(57)【要約】【課題】移動子から得た信号を内挿処理して高い分解能で位置データを得ることができる静電容量型位置検出器を提供すること。【解決手段】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、励振信号のいずれか１つの相に同期しかつそれより高いクロック信号Ｓ３を発生するクロック信号発生手段と、位相差を基準信号Ｓ１の第１の特徴点と検出信号Ｓ２の第２の特徴点の間の時間にはオン信号を発生する時間ゲート回路５１０と、時間ゲート回路５１０がオン信号を発生している間のクロック信号Ｓ３の数をカウント値として計数するカウント回路５１２と、カウント回路５１２により計数されたクロック信号Ｓ３と前記固定子と前記移動子とが１つの前記励振電極群だけ相対移動したときに計数されるクロック信号との比を求め１つの前記励振電極群内の移動量を算出する手段と、を備えたことを特徴とする静電容量型位置検出器。【選択図】図１０
2010139388.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、
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前記励振電極群と同じ数だけ周期的に配置された結合電極と、前記複数の結合電極の全てが電気的に接続される前記受信電極と対向して配置された送信電極とを有し、
前記励振電極にそれぞれ周波数が同一で位相の異なる励振信号を印加し、前記固定子と前記移動子の相対位置によって変化する前記受信電極により検出される検出信号と、前記励振電極に印加される励振信号のうちのいずれか１つである基準信号との位相差に基づいて
前記移動子の位置を検出する静電容量型位置検出器において、
前記励振信号のいずれか１つの相に同期しかつそれより高い周波数で、その１周期内に１回現れる特徴点が予め決められているクロック信号を発生するクロック信号発生手段と、
予め決められた前記基準信号の１周期内に１回現れる特徴点と、予め決められた前記検出信号の１周期内に１回現れる特徴点の間に含まれる前記クロック信号の数をカウント値として計数する計数手段と、
前記計数手段により計数された前記クロック信号のカウント値と前記励振信号の１周期内に含まれる前記クロック信号の数との比を求め１つの前記励振電極群内の位置データを算出する手段と、
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】
前記検出信号の特徴点直前のクロック信号の特徴点から前記検出信号の特徴点までの間所定の電流を出力する電流源と、
前記電流源から出力される前記電流を蓄えるコンデンサと、
前記検出信号の特徴点を経過した後前記コンデンサの電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段による電圧検出後に前記コンデンサを放電させる放電手段と、
前記電圧検出手段に検出された電圧に基づき１つのクロック信号時間内での前記移動子の位置を第１の補正位置データとして出力する第１の補正位置データ検出手段と、
前記第１の補正位置データ検出手段から出力される前記第１の補正位置データを前記励振電極群内の位置データに加算する加算手段と、
を備えた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】
前記検出信号の特徴点と前記検出信号の特徴点直後のクロック信号の特徴点までの間所定の電流を出力する電流源と、
前記電流源から出力される前記電流を蓄えるコンデンサと、
前記クロック信号の特徴点を経過した後前記コンデンサの電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段による電圧検出後に前記コンデンサを放電させる放電手段と、
前記電圧検出手段に検出された電圧に基づき１つのクロック信号時間内での前記固定子と前記移動子の位置を求め、更に１クロック信号あたりの移動量から前記移動子の位置データを減算し第２の補正位置データとして出力する第２の補正位置データ検出手段と、
前記第２の補正位置データ検出手段から出力される前記第２の補正位置データを前記励振電極群内の位置データに加算する加算手段と、
を備えた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４】
前記固定子と前記移動子の相対位置に対応する前記励振電極群の周波数を記憶する第１の記憶手段と、前記励振電極群内の前記移動子位置を記憶する第２の記憶手段とを有し、
前記位相差を数値的に取得する時間間隔に対して、移動子の移動の絶対値は、一つの励振電極群の１／２周期を前記時間間隔で除した値未満で使用される条件において、
