JP3732919B2 - 静電容量式角度検出装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、回転軸の回転角度を検出する静電容量式角度検出装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、特開平4−83114号公報に開示された静電容量式角度検出装置が知られている。この静電容量式角度検出装置100は、図34に示すように、第1固定円板101及び第2固定円板102の間に回転円板103を備えている。第1固定円板は、下面に電極101aが配置されると共にこの電極101aに対して90゜ずらして電極101bが配置されている。一方、第2固定円板102の上面にも、第1固定円板101と同様に電極102a及び電極102bが配置されている。更に、回転円板103は、その上面の外周側に電極103a、内周側に電極103cを備え、また、下面の外周側に電極103b、内周側に電極103dを備えている。
【0003】
従って、回転体103がA方向又はその反対方向に回転することにより、電極101aと電極103c、電極103dと電極電極102aにより形成されるコンデンサ及び電極101bと電極103a、電極103bと電極電極102bにより形成されるコンデンサの静電容量が変化する。即ち、電極101aと電極103c、電極103dと電極電極102aにより形成されるコンデンサの静電容量は、図35のlaで示すように変化し、このコンデンサに対して90゜ずれている、電極101bと電極103a、電極103bと電極電極102bにより形成されるコンデンサの静電容量は、図35のlbで示すように変化するため、この静電容量の変化を検出することにより、0゜〜360゜の範囲で回転角を測定することが可能である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この静電容量式角度検出装置100は、回転体103に外周側の電極(103a,103b)及び内周側の電極(103c,103d)を備えているため、外周側の電極(103a,103b)及び内周側の電極(103c,103d)が容量結合し、正確な容量変化を検出することができず、正確な回転角度を検出することがないという問題があった。
【0005】
この発明の課題は、正確な回転角度を検出することが可能な静電容量式角度検出装置を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の静電容量式角度検出装置は、互いに相対回転しない複数の電極を対向させて複数のコンデンサを形成する第1の部材及び第2の部材と、前記第1の部材と前記第2の部材の間に配置され、回転体の回転に伴い前記第1の部材及び前記第2の部材に対して相対移動することで、前記複数のコンデンサの容量を所定の位相差をもって変化させる第3の部材とを備え、前記複数のコンデンサの容量に基づき前記回転体の回転角度を検出する静電容量式角度検出装置において、前記第3の部材を1つの誘電体あるいは金属導体とし、前記複数のコンデンサの内、容量の測定を行っていない前記コンデンサは電荷の移動がない状態にすることを特徴とする。
【0007】
この請求項1記載の静電容量式角度検出装置によれば、第3の部材を1つの誘電体あるいは金属導体とし、複数のコンデンサの内、容量の測定を行っていない前記コンデンサは電荷の移動がない状態にするため、第3の部材において容量結合が生じることが無く、また、コンデンサの容量を検出する際に、容量を検出していない他のコンデンサに蓄積された電荷の影響を取り除くことができる。
【0008】
また、請求項2記載の静電容量式角度検出装置は、請求項1記載の静電容量式角度検出装置の前記第1の部材に形成される複数の前記電極は、所定幅をもつ円形電極を周方向に均等に4分割して形成され、これに対向する前記第2の部材の前記電極は、所定幅をもつ円形電極であることを特徴とする。
【0009】
この請求項2記載の静電容量式角度検出装置によれば、第1の部材の4つの電極のそれぞれと第2の部材の円形電極により4つのコンデンサが形成され、この4つのコンデンサの容量に基づき第3の部材の回転角度を検出する際に、第3の部材において容量結合が生じることが無く、また、容量を検出していない他のコンデンサに蓄積された電荷の影響を取り除くことができる。
【0010】
また、請求項3記載の静電容量式角度検出装置は、請求項2記載の静電容量式角度検出装置の前記第1の部材及び前記第2の部材により形成される4つの前記コンデンサの内、2つの前記コンデンサの容量和と残りの2つの前記コンデンサの容量和の容量差に基づき前記回転体の回転角度を検出することを特徴とする。
【0011】
この請求項3記載の静電容量式角度検出装置によれば、2つのコンデンサの組み合わせを変えることにより2種類の容量差を得ることができ、この2種類の容量差に基づいて正確に回転体の回転角度を検出することができる。
【0012】
また、請求項4記載の静電容量式角度検出装置は、請求項1記載の静電容量式角度検出装置の前記第1の部材に形成される複数の前記電極は、所定幅をもつ大径及び小径の2つの円形電極を周方向にそれぞれ均等に90゜ずれるよう2分割して形成され、これに対向する前記第2の部材の前記電極は所定幅をもつ大径及び小径の2つの所定幅をもつ円形電極であることを特徴とする。
