JPH05215506A

JPH05215506A - 容量性位置センサ

Info

Publication number: JPH05215506A
Application number: JP4273916A
Authority: JP
Inventors: Hans Ulrich Meyer; ウルリッヒメイヤーハンス
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-10-15
Filing date: 1992-10-13
Publication date: 1993-08-24
Also published as: EP0538184B1; DE69201477T2; DE69201477D1; US5394096A; EP0538184A1; CN1071504A; CN1030588C; US5304937A; CH685214A5

Abstract

(57)【要約】【目的】精度が高く、製造が簡単であり、コストが低
い容量性位置センサを提供し、このセンサは、受信電極
のピックアップした信号の変動を評価することによりス
ケールとカーソルの間の相対変位を正確に測定する。【構成】容量性位置センサは、スケール（１０）とカ
ーソル（２０）によって構成され、上記のスケール（１
０）は中空または隆起したトポグラフ部を有し、上記の
カーソル（２０）は、少なくとも２つの送信電極（２１
ａ、２１ｂ）とシールド電極（２１ｇ）によって分離さ
れた少なくとも１つの受信電極（２１ｃ）を有する。カ
ーソル（２０）の送信電極と受信電極の間の結合容量
（Ｃａｃ、Ｃｂｃ）はカーソルに対するスケールのトポ
グラフ部（１１）の位置（ｘ）の関数として変更され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、所定の距離だけ相互に
間隔を設けて配設され、少なくとも１つの測定経路に沿
って相互に対して相対的に移動することのできるカーソ
ルとスケールによって構成された容量性位置センサに関
し、上記のカーソルは、少なくとも２つの送信電極、少
なくとも１つの受信電極、上記の送信電極に加える電気
信号を発生する手段、及び上記の受信電極の受け取った
信号を評価する第２手段によって構成され、上記のカー
ソルと上記のスケールの相対位置を決定する。

【０００２】

【従来の技術】このような容量性位置センサの幾くつか
の実施例が知られている。主として２次元の位置決めシ
ステムとして用いられまたディジタイザと呼ぶこれらの
センサの幾くつかは、コンピュータの周辺装置として使
用され、盤に埋め込まれ電気信号によって刺激を受ける
ワイヤのマトリックスをスケールとして必要とし、上記
の信号はカーソル内の受信電極によってピックアップさ
れ、このカーソルは、米国特許番号第３，３４２，９３
５号に開示するように、スタイラスまたは指示装置であ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このようなディジタイ
ザは、主としてワイヤのマトリックスが複雑であるた
め、コストが非常に高く、マウスのようなより簡単な指
示装置で十分な用途では、競争力がない。ジョー・キャ
リパ、マイクロメータ、ダイアル・インジケータ、ロー
タリ・エンコーダのような直線または角度の測定器具と
して主として使用するこのような容量性位置センサの他
の実施例は、周囲から電気的に完全に絶縁され、送信電
極と受信電極を有するカーソルと対向する直線アレイの
浮動電極を有するスケールを使用する。この種の容量性
位置センサは、米国特許番号第３，９６１，３１８号に
開示されている。これらの浮動電極によって、スケール
に対して電気的な接続を行う必要がなくなるが、これに
は尚欠陥が存在する。導電性の電極の下に絶縁基板を必
要とするので、このスケールは均質でない可能性があ
る。隣接する浮動電極間の結合、並びに湿気によってス
ケールの表面に誘起される導電性により、性能が低下す
る。更に、これらの浮動電極は２つの明らかに独立した
機能、即ち、送信電極に対して結合する機能と受信した
信号を受信電極に対して再送信する機能を提供する必要
があるので、これらの浮動電極は測定経路を横切って延
びる。これらの２つの機能を実行するために必要な測定
経路を横切る上記の浮動電極の延長によって、この実施
例を２次元に延長することが妨げられる。

【０００４】本発明の目的は、これらの欠点を回避する
ことである。この目的のため、スケールは少なくとも１
つの中空または隆起したトポグラフ部によって構成さ
れ、信号を検出して評価する上記の第２手段はカーソル
の送信電極からカーソルの受信電極に結合され、上記の
スケールのトポグラフ部は、カーソルとスケールが少な
くとも１つの測定経路に沿って相互に対して相対的に移
動される場合、上記のカーソルの電極間の結合容量を変
更することによって上記の結合された信号に対して影響
を及ぼすように構成されている。

【０００５】本発明によって、精度が高く、製造が容易
であり、コストの低いセンサを提供することが可能にな
る。本発明によって、２次元の測定のために簡単に延長
することができる。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、このス
ケールを少なくとも１つの測定経路に沿って配列した幾
くつかの隆起したまたは中空のトポグラフ素子によって
構成して周期的なテスクチュアを形成し、カーソルは、
上記の経路に沿って延びる少なくとも１列の電極と空間
的に周期を有するパターンに従う少なくとも２つの電気
信号の一方に上記の電極を切り換える手段によって構成
される。

【０００７】これによって、正確でコストの低いスケー
ルをどのような寸法で製造することも可能になる。ま
た、本発明によれば、スケールを少なくとも１つの測定
経路に沿って周期的にテスクチュアを示す少なくとも１
行のトポグラフ素子によって構成し、カーソルを上記の
経路に沿って配列された１行の電極と切り換え手段によ
って構成することも可能であり、この場合、上記の切り
換え手段は、上記のテスクチュアまたはこのテスクチュ
アの倍数に等しい周期の信号分布を得るため、上記の行
の各電極を上記の少なくとも２つの電気信号の１つ、ま
たは増幅器の入力の１つ、またはアース電位に切り換え
る。上記の切り換え手段によって、上記の信号の分布は
上記の電極の行の電極に沿って変位することができる。

【０００８】この構成によって、非常に幅の狭いスケー
ルが可能になり、従って、このスケールはスペースが極
めて制限されている用途に適する。カーソルもまた非常
に小さく作ることができる。更に、本発明によれば、カ
ーソルを１つの測定経路に沿って整合された同じ２行の
送信電極、上記の送信電極の各行に対して並列に配設し
た受信電極、及び切り換え手段によって構成することも
可能であり、この場合、上記の切り換え手段は、上記の
各行に対して、等しいが極性の異なったＡＣ信号の分布
を発生するように構成される。上記の信号分布は、上記
の切り換え手段によって測定経路に沿って変位される。
受信電極は差動増幅器の入力に接続する。

【０００９】このような容量性のセンサは、簡単な切り
換え手段を示し、上記の受信電極のシールドを容易に
し、上記の第２手段はこれらの受信電極の信号の望まし
くない結合を検出してこれを評価する。この結果、測定
信号と、カーソル電極及び関連する回路の望ましくない
結合との間の比率がはるかに改善される。更に、本発明
によれば、スケールを２次元のテキスチャを得ることの
できる隆起したまたは中空のトポグラフ部によって構成
することも可能であり、この場合、２次元のテスクチュ
アは２つの直交する測定経路に沿って周期を有してい
る。

【００１０】このようなスケールは、製造が容易であ
り、２次元にわたって正確な位置の検出が可能である。
本発明の幾くつかの実施例の他の利点を、添付図を参照
して請求項と以下の説明によって例としてのみ説明す
る。

【００１１】

【実施例】本発明による代表的なセンサの概略を図１に
示す。このセンサは、テスクチュアを形成する中空のト
ポグラフ部を有するスケール１０と電極２１を有するカ
ーソル２０によって構成する。このスケールとカーソル
の間の間隙Ｈは、これらが相互に相対的に移動するの
で、一定に保持される。明確にするため、座標ｘｙｚを
示す。ｘ軸とｙ軸はスケール１０のトポグラフ部１１に
よって形成されたテスクチュアと部分的に接触する平面
を形成し、ｚ軸はスケール１０と直交している。図１に
示すスケール１０のトポグラフ部１１は、ｘ軸に沿って
周期的に配列されている。同様に、多数の電極２１もま
たカーソル２０上でこの軸に沿って周期的に配列されて
いる。従って、トポグラフ部１１は、ｘ軸に沿ったカー
ソル２０の位置Ｘの関数として電極２１の間の容量に影
響を及ぼす。勿論、スケール１０とカーソル２０の間の
間隙Ｈ、スケールの材料及びトポグラフ部１１の形状も
またこれらの容量に影響を及ぼす。上記の他のパラメー
タの影響を最小にするためには、適当な電極の形状と測
定方法を選択しなければならない。

