JP6507347B2 - 静電容量式角度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、絶対角度を検出可能なデジタル角度計、ロータリーエンコーダ等の角度計測器に利用される静電容量式角度検出装置の技術に関する。

角度センサ（角度検出装置）は、回転による角度変化を電気信号に変換し、この信号を処理することで移動物の位置や移動速度、これらの変化の様子などを検出する検出装置である。また、角度検出装置は、検出出力の形態の違いからインクリメント型とアブソリュート型に分けることができる。

インクリメント型センサでは、変位量がパルス等に変換され出力され、このパルスをカウントすることにより回転角度を測る、というものである。しかしながら、センサの電源が切れてしまうとこれまでの角度情報が失われるため、角度測定時の原点は任意となってしまう。また、回転速度の上昇に伴い、カウントもれ等による検出誤差が発生することもある。

一方、アブソリュート型センサでは、原点は常に固定されており、原点からの回転量を測定することができる。そのため、センサの電源が切れた場合であっても角度情報が失われないという利点がある。また、回転速度が上昇しても検出誤差が発生しないという利点がある。そのため、産業用ロボットのサーボモータなどに広く利用されている。

また、角度検出装置は、検出方式により光学式、磁気式、静電容量式等に分類することができる。この中で、静電容量式は、消費電力が少なく、且つ、製造コストが安価であるという特徴があり、角度計等の携帯測定器のセンサに広く用いられている。
さらに、角度計やロータリーエンコーダを利用する技術分野では、絶対角度を高精度に測定でき、且つ、小型で安価な製品に対する要求がある。高精度に角度を測定するためには、測定精度の高いインクリメント型センサと、測定精度は低いが絶対角度を検出することができるアブソリュート型センサとの２種類のセンサを備えた角度検出装置が必要になる。

例えば、特許文献１に開示された変位測定装置は、絶対位置を検出可能なリニアエンコーダに関するものであり、アブソリュート型センサとインクリメント型センサを併用し、それぞれの検出結果を加算して正しい測定値を得る、というものである。
また、特許文献２に開示された容量性移動量エンコーダは、センサ間で生じる干渉を抑えるために入力信号の周波数をセンサ毎に変えて測定精度を高める、というものである。

特開平５−４５１０８号公報 特表２００２−５４２４７６号公報

しかしながら、静電容量式の角度検出装置では、絶対角度を検出するためのセンサ（検出部）と、相対角度を検出するためのセンサ間の干渉を防ぐためにセンサのサイズを大きくしなければならず、装置の小型化が難しい、という問題ある。また、小型化することに伴い装置の回路構成が大幅に複雑化してしまう、などの課題が残る。

本発明は、アブソリュート型とインクリメント型の２つのセンサ間に生じる干渉を抑え、小型かつ高い測定精度を備えた静電容量式角度検出装置を提供することを、主たる課題とする。また、センサが有する回路構成を大幅に簡素化することができる静電容量式角度検出装置を提供する。

上記課題を解決する本発明の静電容量式角度検出装置は、中心部に形成された第１の駆動電極と、外周縁に形成された第２の駆動電極と、当該第１の駆動電極と第２の駆動電極との間に形成された第３の駆動電極と、当該第１の駆動電極と第３の駆動電極との間に形成され、第１のピッチ角度で放射状に延びる複数の第１の受信電極と、当該第２の駆動電極と第３の駆動電極との間に形成され、当該第１のピッチ角度よりも狭い第２のピッチ角度で放射状に延びる複数の第２の受信電極とを有する円板状の固定基板と、前記固定基板に対して平行で且つ回転自在に設けられるとともに、当該固定基板と対向する面上に形成された、前記第１の駆動電極に入力された駆動信号を前記第１の受信電極へ伝達する第１の送信電極と、前記第２の駆動電極に入力された駆動信号を前記第２の受信電極へ伝達する第２の送信電極と、前記第３の駆動電極に入力された駆動信号を前記第１及び第２の受信電極へ伝達する第３の送信電極とを有する円板状の回転基板と、前記第１及び第２の受信電極それぞれから出力される信号に基づいて前記回転基板の絶対的な回転変位量を算出する処理手段と、を有し、前記第１の送信電極は、前記第１の受信電極と対向する面の面積が当該回転基板の回転に応じて変化し、前記第２の送信電極は、前記第２の受信電極と対向する面の面積が当該回転基板の回転に応じて変化し、前記第３の送信電極は、前記第１及び第２の受信電極と対向する面の面積がそれぞれ当該回転基板の回転に応じて変化する形状にそれぞれが形成されることを特徴とする。

本発明によれば、回転する回転基板の絶対角度を検出するため各電極構成と、相対角度を検出するための各電極構成とが相互に干渉してしまうことを防ぎ、高精度に角度の検出を行うことができる。

