JP6371643B2 - 静電エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、静電エンコーダに関し、さらに詳しくは、静電エンコーダの固定子及び変位子に形成された電極の配置に関する。

図１に示されるように、静電エンコーダ１０は、固定子１１上に送信電極１２と検出電極１３を、またそれらの電極に対向する位置に配置される移動子１４上に中継電極１５を有する。高周波信号１６が送信電極１２に印加されると、高周波信号１６は、送信電極１２と中継電極１５との間に形成される静電容量Ｃｔｃ及び中継電極１５と検出電極１３との間に形成される静電容量Ｃｃｓを介して検出電極１３に伝達される。静電容量Ｃｔｃ及び静電容量Ｃｃｓは、移動子１４の移動による送信電極１２、中継電極１５、及び検出電極１３の対向関係により変化するため、検出電極１３に現れる高周波信号を信号処理回路１７で処理して、移動子１４の位置を検出することができる。静電エンコーダを用いて、移動子の位置を検出する原理は、以下のとおりである。

図２を参照して、静電エンコーダ１０の送信電極１２に高周波信号１６が引加される。高周波信号１６は、送信電極１２と中継電極１５との間に形成される静電容量Ｃｔｃにより中継電極１５に誘導電流を生成させ、さらにその誘導電流は、中継電極１５と検出電極１３との間に形成される静電容量Ｃｃｓにより検出電極１３に検出信号１８を生成させる。送信電極１２と中継電極１５との間の静電容量Ｃｔｃは固定され、変化がないと仮定すると、移動子１４の移動により静電容量Ｃｃｓが変化し、検出信号１８は、高周波信号２１を振幅変調した波形となる。信号処理回路１７は、この振幅変調した信号成分を検出することにより、移動子の位置を算出することができる。

上述した静電エンコーダによる位置検出の基本原理に基づいて、米国特許第４，４２９，３０７号は、送信要素（送信電極）２２，２４及び受信要素（検出電極）２６ａ〜２６ｋを配置する固定子２０と、正弦波状の溝１６によって隔てられた導電要素（中継電極）１２，１４を配置する移動子１０とからなる静電エンコーダを開示する（図１，２参照）。また、上記特許は、送信要素５６、受信要素６０、及び導電要素５０を円盤状の固定ディスク４８及び移動ディスク４６上にそれぞれ配置した静電エンコーダを開示する（図７，８参照）。

また、特開２０１０−１０１７２９号は、誘導電極（送信電極）３１ａ，３１ｂ及検出電極３１ｃを配置する固定子３１と、櫛歯状電極（中継電極）３２ａ，３２ｂを配置する移動子３２とからなる静電エンコーダ３０を開示する（図５，６参照）。また、上記公開公報は、円筒状部材２０２の外側円周部２０２ａ上に固定子２０４を取り付け、固定子２０４上を移動する回転子２０５を備える静電エンコーダ２０１を開示する（図１２参照）。

図３は、特開２０１０−１０１７２９号に記載された静電エンコーダの固定子３１及び移動子３２の配置を説明するための図である。固定子３１の長手方向（測定方向）の両側部に誘導電極３１ａ，３１ｂが配置され、誘導電極３１ａ，３１ｂの間に検出電極３３が設けられる。検出電極３３は、４相の検出電極３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄを１セットとして、固定子３１の測定方向に順次配列され、同相の検出電極は、導線により電気的に結合される。移動子３２は、図３では固定子３１の左に描かれているが、実際は固定子３１に対向する位置に配置され、固定子３１の測定方向に移動する。移動子３２は、櫛歯状電極３２ａ，３２ｂが互いに噛み合う形で配置される。櫛歯状電極３２ａ，３２ｂの基部は、固定子３１の誘導電極３１ａ，３１ｂの上に重なるように配置される。誘導電極３１ａ，３１ｂの間には、検出電極３３が設けられるが、櫛歯状電極３２ａ，３２bの１ピッチである間隔Ｌに、検出電極３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄの４つの電極が等間隔で並ぶ。

米国特許第４，４２９，３０７号明細書 特開２０１０−１０１７２９号公報

静電エンコーダの移動子の変位を高い分解能及び精度で検出するためには、一般的に検出周期を細かくする必要があり、そのためには電極の間隔を短くする必要がある。電極の間隔を短くすると、電極に要求される機械的精度を高くしなければならず、静電エンコーダの製造コストの上昇を招く。他方、静電エンコーダの検出精度は、原理的に浮遊容量の影響を受ける。浮遊容量の影響を軽減するためには、電極間の静電容量及び静電容量の変化をなるべく大きくすることが望ましい。静電容量は電極の対向面積に比例し、電極間の距離に反比例する。従って、電極間隔が狭くなると電極面積が小さくなり、浮遊容量の影響を受けやすくなる。従って、高分解能かつ高精度の静電エンコーダを小型化かつ低コスト化するためには、検出周期に対する電極の数を少なくすることが望ましい。従来例では検出電極は検出周期の１／４の間隔で設置されている。

図３に示す従来例では、誘導電極３１ａ，３１ｂと櫛歯状電極３２ａ，３２ｂとの間の静電容量は移動子３２の変異に関わらず一定であり、移動子３２の変位の検出には寄与しない。これに対して、櫛歯状電極３２ａ，３２ｂと検出電極３３ａ〜３３ｄとの間の静電容量は、移動子３２の移動により変化し、その変化が変位の検出に寄与する。

