(57)【要約】【課題】移動体の測定を可能とするとともに、センサ部の薄型・小型化を図った速度応答性の良い静電型エンコーダを提供すること。【解決手段】静電型エンコーダを、電極１２ａ，１２ｂを有する移動子１０と、誘導電極３ａ，３ｂ及び電位検出電極４を有する固定子１と、上記固定子１の電位検出電極４の出力から２つの信号（ＲＥＡＬ，ＩＭＡＧ）を成分とするベクトルを生成するベクトル生成回路２０とから構成する。そして、上記固定子１の誘導電極３ａ，３ｂに電圧を印加し静電誘導により上記移動子１０の電極１２ａ，１２ｂへ交番電位分布を発生し、その交番電位分布を上記固定子１の電位検出電極４で検出して上記ベクトル生成回路２０により上記２つの信号を出力して、この２つの信号を成分とするベクトルの回転角から上記移動子１０の上記固定子１に対する相対的な変位を測定する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極を有する移動子と、
誘導電極及び電位検出電極を有する固定子と、
上記固定子の電位検出電極の出力から２つの信号を成分とするベクトルを生成するベクトル生成回路と、
を具備し、
上記固定子の誘導電極に電圧を印加し静電誘導により上記移動子の電極へ交番電位分布を発生し、その交番電位分布を上記固定子の電位検出電極で検出して上記ベクトル生成回路により上記２つの信号を出力して、この２つの信号を成分とするベクトルの回転角から上記移動子の上記固定子に対する相対的な変位を測定することを特徴とする静電型エンコーダ。
【請求項２】
上記固定子の電位検出電極を、４相からなる電位検出電極とし、
上記ベクトル生成回路を、上記電位検出電極の０度位相成分と１８０度位相成分とを入力とする第１差動アンプと、上記電位検出電極の９０度位相成分と２７０度位相成分とを入力とする第２差動アンプとで構成し、
上記第１差動アンプ及び第２差動アンプから上記２つの信号を成分とするベクトルを出力することを特徴とする請求項１に記載の静電型エンコーダ。
【請求項３】
上記固定子の誘導電極に搬送波信号を印加する交流発信器を更に具備し、
上記ベクトル生成回路は、上記第１差動アンプ及び第２差動アンプの出力から上記搬送波信号の成分を除去する同期検波回路を更に備えることを特徴とする請求項２に記載の静電型エンコーダ。
【請求項４】
上記同期検波回路は、乗算器またはサンプリング回路とローパスフィルタとで構成され、
上記ローパスフィルタの帯域を被測定物の最大移動速度に対応して設定したことを特徴とする請求項３に記載の静電型エンコーダ。
【請求項５】
上記第１差動アンプ及び第２差動アンプを、それぞれ、差動トランスと増幅回路とで構成したことを特徴とする請求項２または３に記載の静電型エンコーダ。
【請求項６】
上記移動子の電極は、櫛歯状形状を有する第１電極と略同形状の第２電極とを交差指状に相対配置したものであることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の静電型エンコーダ。
【請求項７】
上記固定子の電位検出電極は、所定周期に４個毎に結線配置され、
上記移動子の電極は、各電極端を交差指状に相対配置した１組の電極から構成され、
上記移動子の１組の電極からなる配列ピッチは、上記固定子の電位検出電極の配列ピッチの２倍とすることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の静電型エンコーダ。
【請求項８】
上記移動子は、上記電極として、櫛歯状の端電極が放射状に広がる第１電極と、櫛歯状の端電極が求心して配置される第２電極とが交差指状に相対配置され、上記固定子に対して相対的に回転移動するものであり、
上記固定子には、円盤上に配置された２個以上の上記誘導電極と、所定の周期角をもって４個毎に結線配置された上記電位検出電極とが組み込まれ、
回転角を検出することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の静電型エンコーダ。
【請求項９】
上記移動子の電極は、櫛歯状形状を有する第１電極と、該第１電極と略同形状で上記第１電極に対し交差指状に相対配置された第２電極とを含み、且つ、それら第１電極と第２電極とが円筒直線上に配置され、
上記固定子には、円筒直線上に配置された２個以上の上記誘導電極と、直線配列となるように配置された上記電位検出電極とが組み込まれ、
円筒直線方向の移動を検出することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の静電型エンコーダ。
【請求項１０】
上記移動子の電極は、櫛歯状形状を有する第１電極と、該第１電極と略同形状で上記第１電極に対し交差指状に相対配置された第２電極とを含み、且つ、それら第１電極と第２電極とが円筒円周上に配置され、
上記固定子には、円筒円周上に配置された２個以上の上記誘導電極と、円周配列となるように配置された上記電位検出電極とが組み込まれ、
円周方向の回転角を検出することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の静電型エンコーダ。
【請求項１１】
電極を有する移動子と、誘導電極及び電位検出電極を有する固定子との相対的な変位を測定する静電型変位測定方法であって、
上記固定子の誘導電極に電圧を印加し静電誘導により上記移動子の電極へ交番電位分布を発生するステップと、
