JP4356873B2 - 回転体の角度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、一定の角度範囲内で左右に回動する揺動モータなどの回転体の回転角度を検出する角度検出装置に関するものである。

揺動モータの角度検出装置としては、図４に示すようなスリット板を用いた光学式のものが知られている。この図に示すように角度検出装置１００は、螺旋状のスリット１０１が形成されたスリット板１０２を備え、このスリット板１０２が揺動モータの回転軸１０３に同軸状態に固定され、スリット１０１を挟み、一方の側にＬＥＤなどの光源１０４が配置され、他方の側に半導体位置検出素子１０５が配置されている。螺旋状のスリット１０１は回転軸１０３の回転角度範囲を包含する角度範囲に亘って形成されており、回転軸１０３が回転すると、光源１０４による照明光１０４ａの照射領域１０６を通るスリット部分が半径方向に移動する。従って、スリット透過光１０４ｂが回転軸１０３の回転に伴って半径方向に移動し、半導体位置検出素子１０５の受光面１０５ａにおけるスリット透過光の照射位置がそれに応じて移動する。この照射位置が半導体位置検出素子１０５の両端出力に基づき検出され、これに基づき回転軸１０３の回転角度が分かる。この構成の回転角度検出装置では、照明光の照射領域１０６を螺旋状スリットの半径方向の移動範囲を包含する大きさにする必要があり、また、照明領域１０６の全体を均一な照度で照明する必要がある。

なお、この構成の角度検出装置を備えた揺動モータは、例えば下記の特許文献１に開示されている。
特開２００１−３３９９１０号公報

しかしながら、スリット板および半導体位置検出素子を用いた回転角度検出装置では、実際に利用される光がスリット１０１を透過したスリット透過光１０７のみであるので、極めて光の利用効率が悪いという問題点がある。

また、光源の照射むらが原因となって半導体位置検出素子の出力信号の直線性が劣化し、検出精度が低下するという問題点がある。すなわち、どのような光源にも照射むらがあるので、所定の広さの照明領域１０６を均一に照明することが困難であり、照明領域１０６が均一に照明されないと、スリット位置に応じてスリット透過光の強度が変動し、半導体位置検出素子での受光量が変動するので、その出力信号の直線性が阻害される。

特に、光源として用いられているＬＥＤや白熱電球の場合には照射むらが顕著であり、しかも、供給電流の大きさに応じて照射むらが変化する。したがって、半導体位置検出素子での受光量を一定にするために光量補償をかけると光源電流が変動して照射むらが変化し、結果として、半導体位置検出素子の出力信号の直線性が阻害される。また、ＬＥＤや白熱電球の場合には周囲温度の変化によっても照射むらが発生し、これが、出力信号の温度ドリフトとなって現れ、検出信号の直線性が阻害される。

ここで、照明領域１０６を均一に照明するために、光学系を追加して光源からの射出光の照射むらを改善すればよいが、この方法では光学系の構成が複雑になりコストアップになるので好ましくない。

さらに、半導体位置検出素子の出力には半導体特有のノイズ成分が含まれており、これが検出器としての分解能を制限している。分解能を高めるためには、光源の光強度を高めて、出力信号のＳ／Ｎ比を高める必要がある。

さらにまた、揺動モータは光走査装置などのような高い応答性が要求される用途に用いられる場合が多いので、極力、慣性モーメントを小さくすることが望ましい。従って、回転軸に取り付けられているスリット板を小さくすることが望ましい。しかし、所定の角度範囲に亘ってスリットを形成する必要があるので、スリット板を小さくすることは困難である。

本発明の課題は、スリット板および半導体位置検出素子を用いた角度検出装置の問題点を解消し、光の利用効率が高く、光源の光量変動や照射むらに影響されずに精度良く回転角度を検出可能な回転体の角度検出装置を提案することにある。

本発明の回転体の角度検出装置は、
回転体の回転角に対応した角度方向に光を走査する走査ミラーと、
前記走査ミラーによる走査光によって、軸線方向に沿って外周面が走査される蛍光ファイバと、
前記蛍光ファイバの一方の端面からの射出光の強度を検出する第１受光素子、および前記蛍光ファイバの他方の端面からの射出光の強度を検出する第２受光素子と、
前記第１および第２受光素子の出力に基づき、前記走査光の前記蛍光ファイバにおける軸線方向の走査位置を検出する走査位置検出手段とを有し、
前記蛍光ファイバはコア層に蛍光色素がドープされたものであり、
前記走査光は、前記蛍光色素を励起して蛍光を発生可能な波長の光であり、
検出された前記走査位置に基づき前記回転体の回転角度位置が検出されることを特徴としている。

