JP5643174B2 - 容量性変位エンコーダ - Google Patents
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Description
・単純な構成で凹凸の少ないパッケージ
・低製造コスト
[容量性回転角度エンコーダの基本概念]
容量性フル回転絶対角度エンコーダ(CFRAAE)は、回転子と固定子の間の容量相互作用に基づいて回転角度を出力信号に変換する。このエンコーダは、多速レゾルバだけでなく、シングルポールまたはマルチポール電磁レゾルバすなわち1回転に付き1回または複数回反復する出力信号を持つレゾルバをエミュレートするように構成することができる。
[容量性エンコーダのタイプ]
エンコーダにおいて要求される送信、回転依存の変調および静電界の感知が得られるようにCFRAAEの回転子および固定子素子を電気的に接続するための各種の方法は、技術上既知である。例えば、参照により本文書に組込まれる米国特許第3,873,916号および4,404,560号は、図1の一般的電気構成を有する。この構成において、送信プレート41および42は固定子を表し、受信プレート40は回転子を表す。この構成は、回転子を処理用素子機器に電気接続しなければならないという問題がある。自由回転を可能にするために、摩擦および非信頼性という既知の不利点を持つスリップ・リングを、電気接続を行うために使用しなければならない。
[容量性線形変位エンコーダ]
容量性線形変位エンコーダ(CLDE)も、技術上既知であるが、CFRAAE文献において示唆される可能なトポロジーの一部しか使用していない。例えば、参照により本文書に組込まれる米国特許第4,429,307号は、2つの相補的励起電圧によって励起される2つの正弦波導電性パターンを含むヘッドを有するCLDEについて説明している。電圧は、ルーラにおいて発生され、結合ストリップまたは送信機・プレートを通じてヘッドに容量結合される。ヘッド上のパターンは戻ってルーラ上の正弦および余弦受信機・プレートに結合する。従って、この可動ヘッドは、ルーラに容量結合され、電気配線を必要としない。この特許においては、受信機・プレートが外部干渉からどのように保護されるか、また結合ストリップから受信機・プレートへの直接結合がどのように排除されるかについての言及がない。また、正弦および余弦チャネルの利得は、そのそれぞれの結合ストリップの空隙に依存するので、空隙間に差があると相対的利得に影響を及ぼす。従って、確度はヘッドとルーラの間の傾斜に敏感に反応するので、非常に安定した正確な電子コンポーネントを必要とする。
静止物体に結合される少なくとも1つの静止素子、
移動物体に結合され静止素子に近接する移動素子、
静電界を発生する静電界送信機であり、静電界が、静止素子と移動素子の相対的移動に応答する静止素子と移動素子の間のキャパシタンスの変化によって変調される、静電界送信機、
移動物体および静止物体の両方から電気的に絶縁され、移動素子および静止素子を外部電気干渉から遮蔽するようにこれらの素子を囲む、導電性遮蔽;および
変調された静電界を感知しこれに応答して移動物体の位置の測定量を決定するために結合される処理回路、を含む。
シャフトの周りに配置される複数のセグメントを含む送信機であり、各セグメントが共通の周波数で、しかし他のセグメントとは異なる予め決められた位相を有する周期的静電界を発生する、送信機、
電界の各々の受信の強さがシャフトの回転の関数として送信機と受信機の間のキャパシタンスの変化によって変調されるように、複数のセグメントからの場に応答して信号を発する受信機、および
回転角度を示す出力を生成するように発生される電界と同期で信号を処理する、少なくとも1つの同期ディテクタを含むディテクタ回路、を含む。
所与の周波数でAC電気入力に応答して周期的静電界を発生する送信機、
セグメントの各々で受信される電界がシャフトの回転の関数として送信機と受信機の間のキャパシタンスの変化によって変調されるように送信機からの電界に応答して信号を発する、シャフトの周りに配置される複数のセグメントを含む受信機、
回転角度を示すAC出力を生成するように受信機・セグメントからの信号を処理する信号処理回路、および
ディテクタ回路にDC電圧を与えるようにAC入力を整流する整流回路、を含む。
