JP3056346B2 - 光学式回転角度検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、物体の回転角度を非
接触で検出する光学式回転角度検出装置に関し、特に受
光素子として例えば光位置検出素子を用いた光位置検出
形の光学式回転角度検出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、高い耐久性、信頼性をもって物体
の回転角度を検出するために、可変抵抗器を用いて物体
に対して電気的に接触した状態で、物体の回転角度を検
出する回転角度検出装置に代わり、回転物体から放射、
或いは回転物体で反射、透過される光を抵抗層を備えた
光位置検出素子で受光し、この光位置検出素子での受光
位置に応じて回転物体の回転角度を検出する非接触形の
光学式回転角度検出装置が用いられている。このような
光学式回転角度検出装置としては例えば図１６及び図１
７に示すようなものが提案されている。図１６は特開昭
６１−２４６６２０号公報において開示されている従来
の光学式回転角度検出装置を示す構成図、図１７Ａは特
開昭６１−１２４８２１号公報において開示されている
従来の光学式回転角度検出装置の構成図、図１７Ｂは図
１７Ａに示す従来の光学式回転角度検出装置の光位置検
出部の上視図である。

【０００３】先ず、図１６を参照して特開昭６１−２４
６６２０号公報において開示されている従来の光学式回
転角度検出装置について説明する。図において、１は図
示しない被測定体である回転物体に接続されている回転
軸、２はこの回転軸１に挿通されて取り付けられ、この
回転軸１と共に回転する回転スリット板、２ａはこの回
転スリット板２に螺旋状に形成され、回転スリット板２
の回転に応じてその半径が変化する螺旋状スリット、３
は光源、４はこの光源３の光軸の範囲内、且つ、回転ス
リット板２と互いに平行に配置される固定スリット板、
４ａは回転スリット板２に形成された螺旋状スリット２
ａと交差するように固定スリット板４に形成された固定
スリット、５は光源３から出射され、回転スリット板２
の螺旋状スリット２ａ及び固定スリット板４の固定スリ
ット４ａを介して供給される光を受光するため、その受
光軸が回転スリット板２の半径方向となるように配置さ
れた光位置検出素子、６及び８はこの光位置検出素子５
の各電極に接続され、この光位置検出素子５の検出電流
を出力するための出力端子、７はこの光位置検出素子５
のバイアス電圧印加用電極に接続され、図示しない電源
回路からのバイアス用電圧を光位置検出素子５に供給す
るための電源端子である。

【０００４】次に動作について説明する。光源３から光
が回転スリット板２の方向に出射されると、出射された
光は回転スリット板２上の投射範囲Ｓに投射され、この
投射光の内、回転スリット板２の螺旋状スリット２ａと
固定スリット板４の固定スリット４ａの交差範囲を通過
する光のみが光位置検出素子５の受光面に入射する。従
って、回転スリット板２が回転軸１と共に回転すると、
回転スリット板２の螺旋状スリット２ａと固定スリット
板４の固定スリット４ａの交差範囲は回転スリット板２
の半径方向に順次移動し、光位置検出素子５上での受光
位置は回転スリット板２の半径方向に移動して回転スリ
ット板２の回転角度に応じて変化するので、光位置検出
素子５上での受光位置を光位置検出素子５の両端電極に
接続されている出力端子６及び８からの出力電流の出力
電流比を図示しない検出系で検出することによって、回
転軸１の回転角度を検出することができる。従って、回
転軸１を接続している被測定体の回転角度を検出するこ
とができる。

【０００５】次に、図１７を参照して特開昭６１−１２
４８２１号公報において開示されている従来の光学式回
転角度検出装置について説明する。この図１７におい
て、図１６と対応する部分には同一符号を付し、その詳
細説明を省略する。図において、９は図１７Ｂに示すよ
うにその形状が円柱状となっているケース、１０は回転
軸１を支持するための回転軸受け、１１はケース９の内
側、且つ、このケース９の回転軸受け１０側に取り付け
られた環状の素子支持基板、１２はケース９の内側、且
つ、ケース９の内側に取り付けられた環状の素子支持基
板１０上に素子支持基板１０と同様に取り付けられた環
状の光位置検出素子である。また、１３はケース９の内
側にその光出射方向を向け、回転軸１の軸と光軸が一致
するようケース９の孔に取り付けられている光源３から
の光を光位置検出素子１２に入射させるための回転スリ
ット部材である。この回転スリット部材１３は、その界
面に光反射層１３ｄが形成されている透光体１３ａから
なり、この透光体１３ａは、光源３からの光を通過させ
るための光源側スリット１３ｂ、光源側スリット１３ｂ
から入射した光を反射させるため第１反射面１３ｃ、こ
の第１反射面１３ｃで反射された光を反射する第２反射
面１３ｅ、この第２反射面１３ｅで反射された光を光位
置検出素子１２に入射させるための受光側スリット１３
ｆが形成されている。

