JP5595550B2 - 位置変換器 - Google Patents

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Description

本発明は、レーザ光を走査するためのミラーなどの光学部品を駆動する回転制限されたモータに搭載される位置変換器に関する。
特許文献1には、従来の反射型光学式位置変換器システムの構成が開示されている。図13(a)〜図13(e)は、この反射型光学式位置変換器システムを説明するための図である。図13(a)〜図13(e)は、それぞれ、位置変換器システムの例示的概略等角図、位置変換器システム内の反射器要素を示す例示的概略等角底面図、位置変換器システムの光源および検出器回路を示す例示的概略平面図、反射器要素を示す例示的概略底面図、回転制限モータシステムの例示的概略側断面図を示している。
この従来の反射型光学式位置変換器は、単一のLED光源26と、回転制限モータの回転軸に取り付けられた交互鏡面反射照明吸収領域を含む反射器12と、反射器からの反射照明光を受ける検出器14とを備えている。反射器12は、ハウジング32内で回転する回転子軸30の上端部に取り付けられる。検出器14に対向する反射器12の面には、鏡面反射領域16と照明吸収領域18が交互に形成され、各領域16,18はそれぞれ3個ずつ配置されている。検出器14では、中央に単一のLED光源26が配置され、その周囲にOリングなどの遮光器28が取り付けられ、さらにその周囲に3対の検出器領域20a,20bと22a,22bと24a,24bが設けられている。単一のLED光源26から出射した光は、鏡面反射領域16で反射し、検出器領域20a,20bと22a,22bと24a,24bで受光される。その受光出力は、処理回路で処理される。
特許文献2には、光学式ロータリーエンコーダの光学系の構造が開示されている。エンコーダは回転軸の回転中心線上近傍に設けられた光源と、回転中心線周りに回転可能に回転軸に取り付けられ、円周方向に交互に形成された透光部および遮光部からなる光学パターンを有するロータリースケールと、ロータリースケールと間隔を開けて配置され、光源からの光を回転中心線を含む断面内で幅が略変化しない平行光となるよう反射し、これにより平行光束がロータリースケールの透光部を照射し、透光部を透過した光が光源の周囲へ向かうようにする反射体と、透光部を透過した光を受光する受光素子とを備えている。特許文献2の光学式ロータリーエンコーダは、反射器からの明暗光を検出器で検出し、後段回路にて符号化し、位置情報を得る変換器である。
特許文献3は、特許文献2と同様、エンコーダに関するものであり、反射性の円筒形表面を利用した光学系が開示されている。このエンコーダでは、ドラムに対向して、フォトディテクタと光源を備えたモジュールが配置されている。ドラムの円周方向の表面にはストライプ状の非反射領域が等間隔で設けられている。光源の光はドラムに照射され、その反射光がフォトディテクタで検出される。特許文献3には、ドラムの表面にストライプ状に配置された非反射領域とその間の反射領域に対して光を照射し、反射された光より非反射領域の回転位置を検出するエンコーダ特有の光学系および検出方式が開示されている。
特許文献4には、回転位置を検出するロータリーモータの構造が開示されている。このロータリーモータでは、その回転位置を検出するため、ロータ軸に90度の角度幅のバタフライ形状の拡散面が取り付けられている。その拡散面は、中央部付近に円板形の不透明面を有している(特許文献4 図1B参照)。拡散面に対向してレンズが配置され、その後方に据え置き検出器が設置されている。光源として、レンズの両側に4個のLEDが配置されている。4個のLEDから出射した光は、回転する拡散面で反射し、反射光はレンズによって集光されて据え置き検出器で受光される。特許文献4のロータリーモータでは、LEDと検出器は同じ面ではなく異なる空間に配置され、4個のLED光源からそれぞれ反射面に向けて光が照射される。
特表2009−542178号公報 特開2004−340929号公報 特開2005−164588号公報 英国特許出願公開第2264781号明細書
反射器の同一平面上に反射領域と非反射領域があり、LED光源から反射器までの光学距離と反射器から検出器までの光学距離が同じであると、検出器に投影される像のコントラスト差が出にくくなり、検出器から出力される信号の雑音特性が悪くなる。雑音特性とは、反射領域からの光による信号と非反射領域からの光による雑音信号の比(S/N比)を指し、以下ではこれを「コントラスト比」ともいう。