第１実施形態に係る静電容量式角度検出装置の主たる構成を説明するための斜視図。 （ａ）、（ｂ）は、ステータに形成された電極パターンを説明するための図。 （ａ）、（ｂ）は、ロータに形成された電極パターンを説明するための図。 検出部からの出力を回路基板においてサンプリングする際のタイミングの一例を示すタイミングチャート。 回路基板の機能構成を説明するためのシステムブロック図。 第２実施形態に係る静電容量式角度検出装置のステータに形成された電極パターンを説明するための図。 ロータに形成された電極パターンを説明するための図。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態例を説明する。
ここで、本発明者らは子細に検討した結果、アブソリュート型センサとインクリメント型センサ間の干渉が主としてロータ電極間で発生する事を見出し、同時にそれらの要因発現を解明した。これらの知見に基づき、ロータ電極の電位が回転によらず一定となるような形状に各電極を形成することを見出した。以下、アブソリュート型センサとインクリメント型センサ間の干渉を抑制することができる静電容量式角度検出装置について説明する。
また、回転角度を表す情報は、電圧の振幅として各センサから出力される。そのため、本発明者らは、矩形波を入力信号とし、この入力信号をトリガとして出力信号のサンプリングを行うことにより、センサが有する制御回路を大幅に簡素化（小型化）するに至った。この点についても詳細に説明する。

［第１実施形態］
図１は、本実施形態に係る静電容量式角度検出装置１０（以下、角度センサ１０と称す）の主たる構成を説明するための斜視図である。
角度センサ１０は、円板状に形成された固定子（固定基板）であるステータ１００、円板状に形成された回転自在な回転子（回転基板）であるロータ１０１、導電体（導電層）１０２、ロータ１０１の絶対的な回転変位量を算出する回路基板１０３、回転軸１０４を含んで構成される。また、ロータ１０１は、図１に示すように、回転軸１０４の周りを回転自在に構成される。なお、ロータ１０１の回転角度を回転角θ［ｄｅｇ］として説明を進める。

ステータ１００とロータ１０１は、所定の隙間をあけた状態で、且つ、対向するそれぞれの面が平行になるように回転軸１０４を介して配備される。また、ステータ１００とロータ１０１とが対向する面上には、それぞれ後述する電極パターンが形成されている。ステータ１００とロータ１０１に形成された各電極パターンは、そのパターンに応じた検出方法（例えば、絶対角度、あるいは相対角度）でロータ１０１の回転角度を検出するための検出部（センサ）として機能する。なお、角度センサ１０では、回転による角度変化において絶対角度を検出する検出部（第１の検出部）と、相対角度を検出する検出部（第２の検出部）を有する。また、ステータ１００と導電体１０２、並びに、導電体１０２と回路基板１０３それぞれの間に、導電体１０２との短絡を防ぐために絶縁体（不図示）を配備しても良い。

図２は、ステータ１００に形成された電極パターンを説明するための図である。
図２（ａ）に示すステータ１００は、大別して、その中心部においてリング状に形成されるステータ電極１１（第１の駆動電極）、外周縁に形成されるステータ電極１２（第２の駆動電極）、これらの間においてリング状に形成されたステータ電極１３（第３の駆動電極）の３つの電極を有する。ステータ電極１１、１２、１３それぞれには、駆動用信号が入力される。なお、ステータ電極１１、１２には同相の駆動信号が、ステータ電極１３にはこれとは逆相の駆動信号が入力される。

ステータ１００は、また、ステータ電極１１とステータ電極１３との間で扇型に形成された４つの受信電極１１１、１１２、１１３、１１４を有する。なお、これら４つの受信電極は、図２に示すように、それぞれ回転軸１０４を中心に各々９０度ずらした位置に配備されている。つまり、個々の受信電極は周方向に３６０／４＝９０［ｄｅｇ］のピッチ角度で配備されている。なお、この第１の受信電極のピッチ角度を第１のピッチ角度と称する場合もある。
また、図２（ｂ）に示すように、ステータ電極１２とステータ電極１３との間には、受信電極１２１、１２２、１２３、１２４などを含む放射状に形成された複数の受信電極が配備されている。なお、一例として、受信電極１２１〜１２４などの４つの受信電極が一つのグループ（セグメント）となる受信電極を構成しているものとして説明を進める。

例えば、グループ数ｍ個の受信電極をステータ１００上に形成する場合、１グループの周方向のピッチ角度（グループピッチ角度）は３６０／ｍ［ｄｅｇ］となり、個々の受信電極は３６０／（４ｍ）＝９０／ｍ［ｄｅｇ］となる。また、１グループの受信電極に含まれる各受信電極１２１〜１２４は、それぞれ３本おきに他の受信電極と電気的に共通接続され、全体で４つの電極群を構成している。なお、この第２の受信電極におけるグループピッチ角度を第２のピッチ角度と称する場合もある。
本実施形態においては、グループ数ｍ＝４５の場合を例に挙げて説明を進める。この場合、図２（ｂ）に示すように、１グループのピッチ角度は８［ｄｅｇ］（８度）となり、個々の電極のピッチ角度は２［ｄｅｇ］（２度）となる。なお、グループ数は、例えばひとつの電極を形成する際の加工精度に応じて任意に設定することができる。

