JP2576319Y2 - 光学式回転位置検出装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本考案は光学式透過型の回転位置
検出装置に関する。より詳しくは、所定のスリットパタ
ンが形成された回転薄板円盤のシャフト取り付け構造に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から様々な形式の光学式回転位置検
出装置が知られている。例えば、特開昭６０−２２５０
２４号公報には螺旋パタン状にスリットが形成された回
転薄板円盤を利用した構造が開示されている。図６に示
す様に、この構造の光学式回転位置検出装置は回転軸と
なるシャフト１０１を中心にして回転可能に円盤１０２
が取り付けられている。円盤１０２は金属薄板等の遮光
材料からなり、その表面には回転中心から周方向に沿っ
て螺旋状のスリット１０３が形成されている。円盤１０
２に対面して入射光を照射する為に光源１０４が固定配
置されている。又、円盤１０２を介して光源１０４と正
対する位置に受光素子１０５が固定配置されている。受
光素子１０５は円盤１０２の半径方向に沿って配置され
た長手形状の受光面１０６を備えており、円盤１０２の
回転に伴なって半径方向に移動するスリット幅部からの
透過光を受光し回転位置検出信号を出力する。

【０００３】図７に回転円盤１０２の回転角と検出信号
との関係を示す。円盤の回転に伴なって螺旋状のスリッ
トを透過する光は長手形状の受光面に沿って移動する。
受光素子はスリット透過光の受光位置に応じた検出信号
を出力する。回転中心と螺旋中心が完全に一致している
場合には、受光位置が回転角に比例して半径方向に移動
する。従って、回転角と検出信号は原理的に直線関係に
ある。

【０００４】

【考案が解決しようとする課題】一般に、位置検出装置
あるいはポテンショメータの検出信号は、リニアリティ
（絶対直線性）及びスムースネスで主に評価される。ス
ムースネスは検出信号の滑かさや理想出力からのずれを
表わす尺度である。このスムースネスについては、接触
式の巻線型ポテンショメータの場合に問題となる事があ
るが、接触式の抵抗体型や非接触式の光学型では殆ど問
題とならない。従って、非接触式ポテンショメータでは
絶対直線性が最も重要な評価項目となっている。絶対直
線性が損なわれる要因としては、螺旋状スリットの形状
誤差、回転円盤の取り付け誤差、固定光源と回転円盤の
相対的位置ずれ、固定受光素子と回転円盤の相対的位置
ずれ等が挙げられる。これらの要因の中で絶対直線性に
重大な影響を及ぼすものとして、シャフトと回転円盤の
偏心がある。この偏心があると、スリット透過光の受光
位置が回転角に対して比例しなくなり直線性が著しく損
なわれる。従来、回転円盤の中心に設けられるシャフト
取り付け穴は真円形に加工されていた。上述した偏心誤
差を最少限に抑える為、シャフト取り付け穴の穴径精度
を加工限界まで精密加工するとともに、この取り付け穴
に挿入するシャフト外径も高精度で仕上げ加工してい
た。この様にして、従来は各部品の寸法精度を高める事
により、シャフトと回転円盤の偏心量を最少限（例えば
２０μｍ以下）に抑えていた。しかしながら、偏心誤差
が検出信号に与える影響は非常に大きく、１０μｍの偏
心量で約１％の直線性低下をもたらす。この直線性低下
は通常許容限界に近いものであり、最高水準の仕上げ精
度を有する部品を用いたにも関わらず、設計上殆ど余裕
がないという課題がある。なお、所定の剛性を有するガ
ラス板材料等からなる回転円盤を用いた光学式ポテンシ
ョメータでは、組み付けられたガラス円盤の側端部を軽
く叩く事により偏心調整を行なう事ができる。しかしな
がら、厚みが０．１mm程度の金属薄板にエッチングで螺
旋状のスリットパタンを形成した回転円盤を用いた場合
には、この様な偏心調整を行なうと塑性変形の惧れがあ
る為採用できない。又、個々のシャフト外径をシャフト
取り付け穴に合わせて偏心調整を行なう事も考えられる
が、シャフト加工に要するコストが大きくなってしまい
実用的ではない。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上述した従来の技術の課
題に鑑み、本考案は例えば金属薄板等からなる回転円盤
をシャフトに取り付ける際偏心を有効に防止する事ので
きる取り付け構造を提供する事を目的とする。併せて、
シャフトに金属薄板円盤を取り付ける際生ずる弾性歪変
形を抑制する事を目的とする。かかる目的を達成する為
に以下の手段を講じた。即ち、本考案にかかる光学式回
転位置検出装置は基本的な構成要件として、移動部材と
その両側に配置された固定光源及び固定受光素子とから
構成されている。移動部材は回転中心となるシャフトに
装着された薄板円盤からなり、その表面周方向に沿って
所定のスリットパタンが形成されている。このスリット
パタンは、例えば螺旋状である。固定光源は移動部材に
対して入射光を照射する。受光素子は円盤に沿って配置
された受光面を有し、回転に伴なって移動するスリット
パタンからの透過光を受光し回転位置検出信号を出力す
る。スリットパタンが螺旋状の場合には、受光面が円盤
の半径方向に沿った長手形状を有し、回転に伴なって半
径方向に移動する螺旋状スリット幅部からの透過光を受
光する。

