JPH083426B2 - 位置検出システム - Google Patents

位置検出システム

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JPH083426B2
JPH083426B2 JP1129049A JP12904989A JPH083426B2 JP H083426 B2 JPH083426 B2 JP H083426B2 JP 1129049 A JP1129049 A JP 1129049A JP 12904989 A JP12904989 A JP 12904989A JP H083426 B2 JPH083426 B2 JP H083426B2
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Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の属する技術分野］ 本発明は、静電容量を用いた位置測定及び動作制御に
関し、特に、二次元空気支持法（ベアリング）を用いた
システム等を含む、ある素子の別な素子に対する位置
の、一次元方向及び二次元方向の双方に関する精密測定
システムに関する。
［従来技術の説明］ 達成しうる最高の精度を要求する数多くの機械的位置
決めシステムは、摩擦及びバックラッシュの影響を最小
にするために、例えば、ハインズ（Hinds）によって米
国特許第4,654,571号において提案されているように、
位置決め用のレーザー干渉計と共に空気ベアリングを用
いている。しかしながら、この種の干渉計は必然的にコ
ストが高くかつ複雑であり、複数個の素子を独立に共通
のワーキングエリアにおいて位置決め（位置検出）する
ことが要求された場合には、様々な困難が生じる。当該
後者の問題点は、複数個の可動素子のある相対的な位置
に対して、複数の独立した測定用光線が相互にブロック
しあうことが不可避であるという事実に起因する。上述
のような、複数個の独立した素子に対する必要性は、例
えば、ある型式の高精度自動化作製及びアセンブリアプ
リケーションにおいて生ずる。
上述のものに代わる魅力的な方法は、各可動素子が、
当該素子の可動範囲である、パターンが描かれたワーキ
ングサーフェスに対して、当該素子自体の位相を直接、
二次元的に決定可能であるようにすることである。ソー
ヤー（Sawyer）によって米国特許第Re27,436号において
最新に提案された型式の二次元アクチュエータが用いら
れる場合には、適切なパターンが自動的に生ずる。しか
しながら、この種のアクチュエータに対して、即ち、実
際には、あらゆる種類の複数独立可動素子に対して、広
いワーキング領域に亘って、正確・迅速かつ低コストで
位置を測定する方法は、従来技術においては存在しな
い。
別な分野においては、静電容量トランジューサが有効
であることが知られている。距離の測定に対する静電容
量トランジューサの利用は確立された技法であり、アー
ル・ヴィー・ジョーンズ（R.V.Jones）及びジェイ・シ
ー・エス・リチャーズ（J.C.S.Richards）による“静電
容量マイクロメータの設計と応用”（ジャーナル・オブ
・フィジックスＥ（Journal of Physics E）、サイエン
ス・インスツルメンツ（Scieyce Instruments）シリー
ズ２第６巻第589−600頁（1973年）、及びエイ・エム・
トンプソン（A.M.Thompson）による“微少容量の精密測
定”（アイ・アール・イー・トランザクションズ・オン
・インスツルメンテーション（IRE Transactions on In
strumentation）第Ｉ−７巻第245−253頁（1985年））
において議論されているように、非常に高い分解能を実
現することが可能である。この高感度は固有なものであ
り、最終的に、キャパシタそれ自体は雑音を発生しない
という事実によるものである。この種の静電容量を用い
た方法は公知であり、アンデルモ（Andermo）によって
米国特許第4,420,754号に示されているように、一次元
の横方向の動きに対するデジタルリニアエンコーダの設
計がなされるところまで拡張されている。
しかしながら、従来技術に係る方法は、以下に示され
ているような、新しくかつ４つの重要な側面において従
来とは異なるケースに対しては応用不能である： 第１に、位置エンコーダは、完全に二次元的であり、
直交方向の独立性を有して、すなわち、Ｘ方向の移動が
Ｙ方向の読みに影響を与えることなく、その逆も成り立
つようにしてＸ方向位置及びＹ方向位置を読み出しうる
ことが要求されている。第２に、位置測定装置は、プラ
テン自体に関するあらゆる種類の特定の配線、相互接続
あるいは電気的にフローティングである電極等の使用を
要求するものであってはならない。第３に、出力情報