今回取得した位置データから前記第２の記憶手段に記憶された前回取得した位置データを引いた差である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されず、前記第２の記憶手段に保持されているデータを今回取得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、前記第２の記憶手段に保持されているデータを今回取得した位置データに更新し、
前記位置変化量が前記１つの励振電極群の＋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取得した位置データに更新し、
前記第１の記憶手段に記憶された前記周期数と、今回取得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のいずれか一つに記載の静電容量型位置検出器。
【請求項５】
上記コンデンサに所定の電流を出力する電流供給回路と同一の電流供給回路を用い、
前記クロック信号の１周期にわたって、前記コンデンサに電流を流し、前記クロック信号の１周期の後、前記コンデンサに発生する端子間電圧をサンプリングして得られた電圧データをクロック信号キャリブレーション値とし、
前記電圧データとクロックキャリブレーション値の比から第１の補正位置データまたは第２の補正位置データを求めることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一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、固定され回転しない固定子と回転運動する回転子の相対回転位置を検出する検出器に関し、特に回転子から得た信号を内挿処理して高い分解能で回転位置を得ることができる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位置検出器が知れられている。静電容量型位置検出器は、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。
【０００３】
特許文献１に開示される静電容量型位置検出器は、回転軸により本体に回転可能に取付けられた回転板と、この回転板に対向配置するように本体に取付けられた回転板１２とを含み、回転板に対する回転板の回転変位量を検出するものである。
【０００４】
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。  
また、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送信電極に対して対向するように配列されている。
【０００５】
【特許文献１】特開昭６１−１０５４２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
静電容量型位置検出器では、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位置を結合電極から検出される静電容量信号の周期を分析して求めている。小型、軽量であることから、静電容量型位置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。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、移動子から得た信号を内挿処理して高い分解能で位置データを得ることができる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】
【０００８】
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、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前記励振電極群と同じ数だけ周期的に配置された結合電極と、前記複数の結合電極の全てが電気的に接続される前記受信電極と対向して配置された送信電極とを有し、前記励振電極にそれぞれ周波数が同一で位相の異なる励振信号を印加し、前記固定子と前記移動子の相対位置によって変化する前記受信電極により検出される検出信号と、前記励振電極に印加される励振信号のうちのいずれか１つである基準信号との位相差に基づいて前記移動子の位置を検出する静電容量型位置検出器において、前記励振信号のいずれか１つの相に同期しかつそれより高い周波数で、その１周期内に１回現れる特徴点が予め決められているクロック信号を発生するクロック信号発生手段と、予め決められた前記基準信号の１周期内に１回現れる特徴点と、予め決められた前記検出信号の１周期内に１回現れる特徴点の間に含まれる前記クロック信号の数をカウント値として計数する計数手段と、前記計数手段により計数された前記クロック信号のカウント値と前記励振信号の１周期内に含まれる前記クロック信号の数との比を求め１つの前記励振電極群内の位置データを算出する手段と、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。
【０００９】
