JPS61231413A

JPS61231413A - 光学式回転再検出装置

Info

Publication number: JPS61231413A
Application number: JP7300885A
Authority: JP
Inventors: Mitsutaka Katada; 満孝堅田; Yoshinori Otsuka; 義則大塚; Minoru Nishida; 実西田
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1985-04-05
Filing date: 1985-04-05
Publication date: 1986-10-15

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】〔産業上の利用分野〕本発明は回転軸の回転角の検出に用いる装置に係り、よ
り詳しくは、回転軸の回転に同期してパルス信号の様な
電気信号を出力する光学式回転角検出装置に関する。本
発明の回転角検出装置は、例えば、点火時期制御装置に
適用することができ、クランク軸の回転角を検出して点
火時期を制御するために用いることができる。

〔従来の技術〕

従来この種の装置として第８図から第１０図に示すもの
が知られている。図において、ｌは内燃機関（図示せず
）の回転に同期して回転するシャフト、２は第１のスリ
ット群８（第９図参照）を有する金属製の回転円板で、
上記シャフト１に固定され、これと一体的に回転するも
のである。３は発光ダイオード等の発光素子、４は回転
円板２に設けられたスリット群８により断続される発光
素子３からの光を電気信号に変換するフォトダイオード
等の受光素子、５は受光素子３に給電するとともに、受
光素子４に発生する電気信号を波形成形して矩形波に変
換する信号処理回路、６は発光素子３側に設けられたス
リット板、７は発光素子４側に設けられたスリット板で
ある。

上記回転円板２に形成された第１のスリット群８は、第
９図に示すように、回転円板２の周方向に沿って多数形
成されたスリ７）８ａからなっている。また、この第１
のスリット群８に対向して、上記スリット板６およびス
リット板７には、第１０図に示すように、上記第１のス
リット８ａと同一形状の第２のスリット１０ａ、ｌｌａ
からなる第２のスリット群１０．１１がそれぞれ形成さ
れている。

上記構成の作動について説明するに、信号処理回路５か
ら発光素子３へ通電することにより発光する発光素子３
の光は、スリット板６の第２のスリット群ｌＯ１回転円
板２の第１のスリット群８およびスリット板７の第２の
スリット群１１を介して受光素子４により受光される。

その際、発光素子３からの光は回転円板２の回転角に応
じて遮断されるので、受光素子４からの電気信号は断続
信号となり、信号処理回路５により処理されて整形され
たパルス波となる。これをカウンタでカウントすること
により、シャフトの回転角度を検出することができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、上記装置の分解能、即ち検出可能な最小回転
角は上記各スリ７）８ａ、１０ａ、１１ａの幅Ｗで決定
される。つまり、分解能を高くするには、スリット幅Ｗ
をできるだけ小さくすることが望ましい。しかし、スリ
ット幅を微細化しようとすると、この微細化にともなっ
て、回転円板２が発光素子３からの光を遮光する角度の
時にも、光のまわりこみ、回折等によって、一部の光が
受光素子４に受光され、これが雑音成分となり、誤検出
の原因となる。

本発明は、上記誤検出を行うことはなく、分解能を高め
ることを技術的課題とする。

〔問題点を解決するための手段〕

そこで本発明は、上記技術的課題を達成するために、回
転軸の側方空間に形成される測定光路の一端側に配置さ
れた発光素子と、光透過領域および非透過領域を円周方向に所定間隔をも
って交互に反覆するパターンが形成され、前記回転軸に
同期して前記測定光路を横切って回転する回転円板と、前記測定光路の他端側であって、前記測定光路のうち前
記パターンを通った光を受光する位置に　　・設けられ
、前記パターンに整合する受光パターンが形成された第
１受光素子と、前記測定光路の他端側であって、前記測定光路のうち、
前記発光素子からの光を常に受光する位置に設けられた
第２受光素子と、前記第１受光素子から出力される電気信号と前記第２受
光素子から出力される電気信号の差をとることにより、
前記回転軸の回転角に応じた電気信号を出力する検出手
段とを具備するという技術的手段を採用する。