コントラスト比が低くなると、LED光源に流す電流を増やすことで光量を増やして、検出器から十分な信号が出力されるようにする必要がある。すると、LED光源のジャンクション温度が上昇し、LED光源に温度変化が生じる。また、反射領域と非反射領域が同一平面上に交互に設けられていると、光を吸収することにより、反射器の面が外周環境よりも温度上昇しやすくなる。非反射領域は、照明波長により吸収率が変化し、温度によっても吸収率が変化する。このため、LED光源のピーク波長の温度変化と非反射領域の吸収率の温度変化が発生することで、位置変換器としての温度特性が悪くなる。
さらに、反射領域と非反射領域が同一平面上に設けられた反射器でコントラストを出すためには、非反射領域の表面粗さ状態や無反射コーティング剤の選択に細心の注意が必要であるから、製作上の限界があり、反射器は高価なものとなる。
本発明の目的は、以上のような状況に鑑み、低価格で製造でき、検出器から得られる出力の信号対雑音比を向上させ、かつ温度が変化しても安定した出力が得られる位置変換器を提供することにある。
また、本発明に係る位置変換器は、回転制限モータの回転軸に取り付けられた反射器と、反射器の反射面の中央部分に対向して配置される拡散光源と、拡散光源から見て反射器の背後に、反射器から距離を持って反射器を取り囲むように回転制限モータの固定側に設置され、反射面に当たらなかった拡散光源からの照射光を吸収する拡散光吸収部材と、拡散光源と同一の回路基板上に実装され、反射器により反射された像を検出する複数の検出器と、を有することを特徴とする。
本発明に係る位置変換器では、拡散光吸収部材は、表面処理により設けられた微細構造を有し、照射光を微細構造内で繰り返し反射させることにより吸収することが好ましい。
本発明に係る位置変換器では、反射器は、反射面として、同一平面上で回転軸から放射状に突出する複数の反射面を有することが好ましい。
本発明に係る位置変換器では、拡散光源は、反射面の個数と同数のLEDであることが好ましい。
本発明に係る位置変換器では、反射器は、反射面として、バタフライ形状の反射面を有することが好ましい。
本発明に係る位置変換器では、複数の検出器は、それぞれが反射面の個数に対応する複数個を含む2組のフォトダイオードであり、2組のフォトダイオードは、互い違いに回転軸を取り囲むようにそれぞれ隣り合わせで配置されることが好ましい。
本発明に係る位置変換器では、反射器は、反射面に金属コーティングが施されていることが好ましい。
本発明に係る位置変換器では、複数の検出器は、反射器による像の位置が回転により移動して各検出器での受光領域が連続的に増減することに応じて、連続的に増減する信号をそれぞれ出力し、複数の検出器のそれぞれに接続され、受光領域の増減に対応する電圧値を出力する信号処理回路をさらに有することが好ましい。
本発明によれば、低価格で製造でき、検出器から得られる出力の信号対雑音比を向上させ、かつ温度が変化しても安定した出力が得られる位置変換器を提供することが可能となる。
位置変換器100の縦断面図である。 図1Aに対して90度側方から見た位置変換器100の縦断面図である。 位置変換器100の分解斜視図である。 位置変換器100が組み立てられている状態を一部破断して示した斜視図である。 拡散光吸収部材3の表面の拡大図である。 バタフライ形状反射器7の上面図である。 プリント基板6上の検出器11の配置を示す図である。 位置変換器100の信号処理回路13の回路図である。 フォトダイオードA1,A2,B1,B2とバタフライ形状の像12a,12b,12cの位置関係を示す図である。 位置変換器出力Voと回転角度の関係を示したグラフである。 位置変換器200の縦断面図である。 図8Aのバタフライ形状反射器7が90度回転したときの位置変換器200の縦断面図である。 LEDダイ4a,4bとフォトダイオードA1,A2,B1,B2の位置関係を示す図である。 電流電圧変換部21a,21bの出力電圧の波形を示した図である。 反射器の変形例を説明するための図である。 図11(b)のクローバー形状反射器72を使用した位置変換器の信号処理回路13’の回路図である。 従来の反射照明を使用した光学式位置変換器を説明するための図である。
以下、図面を参照して、本発明に係る位置変換器を詳細に説明する。ただし、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。
図1Aは、位置変換器100の縦断面図である。図1Bは、図1Aに対して90度側方から見た位置変換器100の縦断面図である。図1Cは、位置変換器100の分解斜視図である。図1Dは、位置変換器100が組み立てられている状態を一部破断して示した斜視図である。