請求項２に係る発明は、前記検出信号の特徴点直前のクロック信号の特徴点から前記検出信号の特徴点までの間所定の電流を出力する電流源と、前記電流源から出力される前記電流を蓄えるコンデンサと、前記検出信号の特徴点を経過した後前記コンデンサの電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段による電圧検出後に前記コンデンサを放電させる放電手段と、前記電圧検出手段に検出された電圧に基づき１つのクロック信号時間内での前記移動子の位置を第１の補正位置データとして出力する第１の補正位置データ検出手段と、前記第１の補正位置データ検出手段から出力される前記第１の補正位置データを前記励振電極群内の位置データに加算する加算手段と、を備えた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。
【００１０】
請求項３に係る発明は、前記検出信号の特徴点と前記検出信号の特徴点直後のクロック信号の特徴点までの間所定の電流を出力する電流源と、前記電流源から出力される前記電流を蓄えるコンデンサと、前記クロック信号の特徴点を経過した後前記コンデンサの電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段による電圧検出後に前記コンデンサを放電させる放電手段と、前記電圧検出手段に検出された電圧に基づき１つのクロック信号時間内での前記固定子と前記移動子の位置を求め、更に１クロック信号あたりの移動量から前記移動子の位置データを減算し第２の補正位置データとして出力する第２の補正位置データ検出手段と、前記第２の補正位置データ検出手段から出力される前記第２の補正位置データを前記励振電極群内の位置データに加算する加算手段と、を備えた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。
【００１１】
請求項４に係る発明は、前記固定子と前記移動子の相対位置に対応する前記励振電極群の周波数を記憶する第１の記憶手段と、前記励振電極群内の前記移動子位置を記憶する第２の記憶手段とを有し、前記位相差を数値的に取得する時間間隔に対して、移動子の移動の絶対値は、一つの励振電極群の１／２周期を前記時間間隔で除した値未満で使用される条件において、今回取得した位置データから前記第２の記憶手段に記憶された前回取得した位置データを引いた差である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されず、前記第２の記憶手段に保持されているデータを今回取得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、前記第２の記憶手段に保持されているデータを今回取得した位置データに更新し、前記位置変化量が前記１つの励振電極群の＋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取得した位置データに更新し、前記第１の記憶手段に記憶された前記周期数と、今回取得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のいずれか一つに記載の静電容量型位置検出器である。
【００１２】
請求項５に係る発明は、上記コンデンサに所定の電流を出力する電流供給回路と同一の電流供給回路を用い、前記クロック信号の１周期にわたって、前記コンデンサに電流を流し、前記クロック信号の１周期の後、前記コンデンサに発生する端子間電圧をサンプリングして得られた電圧データをクロック信号キャリブレーション値とし、前記電圧データとクロックキャリブレーション値の比から第１の補正位置データまたは第２の補正位置データを求めることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一つに記載の静電容量型位置検出器である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明により移動子から得た信号を内挿処理して高い分解能で位置データを得ることができる静電容量型位置検出器を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。  
図１は、静電容量型位置検出器に用いられる固定子を説明する図である。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。その周期に対応した多相の電源により励振電極１１を励振し、励振電極１１が設けられた固定子１０の表面に所定の位相で進行波電圧が発生する。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
図１の例では４つの励振電極１１で一つの励振電極群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。
【００１８】