【0013】
この請求項4記載の静電容量式角度検出装置によれば、第1の部材の大径の円形電極を2分割した電極と第2の部材の大径の円形電極により形成された2つのコンデンサ及び第1の部材の小径の円形電極を2分割した電極と第2の部材の小径の円形電極により形成された2つのコンデンサの容量に基づいて第3の部材の回転角度を検出することができる。
【0014】
また、請求項5記載の静電容量式角度検出装置は、請求項4記載の静電容量式角度検出装置の前記第1の部材と前記第2の部材により形成される4つのコンデンサの内、前記大径の円形電極により形成される2つのコンデンサの容量差と、前記小径の円形電極により形成される2つのコンデンサの容量差に基づき前記回転体の回転角度を検出することを特徴とする。
【0015】
この請求項5記載の静電容量式角度検出装置によれば、大径の円形電極により形成される2つのコンデンサの容量差と小径の円形電極により形成される2つのコンデンサの容量差の2つの容量差に基づいて回転体の回転角度を検出するため、回転体の回転角度の検出を正確に行うことができる。
【0016】
また、請求項6記載の静電容量式角度検出装置は、請求項1記載の静電容量式角度検出装置に、更に、前記複数のコンデンサの容量を参照するためのレファレンスコンデンサを備え、外乱によって変化した前記複数のコンデンサの容量と前記レファレンスコンデンサの容量とに基づいて前記複数のコンデンサに印加する電圧を変化させることを特徴とする。
【0017】
この請求項6記載の静電容量式角度検出装置によれば、印加する電圧によって外乱によるコンデンサの容量変化を打ち消すことができるため角度検出の精度が向上する。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、図1〜図11を参照して、この発明の第1の実施の形態にかかる静電容量式角度検出装置の説明を行う。図1は、静電容量式角度検出装置2の概略図である。この静電容量式角度検出装置2は、回転軸10に対して固定され回転軸10と共に回転する回転体12、この回転体12の上面側に所定間隔を置いて配置される第1固定板14及び回転体12の下面側に所定間隔を置いて配置される第2固定板16を備えている。
【0019】
回転体12は、図2に示すように半円状の形状を有し誘電体により構成されており、回転軸10の外周壁に固定されている。また、第1固定板14は、図3に示すように円板形状の部材であり、中心部に回転軸10が回転可能に貫通する貫通口14aが設けられている。また、第1固定板14の裏面側、即ち、回転体12側の面に所定幅を有する円形の電極である外側共通電極14b及び内側共通電極14cを備えている。
【0020】
第2固定板16は、図4に示すように円板形状の部材であり、中心部に回転軸10が回転可能に貫通する貫通口16aが設けられている。また、第2固定板16の表面側、即ち、回転体12側の面に所定幅を有する円形の電極を2分割して形成された第1の外側電極16b及び第2の外側電極16cが設けられ、その内側に、所定幅を有する円形の電極を2分割して形成された第1の内側電極16d及び第2の内側電極16eが、第1の外側電極16b及び第2の外側電極16cに対して90゜の位相差を持って設けられている。
【0021】
なお、回転体12が固定されている回転軸10は、自動車のステアリングシャフト等に接続され、第1固定板14及び第2固定板16は、第1固定板14の外側共通電極14bに第2固定板16の第1の外側電極16b及び第2の外側電極16cが対向し、第1固定板14の内側共通電極14cに第2固定板16の第1の内側電極16d及び第2の内側電極16eが対向するように、ステアリングコラム等の適当な静止部位に固定される。
【0022】
ここで、第1固定板14の外側共通電極14bと第2固定板16の第1の外側電極16bにより可変コンデンサCX1aが、第1固定板14の外側共通電極14 bと第2固定板16の第2の外側電極16cにより可変コンデンサCX1bが、第 1固定板14の内側共通電極14cと第2固定板16の第1の内側電極16dにより可変コンデンサCX2aが、第1固定板14の内側共通電極14cと第2固定 板16の第2の内側電極16eにより可変コンデンサCX2bがそれぞれ形成され る。
【0023】
図5(a)は、可変コンデンサCX1aと可変コンデンサCX1bの容量の差を測定するための回路(OUT1系回路)の回路図であり、図5(b)は、可変コンデンサCX2aと可変コンデンサCX2bとの容量の差を検出するための回路(OUT2系回路)の回路図である。なお、図5(b)に示す回路は、図5(a)に示す回路と同様の回路であるため、図5(a)についてのみ説明する。
【0024】
この回路は、電荷差検出回路18、サンプルホールド回路20及び増幅回路22により構成されている。電荷差検出回路18は、Vccとアースとの間に直列に 接続された可変コンデンサCx1aと可変コンデンサCx1bとに蓄積された電荷の差分の電荷をコンデンサCs1に蓄積する回路である。即ち、可変コンデンサCx1a を構成する第1の外側電極16bは、スイッチsw1を介してVccに接続されると共にスイッチsw2を介して1/2Vccに接続されている。また、可変コンデンサCx1b を構成する第2の外側電極16cは、スイッチsw4を介してアースされると共に スイッチsw5を介して1/2Vccに接続されている。なお、可変コンデンサCx1a,Cx1bを構成する外側共通電極14bは、スイッチsw3の入力側に接続されている。
