JP2011047679A - 静電エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】携帯電話等への搭載を可能する小型の構造を有し、移動子の絶対的位置を求めることができ、計測信頼性を高めることできる静電エンコーダを提供する。
【解決手段】この静電エンコーダ１０は、４相の電位検出電極１１ｃを有する固定子１１と、第１電極と第２電極を有する移動子１２と、移動子の第１電極と第２電極の各々に反対極性の電荷を誘起させる誘導電極１１ａ，１１ｂと、４相の電位検出電極から出力される交流信号の差に基づきベクトル信号を生成する差動増幅器２２，２３と、ベクトル信号に基づき、固定子に対する移動子の絶対的位置に係る信号を生成するレゾルバ／デジタル変換器２１とから構成される。
【選択図】図３

Description

本発明は静電エンコーダに関し、特に、静電気作用を利用してアブソリュート式の位置情報を検出するリニア型の静電エンコーダに関する。

特許文献１は従来の静電型エンコーダの一例を示す。この静電型エンコーダでは、固定子（スケール）に対して移動するように移動子（ヘッド）を設け、固定子に対する当該移動子の位置を計測できるように構成している。固定子は直線形状を有しているので、リニア（直線移動）型のエンコーダとして構成される。また信号処理回路等はインクリメンタリ（一定数量増加）型の信号処理の構成になっている。この静電型エンコーダでは、固定子は誘導電極と電位検出電極を有するプレート体として形成され、移動子は電極を有するプレート体として形成される。プレート状固定子の上にプレート状移動子が摺動自在に配置され、これにより静電型エンコーダのセンサ部が形成される。特許文献１の静電型エンコーダでは、センサ部を非常に薄型かつ小型に作ることができる。

特許文献２は静電容量式変位測定装置を開示している。この静電容量式変位測定装置は電子式マイクロメータ等の小型測定器に適用される。従ってセンサ部から出力される測定信号を処理する回路は小型化を可能にする回路方式で構成されている。しかし、信号処理の回路はインクリメンタリ型の信号処理の構成になっている。

特許文献３は変位測定装置を開示している。この変位測定装置は、固定要素に対する可動要素の相対位置関係を検出する変位センサの検出信号に基づいて固定要素に対する可動要素の絶対変位量を測定するアブソリュート式の変位測定装置である。

非特許文献１は電子化されたデジタルノギスを開示している。このデジタルノギスでは、図２の構造図に示されるように、本尺部と、当該本尺部を移動するスライド部とから構成される。スライド部の位置を検出するための構成は静電容量を利用した方式である。この位置検出のための信号処理の回路は、インクリメンタリ型の信号処理の構成になっている。

特開２００５−２２１４７２号公報 特開平８−１６６２０４号公報 特許２７８８８２６号公報

山口靖之、荒井喜博、「特集：エンコーダ活用図解集、デジマチックキャリパーＣＤとエンコーダ」、センサ技術、日本、１９８５年１１月号、Vol.５、No.１２、p.３０−３３

携帯電話やデジタルカメラ等の小型電機機器では、例えば内蔵された光学レンズ機構部の可動部である光学レンズの位置を測定するためのエンコーダの搭載が望まれている。このエンコーダの搭載では、センサ部の製作コストの低減することと、センサ部から出力される測定信号を処理する回路の製作コストを低減することが求められている。当該処理回路の製作コストを安価にするためには、処理回路の回路構成を簡単化することが必要である。

さらに、携帯電話等に内蔵される光学レンズの位置を測定するエンコーダとしては、アブソリュート（絶対変位）の長さを測定し得る方式が、測定精度および動作安定性を向上させる観点から求められ、また移動子側において給電線のない構成が望まれる。

また携帯電話やデジタルカメラ等では、機器の全体が小型であるため、内蔵部品を実装するための空間が制限を受け、非常に小さい容積の中に必要な機能を組み込むことが要求される。従って上記のエンコーダも光学レンズ機構部に付加される要素として小型に製作されることが必要となる。加えて、電源を投入したときに即座に立ち上がる動作性能も要求される。

上記の課題の観点で、特許文献１に開示された静電型エンコーダは、薄型の形状を利用して製作される変位センサであるのでセンサ部の小型化には資する。しかしながら、この静電型エンコーダはインクリメンタリ型であるので、アブソリュート式が必要とされる本願発明のエンコーダとしては用いることができない。
特許文献２の静電容量式変位測定装置は、同様にインクリメンタリ型のであるので、本願発明との関係では上記の同様な問題を有しているが、センサ部から出力される測定信号を処理する回路の構成については、マイクロメータやデジタルノギスに搭載できるように小型化されかつ低コストが図られている。
特許文献３の変位測定装置は、固定要素に対する可動要素の絶対変位量を測定するアブソリュート式の変位測定装置である。しかし、小型化に適した構造にはなっていない。
非特許文献１のデジタルノギスは、上記と同様にインクリメンタリ型の信号処理構成であるという問題を有し、またスライド部が信号線が接続されて複雑構成になっており、小型化に向いておらず、さらに信号処理回路の構成も簡素な構造になっていないという問題を有する。

