JPS6047917A - 回転角度検出装置 - 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】 〔発明の属する技術分野〕 この発明は、回転体の回転角度、回転方向１回転位置１
回転数などを検出する装置に関する。

〔従来技術とその問題点〕

回転体の回転角度２回転位置及び回転数（以下回転角度
と総称）を計測する装置として、ロータリーエンコーダ
、回転パルス発生器などが知られている。ロータリーエ
ンコーダは、アナログ量である回転量をデジタル量に変
換するもので、回転体から与えられた回転量に比例した
パルス信号を発生するようになりており、鋼板などの連
続切断ラインの長さの測定、ロボットの腕や胴体の移動
距離の検出、角度測定によるマシニングセンタのツール
選択、自動車の走行速度やエンジン回転数の検出、テー
プレコーダ、ファクシミリ、プリンタなどに使用される
直流電動機の位置制御などに用いられている。回転パル
ス発生器は、原理的にはロータリーエンコーダと同じで
、特に低速の回転体の回転速度の検出に適している。

第１図に、この種の回転角度検出装置の原理図を示す。

４は電動機で５回転角度が検出される対象である。電動
機４の軸５には、回転板３が連結されている。第２図は
回転板３の上面図で、光が通過できる光透過部１６　、
２６二つの円周上に等間隔に設けられ、これ以外の部分
は光を遮るようになっている。回転板３をはさんで発光
ダイオード１１゜２１と、この光を受光できるホトダイ
オードなどの受光素子１２　、２２がそれぞれ軸５を中
心軸とし、透過部１６または２６の存在する円周と同一
半径の想定円筒上でしかも同一半径面上に位置している
。しかし発光素子１１．受光素子１２と発光素子２１．
受光素子ｎとがそれぞれ異なる半径面上に位置し、透過
部は両発光素子１１　、２１の何れの光も透過できる大
きさを有していてもよい。

このような構成において、回転板３が矢印方向Ａに回転
すると、光透過部１６からの光が断続的に受光素子１２
に到達し、第３図ｔａｒ　Ｋ示すような近似的な正弦波
の出力電流１７が得られる。これは、図示しないシュミ
ット回路などで波形整形することにより、第３図［ｂｌ
に示すパルス波形列１８とちれる。

同様に光透過部２６からの光も断続的に受光素子部に到
達し、その出力電流から第３図（ｂｉに示すパルス波形
列Ｚが得られる。この両者の波形はη−）０位相がずれ
るように受光素子または光透過部が構成されている。す
なわち両組の受光累子筐たは両組の受光素子に対応する
光透過部は円周方向の幅の一部が半径方向に重なり合う
がその中心角のずれは一つの組に属する隣接受光素子ま
たは発光素子の中心角の４程度であるように配置されて
いる。

この両波系列を用いて回転数、回転角度、回転方向の検
出を行うのに第４図に示す検出回路な用いる。微分回路
４１は信号１８の立ち上がりをとるためのもので、第３
図（ｂｌの波形で信号部が１のとき信号１８の立ち上が
りが生ずると、ＡＮＤ回路４２を経て端子４３に出力信
号を生じ回転板３がＡ方向に回転していることを示す。

微分回路４４はＮＯＴ回路４５を介することにより信号
１８の立ち下がりを゛とるためのもので、信号列が１の
とき信号１８の文ち下がりが生ずると、ＡＮＤ回路４６
を経て端子４８に出力信号を生じ回転板３が入方向と逆
に回転していることを示す。両ＡＮＤ回路４２　、４６
に接続されたＯＲ回路４７からは何れの回転においても
回転パルスを端子４９に生ずる。

いま、回転板３に設けられている光透過部１６または漢
の数をＮｏ個、回転を始めてからの電動機４の回転数を
ｍ（正の整数）回、この間に端子４９から出力されるパ
ルス数をＮ個とすると、（１）式が成り旦つ。

Ｎ／Ｎｏ＝ｍ−１−（Ｎ−ｍＮｏ）／Ｎｏ　・−−１１
］（１）式中の（’Ｎ　−ｒｎＮｏ　）　／Ｎｏを３６
０倍した値は、電動機４０回転数を数える静止部側基準
点からの電動機４側基準点のずれ角度を示している。し
たがって、ずれ角度測定精度は３６０ハ０で与えられ、
この精度をあげるには、ＮＯを大きくする必要がある。

