JP2000505897A - 測定精度を改善したｃｃｄ列を有する回転角度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 迅速な回転角度センサを形成するために、いわゆるＣＣＤ列を使用することが知られている。この場合、符号ディスクによって制御される光分布（Ｌ）がピクセル列（１１）によって測定され、評価装置によってデジタル値に変換される。本発明は、高い分解能を有する位置センサを提供するという課題を有する。そのために、ほ、光源のパルス運転、符号要素のデジタル符号の使用のような一連の手段を提案する。有利な実施形は最大符号の選択および得られたデジタル値によって決められる大まかな位置値の正確な決定に関する。測定精度の一層の改善は、符号トラックの移動または半径方向に係合する複数の符号トラックによって達成可能である。

Description

【発明の詳細な説明】 測定精度を改善したＣＣＤ列を有する回転角度センサ 本発明は、ＣＣＤ列を有する位置センサ、特に回転角度センサに関する。この ようなセンサは、テキサスインストルメント社の表題“linear products TSL 21 4 integrated Opto-Sensor”の応用文書に、その図１〜５に関連して記載されて いる。統合された光学センサTSL 215についての詳細は、番号SOES 005A-Mai 199 3年の題名“TSZ 215 128xl integrated Opto-Sensor”のテキサスインストルメ ント社製品説明書第４．１９〜４．２８章に開示されている。 この公知のＣＣＤ列は一列に並べて配置された、ピクセルと呼ばれる集合要素 を備えている。このピクセルは集合要素が空である出発状態から出発して、集合 要素に当たる光束に依存して荷電される。ピクセルに当たる光束に基づいて異な る電荷は、ピクセルの異なる電圧値に一致する。予め定めた、周期的に繰り返さ れる時点で、すべてのピクセルの電圧がシフトレジスタの所属の記憶要素に平行 に伝達されるので、シフトレジスタの個々の記憶要素の電圧分布は、所属する個 々のピクセルに供給される光束に一致する。その後、適切な電子装置によって、 集合要素（ピクセル）がその空の出発状態に戻され、照射によって再び荷電され る。一方同時に、電圧値がシフトレジスタの記憶要素から歩進的に逐次読み取ら れ、アナログ値がデジタル値に変換される。最後に例えば６４〜１２８個のデジ タル値が供される。このデジタル値は上記の時間の間に所属のピクセルに当たる 光束を示す。符号化されたオリフィスを有する支持体の場合、透過する光分布は ＣＣＤ列と相対的な支持体の位置に一致する。この支持体により、測定された光 分布または電圧分布に基づいて、測定の際に支持体の瞬時の位置を推測すること ができる。これは上記の応用例において、符号化されたディスクの回転角度につ いても当てはまり、しかも支持体の直線的な位置が透光性符号によって示される ときには、支持体の縦方向位置を示すためにも当てはまる。このような透光性符 号の使用はドイツ特許出願第１９５３２９０３．１号明細書に既に記載されてい る。上記の符号ディスクとの重要な違いは、ディスクを通過する光電流がＣＣＤ 列によってではなく、１個または複数のダイオードによって測定されることにあ る。従って、本発明は、請求項１の上位概念記載の種類の位置センサ、特に回転 角度センサから出発する。このようなセンサ装置の場合には、符号ディスクを通 過する光束の光分布を走査する時間の間、迅速に回転するステアリングホイール の場合に符号ディスクが大きく移動するという欠点がある。すなわち、符号ディ スク上の個々の透光性符号領域の位置が照射されるピクセルに対して変化するの で、当たる光の分布が集合時間の間変化する。その結果、はっきりしないグレー レベル遷移が生じるので、符号ディスクによる、ＣＣＤ列上での光分布の結像が ぼやける。はっきりしないグレーレベル遷移を減少させるために、符号語の数、 ひいては符号の数をできるだけ多くかつ大まかにすることを試みることができる 。大まかな符号は汚染に対する感度を低減し、符号ディスクを簡単に製作するた めに役立つ。本発明は、公知のシステムを改良するために、グレーレベル遷移を 他の手段によって大幅に改善し、センサの感度を高めるという課題を有する。 この課題は、請求項１の特徴部分に記載した特徴の組み合わせによって解決さ れる。本発明は原理的には、符号要素、すなわち回転角度センサの場合には符号 ディスクの照射の時間を大幅に短縮することにある。それによって、符号要素が 例えばストロボスコープの形態で短時間で照射される。本発明の場合、放射され る光束、ひいては集合要素によって受け止められる電荷が比較的に小さいという 欠点が生じ得る。この場合、請求項２記載の特徴組み合わせによって対策を講じ ることができる。その際、光源は、全体の時間にわたって定格出力が達成される ように運転される。それによって、光源によって大きな光量が短時間放射される 。小さくなった光束に基づく荷電の後で符号要素の位置を一義的に決定できるよ うにするために、特に、光源のスイッチ投入時点が走査時点および読取りタイミ ングと同期させられる。 試験の結果、周期的なスイッチ投入時間は請求項３に従って、サイクル時間の ５％未満、好ましくはサイクル時間の１％未満であることが判った。 請求項１の上位概念記載の種類のセンサの精度を、課題に従って更に改善する ために、本発明は、冒頭に述べたセンサにおいて、請求項４記載の特徴の組み合 わせを提案する。この特徴の組み合わせによれば、符号要素（すなわち、回転角 度センサの場合符号ディスク）が二つだけの状態に対応する符号領域を備えてい る。すなわち、符号要素は非透光性符号領域または所定の透光性を有する符号領 域を備えている。この透光性は複数の単位の符号の状態０と１に一致している。 