【0025】
また、スイッチsw3の出力側は、オペアンプA1の反転入力端子に接続されている。また、スイッチsw3の出力側とオペアンプA1の出力側との間には、コンデンサCs1及びスイッチsw6が並列に接続されている。なお、オペアンプA1の非反転入力端子は、1/2Vccに接続されている。
【0026】
サンプルホールド回路20は、電荷差検出回路18のコンデンサCS1に蓄積されている電荷量に対応して出力される電圧を保持するための回路である。即ち、スイッチsw7の出力側がオペアンプA2の非反転入力端子に接続され、このオペアンプA2の出力側が反転入力端子に接続されている。また、スイッチsw7の出力側がコンデンサC1を介してアースされている。
【0027】
また、増幅回路22は、サンプルホールド回路20により保持されている電圧値を増幅してOUT1端子より出力するための回路である。即ち、サンプルホールド回路20のオペアンプA2の出力端が抵抗R1を介してオペアンプA3の反転 入力端子に接続されている。また、抵抗R1の出力側とオペアンプA3の出力側との間には、コンデンサC2及び抵抗R2が並列に接続されている。なお、オペアンプA3の非反転入力端子は、1/2Vccに接続されている。
【0028】
図6は、OUT1系回路の出力、OUT2系回路の出力の何れを計測値として出力するかを振り分ける振り分け信号、OUT1系回路及びOUT2系回路におけるイニシャライズ区間、計測区間及びホールド区間を示す図である。
【0029】
即ち、振り分け信号がロウの時にOUT1系回路の出力が計測値として出力され、振り分け信号がハイの時にOUT2系回路の出力が計測値として出力される。なお、振り分け信号がロウ又はハイのそれぞれの場合においてイニシャライズ区間、計測区間及びホールド区間が設けられている。
【0030】
図7〜図9は、OUT1系回路の出力を計測値として出力する場合のイニシャライズ区間、計測区間及びホールド区間における各スイッチの動作を示す図である。
【0031】
振り分け信号がロウの時、即ち、OUT1系回路の出力を計測値として出力する場合は、スイッチsw3をON、スイッチsw10をOFFにする。ここで、イニシ ャライズ区間においては、図7に示すようにスイッチsw2、sw5、sw6をONとし て可変コンデンサCx1a、Cx1b及びコンデンサCs1の電荷を放電させて初期化する。
【0032】
次に、計測区間においては、図8に示すようにスイッチsw2、sw5、sw6をOF Fにし、可変コンデンサCx1a、Cx1bにVccを印加する。これにより可変コンデ ンサCx1aと可変コンデンサCx1bとに蓄えられた電荷量の差分の電荷がコンデンサCs1に蓄積される。
【0033】
次に、ホールド区間においては、図9に示すようにスイッチsw7をONしてオ ペアンプA1からの出力をOUT1端子より出力する。なお、振り分け信号がハ イの時には、スイッチsw3がOFF、スイッチsw10がONされ、OUT1系回路 と同様なスイッチ動作を行いOUT2端子より測定値の出力を行う。
【0034】
また、このスイッチの動作は、0.5msec毎に振り分け信号をハイとロウに切り 換える毎に行われ、時分割でOUT1系回路の計測値VAとOUT2系回路の計 測値VBとが交互に出力される。
【0035】
なお、OUT1系回路において測定を行っている間は、OUT2系回路のスイッチsw8及びスイッチsw11はOFFされた状態を維持し、可変コンデンサCx2a及び可変コンデンサCx2bについては電荷の移動を無くし、また、OUT2系回路 において測定を行っている間は、OUT1系回路のスイッチsw1及びスイッチsw4はOFFされた状態を維持し、可変コンデンサCx1a及び可変コンデンサCx1bについては電荷の移動を無くしている。
【0036】
図10は、第2固定板16に対して図面の水平方向を基準として回転体12が角度θだけ回転した状態を示す図である。この場合、第2の外側電極16cに対向する回転体12の面積が増えるので、回転角度に比例して可変コンデンサCx1 bの静電容量は増大し、第1の外側電極16bに対向する回転体12の面積が減 るので、回転角度に比例して可変コンデンサCx1aの静電容量は減少する。
【0037】
従って、角度θの変化に伴いOUT1端子からの出力電圧VAは、図11に示 すように0゜〜180゜においては直線的に増加し、180゜〜360゜においては直線的に減少する。
【0038】
一方、可変コンデンサCx2bの静電容量及び可変コンデンサCx2aの静電容量も同様に回転体12の回転に伴い変化するが、可変コンデンサCx1a及び可変コン デンサCx1bに対して90゜ずれた状態で配置されているため、可変コンデンサ Cx1a及び可変コンデンサCx1bの場合に比較してOUT2端子からの出力電圧VBは、図11に示すように90゜の位相差を有している。
【0039】
