JP3168283B2

JP3168283B2 - 回転量検出装置

Info

Publication number: JP3168283B2
Application number: JP16751192A
Authority: JP
Inventors: 友行山口; 寛小林; 晴彦町田
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1992-06-25
Filing date: 1992-06-25
Publication date: 2001-05-21
Anticipated expiration: 2016-05-21
Also published as: JPH0611361A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は回転量検出装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】軸の回りに回転する円柱状の回転体の回
転量を検出することは、モーターの回転制御等において
広く行われている。モーター軸等の回転量を検出する方
法としては、回転軸に同軸的にスケール円板を固定し、
その周縁部に記録されたスケールの変位を光カプラーで
検出する方法が良く知られている。しかしこの方法の場
合、スケール円板の配備により、回転量検出装置がとか
く大型化し易いという問題がある。

【０００３】これに対し、円柱状の回転体の周面部に直
接的に格子パターンを形成し、この格子パターンに単色
光を照射して格子パターンに影絵的に対応する「影絵パ
ターン」を発生させ、回転体の回転に伴う影絵パターン
の移動をフォトセンサーで検出して回転量検出を行う方
法が知られている（例えば、特開平２−５７９１３号公
報）。影絵パターンは、格子パターンにより発生する回
折光同志が干渉しあって発生するパターンであり、「格
子パターンを影絵的に拡大したパターン」となるため、
格子パターンのピッチを極めて細かくしても、影絵パタ
ーンの検出は容易であり、このため極めて高精度の回転
量検出が可能である。

【０００４】スケール円板を用いる回転量検出の場合に
は、光カプラーを構成する光源とフォトセンサーとを、
スケール円板を介して互いに対向させるから、光カプラ
ーとスケール円板との位置調整が容易でなく、回転体の
周面部に形成した格子パターンに対応して発生する影絵
パターンを検出する方法の場合、格子パターンが円筒面
状であり、影絵パターンは回転体による反射光の方向に
発生するので、光源部・受光部・格子パターン三者の位
置関係を調整するのが容易ではない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この発明は上述した事
情に鑑みてなされたものであって、格子パターンを設け
られた円柱状の回転体と光源部と受光部との位置調整の
容易な、回転量検出装置の提供を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明の回転量検出装
置は「軸の回りに回転する円柱状の回転体の回転量を検
出する」装置であって、格子パターンと、回転量検出用
光カプラーと、ケーシングとを有する。

【０００７】「格子パターン」は、回転体の周面に軸を
囲繞するように設けられ、上記周面の最大曲率方向へ所
定のピッチを有する。ここに「軸」とは、円柱状の回転
体の周面の母線に平行な対称軸で、回転体を回転させた
ときに不動となる幾何学的な直線を言う。また、格子パ
ターンを回転体周面に設けるには、フォトエッチング法
により格子パターンを回転体周面に形成しても良いし、
マグネチック・リソグラフィ等により格子パターンを回
転体周面に直接的に形成しても良い。

【０００８】「回転量検出用光カプラー」は、格子パタ
ーンに対して単色光を照射する光源部と、この単色光の
照射により格子パターンにより発生する影絵パターンの
光強度を検出する受光部とを所定の位置関係に保持して
一体化したものである。上記「所定の位置関係」は、光
源部から適正に格子パターンに単色光を照射し、発生す
る影絵パターンを、受光部が正しく検出できるような、
光源部と受光部との位置関係であって、装置の設計内容
として決定される。

【０００９】「ケーシング」は、回転体を回転可能に軸
支して囲繞するとともに、回転量検出用光カプラーを係
合保持する。ケーシングによる回転量検出用光カプラー
の係合保持は「回転量検出用光カプラーが、ケーシング
に対し、回転体の軸を含む平面に直交する方向へ、上記
軸から所定距離を保ちつつ摺動可能である」ようになさ
れる（請求項１）。

【００１０】請求項１記載の回転量検出装置の回転体の
周面に「基準位置を境にして、互いにピッチの異なる２
種の格子パターン」を、基準位置検出用パターンとして
上記周面の最大曲率方向へ形成し、ケーシングに、回転
量検出用光カプラーと共に基準位置検出用光カプラーを
係合保持させることができる。

