角度検出装置
【課題】角度検出の際の角度分解能を高分解能にすることができる角度検出装置を提供する。
【解決手段】ステアリングホイール等に連結固定された主動ギアに連動回転する各従動ギア４，５をライトガイドとすべくこれらを透明樹脂で形成し、その外周肉厚部６ｂ，７ｂを肉厚が直線的に変化するような形状とする。各従動ギア４，５の中心位置下部にＬＥＤ９，１０を各々配置し、これらの入射光を従動ギア４，５を介してリニアイメージセンサ１１に導く。リニアイメージセンサ１１は、光の照射幅を検知してこの照射幅に応じて変化する、即ちギア回転に伴って直線的に変化する撮像データＤpiを演算装置１２に出力する。演算装置１２は、リニアイメージセンサ１１から得た撮像データＤpiを用いて各従動ギア４，５の回転角度を算出し、これらギア４，５の回転角度の組み合わせを見て主動ギアの回転角度を算出する。
【解決手段】ステアリングホイール等に連結固定された主動ギアに連動回転する各従動ギア４，５をライトガイドとすべくこれらを透明樹脂で形成し、その外周肉厚部６ｂ，７ｂを肉厚が直線的に変化するような形状とする。各従動ギア４，５の中心位置下部にＬＥＤ９，１０を各々配置し、これらの入射光を従動ギア４，５を介してリニアイメージセンサ１１に導く。リニアイメージセンサ１１は、光の照射幅を検知してこの照射幅に応じて変化する、即ちギア回転に伴って直線的に変化する撮像データＤpiを演算装置１２に出力する。演算装置１２は、リニアイメージセンサ１１から得た撮像データＤpiを用いて各従動ギア４，５の回転角度を算出し、これらギア４，５の回転角度の組み合わせを見て主動ギアの回転角度を算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可動部品が動いた際のその回転角度を検出する角度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えばステアリングホイール等の回転部品が回転した際のその回転角度や回転方向を検出し得る角度検出装置が広く開発されている。この種の角度検出装置としては、例えば特許文献１に開示されるような光学式ロータリエンコーダがある。一般的な光学式ロータリエンコーダの構成としては、回転部品と同一軸心に連動回転する回転板の外周寄りの部位に周方向に沿って等間隔で複数並ぶスリットが形成され、発光素子及び受光素子をそのスリットの回転軌跡を挟んだ状態で対向配置されて成るフォトカプラが複数個配置されている。
【０００３】
回転部品の操作に伴い回転板が回転した際、フォトカプラからは各々位相の異なるパルス信号が出力される。光学式ロータリエンコーダは、これらパルス信号のエッジ立ち上がりやエッジ立ち下がりをカウントすることにより回転部品の回転角度を検出し、またエッジ立ち上がりや立ち下がりの検出順を見ることにより回転部品の回転方向を検出する。光学式ロータリエンコーダの角度分解能は、回転板が１回転する際に検出できるパルス信号のエッジカウント数によって決まり、一般的には角度分解能が約５度程度のものが広く流通している。
【特許文献１】特開２０００−４６５３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、角度検出対象となる回転部品の種類によっては、５度よりも小さい角度分解能が必要となる場合もあることから、一層の高分解能の角度検出装置の開発が望まれていた。また、角度検出装置が回転角度を算出するに際し、例えば最小の分解能を２倍や３倍してこれを新たな分解能として回転角度を算出する演算も場合によっては可能であるが、元となる最小分解能がこの時に懸念する低分解能の場合は、倍掛けで設定した新たな分解能はその値自体が大きくなってしまうので、角度検出に際して使用対象が限られることになり、これは汎用性が乏しくなる問題にも繋がる。
【０００５】
本発明の目的は、角度検出の際の角度分解能を高分解能にすることができる角度検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記問題点を解決するために、本発明では、支持部材に移動可能に支持された可動部材が当該支持部材に対して移動する際、当該可動部材の移動角を検出する角度検出装置において、検出した像に応じた検出値を出力するイメージセンシング手段と、前記可動部材に連れ動き可能であり、前記可動部材の移動位置に応じた前記像を前記イメージセンシング手段に出力する像出力手段と、前記イメージセンシング手段が出力する前記検出値を用い、前記可動部材の前記移動角を算出する算出手段とを備えたことを要旨とする。
【０００７】
この構成によれば、可動部材が支持部材に対して移動したとき、その移動位置に応じた像が、像出力手段からイメージセンシング手段に出力される。イメージセンシング手段は、像出力手段から像を検出すると、その像に応じた検出値を算出手段に出力する。算出手段は、像出力手段から検出値を入力すると、その検出値を用いて可動部材が移動した際のその移動角を算出する。ところで、この種のイメージセンシング手段には細かいレベルで像を取得可能なものが広く普及してきているが、イメージセンシング手段の像検出が高レベルになれば、これを角度検出に用いた時はそれに伴って可動部材の移動角算出を高分解能で行うことができることに繋がる。よって、イメージセンシング手段を用いて可動部材の移動角を算出するに際し、この種のイメージセンシング手段を用いれば、可動部材の移動角算出の際の角度分解能を高分解能にすることが可能となる。
【０００８】
本発明では、前記像出力手段は、前記可動部材の移動位置に応じた光範囲で光を前記イメージセンシング手段に出力する光学式であり、前記イメージセンシング手段は、検出した前記光範囲に応じた前記検出値を出力する撮像手段であり、前記算出手段は、前記撮像手段が取得した前記検出値を用い、前記可動部材の前記移動角を算出することを要旨とする。
【０００９】
この構成によれば、イメージセンシング手段を用いて可動部材の移動角を算出する際の移動角検出方式として光学式を用いているので、非接触方式により可動部材の移動角を求めることが可能となり、部品摩擦が原因で生じ得る部品劣化等の問題を考えずに済む。
【００１０】
本発明では、前記像出力手段は、前記可動部材の移動位置に応じた接触面積で前記イメージセンシング手段に当接する誘電体であり、前記イメージセンシング手段は、前記誘電体との接触面積に応じた値で前記検出値を出力する静電容量検出手段であり、前記算出手段は、前記静電容量検出手段が取得した前記検出値を用い、前記可動部材の前記移動角を算出することを要旨とする。
【００１１】
この構成によれば、イメージセンシング手段を用いて可動部材の移動角を算出する際の移動角検出方式として静電容量式を用いる。ここで、例えば移動角検出方式として光学式を用いた場合は光透過部位に汚れが付着すると、それによって光が遮られて移動角の誤検出に繋がる可能性もあるが、本構成のように移動角検出方式として静電容量式を用いれば、この種の汚れが移動角検出用の各種部品に付着しても光学式ほどの影響は出難いので、移動角検出に際して汚れによる角度誤検出が生じ難くなる。
【００１２】
本発明では、前記像出力手段は、前記可動部材に連れ動きするに際して前記イメージセンシング手段の検出値が直線的な値を取り得るような前記像を、前記イメージセンシング手段に出力するように形成されていることを要旨とする。
【００１３】
この構成によれば、イメージセンシング手段が直線的に変化する検出値を出力するのであれば、直線的に変化する値を用いて角度算出する処理は簡単な算出処理で済むことになるので、移動角演算に際して簡素な処理でこれを行うことが可能となる。
【００１４】
本発明では、前記像出力手段は、前記可動部材と共に連れ動きする状態で複数設けられるとともに、共用する前記イメージセンシング手段に対して前記像を各々異なる値で出力し、前記算出手段は、１つのイメージセンシング手段で得られる複数の前記像を用いて前記可動部材の前記移動角を算出することを要旨とする。
【００１５】
この構成によれば、算出手段が像を用いて可動部材の移動角を検出する際に移動角算出の際の演算パラメータとなる像を複数取得可能となるので、移動角演算の高分解能化に効果が高い。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、角度検出の際の角度分解能を高分解能にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
（第１実施形態）
