JP2018077145A

JP2018077145A - 回転検出装置及びこれに用いられる回転体

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Publication number: JP2018077145A
Application number: JP2016219423A
Authority: JP
Inventors: 英之神山; Hideyuki Kamiyama; 秀和若林; Hidekazu Wakabayashi
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2016-11-10
Filing date: 2016-11-10
Publication date: 2018-05-17

Abstract

【課題】反射光センサを用いた製造コストが低い回転検出装置を提供する。
【解決手段】回転検出装置は、回転対象物に結合された回転軸１に連結された回転体２と、回転体２の裏面に対向したセンサ台３に設けられた単一の反射光センサ４と、反射光センサ４に電気的に接続された制御ユニット５とによって構成される。回転体２の裏面の周方向に反射率９０％以上の反射層よりなる高反射部及び反射率３０％程度の反射層よりなる高反射部が低反射部によって囲まれて連続して設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は反射光センサを用いた回転検出装置及びこれに用いられる回転体に関する。

一般に、ロータリエンコーダ、モータ等の回転方向及び回転速度を検出するための回転検出装置として反射光センサを用いた回転検出装置が知られている。

図１３は反射光センサを用いた従来の回転検出装置を示す斜視図である。図１３において、回転検出装置は、回転対象物（図示せず）に結合された回転軸１０１に連結された回転体１０２と、回転体１０２の裏面に対向したセンサ台１０３に設けられた２つの反射光センサ１０４−１、１０４−２と、反射光センサ１０４−１、１０４−２に電気的に接続された制御ユニット１０５とによって構成される。この場合、回転軸１０１が回転したとき、回転体１０２は回転するが、センサ台１０３つまり反射光センサ１０４−１、１０４−２は回転せず、静止している。また、回転体１０２の裏面と反射光センサ１０４−１、１０４−２との間の距離は１ｍｍ程度である。

図１４は図１３の回転体１０２の裏面図である。図１４において、回転体１０２の裏面の周方向に反射率９０％以上の白色塗料層又はアルミニウム等の反射層よりなる高反射部１０２ａが等ピッチで設けられている。また、高反射部１０２ａの周辺は反射率が０％に近いカーボンブラック等よりなる低反射部１０２ｂである。さらに、センサ台１０３における搭載位置は回転体１０２における反射光センサ１０４−１、１０４−２の高反射領域１０２ａと同周上に対応している。

図１５は図１３の反射光センサ１０４−１（１０４−２）の断面図である。図１５に示すように、反射光センサ１０４−１（１０４−２）においては、ガラスエポキシ樹脂等よりなる配線基板１０４１−１（１０４１−２）上に発光素子１０４２−１（１０４２−２）たとえば赤外光発光ダイオード（ＬＥＤ）素子及び受光素子１０４３−１（１０４３−２）たとえばフォトダイオードをカーボンブラック等を含む遮光板１０４４−１（１０４４−２）を挟んで実装し、さらに、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等よりなる透明樹脂層１０４５によって封止する。この結果、発光素子１０４２−１（１０４２−２）からの光Ｌ１（Ｌ２）はたとえば回転体１０２の高反射部１０２ａによって反射され、受光素子１０４３−１（１０４３−２）によって受光される。

図１６は図１３の制御ユニット１０５の詳細な回路図である。尚、図１６においては、反射光センサ１０４−１（１０４−２）の発光素子１０４２−１（１０４２−２）、受光素子１０４３−１（１０４３−２）に負荷抵抗１０４２−１ａ（１０４２−２ａ）、１０４３−１ａ（１０４３−２ａ）が外付けられているが、これらの負荷抵抗は反射光センサ１０４−１（１０４−２）又は制御ユニット１０５に内蔵させてもよい。

図１６においては、制御ユニット１０５は、反射光センサ１０４−１の受光素子１０４３−１の出力電圧Ｖ_１を基準電圧Ｖ_Ｒと比較するための比較器１０５１と、反射光センサ１０４−２の受光素子１０４３−２の出力電圧Ｖ_２を基準電圧Ｖ_Ｒと比較するための比較器１０５２と、比較器１０５１の出力に接続されたデータ（Ｄ）端子、比較器１０５２の出力に接続されたクロック（Ｃ）端子及び出力（Ｑ）端子を有する論理回路としてのＤフリップフロップ１０５３と、比較器１０５２及びＤフリップフロップ１０５３に接続された制御回路（たとえばマイクロコンピュータ）１０５４とによって構成される。Ｄフリップフロップ１０５３においては、Ｃ端子の比較器１０５２の出力信号Ｓ_２の立上がりによってＤ端子の比較器１０５１の出力信号Ｓ_１を取り込んでＱ端子に出力信号Ｓ_３として出力する。