上述のように、従来例では櫛歯状電極と検出電極との間の静電容量が移動子の変位により変化し、誘導電極と櫛歯状電極との間の静電容量は移動子の変位に関わらず一定である。従って、移動子の変位を検出するために、電極の利用効率が悪いという課題があった。

本発明に係る静電エンコーダは、変位子（移動子、回転子）の変位（移動、回転）により生じる送信電極と中継電極との間の静電容量の変化、及び、中継電極と検出電極との間の静電容量の変化を検出し、変位子（移動子、回転子）の変位量（移動量、回転角）を求めることができる電極配置を特徴とする。また、本発明に係る静電エンコーダは、中継電極を配置する変位子と、中継電極に対向する送信電極及び検出電極を有する固定子とを具備することを特徴とする。

上述した課題を解決するために、本発明は、送信電極と中継電極との間の静電容量、及び、中継電極と検出電極との間の静電容量の双方が変位子（移動子、回転子）の変位（移動、回転）により変化する電極配置を採用した結果、検出周期と送信電極、中継電極、検出電極の設置間隔は同じになった。電極間隔が広くなり電極面積を大きくできるので静電容量を大きくすることができる。また、静電容量を大きくすることにより、電極間の静電容量に対する浮遊容量による影響を相対的に低減させることができ、浮遊容量による変位量（移動量、回転角）に対する誤差を少なくすることが可能となる。

静電エンコーダの基本原理を説明する図である。 図１に示される構成の静電エンコーダの動作を説明するための図である。 従来の静電エンコーダの電極配置の一例を示す図である。 本発明の一実施例に係るリニア型静電エンコーダの固定子及び移動子に設けられる電極の配置を示す図である。 図４に示されるリニア型静電エンコーダの固定子の電極と移動子の電極との対向関係を示す図である。 図５に示す対向関係を有する移動子が固定子上を移動したときの対向面積の変化を説明するための図である。 中継電極と、送信電極及び検出電極の各電極対との間の対向面積の変化を示すグラフである。 本発明の一実施例に係る静電エンコーダの信号伝達経路を示すブロック図である。 電極相ａと電極相ｃ、及び、電極相ｂと電極相ｄの対向面積の相対差を示すグラフである。 移動子の移動に対応する検出信号の電圧変化を示すグラフである。 本発明の他の実施例に係るリニア型静電エンコーダの固定子の電極と移動子の電極との対向関係を示す図である。 図１１に示す対向関係を有する移動子が固定子上を移動したときの対向面積の変化を説明するための図である。 中継電極と、送信電極及び検出電極の各電極対との間の対向面積の変化を示すグラフである。 電極相ａと電極相ｃ、及び、電極相ｂと電極相ｄの対向面積の相対差を示すグラフである。 本発明の一実施例に係る回転型静電エンコーダの固定子及び回転子に設けられる電極の配置を示す図である。 回転子が回転したときの中継電極と送信電極及び検出電極の各電極対との間の対向面積の変化を示すグラフである。 本発明の一実施例に係る静電エンコーダの信号伝達経路を示すブロック図である。 回転子が回転したときの検出信号の波形を示すグラフである。 他の電極配列に係る固定子及び回転子を示す図である。 他の電極配列に係る固定子及び回転子を示す図である。 本発明の他の実施例に係る静電エンコーダの信号伝達経路を示すブロック図である。

図４は、本発明に係るリニア型静電エンコーダ４０の固定子４１及び移動子（変位子）４２上に設けられた電極の配置を示す図である。図４において、移動子４２は固定子４１の左に描かれているが、実際には移動子４２は、固定子４１の上下両端に設けられたガイドレール（図示せず）によって支持され、固定子４１の電極と移動子４２の電極とが互いに対向する位置関係で固定子４１の長手方向（測定方向）Ｄを移動する。静電エンコーダ４０は、固定子４１上を移動する移動子４２の移動量（変位量）を検出する。固定子４１及び移動子４２は、ガラスエポキシ基材のプリント基板で作製され、その上に銅箔の電極パターンがエッチングにより形成される。

長方形の送信電極４３ａ、及び送信電極４３ａと同じ形状の検出電極４４ａは、固定子４１の測定方向Ｄに対して直角方向（以下、単に「直角方向」という。）に所定の間隔を置いて、固定子４１上に電極対として配置される。同様に送信電極４３ｂ，４３ｃ，４３ｄ及び検出電極４４ｂ，４４ｃ，４４ｄも所定の間隔を置いて直角方向にそれぞれ配置される。従って、送信電極及び検出電極の電極対は、固定子４１上の測定方向Ｄに電極周期Ｌ２の間隔をもって少なくとも４の倍数個配置される。なお、送信電極及び検出電極を集合的に表すとき、送信電極及び検出電極の参照番号は、それぞれ「４３」及び「４４」と称する。

固定子４１上に配置された送信電極４３は、図４に示されるように、測定方向Ｄの連続する２つの送信電極を１セットとして電気的に結合され、さらに１セット置きに結合して、入力端子４６ａｂ，４６ｃｄにそれぞれ結合される。検出電極４４は測定方向の４つ置きの検出電極を結合し、出力端子４７ａに電気的に結合される。同様に、検出電極４４ｂ，４４ｃ，４４ｄも測定方向の４つ置きの検出電極が結合され、出力端子４７ｂ，４７ｃ，４７ｄに電気的にそれぞれ結合される。すなわち、検出電極４４を電極相ａ〜ｄの４つの相にグループ分けし、電極相ａ〜ｄを出力端子４７ａ〜４７ｄにそれぞれ結合する。出力端子４７ａ〜４７ｄは後述する信号処理回路に接続され、出力端子４７ａ〜４７ｄから出力される出力信号に基づいて移動子４２の移動量ｄを求める。

