CN107003154A - 静电编码器 - Google Patents

Abstract

提供根据配置于定子(41)及转子(42)的电极间的静电电容的变化来高精度检测转子的旋转角的静电编码器(40)。本发明所涉及的静电编码器使配置于定子(41)的检测电极(44a～44d)及发送电极(45a～45d)沿着圆周方向交替配置。通过交替配置发送电极及检测电极，从相邻的检测电极输出根据转子(42)的旋转而进行振幅调制并具有90°的相位差的检测信号(A相，B相)。将这些具有90°的相位差的检测信号解调，生成调制信号(V1，V2)。对这些调制信号应用旋转变压器数字(RD)转换处理，求出转子的旋转角。由于发送电极及检测电极交替配置，因此，能够抑制调制信号的位移的偏离，并且减少检测电极的数目，实现静电编码器的小型化。

Description

静电编码器

技术领域

本发明涉及静电编码器，更详细地说，涉及形成于静电编码器的定子及转子的电极的配置。

背景技术

如图1所示，静电编码器10在定子11上具有发送电极12和检测电极13，并在与这些电极相对的位置上所配置的移动器14上具有中继电极15。高频信号16向发送电极12施加后，高频信号16经由在发送电极12与中继电极15之间形成的静电电容Ctc及在中继电极15与检测电极13之间形成的静电电容Ccs传递到检测电极13。静电电容Ctc及静电电容Ccs因基于移动器14的移动的发送电极12、中继电极15及检测电极13的相对关系而变化，因此，由信号处理电路17来对呈现于检测电极13的高频信号进行处理，能够检测移动器14的位置。用静电编码器检测移动器的位置的原理如下。

参照图2，向静电编码器10的发送电极12施加高频信号16。高频信号16因在发送电极12与中继电极15之间形成的静电电容Ctc，而使中继电极15通过静电感应而生成电位，而且该感应电位因在中继电极15与检测电极13之间形成的静电电容Ccs，而使检测电极13生成检测信号18。假定发送电极12与中继电极15之间的静电电容Ctc固定不变，则移动器14的移动导致静电电容Ccs变化，检测信号18成为将高频信号21振幅调制后的波形。信号处理电路17通过检测该振幅调制后的信号分量，能够算出移动器的位置。

根据上述静电编码器的位置检测的基本原理，美国专利第4,429,307号(专利文献1)公开了将发送要素56、58、接收要素60、及导电要素50、52分别配置在圆板状的固定盘48及移动盘46上的静电编码器(参照专利文献1的图7及图8)。图3表示了上述美国专利的图8描述的圆板状的固定盘48。上述美国专利公开的静电编码器中，从固定盘48的发送要素56、58发送的发送信号(Asinωt，-Asinωt)由导电要素50、52中继，由接收要素60检测。移动盘46旋转，从而导电要素50、52与接收要素60之间的静电电容变化。该电容的变化被检测为电位的变化，能够获得调制为2个相互具有90°的相位差的正弦波状的输出信号。从这些输出信号的包络线(振幅调制)分量能够检测移动盘46的旋转位移量。

【现有技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】美国专利第4,429,307号说明书

发明内容

发明所要解决的技术问题

图3所示现有的静电编码器中，发送要素56、58和接收要素60的形状不同，因此，发送要素56、58与导电要素50、52之间的不利于静电编码器工作的寄生电容、或导电要素50、52与接收要素60之间的寄生电容的大小因每个发送要素及接收要素而异。结果，来自接收要素60的输出信号的振幅调制的电压存在偏向正负任一方的问题。特别地说，若移动盘46及固定盘48的间隔较宽，则输出信号中的振幅调制的电压的偏离增加。另外，由于接收要素60的数目多，因此存在构造上难以将固定盘48小型化的问题。

解决技术问题的技术方案

本发明涉及采用由第1及第2绝缘部件的相对表面上配置的电极所形成的静电电容来测量绝缘部件间的测定方向的位移的静电编码器，其特征在于，在第1绝缘部件上以预定的第1电极周期沿着测定方向配置2个或以上的中继电极，并且在第2绝缘部件上以不同于第1电极周期的预定的第2电极周期沿着测定方向交替配置发送电极及检测电极。

发明效果

为了解决上述问题，本发明采用沿着测定方向交替配置发送电极及检测电极的电极配置，结果，全部电极的形状相同，因此能够减少输出信号的振幅调制的电压偏向正负任一方的问题，并且相对于第1及第2绝缘部件间的间隔的变动，能够进一步减少输出信号中的振幅调制的电压变动的偏离。而且，通过减少检测电极的数目，能够减少辐射状配置的电极数，有利于静电编码器的小型化。