は、電極の間隔やそれに関するセンサの“ロール”“ピ
ッチ”あるいは“ヨー”に対して依存していないもので
なければならない。そして最後に、センサが、数百もの
ポストに関する平均を行なうほどに充分に広い範囲に関
するものであることが要求される。（この最後の要求事
項により、高精度位置決めのために、プラテンのポスト
間一様性に関して課せられる不条理な要求が緩和され
る。）さらに、是非とも必要なことは、センサ作製費用
の低廉性、高速応答性、独立した高さ方向の読取り（そ
の時点におけるエアーベアリングの厚さを示す）及び読
取り用エレクトロニクスの簡潔性である。
（発明の概要） 本発明は、ワーキングサーフェスに刻まれた二次元的
な対称パターンの一様な繰り返しに対して移動を参照
し、当該パターンを静電容量を用いて調べることによっ
て前述の問題点を直接解決するものである。パターンが
描かれた基板、すなわち“プラテン”は、導体あるいは
絶縁体表面のいずれかにおけるポストあるいはホールの
いずれかの、一様の二次元配列よりなる。本発明に係る
システムにおいては、（例えば、エアーベアリング（空
気支持法）によって支持されている）当該表面上を移動
する素子は、当該基板に対して電気容量測定を連続的に
複数回行なうことによって、当該素子自体の位置を決定
する。
前述のように、空間的に変調された静電容量効果を用
いる本発明に係る方法は、直線的、平面的、回転方向及
び円筒状物体に関する位置測定及び移動制御に直接拡張
される。
前述の全ての要求事項は、本発明に係る、反復パター
ン多重容量センサによって充足される。第１多重電極セ
ンサは、単一の所定方向のみの移動量の増加を、残りの
（不要な）５つの自由度全てに関して本質的に独立に読
み出す。第２多重電極センサは、第１センサに対して直
交方向の移動を検出し、同時に独立したＹ方向読み出し
を行なう。双方のセンサが、３相読み出し技法法及び多
重電極の“シェブロン（chevron）”状のプリント回路
による実現によって可能となるデジタル増分位置エンコ
ーディング及び高分解能位置補間を行なうことが望まし
い。
この方法は、平面の代わりに真円円筒に関する読取り
に直接拡張することが可能であり、さらに、完全の直線
上の、あるいは円周方向の移動のような一次元の場合に
も拡張されうる。実際、後者の円周方向に移動の場合に
は、完全な360゜の円の円周に沿った全ての“歯”に対
する、本発明の自動同時移動測定能力により、比較的低
い費用で高微分直線性を有する所定の特性が得られる。
本発明の第１の特徴に従って、ある物体の、同一素子の
繰り返し配列に対する位置が、所定の測定方向の各々に
対して空間的に変調された静電容量効果によって決定さ
れる。このことは、二次元の場合には、各々が測定方向
に関してある間隔をおいて配置された導体素子によりな
り、それら全てが共通の1:1:1:1変成器を通じて駆動さ
れる、２組の、同一の電極を複数個含む、光リソグラフ
ィーによって作製された“シェブロン”配列電極の使用
によって実現される。当該配列電極は、パターンが描か
れた基板に関する、もしくは当該基板を含む電気的なグ
ランドプレーン（接地面）に近接した状態で移動するこ
とが可能である。水平方向の位置及び間隔情報の双方
が、電極構造の個別の素子へ流れるRF変位電流の和及び
差の双方を同期検出することによって、同時に導出され
る。RF振幅自体は、間隔及び水平位置情報を同時に読み
出す間の、センサの移動による間隔変位を補償するよう
に、サーボシステムによって安定化されている。
導体素子の配列配置の各々の重要な特性は、当該素子
配列よりなるセンサが（所定の）一方向に関する位置情
報のみを読み出し、横（不要な）方向の移動に関して本
質的に応答しないでいることである。この特性により、
当該導体素子配列を２組互いに直交させて取り付け、当
該センサが任意の二次元グランドプレート上を移動する
につれて二次元高分解能位置情報を同時に得ることが可
能となる。分解能及び補間能力は、一方では素子配列の
周期や、他方では基板に描かれたパターンの周期の適切
な選択によって決定される。
本発明の別の特徴は、本発明に係る装置を用いる測定
が、空気支持法を用いる限り不可避であるセンサの角度
方向の微少移動（“ロール”、”ピッチ”及び“ヨ
ー”）及び間隔の変位によって殆ど影響されないことで
ある。このような望ましい性質は、高度に交互嵌合され
たシェブロン配列配置の使用、及びマルチファイラー変
成器の使用による、各電極（すなわち、各導体素子）へ
印加される駆動電圧の非常に優れた一様性及び電極変位
電流の総和のサーボシステムによる安定化によるもので
ある。
本発明に係る方法のさらに別の重要な特徴は、殆ど付
加的な費用をかけずに、非常に大きな電極配列の使用に
適する、ということである。この性質により、パターン
が描かれたグランドプレーン及び位置測定用電極構造そ
れ自体における非一様性及び“空間雑音”を自動的かつ
