JPH08136209A - 可動物体の幾何学的位置、変位又は角度を検出する方法および非接触容量基準位置センサ - Google Patents

可動物体の幾何学的位置、変位又は角度を検出する方法および非接触容量基準位置センサ

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JPH08136209A
JPH08136209A JP7143547A JP14354795A JPH08136209A JP H08136209 A JPH08136209 A JP H08136209A JP 7143547 A JP7143547 A JP 7143547A JP 14354795 A JP14354795 A JP 14354795A JP H08136209 A JPH08136209 A JP H08136209A
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coupling
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Franz Gleixner
グライクスナー フランツ
Dieter Baechle
ベシュレ ディーター
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Horst Siedle KG
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 安価なコンポーネントを使用する間、外乱変
数に対し感度が鈍く外乱変数の影響を無視できる非接触
位置センサを提供する。 【構成】 １つの可動物体の幾何学的位置、変位または
角度をそれぞれ測定するため、少なくとも１つの方向に
おいてより大きな幾何学的拡張部を有する分圧素子１３
に交流電圧が印加され、一方電位測定プローブ１５は検
出されるべき変位、角度または位置に従って案内され、
かつその分圧素子１３に対して非接触の関係をもつ距離
だけ離れて維持される。その結果、電位測定プローブ１
５は、容量性結合によりそのプローブにより占められる
相対的位置により交流電圧振幅分布パターンの異なる交
流電圧振幅値を検出し、電位測定プローブ１５は結合電
極上で容量的に作用する電位結合プローブ１７に接続さ
れ、そこから電位測定プローブ１５により検出される交
流電圧振幅値が評価のため送られるよう構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は可動物体の位置、変位ま
たは角度を検出可能とする一般的方法に関し、特に可動
物体の幾何学的位置、変位または角度を検出する方法お
よび非接触容量基準位置センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】可動物体の位置、変位または角度を検出
するため、一般的に公知のポテンシオメータの原理に従
って動作する分圧回路が使用される。この分圧回路は、
変位検出器、可変抵抗器またはポテンシオメータのよう
に構成され、例えば１つの分圧器を備え、その分圧器は
スプレーまたは蒸着により基板上に堆積可能であり、基
板上堆積された分圧器上をワイパーが接触関係を保って
スライドし、それにより、その分圧器の特定位置によ
り、その抵抗経路における異なる電位を直接検出する位
置に置き、その分圧器に結合されるコレクタワイパーを
経由して、検出された電位をその評価に利用できるコレ
クタ経路へ伝える。このようなポテンシオメータは、そ
の特定な実施例では変位検出器またはピックオフ（感知
器）として非常に高レベルの精度をもって使用できる
が、一定接触関係の点で所定条件下で問題がある。後者
はワイパーが急速に移動する場合最終的に疲労となり、
それゆえ上述した測定値の非接触検出を可能とするシス
テムが要望されている。
【０００３】それ故、例えば差動コイル、差動変圧器ま
たは環状の短絡回路巻線を有する誘導回路形式のような
誘導回路として変位検出器を構成することが知られてい
るが、多くの場合測定が不正確であるか、または所定環
境下で直線性がない。
【０００４】他方、電圧非接触検出が、例えば独国特許
DE 28 26 398 C2に記載された容量性位置センサまたは
位置ピックオフ（感知器）を用いて実現され、次に漂遊
容量および漏れ抵抗は、外乱変数として集合して記述さ
れるが、測定値の相当量の誤差をもたらし、通常許容で
きない。独国特許 DE 28 26 398 C2に記載された容量性
位置センサは、一対の間接的に分割され交流電源に接続
され相互に絶縁されたコンデンサプレートを有しこれら
コンデンサプレート間には中間プレートが配置され、感
知されるべき経路の長さにより調整される感知器として
使用される。この中間プレートは接続ケーブルを介して
評価回路の入力に接続され、感知器の移動は接続ケーブ
ル上およびその接続点で動作する絶えず変化する力を誘
導する。このことは、位置の変化とケーブルの変位によ
り、漏れ抵抗を変えるのと同様に容量の変化を同時に引
き起こすため、変位検出器の加速的老化を引き起こすの
みならず付加的影響をもつ。このことは、特定できない
特に補償できない外乱変数となる。
【０００５】他の変位検出器（DE 34 41 217 A1 ）の場
合において、曲がりくねった形状またはジグザク配置で
表される厳重に密閉された抵抗経路は、基板表面上で支
持され、置換可能な感知素子は、抵抗経路から所定距離
離れて配置されかつ平面環形状に設計され、その感知素
子は個々の電位に容量的に結合しないように設けられ、
接続線を経由して電圧計を有する測定回路にその各電位
を供給する。しかしながら、導体経路が直流電流供給電
圧に接続されているので、容量性感知は変位中にのみ可
能であり、それ故そのピックオフ（感知器）の静止位置
はその次に消失する測定値により評価できない。さら
に、外乱変数は消失できない漂遊容量および漏れ抵抗に