以下、本発明を具体化した角度検出装置の第１実施形態を図１〜図９に従って説明する。
【００１８】
図１に示すように、車両には、ステアリングホイールの操舵角度を検出するステアリングアングルセンサ（SAS：steering−angle sensors）１が搭載されている。ステアリングアングルセンサ１には、ステアリングホイールと操舵輪とを連結するステアリングシャフト２に固着された主動ギア３が設けられている。主動ギア３は、ギア外周面に周方向に沿って等間隔に配置された複数の歯が形成され、ステアリングシャフト２の軸心Ｌａに対して同一軸心位置に配置されている。主動ギア３は、ステアリングホイールが操舵操作された際、ステアリングシャフト２に同期して回動する。なお、ステアリングシャフト２が可動部材に相当する。
【００１９】
主動ギア３には、この主動ギア３と連れ回り可能な２つの従動ギア４，５が噛み合い係合されている。第１従動ギア４は、その外周面上の歯で主動ギア３に噛み合い、主動ギア３の軸心Ｌａに対し平行に沿う軸心Ｌｂ回りに回動可能である。また、第２従動ギア５は、第１従動ギア４よりも径が小さく形成され、その外周面上の歯で主動ギア３に噛み合い、主動ギア３の軸心Ｌａに対し平行に沿う軸心Ｌｃ回りに回動可能である。
【００２０】
各ギア３〜５は、歯数が各々異なるように形成されている。ここで、例えば主動ギア３の歯数がｍ、第１従動ギア４の歯数がｎ（＜ｍ）、第２従動ギア５の歯数がｌ（＜ｍ）であるとすると、主動ギア３が１回転した際には、第１従動ギア４はｍ／ｎ回転し、第２従動ギア５はｍ／ｌ回転する。即ち、主動ギア３が回転した際には、各従動ギア４，５は各々異なる回転位置をとった状態となる。
【００２１】
図３に示すように、本例のステアリングアングルセンサ１は、回転角度検出方式として主動ギア３の回転角度θｍを光で検出する光学式が採用されている。これを以下に説明すると、各従動ギア４，５は、材質として透明樹脂で形成され、外部から取り込んだ光を照射先まで通過させるライトガイドとして機能する。各従動ギア４，５は、底面側が開口した略椀形状を成し、肉付き部分がそれぞれ光路６，７となる。第１従動ギア４の第１光路６は、第１従動ギア４の中央部においてその軸心Ｌｂ方向に延びる中央部６ａと、半径方向の外端部に位置して周方向全域に亘り存在する外周肉厚部６ｂと、中央部６ａ及び外周肉厚部６ｂをギア上部で繋ぐ円板状の連結部６ｃとから成る。なお、第２従動ギア５の第２光路７も第１従動ギア４の第１光路６と同様の形状から成り、中央部７ａ、外周肉厚部７ｂ及び連結部７ｃを有する。なお、回転角度θｍが移動角に相当する。
【００２２】
両従動ギア４，５の底面側（図２の下方位置）には、ステアリングホイールの操舵角度検出系の基板８が設けられている。基板８には、各従動ギア４，５に向けて各々光を照射する複数（本例は２つ）のＬＥＤ９，１０が設けられている。本例においては、第１従動ギア４に光を照射する第１ＬＥＤ９と、第２従動ギア５に光を照射する第２ＬＥＤ１０とがあり、第１ＬＥＤ９が第１従動ギア４の軸心位置に配置され、第２ＬＥＤ１０が第２従動ギア５の軸心位置に配置されている。
【００２３】
基板８には、像を撮影してその画像を電気信号に変換して出力するリニアイメージセンサ（ＣＣＤイメージセンサとも言う）１１と、リニアイメージセンサ１１からの出力を用いてステアリングホイールの操舵角度を演算する演算装置１２とが設けられている。リニアイメージセンサ１１は、撮影対象物から発した光をレンズ等の光学系により検知面の受光平面に結像させ、その像の光による明暗を電荷量に変換し、それを順次読み出して電気信号に変換して出力する撮像デバイスである。リニアイメージセンサ１１は、図２に示すように、撮像した光の照射幅Ｗに応じた撮像データＤpiを電気信号で演算装置１２に出力する。第１ＬＥＤ９，第２ＬＥＤ１０及びリニアイメージセンサ１１は、同一基板８上に設けられることにより、同一平面上に位置した配置状態をとる。なお、リニアイメージセンサ１１がイメージセンシング手段（撮像手段）を構成し、照射幅Ｗ（Ｗ１，Ｗ２）が光範囲に相当する。
【００２４】
図３に示すように、演算装置１２は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びＡ／Ｄ変換回路等の各種デバイスから成り、ＲＯＭに書き込まれた制御プログラムに基づきＲＡＭを作業領域として作動する。演算装置１２は、例えば車両のイグニッションスイッチがオン位置に操作された時などに操舵角度算出処理を開始し、リニアイメージセンサ１１から取得した撮像データＤpiを用い、主動ギア３の回転角度θｍ、即ちステアリングホイールの操舵角度を逐次演算する。なお、演算装置１２が算出手段に相当する。
【００２５】
第１従動ギア４の外周肉厚部６ｂは、第１ＬＥＤ９から取り込んだ光を案内してリニアイメージセンサ１１に出射する際、ギア回動位置の変化に伴いその時の出射光の光量が直線的（リニア）に変化する形状に形成されている。即ち、第１従動ギア４の外周肉厚部６ｂは、第１ＬＥＤ９から第１従動ギア４に案内されてリニアイメージセンサ１１に照射される光の照射幅Ｗ１が、第１従動ギア４の回動に伴って比例関係を持って直線的に変化する値をとるような形状に形成されている。本例の外周肉厚部６ｂは、図４に示すように環状を成す外周肉厚部６ｂを直線に展開すると、これが直線傾斜する形状をとっている。なお、以上の事柄は第２従動ギア５の外周肉厚部７ｂについても同様に言える事である。
【００２６】
リニアイメージセンサ１１は、図５に示すように、撮像の最小一単位である撮像画素（受光素子）１３が、１列に検知面の長手方向に沿って複数（例えば数十万画素〜数百万画素）並んだ構造をとる。リニアイメージセンサ１１は、１列に並ぶ各撮像画素１３，１３…に照射される光量を例えば０〜２５５の中のデジタル値で検出するセンサであって、その撮像データＤpiを電気信号で演算装置１２に出力する。即ち、リニアイメージセンサ１１は、１ラインの撮像画素１３においてどれだけの照射幅Ｗ１，Ｗ２で自身に光が当たっているかを取得し、それを撮像データＤpiとして演算装置１２に出力する。
【００２７】
リニアイメージセンサ１１は、図３に示すように、第１従動ギア４の軸心Ｌｂと第２従動ギア５の軸心Ｌｃとを結ぶ線を軸基準線Ｌｘとし、リニアイメージセンサ１１の撮像画素１３の並び方向をセンサ検出ラインＬｚとすると、センサ検出ラインＬｚが軸基準線Ｌｘ上に位置するように配置されている。これは、本例のようにリニアイメージセンサ１１を第１従動ギア４と第２従動ギア５とで共用する場合に、そのセンサ共用に必要となるリニアイメージセンサ１１の配置条件である。
【００２８】
演算装置１２は、リニアイメージセンサ１１から取得した撮像データＤpiを用いて主動ギア３の回転角度θｎを算出するが、この撮像データＤpiには、第１ＬＥＤ９から第１従動ギア４の第１光路６を経由してリニアイメージセンサ１１に至った第１光Ｃ１の照射幅Ｗ１と、第２ＬＥＤ１０から第２従動ギア５の第２光路７を経由してリニアイメージセンサ１１に至った第２光Ｃ２の照射幅Ｗ２との両方の光照射幅情報が含まれていることから、これら照射幅Ｗ１，Ｗ２がどれだけかを見ることで主動ギア３の回転角度θｍを算出する。即ち、演算装置１２は、照射幅Ｗ１から第１従動ギア４の回転角度θｎを求めるとともに、照射幅Ｗ２から第２従動ギア５の回転角度θｌを求め、これら回転角度θｎ，θｌの組み合わせを見ることにより、主動ギア３の回転角度θｍ、即ちステアリングホイールの操舵角度を演算する。
【００２９】
さて、ステアリングホイールが操舵されて主動ギア３が回転すると、この主動ギア３の回転に伴って第１従動ギア４及び第２従動ギア５も連れ回りする。このとき、第１ＬＥＤ９から第１従動ギア４を経てリニアイメージセンサ１１に至る第１光Ｃ１は、その照射幅Ｗ１が直線的な変化で増加し、第２ＬＥＤ１０から第２従動ギア５を経てリニアイメージセンサ１１に照射される第２光Ｃ２も、その照射幅Ｗ２が直線的な変化で増加する。このとき、主動ギア３が回転する際の第１従動ギア４と第２従動ギア５との各回転量は各々異なることから、第１光Ｃ１の照射幅Ｗ１と第２光Ｃ２の照射幅Ｗ２とは各々異なる光幅をとった状態となる。
【００３０】