附图说明

图1是说明静电编码器的基本原理的图。

图2是用于说明图1所示结构的静电编码器的动作的图。

图3是表示现有的静电编码器的电极配置的一例的图。

图4是说明本发明的第1实施例所涉及的静电编码器的基本原理的图。

图5是表示图4所示静电编码器的定子的电极与转子的电极之间形成的静电电容的关系的图。

图6是表示用于说明电极的配置与检测信号之间的关系的图。

图7是表示本发明的第2实施例所涉及的静电编码器的接线图。

图8是表示转子的旋转引起的中继电极与发送电极及检测电极之间的相对关系的图。

图9是表示转子的旋转引起的相对面积的变化的波形图。

图10是表示响应转子的旋转而输出的调制信号的曲线图。

图11是表示中继电极的电极数为X(2到50)时的发送电极、检测电极及中继电极的电极数的组合的表。

图12是表示本发明所涉及的第3实施例所涉及的静电编码器的接线图。

图13是表示配置于内层的电极间的相对位置关系及基于转子的旋转引起的相对面积的变化的差动输出(A相系统)的变化的波形图。

图14是表示配置于外层的电极间的相对位置关系及基于转子的旋转引起的相对面积的变化的差动输出(B相系统)的变化的波形图。

图15是表示响应转子的旋转而输出的调制信号的曲线图。

具体实施方式

图4是说明获得本发明的第1实施例所涉及的旋转型静电编码器40的输出信号的基本原理的图。静电编码器40使在定子41和转子42上形成的电极面相对配置，转子42以可旋转的方式联结到中心轴43。定子41以从中心轴46呈辐射状的形状配置检测电极44a～44d及发送电极45a～45d。检测电极44a～44d和发送电极45a～45d沿着定子41的圆周方向交替且等间隔地进行配置。转子42以从中心轴43呈辐射状的形状且等间隔地配置中继电极47a～47e。定子41及转子42由例如直径40毫米、厚2毫米的环氧玻璃基材的印刷基板制成，其上通过刻蚀形成铜箔的电极图案，但是也可以用其他材料或其他方法形成(以下所述的其他实施例也同样)。定子41及转子42的电极面以约0.1毫米的间隙相对配置。如上所述，图4所示的静电编码器40是由配置4极的检测电极及4极的发送电极的定子41及配置5极的中继电极的转子42组成的实施例。

将高频信号(Vsinωt)48a提供给发送电极45a、45c，将使高频信号48a的相位反相后的高频信号(-Vsinωt)48b提供给发送电极45b、45d。这里，V表示电压，ω表示角速度，t表示时间。检测电极44a、44c分别与差动运算放大电路49a的非反相输入及反相输入相联结，检测电极44b、44d分别与差动运算放大电路49b的非反相输入及反相输入相联结。

上述那样配置的静电编码器40的转子42以中心轴43为中心进行旋转时，运算放大电路49a取得由检测电极44a检测到的A相的检测信号与由检测电极44c检测到的/A相的检测信号之间的差分，输出振幅调制后的输出信号Va。另外，运算放大电路49b取得由检测电极44b检测到的B相的检测信号与由检测电极44d检测到的/B相的检测信号之间的差分，输出振幅调制后的输出信号Vb。这些输出信号Va、Vb是从高频信号48a、48b经由定子41上的电极与转子42上的电极之间所形成的静电电容而进行传递的信号中获得到的信号，根据因转子42的旋转而产生的静电电容的变化进行振幅调制。将高频信号48a、48b经由该静电电容而传递到运算放大电路49a的通路示意地示出于图5。

图5是用于说明转子42的基准点(图4)从定子41的基准位置(0°)以旋转角θ1进行旋转时检测电极44a、44c经由中继电极47a～47e而与发送电极45a～45d一起形成的静电电容的图。定子41及转子42上的电极配置成圆周状，但是图5为了说明电极间所形成的静电电容，方便地直线状描述了发送电极、检测电极及中继电极。

图5所示电极的位置关系中，发送电极45d与中继电极47e相对，在其间形成静电电容C1。另外，发送电极45a与中继电极47a相对，在其间形成静电电容C4。而且，检测电极44a在中继电极47e及中继电极47a之间分别形成静电电容C2、C3。发送电极45b、45c与中继电极47c分别形成静电电容C5、C7。另外，检测电极44c与中继电极47c形成静电电容C6。

图5所示静电电容的分布状态中，对于A相相关的检测信号，向发送电极45a施加的高频信号(Vsinωt)48a经由静电电容C4而将高频信号感应至中继电极47a，该感应的高频信号还经由静电电容C3传递到检测电极44a。另外，向发送电极45d施加的反相高频信号(-Vsinωt)48b经由静电电容C1而将高频信号感应至中继电极47e，该感应的高频信号还经由静电电容C2传递到检测电极44a。对于/A相相关的检测信号，向发送电极45b施加的反相高频信号48b经由静电电容C5而将高频信号感应至中继电极47c，该感应的高频信号还经由静电电容C6传递到检测电极44c。另外，向发送电极45c施加的高频信号48a经由静电电容C7而将高频信号感应至中继电极47c，该感应的高频信号还经由静电电容C6传递到检测电极44c。另外，对于B相及/B相相关的检测信号(图4)，也与上述同样，高频信号经由分布于电极间的静电电容而传递到检测电极。

经由上述电极间的静电电容而传递到检测电极44a及检测电极44c的高频信号向运算放大电路49a的非反相输入及反相输入施加，通过对这些输入信号执行差动放大运算，获得输出信号Va。图5示出了A系统(导入A相、/A相的检测信号的系统)的静电电容的分布，但是，未示出B系统(导入B相、/B相的检测信号的系统)的静电电容的分布。但是，通过与A系统同样的电路，能够获得来自B系统的输出信号Vb。通过对输出信号Va、Vb进行解调，获得输出信号Va、Vb的振幅调制分量即调制信号V1、V2。调制信号V2相对于调制信号V1具有90°的相位差，因此，对调制信号V1及输出电压V2应用众所周知的旋转变压器数字(RD)转换处理，能够求出转子42的旋转角。

说明从配置于图4所示定子41及转子42的检测电极44a～44d输出具有90°的相位差的检测信号的原理。图6(1)表示用相同电极周期(相同电极数)配置中继电极、检测电极及发送电极的结构。图6(1)所示配置中，高频信号(Asinωt)及反相高频信号(-Asinωt)交替提供给发送电极(+发送a1，-发送b1，……)。结果，检测电极(a1，b1，……)交替输出高频信号(Asinωt)(A相)和反相高频信号(-Asinωt)(/A相)。相对地，图6(2)所示的配置使配置中继电极的电极周期不同于配置检测电极及发送电极的电极周期，因此，在由相邻检测电极间所检测到的检测信号中产生相位差。为了在相邻检测信号间产生90°的相位差，相对于中继电极的电极周期来调节检测电极及发送电极的电极周期。结果，检测电极(a2，b2，……)按照A相(Asinωt)、B相(Acosωt)、/A相(-Asinωt)、/B相(-Acosωt)的顺序输出检测信号。