上記発生した交番電位分布を上記固定子の電位検出電極で検出するステップと、
上記検出した交番電位分布に基づいて２つの信号を成分とするベクトルを生成するステップと、
上記生成したベクトルの回転角から上記移動子の上記固定子に対する相対的な変位を測定するステップと、
からなることを特徴とする静電型変位測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電気の作用によって位置情報を検出する静電型エンコーダ及び静電型変位測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の静電気作用により位置を検出する装置として、特許文献１に開示の静電容量型エンコーダや、特許文献２に開示の容量型位置測定トランスデューサ等が知られている。これらは既にデジタル式のノギスとして商品化されており、低消費電力のためバッテリー駆動が可能となり、工作現場などで被測定物の長さを精度良く測定するのに多用されている。
【０００３】
これら特許文献１及び２に開示の装置の基本原理はどちらも同じで、目盛が刻印されているスケールに多数の電極を配置し、それに対向する測定部に複数の送信電極と受信電極を組み込み、それら電極同士が組み合わされて得られる受信信号の位相により、スケールと測定部の位置関係を測定するものである。
【特許文献１】特公平１−２９４０９号公報
【特許文献２】特公平４−６７８８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１及び２に開示の装置は、複数の送信電極に位相の異なる送信波を印加して、それを幅広の受信電極で受信して、受信信号の位相のズレ量から、電極の相対位置関係を検出するものであるために、上記特許文献１に示されているように、移動途中の測定には移動に基づく位相変化が生じ、静止した状態でしか測定できないという欠点がある。このため、静電容量型は、デジタル式ノギスなどのほとんど静止したものの測定に限られている。
【０００５】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、従来のデジタル式ノギスなどでは難しかった移動体の測定を可能とするとともに、センサ部の薄型・小型化を図った速度応答性の良い静電型エンコーダ及び静電型変位測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の静電型エンコーダの一態様は、
電極を有する移動子と、
誘導電極及び電位検出電極を有する固定子と、
上記固定子の電位検出電極の出力から２つの信号を成分とするベクトルを生成するベクトル生成回路と、
を具備し、
上記固定子の誘導電極に電圧を印加し静電誘導により上記移動子の電極へ交番電位分布を発生し、その交番電位分布を上記固定子の電位検出電極で検出して上記ベクトル生成回路により上記２つの信号を出力して、この２つの信号を成分とするベクトルの回転角から上記移動子の上記固定子に対する相対的な変位を測定することを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の及び静電型変位測定方法の一態様は、
電極を有する移動子と、誘導電極及び電位検出電極を有する固定子との相対的な変位を測定する静電型変位測定方法であって、
上記固定子の誘導電極に電圧を印加し静電誘導により上記移動子の電極へ交番電位分布を発生するステップと、
上記発生した交番電位分布を上記固定子の電位検出電極で検出するステップと、
上記検出した交番電位分布に基づいて２つの信号を成分とするベクトルを生成するステップと、
上記生成したベクトルの回転角から上記移動子の上記固定子に対する相対的な変位を測定するステップと、
からなることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、移動体の測定を可能とするとともに、センサ部の薄型・小型化を図った速度応答性の良い静電型エンコーダ及び静電型変位測定方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。
【００１０】
［第１実施形態］
図１（Ａ）は、本発明の第１実施形態に係る静電型エンコーダの構成を示す図である。
【００１１】
この静電型エンコーダは、大まかに、固定子１と（図上）その上部で左右方向に動く移動子１０とからなるセンサ部と、それ以外の電気回路からなる周辺回路とに分けられる。
【００１２】
即ち、交流発信器２１の出力をアンプ２２で適当な大きさに増幅し、固定子１の端子Ｕと端子Ｖに、搬送波の差動出力として印加する。そして、固定子１の端子Ａと端子Ｃとに得られる信号を差動アンプ２３ａで受け、また端子Ｂと端子Ｄとに得られる信号を差動アンプ２３ｂで受け、後段の乗算器２４ａ，２４ｂとローパスフィルタ（ＬＰＦ）２５ａ，２５ｂとからなる同期検波回路で搬送波成分を取り除き、２つのベースバンド信号からなる複素数成分「ＲＥＡＬ」と「ＩＭＡＧ」とを抽出する。これらの２つの差動アンプ２３ａ，２３ｂと乗算器２４ａ，２４ｂ及びローパスフィルタ２５ａ，２５ｂは全体でベクトル生成回路２０を構成する。そして、位相分割回路２６で逓倍処理を行い、移動距離に対応したＡ相パルスとＢ相パルスとの２つのインクリメント信号を出力する。なお、同期検波回路を構成する乗算器２４ａ，２４ｂは、搬送波の周波数を高くすればサンプリング回路で代用することもできる。