連続的に平均する効果が得られる。本発明に係るシステ
ムは、そそれ自体、位置測定に関して高微分直線性を有
することが可能である。このことは、電極配列と同一の
移動材上にマウントされた、もしくはその一部であるツ
ールあるいはワークピースの制御に関して重要である。
本発明に係る位置決め測定は、工場などの環境に限定
されているのではなく、物体の位置を精密に知ることが
要求される全ての応用例に対して適応されうることは明
らかである。
本発明に係る方法は、円筒表面に関する二次元位置測
定に対して直接適用することが可能であり、さらに、一
次元直線上及び一次元円周上の測定の双方に対しても適
用可能で数多くの利点を有する。
本発明に係る方法は、パターン描画された電極が、電
気的に接地されているかあるいはRFによって駆動される
かに依存して、２つの相異なった状況に適用される。前
者の場合には、マルチファイラー変成器を用いた駆動方
式が有効であり、当該方法の中心となる。後者の場合に
は、パターン描画されたベース電極（あるいはその後者
の電極）それ自体が、シリーズ変成器を用いる代わりに
駆動されることが有効である。
位置測定に（例えばある型の磁気センサを用いるのと
異なって）静電容量センサを用いることの本質的な特徴
は、その固有の測定速度の高さである。このことは、当
該静電容量センサが高周波で動作し、それゆえ、高速応
答が得られる、という事実に直接起因する。このような
高速応答性は、高速移動時に高回転周波数を必要とする
超微細歯状突起を有する可変磁気抵抗モーターを含む、
数多くの移動制御応用に対して特に有効である。本発明
の、上述の、及びそれ以外の特徴は、以下の実施例の説
明及び添付図面によって明らかとなる。
（実施例の説明） 本発明に係る静電容量位置測定システムの基本は、第
１図を参照することによって理解される。第１図におい
て、検出電極配列１はクオドリファイラー1:1:1:1変成
器２に接続されており、パターンを形成され、電気的に
接地されている被検出体たるプラテン３から微少高さｈ
のところに位置している。変成器２は、100kHzから100M
Hzの範囲で動作するRF発振器４によって駆動される； 当該変成器の接続は、３つのセンサ電極（すなわち検
出電極、導体素子）E1,E2,E3が全て一致して電圧駆動さ
れる、すなわち、全ての検出電極が、電気的に同一振幅
及び同一位相で駆動されるようになっている。当該配置
を用いることにより、センサ電極E1,E2,E3をグラウンド
に対する不要な浮遊容量からシールドすることが、ケー
ブルの編組５及びセンサの静電シールド６を、1:1:1:1
変成器２の一次側から直接駆動することによって、簡単
に行ないうる。このようにして、全て仮想グラウンドへ
流れるRF出力電流７、８、９は、それ自体、電極E1,E2,
E3のグラウンドに対する静電容量の結果生ずる、プラテ
ンへ流れ込むRF電流の指標となる。
これらの静電容量は、その一部は、プラテンのポスト
に対する検出電極15、16、17の重なり（第２図において
プラテン３を覆うように示されている）によるものであ
る。検出電極の幅は１ポストの幅に等しく示されている
が、当該電極の長さは、ポスト（凸部）の長さにバレー
（凹部）の長さを加えたものの整数倍であることを指摘
することは重要である。このため、全ての電極の、重な
りによるグラウンドに対する静電容量は、当該センサが
測定方向へ移動する場合にのみ変化し、当該方向に直交
する方向への移動に対しては、本質的に不変となる。
第２図においては、検出電極E1,E2,E3の各々は、個々
の幅とは係わりなく、第３図の側面図において模式的に
示されているように、実際に、プラテンの空間周期の正
確に２倍に亘っている。すなわち、検出電極15、16、17
はプラテン３の２周期上に配置されている。
実際には、プラテンのバレー（凹部）は、（誘電率ｋ
の）エポキシ材料で充填されている。なぜなら、当該プ
ラテン表面は、微少間隙エアーベアリングとして機能す
るように、非常に滑らかであることが要求されるからで
ある。その結果、電極−プラテン間の静電容量は修正さ
れ、さらに、当然のことながら、静電容量の最大値Cmax
及び最小値Cminは、著しい周辺電場効果を含む三次元的
な状況に対応することとなる。位置信号それ自体は、最
終的には、第４図に模式的に示されている２つの代表的
な位置における電極に対する最大及び最小容量の比より
導出される。第４図に示された二次元システムにおいて
は、静電容量の比は、 によって近似的に表わされる。ここで、ｄはバレーの深
さでありΔ＝d/3hkという量は、最終的に位置信号を生
成する変調指数である。第４図に示されたシステムに対
する当該指数は、約0.2であり、当該指数を常識的に可
能な範囲で大きくすることが有効である。
エアーベアリング（空気支持法）を用いる状況におい
