１），所述電容傳感器具有用來發送電容耦合信號、并沿一第一線性或曲線陣列排列的發射電極（１０），所述發射電極（１０）與在所述電極上產生電信號的第一空間周期模式的第一裝置（３０）相連，所述電信號用增量沿所述第一陣列進行移位，所述傳感器（１）具有接收電容耦合信號、并與用來對沿一構件（２）的所述第一陣列的相對位置進行判定的第二裝置（３１－３７）相連的接收電極（１０Ｒ），所述構件（２）具有可以影響發射信號和接收信號的電容耦合的第二空間周期陣列器件（２０），其特征在于，所述傳感器（１）包含用來瞬時斷開發射電極（１０）并依次從所述第一裝置（３０）斷開、并把它們連接到所述第二裝置（３１－３７）、從而變成瞬時接收的第三裝置（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３），所述第三裝置（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）提供瞬時接收電極（１０Ｒ）的第二空間周期模式，所述第一和第二模式用逐次遞進的方式交替進行移位，從而在其他模式的移位之間的期間進行一種模式的移位，所述構件（２）產生瞬時接收電極（１０Ｒ）接收的信號的周期性漲落。

【技術特征摘要】
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【專利技術屬性】
技術研發人員：漢斯烏爾里希邁耶，
申請(專利權)人：漢斯烏爾里希邁耶，
類型：發明
國別省市：CH[瑞士]