JP2011069784A - 角度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも簡単な構造の角度検出装置を提供する。
【解決手段】角度検出装置２は、環状抵抗体１０と、環状抵抗体１０に設けられた第１および第２の固定電極Ａ１，Ａ２ならびに可動電極Ｂと、可動電極Ｂと接地ノードＧＮＤとの間に接続されたコンデンサ１５と、電圧印加部４０と、検出部４９Ａとを備える。電圧印加部４０は、第１および第２の固定電極Ａ１，Ａ２に互いに異なるタイミングでパルス電圧を印加する。検出部４９Ａは、第１の固定電極Ａ１にパルス電圧が印加されたときに可動電極Ｂの電圧が閾値電圧を超えるまでの第１の遅延時間と、第２の固定電極Ａ２にパルス電圧が印加されたときに可動電極Ｂの電圧が閾値電圧を超えるまでの第２の遅延時間とを検出する。検出部４９Ａは検出した第１および第２の遅延時間に基づいて可動電極Ｂの中心軸回りの回転角度を検出する。
【選択図】図８

Description

この発明は、車輪、雲台、およびジョグダイヤルなどの回転角度を検出する角度検出装置に関する。

０°から３６０°まで連続的に変化する回転角を検出する方法として、特開平６−１８０２０５号公報（特許文献１）や特開平１１−１０８６０９号公報（特許文献２）に開示された環状抵抗体を用いる方法が従来から用いられている。

特開平６−１８０２０５号公報（特許文献１）に記載の第１の従来技術は、２個の円環状の抵抗体を用いるものである。円環状の第１の抵抗体には、第１および第２の固定電極が互いに１８０度間隔で設けられる。円環状の第２の抵抗体には第３および第４の固定電極が互いに１８０度間隔で設けられる。第１および第２の固定電極と第３および第４の固定電極との間には９０度の角度差がつけられる。第１および第２の抵抗体にそれぞれ接触する第１および第２の可動電極が設けられ、これらの可動電極は同期して回転する。第１の可動電極を回転したときに得られる三角波によって角度位置データが作られる。０〜１８０度範囲と１８０〜３６０度範囲で同一の値が第１の可動電極から得られるので、これを区別するために第２の可動電極の値が使用される。

特開平１１−１０８６０９号公報（特許文献２）に記載の第２の従来技術は、１個の環状抵抗体を用いるものである。この従来技術による角度検出装置は、１個の環状抵抗体と、第１〜第４の電極と、切替手段と、１個の摺動子と、電位検出手段とを含む。第１〜第４の電極は、環状抵抗体に導通した状態で設けられる。第２の電極は、第１の電極から１８０度の位置に配置される。第３の電極は、第１の電極と第２の電極の間に配置される。第４の電極は、第３の電極から１８０度の位置に配置される。切替手段は、第１の電極と第２の電極間に電圧を印可したときは、第３と第４の電極を開放状態にし、逆に第３の電極と第４の電極間に電圧を印可したときは、第１と第２の電極を開放状態にする。摺動子は、環状抵抗体と接触して導通する。電位検出手段は、その摺動子の電位を検出する。

特開平６−１８０２０５号公報 特開平１１−１０８６０９号公報

第１の従来技術は、２個の環状抵抗体を用いるために第２の従来技術よりも構造が複雑である。第２の従来技術は、環状抵抗体の個数は１個である点において第１の従来技術よりも構造が簡単化されているが、環状抵抗体に固定された４個の固定電極と、これらの固定電極への電圧の供給を切替えるためのスイッチ（切替手段）を設ける必要がある。

この発明の目的は、従来よりも簡単な構造の角度検出装置を提供することである。

この発明は要約すれば角度検出装置であって、環状抵抗体と、環状抵抗体に設けられた第１および第２の固定電極と、可動電極と、受動素子と、電圧印加部と、検出部とを備える。第２の固定電極は、環状抵抗体の中心軸回りの角度が第１の固定電極との間で１８０度以外の角度となるように、環状抵抗体に設けられる。可動電極は、環状抵抗体に設けられ、中心軸回りの角度が可変である。受動素子は、可動電極と接地ノードとの間に接続される。電圧印加部は、第１および第２の固定電極に互いに異なるタイミングで電圧を印加する。検出部は、第１の固定電極に電圧を印加したときの可動電極の電圧と、第２の固定電極に電圧を印加したときの可動電極の電圧とに基づいて、可動電極の中心軸回りの角度を検出する。

好ましい実施の一形態において、受動素子はコンデンサである。この場合、検出部は、遅延時間検出部とデータ処理部とを含む。遅延時間検出部は、第１の固定電極に電圧を印加してから可動電極の電圧が閾値を超えるまでの第１の遅延時間と、第２の固定電極に電圧を印加してから可動電極の電圧が閾値を超えるまでの第２の遅延時間とを検出する。データ処理部は、第１および第２の遅延時間に基づいて、可動電極の中心軸回りの角度の値を求める。

