JP2017173275A - 基板及び位置検出装置 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、特許文献1には、固定子の誘導電極に電圧を供給し容量結合により移動子の櫛歯状の電極へ交番電位分布を発生し、その交番電位分布を固定子の電位検出電極で検出して、2つの信号を成分とするベクトルを生成し、そのベクトルの回転角から移動子の固定子に対する相対的な変位を計測することが記載されている。
また、特許文献2には、固定子上の4相の電極に90°ずつ位相がずれた4つの電気信号を供給し、それにより移動子上の第1電極及び第2電極に誘起される信号の位相に基づいて、固定子に対する移動子の位置を計測することが記載されている。
さらに、上記基板の内部の、上記第1電極を配置した領域と平面的に重なる位置に、電気信号の伝播を遮蔽する遮蔽部材を設けるとよい。
さらに、上記基板の内部又は上記第1面の裏側の第2面上の、上記第1電極を配置した領域と平面的に重ならない位置に、上記第2電極を配置した領域と平面的に重なる位置を避けて、電気信号の伝播を遮蔽する遮蔽部材を設けるとよい。
さらに、上記各相の複数の第1電極と、その相の配線とを、その基板に形成された透孔を通じて接続するとよい。
さらに、上記基板の上記第1面と上記n本の配線の間の、上記第1電極を配置した領域と平面的に重なる位置に、電気信号の伝播を遮蔽する遮蔽部材を設けるとよい。
さらに、上記n本の配線の少なくとも1本は、接続されている少なくとも1つの上記第1電極と平面的に重なる位置で2つの部分配線に分断されており、その2つの部分配線はその第1電極を介して電気的に接続されているとよい。
また、この発明は、上記のように装置として実施する他、システム、方法、プログラム、記録媒体等、任意の態様で実施することができる。
〔位置検出装置及び基板の実施形態:図1乃至図7〕
まず、この発明の位置検出装置及び基板の第1実施形態について説明する。
図5に、この発明の位置検出装置の概略構成を示す。
また、移動子30の移動経路は、レールやスリット等、公知の適宜な手法により、基板10上の適当な一次元の範囲に規制される。
図1は、基板10の平面図である。図2は、図1の2−2線における断面図である。図3は、基板1の底面図である。
図1に示す基板10は、樹脂等の絶縁性材料で形成され、容易に変形しない硬質の基板である。また、図2に現れるように第1層10a〜第3層10cの3層構造となっているが、各層の材質は同じでも異なっていてもよい。また、各層には、各種電極や配線がプリントされており、重ねて接着されている。なお、複数の層により基板10を形成することは必須ではなく、1層のみでもよい。
基準位置電極13a,13bは、取出電極12a,12bの端部付近に設けられ、移動子30が図5に示すArea6にある場合に、移動子30側の電極に誘起される電気信号を取り出すための電極である。この取り出しの仕組みについても後に詳述する。
この空隙14a,14bは、信号電極11から取出電極12への直接的な容量結合を介した信号の伝播を低減するための設けたものである。すなわち、信号電極11と取出電極12との間には、基板の素材により(後述する移動子30の電極を介さないという意味で)直接的な容量結合が形成されるため、信号電極11に交流信号を供給すると、その信号はその直接的な容量結合を介して、移動子30側の電極の位置によらず、取出電極12へ伝播する。この信号は、移動子30の位置を検出する際にノイズとなる。また、伝播する信号の強度は、信号電極11と取出電極12との間に直接的に形成される容量性リアクタンス(抵抗成分)に反比例する。
なお、信号電極11と取出電極12との間の距離を離して容量性リアクタンスを増加させてもよいが、あまり大きな距離を取ると位置検出装置1のサイズが増加してしまう。この実施形態のように、距離は程々にして空隙14a,14bを設けることが好ましい。
すなわち、基板10を90%程度以上の湿度が高い環境に置くと、しばしば、基板10の表面に肉眼では判別し難い程度の細かい水滴がつくことが知られている。この水滴により、信号電極11と取出電極12との間の抵抗成分が減少してしまい、この経路を介して信号が伝播する。この信号も、移動子30の位置を検出する際にノイズとなる。
