电容式的旋转编码器

摘要

本发明涉及一种电容式旋转编码器具有转子和定子以及定子上固定设置在和转子轴同轴的编码轨道上的定子电极和转子上设置的耦合电极。耦合电极通过距编码轨道少量轴向距离的定子的转动在定子电极上引导，其分别在圆周方向覆盖相邻的定子电极并且相互之间电容式耦合。问询电子件为每个定子电极检测通过转子的耦合电极作用的和相邻定子电极的电容式耦合。这实现了定子的角度位置的静态和动态安全检测。

权利要求

1.电容式的旋转编码器，具有定子、转子以及在定子上固定设置在与转子轴同轴的编码轨道上的各定子电极，其中，每一个定子电极都和相邻的定子电极电气绝缘，所述旋转编码器还具有设置在转子上并且相互电气绝缘的各耦合电极，其中在旋转转子时，耦合电极以距编码轨道微小的轴向距离在定子电极上方被引导并且分别覆盖沿圆周方向相邻的定子电极并且相互之间电容式耦合；所述旋转编码器还具有问询电子件，所述问询电子件为每一个定子电极检测由转子的耦合电极造成的与相邻定子电极的电容式耦合，其中编码器轨道形成扇形，在所述扇形上以对应于分立的开关位置的角度位置设置定子电极，其中各个耦合电极沿圆周方向所测量的长度大约相当于两个相邻定子电极的圆周长度。

2.根据权利要求1所述的旋转编码器，其中沿编码轨道以相同的角度间距设置定子电极。

3.根据权利要求1或2所述的旋转编码器，其中定子电极设置在印刷电路板上。

4.根据权利要求1或2所述的旋转编码器，其中在定子电极和耦合电极之间设置由绝缘材料制成的滑环。

5.根据权利要求1或2所述的旋转编码器，其中耦合电极沿圆周方向具有相互之间不同的距离。

6.根据权利要求1或2所述的旋转编码器，其中编码器轨道形成闭合圆环。

7.根据权利要求1或2所述的旋转编码器，其中问询电子件从多个分别由一个耦合电极覆盖的定子电极对导出冗余的角度位置信号。

说明书

电容式的旋转编码器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种电容式旋转编码器，其具有转子和定子、以及在定子上固定设置在与转子轴同轴的编码轨道上的定子电极、和设置在转子上的耦合电极。

背景技术

[0002] 在此上下文中旋转编码器理解为旋转角度编码器或者角度位置编码器。旋转编码器在车辆中的典型运用是转向角编码器和无磨损旋转开关。

[0003] 已知光学编码器，其因使用光电元件而昂贵。此外已知具有模拟编码的电容式编码器(US 5,736,865A1)，其精确度很大程度和线路信号的质量有关。在其它已知的具有屏蔽电极的电容式编码器中(US6,892,590B1)电势浮动的耦合电极导至高度的自电容，其使信号分析变得困难。

发明内容

[0004] 通过本发明提供电容式的旋转编码器，其探测具有多个耦合电极的数字编码器，由此借助冗余达到高度可靠性。旋转编码器的概念使得可以优化耦合电极的表面，用于在少量覆盖临近的定子电极时得到高的耦合电容，以至电极重载和其采样可在极短时间内完成并且由此减少占用空间。

[0005] 在根据本发明的旋转编码器中，耦合电极通过旋转转子以距编码轨道微小的轴向距离在定子电极上方被引导，其分别沿圆周方向覆盖相邻的定子电极并且相互之间电容式耦合。问询电子件为每一个定子电极检测通过转子的耦合电极造成的与相邻定子电极的电容式耦合。这实现了转子的角度位置的静态和动态安全检测。旋转编码器原则上可以作为旋转角度检测器，例如用于车辆的转向角采集，也可以作为角度位置检测器使用在例如无磨损的旋转开关中。定子电极和耦合电极的正确实施允许约1pF至约10pF范围内的电容。该电容值可以用已有的微控制器直接测量，以至可以最小空间和最少生产成本实现。尽管如此旋转编码器满足精度和可靠性的最高要求。