如上所述，向发送电极施加的高频信号经由中继电极传递到检测电极，根据该检测电极所检测到的检测信号来求出输出信号。形成于定子及转子的电极间的静电电容根据转子的旋转而变化，该变化引起输出信号的振幅变化。由于定子及转子紧密接触，因此，认为电极间的静电电容与从中继电极的表面沿着直角方向的发送电极及检测电极的表面的面积(相对面积)大致对应。即，输出信号的振幅的变化对应于由转子的旋转引起的相对面积的变化。从而，由转子的旋转引起的相对面积的变化导出输出信号的波形，因此是重要的。

图7表示本发明的第2实施例所涉及的旋转型静电编码器70的接线图。图7所示静电编码器70表示定子71具有8极的检测电极及8极的发送电极而转子72具有10极的中继电极的实施例。静电编码器70使在定子71和转子72上形成的电极面相对配置，转子72以可旋转的方式联结到中心轴73。定子71以从定子71的中心轴76呈辐射状的形状对检测电极74a～74h及发送电极75a～75h进行配置。检测电极74a～74h和发送电极75a～75h沿着定子41的圆周方向交替等间隔配置。转子72以从转子72的中心轴73呈辐射状的形状且等间隔地对中继电极77a～77j进行配置。高频信号(Vsinωt)78a与发送电极75a、75c、75e、75g连接(配线未图示)。另外，使高频信号78a的相位反相后的高频信号(-Vsinωt)78b与发送电极75b、75d、75f、75h连接。这里，V表示电压，ω表示角速度，t表示时间。检测电极74a、74e(A相)与运算放大电路79a的非反相输入联结，检测电极74c、74g(/A相)与运算放大电路79a的反相输入联结。另外，检测电极74b、74f(B相)与运算放大电路79b的非反相输入联结，检测电极74d、74h(/B相)与运算放大电路79b的反相输入联结。

上述那样配置的静电编码器70的转子72以中心轴73为中心进行旋转时，运算放大电路79a、79b输出被振幅调制的输出信号Va、Vb。这些输出信号Va、Vb是从高频信号48a及反相高频信号48b经由在定子71上的电极与转子72上的电极之间所形成的静电电容而进行传递的信号中所获得的信号。因而，以下研究发送电极与中继电极之间的相对面积及中继电极与检测电极之间的相对面积会因转子的旋转而如何变化。

图8是表示转子72旋转时的中继电极77a～77j和检测电极74a～74h及发送电极75a～75h的相对关系的图。检测电极、发送电极及中继电极在定子及转子上呈圆周状地进行配置，但是图8为了明确相对关系而描绘在直线上。图示了假定转子72的基准点(图6)从定子的基准位置(0°)开始旋转，转子72旋转9°、18°、27°、36°、……、351°、360°时的中继电极77a～77j的各个位置。

图9是表示转子72旋转时的相对面积的变化的波形图。参照图8，说明发送电极与中继电极之间的相对面积的变化。首先，图9(1)表示发送电极75a与中继电极之间的相对面积的变化。转子72的基准点处于定子71的0°的位置时(旋转角θ＝0°)，参照图7，发送电极75a与中继电极77a部分地(与发送电极75a的一半)相对。转子72进一步旋转后，中继电极77a与发送电极75a相对的面积增加，在旋转角处于0°与9°的中间(旋转角θ＝4.5°)时，发送电极75a的整个面与中继电极77a相对。此时刻，相对面积成为最大，最大的相对面积一直维持到转子72成为18°与27°的中间的旋转角(旋转角θ＝22.5°)为止。转子72超过旋转角22.5°后，与中继电极77a的相对面积转为减少，在转子72的旋转角处于27°与36°的中间(旋转角θ＝31.5°)时，发送电极75a与中继电极77a之间的相对关系消失，相对面积成为零。转子72的旋转角超过31.5°后，中继电极77j开始与发送电极75a的相对关系。转子72的旋转角达到36°后，发送电极75a与中继电极77j之间的相对关系成为与旋转角为0°时的发送电极75a与中继电极77a之间的相对关系相同的关系。然后，如图9(1)所示，发送电极75a与中继电极(77j，77i，……)之间的相对面积以相同波形重复。另外，如图8所示，发送电极75e与中继电极75f的对抗关系是与发送电极75a与中继电极77a的对抗关系相同的关系，因此，发送电极75e与中继电极之间的相对面积的变化是与图9(1)所示波形相同的波形。

按照上述相同的顺序，获得其他发送电极与中继电极之间的相对面积的变化。图9(2)表示发送电极75c(75g)与中继电极之间的相对面积的变化。另外，图9(3)表示发送电极75b(75f)与中继电极之间的相对面积的变化。而且，图9(4)表示发送电极75d(75h)与中继电极之间的相对面积的变化。以上，如图9(1)～(4)的波形所示，表示了转子旋转时从发送电极观察的与中继电极相对的相对面积的变化。接着，研究从检测电极观察的与中继电极相对的相对面积的变化。

首先，求出检测电极74a和与被提供高频信号(Vsinωt)的发送电极75a相对的中继电极之间的相对面积的变化。如图8所示，转子72的旋转角为0°时，与发送电极75a相对的中继电极是中继电极77a。从而，求出中继电极77a与检测电极74a之间的相对面积的变化。如图8所示，转子72的旋转角为0°时，检测电极74a的整个面成为与中继电极77a相对的关系。从而，如图9(5)所示，相对面积在旋转角0°呈现最大。转子72进一步旋转时，中继电极77a在图8中向右移动，因此中继电极77a与检测电极74a之间的相对面积转为减少。转子72的旋转角达到9°时，中继电极77a与检测电极74a之间的相对关系消失，相对面积成为零。然后，与发送电极75a相对的中继电极不再是与检测电极74a相对的状态，相对面积维持零。转子72达到27°与36°的中间的旋转角(旋转角θ＝31.5°)时，中继电极77j开始与发送电极75a的相对关系。结果，中继电极77j在旋转角31.5°时与检测电极74a的整个面相对，因此，中继电极77j与检测电极74a之间的相对面积立即呈现最大值。然后，最大的相对面积维持到转子72达到旋转角36°为止。然后，如图9(5)所示，检测电极74a与后续的中继电极(77i，77h，……)之间保持相对关系，其间的相对面积重复与中继电极77a和检测电极74a之间的相对面积的变化相同的变化。另外，如图7所示，检测电极74e与中继电极77f的对抗关系是与检测电极74a与中继电极77a的对抗关系相同的关系，因此，检测电极75e和中继电极(77f，77e，……)之间的相对面积的变化是与图9(5)所示波形相同的波形。

