JP4327735B2 - 光回転角度トランスミッタ及び回転角度トランスミッタのコード円板を走査する方法 - Google Patents

Description

本発明は、ある構成要素の絶対的角度位置を決定することのできる光回転角度トランスミッタに関する。本発明は、特に、自動車のステアリング角度センサにて使用することができる回転角度トランスミッタに関する。本発明は、回転角度トランスミッタのコード円板を走査する方法に更に関する。

従来の技術から、デジタルトラックを有するコード円板を透明又は反射式に走査することに基づく、絶対作動式の各種の光角度トランスミッタが既知である（例えば、ドイツ国特許明細書ＤＥ１９８ ５５ ０６４号及びドイツ国特許明細書ＤＥ １９９ ４４ ００５号を参照）。かかる回転トランスミッタは、表現すべきＮ個の角度位置に対しｌｏｇ２（Ｎ）のコードトラックを必要とする。このため、制限された構造的空間により、各光センサに対する開口幅は、１／ｌｏｇ２（Ｎ）だけ減少する。これと同時に、開口の高さは１／Ｎにて低下する。このため、開口面積（従って、各光センサに対し利用可能な光の量）は、１（Ｎ^＊ｌｏｇ２（Ｎ））にて減少し、このことは、技術的に実現可能な精度を著しく制限することになる。

例えば、損傷したコード円板のような、生じる可能性のある全ての欠陥に対しかかる回転トランスミッタを保障するため、更なるステップが必要となる。１つの方策は、保障に必要とされるトラックの形態を２重にすることから成る。しかし、これらのステップは、光の量の問題を一層、厳しいものにする。純粋のデジタルセンサは、更に、コードを全てのトラックに対し等しく付与しなければならないという不利益な点を有する。

コード円板を純粋にアナログ走査することに基づく絶対角度トランスミッタも知られている（例えば、ドイツ国特許明細書ＤＥ１０１ ４３ ６６２号参照）。しかし、これらの角度トランスミッタは、アナログトラックを比較的長い距離に亙って極めて正確に形成しなければならないという不利益な点がある。かかるトランスミッタの調節範囲は制限され、下流にて接続されたアナログ対デジタル変換器に要求される精度は比較的高い。比較的不正確に形成されたトラックに沿った十分に極めて多数の点によってトランスミッタを１回較正し、次に、発見された較正値に沿って作動中に補間する解決策は、実際には、関係する構成要素の老化のためうまくいかない。

ドイツ国特許明細書ＤＥ １９６０４ ５０２号から、一連のグレイコードトラックが使用され、また、鋸歯形状のアナログトラックにより高度の角度の正確さを実現する回転トランスミッタが既知である。この装置は、鋸歯の変化箇所に歯の中心部と同一の輝度を生じさせるという不利益な点を有する。これにより、読み取るべき角度の曖昧さが存在する。更に、このトランスミッタは、コードトラックの損傷に対し確実に保障されていない。

ドイツ国特許明細書ＤＥ ４０１４ ４７９号から、一連の２進コードトラックを使用し、また、アナログトラックにより高度の正確さを実現する角度トランスミッタが既知である。この装置は、コードトラックの損傷に対し確実に保障されていないという著しく不利益な点を有する。更に、コア内にて正弦波状の形状に制限される、使用されるアナログトラックは、特に、光の強さが最大又は最小の環境に近接してほぼ零の勾配を有するから、角度の正確さを向上させ得るよう最適に形成されない。

ドイツ国特許明細書ＤＥ １０００６ ６７５号から、幾つかのグレイコードを付与したデジタルトラックと、該トラックと共に、幅が連続的に同調して上昇し又はそれぞれ降下するアナログトラックとを有する、パス又は角度の測定装置が既知である。走査は、複数の光センサを規則的に配置することにより行われ、これら複数の光センサの互いの間隔は、アナログトラックの幅よりも明確に小さい。この装置は、実現可能な分解能の向上がアナログトラック幅に割り当てられる光センサの数により制限されるという不利益な点を有する。この技術は、要求される精度の向上程度が比較的高い場合、要求される光センサ列の価格が明確に安くなるときにのみ魅力あるものとなる。これと代替的に、アナログトラックの幅を増大させることも考えられるが、このことは、照明上の問題点を招来し、更に、構造的空間に制約を課すことになる。上述した装置の更なる不利益な点は、走査値の曖昧さを回避するため、分解能を向上させるのに利用可能な角度間隔（２つのデジタルコードのジャンプ間）を最大限利用する場合、同一型式で且つ、相変位した第二のトラックを必要とする点である。

