JPH08189826A

JPH08189826A - 位置計測装置、ロータリーエンコーダ、傾斜計、傾斜計測方法及び装置

Info

Publication number: JPH08189826A
Application number: JP170995A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Kato; 隆宏加藤; Seishi Yamanaka; 清史山中; Yoshiaki Matsumoto; 義明松本; Masaki Kurihara; 正樹栗原
Original assignee: Pioneer Electronic Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 1995-01-10
Filing date: 1995-01-10
Publication date: 1996-07-23

Abstract

(57)【要約】【目的】小型、低コスト、高分解能且つ短時間に計測
可能な傾斜計を提供する。【構成】所定幅を有するスリット列Ｓ_Aを照明光が走
査する方向に沿って一定間隔毎に連設してなる円板１を
備え、スリットの所定位置から検出信号を得るフォトイ
ンタラプタＰ_A1と、フォトインタラプタＰ_A1から所定の
位相差を有する検出信号を出力するフォトインタラプタ
Ｐ_A2とを備える。信号処理ブロックでは、フォトインタ
ラプタＰ_A1による検出信号からエッジを検出する第１移
動方向検出手段と、フォトインタラプタＰ_A2による検出
信号からエッジを検出する第２移動方向検出手段と、を
備える。マイクロコンピュータ５０が一方の検出信号か
らエッジを検出したときの他方の検出信号の論理状態に
応じて、予め設定された初期値からカウント値を加算又
は減算することにより二つの部材の相対位置を出力す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車、航空機等の移
動体の姿勢を検出するために最適な傾斜計及びその計測
方法、この傾斜計の主要部をなすデジタル式ロータリー
エンコーダに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、傾斜計は液面あるいは振子の静
止位置との関係を図る構造を有することが多く、構成
上、アナログ信号を出力するもの（以下「アナログ式」
という。）、デジタル信号を出力するもの（以下「デジ
タル式」という。）に区分される。

【０００３】アナログ式傾斜計では、角度を検出する振
子の偏位を光学的に検出するもの、液体の移動を静電容
量の変化として検出するもの、加速度センサを用いて重
力加速度の分力を検出し傾斜角を計算するもの等があ
る。

【０００４】デジタル式傾斜計では、振子と一体化した
ロータリーエンコーダ等によって振子の角度を検出する
ものがある。アナログ式傾斜計とデジタル式傾斜計とを
比較した場合、アナログ式傾斜計は、分解能が高いとい
う特長を有する。一方、デジタル式傾斜計は広い測定範
囲を有し、リニアリティがよく、温度変化や経時変化が
少ないとともに、Ａ／Ｄコンバータを必要とせず直接マ
イクロコンピュータに入力することができる等の特長を
有する。

【０００５】従って、あまり高い分解能を必要としない
用途（例えば、分解能０．１°程度以上の場合）にはデ
ジタル式傾斜計が適している。図１０（Ａ）に従来のデ
ジタル式傾斜計を示す。

【０００６】図１０（Ａ）に示すように、発光ダイオー
ド７４、インデックススリット７７、フォトトランジス
タ７８は筐体に固定されている。スリット７６が周設さ
れたガラス円板７０はシャフト７１を介して振子７２と
連結され、ボールベアリング７３の作用により揺動自在
に設けられている。

【０００７】装置が全体的に所定角傾くと、振子７２が
重力の方向に振られ、ガラス板７０が振子７２の向きに
従って所定角回転して静止する。このガラス円板７０に
は発光ダイオード７４より照射光が集光レンズ７５を介
して照射される。ガラス円板７０上のスリット７６を通
り抜けた光は、インデックススリット７７を経て２つに
分割され、フォトトランジスタ７８により検出信号に変
換される。この検出信号を処理してガラス円板７０の回
転角を求めることにより、筐体と重力方向との相対的な
角度、則ち、傾斜角が測定される。振子７２を除いて
は、いわゆるロータリーエンコーダとしての構成を有す
る。

【０００８】この傾斜計では電源投入時に正しい水平面
との傾斜角の値（真値）を出力する必要があるため、ガ
ラス円板７０上に設けるスリット７６は、検出位置毎に
絶対的な角度データが表示されるアブソリュート（Abso
lute）形と呼ばれるスリット形状にすることが多い。

【０００９】図１１にアブソリュート形のスリット形状
の代表的な形状の例を示す。図１１に示すように、アブ
ソリュート形のスリット形状は、スリットのピッチが２
倍ずつ長くなるように、複数の同心円形状のスリット列
を設けるものである。フォトトランジスタはこのスリッ
ト形状を半径方向の一列に設ける。そして、複数のフォ
トトランジスタの出力を一時に読むことにより、直接絶
対角度を示すデジタルコードを得ることができる。

【００１０】図１０（Ｂ）に、図１１に示すスリット形
状から得られるアブソリュート形ロータリーエンコーダ
（傾斜計）の信号出力を示す。図１０（Ｂ）からも判る
ように、図１１の４列のスリットを設けたロータリーエ
ンコーダではフォトトランジスタを４個設けて４ビット
データを得ることになる。

【００１１】一方、図８に示すように、上記のように振
子を用いる傾斜計では、出力される角度データは振子の
固有の振動周期で変動し、時間の経過と共に徐々に減衰
して真値に収束していく。

【００１２】この振動成分が含まれたままでは真値の検
出が困難なため、従来の傾斜計では出力波形をローパス
フィルタに通すか、移動平均演算を行うという真値計測
方法を用いていた。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のロータリーエンコーダを用いた傾斜計では、検出信
号の分解能を１ビット上げる度にスリット列を半径方向
に一列増やさなければならない。例えば、ロータリーエ
ンコーダの円周の４０９６分割に相当する分解能を得よ
うとすれば、１２ビットの出力が必要となる。このた
め、円板にはスリット列が１２列必要で、フォトトラン
ジスタも１２個必要であった。

【００１４】ところが、１２個のトランジスタを精度よ
く設置するのは構造的に困難が伴う。ある程度高い分解
能を有するものを得ようとすれば、装置の体積が大き
く、構造が複雑になり、さらにコストも高くなる。

【００１５】このため、従来では高リニアリティ、温度
変化、経時変化に強いというデジタル式の特長を十分に
活かし得る高分解能の傾斜計、ロータリーエンコーダは
作成されていなかった。

【００１６】さらに、従来の傾斜計における真値計測方
法では、振子の振動成分を完全に除去しようとすると、
相当に時定数の長いフィルタが必要となる。長時間の移
動平均値を算出しないと正確な値が得られないため、真
値を得るまでの長い応答時間が必要であった。

【００１７】そこで、本発明の目的は、小型、高分解能
且つ短時間に計測可能な位置計測装置、ロータリーエン
コーダ、傾斜計、傾斜計測方法及び傾斜計測装置を提供
することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、相対的に可動とされる二つの部材間の相対位置を検
出するための位置計測装置であって、部材の一方には、
可動方向に幅ｄ_sを有するマークを可動方向に沿って幅
ｄ_iの間隙を隔てて連設してなる位置表示手段を備え
る。

【００１９】部材の他方には、位置表示手段上の第１検
出点におけるマークの有無を判定し、マークの有無に対
応する第１検出信号を出力する第１検出手段と、第１検
出点との距離を可動方向に平行な線分に投射したときの
投射長Ｄが、以下の２条件のうち一方を満たす位置表示
手段上の第２検出点におけるマークの有無を判定し、マ
ークの有無に対応する第２検出信号を出力する第２検出
手段と、を備える。

【００２０】条件１ｎ（ｄ_s＋ｄ_i）＜Ｄ＜ｎ（ｄ_s＋ｄ_i）＋ｄ_s（ｎ＝
０，１，２，…）条件２ｎ（ｄ_s＋ｄ_i）＋ｄ_s＜Ｄ＜（ｎ＋１）（ｄ_s＋
ｄ_i）さらに、第１検出信号の論理状態が反転するエッジタイ
ミングにおける第２検出信号の論理状態、及び、第２検
出信号の論理状態が反転するエッジタイミングにおける
第１検出信号の論理状態に基づいて二つの部材の相対的
な移動方向を検出する移動方向検出手段と、エッジタイ
ミングが検出される毎に得られる移動方向に基づいてカ
ウント値を増減し、増減したカウント値を換算すること
により二つの部材の相対位置情報を出力する位置計算手
段と、を備えて構成される。

【００２１】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の位置計測装置において、マークの幅ｄ_sと間隙の幅ｄ
_iとは等しい幅ｄを有し、投射長Ｄは、Ｄ＝（ｎ＋１／２）ｄという関係を有する。

【００２２】請求項３に記載の発明は、相対的に可動と
される二つの部材間の相対位置を検出するための位置計
測装置であって、部材の一方には、可動方向に幅ｄ_sを
有するマークを可動方向に沿って幅ｄ_iの間隙を隔てて
連設してなる位置表示手段を備える。部材の他方には、
位置表示手段上のＭ個（Ｍは２以上の自然数）の検出点
の各々からマークの有無を判定し、マークの有無に対応
する検出信号を各々出力するＭ個の検出手段を有する。
これら検出手段は、以下の２条件のうちいずれか一方を
満たす。