このとき、リニアイメージセンサ１１は、図６に示すような１ラインにおいて各撮像画素１３，１３…の検出光量をデジタル値Ｋｘで表した撮像データＤpiを演算装置１２に出力する。演算装置１２は、これらデジタル値Ｋｘを読み取り、その中でデジタル値Ｋｘが所定の判定閾値Ｋａ以上となる画素を光照射有り部分として認識し、それの連なる列群を照射幅Ｗ（Ｗ１，Ｗ２）として認識する。演算装置１２は、光照射有りと認識した画素があった時、その光照射有りと認定できる画素が複数個続くことを条件として、それを照射幅Ｗの境界線と認識する。即ち、図７に示すように、光照射有りの画素があっても、それが例えば数画素のみの部分的なものであれば、それは誤射の可能性が高いことから、これを光照射有りの画素から省く。
【００３１】
また、演算装置１２は、リニアイメージセンサ１１の撮像データＤpiから回転角度θｎ，θｌを算出するに際し、撮像データＤpiにおいて光照射有りと判定した列群の中で光照射無しと判定される画素が存在していても、光照射無しと判定された画素の前後に光照射有りの画素が複数個存在することをもって、光照射無しの部分を無視する。これは、例えば第１従動ギア４や第２従動ギア５に汚れがついて、図７に示すようにＬＥＤ９，１０の光照射部位の中でこの部分が部分的に暗くなったとしても、それに対応するためである。
【００３２】
演算装置１２は、図８に示すように、照射幅Ｗ１の増加に伴いその演算角度が正傾きの直線を取る関係性に従って第１従動ギア４の回転角度θｎを求め、同じく照射幅Ｗ２の増加に伴いその演算角度が正傾きの直線を取る関係性に従って第２従動ギア５の回転角度θｌを求め、これら回転角度θｎ，θｌを０度〜３６０度の範囲で角度算出する。演算装置１２は、図９に示すように、これら回転角度θｎ，θｌの組み合わせを見ることにより主動ギア３の回転角度θｍを算出する。
【００３３】
ところで、この種のリニアイメージセンサ１１は、高画素のものが手に入り易いコストで広く普及してきている。リニアイメージセンサ１１で光の照射幅Ｗを検出するに際しては、高画質のリニアイメージセンサを使用すれば、画質が高画質である程、照射幅測定を細かいレベルで行うことが可能である。照射幅測定の高レベル化は第１従動ギア４及び第２従動ギア５の角度検出の高分解能化に直結することから、このように照射幅測定を細かいレベルで行うことが可能となれば、これに伴って主動ギア３の角度検出を高分解能で行うことが可能になる。従って、リニアイメージセンサ１１を用いて角度検出を行う構造を用いれば、主動ギア３の角度検出を高分解能で行うことが可能となる。
【００３４】
本実施形態の構成によれば、以下に記載の効果を得ることができる。
（１）リニアイメージセンサ１１として高画素のものを採用した場合、リニアイメージセンサ１１が像を撮影する際のその像撮影領域における画素の総ドット数が増えることになるので、この種の高画素のリニアイメージセンサ１１を角度検出に用いれば、その時の角度分解能も細かいレベルで検出することが可能となり、これは高分解能で角度検出できることに結び付く。従って、この種のリニアイメージセンサ１１を主動ギア３の角度検出に用いれば、主動ギア３の回転角度θｍを高分解能で算出することができるようになる。
【００３５】
（２）主動ギア３の回転角度θｍを算出する際の回転角度検出方式として、ＬＥＤ９，１０が照射した光を、従動ギア４，５を経由してリニアイメージセンサ１１で検出する光学式を用いているので、主動ギア３の回転角度を非接触で検出することができる。このため、主動ギア３の回転角度を検出するに際して検出系部品がその検知面で接触摩擦を生じるなどの動きを取らずに済み、部品間摩擦が原因で生じ得る部品劣化や製品劣化等の問題を考えずに済む。
【００３６】
（３）リニアイメージセンサ１１が従動ギア４，５の回転角度θｎ，θｌを検出する際、この時のリニアイメージセンサ１１は、従動ギア回転に対して直線的な変化を取る照射幅Ｗ（Ｗ１，Ｗ２）の値を検出し、これを照射幅変化に対して比例的な値を取る撮像データＤpiとして出力する。ところで、この種の演算装置１２は正確な角度検出のために、入力値としては直線変化する波形を取るデータで行うことが一般的であるが、本例においては直線的変化を取る撮像データＤpiで主動ギア３の回転角度演算が行われている。よって、このように直線的変化を取る入力データで回転角度演算が可能となれば、データ値が曲線波形を取る場合に必要となる補正等の処理が不要となることから、主動ギア３の回転角度演算を複雑ではない簡素な演算方法で行うことができる。
【００３７】
（４）主動ギア３の回転角度θｍの角度検出は、第１ＬＥＤ９から第１従動ギア４を経由してリニアイメージセンサ１１に照射される第１光Ｃ１の照射幅Ｗ１と、第２ＬＥＤ１０から第２従動ギア５を経由してリニアイメージセンサ１１に照射される第２光Ｃ２の照射幅Ｗ２との２パラメータを用いて行われる。このように、主動ギア３の角度検出に際してその時の入力パラメータが多くなれば、その分だけ角度演算を高分解能で行えることになるので、２つの従動ギア４、５を用いて主動ギア３の角度検出を行えば、これも主動ギア３の角度演算の高分解能化に効果が高い。
【００３８】
（５）主動ギア３の回転角度θｍの回転角度検出方式として光学式を用いれば、回転角度検出系が高磁界下に配置されていても、回転角度検出に際してこれに影響を受けなくなるので、例えばモータマグネット等の近くの高磁界下でも使用することができる。よって、この種の回転角度検出部品を配置するに際してその配置レイアウトの選択肢が多くなる。
【００３９】
（６）リニアイメージセンサ１１が第１従動ギア４と第２従動ギア５とで共用されるので、用意するリニアイメージセンサ１１の個数を少なく済ませることができる。
（第２実施形態）
次に、本発明を具体化した第２実施形態を図１０に従って説明する。なお、第２実施形態は、主動ギア３の回転角度検出方式を第１実施形態に記載の光学式から、静電容量センサを用いた静電容量式に変更したのみの構成であるため、同一部分は同一符号を付して詳しい説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
【００４０】
図１０に示すように、第１従動ギア４及び第２従動ギア５は、例えばプラスティックやセラミック等の誘電体から形成されている。また、基板８には、自身に加わる静電容量を検出してその値に応じた電気信号を出力する静電容量センサ２１が設けられている。本例の静電容量センサ２１は、第１従動ギア４用に設けた第１静電容量センサ２１ａと、第２従動ギア５用に設けた第２静電容量センサ２１ｂとから成り、第１静電容量センサ２１ａが第１従動ギア４に接触した配置状態をとり、第２静電容量センサ２１ｂが第２従動ギア５に接触した配置状態をとる。
【００４１】
第１静電容量センサ２１ａは、第１従動ギア４との間の接触面積Ｓａに応じて検出静電容量が変化することから、その接触面積変化に対して比例する検出静電容量を電気信号に変換し、それを第１静電容量データＤs1として演算装置１２に出力する。また、第２静電容量センサ２１ｂも第１静電容量センサ２１ａと同様の処理内容を経て第２静電容量データＤs2を演算装置１２に出力する。演算装置１２は、第１静電容量データＤs1から第１従動ギア４の回転角度θｎを算出し、第２静電容量データＤs2から第２従動ギア５の回転角度θｌを算出し、これら回転角度θｎ，θｌの組み合わせから主動ギア３の回転角度θｍを演算する。なお、静電容量データＤs1，Ｄs2が検出値を構成する。
【００４２】
さて、ステアリングホイールが操舵されて主動ギア３が回転すると、それに伴って各従動ギア４，５も連れて回転する。このとき、第１従動ギア４と第１静電容量センサ２１ａとの間の接触面積Ｓａは第１従動ギア４の回転位置に応じて変わり、第１静電容量センサ２１ａはその時の接触面積Ｓａに応じた第１静電容量データＤs1を検出する。これは第２従動ギア５についても同様であり、第２静電容量センサ２１ｂはその時の第２従動ギア５との間の接触面積Ｓｂに応じた第２静電容量データＤs2を演算装置１２に出力する。このとき、第１静電容量センサ２１ａ及び第２静電容量センサ２１ｂは、値が各々異なるデータ値で静電容量データＤs1，Ｄs2を演算装置１２に各々出力する。
【００４３】
演算装置１２は、各々値が異なる静電容量データＤs1，Ｄs2のうち第１静電容量データＤs1から第１従動ギア４の回転角度θｎを演算する。このとき、演算装置１２は、第１静電容量データＤs1から読み出し可能である第１静電容量センサ２１ａの検出静電容量についてこの値がどれだけかを見ることにより、第１従動ギア４の回転角度θｎを導出する。演算装置１２は、同様に第２静電容量データＤs2から第２従動ギア５の回転角度θｌを演算し、以上のように求めた回転角度θｎ，θｌの組み合わせを見て主動ギア３の回転角度θｍを演算する。
【００４４】