蛍光ファイバの外周面に走査光が照射すると、蛍光色素が励起されて蛍光が発生する。蛍光の大部分の成分は、蛍光ファイバのコア層とクラッド層の境界面で全反射されながら両端に向かう。蛍光ファイバの各端から射出される光は、走査光の照射位置から各端までの距離に応じて減衰する。従って、第１および第２受光素子によって検出される受光量（光強度）を比較することにより、走査光の照射位置（走査位置）を求めることができ、この位置に基づき、回転体の回転角が分かる。

ここで、蛍光ファイバを、走査光の走査中心を中心とする円弧形状としておくことが望ましい。

また、前記走査位置検出手段として、前記第１および第２受光素子の出力の和が一定値となるように、各出力値を調節するための出力調節回路と、調節後の各出力の差を求める差動増幅器とを備えた構成のものとすることが望ましい。このようにすれば、走査光の強度が変動して、各受光素子による受光量が変動したとしても、検出精度の低下を回避できる。

前記出力調節回路として、前記第１受光素子の出力を乗算するための第１乗算器と、前記第２受光素子の出力を乗算するための第２乗算器と、各乗算器の出力の和を算出する加算器と、算出された出力の和と基準値の差を求める減算器と、減算結果に基づき各乗算器の乗算率を算出する積分器とを備えた構成のものを採用でき、この場合には、各乗算器の出力が前記差動増幅器に入力される。

本発明の角度検出装置は、有限角度範囲内を左右に回動する揺動モータの回転角度を検出するために用いることができる。この場合には、揺動モータの回転軸に走査ミラーを固定し、回転軸と一体回転させればよい。

本発明では、蛍光ファイバの外周面に光を照射すると、その両端から照射位置に対応した強度の光が射出されることに着目し、移動体の移動位置と走査光による蛍光ファイバの走査位置の関係、あるいは、回転体の回転角度と走査光による蛍光ファイバの走査位置の関係を、予め対応付けしておき、蛍光ファイバの両端の射出光の強度を測定し、これに基づき走査光の走査位置を検出し、検出結果に基づき移動体の移動位置あるいは回転体の回転角度を求めるようにしている。

従って、スリット透過光のみが利用される場合とは異なり光の利用効率の高い検出装置を実現できる。また、走査光としてビーム状に細く絞り込んだエネルギー密度の高い光を使用できるので、光源として発光量の少ないものを用いて、Ｓ／Ｎ比の高い検出出力を得ることができる。さらに、照射むらに起因する弊害も発生しない。

また、光源の発光量が一定となるように制御する必要がないので、光量制御用の回路が不要となり、その分、装置を廉価に製造できる。

さらに、回転角を検出する場合に、回転体の回転軸などに取り付ける走査ミラーは、光ビームを反射可能な反射面を備えた小さなもので良い。よって、スリット板を回転軸に取り付ける場合に比べて回転体の慣性モーメントを小さくできるので、高い応答性が要求される揺動モータの回転角度を検出する機構として用いるのに適している。

以下に、図面を参照して、本発明を適用した揺動モータの角度検出装置を説明する。

角度検出装置の説明に先立って、図１を参照して、本装置に用いる蛍光ファイバの構造と、本装置の検出原理を説明する。この図に示すように、蛍光ファイバ１は通常の光ファイバと同様に、屈折率の高い円形断面のコア層２と、コア層２を同心状態で取り囲んでいる屈折率の低い円環状断面のクラッド層３から構成されている。従って、光は、コア層２とクラッド層３の境界面である円筒面で全反射されながらその軸線方向に伝搬する。

ここで、コア層２には蛍光色素がドープされている。蛍光ファイバ１の外周面に外側から光を照射すると、その光の波長が蛍光色素の吸収波長と異なる場合には照射光は蛍光ファイバ１を透過して反対側から出て行く。しかるに、照射光の波長が吸収波長の場合には、コア層２に含まれている蛍光色素が励起され、蛍光が発生する。発生した蛍光は、図に示すように、コア層２とクラッド層３の境界面で全反射されながら、軸線方向に伝搬して蛍光ファイバ１の両端から射出される。

蛍光ファイバ１の両端に達した各光は、照射光の照射位置からの距離に応じて減衰している。従って、各端の射出光の光強度を測定し、これらを比較することにより、照射光の照射位置を求めることができる。例えば、フォトダイオードなどの光電変換素子を用いて受光量を光電変換し、得られた電気信号に演算を施すことにより照射光の照射位置を求めることができる。

