(57)【要約】【課題】検出対象物の回転角度の広い変化に対して検出信号を直線的に変化させることが可能で小型かつ低コストな回転角度センサを提供する。【解決手段】可変容量コンデンサＣ１およびＣ−Ｖ変換回路２０によって回転角度センサ１０が構成されている。そして、可変容量コンデンサＣ１の回転軸１６には検出対象物が取付固定されている。また、可動電極１４の回転角度の変化に対して、各電極１２，１４の重なり合う部分の面積が直線的に変化するように、可動電極１４の平面形状が設定されている。また、Ｃ−Ｖ変換回路２０の電圧信号Ｖsyは、固定容量コンデンサＣ２に対する可変容量コンデンサＣ１の静電容量の変化に対応する。従って、検出対象物（回転軸１６）の回転角度の広い変化（０゜〜２７０゜）に対して、Ｃ−Ｖ変換回路２０の電圧信号（検出信号）Ｖsyを直線的に変化させることができる。【選択図】  図１
2005241376.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転角度を検出すべき検出対象物に取付固定された可動電極と、
その可動電極と平行に配置された固定電極と
からなる可変容量コンデンサと、
前記可変容量コンデンサの前記各電極間の静電容量を電圧信号に変換するＣ−Ｖ変換回路と
を備えた回転角度センサであって、
前記固定電極は前記検出対象物の回転に関係なく固定されており、
前記可動電極は前記検出対象物の回転に伴って回転し、
前記Ｃ−Ｖ変換回路は、前記可動電極の回転角度に伴って変化する前記各電極間の静電容量を電圧信号に変換し、その電圧信号を前記検出対象物の回転角度を示す検出信号として出力することを特徴とする回転角度センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の回転角度センサにおいて、
前記可動電極および前記固定電極の平面形状は、前記可動電極の回転角度の変化に対して、前記各電極間の静電容量が所望の静電容量値をとるように設定されていることを特徴とする回転角度センサ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の回転角度センサにおいて、
前記Ｃ−Ｖ変換回路は、
反転入力端子に前記可変容量コンデンサが接続されたオペアンプと、
そのオペアンプの反転入力端子と出力端子の間に並列接続されたスイッチおよび帰還コンデンサと
を備えたスイッチトキャパシタ回路からなることを特徴とする回転角度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は回転角度センサに係り、詳しくは、検出対象物の回転角度を検出する回転角度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、回転角度を検出すべき検出対象物に取り付けられて、該検出対象物と共に回転する磁石と、該磁石により発生される磁界中に配置されて、磁界の強さに対応した電圧を出力するホール素子とを備え、前記磁石による磁界方向と前記ホール素子の感磁面との角度変化に伴って変化する前記ホール素子の出力電圧（ホール電圧）を、前記検出対象物の回転角度を示す信号として外部へ出力する回転角度センサが広く用いられている（例えば、特許文献１参照）。
この回転角度センサは、例えば、自動車のエンジンのスロットルバルブの開き角度や、アクセルペダルの踏み込み角度などの検出に使用される。
【特許文献１】特開２０００−３２９５１３号公報（第２〜１０頁  図４、図５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ホール素子を用いた回転角度センサでは、検出対象物の回動に伴って磁石がホール素子の周りを回ることにより、ホール素子の感磁面に対する磁石の磁界方向が変化し、その変化した角度に応じた検出信号（ホール電圧）がホール素子から出力される。
