JP2014077676A - 有限角センサ - Google Patents

Abstract

【課題】検出対象の回転軸のイナーシャを増加させることがなく、回転軸の回転角度を精度良く検出できる有限角センサを提案すること。
【解決手段】有限角センサ１は、回転軸３の外周面に形成した第１、第２光反射面４、５と、第１、第２光反射面４、５に検出光を照射するＬＥＤ６と、第１光反射面４で反射した第１反射光Ｌ１を受光する第１フォトダイオード７と、第２光反射面５で反射した第２反射光Ｌ２を受光する第２フォトダイオード８と、これらのフォトダイオードで受光された第１、第２受光量Ｑ１、Ｑ２に基づき、回転軸３の回転角度位置を算出する信号処理装置９とを有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、有限回転型電動機の回転角制御等に用いる有限角センサに関する。

有限角センサとしては、特許文献１、２に記載されているような光学式センサが知られている。これらの文献に開示の光学式センサは、検出対象の回転軸に取り付けたスリット付きのディスクを備えている。発光素子と受光素子が、ディスクのスリットを挟み、対向配置されている。回転軸の回転に伴い、発光素子から射出された検出光が通過するスリットの位置が移動する。受光素子は一次元位置検出素子からなり、スリットを通過した検出光の受光位置を検出する。受光位置に基づき回転軸の回転角度位置が分かる。

また、特許文献３に記載されている有限角センサは、検出対象の回転軸の外周面に取り付けた一対の発光素子と、これらから射出される検出光を受光する一対の受光素子（一次元位置検出素子）を備えている。各発光素子からはラジアル方向に検出光が射出される。回転軸の回転に伴い、各発光素子からの検出光の方向が移動する。各受光素子は、検出光の受光位置を検出する。受光位置に基づき回転軸の回転角度位置が分かる。

特開平０７−３１１１９号公報 特開２００１−３３９９１０号公報 特開２００２−２３６００９号公報

スリット付きディスクを備えた有限角センサでは、回転軸に取り付けられるスリット付きディスク自体の共振のために、回転軸側の機構全体としての共振周波数の高帯域化、共振エネルギーの低減化を図ることが困難である。すなわち、機構全体の共振特性が低下し、振動等が発生しやすくなる。また、ディスクを回転軸に取り付け、ディスクの両側（回転軸の軸線方向）に発光素子および受光素子を配置するので、軸方向に長くなり易い。

特許文献３に開示の有限角センサは、回転軸のラジアル方向に発光素子および受光素子が配列されている。ディスクを回転軸に取り付ける必要がないので機構全体の共振特性の低下を抑制でき、軸方向の長さの増加も回避できる。

しかしながら、発光素子を回転軸の外周面に取り付けるので、回転軸のイナーシャが増加してしまう。また、発光素子からラジアル方向に射出される検出光の受光位置を受光素子で検出している。発光素子の組み付け誤差は、増幅されて、受光素子における検出光の受光位置の誤差となって現れる。このため、回転角を精度良く検出するためには、発光素子の組み付け位置、発光素子と受光素子の位置関係を精度良く設定する必要がある。

本発明の課題は、受光素子の受光量の変化に基づき回転軸の回転角度を精度良く検出可能な有限角センサを提案することにある。また、本発明の課題は、検出対象の回転軸のイナーシャを増加させることなく、受光素子の受光量の変化に基づき回転軸の回転角度を精度良く検出できる有限角センサを提案することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の有限角センサは、
検出対象の回転軸の外周面、あるいは、前記回転軸と一体回転する連結軸の外周面に形成され、１８０度未満の角度で交差する第１光反射面および第２光反射面と、
前記第１光反射面および前記第２光反射面に検出光を照射する発光素子と、
前記第１光反射面で反射した前記検出光の反射光成分である第１反射光を受光する第１受光素子と、
前記第２光反射面で反射した前記検出光の反射光成分である第２反射光を受光する第２受光素子と、
前記第１受光素子で受光された第１受光量および前記第２受光素子で受光された第２受光量に基づき、前記回転軸の有限回転角度位置を算出する信号処理部と、
を有していることを特徴としている。

