JPH09311010A

JPH09311010A - 位置センサ

Info

Publication number: JPH09311010A
Application number: JP12808896A
Authority: JP
Inventors: Sumio Masuda; 純夫増田
Original assignee: Jeco Corp
Current assignee: Jeco Corp
Priority date: 1996-05-23
Filing date: 1996-05-23
Publication date: 1997-12-02

Abstract

(57)【要約】【課題】位置検出対象の回転角度や直線位置等を非接
触で検出可能な位置センサに関し、耐久性に優れ安価な
位置センサを提供することを目的とする。【解決手段】位置検出対象の位置に応じて静電容量が
増加する第１の可変容量と、位置検出対象の位置に応じ
て静電容量が減少する第２の可変容量と、第１の可変容
量と第２の可変容量との静電容量を検出し、第１の可変
容量の静電容量及び第２の可変容量の静電容量に応じて
位置検出対象の位置を検出する位置検出回路とより構成
してなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は位置センサに係り、
特に、位置検出対象の回転角度や直線位置等を非接触で
検出可能な位置センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、位置検出対象の回転角度や直線位
置等を検出する位置センサとしては摺動抵抗式ポテンシ
ョメータや差動トランスなどがある。図１２に摺動抵抗
式ポテンショメータの概略構成図を示す。

【０００３】摺動抵抗式ポテンショメータ１は、線抵抗
２と、線抵抗２に対して矢印Ｄ方向に摺動自在に設けら
れた接点３を設け、位置検出対象の位置に応じて接点３
の位置を変位させ、接点３の位置を線抵抗２に印加され
る電圧Ｖの分圧電圧Ｖ1 、Ｖ2 を求めることにより検出
する。

【０００４】図１３に差動トランスの概略構成図を示
す。差動トランス１１は、主に駆動コイル１２、検出コ
イル１３、１４、コア１５から構成され、コア１５を位
置検出対象の位置に応じて矢印Ｅ方向に変位させ、コア
１５の位置に応じて駆動コイル１３から検出コイル１３
及び検出コイル１４に供給する磁束を変化させることに
より検出コイル１３、１４に発生する信号に応じてコア
１５の位置を検出し、位置検出対象の位置を検出する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、従来の位置
センサである摺動抵抗式ポテンショメータは、抵抗膜に
電極を摺動させる構成であるため、摩耗による故障が生
じやすく、耐摩耗性を向上させると高価になる等の問題
点があった。

【０００６】また、差動トランスは、非接触なので摩耗
による故障はないが、構造が複雑なため、高価となり、
また、コイルがあるため小型化が困難である等の問題点
があった。本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、
耐久性に優れ安価な位置センサを提供することを目的と
する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１は、位
置検出対象の位置を検出する位置センサにおいて、前記
位置検出対象の位置に応じて静電容量が増加する第１の
可変容量と、前記位置検出対象の位置に応じて静電容量
が減少する第２の可変容量と、前記第１の可変容量と前
記第２の可変容量との静電容量を検出し、前記第１の可
変容量の静電容量及び前記第２の可変容量の静電容量に
応じて前記位置検出対象の位置を検出する位置検出手段
とを有することを特徴とする。

【０００８】請求項１によれば、位置検出対象の位置に
応じて静電容量を可変し、静電容量に応じて位置検出対
象の位置を検出することにより静電容量は非接触で発生
するため、非接触で検出が可能であり、耐久性・信頼性
を向上させることができる。また、電極をわずかに離間
させて配置するだけであるため、小型化が可能となる。
さらに、第１及び第２の可変容量を設け、位置検出対象
の位置に応じて第１の可変容量の静電容量と第２の可変
容量の静電容量とを相対的に可変することにより検出位
置を静電容量の比として検出できるため、不要な成分を
含まない検出結果を得られ、正確な検出が可能となる。

【０００９】請求項２は、前記位置検出手段を前記第１
の可変容量が接続され、前記第１の可変容量の静電容量
に応じて時定数を可変する第１の時定数回路と、入力信
号が供給され、該入力信号が所定の方向に反転した時に
これを検出し、前記第１の時定数回路により設定された
時定数に応じた第１の時間だけ出力信号を反転させる第
１のマルチバイブレータと、前記第２の可変容量が接続
され、前記第２の可変容量の静電容量に応じて時定数を
可変する第２の時定数回路と、前記第１のマルチバイブ
レータの出力信号の反転を検出して、前記第１の出力パ
ルスの反転を検出してから前記第２の可変容量により設
定された時定数だけ出力信号を反転させるとともに、前
記第１のマルチバイブレータに入力信号として供給する
第２のマルチバイブレータと、前記第２のマルチバイブ
レータの前記出力信号のハイレベル時間とローレベル時
間との比に応じて前記位置検出対象の位置に応じた位置
信号を生成する位置算出手段とから構成してなる。