その際、符号領域によって常に複数の記憶要素（ピクセル）がカバーされるかま たは光束によって負荷されるように、幾何学的に配置される。各々のピクセルに 本来の符号要素を付設することも考えられる。ここでなされた提案は、極端な場 合、充分な光束がピクセルグループに送られたか否かを確実に決定するために役 立つ。それによって、透光性符号領域が供されるかあるいは非透光性符号領域が 供されるかどうかの決定が、符号領域あたりピクセルか１個設けられている場合 よりも、非常に確実に行われる。更に、複数の符号領域（例えば１２個の符号領 域）がＣＣＤ列によって走査され、センサによって評価される。この場合、各符 号領域には、複数のピクセル、例えば１１個のピクセルと１２個の間のピクセル が付設されている（これは例えば１２単位の最大符号を使用する場合および１２ ８個のピクセルを有する符号列を使用する場合に生じる）。符号要素あたりまた は多単位符号の符号単位あたり多数のピクセルを使用すると、結像の側部を決定 するピクセル電圧が中間値を占めるときにも、非透光性符号領域または透光性符 号領域が認識可能であるという有利な作用を生じる。これは例えば、符号領域の 端がピクセルを例えば部分的に被覆する場合かまたは散乱光線が符号領域の端で ピクセルで読取り可能な側部を歪ませる場合である。 回転角度を測定するための本発明による位置センサが特にステアリングホイー ルの回転角度を測定するために使用される場合、本発明の実施形では、請求項５ 記載の特徴組み合わせの使用が推奨される。それによって、原理的には、符号要 素は符号ディスクによって形成可能であり、この符号ディスク上には、ケーキを 切った片のように、透光性扇形と非透光性扇形が、符号によって定められる順序 で続けてかつ隣接させて配置されている。その際、請求項６記載の特徴の組み合 わせにより、上記のケーキ片から、円形リング内にある部分だけを切除するよう に、符号領域が円形リングに沿って続く。この場合、ＣＣＤ列を円形リングに対 して接線方向に向け、符号ディスクの上方または下方で円形リングにわたって配 置することが推奨される。列がほぼ直線をなし、扇形が湾曲しているので、透過 性符号領域を通過する光束は、列上での付設ピクセルの位置に依存する。ここで 勿論、規則的な光束低減を補償する適当な補正を加えることができる。符号とし ては、本発明の他の実施形に従い、請求項６記載の特徴の組み合わせが推奨され る。この場合、最大符号が選択される。この最大符号は、円弧に沿って配置され た、符号要素の秩序正しい列が、繰り返されない符号値（語、ワード）を生じる という利点がある。換言すると、例えば１つの円形リング上に１８０個の符号領 域を配置可能である。この場合、相前後する１２個の符号要素が１２単位の符号 語を生じる。円形ディスクが２°、すなわち１個の符号要素だけずらされると、 新しい符号語が生じる。１８０個の符号語はすべて互いに異なっている。この場 合、符号領域が互いに隣接する場合にのみ、新しい第１の単位（ステップ）が付 け加えられ、最後の単位が離れる（あるいは回転方向が反対の場合には逆に行わ れる）。 大きな冗長性を得るために、請求項８記載の特徴の組み合わせに従って、４， ０９６個の符号語の最大符号から出発する。この場合、１８０個の符号語を超え るこの符号語列の同様に短い区間だけが使用される。４，０９６個の符号語の全 体列から、１８０個の符号語を有する区間のうちどの区間を取り出すか、符号デ ィスク上に円形リング状に置くかは自由である。しかし、請求項９記載の特徴に よって示される方策に従って行うと有利である。請求項６記載の特徴の組み合わ せに従い、符号領域の所定の形成の場合、ＣＣＤ列を円形リングに対して接線方 向に配置することが推奨される。 符号列を配置する他の方法は、請求項１０の特徴組み合わせに記載されている 。この特徴組み合わせによれば、符号列は半径方向に配置される。これにより、 符号列によってその都度読みとられる多単位符号語の単位も、互いに半径方向に 配置する必要がある。このような半径方向の配置は例えば、供される円形リング の外周が、ステアリングロッドの外周面の場合のように小さいときに有利である 。しかし、半径方向に配置された符号語は中空円筒体の外周面に配置する必要は なく、円形ディスク上で半径方向に延びていてもよい。この両者の場合特に、グ レー符号が使用される。 読み取られた符号語を評価する際にマイクロプロセッサを使用できるようにす るために、本発明の他の実施形では、請求項１１記載の特徴の組み合わせが推奨 される。この特徴の組み合わせによれば、評価される符号語は、例えばエラーを 検査し、得られた符号語に基づいて測定された角度を決定することにより、マイ クロプロセッサによって評価される。 上述のように、多単位符号の一つの単位は１個のピクセルによって決定される のではなく、この単位のカーブ輪郭が複数のピクセルの電圧によって描かれる。 １２８個のピクセルによって決定されたカーブを認識する際に、対応する（１ ２単位の）符号語が得られ、角度値が２°で正確にかつ大まかに測定可能である が、高い精度で角度を測定するために、請求項１２記載の特徴の組み合わせが使 用される。この特徴の組み合わせによれば、多単位の符号語が決定されるだけで なく、ＣＣＤ列の始端または終端に対するその位置も決定される。これにより、 精度の大幅な上昇が達成され、この精度で、そのとき測定された角度を決定する ことできる。すなわち、１個または複数の単位のエッジが普通の位置に対して例 えば１ピクセルだけ右側または左側に移動していることを確認すると、測定され た角度位置を１０倍の精度で決定することができる。なぜなら、約１０個のピク セルが符号領域によって生じる１個の符号単位を示すからである。その際、異な る方策を設けることができる。例えば、１個または複数個の符号単位の最大また は側部の、普通の位置に対する移動を決定することができる。 