本発明は、可能な限り少ないコードを使用して、可能な限り高精度を実現することができ、また、製造精度の必要条件が可能な限り少なくて済む、回転トランスミッタ及び回転トランスミッタのコード円板を走査する方法を提供するという課題に基づくものである。

この課題は、デジタル式の構造とされ且つ、誤差に対して保障され、現在の角度間隔を複数の可能な角度間隔から決定するための多数のトラックコーディングと、現在の角度間隔内におけるコード円板の正確な角度位置を決定するためのアナログコーディングと、トラック毎にデジタルコーディングと関係付けられる光センサとを備える光回転角度トランスミッタにより解決される。このようにして、製造費用は特に経済的となる。デジタルコーディングが誤差を保障するため、保障機能を果たす追加的なコードトラックは不要である。

本発明の１つの好ましい実施の形態によれば、アナログコーディングの最大又はそれぞれ最小の走査値を補間の基準値として記憶させることのできる処理システムが提供される。このようにして、回転角度トランスミッタの構成要素における、老化（経時的劣化）に起因するような、変化に基づく測定値の全ての誤差を防止することができる。

本発明の有利な更なる展開例において、デジタルコードトラックは、回転方向位相の変化に従って部分的に重なり合うようにされる。このため、要求されるコードトラックの数を、更に少なくすることができ、その結果、構造的寸法は小さくなる。

上述した問題点は、現在の角度間隔を複数の可能な角度間隔から決定することのできるデジタルコーディングと、現在の角度間隔内におけるコード円板の正確な角度位置を決定することのできるアナログコーディングとを有し、アナログコーディングは、順次に最大値及び最小値を有し、アナログコーディングは、走査され、発見される最大又は最小の走査値が補間基準値として処理システムに記憶される、回転角度トランスミッタのコード円板を走査する方法によっても解決される。この方法によって解決することのできる有利な効果に関して、上記の説明を参照できる。

図１には、ステアリング角度センサの一部分である回転角度トランスミッタ５が示されている。該ステアリング角度センサは、線図で示したステアリング軸７の角度位置を決定する作用を果たす。

回転角度トランスミッタは、ステアリング軸７と共に回転するようにステアリング軸７に接続されたコード円板１０を有している（図２も参照）。該コード円板１０は、プラスチックで出来ており、図示した実施例において、透明な構造とされている。コード円板には、異なるコードトラックが配置されており、このことは、２種類の角度の決定、すなわち、一方にて、色々な角度間隔を識別し、他方にて、これら角度間隔の１つにて角度を決定することを可能にする（図３も参照）。コードトラックは、線図的に示した光源１２により照明される。

色々な角度間隔Ｗ間にて識別するため、幾つかの系のデジタルコードトラック１４が提供される。本明細書にて、「デジタル」とは、コードトラック１４の各々が該トラックと関係した光センサ１６に対し、例えば、光の通過及び光の吸収の組合せ、或いは光の反射及び光の吸収の組合せのようなデジタル情報を提供することを意味する。このため、コードトラック１４のコーディングは、光吸収性材料又は光反射性材料から成るものとすることができる。図示した一例としての実施の形態において、コード円板１０は、１６個の角度間隔Ｗに分割され、また、６つのデジタルコードトラック１４を有している。より多数の角度間隔Ｗを使用することも可能であることは明らかである。

デジタルコードトラック１４における上述した老化に起因する測定値の誤差を防止するため、デジタルコードトラック１４の特殊な配置が使用され、この場合、複数の角度間隔Ｗの各々において１つのトラックが正確にその状態を変化させる。このため、一つの欠陥（すなわち、任意の角度位置におけるコードトラックの上記老化に起因する損傷）があっても、精々、角度間隔の大きさに角度誤差が生ずるに過ぎない。また上記一つの欠陥以外の他の全ての欠陥は、円板にて本来生じていないコードとして直接認識されるに過ぎない。このことは、欠陥を保障するためデジタルコードトラックを２重にすることを不要にする。

