(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャフトの回転を感知するための容量性絶対角度エンコーダであって、
静電界を発生するように構成された静電界の送信器を有する少なくとも１つの固定子と、
前記静電界を受信し且つこれに応じて信号を発生するように構成された静電界の受信器と、
前記シャフトと一緒に回転するように構成された回転子であって、精密周期電気能動パターンおよび少なくとも１つの粗周期電気能動パターンを前記回転子上に有し、前記精密周期電気能動パターンが前記シャフトの周りに位置する整数倍の周期を有する連続した正弦波パターンを有し、前記送信器と前記受信器との間のキャパシタンスの周期的な円滑な変化を誘導させることにより、前記精密周期電気能動パターンおよび前記少なくとも１つの粗周期電気能動パターンが、前記シャフトの回転に応じて前記静電界を変調する回転子と、
前記受信器と結合され、前記信号における周期変化を感知し、且つ、この周期変化に応じて、前記シャフトの回転角度の粗及び精密測定量を求めて、前記シャフトの絶対的な回転の位置を決定する処理回路と、
を備える容量性角度エンコーダ。
【請求項２】
前記少なくとも１つの固定子は、前記回転子の第１の側に位置し且つ静電界の前記送信器及び静電界の前記受信器の両方がその上に形成される固定子プレートを有する請求項１に記載のエンコーダ。
【請求項３】
前記送信器は、少なくとも１つの周波数で前記静電界を周期的に発生するように構成され、前記処理回路は、発生された前記静電界と同期して前記信号を処理するように構成された少なくとも１つの同期検出器を有する請求項２に記載のエンコーダ。
【請求項４】
前記少なくとも１つの固定子は、前記回転子の第１の側に位置し且つ静電界の前記送信器を有する第１の固定子プレートと、前記第１の側とは反対側の前記回転子の第２の側に位置し且つ静電界の前記受信器を有する第２の固定子プレートと、を備える請求項１に記載のエンコーダ。
【請求項５】
前記精密周期電気能動パターンおよび前記少なくとも１つの粗周期電気能動パターンの内の少なくとも一方は、誘電性材料を有する請求項４に記載のエンコーダ。
【請求項６】
前記送信器は、少なくとも１つの周波数で前記静電界を周期的に発生するように構成され、前記処理回路は、発生された前記静電界と同期して前記信号を処理するように構成された少なくとも１つの同期検出器を有する請求項５に記載のエンコーダ。
【請求項７】
前記少なくとも１つの粗周期電気能動パターンは、一回転あたりに第１の整数倍の周期を有する第１の周期電気能動パターンと、前記第１の整数倍よりも大きい第２の整数倍の周期を有する第２の周期電気能動パターンとを有する請求項１〜６の何れか一項に記載のエンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に言うと位置センサに関するものであり、特定して言うと回転または線形位置の容量性エンコーダに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
回転角度および線形（linear）変位の測定は、各種の分野において位置、速度および加速の制御に広く使用されている。この目的に使用される非接触センサは、DDC ILC Data Device Corp.（ニューヨーク州、ボヘミア、1994年）によって出版されたシンクロ/レゾルバ変換ハンドブック（Synchro/Resolver Conversion Handbook）第4版の第1章において一般的に説明されており、これは参照により本文書に組込まれる。
【０００３】
市販の非接触フル回転トランスデューサ（一般に回転角度エンコーダとして知られている）は、ほとんどがオプティカル・シャフト・エンコーダか電磁レゾルバである。どちらのタイプのトランスデューサも技術上周知である。これらのタイプのトランスデューサは、自身のシャフトおよびベアリングを含む統合装置としてもホスト・シャフトに据付けられるモジュラー装置としても販売されている。
【０００４】
オプティカル・エンコーダは、バイナリ・レベル出力信号を与えるものであり、絶対タイプと増分タイプに分けることができる。後者のタイプのエンコーダは、以下の欠点があるにもかかわらず平面構造であり低コストなので、より人気が高い。
【０００５】
・相対位置しか測定されない。
【０００６】
・この種のエンコーダは機械的組立ておよび据付け誤差に対して敏感である  ・この種のエンコーダの構成は機械的耐久性が限られている。絶対オプティカル・エンコーダは、より高価で、より嵩が大きく、通常非モジュラー式である。最近、バイナリ・レベル出力ではなく、解像度を強化するために補間できる正弦波出力を与える修正された絶対エンコーダが導入された。
【０００７】
上記のSynchro/Resolver Conversion Handbookにおいて詳細に説明されている電磁レゾルバは、巻線誘導コンポーネントである。電磁レゾルバは比較的嵩が大きく高価であるが、非常に耐久性がある。シングルポールペア・レゾルバはsinθおよびcosθに比例する2つの出力電圧を持つ。ここで、θは回転角度である。マルチポールペア・レゾルバは、sin(nθ)およびcos(nθ)に比例する出力電圧を持つ。ここで、nはポールペアの数である。マルチポールペア・レゾルバの解像度および確度は高いが、出力信号はフル回転以上についてはっきりと回転角度を定義しない。
【０００８】
二速式レゾルバは、シングルポールペア・レゾルバとマルチポールペア・レゾルバを同一のシャフト上に結合したものに等しい。このレゾルバは、粗チャネルおよび微細チャネルと呼ばれる2対の出力電圧を同時に与える。両方のチャネルを処理することにより、正確で明白な読取り値が得られる。しかし、この種のレゾルバは、そのシングルポールペアまたはマルチポールペアの同等品に比べてさらに嵩張って、高価である。
【０００９】
線形オプティカル・エンコーダは、増分回転エンコーダと同様、ルーラ（定規）に対して相対的に移動し出力パルスを発生する読取りヘッドを含む増分デジタル装置である。磁気原理に基づく線形エンコーダがいくつかあるが、現在、高確度でストロークの長い線形エンコーダは、ほとんどオプティカル・タイプである。独立コンポーネントとして市販される容量性線形エンコーダはないが、線形容量性エンコーダは、デジタル・カリパス（測径両脚器）において広く使用されている。
【００１０】
本特許出願およびクレームにおいて、「エンコーダ」という用語は、静止素子と移動素子の間の相互作用が反復的パターンに基づいており、バイナリ信号または連続出力信号を発する変位トランスデューサを指す。「移動素子」および「回転子」という用語は、「静止素子」および「固定子」と同様、回転エンコーダに関して交換可能に使用される。同様に、「読取りヘッド」および「ルーラ」はそれぞれ線形エンコーダの移動素子および静止素子を指す。
【００１１】
開発から長い時間を経ても、オプティカル・シャフト・エンコーダも電磁レゾルバも下記の好ましい特徴を全ては兼ね備えていない。
【００１２】
・高確度および高解像度の絶対読取り値
・単純な構成で凹凸の少ないパッケージ
・低製造コスト
[容量性回転角度エンコーダの基本概念]
容量性フル回転絶対角度エンコーダ（CFRAAE）は、回転子と固定子の間の容量相互作用に基づいて回転角度を出力信号に変換する。このエンコーダは、多速レゾルバだけでなく、シングルポールまたはマルチポール電磁レゾルバすなわち1回転に付き1回または複数回反復する出力信号を持つレゾルバをエミュレートするように構成することができる。
【００１３】
CFRAAEは、特許文献において説明されるとおり、オプティカル・エンコーダおよび誘導エンコーダに比べて大きな利点があることが期待される。しかし、CFRAAE装置は、以下のような多様な障害があり、その全てが十分に特定、評価または解決されているわけではないので、市場にはまったくない。
【００１４】
・正確なCFRAAEの動作には、寄生キャパシタンスおよび外部干渉が存在するとき1フェムト・ファラド（10-15ファラド）以下のキャパシタンスの区別を必要とする。従って、外部干渉に対する遮蔽は非常に重要である。
【００１５】
・CFRAAEは、コスト高で、非常に正確で安定した電子コンポーネントを必要とするものと仮定されてきた。例えば、ドイツ特許出願 DE 42 15 702号は、キャパシタンスがレーザー・トリミングによって個別に修正される容量性角度エンコーダについて説明している。
【００１６】
・特許文献において説明されるCFRAAEにおいては、複雑な信号条件付けが必要とされる。このような状況に使用される信号処理システムは、例えば、参照により本文書に組込まれるドイツ特許出願 DE 36 37 529号および対応する米国特許第4,851,835号において説明されている。
【００１７】
・各種の既知のエンコーダ・タイプの体系的分類および分析が欠けていた。従って、新規の構成および改良の可能性が発見されていない。
【００１８】
従って、この分野においては、CFRAAEは商業的に実現可能ではないのではないかという意見が支配的であった。限定回転（実質的に360°未満）の容量性トランスデューサのみが、ホスト・システムトランスデューサが統合されている限定された用途においてのみ主にオプティカル・ミラー・スキャナにおいて実用化されている。典型的な限定回転トランスデューサについては、参照により本文書に組込まれる米国特許第3,312,892号、3,732,553号、3,668,672号、5,099,386号および4,864,295号において説明されている。
【００１９】
（デジタルまたはパルス・カウンティング・トランスデューサと異なり）電磁レゾルバ・トランスデューサなどアナログフル回転トランスデューサは、一般に、回転角度の正弦および余弦に比例する2つの直交出力信号を発する。誘導結合と異なり容量結合は常に正なので、一般的に言って容量性トランスデューサにおいてバイポーラ出力を得るための唯一の方法は、2つの変位依存キャパシタンスの間の差異を測定することである。
【００２０】
図1は、この原理を説明する典型的な概略回路図である（これは容量性線形変位トランスデューサにも適用できる）。2つの相補的励起電圧QおよびQ’が、それぞれ静止送信機・プレート41および42に加えられる。移動受信機・プレート40は、両方の送信機・プレートに容量結合され、技術上既知のとおり電荷増幅器43に接続される。電荷増幅器43の出力電圧は、受信機・プレート40と送信機・プレート41および42の間のそれぞれのキャパシタンスC1およびC2の差に比例する。増幅器43の出力は処理されて微分キャパシタンスC1-C2の振幅および極性を示し、これから、プレート41および42に対して相対的なプレート40の位置が導出される。
【００２１】
電磁レゾルバとの類似により、CFRAAEは、シングルポール構成およびマルチポール構成の両方で作ることができる。参照により本文書に組込まれる米国特許第5,598,153号は、典型的なシングルポールCFRAAEについて説明している。フランス特許出願第77 29354号は、回転子と固定子の間の重なりが1回転ごとに6回変動するマルチポール・エンコーダについて説明している。上記の米国特許第4,851,835号は、単一の回転子が粗信号および精密信号の両方を発するエンコーダについて説明している。
【００２２】
関連特許文献においては、可変的キャパシタンスを出力信号に変換するための各種の方法が説明されている。これらの方法は下記の2つの系列に分けることができる。
【００２３】
1.  その周波数またはデューティ・サイクルを変動することにより応答する発振器回路に可変キャパシタンスを組込む。この種の方法は、例えば欧州特許出願第 0 459 118 A1号、ドイツ特許出願第 DE 33 28 421号およびElektronpraxis（1989年3月）において発表されたArnoldおよびHeddergott著の“Kapacitives Sensorprinzip zur Absoluten Drehwinkelmessung”（絶対回転角度測定のための容量性センサの原理）と題する論文において説明されている。
【００２４】
2.  エンコーダにおける角度依存キャパシタンスの関数である少なくとも1つのACまたはDC出力信号を得るためのAC励起源を組込む。フル回転をカバーしようとすると,この種の出力が2つ必要とされる。例えば、参照により本文書に組込まれる米国特許第4,092,579号は、1つの励起電圧源およびそれぞれ回転角度の正弦および余弦に比例する2つの出力電圧信号を有する容量性レゾルバについて説明している。同じく参照により本文書に組込まれる米国特許第4,429,307号は、相対する極の2つの励起電圧が使用される点を除いて同様の回路配列を有する容量性エンコーダについて説明している。
【００２５】
例えば、欧州特許出願第 0 226 716号、ドイツ特許出願第 DE 36 37 529号およびIEEE Transactions on Instrumentation and Measuremet,45:2（1996年4月）p.516−520において発表されたXiujun Liその他による“An Accurate Low-Cost Capacitive Absolute Angular-Position Sensor with A Full-Circle Range”（全円範囲の正確で低コストの容量性絶対角度位置センサ）と題する論文において、同様の方法が説明されている。
【００２６】
AC励起を土台とするこの種のCFRAAEの確度は、励起電圧の質に依存する。励起信号が高い調和純度を持たず、振幅が等しくない程の不正確さであったり、正確な90°相対移相から逸脱するほどになったりする場合がある。これに伴う支障は、上記のドイツ特許出願第 DE 36 37 529号において図3に示される通り回路の複雑さで克服できる。解決法には、欧州特許出願第 0 226 716号において提案されるアナログ正弦波電圧の複雑なデジタル・エミュレーション、または上記のLiその他による論文に示される正確で安定したアナログ回路素子の採用が含まれる。
【００２７】
ドイツ特許出願 DE 37 11 062号も、AC方形波励起を使用する容量性位置測定装置について説明している。回転角度は、方形波励起電圧と回転子の回転に伴って変動するキャパシタンスの相互作用から生じる段階的信号のタイム・サンプリングに基づいて計算される（前記の出願の図2-dに示される通り）。この離散サンプリングの欠点は、入力電圧のサンプリングがサンプリング時とサンプリング時の間の値を無視し雑音を発する傾向があるので、信号雑音比（SNR）が劣ることである。
[容量性エンコーダのタイプ]
エンコーダにおいて要求される送信、回転依存の変調および静電界の感知が得られるようにCFRAAEの回転子および固定子素子を電気的に接続するための各種の方法は、技術上既知である。例えば、参照により本文書に組込まれる米国特許第3,873,916号および4,404,560号は、図1の一般的電気構成を有する。この構成において、送信プレート41および42は固定子を表し、受信プレート40は回転子を表す。この構成は、回転子を処理用素子機器に電気接続しなければならないという問題がある。自由回転を可能にするために、摩擦および非信頼性という既知の不利点を持つスリップ・リングを、電気接続を行うために使用しなければならない。
【００２８】
他のエンコーダ・タイプでは、静電界送信機および受信機の両方が1つまたはそれ以上の固定子素子上に配置される。例えば、参照により本文書に組込まれる米国特許第5,099,386号は、送信固定子および受信固定子の間の誘電パターン化非導電性回転子を有するエンコーダについて説明している。従って、回転子に電気接続する必要はないが、回転角度は限定される。
【００２９】
参照により本文書に組込まれる米国特許第3,668,672号および3,732,553号は、回転子がパターン化導電性コーティングを有する点を除いて全般的に米国特許第5,099,386号と同様の構成のCFRAAEについて説明している。このコーティングは電気的に接地されており、固定子素子間の測定キャパシタンスを選択的に変動させる電気遮蔽として作用する。これまでに回転子を接地するための様々な方法が提案されている。例えば、米国特許第3,668,672号の図10は、このために使用されるスリップ・リングを示している。この方法は、摩擦、信頼性の低さ、および高コストという不利点を有する。米国特許第3,732,553号は、回転子が固定されるシャフトを通じて接地されたエンコーダ・ハウジングと回転子の間を接触させることにより回転子を接地するが、この接触も、下でさらに説明するとおり問題を生じる可能性がある。
【００３０】
