[发明专利]电容式位置检测器

说明书

本发明涉及一种电容式位置检测器，该检测器包含相互由给定间隙分开的滑块和标尺，且它们至少沿一个测量路径相互间可作相对移动，所述滑块包含：至少两个发射电极;至少一个接收电极;产生加给所述发射电极的电信号的第一装置，和对所述接收电极所接收到的信号进行计算的第二装置，以便测定滑块和标尺的相对位置。

人们已经知道几个这种电容位置检测器的例子，它们中的某些，如美国专利No.3342935所提示的，多数用于两维位置的工件定位系统，它们也称为数字转换器且用作计算机的外围设备，它们需要嵌入印刷板中的布线阵作为标尺并用电信号激励，所述信号用滑块中的接收电极接收，这种接收电极可以是笔尖式或指针式装置。这种数字转换器，主要由于复杂的布线阵而太昂贵，无法在更简单的指针式装置和鼠式位置指示器就足以完成的各种应用中竞争。

这种电容式位置检测器的其它一些例子主要用于线度或角度测量设备，如游标卡尺、测微计、度盘指示器、旋转编码器，这类检测器使用具有浮动电极直线阵列的标尺，即这种电极与四周完全电气绝缘，且面对着具有发射和接收电极的滑块。美国专利3961318中描述了这种类型的电容式位置检测器。这些浮动电极虽不需要电气连接于标尺，但仍有缺陷。标尺可能不是均匀同质的，因为导电电极的下面需要绝缘基片。相邻浮动电极之间的耦合及湿度引起的标尺表面导电性会使性能下降。而且，浮动电极需提供两个清楚分开的功能，即耦合到发射电极和把所接收的信号转发到接收电极，因此它们延伸穿过测量路径。所述这种电极延伸穿过测量路径，虽是完成这两种功能所必需的，但却防碍了将这种实施方式扩展到第二维的测量。

本发明目的是为了克服这些缺点，为此，本发明的标尺包含：至少一个下凹或突起的外形特征区;对从滑块发射电极耦连到滑块接收电极的信号进行检测和计算的所述第二装置;所述标尺外形特征区设置得当滑块（cursor）和标尺（scale）沿至少一个测量路径作相对移动时会通过改变所述滑块电极之间的电容耦合而影响所述耦合信号。

本发明使检测器提高了精度、易于制造且成本低。本发明可直接扩展到对两维的测量。

按照本发明，标尺可包含几个突起或下凹的外形元素，它们沿着至少一个测量路径排列以形成周期结构;滑块包含至少一个沿所述路径延伸的电极阵列和遵循空间周期图形将所述电极接通于至少两个电信号之一的装置。

上述结构可使任何大小的标尺提高精度并降低成本。

同样按照本发明，标尺可至少包含一行沿着至少一个测量路径呈现周期结构的外形元素;滑块包含沿所述路径布置的一行电极，和将所述行的每个电极接通于所述至少两个电信号之一或接通于放大器输入端之一或接通于地电位的装置，以便获得具有周期相等于所述结构或是其倍数的信号分布，所述交换装置也能使所述信号分布沿所述电极行移位。

这种结构使标尺可做得非常狭小，于是适用于非常有限的空间。滑块也能做得非常小。

按照本发明，滑块可包含沿一个测量路径排列的两行相同的发射电极，及平行于这两行发射电极而设置的接收电极，和在每行电极上产生相似而极性相反的交流信号分布的交换装置。所述信号分布能够利用所述交换装置而使它沿测量路径移位。接收电极则连接到差分放大器的输入端。

这种电容式检测器提供简单的交换装置且易于屏蔽所述接收电极，和对接收电极信号进行检测和计算的所述第二装置，其结果使它们避免受到不需要的耦合。大大提高测量信号与在滑块电极和所连电路上的无用耦合之间的比值。

按照本发明，标尺可包含突起或下凹的外形特征区以形成沿两个垂直测量路径周期分布的两维结构。

这样的标尺容易制造且能在两维中进行精确的位置检测。

其它优点将参照附图本发明的某些实施例在权利要求书及说明书中进行说明，其中：

图1为本发明第一实施例;

图2a为所述第一实施例的局部剖示图;

图2b显示了作为滑块和标尺之间的位移X函数的所述第一实施例的差分电容;

图3a为一环形实施例的局部剖示图;

图3b显示了作为滑块和标尺之间的位移X函数的该第二实施例的差分电容;

图4显示第三实施例的滑块电极的几何图形，图上叠加有标尺上一个外形特征区的轮廓线;

图5和图6为本发明的第四和第五实施例的透视图;

图7a是作为滑块的集成电路的透视图;

图7b是通过其内部连接安装在载体上的滑块的集成电路的局部剖示图;

图7c为其电极面垂直于标尺上带有规则结构的平面的滑块的透视图;

图8a显示了一种其外形特征区由介质涂覆层填充的线性标尺;