接着，求出检测电极74a和与被提供反相高频信号(-Vsinωt)的发送电极75h相对的中继电极之间的相对面积的变化。如图8所示，转子72的旋转角为0°时，与供给反相高频信号的发送电极75h相对的中继电极是中继电极77j。从而，求出中继电极77j与检测电极74a之间的相对面积的变化。转子72的旋转角为0°时，检测电极74a与中继电极77j不相对，因此，如图9(6)所示，旋转角为0°时，与中继电极77j相对的相对面积呈现为0，该相对面积维持零一直到旋转角达到9°为止。旋转角超过9°后，中继电极77j与检测电极74a之间的相对面积开始增加，在旋转角18°时，检测电极74a的整个面与中继电极77j相对，相对面积达到最大。然后，最大的相对面积维持到转子72达到18°与27°的中间的旋转角(旋转角θ＝22.5°)为止。旋转角超过22.5°后，发送电极75h与中继电极77j之间的相对关系消失，因此，检测电极74a与中继电极77j之间的相对面积立即呈现为零。然后，零的相对面积维持到转子72达到旋转角36°为止。然后，如图9(6)所示，检测电极74a与后续的中继电极(77i，77h，……)之间保持相对关系，其间的相对面积重复与中继电极77j和检测电极74a之间的相对面积的变化相同的变化。另外，如图8所示，检测电极74a与中继电极77j的对抗关系是与检测电极74e与中继电极77e的对抗关系相同的关系，因此检测电极74e与中继电极之间的相对面积的变化是与图9(6)所示波形相同的波形。

如上所述，图9(5)表示了检测电极74a和与被提供高频信号的发送电极75a相对的中继电极之间的相对面积的变化，图9(6)表示了检测电极74a和与被提供反相高频信号的发送电极75h相对的中继电极之间的相对面积的变化。通过同样的手法，图9(7)表示了检测电极74b和与被提供高频信号的发送电极75a相对的中继电极之间的相对面积的变化，图9(8)表示了检测电极74b和与被提供反相高频信号的发送电极75b相对的中继电极之间的相对面积的变化，图9(9)表示了检测电极74c和与被提供高频信号的发送电极75c相对的中继电极之间的相对面积的变化，图9(10)表示了检测电极74c和与被提供反相高频信号的发送电极75b相对的中继电极之间的相对面积的变化，而且图9(11)表示了检测电极74d和与被提供高频信号的发送电极75c相对的中继电极之间的相对面积的变化，图9(12)表示了检测电极74d和与被提供反相高频信号的发送电极75d相对的中继电极之间的相对面积的变化。另外，检测电极74f、74g、74h与中继电极之间的相对面积的变化与图9(7)～图9(12)所示波形同样。

以上，分别说明了发送电极与中继电极之间的相对面积的变化及中继电极与检测电极之间的相对面积的变化。根据这些相对面积的变化，求出转子的旋转引起的发送电极与检测电极之间的相对面积的变化，研究供给发送电极的高频信号(反相高频信号)因转子的旋转而如何呈现在检测电极中。若将向发送电极施加的电位设为V，则根据发送电极与中继电极之间的静电电容C1及中继电极与检测电极之间的静电电容C2的合成电容，在检测电极呈现的检测信号的电位由根据V·C1·C2/(C1+C2)来求出呈现于检测电极的检测信号的电位。但是，(C1+C2)项呈现为近似一定的信号波形，因此，不管采用C1·C2的值还是C1·C2/(C1+C2)的值作为合成电容，检测信号的电位都呈现为大致相同形状的信号波形，因此，以下为了计算的简化，发送电极与检测电极之间的相对面积根据发送电极与中继电极之间的相对面积乘以中继电极与检测电极之间的相对面积而求出。

检测电极74a接收被提供给发送电极75a并经由中继电极而进行传递的高频信号的同时，接收被提供给发送电极75h并经由中继电极而进行传递的反相高频信号。即，从检测电极74a观察的与发送电极75a及发送电极75h相对的相对面积的变化对应于由检测电极74a检测到的检测信号(A相)的变化。从检测电极74a观察的与发送电极75a相对的相对面积对应于发送电极75a和与发送电极75a相对的中继电极(77a，77j，……)之间的相对面积(图8(1))乘以与发送电极75a相对的中继电极(77a，77j，……)和检测电极74a之间的相对面积(图9(5))后的值(第1值)。另外，从检测电极74a观察的与发送电极75h相对的相对面积对应于发送电极75h和与发送电极75h相对的中继电极(77j，77i，……)之间的相对面积(图9(4))乘以与发送电极75h相对的中继电极(77j，77i，……)和检测电极74a之间的相对面积(图9(6))后的值(第2值)。从而，从检测电极74a观察的与发送电极75a及发送电极75h相对的相对面积若考虑向发送电极75h供给反相高频信号的情况，则成为从第1值减去第2值的值，其变化表现为根据转子的旋转而如图9(13)描绘的波形。