【０００６】かかる構成において、前記薄板円盤は、中
央開口の円周端面から半径方向内側に向って放射状に形
成された複数の弾性舌片を介してシャフトに装着されて
いる事を特徴とする。各弾性舌片の先端は円弧形状を有
しその内接円半径は該シャフトの外周半径より小さく設
定されている。なお、この内接円中心は薄板円盤に形成
された円形中央開口の中心と一致している。さらに、本
考案の特徴事項として、放射状弾性舌片の根元に沿って
薄板円盤に歪吸収穴が設けられている。好ましくは、各
弾性舌片自体にも追加の歪吸収穴が設けられている。

【０００７】本考案の基本的な構成概念は、上述した光
学式回転位置検出装置に限られるものではなく、広く回
転するシャフトと該シャフトに装着された所定のパタン
を有する薄板円盤とからなる回転体に適用できる。即
ち、該薄板円盤は中央開口の円周端面から半径方向内側
に向って放射状に形成された複数の弾性舌片を介して該
シャフトに無偏心で装着されるとともに、該放射状弾性
舌片の根元に沿って弾性変形により生じる歪の吸収穴を
設けた事を特徴とする。

【０００８】

【作用】本考案においては、薄板円盤中央開口内で放射
状に配列した各弾性舌片は、挿入されるシャフト外径に
応じて弾性変形可能であり、その円弧形状を有する先端
によってシャフト外径に適合した自由シャフト取り付け
穴が形成される。この自由シャフト取り付け穴に挿入さ
れたシャフトは、複数の弾性舌片によって周囲からバラ
ンスのとれた状態で支持される。複数の弾性舌片は均等
に屈曲しシャフトと回転円盤が互いに同心的に結合され
る。

【０００９】さらに、本考案によれば、放射状弾性舌片
の根元に沿って薄板円盤に歪吸収穴が設けられている。
この歪吸収穴は、薄板円盤をシャフトに取り付けた際生
じる弾性舌片の歪変形を効果的に吸収し、スリットパタ
ンまで変形の悪影響が及ばない様にする為のものであ
る。仮に、中央の弾性舌片に生じた歪が周辺部に伝達さ
れると、螺旋状スリットの内端と外端との間で段差が生
じ、検出信号に誤差が現われる事になる。

【００１０】

【実施例】以下図面を参照して本考案の好適な実施例を
詳細に説明する。図１は本考案にかかる光学式回転位置
検出装置の主要部品である回転円盤を示す模式的な平面
図である。円盤１は金属薄板等の遮光性材料からなり、
その板厚は例えば０．１mm程度であり、その直径寸法は
例えば２０mm程度である。円盤１はシャフト（図示せ
ず）に取り付けられ、回転中心Ｏを基準として回転変位
する。なお、シャフトの外周形状を点線Ｓで示す。円盤
１の中央部には円形開口１１が設けられており、その中
心は円盤１の中心Ｏと一致する。開口１１の円周端部１
３から半径方向内側に向って複数の弾性舌片１４が放射
状に形成されている。本例では６０°間隔で６本の弾性
舌片１４が配列しているが、本数はこれに限られるもの
ではない。各舌片１４の先端１５は好ましくは円弧形状
を有する。この円弧形状の曲率即ち内接円半径はシャフ
ト外形の外周半径より若干小さく設定されている。なお
この内接円中心は回転円盤１の中心Ｏと一致している。
各舌片１４はシャフト外径Ｓに応じて弾性変形可能であ
り、その先端１５によってシャフト外径Ｓに適合した自
由シャフト取り付け穴１６が形成される。