本発明の目的は、上記の課題に鑑み、携帯電話やデジタルカメラ等への搭載を可能する小型の構造を有し、かつ固定子に対する移動子の絶対的位置を求めることができ、計測信号を安定化して計測信頼性を高めることできる静電エンコーダを提供することにある。

本発明に係る静電エンコーダは上記の目的を達成するため次のように構成される。

第１の静電エンコーダは、４相の電位検出電極を有する固定子と、第１電極と第２電極を有し、固定子上で移動するように設けられた移動子と、移動子の第１電極と第２電極の各々に反対極性の電荷を誘起させる手段と、移動子の第１電極と第２電極の各々に誘起した電荷に感応する４相の電位検出電極から出力される交流信号の差に基づきベクトル信号を生成する受信手段と、ベクトル信号に基づき、固定子に対する移動子の絶対的位置に係る信号を生成する信号処理手段とから構成される。
上記の電荷誘起手段は、固定子で４相の電位検出電極が並べられた方向に設けられた第１誘導電極および第２誘導電極と、第１誘導電極および第２誘導電極の間に交流信号を供給する送信手段とから構成される。

第２の静電エンコーダは、４相の送信電極を有する固定子と、第１電極と第２電極を有し、固定子の上で移動するように設けられた移動子と、移動子の第１電極と第２電極の各々に誘起した反対極性の電荷に基づき差動交流信号を出力する手段と、固定子の４相の送信電極に９０°ずつ位相がずれた４つの送信信号を送信する送信手段と、誘導検出手段からの受信信号を受信する受信手段と、受信信号の位相情報に基づき、固定子に対する移動子の絶対的位置に係る信号を取り出す信号処理手段とから構成される。
上記の差動交流信号出力手段は、固定子で４相の送信電極が並べられた方向に設けられた第１誘導電極および第２誘導電極と、第１誘導電極および第２誘導電極の間の差動交流信号を出力する差動増幅器とから構成される。
上記の信号処理手段は、基準信号と受信信号との間の位相のずれを計数するカウンタと、カウンタから出力される計数値に基づき移動子の前記絶対的位置に係る信号を生成する信号生成手段とから構成される。

本発明に係る静電エンコーダによれば、次の効果を奏する。
第１に、この静電エンコーダは極めて小型の形態を有し、かつアブソリュート式のリニア型静電エンコーダを実現することができる。従って当該静電エンコーダは携帯電話やデジタルカメラ等の小型の電気機器内に、その可動部分の位置計測装置として組み込むことができ、かつ当該可動部分の移動距離を絶対的位置として求めることができる。
第２に、移動子の絶対的位置を受信信号の位相のずれを検出することにより計測することができ、さらに位相検出をカウンタを利用し簡単な信号処理の構成に基づいて実現することができる。
第３に、カウンタの出力値をデジタルフィルタを用いて加算平均処理を行うことにより雑音の影響を少なくすることができ、計測値の信頼性を高めることができる。

本発明の静電エンコーダおける固定子と移動子の配置構造を示す要部斜視図である。 固定子と移動子の配置関係の構造を示す要部側面図である。 本発明の第１実施形態に係る静電エンコーダの固定子および移動子の電極構造と信号処理装置を示す平面図および回路ブロック図である。 位相調整を説明するための回路各部の波形についてのタイミングチャートである。 固定子の電極と移動子の電極の間での静電誘導に基づき誘起される電荷の発生状態を示す説明図である。 出力ベクトルを説明するための図である。 移動子の位置の変化に応じた出力ベクトルの回転状態、受信信号の波形を示す図である。 固定子の電極と移動子の電極の間での静電誘導に基づき構成される等価回路を示す電気回路図である。 本発明の第２実施形態に係る静電エンコーダの固定子および移動子の電極構造と信号処理装置を示す平面図および回路ブロック図である。 図９に示した信号処理装置における送信信号（送信波）と基準信号（基準波）の波形を示すタイミングチャートである。 デジタルフィルタの動作を示す説明図である。 出力信号の補正を説明するグラフである。

以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。

図１と図２を参照して本発明に係る静電エンコーダの機械的な構成を説明する。

静電エンコーダ１０の機械的な構造部分は固定子１１と移動子１２から構成される。固定子１１と移動子１２から静電エンコーダ１０における静電作用に基づくセンサ部が構成される。静電エンコーダ１０の全体は、大きく分けると、当該センサ部と、このセンサ部から出力される信号を処理する信号処理装置とから成る。信号処理装置の１つの構成例は図３に示される。

固定子１１は、基台等の構造部（図示せず）に固定され、その位置は変化せず、また形状も熱等に起因して変形しないように作られている。固定子１１は、薄板状の形態を有し、ほぼ長方形の形状を有している。固定子１１の平面形状の一例は図３に示されている。固定子１１は静電エンコーダ１０のスケールに相当するものである。

移動子１２は、固定子１１の上に摺動材１３を介して摺動自在に移動するように配置され、固定子１１の長手方向（矢印Ｌ１）に移動し得るように取り付けられている。移動子１２はスライダとしての機能を有する。固定子１１の上でその長手方向（Ｌ１）に移動子１１を移動させる駆動装置の構成は任意である。例えばリニアモータ等を用いることができる。移動子１２は、全体として例えば長方形の平面形状を有する。移動子１２の平面形状の一例は図３に示される。移動子１２の長辺の長さは、固定子１１の幅方向（短辺）の長さとほぼ等しい。