角度間隔Ｗ内における正確な角度位置を確立するため、デジタルコードトラック１４に加えて、アナログコードトラック１８が提供される。本明細書にて「アナログ」とは、このコードトラックから読み出すことのできる情報が複数の別個の値をとることが可能であることを意味する。アナログコードトラック１８は角度間隔Ｗ内にて連続的に変化する。本明細書に示した一例としての実施の形態において、その幅が角度間隔Ｗ内で直線状に連続的に増大し、また、次の角度間隔Ｗに変化するとき、再度、直線状に連続的に減少するコードトラック１８が使用される。アナログコードトラック１８は、光センサ２０によって走査される。実施の形態に依存して、アナログコードトラック１８は、光に対し不透過性又は光に対し透過性であるような構造とされている。

検出されたアナログコードトラック１８の最大（又は最小）走査値は、それぞれの対応した角度間隔Ｗにおけるアナログ基準値として下流にて接続された処理システム２４に記憶される。次に、角度間隔Ｗ内の最大値と隣接する最小値との間の正確な角度が補間法により決定される。

アナログコードトラック１８の最大又は最小の走査値は、回転角度トランスミッタの作動時、規則的に更新することができる。この連続的な再較正法により、関係する構成要素の老化があってもそれを絶えず連続的に再較正して更新するのでその影響を受けない。更に、アナログトラックが直線性であることの要求は、角度間隔Ｗ内の比較的小さい領域に制限される。下流にて接続されたアナログ対デジタル変換器の精度に課される要求は、同様に、角度間隔Ｗを所望の角度精度に分割することに制限される。

アナログトラックの老化に起因する欠陥を保障するため、アナログトラック１８は、第一のセンサ２０に対して所定角度だけオフセットさせた追加のセンサ２６によって走査される。この所定角度は、角度間隔Ｗの１／２プラスこの角度間隔の整倍数を加えた値に等しいことが好ましい。角度間隔Ｗ内におけるセンサ２０、２６の各角度に対し該センサ２０、２６の特定の対の走査値が得られるから、アナログトラックに対する損傷を確実に認識することができる。更に、このように、現在の角度間隔が、デジタルトラックに関する情報が無い場合でさえ隣接する角度間隔から識別することができる。これにより、角度間隔の大きさに角度誤差を生じさせる、デジタルトラックに対する損傷さえも検出することができる。

図４には、第二の実施の形態に従った回転角度トランスミッタに対する、コード円板１０及び光センサ１６Ａ１ないし１６Ａ４並びにコード円板と関係した光センサ１６Ｂ１、１６Ｂ２が示されているが、この図は、単に、コード円板及び図５に示した該コード円板と関係したセンサを示すものに過ぎない。図４に従ったコード円板１０は、この場合にも、１６個の角度間隔Ｗに分割され、図２のコード円板１０の場合と同様に、１つの代替的な配置にて存在する、６つのデジタルコードトラック１４Ａ１ないし１４Ａ４並びに１４Ｂ１、１４Ｂ２を有している。これらは、この場合にも、漸進的な角度間隔Ｗに対しそれぞれ正確に１つのトラックがその状態を変化させる。その他の点にて、コード円板１０は、図２に示したコード円板と同一であり、ステアリング軸の正確な角度位置を決定するため同一の仕方にて使用することができる。図４にて見ることができるように、デジタルコードトラック１４Ａ１ないし１４Ａ４の配置及びトラック１４Ｂ１、１４Ｂ２の配置は正確に選択され、角度間隔Ｗの整倍数だけ変位されたとき、同一の番号で示したそれぞれのコードトラックは互いに重なり合う。例えば、２つの部分から成る１４Ｂ２で示したコードトラックは、コードトラック１４Ｂ２の全体が１つの角度間隔だけ反時計回り方向に回転したとき、同様に、２つの部分から成る、１４Ｂ１で示したコードトラックと同一の位置を有する。次に、すなわち、コードトラック１４Ｂ２のみが上述した仕方にて回転し、該トラックと関係したセンサ１６Ｂ２が、これに相応して回転しなければならないとき、直接重ね合わされた２つのトラック１４Ｂ１、１４Ｂ２は物理的に組み合わせて単一のトラック１４Ｂ（この場合にも、２つの部分から成る）を形成することができる（図５）。互いに１つの角度間隔Ｗだけ変位させた２つのセンサ１６Ｂ１、１６Ｂ２がこれらトラックと関係しており、これによりコード円板１０によって要求される構造的空間は、どのような種類の情報をも何ら失うことなく減少させることができる。

