JPH0530711U - 容量式角度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 容量式角度センサに関し、製造ばらつきや熱
影響による回転電極と固定電極の重なり面積やそれらの
間隔の変化の影響を受けることなく、回転角度を検出す
ることを目的とする。 【構成】 半円形の２枚の固定電極Ａ，Ｂを同一平面上
で円形になるように、かつ相互に絶縁された状態で配置
し、また該固定電極と一定距離を隔てて該固定電極のう
ちの１方より外周がやや大きい別の半円形の回転電極Ｃ
を配置し、該各固定電極Ａ，Ｂと該回転電極Ｃとでそれ
ぞれ形成される静電容量を電源に直列接続し、該回転電
極の電位変化によってその回転角度が検出される。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は回転電極と固定電極との間の容量変化から回転角度を検出するように した容量式角度センサに関し、例えば車のハンドルの操舵角などの検出などに利 用される容量式角度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】

図６は従来技術としての容量式角度センサの１例を示すもので、回転軸４に半 円形状を有する回転板１が結合されるとともに、該回転板１を挟んで該回転軸４ に沿った前後の位置に、該回転板１の半円形状と同一形状を有する固定板２およ び３が設けられている。なお２１および３１はそれぞれ該固定板２および３の中 心部（回転軸４の貫通部）に設けられた半円形状の切欠部であって、その半径が 該回転軸４の半径よりやや大きく設定されている。このように該固定板２と３と は該回転板１を挟む位置に設置され、かつ該固定板２と３とは互いに９０°の角 度をなす位置に固定される。

【０００３】 かかる固定板２および３の位置関係のもとで回転板１が回転軸４とともに回転 すると、該回転板１と固定板２との間および該回転板１と固定板３との間の各静 電容量ＣおよびＣ′が変化する。したがってこれらの静電容量ＣおよびＣ′を検 出することによって該回転軸４の回転角度を検出することができる。なお該図中 において５は、上記回転板１および各固定板２，３からの各電気信号を取り出す ためのリード線を示している。

【０００４】 図７は上記図６に示されるセンサにおいて、回転板１の回転により該固定板２ ，３と該回転板１との間の各静電容量Ｃ，Ｃ′が変化する状況を示すもので、（ イ) 、（ハ）、（ホ）、（ト）は回転板１と固定板２との間の関係図を示し、ま た（ロ）、（ニ）、（ヘ）、（チ）は回転板１と固定板３との間の関係図を示す 。ここで回転板１の初期状態を上記図６に示すように、固定板２と１８０°ずれ た位置（固定板３とは９０°ずれた位置）とする。

【０００５】 そしてこの初期状態である回転角度０°の場合には、それぞれ上記（イ) 、（ ロ）図の関係になる。ここで斜線部が回転板と固定板とが重なり合う部分である 。初期状態から回転板が矢印方向に９０°の回転をすると（ハ）、（ニ）図の関 係となり、１８０°の回転をすると（ホ）、（ヘ）図の関係となり、２７０°の 回転をすると（ト）、（チ）図の関係となる。

【０００６】 いま回転板１と固定板２との重なり面積をＳa 、回転板１と固定板３との重な り面積をＳb とすると、この重なり面積によってえられる上記静電容量Ｃ, Ｃ′ はほぼ、Ｃ＝ε・Ｓa ／ｄa 、Ｃ′＝ε・Ｓb ／ｄb となる。ここでεは空気中 の誘電率、ｄa は回転板１と固定板２とのギャップ寸法、ｄb は回転板１と固定 板３とのギャップ寸法を示す。そして上記重なり面積Ｓa ，Ｓb はそれぞれ回転 軸の回転角度によって直線的に変化するので、上記静電容量Ｃ, Ｃ′は該回転角 度に比例した値となる。したがって該静電容量Ｃ, Ｃ′を検出することによって 、該回転角度を検出することができる。

【０００７】 図８（イ）、（ロ）は回転板１の回転角度を横軸にとり縦軸にそれぞれ静電容 量Ｃ, Ｃ′をとってなる静電容量特性を示している。図８（イ）に示すように、 静電容量Ｃは回転角度０°から１８０°の間で直線的に増加し、１８０°から３ ６０°の間で直線的に減少する。一方、静電容量Ｃ′は図８（ロ）に示すように 、回転角度９０°から２７０°の間で直線的に増加し、２７０°から４５０°の 間で直線的に減少する。そこで図８（ロ）で、回転角度０°、１８０°、３６０ °、…のときの該Ｃ′の値Ｃthをしきい値とすると、Ｃ′の値がＣ′＞Ｃthのと き１８０°〜３６０°の範囲となり、Ｃ′＜Ｃthのとき０°〜１８０°の範囲と なる。したがって該Ｃ′とＣthとの大小比較をもとに、そのときの該Ｃの値（図 ８（イ）の値）を検出することによってそのときの回転角度を検出することがで きる。