固定子１１および移動子１２は後述するごとくそれぞれ所定の電極構造を有する。固定子１１の上を移動子１２が移動するとき、固定子１１と移動子１２との間に生じる静電作用に基づき、固定子１１に対する移動子１２の相対的な位置の変化を、絶対的位置として測定することができる。

移動子１２は、例えば図２に示すように、下側に所定の電極が形成されたフィルム１４と、当該フィルム１４を補強する例えばアクリル材で作られた上側の補強板１５とから構成されている。フィルム１４は補強板１５の下面に接着等で固定されている。フィルム１４と補強板１５とで一体的に形成された移動子１２は、その矩形下面において、例えば短辺に沿って上記の摺動材１３が取り付けられている。摺動材１３は板状の形状を有し、その厚みは好ましくは２５〜５０μｍである。摺動材１３としては例えばテフロン（登録商標）フィルムが用いられる。摺動材１３は、固定子１１の表面に接触させられる。摺動材１３によって、移動子１２は固定子１１の上側表面を滑らかに移動することができる。このとき、移動子１２における所定の電極が形成されたフィルム１４は、固定子１１の上側表面から所望の微小な一定距離に保持される。

次に、図３を参照して、固定子１１および移動子１２の構造と、静電誘導に基づく作用関係とについて説明する。図３は、本発明の静電エンコーダの第１実施形態に係る固定子１１および移動子１２の電極構造と信号処理装置２０の構成とを示す。

固定子１１は、１つの面上に配置される第１の誘導電極１１ａと第２の誘導電極１１ｂと４相の電位検出電極１１ｃを備える。これらの電極はフィルム状（膜状）の絶縁体１１Ａの中に組み込まれている。第１誘導電極１１ａと第２誘導電極１１ｂは、長方形の固定子１１の２つの長辺のそれぞれに沿って長手方向に向くように配置されている。４相の電位検出電極１１ｃは、第１誘導電極１１ａと第２誘導電極１１ｂの間の領域に配置される。４相の電位検出電極１１ｃは、図３中上側に位置する電極列１１ｃ−１と下側に位置する電極列１１ｃ−２とから成る。さらに電極列１１ｃ−１，１１ｃ−２の各々は、長方形の固定子１１の長手方向に例えば二等辺三角形の形状を有する複数の電極セグメント１６を底辺１６−１の位置（または二等辺の間の頂点１６−２の位置）を交互に反対に並べて配置することにより形成されている。ただし、電極列１１ｃ−１，１１ｃ−２の両端部では、電極セグメント１６の形状は二等辺三角形の半分の形状となっている。４相の電位検出電極１１ｃの長手方向に配置された２つの電極列１１ｃ−１，１１ｃ−２の電極セグメント１６の並べ方は、それらの境界部に位置する中央線に対して線対称になっている。換言すれば、電極列１１ｃ−１，１１ｃ−２の各々の電極セグメント１６では、境界線を介して隣り合うもので、底辺同士あるいは頂点同士が対向するように並べられている。

図３に示した固定子１１において、位置Ｐ１を原点とし、当該位置Ｐ１より図３中右方向に、計測されるべき移動子１２の絶対的位置（ｘ）が変位として定義される。また区間ｐは半周期のピッチを意味している。固定子１１上で定義されるスケールの寸法は、後述するごとく出力ベクトルの１回転分（１周期分）に対応するように設計されている。

送信信号（送信波）用の端子Ｐは第１の誘導電極１１ａに接続され、もう一方の送信信号用の端子Ｑは第２の誘導電極１１ｂに接続されている。

固定子１１は、一般的に、例えば、電子機器に用いられているプリント基板や、フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）で製作される。

固定子１１上に移動子１２が摺動自在に位置している。移動子１２は、図３に示すように、その長手方向に、絶縁体であるフィルム１４の中に第１電極１２ａと第２電極１２ｂが配置されている。移動子１２が固定子１１の上に載置されるとき、第１電極１２ａと第２電極１２ｂは、それぞれ、固定子１１の第１誘導電極１１ａおよび電極列１１ｃ−１の上、第２誘導電極１１ｂおよび電極列１１ｃ−２の上に重なるように配置される。移動子１２は、外部との間のケーブル等による電気的な接続がなくとも、静電誘導の作用によって、固定子１１の誘導電極１１ａ，１１ｂ等を径由して電気エネルギが供給される。移動子１２は、固定子１１上を長手方向に沿って自由に移動することができる。