上記の実施の一形態においてさらに好ましくは、検出部は、可動電極の中心軸回りの複数の角度に対して予め測定された複数の第１および第２の遅延時間を記憶する記憶部をさらに含む。この場合、データ処理部は、記憶部に記憶された複数の第１の遅延時間と遅延時間検出部によって検出された第１の遅延時間とを比較することによって、検出された第１の遅延時間に対応する可動電極の中心軸回りの角度の候補の値を求める。データ処理部は、さらに、記憶部に記憶された複数の第２の遅延時間と遅延時間検出部によって検出された第２の遅延時間とを比較することによって、角度の候補から検出時における可動電極の中心軸回りの角度を特定する。

好ましい実施の他の形態において、受動素子は抵抗素子である。この場合、検出部は、電圧検出部とデータ処理部とを含む。電圧検出部は、第１の固定電極に電圧を印加したときの可動電極の第１の電圧値と、第２の固定電極に電圧を印加したときの可動電極の第２の電圧値とを検出する。データ処理部は、第１および第２の電圧値に基づいて、可動電極の中心軸まわりの角度の値を求める。

上記の実施の他の形態においてさらに好ましくは、データ処理部は、第１の電圧値と抵抗素子の抵抗値とを用いて第１の固定電極と可動電極との間の第１の抵抗値を算出し、第１の抵抗値に対応する可動電極の中心軸回りの角度の候補の値を求める。データ処理部は、さらに、第２の抵抗値と抵抗素子の抵抗値とを用いて第２の固定電極と可動電極との間の第２の抵抗値を算出し、角度の候補のうち第２の抵抗値に対応する角度を特定する。

この発明によれば、１個の環状抵抗体に設けられた２個の固定電極と１個の可動電極とを用いて従来によりも簡単に回転角度を検出することができる。

この発明の実施の形態１による角度検出装置１の構成図である。 図１の角度検出装置１の機能ブロック図である。 図２の環状抵抗体１０の特性を示すグラフである。 図２の角度検出装置１による回転角度の検出原理を説明するための図である。 図２の角度検出装置１による回転角度の検出手順を示すフローチャートである。 図２のマイクロコンピュータ２０の出力電圧および入力電圧の波形の一例を示す図である。 この発明の実施の形態２による角度検出装置２の構成図である。 図７の角度検出装置２の機能ブロック図である。 図８の角度検出装置２による回転角度の検出手順を示すフローチャートである。 図８のマイクロコンピュータ２０Ａの出力電圧および入力電圧の波形の一例を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰返さない。

＜実施の形態１＞
［角度検出装置の構成］
図１は、この発明の実施の形態１による角度検出装置１の構成図である。図１を参照して、角度検出装置１は、環状抵抗体１０と、環状抵抗体１０に設けられた固定電極Ａ１，Ａ２と、環状抵抗体１０に設けられた可動電極Ｂと、受動素子１３としての抵抗素子１４と、マイクロコンピュータ２０とを含む。

固定電極Ａ１，Ａ２は、環状抵抗体１０の中心軸１２回りの角度差が１８０°とならないような位置に設けられる。固定電極Ａ１は、マイクロコンピュータ２０の信号出力端子３１に接続される。固定電極Ａ２は、マイクロコンピュータ２０の信号出力端子３２に接続される。

可動電極Ｂは、一端が中心軸１２の位置で軸支された棒状導体１１の他端に設けられ、環状抵抗体１０上をスライドする。可動電極Ｂがスライドすることによって、環状抵抗体１０上の基準位置（たとえば固定電極Ａ１）から可動電極Ｂまでの中心軸１２回りの角度（すなわち、回転角度）が変化する。可動電極Ｂは、棒状導体１１を介してマイクロコンピュータ２０の信号入力端子３３と接続される。

抵抗素子１４は、棒状導体１１の中心軸１２に近接する側の端部と接地ノードＧＮＤとの間に接続される。すなわち、抵抗素子１４は、可動電極Ｂと接地ＧＮＤとの間に設けられる。

マイクロコンピュータ２０は、中央処理装置２１（ＣＰＵ：Central Processing Unit）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）およびＲＡＭ（Random Access Memory）などを有する記憶装置２２と、周辺回路２３と、これら要素２１〜２３を接続するバス２８とを含む。周辺回路２３には、クロック発振器やタイマなどが含まれる。

マイクロコンピュータ２０は、さらに、バス２８に接続された入出力制御回路２４と、出力ゲートとしてのスリー・ステート・バッファ２５，２６と、スリー・ステート・バッファ２５，２６の出力ノードにそれぞれ接続された信号出力端子３１，３２とを含む。これらの構成要素２４〜２６，３１，３２は、マイクロコンピュータ２０に設けられた汎用のデジタル出力ポートを概略的に示したものである。

入出力制御回路２４はＣＰＵ２１の指令に従って、スリー・ステート・バッファ２５（または２６）の制御電極をハイ（Ｈ）レベルまたはロー（Ｌ）レベルに切替える。スリー・ステート・バッファ２５（または２６）は、制御電極がＨレベルに設定されたとき、対応の信号出力端子３１（３２）を介して電圧信号ＯＵＴ１（ＯＵＴ２）の出力が可能な状態になる。逆に、スリー・ステート・バッファ２５（または２６）は、制御電極がＬレベルに設定されたとき、出力ノードをハイ・インピーダンス状態にする。