図３は、ロータ１０１に形成された電極パターンを説明するための図である。
図３（ａ）に示すロータ１０１では、大別して３つのロータ電極２１、２２、２３が形成される。ロータ電極２１は、ステータ電極１１に入力された駆動信号を受信電極１１１〜１１４に伝達する送信電極（第１の送信電極）として機能する。また、ロータ電極２２は、ステータ電極１３に入力された駆動信号を受信電極１１１〜１１４ならびに受信電極１２１〜１２４に伝達する送信電極（第３の送信電極）として機能する。ロータ電極２３は、ステータ電極１２に入力された駆動信号を受信電極１２１〜１２４に伝達する送信電極（第２の送信電極）として機能する。

ロータ電極２１は、入力側電極であるステータ電極１１と対向する面の面積がロータ１０１の回転に依らず一定となる形状に形成される。その一方で、受信電極１１１〜１１４と対向する面の面積は、図３（ａ）に示すように、ロータ１０１の回転角θ［ｄｅｇ］に応じて変化する形状に形成される。例えば、ロータ電極２１の形状を半径ｒ＝（ａ＋ｂｃｏｓθ）^１／２（ａ、ｂは共に定数）を満たす偏心円形状に形成したとする。この場合、ロータ電極２１と受信電極１１１〜１１４間の静電容量（Ｃ）は、正弦関数に従い変化し、次の各式（１）〜（４）を用いて表すことができる。
なお、本実施形態で示す各式においてＣｐ−ｑと示す場合、電極ｐ、ｑ間の静電容量を表すものとする。また、Ｃ_ａ０、Ｃ_ａ１は、定数ａ、ｂによって決定される定数である。

Ｃ_{２１−１１１}＝Ｃ_ａ０＋Ｃ_ａ１ｃｏｓ（２πθ／３６０）・・・式（１）

Ｃ_{２１−１１２}＝Ｃ_ａ０＋Ｃ_ａ１ｓｉｎ （２πθ／３６０）・・・式（２）

Ｃ_{２１−１１３}＝Ｃ_ａ０−Ｃ_ａ１ｃｏｓ（２πθ／３６０）・・・式（３）

Ｃ_{２１−１１４}＝Ｃ_ａ０−Ｃ_ａ１ｓｉｎ（２πθ／３６０）・・・式（４）

ロータ電極２２は、ロータ電極２１を取り囲み、入力電極であるステータ電極１３と対向する面の面積がロータ１０１の回転によらず一定となるような形状に形成される。その一方で、受信電極１１１〜１１４と対向する面の面積は、ロータ１０１の回転角θ［ｄｅｇ］に応じて変化する形状に形成される。つまり、ロータ電極２２と受信電極１１１〜１１４間の静電容量（Ｃ）は、ロータ１０１の回転角θ［ｄｅｇ］に依存して変化し、このことは次の各式（５）〜（８）を用いて表すことができる。

Ｃ_{２２−１１１}＝Ｃ_ａ０−Ｃ_ａ１ｃｏｓ（２πθ／３６０）・・・式（５）

Ｃ_{２２−１１２}＝Ｃ_ａ０−Ｃ_ａ１ｓｉｎ（２πθ／３６０）・・・式（６）

Ｃ_{２２−１１３}＝Ｃ_ａ０＋Ｃ_ａ１ｃｏｓ（２πθ／３６０）・・・式（７）

Ｃ_{２２−１１４}＝Ｃ_ａ０＋Ｃ_ａ１ｓｉｎ（２πθ／３６０）・・・式（８）

また、ロータ電極２２には、図３（ｂ）に示すように、その幅を２［ｄｅｇ］とし、８ ［ｄｅｇ］のピッチ角度で電極２２１が形成される。電極２２１は、ロータ電極２１を取り囲んだ部位からロータ１０１の外周縁に向けて櫛歯状に４５個延出している。このような形状に形成されたロータ電極２２と受信電極１２１〜１２４間の静電容量（Ｃ）は、次の各式（９）〜（１２）を用いて表すことができる。なお、Ｃ_ｂ０、Ｃ_ｂ１は、定数ａ、ｂによって決定される定数である。