この第1の実施の形態にかかる静電容量式角度検出装置2によれば、回転体12を1つの誘電体により構成しているため、回転体12において容量結合が生じることが無く、また、測定を行っていないコンデンサについては電荷の移動を無くしているため、コンデンサの容量を検出する場合に容量を検出していない他のコンデンサに蓄積された電荷の影響を取り除くことができる。従って、位相差が90゜ある測定値VAとVBから、360゜全範囲にわたって正確な角度の検出が可能となる。
【0040】
なお、この実施の形態においては、1つの誘電体により形成した回転体12を用いたが、1つの金属導体により形成した回転体を用いることも可能でり、金属導体を用いた場合においても誘電体の場合と同様な効果を得ることができる。
【0041】
次に、図12〜図19を参照してこの発明の第2の実施の形態にかかる静電容量式角度検出装置4の説明を行う。なお、第1の実施の形態にかかる静電容量式角度検出装置2の構成と同一の構成には、第1の実施の形態の説明で用いた符号と同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【0042】
この静電容量式角度検出装置4は、図12に示すように、回転軸10に対して固定され回転軸10と共に回転する回転体12、この回転体12の上面側に所定間隔を置いて配置される第1固定板24及び回転体12の下面側に所定間隔を置いて配置される第2固定板26を備えている。
【0043】
回転体12は、半円状の形状を有し誘電体により構成される部材であり、第1の実施の形態にかかる回転体12と同様の部材である。
【0044】
第1固定板24は、図14に示すように、円板形状の部材であり中心部に回転軸10が貫通する貫通口24aが設けられている。また、第1固定板24の裏面側、即ち、回転体12側の面に所定幅を有する円環状電極24bが設けられている。
【0045】
第2固定板26は、図15に示すように、円板形状の部材であり中心部に回転軸10が貫通する貫通口26aが設けられている。また、第2固定板26の表面側、即ち、回転体12側の面の第1固定板24の円環状電極24bに対向する位置に、円環状の電極を4等分することにより形成された第1電極26b、第2電極26c、第3電極26d及び第4電極26eが設けられている。
【0046】
ここで、第1固定板24及び第2固定板26は、図12に示すように一定の間隙を有して平行に対向していることから、円環状電極24bと第1電極26b、円環状電極24bと第2電極26c、円環状電極24bと第3電極26d、円環状電極24bと第4電極26eは、それぞれ可変コンデンサC11〜C14を形成している。
【0047】
図16は、可変コンデンサC11〜C14の静電容量を検出するスイッチドキャパシタと呼ばれる回路である。この回路において、スイッチsw21〜sw32は電子的に回路を開閉するアナログスイッチであり、図17に示すタイミング信号S1〜S4により開閉の制御が行われる。
【0048】
ここで、スイッチsw21〜sw32は、その制御信号がハイ(H)のとき閉じられ(ON)、ロウ(L)のとき開かれる(OFF)。なお、スイッチsw21〜sw32のON/OFFと制御信号との関係を表1に示す。また、オペアンプA11、A12、A13はその入力がFETもしくはCMOS等からなる入力インピーダンスが極めて高いオペアンプである。また、コンデンサC15はオペアンプA11の帰還用の固定コンデンサであり、コンデンサC16及びコンデンサC17はそれぞれオペアンプA12およびオペアンプA13とともにサンプルアンドホールド回路を形成するためのホールドコンデンサである。
【0049】
【表1】
【0050】
この静電容量式角度検出装置4は、次のように動作する。即ち、回転体12が固定されている回転軸10と共に回転体12が回転すると、それぞれの電極が形成する可変コンデンサC11、C12、C13、C14の静電容量は、回転体12の重なり量により変化する。例えば、図18に示すように、図面の水平方向を基準として回転体12が時計回りに角度θだけ第1電極26b上に進入した場合、第1電極26bに対向する回転体12の面積が増えるので、回転角度に比例して、可変コンデンサC11及び可変コンデンサC12の静電容量を加算した値(C11+C12)は増大し、第3電極26dに対向する回転体12の面積が減るので、回転角度に比例して、可変コンデンサC13及び可変コンデンサC14の静電容量を加算した値(C13+C14)は減少する。
【0051】
一方、可変コンデンサC11及び可変コンデンサC14の静電容量を加算した値(C11+C14)及び可変コンデンサC12及び可変コンデンサC13の静電容量を加算した値(C12+C13)も同様に回転体12の回転に伴い変化するが、可変コンデンサC11及び可変コンデンサC12、可変コンデンサC13及び可変コンデンサC14に分割する場合と分割方向が直交しているため、可変コンデンサC11及び可変コンデンサC12、可変コンデンサC13及び可変コンデンサC14に分割する場合に比較して静電容量の変化の位相は90゜異なる。
【0052】
なお、この図16に示す回路は、スイッチsw21、sw23がONで、スイッチsw22、sw24がOFFのとき、静電容量(C11+C12)と(C13+C14)を差動的に検出し、また、スイッチsw21、sw23がOFFで、スイッチsw22、sw24がONのとき、(C11+C14)と(C12+C13)を差動的に検出する。