マイクロコンピュータ２０は、さらに、バス２８に接続されたアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ：Analog to Digital Converter）２７と、信号入力端子３３とを含む。これらの構成要素は、マイクロコンピュータ２０に設けられたアナログ入力ポートを概略的に示したものである。ＡＤＣ２７は、信号入力端子３３を介して受けたアナログの電圧信号ＩＮをデジタル信号に変換する。デジタル変換された入力信号ＩＮは、バス２８を介してＣＰＵ２１などに出力される。

図２は、図１の角度検出装置１の機能ブロック図である。図２に示すように、図１のマイクロコンピュータ２０は、機能的に見ると、電圧印加部４０と、電圧検出部４１と、データ処理部４２とを含む。電圧検出部４１とデータ処理部４２とによって可動電極Ｂの回転角度を検出する検出部４９が構成される。

電圧印加部４０は、信号出力端子３１，３２をそれぞれ介して固定電極Ａ１，Ａ２に互いに異なるタイミングで電圧を印加する。このとき実際には、パルス状の電圧が繰り返し固定電極Ａ１，Ａ２に印加される。固定電極Ａ１に電圧を印加するときと固定電極Ａ２に電圧を印加するときとでは、可動電極Ｂの回転角度は等しい必要があるので、出力されるパルス電圧の周期は、回転角度の変化の周期よりも十分に短く設定される。

電圧印加部４０は、図１のＣＰＵ２１、入出力制御回路２４、およびスリー・ステート・バッファ２５，２６に対応する。ＣＰＵ２１の指令に基づいて入出力制御回路２４が制御されることによって電圧印加部４０の機能が実現される。入出力制御回路２４は、信号出力端子３１を介して固定電極Ａ１に電圧Ｖｉｎを印加するときは、信号出力端子３２がハイ・インピーダンス状態になるように図１のスリー・ステート・バッファ２６を制御する。入出力制御回路２４は、逆に信号出力端子３２を介して固定電極Ａ２に電圧Ｖｉｎを印加するときは、信号出力端子３１がハイ・インピーダンス状態になるように図１のスリー・ステート・バッファ２５を制御する。

電圧検出部４１は、信号入力端子３３を介して入力された可動電極Ｂの電圧を検出する。電圧検出部４１は、図１のＡＤＣ２７に対応する。可動電極Ｂの電圧はアナログの電圧信号ＩＮとしてＡＤＣ２７に入力され、ＡＤＣ２７によってデジタルの電圧データに変換される。変換後の電圧データはデータ処理部４２に出力される。

データ処理部４２は、図１のＣＰＵ２１に対応する。データ処理部４２は、固定電極Ａ１に電圧が印加されたときの可動電極Ｂの電圧値と、固定電極Ａ２に電圧が印加されたときの可動電極Ｂの電圧値とに基づいて、可動電極Ｂの中心軸回りの角度を求める。以下、データ処理部４２による回転角度の検出原理について説明する。

［回転角度の検出原理］
固定電極Ａ１に電圧Ｖｉｎが印加されたとき、角度検出装置１の電圧検出部４１は、固定電極Ａ１と可動電極Ｂとの間の抵抗値Ｒ１と抵抗素子１４の抵抗値Ｒｄとによって、固定電極Ａ１に印加された電圧Ｖｉｎが分圧された電圧Ｖ１を検出する。すなわち、検出電圧Ｖ１は、
Ｖ１＝Ｖｉｎ×Ｒｄ／（Ｒ１＋Ｒｄ） …(1)
と表わされる。同様に、固定電極Ａ２に電圧Ｖｉｎが印加されたとき、電圧検出部４１は、固定電極Ａ２と可動電極Ｂとの間の抵抗値Ｒ２と抵抗素子１４の抵抗値Ｒｄとによって、固定電極Ａ２に印加された電圧Ｖｉｎが分圧された電圧Ｖ２を検出する。すなわち、検出電圧Ｖ２は、
Ｖ２＝Ｖｉｎ×Ｒｄ／（Ｒ２＋Ｒｄ） …(2)
と表わされる。

抵抗値Ｒ１，Ｒ２は、可動電極Ｂの回転角度に対応して変化するので、上式（１）、（２）に従って、検出電圧Ｖ１，Ｖ２から抵抗値Ｒ１，Ｒ２をそれぞれ算出すれば、可動電極Ｂの回転角度を検出することができる。

図３は、図２の環状抵抗体１０の特性を示すグラフである。図２、図３を参照して、図３の横軸には基準点としての固定電極Ａ１から可動電極Ｂまでの回転角度θ１が示される。時計回りの方向を正とし、反時計回りの方向を負とする。図３の縦軸には、環状抵抗体１０の固定電極Ａ１と可動電極Ｂとの間の抵抗値Ｒ１が示される。環状抵抗体１０の１／４周分の抵抗値をＲとする。

固定電極Ａ１と可動電極Ｂとの間の抵抗値Ｒ１は、固定電極Ａ１から可動電極Ｂに時計回りに到達する場合の円弧部分の抵抗値と、固定電極Ａ１から可動電極Ｂに反時計回りに到達する場合の円弧部分の抵抗値との並列合成抵抗になる。この場合、固定電極Ａ１と中心軸１２を含む平面に関して互いに鏡映対称な位置に可動電極Ｂがあるとき、両位置での抵抗値Ｒ１が互いに等しくなる。

