CS259483B1

CS259483B1 - Capacitive rotary encoder with evaluation circuit

Info

Publication number: CS259483B1
Application number: CS864839A
Authority: CS
Inventors: Jaksa Reljic; Helmar Frank
Original assignee: Jaksa Reljic; Helmar Frank
Priority date: 1986-06-30
Filing date: 1986-06-30
Publication date: 1988-10-14
Also published as: CS483986A1

Abstract

Kapacitní rotační snímač polohy s vy hodnocovacím obvodem využívá změny kapacity mezi elektrodami rotoru a statoru. Obě elek trody mají zuby, které jsou navzájem rozmě rově i tvarově shodné. Elektroda statoru je rozdělena na dvě sekce. Stator i rotor jsou opatřeny kovovým kroužkem, kroužky jsou umístěny proti sobě a tvoří kondenzá tor, který slouží pro bezkontaktní vyvede ní signálů polohy na zesilovač a vyhodno covací obvod. Výstupní signál je digitálně využitelný pro řízení např. krokových motorů.A capacitive rotary position sensor with an evaluation circuit uses changes in capacitance between the electrodes of the rotor and stator. Both electrodes have teeth that are identical in size and shape. The stator electrode is divided into two sections. The stator and rotor are equipped with a metal ring, the rings are placed opposite each other and form a capacitor that serves for contactless output of position signals to the amplifier and evaluation circuit. The output signal can be used digitally for controlling, for example, stepper motors.

Description

Vynález se týká kapacitního rotačního snímače polohy s vyhodnocovacím obvodem.The invention relates to a capacitive rotary encoder with an evaluation circuit.

Snímač je složen z rotoru upevněného na hřídeli motoru, rotor je ve formě desky'Z izolačního materiálu, je opatřen kruhovou kovovou elektrodou, která má radiální zuby s mezerami. Proti rotoru je umístěn stator snímače ve formě desky z izolačního materiálu.The sensor consists of a rotor mounted on a motor shaft, the rotor being in the form of a plate of insulating material, provided with a circular metal electrode having radial teeth with gaps. The sensor stator in the form of a plate of insulating material is placed opposite the rotor.

Dosud se nejčastěji používá pro snímání polohy optických snímačů založených na principu prosvěcování dvou dělených kotoučů ze skla. Nevýhodou tohoto principu jsou vysoké požadavky na přesnost výroby, nutnost naprosté bezprašnosti výrobního prostředí, obtížnost seřizování a vysoká cena. Dále je znám princip kapacitního rotačního snímače polohy, kde je však nutná kompenzace můstku v důsledku změn kapacity, které jsou vyvolány změnou teploty a stavem okolí. Automatické doladění uvedené kapacity není snadnou záležitostí nehledě na to, že se zpracování signálu velmi komplikuje.Until now, it is most often used for sensing the position of optical sensors based on the principle of translucent glass cutting. The disadvantages of this principle are high demands on production accuracy, necessity of total dust-free production environment, difficulty of adjustment and high price. Furthermore, the principle of a capacitive rotary encoder is known, but where compensation of the bridge is necessary due to changes in capacity caused by temperature changes and ambient conditions. Automatic tuning of this capacity is not an easy matter, despite the fact that signal processing is very complicated.

Všechny uvedené nevýhody v podstčitě odstraňuje vynález kapacitního rotačního snímače s vyhodnocovacím obvodem, jehož podstata spočívá v tom, že rotor snímače je opatřen kovovým kroužkem, jehož průměr je menší než průměr kovové kruhové elektrody a je s ní vodivě spojen.Essentially, all of these disadvantages are overcome by the invention of a capacitive rotary encoder with an evaluation circuit, in which the encoder rotor is provided with a metal ring whose diameter is smaller than the diameter of the metal circular electrode and is conductively connected thereto.

j Tj T

Stator je opatřen kovovou elektrodou rozdělenou na dve sekce. Sekce mají radiální zuby rozměrově i tvarově shodné se zuby elektrody rotoru. Zuby jedné sekce statoru jsou oproti druhé sekci posunuty o 90° elektrických. Sekce jsou galvanicky odděleny a jsou opatřeny vývody, které jsou připojeny na sekundární vinutí diferenciálního transformátoru, který je zapojen na vysokofrekenční generátor. Stator je opatřen kovovým kroužkem stejných rozměrů a umístění jako kovový kroužek rotoru. Kroužek statoru je vyveden na zesilovač zapojený přes impedanční transformátor na Schmittův klopný obvod tvořící výstup snímače.The stator is provided with a metal electrode divided into two sections. The sections have radial teeth identical in size and shape to the rotor electrode teeth. The teeth of one stator section are offset by 90 ° electric compared to the other section. The sections are galvanically separated and have terminals which are connected to the secondary winding of the differential transformer, which is connected to the high-frequency generator. The stator is provided with a metal ring of the same dimensions and location as the metal ring of the rotor. The stator ring is connected to an amplifier connected through an impedance transformer to the Schmitt flip-flop forming the sensor output.