【００１３】
静電型エンコーダのスケールに相当する固定子１を図１（Ｂ）に、移動子１０を図１（Ｃ）に示す。
【００１４】
固定子１は、誘導電極３ａ，３ｂと電位検出電極４とから構成され、絶縁体２の中に組み込まれている。そして、搬送波を入力する端子Ｕは誘導電極３ａに接続され、もう一方の端子Ｖは誘導電極３ｂに接続されている。このような固定子１は、一般的に電子機器に用いられているプリント基板や、フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）で容易に製作できる。
【００１５】
この固定子１の上に、移動子１０が位置しており、この移動子１０は、絶縁体１１の中に櫛歯状電極１２ａ，１２ｂが互いに交差指状に相対配置され、櫛歯状電極の基部は固定子１の誘導電極３ａ，３ｂの上に重なるように配置される。特徴的なことは、この移動子１０には外部との接続が一切なくとも、後述する静電誘導の原理によって、固定子１の誘導電極３ａ，３ｂを径由して電気エネルギーが移動子１０へ供給されることである。このため、被測定物にこの移動子１０を取り付ければ、信号線引き回しなどの制約無しに被測定物を自由に移動させることができる。なお、図１（Ｃ）に示す移動子１０の櫛歯状電極１２ａ，１２ｂの櫛歯ピッチは、図１（Ｂ）の固定子１の電位検出電極４の配列ピッチの２倍となっている。
【００１６】
一般的にエンコーダのスケールと呼ばれる長尺の基準体は、この図では固定子側になっているが、機能的には移動子側にもってきて移動子を長く、信号線が接続された固定子を短くしても、基本的な作用は何ら変わらない。
【００１７】
図２（Ａ）及び（Ｂ）は、移動子１０の櫛歯状電極１２ａ，１２ｂへ真電荷を発生させて電気エネルギーを供給するときの、基本となる静電誘導の原理を説明するための図である。
【００１８】
図２（Ａ）に示すように、二つの電極４１，４２に、外部電源４３から電圧Ｖが印加されると、電極４１にはプラスの電荷「＋」が、電極４２にはマイナスの電荷「−」が供給され、それら電極間には電界Ｅが発生する。
【００１９】
この状態において、図２（Ｂ）に示すように、導体４４を電界Ｅの中に挿入すると、電気力線４５は切断され、その結果、導体４４の中の電界がゼロとなるように図２（Ａ）の電気力線４６とは逆方向に電気力線を発生するべく導体４４の表面に、マイナスとプラスの電荷が発生する。これは、導体中に発生する電荷のことで、誘電分極で起こる電荷と区別するために、「真電荷」と呼ばれている。ここで、導体４４に注目してみると、この導体４４は、外部に接続されていないにも関わらず、電界中にあることで導体の表面にプラスとマイナスの２種の電荷が発生している。これは、単純な常識からすると理解し難い現象であるが、本発明を実用化ならしめる重要な原理である。
【００２０】
図３は、上述した静電誘導の原理を用いて、移動子の櫛歯状電極１２ａ，１２ｂの櫛歯端電極部に真電荷のプラスとマイナスが交互に配置されるパターンを発生させる原理を説明する図である。
【００２１】
固定子１の誘導電極３ａには、外部電源４３よりプラスが、誘導電極３ｂにはマイナスが印加されている。このとき、移動子１０の櫛歯状電極１２ａの基部には、上述した静電誘導の原理によりマイナスの真電荷が誘起され、櫛歯状電極１２ａの櫛歯端にはプラスの真電荷が誘起される。一方、櫛歯状電極１２ｂの基部には、同様にしてプラスの真電荷が誘起され、櫛歯端にはマイナスの真電荷が誘起される。２つの櫛歯状電極１２ａ，１２ｂの櫛歯端が対峙する中央付近では電極同士が絶縁されて距離も近ことから、プラスとマイナスの電荷がお互いに引き合い、櫛歯表面にはある程度均一した密度で真電荷が分布する。このように、上述した静電誘導と交差指状に相対配置された２つの櫛歯状電極とによって、電極中央部付近ではプラスとマイナスの真電荷が交互に分布する交番電位分布が形成される。特に、２つの櫛歯状の電極を交差指状に組み合わせることで、櫛歯電極表面への真電荷を効率的に誘起して、交番電位分布の発生を容易にする。
【００２２】
図４（Ａ）及び（Ｂ）は、移動子１０の位置に応じて、電位検出電極４で検出された電圧を成分としたベクトルが変化する様子を説明する図である。実際には、図１（Ａ）で説明したように、交流発信器２１から発生する搬送波信号を用いて駆動するため、時間的な変化を考慮する必要があるが、ここでは、分かり易くするために、搬送波信号を一瞬の時間で切り出した状態、即ち時間変化の無い直流信号で説明する。
【００２３】
図４（Ａ）は、移動子１０がｄ＝０の位置にある場合を示している。電位検出電極４は４相電極配置となっており、０度位相の電極が端子Ａに、９０度位相の電極が端子Ｂに、１８０度位相の電極が端子Ｃに、そして２７０度位相の電極が端子Ｄにそれぞれ連結結線されている。図２（Ａ）及び（Ｂ）並びに図３を用いて静電誘導の原理を説明したように、固定子１の誘導電極３ａ，３ｂに外部から電圧を印加すると、移動子の櫛歯電極１２ａ，１２ｂに「−−」，「＋＋」，「−−」，「＋＋」の真電荷が発生し、交番電位分布５１ができる。すると、この交番電位分布５１の影響を受けて、固定子１の電位検出電極４には「＋」，「０」，「−」，「０」の電荷が繰り替えし誘起され、端子Ａには＋、端子Ｂはゼロ、端子Ｃには−、端子Ｄにはゼロの電圧が発生する。すると、差動アンプ２３ａにはプラスの電圧が発生し、差動アンプ２３ｂの出力はゼロとなる。この差動アンプ２３ａの出力を複素数の実数成分「ＲＥＡＬ」、差動アンプ２３ｂの出力を複素数の虚数成分「ＩＭＡＧ」として、複素数空間で表すと、「ＲＥＡＬ」成分のみのベクトルが得られる。
