【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固定側部材に対して直線的に移動する移動部材の変位量を検出する位置検出センサに係り、特に、発光素子と受光素子の組み合わせによる光学式検出手段を用いたリニア型の位置検出センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、自動車のステアリング機構に備えられる操舵角検出装置として、ステアリングホイールの回転量を直接検出するロータリー型センサと、ステアリングホイールの回転を一定長さの直線運動に変換した変位量を検出するリニア型位置検出センサとを用い、これら２種類のセンサによってステアリングホイールの操舵角度や操舵方向を検出するようにしたものが提案されている。
【０００３】
前者のロータリー型センサにはロータリーエンコーダが用いられており、ステアリングホイールに連動してロータリーエンコーダのロータ部材を回転させることにより、ロータリーエンコーダから出力される９０度の位相差を有する２種類のパルス信号に基づいて、ステアリングホイールの操舵角度や操舵方向を検出するようになっている。ここで、ステアリングホイールは中立位置を基準として時計および反時計方向へ複数回転されるため、操舵角検出装置にステアリングホイールの中立位置からの絶対角度を検出する機能を持たせる必要があり、この機能を後者のリニア型位置検出センサに負担させている。
【０００４】
従来より、このようなリニア型位置検出センサとして、ステアリングホイールの回転をギアやリードスクリュー等を介して移動部材の直線運動に変換し、この移動部材の変位量を抵抗体または磁電変換素子から電気信号として取り出すように構成されたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。これら抵抗体や磁電変換素子は固定側部材であるプリント基板に実装され、抵抗体を用いた場合は移動部材にブラシ（摺動子）が取り付けられ、磁電変換素子を用いた場合は移動部材に磁石が取り付けられている。したがって、このように概略構成された位置検出センサによれば、ステアリングホイールの回転に伴って移動部材がリードスクリューの軸線方向へ直線的に移動すると、移動部材に取り付けられたブラシまたは磁石がプリント基板上の抵抗体または磁電変換素子に対して変位し、その変位量に応じて抵抗体や磁電変換素子から出力される電気信号がアナログ的に変化するため、その出力信号に基づいてステアリングホイールの中立位置からの絶対角度を検出することができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−２０５８１１号公報（第６−９頁、図４，図３３）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した従来のリニア型位置検出センサのうち、抵抗体とブラシの組み合わせによる検出手段の場合、ブラシの摺動に伴う摩耗や摩耗粉の堆積等に起因して経年的に抵抗体の出力値が変動したり、製造条件によって抵抗体の特性にバラツキが生じやすいため、検出精度が悪化するという問題がある。また、磁電変換素子と磁石の組み合わせによる検出手段の場合、周辺機器等からの外部磁界によって磁電変換素子の出力値が変動したり、磁電変換素子の全長に対する出力値の変化量が少ない（すなわち分解能が低い）ため、やはり検出精度が悪化するという問題がある。
【０００７】
なお、リニア型位置検出センサの従来例として、多数のメインスリットとインデックススリットを有するパルススケールを発光素子と受光素子との間で直線的に移動させることにより、受光素子の受光量変化に基づいてパルススケールの移動量を検出するリニアエンコーダと呼ばれるものが知られている。このようなリニアエンコーダにおいては、発光素子から受光素子に至る光量がパルススケールの移動によって変化し、パルススケールが１ピッチ移動するごとに受光素子から正弦波状に変化する出力が得られる。ここで、パルススケールの各スリット間の幅が狭ければ狭いほど高い分解能でパルススケールの移動量を検出可能となるが、製造上の問題からスリット間ピッチを数μｍ程度まで狭めるのが限界であり、限られた移動範囲内で分解能を高めるには限界がある。また、パルススケールの移動量を受光量に基づく信号として取り出しているため、経時変化に伴って発光素子の光学特性が変化し信号精度が劣化するという問題もあった。
【０００８】
本発明は、このような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、分解能を高めて良好な検出精度が得られるリニア型の位置検出センサを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明の位置検出センサでは、ガイド手段を有する固定側部材と、このガイド手段に沿って直線的に移動可能な移動部材と、この移動部材に設けられたスリットを有する遮光板と、この遮光板を介して対向するように前記固定側部材に配設された発光素子および受光素子とを備え、前記受光素子が第１受光部と第２受光部を有する２分割受光素子からなり、この２分割受光素子と前記発光素子との間を前記スリットが移動することにより、前記第１および第２受光部の受光量比率が変化するように構成した。
【００１０】
このように構成された位置検出センサにおいては、移動部材がガイド手段に沿って直線的に移動すると、発光素子から出射されてスリットを通過する光の帯が２分割受光素子の第１および第２受光部上に照射され、移動部材の移動位置に応じて第１および第２受光部の受光量比率が変化するため、２分割受光素子の出力値に基づいて移動部材の移動量をアナログ的な変化として検出することができ、しかも、この２分割受光素子は差動式の受光素子であるため、発光素子の発光強度が経年的に低下したとしても、第１および第２受光部間の受光量比率が変動することを防止できる。したがって、移動部材の限られた移動範囲内における分解能が高められ、その分、位置検出センサの検出精度を向上させることができる。