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回路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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
図２は、静電容量型位置検出器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。
【００２３】
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に生じる進行波電圧を静電誘導の原理により検出する。
【００２４】
検出電極に検出される信号は、固定子１０のそれぞれ位相の異なる複数の励振電極１１の電荷と結合電極２１の結合度により変化し、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信号として現れる。移動子２０が励振電極１１の相数分回転移動すると、最初と同じ位相の単相交流信号が発生し、さらに移動するとその位相の変化が繰り返される。
【００２５】
したがって、励振電極１１の特定の相の位相と検出した単相交流信号の位相の位相差に着目すると、前記結合電極の位置を前記励振電極群の配置周期を１周期としたときに０度から３６０度として検出することができ、その位相差の変化が何回繰り返されたかをカウントすることで３６０度以上の位置を把握できる。
【００２６】
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の送信電極２２から固定子１０の受信電極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。
【００２７】
図３は固定子と移動子を備えた静電容量型位置検出器の概略構成図である。移動子２０は図示省略した機構部により、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、かつ移動子２０と同心に回転可能に支持される。固定子１０と移動子２０の対向する面の間隙は、励振電極１１の配置ピッチが例えば２００μｍだとすると、１５０μｍから２００μｍ程度に設定されるのが一般的である。
【００２８】
励振回路３０からの交流電圧である４相の各相Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄが、Ａ相給電部１８ａ，Ｂ相給電部１８ｂ，Ｃ相給電部１８ｃ，Ｄ相給電部１８ｄを介して固定子１０の各相の通電導体１２に接続され、給電導体１３を介して固定子１０の各相の励振電極１１に互いに４分の１周期ずれた交流電圧が供給される。
【００２９】
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、送信電極２２には各励振電極１１と各結合電極２１との静電結合の度合いに応じた電圧の信号が現れる。さらに、送信電極２２と受信電極１４は対向しているため、同様に静電誘導により受信電極１４に前記静電誘導の度合いに応じた電圧の信号が検出信号Ｓ２として現れる。検出信号Ｓ２は、励振回路３０から励振電極１１に入力される多相交流電圧と同じ周波数を有した単相の交流信号である。例えば、励振回路３０の多相交流電圧の周波数が１ＭＨｚであれば検出信号も１ＭＨｚの単相交流信号となる。受信電極１４で受信された検出信号Ｓ２は、検出信号出力部１７から位相検出回路４０に出力される。
【００３０】
そして、励振回路３０から出力される４相交流電圧の１つの相の電圧を基準信号Ｓ１とし、この基準信号Ｓ１の位相と移動子２０の送信電極２２から送信され固定子１０の受信電極１４で受信された検出信号Ｓ２の位相との位相差を位相検出回路４０により検出する。基準信号Ｓ１と検出信号Ｓ２の位相差から、固定子１０と移動子２０の相対的な位置を求めることができる。図３では励振回路３０のＤ相を基準信号Ｓ１とし検出信号Ｓ２との位相差を位相検出回路４０で検出することが示されている。なお、基準信号Ｓ１は励振回路３０のいずれか１つの相を選択すればよい。
【００３１】
図４は、位相検出回路に入力する基準信号と検出信号の位相差を説明する図である。図示された位相差が固定子１０と移動子２０の相対的な位置関係（機械的な位相）によって変化する。図４に示されるように検出信号Ｓ２は基準信号Ｓ１に比較して位相差の分だけ遅れている。図４ではある瞬間における基準信号と検出信号との関係を示しており、両信号を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、移動している場合は連続的に前記位相差が変化する。前記位相差は、固定子１０の励振電極１１と移動子２０の結合電極２１の結合度（換言すれば、相対的位置関係）に応じて０度〜３６０度まで変化する。また、移動の方向が反転すれば前記位相差の向きも変化する。
【００３２】
