| 【発明の名称】 |
角度検出装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】大橋 敏彦
【氏名】御池 幸司
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| 【要約】 |
【課題】ピックアップの異常検出が可能で、高分解能で判別性が良い小型のアブソリュート型の角度検出装置を提供することを目的とする。
【解決手段】ディスク１７に設けられ、ピックアップ４〜１２と対向するコードパターンをシフトコードとすることにより、回転角を高精度に検出できるようにしたものである。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 正逆方向に回転可能な回転体と、前記回転体の表面に設けられたコードパターンと、前記コードパターンに対向するように設けられ、前記コードパターンを読み取り前記回転体の回転角度を定めるシフトコードである符号を発生させる複数からなるピックアップと、前記符号を前記回転体の回転角度に変換させる変換手段とを有する１回転角度検出手段を含み、前記シフトコードとして、コードパターンをＮビット長としたとき、ｉ番目とｉ＋１番目のコードパターンの関係がｉ番目の１ビット目からＮ−１ビット目までのパターンをシフトし、ｉ＋１番目の２ビット目からＮビット目のパターンに用いたことを特徴とする角度検出装置。
【請求項２】 回転体はディスクとし、コードパターンは円周上に設けたことを特徴とする請求項１に記載の角度検出装置。
【請求項３】 コードパターンを複数列設け、前記コードパターンに対向するようにピックアップ列を設けたことを特徴とする請求項１に記載の角度検出装置。
【請求項４】 シフトコードを発生するためのコードパターンとピックアップの対応関係を保持したままで、実装上のピックアップの位置と、コードパターンの配置を入れ替えたことを特徴とする請求項１に記載の角度検出装置。
【請求項５】 Ｎビット長のコードパターンにおいて、連続するＮ個のゼロまたは１、あるいは双方を含むことを特徴とする請求項１に記載の角度検出装置。
【請求項６】 コードパターンが３ビット長、８パターン時に１周分のパターンが０００１０１１１またはこれの巡回形であることを特徴とする請求項１に記載の角度検出装置。
【請求項７】 コードパターンが４ビット長、１６パターン時に１周分のパターンが００００１１０１００１０１１１１またはこれの巡回形であることを特徴とする請求項１に記載の角度検出装置。
【請求項８】 各ピックアップの電源もしくは作動信号の関係において少なくとも２個のピックアップについて直列に関係付けしたことを特徴とする請求項１に記載の角度検出装置。
【請求項９】 ピックアップとピックアップの直列接続点電位を検出するように構成したことを特徴とする請求項８に記載の角度検出装置。
【請求項１０】 複数列のコードパターンのうち上位分解能（Ａ）のパターンを次の分解能（Ｂ）パターンごとに繰り返すことでＡ×Ｂ分解能を得るように順次構成したことを特徴とする請求項１に記載の角度検出装置。
【請求項１１】 コードパターンに対応するピックアップは、同一列上、分解能角度ずつ順番に配置されたことを特徴とする請求項１０に記載の角度検出装置。
【請求項１２】 上位高分解能コードパターンに対応するピックアップは、同列上、該分解能角度に、次列の低分解能パターンの整数倍を加えた角度で配置したことを特徴とする請求項１０に記載の角度検出装置。
【請求項１３】 ピックアップとしてホトセンサ等の光学素子を用いたことを特徴とする請求項１に記載の角度検出装置。
【請求項１４】 ピックアップとして摺動子等の機械素子を用いたことを特徴とする請求項１に記載の角度検出装置。
【請求項１５】 ピックアップとしてホール素子等の磁気素子を用いたことを特徴とする請求項１に記載の角度検出装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は回転角度を検出するセンサ、特に自動車のステアリングの回転角度の検出に用いるアブソリュート型の角度検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の回転角度検出手段としては、例えば角度インクリメント部が１トラックだけの中に設けられている形式のインクリメント動作型の角度検出装置が知られている。