【００１１】
上記の構成において、スリットが移動部材の移動方向に対して傾斜する直線部を有し、この直線部の延出方向と第１および第２受光部の受光量比率が変化する方向とを略直交させると、第１および第２受光部の受光量比率が変化する方向へスリットが移動する距離に対して、移動部材の移動距離が大きくなるように設定できるので、２分割受光素子の受光量変化をより正確に検出することができて好ましい。すなわち、スリットの直線部と移動部材の移動方向とのなす角度をθ、移動部材の移動距離をＬｍ、第１および第２受光部の受光量比率が変化する方向へスリットが移動する距離をＬｓとすると、これらはＬｍ＝Ｌｓ／ｓｉｎθの関係にあり、θを９０度よりも小さい角度に設定することによりＬｍ＞Ｌｓとなるので、移動部材の移動方向に対してスリットの直線部をθ（０度＜θ＜９０度）だけ傾斜させると、第１および第２受光部の受光量比率が変化する方向へスリットが移動する距離Ｌｓに対して移動部材の移動距離Ｌｍをより大きく設定できる。したがって、２分割受光素子の長手方向の寸法を小さくしても、移動部材の移動方向に対してスリットの直線部が傾斜する角度を小さく設定することにり、２分割受光素子の受光量比率の変化の精度が劣化するのを防止できるので、２分割受光素子を小型化することもできる。
【００１２】
特に、２分割受光素子の全体形状が略長方形である場合、スリットの直線部を該２分割受光素子の長辺と略直交させると、２分割受光素子の不感帯領域が低減されて好ましい。この場合、第１および第２受光部を２分割受光素子の短辺側で対向させ、これら第１および第２受光部がくさび形状の分割線に沿って２分割されていれば、２分割受光素子の受光量変化を検出でき、また、これら第１および第２受光部が複数のくさび形状を連続させた鋸歯状の分割線に沿って２分割されていれば、スリットを通過する光の帯が鋸歯状分割線の複数個所を横切って第１および第２受光部上に照射されるため、ＬＥＤのように照射光量が不均一なものであっても発光素子として用いることができ、また、発光素子や２分割フォトダイオード上にゴミ等の異物が付着した場合でも、第１および第２受光部間の受光量比率の不要な変動を抑えることができて好ましい。
【００１３】
また、上記の構成において、ガイド手段が外周面に螺旋状溝を有するリードスクリューからなり、このリードスクリューが回転駆動されることにより、移動部材が螺旋状溝に係合してリードスクリューの軸線方向へ移動するように構成することが好ましく、このような構成を採用すると、リードスクリューのピッチを適宜変更することによって、回転運動から変換される移動部材の直線運動の移動範囲や一定回転角度あたりの移動距離等を任意に設定できるため、機構設計上の自由度を高めることができ、その変換精度を高精度に設定できると共に、位置検出センサを操舵角検出装置等の各種検出機器の限られたスペース内にコンパクトに装着することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、発明の実施の形態について図面を参照して説明すると、図１は実施形態例に係る位置検出センサを備えた操舵角検出装置を一部破断して示す側面図、図２は該操舵角検出装置の内部機構を示す平面図、図３は該位置検出センサの説明図、図４は該位置検出センサに備えられる遮光板と発光素子および受光素子の説明図、図５は該遮光板のスリットと受光素子の関係を示す説明図、図６は該受光素子の受光量に基づく絶対角検出の説明図である。
【００１５】
図１〜図３に示すように、この操舵角検出装置は図示せぬステアリング機構のステータ部材に固定される外装ケース１を備えており、この外装ケース１に回転部材２が回転可能に支承されている。この回転部材２の中心に図示せぬステアリングシャフトが挿通され、同じく図示せぬステアリングホイールが回転部材２に連結されるようになっている。回転部材２にコード板３が一体的に設けられており、また、回転部材２の下部外周面に第１ギア４が刻設されている。コード板３には内側突起群３ａと外側突起群３ｂが同心円状に配列されており、外装ケース１に固定されたプリント基板５には内側突起群３ａと外側突起群３ｂに対応して複数のフォトインタラプタ６が実装されている。これらコード板３とフォトインタラプタ６はロータリー型センサを構成するものであり、回転部材２の回転に伴って各フォトインタラプタ６から出力されるパルス信号に基づいて、回転部材２を回転動作するステアリングホイールの回転量と回転方向が検出される。
【００１６】
外装ケース１の内部にリードスクリュー７が回転可能に支承されており、このリードスクリュー７の軸線方向と回転部材２の中心軸とは互いに平行に設定されている。リードスクリュー７の一端に第２ギア８が固着されており、この第２ギア８は回転部材２の第１ギア４と噛合している。また、外装ケース１の内部にリードスクリュー７と平行に延びるガイドシャフト９が固定されており、このガイドシャフト９に移動部材であるキャリッジ１０が摺動自在に係合している。リードスクリュー７の外周面に螺旋状溝７ａが刻設されており、キャリッジ１０に一体形成された係合歯部１０ａがこの螺旋状溝７ａに噛合し、この係合歯部１０ａはキャリッジ１０に取り付けられた板ばね１１の弾性付勢力によって螺旋状溝７ａに圧接されている。したがって、リードスクリュー７が回転すると、係合歯部１０ａが螺旋状溝７ａに沿って移動し、それに伴ってキャリッジ１０がリードスクリュー７とガイドシャフト９の軸線方向へ直線的に往復移動する。さらに、キャリッジ１０の係合歯部１０ａと反対側の端部に遮光板１２が一体的に設けられており、この遮光板１２にスリット１３が形成されている。一方、外装ケース１の内部には発光素子であるＬＥＤ１４と受光素子である２分割フォトダイオード１５が配設され、図４に示すように、これらＬＥＤ１４と２分割フォトダイオード１５は遮光板１２のスリット１３を介して対向しており、ＬＥＤ１４からの出射光が遮光板１２のスリット１３を透過して２分割フォトダイオード１５で受光されるようになっている。