【００２４】
次に、図４（Ｂ）は、移動子１０が電位検出電極４のピッチの距離ｄ＝Ｐsだけ右方向に移動した場合を示しており、このときには、電位検出電極４には「０」，「＋」，「０」，「−」の電荷が繰り返し誘起され、端子Ａにはゼロ、端子Ｂには＋、端子Ｃにはゼロ、端子Ｄには−の電圧がそれぞれ発生する。すると、差動アンプ２３ａの出力はゼロ、差動アンプ２３ｂの出力にはプラスの電圧が発生し、複素数空間では「ＩＭＡＧ」成分のみのベクトルが得られる。
【００２５】
このようにして、移動子１０の位置に応じて、複素数空間でのベクトル角が変化する。移動子１０が丁度、電位検出電極４のピッチＰs間隔で移動する毎に、ベクトルが９０度づつ回転していき、移動距離ｄ＝４Ｐsでまた元に戻る。従って、複素数空間でのベクトル角を検出することで、移動子１０がどの位置にあるかが検出できる。また、ピッチ以下の移動、例えば移動距離がｄ＝Ｐs／８とすれば、そのベクトルの位相変化量は１１.２５度となり、微細な移動変化量もベクトル位相に正確に反映される。
【００２６】
一般の光学式エンコーダでは、移動子と固定子との位置決めが重要になり、厳しい取り付け精度を要求される。しかし、本発明の静電型エンコーダでは、図４（Ａ）及び（Ｂ）から分かるように、移動子１０の櫛歯状電極１２ａ，１２ｂに発生する交番電位分布５１を、固定子１に複数配置された電位検出電極４でその交番電位分布を検出するため、櫛歯状電極１２ａ，１２ｂと電位検出電極４とが必ずしも完全に平行になっていなくても、所望の電圧が検出される。このため、固定子１と移動子１０との位置決めは概略合っておれば良く、厳密な取り付けは不要である。さらに、固定子１と移動子１０との間隔は、信号が検出できる範囲であれば、多少離れていても良い。
【００２７】
端子Ａと端子Ｃとの信号を入力する差動アンプ２３ａ及び端子Ｂと端子Ｄとの信号を入力する差動アンプ２３ｂは、差分のみを出力するものであるから、外来のコモンモードノイズが混入しても差分アンプの出力には現れないため、Ｓ／Ｎ比の良い出力を得ることができる。
【００２８】
図５は、駆動信号として交流搬送波を用いて移動子１０が移動している状態での、同期検波回路の動作を説明するための図である。ここで、信号（ａ）は、移動子１０の櫛歯状電極１２ａ，１２ｂに供給される搬送波の電圧を示し、sinωｔで与えられる。信号（ｂ）は、差動アンプ２３ｂの出力を示し、Ｋsinｖｔ・sinωｔが移動速度ｖの関数として検出される。信号（ｃ）は、差動アンプ２３ａの出力を示し、Ｋcosｖｔ・sinωｔが移動速度ｖの関数として検出される。なお、Ｋは全体の回路で決まる定数で、ωは搬送波の角周波数である。これらの固定子１で得られる信号（ｂ）や（ｃ）は、移動子１０の位置に応じて、信号の強弱と符号反転を移動子１０の移動とともに繰り返し、振幅変調された波形となる。ここで、移動距離はｄ＝ｖｔの関係で時間とともに変位している状態を示している。
【００２９】
信号（ｂ）や（ｃ）の波形は、信号（ａ）のような搬送波信号で振幅変調された波形となっているが、この搬送波成分は位置情報を含まないため、図１（Ａ）で示した乗算器２３ａ，２３ｂとローパスフィルタ（ＬＰＦ）２５ａ，２５ｂとを用いた同期検波回路により、搬送波を取り除き、距離のみの関数信号（ｄ）のＫsinｖｔと、信号（ｅ）のＫcosｖｔとを得る。そして、これらを複素数空間の虚数成分「ＩＭＡＧ」と実数成分「ＲＥＡＬ」として取り出すと、移動距離に応じてベクトルが回転することとなる。
【００３０】
複素数で展開すると、実数成分「ＲＥＡＬ」と虚数成分「ＩＭＡＧ」は、下記の式で表される。
【００３１】
Ｋcosｖｔ＋ｊＫsinｖｔ＝ｅjvt                                …（式１）
これよりベクトル角度を求めることで、距離ｖｔが判明する。そして、電位検出電極４は４相出力となっているので、移動子１０が電位検出電極のピッチの４倍つまりｄ＝４Ｐsだけ移動すると、ベクトルは丁度１回転することとなる。
【００３２】
この図５を用いて説明した実数成分「ＲＥＡＬ」と虚数成分「ＩＭＡＧ」は、図４（Ａ）及び（Ｂ）の差動アンプ２３ａ及び２３ｂの出力と同じであり、このように移動子の電極に搬送波交流を印加した場合でも、その搬送波と同じ周波数で同期検波すれば、直流の場合と同じ信号が得られる。
【００３３】
この複素数として扱う実数成分「ＲＥＡＬ」と虚数成分「ＩＭＡＧ」を位相分割回路２６へ入力し、３０倍の逓倍処理を行うと、図５に信号（ｆ）で示すＡ相パルス、信号（ｇ）で示すＢ相パルスとして、３０パルス／回転のインクリメンタリ信号を出力する。この位相分割回路２６でパルス逓倍数を多くすると、少ないベクトル回転角で多くのパルスを出力し、見かけ上の位置分解能を向上させることができる。このように位相分割回路２６は、入力ベクトルの回転角の変化に従って、入力のベクトル回転角をもとに細かいＡ相パルスとＢ相パルスを出力するものである。また、このＡ相パルスとＢ相パルスは、インクリメンタル型エンコーダの出力として広く使われており、Ａ相とＢ相とのパルス間の位相の送れ／進みにより、移動方向が識別される。
【００３４】