【０００３】また、アブソリュート型の角度検出装置としては、特表平８−５１１３５０号公報に記載されているように、１回転内の角度を検出する手段と、１回転を超える回転に対してはそれが何回転目であるかをグレーコードを用いて検出する手段との組み合わせのものが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従来の角度検出装置では、インクリメント動作型の角度検出装置は自動車における安全装置の初期動作上必要な、車両のイグニッションスイッチのオン直後のステアリングホイール位置が得られない。また、特表平８−５１１３５０号公報に記載されているアブソリュート型の角度検出装置は、このようなイグニッションスイッチのオン直後の角度検出はできるものの、検出用ディスクの外側にセンサを３６０度にわたって配置する必要があり、装置の小型化が困難であった。
【０００５】本発明は上記のような課題を解決するものであり、小型化を実現し、初期状態に回転角度が判明し、ピックアップの異常検出ができる角度検出装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明の角度検出手段は、正逆方向に回転可能な回転体と、前記回転体の円周上に設けられたコードパターンと、前記コードパターンに対向するように設けられ、前記コードパターンを読み取り前記回転体の回転角度を定めるシフトコードである符号を発生させる複数のピックアップと、前記符号を前記回転体の回転角度に変換させる変換手段とを有する１回転角度検出手段を含み、前記シフトコードとして、コードパターンをＮビット長としたとき、ｉ番目とｉ＋１番目のコードパターンの関係がｉ番目の１ビット目からＮ−１ビット目までのパターンをシフトし、ｉ＋１番目の２ビット目からＮビット目のパターンに用いたことを特徴とするものである。
【０００７】かかる構成によれば、シフトコードである符号を用いるようにしたので、コードパターンとピックアップの数の組み合わせにおいて最大効率で分解能を上げることができ、小型化を実現し、初期状態に回転角度が判明する角度検出装置を提供することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明は、正逆方向に回転可能な回転体と、前記回転体の表面に設けられたコードパターンと、前記コードパターンに対向するように設けられ、前記コードパターンを読み取り前記回転体の回転角度を定めるシフトコードである符号を発生させる複数からなるピックアップと、前記符号を前記回転体の回転角度に変換させる変換手段とを有する１回転角度検出手段を含み、前記シフトコードとして、コードパターンをＮビット長としたとき、ｉ番目とｉ＋１番目のコードパターンの関係がｉ番目の１ビット目からＮ−１ビット目までのパターンをシフトし、ｉ＋１番目の２ビット目からＮビット目のパターンに用いたことを特徴とする角度検出装置であり、これにより、コードパターンとピックアップの数の組み合わせにおいて最大効率で分解能を上げることが可能となるという作用を有する。
【０００９】本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、回転体はディスクとし、コードパターンは円周上に設けたことを特徴とする角度検出装置であり、これにより、ディスクの外側にピックアップを配置することなく回転角度を定める符号を得ることができ、小型化が可能となるという作用を有する。
【００１０】本発明の請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、コードパターンを複数列設け、前記コードパターンに対向するようにピックアップ列を設けたことを特徴とする角度検出装置であり、これにより、より高精度の分解能の絶対回転角度の検出が可能となるという作用を有する。
【００１１】本発明の請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、シフトコードを発生するためのコードパターンとピックアップの対応関係を保持したままで、実装上のピックアップの位置と、コードパターンの配置を入れ替えたことを特徴とする角度検出装置であり、これにより、ピックアップの実装自由度が増加するという作用を有する。
【００１２】本発明の請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、Ｎビット長のコードパターンにおいて、連続するＮ個のゼロまたは１、あるいは双方を含むことを特徴とする角度検出装置であり、これにより、効率の良い符号化で絶対回転角度の検出が可能となるという作用を有する。
【００１３】本発明の請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、コードパターンが３ビット長、８パターン時に１周分のパターンが０００１０１１１またはこれの巡回形であることを特徴とする角度検出装置であり、これにより、効率の良い符号化で絶対回転角度の検出が可能となるという作用を有する。
