JP2001519914A - トルクおよび角位置複合型センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 トルクおよび角位置複合型検出器は、同軸を中心に回転可能な２枚のディスク（１０，１２）を備える。トルクが印加されると、ディスクの相対的角変位が生じる。各ディスクは、異なる光透過率を有する多数の領域を備え、これらの領域により光源（２０）からアレイ（２２）への光放射の透過を制御する。アレイ（２２）上には、これらのディスク領域の像が形成される。データプロセッサ（２４）は、像の強度データを処理し、ディスクの角位置とそれらの相対変位とを測定する。(i)一方のディスクの円周方向で変化する幅を有し、中間的な透過率を有する一方のディスク領域を設ける、(ii)一方のディスクの円周方向で変化する幅を有してより低い透過率を有する領域を設ける、または(iii)一方のディスクの円周方向でいくつかの異なる幅を有する領域を組み合わせて配設する、ことにより位置情報を得る代替構成も記載されている。

Description

【発明の詳細な説明】 トルクおよび角位置複合型センサ 本発明は、例えば電気式パワーステアリングシステム（ＥＰＡＳ）に使用され る、トルクおよび角位置複合型検出器に関する。 ＷＯ９５／０６３３０には、透過率の異なる第１および第２の領域をそれぞれ 交互に有する２つの相対的に移動可能な回転要素を備えたトルクセンサが開示さ れている。この領域は、光センサアレイ上に像を形成すべく光源からの光放射を 調節するように作用する。一方の回転要素上の低透過率領域により生成される第 １の暗部と他方の回転要素上の２つの隣接した低透過率領域により生成される第 １の暗部の反対側の暗部との間のギャップの幅を検出することによって、２つの 回転要素の相対的位置を測定するためにアレイから取り込まれたデータはデータ プロセッサにより解析される。 ＥＰＡＳシステムでは、回転要素の現在の絶対的位置を知る必要があり、ＷＯ ９５／０６３３０では一方の回転要素上の多数の低透過率領域の幅と残りの領域 の幅とが異なるので、これらの領域が検出されると“割り出し”位置が確定され 得るという構成が記載されている。このため、異なる低透過率領域を一つ設けれ ば十分なことが分かっているが、システムを立ち上げる際に割り出し位置を検出 可能とすべく回転要素を最大１８０°まで回転させる必要が生じる場合もある。 本発明の目的は、始動時における回転要素の回転を必要とすることなく絶対的 位置を確定することができるトルクおよび角位置複合型検出器を提供することで ある。 本発明の第一の態様によれば、トルクおよび角位置複合型検出器は、光放射源 と、光センサのアレイと、前記光源と前記アレイとの間に配置されてともに回転 可能およびトルク測定のために一定の範囲まで互い相対的に 角移動可能である第１および第２の要素と、前記アレイのセンサのそれぞれから 光強度データを集めるために配設されたデータプロセッサとを備え前記第１およ び第２の要素がそれぞれ複数の交互になった第１および第２の領域を有し、第１ の領域は第２の領域より高い光透過率を有し、前記第２の要素がまた前記第１お よび第２の領域の透過率の中間の光透過率を有する別の領域を有し、前記別の領 域がそれぞれ異なる円周方向で変化する長さ(angular width)を有し、前記デー タプロセッサが前記別の領域のうち装置上で検出されたものの像の幅と位置とを 測定することによる第２の要素の角位置と、第１の要素の２つの隣接した第２の 領域の像の位置に対する第２の要素の第２の領域の像の位置を測定することによ り前記第１および第２の要素の相対的角度変位とを決定するために前記光強度デ ータを処理する。 好ましくは、前記第１および第２の領域の像の位置は、前記アレイの各センサ 毎の光強度データを上側しきい値と比較することにより決定される。