〔作用〕

よって、上記回転軸に同期して回転する回転円板に形成
されたパターンの非透過領域と第１受光素子に形成され
たパターンの非透過領域とが重なった時、つまり光遮断
時に、光のまわりこみ、反射、回折等によって第１受光
素子に光が受光されても、第２受光素子には常に発光素
子からの光が受光されているため、それぞれの受光素子
から出力された電気信号は、検出手段によって差をとら
れるため、光遮断時における誤検出の原因となる光成分
信号を除去できる。

〔発明の効果〕

したがって、パターンの微細化が可能となり、分解能を
高めることができる。

また、本発明の好ましい実施態様によれば、第１および
第２受光素子を同一の半導体基板上に設けるため、両者
の感度、温度特性等がほぼ同じにすることができ、光遮
断時の暗電流の影響、電源電圧の変動、温度変化による
影響を極めて小さくすることができ、検出精度を向上さ
せることができる。

〔実施例〕

“以下本発明の好ましい実施例を第１図から第７図を参
照して説明する。全体の構成を第１図に示す。図中にお
いて第９図と同一の参照番号は同一機能部品を表わす。

第９図の従来構成と異なる点は、次の３点である。つま
り、固定スリット板６゜７がない。次に回転円板２は光
透過性材料で構成され、従来のスリット群８の代わりに
光透過領域と非透過領域のパターンが形成されている。

そして前記受光素子４１が、同一半導体基板上に、第１
受光素子４３、第２受光素子の２つが形成され、第１の
受光素子４３には、上記回転円板２に形成されたパター
ンと同一のパターンが形成されている。

回転円板２の詳細について、第２図に平面図を、第３図
に拡大断面図を示す。第２図および第３図を参照して、
回転円板２の製作手順を以下に述べる。

回転円板２はガラス又はアクリル樹脂等の透明材料から
なる０回転円板２の片面もしくは両面（この実施例では
両面）にフォトレジストを塗付し、パターンに合せて露
光して、非透過領域のレジストを除去する。次に適当な
エツチング液にて非透過領域の材料をエツチングし、回
転円板２の表面に凹部２１を形成する。次に反射防止膜
２２を回転円板２の両面に蒸着する。回転円板２の屈折
率をｎ３、空気の屈折率をｎｏ、反射防止膜の屈折率を
ｎ、その膜厚をｄ、発光素子３の反射光線の波長をλと
すると、反射防止膜２２の屈折率ｎはｎ＝　ＪＴ７τ１
７となり、その膜厚ｄがｄ＝λ／　４　ｎの時に反射率
は零となる。例えば、回転円板２をガラスで構成する場
合には、ｎ、＝１．５であり、反射率が零となる反射防
止膜２２の屈折率ｎは、ｎ　＝１．２．２となるが、こ
のような低い屈折率の膜で機械的強度の十分な膜はない
。そこで、実際には、光学薄膜材料として周知のＭｇＦ
２　（ｎ　＝１．３８）等を用い、膜厚ｄをｄ＝λ／　
４　ｎとして蒸着する。これによって反射率を４％から
半分以下に抑えることが可能となる。

次に、アルミニウム等の非透過材料を一様に蒸着し、レ
ジスト塗布、露光、エツチングの工程を繰り返して、上
記回転円板２の表面の凹部２１部にのみ、非透過材料層
２３を残す。

以上の工程で、透明材料で構成された回転円板２の表面
に、透過領域２４と非透過領域２３との規則的反覆パタ
ーンニング２５が形成される。

次に受光素子４１の構成について、第４図に平面図、第
５図は断面図を示す、受光素子４１は例えばＰＩＮ型フ
ォトダイオードであって、高抵抗（例えば、抵抗率５０
０Ω・１以上）を有する半導体基板４１ａの一方の面に
高いキャリア濃度（例えばＩ　Ｘ　１０　”ａｔｏｍ／
ａｄ）以上のＮ型半導体層４１ｂを形成し、また、Ｎ型
半導体１１ｉ４１ｂとは反対の面には高いキャリア濃度
（例えば１×１０”ａｔｏ＋ｍ／ｃｄ以上）のＰ型半導
体領域４１ｃ、４１ｄを形成して成る。さらに、半導体
領域４１　Ｃ。

