JPH04343008A - 回転角検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、回転軸に取着された回
転板を挟んで対向する投光素子及び受光素子を備え、そ
の受光素子からの受光信号に基づいて回転板の回転角を
検出する回転角検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の回転角検出装置の一例を図９及
び図１０を参照して説明する。即ち、回転板の平面図を
示す図９において、回転軸１にはガラス或はプラスチッ
クを主体として成る回転板２が取着されており、その回
転板２の表面には不透明層３が形成されている。この場
合、不透明層３の一部は渦巻状に除去されてスリット４
が形成されている。このスリット４は、回転軸１の中心
からこのスリット４までの距離をｒ、基準角度（０°）
から反時計回りの角度をθとした場合、ｒ＝ａ・θ＋ｂ
（ａ，ｂはスリットパターン４の形状によって決まる定
数）となるようにその形状が設定されている。

【０００３】そして、スリット４を挟んで対向するよう
に投光素子（図示せず）及び受光素子５が配設されてい
る。この受光素子５は回転軸１の径方向に沿った方向に
検出方向を有するＰＳＤ（ポジション・センシング・デ
ィテクタ）から成り、これは、受光位置に応じた受光信
号を出力する。

【０００４】このような構成によれば、スリット４にお
いて投光素子及び受光素子５間の検出範囲に位置する部
位は、回転板２の回転に応じてこの回転板２の径方向に
沿って移動するので、それに伴って受光素子５が受ける
投光素子からの光の受光位置が移動する。従って、受光
素子５からは回転板２の回転角に比例した信号レベルの
受光信号（図１０に二点鎖線で示す）が出力されるので
、その受光信号に基づいて回転板２の回転角を検出する
ことができる。

【０００５】また、図１１は他の従来例を示しており、
回転軸６に回転板７が取着されている。ここで、回転板
７の外周縁部は渦巻状に形成されており、回転板７の回
転中心から外周縁部までの寸法をｒ、基準角度（０°）
からの角度をθとした場合、ｒ＝ａ・θ＋ｂの関係式を
満足するように回転板７の形状が設定されている。

【０００６】そして、回転板７の外周縁部を挟んで対向
するように投光素子（図示せず）及び受光素子８が配設
されている。この場合、受光素子８はフォトダイオード
或はフォトトランジスタ等から成り、これは、投光素子
からの光を受けてその受光量に応じた受光信号を出力す
る。

【０００７】このような構成によれば、回転板７の外周
縁部において投光素子及び受光素子８間に位置する部位
は、回転板７の回転に応じてこの回転板７の径方向に沿
って移動するので、それに伴って受光素子８が受ける投
光素子からの光の受光量が変化する。従って、受光素子
８からは回転板２の回転角に比例した信号レベルの受光
信号（図１０に二点鎖線で示す）が出力されるので、そ
の受光信号に基づいて回転板７の回転角を検出すること
ができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来各例の場合、回転板２におけるスリット４の終端部（
角度３６０°に対応する部位）若しくは回転板７の外周
縁部の終端部（角度３６０°に対応する部位）が投光素
子及び受光素子間の検出範囲に位置したときは、そのタ
イミングでスリット４の始端部（角度０°に対応する部
位）若しくは回転板７の外周縁部の始端部（角度０°に
対応する部位）が検出範囲に同時に位置するので、受光
素子５，８から出力される受光信号は、実際には図１０
に示すように回転角が０度（３６０度）付近で所定の範
囲の角度にわたって立下がっている。このため、回転板
２，７が０°から３６０°まで１回転する間に、２つの
角度で受光信号の信号レベルが同一レベルとなるので、
受光信号の信号レベルに基づいて回転板２，７の回転角
を検出できないという欠点がある。

【０００９】また、受光素子５，８からの受信信号の信
号レベルは回転板２，７の回転角と比例関係となってい
ることが検出条件であるので、回転板２，７が回転軸１
，６に対して偏心して取着されている場合、ｒ＝ａ・θ
＋ｂという関係を満足しなくなって、受光素子５，８か
ら出力される受光信号の信号レベルが回転板２，７の回
転角と比例しなくなるので、受光信号に基づく回転板２
，７の回転角の検出が不正確となる。

