TWI557396B - 平面位置量測裝置之電容感測單元 - Google Patents

Description

平面位置量測裝置之電容感測單元

本發明係與位置量測技術有關，特別是關於一種平面位置量測裝置之電容感測單元。

查，美國第RE27436號發明專利所揭露關於平面步進馬達之具體技術內容，其主要乃係由一平板狀之鋼板及一於該鋼板表面上移動之動子構成平面馬達之基礎架構者，而使該動子得以與位於該鋼板表面上呈二維格狀排列之多數定子齒所形成之磁場相互作用，據以使該動子得以於該鋼板之表面上，進行快速且精準之動作，惟其以雷射干擾儀進行位置量測之技術，則囿於其高昂之價格與複雜度，大大地限制了平面步進馬達之具體應用範躊。

於習知技術中，為了提供適於對平面馬達進行動子位置之感知與量測之具體技術，遂迭有不同之感測手段被公開及應用，其具體地係有如：美國第6476601號專利前案中，以霍爾感測為基礎所提供之補償磁性感測器，惟其對於定子齒之殘餘磁化影響過於敏感，係造成其具體應用上之限制。

美國第6175169號專利前案中，係將改良之電磁感測器集成 至動子上，並具有次微米級之感測能力，惟其準確度係隨著交叉調變效應(crossmodulation effect)、動子磁通量之影響以及小感測性尺寸所造成之定子齒缺陷而下降，仍未稱完善。

美國第5818039號發明專利前案中，則以光學感測技術為基 礎，透過螢光以感測位置之改變者，惟因其體積過大，無法被集成至動子構件中，而限制其於平面馬達技術領域中之應用，同時，由於其難以提供均一之染色濃度，且不法摒除位置訊號中之雜訊，亦使之難以提供精準之位置量測之結果。

前揭之不同感測技術手段，均有其技術本質上之限制，尚非 平面馬達位置量測之最佳技術手段，而受惠於平面馬達製造技術之發展，使得平面馬達之氣隙得以穩定，是等穩定之氣隙則為採用電容量測技術手段之基礎，據此，具有奈米級解析精度及對於磁通量不敏感性之電容量測技術，遂為習知技術應用以進行對平面位置之量測使用。

關此，係有如美國第642911號發明專利前案，其係揭露一基 於旋轉與線性電容之感測器，透過特殊型態之電極調控位置，惟亦因其型態上之特殊性而無法被應用於平面線性位移之馬達。

另外，美國第4893071號發明專利雖揭露有利用定子齒為量 測基準之電容感測技術，但由於其位置感測訊號之諧波失真係大幅度地降低其準確性，同時，由於其校正與調整感測器相對於移動位置之技術過於複雜，亦難以被集成至一動子電樞上。

因此，本發明之主要目的即係在提供一種平面位置量測裝置 之電容感測單元，係可進行高準確度與高解析度之單軸、多軸或旋轉位置角度之量測。

緣是，為達成上述之目的，本發明所提供平面位置量測裝置 之電容感測單元，乃係包含了有一可移動之基體；一感測部，係用以對虛擬之一感測軸之一維方向進行感測，具有多數呈長條狀之感測電極，係概以長軸垂直於該感測軸且相互平行而相隔開來地分設於該基體之一側平面上，並使各該感測電極個別之長軸兩端彼此間相隔一不等於180度角之夾角。

其中，各該感測電極個別之長軸兩端間彼此所間隔之角度， 係以鈍角之角度為較佳，另外，其形狀則得以設為概呈ㄑ形之傾斜狀。

其中，各該感測電極係呈等寬且彼此間等距地相隔開來。

為提高量測之準確性，係可增加該感測部之數量為多數，並分設於該基體之一側表面上。

其中，各該感測部係可沿一直線性之排列軸向依序排列，亦可沿一Z形之非單一排列軸向分開排列，意即其具體之排列係可因應不同之感測需求，在特定規則下儘可能地擴大其所得感測之範圍，提高感測之準確性。

