JPH0743266B2 - 容量性位置変換器 - Google Patents

容量性位置変換器

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JPH0743266B2
JPH0743266B2 JP61218543A JP21854386A JPH0743266B2 JP H0743266 B2 JPH0743266 B2 JP H0743266B2 JP 61218543 A JP61218543 A JP 61218543A JP 21854386 A JP21854386 A JP 21854386A JP H0743266 B2 JPH0743266 B2 JP H0743266B2
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タミー・ヘル
マイケル・エル・ハギヤツト
ハワード・エル・メリル
アーサー・ケー・ウイルソン
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横河・ヒユ−レツト・パツカ−ド株式会社
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    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Description

【発明の詳細な説明】 ＜発明の技術分野＞ 本発明は容量的に結合された対向する電極面を持つ相対
的に移動可能な２個の部材を検出要素として使用する位
置測定変換システムに関する。
＜従来技術とその問題点＞ 容量的に結合された位置変換システムは米国特許第3,12
5,716号，第3,219,920号，第3,961,318号，および第4,5
22,517号に記載されている。
米国特許第3,125,716号は静電的または容量的に結合さ
れた位置検出器を記載しているが、これは固定誘電体基
板上に置かれた出力電極に結合された互いに係合する正
弦波状の形状を有する電極を２組使用する。正弦波状空
隙に対して横方向に設置される結合片は正弦波状空隙に
そって可動であって、互いに係合された正弦波状電極に
容量的に結合される。互いに係合された２組の正弦波状
電極の対応する電極は各々信号A cos wtと−A cos wtを
受信する。相対的動きによって、位相が機械的運動の関
数として変化する定振幅信号が得られると記述されてい
る。直進および回転に対しての応用が考えられる。
米国特許3,219,920号は米国特許3,125,716号の開示を発
展させたもので接地された保護導体輪を付加している。
これによって、出力導体と駆動パターン間の静電遮蔽と
して働く漂遊容量に対する局部接地を与えている。
米国特許第3,961,318号相対的に可動な部材の対を有す
る容量的に結合された変換装置を記述している。その部
材では、相対する電極面は物理的に櫛形化され、一様間
隔の容量的に結合された、運動方向を横切る方向に設置
された電極を含む。回転および直進の応用が考えられ
る。駆動信号および検出信号が固定部材と結合される。
回転応用では電極の感応部分の側辺は半径にそってい
る。直進応用では電極の感応部分は矩形櫛構造である。
米国特許第4,522,517号は位置測定システムの開示にお
いて検出板を有する線型容量性符号器を記述している。
該検出板は適当な電気絶縁物質の表面に設けられた数個
の導電板または電極を含み、ドットマトリクス印刷装置
のプリント・バーに固定された１つの容量板を形成す
る。他の板は印刷装置シャシ上の印刷回路板で構成され
る。櫛形導電板または電極は印刷回路板上にプリント・
バーの運動方向を横切って設置される。４個の送信櫛形
構造または電極を跨がる幅を持つ電極が４個可動にあ
り、更に送信パターン用の８個のプリント・バーの指状
部または電極を持つ組合せが５個設けられている。容量
性符号器は現在の運動方向、運動方向変化、および増を
決定するためにシステム内で使用される。８相の方形波
が送信指状部を駆動する。これは完全に、つまり電気的
および機械的に櫛形化されている。
ブリガムヤング大学（Brigham YoungUniversity）の電
気工学部（Department of Electrical Engineering）に
提出された輪文“Analysis and Design of a Capacitiv
e Angle Transducer"（1980年８月，アラン・ジェー・
ベーカー（Alan J.Baker））は角度変換器の固定および
回転部材上の数個の電極パターン（歯と称される）を記
述している。一実施例は固定駆動ディスクに比べて半分
の個数の歯または電極を持つ回転検出ディスクを含む。
駆動ディスク上の電極は時間直角相信号（time quadrat
ure signal）によって駆動される４個づつの電極群にま