Ｃ_{２２−１２１}＝Ｃ_ｂ０＋Ｃ_ｂ１ｃｏｓ（２πｍθ／３６０）＝Ｃ_ｂ０＋Ｃ_ｂ１ｃｏｓ（２πθ／８）・・・式（９）

Ｃ_{２２−１２２}＝Ｃ_ｂ０ ＋Ｃ_ｂ１ｓｉｎ（２πｍθ／３６０）＝Ｃ_ｂ０ ＋Ｃ_ｂ１ｓｉｎ（２πθ／８）・・・式（１０）

Ｃ_{２２−１２３}＝Ｃ_ｂ０−Ｃ_ｂ１ｃｏｓ（２πｍθ／３６０）＝Ｃ_ｂ０−Ｃ_ｂ１ｃｏｓ（２πθ／８）・・・式（１１）

Ｃ_{２２−１２４}＝Ｃ_ｂ０−Ｃ_ｂ１ｓｉｎ（２πｍθ／３６０）＝Ｃ_ｂ０−Ｃ_ｂ１ｓｉｎ（２πθ／８）・・・式（１２）

ロータ電極２３は、ロータ電極２２を取り囲み、入力電極であるステータ電極１２と対向する面の面積がロータ１０１の回転によらず一定となる形状に形成される。その一方で、図３（ｂ）に示すように、電極２２１を４［ｄｅｇ］ずらした位置、つまり隣接する電極２２１の各中心位置それぞれに電極２３１が形成される。電極２３１は、ロータ電極２２を取り囲んでいる部位からロータ１０１の中心に向けて櫛歯状に４５個延出している。このような形状に形成されたロータ電極２３と受信電極１２１〜１２４の静電容量（Ｃ）は、次の各式（１３）〜（１７）を用いて表すことができる。

Ｃ_{２３−１２１}＝Ｃ_ｂ０−Ｃ_ｂ１ｃｏｓ（２πｍθ／３６０）＝Ｃ_ｂ０−Ｃ_ｂ１ｃｏｓ（２πθ／８）・・・式（１３）

Ｃ_{２３−１２２}＝Ｃ_ｂ０−Ｃ_ｂ１ｓｉｎ（２πｍθ／３６０）＝Ｃ_ｂ０−Ｃ_ｂ１ｓｉｎ（２πθ／８）・・・式（１４）

Ｃ_{２３−１２３}＝Ｃ_ｂ０＋Ｃ_ｂ１ｃｏｓ（２πｍθ／３６０）＝Ｃ_ｂ０＋Ｃ_ｂ１ｃｏｓ（２πθ／８）・・・式（１５）

Ｃ_{２３−１２４}＝Ｃ_ｂ０＋Ｃ_ｂ１ｓｉｎ（２πｍθ／３６０）＝Ｃ_ｂ０＋Ｃ_ｂ１ｓｉｎ（２πθ／８）・・・式（１６）

このとき、各受信電極の電位Ｖ_１１１〜Ｖ_１１４ならびに電位Ｖ_１２１〜Ｖ_１２４は、次の各式（１７）〜（２４）を用いて表すことができる。なお、Ｋ_ｃ１Ｖ、Ｋ_ｃ２Ｖは、定数ａ、ｂによって決定される定数である。

Ｖ_１１１＝Ｋ_ｃ１Ｖｃｏｓ（２πθ／３６０）ｓｉｎ（ωｔ）・・・式（１７）

Ｖ_１１２＝Ｋ_ｃ１Ｖｓｉｎ （２πθ／３６０）ｓｉｎ（ωｔ）・・・式（１８）

Ｖ_１１３＝−Ｋ_ｃ１Ｖｃｏｓ（２πθ／３６０）ｓｉｎ（ωｔ）・・・式（１９）

Ｖ_１１４＝−Ｋ_ｃ１Ｖｓｉｎ （２πθ／３６０）ｓｉｎ（ωｔ）・・・式（２０）

Ｖ_１２１＝Ｋ_ｃ２Ｖｃｏｓ（２πｍθ／３６０）ｓｉｎ（ωｔ）＝Ｋ_ｃ２Ｖｃｏｓ（２πθ／８）ｓｉｎ（ωｔ）・・・式（２１）

Ｖ_１２２＝Ｋ_ｃ２Ｖｓｉｎ（２πｍθ／３６０）ｓｉｎ（ωｔ）＝Ｋ_ｃ２Ｖｓｉｎ（２πθ／８）ｓｉｎ（ωｔ）・・・式（２２）

Ｖ_１２３＝−Ｋ_ｃ２Ｖｃｏｓ（２πｍθ／３６０）ｓｉｎ（ωｔ）＝−Ｋ_ｃ２Ｖｃｏｓ（２πθ／８）ｓｉｎ（ωｔ）・・・式（２３）

Ｖ_１２４＝−Ｋ_ｃ２Ｖｓｉｎ （２πｍθ／３６０）ｓｉｎ（ωｔ）＝−Ｋ_ｃ２Ｖｓｉｎ（２πθ／８）ｓｉｎ（ωｔ）・・・式（２４）

ここで、ロータ電極２１〜２３の各電位をそれぞれ電位Ｖ_２１〜Ｖ_２３とした場合、これらは受信電極の電位Ｖ_１１１〜Ｖ_１１４ならびに電位Ｖ_１２１〜Ｖ_１２４に影響を与えることになる。また、その影響の度合いは、次の各式（２５）〜（２７）に示すＶα〜Ｖγの線形結合を用いて表すことができる。

