JP2020532746A - 交番電界に基づくアブソリュート形タイムグレーティング角変位センサ - Google Patents
交番電界に基づくアブソリュート形タイムグレーティング角変位センサ Download PDFInfo
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Abstract
【課題】交番電界に基づくアブソリュート形タイムグレーティング角変位センサを提供する。【解決手段】回転子基板（２）と固定子基板（１）を備え、回転子基板（２）の下表面には反射電極I（２−２）、検知電極（２−１）及び反射電極II（２−３）が設けられ、反射電極I、II（２−２、２−３）はそれぞれ検知電極（２−１）に連結され、固定子基板（１）の上表面には受信電極I（１−２）、励起電極（１−１）及び受信電極II（１−３）が設けられ、励起電極（１−１）の四つの経路の励起相はそれぞれ４種の励起信号に接続され、受信電極I（１−２）は第１経路の精密正弦進行波信号を出力し、受信電極II（１−３）は第２経路の精密正弦進行波信号を出力し、第１経路又は第２経路の精密正弦進行波信号を利用して対向電極の粗位置値を算出し、第１経路又は第２経路の精密正弦進行波信号を利用して精密角変位値を算出し、精密角変位値と対向電極の粗位置値とを組み合わせて絶対角変位値を得る。当該センサは絶対角変位の測定を可能にすると共に、アプリケーションの範囲が拡大し、産業現場への適応性が高まる。【選択図】図１
Description
本発明は精密角変位センサに関し、具体的には交番電界に基づくアブソリュート形タイムグレーティング角変位センサに関する。
従来の精密変位測定においては、主に光グレーティング、磁気グレーティング及び静電容量グレーティング等のグレーティングセンサが用いられており、その測定基準は、空間を等分する周期性グリッド線を用いるものであり、グリッド線をカウントして角変位量を得ている。測定精度及び分解能を高めるために、これらのグレーティングセンサは精密標線を用い且つ高精度な電子セグメンテーション技術に頼る必要があり、複雑で厳密な標線プロセスと電子セグメント回路を要することから、センサの製造コストが高く、抗ノイズ性に劣っていた。近年、クロックパルスを変位測定の基準とするタイムグレーティングセンサが開発され、これを基礎として、電界式タイムグレーティング角変位センサ（中国特許文献ＣＮ１０３９６８７５０Ａ）も開発されているが、この種のセンサは高周波クロックパルスを測定の基準とし、平行平板コンデンサで交番電界を形成して変位測定を行っているため、精密な測定が可能であるが、（１）累積加算式計数法を用いるため、累計誤差が存在し且つ角変位量は１周期内のみしか測定できない、（２）検知信号は回転子基板上の回転子電極から出力され、回転子基板には信号出力線を引く必要があり、使用できなくなる場合もあり、アプリケーションの範囲が狭い、と言う課題があった。
本発明は、絶対角変位量の測定を実現するとともに、アプリケーションの範囲を拡大した交番電界に基づくアブソリュート形タイムグレーティング角変位センサを提供することを目的とする。
本発明は、交番電界に基づくアブソリュート形タイムグレーティング角変位センサであって、固定子基板及び固定子基板と同軸に取付けられる回転子基板（２）を含み、回転子基板の下表面と固定子基板の上表面とは正対して平行であり、且つ隙間を有し、回転子基板の下表面には検知電極が設けられ、固定子基板の上表面には検知電極に正対する励起電極が設けられ、前記励起電極は径方向の高さが同一で中心角が等しい扇環形極片を円周方向に沿って等間隔に配置されて構成され、その内、第４ｎ１＋１扇環形極片は一組に繋がってＡ励磁相を構成し、第４ｎ２＋１扇環形極片は一組に繋がってＢ励磁相を構成し、第４ｎ３＋１扇環形極片は一組に繋がってＣ励磁相を構成し、第４ｎ４＋４扇環形極片は一組に繋がってＤ励磁相を構成し、ｎ１は０〜Ｍ１−１からなる整数であり、Ｍ１は励起電極の対向電極の数を表す。