欧州特許出願第0 459 118号は、(その図2において)、回転子を接地するために使用されるコンタクトチップを示している。この方法は、上に述べた米国特許と同様の欠点を持つ。同様に、接地された回転子は、上記のLiその他による論文およびSensors and Actuators A.25-27（1991年）、p.835−843において発表されたWolffenbuttelおよびVan Kampenによる“An Integrable Capacitive Angular Displacemnet Sensor with Improved Linearity”（改良された線形性を有する統合可能な容量性角度変位センサ）と題する論文において説明される容量性エンコーダにおいて使用されている。
【００３１】
CFRAAEの別のタイプは、回転子の両側に導電性コーティングを有し、これが相互に電気接続されているが、その他の点では浮遊している。少なくとも一方のコーティングがパターン化される場合、回転子は固定子上の送信機・プレートと受信機・プレートの間の角度依存結合ブリッジとして作用する。このタイプのエンコーダについては、参照により本文書に組込まれる米国特許第3,845,377号、3,312,892号、4,092,579号、4,851,835号、4,238,781号および4,788,546号において、またドイツ特許出願第 DE 42 15 702号において説明されている。米国特許第4,851,835号においては、マルチポール回転子パターンの片側が複数の個別の素子に分離される。
【００３２】
参照により本文書に組込まれる米国特許第3,961,318号および4,429,307号において説明されるもう1つの「フォールドバック」構成においては、送信機・プレートおよび受信機・プレートは、回転子の片側において単一固定子の共通の静止基板上に配置され、回転子上の導電性パターンによって結合される。その代わりに、このタイプのエンコーダの対称形バージョンにおいては、各々自身の送信機・プレートおよび受信機・プレートを有する2つの固定子素子が回転子の両側に配置される。このタイプのCFRAAEについては、参照により本文書に組込まれる米国特許第4,788,546号、およびドイツ特許出願第DE 37 11 062号および英国特許出願第GB 2 176 013号において説明されている。
[容量性線形変位エンコーダ]
容量性線形変位エンコーダ（CLDE）も、技術上既知であるが、CFRAAE文献において示唆される可能なトポロジーの一部しか使用していない。例えば、参照により本文書に組込まれる米国特許第4,429,307号は、2つの相補的励起電圧によって励起される2つの正弦波導電性パターンを含むヘッドを有するCLDEについて説明している。電圧は、ルーラにおいて発生され、結合ストリップまたは送信機・プレートを通じてヘッドに容量結合される。ヘッド上のパターンは戻ってルーラ上の正弦および余弦受信機・プレートに結合する。従って、この可動ヘッドは、ルーラに容量結合され、電気配線を必要としない。この特許においては、受信機・プレートが外部干渉からどのように保護されるか、また結合ストリップから受信機・プレートへの直接結合がどのように排除されるかについての言及がない。また、正弦および余弦チャネルの利得は、そのそれぞれの結合ストリップの空隙に依存するので、空隙間に差があると相対的利得に影響を及ぼす。従って、確度はヘッドとルーラの間の傾斜に敏感に反応するので、非常に安定した正確な電子コンポーネントを必要とする。
【００３３】
参照により本文書に組込まれる米国特許第3,961,318号は、タイプ5 CLDEの2つの異なるバージョンについて説明している。第一のバージョンにおいては、ルーラは電気配線されず、ヘッドに容量結合され、ヘッドは励起源および受信機の両方を含む。ルーラ電極は、いくつのもルーラを電気的に相互接続することなく突き合わせて、測定範囲を拡大するように、区分して相互に絶縁することができる。第二のバージョンは、上記の米国特許第4,429,307号に示されるのと同様である。前記の特許の場合と同様、正弦および余弦信号の比は、傾斜およびコンポーネントの許容差の両方に対して敏感に反応し、隣接する送信機・プレートと受信機・プレートの間の寄生容量結合の問題または外部干渉に対する保護の問題について何の答えも示されない。
【００３４】
参照により本文書に組込まれる米国特許第４,586,260号は、容量性線形エンコーダを採用するデジタル・バーニア・カリパスについて説明している。このエンコーダについては、Larry K.Baxter著Capacitive Sensors（容量性センサ）（IEEE Press、1997年）の第18章においてさらに説明されている。2つの相補的方形波によって励起が与えられ、ヘッドは正弦部分および余弦部分に分割されて、各自が自身の受信機・プレートおよび増幅器を含む。ルーラは配線されない。このCLDEの欠点は下記のとおりである。
【００３５】
1.  空間的および電子的に分離された信号チャネルが2つあるので、その利得整合がヘッドの傾斜および電子コンポーネントの許容差および温度安定性に対して敏感である。
【００３６】
2.  ルーラ・パターンは正弦波でなく矩形波である。その結果生じるパターンの空間高調波は、空隙によってかなり縮小されるが、補間によって得られる確度を制限する。
【００３７】
3.  個別のルーラ素子の間に運動の方向に直交しさらに空間高調波を付加するギャップがある。
【００３８】
技術上既知の高確度のCLDE装置は、増分式である。すなわち、絶対的でなく相対的な変位読取り値を示す。一方、参照により本文書に組込まれる米国特許第3,312,892号は、三角の静止プレートと方形の可動プレートの間の重なりに基づく容量性変位トランスデューサについて説明している。この構成は、絶対的な、しかし基本的に「粗い」エンコーダを構成する。
【発明の概要】
【００３９】
容量性位置感知のための改良された装置および方法を提供することが、本発明の目的である。
【００４０】
改良された容量性回転角度エンコーダおよび特にフル回転絶対角度エンコーダを提供することが、本発明の一部の形態の目的である。
【００４１】
改良された容量性線形変位エンコーダを提供することが、本発明の他の形態の目的である。
【００４２】
コンパクトな内蔵式容量性位置エンコーダを提供することが、本発明の一部の形態のさらなる目的である。
【００４３】
確度を改良し外部干渉および環境条件への感度を縮小したエンコーダを提供することが、本発明の一部の形態のさらなる目的である。
【００４４】
本発明の好ましい実施形態において、静止物体に対して相対的な移動物体の位置を感知するための容量性移動量エンコーダは、静止物体に結合される少なくとも1つの静止素子、および移動物体に結合される移動素子を含む。周期的（時変調された）静電界は、送信機・プレートによって伝送される。送信機・プレートは静止素子上にあることが好ましいが、その代わりに移動素子上にあってもよい。素子の一方一般に移動素子上にある電気的に能動的なパターンは、移動物体の移動に応答して時変調される静電界の包絡線を変調する。パターン化誘電体移動素子を作る方法を使用することもできるが、パターンは、素子にメッキされる導電性材料から成ることが好ましい。本特許およびクレームにおいて使用される場合「電気的に能動的」とは、上記のようなどのパターンでも意味することができる。処理回路構成は、変調された静電界を感知し、包絡線変調を解析して、移動物体の位置の測定量を決定する。
【００４５】
移動素子および静止素子は、実質的に導電性遮蔽によって囲まれており、導電性遮蔽は、移動物体および静止物体の両方から電気的にデカップリングされ、移動素子および静止素子を電気的干渉から遮蔽する。発明者は、技術上既知の容量性位置センサと対比して、遮蔽をエンコーダの周りの他の物体と分離することが、外部干渉および静電界を発生しエンコーダを作動するために与えられる励起電圧への寄生結合に対してエンコーダにおける固有の低い信号レベルを守る優れた保護となることを発見した。導電性遮蔽は移動素子および静止素子だけでなく処理回路構成も囲うことが好ましい。
【００４６】
本発明の一部の好ましい実施形態においては、エンコーダは、回転角度エンコーダを備え、フル回転絶対角度エンコーダを備えることが好ましい。この実施形態においては、移動素子は回転子を備え、移動物体は回転シャフトを備え、少なくとも1つの静止素子は1つまたはそれ以上の固定子を備え、処理回路構成は、シャフトの回転位置の測定量を決定する。電気干渉の遮蔽への漏出を防止するように、遮蔽および回転子は、回転子がシャフトに取り付けられる領域において迷路構成を有することが好ましい。
【００４７】
本発明の他の好ましい実施形態においては、エンコーダは線形変位エンコーダを備える。この実施形態においては、静止素子は線形ルーラを備えることが好ましい。実際にはこれを遮蔽で囲むには長すぎる場合がある。その場合には、遮蔽は、移動素子およびある所与の時点で移動部分で被れた静止素子の部分を囲むことが好ましい。
【００４８】
本発明の一部の好ましい実施形態においては、回転シャフトの位置を感知するための容量性回転角度エンコーダは、送信機および受信機を、一般には1つまたはそれ以上の固定子上の送信プレートおよび受信プレートの形で、備える。送信機は、シャフトの周りに配置される複数のセグメントによって構成され、その各々が共通周波数で、しかし他のセグメントとは異なる予め決められた位相を有する周期的静電界を発生する。回転子上の1つまたはそれ以上の極の各々に4つのセグメントが使用されることが好ましい。送信機のセグメントは、相互に直交するAC電圧で励起される。その結果生じる電界は、回転子の回転によって変調され、変調された電界は受信機によって受信される。
【００４９】
エンコーダに合体される処理回路構成は、2つの同期ディテクタ回路を備え、このディテクタ回路は、回転角度の正弦および余弦を示す出力を生成するように、2つのそれぞれの送信機励起源からの周期的入力を受信し、発生する電界と同期して受信機からの信号を処理する。ディテクタ回路の前に単一の電荷増幅器があり、これを通じて、送信機・セグメント全てから派生する信号が処理のために受信されることが好ましい。このような位相/直交励起（PQE）および同期検出によって、一般に全同期検出ではなく信号サンプリングを使用するまたは本発明の単一の電荷増幅器ではなく複数の信号処理チャネルを採用する技術上既知のエンコーダより、正確に、優れた信号雑音比で、成分値偏差に対して低い感度で、回転子の角度を決定することが可能になる。従って、高安定性も、精密回路構成もコンポーネント・トリミングも必要ない。その結果できる単純な回路構成を回転子および固定子と一緒にパッケージし、導電性遮蔽内部で保護できて、都合がよい。
【００５０】
その代わりに、エンコーダは、ユニタリー・送信機および区分された受信機・プレートを備え、上述のとおり正弦および余弦信号を出力する。この種の好ましい実施形態の1つにおいては、エンコーダは、さらに、エンコーダが都合よく誘導レゾルバの代わりとなれるように、DC電圧をディテクタ回路に与えるようにエンコーダへのAC入力を整流する整流器を備える。
【００５１】
本発明の他の好ましい実施形態においては、同様の利点を容量性線形エンコーダに与えるために位相/直交励起の原理が応用される。
【００５２】
本発明の一部の好ましい実施形態においては、エンコーダは多速エンコーダを備え、このエンコーダにおいて、電気的に能動的なパターンは、円滑に変動する粗いおよび精密の周期的な電気的に能動的パターンであり、パターンは正弦波形であることが好ましい。粗パターンおよび精密パターンは、パターンが形成される素子上の位置の関数としてそれぞれ低空間周波数および高空間周波数を有する。移動素子が移動するとき、パターンは低空間周波数および高空間周波数に従って静電界の包絡線を変調する。処理回路構成は、変調を感知して、移動物体の位置の粗解像度および精密解像度測定量を決定する。処理回路構成の復調された出力は、技術上既知の多速エンコーダと異なり、パターンの変動が円滑なので、非常に正確である。粗測定量は回転位置または線形位置の絶対測定量であることが好ましい。
【００５３】
これらの好ましい実施形態の1つにおいて、移動素子は、さらに、その上に、高周波数と低周波数の間の空間周波数を有する中間の電気的に能動的なパターンを有する。処理回路構成は、中間パターンに対応する電界の変調も感知して、粗測定量および精密測定量の中間の解像度で移動物体の位置の測定量を決定する。
【００５４】
これらの多速実施形態の一部においては、粗パターンは、固定子に対して相対的な回転子の傾斜による電界の変調において生じる変動を縮小するように、移動素子の表面全体に配分される複数のセグメントに分割される。この目的のためのパターンの区分化は、本発明の単速実施形態においても応用できる。
【００５５】
エンコーダが粗パターンおよび精密パターンを備える本発明の一部の好ましい実施形態においては、静電界が2つのパターンよって交互に変調されるように、処理回路構成は静電界を切り替える。従って、この回路構成は、移動物体の位置の粗測定量および精密測定量を交互に決定する。切替えは、静止素子の異なる送信領域を交互に励起することによって実施されることが好ましい。このような領域間の切替えにより、信号処理回路における重複なしに、単一の静止素子および単一の移動素子、一般には単一の固定子および単一の回転子を使用して、粗測定および精密測定の両方を行うことができる。
【００５６】
本発明の他の好ましい実施形態においては、容量性回転角度エンコーダの回転子は電気的に能動的なパターンを有し、このパターンが予め決められた角度周波数でシャフトの周りで複数回反復し、偏心など回転非対称性を特徴とする（すなわち、このパターンは非軸対称である）。処理回路構成は、パターンによる静電界の変調を感知して回転角度の精密測定量を決定し、偏心による変調も感知してシャフトの回転角度の粗測定量を決定する。従って、前の好ましい実施形態の場合のように、別個の粗パターンおよび検出チャネルの必要がないので、エンコーダの中央の穴−中空シャフト・エンコーダの場合−を比較的大きくして、より大きなサイズのシャフトを収めることができる。
【００５７】
本発明の一部の好ましい実施形態においては、移動素子は、電気的に能動的な複数のセグメントを備え、これらのセグメントはモイスチャ・フィルム効果を排除するために基板において空間によって相互に分離される。セグメントは、電気的絶縁されてもされなくてもよい。移動素子は回転子を備え、電気的に能動的なセグメントがシャフトの周りで半径方向外向きに突き出ることが好ましい。電気的および機械的に分離されたセグメントの使用は、傾斜に対するエンコーダの感度を縮小すると共に、水分蓄積が読取り値に影響を及ぼすのを防ぐ。技術上既知の一部の容量性エンコーダは三次元の電気的に能動的なパターンを使用するが、どれも本発明の方式には適用されていない。
【００５８】
本発明の一部の好ましい実施形態においては、移動素子を通じて静電界が伝送されるように、第一および第二の静止素子は移動素子の相対する側に配置される。電位安定化回路は、第一の静止素子でAC電位を感知し第二の静止素子に相対する電位を与えることにより、移動素子を定常の仮想接地電位に維持する。移動素子との物理的または電気的な接触は必要ない。移動素子を接地することは、ある種のエンコーダにおいて有利であることが技術上既知である。しかし、本発明と異なり、先行技術のこのタイプのエンコーダは、移動素子を接地するために例えばスリップ・リングを使って移動素子と接触する必要がある。
【００５９】
本発明の一部の好ましい実施形態においては、エンコーダは、線形変位エンコーダを備え、このエンコーダにおいて、静止素子はルーラを備え、移動素子はこのルーラに沿って走行する読取りヘッドを備える。この種の好ましい実施形態の一部においては、送信機・プレートおよび受信機・プレートはヘッドに配置され、これらのプレートと相互作用する電気的に能動的なパターンはルーラ上にある。他の実施形態においては、送信機・プレートはルーラ上にあり、受信機・プレートはヘッド上にある。
【００６０】
これらの好ましい実施形態の一部においては、ルーラは可撓性プリント回路材料を備え、静止物体の表面に沿って、例えばエンコーダを使って制御される機械上にこれが固定される。この表面は、平面でも曲面でもよい。この種の好ましい実施形態の1つにおいては、静止物体は一般的に円筒形であり、エンコーダは円筒の軸を中心とする角度を測定するために使用される。
【００６１】