【０００６】次に動作について説明する。光源３から光
が出射されると、この出射光の一部が回転スリット部材
１３の光源側スリット１３ｂから透光体１３ａに入射し
た光は、図１７Ａにおいて一点鎖線で示すように、この
透光体１３ａ内部に形成された第１反射面１３ｃで反射
され、この透光体１３ａを透過して第２反射面１３ｅに
到達し、この第２反射面１３ｅで反射され、更にこの透
光体１３ａを透過した後に受光側スリット１３ｆを通っ
て光位置検出素子１２の受光面に入射する。この場合、
回転スリット部材１３の回転と共に光位置検出素子１２
に対する光の投射範囲Ｓ（スポット）が変化するので、
光位置検出素子１２上での受光位置を光位置検出素子１
２の両端電極に接続されている出力端子６及び８からの
出力電流の出力電流比を図示しない検出系で検出するこ
とによって、回転軸１の回転角度を検出することができ
る。従って、回転軸１を接続している被測定体の回転角
度を検出することができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の光学式回転角度
検出装置は以上のように構成されているので、以下のよ
うな問題点があった。即ち、図１６を用いて説明した光
学式回転角度検出装置においては、回転角度変化を光位
置検出素子５の半径方向の受光位置でスリット位置変化
に対して１対１で検出するようにしているので、螺旋状
スリット２ａ及び固定スリット４ａを細かくしないで検
出精度を向上させようとすると、半径方向に検出距離を
伸ばさざるを得なくなり、装置の径が大きくなり、しか
も光源３からスリットを介して所定のスポット径を得る
ようにしているので、光源３の発光量を増す必要があ
り、それだけ光源３の寿命が短くなるなどの問題点があ
った。

【０００８】また、図１７を用いて説明した光学式回転
角度検出装置においては、光位置検出素子１２の受光面
でのスポットの径つまり、図１７Ｂに示す光の投射範囲
Ｓ（スポット）の径が、受光側スリット１３ｆを透過す
る斜め透過光の存在により、受光側スリット１３ｆの径
よりも大きくなるので、光位置検出素子１２の受光長を
有効に利用することができず、検出角度範囲が狭い場合
や、検出角度範囲が２πに近い場合の測定には不向きで
あると共に、回転軸１と同軸に光源３が配置されている
ので両軸構成を採用することができないなどの問題点が
あった。

【０００９】この発明はこのような問題点を解決するた
めになされたもので、角度検出範囲の大小にかかわらず
高い精度で被測定体の回転角度を検出できると共に、簡
単に両軸化が実現でき、小型、且つ、光源の長寿命化を
図ることのできる光学式回転角度検出装置を得ることを
目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明に係
る光学式回転角度検出装置は、被測定体に取り付けられ
るかその一部である回転軸と、この回転軸に取り付けら
れて一体に回転する回転部材とを備え、この回転部材は
その上面および底面の少なくとも一方の一部分が上記回
転軸に垂直な下面からの高さが回転角度に応じて異なる
ように螺旋状に形成された光学拡散面とされ、この光学
拡散面と上記回転軸に垂直な基準面との間の距離が回転
角度に応じて異なるように形成され、更に、この回転部
材の上記光学拡散面に光を照射する光源と、上記回転部
材の上記光学拡散面からの反射光を上記回転部材の上記
基準面からの距離に応じた入射位置に集光させる集光光
学系と、この集光光学系の略集光位置に配置された光位
置検出素子とを備え、この光位置検出素子上の光入射位
置に基いて、上記被測定体の回転角度を検出するように
したものである。

【００１１】また、請求項２記載の発明に係る光学式回
転角度検出装置は、被測定体に取り付けられるかその一
部である回転軸と、この回転軸に取り付けられて一体に
回転する回転部材とを備え、この回転部材はその上面お
よび底面の少なくとも一方の一部分が上記回転軸に垂直
な下面からの高さが回転角度に応じて異なるように螺旋
状に形成された光学拡散面とされ、この光学拡散面と上
記回転軸に垂直な基準面との間の距離Ｈが回転角度θに
対し、Ｈ＝１／（ａ×θ＋ｂ）（但しａ、ｂは所定の定
数）となるように上記光学拡散面が形成され、更に、こ
の回転部材の上記光学拡散面に光を照射する光源と、上
記回転部材の上記光学拡散面からの反射光を上記回転部
材の上記基準面からの距離に応じた入射位置に集光させ
る集光光学系と、この集光光学系の略集光位置に配置さ
れた光位置検出素子とを備え、この光位置検出素子上の
光入射位置に基いて、上記被測定体の回転角度を検出す
るようにしたものである。

【００１２】

【作用】請求項１記載の発明においては、回転部材の、
回転軸に垂直な下面からの高さが回転角度に応じて異な
るように螺旋状に形成された光学拡散面からの反射光を
回転部材の基準面からの距離に応じた入射位置に集光さ
せる集光光学系の略集光位置に配置された光位置検出素
子上の光入射位置に基いて、被測定体の回転角度を検出
する。これにより、角度検出範囲の大小にかかわらず精
度良く回転角度を検出でき、両軸構成が容易、且つ、小
型で、光源が長寿命の装置を得ることができる。

