(57)【要約】      （修正有）【課題】より高い分解能で位置データを得ることができる励振位相検出方式静電容量型位置検出器を提供する。【解決手段】周期的に配置された複数の励振電極１１からなる励振電極群と受信電極１４を有する固定子１０と、励振電極群と対向し周期的に配置された結合電極２１と結合電極２１の全てが電気的に接続されかつ受信電極１４と対向して配置されている送信電極２２とを有する固定子１０に対向して相対移動する移動子２０とを備え、複数の励振電極１１に周波数が同一で位相の異なる複数の励振信号を印加する励振電源３０と、固定子１０と移動子２０の相対位置によって位相が変化する受信電極１４により検出される検出信号ＶSIGの特徴点の時点における複数の励振信号からデジタルデータを取得するサンプリング回路４０と、デジタルデータを用いて移動子２０の位置のデータを算出する位置検出回路４１を備えた励振位相検出方式静電容量型位置検出器。【選択図】図３
2010210351.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子と、該固定子に対向し相対移動する移動子とを備えた静電容量型位置検出器において、
前記固定子は、周期的に配置され互いに電気的に独立した複数の励振電極からなる複数組の励振電極群と、前記励振電極群と電気的に独立した受信電極を有し、
前記移動子は、前記励振電極群と対向し周期的に配置された複数の結合電極と、
該複数の結合電極の全てが電気的に接続されかつ前記受信電極と対向して配置されている送信電極と、を有し、
前記複数の励振電極にそれぞれ周波数が同一で位相の異なる複数の励振信号を印加し、
前記固定子と前記移動子の相対位置によって位相が変化する前記受信電極により検出される検出信号と、
該検出信号の位相の特徴点の時点での前記複数の励振信号の値に基づいて前記検出信号と任意に選択された一つの前記励振信号との位相差を算出する位相差算出手段と、
前記位相差から前記固定子に対する前記移動子の位置を算出する位置算出手段と、
を備えたことを特徴とする静電容量型位置検出器。
【請求項２】
前記位相差は前記検出信号の位相の特徴点の時点で、前記複数の励振信号のうちお互いの位相の差が０度差および１８０度差ではない２つの励振信号の値から、前記検出信号と任意に選択された一つの前記励振信号との位相差を求めることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型位置検出器。
【請求項３】
前記検出信号の位相の特徴点は、前記検出信号から直流成分を取り除いた信号における負から正へのゼロクロスの時点とし、さらに前記複数の励振信号のうちお互いの位相の差が０度差および１８０度差ではない２つの励振信号が互いに９０度の位相差を持つことを特徴とする請求項２に記載の静電容量型位置検出器。
【請求項４】
前記静電容量型位置検出器はさらに前記固定子に対する前記移動子の位置に対応する前記励振電極群の周期数を記憶する第１の記憶手段と、前記励振電極群内の前記移動子の位置データを記憶する第２の記憶手段とを有し、
前記位置算出手段により前記移動子の位置を算出する時間間隔における前記移動子の移動量が、一つの前記励振電極群の１／２周期未満で使用される条件において、
今回算出した前記移動子の位置データから前記第２の記憶手段に記憶された前回算出した前記移動子の位置データを引いた位置変化量が前記励振電極群の配置周期の−１／２周期より大きく、＋１／２周期未満の場合は前記第１の記憶手段に保持されているデータは更新しないで、前記第２の記憶手段に保持されているデータを今回算出した位置データに更新し、前記位置変化量が前記励振電極群の配置周期の−１／２周期以下の場合は、前記第１の記憶手段に保持されているデータに１周期加算し、前記位置変化量が前記励振電極群の配置周期の１／２周期以上の場合は、前記第１の記憶手段に保持されているデータから１周期減算し、前記第２の記憶手段に保持されているデータを今回算出した位置データに更新し、
前回第１の記憶手段に記憶された前記周期数と、今回算出した位置データにより前記移動子の位置を求めることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の静電容量型位置検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固定子と回転運動や直線移動する移動子の相対位置情報を移動子から得た信号を内挿処理して高い分解能で求める励振位相検出方式静電容量型位置検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転体の回転情報を検出するセンサとして静電容量型検出器が知られている。静電容量型検出器は、高周波信号を用い高感度で回転体の回転情報を取得することが可能であり、静電容量結合の原理を用いるため薄型の電極構造とすることができ、検出器を小型化できる。  
特許文献１に開示される静電容量型検出器は、回転軸により本体に回転可能に取付けられた回転板と、回転板に対向配置するように本体に取付けられた固定板とを含み、固定板に対する回転板の回転変位量を検出するものである。  
固定板の表面には、複数の送信電極が円周方向に沿って等間隔に配列されている。この送信電極には電圧印加回路により順次所定の位相をずらした正弦波あるいは矩形波が印加され８相電極を１単位とするユニット電極群が複数形成されている。回転板の表面には、ユニット電極群と同数の受信電極がそれぞれ各ユニット電極群に含まれる連続した所定の電極に対して対向するように配列されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６１−１０５４２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
