专利名称：旋转角度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种旋转角度传感器，尤其涉及一种用于检测被测物体的旋转角度的旋转角度传感器。
背景技术：
过去，广泛应用的旋转角度传感器都配备有磁体和霍耳元件，该磁体安装在要被检测旋转角度的物体上，并随着被测物体一起旋转，该霍耳元件设置在由所述磁体产生的磁场中，并输出与磁场强度相对应的电压，并且每个霍耳元件都向外输出一个该霍耳元件的输出电压，作为表示被测物体的旋转角度的信号(例如，见日本未审专利公开(Kokai)No.2000-329513(第2至10页，图4和图5)，所述霍耳元件的输出电压随着磁体的磁场方向和霍耳元件的磁敏表面之间的角度的变化而变化。这种旋转角度传感器用于例如检测汽车引擎的节流阀的开口角、加速器踏板的俯角等。
在利用霍耳元件的旋转角度传感器中，由于磁体随着被测物体的旋转绕着霍耳元件旋转，因此磁体的磁场方向相对于霍耳元件的磁敏表面变化，并且从霍耳元件输出对应于该变化角度的检测信号(霍耳电压)。霍耳元件的检测信号相对于被测物体(磁体)的角度变化而正弦地变化。
当期望使该检测信号(霍耳电压)相对于被测物体(磁体)的角度变化而线性地变化时，需要适当地设置该磁体的尺寸和形状及其安装位置，从而使磁场方向相对于霍耳元件的磁敏表面线性地变化。但是，在利用霍耳元件的旋转角度传感器中，无论如何设置磁体的尺寸和形状及其安装位置，都很难使检测信号(霍耳电压)相对于被测物体的旋转角度中的宽泛变化而线性地变化。而且，近些年，对于被测物体旋转角度中的宽泛变化，要求将检测信号变换为期望的电压值。
另外，利用霍耳元件的旋转角度传感器不仅利用了昂贵的霍耳元件，而且结构复杂，因此其制造成本很高。而且，利用霍耳元件的旋转角度传感器由于其使用了磁体，因此很难做得更加紧凑。
发明内容
本发明的目的是提供一种紧凑的、低成本的旋转角度传感器，对于被测物体的旋转角度的宽泛变化，其能够将检测信号变为期望的电压值。
为了达到上述目的，根据本发明的第一方面，提供一种具有可变电容器和C-V转换电路的旋转角度传感器，该可变电容器包括安装并固定于要被检测旋转角度的物体上的可移动电极，以及与该可移动电极平行设置的固定电极，该C-V转换电路用于将可变电容器的电极之间的静电电容转换为电压信号，其中，固定电极与被测物体的旋转无关地固定，可移动电极随着被测物体的旋转而旋转，该C-V转换电路将随着可移动电极的旋转角度而变化的电极之间的静电电容转换成为电压信号，并且输出电压信号作为表示被测物体的旋转角度的检测信号。
由于可移动电极随着被测物体的旋转而旋转，因此如果设置电极的平面形状以使电极之间的静电电容随着可移动电极的旋转角度的变化而变化，则C-V转换电路可以输出对应于被测物体(可移动电极)的旋转角度的期望的电压信号，并且可以对于被测物体的旋转角度的宽泛变化，将检测信号变换为期望的电压值。
另外，由于不使用霍耳元件或磁体，可以保持较低的制造成本并且可以缩小尺寸。而且，可以利用显微机械加工技术来容易地制作可变电容器，同时可以用半导体集成电路来构成C-V转换电路。因此，可以提供集成在单个IC上的可变电容器和C-V转换电路，并可以缩小所述旋转角度传感器的尺寸以及降低其成本。
优选地，可移动电极和固定电极的平面形状被设置为使得电极之间的静电电容相对于可移动电极的旋转角度的变化呈现出期望的静电电容值。
由于电极的平面形状被设置为使得电极之间的静电电容相对于可移动电极的旋转角度的变化呈现出期望的静电电容值，因此可以可靠地得到本发明的效果。
优选的，C-V转换电路包括运算放大器和开关电容电路，该运算放大器具有连接到可变电容器的反相输入端，该开关电容电路设置有并联在运算放大器的反相输入端和输出端之间的开关和反馈电容器。
通过利用包括开关电容电路的C-V转换电路，可以可靠地得到本发明的效果。
更优选地，电极之间的静电电容相对于可移动电极的旋转角度的变化而线性地变化，可移动电极的平面形状为长条形，并且固定电极的平面形状为变形的泪滴状或压平的半圆形。