【００１７】
図５に示すように、この２分割フォトダイオード１５は全体的に長方形状に形成されており、第１受光部１５ａと第２受光部１５ｂを有する差動式フォトダイオードである。第１受光部１５ａと第２受光部１５ｂは長方形の短辺側で対向しており、これら第１および第２受光部１５ａ，１５ｂは複数のくさび形状を連続させた鋸歯状の分割線に沿って２分割されている。一方、スリット１３はキャリッジ１０の移動方向（図中の矢印Ｐ方向）に対して傾斜する直線部１３ａを有しており、この直線部１３ａが２分割フォトダイオード１５の長方形の長辺とほぼ直交するように設定されている。したがって、リードスクリュー７の回転に伴ってキャリッジ１０が矢印Ｐ方向に移動すると、スリット１３の直線部１３ａは２分割フォトダイオード１５の相対向する短辺間を長辺と直交する方向（図中の矢印Ｑ方向）に移動し、この直線部１３ａを通過する出射光の帯（ライン）が鋸歯状分割線の複数個所を横切って第１および第２受光部１５ａ，１５ｂ上に照射されるため、その移動位置に応じて第１および第２受光部１５ａ，１５ｂの受光量が変化する。なお、前述した遮光板１２のスリット１３とＬＥＤ１４および２分割フォトダイオード１５は本発明のリニア型位置検出センサを構成するものであり、キャリッジ１０の移動に伴って変化する第１および第２受光部１５ａ，１５ｂの出力値に基づいて、ステアリングホイールの中立位置からの絶対角度が検出される。
【００１８】
すなわち、ステアリングホイールが中立位置を基準にして時計および反時計方向へそれぞれ２回転（＋７２０度〜−７２０度）する場合、図５の２点鎖線で示すように、ステアリングホイールの回転角に応じて直線部１３ａと第１および第２受光部１５ａ，１５ｂの相対位置が変化するため、これら第１および第２受光部１５ａ，１５ｂから得られる電流値を演算することにより、ステアリングホイールの中立位置からの絶対角度を検出することができる。例えば、第１受光部１５ａから得られる電流値をＩ１、第２受光部１５ｂから得られる電流値をＩ２とすると、これら電流値Ｉ１，Ｉ２は直線部１３ａの移動位置に応じて変化するため、
Ｉ＝（Ｉ１−Ｉ２）／（Ｉ１＋Ｉ２）……（１）
として演算すれば、図６に示すように、ステアリングホイールの絶対角度を電流値Ｉのアナログ的な変化として検出することができる。
【００１９】
次に、このように構成された操舵角検出装置の動作について説明する。
【００２０】
ステアリングホイールを回転操作すると、ステアリングホイールに連動して回転部材２が一体的に回転すると共に、この回転力が第１ギア４から第２ギア８へと伝達されるため、回転部材２に連動してリードスクリュー７も回転する。回転部材２にはコード板３が一体的に設けられているため、回転部材２の回転に伴ってコード板３の内側および外側突起群３ａ，３ｂと各フォトインタラプタ６との相対位置が変化し、各フォトインタラプタ６から出力されるパルス信号に基づいてステアリングホイールの回転量と回転方向が検出される。これらコード板３とフォトインタラプタ６はインクリメンタル型のロータリーエンコーダとして機能するものであり、本実施形態例の場合はステアリングホイールが中立位置を基準にして時計および反時計方向へそれぞれ２回転（＋７２０度〜−７２０度）するため、各フォトインタラプタ６の出力信号に基づいてステアリングホイールの全回転範囲（±７２０度）内の回転量と回転方向が検出される。
【００２１】
また、リードスクリュー７の螺旋状溝７ａにキャリッジ１０の係合歯部１０ａが噛合しているため、リードスクリュー７の回転に伴ってキャリッジ１０がリードスクリュー７とガイドシャフト９の軸線方向へ直線的に往復移動し、キャリッジ１０に一体的に設けられた遮光板１２がＬＥＤ１４と２分割フォトダイオード１５間を移動する。その結果、遮光板１２に形成されたスリット１３の直線部１３ａが２分割フォトダイオード１５の相対向する短辺間を図５の矢印Ｑ方向へ移動し、その移動位置に応じて第１および第２受光部１５ａ，１５ｂの受光量が変化するため、これら第１および第２受光部１５ａ，１５ｂの出力値に基づいて、ステアリングホイールの中立位置からの絶対角度が検出される。この場合、第１および第２受光部１５ａ，１５ｂから出力される電流値Ｉ１，Ｉ２を検出し、これら電流値Ｉ１，Ｉ２を上記（１）式に代入して電流値Ｉを演算すれば、図６に示すように、ステアリングホイールの絶対角度を電流値Ｉのアナログ的な変化として検出することができる。なお、本実施形態例の場合はステアリングホイールが中立位置を基準にして時計および反時計方向へそれぞれ２回転（＋７２０度〜−７２０度）するため、２分割フォトダイオード１５の出力信号に基づいてステアリングホイールの全回転範囲（±７２０度）内の絶対角度が検出される。しかも、２分割フォトダイオード１５の出力信号から求められる電流値Ｉはアナログ的に変化するため、検出可能なステアリングホイールの絶対角度は整数回転（０，±１，±２）に限らず、例えば、ステアリングホイールの半回転（１８０度）毎の絶対角度を検出することもできる。
【００２２】
このように本実施形態例に係るリニア型の位置検出センサでは、リードスクリュー７の軸線方向へ直線的に往復移動するキャリッジ１０にスリット１３を有する遮光板１２を設けると共に、外装ケース１の内部に発光素子であるＬＥＤ１４と受光素子である差動式の２分割フォトダイオード１５を配設し、ＬＥＤ１４からの出射光が遮光板１２のスリット１３を透過して２分割フォトダイオード１５で受光されるように構成したので、キャリッジ１０がリードスクリュー７に沿って直線的に移動すると、ＬＥＤ１４から出射されてスリット１３を通過する光の帯が２分割フォトダイオード１５の第１および第２受光部１５ａ，１５ｂ上に照射され、キャリッジ１０の移動位置に応じて第１および第２受光部１５ａ，１５ｂの受光量が変化する。したがって、これら第１および第２受光部１５ａ，１５ｂから得られる電流値を演算することにより、キャリッジ１０の移動量を電流値のアナログ的な変化として検出することができ、しかも、第１および第２受光部１５ａ，１５ｂを有する２分割フォトダイオード１５は差動式であるため、ＬＥＤ１４の発光強度が経年的に低下したとしても、第１および第２受光部１５ａ，１５ｂ間の受光量比率が変動することを防止でき、それ故、分解能を高めて検出精度の向上を実現することができる。