ては、第２図に示された電極配列が、第５図に示されて
いるように、ある角度ねじれることがある。このことか
ら、ある量以上に回転すると、各電極素子がいつも次の
ポスト列に重なっているために、当該センサが結局直線
上の移動に対して感応しなくなることが明らかである。
よって、与えられたセンサ面積に対して、電極構造を、
移動方向に狭く、それと直交する方向にもあまり拡げな
いように配置することが有効である。このことによっ
て、回転方向の許容移動範囲が最大となる。しかしなが
ら、移動方向と直交する方向に対してセンサーが１プレ
テン周期のみに亘るだけであるほどに小さいと、当該方
向に対する移動に対して過度に敏感になるので、当該セ
ンサは過度に小さくできない。さらに、当該のことなが
ら、センサの電極構造それ自体に関する寸法許容性に過
度に厳密な要求を課すことは不経済である。なぜなら、
当該構造は、通常標準的なプリント回路基板光リソグラ
フィー技法によって作製されるものであり、そうである
限りは、センサ電極長に、微少かつ制御不能な、しかし
重大な変位をもたらしうる過剰もしくは過少エッチング
の影響を避け得ないからである。この問題は、センサ電
極を位置センサの表面及び裏面を示す第６図及び第７図
に示されているような曲がりくねった、すなわち“シェ
ブロン”パターンに配することによって解決される。こ
こで27、28は、当該センサの共通の端部である。このシ
ェブロン技法を用いることにより、位置センサ１上の３
重電極E1、E2、E315、16、17が、横方向の１プラテン周
期内の能な位置を全てサンプリングすることが可能とな
る。このことと、各センサ電極長をポスト長とバレー長
の和の整数倍とすることにより、当該システムが横方向
の移動に対して殆ど感応しなくなる。
第１図から思い起こされるように、全ての電極E1、E
2、E3は、電気的に協調して駆動されるため、電極間相
互の静電容量は問題とならない。なぜなら、各々の電極
がポテンショル差を感じることがないからである。その
結果、全ての３重電極が、第７図のプリント回路センサ
１の裏面上に示されている３つのプリント回路バス21、
22、23に対して（数多くのスルーホールによって）適切
に接続されているように配置することが簡便となる。こ
のセンサデザインは、20mil（20/1000インチ、約0.05m
m）幅の電極を用い、７×64プラテン周期よりなる総計4
48個のプラテン素子に亘っている。プラテンパターンの
総計的空間独立性を仮定すると、単一のパターン素子を
センスすることによって得られる位置決め精度が （すなわち20倍以上）改善されることになる。
特別に開発された自己シールド変成器結合静電容量測
定法の動作が（１つの電極15のみを有する単純化された
場合に対して）第８図に示されている。ここで問題とな
る量は、グランドに対する静電容量C1であり、当該容量
のみを、他の全ての容量からの干渉効果から独立して測
定することが要求されている。一次巻線30及び二次巻線
31を有するバイファイラー1:1変成器を用いることによ
り、ドットによって示された側の巻線端電位が、正確に
協調して変化することに留意されたい。その結果、ケー
ブルの編組28とケーブルの心線30との間には全く電圧差
が生じない。同様に電極15と静電シールド29との間に電
圧差が生じないために、キャパシタC4を通じて流れるRF
電流は存在しない。同様に、巻線相互間の静電容量C2及
びC3を通じて流れる電流は無視しうるものである。なぜ
なら、双方の巻線間の対応する点は、全て協調して変化
するからである。もちろん、C5を通じて大きな電流が流
れるが、当該電流は、発振器４の出力から直接流れるも
のであり、それゆえ、当該変成器の二次側回路には現れ
ない。その結果、（仮想）グランドへ32において流れ込
む電流Ｉは、C1のみを通じて流れる電流の指標となる。
第６図及び第７図に戻って、シェブロンセンサの各々の
面にさらに２つの“ウィンドフレーム”電極24及び25が
存在することも明らかである。この２つの電極は電気的
に共通で第８図の発振器４によって静電シールド29と共
通に駆動され、付加的RFシールドとして機能する。なぜ
なら、これらは全ての３重電極と正確に協調して電気的
に変化するからである。
第８図に示された方法の特徴、及び当該方法の主たる
開発理由は、当該方法により、グランドに対する静電容
量が単純かつ直接的に測定可能であるからである。この
ことはそれ自体有用であるが、さらに、グランドに対す
る間隔を本質的にリニアな方法で測定することが可能と
なるよう拡張されうる。（このことは、本質的に逆数関
係を示す、従来技術に係る、静電容量を利用した距離測
定法と明確に区別されうる点である。）当該拡張された
方法は第９図に示されている。
ここでは、変成器31の二次巻線のドットによって示さ
れた側ではない方の末端部が、ベース接地トランジスタ