静電容量型検出器では、複数の送信電極板を等間隔に配置し、各励振電極に所定の位相をずらした交流電圧を印加するとともに、これらの励振電極に対向して結合電極を配置し、この励振電極と結合電極の相対移動量を結合電極から検出される静電容量信号と前記交流電圧の位相差を分析して求めている。小型、計量であることから、静電容量型検出器を用いて回転体などの移動体の位置検出を高い精度で求める必要性が高まっている。  
そこで本発明の目的は、励振信号と移動子から得た信号とに基づいてより高い分解能で位置データを得ることができる励振位相検出方式静電容量型位置検出器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願の請求項１に係る発明は、固定子と、該固定子に対向し相対移動する移動子とを備えた静電容量型位置検出器において、前記固定子は、周期的に配置され互いに電気的に独立した複数の励振電極からなる複数組の励振電極群と、前記励振電極群と電気的に独立した受信電極を有し、前記移動子は、前記励振電極群と対向し周期的に配置された複数の結合電極と、該複数の結合電極の全てが電気的に接続されかつ前記受信電極と対向して配置されている送信電極と、を有し、前記複数の励振電極にそれぞれ周波数が同一で位相の異なる複数の励振信号を印加し、前記固定子と前記移動子の相対位置によって位相が変化する前記受信電極により検出される検出信号と、該検出信号の位相の特徴点の時点での前記複数の励振信号の値に基づいて前記検出信号と任意に選択された一つの前記励振信号との位相差を算出する位相差算出手段と、前記位相差から前記固定子に対する前記移動子の位置を算出する位置算出手段と、を備えたことを特徴とする静電容量型位置検出器である。
【０００６】
請求項２に係る発明は、前記位相差は前記検出信号の位相の特徴点の時点で、前記複数の励振信号のうちお互いの位相の差が０度差および１８０度差ではない２つの励振信号の値から、前記検出信号と任意に選択された一つの前記励振信号との位相差を求めることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型位置検出器である。  
請求項３に係る発明は、前記検出信号の位相の特徴点は、前記検出信号から直流成分を取り除いた信号における負から正へのゼロクロスの時点とし、さらに前記複数の励振信号のうちお互いの位相の差が０度差および１８０度差ではない２つの励振信号が互いに９０度の位相差を持つことを特徴とする請求項２に記載の静電容量型位置検出器である。
【０００７】
請求項４に係る発明は、前記静電容量型位置検出器はさらに前記固定子に対する前記移動子の位置に対応する前記励振電極群の周期数を記憶する第１の記憶手段と、前記励振電極群内の前記移動子の位置データを記憶する第２の記憶手段とを有し、前記位置算出手段により前記移動子の位置を算出する時間間隔における前記移動子の移動量が、一つの前記励振電極群の１／２周期未満で使用される条件において、今回算出した前記移動子の位置データから前記第２の記憶手段に記憶された前回算出した前記移動子の位置データを引いた位置変化量が前記励振電極群の配置周期の−１／２周期より大きく、＋１／２周期未満の場合は前記第１の記憶手段に保持されているデータは更新しないで、前記第２の記憶手段に保持されているデータを今回算出した位置データに更新し、前記位置変化量が前記励振電極群の配置周期の−１／２周期以下の場合は、前記第１の記憶手段に保持されているデータに１周期加算し、前記位置変化量が前記励振電極群の配置周期の１／２周期以上の場合は、前記第１の記憶手段に保持されているデータから１周期減算し、前記第２の記憶手段に保持されているデータを今回算出した位置データに更新し、前回第１の記憶手段に記憶された前記周期数と、今回算出した位置データにより前記移動子の位置を求めることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の静電容量型位置検出器である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、励振信号と移動子から得た信号とに基づいてより高い分解能で位置データを得ることができる励振位相検出方式静電容量型位置検出器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】固定子を説明する図である。
【図２】移動子を説明する図である。
【図３】本発明の一実施形態である静電容量型位置検出器の概略構成図である。
【図４】位置検出回路の一実施形態を説明する図である。
【図５】基準電圧である評価励振信号と検出信号の位相差を説明する図である。
【図６】検出信号と評価励振信号との関係を説明する図である。
【図７】位相を求める処理のアルゴリズムを示すフローチャートである。
【図８】位置検出回路が実行する処理のアルゴリズムを示すフローチャートである。
【図９】直動方式の静電容量型位置検出器で用いられる固定子の概略構成を説明する図である。
【図１０】直動方式の静電容量型位置検出器で用いられる移動子の概略構成を説明する図である。
【図１１】本発明の一実施形態である直動方式の静電容量型位置検出器を説明する概略構成図である。