移動子４２は、その上に３本の中継電極４５を有し、電極周期Ｌ１で測定方向に繰り返し配置される。中継電極４５の直角方向の長さは送信電極４３及び検出電極４４の直角方向の長さを合わせた長さにほぼ等しい。中継電極４５の測定方向の幅は、送信電極４３及び検出電極４４の幅と等しく、かつ中継電極４５間の絶縁部分の間隔と等しい。送信電極４３及び検出電極４４の測定方向における絶縁部分の間隔は、送信電極４３及び検出電極４４の導電部分の半分である。本実施例では、説明を容易にするために３本の中継電極を図示するが他の本数の中継電極、例えば５本であってもよい。

以上のような固定子４１及び移動子４２において、中継電極４５の電極周期Ｌ１を１ピッチ（１ｐ）長とすると、中継電極４５の測定方向の幅は、０．５ｐである。また、送信電極４３及び検出電極４４の電極周期Ｌ２は０．７５ｐ、測定方向の幅は、０．５ｐである。送信電極４３及び検出電極４４の電極周期Ｌ２は、中継電極４５の電極周期Ｌ１に対して１／４ｐだけ短い。１ピッチ長は、例えば、２ミリメートルが選択されるが、他の長さが選択されてもよい。中継電極４５の電極周期Ｌ１と送信電極４３及び検出電極４４の電極周期Ｌ２との比Ｌ１／Ｌ２は、４対３である。さらに、固定子４１及び移動子４２の測定方向Ｄの寸法は、それぞれ５５ｍｍ及び１１ｍｍであり、その直角方向の寸法は、２５ｍｍである。しかしながら、必要に応じて、他の寸法が選択されてもよい。

図５は、送信電極４３及び検出電極４４と中継電極４５との対向関係を示す図である。移動子４２は、固定子４１上の測定方向を左右に移動するが、図５は、中継電極４５が送信電極４３ａ及び検出電極４４ａ上に完全に重なった時点の対向関係を示す。すなわち、この時点で、中継電極４５は、送信電極４３ａ及び検出電極４４ａとの対向面積が最大となる。中継電極４５の電極周期Ｌ１が送信電極及び検出電極の電極周期Ｌ２と異なるので、他の中継電極は、送信電極４３ｂ，４３ｃ，４３ｄ及び検出電極４４ｂ，４４ｃ，４４ｄと完全に重ならない。送信電極４３ｂ，４３ｄ及び検出電極４４ｂ，４４ｄは、中継電極４５と半分重なるが、送信電極４３ｃ及び検出電極４４ｃは全く重ならない位置となる。移動子４２が移動すると、中継電極４５が送信電極４３及び検出電極４４と重なる面積は刻々変化する。その変化を図６に示されるグラフで説明する。

図６は、図５に示す対向関係を有する移動子４２が固定子４１上を移動したときの対向面積の変化を説明するための図である。図６において、（１）は固定子４１を示し、（２）は固定子４１上を移動する移動子４２の位置を模式的に示し、（３）は送信電極４３ａ及び検出電極４４ａの属する電極相ａと移動子４２の中継電極４５との間の対向面積の変化を表す波形Ｆａ示すグラフである。図６（３）の横軸は、移動子４２が移動した移動量ｄ（単位ピッチｐ）を示す。そして、縦軸は、送信電極４３ａ及び検出電極４４ａを含む電極相ａが中継電極４５と重なり合う対向面積を示す。図６（２）を参照して、移動子４２の左端の中継電極４５が送信電極４３ａ及び検出電極４４ａと完全に対向している状態（０ｐで示される位置）から右へ移動する場合を想定する。

移動子４２が図６（１）の０ｐで示される位置にある場合、移動子４２の左端の中継電極４５が電極相ａに属する送信電極４３ａ及び検出電極４４ａと完全に対向するので、対向面積は最も広くなる。移動子４２が右へ移動すると、中継電極４５が送信電極４３ａ及び検出電極４４ａと対向する面積は減少を始め、移動子４２がｐ／４（電極周期Ｌ１のピッチｐの４分の１の移動量）の位置に移動すると、中継電極４５の半分が送信電極４３ａ及び検出電極４４ａと重なり合う関係となる。すなわち、対向面積は半分となる。そして、移動子４２がさらに右へ移動し、２ｐ／４の位置に達すると、中継電極４５が送信電極４３ａ及び検出電極４４ａと重なり合う部分はなくなり、移動子４２の移動量は、図６（３）の三角波の下部頂点に示されるように、対向面積はゼロとなる。移動子４２が２ｐ／４の位置からさらに右へ移動すると、移動子４２の右端の中継電極４５’が電極相ａに属する送信電極４３ａ’及び検出電極４４ａ’と重なり始め、対向面積は増加を開始する。移動子４２が３ｐ／４の位置に移動すると、中継電極４５ｃの半分が送信電極４３ａ’及び検出電極４４ａ’と重なり合い、対向面積は半分となる。そして、移動子４２が４ｐ／４の位置に達すると、移動子４２の右端の中継電極４５’が送信電極４３ａ’及び検出電極４４ａ’と完全に重なり合うので、対向面積は最も広くなり、移動子４２の移動量は、図６（３）の三角波の上部頂点の位置を示すことになる。すなわち、移動子４２の４ｐ／４の位置は、相対的に０ｐの位置に対応する。