【００１０】請求項２によれば、第１のマルチバイブレ
ータの出力により第２のマルチバイブレータをトリガ
し、第２のマルチバイブレータの出力により第１のマル
チバイブレータをトリガすることにより第１の可変容量
に応じた時定数のパルスと第２の可変容量に応じた時定
数とを交互に出力した出力パルスを得ることができるた
め、出力パルスを平均化することにより容易に位置検出
対象の位置に応じた出力信号を得ることができる。

【００１１】請求項３は、前記第２のマルチバイブレー
タの出力信号を平滑化し、前記第２のマルチバイブレー
タの前記出力信号のハイレベル時間とローレベル時間と
の比に応じたレベルの信号として前記位置算出手段に供
給するローパスフィルタとを有することを特徴とする。

【００１２】請求項３によれば、第１のマルチバイブレ
ータの出力により第２のマルチバイブレータをトリガ
し、第２のマルチバイブレータの出力により第１のマル
チバイブレータをトリガすることにより第１の可変容量
に応じた時定数のパルスと第２の可変容量に応じた時定
数とを交互に出力した出力パルスを得ることができるた
め、出力パルスを平均化することにより容易に位置検出
対象の位置に応じた出力信号を得ることができる。

【００１３】請求項４は、前記位置検出手段を前記第１
の可変容量が接続され、前記第１の可変容量の静電容量
に応じて時定数を可変する第１の時定数回路と、前記第
１の時定数回路により設定された時定数に応じた第１の
時間だけ出力信号を反転させる第１のマルチバイブレー
タと、前記第２の可変容量が接続され、前記第２の可変
容量の静電容量に応じて時定数を可変する第２の時定数
回路と、前記第２の可変容量により設定された時定数だ
け出力信号を反転させる第２のマルチバイブレータと、
前記第１のマルチバイブレータの出力信号の反転期間と
前記第２のマルチバイブレータの出力信号の反転期間と
の比に応じて前記位置検出対象の位置を算出する位置算
出手段とから構成としてなる。

【００１４】請求項４によれば、第１及び第２のマルチ
バイブレータでそれぞれ第１の可変容量に応じた周期の
出力パルスと第２の可変容量に応じた周期の出力パルス
を得ることができるため、多様な処理に対応でき、ま
た、一方の出力パルスに異常があるときでも他方の出力
パルスで容易に位置検出が可能である。

【００１５】請求項５は、前記出力信号が所定の範囲か
ら外れたときに機能異常を検出する異常検出手段を有す
ることを特徴とする。請求項５によれば、出力信号から
異常を検出することにより容易に異常を検出でき、信頼
性を向上させることができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１に本発明の第１実施例の概略
構成図を示す。本実施例の位置センサ２０は、位置検出
対象２１の位置に応じて静電容量が可変する可変容量部
２２、可変容量部２２の静電容量に応じて位置検出対象
２１の位置を検出する位置検出回路２３より構成されて
いる。

【００１７】まず、可変容量部２２について説明する。
可変容量部２２は、第１の可変容量２２ａ及び第２の可
変容量２２ｂを有する。第１の可変容量２２ａ及び第２
の可変容量２２ｂは、ともに位置検出対象２１に結合さ
れており、位置検出対象２１の位置に応じて静電容量が
変化する。

【００１８】第１の可変容量２２ａ及び第２の可変容量
２２ｂの静電容量は、位置検出対象の位置に応じて第１
の可変容量２２ａの静電容量が増加すると、第２の可変
容量２２ｂが減少し、第１の可変容量２２ａの静電容量
が減少すると、第２の可変容量２２ｂが増加する構成と
されている。

【００１９】図２に本発明の一実施例の可変容量部の構
成図を示す。図２（Ａ）は平面図、図２（Ｂ）は断面図
を示す。可変容量部２２は、第１の可変容量２２ａと第
２の可変容量２２ｂとで共通化された可動電極２４、第
１の可変容量２２ａを構成する第１の固定電極２５、第
２の可変容量２２ｂを構成する第２の固定電極２６より
構成され、可動電極２４と第１及び第２の固定電極２
５，２６との対向面積を可変することにより静電容量が
可変する構成とされている。可動電極２４は、中心部分
に中心穴２４ａを有する半径ｒ1 の３枚の半円形の金属
板をより構成される。可動電極２４の中心穴２４ａはシ
ャフト２７にリング２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄを
挟んで係合させる。このとき、リング２８ａ，２８ｂ，
２８ｃ，２８ｄをシャフト２７に圧入固定することによ
り可動電極２４が所定の間隔でシャフト２７に固定され
る。シャフト２７は、金属よりなり、ブッシュ２９に回
転自在に保持される。ブッシュ２９は、金属よりなり、
絶縁材製のプレート３０に圧入固定される。

【００２０】第１の固定電極２５及び第２の固定電極２
６は、半径ｒ1 の２枚の半円状の金属板から構成され
る。第１の固定電極２５は、半円の中心部に半径ｒ0 の
半円形の切欠部２５ａが形成され、外周部には取付部２
５ｂ，２５ｃが形成されている。第１の固定電極２５を
構成する２枚の金属板は、取付部２５ｂが金属製の支柱
３１ａに、取付部２５ｃが金属製の支柱３１ｂに所定の
間隔で固定される。