【図１２】３相励振から９０度差信号の生成を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を図面とともに説明する。  
図１は、本発明の静電容量型位置検出器の一実施形態に用いられる固定子を説明する図である。この実施形態は回転方式の静電容量型位置検出器であり、固定子１０は中心部に固定子の貫通孔１５を有する円板形状の固定板であり、その一方の表面に固定子１０の径方向に伸びる複数の励振電極１１が一定の間隔で設けられ、それらは一定の周期で互いに電気的に接続されている。
【００１１】
固定子１０は表面が絶縁性で剛性を持つ基板材料であればよく、例えば、ガラスエポキシ材、紙−ベークライト積層材、ガラス、アルミナ等のセラミックや、鉄、アルミニウム等の金属やシリコン等の半導体板にセラミックを溶射したり、絶縁樹脂をコーティングしたり、絶縁ビーズを配置して浮かせ空気層を形成し絶縁したものであればよい。
【００１２】
固定子１０に設けられる励振電極１１などの各導体は、圧延銅箔、蒸着クロム等の導体をフォトエッチングで除去して形成したり、銀やカーボン等の導体インクをインクジェット、シルクスクリーン、オフセット印刷等で形成することができる。
【００１３】
図１の例では４つの励振電極１１（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ）で１組の励振電極群１６を構成しており、全体で１０組の励振電極群１６が形成されている。それぞれの励振電極群１６に含まれる同じ順番の各励振電極１１は、互いに電気的に接続されており、その配線は図中、実線または破線の線として示されている。実線で示される配線は励振電極１１が設けられている面と同じ面に配置され、破線で示される配線は励振電極１１が設けられている面と反対側の面に配置されていることを示している。
【００１４】
図１の例では、励振電極１１は４つおきに通電導体１２および給電導体１３を介して互いに電気的に接続されている。そして、４つの相を有する励振手段により各相の励振電極１１が励振される。１つの励振電極群１６を構成する４つの励振電極１１は互いに電気的に独立しているため、各励振電極群１６の各励振電極１１を電気的に接続するために、スルーホール技術を用いて各励振電極１１、各リング状の通電導体１２、各給電導体１３が電気的に接続される。スルーホール技術はプリント板製造技術として一般的に用いられる技術である。
【００１５】
また、固定子１０の中心部に励振電極１１が形成された面に、励振電極１１と電気的に独立したリング形状の受信電極１４が設けられている。受信電極１４には受信した検出信号を外部に出力するための検出信号出力部１７が設けられている。
【００１６】
図１では受信電極１４は励振電極１１と同じ面上で、かつ内周側に配置されているが、後述する移動子２０の送信電極２２と静電容量結合して検出信号を受信できればよいので、励振電極１１と同じ面側に配置する必要はなく反対側の面に設けてもよい。また、受信電極１４を内周側に設けたのは移動子２０の送信電極２２に対向して配置するからであり、送信電極２２が外周側に配置された場合には受信電極１４を固定子１０の外周側に配置する。また、固定子１０に形成された固定子の貫通孔１５は静電容量型位置検出器の必須の構成要件ではなく、使用上の便宜を図るための構成であって、使用上固定子の貫通孔１５が必要なければ設けなくてもよい。
【００１７】
図２は、本発明の静電容量型位置検出器の一実施形態に用いられる移動子を説明する図である。移動子２０は中心部に移動子の貫通孔２３を形成した円板形状の回転体であり、その片側の表面に移動子２０の径方向に伸びる複数の結合電極２１が形成されている。図２に示される例では、１０個の結合電極２１が設けられている。それらの結合電極２１は全てが移動子２０の中心部に形成されたリング形状の送信電極２２と電気的に接続され、単相の検出電極を構成する。
【００１８】
そして、固定子１０の励振電極１１が形成された面と移動子２０の結合電極２１が形成された面とが対向するように、固定子１０と移動子２０を位置決めすることにより、複数の結合電極２１から構成される検出電極は、固定子１０側の励振電極１１に印加される励振信号を静電誘導の原理により検出する。結合電極２１から構成される検出電極に検出される信号は、移動子２０と固定子１０の相対的な位置関係と、励振手段により印加される励振信号と励振電極１１の組み合わせにより変化する。
【００１９】
移動子２０の結合電極２１で構成される検出電極で検出された単相交流信号は、移動子２０に設けられた送信電極２２と固定子１０に設けられた受信電極１４との静電誘導により、移動子２０に設けられた送信電極２２から固定子１０に設けられた受信電極１４に送信される。送信電極２２と受信電極１４とは非接触的に検出信号を伝達できる。なお、検出信号を移動子２０から固定子１０側に伝達する方法として静電誘導以外にもスリップリング、回転トランスによる方法もある。
【００２０】
次に、図３を用いて本発明の静電容量型位置検出器の一実施形態を説明する。この実施形態は回転方式の静電容量型位置検出器である。  
励振電源３０は４相の交流電圧を出力する電源である。励振電源３０は４相交流信号発信器や該４相交流信号発生器の出力を増幅するアンプなどから構成される。励振電源３０から出力される励振信号はＶA0，ＶB0，ＶC0，ＶD0の４相励振とし、固定子１０には信号入力部（各相の給電部１８ａ〜１８ｄ）を介して４つの励振電極１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄに互いに位相が４分の１周期ずれたＶA0，ＶB0，ＶC0，ＶD0の４相交流電圧が印加される。この実施形態では、励振電源３０からのＶA0，ＶB0，ＶC0，ＶD0の４相交流電圧のうち、ＶA0，ＶB0の２信号を評価励振信号とする。また、この評価励振信号ＶA0，ＶB0はサンプリング回路４０に入力する。なお、これ以降、サンプリング回路４０に入力する励振信号を評価励振信号と称する。なお、給電部１８ａ〜１８ｄはスルーホール技術を用いて形成される。
