JP6094284B2 - 移動状態検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、両方向に回転または往復移動する移動部材の移動量を検出する移動状態検出装置に関する。

ジョグダイヤルやスライド操作部材等の操作部材の操作量（移動量）を検出する装置として、その操作量を符号化するエンコーダが従来より知られている（特許文献１参照）。例えば、この種のエンコーダは、ジョグダイヤルとともに回転するロータを備え、ロータには、回転方向に所定ピッチで複数並ぶスリットが形成されている。そして、発光素子からの出射光がスリットを透過して受光素子で検出された回数に基づき、ロータの回転量を算出することで、ジョグダイヤルの操作量を検出する。

特許第４８０４８１９号公報

ここで、本発明者は、検出対象の移動量に加えて移動方向についてもエンコーダで検出可能にするべく、発光素子および受光素子を２組備える構成を検討した。すなわち、２つの受光素子による検出タイミングの位相差に基づき、操作方向を検出する構成である。しかしながら、この構成では発光素子および受光素子を２組要するので、部品点数の増大を招く。

本発明は、上記問題を鑑みてなされたもので、その目的は、部品点数の増大を抑制しつつ、移動量に加えて移動方向をも検出可能にした、移動状態検出装置を提供することにある。

開示されたひとつの発明は上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、開示された発明の技術的範囲を限定するものではない。

すなわち、上記発明のひとつは以下の構成を備える。すなわち、両方向に回転または往復移動する移動部材であって、その移動方向（Ｙ１、Ｙ２）に遮光部（１１、１２）および透光部（１３、１４）が交互に複数並ぶように形成された移動部材（１０）を備える。遮光部の移動軌跡上の所定箇所に向けて光を出射する光源（２１）を備える。光源から出射された光のうち、遮光部で反射した光または透光部を透過した光を検出する受光素子（２２）を備える。受光素子の検出変化に基づき、移動部材の移動量を算出する移動量算出手段（３２）を備える。

さらに上記発明は、透光部の移動方向の長さ（Ｂ、Ｄ）は隣り合う透光部で異なる寸法に設定され、かつ、遮光部の移動方向の長さ（Ａ、Ｃ）は隣り合う遮光部で異なる寸法に設定されており、受光素子の検出変化パターンに基づき、移動部材の移動方向を判別する移動方向判別手段（３３）を備える。
さらに上記発明は、受光素子の検出結果を所定の時間間隔で取得した場合の、検出結果が連続して同じであった回数を連続カウント数と呼ぶ場合において、前回の連続カウント数、前々回の連続カウント数および前々々回の連続カウント数の大小比較に基づき、各々の連続カウント数に対応する移動方向の長さを特定する長さ特定手段（３４）を備える。移動量算出手段は、長さ特定手段により特定された連続カウント数に対応する長さを、検出結果が切り替わる毎に積算し、その積算値を移動量として算出する。

以上により、上記発明によれば、隣り合う透光部が異なる長さであり、かつ、隣り合う遮光部が異なる長さである。そのため、移動部材が一方に移動する場合と他方に移動する場合とで、受光素子の検出変化パターンが異なるようになる。よって、その検出変化パターンに基づき移動方向を判別する上記発明よれば、移動量を検出する１組の光源および受光素子で、移動方向をも検出できるようになる。したがって、上記発明によれば、部品点数の増大を抑制しつつ、移動量に加えて移動方向をも検出できる。

本発明の一実施形態にかかる、移動状態検出装置の全体を示す模式図。 図１のカウント手段によるサンプリング周期を示す図。 図１のロータが反時計方向に回転した場合における、カウント数の変化パターンを示す図。 図１のロータが時計方向に回転した場合における、カウント数の変化パターンを示す図。 図１のマイコンによる回転方向および回転量を算出する処理手順を示すフローチャート。

以下、本発明の移動状態検出装置を、ユーザにより回転操作されるダイヤルの回転量および回転方向を検出する装置に適用した一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１に示すように、移動状態検出装置は、以下に詳述するロータ１０、センサ２０およびマイクロコンピュータ（マイコン３０）を備えて構成されている。マイコン３０は、中央処理演算装置（ＣＰＵ）およびメモリ（ＲＯＭ、ＲＡＭ）を有する周知の集積回路であり、センサ２０の検出結果に基づきダイヤルの回転量（移動方向長さ）および回転方向（移動方向）を算出する。