【００２３】条件１Ｍ個の検出点の中での任意の二つの検出点のうち、一方
の検出点が一のマーク上における幅ｄ_sの中間点に位置
するとき、他方の検出点が一のマークから可動方向にｎ
番目（ｎ＝０，１，２，…）のマーク上であって、両検
出点の間の距離を可動方向に平行な線分に投射したとき
の投射長Ｄ₁が、ｎ（ｄ_s＋ｄ_i）−ｄ_s／２＜Ｄ₁＜ｎ（ｄ_s＋ｄ_i）
＋ｄ_s／２という条件。

【００２４】条件２Ｍ個の検出点の中での任意の二つの検出点のうち、一方
の検出点が中間点に位置するとき、他方の検出点が、ｎ
番目のマークを介し一のマークの反対側に隣接する間隙
上であって、両検出点の間の距離を可動方向に平行な線
分に投射したときの投射長Ｄ₂が、ｎ（ｄ_s＋ｄ_i）＋ｄ_s／２＜Ｄ₂＜ｎ（ｄ_s＋ｄ_i）
＋ｄ_s／２＋ｄ_i という条件。

【００２５】さらに、Ｍ個の検出信号のうちいずれかの
検出信号の論理状態が反転するエッジタイミング毎にエ
ッジタイミングにおける他の一の検出信号の論理状態を
参照して二つの部材の相対的な移動方向を検出する移動
方向検出手段と、エッジタイミングが検出される毎に得
られる移動方向に基づいてカウント値を増減し、増減し
たカウント値を換算することにより二つの部材の相対位
置情報を出力する位置計算手段と、を備えて構成され
る。

【００２６】請求項４に記載の発明は、請求項３に記載
の位置計測装置において、マークの幅ｄ_sと間隙の幅ｄ
_iとは等しい幅ｄを有し、Ｍ個の検出手段は、検出点の
間の距離を可動方向に投射したときの投射長Ｄ₀が、Ｄ₀＝ｄ／Ｍとなるよう検出手段のそれぞれが可動方向に沿って順次
配置されている。

【００２７】請求項５に記載の発明は、請求項１乃至請
求項４に記載の位置計測装置を備えたロータリーエンコ
ーダにおいて、位置表示手段は回転又は回動自在に設け
られ、位置表示手段の円周方向にマークを周設してな
り、位置計算手段は、カウント値を位置表示装置の回転
量に対応する数値情報を出力する。

【００２８】請求項６に記載の発明は、請求項１乃至請
求項４に記載の位置計測装置を備えた傾斜計において、
位置表示手段は、揺動自在に設けられた振子手段と、振
子手段と一体として揺動又は回動しマークを円周方向に
周設してなる角度表示板と、を備え、位置計算手段は、
カウント値を角度情報に換算して出力する。

【００２９】請求項７に記載の発明は、請求項６に記載
の傾斜計において、角度表示板は、周設されたマークの
他に基準角度を検出するための基準角度マークを備え、
基準角度マークを検出する基準角度マーク検出手段と、
角度表示板の回動に伴って基準角度マーク検出手段によ
り基準角度マークが検出されたとき、位置計算手段のカ
ウント値をリセットする基準位置リセット手段と、を備
えて構成される。

【００３０】請求項８に記載の発明は、請求項７に記載
の傾斜計において、振子手段を強制的に回転又は揺動さ
せ、基準角度マーク検出手段に基準角度マークを検出さ
せるための振動印加手段を備えて構成される。

【００３１】請求項９に記載の発明は、新たな傾斜角が
与えられると周期的な振動を行い真値に収束する傾斜角
を示す傾斜計から傾斜角データを測定する傾斜計測工程
と、傾斜計測工程の出力する傾斜角データの変化率に基
づいて傾斜角の変化の極大点又は極小点を検出する極値
検出工程と、極値検出工程により極大点又は極小点が検
出される毎にその極値を記憶する記憶工程と、ｎ回目
（ｎは自然数）に極値が得られた際、ｎ回目に得られた
極値と（ｎ−２）回目に得られた極値との平均値を算出
し、平均値と（ｎ−１）回目に得られた極値との中間値
を真値データとして出力する真値計算工程と、を備えて
構成される。

【００３２】請求項１０に記載の発明は、新たな傾斜角
が与えられると周期的な振動を行い真値に収束する傾斜
角を示す傾斜角データを測定する傾斜計と、傾斜計の出
力する傾斜角データの変化率に基づいて傾斜角の変化の
極大点又は極小点を検出する極値検出手段と、極値検出
手段により極大点又は極小点が検出される毎にその極値
を記憶する記憶手段と、ｎ回目（ｎは自然数）に極値が
得られた際、ｎ回目に得られた極値と（ｎ−２）回目に
得られた極値との平均値を算出し、平均値と（ｎ−１）
回目に得られた極値との中間値を真値データとして出力
する真値計算手段と、を備えて構成される。

【００３３】

【作用】請求項１に記載の発明によれば、位置表示手段
を部材の一方に備え、可動方向に幅ｄ_sを有するマーク
を可動方向に沿って幅ｄ_iの間隙を隔てて連設する。

【００３４】部材の他方には、第１検出手段と第２検出
手段とを備える。第１検出手段は、位置表示手段上の第
１検出点におけるマークの有無を判定し、マークの有無
に対応する第１検出信号を出力する。

【００３５】第２検出手段は、第１検出点との距離を可
動方向に平行な線分に投射したときの投射長Ｄが、ｎ（ｄ_s＋ｄ_i）＜Ｄ＜ｎ（ｄ_s＋ｄ_i）＋ｄ_s（ｎ＝
０，１，２，…）という条件（条件１）、又は、ｎ（ｄ_s＋ｄ_i）＋ｄ_s＜Ｄ＜（ｎ＋１）（ｄ_s＋
ｄ_i）という条件（条件２）、のいずれか一方を満たす位置表
示手段上の第２検出点におけるマークの有無を判定し、
マークの有無に対応する第２検出信号を出力する。

【００３６】このため、第１検出点でマークの有無に伴
う立ち上がりエッジが検出されたときの第２検出信号の
論理状態と、第１検出点で立ち下がりエッジが検出され
たときの第２検出信号の論理状態と、は反対の論理状態
となる。同じように、第２検出点でマークの有無に伴う
立ち上がりエッジが検出されたときの第１検出信号の論
理状態と、第２検出点で立ち下がりエッジが検出された
ときの第１検出信号の論理状態と、の関係も反対の論理
状態となる。

【００３７】よって、移動方向検出手段は、第１検出信
号の論理状態が反転するエッジタイミングにおける第２
検出信号の論理状態、及び、第２検出信号の論理状態が
反転するエッジタイミングにおける第１検出信号の論理
状態を判定することで、二つの部材の相対的な移動方向
を検出できる。

【００３８】位置計算手段は、エッジタイミングが検出
される毎に得られる移動方向に基づいてカウント値を増
減し、増減したカウント値を換算（例えば、必要な倍率
を乗ずる。）することにより二つの部材の相対位置情報
を出力する。

【００３９】請求項２に記載の発明によれば、マークの
幅ｄ_sと間隙の幅ｄ_iとは等しい幅ｄを有し、投射長Ｄ
は、Ｄ＝（ｎ＋１／２）ｄという関係を有するので、エッジが検出されるタイミン
グは等間隔となる。よって、エッジが検出されるタイミ
ング毎に変換される位置情報は正確なものとなる。

【００４０】請求項３に記載の発明によれば、位置表示
手段が一方の部材に備えられ、可動方向に幅ｄ_sを有す
るマークを可動方向に沿って幅ｄ_iの間隙を隔てて連設
してなる。

【００４１】部材の他方には、以下の条件を満たすＭ個
（Ｍは２以上の自然数）の検出点の各々からマークの有
無を判定し、マークの有無に対応する検出信号を各々出
力するＭ個の検出手段を備える。

【００４２】上記Ｍ個の検出点のうち、共にマーク上に
位置する２つの検出点の間の関係では、一方の検出点が
位置表示手段上の一のマーク上における幅ｄ_sの中間点
にあるとき、他方の検出点がマークから可動方向にｎ番
目（ｎ＝０，１，２，…）のマーク上であって、両検出
点の間の距離を可動方向に平行な線分に投射したときの
投射長Ｄ₁が、ｎ（ｄ_s＋ｄ_i）−ｄ_s／２＜Ｄ₁＜ｎ（ｄ_s＋ｄ_i）
＋ｄ_s／２という条件（条件１）を満たす必要がある。

【００４３】上記Ｍ個の検出点のうち、一方がマーク
上、他方が間隙に位置する２つの検出点の間の関係で
は、一方の検出点が前記中間点にあるとき、他方の検出
点は、可動方向に沿ってｎ番目のマークを介し一のマー
クの反対側に隣接する間隙上であって、両検出点の間の
距離を可動方向に平行な線分に投射したときの投射長Ｄ
₂が、ｎ（ｄ_s＋ｄ_i）＋ｄ_s／２＜Ｄ₂＜ｎ（ｄ_s＋ｄ_i）
＋ｄ_s／２＋ｄ_i という条件（条件２）を満たす必要がある。

【００４４】上記条件のいずれかを満たせば、いずれか
一の検出点によりマークの有無に伴う立ち上がりエッジ
が検出されたときの他の任意の検出点から得られる検出
信号の論理状態と、この一の検出点の立ち下がりエッジ
が検出されたときの当該他の検出点から得られる論理状
態とが反転する。