【００２１】
固定子１０には複数の励振電極１１が設けられ、それらは一定の周期で互いに電気接続されている。その電極種類に対応した多相の電源のＶA0，ＶB0，ＶC0，ＶD0の４相交流電圧が印加されることにより固定子１０の励振電極１１を励振し、固定子１０の表面に所定の位相で進行波電圧を発生させる。移動子２０側には複数の結合電極２１が電気的に接続された単相の検出電極が設けられ、該検出電極は固定子１０の励振電極１１から静電誘導で伝達される信号を検出する。該検出電極に検出される信号は、それぞれ位相の異なる励振電極１１の電荷と検出電極を構成する結合電極２１の結合度によって変化し、その合成結果として固定子１０と移動子２０の相対角度位置で決まる位相の単相交流電圧として現れる。移動子２０が励振電極群１６を構成する励振電極１１の相数分回転移動すると、最初と同じ位相の単相交流電圧が発生し、さらに移動するとその位相の変化が繰り返される。
【００２２】
移動子２０は図示しない機構部により結合電極２１が配置された面が固定子１０の励振電極１１と所定の間隙を介して対向し、かつ固定子１０と同心に回転可能に支持されている。なお、図３では、移動子２０の結合電極２１は移動子２０の紙面から見て裏側に配置されていることから、図中では輪郭線を破線で表している。前記所定の間隙は、励振電極１１の配置ピッチが例えば２００μｍの場合には１５０μｍ〜２００μｍ程度に設定されるのが一般的である。なお、図３では固定子１０と移動子２０とは同心に記載されていないが、これは説明のためにずらしているにすぎない。
【００２３】
前述したように、各励振電極１１は各結合電極２１と対向し静電容量結合するため、各結合電極２１と電気的に接続された送信電極２２には各励振電極１１と各結合電極２１との静電結合度合に応じた電圧が現れる。さらに、移動子２０の送信電極２２と固定子１０の受信電極１４は対向しているため、同様に静電容量結合により受信電極１４には検出信号ＶSIGとして前記電圧が現れる。受信電極１４で検出された検出信号ＶSIGはサンプリング回路４０に入力する。なお、検出信号ＶSIGは、励振電極１１に入力される電圧と同じ周波数を有した交流電圧となり、例えば励振電極１１の周波数が１Ｍｚであれば、検出信号ＶSIGも１ＭＨｚの交流電圧となる。なお、受信電極１４で検出された検出信号ＶSIGは図示しない増幅手段により必要に応じて増幅する。なお、固定子のＰとサンプリング回路４０のＰとは電気的に接続されている。
【００２４】
サンプリング回路４０は、検出信号ＶSIGのマイナスからプラスになる点のゼロクロス点を検出するための、コンパレータ、微分回路を備え、また、検出信号ＶSIGの特徴点での評価励振信号のデジタルデータを取得するための、サンプルホールド回路、Ａ／Ｄ変換器を備える。  
サンプリング回路４０は、検出信号ＶSIGの位相の特徴点となる時点の評価励振信号ＶA0，ＶB0を検出し、検出信号ＶSIGの位相の特徴点となる時点での評価励振信号のデジタルデータＶAとＶBを演算し、位置検出回路４１にＶAとＶBとを出力する。検出信号ＶSIGの位相の特徴点となる時点は、例えば、検出信号ＶSIGがマイナスからプラスへのゼロクロス点やプラスからマイナスのゼロクロス点に着目し、検出信号ＶSIGがその位相に達した時に多相励振電源のうち１８０度差でない２つの励振信号を評価励振信号ＶA0，ＶB0としサンプルすることによって、正弦波信号と余弦波信号を得ることができる。１８０度差でない２つの励振信号（評価励振信号）としては９０度差の位相が効果的である。また、９０度差の位相差ではない場合にはサンプルした２つの信号に所定の係数を乗じて加算することで、正弦波信号と余弦波信号とを得ることができる。
【００２５】
図４は位置検出回路４１の一実施形態の概略ブロック図である。位置検出回路４１は、プロセッサ４２と、プロセッサ４２にバス４３を介して接続されたインタフェース４４、ＲＡＭ４５、ＲＯＭ４６、インタフェース４７、および表示器４８を備えている。インタフェース４４はサンプリング回路４０からの出力信号を受信するためのインタフェースである。ＲＡＭ４５は後述するレジスタＲＡとレジスタＲＢの記憶領域を有する。また、ＲＯＭ４６には位相角を算出する際に用いられるデータテーブルが予め格納されている。インタフェース４７は、位置検出回路４１で求められた位置データを外部に出力するためのインタフェースである。また表示器４８は位置データを表示する手段である。位置検出回路４１には、サンプリング回路４０からの検出信号ＶSIGの特徴点における評価励振信号ＶA0，ＶB0を数値化したデジタルデータＶA，ＶBがインタフェース４４を介して入力する。位置検出回路４１は後述するように逆タンジェント演算やデータテーブルによって位相角を求める。
【００２６】
図５は、基準信号である評価励振信号ＶA0，ＶB0と増幅した検出信号ＶSIGを示す図である。図示された検出信号ＶSIGと評価励振信号ＶA0とＶB0との位相差が固定子１０と移動子２０との位置関係（機械的な位相）によって変化する。図５は、ある瞬間の検出信号ＶSIGと評価励振信号ＶA0，ＶB0の関係を示しており、該両信号を時間的に連続して観察すると、移動子２０が固定子１０に対して停止している場合は前記位相差は変化せず、移動子２０が固定子１０に対して移動している場合は時間的に連続して前記位相差が変化する。移動子２０の移動の方向（回転方向）が反転すれば位相差の向きも変化する。
