JP2003214807A - 静電容量型位置センサ - Google Patents
静電容量型位置センサInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 高精度、高感度の静電容量型の位置センサを
提供する。 【解決手段】 第１のプレート（１７８、１８０）と第
２のプレート（１６６、１６８、１７２、１７４）の構
成によって、物体が軸に沿った有効範囲内で互いに移動
すると静電容量が変動する２つの間隔をあけた平板コン
デンサが形成され、静電容量型の位置センサ（１６２）
が、前記静電容量を利用して、軸に沿った物体の相対位
置を測定するために利用可能な出力を発生する。
提供する。 【解決手段】 第１のプレート（１７８、１８０）と第
２のプレート（１６６、１６８、１７２、１７４）の構
成によって、物体が軸に沿った有効範囲内で互いに移動
すると静電容量が変動する２つの間隔をあけた平板コン
デンサが形成され、静電容量型の位置センサ（１６２）
が、前記静電容量を利用して、軸に沿った物体の相対位
置を測定するために利用可能な出力を発生する。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、１対の可動物体の
相対位置に応じて変動する出力静電容量を生じるように
構成された、静電容量型の位置センサに関するものであ
る。 【０００２】 【従来の技術】静電容量を利用した、２つの物体間の相
対位置の測定は、広く知られている。位置を検知する方
法の１つには、互いに移動する物体に２つの導電性プレ
ートを固定することが必要とされる。プレートは、一般
に、互いに重なり合って、平行をなし、ギャップによっ
て間隔が設けられるように、物体に固定される。２つの
プレートは、介在する誘電体（例えば、空気）と共に、
プレートが互いに重なり合う程度に応じて決まる静電容
量を発生する。物体が移動すると、重なり合う量が変化
し、その結果、静電容量に対応する変化が生じることに
なる。この静電容量の変化から、物体間の相対変位量が
求められる。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】上記アプローチに関す
る問題の１つは、さまざまな要因が、ある特定の静電容
量変化に影響を及ぼす可能性があるという点である。ｘ
−ｙ平面に対して平行な１対の導電性プレートを備え
た、ｘ−ｙ−ｚ直線座標系を仮定すると、静電容量の変
動は、座標軸の３つ全てに沿ったプレート間に発生する
相対並進から生じることになる。しかし、上述の単純な
システムを含む多くの位置検知システムは、ある軸に沿
って発生する移動から生じる静電容量の変化と、別の軸
に沿って発生する移動による静電容量の変化を見分ける
ことができない。 【０００４】上述の問題は、極小のコンピュータ記憶装
置のような、あるタイプのマイクロ電気機械式システム
（ＭＥＭＳ）においてとりわけ問題になる。こうした記
憶装置には、関連読み取り／書き込み装置に対してｘ−
ｙ平面内で移動するように設計された記憶媒体を含むも
のもある。媒体に正確にアクセスし、データを書き込む
ためには、記憶媒体と読み取り／書き込み装置の正確な
相対位置を知らなければならない。これらの装置に用い
られる静電駆動機構及び他の作動機構は、一般に、ｘ−
ｙ移動を生じさせるのに有効であるが、付随してｚ軸移
動を生じさせる場合もある。上述の従来式の静電容量型
の位置検知システムは、上述の理由から、こうした付随
するｚ軸移動の場合に、エラーを含む位置読み取りを生
じる可能性がある。この結果、とりわけ、間違ったデー
タが読み取られたり、あるいは、既存のデータの偶発的
な上書きが行われたりする可能性がある。 【０００５】既存の静電容量型の位置センサに関するも
う１つの問題は、制限された感度である。とりわけ、マ
イクロ記憶装置及び他のＭＥＭＳシステムの場合、用い
られる位置センサによって、所定の位置変化の関数とし
て大幅に変動する出力が得られるのが望ましい。記憶装
置によっては、何分の１ナノメートルかの単位で位置を
測定しなければならない場合もある。多くの既存のセン
サは、簡単に言えば、そうした精密な分解能で位置を測
定するのに適した出力を生じるのに十分な感度を備えて
いない。 【０００６】 【課題を解決するための手段】本発明によれば、ある軸
に沿った相対移動のある有効範囲にわたって、互いに移
動可能な１対の物体を備える可動システムに関連して用
いられる位置センサが得られる。位置センサは、静電容
量型であり、軸に対して平行をなすように、物体の一方
に固定された第１のプレートを含んでいる。位置センサ
には、隣接して、同一平面上に位置するように、また、
物体が、軸に沿って互いに移動する際、第１のプレート
から間隔をあけ、それに対し平行をなすように、物体の
もう一方に固定された１対の第２のプレートも含まれて
いる。第１のプレート及び第２のプレートは、物体が軸
に沿った有効範囲内で互いに移動すると、静電容量が変
動する、２つの間隔をあけた平板コンデンサを形成する
ように構成されている。位置センサは、静電容量を利用
して、軸に沿った物体の相対位置の測定に利用可能な出
力を発生するように構成されている。 【０００７】 【発明の実施の形態】本発明は、静電容量型の位置セン
サを対象にしたものである。本明細書に解説の位置セン
サの実施態様は、さまざまな設定に利用可能であるが、
極小のコンピュータ記憶装置及び他のＭＥＭＳシステム
に利用する場合にとりわけ有利であることが立証されて
いる。ただ例証だけを目的として、後述の位置センサ
は、主として高密度ＭＥＭＳコンピュータ記憶装置に関
連して論じられることになる。 【０００８】図１及び２には、それぞれ、本発明による
位置センサを利用することが可能な記憶装置１００の側
断面図及び水平断面図が示されている。記憶装置１００
には、１０２及び１０４のようないくつかの電界エミッ
タ、１０８のようないくつかの記憶領域を備えた記憶媒
体１０６、及び、電界エミッタに対する記憶媒体１０６
の走査（移動）、または、その逆を実施させるマイクロ
アクチュエータ１１０が含まれている。記憶装置１００
は、各記憶領域が１ビットまたは多ビットの情報の記憶
を担当するように構成される。 【０００９】電界エミッタは、極めて鋭いポイントを備
えたポイント・エミッタとして構成される。例えば、各
電界エミッタは、約１ナノメートルから数百ナノメート
ルの曲率半径を備える。動作中、エミッタ１０２とエミ
ッタ１０２を包囲する円形ゲート１０３のような、電界
エミッタとその対応するゲートの間に、あらかじめ選択
された電位差が印加される。エミッタの鋭いポイントの
ため、電子ビーム電流がエミッタから引き出され、高い
精度で、記憶領域に向けて送られる。エミッタと記憶媒
体１０６間の距離、エミッタのタイプ、及び、必要なス
ポット・サイズ（ビット・サイズ）に応じて、電子光学
装置は、電子ビームの集束が要求される場合がある。電
界放出される電子の加速または減速のため、あるいは、
電界放出される電子の集束を補助するため、記憶媒体１
０６に電圧を印加してもよい。 【００１０】ケーシング１２０は、一般に、少なくとも
１０−５トルといった部分真空状態に記憶媒体１０６を
維持するのに適している。研究者は、半導体処理技法を
利用して、真空空洞内でマイクロ加工された電界エミッ
タを製作した。例えば、１９９２年のＩＥＥＥ Ｔｒａ
ｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，Ｈ
ｙｂｒｉｄ ａｎｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔ
ｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１５，１０５１ページに発表され
た、Ｊｏｎｅｓによる「Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｆｉｅｌｄ
Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ ａｎｄ
Ｄｉｏｄｅｓ」を参照されたい。 【００１１】各電界エミッタは、記憶媒体１０６に設け
られた１つ以上の記憶領域に対応する。各電界エミッタ
がいくつかの記憶領域を担当する場合、記憶装置１００
は、一般に、ケーシング１２０（従って、電界エミッ
タ）と記憶媒体１０６の間における走査または別様の相
対移動を実施するのに適している。例えば、マイクロア
クチュエータ１１０は、一般に、媒体１０６のさまざま
な位置への走査に適応するので、各電界エミッタは、さ
まざまな記憶領域上に位置決めされることになる。こう
した構成によれば、マイクロアクチュエータ１１０を利
用して、記憶媒体に対する電界エミッタ・アレイ（一般
には２次元）の走査を実施することが可能になる。記憶
媒体１０６は、ケーシング１２０に対して移動するの
で、「ムーバ」と呼ばれる場合もある。これに対し、ケ
ーシング１２０及びケーシングに対して固定された他の
各種コンポーネント（例えば、電界エミッタ）は、「ス
テータ」と呼ばれる場合もある。 【００１２】電界エミッタは、一般に、それが生じる電
子ビームによって、記憶領域に情報の読み取り及び書き
込みを行うように構成されている。従って、記憶媒体１
００に用いるのに適した電界エミッタは、記憶媒体１０
６に所望のビット密度を実現するのに十分なほど細い電
子ビ−ムを発生しなければならない。さらに、電界エミ
ッタは、所望の読み取り／書き込み操作の実施に十分な
パワー密度の電子ビームを発生しなければならない。こ
うした電界エミッタの製作には、さまざまな方法を利用
することが可能である。例えば、１９７６年１２月のＪ
ｏｕｒｎａｌｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，
Ｖｏｌ．４７，Ｎｏ．１２に発表されたＳｐｉｎｄｔに
よる「Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ
Ｔｈｉｎ−Ｆｉｌｍ Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ
Ｃａｔｈｏｄｅｓ ＷｉｔｈＭｏｌｙｂｄｅｎｕｍ
Ｃｏｎｅｓ」には、１つの方法が開示されている。１９
９１年のＴｅｃｈ．Ｄｉｇｅｓｔ ４ｔｈ Ｉｎｔ．Ｖ
ａｃｃｕｍ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ
ｎｆ．，Ｎａｇａｈａｍａ，Ｊａｐａｎ，２６ページに
発表されたＢｅｔｓｕｉによる「Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏ
ｎ ａｎｄ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ
Ｓｉ Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｔｔｅｒ Ａｒｒａｙｓ」に
は、もう１つの方法が開示されている。こうしたエミッ
タは、フラット・パネル・ディスプレイのようなさまざ
まな用途において用いられ、成功を収めている。 【００１３】電界エミッタは、エミッタ・ピッチがｘ方
向とｙ方向の両方において５０マイクロメートルの、２
次元アレイ（例えば、１００×１００エミッタ）として
設けることが可能である。各エミッタは、数万〜数億の
記憶領域におけるビットにアクセスすることが可能であ
る。例えば、エミッタは、２次元アレイをなす記憶領域
を備えた記憶媒体に対する走査（すなわち、移動）が可
能であり、この場合、隣接記憶領域間の周期性は、何分
の１ナノメートルから１００ナノメートル以上までの間
の値のいずれかであり、マイクロアクチュエータの有効
範囲は、ｘ方向及びｙ方向の両方において５０ミクロン
である。また、電界エミッタは、同時にまたは多重式に
アドレス指定することが可能である。並列アドレス指定
方式によれば、アクセス時間とデータ転送速度に関し
て、記憶装置１００の性能を大幅に向上させることが可
能になる。 【００１４】図３は、記憶領域の２次元アレイ及び電界
エミッタの２次元アレイを表した、典型的な記憶媒体１
０６の平面図である。記憶領域のアドレス指定には、外
部回路要素（不図示）が利用される。図示のように、記
憶媒体は、各行毎に、記憶領域１０８のようないくつか
の記憶領域が含まれている、行１４０のような行をなす
ように分割するのが望ましい場合が多い。一般に、各エ
ミッタは、いくつかの行を担当するが、それらの行の全
長にわたって担当するわけではない。例えば、図示のよ
うに、エミッタ１０２は、行１４０〜１４２内で、列１
４４〜１４６内の記憶領域を担当する。 【００１５】上記では、本発明による位置センサを用い
ることが可能な典型的な記憶装置が解説されている。そ
の開示が、参考までに本明細書において援用されてい
る、Ｇｉｂｓｏｎ他に対する米国特許第５，５５７，５
９６号には、このタイプの記憶装置の他の態様が開示さ
れている。 【００１６】所望の記憶領域に対する読み取り及び書き
込み操作を正確に実施するためには、マイクロアクチュ
エータ１１０の動作に関連して正確な位置検知及び制御
を用いるのが望ましい場合が多い。従って、記憶装置１
００には、本発明による静電容量型の位置センサを設け
ることが可能である。図１には、こうした位置センサの
１つが全体として１６０で表示されている。センサ１６
０は、ムーバ１０６とステータ１２０の相対位置に応じ
て変動する１つ以上の静電容量値を出力する。 【００１７】図４〜１６に関連して、位置センサのさま
