JP2008051751A

JP2008051751A - 静電容量検出型回転センサ

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Publication number: JP2008051751A
Application number: JP2006230519A
Authority: JP
Inventors: Hirotaka Wakamatsu; 洋宇若松
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2006-08-28
Filing date: 2006-08-28
Publication date: 2008-03-06
Anticipated expiration: 2026-08-28
Also published as: JP4760611B2

Abstract

【課題】小型化が容易で、取付位置の制約が少ない静電検出容量型回転センサの提供。
【解決手段】静電容量検出型センサは、導電体部２ａおよび誘電体部２ｂが設けられたセンサロータ２と、センサロータ２の誘電体部２ｂが設けられた面に対向するように、１対の固定電極３，４を動径方向（ｒ方向）に沿って配設する。そして、固定電極３および導電体部２ａ間の静電容量と、固定電極４および導電体部２ａ間の静電容量との合成静電容量をＣＶ変換回路５により検出する。誘電体部２ｂの厚さは、回転時における静電容量が周期的に変化するように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロータの回転角度検出等に用いられる静電容量検出型回転センサに関する。

従来、静電容量を利用した回転センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。その回転センサは、固定された２枚の電極間に、誘電体のロータを挟み込む構造になっていて、ロータ回転に伴う容量変化から回転角を検出するようにしている。

特表２００２−５４２４７６号公報

しかしながら、上述した回転センサでは、２枚の電極の間に誘電体を挟み込む構造をとっているため、小型化（薄型化）が難しい。また、電動モータに利用する場合には、回転センサのロータとモータロータとの間に固定電極を配置する必要であるため、センサのレイアウト位置に制約があって扱いにくかった。

本発明による静電容量検出型センサは、回転電極と、回転電極の一方の面に対向するように、回転電極の動径方向に沿って配設される１対の固定電極と、一方の固定電極および回転電極間の静電容量と、他方の固定電極および回転電極間の静電容量との合成静電容量を検出する検出部とを備え、回転電極は、回転時における固定電極との間の静電容量が周期的に変化するように構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、１対の固定電極が回転電極の一方の面に対向するように配設されているので、２枚の電極の間にロータを挟み込む従来の構造に比べて取付位置の制約が少なく、装置の小型化を図ることができる。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は本発明による静電容量検出型回転センサの一実施の形態を示す図である。図１は回転センサの概略構成を示したものであり、センサロータ２および固定電極３，４から構成されセンサ部１と、ＣＶ変換回路５とを備えている。

センサロータ２は、金属等の円板で形成された導電体部２ａと誘電体部２ｂとから成る。固定電極３，４は、センサロータ２の誘電体部２ｂが形成された面と対向するように、動径方向（ｒ方向）に沿って配設されている。なお、図１に示す例では、センサロータ２は単なる円板状であるが、回転中心部分に被回転体のロータシャフトを通すための穴が形成されていても良い。

金属などの導電体で形成される各固定電極３，４は、静電容量を電圧信号に変換するＣＶ変換回路５に接続されている。ＣＶ変換回路５は、固定電極３および導電体部２ａ間の静電容量と、固定電極４および導電体部２ａ間の静電容量とを合成した静電容量を検出し、それを電圧信号に変換して出力する。

誘電体部２ｂの形状は、センサロータ２の円周方向（角度θで示す方向）に周期的に変化しており、図１に示す例では厚さが周期的に変化している。そのため、固定電極３，４に対してセンサロータ２が回転すると、静電容量が周期的に変化することになる。そして、この静電容量の変化を検出することで、センサロータ２の回転角が検出される。

図１では、センサロータ２の固定電極３，４に対向する面に誘電体部２ｂを配置したが、図２に示すように導電体部２ａと誘電体部２ｂの配置を逆にしても良い。誘電体部２ｂの周期的凹凸面上の導電体部２ａは、スパッタや蒸着などによって形成される。この場合、回転電極である導電体部２ａと固定電極３，４との間隔が変化することで、静電容量が変化する。