接着，与上述同样，检测电极74b接收被提供给发送电极75a并经由中继电极而进行传递的高频信号的同时，接收被提供给发送电极75b并经由中继电极而进行传递的反相高频信号。即，从检测电极74b观察的与发送电极75a及发送电极75b相对的相对面积的变化对应于由检测电极74b检测到的检测信号(B相)的变化。从检测电极74b观察的与发送电极75a相对的相对面积对应于发送电极75a和与发送电极75a相对的中继电极(77a，77j，……)之间的相对面积(图9(1))乘以与发送电极75a相对的中继电极(77a，77j，……)和检测电极74b之间的相对面积(图9(7))后的值(第3值)。另外，从检测电极74b观察的与发送电极75b相对的相对面积对应于发送电极75b和与发送电极75b相对的中继电极(77c，77b，……)之间的相对面积(图9(3))乘以与发送电极75b相对的中继电极(77c，77b，……)和检测电极74b之间的相对面积(图9(8))后的值(第4值)。从而，从检测电极74b观察的与发送电极75a及发送电极75b相对的相对面积若考虑向发送电极75b供给反相高频信号的情况，则成为从第3值减去第4值的值，其变化表现为根据转子的旋转而如图9(14)描绘的波形。

而且，从检测电极74c观察的与发送电极75b及发送电极75c相对的相对面积的变化对应于由检测电极74c检测的检测信号(/A相)的变化。从检测电极74c观察的与发送电极75c相对的相对面积对应于发送电极75c和与发送电极75c相对的中继电极(77d，77c，……)之间的相对面积(图9(2))乘以与发送电极75c相对的中继电极(77d，77c，……)和检测电极74c之间的相对面积(图9(9))后的值(第5值)。另外，从检测电极74c观察的与发送电极75b相对的相对面积对应于发送电极75b和与发送电极75b相对的中继电极(77c，77b，……)之间的相对面积(图9(3))乘以与发送电极75b相对的中继电极(77c，77b，……)和检测电极74c之间的相对面积(图9(10))后的值(第6值)。从而，从检测电极74c观察的与发送电极75b及发送电极75c相对的相对面积若考虑向发送电极75b供给反相高频信号的情况，则成为从第5值减去第6值的值，其变化表现为根据转子的旋转而如图9(15)描绘的波形。

而且，从检测电极74d观察的与发送电极75c及发送电极75d相对的相对面积的变化对应于由检测电极74d检测到的检测信号(/B相)的变化。从检测电极74d观察的与发送电极75c相对的相对面积对应于发送电极75c和与发送电极75c相对的中继电极(77d，77c，……)之间的相对面积(图9(2))乘以与发送电极75c相对的中继电极(77d，77c，……)和检测电极74d之间的相对面积(图9(11))后的值(第7值)。另外，从检测电极74d观察的与发送电极75d相对的相对面积对应于发送电极75d和与发送电极75d相对的中继电极(77e，77d，……)之间的相对面积(图9(4))乘以与发送电极75d相对的中继电极(77e，77d，……)和检测电极74d之间的相对面积(图9(12))后的值(第8值)。从而，若考虑向发送电极75d供给反相高频信号的情况，则从检测电极74d观察的与发送电极75c及发送电极75d相对的相对面积成为从第7值减去第8值的值，其变化表现为根据转子的旋转而如图9(16)描绘的波形。

如上所述，图9(13)～(16)分别表示了从检测电极74a、74b、74c、74d观察的与发送谐波信号的发送电极及发送反相谐波信号的发送电极对应的由转子的旋转引起的相对面积的变化。结果，由检测电极74a、74b、74c、74d检测的检测信号的波形对应于这些相对面积的变化的波形。另外，检测电极74e、74f、74g、74h相对于发送电极75e、75f、75g、75h的位置关系是与检测电极74a、74b、74c、74d相同的位置关系，因此，从检测电极74e、74f、74g、74h观察的与发送谐波信号的发送电极及发送反相谐波信号的发送电极对应的由转子的旋转引起的相对面积的变化是与检测电极74a、74b、74c、74d相同的变化。从而，检测电极74e、74f、74g、74h分别与检测电极74a、74b、74c、74d联结，联结到运算放大器79a、79b的输入。

获得图9(13)所示A相的波形与图8(15)所示/A相的波形的差分后，成为图9(17)所示三角波的差动输出。A相的波形和/A相的波形的相位为180°反相，因此，通过获得这两个波形的差分，能够获得振幅更大的正弦波状的波形(B相波形、/B相波形也同样)。另外，获得图9(14)所示B相的波形与图9(16)所示/B相的波形的差分后，成为图9(18)所示三角波的差动输出。图9(17)所示三角波与图9(18)所示三角波具有90°的相位差。从而，向定子71的发送电极施加的谐波信号及反相谐波信号通过转子72的旋转，受到图9(17)、(18)所示差动输出的振幅调制。但是，实际上，从运算放大器79a、79b输出的输出信号Va、Vb不表示受到图9(17)、(18)所示三角波的振幅调制的信号，而表示受到图10所示正弦波的振幅调制的信号V1、V2。电极间的静电电容实际上不仅仅是以电极正对(直角方向对抗)的面积来形成，在倾斜方向也根据电极间的距离而形成，因此，具有狭窄的电极间的间隔的转子移动时，电极间的实际的静电电容的变化不是三角波，而是接近正弦波。从而，从运算放大器79a、79b输出的输出信号Va、Vb的电压也表示受到正弦波的振幅调制的信号波形。

从运算放大器79a、79b输出的输出信号Va、Vb由未图示的解调器进行解调，该解调器输出图10所示调制信号V1、V2。调制信号V1、V2相对具有90°的相位差，因此，对调制信号V1及调制信号V2应用众所周知的旋转变压器数字(RD)转换处理，能够求出转子72的旋转角。转子72配置有10极的中继电极77a～77j，因此转子72旋转一周(360°)时，如图9(17)、(18)所示，静电编码器71输出10周期的正弦波。这样，如图7所示，本发明所涉及的静电编码器由沿着旋转方向交替配置发送电极和检测电极的定子、以及与该定子接近配置的转子组成，该转子的旋转角能够根据由该转子的旋转而输出的具有90°的相位差的正弦波的调制信号来求出。