図１６の制御ユニット１０５の動作を図１７を参照して説明する。回転体１０２が回転すると、比較器１０５１、１０５２の出力信号Ｓ_１、Ｓ_２は図１７の（Ａ）、（Ｂ）に示すごとく変化する。従って、図１７の（Ｃ）に示すごとく、回転体１０２が正転していれば、Ｄフリップフロップ１０５３の出力信号Ｓ_３はハイレベルとなり、他方、回転体１０２が逆転していれば、Ｄフリップフロップ１０５３の出力信号Ｓ_３はローレベルとなり、この結果、制御回路１０５４はＤフリップフロップ１０５３の出力信号Ｓ_３によって回転体１０２の回転方向の正転、逆転を検出できる。また、制御回路１０５４は比較器１０５２の出力信号Ｓ_２の立上がり又は立下りの周期Ｔを計測することによって回転体１０２の回転速度（＝１／（８Ｔ））を検出できる。

しかしながら、上述の図１３の従来の回転検出装置においては、回転体１０２の回転速度の検出は１つの反射光センサ１０４−２によって行うことができるが、回転体１０２の回転方向の検出は２つの反射光センサ１０４−１、１０４−２を必要とし、この結果、回転検出装置の製造コストが高くなるという課題がある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る回転検出装置は、
回転対象物に結合される回転体と、回転体の一面に対向して設けられた単一の反射光センサと、反射光センサに電気的に接続された制御ユニットとを具備する回転検出装置であって、回転体の一面の周方向に低反射部によって囲まれた連続する相異なる第１、第２の高反射部を設け、制御ユニットは、反射光センサの出力電圧を第１の基準電圧と比較して第１の高反射部を判別するための第１の比較手段と、反射センサの出力電圧を前記第１の基準電圧と異なる第２の基準電圧と比較して第２の高反射部を判別するための第２の比較手段と、第２の比較手段の出力を所定値だけ遅延させるための遅延手段と、反射光センサの光電流増加を示す遅延手段の出力の変化に応じて第１の比較手段の出力を取込むための論理手段とを具備し、論理手段の出力に応じて回転体の回転方向に判別するようにしたものである。

また、本発明に係る回転検出装置に用いられる回転体においては、回転体の一面の周方向に低反射部によって囲まれた連続する相異なる第１、第２の高反射部を設け、第１、第２の高反射部の回転体の径方向の幅は同一であり、前記第１、第２の高反射部の反射率は相異なり、前記第１、第２の高反射部の厚さは同一である。又は、第１、第２の高反射部の径方向の幅を相異さらせ、あるいは第１、第２の高反射部の厚さを相異ならせる。

本発明によれば、反射センサは１つとなり、この結果、回転検出装置の製造コストを低減できる。

本発明に係る回転検出装置の実施の形態を示す斜視図である。図１の回転体の裏面図である。図１の高反射部の断面図である。図１の制御ユニットの回路図である。図１の反射光センサの光電流特性の例を示すグラフである。図１の制御ユニットの動作を説明するためのタイミング図である。図２の回転体の第１の変更例を示す裏面図である。図７の回転体の断面図である。図７の回転体を用いた場合の図１の反射センサの光電流特性の例を示すグラフである。図２の回転体の第２の変更例を示す裏面図である。図１０の回転体の断面図である。図１０の回転体を用いた場合の図１の反射光センサの光電流特性の例を示すグラフである。従来の回転検出装置を示す斜視図である。図１３の回転体の裏面図である。図１３の反射光センサの断面図である。図１３の制御ユニットの詳細な回路図である。図１６の制御ユニットの動作を説明するためのタイミング図である。

図１は本発明に係る回転検出装置の実施の形態を示す斜視図である。

図１において、回転検出装置は、回転対象物（図示せず）に結合された回転軸１に連結された回転体２と、回転体２の裏面に対向したセンサ台３に設けられた単一の反射光センサ４と、反射光センサ４に電気的に接続された制御ユニット５とによって構成される。この場合も、回転軸１が回転したとき、回転体２は回転するが、センサ台３つまり反射光センサ４は回転せず、静止している。

