JP2005300180A

JP2005300180A - 回転角検出装置

Info

Publication number: JP2005300180A
Application number: JP2004112243A
Authority: JP
Inventors: Masasuke Urakawa; 雅丞浦川
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2004-04-06
Filing date: 2004-04-06
Publication date: 2005-10-27
Also published as: KR20060045462A; EP1584900A1; US20050218314A1; CN1680784A

Abstract

【課題】回転体の回転角を高分解能かつ高精度に検出することができる回転角検出装置を提供すること。
【解決手段】ステアリングシャフトに連動して回転可能であると共に、内側および外側トラックＴ１，Ｔ２上にそれぞれ内側および外側突起群３ａ，３ｂが配列されたコード板３と、内側トラックＴ１に沿って配列された一対の第１のフォトインタラプタ６ａとこれらフォトインタラプタ６ａの略中間位置に配置した１つの第２のフォトインタラプタ６ｂとの組み合わせを１群とした３つのフォトインタラプタ群６Ａ，６Ｂ，６Ｃとを備え、各フォトインタラプタ群６Ａ〜６Ｃにおけるフォトインタラプタ６のうち、内側トラックＴ１に配置された第１のフォトインタラプタ６ａのＬＥＤ６１ａを外周側に位置させると共に、外側トラックＴ２に配置された第２のフォトインタラプタ６ｂのＬＥＤ６１ｂを内周側に位置させた。
【選択図】図４

Description

本発明は、自動車のステアリングホイールの操舵角を検出するアングルセンサ等として用いて好適な回転角検出装置に関する。

従来より、この種の回転角検出装置の一例として、ステアリングシャフト（回転体）の回転に伴って間欠的に回転可能な回転リングを備え、この回転リングの所定位置に円弧状に延びる遮光板を立設すると共に、この遮蔽板の軌跡上に位置するように複数のフォトインタラプタを対向配置したアングルセンサが知られている（例えば、特許文献１参照）。各フォトインタラプタはＬＥＤ（発光素子）とフォトトランジスタ（受光素子）とを有しており、回転リングの回転に伴って遮光板が各フォトインタラプタのＬＥＤとフォトトランジスタの間を通過することにより、各フォトインタラプタからの検出信号に基づいてステアリングシャフトの回転角が検出されるようになっている。

ここで、各フォトインタラプタの構成部品であるＬＥＤとフォトトランジスタは指向特性が異なっており、上記特許文献１に開示されたアングルセンサでは、指向特性の悪い（指向性が広い）方のフォトトランジスタを内周側に配置し、指向特性の良い（指向性が狭い）ＬＥＤを外周側に配置してある。このように構成すると、任意のフォトインタラプタのＬＥＤから出射された光が隣接するフォトインタラプのタフォトトランジスタに外乱光として受光されるのを低減できるため、ステアリングシャフトの回転角検出を高精度で行うことができる。
特開平１１−１０８６９６号公報（第３−６頁、図５、図９）

前述した従来の回転角検出装置においては、回転リングの遮光板が複数のフォトインタラプタのＬＥＤとフォトトランジスタの間を通過することでステアリングシャフトの回転角検出を検出するように構成されているが、回転リングにおける遮光板の外側にもう１つ別の円弧状の遮光板を設け、この外側の遮光板の軌跡上に内側のフォトインタラプタと同様に複数のフォトインタラプタを配置すれば、ステアリングシャフトの回転角をさらに高い分解能で検出することが可能になる。すなわち、回転リングの隣接する内外２つのトラック上にそれぞれ遮光板を設け、これら遮光板に対向する複数のフォトインタラプタからの検出信号を組み合わせることで、回転リング（ステアリングシャフト）の回転角を高い分解能で検出することが可能となる。しかしながら、このように内外２つのトラックに対応して複数のフォトインタラプタを内側と外側に配置する場合、外側に配置したフォトインタラプタのＬＥＤからの光が内側のフォトインタラプタ側に向けて出射するので、この光を外乱光として受光素子で受光した内側のフォトインタラプタの検出精度が低下してしまうという新たな問題が発生する。