【００４５】よって、Ｍ個の検出信号のうちいずれかの
検出信号の論理状態が反転するエッジタイミング毎にエ
ッジタイミングにおける他の一の検出信号の論理状態を
参照すれば、二つの部材の相対的な移動方向を検出する
ことができる。エッジタイミングが検出される毎にこの
移動方向と検出手段自らの検出位置情報に基づいてカウ
ント値を増減し、増減したカウント値を換算すれば、二
つの部材の相対位置情報が得られる。

【００４６】請求項４に記載の発明によれば、マークの
幅ｄ_sと間隙の幅ｄ_iとは等しい幅ｄを有し、Ｍ個の検
出手段は検出点の間の距離を可動方向に投射したときの
投射長Ｄ₀が、Ｄ₀＝ｄ／Ｍとなるよう検出手段のそれぞれが可動方向に沿って順次
配置されているので、Ｍ個の検出信号のいずれかにエッ
ジタイミングが出現する間隔が等間隔となる。このた
め、このエッジタイミング毎に正確な位置計測が可能で
ある。

【００４７】請求項５に記載の発明によれば、ロータリ
ーエンコーダにおいて、位置表示手段を回転又は回動さ
せることにより、カウント値が増減し、少ない検出手段
で正確な計数が可能なロータリーエンコーダを提供でき
る。

【００４８】請求項６に記載の発明によれば、位置表示
手段に対する入力を振子手段としたので、装置全体を移
動体に搭載すれば、傾斜計として用いることができる。
請求項７に記載の発明によれば、基準角度マークを基準
角度マーク検出手段が検出するので、検出したときに、
位置計算手段のカウント値をリセットし、累積誤差を除
去して水準点への補正がなされる。

【００４９】請求項８に記載の発明によれば、振動印加
手段が強制的に振子手段を回転又は揺動させるので、装
置が傾斜していても振子手段の振動により必ず基準角度
マークが検出され初期設定が可能である。

【００５０】請求項９に記載の発明によれば、傾斜計測
工程は新たな傾斜角が与えられると周期的な振動を行い
真値に収束する傾斜角を示す傾斜計から傾斜角データを
測定する。極値検出工程は、傾斜計測工程の出力する傾
斜角データの変化率に基づいて傾斜角の変化の極大点又
は極小点を検出する。記憶工程は、極値検出工程により
極大点又は極小点が検出される毎にその極値を記憶す
る。真値計算工程は、ｎ回目（ｎは自然数）に極値が得
られた際、ｎ回目に得られた極値と（ｎ−２）回目に得
られた極値との平均値を算出し、平均値と（ｎ−１）回
目に得られた極値との中間値を真値データとして出力す
る。

【００５１】請求項１０に記載の発明によれば、傾斜計
は新たな傾斜角が与えられると周期的な振動を行い真値
に収束する傾斜角を示す傾斜角データを測定する。極値
検出手段は、傾斜計の出力する傾斜角データの変化率に
基づいて傾斜角の変化の極大点又は極小点を検出する。
記憶手段は、極値検出手段により極大点又は極小点が検
出される毎にその極値を記憶する。真値計算手段は、ｎ
回目（ｎは自然数）に極値が得られた際、ｎ回目に得ら
れた極値と（ｎ−２）回目に得られた極値との平均値を
算出し、平均値と（ｎ−１）回目に得られた極値との中
間値を真値データとして出力する。

【００５２】

【実施例】本発明の傾斜計を利用した傾斜計測装置に係
る好適な実施例を図面を参照して説明する。

【００５３】本実施例は自動車等にＢＳアンテナを搭載
した際に、ＢＳアンテナを刻々と相対的な位置を変化さ
せる放送衛星の方角に向けるためのアンテナ追従装置に
関する。（Ｉ）構成の説明システム構成図１に本実施例のアンテナ追従装置の全体図を示す。

【００５４】図１に示すように、本実施例のアンテナ追
従装置は、自動車等の移動体に搭載されることを想定し
たものであり、移動体（ここでは自動車とする。）の姿
勢を検出する姿勢検出装置１００と、姿勢検出装置１０
０の検出した自動車の姿勢に対応してアンテナを向ける
べき方角を指定し、システムを制御するコントローラ２
００と、アンテナ本体３００_-1を含みコントローラ２０
０の制御によりアンテナ本体３００_-1を任意の方位角、
又は、任意の仰角に向けることが可能なアンテナメカ３
００と、を備えて構成される。姿勢検出装置の構成図２に本発明の第１実施例の構成を示す。

【００５５】図２に示すように、本実施例の姿勢検出装
置１００は、自動車の姿勢を表示するための移動体の主
要３角度（ヨー（Yaw ）、ピッチ（Pitch ）、ロール
（Roll））のそれぞれの角度を検出した後、主要３角度
を座標変換してアンテナの追従制御に使用する。

【００５６】ヨー角を検出する系統は、地磁気センサ２
２と振動ジャイロ２８がセンサとして働く。地磁気セン
サ２２は電子的に地磁気方位を検出するもので、互いに
直交する二つの検出コイルを有している。地磁気センサ
２２は、二つの検出コイルの内部を通過する地磁気の磁
束密度を検出し地磁気の方向を検出するため、通常は水
平状態で使用する。

【００５７】ソフトウェアジンバル２３は、地磁気セン
サ２２の出力を、ピッチ、ロールの角度に基づいて真値
の地磁気方位データに補正する。地磁気方位計算回路２
４は、ソフトウェアジンバル２３の出力した補正した地
磁気方位角から、金属体である自動車の車体への着磁に
より生ずる磁界の影響を除去して、実際の地磁気方位を
検出する。

【００５８】着磁ベクトル更新回路２５は、着磁補正に
より得られた着磁ベクトルを短周期（例えば、２５〔ms
ec〕）毎に更新する。重み付け加算回路２６は、地磁気
方位検出系統に影響する外乱の影響を除去し、ヨー角θ
_mnyをヨー角の真値θ_yに収束させるための重み付け計
算を行う。

【００５９】着磁補正回路２７は、重み付け計算により
得られるヨー角の真値に基づいて、地磁気センサ２２に
影響を与えている車体の着磁の影響を除去するための着
磁ベクトルを出力する。

【００６０】振動ジャイロ２８は、固有共振周波数で振
動する内部の音叉又は多角柱に働くコリオリの力を圧電
素子で検出し、振動ジャイロ２８が備え付けられている
移動体の角速度を検出する。

【００６１】オフセットリセット回路２９は、積分によ
り角度を検出するために検出値にオフセットを保持し易
い振動ジャイロのオフセットを、自動車の直進進行時、
又は停止時にリセットする。

【００６２】積分回路３０は、振動ジャイロ２９の計測
したヨー方向の角速度データを積分し、ヨー角に対応す
る電圧値を出力する。ピッチ角を検出する系統は、傾斜
計ＴＭ_pと振動ジャイロ３４がセンサとして働く。

【００６３】傾斜計ＴＭ_pは本発明に係わるものであ
り、自動車のピッチング方向への傾斜を検出する。但
し、この角度データは加速度の影響を受けるため、振動
ジャイロ３４の出力データと併せて判断しなければなら
ない。傾斜計ＴＭ_pの構成の詳細は後述する。

【００６４】ピッチ角はロール角が０°以外のときに誤
差を生ずるので、ロール影響補正回路３２は、別途検出
したロール角によりピッチ角に含まれるロール角による
誤差を補正する。

【００６５】重み付け加算回路３３は、加速度データ及
び傾斜計ＴＭ_pの出力したデータθ _mnpを利用して、絶
対座標角度計算回路２１の出力したピッチ仮角度θ_anp
から加速度の影響を取り除き、ピッチ角の真値θ_pを出
力する。

【００６６】振動ジャイロ３４は、ピッチング方向の自
動車の角速度を検出する。オフセットリセット回路３５
は、オフセットリセット回路２９の動作と同様に、振動
ジャイロ３４の出力に含まれるオフセット成分を除去す
る。

【００６７】積分回路３６は、振動ジャイロ３４の検出
した角速度を積分し、自動車のピッチ角に対応する電圧
値を出力する。ロール角を検出する系統は、傾斜計ＴＭ
_rと振動ジャイロ３８がセンサとして働く。

【００６８】傾斜計ＴＭ_rは傾斜計ＴＭ_pと同様に本発
明に係わるものであり、自動車のローリング方向への傾
斜角を検出する。その構成の詳細は後述する。傾斜計Ｔ
Ｍ_rで検出されるローリング方向への傾斜計は、ピッチ
角やヨー角の影響を受けないので、ロール角の系統で設
けたロール影響補正回路３２のように他の角の影響を除
去する構成が必要ない。但し、この検出値は、自動車が
曲がるときに働く遠心力の影響を受けている。

【００６９】重み付け加算回路４１は、遠心力データ及
び傾斜計ＴＭ_rの出力したデータθ _mnrを用いて、絶対
座標角度計算回路２１の出力したロール仮角度θ_anrか
ら遠心力の影響を取り除き、ロール角の真値θ_rを出力
する。

【００７０】振動ジャイロ３８は、ローリング方向の自
動車の角速度を検出する。オフセットリセット回路３９
は、オフセットリセット回路２９の動作と同様に、振動
ジャイロ３８の出力に含まれるオフセット成分を除去す
る。