Ｖα＝Ｃ_{２１−１１１}Ｖ_１１１＋Ｃ_{２１−１１２}Ｖ_１１２＋Ｃ_{２１−１１３}Ｖ_１１３＋Ｃ_{２１−１１４}Ｖ_１１４・・・式（２５）

Ｖβ＝Ｃ_{２２−１１１}Ｖ_１１１＋Ｃ_{２２−１１２}Ｖ_１１２＋Ｃ_{２２−１１３}Ｖ_１１３＋Ｃ_{２２−１１４}Ｖ_１１４＋Ｃ_{２２−１２１}Ｖ_１２１＋Ｃ_{２２−１２２}Ｖ_１２２＋Ｃ_{２２−１２３}Ｖ_１２３＋Ｃ_{２２−１２４}Ｖ_１２４・・・式（２６）

Ｖγ＝Ｃ_{２３−１２１}Ｖ_１２１＋Ｃ_{２３−１２２}Ｖ_１２２＋Ｃ_{２３−１２３}Ｖ_１２３＋Ｃ_{２３−１２４}Ｖ_１２４・・・式（２７）

そして、Ｖα〜Ｖγの各式に対し、既に説明したＣ_{２１−１１１}〜Ｃ_{２１−１１４}、Ｃ_{２２−１１１}〜Ｃ_{２２−１１４}、Ｃ_{２２−１２１}〜Ｃ_{２２−１２４}、Ｃ_{２３−１２１}〜Ｃ_{２３−１２４}、Ｖ_１１１〜Ｖ_１１４、Ｖ_１２１〜Ｖ_１２４の各式を代入する。その結果、ｃｏｓ^２θ＋ｓｉｎ^２θ＝１の関係からＶα〜Ｖγは定数となる。そのため、ロータ電極の電位Ｖ_２１〜Ｖ_２３は回転角θ［ｄｅｇ］に依らず一定となることが分かる。本実施形態に係る角度センサ１０は、このように形成された電極パターンを有するものである。

ここで、ロータ電極２１〜２３は、それぞれが近接して配設されており、互いに静電結合している。そのため、ロータ電位が回転角θ［ｄｅｇ］に依存して変化する場合、その変化が受信電極１１１〜１１４ならびに受信電極１２１〜１２４に伝播され、角度の検出誤差が発生する要因となり得る。
角度の検出誤差の発生を抑制するためには、一般的には各センサそれぞれを形成する間隔を大きく設けるか、あるいは回路的に互いの信号を分離することなどが必要になる。しかしながら、本実施形態に係る角度センサ１０のように構成すれば、そのような角度の検出誤差の発生が抑制され、センサ自体の小型化のみならず、センサの回路を簡素化することもできる。以下、この点について詳細に説明する。

受信電極の電位Ｖ_１１１〜Ｖ_１１４ならびに電位Ｖ_１２１〜Ｖ_１２４は、差動増幅回路（後述する差動増幅回路１３０）により増幅され、増幅後の各出力は次の各式（２８）〜（３１）で算出すことができる。

Ｖｃｘ ＝ Ｖ_１１１−Ｖ_１１３＝２Ｋ_ｃ１Ｖｃｏｓ（２πθ／３６０）ｓｉｎ（ωｔ）・・・式（２８）

Ｖｃｙ＝Ｖ_１１２−Ｖ_１１４＝２Ｋ_ｃ１Ｖｓｉｎ（２πθ／３６０）ｓｉｎ（ωｔ）・・・式（２９）

Ｖｆｘ＝Ｖ_１２１−Ｖ_１２３＝２Ｋ_ｃ２Ｖｃｏｓ（２πθ／８）ｓｉｎ（ωｔ）・・・式（３０）

Ｖｆｙ＝Ｖ_１２２−Ｖ_１２４＝２Ｋ_ｃ２Ｖｓｉｎ（２πθ／８）ｓｉｎ（ωｔ）・・・式（３１）

なお、上記各式による算出結果から、ベクトル成分（Ｖｃｘ、Ｖｃｙ）に基づき０〜３６０［ｄｅｇ］の範囲で回転角度を得ることができるが、低精度の角度しか得ることができない。その一方で、ベクトル成分（Ｖｆｘ、Ｖｆｙ）に基づき０〜８ ［ｄｅｇ］の範囲で回転角度を高精度に得ることができる。そのため、２つのベクトル成分（Ｖｃｘ、Ｖｃｙ）、（Ｖｆｘ、Ｖｆｙ）を組み合わせることで、０〜３６０［ｄｅｇ］の範囲において高精度に絶対角度を得ることができる。

また、差動増幅回路により増幅されたベクトル成分（Ｖｃｘ、Ｖｃｙ）ならびに（Ｖｆｘ、Ｖｆｙ）は、回転角度の情報を振幅の大きさとして出力している。そのため、入力信号が振幅変調されたものと考えることができる。また、一般的には同期検波により直流出力に変換し、演算処理により回転角θを算出する。しかしながら、この角度検出方式では、乗算回路とフィルター回路が少なくとも必要であり、そのため回路の構成が複雑になってしまう。また。回路を小型化するために同期検波をデジタル化した場合、演算処理に時間がかかってしまうことになる。そこで、本発明者らは、角度センサ１０の回路基板１０３を以下に説明するような構成とした。

