JP6154735B2 - 静電容量型角度センサ - Google Patents

Description

この発明は、静電容量の変化量に基づいて検出対象の角度を検出する静電容量型角度センサに関するものである。

従来より、例えば、電動バルブアクチュエータの回転角度の検出には、ポテンショメータが用いられている。一般的なポテンショメータの構造は、抵抗体、シャフト、電極およびそれらを包むケース、カバーなどで構成され、構成がシンプルなため、安価であり、内部に電子回路を有さないため、ノイズに強いという特徴がある。しかし、ポテンショメータは、抵抗体と電極が常に接触、摺動しており、経年劣化でひげ状のノイズが発生するという欠点がある。

そこで、本出願人は、電動バルブアクチュエータの回転角度の検出に静電容量型角度センサを用いようと考えている。静電容量型角度センサは、検出対象の角度を静電容量の変化量に基づいて検出するので、検出部が非接触となり、検出部の機械的な経年変化が起こりにくという利点がある。

静電容量の理論式は、誘電率をε、ギャップをｄ、電極面積をＳとした場合（図９参照）、Ｑ＝εＳ／ｄで与えられる。なお、静電容量型角度センサの具体例としては、特許文献１に示されているような「ＡＣサーボモータ制御システム用角度センサ」、特許文献２に示されているような「無接触静電容量式センサ」などがある。

特開２０１２−５８１０６号公報 特開平７−９１６０７号公報

しかしながら、電動バルブアクチュエータの回転角度の検出に静電容量型角度センサを用いようとした場合、現在の検出回路の実力では数ｐＦオーダ以上の静電容量が必要であり、１対の電極として考えると、特許文献１に示されている「ＡＣサーボモータ制御システム用角度センサ」などのように、検出部の面積として電動バルブアクチュエータの全長×全幅程度が必要となり、電動バルブアクチュエータへの搭載はサイズ的に難しい。

なお、構造を集積化し、静電容量を大きくとる方法として、特許文献２に示されている「無接触静電容量式センサ」では、複数の電極をスペーサで必要な静電容量となるまで重ねることで集積化している。しかし、この構造の場合は、電極自体の厚み、反りやスペーサの厚みなどの公差が累積し、理論式におけるギャップに影響し、個体差が発生すること、またそれぞれの材質の線膨張係数の違いにより、電動バルブアクチュエータのように適用温度範囲が広い装置の場合、温度によってさらに電極やスペーサの膨張、収縮が生じ、出力に影響を与える可能性があるという問題がある。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、電動バルブアクチュエータの角度検出に適用可能な小型で、かつ個体差や温度の影響の小さい静電容量型角度センサを提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、軸方向に直交するベース面と，このベース面を基台として軸方向に同心円状に一体的に形成された径が異なる複数の円筒状の壁と，この複数の円筒状の壁を径方向に２分割するスリットとを有する絶縁体よりなるベースと、複数の円筒状の壁の対向する各面のほゞ全面を覆うようにして形成された導体とを備えた固定電極と、軸方向に直交するベース面と，このベース面を基台として軸方向に同心円状に一体的に形成された径が異なる複数の半円筒状の壁とを有し、この複数の半円筒状の壁を固定電極の複数の円筒状の壁の対向する面間の隙間に櫛歯状に入れ込んだ状態で、検出対象の角度変化に応じて回転する導電体よりなる可動遮蔽板とを備えることを特徴とする（請求項１）。

本発明では、固定電極の複数の円筒状の壁の対向する面間の隙間に可動遮蔽板の複数の半円筒状の壁を櫛歯状に入れ込んだ状態で、可動遮蔽板が検出対象の角度変化に応じて回転する。ここで、固定電極の径方向に２分割された複数の円筒状の壁の一方を第１の複数の半円筒状の壁、他方を第２の複数の半円筒状の壁とした場合、可動遮蔽板によって遮蔽される固定電極の第１および第２の複数の半円筒状の壁の対向する各面の電極の表面積が変化するため、第１の複数の半円筒状の壁の対向する各面の導体間の静電容量と、第２の複数の半円筒状の壁の対向する各面の導体間の静電容量とが変化する。したがって、この第１の複数の半円筒状の壁の対向する各面の導体間の静電容量や第２の複数の半円筒状の壁の対向する各面の導体間の静電容量の変化から、検出対象の角度を検出することが可能となる。