【００２７】
次に、図６を用いて検出信号ＶSIGからその時の検出信号ＶSIGと評価励振信号ＶA0，ＶB0との位相差を得る処理方法について説明する。まず、検出した検出信号ＶSIGから検出基準位相を得ることを説明する。サンプリング回路４０において検出信号ＶSIGをＡＣ結合の増幅器を用いて平均値がゼロとなるように調整する。これによって、検出信号ＶSIGから直流成分を除去することができる。次に、検出信号ＶSIGがマイナスの状態からプラスの状態に変化するゼロクロスの時点をもって検出基準位相とする。サンプリング回路４０において検出信号ＶSIGのゼロクロス点の検出は、例えば、ＶSIGをコンパレータ、あるいはリミッタアンプなどにより方形波に変換し、方形波の立ち上がり時点を検出することができる。この方形波の立ち上がり時点はＶSIG信号のマイナスからプラスに転換するゼロクロス点に相当する。
【００２８】
次に、サンプリング回路４０においてこの検出信号ＶSIGの検出基準位相の時点をもって評価励振信号ＶA0，ＶB0の電圧をサンプル／ホールド回路（図示せず）によりサンプル／ホールドし、その後サンプリング回路４０のＡ／Ｄ変換器（図示せず）を用いてアナログ信号をデジタル信号に変換することによって評価励振信号ＶA0，ＶB0をデジタルデータに変換し数値化する。検出基準位相のおける評価励振信号ＶA0，ＶB0を数値化したものをＶA，ＶBで表す。なお、あらかじめ評価励振信号ＶA0，ＶB0の振幅電圧は所定の大きさに調整しておく。または数値化したのちそれぞれ別に測定した振幅値を用いて正規化してもよい。
【００２９】
図６（ａ）は評価励振信号ＶA0，ＶB0を示している。横軸は時間、縦軸は電圧を表す。この評価励振信号ＶA0，ＶB0は前述したように励振電源３０から固定子１０の各励振電極１１に印加される４相信号ＶA0，ＶB0，ＶC0，ＶD0のうちの２相の信号である。評価励振信号ＶA0は評価励振信号ＶB0に比較して位相が１／４周期進んでいる。
【００３０】
図６（ｂ）は固定子１０と移動子２０の相対位置が変化した場合（相対位置０〜相対位置３）の検出信号ＶSIG〜ＶSIGである。横軸は時間、縦軸は電圧を表している。図６（ｂ）（１）は相対位置１の場合の検出信号ＶSIGであり、図６（ｂ）（２）は相対位置２の場合の検出信号ＶSIGであり、図６（ｂ）（３）は相対位置３の場合の検出信号ＶSIGであり、図６（ｂ）（４）は相対位置０の場合の検出信号ＶSIGである。図６（ｂ）に示されるように、固定子１０と移動子２０の相対位置により評価励振信号ＶA0，ＶB0に対する検出信号ＶSIGの位相は変化する。
【００３１】
図６（ｃ）には評価励振信号ＶA0の値をＸ成分、評価励振信号ＶB0の値をＹ成分とするベクトルφが示されている。図６（ｃ）（１）は図６（ｂ）（１）の相対位置１のときの位相を表すベクトルであり、図６（ｃ）（２）は図６（ｂ）（２）の相対位置２のときの位相を表すベクトルであり、図６（ｃ）（３）は図６（ｂ）（３）の相対位置３のときの位相を表すベクトルであり、図６（ｃ）（４）は図６（ｂ）（４）の相対位置０のときの位相を表すベクトルである。ベクトルφは励振電極群の配置幅を１周期と考えたときに、結合電極２１の端部が位置する位相を表している。後述する方法によりベクトルφの位相角を計算すると、固定子１０に対する移動子２０の前記１周期内での位置関係を読み取ることができる。
【００３２】
次に、評価励振信号ＶA0，ＶB0をデジタルデータに変換し数値化したＶA，ＶBから位相差、すなわち相対位置を得る方法を説明する。図６（ｃ）に示されるように、位相角φは数１式として示す逆タンジェント演算によって算出できる。
【００３３】
【数１】
2010210351.tif 000003
【００３４】
で表すことができる。ただし、ａｔａｎ２（ｙ，ｘ）はＡＮＳＩ規格に定める逆タンジェント関数の主値で、ｙは正接分子、ｘは正接分母である。なお、ＡＮＳＩ規格にはａｔａｎ２（０，１）が定義されていないから、この場合、φ＝−πとして定義しておけばよい。φ＝０の示す相対位置φ0は、図６（ａ）に示されるように検出信号ＶSIGのゼロクロスのときＶAが正の最大値になっている位置である。また、ＶB，ＶA値を表に纏め、ルックアップテーブルを用いてφ値を得る方法でもよい。
【００３５】
この場合、分解能を高めるため細かい数表を用いるとテーブルが大きくなるので、ルックアップテーブルの大きさを抑えて内挿することもできる。最後に、位相差３６０度（２πｒａｄ）が励振電極群１組の長さに相当するようにスケーリングすることで、固定子１０と移動子２０の相対位置が算出できる。この方法では、０度未満または３６０度以上の位相差は、正弦波信号と余弦波信号が３６０度の周期信号であるため判定できない。０度未満または３６０度以上の位相差の場合については後述する。
【００３６】
上述したように、励振電極群１６の１つの中のどの位置にあるかを特定できる。しかし、固定子１０に配置された励振電極群１６および信号を検出する結合電極２１はそれぞれ繰り返して配置されているため、例えば、励振電極群５５の１組の長さを超えて相対移動すると同様の信号が得られる。この同様の信号の数を計数することで、励振電極群の組をいくつ超えて移動したか、換言すれば、励振電極群を何周期分移動したかを計測することができる。
【００３７】