図２は図１の回転体２の裏面図である。図２において、回転体２の裏面の周方向に反射率９０％以上の白色塗料層又はアルミニウム等の反射層よりなる高反射部２ａ及び反射率３０％程度の反射層よりなる高反射部２ｂが設けられている。図３に示すように、回転体２の径方向の高反射部２ａの幅Ｗ_ａと高反射部２ｂの幅Ｗ_ｂとは同一である。また、高反射部２ａの厚さ及び高反射率２ｂの厚さは同一であり、従って、高反射部２ａと反射光センサとの距離Ｄ_ａと、高反射部２ｂと反射光センサ４との距離Ｄ_ｂとは同一である。また、高反射領域２ａ、２ｂの周辺は反射率が０％に近いカーボンブラック等よりなる低反射部２ｃである。さらに、センサ台３における反射光センサ４の搭載位置は回転体２の高反射部２ａ、２ｂと同周上に対応している。

反射光センサ４は、図１５に示す反射光センサ１０４−１（１０４−２）と同様に、配線基板上に発光素子４２（図４参照）たとえば赤外光発光ダイオード（ＬＥＤ）素子及び受光素子４３（図４参照）たとえばフォトダイオードをカーボンブラック等を含む遮光板を挟んで実装し、さらに、透明樹脂層によって封止する。

図４は図１の制御ユニット５の詳細な回路図である。尚、図４においても、反射光センサ４の発光素子４２、受光素子４３に負荷抵抗４２ａ、４３ａが外付けられているが、これらの負荷抵抗は反射光センサ４又は制御ユニット５に内蔵させてもよい。

図４においては、制御ユニット５は、反射光センサ４の受光素子４３の出力電圧Ｖ_３を基準電圧Ｖ_Ｒ１と比較するための比較器５１と、反射光センサ４の受光素子４３の出力電圧Ｖ_３を基準電圧Ｖ_Ｒ１より低い基準電圧Ｖ_Ｒ２（＜Ｖ_Ｒ１）と比較するための比較器５２と、比較器５２の出力信号Ｓ_５を時間τだけ遅延させる遅延器５３と、比較器５１の出力に接続されたデータ（Ｄ）端子、比較器５２の出力に接続されたクロック（Ｃ）端子及び出力（Ｑ）端子を有する論理回路としてのＤフリップフロップ５４と、遅延器５３及びＤフリップフロップ５４に接続された制御回路（たとえばマイクロコンピュータ）５５とによって構成される。Ｄフリップフロップ５４においては、Ｃ端子の遅延器５３の出力信号Ｓ_５'の立上がりによってＤ端子の比較器５１の出力信号Ｓ_６を取り込んでＱ端子に出力信号Ｓ_６として出力する。尚、遅延器５３の遅延時間τは、回転体２の正転状態のときに、比較器５２の出力信号Ｓ_５の立上がりが比較器５１の出力信号Ｓ_１の立上がりと時間的に重複しても、遅延器５３の出力信号Ｓ_５'が比較器５１の出力信号Ｓ_４と重複しないように設定される。

図５は図１の反射センサ４の受光素子４３を流れる光電流特性の例を示すグラフである。反射光センサ４の光Ｌが回転体２の高反射部２ａにて反射された場合の光電流Ｉ_ｐ（２ａ）と反射光センサ４の光Ｌが回転体２の高反射部２ｂにて反射された場合の光電流Ｉ_ｐ（２ｂ）とは、回転体２と反射光センサ４との間の距離Ｄ（＝Ｄ_ａ＝Ｄ_ｂ）が０．５〜３ｍｍの範囲で顕著な差が存在することが分る。従って、距離Ｄ＝Ｄ_ａ＝Ｄ_ｂが０．５〜３ｍｍの範囲で受光する受光素子４３の出力電圧Ｖ_３においても高反射部２ａ、２ｂで顕著な差が存在する。この結果、反射光センサ４の受光素子４３の出力電圧Ｖ_３を異なる２つの基準電圧と比較することによって高反射部２ａ、２ｂを判別できる。

