JP2006226712A - ロータリ・エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】車両のステアリング・ホイールの操作回転角度を検出するに適するロータリ・エンコーダを提供する。装置が起動した直後から、ステアリング・ホイールがほとんど操作されない状態で車両が発進することがあっても、正確にステアリング・ホイールの角度出力を発生するロータリ・エンコーダを提供する。
【解決手段】詳しい角度情報をＡ，Ｂ，Ｃの三相利用して、回転方向およびその絶対角度を検出するとともに、回転角度２π（３６０°）ごとに検出するＺ相を利用して、装置の起動時点から±π（１８０°）の範囲にＺ相の検出出力が発生するかを検出する。この検出はプログラム制御回路の割込処理を利用することなく、単純な計数処理により実行する。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転軸の回転角度をディジタル信号として検出するロータリ・エンコーダの改良に関する。本発明は車両用ステアリング・ホイールの操作角度を検出するために適するロータリ・エンコーダの改良に関する。本発明は、ステアリング・ホイールの操作角度を電気信号として検出し、この電気信号に含まれる情報により車両の操舵装置を動力を利用して制御する装置に利用するために開発された装置である。

回転軸の回転角度をディジタル信号として検出するロータリ・エンコーダは、旧くからきわめて多数の構成の装置が知られている。下記特許文献１に開示されているものは、回転軸と連動して回転する円板にその円周方向に沿って多数のスリットを設け、そのスリットを透過する光信号を光電変換素子により電気信号のパルスに変換し、そのパルスを計数する構造のものである。円板の回転方向が反転する性質のものでは、円板の回転軸に対して複数の異なる位相位置にそれぞれ光信号検出器を設け、この複数の光信号検出器の相対出力位相から円板の回転方向を検出することができる。これにより回転方向にしたがってパルスの計数値を加算または減算するように構成することができるから、回転軸の基準位置（角度零）に対する絶対角度を検出することができる。さらに円板の回転角度の基準位置を検出するために、前記スリットの他に円板の１回転（または半回転）毎にスリットを設け、このスリットの信号（Ｚ相信号という）を検出することができるようになっている。さらに下記特許文献１には、回転角度を検出するパルスの累積加算値が円板の１回転を越えたときに、円板の１回転毎に送出される信号が検出されないときには、計数の異常を警報する回路についても言及がある。

上記のほか車両の操舵装置に関する回転角度検出については、下記特許文献２〜特許文献４に開示されたものがある。これらはいずれも零点または中立位置の検出に関連するものである。
特開平３−８２９１６号公報（アマダ） 特開平３−１６４３７６号公報（マツダ） 特開平４−３８４１９号公報（デンソー） 特開２００１−５８５７７（トヨタ）

上記特許文献１に記載された従来例装置では、観測対象である装置の回転角度が所定角度（２πまたはπなど）を越えても、Ｚ相（零点検出用）に信号が送出されないときに、これを異常であるとして異常警報を発生する構成になっている。しかし上記特許文献１に記載の装置では、装置が起動した時点からＺ相信号が送出されない不具合が発生しているときには、必ずしも適正に異常警報が発生しない欠点がある。すなわち上記特許文献１に記載の装置は、装置が起動してから、すくなくとも一度はＺ相信号が送出され、これが検出された後に、そのＺ相信号が適正な位置で観測されなくなったときには、これを異常として検出することができる。しかし、装置が起動したはじめからＺ相信号が発生していない故障があるときには、これを適正に検知できないことがある。これは、Ｚ相信号検出処理をプログラム制御回路の割込み処理により実行するように構成され、Ｚ相に一度信号が到来すると、以降その位置にＺ相信号があるか否かを検出するように判定しているからであると考えられる。

これは工作機械など、装置が起動された時点で、観測対象となる装置の回転角度をいちど所定角度（２πまたはπ）を越えて、変化させてみることができる装置については問題がない。工作機械などでは、例えば切削工具などがその可動範囲の全角度を障害なく移動できるかどうか、装置を起動した時点で自動的に確認するようにプログラムされている。このような場合には問題がないものと理解される。しかし観測対象となる装置が、車両のステアリング・ホイールであるときには、これは必ずしもそうならない場合を配慮しなければならない。すなわち運転者が運転席に乗り込み車両の運転を開始するとき、エンジンを始動した後、車両を発進させる前に、運転者が必ずステアリング・ホイールを所定角度（例、±１８０度）を越えて回転させてみるか否かを考えると、これは必ずしも期待できないとすることが安全な考え方である。