【００２３】
また、スリット１３にキャリッジ１０の移動方向に対して傾斜する直線部１３ａを形成し、この直線部１３ａの延出方向に対して第１受光部１５ａと第２受光部１５ｂの受光量比率が変化する方向を略直交させ、この直線部１３ａを２分割フォトダイオード１５の長方形の長辺とほぼ直交するように設定したので、２分割フォトダイオード１５の不感帯領域を低減することができると共に、スリット１３が第１および第２受光部１５ａ，１５ｂの受光量比率が変化する方向へ移動する距離に対してキャリッジ１０の移動距離が大きくなるように設定できる。
【００２４】
また、２分割フォトダイオード１５の長方形の短辺側で対向する第１受光部１５ａと第２受光部１５ｂがくさび形状の分割線に沿って２分割されているので、キャリッジ１０が直線的に移動すると、第１受光部１５ａと第２受光部１５ｂの受光量変化を検出でき、さらに、これら第１および第２受光部１５ａ，１５ｂが複数のくさび形状を連続させた鋸歯状の分割線に沿って２分割されているため、スリット１３の直線部１３ａを通過する出射光の帯（ライン）が鋸歯状分割線の複数個所を横切って第１および第２受光部１５ａ，１５ｂ上に照射される。このため、ＬＥＤ１４のように照射光量が不均一なものであっても発光素子として用いることができ、また、ＬＥＤ１４や２分割フォトダイオード１５上にゴミ等の異物が付着した場合でも、第１および第２受光部１５ａ，１５ｂ間の受光量比率の不要な変動を抑えることができる。
【００２５】
また、リードスクリューのピッチを適宜変更することによって、回転運動から変換されるキャリッジ１０の直線運動の移動範囲や一定回転角度あたりの移動距離等を任意に設定できるため、機構設計上の自由度を高めることができ、その変換精度を高精度に設定できると共に、位置検出センサを操舵角検出装置等の各種検出機器の限られたスペース内にコンパクトに装着することができる。
【００２６】
なお、上記実施形態例では、スリット１３にキャリッジ１０の移動方向に対して傾斜する直線部１３ａを有し、この直線部１３ａの延出方向と２分割フォトダイオード１５の受光量比率が変化する方向とを略直交させた構成について説明したが、スリット１３の直線部１３ａをキャリッジ１０の移動方向に対して直交させ、この直線部１３ａの延出方向と２分割フォトダイオード１５の受光量比率が変化する方向とを略直交させるように構成してもよいことは勿論である。
【００２７】
また、上記実施形態例では、長方形の２分割フォトダイオード１５を例示して説明したが、２分割フォトダイオード１５の形状はこれに限定されず、短辺と長辺とが９０度以外の角度をなす長方形に近い形状を有する平行四辺形状であってもよいことは勿論である。
【００２８】
さらに、上記実施形態例では、本発明のリニア型位置検出センサをステアリング機構の操舵角検出装置に適用した場合について説明したが、直線的に移動する移動部材の変位量を検出する必要のある他の装置に適用することも可能である。
【００２９】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記載されるような効果を奏する。
【００３０】
移動部材がガイド手段に沿って直線的に移動すると、発光素子から出射されてスリットを通過する光の帯が２分割受光素子の第１および第２受光部上に照射され、移動部材の移動位置に応じて第１および第２受光部の受光量比率が変化するため、２分割受光素子の出力値に基づいて移動部材の移動量をアナログ的な変化として検出することができ、しかも、この２分割受光素子は差動式の受光素子であるため、発光素子の発光強度が経年的に低下したとしても、第１および第２受光部の受光量比率が変動することを防止でき、それ故、移動部材の限られた移動範囲内における分解能が高められて位置検出センサの検出精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態例に係る位置検出センサを備えた操舵角検出装置を一部破断して示す側面図である。
【図２】該操舵角検出装置の内部機構を示す平面図である。
【図３】該位置検出センサの説明図である。
【図４】該位置検出センサに備えられる遮光板と発光素子および受光素子の説明図である。
【図５】該遮光板のスリットと受光素子の関係を示す説明図である。
【図６】該受光素子の受光量に基づく絶対角検出の説明図である。
【符号の説明】
１ 外装ケース（固定側部材）
２ 回転部材
４ 第１ギア
７ リードスクリュー
７ａ 螺旋状溝
８ 第２ギア
９ ガイドシャフト
１０ キャリッジ（移動部材）
１０ａ 係合歯部
１１ 板ばね
１２ 遮光板
１３ スリット
１３ａ 直線部
１４ ＬＥＤ（発光素子）
１５ ２分割フォトダイオード（２分割受光素子）
１５ａ 第１受光部
１５ｂ 第２受光部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a position detection sensor that detects a displacement amount of a moving member that moves linearly with respect to a fixed-side member, and in particular, a linear position using an optical detection unit based on a combination of a light emitting element and a light receiving element. It relates to a detection sensor.