図に示すように、蛍光ファイバ１の全長をＬとし、その軸線方向の中央の位置から距離Ｘの所が照射位置であり、蛍光ファイバ１の両端で測定される射出光の強度を電気信号に変換して、電圧Ｖ１、Ｖ２が得られたものとする。この場合、Ｉｏを定数とすると、Ｖ１、Ｖ２は次式により表すことができる。
Ｖ１＝Ｉｏ／（Ｌ／２−Ｘ）
Ｖ２＝Ｉｏ／（Ｌ／２＋Ｘ）

これらの式よりＩｏを消去してＸについて解くと次式のようになる。
Ｘ＝Ｌ／２・（Ｖ１−Ｖ２）／（Ｖ１＋Ｖ２）

よって、電圧Ｖ１、Ｖ２から照射光の照射位置Ｘを求めることができる。照射光による蛍光ファイバ１の軸線方向における照射位置と、移動体の移動位置あるいは回転体の回転角度との対応関係を、予め定めておけば、算出された照射位置から移動体の移動位置あるいは回転体の回転角度を求めることができる。

図２は蛍光ファイバを用いた揺動モータの角度検出装置をモータ軸線方向から見た場合の概略構成図である。角度検出装置１０は、ＬＥＤなどの光源１１と、揺動モータ１２の回転軸１３に固定した走査ミラー１４と、蛍光ファイバ１５と、蛍光ファイバ１５の両端１５ａ、１５ｂに取り付けたフォトダイドードＰＤ１、ＰＤ２と、信号処理回路１６とを有している。走査ミラー１４は、回転軸１３の中心軸線１３ａを含む反射面１４ａを備えており、回転軸１３が回転すると、反射面１４ａはその中心軸線１３ａを中心として回転する。光源１１は定位置に配置されており、ここから射出される光ビームＢは走査ミラー１４の反射面１４ａの中心（中心軸線１３ａ）に入射する。走査ミラー１４で反射された反射光ビームは蛍光ファイバ１５の外周面を照射する。蛍光ファイバ１５は、中心軸線１３ａを中心とし、揺動モータ１２の揺動範囲（回転角度範囲）θの２倍の角度２θを包含する角度を張る円弧形状のものである。走査ミラー１４の回転に応じて反射光ビームＲＢは蛍光ファイバ１５の外周面を、その軸線方向に沿って、角度２θの走査範囲を走査する。蛍光ファイバ１５は図１に示す蛍光ファイバ１と同一構造のものである。信号処理回路１６は、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の出力に基づき、走査光（反射光ビーム）ＲＢによる蛍光ファイバ１５の走査位置を検出するためのものである。

図３は信号処理回路１６の概略ブロック図である。信号処理回路１６は、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の出力値ＶＰ１、ＶＰ２の和が一定値となるように、各出力値を調節するための出力調節回路１７と、調節後の各出力値ＶＺ１、ＶＺ２の差を求める差動増幅器Ａとを備えている。

本例の出力調節回路１７は、フォトダイオードＰＤ１の出力ＶＰ１を調整するための第１乗算器Ｘ１と、フォトダイオードＰＤ２出力ＶＰ２を乗算するための第２乗算器Ｘ２と、各乗算器Ｘ１、Ｘ２の出力ＶＺ１、ＶＺ２の和を算出する加算器１８と、算出された出力の和と基準値ＶＲＥＦの差を求める減算器１９と、減算結果に基づき各乗算器の乗算率ＶＫを算出する積分器ＩＮＴとを備えている。

この構成の回転角検出装置１０の動作を説明する。図２に示すように、走査ミラー１４は揺動モータ１２の回転軸１３と一体となって角度θだけ左右に回動する。この結果、走査ミラー１４による走査ビームＲＢは角度２θの範囲を走査する。蛍光ファイバ１５における走査ビームＲＢによる走査位置では蛍光が発生し、軸線方向に沿って伝搬して両端１５ａ、１５ｂに取り付けられているフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２で受光される。この結果、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２から受光量に対応した光電変換電圧ＶＰ１、ＶＰ２が出力され、乗算器Ｘ１、Ｘ２にそれぞれ入力される。乗算器Ｘ１、Ｘ２の出力信号の和が加算器１８で算出され、減算器１９の値と基準電圧ＶＲＥＦとの差が算出される。積分器ＩＮＴでは算出された差分に基づき、乗算器の乗算率ＶＫを算出する。各乗算器Ｘ１、Ｘ２では、次式に示すように、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２に乗算率ＶＫを乗算することにより出力を補正する。
ＶＰ１・ＶＫ＝ＶＺ１
ＶＰ２・ＶＫ＝ＶＺ２