36のエミッタによって形成される仮想グラウンドに接続
されている。（この図及び以下に示される図において、
全てのトランジスタに対する電流及び電圧バイアス回路
は、簡潔にするために省略されている）このようにし
て、電極15からグラウンドに流入するRF電流は、整流器
37によって整流され、ポイント38において固定参照電圧
入力から減算される。当該残差は誤差積分器39によって
増幅させられ、RF発振器４の振幅を制御するために用い
られる。よって、RF振幅自体は、電極15からグラウンド
に対して、一定の変位電流が流れることをいつも保障す
るように、定常的にサーボコントロールされている。電
極15のグラウンドに対するインピーダンスは、（平行平
板コンデンサ近似の範囲内で）距離ｈに正確に比例する
ために、当該システムの出力は、補正あるいは逆数をと
る必要もなしに本質的に距離に関してリニアである。
このリニアな高さ測定法は、第10図に示されたシェブ
ロン電極位置決めシステムの必要不可欠な部分として組
み込まれている。第10図において、電極15、16、17は、
1:1:1:1変成器43によって協調してすなわち一定の位相
間隔で駆動され、その結果、RF電流は、ベース接地ステ
ージ44、45、46を通じて流れる。各相の電流の差に応じ
た差分電流が1:1:1変成器T2、T3、T4によって受動的に
（しかも非常に安定に）生成され、ベース接地ステージ
50、51、52をドライブする。これらのトランジスタの出
力が、RF位置情報電流φ１、φ２、φ３を構成する。他
方、３重電極15、16、17へ流れるRF電流の総和は、トラ
ンジスタ53のエミッタにおいて和をとることによって生
成され、第９図に関連して既に述べられているように、
高さ出力情報を生成するためにRF駆動電圧54の振幅をサ
ーボ制御するのに用いられる。
本方法の別の利点は、横方向の位置信号自体において
非常に優れた同相除去比が得られることである。なぜな
ら、当該横方向の位置信号は、差分をとることにより生
成されるからである。このため、可動位置センサユニッ
トをメインシステムのエレクトロニクス部に接続するた
めに、不要な感応効果による問題なしに、必要とあら
ば、かなりの長さのフレキシブルケーブルを用いること
が可能となる。
これまでに述べた素子を全て組合わせることによっ
て、第11図に示されている位置及び高さ検出システムが
構成される。（空間的）３相位置出力は、RFキャリア周
波数で動作する同期検出器58、59、60及びRFフィルタ6
3、64、65によって生成される。RF駆動電圧自体は、（X
Y方向の移動測定のために、複数個の位置決めセンサを
駆動する）共通の発振器61によって得られる。当該発振
器は、第９図及び第10図に関して既に述べられているよ
うに、電極15、16、17へのサーボ制御されたRF駆動電圧
を制御する。
当該システムの最終的出力は、第12図に示されている
ように、プラテン上の検出電極の高さｈを表わす信号及
び本質的に正弦波的な３つの位置信号69、70、71であ
る。これらの位置信号は、各々、１プラテン周期と同一
の周期を有し、空間ドメインで０゜、120゜、240゜にイ
ンターリーブされている。当該システムの重要な特性
は、各位置信号の高いサイクル間再現性である。このこ
とは、第６図に示された型の大きな電極配列の使用によ
る空間平均に直接よるものである。その結果、微分直線
性は高く、すなわち、第12図におけるABとBCとのような
対応する区間間の距離73及び74等は実質的に等しい。
（このことは、各プラテン周期内の位置情報を正確に補
間することが要求される場合には、非常に重要であ
る。）以上述べてきた位置決めシステムは、数多くの方
法で応用されうる。その一例は、第13図に示されている
ように、４組のシェブロセンサ78、79、80、81を４角形
の４辺に沿って設置することである。このことにより、
空気支持法によって支持された二次元的アクチュエータ
に対してＸ、Ｙ及び角度の読取りをすることが可能とな
る。
同様に、適切に湾曲させられたセンサ83、84を用いる
ことによって、第14図に示されているように、円筒85の
表面上で位置決めをすることが可能となる。これら双方
の応用例において、シェブロンセンサ配置を用いること
によって、２つの独立した自由度に関する読取りの高度
の独立性が得られる。
３相出力を与えることは、多相モーター回転等の数多
くの応用例に対して特に都合が良いが、別な状況におい
ては、２相の正弦−余弦フォーマットがしばしば要求さ
れる。当該フォーマットは、本発明においては、第15図
に示されている方法で与えられ、一般的な市販の電子位
置決めシステムを駆動するのに適した形の標準的チャネ
ルＡ、チャネルＢ出力が得られる。（当該回路の動作
は、当該回路がDCまで動作することを除いて“スコット
T"変成器を用いた磁気システムの“シンクロ”フォーマ