其中，當各該感測部所感測之感測軸係平行於該排列軸向之際，其所得進行感測之方向係為同一軸向，而成為一單維之感測組成。

進一步地，為擴大採樣之數量及範圍，係可使各該感測部沿該排列軸向依序呈階狀之交錯。

另外，當使相鄰之二感測部所感測之感測軸呈彼此垂直對應 之際，其即得以據以進行至少二維方向之位置感測。

再者，為提高旋轉角度量測之準確性，係可將數量至少為二之感測部，相對於一幾何中心，對稱地該基體之一側平面上。

其中，各該感測部之感測電極之傾斜方向係呈反向。

其中，該二感測部係分別使位於傾斜方向末之一感測電極，對應於該幾何中心所在位置。

(1’)(1a”)(1b”)(1c”)‧‧‧單維感測組成

(10)(10’)(10''')‧‧‧電容感測單元

(20)(20’)(20''')‧‧‧基體

(21’)‧‧‧連接線路

(22’)‧‧‧連接孔

(23’)‧‧‧正方形邊長

(30)(30’)(30”)(30''')‧‧‧感測部

(31)(32)(33)(34)(31’)(32’)(33’)(34’)(31''')‧‧‧感測電極

(35)‧‧‧電極周期

(36)‧‧‧間隔距離

(37)‧‧‧感測電極厚度

(40)‧‧‧平面馬達

(41)‧‧‧定子

(411)(411’)‧‧‧定子齒

(412)‧‧‧齒隙

(42)(42’)(42”)‧‧‧定子齒周期

(43)‧‧‧定子齒高度

(50’)‧‧‧處理電路

(51’)(52’)‧‧‧電橋

(511’)(512’)(521’)(522’)‧‧‧電阻

(53’)‧‧‧振盪器

(54’)(55’)‧‧‧放大器

(a)(a’)(a”)(a''')‧‧‧感測軸

(b’)(b”)‧‧‧排列軸向

(C1)(C2)(C3)(C4)‧‧‧電容

(α)‧‧‧夾角

第一圖係本發明第一較佳實施例之平面示意圖。

第二圖係本發明第一較佳實施例之使用示意圖。

第三圖係本發明第一較佳實施例之剖視圖。

第四圖係本發明第二較佳實施例之平面示意圖。

第五圖係本發明第二較佳實施例之底視圖。

第六圖係本發明第二較佳實施例之頂視圖。

第七圖係本發明第二較佳實施例與處理電路結合之示意圖。

第八圖係本發明第二較佳實施例經處理電路輸出之弦波圖。

第九圖係本發明第三較佳實施例之立體示意圖。

第十圖係本發明第三較佳實施例之平面圖。

第十一圖係本發明第四較佳實施例之平面示意圖。

首先，請參閱第一圖所示，本發明第一較佳實施例中所提供平面位置量測裝置之電容感測單元(10)，其主要乃係包含了有一基體(20)以 及一感測部(30)。

該基體(20)係為適當尺寸之電路板，用供該感測部(30)之設置並具有可供外部與該感測部(30)間電連接之連接線路。

該感測部(30)具有四呈長條狀之等寬感測電極(31)(32)(33)(34)，係彼此平行且等距間隔開來地設於該基體(20)之一側板面上，並使各該感測電極(31)(32)(33)(34)之個別長軸兩端間分別相隔有一鈍角角度之夾角(α)，而呈以長軸中心點往雙邊斜向延伸之ㄑ形形狀。

據此，具有電容感測單元(10)之平面位置量測裝置，係如第二圖與第三圖所示般，集成至一平面馬達(40)之動子(圖上未示)中，用以感測該動子相對於一平板狀之定子(41)間之位移位置，其中： 該平面馬達(40)係屬習知之技術，其定子(41)係呈平板狀，並有多數呈棋盤狀排列之導電定子齒(411)，同時，為使該定子(41)之表面平整並對各該定子齒(411)提供適當之保護，其並以環氧樹脂等絕緣封裝材料填佈於各該定子齒(411)間之齒隙(412)中，從而使該定子(41)之表面平整，使其與該動子間所形成之氣隙尺寸得以穩定。