【００２１】また、第２の固定電極２６を構成する２枚
の金属板は、半円の中心部に半径ｒ0 の半円形の切欠部
２６ａが形成され、外周部には取付部２６ｂ，２６ｃが
形成されている。第２の固定電極２６を構成する２枚の
金属板は、取付部２６ｂが金属製の支柱３１ｃに、取付
部２６ｃが金属製の支柱３１ｄに所定の間隔で固定され
る。

【００２２】プレート３０は、１辺が略２ｒ1 の正方形
の絶縁材より構成される。支柱３１ａ，３１ｂ，３１
ｃ，３１ｄは、一端がプレート３０の頂点付近に直交し
て固定され、他端にはプリント配線板３２にネジ止めさ
れる。プリント配線板３２は、支柱３１ａ，３１ｂ，３
１ｃ，３１ｄにより固定されるとともに、支柱３１ａ，
３１ｂに固定された第１の固定電極２５及び支柱３１
ｃ，３１ｄに固定された第２の固定電極２６が電気的に
接続される。なお、プリント配線板３２に後述する位置
検出回路２３が搭載される。

【００２３】第１の固定電極２５と第２の固定電極２６
とは、支柱３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄをプレート
３０に固定すると、所定の距離ｅだけ離間されて絶縁状
態に配置され、第１の固定電極２５の切欠部２５ａと第
２の固定電極２６の切欠部２６ａとにより円筒状の空間
が形成される。この第１の固定電極２５の切欠部２５ａ
と第２の固定電極２６の切欠部２６ａとにより形成され
る円筒状の空間にはシャフト２７に固定されたリング２
８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄが嵌装され、可動電極２
４は第１及び第２の固定電極２５，２６の間に絶縁状態
に挿入される。

【００２４】また、プレート３０とリング２８ａとの間
には板バネ３３が配設されている。板バネ３３は、金属
よりなり、リング２８ａを矢印Ａ方向に付勢することに
より、シャフト２７を矢印Ａ方向に付勢している。ま
た、板バネ３３はリード線３４によりプリント配線板３
２の接地パターンに接続されており、可動電極２４を接
地レベルに保持する。

【００２５】ここで、可変容量部２２の動作を図ととも
に説明する。図３に本発明の一実施例の可動容量部の動
作説明図を示す。可変容量部２２は、シャフト２７を回
転させることにより可動電極２４が回動する。可動電極
２４が回動すると、可動電極２４，第１の固定電極２
５，第２の固定電極２６は、半円形をなすため、第１の
可変容量２２ａを構成する可動電極２４と第１の固定電
極２５との対向面積Ｓ1 及び第２の可変容量２２ｂを構
成する可動電極２４と第２の固定電極２６との対向面積
Ｓ2 が変化する。

【００２６】ここで、対向面積Ｓ1 ，Ｓ2 は、可動電極
２４が第１及び第２の固定電極２５，２６に対して図３
（Ａ）に示す位置にある時には、Ｓ1 ＝Ｓ2 となる。ま
た、シャフト２７を矢印Ｂ方向に角度θ1 だけ回転させ
ると、可動電極２４が図３（Ｂ）に示す位置になると、
Ｓ1 が増加し、Ｓ2 が減少する。さらに、シャフト２７
を矢印Ｂ方向に角度θ2 （90°）だけ回転させ、可動電
極２４が図３（Ｃ）に示す位置になると、Ｓ1 が最大と
なり、Ｓ2 がゼロとなる。

【００２７】一般に、平行平板コンデンサの静電容量Ｃ
は、対向電極の面積をＳ、電極間の距離をｄとすると、
近似的に

【００２８】

【数１】

【００２９】ただし、εは誘電率で, 電極間の媒体が空
気の場合、ε＝ε₀＝8.8542×10^-11［C ²N ^-1m ^-2］
である。このため、図３に示すようにシャフト２７を回
転させ、可動電極２４を回転させることにより、可動電
極２４と第１の固定電極２５との静電容量及び可動電極
と第２の固定電極２６との静電容量を可変できることに
なる。

【００３０】いま、第１及び第２の固定電極２５，２６
の半径をｒ₁、中心部の切欠部２５ａ，２６ａの半径を
ｒ₀、可動電極２４と第１の固定電極２５，可動電極２
４と第２の固定電極２６との間隔を全てｄ、可動電極２
４と第１の固定電極２５及び第２の固定電極２６との対
向数をｎ、シャフト２７の回転角をθとして、可変電極
２４と第１の固定電極２５との間の静電容量Ｃ_a、可動
電極２４と第２の固定電極２６との間の静電容量Ｃ_bを
求めると、

【００３１】

【数２】

【００３２】式（１），（２）より

【００３３】

【数３】

【００３４】で表せる。従って、式（４）から第１の可
変容量２２ａとなる可変電極２４と第１の固定電極２５
との静電容量Ｃ_aと第２の可変容量２２ｂとなる可変容
量２４と第２の固定電極２６との静電容量Ｃ_bとの和
は、シャフト２７の角度θによらず一定となることがわ
かる。

