JP5595550B2 - 位置変換器 - Google Patents

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束となるよう反射し、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３ｄ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３ｄ（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３ｄにより吸収する。

図２は、拡散光吸収部材３ｄの表面の拡大図である。拡散光吸収部材３ｄ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３ｄ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３ｄ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。

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。

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。

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
３ｄ 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、
   こ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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