[0002]
[Prior art]
For example, as a steering angle detection device provided in a steering mechanism of an automobile, a rotary type sensor that directly detects a rotation amount of a steering wheel, and a linear type sensor that detects a displacement amount obtained by converting the rotation of the steering wheel into a linear motion of a fixed length. There has been proposed a sensor that uses a position detection sensor and detects the steering angle and the steering direction of the steering wheel by using these two types of sensors.
[0003]
The former rotary type sensor uses a rotary encoder. By rotating a rotor member of the rotary encoder in conjunction with a steering wheel, two types of pulse signals having a phase difference of 90 degrees output from the rotary encoder are output. , The steering angle and the steering direction of the steering wheel are detected. Here, since the steering wheel is rotated a plurality of times in the clockwise and counterclockwise directions based on the neutral position, it is necessary to provide the steering angle detecting device with a function of detecting an absolute angle from the neutral position of the steering wheel. Is placed on the latter linear position detection sensor.
[0004]
Conventionally, as such a linear type position detection sensor, the rotation of a steering wheel is converted into linear motion of a moving member via a gear, a lead screw, or the like, and the displacement of the moving member is converted from a resistor or a magnetoelectric conversion element to an electric current. A device configured to extract a signal is known (for example, see Patent Document 1). These resistors and magneto-electric conversion elements are mounted on a printed circuit board that is a fixed-side member. If a resistor is used, a brush (slider) is attached to the moving member. If a magneto-electric conversion element is used, the moving member is mounted on the moving member. A magnet is attached. Therefore, according to the position detection sensor schematically configured, when the moving member moves linearly in the axial direction of the lead screw with the rotation of the steering wheel, the brush or magnet attached to the moving member is printed on the printed circuit board. Since the electric signal output from the resistor or the magneto-electric conversion element changes in an analog manner according to the amount of displacement, the steering wheel is neutralized based on the output signal. An absolute angle from the position can be detected.
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-2000-205811 (pages 6-9, FIGS. 4 and 33)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, among the conventional linear type position detection sensors described above, in the case of the detection means using a combination of a resistor and a brush, the output of the resistor over time due to wear caused by brush sliding and accumulation of abrasion powder, etc. Since the value fluctuates and the characteristics of the resistor easily vary depending on the manufacturing conditions, there is a problem that the detection accuracy is deteriorated. Further, in the case of a detecting means using a combination of a magnetoelectric conversion element and a magnet, the output value of the magnetoelectric conversion element fluctuates due to an external magnetic field from a peripheral device or the like, and the amount of change in the output value with respect to the entire length of the magnetoelectric conversion element is small (that is, Is low), there is still a problem that the detection accuracy is deteriorated.
[0007]
As a conventional example of a linear position detection sensor, a pulse scale having a large number of main slits and index slits is linearly moved between a light emitting element and a light receiving element, so that a light receiving amount of the light receiving element is changed. There is known a so-called linear encoder that detects a moving amount of a pulse scale. In such a linear encoder, the amount of light from the light emitting element to the light receiving element changes due to the movement of the pulse scale, and an output that changes in a sinusoidal manner is obtained from the light receiving element every time the pulse scale moves by one pitch. Here, the smaller the width between the slits of the pulse scale is, the more the resolution of the pulse scale can be detected with higher resolution. However, due to manufacturing problems, the pitch between slits can be reduced to about several μm. There is a limit to increasing the resolution within a limited movement range. In addition, since the amount of movement of the pulse scale is extracted as a signal based on the amount of received light, there has been a problem that the optical characteristics of the light emitting element change with time and the signal accuracy deteriorates.
[0008]
The present invention has been made in view of such circumstances of the related art, and an object of the present invention is to provide a linear position detection sensor capable of improving resolution and obtaining good detection accuracy.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the position detection sensor of the present invention, a fixed-side member having guide means, a movable member linearly movable along the guide means, and a slit provided in the movable member And a light-emitting element and a light-receiving element disposed on the fixed member so as to face each other with the light-shielding plate interposed therebetween, wherein the light-receiving element has a first light-receiving section and a second light-receiving section. The light receiving element comprises a divided light receiving element, and the slit moves between the two divided light receiving element and the light emitting element, so that the light receiving ratio of the first and second light receiving portions changes.
[0010]
In the position detection sensor thus configured, when the moving member moves linearly along the guide means, the band of light emitted from the light emitting element and passing through the slit is divided into the first and second light receiving elements of the two-divided light receiving element. Since the light is radiated onto the light receiving unit and the ratio of the light receiving amount of the first and second light receiving units changes according to the moving position of the moving member, the moving amount of the moving member is analogized based on the output value of the two-divided light receiving element. Since the two-divided light receiving element is a differential type light receiving element, even if the light emission intensity of the light emitting element decreases over time, the light receiving between the first and second light receiving parts can be detected. It is possible to prevent the quantity ratio from fluctuating. Therefore, the resolution within the limited moving range of the moving member is enhanced, and the detection accuracy of the position detection sensor can be improved accordingly.