さらに車両の操舵装置として、運転者が操作するステアリング・ホイールの回転と車輪の操舵機械系との間は、機械的に直接連結されるものでも、電気系または電気制御系が介在する構造のものでも、ステアリング・ホイールと操舵機械系との間にはかなり大きいバックラッシュ（またはアソビ）が設けてある。このバックラッシュを設けることにより運転者の疲労を小さくすることができる。このバックラッシュは大型車両では、ステアリング・ホイールの回転角度の十度ないし十数度程度に設定される。すなわち車両が直進する状態では、ステアリング・ホイールの回転角度が十数度変化しても、操舵装置としては不感状態になることがある。このような系に精度の高い、敏感なロータリ・エンコーダを利用する必要はなく、上記特許文献１に開示された装置は高級にすぎることになる。

本発明はこのような背景に行われたものであって、大型車両の操舵装置に利用するに適する回転検出装置を提供することを目的とする。本発明は、ステアリング・ホイールの回転角度が一回転（または半回転）したことを検出するＺ相信号が、適正に送出されないことを、装置が起動された直後からＺ相信号が一度も発生していない状態から警報することができる、回転検出装置を提供することを目的とする。本発明は、車両のステアリング・ホイールの回転角度を検出するために適するロータリ・エンコーダを提供することを目的とする。本発明は構成が簡単であり安定なステアリング・ホイールを提供することを目的とする。

本発明のロータリ・エンコーダは、Ｚ相信号が発生するとこれを取込み、これにより割込み処理を実行するのではなく、装置の起動直後からＺ相信号が期待される位相範囲を予測し、その予測範囲でＺ相信号が受信されるか否かを観測することを特徴とする。

すなわち本発明は、一つの回転軸について相互に位相角がα（αは分解能）ずつずれた三相の角度情報を検出する第一の手段と、前記回転軸について所定の大きい回転角度（１回転（２π）または１／２回転（π））毎に零点情報（Ｚ相の信号）を検出する第二の手段と、かりに第二の手段に一度も零点情報が検出されていない状態でも、前記第一の手段により検出される角度情報が前記所定の大きい回転角度（１回転＋δ（δはマージン）または１／２回転＋δ）を越えるまでに前記第二の手段の検出出力が発生しない場合には異常警報を発生する第三の手段とを備えたことを特徴とする。

前記第二の手段によりいったん零点情報が検出された後にその零点情報が発生すべき位置を角度σ（σはスリット幅）を十分に越えたことが前記第一の手段により検出されても前記第二の手段に零点情報が検出されないときに異常警報を発生する第四の手段とを備えることができる。これは零点近傍で長時間にわたり操舵角度が零になる場合に有利である。すなわち本発明をステアリング・ホイールに実施する場合に有利になる。

前記第二の手段における零点情報のパルス幅は、前記第一の手段における前記三相の各スリット間隔に相当する幅より大きく設定することがよい。この構成により零点情報を区別してはっきり確認することができる。

前記第一の手段は、前記回転軸に固着されその回転軸を中心とする円周上に等角度で形成された多数のスリットを含む回転板と、そのスリットを透過する光の検出手段とを含み、前記第二の手段は、前記回転板に前記円周と直径の異なる同心円周上に形成された一つ（または二つ）のスリットを含む構成とすることができる。

本発明の第二の観点は、上記ロータリ・エンコーダをその要素として含む車両の操舵装置である。

本発明の装置により、装置の起動時からＺ相信号に異常がある場合にも、車両が加速する前に適正にこれを検出することができる。装置の起動時にＺ相信号に異常がなく、運用途中でＺ相信号に異常が発生した場合にも、これを適正に検出することができる。本発明を車両のステアリング・ホイールの角度検出に実施する場合には、運転者が運転席に乗り込み、エンジン始動後に最初にステアリング・ホイールを操作した時点で、角度情報を検出する検出手段に異常があれば、これを適正に警報することができるから、運用の信頼性および安全性を高くすることができる。

本発明施例装置として、本発明を大型車両のステアリング・ホイール操作角度検出装置として利用した形態を説明する。図１はステアリング・ホイールの回転軸まわりに装着される要部部品を説明する分解構造斜視図である。回転センサ１１はステアリング・ホイール（右上方図外）により回転される回転軸１４に取付けられる。この位置は方向指示操作端１２およびランプ類操作端１３のちょうど下側になる。

回転センサ１１の内部には、図２にその平面図を示すように、薄い金属板により形成された回転板１５が装着されている。この回転板１５はその中心の丸穴がステアリング・ホイールの回転軸に固着されている。そしてこの回転板１５には、円周に沿って回転角度およびその回転方向を検出するためのスリット１６、およびその外側に回転数を検出するためのスリット１７とが形成されている。回転角度を検出するためのスリット１６は、周回りに合計４０個、すなわち回転角９度ごとに１個が形成されている。一つのスリット１６の開口角度は約３度に設定されている。これはステアリング・ホイールのいわゆるアソビ回転角度と関連する。一般に大型車両のステアリング・ホイールは、その回転角度の１０度すなわち±５度前後のアソビが設けてある。したがってロータリ・エンコーダの零点検出精度はこのアソビと同等の角度に設定することがよい。