【００１１】この「基準位置検出用光カプラー」は、基
準位置検出用パターンに単色光を照射する光源部と、こ
の光源部から照射される単色光が上記２種の格子パター
ンのそれぞれにより発生させる各回折光を別個に受光す
る１対の受光部とを、所定の位置関係に保持して一体化
したものである。

【００１２】またケーシングによる基準位置検出用光カ
プラーの係合保持は「基準位置検出用光カプラーが、ケ
ーシングに対し、回転体の軸を含む平面に直交する方向
へ、上記軸から所定距離を保ちつつ摺動可能である」よ
うになされる（請求項２）。光源部と１対のフォトセン
サーとの「所定の位置関係」は、光源部から単色光を適
正に照射し、単色光が上記２種の格子パターンのそれぞ
れにより発生させる各回折光を、１対の受光部が別個に
受光できるような位置関係であって、装置の設計内容と
して決定される。

【００１３】上記回転量検出用光カプラー及び／又は基
準位置検出用光カプラーの光源部はＬＤ（半導体レーザ
ー）もしくはＬＥＤ（発光ダイオード）を光源として有
することができる（請求項３）。請求項２または３の場
合、基準位置検出用光カプラーの光源部が、光源からの
光を集光する集光レンズを有するようにすることが出来
る（請求項４）。上記集光レンズは、光源たるＬＤもし
くはＬＥＤからの光束の発散性を抑制して光の利用効率
を高めるためのものであるので、集光レンズを通った光
束は必ずしも集束性の光束となる必要はない。

【００１４】また、請求項１または３記載の回転量検出
装置において、回転量検出用光カプラーの受光部を「フ
ォトセンサーと、このフォトセンサーの受光面前部に設
けられ、影絵パターンのピッチと同ピッチのスリットを
形成されたマスクを有する」ように構成することができ
る（請求項５）。

【００１５】なお、回転量検出用および／または基準位
置検出用光カプラーをケーシングに対して摺動させて位
置調整を行った後は、光カプラーとケーシングとの摩擦
力により調整態位を保つようにしてもよいし、必要に応
じて、位置調整後の光カプラーを適当な固定手段により
ケーシングに固定しても良い。

【００１６】

【作用】円柱状の回転体の周面に形成された格子パター
ンと、この格子パターンに単色光を照射する光源部と、
発生する影絵パターンを検出する受光部との位置関係は
設計内容として一義的に定めることが出来る。

【００１７】これら三者の位置関係のうち、光源部と受
光部の位置関係を回転量検出用光カプラーにおいて調整
一体化し、回転量検出用光カプラーと回転体との位置関
係をケーシングに係合保持された回転量検出用光カプラ
ーの摺動により調整する。

【００１８】同様に、円柱状の回転体の周面に形成され
た基準位置検出用パターンと、この格子パターンに単色
光を照射する光源部と、発生する各回折光を別個に受光
する１対の受光部との位置関係は設計内容として一義的
に定めることが出来る。

【００１９】これら三者の位置関係のうち、光源部と１
対の受光部の位置関係を基準位置検出用光カプラーにお
いて調整一体化し、基準位置検出用光カプラーと回転体
との位置関係をケーシングに係合保持された基準位置検
出用光カプラーの摺動により調整する。

【００２０】具体的な実施例を説明する前に、上記基準
位置検出の原理を簡単に説明する。図７を参照する。図
７（Ａ）において、符号１は「移動体」を示している。
移動体１は矢印方向を移動方向として移動するが、図示
のように、基準位置：Ａを境として、ピッチが互いに異
なる２種の格子パターンＰ１，Ｐ２が移動方向に互いに
前後して形成されている。