本発明は、回転体の回転角を高分解能かつ高精度に検出することができる回転角検出装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の回転角検出装置は、回転体に連動して回転可能であると共に、隣接する内側トラックおよび外側トラック上にそれぞれ複数の突起群が所定間隔を存して配列されたコード板と、これら内側トラックおよび外側トラックに対向して配置された複数のフォトインタラプタとを備え、前記コード板の回転に伴って前記突起群が前記各フォトインタラプタの発光素子と受光素子との間を通過するように構成された回転角検出装置であって、前記各フォトインタラプタのうち、前記内側トラックに対向する第１のフォトインタラプタの発光素子を外周側に位置させると共に、前記外側トラックに対向する第２のフォトインタラプタの発光素子を内周側に位置するように構成した。

このように構成された回転角検出装置では、コード板に複数の突起群が配列された内側トラックを設けると共に、この内側トラックの外側にもう１つの複数の突起群が配列された外側トラックを設け、これら２つのトラックにそれぞれ対向させたフォトインタラプタによって信号を読み取るようにしたので、これら信号を組み合わせることにより、回転体の回転角を高分解能で検出することが可能となる。しかも、内側トラックのフォトインタラプタの発光素子から出射する光を内周側へ向わせると共に、外側トラックのフォトインタラプタの発光素子から出射する光を外周側へ向わせるようにしたので、内側トラックと外側トラックのフォトインタラプタ同士を隣接させて配置した場合であっても、各トラックのフォトインタラプタが互いに相手トラックのフォトインタラプタの発光素子が出射する光を外乱光として受光することを防止でき、これによりフォトインタラプタの検出精度が低下してしまうことを防止して、回転体の回転角を高精度に検出することができる。

上記の構成において、一対の第１のフォトインタラプタを内側トラックの円周方向に沿って配列すると共に、これら一対の第１のフォトインタラプタの略中間位置に第２のフォトインタラプタを配置することが好ましく、このような構成を採用すると、これら第１および第２のフォトインタラプタを集約して配置できるので、各フォトインタラプタを装置内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回転角検出装置の小型化を図ることができる。

本発明による回転角検出装置は、コード板に複数の突起群が配列された内側トラックを設けると共に、この内側トラックの外側にもう１つの複数の突起群が配列された外側トラックを設け、これら２つのトラックにそれぞれ対向させたフォトインタラプタによって信号を読み取るようにしたので、これら信号を組み合わせることにより、回転体の回転角を高分解能で検出することが可能となる。しかも、内側トラックのフォトインタラプタの発光素子から出射する光を内周側へ向わせると共に、外側トラックのフォトインタラプタの発光素子から出射する光を外周側へ向わせるようにしたので、内側トラックと外側トラックのフォトインタラプタ同士を隣接させて配置した場合であっても、各トラックのフォトインタラプタが互いに相手トラックのフォトインタラプタの発光素子が出射する光を外乱光として受光することを防止でき、これによりフォトインタラプタの検出精度が低下してしまうことを防止して、回転体の回転角を高精度に検出することができる。

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は本発明の実施形態例に係るアングルセンサを一部破断して示す側面図、図２は該アングルセンサの内部機構を示す平面図、図３は該アングルセンサに備えられるコード板に対するフォトインタラプタの配置を示す斜視図、図４は該アングルセンサに備えられる各フォトインタラプタ群を構成する第１および第２のフォトインタラプタの位置関係を示す説明図、図５は該アングルセンサに備えられる位置検出センサの説明図、図６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７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８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。