回転数を検出するためのスリット１７は、回転板１５のやや内側の位置に一周に１個のみ形成されている。このスリット１７の開口角度は上記スリット１６の約１．５〜３倍の角度に設定されている。この回転板１５の表面から光が照射され、回転板１５の裏側にこの二つのスリットを通過する光が光感応素子により検出される。

スリット１６を通り抜けた光については、この回転センサ１１の回転軸まわりに３点で観測される。すなわち３個の感光素子が配置され、その出力がそれぞれＡ相、Ｂ相、およびＣ相となる。この３点の観測位置は回転板１５の回転角にたいして実質的に３度ずつずれた位相位置に設定される。３点の観測位置は同一のスリットを通過した光であっても、それぞれ別のスリットを通過した光であってもよいが、一般に感光素子はある大きさを有するので、３個の感光素子を適当な３箇所に分散して配置し、それぞれ互いに実質的に回転角として３度ずつ観測位相のずれた光信号を観測するように設定する。この３個の感光素子の出力位相から回転板１５の回転方向を識別することができる。この技術はよく知られた技術であるのでさらに詳しい説明は省略する。

スリット１７を通り抜けた光は上記３個の感光素子とは別の１個の感光素子により観測される。この１個の感光素子の出力はＺ相出力となる。上述のようにこのスリット１７はスリット１６よりやや幅広く形成されている。この実施例ではスリット１７は一周に１個のみ形成されている。

図３に上記各感光素子の出力光を観測する判定回路の構成図を示す。すなわち回転センサ１１の出力（Ａ相、Ｂ相、Ｃ相およびＺ相）はそれぞれ判定回路５の入力に接続される。この判定回路５はプログラム制御回路により構成され、その出力である回転位置情報端子３には、ステアリング・ホイールの回転角度の絶対位置情報が送出される。この回転角度の絶対位置情報は、ステアリング・ホイールが車両の直進方向にあるときを零点として、左回りに加算され、右回りに減算される（第三の手段の出力）数値情報である。これは正または負の極性を伴う情報であり、原則的には上記出力の一つ（例、Ａ相）の加算または減算情報である。回転位置情報端子３の出力は、このステアリング・ホイールにより操舵される操舵装置の入力信号となる。

判定回路５のもう一つの出力は警報表示（第四の手段の出力）である。これは上記数値情報が回転板１５の一回転の角度２π（３６０度）を越えても、Ｚ相に出力が検出できないときに発生する。さらに詳しくは角度２πに一定の余裕角度δを加えた角度を越えても、Ｚ相に出力がないときに発生する。これはこのロータリ・エンコーダの出力信号には誤りがあり、これをそのまま利用することができない旨の表示信号として利用される。余裕角度δは実用的には（１／１００）π〜（１／１０）π、または数度程度に設定される。角度２πを越えるとしたが、零位置を原点として、角度±（π＋δ）の範囲を越える、と表現することもできる。

上記実施例は、車両用ステアリング・ホイールに実施する例を説明したが、本発明のロータリ・エンコーダは、ステアリング・ホイール以外にさまざまに利用することができる。

本発明の実施例装置ステアリング・ホイール・シャフトの分解斜視図。 本発明実施例装置に利用する回転板の平面図。 本発明実施例ロータリ・エンコーダのブロック構成図。 本発明実施例ロータリ・エンコーダの出力信号説明図（正常時）。 本発明実施例ロータリ・エンコーダの出力信号説明図（異常時）。 本発明実施例ロータリ・エンコーダの出力信号説明図（異常時）。 本発明実施例ロータリ・エンコーダの要部フローチャート。

符号の説明

３ 回転位置情報端子（第三の手段）
４ 警報表示（第四の手段）
５ 判定回路
１１ 回転センサ
１２ 方向指示操作端
１３ ランプ類操作端
１４ 回転軸
１５ 回転板
１６ スリット（角度検出用）
１７ スリット（回転数検出用）

Claims (4)

1. 一つの回転軸について相互に位相角がα（αは分解能）ずつずれた三相の角度情報を検出する第一の手段と、前記回転軸について所定の大きい回転角度毎に零点情報を検出する第二の手段と、前記第一の手段により検出される角度情報が前記所定の大きい回転角度を越えるまでに前記第二の手段の検出出力が発生しない場合には異常警報を発生する第三の手段とを備えたことを特徴とするロータリ・エンコーダ。
2. 前記第二の手段によりいったん零点情報が検出された後にその零点情報が発生すべき位置を角度σ（σはスリット幅）を越えたことが前記第一の手段により検出されても前記第二の手段に零点情報が検出されないときに異常警報を発生する第四の手段とを備えた請求項１記載のロータリ・エンコーダ。
3. 前記第二の手段における零点情報のパルス幅は、前記第一の手段における前記三相の各スリット間隔に相当する幅より大きく設定された請求項１記載のロータリ・エンコーダ。
4. 請求項１記載のロータリ・エンコーダをその要素として含む車両の操舵装置。

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