【００１４】本発明の請求項７に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、コードパターンが４ビット長、１６パターン時に１周分のパターンが００００１１０１００１０１１１１またはこれの巡回形であることを特徴とする角度検出装置であり、これにより、効率の良い符号化で絶対回転角度の検出が可能となるという作用を有する。
【００１５】本発明の請求項８に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、各ピックアップの電源もしくは作動信号の関係において少なくとも２個のピックアップについて直列に関係付けしたことを特徴とする角度検出装置としたもので、これにより、ピックアップの断線検出が可能となる。
【００１６】本発明の請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の発明において、ピックアップとピックアップの直列接続点電位を検出するように構成したことを特徴とする角度検出装置であり、これにより、ピックアップの断線検出と特定が可能となるという作用を有する。
【００１７】本発明の請求項１０に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、複数列のコードパターンのうち上位高分解能（Ａ）のパターンを次位の低分解能（Ｂ）パターンごとに繰り返すことでＡ×Ｂ分解能を得るように順次構成したことを特徴とする角度検出装置であり、これにより、より高精度の分解能の絶対回転角度の検出が可能となるという作用を有する。
【００１８】本発明の請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の発明において、コードパターンに対応するピックアップは、同一列上、分解能角度ずつ順番に配置されたことを特徴とする角度検出装置であり、これにより、効率の良い符号化で絶対回転角度の検出が可能となるという作用を有する。
【００１９】本発明の請求項１２に記載の発明は、請求項１０に記載の発明において、上位高分解能コードパターンに対応するピックアップは、同一列上で、上記分解能角度に次列の低分解能パターンの分解能角度の整数倍を加えた角度で配置したことを特徴とする角度検出装置であり、これにより、より高精度の分解能の絶対回転角度の検出が可能となるという作用を有する。
【００２０】本発明の請求項１３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、ピックアップとしてホトセンサ等の光学素子を用いたことを特徴とする角度検出装置であり、これにより、非接触で耐久性の高い絶対回転角度の検出が可能となるという作用を有する。
【００２１】本発明の請求項１４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、ピックアップとして摺動子等の機械素子を用いたことを特徴とする角度検出装置であり、これにより、低コストで絶対回転角度の検出が可能となるという作用を有する。
【００２２】本発明の請求項１５に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、ピックアップとしてホール素子等の磁気素子を用いたことを特徴とする角度検出装置であり、これにより、非接触で耐久性の高い絶対回転角度の検出が可能となるという作用を有する。
【００２３】以下、本発明の実施の形態について、図１から図１０を用いて説明する。
【００２４】（実施の形態１）図１は本発明の実施の形態１におけるアブソリュート型の角度検出装置の要部分解斜視図である。図１において、上ケース１４と下ケース１６との間にピックアップ固定部１９と多回転検出用ディスク１８と１回転検出用ディスク１７と減速用歯車群１５ａ〜１５ｄが設置されており、多回転検出用ディスク１８は１回転検出用ディスク１７に対してある減速比で回転可能であるように減速用歯車群１５ａ〜１５ｄで結合されている。１回転検出用ディスク１７は、被測定物（図示せず）と連動して回転する構成になっている。このような構成により、１回転検出用ディスク１７の回転角度の検出を行うことで、被測定物の回転角度を検知することができる。尚、被測定物の例として、自動車のステアリングが挙げられる。ピックアップ固定部１９は、１回転検出用ディスク１７および多回転検出用ディスク１８を挟むように設けられている。また、ピックアップ固定部１９の内部には、マイクロコントローラ２０が設置されている。
【００２５】図２（ａ）はピックアップとディスクとの関係を示す模式図である。図２（ａ）において、１回転検出用ディスク１７にはスリットの組み合わせからなるコードパターンが同心円状に３列設けられている。内側から第１列のコードパターン１、次に第２列のコードパターン２、最外周に第３列のコードパターン３が設けられている。
