JPH0224512A - 位置検出システム - Google Patents

位置検出システム

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JPH0224512A
JPH0224512A JP1129049A JP12904989A JPH0224512A JP H0224512 A JPH0224512 A JP H0224512A JP 1129049 A JP1129049 A JP 1129049A JP 12904989 A JP12904989 A JP 12904989A JP H0224512 A JPH0224512 A JP H0224512A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の属する技術分野］ 本発明は、静電容量を用いた位置測定及び動作制御に関
し、特に、二次元空気支持法（ベアリング）を用いたシ
ステム等を含む、ある素子の別な素子に対する位置の、
−次元方向及び二次元方向の双方に関する精密測定シス
テムに関する。
［従来技術の説明］ 達成しうる最高の精度を要求する数多くの機械的位置決
めシステムは、摩擦及びバックラッシュの影響を最小に
するために、例えば、ハインズ（Ｈｌｎｄｓ）によって
米国特許箱４．６５４．５７１号において提案されてい
るように、位置決め用のレーザー干渉計と共に空気ベア
リングを用いている。しかしながら、この種の干渉計は
必然的にコストが高くかつ複雑であり、複数個の素子を
独立に共通のワーキングエリアにおいて位置決め（位置
検出）することが要求された場合には、様々な困難が生
じる。当該後者の問題点は、複数個の可動素子のある相
対的な位置に対して、複数の独立した測定用光線が相互
にブロックしあうことが不可避であるという事実に起因
する。上述のような、複数個の独立した素子に対する必
要性は、例えば、ある型式の高精度自動化作製及びアセ
ンブリアプリケーションにおいて生ずる。
上述のものに代わる魅力的な方法は、各可動素子が、当
該素子の可動範囲である、パターンが描かれたワーキン
グサーフェスに対して、当該素子自体の位相を直接、二
次元的に決定可能であるようにすることである。ソーヤ
−（Ｓａｗｙｅｒ）によって米国特許第Ｒｅ　２７，４
３８号において最初に提案された型式の二次元アクチュ
エータが用いられる場合には、適切なパターンが自動的
に生ずる。しかしながら、この種のアクチュエータに対
して、即ち、実際には、あらゆる種類の複数独立可動素
子に対して、広いワーキング領域に亘って、正確・迅速
かつ低コストで位置を測定する方法は、従来技術におい
ては存在しない。
別な分野においては、静電容量トランジューサが有効で
あることが知られている。距離の測定に対する静電容量
トランジューサの利用は確立された技法であり、アール
・ヴイー・ジョーンズ（Ｒ。
Ｖ、Ｊｏｎｅｓ）及びジェイ・シー・ニスやリチャーズ
（Ｊ、Ｃ，Ｓ、Ｒｌｃｈａｒｄｓ）による“静電容量マ
イクロメータの設計と応用”　（ジャーナルφオブ争フ
ィジックスＥ　（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｌｃ
ｓ　Ｅ）　、サイエンスφインスツルメンツ（Ｓｅｌｅ
ｙｃｅ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）シリーズ２第６＠第
５８９−６００頁（１９７３年）、及びエイーｚムート
ンブソン（Ａ、Ｍ、Ｔｈｏｍｐｓｏｎ）による“微少容
量の精密測定”　（アイ・アール・イー・トランザクシ
ョンズ−オン・インスッルメンテーション（ＩＲＥ　Ｔ
ｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ
ａｔｉｏｒ＋）第１−７巻第２４５−２５３頁（１９５
８年））において議論されているように、非常に高い分
解能を実現することが可能である。この高感度は固有の
ものであり、最終的に、キャパシタそれ自体は雑音を発
生しないという事実によるものである。この種の静電容
量を用いた方法は公知であり、アンデルモ（Ａｎｄｅｒ
ｍｏ）によって米国特許第４．４２０，７５４号に示さ
れているように、−次元の横方向の動きに対するデジタ
ルリニアエンコーダの設計がなされるところまで拡張さ
れている。
しかしながら、従来技術に係る方法は、以下に示されて
いるような、新しくかつ４つの重要な側面において従来
とは異なるケースに対しては応用不能である： 第１に、位置エンコーダは、完全に二次元的であり、直
交方向の独立性を有して、すなわち、Ｘ方向の移動がＹ
方向の読みに影響を与えることなく、その逆も成り立つ
ようにしてＸ方向位置及びＹ方向位置を読み出しうるこ
とが要求されている。
第２に、位置測定装置は、プラテン自体に関するあらゆ
る種類の特定の配線、相互接続あるいは電気的にフロー
ティングである電極等の使用を要求するものであっては
ならない。第３に、出力情報は、電極の間隔やそれに関
するセンサの“ロール”“ピッチ”あるいは“ヨー２に