【００１３】また、請求項２記載の発明においては、回
転軸に垂直な基準面からの距離Ｈが回転角度θに対し、
Ｈ＝１／（ａ×θ＋ｂ）（但しａ、ｂは所定の定数）と
なるように回転部材に、回転軸に垂直な下面からの高さ
が回転角度に応じて異なるように螺旋状に形成された光
学拡散面からの反射光を回転部材の基準面からの距離に
応じた入射位置に集光光学系で集光させ、この集光光学
系の略集光位置に配置された光位置検出素子上の光入射
位置に基いて、被測定体の回転角度を検出する。これに
より、回転角度に比例したリニアな出力を得ることがで
きると共に、角度検出範囲の大小にかかわらず精度良く
回転角度を検出でき、両軸構成が容易、且つ、小型で安
価な、しかも光源が長寿命の装置を得ることができる。

【００１４】

【実施例】

実施例１．以下、この発明の一実施例を図について説明
する。図１はこの発明の一実施例を示す構成図であり、
図において、図１６及び図１７と対応する部分には同一
符号を付し、その詳細説明を省略する。１５は図示しな
い被測定体に係止され、或いは被測定体の一部をなす回
転軸１に固着、或いは回転軸１と一体に形成され、回転
軸１と共に回転するようにした回転部材である。１６は
この回転部材１５の上面の一部に、回転軸１に垂直な下
面からの高さが回転角度に応じて異なるように螺旋状に
形成された光学拡散面であり、この例においては、回転
部材１５の下面からの高さが３６０度の角度範囲におけ
る回転角度に応じて異なるように形成する。

【００１５】１７は光学系１９の入力端子１８を介して
光源３に駆動電流を供給し、光源３から光を出射させる
と共に、光学系１９の出力端子２２及び２３を介して供
給される出力電流に基いて被測定体の回転角度を検出
し、その検出結果を出力端子２４を介して出力するため
の検出回路である。光学系１９は、例えば放射光軸が回
転軸１と略平行、且つ、狭指向角のＬＥＤなどの光源３
と、この光源３から出射された光が光学拡散面１６で反
射された反射光を集光するための集光レンズ２０、この
集光レンズ２０で集光した光を受光するため光学系１９
の略結像位置に配置され、その両端に電極２１ａ及び２
１ｂをそれぞれ形成した光位置検出素子２１で構成す
る。

【００１６】ここで、この光位置検出素子２１に例えば
半導体一次元光位置検出素子を用いる。光位置検出素子
２１として半導体一次元光位置検出素子を用いる場合、
光源３として用いるＬＥＤは例えば約８００〜９００ｎ
ｍの波長を有する近赤外線ＬＥＤが感度の点で有利とな
る。しかしながら、回転部材１５の周囲を密閉する場合
には、アモルファス一次元光位置検出素子と可視光ＬＥ
Ｄの使用がコスト上有利である。また、自然光雰囲気に
て半導体一次元光位置検出素子を用いる場合、半導体一
次元光位置検出素子が可視光領域にも感度を持つため、
検出素子の前に可視光カットフィルタを設ける必要があ
る。尚、以下に示す例においては、光位置検出素子２１
として例えばフォトダイオード上に一様な抵抗層を形成
し、その両端に電極を設けたものとする。

【００１７】図２は図１に示した光学式回転角度検出装
置のＡ−Ａ線断面図である。この図において図１、図１
６及び図１７と対応する部分には同一符号を付し、その
詳細説明を省略する。２５は後述する検出回路１７（図
４参照）並びに図１で示した光学系１９などを実装する
ための環状の基板で、この基板２５をケース９の内部上
面に取り付ける。２６は皿バネで、この皿バネ２６を回
転部材１５の上部及び片側の回転軸受け１０間に取り付
ける。取り付けた皿バネ２６はその偏倚力によって回転
部材１５を回転軸受け１０に押しつけるよう作用するの
で、軸方向のがたつきをなくすことができる。

【００１８】光学系１９は上述したように、基板２５に
実装する。すなわち図に示すように、基板２５の左側に
光源３を光の出射方向を図において下方となるよう実装
し、基板２５に実装した光源３を囲むようにこの光源３
から出射する光を絞るための絞り部材２７を実装し、こ
の基板２５の右側に光位置検出素子２１を実装し、更に
この光位置検出素子２１の受光面に光を略結像できる位
置となるように、絞り部材２７及び支持部材２８で集光
レンズ２０を支持するようにする。ここで、回転部材１
５は例えば熱膨張率の小さいプラスチック材を材料と
し、回転軸１を射出成形機の射出成形部分に挿入した状
態で一体に射出成形を行って製造する。また、光学拡散
面１６は回転部材１５の上面を粗面化して形成するよう
にする。図３は図１及び図２に示した光学系の上面図で
ある。この図３に示すように、光源３と光位置検出素子
２１を結ぶ光学系１９の長軸方向を回転部材１５の回転
半径方向に一致させて配置するようにする。