図３は、図１に示す回転センサを、電動モータの回転角度検出に用いた場合のレイアウトを示したものである。電動モータは、ロータ１０とステータ１１とケース１２とから成る。センサロータ２はロータ１０のケース側端面に装着され、ロータ１０と一体に回転する。一方、固定電極３，４は、ケース１２の内面にセンサロータ２と対向するように設けられる。なお、センサロータ２にロータシャフト用の穴が空いている場合には、ロータ１０のシャフト（不図示）にセンサロータ２を固定しても良い。センサロータ２は、接着やカシメなどにより、ロータ１０またはロータシャフトに取り付けられる。

また、上述した説明では、固定電極３，４をケース１２の内面に固定する構成としたが、ケース１２のセンサロータ２と対向する面に金属膜を蒸着して、固定電極３，４としても良い。その場合、ケース１２は樹脂などの絶縁体で形成する必要がある。モータロータ２の厚さやケース１２の形状等は、センサロータ２が固定電極３，４に触れないように、かつ、できるだけ近くにレイアウトされるように設計される。

図４は、図１に示した回転センサの等価回路を示す図である。図４において、ＣＡは固定電極３と導電体部２ａとの間の静電容量を表しており、ＣＢは固定電極４と導電体部２ａとの間の静電容量を表している。導電体部２ａはモータのロータ１０と導通しており、モータを介して接地されている。図４に示すような接続では、ＣＶ変換回路５で検出される静電容量は「ＣＡＣＢ÷（ＣＡ＋ＣＢ）」となる。

一方、同様の構成であっても図５に示すような接続状態とした場合、静電容量は「ＣＡ＋ＣＢ」となる。そのため、図４の場合よりも大きな静電容量を確保でき、回転センサの検出精度を高めることができる。

上述したように、図１に示すセンサロータ２では誘電体部２ｂの厚さが円周方向に周期的に変化しているので、固定電極３，４に対してセンサロータ２が回転すると、静電容量ＣＡ，ＣＢも周期的に変化する。そして、その静電容量の変化をＣＶ変換回路５で検出することで、センサロータ２の回転角度を検出する。

図６は、誘電体部２ｂの厚さの変化パターンに対する静電容量の変化パターンを説明する図である。図６（ａ）は静電容量の変化パターンを示す図であり、縦軸は静電容量、横軸は図１に示す角度θである。ここで、（ｒ，θ）は図１に示したようなセンサロータ２の回転軸を中心とした極座標を示しており、θはセンサロータ２の円周方向の角度を表し、０〜３６０［deg］である。

一方、図６（ｂ）は誘電体部２ｂの厚さの変化パターンを示す図であり、縦軸は誘電体部２ｂの厚さで、横軸は角度θである。なお、誘電体部２ｂの厚さの変化パターンは、固定電極３に対向する部分も固定電極４に対向する部分を同じ変化パターンであるとする。

図６（ａ）に示す静電容量の変化は、周期３６０degの正弦波パターンとなっている。角度３６０degはセンサロータ２の１回転に対応しているので、静電容量の変化は１回転で１周期の正弦波となっている。静電容量Ｃは、誘電率をε、電極面積をＡ、電極間距離をｄとすると次式（１）で表される。
Ｃ＝εＡ／ｄ …（１）

そのため、誘電体部２ｂの厚さを変化させる場合には、得たい信号波形の逆数が誘電体部２ｂの形状となるようにすれば良い。図６（ａ）の場合には、静電容量ＣがＣ＝C1＋C2sinθのように変化しているので、次式（２）が満たされるように誘電体部２の厚さｄを設定すれば良い。ただし、C1＝（Cmax＋Cmin）／２、C2＝（Cmax−Cmin）／２であって、Cmax，Cminは図６（ａ）に示す静電容量の最大値と最小値である。
ｄ＝εＡ／（C1＋C2sinθ） …（２）

