JP2010539506A - 逐次読み取り式絶対位置センサ - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも一つの検出器（３）を備える逐次読み取りを行う絶対位置センサ（１０）に関し、前記検出器（３）は、当該検出器に対して可動な部材（１）上に設けられたターゲットパターン（２）の遷移を検出することができる。本センサは、前記検出器（３）から生じる所定の数の連続データを記憶可能なシフトレジスタと、前記レジスタの値（５）を、各々がターゲットパターン（２）に対する検出器（３）の位置に対応する所定の値のセット（６）と比較する手段とを備えていることを特徴とする。

Description

本発明は、計測学の分野、特に絶対位置測定に適した計測学に関する。

本発明の対象は、具体的には、特に自動車分野に適用される絶対位置センサである。

一般的に、絶対位置センサは多くの用途を有する。本発明の用途では、部材の運動によって、あるいは閉ループ制御との関連において、所定の設定点が測定される。この部材の位置が上記設定点を示す。閉ループ制御に関して、可動部材の位置はアクチュエータによって生じる運動の結果である。

絶対位置を測定するために、多くの解決策が既に提案された。最も簡単な解決策の一つは、可変抵抗型ポテンショメータを使用することである。ポテンショメータのカーソルは測定すべき位置に直接つながっている。ポテンショメータの端子とそのカーソルの間の電気抵抗の測定は、絶対位置を推定するのに十分である。しかしながら、このような解決策は、接触式測定につきものの欠点を有する。発生する摩擦が、センサの信頼性に開く影響を与える摩耗源となる。

このために、許容可能な頑丈さを得るために、非接触式の測定法が開発された。様々な非接触式測定技術は、様々な物理現象、例えば光学的または磁気的な物理現象を用いる。一般的に、非接触式測定は、上述のポテンショメータに基づく解決策に依存するアナログ測定とは異なり、デジタル式の測定を行うことを目指している。

これを行うために、センサは、部材上に設けられたターゲットパターンの遷移を検出可能な一つ以上の検出器を備えている。この部材は検出器と相対的に動くことができる。これらの遷移の検出により２進信号を生成することができ、この２進信号は次いで特別なアルゴリズムによって処理される。

最も簡単な解決策や最も普及している解決策の中で、均一に離隔された複数のパルスからなるターゲットパターンと関連づけられた検出器が知られている。この検出器は、通過するパルスを計数することができ、従って検出器とターゲットパターンを担持する部材との間の相対運動を測定することができる。これは運動の方向が既知であることを前提とする。実質的に相対運動を測定するこの種のセンサによって絶対位置を知るためには、絶対的な基準に対する固定化の処理を実行することが必要である。この基準は、移動の端のストッパまたは移動の正確な場所に設けられたインデックスからなっている。この固定化処理を適所で行うことは、通常、厄介かつ複雑であり、検出が失敗する度に繰り返さなければならない場合は特にそうである。従って、このような固定化処理は、動いている自動車上で行うことが困難である。

このような測定のローバスト性を高めるために、検出器の数、つまり同一センサ内のターゲットパターンの数を増やすことが提案された。これを行うために、特許文献１および特許文献２に記載されているように、複数の検出器が並列に設置されて、複数の個別のターゲットパターンの遷移を感知する。

すべての検出器においてグレイコードまたは類似のコードを生成するように設計されたターゲットパターンを使用することにより、ローバスト性を高めることができる。

このような解決策は、ローバスト性があり、固定化処理を行わない位置測定を可能にする点で満足できるものである。一方、これらの解決策は、多数の検出器を必要とし、従ってセンサのコストの増大を生じ、とりわけ信頼性の低下をもたらす。このような欠点は、センサに高い分解能を求める場合、直接検出器の数の増大につながるため、さらに大きくなる。

英国特許第２２２６７２０号明細書 欧州特許第０５６１４１６号明細書

本発明が解決しようとする一つの課題は、使用する検出器の数を制限することによって、既存の解決策に近い分解能を有する測定解決策を提供することである。

したがって、本発明は、少なくとも一つの検出器を備え、この検出器が、それに対して可動な部材に設けられたターゲットパターンの遷移を検出できる、絶対位置センサに関する。検出器に対して可動な部材の移動性は、相対運動が可能であることを意味し、その結果、検出器を固定して移動可能部材が動くこと、逆にターゲットパターンを担持する部材の前で検出器が動くこと、または検出器と移動可能部材の両方が動くことを意味する。

本発明によれば、このセンサは、上記検出器から生じる情報の所定数の連続項目を記録できるシフトレジスタと、上記レジスタの値を、前記ターゲットパターンに従って予め決定された値のセットであって、ターゲットパターンを担持する部材に対する検出器の絶対値を示す値のセットと比較する手段とを備えていることを特徴とする。