具体的に式を用いて説明すると、固定電極Ａ１から可動電極Ｂまでの角度をθ１とし（時計回り方向を正とする）、その絶対値を｜θ１｜とすれば、抵抗値Ｒ１は、
Ｒ１＝Ｒ×｜θ１｜×（３６０°−｜θ１｜）／（９０°×３６０°） …(3)
と表わされる。上式（３）で、環状抵抗体１０の１／４周分の抵抗値をＲとしている。上式（３）のグラフが図３に示される。

図３に示すように、固定電極Ａ１と可動電極Ｂとの間の抵抗値に対して、正側の回転角度θ１と負側の回転角度−θ１とが対応する。したがって、電圧Ｖｉｎを固定電極Ａ１，Ａ２のうちいずれか一方に印加しただけでは、可動電極Ｂの回転角度を特定することができない。固定電極Ａ１，Ａ２の各々に電圧Ｖｉｎを印加したときに検出された可動電極Ｂの電圧値を両方とも用いることによって可動電極Ｂの回転角度を特定することができる。以下、図４を参照してさらに詳しく説明する。

図４は、図２の角度検出装置１による回転角度の検出原理を説明するための図である。図４を参照して、可動電極の現在位置をＢで表わし、固定電極Ａ１および中心軸１２を通る平面に関して、現在位置と対称な位置に可動電極がある場合をＢ１で表わす。固定電極Ａ２および中心軸１２を通る平面に関して、現在位置と対称な位置に可動電極がある場合をＢ２で表わす。

図４において、Ａ１とＢとの間の抵抗値と、Ａ１とＢ１との間の抵抗値は等しい。したがって、固定電極Ａ１に電圧Ｖｉｎが印加された場合、検出された可動電極の電圧からは可動電極が図４のＢ，Ｂ１のいずれに位置しているかを区別できない。同様に、Ａ２とＢとの間の抵抗値と、Ａ２とＢ２との間の抵抗値は等しい。したがって、固定電極Ａ２に電圧Ｖｉｎが印加された場合、検出された可動電極の電圧からは可動電極が図４のＢ，Ｂ２のいずれに位置しているかを区別できない。

そこで、可動電極の位置を特定するためには、固定電極Ａ１に電圧Ｖｉｎを印加したときの可動電極の電圧値の検出結果と、固定電極Ａ２に電圧Ｖｉｎを印加したときの可動電極の電圧値の検出結果とを組合わせる必要がある。

［回転角度の検出手順］
図５は、図２の角度検出装置１による回転角度の検出手順を示すフローチャートである。図２、図５を参照して、角度検出装置１による回転角度の検出手順は以下のとおりである。

ステップＳ１で、電圧印加部４０は、環状抵抗体１０に設けられた固定電極Ａ１に電圧Ｖｉｎを印加する。

次のステップＳ２で、電圧検出部４１は、固定電極Ａ１へ電圧Ｖｉｎを印加したときに、可動電極Ｂと接地ノードＧＮＤとの間に設けられた抵抗素子１４にかかる電圧Ｖ１を検出する。

次のステップＳ３で、データ処理部４２は、ステップＳ２で検出した電圧Ｖ１から、前述の式（１）の関係を用いて固定電極Ａ１と可動電極Ｂとの間の抵抗値Ｒ１を算出する。

次のステップＳ４で、データ処理部４２は、ステップＳ３で算出した抵抗値Ｒ１から、前述の式（３）の関係を用いて可動電極Ｂの角度の候補θ１および−θ１を求める。ここで、可動電極Ｂの角度は、固定電極Ａ１の位置を基準にして時計回り方向を正とする。

次のステップＳ５で、電圧印加部４０は、環状抵抗体１０に設けられた固定電極Ａ２に電圧Ｖｉｎを印加する。

次のステップＳ６で、電圧検出部４１は、固定電極Ａ２へ電圧Ｖｉｎを印加したときに、可動電極Ｂと接地ノードＧＮＤとの間の抵抗素子１４にかかる電圧Ｖ２を検出する。

次のステップＳ７で、データ処理部４２は、ステップＳ６で検出した電圧Ｖ２から、前述の式（２）の関係を用いて固定電極Ａ２と可動電極Ｂとの間の抵抗値Ｒ２を算出する。

次のステップＳ８で、データ処理部４２は、ステップＳ７で算出した抵抗値Ｒ２に基づいて、ステップＳ４で求めた角度の候補θ１および−θ１のうち、現在位置での可動電極Ｂの角度θ１を特定する。