【００１２】本発明によれば、このことは、カーソルの
電極２１を２つの結合コンデンサの間の差を測定する１
つまたは複数の差動コンデンサに形成することによって
行われる。図２（Ａ）は、このような構成の断面図（ｘ
ｚ平面）を示し、この構成は、２つの送信電極２１ａ、
２１ｂ、及び１つの受信電極２１ｃによって構成され、
これらの電極は全て長方形であり、図２（Ａ）では分か
らないが、これらの電極はｘｚ平面に対して直角な平面
内に位置する。等しい寸法の送信電極２１ａ、２１ｂ
は、振幅と周波数が同じであるが極性が逆のＡＣ電圧Ｖ
ａ、Ｖｂにそれぞれ接続される。受信電極２１ｃは、両
駆動電極２１ａ、２１ｂから等距離にあり、寸法と形状
が同じであるシールド電極２１ｇによってこれらの駆動
電極から分離され、このシールド電極２１ｇは、アース
または一方の電源のようなシールド電圧Ｖｇに接続さ
れ、望ましくない接続を防止している。スケール１０の
テスクチュアが存在しない場合、送信電極２１ａと受信
電極２１ｃの間の結合容量Ｃａｃ及び送信電極２１ｂと
受信電極２１ｃの間の結合容量Ｃｂｃは等しく、受信電
極２１ｃに接続された信号は、大きさは等しいが極性が
逆であるので、相互に打ち消し合い、その結果得られる
信号はゼロである。もしスケール１０のトポグラフ部１
１、即ち、図２（Ａ）の凹部が受信電極２１ｃと正確に
面していれば、送信電極と受信電極の間の結合容量Ｃａ
ｃとＣｂｃはいずれも、上記のトポグラフ部１１によっ
て等しく影響を受けるため、等しいままである。このこ
とは、スケール１０とカーソル１１の間のいずれの間隙
Ｈについても該当する。もしトポグラフ部１１が受信電
極２１ｃと正確に対面せず、ｘ軸に沿って短い距離Ｘだ
けオフセットしていれば、結合容量ＣａｃとＣｂｃは均
衡が破れ、差動容量（Ｃａｃ−Ｃｂｃ）に比例した振幅
を有するＡＣ信号が受信電極２１ｃに現れる。図２
（Ｂ）は、カーソルの変位量Ｘの関数としての上記の差
動容量を示す。実線の曲線は導電体のスケール１０に対
応し、点線の曲線は誘電体材料によって形成されたスケ
ール１０に対応する。もし、例えば、カーソル２０が右
側に若干オフセットされれば（Ｘ＞０）、導電体のスケ
ールの存在によって送信電極２１ｂが更にシールドさ
れ、その結果、正の差動容量（Ｃａｃ−Ｃｂｃ）が発生
し、一方、誘電体のスケールによって送信電極２１ｂと
受信電極２１ｃの間の結合が増加し、その結果、同じカ
ーソルのオフセット量（Ｘ＞０）に対して負の差動容量
（Ｃａｃ−Ｃｂｃ）が発生する。もしトポグラフ部１１
が、図２（Ａ）に示すような中空ではないが隆起してい
れば、差動容量は上で見るのとは逆の符号になる。いず
れの場合でも、上で説明したセンサはｘ軸沿った変位に
対しては非常に高感度であるが、ｙ軸とｚ軸に沿った変
位に対しては非常に感度が低く、このことは、差動容量
（Ｃａｃ−Ｃｂｃ）がゼロである均衡位置（Ｘ＝０）か
らの少量のシフトに対して少なくとも該当する。

【００１３】送信電極２１ａ、２２ｂの間の結合と、受
信電極２１ｃのスケール１０とカーソル２０の間の間隙
に対する結合は、シールド電極２１ｇによって制限され
る。もし上記のカーソル２０が、印刷回路板またはセラ
ミック基板のような誘電体であれば、その誘電体を介す
る結合を回避するため、別のシールド電極を上記のカー
ソルの背面に取り付けなければならない。もしこのカー
ソルが集積回路チップであれば、これらの電極は薄い酸
化物層によって絶縁されるだけであり、従って、もし必
要であれば、基板に不純物を添加し、シールド電極とし
て動作するように十分これを導通させることができる。

【００１４】図２（Ａ）に示す電極構成の実用的な用途
は、少量の変位の測定またはインクリメンタル・スケー
ル上の絶対基準マークのようなある所定の位置の検出に
限定される。その周期性のため、インクリメンタル・ス
ケールでは、１つの周期内のみで絶対的な測定が可能に
なる。停電、過剰な変位速度またはノイズにより、周期
の整数に等しい位置の表示エラーが発生する可能性があ
る。基準マークを使用すると、正しい周期を示すことに
より、およその位置の決定が可能になり、従って、位置
のエラーを回避するか少なくとも位置のエラーを検出す
ることができる。絶対基準マークは、限定された間隔内
では「真」の信号を与え、それ例外では「偽」信号を与
えなければならない。

【００１５】送信電極２１ａ、２２ｂの間の結合と、受
信電極２１ｃのスケール１０とカーソル２０の間の間隙
に対する結合は、シールド電極２１ｇによって制限され
る。もし上記のカーソル２０が、印刷回路板またはセラ
ミック基板のような誘電体であれば、その誘電体を介す
る結合を回避するため、別のシールド電極を上記のカー
ソルの背面に取り付けなければならない。もしこのカー
ソルが集積回路チップであれば、これらの電極は薄い酸
化物層によって絶縁されるだけであり、従って、基板に
不純物を添加し、もし必要であればシールド電極として
動作するように十分これを導通させることができる。

【００１６】図３は、基準マークとして使用するのに適
したこのようなセンサの断面図を示す。スケール３１０
のトポグラフ部３１１とカーソル３２０の電極は、相互
に面する場合、対象軸（ｚ）を有する。電極３２１ｂ、
ｇ、ｃ、ｇ、ａはカーソルの表面上に同軸のリングを形
成し、受信電極３２１ｃはＡＣ信号Ｖａ、Ｖｂに接続さ
れた送信電極３２１ａ、３２１ｂの間に位置し、シール
ド電位Ｖｇに接続されたシールド電極３２１ｇによって
これらの電極から分離されている。基準マークとして使
用するトポグラフ部３１１はまた円形であり、図３
（Ａ）では中空であって、スケールは導電体であると仮
定する。カーソルが中空のトポグラフ部と面している場
合、差動容量は正であり、もしそうでない場合には、こ
の差動容量は負である。図３（Ｂ）は、上記のトポグラ
フ部３１１とカーソル３２０の間のｘｙ平面内のオフセ
ット量ｒの関数としての差動容量（Ｃａｃ−Ｃｂｃ）を
示す。ｒの値が大きい場合に差動容量がゼロに戻ること
によって発生する曖昧な読みのリスクを回避するため、
電極３２１ｂの面積を増加させてもよいし、これを電極
３２１ｃに近接させてもよい。このセンサは２次元で使
用することができる。可能性のある用途は、そのトポグ
ラフ部がｘ軸とｙ軸に沿って周期的に設けられるスケー
ルとこれもまたｘ軸とｙ軸に沿って周期的に配列された
複数組の同軸の電極３２１ｂ、ｇ、ｃ、ｇ、ａを有する
カーソルによって構成され、この場合、これらのスケー
ルとカーソルの周期は若干異なり、従って一種の２次元
の「副尺」が提供され、この副尺は各組の電極３２１
ｂ、ｇ、ｃ、ｇ、ａによって測定した「真」と「偽」の
状態のマッピングからカーソルの位置（Ｘ、Ｙ）を見つ
けることができる。最後に、もし図３（Ａ）のセンサを
１つの軸に沿った絶対基準として使用するなら、直方形
の電極形状がより望ましいが、測定原理は同じである。