[0011]
In the above configuration, the slit has a linear portion that is inclined with respect to the moving direction of the moving member, and the extending direction of the linear portion and the direction in which the light receiving amount ratio of the first and second light receiving portions changes is substantially orthogonal. Then, the moving distance of the moving member can be set so as to be larger than the moving distance of the slit in the direction in which the light receiving amount ratio of the first and second light receiving units changes. Can be more accurately detected. That is, the angle between the linear portion of the slit and the moving direction of the moving member is θ, the moving distance of the moving member is Lm, and the distance that the slit moves in the direction in which the light receiving amount ratio of the first and second light receiving units changes is Ls. Then, these are in a relationship of Lm = Ls / sin θ, and by setting θ to an angle smaller than 90 degrees, Lm> Ls. Therefore, the linear portion of the slit is set to θ ( By inclining by 0 ° <θ <90 °), the moving distance Lm of the moving member can be set larger than the moving distance Ls of the slit in the direction in which the light receiving amount ratio of the first and second light receiving units changes. Therefore, even if the longitudinal dimension of the two-part light receiving element is reduced, the angle at which the linear portion of the slit is inclined with respect to the moving direction of the moving member is set to be small. Since the accuracy of change can be prevented from deteriorating, the size of the two-divided light receiving element can be reduced.
[0012]
In particular, when the entire shape of the two-part light receiving element is substantially rectangular, it is preferable to make the linear portion of the slit substantially perpendicular to the long side of the two-part light receiving element, because the dead zone area of the two-part light receiving element is reduced. In this case, the first and second light receiving portions are opposed to each other on the short side of the two-divided light receiving element. If the first and second light receiving portions are divided into two along the wedge-shaped dividing line, the two-divided light receiving portion is formed. If a change in the amount of light received by the element can be detected, and the first and second light receiving portions are divided into two along a saw-toothed dividing line in which a plurality of wedges are continuous, a band of light passing through the slit can be detected. Is illuminated on the first and second light receiving portions across a plurality of portions of the saw-toothed dividing line, so that even if the irradiation light amount is non-uniform such as an LED, it can be used as a light emitting element. Even when foreign matter such as dust adheres to the light emitting element or the two-part photodiode, it is preferable because unnecessary fluctuation of the light receiving amount ratio between the first and second light receiving units can be suppressed.
[0013]
Further, in the above configuration, the guide means comprises a lead screw having a spiral groove on the outer peripheral surface, and when the lead screw is driven to rotate, the moving member engages with the spiral groove and the axial direction of the lead screw. It is preferable to adopt a configuration in which the movement of the linear member is converted from the rotational motion by changing the pitch of the lead screw as appropriate. Since the moving distance and the like can be set arbitrarily, the degree of freedom in mechanism design can be increased, the conversion accuracy can be set with high accuracy, and the position detecting sensor is limited to various types of detecting devices such as a steering angle detecting device. It can be mounted compactly in space.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a partially cutaway side view showing a steering angle detecting device provided with a position detecting sensor according to an embodiment, and FIG. FIG. 3 is an explanatory view of the position detecting sensor, FIG. 4 is an explanatory view of a light shielding plate, a light emitting element and a light receiving element provided in the position detecting sensor, and FIG. FIG. 6 is an explanatory view showing the relationship between the slit and the light receiving element, and FIG. 6 is an explanatory view of absolute angle detection based on the amount of light received by the light receiving element.
[0015]
As shown in FIGS. 1 to 3, the steering angle detecting device includes an outer case 1 fixed to a stator member of a steering mechanism (not shown), and a rotating member 2 is rotatably supported on the outer case 1. ing. A steering shaft (not shown) is inserted through the center of the rotating member 2, and a steering wheel (not shown) is connected to the rotating member 2. A code plate 3 is integrally provided on the rotating member 2, and a first gear 4 is engraved on a lower outer peripheral surface of the rotating member 2. An inner protrusion group 3a and an outer protrusion group 3b are arranged concentrically on the code plate 3, and a plurality of printed circuit boards 5 fixed to the outer case 1 are provided corresponding to the inner protrusion group 3a and the outer protrusion group 3b. The photo interrupter 6 is mounted. The code plate 3 and the photo interrupter 6 constitute a rotary type sensor. The steering wheel rotates the rotating member 2 based on a pulse signal output from each photo interrupter 6 as the rotating member 2 rotates. The rotation amount and the rotation direction are detected.
[0016]
A lead screw 7 is rotatably supported inside the outer case 1, and the axial direction of the lead screw 7 and the central axis of the rotating member 2 are set parallel to each other. A second gear 8 is fixed to one end of the lead screw 7, and the second gear 8 meshes with the first gear 4 of the rotating member 2. A guide shaft 9 extending in parallel with the lead screw 7 is fixed inside the outer case 1, and a carriage 10 as a moving member is slidably engaged with the guide shaft 9. A spiral groove 7a is engraved on the outer peripheral surface of the lead screw 7, and an engaging tooth portion 10a formed integrally with the carriage 10 meshes with the spiral groove 7a. It is pressed against the spiral groove 7a by the elastic biasing force of the attached leaf spring 11. Therefore, when the lead screw 7 rotates, the engagement tooth portion 10a moves along the spiral groove 7a, and accordingly, the carriage 10 linearly reciprocates in the axial direction of the lead screw 7 and the guide shaft 9. Further, a light shielding plate 12 is integrally provided at an end of the carriage 10 opposite to the engagement tooth portion 10a, and a slit 13 is formed in the light shielding plate 12. On the other hand, an LED 14 as a light emitting element and a two-part photodiode 15 as a light receiving element are disposed inside the outer case 1, and the LED 14 and the two-part photodiode 15 are formed by slits of the light shielding plate 12 as shown in FIG. The light emitted from the LED 14 passes through the slit 13 of the light shielding plate 12 and is received by the two-part photodiode 15.