次に、図５に示されるカウンタ方式内挿型の位置検出手段を説明する。図５に示される位置検出手段５０は、基準信号Ｓ１と検出信号Ｓ２との０度〜３６０度の範囲の位相差を数値化する位相差数値化回路５１と、数値化したデータを元に固定子１０と移動子２０との相対的な位置データＳ８を求める位置変換手段５２を備える。図５に示される回路の各部の信号波形を図１１に示す。
【００３３】
励振回路３０の４相の励振電圧のうちの１つの相を基準信号Ｓ１とし、リミッタアンプなどの波形整形回路３２により矩形波の基準信号Ｓ１（以下、単に「基準信号Ｓ１」という）とする。一方、静電容量型位置検出器１００により検出された検出信号Ｓ２もリミッタアンプなどの波形整形回路３３により矩形波の検出信号Ｓ２（以下、単に「検出信号Ｓ２」という）とする。クロック信号発生器３１は、励振回路３０の４相の交流電圧の１つの相である基準信号Ｓ１の周波数に比べ所定の倍数高い周波数であって基準信号Ｓ１に同期した矩形波信号であるクロック信号Ｓ３を発生する回路である。例えば、励振回路３０の交流電圧の周波数（つまり、基準信号Ｓ１）を１ＭＨｚとし、クロック信号Ｓ３は３２ＭＨｚとする。各信号波形は図１１に示される。
【００３４】
基準信号Ｓ１、検出信号Ｓ２、およびクロック信号Ｓ３は、位置検出手段５０を構成する位相差数値化回路５１に入力する。位置検出手段５０は、前記基準信号と前記検出信号の位相差を元に電気角データに変換し位置を検出する検出器である。位置検出手段５０は位相差数値化回路５１と位置変換手段５２を有する。位相差数値化回路５１は、前記基準信号と前記検出信号の位相差をカウント値Ｓ７として積算する回路である。位置変換手段５２は位相差数値化回路５１で積算されたカウント値Ｓ７を元に前記移動子の位置を求める手段である。
【００３５】
次に図６を用いて図５の位相差数値化回路５１および位置変換手段５２を説明する。位相差数値化回路５１は基準信号Ｓ１と検出信号Ｓ２の位相差をクロック信号Ｓ３を元に数値化する回路である。時間ゲート回路５１０は、基準信号Ｓ１の立ち上がりの後、検出信号Ｓ２が立ち上がるまでの間有効となる時間ゲート信号Ｓ４を生成する（図１１参照）。時間ゲート回路５１０の例を図８に示す。基準信号Ｓ１と検出信号Ｓ２を入力し時間ゲート信号Ｓ４を生成する。
【００３６】
このように特徴点は、基準信号Ｓ１と検出信号Ｓ２とを前述したようにリミッタアンプなどにより方形波に変換し、その立上がりか立下がりのタイミングを取ることで得られる（図７参照）。また、波形整形する前の基準信号Ｓ１と波形整形する前の検出信号Ｓ２をコンパレータ（図示省略）により所定のスレショールドレベルで二値化し、その０から１への遷移、または１から０への遷移を特徴点としてもよい（図７参照）。  
また、波形整形する前の基準信号Ｓ１と波形整形する前の検出信号Ｓ２をＡＣ結合回路を通して直流オフセットを除去した信号とし、この信号に対して、コンパレータなどにより信号波形が０Ｖレベルをマイナスからプラス、またはプラスからマイナスへ通過するゼロクロス点を特徴点としてもよい。  
これらの方法により、それぞれの信号はその一周期に対して一点に定義される。さらに、基準信号Ｓ１の特徴点と検出信号Ｓ２の特徴点とは同じ方法で求めることに限定されず、上記の方法を組み合わせてもよい。
【００３７】
時間ゲート回路５１０は、基準信号Ｓ１がその設定された特徴点に達するとオン状態となり、検出信号Ｓ２がその設定された特徴点に達するとオフ状態となる時間ゲート信号Ｓ４を発生する。なお、以下の説明では、時間ゲート回路５１０は、基準信号Ｓ１の立ち上がりの後、検出信号Ｓ２が立ち上がるまでの間有効となる時間ゲート信号Ｓ４を例として説明する。
【００３８】
そして、クロック信号Ｓ３と時間ゲート信号Ｓ４とをＡＮＤ回路５１１に入力し、基準信号Ｓ１の立ち上がり時点から検出信号Ｓ２の立ち上がり時点までの時間をクロック信号Ｓ３のパルス数（図１１のゲート通過クロック信号Ｓ５を参照）に変換する。ゲート通過クロック信号Ｓ５のパルス数をカウント回路５１２によりカウントすることにより、基準信号Ｓ１と検出信号Ｓ２の位相差を数値化する。カウント回路５１２は、カウントされた数を暫定カウント値Ｓ６として位置変換手段５２に出力する。カウント回路５１２は暫定カウント値Ｓ６を位置変換手段５２に出力して後、カウント数をリセットし、次回の時間ゲート信号Ｓ４が有効になるまで待機する。
【００３９】
上記クロック信号Ｓ３は、励振回路３０からの励振信号の一つである基準信号Ｓ１の２倍以上の周波数を用いる。また、時間ゲート信号Ｓ４が有効になる基準信号Ｓ１の特徴点とこのクロック信号Ｓ３とは同期している。なお、非同期であると、クロック信号Ｓ３がＨｉｇｈレベルかＬｏｗレベルか不定のため、時間ゲート信号Ｓ４が立上がった瞬間に１カウントしたりしなかったりという問題が発生する。
【００４０】