【００１７】上で説明した実施例は、例えば、アースの
ループ、静電気または周囲の電気的ノイズの発生源によ
るスケールとカーソルの間の電位差によって影響を受け
る可能性があるが、これは、例え送信電極から供給され
る信号が既知の波形と周波数を有していても、選択的に
濾波することが可能である。図４に示しここで説明する
ような電極の形状を有するカーソルは、受信電極４２１
ｃに沿って、基準電極または差動電極として機能する第
２受信電極４２１ｄが存在することにより、基本的に少
なくとも１桁の大きさだけこのような摂動の影響を削減
することができる。受信電極４２１ｃと４２１ｄは、そ
れぞれ差動増幅器４２２の入力４２２ｃと４２２ｄに接
続される。送信電極４２１ａ、４２１ｄは受信電極４２
１ｃに沿って配設され、第２受信電極４２１ｄは更に離
れている。駆動電極４２１ａ、４２１ｂは、シールド電
極４２１ｇによって受信電極４２１ｃ、４２１ｄから分
離される。送信電極４２１ａ、４２１ｂは、振幅と周波
数は同じであるが極性が逆のＡＣ信号Ｖａ、Ｖｂにそれ
ぞれ接続され、もし上記の電極に面しているスケール１
０のトポグラフ部４１１が非ゼロの差動容量（Ｃａｃ−
Ｃｂｃ）乃至（Ｃａｄ−Ｃｂｄ）を発生するなら、非ゼ
ロのＡＣ信号が電極４２１ｃ乃至４２１ｄによってピッ
クアップされる。電極４２１ｃによってピックアップし
た信号は、送信電極４２１ａ、４２１ｂから更に離れた
位置にある電極４２１ｄによってピックアップした信号
よりも強力である。接地面上に位置する２つの平行で長
い電極の間の容量はおよそこれらの電極の間隔の２乗で
減少するが、他の接地面、ここではスケールが存在する
と、減衰はより強力になり、間隔による容量の減少は指
数関数的になる傾向がある。従って、これらの電極のピ
ックアップした信号の間に強力な振幅の差を保持しなが
ら、両受信電極４２１ｃと４２１ｄの間に非常に狭い間
隔を有することが可能になる。差動信号は１対の受信電
極４２１ｃ、４２１ｄによってピックアップされ、差動
増幅器４２２によって増幅されるので、このようなレイ
アウトは、送信電極４２１ａ、４２１ｂからの信号に対
して感度がよく、一方受信電極４２１ｃ、４２１ｄから
スケールへの容量は部分的に等しいので、スケール４１
０と４２０の間の電位差による信号に対しては感度が低
くなり、その結果、この電位差によるこれらの信号は相
互に有効に打ち消し合う。

【００１８】これは導電体スケールがカーソルから絶縁
されている場合に、発生するものであるが、もしスケー
ル４１０とカーソル４２０の間の電位差がこのカーソル
の送信電極によって発生されるなら、このスケールと各
受信電極の間の容量のわずかな不均衡の結果発生する差
動信号は、直接接続された信号と同じであり、従って選
択的に濾波することができないので、無視することがで
きない。カーソル２０がいずれの位置にあろうと、送信
電極４２１ａ、４２１ｂからスケールに接続された信号
の合計が理想的にはゼロのままであるように、送信電極
を構成しなければならない。このことは、それぞれＶａ
とＶｂに接続された補足送信電極４２１ａ’と４２１
ｂ’及びＶｇに接続された補足シールド電極４２１ｇ’
によって達成され、これらの電極の概略は図４の点線で
示す。ｘ軸に沿った電極４２１ａ’と４２１ｂ’の順序
は電極４２１ａ、４２１ｂの逆であるが、後者の電極は
受信電極４２１ｃにより近く前者の電極は受信電極４２
１ｄにより近い。従って、もし送信電極４２１ａからの
結合を増加させ、送信電極４２１ｂからの接続を減少さ
せるようにトポグラフ部４１１が移動すれば、Ｖａの極
性を有するＡＣ信号が主として受信電極４２１ｃに現れ
る。同じ位置にある場合、上記のトポグラフ部４１１は
また電極４２１ａ’からの結合を減少させ電極４２１
ｂ’からの結合を増加させるので、Ｖａと逆の極性を有
するＡＣ信号が主として受信電極４２１ｄに現れる。受
信電極４２１ｃ、４２１ｄはいずれも差動増幅器４２２
に接続されているので、これらの信号は相互に補強さ
れ、このことは有利である。図４のスケールとカーソル
は対象面を有し、対象位置にある送信電極が逆の極性の
信号に接続されているので、送信電極４２１ａ、４２１
ｂ、４２１ａ’、４２１ｂ’からスケールに接続される
信号の合計はゼロのままである。

【００１９】上述したセンサは全てＸ＝０の近傍での
み、即ちスケールのトポグラフ部４１１がカーソルの電
極４２１に面している場合のみ十分な直線性を有する限
定された測定範囲を有している。この範囲を拡張する１
つの可能性及び／または図３に示すセンサの適用を可能
にするものとして上で述べてきた解像度を改善する１つ
の可能性は、複数の電極形状を、例えば、図２（Ａ）、
３（Ａ）、４に示すように、カーソル上に周期的に配列
し、複数のトポグラフ部４１１を周期的にスケール上に
配列し、「副尺」効果を得るため、これらの両方の配列
が若干異なったピッチを有していることである。例え
ば、ｘ軸に沿って測定を行うセンサは、そのテスクチュ
アの周期、即ち、上記のテスクチュアを形成する同じト
ポグラフ部４１１の間の距離が１ｍｍであるスケールを
有し、カーソルはｘ軸に沿って１．１ｍｍの周期のある
１０組の電極を有する。もしＸ＝０であれば、第１組の
電極はスケールのトポグラフ部４１１に面し、他の９組
の電極はこれらの電極に最も近いスケールのトポグラフ
部４１１からオフセットされている。Ｘ＝０．１ｍｍの
場合、第２組の電極はスケールのトポグラフ部を正確に
横切り、Ｘ＝０．２ｍｍの場合、第３組の電極がスケー
ルのトポグラフ部を正確に横切る等などである。この
「副尺」効果を使用することにより、測定範囲はより大
きくなるが、より大きなカーソルの表面が必要になり、
これは、特に精密な位置の解像度を希望する場合には、
必要になる。更に、スケールのトポグラフ部に十分接近
し、従って十分な感度を有している数組の電極のみが、
位置の評価に貢献する。

【００２０】測定範囲と解像度の制限を解消するよりよ
り優れた方法は、本発明によるセンサを有することであ
り、このセンサのカーソル５２０は、同じ電極５２１の
アレイと切り換え手段によって構成され、これによっ
て、受信電極もまた上記のアレイの一部である場合、Ｖ
ａ、Ｖｂ、Ｖｇ、即ち、増幅器の入力に接続した同じ導
電体に結合した電極５２１のグループを構成することが
可能になる。適当な切り換え手段により、アレイ電極５
２１を、例えば、送信電極として構成することが可能で
あり、これらの送信電極は、一方の側に１つの電極を追
加し他方の側の電極を１つ取り除くことにより、測定軸
に沿って変位させることができる。もし上記のアレイ電
極のピッチが解像度に対応すれば、これらの切り換え手
段は米国特許番号第３，８５７，０９２号に開示する種
類のものであり、電極アレイの電気的構成が切り替わ
り、浮動スケール電極、即ち、この場合には、トポグラ
フ部に「追従」する。他の方法は、上記のアレイ電極の
電気的構成を絶えずシフトし、スケールを「走査」する
ことであり、この場合、位置は、ゼロクロスまたは位相
シフト法、例えば、米国特許番号第４，４３７，０５５
号の請求項６と７に開示するように、受信電極の復調信
号のゼロクロスを使用することによって、評価する。も
し上記の電極のピッチよりもより正確な解像度を必要と
する場合、米国特許番号第４，８４１，２２５号に開示
するように、電気的構成のシフトは、いずれの時点でも
アレイの一部にわたってのみ行われる。

【００２１】図５は、これらの範囲と解像度の制限を解
決する本発明によるセンサの原理を示す。スケール５１
０はｘ軸に沿って周期的なテスクチュアを有し、上記の
テスクチュアを形成するトポグラフ部５１１の間の周期
はＴｘである。カーソル５２０は、電極間にＴｅのピッ
チを有する同じ電極５２１のアレイによって構成され
る。スケールのピッチＴｘ当たり８個の電極が存在する
ので、Ｔｅ＝Ｔｘ／８である。切り換え手段５２５によ
り、全てのアレイ電極５２１を以下の線の１つに接続す
ることができる。線５２５ａはＡＣ信号Ｖａに接続し、
線５２５ｂは振幅と周波数がＶａと同じであるが極性が
逆のＡＣ信号Ｖｂに接続し、線５２５ｇはシールド電位
Ｖｇに接続し、線５２５ｃと５２５ｄは差動増幅器５２
２の入力に接続する。図５は、上記の切り換え手段５２
５によってアレイ電極５２１に与えられる信号の分布を
示す。左側から最初の８個の電極を取り上げると、２つ
の電極５２１ａは線５２５ａに接続され、従って、Ｖａ
に接続され、１つの電極５２１ｇは線５２１ｇに接続さ
れ、従って、Ｖｇに接続され、２つの電極５２１ｃは線
５２５ｃに接続され、従って差動増幅器５２２の一方の
入力に接続され、１つの電極５２１ｇは線５２５ｇ接続
され、従ってＶｇに接続され、２つの電極５２１ｂは線
５２５ｂに接続され、従ってＶｂに接続される。スケー
ル５１０の１つのトポグラフ部５１１は、これらの８個
の電極の内の幾くつかと面している。１つのスケールの
テスクチュアのピッチＴｘ上では、電極の構成は、図２
（Ａ）と添付のテキストで説明したように、基本的に同
じである。図５は信号ＶａとＶｂに接続した２つの電極
グループ５２１ａと５２１ｂを示し、図２はＶａとＶｂ
に接続した２つの電極２１ａと２１ｂを示す。これら２
つの電極のグループ、それぞれの電極はグループ５２１
ｃ、それぞれの電極２１ｃの両側に位置し、受信電極と
して結合されて増幅器に接続される。電極グループ５２
０ａ、ｂ、ｃ、それぞれの電極２１ａ、ｂ、ｃはＶｇに
接続した電極５２１ｇによって分離され、それぞれのシ
ールド電極２１ｇはＶｇ及び（または）導電体基板に接
続される。便宜上、結合容量は、電極グループに対する
定義を拡張することにより、図５と図２（Ａ）で同様に
定義する。例えば、Ｃａｃは、５２５ａｃは、線５２５
ａ、従ってＶａに接続した電極５２１のグループと増幅
器の入力に接続した線５２５ｃに接続された電極５２１
のグループとの間の容量を定義する。