【００３５】ここで、式（１），（２）及び式（４），
（５）は、静電容量Ｃ_a，Ｃ_b及び（Ｃ_a−Ｃ_b）が間
隔ｄ、半径ｒ₀，ｒ₁の関数であることを示しており、
温度変化などによりこれらの値が変化すれば静電容量Ｃ
_a，Ｃ_bも変化することを示している。

【００３６】しかしながら、式（１），（２）及び式
（４），（５）から、

【００３７】

【数４】

【００３８】式（６），（７），（８）は、容量比Ｃ_a
／（Ｃ_a＋Ｃ_b），Ｃ_b／（Ｃ_a＋Ｃ_b），（Ｃ_a−Ｃ
_b）／（Ｃ_a＋Ｃ_b）が回転角度-180°≦θ≦0 °及び
0°≦θ≦180 °の範囲でそれぞれ角度θに比例してお
り、これらの容量比がθのみの関数であって間隔ｄ、半
径ｒ₀，ｒ₁等の形状のパラメータに依存していないこ
とを示している。

【００３９】図４に角度に対する容量の変化の特性図を
示す。図４（Ａ）は、角度に対する容量Ｃ_a，Ｃ_b，
（Ｃ_a−Ｃ_b）の変化の特性、図４（Ｂ）は、角度に対
する容量Ｃ_a，Ｃ_b，（Ｃ_a−Ｃ_b）と容量（Ｃ_a＋Ｃ
_b）との容量比の変化を示す。可変容量部２２は、図４
（Ａ）に示すようにシャフト２７の回転角度θに応じて
第１の可変容量２２ａ及び第２の可変容量２２ｂが変化
し、これに応じて図４（Ｂ）に示すように容量Ｃ_a，Ｃ
_b，（Ｃ_a−Ｃ_b）と容量（Ｃ_a＋Ｃ_b）との容量比が
変化する。

【００４０】上記可変容量部２２の第１の可変容量２２
ａ及び第２の可変容量２２ｂは、検出回路２３に接続さ
れ、上記の容量比Ｃ_a／（Ｃ_a＋Ｃ_b），Ｃ_b／（Ｃ_a
＋Ｃ _b）、または、（Ｃ_a−Ｃ_b）／（Ｃ_a＋Ｃ_b）か
らシャフト２７の回転角度θが検出される。

【００４１】なお、図２に示す可変容量部２２は、シャ
フト２７の回転角度θに応じて容量を可変する構成とさ
れているが、これに限るものではなく、直線上の位置に
応じて容量を可変する構成も考えられる。図５に本発明
の一実施例の可変容量部の変形例の構成図を示す。図５
（Ａ）は縦断面図、図５（Ｂ）は横断面図を示す。

【００４２】本変形例は直線上の位置に応じて容量を可
変する可変容量部である。本変形例の可変容量部３５は
略円筒状をなし、その長手方向（矢印Ｃ方向）の直線上
での位置を検出する構成とされている。可変容量部３５
は、樹脂，セラミック等の絶縁材より構成され、有底の
円筒状をなし、内周部の中心部分に円柱部３６ａを有す
る筺体３６を有する。筺体３６の内周外側面には円筒状
の金属よりなる第１の固定電極３７及び第２の固定電極
３８が矢印Ｃ方向に互いに絶縁状態で配列されている。

【００４３】また、筺体３６の円柱部３６ａには金属板
を円筒状に成形した可動電極３９が嵌装され、可動電極
３９を矢印Ｃ方向に直線移動可能にガイドする。筺体３
６の外周部にはシールドケース４０が装着される。シー
ルドケース４０は、接地電位に保持され、筺体３６をシ
ールドする。

【００４４】第１の固定電極３７及び第２の固定電極３
８には、筺体３６及びシールドケース４０を貫通して接
続ピン４１，４２が接続される。接続ピン４１，４２は
シールドケース４０とは絶縁され、第１の固定電極３７
及び第２の固定電極３８を外部回路と接続する。

【００４５】また、可動電極３９は、矢印Ｃ方向に引き
出された連結棒４３に接続されている。連結棒４３は、
金属よりなり筺体３６の開口部分を覆うカバー４４を貫
通して外部に導出されている。連結棒４３は、カバー４
４に移動自在に貫通し、外部で位置検出対象２に接続さ
れている。

【００４６】連結棒４３は位置検出対象２の移動に応じ
て矢印Ｃ方向に移動し、可動電極３９を筺体３６内で矢
印Ｃ方向に移動させる。可動電極３９が矢印Ｃ1 方向に
移動すると可動電極３９と第１の固定電極３７との対向
面積が増加し、その静電容量は増加し、可動電極３９と
第２の固定電極３８との対向面積が減少し、その静電容
量は減少する。また、可動電極３９が矢印Ｃ2 方向に移
動すると可動電極３９と第１の固定電極３７との対向面
積が減少し、その静電容量は減少し、可動電極３９と第
２の固定電極３８との対向面積が増加し、その静電容量
は増加する。