【００１０】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
、その目的は、回転板の回転に応じて受光素子から出力
される受光信号に基づいてその回転板の回転角を検出す
るものにおいて、回転板の回転角を全角度にわたって正
確に検出することができると共に、回転板が回転軸から
偏心している場合であっても回転角の検出ができる回転
角検出装置を提供するにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】回転軸に取着された回転
板にその回転軸に対して偏心して環状スリットを設け、
この環状スリットに対向した状態で前記回転板の回転方
向に沿って互いに所定角度だけ離間して第１及び第２の
投光素子を設け、これらの投光素子と前記回転板を挟ん
で対向して前記環状スリットを介した受光位置に応じた
受光信号を出力する第１及び第２の受光素子を設け、前
記各受光素子から出力される受光信号に基づいて前記回
転板の回転角を求める演算器を設けたものである。

【００１２】また、回転軸と偏心して回転板を取着し、
この回転板の外周縁部と対向した状態で前記回転板の回
転方向に沿って互いに所定角度だけ離間して第１及び第
２の投光素子を設け、これらの投光素子と前記回転板を
挟んで対向して前記回転板の外周部を介した受光量に応
じた受光信号を出力する第１及び第２の受光素子を設け
、前記各受光素子から出力される受光信号に基づいて前
記回転板の回転角を求める演算器を設けるようにしても
よい。

【００１３】

【作用】請求項１記載の回転角検出装置の場合、回転板
に設けられた環状スリットは回転軸に対して偏心して設
けられているので、回転板が回転すると、投光素子から
投光されて環状スリットを通過して受光素子に到達する
光の位置は回転板の回転角に応じて径方向に移動する。 このとき、回転板が１回転する間に、投光素子から受光
素子への投光位置は回転板の径方向に沿って１往復する
ので、それに応じて第１，第２の受光素子からは回転板
の回転角に応じた１周期分の正弦波状の受光信号が出力
される。ここで、各受光素子は回転板の回転方向に沿っ
て所定角度だけ離間して設けられているので、各受光素
子から出力される受光信号の位相は所定角度だけずれて
いる。従って、各受光信号を組合わせることにより回転
板の回転角を一義的に決定することができるので、演算
器は、各受光素子の受光状態に基づいて回転板の回転角
を全角度にわたって検出することができる。

【００１４】また、請求項２記載の回転角検出装置の場
合、回転板は回転軸に対して偏心して設けられているの
で、回転板が回転すると、投光素子から投光されて回転
板の外周縁部に遮られて受光素子に到達する光の範囲は
回転板の回転に応じて径方向に移動する。このとき、回
転板が１回転する間に、回転板による遮光範囲は回転板
の径方向に沿って１往復するので、それに応じて第１，
第２の受光素子からは回転板の回転角に応じた１周期分
の正弦波状の受光信号が出力される。ここで、各受光素
子は回転板の回転方向に沿って所定角度だけ離間して設
けられているので、各受光素子から出力される受光信号
の位相は所定角度だけずれている。従って、各受光信号
を組合わせることにより回転板の回転角を一義的に決定
することができるので、演算器は、各受光素子の受光状
態に基づいて回転板の回転角を求めることができる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の第１実施例を図１乃至図４を
参照して説明する。即ち、装置の縦断側面を示す図２に
おいて、回転軸１１はケース１２に枢支されており、こ
れは、図示しない検出対象の回転に応じて回転するよう
になっている。この回転軸１１には円盤状の回転板１３
が固定されている。この回転板１３はガラス或はプラス
チック等の透明部材を主体として成り、その表面にはク
ロム等の金属膜が蒸着されて不透明層１４が形成されて
いる。ここで、不透明層１４の一部はエッチング処理に
より環状に除去されており、これにより環状スリット１
５（図１参照）が回転軸１１の中心から若干偏心して形
成されている。