そこで、その繰り返す信号に対して何周期移動したかを特定する方法を説明する。まず、条件として、検出信号ＶSIGのゼロクロス等の特徴点の時点をもって評価励振信号（ＶA0、ＶB0の電圧）を取り込み、その後、その時点の情報（ＶA、ＶB）から位相差、すなわち、相対位置を得る方法で、前回の取り込みの時点から今回の取り込みの時点までの間に相対位置の変化量の絶対値が、励振電極群１６の１組の長さの１／２未満であるとする。
【００３８】
回転方式の静電容量型位置検出器１について数式を用いてより具体的に説明する。固定子１０と移動子２０との相対移動速度をＶP、周期的に配置される多相励振される励振電極群の１組に相当する周期をＬ、正弦波信号と余弦波信号の取得周期をＴとすると、｜Ｖ＊Ｔ｜＜Ｌ＊（１／２）とする条件が付与される。なお、位相角φの０度から３６０度に相当する位置の差は周期Ｌに相当する。
【００３９】
周期的に取得する正弦波信号と余弦波信号から得た位相の値について、前回の位相の位相角φ（ｎ−１）と今回得た位相の位相角φ（ｎ）の差：Δφ＝φ（ｎ）−φ（ｎ−１）を場合分けする。なお、φ（ｎ）の値域は０≦φ＜３６０度である。
（１）｜Δφ｜＜１８０度＝Ｌ／２の場合、レジスタＲＢのデータを変更しない。なお、レジスタＲＢは何周期移動したかを表すデータを格納する記憶手段である。
（２）Δφ≦−１８０度の場合、レジスタＲＢのデータを１つ増加する。これはφが３６０度を超えて正の移動をしたことを示している。＋方向に移動したことをレジスタＲＢに記憶する。
（３）Δφ≧１８０度の場合、レジスタＲＢのデータを１つ減らす。これはφが０度を超えて負の方向へ移動したことを示すので、一方向に移動したことをレジスタＲＢに記憶する。
【００４０】
以上のように位相差の変化が何回繰り返すかをカウントすることで３６０度以上の回転移動を把握することができる。  
以降、逆タンジェント演算やテーブル等の手段により求めた励振信号と検出信号の位相角φを一周期内位相、励振電極群５５一組の長さに相当するようにスケーリングしたものを「一周期内位置」とする。励振電極群５５一組の長さに相当する位置の差が、位相として３６０度の差となる。
【００４１】
まず、前回に取り込んだ時点の情報（ＶA、ＶB）［ｎ−１］により得た一周期内位相角φ［ｎ−１］がレジスタＲＡに格納されているものとし、そのレジスタＲＡと今回に取り込んだ時点の情報（ＶA、ＶB）［ｎ］により得た一周期内位相角φ［ｎ］の値の差を評価する。この評価には減算回路等を使用する。
【００４２】
上記評価値の絶対値をとり、それが１８０度分の位相変化未満の場合は、レジスタＲＡに今回得た一周期内位相角φ［ｎ］の値を格納し、レジスタＲＢは更新しないで、レジスタＲＡのデータを一周期内位相角φoutとする。なお、レジスタＲＢは前述したように、移動子２０の相対位置が初期位置から位相３６０度の何倍移動したかを保存するレジスタである。
【００４３】
また、上記評価値が１８０度以上の場合には、レジスタＲＡに今回得た一周期内位相角φ［ｎ］の値を格納すると共に、レジスタＲＢのデータから１を減算して格納し、レジスタＲＡのデータを一周期内位相角φoutとする。
【００４４】
上記評価値が−１８０度以下の場合には、レジスタＲＡに今回得た一周期内位相角φ［ｎ］の値を格納すると共に、レジスタＲＢのデータに１を加算して格納し、レジスタＲＡのデータを一周期内位相角φoutとする。  
その後、レジスタＲＢのデータにレジスタＲＡのデータを足し合わせて、初期位置から今回取り込んだ時点の情報に基づく現在までの相対位置を出力する。
【００４５】
次に、移動子の位置を検出する処理のアルゴリズムを図７と図８に示されるフローチャートを用いて説明する。  
図７はサンプリング回路４０において、検出信号ＶSIGの特徴点のおける評価励振信号の値を求める処理のアルゴリズムを示すフローチャートである。以下、各ステップに従って説明する。
●［ステップＳＴ１］検出信号ＶSIGは、＋ゼロクロスか否判断し、＋ゼロクロスであればステップＳＴ２に移行する。＋ゼロクロスでなければ処理を終了する。  
●［ステップＳＴ２］評価励振信号であるＡ相とＢ相の励振信号を同時にサンプリングし、ステップＳＴ３に移行する。  
●［ステップＳＴ３］Ａ相のサンプリング値をＡ／Ｄ変換しＶAとし、ステップＳＴ４へ移行する。  
●［ステップＳＴ４］Ｂ相のサンプリング値をＡ／Ｄ変換しＶBとし、ステップＳＴ５へ移行する。  
●［ステップＳＴ５］ＶA、ＶBを位置検出回路へ出力し、この回の処理を終了する。
【００４６】
図８は、位置検出回路４１が実行する処理のアルゴリズムを示すフローチャートである。処理の内容は上述したとおりであるが、フローチャートの各ステップに従って説明する。なお、この処理は所定周期毎に実行する。  
●［ステップＳＰ１］サンプリング回路４０から出力されたＶA及びＶBを取得し、ステップＳＰ２へ移行する。  
●［ステップＳＰ２］ステップＳＰ１で読み込んだＶAおよびＶBに基づきこの回の位相角φ（ｎ）を求め、ステップＳＰ３へ移行する。具体的な求めかたは関数やルックアップテーブルを用いる。  
●［ステップＳＰ３］前回の位相角φ（ｎ−１）を読み込みステップＳＰ４へ移行する。なお、位相角φ（ｎ−１）はレジスタＲＡに格納されている。
●［ステップＳＰ４］位相角φ（ｎ）から位相角φ（ｎ−１）を減算し位相差Δφ（ｎ）を算出し、ステップＳＰ５へ移行する。  
【００４７】
●［ステップＳＰ５］ステップＳＰ４で算出した位相差Δφ（ｎ）の絶対値は１８０度未満であるか否か判断し、１８０度未満である場合にはステップＳＰ９へ移行し、１８０度未満ではない場合にはステップＳＰ６へ移行する。なお、位相差Δφ（ｎ）の絶対値が１８０度未満の場合はレジスタＲＢのデータを更新する必要がない。  