この図５を用いて説明したように、移動子１０がある速度ｖで動いている場合に、その速度での距離ｖｔからなる関数Ｋsinｖｔが信号（ｄ）に、同時に関数Ｋcosｖｔが信号（ｅ）にそれぞれ示されるように検出され、それを複素数で展開してベクトル回転角を求めることで、移動している状態での瞬時瞬時の距離が求まっていく。また、ベクトルの虚数成分「ＩＭＡＧ」を信号（ｄ）へ、実数成分「ＲＥＡＬ」を信号（ｅ）に対応させるわけであるが、この周波数が移動体の速度に対応していることになる。これらのことより、本実施形態は、移動対象物の速度の影響を受けずに、瞬時瞬時の位置測定ができていくことを意味する。
【００３５】
図１（Ａ）で示した乗算器２４ａ，２４ｂとローパスフィルタ２５ａ，２５ｂとは同期検波回路を構成するが、これは参照波として交流信号を用いてその変化成分を雑音に埋もれた中から検出するロックインアンプと呼ばれる装置の原理と同じである。ローパスフィルタ２５ａ，２５ｂは、搬送波成分sinωｔを取り除く機能があるが、この帯域幅を移動体の最大速度と一致するように設定することで、不必要なノイズ成分をカットし、希望とする信号成分のみを検出する。
【００３６】
実際の駆動波形を交流の搬送波信号にすることのメリットは、上記のロックインアンプの雑音除去以外に、電極間の信号伝達効率の向上がある。図２（Ａ）及び（Ｂ）並びに図３を用いて静電誘導の原理により櫛歯状電極１２ａ，１２ｂに交番電位分布をつくることを説明したが、交流搬送波を用いると、固定子１の誘導電極３ａ，３ｂと移動子１０の櫛歯状電極１２ａ，１２ｂの基部とは電気回路的にはコンデンサを形成しているため、周波数が高くなるほど、電気エネルギーが移動子１０へ効率良く伝達される。図２（Ａ）及び（Ｂ）で説明した静電誘導の原理においては、電極４１，４２への印加電圧が交流になっても、単に誘導電荷の極性がプラス／マイナス交互に切り替わるだけで、直流同様に静電誘導は起きる。この場合、交流周波数は数ＫＨｚ〜数１０ＫＨｚと設定すると、乗算器２３ａ，２３ｂやローパスフィルタ２５ａ，２５ｂからなる同期検波回路を含めて回路を比較的簡単に構成できる。また、交流で駆動するため、常に電極がプラス／マイナスと変化するため、不用な電極間やその周囲での帯電がなくなり、安定した動作が可能となる。
【００３７】
また、固定子１の誘導電極３ａ，３ｂに印加する信号は、移動子１０の櫛歯状電極１２ａ，１２ｂへ交番電位分布を作るだけで良く、合わせて、その電位の検出は差動アンプ２３ａ，２３ｂで効率的に行われるので、比較的低電圧の印加で済み、従来のデジタル式ノギスと同様に、低消費電力化が実現できる。
【００３８】
図１（Ａ）のベクトル生成回路２０は、駆動信号として交流信号を用いた場合で、乗算器２４ａ，２４ｂとローパスフィルタ２５ａ，２５ｂとからなる同期検波回路を有しているが、電位検出電極４で十分な信号対雑音比が得られる場合は、必ずしも交流の駆動信号を用いる必要がなく、図４（Ａ）及び（Ｂ）で説明したように直流でも位置に対応したベクトルが得られる。従って、直流駆動する場合は、ベクトル生成回路２０は差動アンプ２３ａ，２３ｂのみの構成で済むことになる。
【００３９】
以上説明したような動作原理により、例えば固定子の電位検出電極４の配列ピッチＰsを３００μｍとし、位相分割回路２６のパルス逓倍数を３０とすると、１０μｍの分解能で位置検出を行うことができる。
【００４０】
［第２実施形態］
図６は、本発明の第２実施形態に係る静電型エンコーダのセンサ部の構成を示す図である。
【００４１】
即ち、本実施形態は、円盤状の固定子６０と、その上に回転子６１が位置し、回転子６１の回転角を測定する回転型エンコーダである。このセンサ部以外の周辺回路は、図１（Ａ）の構成と同様である。
【００４２】
固定子６０に配置される静電誘導用電極は円内側と円外側に円周上に配置され、電位検出電極は中心から放射状に配置される。回転子６１には、２個の櫛歯状電極を交差指状にして、その櫛歯が放射状に並び、且つ、櫛歯状電極基部が円周内側と円周外側に並ぶようにして配置される。
【００４３】
この回転型では、回転子６１の櫛歯状電極には静電誘導で真電荷が供給されるため、スリップリングなどの回転伝達部材が不要になるので、回転負荷がほとんど生じない。
【００４４】
使用方法は、光学式の回転エンコーダと同じで、例えば４００個／回転の電位検出電極が配置され、位相分割回路のパルス逓倍数が３０だとすると、１２００パルス／回転の角度分解能が得られる。
【００４５】
［第３実施形態］
図７は、本発明の第３実施形態に係る静電型エンコーダのセンサ部の構成を示す図である。
【００４６】
即ち、本実施形態は、円筒状固定子７０の外側に円筒状移動子７１を配置し、円筒軸上を移動子７１が平行移動する円筒型エンコーダである。このセンサ部以外の周辺回路は、図１（Ａ）で示した構成と同様である。
【００４７】
円筒状移動子７１には櫛歯状電極７２ａ，７２ｂを配置しており、その電極基部が効率良く静電誘導を行うべく円筒状固定子７０には、誘導電極７３ａ，７３ｂが移動子の櫛歯状電極７２ａ，７２ｂと対向して配置されている。なお、円筒状移動子７１は円筒状固定子７０の外側と説明したが、図示しないが固定子７０の内側へ配置することも容易に可能である。
【００４８】
このような円筒型エンコーダは、動作的にはシリンダ／ピストンの動作と類似しているが、内部を中空にできるメリットがある。
【００４９】
［第４実施形態］