而該電容感測單元(10)則係藉由該基體(20)直接固設於該動子上，並使該感測部(30)位於該動子相向於該定子(41)之一側端面上，據此，各該感測電極(31)與對應導電定子齒(411)間即得以該氣隙分隔開來而分別形成對應之電容(C)，再藉由觸發電路、量測電路與數位內插器等習知技術所組成之處理電路，進行感測訊號之處理，惟是等訊號之處理技術，並非本發明之主要技術特徵所在，於此即不為冗陳。

但所應獨立加以說明者係，各該感測電極(31)(32)(33)(34)與 各該定子齒(411)彼此之尺寸，於本實施例中係使其彼此間具有一定之對應關係，其具體地，係以一定子齒(411)及一所鄰接齒隙(412)之和值為一定子齒周期(42)，並以一感測電極及其與相鄰感測電極間所相隔間距之寬度之和值為一電極周期(35)時，係使該電極周期(35)相當於四分之三之該定子齒周期(42)，從而使該感測部(30)準確地跨越三個定子齒周期(42)。

同時，並使各該感測電極(31)之厚度(37)縮至最小，以提供平滑表面並降低雜散電容，並且，如第二圖所示般，各該感測電極(31)(32)(33)(34)所分別形成之各該電容(C1)(C2)(C3)(C4)中，其第一電容(C1)係具有最大之值，而第三電容(C3)則具有最小之值。

另外，各該感測電極(31)(32)(33)(34)所分別具有之ㄑ形傾斜形狀，係有助於降低諧波失真，以維持其線性狀態，相較於習知技術，本發明所提供之特別形狀，係有助於提高位置感測之精確性與靈敏性。

藉此，該平面位置量測裝置之電容感測單元(10)被集成至該動子而隨之相對於該定子(41)進行位移時，該感測部(30)係可於一虛擬之感測軸(a)方向上進行一維方向之感測，具體而言，該感測軸(a)係與各該感應電極(31)(32)(33)(34)長軸中心點之連線呈平行狀態，亦即，如果忽略該夾角(α)之存在，則該感測軸(a)係即係與各該感測電極(31)(32)(33)(34)之長軸呈垂直對應。

續請參閱第四圖所示，不可避免的是，為數眾多之各該定子齒(411’)係易有損壞或扭曲之情況產生，從而影響其氣隙尺寸之穩定性並形成空間雜訊，因此，一旦定子齒(411’)之構造產生變形、缺角或其他損壞之同時，亦影響其作為量測尺之基準，而大幅降低該感測部(30’)所量測電容 位置之準確性，而為降低定子齒變形損壞之情況對於感測準確性之影響，於本發明第二較佳實施例中，則係將數量為五之該電容感測單元(10’)沿著一個直線延伸之排列軸向(b’)依序排列，並使各該感測部(30’)各自之感測軸(a’)平行於該排列軸向(b’)，且沿著該排列軸向呈階狀錯置，據此，透過於該感測軸(a’)測量點數量之增加，以及階狀錯置後向兩側擴展之感測範圍，在感測採樣數量大幅增加之情況下，即得以降低前述變形對於感測準確性之影響。

藉此，本實施例由多數感測單元(10’)之感測軸(a’)彼此平行 對應所構成之單維感測組成(1’)，於使用上乃可如第七圖所示般，係以一處理電路(50’)處理該單維感測組成所產生之電子訊號，惟其所進行之位置感測則非係直接測量各該電容值，而係以其對應之電壓為基礎，其具體地，乃係使各該感測部(30’)之感測電極(31’)(32’)(33’)(34’)兩兩一組地分別電接於二電橋(51’)(52’)各自之電阻(511’)(512’)(521’)(522’)上，各該電橋(51’)(52’)之低點係為接地之該定子(41’)之表面，而其高點則係與一振盪器(53’)所產生之高頻觸發訊號相連，位於各該電橋(51’)(52’)分支之電壓平衡則係分別以一放大器(54’)(55’)加以測量。

當該單維感測組成隨動子之作動而位移時，其分別對應之各 該電容亦隨之改變，據以改變各該電橋(51’)(52’)之電壓平衡，其訊號經處理後，所產生如第八圖所示之弦波訊號者，即得作為位置量測之計算基礎。