【0053】
即ち、図17及び表1に示すように、スイッチsw21、sw23、sw31がONで、スイッチsw22、sw24、sw32がOFFになると同時に、スイッチsw25、sw27、sw30がOFFになり、スイッチsw26、sw28、sw29がONになる。このとき、可変コンデンサC11、C12、C13、C14、コンデンサC15、オペアンプA11の入出力電圧はGNDと同じであり、各コンデンサには電荷がない状態となり、可変コンデンサC11、C12、C13、C14、コンデンサC15の初期化が行われる。
【0054】
次に、スイッチsw25、sw27、sw30がONになり、スイッチsw26、sw28、sw29がOFFになると、可変コンデンサC11、C12、C13、C14、コンデンサC15はチャージされ、オペアンプA11には各コンデンサの容量に関係した電圧が出力される。その出力電圧はコンデンサC16にチャージされる。
【0055】
なお、オペアンプA12は、いわゆるボルテージフォロア(増幅率1)になっているので、コンデンサC16の電圧をそのままVCとして出力する。この出力電圧 VCは、(C1+C2)と(C3+C4)の静電容量を差動的に検出した値とな る。
【0056】
次に、スイッチsw21、sw23、sw31がOFFで、スイッチsw22、sw24、sw32がONになると同時に、スイッチsw25、sw27、sw30がOFFになり、スイッチsw26、sw28、sw29がONになると、このとき、可変コンデンサC11、C12、C13、C14、コンデンサC15、オペアンプA11の入出力電圧はGNDと同じであり、各コンデンサには電荷がない状態となり、可変コンデンサC11、C12、C13、C14、コンデンサC15の初期化が行われる。
【0057】
次に、スイッチsw25、sw27、sw30がOFFになり、スイッチsw26、sw28、sw29がONになると、可変コンデンサC11、C12、C13、C14、コンデンサC15はチャージされ、オペアンプA11には各コンデンサの容量に関係した電圧が出力される。その出力電圧は、コンデンサC17にチャージされる。
【0058】
なお、オペアンプA13はいわゆるボルテージフォロア(増幅率1)になっているので、コンデンサC17の電圧をそのままVDとして出力する。この出力電圧VDは、(C1+C3)と(C2+C4)の静電容量を差動的に検出した値となる。
【0059】
また、この場合にオペアンプA12は、スイッチsw11がOFFであり入力インピーダンスは極めて高いので(入力がFETもしくはCMOSであるので)、コンデンサC16の電圧はそのまま保持され、その出力は直前に検出した電圧を保持し続ける。以上のように動作したとき、その出力電圧VC、VDは、
【0060】
【数1】
で与えられる。
【0061】
図19は、測定された出力電圧VCとVDを示すものである。出力電圧VCとVDは位相が90゜異なっており、これら2つの信号から360゜全範囲にわたって角度の検出が可能となる。また、1つの信号の精度の悪い部分、つまり、信号の山と谷の部分においては、もう一方の信号は精度がよい部分となるため、精度のよい方の信号を選択することにより、360゜全範囲にわたって良い精度で角度の検出を行うことができる。
【0062】
なお、この第2の実施の形態においても、1つの誘電体により形成した回転体12を用いたが、第1の実施の形態と同様に1つの金属導体により形成した回転体を用いることも可能である。
【0063】
次に、図20〜図23を参照してこの発明の第3の実施の形態にかかる静電容量式角度検出装置6の説明を行う。なお、第1の実施の形態にかかる静電容量式角度検出装置2の構成と同一の構成には、第1の実施の形態の説明で用いた符号と同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【0064】
この静電容量式角度検出装置6は、電源を供給する電極を6等分して第1電極〜第6電極を形成し、3相の測定信号を出力することを可能にしたものである。
【0065】
図20は、第2固定板に形成される第1電極〜第6電極とそれに接続されるスイッチの構成を示す図であり、図21は各電極により形成されるコンデンサの容量を検出する回路を、図22はスイッチsw41〜sw57を制御する制御信号S1〜S10を、図23は出力信号を示す。なお、スイッチsw41〜sw57のON/OFFと制御信号との関係を表2に示す。
【0066】
【表2】
【0067】
ここでこの静電容量式角度検出装置6の動作は第2の実施の形態の静電容量式角度検出装置4と同様であるため説明を省略するが、この静電容量式角度検出装置6によれば、図23に示すように、位相が120゜異なる3相の信号VE、VF、VGが出力される。
【0068】
この静電容量式角度検出装置6は、3相のVE、VF、VGを得ることができる ため、360゜全範囲にわたって回転角度の検出を行うことができると共に、3相の信号のそれぞれの精度の高い部分を選択的に使用することで、第2の実施の形態にかかる静電容量式角度検出装置4よりさらに高い精度の回転角度の検出を行うことができる。
【0069】