【００２２】同じ信号の分布が次の８個の電極、即ち次
のスケールのトポグラフ部５１１にわたって反復され
る。このことはここでは、図５に示すように、１６番目
の電極５２１毎に、即ち、２周期のＴｘにわたってのみ
この信号の分布が反復されることではない。事実、Ｖｂ
がＶａと取り替えられ、またはその逆になることによっ
てＡＣ電圧の電極が反転することと、受信電極として接
続された電極５２１が差動増幅器５２２の他方の入力に
接続されることによって、次のスケールのトポグラフ部
にわたる信号の分布は先行する信号の分布とは異なる。
このような信号分布の場合、導電体のスケールが中空の
トポグラフ部５１１を有すると仮定すれば、Ｃａｃは差
動増幅器５２２の一方の入力に接続された受信電極グル
ープ５２１ｃによってピックアップされた一番左側のト
ポグラフ部５１１を横切るＣｂｃよりも大きいので、カ
ーソルが右に小量変位する結果、Ｖａの極性を有する信
号を発生し、またＣａｃは差動増幅器５２２の他方の入
力に接続された電極グループ５２１ｄによってピックア
ップされた次のトポグラフ部を横切るＣｂｃよりも小さ
いので、Ｖｂの極性を有する信号を発生する。

【００２３】従って、カーソル５２０が小量変位する結
果、差動増幅器５２２の入力に差動ＡＣ信号が発生し、
一方、スケールとカーソルの間の電位差は、増幅器の両
方の入力に等しく影響を与え、実際上この差動信号には
貢献しない。間隔２Ｔｘにわたって送信電極並びに受信
電極は完全に差動的な構成を有しているので、このセン
サは基本的に図４を参照して述べたセンサと同じ利点を
有している、即ち、このセンサはスケールとカーソルの
間の電圧差に対して感度を有さず、ネットの信号は送信
電極によってこのスケールに接続されない。

【００２４】電極５２１のアレイ上の信号分布はスイッ
チ手段５２５によって左または右に移動させることが可
能であり、その結果、サーボ・ループと同様に、増幅器
５２２の出力信号をエラー信号として使用することによ
り、スケール５１０のトポグラフ部５１１を「追跡」す
ることができる。または、この信号分布は電極５２１の
アレイを「走査」し、増幅器５２２の出力信号の包絡線
のゼロクロス点を使用してスケール５１０に対するカー
ソル５２０の位置を見つけてもよい。

【００２５】電極５２１のアレイの受信機能を統合する
と、即ち、これらの電極の幾くつかを線５２５ｃと５２
５ｄ及び切り換え手段５２５を介して差動増幅器５２２
の入力に接続すると、ＡＣ信号、特にＶａとＶｂをこれ
らの線５２５ｃと５２５ｄに接続するという望ましくな
い状態を全て回避するため、差動増幅器５２２の設計に
対して制約が加えられる。「オフ」状態即ち非導通状態
でコンデンサを介するソースからドレインへの供給をこ
こで無視することはできないので、上記の切り換え手段
は、例えば、シングル電荷効果トランジスタのような単
純なスイッチを有することはできない。従って、アレイ
電極５２１は、直列に接続したこれらの２つのスイッチ
を介して線５２５ａ、ｂ、ｃ、ｄと接続しなければなら
ず、第３スイッチは「オン」すると、上記の２つのスイ
ッチが「オフ」の状態であれば、これらのスイッチの間
の導電体をアースし、その結果、ＶａまたはＶｂに接続
した電極からこれらの「オフ」状態のスイッチを介して
線５２５ｃ、５２５ｄに容量結合された信号を阻止す
る。図６は、本発明によるセンサを示し、このセンサ
は、前のセンサと同じ利点を有しているが、単純なスイ
ッチ手段しか必要とせず、受信電極のシールドとこれら
の受信電極の相互接続がより容易である。カーソル６２
０をスケール６１０上の斜視図で示し、このスケール６
１０は、ｘ軸に沿って配列され、周期Ｔｘのテスクチュ
アを形成するトポグラフ部６１１を有する。カーソル６
２０は、ｘ軸に沿って並べられた２つのアレイの送信電
極６６２１とこれらのアレイの間に位置し、かつこれも
またｘ軸に沿って並べられた２つの長い受信電極６２１
ｃ、６２１ｄによって構成される。シールド電極６２１
ｇは両方の受信電極６２１Ｃ、６２１ｄを取り囲んでい
る。受信電極６２１ｃ、６２１ｄのｘ軸に沿った長さ
は、周期Ｔｘの整数であり、送信電極のアレイは１ビッ
ト長く、受信電極の範囲にわたって基本的に変化しない
結合容量を保持している。実際には、結合容量は距離と
共に急速に減少するので、各端部でＴｘ／２だけ重なっ
ている送信電極のアレイで通常十分である。送信電極６
２１のアレイを受信電極６２１ｃ，６２１ｄよりも１ビ
ット短くすることもまた可能である。この場合、周期Ｔ
ｘの丸められた数にわたって延びなければならないのは
送信電極６２１のアレイである。図６では明確に示すた
め、アレイ電極６２１はＴｘ／８に等しいピッチＴｅ、
即ち、１ピッチＴｘにわたって８個の電極を有してい
る。実用上、Ｔｘはミリメートルのオーダであり、アレ
イ電極のピッチは、複雑な補完手段を必要とすることな
く十分な解像度を得るため、できるだけ細かくなってい
る。集積回路の場合、Ｔｅは以下で説明するような１ミ
クロンの解像度を達成するため、数ミクロン乃至数十ミ
クロンである。距離が結合容量に対して強い影響を及ぼ
すため、ピッチＴｅを小さくし、電極の形状を正確に
し、かつ電極の表面を高度に平坦にする必要性は、電子
回路をカーソル６２０上に集積する可能性と相まって、
集積回路のカーソルを極めて興味あるものにしている。