換言すると、本発明は、単一のターゲットパターンを使用し、このターゲットパターンの遷移をシフトレジスタによって連続的に取得する。従って、このレジスタの値は、ターゲットパターンの一部を所定のビット数で採用する。この値を、ターゲットパターン全体にわたって観察することができる同じ長さのパターンの部分と比較することにより、ターゲットパターンを担持する部材に対する検出器の絶対値を推定することができる。

シフトレジスタのすべてのビットが供給された瞬間からのみ、この比較が可能であることに注意されたい。従って、測定位置は初期化時に即座に得ることはできない。しかしながら、この欠点は、センサがターゲットパターンの検出器を一つだけしか備えていないという事実によってほとんど相殺される。このセンサの信頼性と価格は大幅に改善される。

シフトレジスタクロックは、実際には様々な方法で供給可能である。

従って、第１実施形態では、センサは、第１の追加パターンの周期的な遷移を検出可能な第１の追加検出器を備えており、この追加パターンの周期はターゲットパターンの最小周期に等しい。換言すると、第２検出器は、主たるターゲットパターンと抱き合わせて配置されたパルスパターンを検出することができる。従って、これらパルスの各々は、シフトレジスタのビットを、主たるターゲットパターンの運動の最高周波数でオフセットすることができる。

第２実施形態では、ターゲットパターン自体が二相コードであってよく、ターゲットパターンの情報項目の変化の最大周波数で、当該コードから信号を抽出することを可能にする。様々なタイプの二相コードを使用することができ、特にマンチェスタータイプのコードまたはＦ２Ｆコードとして知られている２周波数一定−相コードを使用することができる。

第３実施形態では、センサは第１の追加パターンとは位相がずれている第２の追加パターンの周期的な遷移を検出可能な第２の追加検出器を備えている。このような位相のずれは、任意選択可能である。というのは、運動の方向を検出可能にするために、２つの追加パターンの位相が反対ではないからである。実際には、使用が最も簡単で最も信頼性の高い位相シフトは４分の１周期位相シフトである。
このようなセンサは、様々な用途において、線形運動または回転を測定するために使用可能である。第１のケースでは、ターゲットパターンは直線的で、往復移動するように設計されており、これは最も一般的である。第２のケースでは、ターゲットパターンは連続する円形ループである。

一用途として、ステアリングラックの直線的な絶対位置またはステアリングホイールの絶対的な角度位置の測定を挙げることができる。

本発明を具現化する方法と、本発明によって得られる効果は、添付図面に基づく次の実施形態の説明から一層明らかになるであろう。

本発明の動作を示す基本図である。 センサの第１実施形態に従って設けられたパターンを示す図である。 センサの第１実施形態の動作を示す概略図である。 センサの第２実施形態に従って設けられたパターンを示す図である。 センサの第２実施形態の動作を示す概略図である。 センサの第３実施形態の動作を示す概略図である。 センサの第３実施形態の動作を示す概略図である。

本発明は、概ね、図１に示すように、検出器３に対して可動な部材２上に設けられたターゲットパターン１の使用に基づいている。従って、この検出器３は、ターゲットパターン１の遷移を検出し、シフトレジスタ４に供給する。このシフトレジスタの出力５は、分析により基準表６と比較することができ、このようにして測定された絶対位置７を示す。

図２および３に示す第１実施形態では、センサ１０は、情報の様々な２進項目２２、２３を含む直列のターゲットパターン２１を含む。この情報は、例えば線形フィードバックシフトレジスタ、すなわちＬＦＳＲによって生成することができる。このＬＦＳＲは、シフトレジスタを形成する所定数Ｎの縦続形フリップフロップと、一つ以上のフリップフロップの出力部から入力され、かつ出力がシフトレジスタの入力として投入される「排他的論理和」ゲートとからなっている。このＬＦＳＲは、カウンタのように、きわめて正確な連続２進コードを生成する。排他的論理和ゲートの入力を適切に選択することによって、可能なコードの数を最大にすることができる。このターゲットパターン２１は第２パルスパターン２５と関連している。このパルスパターンの周期はターゲットパターンの周期と同じである。

第１検出器２６は、直列のターゲットパターン２１を読み、２^Ｎビットからなる直列のターゲットパターン毎に、Ｎビット（図３ではＮ＝４）のシフトレジスタの入力部２７に供給する。第２検出器２８は、パルスターゲットパターン２５を読み、シフトレジスタのクロック２９に供給する。

運動の方向が既知であることを前提に、少なくともＮビットの運動が同じ方向に起こったときに、シフトレジスタ２４に含まれるコードは絶対位置情報の項目を付与する。この実施形態は特に、運動の方向が命令および制御され、従って運動の方向が既知であるシステムに適している。