前記固定子基板の上表面には差動式の受信電極I及び差動式の受信電極IIが設けられ、受信電極Iは励起電極の外側に位置し、受信電極IIは励起電極の内側に位置し、前記回転子基板の下表面には受信電極Iに正対する反射電極I及び受信電極IIに正対する反射電極IIが設けられ（即ち、反射電極Iは検知電極の外側に位置し、反射電極IIは検知電極の内側に位置する）、前記検知電極は環を同一とする双余弦形極片を円周方向に沿って等間隔に配置されて構成され、当該双余弦形極片の径方向の高さは前記扇環形極片の径方向の高さよりも低く、その内、第４ｎ２＋１双余弦形極片は一組に繋がってＡ検知ユニットを構成し、第４ｎ２＋２双余弦形極片は一組に繋がってＢ検知ユニットを構成し、第４ｎ２＋３双余弦形極片は一組に繋がってＣ検知ユニットを構成し、第４ｎ２＋４双余弦形極片は一組に繋がってＤ検知ユニットを構成し、ｎ２は０〜Ｍ２−１からなる整数であり、Ｍ２は検知電極の対向電極の数を表し、前記反射電極IはＡ１反射ユニット、Ｂ１反射ユニット、Ｃ１反射ユニット及びＤ１反射ユニットを備え、Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１反射ユニットは、それぞれ対応するＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ検知ユニットに接続され、前記反射電極IIはＡ２反射ユニット、Ｂ２反射ユニット、Ｃ２反射ユニット及びＤ２反射ユニットを備え、Ａ２、Ｂ２、Ｃ２、Ｄ２反射ユニットは、それぞれ対応するＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ検知ユニットに接続される。
測定の際、回転子基板と固定子基板は相対的に平行に回転し、固定子基板のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ励磁相の各々に対して順に位相差９０°の四つの等周波数、等振幅の正弦波励起電圧を印加し、励起信号は励起電極と検知電極との間の一次電界結合を経て、位相差９０°の等周波数、等振幅の４本の電波信号を発生させ、この４本の電波信号は反射電極Iと受信電極I及び反射電極IIと受信電極II間との間の二次電界結合を経て、受信電極Iに位相差１８０°の等周波数、等振幅の第１進行波信号、第２進行波信号を発生させ、受信電極IIに位相差１８０°の等周波数、等振幅の第３進行波信号、第４進行波信号を発生させ、第１進行波信号及び第２進行波信号は減算回路によって第１経路の精密正弦進行波信号へと合成され、第３進行波信号及び第４進行波信号は減算回路によって第２経路の精密正弦進行波信号へと合成され、第１経路の精密正弦進行波信号又は第２経路の精密正弦進行波信号を処理することで精密角変位値（即ち、対向電極内角変位値）を得、第１経路の精密正弦進行波信号及び第２経路の精密正弦進行波信号は位相比較され、位相差処理することで対向電極の粗位置値を得、精密角変位値と対向電極の粗位置値とを組み合わせて絶対角変位値を得る。
前記検知電極の双余弦形極片が円周方向に沿って配置展開された後の形状は、等振幅且つ位相差１８０°の二つの余弦曲線を［−π，π］区間で囲んでなる全密閉軸対象図形である。
前記励起電極の隣り合う二つの扇環形極片間の間隔の中心角は、一つの扇環形極片の中心角に等しい。
前記反射電極Iは、径方向の高さが同一で中心角が等しい扇環形極片Iを円周方向に沿って等間隔に配置されて構成され、その内、第４ｎ３＋１扇環形極片Iは一組に繋がって前記Ａ１反射ユニットを構成し、第４ｎ３＋２扇環形極片Iは一組に繋がって前記Ｂ１反射ユニットを構成し、第４ｎ３＋３扇環形極片Iは一組に繋がって前記Ｃ１反射ユニットを構成し、第４ｎ３＋４扇環形極片Iは一組に繋がって前記Ｄ１反射ユニットを構成し、ｎ３は０〜Ｍ３−１からなる整数であり、Ｍ３は反射電極Iの対向電極の数を表し、Ａ１反射ユニットはＡ検知ユニットに繋がり、Ｂ１反射ユニットはＢ検知ユニットに繋がり、Ｃ１反射ユニットはＣ検知ユニットに繋がり、Ｄ１反射ユニットはＤ検知ユニットに繋がる。