具体的には、固定電極Ａ２から可動電極Ｂまでの角度をθ２とし（時計回り方向を正とする）、その絶対値を｜θ２｜とすれば、ステップＳ７で検出した抵抗値Ｒ２は、
Ｒ２＝Ｒ×｜θ２｜×（３６０°−｜θ２｜）／（９０°×３６０°） …(4)
と表わされる。上式（４）のＲは、環状抵抗体１０の１／４周分の抵抗値である。この関係式（４）から、抵抗値Ｒ２に対応する角度θ２，−θ２が求められる。ここで、固定電極Ａ１から固定電極Ａ２までの角度をΘ１２とする（時計回り方向を正とする）。このΘ１２から式（４）で求めた角度θ２，−θ２を減ずることによって、固定電極Ａ２から可動電極Ｂまでの角度を固定電極Ａ１から可動電極Ｂまでの角度に換算することができる。たとえば、図４の場合には、Θ１２＝θ１＋θ２であるので、式（４）に従って求めた角度θ２，−θ２は、θ１および（θ１＋２×θ２）に換算される。この換算された角度と、ステップＳ４で求めた角度の候補θ１，−θ１とを比較することによって、実際の可動電極の角度θ１が特定できる。

上記の回転角度の検出手順において、電圧Ｖｉｎを印加する順序については、最初に固定電極Ａ２に電圧Ｖｉｎを印加し、次に固定電極Ａ１に電圧Ｖｉｎを印加してもよい。

図６は、図２のマイクロコンピュータ２０の出力電圧および入力電圧の波形の一例を示す図である。図６の横軸は時間であり、図６の縦軸は上から順に、信号出力端子３１から出力された電圧信号ＯＵＴ１、信号出力端子３２から出力された電圧信号ＯＵＴ２、および信号入力端子３３を介して検出された電圧信号ＩＮが示される。

図２、図６を参照して、時刻ｔ１〜ｔ２の時間帯で、信号出力端子３１を介して環状抵抗体１０に設けられた固定電極Ａ１に電圧Ｖｉｎが印加される（図５のステップＳ１）。このとき、信号入力端子３３を介して可動電極Ｂの電圧Ｖ１が検出される（図５のステップＳ２）。検出された電圧Ｖ１に基づいて、データ処理部４２は、固定電極Ａ１と可動電極Ｂとの間の抵抗値Ｒ１を算出し（図５のステップＳ３）、算出した抵抗値Ｒ１に基づいて可動電極Ｂの角度の候補の値を求める（図５のステップＳ４）。

次に、時刻ｔ３〜ｔ４の時間帯で、信号出力端子３２を介して環状抵抗体１０に設けられた固定電極Ａ２に電圧Ｖｉｎが印加される（図５のステップＳ５）。このとき、信号入力端子３３を介して可動電極Ｂの電圧Ｖ２が検出される（図５のステップＳ６）。検出された電圧Ｖ２に基づいて、データ処理部４２は、固定電極Ａ２と可動電極Ｂとの間の抵抗値Ｒ２を算出し（図５のステップＳ７）、算出した抵抗値Ｒ２に基づいて可動電極Ｂの角度を特定する（図５のステップＳ８）。

［実施の形態１のまとめ］
以上のように、実施の形態１によれば、角度検出装置１は、環状抵抗体１０に設けられた第１、第２の固定電極Ａ１，Ａ２と、可動電極Ｂと、可動電極Ｂと接地ノードＧＮＤとの間に設けられた抵抗素子１４とを用いて、可動電極Ｂの中心軸１２回りの回転角度を検出する。具体的には、角度検出装置１は、固定電極Ａ１，Ａ２に異なるタイミングで電圧Ｖｉｎを印加し、固定電極Ａ１に電圧Ｖｉｎを印加したときの可動電極Ｂの電圧値Ｖ１と、固定電極Ａ２に電圧Ｖｉｎを印加したときの可動電極Ｂの電圧値Ｖ２とを検出する。角度検出装置１は、検出した電圧値Ｖ１，Ｖ２に基づいて、可動電極Ｂの回転角度を求める。これによって、従来よりも簡単な構成で回転角度を検出することができる。

＜実施の形態２＞
［角度検出装置の構成］
図７は、この発明の実施の形態２による角度検出装置２の構成図である。図７の角度検出装置２は、受動素子１３としての抵抗素子１４に代えてコンデンサ１５を含む点で図１の角度検出装置１と異なる。さらに、角度検出装置２を構成するマイクロコンピュータ２０Ａは、ＡＤＣ２７に代えて入力ゲートとしてのＡＮＤ回路２９を含む点で図１のマイクロコンピュータ２０と異なる。図７のその他の点は図１の角度検出装置１と同じであるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。

信号入力端子３３、ＡＮＤ回路２９、および入出力制御回路２４は、マイクロコンピュータ２０Ａに設けられた汎用のデジタル入力ポートを概略的に示したものである。入出力制御回路２４は、ＣＰＵ１１の指令に従って入力ゲートとしてのＡＮＤ回路２９の一方の入力ノードをＨレベルまたはＬレベルに切り替える。ＡＮＤ回路２９は、入力ノードの一方がＨレベルに設定されたとき、信号入力端子３３を介して電圧信号ＩＮが入力可能な状態になる。逆にＬレベルに設定されたとき、信号入力は不可能になる。回転角度の検出中は、ＡＮＤ回路２９は電圧信号ＩＮを入力可能な状態に設定する。