ルーラ上またはヘッド上のパターンは、技術上既知の容量性線形エンコーダと比較して、特に読取りヘッドとルーラの間の整合、角度および間隔の変化に対する免疫（immunity）並びに外部干渉および湿気に対する免疫の点で、測定の安定性および確度が改良されるよう設計されることが好ましい。パターンは、傾斜感度を縮小するように、上下方向にも左右方向にもヘッドとルーラの相対的傾斜に関して対称的であることが好ましい。特にパターンがルーラ上にある実施形態においては、パターンによる干渉の読取りヘッドへの結合を防ぐために、パターンはギャップによって間欠的であることがさらに好ましい。位相/直交励起は、送信機・プレートに加えられ、単一の受信プレートおよびこれに合体される増幅器の出力は、上述のとおり同期検出を使って処理されることが好ましい。
【００６２】
本発明の一部の好ましい実施形態においては、容量性線形変位エンコーダは絶対位置測定量を示す。測定は、読取りヘッドまたはルーラ上の精密パターンおよび粗パターンを交互に感知することにより行われることが好ましい。その代わりに、またはそれに加えて、1つのインデックス（指標）がルーラの一端に配備され、その後の増分測定のための絶対基準位置を示すためにこのインデックスを使って読取りヘッドのインデックス位置が感知される。同様に、本発明の好ましい実施形態に従って回転角度エンコーダにインデックスを配備することができる。
【００６３】
従って、本発明の好ましい実施形態に従って、以下のものを含む、静止物体に対して相対的な移動物体の位置を感知するための容量性移動量エンコーダが提供される。このエンコーダは、
静止物体に結合される少なくとも1つの静止素子、
移動物体に結合され静止素子に近接する移動素子、
静電界を発生する静電界送信機であり、静電界が、静止素子と移動素子の相対的移動に応答する静止素子と移動素子の間のキャパシタンスの変化によって変調される、静電界送信機、
移動物体および静止物体の両方から電気的に絶縁され、移動素子および静止素子を外部電気干渉から遮蔽するようにこれらの素子を囲む、導電性遮蔽；および
変調された静電界を感知しこれに応答して移動物体の位置の測定量を決定するために結合される処理回路、を含む。
【００６４】
処理回路構成がシャフトの回転位置の測定量を決定するように、移動素子は回転子を含み、移動物体は回転シャフトを含み、少なくとも1つの静止素子が少なくとも1つの固定子を含むことが好ましい。導電性遮蔽は、回転子および少なくとも1つの固定子と共に処理回路の少なくとも一部を囲むことがさらに好ましい。少なくとも1つの固定子および回転子はプリント回路板を含み、そのうち少なくとも1つの上に、処理回路の少なくとも一部が据付けられることが最も好ましい。
【００６５】
回転子は、全体的に平面のプレートおよび回転子をシャフトに結合するための実質的に非平面の環状ハブを含み、遮蔽は、電気的干渉がシャフトから回転子に通るのを防ぐようにハブに隣接する回転子の平面まで伸びることが好ましい。エンコーダは、回転子が固定子に対して相対的に少なくとも360°回転できるように構成されることが好ましい。
【００６６】
好ましい実施形態においては、エンコーダは、移動素子および静止素子の周りに機械的ハウジングを含み、このハウジングは、遮蔽から電気的に絶縁される。この少なくとも1つの静止素子は2つの全体的に平行で相互に間隔を置いた静止素子を含み、一方が静電界送信機を、他方が静電界受信機を含み、これらがその間にある可撓性の導電性部材に対するこれらの素子の圧力によってハウジング内において相互に電気的に結合されることが好ましい。
【００６７】
静止素子は遮蔽を通って突き出す延長部を含むプリント回路板を含み、エンコーダに対する電気接続がこれに対して行われることが好ましい。
【００６８】
好ましい実施形態においては、静電界送信機は静止素子に取り付けられ、導電性遮蔽の一部を形成するように結合される。
【００６９】
静電界送信機は静止素子に取り付けられ、移動素子は上に電気的に能動的なパターンを有し、このパターンが静電界を変調することが好ましい。電気的に能動的なパターンは、導電性材料またはその代わりにまたはこれに加えて誘電性材料を含むことが好ましい。少なくとも1つの静止素子は、静電界の受信機を含み、これが処理回路構成に結合されることが好ましい。移動素子上の導電性の電気的に能動的なパターンは、全体的に一定の電位に保持されることが好ましい。その代わりに、移動素子上の導電性の電気的に能動的なパターンは、電気的に浮遊している。好ましい実施形態においては、少なくとも1つの静止素子は、送信機と受信機の両方が取り付けられる単一の素子を含む。別の好ましい実施形態においては、エンコーダは、送信機および受信機の両方が取り付けられる第二の静止素子を含む。
【００７０】
その代わりに、移動素子上の導電性材料は処理回路構成に結合されて、静電界の受信機として作用する。
【００７１】
本発明の好ましい実施形態に従って、下記のものを含む回転シャフトの位置を感知するための容量性角度エンコーダも提供される。このエンコーダは、
シャフトの周りに配置される複数のセグメントを含む送信機であり、各セグメントが共通の周波数で、しかし他のセグメントとは異なる予め決められた位相を有する周期的静電界を発生する、送信機、
電界の各々の受信の強さがシャフトの回転の関数として送信機と受信機の間のキャパシタンスの変化によって変調されるように、複数のセグメントからの場に応答して信号を発する受信機、および
回転角度を示す出力を生成するように発生される電界と同期で信号を処理する、少なくとも1つの同期ディテクタを含むディテクタ回路、を含む。
【００７２】
上記の少なくとも1つの同期ディテクタは、それぞれ回転角度の正弦および余弦に比例する出力を生成する2つの同期ディテクタを含むことが好ましい。受信機は、単一の入力増幅回路を含み、これを通じて全ての送信機・セグメントからの信号が処理のために受信されることが好ましい。
【００７３】
送信機・プレートは、シャフトの軸の周りに配置される複数のセグメントに分割される全体的に平面の送信固定子を含むことが好ましく、複数のセグメントが4つの四円分に配置されることが最も好ましい。
【００７４】
さらに、本発明の好ましい実施形態に従って、下記のものを含む回転シャフトの位置を感知するための容量性角度レゾルバが提供される。このレゾルバは、
所与の周波数でAC電気入力に応答して周期的静電界を発生する送信機、
セグメントの各々で受信される電界がシャフトの回転の関数として送信機と受信機の間のキャパシタンスの変化によって変調されるように送信機からの電界に応答して信号を発する、シャフトの周りに配置される複数のセグメントを含む受信機、
回転角度を示すAC出力を生成するように受信機・セグメントからの信号を処理する信号処理回路、および
ディテクタ回路にDC電圧を与えるようにAC入力を整流する整流回路、を含む。
【００７５】
回転子の回転が受信機で受信される電界を変調するように、エンコーダは、シャフトと一緒に回転するために結合され上に電気的に能動的なパターンを有する回転子を含むことが好ましい。電気的に能動的なパターンは導電性材料を含むことが望ましく、導電性材料が接地電位に維持されることが最も好ましい。
【００７６】
本発明の好ましい実施形態に従って、さらに、下記のものを含む、静止物体に対して相対的な移動物体の位置を感知するための容量性移動量エンコーダが、提供される。このエンコーダは、
静止物体に結合される少なくとも1つの静止素子、
移動物体に結合され静止素子に近接する移動素子、
静止素子または移動素子の1つと合体される静電界送信機、
別の静止素子および移動素子と合体され、素子上に円滑に変動する粗いおよび精密の周期的な電気的に能動的なパターンを含む静電界変調器であり、パターンが、それぞれ低および高空間周波数で素子の次元に沿って変動し、パターンが，実質的に空間調和なしに、低および高空間周波数に対応する変調周波数で、素子の相対的移動に応答して静止素子と移動素子の間のキャパシタンスの変化を誘導することによって静電界を変調する、変調器、および
変調された静電界を感知しこれに応答して移動物体の位置の粗測定量および精密測定量を決定するために結合される処理回路構成、を含む。
【００７７】
静止素子は、複数の導電性エリアを含む単一の平面的素子から作られる固定子を含み、エリアのうち少なくとも1つは静電界送信機であり、別のエリアは電界を受信することが好ましい。
【００７８】
移動素子が回転子を含み、その上に、粗い周期的パターンがシャフトの周りに偏心的に配置される回転子上の全般的に円形のエリアを含み、精密な周期的パターンがシャフトの周りの円周に配置される回転子上の正弦波パターンを含むように、電気的に能動的なパターンが形成されることがさらに好ましい。
【００７９】
好ましい実施形態においては、静電界変調器は、さらに、高周波数および低周波数の中間の空間周波数を有する中間の電気的に能動的なパターンを含み、処理回路構成は中間周波数に対応する電界の変調を感知する。
【００８０】
さらに、本発明の好ましい実施形態に従って、下記のものを含む、静止物体に対して相対的な移動物体の位置を感知するための容量性移動量エンコーダが提供される。このエンコーダは、
静止物体に結合される少なくとも1つの静止素子、
移動物体に結合され静止素子に近接する移動素子、
静止素子または移動素子の1つと合体される静電界送信機、
別の静止素子および移動素子と合体され、素子上に粗いおよび精密な周期的な電気的に能動的なパターンを含む静電界変調器であり、パターンが、それぞれ低空間周波数および高空間周波数で素子の次元に沿って変動し、パターンが，低および高空間周波数に対応する変調周波数で素子の相対的移動に応答して静止素子と移動素子の間のキャパシタンスの変化を誘導することによって静電界を変調する、変調器、および
粗パターンまたは精密パターンによって交互に変調されるように静電界を切り替え、変調された静電界を感知してこれに応答して移動物体の位置の粗測定量および精密測定量を交互に決定する処理回路構成、を含む。
【００８１】
さらに、本発明の好ましい実施形態に従って、下記のものを含む、静止物体に対して相対的な移動物体の位置を感知するための容量性移動量エンコーダが、提供される。このエンコーダは、
静止物体に結合され、静電界送信機および受信機を含む、静止素子、
移動物体に結合され静止素子に近接し、移動素子上に粗い及び精密な周期的な電気的に能動的なパターンを含む静電界変調器を含む移動素子であり、パターンが、それぞれ低空間周波数および高空間周波数で素子の次元に沿って変動し、かつ低空間周波数および高空間周波数に対応する変調周波数で静止素子と移動素子の相対的移動に応答して静止素子と移動素子の間のキャパシタンスの変化を誘導することによって静電界を変調する、移動素子、および
変調された静電界を感知しこれに応答して移動物体の位置の粗測定量および精密測定量を決定するために結合される処理回路構成、を含む。
【００８２】
本発明の好ましい実施形態に従って、下記のものを含む回転シャフトの位置を感知するための容量性角度エンコーダも提供される。このエンコーダは、
1つまたはそれ以上の固定子であり、そのうち1つが静電界を発生する静電界送信機を含む、固定子、
シャフトと一緒に回転するように結合され、その上に、シャフトの各回転ごとに1回反復する固定子と回転子の間のキャパシタンスの変動を誘導することによりシャフトの回転に応答して静電界を変調する回転非対称の電気的に能動的なパターンを有する回転子であり、パターンが、固定子に対して相対的な回転子の傾斜のために電界の変調に生じる変動を縮小するように複数のサブエリアに分割される、回転子、および
変調された静電界を感知し粗変動および精密変動に応答してシャフトの角度の粗測定量および精密測定量を決定するために結合される処理回路構成、を含む。
【００８３】
回転子上の電気的に能動的なパターンは、シャフトの軸に対して偏心的に配置される全体的に円形のエリアを含むことが好ましい。
【００８４】
さらに、本発明の好ましい実施形態に従って、下記のものを含む回転シャフトの位置を感知するための容量性角度エンコーダが提供される。このエンコーダは、
シャフトに結合され、シャフトの軸の周りで非軸対称であり予め決められた角度周波数でシャフトの周りで複数回反復する回転子の円周に配置されるパターンを含む電気的に能動的な領域を有する、回転子、
対応付けられる静電界を有する少なくとも1つの固定子であり、この静電界が回転子の回転により電気的に能動的な領域によって誘導されるキャパシタンスの変動により変調される、固定子、および
前記の領域の非軸対称性のためにシャフトの1回転に1回生じる電界の変調を感知して、これに応答してシャフトの回転角度の粗測定量を決定し、かつパターンによる電界の変調を感知して、回転角度の精密測定量を決定する、処理回路構成、を含む。
【００８５】
好ましい実施形態において、エンコーダは、1つまたはそれ以上の固定子の1つに結合される受信機を含み、受信機は、角度の粗測定量が精密パターンと受信機の非軸対称性間の相互作用に応答して決定されるようにシャフト軸に対して非軸対称であることを特徴とする。
【００８６】
別の好ましい実施形態においては、エンコーダは、交互に角度の粗測定量および精密測定量を決定するために作動されるスイッチを含む。
【００８７】
さらに、本発明の好ましい実施形態に従って、下記のものを含む、静止物体に対して相対的な移動物体の位置を感知するための耐湿性の容量性移動量エンコーダが、提供される。このエンコーダは、
静止物体に結合され、対応付けられる静電界を有する少なくとも1つの静止素子、
移動物体に結合され、スペースによって相互に分離される複数の電気的に能動的なセグメントを含む移動素子であり、セグメントが、移動素子が動くとき静止素子と移動素子の間のキャパシタンスの変化により静電界を変調するパターンを形成する、移動素子、および
変調された静電界を感知しこれに応答して移動物体の位置の測定量を決定するために結合される処理回路構成、を含む。
【００８８】
移動素子上の流体インピンジング（ｉｍｐｉｎｇｉｎｇ）は、セグメントからセグメントを分離するスペースに変位されることが好ましい。
【００８９】
好ましい実施形態においては、移動物体は、回転シャフトを含み、移動素子は回転子を含み、ここから電気的に能動的なセグメントがシャフトの周りで半径方向外向きに突き出し、少なくとも1つの静止素子は少なくとも1つの固定子を含んで、処理回路がシャフトの回転位置の測定量を決定する。
【００９０】
本発明の好ましい実施形態に従って、さらに、下記のものを含む、静止物体に対して相対的な移動物体の位置を感知するための容量性移動量エンコーダが、提供される。このエンコーダは、
移動物体に結合され、上に電気的に能動的なパターンを有する移動素子、
静止物体に結合され、移動素子を通して交互の静電界を伝送するように移動素子の相対する側に配置される第一および第二の静止素子、
電気的に能動的なパターンの移動による静止素子間のキャパシタンスの変動に応答する静電界の変調を感知し、これに応答して移動物体の位置の測定量を決定するために結合される処理回路構成、および
第一の静止素子において交互の電位を感知し第二の静止素子に相対する電位を加えることにより移動素子を全体的に定常の電位に維持する電位等化回路、を含む。
【００９１】
全体的に定常の電位は、仮想接地を含むことが好ましい。電位等化回路は、移動素子と実質的に全く電気接触を行わないことが好ましい。
【００９２】
さらに、本発明の好ましい実施形態に従って、下記のものを含む、静止物体に対して相対的な移動物体の位置を感知するための容量性線形変位エンコーダが、提供される。このエンコーダは、
静止物体に固定されるルーラ、
ルーラに沿って移動するように移動物体に固定され、読取りヘッドの付近に静電界を発生する静電界送信機を含む、読取りヘッド、
ルーラ上に形成される電気的に能動的なパターンであり、このパターンがルーラに対して相対的な読取りヘッドの移動に応答して静電界を変調するようにルーラと読取りヘッドの間のキャパシタンスを変動させ、変調がルーラに対して相対的なヘッドの傾斜によって実質的に影響を受けないようにパターンが対称的である、パターン、および
変調を検出してこれに応答して移動物体に位置の測定量を決定するように、変調された静電界を感知するために結合される処理回路構成、を含む。
【００９３】
パターンは、二重正弦波を含むことが好ましい。読取りヘッドは変調された静電界を受信する受信機を含み、パターンは、パターンに沿った干渉が読取りヘッドに結合するのを防ぐようにギャップによって間欠的に分断され、ギャップがルーラの縦軸に対して鋭角に形成されることが好ましい。
【００９４】
さらに、本発明の好ましい実施形態に従って、下記のものを含む、静止物体に対して相対的な移動物体の位置を感知するための容量性線形変位エンコーダが、提供される。このエンコーダは、
静止物体に固定され、ルーラ付近に静電界を発生する静電界送信機を含むルーラ、
