(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【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Ｃx1b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】
0003732919.tif 000002
【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】
0003732919.tif 000003
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】
0003732919.tif 000004
【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】
0003732919.tif 000005
【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】
0003732919.tif 000006
【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】
0003732919.tif 000007
【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。
【図１】
0003732919.tif 000008
【図２】
0003732919.tif 000009
【図３】
0003732919.tif 000010
【図４】
0003732919.tif 000011
【図５】
0003732919.tif 000012
【図６】
0003732919.tif 000013
【図７】
0003732919.tif 000014
【図８】
0003732919.tif 000015
【図９】
0003732919.tif 000016
【図１０】
0003732919.tif 000017
【図１１】
0003732919.tif 000018
【図１２】
0003732919.tif 000019
【図１３】
0003732919.tif 000020
【図１４】
0003732919.tif 000021
【図１５】
0003732919.tif 000022
【図１６】
0003732919.tif 000023
【図１７】
0003732919.tif 000024
【図１８】
0003732919.tif 000025
【図１９】
0003732919.tif 000026
【図２０】
0003732919.tif 000027
【図２１】
0003732919.tif 000028
【図２２】
0003732919.tif 000029
【図２３】
0003732919.tif 000030
【図２４】
0003732919.tif 000031
【図２５】
0003732919.tif 000032
【図２６】
0003732919.tif 000033
【図２７】
0003732919.tif 000034
【図２８】
0003732919.tif 000035
【図２９】
0003732919.tif 000036
【図３０】
0003732919.tif 000037
【図３１】
0003732919.tif 000038
【図３２】
0003732919.tif 000039
【図３３】
0003732919.tif 000040
【図３４】
0003732919.tif 000041
【図３５】
0003732919.tif 000042