JPH06341859A - 光学式ｓｉｎ／ｃｏｓ関数出力ポテンショメータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡便且つ実用的な光学式ｓｉｎ／ｃｏｓ関数
出力ポテンショメータを提供する。 【構成】 光学式ｓｉｎ／ｃｏｓ関数出力ポテンショメ
ータは移動部材と、固定光源５と、固定受光素子７と、
処理回路１１とからなる。移動部材は回転軸２を中心と
して回転変位する円盤１からなり、該回転軸２から偏心
した円形スリット３を有する。固定光源５は円盤１に入
射光を照射する。受光素子７は円盤１の径方向に沿って
配置された長手形状の受光面８を備え、回転変位に伴な
って径方向に周期移動する円形スリット３からの透過光
９を受光しその位置１０に応じた検出信号を出力する。
処理回路１１は検出信号に基きｓｉｎ／ｃｏｓ関数信号
を出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光学式ｓｉｎ／ｃｏｓ関
数出力ポテンショメータに関する。より詳しくは、スリ
ットの形成された回転円盤と固定光源及び受光素子の組
み合わせからなる非接触式のポテンショメータに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来のｓｉｎ／ｃｏｓ関数出力ポテンシ
ョメータとしては接触式が知られており、回転軸に装着
された連続的に摺動可能なすべり接触子と所定の形状を
有する抵抗体とから構成されている。抵抗体はコンダク
ティブプラスチックフィルム等で構成されており、所定
の形状にトリミングしてその分圧出力が所望のｓｉｎ／
ｃｏｓ関数となる様にしている。又、非接触式のｓｉｎ
／ｃｏｓ関数出力ポテンショメータも知られており、例
えば特開平１−１１８７０６号公報に開示されている。
これによれば、一対の偏光板が互いに対向して相対回転
可能に軸着されている。一対の偏光板を介して光源と受
光素子を対置する。光源光を両偏光板に透過させ受光す
る。透過光量は両偏光板の偏光軸交差角に応じて周期的
に変化する。受光素子は透過光量を電気量に変換してｓ
ｉｎ／ｃｏｓ関数を出力する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の抵抗体を用いた
接触式ポテンショメータでは、分圧抵抗がｓｉｎ／ｃｏ
ｓ関数に従って変化する様に、抵抗体のパタン形状を作
成しなければならない。例えば分圧抵抗が１−ｃｏｓθ
（θはすべり接触子の回転角）に従って変化する為に
は、抵抗体のパタン幅をρ／（ｔ・ｓｉｎθ）となる様
に設定しなければならない。但し、ｔは抵抗体の厚みで
あり、ρは体積抵抗率である。しかしながら、数学的に
は、ρ／（ｔ・ｓｉｎθ）はθ＝０で無限大となり、現
実には理想のパタン幅は得られない。θ＝０近傍で実際
の抵抗体幅は有限であり誤差が生じる。θ＝０近傍で関
数出力精度を上げようとすると、逆にθ＝π／２近傍で
抵抗体幅が極端に細くなりやはり出力精度を上げる事が
できないという課題がある。又、接触式ポテンショメー
タでは抵抗体と接触子との間で導通コンタクトをとる
為、摺動に起因するノイズが問題となる他、摩耗等によ
り製品寿命に限界がある。一方、一対の偏光板を用いた
非接触式のポテンショメータでは、関数出力がｓｉｎ２
θとなり、一回転で２周期分の変化が生じ実際の応用面
で不具合が生じる。又、偏光板の経時的な透過光量変化
や温度依存性等も補正する必要がある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上述した従来の技術の課
題に鑑み、本発明は非接触光学式で安定且つ回転周期に
応じたｓｉｎ／ｃｏｓ関数出力が得られるポテンショメ
ータを提供する事を目的とする。かかる目的を達成する
為に以下の手段を講じた。即ち、本発明にかかる光学式
ｓｉｎ／ｃｏｓ関数出力ポテンショメータは移動部材
と、固定光源と、固定受光素子と、処理回路とから構成
されている。移動部材は所定の回転軸を中心として回転
変位する円盤からなり、該回転軸から偏心した円形スリ
ットを有する。固定受光素子は該円盤の径方向に沿って
配置された長手形状の受光面を備え、回転変位に伴なっ
て径方向に周期移動するスリットからの透過光を受光し
その位置に応じた検出信号を出力する。処理回路は該検
出信号に基きｓｉｎ／ｃｏｓ関数信号を出力する。