評価アルゴリズム（ソフトウェア）によって、副ピクセル範囲における分解能 も得られる。精度を高めるために、非透光性符号領域の再現に対する透光性符号 領域の再現のコントラストも決定することかできる。透光性領域が汚れで部分的 い塞がれることによって符号領域が汚染することにより、差値（コントラスト） の低下が検出可能である。コントラストが所定の閾値よりも低下すると、ディス クを洗浄または交換すべきである。請求項１３の記載の特徴の組み合わせは更に 、光源の送光能力を高めることによってあるいは送光時間を延長することによっ て適合させ、それによって所望のコントラストを再び生じることを提案している 。 この原理は、ＣＣＤ列で作動するすべてのセンサに適用可能であり、従ってセ ンサの感度の改善の独立した他の解決策である。ＣＣＤ列から出力されたアナロ グ値を評価する際に、一方ではその都度のアナログ値がピクセル電圧の振幅を示 すデジタル数に変換され、更にデジタル数に基づいて、エラー補正や他の検査ス テップのような付加的なすべての計算によって、測定された回転角度値が算出さ れる。アナログ値からデジタル値への変換を、角度値の計算に対して平行に行う ことができるので、本発明の他の実施形では、請求項１４記載の特徴の組み合わ せを使用することが推奨される。この特徴の組み合わせは、請求項１に記載した 種類のすべてのセンサに適用可能である。すなわち、デジタル値がアナログ値の 換算によって求められると、割り込みによって、次の値の換算が開始され、その 後で計算機によって角度値を計算するこによって続行させられる。 本発明は冒頭で既に述べたように、回転角度センサ、特に自動車の操舵角度セ ンサに関する。このようなセンサは例えば自動車の走行安定性を制御する制御装 置のために必要である。このようなセンサの場合、円形に配置された少なくとも １個の符号トラックが符号要素上に規則的に設けられている。この場合、符号ト ラック上には、繰り返されない符号語が取付けられている。符号要素は自動車の ステアリングロッドに連結されている。これにより、符号要素の回転運動から、 車輪の揺動運動を推察することができる。 符号要素の各々の回転位置において所定の１個の符号語が読取り装置によって 読取り可能であるので、得られた符号語に基づいて、符号ディスクの位置、ひい ては自動車のステアリングホイールの角度位置を推察することができる。ステア リングホイールが全体の揺動運動を行うためには、ステアリングホイールが複数 回回転しなければならないということが難点であることが判った。従って、ステ アリングホイールの揺動角度を一義的に測定できるようにするためには、ステア リングホイールの絶対的な回転運動を認識することだけでなく、零位置に対する ステアリングロッドの回転数を知ることが重要である。そのために、本出願人の Ｐ８６３６では、カウンタを備えたステップバイステップスイッチを設けること が提案された。このステップバイステップスイッチが符号要素によって行われる 回転に依存して歩進的に前方または後方へ切換えられるので、零位置に対する符 号要素の回転数が常に知られている。 そこで本発明は更に、請求項１の上位概念に記載した種類の回転角度センサか ら出発する。本発明の課題は、そのときの回転数を測定するためのステップバイ ステップスイッチを省略し、回転の測定を本来の回転角度センサに統合すること である。 この課題は冒頭に述べた回転角度センサにおいて、請求項１７の特徴部分に記 載した特徴の組み合わせによって解決される。本発明は原理的には、読取り装置 の移動方向に対して横方向に配置された複数の符号トラックを設け、そのときの 回転数に依存して個々の符号トラックの方へ読み取り装置を搬送することにある 。その際、そのとき走査された符号トラックによって、瞬時の回転が測定可能で ある。これは、回転数を指示する特別な符号が各々のトラック内で走査可能であ ることによって行われる。しかし、解読された符号語によって、絶対回転角度だ けでなく、同時に回転数が決定されるように、すべてのトラックにわたって連続 する符号（例えば最大符号）を分布させることができる。 符号トラックのきわめて簡単な配置は請求項１８に記載された特徴の組み合わ せによって生じる。この特徴の組み合わせによれば、個々の符号トラックが互い に渦巻き状に連結されている。これは、所定の絶対角度位置の場合に、読取り装 置がその回転運動に依存して高いトラックの方へまたは低いトラックの方へ搬送 されることによって行うことができる。しかし、全体の符号トラックが全体にわ たって渦巻き状のトラックを形成し、読取り装置の移動方向が前進運動から後退 運動に切換える際を除いて大きな変化をしないようにすると、全体の符号トラッ クがきわめて簡単になる。その際、符号トラックは請求項１９記載の特徴の組み 合わせに相応して、円板上にまたは円筒体の外周面上に渦巻き状に設けることが できる。その際、透光原理も反射光原理も使用可能である。円筒体が中空円筒体 ではないとき、例えば符号トラックをステアリングロッド上に渦巻き状に取付け るときには、反射光原理を使用可能である。 読取り装置を搬送するための異なる多数の搬送手段を挙げることができる。そ の際、請求項２０に記載した搬送装置が特に有利であることが判った。この場合 、搬送手段は符号要素および読取り装置上に直接設けられる。その際特に、請求 項２１記載の実施形が推奨される。この実施形の場合には、符号要素に付設され た案内手段が渦巻き状符号トラックに対して平行に延びている。請求項２２記載 の手段によって構造がきわめて簡単になる。特に、符号要素上の符号が透光原理 に従って作動するときに簡単になる。その際、符号、すなわち、符号ディスク上 の切欠きが案内溝の底に設けられると有利である。なぜなら、そこでディスクは 小さな厚さを有するからである。