ところで、この種の静電容量センサ２１ａ，２１ｂでは、検出が細かいレベルでできるものを使用すれば、その検出レベルが高いほど静電容量検出を細かいレベルで行うことが可能である。静電容量検出の高精度化は第１従動ギア４及び第２従動ギア５の角度検出の高分解能化に直結することから、このように静電容量検出が高精度化できれば、これに伴って主動ギア３の角度検出を高分解能で行うことが可能となる。従って、静電容量センサ２１ａ，２１ｂを用いて角度検出を行う構造を用いれば、リニアイメージセンサ１１を用いた場合と同様に、主動ギア３の角度検出の高分解能化が可能となる。
【００４５】
本実施形態の構成によれば、第１実施形態に記載の（１）及び（３）〜（５）と同様の効果が得られることに加え、以下の効果を得ることができる。
（７）回転角度検出方式として静電容量式を用いた場合であっても、リニアエンコーダ等に比べて高分解能で主動ギア３の回転角度θｍを算出することができる。
【００４６】
なお、実施形態はこれまでの構成に限定されず、以下の態様に変更してもよい。
・ 第１実施形態においては、図３に示すように、リニアイメージセンサ１１に対して周方向に沿って並ぶ位置に、リニアイメージセンサ１１と同様構成から成る増設センサ３１を配置することにより、角度演算処理にフェールセーフ対策を施してもよい。このフェールセーフ動作としては、リニアイメージセンサ１１から求まる第１従動ギア４の回転角度θｎが、増設センサ３１から求まる第１従動ギア角度からずれた際、リニアイメージセンサ１１が正常に起動していないと認識して角度演算を強制的に終了する動作がある。なお、このフェールセーフ対策は第２従動ギア５にも採用してもよいし、第２実施形態の静電容量式に採用してもよい。
【００４７】
・ 第１実施形態において、必ずしも第１従動ギア４と第２従動ギア５との間でリニアイメージセンサ１１を共用することに限定されず、第１従動ギア４と第２従動ギア５との各々に個別のリニアイメージセンサを設けてもよい。なお、第１従動ギア用のリニアイメージセンサは、そのセンサ検出ラインが第１従動ギア４の軸心Ｌｂを通る位置に配置する必要があり、第２従動ギア用のリニアイメージセンサは、そのセンサ検出ラインが第２従動ギア５の軸心Ｌｃを通る位置に配置する必要がある。
【００４８】
・ 第１実施形態において、リニアイメージセンサ１１は、１列のものに限定されず、複数列でもよい。
・ 第１実施形態において、第１ＬＥＤ９、第２ＬＥＤ１０及びリニアイメージセンサ１１は、同一基板８上に設けられることで同一平面上に位置することに限らず、例えばＬＥＤ系基板とセンサ系基板とを別々とすることにより、これらの配置位置を別平面上としてもよい。
【００４９】
・ 第１実施形態において、光照射部材は、必ずしもＬＥＤに限定されず、これは例えばランプでもよい。
・ 第２実施形態において、必ずしも従動ギア４，５ごとに静電容量センサ２１ａ，２１ｂを設けることに限らず、２つの従動ギア４，５で１つの静電容量センサを共用してもよい。この場合、角度検出の分解能が若干低下する懸念はあるが、用意する静電容量センサ２１が１つで済み、部品コストの低減を図ることができる。
【００５０】
・ 第１及び第２実施形態において、従動ギア４，５のギア数は、必ずしも第１従動ギア４及び第２従動ギア５の２つに限らず、これは３つ以上でもよい。
・ 第１及び第２実施形態において、第１従動ギア４及び第２従動ギア５の形状は、必ずしも略椀形状のものに限定されず、これは例えば円柱形状でもよい。
【００５１】
・ 第１及び第２実施形態において、ギア部材と像出力手段とは必ずしも一体の部品として構成されることに限定されず、例えばギア部材に対してこれとは別工程で製造された像出力手段を後工程でギア部材に固着することで従動ギア４，５を形成してもよい。
【００５２】
・ 第１及び第２実施形態において、従動ギア４，５の外周肉厚部６ｂ，７ｂは、その周方向において肉厚が直線的に変化する形状に限定されず、センサ出力波形が直線的に変化する波形をとるものであれば、この形状は自由に変更してもよい。
【００５３】
・ 第１及び第２実施形態において、本例の角度検出装置は、必ずしも車両のステアリングホイールの回転角度検出装置として用いられることに限らず、操作部材の操作に伴って可動部材がその支持部材に対して角度を持って移動するものであれば、その搭載先は特に限定されない。
【００５４】
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について、それらの効果とともに以下に追記する。
（１）請求項１〜５のいずれか一項において、前記像出力手段は、前記可動部材に連れ動きするに際して前記イメージセンシング手段に直線的に変化する前記像を出力するように形成され、前記イメージセンシング手段は、前記像出力手段から前記像を検出した際はその直線的変化に対応して同じく直線的に変化する前記検出値を出力する構造であって、前記イメージセンシング手段は、像検知面の長手方向に延びる検出ライン線が、回動運動する前記可動部材のその回動軸心を通る向きに配置されている。この場合、簡素な構造で移動角検出の高分解能化を満たすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】第１実施形態における角度検出装置の概略構成を示す構成図。
【図２】光が照射された際のリニアイメージセンサの平面図。
【図３】角度検出装置の具体構成を平断面図及び側視図を用いて説明した説明図。
【図４】従動ギアの具体構成を平断面及びセンサ出力波形図を用いて説明した説明図。
【図５】リニアイメージセンサの具体構成を説明する平面図。
【図６】リニアイメージセンサが出力する撮像データのイメージ図。
【図７】角度演算処理を説明する際に用いたリニアイメージセンサの斜視図。
【図８】光照射幅と従動ギアの演算角度との関係を示す波形図。
【図９】従動ギアの演算角度と主動ギアの演算角度との関係を示す波形図。
【図１０】第２実施形態における角度検出装置の概略構成を示す構成図。
【符号の説明】
【００５６】
２…可動部材としてのステアリングシャフト、１１…イメージセンシング手段（撮像手段）を構成するリニアイメージセンサ、１２…算出手段としての演算装置、２１（２１ａ，２１ｂ）…イメージセンシング手段（静電容量検出手段）を構成する静電容量センサ、θｍ…移動角としての回転角度、Ｄpi…検出値を構成する撮像データ、Ｗ（Ｗ１，Ｗ２）…光範囲としての照射幅、Ｓａ，Ｓｂ…接触面積、Ｄs1，Ｄs2…検出値を構成する静電容量データ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可動部品が動いた際のその回転角度を検出する角度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えばステアリングホイール等の回転部品が回転した際のその回転角度や回転方向を検出し得る角度検出装置が広く開発されている。この種の角度検出装置としては、例えば特許文献１に開示されるような光学式ロータリエンコーダがある。一般的な光学式ロータリエンコーダの構成としては、回転部品と同一軸心に連動回転する回転板の外周寄りの部位に周方向に沿って等間隔で複数並ぶスリットが形成され、発光素子及び受光素子をそのスリットの回転軌跡を挟んだ状態で対向配置されて成るフォトカプラが複数個配置されている。
【０００３】
回転部品の操作に伴い回転板が回転した際、フォトカプラからは各々位相の異なるパルス信号が出力される。光学式ロータリエンコーダは、これらパルス信号のエッジ立ち上がりやエッジ立ち下がりをカウントすることにより回転部品の回転角度を検出し、またエッジ立ち上がりや立ち下がりの検出順を見ることにより回転部品の回転方向を検出する。光学式ロータリエンコーダの角度分解能は、回転板が１回転する際に検出できるパルス信号のエッジカウント数によって決まり、一般的には角度分解能が約５度程度のものが広く流通している。
【特許文献１】特開２０００−４６５３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、角度検出対象となる回転部品の種類によっては、５度よりも小さい角度分解能が必要となる場合もあることから、一層の高分解能の角度検出装置の開発が望まれていた。また、角度検出装置が回転角度を算出するに際し、例えば最小の分解能を２倍や３倍してこれを新たな分解能として回転角度を算出する演算も場合によっては可能であるが、元となる最小分解能がこの時に懸念する低分解能の場合は、倍掛けで設定した新たな分解能はその値自体が大きくなってしまうので、角度検出に際して使用対象が限られることになり、これは汎用性が乏しくなる問題にも繋がる。