位置変換器100は、回転制限モータ1、拡散光吸収体3、LEDダイ4、ケース5、プリント基板6、バタフライ形状反射器7、検出器11などから構成される。位置変換器100は、LEDダイ4から出射され、バタフライ形状反射器7により反射された光を検出器11で検出することにより、回転制限モータ1の回転角度を検出する反射型光学式位置変換器である。
回転制限モータ1は、ロータ10の端部に回転軸2を有し、回転軸2は軸受け8により支持されている。回転軸2の先端部には反射器取付部2aが突出している。この反射器取付部2aに、バタフライ形状反射器7が取り付けられる。回転制限モータ1の駆動により、回転軸2とともにバタフライ形状反射器7が回転する。
回転制限モータ1の上部には、バタフライ形状反射器7から距離を持って拡散光吸収体3が配置されている。図1Dに示すように、拡散光吸収体3は、円板形状部3cと、円板形状部3cの中央付近に形成された台形形状部3aと、台形形状部3aの中央に形成された貫通孔3bとを有する。拡散光吸収体3は、回転軸2が貫通孔3bを挿通するように、回転制限モータ1の上端に取り付けられている。この拡散光吸収体3には、円筒形のケース5が組み込まれている。
拡散光吸収体3とケース5は、回転制限モータ1によっては回転しない固定側の部材である。バタフライ形状反射器7の反射面から距離を持った固定側の拡散光吸収体3とケース5の表面には、LEDダイ4からの光を吸収する拡散光吸収部材3(図2参照)が配置されている。すなわち、拡散光吸収体3とケース5で形成される内部の空間は、拡散光吸収部材3dで取り囲まれている。拡散光吸収体3とケース5は、LEDダイ4から出射され、バタフライ形状反射器7に当たらなかった光を、この拡散光吸収部材3により吸収する。
図2は、拡散光吸収部材3の表面の拡大図である。拡散光吸収部材3は、表面処理が施された黒色の部材であり、その表面に、光の波長に合うピッチおよび高さをもった凹凸などの、立体的で複雑な微細構造を有する。拡散光吸収部材3は、その表面への入射光Lがこの微細構造により反射および吸収を繰り返すようにして、光を閉じ込め、吸収する(迷光効果)。表面処理は、蒸着、めっき、無機系焼付塗装、または静電植毛などの方法により行われる。
ケース5の上には、プリント基板6が被せて取り付けられている。LEDダイ4は、図1Aに示すように、プリント基板6の下面で、回転軸2の中心に対応する位置に実装されている。LEDダイ4は、バタフライ形状反射器7に対向して、プリント基板6上に配置される。LEDダイ4は、一点から光が出射し、出射した光が所定の広がりをもって放出される拡散光源である。図1Aおよび図1Bでは、LEDダイ4から照射される光を矢印で示している。位置変換器100では、LEDダイ4として、例えば、ピーク波長が870nmであるアルミニウムガリウムヒ素(AlGaAs)が使用される。
プリント基板6には、10ピンの端子を有するコネクタ9が取り付けられている。コネクタ9の各ピンは、プリント基板6に形成されているパターン(図示されていない)の各ランドに、半田付けなどによって電気的に接続されている。図1Cでは5個のピン9aが見えており、残りのピンはコネクタの裏側に配置されており見えていない。各ピンは、検出器11やLEDダイ4の端子に繋がるパターンに接続されている。コネクタ9には、信号処理回路の接続端子などが接続されている雌(または雄)のコネクタ(図示されていない)が電気結合される。
図3は、バタフライ形状反射器7の上面図である。バタフライ形状反射器7は、嵌合により回転軸2の反射器取付部2aに取り付けるための取付孔7aを中央に有し、中央から突出するバタフライ形状の平坦な反射面7bを有する。バタフライ形状反射器7は、図13(b)の反射器12とは異なり、非反射領域がなく、反射面7bによる構成となっている。そして、バタフライ形状反射器7は、LEDダイ4から出射された光を、反射面7bで検出器11に向けて反射し、LEDダイ4から出射された光のうち、反射面7b以外の領域を通過してバタフライ形状反射器7の裏面側へ通り抜けた光は、拡散光吸収部材3で吸収されるようになっている。
バタフライ形状反射器7は、冷間圧延などによる鏡面仕上げ加工された金属板をエッチングやワイヤカットなどでバタフライ形状に加工して作製される。さらに、バタフライ形状反射器7は、反射面7bにアルミ、銀、金などを蒸着して金属コーティングを施すことにより、反射率を向上させてもよい。
図4は、プリント基板6上の検出器11の配置を示す図である。検出器11は、4つのフォトダイオードダイで構成され、これらのフォトダイオードA1,A2,B1,B2は、プリント基板6の下面で、LEDダイ4の周囲に配置されている。それぞれのフォトダイオードは、感度波長が800〜900nmのシリコンウェハにより構成される。LEDダイ4とフォトダイオードA1,A2,B1,B2は、パッケージングされることなく、プリント基板6に直接実装されている(チップオンボード)。