実用的には、励振回路３０の励振信号（基準信号Ｓ１）とクロック信号Ｓ３は共通の信号源（水晶発信器やＧＰＳ受信機など）から生成されることが多く、同期したクロック信号Ｓ３を得ることは容易である。また、クロック信号Ｓ３が励振信号（基準信号Ｓ１）と比べて何倍の周波数であるかは、一励振信号周期はそのクロックでカウントされる数の比から得られるが、上記のように共通の信号源から両者が生成されている場合は、回路設計の段階で決定されるため、一励振信号周期のクロックのカウントは省略される。
【００４１】
基準信号Ｓ１が１ＭＨｚ、クロック信号Ｓ３が３２ＭＨｚである場合、０度から３６０度の位相差についてクロック信号Ｓ３のパルス数は０から３１に対応付けられる。つまり、カウント回路５１２から出力される暫定カウント値Ｓ６の値は０〜３１の値をとる。本発明は励振電極１１に印加される交流電圧の周波数より高い周波数のクロック信号Ｓ３を用いることで、それに応じてより高い分解能を得ることができる。
【００４２】
位置変換手段５２は、レジスタＡ５２３、差分比較処理部５２４、およびレジスタＢ５２５を備える。
差分比較処理部５２４は減算回路などを使用して構成することができる。差分比較処理部５２４は、前記暫定カウント値からレジスタＡ５２３に記憶されている前回暫定カウント値を減じて両者の差を算出する。差分比較処理部５２４はプロセッサによる処理、あるいは、回路構成により行うようにできる。
【００４３】
本発明の静電容量型位置検出器では、差分比較処理部の処理周期あたりの相対移動量が、位相の変化量として１８０度未満であることを想定している。この想定範囲は、例えば、１ＭＨｚの励振信号と毎励振周期毎の差分比較処理と１回転あたり５１２組の励振電極群からなる静電容量型位置検出器において、毎回５万８千回転以内という条件となり、実用的に問題となるものではない。
前記励振信号の１／２周期に相当する前記クロック信号のカウント値を判定用の基準値として使用する。クロック周波数が未確定の場合には上記一励振信号周期のクロックをカウントしなければならないが、通常は、前述のように設計段階で知られているため、その半周期分のカウント数も既知である。
なお、以下に述べる内容はカウント数について記載されているが、カウント値を位置データと読み替えることにより請求項４の内容と対応させることができる。
【００４４】
前記差が前記励振信号の−１／２周期に相当するカウント数より大きく、前記励振信号の＋１／２周期に相当するカウント未満の場合は、レジスタＡ５２３に暫定カウント値Ｓ６を格納し、レジスタＢ５２５は更新しないで、レジスタＡ５２３のデータを１周期内カウント値とする。レジスタＢ５２５は位相差が一励振周期の何倍であるかを保存するレジスタである。
【００４５】
前記差が前記励振信号の−１／２周期に相当するカウント数以下の場合は、レジスタＡ５２３に暫定カウント値Ｓ６を格納すると共に、レジスタＢ５２５に格納されているデータに１を加算して格納し、レジスタＡ５２３のデータを１周期内カウント値とする。
【００４６】
前記差が前記励振信号の＋１／２周期に相当するカウント数以上の場合には、レジスタＡ５２３に暫定カウントを格納すると共に、レジスタＢ５２５に格納されているデータから１を減算して格納し、レジスタＡ５２３のデータを１周期内カウント数とする。
そして、レジスタＢ５２５のデータに励振信号１周期に対応する前記クロック信号のカウント値を乗じ、更に、レジスタＡ５２３のデータを加算してカウント値Ｓ７とし、カウント値−位置変換手段５２６に出力する。
【００４７】
カウント値−位置変換手段５２６は、カウント値を位相差に変換し、さらに位相差を位置に変換する変換回路である。まず、カウント値を励振信号１周期に対応する前記クロック信号のカウント値で除することで、３６０度分を１とする単位で位相差を表す。次に、一励振電極群に相当する固定子１０と移動子２０の間の相対移動量（回転角度）を、上記位相差に乗ずることで、位置を求める。以上の処理を説明したのが図９である。
【００４８】
●［ステップＳ１］カウント回路５１２から出力された暫定カウント値とレジスタＡ５２３に格納された前回の暫定カウント値との差ｄを算出する。
●［ステップＳ２］ステップＳ１で算出した差ｄは１励振周期中に発生するクロック数の−１／２より大きく＋１／２未満か判断し、結果が正の場合にはステップＳ３に移行する。結果が偽である場合にはステップＳ５に移行する。
●［ステップＳ３］レジスタＡに暫定カウント値を格納する。
●［ステップＳ４］レジスタＡに格納されているレジスタＡ値およびレジスタＢに格納されているレジスタＢ値からカウント値を生成し、位置データを算出するカウント値−位置変換手段５２６に出力する。
【００４９】
●［ステップＳ５］ステップＳ１で算出した差ｄの値が１励振周期中に発生するクロック数の−１／２以下か否か判断し、結果が正の場合はステップＳ６に移行する。結果が偽である場合には、ステップＳ９に移行する。
●［ステップＳ６］レジスタＢに格納されているレジスタＢ値に１加算して格納する。
●［ステップＳ７］レジスタＡに暫定カウント値を格納する。