【０００５】
本発明の目的は、角度検出の際の角度分解能を高分解能にすることができる角度検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記問題点を解決するために、本発明では、支持部材に移動可能に支持された可動部材が当該支持部材に対して移動する際、当該可動部材の移動角を検出する角度検出装置において、検出した像に応じた検出値を出力するイメージセンシング手段と、前記可動部材に連れ動き可能であり、前記可動部材の移動位置に応じた前記像を前記イメージセンシング手段に出力する像出力手段と、前記イメージセンシング手段が出力する前記検出値を用い、前記可動部材の前記移動角を算出する算出手段とを備えたことを要旨とする。
【０００７】
この構成によれば、可動部材が支持部材に対して移動したとき、その移動位置に応じた像が、像出力手段からイメージセンシング手段に出力される。イメージセンシング手段は、像出力手段から像を検出すると、その像に応じた検出値を算出手段に出力する。算出手段は、像出力手段から検出値を入力すると、その検出値を用いて可動部材が移動した際のその移動角を算出する。ところで、この種のイメージセンシング手段には細かいレベルで像を取得可能なものが広く普及してきているが、イメージセンシング手段の像検出が高レベルになれば、これを角度検出に用いた時はそれに伴って可動部材の移動角算出を高分解能で行うことができることに繋がる。よって、イメージセンシング手段を用いて可動部材の移動角を算出するに際し、この種のイメージセンシング手段を用いれば、可動部材の移動角算出の際の角度分解能を高分解能にすることが可能となる。
【０００８】
本発明では、前記像出力手段は、前記可動部材の移動位置に応じた光範囲で光を前記イメージセンシング手段に出力する光学式であり、前記イメージセンシング手段は、検出した前記光範囲に応じた前記検出値を出力する撮像手段であり、前記算出手段は、前記撮像手段が取得した前記検出値を用い、前記可動部材の前記移動角を算出することを要旨とする。
【０００９】
この構成によれば、イメージセンシング手段を用いて可動部材の移動角を算出する際の移動角検出方式として光学式を用いているので、非接触方式により可動部材の移動角を求めることが可能となり、部品摩擦が原因で生じ得る部品劣化等の問題を考えずに済む。
【００１０】
本発明では、前記像出力手段は、前記可動部材の移動位置に応じた接触面積で前記イメージセンシング手段に当接する誘電体であり、前記イメージセンシング手段は、前記誘電体との接触面積に応じた値で前記検出値を出力する静電容量検出手段であり、前記算出手段は、前記静電容量検出手段が取得した前記検出値を用い、前記可動部材の前記移動角を算出することを要旨とする。
【００１１】
この構成によれば、イメージセンシング手段を用いて可動部材の移動角を算出する際の移動角検出方式として静電容量式を用いる。ここで、例えば移動角検出方式として光学式を用いた場合は光透過部位に汚れが付着すると、それによって光が遮られて移動角の誤検出に繋がる可能性もあるが、本構成のように移動角検出方式として静電容量式を用いれば、この種の汚れが移動角検出用の各種部品に付着しても光学式ほどの影響は出難いので、移動角検出に際して汚れによる角度誤検出が生じ難くなる。
【００１２】
本発明では、前記像出力手段は、前記可動部材に連れ動きするに際して前記イメージセンシング手段の検出値が直線的な値を取り得るような前記像を、前記イメージセンシング手段に出力するように形成されていることを要旨とする。
【００１３】
この構成によれば、イメージセンシング手段が直線的に変化する検出値を出力するのであれば、直線的に変化する値を用いて角度算出する処理は簡単な算出処理で済むことになるので、移動角演算に際して簡素な処理でこれを行うことが可能となる。
【００１４】
本発明では、前記像出力手段は、前記可動部材と共に連れ動きする状態で複数設けられるとともに、共用する前記イメージセンシング手段に対して前記像を各々異なる値で出力し、前記算出手段は、１つのイメージセンシング手段で得られる複数の前記像を用いて前記可動部材の前記移動角を算出することを要旨とする。
【００１５】
この構成によれば、算出手段が像を用いて可動部材の移動角を検出する際に移動角算出の際の演算パラメータとなる像を複数取得可能となるので、移動角演算の高分解能化に効果が高い。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、角度検出の際の角度分解能を高分解能にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
（第１実施形態）
以下、本発明を具体化した角度検出装置の第１実施形態を図１〜図９に従って説明する。
【００１８】
図１に示すように、車両には、ステアリングホイールの操舵角度を検出するステアリングアングルセンサ（SAS：steering−angle sensors）１が搭載されている。ステアリングアングルセンサ１には、ステアリングホイールと操舵輪とを連結するステアリングシャフト２に固着された主動ギア３が設けられている。主動ギア３は、ギア外周面に周方向に沿って等間隔に配置された複数の歯が形成され、ステアリングシャフト２の軸心Ｌａに対して同一軸心位置に配置されている。主動ギア３は、ステアリングホイールが操舵操作された際、ステアリングシャフト２に同期して回動する。なお、ステアリングシャフト２が可動部材に相当する。
【００１９】
主動ギア３には、この主動ギア３と連れ回り可能な２つの従動ギア４，５が噛み合い係合されている。第１従動ギア４は、その外周面上の歯で主動ギア３に噛み合い、主動ギア３の軸心Ｌａに対し平行に沿う軸心Ｌｂ回りに回動可能である。また、第２従動ギア５は、第１従動ギア４よりも径が小さく形成され、その外周面上の歯で主動ギア３に噛み合い、主動ギア３の軸心Ｌａに対し平行に沿う軸心Ｌｃ回りに回動可能である。
【００２０】
各ギア３〜５は、歯数が各々異なるように形成されている。ここで、例えば主動ギア３の歯数がｍ、第１従動ギア４の歯数がｎ（＜ｍ）、第２従動ギア５の歯数がｌ（＜ｍ）であるとすると、主動ギア３が１回転した際には、第１従動ギア４はｍ／ｎ回転し、第２従動ギア５はｍ／ｌ回転する。即ち、主動ギア３が回転した際には、各従動ギア４，５は各々異なる回転位置をとった状態となる。
【００２１】
図３に示すように、本例のステアリングアングルセンサ１は、回転角度検出方式として主動ギア３の回転角度θｍを光で検出する光学式が採用されている。これを以下に説明すると、各従動ギア４，５は、材質として透明樹脂で形成され、外部から取り込んだ光を照射先まで通過させるライトガイドとして機能する。各従動ギア４，５は、底面側が開口した略椀形状を成し、肉付き部分がそれぞれ光路６，７となる。第１従動ギア４の第１光路６は、第１従動ギア４の中央部においてその軸心Ｌｂ方向に延びる中央部６ａと、半径方向の外端部に位置して周方向全域に亘り存在する外周肉厚部６ｂと、中央部６ａ及び外周肉厚部６ｂをギア上部で繋ぐ円板状の連結部６ｃとから成る。なお、第２従動ギア５の第２光路７も第１従動ギア４の第１光路６と同様の形状から成り、中央部７ａ、外周肉厚部７ｂ及び連結部７ｃを有する。なお、回転角度θｍが移動角に相当する。
【００２２】
両従動ギア４，５の底面側（図２の下方位置）には、ステアリングホイールの操舵角度検出系の基板８が設けられている。基板８には、各従動ギア４，５に向けて各々光を照射する複数（本例は２つ）のＬＥＤ９，１０が設けられている。本例においては、第１従動ギア４に光を照射する第１ＬＥＤ９と、第２従動ギア５に光を照射する第２ＬＥＤ１０とがあり、第１ＬＥＤ９が第１従動ギア４の軸心位置に配置され、第２ＬＥＤ１０が第２従動ギア５の軸心位置に配置されている。
【００２３】
基板８には、像を撮影してその画像を電気信号に変換して出力するリニアイメージセンサ（ＣＣＤイメージセンサとも言う）１１と、リニアイメージセンサ１１からの出力を用いてステアリングホイールの操舵角度を演算する演算装置１２とが設けられている。リニアイメージセンサ１１は、撮影対象物から発した光をレンズ等の光学系により検知面の受光平面に結像させ、その像の光による明暗を電荷量に変換し、それを順次読み出して電気信号に変換して出力する撮像デバイスである。リニアイメージセンサ１１は、図２に示すように、撮像した光の照射幅Ｗに応じた撮像データＤpiを電気信号で演算装置１２に出力する。第１ＬＥＤ９，第２ＬＥＤ１０及びリニアイメージセンサ１１は、同一基板８上に設けられることにより、同一平面上に位置した配置状態をとる。なお、リニアイメージセンサ１１がイメージセンシング手段（撮像手段）を構成し、照射幅Ｗ（Ｗ１，Ｗ２）が光範囲に相当する。