対して依存していないものでなければならない。そして
最後に、センサが、数百ものポストに関する平均を行な
うほどに充分に広い範囲に関するものであることが要求
される。（この最後の要求事項により、高精度位置決め
のために、プラテンのポスト間−様性に関して課せられ
る不条理な要求が緩和される。）さらに、是非とも必要
なことは、センサ作製費用の低廉性、高速応答性、独立
した高さ方向の読取り（その時点におけるエアーベアリ
ングの厚さを示す）及び読取り用エレクトロニクスの簡
潔性である。
（発明の概要） 本発明は、ワーキングサーフェスに刻まれた二次元的な
対称パターンの−様な繰り返しに対して移動を参照し、
当該パターンを静電容量を用いて調べることによって前
述の問題点を直接解決するものである。パターンが描か
れた基板、すなわち“プラテン“は、導体あるいは絶縁
体表面のいずれかにおけるポストあるいはホールのいず
れかの、−様な二次元配列よりなる。本発明に係るシス
テムにおいては、（例えば、エアーベアリング（空気支
持法）によって支持されている）当該表面上を移動する
素子は、当該基板に対して電気容！ａ定を連続的に複数
回行なうことによって、当該素子自体の位置を決定する
。
前述のように、空間的に変調された静電容量効果を用い
る本発明に係る方法は、直線的、平均的、回転方向及び
円筒状物体に関する位置測定及び移動制御に直接拡張さ
れる。
前述の全ての要求事項は、本発明に係る、反復パターン
多重容量センサによって充足される。第１多重電極セン
サは、単一の所定方向のみの移動量の増加を、残りの（
不要な）５つの自由度全てに関して本質的に独立に読み
出す。第２多重電極センサは、第１センサに対して直交
方向の移動を検出し、同時に独立したＹ方向読み出しを
行なう。
双方のセンサが、３相読み出し技法及び多重電極の“シ
ェブロン（ｃｈｅｖｒｏｎ）”状のプリント回路による
実現によって可能となるデジタル増分位置エンコーディ
ング及び高分解能位置補間を行なうことが望ましい。
この方法は、平面の代わりに真円円筒に関する読取りに
直接拡張することが可能であり、さらに、完全に直線上
の、あるいは円周方向の移動のような一次元の場合にも
拡張されうる。実際、後者の円周方向に移動の場合には
、完全な３６０°の円・の円周に沿った全ての“歯”に
対する、本発明の自動同時移動測定能力により、比較的
低い費用で高微分直線性を有する所定の特性が得られる
。　本発明の第１の特徴に従って、ある物体の、同一素
子の繰り返上配列に対する位置が、所定の測定方向の各
々に対して空間的に変調された静電容量効果によって決
定される。このことは、二次元の場合には、各々が測定
方向に関しである間隔をおいて配置された導体素子によ
りなり、それら全てが共通の１：１：１：１変成器を通
じて駆動される、２組の、同一の電極を複数個含む、光
リソグラフィーによって作製された“シェブロン°配列
電極の使用によって実現される。当該配列電極は、パタ
ーンが描かれた基板に関する、もしくは当該基板を含む
電気的なグランドブレーン（接地面）に近接した状態で
移動することが可能である。水平方向の位置及び間隔情
報の双方が、電極構造の個別の素子へ流れるＲＦ変位電
流の和及び差の双方を同期検出することによって、同時
に導出される。
ＲＦ振幅自体は、間隔及び水平位置情報を同時に読み出
す間の、センサの移動による間隔変位を補償するように
、サーボシステムによって安定化されている。
導体素子の配列配置の各々の重要な特性は、当該素子配
列よりなるセンサが（所定の）一方向に関する位置情報
のみを読み出し、横（不要な）方向の移動に関して本質
的に応答しないでいることである。この特性により、当
該導体素子配列を２組互いに直交させて取り付け、当該
センサが任意の二次元グランドブレーン上を移動するに
つれて二次元高分解能位置情報を同時に得ることが可能
となる。分解能及び補間能力は、一方では素子配列の周
期や、他方では基板に描かれたパターンの周期の適切な
選択によって決定される。
本発明の別な特徴は、本発明に係る装置を用いた測定が
、空気支持法を用いる限り不可避であるセンサの角度方
向の微少移動（“ロール”ピッチ°及び“ヨー＃）及び
間隔の変位によって殆ど影響されないことである。この
ような望ましい性質は、高度に交互嵌合されたシェブロ
ン配列配置の使用、及びマルチファイラー変成器の使用
による、各電極（すなわち、各導体素子）へ印加される
駆動電圧の非常に優れた一様性及び電極変位電流の総和
のサーボシステムによる安定化によるものである。
本発明に係る方法のさらに別の重要な特徴は、殆ど付加
的な費用をかけずに、非常に大きな電極配列の使用に適
する、ということである。この性質により、パターンが
描かれたグランドブレーン及び位置測定用電極構造それ
自体における非−様性及び”空間雑音”を自動的かつ連
続的に平均する効果が得られる。本発明に係るシステム
は、そそれ自体、位置測定に関して高微分直線性を有す
ることが可能である。このことは、電極配列と同一の移
動材上にマウントされた、もしくはその−部であるツー
ルあるいはワークピースの制御に関して重要である。