【０００８】 しかしながら上記したような容量式角度センサにおいては、上記静電容量Ｃ， Ｃ′の値そのものを電気的に処理して回転角度に換算しているため、上記回転板 と固定板との重なり面積Ｓa ，Ｓb や上記ギャップ寸法ｄa ，ｄb などがばらつ くと、該静電容量の値も変化して回転角度の検出に直接影響を与えてしまうとい う問題点があった。

【０００９】

【考案が解決しようとする課題】

本考案はかかる問題点を解決するためになされたもので、製造ばらつきや熱影 響などによる上記回転板と固定板との重なり面積や上記ギャップ寸法などの変化 の影響を受けることなく、しかも非接触のままで上記回転角度を正確に検出しう るようにしたものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】

かかる課題を解決するために本考案によれば、半円形の２枚の金属体を同一平 面上で円形になるように、かつ相互に絶縁された状態で配置して形成された固定 電極と、該固定電極に一定距離を隔てて配置され該固定電極のうちの１方の半円 形の金属体より外周がやや大きい別の半円形の金属体からなる回転電極とを有し 、該固定電極を形成する１方の金属体と該回転電極とにより形成される第１の可 変容量コンデンサと該固定電極を形成する他方の金属体と該回転電極とにより形 成される第２の可変容量コンデンサとが電源に直列接続されるとともに該回転電 極から中間電位をとり出しうるように上記各金属体を電気接続し、該回転電極の 回転に応じた該回転電極の電位変化から該回転電極の回転角度を検出することを 特徴とする容量式角度センサが提供される。

【００１１】

【作用】

上記構成によれば、製造ばらつきや熱影響などによる上記回転電極と固定電極 との重なり面積やそれらの間のギャップ寸法などの変化の影響を受けることなく 、該回転電極の回転に応じた該回転電極の電位変化から、該回転角度を容易かつ 正確に検出することができる。

【００１２】

【実施例】

図１は本考案の１実施例としての容量式角度センサの基本構成を示すもので、 該図１に示すように半円形の金属板で形成した２枚の固定電極Ａ，Ｂを同一平面 上で円形になるように、かつ相互に絶縁された状態で配置し、またこれらの固定 電極Ａ，Ｂと一定の距離ｄを隔てて該固定電極のうちの１方の半円形の金属板よ り外周がやや大きい別の半円形の金属板からなる回転電極Ｃを配置して、該各固 定電極Ａ，Ｂと該回転電極Ｃとの間にそれぞれ可変容量コンデンサを形成する。 なおＲは該回転電極Ｃと一体になって回転する回転軸である。

【００１３】 ここで上記固定電極Ａと回転電極Ｃとの間の静電容量をＣ₁ とし、また上記固 定電極Ｂと回転電極Ｃとの間の静電容量をＣ₂ とすると、 Ｃ₁ ＝ε・Ｓ₁ ／ｄ， Ｃ₂ ＝ε・Ｓ₂ ／ｄ ……… (1) となる。ただしεは空気中の誘電率であり、Ｓ₁ およびＳ₂ はそれぞれ、該固定 電極Ａと回転電極Ｃとの重なり面積、および該固定電極Ｂと回転電極Ｃとの重な り面積（それぞれ図１中に斜線で示す）である。

【００１４】 ここで図２に示すように、該回転電極Ｃが角度θ°だけ時計方向に回転すると 、該固定電極Ａと回転電極Ｃとの重なり面積がΔＳだけ増加し、一方該固定電極 Ｂと回転電極Ｃとの重なり面積がΔＳだけ減少するため、上記各静電容量Ｃ₁ ， Ｃ₂ はそれぞれ、 Ｃ₁ ＝ε（Ｓ₁ ＋ΔＳ）／ｄ， Ｃ₂ ＝ε（Ｓ₂ −ΔＳ) ／ｄ …… (2) となる。また該Ｃ₁ とＣ₂ の合成インピーダンスをＺ_ABとすると、 Ｚ_AB＝１/jωＣ₁ ＋１/jωＣ₂ ＝ (１/jω) ・（Ｃ₁ ＋Ｃ₂)／Ｃ₁ ・Ｃ₂ …… (3) となる。

【００１５】 したがって図３に示されるように、固定電極Ａ，Ｂをそれぞれ電源ｖ_i の両端 に接続し、回転電極Ｃからとり出される電位をｖ₀ とし、上記電極Ｂ，Ｃ間のイ ンピーダンスをＺ_BCとすると、 ｖ₀ ＝Ｚ_BC・ｖ_i ／Ｚ_AB ＝（１/jωＣ₂)・(jω) ・（Ｃ₁ ・Ｃ₂ ）ｖ_i ／（Ｃ₁ ＋Ｃ₂) ＝Ｃ₁ ・ｖ_i ／（Ｃ₁ ＋Ｃ₂) ……………… (4) となる。そこで上記 (4)式に (2)式を代入すると、 ｖ₀ ＝Ｃ₁ ・ｖ_i ／（Ｃ₁ ＋Ｃ₂) ＝〔｛ε(S₁+ΔS)/d｝÷｛ε(S₁+ΔS)/d＋ε(S₂-ΔS)/d｝〕・ｖ_i ＝｛Ｓ₁ ・ｖ_i /(S₁+S₂)｝＋｛ｖ_i /(S₁+S₂)｝・ΔＳ ……（5) となる。