【００４７】ここで、同軸円筒状のコンデンサの静電容
量Ｃは、一般に内側の電極の半径をａ、外側の電極の半
径をｂ、長さをＬとすると、

【００４８】

【数５】

【００４９】で表せる。ここで、図５に示すように可動
電極３９の中央位置をｘ、第１の固定電極３７と第２の
固定電極３８とのギャップをＬ₁とすると、可動電極３
９と第１の固定電極３７との間の静電容量Ｃ_A及び可動
電極３９と第２の固定電極３８との間の静電容量Ｃ
_Bは、

【００５０】

【数６】

【００５１】式（１０）及び式（１１）より、

【００５２】

【数７】

【００５３】式（１２）、（１３）、または、（１４）
から可動電極３９の直線上の位置Ｘに比例した静電容量
が得られることになり、静電容量から可動電極３９に係
合した位置検出対象２の位置を検出できる。次に、位置
検出回路２３について図とともに説明する。

【００５４】図６に本発明の一実施例の位置検出回路の
回路構成図を示す。本実施例の位置検出回路２３は、主
に２つの単安定マルチバイブレータ４５，４６から構成
される。単安定マルチバイブレータ４５，４６は、例え
ば、市販のロジックＩＣである標準ＣＭＯＳロジックＩ
Ｃの４０３８、高速ロジックＩＣの７４ＨＣ１２３，７
４ＨＣ２２１等より構成される。

【００５５】これらのロジックＩＣは、通常２つの単安
定マルチバイブレータが内蔵されいるので、本実施例の
位置検出回路２３をこれらのロジックＩＣを用いて構成
すれば、１チップのロジックＩＣで構成できる。図６に
おいて上記の可変容量部２２の第１の可変容量２２ａ
は、単安定マルチバイブレータ４５の反転期間を設定す
る端子1RX と端子1CX との間に接続され、可変容量部２
２の第２の可変容量２２ｂは、単安定マルチバイブレー
タ４６の反転期間を設定する端子2RX と端子2CX との間
に接続される。また、第１の可変容量２２ａと端子1RX
との接続点には抵抗Ｒ_aを介してコンデンサＣ₃により
安定化された電源電圧Ｖ_DDが印加される。第１の可変容
量２２ａ及び抵抗Ｒ_aは時定数回路を構成しており、第
１の可変容量２２ａの静電容量Ｃ_aに応じた時定数を設
定する。さらに、第2 の可変容量２２ｂ及び抵抗Ｒ_bは
時定数回路を構成しており、第２の可変容量２２ｂの静
電容量Ｃ_bに応じた時定数を設定する。

【００５６】また、単安定マルチバイブレータ４５の出
力端子/1Q は、単安定マルチバイブレータ４６の入力端
子2Bに接続され、単安定マルチバイブレータ４６の出力
端子/2Q は単安定マルチバイブレータ４５の入力端子1B
に接続され、単安定マルチバイブレータ４５，４６の入
力端子/1A ，/2A は共に接地され、単安定マルチバイブ
レータ４６のクリア端子/2CLR には電源電圧Ｖ_DDが印加
され、単安定マルチバイブレータ４５のクリア端子/1CL
R には抵抗Ｒ₁及びコンデンサＣ₁より構成される時定
数回路が接続され、２つの単安定マルチバイブレータ４
５、４６により非安定マルチバイブレータを構成してい
る。抵抗Ｒ₁及びコンデンサＣ₁より構成される時定数
回路により電源投入時に単安定マルチバイブレータ４５
のクリアを遅延させることにより２つの単安定マルチバ
イブレータ４５，４６からなる非安定マルチバイブレー
タを安定動作させている。

【００５７】抵抗Ｒ₂及びコンデンサＣ₂はローパスフ
ィルタを構成しており、非安定マルチバイブレータの出
力となる単安定マルチバイブレータ４６の出力端子2Qの
出力パルスをそのデューティー比に応じた直流電圧に変
換する。図７に本発明の一実施例の位置検出回路の動作
波形図を示す。図７（Ａ）は電源電圧Ｖ_DD、図７（Ｂ）
は単安定マルチバイブレータ４５のクリア端子/1CLR に
供給される信号、図７（Ｃ）、（Ｄ）は単安定マルチバ
イブレータ４５の出力端子1Q，/1Q から出力される信
号、図７（Ｅ）、（Ｆ）は単安定マルチバイブレータ４
６の出力端子2Q，/2Q から出力される信号の波形図を示
す。

【００５８】時刻ｔ1 で電源電圧Ｖ_DDが投入されると、
単安定マルチバイブレータ４５のクリア端子/1CLR の電
位は抵抗Ｒ₁及びコンデンサＣ₁から構成される時定数
回路により設定された時定数に応じた速度で立ち上が
る。時刻ｔ₂で単安定マルチバイブレータ４５のクリア
端子/1CLR の電位が所定の電位Ｌ₁₁を越えると、単安定
マルチバイブレータ４５はトリガされ、その出力端子1
Q，/1Q からは第１の可変容量２２ａの静電容量Ｃ_aに
応じた時間ｔ_aだけ反転される出力パルスが出力され
る。このとき、時間ｔ_aは、ｔ_a＝ｋＲ_aＣ_a（ｋ：定数）・・・（１５）で決定される。