上述したように、送信電極４３ａ及び検出電極４４ａが中継電極４５と重なり合う対向面積の変化は、図６（３）に示されるような三角波である波線Ｆａとなるが、送信電極４３ｂ，４３ｃ，４３ｄ及び検出電極４４ｂ，４４ｃ，４４ｄが中継電極４５と重なり合う対向面積も同様の変化を示す。図７は、固定子４１の送信電極４３及び検出電極４４の電極相ａ〜ｄと移動子４２の中継電極４５との間の対向面積の変化を示す波線Ｆａ〜Ｆｄである。図７の波線Ｆａは、電極相ａの送信電極４３及び検出電極４４が中継電極４５とそれぞれ重なる対向面積の変化を表し、図６（３）の波形と同様である。波線Ｆｂ，Ｆｃ，Ｆｄは、電極相ｂ〜ｄの送信電極４３及び検出電極４４が中継電極４５と重なり合う対向面積の変化をそれぞれ示す。

このように、中継電極の電極周期１ｐに対する中継電極、送信電極及び検出電極の幅を合わせて０．５ｐとすると対向面積の変化は三角波を示す。

上述した構成を具備する静電エンコーダ４０が移動子４２の移動量ｄをどのように求めるのかについて次に説明する。
中継電極の電極周期Ｌ１（１ｐ）に対する送信電極及び検出電極の電極周期Ｌ２（０．７５ｐ）の比を４対３にすると、隣り合う送信電極及び検出電極に対する中継電極の相対的な位置関係は１／４（０．２５ｐ）ずつずれる。従って移動子４２が固定子４１上を移動すると、移動子４２の移動量ｄに応じて、固定子４１の電極と移動子４２の電極との間の対向面積は、図７に示されるように０．２５ｐずつ位相が異なる三角波となる。また、中継電極の数を５本とし、送信電極及び検出電極の幅を中継電極の幅に合わせ、かつ電極周期Ｌ１（１ｐ）と電極周期Ｌ２（１．２５ｐ）との比Ｌ１／Ｌ２を４対５とした場合も、０．２５ｐずつ位相が異なる三角波が得られる。その対向面積は電極間の静電容量に対応するので、その静電容量を以下のように電気的に検出することにより、移動子４２の移動量ｄを検出することができる。

図８は、本発明に係る静電エンコーダの信号伝達経路８０を示すブロック図である。図８を参照して、高周波信号Ｓａｂ（＝Ｖｓｉｎωｔ）が信号伝達経路８０の固定子４１の入力端子４６ａｂ（図４）に印加されると、その高周波信号Ｓａｂは、送信電極４３ａ，４３ｂに伝達される。ここで、Ｖは電圧、ωは角速度、ｔは時間をそれぞれ表す。送信電極４３ａ，４３ｂとそれぞれ静電結合（静電容量Ｃ１ａ，Ｃ１ｂ）した中継電極４５は、その静電結合を介して送信電極４３ａ，４３ｂから高周波信号Ｓａｂを受信する。さらに、中継電極４５で受信された高周波信号Ｓａｂは、中継電極４５とそれぞれ静電結合（静電容量Ｃ２ａ，Ｃ２ｂ）する検出電極４４ａ，４４ｂに、その静電結合を介して検出電極４４ａ，４４ｂに伝達され、受信される。受信された出力信号は、出力端子４７ａ，４７ｂにそれぞれ出力される。

また、位相を反転させた高周波信号Ｓｃｄ（＝−Ｖｓｉｎωｔ）が入力端子４６ｃｄに印加されると、その高周波信号Ｓｃｄは、送信電極４３ｃ，４３ｄに伝達される。送信電極４３ｃ，４３ｄとそれぞれ静電結合（静電容量Ｃ１ｃ，Ｃ１ｄ）した中継電極４５は、その静電結合を介して送信電極４３ｃ，４３ｄから高周波信号Ｓｃｄを受信する。さらに、中継電極４５で受信された高周波信号Ｓｃｄは、中継電極４５とそれぞれ静電結合（静電容量Ｃ２ｃ，Ｃ２ｄ）する検出電極４４ｃ，４４ｄに、その静電結合を介して検出電極４４ｃ，４４ｄに伝達され、受信される。受信された出力信号は、出力端子４７ｃ，４７ｄにそれぞれ出力される。上述のように、入力端子４６ａｂ，４６ｃｄに印加された高周波信号Ｓａｂ，Ｓｃｄは、図８に示される信号経路を経由して出力端子４７ａ〜４７ｄにそれぞれ出力される。