反射電極IIは、径方向の高さが同一で中心角が等しい扇環形極片IIを円周方向に沿って等間隔に配置されて構成され、その内、第４ｎ４＋１扇環形極片IIは一組に繋がって前記Ａ２反射ユニットを構成し、第４ｎ４＋２扇環形極片IIは一組に繋がって前記Ｂ２反射ユニットを構成し、第４ｎ４＋３扇環形極片IIは一組に繋がって前記Ｃ２反射ユニットを構成し、第４ｎ４＋４扇環形極片IIは一組に繋がって前記Ｄ２反射ユニットを構成し、ｎ４は０〜Ｍ４−１からなる整数であり、Ｍ４は反射電極IIの対向電極の数を表し、Ａ２反射ユニットはＡ検知ユニットに繋がり、Ｂ２反射ユニットはＢ検知ユニットに繋がり、Ｃ２反射ユニットはＣ検知ユニットに繋がり、Ｄ２反射ユニットはＤ検知ユニットに繋がる。
受信電極Iは、環を同一とするファン形極片Iを円周方向に沿って等間隔な円弧状に配置されて構成され、当該ファン形極片Iの径方向の高さは扇環形極片Iの径方向の高さよりも低く、当該ファン形極片Iの形状は、［−π，０］区間における二つの同一の余弦極座標曲線セグメントIが、始点と終点において、同心の内側と外側の円弧と交差し且つ囲んでなる全密閉図形Iであり、前記二つの同一の余弦極座標曲線セグメントIの始点と終点で挟まれる中心角はαであり、その内、第２ｎ５＋１ファン形極片Iは一組に繋がり、第１進行波信号の出力電極となり、第２ｎ５＋２ファン形極片Iは一組に繋がり、第２進行波信号の出力電極となり、ｎ５は０〜Ｍ５−１からなる整数であり、Ｍ５は受信電極Iの対向電極の数を表し、Ｍ５＝Ｍ３である。
前記受信電極IIは、環を同一とするファン形極片IIを円周方向に沿って等間隔な円弧状に配置されて構成され、当該ファン形極片IIの径方向の高さは扇環形極片IIの径方向の高さよりも低く、当該ファン形極片IIの形状は、［−π，０］区間における二つの同一の余弦極座標曲線セグメントIIが、始点と終点において、同心の内側と外側の円弧と交差し且つ囲んでなる全密閉図形IIであり、前記二つの同一の余弦極座標曲線セグメントIIの始点と終点で挟まれる中心角はβであり、その内、第２ｎ６＋１ファン形極片IIは一組に繋がり、第３進行波信号の出力電極となり、第２ｎ６＋２ファン形極片IIは一組に繋がり、第４進行波信号の出力電極となり、ｎ６は０〜Ｍ６−１からなる整数であり、Ｍ６は受信電極IIの対向電極の数を表し、Ｍ６＝Ｍ４である。
本発明に係る技術案によれば、以下の有益な効果を奏する。即ち、
（１）検知電極が検知した四つの経路の進行波信号を二次結合して励起信号を生成し、二次結合した励起信号は、反射電極I、IIによって受信電極I、IIへと反射され、受信電極I、IIによって進行波信号が出力されることから、回転子基板に信号出力線を引く必要がなく、アプリケーション範囲を広くすることができる。
（２）第１経路の精密正弦進行波信号又は第２経路の精密正弦進行波信号を処理することで精密角変位値を得、第１経路の精密正弦進行波信号及び第２経路の精密正弦進行波信号を位相比較し、位相差処理することで対向電極の粗位置値を得、粗測定位置値及び精密測定位置値のいずれにも第１経路、第２経路の精密正弦進行波信号を用い、「粗測定＋精密測定」の組み合わせにより、絶対角変位値の測定を実現するだけでなく、信号のずれも減少し、更には測定精度を保証できる。
（３）受信電極I、IIに差動構造を用いており、測定の安定性が向上し、コモンモード干渉を抑制し、信号の増幅を強めることで、産業適応性を高めることができる。
（１）検知電極が検知した四つの経路の進行波信号を二次結合して励起信号を生成し、二次結合した励起信号は、反射電極I、IIによって受信電極I、IIへと反射され、受信電極I、IIによって進行波信号が出力されることから、回転子基板に信号出力線を引く必要がなく、アプリケーション範囲を広くすることができる。
（２）第１経路の精密正弦進行波信号又は第２経路の精密正弦進行波信号を処理することで精密角変位値を得、第１経路の精密正弦進行波信号及び第２経路の精密正弦進行波信号を位相比較し、位相差処理することで対向電極の粗位置値を得、粗測定位置値及び精密測定位置値のいずれにも第１経路、第２経路の精密正弦進行波信号を用い、「粗測定＋精密測定」の組み合わせにより、絶対角変位値の測定を実現するだけでなく、信号のずれも減少し、更には測定精度を保証できる。