図４は、検出部からの出力を回路基板１０３においてサンプリングする際のタイミングの一例を示すタイミングチャートである。図４に示すようにＰＷＭ（パルス幅変調）から矩形波（例えば、５ｋＨｚ矩形波）を入力し、この矩形波をトリガとして一定時間（Δｔ）が経過した後、差動増幅回路により増幅された出力に対し４チャネル（Ｃｈ１〜４）同時に一回サンプリング（抽出）を行う。その後、取得したサンプリング値（抽出結果）を演算処理部（後述する図５に示す主・副目盛角度演算部）に伝達する。このような制御を行うように回路基板１０３を構成することにより、演算処理に費やす時間を大幅に減少させることができる。

図５は、回路基板１０３の機能構成を説明するためのシステムブロック図である。回路基板１０３は、図５に示すように、検出部であるステータ１００、ステータ１０１からの出力を受け付ける。また、回路基板１０３では、差動増幅回路１３０とマイコン１４０（例えば、ＰＩＣマイコン、あるいはこれに相当するマイコン）を含む簡素な回路構成で角度の算出を行うことができる。

差動増幅回路１３０を介して増幅された各出力は、マイコン１４０に入力され４チャネル同時にサンプリングが実行される。なお、ＰＭＷモジュールが出力するタイミング信号によりサンプリングのタイミングが制御される。
例えば、本実施形態に係る回路基板１０３では、前述した４個の扇形電極（受信電極１１１、１１２、１１３、１１４）に対応し、０〜３６０［ｄｅｇ］の範囲で角度を検出する主目盛角度演算部と、８［ｄｅｇ］周期で角度を検出する副目盛角度演算部とを含んで構成される。また、副目盛角度演算部は、前述した２［ｄｅｇ］のピッチ角度で形成された４個の信号電極（受信電極１２１、１２２、１２３、１２４など）が１つのセグメントを構成しており、セグメントは円周上に計４５個配備されているものに対応する。
そのため、回路基板１０３では、主目盛角度演算部による演算角度から現在位置のセグメント番号を割り出し、副目盛角度演算部による位相角を合成することにより高精度に絶対角度を算出することができる。なお、演算結果（角度検出結果）は、例えばＲＳ２３２Ｃなどのインタフェースを介して接続されたＰＣ（パーソナルコンピュータ）あるいはデジタル表示計（不図示）などに表示して確認することができる。

また、回路基板１０３は、図１に示すようにステータ１００の背面側に配備される。差動増幅回路１３０には、受信電極１１１〜１１４および受信電極１２１〜１２４からの信号が入力される。また、受信電極から差動増幅回路１３０まで信号を伝達するための信号線は、受信電極の一部を構成することになる。そのため、例えば受信電極１１１からの信号線が受信電極１１２の背面を横切るような場合、受信電極１１１、１１２間の静電結合により電圧が誘起され、その結果、角度検出の精度の低下を招くことになる。
そこで、本実施形態の角度センサ１０では、回路基板１０３とステータ１００との間に導電体１０２を挿入してグラウンド層を形成し、信号線と受信電極の静電結合を防ぐ構成にしている。これにより、角度検出の精度低下を防ぐとともに、回路配置の自由度を高めることができる。

このように、本実施形態に係る静電容量式角度検出装置１０では、ロータ１０１に形成された電極の電位が回転によらず一定となり、絶対角度を検出するための各電極構成と、相対角度を検出するための各電極構成とが相互に干渉してしまうことを防ぐことができる。これにより、高精度に角度の検出を行うことができる。また、回路基板１０３の構成を大幅に簡素化することができるため、検出精度を維持しながらセンサ自体のサイズの小型化を図ることができる。

［第２実施形態］
第１実施形態では、絶対角度を検出するための検出部（第１の検出部）を回転子の中心付近に形成し、相対角度を検出するための検出部（第２の検出部）を回転子の外周に形成した形態を例に挙げて説明した。
例えば、回転子の中心部に形成された検出部は、当該回転子の傾斜、あるいは偏心などに対する感度が高く、その影響を受けやすい。そのため、中心部に形成された検出部において回転子の傾斜、偏心等を要因とする検出誤差が生じた場合、外周部に形成された検出部の出力にも影響を与え、その結果、角度検出の精度が低下してしまうことがある。

本実施形態では、回転子の傾斜、偏心等を要因とする検出精度の低下を抑制することができる静電容量式角度検出装置について説明する。なお、第１実施形態において既に説明した機能構成と同じものは、同一の符号を付すとともにその説明を省略する。

図６は、本実施形態に係る静電容量式角度検出装置のステータに形成された電極パターンを説明するための図である。図７は、ロータに形成された電極パターンを説明するための図である。図６から見て取れるように、本実施形態に係る静電容量式角度検出装置のステータには、第１実施形態において説明した４つの受信電極１１１、１１２、１１３、１１４に替えて受信電極１５０が形成される。受信電極１５０は、回転子の傾斜、偏心等に対する影響の度合いが相対的に低い外周部の受信電極と同じタイプ、つまり第１実施形態において説明した受信電極１２１、１２２、１２３、１２４などの受信電極と同じタイプに形成される。