基板10には、その第2面に、図3に現れる配線15(相を区別する必要がない場合にはアルファベットのない符号「15」を用いる。「ビア(via)19」、「端子20」及び「バレル(barrel)16」も同様。)、ビア19及び端子20を設けている。
前者の箇所では、単に配線15が信号電極11と接続されるのみである(図6参照)。しかし、後者の箇所では、ある相の配線15が左右の2つの部分配線に分断され、第1部分配線(15c−1)が第1接続部(ビア19c−1)を通じて信号電極11と接続され、さらに第2接続部(ビア19c−2)を通じて第2部分配線(15c−2)に接続される。そして、第2部分配線が、より先の各信号電極11に接続される。
遮蔽電極17は、信号電極11を配置した領域と平面的に重なる位置に設けたものであり、信号電極11と、配線15及びビア19との間の、バレル16を介しない電気信号の伝播を阻止するために設けたものである。なお、バレル16の位置には遮蔽電極17は設けておらず、遮蔽電極17とバレル16とが接触しないよう、遮蔽電極17には、バレル16よりやや大きいサイズの孔(antipad)を設けている。
図4は、移動子30の平面図である。
移動子30は、基板31の、図4でうら側の面に、第3電極である移動子電極32a,32bを配置(プリント)して構成したものである。移動子電極32aは、それぞれ信号電極11と対向させる第1対向部33a及び第3対向部33cと、取出電極12aと対向させる信号取出部35aを備える。また、移動子電極32bは、それぞれ信号電極11と対向させる第2対向部33b及び第4対向部33dと、取出電極12bと対向させる信号取出部35bを備える。
図5に示すように、移動子電極32aの第1対向部33a及び第3対向部33cは、移動子30の位置に応じて、信号電極11の、いずれかの相の電極と対向するが、ちょうど1周期分離れた同じ相の電極と対向する寸法となっている。
従って、基準位置電極13a,13bから所定強度以上の電気信号が出力されている場合には、移動子30が「Area6」にある。これを、取出電極12a,12bからの電気信号の位相と組み合わせれば、「Area6」中の移動子30の位置を特定できる。
なお、充分な結合容量を確保するため、移動子の移動可能範囲は、取出電極12a、12bの右端が、基準位置電極13a,13bを覆うところまでとし、それ以上右には移動できないようするのが良い。
位置検出装置1は、例えば、カウンタ41、波形テーブル42、出力器43,44、差動増幅器45、コンパレータ46、位相差検出部47、レベル判定部48、折り返し制御部49、補正テーブル50、フィルタ51を備える。
出力器43,44は、それぞれ入力されるサンプル値をアナログ信号に変換し、正相と逆相で電力増幅して出力する。出力器43,44からの各相のアナログ信号は、それぞれ対応する相の端子20及び配線15を経て信号電極11へ供給される。
コンパレータ46は、差動増幅器45の出力がマイナスからプラスに変わるタイミングで、位相差検出部47に対してパルス信号を出力する。
これらの差動増幅器45、コンパレータ46及び位相差検出部47が検出部に該当する。
折り返し制御部49は、図7を用いて後述する処理により、位相差検出部47からの位相差Paと、レベル判定部48からの信号A6とに基づき、移動子30の絶対位置Psを算出する。
なお、補正テーブル50を、折り返し制御部49の前段に配置し、位相差検出部47からの位相差Paを、位置リニアになるように補正してもよい。
フィルタ51の出力が、移動子30の位置PDとして、位置検出装置1から出力される。
なお、基板10が複数ある場合、図5に示した供給回路41〜44が、複数の基板10に並列に4相の電気信号を入力し、検出回路41、45〜51が、複数の基板10の取出電極12a,12bから複数の電気信号を並列に受け取り、時分割で処理して、各基板10上における移動子30の位置を検出するようにすればよい。
図7は、その処理のフローチャートである。
折り返し制御部49は、位相差検出部47から位相差Paが入力されると、その時点の信号A6を取得して、図7のフローチャートに示す処理を開始する。なお、tは図7の処理の起動カウントであり、Pa(t)は今回取得したデータ、Pa(t−1)は前回取得したデータを示す。
ここでは、折り返し制御部49は、まず今回の位相差Pa(t)と前回の位相差Pa(t−1)との差(7bit)を移動量MAとして求める(S12)。位相差Paはいずれも7bitであり、この減算で桁あふれを捨てることにより、得られる移動量MAは−64〜+63の範囲となる。