さらに、前 記別の領域の像の位置は、前記アレイの各センサ毎の光強度データを下側しきい 値と比較することにより決定される。 好ましくは、前記第２の要素の前記別の領域は、その第１の領域のそれぞれの 中央に位置するように配設される。 前記第２の要素は、前記別の領域を形成する半透明の領域を有する透明なオー バレイを、前記第１および第２の領域を画定する面に張り付けることにより形成 してもよい。 本発明の第２の態様によれば、トルクおよび角位置複合型検出器は、光源と、 前記光源により照射される光センサのアレイと、前記光源と前記アレイとの間に 配設され、ともに回転可能およびトルク測定のために一定の範囲まで互いに相対 的に角移動可能である第１および第２の要素と、前記アレイのセンサのそれぞれ から光強度データを集めるために接続されたデータプロセッサとを備え、前記第 １および第２の要素のそれぞれが複数の交互になった第１および第２の領域を有 し、前記第１の領域は第２の領域より高い光透過率を有し、前記第２の要素の第 ２の領域の円周方向で変化 する長さがその第１の領域の円周方向で変化する長さを前記第２の要素の円周方 向で徐々に減少させるように変動し、前記データプロセッサは、前記第２の要素 の第２の領域の像の幅と位置とを測定することによる第２の要素の角位置の決定 および第２の要素の２つの隣接した第２の領域の像の位置に対する第１の要素の 第２の領域の像の位置を測定することによる要素間の相対的角度変位の決定をす るために、前記光強度データを処理するように動作する。 前記第２の要素の前記第２の領域は、好ましくは、前記第２の要素の円周方向 に等角度に離間した中心線を有して配設される。 好ましくは、直径方向に対向する位置に２つのセンサアレイが設けらる。 この場合、好ましくは、前記第２の要素の前記第２の領域は、主に、第２の要 素の円周方向に隣接した対として配設されており、各対を成す２つの第２の領域 が等しい円周方向で変化する長さを有する。各アレイが互いに同じ幅を有する第 ２の領域のみを“見る”ことができるような状況を回避するために、前記対は、 非対向位置に２つの単独の第２の領域を有することにより互いに対してずれるよ うになっている。 本発明の第三の態様によれば、トルクおよび角位置複合型検出器は、光源と、 前記光源から照射される光センサのアレイと、前記光源と前記アレイとの間に配 設され、ともに回転可能およびトルク測定のために一定の範囲まで互い相対的な 角移動可能である第１および第２の要素と、前記アレイのセンサのそれぞれから 光強度データを集めるために接続されたデータプロセッサとを備え、前記第１お よび第２の要素はそれぞれ複数の交互になった第１および第２の領域を有し、前 記第１の領域は第２の領域より高い光透過率を有し、それによりアレイ上に前記 要素の領域の結像が形成され、前記第２の領域の幅が前記第１および第２の要素 の任意の位置で互いに異なり、独自の組み合わせの円周方向で変化する長さを有 する第２の領域の像が像内に存在するように前記データプロセッサが、どの独自 の組み合わせが前記像内に生じているかを識別することにより要素の角位置の粗 測定を行うために、および一方の要素の第２の領域の像の、他方の要素の ２つの隣接した領域の像に対する位置を決定することにより光知覚像(sensitive image)内の選択された第２の領域の像の位置と、要素の相対角位置とに応じて 角位置の精密な測定を行うために、前記光強度データについて演算する。 好ましくは、独自の組み合わせを識別し、角位置と相対的角変位とを高解像度 かつ高精度で測定するために十分なデータを得るために、前記第１および第２の 要素の同軸(common axis)に対して直径方向に対向する位置に２つの光源と２つ のセンサアレイを設けることが望ましい。 