本発明において、固定電極は、軸方向に直交するベース面と，このベース面を基台として軸方向に同心円状に一体的に形成された径が異なる複数の円筒状の壁と，この複数の円筒状の壁を径方向に２分割するスリットとを有する絶縁体よりなるベースと、複数の円筒状の壁の対向する各面のほゞ全面を覆うようにして形成された導体とから構成されている。このような電極構造とすることにより、必要なギャップを保ち、電極面積を集積し、あたかも静電容量の理論式におけるｄ（ギャップ）を一定に保ち、Ｓ（電極面積）を大きくとるようにして、小型化を図ることが可能となる。また、ギャップに関する公差の累積を少なくし、個体差や温度の影響も小さくすることが可能となる。

本発明では、第１の複数の半円筒状の壁の対向する各面の導体間の静電容量や第２の複数の半円筒状の壁の対向する各面の導体間の静電容量から検出対象の角度を検出することが可能であるが、必ずしも両方の静電容量を用いなくてもよい。すなわち、第１の複数の半円筒状の壁の対向する各面の導体間の静電容量から検出対象の角度を検出するようにしてもよく、第２の複数の半円筒状の壁の対向する各面の導体間の静電容量から検出対象の角度を検出するようにしてもよい（請求項２）。

本発明において、第１の複数の半円筒状の壁の対向する各面の導体間の静電容量と、第２の複数の半円筒状の壁の対向する各面の導体間の静電容量の両方を用いて検出対象の角度を検出する場合、例えば、第１の複数の半円筒状の壁の対向する各面の導体間の静電容量の合計値を第１の総静電容量値とし、第２の複数の半円筒状の壁の対向する各面の導体間の静電容量の合計値を第２の総静電容量値とし、第１の総静電容量値と第２の総静電容量値との差に基づいて検出対象の角度を検出するようにする（請求項３）。

本発明によれば、軸方向に直交するベース面と，このベース面を基台として軸方向に同心円状に一体的に形成された径が異なる複数の円筒状の壁と，この複数の円筒状の壁を径方向に２分割するスリットとを有する絶縁体よりなるベースと、複数の円筒状の壁の対向する各面のほゞ全面を覆うようにして形成された導体とを備えた固定電極と、軸方向に直交するベース面と、このベース面を基台として軸方向に同心円状に一体的に形成された径が異なる複数の半円筒状の壁とを有する導電体よりなる可動遮蔽板とを設け、可動遮蔽板の複数の半円筒状の壁を固定電極の複数の円筒状の壁の対向する面間の隙間に櫛歯状に入れ込んだ状態で検出対象の角度変化に応じて回転させるようにしたので、必要なギャップを保ち、電極面積を集積し、あたかも静電容量の理論式におけるｄ（ギャップ）を一定に保ち、Ｓ（電極面積）を大きくとることができるようにして、小型化を図り、数ｐＦオーダ以上の静電容量を必要とする電動バルブアクチュエータの角度検出に適用することが可能となる。また、ギャップに関する公差の累積を少なくし、個体差や温度の影響も小さくすることが可能となる。

本発明に係る静電容量型角度センサの一実施の形態の要部を示す外観斜視図である。 この静電容量型角度センサにおけるプリント回路基板と組み合わされた固定電極を示す図（図２（ａ）：平面図、図２（ｂ）：図２（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図、図２（ｃ）：図２（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図）である。 図２（ｃ）における固定電極を斜め上方向から見た断面図である。 この静電容量型角度センサにおける可動遮蔽板を示す図（図４（ａ）：底面図、図４（ｂ）：図４（ａ）をＡ方向から見た図、図４（ｃ）：図４（ａ）をＢ方向から見た図）である。 図４（ａ）における可動遮蔽板を斜め右方向から見た図である。 固定電極に可動遮蔽板を組み合わせた状態を示す図（図６（ａ）：平面図、図６（ｂ）：Ｃ−Ｃ断面図）である。 この静電容量型角度センサの回路図である。 可動遮蔽板の回転角度と静電容量ＱＲ，ＱＬおよびＱＲ−ＱＬとの関係を示す図である。 静電容量の理論式に用いる誘電率ε、ギャップｄ、電極面積Ｓを示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係る静電容量型角度センサの一実施の形態の要部を示す外観斜視図である。同図において、１０は固定電極、２０は可動遮蔽板、３０はプリント回路基板、４０は角度検出部であり、可動遮蔽板２０を固定電極１０に組み合わせる前の状態を示している。

