CN106289045A - 平面位置量测装置的电容感测单元 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种平面位置量测装置的电容感测单元，包含有：一可移动的基体；一感测部，用以对虚拟的一感测轴的一维方向进行感测，具有多数呈长条状的感测电极，概以长轴垂直于该感测轴且相互平行而相隔开来地分设于该基体的一侧平面上，并使各感测电极个别的长轴两端彼此间相隔一不等于180度的夹角。本发明具有亚微米解析度的量测技术，而得以同时测量二维位置，以及相对于一平面的物体所进行旋转的角度，其主要的应用得以平面马达的动子位置量测为例，以测量该动子相对于平板状定子表面的位置与旋转角度。

Description

平面位置量测装置的电容感测单元

技术领域

本发明与位置量测技术有关，特别是关于一种平面位置量测装置的电容感测单元。

背景技术

美国第RE27436号发明专利所揭露关于平面步进马达的具体技术内容，其主要是由一平板状的钢板及一于该钢板表面上移动的动子构成平面马达的基础架构，而使动子得以与位于钢板表面上呈二维格状排列的多数定子齿所形成的磁场相互作用，据以使动子得以于钢板表面上，进行快速且精准的动作，但其以雷射干扰仪进行位置量测的技术，则囿于其高昂的价格与复杂度，大大地限制了平面步进马达的具体应用范围。

于已知技术中，为了提供适于对平面马达进行动子位置的感知与量测的具体技术，已有不同的感测技术被公开及应用，其具体地有如：

美国第6476601号专利前案中，以霍尔感测为基础所提供的补偿磁性感测器，但其对于定子齿的残余磁化影响过于敏感，造成其具体应用上的限制。

美国第6175169号专利前案中，是将改良的电磁感测器集成至动子上，并具有次微米级的感测能力，但其准确度随着交叉调变效应(crossmodulationeffect)、动子磁通量的影响以及小感测性尺寸所造成的定子齿缺陷而下降，仍未称完善。

美国第5818039号发明专利前案中，则以光学感测技术为基础，通过荧光以感测位置的改变，但因其体积过大，无法被集成至动子构件中，而限制其于平面马达技术领域中的应用，同时，由于其难以提供均一的染色浓度，且不法摒除位置讯号中的杂讯，亦使之难以提供精准的位置量测的结果。

前揭的不同感测技术手段，均有其技术本质上的限制，尚非平面马达位置量测的最佳技术手段，而受惠于平面马达制造技术的发展，使得平面马达的气隙得以稳定，稳定的气隙则为采用电容量测技术手段的基础，据此，具有纳米级解析精度及对于磁通量不敏感性的电容量测技术，遂为已知技术应用以进行对平面位置的量测使用。

关此，有如美国第642911号发明专利前案，其揭露一基于旋转与线性电容的感测器，通过特殊形态的电极调控位置，但亦因其形态上的特殊性而无法被应用于平面线性位移的马达。

另外，美国第4893071号发明专利虽揭露有利用定子齿为量测基准的电容感测技术，但由于其位置感测讯号的谐波失真大幅度地降低其准确性，同时，由于其校正与调整感测器相对于移动位置的技术过于复杂，亦难以被集成至一动子电枢上。

发明内容

因此，本发明的主要目的即在提供一种平面位置量测装置的电容感测单元，可进行高准确度与高解析度的单轴、多轴或旋转位置角度的量测。

为达成上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种平面位置量测装置的电容感测单元，包含了有一可移动的基体；一感测部，用以对虚拟的一感测轴的一维方向进行感测，具有多数呈长条状的感测电极，概以长轴垂直于该感测轴且相互平行而相隔开来地分设于该基体的一侧平面上，并使各感测电极个别的长轴两端彼此间相隔一不等于180度角的夹角。

其中，各感测电极个别的长轴两端间彼此所间隔的角度，以钝角的角度为较佳，另外，其形状则得以设为概呈く形的倾斜状。

其中，各感测电极呈等宽且彼此间等距地相隔开来。

为提高量测的准确性，可增加该感测部的数量为多数，并分设于该基体的一侧表面上。

其中，各感测部可沿一直线性的排列轴向依序排列，亦可沿一Z形的非单一排列轴向分开排列，意即其具体的排列可因应不同的感测需求，在特定规则下尽可能地扩大其所得感测的范围，提高感测的准确性。