【００７１】積分回路４０は、振動ジャイロ３８の検出
した角速度を積分し、自動車のロール角に対応する電圧
値を出力する。絶対座標角度計算回路２１は、積分回路
３０の出力したヨーイング方向の角速度の積分電圧値、
積分回路３６の出力したピッチング方向の角速度の積分
電圧値及び積分回路４０の出力したローリング方向の角
速度の積分電圧値を入力し、振動ジャイロから得られた
角度として仮角度（θ_any、θ_anp、θ_anr）を出力す
る。

【００７２】遠心力計算回路４６は、エンジン制御系か
ら伝達される車速パルスＰ_vとヨー角の振動ジャイロ２
８の出力とにより当該自動車の進行方向に対して直角方
向（横方向）への遠心力を算出する。

【００７３】加速度計算回路４７は、車速パルスＰ_vの
変化率に基づいて当該自動車の進行方向への加速度を計
算する。なお、加速度計算回路４７は車速パルスＰ_vの
変化率によらず、直接加速度による力を検出する加速度
計を用いてもよい。

【００７４】通常、放送衛星の位置は絶対座標系、則
ち、大地を基準として放送衛星を観察したときの座標で
与えられる。自動車からこの放送衛星の方角を得るため
には、姿勢検出回路１００で得た自動車の主要３角度に
基づいて、絶対座標として与えられる放送衛星の位置を
相対座標に変換する必要がある。

【００７５】そこで、上記のようにして得られた主要３
角度の真値は、更に座標変換される。座標変換回路４２
は、重み付け加算回路２６、３３及び４１から供給され
た補正後の主要３軸データ、則ち、ヨー角θ_y、ピッチ
角θ_p、ロール角θ_rを入力する。そして、コントロー
ラ２００から与えられる受信目標となる放送衛星に関す
る方位角、仰角を表す絶対座標データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に
基づいて、移動体座標系から放送衛星を見た場合の相対
座標（ｘ，ｙ，ｚ）を出力する。

【００７６】オイラー角変換回路４４は、相対座標
（ｘ，ｙ，ｚ）をオイラー角に変換し、車体座標系から
放送衛星を見た相対的な方位角、仰角を出力する。シリ
アル通信回路４５は、相対的な方位角データ、仰角デー
タをコードとしてアンテナメカ３００に通信する。

【００７７】アンテナメカ３００は、姿勢検出装置１０
０から送信された方位角データ及び仰角データを入力し
てモータを駆動し、アンテナ本体３００_-1を指定された
方位角及び仰角方向に向ける。傾斜計の構成図３に傾斜計ＴＭ_p及びＴＭ_rとして適用する傾斜計Ｔ
Ｍの構成を示す。

【００７８】図３（Ａ）は正面図であり、図３（Ｂ）は
側面図である。円板１は、ベアリング１８及び１９の作
用により支軸５を中心として回動自在にケース１４に取
り付けられている。円板１の周囲には円周方向に一定幅
のスリット幅を有するスリットが一定の間隔をおいて周
設されたスリットＳ_Aが設けられている。また、円板１
上にはスリット列Ｓ_Aの他に、水準点を検出するための
スリットＳ_Bが設けられている。

【００７９】スリットＳ_Bについては、傾斜角が０°の
とき、スリットＳ_Bの開口部と非スリット部分との境界
が検出される必要がある。このため、振子の振動角の範
囲内では境界（エッジ）を中心に、例えば、右半球部分
は全て開口部、左半分が非開口部となるようなスリット
構造が好ましい。

【００８０】振子２は重り３を下端部に有し、円板１の
裏側に固定され円板１とともに支軸５に揺動自在に固定
されている。従って、重り３に重力が加わることによ
り、円板１及び振子２は支軸５の周りを図１の矢印の方
向に揺動することになる。

【００８１】フォトインタラプタ（Photo Interrupter
）Ｐ_A1、Ｐ_A2、Ｐ_Bは、凹形の溝の側面にそれぞれ発
光ダイオードとフォトトランジスタを擁してなる検出素
子である。この凹形の内部を横切る物体が光を透過させ
るか否かに応じて検出信号を出力する。

【００８２】フォトインタラプタの間に当該円板１のス
リット列が位置するよう設けた場合、円板１上のスリッ
ト（開口部分）が当該フォトインタラプタの検出線を通
過するとフォトトランジスタに光が到達し、検出信号の
出力電圧は上昇する。また、スリットのない部分（非開
口部分）ではフォトトランジスタに光が到達しないの
で、検出信号の出力は上昇しない。

【００８３】フォトインタラプタＰ_A1、Ｐ_A2は一定の距
離を隔てて所定の位置（例えば、円板１の下側）に、ス
リット列Ｓ_Aの設けられた円周上を走査するように設け
られている。フォトインタラプタＰ_Bはフォトインタラ
プタＰ_A1、Ｐ_A2とは離れた位置（例えば、円板１の上
部）であって、スリットＰ_Bの設けられた円周上を走査
するように設けられている。

【００８４】図３において、フォトインタラプタＰ_A1は
スリット列Ｓ_Aの有無に応じて検出信号Ｄ_A1を出力す
る。フォトインタラプタＰ_A2はスリット列Ｓ_Aの有無に
応じて検出信号Ｄ_A2を出力する。フォトインタラプタＰ
_BはスリットＳ_Bの有無に応じて検出信号Ｄ_Bを出力す
る。フォトインタラプタＰ_A1とＰ_A2とは、それぞれの検
出信号が一定の移相差を有するような位置関係に設置さ
れる。この位置関係とは、フォトインタラプタの一方の
検出信号が立ち上がる時の他方の検出信号の論理状態
と、一方の検出信号が立ち下がる時の他方の検出信号の
論理状態時とが異なる様な位相関係に設置する。

【００８５】図７における検出信号Ｄ_A1とＤ_A2との関係
はこの関係を示す例である。図７の例では、フォトイン
タラプタが、スリットの開口部を通過する時間長とスリ
ット間の光の透過しない部分（非開口部）を通過する時
間長とがほぼ同じ、則ちデューティー比が５０％程度に
なるようにスリット列Ｓ_Aが設けられている。検出信号
Ｄ_A1とＤ_A2との間にはαだけ位相量が存在するよう設置
される。

【００８６】この位相量αは、図７の例のようにスリッ
トの幅ｄ_sと非開口部の間隙幅ｄ_iとが等しいときは、
位相量αはスリット幅ｄ_s（間隙幅ｄ_i）の半分（一周
期Ｔの４分の１）とするのが好ましい。

【００８７】この条件に従えば、一方の検出信号のエッ
ジが検出されてから、他方の検出信号のエッジが検出さ
れるまでの円板の回転角が常に一定角となる。このた
め、エッジ毎に正確な角度を計測できるので、一周期当
たり（スリット及び間隙一組）４つの角度が得られる。
また、たとえ、位相量α又はスリット幅ｄ_sと間隙幅ｄ
_iとの関係が条件を満たさない場合でも、半周期Ｔ／２
毎（エッジ２つ分）に計測される角度は一定である。こ
の場合でも、一周期当たり２つの角度が計測できる。

【００８８】さて、モータ６は起動力をベルト７により
プーリ８に伝達する。プーリ８はピン１０を突設してあ
り、このピン１０はレバー１１の中心に設けられた案内
溝１１_-1に摺動自在に嵌挿されている。

【００８９】レバー１１は支点９で軸支され、ピン１１
_-2によりアーム１３に軸着されている。アーム１３は、
ケース１４に突設されたガイドピン１２をアーム１３の
中心軸に沿って設けられた案内溝１３_-1に嵌挿し、アー
ム１３はガイドピン１２に沿って摺動する。

【００９０】アーム１３上の突起１５及び１６は、アー
ム１３がガイドピン１２によって往復動作をするとき、
振子２の上部に突設されたピン４に当該突起１５及び１
６が当たるように設けられている。

【００９１】従って、モータ６が回転するとプーリ８
が、回転しプーリ８に突設されたピン１０の作用により
レバー１１が左右に揺動する。レバー１１が揺動すると
ピン１１_-2で軸着されたアーム１３が、ガイドピン１２
に沿って左右に往復動作する。アーム１３が往復動作す
ると、突起１５及び１６が振子４に突設されたピン４に
当たり、振子２全体を揺動させる。信号処理ブロック図４に実施例の傾斜計の信号処理ブロック図を示す。

【００９２】図４に示すように、本実施例の傾斜計ＴＭ
の信号処理ブロックはマイクロコンピュータ５０を中心
として構成される。波形エッジ検出回路６０は、フォト
インタラプタＰ_Bからの検出信号の立ち上がりエッジ及
び立ち下がりエッジを検出して割込信号Ｄ_B’を出力す
る。

【００９３】波形エッジ検出回路６１は、フォトインタ
ラプタＰ_A1から検出信号Ｄ_A1、Ｐ_A2から検出信号Ｄ_A2を
入力する。そして、それぞれの検出信号の立ち上がりエ
ッジ及び立ち下がりエッジでを検出し、それぞれ割込信
号Ｄ_A1’及びＤ_A2’を出力する。

【００９４】マイクロコンピュータ５０は、予め設定さ
れたプログラムに従って、所定の処理手順で動作する。
この動作は後述する。マイクロコンピュータ５０内部に
おいて、以下の信号処理ブロックに分割できる。