【００２６】図６は、上述したセンサと共に使用するこ
とのできる電子回路のブロック図をまた示す。明確化の
ため、このブロック図は、カーソル６２０の外側に描か
れているが、上述したように、この電子回路は上記のカ
ーソル上で具現化することもできるし、上記のカーソル
から離れて具現化することもできる。いずれの場合で
も、望ましくない結合を避けるため予防措置を取らなけ
ればならない。即ち、受信電極６２１ｃと６２１ｄはこ
こでは残りの電極から明らかに分離されているので、取
るべき予防措置は周知のものであり、例えば、差動増幅
器６２２をできるだけ受信電極に接近させることであ
る。この回路は下記のように動作する。受信電極６２１
ｃと６２１ｄによってピックアップされた差動ＡＣ信号
は、差動増幅器６２２の入力６２０ｃと６２０ｄに供給
される。この差動増幅器６２２の出力６２２ｐ、６２２
ｑは比較器６２３の入力６２３ｃ、６２３ｄに接続さ
れ、この比較器６２３は差動ＡＣ信号をデジタル信号に
変換する。比較器の出力６２３ｑは排他的ＯＲゲート６
２４の入力６２４ａに接続され、この排他的ＯＲゲート
６２４の他方の入力には変調信号ＶＭが供給され、この
変調信号Ｖｍはまた送信電極６２１の信号ＶａとＶｂを
変調するために使用される。その結果、ゲート６２４の
出力６２４ｑの信号は、受信電極６２１ｃと６２１ｄに
よってピックアップされた差動信号の信号ＶａまたはＶ
ｂに対する極性を表す。換言すれば、上記の排他的ＯＲ
ゲート６２４は、上記の信号から変調成分を除去するの
で、復調器である。ＡＣ信号Ｖｍは発振器６２６の発生
するクロック信号Ｖｃｋから取り出され、周波数分周器
６２７を通過する。上記のクロック信号Ｖｃｋはまた２
進アップ／ダウン・カウンタ６２８のカウント入力６２
８ｃに接続され、従って、このアップ／ダウ・ンカウン
タ６２８は、上記のカウンタ６２８のアップ／ダウン入
力６２８ｄに接続されたゲート６２４の出力６２４ｑの
信号の状態に従って、常にカウント・アップとカウント
・ダウンを行う。カウンタ６２８のそれぞれのウエイト
１、２、４の出力６２８ｑ、６２８ｒ、６２８ｓは復号
器６２９の入力６２９ｑ、６２９ｒ、６２９ｓにそれぞ
れ接続され、この復号器６２９は、その出力６２９ａ乃
至６２９ｆに３ビットの２進入力コードの関数として以
下の周期的なコードを発生する。復号器の入力復号器の出力ｓｒｑａｂｃｄｅｆｇｈ０００００００１１１１００１１００００１１１０１０１１００００１１０１１１１１００００１１００１１１１００００１０１０１１１１０００１１０００１１１１００１１１０００１１１１０上記の表のゼロと１は論理状態、例えば、負の供給電位
と正の供給電位を表す。もしカウンタ６２８がカウント
・アップすれば、出力パターンは図示のように右にシフ
トし、もしカウント・ダウンすれば、これは左にシフト
する。復号器の出力６２９ａ乃至６２９ｈは８個の排他
的ＯＲゲートによって構成される変調器６３０に供給さ
れ、これらの排他的ＯＲゲートの一方の入力は上記の復
号器６２９の出力６２９ａ乃至６２９ｈの１つに接続さ
れ、他方の入力は変調信号Ｖｍに接続される。変調器６
３０の出力は両方のアレイの電極にバスによって接続さ
れる。図６の接続線が示すように、図６の上側の第１ア
レイの電極は、６３０ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、
ｈ、ａ、ｂ、ｃ、等の順序で変調器６３０の出力に接続
され、一方図６の下側の第２アレイの電極は６３０ｅ、
ｆ、ｇ、ｈ、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、等の順序で接続
され、その結果、これらの電極は変調器６３０を介して
復号器６２９の出力に４つの間隔で接続されるので、同
じＸ座標を有する各アレイの対応する電極は、極性が逆
のＡＣ信号を有し、従って、真理値表から分かるよう
に、常に相補関係にある。

【００２７】３つの出力６２８ｑ、ｒ、ｓがゼロであ
り、Ｖａ、即ちアレイ電極６２１の変調信号Ｖｍと同じ
極性を有するＡＣ信号を任意に呼び出すと共にＶｍと逆
の極性のＶｂを呼び出すと仮定すれば、間隔Ｔｘにわた
る送信電極６２１のＡＣ信号の順序は、第１アレイの場
合、Ｖａ、Ｖａ、Ｖａ、Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｂ、Ｖｂ、Ｖ
ｂ、Ｖｂになり、第２アレイの場合、Ｖｂ、Ｖｂ、Ｖ
ｂ、Ｖｂ、Ｖａ、Ｖａ、Ｖａ、Ｖａになる。両方の順序
は、実際上逆の極性になっている。更に明確に説明すれ
ば、Ｖｂに接続されたアレイ電極６２１は陰影を付けて
示してある。スケールのトポグラフ部６１１の１つの信
号パターンは、図４に示す点線で概略を表した電極を有
する場合と同じであることが分かる。ここで再び、図６
の電極グループは、図４の単独の電極と同じ役割をはた
している。図６でＶａに接続した４個の第１アレイ電極
６２１のグループは電極４２１ｂに対応し、Ｖａに接続
した４個の第２アレイ電極６２１のグループは電極４２
１ａ’に対応し、Ｖｂに接続した４個の第２アレイ電極
のグループは電極４２１ｂ’に対応する。受信電極及び
シールド電極は同じである。従って、このセンサは、図
４に示すセンサと基本的に同じ利点を有している、即
ち、スケールとカーソルの間の電位差に対しては感度が
なく、カーソル６２０からスケール６１０に対して合計
ゼロの信号がスケールに接続されるが、測定範囲は無限
であり、解像度は改良されている。

【００２８】もしカーソル６２０がスケール６１０に沿
ってわずかに移動すれば、差動ＡＣ信号が受信電極６２
１ｃ、６２１ｄの間に表れ、このことは、最も近い送信
電極６２１のアレイによって相互に優先的に接続された
信号は逆の極性を有することを示す。この差動信号は差
動増幅器６２２によって増幅され、比較器６２３によっ
てデジタル信号（２つの論理水準を有する）に変換さ
れ、排他的ＯＲゲート６２４でＡＣ信号Ｖｍに対して復
調され、最終的にカウンタ６２８のカウントの方向がア
ップであるかダウンであるか判断するが、このカウンタ
６２８は、従ってこの位置を表すある平均的な値の周囲
で振動する。

【００２９】所望の解像度は通常アレイ電極６２１のピ
ッチＴｅよりも高いので、連続したカウンタ値を使用し
てある種の平均化または濾波を行わなければならず、こ
れは別の電子回路またはこの目的のためにプログラムさ
れたマイクロコンピュータによって行われる。平均化の
ステップは、例えば、Ｎ個の連続したカウンタ６２９の
値の合計を取り上げ、この合計をＮで除する。第１段の
低域フイルタはＮで除した現在のカウンタの値をその時
点の合計値に絶えず加えながら他方で上記の合計値の１
／Ｎをこの合計から差し引く。このようなアルゴリズム
は周知のものであり、ハードウェアまたはソフトウェア
で容易に実行することが可能である。しかし、ピッチＴ
ｅにわたる非直線性を避けるため、温度ノイズから発生
するような少なくともＴｅ／２の標準偏差を有するある
主種の位置の不確実性が役に立つが、これはまた人工的
に導入することが可能である。しかし、他の手段、例え
ば、全てのアレイ電極の分布を直ちにシフトする代わり
に、米国特許第４，８４１，２２５号に開示されている
ように、いずれかの時点でアレイ電極の一部のみをシフ
トすることによってより精密な解像度を得ることもでき
る。

【００３０】１つの半導体チップ上に電子回路と電極を
集積することにより、本発明によるセンサに対して上で
述べたような多くの利点を得られるが、このような場
合、受信電極と基板の間の絶縁層が非常に薄いことによ
って、容量が結合容量Ｃａｃ、Ｃｂｃ、Ｃａｄ、Ｃｂｄ
よりもはるかに大きくなるため、ピックアップされた電
圧がマイクロボルトの水準にまで低下する。従って、差
動増幅器の入力段の設計とレイアウトが重要である。即
ち、この入力段は上記の受信電極に対してできるだけ接
近して位置すると共に残りの電子部品から絶縁及び（ま
たは）シールドされなければならない。電解効果トラン
ジスタのゲートを受信電極として使用するかまたはこの
ゲートを全てなしで済ますことも考えられ、この場合に
は、上記のトランジスタのチャンネルが受信電極として
動作するが、この場合にはチャンネルと基板の間の容量
が大きくなりすぎる。電極を熱い酸化物の上に設け、少
なくともトランジスタのゲートから部分的に分離するよ
り古典的なレイアウトがより優れていると考えられる。
２つの入力段の回路がここでは関心事であるが、これ
は、これらの両方の回路が基板の容量に対する上記の電
極の影響を除去する傾向があるからである。

【００３１】第１回路はチャージ増幅器であり、これ
は、例えば、Ｅ．Ｏ．Ｄｏｅｂｅｌｉｎ（Ｅ．Ｏ．ドー
ベリン）による「測定システム：応用と設計」（”Ｍｅ
ａｓｕｒｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍｓ：Ａｐｐｌｉｃ
ａｔｉｏｎｓａｎｄＤｅｓｉｇｎ”）、ライブラリ
・オブ・コングレス（ＬｉｂｒａｒｙｏｆＣｏｎｇ
ｒｅｓｓ）、Ｎｏ．６６‐８４７５、頁６２３‐６２５
で説明されている。オペアンプの出力から反転入力に至
る負の帰還経路にコンデンサを使用することにより、入
力、即ちここでは受信電極は事実上ゼロに保持され、従
って基板に対する容量性損失電流を回避することができ
る。基板に対する容量はそれ自体をその入力容量に加え
るので、この目的のためには、増幅器は高いオープン‐
ループの利得と帯域幅を必要とする。チャージ増幅器の
利点は、差動形状内に含まれている受信電極のシールド
が容易なことにあり、この場合両方の受信電極は同じ金
属上または拡散シールド上にあってもよい。