図５に、固定子１１の第１誘導電極１１ａおよび第２誘導電極１１ｂと、移動子１２の第１電極１２ａおよび第２電極１２ｂとの間の静電誘導作用の一例を示している。送信電圧源１７から供給される送信信号に基づいて第１誘導電極１１ａに正電荷が誘起されかつ第２誘導電極１１ｂに負電荷が誘起されると、移動子１２の第１電極１２ａの外縁部には負電荷が誘起されかつ第２電極１２ｂの外縁部には正電荷が誘起される。その結果、移動子１２の第１電極１２ａの内縁部（移動子１２の中央部側）には正電荷が誘起され、かつ第２電極１２ｂの内縁部（移動子１２の中央部側）には負電荷が誘起される。移動子１２の第１電極１２ａの内縁部および第２電極１２ｂの内縁部は、固定子１１における前述した４相の電位検出電極１１ｃの電極列１１ｃ−１と電極列１１ｃ−２のそれぞれに対向している。移動子１２の第１および第２の電極１２ａ，１２ｂの各内縁部に生じた電荷を、固定子１１の４相の電位検出電極１１ｃにより電圧として検出することになる。

次いで、図３、図４、図６、図７を参照して信号処理装置２０の信号処理内容等について説明する。

信号処理装置２０には、レゾルバ／デジタル変換器２１、受信信号を取り込む入力側の差動増幅器２２，２３、送信信号（送信波）を送出する出力側の演算増幅器２４が設けられる。レゾルバ／デジタル変換器２１にはレゾルバ／デジタル変換ＩＣが用いられる。レゾルバ／デジタル変換器２１の内部には交流発信器（図示せず）が内蔵されている。当該交流発信器の交流発信出力は、図４の（Ａ）に示すような交流信号ＴＸとして、演算増幅器２４を経由して適当な電圧レベルに増幅して出力され、２本の信号線から成るケーブル４１を介して上記の第１誘導電極１１ａと第２誘導電極１１ｂの各々に送信信号として送信される。交流信号ＴＸは、信号線４１を介して、固定子１１の上記の端子Ｐと端子Ｑの間に送信波（送信信号：Ｅpq＝Ｅsinωｔ）の差動出力として印加される。なお、上記の送信電圧源１７は当該交流発信器と演算増幅器２４により成るものである。

信号処理装置２０の入力側の差動増幅器２２，２３の各々は２入力端子を有する。一方の差動増幅器２２はプラス（＋）の端子Ａとマイナス（−）の端子Ｃを有し、他方の差動増幅器２３はプラス（＋）の端子Ｂとマイナス（−）の端子Ｄを有している。
差動増幅器２２の端子Ａは、固定子１１の４相の電位検出電極１１ｃにおける２つの電極列１１ｃ−１，１１ｃ−２のマーク「＋ｓ」が付された電極セグメント１６が接続されている。
差動増幅器２２の端子Ｃは、固定子１１の４相の電位検出電極１１ｃにおける２つの電極列１１ｃ−１，１１ｃ−２のマーク「−ｓ」が付された電極セグメント１６が接続されている。
差動増幅器２３の端子Ｂは、固定子１１の４相の電位検出電極１１ｃにおける２つの電極列１１ｃ−１，１１ｃ−２のマーク「＋ｃ」が付された電極セグメント１６が接続されている。
差動増幅器２３の端子Ｄは、固定子１１の４相の電位検出電極１１ｃにおける２つの電極列１１ｃ−１，１１ｃ−２のマーク「−ｃ」が付された電極セグメント１６が接続されている。
符号４２は、受信信号を伝送する４本の信号線から成るケーブルである。

差動増幅器２２の出力信号は第１の受信信号（Ｅac）であり、受信信号「ＳＩＮ」としてレゾルバ／デジタル変換器２１に入力される。また差動増幅器２３の出力信号は第２の受信信号（Ｅbd）であり、受信信号「ＣＯＳ」としてレゾルバ／デジタル変換器２１に入力される。

上記の第１の受信信号（Ｅac）と第２の受信信号（Ｅbd）は、次の通りの式で表現される。
Ｅac＝ｋＥ sin((π／ｐ)・ｘ) sinωｔ
Ｅbd＝ｋＥ cos((π／ｐ)・ｘ) cosωｔ

レゾルバ／デジタル変換器２１に入力されたこれらの２つの受信信号「ＳＩＮ」と「ＣＯＳ」に対しては、レゾルバ／デジタル変換器２１の内部で、内部のフィードバック信号と共に演算器で差分演算された後に、同期検波回路で整流される。２つの受信信号「ＳＩＮ」と「ＣＯＳ」を角周波数ωで同期検波すると、次のような式で表現される。

＜Ｅac＞＝ｋ’Ｅ sin((π／ｐ)・ｘ)
＜Ｅbd＞＝ｋ’Ｅ cos((π／ｐ)・ｘ)

上記の＜Ｅac＞と＜Ｅbd＞の数学的意味は図６に示す通りである。すなわち、＜Ｅac＞はベクトル２５のＩＭＡＧ成分の大きさであり、＜Ｅbd＞はベクトル２５のＲＥＡＬ成分の大きさである。図６に示したベクトル２５に関して、当該ベクトル２５の角度（（π／ｐ）・ｘ）に基づいて移動子１２の固定子１１における絶対的位置（ｘ）を求め、当該絶対的位置（ｘ）に係る信号Ｓ１をレゾルバ／デジタル変換器２１の出力端（ＯＵＴ）から出力する。計測表示器２６には、出力信号Ｓ１に基づいて静電エンコーダ１０のセンサ部で検出された移動子１１の絶対的位置（ｘ）が数値として表示される。