プリント基板6の中央点に配置されたLEDダイ4を挟んでフォトダイオードA1とA2が向かい合い、同様にフォトダイオードB1とB2も向かい合った状態で、それぞれのフォトダイオードは実装されている。フォトダイオードA1とB1およびB2とA2は、それぞれ近接した状態で取り付けられている。4つのフォトダイオードA1とB1およびB2とA2は、プリント基板6上でフォトダイオードA1とA2が並列に接続されて1対が形成され、さらにフォトダイオードB1とB2が並列に接続されて他の1対が形成されている。
LEDダイ4から出射されバタフライ形状反射器7により反射されたバタフライ形状の像は、回転制限モータ1の回転とともに移動する。2対のフォトダイオードは、この像を受光し、受光領域の面積に応じた光電流を出力する。2対のフォトダイオードから出力される光電流Ia,Ibは、次に説明する信号処理回路13により電流電圧変換され、それぞれVa,Vbとなる。この電圧差Va−Vbが位置変換器100の出力となる。
図5は、位置変換器100の信号処理回路13の回路図である。図1A〜図1Dには示していないが、位置変換器100は、回転制限モータ1の回転角度に応じたフォトダイオードA1,A2,B1,B2よる光電流を電圧信号に変換する信号処理回路13を有する。信号処理回路13は、AGC回路を有し、高精度な位置変換出力を得るために、光学系で補償しきれない温度変化に対する温度補償および直線性補償を行う。
フォトダイオードA1とA2の出力である電流Iaは、電流電圧変換部21aに入力される。また、フォトダイオードB1とB2の出力である電流Ibは、電流電圧変換部21bに入力される。電流電圧変換部21aの出力電圧Vaと電流電圧変換部21bの出力電圧Vbは、減算器22に入力され、減算処理がなされる。
また、電流電圧変換部21aの出力電圧Vaと電流電圧変換部21bの出力電圧Vbは、AGC回路28aに導かれ、加算器23で加算される。加算出力は、比較器24により参照電圧Vrefと比較される。比較器24の出力は、積分回路25で積分処理され、電流アンプ26aによって増幅され、抵抗器27を介してLED20に電流Ifが供給される。信号処理回路13で処理された位置変換器出力Voは、
Vo=(Ia−Ib)Vref/(Ia+Ib) ・・・(1)
となる。
図6(a)〜図6(c)は、フォトダイオードA1,A2,B1,B2とバタフライ形状の像12a,12b,12cの位置関係を示す図である。バタフライ形状反射器7からフォトダイオードA1,A2,B1,B2に照射された像は、図6(a)〜図6(c)の像12a,12b,12cのように、回転制限モータ1の回転角度により移動する。
以下では、フォトダイオードA1,A2の受光領域の面積をSaとして、フォトダイオードA1,A2の受光領域のことを「Sa領域」という。同様に、フォトダイオードB1,B2の受光領域の面積をSbとして、フォトダイオードB1,B2の受光領域のことを「Sb領域」という。図6(a)〜図6(c)は、それぞれ、Sa領域がSb領域より大きい場合、Sa領域とSb領域が同じ大きさの場合、Sa領域がSb領域より小さい場合を示す。
例えば、バタフライ形状の像が像12a,12b,12cであるときに、それぞれ回転角度が正、0、負であるとする。すると、図6(a)の場合は面積差がSa−Sb>0であるから、回転角度が正であることに対応して、位置変換器100の出力電圧はVa−Vb>0になる。また、図6(b)の場合は面積差がSa−Sb=0であるから、回転角度が0であることに対応して、位置変換器100の出力電圧はVa−Vb=0になる。図6(c)の場合は面積差がSa−Sb<0であるから、回転角度が負であることに対応して、位置変換器100の出力電圧はVa−Vb<0になる。
図7は、位置変換器出力Voと回転角度の関係を示したグラフである。位置変換器出力は、図7に示すように、回転角度に比例して増大する。
一般に、反射器からの照度に対する光電流の変換係数をKr、反射器からの受光面積をSa,Sb、反射器の反射率をα、拡散光吸収体からの照度に対する光電流の変換係数をKe、フォトダイオードの総面積をS、拡散光吸収体からの反射の受光面積をS−Sa,S−Sb、拡散光吸収体の反射率をβと表すと、フォトダイオードの光電流Ia,Ibは、
Ia=Kr・Sa・α+Ke・(S−Sa)・β ・・・(2)
Ib=Kr・Sb・α+Ke・(S−Sb)・β ・・・(3)
となる。これらを(1)式に代入することで、実際に近い出力Voが計算される。