回転軸の回転に伴って第１、第２光反射面も回転し、発光素子から射出される検出光の入射角度、照射領域が変化する。この結果、第１、第２受光素子での第１、第２受光量が変化する。第１、第２受光量の変化を、回転軸の有限回転角度内の各角度位置に対応するように、各部の位置関係を設定しておくことで、信号処理部では第１、第２受光量から回転軸の有限回転角度位置を算出できる。

受光量の増減に基づき回転軸の振れ角（有限回転角度位置）を算出しているので、受光位置の移動に基づき振れ角を算出する場合に比べて、受光素子の感度が高く、精度良く振れ角を算出できる。また、検出対象の回転軸の外周面に第１、第２光反射面を形成すれば、回転軸にスリット付きディスク、発光素子等を取り付ける場合とは異なり、回転軸のイナーシャが増加することがない。よって、有限回転機構の側における回転角制御の制御性を低下させることがない。

ここで、本発明による典型的な有限角センサでは、
前記第１光反射面と前記第２光反射面の交線は、前記回転軸の中心軸線に平行であり、
前記第１光反射面および前記第２光反射面は、前記交線と前記中心軸線を含む平面に対して、面対称であり、
前記発光素子は、前記検出光の光軸が前記回転軸の中心を通るように、配置されており、
前記光軸に前記交線が一致する前記回転軸の回転角度位置は、当該回転軸の有限回転角度の中立位置である。

また、前記第１、第２光反射面は、前記回転軸の中心回りに回転対称な四角形輪郭の外周面部分における隣接する２つの面である。さらに、前記四角形輪郭の外周面部分は、前記回転軸の軸端部に形成される。

なお、第１、第２光反射面の偏心による誤差を除去するためには、２組の検出部を配置すればよい。すなわち、上記構成の前記第１、第２光反射面、前記発光素子および前記第１、第２受光素子を備えた第１検出部を配置すると共に、第３、第４光反射面、第２検出部用発光素子および第３、第４受光素子を備えた第２検出部を配置する。第２検出部の各部を、前記第１検出部の各部に対して、前記回転軸の中心軸線を中心として、回転対称の位置に配置すればよい。

本発明を適用した有限角センサを示す説明図および概略構成図である。 図１の有限角センサの検出動作を示す説明図である。 図１の有限角センサの変更例を示す概略構成図である。

以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る有限角センサを説明する。

図１（ａ）は本実施の形態に係る有限角センサを示す説明図であり、図１（ｂ）はその概略構成図である。有限角センサ１は、例えば、有限回転型電動機２の回転軸３の軸先端部３ａに配置される。回転軸３の振れ角（有限回転角度）は、中立位置Ｎに対して左右に例えば１５°である（３０°の有限回転角度である）。

有限角センサ１は、回転軸３の軸先端部３ａに形成した第１光反射面４および第２光反射面５を備えている。また、第１、第２光反射面４、５に検出光Ｌを照射するＬＥＤ６と、第１光反射面４で反射した検出光Ｌの反射光成分である第１反射光Ｌ１を受光する第１フォトダイオード７と、第２光反射面５で反射した検出光Ｌの反射光成分である第２反射光Ｌ２を受光する第２フォトダイオード８とを備えている。さらに、第１フォトダイオード７で受光された第１受光量Ｑ１および第２フォトダイオード８で受光された第２受光量Ｑ２に基づき、回転軸３の有限回転角度位置を算出する信号処理装置９を備えている。

回転軸３の軸先端部３ａは、その端面３ｂから一定の長さに亘って菱形断面となるように、切削加工されている。４つの切削加工面は、鏡面仕上げ、コーティング等の表面処理が施されて、光反射面とされている。菱形断面の長軸は回転軸３の外径と同一であり、短軸は回転軸３の外径よりも短い。菱形断面部分における相互に隣接している一対の外面が第１光反射面４および第２光反射面５であり、これらは、９０°よりも僅かに大きな角度で交差している。また、これらの光反射面の交線１１は回転軸３の中心軸線３Ａに平行である。また、第１光反射面４および第２光反射面５は、交線１１と中心軸線３Ａを含む平面に対して、面対称である。