【００５９】このとき、単安定マルチバイブレータ４６
には単安定マルチバイブレータ４５の出力端子/1Q から
出力パルスが供給されており、単安定マルチバイブレー
タ４５の出力端子/1Q の出力パルスの立ち上がりにより
トリガされ、単安定マルチバイブレータ４６の出力端子
2Q，/2Q から第２の可変容量２２ｂの静電容量Ｃ_bに応
じた時間ｔ_bだけ反転される出力パルスが出力される。
このとき、時間ｔ_bは、ｔ_b＝ｋＲ_bＣ_b（ｋ：定数）・・・（１６）で決定される。

【００６０】単安定マルチバイブレータ４６の出力が復
帰する際、単安定マルチバイブレータ４６の出力パルス
が単安定マルチバイブレータ４５をトリガし、上記した
動作を繰り返す。以上により、２つの単安定マルチバイ
ブレータ４５，４６は、それぞれに設定された反転時間
ｔ_a，ｔ_b経過後に他方の単安定マルチバイブレータを
トリガする動作を繰り返すことにより、単一の無安定マ
ルチバイブレータとして働き、その出力は図７（Ｅ）に
示すようにハイレベルが時間ｔ_a，ローレベルが時間ｔ
_bとなる出力パルスを出力する。

【００６１】出力パルスのパルス幅ｔ_a，ｔ_bは、式
（１），（２）及び式（１５），（１６）から

【００６２】

【数８】

【００６３】で表される。このとき、Ｒ_a＝Ｒ_b＝Ｒと
すれば、パルス幅の差Δｔは、

【００６４】

【数９】

【００６５】従って、式（１７），（１８）または式
（１９）から求められる時間差から位置検出対象２の位
置を認識できる。ただし、容量Ｃ₀は温度変化の影響を
受けやすい。従って、前述したように容量Ｃ₀の影響を
受けないようにデューティー比により容量Ｃ₀を削除す
る。

【００６６】出力パルスの正論理のデューティー比ｄ、
負論理のデューティー比／ｄ及びパルス幅の和との差と
の比Ｄは、式（１７）乃至（１９）から、

【００６７】

【数１０】

【００６８】となる。式（２０）乃至（２２）は角度θ
に比例しており、かつ、角度θのみの関数であるため温
度等の影響を受けることはなく、角度θを正確に求めら
れる。なお、ここで、ｔはパルスの周期で、ｔ＝ｔ_a＋
ｔ_bである。式（２０）乃至（２２）により角度θは正
確に求められるが、デューティー比ｄ，／ｄは図７
（Ｅ）の出力パルスを抵抗Ｒ₂及びコンデンサＣ₂から
なるローパスフィルタにより容易に変換できる。

【００６９】すなわち、抵抗Ｒ₂及びコンデンサＣ₂か
らなるローパスフィルタのカットオフ周波数を充分小さ
く設定すれば、ローパスフィルタの出力電圧Ｖ₂は入力
電圧（単安定マルチバイブレータ４６の出力パルス）の
平均値となる。出力電圧Ｖ₂は、

【００７０】

【数１１】

【００７１】となる。ただし、Ｖ_DDはCMOS IC の電源電
圧である。また、単安定マルチバイブレータ４６の出力
端子2Qから出力される出力パルスは、異常検出回路４７
に供給される。異常検出回路４７は単安定マルチバイブ
レータ４６の出力端子2Qから出力される出力パルスの周
期ｔを監視し、監視した周期ｔからセンサの異常（例え
ば外力による変形）を検出する。

【００７２】すなわち、Ｒ_a＝Ｒ_b＝Ｒとすると、周期
ｔは、ｔ＝ｋＲＣ₀ ・・・（２３）で表せる。周期ｔは、Ｒ，Ｃ₀の通常の温度特性などに
よる変動を除けば一定値となるべきである。したがっ
て、周期ｔが大幅に変動した場合には、センサの異常と
判断できる。異常検出回路４７は周期ｔの変動を検出し
て周期ｔが所定の値より大きく変動した場合に異常と検
出する。

【００７３】なお、異常検出回路４７は、全体の周期ｔ
を監視し、異常を検出したがこれに限ることはなく、各
パルスの周期ｔ_a及びｔ_bをそれぞれ監視してそれぞれ
が基準値より大きいときには異常と判定する方法も考え
られる。この方法によれば、どちらの可変容量に異常が
あるかを検出でき、正常な値を示す方の周期を用いて位
置を検出することも可能となる。

【００７４】以上本実施例によれば、非接触であるた
め、耐久性を向上させることができる。また、構造が簡
単で、金属と絶縁物とで構成できるため、丈夫で耐久性
に富み低価格にできる。さらに、容量比から位置を算出
するため、温度などの影響を受けず高精度に位置を検出
できる。