そのホール素子の検出信号（ホール電圧）は、検出対象物（磁石）の角度変化に対して正弦波状に変化する。
【０００４】
検出対象物（磁石）の角度変化に対して検出信号（ホール電圧）を直線的に変化させたい場合には、ホール素子の感磁面に対する磁石の磁界方向が直線的に変化するように、磁石の寸法形状および取付位置を適宜設定すればよい。
しかし、ホール素子を用いた回転角度センサでは、磁石の寸法形状および取付位置をどのように設定したとしても、検出対象物の回転角度の広い変化に対して検出信号（ホール電圧）を直線的に変化させることが困難である。
また、近年、検出対象物の回転角度の広い変化に対して、検出信号を所望の電圧値に変化させることが要求されている。
【０００５】
また、ホール素子を用いた回転角度センサは、高価なホール素子を使用することに加え、構造が複雑であるため、製造コストが高い。
そして、ホール素子を用いた回転角度センサは、磁石を使用するため小型化が困難である。
【０００６】
本発明は上記問題を解決するためになされたものであって、その目的は、検出対象物の回転角度の広い変化に対して検出信号を所望の電圧値に変化させることが可能で小型かつ低コストな回転角度センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の発明は、回転角度を検出すべき検出対象物に取付固定された可動電極と、その可動電極と平行に配置された固定電極とからなる可変容量コンデンサと、前記可変容量コンデンサの前記各電極間の静電容量を電圧信号に変換するＣ−Ｖ変換回路とを備えた回転角度センサであって、前記固定電極は前記検出対象物の回転に関係なく固定されており、前記可動電極は前記検出対象物の回転に伴って回転し、前記Ｃ−Ｖ変換回路は、前記可動電極の回転角度に伴って変化する前記各電極間の静電容量を電圧信号に変換し、その電圧信号を前記検出対象物の回転角度を示す検出信号として出力することを技術的特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の回転角度センサにおいて、前記可動電極および前記固定電極の平面形状は、前記可動電極の回転角度の変化に対して、前記各電極間の静電容量が所望の静電容量値をとるように設定されていることを技術的特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の回転角度センサにおいて、前記Ｃ−Ｖ変換回路は、反転入力端子に前記可変容量コンデンサが接続されたオペアンプと、そのオペアンプの反転入力端子と出力端子の間に並列接続されたスイッチおよび帰還コンデンサとを備えたスイッチトキャパシタ回路からなることを技術的特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
（請求項１）
請求項１に記載の発明において、可動電極は検出対象物の回転に伴って回転するため、各電極間の静電容量が可動電極の回転角度の変化に対応して変化するように各電極の平面形状を設定しておけば、Ｃ−Ｖ変換回路は、検出対象物（可動電極）の回転角度に対応した所望の電圧信号を出力可能になり、検出対象物の回転角度の広い変化に対して検出信号を所望の電圧値に変化させることができる。
【００１１】
また、請求項１に記載の発明は、ホール素子や磁石を使用しないため、製造コストが低く小型化が容易である。
そして、可変容量コンデンサはマイクロマシニング技術を用いて容易に作成可能であり、Ｃ−Ｖ変換回路は半導体集積回路によって構成可能である。そのため、可変容量コンデンサおよびＣ−Ｖ変換回路をワンチップに集積化した１個のＩＣとして提供可能であり、回転角度センサの小型化および低コスト化を図ることができる。
【００１２】
（請求項２）