【００２１】移動体１に、光源５からの単色光Ｌを集光
レンズ３を介して照射すると、反射光（回折の０次光Ｌ
₀）の外に「格子パターンによる回折光」が発生する。
格子パターンＰ１，Ｐ２は互いにピッチが異なるから、
各格子パターンによる回折光の回折角は互いに異なる。
図７（Ｉ）において符号Ｌ₁₁は格子パターンＰ１による
＋１次の回折光を示し、符号Ｌ₂₁，Ｌ₂₂は、それぞれ格
子パターンＰ２による＋１次と−１次の回折光を示して
いる。図７（Ａ）に図示されてはいないが、格子パター
ンＰ１による−１次の回折光も発生することは言うまで
もない。

【００２２】図示のように、１対の受光部たるフォトセ
ンサーＰＳ１，ＰＳ２を、それぞれ回折光Ｌ₁₁，Ｌ₂₁を
受光するように配置し、単色光Ｌを照射しつつ移動体１
を矢印方向へ移動させる。すると、単色光Ｌは先ず格子
パターンＰ１のみを照射するから、最初は、０次光の他
には格子パターンＰ１による回折光Ｌ₁₁が発生してフォ
トセンサーＰＳ１により受光される。

【００２３】移動体が移動して格子パターンＰ１，Ｐ２
の境目の基準位置：Ａが単色光Ｌの照射領域に入ると、
格子パターンＰ１，Ｐ２の双方から回折光が発生し、回
折光Ｌ₁₁，Ｌ₂₁が、それぞれフォトセンサーＰＳ１，Ｐ
Ｓ２により受光される。移動体１が更に矢印方向へ移動
すると、やがて単色光Ｌは格子パターンＰ２のみを照射
するようになり、回折光Ｌ₂₁のみがフォトセンサーＰＳ
２で検出されるようになる。

【００２４】移動体１が上記の如く移動するのに伴い、
フォトセンサーＰＳ１，ＰＳ２の出力が時間とともに、
それぞれ図７（Ｂ），（Ｃ）のように変化することは容
易に理解されよう。図７（Ｂ）において符号Ｈ１で示す
差をフォトセンサーＰＳ１の出力の「変化幅」と呼び、
同図（Ｃ）のＨ２を、フォトセンサーＰＳ２の出力の
「変化幅」と呼ぶ。格子パターンＰ１，Ｐ２による回折
効率は必ずしも等しいとは限らないので、一般には変化
幅Ｈ１，Ｈ２は互いに等しくはない。

【００２５】フォトセンサーＰＳ１，ＰＳ２の出力は図
７（Ａ）に示すように基準位置信号発生回路１０に入力
される。基準位置信号発生回路１０は図７（Ｄ）に示す
如き構成となっており、抵抗Ｒ１，Ｒ２を適当に調整す
ることにより、フォトセンサーＰＳ１，ＰＳ２の「出力
の変化幅が互いに略等しくなる」ように調整される。こ
のように調整された出力はコンパレーター１１に入力さ
れる。図７（Ｅ）に示す信号Ｓ１，Ｓ２は上記の如く、
変化幅が互いに略等しくなるように調整された出力であ
る。

【００２６】コンパレーター１１では入力してくる信号
Ｓ１，Ｓ２を減算処理する。入力信号の極性は、図７
（Ｅ）に破線で示す０レベルが｜Ｓ１｜と｜Ｓ２｜の等
価レベルであり、Ｓ１が「正」、Ｓ２が「負」（または
その逆）の信号となるように設定される。このためコン
パレーターで減算処理を行うと、信号Ｓ１，Ｓ２の交差
点の左側では｛Ｓ１−Ｓ２｝、右側では｛Ｓ２−Ｓ１｝
となる。信号Ｓ１，Ｓ２は互いに変化幅が略等しいた
め、演算処理の結果は図７（Ｆ）に実線で示すようなス
テップ状の信号となる。

【００２７】この信号を「基準位置信号」と呼ぶ。基準
位置信号のステップの立ち下がりは図４（Ｅ）における
信号Ｓ１，Ｓ２の交差部に対応する。ステップの立ち下
がり部は、基準位置：Ａに必ずしも厳密に対応するもの
ではないが、発生位置は基準位置を含む極めて狭い空間
領域であり、従って基準位置信号を移動体の基準位置と
対応させることにより、極めて高い精度で移動体の基準
位置を検出できる。