図４、５に示す第２実施形態では、単一の直列ターゲットパターン４１が使用される。このターゲットパターンは、それ自体がパルスパターンを含んでいる。そのため、ターゲットパターンのコードは二相のパターンである。異なる種類のコード、特にマンチェスタータイプのコードを使用することができる。このマンチェスタータイプのコードの場合、「１」は立ち上がりエッジで示され、「０」は立ち下がりエッジで示される。適当な他の種類の二相コードを図４に示す。これはＦ２Ｆのタイプのコード、すなわち２周波数コヒーレント位相コードである。このコードの場合、「１」は周波数Ｆの方形波信号の半周期によって示され、「０」は周波数２Ｆの方形波信号の１周期によって示される。この場合、ターゲットパターン４１を読み取るために、単一の検出器４２が必要である。二相デコーダ４３は、絶対位置を示す２進情報４４と、シフトレジスタ２４に供給されるクロック信号４５とを別々に抽出することができる。

シフトレジスタ内に含まれるコードは、少なくともＮビットの運動が同じ方向で生じたとき、この運動の方向が既知であることを前提に、絶対位置情報項目を付与し、パルスパターンを正確に抽出することを可能にするおおよその運動速度を付与する。この実施形態は、運動速度が既知であり、且つ制御される場合、きわめて有利である。この運動速度は、検出のローバスト性および有効性を高めることができる。

図６、７に示す第３実施形態では、直列のターゲットパターン６１と、方形波信号の形態の２つの追加のパターン６２、６３が、四位相で使用される。

第１検出器６５は、直列のターゲットパターン６１を読み取り、２^Ｎビットを有する直列ターゲットパターン毎に、Ｎビットのシフトレジスタ２４の入力部に供給する。第２検出器６６は、第１方形波信号ターゲットパターン６２を読み取り、シフトレジスタ２４のクロック６７に供給する。第３検出器６９は、第２方形波ターゲットパターン６３を読み取り、この第２方形波ターゲットパターン６３は第１方形波ターゲットパターン６２と四位相の関係にある。この第３検出器６９は、第２検出器６６の出力部と共に、方向検出装置７０に供給する。この方向検出装置は、運動の方向から情報項目を推定することができる。特定の形態では、この検出装置７０は、少なくともＮビットの運動が同じ方向に発生したことを確認することができ、従ってシフトレジスタが適切に入力されたこと、および位置測定が適切であることを確認する。

この実施形態は、運動の方向が事前にわかっていないか、またはしばしば変化する状況に特に適している。

上記から明らかなように、本発明によるセンサは多くの利点を有し、特に、特定の実施形態では単一のセンサを有する検出器で作動するので、必要な検出器の数が極めて制限されるという利点を有する。従って、センサのローバスト性とコスト効率が特に有利である。

Claims (11)

1. 少なくとも一つの検出器（３）を備えた逐次読み取りを行う絶対位置センサ（１０）であって、前記検出器が、当該検出器に対して可動な部材（１）に設けられたターゲットパターン（２）の遷移を検出することができるもので、前記検出器（３）から生じる情報の所定の数の連続項目を記録することができるシフトレジスタと、前記レジスタの値（５）を、各々がターゲットパターン（２）に対する検出器（３）の位置に対応する所定の値のセット（６）と比較する手段とを備えていることを特徴とするセンサ。
2. 第１の追加パターン（２５）の周期的な遷移を検出することができる第１の追加検出器（２８）を備え、当該追加パターンの周期がターゲットパターンの最小周期に等しいことを特徴とする、請求項１記載のセンサ。
3. 第１の追加パターン（６２）から位相がずれている第２の追加パターン（６３）の周期的な遷移を検出可能な第２の追加検出器（６９）を備えていることを特徴とする、請求項２記載のセンサ。
4. 位相のシフトが周期の４分の１であることを特徴とする、請求項３記載のセンサ。
5. 追加検出器（２８）から発生する信号が、シフトレジスタ（２４）のクロック（２９）を提供することを特徴とする、請求項２記載のセンサ。
6. ターゲットパターン（４１）が二相コードであることを特徴とする、請求項１記載のセンサ。
7. 二相コードがマンチェスタータイプまたは２周波数コヒーレント相コードであることを特徴とする、請求項６記載のセンサ。
8. ターゲットパターンがそれを支持する部材上に直線的に描かれていることを特徴とする、請求項１記載のセンサ。
9. ターゲットパターンがそれを支持する部材上に環状に円形に描かれていることを特徴とする、請求項８記載のセンサ。
10. 電動ステアリングラックの直線上における絶対位置を測定するための、請求項１〜９のいずれか一項に記載のセンサの使用。
11. 車両のステアリングホイールの角度位置を測定するための、請求項１〜９のいずれか一項に記載のセンサの使用。

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