請求項２に記載の発明によれば、可動電極の回転角度の変化に対して各電極間の静電容量が所望の静電容量値をとるように各電極の平面形状を設定するため、請求項１に記載の発明の効果を確実に得ることができる。
【００１３】
（請求項３）
請求項３に記載の発明によれば、スイッチトキャパシタ回路からなるＣ−Ｖ変換回路を用いることにより、請求項１に記載の発明の効果を確実に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を具体化した各実施形態について図面を参照しながら説明する。
尚、各実施形態において共通の構成部材については符号を等しくしてある。
【００１５】
（第１実施形態）
図１（Ａ）は、第１実施形態の回転角度センサ１０の概略構成を示す平面図である。図１（Ｂ）および図２は、回転角度センサ１０の正面図である。
回転角度センサ１０は、可変容量コンデンサＣ１およびＣ−Ｖ（静電容量ー電圧）変換回路２０から構成されている。
【００１６】
［可変容量コンデンサの構成および動作］
可変容量コンデンサＣ１は、固定電極１２、可動電極１４、回転軸１６から構成されている。
尚、可変容量コンデンサＣ１はマイクロマシニング技術を用いて作成され、可変容量コンデンサＣ１の外形寸法は、図１（Ｂ）および図２に示す正面方向から見て縦横１ｍｍ以下である。
【００１７】
平板状の固定電極１２には、その表面に対して垂直方向に円柱状の回転軸１６が回動可能に取り付けられている。回転軸１６には、短冊状（長尺矩形平板状）の可動電極１４が取付固定されている。また、可動電極１４と回転軸１６とは電気的に接続され、可動電極１４および回転軸１６と固定電極１２とは電気的に絶縁されている。
【００１８】
そして、導電材料によって形成された各電極１２，１４は、所定距離を空けて平行に配置されている。また、固定電極１２は、可動電極１４の回転に関係なく被固定部材（図示略）に対して固定されている。そのため、回転軸１６を回転させると、可動電極１４は回転軸１６と一体になって回転し、その可動電極１４の回転に伴い、各電極１２，１４の重なり合う部分の面積が変化する。
【００１９】
尚、回転軸１６は、回転角度を検出すべき検出対象物（図示略）に取付固定されており、検出対象物と一体になって回転する。
ちなみに、検出対象物としては、例えば、自動車のエンジンのスロットルバルブやアクセルペダルの回転軸などがある。そして、回転角度センサ１０は、スロットルバルブの開き角度や、アクセルペダルの踏み込み角度などの検出に使用される。
【００２０】
可動電極１４の回転角度が０゜の場合には、各電極１２，１４が重なり合わないため、各電極１２，１４が重なり合う部分の面積はゼロである（図１（Ｂ））。
また、可動電極１４の回転角度が０゜以上２７０゜未満のθａ゜の場合には、可動電極１４の一部分（図示斜線部分）のみが固定電極１２と重なり合う（図２（Ａ））。
また、可動電極１４の回転角度が２７０゜の場合には、可動電極１４の全部分（図示斜線部分）が固定電極１２と重なり合う（図２（Ｂ））。
【００２１】
そして、可動電極１４の回転角度の変化に対して、各電極１２，１４の重なり合う部分の面積が直線的に変化するように（すなわち、可動電極１４の回転角度と、各電極１２，１４の重なり合う部分の面積とが正比例の関係になるように）、可動電極１４の平面形状が設定されている。
【００２２】
図３は、第１実施形態において、可動電極１４の回転角度と各電極１２，１４間の静電容量との関係を示すグラフである。
各電極１２，１４の重なり合う部分の面積と、各電極１２，１４間の静電容量とは正比例の関係にある。
従って、可動電極１４の回転角度と、各電極１２，１４間の静電容量とは正比例の関係になる。
【００２３】
図３に示す例では、可動電極１４の回転角度が０゜のときの各電極１２，１４間の静電容量値がゼロ、当該回転角度がθａ゜のときの当該静電容量値が「Ｃａ」、当該回転角度が２７０゜のときの当該静電容量値が「Ｃｂ」になる。