同時に、例えばダイオード、ＣＣＤ列、ホール 要素等のような読取り要素は溝底寄りの読取り装置の面に配置可能である。それ によって、読取り要素は側方を遮蔽されて、符号を形成する切欠きのすぐ下に位 置する。 そのときの回転数に関する特別な符号を確認しなくてもよいようにするために 、本発明の他の実施形では、請求項２３記載の特徴の組み合わせが推奨される。 この特徴の組み合わせによれば、符号が渦巻き全体にわたって連続して延びる最 大符号によって形成されている。符号語が繰り返されないので、この多単位の符 号語内で、絶対角度だけでなく回転数も同時に解読可能である。 ＣＣＤ列を使用すると読取り装置がきわめて簡単になる。例えはダイオードま たはホール要素のような読取り要素は互いに平行に延びるトラックの方へ向ける ことが可能であるので、これにより、符号要素の絶対回転位置と、読取り装置に 対する符号要素の相対回転位置を測定することかできる。 次に、図に基づいて本発明の実施の形態を説明する。 図１はＣＣＤ列の概略構造を示す図、 図２は本発明による回転角度センサの構造を象徴的に示す図、 図３は接線方向に向いたＣＣＤ列を有する回転角度センサのための符号ディス クの構造を示す図、 図４は図３のディスクに配置されるような最大コードの一部を示す図、 図５はデジタル化されたピクセル電圧を示す図、 図６は図５の微分された電圧値を示す図、そして 図７は１２単位の符号の形成を示す。この場合、個々のピクセルから導き出さ れる０値と１値はそれぞれ同じ大きさであり、パルスのエッジ（端）は図５のパ ルス勾配の変曲点によって決まる。 図８は下方にＣＣＤ列を接線方向に配置した符号ディスクを示す図、そして図 ９は半径方向にＣＣＤ列を搬送するための搬送装置を示す図である。 図１は、冒頭に述べた文献に関連して既に説明したような回路図である。図１ には例えば、１６個の光感知ピクセル（画素）１が示してある。この光感知ピク セルは光電流Ｌによって付勢される。その際、個々のピクセル１に当たる光電流 の分布は、符号（コード）要素の符号化に依存する。この符号要素は本実施の形 態では符号ディスク（図２，３参照）として形成されている。光束（光分布、光 電流）Ｌの光分布は、符号ディスク上の瞬時の符号語（符号ワード）に左右され る。この符号語は更に、符号ディスクの回転角度に依存する。個々のピクセル１ 上での光束Ｌの分布に依存して、そこに電荷が集められる。この電荷は更に、ピ クセル１の出力に電圧を生じる。所定の時間の後で、端子Ｇ，Ｕを介してゲート Ｓが開放されるので、個々のピクセル１の電圧値がシフトレジスタ３の記憶位置 ２に対して平行に伝達される。それによって、ピクセルがシフトレジスタ３の記 憶位置に結像される。続いて、ピクセル１は例えば放電によってその出発状態に 戻され、新たに光束Ｌにさらされる。この照射時間の間、シフトレジスタ３は読 取り段Ｖで歩進的にかつ逐次的に読み取られ、出力Ａに供される（図２）。シフ トレジスタが空になった後で、その間に形成されたピクセル１の電圧値はシフト レジスタ３に平行に伝達され、そこで再び逐次的に読み取られる。 図２はセンサの作用を象徴的に示している。コンピュータ４に依存してパルス 化された、光源５としての赤外線ＬＥＤは、光帯を符号要素６に放射する。この 符号要素は符号ディスクとして形成されている。符号ディスクは光を透過しない 扇形領域７と、光を透過する領域８を備えている。この場合、並んでいるこの１ ２個の領域がそれぞれ、１２単位符号語を生じる。符号ディスク６上の符号は最 大符号である。すなわち、個々の符号語は１２単位（要素、ステップ）を有する 窓によって発生する。符号ディスク６が１単位だけ回転すると、新しい最初のス テップが来て、先行する符号語の最後のステッブが離れることにより、新しい符 号語が生じる。ディスク上の符号語は決して繰り返されない。符号化領域７，８ は透明であるかまたは不透明である。この場合、同じ透明度の多数の符号化領域 を並べて設けることかでき、それによってそれに応じた大きさの扇形が生じる。 平面状の光束９は符号ディスク６に当たり、光束の一部は符号化領域７を通過し 、光束の他の部分は通過せず、ＣＣＤ列（ＣＣＤライン）１０に達しない。従っ て、ＣＣＤ列１０上に光分布Ｌが生じる。この光分布はピクセル列１１に当たり 、ピクセルを荷電する。そして、ピクセル電圧は図１に関連して既に述べたよう に、周期的にシフトレジスタに電荷を積み替えられ、そして読取り段Ｖを介して 逐次的にアナログ／デジタル変換器１２に供給される。このアナログ／デジタル 変換器はＣＣＤ列１０に統合可能である。それによって、いわゆる集積された光 センサが生じる。マイクロコントローラ内蔵のアナログ／デジタル変換器も使用 可能である。 デジタル化された変換器１２の出力値はコンピュータ４に供給される。このコ ンピュータは制御導線１４，１５を介して、ＬＥＤ５のパルス状の運転と、ピク セル列１１のリセットと、詳しく示していないシフトレジスタからの読出しを制 御する。そして、出力１３のデジタル値から、符号語がコンピュータ４内で認識 され、それから符号ディスク６の測定回転角度が大まかに決定される。エッジ（ ０−１−遷移）あるいは０領域または１領域の評価によって、回転角度が細かく 決定される。 図３は０値と１値に対応する個々の符号化領域７，８を有する符号ディスク６ を示している。光源５に向き合った側に、図１，２に既に示したように、ＣＣＤ 列１０が接線方向に配置されている。その際しかも、１２単位の符号を読み取る ことができるように配置されている。ＣＣＤ列１０が１２８個のピクセルを備え 、大まかな測定として１２単位の符号１８０によって異なる角度値を表すことが できると仮定すると、符号語のそれぞれの単位に、約１０個のピクセルが対応す る。図３には、使用される最大符号が示してある。