ルーラに沿って移動するように移動物体に固定され、上に電気的に能動的なパターンが形成される読取りヘッドであり、このパターンがルーラに対して相対的な読取りヘッドの移動に応答して静電界を変調するようにルーラと読取りヘッドの間のキャパシタンスを変化させ、このパターンが、ルーラに対して相対的なヘッドの傾斜によって変調が実質的に影響を受けないように対称形を有する、読取りヘッド、および
変調を検出してこれに応じて移動物体の位置の測定量を決定するように、変調された静電界を感知するために結合される処理回路構成、を含む。
【００９５】
さらに、本発明の好ましい実施形態に従って、下記のものを含む、静止物体に対して相対的な移動物体の位置を感知するための容量性線形変位エンコーダが、提供される。このエンコーダは、
静止物体の曲面に固定されるルーラ、
ルーラに沿って移動するように移動物体に固定される読取りヘッド、
読取りヘッドの付近に静電界を発生する静電界送信機、
ルーラまたは読取りヘッドに形成される電気的に能動的なパターンであり、ルーラに対して相対的な読取りヘッドの移動に応答して静電界を変調するようにルーラと読取りヘッドの間のキャパシタンスを変化させる、パターン、および
変調を検出して前記の曲面に沿った移動物体の位置の測定量を決定するように、変調された静電界を感知するために結合される処理回路構成、を含む。
【００９６】
好ましい実施形態において、静止物体は全体的に円筒形の形状を有し、移動物体の位置の測定が静止物体の軸の周りの角度測定を含む。
【００９７】
さらに、本発明の好ましい実施形態に従って、下記のものを含む、静止物体に対して相対的な移動物体の位置を感知するための容量性線形変位エンコーダが提供される。このエンコーダは、
静止物体に固定されるルーラ、
ルーラに沿って移動するように移動物体に固定される読取りヘッド、
読取りヘッドの付近に静電界を発生しこれを受信するようにルーラに固定される送信プレートであり、粗読取りおよび精密読取り構成を有する、プレート、
読取りヘッド上の電気的に能動的な受信プレートであり、ルーラに対して相対的な読取りヘッドの移動が送信プレートと受信プレートの間のキャパシタンスを変化させるように構成され、受信プレートによって受信される静電界を変調する、プレート、および
粗読取り構成において電界の変調を検出して、これに応答して移動物体の位置の粗測定量を決定するように、また精密読取り構成において電界の変調を検出して、これに応答して移動物体の位置の精密測定量を決定するように、変調された静電界を感知するために結合される処理回路構成、を含む。
【００９８】
粗測定量は絶対位置測定を含むことが好ましい。
【００９９】
好ましい実施形態において、送信プレートは、少なくともまとめて2つの三角領域に分割される複数の送信バーを含み、粗構成において、各々の領域の送信バーがまとめて励起される。受信プレートは、全体的に四辺形の領域に重ねられる導電性の周期的パターンを含み、送信プレートが粗読取り構成で動作するとき四辺形領域全体が共通の電位に保持されることが、好ましい。
【０１００】
本発明の好ましい実施形態に従って、下記のものを含む、静止物体に対して相対的な移動物体の位置を感知するための容量性移動量エンコーダが提供される。
【０１０１】
静止物体に結合される少なくとも1つの静止素子、
移動物体に結合される移動素子、
移動物体の付近に静電界を発生しこれを受信するように静止素子または移動素子に固定される送信および受信プレートであり、静止素子上のインデックス位置に少なくとも1つのインデックス・プレートを含んで、この少なくとも1つのインデックス・プレート付近において移動素子が遭遇する静電界が、静止素子に沿った他の位置での静電界と明白に異なる、送信および受信プレート、
素子の1つに形成される電気的に能動的なパターンであり、このパターンが静止素子に対して相対的な移動素子の移動に応答して静電界を変調するように、素子間のキャパシタンスを変動させる、パターン、および
変調された静電界を感知するためおよび移動素子がインデックス・プレート付近にあるときの電界の差を識別してこれに応答して移動素子がインデックス位置にあることを判定するために結合され、かつ変調を検出して、これに応答してインデックス位置に対して相対的な移動物体の位置の測定量を決定する処理回路構成、を含む。
【０１０２】
本発明の好ましい実施形態に従って、さらに、以下のことを含む回転シャフトの位置を感知するための方法が提供される。この方法は、
シャフトの周りの複数の角度位置で共通周波数を有する周期的静電界を伝送するステップであり、各電界が他の信号とは異なる予め決められた位相を有する、ステップ、
前記の複数の位置からの電界を感知し、シャフトの回転の関数としてキャパシタンスの変化によって生じる電界の変調に応答して信号を発生するステップ、および
回転角度を示す出力を生成するように伝送される電界の周波数と同期に信号を処理するステップ、を含む。
【０１０３】
さらに、本発明の好ましい実施形態に従って、下記のことを含む回転シャフトの位置を感知するための方法が提供される。この方法は
所与の周波数のAC電気入力を受信するステップ、
AC入力に応答して周期的静電界を発生するステップ、
DC電圧をディテクタ回路に与えるようにAC入力の一部を整流するステップ、
複数の場所で電界を感知して、シャフトの回転の関数としてキャパシタンスの変化により生じる電界の変調に応答して信号を発するステップ、および
回転角度を示す所与の周波数のAC出力を生成するようにディテクタ回路を使って信号を処理するステップ、を含む。
【０１０４】
本発明の好ましい実施形態に従って、さらに、下記のことを含む、静止物体に対して相対的な移動物体の位置を感知するための方法が、提供される。この方法は、
移動物体の付近において静電界を伝送するステップ、
円滑に変動する粗い及び精密な周期的な、電気的に能動的なパターンを移動物体と合体するステップであり、パターンがそれぞれ低空間周波数および高空間周波数で物体の移動の次元に沿って変動し、実質的に空間調和なしに、低空間周波数および高空間周波数に対応する変調周波数で素子の相対的移動に応答して静止素子および移動素子の間のキャパシタンスの変化を誘導することにより静電界を変調する、ステップ、および
変調された静電界を感知し、これに応答して移動物体の位置の粗測定量および精密測定量を決定するステップ、を含む。
【０１０５】
さらに、本発明の好ましい実施形態に従って、以下のことを含む、静止物体に対して相対的な移動物体の位置を感知するための方法が、提供される。この方法は、
移動物体の付近において静電界を伝送するステップ、
粗いおよび精密な周期的な、電気的に能動的なパターンを移動物体と合体するステップであり、パターンがそれぞれ低空間周波数および高空間周波数で物体の移動の次元に沿って変動し、低空間周波数および高空間周波数に対応する変調周波数で素子の相対的移動に応答して静止素子および移動素子の間のキャパシタンスの変化を誘導することにより静電界を変調する、ステップ、
粗パターンによってまたは精密パターンによって交互に変調されるように静電界を切替えるステップ、および
変調された静電界を感知して、これに応答して移動物体の位置の粗測定量および精密測定量を交互に決定するステップ、を含む。
【０１０６】
本発明の好ましい実施形態に従って、さらに、以下のことを含む回転シャフトの位置を感知するための方法が提供される。この方法は、
シャフトの軸に対して非軸対象であり回転子の円周に配置されるパターンを含む電気的に能動的な領域を持つ回転子をシャフトに結合するステップであり、このパターンが予め決められた角度周波数でシャフトの周りで複数回反復する、ステップ、
移動物体の付近において静電界を伝送するステップ、
前記の領域の非軸対称性により1回転に1回生じる電界の変調を感知して、これに応答してシャフトの回転角度の粗測定量を決定するステップ、および
パターンによる電界の変調を感知して、回転角度の精密測定量を決定するステップを、含む。
【０１０７】
本発明の好ましい実施形態に従って、下記のことを含む、静止物体に対して相対的な移動物体の位置を感知するための方法も、提供される。この方法は、
上に電気的に能動的なパターンを有する移動素子を移動物体に結合するステップ、
移動素子を通して静電界を伝送するように移動素子の相対する側に第一および第二の静止素子を配置するステップ、
第一の静止素子の電位を感知し、移動素子を全体的に定常の電位に維持するように第二の静止素子に相対する電位を加えるステップ、および
電気的に能動的なパターンの移動による静止素子間のキャパシタンスの変化に応答する静電界の変調を感知して、これに応答して移動物体の位置の測定量を決定するステップを、含む。
【０１０８】
同様に、本発明の好ましい実施形態に従って、下記のことを含む、曲面に対して相対的な移動物体の位置を感知するための方法が提供される。この方法は、
読取りヘッドを移動物体に固定するステップ、
曲面に沿ってたわみ性ルーラを固定するステップ、
ルーラまたは読取りヘッド上に電気的に能動的なパターンを配備するステップであり、このパターンがルーラに対して相対的な読取りヘッドの移動に応答して静電界を変調するようにルーラと読取りヘッドの間のキャパシタンスを変動させる、ステップ、
読取りヘッドの付近において静電界を発生するステップ、および
変調を検出してこれに応答して曲面に沿った移動物体の位置の測定量を決定するように、変調された静電界を感知するステップを、含む。
【０１０９】
本発明は、下記の図面と共に以下の好ましい実施形態の詳細な説明からより良く理解されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】技術上既知である単純化された容量性位置センサを示す概略回路図である。
【図２】本発明の好ましい実施例に従ったシングルポールの容量性回転角度エンコーダおよびこれに合体される回路構成の上面図を示す略図である。
【図３Ａ】本発明の好ましい実施例に従った容量性移動量エンコーダのタイプを示す概略断面図である。
【図３Ｂ】本発明の好ましい実施例に従った容量性移動量エンコーダのタイプを示す概略断面図である。
【図３Ｃ】本発明の好ましい実施例に従った容量性移動量エンコーダのタイプを示す概略断面図である。
【図３Ｄ】本発明の好ましい実施例に従った容量性移動量エンコーダのタイプを示す概略断面図である。
【図３Ｅ】本発明の好ましい実施例に従った容量性移動量エンコーダのタイプを示す概略断面図である。
【図４】本発明の好ましい実施例に従った容量性回転角度エンコーダの部分的断面図である。
【図５】本発明の別の好ましい実施例に従った容量性回転角度エンコーダの部分的断面図である。
【図６】本発明の好ましい実施例に従った容量性回転角度エンコーダの電気遮蔽の詳細を示す概略断面図である。
【図７】本発明の好ましい実施例に従った、仮想接地回転子を有する容量性回転角度エンコーダの概略分解図である。
【図８】本発明の好ましい実施例に従った、容量性回転角度エンコーダから発せられる信号を同期的に位相/直交処理するための回路を示す概略ブロック図である。
【図９】本発明の好ましい実施例に従った図8の回路の構成の詳細を示す概略回路図である。
【図１０】本発明の好ましい実施例に従った、電磁レゾルバをエミュレートするための、容量性回転角度エンコーダおよびこれに合体される回路の概略分解図である。
【図１１Ａ】本発明の好ましい実施例に従った、マルチポール回転子上の導電性プレートの上面図である。
【図１１Ｂ】本発明の好ましい実施例に従った、図11Aの回転子と使用される固定子上の導電性プレートの上面図である。
【図１１Ｃ】本発明の別の好ましい実施例に従った、図11の回転子の代わりに使用するための回転子上の導電性プレートの上面である。
【図１２Ａ】本発明の好ましい実施例に従った、二速エンコーダに使用するための固定子上の導電性プレートの上面図である。
【図１２Ｂ】本発明の好ましい実施例に従った、図12Aの固定子と使用するための回転子上の導電性プレートの上面図である。
【図１２Ｃ】本発明の好ましい実施例に従った、図12Aの固定子と使用するための回転子上の導電性プレートの上面図である。
【図１３】本発明の好ましい実施例に従った、図12Aの固定子および図12Bの回転子を使用する容量性回転角度エンコーダから発せられる信号を同期的に位相/直交処理するための回路を示す概略ブロック図である。
【図１４】本発明の好ましい実施例に従った、三速エンコーダに使用するための回転子上の導電性プレートの上面図である。
【図１５】本発明の好ましい実施例に従った、図12Aの固定子および図12Bまたは12Cの回転子を使用する切り替え粗/精密容量性回転角度エンコーダから発せられる信号を同期的に位相/直交処理するための回路を示す概略ブロック図である。
【図１６Ａ】本発明の好ましい実施例に従った、粗パターンなしの二速エンコーダに使用するための固定子上の導電性プレートの上面図である。
【図１６Ｂ】本発明の好ましい実施例に従った、16Aの固定子と使用するための回転子上の導電性プレートの上面図である。
【図１７】本発明の好ましい実施例に従った、図16Aの固定子および図16Bの回転子を使用する容量性回転角度エンコーダから発せられる信号を同期的に位相/直交処理するための回路を示す概略ブロック図である。
【図１８Ａ】本発明の好ましい実施例に従った、粗パターンなしの別の二速エンコーダに使用するためのそれぞれ送信固定子および受信固定子上の導電性プレートの上面図である。
【図１８Ｂ】本発明の好ましい実施例に従った、図18Aおよび18Cの固定子と使用するための回転子上の導電性プレートの上面図である。
【図１８Ｃ】本発明の好ましい実施例に従った、粗パターンなしの別の二速エンコーダに使用するためのそれぞれ送信固定子および受信固定子上の導電性プレートの上面図である。
【図１９】本発明の好ましい実施例に従った、容量性回転角度エンコーダに使用するための三次元パターンを有する回転子の略図である。
【図２０】エンコーダの確度に対する回転子の傾斜の影響を示す、技術上既知である容量性回転角度エンコーダの概略断面図である。
【図２１】本発明の好ましい実施例に従った、区分された回転子を有する容量性回転角度エンコーダの概略断面図である。
【図２２】図21に示される区分化を採用するシングルポール回転子の概略上面図である。
【図２３】本発明の好ましい実施例に従った、二速容量性回転角度エンコーダに使用するためのハイブリッド・タイプの回転子の概略上面図である。
【図２４】本発明の好ましい実施例に従った容量性線形変位エンコーダの概略側面図である。
【図２５】線XXV-XXVに沿って見た図24のエンコーダの概略断面図である。
【図２６Ａ】本発明の好ましい実施例に従った、上に電気的に能動的なパターンを示す容量性線形エンコーダに使用するための読取りヘッドの側面図である。
【図２６Ｂ】本発明の好ましい実施例に従った、上に電気的に能動的なパターンを示す容量性線形エンコーダに使用するための読取りヘッドの側面図である。
【図２７】本発明の好ましい実施例に従った、容量性線形エンコーダに使用するためのルーラの側面図である。
【図２８】本発明の好ましい実施例に従った、容量性線形エンコーダに使用するためのルーラ上の区分された導電性パターンの側面図である。
【図２９】本発明の好ましい実施例に従った容量性線形エンコーダの概略断面図である。
【図３０】本発明の好ましい実施例に従った容量性線形エンコーダの概略断面図である。
【図３１Ａ】本発明の他の好ましい実施例に従った容量性線形エンコーダの概略断面図である。
【図３１Ｂ】本発明の他の好ましい実施例に従った容量性線形エンコーダの概略断面図である。
【図３２】本発明の好ましい実施例に従った、上に送信プレートおよび受信プレートを示す、図31Aのエンコーダにおける読取りヘッドの概略側面図である。
【図３３Ａ】本発明の好ましい実施例に従った、絶対示度容量性線形エンコーダのそれぞれルーラおよび読取りヘッドの概略側面図である。
【図３３Ｂ】本発明の好ましい実施例に従った、絶対示度容量性線形エンコーダのそれぞれルーラおよび読取りヘッドの概略側面図である。
【図３４】本発明の別の好ましい実施例に従った、絶対示度容量性線形エンコーダに使用するためのルーラの概略側面図である。
【図３５】本発明の好ましい実施例に従ったインデックス付き容量性線形エンコーダの概略側面図である。
【図３６Ａ】図35のエンコーダから派生する読取り値を概略して示すグラフである。
【図３６Ｂ】図35のエンコーダから派生する読取り値を概略して示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０１１１】
〔容量エンコーダの類型学的分類〕