【００２４】
図３に示すように、演算装置１２は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びＡ／Ｄ変換回路等の各種デバイスから成り、ＲＯＭに書き込まれた制御プログラムに基づきＲＡＭを作業領域として作動する。演算装置１２は、例えば車両のイグニッションスイッチがオン位置に操作された時などに操舵角度算出処理を開始し、リニアイメージセンサ１１から取得した撮像データＤpiを用い、主動ギア３の回転角度θｍ、即ちステアリングホイールの操舵角度を逐次演算する。なお、演算装置１２が算出手段に相当する。
【００２５】
第１従動ギア４の外周肉厚部６ｂは、第１ＬＥＤ９から取り込んだ光を案内してリニアイメージセンサ１１に出射する際、ギア回動位置の変化に伴いその時の出射光の光量が直線的（リニア）に変化する形状に形成されている。即ち、第１従動ギア４の外周肉厚部６ｂは、第１ＬＥＤ９から第１従動ギア４に案内されてリニアイメージセンサ１１に照射される光の照射幅Ｗ１が、第１従動ギア４の回動に伴って比例関係を持って直線的に変化する値をとるような形状に形成されている。本例の外周肉厚部６ｂは、図４に示すように環状を成す外周肉厚部６ｂを直線に展開すると、これが直線傾斜する形状をとっている。なお、以上の事柄は第２従動ギア５の外周肉厚部７ｂについても同様に言える事である。
【００２６】
リニアイメージセンサ１１は、図５に示すように、撮像の最小一単位である撮像画素（受光素子）１３が、１列に検知面の長手方向に沿って複数（例えば数十万画素〜数百万画素）並んだ構造をとる。リニアイメージセンサ１１は、１列に並ぶ各撮像画素１３，１３…に照射される光量を例えば０〜２５５の中のデジタル値で検出するセンサであって、その撮像データＤpiを電気信号で演算装置１２に出力する。即ち、リニアイメージセンサ１１は、１ラインの撮像画素１３においてどれだけの照射幅Ｗ１，Ｗ２で自身に光が当たっているかを取得し、それを撮像データＤpiとして演算装置１２に出力する。
【００２７】
リニアイメージセンサ１１は、図３に示すように、第１従動ギア４の軸心Ｌｂと第２従動ギア５の軸心Ｌｃとを結ぶ線を軸基準線Ｌｘとし、リニアイメージセンサ１１の撮像画素１３の並び方向をセンサ検出ラインＬｚとすると、センサ検出ラインＬｚが軸基準線Ｌｘ上に位置するように配置されている。これは、本例のようにリニアイメージセンサ１１を第１従動ギア４と第２従動ギア５とで共用する場合に、そのセンサ共用に必要となるリニアイメージセンサ１１の配置条件である。
【００２８】
演算装置１２は、リニアイメージセンサ１１から取得した撮像データＤpiを用いて主動ギア３の回転角度θｎを算出するが、この撮像データＤpiには、第１ＬＥＤ９から第１従動ギア４の第１光路６を経由してリニアイメージセンサ１１に至った第１光Ｃ１の照射幅Ｗ１と、第２ＬＥＤ１０から第２従動ギア５の第２光路７を経由してリニアイメージセンサ１１に至った第２光Ｃ２の照射幅Ｗ２との両方の光照射幅情報が含まれていることから、これら照射幅Ｗ１，Ｗ２がどれだけかを見ることで主動ギア３の回転角度θｍを算出する。即ち、演算装置１２は、照射幅Ｗ１から第１従動ギア４の回転角度θｎを求めるとともに、照射幅Ｗ２から第２従動ギア５の回転角度θｌを求め、これら回転角度θｎ，θｌの組み合わせを見ることにより、主動ギア３の回転角度θｍ、即ちステアリングホイールの操舵角度を演算する。
【００２９】
さて、ステアリングホイールが操舵されて主動ギア３が回転すると、この主動ギア３の回転に伴って第１従動ギア４及び第２従動ギア５も連れ回りする。このとき、第１ＬＥＤ９から第１従動ギア４を経てリニアイメージセンサ１１に至る第１光Ｃ１は、その照射幅Ｗ１が直線的な変化で増加し、第２ＬＥＤ１０から第２従動ギア５を経てリニアイメージセンサ１１に照射される第２光Ｃ２も、その照射幅Ｗ２が直線的な変化で増加する。このとき、主動ギア３が回転する際の第１従動ギア４と第２従動ギア５との各回転量は各々異なることから、第１光Ｃ１の照射幅Ｗ１と第２光Ｃ２の照射幅Ｗ２とは各々異なる光幅をとった状態となる。
【００３０】
このとき、リニアイメージセンサ１１は、図６に示すような１ラインにおいて各撮像画素１３，１３…の検出光量をデジタル値Ｋｘで表した撮像データＤpiを演算装置１２に出力する。演算装置１２は、これらデジタル値Ｋｘを読み取り、その中でデジタル値Ｋｘが所定の判定閾値Ｋａ以上となる画素を光照射有り部分として認識し、それの連なる列群を照射幅Ｗ（Ｗ１，Ｗ２）として認識する。演算装置１２は、光照射有りと認識した画素があった時、その光照射有りと認定できる画素が複数個続くことを条件として、それを照射幅Ｗの境界線と認識する。即ち、図７に示すように、光照射有りの画素があっても、それが例えば数画素のみの部分的なものであれば、それは誤射の可能性が高いことから、これを光照射有りの画素から省く。
【００３１】
また、演算装置１２は、リニアイメージセンサ１１の撮像データＤpiから回転角度θｎ，θｌを算出するに際し、撮像データＤpiにおいて光照射有りと判定した列群の中で光照射無しと判定される画素が存在していても、光照射無しと判定された画素の前後に光照射有りの画素が複数個存在することをもって、光照射無しの部分を無視する。これは、例えば第１従動ギア４や第２従動ギア５に汚れがついて、図７に示すようにＬＥＤ９，１０の光照射部位の中でこの部分が部分的に暗くなったとしても、それに対応するためである。
【００３２】
演算装置１２は、図８に示すように、照射幅Ｗ１の増加に伴いその演算角度が正傾きの直線を取る関係性に従って第１従動ギア４の回転角度θｎを求め、同じく照射幅Ｗ２の増加に伴いその演算角度が正傾きの直線を取る関係性に従って第２従動ギア５の回転角度θｌを求め、これら回転角度θｎ，θｌを０度〜３６０度の範囲で角度算出する。演算装置１２は、図９に示すように、これら回転角度θｎ，θｌの組み合わせを見ることにより主動ギア３の回転角度θｍを算出する。
【００３３】
ところで、この種のリニアイメージセンサ１１は、高画素のものが手に入り易いコストで広く普及してきている。リニアイメージセンサ１１で光の照射幅Ｗを検出するに際しては、高画質のリニアイメージセンサを使用すれば、画質が高画質である程、照射幅測定を細かいレベルで行うことが可能である。照射幅測定の高レベル化は第１従動ギア４及び第２従動ギア５の角度検出の高分解能化に直結することから、このように照射幅測定を細かいレベルで行うことが可能となれば、これに伴って主動ギア３の角度検出を高分解能で行うことが可能になる。従って、リニアイメージセンサ１１を用いて角度検出を行う構造を用いれば、主動ギア３の角度検出を高分解能で行うことが可能となる。
【００３４】
本実施形態の構成によれば、以下に記載の効果を得ることができる。
（１）リニアイメージセンサ１１として高画素のものを採用した場合、リニアイメージセンサ１１が像を撮影する際のその像撮影領域における画素の総ドット数が増えることになるので、この種の高画素のリニアイメージセンサ１１を角度検出に用いれば、その時の角度分解能も細かいレベルで検出することが可能となり、これは高分解能で角度検出できることに結び付く。従って、この種のリニアイメージセンサ１１を主動ギア３の角度検出に用いれば、主動ギア３の回転角度θｍを高分解能で算出することができるようになる。
【００３５】
（２）主動ギア３の回転角度θｍを算出する際の回転角度検出方式として、ＬＥＤ９，１０が照射した光を、従動ギア４，５を経由してリニアイメージセンサ１１で検出する光学式を用いているので、主動ギア３の回転角度を非接触で検出することができる。このため、主動ギア３の回転角度を検出するに際して検出系部品がその検知面で接触摩擦を生じるなどの動きを取らずに済み、部品間摩擦が原因で生じ得る部品劣化や製品劣化等の問題を考えずに済む。
【００３６】