図７（ａ）は静電容量が正弦波パターンで変化する場合であって、その周期が９０deg（１／４回転）の場合を示す。すなわち、静電容量ＣはＣ＝C1＋C2sin４θのように変化している。そのため、図７（ｂ）に示す誘電体部２ｂの厚さｄは、式（２）のθを４θで置き換えた式（３）によって表され、図６（ｂ）に示した変化パターンを角度に関して１／４に縮小し、それを４周期分だけ形成したものになっている。
ｄ＝εＡ／（C1＋C2sin４θ） …（３）

図８（ａ）に示す静電容量の変化パターンは、図６（ａ）の正弦波と図７（ａ）に示す正弦波とを重ね合わせたものになっており、静電容量Ｃは次式（４）のように表される。よって、図８（ｂ）に示す誘電体部２ｂの厚さｄは、次式（５）で表される。
Ｃ＝C1＋C2（sinθ＋sin４θ）／２ …（４）
ｄ＝εＡ／｛C1＋C2（sinθ＋sin４θ）／２｝ …（５）

図７〜９に示したようなパターンの周期は、モータの極数などに応じて決定する。図７〜９に示したパターンは、４極の電動モータへの適用を想定した場合である。例えば、４極モータを想定し、図８（ｂ）に示すパターンがセンサロータ２に形成されているとする。図４に示す結線を施して固定電極３，４間の静電容量を電圧信号として検出すると、ＣＶ変換回路５からの出力は図８（ａ）に示す波形と同様の波形パターンとなる。

そして、ＣＶ変換回路５から出力された信号をローパスフィルタに通すと図６（ａ）の信号が得られ、ハイパスフィルタに通すと図７（ａ）の信号が得られる。図８（ａ）信号は、機械角としてシステム制御に用いられる。一方、図７（ａ）の信号とこれを微分した信号は電気角の正弦および余弦としてモータ制御に用いられる。

図９（ａ）および図１０（ａ）は静電容量波形の他のパターンを示す図であり、図９（ａ）はノコギリ波状のパターンを、図１０（ａ）は正弦波とステップ波とを合成した波形パターンを示す。図１０（ａ）に示す静電容量パターンは、図１１（ａ）に示すステップ波と図１１（ｂ）の正弦波を重ね合わせたものである。

図９（ａ）のノコギリ波の場合、誘電体部２ｂの厚さは図９（ｂ）のようなパターンとなる。このようなノコギリ波状のパターンは、モータの機械角の測定を想定したものであり、モータの運転角度範囲など、必要に応じてパターンの周期を決める。

一方、図１０（ａ）の静電容量パターンの場合、誘電体部２ｂの厚さは図１０（ｂ）に示すようなパターンとなる。図１０（ａ）および図１１（ａ），（ｂ）で示したパターンは、４極の電動モータへの適用を想定したものであり、図１１（ｂ）の正弦波パターンは１周期が９０degであり、ステップ波は９０deg毎に１ステップ分だけ大きくなるようなパターンになっている。そのため、図１０（ａ）の波形では、正弦波１周期毎に波形が１ステップ分だけ上方にシフトするようになっている。この場合も、モータの極数など応じてパターンの周期を決めれば良い。

図１２は、図１０（ａ）に示すような合成波の信号から図１１（ａ），（ｂ）に示す信号成分を求める際の、信号を切り分ける回路を示すブロック図である。ＣＶ変換回路５から出力された図１０（ａ）の信号は、ローパスフィルタ２０および微分回路２１にそれぞれ入力される。そして、ローパスフィルタ２０からはステップ成分が出力され、微分回路２１からは正弦波成分が出力される。

上述した実施の形態では、１対の固定電極３，４を、回転電極である導電体部２ａが設けられたセンサロータ２の一方の面に対向するように配設したので、センサロータ２を電動モータのロータの端面に配設することが可能となり、電動モータ全体の大きさを小さくすることができる。また、回転時における静電容量の周期的な変化を検出することで、容易にセンサロータの回転角度を検出することができる。また、電動モータのロータエンドプレートとして利用することもできる。さらに、構造が簡単なので、半導体微細加工を利用して製作するような超小型の電動モータや発電機に利用することも容易である。