【００２８】なお、コンパレーター１１における減算処
理の極性を入れ替えるか、あるいはコンパレーター１１
の出力を反転すれば、基準位置に対応してステップ状に
立ち上がる基準位置信号を得ることができる。

【００２９】この発明における、基準位置検出用光カプ
ラーは、図７の例で言えば、光源部を構成する光源５お
よびレンズ３と、１対のフォトセンサー（受光部）ＰＳ
１，ＰＳ２を一体的に保持するのである。

【００３０】

【実施例】図１において、符号１００は円柱状の回転
体、符号２００は回転量検出用光カプラー、符号３００
は基準位置検出用光カプラー、符号４００はケーシング
をそれぞれ示す。図１（Ａ）は正面図、（Ｂ）は（Ａ）
のＢ−Ｂ断面図、（Ｃ）は縦断面図である。回転体１０
０は、回転軸１０１（例えばモーターの駆動軸）に同軸
的に一体化される。

【００３１】図１（Ｂ）に示すように、回転体１００
は、回転軸１０１の周面部に、例えば樹脂成形により形
成されたシリンダー部分１０２の周面に、樹脂液中にＦ
ｅ2Ｏ3等の磁性剤の微粒子（磁性粒子）を分散させた
「磁性液体」を塗布乾燥して形成した磁性膜１０３を有
し、磁性膜１０３の周面、即ち回転体１００の周面に、
マグネチック・リソグラフィにより格子パターンと基準
位置検出用パターンが形成されている。図１（Ｃ）にお
いて、符号１０５が格子パターン、符号１０６が基準位
置検出用パターンを示す。格子パターン１０５は影絵パ
ターンを発生させるためのパターンであって、回転体１
００の全周に渡って所定のピッチを有する。基準位置検
出用パターン１０６は基準位置ａを境として、互いにピ
ッチの異なる２種の格子パターンを回転体周面の最大曲
率方向へ形成したものである。

【００３２】ケーシング４００は中空構造であって横断
面形状は図１（Ｂ）に示すように中空シリンダー状であ
って、図１（Ｃ）に断面図として示すように回転軸１０
０を軸支する転がり軸受４０２，４０３を固定的に保持
することにより、回転体１００を回転可能に軸支し、且
つ囲繞する。

【００３３】ケーシング４００には、回転体１００の軸
を含む平面に直交する方向（図１の（Ａ）（Ｃ）におい
て図面に直交する方向、図１（Ｂ）において左右方向）
へ、光カプラー係合用の係合溝が形成されている。これ
らの係合溝は、その底部の部分にスライド溝（図１
（Ｂ）に符号４０５で示す部分）が上記軸に平行な方向
を深さ方向として形成されている。このスライド溝４０
５の一部は、ケーシング４００の内側空間と交差してい
る。

【００３４】回転量検出用光カプラー２００と基準位置
検出用光カプラー３００は、その底部に、上記スライド
溝４０５に嵌まり合う凸状部分を形成され、この凸状部
分がスライド溝４０５に嵌まることにより、上記「回転
体１００の軸を含む平面に直交する方向」へのみ摺動で
きるようになっている。従って、光カプラー２００，３
００の摺動の際、各光カプラーと、回転体１００の軸と
の間の距離は不変に保たれる。

【００３５】図２（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、回転量検
出用光カプラー２００の保持体２０１を、それぞれ平面
図、正面図、右側面図として示している。符号２０１Ａ
で示す部分は、図１に即して説明した、ケーシング４０
０のスライド溝４０５に嵌まり合う凸状部分である。保
持体２０１には光源部装着用の開口部２０１Ｂと受光部
装着用の開口部２０１Ｃが穿設されており、これら開口
部２０１Ｂ，２０１Ｃは、図２（Ｂ）に破線で示すよう
に、保持体２０１内部で連結し、さらに保持体２０１の
底部に開いている。

【００３６】図３（Ａ）は、保持体２０１に光源部２０
３と受光部２０５とを装着して回転量検出用光カプラー
２００とした状態を、保持体２０１を断面状態として示
している。この例において光源部２０３Ａは、図３
（Ａ）に示すように、保持体の開口部２０１Ｂ（図２参
照）に嵌め込まれて固定されている。