ロータ１０（移動部材）は、ダイヤルに取り付けられており、ダイヤルとともに回転する。なお、ロータ１０の回転中心１０ａとダイヤルの回転中心とは一致する。ロータ１０は、回転方向に所定ピッチで複数並ぶ第１遮光部１１と、その所定ピッチと同じピッチで複数並ぶ第２遮光部１２と、を備える。これらの遮光部１１、１２は、円板形状の本体部１０ｂから回転中心１０ａ方向に延びる形状である。第１遮光部１１と第２遮光部１２とは、回転方向に交互に並ぶ。第１遮光部１１の回転方向長さＡは、第２遮光部１２の回転方向長さＣよりも長い。

両遮光部１１、１２の間には、回転方向長さが異なる第１スリット１３および第２スリット１４が形成される。第１スリット１３および第２スリット１４は、回転方向に交互に並ぶ。第１スリット１３の回転方向長さＢは、第２スリット１４の回転方向長さＤよりも長い。要するに、これらの遮光部１１、１２およびスリット１３、１４は、第１遮光部１１、第１スリット１３、第２遮光部１２、第２スリット１４の順に回転方向に並ぶ。なお、これらのスリット１３、１４が特許請求の範囲に記載の「透光部」に相当する。また、第１スリット１３の長さＢと第２遮光部１２の長さＣは同じであり、かつ、第２スリット１４の長さＤと第１遮光部１１の長さＡは同じである。

センサ２０は、発光素子２１（光源）および受光素子２２を備える。発光素子２１は、遮光部１１、１２の回転軌跡上の所定箇所に向けて光を出射するように配置されている。受光素子２２は発光素子２１に対向して配置されている。ロータ１０が回転して、発光素子２１から受光素子２２への入射経路に遮光部１１、１２が位置する時には、受光素子２２への入射が遮光部１１、１２により遮られ、受光素子２２は低電位信号Ｖｌｏを出力する。一方、その入射経路にスリット１３、１４が位置する時には、受光素子２２へ光が入射することに伴い、受光素子２２は高電位信号Ｖｈｉを出力する。

そして、発光素子２１は常時光を出射するものの、ロータ１０が回転すると、間欠的に受光素子２２は光を検出することとなる。具体的には、ロータ１０が回転すると、低電位信号Ｖｌｏと高電位信号Ｖｈｉを交互に繰り返すセンサ信号（図２参照）が、センサ２０からマイコン３０へ出力される。マイコン３０は、所定の時間間隔（サンプリング周期）でセンサ信号をサンプリングし、サンプリングした値が連続して高電位信号Ｖｈｉであった回数（Ｈｉカウント数）、および連続して低電位信号Ｖｌｏであった回数（Ｌｏカウント数）をカウントする。このようにカウント処理している時のマイコン３０を、カウント手段３１と呼び（図１参照）、Ｈｉカウント数およびＬｏカウント数は連続カウント数に相当する。

図２の実線はセンサ信号を示し、点線はサンプリングタイミングを示す。図２の例では、Ｈｉカウント数１０、Ｌｏカウント数９、Ｈｉカウント数２、Ｌｏカウント数４、Ｈｉカウント数８、Ｌｏカウント数８、Ｈｉカウント数４の順にカウント数が変化している。サンプリング周期は一定であるため、回転速度が速いほどカウント数は少なくなる。

ダイヤルを反時計方向へ回転操作した場合には、発光素子２１と受光素子２２との間には、遮光部１１、１２およびスリット１３、１４が、第１遮光部１１、第２スリット１４、第２遮光部１２、第１スリット１３の順に通過する。そして、先述した各々の回転方向長さはＡ＞Ｂ、Ｃ＜Ｄに設定されている。したがって、図３に示すように、長さＤに相当するＨｉカウント数（長）→長さＡに相当するＬｏカウント数（長）→長さＢに相当するＨｉカウント数（短）→長さＣに相当するＬｏカウント数（短）の順に、カウント数は変化する筈である。つまり、Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ａ→Ｂ・・・といった検出変化パターンである。

一方、ダイヤルを時計方向へ回転操作した場合には、その逆の順に変化する筈である。すなわち、図４に示すように、Ｈｉカウント数（長）→Ｌｏカウント数（短）→Ｈｉカウント数（短）→Ｌｏカウント数（長）の順に、カウント数は変化する筈である。つまり、Ｄ→Ｃ→Ｂ→Ａ→Ｄ→Ｃ・・・といった検出変化パターンである。

このような検出変化パターンに基づき、マイコン３０はダイヤルの回転方向を算出する。このように回転方向を算出している時のマイコン３０を、移動方向判別手段３３と呼ぶ（図１参照）。さらにマイコン３０は、低電位信号Ｖｌｏと高電位信号Ｖｈｉとが切り替わった回数（切替回数）に基づきダイヤルの回転操作量を算出する。