ＬＥＤ６は定まった位置に配置されている。すなわち、第１、第２光反射面４、５の外周側の位置において、検出光Ｌの中心光軸Ｌａが回転軸３の中心を通るように、配置されている。図１（ｂ）には、光軸Ｌａに第１、第２光反射面４、５の交線１１が一致した状態を示してある。この状態における回転軸３の回転角度位置が、当該回転軸３の中立位置Ｎである。

第１フォトダイオード７および第２フォトダイオード８は、同一形状のものである。それらの受光面７ａ、８ａは、それぞれ、第１、第２光反射面４、５に対峙する定まった位置に配置されている。また、第１、第２フォトダイオード７、８は、第１、第２光反射面４、５の交線１１と回転軸３の中心軸線３Ａを通る平面に対して、面対称の状態に配置されている。

信号処理装置９は、ＬＥＤ駆動制御回路１２を備えている。ＬＥＤ駆動制御回路１２は、第１、第２フォトダイオード７、８の受光量の合計が同一となるように、ＬＥＤ６の発光制御を行う。また、信号処理装置９は、第１、第２フォトダイオード７、８の第１、第２受光量Ｑ１、Ｑ２の差分を算出する差動増幅回路１３、差分ΔＱに基づき回転軸３の有限回転角度αを算出する演算回路１４を備えている。算出された有限回転角度αの情報は、例えば、有限回転型電動機２の駆動制御装置（図示せず）の側に出力される。

図２（ａ）〜（ｃ）は有限角センサ１の角度検出動作を示す説明図である。図２（ａ）は、図１に示す場合と同じく、回転軸３が中立位置Ｎにある状態を示す説明図である。この状態においては、ＬＥＤ６から射出された検出光Ｌは、第１、第２光反射面４、５に対して、同一の入射角で、同一の照射領域を照射する。よって、第１、第２光反射面４、５の反射光Ｌ１、Ｌ２の光量は同一である。第１、第２フォトダイオード７、８の第１、第２受光量Ｑ１、Ｑ２は同一になる。これらの差分ΔＱは零になり、回転軸３が中立位置Ｎにあることが算出される。

図２（ｂ）は、回転軸３が反時計回りに最大に振れた場合の状態を示す説明図である。この状態では、第１光反射面４は、検出光Ｌの照射領域から外れており、第２光反射面５に検出光Ｌが照射される。よって、第１フォトダイオード７の第１受光量Ｑ１は最小値Ｑ１（ｍｉｎ）の零になる。第２フォトダイオード８の第２受光量Ｑ２は最大値Ｑ２（ｍａｘ）になる。受光量の差分ΔＱ（＝Ｑ１−Ｑ２）は、負側に最大値となる。これにより、回転軸３が反時計回りに最大に振れた振れ角１５°の位置にあることが算出される。

図２（ｃ）は、回転軸３が時計回りに最大に振れた場合の状態を示す説明図である。この状態では、第２光反射面５は、検出光Ｌの照射領域から外れており、第１光反射面４に検出光Ｌが照射される。よって、第２フォトダイオード８の第２受光量Ｑ２は最小値Ｑ２（ｍｉｎ）の零になる。第１フォトダイオード７の第１受光量Ｑ１は最大値Ｑ１（ｍａｘ）になる。受光量の差分ΔＱ（＝Ｑ１−Ｑ２）は、正側に最大値となる。これにより、回転軸３が時計回りに最大に振れた振れ角１５°の位置にあることが算出される。

回転軸３が図２（ａ）の中立位置から図２（ｂ）の位置まで回転する場合、図２（ａ）の中立位置から図２（ｃ）の位置まで回転する場合には、回転軸３の回転に伴って、差分ΔＱが逆方向に増加する。よって、各回転角度位置を検出できる。