【００９５】カウンタリセット部５１は、検出信号Ｄ_B
のエッジが検出されるとパルスカウンタ部５３のカウン
タ値をリセット（例えば、「０」）する。カウンタリセ
ット部５１の動作は、実際には検出信号Ｄ_B’によるマ
イクロコンピュータ５０への割込処理要求に対応して行
われる。マイクロコンピュータ５０は、この割込処理要
求に応じて、割込処理プログラムＩＮＴ３を実行する。

【００９６】方向判別部５２は検出信号Ｄ_A1及びＤ_A2を
入力し、検出信号Ｄ_A1及びＤ_A2のエッジが検出されたと
き（検出信号Ｄ_A1’及びＤ_A2’が入力されたとき）の両
検出信号の論理状態により方向を検出する。

【００９７】パルスカウント部５３は、波形エッジ検出
部６１によりエッジが検出されるときに方向判別部５２
が検出した方向に対応させて、カウント値をカウントア
ップ又はカウントダウンする。初期値は、マイクロコン
ピュータ５０の初期設定によって与えられる他、カウン
タリセット部５１の指示によりリセットされる。

【００９８】極値判別部５４は、方向判別部５２により
検出された方向を監視し、当該方向が変化したとき極大
点又は極小点であることを検出する。真値計算部５５
は、極値判別部５４により極値点が検出されたときのパ
ルスカウント部５３の値を極値として記憶し、所定数の
極値が記憶されると平均化計算を行い真値の傾斜角を出
力する。

【００９９】現在位置取得部５６はタイマを有してお
り、前回の極値検出から一定時間新しい極値の検出がさ
れないとき、パルスカウント部５３が出力しているカウ
ント値を真値として出力する。

【０１００】シリアルデータ出力部５７は得られた真値
のカウント値を角度値に換算してシリアルデータとして
出力する。例えば、本装置による分解能が０．１°のと
きはカウント値を１／１０して角度データに変換する。

【０１０１】表示回路６２は、マイクロコンピュータ５
０の出力した角度データを表示する。（ＩＩ）動作の説明次に動作を説明する。全体動作図２に示すように、本実施例の姿勢検出装置１００は、
主要３角度の各角度当たり２つのセンサを用いて自動車
の姿勢を検出する。

【０１０２】一般に、振動ジャイロは角速度を検出する
ため、短時間の角度の変化に対して正確な値を出力する
が、角度値を得るために積分動作が必要となるため誤差
を累積し易い。

【０１０３】一方、地磁気センサは水平状態では正確な
方位角を示すが、地磁気センサ自体が傾いているときは
偏位した不正確な値を出力する。また、傾斜計は静的な
状態では正確な値を出力するが、自動車の移動体に搭載
している場合には遠心力、加減速による加速度の影響を
受けるため誤差を生じ易い。

【０１０４】本実施例では、上記のセンサ同士の性質の
違いを利用する。具体的には、振動ジャイロの出力を基
本とし、振動ジャイロが含むオフセット、誤差を適正な
使用状態で正確な値を出力する地磁気センサ、傾斜計を
用いて補正する。

【０１０５】ピッチング方向では、傾斜計ＴＭ_pは、遠
心力計算回路４６が遠心力を検出していないとき、計測
されたピッチング方向の傾斜角を重み付け加算回路３３
に出力する。重み付け加算回路３３は、振動ジャイロ３
４の出力する角速度を積分し、角度計算した仮角度θ
_anpに対して傾斜計ＴＭ_pの出力した傾斜角θ_mnpで重
み付け加算し、ピッチ角の真値θ_pを出力する。

【０１０６】また、ローリング方向では、傾斜計ＴＭ_r
は、加速度計算回路４７が加速度を検出していないと
き、計測されたローリング方向の傾斜角を重み付け加算
回路４１に出力する。重み付け加算回路４１は、振動ジ
ャイロ３８の出力する角速度を積分し角度計算した仮角
度θ_anrに対して、傾斜計ＴＭ_rの出力した傾斜計θ_mn
_rで重み付け加算し、ロール角の真値θ_rを出力する。

【０１０７】ヨーイング方向では、ソフトウェアジンバ
ル２３が真値のピッチ角θ_p、ロール角θ_rを用いて地
磁気センサ２２の傾きによる誤差を補正する。重み付け
加算回路２６は振動ジャイロ２８より得られた仮偏位角
θ_anyを地磁気センサ２２より得られた方位角θ_mnyに
より重み付け演算を行い、ヨー角の直値θ_yを出力す
る。

【０１０８】座標変換回路４２は、上記の動作で得られ
た真値のヨー角θ_y、ピッチ角θ_p、ロール角θ_rを座
標変化し、オイラー角変換回路４４がアンテナメカ３０
０を動かすに為の相対的な仰角、方位角データを出力す
る。傾斜計の動作次に、傾斜計の動作を図５及び図６のフローチャートを
参照しながら説明する。

【０１０９】本傾斜計ＴＭは基準角度、則ち、水準点
（角度０°）でカウンタリセットし、そこからの相対角
度を検出する構成である。そのため、電源投入時に傾斜
計ＴＭが所定量傾いていると、水準点を検出できないた
め、出力される角度に大きなオフセットを含む。

【０１１０】そのため、マイクロコンピュータ５０は初
期設定ルーチン（ステップＳ０）において、モータ６
（図３参照）を駆動し、アーム１３を往復動作せる。す
るとアーム１３の突起１５及び１６が振子２のピン４を
動かし、振子２の全体が揺動する。

【０１１１】本傾斜計ＴＭでは、振子２が水準点でスリ
ットＳ_BのエッジがフォトインタラプタＰ_Bにより検出
されるように、スリットＳ_B及びフォトインタラプタＰ
_Bが設けられている。よって、強制的な振子２の振動に
よりスリットＳ_BのエッジがフォトインタラプタＰ_Bを
横切ると、検出信号Ｄ_Bにエッジが生ずる。これが波形
エッジ検出回路６０で割込要求信号Ｄ_B’とされる。

【０１１２】割込要求信号Ｄ_B’によりマイクロコンピ
ュータ５０は割込処理ＩＮＴ３（図６（Ｃ）参照）を行
う。則ち、ステップＳ３１で、カウンタリセット部５１
（図４）がパルスカウント部５３のカウント値をゼロと
する。

【０１１３】初期設定が終了すると、マイクロコンピュ
ータ５０は定期的にパルスカウンタ部５３に保持される
カウンタ値が変化したか否かを検査する（ステップＳ
１）。さて、カウンタ値の増減は図６（Ａ）（Ｂ）に示
す割込処理において行われる。

【０１１４】ｉ）カウンタ動作カウンタ動作の詳細を図７のタイミングチャートを参照
しながら説明する。図７において、時刻ｔ₁からｔ_Rま
では、傾斜計ＴＭは時計回りに回転し、傾斜を増す方向
に円板１が回転している。時刻ｔ_Rで円板１の回転は反
時計方向に変わるものとする。

【０１１５】時刻ｔ₁において、検出信号Ｄ_A2が立ち下
がると、割込要求信号Ｄ_A2’がマイクロコンピュータ５
０に供給され、割込処理ＩＮＴ２（図６（Ｂ）参照）が
行われる。この時、検出信号Ｄ_A2はＬレベルであり（ス
テップＳ２１：Ｌ）、検出信号Ｄ_A1はＬレベルを示して
いるため（ステップＳ２４：Ｌ）、カウンタ値がインク
リメントされる（ステップＳ２３）。

【０１１６】時刻ｔ₂において、検出信号Ｄ_A1が立ち上
がると、割込要求信号Ｄ_A1’がマイクロコンピュータ５
０に供給され、割込処理ＩＮＴ１（図６（Ａ）参照）が
行われる。この時、検出信号Ｄ_A1はＨレベルであり（ス
テップＳ１１：Ｈ）、検出信号Ｄ_A2はＬレベルを示して
いるため（ステップＳ１２：Ｌ）、カウンタ値がインク
リメントされる（ステップＳ１５）。

【０１１７】時刻ｔ₃において、検出信号Ｄ_A2が立ち上
がると、割込要求信号Ｄ_A2’がマイクロコンピュータ５
０に供給され、割込処理ＩＮＴ２が行われる。この時、
検出信号Ｄ_A2はＨレベルであり（ステップＳ２１：
Ｈ）、検出信号Ｄ_A1はＨレベルを示しているため（ステ
ップＳ２２：Ｈ）、カウンタ値がインクリメントされる
（ステップＳ２３）。

【０１１８】時刻ｔ₄において、検出信号Ｄ_A1が立ち下
がると、割込要求信号Ｄ_A1’がマイクロコンピュータ５
０に供給され、割込処理ＩＮＴ１が行われる。この時、
検出信号Ｄ_A1はＬレベルであり（ステップＳ１１：
Ｌ）、検出信号Ｄ_A2はＨレベルを示しているため（ステ
ップＳ１４：Ｈ）、カウンタ値がインクリメントされる
（ステップＳ１５）。

【０１１９】円板１が時計方向に回転し続けると上記の
動作を以下この繰り返し、カウンタ値が１ずつ上昇して
いく。さて、時刻ｔ₅において、スリットＳ_Bのエッジ
部分がフォトインタラプタＰ _Bを通過すると（水準点を
振子２が通過すると）、割込要求信号Ｄ_B’により割込
処理ＩＮＴ３（図６（Ｃ）参照）が行われ、カウンタ値
がそれまでカウントした値によらず、リセットされる。