但し、第１遮光部１１がセンサ２０を通過して２回切り替わった場合と、第２スリット１４がセンサ２０を通過して２回切り替わった場合とでは、切替回数が同じ２回であっても回転量は異なってくる。そこでマイコン３０は、Ｈｉカウント数が長さＡおよびＢのいずれに相当するものであるかを判別して、各々の連続カウント数に対応する回転量を特定する。そして、その特定結果および先述の切替回数に基づき回転量を算出する。このように回転量算出の処理している時のマイコン３０を、移動量算出手段３２と呼ぶ（図１参照）。

次に、図５を用いて、ダイヤルの回転方向および回転量をマイコン３０が算出する処理の手順を説明する。なお、図５の処理は、マイコン３０により所定周期で繰り返し実施される。先ず、図５のステップＳ１０（カウント手段）において、センサ信号のサンプリング値が連続する回数、つまりＨｉカウント数およびＬｏカウント数をカウントする。

続くステップＳ１１では、現在のセンサ信号のサンプリング値が、高電位信号Ｖｈｉおよび低電位信号Ｖｌｏのいずれであるかを判定する。高電位信号Ｖｈｉと判定された場合には、ステップＳ１２に進み、前回のＨｉカウント数と前回のＬｏカウント数との差を算出し、その算出値を引数Ｄｉｆｆ１に代入する。続くステップＳ１３では、前回のＨｉカウント数と前々回のＬｏカウント数との差を算出し、その算出値を引数Ｄｉｆｆ２に代入する。

一方、ステップＳ１１にて低電位信号Ｖｌｏと判定された場合には、ステップＳ１４に進み、前々回のＨｉカウント数と前回のＬｏカウント数との差を算出し、その算出値を引数Ｄｉｆｆ１に代入する。続くステップＳ１５では、前回のＨｉカウント数と前回のＬｏカウント数との差を算出し、その算出値を引数Ｄｉｆｆ２に代入する。そして、続くステップＳ１６では、引数Ｄｉｆｆ１の絶対値ＡＢＳ（Ｄｉｆｆ１）と、引数Ｄｉｆｆ２の絶対値ＡＢＳ（Ｄｉｆｆ２）とを大小比較する。

ここで、反時計方向に回転させた場合の大小比較結果について説明する。この場合、Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ａ→Ｂ・・・といった検出変化パターンになる。そのため、現在のセンサ信号がＤに対応する高電位信号Ｖｈｉであれば、Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄといった検出変化を表すよう、前々回のＬｏカウント数、前回のＨｉカウント数、および前回のＬｏカウント数の各々がＡ、Ｂ、Ｃに対応する値になる筈である。したがって、ＢＣの差分はＡＢの差分よりも小さくなるので、ＡＢＳ（Ｄｉｆｆ１）＜ＡＢＳ（Ｄｉｆｆ２）となる。

また、現在のセンサ信号がＢに対応する高電位信号Ｖｈｉであれば、Ｃ→Ｄ→Ａ→Ｂといった検出変化を表すよう、前々回のＬｏカウント数、前回のＨｉカウント数、および前回のＬｏカウント数の各々は、Ｃ、Ｄ、Ａに対応する値になる筈である。したがって、ＤＡの差分はＣＤの差分よりも小さくなるので、ＡＢＳ（Ｄｉｆｆ１）＜ＡＢＳ（Ｄｉｆｆ２）となる。

これらの点を鑑み、ステップＳ１６にてＡＢＳ（Ｄｉｆｆ１）＜ＡＢＳ（Ｄｉｆｆ２）と判定された場合には、ステップＳ１７に進み、反時計回りであると回転方向を特定する。

次に、時計方向に回転させた場合の大小比較結果について説明する。この場合、Ｄ→Ｃ→Ｂ→Ａ→Ｄ→Ｃ・・・といった検出変化パターンになる。そのため、現在のセンサ信号がＡに対応する低電位信号Ｖｈｉであれば、Ｄ→Ｃ→Ｂ→Ａといった検出変化を表すよう、前々回のＨｉカウント数、前回のＬｏカウント数、および前回のＨｉカウント数の各々がＤ、Ｃ、Ｂに対応する値になる筈である。したがって、ＤＣの差分はＣＢの差分よりも大きくなるので、ＡＢＳ（Ｄｉｆｆ１）＞ＡＢＳ（Ｄｉｆｆ２）となる。