【００１６】回転板１３を挟んで第１の投光素子１６及
び第１の受光素子１７、並びに第２の投光素子１８及び
受光素子１９が夫々対向して配設されている。ここで、
第１，第２の投光素子１６，１８はＬＥＤから成る。ま
た、第１，第２の受光素子１７，１９は回転板１３の径
方向に沿った方向に検出方向を有するＰＳＤ（ポジショ
ン・センシング・ディテクタ）から成り、これらは、そ
の受光位置に応じた受光信号を出力する。尚、受光素子
としては、１次元のイメージセンサ或はＣｄＳ，ＣｄＳ
ｅから成る所謂フォテンショマチックを利用するように
してもよい。また、必要に応じて素子の前面にレンズを
設けるようにしてもよい。

【００１７】さて、上記第１，第２の投光素子１６，１
８及び第１，第２の受光素子１７，１９は回転板１３の
回転方向に沿って９０°だけ離間して配設されている。

【００１８】要部の電気回路をブロック図で示す図３に
おいて、第１，第２の受光素子１７，１９の出力端子は
夫々増幅器２０，２１と接続されており、各受光素子１
７，１９からの受光信号Ｓ１　，Ｓ２　は増幅器２０，
２１により増幅或は適当な処理が施されて電気信号Ｖ１
　，Ｖ２　として演算器２２に出力される。演算器２２
は、各増幅器２０，２１からの電気信号Ｖ１　，Ｖ２　
から回転角θを演算する。

【００１９】次に上記構成の作用を説明する。検出対象
が回転すると、それに応じて回転軸１１及び回転板１３
ひいては環状スリット１５が回転する。このとき、環状
スリット１５は回転軸１１に対して偏心して形成されて
いるので、環状スリット１５において夫々の投光素子及
び受光素子間の検出範囲に位置する部位は回転板１３の
径方向に沿って変動する。この場合、環状スリット１５
の回転軸１１に対する偏心量が小さい場合には、回転軸
１１の中心から環状スリット１５までの距離をｒ、基準
角度（０°）からの角度をθとすると、ｒ＝ａ・ｓｉｎ
θ＋ｂ（ａ，ｂは環状スリット１５の形状に応じて決ま
る定数）の関係となるので、環状スリット１５を介して
受光素子１７（１９）が受光する投光素子１６（１８）
からの光の位置は、上記関係式を満たしながら移動する
。従って、第１の受光素子１７から出力される受光信号
Ｓ１　は、Ｓ１　＝Ａ１・ｓｉｎθ＋Ｂ１（Ａ１，Ｂ１
は定数）で表すことができる。一方、第２の受光素子１
９は、第１の受光素子１７から回転板１３の回転方向に
９０度だけずれて配設されているので、第２の受光素子
１９からの電気信号をＳ２　とすると、Ｓ２　＝Ａ２　
・ｃｏｓθ＋Ｂ２　（Ａ２　，Ｂ２は定数）で表すこと
ができる。

【００２０】ここで、回転角θに対する受光信号Ｓ１　
，Ｓ２　の関係を図４に示す。この図４から分るように
、回転板１３が０°から３６０°まで１回転で回転する
間に２つ角度で電気信号Ｓ１　の信号レベルが同一レベ
ルとなるものの、その回転角における電気信号Ｓ２　の
信号レベルは互いに異なっているので、電気信号Ｓ１　
，Ｓ２　に基づいて回転角θを０度から３６０度まで一
義的に決定することができる。

【００２１】さて、各増幅器２０，２１は上述のような
関係でもって出力される電気信号Ｓ１　，Ｓ２　を夫々
増幅すると共にその増幅信号に所定の処理を施して出力
する。即ち、増幅器２０，２１は、電気信号Ｓ１　，Ｓ
２を表す関係式の定数Ａ１　，Ａ２　をＶに変換すると
共に、Ｂ１　，Ｂ２　を０に設定して出力する。従って
、増幅器２０からはＶ１　＝Ｖｓｉｎθで示される電気
信号が出力されると共に、増幅器２１からはＶ２＝Ｖｓ
ｉｎθで示される電気信号が出力される。