この実施形態では、4相の信号の周波数が数十kHz〜数百kHzと高いため、その1周期以内に位相差Paが1/2周期以上変動することは、基本的に有り得ない。
移動量MAが正の場合、移動方向DIRの値は「0」となり、移動量MAが負の場合、移動方向DIRの値は「1」となる。
折り返し制御部49は、以上で求めたDIR、BIG及びエリア番号の前回値AN(t−1)に基づき、エリア番号の今回値AN(t)を求める(S15)。
より具体的には、移動方向が正(DIR=0)で位相差Pa(t)が大(BIG=0)、または、移動方向が負で位相差Pa(t)が小(BIG=1)であれば、移動子30はエリアをまたいだ移動をしていないことがわかる。移動方向と位相差Paの増減が合っているためである。この場合エリア番号ANを前回のものから変化させない。
ステップS15,S16のいずれの場合も、折り返し制御部49は、今回求めたAN(t)を上位3ビット、今回の位相差Pa(t)を下位7ビットとする絶対位置Ps(t)を出力し(S17)、AN(t)とPa(t)を次回処理時に前回のAN、Paとして参照するため保存して(S18)、処理を終了する。
なお、以上の実施例において、レベル判定部48は、容量結合により基準位置電極13aに発生する電気信号の強度に基づき、移動子30が「Area6」の特定の位置(位相差Pa(t)と対応する位置)にあることを検出する。
次に、上述した実施形態の種々の変形例について説明する。
まず、折り返し制御部の変形例について説明する。
図8にこの変形例における折り返し制御部49′を示す。
図8に示す折り返し制御部49′は、絶対位置Psを、エリア6以外では、位相差Paは直接使用せず、位相差Paから算出された移動量MAだけに基づいて算出する点が図5の折り返し制御部49と異なる。
より具体的には、折り返し制御部49′は、図7の処理に代えて図9の処理を実行する。
図9の処理において、折り返し制御部49はまず、現在の信号A6(t)の値が「1」であるか否か判断する(S31)。これがNoであれば、折り返し制御部49は、まず今回の位相差Pa(t)と前回の位相差Pa(t−1)との差を、7bitで求め、その値を移動量MAとする(S32)。この演算は、図7のステップS12と同様である。次に、折り返し制御部49は、前回の絶対位置Ps(t−1)に、ステップS32で求めた移動量MAを加算して、今回の絶対位置Ps(t)を求める(S33)。
いずれの場合も、生成した絶対位置Ps(t)を出力すると共に、Pa(t)とPs(t)を次回処理時に参照するために保存して(S35)、処理を終了する。
以上の処理によっても、図7の処理の場合と同様、絶対位置Ps(t)を求めることができる。
次に、信号電極11の形状及び配置の変形例について説明する。なお、信号電極11の変形に伴い、移動子30側に設ける電極の形状及び配置も変更される。
図10及び図11に、それぞれ異なる変形例における、信号電極11及び移動子30側の電極を示す。なお、これらの図では、上述した実施形態と対応する箇所には同じ符号を用いている。また、電極に付与されたハッチングが、その電極の相を示す点も、上述した実施形態と同じである。以下に説明する各変形例においても同様とする。
上述のように、互いに線対称な位置に逆相の信号電極11を配置していることから、信号電極11への各相の電気信号の供給に伴い、移動子電極36a,36bには互いに逆相の信号が励起され、上述した実施形態の場合と同様、2つの信号の差分を取って信号を増幅することができる。
上述の実施形態の場合と同様、移動子電極36aによる容量結合により取出電極12aに励起される電気信号を取り出し、その位相から、移動子30の位置を検出できる。
次に、配線15の形状及び配置の変形例について説明する。
図12及び図13に、それぞれ異なる変形例における、信号電極11及び移動子30側の電極を示す。図3と同様に、配線15及びビア19の配置を示すものであるが、空隙14a,14bの内側の部分のみを示している。
図3では、配線15を部分的に信号電極11の配列方向(移動子30の移動方向)に対して斜めにして、各相の配線15を、信号電極11の配列方向の位置に応じて、取出電極12に対して近づけたり遠ざけたりしていた。
例えば、各相の配線15及びビア19を、図12のように順番に配置してもよいし、図13のように配置してもよい。