【００３７】受光部２０５は、支持部材２０５Ａにフォ
トセンサー２０５Ａとマスク２０５Ｃを固定して支持さ
せてなり、開口部２０１Ｃに嵌め込み固定されている。
図３（Ｂ）に示すように、フォトセンサー２０５Ｂの前
部に設けられたマスク２０５Ｃには、マスク位置におけ
る影絵パターンのピッチと同ピッチで複数のスリットが
形成されている。

【００３８】図４（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、基準位置
検出用光カプラー３００の保持体３０１を、それぞれ平
面図、正面図、右側面図として示している。符号３０１
Ａで示す部分は、図１に即して説明した、ケーシング４
００のスライド溝４０５に嵌まり合う凸状部分である。
保持体３０１には、光源部装着用の開口部３０１Ｂと受
光部装着用の開口部３０１Ｃが穿設されており、これら
開口部３０１Ｂ，３０１Ｃは、図４（Ｂ）に破線で示す
ように、保持体３０１内部で連結し、さらに保持体３０
１の底部に開いている。

【００３９】図５（Ａ）は、保持体３０１に光源部２０
３Ａと受光部材３０５とを装着して基準位置検出用光カ
プラー３００とした状態を、保持体３０１を断面状態と
して示している。光源部２０３Ａは、図５（Ｂ）に示す
ように、ＬＤ２０３Ａのパッケージ２０３Ｂ内に集光レ
ンズをマイクロフレネルレンズ２０３Ｃとして一体化し
たものであり、図５（Ａ）に示すように、保持体３０１
の開口部３０１Ｂ（図４参照）に嵌め込まれて固定され
ている。受光部材３０５は、支持部材３０５Ａに１対の
受光部たるフォトセンサー３０５Ｂ，３０５Ｃを固定し
て支持させてなり、開口部３０１Ｃに嵌め込み固定され
ている。

【００４０】保持体２０１における光源部２０３と受光
部２０５の位置関係は、適当な治具を用いて設計条件通
りに調整され、保持体３０１における光源部２０３Ａと
受光部材３０５の位置関係も、適当な治具を用いて設計
条件通りに調整される。

【００４１】回転量検出用光カプラー２００と基準位置
検出用光カプラー３００とを、図１に示すように、ケー
シング４００の係合溝に嵌め込む。係合溝は予め、この
係合溝にそって各光カプラー２００，３００を移動させ
るとき、その移動領域のどこかで、回転体１００と各光
カプラーの光源部及び受光部の位置関係が設計条件通り
の関係を実現するように形成されている。

【００４２】従って、回転体１００を回転させつつ回転
量検出用光カプラー２００の光源部２０３を発光させて
格子パターン１０５を照射して影絵パターンを発生さ
せ、この影絵パターンが受光部２０５により正しく検出
するように回転量検出用光カプラー２００を摺動調節す
れば、回転体１００と光源部２０３および受光部２０５
の適正な位置関係を実現することができる。

【００４３】同様に、回転体１００を回転させつつ基準
位置検出用光カプラー３００の光源部２０３Ａを発光さ
せて基準位置検出用パターン１０６を照射し、各格子パ
ターンにより発生する回折光を各フォトセンサー３０５
Ｂ，３０５Ｃがそれぞれ別個且つ適正に検出するように
基準位置検出用光カプラー３００を摺動調節すれば、回
転体１００と光源部２０３Ａ、受光部３０５Ｂ，３０５
Ｃの適正な位置関係を実現することができる。

【００４４】図６は別の実施例を図１（Ｃ）に倣って示
している。繁雑を避けるため、混同の虞れがないと想わ
れるものに就いては図１におけると同一の符号を用い
た。図１の実施例との違いは、第１に、この実施例にお
いては回転量検出用光カプラー２００Ａ、基準位置検出
用光カプラー３００Ａが、回転体１００を介して互いに
逆の位置を占めるようにケーシング４００Ａの係合溝が
形成されている点、第２に、上記係合溝に形成されたス
ライド溝および各光カプラーのスライド溝に嵌まり合う
部分の断面形状が楔状となっている点である。この実施
例の場合も、各光カプラーを係合溝内で摺動変位させる
ことにより、光源部、受光部、回転体三者の位置関係を
極めて簡単に調整できる。