●［ステップＳＰ６］位相差Δφ（ｎ）は−１８０度以下であるか否か判断し、以下である場合にはステップＳＰ７へ移行し、−１８０度以下ではない場合にはステップＳＰ８へ移行する。
●［ステップＳＰ７］レジスタＲＢのデータを１つ増加し、ステップＳＰ９へ移行する。なお、位相差Δφが−１８０度以下である場合は１組の励振位相群を超えて移動したことを示している。
【００４８】
●［ステップＳＰ８］レジスタＲＢのデータを１つ減少しステップＳＰ９へ移行する。なお、この場合はΔφ（ｎ）が１８０度以上の場合は１組励振位相群を超えて逆方向に移動したことを示している。  
●［ステップＳＰ９］レジスタＲＡのデータとレジスタＲＢのデータとから位置を算出し、ステップＳＰ１０へ移行する。レジスタＲＡに格納されるデータは１周期内の移動子の位置を表し、レジスタＲＢ内に格納されるデータは何周期分かを表している。１周期の長さは既知であることから、レジスタＲＡのデータとレジスタＲＢのデータとを用いることによって、移動子の位置（相対的な移動量）を特定できる。  
●［ステップＳＰ１０］位相角φ（ｎ）を前回の位相角としてレジスタＲＡに格納し、この回の処理を終了する。
【００４９】
次に、直動方式の静電容量型位置検出器２の実施形態を説明する。直動方式においても位置検出の原理については回転方式の静電容量型位置検出器１と同様であるので、ここでは、直動方式の静電容量型位置検出器２の概略の構成について説明する。図９は直動方式の静電容量型位置検出器２の固定子５０、図１０は移動子７０を示している。図１１は固定子５０と移動子７０を備えた直動方式の静電容量型位置検出器２の概略の構成図である。
【００５０】
まず、図９に示される固定子を説明する。固定子５０は回転方式の静電容量型位置検出器１の実施形態と同様に複数の励振電極が所定の順序で配置され一定の周期で複数配置されている。配置される電極群の数は検出する数に応じて決められる。それぞれの励振電極群５５に含まれる各励振電極５１Ａ〜５１Ｄは互いに電気的に接続されている。回転方式の静電容量型位置検出器１の実施形態と同様に、固定子５０は例えばプリント板製造技術によって製造される。各励振電極５１Ａ〜５１Ｄは電気的に独立しているため、各励振電極５１と各給電導体５４はスルーホール５３を用いて接続される。破線で示す通電導体５２は、固定子５０の内層または裏面に形成されていることを示している。
【００５１】
固定子５０の材料は、表面が絶縁性で剛性を持つ基板材であればよく、ガラスエポキシ材以外にも紙ベークライト積層板、ガラス、アルミナ等のセラミックや、鉄、アルミニウム等の半導体にセラミックを溶射したり、絶縁樹脂をコーティングしたり、絶縁ビーズを配置して浮かせぬ空気層を設けたりして絶縁したものであればよい。
【００５２】
各導体は、圧延銅箔、蒸着クロムなどの導体をフォトエッチングで除去したり、銀やカーボン等の導体インクをインクジェット、シルクスクリーン、オフセット印刷等で形成してもよい。直動方式の静電容量型位置検出器２は回転方式の静電容量型位置検出器１と異なり、固定子５０には受信電極が設けられておらず、後述するように直動方式の静電容量型位置検出器２の出力信号は移動子７０から直接出力される。
【００５３】
図１０は、移動子７０の構成を示す図である。移動子７０はその片面には固定子５０の励振電極５１と対向する位置に複数の結合電極７１と結合電極７２を有している。結合電極７１と結合電極７２は励振電極群５５の略半分の幅を有しており、結合電極７１と結合電極７２とは隣あって配置される。つまり、結合電極７１は前記励振電極群５５に含まれる半分の励振電極と対向しており、結合電極７２は励振電極群５５の残りの半分と対向している。図９に示されるように、本実施形態では４つの励振電極を有しており、結合電極７１，７２はそれぞれ略２相の電極と対向する。
【００５４】
また、結合電極７１と結合電極７２は同じ数配置され、一対の結合電極７１と結合電極７２を単位とする結合電極群を形成する。また、結合電極群の数は励振電極群５５の数よりも少なく、結合電極７１と結合電極７２が相対移動したときも移動子７０が固定子５０からはみ出すことがなく、結合電極７１と結合電極７２それぞれの励振電極に対向する面積が等しい。
【００５５】
結合電極７１は通電導体７５、通電部７７を介して出力電極７３に接続され、結合電極７２は通電導体７６、通電部７７を介して出力電極７４に接続される。結合電極７１と結合電極７２の位置関係により、出力電極７３の電圧と出力電極７４の電圧は互いに位相が１８０度異なっている。出力電極７３と出力電極７４は差動アンプ７８に接続されており、出力電極７３と出力電極７４の出力の差動成分を得ることによってコモンモードノイズを除去することができ、耐ノイズ性を向上させることができる。なお、回転方式の静電容量型位置検出器１と同様に結合電極、出力電極をそれぞれ１つのみ用いる構成とすることも可能である。なお、通電部７７はスルーホール技術を用いて形成される。
【００５６】
次に、図１１を用いて直動方式の静電容量型位置検出器２の概略の構成を説明する。固定子５０と移動子７０、４相交流電圧である励振信号ＶA0，ＶB0，ＶC0，ＶD0を出力する励振電源３０、検出器出力を受ける差動アンプ７８から構成される。固定子５０は４つの励振電極にお互いに位相が４分の１周期ずれた４相交流電圧が印加されている。移動子７０は図示しない機構部により結合電極７１，７２が配置された面が移動子５０の励振電極５１と所定の間隙を維持して図の左右方向に移動可能に支持される。