静止物体に結合される少なくとも1つの静止素子、
移動物体に結合され静止素子に近接する移動素子、
静止素子または移動素子の1つと合体される静電界送信機、
別の静止素子および移動素子と合体され、素子上に円滑に変動する粗いおよび精密の周期的な電気的に能動的なパターンを含む静電界変調器であり、パターンが、それぞれ低および高空間周波数で素子の次元に沿って変動し、パターンが,実質的に空間調和なしに、低および高空間周波数に対応する変調周波数で、素子の相対的移動に応答して静止素子と移動素子の間のキャパシタンスの変化を誘導することによって静電界を変調する、変調器、および
変調された静電界を感知しこれに応答して移動物体の位置の粗測定量および精密測定量を決定するために結合される処理回路構成、を含む。
静止物体に結合される少なくとも1つの静止素子、
移動物体に結合され静止素子に近接する移動素子、
静止素子または移動素子の1つと合体される静電界送信機、
別の静止素子および移動素子と合体され、素子上に粗いおよび精密な周期的な電気的に能動的なパターンを含む静電界変調器であり、パターンが、それぞれ低空間周波数および高空間周波数で素子の次元に沿って変動し、パターンが,低および高空間周波数に対応する変調周波数で素子の相対的移動に応答して静止素子と移動素子の間のキャパシタンスの変化を誘導することによって静電界を変調する、変調器、および
粗パターンまたは精密パターンによって交互に変調されるように静電界を切り替え、変調された静電界を感知してこれに応答して移動物体の位置の粗測定量および精密測定量を交互に決定する処理回路構成、を含む。
静止物体に結合され、静電界送信機および受信機を含む、静止素子、
移動物体に結合され静止素子に近接し、移動素子上に粗い及び精密な周期的な電気的に能動的なパターンを含む静電界変調器を含む移動素子であり、パターンが、それぞれ低空間周波数および高空間周波数で素子の次元に沿って変動し、かつ低空間周波数および高空間周波数に対応する変調周波数で静止素子と移動素子の相対的移動に応答して静止素子と移動素子の間のキャパシタンスの変化を誘導することによって静電界を変調する、移動素子、および
変調された静電界を感知しこれに応答して移動物体の位置の粗測定量および精密測定量を決定するために結合される処理回路構成、を含む。
1つまたはそれ以上の固定子であり、そのうち1つが静電界を発生する静電界送信機を含む、固定子、
シャフトと一緒に回転するように結合され、その上に、シャフトの各回転ごとに1回反復する固定子と回転子の間のキャパシタンスの変動を誘導することによりシャフトの回転に応答して静電界を変調する回転非対称の電気的に能動的なパターンを有する回転子であり、パターンが、固定子に対して相対的な回転子の傾斜のために電界の変調に生じる変動を縮小するように複数のサブエリアに分割される、回転子、および
変調された静電界を感知し粗変動および精密変動に応答してシャフトの角度の粗測定量および精密測定量を決定するために結合される処理回路構成、を含む。
シャフトに結合され、シャフトの軸の周りで非軸対称であり予め決められた角度周波数でシャフトの周りで複数回反復する回転子の円周に配置されるパターンを含む電気的に能動的な領域を有する、回転子、
対応付けられる静電界を有する少なくとも1つの固定子であり、この静電界が回転子の回転により電気的に能動的な領域によって誘導されるキャパシタンスの変動により変調される、固定子、および
前記の領域の非軸対称性のためにシャフトの1回転に1回生じる電界の変調を感知して、これに応答してシャフトの回転角度の粗測定量を決定し、かつパターンによる電界の変調を感知して、回転角度の精密測定量を決定する、処理回路構成、を含む。
静止物体に結合され、対応付けられる静電界を有する少なくとも1つの静止素子、
移動物体に結合され、スペースによって相互に分離される複数の電気的に能動的なセグメントを含む移動素子であり、セグメントが、移動素子が動くとき静止素子と移動素子の間のキャパシタンスの変化により静電界を変調するパターンを形成する、移動素子、および
変調された静電界を感知しこれに応答して移動物体の位置の測定量を決定するために結合される処理回路構成、を含む。
移動物体に結合され、上に電気的に能動的なパターンを有する移動素子、