【０１２０】従って、このリセット動作の働きにより水
準点を検出する度（時刻ｔ₅、ｔ₁₀等）にカウンタはリ
セットされ、累積誤差の発生を除去できる。時刻ｔ_Rに
おいて、円板１の回転方向が反時計回りに変わると、今
度はマイクロコンピュータ５０はカウントダウンを行
う。

【０１２１】時刻ｔ₆において、検出信号Ｄ_A1が立ち上
がると、割込要求信号Ｄ_A1’がマイクロコンピュータ５
０に供給され、割込処理ＩＮＴ１（図６（Ａ）参照）が
行われる。この時、検出信号Ｄ_A1はＨレベルであり（ス
テップＳ１１：Ｈ）、検出信号Ｄ_A2はＨレベルを示して
いるため（ステップＳ１２：Ｈ）、カウンタ値がデクリ
メントされる（ステップＳ１３）。

【０１２２】時刻ｔ₇において、検出信号Ｄ_A2が立ち下
がると、割込要求信号Ｄ_A2’がマイクロコンピュータ５
０に供給され、割込処理ＩＮＴ２が行われる。この時、
検出信号Ｄ_A2はＬレベルであり（ステップＳ２１：
Ｌ）、検出信号Ｄ_A1はＨレベルを示しているため（ステ
ップＳ２４：Ｈ）、カウンタ値がデクリメントされる
（ステップＳ２５）。

【０１２３】時刻ｔ₈において、検出信号Ｄ_A1が立ち下
がると、割込要求信号Ｄ_A1’がマイクロコンピュータ５
０に供給され、割込処理ＩＮＴ１が行われる。この時、
検出信号Ｄ_A1はＬレベルであり（ステップＳ１１：
Ｌ）、検出信号Ｄ_A2はＬレベルを示しているため（ステ
ップＳ１４：Ｌ）、カウンタ値がデクリメントされる
（ステップＳ１３）。

【０１２４】時刻ｔ₉において、検出信号Ｄ_A2が立ち上
がると、割込要求信号Ｄ_A2’がマイクロコンピュータ５
０に供給され、割込処理ＩＮＴ２が行われる。この時、
検出信号Ｄ_A2はＨレベルであり（ステップＳ２１：
Ｈ）、検出信号Ｄ_A1はＬレベルを示しているため（ステ
ップＳ２２：Ｌ）、カウンタ値がデクリメントされる
（ステップＳ２５）。

【０１２５】ii）角度検出処理さて、振子２（図３参照）の振動により円板１が回転
し、上記割込処理によりパルスカウンタ部５３（図４参
照）のカウンタ値に変化が生ずると（図５：ステップＳ
１：Ｙｅｓ）、カウンタ値がパルスカウンタ部５３より
取得される（ステップＳ２）。

【０１２６】一方、方向判別部５２は、２つの検査信号
の論理状態を検査することにより、現在円板１が時計回
りに回転しているのか、反時計回りに回転しているの
か、を検出している。例えば、時計回りのとき「１」、
反時計周りのとき「０」となる信号を極値判別部５４に
出力する。

【０１２７】ステップＳ３において、前回の回転方向と
今回取得された回転方向とが同一の場合（ステップＳ
３：Ｙｅｓ）、現在位置取得部５６で角度データの出力
が１秒以上行われていないか否かを検査する（ステップ
Ｓ９）。

【０１２８】１秒以内に角度データを出力していれば
（ステップＳ９：Ｎｏ）、振子２が振動状態である。こ
のためカウンタ値が急激な変化をしている最中なので、
カウンタ値を角度データに変換しデータ出力する（ステ
ップＳ７）。

【０１２９】１秒以上角度データを出力していない場合
（ステップＳ９：Ｙｅｓ）、振子２は収束し、現在のカ
ウンタ値は角度の真値に近似する値となっている。この
ため、パルスカウンタ部５３より現在位置取得部５６が
現在のカウンタ値を取得して、現在の角度データとして
出力する（ステップＳ７）。このような場合としては、
傾斜がゆっくり単調に増加又は減少する場合、全くの静
的状態が上げられる。

【０１３０】さて、ステップＳ３において、前回の回転
方向と今回取得された回転方向が異なるとき、振子２の
振動が極大点又は極小点に達して反対方向に円板１が回
転を始めたと考えられる。このため、極値判別部５４は
このときのカウント値を極値として記憶する（ステップ
Ｓ４）。

【０１３１】ステップＳ５及びＳ６において、本発明に
係る真値計算が行われる。図８に真値計算の原理説明図
を示す。図８に示す波形では、ステップＳ４において記
憶される極値は、極点Ｐ₁での極大値ａ₁、極点Ｐ₂に
おける極小点ａ₂、現在の極点Ｐ₃における極大値ａ₃
等となる。本実施例では、振子の振幅が収束する前に３
つの極点を検出した段階で真値の角度データを計算す
る。

【０１３２】ステップＳ５において、現在測定した極点
を含め３つの極点の極値が記憶されていると（ステップ
Ｓ５：Ｙｅｓ）、真値計算部５５は真値計算を行う（ス
テップＳ６）。

【０１３３】例えば、現在Ｐ₃の極大点での極値データ
が得られたとき、まず、真値計算部５５は極点Ｐ₁での
極大値ａ₁と極点Ｐ₃での極大値ａ₃との平均を計算
し、平均化した極大値ａ₂’を算出する。次に、平均し
て得た極大値ａ₂’と計測して得た極小点ａ₂との平均
を演算する。

【０１３４】図８から判るように、振子の振動に伴って
生ずる極値のエンベロープは自然対数的に減衰してい
く。しかし、通常振子の時定数は非常に大きいので、振
子の振動の１周期から２周期の間では近似的に直線的に
減衰していく、と仮定できる。

【０１３５】従って、上記２回の平均計算を行って得ら
れる計算上の真値ａ₀’と実際の真値ａ₀とはほぼ同一
の値となると考えられる。同様に、次の新たな極小値と
してａ₄が得られた場合、まず、真値計算部５５は極小
値ａ₂と極小値ａ₄との平均を計算し、これをａ₃’と
する。そして、計測して得た極大値ａ₃と平均して得た
極小値ａ₃’との平均を計算する。

【０１３６】以降、新たな極値が検出される毎に、上記
と同様の手順に従って演算をおこない、より誤差の少な
い真値データを算出する。ステップＳ６では、新たな真
値が得られる度に、これを角度データに換算して表示回
路６２に出力する（ステップＳ７）。

【０１３７】ステップＳ８では計測が継続される限り
（ステップＳ８：Ｎｏ）上記動作（ステップＳ１〜Ｓ
７）が繰り返される。実施例の特性ｉ）分解能について図７から判るように、本実施例ではスリット１つが通過
する間に４つのエッジが検出され、その度毎にカウンタ
値の増減が行われる。このため、実際のスリットの数の
４倍の検出点を有し４倍の分解能が得られる。

【０１３８】このため、本実施例のようなＢＳアンテナ
の追従装置においては、分解能は０．１°程度あれば十
分アンテナの追従動作が可能である。従って、スリット
列Ｓ _Aのスリットのピッチは、円板１の円周上に０．４
°毎に配置すればよい。

【０１３９】また、スリット幅と間隙のピッチが異なる
場合、位相角がスリット幅の１／２に調整されていない
場合でも、２倍の分解能は確保できる。ii）応答特性について図９（Ａ）に従来の傾斜計の出力特性、図９（Ｂ）に本
実施例の傾斜計の出力特性を示す。

【０１４０】図９（Ａ）に示すように、従来では変化点
で傾斜計の傾斜が急激に変化すると、ローパスフィルタ
の働きにより図の破線の様な出力が得られた。そして、
このローパスフィルタの出力が十分に収束する点（検出
点）で始めて真値の角度データを得ていた。

【０１４１】例えば、カットオフ周波数０．２〔Hz〕、
減衰特性−１２〔dB/oct〕の２次のローパスフィルタを
使用したとすると、傾斜計の出力が真値から１％の誤差
以内に収束するのに５秒以上かかっていた。移動平均を
計算する方法でも真値を得るまでの時間は同程度であっ
た。

【０１４２】これに対し、図９（Ｂ）に示すように、本
実施例では３つの極値が検出した段階で真値が出力でき
る。図９（Ｂ）のように、変化点の後の極点をそれぞれ
Ｐ₁〜Ｐ₄とすると、Ｐ₃の検出が終了した段階で傾斜
計は真値の出力が可能である。

【０１４３】振子の固有振動周期をＴとすると、真値計
算に必要な時間ｔは、Ｔ＜ｔ＜１．５Ｔとなる。周期Ｔを０．５〔sec 〕とすると、０．５〔sec 〕＜ｔ＜０．７５〔sec 〕となり、大幅に応答時間を短縮している。（III ）実施例の効果上記のように、本実施例によれば、位相差を有する２つ
のフォトインタラプタと一つのスリットを検出するのみ
で、０．１°を越える高い分解能を実現できる。