【００２２】そして、演算器２２は、各増幅器２０，２
１からの電気信号Ｖ１，Ｖ２　に基づいて回転板１３の
回転角θを検出する。即ち、演算器２２は、θ＝ｔａｎ
−１（Ｖ１　／Ｖ２　）の演算を行うようになっており
、斯様な演算により回転角θを求めることができる。

【００２３】図５及び図６は本発明の第２実施例を示し
ており、第１実施例と同一部分には同一符号を付して説
明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。即ち、
第１乃至第４の受光素子２３乃至２６は回転板１３の回
転方向に９０°ずつずれた位置に配設されている。そし
て、回転板１３を挟んで各受光素子２３乃至２６に対向
するように投光素子（図示せず）が配設されている。従
って、回転板１３の回転に応じて環状スリット１５を介
して受光素子２３乃至２６が受光する各投光素子からの
光の受光位置が移動するので、各受光素子からは受光信
号Ｓ１　，Ｓ２　，Ｓ３　，Ｓ４　が出力される。この
場合、第１の受光素子２３が出力する受光信号Ｓ１　を
Ｓ１　＝Ａ１　・ｓｉｎθ＋Ｂ１　（Ａ１　，Ｂ１　は
環状スリット１５の形状で決定される定数）で表すと、
第３の受光素子２５は第１の受光素子２３と１８０度ず
れているので、第３の受光素子２５から出力される受光
信号Ｓ３　をＳ３　＝−Ａ３・ｓｉｎθ＋Ｂ２　で表す
ことができる。また、第２の受光素子２４からの受光信
号Ｓ２　は上記第１実施例からＳ３　＝Ａ３　・ｃｏｓ
θ＋Ｂ３　で表すことができると共に、第４の受光素子
２６からの受光信号Ｓ４　をＳ４　＝−Ａ４　・ｃｏｓ
θ＋Ｂ４で表すことができる。

【００２４】電気回路図を示す図６において第１乃至第
４の受光素子２３乃至２６は各増幅器２７乃至３０と夫
々接続されている。そして、各増幅器２７，２８は引算
器３１と接続され、各増幅器２９，３０は引算器３２と
接続されている。ここで、増幅器２７乃至３０は、各受
光素子２３乃至２６から入力した受光信号Ｓｎ（ｎは１
乃至４）をＡ１　乃至Ａ４　がＶに且つＢ１　乃至Ｂ４
　がＵとなるように増幅するように設定されており、こ
れにより増幅器２７からはＶ１　＝Ｖ・ｓｉｎθ＋Ｕで
示される電気信号Ｖ１　が出力され、増幅器２８からは
Ｖ２　＝−Ｖ・ｓｉｎθ＋Ｕで示される電気信号Ｖ２　
が出力され、増幅器２９からはＶ３　＝Ｖ・ｃｏｓθ＋
Ｕで示される電気信号Ｖ３　が出力され、増幅器３０か
らはＶ４　＝−Ｖｃｏｓθ＋Ｕで示される電気信号Ｖ４
　が出力される。そして、引算器３１はＶ１２＝Ｖ１　
−Ｖ２　を演算しており、その演算によりＶ１２＝２・
Ｖ・ｓｉｎθで示される電気信号Ｖ１２を出力する。ま
た、引算器３２はＶ３４＝Ｖ３　−Ｖ４　を演算してＶ
３４＝２・Ｖ・ｃｏｓθで示される電気信号Ｖ３４を出
力する。

【００２５】そして、演算器３３は、各演算器３１，３
２から出力されたＶ１２，Ｖ３４に基づいて回転角θを
求める。即ち、θ＝ｔａｎ−１（ｓｉｎθ／ｃｏｓθ）
であるから、θ＝ｔａｎ−１（Ｖ１２／Ｖ３４）に基づ
いて回転角θを求めることができる。