固定電極１０は、セラミックスなどの線膨張係数の小さい絶縁体で形成されたベース１１を主体とし、ベース１１は、軸方向（図１中に一点鎖線で示す方向）に直交するベース面１１−０と、このベース面１１−０を基台として軸方向に同心円状に一体的に形成された径が異なる円筒状の壁１１−１〜１１−５と、この円筒状の壁１１−１〜１１−５を径方向に２分割（２等分に分割）するスリット１１−６とを有している。

スリット１１−６は、円筒状の壁１１−１〜１１−５の径方向の０゜の位置と１８０゜の位置とを結ぶ直線として、円筒状の壁１１−１〜１１−５の軸方向にベース１１のベース面１１−０まで所定の幅で設けられている。また、本実施の形態において、円筒状の壁１１−１〜１１−５の対向する各面の間隔は、全て等しくされている。

また、固定電極１０において、ベース１１の円筒状の壁１１−１〜１１−５の対向する各面には、そのほゞ全面を覆うようにして銅などの導体のメッキが施され、このメッキが電極板１２として形成されている。そして、このベース１１を主体とする固定電極１０をプリント回路基板３０に載置し、円筒状の壁１１−１〜１１−５の対向する各面に形成されている電極板１２とプリント回路基板３０に形成されている回路パターンとの接続を図っている。

図２（ａ）にプリント回路基板２０と組み合わされた固定電極１０の平面図を、図２（ｂ）に図２（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図を、図２（ｃ）に図２（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図を示し、図３に図２（ｃ）における固定電極１０を斜め上方向から見た図を示す。

ベース１１の円筒状の壁１１−１〜１１−５の対向する各面に形成された電極板１２には、スリット１１−６によって径方向に２分割（２等分に分割）された円筒状の壁１１−１〜１１−５の一方を第１の半円筒状の壁１１−１Ｒ〜１１−５Ｒ、他方を第２の半円筒状の壁１１−１Ｌ〜１１−５Ｌとし、これら半円筒状の壁１１−１Ｒ〜１１−５Ｒおよび１１−１Ｌ〜１１−５Ｌに形成された電極板１２のそれぞれに電気的につながる導体のピン１３が接合されており、これら導体のピン１３をプリント回路基板３０に形成されたスルーホールに差し込み、プリント回路基板３０の裏面側で半田接続することによって、固定電極１０とプリント回路基板３０とが組み合わせられている。

一方、可動遮蔽板２０は、炭素鋼などの導電体よりなり、軸方向（図１中に一点鎖線で示す方向）に直交するベース面２０−０と、このベース面２０−０を基台として軸方向に同心円状に一体的に形成された径が異なる半円筒状の壁２０−１〜２０−４とを有している。また、可動遮蔽板２０のベース面２０−０の中心部には、半円筒状の壁２０−１〜２０−４と同方向に延びる回転軸２０−５が一体的に形成されている。

図４（ａ）に図１において可動遮蔽２０を下側から見た図（底面図）を、図４（ｂ）に図４（ａ）における可動遮蔽２０をＡ方向から見た図を、図４（ｃ）に図４（ａ）における可動遮蔽２０をＢ方向から見た図を示し、図５に図４（ａ）における可動遮蔽板２０を斜め右方向から見た図を示す。

可動遮蔽板２０は、図６に示すように、固定電極１０の円筒状の壁１１−１〜１１−５の対向する面間の隙間に半円筒状の壁２０−１〜２０−４を櫛歯状に入れ込んだ状態で、固定電極１０と組み合わされる。この場合、可動遮蔽板２０の回転軸２０−５は、固定電極１０の中央の円筒状の壁１１−１で囲まれた中空部１１ａを通して、プリント回路基板３０の裏面側に突き出る。図６（ａ）は固定電極１０に可動遮蔽板２０を組み合わせた状態の平面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）におけるＣ−Ｃ線断面図である。

図１には可動遮蔽板２０を固定電極１０に組み合わせる前の状態を示しているが、本実施の形態の静電容量型角度センサ１００は、図６に示されるように、可動遮蔽板２０を固定電極１０に組み合わせた状態で用いられる。

この静電容量型角度センサ１００において、可動遮蔽板２０は、回転軸２０−５を中心として検出対象の角度変化に応じて回転する。すなわち、固定電極１０の円筒状の壁１１−１〜１１−５の対向する面間の隙間に半円筒状の壁２０−１〜２０−４を櫛歯状に入れ込んだ状態で、可動遮蔽板２０が回転軸２０−５を中心として検出対象の角度変化に応じて回転する。