ざまな実施例及び態様について解説することにする。図
１及び２と同様、これらの図のいくつかは、ｘ−ｙ−ｚ
直線座標系内に描かれた対象の配向を示す添付のキャプ
ションを備えている。キャプションは、わかりやすくす
ることだけを目的として含まれており、本発明の範囲を
制限することを意図したものではない。例えば、記憶媒
体１０６は、主として、図１及び２に示すｘ−ｙ平面内
を移動する。従って、解説される位置センサは、記憶装
置１００に用いられる場合、一般に、ｘ−ｙ平面内にお
ける記憶媒体の位置を検知するように設計されている。
しかし、位置センサが、図１及び２に示す任意に定めら
れたｘ−ｙ平面以外の平面を含む、多くの異なる所望の
方向における移動の検知に利用可能であることは明白で
ある。 【００１８】図４〜８には、本発明による位置センサ１
６２のさまざまな態様が描かれている。図４〜７に示す
ように、センサ１６２には、Ｍ１プレート１６６及び１
６８を備えたＭ１プレート・アセンブリ１６４、Ｍ２プ
レート１７２及び１７４を備えたＭ２プレート・アセン
ブリ１７０、及び、Ｓ１プレート１７８及び１８０を備
えたＳ１プレート・アセンブリ１７６を含む、それぞ
れ、１つ以上のプレートを備えた、いくつかのプレート
・アセンブリを含むことが可能である。 【００１９】Ｍ１及びＭ２プレート・アセンブリは、記
憶媒体１０６（図１及び２）にしっかりと固定すること
が可能であり、描かれた例において、記憶媒体１０６及
びＭ１及びＭ２プレートがケーシング１２０に対して移
動可能であるため、文字「Ｍ」で表示されている。一般
に、図４に示すように、Ｍ１プレートは、全て、電気的
に相互接続されており、Ｍ２プレートは、全て、電気的
に相互接続されている。隣接するＭ１プレートとＭ２プ
レートの間には、絶縁ギャップ１８２が設けられてい
て、Ｍ１プレート・アセンブリとＭ２プレート・アセン
ブリは、互いに絶縁されている。 【００２０】Ｓ１プレート・アセンブリ１７６及びその
プレートは、一般に、ケーシング１２０に対して固定さ
れているので、文字「Ｓ」で表示されている。図示のよ
うに、Ｓ１プレート１７８及び１８０は、一般に、電気
的に相互接続されている。描かれているプレートの電気
的相互接続及び特性については、さらに詳細に後述す
る。 【００２１】図５〜７において最もよく分かるように、
Ｍ１プレート１６６及び１６８は、記憶媒体１０６（す
なわち、ムーバ）の下側に固定することが可能である。
すなわち、図５〜７に示すように、Ｍ１プレートは、記
憶媒体のエッジに向かって設けられた１つ以上の結合ブ
ロックに対して固定することが可能である。描かれた記
憶装置の場合、２組の結合ブロックが存在する。ｘ軸結
合ブロック１０６ａ及び１０６ｂは、記憶媒体１０６の
上側及び下側に沿ってｘ方向に延び、ｙ軸結合ブロック
１０６ｃ及び１０６ｄは、記憶媒体の左側及び右側に沿
ってｙ方向に延びている。ｘ軸結合ブロック１０６ａ及
び１０６ｂは、ｘ軸に沿って移動する際、記憶媒体と共
に移動するが、ｙ軸に沿って移動する際には、記憶媒体
と共に移動することはない。換言すれば、結合ブロック
１０６ａ及び１０６ｂは、ｘ軸移動のためには、記憶媒
体１０６に対して固定されるが、ｙ軸移動のためには、
記憶媒体１０６から独立している。ｙ軸結合ブロック１
０６ｃ及び１０６ｄは、同様であるが、逆に働く：すな
わち、ｙ軸移動のためには記憶媒体に対して固定される
が、ｘ軸移動のためには、記憶媒体から独立している。
２００１年５月３１日に提出されたＰｅｔｅｒ Ｇ．Ｈ
ａｒｔｗｅｌｌ及びＤｏｎａｌｄ Ｊ．Ｆａｓｅｎの
「Ｆｌｅｘｔｕｒｅ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｂｌｏｃｋ
ｆｏｒ Ｍｏｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｏｒ」と題する米国特
許第０９／８６７，６６７号、及び、２００１年５月３
１日に提出されたＰｅｔｅｒ Ｇ．Ｈａｒｔｗｅｌｌ及
びＤｏｎａｌｄ Ｊ．Ｆａｓｅｎの「Ｔｈｒｅｅ−Ａｘ
ｉｓ Ｍｏｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｏｒ」と題する米国特許
第０９／８６７，６６６号には、こうした結合ブロック
の利用についての記載がある。従って、本明細書では、
結合ブロックに関するこれ以上の説明を控えることにす
る。 【００２２】当業者には明らかなように、位置センサ１
６２のＭ１及びＭ２プレート・アセンブリは、記憶媒体
１０６の本体に、結合ブロックを介して有効に固定する
代わりに、直接固定することが可能である。Ｓ１プレー
トは、一般に、Ｍ１及びＭ２プレートに向かい合うよう
に、ケーシング１２０（すなわち、ステータ）にしっか
り固定されるか、または、その内部に取り付けられる。 【００２３】図５〜７において最もよく分かるように、
Ｍ１、Ｍ２、及び、Ｓ１プレートは、一般に、ムーバ１
０６及びステータ１２０に対してかなり薄い平面構造で
ある。プレートは、半導体製作技法または他の適合する
製造方法を利用してムーバ及びステータ上に被着させる
か、または、別様に固定することが可能である。図示の
ように、Ｍ１及びＭ２プレート・アセンブリは、一般
に、互いに隣接して、同一平面上に位置し、絶縁ギャッ
プ１８２によって離隔されるように、記憶媒体１０６に
固定される。Ｍ２プレートと同一平面上に位置するだけ
ではなく、各Ｍ１プレートは、一般に、他のＭ１プレー
トの全てとも同一平面上に位置している。例えば、図４
の場合、４つのＭ１及びＭ２プレートは、全て、同一平
面上にあるので、全体として、断続的なギャップ（例え
ば、絶縁ギャップ１８２）を備える平面の広がりを形成
している。図５〜７から明らかなように、この広がり
は、下方のＳ１プレート及びステータ１２０に面してい
る。一般に、Ｓ１プレートも、全て、互いに同一平面上
にある。 【００２４】ムーバ１０６及びステータ１２０は、通
常、並進移動だけしかしないように（非回転の意味）、
互いに移動可能である。従って、Ｓ１プレート１７８お
よび１８０は、ムーバ１０６が、ステータ１２０に対し
て移動する際、Ｍ１プレート１６６及び１６８に対し、
及び、Ｍ２プレート１７２及び１７４に対して平行のま
まである。ムーバとステータの間にｚ軸移動が生じる場
合、Ｓ１プレートと、Ｍ１及びＭ２プレートを含む平面
との間の垂直ギャップは、変動するが、Ｓ１プレート
は、一般に、Ｍ１及びＭ２プレートに対して平行のまま
である。 【００２５】図５〜７には、ムーバ１０６とステータ１
２０の間に生じる可能性のある相対ｘ軸移動が描かれて
いる。図５にはそのｘ軸移動の有効範囲の一方の極端に
あるムーバ１０６が描かれており；図７にはもう一方の
極端にあるムーバが描かれており；図６には、中間位置
にあるムーバが描かれている。これらの図において明ら
かなように、Ｓ１プレート１７８とＭ１プレート１６６
の間、及び、Ｓ１プレート１７８とＭ２プレート１７２
の間に生じる重なり部分は、ムーバがｘ軸移動のその有
効範囲の両極端間を移動するにつれて変動する。「重な
り部分」はある特定の対をなす向かい合ったプレートが
重なり合う領域を表している。例えば、図４には、図６
に示す中間位置と同様に、Ｓ１プレートに対する中間位
置（すなわち、その有効移動範囲の両端間のどこか）に
ある、全て、ムーバ１０６に対して固定された、Ｍ１及
びＭ２プレートが描かれている。この時点において、Ｍ
１プレート１６６は、Ｗ（Ｍ１プレートのｙ軸幅）のｘ
ｐｏ（ｘ軸の重なり量）倍だけＳ１プレート１７８と重
なり合っている。図４〜７から明らかなように、重なり
部分は、プレート間に生じる相対ｘ軸変位の関数として
変動し、この相対ｘ軸変位は、さらに、ムーバ１０６と
ステータ１２０の間で生じる相対ｘ軸移動の結果として
生じる。 【００２６】Ｓ１プレートとＭ１及びＭ２プレートとの
スペースは、空気のような誘電体によって占められてお
り、従って、当業者には明らかなように、それぞれのプ
レート間には静電容量が生じることになる。これらの静
電容量は、ムーバ１０６がステータ１２０に対して移動
するにつれて変動する。 【００２７】図８には、静電容量測定回路１９０に含ま
れている、図４〜７に示すそれぞれのプレートによって
形成される静電容量が描かれている。回路１９０には、
Ｍ１プレート・アセンブリ（Ｍ１プレート１６６及び１
６８）とＳ１プレート・アセンブリ（Ｓ１プレート１７
８及び１８０）によって形成された第１の可変コンデン
サ１９２が含まれている。コンデンサ１９２の回路記号
において矢印で表示のように、可変コンデンサ１９２の
静電容量は、ムーバ１０６が、図５に示す位置から図７
に示す位置に、ステータ１２０に対して正のｘ方向に移
動するにつれて増大する。この静電容量の増大は、Ｍ１
プレートとＳ１プレートの重なり部分の増大に起因する
ものである。回路１９０には、Ｍ２プレート・アセンブ
リ（Ｍ２プレート１７２及び１７４）とＳ１プレート・
アセンブリ（Ｓ１プレート１７８及び１８０）によって
形成される第２の可変コンデンサ１９４も含まれてい
る。下方に向いた矢印は、可変コンデンサ１９４の静電
容量が、ムーバ１０６が、図５に示す位置から図７に示
す位置に、ｘ軸の移動有効範囲にわたって、ステータ１
２０に対して正のｘ方向に移動するにつれて減少するこ
とを表している。この静電容量の減少は、ムーバが前述
の移動範囲を移動するにつれて、Ｍ１プレートとＳ１プ
レートの重なり部分が減少するためである。 【００２８】図４及び８において明らかなように、静電
容量測定回路には、プレートに時変信号を加えるための
１つまたは複数の信号源を含むことも可能である。これ
らの入力信号は、プレート間に存在する静電容量に基づ
く測定可能な出力信号を生じさせるために加えられる。
描かれた実施態様の場合、正弦搬送波２００が、Ｍ１プ
レート・アセンブリ（Ｍ１プレート１６６及び１６８）
に加えられる。反転搬送波２０２が、Ｍ２プレート・ア
センブリ１７０（Ｍ２プレート１７２及び１７４）に加
えられる。正弦波入力を用いる場合、反転信号は、一般
に、第１の信号の位相を１８０度シフトすることによっ
て得られる。これらの時変信号を加えると、回路ノード
２０４に出力が生じ、これを測定して、可変コンデンサ
１９２及び１９４の静電容量を求めることが可能であ
る。図８において明らかなように、この出力の測定方法
の１つは、抵抗Ｒ１の電圧サンプリング抵抗器２０６に
よるものである。 【００２９】図４〜８に関連して解説の構成の重要な利
点は、出力が、ムーバとステータの間に生じるｘ軸変位
の関数としてのみ、かなりの程度に変動し、ｙ軸及びｚ
軸の相対変位には比較的反応を示さない。この直線成分
の分離は、正確な位置検知に役立つ。当業者には明らか
なように、１対の間隔をあけた平行なｘ−ｙプレート間
に生じる静電容量は、重なり合う領域（ｘ軸及びｙ軸の
相対移動に応じて変動する）、及び、プレート間の垂直
距離（ｚ軸の相対移動に応じて変動する）の関数であ
る。すなわち、静電容量Ｃ＝（Ａ＊Ｅｏ）／Ｇであり、
ここで、Ａは、重なり領域であり、Ｅｏは、自由空間の
誘電率に対応する定数であり、Ｇは、２つのプレート間
の垂直（ｚ軸）間隔である。個々の直線成分を分離する
ことができなければ、位置検知システムは、ある特定の
静電容量の変化を生じる位置変化の性質に関する正確な
情報を提供することができない。例えば、ｚ軸変位の結
果生じる静電容量の変化は、ｘ軸変位による結果と誤っ
て解釈される可能性がある。 【００３０】ｙ軸移動の結果生じる静電容量の変化は、
プレート間の重なり部分が、予測範囲のｙ軸移動によっ
て変動しないようにプレートを構成することによって排
除することが可能である。図４から明らかなように、Ｓ
１プレート１７８及び１８０のそれぞれが、ｙ方向にお
いてＭ１及びＭ２プレートよりも広い。このオーバする
量は、Ｓ１プレート・アセンブリとＭ１及びＭ２プレー
ト・アセンブリのそれぞれとの間の重なり部分が、ムー
バとステータ間に生じるｙ軸移動の予測範囲にわたって
変化しないように選択することが可能である。さらに、
上述のように、前出の結合ブロックの開示では、ｘ軸結
合ブロック１０６ａ及び１０６ｂは、一般に、ムーバ１
００のｙ軸移動に追随しないように設計されている。 【００３１】相対ｚ軸移動の効果は、部分的には、可変
コンデンサ１９２及び１９４に駆動信号２００及び２０
２を加えることによって抑圧されるか、排除される。当
業者には明らかなように、Ｍ１プレート１６６、Ｍ２プ
レート１７２、及び、Ｓ１プレート１７８に関して、図
８に示す静電容量測定回路によって、下記の伝達関数が
得られる： 【００３２】 【数１】 ここで、Ｖｏは、電圧サンプリング抵抗器２０６の両端
で得られた出力であり、Ｖｃは、非反転入力信号であ
り、Ｃｘｐは、可変コンデンサ１９２の静電容量であ
り、Ｃｘｎは、可変コンデンサ１９４の静電容量であ
り、Ｐ＝１／（Ｒ１＊（Ｃｘｎ＋Ｃｘｐ））。 【００３３】Ｃｘｐ＝Ａｐ＊Ｅｏ／Ｇｐ及びＣｘｎ＝Ａ
ｎ＊Ｅｏ／Ｇｎである点に留意されたい。ここで、Ａｐ
は、Ｍ１プレート１６６とＳ１プレート１７８の間に生
じる重なり領域であり、Ｇｐは、Ｍ１プレート１６６と
Ｓ１プレート１７８の間のｚ軸間隔であり、Ａｎは、Ｍ
２プレート１７２とＳ１プレート１７８の間に生じる重
なり部分であり、Ｇｎは、Ｍ２プレート１７２とＳ１プ
レート１７８の間のｚ軸間隔である。さらに、Ａｐ
（ｘ）＝Ｗ＊（ｘｐｏ＋ｘ）及びＡｎ（ｘ）＝Ｗ＊（ｘ
ｎｏ＋ｘ）であるが、ここで、ｘは、Ｓ１プレート１７