【００１９】図４は、図１に示した光学式回転角度検出
装置の光学系の構成及び検出回路１７の電気的構成を示
す図である。この図４において、図１〜図３と対応する
部分には同一符号を付し、その詳細説明を省略する。図
において、２９及び３４は光位置検出素子２１の一方及
び他方の電極２１ａ及び２１ｂから入力端子２２及び２
３を介してそれぞれ供給される出力電流を電圧Ｖ１及び
Ｖ２に変換する電流／電圧変換（Ｉ／Ｖ）回路、３０は
これら電流／電圧変換回路２９及び３４からの出力電圧
Ｖ１及びＶ２を加算する加算回路である。３１はその非
反転入力端子（＋）に比較用の比較電圧Ｖｓが供給され
る電源端子３２を接続し、その反転入力端子（−）及び
出力端子間を積分用のコンデンサ３３で接続し、さらに
反転入力端子（−）を加算回路３０に接続し、加算回路
３０からの加算出力を比較電圧Ｖｓと比較するための比
較積分回路、３５はその一方の入力端子にゲイン電圧Ｋ
が供給される電源端子３６を接続し、このゲイン電圧Ｋ
をその他方の入力端子に供給される電流／電圧変換回路
３４からの出力電圧Ｖ２で割算する割算回路、３７はそ
の一方の入力端子にバイアス電圧Ｖｂが供給される電源
端子３８を接続し、割算回路３５からの割算結果、すな
わち、その他方の入力端子に供給されるＫ／Ｖ２とバイ
アス電圧Ｖｂを加算し、角度検出値としての出力電圧Ｖ
ｏｕｔを得るための加算回路である。

【００２０】次に動作について説明する。光源３から絞
り部材２７を介し狭指向角の放射光が回転部材１５上面
の光学拡散面１６上の投射範囲Ｓ（図１参照）に投射さ
れると、光学拡散面１６の投射範囲Ｓでの拡散反射光の
内、集光レンズ２０を臨む立体角の拡散反射光が集光レ
ンズ２０によって光位置検出素子２１上の受光面に集光
される。光位置検出素子２１に入射した光束は、フォト
ダイオードによる光電変換層で光電流に変換される。こ
の光電流は光束入射位置に対応した分流比で抵抗層を分
流して流れ、その両端に形成した電極２１ａ及び２１ｂ
からそれぞれ電流Ｉ１及びＩ２（図４参照）として出力
され、この電流Ｉ１及びＩ２はそれぞれ検出回路１７の
各入力端子２２及び２３を介して電流／電圧変換回路２
９及び３４にそれぞれ供給される。このとき、光位置検
出素子２１上の光束入射位置Ｘ（図４参照）は、電流Ｉ
１及びＩ２により、次のように求めることができる。

【００２１】 Ｘ＝Ｌ×Ｉ２／（Ｉ１＋Ｉ２） ・・・（１）

【００２２】但し、上記（１）式において、Ｌは光位置
検出素子２１の受光長である。

【００２３】また、回転軸１の回転に伴い、回転部材１
５が回転すると、回転部材１５上面の光学拡散面１６上
の投射範囲Ｓと集光レンズ２０との距離Ｈ（図４参照）
は回転部材１５の回転角度θにより変化し、距離Ｈ
（θ）は三角測量の原理により、次のように求めること
ができる。

【００２４】 Ｈ（θ）＝ｆ×Ｂ／Ｘ ＝ｆ×Ｂ×（Ｉ１＋Ｉ２）／（Ｌ×Ｉ２） ・・・（２）

【００２５】但し、上記（２）式において、ｆは集光レ
ンズ２０の焦点距離、Ｂは光源３の放射光軸及び集光レ
ンズ２０の光軸間の基準距離である（図４参照）。

【００２６】次に、検出回路１７においては、光位置検
出素子２１からの検出電流Ｉ１及びＩ２が各々電流／電
圧変換回路２９及び３４で電圧Ｖ１及びＶ２に変換さ
れ、変換によって得られた電圧Ｖ１及びＶ２が加算回路
３０で加算されて電圧（Ｖ１＋Ｖ２）となり、この加算
回路３０での加算結果が比較積分回路３１に供給され、
この比較積分回路３１において所定の一定電圧Ｖｓとな
るよう光源の発光量が制御される。これによって、上記
（２）式の分子が一定値とされ、一方の電流Ｉ２に対応
する電圧Ｖ２に対し、割算回路３５で所定のゲインＫよ
りＫ／Ｖ２が求められ、加算回路３７で所定のバイアス
電圧Ｖｂが加算され、これが加算結果Ｖｏｕｔ、すなわ
ち、角度検出値として出力端子２４から出力される。こ
の加算結果Ｖｏｕｔは次の式で表すことができる。