Výhodou rotačního snímače polohy založeného na kapacitním principu je jeho snadná montáž bez vysokých nároků na dodržení malé vzdálenosti a rovnosti kotoučů tj. kolísání vzdálenosti mezi nimi. Zařízení není náchylné na změny teploty okolí, na otřesy, na prach, je malé, jednoduché, laciné a neobsahuje prvky s omezenou životností jako je například žárovkg, galiumarseniková dioda apod.The advantage of the rotary encoder based on the capacitive principle is its easy assembly without high demands on keeping the small distance and straightness of the discs, ie fluctuation of the distance between them. The device is not susceptible to temperature changes, shocks, dust, is small, simple, inexpensive and does not contain elements with limited lifetime such as incandescent lamp, gallium arsenic diode, etc.

Na připojených výkresech je na obr. 1 schematický nákres principu snímače, na obr. 2 schéma zapojení snímače do vyhodnocovacího obvodu a na obr. 3 jsou znázorněny různé typy řešení elektrody statoru a elektrody rotoru.In the accompanying drawings, FIG. 1 is a schematic diagram of the sensor principle, FIG. 2 shows a diagram of the sensor connection to the evaluation circuit, and FIG. 3 shows various types of stator electrode and rotor electrode solutions.

Na hřídeli 2 motoru je ve formě desky z izolačního materiálu upevněn rotor 2· Rotor 2 je opatřen kruhovou kovovou elektrodou 3 s radiálními zuby a kovovým kroužkem 41 Průměr kroužku 41 je menší než vnitřní průměr kruhové elektrody 2 ^a j^e s ní vodl«vě spojen. Proti rotoru 2_ je umístěn stator 5 rovněž ve formě desky z izolačního materiálu. Na statoru 2 je proti elektrodě 2 rotoru 2 umístěna elektroda statoru 5, která je rozdělena na dvě sekce 61, 62 obr. 3a. Sekce mají radiální zuby rozměrově i tvarově shodné se zuby elektrody 2 rotoru 2. Zuby jedné sekce 61 statoru 2 jsou oproti druhé sekci 62 posunuty o 90° elektrických. Sekce 61, 62 jsou galvanicky odděleny a jsou opatřeny vývody 71, 72, které jsou připojeny na sekundární vinutí diferenciálního transformátoru 10 připojeného na vysokofrekvenční generátor 9, Stator 2 3^e opatřen kovovým kroužkem 42 stejných rozměrů jako kovový kroužek 21 rotoru 2. Kroužek 42 statoru 2 j^e vývodem 2 připojen na zesilovač 11 zapojený přes impedanční transformátor 12 na Schmittův klopný obvod 13 tvořící výstup snímače 22· Dl® obr. 3b elektroda statoru může být řešena také tak, že je rozdělena na dvě sekce 21» 62, které tvoří mezikruží. Sekce 61 opisuje vnější kružnici a sekce 62 vnitřní kružnici, přičemž radiální zuby obou sekcí 21» 62 se v mezikruží pravidelně střídají.The shaft 2 of the motor is in the form of a plate of insulating material fixed to the rotor 2 · The rotor 2 is provided with a circular metal electrode 3 with radial teeth and the metal ring 41 diameter of the ring 41 is smaller than the inner diameter of the circular electrode 2 ^{and the} i ^e it Vodla River "in conjunction . A stator 5 is also located opposite the rotor 2 in the form of a sheet of insulating material. A stator electrode 5 is arranged on the stator 2 opposite the electrode 2 of the rotor 2, which is divided into two sections 61, 62 of FIG. 3a. The sections have radial teeth identical in size and shape to the teeth of the electrode 2 of the rotor 2. The teeth of one section 61 of the stator 2 are offset by 90 ° electric compared to the other section 62. Sections 61, 62 are electrically separated and are provided with outlets 71, 72 that are connected to the secondary winding of the differential transformer 10 is connected to a high frequency generator 9, the stator ³ and two metal ring 42 of the same dimensions as the metal ring 21 of the rotor 2. The stator ring 42 2 ^e j 2 terminal connected to an amplifier 11 connected through an impedance transformer 12 for the Schmitt trigger circuit 13 constituting the output of the sensor 22 · Dl® Fig. 3b stator electrode can also be made such that it is divided into two sections 21 »62 which form the annulus . Section 61 describes the outer circle and sections 62 the inner circle, with the radial teeth of both sections 21, 62 alternating regularly in the annulus.

Pro vyloučení excentrického kotouče rotoru je možno provést elektrodu statoru podle obr. 3c tak, že elektroda je rozdělena na dvě sekce 21» 62 s tím, že radiální zuby obou sekcí 21» 62 se nacházejí pouze v jednom kvadrantu.To eliminate the eccentric rotor disk, the stator electrode of FIG. 3c can be provided by dividing the electrode into two sections 21, 62, with the radial teeth of both sections 21, 62 being located in only one quadrant.