本発明に係る位置決め測定は、工場なとの環境に限定さ
れているのではなく、物体の位置を精密に知ることが要
求される全ての応用例に対して適応されうろことは明ら
かである。
本発明に係る方法は、円筒表面に関する二次元位置測定
に対して直接適用することが可能であり、さらに、−次
元直線上及び−次元円周上の測定の双方に対しても適用
可能で数多くの利点を有する。
本発明に係る方法は、パターン描画された電極が、電気
的に接地されているかあるいはＲＦによって駆動される
かに依存して、２つの相異なった状況に適用される。前
者の場合には、マルチファイラー変成器を用いた駆動方
式が有効であり、当該方法の中心となる。後者の場合に
は、パターン描画されたベース電極（あるいはその後者
の電極）それ自体が、シリーズ変成器を用いる代わりに
駆動されることが有効である。
位置測定に（例えばある型の磁気センサを用いるのと異
なって）静電容量センサを用いることの本質的な特徴は
、その固有の測定速度の高さである。このことは、当該
静電容量センサが高周波で動作し、それゆえ、高速°応
答が得られる、という事実に直接起因する。このような
高速応答性は、高速移動時に高回転周波数を必要とする
超微細歯状突起を有する可変磁気抵抗モーターを含む、
数多くの移動制御応用に対して特に有効である。本発明
の、上述の、及びそれ以外の特徴は、以下の実施例の説
明及び添付図面によって明らかとなる。
（実施例の説明） 本発明に係る静電容量位置測定システムの基本は、第１
図を参照することによって理解される。
第１図において、検出電極配列１はクオドリファイラー
１：１：１：１変成器２に接続されており、パターンを
形成され、電気的に接地されているプラテン３から微少
高さｈのところに位置している。
変成器２は、１００ＫＨｚから１００ＭＨｚの範囲で動
作するＲＦ発振器４によって駆動される； 当該変成器の接続は、３つのセンサ電極Ｅｌ。
Ｅ２．Ｅ３が全て一致して電圧駆動される、すなわち、
全ての検出電極が、電気的に同一振幅及び同一位相で駆
動されるようになっている。当該配置を用いることによ
り、センサ電極Ｅｌ、Ｅ２゜Ｅ３をグラウンドに対する
不要な浮遊容量からシールドすることが、ケーブルの編
組５及びセンサの静電シールド６を、１：１：１：１変
成器２の一次側から直接駆動することによって、簡単に
行ないうる。このようにして、全て仮想グラウンドへ流
れるＲＦ出力電流７．８．９は、それ自体、電極Ｅｌ、
Ｅ２．Ｅ３のグラウンドに対する静電容量の結果生ずる
、プラテンへ流れ込むＲＦ常電流指標となる。
これらの静電容量は、その一部は、プラテンのポストに
対する検出電極１５．１６．１７の重なり（第２図にお
いてプラテン３を覆うように示されている）によるもの
である。検出電極の幅は１ポストの幅に等しく示されて
いるが、当該電極の長さは、ポスト（凸部）の長さにバ
レー（凹部）の長さを加えたものの整数倍であることを
指摘することは重要である。このため、全ての電極の、
重なりによるグラウンドに対する静電容量は、当該セン
サが測定方向へ移動する場合にのみ変化し、当該方向に
直交する方向への移動に対しては、本質的に不変となる
。
第２図においては、測定電極Ｅｌ、　Ｅ２．　Ｅ３の各
々は、個々の幅とは係わりなく、第３図の側面図におい
て模式的に示されているように、実際に、プラテンの空
間周期の正確に２倍に亘っている。すなわち、測定電極
１５．１Ｂ、１７はプラテン３の２周期上に配置されて
いる。
実際には、プラテンのバレー（凹部）は、（誘電率にの
）エポキシ材料で充填されている。なぜなら、当該プラ
テン表面は、微少間隙エアーベアリングとして機能する
ように、非常に滑らかであることが要求されるからであ
る。その結果、電極−プラテン間の静電容量は修正され
、さらに、当然のことながら、静電容量の最大値Ｃｍａ
ｘ及び最小値Ｃｍ１ｎは、著しい周辺電場効果を含む三
次元的な状況に対応することとなる。位置信号それ自体
は、最終的には、第４図に模式的に示されている２つの
代表的な位置における電極に対する最大及び最小容量の
比より導出される。第４図に示された二次元システムに
おいては、静電容量の比は、によって近似的に表わされ
る。ここで、ｄはバレーの深さでありΔ−ｄ／３　ｈ　
ｋという量は、最終的に位置信号を生成する変調指数で
ある。第４図に示されたシステムに対する当該指数は、
約０．２であり、当該指数を常識的に可能な範囲で大き
くすることが有効である。
エアーベアリング（空気支持法）を用いる状況において
は、第２図に示された電極配列が、第５図に示されてい
るように、ある角度ねじれることがある。このことから
、ある１以上に回転すると、各電極素子がいつも次のポ
スト列に重なっているために、当該センサが結局直線上
の移動に対して感応しなくなることが明らかである。よ
って、与えられたセンサ領域に対して、電極構造を、移
動方向に狭く、それと直交する方向にもあまり拡げない
ように配置することが有効である。このことによって、
回転方向の許容移動範囲が最大となる。
しかしながら、移動方向と直交する方向に対してセンサ