図７の角度検出装置２では、コンデンサ１５が設けられたことによって可動電極Ｂの電圧変化が、固定電極Ａ１またはＡ２に印加されるパルス電圧の電圧変化よりも緩やかになる。可動電極Ｂの電圧変化は、入力ゲートとしてのＡＮＤ回路２９を介してマイクロコンピュータ２０Ａによって検出される。ＡＮＤ回路２９は、入力電圧ＩＮが閾値電圧ＶＴＨを超えた時点でオン状態にスイッチし、入力電圧ＩＮが閾値電圧ＶＴＨ以下となった時点でオフ状態にスイッチする。したがって、ＡＮＤ回路２９を介して検出されたパルス電圧は、固定電極Ａ１またはＡ２に出力するパルス電圧に比べて遅延する。パルス電圧の遅延時間は固定電極Ａ１，Ａ２と可動電極Ｂとの間の抵抗値Ｒ１，Ｒ２と、コンデンサ１５の容量値とによって決まる時定数に依存する。この場合、抵抗値Ｒ１，Ｒ２は可動電極Ｂの回転角度に応じて変化するので、遅延時間を検出することによって可動電極Ｂの回転角度を検出することができる。

図８は、図７の角度検出装置２の機能ブロック図である。図８に示すように、図７のマイクロコンピュータ２０Ａは、機能的に見ると、電圧印加部４０と、遅延時間検出部４３と、データ処理部４２Ａと、記憶部４４とを含む。遅延時間検出部４３、データ処理部４２Ａ、および記憶部４４によって可動電極Ｂの回転角度を検出する検出部４９Ａが構成される。

電圧印加部４０は、信号出力端子３１，３２を介して固定電極Ａ１，Ａ２に互いに異なるタイミングで電圧強度Ｖｉｎのパルス電圧を印加する。このとき実際には、パルス状の電圧が繰り返し固定電極Ａ１，Ａ２に印加される。固定電極Ａ１にパルス電圧を印加するときと固定電極Ａ２にパルス電圧を印加するときとでは、可動電極Ｂの回転角度は等しい必要があるので、出力されるパルス電圧の周期は、回転角度の変化の周期よりも十分に短く設定される。

電圧印加部４０は、図７のＣＰＵ２１、入出力制御回路２４、およびスリー・ステート・バッファ２５，２６に対応する。ＣＰＵ２１の指令に基づいて入出力制御回路２４が制御されることによって電圧印加部４０の機能が実現される。入出力制御回路２４は、信号出力端子３１を介して固定電極Ａ１にパルス電圧を印加するときには、信号出力端子３２がハイ・インピーダンス状態になるようにスリー・ステート・バッファ２６を制御する。入出力制御回路２４は、信号出力端子３２を介して固定電極Ａ２にパルス電圧を印加するときには、信号出力端子３１がハイ・インピーダンス状態になるようにスリー・ステート・バッファ２５を制御する。電圧印加部４０から固定電極Ａ１，Ａ２にパルス電圧が印加されることによって、可動電極Ｂに電圧変化が生じる。この電圧変化は、固定電極Ａ１，Ａ２に印加されたパルス電圧に比べて、立上がりエッジおよび立下がりエッジがなまったものになる。

遅延時間検出部４３は、図７のＡＮＤ回路２９、入出力制御回路２４、ＣＰＵ２１、および周辺回路２３の内蔵タイマに対応する。遅延時間検出部４３は、電圧印加部４０から出力するパルス電圧の立上がりエッジのタイミングと、入力ゲートとしてのＡＮＤ回路２９の出力の立上がりエッジのタイミングとの時間差とによって遅延時間を検出する。この時間差は、マイクロコンピュータ２０Ａに内蔵されたタイマによって検出することができる。遅延時間の検出にはパルス電圧の立下がりエッジを用いてもよい。

記憶部４４は、図７の記憶装置２２に対応するものであり、可動電極Ｂの回転角度ごとに予め測定された遅延時間をデータテーブルとして記憶する。データテーブルは、固定電極Ａ１にパルス電圧を印加した場合と固定電極Ａ２にパルス電圧を印加した場合の両方の場合に対して予め作成される。いずれの場合も、可動電極Ｂの回転角度を０°から３６０°まで変化させ、このときに検出された遅延時間と回転角度とが対応付けられて記憶部４４に予め記憶される。

データ処理部４２Ａは、図７のＣＰＵ２１に対応する。データ処理部４２Ａは、固定電極Ａ１にパルス電圧が印加された場合について、検出された遅延時間と記憶部４４に記憶された遅延時間とを比較する。これによって、データ処理部４２Ａは、検出された遅延時間が記憶部４４に記憶された遅延時間に略一致する場合の可動電極Ｂの回転角度を求める。図４で説明したように、可動電極Ｂの回転角度として、固定電極Ａ１と可動電極Ｂとの間の抵抗値Ｒ１に対応してθ１と−θ１の２通りの値が求められる。したがって、抵抗値Ｒ１とコンデンサ１５の容量値とによって決まる遅延時間に対応した回転角度についても２通りの候補が求められる。

データ処理部４２Ａは、次に、固定電極Ａ２にパルス電圧が印加された場合について、検出した遅延時間と記憶部４４に記憶された遅延時間とのデータとを比較する。これによって、データ処理部４２Ａは、先に求めた可動電極Ｂの回転角度の候補のうちから検出時の回転角度を特定する。