とめられる。該時間直角相信号は２個の櫛形化された電
極群に結合される回転検出ディスク上の電極または歯に
容量的に結合される。これらの信号は差動的に検出され
る。各ディスク上の電極または歯は半径方向に設置され
る。この設計については上記輪文の82頁に詳述されてい
る。台形状および平行四辺形状の電極または歯の構成も
考えられる。これらは第６章で検討されている。この目
的は空間容量関数の１個以上の選択された高調波を除く
ことである。
＜発明の目的＞ 従って本発明の目的は、正確な駆動信号と、高調波成分
の少い角度対容量変換関数を与える構成により、高精度
容量性位置変換器を実現することである。
＜発明の概要＞ 本発明は容量的に結合さた可動部材と固定部材とを使用
する位置変換装置における改良に関し、縁端効果が含ま
れる場合にほぼ正弦波状である角度対容量関数を持つ曲
線状電極構成を与えるものである。上記電極は曲線状側
辺を有し、該側辺は円形パターンを画成する電極集合体
内で外側方向に延びている。側辺の曲率は、各々が、電
極の円形パターンの中心に頂点をを持つ別々の逓増等角
部がある電極の１曲線状側部端または他の側部端上で交
叉し距離を含むようにされる。該電極の上記逓増等角部
の対応する側部上の垂直投影部は相等しい。この条件は
螺旋によって満足されるが、使用された電極サイズ範囲
内で、円弧を用いて、円形パターンを半径方向に設置し
て極めてよく近似される。このような電極は符号器の回
転または固定部材、もしくは両者に有効である。両者に
使用された場合、それらの共心的かつ相対する関係での
設置では両者は同一方向または反対方向に傾け得る。角
度変換中に生成される信号の改良に加えて、本電極構成
によれば従来の印刷回路技術を使用して物理的に高電極
実装密度が達成される基礎が得られる。
更に、本発明は直進および回転型変換器に適用可能であ
って、検出要素として機能する３次元可動検出部材にお
ける改良を与える。ここで検出回転子として開示する検
出部材は、サイロンのような寸法的に安定した可塑材料
製で更に、高湿または一般に悪影響のある環境での歪曲
に対抗するのに十分な軸方向寸法を有する。検出電極は
３次元回転子の１個の軸面から延び、金属箔や金属被覆
で覆われてもよいし、もしくは導電のために炭素を使用
する導電プラスチックで成形されてもよい。この目的に
は炭素フイラメントまたは繊維が望ましい。他の導電材
料を使用してもよいし、または高透電率を有する非導電
材料を使用してもよい。３次元回転子によってより高い
符号器精度が得られ、縁端効果制御において更に自由度
が増し、これら上記正弦波状関数を提供するのに使用さ
れる。即ち、固定部材上の電極に関する検出回転子電極
の角変化の関数としての容量の正弦波状変化が得られ
る。
３次元構造のプラスチック製検出子は角運動慣性モーメ
ントをその機能すべきシステムの要求に適合するように
設定できるという利点を更に提供する。回転子製作過程
において、金属粒子を互いに非接触状態で回転子内に分
布させて、駆動要求に合った質量と慣性を与える。
３次元検出回転子または可動部材の使用によって、従来
技術の２次元型装置に対して信号結合の点で大きな改良
が得られる。検出電極部材の相対する検出部材裏面はピ
ック・アップ面として働く。該ピック・アップ面は駆動
板から物理的に離れていて、検出電極をピック・アップ
面に対向するピック・アップ電極に電気的に結合するた
めに使用される。この位置でピック・アップ電極は駆動
板から隔離され、絶縁された前置増幅器に結合される。
上記配列で、漂遊容量結合による不要な駆動および、検
出信号の混合が除去される。
更に上記配列によって、３次元回転子または可動部材の
全裏面がピック・アップとして使用されるという改良が
達せられる。これによって２次元配列に比べてより大き
い検出信号ピック・アップ領域が得られる。例えば２次
元回転変換器では駆動電極および検出電極は使用可能駆
動板または検出回転子面の領域の殆んどを占める円形パ
ターンを画成する。ピック・アップ電極は駆動電極およ
び検出電極と同一表面上にあるので利用可能なピック・
アップ電極表面領域は極めて制限される。
容量結合位置の符号器または変換器システム内の不一致
駆動信号は位置表示に誤りを生ぜしめる。信号生成を駆
動するための従来の方法は一貫した信号一致を与えな
い。これは特に振幅において著しい。本発明は駆動信号
振幅一致の問題を解決する。即ち、低次の第2,第3,第4,
および第５高調波成分を含むように選択されたディジタ
ル的に発生したパルス幅変調矩形波を使用する。
相互接続システムによって可動検出部材内に誘起される
妨害信号は、このような妨害を打消すように設計された
独自の駆動トレースまたは回路の相互接続によって低減
される。ここで駆動トレースは駆動板の裏面上に組込ま
れた相互接続システムの一部であってフィード・スルー