さらに、静電容量の周期パターンを正弦波パターンとした場合、ＣＶ変換回路５においてsinθまたはcosθに相当する信号が検出される。そのため、sinθｅ、cosθｅの値を利用するブラシレスモ−タ制御に利用しやすい。なお、θｅはモ−タ電気角であって、θ＝θｅ×（極数）である。また、従来のレゾルバと同様の信号が得られるので、従来システムと互換性がある。さらに、検出信号をローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、バンドパスフィルタのいずれかに通すことにより、信号の切り分けが簡単にできる。そのため、機械角と電気角とを１チャンネルで検出することができる。

また、正弦波は１周期の積分値が０であるので、正弦波１周期分の幅を持つ固定電極を用いることでフィルタリングができる。そのため、図８（ｂ）のように細かい周期成分を有するセンサロータ２でも、その周期の整数倍の幅を持つ固定電極を用いることで、荒いパターンのみを検出できる。例えば、図８（ｂ）のパターンを、角度で９０degに相当する幅の固定電極で検出すると、図７（ａ）の細かい信号成分がつぶされて、図６（ａ）の荒い成分のみを検出することができる。

また、波形パターンをノコギリ波とした場合、モータロータ１０の角度をφとすると、角度φに相当する検出信号を得ることができ、特別な回路を設けなくても機械角を直接計測することができる。

さらにまた、図１０（ａ）のように正弦波とステップ波とを合成した波形パターンを用いた場合、図１２のブロック図で表されるシステムを通すことによリ、検出信号の正弦波信号成分、ステップ信号成分を切り分けることができる。そのため、正弦波信号成分で電動モータロータの電気角を検出し、ステップ信号成分と正弦波信号とから電動モータロータの機械角を検出することができる。

［変形例１］
上述した実施形態では、センサロータ２の誘電体部２ｂの厚さを円周方向に周期的に変化させることで、周期的に変化する静電容量信号を得た。しかし、誘電体部２ｂの厚さを一定とし（または、導電体部２ａだけでセンサロータ２を構成し）、センサロータ２が回転したときに、固定電極３，４に対向する部分の面積が周期的に変化するように、導電体部２ａの幅を変化させるようにしても良い。その結果、誘電体部２ｂの厚さを変化させた場合と同様の静電容量信号を得ることができ、上述した実施の形態と同様の効果を奏することができる。

図１３は、図７（ａ）の静電容量変化が得られる導電体部２ａの形状を示したものである。円Ｌ１と円Ｌ２との間の領域が固定電極３に対向する領域であり、円Ｌ２の内側領域が固定電極４に対向する領域である。図１４，１５，１６は、それぞれ図８（ａ），図９（ａ），図１０（ａ）の静電容量変化が得られる導電体部２ａの形状を示したものである。

［変形例２］
図１３〜１６に示した導電体部２ａのパターン形状は、固定電極３，４で同一のパターンとなっている。一方、図１７に示す導電体部２ａでは、固定電極３，４で異なる導電体パターンが検出される。すなわち、固定電極３に対向する円Ｌ１〜Ｌ２間の領域と、固定電極４に対向する円Ｌ２内部の領域とでは、導電体部２ａの幅の変化パターンが異なっている。

導電体部２ａの円Ｌ１〜Ｌ２間の領域の形状は、図１３の円Ｌ１〜Ｌ２間の領域と同一形状となっている。そのため、固定電極３の静電容量ＣＡは、図７（ａ）に示すような変化（周期９０degの正弦波）を示す。一方、導電体部２ａの円Ｌ２内部の領域の形状は、図１５の円Ｌ２内部の領域と同一形状となっている。その結果、固定電極４の静電容量ＣＢは、図９（ａ）に示すような変化（ノコギリ波）を示す。図１７では、導電体部２ａのパターン例だが、誘電体部２ｂの厚さを変えて同様の静電容量変化パターンを形成するようにしても良い。