【００１６】 ここで、θ＝０°のときの上記Ｓ₁ とＳ₂ を、Ｓ₁ ＝Ｓ₂ ＝Ｓとし、また上記 角度θ°だけ回転したときの上記ΔＳを、ΔＳ=(θ°／９０°）・Ｓとすると、 上記(5) 式は、 ｖ₀ ＝ (ｖ_i ／２）＋( ｖ_i ／２）・( θ°／９０°） ……… (6) となり、該回転電極Ｃからとり出される電位ｖ₀ は、図４に示されるように該回 転電極の回転角度θに比例する。

【００１７】 このような本考案のセンサにおいては、上記回転角度θが上記回転電極の電位 ｖ₀ により簡単に検出することができ、また構造がきわめて簡単であるにも拘わ らず、上記 (6)式から明らかなように、上記固定および回転電極間の重なり面積 Ｓ₁ , Ｓ₂ やそれらの距離ｄに影響を受けることなく（製造ばらつきや熱影響に よるそれらの変化が打ち消されて）上記回転角度を検出することができるため、 製造が容易になるとともに、温度変化等に対しても安定した動作が可能となる。

【００１８】 図５は上記図１に示されるセンサの具体的構成を例示するもので、図５(1) は 該センサの平面図、図５(2) はその側面図を示しており、該図中、Ｔa , Ｔb , Ｔc はそれぞれ上記各電極Ａ，Ｂ，Ｃに接続される端子を示し、またＤはベース 基板、Ｅは上記固定及び回転電極間を絶縁する絶縁体を示す。 そして、(1) 該固定電極Ａ，Ｂおよび回転電極Ｃとして金属板を用い、絶縁体 Ｅとしてはマイカや金属板表面を酸化物等で被覆したものを用いた構成、(2) ベ ース基板Ｄとしてセラミック基板を用い、固定電極Ａ，Ｂを厚膜導体、また絶縁 体Ｅを厚膜ガラスで形成した構成、(3) ベース基板Ｄにセラミック基板等を用い 、固定電極Ａ，ＢをＣu , Ｎi , Ｃr 等の薄膜導体で形成し、絶縁体ＥとしてＳ i Ｏ₂ 等の誘電体薄膜を設けた構成、あるいは(4) 回転電極も単に金属板ではな く、セラミック基板等のベースに前記厚膜や薄膜により電極を形成したものを用 いる構成等が考えられる。

【００１９】

【考案の効果】

本考案によれば、製造ばらつきや温度変化による、固定電極と回転電極との重 なり面積やそれらのギャップ寸法などの変化による影響を受けることなく、しか も非接触のままで、回転角度を高精度に検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の１実施例としての容量式角度センサの
基本構成を示す図である。

【図２】図１のセンサにおける回転角度に応じた重なり
面積を説明する図である。

【図３】図１のセンサにおける各電極板の電気接続図で
ある。

【図４】図１のセンサにおける回転角度に応じた回転電
極の電位変化を説明する図である。

【図５】図１のセンサの具体的構成を例示する図であ
る。

【図６】従来技術としての容量式角度センサの１例を示
す図である。

【図７】図６のセンサにおける回転角度に応じた重なり
面積を説明する図である。

【図８】図６のセンサにおける回転角度に応じた容量変
化を説明する図である。

【符号の説明】

Ａ，Ｂ…固定電極 Ｃ…回転電極 Ｒ…回転軸 Ｓ₁ , Ｓ₂ …固定電極Ａ，Ｂと回転電極Ｃとの重なり面
積 １…回転電極 ２，３…固定電極 ４…回転軸

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 半円形の２枚の金属体を同一平面上で円
   形になるように、かつ相互に絶縁された状態で配置して
   形成された固定電極と、該固定電極に一定距離を隔てて
   配置され該固定電極のうちの１方の半円形の金属体より
   外周がやや大きい別の半円形の金属体からなる回転電極
   とを有し、該固定電極を形成する１方の金属体と該回転
   電極とにより形成される第１の可変容量コンデンサと該
   固定電極を形成する他方の金属体と該回転電極とにより
   形成される第２の可変容量コンデンサとが電源に直列接
   続されるとともに該回転電極から中間電位をとり出しう
   るように上記各金属体を電気接続し、該回転電極の回転
   に応じた該回転電極の電位変化から該回転電極の回転角
   度を検出することを特徴とする容量式角度センサ。