（３）受信電極I、IIに差動構造を用いており、測定の安定性が向上し、コモンモード干渉を抑制し、信号の増幅を強めることで、産業適応性を高めることができる。
以下、図を用いて本発明を更に説明する。
図１〜図４に示すように、本発明に係る交番電界に基づくアブソリュート形タイムグレーティング角変位センサは、固定子基板１及び固定子基板１と同軸に取付けられる回転子基板２とを備え、回転子基板の下表面は固定子基板の上表面に正対して平行であり、且つ隙間を有し、回転子基板２の下表面は固定子基板１の上表面に正対して平行であり、且つ０．５ｍｍの隙間を有し、固定子基板１及び回転子基板２はいずれもセラミックを基板材料としている。
図１〜図４に示すように、本発明に係る交番電界に基づくアブソリュート形タイムグレーティング角変位センサは、固定子基板１及び固定子基板１と同軸に取付けられる回転子基板２とを備え、回転子基板の下表面は固定子基板の上表面に正対して平行であり、且つ隙間を有し、回転子基板２の下表面は固定子基板１の上表面に正対して平行であり、且つ０．５ｍｍの隙間を有し、固定子基板１及び回転子基板２はいずれもセラミックを基板材料としている。
図１〜図３に示すように、固定子基板１の上表面は、外環から内環へと順次、差動式の受信電極I１−２、励起電極１−１及び差動式の受信電極II１−３が設けられている。
励起電極１−１は、内環半径が１７．７２ｍｍ、径方向の高さが６．４ｍｍ、中心角が２．２５°の扇環形極片を円周方向に沿って等間隔に配置して構成され、当該間隔に対応する中心角（即ち、隣り合う二つの扇環形極片の間隔の中心角）は２．２５°であり、励起電極１−１の対向電極の数Ｍ１は２０であり、隣り合う各四つの扇環形極片は一つの対向電極を形成し、合計８０個の扇環形極片を備え、その内、時計回りの円周方向に沿って、第４ｎ１＋１扇環形極片は第１の励起信号接続線によって一組に繋がってＡ励磁相を構成し、第４ｎ２＋１扇環形極片は第２の励起信号接続線によって一組に繋がってＢ励磁相を構成し、第４ｎ３＋１扇環形極片は第３の励起信号接続線によって一組に繋がってＣ励磁相を構成し、第４ｎ４＋１扇環形極片は第４の励起信号接続線によって一組に繋がってＤ励磁相を構成しており、ｎ１は０〜１９からなる整数である。
受信電極I１−２は、同一のファン形極片Iを円周方向に沿って等間隔な円弧状に配置されて構成され、受信電極I１−２の対向電極の数Ｍ５は４であり、時計回りの円周方向に沿って、隣り合う二つの各ファン形極片Iは一つの対向電極を形成し、合計８個のファン形極片Iを備え、隣り合う二つのファン形極片I間の間隔の円弧長は０．２ｍｍ、一つのファン形極片I及び一つの円弧長の間隔に対応する中心角は４５°であり、ファン形極片Iの形状は、［−π，０］区間における二つの同一の余弦極座標曲線セグメントIが、始点と終点において、同心の内側と外側の円弧と交差し且つ囲んでなる全密閉図形Iである。即ち、［−π，０］区間における二つの同一の余弦極座標曲線セグメントIのうちの１本は、始点において内円弧と交わり、終点において外円弧と交わる。他方も始点において内円弧と交わり、終点において外円弧と交わる。これによって全密閉図形Iを取り囲む。全密閉図形I（ファン形極片Iに相当）は、内環半径が２５．７８ｍｍ、径方向の高さが２．１２ｍｍ、外環半径が２７．９ｍｍであり、二つの同一の余弦極座標曲線セグメントIの始点と終点で挟まれる中心角α（即ち、全密閉図形Iの内円弧に対応する中心角）は４４．５６°であり、その内、時計回りの円周方向に沿って、第２ｎ５＋１（即ち、奇数番号）ファン形極片Iは信号出力接続線によって一組に繋がって第１進行波信号の出力電極となり、第２ｎ５＋２（即ち、偶数番号）ファン形極片Iは信号出力接続線によって一組に繋がって第２進行波信号の出力電極となるものであり、ｎ５は０〜３からなる整数である。