孔を介して反対側の駆動電極面上の駆動電極に結合され
た印刷回路板から成る。検出回転子電極システム内の妨
害信号の平衡処理に加えて、本設計は回路板の一方側の
駆動トレースまたは回路と他方側の駆動電極との間の容
量性結合による駆動電極と駆動トレースまたは回路との
間の容量的影響をも平衡させる。
符号化器の増幅器および他の要素への見せかけ上の結合
は漂遊電界を打消すための技術を用いて低減される。こ
れは完全に電気的および物理的に櫛形構造化された電極
システムで駆動電極群の対応電極に円周に沿った順序で
結合された正弦、余弦、負正弦、負余弦の各駆動電圧を
用いて実現される。
本容量性位置符号化器または変換システムの直角相駆動
システムによって空間容量関数の第２次、第４次等の高
調波成分から生じる周期的誤差がなくなる。駆動信号の
第２次，第４次等の高調波成分による繰り返し誤差をな
くすことは４個の駆動信号の高調波成分が同一であれば
ある条件下において達成し得る。
＜発明の実施例＞ 本発明の１実施例の位置符号化器または変換システムは
作図装置、印刷装置または工作機械等の部材位置をその
自由度軸上で制御するための位置決定システムで使用さ
れる。各軸に１個の位置決定システムが設けられる。あ
る応用では位置決定システムの駆動部材は基準位置とし
て使用される命令出力に応動して該軸に関して部材を移
動させる。位置符号化器または変換システムからの位置
出力が基準位置に一致し軸に関する所望位置に到達した
ことが示されると上記移動は停止する。
本発明の原理の実施例であり上記応用等に適する容量性
符号化器の現時点で望ましい１実施例を第１図に示す。
この場合３個の主要素がある。即ち、３次元検出回転子
22、駆動板24、およびピック・アップ電極集合体26であ
る。上記３要素は同心円上の軸方向に間隔を持った位置
に、検出回転子を駆動板と引出電極集合体との間にし
て、モータ30に付設されたダイカスト金属または導電性
プラスチック・ハウジング28内に置かれる。モータ30の
ハウジングはハウジング28の底部に固定され、その軸32
はハウジング28の底部を通して上方に延長する。
組立後、ピック・アップ電極集合体26はハウジング28の
底部上の、モータ軸32の周りの同心位置に据え置かれ
る。検出回転子22はモータ軸に固定され、該軸から電気
的に遮蔽された状態で、その底部軸方向面（以下ピック
・アップ面と呼ぶ）はでピック・アップ電極集合体26の
上面48から分しかつ相対して設けられる。駆動板24はハ
ウジング28の側部上端上に当接し板バネを備えた接触部
36を持つ金属のカバー板34によって被覆され、該接触部
36はモータ軸32の上端に係合して接地または共通接続を
与える。カバー板34と駆動板24内の軸的に一致された穴
を通るねじ（図示せず）は框体28の側部上端の一致する
穴に締め付けられて該集合体を固定する。感応変換要素
即ち検出回転子22と駆動板24とピック・アップ電極集合
体26とは漂遊界結合から遮断され、上記金属または導電
プラスチック構造内に封入される。全電極面は固定軸方
向関係で設置される。
駆動板24は両側に金属面を有する印刷回路板である。該
金属面は第２図の平面図に詳しく示されるように、一方
の面に電気的に分離された個々の駆動電極38を得るため
に腐食処理され、他方の面は複数個の端子5,6,7,8を駆
動電極38の４個から成る第１群に接続する配線または駆
動トレース部40を得るために腐食処理される。これらの
駆動電極構成と回路駆動トレース部は従来の印刷回路製
造技術を用いて製造される。第２図を参照して明らかな
ように、駆動電極配列は第１図に示されるようにモータ
駆動軸を通す中央孔に関して同心円的に配置された円形
駆動電極パターンを画く。個々の駆動電極の各端部には
電気的接続を実施するためのスルー・ホール42が設けら
れる。第２図と第１図に示すように端子5,6,7,8からの
駆動トレース部は外端縁に隣接する個々の駆動電極内の
スルー・ホールに結合され、駆動信号が結合される第１
群駆動電極を画成する。この時点では示されていないが
後刻詳述される電気的駆動信号は各々端子5,6,7,8に結
合される連続的に相変移された正弦波に近似させた電気
信号から成る。駆動電極の円形パターンの周囲に反時計
回り方向に円周を画きながら、各駆動電極の各外部端子
またはスルー・ホールは次の４個の駆動電極から成る群
の対応する駆動電極の内部スルー・ホールに結合され
る。この処置によって多数の駆動電極が設置され、各外
周の駆動電極と駆動トレース接続部から個々の駆動トレ
ース部および対応する駆動電極を介して、第１駆動電極
群の各対応する駆動電極での内部接続部に達する連続回
路が存在する。これによって連続的に移相を受けた正弦
波型の駆動信号を各々受ける円形パターン駆動電極の周
囲に別々の駆動電極回路が得られる。駆動板24の電極面
上の駆動電極の円形パターンは個々の曲線状駆動電極に