前記のように、可変容量コンデンサＣ１の外形寸法を正面方向から見て縦横１ｍｍ程度に設定した場合、静電容量値Ｃｂは１０Ｅー１５（Ｆ）程度になる。
【００２４】
［Ｃ−Ｖ変換回路の構成および動作］
図４は、Ｃ−Ｖ変換回路２０の回路図である。
Ｃ−Ｖ変換回路２０は、固定容量コンデンサＣ２、帰還コンデンサ（帰還容量素子）Ｃｆ、オペアンプ２２、スイッチ２４、制御回路２６を備えたスイッチトキャパシタ回路からなる。
【００２５】
制御回路２６は、スイッチ２４を制御するための制御信号Ｓ１と、各コンデンサＣ１，Ｃ２を制御するための制御信号Ｓ２，Ｓ３を生成して出力する。
可変容量コンデンサ（センサ容量素子）Ｃ１と固定容量コンデンサ（固定容量素子）Ｃ２とは直列接続され、可変容量コンデンサＣ１には制御信号Ｓ３が印加され、固定容量コンデンサＣ２には制御信号Ｓ２が印加される。尚、各制御信号Ｓ２，Ｓ３は互いに逆相の搬送波である。
【００２６】
各コンデンサＣ１，Ｃ２は静電容量型センサを構成する。つまり、可変容量コンデンサＣ１は、回転軸１６（検出対象物）の回転角度に応じて静電容量が変化する。そして、固定容量コンデンサＣ２は、可変容量コンデンサＣ１との容量差を求めるための基準容量として機能する。
よって、各コンデンサＣ１，Ｃ２の容量差の変化を検出すれば、回転軸１６（検出対象物）の回転角度の変化を検出できる。
【００２７】
オペアンプ２２の反転入力端子には、各コンデンサＣ１，Ｃ２の接続点が接続されている。オペアンプ２２の非反転入力端子には、基準電圧Ｖｒ（例えば、２．５Ｖ）が印加されている。
オペアンプ２２の反転入力端子と出力端子の間には、スイッチ２４とコンデンサＣｆが並列に接続されている。スイッチ２４は、スイッチング素子（例えば、バイポーラトランジスタやＦＥＴなど）によって構成され、その開閉動作は制御信号Ｓ１によって切り替えられる。
【００２８】
そして、Ｃ−Ｖ（静電容量−電圧）変換回路２０は、各制御信号Ｓ２，Ｓ３の反転に伴って生じる各コンデンサＣ１，Ｃ２の容量差の変化を電圧信号（検出信号）Ｖsyに変換してオペアンプ２２の出力端子から出力する。
【００２９】
図５は、Ｃ−Ｖ変換回路２０の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【００３０】
以下、各コンデンサＣ１，Ｃ２およびコンデンサＣｆの静電容量をそれぞれ「Ｃ１」「Ｃ２」「Ｃｆ」と表記する。また、各コンデンサＣ１，Ｃ２およびコンデンサＣｆに蓄積される電荷量をそれぞれ「Ｑ１」「Ｑ２」「Ｑｆ」と表記する。そして、各制御信号Ｓ２，Ｓ３は、ハイレベルの電圧Ｖｐ（例えば、５Ｖ）とローレベルの電圧（＝０Ｖ）の２つの電圧値をとり、その電圧振幅はＶｐ（Ｖ）である。また、スイッチ２４は、ハイ（Ｈ）レベルの制御信号Ｓ１によって閉じられ、ロー（Ｌ）レベルの制御信号Ｓ１によって開かれる。
【００３１】
時刻Ｔ０では、各コンデンサＣ１，Ｃ２にそれぞれ電荷量Ｑ１（＝Ｃ１×（０−Ｖｒ）），Ｑ２（＝Ｃ２×（Ｖｐ−Ｖｒ））が蓄積され、各電荷量Ｑ１，Ｑ２を合わせた総電荷量Ｑｔ（＝Ｑ１＋Ｑ２）が蓄積される。
【００３２】
時刻Ｔ１では、制御信号Ｓ１に従ってスイッチ２４が開かれ、オペアンプ２２の反転入力端子と出力端子との間が直流的に開放状態となる。
【００３３】
時刻Ｔ２では、各コンデンサＣ１，Ｃ２にそれぞれ電荷量Ｑ１（＝Ｃ１×（Ｖｐ−Ｖｒ）），Ｑ２（＝Ｃ２×（０−Ｖｒ））が蓄積され、各電荷量Ｑ１，Ｑ２を合わせた総電荷量Ｑｔ′（＝Ｑ１＋Ｑ２）が蓄積される。
【００３４】
このとき、スイッチ２４が開かれており、オペアンプ２２の反転入力端子と出力端子との間が直流的に開放状態であるため、コンデンサＣｆには電荷量Ｑｆ（＝Ｑｔ−Ｑｔ′）が蓄積される。そのため、オペアンプ２２の出力端子の電圧信号Ｖsyは、コンデンサＣｆの電荷量Ｑｆを静電容量Ｃｆで除算した電圧値（Ｑｆ／Ｃｆ）で安定する。