受信電極II１−３は、同一のファン形極片IIを円周方向に沿って等間隔な円弧状に配置されて構成され、受信電極II１−３の対向電極の数Ｍ６は３であり、時計回りの円周方向に沿って、隣り合う二つの各ファン形極片IIは一つの対向電極を形成し、合計６個のファン形極片IIを備えている。隣り合う二つのファン形極片II間の間隔の円弧長は０．２ｍｍ、一つのファン形極片II及び一つの円弧長の間隔に対応する中心角は６０°であり、ファン形極片IIの形状は、［−π，０］区間における二つの同一の余弦極座標曲線セグメントIIが、始点と終点において、同心の内側と外側の円弧と交差し且つ囲んでなる全密閉図形IIである。即ち、［−π，０］区間における二つの同一の余弦極座標曲線セグメントIIのうちの１本は、始点において内円弧と交わり、終点において外円弧と交わる。他方も始点において内円弧と交わり、終点において外円弧と交わる。これによって全密閉図形IIを取り囲む。全密閉図形II（ファン形極片IIに相当）は、内環半径が１３ｍｍ、径方向の高さが３．０８ｍｍ、外環半径が１６．０８ｍｍであり、二つの同一の余弦極座標曲線セグメントIIの始点と終点で挟まれる中心角β（即ち、全密閉図形IIの内円弧に対応する中心角）は５９．１２°であり、その内、時計回りの円周方向に沿って、第２ｎ６＋１（即ち、奇数番号）ファン形極片IIは信号出力接続線によって一組に繋がって第３進行波信号の出力電極となり、第２ｎ６＋２（即ち、偶数番号）ファン形極片IIは信号出力接続線によって一組に繋がって第４進行波信号の出力電極となるものであり、ｎ６は０〜２からなる整数である。
図１、図２、図４に示すように、回転子基板２の下表面は外環から内環へと順次反射電極I２−２、検知電極２−１及び反射電極II２−３が設けられ、反射電極I２−２と受信電極I１−２は正対し、検知電極２−１と励起電極１−１は正対し、反射電極II２−３と受信電極II１−３は正対する。
検知電極２−１は、環を同一とする双余弦形極片を円周方向に沿って等間隔に配置して構成され、当該間隔に対応する中心角（即ち、隣り合う二つの双余弦形極片間の間隔の中心角）は４．５°、検知電極２−１の対向電極の数Ｍ２は４であり、隣り合う四つの各双余弦形極片は一つの対向電極を形成し、合計１６個の双余弦形極片を備える。双余弦形極片が円周方向に沿って配置展開された後の形状は、等振幅且つ位相差１８０°の二つの余弦曲線を［−π，π］区間で囲んでなる全密閉軸対象図形であり、１６個の双余弦形極片のトラフから中心までの距離はいずれも１９．２２ｍｍであり、各双余弦形極片の径方向の高さは３．４ｍｍ、対応する中心角は１８°であり、その内、時計回りの円周方向に沿って、第４ｎ２＋１双余弦形極片は第１の検知信号接続線によって一組に繋がってＡ検知ユニットを構成し、第４ｎ２＋２双余弦形極片は第２の検知信号接続線によって一組に繋がってＢ検知ユニットを構成し、第４ｎ２＋３双余弦形極片は第３の検知信号接続線によって一組に繋がってＣ検知ユニットを構成し、第４ｎ２＋４双余弦形極片は第４の検知信号接続線によって一組に繋がってＤ検知ユニットを構成するものであり、ｎ２は０〜３からなる整数である。
反射電極I２−２は、内環半径が２５．５３ｍｍ、径方向の高さが２．６２ｍｍ、中心角が２２．０５°の扇環形極片Iを円周方向に沿って等間隔に配置して構成され、当該間隔に対応する中心角（即ち、隣り合う二つの扇環形極片I間の間隔の中心角）は０．４５°、当該間隔に対応するの内環の円弧長は０．２ｍｍであり、反射電極I２−２の対向電極の数Ｍ３は４であり、隣り合う四つの扇環形極片Iは一つの対向電極を形成し、合計１６個の扇環形極片Iを備え、その内、円周時計回りの方向に沿って、第４ｎ３＋１扇環形極片Iは第１の反射信号接続線によって一組に繋がってＡ１反射ユニットを構成し、Ａ１反射ユニットは信号導線によってＡ検知ユニットに繋がり、第４ｎ３＋２扇環形極片Iは第２の反射信号接続線によって一組に繋がってＢ１反射ユニットを構成し、Ｂ１反射ユニットは信号導線によってＢ検知ユニットに繋がり、第４ｎ３＋３扇環形極片Iは第３の反射信号接続線によって一組に繋がってＣ１反射ユニットを構成し、Ｃ１反射ユニットは信号導線によってＣ検知ユニットに繋がり、第４ｎ３＋４扇環形極片Iは第４の反射信号接続線によって一組に繋がってＤ１反射ユニットを構成し、Ｄ１反射ユニットは信号導線によってＤ検知ユニットに繋がる構成であり、ｎ３は０〜３からなる整数である。