拡散光が反射器を介して検出器に到達するまでの光学距離と、拡散光が拡散光吸収体を介して検出器に到達するまでの光学距離が実質的に同じである場合、αに対するβの比率を小さくしないと良好なコントラストが得られず、雑音特性が悪化してしまう。位置変換器としての信号を大きくするためには、LEDの順電流を大きくする必要があるため、LED光源のジャンクション温度が上昇し、LED光源の温度変化に影響を与えてしまう。
図6(b)に示すようにSa=Sbの場合は、(1)式の分子項はゼロとなるので、温度による位置変換器の出力変化は発生しない。しかしながら、図6(a)および図6(c)に示すようにSa≠Sbの場合は、温度によりαに対するβの比率が変化するため、温度変化時に、位置変換器の出力変化であるドリフトが発生する。このドリフトにより、図7に示すように、位置変換器出力Voと回転角度の比例関係の傾きが変化する。このドリフトのことを、「ゲインドリフト」という。高精度な位置変換器では、ゲインドリフトができるだけ小さいことが要求される。また、上記のKeまたはβを小さく保つことにより、(1)式を理想に近づけることが可能となる。つまり、ゲインドリフトを低下させることが可能となる。
反射光は光学距離の2乗に反比例して減衰するため、位置変換器100では、バタフライ形状反射器7から固定側の拡散光吸収体3までの距離を適切にとることで、拡散光吸収体3からの照度に対する光電流の変換係数Keを低下させている。これにより、反射領域と非反射領域を反射器の同一平面上に設けた場合と比べて良好なコントラスト比が得られ、位置変換器の信号対雑音比が向上する。また、LEDダイ4の温度に対する発光波長の変化の影響と、温度上昇による拡散光吸収体3の吸収率変化の影響が低減され、温度に対する出力の安定性が向上する。
また、位置変換器100では、反射領域と非反射領域を、バタフライ形状反射器7と、その反射器から距離を持って固定側に設置された拡散光吸収体3で構成することにより、反射器に反射性または非反射性の微粒子が付着したとしても、検出器に照射される像に悪影響を与えにくくなる。また、位置変換器100では、反射領域と非反射領域が別部材であるから、それぞれを高反射膜、高光吸収膜とすることが容易になる。さらに、バタフライ形状反射器7は、非反射領域の部分がないため、低イナーシャとなり、回転制限モータ1の高速応答性に有利になる。
図8Aは、位置変換器200の縦断面図である。また、図8Bは、図8Aのバタフライ形状反射器7が90度回転したときの位置変換器200の縦断面図である。図1A〜図1Dに示した位置変換器100が拡散光源としてLEDダイを1個有しているのに対し、図8Aおよび図8Bに示した位置変換器200は、拡散光源としてLEDダイを2個有している。その他の点では、位置変換器200の構成は位置変換器100と同様である。以下では、位置変換器200について、位置変換器100と異なる点を説明する。位置変換器100と共通する点については、説明を省略する。
位置変換器200では、2個のLEDダイ4a,4bが、プリント基板6の下面で、回転軸2の中心に対応する位置に、バタフライ形状反射器7に対向して配置されている。LEDダイ4a,4bは、ともに同じ拡散光源であり、バタフライ形状反射器7に向けて光を照射する。図8Aおよび図8Bでは、LEDダイ4a,4bから照射される光を矢印で示している。なお、LEDダイ4a,4bもプリント基板6にチップオンボードで実装される。
図9は、LEDダイ4a,4bとフォトダイオードA1,A2,B1,B2の位置関係を示す図である。図9では、説明のため、バタフライ形状反射器7も重ねて示している。位置変換器200では、バタフライ形状反射器7の一方の反射面7bとLEDダイ4aおよびフォトダイオードA1,B1が対応し、他方の反射面7cとLEDダイ4bおよびフォトダイオードA2,B2が対応するように、LEDダイ4a,4bとフォトダイオードA1,A2,B1,B2が配置されている。すなわち、LEDダイ4aが反射面7bを照らし、反射面7bからの反射光をフォトダイオードA1とB1が受光する。また、LEDダイ4bが反射面7cを照らし、反射面7cからの反射光をフォトダイオードA2とB2が受光する。
位置変換器200の信号処理回路は、LED20が直列に2個接続されることを除けば、図5に示した信号処理回路13と同様である。
このように、拡散光源としてLEDダイを2個使用することにより、出射光の強度が平均化され、LEDの個体差によるバラツキが平均化される。このため、位置変換器200は、位置変換器100よりも出力がさらに安定する。また、位置変換器200では、位置変換器100と比べてLEDの順電流を低くしても、LEDダイが1個のときと同じ出力が得られる。このため、位置変換器200では、良好なコントラスト比を維持したまま、LEDの順電流を低下させることが可能になる。さらに、LEDの順電流を低下させれば、LEDのジャンクション温度の影響が小さくなり、温度に対する出力の安定性がより向上する。LEDの順電流を低下させることで、省電力化およびLEDの長寿命化が図れるという効果もある。