【００３５】
時刻Ｔ３では、制御信号Ｓ１に従ってスイッチ２４が閉じられ、オペアンプ２２の反転入力端子と出力端子との間が直流的に短絡状態（ボルテージフォロアの状態）となり、コンデンサＣｆに蓄積された電荷が放電されると共に、オペアンプ２２の反転入力端子が基準電圧Ｖｒと同電位となる。
【００３６】
そして、以降の時刻Ｔ４〜Ｔ６では同様の動作が繰り返される。そのため、オペアンプ２２の出力端子の電圧信号Ｖsyは、数式１によって表される最大電圧Ｖｓ（Ｖ）を電圧振幅とする矩形波となる。
【００３７】
Ｖｓ＝Ｖｐ×（Ｃ１−Ｃ２）／Ｃｆ  ………（数式１）。
【００３８】
［第１実施形態の作用・効果］
以上詳述した第１実施形態では、可変容量コンデンサＣ１およびＣ−Ｖ変換回路２０によって回転角度センサ１０が構成されている。そして、可変容量コンデンサＣ１の回転軸１６には検出対象物が取付固定されている。また、可動電極１４の回転角度の変化に対して、各電極１２，１４間の静電容量が直線的に変化するように、可動電極１４の平面形状が設定されている。また、Ｃ−Ｖ変換回路２０の電圧信号Ｖsyは、固定容量コンデンサＣ２に対する可変容量コンデンサＣ１の静電容量の変化に対応する。
【００３９】
従って、第１実施形態によれば、検出対象物（回転軸１６）の回転角度の広い変化（０゜〜２７０゜）に対して、Ｃ−Ｖ変換回路２０の電圧信号（検出信号）Ｖsyを直線的に変化させることができる。
また、回転角度センサ１０は、ホール素子や磁石を使用しないため、製造コストが低く小型化が容易である。
【００４０】
そして、可変容量コンデンサＣ１はマイクロマシニング技術を用いて容易に作成可能であり、Ｃ−Ｖ変換回路２０は半導体集積回路によって構成可能である。そのため、可変容量コンデンサＣ１およびＣ−Ｖ変換回路２０をワンチップに集積化した１個のＩＣ（Integrated Circuit）として提供可能であり、回転角度センサ１０の小型化および低コスト化を図ることができる。
【００４１】
ところで、従来より、半円形の可動電極および固定電極を用いた可変容量コンデンサが電子回路において広く用いられている。しかし、半円形の可動電極および固定電極を用いた可変容量コンデンサでは、可動電極の回転角度を０゜〜１８０゜の狭い範囲でしか変化させることができないことに加え、可動電極の回転角度の変化に対して各電極間の静電容量を直線的に変化させることもできない。また、従来の可変容量コンデンサとしては半円形の可動電極および固定電極を用いたものしかなく、従来の可変容量コンデンサから第１実施形態の可変容量コンデンサＣ１を想到することは当業者といえども容易ではない。つまり、第１実施形態の可変容量コンデンサＣ１は、従来では思いもつかない全く新規なものである。
【００４２】
（第２実施形態）
図６（Ａ）は、第２実施形態の回転角度センサ３０の概略構成を示す平面図である。図６（Ｂ）は、回転角度センサ３０の正面図である。
回転角度センサ３０において、第１実施形態の回転角度センサ１０と異なるのは、可変容量コンデンサＣ１の固定電極１２の平面形状だけである。
【００４３】
図７は、第２実施形態において、可動電極１４の回転角度と各電極１２，１４間の静電容量との関係を示すグラフである。
可動電極１４の平面形状は、可動電極１４の回転角度の変化に対して、各電極１２，１４間の静電容量（各電極１２，１４の重なり合う部分の面積）が図７に示す特性で変化するよう設定されている。
【００４４】
このように、第２実施形態では、可動電極１４の平面形状を適宜設定することにより、可動電極１４の回転角度の広い変化（０゜〜２７０゜）に対して各電極１２，１４間の静電容量を所望の静電容量値に変化させることが可能になる。
尚、可動電極１４の平面形状は、可動電極１４の回転角度を変化させて各電極１２，１４間の静電容量を調べる実験を行い、カット・アンド・トライで設定すればよい。