反射電極II２−３は、内環半径が１２．７５ｍｍ、径方向の高さが３．５８ｍｍ、中心角が２９．１°の扇環形極片IIを円周方向に沿って等間隔に配置して構成され、当該間隔に対応する中心角（即ち、隣り合う二つの扇環形極片II間の間隔の中心角）は０．９°、当該間隔に対応するの内環の円弧長は０．２ｍｍ、反射電極II２−３の対向電極の数Ｍ４は３であり、隣り合う四つの扇環形極片IIは一つの対向電極を形成し、合計１２個の扇環形極片IIを備え、その内、時計回りの円周方向に沿って、第４ｎ４＋１扇環形極片IIは第５の反射信号接続線によって一組に繋がってＡ２反射ユニットを構成し、Ａ２反射ユニットは信号導線によってＡ検知ユニットに繋がり、第４ｎ４＋２扇環形極片IIは第６の反射信号接続線によって一組に繋がってＢ２反射ユニットを構成し、Ｂ２反射ユニットは信号導線によってＢ検知ユニットに繋がり、第４ｎ４＋３扇環形極片IIは第７の反射信号接続線によって一組に繋がってＣ２反射ユニットを構成し、Ｃ２反射ユニットは信号導線によってＣ検知ユニットに繋がり、第４ｎ４＋４扇環形極片IIは第８の反射信号接続線によって一組に繋がってＤ２反射ユニットを構成し、Ｄ２反射ユニットは信号導線によってＤ検知ユニットに繋がる構成であり、ｎ４は０〜２からなる整数である。
測定の際、回転子基板２と固定子基板１は相対的に平行に回転し、固定子基板のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ励磁相の各々に対して順に位相差９０°の四つの等周波数、等振幅の正弦波励起電圧を印加し（即ち、四つの励起信号接続線の各々に対して順に位相差９０°の四つの経路の等周波数、等振幅の正弦波励起信号が印加される）、励起信号は励起電極１−１と検知電極２−１との間の一次電界結合を経て検知電極２−１に四つの経路の等周波数、等振幅の位相差９０°の電波信号を生じさせ、この四つの経路の電波信号は反射電極I２−２と受信電極I１−２及び反射電極II２−３と受信電極II１−３との間の二次電界結合を経て、第１進行波信号の出力電極に第１進行波信号Ｕｏ１ +を発生させ、第２進行波信号の出力電極に第２進行波信号Ｕｏ１ −を発生させ、第３進行波信号の出力電極に第３進行波信号Ｕｏ２ +を発生させ、第４進行波信号の出力電極に第４進行波信号Ｕｏ２ −を発生させる。
第１進行波信号Ｕｏ１ +及び第２進行波信号Ｕｏ１ −は減算回路によって第１経路の精密正弦進行波信号Ｕｏ１へと合成され、Ｕｏ１は下記式で表される。
Ｕｏ１＝ＫｅＵｍｓｉｎ［ωｔ＋（Ｍ１＋Ｍ５）θ］＝ＫｅＵｍｓｉｎ（ωt＋２４θ）
第３進行波信号Ｕｏ２ +及び第４進行波信号Ｕｏ２ −は減算回路によって第２経路の精密正弦進行波信号Ｕｏ２へと合成され、Ｕｏ２は下記式で表される。
Ｕｏ２＝ＫｅＵｍｓｉｎ［ωｔ＋（Ｍ１＋Ｍ６）θ］＝ＫｅＵｍｓｉｎ（ωt＋２３θ）
ここで、励磁信号の振幅はＵｍ＝５Ｖ、周波数はｆ＝４０ｋＨｚ、角周波数はω＝２πｆ＝８×１０４π、Ｋｅは電界結合係数、θは精密計測角変位値である。
Ｕｏ１＝ＫｅＵｍｓｉｎ［ωｔ＋（Ｍ１＋Ｍ５）θ］＝ＫｅＵｍｓｉｎ（ωt＋２４θ）
第３進行波信号Ｕｏ２ +及び第４進行波信号Ｕｏ２ −は減算回路によって第２経路の精密正弦進行波信号Ｕｏ２へと合成され、Ｕｏ２は下記式で表される。
Ｕｏ２＝ＫｅＵｍｓｉｎ［ωｔ＋（Ｍ１＋Ｍ６）θ］＝ＫｅＵｍｓｉｎ（ωt＋２３θ）
ここで、励磁信号の振幅はＵｍ＝５Ｖ、周波数はｆ＝４０ｋＨｚ、角周波数はω＝２πｆ＝８×１０４π、Ｋｅは電界結合係数、θは精密計測角変位値である。
第１経路の精密正弦進行波信号Ｕｏ１（第２経路の精密正弦進行波信号Ｕｏ２であってもよい）と１経路の同位相に固定された同周波数基準信号Ｕｒは、整形回路により矩形波へと整形された後、ＦＰＧＡ信号処理システムへと送られ、位相が比較される。位相比較後の位相差は、内挿された高周波クロックパルスの個数により表示され、変換によって精密な角変位値を得る。
第１経路の精密正弦進行波信号Ｕｏ１及び第２経路の精密正弦進行波信号Ｕｏ２は、整形回路により矩形波へと整形された後、ＦＰＧＡ信号処理システムへと送られ、位相が比較される。位相比較後の位相差及び１経路の矩形波へと整形され同位相に固定された同周波数基準信号Ｕｒは、再度比較され、位相比較後の位相差は、内挿された高周波クロックパルスの個数により表示され、変換によって対向電極の粗位置値を得る。