【００４５】なお、単に回転量のみの検出を行うのであ
れば、基準位置検出用パターンと基準位置検出用光カプ
ラーは省略できる。

【００４６】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば新規な
回転量検出装置を提供できる。この発明の回転量検出装
置は上記の如き構成となっているから、従来容易でなか
った光源部と受光部と回転体との三者の位置関係を容易
且つ確実に調整できる。また請求項２記載の装置では、
回転体の基準位置からの回転量を検出できる。検出され
る回転量に基づき、回転速度や回転加速度等を演算的に
算出できることは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の１実施例を説明する図である。

【図２】図１の実施例の回転量検出用光カプラーの保持
体を説明する図である。

【図３】図１の実施例の回転量検出用光カプラーを説明
する図である。

【図４】図１の実施例の基準位置検出用光カプラーの保
持体を説明する図である。

【図５】図１の実施例の基準位置検出用光カプラーを説
明する図である。

【図６】別実施例を説明する図である。

【図７】基準位置検出の原理を説明するための図であ
る。

【符号の説明】

１００円柱状の回転体２００回転量検出用光カプラー３００基準位置検出用光カプラー４００ケーシング

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平５−126602（ＪＰ，Ａ) 特開平４−157319（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01D 5/00 - 5/62 G01B 11/00 - 11/30

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】軸の回りに回転する円柱状の回転体の回転
量を検出する装置であって、上記回転体の周面に上記軸を囲繞するように設けられ、
上記周面の最大曲率方向へ所定のピッチを有する格子パ
ターンと、上記格子パターンに対して単色光を照射する光源部と、
この単色光の照射により上記格子パターンにより発生す
る影絵パターンの光強度を検出する受光部とを所定の位
置関係に保持して一体化する、回転量検出用光カプラー
と、上記回転体を回転可能に軸支して囲繞するとともに、上
記回転量検出用光カプラーを係合保持するケーシングと
を有し、上記回転量検出用光カプラーが、上記ケーシングに対
し、上記回転体の軸を含む平面に直交する方向へ、上記
軸から所定距離を保ちつつ摺動可能に、上記ケーシング
に係合保持されることを特徴とする回転量検出装置。
【請求項２】請求項１記載の回転量検出装置において、回転体の周面に、基準位置を境にして、互いにピッチの
異なる２種の格子パターンが基準位置検出用パターンと
して、上記周面の最大曲率方向へ形成され、上記基準位置検出用パターンに単色光を照射する光源部
と、この光源部から照射される単色光が上記２種の格子
パターンのそれぞれにより発生させる各回折光を別個に
受光する１対の受光部とを、所定の位置関係に保持して
一体化する、基準位置検出用光カプラーを有し、回転量検出用光カプラーを係合保持するケーシングが、
上記基準位置検出用光カプラーをも係合保持し、上記基準位置検出用光カプラーが、上記ケーシングに対
し、上記回転体の軸を含む平面に直交する方向へ、上記
軸から所定距離を保ちつつ摺動可能に、上記ケーシング
に係合保持されることを特徴とする回転量検出装置。
【請求項３】請求項１または２記載の回転量検出装置に
おいて、回転量検出用光カプラー及び／又は基準位置検出用光カ
プラーの光源部が、ＬＤもしくはＬＥＤを光源として有
することを特徴とする回転量検出装置。
【請求項４】請求項２または３記載の回転量検出装置に
おいて、基準位置検出用光カプラーの光源部が、光源からの光を
集光する集光レンズを有することを特徴とする回転量検
出装置。
【請求項５】請求項１または３記載の回転量検出装置に
おいて、回転量検出用光カプラーの受光部が、フォトセンサー
と、このフォトセンサーの受光面前部に設けられ、影絵
パターンのピッチと同ピッチのスリットを形成されたマ
スクを有することを特徴とする回転量検出装置。