添付の図面において、 第１図は、本発明に係る型のトルクおよび角位置複合型検出器の全体的な特徴 を示す図であり、 第２図は、第１図に示すセンサアレイの各センサからのデータをデータプロセ ッサに取り込むために設けられた回路のブロック図であり、 第３図は、本発明に係る第１図に示したセンサの変形例の概略図であり、 第４図は、ゼロトルク状態における第３図に示した変形例を用いたセンサアレ イから得られる理想化された“波形”を示す図であり、 第５図は、第４図に示したセンサアレイから得られる理想化された“波形”を 示す図であり、第５図（ｂ）〜第５図（ｉ）は、第４図でライン（ｂ）〜ライン （ｉ）により示されたセンサアレイに対するセンサ素子の位置の僅かな変化の作 用を示す図であり、 第６図および第７図は、第４図および第５図に示した理想化された波形に対応 する、最大トルクにおける理想化された“波形”を示す図であり、 第８図は、本発明の第２の実施の態様を示す図であり、 第９図および第１０図は、第４図および第５図に示した理想化された波形に対 応する、第２の実施の態様の理想化された“波形”を示す図であり、 第１１図および第１２図は、第６図および第７図に示した理想化された波形に 対応する、第２の実施の態様の理想化された“波形”を示す図であり、 第１３図は、本発明の第三の実施の態様を示す図であり、 第１４図は、角位置のおおまかな測定を行うための、本発明の第三の実施の態 様で得られるコード順序を示す図であり、 第１５図は、ゼロトルク状態において第１３図に示したセンサ構成から得られ る一連の理想化された“波形”であり、 第１６図（ａ）〜第１６図（ｅ）は、第１５図に示した理想化された波形から 得られる一連の理想化された波形を示す図であり、第１７図のライン（ａ）〜ラ イン（ｈ）で示されたセンサアレイの相対的位置における比較的小さい変化の作 用を示す図であり、 第１７図は、最大トルクにおける第５図と同様の図であり、 第１８図および第１９図（ａ）〜第１９図（ｈ）は、最大トルクにおける第１ ６図（ａ）〜第１６図（ｅ）に対応する図である。 後述するトルクおよび角位置複合型検出器の基本構造が第１図に示されている 。第１図はＷＯ９６／０６３３０の第１図と同様のであり、センサの動作の完全 な理解のためにその記述を参照する。 センサは、基本的に、２本の整合されたシャフト２，４上にそれぞれ取り付け られた２枚の並置されたディスク要素１０，１２を有し、シャフト２，４は、シ ャフト１４の内孔８内のねじり棒６を介して相互接続されている。各ディスク要 素１０，１２は、環状に配置された円弧状のスロット１６，１８を備え、スロッ ト１６，１８は円弧状のスロットを隔てている部分より高い光透過率を有するデ ィスク要素１０，１２の一部である。以下の説明では、これらの隔てられた部分 を“スポーク”と称す。各ディスク要素上には同数（例えば３６本）の等角度に 離間したスポークが設けられており、一方のディスク要素上のスポークは他方の ディスク要素上のスポークより大きい円周方向で変化する長さを有する。 ディスクの一方の側には光源２０が設けられており、他方の側には光センサア レイが設けられている。スポークは、センサアレイ上に影像を投影する。アレイ ２２内の各センサから光強度データを読み取り、データプロ セッサ２４によってこのデータを処理することにより、一方のディスク要素の他 方のディスク要素に対する角変位を測定することができる。 光源２０は、拡散体を備えた点光源であるので、影像のエッジは多少不鮮明に なるが、アレイ２２内の検出器の間隔によりこれ以外の場合に課される解像度よ りも高い解像度でエッジの位置を測定することができる。 光の入射角に応じてアレイ内の検出器の感度が変動するので、行われる光強度 測定は種々の誤差が生じる。さらに、検出器の幾何学的な特徴により歪みが生じ るが、ＷＯ９６／０６３３０に詳細に説明されているように、データプロセッサ は、これらの誤差と歪みを補償し、アレイ上の像の効果的に理想化されたスナッ プショットである線形化されかつ理想化された“波形”を形成することができる 。 