８に対するＭ１プレート１６６及びＭ２プレート１７２
のｘ軸変位であり、Ｗは、Ｍ１プレート１６６及びＭ２
プレート１７２のｙ軸に沿って測られた幅であり、ｘｐ
ｏは、ｘ＝０の場合に（図４に示す位置を初期位置と仮
定すると）、Ｍ１プレート１６６とＳ１プレート１７８
の間に生じるｘ軸の初期重なり量であり、ｘｎｏは、ｘ
＝０の場合に、Ｍ２プレート１７２とＳ１プレート１７
８の間に生じるｘ軸の初期重なり量である。Ｍ１及びＭ
２プレートが完全に同一平面上にあるものと仮定する
と、両方とも、Ｓ１プレートから等間隔に位置するの
で、Ｇｐ＝Ｇｎ＝Ｇということになる。これらの値を上
記伝達関数に代入すると、次のようになる： 【００３４】 【数２】 この結果から明らかなように、１／Ｇ項は、利得項の分
子及び分母から消去される。この消去後、残りの利得項
は、プレート間の垂直間隔と完全に無関係になる。この
結果、相対ｚ移動が結果生じる出力に対してかなり影響
を及ぼす要因であるとして抑圧されるので、出力は、可
動物体間に生じるｚ軸移動とほぼ無関係になる。こうし
てｙ軸及びｚ軸の相対移動に起因する影響を排除する
と、図示のシステムによって、相対ｘ軸移動が分離さ
れ、ほぼｘ軸成分だけに基づく出力が得るようになる。 【００３５】上記導出は、３つのプレート（すなわち、
Ｍ１プレート１６６、Ｍ２プレート１７２、及び、Ｓ１
プレート１７８）についてのみ実施されたが、上記結
果、とりわけ、ｚ軸の影響の排除は、図４に示す実施態
様及び後述する他のさまざまな実施態様のような、より
多くのプレートを必要とする拡張システムにも等しく有
効に適用される。 【００３６】記憶装置１００のような装置に関しては、
２つ以上の軸に沿った移動検知を可能にするのが望まし
い場合が多い。例えば、記憶装置１００で正確な読み取
り／及び書き込み操作を実施するためには、ｘ−ｙ平面
内におけるケーシング１２０に対する記憶媒体１０６の
位置を検知する必要がある。しかし、上述のように、図
４〜８のセンサは、１方向における、すなわち、ｘ軸に
沿った位置変化だけを検知するように構成されている。
２次元検知を実現するには、一般に、既述のものと同様
のプレート・アセンブリをｙ軸結合ブロック１０６ｃ及
び１０６ｄの一方または両方に（または、記憶媒体１０
６に直接）、及び、ステータの１２０の対応する位置に
固定することによって、図４〜８で論じたものと同様の
追加構造をｙ軸移動に利用することが可能である。この
２次元構成によれば、ｘ軸センサによって、ｘ軸検知を
行い、同時に、ｙ軸及びｚ軸の影響を抑圧することが可
能になり、ｙ軸センサによって、ｙ軸検知を行い、同時
に、ｘ軸及びｚ軸の影響を抑圧することが可能になる。
この結果、ｘ−ｙ平面内における正確な検知が可能にな
り、同時に、相対ｚ軸変位のために多くの既存のセンサ
に生じることになる検知エラーが回避される。本明細書
に記載の他の実施態様には、同様に、２つ以上の直線軸
に沿った位置検知を可能にするように構成することが可
能なものもある。 【００３７】直線移動成分を分離するだけではなく、本
発明の位置センサは、高感度で、高分解能の位置検知を
行えるように構成することが可能である。実際、感度の
向上は、図４に示す実施態様の利点の１つである。２つ
のＭ１プレート及び２つのＳ１プレートが利用されるの
で、ある特定のｘ変位量に関してＭ１プレートとＳ１プ
レートの間に生じる重なり部分は、同じサイズの１対の
重なり合うプレートに生じるものより大きくなる。従っ
て、同じ量のｘ変位に関して、より大きい容量変化が生
じることになる。この結果、ｘ軸の位置変化をより高い
分解能で監視することが可能になるので、位置検知感度
が高くなる。高分解能の位置検知は、上述の記憶装置の
ようなＭＥＭＳ用途においてとりわけ重要である。この
タイプの記憶装置の場合、適正な記憶場所に対するデー
タの正確な読み取り及び書き込み及び既存のデータに対
する誤った上書きを回避するには、高分解能で正確な位
置制御が必要になる。 【００３８】図９〜１３には、本発明による位置検知シ
ステム２１０のもう１つの実施態様に関するさまざまな
態様が描かれている。位置検知システム２１０には、前
述のＭ１及びＭ２プレートと同様にムーバに対して固定
することが可能な２つのＭ１プレート２１４及び２１６
と、Ｍ２プレート２２０が含まれている。システム２１
０には、ステータ１２０に固定することが可能なＳ１プ
レート２２２及びＳ２プレート２２６も含まれている。
図１０ないし１２には、図５〜７と同様に、プレートが
固定されている物体（例えば、ムーバ１０６及びステー
タ１２０）のｘ軸の有効範囲にわたる移動による、Ｓ１
及びＳ２プレートに対するＭ１及びＭ２プレートの相対
移動が示されている。先行図と同様、図１０には、ｘ軸
に沿ったステータに対するムーバの最も左の極端位置が
示されており、図１１には、中間状態が示されており、
図１２には、最も右の極端位置が示されている。 【００３９】当業者には明らかなように、上記構成によ
れば、図１３の回路図に示すように４つの可変コンデン
サが得られる：（１）コンデンサ２４０は、Ｍ１プレー
ト２１４とＳ１プレート２２２の間に形成され、正のｘ
軸変位に応じて値が増大する；（２）コンデンサ２４２
は、Ｍ２プレート２２０とＳ１プレート２２２の間に形
成され、正のｘ軸変位に応じて値が減少する；（３）コ
ンデンサ２４４は、Ｍ１レート２１６とＳ２プレート２
２６の間に形成され、正のｘ軸変位に応じて値が減少す
る；（４）コンデンサ２４６は、Ｍ２プレート２１６と
Ｓ２プレート２２６の間に形成され、正のｘ軸変位に応
じて値が増大する。 【００４０】前述のように、測定可能な出力が得られる
ようにするため、Ｍ１及びＭ２プレートに、それぞれ、
正弦搬送波２５０及びその反転搬送波２５２を加えるこ
とが可能である（図９と１３）。逆に変動する静電容量
に結合される、この駆動信号の利用によって、ムーバ１
０６とステータ１２０との間に生じるｚ軸移動にほぼ
（または完全に）左右されない出力をＳ１及びＳ２端子
（２５４及び２５６）に生じるシステムが得られる。こ
れは、図４〜８に関連して上述の導出と同様、伝達関数
に分析を加えることによって確認することが可能であ
る。Ｓ１及びＳ２出力は、一般に、Ｍ１−Ｓ２静電容量
（すなわち、Ｍ１プレート２１６とＳ２プレート２２６
の間に発生する静電容量）が減少すると、Ｍ１−Ｓ１静
電容量（すなわち、Ｍ１プレート２１４とＳ１プレート
２２２の間に発生する静電容量）が増大するという事
実、及び、その逆の事実のため、後続処理の前に、取り
除かれる。 【００４１】図１４〜１６には、本発明による位置検知
システム２６０のもう１つの実施態様に関するさまざま
な態様が描かれている。システム２６０には、電気的に
相互結合されて、Ｍ１プレート・アセンブリを形成する
複数Ｍ１プレート２６２が含まれている（それぞれのＭ
１プレート間の電気的相互接続は、示されていないが、
一般には、先行実施態様に示すものと同様である）。シ
ステム２６０には、電気的に相互に結合されて、Ｍ２プ
レート・アセンブリを形成する複数Ｍ２プレート２６４
もまた含まれている。Ｍ１及びＭ２プレート・アセンブ
リは、ムーバ１０６のような可動装置に固定することが
可能であり、一般には、図１４及び１５に示すように、
Ｍ１及びＭ２プレートが、全て、同一平面上にあって、
交互位置につくように構成される。 【００４２】システム２６０には、さらに、電気的に相
互結合されたＳ１プレート２６６を備えるＳ１プレート
・アセンブリと、電気的に相互結合されたＳ２プレート
２６８を備えるＳ２プレート・アセンブリを含むことも
可能である。Ｍ１及びＭ２プレート・アセンブリの場合
と同様、Ｓ１及びＳ２プレートは、一般に、同一平面上
にあって、Ｓ１プレートとＳ２プレートが交互位置につ
くように構成される。Ｓ１及びＳ２プレート・アセンブ
リは、Ｍ１及びＭ２アセンブリが固定される装置に対し
て移動可能な、ステータ１２０のような別の装置に固定
される。 【００４３】先行実施態様の場合と同様、この解説の構
成によれば、プレート・アセンブリが互いに移動する
と、値の変動する可変コンデンサが得られる。すなわ
ち、図示の構成によれば、図１３に示すものと同様の可
変コンデンサが得られる：（１）Ｍ１プレート２６２と
Ｓ１プレート２６６の間のコンデンサ、（２）Ｍ２プレ
ート２６４とＳ１プレート２６６の間のコンデンサ、
（３）Ｍ１プレート２６２とＳ２プレート２６８の間の
コンデンサ、及び、（４）Ｍ２プレート２６４とＳ２プ
レート２６８の間のコンデンサ。 【００４４】一般に、正弦波信号２８０及びその反転信
号２８２は、それぞれ、先行実施態様の解説と同じく、
Ｍ１及びＭ２プレート・アセンブリに加えられる。正弦
波信号を加えると、それぞれ、Ｓ１及びＳ２プレート・
アセンブリに接続された出力端子において測定可能な変
動静電容量に基づく出力が得られる。従って、図１３に
は、図１４及び１５に示すシステムが正確にモデル化さ
れている。 【００４５】図９及び１４に示すシステムは、同じ回路
図（例えば、図１３）を用いて解説することができる
が、有効移動範囲が異なる結果として、異なる出力を生
じることになる。例えば、図１０〜１２に示すように、
ある特定のＭ１プレート（例えば、Ｍ１プレート２１
４）だけが、それ自体のｘ軸幅にほぼ等しい距離だけ、
ステータに１２０に対して移動する。従って、Ｍ１プレ
ート２１４が、その最も左の極端（図１０）からその最
も右の極端（図１２）まで移動すると、それとＳ１プレ
ート２２２との重なり部分（及び結果生じる静電容量）
が、最小値から最大値まで増大する。 【００４６】これに対し、図１４及び１５に示すシステ
ムの場合、ｘ軸の有効移動範囲は、一般に、図示の典型
的なｘ軸移動範囲２８１によって明らかなように、ある
特定のプレート幅の何倍にもなる。従って、ムーバ１０
６がその範囲の一方の端部からもう一方の端部まで移動
すると、任意の特定のＭ１またはＭ２プレートが、順
次、Ｓ１プレート、Ｓ２プレート、もう１つのＳ１プレ
ート、もう１つのＳ２プレート、もう１つのＳ１プレー
ト．．．の上を通過することになる。この構成の場合、
上述の４つの可変コンデンサに関連した４つの重なり合
う領域がある。すなわち、重なり部分が、（１）Ｍ１プ
レート・アセンブリとＳ１プレート・アセンブリの間、
（２）Ｍ２プレート・アセンブリとＳ１プレート・アセ
ンブリの間、（３）Ｍ１プレート・アセンブリとＳ２プ
レート・アセンブリの間、及び、（４）Ｍ２プレート・
アセンブリとＳ２プレート・アセンブリの間に生じる。
４つの重なり合う領域は、それぞれ、物体がｘ軸の有効
移動範囲にわたって互いに移動する際、ある回数にわた
って、最大値と最小値の間で量的に循環する。ｘ軸変位
の関数として、これらの領域の各特定の１つが、最大量
と最小量の間で線形に変動する。 【００４７】グラフでは、４つの領域のそれぞれに関す
るｘ軸変位の関数として重なり合う領域は、三角波形の
ように見える。これらの波形の周期は、プレートのある
特定の１つの幅に、そのプレートとそれにすぐ隣接した
近傍プレートの１つとの間の比較的わずかなギャップを
加えた値を含む、隣接プレート間のピッチＷに等しい。
一般に、図１４及び１５に示すように、システム２６０
は、プレート幅と交互に位置するギャップの全てが均一
になるように構成されている。 【００４８】有効移動範囲にわたって生じる循環重なり
部分によって、図１６に示す出力静電容量波で表された
循環静電容量が得られる。すなわち、図示の出力は、プ
レート・アセンブリ間に発生するＭ１−Ｓ１、Ｍ２−Ｓ
１、Ｍ２−Ｓ２、及び、Ｍ１−Ｓ２静電容量に対応す
る。静電容量は、重なり領域に応じて線形に変動する
が、描かれた波形は、重なり領域の関数のような三角形
ではない。それどころか、図示のように、波形は、フリ
ンジング（ｆｒｉｎｇｉｎｇ）及び他の効果のためによ
り正弦波らしく見える。これらの波形の周期は、２Ｗす
なわちプレート・ピッチ幅の２倍である。 【００４９】図４〜８に関して上述の伝達関数を図１４
及び１５に示す循環システムに適用すると、相対的ｚ軸
移動による出力への影響は、一般に、完全に抑圧される
か、少なくとも、無視できる量まで減少する。従って、
図１６に示す出力静電容量は、移動物体間に生じる可能
性のある偶発的なｚ軸移動とは無関係に、ｘ軸位置（及
び、図示構成がｙ軸に用いられる場合には、ｙ軸位置）
の正確な検知に利用することが可能である。 【００５０】図１４及び１５に示すシステムの重要な利
点は、感度の向上である。再度図４を参照し、描かれた
ｘ軸の有効移動範囲が、５０マイクロメートルであると
仮定する。さらに、Ｍ１プレート１６６及び１６８とＳ
１プレート１７８及び１８０との重なりから生じる全静
電容量が、この移動範囲において５０ピコファラッドか
ら１００ピコファラッドまで変動するものと仮定する。
ｘ軸変位当りの容量変化は、１ピコファラッド／マイク
ロメートルになるであろう。 【００５１】次に、図１４及び１５のシステムを参照
し、同じ５０マイクロメートルの有効範囲であるが、そ
れぞれのプレートが、例えば、１／１００のサイズとい
ったように、図４に示すプレートよりかなり小さいもの
と仮定する。さらに、Ｍ１プレート２６２とＳ１プレー
ト２６６の間に生じる最大の全重なり量において発生す
る静電容量が、やはり、１００ピコファラッドであり、
最小の重なり量において、５０ピコファラッドであると
仮定する。ムーバがｘ＝０マイクロメートルから５０マ
イクロメートルまで移動すると、Ｍ１プレート・アセン
ブリとＳ１プレート・アセンブリの間の全静電容量は、