ットから“リゾルバー”フォーマットへの変換に係るも
のと同様である。） 上述のシステムは、二次元位置決めシステムへの応用
を一義的に企図したものであるが、本発明の一次元シス
テムへ直接応用もできる。魅力的な応用例の１つは、第
16図に示されているように、静電回転微少位置決めロー
タリーサーボモーターである。静電容量センサシステム
89、90、91を用いることによって、標準的な15゜のステ
ッピングモーターが高分解能サーボモーターに変換され
る。ここで特に留意すべきことは、当該システムが常時
検出電極全てに対する平均を自動的に行なうことであ
り、それによって可能な限り最高の微分直線性が得られ
る。このことは、第16図に示されている区分けされた円
盤状のものの代わりにドラムを区分けして作成したロー
タリー静電容量センサについても同様である。
一次元の場合が回転方向の測定に限られている訳では
ない。純粋に直線的な応用例においても、全く同一の方
法が、用いられることは明らかである。概念的に最も単
純な応用例は、本質的には第１図及び第11図に示された
ものと同一のシステムを用いるものである。但し、この
場合においては、センサは、２方向ではなく１方向のみ
に溝を切られたグランドプレーン上を移動することのみ
が異なる。同様に、第17図に具体的に示されているよう
に、センサ自体は固定されていて（空間的に変調された
静電容量パターンを有する）基板が、長い、柔軟な、パ
ターンを有する金属（もしくは絶縁体の）テープ95のよ
うな形態をとることも可能である。このようなテープ
は、必要とあれば、大工職人が用いるフレキシブルなス
チール定規のように巻き取られうるが、第18図に示され
ているように、高分解能電気読み出しが可能である。次
に、RF電流が一センサから獲得される方法が問題とな
る。今までに議論されてきた全てのシステムは、第19図
に示されているような、検出電極の駆動に変成器を用い
る形態を有している。これは通常応用可能な方法であ
り、第19図においては柔軟なタイミングベルト98（静電
容量的にパターンを有する基板と可動素子の双方を兼ね
る）及び同一のエレクトロニクス99とによる利用例が示
されている。背景グランド電極100を用いることによっ
て、電極15、16、17の感じる静電容量をより正確に決定
するのが良い。
しかしながら、この状況及び非接地電極を有すること
が可能な数多くの類例においては、第20図に示されてい
るように、当該システムにおける変成器を省略すること
が可能である。この場合には、検出電極15、16、17は測
定エレクトロニクス系（すなわち、第10図のトランジス
タ44、45、46）を直接駆動し、サーボ制御されたRF駆動
電圧は、背景板100に印加される。この方式は、適切な
電極が得られる場合に限り、有効である。
本発明に係る位置決め装置の本明細書における最終変
形例は、正確に３つ（及びその倍数）の検出電極E1、E
2、E3を他の好みの数にすることである。不明確さを有
さずに位置決めを行なうためには、３という数は、必要
最小限の数であり、さらに、０゜、120゜、240゜という
空間出力が３相モーターを回転するのに便利であるとい
う点も有利である。しかしながら、同一の駆動及び検出
方法を用いながら、別な多相方式を用いることも可能で
ある。このような装置は第21図に示されており、４つの
電極E1、E2、E3、E4よりなる基本形が、正確に３プラテ
ン周期に対応する。（このことを３つの電極が２プラテ
ン周期に亘っている第11図と比較されたい）E1とE3、及
びE2とE4の信号の差をとることによって、空間位相で90
゜離れた２出力信号が得られる。すなわち、当該システ
ムは、第15図の正弦波及び余弦波出力と同一の一信号を
生成する。このことは、２つの90゜出力のみが要求され
る状況において利用されうる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、クオドリファイラー変成器によって駆動さ
れ、二次元プラテン上の一方向の位置測定に用いられる
シェブロン静電容量センサを示す構成図； 第２図は、プラテンの横方向の正確に４周期に亘る、２
群の３位置検出電極を示す平面図； 第３図は、測定方向のプラテン上の正確に周期に亘る３
個の検出電極を示す側面図； 第４図は、１プラテン周期に関する１電極による最大及
び最小静電容量を与える位置を示す図； 第５図は、プラテン構造に対して傾いたセンサ電極配列
を示す図； 第６図及び第７図は、広い範囲に亘る空間平均を行なう
ために横方向で７プラテン周期、縦方向でより多くの周
期に亘るように設計された実際のシェブロンプリント回
路容量センサの、それぞれ上面及び底面図； 第８図は、一様なグランドプレーン上に設置された１つ
の静電容量検出電極に対する、セルフガード変成器結合
読み出し方式例を示す図； 第９図は、平面グランドプレーン上の電極の高さｈに正