本発明の出願の目的に対し、容量型回転エンコーダおよび線形エンコーダを型式により分類することは有用である。各々の型式は、静電界送信プレートおよび受信プレートの位置と、電気的特性およびロータの接続により特徴づけられる。分類は以下に記載され、本発明の望ましい具体例の記述の明快と便宜のために用いられ、従来技術の容量エンコーダにも同様に適用することが出来る。しかしながら、そのような限定が明らかに述べられている箇所を除いて、本発明の原理が特定の型式に限定されるものではない。
【０１１２】
図２は、本発明の望ましい実施例に従う、ロータ（回転子）エレメント５４および４つの四分円５６、５８、６０、６２を含む単一のステータ（固定子）エレメント５２とを伴う、単極ＣＦＲＡＡＥ５０の模式的な上面図である。この型式のエンコーダはここでは、「型式１」に分類される。四分円は、等しい周波数で相対位相がそれぞれ０、９０、１８、２７０ずれている交流電圧で励起される。ステータエレメントとロータエレメントの双方が、その上に導電パターンが蒸着された、絶縁体の基板（単純化のために図示省略）を普通含んでいる。従ってロータエレメントとステータエレメントの間のキャパシタンスは、ロータの移動につれて変動する。
【０１１３】
ロータ５４のパターンは、例えば参考文献としてここに添付されている「サーボセンサー−要素と応用」Ｙ・オーシマおよびＹ・アキヤマ編インターテックコミュニケーションズ社（カリフォルニア州ベンチュラ）に記載されているように、偏心的に配置されている。この偏心円形パターンとステータプレート５２の各々の対角線上の四分円の組５６、６０と５８、６２の間の差動結合は、それぞれ回転角度のサイン（正弦）またはコサイン（余強）に比例する。
【０１１４】
ロータに接続されたチャージアンプ６４の出力電圧は、４つの励起電圧の重み付けした和に比例し、必要な回転角のサインおよびコサインを引き出すために処理されることが出来る。以下ではこのアプローチは、位相四分円励起（ＰＱＥ）として参照される。先に言及した米国特許５，５９８，１５３号は、構造においてＣＦＲＡＡＥ５０と同様のエンコーダを記載しているが、サイン波の出力を有さない。
【０１１５】
この型式１のエンコーダは図２に示されているように、ロータ５４が処理電子回路と電気的に接続されていなければならないという点で、欠陥がある。しかしながらそれは、ロータが装着されているシャフトが予め電力に接続され、処理電子回路とともに自由に回転することが出来るという状況では有用である。
【０１１６】
図３Ａ−３Ｅは、本発明の望ましい実施例に従う型式２から６と現された、他の５つのＣＦＲＡＡＥの型式を示す断面図である。これらの型式は、ロータへの電気的接続の束縛なく回転部材の変位が比例したキャパシタンスの変化に転換されるようにする。それらは回転の制限のない角度エンコーダに都合良く使用されることが出来、そのうちのいくつかは同様に線形の変位の検出に使用されることが出来る。
【０１１７】
図３Ａは、型式２のエンコーダ７０を描いたものである。パターン化された電気的に非伝導（絶縁体）のロータ７６が、各々が非伝導の基板７３を含む、二つの静止ステータエレメント７２、７４の間に配置されている。エレメント７２は導電性の送信プレート７８、８０で被覆され、エレメント７４は導電性の受信プレート８２で被覆されている。送信プレート７８、８０は電気的に励起され、受信プレート８２と容量的に相互作用する。ロータ７６の存在は、その誘電率に従ってプレートの間のキャパシタンスを増加させる。エンコーダのこの型式は、ロータの傾斜と軸方向の位置に関し相対的に敏感でない。この型式のエンコーダは、先に言及した米国特許５，０９９，３８６号に記載されている。
【０１１８】
図３Ｂは型式３のエンコーダ９０を示し、これはロータ７６がパターン化された導電被覆を有することを除き型式２と同様で、被覆は電気的に接地されてステータエレメント７２，７４の間の測定されたキャパシタンスを選択的に変化させる電気シールドとして機能する。型式２と同様この型式もまた、ロータの傾斜と軸方向の位置に関し敏感でない。型式３では従来技術で既知のエンコーダは、しかしながらロータの接地で問題がある。スリップリングは例えば、先に言及した米国特許３，６６８，６７２号に記載されているように、摩擦、低い信頼性および高コストの欠点を有する。先に言及した米国特許３，７３２，５５３号に記載されているように、接地されたエンコーダのハウジングとの接触により、ロータが固定されているシャフトを通してロータを接地することは可能であるが、この方法は二つの致命的な欠点を有する。
【０１１９】
１．ロータとの信頼できないグラウンドとの接触は、シャフトのベアリング上の潤滑フィルムの形成に由来する。
【０１２０】
２．ハウジングの電気的ノイズはロータに課せられ、受信機に結合される。
【０１２１】
図３Ｃは、型式４のエンコーダを示し、ロータ７６の両側がそれぞれ導電性の被覆９６、９８により被覆されて電気的に相互に接続されているが、その他は浮游していることを除き、型式３と同様である。その被覆がパターン化されている場合は、ロータは送信プレート７８、８０と受信プレート８２の間の、角度に依存するカップリングブリッジとして機能する。従来技術で既知の型式４のエンコーダは、先に言及した米国特許３，８４５，３７７号、３，３１２，８９２号、４，０９２，５７９号、４，８５１，８３５号、４，２３８，７８１号および４，７８８，５４６号に記載されている。
【０１２２】
図３Ｄは、型式５のエンコーダ１００を示し、型式４の「折り返し版」と見なしうる。この型式では送信プレート７８、８０および受信プレート８２は、ロータ７６の一方の一つのステータ１０２の共通の静止基板７３の上に配置されている。ロータ上の導電パターン１０４は、送信プレートにより励起され、受信プレートに戻って結合されている。受信プレートからの出力信号は、ロータとステータの間の相互の変化するキャパシタンスに比例する。従来技術で既知の型式５のエンコーダは、先に言及した米国特許３，９６１，３１８号および４，４２９，３０７号に記載されている。
【０１２３】
図３Ｅは型式６のエンコーダ１１０を示し、本質的に型式５のエンコーダ１００の対称版である。エンコーダ１１０は、双方の側面に導電パターン１１４を有する、ロータ７６の各々の側面に対して一つづつの相互に接続された同一のステータエレメント１１２を含んでいる。従来技術で既知の型式６のエンコーダは、ドイツ特許出願ＤＥ３７１１０６２号および英国特許出願ＧＢ２１７６０１３号とともに、先に言及した米国特許４，７８８，５４６号に記載されている。その対称性の故にこの構造は、型式５よりも回転軸に比しロータの傾斜誤差に対してより敏感ではない。
〔ＣＦＲＡＡＥの構成と静電シールドの考察〕
図４は、本発明の望ましい実施例に従う容量型フル回転絶対角度エンコーダ（ＣＦＲＡＡＥ）１４０の部分断面図である。エンコーダ１４０は、望ましくはプリント配線基盤で形成された、二つの一般的に平面のステータ１４１、１４２と平面のロータ１４８とを含んでいる。このエンコーダは、望ましくはスナップで接続された、短い円筒の筐体１４３とカバー１４４でできたハウジング１３９に含まれている。このハウジングは、ポリカーボネートのような、プラスチックの射出成型で望ましくは形成される。代案として、金属で形成されることも出来る。ステータ１４１、１４２は、電気的に導電性のスペーサリング１４５で分離されており、また以下に詳細に記載するようにエンコーダの電気シールドの一部として機能する。
【０１２４】
望ましくは図１９に模式的に示されている形式のものであるロータ１４８は、クランプリング１５１による主シャフト１５０への直接装着用の、中心孔を伴う延長軸１４９を有する。この窪みとシャフトの接合のスキームは、簡潔性とコンパクト性の利点を有する。周辺の溝１５５は、サーボマウントとして従来技術では既知の方法でハウジング１３９を保持する、装着ネジ（図示せず）を受ける。内部の導電スリーブ１５２（オプションの外部スリーブ１５３と共に図６に示されている）は、迷路１３７を生成するように機能する。この迷路は以下に詳述するように、スペースを含むロータ１４８と回路１３８との電気的シールドを提供するために、内側ハウジング１３９の導電被覆１５４に結合されている。このシールドは、シャフト１５０を経由してハウジングに浸透する以外の干渉と同様に、外部の電気的干渉からエンコーダを保護する。ハウジング１３９が金属で出来ている場合は、導電性被覆１５４は非導電性の内層により、望ましくはハウジングと分離されている。
【０１２５】
エンコーダ１４０の窪みとシャフトの簡潔な構成は、以下に詳述されるように本発明により提供される、誤差を許容する高度に機構的な装着により可能にされ、エンコーダ１４０が多極のＣＦＲＡＡＥである場合に特に顕著である。対照的に窪みとシャフトの概念を光学エンコーダに適用することは、ロータとステータとの間の径方向のアライメントを保つための内部ベアリングのみならず、エンコーダの窪みシャフトとそれが装着される主シャフトとの間の機構的アライメントミスを吸収するために、エンコーダのハウジングをフレキシブル装着フレームに完全に装着することを必要とする。この型式の典型的な光学エンコーダは、イリノイ州ガーニーのダナハーコントロール社により製造されている、モデルＨＳ３５シールド窪みシャフトである。
【０１２６】
機構的装着誤差への許容度に起因する、エンコーダ１４０のデザインの他の利点は、この型式の単一ＣＦＲＡＡＥがある範囲のシャフト径に対して使用可能であることである。これは、ロータ１４８の中心孔を可能な限り大きく形成したり、小さい直径のシャフトに装着するために一組のアダプター（図示せず）を用いたりすることで達成される。非常な高精度が必要な場合、ロータとステータとの間のアライメントミスを最少にするために、エンコーダ１４０はシャフトとベアリングを合体して同様に生産することが出来る。
【０１２７】
図５は、本発明の代替の望ましい実施例に従うエンコーダ１６０を示す。エンコーダ１６０の構成は、エンコーダ１４０のそれと同様の原理に基づいているが、単一のステータプレート１６２のみを有している。この版は、図３Ｄに描かれた型式５のエンコーダに特に有用である。エンコーダ１６０のハウジング１３９の内側の導電被覆１５６は、エンコーダ１４０でのステータプレート１４２により提供されるシールドの代わりに、ロータ１４８をシールドする。エンコーダ１６０の他の電気的構成では、接地された連続の被覆よりむしろ、送信プレートとして機能する部分を含んでもよい。どちらの場合も、被覆はゼブラコネクタを経由してプレート１６２に接続される。
【０１２８】
図４、５に示された構成を有するエンコーダは、本発明者により製作された。これらのエンコーダは典型的には５７ｍｍの外径を有し、最大１２ｍｍのシャフトの使用が可能である。ロータ１４８は、典型的には３２極の組を含むように設計されている。こうして得られた分解能は２０ビット（約１／１０００度）で、成型に誤差の無い場合の精度は１６ビット（約１／１００度）である。電力消費は、約２０ｍＷである。これらの特性が如何に得られたかは、以下に記載される。
【０１２９】
ここに記載された望ましい実施例は、ステータとロータが一般的に平面（かつフォトリソグラフプロセスを用いて、都合良く作製されることが出来るもの）であるエンコーダに関したものであるにもかかわらず、本発明の原理は他の構成の容量エンコーダに対して、同様に適用可能であることが理解されるべきである。例えば図示されていない本発明の代替の具体例では、ＣＦＲＡＡＥは円筒型のロータとステータからなる。
【０１３０】
容量的に結合された干渉から受信プレートを保護する必要は従来技術で知られているが、現存するＣＦＲＡＡＥデバイスは十分に有効な保護の提供に成功していない。従来技術のエンコーダの機構的構成の例は、本発明の背景で引用された参考文献に示されている。これらの例の全てで、金属製のメカニカルハウジングは信号のグラウンドに接地されている静電シールドとして機能する。しかしながら、エンコーダが動作している機構的環境は同じ信号のグラウンドポテンシャルに同様に接続されているので、この保護の実際の有効性には限界がある。エンコーダが電気モーターのシャフトに結合され（かつ特にそれがモーターのハウジングの内側に装着されている場合）典型的なアプリケーションでは、エンコーダの出力信号は接地電流に起因して悪影響を受ける。ブラシレスの直流または交流ベクター制御モーターでのように、スイッチングパワーサプライが用いられたときにはこれは特に深刻な問題である。
【０１３１】
従来技術では認識されていない別の問題は、シャフトを通してエンコーダに結合された干渉である。シャフトは普通金属製で、かつ保護されていると考えられるエンコーダの内側のスペースを貫通しているので、シャフトへの全てのノイズが受信プレートに結合されている。再度言うが、エンコーダがスイッチモードのモーターと共通のシャフトを共有している場合に、この状況は最も深刻である。ベアリングボール上に形成された潤滑フィルムがロータとハウジングとの間の電気的な連続性を散漫に中断するので、この問題はあるシャフト速度以上で一層悪化する。ロータとステータは事実上電気的に浮游し、モーターステータの巻き線からエンコーダの受信プレートへのノイズを結合する容量ブリッジとして機能する。
【０１３２】
図６は、本発明の望ましい実施例に従う静電保護スキームの詳細を示す、エンコーダ１４０の断面の模式図である。ステータ１４１、１４２は、それぞれ受信プレート１７０と送信プレート１７２をその上に有する、プリント回路基板１６８，１６９を含んで示されている。ロータ１４８は、電気的に動的なパターン、即ち送信プレートと受信プレートの間でキャパシタンスを変化するパターンを有している。必要であるわけでないが望ましくはロータは、パターンを形成するためにその上にメッキされた、導電部のついたプリント回路基板からなる。ステータ、ロータとその間のエアギャップは、主に受信アンプである処理回路１３８の少なくとも一部と同様に、静電シールド１７３により保護されている。このシールドは、導電性の内層１５４と、二つのステータ１４１、１４２を区分する導電リング１４５と、シャフト１５０からのシールド内の領域への容量的結合を有効にブロックするスリーブ１５２、１５３を含む迷路１３７とからなるが、それでもシャフトとロータ１４８との間の機構的結合を可能にしている。
【０１３３】
エンコーダのハウジング１３９（図４に示す）とシャフト１５０の双方が、電気的に中立でなんらのポテンシャルを有さないと仮定されてよい。従来技術で既知のエンコーダとは異なり、ハウジングは電気的な機能を果たさず安価にプラスチックで作ることが出来る。回路１３８を覆うシールド１６６は、望ましくはハウジングの内側にシールド１７３と共通に接地されている導電性被覆を含んでいる。シールド１６６へのグラウンドの接続は、ステータ１４１のプリント回路基板のグラウンドまたはフレキシブルな切片（図示せず）との接触により得られる。他に、シールド１６６を、金属シートで作製することも出来る。
【０１３４】
シールド１７３は同様に送信プレート１７２も封包しているので、その電界を制限してエンコーダ１４０の外側に放射される潜在的な干渉を除去する。他方プレート１７２はグラウンドでもなく他の固定のポテンシャルも有さないにもかかわらず、それらはエンコーダ内のロータのスペースを保護する筐体の一部として機能する。ポテンシャルがグラウンド以外の値に保持されているシールドについての考察は、ジャーナルオブフィジックスＥ：科学機器  １９（１９８６）ｐｐ．９７−９０６のHeerensによる「センサーの設計におけるキャパシタンス技術の応用」と標題された論文に記載されており、それはここに参考文献として添付されている。
【０１３５】
要約するとエンコーダ１４０の内部のエレメントは、以下のいくつかのユニークな特徴をもつスキームにより、環境から双方向的に隔離されている：
１．用意されたシールド１７３は、メカニカルハウジングとは独立に用いられている。
２．シールドは全ての方向への保護を提供しながら、その内部のロータとの回転の結合を可能にする。
３．シールドは、エンコーダとして使用されるプリント回路基板１６８、１６９上の導電層１５４を含む、いくつかの要素からなる。
４．送信プレートのようないくつかの要素は、固定ポテンシャルである必要はない。
〔ロータの仮想的接地〕
ロータが接地されたエンコーダ（型式３）は多数の利点を有するにも関わらず、従来技術で既知のそのようなエンコーダの全てが、本発明の背景で記載された多数の付随する欠点を伴う、ロータに印加される物理的接触を通したグラウンドポテンシャルを必要とする。
【０１３６】