より同時に発生される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】最後に、米国特許（US
3 636 449）が、一端がグラウンドに接続され、中間コ
ンデンサを介して指示器に接続され、交流電圧を印加す
ることにより可動ガルバノメータ（検流器）の指示器の
位置を測定することで知られている。感知器の個々の位
置を示すそれぞれ減衰した交流信号が、抵抗経路の１つ
の終端で検出され整流されるように、指示器はその電位
を容量的に抵抗経路に結合する。このように整流される
信号から感知器の位置は測定でき、感知器はこの場合抵
抗経路を横断する所定距離をもってスライドする検流器
の指示器から構成される。
【０００７】本発明の目的は、重要でない安価なコンポ
ーネントを使用する間、外乱変数に対し殆ど敏感でな
く、そして／または外乱変数の影響、例えば漂遊容量お
よび漏れ抵抗の影響が前述の評価回路により実際上０に
減少できるように設けることのできる非接触位置センサ
を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段と作用】本発明は、上記目
的を請求項１そして／又は請求項２により達成するもの
である。本発明は、長時間におよぶ頻繁な作動、振動等
の他の機械的要因により影響されず、正確かつ高精度な
測定を可能とし、他方、本発明の位置センサの基本概念
により、容量を走査するという原理に基づく装置におい
て発生し得る外乱変数であって標遊容量又は他の漏れ抵
抗による外乱変数を問題なく除去することと、そして／
又はこれらの感知を初期から防止することとが、本発明
により達成できる。
【０００９】更に、電圧分布素子に関し、電位測定プロ
ーブの相対位置を平面で検出することにより、−そのプ
ロセスは以下に詳述するが−、各測定点における電圧振
巾の平均値が個々に測定された多数の電位の合計から得
られることは特に有利なことである。電位プローブによ
り各位置で測定されて得られたこの平均値は、最も小さ
い変位に反応し、電位プローブの相対位置に依存して直
線性を有し、その結果一方において、容量を検出する方
法の利点、すなわち特に機械的な磨耗現象のない非接触
関係が維持され、他方において、容量を検出する方法に
おいて直面する形式の標遊変数は、測定出力電圧の相当
量の不良を部分的に引き起こすが、これらは安全に除去
される。何故ならば、基本測定原理は容量における変化
に依存しないからであり、一方における電位測定プロー
ブと他方における電位測定プローブにより測定電圧が検
出される電圧分布素子との間の容量は、その電位プロー
ブの如何なる位置に対しても実質的に不変のままである
からである。
【００１０】上記に関連して、上記コンポーネントは、
以降、電圧分布素子として記すが、測定方向に伸びる静
止対向素子として理解される。本発明による上記電圧分
布素子の実施例において、各測定電位が電位測定プロー
ブ自体の平面構造と機能的に相互作用することからのみ
生じ得るにも関わらず測定方向に沿った、すなわち電位
測定プローブの変位方向における各位置における異なる
電圧振巾分布パターンを走査するための電位測定プロー
ブに対して与えられるように、静止対向素子が設けられ
る。上記実施例は、電圧分布素子が実際上２つ隣接して
構成される場合であり、相互に絶縁された電極プレート
が反対方向に狭くなるか又は広くなり、それぞれが、交
流の供給電圧の極に接続されている。このような電圧分
布素子の設計は、本発明による好適な電圧分布素子の具
体的設計が実際上分圧器の設計であり、例えば通常使用
されるポテンシオメータのような抵抗経路の形式である
にも関わらず、本発明の適用分野内である。
【００１１】本発明による基本原理はさらに電子回路を
基本として評価回路を実現可能とするものであり、外乱
変数を実際上消去又は最小とする効果がある。本発明の
好適実施例によればこれらの２つの素子が一体となるコ
ンポーネントを形成するにも関わらず、第１の容量を基
準とした電位測定プローブにより可動物体の位置を検出
すること、および電位測定プローブから電位結合プロー
ブに可動物体の位置の情報を伝送することが本発明の基
本原理の一部である。なお電位結合プローブは少なくと
も電気的に電位測定プローブに接続されている。電位結
合プローブは、今度は、測定センサが分圧（電圧分布）
素子における各交流電圧の振巾を検出する第１の測定容
量として等価回路図内にそれ自体を示すように、再び容
量に基づいて静止結合電極と相互作用する。上記各交流
電圧の振巾は、各位置により変化し、実際上、電位測定
プローブと分圧素子は、一種のコンデンサを共に形成
し、この時検出された電圧は他の「結合コンデンサ」を
介して増巾器に供給され、この結合コンデンサは電位結
合プローブにより物理的に形成され、すなわち電位測定
プローブおよび電位結合プローブと一体となる結合電極
に物理的に接続され、結合プローブは、測定方向に主と
して伸びる拡張部を有する幾何学的により大きな形状を
示し、かつ測定電位が次に評価に対して検出される素子
を構成する。それゆえ、電位測定プローブおよび電位結
合プローブを含むコンポーネントは例外として、如何な
る接続ケーブル、又は移動する他の機械的、電気的導電
性コンポーネントをなしで行うことができ、その結果、
変化する標遊容量が発生し、接続ケーブルは位置の物理
的変化による機械的ストレスの対象とはならず、かつそ
れらによる容量変化は得られた測定値に影響を及ぼさな
い。
【００１２】好ましい構成によれば、適切な基板は、相
互に絶縁された装置において、分圧（電圧分布）素子
と、幾何学的に並列であるが分圧素子と間隔をもって、
結合電極と、全体として容量変化が生じないように、分
圧（電圧分布）素子と結合電極とを横断して、適切な方
法で機械的に安全に、案内される電位測定プローブと電
位結合プローブとを有する共通コンポーネントと、を有
する。