（３）リニアイメージセンサ１１が従動ギア４，５の回転角度θｎ，θｌを検出する際、この時のリニアイメージセンサ１１は、従動ギア回転に対して直線的な変化を取る照射幅Ｗ（Ｗ１，Ｗ２）の値を検出し、これを照射幅変化に対して比例的な値を取る撮像データＤpiとして出力する。ところで、この種の演算装置１２は正確な角度検出のために、入力値としては直線変化する波形を取るデータで行うことが一般的であるが、本例においては直線的変化を取る撮像データＤpiで主動ギア３の回転角度演算が行われている。よって、このように直線的変化を取る入力データで回転角度演算が可能となれば、データ値が曲線波形を取る場合に必要となる補正等の処理が不要となることから、主動ギア３の回転角度演算を複雑ではない簡素な演算方法で行うことができる。
【００３７】
（４）主動ギア３の回転角度θｍの角度検出は、第１ＬＥＤ９から第１従動ギア４を経由してリニアイメージセンサ１１に照射される第１光Ｃ１の照射幅Ｗ１と、第２ＬＥＤ１０から第２従動ギア５を経由してリニアイメージセンサ１１に照射される第２光Ｃ２の照射幅Ｗ２との２パラメータを用いて行われる。このように、主動ギア３の角度検出に際してその時の入力パラメータが多くなれば、その分だけ角度演算を高分解能で行えることになるので、２つの従動ギア４、５を用いて主動ギア３の角度検出を行えば、これも主動ギア３の角度演算の高分解能化に効果が高い。
【００３８】
（５）主動ギア３の回転角度θｍの回転角度検出方式として光学式を用いれば、回転角度検出系が高磁界下に配置されていても、回転角度検出に際してこれに影響を受けなくなるので、例えばモータマグネット等の近くの高磁界下でも使用することができる。よって、この種の回転角度検出部品を配置するに際してその配置レイアウトの選択肢が多くなる。
【００３９】
（６）リニアイメージセンサ１１が第１従動ギア４と第２従動ギア５とで共用されるので、用意するリニアイメージセンサ１１の個数を少なく済ませることができる。
（第２実施形態）
次に、本発明を具体化した第２実施形態を図１０に従って説明する。なお、第２実施形態は、主動ギア３の回転角度検出方式を第１実施形態に記載の光学式から、静電容量センサを用いた静電容量式に変更したのみの構成であるため、同一部分は同一符号を付して詳しい説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
【００４０】
図１０に示すように、第１従動ギア４及び第２従動ギア５は、例えばプラスティックやセラミック等の誘電体から形成されている。また、基板８には、自身に加わる静電容量を検出してその値に応じた電気信号を出力する静電容量センサ２１が設けられている。本例の静電容量センサ２１は、第１従動ギア４用に設けた第１静電容量センサ２１ａと、第２従動ギア５用に設けた第２静電容量センサ２１ｂとから成り、第１静電容量センサ２１ａが第１従動ギア４に接触した配置状態をとり、第２静電容量センサ２１ｂが第２従動ギア５に接触した配置状態をとる。
【００４１】
第１静電容量センサ２１ａは、第１従動ギア４との間の接触面積Ｓａに応じて検出静電容量が変化することから、その接触面積変化に対して比例する検出静電容量を電気信号に変換し、それを第１静電容量データＤs1として演算装置１２に出力する。また、第２静電容量センサ２１ｂも第１静電容量センサ２１ａと同様の処理内容を経て第２静電容量データＤs2を演算装置１２に出力する。演算装置１２は、第１静電容量データＤs1から第１従動ギア４の回転角度θｎを算出し、第２静電容量データＤs2から第２従動ギア５の回転角度θｌを算出し、これら回転角度θｎ，θｌの組み合わせから主動ギア３の回転角度θｍを演算する。なお、静電容量データＤs1，Ｄs2が検出値を構成する。
【００４２】
さて、ステアリングホイールが操舵されて主動ギア３が回転すると、それに伴って各従動ギア４，５も連れて回転する。このとき、第１従動ギア４と第１静電容量センサ２１ａとの間の接触面積Ｓａは第１従動ギア４の回転位置に応じて変わり、第１静電容量センサ２１ａはその時の接触面積Ｓａに応じた第１静電容量データＤs1を検出する。これは第２従動ギア５についても同様であり、第２静電容量センサ２１ｂはその時の第２従動ギア５との間の接触面積Ｓｂに応じた第２静電容量データＤs2を演算装置１２に出力する。このとき、第１静電容量センサ２１ａ及び第２静電容量センサ２１ｂは、値が各々異なるデータ値で静電容量データＤs1，Ｄs2を演算装置１２に各々出力する。
【００４３】
演算装置１２は、各々値が異なる静電容量データＤs1，Ｄs2のうち第１静電容量データＤs1から第１従動ギア４の回転角度θｎを演算する。このとき、演算装置１２は、第１静電容量データＤs1から読み出し可能である第１静電容量センサ２１ａの検出静電容量についてこの値がどれだけかを見ることにより、第１従動ギア４の回転角度θｎを導出する。演算装置１２は、同様に第２静電容量データＤs2から第２従動ギア５の回転角度θｌを演算し、以上のように求めた回転角度θｎ，θｌの組み合わせを見て主動ギア３の回転角度θｍを演算する。
【００４４】
ところで、この種の静電容量センサ２１ａ，２１ｂでは、検出が細かいレベルでできるものを使用すれば、その検出レベルが高いほど静電容量検出を細かいレベルで行うことが可能である。静電容量検出の高精度化は第１従動ギア４及び第２従動ギア５の角度検出の高分解能化に直結することから、このように静電容量検出が高精度化できれば、これに伴って主動ギア３の角度検出を高分解能で行うことが可能となる。従って、静電容量センサ２１ａ，２１ｂを用いて角度検出を行う構造を用いれば、リニアイメージセンサ１１を用いた場合と同様に、主動ギア３の角度検出の高分解能化が可能となる。
【００４５】
本実施形態の構成によれば、第１実施形態に記載の（１）及び（３）〜（５）と同様の効果が得られることに加え、以下の効果を得ることができる。
（７）回転角度検出方式として静電容量式を用いた場合であっても、リニアエンコーダ等に比べて高分解能で主動ギア３の回転角度θｍを算出することができる。
【００４６】
なお、実施形態はこれまでの構成に限定されず、以下の態様に変更してもよい。
・ 第１実施形態においては、図３に示すように、リニアイメージセンサ１１に対して周方向に沿って並ぶ位置に、リニアイメージセンサ１１と同様構成から成る増設センサ３１を配置することにより、角度演算処理にフェールセーフ対策を施してもよい。このフェールセーフ動作としては、リニアイメージセンサ１１から求まる第１従動ギア４の回転角度θｎが、増設センサ３１から求まる第１従動ギア角度からずれた際、リニアイメージセンサ１１が正常に起動していないと認識して角度演算を強制的に終了する動作がある。なお、このフェールセーフ対策は第２従動ギア５にも採用してもよいし、第２実施形態の静電容量式に採用してもよい。
【００４７】
・ 第１実施形態において、必ずしも第１従動ギア４と第２従動ギア５との間でリニアイメージセンサ１１を共用することに限定されず、第１従動ギア４と第２従動ギア５との各々に個別のリニアイメージセンサを設けてもよい。なお、第１従動ギア用のリニアイメージセンサは、そのセンサ検出ラインが第１従動ギア４の軸心Ｌｂを通る位置に配置する必要があり、第２従動ギア用のリニアイメージセンサは、そのセンサ検出ラインが第２従動ギア５の軸心Ｌｃを通る位置に配置する必要がある。
【００４８】
・ 第１実施形態において、リニアイメージセンサ１１は、１列のものに限定されず、複数列でもよい。
・ 第１実施形態において、第１ＬＥＤ９、第２ＬＥＤ１０及びリニアイメージセンサ１１は、同一基板８上に設けられることで同一平面上に位置することに限らず、例えばＬＥＤ系基板とセンサ系基板とを別々とすることにより、これらの配置位置を別平面上としてもよい。
【００４９】
・ 第１実施形態において、光照射部材は、必ずしもＬＥＤに限定されず、これは例えばランプでもよい。
・ 第２実施形態において、必ずしも従動ギア４，５ごとに静電容量センサ２１ａ，２１ｂを設けることに限らず、２つの従動ギア４，５で１つの静電容量センサを共用してもよい。この場合、角度検出の分解能が若干低下する懸念はあるが、用意する静電容量センサ２１が１つで済み、部品コストの低減を図ることができる。
【００５０】
・ 第１及び第２実施形態において、従動ギア４，５のギア数は、必ずしも第１従動ギア４及び第２従動ギア５の２つに限らず、これは３つ以上でもよい。
・ 第１及び第２実施形態において、第１従動ギア４及び第２従動ギア５の形状は、必ずしも略椀形状のものに限定されず、これは例えば円柱形状でもよい。
【００５１】