図８は、本発明の第４実施形態に係る静電型エンコーダのセンサ部の構成を示す図である。
【００５０】
即ち、本実施形態は、円筒状固定子８０の外側に円筒状回転子８１を配置し、櫛歯状電極８２ａ，８２ｂ及び図示しない固定子の電位検出電極の並びを円筒軸と平行に並べたもので、円筒状回転子８１が円周方向に回転する静電型エンコーダである。このセンサ部以外の周辺回路は、図１（Ａ）の構成と同様である。
【００５１】
固定子８０には、誘導電極８３を、移動子回転子の櫛歯状電極８２ａの基部に対向して配置する。図示していないが、櫛歯状電極８２ｂ側にも誘導電極８３が配置されている。
【００５２】
このエンコーダは、ローラ回転するもので、この場合も図６で説明した円盤型回転エンコーダと同様に、移動子へ電荷を供給するためのスリップリングなどの接続機構が不要になり、構成が簡単になる。
【００５３】
上記第４実施形態及び本実施形態のエンコーダは、円筒状移動子７１または円筒状回転子８１に合わせて固定子７０，８０の方を曲面にできることに特徴がある。光学式エンコーダではセンサは一箇所のみに取り付けであるが、これらの実施形態では検出領域が円周全面になり、検出信号が平均されるため、センサ取り付け精度を厳しくする必要がなくなる。
【００５４】
以上説明した第１乃至第４実施形態に係る静電型エンコーダは、静電誘導により移動子へ電荷を供給して、交差指状の櫛歯状電極に交番電位分布を発生させ、固定子の電位検出電極の信号を同期検波して得られる複素数で表されたベクトルの回転角より移動子の位置を検出するため、下記のような多くの効果が得られる。
【００５５】
（ａ）ベクトルの回転角より変位を検出するため、高速応答性が良く、移動体の測定も可能となる。
【００５６】
（ｂ）移動子と固定子は、単純な電極のみを配置した簡単な構成であるため、超薄型且つ小型のセンサ部からなるエンコーダを実現できる。
【００５７】
（ｃ）移動子への信号線が不要になるため、信号線の屈曲負荷が無くなり、回転型エンコーダも容易に実現でき、合わせて高い信頼性が得られる。
【００５８】
（ｄ）移動子に発生した交番電位分布を、固定子に配置された複数の電位検出電極で検出するため、移動子の機械的位置を厳密に合せなくとも、十分な位置測定が可能となる。
【００５９】
以上実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可能なことは勿論である。
【００６０】
例えば、図９に示すように、図１（Ａ）や図４（Ａ）及び（Ｂ）で示した差動アンプ２３ａ及び２３ｂの代わりに、差動トランス９１ａとアンプ９２ａ、及び、差動トランス９１ｂとアンプ９２ｂを用いても良い。このような差動トランスを用いれば、インピーダンス変換などを同時に行うことができる効果がある。
【００６１】
また、図６や図８で示した第２及び第４実施形態においては、モータなどの高速回転体への応用があるが、この場合には固定子６０または８０と回転子６１または８１との間に隙間を設けても良い。そのような隙間を設けても、交流駆動していることと、回転子６１または８１の作る交番電位分布を、固定子６０または８０の電位検出電極のトータルの面積で十分に検出できることとにより、支障をきたす事はない。
【００６２】
（付記）
前記の具体的実施形態から、以下のような構成の発明を抽出することができる。
【００６３】
（１）  電極を有する移動子と、
誘導電極及び電位検出電極を有する固定子と、
上記固定子の電位検出電極の出力から２つの信号を成分とするベクトルを生成するベクトル生成回路と、
を具備し、
上記固定子の誘導電極に電圧を印加し静電誘導により上記移動子の電極へ交番電位分布を発生し、その交番電位分布を上記固定子の電位検出電極で検出して上記ベクトル生成回路により上記２つの信号を出力して、この２つの信号を成分とするベクトルの回転角から上記移動子の上記固定子に対する相対的な変位を測定することを特徴とする静電型エンコーダ。
【００６４】
（対応する実施形態）
この（１）に記載の静電型エンコーダに関する実施形態は、第１乃至第４実施形態及び変形例が対応する。
【００６５】
（作用効果）
この（１）に記載の静電型エンコーダは、静電誘導の原理に基づき、移動子の電極へ電荷を誘導して交番電位分布を形成し、この交番電位分布を対向する電位検出電極で検出しベクトルを生成して、このベクトルの回転角より移動子の位置または角度を測定する。
【００６６】
従って、この（１）に記載の静電型エンコーダによれば、位相そのものを変位に対応させるのではなく、ベクトルから変位を検出するために、移動体の測定においても誤差を含まない。なお、誘導電極に印加する信号は直流でも交流でもどちらでも良い。
【００６７】
（２）  上記固定子の電位検出電極を、４相からなる電位検出電極とし、
上記ベクトル生成回路を、上記電位検出電極の０度位相成分と１８０度位相成分とを入力とする第１差動アンプと、上記電位検出電極の９０度位相成分と２７０度位相成分とを入力とする第２差動アンプとで構成し、
上記第１差動アンプ及び第２差動アンプから上記２つの信号を成分とするベクトルを出力することを特徴とする（１）に記載の静電型エンコーダ。
【００６８】
（対応する実施形態）
この（２）に記載の静電型エンコーダに関する実施形態は、第１乃至第４実施形態が対応する。
【００６９】
（作用効果）