其中，当各感测部所感测的感测轴平行于该排列轴向之际，其所得进行感测的方向为同一轴向，而成为一单维的感测组成。

进一步地，为扩大采样的数量及范围，可使各感测部沿该排列轴向依序呈阶状交错。

另外，当使相邻的两感测部所感测的感测轴呈彼此垂直对应之际，其即得以据以进行至少二维方向的位置感测。

再者，为提高旋转角度量测的准确性，可将数量至少两个感测部，相对于一几何中心，对称地设于该基体的一侧平面上。

其中，各感测部的感测电极的倾斜方向呈反向。

其中，两感测部分别使位于倾斜方向末的一感测电极，对应于该几何中心所在位置。

本发明的优点在于：

本发明的平面位置量测装置的电容感测单元，可进行高准确度与高解析度的单轴、多轴或旋转位置角度的量测。

附图说明

图1是本发明第一较佳实施例的平面示意图。

图2是本发明第一较佳实施例的使用示意图。

图3是本发明第一较佳实施例的剖视图。

图4是本发明第二较佳实施例的平面示意图。

图5是本发明第二较佳实施例的底视图。

图6是本发明第二较佳实施例的顶视图。

图7是本发明第二较佳实施例与处理电路结合的示意图。

图8是本发明第二较佳实施例经处理电路输出的弦波图。

图9是本发明第三较佳实施例的立体示意图。

图10是本发明第三较佳实施例的平面图。

图11是本发明第四较佳实施例的平面示意图。

元件符号说明：

1’、1”、1a”、1b”、1c”单维感测组成 10、10’、10”’电容感测单元

20、20’、20”’基体 21’连接线路

22’连接孔 23’正方形边长

30、30’、30”、30”’感测部

31、32、33、34、31’、32’、33’、34’、31”’感测电极

35电极周期 36感测电极厚度 40平面马达

41定子 411、411’定子齿

412齿隙 42、42”’定子齿周期

43定子齿高度 50’处理电路

51’、52’电桥 511’、512’、521’、522’电阻

53’振荡器 54’、55’放大器

a、a’、a”、a”’感测轴 b’、b”排列轴向

C1、C2、C3、C4电容 α夹角

具体实施方式

首先，请参阅图1所示，本发明第一较佳实施例中所提供平面位置量测装置的电容感测单元10，其主要包含有一基体20以及一感测部30。

基体20为适当尺寸的电路板，用于供设感测单元30并具有可供外部与感测部30间电连接的连接线路。

感测部30具有四呈长条状的等宽感测电极31、32、33、34，彼此平行且等距间隔开来地设于基体20的一侧板面上，并使各感测电极31、32、33、34的个别长轴两端间分别相隔有一钝角角度的夹角α，而呈以长轴中心点往双边斜向延伸的く形形状。

据此，具有电容感测单元10的平面位置量测装置，如图2与图3所示般，集成至一平面马达40的动子(图上未示)中，用以感测该动子相对于一平板状的定子41间的位移位置，其中：

平面马达40属已知技术，其定子41呈平板状，并有多数呈棋盘状排列的导电定子齿411，同时，为使定子41表面平整并对各定子齿411提供适当的保护，其并以环氧树脂等绝缘封装材料填布于各定子齿411间的齿隙412中，从而使定子41表面平整，使其与动子间所形成的气隙尺寸得以稳定。

而电容感测单元10则通过基体20直接固设于该动子上，并使感测部30位于该动子相向于定子41的一侧端面上，据此，各感测电极与对应导电定子齿411间得以该气隙分隔开来而分别形成对应的电容C，再通过触发电路、量测电路与数字内插器等已知技术所组成的处理电路，进行感测讯号的处理，对于讯号处理技术，并非本发明的主要技术特征所在，于此即不为冗陈。

但所应独立加以说明的是，各感测电极31、32、33、34与各定子齿411彼此的尺寸，于本实施例中是使其彼此间具有一定的对应关系，其具体地，以一定子齿411及一所邻接齿隙412的和值为一定子齿周期42，并以一感测电极及其与相邻感测电极间所相隔间距的宽度的和值为一电极周期35时，使电极周期35相当于四分之三的定子齿周期42，从而使感测部30准确地跨越三个定子齿周期42。

同时，并使各感测电极的厚度36缩至最小，以提供平滑表面并降低杂散电容，并且，如图2所示般，各感测电极31、32、33、34所分别形成的各电容C1、C2、C3、C4中，其第一电容C1具有最大值，而第三电容C3则具有最小值。

另外，各感测电极31、32、33、34所分别具有的く形倾斜形状，有助于降低谐波失真，以维持其线性状态，相较于已知技术，本发明所提供的特别形状，有助于提高位置感测的精确性与灵敏性。

以此，平面位置量测装置的电容感测单元10被集成至动子而随之相对于定子41进行位移时，感测部30可于一虚拟的感测轴a方向上进行一维方向的感测，具体而言，感测轴a与各感应电极31、32、33、34长轴中心点的连线呈平行状态，亦即，如果忽略夹角α的存在，则感测轴a即与各感应电极31、32、33、34的长轴呈垂直对应。

续请参阅图4所示，不可避免的是，为数众多的各定子齿411’易有损坏或扭曲的情况产生，从而影响其气隙尺寸的稳定性并形成空间杂讯，因此，一旦定子齿411’的构造产生变形、缺角或其他损坏的同时，亦影响其作为量测尺的基准，而大幅降低感测部30’所量测电容位置的准确性，而为降低定子齿变形损坏的情况对于感测准确性的影响，于本发明第二较佳实施例中，是将数量为五的电容感测单元10’沿着一个直线延伸的排列轴向b’依序排列，并使各感测部30’各自的感测轴a’平行于排列轴向b’，且沿着该排列轴向呈阶状错置，据此，通过于感测轴a’测量点数量的增加，以及阶状错置后向两侧扩展的感测范围，在感测采样数量大幅增加的情况下，即得以降低前述变形对于感测准确性的影响。