【００２７】 Ｖｏｕｔ（θ）＝（Ｋ／Ｖ２）＋Ｖｂ ・・・（３）

【００２８】図５は図１〜図４を参照して説明した光学
式回転角度検出装置の出力特性図であり、ｙ軸を出力Ｖ
ｏｕｔ、ｘ軸を角度θ（角度範囲３６０度）とし、その
出力特性を示している。上記（２）式及び（３）式から
出力電圧Ｖｏｕｔは距離Ｈに比例する。回転部材１５の
螺旋状の光学拡散面１６は、距離Ｈが回転角度θに正比
例するよう形成しているので、これにより、出力電圧Ｖ
ｏｕｔはこの図５に示すように、回転軸１の回転角度θ
に比例した非常にリニアな出力となる。

【００２９】このように本実施例においては、回転部材
１５の上面に螺旋状に形成した光学拡散面１６に光源３
からの光を照射し、光学拡散面１６からの反射光を集光
レンズ２０で光位置検出素子２１に集光させ、この光位
置検出素子２１の両端の電極２１ａ及び２１ｂからの出
力電流Ｉ１及びＩ２を電流／電圧変換回路２９及び３４
でそれぞれ電圧Ｖ１及びＶ２に変換し、これら２つの電
圧Ｖ１及びＶ２を加算回路３０で加算し、その加算出力
が所定の一定電圧Ｖｓとなるように光源３の発光量を制
御すると共に、電流／電圧変換回路３４からの出力電圧
Ｖ２でゲインＫを割算し、その出力に所定のバイアス電
圧Ｖｂを加算して出力電圧Ｖｏｕｔ、すなわち、角度検
出値を得るようにしたので、回転の角度検出範囲の大小
にかかわらず高い精度で被測定体の回転角度を検出でき
ると共に、光学系１９を回転部材１５の片側の回転軸１
付近にコンパクトに形成できるので、簡単に両軸化を実
現することができ、且つ、装置を小型（回転部材１５及
びケース９を小径）にすることができる。また、光源３
はスリットを介在することなく直接光学拡散面１６を照
射できるので、それだけ発光量を少なくすることがで
き、長寿命化が可能となる。

【００３０】実施例２．上記実施例においては、光源３
と光位置検出素子２１を結ぶ光学系１９の長軸方向を回
転部材１５の回転半径方向に一致させて配置するように
した場合について説明したが（図３参照）、図６に示す
ように、光学系１９の長軸方向を接線方向に配置するよ
うにしても良い。この場合は装置を更に小型（回転部材
１５及びケース９を小径）にすることができる。

【００３１】実施例３．図７はこの発明の更に他の実施
例の光学式回転角度検出装置の光学系の構成及び検出回
路１７Ａの電気的構成を示す図である。この図７におい
て、図４と対応する部分には同一符号を付し、その詳細
説明を省略する。図において、４０は所定のゲインＫを
かける増幅回路である。そしてこの例においては、図に
示すように、電流／電圧変換回路３４の出力端子を加算
回路３０及び比較積分回路３１の反転入力端子（−）に
接続し、更に加算回路３０の出力端子を増幅回路４０を
介して加算回路３７の入力端子に接続する。

【００３２】この場合においては光位置検出素子２１の
一方の検出電流Ｉ２に対応した電圧Ｖ２が所定の一定電
圧Ｖｓとなるように比較積分回路３１で光源３の発光量
を制御すると共に、電圧Ｖ１及びＶ２を加算回路３０で
加算して電圧（Ｖ１＋Ｖ２）を得、この電圧（Ｖ１＋Ｖ
２）に増幅回路４０で所定のゲインＫをかけた後、この
出力に加算回路３７で所定のバイアス電圧Ｖｂを加算し
て出力電圧Ｖｏｕｔを得ることができる。このときの出
力電圧Ｖｏｕｔは次のように表すことができる。

【００３３】 Ｖｏｕｔ（θ）＝Ｋ×（Ｖ１＋Ｖ２）＋Ｖｂ ・・・（４）

【００３４】光学式回転角度検出装置をこのように構成
した場合においても、上記（２）式および（４）式から
出力電圧Ｖｏｕｔはやはり距離Ｈに比例するため、前述
の実施例と同様図５のようなリニアな出力を得ることが
できると共に、図４において説明した割算回路３５が必
要でなくなるので、回路構成が簡単になると共に、装置
のコストダウンを図ることができる。

【００３５】実施例４．図８はこの発明の更に他の実施
例の光学式回転角度検出装置の光学系の構成及び検出回
路１７Ｂの電気的構成を示す図である。この図８におい
て、図４及び図７と対応する部分には同一符号を付し、
その詳細説明を省略する。この例においては、電流／電
圧変換回路２９の出力端子を加算回路３０の一方の入力
端子に接続し、電流／電圧変換回路３４の出力端子を加
算回路３０の他方の入力端子に接続すると共に、この電
流／変換回路３４の出力端子を増幅回路４０を介して加
算回路３７の入力端子に接続する。