同様に、参照番号１４Ａ１ないし１４Ａ４で示したコードトラックを互いに変位させることにより、また、これらの相変位に従ってこれらを１つの単一のコードトラック１４Ａに組み合わせ、これに相応して、コードトラックと関係したセンサ１６Ａ１ないし１６Ａ４を同時に変位させることにより、構造的空間を更に減少させることが可能である。このようにして形成され、関係したセンサ１６Ａ１ないし１６Ａ４並びに１６Ｂ１、１６Ｂ２を含む、数が減少したコードトラックを有するコード円板１０が図５に示されている。該コード円板は、図２に示したコード円板の誤差に対する保障効果を維持しつつ、構造的空間を大幅に減少させ、また、製造費用を明確に削減するという有利な効果を提供する。

回転角度トランスミッタの断面図である。 図１の回転角度トランスミッタにて使用することができる、第一の実施の形態によるコード円板及び関係した光センサの線図的頂面図である。 角度を決定する順序を示す線図である。 図５を説明する作用を果たす、第二の実施の形態によるコード円板及び関係した光センサの線図的頂面図である。 第三の実施の形態によるコード円板及び関係した光センサの線図的頂面図である。

５ 回転角度トランスミッタ
７ ステアリング軸
１０ コード円板
１２ 光源
１４；１４Ａ１−１４Ａ４、１４Ｂ１−１４Ｂ２；１４Ａ、１４Ｂ デジタルコードトラック
１６Ａ１−１６Ａ４、１６Ｂ１−１６Ｂ２ 光センサ
１８ アナログコードトラック
２０、２６ 光センサ
２４ 処理システム
Ｗ 角度間隔

Claims (16)