この（２）に記載の静電型エンコーダは、固定子の電位検出電極を４相とすることで、９０度位相間隔の空間に対応した信号を効率良く検出し、さらにベクトル生成回路により、０度位相と１８０度位相の差分信号と、９０度位相と２７０度位相の差分信号とでベクトルを生成し、このベクトルの回転角より移動子位置または角度を測定する。
【００７０】
従って、この（２）に記載の静電型エンコーダによれば、差動アンプにより差分信号とすることで、コモンモードの外来ノイズを除去する。なお、４相の位相信号は空間に対応したものであるから、誘導電極へ印加する信号は直流でも交流でもどちらでも良い。
【００７１】
（３）  上記固定子の誘導電極に搬送波信号を印加する交流発信器を更に具備し、
上記ベクトル生成回路は、上記第１差動アンプ及び第２差動アンプの出力から上記搬送波信号の成分を除去する同期検波回路を更に備えることを特徴とする（２）に記載の静電型エンコーダ。
【００７２】
（対応する実施形態）
この（３）に記載の静電型エンコーダに関する実施形態は、第１乃至第４実施形態が対応する。
【００７３】
（作用効果）
この（３）に記載の静電型エンコーダによれば、誘導電極に交流搬送波信号を印加することで、移動子の電極への交番電位分布を効率良く発生し、受信時に同期検波回路で搬送波成分を除去するため、効率の良いベクトルの生成が行え変位測定の精度が向上する。
【００７４】
（４）  上記同期検波回路は、乗算器またはサンプリング回路とローパスフィルタとで構成され、
上記ローパスフィルタの帯域を被測定物の最大移動速度に対応して設定したことを特徴とする（３）に記載の静電型エンコーダ。
【００７５】
（対応する実施形態）
この（４）に記載の静電型エンコーダに関する実施形態は、第１乃至第４実施形態が対応する。
【００７６】
（作用効果）
この（４）に記載の静電型エンコーダによれば、乗算器またはサンプリング回路とローパスフィルタとで、搬送波を除去しベースバンド信号を取り出し、あわせてローパスフィルタの帯域を必要最小限にして、不要な雑音成分を除去するため、変位測定の精度が向上する。
【００７７】
（５）  上記第１差動アンプ及び第２差動アンプを、それぞれ、差動トランスと増幅回路とで構成したことを特徴とする（２）または（３）に記載の静電型エンコーダ。
【００７８】
（対応する実施形態）
この（５）に記載の静電型エンコーダに関する実施形態は、変形例が対応する。
【００７９】
（作用効果）
この（５）に記載の静電型エンコーダによれば、差動トランスにすることで、インピーダンス変換を同時に行える。
【００８０】
（６）  上記移動子の電極は、櫛歯状形状を有する第１電極と略同形状の第２電極とを交差指状に相対配置したものであることを特徴とする（１）乃至（３）の何れかに記載の静電型エンコーダ。
【００８１】
（対応する実施形態）
この（６）に記載の静電型エンコーダに関する実施形態は、第１乃至第４実施形態及び変形例が対応する。
【００８２】
（作用効果）
この（６）に記載の静電型エンコーダによれば、移動子の電極を櫛歯形状にして交差指状に相対して配置することで、静電誘導が効率的に行われ、且つ良好な交番電位分布が形成される。
【００８３】
（７）  上記固定子の電位検出電極は、所定周期に４個毎に結線配置され、
上記移動子の電極は、各電極端を交差指状に相対配置した１組の電極から構成され、
上記移動子の１組の電極からなる配列ピッチは、上記固定子の電位検出電極の配列ピッチの２倍とすることを特徴とする（１）乃至（３）の何れかに記載の静電型エンコーダ。
【００８４】
（対応する実施形態）
この（７）に記載の静電型エンコーダに関する実施形態は、第１乃至第４実施形態が対応する。
【００８５】
（作用効果）
この（７）に記載の静電型エンコーダによれば、電位検出電極を所定周期で４個毎に結線配置することで、４相の位相信号を効率的に検出することができる。また、移動子の電極を交差指状に相対配置し、このピッチを電位検出電極の配列ピッチの２倍とすることで、４相の位相関係が保たれ、空間に対応したベクトルが良好に検出される。
【００８６】
（８）  上記移動子は、上記電極として、櫛歯状の端電極が放射状に広がる第１電極と、櫛歯状の端電極が求心して配置される第２電極とが交差指状に相対配置され、上記固定子に対して相対的に回転移動するものであり、
上記固定子には、円盤上に配置された２個以上の上記誘導電極と、所定の周期角をもって４個毎に結線配置された上記電位検出電極とが組み込まれ、
回転角を検出することを特徴とする（１）乃至（３）の何れかに記載の静電型エンコーダ。
【００８７】
（対応する実施形態）
この（８）に記載の静電型エンコーダに関する実施形態は、第２実施形態が対応する。
【００８８】
（作用効果）
この（８）に記載の静電型エンコーダによれば、円形配列とすることで、回転角の変位を検出する回転エンコーダが実現できる。また、回転する移動子と固定子との隙間をあけても、対向する面積が大きいため所望の信号が検出でき高速回転にも対応できる。
【００８９】
（９）  上記移動子の電極は、櫛歯状形状を有する第１電極と、該第１電極と略同形状で上記第１電極に対し交差指状に相対配置された第２電極とを含み、且つ、それら第１電極と第２電極とが円筒直線上に配置され、
上記固定子には、円筒直線上に配置された２個以上の上記誘導電極と、直線配列となるように配置された上記電位検出電極とが組み込まれ、
円筒直線方向の移動を検出することを特徴とする（１）乃至（３）の何れかに記載の静電型エンコーダ。