１００回にわたって、５０ピコファラッドと１００ピコ
ファラッドの間で循環することになる。この例の場合、
「循環」構成によって、１マイクロメートルの変位毎に
１００ピコファラッドの容量変化、すなわち、位置変化
に対する感度がはるかに高い出力が生じることになる。 【００５２】上述の開示には、独自の有用性を備えた複
数の別個の発明が包含されるものと確信している。これ
らの発明は、それぞれ、その望ましい形態で開示された
が、本明細書に開示され、図解されたその特定の実施態
様は、多様な変更が可能であるため、制限を意味するも
のとみなすべきではない。本発明の内容には、本明細書
に開示されたさまざまな要素、特徴、機能、及び／また
は、特性の新規で、自明ではない組み合わせ及び副組み
合わせの全てが含まれる。同様に、請求項において、
「ある」または「第１の」要素またはその同等物に言及
する場合、こうした請求項には、１つ以上のこうした要
素を組み込むことが含まれるものと理解すべきであり、
２つ以上のこうした要素を必要とするわけでも、あるい
は、排除するわけでもない。 【００５３】付属の請求項では、とりわけ、開示の発明
の１つを対象とした、新規で、自明ではないいくつかの
組み合わせ及び副組み合わせが指摘されているものと確
信する。特徴、機能、要素、及び／または、特性の他の
組み合わせ及び副組み合わせによって実現される発明
は、本出願または関連出願における本請求項の補正また
は新規請求項の提示によって請求することが可能であ
る。こうした補正または新規請求項は、異なる発明を対
象としたものであろうと、同じ発明を対象としたもので
あろうと関係なく、また、もとの請求項と範囲が異なる
か、より広いか、より狭いか、あるいは、等しいかに関
係なく、やはり、本開示の発明の内容に含まれるものと
みなされる。 【００５４】なお、この発明は例として次の実施態様を
含む。丸括弧内の数字は添付図面の参照符号に対応す
る。 【００５５】[1] 静電容量型の位置検知を行う可動シス
テムにおいて、１対の物体（１０６、１２０）と、ある
軸に沿ってある有効範囲にわたる物体（１０６、１２
０）間の相対移動を実施するように構成されたアクチュ
エータと、前記物体（１０６、１２０）の一方に固定さ
れた第１のプレート（１７８、１８０，２２２、２２
６、２６６、２６８）、及び、隣接して、同一平面上に
位置するように、また、前記物体が前記軸に沿って互い
に移動する際、前記第１のプレート（１７８、１８０、
２２２、２２６、２６６，２６８）から間隔をあけ、そ
れに対し平行をなすように、前記物体（１０６、１２
０）のもう一方に固定されている１対の第２のプレート
（１６６、１６８、１７２、１７４、２１４、２１６、
２２０、２６２、２６４）を有する静電容量型の位置セ
ンサ（１６０、１６２、２１０、２６０）と、を備え、
前記第１のプレート（１７８、１８０、２２２、２２
６、２６６，２６８）と前記第２のプレート（１６６、
１６８、１７２、１７４、２１４、２１６、２２０、２
６２、２６４）の構成によって、前記物体（１０６、１
２０）が前記軸に沿った前記有効範囲内で互いに移動す
ると静電容量が変動する２つの間隔をあけた平板コンデ
ンサ（１９２、１９４、２４０、２４２、２４４、２４
６）が形成され、前記静電容量型の位置センサ（１６
０、１６２、２１０、２６０）が、前記静電容量を利用
して、前記軸に沿った前記物体の相対位置を測定するた
めに利用可能な出力を発生する、ことを特徴とする可動
システム。 【００５６】[2] 上記[1]に記載の可動システムにおい
て、前記１対の第２のプレート（１６６、１６８、１７
２、１７４、２１４、２１６、２２０、２６２、２６
４）の一方に時変入力信号（２００）を加え、前記１対
の第２のプレートのもう一方に前記時変入力信号の反転
信号（２０２）を加えるように構成された静電容量測定
回路（１９０、図３）をさらに備えたことを特徴とする
もの。 【００５７】[3] 上記[1]に記載の可動システムにおい
て、前記コンデンサ（１９２、１９４、２４０、２４
２、２４４、２４６）が、前記１対の物体（１０６、１
２０）が互いに移動する結果として、前記第１のプレー
ト（１７８、１８０、２２２、２２６、２６６，２６
８）と前記第２のプレート（１６６、１６８、１７２、
１７４、２１４、２１６、２２０、２６２、２６４）の
間に生じる垂直方向の間隔変動にほとんど左右されな
い、出力・入力伝達関数を有する静電容量測定回路（１
９０、図３）の一部を形成することを特徴とするもの。 【００５８】[4] 静電容量型の位置検知を行う可動シス
テムにおいて、ｘ軸に沿ったある有効範囲のｘ軸移動、
及び、ｘ軸に対して垂直なｚ軸に沿ったある有効範囲の
ｚ軸移動によって、互いに並進移動可能な１対の物体
（１０６、１２０）と、前記物体（１０６、１２０）の
一方に固定された第１のプレート（１７８、１８０，２
２２、２２６、２６６、２６８）、及び、前記物体のも
う一方に固定されている１対の第２のプレート（１６
６、１６８、１７２、１７４、２１４、２１６、２２
０、２６２、２６４）を有する静電容量型の位置センサ
（１６０、１６２、２１０、２６０）と、を備え、前記
第１のプレートと前記第２のプレートが、ｚ軸に対して
垂直であり、前記第１のプレートが、前記第２のプレー
トのそれぞれと共に、前記物体がｘ軸移動及びｚ軸移動
の前記有効範囲にわたって移動すると、前記第１のプレ
ートと前記第２のプレートのそれぞれとの重なり及び間
隔の変動のために変動する、可変静電容量（１９２、１
９４、２４０、２４２、２４４、２４６）を形成し、前
記可変静電容量が、前記物体が、ｚ軸移動の有効範囲に
わたって互いに移動する結果として、前記第１のプレー
トと前記第２のプレートの間に生じる間隔変動にほとん
ど左右されない、出力・入力伝達関数を有する回路の一
部を形成する、ことを特徴とする可動システム。 【００５９】[5] ある軸に沿った１対の物体（１０６、
１２０）間の相対位置の変化に基づいて変動する静電容
量を出力するセンサ（１６０、１６２、２１０、２６
０）において、前記物体（１０６、１２０）の一方に固
定された第１のプレート（１７８、１８０，２２２、２
２６、２６６、２６８）と、隣接して、同一平面上に位
置するように、また、前記物体が、前記軸に沿って互い
に移動する際、前記第１のプレートから間隔をあけ、そ
れに対し平行をなすように、前記物体（１０６、１２
０）のもう一方に固定されている１対の第２のプレート
（１６６、１６８、１７２、１７４、２１４、２１６、
２２０、２６２、２６４）と、を備え、前記第１のプレ
ートと前記第２のプレートの構成によって、前記物体
（１０６、１２０）が前記軸に沿って互いに移動する
と、静電容量が変動する２つの間隔をあけた平板コンデ
ンサ（１９２、１９４、２４０、２４２、２４４、２４
６）が形成され、前記センサ（１６０、１６２、２１
０、２６０）が、前記静電容量を利用して、前記軸に沿
った前記物体の相対位置を測定するために利用可能な出
力を発生することを特徴とするセンサ。 【００６０】[6] １つの物体（１０６、１２０）間の相
対位置の変化に基づいて変化する静電容量を出力するセ
ンサ（２６０）において、前記物体（１０６、１２０）
の一方に固定されるように構成され、第１のプレートを
含む、第１のプレート・アセンブリ（２６２，２６４）
と、前記物体（１０６，１２０）のもう一方に固定され
るように構成され、第２のプレートを含む第２のプレー
ト・アセンブリ（２６６）及び第３のプレートを含む第
３のプレート・アセンブリ（２６８）と、を備え、前記
プレート・アセンブリ（２６２、２６４、２６６、２６
８）が、前記物体がある軸に沿った有効範囲にわたって
互いに並進すると、前記第１のプレートと前記第２のプ
レート間、及び、前記第１のプレートと前記第３のプレ
ート間の全重なり部分が、繰り返し増減するように構成
されており、これによって、第１のプレート・アセンブ
リが、前記第２及び第３のプレート・アセンブリのそれ
ぞれと共に、前記物体の相対位置に応じて静電容量の変
動する可変コンデンサ（１９２、１９４、２４０、２４
２、２４４、２４６）を形成する、ことを特徴とするセ
ンサ（２６０）。 【００６１】[7] 上記[6]に記載のセンサ（２６０）に
おいて、前記可変コンデンサ（１９２、１９４、２４
０、２４２、２４４、２４６）が、前記プレート・アセ
ンブリ（２６２、２６４、２６６、２６８）の少なくと
も１つに加えられる入力に応答して、前記第１のプレー
トと前記第２のプレート間、及び、前記第１のプレート
と前記第３のプレート間の静電容量に基づく出力を生じ
るように構成された、静電容量測定回路（１９０、図
３）の一部を形成していることを特徴とするもの。 【００６２】[8] 上記[7]に記載のセンサ（２６０）に
おいて、前記静電容量測定回路（１９０、図３）が、出
力が、前記第１のプレートと前記第２のプレートの間、
及び、前記第１のプレートと前記第３のプレートの間に
生じる垂直方向の間隔変動にほとんど左右されないよう
に構成されていることを特徴とするもの。 【００６３】[9] 上記[7]に記載のセンサ（２６０）に
おいて、静電容量測定回路（１９０）が、出力を生じる
ため、前記第２のプレート・アセンブリに時変入力信号
（２００）を加え、前記第３のプレート・アセンブリに
時変入力信号の反転信号（２０２）を加えるように構成
されていることを特徴とするもの。 【００６４】[10] 静電容量型の位置検知を行う可動シ
ステムにおいて、一対の物体（１０６，１２０）と、前
記物体（１０６、１２０）の一方に固定されるように構
成され、第１のプレートを含む、第１のプレート・アセ
ンブリ（２６２、２６４）と、前記物体（１０６，１２
０）のもう一方に固定されるように構成され、第２のプ
レートを含む第２のプレート・アセンブリ（２６６）及
び第３のプレートを含む第３のプレート・アセンブリ
（２６８）が含まれており、前記プレート・アセンブリ
（２６２、２６４、２６６、２６８）が、前記物体（１
０６、１２０）がある軸に沿った有効範囲にわたって互
いに並進すると、前記第１のプレートと前記第２のプレ
ート間、及び、前記第１のプレートと前記第３のプレー
ト間の全重なり部分が、繰り返し増減するように構成さ
れており、これによって、第１のプレート・アセンブリ
が、前記第２及び第３のプレート・アセンブリのそれぞ
れと共に、前記物体の相対位置に応じて静電容量の変動
する可変コンデンサ（１９２、１９４、２４０、２４
２、２４４、２４６）を形成するようになっていること
を特徴とする可動システム。
相対位置に応じて変動する出力静電容量を生じるように
構成された、静電容量型の位置センサに関するものであ
る。 【０００２】 【従来の技術】静電容量を利用した、２つの物体間の相
対位置の測定は、広く知られている。位置を検知する方
法の１つには、互いに移動する物体に２つの導電性プレ
ートを固定することが必要とされる。プレートは、一般
に、互いに重なり合って、平行をなし、ギャップによっ
て間隔が設けられるように、物体に固定される。２つの
プレートは、介在する誘電体（例えば、空気）と共に、
プレートが互いに重なり合う程度に応じて決まる静電容
量を発生する。物体が移動すると、重なり合う量が変化
し、その結果、静電容量に対応する変化が生じることに
なる。この静電容量の変化から、物体間の相対変位量が
求められる。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】上記アプローチに関す
る問題の１つは、さまざまな要因が、ある特定の静電容
量変化に影響を及ぼす可能性があるという点である。ｘ
−ｙ平面に対して平行な１対の導電性プレートを備え
た、ｘ−ｙ−ｚ直線座標系を仮定すると、静電容量の変
動は、座標軸の３つ全てに沿ったプレート間に発生する
相対並進から生じることになる。しかし、上述の単純な
システムを含む多くの位置検知システムは、ある軸に沿
って発生する移動から生じる静電容量の変化と、別の軸
に沿って発生する移動による静電容量の変化を見分ける
ことができない。 【０００４】上述の問題は、極小のコンピュータ記憶装
置のような、あるタイプのマイクロ電気機械式システム
（ＭＥＭＳ）においてとりわけ問題になる。こうした記
憶装置には、関連読み取り／書き込み装置に対してｘ−
ｙ平面内で移動するように設計された記憶媒体を含むも
のもある。媒体に正確にアクセスし、データを書き込む
ためには、記憶媒体と読み取り／書き込み装置の正確な
相対位置を知らなければならない。これらの装置に用い
られる静電駆動機構及び他の作動機構は、一般に、ｘ−
ｙ移動を生じさせるのに有効であるが、付随してｚ軸移
動を生じさせる場合もある。上述の従来式の静電容量型
の位置検知システムは、上述の理由から、こうした付随
するｚ軸移動の場合に、エラーを含む位置読み取りを生
じる可能性がある。この結果、とりわけ、間違ったデー
タが読み取られたり、あるいは、既存のデータの偶発的
な上書きが行われたりする可能性がある。 【０００５】既存の静電容量型の位置センサに関するも
う１つの問題は、制限された感度である。とりわけ、マ
イクロ記憶装置及び他のＭＥＭＳシステムの場合、用い
られる位置センサによって、所定の位置変化の関数とし
て大幅に変動する出力が得られるのが望ましい。記憶装
置によっては、何分の１ナノメートルかの単位で位置を
測定しなければならない場合もある。多くの既存のセン
サは、簡単に言えば、そうした精密な分解能で位置を測
定するのに適した出力を生じるのに十分な感度を備えて
いない。 【０００６】 【課題を解決するための手段】本発明によれば、ある軸