【０００５】好ましくは回転軸を中心として互いに９０
°離間した一対の固定受光素子を含んでおり、ｓｉｎ関
数信号とｃｏｓ関数信号の両者を同時に出力可能とす
る。又、回転軸を中心として互いに１８０°離間した一
対の固定受光素子を含んでいても良い。この場合、各固
定受光素子は一次元位置検出素子からなり、径方向に関
し差動的に変化する内側検出信号及び外側検出信号を出
力する。かかる構成において、前記処理回路は一方の固
定受光素子の内側検出信号と他方の固定受光素子の外側
検出信号とを加算してｓｉｎ／ｃｏｓ関数信号の誤差補
正を行なう手段を有する。

【０００６】

【作用】本発明によれば、回転円盤の表面に円形スリッ
トが偏心して設けられている。固定された半径に沿って
該偏心円形スリットからの透過光スポットを観測すると
回転に応じて周期的に移動する。この透過光スポットを
長手受光面で検出する事により、所望のｓｉｎ／ｃｏｓ
関数出力が得られる。簡便な構造であり、安定且つ回転
周期に応じたｓｉｎ／ｃｏｓ関数信号が得られる。

【０００７】

【実施例】以下図面を参照して本発明の好適な実施例を
詳細に説明する。図１は本発明にかかる光学式ｓｉｎ／
ｃｏｓ関数出力ポテンショメータの基本的な構成を示す
模式的な斜視図である。金属等の遮光性材料からなる円
盤１は回転軸２に固着されており回転変位可能である。
円盤１の表面には回転軸２から偏心した円形スリット３
が形成されている。円形スリット３にはその幅方向に渡
って梁部４が設けられており、円盤１の内部と周辺部を
互いに連結し一体化している。円形スリット３及び梁部
４は金属の薄板からなる円盤１をエッチング加工する事
により形成できる。なお円盤１の構造はこれに限られる
ものではなく、例えば透明ガラス板からなる円盤の表面
にマスクを介して金属等の遮光材料を真空蒸着し、偏心
円形スリットを形成しても良い。あるいは、光学樹脂材
料をモールド成形して円筒レンズ形状の突起帯を偏心円
に沿って設け他の領域を遮光材料で被覆しスリットとし
ても良い。

【０００８】円盤１の上方には例えばＬＥＤ等からなる
光源５が固定配置されている。この光源５はその表面に
固着された投光レンズ６を介して略平行な光を円盤１の
表面に照射する。一方円盤１の下方には光源５と整合し
て受光素子７が固定配置されている。その表面に設けら
れた受光面８は円盤１の径方向に沿った長手形状を有す
る。円盤１の回転変位に伴なって偏心円形スリット３か
らの透過光９は径方向に往復移動し受光面８により受光
される。受光素子７は例えばＰＳＤ等の一次元位置検出
素子からなり、一対の出力端子に検出信号Ａ，Ｂを出力
する。受光面８の径方向外側に位置する出力端子から得
られた外側検出信号Ａと同じく受光面８の径方向内側に
位置する出力端子から得られた内側検出信号Ｂとは透過
光９の受光位置１０に応じて互いに差動的に変化する。
この外側及び内側検出信号Ａ，Ｂは処理回路１１により
差分処理され、円盤１の回転周期に応じたｓｉｎ／ｃｏ
ｓ関数出力が得られる。

【０００９】図２は円盤１の回転角θと処理回路１１の
出力との関係を示すグラフである。円盤１が３６０°一
回転すると実線で示す様に丁度一周期分のｓｉｎ関数出
力が得られる。同様に点線で示す様に一周期分のｃｏｓ
関数出力を得る事も可能である。