図７は容量エンコーダ１８８の断面図であり、そこではロータ１９４上の導電被覆１９５が本発明の望ましい具体例に従い、回転しないどのエレメントとも実際は電気的に接触することなく、効果的に（または仮想的に）接地されている。被覆１９５は、ロータ１９４の表面にあるパターンを形成している。この具体例の目的のためには、この塗布されたパターンは、グラウンドや他の特定の直流のポテンシャルではない、ある固定のポテンシャルに保持されていれば十分である。本質的にそのパターンが、発信ステータ１９１に課される電気的励起の周波数におけるステータ１９１と１９６との間の、容量的相互作用をブロックすれば十分である。エンコーダ１８８は単極エンコーダとして示されているにも関わらず、任意の数の極を使用することが出来る。
【０１３７】
送信プレート１９１は、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄと付号された４つの送信プレート１９２を含んでいる。これらのプレートは、先に記述したようにそれぞれの励起電圧により励起され、受信ステータ１９６上の環状プレート１９７およびロータ１９４上の導電パターン１９５と、容量的に相互作用する。パターン１９５が接地されているか、又はある固定のポテンシャルに保持されている限り、そのパターンにより覆われている領域での受信プレート１９６との相互作用から、４つの送信プレートの交流の励起を選択的にブロックする。
【０１３８】
パターン１９５はアンプ１８２を手段として固定のポテンシャルに保持されており、アンプはステータ１９６上の補助環状プレート１９８とステータ１９１上の補助送信プレート１９０との間に結合されている。パターン１９５が電気的に浮游している範囲で、その瞬間ごとの位置に従ってそれは送信プレートから交流のポテンシャルを取得する。この交流のポテンシャルは電圧を生じるようにプレート１９８と相互作用し、それはアンプ１８２により増幅されて反転される。結果の電圧Ｖｏ２は、導電パターン１９５を通した容量的結合を経由して、プレート１９８上の電圧を低下させるためにプレート１９０に印加される。エンコーダ１８８の配置は、プレート１９８がロータパターン１９５のみに対向し、送信プレート１９２、１９０からは隔離されているような配置である。アンプ１８２の動作の結果として、プレート１９８およびパターン１９５上の交流電圧は実質的に相殺される。パターンはこのようにして固定のポテンシャルに保持され、送信プレート１９２から受信プレート１９７への容量結合を選択的にブロックする、遮蔽として機能する。受信プレート１９７に結合されたチャージアンプ１８０の出力での出力電圧Ｖｏ１は、それ故望まれるようにプレート１９７の覆われていない部分に誘起される電荷を反射する。
〔信号コンディショニング〕
図８は、本発明の好ましい実施例による信号コンディショニング回路２００を簡略に示す回路図である。回路２００は、単速度CFRAAE、即ち、後述するように、２対の（粗および精密）出力を有する多重速度方式とは異なり、１対の出力信号のみを出力するエンコーダとの併用に好適である。回路２００は、例えば、エンコーダの位相／直角位相励起(PQE)との併用による同期検出方法を可能にし、この回路は多重速度タイプのエンコーダとも併用できる。
【０１３９】
回路２００は、図２に示す固定子５２のような、４つの象限を有する送信固定子と併用するのが好ましい。象限と受信固定子との間の電気的結合を、典型的には互いに直交する１０ｋＨｚ方形波を供給する４相ＡＣ電源によって励起される可変キャパシタンス２０６〜２０９で図示した。電荷増幅器２１０が４つのチャンネルすべてを一括増幅する。増幅器の出力が２つのまったく同じチャンネルに向けられて、正弦および余弦出力をそれぞれ供給する。
【０１４０】
各チャンネルは同期検出器２１１または２１２および低域フィルタ２１３または２１４を含む。同期検出器２１１は電源２０２から同相基準信号を供給され、その出力は低域フィルタ２１３によってフィルタされて正弦信号を形成する。同期検出器２１２は電源２０３から直角位相基準信号を供給され、その出力は低域フィルタ２１４によってフィルタされて余弦信号を形成する。正弦および余弦信号を、公知のように、ディジタル化し、（図示しないが）マイクロコンピュータまたはディジタル信号プロセッサによって処理することが好ましい。信号処理の典型的な態様としては、除算によって回転角度の正接を求め、次いで、代数計算または探索表によって角度そのものを求める。
【０１４１】
この信号処理方式の長所は、簡単であることのほかに、電子部品に公差があっても、４つのチャンネルすべてのゲインがほとんど同じという点にある。しかも、出力におけるＤＣオフセットが低く、このことは算出角度の誤差を極力小さくするためには必須の条件である。
【０１４２】
同期的な正弦および余弦検出を目的とする回路２００のＰＱＥアプローチは、容量性エンコーダの分野では未知である。上記ドイツ出願ＤＥ  ３７１１０６２も共通の電荷増幅器によるＰＱＥを利用しているが、電荷増幅器の出力を、本発明のように同期的に復調するのではなく、サンプリングする。同期検出器２１１および２１３は機能的にはアナログ・マルチプライヤと同様であり、増幅器２１０からの入力電圧およびそれぞれの基準方形波を供給される。低域フィルタ２１３および２１４は所定の帯域幅にわたって出力信号を平均化する。出力電圧が基準周波数と同相の入力電圧の総エネルギーに比例するという点で、作用全体はフーリエ分析と等価である。公知の容量性エンコーダの正弦および余弦出力におけるＳ／Ｎ比は、上述したように、ｔ/Ｔの平方根に比例する。但、Ｔは基準方形波の周期であり、ｔは常にＴよりもはるかに短いサンプリングのアパーチャ・タイムである。出力が周期Ｔにわたって得られる多数のサンプルの平均値に近いから、同期検出からは、タイム・サンプルで得られるよりもはるかにすぐれたＳ/Ｎ比が得られる。
【０１４３】
図９は本発明の好ましい実施例としての回路２００を略示する回路図である。Ｕ1はゲインが−Ｒ3/Ｒ2の電圧インバータであるＵ2に給電する入力電荷増幅器である。但し、Ｒ2＝Ｒ3である。Ｕ1は適当なタイプの離散的または集積ＦＥＴ−入力演算増幅器で構成することができる。Ｕ2は汎用演算増幅器である。Ｕ3は例えば、Maxim Integrated Products of Sunnyvale(California)製のＭＡＸ  ３９３のような低電荷注入アナログ・スイッチである。Ｕ3は電源２０２および２０３からの方形波パルスSync１またはSync２による制御下に、Ｕ1またはＵ2の出力を選択する。これら２つの出力を、好ましくはそれぞれの３次のSallen-and-Key能動フィルタによって低域フィルタする。Sallen-and-Key能動フィルタは、公知のように、それぞれが３つの抵抗器と、３つのコンデンサと、１つの電圧フォロアを含む。この種のフィルタは、受動部品に公差があっても、低周波数の単一ゲインを有する。増幅器Ｕ4およびＵ5としては、低入力オフセット、低バイアス電流演算増幅器を使用することができる。所要の安定した単一ゲインを提供する他のタイプの低域フィルタとしては、ゼロ−ＤＣ−オフセット・スイッチド−コンデンサ・タイプがあり、これもまた公知である。
【０１４４】
正弦および余弦処理チャンネルのゲインは、これらのチャンネルがＵ1およびＵ2を共有し、Ｕ3におけるスイッチ抵抗にほとんど影響されないから、互いにほとんど同じである。全体として、これら２つのチャンネルは低域フィルタ２１３および２１４を除いて同じ電子部品を共有し、しかも、２つの低域フィルタは単一のゲインを有する。増幅器２１０と連携するコンデンサＣ1に現れる変動が主因となって、実際の信号ゲインが変動することがある。しかし、角度測定量は２つの出力の比に基づいて計算されるから、ゲイン変分は両チャンネルにおいて同じであり、正確または安定な部品は不要である。この信号処理方法の性能は極めて良好である。例えば、３２極対バージョン出力信号を１２ビットＡ/Ｄ変換することによって、１０ｋＨｚの帯域幅にわたって１９ビットの解像度が得られた。
【０１４５】
特に公知の容量性位置エンコーダ回路と比較して、回路２００は簡単であるから、受信固定子に使用されるのと同じプリント回路板、例えば、図６に示す基板離散的回路素子を設けることができる。この実施例の場合、回路板は、遮蔽層１５４および受信プレート１７０に２つの信号層を加えた４層プリント回路板であることが好ましい。これらの層を重ねる際には、励起導線と信号導線との間の距離を極力大きくするように留意しなければならない。
【０１４６】
図１０は容量性回転角度エンコーダ２３０およびこれと連携する信号処理回路を略示する分解図であり、エンコーダと回路は、本発明の好ましい実施例として、クラシックな巻線レゾルバに匹敵するように構成されている。エンコーダ２３０は、単極対レゾルバの手軽な代用装置として作用する、即ち、レゾルバよりもサイズがはるかに小さく、製造コストが低いにも拘わらず、レゾルバの入出力性向に匹敵することを目指している。レゾルバが受動素子−本質的にはＡＣ入力およびＡＣ出力を有する可変トランスであるのに対して、容量性エンコーダは信号処理回路を有する能動素子であるから、エンコーダ２３０はＡＣ入力電圧を電子回路に給電するための±ＤＣ供給電圧に変換する清流回路２４５を含む。
【０１４７】
エンコーダ２３０は、公知のレゾルバに広く使用されている入力ＡＣ搬送電圧、即ち、７．５ｋＨｚの７Ｖ  ＲＭＳから成る電源２４４から給電される。この電圧はが整流回路２４５に供給され、整流回路２４５は±ＤＣ電圧＋Ｖｃｃおよび−Ｖｃｃを回路素子に供給する。電源２４４は公知の二重電圧ダブラーであることが好ましいが、他の適当なＡＣ/ＤＣコンバータ回路を使用してもよい。図７に関連して上述したように、回転子１７４は仮想接地されていることが好ましい。あるいは、タイプ２またはタイプ４エンコーダのような、電気的に浮遊状態であってもよい。タイプ４ＣＦＲＡＡＥを使用するなら、後述するように、回転子の傾斜に対する感度を鈍らせるため、回転子パターンを区分することが好ましい。
【０１４８】
エンコーダ自体は送信固定子２４０、受信固定子２４８および回転子１７４から成る。送信固定子２４０は仮想接地補助プレート１７０と共に、送信プレート２４１を含む。受信固定子２４８は、仮想接地ループ増幅器１８２を介してプレート１７０と接続する仮想接地補助プレートと共に、４つの受信象限プレートＡ，Ｂ，ＣおよびＤを有する。４つの受信象限プレートはそれぞれ４つの電荷増幅器２５０，２５１，２５２および２５３と接続し、これらの電荷増幅器は対応の電圧Ｖａ，Ｖｂ，ＶｃおよびＶｄを発生させる。差動増幅器２５４および２５５が発生させる電圧Ｖａ−ＶｃおよびＶｂ−Ｖｄの振幅は、誘導レゾルバの場合と同様に、回転角度の正弦および余弦に比例する。
【０１４９】
発明者の所見によれば、回転速度が限界を超えると、出力信号にランダム・ノイズが加わるという問題がエンコーダ２３０に起こる。ノイズの主要スペクトル成分は回転周波数−典型的には５０〜１００Ｈｚに存在する。問題の源を追跡したところ、空気摩擦の結果として回転子１７４に蓄積される静電荷であることが判明した。回転子は電気的に接地されていないから、この電荷は消散することができない。電荷は回転子面上にランダムに拡散しているから、受信プレート２４７上に不均一な電圧を発生させ、これが出力ノイズとして現れる。この問題の解決策として、増幅器２５４および２５５と直列に、励起周波数を中心とする２つの（図示しない）帯域フィルタを加える。励起周波数は回転周波数よりもはるかに高いから、厳密な選択は不要であり、帯域フィルタとして、簡単なウィーンブリッジ回路を使用することができる。また、上記ＰＱＥ方式とは異なり、エンコーダ２３０は４つの別々の信号チャンネルを有し、ゲイン整合は保証されないから、製造に際しては、多くの場合、抵抗器トリミングによるゲイン等化が必要である。
〔多重速度エンコーダ〕
単極対ＣＲＡＡＦＥｓはその精度に限界があり、特にタイプ５のそれは固定子に対する回転子の傾斜に極めて敏感である。原理的に、多重極対エンコーダは、その出力信号が複数の極で平均化されるから、精度が比較的高く、機械的な不完全性の影響からはるかに自由である。しかし、後述するように、単極対エンコーダと組合わせない限り、絶対位置測定量を提示しない。
【０１５０】
簡略化するため、図７−１０に示すエンコーダは単極対タイプであるが、ここで実施されている原理は多極および多重速度エンコーダにも応用できる。本願明細書において、多重速度エンコーダとは、単極および多極可変キャパシタンスの双方を含むエンコーダを指す。単極キャパシタンスは粗チャンネルとして作用し、その出力信号が１回転ごとに反復するのに対して、多極キャパシタンスは精密チャンネルとして作用し、その出力信号は１回転に数回反復する。粗および精密測定量を組合わせることにより、高い精度および解像度で、曖昧さのない回転子位置を得ることができる。
【０１５１】
図１１Ａおよび１１Ｂは、本発明の好ましい実施例によるタイプ５の多重速度容量性角度エンコーダにおいて、回転子２６０に形成した多極導電パターンと、固定子２７０に設けた送信プレートをそれぞれ示す頂面図である。図面を簡略化するため、固定子および回転子の双方に設けた粗チャンネル・プレートおよび結合プレートの図示を省いた。単一の固定子２７０を含めて、このエンコーダは８極レゾルバと等価である。回転子２６０は８つの正弦波サイクルを有する。固定子２７０は３２枚の送信プレート２７２を含む。それぞれ４枚目のプレートは共通の励起電圧線Ｖ1〜Ｖ4に接続されている。４つの励起電圧は相互直角位相関係にある。
【０１５２】
双方のチャンネルに単一の固定子および単一の回転子を採用するタイプ５の多重速度ＣＦＲＡＡＥｓは、恐らくは両チャンネル間の相互干渉が実用を妨げると考えられていたため、公知技術には提案されていない。この構成は、上記ArnoldおよびHeddergottの論文では明確に退けられている。
【０１５３】
図１１Ｃは、本発明の好ましい実施例による、回転子２６０の負バージョンとしての回転子２６２に形成された、異なる形態の導電パターンを示す頂面図である。回転子２６２は、エンコーダの信号極性が逆であることを除けば、回転子２６０と等価である。
【０１５４】
図１２Ａおよび１２Ｂは、本発明の好ましい実施例による、タイプ５（単一固定子）２速度エンコーダの固定子３００および回転子３１０にそれぞれ設けられた導電プレートの頂面図である。固定子３００は精密送信プレート３１７、近似送信プレート３１４および受信プレート３１２を含む。回転子３１０は、精密パターン・プレート３１７、近似パターン・プレート３１５および受信プレート３１２と対向する結合プレート３１６を含む。回転子プレートはすべて互いにつながっている。プレート３１５および３１６間の分離は不要であり、図示の便宜上分離したに過ぎない。なお、回転子３１０の粗パターンおよび精密パターンはいずれも円滑に変化し、公知の多速回転子に見られるような明確な境界点は存在しない。従って、固定子３００からの信号が後述の回路によって処理される時、エンコーダは、角度測定量精度の低下につながるような歪みをほとんど伴わない、円滑且つ明瞭な正弦波出力を提供する。
【０１５５】
図１２Ｃは、本発明の他の実施例による、回転子３２０に設けた導電プレートの頂面図である。回転子３２０は機能的には回転子３１０と同様であり、これに代わることができる。上記プレート３１７の“負バージョン”である精密パターン・プレート３１８を有する点で先に述べた実施例と異なる。
【０１５６】
図１３は、本発明の好ましい実施例による、２速度エンコーダと併用される信号コンディショニング回路３３０の簡略図である。回路３３０は回路２００に関連して上述したのとほとんど同じであるが、近似処理チャンネル３２８と精密処理チャンネル３２９を別々に設けたＰＱＥアプローチを採用する。
【０１５７】
粗チャンネル可変キャパシタンス３３６〜３３９は、典型的には１０ｋＨｚ方形波の４相ＡＣ電圧３３２〜３３５によって励起される。精密チャンネル可変キャパシタンス３４４〜３４７は、典型的には４０ｋＨｚ方形波によって励起される。この電子装置は、粗および精密チャンネルすべてによって共用されるように、受信プレート３１２（図１２Ａ）と接続する電荷増幅器３４８を含む。増幅器出力は、粗および精密処理チャンネルに向けられ、同期検出器３４９〜３５２および低域フィルタ３５４〜３５７を含む。同期検出器３４９および３５１はそれぞれ同相基準信号３３２および３４０を供給され、低域フィルタ３５４および３５６によってフィルタされて粗および精密正弦波信号を形成する。同期検出器３５０および３５２はそれぞれ直角位相基準信号３３３および３４１を供給され、低域フィルタ３５５および３５７によってフィルタされて粗および精密正弦波信号を形成する。次いで、上述したように、これらのアナログ信号をディジタル化し、マイクロコンピュータによって処理することが好ましい。
【０１５８】