【００２６】要するに、上記第１及び第２実施例の場合
、回転板１３に回転軸１１と偏心した環状スリット１５
を形成すると共に、その環状スリット１５の位置を複数
の受光素子で検出することにより、回転板１３の回転に
応じて各受光素子から互いに所定角度位相がずれた正弦
波形の受光信号を出力するようにしたので、その受光信
号に基づいて回転板の１３の回転角を確実に検出するこ
とができる。従って、回転板に形成された不連続なスリ
ットの位置に基づいて回転板の回転角を検出する従来例
と違って、回転板１３の回転角を確実に検出することが
できる。

【００２７】また、回転板１３が回転軸１１に対して少
々偏心して取着されていた場合であっても、ｒ＝ａ・ｓ
ｉｎθ＋ｂの関係を満足することができるので、受光素
子からの受光信号の信号レベルと回転板の回転角とが比
例関係となっている従来例と違って、回転板１３の回転
軸１１に対して所定位置から偏心して取着されているの
にかかわらず受光素子からの受光信号に基づいて回転板
１３の回転角を検出することができる。

【００２８】図７は本発明の第３実施例を示している。 即ち、回転軸３４には不透明な円板状の回転板３５が回
転軸３４の中心から僅かに偏心して取着されている。そ
して、第１，第２の受光素子３６，３７は回転板３４の
外周縁部に対応すると共に回転板３５の回転方向に沿っ
て９０°ずれた位置に配設されている。そして、回転板
３４を挟んで対向するように投光素子（図示せず）が配
設されている。この場合、受光素子３６，３７はフォト
ダイオード或はフォトトランジスタから成り、これらは
受光量に応じた受光信号を出力する。尚、第１，第２の
受光素子３６，３７からの受光信号を処理する信号処理
回路は図３と同一である。

【００２９】この第３実施例の場合、回転板３５は回転
軸３４に対して偏心して設けられているので、回転板３
５が回転すると、回転板３５において投光素子及び受光
素子間に位置する部位は回転板３５の径方向に沿って移
動する。このとき、回転板３５の回転軸３４に対する偏
心量が十分に小さい場合は、回転軸３４の中心から回転
板３５の外周縁部までの寸法をｒ、基準角度（０°）か
らの角度をθとすると、ｒ＝ａ・ｓｉｎθ＋ｂ（ａ，ｂ
は回転板３５の形状によって決まる定数）で表すことが
できる。従って、回転板３５の回転により、回転板３５
の外周縁部において投光素子及び受光素子間の検出範囲
に位置する部位が回転板３５の径方向に移動したときは
、第１の受光素子３６はｒ＝ａ・ｓｉｎθ＋ｂで表され
る関係でもって回転板３５により遮光されるので、第１
の受光素子３６から出力される第１の受光信号Ｓ１　は
Ｓ１　＝Ａ　１　・ｓｉｎθ＋Ｂ１　で表される正弦波
形となる。また、第２の受光素子３７は第１の受光素子
３６と回転板の回転方向に９０°ずれているので、第２
の受光信号Ｓ２　は第１の受光信号Ｓ１　と位相が所定
角度ずれた正弦波形となる。従って、第１，第２の受光
信号Ｓ１　，Ｓ２　は図４で示されるように変化するの
で、第１実施例と同様に、演算器２２により増幅器２０
，２１から出力された各増幅信号Ｖ１　，Ｖ２　に基づ
いて回転板３５の回転角を求めることができる。

【００３０】図８は本発明の第４実施例を示している。 即ち、回転板３５の外周縁部に対応して第１乃至第４の
受光素子３８乃至４１が配設されている。そして、これ
らの受光素子３８乃至４１と回転板３５を挟んで対向す
るように投光素子（図示ぜす）が配設されている。尚、
第１乃至第４の受光素子３８乃至４１からの受光信号を
処理する信号処理回路は図６と同一である。