また、現在のセンサ信号がＣに対応する低電位信号Ｖｌｏであれば、Ｂ→Ａ→Ｄ→Ｃといった検出変化を表すよう、前々回のＨｉカウント数、前回のＬｏカウント数、および前回のＨｉカウント数の各々が、Ｂ、Ａ、Ｄに対応する値になる筈である。したがって、ＡＤの差分はＢＡの差分よりも小さくなるので、ＡＢＳ（Ｄｉｆｆ１）＞ＡＢＳ（Ｄｉｆｆ２）となる。

これらの点を鑑み、ステップＳ１６にてＡＢＳ（Ｄｉｆｆ１）＞ＡＢＳ（Ｄｉｆｆ２）と判定された場合には、ステップＳ１８に進み、時計回りであると回転方向を特定する。

要するに、ステップＳ１１〜Ｓ１８（移動方向判別手段）では、前回の連続カウント数および前々回の連続カウント数の差分の大きさと、前々回の連続カウント数および前々々回の連続カウント数の差分の大きさとの大小比較に基づき、いずれの回転方向に対応する検出変化パターンであるかを特定する。

その後、ステップＳ１９（長さ特定手段）において、前回のカウント数、前々回のカウント数、前々々回のカウント数、つまり過去３回分のカウント数に基づき、各々のカウント数に対応する回転方向長さＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを特定する。具体的に説明すると、過去３回分のカウント数の１つは、他の２つに比べて大きく異なる値になる筈である。そのため、例えば１つの連続カウント数が他の２つに比べて大幅に小さい値になっている場合には、１つの連続カウント数に対応する回転長さはＢまたはＣであり、他の２つの連続カウント数に対応する回転長さはＡおよびＤであると特定できる。

続くステップＳ２０（移動量算出手段）では、低電位信号Ｖｌｏと高電位信号Ｖｈｉとが切り替わる毎に、ステップＳ１９で特定した回転長さを積算し、その積算値をダイヤルの回転量として算出する。

以上により、本実施形態によれば、隣り合うスリット１３、１４が異なる長さＢ、Ｄであり、かつ、隣り合う遮光部１１、１２が異なる長さＡ、Ｃである。そのため、ロータ１０が時計方向に回転する場合と反時計方向に回転する場合とで、センサ２０で検出されるセンサ信号の変化パターンが異なるようになる。そして、その検出変化パターンに基づき回転方向を判別するので、回転量を検出する１組の発光素子２１および受光素子２２で、回転方向をも検出できるようになる。

ところで、本実施形態に反して以下の手法で回転方向を判別しようとすると、判別精度が悪くなる。すなわち、低電位信号Ｖｌｏと高電位信号Ｖｈｉとが切り替わる毎に、前回カウント数と前々回カウント数との差分を算出し、算出した差分が閾値以上であれば、長さが異なるカウント数での切り替わり（つまりＡＢ間またはＣＤ間の切り替わり）であることが特定できる。したがって、長さが異なるカウント数間での切り替わりであるか否かを特定できるので、検出変化パターンを特定して回転方向を判別できる。

しかしながら、ロータ１０の回転速度に応じてカウント数は変化するため、上述の如く前回カウント数と前々回カウント数との差分に基づき判別すると、判別誤差が懸念されるようになる。特に、回転速度を変化させながらダイヤル操作した場合には、その判定誤差の懸念が顕著になる。

この懸念に対し、本実施形態では、ステップＳ１１〜Ｓ１８（移動方向判別手段）において、前回の連続カウント数と前々回の連続カウント数との差分（Ｄｉｆｆ１）、および前々回の連続カウント数と前々々回の連続カウント数との差分（Ｄｉｆｆ２）を大小比較する。そして、その大小比較結果に基づき、検出変化パターンを特定して回転方向を判別する。そのため、３回分のカウント数の差分同士の比較で判別するので、差分が閾値以上であるか否かに基づき判別する場合に比べて、回転速度変化による誤判別の懸念を軽減できる。

ここで、本実施形態に反して、各々の連続カウント数に対応する長さの特定を実施せずに、４回分の連続カウント数に、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄのトータル長さを乗算した値を、低電位信号Ｖｌｏと高電位信号Ｖｈｉとが４回切り替わる毎に積算すれば、回転量を算出できる。しかしこの手法の場合には、信号が４回切り替わる毎にしか回転量が更新されないので、更新直前に回転操作を停止させた場合には、大きな算出誤差が生じる。