【００５７】
上述したように、本発明は、回転方式または直動方式の固定子と移動子の相対位置を検出する静電容量型位置検出器において、移動子から得た検出信号を内挿処理して高い分解能で固定子と移動子の相対位置を検出することができる。
【００５８】
上述の説明では４つの励振電極を有する静電容量型位置検出器において、検出信号ＶSIGの特徴点で取り込んだ９０度の位相差を有する２つの励振信号ＶA0，ＶB0の値を検出信号ＶSIGの特徴点（例えば、ゼロクロス点）の時点で測定し、ａｔａｎ２（ｙ，ｘ）やルックアップテーブルなどの方法を用いて一周期内位相角φを計算した。
【００５９】
次に励振基準信号の相数と各励振基準信号間の位相差が特定の場合ではなく、一般化した場合について説明する。具体的に言えば、検出信号ＶSIGの特徴点の時点で取り込んだ励振基準信号の１〜ｎ相の値と、事前に知られている各相の励振信号のパラメータから統計的な手法（この例では最小二乗法）を用いて、一周期内位相φを推定する方法である。そのために、前記複数の基準信号は、１）同じ周波数を有し、２）それぞれに固有で既知の位相差を有し、更に３）１周期内位相φと振幅の関係が明らかになっているようにする。
【００６０】
各基準信号のφとの関係式においてφを所定の刻み幅で０ラジアンから２πラジアンまで変化させ、読み込まれた基準信号値との差が最小となるφを１周期内位相として採用する。  
例えば、データを取り込む基準信号の数をｍ個、基準信号をＶ10、Ｖ20、・・・Ｖm0とすると、各基準信号は、１周期内位相をφとして、
Ｖ10（φ）＝Ａ1（ｃｏｓ（ωｔ＋θ1＋φ））
Ｖ20（φ）＝Ａ2（ｃｏｓ（ωｔ＋θ2＋φ））
・
・
・
Ｖm0（φ）＝Ａm（ｃｏｓ（ωｔ＋θm＋φ））と表される。  
なお、Ａn（ｎ＝１〜ｍ）は各基準信号の振幅、θn（ｎ＝１〜ｍ）は各基準信号に固有の位相差である。
【００６１】
検出信号ＶSIGの特徴点において取り込まれた基準信号のデータをＶ1、Ｖ2、・・・Ｖmとする。得られたＶ1、Ｖ2、・・・Ｖmからφを求めるために、前述のＶ10〜Ｖm0の式において、φの値を所定の刻みで０ラジアンから２πラジアンまで変化させて、以下の計算を行う。ここでは、実際の１周期内位相φとの混同を避けるために、Ｖ10〜Ｖm0の式で変化させるφをφ*として記載することにする。ここで、ωｔは励振電源から得られる情報であり既知であり、また、θ1〜θmも既知である。
Ｅ1（φ*）＝｛Ｖ1−Ｖ10（φ*）｝2
Ｅ2（φ*）＝｛Ｖ2−Ｖ20（φ*）｝2
・
・
・
Ｅm（φ*）＝｛Ｖm−Ｖm0（φ*）｝2
【００６２】
【数２】
2010210351.tif 000004
【００６３】
Ｅ（φ）の最小値を与えるφ*をもって推定１周期内位相φとする。なお、検出信号ＶSIGの特徴点としては、例えば＋方向のゼロクロスや−方向のゼロクロスを採用することができる。
【００６４】
次に、２つの励振信号の相対位相差を９０度に限定しない実施形態を説明する。２つの励振信号はそれらの位相差が知られているため、それらの位相差が０度または１８０度でなければそれらを用いて９０度差の信号に変換できる。例えば、振幅が同じで位相差が１２０度の三相励振信号ＵＶＷがあるとき、２つの励振信号ＵＶは互いに１２０度の位相差があるが、数３式に示される。
【００６５】
【数３】
2010210351.tif 000005
【００６６】
（但しＵ、Ｖはベクトル）
数３式の変換を行うと、Ｕ信号と９０度の位相差をもつＶ90信号が得られるから（図１２参照）、検出信号の特徴点の時点で取り込んだ基準信号Ｕ、Ｖ（の実部）にこの変換を行うことで、９０度位相差の信号が得られる。この９０度位相差の信号に対し、逆タンジェント演算やルックアップテーブル処理を行うことで、固定子、移動子の相対位相を得ることができる。
【符号の説明】
【００６７】
ＶSIG  検出信号
１  回転方式の静電容量型位置検出器
２  直動方式の静電容量型位置検出器
１０  固定子
１１  励振電極
１２  通電導体
１３  給電導体
１４  受信電極
１５  固定子の貫通孔
１６  励振電極群
１７  検出信号出力部
１８ａ  Ａ相給電部
１８ｂ  Ｂ相給電部
１８ｃ  Ｃ相給電部
１８ｄ  Ｄ相給電部
２０  移動子
２１  結合電極
２２  送信電極
２３  移動子の貫通孔
３０  励振電源
４０  サンプリング回路
４１  位置検出回路
４２  プロセッサ
５０  固定子
５１  励振電極
５２  通電導体
５３  スルーホール
５４  給電導体
５５  励振電極群
７０  移動子
７１  結合電極
７２  結合電極
７３  出力電極
７４  出力電極
７５  通電導体
７６  通電導体
７７  通電部
７８  差動アンプ
ＲＡ  周期内レジスタ
ＲＢ  周期数レジスタ
【図１】
2010210351.tif 000006
【図２】
2010210351.tif 000007
【図３】
2010210351.tif 000008
【図４】
2010210351.tif 000009
【図５】
2010210351.tif 000010
【図６】
2010210351.tif 000011
【図７】
2010210351.tif 000012
【図８】
2010210351.tif 000013
【図９】
2010210351.tif 000014
【図１０】
2010210351.tif 000015
【図１１】
2010210351.tif 000016
【図１２】
2010210351.tif 000017