次に、出力端子４７ａ〜４７ｄにそれぞれ出力された出力信号は、移動子の移動量ｄを求めるための２つの検出信号Ｖ１，Ｖ２を導出する。まず、出力端子４７ａに出力される出力信号は、出力端子４７ｃに出力される出力信号と結合された後、演算増幅器４８に印加され、適切な電圧に増幅されて検出信号Ｖ１を導出する。この結合は、入力端子４６ｃｄに位相を反転させた高周波信号（−Ｖｓｉｎωｔ）からの出力が印加されるので、図７に示す波形Ｆａと波形Ｆｃとの相対的な差を求めることに等しい。この差は、図９の波形Ｆａ−ｃで示される。出力端子４７ａ，４７ｃに出力される出力信号の差を求めることにより、出力信号に含まれるノイズを相殺し、信号対雑音比を高めることができる。出力端子４７ｂ，４７ｄに出力される出力信号を結合し、演算増幅器４９で適切な電圧に増幅されて図９に示す波形Ｆｂ−Ｆｄのような検出信号Ｖ２を導出する。

出力端子４７ａ〜４７ｄから出力される出力信号は、静電結合された送信電極と中継電極との間の静電容量、及び、中継電極と検出電極との間の静電容量の合計値に応じて、出力信号の電圧が変化する。電極間の静電容量は、電極間の対向面積にほぼ比例するので、出力信号の電圧は、電極間の対向面積にほぼ比例することになる。つまり、出力端子４７ａ〜４７ｄに出力される出力信号は、電極間の対向面積の変化を示す図７の波線Ｆａ〜Ｆｄにそれぞれ対応する。例えば、出力端子４７ａの出力電圧は、移動子４２の移動に応じて波線Ｆａのように変化する。同様に、出力端子４７ｂ〜４７ｄに現れる出力信号も移動子４２の移動に応じて波線Ｆｂ，Ｆｃ，Ｆｄに対応して変化する。図７に示す波形Ｆａ〜Ｆｄは、単純に電極間の対向面積の変化を表すが、電極間の静電容量は、実際には電極が正対した時だけなく、斜め方向にも、電極間の距離に応じて形成されるため、電極間の間隔が狭い時の移動子が移動したときの実際の静電容量の変化は、三角波ではなく、正弦波に近くなる。従って、出力端子４７ａ〜４７ｄから出力される出力信号の電圧も正弦波の波形となる。

再び、図８を参照して、移動子４２の移動量ｄは、出力端子４７ａ〜４７ｄに現れる出力信号から次のように求められる。まず、入力端子４６ａｂ，４６ｃｄに高周波信号Ｓａｂ（Ｖｓｉｎωｔ）及びＳｃｄ（−Ｖｓｉｎωｔ）がそれぞれ印加されると、演算増幅器４８,４９から出力される検出信号Ｖ１，Ｖ２は、移動子の移動量をｄとすると、式（１），（２）で導出される値に比例する。
Ｖ１∝Ｖｓｉｎωｔ・ｓｉｎ２πｄ／ｐ （１）
Ｖ２∝Ｖｓｉｎωｔ・ｃｏｓ２πｄ／ｐ （２）
ここで、ｐは中継電極の電極周期Ｌ１を表す。式（１），（２）によって表される検出信号Ｖ１，Ｖ２は、移動子４２の移動量ｄに応じて図１０に示される電圧波形が出力される。

演算増幅器４８,４９から出力される検出信号Ｖ１，Ｖ２は、変位量検出回路５０に入力され、検出信号Ｖ１，Ｖ２の電圧値から移動子４２の移動量ｄが求められる。なお、図６に示されるように、高周波信号Ｓｃｄ（−Ｖｓｉｎωｔ）は、高周波信号Ｓａｂ（Ｖｓｉｎωｔ）の位相を反転させた信号であるので、出力端子４７ａ，４７ｃに現れる出力信号を加算することは、減算することと同じである。また、出力端子４７ｂと出力端子４７ｄからの出力信号についても同様である。

中継電極と、送信電極及び検出電極とが図５に示される配置を有する場合、中継電極の移動に伴う送信電極及び検出電極に対する対向面積の変化は図６に示されるように三角波となる。すなわち、移動子４５が２ｐ／４の位置を通過するとき、送信電極４３ａ及び検出電極４４ａと左端の中継電極との間の対向関係がなくなると同時に次の送信電極４３ａ’及び検出電極４４ａ’が右端の中継電極と対向関係を開始する。そして、移動子４２が４ｐ／４の位置に達すると、移動子４２の右端の中継電極４５’が送信電極４３ａ’及び検出電極４４ａ’と完全に重なり合う位置に戻る。しかしながら、中継電極と、送信電極及び検出電極との間の対向関係が上述の関係を有さない場合、すなわち中継電極と送信電極及び検出電極との間の対向関係に不連続性がある場合、対向面積の変化は、以下説明するように三角波ではなく台形波を示す。

図１１は、本発明の他の実施例に係るリニア型静電エンコーダの送信電極１０３ａ〜１０３ｄ及び検出電極１０４ａ〜１０４ｄと中継電極１０５との対向関係を示す図であるが、この配置の場合、中継電極１０５と送信電極１０３及び検出電極１０４との間の対向面積の変化は、台形波を示す。図１１に示す配置では、中継電極１０５の電極周期Ｌ３を１ピッチ（１ｐ）長とすると、中継電極１０５の測定方向の幅は、０．５ｐである。また、送信電極１０３及び検出電極１０４の電極周期Ｌ４は０．７５ｐ、測定方向の幅は、０．３７５ｐである。従って、送信電極１０３及び検出電極１０４の幅は、中継電極１０５の幅より短い。中継電極の電極周期Ｌ３と送信電極及び検出電極の電極周期Ｌ４との比Ｌ３／Ｌ４は、４対３である。１ピッチ長は、例えば、２ミリメートルが選択されるが、他のピッチ長を選択してもよい。