●［ステップＳ８］レジスタＡに格納されているレジスタＡ値およびレジスタＢに格納されているレジスタＢ値からカウント値を生成し、位置データを算出するカウント値−位置変換手段５２６に出力する。
●［ステップＳ９］レジスタＢに格納されているレジスタＢ値から１減算して格納する。
●［ステップＳ１０］レジスタＡに暫定カウント値を格納する。
●［ステップＳ１１］レジスタＡに格納されているレジスタＡ値およびレジスタＢに格納されているレジスタＢ値からカウント値を生成し、位置データを算出するカウント値−位置変換手段５２６に出力する。
【００５０】
図１０は、１つの励振電極群内の固定子１０と移動子２０の相対位置を検出する本発明の実施形態を説明する図である。図６に示されるレジスタＡ５２３、差分比較処理部５２４、およびレジスタＢ５２５は、１周期（３６０度）より大きい移動量を求める構成を除いた構成であり、その他の構成は図６と同様である。
【００５１】
ところで、位相差３６０度をクロック信号Ｓ３により内挿するにしても、時間ゲート信号Ｓ４の立下り時点とゲート通過クロック信号Ｓ５の関係が図１２の円内の示されるような１カウントに満たない位相差を生じる場合がある。図１２の円内を拡大した図が図１３である。
【００５２】
以下、１カウントに満たない位相差を求める手段を説明する。  
図１４はカウンタ方式と積分方式のハイブリッド方式を説明する図である。図１４に示される本発明の実施形態は、図５に示されるカウンタ方式に１クロック周期内位置補正手段を付加したものである。
【００５３】
１クロック周期内位置補正手段６０は、トリガ回路６１、積分回路６２、放電回路６３、電圧―位置変換手段６４を備えている。トリガ回路６１には、基準信号Ｓ１、検出信号Ｓ２およびクロック信号Ｓ３が入力する。積分回路６２と放電回路６３とはトリガ回路６１からの切り替え信号により積分回路６２の積分と積分回路６２の放電回路６３による放電を行う。電圧−位置変換手段６４は、積分回路６２の電圧を検出し該電圧に対応する位置に変換する手段である。
【００５４】
積分回路６２は、図示省略した電流源とコンデンサを備え、トリガ回路６１からの信号により指定される期間、電流源から出力される所定の電流をコンデンサに蓄積する回路である。電流源としては具体的にはＣＲＤ（Current Regular diode）やカレントミラー方式定電流回路などを用いることができる。再現性に着目し線形性は別途補正することにし、定電圧源と抵抗器により構成することもできる。図１５および図１６に電流源の例を示す。
【００５５】
放電回路６３はトリガ回路６１からの信号により積分回路６２のコンデンサに蓄積された電荷を放電させる回路である。なお、トリガ回路６１に替えて、時間ゲート回路５１０から出力される時間ゲート信号Ｓ４を用いて積分回路６２と放電回路６３の充放電制御を行ってもよい。
【００５６】
電圧−位置変換手段６４は、コンデンサの端子間電圧をサンプリングする例えばホールド／サンプル回路を備えている。電圧−位置データへの変換は、前記電流源が前記クロック信号の１周期に相当する期間に出力する電荷により前記コンデンサが発生する電圧Ｖｃ３６０が、前記励振電極群の配置周期角度をＤ［ｄｅｇ］、前記励振信号の周期をＴ１［Ｓｅｃ］、前記クロック信号の１周期をＴ２［Ｓｅｃ］としたときに、Ｔ２*Ｔ１*Ｄ［ｄｅｇ］に相当することを利用して行われる。具体記には、Ａ／Ｄ変換器などの数値化された値に対し、倍率を設定する。
【００５７】
次に、１クロック周期内位置補正手段６０により第１の補正位置データと第２の補正位置データとを求めることを説明する。  
まず、１クロック周期内位置補正手段６０により第１の補正位置データを求めることを説明する。図１７は第１の補正移動量を説明する図である。第１の補正位置データは、検出信号Ｓ２の特徴点の１つである信号の立ち上がり時点直前のクロック信号Ｓ３の立下り時点から前記特徴点の１つである信号の立ち上がり時点までの間に対応する固定子１０と移動子２０の相対移動量である。
【００５８】
トリガ回路６１は、クロック信号Ｓ３の立下りを検出すると積分回路６２に積分を指令する信号を出力し、トリガ回路６１は検出信号Ｓ２の特徴点の１つである信号の立ち上がりを検出すると、積分回路６２のコンデンサへの充電を停止する。この場合には、電圧−位置変換手段６４により、前記コンデンサの電圧を検出し、検出した電圧に対応する位置データに変換する。変換された位置データを第１の補正位置データとして加算回路３４に出力する。電圧−位置変換手段６４によりコンデンサの電圧検出が終了すると、前記コンデンサに蓄積された電荷を放電回路６３により放電させる。
【００５９】
検出信号Ｓ２の特徴点の１つである信号の立ち上がりがクロック信号Ｓ３の立ち上がり時点までの間に存在しない場合には、電圧−位置変換手段６４による電圧検出を行わずに積分回路６２のコンデンサを放電回路６３により放電させる。  
第１の補正位置データは加算回路３４で、位置検出手段５０から出力された位置データＳ８と加算される。加算回路３４から補正済位置データＳ９が出力される。