図７にこの静電容量型角度センサ１００の概略的な回路図を示す。この静電容量型角度センサ１００では、固定電極１０の半円筒状の壁１１−１Ｒと１１−２Ｒの対向する電極板１２間に静電容量Ｑ１_Rが生じ、半円筒状の壁１１−２Ｒと１１−３Ｒの対向する電極板１２間に静電容量Ｑ２_Rが生じ、半円筒状の壁１１−３Ｒと１１−４Ｒの対向する電極板１２間に静電容量Ｑ３_Rが生じ、半円筒状の壁１１−４Ｒと１１−５Ｒとの対向する電極板１２間に静電容量Ｑ４_Rが生じる。

また、固定電極１０の半円筒状の壁１１−１Ｌと１１−２Ｌの対向する電極板１２間に静電容量Ｑ１_Lが生じ、半円筒状の壁１１−２Ｌと１１−３Ｌの対向する電極板１２間に静電容量Ｑ２_Lが生じ、半円筒状の壁１１−３Ｌと１１−４Ｌの対向する電極板１２間に静電容量Ｑ３_Lが生じ、半円筒状の壁１１−４Ｌと１１−５Ｌとの対向する電極板１２間に静電容量Ｑ４_Lが生じる。

プリント回路基板３０には、静電容量Ｑ１_R〜Ｑ４_Rの同一極同士がつながるように、また静電容量Ｑ１_L〜Ｑ４_Lの同一極同士がつながるように、配線パターンが形成されている。これにより、静電容量Ｑ１_R〜Ｑ４_Rが並列に接続され、その静電容量の合計値がＱＲ（ＱＲ＝Ｑ１_R＋Ｑ２_R＋Ｑ３_R＋Ｑ４_R）として端子Ｔ１，Ｔ２間より取り出される。また、静電容量Ｑ１_L〜Ｑ４_Lが並列に接続され、その静電容量の合計値がＱＬ（ＱＬ＝Ｑ１_L＋Ｑ２_L＋Ｑ３_L＋Ｑ４_L）として端子Ｔ３，Ｔ４間より取り出される。

プリント回路基板３０と角度検出部４０とは電気的な接続が図られており、プリント回路基板３０から取り出された静電容量ＱＲ，ＱＬが検出信号として角度検出部４０に送られる。

図８に可動遮蔽板２０の回転角度と静電容量ＱＲ，ＱＬおよびＱＲ−ＱＬとの関係を示す。可動遮蔽板２０の回転角度が変化すると、この可動遮蔽板２０によって遮蔽される固定電極１０の半円筒状の壁１１−１Ｒ〜１１−５Ｒおよび１１−１Ｌ〜１１−５Ｌの対向する各面の電極１２の表面積が変化し、プリント回路基板３０から取り出される静電容量ＱＲ，ＱＬが変化する。この場合、静電容量ＱＲが減少すると、逆に静電容量ＱＬが増加し、静電容量ＱＲが増加すると、逆に静電容量ＱＬが減少する。角度検出部４０は、この静電容量ＱＲ，ＱＬと可動遮蔽板２０の回転角度との関係から、静電容量ＱＲとＱＬとの差（ＱＲ−ＱＬ）を求めることで、可動遮蔽板２０の回転角度に比例した出力、すなわち検出対象の角度に比例した出力を得る。

この静電容量型角度センサ１００において、固定電極１０は、セラミックなどの線膨張率の小さい絶縁体で形成されたベース１１を主体とし、このベース１１に径が異なる円筒状の壁１１−１〜１１−５を同心円状に形成し、この円筒状の壁１１−１〜１１−５の対向する各面に電極１２を形成すると共に、この円筒状の壁１１−１〜１１−５をスリット１１−６によって２分割した電極構造とされている。

このような電極構造とすることにより、本実施の形態の静電容量型角度センサ１００では、必要なギャップを保ち、電極面積を集積し、あたかも静電容量の理論式におけるｄ（ギャップ）を一定に保ち、Ｓ（電極面積）を大きくとるようにして、小型化を図り、数ｐＦのオーダ以上の静電容量を必要とする電動バルブアクチュエータへの搭載を可能としている。