この最大符号では、符号化領 域７，８に対応する個々の単位か、０または１で示してある（０は透過しない単 位、１は透過する単位）。ディスクがＣＣＤ列１０の下方で回転すると、列の始 端から新しい単位が現れ、列の終りでは最後の単位は、列にはもはや作用しない 。 図４には、最大符号の作用が示してある。その際、ピクセル列１１の下方で符 号ディスク６が右または左へ回転するときに、符号化領域７，８の列は符号ディ スク６の回転方向に応じて移動する。これは、図において位置１１ａまたは１１ ｂへのピクセル窓の右側移動または左側移動として示してある。それによって、 新しい１２単位の符号語が生じる。 図５には、図２の出力導線１３のデジタル化された電圧値が示してある。この 電圧値は個々の１２８個のピクセルに対応する。包絡線が示してある。この包絡 線から瞬時に読み取られた符号語を認識可能である。この符号語は更に、符号デ ィスク６のそのときに測定された回転角度を示している。符号語を取り戻すため に、並べられた電圧値が微分され（図６）、図６の微分曲線の極値が処理された 符号語のためのエッジ位置を形成する。図７には、ピクセル電圧を変形しながら 、１２単位の符号語のそれぞれのデジタル値が記入されている。符号語は符号デ ィスク６の角度位置を２°で正確に示す。勿論、軸線上での零位置と相対的な符 号語の移動を算出することにより、測定角度を非常に正確に決定することも可能 である。図６から判るように、符号語７は一つだけ右側へ摺動させられている。 なぜなら、個々の符号領域７，８に約１０個以上のピクセルが対応するからであ る。零位置に対する図７の符号語の移動から、符号ディスクの実際の角度が、予 めおおまかに測定された２°の値よりも幾分大きいかあるいは幾分小さいかどう かを示すことかできる。これにより、ＣＣＤ列１０に対する符号語の移動を考慮 することにより、約０．１°の分解能が達成可能である。本発明にとって、使用 される最大符号が４，０９６個を含む符号語の一部だけであるということが重要 である。これにより、他の情報を考慮しないで、高い確率で、発生するエラーを 認識することができる。すなわち、９６％（Ｗ＝４，０９６−１８０：４，０９ ６＝０．９６）で認識することができる。１００％のエラー認識確率までの符号 の一層の最適化は、例えば最少ハミング距離のような他の判断基準を考慮するこ とによって可能である。概要 序文：操舵角度を測定するためのデジタルセンサの場合には往々にして、不連 続の光学構成要素または磁気構成要素が使用される。達成可能な分解能は実質的 に、使用されるセンサの数と位置決め精度、機械的な境界条件および誤差状況に 左右され、しばしば不充分である。分解能を高めるために、ＣＣＤ（電荷結合素 子）列に基づく上記の光学式原理を使用することができる。 ＣＣＤ列は、ケーシング内に直線的に配置された多数（例えば６４個、１２８ 個、２５６個、１０２４個・・・）のセンサ要素からなっている。グレーレベル 情報に一致するセンサ電圧またはセンサ電流は、既に統合された外部の電子機器 で読み取ることができる。ピクセル数が多いので、データセットの処理はマイク ロプロセッサにおいてデジタル式画像処理で行うことができる。それによって特 に、非常に細かい角度決定が可能である。 作用原理：全体のセンサは実質的に、光源、符号化されたディスク（等）、ＣＣ Ｄ列および電子評価装置からなっている。符号ディスクによる、列の光感知範囲 でのグレーレベル分布から、操舵角度位置が測定される。 符号ディスクを使用する場合、ＣＣＤ列は符号ディスクに対して接線方向にも 半径方向にも位置決め可能である。接線方向に配置する場合、符号（例えば最大 符号）は符号ディスクの外周に配置される。半径方向に配置する場合には、符号 （例えばグレー符号）はディスクに円環状に一体化される。符号ディスクを使用 する代わりに、スペースを節約するために、他の要素（例えばステアリングコラ ム；軸方向と接線方向のセンサ位置が可能である）に符号を付けることができる 。構造、汚染問題等に関する境界条件に応じて、透光原理または反射光原理が有 利である。 製作を簡単にするため、および汚染しにくくするために、できるだけ“大まか な”符号構造（幅の広い０−１−インフォス(Infos)）を使用すべきである。接 線方向のセンサ位置を有する符号ディスクを使用する場合には、固有の符号を介 して絶対角度を大まかに測定可能である。細かい角度分解能は、例えば０−１− 遷移のエッジまたは明るい領域と暗い領域の重心を検出し、評価することにより 、達成される。 ＣＣＤ列による符号化の走査時間は任意に短縮できない。それによって、ステ アリングホイールの高速回転時にＣＣＤ列に生じるはっきりしないグレーレベル 遷移は、光源を連続運転で使用しないで、パルス状に運転して使用することによ り改善される。その際、投入時点は走査タイミングおよび読取りタイミングと同 期させることができる（例えばマイクロコントローラによる光源の制御）。 適当なソフトウェアアルゴリズムにより、誤差（センサの位置決め精度、符号 ディスクの半径方向運動および擂粉木運動、光源の老化・・・）は存在しないか あるいは或る限度内で補正可能である。更に、エラー認識機構を統合することが できる。 この構造は電子評価装置の一つの概念を示している。この場合、ＣＣＤ列の光 学センサのグレーレベル情報は、マイクロコントローラによって制御されて逐次 読み取られ、アナログ／デジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）によってデジタル化さ れ、続いてコントローラに読み込まれる。迅速な変換時間の場合には、外部のア ナログ／デジタル変換器が必要である。タクト周波数か小さい場合には、コント ローラに内蔵されたコンバータで充分である。読取りの後でマイクロコントロー ラに完全に供されるデータセットは続いて、適当なソフトウェアで評価される。 