この結果、出力の和は次式のように、常に基準電圧に等しくなるように制御される。
ＶＺ１＋ＶＺ２＝ＶＲＥＦ

次に、差動増幅器Ａの出力Ｖｏは次のようになる。
Ｖｏ＝ＶＺ１−ＶＺ２＝ＶＫ（ＶＰ１−ＶＰ２）
ここで、
ＶＫ＝ＶＲＥＦ／（ＶＰ１＋ＶＰ２）
であるので、これを上式に代入してＶＫを消去すると、
Ｖｏ＝ＶＲＥＦ（ＶＰ１−ＶＰ２）／（ＶＰ１＋ＶＰ２）
となる。

よって、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の出力電圧ＶＰ１、ＶＰ２から走査光ＲＢの走査位置に比例した信号Ｖｏが得られる。したがって、この信号Ｖｏに基づき、走査ミラー１４の回転角、換言すると揺動モータ１２の回転角を求めることができる。

（その他の実施の形態）
なお、上記の例は揺動モータの角度検出装置に本発明を適用したものである。他の回転体の回転角度を検出するために本発明を適用可能なことは勿論である。

また、本発明は、リニアアクチュエータなどの移動位置を検出するための検出装置としても用いることが可能である。この場合にも、移動体に光源を搭載するなどの方法により、移動体の移動位置に対応して蛍光ファイバの照射位置が移動するように構成すればよい。

本発明に用いる蛍光ファイバの構造および本発明の検出原理を示すための説明図である。 本発明を適用した揺動モータの回転角度検出装置の概略構成図である。 図２の信号処理回路を示す概略ブロック図である。 従来のスリット板および半導体位置検出素子を用いた角度検出装置を示す説明図である。

１ 蛍光ファイバ
２ 蛍光色素がドープされたコア層
３ クラッド層
１０ 角度検出装置
１１ 光源
１２ 揺動モータ
１３ 回転軸
１３ａ 中心軸線
１４ 走査ミラー
１４ａ 反射面
１５ 蛍光ファイバ
１５ａ、１５ｂ 端
１６ 信号処理回路
１７ 出力調節回路
１８ 加算器
１９ 減算器
ＰＤ１、ＰＤ２ フォトダイオード
Ｘ１、Ｘ２ 乗算器
ＩＮＴ 積分器
Ａ 差動増幅器

Claims (3)

1. 回転体の回転角に対応した角度方向に光を走査する走査ミラーと、
   前記走査ミラーによる走査光によって、軸線方向に沿って外周面が走査される蛍光ファイバと、
   前記蛍光ファイバの一方の端面からの射出光の強度を検出する第１受光素子、および前記蛍光ファイバの他方の端面からの射出光の強度を検出する第２受光素子と、
   前記第１および第２受光素子の出力に基づき、前記走査光の前記蛍光ファイバにおける軸線方向の走査位置を検出する走査位置検出手段とを有し、
   前記蛍光ファイバはコア層に蛍光色素がドープされたものであり、
   前記走査光は、前記蛍光色素を励起して蛍光を発生可能な波長の光であり、
   前記走査位置検出手段は、前記第１および第２受光素子の出力の和が一定値となるように各出力値を調節するための出力調節回路と、調節後の各出力の差を求める差動増幅器とを備えており、
   前記出力調節回路は、前記第１受光素子の出力を乗算するための第１乗算器と、前記第２受光素子の出力を乗算するための第２乗算器と、各乗算器の出力の和を算出する加算器と、算出された出力の和と基準値の差を求める減算器と、減算結果に基づき各乗算器の乗算率を算出する積分器とを備えており、
   各乗算器の出力が前記差動増幅器に入力され、当該差動増幅器の出力に基づいて検出された前記走査位置に基づき前記回転体の回転角度位置が検出される回転体の角度検出装置。
2. 請求項１において、
   前記蛍光ファイバは、前記走査光の走査中心を中心とする円弧形状のものである回転体の角度検出装置。
3. 請求項１または２において、
   前記回転体は有限角度範囲内を左右に回動する揺動モータであり、
   前記揺動モータの回転軸に前記走査ミラーが固定されている回転体の角度検出装置。

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