図１２は、図１１に示す対向関係を有する移動子１０２が固定子１０１上を移動したときの対向面積の波形Ｆａを説明するための図である。中継電極１０５と、送信電極１０３及び検出電極１０４との間における対向面積の変化は、図６に対する説明と基本的に同じである。しかしながら、移動子１０２の移動量がｐ／４（中継電極の電極周期Ｌ３の４分の１の移動量）と２ｐ／４との間であるとき、左端の中継電極と送信電極１０３ａ及び検出電極１０４ａとの間で対向関係がなくなる期間が発生する。この期間中、対向面積は０となり、図１２の台形波の底部を示す。これに対して、移動子１０２の移動量が３ｐ／４と４ｐ／４との間を移動するときには、右端の中継電極１０５’と送信電極１０３ａ’及び検出電極１０４ａ’との間の対向関係が一定面積で維持される期間が発生する。この期間中の対向面積は、図１２（３）の台形波の頂部を示す。図１２では、検出電極１０４ａの電極相ａに対する対向面積の変化を検討したが、検出電極１０４ｂ，ｃ，ｄの各電極相ｂ，ｃ，ｄに対する対向面積の波形は、図１３に示される波形Ｆａ〜Ｆｄに示されるとおりとなる。対向面積の波形Ｆｂ，Ｆｃ，Ｆｄも、波形Ｆａと同様、台形波を示す。また、図７に示す対向面積の相対的な差と同様に波形Ｆａと波形Ｆｃとの間の相対的な差、及び波形Ｆｂと波形Ｆｄとの間の相対的な差を求めると、図１４に示すとおりとなり、波形Ｆａ−ｃ、及び波形Ｆｂ−ｄも台形波となる。

このように、中継電極、送信電極及び検出電極の配置によって、中継電極と送信電極及び検出電極との間の対向面積に変化がない状態が生じることがある。しかしながら、前述のように静電容量は正対する電極間だけでなく斜め方向に電極間の距離に応じて形成される。固定子と移動子のギャップ距離と電極間隔に応じて電極幅を適切に設定することにより歪みの少ない正弦波とすることができる。従って、図８の出力端子４７ａ〜４７ｄに出力される出力信号の電圧の変化は、正弦波の波形となる。移動子１０２の移動量ｄは、これらの正弦波の出力信号に基づいて、図８に示される信号処理回路によって求められる。

以上のように、本発明に係るリニア型静電エンコーダは、固定子上に送信電極及び検出電極を形成し、移動子（変位子）上に中継電極を形成した構成を有し、移動子が固定子上を移動するに伴う、送信電極と中継電極との間の静電容量、及び、中継電極と検出電極との間の静電容量の双方の変化を検出することにより、移動子の移動量を求める。双方の静電容量の変化を検出するので、移動子の移動量の精度を高めることができる。なお、本実施例は、送信電極及び検出電極を固定子上に、中継電極を移動子上に形成するが、敢えて固定子や移動子を別個用意しなくても、移動量の検出を所望する部材自体に送信電極、中継電極、及び、検出電極を配置する構成により静電エンコーダを形成することもできる。

上述した送信電極、中継電極、及び、検出電極の配置は、移動子が直線方向に移動するリニア型静電エンコーダに適用されるが、送信電極、中継電極、及び、検出電極を円盤状の回転子（変位子）及び固定子に配置した回転型の静電エンコーダを形成することができる。以下、回転型静電エンコーダについて説明するが、リニア型静電エンコーダと同様の構成については説明を省略する。

図１５は、本発明の実施例に係る回転型静電エンコーダの回転子１５０（図１５（１））及び固定子１５１（図１５（２））を示し、回転子１５０及び固定子１５１に設けられる電極の配置を示す。回転型静電エンコーダは、モータなどの回転駆動装置から出力される回転軸の回転角度を検出するために用いられる。回転子１５０は、回転子１５０の軸受孔１５５にモータの回転軸が挿入され、かつモータの回転軸に固定される。回転子１５０は、固定子１５１と同心軸に配置され、回転子１５０及び固定子１５１の表面上に配置された電極は僅かな間隙で対向する。固定子１５１は、例えば回転型静電エンコーダの筐体（図示せず）に固定される。送信電極１５３ａ〜１５３ｄ及び検出電極１５４ａ〜１５４ｄは、固定子１５１の表面上に中心角４５度で同心円状に４対配置される。また、中継電極１５２は、中心角６０度の電極が回転子１５０上に３つ配置される。固定子の送信及び検出電極対の数と回転子の中継電極の数の比は、４対３である。図１５に示される固定子１５１は、中心軸に近い箇所に送信電極１５３ａ〜１５３ｄを配置しているが、送信電極１５３ａ〜１５３ｄと検出電極１５４ａ〜１５４ｄが逆の位置に配置されてもよい。