附图说明

[0006] 本发明的更多特征和优点在下述描述和附图中得出。其中：

[0007] 图1示出了具有圆形编码轨道的电容式旋转编码器的示意全图；

[0008] 图2示出了根据图1的旋转编码器电极的透视图；

[0009] 图3示出了用于描述旋转编码器的编码的图表；

[0010] 图4示出了具有部分圆形编码轨道的电容旋转编码器的示意全图；

[0011] 图5示出了根据图4的旋转编码器电极的透视图；

[0012] 图6示出了用于描述根据图4的旋转编码器的编码的图表；并且

[0013] 图7示出了具有分析电子件的电容式旋转编码器的框图。

具体实施方式

[0014] 电容式旋转编码器具有定子和转子。定子装在印刷电路板10上，印刷电路板具有用于转子的轴14的环形通道12。在圆形编码轨道上围绕通道12放置定子电极16a、16b、16c等。定子电极16a、16b、16c等的每一个都由相邻的定子电极通过狭窄缝隙分开并且由此电气绝缘。所有定子电极16a、16b、16c等沿圆周方向具有相同长度并且沿径向具有相同宽度。转子具有同轴地围绕轴14的圆柱形转子体18，其在面对印刷电路板10的端面的上具有多个耦合电极20a、20b、20c。耦合电极20a、20b和20c相互之间电气绝缘并且电势自由浮动地和定子电极16a、16b、16c等相对放置。耦合电极20a、
20b、20c沿圆周方向测量的长度大约是定子电极长度的两倍，以至每个耦合电极可以覆盖两个定子电极。耦合电极和定子电极间具有少量轴向距离，其通过由绝缘材料制成的薄滑片22限定。

[0015] 在示出的实施形式中一共存在18个定子电极和3个耦合电极。耦合电极沿圆周方向的相互间距离不同。该距离是定子电极在编码轨道上分度的倍数。耦合电极20a和20b之间的距离为三个分度步距，耦合电极20b和20c之间的距离为四个分度步距，而耦合电极20c和20a之间的距离为五个分度步距。从定子电极和耦合电极的设置可以得出图3中示出的旋转编码器的编码。图3中在垂直方向给出定子电极的数字1至18。在水平方向给出相应的角度位置1至18。在图表中两个定子电极由一个耦合电极覆盖分别通过填满的矩形示出。填满的矩形在图表中分别位于从左上方移至右下方延伸的线上，通过三个耦合电极旋转360度得到多条这样的线，其相互间的距离不同。例如若在图3的图表中观察角度位置1，那么在这个位置上两个相邻的定子电极分别通过对置的耦合电极电容式耦合，也就是定子电极1、2号，定子电极6、7号和定子电极12、13号。当转子旋转了一个角度位置时，相互耦合的定子电极的数字各移动了一个增量。18个角度位置的每一个均有三个冗余信息，其中每一个本身足够准确确定当前的角度位置。

[0016] 在图4至6中示出的旋转编码器的实施和根据图1至3的实施之间的区别仅在于定子电极和耦合电极的对应编码器轨道的设置，该轨道位于伸展大约180度的部分圆上。在编码轨道上以相同的角度间距一共设置九个定子电极，转子上的三个耦合电极与其对置。耦合电极20a和20b之间的距离为两个分度步距并且耦合电极20b和20c之间的距离仅为一个分度步距。此外旋转编码器的构成和根据图1至3的实施方式一致并且不再重复描述。

[0017] 根据图4和5的旋转编码器的编码在图6中示出。需要区分五个不连续的角度位置。每个角度位置对应无磨损旋转开关的开关位置。例如1号角度位置中定子电极T1和R1通过耦合电极20c电容式耦合，定子电极R2和T3通过耦合电极20b且定子电极R4和T5通过耦合电极20a电容式耦合。在这个实施方式中，也存在关于当前角度位置的三个冗余信息。

[0018] 两个相邻定子电极和耦合电极的重叠可以通过测量电容得到检测。所有定子电极的测量快速循环地重复，从而当前的角度位置可随时准确确定。测量可具体实行为将电荷供给一个定子电极并且在相邻定子电极中测量该电荷。在图6中例如T1是发送电极且R1是接收电极。例如从US 2010/0181180A1中已知在电极上测量电容的方法。

[0019] 在图7中示意性示出具有分析电子件的旋转编码器系统。定子电极16通过汇总为总线28的导线26和分析电子件30中的多路复用器MUX的输入端连接。微控制器μC控制多路复用器MUX并且分析其输出信号。旋转编码器定子处的耦合电极20的电势自由浮动并且相互绝缘。

[0020] 示出的实施方式是示例性的。在实际运用中定子电极的数量可根据对角度步距解析度的需求简单调整。为了达到紧凑的尺寸，电极的表面积被选择地尽可能小，但却足够大，以便保持可很好测量的电容值。电容值在约1pF至约10pF的范围是有利的，因为其可以用已有的成本低廉的微控制器直接测量。