【００３６】この場合においては、回転部材１５の回転
角度θに対して回転部材１５の上面の光学拡散面１６と
集光レンズ２０との距離Ｈが図９に示す特性となるよう
に光学拡散面１６を形成している。これを式で表すと次
のようになる。

【００３７】 Ｈ＝１／（ａθ＋ｂ） ・・・（５）

【００３８】従って、回転軸１の回転角度θに対する光
位置検出素子２１の光束入射位置Ｘは上記（２）式よ
り、次のように表すことができる。

【００３９】 Ｘ＝ｆ×Ｂ×（ａθ＋ｂ） ・・・（６）

【００４０】すなわち、上記（６）式から明かなよう
に、光束入射位置Ｘは回転角度θに対してリニアに変化
するので、図８において加算結果（Ｖ１＋Ｖ２）が所定
の一定電圧Ｖｓとなるよう比較積分回路３１で光源３の
発光量を制御し、一方の検出電流Ｉ２に対応した電圧Ｖ
２に増幅回路４０で所定のゲインをかけた後、加算回路
３７で所定のバイアス電圧Ｖｂを加算して出力電圧Ｖｏ
ｕｔとして出力する。これによって、図５について説明
したものと同様、回転角度θに比例したリニアな出力を
得ることができる。光学式回転角度検出装置をこのよう
に構成した場合においても、図５において説明したよう
にリニアな出力を得ることができると共に、図４におい
て説明した割算回路３５が必要でなくなるので、回路構
成が簡単になると共に、装置のコストダウンを図ること
ができる。

【００４１】実施例５．図１０はこの発明の更に他の実
施例の光学式回転角度検出装置の光学系を示す図、図１
１は図１０に示す光学系の出力特性図である。この図１
０において、図１〜図９と対応する部分には同一符号を
付し、その詳細説明を省略する。この例においては、円
柱状の回転部材４５の上面を斜めにカットして光学拡散
面４６を形成する。光学拡散面４６と光学系１９との距
離Ｈは回転角度θの２π周期関数となり、出力Ｖｏｕｔ
が図１１に示すように３６０度周期で変化する。この例
においては、出力周期が２πとなるように光学拡散面４
６を形成した場合について示したが、回転部材４５の上
面形状を変更することにより、様々な周期のものを得る
ことができる。

【００４２】実施例６．図１２はこの発明の更に他の実
施例の光学式回転角度検出装置の光学系の構成を示す
図、図１３は図１２に示す光学系の出力特性図である。
この図１２において、図１〜図１１と対応する部分には
同一符号を付し、その詳細説明を省略する。この例にお
いては、回転部材４７の上下の面にそれぞれ回転角度検
出範囲の異なる螺旋状の光学拡散面４８及び４９を形成
し、これら回転部材４７の上下の面にそれぞれ形成した
光学拡散面４８及び４９に対応して光学系１９ａ，１９
ｂを２つ用いるようにする。このように構成した場合、
２つの光学系１９ａ，１９ｂの各出力をｍａ、ｍｂとし
た場合、それぞれの出力特性は図１３に示すようにな
る。この例においては回転角度θに対して感度の異なる
２つの出力を得るようにすることができるので、精度の
要求される角度範囲では感度の高い出力特性を用い、そ
の他の領域では感度の低い出力特性を用いるといった使
用法が可能となる。尚、図１３では出力Ｖｏｕｔとして
ｍａ、ｍｂを各々分けて示したが、出力ｍａ、ｍｂの加
算結果を実際の出力Ｖｏｕｔとしても良い。

【００４３】実施例７．図１４Ａはこの発明の更に他の
実施例の光学式回転角度検出装置の光学系の構成を示す
図、図１４Ｂは図１４Ａに示す光学系の上面図である。
この図１４において、図１〜図１２と対応する部分には
同一符号を付し、その詳細説明を省略する。この例にお
いては、回転部材５０の上面に半径方向に領域を分割し
て各々回転角度検出範囲の異なる螺旋状の光学拡散面５
０ａ及び５０ｂを形成する。そしてこれら２つの光学拡
散面５０ａ及び５０ｂに対応して２つの集光レンズ５２
及び５３（或いは一体に成形した集光レンズ）、並びに
２つの光位置検出素子５３ａ及び５３ｂを有する光学系
５１を用いる。そして、光源３からの光を２つの光学拡
散面５０ａ及び５０ｂに分割して照射し、この反射光を
２つの集光レンズ５２及び５３で２つの光位置検出素子
５３ａ及び５３ｂに集光させ、その集光位置により、各
光学拡散面５０ａ及び５０ｂまでの距離を検出するよう
にする。