これらの図に示すように、本実施形態例に係るアングルセンサ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。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。また、回転部材２にはコード板３が一体的に設けられており、このコード板３には内側トラックＴ１および外側トラックＴ２が同心円状に隣接するように設けられている。これら各トラックＴ１，Ｔ２上にそれぞれ複数の内側突起群３ａおよび外側突起群３ｂが所定間隔を存して配列されており、コード板３の下部外周面には第１ギア４が刻設されている。外装ケース１にはプリント基板５が固定されており、このプリント基板５には複数のフォトインタラプタ６が実装されている。これらフォトインタラプタ６は内側突起群３ａと外側突起群３ｂにそれぞれ対応する複数の第１のフォトインタラプタ６ａと複数の第２のフォトインタラプタ６ｂとを有しており、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している。ここで、第１および第２のフォトインタラプタ６ａ，６ｂはそれぞれチップ状のＬＥＤ６１ａ，６１ｂとチップ状のフォトトランジスタ６２ａ，６２ｂとを対向させて一体化したものである（図４参照）。

図２と図３に示すように、これらフォトインタラプタ６ａ，６ｂの配置は、内側トラックＴ１の円周方向に沿って配列された一対の第１のフォトインタラプタ６ａと、これら一対のフォトインタラプタ６ａの略中間位置に配置された１つの第２のフォトインタラプタ６ｂとの組み合わせを１群とし、これを各トラックＴ１，Ｔ２の円周方向に沿って所定間隔を存して配列された３つのフォトインタラプタ群６Ａ，６Ｂ，６Ｃからなる構成としている。また、図４に示すように、各フォトインタラプタ群６Ａ〜６Ｃにおいては、内側トラックＴ１に対向する第１のフォトインタラプタ６ａのＬＥＤ６１ａを外周側かつフォトトランジスタ６２ａを内周側に位置させると共に、外側トラックＴ２に対向する第２のフォトインタラプタ６ｂのＬＥＤ６１ｂを内周側かつフォトトランジスタ６２ｂを外周側に位置させており、これにより、内側トラックＴ１のフォトインタラプタ６ａのＬＥＤ６１ａから出射する光を内周側へ向わせると共に、外側トラックＴ２のフォトインタラプタ６ｂのＬＥＤ６１ｂから出射する光を外周側へ向わせている。

したがって、回転部材２の回転に伴って内側突起群３ａと外側突起群３ｂが第１および第２のフォトインタラプタ６ａ，６ｂのＬＥＤ６１ａ，６１ｂとフォトトランジスタ６２ａ，６２ｂとの間をそれぞれ通過して各フォトインタラプタ６ａ，６ｂからパルス信号が出力されるときに、各トラックＴ１，Ｔ２のフォトインタラプタ６ａ，６ｂは互いに相手トラックのフォトインタラプタのＬＥＤが出射する光を外乱光として受光することがなくなる。それゆえ、フォトインタラプタ６ａ，６ｂの検出精度が低下してしまうことを確実に防止でき、ステアリングシャフトの回転角、すなわちステアリングホイールの操舵角を高精度に検出することができるようになっている。

図１に示すように、外装ケース１の内部にはリードスクリュー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はコード板３の第１ギア４と噛合している。また、図５に示すように、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ＬＥＤ１４と２分割フォトダイオード１５が配設され、図６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から出射する光が遮光板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。

図７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。

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７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Ｉ_１、第２受光部１５ｂから得られる電流値をＩ_２とすると、これら電流値Ｉ_１，Ｉ_２は直線部１３ａの移動位置に応じて変化するため、
Ｉ＝（Ｉ_１−Ｉ_２）／（Ｉ_１＋Ｉ_２）……（１）
として演算すれば、図８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。

次に、このように構成されたアングルセンサの動作について説明する。

ステアリングホイールを正逆いずれかの方向へ回転操作すると、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と第１および第２のフォトインタラプタ６ａ，６ｂとの相対位置がそれぞれ変化し、フォトインタラプタ群３Ａ〜Ｃが有する各フォトインタラプタ６ａ，６ｂ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。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。

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７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Ｉ_１，Ｉ_２を検出し、これら電流値Ｉ_１，Ｉ_２を上記（１）式に代入して電流値Ｉを演算すれば、図８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。