（その他の実施の形態）
図３は、上記の有限角センサ１の変更例である、２組の検出部を備えた有限角センサの例を示す概略構成図である。有限角センサ１Ａは、第１検出部２０と第２検出部３０を備えている。第１検出部２０は、第１、第２光反射面４、５と、ＬＥＤ６と、第１、第２フォトダイオード７、８を備えている。第２検出部３０は、第３、第４光反射面３４、３５と、ＬＥＤ３６と、第３、第４フォトダイオード３７、３８を備えている。第２検出部２０と第３検出部３０は、回転軸３の中心軸線３Ａに対して、回転対称の状態に配置されている。

信号処理装置９においては、第２検出部３０からの受光量に基づき、第１、第２光反射面４、５の回転中心が、回転軸３の回転中心から偏心している場合の検出誤差を除去できる。よって、精度の高い検出を行うことができる。

なお、上記の例では、回転軸３の軸先端部３ａを菱形断面に加工して、その外周面を反射面として用いている。軸先端部３ａを四角形以外の多角形断面にして、隣接する２つの面を第１、第２反射面として用いることもできる。

また、上記の例では、回転軸３の軸先端部３ａを加工して、回転軸３に直接、第１、第２光反射面を形成している。この代わりに、連結軸の外周面に第１、第２光反射面を形成し、この連結軸を回転軸３の先端面に同軸に連結固定することも可能である。

１、１Ａ 有限角センサ
２ 有限回転型電動機
３ 回転軸
３ａ 軸先端部
３ｂ 先端面
３Ａ 中心軸線
４ 第１光反射面
５ 第２光反射面
６ ＬＥＤ
７ 第１フォトダイオード
８ 第２フォトダイオード
９ 信号処理装置
１１ 交線
１２ ＬＥＤ駆動制御回路
１３ 差動増幅回路
１４ 演算回路
２０ 第１検出部
３０ 第２検出部
３４ 第３光反射面
３５ 第４光反射面
３６ ＬＥＤ
３７ 第３フォトダイオード
３８ 第４フォトダイオード
Ｌ 検出光
Ｌａ 光軸
Ｌ１ 第１反射光
Ｌ２ 第２反射光
Ｑ１ 第１受光量
Ｑ２ 第２受光量
ΔＱ 差分
α 有限回転角度

Claims (5)

1. 検出対象の回転軸の外周面、あるいは、前記回転軸と一体回転する連結軸の外周面に形成され、１８０度未満の角度で交差する第１光反射面および第２光反射面と、
   前記第１光反射面および前記第２光反射面に検出光を照射する発光素子と、
   前記第１光反射面で反射した前記検出光の反射光成分である第１反射光を受光する第１受光素子と、
   前記第２光反射面で反射した前記検出光の反射光成分である第２反射光を受光する第２受光素子と、
   前記第１受光素子で受光された第１受光量および前記第２受光素子で受光された第２受光量に基づき、前記回転軸の有限回転角度位置を算出する信号処理部と、
   を有していることを特徴とする有限角センサ。
2. 請求項１において、
   前記第１光反射面と前記第２光反射面の交線は、前記回転軸の中心軸線に平行であり、
   前記第１光反射面および前記第２光反射面は、前記交線と前記中心軸線を含む平面に対して、面対称であり、
   前記発光素子は、前記検出光の光軸が前記回転軸の中心を通るように、配置されており、
   前記光軸に前記交線が一致する前記回転軸の回転角度位置は、当該回転軸の有限回転角度の中立位置である有限角センサ。
3. 請求項２において、
   前記第１、第２光反射面は、前記回転軸の中心回りに回転対称な四角形輪郭の外周面部分における隣接する２つの面である有限角センサ。
4. 請求項３において、
   前記四角形輪郭の外周面部分は、前記回転軸の軸端部に形成されている有限角センサ。
5. 請求項３または４において、
   前記第１、第２光反射面、前記発光素子および前記第１、第２受光素子を備えた第１検出部と、
   第３、第４光反射面、第２検出部用発光素子および第３、第４受光素子を備えた第２検出部とを有し、
   前記第２検出部の各部は、前記第１検出部の各部に対して、前記回転軸の中心軸線を中心として、回転対称の位置に配置されている有限角センサ。

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