図７を参照して上記のベクトル２５が回転して変化する状態を示す。図７の（Ａ）は固定子１１上を移動子１２が長手方向に沿って移動する状態を示す。図７の（Ｂ）は、固定子１１上での移動子１２の位置に対応して生じるベクトル２５を示している。当該ベクトル２５は１回転（３６０°）の回転動作を行う発生パターンが示されている。図７の（Ｂ）に示したベクトル２５の発生状態に応じて、２つの受信信号「ＳＩＮ」と「ＣＯＳ」の波形の変化状態を図７の（Ｃ）に示している。当該波形は同期検波後の波形である。

図７に示すように、固定子１１上における移動子１２の位置に応じて出力ベクトル２５が回転する。アブソリュート式のリニア型静電エンコーダ１０では、ベクトル２５の１回転がスケールの全長に対応するように設定されている。従って、上記固定子１１の長さは当該スケールの全長に対応するように決定されている。

なお図４の（Ｂ）と（Ｃ）で示すように、信号処理装置２０からの送信信号である交流信号ＴＸに対して、受信信号ＳＩＮと受信信号ＣＯＳは、固定子１１と移動子１２の各電極で構成されるコンデンサ成分の信号であるため、位相のずれθｅが生じる。かかる位相のずれが生じると、変位測定の結果の誤差が大きくなる。特に、固定子１１の長さが長くなる場合には、コンデンサ成分が変化するので、位相のずれθｅの影響が顕著になる。しかしながら、本実施形態に係る静電エンコーダは本来的に小型の微小形状に作られるものであり、固定子１１の長さも位相のずれの影響が無視できる程度の長さである。従って、送信信号ＴＸの位相を調整する手段を特別に設ける必要はない。

固定子１１の第１および第２の誘導電極１１ａ，１１ｂと、移動子１２の第１および第２の電極１２ａ，１２ｂとから構成される静電誘導の電気回路を等価的に示すと、図８に示すようになる。図８において、第１誘導電極１１ａと第１電極１２ａによりコンデンサ３１が等価的に作られ、第２誘導電極１１ｂと第２電極１２ｂによりコンデンサ３２が等価的に作られる。移動子１２における第１電極１２ａと第２電極１２ｂの各々と、４相の電位検出電極１１ｃ（電極列１１ｃ−１，１１ｃ−２）の間では、同様にコンデンサ３３が作られる。当該コンデンサ３３を介して移動子１２の第１電極１２ａと第２電極１２ｂに誘起された電荷を電圧として検出し、前述した４つの端子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを経由して差動増幅器２２，２３に入力される。差動増幅器２２の出力からは第１の受信信号（Ｅac）が「ＳＩＮ」として取り出され、差動増幅器２３の出力からは第２の受信信号（Ｅbd）が「ＣＯＳ」として取り出される。こうして４相の電位検出電極１１ｃのうち「＋ｓ」、「−ｓ」、「＋ｃ」、「−ｃ」と示された各電極セグメントからの誘起電荷に基づいて電位が検出される。

上記の第１実施形態の構成において、固定子１１の長辺の寸法は例えば７．０ｍｍであり、移動子１２の移動範囲（１周期分の長さ）は例えば５ｍｍである。また固定子１１の短辺の長さは例えば少なくとも３ｍｍである。他方、移動子１２の短辺の長さは例えば１．２ｍｍである。このように本実施形態に係る静電エンコーダ１０は極めて小型であり、微小の形状を有している。

また図３に示した固定子１１の電極セグメント１６の形状は二等辺三角形で示したが、電極セグメント１６の二等辺の輪郭部分はサインカーブまたはコサインカーブに似せて曲線形状にすることもできる。

上記の第１実施形態に係る静電エンコーダによれば、極めて小型の形態を有し、かつアブソリュート式のリニア型静電エンコーダを実現することができる。従って当該静電エンコーダは携帯電話やデジタルカメラ等の小型の電気機器内に、その可動部分の位置計測装置として組み込むことができ、かつ当該可動部分の移動距離を絶対的位置として求めることができ、さらに計測信号を安定化して計測の信頼性を高めることができる。

次に図９〜図１２を参照して本発明の静電エンコーダの第２実施形態を説明する。図９は前述した図３と同様な図である。第２実施形態では、第１実施形態の構成に比較して、固定子における電極の役割を反対にすると共に、信号処理装置の構成を簡略化し、さらに固定子における電極形状を曲線状に変更している点に特徴がある。

図９に示した静電エンコーダ１０において、５１は固定子であり、５２は移動子である。移動子５２の構造と機能は前述の移動子１２と実質的に同じであり、第１電極５２ａと第２電極５２ｂを備えている。移動子５２は固定子５１の上でその長手方向に摺動自在になるように設けられている。この点は第１実施形態の場合と同じである。