【００７５】図８に本発明の一実施例の位置検出回路の
第１変形例の回路構成図を示す。本変形例は、２つの無
安定マルチバイブレータ４８，４９により第１及び第２
の可変容量２２ａ，２２ｂの静電容量Ｃ_a，Ｃ_bに応じ
たパルス幅の出力パルスをそれぞれに得るものである。

【００７６】本変形例では市販の汎用タイマＩＣ（μＰ
Ｄ５５５６）を用いて無安定マルチバイブレータを実現
している。異常検出回路５０には、無安定マルチバイブ
レータ４８の出力パルスと無安定マルチバイブレータ４
９の出力パルスとが供給され、無安定マルチバイブレー
タ４８の出力パルスまたは無安定マルチバイブレータ４
９の出力パルスが予め設定された範囲から逸脱したとき
に、装置に異常があると判断して、計測回路５１に異常
信号を供給する。異常検出回路５０は、無安定マルチバ
イブレータ４８の出力パルスにのみ異常がある場合、無
安定マルチバイブレータ４９の出力パルスにのみ異常が
ある場合、無安定マルチバイブレータ４８の出力パルス
及び無安定マルチバイブレータ４９の出力パルスの両方
に異常がある場合を識別できる異常信号を計測回路５１
に供給する。

【００７７】計測回路５１は通常は上述の如く、無安定
マルチバイブレータ４８の出力パルスと無安定マルチバ
イブレータ４９の出力パルスとのデューティー比から回
転位置を測定する。また、計測回路５１は、無安定マル
チバイブレータ４８の出力パルスまたは無安定マルチバ
イブレータ４９の出力パルスのどちらか一方の出力パル
スのパルス幅から回転位置を検出可能な構成とされてい
る。

【００７８】異常検出回路５０は、無安定マルチバイブ
レータ４８の出力パルスと無安定マルチバイブレータ４
９の出力パルスとが供給され、無安定マルチバイブレー
タ４８の出力パルスまたは無安定マルチバイブレータ４
９の出力パルスのどちらか一方に異常がある場合には、
正常な方の出力パルスを用いて回転位置の検出を行う。

【００７９】図９に本発明の一実施例の位置検出回路の
第１変形例の動作波形図を示す。図９（Ａ）は無安定マ
ルチバイブレータ４８の出力パルス、図９（Ｂ）は無安
定マルチバイブレータ４９の出力パルス波形を示す。図
９に示すように各無安定マルチバイブレータ４８，４９
からそれぞれに出力パルスを得ることができる。通常は
無安定マルチバイブレータ４８，４９の出力パルスから
それらのパルス幅の比ｔ_a／（ｔ_a＋ｔ_b）又はｔ_b／
（ｔ_a＋ｔ_b）を求め位置を検出し、異常検出回路５０
により無安定マルチバイブレータ４８，４９の出力パル
スを監視し、異常があるときには計測回路５１を制御し
て、正常な方の出力パルスを選択して位置を検出を行う
ため、信頼性を向上できる。

【００８０】図１０に本発明の一実施例の位置検出回路
の第２変形例の回路構成図を示す。同図中、図８と同一
構成部分には同一符号を付し、その説明は省略する。本
変形例は、無安定マルチバイブレータ４８，４９のトリ
ガ端子/TRGにパルス発生回路５２から同期したパルスを
供給し、２つの無安定マルチバイブレータ４８，４９で
出力パルスを同期して出力したものである。

【００８１】図１１に本発明の一実施例の位置検出回路
の第２変形例の動作波形図を示す。図１１（Ａ）はパル
ス発生回路５２の出力パルス、図１１（Ｂ）は無安定マ
ルチバイブレータ４８の出力パルス、図１１（Ｃ）は無
安定マルチバイブレータ４９の出力パルスを示す。

【００８２】図１１に示すように図１１（Ａ）に示すパ
ルス発生回路５２の出力パルスの立ち下がりに同期して
無安定マルチバイブレータ４８の出力パルスと無安定マ
ルチバイブレータ４９の出力パルスとが同期して出力さ
れる。従って、無安定マルチバイブレータ４８及び４９
の処理を同期して行える。

【００８３】

【発明の効果】上述の如く、本発明の請求項１によれ
ば、位置検出対象の位置に応じて静電容量を可変し、静
電容量に応じて位置検出対象の位置を検出することによ
り静電容量は非接触で発生するため、非接触で検出が可
能であり、耐久性・信頼性を向上させることができ、ま
た、電極をわずかに離間させて配置するだけであるた
め、小型化が可能となり、さらに、第１及び第２の可変
容量を設け、位置検出対象の位置に応じて第１の可変容
量の静電容量と第２の可変容量の静電容量とを相対的に
可変することにより検出位置を静電容量の比として検出
できるため、不要な成分を含まない検出結果を得られ、
正確な検出が可能となる等の特長を有する。