【０１４４】また、本実施例によれば、３つの極値から
真値を演算するので、従来なら５秒程度は必要な検出時
間を０．７５秒以下で検出できる。このため、オフロー
ドを走行する自動車のように、頻繁に移動体の傾斜が変
化する環境であっても、常に正確な傾斜を検出でき、こ
れに基づいて、放送衛星の方向に正確にＢＳアンテナを
追従させることができる。（ＩＶ）その他の変形例第１変形例上記実施例では、検出手段としてフォトインタラプタ２
つのみを用いていたが、さらに検出手段を増やしてもよ
い。

【０１４５】この構成は請求項３及び４に関する。則
ち、Ｍ個（Ｍは２以上の自然数）のフォトインタラプタ
によりスリット列Ｓ _A上のＭ個の検出点の各々から検出
信号を得るようにする。

【０１４６】そして、Ｍ個の点の任意の二つの検出点の
うち、一方の検出点が一のスリット内における幅ｄ_sの
中間点に位置するとき、他方の検出点がスリットから前
記可動方向にｎ番目（ｎ＝０，１，２，…）のスリット
内であって、両検出点の間の距離を円周方向へ投射した
ときの投射長Ｄ₁がｎ（ｄ_s＋ｄ_i）−ｄ_s／２＜Ｄ₁＜ｎ（ｄ_s＋ｄ_i）＋ｄ_s／２ …（１）という条件となるような位置関係にそれぞれのフォトイ
ンタラプタを保持する。

【０１４７】また、Ｍ個の検出点の任意の二つの検出点
のうち、一方の検出点がスリット内の中間点に位置する
とき、他方の検出点がｎ番目のスリットを介し一のスリ
ットの反対側に隣接する間隙上であって、両検出点の間
の距離を円板の接線に投射したときの投射長Ｄ₂がｎ（ｄ_s＋ｄ_i）＋ｄ_s／２＜Ｄ₂＜ｎ（ｄ_s＋ｄ_i）＋ｄ_s／２＋ｄ_i …（２）という条件となるようフォトインタラプタを保持しても
よい。

【０１４８】上記条件に従えば、検出信号のエッジ部分
が重なることがない。また、いずれかのフォトインタラ
プタによる検出信号が立ち上がりエッジを検出するとき
の他の任意の検出信号における論理状態と、立ち下がり
エッジを検出するときのこの他の任意の検出信号におけ
る論理状態と、が常に反転している。

【０１４９】従って、移動方向検出手段は、一つのフォ
トインタラプタの検出信号に対応させて、移動方向を検
出すべき他の一つのフォトインタラプタによる検出信号
を定める。

【０１５０】このようにすれば、全ての検出信号に対し
てそのエッジが検出されたときに円板の移動方向が定ま
る。この変形例によれば、フォトインタラプタは半径方
向に設ければよいので、その数が多くなっても従来のよ
うな支障がない。また、スリット幅ｄ_sと間隙ｄ_iとを
等しいピッチｄとし、フォトインタラプタによる検出点
をＤ₀＝ｄ／Ｍを満たすような間隔で設ければ、エッジ
が入力される毎の円板の角偏位が常に一定となる。この
とき、得られる分解能はスリットの数の２Ｍ倍もの分解
能が得られる。

【０１５１】また、検出点の間隔が上記条件をはずれて
も、スリット幅ｄ_sと間隙幅ｄ_iとが等しく、式
（１）、（２）の関係を満たす限り、少なくともＭ倍の
分解能が得られる。第２変形例上記実施例の傾斜計ＴＭは一般的なロータリーエンコー
ダとしても用いることができる。

【０１５２】この場合には、図１の傾斜計からは、振子
２や重り３と、水準点を検出するためのモータ６、レバ
ー１１、アーム１３等の構成を取り除き、支軸５に入力
すべき機構、例えば、ユーザにより操作されるダイヤル
等を連結する。また、図４の信号処理ブロックの構成か
ら極値判別部５４、真値計算部５５、現在位置取得部５
６を取り除き、パルスカウント部５３によるカウント値
を直接出力するように構成する。このように構成すれ
ば、ユーザのダイヤル等の操作に応じてカウント値が増
減するロータリーエンコーダが提供できる。第３変形例さらに、本実施例の様に、傾斜計測装置としての他、本
発明は直線上の相対位置を計測可能な位置計測装置に適
用することも可能である。本発明をこの位置計測装置と
して使用するには、直線的なレール手段、ガイド手段の
上に上記実施例と同様なスリットを直線的に設け、自動
車、リニアモータカー等のような移動体にフォトインタ
ラプタと信号処理ブロックを設けることで、直線方向に
おける相対位置を検出する。

【０１５３】

【発明の効果】上記したように請求項１に記載の発明に
よれば、第１検出点は第２検出手段が検出する第２検出
点と条件式に従う距離離れている。よって、両検出信号
のうち一方の検出信号の立ち上がりエッジでの他方の検
出信号の論理状態と、他方の検出信号の立ち下がりエッ
ジでの他方の検出信号の論理状態と、が異なる。

【０１５４】したがって、移動方向検出手段がこれを両
検出信号より移動方向を検出し、エッジタイミング毎に
カウンタ手段がカウント値を増減する。マーク幅と間隙
幅が等しい条件で、このカウント値を回数度量に変換す
る演算を行えば、マークの数を単純にカウントするより
少なくとも２倍もの分解能が得られる。また、同時に読
み取る位置検出のためのマークは一列のみでよく、従来
のように多数の検出手段を必要としないので、小型で経
済的な位置計測装置が得られる。

【０１５５】請求項３に記載の発明によれば、Ｍ個の検
出点のうちいずれの二つの検出点でも条件式を満たす。
よって、任意の二つの検出点から得られる検出信号は、
一方の検出信号の立ち上がりエッジでの他方の検出信号
の論理状態と、他方の検出信号の立ち下がりエッジでの
他方の検出信号の論理状態と、が異なる。

【０１５６】よって、移動方向検出手段にエッジが入力
される毎にエッジタイミングの検出信号に対して定めら
れるいずれかの検出信号の論理状態を参照することによ
り、エッジタイミング毎の移動方向が判る。マーク幅と
間隙幅が等しい条件で、位置計測装置がこれを位置情報
に換算することで、マークの数を単純に計数するより少
なくともＭ倍もの分解能が得られる。これだけ分解能が
上昇しても必要な位置表示手段は１列で済む。また、半
径方向に多くの検出手段を設ける必要がない。

【０１５７】さらに、同時に読み取る位置検出のための
マークは一列のみでよい。このため、多数の検出手段が
あっても従来のように可動方向に垂直な方向に検出手段
を並べる必要がないので、小型で経済的な位置計測装置
が得られる。

【０１５８】請求項２及び請求項４に記載の発明によれ
ば、条件式により、検出信号には均等な間隔でエッジが
入力される。よって、請求項２ではマーク自体の分解能
の４倍の分解能が得られ、請求項４ではマーク自体の分
解能の２Ｍ倍もの分解能が得られる。

【０１５９】請求項５に記載の発明によれば、位置表示
手段を円周状のマークとし位置計算手段が計数手段とし
て働くので、請求項１乃至請求項４の効果を有するロー
タリーエンコーダを提供できる。特に、位置表示手段が
一列のみでよいため、位置表示手段が半径方向に大きく
する必要がなく、非常に小型のロータリーエンコーダが
作成できる。

【０１６０】請求項６に記載の発明によれば、装置全体
の傾きにより振子手段と角度表示板が重力方向に伴って
角偏位することによって検出手段は現在の角偏位に対応
するマークを検出し、位置計算手段がこのマークに伴う
カウント値を角度に変換するので、請求項１乃至請求項
４の効果を有する傾斜計が提供できる。

【０１６１】請求項７に記載の発明によれば、請求項６
の効果に加えて、基準角度（例えば、角度０°）を振子
手段が通過する度に基準角度マーク検出手段によって基
準角度マークが検出され、この検出値が位置検出手段の
カウント値をリセットするので、振子手段の振動により
振子手段が基準角度を通過する度にカウント値のリセッ
トが可能となり、誤差が累積されることなく常に正しい
値を出力することができる。

【０１６２】請求項８に記載の発明によれば、請求項７
の効果に加えて、振動印加手段が強制的に振子手段を振
動させるので、電源投入当初から傾斜計が傾いていて
も、振子手段は必ず基準角度を通過し、任意のタイミン
グで基準角度の検出ができる。

【０１６３】請求項９及び請求項１０に記載の発明によ
れば、振子手段等の振動により測定される傾斜角に変動
がある度に傾斜角データが入力される。この傾斜角デー
タの変化の方向が正方向から負方向又は負方向から正方
向に移り変わる点で極大点又は極小点の極値検出がなさ
れ、この極値を記憶する。そして、前々回の極値と今回
の極値との平均値をとりさらにこの平均値と前回の極値
との平均をとると、得られる値は真値となるので、振子
等の水準検出手段が大きく揺れていても短時間に真値の
計測が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例のアンテナ追従装置の全体図である。