[0017]
As shown in FIG. 5, the two-divided photodiode 15 is formed in a rectangular shape as a whole, and is a differential photodiode having a first light receiving portion 15a and a second light receiving portion 15b. The first light receiving portion 15a and the second light receiving portion 15b face each other on the shorter side of the rectangle, and the first and second light receiving portions 15a and 15b are formed along a saw-toothed dividing line in which a plurality of wedge shapes are continuous. Divided into two parts. On the other hand, the slit 13 has a linear portion 13a that is inclined with respect to the moving direction of the carriage 10 (the direction of the arrow P in the figure), and the linear portion 13a is substantially orthogonal to the long side of the rectangle of the two-part photodiode 15. Is set to Accordingly, when the carriage 10 moves in the direction of the arrow P with the rotation of the lead screw 7, the linear portion 13a of the slit 13 is defined by a direction perpendicular to the long side between the opposing short sides of the two-divided photodiode 15 (see FIG. (In the direction of arrow Q), and the band (line) of the outgoing light passing through the straight line portion 13a is irradiated on the first and second light receiving portions 15a and 15b across a plurality of portions of the sawtooth dividing line. The amount of light received by the first and second light receiving units 15a and 15b changes according to the moving position. The slit 13 of the light-shielding plate 12, the LED 14, and the two-division photodiode 15 constitute the linear position detection sensor of the present invention, and the first and second light-receiving portions change with the movement of the carriage 10. An absolute angle from the neutral position of the steering wheel is detected based on the output values of 15a and 15b.
[0018]
That is, when the steering wheel makes two rotations (+720 degrees to -720 degrees) in the clockwise and counterclockwise directions with respect to the neutral position, as shown by the two-dot chain line in FIG. Since the relative positions of the linear portion 13a and the first and second light receiving portions 15a and 15b change, the current values obtained from the first and second light receiving portions 15a and 15b are calculated to calculate the current value from the neutral position of the steering wheel. Can be detected. For example, assuming that the current value obtained from the first light receiving unit 15a is I 1 and the current value obtained from the second light receiving unit 15b is I 2 , these current values I 1 and I 2 are determined according to the moving position of the linear portion 13a. To change,
I = (I 1 −I 2 ) / (I 1 + I 2 ) (1)
, The absolute angle of the steering wheel can be detected as an analog change in the current value I, as shown in FIG.
[0019]
Next, the operation of the steering angle detecting device thus configured will be described.
[0020]
When the steering wheel is rotated, the rotating member 2 rotates integrally with the steering wheel, and the rotating force is transmitted from the first gear 4 to the second gear 8. The lead screw 7 also rotates. Since the rotating member 2 is integrally provided with the code plate 3, the relative position between the inner and outer projection groups 3 a and 3 b of the code plate 3 and each photo interrupter 6 changes with the rotation of the rotating member 2. The rotation amount and rotation direction of the steering wheel are detected based on the pulse signal output from each photo interrupter 6. The code plate 3 and the photo interrupter 6 function as an incremental type rotary encoder. In the case of the present embodiment, the steering wheel is rotated twice clockwise and counterclockwise (+720 degrees) with respect to the neutral position. (−720 degrees), the rotation amount and the rotation direction within the entire rotation range (± 720 degrees) of the steering wheel are detected based on the output signal of each photo interrupter 6.
[0021]
Further, since the engaging teeth 10a of the carriage 10 are engaged with the spiral grooves 7a of the lead screw 7, the carriage 10 is linearly moved in the axial direction of the lead screw 7 and the guide shaft 9 with the rotation of the lead screw 7. The light-shielding plate 12 provided integrally with the carriage 10 moves between the LED 14 and the two-part photodiode 15. As a result, the linear portion 13a of the slit 13 formed in the light shielding plate 12 moves in the direction of arrow Q in FIG. Since the light receiving amounts of the second light receiving units 15a and 15b change, the absolute angle from the neutral position of the steering wheel is detected based on the output values of the first and second light receiving units 15a and 15b. In this case, the current values I 1 and I 2 output from the first and second light receiving units 15a and 15b are detected, and these current values I 1 and I 2 are substituted into the above equation (1) to obtain the current value I. With the calculation, the absolute angle of the steering wheel can be detected as an analog change in the current value I, as shown in FIG. In the case of the present embodiment, the steering wheel makes two rotations in the clockwise and counterclockwise directions (+720 degrees to -720 degrees) with respect to the neutral position, so that the steering is performed based on the output signal of the two-part photodiode 15. An absolute angle within the full rotation range of the wheel (± 720 degrees) is detected. Moreover, since the current value I obtained from the output signal of the two-segment photodiode 15 changes in an analog manner, the detectable absolute angle of the steering wheel is not limited to an integer rotation (0, ± 1, ± 2). It is also possible to detect an absolute angle for each half rotation (180 degrees) of the steering wheel.