固定子５１は、１つの面上に配置される第１の誘導電極５１ａと第２の誘導電極５１ｂと４相の送信電極５１ｃを備えている。これらの電極は絶縁体の中に組み込まれている。第１および第２の誘導電極５１ａ，５１ｂは、第１の実施形態で説明した第１および第２の誘導電極１１ａ，１１ｂと同じ形状および配置パターンを有している。また４相の送信電極５１ｃの電極配置パターンは、第１実施形態で説明した４相の電位検出電極１１ｃと同じである。すなわち、４相の送信電極５１ｃは、電極列５１ｃ−１と電極列５１ｃ−２とから成り、各電極列は複数の電極セグメント５３の並びによって構成されている。電極セグメント５３は二等辺三角形と類似した形状を有しかつ二等辺部分が曲線形状で形成されている。当該曲線形状はサインカーブまたはコサインカーブとなるように設計されている。電極列５１ｃ−１，５１ｃ−２の各々は、長方形の固定子５１の長手方向に複数の電極セグメント５３を底辺の位置（または二等辺の間の頂点の位置）を交互に反対に並べて配置することにより形成されている。４相の送信電極５１ｃの長手方向に配置された２つの電極列５１ｃ−１，５１ｃ−２の電極セグメント５３の並べ方は、それらの境界部に位置する中央線に対して線対称になっている。

図９に示した固定子５１において、位置Ｐ１を原点とし、当該位置Ｐ１より図９中右方向に、計測されるべき絶対的位置（ｘ）が変位として定義される。また区間ｐは半周期のピッチを意味している。固定子５１上で定義されるスケールの寸法は、前述の通り出力ベクトルの１回転分（１周期分）に対応するように設計されている。

信号処理装置６０は、好ましくはワンチップマイコンで構成されている。信号処理装置６０は、Ｄ／Ａ変換器６１とカウンタ６２とデジタルフィルタ６３とルックアップテーブル６４を備えている。

Ｄ／Ａ変換器６１は送信信号を生成するための信号処理要素である。Ｄ／Ａ変換器６１は、内蔵される発信器に基づき例えば１０ｋＨｚの周波数の送信信号を正弦波「ＳＩＮ」と余弦波「ＣＯＳ」として出力する。
送信信号ＳＩＮは図１０の（Ａ）に示されている。この送信信号ＳＩＮは演算増幅器６５に入力され、当該演算増幅器６５からは当該送信信号ＳＩＮ（＋ｓ）と反転させた（位相を１８０°シフトさせた）送信信号−ＳＩＮ（−ｓ）とを出力する。送信信号−ＳＩＮは図１０の（Ｃ）に示されている。演算増幅器６５からの送信信号ＳＩＮは端子Ａに供給され、送信信号−ＳＩＮは端子Ｃに供給される。端子Ａは４相の送信電極５１ｃの図中マーク「＋ｓ」が付された電極セグメント５３に接続されている。端子Ｃは４相の送信電極５１ｃの図中マーク「−ｓ」が付された電極セグメント５３に接続されている。
送信信号ＣＯＳは図１０の（Ｂ）に示されている。この送信信号ＣＯＳは演算増幅器６６に入力され、当該演算増幅器６６からは当該送信信号ＣＯＳ（＋ｃ）と反転させた（位相を１８０°シフトさせた）送信信号−ＣＯＳ（−ｃ）とを出力する。送信信号−ＣＯＳは図１０の（Ｄ）に示されている。演算増幅器６６からの送信信号ＣＯＳは端子Ｂに供給され、送信信号−ＣＯＳは端子Ｄに供給される。端子Ｂは４相の送信電極５１ｃの図中マーク「＋ｃ」が付された電極セグメント５３に接続されている。端子Ｄは４相の送信電極５１ｃの図中マーク「−ｃ」が付された電極セグメント５３に接続されている。

カウンタ６２とデジタルフィルタ６３とルックアップテーブル６４は、受信信号を入力し、受信信号から移動子５２の絶対的位置（ｘ）に係る出力信号を生成する信号処理要素である。受信信号は、上記の第１および第２の誘導電極５１ａ，５１ｂから出力される信号に基づいて生成される。第１および第２の誘導電極５１ａ，５１ｂから出力される信号は２入力端を有する差動増幅器６７の各入力に供給される。差動増幅器６７の出力端から受信信号が出力される。当該受信信号は、コンパレータ６８によって信号がデジタルパルスに変換された後、カウンタ６２のＲ（ストップ）端子に入力される。カウンタ６８のＣＬ（クロック）端子には例えば１０ＭＨｚのクロック信号が入力され、さらにＳＴ（スタート）端子には上記のＤ／Ａ変換器６１から１０ｋＨｚの周波信号が入力されている。周波数１０ｋＨｚの信号は基準波（基準信号）であり、前述した送信信号ＳＩＮに対応するものである。カウンタ６２は、固定子５１における移動子５２の位置の変化に基づく位相量を計測して移動子５２の絶対的位置（ｘ）を求める。カウンタ６２は１０ビットカウンタとして構成され、その出力端から１０ビット形式で移動子５２の絶対的位置（ｘ）に係る信号が出力される。後段のデジタルフィルタ６３は計測数値のバラツキを改善する機能を有し、またルックアップテーブル６４は計測数値の直線性を改善する機能を有している。