【００３２】第２回路はソース・フォロアとして使用さ
れる電解効果トランジスタであり、ゲートは入力であ
り、ソースは出力である。電圧利得はほとんど１であ
り、入力インピーダンスは非常に高く、出力インピーダ
ンスは十分低い。基板に対する上記の容量の影響を打ち
消すには、電極の下に位置する十分に拡散を行った層ま
たは金属層がフォロアの出力に接続されなければなら
ず、このフォロアは従って出力信号の振幅を増加させ
る。また、ここではこのブート・ストラップ効果のた
め、高い帯域幅が必要である。

【００３３】本発明による幾くつかの可能なカーソル７
２０の実施例を図７、８、９、に示し、ここでスケール
７１０の相対位置は破線で示す。図７は、集積回路によ
って構成されるカーソル７２０ａを示す。概略的に示す
電極７２１ａは回路の右側を占め、スケール７１０ａと
面する。ボンディング・パッド７３１ａは左側に位置す
る。ボンディング・ワイヤ７３２ａによって、これらの
パッドはカーソル支持台７３３ａの接続線７３４ａに接
続される。カーソルの表面の残りの部分には電子回路が
含まれる。このような実施例は、ボンディング・ワイヤ
７３２ａ及び図示しないこれらのボンディング・ワイヤ
の保護用コーティングと干渉しない幅の狭いスケール７
１０ａに適する。図８はまた集積回路によって構成され
るカーソル７２０ｂをまた示し、このカーソル７２０ｂ
は、「自動テープ・ボンディング」によって支持台７３
６ｂの導電体７３７ｂに２つの側で接続された「バン
プ」７３５ｂを有する。概略を図示する電極７２１ｂ
は、カーソル７２０ｂの中央に沿って延び、残りの表面
には電子回路が含まれている。もしカーソル７１０ｂと
スケール７２０ｂの間に約０．１ｍｍの間隙Ｈが実現可
能であれば、スケール７２０ｂは接続部と導電体７３７
ｂ全体に延びることが可能であり、その幅は制限されな
い。

【００３４】このようなカーソルを保護するため、これ
らのカーソルはその形状に応じてコーティングされるか
またはパッケージに封入されるが、これらのパッケージ
は十分薄いためスケールとカーソルの表面の間の間隙Ｈ
が大きくなり過ぎるのを回避することができる。特に、
スケールに対して露出しているカーソルの部分でより優
れた保護を必要とするなら、薄い誘電体の板をカーソル
とスケールの間に配設するか、またはカーソルの電極を
薄い誘電体のプレート自体のスケールから離れた側に位
置させることが可能であり、いずれの場合も接続はこの
板を介して行う。図９は、カーソル７２０ｃの電極７２
１ｃの面がスケール７１０のテスクチュアの面に対して
直交しているため、保護の容易な実施例を示す。この実
施例は、電極とテスクチュアの間に十分狭い間隙を保持
するため、電極アレイ７２１ｃをスケールに面するカー
ソルの端部にできるだけ接近させることによって、可能
になる。図５に示すような電極構成は、この実施例に十
分適するものであるが、その理由は、全てのアレイ電極
を端部に非常に接近して位置させることが可能であるか
らである。従って、カーソル７２０ｃは、その端部がス
ケール７１０ｃに対して接近しているだけで十分保護す
ることができる。

【００３５】本発明によるセンサの注目すべき利点は、
これに適合するスケールが多様であることとその構造が
簡単であることである。図１０乃至１４は、上で説明し
た種類のカーソルと互換性のある本発明による幾くつか
の直線スケール及び曲線スケールの実施例を示す。図１
０は直線スケール８１０を示し、この直線スケール８１
０は、第１トラックに沿って周期的に整合されたトポグ
ラフ部８１１と第１トラックと平行な第２トラックに沿
って整合された少数のトポグラフ部８１１ｒを有する。
トポグラフ部８１１のテスクチュアにより、例えば、図
５と６を参照して説明したインクリメントによる測定が
可能になる。第２トラックのトポグラフ部８１１ｒは基
準マークとして使用する。従って、カーソル８２０は、
上記の第１トラックに沿ってインクリメントによる測定
を行うための図５または図６に示し、図１０に概略を示
した種類の電極構成８２１と、基準マークとして使用す
るトポグラフ部８１１ｒを読み取るための１つ以上の電
極構成８２１ｒによって構成され、上記の構成は、図
２、３または４に示す種類のものである。スケール１０
は滑らかな表面を得るために誘電体８１２よって更にコ
ーティングされ、従って、中空のトポグラフ部８１１と
８１１ｒにゴミやその他の汚染物質が堆積するのを防止
する。上記の誘電体はこれらの中空のトポグラフ部に充
填されるかまたはこれらのトポグラフ部を覆うものであ
り、例えば、硬質の誘電体が薄い板状に形成される。変
形例は、上記のスケールのトポグラフ部８１１をカーソ
ル８２０から離れた側にある誘電体８１２内に有し、従
って、上記の誘電体のカバー８１２はこの場合には滑ら
かな基板の上部でスケールになる。最後に、ジョー・キ
ャリパまたは、はがねのスケールに見られるような同じ
メモリを有するスケールを本発明によるセンサのスケー
ルとして直接使用することが可能であるが、これはテス
クチュアが既にエッチングされているからである。

【００３６】図１１は、ラックを機械加工した円筒状の
プランジャを示し、これはリニア・スケール８１０ｂと
して使用する。このような部品はダイヤル・インジケー
タに見られるものであり、この場合これらの部品は円筒
状のベアリングによって案内される。平坦なカーソル８
２０ｂの場合、測定軸を横切るテスクチュアの曲面によ
る測定結果に対する影響を回避するためには、４ｍｍの
プランジャの直径に対して１ｍｍのオーダの狭い電極の
構成８２１ｂを有するのが好ましい。図１２は、円周ス
ケール８１０ｃとして使用するピニオン（ギヤホイー
ル）を示し、この場合、歯がトポグラフ部８１１ｃにな
っている。このような方法によって、非常に単純なロー
タリ・エンコーダを製作することができる。この方法に
よって、非常に簡単なロータリ・エンコーダを作ること
ができる。ここでは再びカーソル８２０ｃは平坦であ
り、スケール８１０ｃはこの場合には測定経路に沿って
湾曲している。ピニオンの直径は電極構成の長さよりも
はるかに大きくするのが好ましい。図１３はロータリ・
スケール８１０ｄを示し、これは、プレスまたはエッチ
ングによってその中に形成された開口部を有する平坦な
ディスクによって構成され、この開口部がテスクチュア
を形成するトポグラフ部８１１ｄになっている。もしカ
ーソル電極が湾曲していなければ、非直線性を回避する
ため、開口部８１１ｄによって形成されたリングの直径
は電極構成の長さよりもはるかに大きくなければならな
い。図１４は変換及び（または）回転運動用のスケール
として使用するマイクロメータ・スクリュを示し、この
場合そのねじ８１１ｅがテスクチュアを形成する。この
ようなねじは極めて正確であり、これらのねじがまた調
節手段として機能する測定器具にしばしば内蔵される。
精度を向上させるため、円周上反対の位置にある２つの
カーソル８２０ｅを使用することができる。

【００３７】本発明によるセンサは２次元を測定するた
めに容易に構成することが可能である。適当なカーソル
を上で説明した。対応するスケールのテスクチュアの周
期と若干異なるｘ軸とｙ軸に沿った周期を有する図２ま
たは図３に示すような２次元の電極のアレイの組を使用
し、「副尺」効果を利用することによってＸとＹの寸法
を決定する。他の可能性は、切り換え手段よって行と列
を形成する電極のアレイによって構成される。Ｙを求め
るには、電極を行で接続し（行はｘ軸に沿うものと仮定
する）ながら図５に示すような電気の分布をｙ軸を横切
って形成し、Ｘを求めるには、電極を列として接続しな
がら上記の分布をｘ軸に沿って適用する。従って、カー
ソルはＸとＹを交互に測定する。