ーが１ブレテン周期のみに亘るだけであるほどに小さい
と、当該方向に対する移動に対して過度に敏感になるの
で、当該センサは過度に小さくできない。さらに、当然
のことながら、センサの電極構造それ自体に関する寸法
許容性に過度に厳密な要求を課すことは不経済である。
なぜなら、当該構造は、通常標準的なプリント回路基板
光リソグラフィー技法によって作製されるものであり、
そうである限りは、センサ電極長に、微少かつ制御不能
な、しかし重大な変位をもたらしうる過剰もしくは過少
エツチングの影響を避は得ないからである。　この問題
は、センサ電極を位置センサの表面及び裏面を示す第６
図及び第７図に示されているような曲がりくねった、す
なわち“シェブロン“パターンに配することによって解
決される。
ここで２７．２８は、当該センサの共通の端部である。
このシェブロン技法を用いることにより、位置センサ１
上の３重電極Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３１５．１６．１７が、横
方向の１プラテン周期内の可能な位置を全てサンプリン
グすることが可能となる。このことと、各センサ電極長
をポスト長とバレー長の和の整数倍とすることにより、
当該システムが横方向の移動に対して殆ど感応しなくな
る。
第１図から思い起こされるように、全ての電極Ｅ１、Ｅ
２、Ｅ３は、電気的に協調して駆動されるため、電極間
相互の静電容量は問題とならない。
なぜなら、各々の電極がポテンシャル差を感じることが
ないからである。その結果、全ての３重電極が、第７図
のプリント回路センサ１の裏面上に示されている３つの
プリント回路バス２Ｌ　２２．２３に対して（数多くの
スルーホールによって）適切に接続されているように配
置することが簡便となる。このセンサデザインは、２０
　ｆｆ１ｉｌ　（２０７１０００インチ、約０．０５ａ
＋ｓ）幅の電極を用い、７×６４プラテン周期よりなる
総計４４８個のプラテン素子に亘っている。プラテンパ
ターンの総計的空間独立性を仮定すると、単一のパター
ン素子をセンスすることによって得られる位置決め精度
が １５７倍（すなわち２０倍以上）改善されることになる
。
特別に開発された自己シールド変成器結合静電容量測定
法の動作が（１つの電極１５のみを有する単純化された
場合に対して）第８図に示されている。ここで問題とな
る量は、グランドに対する静電容量Ｃ１であり、当該容
量のみを、他の全ての容量からの干渉効果から独立して
測定することが要求されている。−次巻線３０及び二次
巻線３１を有するパイファイラー１＝１変成器を用いる
ことにより、ドツトによって示された側の巻線端電位が
、正確に協調して変化することに留意されたい。その結
果、ケーブルの編組２８とケーブルの心線３０との間に
は全く電圧差が生じない。同様に電極１５と静電シール
ド２９との間に電圧差が生じないために、キャパシタＣ
４を通じて流れるＲＦ電流は存在しない。同様に、巻線
相互間の静電容量Ｃ２及びＣ３を通じて流れる電流は無
視しうるちのである。
なぜなら、双方の巻線間の対応する点は、全て協調して
変化するからである。もちろん、Ｃ５を通じて大きな電
流が流れるが、当該電流は、発振器４の出力から直接流
れるものであり、それゆえ、当該変成器の二次側回路に
は現れない。その結果、（仮想）グランドへ３２におい
て流れ込む電流Ｉは、Ｃ１のみを通じて流れる電流の指
標となる。第６図及び第７図に戻って、シェブロンセン
サの各々の面にさらに２つの“ウィンドフレーム“電極
２４及び２５が存在することも明らかである。この２つ
の電極は電気的に共通で第８図の発振器４によって静電
シールド２９と共通に駆動され、付加的ＲＦシールドと
して機能する。なぜなら、これらは全ての３重電極と正
確に協調して電気的に変化するからである。
第８図に示された方法の特徴、及び当該方法の主たる開
発理由は、当該方法により、グランドに対する静電容量
が単純かつ直接的に測定可能であるからである。このこ
とはそれ自体有用であるが、さらに、グランドに対する
間隔を本質的にリニアな方法で測定することが可能とな
るよう拡張されうる。（このことは、本質的に逆数関係
を示す、従来技術に係る、静電容量を利用した距離測定
法と明確に区別されうる点である。）当該拡張された方
法は第９図に示されている。
ここでは、変成器３１の二次巻線のドツトによって示さ
れた側ではない方の末端部が、ベース接地トランジスタ
３６のエミッタによって形成される仮想グラウンドに接
続されている。（この図及び以下に示される図において
、全てのトランジスタに対する電流及び電圧バイアス回
路は、簡潔にするために省略されている）このようにし
て、電極１５からグラウンドに流入するＲＦ雷電流、整
流器３７によって整流され、ポイント３８において固定
参照電圧入力から減算される。当該残差は誤差積分器３
９によって増幅させられ、ＲＦ発振器４の振幅を制御す
るために用いられる。よって、ＲＦ振幅自体は、電極１
５からグラウンドに対して、一定の変位電流が流れるこ
とをいつも保障するように、定常的にサーボコントロー