［回転角度の検出手順］
図９は、図８の角度検出装置２による回転角度の検出手順を示すフローチャートである。図８、図９を参照して、角度検出装置２による回転角度の検出手順は次のとおりである。

ステップＳ１１で、電圧印加部４０は、環状抵抗体１０に設けられた固定電極Ａ１にパルス電圧を印加する。このとき、可動電極Ｂの電圧は入力されたパルス電圧に応じて変化する。

次のステップＳ１２で、遅延時間検出部４３は、可動電極Ｂの電圧変化を入力ゲートを介して検出することによって、ＨレベルまたはＬレベルの２値のパルス電圧として可動電極Ｂの電圧変化を検出する。遅延時間検出部４３は、検出したパルス電圧の立上がりエッジとステップＳ１１で出力したパルス電圧との立上がりエッジとの時間差（遅延時間）を求める。

次のステップＳ１３で、データ処理部４２Ａは、ステップＳ１２で検出した遅延時間と記憶部４４に予め記憶された遅延時間とを比較し、両者がほぼ一致する場合の遅延時間に対応する回転角度を求める。これによって、２通りの回転角度の候補が求められる。

次のステップＳ１４で、電圧印加部４０は、環状抵抗体１０に設けられた固定電極Ａ２にパルス電圧を印加する。このとき、可動電極Ｂの電圧は入力されたパルス電圧に応じて変化する。

次のステップＳ１５で、遅延時間検出部４３は、可動電極Ｂの電圧変化を入力ゲートを介して２値のパルス電圧として検出する。遅延時間検出部４３は、検出したパルス電圧の立上がりエッジとステップＳ１４で出力したパルス電圧との立上がりエッジとの時間差（遅延時間）を求める。

次のステップＳ１６で、データ処理部４２Ａは、ステップＳ１６で検出した遅延時間と記憶部４４に予め記憶された遅延時間とを比較し、両者がほぼ一致する場合の遅延時間に対応した回転角度を求める。データ処理部４２Ａは、求めた回転角度をステップＳ１３で求めた回転角度の候補と比較することによって、最終的な可動電極Ｂの回転角度を特定する。

図１０は、図８のマイクロコンピュータ２０Ａの出力電圧および入力電圧の波形の一例を示す図である。図１０の横軸は時間であり、図１０の縦軸は上から順に、信号出力端子３１から出力された電圧信号ＯＵＴ１、信号出力端子３２から出力された電圧信号ＯＵＴ２、信号入力端子３３に入力された電圧信号ＩＮ、および入力ゲートとしてのＡＮＤ回路２９の出力電圧を示す。

図８、図１０を参照して、時刻ｔ１〜ｔ３の時間帯に、環状抵抗体１０に設けられた固定電極Ａ１にパルス電圧が印加される（図９のステップＳ１１）。このとき、信号入力端子３３に入力される電圧信号ＩＮの立上がりエッジおよび立下がりエッジは、固定電極Ａ１に印加されたパルス電圧の立上がりエッジおよび立下がりエッジに比べて緩やかになる。図１０では指数関数的な電圧の変化が直線で近似されている。

時刻ｔ２に、信号入力端子３３に入力された電圧信号ＩＮが入力ゲート（ＡＮＤ回路２９）の閾値電圧ＶＴＨを越えるので、入力ゲートの出力電圧がＬレベルからＨレベルに切替わる。これを受けて、遅延時間検出部４３は、固定電極Ａ１に印加した電圧信号ＯＵＴ１の立上がり時刻ｔ１と、入力ゲートを介して検出したパルス電圧の立上がり時刻ｔ２との差を遅延時間ＴＤ１として検出する（図９のステップＳ１２）。データ処理部４２Ａは、検出した遅延時間ＴＤ１と記憶部４４に予め記憶された遅延時間とを比較することによって、可動電極Ｂの回転角度の候補を求める（図９のステップＳ１３）。

時刻ｔ４に、信号入力端子３３に入力された電圧信号ＩＮが閾値電圧ＶＴＨ以下となるので、入力ゲートの出力電圧はＨレベルからＬレベルに切替わる。

次に、時刻ｔ５〜ｔ７の時間帯に、環状抵抗体１０に設けられた固定電極Ａ２にパルス電圧が印加される（図９のステップＳ１４）。このとき、信号入力端子３３に入力される電圧信号ＩＮの立上がりエッジおよび立下がりエッジは、固定電極Ａ２に印加されたパルス電圧の立上がりエッジおよび立下がりエッジに比べて緩やかになる。

時刻ｔ６に、信号入力端子３３に入力された電圧信号ＩＮがＡＮＤ回路２９の閾値電圧ＶＴＨを越えるので、入力ゲートの出力電圧がＬレベルからＨレベルに切替わる。これを受けて、遅延時間検出部４３は、固定電極Ａ２に印加した電圧信号ＯＵＴ２の立上がり時刻ｔ５と、入力ゲートを介して検出したパルス電圧の立上がり時刻ｔ６との差を遅延時間ＴＤ２として検出する（図９のステップＳ１５）。データ処理部４２Ａは、検出した遅延時間ＴＤ２と記憶部４４に予め記憶された遅延時間とを比較することによって、最終的に可動電極Ｂの回転角度を特定する（図９のステップＳ１６）。