【００６０】
次に、１クロック周期内位置補正手段６０により第２の補正位置データを求めることを説明する。図１８は第２の補正位置データを説明する図である。図１８に示されるように、積分回路６２による積分を検出信号Ｓ２の特徴点の１つである信号の立ち上がり時点から積分の終了を検出信号Ｓ２の前記特徴点の１つである信号の立ち上がり時点の直後のクロック信号Ｓ３の立ち上がり時点までとする。
【００６１】
積分回路６２のコンデンサの電圧を電圧−位置変換手段６４により検出し、検出した電圧に対応する位置データに変換する。そして、求めた位置データをクロック信号１つ分の移動量の値から減算し第２の補正位置データを求める（結果的に前述の第１の補正位置データと同じ補正位置データとなる）。求められた第２の補正位置データは、加算回路３４に出力され、加算回路３４で位置検出手段５０から出力された位置データＳ８と加算される。加算回路３４から補正済み位置データＳ９が出力される。この第２の補正位置データを求めるために、積分回路６２と放電回路６３の充放電制御は、トリガ回路６１からの指令により行われる。
【００６２】
あるいは、一つの実施形態としては、クロック信号Ｓ３で常時カウントしているフリーランカウンタを備え、時間ゲート信号Ｓ４がオフ状態に変化した後、最初にフリーランカウンタがカウントするまでの間、所定の電流を出力する電流供給回路と、その電流を積分するコンデンサを設けるようにすることもできる。
【００６３】
ところで、前述のとおり、第一の補正位置データおよび第二の補正位置データは、前記コンデンサに蓄えられた電荷によるコンデンサ電圧と、前記電圧Ｖｃ３６０に基づいて求められるので、Ｖｃ３６０の値が場合によって変動することは好ましくない。しかし、実際には残留電荷などの要因でＶｃ３６０は変動するので、必要に応じてキャリブレーションを行うことが好ましい。
【００６４】
キャリブレーション動作として、
１）前記クロック信号の特徴点に至ったときと同時に積分回路を動作させ、
２）次の前記クロック信号の特徴点に至ったときに積分回路の動作を停止させ、
３）蓄積された電荷によるコンデンサ電圧をＡ／Ｄ変換器等を用いて数値化することで、前記Ｖｃ３６０の値を適切に求めることができる。図１９は上述の内容を図に示したものである。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【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】静電容量型位置検出器の概略構成図である。
【図４】位相検出回路に入力する基準信号と固定子の受信電極で検出される検出信号の位相の関係を説明する図である。
【図５】カウンタ方式内挿型の位置検出手段を説明する図である。
【図６】位相差数値化回路および位置変換手段を説明する図である。
【図７】特徴点を説明する図である。
【図８】時間ゲート回路の例を説明する図である。
【図９】カウント値を求める処理のアルゴリズムである。
【図１０】１つの励振電極群内の移動量を検出する手段を説明する図である。
【図１１】各部における信号波形を説明する図である。
【図１２】１カウントに満たない位相差を説明する図である（その１）。
【図１３】１カウントに満たない位相差を説明する図である（その２）。
【図１４】カウンタ方式と積分方式のハイブリッド方式を説明する図である。
【図１５】電流源の例（その１）を示す図である。
【図１６】電流源の例（その２）を示す例である。
【図１７】第１の補正移動量を説明する図である。
【図１８】第２の補正移動量を説明する図である。
【図１９】キャリブレーション動作を説明する図である。
【符号の説明】
【００６６】
Ｓ１  基準信号
Ｓ２  検出信号
Ｓ３  クロック信号
Ｓ４  時間ゲート信号
Ｓ５  ゲート通過クロック信号
Ｓ６  暫定カウント値
Ｓ７  カウント値
Ｓ８  位置データ
Ａ  Ａ相
Ｂ  Ｂ相
Ｃ  Ｃ相
Ｄ  Ｄ相
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  励振回路
３１  クロック信号発生器
３２，３３  波形整形回路
３４  加算回器
４０  位相検出回路
５０  位置検出手段
５１  位相差数値化回路
５１０  時間ゲート回路
５１１  ＡＮＤ回路
５１２  カウント回路
５２  位置変換手段
５２３  レジスタＡ
５２４  差分比較処理部
５２５  レジスタＢ
５２６  カウント値−位置変換手段
６０  １クロック周期内位置補正手段
６１  トリガ回路
６２  積分回路
６３  放電回路
６４  電圧―位置変換手段
１００  静電容量型位置検出器
【図１】
2010139388.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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