【００１１】放射状に配列した弾性舌片１４の根元に沿
って歪吸収穴１２が設けられている。この歪吸収穴１２
は、シャフトに係合した際生じる舌片１４の弾性歪を効
果的に吸収し、変形が円盤１の周辺に向って拡大しない
様にしている。なお、本例では歪吸収穴１２は円形開口
１１を囲む様に周方向に沿って１列に配置している。し
かしながら、本考案はこれに限られるものではなく、同
心状に複数列の歪吸収穴１２を設ける様にしても良い。

【００１２】円盤１の表面周辺部には中心から周方向に
沿って徐々に拡大する螺旋状のスリット１７が形成され
ている。なお、このスリット１７と複数の舌片１４と歪
吸収穴１２はエッチング等により同時に形成できる。こ
の螺旋は円盤１の中心Ｏを基準として幾何学的に描かれ
ており、ｒ＝Ｋθ＋ｒｏで表わされる。この式中、ｒは
中心Ｏから螺旋までの動径距離を示し、θは円盤１の回
転角を示し、ｒｏはθが０の場合の螺旋動径距離を示
し、Ｋは比例定数である。図示では、ｒｏは螺旋の一端
における最小動径距離を表わしている。螺旋状スリット
１７の抜き角が回転角検出範囲を規定する。上記式から
明らかな様に、螺旋動径距離ｒは回転角θに比例してい
る。

【００１３】円盤１の下面側には受光素子が固定配置さ
れており、半径方向に沿って長手形状を有する受光面Ａ
を備えている。図示しないが、円盤１の上面側には受光
面Ａと正対して光源が固定配置されている。スリット１
７を通った透過光は受光面Ａに入射する。その受光位置
１８は円盤１の回転に伴なって受光面Ａに沿って半径方
向に移動する。例えば、図示の状態で円盤１が時計方向
に回転すると、受光位置１８が受光面Ａの内端側から外
端側に向って移動する。上記した螺旋の式から理解され
る様に、シャフトの回転中心と円盤１の中心Ｏが一致し
ている場合には、受光位置１８が回転角に比例して移動
するので理想的な絶対直線性が得られる。換言すると、
シャフトと円盤の間の偏心を除去する事により理想的な
リニアリティが得られる。

【００１４】図２はシャフトに対する円盤の取り付け作
業を示す模式図である。（Ａ）は位置合わせ状態を示
し、（Ｂ）は圧入過程を示す。図示する様に、円盤１の
中心開口には複数の弾性舌片１４が張り出しており、そ
の先端１５は円弧形状を有している。円弧形状１５の内
接円中心は円盤１の中心と一致している。一方、シャフ
ト２の先端にはロータブッシュ３が一体的に固着されて
いる。従ってこの場合には、前述したシャフト外径Ｓは
ロータブッシュ３の外径を意味する。ロータブッシュ３
の挿入部端面３１はテーパ形状に加工されている。前述
した弾性舌片１４の先端１５は、丁度テーパ部に当接す
る様にその円弧形状が加工されている。この様にする
と、円盤１の中心とシャフト２の回転軸２１が一致し同
心的な位置合わせができる。ロータブッシュ３にテーパ
がないと、円盤１とシャフト２との位置出しが困難にな
り、円盤１が傾いてしまう惧れもある。舌片の先端１５
が円弧形状を有しているので、直線形状の場合よりもシ
ャフト２を支持し易くなり位置決めが安定化する。

【００１５】（Ａ）に示す状態から、円盤１に対して均
等に回転軸２１方向に沿って圧力をかけ押し込む。
（Ｂ）に示す様に、全ての舌片１４が同じ様に弾性変形
し、同心状態を保持したまま、シャフト２が挿入されて
いく。この様に、部品仕上げ精度のばらつきによりシャ
フト外径Ｓに誤差が含まれていても、個々のシャフトに
合った自由取り付け穴が形成できるので、シャフト２と
円盤１の偏心を除去する事ができる。