使用されるアレイは、スナップショットを得ると同時に信号が供給される、通 常１２８個のアナログ記憶素子を有する１２８画素線形アレイである。これらの 信号は、次に、スイッチ７０〜７３を制御するクロック発生器８２の制御下で画 素バッファ７４を介して差動増幅器８０に順次読み出される。差動増幅器は、画 素値と画素バッファ７８を介した“暗画素”基準値７６との差を示す信号を出力 する。この差分信号は、サンプルホールド回路８４に格納された後、出力バッフ ァを介してデータプロセッサのＡ／Ｄ変換器（図示せず）に転送される。スナッ プショットごとに、１２８個のデジタル値が次の処理のためにデータプロセッサ のＲＡＭに格納される。 次に第３図を参照すると、第１図の基本センサに、半透明領域１００ａをその 上に有する透明な環状オーバレイ１００を加えることで変形されている。半透明 領域１００ａの帯域はオーバレイの幅に沿って徐々に大きくなるが、その中心は 等角度に離間している。オーバレイ１００は、半透明領域が要素１２のスポーク 間の中央にくるようにディスク要素１２に取り付けられる。要素１０のスポーク は、ディスクの１．２９０１°の中心角に対して延びる基本幅ｘを有する。ディ スク要素１２のスポークはこの幅の１．４倍の幅を有する。半透明帯域は、０． １ｘ刻みに１．６ｘ〜５． ２ｘの間で変化する。 第４図は、スナップショットに続くアレイから読み取られたデータのデータプ ロセッサによって得られた理想化された“波形”を示す。波形のピークは、検出 された暗空間(dark space)を表す。ゼロトルクでは、“全高”部分は基本構成の 場合と同様である。オーバレイ１００の半透明領域により生成される“半高”部 分は、Ｗａ，Ｗｂ，Ｗｃとして図示されている。データプロセッサは、波形とト ルク測定用の上側基準値とおよび波形と位置測定用の下側基準値との２つの一連 の比較を行うことにより、全高部分と半高部分とを識別することができる。 第５図に示すように、ゼロトルク状態において、スナップショットの瞬間に波 形のどの部分が可視であっても、半高部分の全幅は常に可視である。これにより 、データプロセッサは、半透明領域のうちどれが可視であるかの決定およびアレ イウインドウ内でのその正確な位置の決定をして角位置を正確に計算することが できる。 第６図は、最大トルクが印加された状態を示す。第１図の基本センサの場合の ように、データプロセッサは２枚のディスク要素の互いに対する相対変位（した がって、トルク）を容易に測定可能である。第７図に示したように、半透明領域 の幅を直接測定することにより、または全高スポークによる立ち上がりがはっき りしないときは半透明領域に続くギャップの幅を測定することにより、若しくは 立ち下がりが同様にはっきりしないときは半透明領域に先行するギャップの幅を 測定することにより、可視である半透明領域を常に識別することができる。 第８図に示す実施の態様では、透明なオーバレイは使用されていない。代替と して、ディスク要素１２上のスポークは、図示したように、１．２ｘ幅〜３．０ ｘ幅で変動する。図示したように、１つ置きのスポークの幅に０．１ｘの増分が 適用されるが、これは、第８図に示したように時計回りの方向にスポーク間の間 隙を徐々に減少させるという効果を生じる。２つのアレイが直径方向に対向する 位置に設けられており、各アレイによりスポークのみが可視である状態が生じな いように、非対向位置で２つの単 独のスポーク１１０，１２０を有することにより、各スポーク対が互いに対して ずれるようにしている。 第９図〜第１２図のゼロトルクおよび最大トルクにおける波形は、スナップシ ョットの瞬間にアレイウインドウがどこに位置していても、トルクを測定するた めにギャップ間の比と暗素子のおおまかな位置を識別するためのスポークの幅と を測定することができる。データプロセッサは、可変スポーク幅データおよびギ ャップデータを用いてトルクおよび絶対的位置を正確に測定することができる。 