しかし、一般に受光素子１．２　、２２として使用され
るホトダイオードや太陽電池などの感度は、１００ルツ
クス下で約１０〜２０μＡ／ｄの出力電流密度が得られ
るに過ぎない。一方、出力電流は１μＡ程度以上ないと
、必要とてれる表示、制御などを低摩かつ容易に行うこ
とができないので、光透過部６の大きさには実用しやす
さでの下限が存在することになる。実用性を考慮し、一
般的に入手可能なものを受光素子２に用いるとして試算
してみると、１μＡ程度の出力電流を得るためには３　
ｒｍ　ｘ　３　ｍの面積の光透過部１６　、２６が必要
で、回転板３の直径が４０票の場合、光透過部１６，２
ｆ３の数はそれぞれ１５個程度となり、角度検出精度は
潤度となる。１μ八へ度以上の出力電流があれば、便宜
上これを１０　ｋΩ程度の電気抵抗における１０ｍＶの
電圧降下に変え。

さらに汎用増幅器により１００倍程度増幅して以後の処
理に用いるのが普通である。しかし、たとえば現存の１
回転当たり６０００パルスを出力できる回転板３では、
光検出部の出力電流は１μＡの１／４００（：１５／６
０００　）となるはずであるので、更に４００倍の増幅
が必要であり、電子回路の安定性確保と増幅器の費用面
で問題があった。

また、軸５が回転板３の中心からずれて取りつけられた
場合は、光透過部１６　、２６を通過する光量にかたよ
りが発生し、例えば第３図ｒａ＋の出力電流１７に回転
板３０１回転を周期とする脈動が生じる。

このことは、シュミット回路によりパルス波形列１８　
、２８を作るときの波形精度をおとす原因となり。

検出精度に影響を与えるので問題となる。

回転板３は、金属薄板に光透過部１６　、２６かエンチ
ング法によりスリットとして穿孔するか、または透明ガ
ラス板に光透過部１６　、２６が残るように不透明部分
を印刷して得られる。したがって、加工法によって差は
あるものの、各光透過部１６　、２６については、その
形状、寸法及び位置のバラツキは避けられない。このた
め、出力電流１７０波形ひいてはパルス波形列１８　、
２８の中の個々のパルス波形が変動し、検出精度に影響
を与える問題があった。

〔発明の目的〕

この発明は、検出精度向上のため光透過部の数を増して
も、出力電流を特に大きく増幅したり、壜幅率をあげる
ことにより複雑化する電子回路の安定性確保のために特
殊の回路方式を用いたりする必要がなく、また回転板と
光検出板との相対的位置ずれや光透過部の形状１寸法、
位置的バラツキなどによって測定精度が左右されないよ
うな回転角度検出装置を提供することを目的とする。

〔発明の要点〕

この発明は、光透過部からの透過光を受けるため、隣接
する光透過部のなす回転板の中心に対する中心角と等し
いかもしくはその整数分の−の中心角を回転板の軸の中
心に対してなして隣接する光検出部を、２列にそれぞれ
並列接続して光検出板の回転板側に配設し、更に２個以
上の光透過部を同時照射する光源を回転板の反光検出板
側に設け、光透過部の同時照射数と光検出部の全数の少
なくとも一方がその配設される前記各版上全周にわたっ
て存在するようにすることにより、回転方向の検出にも
利用できる２組の並列接続された光検出部から得られる
位相のずれた出力電流が、常に回転板と光検出板との取
付位置ずれや光透過部螢光検出部の形状２寸法１位置な
ど各種の製作精度のバラツキを平均化し小さく反映する
ものとして。

しかも特別な増幅を行う必要のない程度に大きく。

出力Ｂれるようにしたものである。光検出部は薄膜シリ
コン太陽電池として形成されることが有効である。

〔発明の実施例〕

第５図は、本発明の実施例の、一部を断面として示した
側面図である。電動機４は、回転角度が検出される対象
で、細５には回転板３が連結されている。回転板３の下
方には１回転板３の光透過部６からの透過光を受けるた
めの光検出部１３　、２３を回転板３の側に向けて形成
した光検出板７が配置烙れている。光源ＩＯは１発光ダ
イオードなどの発光素子１１１反射鏡８、光拡散板９な
どを用いて構成きれている。第６図は第４図のＢ−Ｂ線
に沿りた断面図で１発光素子１１、光拡散板９などの配
置状態を示すだめのものである。発光素子１２の数。

反射鏡８の形状などは、公知技術を用いることによ・す
、回転板３の上面が一様に照射できるように構成ちれて
いる。光拡散板９はこのときの照射光の一様性を助長す
るための効果がある。

第７図は回転板３、第８図は光検出板７をそれぞれ上か
ら見た平面図である。回転板３の光透過部６と光検出板
７の外側の光検出部１３および内側の光検出部Ｚは、互
いに同数が軸５を中心軸とするＭ定円周と回転板３およ
び光検出板７とがそれぞれ交わってなす円の周上にそれ
ぞれ等間隔で半径方向に横切るように全周にわたって設
けられる。

光検出部１３および乙は互いに分離した状態でそれぞれ
同心円上に円周方向にずらして形成する。従って回転板
３が矢印Ａの方向に回転すると、光透過部６な通過した
光は検出部＆を照射しメ始めズから後検出部１３を照射
しはじめ、検出部乙を照芽し終えた後検出部１３を照射
し終り、次いで次の検出部おを照射しはじめて同じ経過
をくり返す。