【００３８】より実用的で経済的な解決法は、同じスケ
ールに対して同じカーソル上に２つ以上の直線のセンサ
を使用することによって簡単に得ることができる。この
場合、少なくとも１つのセンサはｘ軸に沿うものであ
り、１つのセンサはｙ軸に沿うものである。もしこれら
のセンサが図５または６を参照して説明した種類のもの
であれば、スケールを介してセンサからセンサへの結合
を行うことはできない。このスケールは、勿論一方の座
標の他方の座標に対する影響を最小にするようなテスク
チュアを有していなければならない。極端な場合は、電
極の形状が非常に狭い場合である。もしテスクチュアが
孔の格子によって形成されれば、センサは２つの孔の行
の間に十分存在し、何も検出しない。この極端な場合
は、座標間の影響を回避するには、いずれのパラメータ
を最適にするかを示す。先ず、電極構成の有効幅はテス
クチュアの周期にほぼ等しいかまたはこれの倍数でなけ
ればならない。「デッド」領域を回避するには、トポグ
ラフ部は小さすぎてはならず、また孤立し過ぎてはなら
ずまた、同じ理由によって、間隙Ｈが小さ過ぎてはいけ
ない。Ｈの最適値は導電体のスケールの場合にはテスク
チュアの周期の０．１乃至０．３倍であり、誘電体のス
ケールの場合にはこれよりも若干大きい。最後に、ｘ軸
とｙ軸に対して別のセンサを有する上記の解決法の利点
は、カーソルとスケールの間の角度的な不整合に対する
許容誤差がより大きいことであり、このことは、必ずし
もパッドと整合していない「マウス」の場合に特に重要
である。

【００３９】図１５と１６は２次元のスケールの２つの
例を示す。図１５によって示す最初の例は、２組の直交
する周期的に間隔を設けた金属板または誘電体板をスケ
ール９１０ａとして示す。２つのセンサ９２０ａは共通
支持台９３８ａ上にある。図１６に示す第２例はスケー
ル９１０ｂによって構成され、スケール９１０ｂは２つ
のセンサ９２０ｂによって構成される「マウス」を有す
る「マウス・パッド」として使用される誘電体のシート
によって構成される。このシートは「マウス」の移動を
容易にするため平滑な上部表面を有するが、その底面側
には中空のトポグラフ部９１１ｂによって形成されたテ
スクチュアを有し、これはこの誘電体のシートを介して
センサ９２０ｂによって読み取られる。

【００４０】他のこのようなスケールはプロッタ上の紙
を駆動するホイールのギザギザの刻み目を付けたテスク
チュアを有する紙によって製作することができる。これ
らのテスクチュアはまた２次元のテスクチュアを有して
いる。この場合、及び上述した他の場合には、例えば、
異なった用途に同じカーソルを使用するため、電気信号
の分布の周期をスケールのテスクチュアの周期と一致さ
せることに注目すべきである。１つの可能性は、テスク
チュアの空間的な調和に対するカーソルの感度によって
既に与えられている。もし、例えば、測定経路に沿った
テスクチュアのプロフィルが正方形である、例えば、溝
が平坦な表面にあれば、カーソルはそれ自身の周期に対
して最も近い調和点で「ロックする」することができ
る。従って、その周期がカーソルの電気的構成の周期の
３倍であるスケールを有することが可能である。また
は、幾くつかの周期の選択をするように切り換え手段を
具現化することもできる。もし必要なら、正確な周期を
自動的に検出することができる。１つの可能性は、アレ
イ電極を電極によって走査し、検出した信号のゼロクロ
ス点によって周期を検出することである。

【００４１】勿論、上で説明した実施例は限定的な性格
を有するものではなく、本発明を保持しながら望ましい
変更を行うことが可能である。特に、本発明は、３次元
のセンサ、またはピッチ当たり非常に多数の電極を有す
るかまた中空のトポグラフ部と隆起したトポグラフ部の
両方を有するテスクチュアの付いたセンサに対して容易
に適用することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す。

【図２】本発明の第１実施例を示し、図２（Ａ）はその
断面図、図２（Ｂ）はカーソルとスケールの間の変位量
Ｘの関数としての第１実施例の差動容量を示す。

【図３】本発明の環状の第２実施例を示し、図３（Ａ）
はその断面図、図３（Ｂ）はカーソルとスケールの間の
変位量の関数としての第１実施例の差動容量を示す。

【図４】第３実施例のカーソルの電極形状をスケールの
トポグラフ部と重ね合わせて示す。

【図５】本発明の第４実施例の斜視図である。

【図６】本発明の第５実施例の斜視図である。

【図７】カーソルとして動作する集積回路の斜視図であ
る。

【図８】カーソルとして動作しその相互接続によってキ
ャリアに保持した集積回路の断面図である。

【図９】電極面がテスクチュアを保持するスケール面と
直交したカーソルの斜視図である。

【図１０】テスクチュアを誘電体のコーティングで充填
したリニア・スケールを示す。

【図１１】円筒形のラックによって形成したリニア・ス
ケールを示す。

【図１２】ピニオンによって形成した円周スケールを示
す。

【図１３】薄板をプレスまたはエッチングした円周スケ
ールを示す。

【図１４】マイクロメータのねじによって形成した直線
及び（または）円周スケールの側部断面図である。

【図１５】テスクチュアを直交する溝のアレイによって
形成した２次元のスケールを示す。

【図１６】カーソルから離れた面にテスクチュアを有す
る誘電体のシートによって形成した２次元のスケールを
示す。

【符号の説明】

１０スケール１１トポグラフ部２０カーソル２１電極２１ａ、２１ｂ送信電極２１ｃ受信電極２１ｇシールド電極ｘ測定軸６２９第１手段６２３、６２４第２手段Ｃａｃ、Ｃｂｃ結合容量Ｖａ、Ｖｂ電気信号