回転子１５０が回転すると、中継電極１５２は、送信電極１５３ａ〜１５３ｄ及び検出電極１５４ａ〜１５４ｄの表面上を通過する。回転子１５０の回転量（θ）に対する、中継電極１５２の送信電極１５３ａ及び検出電極１５４ａに対向する対向面積の変化を示す波形Ｆａは、図１５（１）に示すように中継電極１５２の左辺が送信電極１５３ａ及び検出電極１５４ａの左辺と一致した時点の回転量（θ）を０°とすると、図１６に示されるように台形状に変化する。同様に、中継電極１５２が送信電極１５３ｂ〜１５３ｄ及び検出電極１５４ｂ〜１５４ｄに対向する対向面積の変化を示す波形Ｆｂ〜Ｆｄも、回転子１５０の回転量（θ）に応じて、図１６のように台形状に変化する。中継電極１５２と送信電極１５３ａ〜１５３ｄ及び検出電極１５４ａ〜１５４ｄとの間に形成される静電容量は、回転量（θ）に応じて波形Ｆａ〜Ｆｄのように変化する。従って、図１７の信号伝達経路１７０に示されるように電極間の静電容量を検出し、以下のように回転子１５０の回転量（θ）を求めることができる。

まず、図１７に示されるように、送信電極１５３ａ，１５３ｂに高周波信号Ｓａｂ（＝Ｖｓｉｎωｔ）を、また送信電極１５３ｃ，１５３ｄに高周波信号Ｓｃｄ（＝−Ｖｓｉｎωｔ）を与える。送信電極１５３ａに与えられた高周波信号Ｓａｂは、送信電極１５３ａから静電容量Ｃ１ａを介して中継電極１５２に伝達され、さらに静電容量Ｃ２ａから検出電極１５４ａに伝えられる。他の送信電極に与えられた高周波信号Ｓａｂ，Ｓｃｄも中継電極１５２を介して検出電極１５４ｂ〜１５４ｄにそれぞれ伝えられる。この信号伝達は、リニア型静電エンコーダの場合と同様である。

検出電極１５４ａ，１５４ｃに現れた出力信号は加えられ、演算増幅回路１５８により適切な電圧に増幅されて、検出信号Ｖ１を得る。また、検出電極１５４ｂ，１５４ｄに現れた出力信号は加えられ、演算増幅回路１５９により適切な電圧に増幅されて、検出信号Ｖ２を得る。検出信号Ｖ１，Ｖ２の電圧は、回転子の回転角をθとすると、それぞれＶｓｉｎωｔｓｉｎθ，Ｖｓｉｎωｔｃｏｓθに比例する。すなわち、検出信号Ｖ１，Ｖ２は、図１８に示されるように、高周波信号Ｖｓｉｎωｔをｓｉｎθ及びｃｏｓθで振幅変調された信号である。検出信号Ｖ１，Ｖ２は、変位量算出回路１６０に入力され、検出信号Ｖ１，Ｖ２に周知のレゾルバデジタル（ＲＤ）変換処理を適用して、回転子１５０の回転角θを求めることができる。

図１５に示す回転子１５０と固定子１５１は、固定子対回転子の電極数比が４対３である例を示すが、他の電極数比の配置であっても回転子１５０の回転角θを求めることができる。図１９は、回転子１９０及び固定子１９１の他の電極配置例を示す。図１９（１）に示される回転子１９０は２５個の中継電極１９２が放射状に配置され、また図１９（２）に示される固定子１９１は、送信電極１９３及び検出電極１９４の電極対１９５が２０個放射状に配置される。送信及び検出電極の電極対１９５の数と中継電極１９２の数との比は、２０対２５（４対５）である。送信電極１９３及び検出電極１９４は、４つ置きに４つの電極相に分けられ、それぞれ電気的に結合される。図１９に示す電極配置の場合、中継電極１９２と送信及び検出電極対１９５との間の対向面積は、回転子の回転に応じて台形波の変化を示す。送信及び検出電極の同一電極相は、図１７に示す信号処理回路にそれぞれ接続される。図１９（２）は、２０対の送信及び検出電極を示すが、より多くの電極対で構成された固定子であってもよい。

図２０は、回転子２００及び固定子２０１のさらに他の電極配置例を示す。図２０（１）の回転子２００は５０個の中継電極２０２を放射状に配置し、また図２０（２）の固定子２０１は送信電極２０３及び検出電極２０４の電極対２０５を４８個放射状に配置する。固定子２０１の送信及び検出電極の電極対２０５の数と回転子２００の中継電極２０２の数と比は、５０対４８である。固定子２０１は、円周方向に連続する６個の送信電極２０３及び検出電極２０４がそれぞれ１つの電極群を構成する。また、円周方向に４つ置きの電極群が電極相ａ〜ｄを形成し、同一の電極群ａ〜ｄはそれぞれ電気的に結合される。図２０に示す電極配置の場合、中継電極２０２と送信及び検出電極対２０５との間の対向面積は、回転子の回転に応じて三角波の変化を示す。送信及び検出電極の同一の電極相は、図２１に示す信号処理回路にそれぞれ接続される。図２０（２）は、４８対の送信及び検出電極を示すが、より多くの電極対で構成された固定子であってもよく、また同一電極群に属する電極の数に制限はない。

図２１は、本発明の他の実施例に係る静電エンコーダの信号伝達経路を示すブロック図である。高周波信号（Ｖｓｉｎωｔ）が図２０の送信電極２０３ａ〜２０３ｄに入力され、中継電極２０２を介して検出電極２０４ａ〜２０４ｄで伝達した出力信号は、演算増幅器２０８，２０９の反転入力及び非反転入力にそれぞれ入力される。演算増幅器２０８，２０９は、検出信号Ｖ１，Ｖ２を出力し、回転子２０２の回転角θを求めるために、変位量算出回路２１０に加えられる。