【００２６】第１列のコードパターン１は３６０度、第２列のコードパターン２は４５度、第３列のコードパターン３は５．６２５度の周期で設けられており、ピックアップ４，５，６は第１列のコードパターン１に対向する位置で４５度間隔で配置され、ピックアップ７，８，９は第２列のコードパターン２に対向する位置で５．６２５度間隔で配置され、ピックアップ１０，１１，１２は第３列のコードパターン３に対向する位置で０度、０．７０３１２５＋５．６２５度、（０．７０３１２５＋５．６２）×２度で配置されている。ここで０．７０３１２５度間隔でピックアップ１０，１１，１２を並べれば良いのであるが、この間隔では小径のディスクに対して寸法的に入らないので、実際には５．６２度の整数倍分で位相をずらせている。また、ピックアップ４〜１２には光学素子を用い、１回転検出用ディスク１７に設けられたスリットの有無を検知して符号を発生させている。
【００２７】光学素子としては透過型や反射型が利用できるが、ここでは透過型としての例で説明する。本実施の形態１では、スリットがあるときピックアップから発生する符号を「０」、スリットが無いときピックアップから発生する符号を「１」の２進数で表すことにする。
【００２８】ピックアップ４，５，６からの符号を上から順に並べてできる２進３ビット符号を「１列コード」と呼び、同様にピックアップ７，８，９からできる符号を「２列コード」と呼び、同様にピックアップ１０，１１，１２からできる符号を「３列コード」と呼ぶ。３列コード、２列コード、１列コードを上から順に並べてできる２進９ビット符号を「角度コード」と呼ぶ。この事例を図２（ｂ）に示す。
【００２９】図３はコードパターンのうち「シフトコードパターン」を示したものであり、２進３ビット長、８パターンの例を示してある。ディスクの回転とピックアップＰ１〜Ｐ３の配置関係は図３（ａ）に示し、その角度コードの関係を図３（ｂ）に表している。図３（ｂ）に示しているようにシフトコードは、下位Ｎ−１ビット分を次のパターンのＮから２ビット目とするコードである。ディスクのコードパターンの連続条件は図３（ｃ）に示すように右上の対角方向に同じ値をもつこととなっていることが分かる。
【００３０】図４はコードパターンのうち「シフトコードパターン」を示したものであり、２進４ビット長、１６パターンの例を示してある。ディスクの回転とピックアップＰ１〜Ｐ４の配置関係は図４（ａ）に示し、その角度コードの関係を図４（ｂ）に表している。
【００３１】図５は本実施の形態１における図２のコードパターンとピックアップコードに対応した角度コードを示したものである。１列〜３列コード（それぞれ２の３乗パターン種）を組み合わせた結果８×８×８＝５１２の独立パターンが得られ、この５１２分解能で１回転３６０度を割ると、０．７０３１２５度の高精度絶対角度検知が可能となることが示されている。なお、図５中※はコードパターンの１周期分全体を表すことを意味している。
【００３２】図６はシフトコードの転回例として、３ビット長、８パターンの例で示したものである。図６（ａ）左側の基本型からピックアップＰ２及びこれに対応するコードパターンを、対称位置のコードパターンと入れ替えることで、得られる分解能はそのままに、ピックアップの実装において、間隔を空けることが可能であることを示している。図６（ｂ）はその角度コードの関係を表している。
【００３３】図７はピックアップの断線検出、異常ピックアップの特定方法を示したものである。図７（ａ）に示したように光学ピックアップをドライブ電源に直列に接続し、各接続点の電位をチェックすることで、図７（ｂ）に示したように異常ピックアップの特定が可能となる。もっとも、シフトコードを用いた場合は、ピックアップを直列接続しておくだけで、いずれかのピックアップに断線があれば全ピックアップからの符号はローとなるため、オールゼロの角度コードしか発生しないことになって、簡単に異常検出が可能である。また、ピックアップ特定については図３と図４から分かるようにゼロが横方向に連続する数は、それぞれ３と４なので、３ビット８パターン時に最悪３パターン移動、４ビット１６パターン時に最悪４パターン移動までに、パターンの出現異常が分かり、異常ビットすなわち異常ピックアップが特定できることになる。
【００３４】図８は機械式ピックアップの例を示した図である。この事例では、電源に接続されている摺動子８１が回転する絶縁体ディスク８２のスリット８２ａを通して相手側の接触子８３に触れた様子を示している。このような簡単な構成にて低コストの装置も実現可能である。
【００３５】図９は磁気式ピックアップの例を示した図である。この事例では、ディスクにスリット９１ａを有する磁気遮蔽板９１、ピックアップにホール素子９２と磁石９３の組み合わせの例を示しており、光学素子と同様に本案の適応が可能である。