確に比例した出力を与えるシステムを簡潔に示した図； 第10図は、クオドリファイラー駆動変成器及び総和・微
分変成器システムを有する、空間３相容量読み出しシス
テムの基本的構成を示す図； 第11図は、高さ及び３相位置出力の双方を有する、第１
図のセンサシステム全体のブロック図； 第12図は、３相出力φ１、φ２、φ３、及びセンサの微
分直線性の重要性を示す図； 第13図は、平面的での二次元的位置及び角度読み出しを
行なうために４角形にマウントされた４つのシェブロン
センサを示す図； 第14図は、二次元的に円筒表面上での直線変位及び角度
変位読み出しを実現するための２つの曲面状シェブロン
センサを示す図； 第15図は、モーターを回転し、バーニヤ位置補間のため
に正弦及び余弦位置出力を導出するための３相出力φ
１、φ２、φ３の使用を示す構成図； 第16図は、第１図の装置の、８極３相ロータリーモータ
ーの回転及び回転角度測定の双方への拡張を示す図； 第17図は、開口部を有するベルトあるいはテープに対し
て用いられる３相検出電極を示す平面図； 第18図は、開口部を有するテープに対して用いられる、
距離読み出しの補間を行なう、コイル状の、パターンを
描かれたフレキシブルなテープを示す図； 第19図は、柔軟なタイミング用に関連して用いられる３
相容量検出器の側面図； 第20図は、柔軟なタイミング用ベルトの背後に設置され
た個別のRF駆動電極を用いる、３層容量検出装置の修正
例を示す図；及び、 第21図は、正弦及び余弦出力を得るための、３プラテン
周期に亘る４つの同一電極を用いた２相位置センサを示
す図である。

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】移動が検出されるべき第１の方向およびこ
    れとは異なる第２の方向に、それぞれ間隔において配列
    され、滑らかな表面を形成するよう配置された複数個の
    導体素子と、 表面に反復パターンが形成された被検出体の参照表面を
    前記導体素子に対向させてその参照表面と導体素子との
    間で前記反復パターンに応じた反復静電容量パターンを
    前記第１の方向および第２の方向のそれぞれについて確
    立する手段と、 を有する位置検出システムにおいて、 それぞれ、第１の方向及び第２の方向に間隔をおいて配
    列された第１の導体素子群と第２の導体素子群が、対応
    する方向に対して横方向に周期的オフセットを有し、対
    応する方向への移動の検出の独立性を改善すること、 を特徴とする位置検出システム。
  2. 【請求項２】前記電極の前記周期的オフセットが、近似
    的にシェブロンパターンを形成するように配置されてい
    ることを特徴とする請求項１記載の位置検出システム。
  3. 【請求項３】移動が検出されるべき第１の方向に相互に
    間隔をおいて配列され、滑らかな表面を形成するよう配
    置された複数個の導体素子と、 表面に反復パターンが形成された被検出体の参照表面を
    前記導体素子に対向させてその参照表面と導体素子との
    間で前記反復パターンに応じた反復静電容量パターンを
    前記第１の方向について確立する手段と、 を有する位置検出システムにおいて、 前記導体は電気的に相互接続された複数の群からなり、
    その各群の導体素子が他の群の導体素子を交互に挟み込
    むように配列されており、 各々の群の導体素子に流れる電流を独立にモニターしな
    がら、同一振幅及び同一位相を有する電圧信号で駆動す
    る手段を有し、 その駆動する手段が、 前記導体素子の前記第１の方向の移動量と前記参照表面
    上からの高さの双方を、それぞれ、前記各群の導体素子
    に流れる電流の差及び和信号に応じて表示する手段と、 当該和信号を所定の値に保持するように、前記電圧信号
    の大きさを制御する手段と、 を有することを特徴とする位置検出システム。
  4. 【請求項４】前記第１の方向に間隔をおいて配列された
    導体素子が、前記確立する手段の周期に関連した、位置
    検出の補間を行うのに適切な比にある周期を有すること
    を特徴とする請求項３記載の位置検出システム。
  5. 【請求項５】一つの回転軸の周りの移動が検出されるべ
    き第１の方向に相互に間隔をおいて配列され、滑らかな
    表面を形成するよう配置された複数個の導体素子と、 表面に反復パターンが形成された被検出体の参照表面を
    前記導体素子に対向させてその参照表面と導体素子との
    間で前記反復パターンに応じた反復静電容量パターンを
    前記第１の方向について確立する手段と、 を有する位置検出システムにおいて、 前記参照表面は前記回転軸の周りに同心状に形成されて
    おり、 前記複数の導体素子のうちの第１群の複数の導体素子は