Funkční princip kapacitního rotačního snímače polohy s vyhodnocovacím obvodem se zakládá na změně kapacity mezi elektrodou 3 rotoru 2 a sekcemi 61, 62 statoru 3 při otáčení rotoru 2. Pokud se pole zubů sekce 61 statoru 5 kryjí s polem zubů elektrody 3 rotoru 2 je mezi nimi maximální kapacita a proud poteče horním vinutím diferenciálního transformátoru 10 přes kondenzátor vytvořený zuby elektrody 3_ rotoru 2 a sekcí 61 elektrody statoru 2 a přes kondenzá tor vytvořený kovovými kroužky 41, 42 umístěnými na rotoru 2 statoru Kroužek rotoru 41 je vodivě spojen s elektrodou 2 rotoru 2 ^a kondenzátor vytvořený kovovými kroužky 42, 42 tudíž slouží pro bezkontaktní vyvedení sginálů polohy ná zesilovač 11. ^v případě, že se pole zubů sekce elektrody 62 statoru 2 kryjí s polem zubů elektrody 2 rotoru 2, je mezi nimi maximální kapacita, zatímco kapacita mezi sekcí 61 statoru 2 ^a elektrodou 2 rotoru 2 je minimální, protože zuby elektrody 2 rotoru 2_ a zuby sekce statoru 61 se nacházejí v mezipoloze, proud tudíž poteče dolní větví diferenciálního transformátoru. Tímto uspořádáním snímače lze získat na otáčku hřídele 2 dvojnásobný počet signálů polohy než kolik zubů má elektroda 2 rotoru 2· Získaný signál polohy je zesílen úzkopásmovým zesilovačem 11 naladěným na frekvenci vysokofrekvenčního generátoru 2· Pomocí impedančního transformátoru 12 se signál přivede na Schmittův klopný obvod 22., odkud se z výstupu 14 odebírá digitálně použitelný signál.The functional principle of the capacitive rotary encoder with the evaluation circuit is based on the capacity change between the rotor 2 electrode 3 and the stator 3 sections 61, 62 when the rotor 2 rotates. If the tooth fields of the stator 5 section 61 coincide with the the maximum capacity and current will flow through the upper winding of the differential transformer 10 through the capacitor formed by the teeth of the rotor electrode 3 and the stator electrode sections 61 and through the capacitor formed by the metal rings 41, 42 disposed on the stator rotor 2 ^{and the} capacitor formed by the metal rings 42, 42 thus serves to contact the position amplifier 11 without contact contacting. ^In case the tooth fields of the electrode section 62 of the stator 2 coincide with the tooth field of the electrode 2 of the rotor 2, 61 of the stator 2 ^{and the} electrode 2 of the rotor 2 is minimal because the teeth e the electrodes 2 of the rotor 2 and the teeth of the stator section 61 are in an intermediate position, so the current flows through the lower branch of the differential transformer. By this sensor arrangement, twice the number of position signals per shaft 2 can be obtained per revolution of the rotor 2 electrode 2. The obtained position signal is amplified by a narrowband amplifier 11 tuned to the frequency of the high frequency generator 2. from which a digitally usable signal is taken from output 14.

Claims

1. Capacitive rotary encoder with evaluation circuit is composed of a rotor mounted on the motor shaft, the motor is in the form of a plate of insulating material, is equipped with a circular metal electrode, which has radial teeth with gaps, opposite the rotor is stator encoder in the form of plate Insulating material, capacitive rotary encoder with evaluation circuit characterized in that the rotor is provided with a metal ring (41) whose diameter is smaller than the diameter of the circular metal electrode (3) and is conductively connected with it, the stator is equipped with a metal electrode divided into two the sections (61, 62) have radial teeth identical in size and shape to the teeth of the electrode (3) of the rotor (2), the teeth of the first section (61) of the stator (5) are offset from the second section (62) 90 ° electric, the sections (61, 62) are galvanically isolated and are provided with circuits (71, 72) which are connected to the secondary winding of the differential transformer (10), which is connected to a radio frequency generator (9) wherein the stator (5) is provided with a metal ring (42) of the same dimensions and location as the metal rotor ring (41), the stator ring (42) being led to an amplifier (11) connected via an impedance transformer (12) to a Schmitt flip-flop (13) forming the sensor output (14).

2. The capacitive rotary encoder according to claim 1, wherein the metal electrode of the stator is divided into two sections (61,62) such that a section is formed by an annulus where the first section (61) describes the outer and second sections. the inner ring section (62), the radial teeth of both sections (61, 62) alternating regularly in the annulus.

3. The capacitive rotary encoder according to claim 1, wherein the metal electrode of the stator is divided into two sections (61,62) such that the radial teeth of both sections (61,62) are located in only one quadrant.