図１４は、本発明の他の好ましい実施例による、３速、タイプ５のＣＦＲＡＡＥの回転子３８０に設けた導電プレートの頂面図である。回転子は精密チャンネル３８２、中程度チャンネル３８４、粗チャンネル３８６および結合プレート３８８を含む。これは適当に適合させた固定子および信号コンディショニング回路と併用され、２つではなく３つの処理チャンネルと併用される。図１４の構成は、例えば、精密チャンネルに多数のサイクルを有する大径エンコーダに有用である。この場合、粗チャンネルは、固有精密サイクルを正しく識別できるほど正確でなくてもよい。粗および精密チャンネルのサイクル数の中間サイクル数を有する中程度チャンネルを加えることにより、先ず中程度チャンネルの固有サイクルを識別し、次いで、精密チャンネルの固有サイクルを識別することによって問題を解決することができる。
【０１５９】
図１５は、本発明の好ましい実施例による、図１２Ａ−Ｂに示すような２速度回転エンコーダと併用される２状態切替可能信号コンディショニング回路４２０を略示する回路図である。回路４２０は、図１３に示すような多チャンネル回路よりも簡単であり、部品数が少ないという点で有益である。
【０１６０】
可変キャパシタンス４２９〜４３２はエンコーダの精密相互キャパシタンスを表し、可変キャパシタンス４３３〜４３６は粗チャンネル相互キャパシタンスを表す。スイッチ４２５〜４２８は、（図示しない）共通の論理信号によって指令されて、精密チャンネルまたは粗チャンネル・キャパシタンスに励起電圧４２１〜４２４または値電位を印加することにより、精密または粗角度測定量を得る。先に挙げた実施例に関連して述べたように、電荷増幅器４４７からの出力電圧が同期検出器４４８および４４９と低域フィルタ４５０および４５１によって処理されて、スイッチ・オンされたチャンネル（精密または粗）に対応する正弦および余弦出力が形成される。
【０１６１】
好ましくは、粗チャンネルを使用してエンコーダの絶対位置を識別する。典型的には、この粗信号はシステム初期化にのみ必要である。システムがＯＮになると、論理指令が先ずスイッチ４２５〜４２８を介して、励起波形を粗チャンネル送信プレート（キャパシタンス４３３〜４３６）に伝送する。この粗位置測定を利用して、回転子の位置に対応する特定の精密サイクルを識別する。次いで、励起電圧を精密チャンネル送信プレート（キャパシタンス４２９〜４３２）に印加し、精密チャンネル信号を処理することによって、回転子の絶対的且つ正確な位置を得る。
【０１６２】
図１６Ａおよび１６Ｂは、本発明の好ましい実施例による、２速度のタイプ５ＣＦＲＡＡＥを構成する、固定子４６０および回転子４７０の導電プレートをそれぞれ示す頂面図である。この実施例では、回転子と固定子の間の多極可変キャパシタンスを利用して、粗および精密角度測定量を発生させる。実用上の利点は、エンコーダの所与の外径に対して、比較的大きい中心孔を形成することができ、従って、比較的広い範囲のシャフト径に対応できることにある。
【０１６３】
固定子４６０は精密送信プレート４６７と四分円受信プレート４６３〜４６６を含む。精密プレートは回転子４７０に設けた精密パターン・プレート４６８と相互作用する。回転子に設けた偏心結合プレート４６１はこの相互作用を受信プレートに結合する。プレート４６１は偏心関係にあるから、４つの象限キャパシタンスが合計されない限り、結合キャパシタンスは回転的に独立ではない。合計すると、正確な精密チャンネルの測定量が得られる。この場合、精密チャンネル出力信号をＡ＝Ｒsin(nθ)およびＢ＝Ｒcos(nθ)とすれば、そのベクトル和Ｒは下記式で与えられる定数である：
Ｒ＝√（Ａ2＋Ｂ2）
但し、受信四分円のすべてを使用しない場合、ベクトル和Ｒは変調され、粗チャンネルの測定量を求めるのに利用できる。
【０１６４】
図１７は、本発明の好ましい実施例による、図１６Ａおよび１６Ｂのエンコーダと併用される信号処理回路４８０を略示するブロックダイヤグラムである。好ましくはシャフトが静止したままの初期化段階において、回路４８０の正弦および余弦チャンネルの出力から、４対のＤＣ電圧Ａ1、Ａ2、Ａ3およびＡ4およびＢ1、Ｂ2、Ｂ3およびＢ4が得られる。そのためには、スイッチ４９０，４９１，４９２および４９３を順次閉じ、フィルタ５０９および５１０の出力に現れる出力ＤＣ電圧をサンプリングすればよい。各ＤＣ電圧は精密キャパシタンス４８２，４８３，４８４および４８５と、特定象限結合キャパシタンス４８６，４８７，４８８または４８９（図１６Ａの象限４６３，４６４，４６５および４６６にそれぞれ対応）と、電荷増幅器５０６、同期復調器５０７および５０８および低域フィルタ５０９および５１０の固定ゲインの結果である。次いで、各電圧対の対応ベクトル和を計算することにより、特定シャフト角度における象限結合キャパシタンス値に比例する振幅Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3およびＲ4を求める。対角対差Ｒ1−Ｒ3およびＲ2−Ｒ4は粗シャフト角度の所要の正弦および余弦に比例する。
【０１６５】
この初期化の後、４つのスイッチ４９０〜４９７を閉じてエンコーダを精密モードに切り替える。このモードでは、精密固定子プレートが精密回転子パターンと相互作用するから、電源４９４〜４９７および可変キャパシタンス４８２〜４８５を利用して精密シャフト角度を求める。
【０１６６】
図１８Ａ，１８Ｂおよび１８Ｃは、本発明の好ましい実施例による、タイプ４エンコーダを構成する送信固定子５２０、回転子５２５および受信固定子５２７をそれぞれ示す頂面図である。このエンコーダは多極相互キャパシタンスから単極信号を得る第２方式の一例である。
【０１６７】
固定子５２０は図１１Ｂに示した回転子２７０に設けたのと同様の、複数の送信プレート５２９から成る多極送信列を含む。但し、ここではプレート５２９が４つの象限軍５２１〜５２４に分割され、それぞれが別々に給電される。固定子５２７は環状受信プレート５２８を含む。回転子５２５はその両側に多極導電パターン５２６を有し、これら２つの導電パターンは電気的に接続されている。
【０１６８】
受信固定子５２７から受信された信号は、図８に示した回路２００とほぼ同様の回路によって処理される。この場合、キャパシタンス２０６〜２０９は、各象限における送信プレート群に起因する可変キャパシタンスを表す。回転子５２５のプレート５２６が理想的な多極パターンを有する限り、送信象限の１つが給電されるか、２つ以上が給電されるかに関係なく、低域フィルタ２１３および２１４からの出力正弦および余弦信号は精密チャンネルを表す。しかし、もし回転子パターンが、例えば、回転軸心に対する偏心性または軸心にたいする傾斜またはサイクル毎の厚さ変動のため、理想の状態的でなければ、象限のすべてが同時に給電されない場合、出力信号が回転毎に振幅変調を含むことになる。このような偏心性またはその他の偏りはままありうることである。即ち、個々の象限が順次給電され、振幅Ｒ1−Ｒ3およびＲ2−Ｒ4が計算されれば、粗シャフト角度の正弦および余弦が得られる。すべての象限が同時に給電される場合、精密チャンネルの正弦および余弦が正確に得られる。
【０１６９】
これと等価の方式は他にも考えられるが、共通点として、いずれも１回転毎に何らかの形で対称性が崩れる多極回転子と、２つの構成、即ち、対称性の構成と対称性を崩す特徴を有する構成との間で切替可能な固定子とを有する。例えば、理想的な多極パターンを有する回転子を使用し、１つまたは２つ以上のサイクルが欠落している場合、固定子が対称（複数象限）モードにある時、信号はその影響を受けない。しかし、固定子が非対称（単一象限）モードに切替えられると、信号振幅は１回転毎に変調される。
【０１７０】
本発明のさらに他の好ましい実施例として、サイクル毎に対称性が崩れる多極回転子を、同様に対称性を欠く回転子と連携させる。この場合、スイッチングは不要である。例えば、（図１１Ｂに示す）固定子２７０を偏心させるか、または固定子の１つのセグメントを除けばよい。回転子と固定子の欠陥が信号振幅Ｒを周期的に変調することになる。回転子が回転している初期化の段階において、Ｒが最大または最小値に達する位置を識別するため、Ｒをモニターする。この位置を回転子の指標位置とする。次いで、本来の測定段階で、好ましくは、上記サイクル毎の変調と関連する精密信号中のサイクル毎のエラーを修正することにより、正確な絶対値を得る。このような実施例の長所は、結合または粗パターン・プレートを必要とせず、精密パターンだけでよいから、回転子の中心孔をさらに大きく形成できることである。
〔区分された３次元回転子〕
図１９は、本発明の好ましい実施例による、３次元導電パターンを有する回転子５２０を略示する斜視図である。この実施例では、導電パターンに沿って回転子を切り抜き、ベタの中心部分から複数の放射状突出部５２２を形成し、突出部間に開放凹部５２４を介在させる。この回転子構成は、湿気のある環境で作用しなければならないエンコーダでは特に有益である。公知技術において多く見られるように、回転子面が扁平な場合、水分が膜を形成して導電パターンを水浸しにするから、エンコーダは機能不能に陥る。回転子５２０を使用すれば、水膜が存在しても性能は同じであり、回転子は正確な測定量を提供し続ける。パターンのある領域と空白領域との間に現れる単位面積当りのキャパシタンス差は水膜のない時よりも大きくなるから、信号レベルが増大する。開放凹部５２４は精密チャンネルに適用されるだけであるが、このチャンネルはエンコーダの性能にとって最も重要である。本発明の一実施例では、基板を薄くすることによって粗チャンネル・パターンを部分的に凹ませ、濡れた、凹みのない領域よりも、凹んだパターンにおける単位面積当りキャパシタンスを小さくすることによって、水分の影響を軽減する。
【０１７１】
上記ヨーロッパ特許出願０２２６７１６号は、エンコーダにおける静電界分布を精度を高めるための３次元回転子パターンを有するタイプ４の容量性エンコーダを記述している。この出願は水分の影響には触れておらず、記述されているパターンの凹部は閉ざされている。従って、回転子５２０は、特に、回転子パターンが部分的に凹んでいるかどうかに関係なく接地水膜が連続的なスクリーンとして作用する接地回転子（タイプ３）実施態様において、公知の３次元回転子よりも優れている。回転子５２０の構成はタイプ４のエンコーダにも有用である。
【０１７２】
回転子５２０だけでなく、ここに記載の他の実施例における回転子についても、その基材としては、使用目的に応じて、導電パターンでコーティングされる、銅張りガラス−エポキシまたは真空蒸着ガラス・ディスクのような非導電材で形成することができる。回転子ディスクおよび中心部分５２６は、ガラス充填ポリカーボネートのような強化プラスチックから成形された単一片であることが好ましい。この実施例において、回転子に導電性コーティングを選択的に施す好ましい方法の１つとしては、いわゆる箔押しを採用する。この方法では、薄い金属膜を連続的なロールから基材へ選択的に移行させ、パターンを有する加熱プレートの圧力によってコーティングする。好ましい実施例としては、射出される基材に、先ずレリーフでパターンを形成し、扁平な、パターンのない加熱プレートを使用してコーティングする。このような成形回転子の長所は、回転シャフトに対してパターンを正確に、且つ固定的に整合させることができる点にある。
【０１７３】
(図示しないが)本発明の他の好ましい実施例としては、回転子の外縁をパターンのある部分の高さよりもやや上方へ起立させる。起立部分はスペーサとして作用し、パターンのある部分とこれと対向する固定子プレートとの接触を防止することにより、エンコーダの最終組立てにおいて固定子と回転子との間に適正な分離が達成される前に、コーティングが損傷するのを防ぐ。起立パターンのもう１つの利点は、上述したように、回転子上に水膜が形成されるような高湿度条件下で顕著に現れる。
【０１７４】
カーボン充填またはその他の導電性ポリマーを、回転子の他の部分となる非導電性ポリマーと一緒に射出して、回転子の導電性領域を形成することも可能である。
【０１７５】
およそすべての回転センサーに要求される重要な条件は、回転以外の回転子の機械的変位、例えば、回転軸心に対する偏心または傾斜、または軸取付けエラーに起因する変位に感応しないことである。本発明の好ましい実施例によるＣＦＲＡＡＥｓはいずれも、軸取付けエラーがあっても、高々正弦および余弦チャンネルの共通ゲインに影響するだけであって、角度計算値を決定する両者の比には影響しないから、ほとんど感応しない。多極容量性エンコーダにおける信号は複数極の複合分布である。従って、このようなエンコーダは、光学的エンコーダとは異なり、固定子に対する回転子の傾斜または半径方向不整列には顕著な自己補正および許容能力を発揮する。
【０１７６】
しかし、単極ＣＦＲＡＡＥはその性質上、回転子の偏心エラーに敏感である。傾斜エラーに対する感度はタイプに応じて異なり、タイプ２および３の感度は最も低い。タイプ４ＣＦＲＡＡＥはその簡単な構成が利点であるから、回転子の傾斜に対する不感度の向上が望ましい。
【０１７７】
図２０は回転子傾斜の影響を説明するための、公知のような、タイプ４のＣＦＲＡＡＥ５３８を略示する断面図である。エンコーダ５３８は、送信導電パターン・コーティング５４１および５４５を有する第１固定子５４０、受信導電コーティング５４３を有する第２固定子５４２、および電気的に互いに接続する導電コーティング５４７および５４８を有する、やや傾斜している回転子５４４を含む。エンコーダ右側の、固定子５４０と回転子５４４との間の狭いエア・ギャップは、固定子５４２が受信する信号全体に対する送信パターン５４１の寄与を、パターン５４５の寄与よりも大きくする。寄与の差は両チャンネル間のゲイン比に影響し、出力エラーの原因となる。回転子５４４と受信コーティング５４３との間のキャパシタンスは傾斜によって変化させられるが、この影響は双方の寄与に共通であり、ゲイン比には影響しない。
【０１７８】
図２１は、本発明の好ましい実施例による、タイプ４のＣＦＲＡＡＥ５６０を略示する断面図である。回転子５６１の両側の導電パターンは複数素子５６２−５７２に分割され、それぞれが互いに電気的に絶縁されている。ぞれぞれのコーティング５４７および５４８を有する各素子の両面は電気的に互いに接続している。この場合、周縁電界効果を無視すれば、コーティング５４５と回転子素子５６２、回転子素子とコーティング５４３の間のキャパシタンスＣ1およびＣ2の直列接続は、回転子素子５６２の位置からはほとんど独立である。阻止５７０と連携するキャパシタンスＣ1およびＣ2の直列接続も、他の回転子素子と連携するキャパシタンスの直列接続も、位置からはほとんど独立である。従って、パターンの総キャパシタンスは傾斜にほとんど影響されない。
【０１７９】
図２２は、本発明の好ましい実施例による、回転子５６１を略示する頂面図である。図示のように、コーティング５４７は複数のセグメント５７２に分割され、単極対構成における、図２１に示すセグメント５６２−５７０と同様に構成されている。米国特許第４，８５１，８３５号は、タイプ４のＣＦＲＡＡＥの回転子に形成した多極パターンのセグメント構成を記述している。しかし、この公知例では、回転子の傾斜に対するエンコーダの不感度の向上に重きを置いていない。即ち、上述したように、個々の極の自己補正により、多極回転子は本来的に傾斜に感応いないからである。公知エンコーダとは異なり、本発明は傾斜に対する不感度に優れた単極回転子５６１を提供する。
【０１８０】
図２３は、本発明の好ましい実施例による、２つのＣＦＲＡＡＥタイプを１つの装置として組合わせたハイブリッド回転子５８０を略示する頂面図である。回転子５８０は３次元多極精密チャンネル・パターン５８２を形成するように成形された絶縁性基材から成る。従って、このパターンはタイプ２である。上述したように、好ましくは区分された導電性パターン５８４を回転子基材上に形成し、粗チャンネルとして作用させる。従って、粗パターンはタイプ４のＣＦＲＡＡＥとして作用する。ほかにも、異なるタイプの組合わせがかのうである。
〔容量性線形変位エンコーダ〕
回転角度測定に関する上記概念は、容量性線形変位エンコーダ（ＣＬＤＥ）にも応用できる。このようなエンコーダは、移動の全範囲にまたがる固定素子−ルーラ−と、実用的な範囲で短く形成された読取ヘッドと呼称される移動素子とを含む。ルーラは、例えば、後述するように、導電性ベローズなどで遮蔽することができるが、ルーラよりもはるかに短いヘッドを遮蔽する方がより便利である。従って、必須条件ではないが、ＣＬＤＥのヘッド部分が受信手段を含むことが好ましい。傾斜エラーを自己補正する多極対ＣＦＲＡＡＥとは異なり、ＣＬＤＥには円対称性はなく、ルーラとヘッドの相対傾斜の影響から自由ではない。本発明の好ましい実施例はこの欠点を克服するように構成されている。
【０１８１】