    前記参照表面と同心の表面に沿って配置されており、 前記第１群の導体素子とは別の第２群の複数の導体素子
    が、前記回転軸と平行な第２の方向に相互に間隔をおい
    て配列されており、 少なくとも前記第２群の導体素子が、前記参照表面に対
    して軸方向に自由に動くことが可能な円筒上に配置され
    ていること、 を特徴とする位置検出システム。
  6. 【請求項６】一つの回転軸の周りの移動が検出されるべ
    き第１の方向に相互に間隔をおいて配列され、滑らかな
    表面を形成するよう配置された複数個の導体素子と、 表面に反復パターンが形成された被検出体の参照表面を
    前記導体素子に対向させてその参照表面と導体素子との
    間で前記反復パターンに応じた反復静電容量パターンを
    前記第１の方向について確立する手段と、 を有する位置検出システムにおいて、 前記参照表面は前記回転軸に直交しており、 前記複数個の導体素子のうちの第１群の複数の導体素子
    は、前記参照表面と平行な表面に沿って配置されてお
    り、 前記導体素子が先頭を切り取られた扇形をしており、 前記導体は電気的に相互接続された複数の群からなり、
    その各群の導体素子が他の群の導体素子を交互に挟み込
    むように配置されており、 各々の群の導体素子に流れる電流を独立にモニターしな
    がら、同一振幅及び同一位相を有する電圧信号で駆動す
    る手段を有し、 その駆動する手段が、 前記導体素子の前記第１の方向の移動量と前記参照表面
    上からの高さの双方を、それぞれ、前記各群の導体素子
    に流れる電流の差及び和信号に応じて表示する手段と、 当該和信号を所定の値に保持するように、前記電圧信号
    の大きさを制御する手段と、 を有することを特徴とする位置検出システム。
  7. 【請求項７】移動が検出されるべき第１の方向に相互に
    間隔をおいて配列され、滑らかな表面を形成するよう配
    置された複数個の導体素子と、 これらの導体素子に対向させてその導体素子との間の相
    対的位置関係を固定された第１の導体材を含む参照表面
    と、 を具備する位置検出装置において、 被検出体は第２の導体材からなり、 この第２の導体材は、反復パターンが穿孔された板状の
    ものであって、前記導体素子と参照表面の間にはさまれ
    た空間内を前記第１の方向の移動可能であり、 前記第２の導体材の反復パターンに応じて、前記導体素
    子と参照表面との間で生ずる反復静電容量パターンを確
    立する手段を有し、 前記導体素子間で群としてポテンシャル差を保持する手
    段を有し、 前記穿孔された第２の導体材と前記参照表面の第１の導
    体材とが、不要な静電容量的効果を最小にするように選
    択されていること、 を特徴とする位置検出システム。
  8. 【請求項８】移動が検出されるべき第１の方向に相互に
    間隔をおいて配列され、滑らかな表面を形成するよう配
    置された複数個の導体素子と、 これらの導体素子に対向させてその導体素子との間の相
    対的位置関係を固定された導体材を含む参照表面と、 を具備する位置検出装置において、 被検出体は誘電体材を含み、 この誘電体材は、反復パターンが穿孔された板状のもの
    であって、前記導体素子と参照表面の間にはさまれた空
    間内を前記第１の方向に移動可能であり、 前記誘電体材の反復パターンに応じて、前記導体素子と
    参照表面との間で生ずる反復静電容量パターンを確立す
    る手段を有し、 前記導体素子間で群としてポテンシャル差を保持する手
    段を有し、 前記穿孔された誘電体材と前記参照表面の導体材とが、
    不要な静電容量的効果を最小にするように選択されてい
    ること、 を特徴とする位置検出システム。
  9. 【請求項９】移動が検出されるべき第１の方向に相互に
    間隔をおいて配列され、滑らかな表面を形成するよう配
    置された複数個の導体素子と、 表面に反復パターンが形成された被検出体の参照表面を
    前記導体素子に対向させてその参照表面と導体素子との
    間で前記反復パターンに応じた反復静電容量パターンを
    前記第１の方向について確立する手段と、 を有する位置検出システムにおいて、 前記導体素子の少なくとも１つに電圧信号を印加してそ
    の結果流れる電流をモニターする手段と、 前記導体素子の、前記参照表面との距離の参照間隔から
    の偏移を表わすためにピーク電流の参照値との差を与え
    る手段と、 前記電圧信号を修正し、前記偏移を表わすために、前記
    ピーク電流の参照値との差を積分する手段と、 を更に有することを特徴とする位置検出システム。
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