这里，在转子有配置X个中继电极且定子分别交替配置有4n个发送电极和检测电极时，考察用于从检测电极检测表示电气角呈现90°的相位差的检测信号的电极配置的条件。为了使相邻的检测电极的间距(机械角)以中继电极的0.25间距(相当于电气角90°的电气角相位差)错开，只要存在满足下式(1)的非零自然数n即可。

X/4n＝1±0.25 (1)

即，若存在满足式(1)的n，则在相邻的检测电极间检测到具有90°的电气角相位差的检测信号。在将式(1)进一步一般化、将配置于定子的检测电极沿着旋转方向分为4n个组、将1组的检测电极数设为m个时(全检测电极数为4nm)，为了使在相邻组的离开m个的检测电极间错开中继电极的0.25间距(相当于电气角90°的相位差)，只要存在满足下式(2)的非零自然数n、m即可。

X/4n＝m±0.25 (2)

即，若存在满足式(2)的n、m，则在离开m个的检测电极间检测到具有90°的电气角相位差的检测信号。

图11是表示满足式(2)的中继电极的电极数X从2到50时的发送电极、检测电极、中继电极的组合的表。例如，中继电极的电极数X为5时，n＝1，m＝1，满足式(2)，能够实现图4所示的4极的发送电极、4极的检测电极及5极的中继电极组成的静电编码器。中继电极的电极数X为10时，n＝2，m＝1，满足式(2)，能够实现图7所示的8极的发送电极、8极的检测电极及10极的中继电极组成的静电编码器。

上述静电编码器沿着定子及转子的圆周方向配置1层的电极，但是，也可以是从中心向外周将这些电极配置为2层的定子及转子。图12表示了第3实施例所涉及的静电编码器120。静电编码器120在定子及转子的圆周方向的外层及内层的2层配置电极。即，定子120在带状的外层及内层面分别等间隔配置4极的发送电极及4极的检测电极。另外，转子122在带状的外层及内层面分别等间隔配置4极的中继电极。

图12所示的静电编码器120具备：在外层交替配置有检测电极124a～124d及发送电极125a～125d且在内层交替配置有检测电极124e～124h及发送电极125e～125h的定子121；以及在外层及内层分别配置有4极的中继电极127a～127h的转子122。配置在定子121的外层的检测电极124a～124d及发送电极125a～125d和配置在内层的检测电极124e～124h及发送电极125e～125h相互以旋转角错开22.5°。结果，如依据图6(1)的检测原理所说明的那样，外层形成导入A相及/A相的检测信号的系统(A相系统)，并且内层形成导入B相及/B相的检测信号的系统(B相系统)。A相及/A相的检测信号及B相及/B相的检测信号分别输入差动运算放大器129a、129b，运算放大器129a、129b输出伴随转子122的旋转而振幅调制的输出信号Va、Vb。输出信号Va、Vb被解调，输出调制信号V1、V2，它们相互具有90°的相位差。从这些调制信号V1、V2，求出转子122的旋转角。

接着，以下研究图12所示的静电编码器120输出相互具有90°的相位差的调制信号V1、V2的情形。图13(a)表示配置在定子121的外层的检测电极124a～124d及发送电极125a～125d与配置在转子122的外层的中继电极127a～127d之间的由转子122的旋转引起的相对位置关系。图13(b)是表示由转子122的旋转引起的电极间的相对面积的变化及基于该相对面积的变化的差动输出(A相系统)的变化的波形图。定子上的发送电极及检测电极及转子上的中继电极在转子及定子上呈圆周状配置，但是，图13(a)为了明确相对关系，描绘在直线上。

首先，研究配置在定子120的外层的检测电极124a～124d及发送电极125a～125d与配置在转子122的外层的中继电极127a～127d之间的相对面积的变化。参照图13(a)及图13(b)(1)，例如，转子122为旋转角0°时，发送电极125a与中继电极127a完全相对(最大的相对面积)，该状态持续到旋转角45°为止。然后，与中继电极127a相对的相对面积减少，在旋转角67.5°达到零。在旋转角67.5°时，与中继电极127a相对的相对面积达到零的同时，中继电极127d开始与发送电极125a的相对关系，与发送电极125a相对的相对面积在旋转角90°时完全相对。然后，如图13(b)(1)所示，发送电极125a与中继电极之间的相对面积重复相同的波形。另外，如图13(a)所示，发送电极125b、125c、125d与中继电极127b、127c、127d相对的对抗关系分别是与发送电极125a与中继电极127a相对的对抗关系相同的关系，因此，发送电极125b、125c、125d与中继电极之间的相对面积的变化成为与图12(b)(1)、(2)所示波形相同的波形。

接着，研究与发送电极相对的中继电极和检测电极之间的相对面积的变化。如图13(a)所示，转子122的旋转角为0°时，与发送电极125a相对的中继电极是中继电极127a。从而，检测电极124a经由中继电极127a接收来自发送电极125a的高频信号，因此，求出中继电极127a与检测电极124a之间的相对面积的变化。如图13(a)所示，转子122的旋转角为0°时，检测电极124a的整个面成为与中继电极127a相对的相对关系。从而，如图13(b)(3)所示，相对面积在旋转角0°时呈现最大。转子122进一步旋转后，中继电极127a在图13(a)中向右移动，因此中继电极127a和与检测电极124a之间的相对面积转为减少。转子122的旋转角达到22.5°时，中继电极127a与检测电极124a之间的相对关系消失，相对面积成为零。然后，与发送电极125a相对的中继电极不再是与检测电极124a相对的状态，相对面积维持零。转子122达到旋转角67.5°时，中继电极127d开始与发送电极125a相对的相对关系。在旋转角67.5°时，中继电极127d与检测电极124a的整个面相对，因此，中继电极127d与检测电极124a之间的相对面积立即呈现最大值。然后，最大的相对面积维持到转子122成为旋转角90°为止。然后，如图13(b)(3)所示，检测电极124a在与后续的中继电极(127c，127b，……)之间持续具有相对关系，其间的相对面积重复与中继电极127a和检测电极124a之间的相对面积的变化相同的变化。另外，如图13(a)所示，检测电极124c与中继电极127c相对的对抗关系是与检测电极124a与中继电极127a相对的对抗关系相同的关系，因此，检测电极125c与中继电极(127c，127b，……)之间的相对面积的变化是与图13(b)(3)所示波形相同的波形。