上述のように、本発明に係る静電エンコーダは、回転子（移動子）及び固定子に配置された電極の構成に関わり、回転子（移動子）上に配置された中継電極は、固定子上に配置された送信電極との間及び検出電極との間に静電結合をそれぞれ形成する。回転子（移動子）の回転（移動）に伴い、中継電極と送信電極及び検出電極との間に形成される静電容量は変化する。その静電容量の変化を検出することにより、回転子（移動子）の回転角（変位量）を求めることができる。なお、本実施例は、送信電極及び検出電極を固定子上に、中継電極を回転子上に形成するが、敢えて固定子や回転子を別個用意しなくても、回転角の検出を所望する部材自体に送信電極、中継電極、及び、検出電極を配置する構成により静電エンコーダを形成することもできる。

４０ 静電エンコーダ
４１，１０１ 固定子
４２，１０２ 移動子
４３ａ〜４３ｄ，１０３ａ〜１０３ｄ 送信電極
４４ａ〜４４ｄ，１０４ａ〜１０４ｄ 検出電極
４５，１０５ 中継電極
５０，１６０，２１０ 変位量算出回路
１５０，１９０，２００ 回転子
１５１，１９１，２０１ 固定子
１５２，１９２，２０２ 中継電極
１５３ａ〜１５３ｄ，１９３，２０３ 送信電極
１５４ａ〜１５４ｄ，１９４，２０４ 検出電極

Claims (13)

1. 第１及び第２絶縁部材の相対向する表面上に配置される電極により形成される静電容量を用いて前記絶縁部材間の測定方向の変位を計測する静電エンコーダにおいて、前記電極は、
   前記第１絶縁部材に予め定める第１電極周期で前記測定方向に配置される３又はそれ以上の中継電極と、
   前記第２絶縁部材に前記第１電極周期とは異なる予め定める第２電極周期で前記測定方向に配置される送信電極及び検出電極であって、前記測定方向と直角方向に形成された１対の送信電極及び検出電極が前記測定方向に４の倍数個配置され、前記中継電極は前記送信電極及び検出電極の複数の電極対と静電容量を形成する、送信電極及び検出電極と、
   から構成されることを特徴とする静電エンコーダ。
2. 前記送信電極は、連続する２つの前記送信電極を電気的に結合した送信電極セットを順次形成し、１つ置きの前記送信電極セットを電気的に結合してそれぞれ入力端子に結合することを特徴とする請求項１記載の静電エンコーダ。
3. 前記検出電極は、４つ置きの前記検出電極を電気的に結合した電極相を順次４相形成し、前記４相の電極相を４つの出力端子にそれぞれ結合することを特徴とする請求項１記載の静電エンコーダ。
4. 前記検出電極は、前記測定方向にｋ個の連続した検出電極からなる、４の倍数個の電極群に分けられ、４つ置きの前記電極群に含まれる検出電極を電気的に結合した電極相を４相形成し、前記４相の電極相を出力端子にそれぞれ結合することを特徴とする請求項１記載の静電エンコーダ。
5. 前記第２電極周期は、前記第１電極周期と前記第１電極周期の１／４の差があることを特徴とする請求項１記載の静電エンコーダ。
6. 前記第１電極周期と前記第２電極周期との比は、３対４又は５対４であることを特徴とする請求項１記載の静電エンコーダ。
7. 前記送信電極及び検出電極の前記測定方向の幅は、前記中継電極の前記測定方向の幅と同じであることを特徴とする請求項１記載の静電エンコーダ。
8. 前記中継電極は前記第１絶縁部材上の予め定める中心点から放射上に配置され、前記送信電極及び検出電極は前記中心点に対向する前記第２絶縁部材上の中心点から放射上に配置されることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか記載の静電エンコーダ。
9. 前記変位は、前記測定方向の距離又は回転角であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか記載の静電エンコーダ。
10. 予め定める第１電極周期で測定方向に配置される３及びそれ以上の中継電極を配置する変位子と、
    前記第１電極周期とは異なる予め定める第２電極周期で前記測定方向に配置される送信電極及び検出電極を配置する固定子であって、前記測定方向と直角方向に形成された１対の送信電極及び検出電極が前記測定方向に４の倍数個配置され、前記送信電極に高周波信号が入力され、前記検出電極は４つ置きの検出電極を電気的に結合した電極相を４相形成し、前記中継電極は前記送信電極及び検出電極の複数の対と静電容量を形成する、固定子と、
    前記４つの電極相から出力される出力信号に基づいて、前記変位子と前記固定子との間の前記測定方向の相対的な変位を表す検出信号を導出する信号処理回路と、
    から構成されることを特徴とする静電エンコーダ。
11. 前記送信電極は、連続する２つの前記送信電極を電気的に結合した送信電極セットを順次形成し、１つ置きの送信電極セットを電気的に結合してそれぞれ入力端子に結合し、一方の入力端子に前記高周波信号を入力し、他方の入力端子に前記高周波信号の極性を反転した高周波信号を入力することを特徴とする請求項１０記載の静電エンコーダ。
12. 前記高周波信号が入力された電極相から出力される出力信号、及び、前記反転高周波信号が入力された電極相から出力される出力信号に基づいて、前記検出信号を導出することを特徴とする請求項１１記載の静電エンコーダ。
13. 前記変位子は、移動子又は回転子であることを特徴とする請求項１０又は１１記載の静電エンコーダ。