より構成される。これらの電極は主に曲線状周辺によっ
て画成される。個々の電極は螺旋形の形状を有し該電極
が画成する円形電極パターン内の各々の位置に半径に関
して傾けられた位置に設置される。
３次元検出回転子22は導電性もしくは非導電性でよい可
塑性材料で製造される。第１図と第３図に示されるよう
に検出回転子はその上部に検出電極を持つ単なる平板で
はなく悪影響を有する環境においての寸法上の安定度を
改善するためかなりの軸方向寸法を有する。第２図に関
して説明したものと同様な一般構成の組込検出電極44は
検出回転子22の上面から突出している。検出回転子22が
非導電材料製であれば検出電極44の上面は例えば金属箔
で覆われてもよいし、スプレーした金属被覆されてもよ
いし、または銅もしくは金で鍍金されてもよい。または
検出回転子は高誘電係数を持つ材料で製造されてもよ
い。検出電極の上面のみに被覆を限定する必要がないこ
とが分った。即ち、検出回転子の上面全体を金属箔で覆
うか、スプレーするか、または鍍金するかしてよい。検
出回転子が導電プラスチック製の場合には各種電極に対
する金属被覆は不要である。
検出回転子22は電気絶縁材料製の中央ハブ部分47を有
し、該ハブ47はモータ軸32に固定され、検出回転子をモ
ータ軸から電気的に絶縁するために十分な寸法である。
ピック・アップ電極集合体26は電気絶縁材料製の支持板
46と端子50に結合された金属性または導電プラスチック
製電極48を含む。電気絶縁材料製の上方へ延びたピン52
は駆動板24の底面を組立位置に係合し、これによってピ
ック・アップ電極集合体26は全ゆる軸方向の動きに対し
て固定され、検出回転子22の底部またはピック・アップ
面からピック・アップ電極48までの距離が一定関係に維
持される。ピック・アップ電極端子50は駆動板24上の端
子54に係合する。この接続は図示されないねじ手段によ
って固定される。端子54の一部を形成する端子56は検出
回転子信号が例えば第11図の前置増幅器に送信されるよ
うにするための接続を提供する。
従って検出回転子の検出電極は検出回転子の裏面でピッ
ク・アップ電極48に結合され、この点に関して検出電極
の電気出力は駆動板の駆動電圧から絶縁されている。米
国特許第3,961,318号では検出電極の出力は固定駆動板
上の結合電極またはピック・アップ部に容量的に結合さ
れ、更に、駆動電極として、同一の印刷回路板上の検出
ピック・アップ回路またはトレース部を介して外部回路
に結合される。この物理的配列ではピック・アップトレ
ース部は検出信号および近くにある駆動回路またはトレ
ース部から直接ピック・アップ信号を伝達しやすい。
本出願で開示するように別個のピック・アップ電極48で
検出信号をピック・アップし、該電極が駆動板から容量
的および物理的に絶縁されていて、駆動回路から移動さ
れた回路内のこれら信号を絶縁された増幅器または外部
回路に送出することで望ましくない駆動および検出信号
の混合が回避される。
更に、検出信号レベルはピック・アップ電極集合体26を
検出回転子22の裏面またはピック・アップ面に置くこと
で増加される。こうすると検出回転子の全裏面が検出信
号を検出電極回路に容量的に結合するために使用できる
ようにされるので信号ピック・アップ面積が増加され
る。
駆動システムは、端子5,6,7,8に各々接続された正弦駆
動信号、余弦駆動信号、負の正弦駆動信号、および負の
余弦駆動信号に関して電気的および物理的に完全に櫛形
構造化されていて、駆動電極の円形パターンに含まれる
個々の電極群内の対応する電極に対する直角相励起を実
現する。この電気的および物理的に櫛形化された電極形
状によって増幅器や他の回路への見かけ上の結合が減少
されるがその理由は部分的指状分岐電極配列の場合に比
較して漂遊外部界が相当打消されるからである。
第１図と第２図を参照すると明らかなように、駆動回路
またはトレース部40は駆動板24上の組込相互接続システ
ムを介して相互接続される。該駆動板24は相互接続シス
テムによって測定システム内に誘起される妨害信号に対
して打消処理を行なうように設計されている。この相互
接続システムは駆動電極38の反対側の回路板面上の曲線
状トレース部または回路を使用して、他の駆動電極に接
続された駆動板の他の面を通るトレース部と駆動電極部
との間の容量による駆動電極間の容量性結合効果を打消
す働きをする。これは電気駆動部の信号源インピーダン
スが０でない場合に生じる問題である。相互接続システ
ムは駆動電極の間隙を介して直接検出回転子44によって
相互接続システムから取出される信号を打消処理するの
にも役立つ。曲線状電極は検出回転子上または駆動板
上、もしくは両者において使用され得る。曲線状駆動電
極と検出電極は対向関係にあるときは同一方向に傾斜さ
れ得る。この様子は図に示されているが、該電極は反対
方向に傾斜されてもよい。曲線状電極は縁端効果を含め