次に、図１０〜図１２を参照して、カウンタ６２とデジタルフィルタ６３とルックアップテーブル６４の各機能を詳述する。

前述のごとく４相の送信電極５１ｃの各電極セグメント５３には４相の送信信号（ＳＩＮ，−ＳＩＮ，ＣＯＳ，−ＣＯＳ）のうち対応する送信信号が供給される。固定子５１上を移動する移動子５２では、４相の送信電極５１ｃとこれに対向する第１および第２の電極５２ａ，５２ｂとの静電作用に基づいて、移動子５２の第１電極５２ａと第２電極５２ｂには移動子５２の位置に応じて電荷が誘起される。さらに移動子５２の第１電極５２ａと第２電極５２ｂに誘起された電荷に応じて固定子５１の第１誘導電極５１ａと第２誘導電極５１ｂに電荷が誘起され、当該電荷に基づく電圧信号が差動増幅器６７の入力端に入力され、その結果、差動増幅器６７の出力端から受信信号が出力される。コンパレータ６８を経由して最終的に信号処理装置６０のカウンタ６２に入力される受信信号では、移動子５２の位置に応じてその位相が変化する。

図１０の信号波形図７０で、７１は基準波（送信信号ＳＩＮ）を表す波形を示し、７２は位置ｘ１を表す受信信号の波形を示し、７３は位置ｘ２を表す受信信号の波形を示し、７４は上記のクロック信号を示している。受信信号７２は基準波７１に比較して位相がｔ１だけずれており、受信信号７３は基準波７２に比較して位相がｔ２だけずれている。このように、固定子５１に対する移動子５２の存在位置に応じて、カウンタ６２に入力される受信信号の位相が変化する。従って、受信信号の位相のずれを計測すると、固定子５１における原点である位置Ｐ１からの移動子５２の存在位置のシフト量（移動量）を求めることができる。

なお図１０において、符号４３は４相の送信信号を送信する４本の信号線のケーブルを示し、符号４４は受信信号を伝送する２本の信号線のケーブルを示している。

上記のごとき受信信号をＲ端子に入力するカウンタ６２の計数動作を図１１を参照して説明する。図１１において、カウンタ６２のＳＴ（スタート）端子には基準波（基準信号）７１が入力されており、さらにそのＲ（ストップ）端子には例えば受信信号７３が入力されたとする。基準波７１に係る交流信号（ＳＩＮ）は周波数が１０ｋＨｚであるので、その１周期は０．１ｍｓ（ミリ秒）となる。受信信号７３の周波数は基準波７１と同じである。

図１１において、符号８１で示した波形は基準波７１と受信信号７３の位相のずれを表している。すなわちＳＴ（スタート）端子に入力される基準波７１で負から正への変化時点でカウンタ６２は計数動作を開始し、Ｒ（ストップ）端子に入力される受信信号７３で負から正への変化時点でカウンタ６２の計数動作が停止する。これにより計数値７５が求められ、当該計数値が位相のずれ（ｔ２）として求められる。当該位相のずれを表す計数値はカウンタ出力７６として出力される。クロック周波数は１０ＭＨｚであるので、計数動作を行うとすると、出力（Ｎｃ）は０〜１０００の範囲の値を取り得る。こうして、カウンタ６２の出力端には計数値（Ｎｃ）が１０ビット形式の数値として出力され、当該計数値が移動子５１の位置を表すことになる。

カウンタ６２からのカウンタ出力７６はデジタルフィルタ６３に入力される。デジタルフィルタ６３は、図１１の符号７７に示すようにカウンタ出力７６に関して所定の期間ごとに加算平均処理（加算演算記号「Σ」で表現）を行い、加算平均値７８を出力する。これによってカウンタ出力７６のバラツキを改善する。出力の応答時間を１０ｍｓ（１００Ｈｚ）とすると、１００回の平均処理を行うことができる。これにより１０倍のＳ／Ｎ比のアップを期待することができる。基本的構成である前述の第１実施形態の場合に比較して、センサ部の電極から信号処理装置６０の回路部分までの電気的接続が、送信信号が４本であるのに対して受信信号が２本であるので、雑音が乗りやすい受信信号線を少なくしてＳ／Ｎ比を改善することができる。

その後、デジタルフィルタ６３から出力される加算平均値はルックアップテーブル６４に入力される。ルックアップテーブル６４は、入出力特性が直線的になるように補正を行う機能を有している。図１２に示すように、当該補正がない場合には通常的に破線９１に示すようにデジタルフィルタ６３における入出力特性において直線性を有していないが、ルックアップテーブル６４による当該補正を行うことにより実線９２に示すように直線性を持たせるようにする。こうしてデジタルフィルタ６３から出力されるバラツキが改善された計数値（Ｎｃ）、すなわち移動子５２の絶対的位置（ｘ）の計測値に関してその特性の直線性が改善される。

上記の第２実施形態に係る静電エンコーダによれば、極めて小型の形態を有し、かつアブソリュート式のリニア型静電エンコーダを実現することができる。従って当該静電エンコーダは携帯電話やデジタルカメラ等の小型の電気機器内に、その可動部分の位置計測装置として組み込むことができ、かつ当該可動部分の移動距離を絶対的位置として求めることができ、さらに測定信号を安定化して測定信頼性を高めることができる。
また移動子の絶対的位置を受信信号の位相のずれを検出することにより計測することができ、さらに位相検出をカウンタを利用し簡単な信号処理の構成に基づいて実現することができる。
カウンタの出力値をデジタルフィルタを用いて加算平均処理を行うことにより雑音の影響を少なくすることができる。