【００１０】次に図３を参照して、図１に示した光学式
ｓｉｎ／ｃｏｓ関数出力ポテンショメータの動作を詳細
に説明する。図示の状態は円盤１が所定の基準位置Ｒ₀
から矢印で示す様に反時計方向（正方向）にθ＝９０°
回転した場合である。なお円形スリット３は回転軸の中
心Ｐから所定量だけ偏心しており、その中心はＤで表わ
されている。この時、径方向に沿った長手受光面８に対
し、スリット３からの透過光スポット１２は半径ｒ方向
最外点に位置する。従って、図２のグラフに示した様
に、回転角θ＝９０°でｓｉｎ関数の極大出力が得られ
る。又、点線で示した様に回転軸を中心として受光面８
から周方向に沿って９０°離間した位置に他の受光素子
が配置されており、その受光面８０が点線で表わされて
いる。この受光面８０は先の受光面８に対して機械角９
０°だけ遅相である。従って、図２のグラフに示した様
に、ｓｉｎ関数から電気角で９０°だけ遅相のｃｏｓ関
数出力が得られる。

【００１１】図４は、円盤１が図３に示した状態からさ
らに１８０°だけ正方向に回転した場合であり、回転角
θは２７０°である。この時偏心円形スリット３の透過
光スポット１２は長手受光面８の半径方向最内点に位置
する。従って、図２のグラフに示した様にｓｉｎ関数は
θ＝２７０°で極小出力となる。

【００１２】図５は、図１に示した光学式ｓｉｎ／ｃｏ
ｓ関数出力ポテンショメータの変形例を示す模式的な平
面図である。本例は、回転軸の中心Ｐに対して周方向に
沿って互いに１８０°離間した一対の固定受光素子７
Ｘ，７Ｙを含んでいる。一方の固定受光素子７Ｘは透過
光スポット１２Ｘの受光位置に応じて差動的に変化する
外側検出信号ＡＸ及び内側検出信号ＢＸを出力する。同
様に、他方の固定受光素子７Ｙも透過光スポット１２Ｙ
の受光位置に応じて差動的に変化する外側検出信号ＡＹ
及び内側検出信号ＢＹを出力する。かかる構成において
一対の固定受光素子７Ｘ，７Ｙに接続された処理回路
（図示せず）は、一方の固定受光素子７Ｘの内側信号Ｂ
Ｘと他方の固定受光素子７Ｙの外側検出信号ＡＹとを加
算し、一方の固定受光素子７Ｘの外側検出信号ＡＸと他
方の固定受光素子７Ｙの内側検出信号ＢＹを加算処理し
て、ｓｉｎ関数信号の誤差補正を行なう手段を有する。

【００１３】図６の幾何図を参照して上述した誤差補正
の原理を説明する。円盤１の回転中心Ｐを原点とする
と、円形スリット３の透過光スポット１２Ｘ，１２Ｙの
位置はｘ−ｙ座標系では（ｘ−δ）² ＋ｙ² ＝Ｒ² で表
わされる。但し、δは偏心量であり、Ｒは円形スリット
３の半径を示している。ここで、スリット３が回転する
のではなく受光素子７Ｘ，７Ｙが回転すると考えて、回
転角θに対する透過光スポット１２Ｘ，１２Ｙまでの距
離ｒを求めると、極座標系で以下の数式１の様に表わさ
れる。

【数１】 上記数式１中正符号は一方の透過光スポット１２Ｘに対
応しており、負記号は他方の透過光スポット１２Ｙに対
応している。次に、数式１を簡略化する為、近似展開す
ると、以下の数式２が得られる。

【数２】 ここで数式２中正符号を採用し、δがＲに比べて遥かに
小さいとすると、以下の数式３が得られる。

【数３】 上記数式３から理解される様に、受光素子の有効長手受
光面寸法を２δとなる様に設定し、その中心位置と回転
中心Ｐとの間の距離をＲに等しく設定すれば、受光素子
１２Ｘの差動出力はｃｏｓθに比例する事となる。

【００１４】円形スリット３の半径Ｒに対して偏心量δ
が十分に小さくない時、数式２の右辺第３項が無視でき
ず誤差が発生する。そこで、図５に示した様に、回転中
心Ｐに対して点対称の位置に一対の受光素子７Ｘ，７Ｙ
を配置している。この時、一方の受光素子７Ｘに対する
透過光スポット１２Ｘの位置ｒ₁ は前述した数式２に基
いて以下の数式４の様に表わされる。