なお、図４に示す検出系で静電容量Ｃを検出する場合、図１３〜１６に示した導電体パターンの場合には、固定電極間の静電容量Ｃは「Ｃ＝ＣＡＣＢ÷（ＣＡ＋ＣＢ）」となるので、ＣＡ＝ＣＢとなるように電極面積を調整し、Ｃが最大となるように設計する。固定電極３，４の両極側でそれぞれ異なる周期パターンを検出させる場合には、検出されるＣから、ＣＡ、ＣＢが切り分けられるように誘電体部２ｂまたは導電体部２ａのパターンを形成する。一方、図５に示す接続形式で静電容量Ｃを検出する場合、Ｃ＝ＣＡ＋ＣＢとなるので、図１７のようなパターンを形成して固定電極３，４の両極側でそれぞれ異なる周期パターンを検出させることで、ＣＡ、ＣＢの成分を合成した信号を検出することができる。

例えば、図１３〜１６のように固定電極３，４に対して同一パターンを形成する場合には、図１７の内側のパターンと外側のパターンとを合成した複雑なパターンを、それぞれの固定電極に対して形成することになる。一方、図１７に示す例では、合成前のパターンを各固定電極３，４に対面する領域に形成すれば良い。

すなわち、固定電極３と導電体部２ａとの静電容量の変化パターンと、固定電極４と導電体部２ａとの静電容量の変化パターンとが異なることで、同一パターンの場合よりも回転角検出精度を向上させることができる。逆に同一検出精度に対しては、静電容量の変化パターンを荒くすることができ、コスト低減を図ることができる。

［変形例３］
上述した実施形態では、一対の固定電極３，４により静電容量を検出するようにしたが、変形例３では、図１８に示すように複数対の固定電極を設けるようにしても良い。図１８に示す例では、４対の固定電極（３Ａ，４Ａ），（３Ｂ，４Ｂ），（３Ｃ，４Ｃ），（３Ｄ，４Ｄ）が９０deg間隔で設けられている。これら４対の固定電極は、図１に示した固定電極３，４と同一形状を有している。センサロータ２の構造は図１のものと同一であり、導電体部２ａおよび誘電体部２ｂを備えている。

図１９は、図１８の等価回路である。Ｃ１は固定電極３Ａ，４Ａ間の静電容量であり、同様に、Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４はそれぞれ固定電極３Ｂ，４Ｂ間、３Ｃ，４Ｃ間、３Ｄ，４Ｄ間の静電容量である。静電容量Ｃ１〜Ｃ４は並列接続されており、電極面積の総計を大きくすることができる。そのため、同じ大きさのセンサロータ２を用いていても静電容量を大きくすることができ、センサロータ回転時の静電容量変化が大きくなって検出精度が向上する。逆に、全体の静電容量を大きくすることができるので、一つ一つの電極対の電極面積を小さくしても、ある程度の検出能力が確保できる。その結果、固定電極の幅を狭めることにより、センサロータ２の角度検出分解能の向上を図ることができる。

以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、センサロータ２は回転電極を、ＣＶ変換回路５は検出部を、誘電体部２ｂは誘電体層をそれぞれ構成する。なお、以上の説明はあくまでも一例であり、発明を解釈する際、上記実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。