以下では、図13(a)〜図13(e)に類似した位置変換器と、位置変換器100と、位置変換器200とを比較した実験結果について説明する。
表1は、異なる条件で位置変換器の出力電圧のコントラスト比を測定した結果を示した表である。この測定では、回転制限モータ1をエンドレスに回転させ、フォトダイオードA1,A2,B1,B2の出力電圧、すなわち電流電圧変換部21a,21bの出力電圧Va,Vbをオシロスコープで観測し、P−P(peak−to−peak)電圧とオフセット電圧を測定している。LEDの順電流は、30mAに固定して測定している。
Figure 0005595550
P−P電圧は、反射器からの反射光の受光に応じた成分であり、(2)式および(3)式の第1項であるKr・Sa・αおよびKr・Sb・αの最大変化量に相当する。オフセット電圧は、反射器以外からの反射光の受光に応じた成分であり、(2)式および(3)式の第2項であるKe・(S−Sa)・βおよびKe・(S−Sb)・βに相当する。また、コントラスト比は、オフセット電圧に対するP−P電圧の比率である。
条件(1)〜(4)は、次の通りである。
・条件(1):LED光源が1個であり、反射器に反射領域と非反射領域の両方が含まれており、反射器と検出器の周囲を拡散光吸収部材で囲っていない、図13(a)〜図13(e)に類似した位置変換器を使用する。
・条件(2):LED光源が1個であり、バタフライ形状反射器を使用し、反射器と検出器の周囲を拡散光吸収部材で囲った位置変換器100を使用する。
・条件(3):LED光源が2個であり、バタフライ形状反射器を使用し、反射器と検出器の周囲を拡散光吸収部材で囲った位置変換器200を使用する。
・条件(4):条件(3)の位置変換器200で、さらにバタフライ形状反射器に高反射金属コーティングを施す。
なお、反射器に高反射金属コーティングを施すのは、条件(4)だけである。
条件(1)のコントラスト比は0.3程度であるのに対し、条件(2)のコントラスト比は20以上である。バタフライ形状反射器と拡散光吸収部材により、図13(a)〜図13(e)に類似した位置変換器と比べて、位置変換器100ではコントラスト比が大幅に向上している。
条件(3)のときは、条件(2)のときと比べてP−P電圧とオフセット電圧がそれぞれ2倍程度に増加しており、コントラスト比は条件(2)のときと同程度である。このように、位置変換器200では、LED光源を2個使用することにより、LEDの順電流を同じとしたときに2倍の出力電圧が得られる。したがって、位置変換器200では、コントラスト比を位置変換器100と同程度にしたまま、LEDの順電流を1/2程度に抑えることが可能になる。
また、条件(4)のコントラスト比は、金属コーティングにより30程度となり、条件(3)の20程度と比べてさらに向上している。このため、バタフライ形状反射器に高反射金属コーティングを施した場合には、そうしない場合と比べて、LEDの順電流をさらに2/3程度に抑えることが可能になる。
図10(a)および図10(b)は、電流電圧変換部21a,21bの出力電圧の波形を示した図である。図10(a)および図10(b)は、それぞれ上記の条件(2)および(3)の場合における、電流電圧変換部21a,21bの出力電圧Va,Vbである。回転制限モータ1の回転角度に応じて電圧値が変化するので、図10(a)では、回転角度と電圧値の対応関係も示している。条件(3)の出力電圧の波形には、図10(b)内の破線の丸印で囲んだところに歪みが見られる。ただし、位置変換器の出力として実際に必要なのは、図10(b)に示した約45度の回転角度(機械角)に対応する範囲だけであり、波形歪みはこの範囲外で生じている。このため、図10(b)の波形歪みは、実用上は問題にならない。
なお、図示しないが、条件(4)の場合も、図10(b)と同様に、波形に歪みが見られる。ただし、条件(4)の場合も、波形歪みは、実際に必要な約45度の回転角度(機械角)の範囲外で生じる。このため、条件(4)の場合の波形歪みも、実用上は問題にならない。
表2は、上記の条件(2)〜(4)のもとで、LEDの順電流(図5の電流If)を測定した結果を示した表である。これは、図5の回路定数を同じ値として比較測定した結果であり、13〜18台のサンプルについての測定値を平均した値である。
Figure 0005595550