に沿った相対移動のある有効範囲にわたって、互いに移
動可能な１対の物体を備える可動システムに関連して用
いられる位置センサが得られる。位置センサは、静電容
量型であり、軸に対して平行をなすように、物体の一方
に固定された第１のプレートを含んでいる。位置センサ
には、隣接して、同一平面上に位置するように、また、
物体が、軸に沿って互いに移動する際、第１のプレート
から間隔をあけ、それに対し平行をなすように、物体の
もう一方に固定された１対の第２のプレートも含まれて
いる。第１のプレート及び第２のプレートは、物体が軸
に沿った有効範囲内で互いに移動すると、静電容量が変
動する、２つの間隔をあけた平板コンデンサを形成する
ように構成されている。位置センサは、静電容量を利用
して、軸に沿った物体の相対位置の測定に利用可能な出
力を発生するように構成されている。 【０００７】 【発明の実施の形態】本発明は、静電容量型の位置セン
サを対象にしたものである。本明細書に解説の位置セン
サの実施態様は、さまざまな設定に利用可能であるが、
極小のコンピュータ記憶装置及び他のＭＥＭＳシステム
に利用する場合にとりわけ有利であることが立証されて
いる。ただ例証だけを目的として、後述の位置センサ
は、主として高密度ＭＥＭＳコンピュータ記憶装置に関
連して論じられることになる。 【０００８】図１及び２には、それぞれ、本発明による
位置センサを利用することが可能な記憶装置１００の側
断面図及び水平断面図が示されている。記憶装置１００
には、１０２及び１０４のようないくつかの電界エミッ
タ、１０８のようないくつかの記憶領域を備えた記憶媒
体１０６、及び、電界エミッタに対する記憶媒体１０６
の走査（移動）、または、その逆を実施させるマイクロ
アクチュエータ１１０が含まれている。記憶装置１００
は、各記憶領域が１ビットまたは多ビットの情報の記憶
を担当するように構成される。 【０００９】電界エミッタは、極めて鋭いポイントを備
えたポイント・エミッタとして構成される。例えば、各
電界エミッタは、約１ナノメートルから数百ナノメート
ルの曲率半径を備える。動作中、エミッタ１０２とエミ
ッタ１０２を包囲する円形ゲート１０３のような、電界
エミッタとその対応するゲートの間に、あらかじめ選択
された電位差が印加される。エミッタの鋭いポイントの
ため、電子ビーム電流がエミッタから引き出され、高い
精度で、記憶領域に向けて送られる。エミッタと記憶媒
体１０６間の距離、エミッタのタイプ、及び、必要なス
ポット・サイズ（ビット・サイズ）に応じて、電子光学
装置は、電子ビームの集束が要求される場合がある。電
界放出される電子の加速または減速のため、あるいは、
電界放出される電子の集束を補助するため、記憶媒体１
０６に電圧を印加してもよい。 【００１０】ケーシング１２０は、一般に、少なくとも
１０−５トルといった部分真空状態に記憶媒体１０６を
維持するのに適している。研究者は、半導体処理技法を
利用して、真空空洞内でマイクロ加工された電界エミッ
タを製作した。例えば、１９９２年のＩＥＥＥ Ｔｒａ
ｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，Ｈ
ｙｂｒｉｄ ａｎｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔ
ｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１５，１０５１ページに発表され
た、Ｊｏｎｅｓによる「Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｆｉｅｌｄ
Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ ａｎｄ
Ｄｉｏｄｅｓ」を参照されたい。 【００１１】各電界エミッタは、記憶媒体１０６に設け
られた１つ以上の記憶領域に対応する。各電界エミッタ
がいくつかの記憶領域を担当する場合、記憶装置１００
は、一般に、ケーシング１２０（従って、電界エミッ
タ）と記憶媒体１０６の間における走査または別様の相
対移動を実施するのに適している。例えば、マイクロア
クチュエータ１１０は、一般に、媒体１０６のさまざま
な位置への走査に適応するので、各電界エミッタは、さ
まざまな記憶領域上に位置決めされることになる。こう
した構成によれば、マイクロアクチュエータ１１０を利
用して、記憶媒体に対する電界エミッタ・アレイ（一般
には２次元）の走査を実施することが可能になる。記憶
媒体１０６は、ケーシング１２０に対して移動するの
で、「ムーバ」と呼ばれる場合もある。これに対し、ケ
ーシング１２０及びケーシングに対して固定された他の
各種コンポーネント（例えば、電界エミッタ）は、「ス
テータ」と呼ばれる場合もある。 【００１２】電界エミッタは、一般に、それが生じる電
子ビームによって、記憶領域に情報の読み取り及び書き
込みを行うように構成されている。従って、記憶媒体１
００に用いるのに適した電界エミッタは、記憶媒体１０
６に所望のビット密度を実現するのに十分なほど細い電
子ビ−ムを発生しなければならない。さらに、電界エミ
ッタは、所望の読み取り／書き込み操作の実施に十分な
パワー密度の電子ビームを発生しなければならない。こ
うした電界エミッタの製作には、さまざまな方法を利用
することが可能である。例えば、１９７６年１２月のＪ
ｏｕｒｎａｌｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，
Ｖｏｌ．４７，Ｎｏ．１２に発表されたＳｐｉｎｄｔに
よる「Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ
Ｔｈｉｎ−Ｆｉｌｍ Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ
Ｃａｔｈｏｄｅｓ ＷｉｔｈＭｏｌｙｂｄｅｎｕｍ
Ｃｏｎｅｓ」には、１つの方法が開示されている。１９
９１年のＴｅｃｈ．Ｄｉｇｅｓｔ ４ｔｈ Ｉｎｔ．Ｖ
ａｃｃｕｍ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ
ｎｆ．，Ｎａｇａｈａｍａ，Ｊａｐａｎ，２６ページに
発表されたＢｅｔｓｕｉによる「Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏ
ｎ ａｎｄ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ
Ｓｉ Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｔｔｅｒ Ａｒｒａｙｓ」に
は、もう１つの方法が開示されている。こうしたエミッ
タは、フラット・パネル・ディスプレイのようなさまざ
まな用途において用いられ、成功を収めている。 【００１３】電界エミッタは、エミッタ・ピッチがｘ方
向とｙ方向の両方において５０マイクロメートルの、２
次元アレイ（例えば、１００×１００エミッタ）として
設けることが可能である。各エミッタは、数万〜数億の
記憶領域におけるビットにアクセスすることが可能であ
る。例えば、エミッタは、２次元アレイをなす記憶領域
を備えた記憶媒体に対する走査（すなわち、移動）が可
能であり、この場合、隣接記憶領域間の周期性は、何分
の１ナノメートルから１００ナノメートル以上までの間
の値のいずれかであり、マイクロアクチュエータの有効
範囲は、ｘ方向及びｙ方向の両方において５０ミクロン
である。また、電界エミッタは、同時にまたは多重式に
アドレス指定することが可能である。並列アドレス指定
方式によれば、アクセス時間とデータ転送速度に関し
て、記憶装置１００の性能を大幅に向上させることが可
能になる。 【００１４】図３は、記憶領域の２次元アレイ及び電界
エミッタの２次元アレイを表した、典型的な記憶媒体１
０６の平面図である。記憶領域のアドレス指定には、外
部回路要素（不図示）が利用される。図示のように、記
憶媒体は、各行毎に、記憶領域１０８のようないくつか
の記憶領域が含まれている、行１４０のような行をなす
ように分割するのが望ましい場合が多い。一般に、各エ
ミッタは、いくつかの行を担当するが、それらの行の全
長にわたって担当するわけではない。例えば、図示のよ
うに、エミッタ１０２は、行１４０〜１４２内で、列１
４４〜１４６内の記憶領域を担当する。 【００１５】上記では、本発明による位置センサを用い
ることが可能な典型的な記憶装置が解説されている。そ
の開示が、参考までに本明細書において援用されてい
る、Ｇｉｂｓｏｎ他に対する米国特許第５，５５７，５
９６号には、このタイプの記憶装置の他の態様が開示さ
れている。 【００１６】所望の記憶領域に対する読み取り及び書き
込み操作を正確に実施するためには、マイクロアクチュ
エータ１１０の動作に関連して正確な位置検知及び制御
を用いるのが望ましい場合が多い。従って、記憶装置１
００には、本発明による静電容量型の位置センサを設け
ることが可能である。図１には、こうした位置センサの
１つが全体として１６０で表示されている。センサ１６
０は、ムーバ１０６とステータ１２０の相対位置に応じ
て変動する１つ以上の静電容量値を出力する。 【００１７】図４〜１６に関連して、位置センサのさま
ざまな実施例及び態様について解説することにする。図
１及び２と同様、これらの図のいくつかは、ｘ−ｙ−ｚ
直線座標系内に描かれた対象の配向を示す添付のキャプ
ションを備えている。キャプションは、わかりやすくす
ることだけを目的として含まれており、本発明の範囲を
制限することを意図したものではない。例えば、記憶媒
体１０６は、主として、図１及び２に示すｘ−ｙ平面内
を移動する。従って、解説される位置センサは、記憶装
置１００に用いられる場合、一般に、ｘ−ｙ平面内にお
ける記憶媒体の位置を検知するように設計されている。
しかし、位置センサが、図１及び２に示す任意に定めら
れたｘ−ｙ平面以外の平面を含む、多くの異なる所望の
方向における移動の検知に利用可能であることは明白で
ある。 【００１８】図４〜８には、本発明による位置センサ１
６２のさまざまな態様が描かれている。図４〜７に示す
ように、センサ１６２には、Ｍ１プレート１６６及び１
６８を備えたＭ１プレート・アセンブリ１６４、Ｍ２プ
レート１７２及び１７４を備えたＭ２プレート・アセン
ブリ１７０、及び、Ｓ１プレート１７８及び１８０を備
えたＳ１プレート・アセンブリ１７６を含む、それぞ
れ、１つ以上のプレートを備えた、いくつかのプレート
・アセンブリを含むことが可能である。 【００１９】Ｍ１及びＭ２プレート・アセンブリは、記
憶媒体１０６（図１及び２）にしっかりと固定すること
が可能であり、描かれた例において、記憶媒体１０６及
びＭ１及びＭ２プレートがケーシング１２０に対して移
動可能であるため、文字「Ｍ」で表示されている。一般
に、図４に示すように、Ｍ１プレートは、全て、電気的
に相互接続されており、Ｍ２プレートは、全て、電気的
に相互接続されている。隣接するＭ１プレートとＭ２プ
レートの間には、絶縁ギャップ１８２が設けられてい
て、Ｍ１プレート・アセンブリとＭ２プレート・アセン
ブリは、互いに絶縁されている。 【００２０】Ｓ１プレート・アセンブリ１７６及びその
プレートは、一般に、ケーシング１２０に対して固定さ
れているので、文字「Ｓ」で表示されている。図示のよ
うに、Ｓ１プレート１７８及び１８０は、一般に、電気
的に相互接続されている。描かれているプレートの電気
的相互接続及び特性については、さらに詳細に後述す
る。 【００２１】図５〜７において最もよく分かるように、
Ｍ１プレート１６６及び１６８は、記憶媒体１０６（す
なわち、ムーバ）の下側に固定することが可能である。
すなわち、図５〜７に示すように、Ｍ１プレートは、記
憶媒体のエッジに向かって設けられた１つ以上の結合ブ
ロックに対して固定することが可能である。描かれた記
憶装置の場合、２組の結合ブロックが存在する。ｘ軸結
合ブロック１０６ａ及び１０６ｂは、記憶媒体１０６の
上側及び下側に沿ってｘ方向に延び、ｙ軸結合ブロック
１０６ｃ及び１０６ｄは、記憶媒体の左側及び右側に沿
ってｙ方向に延びている。ｘ軸結合ブロック１０６ａ及
び１０６ｂは、ｘ軸に沿って移動する際、記憶媒体と共
に移動するが、ｙ軸に沿って移動する際には、記憶媒体
と共に移動することはない。換言すれば、結合ブロック
１０６ａ及び１０６ｂは、ｘ軸移動のためには、記憶媒
体１０６に対して固定されるが、ｙ軸移動のためには、
記憶媒体１０６から独立している。ｙ軸結合ブロック１
０６ｃ及び１０６ｄは、同様であるが、逆に働く：すな
わち、ｙ軸移動のためには記憶媒体に対して固定される
が、ｘ軸移動のためには、記憶媒体から独立している。
２００１年５月３１日に提出されたＰｅｔｅｒ Ｇ．Ｈ
ａｒｔｗｅｌｌ及びＤｏｎａｌｄ Ｊ．Ｆａｓｅｎの
「Ｆｌｅｘｔｕｒｅ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｂｌｏｃｋ
ｆｏｒ Ｍｏｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｏｒ」と題する米国特
許第０９／８６７，６６７号、及び、２００１年５月３
１日に提出されたＰｅｔｅｒ Ｇ．Ｈａｒｔｗｅｌｌ及
びＤｏｎａｌｄ Ｊ．Ｆａｓｅｎの「Ｔｈｒｅｅ−Ａｘ
ｉｓ Ｍｏｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｏｒ」と題する米国特許