静止物体に結合され、移動素子を通して交互の静電界を伝送するように移動素子の相対する側に配置される第一および第二の静止素子、
電気的に能動的なパターンの移動による静止素子間のキャパシタンスの変動に応答する静電界の変調を感知し、これに応答して移動物体の位置の測定量を決定するために結合される処理回路構成、および
第一の静止素子において交互の電位を感知し第二の静止素子に相対する電位を加えることにより移動素子を全体的に定常の電位に維持する電位等化回路、を含む。
静止物体に固定されるルーラ、
ルーラに沿って移動するように移動物体に固定され、読取りヘッドの付近に静電界を発生する静電界送信機を含む、読取りヘッド、
ルーラ上に形成される電気的に能動的なパターンであり、このパターンがルーラに対して相対的な読取りヘッドの移動に応答して静電界を変調するようにルーラと読取りヘッドの間のキャパシタンスを変動させ、変調がルーラに対して相対的なヘッドの傾斜によって実質的に影響を受けないようにパターンが対称的である、パターン、および
変調を検出してこれに応答して移動物体に位置の測定量を決定するように、変調された静電界を感知するために結合される処理回路構成、を含む。
静止物体に固定され、ルーラ付近に静電界を発生する静電界送信機を含むルーラ、
ルーラに沿って移動するように移動物体に固定され、上に電気的に能動的なパターンが形成される読取りヘッドであり、このパターンがルーラに対して相対的な読取りヘッドの移動に応答して静電界を変調するようにルーラと読取りヘッドの間のキャパシタンスを変化させ、このパターンが、ルーラに対して相対的なヘッドの傾斜によって変調が実質的に影響を受けないように対称形を有する、読取りヘッド、および
変調を検出してこれに応じて移動物体の位置の測定量を決定するように、変調された静電界を感知するために結合される処理回路構成、を含む。
静止物体の曲面に固定されるルーラ、
ルーラに沿って移動するように移動物体に固定される読取りヘッド、
読取りヘッドの付近に静電界を発生する静電界送信機、
ルーラまたは読取りヘッドに形成される電気的に能動的なパターンであり、ルーラに対して相対的な読取りヘッドの移動に応答して静電界を変調するようにルーラと読取りヘッドの間のキャパシタンスを変化させる、パターン、および
変調を検出して前記の曲面に沿った移動物体の位置の測定量を決定するように、変調された静電界を感知するために結合される処理回路構成、を含む。
静止物体に固定されるルーラ、
ルーラに沿って移動するように移動物体に固定される読取りヘッド、
読取りヘッドの付近に静電界を発生しこれを受信するようにルーラに固定される送信プレートであり、粗読取りおよび精密読取り構成を有する、プレート、
読取りヘッド上の電気的に能動的な受信プレートであり、ルーラに対して相対的な読取りヘッドの移動が送信プレートと受信プレートの間のキャパシタンスを変化させるように構成され、受信プレートによって受信される静電界を変調する、プレート、および
粗読取り構成において電界の変調を検出して、これに応答して移動物体の位置の粗測定量を決定するように、また精密読取り構成において電界の変調を検出して、これに応答して移動物体の位置の精密測定量を決定するように、変調された静電界を感知するために結合される処理回路構成、を含む。
移動物体に結合される移動素子、
移動物体の付近に静電界を発生しこれを受信するように静止素子または移動素子に固定される送信および受信プレートであり、静止素子上のインデックス位置に少なくとも1つのインデックス・プレートを含んで、この少なくとも1つのインデックス・プレート付近において移動素子が遭遇する静電界が、静止素子に沿った他の位置での静電界と明白に異なる、送信および受信プレート、
素子の1つに形成される電気的に能動的なパターンであり、このパターンが静止素子に対して相対的な移動素子の移動に応答して静電界を変調するように、素子間のキャパシタンスを変動させる、パターン、および
変調された静電界を感知するためおよび移動素子がインデックス・プレート付近にあるときの電界の差を識別してこれに応答して移動素子がインデックス位置にあることを判定するために結合され、かつ変調を検出して、これに応答してインデックス位置に対して相対的な移動物体の位置の測定量を決定する処理回路構成、を含む。