ルされている。電極１５のグラウンドに対するインピー
ダンスは、（平行平板コンデンサ近似の範囲内で）距離
りに正確に比例するために、当該システムの出力は、補
正あるいは逆数をとる必要もなしに本質的に距離に関し
てリニアである。
このリニアな高さ測定法は、第１０図に示されたシェブ
ロン電極位置決めシステムの必要不可欠な部分として組
み込まれている。第１Ｏ図において、電極１５．１６．
１７は、１：１：１：１変成器４３によって協調して駆
動され、その結果、ＲＦ雷電流、ベース接地ステージ４
４．４５．４Ｂを通じて流れる。
差分電流が１：１：１変成器Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４によって
受動的に（しかも非常に安定に）生成され、ベース接地
ステージ５０．５１．５２をドライブする。
これらのトランジスタの出力が、ＲＦ位置情報電流φ１
、φ２、φ３を構成する。他方、３重電極１５．１Ｂ、
１７へ流れるＲＦ雷電流総和は、トランジスタ５３のエ
ミッタにおいて和をとることによって生成され、第９図
に関連して既に述べられているるように、高さ出力情報
を生成するためにＲＦ駆動電圧５４の振幅をサーボ制御
するのに用いられる。
本方法の別の利点は、横方向の位置信号自体において非
常に優れた同相除去比が得られることである。なぜなら
、当該横方向の位置信号は、差分をとることにより生成
されるからである。このため、可動位置センサユニット
をメインシステムのエレクトロニクス部に接続するため
に、不要な感応効果による問題なしに、必要とあらば、
かなりの長さのフレキシブルケーブルを用いることが可
能となる。
これまでに述べた素子を全て組合わせることによって、
第１１図に示されている位置及び高さ検出システムが構
成される。（空間的）３相位置出力は、ＲＦキャリア周
波数で動作する同期検出器５８．５９．６０及びＲＦフ
ィルタ６３．６４．６５によって生成される。ＲＦ駆動
電圧自体は、（ＸＹ力方向移動測定のために、複数個の
位置決めセンサを駆動する）共通の発振器６１によって
得られる。当該発振器は、第９図及び第１Ｏ図に関して
既に述べられているように、電極１５．１Ｂ、１７への
サーボ制御されたＲＦ駆動電圧を制御する。
当該システムの最終的出力は、第１２図に示されている
ように、プラテン上の検出電極の高さｈを表わ°す信号
及び本質的に正弦波的な３つの位置信号６９．７０．７
１である。これらの位置信号は、各々、１プラテン周期
と同一の周期を有し、空間ドメインでＯ＠、１２０　”
　、２４０　＠にインターリーブされている。当該シス
テムの重要な特性は、各位置信号の高いサイクル間再現
性である。このことは、第６図に示された型の大きな電
極配列の使用による空間平均に直接よるものである。そ
の結果、微分直線性は、高く、すなわち、第１２図にお
けるＡＢとＢＣとのような対応する区間間の距離７３及
び７４等は実質的に等しい。（このことは、各プラテン
周期内の位置情報を正確に補間することが要求される場
合には、非常に重要である。）　以上述べてきた位置決
めシステムは、数多くの方法で応用されうる。その−例
は、第１３図に示されているように、４組のシェブロン
センサ７８．７９．８０．８１を４角形の４辺に沿って
設置することである。このことにより、空気支持法によ
って支持された二次元的アクチュエータに対してＸ、Ｙ
及び角度の読取りをすることが可能となる。
同様に、適切に湾曲させられたセンサ８３．８４を用い
ることによって、第１４図に示されているように、円筒
８５の表面上での位置決めをすることが可能となる。こ
れら双方の応用例において、シェブロンセンサ配置を用
いることによって、２つの独立した自由度に関する読取
りの高度の独立性が得られる。
３相出力を与えることは、多相モーター回転得の数多く
の応用例に対して特に都合が良いが、別な状況において
は、２相の正弦−余弦フォーマットがしばしば要求され
る。当該フォーマットは、本発明においては、第１５図
に示されている方法で与えられ、−船釣な市販の電子位
置決めシステムを駆動するのに適した形の標準的チャネ
ルＡ１チャネルＢ出力が得られる。（当該回路の動作は
、当該回路がＤＣまで動作することを除いて“スコツト
Ｔ°変成器を用いた磁気システムの“シンクロ”フォー
マットから“リゾルバー”フォーマットへの変換に係る
ものと同様である。）上述のシステムは、二次元位置決
めシステムへの応用を一義的に企図したものであるが、
本発明の一次元システムへ直接応用もできる。魅力的な
応用例の１・つは、第１８図に示されているように、静
電回転微少位置決めロータリーサーボモーターである。
静電容量センサシステム８９．９０．９１を用いること
によって、標準的な１５°のステッピングモーターが高
分解能サーボモーターに変換される。
ここで特に留意すべきことは、当該システムが常時検出
電極全てに対する平均を自動的に行なうことであり、そ
れによって可能な限り最高の微分直線性が得られる。こ
のことは、第１８図に示されている区分けされた円盤状
のものの代わりにドラムを区分けして作成したロータリ