通过下面参照附图对优选实施例的说明，本发明的这些以及其他目的和特点将变得更加清楚，其中图1A为本发明第一实施例的旋转角度传感器10的示意构造的平面图，而图1B为旋转角度传感器10的前视图；图2A和2B为用于解释旋转角度传感器10的操作的前视图；图3为在第一实施例中，可移动电极14的旋转角度与电极12和14之间的静电电容之间的关系的曲线图；图4A和4B为组成旋转角度传感器10的C-V转换电路20的电路图；图5为解释C-V转换电路20的操作的时序图；图6A为本发明第二实施例的旋转角度传感器30的示意构造的平面图，而图6B为旋转角度传感器30的前视图；以及图7为在第二实施例中，可移动电极14的旋转角度与电极12和14之间的静电电容之间的关系的曲线图。
具体实施例方式
下面将参照附图详细说明本发明的优选实施例。实施例中的通用部件具有相同的符号标记。
第一实施例图1A为本发明第一实施例的旋转角度传感器10的示意构造的平面图。图1B和图2A和2B为旋转角度传感器10的前视图。旋转角度传感器10包括可变电容器C1和C-V(电容-电压)转换电路20。
可变电容器的构造和操作可变电容器C1包括固定电极12、可移动电极14和轴16。而且，利用显微机械加工技术来制作可变电容器C1。从图1B和图2A和2B中所示的前视方向看，可变电容器C1的垂直和水平的外部尺寸都小于1mm。
平面固定电极12在垂直于其表面的方向上具有一个可旋转的圆柱形轴16。长条形可移动电极14紧固在该轴16上。而且，可移动电极14和轴16是电连接的，而可移动电极14和轴16与固定电极12是电绝缘的。
此外，电极12和14由导电材料形成，并按照预定的间隔距离平行。将固定电极12与可移动电极14的旋转无关地固定在固定元件(未示出)上。因此，如果旋转轴16，则可移动电极14就随着轴16旋转。随着可移动电极14的旋转，电极12和14的重叠部分的面积发生变化。
此外，轴16被紧固在要被检测旋转角度的物体(未显示)上并与该被测物体一起旋转。要注意被测物体可以是例如汽车引擎的节流阀或加速器踏板的轴。而且，将旋转角度传感器10用于检测节流阀的开口角度、加速器踏板的俯角等。
当可移动电极14的旋转角度为0度时，电极12和14不重叠，因此电极12和14的重叠部分的面积为零(图1B)。而且，当可移动电极14的旋转角度为大于0°而小于270°的θa°时，仅部分可移动电极14(所显示的阴影部分)与固定电极12重叠(图2A)。另外，当可动电极14的旋转角度为270°时，全部可动电极14(所显示的阴影部分)与固定电极12重叠(图2B)。
另外，设置可移动电极14的平面形状，使得相对于可移动电极14的旋转角度的变化，电极12和14的重叠部分的面积线性地变化，即可移动电极14的旋转角度与电极12和14的重叠部分的面积成正比例关系。
图3为在第一实施例中，可移动电极14的旋转角度与电极12和14之间的静电电容之间的关系的曲线图。电极12和14的重叠部分的面积与电极12和14之间的静电电容成正比例关系。因此，可移动电极14的旋转角度与电极12和14之间的静电电容成正比例关系。
在图3中所示的例子中，当可移动电极14的旋转角度为0°时，电极12和14之间的静电电容值为零，当该旋转角度为θa°时该静电电容值为“Ca”，并且当该旋转角度为270°时该静电电容值为“Cb”。如上所述，当从前视方向看，将可变电容器C1的垂直和水平外部尺寸都设置为大约1mm时，静电电容Cb变为10e-15(F)。
C-V转换电路的构造和操作图4A和4B为C-V转换电路20的电路图。C-V转换电路20包括设置有固定电容器C2的开关电容电路、反馈电容器(反馈电容元件)Cf、运算放大器22、开关24和控制电路26。
控制电路26(图4B)产生并输出用于控制开关24的控制信号S1以及用于控制电容器C1和C2的控制信号S2和S3。可变电容器(传感器电容元件)C1和固定电容器(固定电容元件)C2串连，将控制信号S3施加于可变电容器C1，并且将控制信号S2施加于固定电容器C2。另外，控制信号S2和S3是具有相反相位的载波。
电容器C1和C2形成静电式传感器。即可变电容器C1的静电电容随着轴16(被测物体)的旋转角度而改变。而且，固定电容器C2作为用于得到其与可变电容器C1之间的电容差别的参考电容。因此，如果检测到电容器C1和C2之间的电容差的变化，则也能够检测到轴16(被测物体)的旋转角度的变化。