シャフトの周りの複数の角度位置で共通周波数を有する周期的静電界を伝送するステップであり、各電界が他の信号とは異なる予め決められた位相を有する、ステップ、
前記の複数の位置からの電界を感知し、シャフトの回転の関数としてキャパシタンスの変化によって生じる電界の変調に応答して信号を発生するステップ、および
回転角度を示す出力を生成するように伝送される電界の周波数と同期に信号を処理するステップ、を含む。
所与の周波数のAC電気入力を受信するステップ、
AC入力に応答して周期的静電界を発生するステップ、
DC電圧をディテクタ回路に与えるようにAC入力の一部を整流するステップ、
複数の場所で電界を感知して、シャフトの回転の関数としてキャパシタンスの変化により生じる電界の変調に応答して信号を発するステップ、および
回転角度を示す所与の周波数のAC出力を生成するようにディテクタ回路を使って信号を処理するステップ、を含む。
移動物体の付近において静電界を伝送するステップ、
円滑に変動する粗い及び精密な周期的な、電気的に能動的なパターンを移動物体と合体するステップであり、パターンがそれぞれ低空間周波数および高空間周波数で物体の移動の次元に沿って変動し、実質的に空間調和なしに、低空間周波数および高空間周波数に対応する変調周波数で素子の相対的移動に応答して静止素子および移動素子の間のキャパシタンスの変化を誘導することにより静電界を変調する、ステップ、および
変調された静電界を感知し、これに応答して移動物体の位置の粗測定量および精密測定量を決定するステップ、を含む。
移動物体の付近において静電界を伝送するステップ、
粗いおよび精密な周期的な、電気的に能動的なパターンを移動物体と合体するステップであり、パターンがそれぞれ低空間周波数および高空間周波数で物体の移動の次元に沿って変動し、低空間周波数および高空間周波数に対応する変調周波数で素子の相対的移動に応答して静止素子および移動素子の間のキャパシタンスの変化を誘導することにより静電界を変調する、ステップ、
粗パターンによってまたは精密パターンによって交互に変調されるように静電界を切替えるステップ、および
変調された静電界を感知して、これに応答して移動物体の位置の粗測定量および精密測定量を交互に決定するステップ、を含む。
シャフトの軸に対して非軸対象であり回転子の円周に配置されるパターンを含む電気的に能動的な領域を持つ回転子をシャフトに結合するステップであり、このパターンが予め決められた角度周波数でシャフトの周りで複数回反復する、ステップ、
移動物体の付近において静電界を伝送するステップ、
前記の領域の非軸対称性により1回転に1回生じる電界の変調を感知して、これに応答してシャフトの回転角度の粗測定量を決定するステップ、および
パターンによる電界の変調を感知して、回転角度の精密測定量を決定するステップを、含む。
上に電気的に能動的なパターンを有する移動素子を移動物体に結合するステップ、
移動素子を通して静電界を伝送するように移動素子の相対する側に第一および第二の静止素子を配置するステップ、
第一の静止素子の電位を感知し、移動素子を全体的に定常の電位に維持するように第二の静止素子に相対する電位を加えるステップ、および
電気的に能動的なパターンの移動による静止素子間のキャパシタンスの変化に応答する静電界の変調を感知して、これに応答して移動物体の位置の測定量を決定するステップを、含む。
読取りヘッドを移動物体に固定するステップ、
曲面に沿ってたわみ性ルーラを固定するステップ、
ルーラまたは読取りヘッド上に電気的に能動的なパターンを配備するステップであり、このパターンがルーラに対して相対的な読取りヘッドの移動に応答して静電界を変調するようにルーラと読取りヘッドの間のキャパシタンスを変動させる、ステップ、
読取りヘッドの付近において静電界を発生するステップ、および
変調を検出してこれに応答して曲面に沿った移動物体の位置の測定量を決定するように、変調された静電界を感知するステップを、含む。
本発明の出願の目的に対し、容量型回転エンコーダおよび線形エンコーダを型式により分類することは有用である。各々の型式は、静電界送信プレートおよび受信プレートの位置と、電気的特性およびロータの接続により特徴づけられる。分類は以下に記載され、本発明の望ましい具体例の記述の明快と便宜のために用いられ、従来技術の容量エンコーダにも同様に適用することが出来る。しかしながら、そのような限定が明らかに述べられている箇所を除いて、本発明の原理が特定の型式に限定されるものではない。