【００１３】回転式ポテンシオメータと同様に、回転対
称構造とすることができ、又は直線式ポテンシオメータ
のように直線変位を非接触で検出するよう構成すること
もできる。
【００１４】これまで例えば好ましくは一定容量の測定
用コンデンサを形成する第１の容量測定手段は、１つの
静止分圧素子および共通コンポーネントの１つの可動プ
レート（電位測定プローブ）を備え、その共通コンポー
ネントは電位測定プローブと電位結合プローブとを有
し、結合容量手段は、同様に静止部分すなわち結合電極
および可動物体すなわち電位結合プローブを形成するコ
ンポーネントの他の素子からなる。用語「一定容量」は
これに関連して容量が一定であるという意味で使用さ
れ、全測定サイクルは例えば測定と基準段階からなる。
残りに対し、容量変化は測定値の変化に関連なく、当然
可能なまま残る。等価回路図は、測定容量手段と結合容
量手段とがこの場合直列に接続されていることを示し、
可動電位測定プローブは、静止結合電極における交流電
圧振巾の測定値を検出する。
【００１５】２つのプローブが互いに共通コンポーネン
トにより電気的にのみ他と結合される他のものと１つに
接続される配置を選択することができ、共通コンポーネ
ントは電位測定プローブと電位結合プローブの共通構造
を示すが、２つのプローブは、測定値の検出に相対する
同期的変位を確実なものとするように、かつ、全時間直
線的関係を確実にするため存在する電気的接続経路の如
何なる変形又は変化をも除外するように互いに相関して
配置されねばならない。
【００１６】電位測定プローブと電位結合プローブが、
検出するために同期して置かれるように、何時でも互い
に相関するよう配置される間、それらの２つのプローブ
が、電気的にのみ接続される共通な構造を示す共通コン
ポーネントを設けることができ、その結果現存する電気
的接続の変形又は変更は除外され、所定の関係は絶えず
直線性を有する。
【００１７】基板又はキャリア物体の片側に容量測定手
段を反対側に容量結合手段を配置することができ、容量
測定手段と容量結合手段の両方を電位測定プローブと電
位結合プローブからなる共通コンポーネントが結合して
支持され、かつ分圧（電圧分布）素子および結合電極に
対して一定の距離を隔てて置かれるように同心円形状又
は共通点を円とする部分をもって配置することもでき
る。
【００１８】分圧（電圧分布）素子が抵抗経路から複数
の異なる実施例を示すことができることは本発明の他の
利点である。抵抗経路は、前述のように公知のものであ
り、例えば（スプレー、蒸発又は他の方法が適用され
る）プラスチック抵抗層によるポテンシオメータの場合
に形成され、その抵抗経路を横断して、プレートのよう
な平面素子である電位測定プローブは、異なる交流電位
を運ぶ相互に離れた配置で斜めに伸びる電極プレートま
で、一定間隔をもって非接触関係を保って、案内され、
この装置と測定方向における幾何学的拡張は変位の長さ
により、電位測定プローブのプレートがこのように構成
された分圧（電圧分布）素子の異なる表面領域を何時で
も覆うように選択され、ここに又、変位の長さに従って
最も良好な解像度を変える全電位が、平均値として検出
される。
【００１９】これらの２つの問題解決方法の間に変位の
方向において見られる隣接する分離した電極プレートか
らなる分圧（電圧分布）手段がある。この電極プレート
は異なる電位を示し、この目的のため、抵抗梯子ネット
ワークに電位測定プローブカバーの表面と接続され、こ
のような分圧（電圧分布）素子の対向電極プレートを越
える他の大きな領域の各位置により、対応する良好な解
像度で交流電位の振巾信号を積分方法で検出し、その振
巾信号を結合容量手段、すなわちそれに接続された電位
測定プローブに送り、そこから検出電位が結合電極に供
給される。
【００２０】第一実施例によれば、分圧（電圧分布）素
子は例えば抵抗経路又はポテンシオメータ経路が、交流
電圧に接続され、それにより電位測定プローブが絶えず
変化する電圧振巾特性を走査するよう設けられる。
【００２１】ステップ状電圧特性を有する「分圧器」
は、相互に絶縁された実質的に長方形のコンデンサプレ
ートが測定方向における他のものの１つ後方（隣り合わ
せ）に配置され、静止分圧素子と共に形成されるコンデ
ンサプレートの各々が抵抗梯子ネットワークの接続端子
に接続されるような条件を満足するものとしてもよい。
個々の電極により形成される前記分圧（電圧分布）素子
を横断するステップ状電圧特性にも関わらず、電位測定
プローブにより形成される非接触感知器の電圧特性は直
線性を有し、電位測定プローブの幾何学的構成、すなわ
ちプレート形状は各コンデンサプレートの幾何学構成に
採用されねばならない。電位測定プローブの各プレート
形状と分圧器の電極または「コンデンサ」のプレートと
の間の間隔が、測定方向における電位測定プローブの移
動中、好適に一定に保たれるので、ここにまた外乱変数
として動作する容量変化は生じない。
【００２２】２つ又は好ましくは３つの相互に絶縁され
たコンデンサプレート、又は測定方向に対し横方向に伸
び、測定方向に狭く又は広くなり、同一測定方向に示さ
れる隣接する電極は反対にテーパー構造に導かれるより
好適な電極プレートの形式で分圧（電圧分布）手段を構
成することもできる。電極プレートの各々が他の電圧に
接続されているので、例えば中央電極プレートは交流電
圧に接続され、他の２つの隣接する電極プレートは、グ
ラウンドに接続され、他の交流電圧接続部は当然同様に
接続され、電位測定プローブのコンデンサプレートは、
変位の位置と方向により、全交流電圧振幅を運ぶ１枚の
プレートの絶えず増加又は消失する部分およびグラウン
ドに接続される他の又は付加的プレートの対応して消失
又は増加する部分を覆い、その結果、変位方向を変える
交流電圧振幅パターンが電位測定プローブで得られる。
このパターンは分布方向において極めて良好な解像度を
それぞれ示し、電位結合電極を介して静止結合電極へ純
粋に送られる。