以上で実施形態の説明を終了するが、装置の具体的な構成、各部の形状、回路の構成などが、上述の実施形態で説明したものに限られないことはもちろんである。
例えば、上述した実施形態では、1枚の基板10内に空隙14a,14bを設けたが、基板を複数枚に分けて構成し、それらを一定の間隔を開けて配置することにより空隙を構成してもよい。
図14の例では、固定子である基板を、第1基板10x〜第3基板10zの3つの部分に分けて構成している。そして、これらの基板を、一定の間隔を開けて支持部材に組み付けることにより、第1基板10xと第2基板10yとの間に空隙14aを、第2基板10yと第3基板10zとの間に空隙14bを形成している。
このような構成でも、上述した実施形態の場合と同様な効果が得られる。
図15にこの例を示す。
図15の例では、基板10を、第1層10a〜第4層10dの4層構造としており、配線15及びビア19を、第3層10cの下側に設けている。すなわち、第4層10dで覆われた、基板10の内部に設けている。
このような構成であっても、上述した実施形態の場合と同様な効果が得られる。また、配線15及びビア19の損傷を防止できるという効果もある。
位置検出装置1は、ユーザからの操作を受け付ける任意の装置に適用可能である。操作の検出結果に従って、他の装置が持つパラメータの値を制御するものであってもよい。操作の検出結果を、パラメータの値の制御に用いることも必須ではない。
また、以上述べてきた構成及び変形例は、矛盾しない範囲で適宜組み合わせて適用することも可能である。
Claims (7)
- 固定子上で移動する移動子の位置を検出する位置検出装置における、その固定子を構成する基板であって、
当該基板の第1面上に、n相の電極(ただし、nは3以上の整数)が、前記移動子の移動方向に一次元的に繰り返し配列された複数の第1電極と、
前記基板の前記第1面上の前記第1電極の近傍に、前記移動子の移動方向に沿って配置された第2電極とを備え、
前記各第1電極と前記第2電極との間の位置に、当該基板の他の部分よりも誘電率が小さい低誘電率部を設けたことを特徴とする基板。 - 請求項1に記載の基板であって、
前記低誘電率部はスリットであることを特徴とする基板。 - 請求項1乃至2の何れか一項に記載の基板であって、
前記基板の内部の、前記第1電極を配置した領域と平面的に重なる位置に、電気信号の伝播を遮蔽する遮蔽部材を設けたことを特徴とする基板。 - 請求項3に記載の基板であって、
前記基板の内部又は前記第1面の裏側の第2面上の、前記第1電極を配置した領域と平面的に重ならない位置に、前記第2電極を配置した領域と平面的に重なる位置を避けて、電気信号の伝播を遮蔽する遮蔽部材を設けたことを特徴とする基板。 - 請求項1乃至4のいずれか一項に記載の基板で構成される前記固定子と、
前記第1電極のn相の電極(ただし、nは3以上の整数)に、n相の信号を供給する供給部と、
第3電極を有する前記移動子であって、前記移動子が前記固定子上に配置されたとき、該第3電極が前記第1電極の少なくとも1つ及び前記第2電極の少なくとも一部と容量結合される前記移動子と、
前記容量結合により、前記供給部による信号の供給に応じて第2電極に発生する信号を検出する検出部とを備えることを特徴とする前記位置検出装置。 - 請求項1乃至4の何れかに一項に記載の基板であって、
前記第2電極として、2つの電極を、前記移動子の移動方向に沿って、前記第1電極の近傍の両側にそれぞれ設けており、
前記低誘電率部として、2つの低誘電率部を、各第2電極と前記第1電極との間の位置に設けていることを特徴とする基板。 - 請求項6に記載の基板で構成される前記固定子と、
前記第1電極のn相の電極(ただし、nは3以上の整数)に、n相の信号を供給する供給部と、
2つの第3電極を有する前記移動子であって、前記移動子が前記固定子上に配置されたとき、該第3電極の一方が、少なくとも1つの第1電極、及び、前記第2電極の一方の少なくとも一部と容量結合され、該第3電極の他方が、前記少なくとも1つの第1電極とは逆相の少なくとも1つの第1電極、及び、前記第2電極の他方の少なくとも一部と容量結合される前記移動子と、
前記容量結合により、前記供給部による信号の供給に応じて前記2つの第2電極に発生する2つの信号の差分を検出する検出部とを備えることを特徴とする前記位置検出装置。
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