〔CFRAAEの構成と静電シールドの考察〕
図4は、本発明の望ましい実施例に従う容量型フル回転絶対角度エンコーダ(CFRAAE)140の部分断面図である。エンコーダ140は、望ましくはプリント配線基盤で形成された、二つの一般的に平面のステータ141、142と平面のロータ148とを含んでいる。このエンコーダは、望ましくはスナップで接続された、短い円筒の筐体143とカバー144でできたハウジング139に含まれている。このハウジングは、ポリカーボネートのような、プラスチックの射出成型で望ましくは形成される。代案として、金属で形成されることも出来る。ステータ141、142は、電気的に導電性のスペーサリング145で分離されており、また以下に詳細に記載するようにエンコーダの電気シールドの一部として機能する。
1.用意されたシールド173は、メカニカルハウジングとは独立に用いられている。
2.シールドは全ての方向への保護を提供しながら、その内部のロータとの回転の結合を可能にする。
3.シールドは、エンコーダとして使用されるプリント回路基板168、169上の導電層154を含む、いくつかの要素からなる。
4.送信プレートのようないくつかの要素は、固定ポテンシャルである必要はない。
〔ロータの仮想的接地〕
ロータが接地されたエンコーダ(型式3)は多数の利点を有するにも関わらず、従来技術で既知のそのようなエンコーダの全てが、本発明の背景で記載された多数の付随する欠点を伴う、ロータに印加される物理的接触を通したグラウンドポテンシャルを必要とする。
〔信号コンディショニング〕
図8は、本発明の好ましい実施例による信号コンディショニング回路200を簡略に示す回路図である。回路200は、単速度CFRAAE、即ち、後述するように、2対の(粗および精密)出力を有する多重速度方式とは異なり、1対の出力信号のみを出力するエンコーダとの併用に好適である。回路200は、例えば、エンコーダの位相/直角位相励起(PQE)との併用による同期検出方法を可能にし、この回路は多重速度タイプのエンコーダとも併用できる。
〔多重速度エンコーダ〕
単極対CRAAFEsはその精度に限界があり、特にタイプ5のそれは固定子に対する回転子の傾斜に極めて敏感である。原理的に、多重極対エンコーダは、その出力信号が複数の極で平均化されるから、精度が比較的高く、機械的な不完全性の影響からはるかに自由である。しかし、後述するように、単極対エンコーダと組合わせない限り、絶対位置測定量を提示しない。
R=√(A2+B2)
但し、受信四分円のすべてを使用しない場合、ベクトル和Rは変調され、粗チャンネルの測定量を求めるのに利用できる。
〔区分された3次元回転子〕
図19は、本発明の好ましい実施例による、3次元導電パターンを有する回転子520を略示する斜視図である。この実施例では、導電パターンに沿って回転子を切り抜き、ベタの中心部分から複数の放射状突出部522を形成し、突出部間に開放凹部524を介在させる。この回転子構成は、湿気のある環境で作用しなければならないエンコーダでは特に有益である。公知技術において多く見られるように、回転子面が扁平な場合、水分が膜を形成して導電パターンを水浸しにするから、エンコーダは機能不能に陥る。回転子520を使用すれば、水膜が存在しても性能は同じであり、回転子は正確な測定量を提供し続ける。パターンのある領域と空白領域との間に現れる単位面積当りのキャパシタンス差は水膜のない時よりも大きくなるから、信号レベルが増大する。開放凹部524は精密チャンネルに適用されるだけであるが、このチャンネルはエンコーダの性能にとって最も重要である。本発明の一実施例では、基板を薄くすることによって粗チャンネル・パターンを部分的に凹ませ、濡れた、凹みのない領域よりも、凹んだパターンにおける単位面積当りキャパシタンスを小さくすることによって、水分の影響を軽減する。
〔容量性線形変位エンコーダ〕