・ 第１及び第２実施形態において、ギア部材と像出力手段とは必ずしも一体の部品として構成されることに限定されず、例えばギア部材に対してこれとは別工程で製造された像出力手段を後工程でギア部材に固着することで従動ギア４，５を形成してもよい。
【００５２】
・ 第１及び第２実施形態において、従動ギア４，５の外周肉厚部６ｂ，７ｂは、その周方向において肉厚が直線的に変化する形状に限定されず、センサ出力波形が直線的に変化する波形をとるものであれば、この形状は自由に変更してもよい。
【００５３】
・ 第１及び第２実施形態において、本例の角度検出装置は、必ずしも車両のステアリングホイールの回転角度検出装置として用いられることに限らず、操作部材の操作に伴って可動部材がその支持部材に対して角度を持って移動するものであれば、その搭載先は特に限定されない。
【００５４】
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について、それらの効果とともに以下に追記する。
（１）請求項１〜５のいずれか一項において、前記像出力手段は、前記可動部材に連れ動きするに際して前記イメージセンシング手段に直線的に変化する前記像を出力するように形成され、前記イメージセンシング手段は、前記像出力手段から前記像を検出した際はその直線的変化に対応して同じく直線的に変化する前記検出値を出力する構造であって、前記イメージセンシング手段は、像検知面の長手方向に延びる検出ライン線が、回動運動する前記可動部材のその回動軸心を通る向きに配置されている。この場合、簡素な構造で移動角検出の高分解能化を満たすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】第１実施形態における角度検出装置の概略構成を示す構成図。
【図２】光が照射された際のリニアイメージセンサの平面図。
【図３】角度検出装置の具体構成を平断面図及び側視図を用いて説明した説明図。
【図４】従動ギアの具体構成を平断面及びセンサ出力波形図を用いて説明した説明図。
【図５】リニアイメージセンサの具体構成を説明する平面図。
【図６】リニアイメージセンサが出力する撮像データのイメージ図。
【図７】角度演算処理を説明する際に用いたリニアイメージセンサの斜視図。
【図８】光照射幅と従動ギアの演算角度との関係を示す波形図。
【図９】従動ギアの演算角度と主動ギアの演算角度との関係を示す波形図。
【図１０】第２実施形態における角度検出装置の概略構成を示す構成図。
【符号の説明】
【００５６】
２…可動部材としてのステアリングシャフト、１１…イメージセンシング手段（撮像手段）を構成するリニアイメージセンサ、１２…算出手段としての演算装置、２１（２１ａ，２１ｂ）…イメージセンシング手段（静電容量検出手段）を構成する静電容量センサ、θｍ…移動角としての回転角度、Ｄpi…検出値を構成する撮像データ、Ｗ（Ｗ１，Ｗ２）…光範囲としての照射幅、Ｓａ，Ｓｂ…接触面積、Ｄs1，Ｄs2…検出値を構成する静電容量データ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持部材に移動可能に支持された可動部材が当該支持部材に対して移動する際、当該可動部材の移動角を検出する角度検出装置において、
検出した像に応じた検出値を出力するイメージセンシング手段と、
前記可動部材に連れ動き可能であり、前記可動部材の移動位置に応じた前記像を前記イメージセンシング手段に出力する像出力手段と、
前記イメージセンシング手段が出力する前記検出値を用い、前記可動部材の前記移動角を算出する算出手段と
を備えたことを特徴とする角度検出装置。
【請求項２】
前記像出力手段は、前記可動部材の移動位置に応じた光範囲で光を前記イメージセンシング手段に出力する光学式であり、前記イメージセンシング手段は、検出した前記光範囲に応じた前記検出値を出力する撮像手段であり、前記算出手段は、前記撮像手段が取得した前記検出値を用い、前記可動部材の前記移動角を算出することを特徴とする請求項１に記載の角度検出装置。
【請求項３】
前記像出力手段は、前記可動部材の移動位置に応じた接触面積で前記イメージセンシング手段に当接する誘電体であり、前記イメージセンシング手段は、前記誘電体との接触面積に応じた値で前記検出値を出力する静電容量検出手段であり、前記算出手段は、前記静電容量検出手段が取得した前記検出値を用い、前記可動部材の前記移動角を算出することを特徴とする請求項１に記載の角度検出装置。
【請求項４】
前記像出力手段は、前記可動部材に連れ動きするに際して前記イメージセンシング手段の検出値が直線的な値を取り得るような前記像を、前記イメージセンシング手段に出力するように形成されていることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の角度検出装置。
【請求項５】
前記像出力手段は、前記可動部材と共に連れ動きする状態で複数設けられるとともに、共用する前記イメージセンシング手段に対して前記像を各々異なる値で出力し、前記算出手段は、１つのイメージセンシング手段で得られる複数の前記像を用いて前記可動部材の前記移動角を算出することを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の角度検出装置。
【請求項１】
支持部材に移動可能に支持された可動部材が当該支持部材に対して移動する際、当該可動部材の移動角を検出する角度検出装置において、
検出した像に応じた検出値を出力するイメージセンシング手段と、
前記可動部材に連れ動き可能であり、前記可動部材の移動位置に応じた前記像を前記イメージセンシング手段に出力する像出力手段と、
前記イメージセンシング手段が出力する前記検出値を用い、前記可動部材の前記移動角を算出する算出手段と
を備えたことを特徴とする角度検出装置。
【請求項２】
前記像出力手段は、前記可動部材の移動位置に応じた光範囲で光を前記イメージセンシング手段に出力する光学式であり、前記イメージセンシング手段は、検出した前記光範囲に応じた前記検出値を出力する撮像手段であり、前記算出手段は、前記撮像手段が取得した前記検出値を用い、前記可動部材の前記移動角を算出することを特徴とする請求項１に記載の角度検出装置。
【請求項３】
前記像出力手段は、前記可動部材の移動位置に応じた接触面積で前記イメージセンシング手段に当接する誘電体であり、前記イメージセンシング手段は、前記誘電体との接触面積に応じた値で前記検出値を出力する静電容量検出手段であり、前記算出手段は、前記静電容量検出手段が取得した前記検出値を用い、前記可動部材の前記移動角を算出することを特徴とする請求項１に記載の角度検出装置。
【請求項４】
前記像出力手段は、前記可動部材に連れ動きするに際して前記イメージセンシング手段の検出値が直線的な値を取り得るような前記像を、前記イメージセンシング手段に出力するように形成されていることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の角度検出装置。
【請求項５】
前記像出力手段は、前記可動部材と共に連れ動きする状態で複数設けられるとともに、共用する前記イメージセンシング手段に対して前記像を各々異なる値で出力し、前記算出手段は、１つのイメージセンシング手段で得られる複数の前記像を用いて前記可動部材の前記移動角を算出することを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の角度検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００８−１２８７３１（Ｐ２００８−１２８７３１Ａ）
【公開日】平成２０年６月５日（２００８．６．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３１１８１１（Ｐ２００６−３１１８１１）
【出願日】平成１８年１１月１７日（２００６．１１．１７）
【出願人】（０００００３５５１）株式会社東海理化電機製作所 (3,198)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年６月５日（２００８．６．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月１７日（２００６．１１．１７）
【出願人】（０００００３５５１）株式会社東海理化電機製作所 (3,198)
【Ｆターム（参考）】
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