４１ｄを形成する面上には、絶縁性を有する反射防止膜
４１ｅの外周に沿って窓を開け、電極４１ｆ、４１ｇ・
が半導体層４１Ｃ，４１ｄとそれぞれ接触する。また、
反射防止膜４１ｅのうち、半導体領域４１ｃ側には、前
記回転円板２に施したのと同様の透過領域と非透過領域
とのパターンを有する非透過材料層により非透過領域４
１ｈが形成されている。この非透過領域４１ｈをもった
非透過材料層は電極４１ｆと一体に形成することも可能
であり、クロムまたはニッケルの様な金属で形成するこ
とが可能である。各非透過領域４１ｆは回転円板２の透
過領域２４と同一の形状および寸法を有する。したがっ
て、本実施例においては、同一の半導体基板上に、第１
受光素子４３、第２受光素子４２が形成される。

第６図は本発明の検出手段の一例である信号処理回路５
を示す。第７図において、５１は回転角検出用の第１受
光素子４３から発生した回転にともなう出力と第２の受
光素子４２から発生した基準用の直流信号の差を取る引
算回路である。５２は引算回路から発生した出力を回転
角検出用の矩形波に変えるコンパレータ回路である。

次に、上記構成を有する本実施例の作用について説明す
る。発光素子３から発せられた光は回転円板２を通過し
て受光素子４１へ到る。この光のうち、透過領域２４を
通過した光の一部は同様の透過領域４１ｉを有する回転
角検出用の第１受光素子４３へ至る。これにより、回転
角検出用の第１受光素子４３に到る光は回転円板２の回
転にともない強弱が発生し、第１受光素子４３は、第７
図（ａｌに示す出力波形が得られる。一方、レファレン
ス用の第２受光素子４２は、回転円板２の形成されてい
ない透明部分を通過した光を受光する。従って、リファ
レンス用の第２受光素子４２からの出力は、第７図（ｂ
ｌに示す如く回転円板２０回転によらず一定となる。

ここで、上記第１受光素子４３の出力は非透過時に零と
なるはずであるが、光のまわり込み、スリットによる乱
反射゛、また高温使用時における暗電流により直流成分
ＶＯ（第７図（ａｌ参照）が発生する。この直流成分■
。は温度及び発光ダイオードの光量の変化に大きく依存
する。従って、単にこの出力をコンパレータ回路により
処理すれば角度検出に誤りが生ずる可能性を有する。そ
こで、発光素子３と受光素子４１の位置を適当に調整す
ることにより、回転角検出用受光部の最大出力と最小出
力の中央値■。に対応する光電流と、第２受光素子４２
から発生する直流成分の光電流とを等しくとることによ
り、引算回路５１からは第７図（Ｃ）のごとく常に零を
中心とした交流信号が得られる。この交流信号はコンデ
ンサ等の遭遇をしていないため、周波数による出力依存
性がなく、回転開始時から角度検出をすることが可能と
なる。

そして、この出力は第７図（ｄ）のごとく、コンパレ＝
り回路５２により矩形波に変換される。この矩形波のパ
ルス幅Ｐは、第２図に示す透過領域の幅Ｗによって決ま
る所定角度に対応する。

したがって、受光素子３をある基準となる時刻から、一
定時間発光°させ、その間に発生する第７図［ｄ）のパ
ルス数をカウントすれば、所定時間に回転軸がどの程度
回転したかがわかる。

以上のように本実施例によれば、第８図〜第１０図に示
す従来例に比べ、スリット板６．７が削除でき、部品点
数を低減できる。また、回転円板２にフォトリソグラフ
ィーの技術で透過、非透過のパターンニングを行うため
、微細な（例えば非透過領域２３幅０．１龍）パターン
を容易に形成できる。従って、回転円板２を大型化する
ことなく、パターンの微細化が可能となり、部品点数低
減を含めて小型、軽量かつ高分解能の回転角センサを容
易に得ることができる。