受信電極１５０は、例えば、グループ数ｎ個の受信電極がステータ上に配備されている場合、１グループのピッチ角度（グループピッチ角度）は３６０／ｎ［ｄｅｇ］となり、個々の電極は３６０／４ｎ＝９０／ｎ［ｄｅｇ］のピッチ角度となる。
また、図７に示すように、本実施形態に係る静電容量式角度検出装置のロータは、受信電極１５０に対応するように、第１実施形態におけるロータ電極２１、２２に替えて、例えばその幅を２［ｄｅｇ］とし、８ ［ｄｅｇ］のピッチ角度で電極が形成されたロータ電極１６０、１６１を有する。
そのため、第１実施形態においては０〜３６０［ｄｅｇ］の範囲で回転角度を得る電極構成であったものが、本実施形態においては、受信電極１５０により０〜３６０／ｎ［ｄｅｇ］の範囲で回転角度を得ることができる電極構成に置き換えられたことになる。

なお、本実施形態においてはグループ数ｎ＝２２の場合を例に挙げて説明する。この場合、受信電極１５０は、０〜３６０／２２［ｄｅｇ］の範囲で回転角度を得ることができる。また、外周部に形成された検出部は第１実施形態の場合と同様にグループ数ｍ＝４５であり、０〜８ ［ｄｅｇ］の範囲で回転角度を得ることができる。
このようにステータ、ロータそれぞれを形成した場合であっても、中心部、外周部の各検出部においては回転角θ［ｄｅｇ］によらずロータ電位が一定となる。そのため、絶対角度を検出するための各電極構成と、相対角度を検出するための各電極構成とが相互に干渉してしまうことを防ぐことができる。

ここで、グループ数ｍ＝４５とｎ＝２２は、ステータ、ロータに形成された各検出部の半径の比率と同程度に設定した値である。その理由は、中心部に形成された検出部は、外周部に形成された検出部と比較して半径が小さい。そのため、外周部に形成された検出部と同じグループ数を中心部に形成された検出部に設けるためには、外周部より微細な電極を形成しなければならない。つまり、半径の比率と同程度となるようにグループ数ｍ、ｎを設定することにより、デザインルールの変更が不要となり、その結果、製造コストの上昇を抑えることができる。

また、０〜３６０［ｄｅｇ］の範囲で回転角θを算出するためには、中心部に形成された検出部と外周部に形成された検出部との位相差を利用することができる。中心部に形成された検出部からの出力をθ１、外周部に形成された検出部からの出力をθ２とした場合、回転角θは、次の式（３２）、（３３）で表すことができる。

θ＝（３６０／４５）ｐ＋θ１（ｐは整数）・・・式（３２）

θ＝（３６０／２２）ｑ＋θ２
＝（３６０／４４）（２ｑ＋ｒ）＋ｍｏｄ（θ２ 、３６０／４４）
＝（３６０／４４）（２ｑ＋ｒ）＋θ３（ｑは整数、ｒ＝０又は１）・・・式（３３）

ここで、整数ｐ、ｑは未知であるが、ｃｏｓθ、ｓｉｎθは次の式（３４）、（３５）で求めることができる。

ｃｏｓθ＝ｃｏｓ（２π（４５θ−４４θ）／３６０）＝ｃｏｓ（２π（４５θ_１−４４θ_３）／３６０）・・・式（３４）

ｓｉｎθ＝ｓｉｎ（２π（４５θ−４４θ）／３６０）＝ｓｉｎ（２π（４５θ_１−４４θ_３）／３６０）・・・式（３５）

このようにして、０〜３６０［ｄｅｇ］の範囲で回転角θを得ることができる。そして、中心部に形成された検出部からの出力と、外周部に形成された検出部からの出力とを合成することにより、高精度に絶対角度を算出する。

このように、本実施形態に係る静電容量式角度センサは、回転子の傾斜、偏心等を要因とする検出精度の低下を抑制することができる。

上記説明した実施形態は、本発明をより具体的に説明するためのものであり、本発明の範囲が、これらの例に限定されるものではない。

１０・・・静電容量式角度検出装置、１１、１２、１３・・・ステータ電極（駆動電極）、２１、２２、２３、１６０、１６１・・・ロータ電極（送信電極）、１００・・・ステータ、１０１・・・ロータ、１０２・・・導電体、１０３・・・回路基板、１０４・・・回転軸、１１１、１１２、１１３、１１４、１２１、１２２、１２３、１２４、１５０・・・受信電極。

Claims (7)