【００８４】請求項２、３によれば、第１のマルチバイ
ブレータの出力により第２のマルチバイブレータをトリ
ガし、第２のマルチバイブレータの出力により第１のマ
ルチバイブレータをトリガすることにより第１の可変容
量に応じた時定数のパルスと第２の可変容量に応じた時
定数とを交互に出力した出力パルスを得ることができる
ため、出力パルスを平均化することにより容易に位置検
出対象の位置に応じた出力信号を得ることができる等の
特長を有する。

【００８５】請求項４によれば、第１及び第２のマルチ
バイブレータでそれぞれ第１の可変容量に応じた周期の
出力パルスと第２の可変容量に応じた周期の出力パルス
を得ることができるため、多様な処理に対応でき、ま
た、一方の出力パルスに異常があるときでも他方の出力
パルスで容易に位置検出が可能である等の特長を有す
る。

【００８６】請求項５によれば、出力信号から異常を検
出することにより容易に異常を検出でき、信頼性を向上
させることができる等の特長を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の概略構成図である。

【図２】本発明の一実施例の可変容量部の構成図であ
る。

【図３】本発明の一実施例の可変容量部の動作説明図で
ある

【図４】本発明の一実施例の可変容量部の角度に応じた
容量及び容量比の特性図である。

【図５】本発明の一実施例の可変容量部の変形例の構成
図である。

【図６】本発明の一実施例の位置検出回路の回路構成図
である。

【図７】本発明の一実施例の位置検出回路の動作波形図
である。

【図８】本発明の一実施例の位置検出回路の第１変形例
の回路構成図である。

【図９】本発明の一実施例の位置検出回路の第１変形例
の動作波形図である。

【図１０】本発明の一実施例の位置検出回路の第２変形
例の回路構成図である。

【図１１】本発明の一実施例の位置検出回路に第２変形
例の動作波形図である。

【図１２】摺動抵抗式ポテンショメータの概略構成図で
ある。

【図１３】差動トランスの概略構成図である。

【符号の説明】

２０位置センサ２１位置検出対象２２可変容量部２２ａ第１の可変容量２２ｂ第２の可変容量２３位置検出回路２４可動電極２５第１の固定電極２６第２の固定電極２７シャフト２８ａ〜２８ｄリング２９ブッシュ３０プレート３１ａ〜３１ｄ支柱３２プリント配線板３３バネ４５，４６単安定マルチバイブレータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】位置検出対象の位置を検出する位置セン
サにおいて、前記位置検出対象の位置に応じて静電容量が増加する第
１の可変容量と、前記位置検出対象の位置に応じて静電容量が減少する第
２の可変容量と、前記第１の可変容量と前記第２の可変容量との静電容量
を検出し、前記第１の可変容量の静電容量及び前記第２
の可変容量の静電容量に応じて前記位置検出対象の位置
を検出する位置検出手段とを有することを特徴とする位
置センサ。
【請求項２】前記位置検出手段は、前記第１の可変容
量が接続され、前記第１の可変容量の静電容量に応じて
時定数を可変する第１の時定数回路と、入力信号が供給され、該入力信号が所定の方向に反転し
た時にこれを検出し、前記第１の時定数回路により設定
された時定数に応じた第１の時間だけ出力信号を反転さ
せる第１のマルチバイブレータと、前記第２の可変容量が接続され、前記第２の可変容量の
静電容量に応じて時定数を可変する第２の時定数回路
と、前記第１のマルチバイブレータの出力信号の反転を検出
して、前記第１の出力パルスの反転を検出してから前記
第２の可変容量により設定された時定数だけ出力信号を
反転させるとともに、前記第１のマルチバイブレータに
入力信号として供給する第２のマルチバイブレータと、前記第２のマルチバイブレータの前記出力信号のハイレ
ベル時間とローレベル時間との比に応じて前記位置検出
対象の位置に応じた位置信号を生成する位置算出手段と
を有することを特徴とする請求項１記載の位置センサ。
【請求項３】前記第２のマルチバイブレータの出力信
号を平滑化し、前記第２のマルチバイブレータの前記出
力信号のハイレベル時間とローレベル時間との比に応じ
たレベルの信号として前記位置算出手段に供給するロー
パスフィルタとを有することを特徴とする請求項２記載
の位置センサ。
【請求項４】前記位置検出手段は、前記第１の可変容
量が接続され、前記第１の可変容量の静電容量に応じて
時定数を可変する第１の時定数回路と、前記第１の時定数回路により設定された時定数に応じた
第１の時間だけ出力信号を反転させる第１のマルチバイ
ブレータと、前記第２の可変容量が接続され、前記第２の可変容量の
静電容量に応じて時定数を可変する第２の時定数回路
と、前記第２の可変容量により設定された時定数だけ出力信
号を反転させる第２のマルチバイブレータと、前記第１のマルチバイブレータの出力信号の反転期間と
前記第２のマルチバイブレータの出力信号の反転期間と
の比に応じて前記位置検出対象の位置を算出する位置算
出手段とを有することを特徴とする請求項１記載の位置
センサ。
【請求項５】前記出力信号が所定の範囲から外れたと
きに機能異常を検出する異常検出手段を有することを特
徴とする請求項１乃至４記載の位置センサ。