また、このような微細なパターンにより検出を行うと、
非透過時にも、光のまわり込み、乱反射の影響により受
光素子の出力は完全に零にならない、また、高温で使用
すると光のない状態で受光素子４１に発生する暗電流に
より、出力は零とならなくなる。このような直流成分を
除去する方法としては、バイパスコンデンサを使用する
ことにより、交流成分のみを検出する方法が考えられる
。

しかしながら、この方法では、始動時等の低い回転数に
おいては、バイパスコンデンサが高インピーダンスとし
て働き、十分な出力を生ぜず、角度検出ができない可能
性がある。本発明においてはレファレンス用の第２受光
素子４２を具備し、その出力により直流成分を除去する
ため、前述の問題点は解決され、始動時等の低い回転数
からの角度検出が可能となる。しかも、第１受光素子と
第２受光素子は、同一半導体基板上に設けられているた
め、感度、重度特性等がそろい、電源電圧等による発光
素子の光量変化、温度特性による出力変化、高温使用時
における暗電流の影響を受けずに、常に零電圧を中心に
振幅させることが可能となる。従って、前述の直流成分
の変化はなくなり、しかも、コンデンサを使用していな
いため回転数に関係なく同じ大きさの出力を発生させる
ことが可能となる。したがって、始動時等の低い回転数
でも検出可能となり、検出ミスはなくなる。

なお、上述の実施例では、第１および第２受光素子４３
．４２は同一半導体基板上に設けているが、分割された
基板に設けてもよいことは言うまでもない。また受光素
子は、上述のフォトダイオードに限らず、例えば光導電
効果を利用した素子を用いてもよい。

また、回転円板２は透光性のものを用いた例を説明した
が、遮光性材料から成る円板の所定部分に貫通孔を設は
第２受光素子を回転円板の外側に設けられるように構成
したものでもよい。

また、受光素子にフォトダイオードを用いた場合、暗電
流が出力に比べ十分に小さい温度領域においてはフォト
ダイオードに直列に接続された抵抗の値等を変化させる
など、回路上で調整することも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による回転角検出装置の概略構成図、第
２図は本発明による回転円板の実施例正面図、第３図は
本発明による回転円板の実施例断面図、第４図は本発明
による受光素子の実施例正面図、第５図は第４図のＶ−
Ｖ断面図、第６図は本発明の信号処理回路の電気回路図
、第７図は信号処理回路の各部信号波形図、第８図は従
来の回転角検出装置の概略構成図、第９図はスリット群
を有する従来の回転円板の平面図、第１０図は従来装置
のスリット板の平面図である。ｌ・・・シャフト、２・・・回転円板、２１・・・非透
明材料、２３・・・非透過領域、３・・・発光素子、４
１・・・デユア受光素子、４２・・・第２受光素子、４
３・・・第１受光素子、５・・・信号処理回路、５１・
・・引算回路。５２・・・コンパレータ回路。代理人弁理士　　岡　部　　　隆第１図第２図第３図第４図第５図第６図し−一−）１　　−　　’）ど　　−ｊ第７図第８図第９図第１０図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）回転軸の側方空間に形成される測定光路の一端側
に配置された発光素子と、光透過領域および非透過領域を円周方向に所定間隔をも
って交互に反覆するパターンが形成され、前記回転軸に
同期して前記測定光路を横切って回転する回転円板と、前記測定光路の他端側であって、前記測定光路のうち前
記パターンを通った光を受光する位置に設けられ、前記
パターンに整合する受光パターンが形成された第１受光
素子と、前記測定光路の他端側であって、前記測定光路のうち、
前記発光素子からの光を常に受光する位置に設けられた
第２受光素子と、前記第１受光素子から出力される電気信号と前記第２受
光素子から出力される電気信号の差をとることにより、
前記回転軸の回転角に応じた電気信号を出力する検出手
段とを具備することを特徴とする光学式回転角検出装置
。
（２）前記回転円板は、光透過性材料から成り、前記回
転円板の非透過領域は、非透過性部材によって覆われて
いることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光学
式回転角検出装置。
（３）前記第１および第２受光素子は、同じ半導体基板
に形成されていることを特徴とする特許請求の範囲第１
項記載の光学式回転角検出装置。