【００３１】このような構成によれば、各受光素子３８
乃至４１から出力される受光信号Ｓ１　乃至Ｓ４　は正
弦波を描くと共に位相が互いに９０°ずつずれているの
で、図６に示す電気回路を利用することにより回転板３
５の回転角を検出することができる。

【００３２】要するに、上記第３，第４実施例のものに
よれば、回転板３５を回転軸３４に対して偏心して設け
ると共に、その回転板３５の外周縁部の位置を複数の受
光素子で検出することにより、受光素子から互いに所定
角度位相がずれた正弦波形の受光信号を出力するように
したので、第１及び第２実施例と同様に、受光信号に基
づいて回転板３５の回転角を確実に検出することができ
ると共に、回転板３５が回転軸３４に対して偏心して取
着されている場合であっても、受光素子からの受光信号
に基づいて回転板３５の回転角を検出することができる
。

【００３３】尚、上記実施例では、受光素子を回転板の
回転方向に沿って９０°ずつずらして設けたが、その角
度は９０°に限定されることはない。

【００３４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、請求項
１記載の回転角検出装置によれば、回転板にこれの回転
軸に対して偏心して環状スリットを設けると共に、回転
板の回転方向に沿って第１及び第２の投光素子及び受光
素子を回転板の回転方向に沿って互いに所定角度だけ離
間して設け、それらの受光素子からの受光信号に基づい
て回転板の回転角を演算器により求めるようにしたので
、回転板の回転に応じて受光素子から出力される受光信
号に基づいてその回転板の回転角を検出するものにおい
て、回転板の回転角を全角度にわたって正確に検出する
ことができると共に、回転板が回転軸から偏心している
場合であっても回転角の検出ができるという優れた効果
を奏する。

【００３５】また、請求項２記載の回転角検出装置によ
れば、回転板を回転軸に対して偏心して取着すると共に
、回転板の回転方向に沿って第１及び第２の投光素子及
び受光素子を回転板の回転方向に沿って所定角度だけ離
間して設け、それらの受光素子の受光信号に基づいて回
転板の回転角を演算器により求めるようにしたので、請
求項１記載の回転角検出装置と同様の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す回転板の平面図

【図
２】要部の縦断側面図

【図３】概略的に示す電気回路図

【図４】受光信号の特性図

【図５】本発明の第２実施例を示す図１相当図

【図６】
図３相当図

【図７】本発明の第３実施例を示す図１相当図

【図８】
本発明の第４実施例を示す図１相当図

【図９】従来例を
示す図１相当図

【図１０】受光信号の特性図

【図１１】他の従来例を示す図１相当図

【符号の説明】

１１は回転軸、１３は回転板、１５は環状スリット、１
６は第１の投光素子、１７は第１の受光素子、１８は第
２の投光素子、１９は第２の受光素子、２２は演算器、
２３乃至２６は受光素子、３３は演算器、３５は回転板
、３６乃至４１は受光素子である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　回転軸に取着された回転板にその回転
   軸に対して偏心して設けられた環状スリットと、この環
   状スリットに対向した状態で前記回転板の回転方向に沿
   って互いに所定角度だけ離間して設けられた第１及び第
   ２の投光素子と、これらの投光素子と前記回転板を挟ん
   で対向して設けられ前記環状スリットを介した受光位置
   に応じた受光信号を出力する第１及び第２の受光素子と
   、前記各受光素子から出力される受光信号に基づいて前
   記回転板の回転角を求める演算器とを備えたことを特徴
   とする回転角検出装置。
2. 【請求項２】　　回転軸に対して偏心して取着された回
   転板と、この回転板の外周縁部と対向した状態で前記回
   転板の回転方向に沿って互いに所定角度だけ離間して設
   けられた第１及び第２の投光素子と、これらの投光素子
   と前記回転板を挟んで対向して設けられ前記回転板の外
   周部を介した受光量に応じた受光信号を出力する第１及
   び第２の受光素子と、前記各受光素子から出力される受
   光信号に基づいて前記回転板の回転角を求める演算器と
   を備えたことを特徴とする回転角検出装置。