1. 中心部に形成された第１の駆動電極と、外周縁に形成された第２の駆動電極と、当該第１の駆動電極と第２の駆動電極との間に形成された第３の駆動電極と、当該第１の駆動電極と第３の駆動電極との間に形成され、第１のピッチ角度で放射状に延びる複数の第１の受信電極と、当該第２の駆動電極と第３の駆動電極との間に形成され、当該第１のピッチ角度よりも狭い第２のピッチ角度で放射状に延びる複数の第２の受信電極とを有する円板状の固定基板と、
   前記固定基板に対して平行で且つ回転自在に設けられるとともに、当該固定基板と対向する面上に形成された、前記第１の駆動電極に入力された駆動信号を前記第１の受信電極へ伝達する第１の送信電極と、前記第２の駆動電極に入力された駆動信号を前記第２の受信電極へ伝達する第２の送信電極と、前記第３の駆動電極に入力された駆動信号を前記第１及び第２の受信電極へ伝達する第３の送信電極とを有する円板状の回転基板と、
   前記第１及び第２の受信電極それぞれから出力される信号に基づいて前記回転基板の絶対的な回転変位量を算出する処理手段と、を有し、
   前記第１の送信電極は、前記第１の受信電極と対向する面の面積が当該回転基板の回転に応じて変化し、前記第２の送信電極は、前記第２の受信電極と対向する面の面積が当該回転基板の回転に応じて変化し、前記第３の送信電極は、前記第１及び第２の受信電極と対向する面の面積がそれぞれ当該回転基板の回転に応じて変化する形状にそれぞれが形成されることを特徴とする、
   静電容量式角度検出装置。
2. 前記第２の受信電極は、前記第２のピッチ角度より狭いピッチ角度で放射状に延びる複数の電極から構成されており、それぞれの電極は所定の間隔で他の第２の受信電極を構成する電極と電気的に接続されることを特徴とする、
   請求項１に記載の静電容量式角度検出装置。
3. 前記第１の送信電極は、前記第１の駆動電極と対向する面の面積が前記回転基板の回転に依らず一定となる形状に形成され、
   前記第２の送信電極は、前記第２の駆動電極と対向する面の面積が前記回転基板の回転に依らず一定となる形状に形成され、
   前記第３の送信電極は、前記第３の駆動電極と対向する面の面積が前記回転基板の回転に依らず一定となる形状に形成されることを特徴とする、
   請求項１又は２に記載の静電容量式角度検出装置。
4. 前記第１の送信電極は、偏心円形状に形成された電極であり、
   前記第３の送信電極は、前記第１の送信電極の外周を囲む部位と、当該部位から前記回転基板の外周縁に向けて所定のピッチ角度で延出した複数の部位とを含んで形成された電極であり、
   前記第２の送信電極は、前記第３の送信電極の外周を囲む部位と、当該部位から前記回転基板の中心に向けて所定のピッチ角度で延出した複数の部位とを含んで形成された電極であることを特徴とする、
   請求項１、２又は３に記載の静電容量式角度検出装置。
5. 前記処理手段は、前記第１及び第２の受信電極それぞれから出力された信号を同じタイミングで抽出し、抽出結果に基づき前記回転基板の絶対的な回転変位量を算出することを特徴とする、
   請求項１乃至４いずれか一項に記載の静電容量式角度検出装置。
6. 前記処理手段が構成された回路を有する回路基板をさらに有し、
   前記固定基板と前記回路基板の間に導電層を形成することを特徴とする、
   請求項１乃至５いずれか一項に記載の静電容量式角度検出装置。
7. 中心部に形成された第１の駆動電極と、外周縁に形成された第２の駆動電極と、当該第１の駆動電極と第２の駆動電極との間に形成された第３の駆動電極と、当該第１の駆動電極と第３の駆動電極との間に形成され、第１のピッチ角度で放射状に延びる複数の第１の受信電極と、当該第２の駆動電極と第３の駆動電極との間に形成され、第２のピッチ角度で放射状に延びる複数の第２の受信電極とを有する円板状の固定基板と、
   前記固定基板に対して平行で且つ回転自在に設けられるとともに、当該固定基板と対向する面上に形成された、前記第１の駆動電極に入力された駆動信号を前記第１の受信電極へ伝達する第１の送信電極と、前記第２の駆動電極に入力された駆動信号を前記第２の受信電極へ伝達する第２の送信電極と、前記第３の駆動電極に入力された駆動信号を前記第１及び第２の受信電極へ伝達する第３の送信電極とを有する円板状の回転基板と、
   前記第１及び第２の受信電極それぞれから出力される信号に基づいて前記回転基板の絶対的な回転変位量を算出する処理手段と、を有し、
   前記第１の送信電極は、円形状に形成された部位と、当該部位から前記回転基板の外周縁に向けて所定のピッチ角度で延出した複数の部位とを含んで形成され、
   前記第２の送信電極は、前記回転基板の外周縁に形成された部位と、当該部位から当該回転基板の中心に向けてそれぞれ所定のピッチ角度で延出した複数の部位とを含んで形成され、
   前記第３の送信電極は、前記第１の送信電極の外周を囲む部位と、当該部位から前記回転基板の外周縁及び中心に向けてそれぞれ所定のピッチ角度で延出した複数の部位とを含んで形成されることを特徴とする、
   静電容量式角度検出装置。
   

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