JPS6276409A - 容量性位置変換器 - Google Patents

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
置珂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，
１２５，７１６号、第３，２１９，９２０号、第３，９
６１，３１８号、および第４．５２２，５１７号に記載
されている。

特許第３，１２５，７１６号は静電的ｉ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ＩＦ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１’、　ＣＱＳ　
Ｗ　ｊと−Ａ　ａｙｓ　ｗ　ｔ、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。

特許第３，２１９．９２０号は特許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幅を付
加している。これによって、出力導体と駆動パターン間
の静電遮蔽として動く漂遊容量に対する局部接地を与え
ている。

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、−
株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！Ｓ構造である
。

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、ドツトマトリクス印刷
装置のプリン１〜・バーに固定された１つの容量板を形
成する。池の板は印刷袋；δシャシ上の印刷回路板でも
１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　　ＹｏｕｎｇＵ
ｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）の電気工学部（Ｄｅ−ｐａｒｔｍ
ｅｎｔ　　　　ｏ、ｆ　　　　ＥｌｅｃｊｒｉｃａＪＥ
ｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）に提出された論文１″Ａｎａｌ
ｙｓｉｓ　　　ａｎｄ　　Ｄｅｓｉｇｎ　　　ｏｆａ　
　　　　Ｃａｐａｃｉｔ、ｉｖｅ　　　　　Ａｎｇｌｅ
Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ″（１９８０年８月、アラン・ジ
ェー・バーカー（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ａ！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　　ｑｕａｄｒ
ａｔｕｒｅｓｉｇｎａｌ）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論文の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爾の構成も考え
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れ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は得る。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、ナイロンのような寸法的に安定した可塑材料
製で更に、高温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１！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ィ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、または高速電率を有
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」二足正
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、金属粒子は非接触関係の状態で回転子内に分
布し、駆動要求に合った貫電と慣性を与える。

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せしめる。

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・スル一
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
害信号の卑情処理に加えて、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次元検出回悩子
２２、駆動板２４、およびピック・アップ電極集合体２
６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２
８の底部上の、モータ４１１３２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（
ここピック・アップ面と呼ぶ）はでピック・アップ電極
集合体２６の一４二面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所され、
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扱である。

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＃に接続する
配線または駆動トレース部４０１＆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１１ｔ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血の対応する駆動電
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′ｇ、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状型の駆動信
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の電極面上の駆動面
」二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ｖＡ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１転子２２は導電性もしくは非導１ヒ性で
よい可塑性材料で製造されろ。第１図と第３図に示され
るように検出回転子はその」一部に検出電極を持つ単な
る手板ではなく悪影響を有する環境においての寸法上の
安定度を改ガ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は検出電極４４の上
面は例えば金属箔でておれてもよいし、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１は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
向あ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。

特許第３，９６１，３１８号では検出電極の出力は固定
駆動板−ヒ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・アンプ電極集合体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ｌよ、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３
８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動きをする。これは電
気駆動部の信号源インピーダンスがＯ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ＩｒＩｈ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。これらの孤の中心は検
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。

駆動電極の円孤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孤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孤の中心は第１孤の中心に
対する半径から垂直に８．５ｎｎ離れた点で、第１孤に
対する半径に平行な線にそった１Ｅ極の円形構成の中心
から３７．２圃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次元検出回伝子を含む位置変
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５
８を有する円形印刷回路板である。該ｆｔ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は検出回転子の回輯軸に関して同
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−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４ｏ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Ｉｌ［ｆｆ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ｆｒＬ極への駆動信号
の１１１７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ｉ１を極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・アップフ［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、濾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
うに正弦波状が（低い高調波成分を含む）、または変換
器出力すなわち位置信号が萌置増幅中またはその後に低
域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個の出方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（ＲＯＭ）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ビツト計数器で０−
５１１の５１２カウントを生成し、４Ｍ）１ｚ信号によ
って作動する。この回路の出方は久方とじてＲＯＭ６８
，７０およびラッチ回路７２に結合される。メモリ６８
．７０への計数人力はメモＵ　番地信号テアル。ＲＯＭ
７０ｊ、ｌｔＲＯＭ６１：同様だが、メモリ７ｏ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、ＲＯＭ６
８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Ａｓｉｎｗｔ、
Ａｃｏｓｗｔおよび−Ａｓｉｎｗｔ　、　Ａｃｏｓｗｔ
。