たときほぼ正弦波状である容量関数（角度対容量）を与
える。これにより周期的誤差は大きく減少される。検出
電極の拡大図を示す第４図から明らかなように理想的に
は電極の曲線状周辺部の異なる部分での小角θに対する
周辺部のそれと垂直方向の投影が互いに等しくＤとなる
ようにされる。このような曲線は螺旋またはほぼ螺旋状
の曲線である。本発明の現時点で望ましい実施例のサイ
ズ範囲内および公差限度内で、円弧によって画成される
曲線状周辺の使用は製造公差以内であって第４図に示す
寸法を得ることが分った。
第６図は弧状電極を画成できる一方法を示す。検出電極
の形状生成には特に特定な寸法が適用されるがこの幾何
学的原理は第２図の駆動電極38等の他の構成および搭載
密度の電極の形成にも適用される。第３図と第６図の検
出回転子には８個の検出電極が示されている。これらの
電極は45度の角度で円周に関して等間隔に置かれる。電
極58の対向する周辺は図示されるように同一半径Ｒの円
弧である。これらの弧の中心は検出回転子56の中心に関
して同心円上でかつ円周に関しては互いに円弧距離Ｃの
間隔を有する円上に置かれる。上記電極はこのように同
心円の周囲に角度的な繰返しで設置される。第６図の例
では半径R1は半径Ｒとほぼ等しく半径R1は検出電極の円
形板またはパターンの外径にほぼ等しい。
既に説明したように、検出電極の幾何学的構造は駆動電
極の構造のものと幾何学的に同様である。しかし駆動電
極については、該同心円は駆動電極の円形パターンの外
周よりも小さい直径を持つ。駆動電極の円弧状周辺も同
心円とほぼ同一の半径を有する。
同心円の直径と対向する周辺の半径の異なる関係は本技
術を使用して異なる電極形態を構成するのに使用され得
る。更に電極と電極位置での円形パターンの半径との異
なる傾斜関係も得ることが可能である。電極は真の螺旋
状にまたはほぼ真の螺旋状に形成することも可能である
他の曲率も使用され得る。
電極の対向する周辺の弧の中心を決定するために同心円
を使用することによって電極配置を決定するための便利
な構造が提供されるが、該中心には別々にプロットされ
てもよい。検出回転子は直径38mmで一つの電極周辺は半
径38.2mmとして製造された。該電極の他の周辺を画成す
る同一半径を持つ弧の中心は第１弧の中心に対する半径
から垂直に8.5mm離れた点で、第１弧に対する半径に平
行な線にそった電極の円形構成の中心から37.2mm離れた
点に置かれている。
第２の曲線状周辺を次の状態で形成するために異なる同
心円を使用することもできる。即ち、該周辺の中心は第
１周辺と同心円上にあるが、その半径は所望の電極形状
に依存して第１周辺のそれより大きいか小さいものであ
る。第６図にこのような同心円61,65の一部を、半径方
向距離を誇張して示す。
曲線状電極使用の利点は３次元検出回転子を含む位置変
換装置内での利用に制限されない。第５図と第６図はこ
の点を示す。先ず第６図を参照すると検出回転子56が示
されているがこれは主に基板57と曲線状検出電極58を有
する円形印刷回路板である。該電極58は従来の印刷回路
技術でその上部に形成された円形パターンを画成する。
曲線状検出電極58は各々中央の円形電極59に直接接続さ
れる。該電極59は検出回転子の回転軸に関して同心円上
でかつ印刷回路板の同一側に設けられる。３次元構成の
場合のようには円形検出回転子の反対側部または反対面
への結合部はないので２次元回転子と呼ぶのが適してい
る。
第５図の駆動板集合体60は駆動電極62から成る円形パタ
ーンを含み、該電極の周辺は円形パターンの半径にそっ
ている。中央の円形ピック・アップ電極63は駆動電極62
の円形パターン内に同心円的に設置され保護輪電極64に
囲まれている。該電極64はピック・アップ電極63を駆動
電極62から分離するピック・アップ電極63と保護電極64
とは、駆動板上の駆動電極62と同一側に置かれる。従来
技術で説明されたように保護電極の目的は結合容量即ち
駆動電極62と中央のピック・アップ電極63の間の漂遊容
量結合を減少させることである。ここでもまた曲線状駆
動トレース部40は印刷回路駆動板集合体の裏側に設けら
れて４個ずつの電極62の群を結合し、第２図に関して説
明したように直角相の正弦および余弦の波形電圧で付勢
するために備えられている。動作上、駆動電極62は検出
電極58に対向して容量的に結合される。検出電極信号は
検出回転子上の中央電極59と駆動電板集合体上の対向す
る環状ピック・アップ電極63との間の容量結合によって
駆動板集合体60に結合される。こうしてピック・アップ
電極に結合された検出信号は駆動板集合体60の基板を介
してピック・アップ電極63に接続されたフィールドスル
ー回路を介して外部回路に結合され得る。
従って位置変換装置の一部を成す２部材の少なくとも１
個に曲線状電極を使用すれば２次元検出回転子を含む回
転位置変換装置の応用において曲線状電極の恩恵が得ら