次に、図24〜図33を参照してこの発明の第4の実施の形態にかかる静電容量式角度検出装置8の説明を行う。なお、第1の実施の形態にかかる静電容量式角度検出装置2の構成と同一の構成には、第1の実施の形態の説明で用いた符号と同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【0070】
この静電容量式角度検出装置8は、図24に示すように、回転軸10に対して固定され回転軸10と共に回転する回転体12、この回転体12の上面側に所定間隔を置いて配置される第1固定板30及び回転体12の下面側に所定間隔を置いて配置される第2固定板32を備えている。
【0071】
回転体12は、図25に示すように半円状の形状を有し誘電体により構成される部材であり、第1の実施の形態にかかる回転体12と同様の部材である。
【0072】
第1固定板30は、図26に示すように、円板形状の部材であり中心部に回転軸10が貫通する貫通口30aが設けられている。また、第1固定板30の裏面側、即ち、回転体12側の面に所定幅を有する円環状電極30bが設けられている。
【0073】
第2固定板32は、図27に示すように、円板形状の部材であり中心部に回転軸10が貫通する貫通口32aが設けられている。また、第2固定板32の表面側、即ち、回転体12側の面の第1固定板30の円環状電極30bに対向する位置に、円環状の電極を2等分することにより形成された第1電極32b及び第2電極32cが設けられている。
【0074】
ここで、第1固定板30及び第2固定板32は、図24に示すように一定の間隙を有して平行に対向していることから、円環状電極30bと第1電極32b、円環状電極30bと第2電極32cは、それぞれ可変コンデンサC41〜C42を形成している。
【0075】
図28は、可変コンデンサC41と可変コンデンサC42の容量の差を測定するための回路の回路図である。この回路は、Vccとアースとの間に直列に接続された可変コンデンサC41と可変コンデンサC42とに蓄積された電荷の差分の電荷を可変コンデンサC41及び可変コンデンサC42の容量を参照するためのレファレンスコンデンサ、即ちコンデンサC43に蓄積し、電圧V0として出力するものである。
【0076】
ここで可変コンデンサC41と可変コンデンサC42の容量の差に基づく電圧V0、可変コンデンサC41、C42の容量は、回転体12が図29に示すようにθだけ回転した場合に数式2により求められる。
【0077】
【数2】
【0078】
ところで上述の図28に示す回路においては、可変コンデンサC41及び可変コンデンサC42は、誘電体から成る回転体12を用いて構成されているが、コンデンサC43は、寸法を小さくしリーク電流による誤差をなくすためにIC内部に設けらたコンデンサが用いられている。従って、可変コンデンサC41及び可変コンデンサC42の温度係数とコンデンサC43の温度係数とが異なり角度検出の感度に温度依存性を有することになる。そこでこの静電容量式角度検出装置8は、所定タイミングで感度補正を行うフィードバック回路を有する。
【0079】
即ち、図30に示すように可変コンデンサC41を構成する第1電極32b及び可変コンデンサC42を構成する第2電極32cを接続して図31に示す回路を構成する。この図31に示す回路においては、数式3に示すように可変コンデンサC41及び可変コンデンサC42による容量C0は一定になり、またこの場合における可変コンデンサC41及び可変コンデンサC42の容量変化に対応する電圧変化は、△V0となる。
【0080】
【数3】
【0081】
従って、回転体12の回転位置に影響されないイニシャル状態のコンデンサC0を形成することができる。また、コンデンサC43をIC内部に設けられたコンデンサ等、温度依存性の低いコンデンサで実現した場合には、コンデンサC0とコンデンサC43に基づき出力される電圧V0が一定となるように、即ち可変コンデンサC41及び可変コンデンサC42の温度による容量変化を打ち消すように、可変コンデンサC41及び可変コンデンサC42に印加される電圧VCCを制御することにより温度変化による検出感度の依存をなくすことができる。
【0082】
図32は静電容量式角度検出装置8の具体的なブロック構成図である。この静電容量式角度検出装置8は、イニシャル、補正、イニシャル、計測を順次繰り返すことにより角度検出を行う。
【0083】
まず、イニシャル区間において容量型センサ40を構成する各コンデンサ等に蓄積されている電荷の解放を行う。次に補正区間において容量型センサ40を構成する各コンデンサにより感度補正のための容量を出力する。この容量は、C−V変換回路42により電圧に変換され、制御回路44はC−V変換回路42により出力された電圧をセンサ感度補正回路46に対して出力する。センサ感度補正回路46においては、この電圧を感度補正用電圧保持回路46bにおいて保持する。
【0084】
次に、イニシャル区間において容量型センサ40を構成する各コンデンサ等のイニシャルを行い、計測区間において感度補正用電圧保持回路46bにおいて保持されている感度補正用電圧を増幅してセンサ駆動電圧として容量型センサ40を構成するコンデンサに印加し、容量型センサ40を構成するコンデンサの容量をC−V変換回路42により電圧に変換して制御回路44によりこの電圧を出力する。
【0085】