この点を鑑み、本実施形態では、前回の連続カウント数、前々回の連続カウント数および前々々回の連続カウント数に基づき、各々の連続カウント数に対応する回転方向長さを特定し、その特定された長さおよび連続カウント数の積算値に基づきダイヤル回転量を算出する。具体的には、低電位信号Ｖｌｏと高電位信号Ｖｈｉとが切り替わる毎に、特定した回転長さを積算して回転量を算出する。そのため、上述した算出誤差を低減できる。

（他の実施形態）
本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、以下のように変更して実施してもよい。また、各実施形態の特徴的構成をそれぞれ任意に組み合わせるようにしてもよい。

・図１に示す実施形態では、ロータ１０を移動部材として適用しており、回転方向と回転量を移動状態検出装置は検出する。これに対し、往復移動するスライド部材を移動部材として適用し、スライド部材の移動方向と移動量を検出するようにしてもよい。例えば、ユーザによりスライド操作されるノブにスライド部材を取り付け、このスライド部材に、長さの異なる遮光部および透光部を形成すればよい。

・図１に示す実施形態では、発光素子２１から出射してスリット１３、１４を透過した光を受光素子２２が検出する構成であるが、発光素子２１から出射して第１遮光部１１または第２遮光部１２で反射した光を受光素子２２が検出する構成であってもよい。

・図１に示すロータ１０は、複数の遮光部１１、１２が本体部１０ｂから回転軸方向に延びる形状であり、遮光部１１、１２間のスリット１３、１４を透光部として機能させている。これに対し、本体部１０ｂに第１スリット１３および第２スリット１４を形成し、本体部１０ｂのうちスリット１３、１４間に位置する部分を遮光部として機能させてもよい。

・透光性を有する材質でロータ１０の本体部１０ｂを形成し、本体部１０ｂに遮光塗料を塗布することで、その塗布部分を遮光部として機能させ、遮光部間の非塗布部分を透光部として機能させてもよい。

１０…ロータ（移動部材）、１１…第１遮光部、１２…第２遮光部、１３…第１スリット（透光部）、１４…第２スリット（透光部）、２１…発光素子（光源）、２２…受光素子、３２…移動量算出手段、３３…移動方向判別手段、Ａ、Ｃ…遮光部の移動方向長さ、Ｂ、Ｄ…透光部の移動方向長さ）、Ｙ１…時計回りの方向（移動方向）、Ｙ２…反時計回りの方向（移動方向）。

Claims (2)

1. 両方向に回転または往復移動する移動部材であって、その移動方向（Ｙ１、Ｙ２）に遮光部（１１、１２）および透光部（１３、１４）が交互に複数並ぶように形成された移動部材（１０）と、
   前記遮光部の移動軌跡上の所定箇所に向けて光を出射する光源（２１）と、
   前記光源から出射された光のうち、前記遮光部で反射した光または前記透光部を透過した光を検出する受光素子（２２）と、
   前記受光素子の検出変化に基づき、前記移動部材の移動量を算出する移動量算出手段（３２）と、を備え、
   前記透光部の前記移動方向の長さ（Ｂ、Ｄ）は隣り合う透光部で異なる寸法に設定され、かつ、前記遮光部の前記移動方向の長さ（Ａ、Ｃ）は隣り合う遮光部で異なる寸法に設定されており、
   前記受光素子の検出変化パターンに基づき、前記移動部材の移動方向を判別する移動方向判別手段（３３）を備え、
   前記受光素子の検出結果を所定の時間間隔で取得した場合の、前記検出結果が連続して同じであった回数を連続カウント数と呼ぶ場合において、
   前回の連続カウント数、前々回の連続カウント数および前々々回の連続カウント数の大小比較に基づき、各々の連続カウント数に対応する前記移動方向の長さを特定する長さ特定手段（３４）を備え、
   前記移動量算出手段は、前記長さ特定手段により特定された前記連続カウント数に対応する長さを、前記検出結果が切り替わる毎に積算し、その積算値を前記移動量として算出することを特徴とする移動状態検出装置。
2. 前記受光素子の検出結果を所定の時間間隔で取得した場合の、前記検出結果が連続して同じであった回数を連続カウント数と呼ぶ場合において、
   前記移動方向判別手段は、前回の連続カウント数と前々回の連続カウント数との差分（Ｄｉｆｆ１）、および前々回の連続カウント数と前々々回の連続カウント数との差分（Ｄｉｆｆ２）の大小比較に基づき、前記検出変化パターンを特定して前記移動方向を判別することを特徴とする請求項１に記載の移動状態検出装置。

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