再請參閱第九圖與第十圖所示，在本發明第三較佳實施例 中，係將第二較佳實施例中所提供之單維感測組成(1”)之多數，經由適當之組成使之得以進行三維方向之感測，俾得用以測量平面上之位置與旋轉之 角度。

具體地，本實施例係以數量為三之各該單維感測組成 (1a”)(1b”)(1c”)，沿該排列軸向(b”)依序排列，並使位於中央之一第一單維感測組成(1a”)之感測軸(a”)平行於該排列軸向(b”)，而位於兩側呈對稱之一第二單維感測組成(1b”)與一第三單維感測組成(1c”)之感測軸(a”)則係彼此平行且垂直於該排列軸向(b”)。

藉此，本實施例所揭露之組成，乃得以透過各該單維感測組 成(1”)以進行不同方向之位置量測，而其中，藉由各該感測部(30”)於該感測軸(a”)垂直方向上之低敏感性，可避免本實施例中呈彼此垂直對應之各該單維感測組成間之相互影響，俾得以進行準確之位置感測。

繼之，除前述第三較佳實施例所揭之組成方式外，為獲得更 高之旋轉量測準確度，係可如第十一圖所示之本發明第四較佳實施例所揭之電容感測單元(10''')般，以前述第一較佳實施例所揭之技術為基礎，並增加該感測部(30''')之數量至二，且使各該感測部(30''')以感測軸(a''')彼此平行但感測方向相反之方式，以一幾何中心為軸，對稱地設於該基體(20''')之一側板面上，且令各該感測部(30''')之第一感測電極(31''')位於該幾何中心之兩側，並量測同一之定子齒周期(42''')。

(10)‧‧‧電容感測單元

(20)‧‧‧基體

(30)‧‧‧感測部

(31)‧‧‧感測電極

(a)‧‧‧感測軸

Claims (12)

1. 一種平面位置量測裝置之電容感測單元，包含有：一可移動之基體，係可相對於一平面裝置產生位移；一感測部，係用以對虛擬之一感測軸之一維方向進行感測，具有多數呈ㄑ形之感測電極，係概以長軸垂直於該感測軸且相互平行而相隔開來地分設於該基體之一側平面上，並使各該感測電極個別之長軸兩端彼此間相隔一不等於180度之夾角；俾以藉由該些感測電極所感測之電容值，供外部裝置判斷該基體相對於該平面裝置之位移量。
2. 依據申請專利範圍第1項所述電容感測之平面位置量測裝置，其中，各該感測電極個別之長軸兩端彼此間係相隔一鈍角角度。
3. 依據申請專利範圍第1或2項所述電容感測之平面位置量測裝置，其中，各該感測電極係呈等寬且彼此間等距地相隔開來。
4. 依據申請專利範圍第1或2項所述電容感測之平面位置量測裝置，其中，該感測部之數量係為多數，分設於該基體之一側表面上。
5. 依據申請專利範圍第4項所述電容感測之平面位置量測裝置，其中，各該感測部係沿一排列軸向依序分設於該基體之一側表面上。
6. 依據申請專利範圍第4項所述電容感測之平面位置量測裝置，其中，各該感測部所感測之感測軸係平行於該排列軸向。
7. 依據申請專利範圍第6項所述電容感測之平面位置量測裝置，其中，各該感測部係沿該排列軸向依序呈階狀之交錯。
8. 依據申請專利範圍第4項所述電容感測之平面位置量測裝置，其中， 相鄰之二感測部所感測之感測軸係彼此呈垂直。
9. 依據申請專利範圍第8項所述電容感測之平面位置量測裝置，其中，該感測部之數量係為三。
10. 依據申請專利範圍第1或2項所述電容感測之平面位置量測裝置，其中，該感測部之數量為二，係相對於一幾何中心，對稱地該基體之一側平面上。
11. 依據申請專利範圍第10項所述電容感測之平面位置量測裝置，其中，各該感測部之感測電極之傾斜方向係呈反向。
12. 依據申請專利範圍第11項所述電容感測之平面位置量測裝置，其中，該二感測部係分別使位於傾斜方向末之一感測電極，係對應於該幾何中心所在位置。