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の距離（Ｈ）だけ相互に間隔を設け
て配設され、少なくとも１つの測定経路（ｘ）に沿って
相互に対して相対的に変位することのできるカーソル
（２０）とスケール（１０）によって構成された容量性
位置センサであって、上記のカーソルは、少なくとも２
つの送信電極（２１ａ、２１ｂ）、少なくとも１つの受
信電極（２１ｃ）、上記の送信電極に加える電気信号を
発生する手段（６２９）、及び上記の受信電極のピック
アップした信号を評価する第２手段（６２３、６２４）
によって構成され、上記のカーソル（２０）と上記のス
ケール（１０）の相対位置を決定する上記の容量性位置
センサに於いて：上記のスケール（１０）は少なくとも
１つの中空または隆起したトポグラフ部（１１）によっ
て構成され；上記の第２手段は、カーソル上で上記の送
信電極（２１ａ、２１ｂ）から上記の受信電極（２１
ｃ）に接続される信号を処理し；上記のスケールのトポ
グラフ部（１１）は、上記のカーソル（２０）と上記の
スケール（１０）が上記の測定経路（ｘ）に沿って相互
に対して相対的に変位する場合、上記の電極間の結合容
量（Ｃａｃ、Ｃｂｃ）を変更することによって、上記の
カーソルに接続された上記の信号に影響を及ぼすように
構成される；ことを特徴とする容量性位置センサ。
【請求項２】上記のスケール（１０）は、少なくとも
１つの測定経路（ｘ）に沿って配列された複数の中空ま
たは隆起したトポグラフ部（１１）によって構成されて
周期的にテスクチュアを形成し、上記のカーソルは上記
の測定経路（ｘ）に沿って延びる少なくとも１つの電極
アレイ及び上記の電極を周期的に分布している少なくと
も２つの電気信号（Ｖａ、Ｖｂ）に接続する切り換え手
段によって構成されることを特徴とする請求項１記載の
容量性センサ。
【請求項３】少なくとも２つの送信電極（２１ａ、２１
ｂ）に加えた電気信号（Ｖａ、Ｖｂ）は振幅と周波数は
同じであるが極性が逆のＡＣ信号（Ｖａ、Ｖｂ）であ
り、上記の送信電極は上記の受信電極（２１ｃ）と感度
的に共面であることを特徴とする請求項１または２記載
の容量性センサ。
【請求項４】上記のスケール（５１０）は、少なくと
も１つの測定経路（ｘ）に沿って周期（Ｔｘ）を有する
周期的なテスクチュアを形成するトポグラフ部（５１
１）のアレイによって構成され、上記のカーソル（５２
０）は、上記の経路に沿って延びる少なくとも１行の電
極（５２１）、上記の行の各電極をＡＣ信号（Ｖａ、Ｖ
ｂ）の１つ、増幅器（５２２）の入力の１つ、または周
期が上記の周期的なテスクチュアの周期（Ｔｘ）または
この周期の倍数に対応する所定の信号分布に従うシール
ド電位に接続する切り換え手段（５２５）によって構成
され、上記の切り換え手段（５２５）によって、上記の
分布が上記の電極の行（５２１）に沿って変位すること
ができることを特徴とする請求項３記載の容量性セン
サ。
【請求項５】少なくとも１つの信号のシーケンスを有
する信号の分布を可能にする上記の切り換え手段（５２
５）は、第１ＡＣ信号（Ｖａ）に接続された少なくとも
１つの電極（５２１ａ）、シールド電位（Ｖｇ）に接続
された少なくとも１つの電極（５２１ｇ）、差動増幅器
（５２２）の第１入力（５２５ｃ）に接続された少なく
とも１つの電極（５２１ｃ）、上記のシールド電位（Ｖ
ｇ）に接続された少なくとも１つの電極（５２１ｇ）、
第２Ａｃ信号に接続された少なくとも１つの電極（５２
１ｂ）、上記のシールド電位（Ｖｇ）に接続された少な
くとも１つの電極（５２１ｇ）、第２差動増幅器（５２
２）の入力に接続された少なくとも１つの電極（５２１
ｄ）、及び上記のシールド電位に接続された少なくとも
１つの電極（５２１ｇ）によって構成され、上記の信号
のシーケンスの周期はスケールの２つの周期に相当する
ことを特徴とする請求項４記載の容量性センサ。
【請求項６】上記のカーソル（４２０）は、差動増幅
器（４２２）の両方の入力に接続された少なくとも１対
の同一で共面の受信電極（４２１ｃ、４２１ｄ）によっ
て構成され、上記の少なくとも２つの送信電極（４２１
ａ、４２１ｂ）は上記の受信電極の１つ（４２１ｃ）の
近傍に位置することを特徴とする請求項１記載の容量性
センサ。
【請求項７】各グループの送信電極（４２１ａ、４２
１ｂ）が上記の受信電極の１つ（４２１ｃ）の近傍に位
置する場合、上記のカーソル（４２０）は、上記の他方
の受信電極（４２１ｄ）の近傍に位置する他のグループ
の同一の送信電極（４２１ａ’、４２１ｂ’）によって
構成され、上記の受信電極（４２１ｃ、４２１ｄ）の両
側の対応する送信電極（４２１ａ、４２１ｂ’、４２１
ｂ、４２１ａ’）は振幅と周波数は同じであるが極性が
逆のＡＣ信号に接続され、上記のスケール（４１０）の
トポグラフ部（４１１）は変位することによって送信電
極と受信電極の間の結合容量を変更し、上記の差動増幅
器（４２２）の両方の入力の間で差動信号を得るような
形状に形成されることを特徴とする請求項６記載の容量
性センサ。
【請求項８】上記のカーソル（６２０）は、同一の２
行の送信電極（６２１）によって構成され、上記の同一
の２行の送信電極（６２１）は測定経路（ｘ）と上記の
行の各々に沿って延びる受信電極（６２１ｃ、６２１
ｄ）に沿って整合され、各行の上記の送信電極（６２
１）は上記の切り換え手段（６２９）によって同一であ
るが極性が逆のＡＣ信号の分布を与えられ、上記の切り
換え手段（６２９）によって上記の行に沿った上記の分
布の変位が可能になり、各受信電極（６２１ｃ、６２１
ｄ）は差動増幅器（６２２）の１つの入力（６２２ｃ、
６２２ｄ）に接続されることを特徴とする請求項３及び
７記載の容量性センサ。
【請求項９】上記の差動増幅器（６２２）はデジタル
信号の増幅した信号を変換する比較器（６２３）に接続
され、上記のデジタル信号自体は復調器（６２４）内で
復調され、上記の復調器（６２４）の出力信号によっ
て、アップ／ダウン・カウンタ（６２８）のカウントの
方向を制御し、上記のアップ／ダウン・カウンタ（６２
８）の出力信号よって、復号器（６２９）と変調器（６
３０）を介して、上記の送信電極（６２１）の両方の行
に沿って上記のＡＣ信号の分布が発生されることを特徴
とする請求項８記載の容量性センサ。
【請求項１０】上記のスケール（３１０）は、少なく
とも１つの環状の隆起したまたは中空のトポグラフ部
（３１１）によって構成され、上記のカーソル（３２
０）は、少なくとも１組の同軸の電極を有し、上記の同
軸の電極は、それぞれが２つのＡＣ信号（Ｖａ、Ｖｂ）
の一方または他方に接続された送信電極（３２１ａ、３
２１ｂ）の間に位置する少なくとも１つの環状の受信電
極（３２１ｃ）によって構成されることを特徴とする請
求項１記載の容量性センサ。
【請求項１１】上記のスケール（１０）は、第１測定
経路に沿って所定のピッチで周期的に配列されたトポグ
ラフ部（１１）によって構成され、上記のカーソル（２
０）は、同じ経路に沿って周期的に配列されているが、
「副尺」効果を得るために若干異なったピッチを有する
複数組の電極によって構成されることを特徴とする請求
項１、６、７、または１０記載の容量性センサ。
【請求項１２】上記のカーソル（１０）のトポグラフ
部（１１）は、第２測定経路に沿って所定のピッチで周
期的にまた配列され、カーソル（２０）の複数組の電極
も若干異なったピッチで上記の第２経路に沿ってまた周
期的に配列され、両方の測定経路に沿って「副尺」効果
を得ることを特徴とする請求項１１記載の容量性セン
サ。
【請求項１３】上記のスケール（９１０ａ）は、２本
の直交した測定経路に沿って周期的に配列された隆起し
たまたは中空のトポグラフ部（９１１ａ）によって構成
されることを特徴とする請求項１乃至９の１つに記載の
センサ。
【請求項１４】上記のカーソルは、行が上記の第１経
路と並列に交互に接続され、列が上記の第２経路と交互
に接続された２次元のアレイ電極によって構成され、上
記の行と、１つおきの列は、上記の第１及び第２手段に
接続されることを特徴とする請求項１３記載のセンサ。
【請求項１５】上記のカーソル（９３８ａ、９３９
ｂ）は、２つの電極構成によって構成され、これによっ
て、直交する両方の測定経路に沿ってカーソルとスケー
ルの間の相対的位置を得ることを特徴とする請求項１３
記載のセンサ。
【請求項１６】上記のスケールは、上記のカーソルに
近接した平滑な上部表面と底面にあるキャビティによっ
て構成される２次元のアレイを有する誘電体のシート
（９１１ｂ）によって構成されることを特徴とする請求
項１３記載のセンサ。
【請求項１７】上記のスケールは、その中にラック
（８１１ｂ）を有する円筒状のプランジャ（８１０
ｂ）、ピニオン（８１４）、中空または隆起したトポグ
ラフ部（８１１ｄ）によって構成される回転ディスク
（８１０ｄ）、またはマイクロメータのねじ（８１１
ｃ）のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至１
１の１つに記載の容量性センサ。
【請求項１８】上記のスケール（８１０）は、上記の
カーソルに円滑な表面を与える材料（８１２）によって
被覆された中空または隆起したトポグラフ部（８１１）
によって構成され、上記の材料は上記のトポグラフ部
（８１１）上に皮膜を形成し、上記の皮膜によって上記
の中空部（８１１）を充填してもよくまたは充填しなく
てもよいことを特徴とする請求項１、２、１０、１１ま
たは１３の１つに記載の容量性センサ。
【請求項１９】上記のカーソル（７２０ａ）は、送信
電極と受信電極によって構成される集積回路であること
を特徴とする請求項１乃至１８の１つに記載のセンサ。
【請求項２０】上記のカーソル（７２０ｃ）の上記の
電極面（７２１ｃ）は、中空または隆起したトポグラフ
部を設けたスケール（７１０ｃ）の面に直交することを
特徴とする請求項１乃至１１の１つに記載のセンサ。
【請求項２１】上記の切り換え手段（５２５、６２
９）は電極アレイ上の信号の分布を移動させ、上記のカ
ーソル（５２０、６２０）に対する上記のスケール（５
１０、６１０）の変位を追跡することができることを特
徴とする請求項４乃至８の１つに記載のセンサ。
【請求項２２】上記の切り換え手段（５２５、６２
９）は上記の電極アレイ上の信号の分布を連続的に変位
させ、一定の速度で走査を行い、上記のカーソル（５２
０、６２０）と上記のスケール（５１０、６１０）の相
対位置は、ゼロクロス法または位相法によって得られる
ことを特徴とする請求項４乃至８の１つに記載のセン
サ。