グレースケール情報の処理が終了すると、次のデータセットの読取りが開始され る。 一般的に、ＣＣＤ列は操舵角度センサの用途が考えられるだけでなく、直線的 な位置認識および回転体の位置認識のためにも使用可能である。 上述のように、デジタル化のために必要な時間を最少にするためには、迅速な 外部のアナログ／デジタル変換器（ＡＤＵ）が必要である（マイクロコントロー ラに内蔵されたＡＤＵは比較的に遅い）。コストのかかる外部のＡＤＵを節約す るために、次の方法が考えられる。先行するサイクルで既に読み込まれたデータ セットが評価される間、それと平行して、次のデータセットの個々のアナログ値 がマイクロコントローラ内蔵のアナログ／デジタル変換器で“ゆっくりと”デジ タル化され、記憶される。すなわち、デジタル化プロセスが終了した後で、デー タセットの評価ルーチンが割り込みによって中断され、供されるデジタル化され た値が記憶され、次のアナログ値の変換が開始され、そして中断されたルーチン で続行される。これは、データセットのすべてのアナログ値がデジタル化される まで繰り返される。 図８は符号要素として符号ディスク１０１を示している。この符号ディスクの 回転角度が検出される。符号ディスク１０１の下方にはＣＣＤ列が前述のように 配置されている。符号ディスクと関連するこのＣＣＤ列の作用は、テキサスイン ストルメント社の応用文書“linear products,TSL 214 integrated Opto-Sensor ”に既に記載されている。この応用文書はテキサスインストルメント社の光学セ ンサTSL 214に関する。符号ディスク１０１は渦巻き状の符号トラック１０３を 備えている。この符号トラック上に、連続する最大符号が６個すべての巻きにわ たって設けられている。この最大符号は、連続する符号化が得られるという特徴 がある。この場合、多単位（例えば１４単位）の符号語を歩進的に読取り可能で あり、読取り可能な個々の符号語は６個すべてのトラックにわたって繰り返され ない（これについては本願において前に詳しく述べてある）。 それによって、図９には符号全体の短い部分だけが示してある。 ＣＣＤ列１０２は並べられた一列の光感知要素（いわゆるピクセル）（１０５ ）を備えている。このピクセルによって、走査された符号語が読み取られる。符 号化はいわゆる透光原理によって行われる。すなわち、図８の観察平面の上方に 光源があり、この光源は光透過性符号領域１０７に光を通す。一方、非透過性符 号領域１０８は、ピクセル列１０５まで光を通さない。これにより、ピクセル列 上に光が分布し、符号ディスクの回転角度に依存する符号語がピクセル列１０５ を介して読取り可能である。本発明にとって、半径方向に延びるキャリッジ１０ ９が重要である。このキャリッジによって、ＣＣＤ列１０２は半径方向に案内可 能である。キャリッジとＣＣＤ列は符号ディスク１０１の下方にある。 図２には、符号ディスク１０１の断面が拡大して示してある。この場合、ディ スクは縦軸線Ｌの回りに回転方向Ｔ（図８も参照されたし）に回転する。その際 、図９に示した断面は図８のＡ−Ｂ線に沿って延びている。符号ディスク１０１ は渦巻き状の溝１１０を有する。この溝内に、ＣＣＤ列１０２の突起１１が係合 する。従って、レコードプレーヤのピックアップと同様に、ＣＣＤ列は符号ディ スク１０１の回転時に回転方向Ｔに依存して移動方向Ｒへ右側または左側に搬送 される。渦巻き状の溝１１０の底に、非透過性または透過性符号領域１０７，１ ０８が加工されている。この場合、符号領域は図８，９の符号ディスクの上方に ある図示していない光源によって照射される。符号領域を透過した光線はピクセ ル列１０５によって認識され、それによって読みとられた符号語が識別される。 従って、符号ディスク１０１の回転角度を測定することができる。しかし、識別 された符号語はディスクの絶対的な回転角度だけでなく、そのときの回転数も示 す。検出された符号語または符号語を検出するために必要な個々のピクセルの電 圧値は、端子１１３，１１４で測定可能である。 個々の符号語の読取り装置によって読みとることができるようにするためには 、光源を設ける必要かある。この光源は簡単な場合には、符号要素をほぼ均一に 照射することができる。それによって、理論的にはすべての符号語が読取り可能 であるがしかし、読取り装置の瞬時の位置から読取り装置によって読みとること ができる符号語だけが読みとられる。符号要素のこの大きな面積の照射の場合、 光源は定置して配置することができる。その際、透光原理も反射光原理も適して いる。すなわち、読取り装置は符号要素を透過する光線または符号要素によって 反射した光線を評価する。他の例では、光源が読取り装置に対して平行に案内さ れる。この場合、実質的に、読取り装置を取り囲む符号要素の範囲が照射され、 透光原理または反射光原理を適用可能である。この実施形の場合、光源は好まし くは移動可能に配置される。これは少なくとも、符号要素の直接的な照射のため に適している。他の例では、光源を定置して配置することができる。しかし、光 は例えば光ガイドを介して読取り要素の位置変化に追従する。概要 絶対的なステアリングホイール角度を検出するための従来のシステムは原理的 には、選択された物理的センサ原理（例えば光学式、磁気式）に関係なく、０〜 ３６０°の角度範囲に制限される。この範囲を上回るステアリングホイール回転 が生じると、周期的な連続に相応して、角度範囲〔０〜３６０°〕の絶対角度だ けが認識される。回転数ｎに対応して α＝ｎ×３６０°＋α’ を有する絶対角度が所望されると、例えば特別な伝動装置、センサ装置および電 子装置からなる付加的なセンサユニットか必要となる。この追加ユニットは回転 数ｎを検出する。この場合、ソフトウェアによってαを算出可能である。 