れる。更に駆動信号を駆動電極に結合する駆動トレース
部40と駆動電極を相互結合する駆動トレース部とは第２
図に関して説明したものと同様であり、これによって駆
動電極と印刷回路板の反対側上を通る駆動トレース部と
が減少される。
第７図は３次元検出部材を使用した線型または回転応用
のための容量位置符号化器または変換システムの組織概
念の概略図である。上記のように位相を順次変移させた
４個の正弦波状駆動信号は個別に４個の駆動電極38に接
続される。該電極38は各々反復パターンを形成するよう
に構成される。駆動電極への駆動信号の順次結合を第７
図に示すがここでは説明のために５個の電極だけが示さ
れている。１個だけが示されている。検出電極44は３次
元可動検出部材22に含まれ近接する駆動電極38から信号
を取出す。駆動信号の位相は各電極で異なるので可動検
出部材の電極によって取出された信号の位相は検出電極
と駆動電極の相対位置に依存して変化する。検出電極44
は可動検出部材裏面ピック・アップ面を介して導電ピッ
ク・アップ電極48に電気的に結合され、これによって該
特定検出電極位置に対する検出信号（実際には位置信
号）は外部回路に接続され得る。位置信号は以下のよう
に増幅、瀘波されて比較器に供給される。該比較器は比
較信号を生成し位置信号のゼロ交叉時点を決定する。比
較信号内のこの時間位相位置は駆動信号の位相と比較さ
れて検出回転子の駆動板に相対的な位置を、駆動板およ
び検出板の形状にある制限が設けられた場合および駆動
信号の高調波成分が低い場合に正確に決定する。これは
言いかえれば駆動信号が図示のように正弦波状（低い高
調波成分を含む）か、または変換器出力すなわち位置信
号が前置増幅中またはその後に低減濾波を受けることを
要求する。以後で説明するように両方法ともここで使用
される。
従って駆動回路の目的は振幅の一致した高調波成分の低
い駆動波形を提供することである。これは言いかえると
正弦波信号を生成するディジタル手段を要求する。電圧
の好適な一致は、所望の電圧一致がアナログ方式で生成
され得るのよりも容易にアナログスイッチで実施され得
る。
このため、各々が連続的に90度の移相を持つ位相変調さ
れた４個の矩形波信号を生成する手段が設けられる。第
８図にこの動作を行なうための回路を示す。位相変移後
の４個の出力は従来のアナログ信号記法で示される。こ
の数値式駆動回路は計数器66,2個の読取専用メモリ（RO
M）68,70,およびラッチ回路72を含む。各駆動電圧は第
９図に示す種類の位相変調された矩形波電圧である。
第８図を参照すると計数器66は９ビット計数器で０−51
1の512カウントを生成し、4MHz信号によって作動する。
この回路の出力は入力としてROM68,70およびラッチ回路
72に結合される。メモリ68,70への計数入力はメモリ番
地信号である。ROM70はROM68と同様だが、メモリ70の内
容はメモリ68の内容に対して90度の移相を持つディジタ
ル駆動信号を生成するために変更されているところが異
なる。従って正弦波に近似させたディジタル信号は、RO
M68によって生成され、余弦波に近似させたディジタル
信号はROM70によって生成される。これらディジタル駆
動信号は各々緩衝部74,76に結合されるが、従来のアナ
ログ信号記法でA sin wt,A cos wtおよび−A sin wt,A
cos wtとして機能的に表わされるディジタル駆動信号を
生成する。負符号を持つ正弦および余弦の信号は従来通
りインバータ回路（図示せず）によって生成される。
ピック・アップ板または電極48（または第５図の63）か
らの位置信号は第10図のシステム概略図に示す濾波回路
82を介して同期回路78（第８図）に結合される。第11図
に濾波回路の詳細を示す。比較器の信号の位相はその運
動軸に関して制御される部材の位置に線型比例する。相
変位の１周期つまり電気的な360度は変換器の検出回転
子の角変位の45度に対応する。周期回路出力信号は比較
器の信号端検出時および計数器が安定状態時に計数値を
９ビットずつラッチ回路に送出するために使用される。
これによってラッチ回路72の出力に1/2048または1/4090
の増分で被制御部材の位置が示される。
３状態緩衝回路80は８ビット出力回路81を持つマイクロ
プロセッサ（図示せず）は緩衝回路80の出力の変換位置
出力の最上位８ビットまたは最下位８ビットを読取る。
出力回路CS1とCS2もマイクロプロセッサに結合されてい
てマイクロプロセッサによって最上位または最下位の８
ビットが読取られるかを決定する。CS1もCS2も機能して
いなければ変換器出力信号はマイクロプロセッサから切
断される。
第９図のディジタル駆動信号は位相変調された矩形波で
時間で変化する余弦関数A cos wtを表わす。この信号で
示される時間と共に変化する特徴的なアナログ余弦関数