ー静電容量センサについても同様である。
一次元の場合が回転方向の測定に限られている訳ではな
い。純粋に直線的な応用例においても、全く同一の方法
が、用いられることは明らかである。概念的に最も単純
な応用例は、本質的には第１図及び第１１図に示されて
たものと同一のシステムを用いるものである。但し、こ
の場合においては、センサは、２方向ではなく１方向の
みに溝を切られたグランドプレーン上を移動することの
みが異なる。同様に、第１７図に具体的に示されている
ように、センサ自体は固定されていて（空間的に変調さ
れた静電容量パターンを有する）基板が、長い、柔軟な
、パターンを有する金属（もしくは絶縁体の）テープ９
５のような形態をとることも可能である。このようなテ
ープは、必要とあれば、大工職人が用いるフレキシブル
なスチール定規のように巻き取られうるが、第１８図に
示されているように、高分解能電気読み出しが可能であ
る。
次に、ＲＦ雷電流−センサから獲得される方法が問題と
なる。今までに議論されてきた全てのシステムは、第１
９図に示されているような、検出電極の駆動に変成器を
用いる形態を有している。これは通常応用可能な方法で
あり、第１１図においては柔軟なタイミングベルト９８
（静電容量的にパターンを有する基板と可動素子の双方
を兼ねる）及び同一のエレクトロニクス９９とによる利
用例が示されている。背景グランド電極ｌＯＯを用いる
ことによって、電極１５．１Ｂ、　１７の感じる静電容
量をより正確に決定するのが良い。
しかしながら、この状況及び非接地電極を有することが
可能な数多くの類例においては、第２０図に示されてい
るように、当該システムにおける変成器を省略すること
が可能である。この場合には、検出電極１５．１６．１
７は測定エレクトロニクス系（すなわち、第１θ図のト
ランジスタ４４．４５．４６）を直接駆動し、サーボ制
御されたＲＦ駆動電圧は、背景板１００に印加される。
この方式は、適切な電極が得られる場合に限り、有効で
ある。
本発明に係る位置決め装置の本明細書における最終変形
例は、正確に３つ（及びその倍数）の検出電極Ｅ１、Ｅ
２、Ｅ３を他の好みの数にすることである。不明確さを
有さずに位置決めを行なうためには、３という数は、必
要最小限の数であり、さらに、０＠、１２０　＠、２４
０　＠という空間出力が３相モーターを回転するのに便
利であるという点も有利である。しかしながら、同一の
駆動及び検出方法を用いながら、別な多相方式を用いる
ことも可能である。このような装置は第２１図に示され
ており、４つの電極Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４よりなる基
本形が、正確に３プラテン周期に対応する。
（このことを３つの電極が２プラテン周期に亘っている
第１１図と比較されたい）ＥｌとＥ３、及びＥ２とＥ４
の信号の差をとることによって、空間位相で９０”離れ
た２出力信号が得られる。すなわち、当該システムは、
第１５図の正弦波及び余弦波出力と同一の一信号を生成
する。このことは、２つの９０°出力のみが要求される
状況において利用されうる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、クオドリファイラー変成器によって駆動され
、二次元プラテン上の一方向の位置測定に用いられるシ
ェブロン静電容量センサを示す構成図： 第２図は、プラテンの横方向の正確に４周期に亘る、２
群の３位置検出電極を示す平面図；第３図は、測定方向
のプラテン上の正確に周期に亘る３個の検出電極を示す
側面図； 第４図は、１プラテン周期に関する１電極による最大及
び最小静電容量を与える位置を示す図；第５図は、プラ
テン構造に対して傾いたセンサ電極配列を示す図； 第６図及び第７図は、広い範囲に亘る空間平均を行なう
ために横方向で７プラテン周期、縦方向でより多くの周
期に亘るように設計された実際のシェブロンプリント回
路容量センサの、それぞれ上面及び底面図； 第８図は、−様なグランドブレーン上に設置された１つ
の静電容量検出電極に対する、セルフガード変成器結合
読み出し方式例を示す図；第９図は、平面グランドブレ
ーン上の電極の高さｈに正確に比例した出力を与えるシ
ステムを簡潔に示した図； 第１０図は、クオドリファイラー駆動変成器及び総和・
微分変成器システムを有する、空間３相容量読み出しシ
ステムの基本的構成を示す図；第１１図は、高さ及び３
相位置出力の双方を有する、第１図のセンサシステム全
体のブロック図；第１２図は、３相出力φ１、φ２、φ
３、及びセンサの微分直線性の重要性を示す図； 第１３図は、平面的での二次元的位置及び角度読み出し
を行なうために４角形にマウントされた４つのシェブロ
ンセンサを示す図； 第１４図は、二次元的に円筒表面上での直線変位及び角
度変位読み出しを実現するための２つの曲面状シェブロ
ンセンサを示す図； 第１５図は、モーターを回転し、バーニヤ位置補間のた
めに正弦及び余弦位置出力を導出するための３相出力φ
１、φ２、φ３の使用を示す構成図；第１６図は、第１
図の装置の、８極３相ロータリーモーターの回転及び回