【００２３】電位測定プローブのプレート素子に外乱変
数の影響を妨げる特別な形状を与えることも又可能であ
り、本発明の他の実施例によれば、例えば分圧手段は、
例えば測定方向において他のものの１つ後方（隣合わ
せ）に配置され、異なる電位を運ぶ一連の実質的に長方
形の電極プレートであって、測定方向に鋭角で伸びる静
止分圧手段の隣接する電極プレートを付加的に覆う反対
方向に狭く又は広くなるよう導かれる拡張部を有して、
測定方向に見られる反対側に電位測定プローブが設けら
れる間前述した形式の狭く又は広くする他の電極プレー
トから構成することもまたできる。この容量を検出する
構成は、結果的に高感度をもたらし、同時に長方形の電
極プレートの推移におけるフリンジ効果による衝撃を与
えないものとなる。
【００２４】一般的に、電位測定プローブにより検出さ
れる電圧特性は、物理的形状が長方形かつプレート形状
でありならば実質的に直線性を有し、分圧手段の長方形
電極プレートの拡張部に実質的に相当する測定方向にお
ける拡張部を示す。電圧特性の直線性は両側に設けられ
る三角形拡張部によりさらに改善され、この形式の電位
測定プローブは検出される電圧の平均値を絶えず発生
し、測定方向において各々互いに隣接する電極と結合し
た使用のみならず、測定方向に狭く又は広くなる電極プ
レートからなる分圧手段と結合してもまた使用もまた適
合され、更に前記分圧手段の構成の結合はまた例えば隣
接電極の片側に絶縁部を設け、反対側で電極プレートを
狭く又は広くする。
【００２５】特許請求の範囲における従属項に記載した
本発明の他の特徴は、本発明のさらなる開発や改善を可
能とする。
【００２６】
【実施例】以下に添付図面を参照しつつ本発明を詳細に
説明する。図１は安定した位置特性を有する電圧の分圧
手段に基づくリニア型容量基準変位検出器の第一実施例
を示す概略図である。
【００２７】本発明の基本的な考えは、容量を基準とし
た位置センサにおいて、測定方向において変化する交流
電圧分布パターン、電位測定プローブ位置の関数として
の電圧振幅の曲線、を容量性感知により検出する電位測
定部分を設け、少なくとも電気的に好ましくは機械的に
もまたその電位検出プローブに電位結合部分を接続する
ものであり、この手段により測定された電圧振幅値が容
量を基準とする同様に全てを非接触方式で、しかしなが
ら関連する容量性素子の如何なる変更もなしに、評価処
理の対象となる。このことは、線形移動の場合における
変位経路、回転移動の場合における角度、そして／また
は可動物体により何時でも仮定される位置を非常に精度
よく測定することを可能とする。
【００２８】図１に示されるように、位置センサ１０
は、電位測定区域１１と電位結合区域１２とを備え、こ
の電位測定区域は、この実施例の場合には、滑らかな電
圧特性を有する実際の分圧素子１３であり、例えば、好
ましくは、（この場合には直流電流が供給される）ポテ
ンシオメータベースのピックアップで一般的に使用され
るタイプの、又は、回転式ポテンシオメータで一般的に
使用されるタイプの抵抗経路である。
【００２９】分圧素子の抵抗経路の２つの終端接続点１
３ａ、１３ｂが、この場合詳細説明を要しない供給回
路、所望なら、同時に給電／評価回路１４を介して供給
され一定不変で且つ恐らくは制御可能な振幅の交流電圧
が供給され、この実施例の場合には、接続点の一方（例
えば接続点１３ｂ）がグラウンドに接続される。
【００３０】電圧素子の抵抗経路は非接触タイプであ
り、このことは、電位測定プローブ15が、予め決められ
た間隔を空けてこの抵抗経路にあてがわれ、それによっ
て抵抗経路と容量的に相互作用し合い、従って、（測定
方向における）距離ｓ全体に亙って変化する、抵抗経路
の交流電圧電位を検出(tapping) することも可能であ
り、この場合には長方形プレートとして設計された電位
測定プローブ１５が、積分又は平均化の作用を有し、電
位測定プローブの位置から平均値を求める交流電圧振幅
を常に検出する。
【００３１】電圧素子の抵抗経路は非接触式であり、電
位測定プローブ１５は所定間隔をもって抵抗経路へ割り
当てられ、それによりその抵抗経路と容量的に相互作用
し、それ故その抵抗経路を横断して印加される交流電圧
の距離ｓ（測定方向における）に亙って変化する電位を
検出する能力を有する。電位測定プローブ１５はこの場
合長方形のプレートとして設けられ、積分または平均す
る機能を有し、電位測定プローブの位置から平均値とし
て求められる交流電圧振幅を何時でも検出する。
【００３２】電位測定プローブのプレートの高さは、静
止抵抗経路の巾と略等しくあるべきである。電位結合区
域１２の（同様に長方形の）電極表面１６の延長部に並
列に適切なキャリア基板上（または他の側上）に抵抗経
路を配置することは可能である。電位測定区域１１およ
び電位結合区域１２は電気的に互いに絶縁され、如何な
る適切な方法においても有効にでき、より詳細な説明は
ここでは必要とされない。電気的な絶縁は、実際これら
２つの領域１１と１２が絶縁キャリア基板の反対側に配
置されたとき、または同一側に並列に配置されたとき、
すでに確認されており、キャリア基板上のコーティング
は、例えば導電性の銀の層の形式で設けられたとき、２
つの領域間で連続的に干渉される。
【００３３】まさに電位測定区域１１のように、電位結
合区域１２もまた可動プローブ素子、すなわち電位結合
プローブ１７を含み、電位結合プローブ１７は予め決定
された距離において、すなわち非接触方式で、電位測定
プローブと同期して電位結合区域１２の導電性の結合電
極表面１６を連続的に横断して同様に移動する。
【００３４】例として示す実施例において長方形で示さ
れる電位測定プローブおよび電位結合プローブの表面
は、少なくとも電気的に互いに結合され、好ましくはこ
れらのプローブ表面は共通の導電性コンポーネント、例
えば２重の銅板装置を形成し、抵抗経路の表面または結
合電極の表面に相関して横断する実施例に示されない適