以此，本实施例由多数电容感测单元10’的感测轴a’彼此平行对应所构成的单维感测组成1’，于使用上可如图7所示般，以一处理电路50’处理单维感测组成所产生的电子讯号，但其所进行的位置感测则非直接测量各电容值，而是以其对应的电压为基础，其具体地，使各感测部30’的感测电极31’、32’、33’、34’两两一组地分别电接于两电桥51’、52’各自的电阻511’、512’、521’、522’上，各电桥51’、52’的低点为接地的定子41’的表面，而其高点则与一振荡器53’所产生的高频触发讯号相连，位于各电桥51’、52’分支的电压平衡则分别以一放大器54’、55’加以测量。

当单维感测组成随动子作动而位移时，其分别对应的各电容亦随之改变，据以改变各电桥51’、52’的电压平衡，其讯号经处理后，所产生如图8所示的弦波讯号，即得作为位置量测的计算基础。

再请参阅图9与图10所示，在本发明第三较佳实施例中，是将第二较佳实施例中所提供的单维感测组成1”的多数，经由适当的组成使之得以进行三维方向的感测，得用以测量平面上的位置与旋转角度。

具体地，本实施例是以数量为三的各单维感测组成1a”、1b”、1c”，沿排列轴向b”依序排列，并使位于中央的一第一单维感测组成1a”的感测轴a”平行于排列轴向b”，而位于两侧呈对称的一第二单维感测组成1b”与一第三单维感测组成1c”的感测轴a”则彼此平行且垂直于排列轴向b”。

以此，本实施例所揭露的组成，得以通过各单维感测组成1”以进行不同方向的位置量测，而其中，通过各感测部30”于感测轴a”垂直方向上的低敏感性，可避免本实施例中呈彼此垂直对应的各单维感测组成间的相互影响，得以进行准确的位置感测。

继之，除前述第三较佳实施例所揭的组成方式外，为获得更高的旋转量测准确度，可如图11所示的本发明第四较佳实施例所揭的电容感测单元10”’般，以前述第一较佳实施例所揭的技术为基础，并增加感测部30”’的数量至两个，且使各感测部30”’以感测轴a”’彼此平行但感测方向相反的方式，以一几何中心为轴，对称地设于基体20”’的一侧板面上，且令各感测部30”’的第一感测电极31”’位于该几何中心两侧，并量测同一定子齿周期42”’。

以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims (13)

1.平面位置量测装置的电容感测单元，其特征在于，包含有：

一可移动的基体；

一感测部，用以对虚拟的一感测轴的一维方向进行感测，具有多数呈长条状的感测电极，概以长轴垂直于该感测轴且相互平行而相隔开来地分设于该基体的一侧平面上，并使各感测电极个别的长轴两端彼此间相隔一不等于180度的夹角。

2.根据权利要求1所述的平面位置量测装置的电容感测单元，其特征在于，各感测电极个别的长轴两端彼此间相隔一钝角角度。

3.根据权利要求1所述的平面位置量测装置的电容感测单元，其特征在于，各感测电极呈形。

4.根据权利要求1、2或3所述的平面位置量测装置的电容感测单元，其特征在于，各感测电极呈等宽且彼此间等距地相隔开来。

5.根据权利要求1、2或3所述的平面位置量测装置的电容感测单元，其特征在于，所述感测部的数量为多数，分设于所述基体的一侧表面上。

6.根据权利要求5所述的平面位置量测装置的电容感测单元，其特征在于，各感测部沿一排列轴向依序分设于所述基体的一侧表面上。

7.根据权利要求5所述的平面位置量测装置的电容感测单元，其特征在于，各感测部所感测的感测轴平行于所述排列轴向。

8.根据权利要求7所述的平面位置量测装置的电容感测单元，其特征在于，各感测部沿所述排列轴向依序呈阶状交错。

9.根据权利要求5所述的平面位置量测装置的电容感测单元，其特征在于，相邻的两感测部所感测的感测轴彼此呈垂直。

10.根据权利要求9所述的平面位置量测装置的电容感测单元，其特征在于，所述感测部的数量为三个。

11.根据权利要求1、2或3所述的平面位置量测装置的电容感测单元，其特征在于，所述感测部的数量为两个，相对于一几何中心，对称地设于所述基体的一侧平面上。

12.根据权利要求11所述的平面位置量测装置的电容感测单元，其特征在于，各感测部的感测电极的倾斜方向呈反向。

13.根据权利要求12所述的平面位置量测装置的电容感测单元，其特征在于，所述两感测部分别使位于倾斜方向末的一感测电极，对应于所述几何中心所在位置。