ＦＰＧＡ信号処理システムは、精密角変位値と対向電極の粗位置値とを組み合わせて絶対角変位値を得る（図５を参照）。
Claims (5)
- 交番電界に基づくアブソリュート形タイムグレーティング角変位センサであって、
固定子基板（１）及び固定子基板（１）と同軸に取付けられる回転子基板（２）を含み、前記回転子基板（２）の下表面と前記固定子基板（１）の上表面とは正対して平行であり、且つ隙間を有し、前記回転子基板（２）の下表面には検知電極（２−１）が設けられ、前記固定子基板（１）の上表面には検知電極（２−１）に正対する励起電極（１−１）が設けられ、前記励起電極（１−１）は径方向の高さが同一で中心角が等しい扇環形極片を円周方向に沿って等間隔に配置されて構成され、その内、第４ｎ１＋１扇環形極片は一組に繋がってＡ励磁相を構成し、第４ｎ２＋１扇環形極片は一組に繋がってＢ励磁相を構成し、第４ｎ３＋１扇環形極片は一組に繋がってＣ励磁相を構成し、第４ｎ４＋４扇環形極片は一組に繋がってＤ励磁相を構成し、ｎ１は０〜Ｍ１−１からなる整数であり、Ｍ１は励起電極の対向電極の数を表し、
前記固定子基板（１）の上表面には差動式の受信電極I（１−２）及び差動式の受信電極II（１−３）が設けられ、前記受信電極I（１−２）は励起電極（１−１）の外側に位置し、前記受信電極II（１−３）は前記励起電極（１−１）の内側に位置し、前記回転子基板（２）の下表面には前記受信電極I（１−２）に正対する反射電極I（２−２）及び前記受信電極II（１−３）に正対する反射電極II（２−３）が設けられ、前記検知電極（２−１）は環を同一とする双余弦形極片を円周方向に沿って等間隔に配置されて構成され、当該双余弦形極片の径方向の高さは前記扇環形極片の径方向の高さよりも低く、その内、第４ｎ２＋１双余弦形極片は一組に繋がってＡ検知ユニットを構成し、第４ｎ２＋２双余弦形極片は一組に繋がってＢ検知ユニットを構成し、第４ｎ２＋３双余弦形極片は一組に繋がってＣ検知ユニットを構成し、第４ｎ２＋４双余弦形極片は一組に繋がってＤ検知ユニットを構成し、ｎ２は０〜Ｍ２−１からなる整数であり、Ｍ２は検知電極の対向電極の数を表し、前記反射電極I（２−２）はＡ１反射ユニット、Ｂ１反射ユニット、Ｃ１反射ユニット及びＤ１反射ユニットを備え、Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１反射ユニットは、それぞれ対応するＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ検知ユニットに接続され、前記反射電極II（２−３）はＡ２反射ユニット、Ｂ２反射ユニット、Ｃ２反射ユニット及びＤ２反射ユニットを備え、Ａ２、Ｂ２、Ｃ２、Ｄ２反射ユニットは、それぞれ対応するＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ検知ユニットに接続され、
測定の際、前記回転子基板（２）と前記固定子基板（１）は相対的に平行に回転し、前記固定子基板（１）のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ励磁相の各々に対して順に位相差９０°の四つの等周波数、等振幅の正弦波励起電圧を印加し、前記受信電極I（１−２）に位相差１８０°の等周波数、等振幅の第１進行波信号、第２進行波信号を発生させ、前記受信電極II（１−３）に位相差１８０°の等周波数、等振幅の第３進行波信号、第４進行波信号を発生させ、前記第１進行波信号及び前記第２進行波信号は減算回路によって第１経路の精密正弦進行波信号へと合成され、前記第３進行波信号及び前記第４進行波信号は減算回路によって第２経路の精密正弦進行波信号へと合成され、前記第１経路の前記精密正弦進行波信号又は前記第２経路の前記精密正弦進行波信号を処理することで精密角変位値を得、前記第１経路の前記精密正弦進行波信号及び前記第２経路の前記精密正弦進行波信号は位相比較され、位相差処理することで対向電極の粗位置値を得、前記精密角変位値と前記対向電極の前記粗位置値とを組み合わせて絶対角変位値を得る、