【００３６】図１０はシフトコードと他のコードパターンを比較説明した図である。絶対角度の検出でよく利用されるグレイコードは図１０（ａ）に示したように隣り合うパターン同士が１ビットだけ異なり、最下位の変化が０１と、この反転１０からなるパターンを繰り返し、次位は００１１とこの反転１１００を繰り返し、次が００００１１１１というように順次構成されるものである。１ビットしか変化しないことから、異常検出が発見しやすく、またゼロと１が横方向に連続するのでコードパターンとして製造工数上、若干有利である。しかしながら、図１０（ｂ）に示すように３列のコードパターンが許されない場合、グレイコードの特徴から最上位のコードパターンとこのすぐ下のコードパターンは巡回すれば一致することを利用して、この例のように１列減らして２列にまではコードパターンを削減することができるが、１列にすることは不可能である。そこで、全てゼロまたは１のパターンを除き、隣り合うパターン同士は１ビットのみ変化する特徴は保持したまま並び換えたコードを作り、これを「準グレイコード」と呼び、図１０（ｃ）に示すように定義する。これは、２パターンを除いたため６パターンとなり、ピックアップの配置は分散してしまうという不都合は生じるが、図１０（ｄ）に示すように１列で実現することが可能となる。しかしながら、シフトコードでは図１０（ｅ）に示すようにピックアップ配置を分散させることなく、１列で８パターン全てが実現でき、優位性は明らかである。また、ビットミスに対するコードの強さを比較しても、図１０（ｆ）、図１０（ｇ）に示したように１つ前のパターン履歴を覚えているだけで、２ビットのミスが生じても最下位ビットでなければシフトコードでは修復が可能であり、異常検知しかできないグレイコードに比べて優位性が明らかである。
【００３７】以上、説明してきたように本実施の形態１では、シフトコードをコードパターンに使い、ピックアップと上手く組み合わせることにより、１回転の絶対角度が高分解能で得られることが分かる。図１の多回転ディスク１８にも同様に適応することで、３６０度を超える多回転において、高分解能の絶対角度の検出が可能である。したがって、１度以上の分解能で６回転の角度検出を必要とする自動車の舵角センサ用として応用することが可能である。
【００３８】また、本実施の形態ではピックアップに非接触である光学素子を用いたので、磨耗が無く、接触不良等のトラブルも起きず信頼性をも満たすものである。
【００３９】
【発明の効果】以上のように本発明の角度検出装置は、ピックアップから供給されるシフトコードである符号により一義的に回転角度が定まるので、初期状態でも直ちに回転角度の検出ができる。また、被測定物の３６０度以内の角度検出を行う１回転検出用のディスクと、３６０度を超える回転角度を検出可能な多回転ディスクを組み合わせることにより、高分解能で広範囲な回転角度の検出が可能となる。
【００４０】さらに、角度検出にシフトコードを用いることで、コードパターンとピックアップの数に応じた最大効率の分解能が実現でき、しかも符号ビットミスに強いものとすることができる。また、ピックアップの配置を特有なものにしたので、ディスクの外側３６０度に渡ってピックアップを配置する必要は無く、装置全体の小型化を容易に行うことが可能となる。また、舵角センサとして利用した自動車は、上記効果によりステアリング回転角度を高精度で検出できる。また、故障の少ない舵角センサを得ることができ、万一、ピックアップの異常という故障が発生しても、早々にこれを検知することができ、より一層の安全性を確保することができる。さらに、車体の小型化・軽量化が可能となり、燃費の向上にも効果がある。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５８２１
【氏名又は名称】松下電器産業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年１１月１７日（１９９９．１１．１７） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００９７４４５
【弁理士】
【氏名又は名称】岩橋 文雄 （外２名）
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| 【公開番号】 |
特開２００１−１４１４４５（Ｐ２００１−１４１４４５Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年５月２５日（２００１．５．２５） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−３２６３４４ |
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