切な支持により測定方向に一体となって置かれる。
【００３５】電位測定プローブ１５および電位結合プロ
ーブ１７の各表面は、それぞれ抵抗経路と結合電極表面
１６の各対向表面と共に、測定値が容量変化により影響
されないように、変位経路ｓに亙って殆ど不変な容量を
維持するコンデンサ（測定コンデンサまたは結合コンデ
ンサ）をそれぞれ形成することが判る。
【００３６】電位結合区域１２の結合電極表面１６は、
それ故、共に測定経路を移動する２つの容量部分、すな
わち電位測定プローブ１５および電位結合プローブ１７
を結合し互いに同期してて移動可能とさせるために変位
経路ｓの長さを越えて分圧手段に対し並列に伸び、次い
で適切な方法で機械的に結合して支持される好ましくは
共通な積分コンポーネントを形成する。
【００３７】このように、電位結合プローブ１７は、電
位測定プローブ１５において検出され、それ自身によっ
て運搬される交流電圧増幅測定信号を、容量的に正確に
電位結合区域１２の電極表面１６へ伝送する。これは、
このように検出された電圧振幅信号が給電／評価回路１
４の入力１８に到達する所から１つの結合部１６ａのみ
を要求する。これに関連して、分圧器１３と電位結合区
域１２の結合電極表面１６との間の如何なる電気的結合
も対応する間隔またはスクリーニング（防護）により除
外される。
【００３８】キャリアと同時に絶縁基板は、小さい拡張
係数を有するエポキシまたはセラミックからなる回路基
板であり、グラウンドに設置されている。最後に、温度
センサの信号が同様に給電／評価回路１４へ伝送される
キャリア基板を設けることにより、環境温度に対するこ
のような位置センサの応答を考慮することもまたでき
る。
【００３９】このようなポテンシオメータの機能は、図
２以降に更に示すように、抵抗経路１３に印加される交
流電圧( または対応する交流電圧／周波数の混合）が、
電位測定プローブ１５で線形的に上昇するかまたは下降
する信号として検出され、電位結合プローブ１７へ伝送
され、電位結合プローブ１７から結合電極表面１６へ容
量的に結合され、その結果、容量的に検出された信号
は、不良品または他の外乱の影響もなく給電／評価回路
１４に到達する。この関連において、電極１６は信号を
何等抵抗が無くとも伝送する。これは、電極１６がキャ
リア基板上または適切な寸法と形状を有する導電性銀コ
ーティング上に加えられる例えば適切な銅箔からなり得
ることを意味する。
【００４０】電位測定プローブ１５により検出された電
位は、ある時に（測定経路ｓで）電位測定プローブによ
り占められる位置における素子の電圧の合計から得られ
る。１つの素子の電圧は、静止抵抗経路の初期における
入力電圧により発生され、測定位置ｓと抵抗経路の長さ
との間の差に比例する。他の素子の電圧は、抵抗経路の
終端で（反対位相の）入力電圧により発生され、位置ｓ
に比例する。
【００４１】電位測定プローブのプレートの最小変位で
さえ、変位がφｓにより起こるときに自然に変化する部
分電圧の比率として検出される交流電圧の振幅に合成さ
れる。測定信号を検出することが、静止した結合電極表
面１６への伝送のように、それゆえ、位置センサが如何
なる機械的疲労および全ての外乱変数、例えばできるだ
け小さく折れ曲がった接続線により発生し得る変化し得
る漂遊容量に対しても問題とならないように、非接触方
式で有効とされる。あるいはスライド接触部の接触抵抗
がこの点で既に除外される。
【００４２】上記の説明は図６と図７に基づいて後述す
ることによりさらに正確に例証することができる。
【００４３】交流電流が供給される時に、図６に示され
る通りの「ポテンシオメータ」抵抗経路上で得られる電
位分布は次式によって定義することができる。
【００４４】
【数１】 又は、電界分布として表現する場合に、
【００４５】
【数２】 この場合に、φ1 ＞φ2 ＞φ3 ＞φ4 ＞....であり、こ
れは図６に示されている。
【００４６】電圧が交流電圧であるので、電位が次式に
よって表され、 φ＝φo ・sign [sin(ω・ｔ）］ 前式中で、φo ＝電位の振幅 ω ＝角周波数 2 πν ν ＝周波数 ｔ ＝時間 である。
【００４７】このシステム全体が、図７に更に詳細に示
されるように、複数の小さなコンデンサで構成された１
つのコンデンサと見なすことが可能である。図７は基板
７１上の抵抗経路７２における容量を測定プローブ７３
により非接触で測定している所を示す。
【００４８】容量の方程式は、次の通りである。 Ｃ＝εｒ・εｏ・Ａ／α 前式中で、Ｃ＝容量 εｒ＝相対誘電率 Ａ＝コンデンサ表面 ｄ＝（プレートの）距離
【００４９】容量は次式の通りに定義され、
【００５０】
【数３】
【００５１】容量に関しては、次式が適用される。
【００５２】
【数４】
【００５３】検出された電位は軌跡ｘに対し線形であ
る。→φ＝φ（ｘ）である。素子容量≡Ciを経由して、
変位電流I1が次式に従って上記プローブ内に流れ込む。
【００５４】
【数５】
【００５５】この場合に、総変位電流Ｉは次式で表さ
れ、
【００５６】
【数６】
【００５７】このことは、個々の電圧振幅が加算されて
総合変位電流Ｉになることを意味する。
【００５８】図２に示す実施例は分圧素子１３’が抵抗
経路として構成されていない点を除いて図１に示した実
施例に類似しているが、個々の一連に連続した、相互に
絶縁された電極プレート１９は、それぞれ予め決定され
た測定方向における拡張Ｂを有し、「抵抗」分圧器２０
を経由して印加される供給電圧の素子電圧が供給され
る。電圧分布は例えば抵抗器、インダクタ（誘導回路）
またはコンデンサが直列に接続され、各接続点が個々の
電極プレート１９に接続された回路のインピーダンスｚ
により影響を及ぼされる。しかしながら、電位測定プロ
ーブ１５’の表面の拡張を少なくとも個々の電極プレー
トの拡張巾Ｂに等しくさせることは便利なことである。
何故ならば、電位測定プローブ１５’のプレートの与え