LED光源が1個の条件(2)と比べて、LED光源が2個の条件(3)では、LEDの順電流が1/2程度に抑えられている。反射器に金属コーティングを施した条件(4)では、条件(3)と比べて、LEDの順電流がさらに2/3程度に抑えられている。
表3は、上記の条件(1)〜(3)のもとで、温度による位置変換器の出力変化(ゲインドリフト)を測定した結果を示した表である。条件(1)〜(3)に加えて、
・条件(1)’:LED光源が1個であり、バタフライ形状反射器を使用し、反射器と検出器の周囲を拡散光吸収部材で囲わない位置変換器を使用する
場合の結果も示している。
Figure 0005595550
位置変換器100を使用した条件(2)の場合は、バタフライ形状反射器と拡散光吸収部材の効果により、条件(1)および(1)’の場合と比べて、ゲインドリフトが1/2以下に大きく改善している。位置変換器200を使用した条件(3)の場合は、LED光源を2個設けることにより、ゲインドリフトがさらに10ppm/℃程度改善している。これにより、位置変換器100,200では、温度に対する出力の安定性がより向上していることがわかる。なお、上記の条件(4)の場合は、バタフライ形状反射器に金属コーティングを施すことで、ゲインドリフトが40ppm/℃よりさらに改善すると考えられる。
図11(a)〜図11(c)は、反射器の変形例を説明するための図である。図示するように、反射器の反射面の配置角度が図3とは異なってもよく、反射面の枚数は2枚でなくてもよい。
図11(a)は、2枚の反射面71b,71cが一直線上に揃っていないバタフライ形状反射器71を示した図である。図11(a)のように、2枚の反射面71b,71cは必ずしも180度の角度をなす方向に向いていなくてもよい。バタフライ形状反射器71を使用する場合は、2枚の反射面71b,71cがなす角度に合わせて、LEDダイ4a,4bとフォトダイオードA1,A2,B1,B2を配置すればよい。すなわち、一方の反射面71bに合わせて一方のLEDダイ4aとフォトダイオードA1,B1を配置し、反射面71bに対する他方の反射面71cの角度に合わせて、他方のLEDダイ4bとフォトダイオードA2,B2を配置すればよい。
図11(b)は、回転軸が通る中心から放射状に突出する3枚の反射面72b,72c,72dを有するクローバー形状反射器72を示した図である。クローバー形状反射器72を使用する場合は、3枚の反射面72b,72c,72dがなす角度に合わせて、それぞれ、LEDダイ4aおよびフォトダイオードA1,B1、LEDダイ4bおよびフォトダイオードA2,B2、ならびにLEDダイ4cおよびフォトダイオードA3,B3を配置すればよい。
図11(c)は、回転軸が通る中心から放射状に突出する4枚の反射面73b,73c,73d,73eを有するクローバー形状反射器73を示した図である。クローバー形状反射器73を使用する場合も、4枚の反射面73b,73c,73d,73eがなす角度に合わせて、それぞれ、LEDダイ4aおよびフォトダイオードA1,B1、LEDダイ4bおよびフォトダイオードA2,B2、LEDダイ4cおよびフォトダイオードA3,B3、ならびにLEDダイ4dおよびフォトダイオードA4,B4を配置すればよい。
なお、図11(a)〜図11(c)の反射器を用いる場合でも、LED光源は1個にしてもよい。
図12は、図11(b)のクローバー形状反射器72を使用した位置変換器の信号処理回路13’の回路図である。図示するように、LEDやフォトダイオードの個数が増えても、位置変換器の信号処理回路は、図5に示した信号処理回路13と同様のものでよい。具体的には、フォトダイオードA1,A2,A3とフォトダイオードB1,B2,B3はそれぞれ並列に接続され、3個のLED20は互いに直列に接続される。これは、LEDとフォトダイオードの個数が変わっても同様である。その他の点では、信号処理回路13’は図5の信号処理回路13と同様である。
なお、複数個のLEDダイを設ける代わりに、例えば.長方形状のLEDチップを使用し、その中央部を遮光性部品で覆って2つの光源としてもよい。また、拡散光源として、チップ面積の大きいLEDを使用してもよい。光学素子の材質を変更し、可視光領域の光を使用してもよい。また、LEDダイの拡散光を効率よくバタフライ形状反射器に向けるために、チクソ性の高い透明樹脂やガラスなどを用いて、半球状のレンズを設けてもよい。
LEDダイは、プリント基板に直接実装し、LEDダイの拡散光が直接フォトダイオードに照射されないようにすることが好ましい。しかしながら、LEDダイとフォトダイオードを必ずしも同一平面上に配置しなくてもよい。
反射器は、金型などで例えばバタフライ形状に製作した樹脂にメッキなどを施して反射面を設けたものを使用してもよい。また、中央部に孔を設けた反射器を、回転制限モータの回転軸に嵌合だけでなく圧入で固定してもよい。反射器を回転軸に嵌合で取り付けることによって、回転軸との調芯作業が不要となり、製造コストが削減される。