を第９図の位相変調矩形波上に図示する。上記のように
別々に生成された正弦波関数A sin wtは周期的矩形パタ
ーンの点Ａから始まる。負の余弦信号−A cos wtは第９
図の位相変調された矩形波を反転したもので、負の正弦
関数−A sin wtは正弦関数を反転したものである。これ
らの４個の駆動信号は同時に生成され、理想的にはゼロ
偶数調波（第２次，第４次等の高調波）を持ち、更に理
想的には低次奇数調波（基本波より３次は44db低い、お
よび５次は42db低い）を有する。高次高調波、特に63次
と65次高調波が存在するが低域濾波によって検出された
信号からは除去される。これらの信号の生成に関連する
電子回路内の信号の有限な立上り時間と立下り時間とに
十分な注意を払えば立上り時間と立下り時間が等しくな
ることも可能で、この場合には上記理想状態は実際には
そのままでないにしても極めてそれに近いものが達成さ
れる。この結果の波形は理想信号の帯域制限されたもの
を示す。
上記方法は方形波駆動信号が使用される場合には重大な
改良をもたらす。上記駆動信号または波形によって、従
来、方形波駆動信号を使用する応用で必要とされた４極
低域濾波器の代りに、２極低域濾波器か出力増幅器内で
使用が可能となる。第11図にこのような２極低域濾波器
を示す。該濾波回路は低域濾波部84に結合された低入力
抵抗前置増幅器83を含む。ピック・アップ板または電極
48（第10図）からの位置信号は前置増幅器に結合され
る。低域濾波器84の出力は入力として増幅器の１端子に
結合され、高域濾波回路86の入力を形成し、該回路86は
増幅器からの60Hzおよび120Hz干渉信号およびDCオフセ
ット分を除去するのに使用される。高域濾波器の出力は
ノッチフィルタ88を介して増幅器89の１端子に結合され
る。該増幅器89はゼロ交叉検出回路90の一部を形成し、
その容量的に結合された出力は比較器の信号となる。第
11図に示すように方形波比較器信号は、制御された部材
のその軸上の位置を示すのに使用される。この信号は第
10図で端末ブロック内のピン２に結合されさらに、第８
図の同期回路78の入力として結合されるものである。
駆動電極と検出電極は単一駆動電極と単一検出電極との
間の容量的結合を与えるように構成され、これによって
駆動電極に関する検出回転子の角変位の関数として純粋
な正弦波に極めて近いものを生成する。これは検出回転
子電極と駆動電極との構成から得られる。ある検出回転
子電極が４個の駆動電極から成る１組の近滂を通過する
時点において参照される角度は電気的に360度である。
図示したように円形パターンを画成する４個の駆動電極
の組が８個あり、該パターンは例えば第１図と第２図に
示すように駆動板の印刷回路板集合体24の一部を形成す
る。空間的に正弦波状の容量性関数の一部は電極の幾何
学的構造に起因し、一部は縁端効果に起因する。縁端界
は無視できないがその理由は駆動電極と検出回転子電極
との関隙が駆動板電極および検出回転子電極の他の寸法
に比較して極めて大きいためである。実用的実施例では
該空隙は0.4mmから0.7mmである。上記２個の効果が組合
わせられると、駆動波形が駆動波形高調波に関して電気
的に純粋であるのと同様に、容量関数の高調波に関して
高調波的に純粋に近い空間的容量関数が得られる。
容量関数が偶数調波歪みを有する場合には本明細書で開
示するような４相駆動装置では誤りは生じないことを数
学的に示すことができる。容量関数が第３次または第５
次の調波歪みを含めば各電気的回転に対して４回の反復
を示す周期的誤りが出現する。該電気的回転は電気的周
期でもあり、即ち１機械的回転に対して32回である。容
量関数が第３次または第９次の調波歪みを含めば各電気
的回転に対して８回の反復を示す周期的誤りが出現する
等である。この８回の誤りは通常、みかけ上測定されな
い。４回の誤りの方は１回転の1/4096程度になる。位相
測定の分解能は１回転の1/2048であるので（1/4096の分
解能はオプションとして利用可能）、上記誤りは問題に
ならない。他に発生する誤りには駆動不均衡による誤り
がある。この誤りは各電気周期毎に１回発生する（電気
的周期は各機械的回転毎に８回である）。該誤りはも１
回転の1/4096程度になる。第３の誤り源は機械的ずれお
よびこの種の不完全性による。一般にこの誤りは１回転
の1/2048未満である。
電気的に90度の位相差を持つ４個の駆動信号を使用する
代替としては、電気的に45度の位相差を連続的に有する
８個の駆動信号を使用する駆動システムが考えられる。
これらの８個の駆動電極は電気的測定周期を形成する。
このシステムも容量関数の第３次および第５次高調波に
よる周期誤りはないことが知られている（ただし第７次
と第９次の高調波成分についてはそうではない）。位相
変移された８個の駆動信号を使用して電気的および機械
的な電極の櫛形構造を用いるシステムの詳細は従来技術