回転板３に対する光透過部６の形成は、既に知られてい
る方法、たとえば金属薄板にエツチング法によりスリッ
トとして穿孔するか、透明ガラス板に光透過部６が残る
よう不透明部分を印刷する方法などによって行われる。

第９図は光検出部１３．２３の断面図で、その形成は次
のように行われる。咬ず、ステンレス鋼などの導電性基
板７のうえに、アモルファスシリコン層３０として、約
５００　Ｘ厚さのｐ形層３１、約０．５μｍ厚さのノン
ドープ層３２及び約１００人厚さのｎ形層３３がつぎつ
ぎにグロー放電によって、−面に積層される。更に、そ
の上に透明電、極３４が回転板３の光透過部６と同一中
心角でリング状に同数形成される。透明電極３４ば、イ
ンジウム錫隈化膜を真空蒸着法で形成後、ホトエゾチン
グ技術により所要パターンを現出させて得られる。透明
電極３４の働きは、この部分に入射した光にだけ電気出
力を与えるためのもので、これの蒸着でれていない個所
からは、アモルファスシリコン層Ｉがあっても集電上の
電気抵抗が大きいため有効な出力は取り出し得ないので
ある。分離形成された複数の透明電極あは、第８図に示
すように、その一部に金属電極１４　、２４を重ねて蒸
着することにより相互間が電気的に並列接続され、出力
電極１５　、２５へも接続される。端子ｎは出力のため
のいま一方の端子である。

このように光透過部６と光検出部１３　、２３を形成す
ると、回転板３０回転につれ、光透過部６は光検出部１
３−１．たはｎの１ピツチごとに常にその全数が同時に
光検出部１３または乙に正対向し、光検出部１３または
乙から光起電力を発生させることになる。正対向からの
ずれに応じて光起電力は減少していき、光検出部１３ま
たは乙の１ピツチで１周期の光起電力となる。

この実施例が従来と異なる点は、光検出板７上の光検出
部１３　、２３を、すべての光検出部１３またはるが常
に同時に光透過部６を透過する光源１０からの光を受け
ることができるように形成し、しかもこれらを互いに並
列接続しているので、出力電流は常にこれらの合計とな
る点である。したがって、各光透過部６の光透過面積が
測定精度向上の目的で小さくなっても、光検出部１３ま
たはｎ全体でたとえば０１□′以上の面積を確保してい
れば、出力電流７が減少することはない。すなわち、こ
の発明によると、出力電流を特別に大きく増幅する必要
がなくなり、安価な電子回路を使用して回転角度検出精
度をあげることができ、産業上得られる効果は非常に大
きい。

出力電極１５および部と端子ｎとの間に得られる出力電
流から第３図（ｂｌ　Ｋ示すようなパルス波形列１８．
２８が形成でき、第４図に示す検出回路を用いて回転角
度、回転方向、回転数を検出することができる。パルス
波形１８　、２８の位相のずれは９０°になるように検
出部１３　、２３を円周方向にずらす。位相のずれは９
０°に固定されるものではないが４５°−１３５°の範
囲にあるのが望ましい。

発明者は、幅５０μｍ、長さ５ｍのスリット状光透過部
を８００個設けた直径４０調の回転板を作成し、光検出
板はアモルファスシリコン層を一面に形成し１幅間μｍ
、長さ１．５１の透明電極を二つのリング状に各８（）
０程合周にわたって第８図のように設けた。この２周の
リング状パターンを形成する各透明電極がリング中心か
らみて０．１１’ずれるように形成した。この回転板と
光検出板とを約１ｍの間隔を隔てて平行に対向させた装
置を使作し、それぞれの出力端子１５．２５に抵抗５２
と演算増幅器５３とを組合せ光検出部５１の出力電流を
測定し、θμＡビークを得た。また、１０個の試作品に
ついての出力電流波形は、周期がほぼ一定で、脈動がほ
とんど認められなかった。このことは、常に各光検出部
の出力電流の和を利用しているため、回転板と光検出板
との相対的位置ずれや光透過部・光検出部の形状、寸法
、位置などの製作精度のバラツキに対して平均化効果が
あられれ出力特性が改善きれたことを示している。

次に、図示しないが、上記実施例において、光検出部１
３　、２３の数を光透過部６の数の整数分にすると、回
転板３の回転につれ、光検出部１３　、２３の１ピツチ
ごとに常に光透過部６の全数が同時に光検出部１３．２
３の上記整数分の−だけの数に正対向するので１回転板
３側を変更せずに、整数倍分だけ角度検出精度がよくな
る。しかし、光検出部１３゜乙に到達する光量に変わり
はなく、出力電流は光検出部数の整数倍前と同じだけ得
られる。