按照上述同样的顺序研究其他电极间的相对面积的变化时，图13(b)(4)表示了与发送电极125b对抗的中继电极和检测电极124c之间的相对面积的变化、以及与发送电极125d对抗的中继电极和检测电极124a之间的相对面积的变化。另外，图12(b)(5)表示了与发送电极125a对抗的中继电极和检测电极124b之间的相对面积的变化、以及与发送电极125c对抗的中继电极和检测电极124d之间的相对面积的变化。而且，图12(b)(6)表示了与发送电极125b对抗的中继电极和检测电极124b之间的相对面积的变化、以及与发送电极125d对抗的中继电极和检测电极124d之间的相对面积的变化。

以上，分别表示了发送电极与中继电极之间的相对面积的变化、以及中继电极与检测电极之间的相对面积的变化。根据这些相对面积的变化，研究从配置于外层的检测电极观察的由转子的旋转引起的与发送电极相对的相对面积的变化。

首先，检测电极124a接收从发送电极125a经由中继电极而进行传送的谐波信号(Vsinωt)及从发送电极125d经由中继电极而进行传送的反相谐波信号(-Vsinωt)。由检测电极124a接收的谐波信号根据发送电极125a和与该发送电极125a对抗的中继电极之间的静电电容及该中继电极和检测电极124a之间的静电电容，而受到振幅调制。另外，由检测电极124a接收的反相谐波信号根据发送电极125d和与该发送电极125d对抗的中继电极之间的静电电容及该中继电极和检测电极124a之间的静电电容，而受到振幅调制。从而，考虑到该静电电容与相对面积对应，因此，由检测电极124a接收的检测信号在检测电极124a接收谐波信号的期间，用发送电极125a与中继电极之间的相对面积(图13(b)(1))乘以与发送电极125a对抗的中继电极和检测电极124a之间的相对面积(图13(b)(3))后的值进行振幅调制，另外，在检测电极124a接收反相谐波信号期间，用发送电极125d与中继电极之间的相对面积(图13(b)(2))乘以与发送电极125d对抗的中继电极和检测电极124a之间的相对面积(图13(b)(4))后的值进行振幅调制。即，由检测电极124a检测的检测信号受到图13(b)(7)所示三角波的振幅调制。另外，检测电极124c生成与检测电极124a相同的信号，因此，检测电极124a和检测电极124c被联结，作为A相的检测信号输入差动运算放大器129a。

与上述同样，由检测电极124b检测的/A相的检测信号受到由图13(b)(8)所示三角波的振幅调制。图13(b)(8)所示三角波等于将图13(b)(7)所示三角波反相后的三角波，因此，/A相的检测信号为了获得更大的输出信号Va，通过差动运算放大器129a与A相的检测信号进行差动放大。

接着，配置在定子120的内层的检测电极124e～124h及发送电极125e～124h与配置在转子122的内层的中继电极127e～127h之间的相对面积的变化通过与配置在外层的电极间的相对面积的变化同样的手法而求出。图14(a)是表示配置在内层的电极间的由转子的旋转引起的相对位置关系的波形图，图14(b)是表示由转子的旋转引起的配置在内层的电极间的相对面积的变化及基于该相对面积的变化的差动输出(B相系统)的变化的波形图。图14(b)(1)表示发送电极125e(发送电极125g)和中继电极之间的相对面积的变化，图14(b)(2)表示发送电极125f(发送电极125h)和中继电极之间的相对面积的变化。另外，图14(b)(3)～(6)表示发送电极和与该发送电极对抗的中继电极之间的相对面积的变化。

而且，与检测电极a检测的检测信号同样，由检测电极124e检测的检测信号是来自发送电极125e的谐波信号与来自发送电极125h的反相谐波信号重叠后的信号。该谐波信号由发送电极125e和与发送电极125e对抗的中继电极之间的静电电容进行振幅调制，接着，由该中继电极与检测电极124e之间的静电电容进行振幅调制。从而，由检测电极124e检测的检测信号用发送电极125e和中继电极之间的相对面积(图14(b)(1))乘以与发送电极125e对抗的中继电极和检测电极124e之间的相对面积(图14(b)(3))后的值进行振幅调制，另外，反相谐波信号用发送电极125h和与发送电极125h对抗的中继电极之间的相对面积(图14(b)(2))乘以该中继电极和检测电极124e之间的相对面积(图14(b)(4))后的值进行振幅调制。即，从检测电极124e观察的与发送电极125e、125h的相对面积的变化成为图14(b)(7)所示三角波，结果，由检测电极124e检测的检测信号受到图14(b)(7)所示三角波的振幅调制。另外，检测电极124g生成与检测电极124a相同的信号，因此，检测电极124a和检测电极124g被联结，作为B相的检测信号而被输入至差动运算放大器129b。从检测电极124f观察的与发送电极125e、125f相对的相对面积的变化也同样，成为图14(b)(8)所示三角波，结果，由检测电极124f检测的检测信号受到图14(b)(8)所示的三角波的振幅调制。另外，检测电极124h生成与检测电极124f相同的信号，因此，检测电极124e和检测电极124h被联结，作为/B相的检测信号而被输入至差动运算放大器129b。