【００１６】加えて、（Ｂ）に示す様に、各舌片１４は
歪吸収穴１２を介して円盤１の周辺部に接続されてい
る。従って、圧入過程で舌片１４が弾性変形しても、そ
の歪が吸収穴１２によって効果的に吸収され円盤１の周
辺部に伝搬する惧れがない。仮に、この歪吸収穴１２が
ないと、弾性舌片１４に生じた変形により、歪が舌片の
根元部に集中する事になる。さらに、この歪は何ら吸収
されない為円盤全体に拡大伝搬される。従って、図１に
示した様に円盤上に螺旋スリットが形成されている場合
には、その内端側と外端側に微妙な段差が生じ、検出信
号に誤差が含まれる惧れがある。又、温度上昇等による
応力緩和で弾性歪が消滅すると、スリット形状が微妙に
変化する事になる。

【００１７】図３は円盤とシャフトの取り付け構造の参
考例を示す模式図である。この参考例では、シャフト２
にロータブッシュ３を圧入して一体的に固定した後、円
盤１の中央円形開口１９に直接ロータブッシュ３を挿入
し、ＳＥリング４で固定している。ロータブッシュ３の
外径Ｓと円形開口１９の間に寸法誤差がなければ偏心は
生じない。しかしながら、実際には加工精度に限界があ
るので誤差を完全に除く事はできない。その為、円盤１
の円形開口１９は、ロータブッシュ外径Ｓより加工精度
分大きめに設定しなければならないので、円盤１とシャ
フト２の間には設計時点で、既に偏心の可能性が内在し
ている事になる。ロータブッシュと円盤の加工精度は、
夫々０．０１mm，０．０３mmが限界であり、偏心量は最
大０．０２mmになる。受光面の長さを２．５mmとする
と、偏心量が０．０１mmの時絶対直線性が０．１％低下
する。従って、最大で絶対直線性は２％低下してしまう
事になる。

【００１８】図４は本考案にかかる光学式回転位置検出
装置の全体構成を示す模式的な断面図である。本体５に
はベアリング６ａ，６ｂと、光源７が取り付けられてい
る。光源７は例えばＬＥＤ等から構成されている。一対
のベアリング６ａ，６ｂにはシャフト２が挿入されてい
る。シャフト２の一端にはロータブッシュ３が圧入され
ており、ベアリング６ｂに突き当てられている。ベアリ
ング６ａ側はＧリング８によって固定されている。さら
に一対のベアリング６ａ，６ｂ間にはコイルばね９が介
在しており、内側より圧力を加えてベアリング６ａ，６
ｂを夫々外側へ押し付けている。これにより、シャフト
２のスラスト方向ガタを軽減している。ロータブッシュ
３には薄板円盤１が装着され、ＳＥリング４によって固
定されている。前述した様に、円盤１の中央開口には複
数の放射状に配列された弾性舌片１４が設けられてお
り、ロータブッシュ３の外周に弾性的に当接する。又円
盤１の表面周辺部には螺旋状のスリット１７が形成され
ている。さらに、各弾性舌片１４の根元には歪吸収穴１
２が設けられており、舌片１４の弾性変形がスリット１
７の部分にまで及ばない様にしている。光源７はスリッ
ト１７を照射する様に本体５に対して位置決め固定され
ている。一方、受光素子１０は検出信号回路が実装され
ている回路基板５１に搭載されている。受光素子１０は
円盤１を介して光源７に対向配置されている。回路基板
５１は基板ホルダ５２を介して本体５に固定されてい
る。

【００１９】円盤７から発せられた光はレンズ部材７１
により略平行光にされ、回転円盤１を照射する。この照
射光は螺旋状のスリット１７を通過した後、受光素子１
０の受光面Ａに到達する。円盤１が回転すると、スリッ
ト透過光の受光位置は、半径方向に沿って受光面Ａの上
を移動する。この移動量は回転角に対してリニアであ
る。