以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）等については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

本発明に係る静電エンコーダは、携帯電話やデジタルカメラ等の組み込まれる小型位置センサとしての利用に適している。

１０ 静電エンコーダ
１１ 固定子
１１ａ，１１ｂ 誘導電極
１１ｃ 電位検出電極
１２ 移動子
１２ａ，１２ｂ 電極
１３ 摺動材
１４ フィルム
１５ 補強板
１６ 電極セグメント
１７ 送信電圧源
２０ 信号処理装置
２１ レゾルバ／デジタル変換器
２２，２３ 差動増幅器
２４ 増幅器
２５ ベクトル
２６ 計測表示器
３１〜３３ コンデンサ
５１ 固定子
５２ 移動子
５３ 電極セグメント
６０ 信号処理装置
６１ Ｄ／Ａ変換器
６２ カウンタ
６３ デジタルフィルタ
６４ ルックアップテーブル
６５，６６ 演算増幅器
６７ 差動増幅器
６８ コンパレータ

Claims (13)

1. ４相の電位検出電極を有する固定子と、
   第１電極と第２電極を有し、前記固定子上で移動するように設けられた移動子と、
   前記移動子の前記第１電極と前記第２電極の各々に反対極性の電荷を誘起させる手段と、
   前記移動子の前記第１電極と前記第２電極の各々に誘起した前記電荷に感応する４相の前記電位検出電極から出力される前記交流信号の差に基づきベクトル信号を生成する受信手段と、
   前記ベクトル信号に基づき、前記固定子に対する前記移動子の絶対的位置に係る信号を生成する信号処理手段と、
   から成ることを特徴とする静電エンコーダ。
2. 電荷を誘起させる前記手段は、
   前記固定子で４相の前記電位検出電極が並べられた方向に設けられた第１誘導電極および第２誘導電極と、
   前記第１誘導電極および前記第２誘導電極の間に交流信号を供給する送信手段と、
   から構成されることを特徴とする請求項１記載の静電エンコーダ。
3. 前記信号処理手段はレゾルバ／デジタル変換器であることを特徴とする請求項１または２記載の静電エンコーダ。
4. ４相の送信電極を有する固定子と、
   第１電極と第２電極を有し、前記固定子の上で移動するように設けられた移動子と、
   前記移動子の前記第１電極と前記第２電極の各々に誘起した反対極性の電荷に基づき差動交流信号を出力する手段と、
   前記固定子の４相の前記送信電極に９０°ずつ位相がずれた４つの送信信号を送信する送信手段と、
   前記誘導検出手段からの受信信号を受信する受信手段と、
   前記受信信号の位相情報に基づき、前記固定子に対する前記移動子の絶対的位置に係る信号を取り出す信号処理手段と、
   から成ることを特徴とする静電エンコーダ。
5. 差動交流信号を出力する前記手段は、
   前記固定子で４相の前記送信電極が並べられた方向に設けられた第１誘導電極および第２誘導電極と、
   前記第１誘導電極および前記第２誘導電極の間の前記差動交流信号を出力する差動増幅器と、
   から構成されることを特徴とする請求項４記載の静電エンコーダ。
6. 前記信号処理手段は、
   基準信号と前記受信信号との間の位相のずれを計数するカウンタと、
   前記カウンタから出力される計数値に基づき前記移動子の前記絶対的位置に係る信号を生成する信号生成手段と、
   を含むことを特徴とする請求項４記載の静電エンコーダ。
7. 前記信号生成手段は、前記カウンタから出力される前記計数値を積算処理するデジタルフィルタを含むことを特徴とする請求項６記載の静電エンコーダ。
8. 前記信号生成手段は、前記カウンタから出力される前記計数値に関する入出力特性を補正する直線性改善手段を含むことを特徴とする請求項６記載の静電エンコーダ。
9. 前記信号処理手段はワンチップマイコンによって構成されることを特徴とする請求項４記載の静電エンコーダ。
10. ４相の前記電位検出電極は、前記固定子の幅方向の一方の側に一列に並べられた複数の三角形電極パターンと他方の側に一列に並べられた複数の三角形電極パターンとよって構成されることを特徴とする請求項１記載の静電エンコーダ。
11. 前記一方の側および前記他方の側に配列される複数の前記三角形電極パターンは、三角形の頂点を形成する辺部分が曲線形状を有することを特徴とする請求項１０記載の静電エンコーダ。
12. ４相の前記送信電極は、前記固定子の幅方向の一方の側に一列に配列される複数の三角形電極パターンと他方の側に一列に配列される複数の三角形電極パターンとよって構成されることを特徴とする請求項４記載の静電エンコーダ。
13. 前記一方の側および前記他方の側に配列される複数の前記三角形電極パターンは、三角形の頂点を形成する辺部分が曲線状の形を有することを特徴とする請求項１２記載の静電エンコーダ。

Images