転角度測定の双方への拡張を示す図； 第１７図は、開口部を有するベルトあるいはテープに対
して用いられる３相検出電極を示す平面図；第１８図は
、開口部を有するテープに対して用いられる、距離読み
出しの補間を行なう、コイル状の、パターンを描かれた
フレキシブルなテープを示す図； 第１９図は、柔軟なタイミング用に関連して用いられる
３相容量検出器の側面図； 第２０図は、柔軟なタイミング用ベルトの背後に設置さ
れた個別のＲＦ駆動電極を用いる、３相容量検出装置の
修正例を示す図；及び、 第２１図は、正弦及び余弦出力を得るための、３プラテ
ン周期に亘る４つの同一電極を用いた２相位置センサを
示す図である。 ＦＩＧ。 出　願　人：アメリカン　テレフォン　アンドＦＩＧ。 ＦＩＧ。 ＦＩＧ。 ＦＩＧ、　　１１ ＦＴｏ、　　１２ ＦＩＧ、　　１３ ＦＩＧ、　　１５ ＦＩｏ、　　１６ ＲＦ電流出力 ＦＴＧ。 ＦＩＧ、　２０ ＦＩＧ。 ＦＩＧ。 ＦＩＧ、　　２１ 移動

Claims (29)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）滑らかな表面を規定するよう配置された複数個の
    導体素子； 移動が検出されるべき第１方向に、間隔をおいて配置さ
    れた少なくともある複数個の前記素子；前記素子に対す
    る静電容量的参照表面を形成する手段を含み、前記素子
    に関する静電容量効果を提供する手段、 よりなる位置検出システムにおいて、 前記提供手段が、前記参照表面と前記導体素子との間の
    空間的に変調された反復静電容量パターンを確立する手
    段を有することを特徴とする位置検出システム。
  2. （２）前記導体素子の他の群が、前記第１方向とは異な
    る第２方向に間隔をおいて配置されており； 前記確立手段が、前記第１及び第２方向の双方において
    この種のパターンを確立するように適合させられている
    ことを特徴とする請求項１記載のシステム。
  3. （３）前記第１方向に間隔をおいて配置された電極が、
    前記確立手段の周期に関連した、位置検出の補間を行う
    のに適切な比にある周期を有することを特徴とする請求
    項１記載のシステム。
  4. （４）前記電極の周期の前記確立手段の周期に対する比
    が３対２であることを特徴とする請求項３記載のシステ
    ム。
  5. （５）前記電極の周期の前記確立手段の周期に対する比
    が４対３であることを特徴とする請求項３記載のシステ
    ム。
  6. （６）前記第１方向に間隔をおいて配置された前記導体
    が、交互に嵌合した群に相互接続されており、 このシステムが、当該対応する群を、各々に流れる電流
    を独立にモニターしながら、同一振幅及び同一位相を有
    する電圧信号で駆動する手段を有することを特徴とする
    請求項１記載のシステム。
  7. （７）前記駆動手段が、必要な静電容量効果以外の静電
    容量効果をキャンセルするように動作する変成器結合装
    置及び静電遮蔽装置を有することを特徴とする請求項６
    記載のシステム。
  8. （８）それぞれ、第１方向及び第２方向に間隔をおいて
    配置された第１導体素子群と第２導体素子群が、対応す
    る方向に対して横方向に周期的オフセットを有し、対応
    する方向への移動の検出の独立性を改善することを特徴
    とする請求項２記載のシステム。
  9. （９）前記電極の前記周期的オフセットが、近似的にシ
    ェブロンパターンを形成するように配置されていること
    を特徴とする請求項８記載のシステム。
  10. （１０）前記駆動手段が、 横方向の移動と前記参照表面上からの高さの双方を、同
    時に、それぞれ、差及び和信号に応じて表示する手段；
    及び、 当該和信号を所定の値に保持するように、前記駆動信号
    の大きさを制御するため、当該和信号を印加する手段を
    有することを特徴とする請求項６記載のシステム。
  11. （１１）前記表示手段及び前記駆動信号を制御するため
    に、前記和信号印加手段が協調して高さを表示する信号
    を生成することを特徴とする請求項１０記載のシステム
    。
  12. （１２）前記導体素子及び前記空間的に変調された反復
    静電容量パターンが、相互に、双方の非一様性を平均し
    て除去し、特定程度の微分直線性を与えるように互いに
    適合されていることを特徴とする請求項１記載のシステ
    ム。
  13. （１３）前記駆動手段が、１００ＫＨｚから１００ＭＨ
    ｚの範囲の周波数で動作するように適合されていること
    を特徴とする請求項６記載のシステム。
  14. （１４）前記導体素子、前記参照表面形成手段、及び前
    記空間的に変調された反復静電容量パターンを確立する
    手段が、回転軸に関する移動を検出するように互いに適
    合されていることを特徴とする請求項１、３、６、１２
    、１３項のいずれかに記載のシステム。