この出願の内容は、センサユニット（例えば光学感知列または磁気感知列）を １個だけ使用して、回転数を含めて絶対角度を検出することができるセンサ原理 である。このような方法はステアリングホイール角度を測定するために使用可能 であるだけでなく、複数の回転範囲にわたって絶対角度を測定するあらゆる用途 に使用可能である。 センサ原理：この絶対角度測定システムの重要な原理は、符号ディスクに渦巻き 状に設けられた、複数回巻かれた符号トラックである（符号トラックの巻きの数 は検出すべき角度範囲の回転数に一致する）。この符号はセンサ列上を案内され る。回転数に依存して、この列は適当な機械式手段およびガイドに基づいて、渦 巻き状の符号トラックの対応する巻きの上に位置する。 符号トラックに設けられた符号は、いろいろな判断基準に従って最適化された 最大符号である。すなわち、センサ列にその都度結像するビット組み合わせは、 全体の角度測定範囲において一つだけ存在する。 実現可能性：符号トラック渦巻きはいろいろな方法で統合可能である。変形例で は、平らなディスク上に取付けられる（センサ列の移動方向：ステアリングコラ ムに対して半径方向）かあるいは回転対称的な円箇体に統合される（センサ列の 移動方向：ステアリングコラムに対して軸方向）。添付の図には構造を例示的に 示している。この構造例は、渦巻き状の符号トラックを有するディスクと、セン サ列と、半径方向のセンサガイドと、センサの機械式搬送方法（一緒に動かす方 法）を含んでいる。 センサを搬送するために、いろいろな機構が考えられる。構造例で示したよう に、符号トラック巻きの間にウェブが設けられる。このウェブはセンサ要素を半 径方向に搬送する。同様に、円筒体の外周面に符号トラックを取付ける場合、こ のようなウェブによって搬送することができる。図示したウェブの代わりに、搬 送のための他の変形例（例えば溝）が可能である。センサ移動は伝動装置によっ ても代替的に実施可能である。図に示した例は、構造的に最も簡単な実現原理で ある。用途に応じて、ここに挙げた例を互いに比べて選択しなければならない。 センサユニットとしては、光電子効果に基づくＣＣＤ（電荷結合素子）列が予 定されている。同様に、直線的に並べられた不連続の光学式センサ（例えばオプ トアレー）または同様に一列に配置された磁気式センサ要素が考えられる。列の 幾何学的寸法および必要なセンサ要素の数は符号に調和させられる。 光学式センサ原理（例えばＣＣＤ列）を使用する場合には、透光原理も反射光 原理も適している。この場合、故障しにくいという理由から、透光原理が有利で ある（反射光原理の場合には、汚染、スタート、老化等によって、０−１−レベ ル間隔が減少する）。両方法の場合、光源はセンサ移動と共に案内してもよい（ 集束された光線）し、センサによって走査される範囲全体を広い面積にわたって 照射してもよい。構造的な理由から、光源の位置が制限されるときには、光は合 成樹脂光ガイドを経て案内することかできる。この場合、所定の光分布を生じる ために、光ガイドの光出口にレンズ特性を補足することができる。速いステアリ ングホイール回転の場合にも輪郭（エッジ）の鋭さを高めるために、および明る さ変化（例えば老化）を補償するために、光源は適応性のあるパルス運転で作動 する。 方法の利点：大きな値範囲のための絶対角度。例えば６本の符号トラック巻きの 場合±１０８０°。回転数のための付加的なセンサ装置と評価が不要である。Ｃ ＣＤ列と適切な評価アルゴリズムを利用すると、高い分解能が達成可能である。 比較的に簡単な構造。少ない必要スペース。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＪＰ，ＵＳ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ＣＣＤ列に当たる光源（５）の光束（Ｌ）が、符号要素（６）の位置に依存 して符号要素によって制御され、評価装置（Ｖ，１２，４）がＣＣＤ列（１１ ）上の瞬時の光分布に基づいて符号要素（６）の位置を決定する、自動車の操 舵角度測定のための位置センサ、特に回転角度センサにおいて、光源（５）が パルス状にスイッチを入れられることを特徴とする位置センサ。 ２．光源（５）がパルス運転のために最大定格出力で運転されることを特徴とす る請求項１記載の位置センサ。 ３．光源（５）が周期的にスイッチを入れられ、投入時間がサイクル時間の５％ 未満、特に１％未満であることを特徴とする請求項１または２記載の位置セン サ。 ４．ＣＣＤ列（１１）に当たる光源（５）の光束（Ｌ）が、符号要素（６）の位 置に依存して符号要素（６）によって制御され、ＣＣＤ列（１１）上の瞬時の 光分布に基づいて評価装置（Ｖ，１２，４）により符号要素（６）の位置が決 定される、自動車の操舵角度測定のための位置センサ、特に回転角度センサに おいて、符号要素（６）がほほ光を透過するかまたは光を透過しない符号領域 （７，８）を備え、このような複数の符号領域（７，８）が、符号要素（６） の位置に依存して、光源からＣＣＤ列（１１）の個々のピクセル（１）に向け られる光束（Ｌ）の分布を決定することを特徴とする位置センサ。 ５．符号要素（６）が符号ディスクであり、符号領域が特に、同じ中心角を有す る互いに隣接する扇形またはこの扇形の一部であることを特徴とする請求項１ 〜４のいずれか一つに記載の位置センサ。 ６．符号領域（６）が閉じたリングに沿って互いに続けて配置され、このリング が特に円形ディスク上にあり、符号列（１１）がリングに対して接線方向に向 いていることを特徴とする請求項５記載の位置センサ。 ７．符号要素が円形ディスク（６）の形または円筒体の外周面の形をし、符号領 域（７，８）が複数の同心的な円形リングに沿って互いに続けて配置され、Ｃ ＣＤ列が複数の円形リングにわたるように配置され、ＣＣＤ列によって走査さ れる符号値が特にグレー符号に一致していることを特徴とする請求項１〜６の いずれか一つに記載の位置センサ。 ８．透光性および非透光性の符号領域（６）が、複数単位、例えば１２単位の最 大符号の形に配置されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに 記載の位置センサ。 ９．使用される最大符号が、それぞれ１２単位を有する例えば１８０個の符号語 の列からなり、この符号語が例えば同じ単位数の４，０９６個の一連の符号語 を有する長い最大符号の一部であることを特徴とする請求項８記載の位置セン サ。 10．符号語列が次の順序の設定、すなわち ａ）符号語列が閉じた最大符号を生じなければならない、 ｂ）透光性または非透光性符号領域のできるだけ短い列を生じるようにすべき である、 ｃ）透光性符号領域と非透光性符号領域ができるだけ多く交替すべきである、 ｄ）隣接する符号語のできるだけ大きなハミング距離を生じるようにすべきで ある に従って一連の符号語から選択されることを特徴とする請求項８記載の位置セ ンサ。 11．評価装置（Ｖ，１２，４）がＣＣＤ列（１１）から出力される電圧パルスを 適当なデジタル値に変換することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つ に記載の位置センサ。 12．評価装置がデジタル値の列によって描かれたカーブを、カーブ側部およびま たは極値のような、カーブを示す特徴に従って調べ、その後普通の位置に対す る固定されたカーブの相対的位置を決定する（検出された符号語による大まか な角度決定）ことを特徴とする請求項１１記載の位置センサ。 13．評価装置（Ｖ，１２，４）が制御装置を備え、ピクセル列の測定電圧の最大 振幅値または対応するデジタル値が低下したときに、この制御装置が送信出力 または光源（５）の光の強さを高めることを特徴とする請求項１〜１２のいず れか一つに記載の位置センサ。 14．評価装置がマイクロコントローラ（４）を備え、このマイクロコントローラ が時間的に平行して作動する計算機とアナログ／デジタル変換器を備え、アナ ログ値をデジタル値に変換した後で、カーブの計算とその評価が割り込みによ って中断され、すべてのピクセル電圧がデジタル化され、その後その前のデー タセットの計算が終了するまで、後続のアナログ値を変換するための命令が与 えられることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一つに記載の位置センサ 。 15．符号要素（６）が自動車のステアリングコラムに設けられ、符号化が反射原 理で行われることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一つに記載の位置セ ンサ。 16．透光原理または反射光原理が選択的に使用されることを特徴とする請求項１ 〜１５のいずれか一つに記載の位置センサ。 17．ほぼ円形に配置された符号トラックを備え、この符号トラックが符号要素（ １０１）上に符号語を備え、回転角度が符号語（１０７，１０８）に基づいて 決定され、この符号語が符号要素（１０１）の回転角度位置に依存して読取り 装置（１０２）によって読み取られ、零位置に対する符号要素（１０１）の回 転数を確認する手段が設けられている、回転角度センサ、特に自動車用操舵角 度センサにおいて、走査方向（方向Ｔ）に対して横方向（方向Ｒ）に配置され たほぼ円形リング状の多数の符号トラックが設けられ、零位置に対する回転数 に依存して読取り装置（１０２）を個々の符号トラックの方へ運ぶ搬送装置（ １０１，１１１）が設けられていることを特徴とする回転角度センサ。 18．全部の符号トラックが１本の渦巻きになるように、符号トラック（１０３） が渦巻き状に連結されていることを特徴とする請求項１７記載の回転角度セン サ。 19．符号トラック（１０３）が円形ディスク上にまたは円筒体の外周面上に配置 されていることを特徴とする請求項１７または１８に記載の回転角度センサ。 20．符号要素（１０１）と読取り装置（１０２）の間に案内手段（１１０，１１ １）が設けられ、この案内手段が読取り装置（１０２）を符号語の読取り方向 （方向Ｔ）に対して横方向（方向Ｒ）に搬送することを特徴とする請求項１７ 〜１８のいずれか一つに記載の回転角度センサ。 21．案内手段が溝−突起−連結体からなり、符号要素（１０１）寄りの連結手段 （１０１）が渦巻き状に配置されていることを特徴とする請求項２０記載の回 転角度センサ。 22．符号要素（１０１）が符号ディスクであり、符号ディスクに付設された案内 手段が渦巻き状の溝（１０１）であり、符号（１０７，１０８）が溝の底に配 置され、読取り装置（１０２）の読取り要素（１０５）が、溝底（１１５）寄 りの、読取り装置（１０２）の突起（１１１）の面（１１６）に配置されてい ることを特徴とする請求項１〜２１のいずれか一つに記載の回転角度センサ。 23．符号が渦巻き状符号トラック（１０３）全体にわたって延びる最大符号であ ることを特徴とする請求項１〜２２のいずれか一つに記載の回転角度センサ。 24．読取り装置（１０２）がＣＣＤ列であり、このＣＣＤ列がほぼ円形に配置さ れた符号トラック（１１７〜１２２）に対して接線方向（Ｔ）に向いているこ とを特徴とする請求項１〜２３のいずれか一つに記載の回転角度センサ。 25．符号要素が定置された光源によって照射され、透光原理または反射光原理が 使用されることを特徴とする請求項１〜２４のいずれか一つに記載の回転角度 センサ。 26．光源が移動可能に配置され、読取り装置の範囲において符号要素の一部を直 接照射するかあるいは光源が定置されて配置され、読取り装置の範囲にある符 号要素の部分が、後続案内される光ガイドを経て間接的に照射されることを特 徴とする請求項１７〜２５のいずれか一つに記載の回転角度センサ。