【００４４】このように構成した場合、２つの光位置検
出素子５３ａ及び５３ｂの各出力をｍａ、ｍｂとした場
合、それぞれの出力特性は図１２に示した光学系と同
様、図１３に示すようになる。この例においては回転角
度θに対して感度の異なる２つの出力を得るようにする
ことができるので、精度の要求される角度範囲では感度
の高い出力特性を用い、その他の領域では感度の低い出
力特性を用いるといった使用法が可能となる。また、光
源３が１つで済み、また集光レンズ５２及び５３を一体
成形で製造するようにすれば基板も分割する必要もない
ので、光学系５１も１つで済み、これによって装置のコ
ストを削減することができる。尚、図１３では出力Ｖｏ
ｕｔとしてｍａ、ｍｂを各々分けて示したが、出力ｍ
ａ、ｍｂの加算結果を実際の出力Ｖｏｕｔとしても良
い。

【００４５】実施例８．図１５はこの発明の更に他の実
施例の光学式回転角度検出装置の光学系の構成を示す図
である。この図１５において、図１〜図１４と対応する
部分には同一符号を付し、その詳細説明を省略する。こ
の例においては、基板５７の左側に光位置検出素子２１
を実装し、中央よりやや右側に光源３を下方に向けて実
装し、この光源を囲むようにこの光源３の出射光を絞る
ための絞り部材５９を実装し、更に光位置検出素子２１
の受光面に光を略結像できる位置となるように、支持部
材５８及び絞り部材５９の左部分で集光レンズ２０を支
持する。また、この基板５７の右端部に支持部材６０を
取付、この支持部材６０に受光素子（例えばフォトダイ
オードなど）６１をその受光面を左側に向けて取り付け
る。ここで、上記絞り部材５９の右部分に受光素子６１
に光を受光させるためのスリット５９ａを形成する。

【００４６】一方、回転部材５５の上面に回転角度に対
し、周期的に距離Ｈが変化する光学拡散面５５ａを形成
すると共に、その外周部５５ｂの上端部分に上記受光素
子６１に光を受光させるためのスリット５５ｃを形成す
る。この場合は、光源３から照射された光が光学拡散面
５５ａで反射された反射光を集光レンズ２０で光位置検
出素子２１に集光し、回転角度θを得ると共に、光源３
から出力された光の内、絞り部材５９のスリット５９ａ
及び回転部材５５の外周部５５ｂのスリット５５ｃを通
った光を受光素子６１で検出することにより、基準角度
位置を得ることができる。

【００４７】実施例９．上記実施例８では外周部５５ｂ
のスリット５５ｃを単一のものとした場合について説明
したが、例えば所定角度毎にスリット５５ｃを設けるよ
うにすれば回転エンコーダを構成することができ、上記
各実施例に示す様々な角度検出範囲を有する光学拡散面
と組み合わせれば、アナログとディジタルの両回転角度
出力を得ることのできる多彩な回転角度検出装置を得る
ことができる。

【００４８】実施例１０．上記各実施例においては光源
として狭指向角特性を有するものを使用した場合につい
て説明したが、例えば平行光源を用いれば光学拡散面で
の照射領域が距離によって変化しないので、光位置検出
素子での集光径変化を小さくでき、より角度分解能を向
上させることができるという利点がある。

【００４９】実施例１１．また、上記各実施例において
は、光学拡散面を回転部材の上下の面を粗面化して得る
場合について説明したが、例えば回転部材の上下の面に
表面が光学拡散面であるシール、或いはシートを貼り付
けるようにしても良い。

【００５０】

【発明の効果】以上のように、請求項１記載の発明によ
れば、被測定体に取り付けられるかその一部である回転
軸と、この回転軸に取り付けられて一体に回転する回転
部材とを備え、この回転部材はその上面および底面の少
なくとも一方の一部分が上記回転軸に垂直な下面からの
高さが回転角度に応じて異なるように螺旋状に形成され
た光学拡散面とされ、この光学拡散面と上記回転軸に垂
直な基準面との間の距離が回転角度に応じて異なるよう
に形成され、更に、この回転部材の上記光学拡散面に光
を照射する光源と、上記回転部材の上記光学拡散面から
の反射光を上記回転部材の上記基準面からの距離に応じ
た入射位置に集光させる集光光学系と、この集光光学系
の略集光位置に配置された光位置検出素子とを備え、こ
の光位置検出素子上の光入射位置に基いて、上記被測定
体の回転角度を検出するようにしたので、角度検出範囲
の大小にかかわらず精度良く回転角度を検出でき、両軸
構成が容易、且つ、小型で、光源が長寿命の装置を得る
ことができるという効果がある。