で参照された米国特許第4,522,517号に記述されてい
る。
＜発明の効果＞ 以上詳述した１実施例からも明らかなように、本発明に
よれば、駆動電極面とピック・アップ電極面の結合にお
ける不要成分が減少し、さらにその電極形状から今まで
にない正弦波に近い角度対容量関数が得られる。また駆
動電圧の振幅の一致度もディジタル波形の使用により向
上するので検出信号での角度誤差が減少する。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の１実施例の位置変換器（位置符号化器
あるいは位置変換システム）の等角分解図，第２図は第
１図の位置変換器の駆動板の平面図，第３図は第１図の
位置変換器の三次元検出回転子の平面図，第４図は本発
明の１実施例で用いる曲線状電極の形状を示す図，第５
図は第２図におけるとは異る形状の電極を有する駆動板
の平面図，第６図は本発明の１実施例の曲線状電極を用
い，第５図の駆動板として用いうる二次元検出回転子の
平面図，第７図は本発明の１実施例の三次元検出回転子
の組織化の概念図，第８図は４つの直角相位相変調矩形
波を発生する回路のブロック図，第９図は本発明の１実
施例で用いる代表的な位相変調矩形波駆動信号の波形
図，第10図は本発明の１実施例の位置変換器を図式的に
表わした図，第11図は第10図の濾波器の回路図。 5,6,7,8:駆動端子;22:三次元検出回転子;24:駆動板;26:
ピック・アップ電極集合体;28:プラスチック・ハウジン
グ;30:モータ;32:モータ軸;38,62:駆動電極;40:駆動ト
レース部;42:スルー・ホール;44:検出電極;47:中央ハ
ブ;48,63:ピック・アップ電極;54,56:端子;57:基板;58:
電極;59:円形電極;60:駆動板集合体;61,65:同心円;64:
ガード・リング（保護輪）電極;66:計数器;68,70:ROM;7
2:ラッチ回路;74,76:出力緩衝部;78:同期回路;80:3状態
援衝回路;81:8ビット出力回路;83:前置増幅器;84:低域
濾波器部;86:高域濾波器部;88:ノッチフィルタ;89:増幅
器;90:ゼロ交叉検出回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アーサー・ケー・ウイルソン アメリカ合衆国カリフオルニア州サン・デ イエゴセダ 11305 (56)参考文献 特開 昭53−94966（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−27262（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−182614（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−62352（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−97808（ＪＰ，Ａ)

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】互いに対向して容量結合するそれぞれの電
    極面を有し、共通軸のまわりで相互の角度を変える固定
    部材と回転部材と、前記電極面のそれぞれに配置され、
    前記共通軸から外側に放射状に突き出した複数の電極を
    くりかえし円形パターンとなるように接続したそれぞれ
    の電極セットと、前記固定部材の電極セットを駆動して
    発生した駆動信号を前記回転部材の電極セットを経由し
    て静電誘導により受信する前記回転部材の電極セットと
    対向するピックアップ電極とを有し、前記固定部材の電
    極セットが多相位相変調矩形波信号で駆動されるもので
    ある容量性位置変換器。
  2. 【請求項２】前記回転部材の電極セットが前記回転部材
    の電極面の全面を被覆する電気的に同一材質を有する部
    材を軸方向で前記固定部材側へ突出させたものである特
    許請求の範囲第１項記載の容量性位置変換器。
  3. 【請求項３】前記回転部材の電極セットとが金属である
    特許請求の範囲第２項記載の容量性位置変換器。
  4. 【請求項４】前記回転部材の電極セットとが前記回転部
    材の表面である特許請求の範囲第２項記載の容量性位置
    変換器。
  5. 【請求項５】前記回転部材が金属粒子を分布したプラス
    チックである、特許請求の範囲第１項乃至第４項記載の
    容量性位置変換器。
JP61218543A 1985-09-16 1986-09-16 容量性位置変換器 Expired - Lifetime JPH0743266B2 (ja)

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