ことを特徴とする交番電界に基づくアブソリュート形タイムグレーティング角変位センサ。 - 前記検知電極（２−１）の前記双余弦形極片が円周方向に沿って配置展開された後の形状は、等振幅且つ位相差１８０°の二つの余弦曲線を［−π，π］区間で囲んでなる全密閉軸対象図形である、
ことを特徴とする請求項１に記載の交番電界に基づくアブソリュート形タイムグレーティング角変位センサ。 - 前記励起電極（１−１）の隣り合う二つの前記扇環形極片間の間隔の中心角は、一つの前記扇環形極片の中心角に等しい、
ことを特徴とする請求項１に記載の交番電界に基づく交番電界に基づくアブソリュート形タイムグレーティング角変位センサ。 - 前記反射電極I（２−２）は、径方向の高さが同一で中心角が等しい扇環形極片Iを円周方向に沿って等間隔に配置されて構成され、その内、第４ｎ３＋１扇環形極片Iは一組に繋がって前記Ａ１反射ユニットを構成し、第４ｎ３＋２扇環形極片Iは一組に繋がって前記Ｂ１反射ユニットを構成し、第４ｎ３＋３扇環形極片Iは一組に繋がって前記Ｃ１反射ユニットを構成し、第４ｎ３＋４扇環形極片Iは一組に繋がって前記Ｄ１反射ユニットを構成し、ｎ３は０〜Ｍ３−１からなる整数であり、Ｍ３は前記反射電極I（２−２）の対向電極の数を表し、
前記反射電極II（２−３）は、径方向の高さが同一で中心角が等しい扇環形極片IIを円周方向に沿って等間隔に配置されて構成され、その内、第４ｎ４＋１扇環形極片IIは一組に繋がって前記Ａ２反射ユニットを構成し、第４ｎ４＋２扇環形極片IIは一組に繋がって前記Ｂ２反射ユニットを構成し、第４ｎ４＋３扇環形極片IIは一組に繋がって前記Ｃ２反射ユニットを構成し、第４ｎ４＋４扇環形極片IIは一組に繋がって前記Ｄ２反射ユニットを構成し、ｎ４は０〜Ｍ４−１からなる整数であり、Ｍ４は前記反射電極II（２−３）の対向電極の数を表す、
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の交番電界に基づくアブソリュート形タイムグレーティング角変位センサ。 - 前記受信電極I（１−２）は、環を同一とするファン形極片Iを円周方向に沿って等間隔な円弧状に配置されて構成され、当該ファン形極片Iの径方向の高さは前記扇環形極片Iの径方向の高さよりも低く、当該ファン形極片Iの形状は、［−π，０］区間における二つの同一の余弦極座標曲線セグメントIが、始点と終点において、同心の内側と外側の円弧と交差し且つ囲んでなる全密閉図形Iであり、前記二つの同一の余弦極座標曲線セグメントIの始点と終点で挟まれる中心角はαであり、
その内、第２ｎ５＋１ファン形極片Iは一組に繋がり、前記第１進行波信号の出力電極となり、第２ｎ５＋２ファン形極片Iは一組に繋がり、前記第２進行波信号の出力電極となり、ｎ５は０〜Ｍ５−１からなる整数であり、Ｍ５は前記受信電極I（１−２）の対向電極の数を表し、Ｍ５＝Ｍ３であり、
前記受信電極II（１−３）は、環を同一とするファン形極片IIを円周方向に沿って等間隔な円弧状に配置されて構成され、当該ファン形極片IIの径方向の高さは前記扇環形極片IIの径方向の高さよりも低く、当該ファン形極片IIの形状は、［−π，０］区間における二つの同一の余弦極座標曲線セグメントIIが、始点と終点において、同心の内側と外側の円弧と交差し且つ囲んでなる全密閉図形IIであり、前記二つの同一の余弦極座標曲線セグメントIIの始点と終点で挟まれる中心角はβであり、その内、第２ｎ６＋１ファン形極片IIは一組に繋がり、前記第３進行波信号の出力電極となり、第２ｎ６＋２ファン形極片IIは一組に繋がり、前記第４進行波信号の出力電極となり、ｎ６は０〜Ｍ６−１からなる整数であり、Ｍ６は前記受信電極II（１−２）の対向電極の数を表し、Ｍ６＝Ｍ４である、
ことを特徴とする請求項４に記載の交番電界に基づくアブソリュート形タイムグレーティング角変位センサ。
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