従って、第２実施形態によれば、検出対象物（回転軸１６）の回転角度の広い変化（０゜〜２７０゜）に対して、Ｃ−Ｖ変換回路２０の電圧信号（検出信号）Ｖsyを所望の電圧値に変化させることができる。
【００４５】
［別の実施形態］
ところで、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、以下のように具体化してもよく、その場合でも、上記各実施形態と同等もしくはそれ以上の作用・効果を得ることができる。
【００４６】
（１）上記各実施形態では可動電極１４を短冊状に形成したが、可動電極１４の角度変化に対して各電極１２，１４間の静電容量を所望の値に変化可能であれば、固定電極１２の平面形状に合わせて可動電極１４をどのような平面形状に形成してもよい。
【００４７】
（２）上記各実施形態では、可動電極１４の角度変化が０゜〜２７０゜の範囲で各電極１２，１４間の静電容量を変化可能にしている。
しかし、各電極１２，１４の平面形状を適宜設定（例えば、短冊状の可動電極１４の幅を狭く設定）することにより、０゜〜約３６０゜の範囲で各電極１２，１４間の静電容量を変化可能である。
【００４８】
（３）上記各実施形態では、可動電極１４の回転角度が０゜の場合に、各電極１２，１４が重なり合わないように（すなわち、各電極１２，１４間の静電容量がゼロになるように）、各電極１２，１４の平面形状を設定している。
しかし、可動電極１４の回転角度が０゜の場合に、各電極１２，１４が重なり合い、各電極１２，１４間の静電容量が所定値になるように、各電極１２，１４の平面形状を設定してもよい。
【００４９】
（４）上記各実施形態において、Ｃ−Ｖ変換回路２０から固定容量コンデンサＣ２を省くようにしてもよい。また、Ｃ−Ｖ変換回路２０は、スイッチトキャパシタ回路に限らず、どのような回路形式のＣ−Ｖ変換回路に置き換えてもよい。
【００５０】
（５）上記各実施形態において、可変容量コンデンサＣ１の各電極１２，１４間に誘電体を挟設すれば、その誘電体の誘電率に応じて各電極１２，１４間の静電容量を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】図１（Ａ）は、本発明を具体化した第１実施形態の回転角度センサ１０の概略構成を示す平面図。図１（Ｂ）は、回転角度センサ１０の正面図。
【図２】回転角度センサ１０の動作を説明するための正面図。
【図３】第１実施形態において、可動電極１４の回転角度と各電極１２，１４間の静電容量との関係を示すグラフ。
【図４】回転角度センサ１０を構成するＣ−Ｖ変換回路２０の回路図。
【図５】Ｃ−Ｖ変換回路２０の動作を説明するためのタイミングチャート。
【図６】図６（Ａ）は、本発明を具体化した第２実施形態の回転角度センサ３０の概略構成を示す平面図。図６（Ｂ）は、回転角度センサ３０の正面図。
【図７】第２実施形態において、可動電極１４の回転角度と各電極１２，１４間の静電容量との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００５２】
１０，３０…回転角度センサ
１２…固定電極
１４…可動電極
１６…回転軸
２０…Ｃ−Ｖ変換回路
２２…オペアンプ
２４…スイッチ
２６…制御回路
Ｃ１…可変容量コンデンサ
Ｃ２…固定容量コンデンサ
Ｃｆ…帰還コンデンサ
Ｖsy…電圧信号
【図１】
2005241376.tif 000003
【図２】
2005241376.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005241376.tif 000006
【図５】
2005241376.tif 000007
【図６】
2005241376.tif 000008
【図７】
2005241376.tif 000009