第１３図に示した構成では、２つのディスク要素１０，１２上に四個の異なる 幅のスポークが使用されている。スポーク幅は、ａ＝ｘ、ｂ＝１．２ｘ、ｃ＝１ ．４ｘ、およびｄ＝１．６ｘである。２つのディスク要素上のスポークは、次の 順序で形成される。 第１３図は、ディスク要素の３６個のセグメントのそれぞれに対する２枚のデ ィスク要素上に現れるスポーク幅を実際に示している。 ２つの反対方向に対向したアレイが使用され、それぞれ固有の光源を備えてい る。スポーク信号が正規化され、補正されると、２つのアレイウインドウの波形 から２者択一的にスポーク幅を読み取り、コードを構成することによって可視の スポークの順序が確定される。第１４図は、その結果得られたコード表が示され ている。 第１５図は、ゼロトルクにおける２つのアレイに対する理想化された波形を示 す。 第１６図は現在の角位置に対して特有のコード順序がどのようにして決定され るかを示す。スナップショットの瞬間のアレイウインドウの位置の違いは、第１ ６図に示されたような状態の違いを生じさせる。 変位を引き起こされるトルクの制限によりスポークの重なりは禁止されるので 、トルクの変動はコード順序を変えない。ディスクが“一緒に”回転した場合は 、観察される４要素コードはそれに応じて変化する。少なく とも五本のスポークのエッジがアレイのそれぞれに対して常に可視であるので、 各アレイ上には少なくとも２本の完全なスポークが可視である。 偶数個（例えば３６個）のウインドウおよびそれに対向するアレイにより、可 視のスポークを互いに対応させるように設けて、正しい“複合”コードを生成す ることができる。各コードは、一本のスポーク“ａ”を有するので、ディスク要 素１０のみが“ａ”スポークを有することでディスク要素を識別することが可能 である。ディスク要素のおおまかな位置は、コードから単に５°以内まで確認す ることができるが、精密な位置データはウインドウ内のスポークの像の正確な位 置に基づき先の実施の態様のように計算される。 位置コードを割り当てる場合、一方のウインドウ内の特定のスポークを他方の ウインドウ内のより幅の広いスポークに対向させるならば、より幅の広いスポー クのエッジの一方または他方がアレイウインドウのすぐ外側にあってもよい。例 えば、第１６図（ｂ）を参照すると、アレイ１の像には完全な“ａ”スポークが 現れているが、アレイ２の像には対応する“ｂ”スポークは一部しか見えない。 この状態はデータプロセッサにより認識され、データプロセッサは、完全なスポ ーク対の像のみを対象としてａｂｂｃではなく正しいコードｂｂａｃを割り当て る。すなわち最初の“ａ”スポークは無視される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 光放射源と、光センサのアレイと、前記光源と前記アレイとの間に配設さ れ、ともに回転可能であると共にトルク測定のために一定の範囲まで互いに相対 的に角移動可能である第１および第２の要素と、前記アレイのセンサのそれぞれ から光強度データを集めるために配設されたデータプロセッサとを備え、前記第 １および第２の要素が、それぞれ複数の交互になった第１および第２の領域を有 し、前記第１の領域は前記第２の領域より高い光透過率を有し、前記第２の要素 が、また、前記第１および第２の領域の透過率の中間の光透過率を備える別の領 域を有し、前記別の領域がそれぞれ異なる円周方向で変化する長さを有し、前記 データプロセッサが、前記別の領域のうち装置上で検出されたものの像の幅と位 置とを測定することにより第２の要素の角位置の決定および前記第１の要素の２ つの隣接した第２の領域の前記像の位置に対する前記第２の要素の第２の領域の 像の位置を測定することにより前記第１および第２の要素の相対的角変位の決定 をするために、前記光強度データを処理するように動作することを含むトルクお よび角位置複合型検出器。 ２．