とじ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耐
波回路８２を介して同期回路７８（第８図）に結合され
る。第１１図に躍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ピッ１−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８ｏは８ビツト出力回路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ビツトまたは最下位８ビツトを読
取る。出力回路Ｃ５ＩとＣ８２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ビツトが読取られるかを決定する。Ｃ８１
もＣ８２も機能していなけれは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　Ｗ　ｊ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　ｗ
　ｔは周期的矩形パターンの点Ａから始まる。負の余弦
信号−７’１．　ｃｎｓ　Ｗ　ｆ、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　ｓ
ｉｎｗ　ｔは正弦関数を反転じたものである。

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
に理相的には低次奇数調波（基本波より３次は４４ｄ　
ｂ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波波
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ε波器の代りに、２軛低域渡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極低域躍波器を示す。該耐波回
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。ビック・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の出力は六カとじて増幅器の１端子に結合され
、高域Ｅ波回路８６の入力を形成し、該回路８６は増！
Ｍ器からの６０　Ｉｌｙ、および１２０　＋ｌｚ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ツチフィルタ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１ＴＬ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もη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組の近傍を通
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間隙が駆動板電
極および検出回転子電極の他のす法に比較して極めて太
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１
［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、みかけ上側室さ
れない。４回の誤りの方は１回転の１／４．０９６程度
になる。位相測定の分解能は１回’ｔ（７）　１／　２
０４８　テアル（７）テ（１／４０９６（７）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ａ確約ずれ
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４゛５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？Ｉｔ極面とビック・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。さら
に、本発明の位置変換器は直進位置変換器としても用い
得るから実用に供して有益である。

【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２Ｍ２図は第
１図の位置変換器の駆動板の弔面図、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］ン１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三次元検出回転
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つの直角用位相変調
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図の直波器の回路図
。 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１Ｅ極集合体；２
８ニブラスチック・ハウジング；３ｏ：モータ；３２：
モータ軸；３８，６２：駆動電極；４ｏ：駆動Ｉ−レー
ス部；４２ニスルー・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；７２：ラノチ回路；７４，７６：出力緩衝部；
７８：同１ｔＪ１回路；８０：３状態援衝回路；８１：
８ビツト出力回路：８３：前置増幅器；８４：低域耐波
器部；８６：高域濾波′Ａ：（部；８８：ノッチフィル
タ；８９：増幅器：９０：ゼロ交叉検出回路 出願人　横河・ヒユーレット・パッカード株式会社代理
人　弁理士　長　谷　川　次　男 ＩＧ　　４ ヤ ＦＩＧ　２

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 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第１，第２の
   部材と前記電極面のそれぞれに配置され、前記共通軸か
   ら外側に放射状につ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
   を有し、少くとも前記部材の一方に配置された前記電極
   の対辺が同一方向にカーブした円あるいは螺旋の部分で
   ある容量性位置変換器。
2. ２．前記第２の部材の前記電極面の反対側に該電極面の
   電極と物理的に離隔し、電気的に結合したピックアップ
   面を設け、前記ピック・アップ面と対向し容量的に結合
   したピック・アップ電極を設けたことを含む特許請求の
   範囲第１項記載の容量性位置変換器。
3. ３．前記第１の部材の前記電極セットを互いに円周方向
   に離隔して複数配置し、それらを順次位相推移した、位
   相変調形矩形波で駆動するようにしたことを含む特許請
   求の範囲第１項あるいは第２項記載の容量性位置変換器
   。