図４の制御ユニット５の動作を図６を参照して説明する。回転体２が回転すると、光反射センサ４の出力電圧Ｖ_３は、図６の（Ａ）に示すごとく、変化する。この結果、比較器５１、５２の出力信号Ｓ_４、Ｓ_５は図５の（Ｂ）、（Ｃ）に示すごとく変化し、遅延器５３の出力信号Ｓ_５'は図５の（Ｄ）に示すごとく比較器５２の出力信号Ｓ_５に比較して時間τだけ遅れる。従って、図６の（Ｅ）に示すごとく、回転体２が正転していれば、Ｄフリップフロップ５３の出力信号Ｓ_６は確実にハイレベルとなり、他方、回転体２が逆転していれば、Ｄプリップフロップ５３の出力信号Ｓ_６は確実にローレベルとなり。この結果、制御回路５５はＤフリップフロップ５４の出力信号Ｓ_６によって回転体２の回転方向の正転、逆転を検出できる。また、制御回路５５は比較器５２の出力信号Ｓ_５つまり遅延器５３の出力信号Ｓ_５'の立上がり又は立下りの周期Ｔを計測することによって回転体２の回転速度（＝１／Ｔ）を検出できる。但し、回転速度は比較器５１の出力信号Ｓ_４の立上がり又は立下りの周期を用いても検出できる。

このように、図１〜図６に示す回転検出装置によれば、反射光センサは１つとなり、この結果、回転検出装置の製造コストを低減できる。

図７は図２の回転体の第１の変更例を示す裏面図である。

図７においては、回転体２'の裏面の周方向には共にたとえば反射９０％を有する高反射部２'ａ、２'ｂを設けてある。この場合には、図８にも示すように、高反射部２'ｂの径方向の幅Ｗ_ｂ'は高反射部２'ａの径方向幅Ｗ_ａ'より小さく、たとえば１／２とされている。また、高反射部２'ａの厚さ及び高反射部２'ｂの厚さは同一であり、従って、高反射部２'ａと反射光センサ４との距離Ｄ_ａと、高反射部２'ｂと反射光センサ４との距離Ｄ_ｂとは同一である。従って、図９に示すように、反射光センサ４の光Ｌが回転体２の高反射部２'ｂにて反射された場合の光電流Ｉ_ｐ（２'ｂ）は反射センサ４の光Ｌが回転体２の高反射部２'ａにて反射された場合の光電流Ｉ_ｐ（２'ａ）のほぼ１／２となり、両者には顕著な差が存在する。この結果、受光素子４３の出力電圧Ｖ_３においても高反射部２'ａ、２'ｂ間で顕著な差が存在する。この結果、反射光センサ４の受光素子４３の出力電圧Ｖ_３を異なる２つの基準電圧と比較することによって高反射部２'ａ、２'ｂを判別できる。このようにして、制御ユニット５は図６に示す動作を行うことができる。

図１０は図２の回転体の第２の変更例を示す裏面図である。

図１０においては、回転体２″の裏面の方向には共にたとえば反射９０％を有しかつ同一幅の高反射部２″ａ、２″ｂを設けてある。この場合には、図１１にも示すように、高反射部２″ｂの厚さは高反射部２″ａの厚さより小さくされ、この結果、高反射部２″ａ、２″ｂと反射光センサ４との距離が異なる。たとえば、高反射部２″ａと反射センサ４との距離Ｄ_ａ″はたとえば１ｍｍであり、高反射部２″ｂと反射センサ４との距離Ｄ_ｂ″はたとえば２ｍｍである。尚、低反射部２ｃと反射光センサ４との距離Ｄ_ｃはたとえば５ｍｍである。従って、図１２に示すように、反射光センサ４の光Ｌが回転体２の高反射部２″ｂにて反射された場合の光電流Ｉ_ｐ（２″ｂ）は反射センサ４の光Ｌが回転体２の高反射部２″ａにて反射された場合の光電流Ｉ_ｐ（２″ａ）のほぼ１／２となり、両者には顕著な差が存在する。この結果、受光素子４３の出力電圧Ｖ_３においても高反射部２″ａ、２″ｂ間で顕著な差が存在する。この結果、反射光センサ４の受光素子４３の出力電圧Ｖ_３を異なる２つの基準電圧と比較することによって高反射部２″ａ、２″ｂを判別できる。このようにして、制御ユニット５は図６に示す動作を行うことができる。

尚、図４の制御ユニット５のＤプリップフロップ５４は遅延器５３の出力信号Ｓ_５'の立上がりによってデータ端子Ｄの比較器５１の出力信号Ｓ_４を取込む構成となっているが、信号の極性は適宜変更されるので、遅延器５３の出力信号Ｓ_５'の立下りによってデータ端子Ｄの比較器５１の出力信号Ｓ_４を取込む構成とすることもできる。但し、この場合、遅延器５３の出力信号Ｓ_５'の立上がり又は立下り変化は反射光センサ４の光電流の増加を示すものとする。