拡散光吸収部材には、アルミ材に黒色つや消しを利用してもよい。また、黒ニッケルメッキなどの非反射コーティング剤や黒色樹脂などを利用してもよい。可視光領域の光を使用する場合は、拡散光吸収部材として、陽極酸化被膜(黒色つや消しアルマイト)を利用してもよい。
バタフライ形状反射器の反射面から拡散光吸収体までの距離は、広い程改善効果は高いが、実用的には0.2mm〜5mm程度とするのが好ましい。なお、反射器以外から検出器に届く光が十分減衰する距離に回転制限モータの固定側の部材がある場合は、固定側の部材に拡散光吸収部材を配置しなくてもよい。ケースの内面が検出器から十分に離れている場合は、ケースの内面を拡散光吸収部材で覆わなくてもよい。
フォトダイオードダイの表面は、アルミ蒸着などで扇形形状のヌケを設け、検出器として不要な部位を遮光することが好ましい。また、4つのフォトダイオードは、特性のバラツキを低減させるために、それぞれを1枚のウェハ内の互いに近傍した場所から取り出すことが好ましい。また、フォトダイオードの分光感度波長は、上記のLEDのピーク波長と同じであることが好ましい。
4つのフォトダイオードの実装精度を向上させる目的で、例えばA1とB1が1対になったフォトダイオードアレイを製作してもよい。また、そのフォトダイオードアレイには、後段の信号処理回路を共通化するために、P層基板を利用してもよい。さらに、A1とB1、A2とB2の2対となったフォトダイオードアレイを、LEDダイが実装される領域をくり抜き加工して使用してもよい。また、モノリシックで形成されたフォトダイオードアレイを使用し、それぞれに対応したLEDを配置してもよい。
レーザ光を走査するためのミラーなどの光学部品を駆動する回転制限されたモータに搭載される位置変換器である。
1 回転制限モータ
2 回転軸
3 拡散光吸収体
拡散光吸収部材
4 LEDダイ
5 ケース
6 プリント基板
7 バタフライ形状反射器
8 軸受け
9 コネクタ
10 ロータ
11 検出器
13,13’ 信号処理回路
20 LED
21a,21b 電流電圧変換部
22 減算器
23 加算器
24 比較器
25 積分回路
26a 電流アンプ
27 抵抗器
28a AGC回路
100,200 位置変換器

Claims (8)

  1. 回転制限モータの回転軸に取り付けられ、前記回転軸から放射状に突出する複数の反射面を有する反射器と、
    前記反射器の反射面の中央部分に対向して配置される、前記反射面の個数と同数の拡散光源と、
    前記拡散光源から見て前記反射器の背後に、前記反射器から距離を持って前記反射器を取り囲むように前記回転制限モータの固定側に設置され、前記反射面に当たらなかった前記拡散光源からの照射光を吸収する拡散光吸収部材と、
    前記拡散光源と同一の回路基板上に実装され、前記反射器により反射された像を検出する複数の検出器と、を有し、
    前記拡散光源と前記複数の検出器は、前記複数の反射面がなす角度に合わせてそれぞれ配置される、
    とを特徴とする位置変換器。
  2. 前記拡散光吸収部材は、表面処理により設けられた微細構造を有し、前記照射光を前記微細構造内で繰り返し反射させることにより吸収する、請求項1に記載の位置変換器。
  3. 前記反射器は、前記反射面として、同一平面上で前記回転軸から放射状に突出する複数の反射面を有する、請求項2に記載の位置変換器。
  4. 前記拡散光源は、前記反射面の個数と同数のLEDである、請求項3に記載の位置変換器。
  5. 前記反射器は、前記反射面として、バタフライ形状の反射面を有する、請求項3または4に記載の位置変換器。
  6. 前記複数の検出器は、それぞれが前記反射面の個数に対応する複数個を含む2組のフォトダイオードであり、前記2組のフォトダイオードは、互い違いに前記回転軸を取り囲むようにそれぞれ隣り合わせで配置される、請求項3〜5のいずれか一項に記載の位置変換器。
  7. 前記反射器は、前記反射面に金属コーティングが施されている、請求項1〜6のいずれか一項に記載の位置変換器。
  8. 前記複数の検出器は、前記反射器による像の位置が回転により移動して各検出器での受光領域が連続的に増減することに応じて、連続的に増減する信号をそれぞれ出力し、
    前記複数の検出器のそれぞれに接続され、前記受光領域の増減に対応する電圧値を出力する信号処理回路をさらに有する、請求項1〜7のいずれか一項に記載の位置変換器。
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