前記データプロセッサが、前記アレイの各センサ毎の光強度データを上位し きい値と比較することにより前記第１および第２の領域の像の位置を決定する請 求の範囲第１項記載の検出器。 ３．前記データプロセッサが、前記アレイの各センサ毎の強度データを下位しき い値と比較することにより前記別の領域の像の位置を決定する請求の範囲第２項 記載の検出器。 ４．前記第２の要素の前記別の領域が、その第１の領域のそれぞれの中央に位置 するように配設されていることを特徴とする前記請求の範囲のいずれか一項に記 載の検出器。 ５．前記第２の要素が、前記別の領域を形成する半透明の領域を有する透明なオ ーバレイが張り付けられて前記第１および第２の領域を形成する第１の面を備え る前記請求の範囲第のいずれか一項に記載の検出器。 ６． 光放射源と、前記光源により照射される光センサのアレイと、前記光源と 前記アレイとの間に配設され、ともに回転可能であると共にトルク測定のために 一定の範囲まで互いに相対的に角移動可能である前記第１および第２の要素と、 前記アレイのセンサのそれぞれから光強度データを集めるために接続されたデー タプロセッサとを備え、前記第１および第２の要素のそれぞれが、複数の交互に なった第１および第２の領域を有し、前記第１の領域が前記第２の領域より高い 光透過率を有し、前記第２の要素の第２の領域の円周方向で変化する長さが、そ の第１の領域の円周方向で変化する長さを前記第２の要素の円周方向で徐々に減 少させるように変動し、前記データプロセッサが、前記第２の要素の第２の領域 の前記像の幅と位置とを測定することにより前記第２の要素の前記角位置の決定 および前記第２の要素の２つの隣接した第２の領域の像の前記位置に対する前記 第１の要素の第２の領域の像の位置を測定することにより要素間の相対的角変位 の決定をするために、前記光強度データを処理するように動作することを含むト ルクおよび角位置複合型センサ。 ７．前記第２の要素の前記第２の領域が、前記第２の要素の円周方向に等角度に 離間した中心線を有することを特徴とする請求の範囲第６項記載の検出器。 ８．直径方向に対向する位置に２つのセンサアレイが設けられている請求の範囲 第７項記載の検出器。 ９．前記第２の要素の第２の領域が、主に、第２の要素の円周方向に隣接した対 として配設されており、各対を成す２つの第２の領域が等しい円周方向で変化す る長さを有する請求の範囲第８項記載の検出器。 １０．前記領域の対が、非対向位置に２つの単独の第２の領域を有することによ り互いに対してずれるようになっている請求の範囲第９項記載の検出器。 １１． 光放射源と、前記光源により照射される光センサのアレイと、前記光源 と前記アレイとの間に配設され、ともに回転可能であると共にトルク測定のため に一定の範囲まで互いに相対的に角移動可能である第１およ び第２の要素と、前記アレイのセンサのそれぞれから光強度データを集めるため に接続されたデータプロセッサとを備え、前記第１および第２の要素のそれぞれ が、複数の交互になった第１および第２の領域を有し、前記第１の領域は前記第 ２の領域より高い光透過率を有し、それにより、前記アレイ上に前記要素の帯域 の結像が形成され、前記第２の領域の前記幅が前記第１および第２の要素の任意 の位置で互いに異なり、独自の組み合わせの円周方向で変化する長さを有する第 ２の領域の像が前記像内に存在するように、前記データプロセッサがどの独自の 組み合わせが前記像内に生じているかを識別することにより要素の角位置のおお まかな測定、および一方の要素の第２の領域の像の、他方の要素の２つの隣接し た領域の前記像に対する位置を決定することにより光感知像内の選択された第２ の領域の前記像の前記位置と要素の相対角位置とに応じて角位置の精密な測定を 行うために前記光強度データについて演算することを含むトルクおよび角位置複 合型センサ。 １２．前記第１および第２の要素の同軸に対して直径方向に対向する位置に、２ つの光源と２つのアレイが設けられている請求の範囲第１１項記載の検出器。