また、上述の実施の形態においては、比較器５１、５２、遅延器５３及論理回路（Ｄプリップフロップ５４）をハードウェアで構成しているが、これらの機能は制御回路５５に内蔵されたソフトウェアによっても達成することができる。この場合には、反射光センサ４の受光素子４３の出力電圧Ｖ_３を制御回路５５のアナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）変換回路によってＡ／Ｄ変換して制御回路５５内に取込む。

本発明は、ロータリエンコーダ、モータ等以外でも、ラジオのチューナノブ及びボリュームノブ、エアコンのノブ等にも利用できる。

１：回転軸
２、２'、２″：回転体
２ａ、２'ａ、２″ａ：高反射部
２ｂ、２'ｂ、２ ″ｂ：高反射部
２ｃ：低反射部
３：センサ台
４：反射光センサ
５：制御ユニット
５１、５２：比較器（比較手段）
５３：遅延器（遅延手段）
５４：Ｄフリップフロップ（論理手段）
５５：制御回路
１０１：回転軸
１０２：回転体
１０２ａ：高反射部
１０２ｂ：低反射部
１０３：センサ台
１０４−１、１０４−２：反射光センサ
１０５：制御ユニット
１０５１、１０５２：比較器
１０５３：Ｄフリップフロップ
１０５４：制御回路

Claims

回転対象物に結合される回転体と、
前記回転体の一面に対向して設けられた単一の反射光センサと、
前記反射光センサに電気的に接続された制御ユニットと
を具備する回転検出装置であって、
前記回転体の一面の周方向に低反射部によって囲まれた連続する相異なる第１、第２の高反射部を設け、
前記制御ユニットは、
前記反射光センサの出力電圧を第１の基準電圧と比較して前記第１の高反射部を判別するための第１の比較手段と、
前記反射センサの出力電圧を前記第１の基準電圧と異なる第２の基準電圧と比較して前記第２の高反射部を判別するための第２の比較手段と、
前記第２の比較手段の出力を所定値だけ遅延させるための遅延手段と、
前記反射光センサの光電流増加を示す前記遅延手段の出力の変化に応じて前記第１の比較手段の出力を取込むための論理手段と
を具備し、前記論理手段の出力に応じて前記回転体の回転方向に判別するようにした回転検出装置。
前記第１、第２の高反射部の前記回転体の径方向の幅は同一であり、前記第１、第２の高反射部の反射率は相異なり、前記第１、第２の高反射部の厚さは同一である請求項１に記載の回転検出装置。
前記第１、第２の高反射部の前記回転体の径方向の幅は相異なり、前記第１、第２の高反射部の反射率は同一であり、前記第１、第２の高反射部の厚さは同一である請求項１に記載の回転検出装置。
前記第１、第２の高反射部の前記回転体の径方向の幅は同一であり、前記第１、第２の高反射部の反射率は同一であり、前記第１、第２の高反射部の厚さは相異なる請求項１に記載の回転検出装置。
前記制御ユニットは前記第１の比較手段又は前記第２の比較手段の出力に応じて前記回転体の回転速度を演算するようにした請求項１に記載の回転検出装置。
回転検出装置に用いられる回転体であって、
前記回転体の一面の周方向に低反射部によって囲まれた連続する相異なるなる第１、第２の高反射部を設け、
前記第１、第２の高反射部の前記回転体の径方向の幅は同一であり、前記第１、第２の高反射部の反射率は相異なり、前記第１、第２の高反射部の厚さは同一である回転体。
回転検出装置に用いられる回転体であって、
前記回転体の一面の周方向に低反射部によって囲まれた連続する相異なる第１、第２の高反射部を設け、
前記第１、第２の高反射部の前記回転体の径方向の幅は相異なり、前記第１、第２の高反射部の反射率は同一であり、前記第１、第２の高反射部の厚さは同一である回転体。
回転検出装置に用いられる回転体であって、
前記回転体の一面の周方向に低反射部によって囲まれた連続する相異なる第１、第２の高反射部を設け、
前記第１、第２の高反射部の前記回転体の径方向の幅は同一であり、前記第１、第２の高反射部の反射率は同一であり、前記第１、第２の高反射部の厚さは相異なる回転体。