【００５１】また、請求項２記載の発明によれば、被測
定体に取り付けられるかその一部である回転軸と、この
回転軸に取り付けられて一体に回転する回転部材とを備
え、この回転部材はその上面および底面の少なくとも一
方の一部分が上記回転軸に垂直な下面からの高さが回転
角度に応じて異なるように螺旋状に形成された光学拡散
面とされ、この光学拡散面と上記回転軸に垂直な基準面
との間の距離Ｈが回転角度θに対し、Ｈ＝１／（ａ×θ
＋ｂ）（但しａ、ｂは所定の定数）となるように上記光
学拡散面が形成され、更に、この回転部材の上記光学拡
散面に光を照射する光源と、上記回転部材の上記光学拡
散面からの反射光を上記回転部材の上記基準面からの距
離に応じた入射位置に集光させる集光光学系と、この集
光光学系の略集光位置に配置された光位置検出素子とを
備え、この光位置検出素子上の光入射位置に基いて、上
記被測定体の回転角度を検出するようにしたので、回転
角度に比例したリニアな出力を得ることができると共
に、角度検出範囲の大小にかかわらず精度良く回転角度
を検出でき、両軸構成が容易、且つ、小型で、光源が長
寿命であり、しかも安価な装置を得ることができるとい
う効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による光学式回転角度検出装置の一実
施例を示す構成図である。

【図２】図１に示すこの発明による光学式回転角度検出
装置のＡ−Ａ線断面図である。

【図３】この発明による光学式回転角度検出装置の一実
施例の光学系を示す上面図である。

【図４】この発明による光学式回転角度検出装置の一実
施例の光学系の構成及び検出回路の電気的構成を示す構
成図である。

【図５】この発明による光学式回転角度検出装置の一実
施例の説明に供する出力特性図である。

【図６】この発明による光学式回転角度検出装置の他の
実施例の光学系を示す上面図である。

【図７】この発明による光学式回転角度検出装置の更に
他の実施例の光学系の構成及び検出回路の電気的構成を
示す構成図である。

【図８】この発明による光学式回転角度検出装置の更に
他の実施例の光学系の構成及び検出回路の電気的構成を
示す構成図である。

【図９】この発明による光学式回転角度検出装置の更に
他の実施例における回転角度θに対する拡散反射面と集
光光学系との距離の関係を説明するための図である。

【図１０】この発明による光学式回転角度検出装置の更
に他の実施例の光学系を示す構成図である。

【図１１】この発明による光学式回転角度検出装置の更
に他の実施例の説明に供する出力特性図である。

【図１２】この発明による光学式回転角度検出装置の更
に他の実施例の光学系を示す構成図である。

【図１３】この発明による光学式回転角度検出装置の更
に他の実施例の説明に供する出力特性図である。

【図１４】この発明による光学式回転角度検出装置の更
に他の実施例の光学系を示す構成図及び上面図である。

【図１５】この発明による光学式回転角度検出装置の更
に他の実施例の光学系を示す構成図である。

【図１６】従来の光学式回転角度検出装置を示す構成図
である。

【図１７】従来の光学式回転角度検出装置を示す構成図
である。

【符号の説明】

１ 回転軸 ３ 光源 １５、４５、４７、５０、５５ 回転部材 １６、４６、４８、４９、５０ａ、５０ｂ、５５ａ 光
学拡散面 １７、１７Ａ、１７Ｂ 検出回路 ２０、５２、５３ 集光レンズ ２１、２２、５３ａ、５３ｂ 光位置検出素子 ２１ａ、２１ｂ 電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01D 5/34 G01B 11/26

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定体に取り付けられるかその一部で
   ある回転軸と、 この回転軸に取り付けられて一体に回転する回転部材と
   を備え、 この回転部材はその上面および底面の少なくとも一方の
   一部分が上記回転軸に垂直な下面からの高さが回転角度
   に応じて異なるように螺旋状に形成された光学拡散面と
   され、この光学拡散面と上記回転軸に垂直な基準面との
   間の距離が回転角度に応じて異なるように形成され、 更に、この回転部材の上記光学拡散面に光を照射する光
   源と、 上記回転部材の上記光学拡散面からの反射光を上記回転
   部材の上記基準面からの距離に応じた入射位置に集光さ
   せる集光光学系と、 この集光光学系の略集光位置に配置された光位置検出素
   子とを備え、 この光位置検出素子上の光入射位置に基いて、上記被測
   定体の回転角度を検出するようにしたことを特徴とする
   光学式回転角度検出装置。
2. 【請求項２】 被測定体に取り付けられるかその一部で
   ある回転軸と、 この回転軸に取り付けられて一体に回転する回転部材と
   を備え、 この回転部材はその上面および底面の少なくとも一方の
   一部分が上記回転軸に垂直な下面からの高さが回転角度
   に応じて異なるように螺旋状に形成された光学拡散面と
   され、この光学拡散面と上記回転軸に垂直な基準面との
   間の距離Ｈが回転角度θに対し、Ｈ＝１／（ａ×θ＋
   ｂ）（但しａ、ｂは所定の定数）となるように上記光学
   拡散面が形成され、 更に、この回転部材の上記光学拡散面に光を照射する光
   源と、 上記回転部材の上記光学拡散面からの反射光を上記回転
   部材の上記基準面からの距離に応じた入射位置に集光さ
   せる集光光学系と、 この集光光学系の略集光位置に配置された光位置検出素
   子とを備え、 この光位置検出素子上の光入射位置に基いて、上記被測
   定体の回転角度を検出するようにしたことを特徴とする
   光学式回転角度検出装置。