られた電極プレート１９に沿った如何なる移動も、電位
測定プローブ１５’の巾が如何なる電極プレート１９の
巾よりも小さい限り顕著でないからである。
【００５９】各電極プレート１９のこのような回路構成
は、各電極プレート１９上および全連続電極プレートに
およんでステップ状の電圧曲線を導く。しかしながら、
印加れた交流電圧のこのステップ状電圧曲線にも関わら
ず、所定のフリンジ（縁）効果を無視するとき、容量性
結合装置の集積効果により、電位測定プローブ１５’に
より前記プレート上で検出される電圧はなお線形であ
る。そして、この電圧はまた図２に示されるように測定
経路ｓを横断する電圧特性に対応する。
【００６０】本発明の他の実施例は、全体的に同一な構
成を示し、図３による分圧手段の回路構成に関し、例え
ば２つ好ましくは３つ（例で示す）の測定電極表面２１
が測定方向へ横断して伸びかつ測定方向で狭くなるか又
は広くなっている。
【００６１】この場合、図３に示される２つの外側の測
定電極表面２１は、右方へ先が尖った角度で伸び、給電
／評価回路１４の１つの接続部１３ａに接続できる。一
方、中央の測定電極表面２１は同時にグラウンドに接続
される他の接続部１３ｂに接続できる。分圧器の特性ま
たは電圧の結合された全影響から導かれるこのような分
圧（電圧分布）素子１３’の特性は、測定電極表面２１
の個々の小片の全長におよんで絶えず印加されるにも係
わらず、何時でも横断方向に全表面を同時にカバーする
電位測定プローブ１５’のプレートの積分効果により、
何時でもカバーされる対応する表面部分に比例してのみ
有効となる。ここに、それゆえまた、図２の下部に示す
ような同一高解像度の検出された電圧曲線と、全く同一
の線形を得る。さらにフリンジ効果の影響が最小となる
付加的利点を得る。この場合、電位測定プローブ１５’
のプレートの横方向の寸法が測定電極表面２１を越えて
突き出すよううに選択することは便利である。
【００６２】図４は、分圧（分布）手段が図２と図３の
構成を組み合わせた容量を基準とした位置センサの一実
施例を示す概略図である。図４は図２と図３に示す分圧
素子の変形との組み合わせを示す。ここで、キャリアプ
レートは両側をコーティングされた誘電体により形成さ
れ片側で運搬し、そのキャリ側は図２に示すように電位
測定プローブ１５”に面し、巾Ｂの電極プレート１９’
は測定方向における他のものの１つ後方（隣合わせ）に
配置され、その誘電体の反対側にある２つだけの測定電
極表面２５、２５’は（この実施例において）、測定方
向の反対方向において狭く又は広くなり、給電／評価回
路１４の反対側の接続部にそれぞれ接続される。電極プ
レート１９’への対応する接続は図４においても図２に
おけるように実施されるが説明を明確にするため図４に
は示していない。
【００６３】更に、上述してきたことは、線形性の条件
および外乱からの自由度は、図４に示すような装置によ
りさらに改善できる。図４に示す装置は、電位測定プロ
ーブ１５”のプレートが長方形の電極プレート１９’に
相当する測定方向に延長部Ｂの内部の長方形部分と、２
つの追加部分であって、好ましくは２つの側から伸びる
三角形部分で次第に細くなる巾Ｂを有する三角形部分
と、からなる。これは減少されるべき端部の非連続性を
プレートの幾何学形状に調和させることを可能とする。
【００６４】図５は２つの回転式測定装置が共通基板上
に配置された容量を基準とした位置センサのその他の実
施例を示す概略図である。図５は図１と図４の実施例と
同様に基本的に動作する位置センサが示され、これらの
構造の１つのみがより詳細に記述されるように対をなす
装置を有する回転式ポテンシオメータの形式で設計され
る。外側の抵抗通路又は抵抗経路１３"'は、環形状を表
し、各端部１３ａ’、１３ｂ’に交流電流の供給接続部
を有する。同心円形セグメントに追従する１つの外部接
続部１６ａのみが結合電極表面１６’に設けられてい
る。
【００６５】電位測定区域１１と電位結合区域１２の２
つの固定表面は、電位測定プローブおよび電位結合プロ
ーブからなる共通コンポーネント２０により一掃され
る。このコンポーネントは回転移動に対して支持され、
例えば図５に示される形状を有する打ち抜かれた銅プレ
ートにより必須に形成される。この電位結合プローブ部
分１７’は検出された電位を結合電極表面１６’へ送
る。
【００６６】図４に示される実施例に関し、反対側の導
電経路の輪郭、すなわち測定電極表面２５、２５’の輪
郭は、前面のコンデンサ表面と裏の素子表面のコンデン
サ表面との間の容量が予め決定された分割比率を表すこ
とを確実とすることを除いて所望に選択される。このこ
とは、前面上の他の電極プレート１９の後方の素子表面
を校正することにより達成できる。
【００６７】最後に、図８に概略的に示す実施例は注意
すべきものである。図８では、１つのピックオフ（感知
器）８１、８２が両側に設けられている。すなわち、２
つの電位測定プローブ、すなわち第１測定プローブ８１
および第２測定プローブ８２が抵抗経路８３の両側に設
けられ、特に距離における変化の影響を減少するのに好
適であり、同時に、相対誘電定数における局地的または
全体的変化の影響を最小にするのに好適である。何故な
らば、プローブによって走査される抵抗経路に対するプ
ローブの距離が、例えば距離の増加方向に変化すると
き、これらの２つの影響が実質的に互いに補償するよう
に、図８に示す構成は、必然的かつ同時に抵抗経路に対
する他のプローブの間隔の減少を導くからである。
【００６８】評価回路に関しては、変位センサと一体と
なる如何なる公知の評価回路も、変位センサにより検出
される信号が適切な方法で処理され増幅され表示される
ところで使用できる。特に、好適に適合するのは、しか
しながら変位センサの出力で発生する漏れ抵抗や漂遊容
量により発生し得る外乱の影響を避けるための、評価回
路であり、そして／又は評価回路の入力、変位センサに
より検出される信号は適切な手段により、即ち電位測定