なお、予めイニシャル電圧注入回路46dにより、容量型センサ40に対して出力を発生させるための初期状態の所定のイニシャル電圧の注入が行われ、また電圧注入回路46aにより感度補正用電圧保持回路46bにセンサを駆動するための基準電圧の調整を行う所定電圧の注入が行われている。
【0086】
図33は、図32のブロック構成図に示した静電容量式角度検出装置8の具体的な回路図である。この回路図においては、図33に示す各ブロックに対応する部分に図32の各ブロックに付した符号を表示する。
【0087】
この回路を構成する各スイッチは、表3に示すように制御される。
【0088】
【表3】
【0089】
即ち、イニシャル区間においてはスイッチsw62,sw64,sw65,sw68をONし他のスイッチをOFFすることにより可変コンデンサC41、可変コンデンサC42、レファレンスコンデンサC43等に蓄積されている電荷の解放を行う。
【0090】
補正区間においては、スイッチsw62,sw64,sw67,sw69をONし他のスイッチをOFFし、イニシャル電圧注入回路46dにより容量型センサ40を構成する可変コンデンサC41、可変コンデンサC42にイニシャル電圧を注入する。これにより可変コンデンサC41及び可変コンデンサC42の容量を加算した容量に対応した電荷がC−V変換回路42のレファレンスコンデンサC43に蓄積されて電圧として出力され、この電圧に対応した電荷がフィードバックコンデンサC44に蓄積される。
【0091】
計測区間においては、スイッチsw61,sw63,sw66をONし他のスイッチをOFFして、感度補正用電圧保持回路46bにおいて保持されている感度補正用電圧を増幅回路46cにより増幅してセンサ駆動電圧として容量型センサ40を構成する可変コンデンサC41、可変コンデンサC42に印加する。そして可変コンデンサC41の容量と可変コンデンサC42の容量の差分の容量をC−V変換回路42により電圧に変換して制御回路44により出力する。
【0092】
この第4の実施の形態にかかる静電容量式角度検出装置8によれば、環境温度等が変化した場合においても、角度検出に対する温度の影響をなくすことができ静電容量式角度検出装置8を安定して動作させることができる。
【0093】
なお、この第4の実施の形態の説明においては、コンデンサに対する外乱として温度について説明しているが、この第4の実施の形態にかかる静電容量式角度検出装置8によれば温度の影響のみならず湿度、結露等の影響も除去することができる。
【0094】
【発明の効果】
この発明によれば、第3の部材を1つの誘電体あるいは金属導体とし複数のコンデンサの内、容量の測定を行っていないコンデンサは電荷の移動がない状態にするため、第3の部材において容量結合が生じることが無く、また、コンデンサの容量を検出する際に、容量を検出していない他のコンデンサに蓄積された電荷の影響を取り除くことができる。従って、正確に回転角度の検出を行うことができる。
【0095】
また、レファレンスコンデンサを備え、外乱によって変化した複数のコンデンサの容量とレファレンスコンデンサの容量とに基づいて複数のコンデンサに印加する電圧を変化させる場合には、印加する電圧によって外乱によるコンデンサの容量変化を打ち消すことができるため角度検出の精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態にかかる静電容量式角度検出装置の概略図である。
【図2】第1の実施の形態にかかる静電容量式角度検出装置の回転体の平面図である。
【図3】第1の実施の形態にかかる静電容量式角度検出装置の第1固定板の裏面図である。
【図4】第1の実施の形態にかかる静電容量式角度検出装置の第2固定板の平面図である。
【図5】第1の実施の形態にかかる静電容量式角度検出装置のコンデンサの容量の差を検出するための容量差検出回路を示す回路図である。
【図6】第1の実施の形態にかかる静電容量式角度検出装置のOUT1系回路及びOUT2系回路の振り分け信号、OUT1系回路及びOUT2系回路におけるイニシャライズ区間、計測区間及びホールド区間を示す図である。
【図7】第1の実施の形態にかかる容量差検出回路のイニシャライズ区間におけるスイッチの動作を示す図である。
【図8】第1の実施の形態にかかる容量差検出回路の計測区間におけるスイッチの動作を示す図である。
【図9】第1の実施の形態にかかる容量差検出回路のホールド区間におけるスイッチの動作を示す図である。
【図10】第1の実施の形態にかかる静電容量式角度検出装置の第2固定板に対して回転体が角度θだけ回転した状態を示す図である。
【図11】第1の実施の形態にかかる静電容量式角度検出装置の回転体の回転角度θと測定値VA及び測定値VBの関係を示すグラフである。
【図12】第2の実施の形態にかかる静電容量式角度検出装置の概略図である。
【図13】第2の実施の形態にかかる静電容量式角度検出装置の回転体の平面図である。
【図14】第2の実施の形態にかかる静電容量式角度検出装置の第1固定板の裏面図である。
【図15】第2の実施の形態にかかる静電容量式角度検出装置の第2固定板の平面図である。
【図16】第2の実施の形態にかかる静電容量式角度検出装置のコンデンサの容量を計測するための回路図である。
【図17】第2の実施の形態にかかる静電容量式角度検出装置のコンデンサの容量を計測するための回路のスイッチを制御するタイミング信号を示す図である。