【００２０】最後に図５を参照して本考案にかかる光学
式回転位置検出装置の他の実施例を説明する。図５は回
転円盤の平面形状を表わし、基本的に図１に示した回転
円盤と同一の構造を有しており、対応する部分には対応
する参照番号を付して理解を容易にしている。図１に示
した実施例と異なる点は、各弾性舌片１４自体に追加の
歪吸収穴１２ａが設けられている事である。この追加歪
吸収穴１２ａは舌片１４の弾性力を調整するとともに、
その歪変形をある程度吸収している。本例では、各舌片
１４の根元部に設けられた歪吸収穴１２と舌片自体に設
けられた追加の歪吸収穴１２ａを２段接続し、より効果
的に弾性変形を吸収している。なお、螺旋状スリット１
７の抜き角範囲略中央に複数の梁１７ａが設けられてお
り、スリット１７により分離された内側領域と外側領域
を互いに連結して回転円盤１の撓み変形を防止してい
る。

【００２１】

【考案の効果】以上説明した様に、本考案によれば、回
転円盤のシャフト取り付け位置に複数の放射状弾性舌片
を設けている。この舌片を介して回転円盤をシャフトに
取り付ける事により、組み立て工数や部品点数を増やす
事なく、容易にシャフトと円盤の同心性を確保する事が
できるという効果がある。従って、回転角に対する検出
信号の絶対直線性を確保する事ができるという効果が得
られる。さらに、弾性舌片の根元には歪吸収穴が設けら
れており、シャフトに取り付けた際発生する弾性変形が
スリットまで拡大する事を防止し、検出信号の安定化を
図る事ができるという効果が得られる。なお、本考案の
基本的な概念は上述した光学式回転位置検出装置に限ら
れるものではなく、より広範な適用範囲を備えている。
即ち、一般的に、回転するシャフトと、該シャフトに装
着された所定のパタンを有する薄板円盤とからなる回転
体に適用でき、その工業的利用価値は大なるものがあ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案にかかる光学式回転位置検出装置の主要
構成部品である回転円盤を示す平面図である。

【図２】シャフトに対する回転円盤の組み込み作業を示
す模式図である。

【図３】回転円盤とシャフトの取り付け構造の参考例を
示す模式図である。

【図４】本考案にかかる光学式回転位置検出装置の全体
構成を示す断面図である。

【図５】本考案にかかる光学式回転位置検出装置の他の
実施例に用いられる回転円盤を示す平面図である。

【図６】従来の光学式回転位置検出装置を示す斜視図で
ある。

【図７】光学式回転位置検出装置の回転角と検出信号と
の関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 薄板円盤 ２ シャフト ３ ロータブッシュ ５ 本体 ６ａ ベアリング ６ｂ ベアリング ７ 光源 １０ 受光素子 １１ 円形開口 １２ 歪吸収穴 １２ａ 追加歪吸収穴 １４ 弾性舌片 １５ 先端 １７ スリット Ａ 受光面 Ｏ 中心 Ｓ シャフト外径

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−225317（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−7021（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01D 5/34 G01D 5/36 G01D 5/245

Claims (3)

(57)【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転するシャフトと、該シャフトに装着
   された薄板円盤からなりその表面周方向に沿ってスリッ
   トパタンが形成された移動部材と、該移動部材に入射光
   を照射する固定光源と、薄板円盤に沿って配置された受
   光面を有し回転に伴なって移動するスリットパタンから
   の透過光を受光し回転位置検出信号を出力する固定受光
   素子とからなる光学式回転位置検出装置において、 前記薄板円盤は、中央開口の円周端面から半径方向内側
   に向って放射状に形成された複数の弾性舌片を介してシ
   ャフトに装着されており、 各弾性舌片の先端は円弧形状を有しその内接円半径が該
   シャフトの外周半径より小さく設定されており、 該放射状の弾性舌片の根元に沿って薄板円盤に歪吸収穴
   を設けた事を特徴とする光学式回転位置検出装置。
2. 【請求項２】 各弾性舌片自体に追加の歪吸収穴を設け
   た事を特徴とする請求項１記載の光学式回転位置検出装
   置。
3. 【請求項３】 回転するシャフトと、該シャフトに装着
   された所定のパタンを有する薄板円盤とからなる回転体
   において、 該薄板円盤は中央開口の円周端面から半径方向内側に向
   って放射状に形成された複数の弾性舌片を介して該シャ
   フトに無偏心で装着されており、 該放射状弾性舌片の根元に沿って弾性変形により生じる
   歪の吸収穴を設けた事を特徴とする回転体。