区域の供給電圧に対応して調整することにより電圧０の
電位に調整される。
【００６９】最後に、全ての本質的なコンポーネント、
例えば特に抵抗やコレクタ経路、電圧分布素子、検出表
面、測定プローブ、等が、保護層によりコーティングさ
れるか又は覆われるとき、特に有利な実施例が得られ
る。保護層は、例えばワニスまたは同等なものからな
り、特に耐湿性および耐蝕性を有し、それ故位置センサ
が液体中（例えば水又は他の液体）における過酷な条件
下でさえ使用可能である。
【００７０】最後に、全クレーム、特に、主クレーム構
成は、本発明を完成する時に当該技術分野の深い知識を
必要とせずに試みられ、それゆえこれらのクレームが不
利な影響をもつと解釈され得ないということとに留意さ
れたい。従って、明細書、クレームおよび図面内に記載
され例証された全ての特徴は、本発明にとって不可欠で
あり、個々に又は任意の組合せの形でクレーム中に組み
入れることも可能であるということは理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】安定した位置特性を有する電圧の分圧手段に基
づくリニア型容量基準変位検出器の第一実施例を示す概
略図である。
【図２】第一実施例と同様に測定検出器と電位結合区域
とを有するリニア型容量基準変位検出器の他の実施例を
示す図である。分圧器は個々に隣接するが相互に絶縁さ
れた電極プレートを有し、各電極プレートは抵抗梯子網
により感知され、種々の交流電圧の電位に接続されるこ
とが示される。
【図３】容量検出機能により回路が、電位測定プローブ
の対向プレートに結合して作用し、測定方向に沿って電
圧増幅度をピックオフ（感知）するように設けられた分
圧（分布）回路を含むリニア型容量基準変位検出器の第
三実施例を示す概略図である。
【図４】分圧（電圧分布）手段が図２と図３の構成を組
み合わせた容量基準変位センサの一実施例を示す概略図
である。
【図５】２つの回転式測定装置が共通基板上に配置され
た容量基準変位センサのその他の実施例を示す概略図で
ある。
【図６】電圧分布素子を示す説明図である。
【図７】電位測定プローブと本例では抵抗経路である電
圧分布素子との間の容量相互作用を示す図である。
【図８】両側にピックオフ（感知器）が設けられた応用
例を示す図である。
【符号の説明】
１０…位置センサ １１…電位測定区域 １２…電位結合区域 １３…分圧（電圧分布）素子（抵抗経路） １４…給電／評価回路 １５…電位測定プローブ １６…結合電極表面（導電性電極表面） １７…電位結合プローブ １９…絶縁電極プレート ２０…分圧回路（抵抗経路） ２１、２５…測定電極表面

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 １つの可動物体の幾何学的位置、変位ま
    たは角度をそれぞれ検出する方法であって、１つのプロ
    ーブを予め決定した電位分布に沿って移動させるステッ
    プと、該プローブにより検出される測定値を評価するス
    テップと、を有する方法であって、 ａ）少なくとも１つの方向において異なる交流電圧の振
    幅を有する交流電圧振幅分布パターンが分圧（電圧分
    布）素子の少なくとも１つの方向において得られるよう
    に、少なくとも１つの方向に幾何学的により大きい拡張
    部を有する該分圧（電圧分布）素子に交流電圧が印加さ
    れ、 ｂ）１つの電位測定プローブが、何時でも該電位測定プ
    ローブにより推定される位置により、前記交流電圧振幅
    分布パターンの異なる交流振幅を、容量結合により検出
    するように、検出されるべき変位、角度または位置に従
    って、前記少なくとも１つの方向に沿って案内され、前
    記分圧（電位分布）素子に対して間隔をもって非接触に
    維持され、かつその容量の関係は前記電位測定プローブ
    が変位する間実質的に一定に保たれ、 ｃ）前記電位測定プローブは、１つの結合電極上で容量
    的に作用する１つの電位結合プローブに接続され、そこ
    から、 ｄ）前記電位測定プローブにより検出され測定される交
    流電圧振幅値であって、前記結合プローブと前記結合電
    極との間のそれぞれの位置により前記測定方向において
    変化する交流電圧振幅値が、評価のために送られる、 上記ａ）〜ｄ）のステップを備えたことを特徴とする可
    動物体の幾何学的位置、変位または角度を検出する方
    法。
  2. 【請求項２】 可動物体の幾何学的位置、変位または角
    度をそれぞれ検出する非接触容量基準位置センサであっ
    て、 主方向における少なくとも１つの主拡張部を有し、交流
    電圧が印加される平面分圧（電圧分布）素子（１３、１
    ３' 、１３" 、１３"'）と、 前記平面分圧（電圧分布）素子に接触せずに測定中に変
    化しない距離をもって該平面分圧（電圧分布）素子に沿
    って案内され、電位結合プローブ（１７）に少なくとも
    電気的に接続され、該電位結合プローブと結合し同期し
    て測定移動を行う電位測定プローブ（１５、１５' 、１
    ５" ）と、 交流電圧振幅が前記電位測定プローブ（１５、１５' 、
    １５" ）により検出され、その測定値に対して直線的に
    比例して変化する静止結合電極表面（１６）と容量的に
    相互作用する電位結合プローブ（１７）と、を備え、評
    価のために提供されることを特徴とする可動物体の幾何
    学的位置、変位または角度を検出する非接触容量基準位
    置センサ。
  3. 【請求項３】 前記電位測定プローブ（１５、１５' 、
    １５" ）および電位結合プローブ（１７）が、少なくと
    も対向表面（結合電極表面（１６）、分圧素子（１３、
    １３' 、１３" 、１３"'））の領域において平面の拡張