第０９／８６７，６６６号には、こうした結合ブロック
の利用についての記載がある。従って、本明細書では、
結合ブロックに関するこれ以上の説明を控えることにす
る。 【００２２】当業者には明らかなように、位置センサ１
６２のＭ１及びＭ２プレート・アセンブリは、記憶媒体
１０６の本体に、結合ブロックを介して有効に固定する
代わりに、直接固定することが可能である。Ｓ１プレー
トは、一般に、Ｍ１及びＭ２プレートに向かい合うよう
に、ケーシング１２０（すなわち、ステータ）にしっか
り固定されるか、または、その内部に取り付けられる。 【００２３】図５〜７において最もよく分かるように、
Ｍ１、Ｍ２、及び、Ｓ１プレートは、一般に、ムーバ１
０６及びステータ１２０に対してかなり薄い平面構造で
ある。プレートは、半導体製作技法または他の適合する
製造方法を利用してムーバ及びステータ上に被着させる
か、または、別様に固定することが可能である。図示の
ように、Ｍ１及びＭ２プレート・アセンブリは、一般
に、互いに隣接して、同一平面上に位置し、絶縁ギャッ
プ１８２によって離隔されるように、記憶媒体１０６に
固定される。Ｍ２プレートと同一平面上に位置するだけ
ではなく、各Ｍ１プレートは、一般に、他のＭ１プレー
トの全てとも同一平面上に位置している。例えば、図４
の場合、４つのＭ１及びＭ２プレートは、全て、同一平
面上にあるので、全体として、断続的なギャップ（例え
ば、絶縁ギャップ１８２）を備える平面の広がりを形成
している。図５〜７から明らかなように、この広がり
は、下方のＳ１プレート及びステータ１２０に面してい
る。一般に、Ｓ１プレートも、全て、互いに同一平面上
にある。 【００２４】ムーバ１０６及びステータ１２０は、通
常、並進移動だけしかしないように（非回転の意味）、
互いに移動可能である。従って、Ｓ１プレート１７８お
よび１８０は、ムーバ１０６が、ステータ１２０に対し
て移動する際、Ｍ１プレート１６６及び１６８に対し、
及び、Ｍ２プレート１７２及び１７４に対して平行のま
まである。ムーバとステータの間にｚ軸移動が生じる場
合、Ｓ１プレートと、Ｍ１及びＭ２プレートを含む平面
との間の垂直ギャップは、変動するが、Ｓ１プレート
は、一般に、Ｍ１及びＭ２プレートに対して平行のまま
である。 【００２５】図５〜７には、ムーバ１０６とステータ１
２０の間に生じる可能性のある相対ｘ軸移動が描かれて
いる。図５にはそのｘ軸移動の有効範囲の一方の極端に
あるムーバ１０６が描かれており；図７にはもう一方の
極端にあるムーバが描かれており；図６には、中間位置
にあるムーバが描かれている。これらの図において明ら
かなように、Ｓ１プレート１７８とＭ１プレート１６６
の間、及び、Ｓ１プレート１７８とＭ２プレート１７２
の間に生じる重なり部分は、ムーバがｘ軸移動のその有
効範囲の両極端間を移動するにつれて変動する。「重な
り部分」はある特定の対をなす向かい合ったプレートが
重なり合う領域を表している。例えば、図４には、図６
に示す中間位置と同様に、Ｓ１プレートに対する中間位
置（すなわち、その有効移動範囲の両端間のどこか）に
ある、全て、ムーバ１０６に対して固定された、Ｍ１及
びＭ２プレートが描かれている。この時点において、Ｍ
１プレート１６６は、Ｗ（Ｍ１プレートのｙ軸幅）のｘ
ｐｏ（ｘ軸の重なり量）倍だけＳ１プレート１７８と重
なり合っている。図４〜７から明らかなように、重なり
部分は、プレート間に生じる相対ｘ軸変位の関数として
変動し、この相対ｘ軸変位は、さらに、ムーバ１０６と
ステータ１２０の間で生じる相対ｘ軸移動の結果として
生じる。 【００２６】Ｓ１プレートとＭ１及びＭ２プレートとの
スペースは、空気のような誘電体によって占められてお
り、従って、当業者には明らかなように、それぞれのプ
レート間には静電容量が生じることになる。これらの静
電容量は、ムーバ１０６がステータ１２０に対して移動
するにつれて変動する。 【００２７】図８には、静電容量測定回路１９０に含ま
れている、図４〜７に示すそれぞれのプレートによって
形成される静電容量が描かれている。回路１９０には、
Ｍ１プレート・アセンブリ（Ｍ１プレート１６６及び１
６８）とＳ１プレート・アセンブリ（Ｓ１プレート１７
８及び１８０）によって形成された第１の可変コンデン
サ１９２が含まれている。コンデンサ１９２の回路記号
において矢印で表示のように、可変コンデンサ１９２の
静電容量は、ムーバ１０６が、図５に示す位置から図７
に示す位置に、ステータ１２０に対して正のｘ方向に移
動するにつれて増大する。この静電容量の増大は、Ｍ１
プレートとＳ１プレートの重なり部分の増大に起因する
ものである。回路１９０には、Ｍ２プレート・アセンブ
リ（Ｍ２プレート１７２及び１７４）とＳ１プレート・
アセンブリ（Ｓ１プレート１７８及び１８０）によって
形成される第２の可変コンデンサ１９４も含まれてい
る。下方に向いた矢印は、可変コンデンサ１９４の静電
容量が、ムーバ１０６が、図５に示す位置から図７に示
す位置に、ｘ軸の移動有効範囲にわたって、ステータ１
２０に対して正のｘ方向に移動するにつれて減少するこ
とを表している。この静電容量の減少は、ムーバが前述
の移動範囲を移動するにつれて、Ｍ１プレートとＳ１プ
レートの重なり部分が減少するためである。 【００２８】図４及び８において明らかなように、静電
容量測定回路には、プレートに時変信号を加えるための
１つまたは複数の信号源を含むことも可能である。これ
らの入力信号は、プレート間に存在する静電容量に基づ
く測定可能な出力信号を生じさせるために加えられる。
描かれた実施態様の場合、正弦搬送波２００が、Ｍ１プ
レート・アセンブリ（Ｍ１プレート１６６及び１６８）
に加えられる。反転搬送波２０２が、Ｍ２プレート・ア
センブリ１７０（Ｍ２プレート１７２及び１７４）に加
えられる。正弦波入力を用いる場合、反転信号は、一般
に、第１の信号の位相を１８０度シフトすることによっ
て得られる。これらの時変信号を加えると、回路ノード
２０４に出力が生じ、これを測定して、可変コンデンサ
１９２及び１９４の静電容量を求めることが可能であ
る。図８において明らかなように、この出力の測定方法
の１つは、抵抗Ｒ１の電圧サンプリング抵抗器２０６に
よるものである。 【００２９】図４〜８に関連して解説の構成の重要な利
点は、出力が、ムーバとステータの間に生じるｘ軸変位
の関数としてのみ、かなりの程度に変動し、ｙ軸及びｚ
軸の相対変位には比較的反応を示さない。この直線成分
の分離は、正確な位置検知に役立つ。当業者には明らか
なように、１対の間隔をあけた平行なｘ−ｙプレート間
に生じる静電容量は、重なり合う領域（ｘ軸及びｙ軸の
相対移動に応じて変動する）、及び、プレート間の垂直
距離（ｚ軸の相対移動に応じて変動する）の関数であ
る。すなわち、静電容量Ｃ＝（Ａ＊Ｅｏ）／Ｇであり、
ここで、Ａは、重なり領域であり、Ｅｏは、自由空間の
誘電率に対応する定数であり、Ｇは、２つのプレート間
の垂直（ｚ軸）間隔である。個々の直線成分を分離する
ことができなければ、位置検知システムは、ある特定の
静電容量の変化を生じる位置変化の性質に関する正確な
情報を提供することができない。例えば、ｚ軸変位の結
果生じる静電容量の変化は、ｘ軸変位による結果と誤っ
て解釈される可能性がある。 【００３０】ｙ軸移動の結果生じる静電容量の変化は、
プレート間の重なり部分が、予測範囲のｙ軸移動によっ
て変動しないようにプレートを構成することによって排
除することが可能である。図４から明らかなように、Ｓ
１プレート１７８及び１８０のそれぞれが、ｙ方向にお
いてＭ１及びＭ２プレートよりも広い。このオーバする
量は、Ｓ１プレート・アセンブリとＭ１及びＭ２プレー
ト・アセンブリのそれぞれとの間の重なり部分が、ムー
バとステータ間に生じるｙ軸移動の予測範囲にわたって
変化しないように選択することが可能である。さらに、
上述のように、前出の結合ブロックの開示では、ｘ軸結
合ブロック１０６ａ及び１０６ｂは、一般に、ムーバ１
００のｙ軸移動に追随しないように設計されている。 【００３１】相対ｚ軸移動の効果は、部分的には、可変
コンデンサ１９２及び１９４に駆動信号２００及び２０
２を加えることによって抑圧されるか、排除される。当
業者には明らかなように、Ｍ１プレート１６６、Ｍ２プ
レート１７２、及び、Ｓ１プレート１７８に関して、図
８に示す静電容量測定回路によって、下記の伝達関数が
得られる： 【００３２】 【数１】 ここで、Ｖｏは、電圧サンプリング抵抗器２０６の両端
で得られた出力であり、Ｖｃは、非反転入力信号であ
り、Ｃｘｐは、可変コンデンサ１９２の静電容量であ
り、Ｃｘｎは、可変コンデンサ１９４の静電容量であ
り、Ｐ＝１／（Ｒ１＊（Ｃｘｎ＋Ｃｘｐ））。 【００３３】Ｃｘｐ＝Ａｐ＊Ｅｏ／Ｇｐ及びＣｘｎ＝Ａ
ｎ＊Ｅｏ／Ｇｎである点に留意されたい。ここで、Ａｐ
は、Ｍ１プレート１６６とＳ１プレート１７８の間に生
じる重なり領域であり、Ｇｐは、Ｍ１プレート１６６と
Ｓ１プレート１７８の間のｚ軸間隔であり、Ａｎは、Ｍ
２プレート１７２とＳ１プレート１７８の間に生じる重
なり部分であり、Ｇｎは、Ｍ２プレート１７２とＳ１プ
レート１７８の間のｚ軸間隔である。さらに、Ａｐ
（ｘ）＝Ｗ＊（ｘｐｏ＋ｘ）及びＡｎ（ｘ）＝Ｗ＊（ｘ
ｎｏ＋ｘ）であるが、ここで、ｘは、Ｓ１プレート１７
８に対するＭ１プレート１６６及びＭ２プレート１７２
のｘ軸変位であり、Ｗは、Ｍ１プレート１６６及びＭ２
プレート１７２のｙ軸に沿って測られた幅であり、ｘｐ
ｏは、ｘ＝０の場合に（図４に示す位置を初期位置と仮
定すると）、Ｍ１プレート１６６とＳ１プレート１７８
の間に生じるｘ軸の初期重なり量であり、ｘｎｏは、ｘ
＝０の場合に、Ｍ２プレート１７２とＳ１プレート１７
８の間に生じるｘ軸の初期重なり量である。Ｍ１及びＭ
２プレートが完全に同一平面上にあるものと仮定する
と、両方とも、Ｓ１プレートから等間隔に位置するの
で、Ｇｐ＝Ｇｎ＝Ｇということになる。これらの値を上
記伝達関数に代入すると、次のようになる： 【００３４】 【数２】 この結果から明らかなように、１／Ｇ項は、利得項の分
子及び分母から消去される。この消去後、残りの利得項
は、プレート間の垂直間隔と完全に無関係になる。この
結果、相対ｚ移動が結果生じる出力に対してかなり影響
を及ぼす要因であるとして抑圧されるので、出力は、可
動物体間に生じるｚ軸移動とほぼ無関係になる。こうし
てｙ軸及びｚ軸の相対移動に起因する影響を排除する
と、図示のシステムによって、相対ｘ軸移動が分離さ
れ、ほぼｘ軸成分だけに基づく出力が得るようになる。 【００３５】上記導出は、３つのプレート（すなわち、
Ｍ１プレート１６６、Ｍ２プレート１７２、及び、Ｓ１
プレート１７８）についてのみ実施されたが、上記結
果、とりわけ、ｚ軸の影響の排除は、図４に示す実施態
様及び後述する他のさまざまな実施態様のような、より
多くのプレートを必要とする拡張システムにも等しく有
効に適用される。 【００３６】記憶装置１００のような装置に関しては、
２つ以上の軸に沿った移動検知を可能にするのが望まし
い場合が多い。例えば、記憶装置１００で正確な読み取
り／及び書き込み操作を実施するためには、ｘ−ｙ平面
内におけるケーシング１２０に対する記憶媒体１０６の
位置を検知する必要がある。しかし、上述のように、図
４〜８のセンサは、１方向における、すなわち、ｘ軸に
沿った位置変化だけを検知するように構成されている。
２次元検知を実現するには、一般に、既述のものと同様
のプレート・アセンブリをｙ軸結合ブロック１０６ｃ及
び１０６ｄの一方または両方に（または、記憶媒体１０
６に直接）、及び、ステータの１２０の対応する位置に
固定することによって、図４〜８で論じたものと同様の
追加構造をｙ軸移動に利用することが可能である。この
２次元構成によれば、ｘ軸センサによって、ｘ軸検知を
行い、同時に、ｙ軸及びｚ軸の影響を抑圧することが可
能になり、ｙ軸センサによって、ｙ軸検知を行い、同時
に、ｘ軸及びｚ軸の影響を抑圧することが可能になる。
この結果、ｘ−ｙ平面内における正確な検知が可能にな
り、同時に、相対ｚ軸変位のために多くの既存のセンサ
に生じることになる検知エラーが回避される。本明細書
に記載の他の実施態様には、同様に、２つ以上の直線軸
に沿った位置検知を可能にするように構成することが可
能なものもある。 【００３７】直線移動成分を分離するだけではなく、本
発明の位置センサは、高感度で、高分解能の位置検知を
行えるように構成することが可能である。実際、感度の
向上は、図４に示す実施態様の利点の１つである。２つ
のＭ１プレート及び２つのＳ１プレートが利用されるの
で、ある特定のｘ変位量に関してＭ１プレートとＳ１プ
レートの間に生じる重なり部分は、同じサイズの１対の
重なり合うプレートに生じるものより大きくなる。従っ
て、同じ量のｘ変位に関して、より大きい容量変化が生
じることになる。この結果、ｘ軸の位置変化をより高い
分解能で監視することが可能になるので、位置検知感度
が高くなる。高分解能の位置検知は、上述の記憶装置の
ようなＭＥＭＳ用途においてとりわけ重要である。この
タイプの記憶装置の場合、適正な記憶場所に対するデー
タの正確な読み取り及び書き込み及び既存のデータに対
する誤った上書きを回避するには、高分解能で正確な位
置制御が必要になる。 【００３８】図９〜１３には、本発明による位置検知シ
ステム２１０のもう１つの実施態様に関するさまざまな
態様が描かれている。位置検知システム２１０には、前
述のＭ１及びＭ２プレートと同様にムーバに対して固定
することが可能な２つのＭ１プレート２１４及び２１６