図２４および２５は、本発明の好ましい実施例による、２プレート読取ヘッド６０２を有するＣＬＤＥ６００の簡略図である。図２４は、タイプ２，３または４エンコーダとして実施できるエンコーダの基本構成を示す側面図である。図２５は、タイプ２としての実施を例示する、図２４におけるＸＸＶ−ＸＸＶ線における簡略化断面図である。
【０１８２】
ＣＬＤＥ６００はヘッド６０２と共にルーラ６０４を含む。図２５に示すように、ヘッドは受信プレート６０６および送信プレート６０８を含む。タイプ２として実施する場合、ルーラ６０４が絶縁材から成り、直線状エッジではなく、好ましくは正弦波形の、反復的な３次元エッジを含む。タイプ３または４のＣＬＤＥの場合、後述するように、ルーラの導電性コーティングでパターンをプリントする。ルーラ・パターンは、図１９に示す３次元の回転子パターンと同様に３次元でよいが、この場合には、取付けのため、図２４および２５に示すように底部ではなく、中心線に沿ってルーラを固定する必要がある。好ましくは、ヘッド６０２を接地外部シールド６１０による電気的干渉から保護する。
【０１８３】
図２６Ａは、本発明の好ましい実施例による、タイプ１のＣＬＤＥの読取ヘッド６０４を略示する側面図である。タイプ１のＣＬＤＥは、ルーラ上の送信プレートおよび対称性の二重サイノソイド（sinusoid）・パターン６１２を有するヘッド６０４上の単一の受信プレートを含む。二重サイノソイドは２つの軸を中心に対称である。従って、移動方向と平行な長手軸を中心とするおよびヘッドとルーラの間のエア・ギャップに垂直な軸を中心とするエラーは実質的に自己補正される。パターン６１２を利用することによって、エンコーダ６００のヘッド傾斜に対する感度を、公知のＣＬＤＥ装置よりも軽減することになる。移動方向と直交する軸を中心とする傾斜に起因するエラーは、パターン中のサイクル数に比例して軽減される。
【０１８４】
図２６Ｂは、本発明の好ましいタイプ１の実施例による読取ヘッド６２０を略示する側面図である。この場合、対称的な、二重サイノソイド受信パターン６２２は、その両側の導電接地層６２１および６２３によって外部的干渉に対して保護される。
【０１８５】
図２７は、本発明の好ましい実施例による、送信プレート６０８を有するタイプ１のＣＬＤＥルーラ６０２を略示する側面図である。ルーラ６０２はヘッド６０４または６２０と併用することが好ましい。送信プレートはＣＦＲＡＡＥ実施例に関連して上述したように、４相ＡＣ電圧、好ましくは方形波によって励起させられる複数のバー６２４から成るパターンを含む。好ましくは、図８に示す単一チャンネル検出および復調方式と共にＰＱＥ励起を利用することにより、部品公差に対するＣＬＤＥの感度を鈍らせ、正弦および余弦チャンネルにおいてほぼ等しいゲインを得る。
【０１８６】
図２８は、本発明の他の好ましい実施例による、タイプ４のＣＬＤＥに使用されるルーラ６３０に形成された二重シノサイド・パターン６３２を略示する側面図である。接地シールド６１０（図２５）は、タイプ２および３のＣＬＤＥｓにおける読取ヘッド６０２に電気的干渉が作用するのをほぼ防止できるが、タイプ４のＣＬＤＥでは、ルーラ上の導電パターンが連続的であるから、干渉をピックアップし、受信手段６０６に伝導する恐れがある。図２８に示すように、傾斜ギャップ６３４を有する区分パターン６３２によって、干渉が伝導されるこの懸念が著しく軽減される。従って、常時能動的であるパターンはヘッド６０２の内側に遮蔽され、シールド６１０の外側にあって保護されないセグメントから絶縁される。セグメント間のギャップ６３４は傾斜しているから、ヘッドの移動に応じたキャパシタンス測定量のシノサイド依存性が損なわれることがない。公知のような垂直ギャップの場合、パターンに起因して、サイノソイド状に変化するキャパシタンスに不連続性を発生させることになる。即ち、パターン６３２を採用することで、達成可能な補間深さが増大し、その結果、エンコーダの精度が公知ＣＬＤＥ装置よりも高くなる。
【０１８７】
図２９は、本発明の好ましい実施例による、他のＣＬＤＥ６４０を略示する断面図である。ＣＬＤＥ６４０の構成は、長手方向スロットと隣接する受信プレート６４６および送信プレート６４８を有する固定ルーラ６４４を含むという点で、ＣＬＤＥ６００（図２４および２５）に対して“倒立関係”である。移動ヘッド６４２はスロットの内側を移動する。この倒立構成は、移動ヘッドに電気的にアクセスできないか、または何らかの理由で電気的に受動的でなければならない場合に有用である。
【０１８８】
図３０は、本発明のさらに他の好ましい実施例による、遮蔽された倒立ＣＬＤＥを略示する断面図である。ルーラ６５４は迷路状の長手方向スロットを有し、プレート６４６および６４８とヘッド６５２を保護するための接地シールド６５６を含む。ＣＬＤＥ６５０は原理的にはＣＬＤＥ６４０と同様であるが、外部干渉に対する抵抗は比較的高い。
【０１８９】
ルーラ６４４もヘッド６４２（図２９）も、公知のＦＲ−４基板材料を使用する多層プリント回路技術に基づくプリント回路であることが好ましい。典型的には、ルーラ・プリント回路板の表層が送信プレート６４８を含み、内側層が励起線および遮蔽接地プレートを含む。他の好ましい実施例にも同様の技術を利用できる。ルーラが単一送信（または受信）プレートを含み、ヘッドとは反対側の、ルーラの裏側が空白である、本発明のタイプ１およびタイプ５実施例の場合、薄い多層基板からルーラを作成し、エンコーダを使用する機械にこれを接着すればよい。この可撓ルーラを円筒面に接着すれば、角度測定が可能になる。他の可能性として、図２８に示すように、複数のルーラ素子を直列に突合わせる方法がある。突合せで得られる精度はＣＬＤＥの精度に匹敵できないから、素子の位置検出エラーを記憶するため、校正処理を採用することが好ましい。
【０１９０】
本発明の好ましい実施例の典型的な製法では、厚さ０．３ｍｍ、幅１２ｍｍ、長さ５００ｍｍのＦＲ−４の材料片からルーラを形成する。ヘッド・パターンの長さは２ｍｍ、測定解像度は０．１μｍである。
【０１９１】
図３１Ａは、本発明の好ましい実施例による、タイプ５のＣＬＤＥ６６０を略示する断面図である。ＣＬＤＥはルーラ６６２と、送信プレート６６８および６７０および受信プレート６７４を内面に有する移動ヘッド６６４とを含む。ルーラ６６２の内面には、図２８に示したパターン６３２のようなセグメント状のパターンを形成することが好ましい。上述したように、干渉のピックアップを極力抑制するため、パターンを区分してあるが、ヘッドの受信プレートはＣＬＤＥ６００(図２５)の場合のように対向プレートによって保護されない。従って、ルーラ６６２の裏面を接地コーティング６６６で被覆することにより、受信プレート６７４と対向するセグメントを外部干渉から保護する。同様の目的で、ヘッド６６４の外面を接地コーティング６７６で被覆する。
【０１９２】
図３１Ｂは、本発明の好ましい実施例による、原理的にはＣＬＤＥ６６０と同様の、他のタイプ５ＣＬＤＥ６８０を略示する断面図である。ＣＬＤＥ６８０では、移動ヘッド６８２の延長部６８４によって接地保護を達成する。従って、ルーラ６６２が接地接続を含む必要はない。
【０１９３】
図３２は、送信プレート６６８および５７０と受信プレート６７４の構成を略示する、ヘッド６６４の側面図である。送信プレートは受信プレート６７４のいずれかの側に、上下２列に配置された、図２７に示したようなバーから成ることが好ましく、受信プレートはルーラ・パターン６３２(図２８)の中央部とキャパシタンス結合している。ヘッドおよびパターンの対称的な構成は、ヘッドの傾斜および回転に対するＣＬＤＥの感度を最小限に軽減するのに寄与する。ＣＬＤＥのための好ましい信号コンディショニング方式は、図８に示したようなＰＱＥ方式である。
【０１９４】
図３２のＣＬＤＥに実施された原理を利用して(図示しない)タイプ６構成を実施することもできる。この場合、ヘッドは送信および受信プレートを有する２つの回路基板を含み、それぞれがルーラのいずれかの側に配置される。同様に、ルーラはその両面にパターン６３２のようなパターンを有し、両パターンは互いに電気的に接続している。このように実施すれば、干渉からの保護効果を高め、信号ゲインを増大させ、ヘッド傾斜に対する感度を抑えることができる。
【０１９５】
図３３Ａおよび３３Ｂは、本発明の好ましい実施例による、タイプ１の絶対ＣＬＤＥにおけるルーラ７００およびヘッド７１４をそれぞれ略示する側面図である。この場合のＣＬＤＥは、構造において、ＣＬＤＥ６６０(図３１Ａ)と同様であり、作用において、切替可能な２速度ＣＦＲＡＡＥｓと同様である。即ち、ルーラ７００に対するヘッド７１４の絶対位置を示唆する近似モードと、増分ＣＬＤＥ６６０と等価の作用を有する精密モードとの間で切替可能である。近似モードにおける測定量エラーが精密チャンネル・サイクルの長さより小さければ、粗および精密測定量を組合わせることによって、精密チャンネルによってのみ制限される精度および解像度で、絶対変位量測定量を得ることができる。
【０１９６】
図３３Ａから明らかなように、ルーラ７００の送信パターン７０２は、パターンの個々のバー７０８が対角分離線７１０によって２つの三角形グループ７０４および７０６に分割されている点を除けば、図２７のそれとほとんど同様である。各グループ７０４および７０６に属するバー７０８は４本のＰＱＥ線で別々に給電され、個々の垂直バーとして、または集合的な三角形送信手段として作用するように切替えることができる。ヘッド７１４は、図２６Ｂに示したパターン６２２と同様のパターン７１６を有することが好ましい。
【０１９７】
増分位置検出を行う精密モード動作では、各バー７０８の２つの部分のそれぞれのＰＱＥ線が互いに接続して、増分ＣＬＤＥ動作が行われる。ヘッド７１４のパターン７１６の上下領域が中央の正弦波部分７２２との接続を解かれ、図２６Ｂに関連して上述したように接地される。
【０１９８】
粗モードでは、絶対位置測定量を得るため、２グループ７０４および７０６のそれぞれに属する部分的バーのすべてが互いに接続する。読取ヘッドの上下領域が接地を解かれ、部分７２２と接続して四辺形プレートを形成する。読取ヘッド７１４と三角形グループ７０４との間のキャパシタンスがＣ2ならば、差Ｃ1−Ｃ2はルーラ７００に対するヘッドの変位量に比例する。バー７０８間のギャップに起因する、粗モードにおける測定出力のリップルを極力小さくするため、読取ヘッドの前後縁７２４，７２６を斜行させて、プレートを平行四辺形にすること
が好ましい。
【０１９９】
粗チャンネルの精度は、識別可能な精密サイクルの最大数を決定する。従って、精密パターンの所与のサイクル長さに対して、粗チャンネル精度は総測定長さを決定する。同様に、所与の測定長さに対して、粗チャンネル精度は最小精密サイクル長さを、従って、得られる解像度を決定する。近時チャンネルの精度を最大限に高めるためには、２つの重大なエラー発生源を極力排除することが好ましい：
１．Ｃ1にもＣ2にも影響するルーラ７００とヘッド７１４との間のエア・ギャップ公差。エア・ギャップはＣ1およびＣ2に影響するから、差Ｃ1−Ｃ2を和Ｃ1＋Ｃ2によって正規化することによってこのエラーを除くことができる。
【０２００】
２．移動方向と平行な軸線に対するヘッド７１４の傾斜はＣ1とＣ2の間のバランスに影響する。このエラーは計算では克服できない。
【０２０１】
図３４は、本発明の好ましい実施例による、上記傾斜に対する感応度の問題を克服するように構成された、ルーラ７３０上の互い違い送信パターン７３２を略示する側面図である。ここでは、２グループではなく、３グループの三角形７３４，７３６，７３８を近似モードに使用し、傾斜軸に対して対称の構成を得る。Ｃ1が三角形７３４および７３８による複合キャパシタンスであり、Ｃ2が三角形７３６によるキャパシタンスならば、Ｃ1およびＣ2の変動は少なくとも１桁まで自己補正される。
【０２０２】
増分エンコーダから絶対測定量を得るために利用できる他の方法としては、機械的ゼロと定義される既知位置−線形エンコーダの場合ならルーラの一方の端部において指標パルスを発生させる。システムがＯＮになると、指標位置上をヘッドが移動し、次いで、絶対位置が検出される。この技術は容量性角度エンコーダにも線形エンコーダにも利用できる。
【０２０３】
図３５は、この指標位置設定の概念を説明するため、本発明の好ましい実施例による、タイプ１の線形エンコーダ７５０を略示する側面図である。上述したように、複数の送信バー７５６から成るルーラ７５４は、典型的にはその端部に、指標送信プレート７５１および７５２が補足されている。読取ヘッド７５３は矩形受信プレートを含む。好ましくは、ヘッド７５３はヘッド７１４(図３３Ｂ)におけるパターン７１６のような切替パターンを有することによって、精密測定チャンネルおよび指標チャンネルに共通の受信手段として作用できるようにする。
【０２０４】
図３６Ａおよび３６Ｂはヘッド７５３とプレート７５１の間、およびヘッド７５３とプレート７５２の間でそれぞれ感知されるキャパシタンスＣ1、Ｃ2を、ヘッドの移動に対応させて示すグラフであり、図３６Ｂは和Ｃ1＋Ｃ2を示す。差チャンネルにおけるゼロ出力信号と和チャンネルにおける所定閾値以上の出力信号が一致する点が指標位置である。
【０２０５】
エンコーダのための信号コンディショニングは、図１３に示す回路を簡略化した回路によって行うことが好ましい。この場合、位置チャンネルと連携するバー７５６は、共通周波数の４相電圧３４０〜３４３によって励起されて、低域フィルタ３５６および３５７の出力において、指標キャパシタンスＣ1およびＣ2に比例する正弦および余弦信号を出力する。
【０２０６】
ＣＬＤＥｓに関連して上述した特徴に加えて、ＣＦＲＡＡＥ装置に関連して述べたその他の特徴をＣＬＤＥｓと併用することもでき、その逆もまた可能である。上記好ましい実施態様において、容量性移動量エンコーダの特徴を種々の組み合わせおよび構成について説明したが、本発明の原理に基づき、同様の素子および構成要件を他の装置にも適用できる。６つのタイプのエンコーダのそれぞれに関連して説明した本発明の構成要件はその他のタイプのエンコーダにも適用できる。このような組合わせ、適用および構成はすべて本発明の範囲に包含される。
【０２０７】
上記好ましい実施形態は実施例として説明したものであって、本発明の範囲は請求項によってのみ制限される。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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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１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３】
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【図１５】
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【図１７】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６Ａ】
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【図２６Ｂ】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１Ａ】
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【図３１Ｂ】
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【図３２】
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【図３３Ｂ】
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【図３５】
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【図３６Ａ】
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【図３６Ｂ】
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【図１４】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図２７】
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【図３３Ａ】
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【図３４】
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