    を示す導電性コンポーネントを一体となって形成し、 移動の測定を遂行するために、前記電位測定プローブと
    前記電位結合プローブの領域における容量関係が、各反
    対側の表面（結合電極表面、分圧素子）に対して実質的
    に変動しない挙動を示すように、共通な支持部を備える
    請求項２に記載の非接触容量基準位置センサ。
  4. 【請求項４】 それぞれ一体となる分圧素子を有する電
    位測定プローブと、それぞれ一体となる結合電極表面を
    有する電位結合電極とが、測定移動よって変化しない直
    列に接続された測定コンデンサと結合コンデンサとをそ
    れぞれ備える請求項３に記載の非接触容量基準位置セン
    サ。
  5. 【請求項５】 前記測定され結合するコンデンサの可動
    部分（電位測定プローブ（１５、１５' 、１５" ）、電
    位結合プローブ（１７））が、それぞれ、測定方向に並
    列に結合して駆動でき、一方それぞれのコンデンサの反
    対面（分圧（電圧分布）素子（１３、１３' 、１３" 、
    １３"'）、結合電極表面（１６））が、１つのキャリア
    基板上に静止して支持される請求項４に記載の非接触容
    量基準位置センサ。
  6. 【請求項６】 前記電位測定プローブ（１５、１５' 、
    １５" ）および前記電位結合プローブ（１７）が、機械
    的かつ電気的に結合される請求項２に記載の非接触容量
    基準位置センサ。
  7. 【請求項７】 前記電位測定プローブとその関連する分
    圧（電圧分布）素子とを有する電位測定区域（１１）
    と、前記電位結合プローブ（１７）とその関連する結合
    電極表面（１６）とを有する電位結合区域（１２）と
    が、１つの絶縁キャリア基板の同一または反対表面上に
    配置される請求項２に記載の非接触容量基準位置セン
    サ。
  8. 【請求項８】 前記分圧（電圧分布）素子（１３）が、 ポテンシオメータの抵抗経路（１３）の形式の分圧器で
    ある請求項２に記載の非接触容量基準位置センサ。
  9. 【請求項９】 前記分圧（電圧分布）素子が、 ステップ状の電圧曲線を有する分圧器を全体として得る
    ように、測定方向において隣り合わせに配置され、各々
    を抵抗梯子分圧回路（２０）と接続する相互に絶縁され
    た絶縁電極プレート（１９、１９’）を備える請求項２
    に記載の非接触容量基準位置センサ。
  10. 【請求項１０】 前記分圧（電圧分布）素子（１３”）
    が、 測定方向に対し横断方向に設けられ、かつ測定方向に向
    かって狭くなるか又は広くなるように設けられた少なく
    とも２つ好ましくは３つの測定可能な測定電極表面（２
    １）と、 同一測定方向において、逆に狭く又は広くなるように導
    かれる特性を示す隣接する測定電極表面と、を備える請
    求項２に記載の非接触容量基準位置センサ。
  11. 【請求項１１】 前記分圧（電圧分布）素子（１
    ３””）が、 両側がコーティングされ、一方側で導電し、すなわち電
    位測定プローブ（１５”）に面する側でコーティングさ
    れる誘電体と、 測定方向において隣合わせに設けられ、反対側で２つの
    測定電極表面（２５、２５’）が測定方向において狭く
    又は広くなる電極プレート（１９’）と、を備える請求
    項２に記載の非接触容量基準位置センサ。
  12. 【請求項１２】 測定方向における前記電位測定プロー
    ブ（１５’）のプレートの拡張部が、該測定方向におけ
    る各電極プレート（１９）の巾（Ｂ）に相当する請求項
    ９に記載の非接触容量基準位置センサ。
  13. 【請求項１３】 前記測定プローブのプレートが、 前記電極プレート（１９）の巾に相当する測定方向にお
    ける拡張部（Ｂ）を有する長方形部分と、 該測定方向における両側に伸びる２つの三角形部分と、
    を備える請求項１２に記載の非接触容量基準位置セン
    サ。
  14. 【請求項１４】 電位測定区域（１１）および電位結合
    区域（１２）からなる少なくとも１つの測定装置が、分
    圧素子（１３"'）を有して共通の円形キャリア基板上に
    配置され、 抵抗経路と円形セグメントの部分形状部と同心円の内部
    結合電極表面（１６’）と後続する部分的円形セグメン
    トと共通導電性コンポーネント（穴の開いた部分）とを
    備え、 前記共通導電性コンポーネントは、電位測定プローブ
    （１５""）と電位結合プローブ（１７' ）に関する２つ
    のプレートのような対向コンデンサ表面からなり、すな
    わち必須に形成される中間ブリッジを介して機械的かつ
    電気的に接続され、前記測定経路の予め決定された部分
    的円形移動に沿って共通支持体により案内される請求項
    ２に記載の非接触容量基準位置センサ。
  15. 【請求項１５】 距離の変化の影響を減少するため、共
    通の分圧（電圧分布）素子（抵抗経路）が、２倍の側面
    を有する検出装置により両側で同時に走査される請求項
    ２に記載の非接触容量基準位置センサ。
  16. 【請求項１６】 実質的なコンポーネント（抵抗とコレ
    クタ経路、電圧分布素子、検出表面、測定プローブ、
    等）が、耐湿性と耐蝕性の保護層により覆われる請求項
    １乃至１５の何れか１項に記載の非接触容量基準位置セ
    ンサ。
JP7143547A 1994-11-10 1995-06-09 可動物体の幾何学的位置、変位又は角度を検出する方法および非接触容量基準位置センサ Pending JPH08136209A (ja)

Applications Claiming Priority (4)

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