【図２】実施例の姿勢検出装置の構成図である。

【図３】実施例の傾斜計の構成図である。

【図４】実施例の傾斜計の信号処理ブロック図である。

【図５】実施例の傾斜計の信号処理フローチャートであ
る。

【図６】実施例の傾斜計の割込動作を示すフローチャー
トである。

【図７】実施例の傾斜計のタイミングチャートである。

【図８】本発明の傾斜計の原理説明図である。

【図９】傾斜計の出力特性の説明図である。

【図１０】従来のデジタル式傾斜計の説明図である。

【図１１】アブソリュート形ロータリーエンコーダのス
リット例である。

【符号の説明】

ＴＭ、ＴＭ₁、ＴＭ₂…傾斜計Ｐ_A1、Ｐ_A2、Ｐ_B…フォトインタラプタ１００…姿勢検出回路２００…コントローラ３００…アンテナメカ３００_-1…アンテナ本体１…円板２…振子３…重り４、１０…ピン５…支軸６…モータ７…ベルト８…プーリ９…支点１１…レバー１２…ガイドピン１３…アーム１４…ケース１５、１６…突起１８、１９…ベアリング２１…絶対座標角度計算回路２２…地磁気センサ２３…ソフトウェアジンバル２４…地磁気方位計算回路２５…着磁ベクトル補正回路２６、３３、４１…重み付け計算回路２７…着磁補正回路２８、３４、３８…振動ジャイロ２９、３５、３９…オフセットリセット回路３０、３６…積分回路３２…ロール影響補正回路４２…座標変換回路４３…ベクトル変換回路４４…オイラー角変換回路４５…シリアル通信回路４６…遠心力計算回路４７…加速度計算回路５０…マイコン５１…カウンタリセット部５２…方向判別部５３…パルスカウント部５４…極値判別部５５…真値計算部５６…現在位置取得部５７…シリアルデータ出力部６０、６１…波形エッジ検出回路６２…表示回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 31/12 Ｄ (72)発明者栗原正樹埼玉県川越市大字山田字西町25番地１パイオニア株式会社川越工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】相対的に可動とされる二つの部材間の相
対位置を検出するための位置計測装置であって、前記部材の一方には、可動方向に幅ｄ_sを有するマーク
を当該可動方向に沿って幅ｄ_iの間隙を隔てて連設して
なる位置表示手段を備え、前記部材の他方には、前記位置表示手段上の第１検出点
における前記マークの有無を判定し、当該マークの有無
に対応する第１検出信号を出力する第１検出手段と、前
記第１検出点との距離を前記可動方向に平行な線分に投
射したときの投射長Ｄが、ｎ（ｄ_s＋ｄ_i）＜Ｄ＜ｎ（ｄ_s＋ｄ_i）＋ｄ_s（ｎ＝
０，１，２，…）という条件、又は、ｎ（ｄ_s＋ｄ_i）＋ｄ_s＜Ｄ＜（ｎ＋１）（ｄ_s＋
ｄ_i）という条件、のいずれか一方を満たす前記位置表示手段
上の第２検出点における前記マークの有無を判定し、当
該マークの有無に対応する第２検出信号を出力する第２
検出手段と、を備え、前記第１検出信号の論理状態が反転するエッジタイミン
グにおける前記第２検出信号の論理状態、及び、前記第
２検出信号の論理状態が反転するエッジタイミングにお
ける前記第１検出信号の論理状態に基づいて前記二つの
部材の相対的な移動方向を検出する移動方向検出手段
と、前記エッジタイミングが検出される毎に得られる前記移
動方向に基づいてカウント値を増減し、当該増減したカ
ウント値を換算することにより前記二つの部材の相対位
置情報を出力する位置計算手段と、を備えたことを特徴とする位置計測装置。
【請求項２】請求項１に記載の位置計測装置におい
て、前記マークの幅ｄ_sと前記間隙の幅ｄ_iとは等しい幅ｄ
を有し、前記投射長Ｄは、Ｄ＝（ｎ＋１／２）ｄという関係を有することを特徴とする位置計測装置。
【請求項３】相対的に可動とされる二つの部材間の相
対位置を検出するための位置計測装置であって、前記部材の一方には、可動方向に幅ｄ_sを有するマーク
を当該可動方向に沿って幅ｄ_iの間隙を隔てて連設して
なる位置表示手段を備え、前記部材の他方には、前記位置表示手段上のＭ個（Ｍは
２以上の自然数）の検出点の各々から前記マークの有無
を判定し、当該マークの有無に対応する検出信号を各々
出力するＭ個の検出手段であって、前記Ｍ個の検出点の中での任意の二つの検出点のうち、
一方の検出点が一の前記マーク上における前記幅ｄ_sの
中間点に位置するとき、他方の検出点が前記一のマーク
から前記可動方向にｎ番目（ｎ＝０，１，２，…）のマ
ーク上であって、当該両検出点の間の距離を前記可動方
向に平行な線分に投射したときの投射長Ｄ₁が、ｎ（ｄ_s＋ｄ_i）−ｄ_s／２＜Ｄ₁＜ｎ（ｄ_s＋ｄ_i）
＋ｄ_s／２という条件、又は、前記Ｍ個の検出点の中での任意の二つの検出点のうち、
一方の検出点が前記中間点に位置するとき、他方の検出
点が前記ｎ番目のマークを介し前記一のマークの反対側
に隣接する前記間隙上であって、当該両検出点の間の距
離を前記可動方向に平行な線分に投射したときの投射長
Ｄ₂が、ｎ（ｄ_s＋ｄ_i）＋ｄ_s／２＜Ｄ₂＜ｎ（ｄ_s＋ｄ_i）
＋ｄ_s／２＋ｄ_i という条件、のいずれか一方を満たす前記Ｍ個の検出手
段を備え、前記Ｍ個の検出信号のうちいずれかの検出信号の論理状
態が反転するエッジタイミング毎に当該エッジタイミン
グにおける他の一の検出信号の論理状態を参照して前記
二つの部材の相対的な移動方向を検出する移動方向検出
手段と、前記エッジタイミングが検出される毎に得られる前記移
動方向に基づいてカウント値を増減し、当該増減したカ
ウント値を換算することにより前記二つの部材の相対位
置情報を出力する位置計算手段と、を備えたことを特徴とする位置計測装置。
【請求項４】請求項３に記載の位置計測装置におい
て、前記マークの幅ｄ_sと前記間隙の幅ｄ_iとは等しい幅ｄ
を有し、前記Ｍ個の検出手段は、検出点の間の距離を前
記可動方向に投射したときの投射長Ｄ₀が、Ｄ₀＝ｄ／Ｍとなるよう前記検出手段のそれぞれが前記可動方向に沿
って順次配置されていることを特徴とする位置計測装
置。
【請求項５】請求項１乃至請求項４に記載の位置計測
装置を備えたロータリーエンコーダにおいて、前記位置表示手段は回転又は回動自在に設けられ、当該
位置表示手段の円周方向に前記マークを周設してなり、前記位置計算手段は、前記カウント値を前記位置表示装
置の回転量に対応する数値情報を出力することを特徴と
するロータリーエンコーダ。
【請求項６】請求項１乃至請求項４に記載の位置計測
装置を備えた傾斜計において、前記位置表示手段は、揺動自在に設けられた振子手段
と、前記振子手段と一体として揺動又は回動し前記マー
クを円周方向に周設してなる角度表示板と、を備え、前記位置計算手段は、前記カウント値を角度情報に換算
して出力することを特徴とする傾斜計。
【請求項７】請求項６に記載の傾斜計において、前記角度表示板は、前記周設されたマークの他に基準角
度を検出するための基準角度マークを備え、前記基準角度マークを検出する基準角度マーク検出手段
と、前記角度表示板の回動に伴って前記基準角度マーク検出
手段により前記基準角度マークが検出されたとき、前記
位置計算手段のカウント値をリセットする基準位置リセ
ット手段と、を備えたことを特徴とする傾斜計。
【請求項８】請求項７に記載の傾斜計において、前記振子手段を強制的に回転又は揺動させ、前記基準角
度マーク検出手段に前記基準角度マークを検出させるた
めの振動印加手段を備えたことを特徴とする傾斜計。
【請求項９】新たな傾斜角が与えられると周期的な振
動を行い真値に収束する傾斜角を示す傾斜計から傾斜角
データを測定する傾斜計測工程と、前記傾斜計測工程の出力する前記傾斜角データの変化率
に基づいて前記傾斜角の変化の極大点又は極小点を検出
する極値検出工程と、前記極値検出工程により極大点又は極小点が検出される
毎にその極値を記憶する記憶工程と、ｎ回目（ｎは自然数）に極値が得られた際、当該ｎ回目
に得られた極値と（ｎ−２）回目に得られた極値との平
均値を算出し、当該平均値と（ｎ−１）回目に得られた
極値との中間値を真値データとして出力する真値計算工
程と、を備えたことを特徴とする傾斜計測方法。
【請求項１０】新たな傾斜角が与えられると周期的な
振動を行い真値に収束する傾斜角を示す傾斜角データを
測定する傾斜計と、前記傾斜計の出力する前記傾斜角データの変化率に基づ
いて前記傾斜角の変化の極大点又は極小点を検出する極
値検出手段と、前記極値検出手段により極大点又は極小点が検出される
毎にその極値を記憶する記憶手段と、ｎ回目（ｎは自然数）に極値が得られた際、当該ｎ回目
に得られた極値と（ｎ−２）回目に得られた極値との平
均値を算出し、当該平均値と（ｎ−１）回目に得られた
極値との中間値を真値データとして出力する真値計算手
段と、を備えたことを特徴とする傾斜計測装置。