と、Ｍ２プレート２２０が含まれている。システム２１
０には、ステータ１２０に固定することが可能なＳ１プ
レート２２２及びＳ２プレート２２６も含まれている。
図１０ないし１２には、図５〜７と同様に、プレートが
固定されている物体（例えば、ムーバ１０６及びステー
タ１２０）のｘ軸の有効範囲にわたる移動による、Ｓ１
及びＳ２プレートに対するＭ１及びＭ２プレートの相対
移動が示されている。先行図と同様、図１０には、ｘ軸
に沿ったステータに対するムーバの最も左の極端位置が
示されており、図１１には、中間状態が示されており、
図１２には、最も右の極端位置が示されている。 【００３９】当業者には明らかなように、上記構成によ
れば、図１３の回路図に示すように４つの可変コンデン
サが得られる：（１）コンデンサ２４０は、Ｍ１プレー
ト２１４とＳ１プレート２２２の間に形成され、正のｘ
軸変位に応じて値が増大する；（２）コンデンサ２４２
は、Ｍ２プレート２２０とＳ１プレート２２２の間に形
成され、正のｘ軸変位に応じて値が減少する；（３）コ
ンデンサ２４４は、Ｍ１レート２１６とＳ２プレート２
２６の間に形成され、正のｘ軸変位に応じて値が減少す
る；（４）コンデンサ２４６は、Ｍ２プレート２１６と
Ｓ２プレート２２６の間に形成され、正のｘ軸変位に応
じて値が増大する。 【００４０】前述のように、測定可能な出力が得られる
ようにするため、Ｍ１及びＭ２プレートに、それぞれ、
正弦搬送波２５０及びその反転搬送波２５２を加えるこ
とが可能である（図９と１３）。逆に変動する静電容量
に結合される、この駆動信号の利用によって、ムーバ１
０６とステータ１２０との間に生じるｚ軸移動にほぼ
（または完全に）左右されない出力をＳ１及びＳ２端子
（２５４及び２５６）に生じるシステムが得られる。こ
れは、図４〜８に関連して上述の導出と同様、伝達関数
に分析を加えることによって確認することが可能であ
る。Ｓ１及びＳ２出力は、一般に、Ｍ１−Ｓ２静電容量
（すなわち、Ｍ１プレート２１６とＳ２プレート２２６
の間に発生する静電容量）が減少すると、Ｍ１−Ｓ１静
電容量（すなわち、Ｍ１プレート２１４とＳ１プレート
２２２の間に発生する静電容量）が増大するという事
実、及び、その逆の事実のため、後続処理の前に、取り
除かれる。 【００４１】図１４〜１６には、本発明による位置検知
システム２６０のもう１つの実施態様に関するさまざま
な態様が描かれている。システム２６０には、電気的に
相互結合されて、Ｍ１プレート・アセンブリを形成する
複数Ｍ１プレート２６２が含まれている（それぞれのＭ
１プレート間の電気的相互接続は、示されていないが、
一般には、先行実施態様に示すものと同様である）。シ
ステム２６０には、電気的に相互に結合されて、Ｍ２プ
レート・アセンブリを形成する複数Ｍ２プレート２６４
もまた含まれている。Ｍ１及びＭ２プレート・アセンブ
リは、ムーバ１０６のような可動装置に固定することが
可能であり、一般には、図１４及び１５に示すように、
Ｍ１及びＭ２プレートが、全て、同一平面上にあって、
交互位置につくように構成される。 【００４２】システム２６０には、さらに、電気的に相
互結合されたＳ１プレート２６６を備えるＳ１プレート
・アセンブリと、電気的に相互結合されたＳ２プレート
２６８を備えるＳ２プレート・アセンブリを含むことも
可能である。Ｍ１及びＭ２プレート・アセンブリの場合
と同様、Ｓ１及びＳ２プレートは、一般に、同一平面上
にあって、Ｓ１プレートとＳ２プレートが交互位置につ
くように構成される。Ｓ１及びＳ２プレート・アセンブ
リは、Ｍ１及びＭ２アセンブリが固定される装置に対し
て移動可能な、ステータ１２０のような別の装置に固定
される。 【００４３】先行実施態様の場合と同様、この解説の構
成によれば、プレート・アセンブリが互いに移動する
と、値の変動する可変コンデンサが得られる。すなわ
ち、図示の構成によれば、図１３に示すものと同様の可
変コンデンサが得られる：（１）Ｍ１プレート２６２と
Ｓ１プレート２６６の間のコンデンサ、（２）Ｍ２プレ
ート２６４とＳ１プレート２６６の間のコンデンサ、
（３）Ｍ１プレート２６２とＳ２プレート２６８の間の
コンデンサ、及び、（４）Ｍ２プレート２６４とＳ２プ
レート２６８の間のコンデンサ。 【００４４】一般に、正弦波信号２８０及びその反転信
号２８２は、それぞれ、先行実施態様の解説と同じく、
Ｍ１及びＭ２プレート・アセンブリに加えられる。正弦
波信号を加えると、それぞれ、Ｓ１及びＳ２プレート・
アセンブリに接続された出力端子において測定可能な変
動静電容量に基づく出力が得られる。従って、図１３に
は、図１４及び１５に示すシステムが正確にモデル化さ
れている。 【００４５】図９及び１４に示すシステムは、同じ回路
図（例えば、図１３）を用いて解説することができる
が、有効移動範囲が異なる結果として、異なる出力を生
じることになる。例えば、図１０〜１２に示すように、
ある特定のＭ１プレート（例えば、Ｍ１プレート２１
４）だけが、それ自体のｘ軸幅にほぼ等しい距離だけ、
ステータに１２０に対して移動する。従って、Ｍ１プレ
ート２１４が、その最も左の極端（図１０）からその最
も右の極端（図１２）まで移動すると、それとＳ１プレ
ート２２２との重なり部分（及び結果生じる静電容量）
が、最小値から最大値まで増大する。 【００４６】これに対し、図１４及び１５に示すシステ
ムの場合、ｘ軸の有効移動範囲は、一般に、図示の典型
的なｘ軸移動範囲２８１によって明らかなように、ある
特定のプレート幅の何倍にもなる。従って、ムーバ１０
６がその範囲の一方の端部からもう一方の端部まで移動
すると、任意の特定のＭ１またはＭ２プレートが、順
次、Ｓ１プレート、Ｓ２プレート、もう１つのＳ１プレ
ート、もう１つのＳ２プレート、もう１つのＳ１プレー
ト．．．の上を通過することになる。この構成の場合、
上述の４つの可変コンデンサに関連した４つの重なり合
う領域がある。すなわち、重なり部分が、（１）Ｍ１プ
レート・アセンブリとＳ１プレート・アセンブリの間、
（２）Ｍ２プレート・アセンブリとＳ１プレート・アセ
ンブリの間、（３）Ｍ１プレート・アセンブリとＳ２プ
レート・アセンブリの間、及び、（４）Ｍ２プレート・
アセンブリとＳ２プレート・アセンブリの間に生じる。
４つの重なり合う領域は、それぞれ、物体がｘ軸の有効
移動範囲にわたって互いに移動する際、ある回数にわた
って、最大値と最小値の間で量的に循環する。ｘ軸変位
の関数として、これらの領域の各特定の１つが、最大量
と最小量の間で線形に変動する。 【００４７】グラフでは、４つの領域のそれぞれに関す
るｘ軸変位の関数として重なり合う領域は、三角波形の
ように見える。これらの波形の周期は、プレートのある
特定の１つの幅に、そのプレートとそれにすぐ隣接した
近傍プレートの１つとの間の比較的わずかなギャップを
加えた値を含む、隣接プレート間のピッチＷに等しい。
一般に、図１４及び１５に示すように、システム２６０
は、プレート幅と交互に位置するギャップの全てが均一
になるように構成されている。 【００４８】有効移動範囲にわたって生じる循環重なり
部分によって、図１６に示す出力静電容量波で表された
循環静電容量が得られる。すなわち、図示の出力は、プ
レート・アセンブリ間に発生するＭ１−Ｓ１、Ｍ２−Ｓ
１、Ｍ２−Ｓ２、及び、Ｍ１−Ｓ２静電容量に対応す
る。静電容量は、重なり領域に応じて線形に変動する
が、描かれた波形は、重なり領域の関数のような三角形
ではない。それどころか、図示のように、波形は、フリ
ンジング（ｆｒｉｎｇｉｎｇ）及び他の効果のためによ
り正弦波らしく見える。これらの波形の周期は、２Ｗす
なわちプレート・ピッチ幅の２倍である。 【００４９】図４〜８に関して上述の伝達関数を図１４
及び１５に示す循環システムに適用すると、相対的ｚ軸
移動による出力への影響は、一般に、完全に抑圧される
か、少なくとも、無視できる量まで減少する。従って、
図１６に示す出力静電容量は、移動物体間に生じる可能
性のある偶発的なｚ軸移動とは無関係に、ｘ軸位置（及
び、図示構成がｙ軸に用いられる場合には、ｙ軸位置）
の正確な検知に利用することが可能である。 【００５０】図１４及び１５に示すシステムの重要な利
点は、感度の向上である。再度図４を参照し、描かれた
ｘ軸の有効移動範囲が、５０マイクロメートルであると
仮定する。さらに、Ｍ１プレート１６６及び１６８とＳ
１プレート１７８及び１８０との重なりから生じる全静
電容量が、この移動範囲において５０ピコファラッドか
ら１００ピコファラッドまで変動するものと仮定する。
ｘ軸変位当りの容量変化は、１ピコファラッド／マイク
ロメートルになるであろう。 【００５１】次に、図１４及び１５のシステムを参照
し、同じ５０マイクロメートルの有効範囲であるが、そ
れぞれのプレートが、例えば、１／１００のサイズとい
ったように、図４に示すプレートよりかなり小さいもの
と仮定する。さらに、Ｍ１プレート２６２とＳ１プレー
ト２６６の間に生じる最大の全重なり量において発生す
る静電容量が、やはり、１００ピコファラッドであり、
最小の重なり量において、５０ピコファラッドであると
仮定する。ムーバがｘ＝０マイクロメートルから５０マ
イクロメートルまで移動すると、Ｍ１プレート・アセン
ブリとＳ１プレート・アセンブリの間の全静電容量は、
１００回にわたって、５０ピコファラッドと１００ピコ
ファラッドの間で循環することになる。この例の場合、
「循環」構成によって、１マイクロメートルの変位毎に
１００ピコファラッドの容量変化、すなわち、位置変化
に対する感度がはるかに高い出力が生じることになる。 【００５２】上述の開示には、独自の有用性を備えた複
数の別個の発明が包含されるものと確信している。これ
らの発明は、それぞれ、その望ましい形態で開示された
が、本明細書に開示され、図解されたその特定の実施態
様は、多様な変更が可能であるため、制限を意味するも
のとみなすべきではない。本発明の内容には、本明細書
に開示されたさまざまな要素、特徴、機能、及び／また
は、特性の新規で、自明ではない組み合わせ及び副組み
合わせの全てが含まれる。同様に、請求項において、
「ある」または「第１の」要素またはその同等物に言及
する場合、こうした請求項には、１つ以上のこうした要
素を組み込むことが含まれるものと理解すべきであり、
２つ以上のこうした要素を必要とするわけでも、あるい
は、排除するわけでもない。 【００５３】付属の請求項では、とりわけ、開示の発明
の１つを対象とした、新規で、自明ではないいくつかの
組み合わせ及び副組み合わせが指摘されているものと確
信する。特徴、機能、要素、及び／または、特性の他の
組み合わせ及び副組み合わせによって実現される発明
は、本出願または関連出願における本請求項の補正また
は新規請求項の提示によって請求することが可能であ
る。こうした補正または新規請求項は、異なる発明を対
象としたものであろうと、同じ発明を対象としたもので
あろうと関係なく、また、もとの請求項と範囲が異なる
か、より広いか、より狭いか、あるいは、等しいかに関
係なく、やはり、本開示の発明の内容に含まれるものと
みなされる。 【００５４】なお、この発明は例として次の実施態様を
含む。丸括弧内の数字は添付図面の参照符号に対応す
る。 【００５５】[1] 静電容量型の位置検知を行う可動シス
テムにおいて、１対の物体（１０６、１２０）と、ある
軸に沿ってある有効範囲にわたる物体（１０６、１２
０）間の相対移動を実施するように構成されたアクチュ
エータと、前記物体（１０６、１２０）の一方に固定さ
れた第１のプレート（１７８、１８０，２２２、２２
６、２６６、２６８）、及び、隣接して、同一平面上に
位置するように、また、前記物体が前記軸に沿って互い
に移動する際、前記第１のプレート（１７８、１８０、
２２２、２２６、２６６，２６８）から間隔をあけ、そ
れに対し平行をなすように、前記物体（１０６、１２
０）のもう一方に固定されている１対の第２のプレート
（１６６、１６８、１７２、１７４、２１４、２１６、
２２０、２６２、２６４）を有する静電容量型の位置セ
ンサ（１６０、１６２、２１０、２６０）と、を備え、
前記第１のプレート（１７８、１８０、２２２、２２
６、２６６，２６８）と前記第２のプレート（１６６、
１６８、１７２、１７４、２１４、２１６、２２０、２
６２、２６４）の構成によって、前記物体（１０６、１
２０）が前記軸に沿った前記有効範囲内で互いに移動す
ると静電容量が変動する２つの間隔をあけた平板コンデ
ンサ（１９２、１９４、２４０、２４２、２４４、２４
６）が形成され、前記静電容量型の位置センサ（１６
０、１６２、２１０、２６０）が、前記静電容量を利用
して、前記軸に沿った前記物体の相対位置を測定するた
めに利用可能な出力を発生する、ことを特徴とする可動
システム。 【００５６】[2] 上記[1]に記載の可動システムにおい
て、前記１対の第２のプレート（１６６、１６８、１７
２、１７４、２１４、２１６、２２０、２６２、２６
４）の一方に時変入力信号（２００）を加え、前記１対
の第２のプレートのもう一方に前記時変入力信号の反転
信号（２０２）を加えるように構成された静電容量測定
回路（１９０、図３）をさらに備えたことを特徴とする
もの。 【００５７】[3] 上記[1]に記載の可動システムにおい
て、前記コンデンサ（１９２、１９４、２４０、２４
２、２４４、２４６）が、前記１対の物体（１０６、１
２０）が互いに移動する結果として、前記第１のプレー
ト（１７８、１８０、２２２、２２６、２６６，２６
８）と前記第２のプレート（１６６、１６８、１７２、