時刻ｔ８に、信号入力端子３３に入力された電圧信号ＩＮが閾値電圧ＶＴＨ以下となるので、入力ゲートの出力電圧はＨレベルからＬレベルに切替わる。

［実施の形態２のまとめ］
以上のように、実施の形態２によれば、角度検出装置２は、環状抵抗体１０に設けられた第１、第２の固定電極Ａ１，Ａ２と、可動電極Ｂと、可動電極Ｂと接地ノードＧＮＤとの間に設けられたコンデンサ１５とを用いて、可動電極Ｂの中心軸１２回りの回転角度を検出する。具体的に、角度検出装置１は、固定電極Ａ１，Ａ２に異なるタイミングでパルス電圧を印加し、各固定電極にパルス電圧が印加されたときの可動電極Ｂの電圧変化に対応したパルス電圧の遅延時間を検出する。角度検出装置２は、検出したパルス電圧の遅延時間に基づいて、可動電極Ｂの回転角度を検出する。これによって、従来よりも簡単な構成で回転角度を検出することができる。

特に実施の形態２の角度検出装置２の場合には、パルス電圧の遅延時間によって可動電極Ｂの回転角度を検出するので、実施の形態１の角度検出装置１のようにアナログ電圧の大きさを検出するためのＡＤＣ２７を必要としない。マイクロコンピュータに設けられた汎用の入出力ポートを用いることによって、可動電極Ｂの回転角度を検出できるというメリットがある。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，２ 角度検出装置、１０ 環状抵抗体、１２ 中心軸、１３ 受動素子、１４ 抵抗素子、１５ コンデンサ、２０，２０Ａ マイクロコンピュータ、４０ 電圧印加部、４１ 電圧検出部、４２，４２Ａ データ処理部、４３ 遅延時間検出部、４４ 記憶部、４９，４９Ａ 検出部、Ａ１，Ａ２ 固定電極、Ｂ 可動電極。

Claims (5)

1. 環状抵抗体と、
   前記環状抵抗体に設けられた第１の固定電極と、
   前記環状抵抗体の中心軸回りの角度が前記第１の固定電極との間で１８０度以外の角度となるように、前記環状抵抗体に設けられた第２の固定電極と、
   前記環状抵抗体に設けられ、前記中心軸回りの角度が可変の可動電極と、
   前記可動電極と接地ノードとの間に接続された受動素子と、
   前記第１および第２の固定電極に互いに異なるタイミングで電圧を印加する電圧印加部と、
   前記第１の固定電極に電圧を印加したときの前記可動電極の電圧と、前記第２の固定電極に電圧を印加したときに前記可動電極の電圧とに基づいて、前記可動電極の前記中心軸回りの角度を検出する検出部とを備える、角度検出装置。
2. 前記受動素子はコンデンサであり、
   前記検出部は、
   前記第１の固定電極に電圧を印加してから前記可動電極の電圧が閾値を超えるまでの第１の遅延時間と、前記第２の固定電極に電圧を印加してから前記可動電極の電圧が前記閾値を超えるまでの第２の遅延時間とを検出する遅延時間検出部と、
   前記第１および第２の遅延時間に基づいて、前記可動電極の前記中心軸回りの角度の値を求めるデータ処理部とを含む、請求項１に記載の角度検出装置。
3. 前記検出部は、前記可動電極の前記中心軸回りの複数の角度に対して予め測定された複数の前記第１および第２の遅延時間を記憶する記憶部をさらに含み、
   前記データ処理部は、前記記憶部に記憶された複数の前記第１の遅延時間と前記遅延時間検出部によって検出された前記第１の遅延時間とを比較することによって、検出された前記第１の遅延時間に対応する前記可動電極の前記中心軸回りの角度の候補の値を求め、前記データ処理部は、前記記憶部に記憶された複数の前記第２の遅延時間と前記遅延時間検出部によって検出された前記第２の遅延時間とを比較することによって、前記角度の候補から検出時における前記可動電極の前記中心軸回りの角度を特定する、請求項２に記載の角度検出装置。
4. 前記受動素子は抵抗素子であり、
   前記検出部は、
   前記第１の固定電極に電圧を印加したときの前記可動電極の第１の電圧値と、前記第２の固定電極に電圧を印加したときの前記可動電極の第２の電圧値とを検出する電圧検出部と、
   前記第１および第２の電圧値に基づいて、前記可動電極の前記中心軸回りの角度の値を求めるデータ処理部とを含む、請求項１に記載の角度検出装置。
5. 前記データ処理部は、前記第１の電圧値と前記抵抗素子の抵抗値とを用いて前記第１の固定電極と前記可動電極との間の第１の抵抗値を算出し、前記第１の抵抗値に対応する前記可動電極の前記中心軸回りの角度の候補の値を求め、前記データ処理部は、前記第２の抵抗値と前記抵抗素子の抵抗値とを用いて前記第２の固定電極と前記可動電極との間の第２の抵抗値を算出し、前記角度の候補のうち前記第２の抵抗値に対応する角度を特定する、請求項４に記載の角度検出装置。

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