将运算放大器22的反相输入端连接到电容器C1和C2的连接点。运算放大器的同相输入端接收参考电压Vr(例如2.5V)。开关24和电容器Cf在运算放大器22的同相输入端和输出端之间并联。开关24包括开关元件(例如双极性晶体管、FET等)，并通过控制信号S1切换开/关。
此外，C-V转换电路20将随着由相反相位的载波组成的控制信号S2和S3的反相而发生的电容器C1和C2之间的电容差的变化转换为电压信号(检测信号)Vsy，并从运算放大器22的输出端输出该电压信号作为Vsy。
图5为解释C-V转换电路20的操作的时序图。
下面，将电容器C1和C2以及电容器Cf的静电电容分别表示为“C1”、“C2”和“Cf”。而且，将存储于电容器C1和C2以及电容器Cf中的电荷分别表示为“Q1”、“Q2”和“Qf”。此外，控制信号S2和S3呈现出高电平电压Vp(例如5V)和低电平电压(＝0V)两种电压值。电压振幅为Vp(V)。开关24由高(H)电平控制信号S1关闭(接通)，而由低(L)电平控制信号S1打开(断开)。
在时刻T0，电容器C1、C2存储电荷Q1(＝C1×(0-Vr))和Q2(＝C2×(Vp-Vr))。因此，它们一起存储着结合了电荷Q1和Q2的总电荷Qt(＝Q1+Q2)。
在时刻T1，开关24根据控制信号S1而打开，从而运算放大器22的反相输入端和输出端对于DC(直流)变为开路。
在时刻T2，电容器C1、C2存储电荷Q1(＝C1×(Vp-Vr))和Q2(＝C2×(0-Vr))。因此，它们一起存储着结合了电荷Q1和Q2的总电荷Qt′(＝Q1+Q2)。
此时，由于开关24打开并且运算放大器22的反相输入端和输出端对于DC(直流)变为开路，因此电容器Cf存储电荷Qf(＝Qt-Qt′)。因而运算放大器22的输出端的电压信号Vsy稳定为电容器Cf的电荷Qf除以静电电容Cf(Qf/Cf)。
在时刻T3，开关24根据控制信号S1而关闭，且运算放大器22的反相输入端和输出端对于DC短路(电压跟随状态)，存储于电容器Cf中的电荷被释放，并且运算放大器22的反相输入端的电势变得与参考电压Vr的电势相同。
另外，在随后的时间T4至T6中，重复相似的操作。因此，运算放大器22的输出端的电压信号Vsy成为具有最大电压为Vs(V)的矩形波，由公式1表示其振幅Vs＝Vp×(C1-C2)/Cf (1)第一实施例的作用和效果在下面详细说明的第一实施例中，可变电容器C1和C-V转换电路20构成了旋转角度传感器10。另外，将被测物体紧固在构成可变电容器C1的可移动电极14的轴16上。此外，设置可移动电极14的平面形状，以使电极12和14之间的静电电容相对于可移动电极14的旋转角度的变化而线性地变化。而且，C-V转换电路20的输出电压信号Vsy与可变电容器C1相对于固定电容器C2的静电电容的变化相对应。
因此，根据第一实施例，可以使C-V转换电路20的电压信号(检测信号)Vsy相对于被测物体(轴16)的旋转角度的宽泛变化(0°至270°)而线性地变化。而且，旋转角度传感器10不利用任何霍耳元件或磁体，因此其制造成本很低并可易于缩小尺寸。
另外，可以利用显微机械加工技术来容易地制作可变电容器C1。因此，可以用半导体集成电路来构成C-V转换电路20。因而，可以提供集成在单个集成电路上的可变电容器C1和C-V转换电路20，并可以缩小旋转角度传感器10的尺寸并降低其成本。
过去，利用半圆形可移动电极和固定电极的可变电容器广泛应用于电子电路中。但是，利用半圆形可移动电极和固定电极的可变电容器，仅可以在0°到180°的狭窄范围内改变可移动电极的旋转角度。此外，其不可以使电极之间的静电电容线性地变化。而且，传统的可变电容器仅使用半圆形可移动电极和固定电极。本领域普通技术人员不能容易地从传统的可变电容器构想出第一实施例中的可变电容器C1。即，第一实施例中的可变电容器C1是完全新颖的，并且在过去不曾被想到。
第二实施例图6A为第二实施例的旋转角度传感器30的示意构造的平面图，而图6B为旋转角度传感器30的前视图。旋转角度传感器30与第一实施例的旋转角度传感器10的不同之处仅在于可变电容器C1的固定电极22的平面形状。
图7为在第二实施例中，可移动电极14的旋转角度与电极12和14之间的静电电容之间的关系的曲线图。设置固定电极22的平面形状，以使电极12和14之间的静电电容(电极12和14的重叠部分的面积)根据图7中所示的特性来变化。