回転角度測定に関する上記概念は、容量性線形変位エンコーダ(CLDE)にも応用できる。このようなエンコーダは、移動の全範囲にまたがる固定素子−ルーラ−と、実用的な範囲で短く形成された読取ヘッドと呼称される移動素子とを含む。ルーラは、例えば、後述するように、導電性ベローズなどで遮蔽することができるが、ルーラよりもはるかに短いヘッドを遮蔽する方がより便利である。従って、必須条件ではないが、CLDEのヘッド部分が受信手段を含むことが好ましい。傾斜エラーを自己補正する多極対CFRAAEとは異なり、CLDEには円対称性はなく、ルーラとヘッドの相対傾斜の影響から自由ではない。本発明の好ましい実施例はこの欠点を克服するように構成されている。
が好ましい。
1.C1にもC2にも影響するルーラ700とヘッド714との間のエア・ギャップ公差。エア・ギャップはC1およびC2に影響するから、差C1−C2を和C1+C2によって正規化することによってこのエラーを除くことができる。
Claims (7)
- シャフトの回転を感知するための容量性絶対角度エンコーダであって、
静電界を発生するように構成された静電界の送信器を有する少なくとも1つの固定子と、
前記静電界を受信し且つこれに応じて信号を発生するように構成された静電界の受信器と、
前記シャフトと一緒に回転するように構成された回転子であって、精密周期電気能動パターンおよび少なくとも1つの粗周期電気能動パターンを前記回転子上に有し、前記精密周期電気能動パターンが前記シャフトの周りに位置する整数倍の周期を有する連続した正弦波パターンを有し、前記送信器と前記受信器との間のキャパシタンスの周期的な円滑な変化を誘導させることにより、前記精密周期電気能動パターンおよび前記少なくとも1つの粗周期電気能動パターンが、前記シャフトの回転に応じて前記静電界を変調する回転子と、
前記受信器と結合され、前記信号における周期変化を感知し、且つ、この周期変化に応じて、前記シャフトの回転角度の粗及び精密測定量を求めて、前記シャフトの絶対的な回転の位置を決定する処理回路と、
を備える容量性角度エンコーダ。 - 前記少なくとも1つの固定子は、前記回転子の第1の側に位置し且つ静電界の前記送信器及び静電界の前記受信器の両方がその上に形成される固定子プレートを有する請求項1に記載のエンコーダ。
- 前記送信器は、少なくとも1つの周波数で前記静電界を周期的に発生するように構成され、前記処理回路は、発生された前記静電界と同期して前記信号を処理するように構成された少なくとも1つの同期検出器を有する請求項2に記載のエンコーダ。
- 前記少なくとも1つの固定子は、前記回転子の第1の側に位置し且つ静電界の前記送信器を有する第1の固定子プレートと、前記第1の側とは反対側の前記回転子の第2の側に位置し且つ静電界の前記受信器を有する第2の固定子プレートと、を備える請求項1に記載のエンコーダ。
- 前記精密周期電気能動パターンおよび前記少なくとも1つの粗周期電気能動パターンの内の少なくとも一方は、誘電性材料を有する請求項4に記載のエンコーダ。
- 前記送信器は、少なくとも1つの周波数で前記静電界を周期的に発生するように構成され、前記処理回路は、発生された前記静電界と同期して前記信号を処理するように構成された少なくとも1つの同期検出器を有する請求項5に記載のエンコーダ。
- 前記少なくとも1つの粗周期電気能動パターンは、一回転あたりに第1の整数倍の周期を有する第1の周期電気能動パターンと、前記第1の整数倍よりも大きい第2の整数倍の周期を有する第2の周期電気能動パターンとを有する請求項1〜6の何れか一項に記載のエンコーダ。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US09/294,749 | 1999-04-19 | ||
US09/294,749 US6492911B1 (en) | 1999-04-19 | 1999-04-19 | Capacitive displacement encoder |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2000612706A Division JP2002542476A (ja) | 1999-04-19 | 2000-03-30 | 容量性変位エンコーダ |
Publications (2)
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