[0022]
As described above, in the linear position detection sensor according to the present embodiment, the light-shielding plate 12 having the slit 13 is provided on the carriage 10 that linearly reciprocates in the axial direction of the lead screw 7, and the inside of the outer case 1 is provided. An LED 14 serving as a light emitting element and a differential two-division photodiode 15 serving as a light receiving element are provided so that light emitted from the LED 14 passes through the slit 13 of the light shielding plate 12 and is received by the two-division photodiode 15. When the carriage 10 moves linearly along the lead screw 7, the band of light emitted from the LED 14 and passing through the slit 13 is divided into the first and second light receiving portions 15 a and 15 b of the two-part photodiode 15. The light is irradiated upward, and the amount of light received by the first and second light receiving units 15a and 15b changes according to the moving position of the carriage 10. Therefore, by calculating the current values obtained from the first and second light receiving sections 15a and 15b, the amount of movement of the carriage 10 can be detected as an analog change in the current value. Since the two-segment photodiode 15 having the two light receiving portions 15a and 15b is a differential type, even if the light emission intensity of the LED 14 decreases over time, the light receiving ratio between the first and second light receiving portions 15a and 15b is reduced. The fluctuation can be prevented, and therefore, the resolution can be increased and the detection accuracy can be improved.
[0023]
Further, a linear portion 13a is formed in the slit 13 inclining with respect to the moving direction of the carriage 10, and the light receiving ratio of the first light receiving portion 15a and the second light receiving portion 15b changes in the extending direction of the linear portion 13a. Since the direction in which the straight lines 13a are formed is set to be substantially orthogonal to the long side of the rectangle of the two-part photodiode 15, the dead zone region of the two-part photodiode 15 can be reduced, and the slit 13 Can be set so that the moving distance of the carriage 10 is longer than the moving distance of the first and second light receiving units 15a and 15b in the direction in which the light receiving ratio changes.
[0024]
In addition, since the first light receiving portion 15a and the second light receiving portion 15b facing each other on the shorter side of the rectangle of the two-part photodiode 15 are divided into two along the wedge-shaped dividing line, the carriage 10 moves linearly. Then, a change in the amount of light received by the first light receiving portion 15a and the second light receiving portion 15b can be detected, and further, the first and second light receiving portions 15a and 15b are formed along a saw-toothed dividing line in which a plurality of wedge shapes are continuous. Is divided into two, the band (line) of the emitted light passing through the linear portion 13a of the slit 13 irradiates the first and second light receiving portions 15a and 15b across a plurality of portions of the sawtooth dividing line. . For this reason, even if the irradiation light amount is non-uniform like the LED 14, it can be used as a light emitting element. Even when foreign matter such as dust adheres to the LED 14 or the two-part photodiode 15, the first and the second light emitting elements can be used. Unnecessary fluctuation of the light receiving amount ratio between the second light receiving units 15a and 15b can be suppressed.
[0025]
In addition, by appropriately changing the pitch of the lead screw, the moving range of the linear motion of the carriage 10 converted from the rotating motion, the moving distance per fixed rotation angle, and the like can be arbitrarily set. The conversion accuracy can be set with high accuracy, and the position detection sensor can be compactly mounted in a limited space of various detection devices such as a steering angle detection device.
[0026]
In the above embodiment, the slit 13 has the linear portion 13a which is inclined with respect to the moving direction of the carriage 10, and the extending direction of the linear portion 13a and the direction in which the light receiving ratio of the two-part photodiode 15 changes. Has been described, the straight portion 13a of the slit 13 is made orthogonal to the moving direction of the carriage 10, and the extending direction of the straight portion 13a and the light receiving amount ratio of the two-part photodiode 15 change. Needless to say, it may be configured so that the direction of the movement is substantially orthogonal.
[0027]
Further, in the above-described embodiment, the rectangular two-part photodiode 15 has been described as an example. However, the shape of the two-part photodiode 15 is not limited thereto, and the short side and the long side may have an angle other than 90 degrees. Needless to say, a parallelogram having a shape close to a rectangle to be formed may be used.
[0028]
Further, in the above embodiment, the case where the linear position detection sensor of the present invention is applied to the steering angle detection device of the steering mechanism has been described. However, it is necessary to detect the displacement amount of the moving member that moves linearly. It is also possible to apply to the device of.
[0029]
【The invention's effect】
The present invention is implemented in the form described above, and has the following effects.
[0030]
When the moving member moves linearly along the guide means, a band of light emitted from the light emitting element and passing through the slit is irradiated onto the first and second light receiving portions of the two-divided light receiving element, and the moving position of the moving member Accordingly, the ratio of the amount of light received by the first and second light receiving units changes in accordance with the condition (2), so that the amount of movement of the moving member can be detected as an analog change based on the output value of the two-divided light receiving element. Since the divided light receiving element is a differential light receiving element, even if the light emission intensity of the light emitting element decreases over time, it is possible to prevent the light receiving amount ratio of the first and second light receiving portions from fluctuating. The resolution within the limited moving range of the moving member is increased, and the detection accuracy of the position detection sensor can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view showing a steering angle detection device including a position detection sensor according to an embodiment of the present invention, partially cut away.
FIG. 2 is a plan view showing an internal mechanism of the steering angle detection device.
FIG. 3 is an explanatory diagram of the position detection sensor.
FIG. 4 is an explanatory diagram of a light shielding plate, a light emitting element, and a light receiving element provided in the position detection sensor.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a relationship between a slit of the light shielding plate and a light receiving element.
FIG. 6 is an explanatory diagram of absolute angle detection based on the amount of light received by the light receiving element.
[Explanation of symbols]
1 outer case (fixed side member)
2 rotating member 4 first gear 7 lead screw 7a helical groove 8 second gear 9 guide shaft 10 carriage (moving member)
10a engaging tooth portion 11 leaf spring 12 light shielding plate 13 slit 13a linear portion 14 LED (light emitting element)
15 Two-segment photodiode (two-segment light receiving element)
15a first light receiving section 15b second light receiving section