【図18】第2の実施の形態にかかる静電容量式角度検出装置の第2固定板に対して回転体が角度θだけ回転した状態を示す図である。
【図19】第2の実施の形態にかかる静電容量式角度検出装置の回転体の回転角度θと測定値VC及び測定値VDの関係を示すグラフである。
【図20】第3の実施の形態にかかる静電容量式角度検出装置の第2固定板の平面図である。
【図21】第3の実施の形態にかかる静電容量式角度検出装置のコンデンサの容量を計測するための回路図である。
【図22】第3の実施の形態にかかる静電容量式角度検出装置のコンデンサの容量を計測するための回路のスイッチを制御するタイミング信号を示す図である。
【図23】第3の実施の形態にかかる静電容量式角度検出装置の回転体の回転角度θと測定値VE、VF及び測定値VGの関係を示すグラフである。
【図24】第4の実施の形態にかかる静電容量式角度検出装置の概略図である。
【図25】第4の実施の形態にかかる静電容量式角度検出装置の回転体の平面図である。
【図26】第4の実施の形態にかかる静電容量式角度検出装置の第1固定板の裏面図である。
【図27】第4の実施の形態にかかる静電容量式角度検出装置の第2固定板の平面図である。
【図28】第4の実施の形態にかかる静電容量式角度検出装置のコンデンサの容量の差を検出するための容量差検出回路を示す回路図である。
【図29】第4の実施の形態にかかる静電容量式角度検出装置の第2固定板に対して回転体が角度θだけ回転した状態を示す図である。
【図30】第4の実施の形態にかかる静電容量式角度検出装置を構成するコンデンサの電極を接続した状態を示す図である。
【図31】第4の実施の形態にかかる静電容量式角度検出装置を構成するコンデンサの電極を接続した場合の回路図である。
【図32】第4の実施の形態にかかる静電容量式角度検出装置のブロック構成図である。
【図33】第4の実施の形態にかかる静電容量式角度検出装置の回路図である。
【図34】従来の静電容量式角度検出装置の概略図である。
【図35】従来の静電容量式角度検出装置の回転円板の回転角度と静電容量の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
2,4,6,8…静電容量式角度検出装置、10…回転軸、12…回転体(第3の部材)、14…第1固定板(第1の部材)、14b…外側共通電極、14c…内外側共通電極、16…第2固定板(第2の部材)、16b…第1の外側電極、16c…第2の外側電極、16d…第1の内側電極、16e…第2の内側電極、18…電荷差検出回路、20…サンプルホールド回路、22…増幅回路、24…第1固定板、24b…円環状電極、26…第2固定板、26b…第1電極、26c…第2電極、26d…第3電極、26e…第4電極、40…容量型センサ、42…C−V変換回路、44…制御回路、46…センサ感度補正回路、46b…感度補正用電圧保持回路。
Claims (6)
- 互いに相対回転しない複数の電極を対向させて複数のコンデンサを形成する第1の部材及び第2の部材と、
前記第1の部材と前記第2の部材の間に配置され、回転体の回転に伴い前記第1の部材及び前記第2の部材に対して相対移動することで、前記複数のコンデンサの容量を所定の位相差をもって変化させる第3の部材とを備え、
前記複数のコンデンサの容量に基づき前記回転体の回転角度を検出する静電容量式角度検出装置において、
前記第3の部材を1つの誘電体あるいは金属導体とし、
前記複数のコンデンサの内、容量の測定を行っていない前記コンデンサは電荷の移動がない状態にすることを特徴とする静電容量式角度検出装置。 - 前記第1の部材に形成される複数の前記電極は、所定幅をもつ円形電極を周方向に均等に4分割して形成され、これに対向する前記第2の部材の前記電極は、所定幅をもつ円形電極であることを特徴とする請求項1記載の静電容量式角度検出装置。
- 前記第1の部材及び前記第2の部材により形成される4つの前記コンデンサの内、2つの前記コンデンサの容量和と残りの2つの前記コンデンサの容量和の容量差に基づき前記回転体の回転角度を検出することを特徴とする請求項2記載の静電容量式角度検出装置。
- 前記第1の部材に形成される複数の前記電極は、所定幅をもつ大径及び小径の2つの円形電極を周方向にそれぞれ均等に90゜ずれるよう2分割して形成され、これに対向する前記第2の部材の前記電極は所定幅をもつ大径及び小径の2つの所定幅をもつ円形電極であることを特徴とする請求項1記載の静電容量式角度検出装置。
- 前記第1の部材と前記第2の部材により形成される4つのコンデンサの内、前記大径の円形電極により形成される2つのコンデンサの容量差と、前記小径の円形電極により形成される2つのコンデンサの容量差に基づき前記回転体の回転角度を検出することを特徴とする請求項4記載の静電容量式角度検出装置。
- 前記複数のコンデンサの容量を参照するためのレファレンスコンデンサを更に備え、
外乱によって変化した前記複数のコンデンサの容量と前記レファレンスコンデンサの容量とに基づいて前記複数のコンデンサに印加する電圧を変化させることを特徴とする請求項1記載の静電容量式角度検出装置。
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