这样，在第二实施例中，通过适当地设置固定电极22的平面形状，对于可移动电极14的旋转角度的宽泛变化(0°至270°)，可以将电极12和14之间的静电电容变为期望的静电电容。另外，可以通过实验研究当改变可移动电极14的旋转角度时电极12和14之间的静电电容变化，来设置固定电极22的平面形状。因此，根据第二实施例，对于被测物体(轴16)的旋转角度的宽泛变化(0°至270°)，可以将C-V转换电路20的输出电压信号(检测信号)Vsy变为期望的电压值。
其它实施例但是，本发明并不局限于上述实施例，并且还可以下述形式实施。在这种情况下，可以获得等同于或更好于上述实施例的作用和效果。
(1)在上述实施例中，将可移动电极14做成长条形，但对于可移动电极14的角度变化，如果能使电极12和14之间的静电电容变为期望的值，则可以根据固定电极12(22)的平面形状将可移动电极14做成任何平面形状。
(2)在上述实施例中，电极12和14之间的静电电容在可移动电极14的0°至270°的角度变化的范围内是可变的。但是，通过适当地设置电极12和14的平面形状(例如，将长条形可移动电极14的宽度设置得更窄)，可以使电极12和14之间的静电电容在0°至大约360°的范围内可变。
(3)在上述实施例中，设置电极12和14的平面形状，以使电极12和14不重叠，即当可移动电极14的旋转角度为0°时，电极12和14之间的静电电容变为零。但是，还可以设置电极12和14的平面形状，以使电极12和14重叠，并且当可移动电极14的旋转角度为0°时，电极12和14之间的静电电容变为预定值。
(4)在上述实施例中，还可以从C-V转换电路20中去掉固定电容器C2。而且，C-V转换电路20并不局限于开关电容电路，其可由任何电路形式的C-V转换电路替换。
(5)在上述实施例中，如果在可变电容器C1的电极12和14之间加入电介质，则可以依据电介质的介电常数来提高电极12和14之间的静电电容。
尽管已经参照所选出的具体实施例对本发明进行了说明，但是应当理解，在不脱离本发明基本概念和范围的前提下，本领域普通技术人员可以对其做出多种修改。
权利要求
1.一种旋转角度传感器，包括可变电容器，其包括可移动电极和固定电极，该可移动电极安装并固定于要被检测旋转角度的物体上，该固定电极平行于该可移动电极设置，以及C-V转换电路，用于将该可变电容器的电极之间的静电电容转换为电压信号，其中该固定电极与该被测物体的旋转无关地固定，该可移动电极随着该被测物体的旋转而旋转，该C-V转换电路将随着该可移动电极的旋转角度而变化的电极之间的静电电容转换成为电压信号，并且输出该电压信号作为表示该被测物体的旋转角度的检测信号。
2.根据权利要求1所述的旋转角度传感器，其中，该可移动电极和固定电极的平面形状被设置为使得电极之间的静电电容相对于该可移动电极的旋转角度的变化呈现出期望的静电电容值。
3.根据权利要求1或2所述的旋转角度传感器，其中，该C-V转换电路包括运算放大器和开关电容电路，该运算放大器具有连接到所述可变电容器的反相输入端，该开关电容电路设置有并联在该运算放大器的反相输入端和输出端之间的开关和反馈电容器。
4.根据权利要求2所述的旋转角度传感器，其中，电极之间的静电电容相对于该可移动电极的旋转角度的变化而线性地变化。
5.根据权利要求2所述的旋转角度传感器，其中，该可移动电极的平面形状为长条形。
6.根据权利要求2所述的旋转角度传感器，其中，该固定电极的平面形状为变形的泪滴状或压平的半圆形。
全文摘要
一种包括可变电容器和C－V转换电路的旋转角度传感器，其中，将被测物体紧固于该可变电容器的轴上，设置该可移动电极的平面形状，以使电极的重叠部分的面积相对于该可移动电极的旋转角度的变化而线性地变化，该C－V转换电路的电压信号与该可变电容器相对于固定电容器的静电电容的变化相对应，因此，可以使该C－V转换电路的电压信号(检测信号)相对于被测物体的旋转角度的宽泛变化(0°至270°)而线性地变化。
文档编号G01D5/12GK1661332SQ20051006550
公开日2005年8月31日 申请日期2005年2月25日 优先权日2004年2月25日
发明者惠岛贵志, 牧野泰明, 山内重德 申请人:株式会社电装