  15. （１５）前記参照表面形成手段が、前記参照表面を前記
    回転軸の周りに同心円状に形成するように適合されてお
    り、 前記少なくともある複数個の前記導体素子群及び前記空
    間的に変調された反復静電容量パターンを確立する手段
    が、前記参照表面と同心円を有する表面をなぞることを
    特徴とする請求項１４記載のシステム。
  16. （１６）前記第２導体素子群が、回転軸と平行な第２方
    向に間隔をおいて配置されており、 少なくとも前記第２導体素子群が、前記参照表面及び前
    記空間的に変調された反復静電容量パターンを確立する
    手段に関して軸方向に自由に動くことが可能な円筒上に
    配置されていることを特徴とする請求項１５記載のシス
    テム。
  17. （１７）前記参照表面形成手段が、前記参照表面を前記
    回転軸に直交するように形成するよう適合されており、 前記少なくともある複数個の前記導体素子群及び前記空
    間的に変調された反復静電容量パターンを確立する手段
    が、前記参照表面と平行な表面をなぞり、 前記導体素子が先頭を切り取られた扇形をしていること
    を特徴とする請求項１４記載のシステム。
  18. （１８）前記導電素子電極が交互嵌合した群を形成する
    ように相互接続されており、 このシステムが、回転方向の移動及び前記参照表面から
    の高さの双方を、同時に、それぞれ差及び和信号に応じ
    て表示する手段を有する、対応する群を同一振幅同一位
    相で駆動する手段を有することを特徴とする請求項１７
    記載のシステム。
  19. （１９）前記空間的に変調された反復静電容量パターン
    を確立する手段が、主に非導電材料よりなることを特徴
    とする請求項１記載のシステム。
  20. （２０）前記空間的に変調された反復静電容量パターン
    を確立する手段が、一部、前記導体素子と前記参照表面
    との間の表面の主要部に亘る穿孔された導体材料よりな
    り、 前記表面自体が別の導体材料によって主としてなること
    を特徴とする請求項１記載のシステム。
  21. （２１）前記素子に関して静電容量的効果を提供する手
    段が、前記導体素子間で群としてポテンシャル差を保持
    する手段を有し、 前記穿孔された導体材料と前記別の導体材料が、不要な
    静電容量的効果を最小にするように選択されていること
    を特徴とする請求項２０記載のシステム。
  22. （２２）前記穿孔された導体材料が、前記導体素子及び
    前記導体材料に対して可動であることを特徴とする請求
    項２１記載のシステム。
  23. （２３）前記空間的に変調された反復静電容量パターン
    を確立する手段が、一部、前記導体素子と前記参照表面
    との間の表面の主要部に亘るパターンを形成された誘電
    体材料よりなることを特徴とする請求項１記載のシステ
    ム。
  24. （２４）前記パターンを形成された誘電体材料が、前記
    導体素子及び前記参照表面に対して可動であることを特
    徴とする請求項２３記載のシステム。
  25. （２５）前記導体素子の少なくとも１つに電圧信号を印
    加してその結果流れる電流をモニターする手段、 前記素子の、前記静電容量参照表面との参照間隔からの
    偏移を表わすためにピーク電流の参照値との差を与える
    手段、 前記電圧信号を修正し、前記偏移を表わすために、前記
    ピーク電流の参照値との差を積分する手段 を更に有することを特徴とする請求項１記載のシステム
    。
  26. （２６）滑らかな表面を規定するように実質的に配置さ
    れた複数個の導体素子； 第１方向に、少なくともある複数個の前記素子；前記素
    子に対する静電容量的参照表面を形成する手段を含む、
    前記素子に関する静電容量効果を提供する手段 よりなる位置検出システムにおいて、 前記提供手段が、前記参照表面と前記導体素子との間の
    空間的に変調された反復静電容量パターンを確立する手
    段を有することを特徴とする位置検出システム。
  27. （２７）前記第１方向に間隔をおいて配置された前記導
    体素子が、交互に嵌合した群に相互接続されており、 このシステムが、当該対応する群を、各々に流れる電流
    をモニターしながら、同一振幅及び同一位相を有する電
    圧信号で駆動する手段を有することを特徴とする請求項
    ２６記載のシステム。
  28. （２８）前記駆動手段が、マルチファイラー変成器結合
    手段を有することを特徴とする請求項２７記載のシステ
    ム。
  29. （２９）前記駆動手段が、 全てのピーク電流に関して、和及び差信号の双方を生成
    する手段；及び、 当該和及び差信号を利用する手段を有することを特徴と
    する請求項２７記載のシステム。
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