【数４】 他方の受光素子７Ｙに対する透過光スポット１２Ｙの位
置ｒ₂ は同じく前述した数式２に基き以下の数式５の様
に表わされる。

【数５】 実際には、他方の受光素子１２Ｙの極性を逆転させて、
透過光スポット１２Ｙの位置を以下の数式６で表わされ
る様にする。

【数６】 これにより出力Ｖ₁ ，Ｖ₂ を得ると以下の数式７の様に
表わされる。

【数７】 両者の差動出力をとるとＶ₁ −Ｖ₂ ＝δｃｏｓθとなっ
て誤差成分を除去する事ができる。

【００１５】最後に図７を参照して、図５に示した実施
例に接続される処理回路の具体的な構成例を説明する。
ＬＥＤ等からなる一対の光源５Ｘ，５Ｙが円盤１に対向
配置されている。各光源に対面する様にＰＳＤ等からな
る一対の受光素子７Ｘ，７Ｙが固定配置されている。一
方の受光素子７Ｘの外側検出信号ＡＸと他方の受光素子
７Ｙの内側検出信号ＢＹは増幅器１１１により加算増幅
される。又一方の受光素子７Ｘの内側検出信号ＢＸと他
方の受光素子７Ｙの外側検出信号ＡＹは増幅器１１２に
より加算増幅される。両増幅結果は差動増幅器１１３に
より差分処理されｓｉｎ／ｃｏｓ関数出力が得られる。
なお、４個の検出信号ＡＸ，ＢＹ，ＢＸ，ＡＹは増幅器
１１４により所定のゲインで加算増幅され後段の自動光
量制御器（ＡＰＣ）１１５に入力される。このＡＰＣ１
１５は加算結果に基き一対の光源５Ｘ，５Ｙの発光量が
一定になる様に自動制御する。

【００１６】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、回
転軸を中心として回転変位する円盤の表面に、該回転軸
から偏心した円形スリットを設ける事により、極めて簡
便な構造で安定且つ回転周期に応じたｓｉｎ／ｃｏｓ関
数出力を得る事ができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる光学式ｓｉｎ／ｃｏｓ関数出力
ポテンショメータの基本的な構成を示す模式的な斜視図
である。

【図２】図１に示した光学式ｓｉｎ／ｃｏｓ関数出力ポ
テンショメータの回転角と出力との関係を示すグラフで
ある。

【図３】図１の実施例の動作説明図である。

【図４】同じく図１の実施例の動作説明図である。

【図５】図１に示した実施例の変形例を示す模式的な平
面図である。

【図６】本発明にかかる光学式ｓｉｎ／ｃｏｓ関数出力
ポテンショメータの原理説明図である。

【図７】本発明にかかる光学式ｓｉｎ／ｃｏｓ関数出力
ポテンショメータに組み込まれる処理回路の一例を示す
ブロック図である。

【符号の説明】

１ 円盤 ２ 回転軸 ３ 円形スリット ５ 光源 ７ 受光素子 ８ 受光面 ９ 透過光 １０ 受光位置 １１ 処理回路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転軸を中心として回転変位する円盤か
   らなり該回転軸から偏心した円形スリットを有する移動
   部材と、 該移動部材に入射光を照射する固定光源と、 該円盤の径方向に沿って配置された長手形状の受光面を
   備え回転変位に伴なって径方向に周期移動する円形スリ
   ットからの透過光を受光しその位置に応じた検出信号を
   出力する固定受光素子と、 該検出信号に基きｓｉｎ／ｃｏｓ関数信号を出力する処
   理回路とからなる光学式ｓｉｎ／ｃｏｓ関数出力ポテン
   ショメータ。
2. 【請求項２】 回転軸を中心として互いに９０°離間し
   た一対の固定受光素子を含んでおり、ｓｉｎ関数信号と
   ｃｏｓ関数信号の両者を同時に出力可能とした請求項１
   記載の光学式ｓｉｎ／ｃｏｓ関数出力ポテンショメー
   タ。
3. 【請求項３】 回転軸を中心として互いに１８０°離間
   した一対の固定受光素子を含んでおり、 各固定受光素子は径方向に関し差動的に変化する内側検
   出信号及び外側検出信号を出力し、 前記処理回路は一方の固定受光素子の内側検出信号と他
   方の固定受光素子の外側検出信号とを加算してｓｉｎ／
   ｃｏｓ関数信号の誤差補正を行なう手段を有する請求項
   １記載の光学式ｓｉｎ／ｃｏｓ関数出力ポテンショメー
   タ。