本実施の形態の静電容量型角度センサ１００は、電動バルブアクチュエータに限らず、適用温度範囲が比較的広く、スペースに余裕がないような装置において広く活用することが可能である。また、角度の検出部の構造はシンプルであるので、コスト面で有利であり、ギャップに関する公差の累積が少ないため、個体差や温度の影響も小さく、従来技術よりもロバスト性が向上する。

なお、上述した実施の形態では、角度検出部４０において、静電容量ＱＲとＱＬとの差（ＱＲ−ＱＬ）から検出対象の角度に比例した出力を得るようにしたが、必ずしも静電容量ＱＲとＱＬの両方を用いなくてもよく、静電容量ＱＲだけから検出対象の角度に比例した出力を得るようにしてもよく、逆に静電容量ＱＬだけから検出対象の角度に比例した出力を得るようにしてもよい。静電容量ＱＲとＱＬの何れか一方を用いる場合、円筒状の壁１１−１〜１１−５を径方向に２分割する位置は、必ずしも２等分に分割する位置としなくてもよい。

また、上述した実施の形態では、円筒状の壁１１−１〜１１−５の対向する各面に銅などの導体のメッキを施して電極板１２としたが、電極板１２はメッキに限られるものでない。また、上述した実施の形態では、プリント回路基板３０と角度検出部４０とを切り離しているが、プリント回路基板３０に角度検出部４０を設けるようにしてもよい。

〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

１０…固定電極、１１…ベース、１１−０…ベース面（基台）、１１−１〜１１−５…円筒状の壁、１１−６…スリット、１１−１Ｒ〜１１−５Ｒ，１１−１Ｌ〜１１−５Ｌ２…半円筒状の壁、１１ａ…中空部、１２…電極、１３…導体のピン、２０…可動遮蔽板、２０−０…ベース面（基台）、２０−１〜２０−４…半円筒状の壁、２０−５…回転軸、３０…プリント回路基板、４０…角度検出部、１００…静電容量型角度センサ。

Claims (3)

1. 軸方向に直交する第１のベース面を有する絶縁体からなる第１の基台と，前記第１のベース面上に前記軸線を中心として同心円状に配置され，前記軸方向に沿って前記第１の基台と一体的に形成された絶縁体からなる，互いに径が異なる複数の円筒状の壁と，前記複数の円筒状の壁のそれぞれを径方向に分離された第１の半円筒状の壁と第２の半円筒状の壁とに２分割する複数のスリットとを有するベースと，複数の前記第１の半円筒状の壁の互いに対向する面に形成された導体からなる複数の第１の電極板と、複数の前記第２の半円筒状の壁の互いに対向する面に形成された導体からなる複数の第２の電極板とを備えた固定電極と、
   前記第１のベース面と対向し前記軸方向に直交する第２のベース面を有する導電体からなる第２の基台と，前記第２のベース面上の前記軸線に直交する径方向の一方の側に前記軸線を中心として同心円状に配置され，前記軸方向に沿って前記第２の基台と一体的に形成された，互いに径が異なる導電体からなる複数の第３の半円筒状の壁とを有し、前記複数の第３の半円筒状の壁を前記固定電極の複数の円筒状の壁の間に櫛歯状に入れ込んだ状態で、検出対象の角度変化に応じて前記軸線周りに回転する，導電体からなる可動遮蔽板と、
   前記第１のベース面の中心と前記第２のベース面の中心との間に前記軸線に沿って設けられ、前記固定電極に対して前記可動遮蔽板を相対的に回転可能に支持する回転軸と、
   前記複数の第１の電極板の間の静電容量の合計値と前記複数の第２の電極板の間の静電容量の合計値との差に基づいて前記検出対象の角度を検出する角度検出部と
   を備える静電容量型角度センサ。
2. 請求項１に記載された静電容量型角度センサにおいて、
   前記複数のスリットは、平面視で前記軸線に直交する第１の径方向に沿って配列し、それぞれ前記軸方向に沿って前記第１のベース面まで設けられ、前記複数の円筒状の壁のそれぞれを前記第１の径方向と直交する第２の径方向に２分割する
   ことを特徴とする静電容量型角度センサ。
3. 請求項１または２に記載された静電容量型角度センサにおいて、
   前記複数の第１の電極板および前記複数の第２の電極板のそれぞれに電気的に接続された複数のピンをさらに備え、
   前記角度検出部は、前記複数のピンに電気的に接続されている
   ことを特徴とする静電容量型角度センサ。

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