１７４、２１４、２１６、２２０、２６２、２６４）の
間に生じる垂直方向の間隔変動にほとんど左右されな
い、出力・入力伝達関数を有する静電容量測定回路（１
９０、図３）の一部を形成することを特徴とするもの。 【００５８】[4] 静電容量型の位置検知を行う可動シス
テムにおいて、ｘ軸に沿ったある有効範囲のｘ軸移動、
及び、ｘ軸に対して垂直なｚ軸に沿ったある有効範囲の
ｚ軸移動によって、互いに並進移動可能な１対の物体
（１０６、１２０）と、前記物体（１０６、１２０）の
一方に固定された第１のプレート（１７８、１８０，２
２２、２２６、２６６、２６８）、及び、前記物体のも
う一方に固定されている１対の第２のプレート（１６
６、１６８、１７２、１７４、２１４、２１６、２２
０、２６２、２６４）を有する静電容量型の位置センサ
（１６０、１６２、２１０、２６０）と、を備え、前記
第１のプレートと前記第２のプレートが、ｚ軸に対して
垂直であり、前記第１のプレートが、前記第２のプレー
トのそれぞれと共に、前記物体がｘ軸移動及びｚ軸移動
の前記有効範囲にわたって移動すると、前記第１のプレ
ートと前記第２のプレートのそれぞれとの重なり及び間
隔の変動のために変動する、可変静電容量（１９２、１
９４、２４０、２４２、２４４、２４６）を形成し、前
記可変静電容量が、前記物体が、ｚ軸移動の有効範囲に
わたって互いに移動する結果として、前記第１のプレー
トと前記第２のプレートの間に生じる間隔変動にほとん
ど左右されない、出力・入力伝達関数を有する回路の一
部を形成する、ことを特徴とする可動システム。 【００５９】[5] ある軸に沿った１対の物体（１０６、
１２０）間の相対位置の変化に基づいて変動する静電容
量を出力するセンサ（１６０、１６２、２１０、２６
０）において、前記物体（１０６、１２０）の一方に固
定された第１のプレート（１７８、１８０，２２２、２
２６、２６６、２６８）と、隣接して、同一平面上に位
置するように、また、前記物体が、前記軸に沿って互い
に移動する際、前記第１のプレートから間隔をあけ、そ
れに対し平行をなすように、前記物体（１０６、１２
０）のもう一方に固定されている１対の第２のプレート
（１６６、１６８、１７２、１７４、２１４、２１６、
２２０、２６２、２６４）と、を備え、前記第１のプレ
ートと前記第２のプレートの構成によって、前記物体
（１０６、１２０）が前記軸に沿って互いに移動する
と、静電容量が変動する２つの間隔をあけた平板コンデ
ンサ（１９２、１９４、２４０、２４２、２４４、２４
６）が形成され、前記センサ（１６０、１６２、２１
０、２６０）が、前記静電容量を利用して、前記軸に沿
った前記物体の相対位置を測定するために利用可能な出
力を発生することを特徴とするセンサ。 【００６０】[6] １つの物体（１０６、１２０）間の相
対位置の変化に基づいて変化する静電容量を出力するセ
ンサ（２６０）において、前記物体（１０６、１２０）
の一方に固定されるように構成され、第１のプレートを
含む、第１のプレート・アセンブリ（２６２，２６４）
と、前記物体（１０６，１２０）のもう一方に固定され
るように構成され、第２のプレートを含む第２のプレー
ト・アセンブリ（２６６）及び第３のプレートを含む第
３のプレート・アセンブリ（２６８）と、を備え、前記
プレート・アセンブリ（２６２、２６４、２６６、２６
８）が、前記物体がある軸に沿った有効範囲にわたって
互いに並進すると、前記第１のプレートと前記第２のプ
レート間、及び、前記第１のプレートと前記第３のプレ
ート間の全重なり部分が、繰り返し増減するように構成
されており、これによって、第１のプレート・アセンブ
リが、前記第２及び第３のプレート・アセンブリのそれ
ぞれと共に、前記物体の相対位置に応じて静電容量の変
動する可変コンデンサ（１９２、１９４、２４０、２４
２、２４４、２４６）を形成する、ことを特徴とするセ
ンサ（２６０）。 【００６１】[7] 上記[6]に記載のセンサ（２６０）に
おいて、前記可変コンデンサ（１９２、１９４、２４
０、２４２、２４４、２４６）が、前記プレート・アセ
ンブリ（２６２、２６４、２６６、２６８）の少なくと
も１つに加えられる入力に応答して、前記第１のプレー
トと前記第２のプレート間、及び、前記第１のプレート
と前記第３のプレート間の静電容量に基づく出力を生じ
るように構成された、静電容量測定回路（１９０、図
３）の一部を形成していることを特徴とするもの。 【００６２】[8] 上記[7]に記載のセンサ（２６０）に
おいて、前記静電容量測定回路（１９０、図３）が、出
力が、前記第１のプレートと前記第２のプレートの間、
及び、前記第１のプレートと前記第３のプレートの間に
生じる垂直方向の間隔変動にほとんど左右されないよう
に構成されていることを特徴とするもの。 【００６３】[9] 上記[7]に記載のセンサ（２６０）に
おいて、静電容量測定回路（１９０）が、出力を生じる
ため、前記第２のプレート・アセンブリに時変入力信号
（２００）を加え、前記第３のプレート・アセンブリに
時変入力信号の反転信号（２０２）を加えるように構成
されていることを特徴とするもの。 【００６４】[10] 静電容量型の位置検知を行う可動シ
ステムにおいて、一対の物体（１０６，１２０）と、前
記物体（１０６、１２０）の一方に固定されるように構
成され、第１のプレートを含む、第１のプレート・アセ
ンブリ（２６２、２６４）と、前記物体（１０６，１２
０）のもう一方に固定されるように構成され、第２のプ
レートを含む第２のプレート・アセンブリ（２６６）及
び第３のプレートを含む第３のプレート・アセンブリ
（２６８）が含まれており、前記プレート・アセンブリ
（２６２、２６４、２６６、２６８）が、前記物体（１
０６、１２０）がある軸に沿った有効範囲にわたって互
いに並進すると、前記第１のプレートと前記第２のプレ
ート間、及び、前記第１のプレートと前記第３のプレー
ト間の全重なり部分が、繰り返し増減するように構成さ
れており、これによって、第１のプレート・アセンブリ
が、前記第２及び第３のプレート・アセンブリのそれぞ
れと共に、前記物体の相対位置に応じて静電容量の変動
する可変コンデンサ（１９２、１９４、２４０、２４
２、２４４、２４６）を形成するようになっていること
を特徴とする可動システム。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施態様の１つによる静電容量型の位
置センサを含むコンピュータ記憶装置を示した図であ
る。 【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。 【図３】記憶媒体の平面図である。 【図４】本発明による静電容量型の位置センサの平面図
である。 【図５】ｘ軸移動範囲にわたって互いに移動する１対の
物体に取り付けられた、図４の位置センサの位置を表し
た側面図である。 【図６】同じくｘ軸移動範囲にわたって互いに移動する
１対の物体に取り付けられた、図４の位置センサの位置
を表した側面図である。 【図７】同じくｘ軸移動範囲にわたって互いに移動する
１対の物体に取り付けられた、図４の位置センサの位置
を表した側面図である。 【図８】図４〜７に示す位置センサの回路モデルを表し
た図である。 【図９】本発明によるもう１つの静電容量型の位置セン
サの平面図である。 【図１０】ｘ移動範囲にわたって互いに移動する１対の
物体に取り付けられた、図９の位置センサの諸部分を表
した側面図である。 【図１１】同じくｘ移動範囲にわたって互いに移動する
１対の物体に取り付けられた、図９の位置センサの諸部
分を表した側面図である。 【図１２】同じくｘ移動範囲にわたって互いに移動する
１対の物体に取り付けられた、図９の位置センサの諸部
分を表した側面図である。 【図１３】図９の位置センサの回路モデルを表した図で
ある。 【図１４】本発明によるさらにもう１つの位置センサの
等角図である。 【図１５】ｘ軸移動範囲にわたって互いに移動する１対
の物体に取り付けられた、図１４の位置センサの諸部分
を表した側面図である。 【図１６】図１４及び図１５の位置センサのｘ軸変位の
関数としての容量出力を示す波形図である。 【符号の説明】 １０６、１２０ 物体 １６０、１６２ 位置センサ １６６，１６８、１７２、１７４ 第２のプレート １７８，１８０ 第１のプレート １９０ 静電容量測定回路 １９２、１９４ 平板コンデンサ ２１０ 位置センサ ２１４、２１６，２２０ 第２のプレート ２２２、２２６ 第１のプレート ２４０、２４２，２４６ 平板コンデンサ ２６０ 位置センサ ２６２，２６４ 第２のプレート ２６６、２６８ 第１のプレート
置センサを含むコンピュータ記憶装置を示した図であ
る。 【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。 【図３】記憶媒体の平面図である。 【図４】本発明による静電容量型の位置センサの平面図
である。 【図５】ｘ軸移動範囲にわたって互いに移動する１対の
物体に取り付けられた、図４の位置センサの位置を表し
た側面図である。 【図６】同じくｘ軸移動範囲にわたって互いに移動する
１対の物体に取り付けられた、図４の位置センサの位置
を表した側面図である。 【図７】同じくｘ軸移動範囲にわたって互いに移動する
１対の物体に取り付けられた、図４の位置センサの位置
を表した側面図である。 【図８】図４〜７に示す位置センサの回路モデルを表し
た図である。 【図９】本発明によるもう１つの静電容量型の位置セン
サの平面図である。 【図１０】ｘ移動範囲にわたって互いに移動する１対の
物体に取り付けられた、図９の位置センサの諸部分を表
した側面図である。 【図１１】同じくｘ移動範囲にわたって互いに移動する
１対の物体に取り付けられた、図９の位置センサの諸部
分を表した側面図である。 【図１２】同じくｘ移動範囲にわたって互いに移動する
１対の物体に取り付けられた、図９の位置センサの諸部
分を表した側面図である。 【図１３】図９の位置センサの回路モデルを表した図で
ある。 【図１４】本発明によるさらにもう１つの位置センサの
等角図である。 【図１５】ｘ軸移動範囲にわたって互いに移動する１対
の物体に取り付けられた、図１４の位置センサの諸部分
を表した側面図である。 【図１６】図１４及び図１５の位置センサのｘ軸変位の
関数としての容量出力を示す波形図である。 【符号の説明】 １０６、１２０ 物体 １６０、１６２ 位置センサ １６６，１６８、１７２、１７４ 第２のプレート １７８，１８０ 第１のプレート １９０ 静電容量測定回路 １９２、１９４ 平板コンデンサ ２１０ 位置センサ ２１４、２１６，２２０ 第２のプレート ２２２、２２６ 第１のプレート ２４０、２４２，２４６ 平板コンデンサ ２６０ 位置センサ ２６２，２６４ 第２のプレート ２６６、２６８ 第１のプレート
フロントページの続き
(71)出願人 399117121
アジレント・テクノロジーズ・インク
ＡＧＩＬＥＮＴ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥ
Ｓ， ＩＮＣ.
アメリカ合衆国カリフォルニア州パロアル
ト ページ・ミル・ロード 395
395 Ｐａｇｅ Ｍｉｌｌ Ｒｏａｄ Ｐ
ａｌｏ Ａｌｔｏ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ
Ｕ．Ｓ．Ａ.
(72)発明者 ドナルド ジェイ ファセン
アメリカ合衆国 アイダホ 83713 ボイ
ス ウェストムスケットドライヴ 12129
(72)発明者 ストーズ ティー ホーエン
アメリカ合衆国 カリフォルニア 94005
ブリズベン シエラポイントロード
715
Ｆターム(参考） 2F063 AA02 AA03 BA30 BD04 DA01
DA05 DC08 HA05
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項１】静電容量型の位置検知を行う可動システム
において、 １対の物体（１０６、１２０）と、 ある軸に沿ってある有効範囲にわたる物体（１０６、１
２０）間の相対移動を実施するように構成されたアクチ
ュエータと、 前記物体（１０６、１２０）の一方に固定された第１の
プレート（１７８、１８０，２２２、２２６、２６６、
２６８）、及び、隣接して、同一平面上に位置するよう
に、また、前記物体が前記軸に沿って互いに移動する
際、前記第１のプレート（１７８、１８０、２２２、２
２６、２６６，２６８）から間隔をあけ、それに対し平
行をなすように、前記物体（１０６、１２０）のもう一
方に固定されている１対の第２のプレート（１６６、１
６８、１７２、１７４、２１４、２１６、２２０、２６
２、２６４）を有する静電容量型の位置センサ（１６
０、１６２、２１０、２６０）と、を備え、 前記第１のプレート（１７８、１８０、２２２、２２
６、２６６，２６８）と前記第２のプレート（１６６、
１６８、１７２、１７４、２１４、２１６、２２０、２
６２、２６４）の構成によって、前記物体（１０６、１
２０）が前記軸に沿った前記有効範囲内で互いに移動す
ると静電容量が変動する２つの間隔をあけた平板コンデ
ンサ（１９２、１９４、２４０、２４２、２４４、２４
６）が形成され、 前記静電容量型の位置センサ（１６０、１６２、２１
０、２６０）が、前記静電容量を利用して、前記軸に沿
った前記物体の相対位置を測定するために利用可能な出
力を発生する、ことを特徴とする可動システム。
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