このように本実施形態例に係る回転角検出装置では、コード板３に複数の内側突起群３ａが配列された内側トラックＴ１を設けると共に、この内側トラックＴ１の外側にもう１つの複数の外側突起群３ｂが配列された外側トラックＴ２を設け、これら２つのトラックＴ１，Ｔ２上にそれぞれ隣接配置させたフォトインタラプタ６ａ，６ｂを有するフォトインタラプタ群３Ａ〜３Ｃから出力されたパルス信号を組み合わせることで、ステアリングホイールに連動して回転する回転部材（回転体）２の回転角を高分解能で検出することが可能となる。しかも、各フォトインタラプタ群３Ａ〜３Ｃにおいて、内側トラックＴ１のフォトインタラプタ６ａのＬＥＤ６１ａから出射する光を内周側へ向わせると共に、外側トラックＴ２のフォトインタラプタ６ｂのＬＥＤ６１ｂから出射する光を外周側へ向わせるように配置したので、各トラックＴ１（Ｔ２）のフォトインタラプタ６ａ（６ｂ）が相手トラックＴ２（Ｔ１）のフォトインタラプタ６ｂ（６ａ）のＬＥＤ６１ｂ（６１ａ）が出射する光を外乱光として受光してしまうことを防止でき、これにより各フォトインタラプタ６ａ，６ｂの検出精度が低下してしまうことを防止して、ステアリングシャフトの回転角、すなわちステアリングホイールの操舵角を高精度に検出することができる。

また、内側トラックＴ１の円周方向に沿って配列された一対の第１のフォトインタラプタ６ａとこれらフォトインタラプタ６ａの略中間位置に配置した１つの第２のフォトインタラプタ６ｂとの組み合わせを１群とした複数のフォトインタラプタ群６Ａ，６Ｂ，６Ｃからなる構成としたので、各フォトインタラプタ群６Ａ〜６Ｃにおいてフォトインタラプタ６ａ，６ｂを集約して配置でき、それゆえ各フォトインタラプタ６を装置内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、回転角検出装置の小型化を図ることができる。

本発明の実施形態例に係るアングルセンサを一部破断して示す側面図である。該アングルセンサの内部機構を示す平面図である。該アングルセンサに備えられるコード板に対するフォトインタラプタの配置を示す斜視図である。該アングルセンサに備えられる各フォトインタラプタ群を構成する第１および第２のフォトインタラプタの位置関係を示す説明図である。該アングルセンサに備えられる位置検出センサの説明図である。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。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。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
２回転部材（回転体）
３コード板
３ａ内側突起群
３ｂ外側突起群
４第１ギア
５プリント基板
６フォトインタラプタ
６ａ第１のフォトインタラプタ
６ｂ第２のフォトインタラプタ
６１ａ，６１ｂＬＥＤ（発光素子）
６２ａ，６２ｂフォトトランジスタ（受光素子）
Ｔ１内側トラック
Ｔ２外側トラック

Claims

回転体に連動して回転可能であると共に、隣接する内側トラックおよび外側トラック上にそれぞれ複数の突起群が所定間隔を存して配列されたコード板と、これら内側トラックおよび外側トラックに対向して配置された複数のフォトインタラプタとを備え、前記コード板の回転に伴って前記突起群が前記各フォトインタラプタの発光素子と受光素子との間を通過するように構成された回転角検出装置であって、
前記各フォトインタラプタのうち、前記内側トラックに対向する第１のフォトインタラプタの発光素子を外周側に位置させると共に、前記外側トラックに対向する第２のフォトインタラプタの発光素子を内周側に位置させたことを特徴とする回転角検出装置。
請求項１の記載において、一対の前記第１のフォトインタラプタを前記内側トラックの円周方向に沿って配列すると共に、これら一対の前記第１のフォトインタラプタの略中間位置に前記第２のフォトインタラプタを配置したことを特徴とする回転角検出装置。