なお、光源１０は回転板３の上面を全面的に一様に照射
するのが最も望ましいが、実用上の見地からこれが出来
にくい場合もしくはそｆｉｂ士どの必要のない場合には
、２個以上できるだけ多くの光透過部６を照射するよう
にしても、この発明の・特長は依然として存在すること
はこれまでの説明により明らかである。また光検出部１
３　、２３あるいは光透過部６の一方な全周でなく１円
周上の一部分にだけ設けることも可能である。

上の実施例では光検出部が二つの同心円上に位置をずら
１．てそ」ｔぞれ形成され、透過部を通過する光はその
双方に達するが、第２図に示すように透過部な二つの同
心円上に位置をずらして形成し、２組の光検出部は同一
半径」二に並べて設けてもよ℃１゜ 〔発明の効果〕 この発明では、回転角度検出装置において、回転板側の
光透過部からの透過光を受けるため、隣接する光透過部
のなす回転板の中心に対する中心角と等しいかもしくは
その整数分の−の中心角を回転板の軸の中心に対してな
して隣接する光検出部の２組を、並列接続して光検出板
の回転板側に配設し、更に２個以上の光透過部な同時照
射する光源を回転板の反光検出板側に設け、光透過部の
同時照射数と光検出部の全数の少なくとも一方がその配
設される前記各板上全周にわたって存在するようにした
ので１回転板の回転につれ、光検出部の１ピツチごとに
、常に、光が通過している光透過部の全数が同時に光検
出部に正対向することになり、並列接続された光検出部
からは比較的大きな出力電流が得られるので、出力電流
を更に大きく増幅したり、電子回路の安定性向上のため
に特別の回路を付加したすせずに、検出精度の高い安価
な回転角度測定装置を得ることができる。また、並列接
続された光検出部から得られる出力電流は、常に回転板
と光検出板との相対的位置ずれや光透過部・光検出部の
形状２寸法２位置などの各種製作精度のバラツキが平均
化さ九小さくなるので、この面でも回１蔽角度測足精度
が没）がる。避ら番てリング状に２周に形成はれた２組
の光検出部の出力のずれから回転方向が判定できるが、
この光検出部のパターンはホトエツチングにより所定の
寸法、形状通り洗容易に形成でき、回転板と光検出板の
位置合せも第５図のような形に仮組をして光検出・阪７
を移動して、最大の出力が得られるような位置をとるこ
とにより容易にできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の回転角度検出装置の原理図、第２図は回
転板の平面図、第３図ｔａｌはこの回転角度検出装置の
出力電流波形図、第３図ｔｂｌはこれを処理して得たパ
ルス波形図、第４図はこのノくルス波形出力より回転角
度、回転方向、回転数を検出するための検出回路図、第
５図は本発明の一実施例を一部断面で示した側面図、第
６図は第５図の已−１３線矢視断面図、第７図は第５図
の装置の回転板の平面図、第８図は光検出板の平面図、
第９図は光検出部構成を示す断面図、第１０図は光検出
部の出力電流の測定回路である。 ３・・・回転板、６・・・光透過部、７・・・光検出板
、１０・・・光源、１．３　、２３・・・光検出部、１
４　、２４・・・金属′電極、３０・・・アモルファス
シリコン層、異・・・透明電極。 Ｑ［ｌ−，２ ２２ 材ｚ［１２１ 才４圀 す４図 オフ面 １ 才Ｂ聞 才１０区

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）複数の光透過部を設けた、軸のまわりに回転可能な
   回転板と、該回転板に平行に対向し、その対向する側に
   ２組のそれぞれ並列接続された光検出部を設けた光検出
   板と、前記回転板の反光検出板側に配置された光源とを
   備えており、前記両組の一つの属して隣接する光検出部
   はそれぞれ前記軸を中心軸とする想定円筒と光検出板と
   が交ってなす円を両組共通の等しい中心角をなして半径
   方向に横切り、隣接する前記光透過部は各組の光検出部
   に対する前記想定円筒と回転板とが交ってなす円を前記
   中心角と等しいかまたはその整数倍の中心角をなして横
   切り、前記光源は一つの組の光検出部のうちの二つ以上
   に対応する光透過部を同時に照射でき、光透過部の同時
   透過数と各組の光検出部の全数の少なくとも一方が全周
   にわたって存在し、一方の組の光検出部と他方の組の光
   検出部あるいは一方の組の光検出部に対応する光透過部
   と他方の組の光検出部に対応する光透過部はその中心を
   通る半径が重ならないように位置するが、その円周方向
   の幅の一部分が半径方向に互いに重なるように配置でれ
   たことを特徴とする回転角度検出装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載の装置において、光検出
   部が薄膜シリコン太１１’４池であることを特徴とする
   回転角度検出装置。