另外，电极间的静电电容实际上不仅仅是以电极正对(直角方向对抗)的面积来形成，在倾斜方向也根据电极间的距离而形成，因此，具有狭窄的电极间的间隔的转子发生移动时，电极间的实际的静电电容的变化不是三角波，而是接近正弦波。从而，从运算放大器129a、129b输出的输出信号Va、Vb的电压也表示受到正弦波的振幅调制的信号波形。

从运算放大器129a、129b输出的输出信号Va、Vb由未图示解调器进行解调，该解调器输出图15所示调制信号V1、V2。调制信号V1、V2相对具有90°的相位差，因此，对调制信号V1、V2应用众所周知的旋转变压器数字(RD)转换处理，能够求出转子122的旋转角。转子122在外层及内层配置有4极的中继电极127a～127d、127e～127h，因此转子122旋转一周(360°)时，如图13、14所示，静电编码器121输出4周期的正弦波。这样，如图12所示，本发明所涉及的静电编码器由沿着旋转方向交替配置发送电极和检测电极的定子、以及与该定子接近配置的转子组成，该转子的旋转角能够根据由该转子的旋转而输出的具有90°的相位差的正弦波的调制信号来求出。

根据以上的说明，本发明所涉及的静电编码器的定子沿着旋转方向交替配置发送电极和检测电极，因此通过配置中继电极的转子的旋转，能够从由检测电极检测的检测信号中获得具有相位差的正弦波的调制信号。能够从具有相位差的正弦波的调制信号求出转子的旋转角。另外，上述实施例的静电编码器由定子及转子组成，但是，也不一定要准备定子及转子，只要有2个要素并形成在其中一个要素上的旋转方向交替配置发送电极和检测电极而在另一个要素上配置中继电极的构造，求出该2个要素的相对旋转角即可。而且，发送电极、检测电极及中继电极也可以配置在直线上，求出直线方向的移动量。

标号说明

40，70，120 静电编码器

41，71，121 定子

42，72，122 转子

44a～～44d，74a～～74h，124a～～124h 检测电极

45a～～45d，75a～～75h，125a～～125h 发送电极

47a～～47e，77a～～77j，127a～～127h 中继电极

48a，78a，128a 高频信号

48b，78b，128b 反相高频信号

49，79a～～79b，129a～～129b 差动运算放大器

Va，Vb 输出信号

V1，V2 调制信号

Claims (12)

1.一种静电编码器，采用由配置在第1及第2绝缘部件的相对的表面上的电极所形成的静电电容，来测量所述第1绝缘部件的测定方向的位移，其特征在于，所述电极包括：

多个中继电极，该多个中继电极以预定的第1电极周期沿着所述测定方向等间隔地配置于所述第1绝缘部件；以及

多个发送电极及检测电极，该多个发送电极及检测电极以预定的第2电极周期沿着所述测定方向等间隔地配置于所述第2绝缘部件，所述多个发送电极及所述检测电极沿着所述测定方向交替配置。

2.如权利要求1所述的静电编码器，其特征在于，

所述第1绝缘部件是圆板状的定子，且所述第2绝缘部件是圆板状的转子。

3.如权利要求2所述的静电编码器，其特征在于，

所述第2电极周期设定成不同于所述第1电极周期的预定的电极周期，若沿着所述圆周方向交替向所述多个发送电极提供高频信号及使所述高频信号反相后的反相高频信号，则在相邻的所述检测电极间所检测到的检测信号具有90°的相位差。

4.如权利要求3所述的静电编码器，其特征在于，

根据由所述检测电极所检测到的具有90°的相位差的检测信号，来求出所述转子的旋转角。

5.如权利要求2所述的静电编码器，其特征在于，

所述多个中继电极是从所述转子的中心呈辐射状扩展的近似梯形的形状，且所述发送电极及所述检测电极是从所述定子的中心呈辐射状扩展的近似梯形的形状。

6.如权利要求2所述的静电编码器，其特征在于，

将4nm个所述发送电极及所述检测电极分别配置于所述定子，并将X个所述中继电极配置于所述转子，在上述情况下，满足

X/4n＝m±0.25的关系，n及m是1以上的自然数。

7.如权利要求6所述的静电编码器，其特征在于，

根据由所述检测电极内的第1检测电极所检测到的检测信号、以及由沿着圆周方向距离所述第1检测电极m个的第2检测电极所检测到的检测信号，来求出所述转子的旋转角。

8.一种静电编码器，采用由配置在圆板状的转子及定子的相对的表面上的电极所形成的静电电容，来测量所述转子的旋转角，其特征在于，所述电极包括：

多个中继电极，该多个中继电极沿着所述圆周方向等间隔地分别配置于沿着所述转子的圆周方向所形成的外层及内层；以及

多个发送电极及检测电极，该多个发送电极及检测电极沿着所述圆周方向等间隔地分别配置于沿着所述定子的圆周方向所形成的外层及内层，所述多个发送电极及所述检测电极沿着所述圆周方向交替配置。

9.如权利要求8所述的静电编码器，其特征在于，

配置在于所述定子的外层配置的所述多个发送电极及检测电极以与配置在于所述转子的外层配置的所述多个中继电极相同的电极周期来进行配置，且配置在于所述定子的内层配置的所述多个发送电极及检测电极以与配置在于所述转子的内层配置的所述多个中继电极相同的电极周期来进行配置。

10.如权利要求8所述的静电编码器，其特征在于，

配置于所述定子的内层的所述多个发送电极及检测电极相对于配置于所述定子的外层的所述多个发送电极及检测电极错开圆周方向的预定角度地进行配置。

11.如权利要求8所述的静电编码器，其特征在于，

若沿着所述圆周方向交替向所述多个发送电极提供高频信号及使所述高频信号反相后的反相高频信号，则在所述外层的所述检测电极与所述内层的所述检测电极间检测到具有90°的相位差的检测信号。

12.如权利要求11所述的静电编码器，其特征在于，

根据由所述外层的检测电极及所述内层的检测电极所检测到的具有90°的相位差的检测信号，来求出所述转子的旋转角。