1. 複数の角度間隔（Ｗ）を有するコード円板（１０）と光センサ（１６，２０）とを含む光回転角度トランスミッタであって、該コード円板（１０）は、
   前記複数の角度間隔（Ｗ）のうちの所定の角度間隔を前記光センサ（１６）により、コード円板の現在の角度間隔として検出されるデシタルコーディング（１４）と、
   前記光センサ（２０）により検出されて前記現在の角度間隔（Ｗ）内におけるコード円板（１０）の所定角度位置を決定することのできるアナログコーディング（１８）とを有し、
   前記アナログコーディング（１８）の最大及び最小の走査値がそれぞれの対応した角度間隔（Ｗ）における補間基準値（ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）として記憶される処理システム（２４）であって、現在の角度間隔（Ｗ）内のコード円板（１０）の現在の角度位置を、前記アナログコーディング（１８）から得られた情報を補間することにより決定する前記処理システム（２４）を更に備える、光回転角度トランスミッタ。
2. 請求項１に記載の回転角度トランスミッタにおいて、
   デジタルコーディングが、複数のデジタルコードトラック（１４；１４Ａ１−１４Ａ４、１４Ｂ１−１４Ｂ２；１４Ａ、１４Ｂ）により形成されることを特徴とする、回転角度トランスミッタ。
3. 請求項１又は請求項２に記載の回転角度トランスミッタにおいて、
   アナログコーディングが、アナログコードトラック（１８）により形成されることを特徴とする、回転角度トランスミッタ。
4. 請求項３に記載の回転角度トランスミッタにおいて、
   アナログコードトラックの幅が、任意の角度間隔（Ｗ）内にて減少し又は増加し、前記任意の角度間隔（Ｗ）に隣接する角度間隔（Ｗ）内にて増加し又は減少することを特徴とする、回転角度トランスミッタ。
5. 請求項４に記載の回転角度トランスミッタにおいて、
   アナログコードトラックの幅が、前記任意の角度間隔内にて連続的に変化することを特徴とする、回転角度トランスミッタ。
6. 請求項３ないし請求項５の何れか１つの項に記載の回転角度トランスミッタにおいて、
   互いに対しある角度だけオフセットされた２つの光センサ（２０、２６）がアナログコードトラック（１８）に対応して設けられたことを特徴とする、回転角度トランスミッタ。
7. 請求項１ないし請求項６の何れか１つの項に記載の回転角度トランスミッタにおいて、
   コード円板（１０）が、透明な構造とされ、
   コーディング（１４、１８）が、光に対し透過性又は光吸収性であることを特徴とする、回転角度トランスミッタ。
8. 請求項１ないし請求項６の何れか１つの項に記載の回転角度トランスミッタにおいて、
   コード円板（１０）が、光に対し不透過性であるような構造とされ、
   コーディング（１４、１８）が、光反射性又は光吸収性であることを特徴とする、回転角度トランスミッタ。
9. 請求項２ないし請求項８の何れか１つの項に記載の回転角度トランスミッタにおいて、
   前記複数のデジタルコードトラック（１４Ａ１−１４Ａ４、１４Ｂ１−１４Ｂ２）が、回転方向位相の変化（ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｓ）に従って部分的に重なり合うことを特徴とする、回転角度トランスミッタ。
10. 請求項９に記載の回転角度トランスミッタにおいて、
    前記重なり合う部分を有する複数のデジタルコードトラックが、物理的に組み合わされて単一のデジタルコードトラック（１４Ａ、１４Ｂ）を形成することを特徴とする、回転角度トランスミッタ。
11. 請求項１０に記載の回転角度トランスミッタにおいて、
    複数の光センサ（１６Ａ１−１６Ａ４、１６Ｂ１−１６Ｂ２）が、前記組み合わせた単一のデジタルコードトラック（１４Ａ、１４Ｂ）に沿って配置されることを特徴とする、回転角度トランスミッタ。
12. 請求項１１に記載の回転角度トランスミッタにおいて、
    前記単一のデジタルコードトラック（１４Ａ、１４Ｂ）に沿って配置された光センサ（１６Ａ１−１６Ａ４、１６Ｂ１−１６Ｂ２）が、回転方向位相の変化に相応する配置を有することを特徴とする、回転角度トランスミッタ。
13. 請求項９ないし請求項１２の何れか１つの項に記載の回転角度トランスミッタにおいて、
    前記回転方向位相の変化が、角度間隔（Ｗ）の整倍数で変化することを特徴とする、回転角度トランスミッタ。
14. 請求項１ないし請求項１３の何れか１つの項に記載の回転角度トランスミッタを備えるステアリング角度センサ。
15. 回転角度トランスミッタのコード円板（１０）を走査する方法において、該コード円板（１０）は複数の角度間隔（Ｗ）を有すると共に、
    該複数の角度間隔（Ｗ）のうちの所定の角度間隔を現在の角度間隔として光センサ（１６）により検出されるデジタルコーディング（１４）と、
    現在の角度間隔（Ｗ）内におけるコード円板（１０）の所定角度位置を決定することのできるアナログコーディング（１８）と、
    を有する前記方法において、
    アナログコーディング（１８）が、所定の最大値から所定の最小値までの連続する値を有し、
    アナログコーディング（１８）が走査され、
    検出された最大及び最小の走査値がそれぞれの対応した角度間隔（Ｗ）における補間基準値として処理システム（２４）に記憶され、
    現在の角度間隔（Ｗ）内におけるコード円板の所定の角度位置が、アナログコーディング（１８）から得られた情報を該処理システム（２４）内において補間することにより決定される、方法。
16. 請求項１５に記載の方法において、
    アナログコーディング（１８）の最大又は最小の走査値が、回転角度トランスミッタの作動中、更新されることを特徴とする、方法。

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