【００９０】
（対応する実施形態）
この（９）に記載の静電型エンコーダに関する実施形態は、第３実施形態が対応する。
【００９１】
（作用効果）
この（９）に記載の静電型エンコーダによれば、円筒配置とすることで、中空形状の変位測定ができる。また、円筒状の移動子と固定子との隙間をあけても、対向する面積が大きいため所望の信号が検出でき高速移動にも対応できる。
【００９２】
（１０）  上記移動子の電極は、櫛歯状形状を有する第１電極と、該第１電極と略同形状で上記第１電極に対し交差指状に相対配置された第２電極とを含み、且つ、それら第１電極と第２電極とが円筒円周上に配置され、
上記固定子には、円筒円周上に配置された２個以上の上記誘導電極と、円周配列となるように配置された上記電位検出電極とが組み込まれ、
円周方向の回転角を検出することを特徴とする（１）乃至（３）の何れかに記載の静電型エンコーダ。
【００９３】
（対応する実施形態）
この（１０）に記載の静電型エンコーダに関する実施形態は、第４実施形態が対応する。
【００９４】
（作用効果）
この（１０）に記載の静電型エンコーダによれば、円筒配列とすることで、中空形状の回転角の変位を検出する回転エンコーダが実現できる。また、回転する移動子と固定子との隙間をあけても、対向する面積が大きいため所望の信号が検出でき高速回転にも対応できる。
【００９５】
（１１）  電極を有する移動子と、誘導電極及び電位検出電極を有する固定子との相対的な変位を測定する静電型変位測定方法であって、
上記固定子の誘導電極に電圧を印加し静電誘導により上記移動子の電極へ交番電位分布を発生するステップと、
上記発生した交番電位分布を上記固定子の電位検出電極で検出するステップと、
上記検出した交番電位分布に基づいて２つの信号を成分とするベクトルを生成するステップと、
上記生成したベクトルの回転角から上記移動子の上記固定子に対する相対的な変位を測定するステップと、
からなることを特徴とする静電型変位測定方法。
【００９６】
（対応する実施形態）
この（１１）に記載の静電型変位測定方法に関する実施形態は、第１乃至第４実施形態及び変形例が対応する。
【００９７】
（作用効果）
この（１１）に記載の静電型変位測定方法は、静電誘導の原理に基づき、移動子の電極へ電荷を誘導して交番電位分布を形成し、この交番電位分布を対向する電位検出電極で検出し、２つの信号（複素数の実数成分と虚数成分）からなるベクトルを生成して、このベクトルの回転角より移動子の位置または角度を測定する。
【００９８】
従って、この（１１）に記載の静電型変位測定方法によれば、ベクトルの回転角より変位を検出するため、移動体の時間変化に対する応答性が良く、移動体の検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】（Ａ）は本発明の第１実施形態に係る静電型エンコーダの構成を示す図、（Ｂ）は固定子の構成を説明するための図であり、（Ｃ）は移動子の構成を説明するための図である。
【図２】静電誘導の原理を説明するための図である。
【図３】交差指状に相対配置された櫛歯状電極に交番電荷が発生する原理を説明するための図である。
【図４】移動子の位置に応じてベクトルの位相角が変化する様子を説明するための図で、特に、（Ａ）は移動子がｄ＝０の位置にある場合を、（Ｂ）は移動子が電位検出電極のピッチの距離ｄ＝Ｐsだけ右方向に移動した場合を、それぞれ示している。
【図５】同期検波回路の動作を説明するための図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る静電型エンコーダのセンサ部の構成を示す図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係る静電型エンコーダのセンサ部の構成を示す図である。
【図８】本発明の第４実施形態に係る静電型エンコーダのセンサ部の構成を示す図である。
【図９】差動アンプに代えて差動トランスとアンプを用いた場合の構成を説明するための回路図である。
【符号の説明】
【０１００】
１…固定子、  ２…フィルム状の絶縁体、  ３ａ，３ｂ，７３ａ，７３ｂ，８３…誘導電極、  ４…電位検出電極、  １０…移動子、  １１…絶縁体、  １２ａ，１２ｂ，７２ａ，７２ｂ，８２ａ，８２ｂ…櫛歯状電極、  ２０…ベクトル生成回路、  ２１…交流発信器、  ２２，９２ａ，９２ｂ…アンプ、  ２３ａ，２３ｂ…差動アンプ、  ２４ａ，２４ｂ…乗算器、  ２６…位相分割回路、  ４１，４２…電極、  ４３…外部電源、  ４４〜４７…電気力線、  ５１…交番電位分布、  ６０…円盤状固定子、  ６１…回転子、  ６２…回転中心、  ７０，８０…円筒状固定子、  ７１…円筒状移動子、  ８１…円筒状回転子、  ９１ａ，９１ｂ…差動トランス。
【図１】
2005221472.tif 000003
【図２】
2005221472.tif 000004
【図３】
2005221472.tif 000005
【図４】
2005221472.tif 000006
【図５】
2005221472.tif 000007
【図６】
2005221472.tif 000008
【図７】
2005221472.tif 000009
【図８】
2005221472.tif 000010
【図９】
2005221472.tif 000011