本発明による静電容量検出型回転センサの一実施の形態を示す図である。導電体部２ａと誘電体部２ｂの配置を逆にした場合のセンサロータ２を示す図である。電動モータの回転角度検出に用いた場合の、回転センサのレイアウトを示す図である。図１に示した回転センサの等価回路を示す図である。静電容量ＣＡ，ＣＢを並列接続した場合の等価回路を示す図である。誘電体部２ｂの厚さの変化パターンに対する静電容量の変化パターンを説明する図であり、（ａ）は静電容量の変化パターンを示し、（ｂ）は誘電体部２ｂの厚さの変化パターンを示す。静電容量が周期９０degの正弦波パターンで変化する場合を示す図であって、（ａ）は静電容量の変化パターンを（ｂ）は誘電体部２ｂの厚さｄの変化パターンを示す。図６（ａ）のパターンと図７（ａ）のパターンとを重ね合わせたパターンを示す図であり、（ａ）は静電容量の変化パターンを示し、（ｂ）は誘電体部２ｂの厚さの変化パターンを示す。ノコギリ波パターンを説明する図であり、（ａ）は静電容量の変化パターンを示し、（ｂ）は誘電体部２ｂの厚さの変化パターンを示す。正弦波とステップ波とを合成した波形パターンを説明する図であり、（ａ）は静電容量の変化パターンを示し、（ｂ）は誘電体部２ｂの厚さの変化パターンを示す。図１０（ａ）の合成波形パターンの各成分を示す図であり、（ａ）はステップ波成分を、（ｂ）は正弦波成分をそれぞれ示す。信号を切り分ける回路を示すブロック図である。変形例１を説明する図であり、図７（ａ）の静電容量変化が得られる導電体部２ａの形状を示す。図８（ａ）の静電容量変化が得られる導電体部２ａの形状を示す図である。図９（ａ）の静電容量変化が得られる導電体部２ａの形状を示す図である。図１０（ａ）の静電容量変化が得られる導電体部２ａの形状を示す図である。変形例２を説明する図である。変形例３を説明する図であり、回転センサの構成を示す。図１８に示す構成の等価回路を示す図である。

符号の説明

１：センサ部、２センサロータ、２ａ：導電体部、２ｂ：誘電体部、３，３Ａ〜３Ｄ，４，４Ａ〜４Ｄ：固定電極、５：ＣＶ変換回路、２０：ローパスフィルタ、２１：微分回路

Claims

回転電極と、
前記回転電極の一方の面に対向するように、前記回転電極の動径方向に沿って配設される１対の固定電極と、
前記一方の固定電極および前記回転電極間の静電容量と、前記他方の固定電極および前記回転電極間の静電容量との合成静電容量を検出する検出部とを備え、
前記回転電極は、回転時における前記固定電極との間の静電容量が周期的に変化するように構成されていることを特徴とする静電容量検出型センサ。
請求項１に記載の静電容量検出型センサにおいて、
前記回転電極は、その回転軸を中心とする円周方向に沿って動径方向寸法が周期的に変化するように形成されていることを特徴とする静電容量検出型センサ。
請求項１に記載の静電容量検出型センサにおいて、
前記回転電極は、前記固定電極と対向する面に、前記回転電極の回転軸を中心とする円周方向に沿って厚さが周期的に変化する誘電体層を有することを特徴とする静電容量検出型センサ。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の静電容量検出型センサにおいて、
前記回転電極の回転時における前記固定電極との間の静電容量が、正弦波パターンで変化することを特徴とする静電容量検出型センサ。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の静電容量検出型センサにおいて、
前記回転電極の回転時における前記固定電極との間の静電容量が、ノコギリ波パターンで変化することを特徴とする静電容量検出型センサ。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の静電容量検出型センサにおいて、
前記回転電極の回転時における前記固定電極との間の静電容量が、正弦波パターンと階段状パターンとを合成したパターンで変化することを特徴とする静電容量検出型センサ。
請求項１に記載の静電容量検出型センサにおいて、
前記回転電極の回転時における、前記一対の固定電極の一方および前記回転電極間の静電容量の変化パターンと、前記一対の固定電極の他方および前記回転電極間の静電容量の変化パターンとが異なることを特徴とする静電容量検出型センサ。
請求項１〜７のいずれか一項に記載の静電容量検出型センサにおいて、
前記検出部は、前記一対の固定電極の一方および前記回転電極間の静電容量と、前記一対の固定電極の他方および前記回転電極間の静電容量とを並列接続して成る合成静電容量を検出することを特徴とする静電容量検出型センサ。
請求項１〜８のいずれか一項に記載の静電容量検出型センサにおいて、
前記１対の固定電極を周方向に沿って複数配設し、
動径方向に配設された回転中心側の固定電極同士を接続するとともに、外周側の固定電極同士を接続し、その合成静電容量を前記検出部で検出することを特徴とする静電容量検出型センサ。