JPS6254121A - 変位検出装置 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は光を用いて回転量あるいは変位量を検出する変
位検出装置に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

ように所定の中心角毎に異なる半径の位置に図中スクラ
ッチで示されるスリット又は開口部からなるデジタルパ
タンを有す円板状のコード板９０１を図中一点鎖線で示
されるケースｌに軸受２で保持された回転軸９００に同
軸に取り付け、検出部９０２でコード板９０１の一方か
ら光源によってデジタルパタンめがけて光を照射して透
過光を光センサで検出することによりコード化された回
転軸９００の回転角の絶対値をデジタル信号で得ている
。このようなロータリーエンコーダでは検出される回転
角度の分解能を向上させるにはデジタルパタンの桁数を
増加させる必要がありこのためコード板９０１の直径が
大きくなり装置が大型化して高価になる問題点がある。

またデジタルパタンをコード板９０１において半径方向
に細かく配設することで桁数を増加させた場合には、検
出部９０２において光源や光センサの工作精度が要求さ
れる。

〔発明の目的〕

本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたも
のでその目的とするところは、精度の高い絶対的な変位
位置の検知が迅速にできる小型の変位検出装置を提供す
ることにある。

〔発明の概要〕

上記問題点を確消するためになされた本発明は、所望の
領域に列設配置された複数の受光素子と、この受光素子
の列に沿って移動しかつこの受光素子へ光を照射する光
源と、この光源からの光を受る変位検出装置である。

〔発明の効果〕

本発明によれば発光素子からの光を検知した受光素子に
応じて個有のデジタル信号が出力されるので小型の装置
を用いて精度の高い絶対的な変位位置の検出が迅速に行
なえる。

〔発明の実施例〕

以下本発明の一実施例を図面を参照しながら詳細に説明
する。尚、谷図面を通じて同一部分には同−付号を付す
。第１図乃至第４図に示した一実施例はロータリーエン
コーダに本発明を適用したものである。

この実施例においては、第１図中一点鎖線で示される円
筒形状の外殻からなるケース１の一端平面中央には該平
面に対して垂直方向に被測定物の回転軸と同軸的に回転
する回転軸２が軸受３によってケース１に保持されるよ
うにしてケース１内に挿入されている。そしてケース１
内の回転軸２先端には、一端を回転軸２に支持され他端
が回転軸２の細心回りを回転する回転部材４が固定され
ている。ケース１内の他端平面には基体となる半導体チ
ップ５が敷かれており、この半導体チップ５上で回転軸
２の軸心が交わる部分には光源である発光ダイオード６
が配設されている。そしてこの半導体チップ５上では発
光ダイオード６を中心として円周上に複数の受光素子で
あるフォトトランジスタ７が回転部材４の他端下部に位
置しているように配設されている。すなわち、回転部材
４の半導体チップ５４１ｔｌｌ下部には第２図に示され
るような配置でプリズム１０が配設されており、゛発光
ダイオード６から照射された光は発光ダイオード６上方
に対向する回転部材４の一端に傾斜して形成された第１
の反射面８で反射する。そして、この反射光はフォトト
ランジスタ７上方に対向する部材他端に傾斜して形成さ
れた第２の反射面９で反射して、ある一つのフォトトラ
ンジスタ７・１に入光する。このように、入射のあった
フォトトランジスタ７・１の検知信号は半導体チップ５
上刃する信号として個有のデジタル信号に変換される。

以下、前記回路によるデジタル信号への変換過程を第３
図を参照して詳細に説明する。半導体チップ５上には発
光ダイオード６が電源３０１により抵抗ＲＩＬを介して
接続され点灯している。この発光ダイオード６より放射
された光は、部材４に固定されたプリズム１０の２つの
反射面８，９で反射され、部材４他端の第２の反射面９
に対向する位置にあるフォトトランジスタ７によって検
知され、直流電源３０４に直列接続された抵抗几、をア
ース３０３に短絡する。フォトトランジスタ７からの出
力電流はアンプＡ１．４　、・・・、Ａｎで増巾さべ各
フォトトランジスタ７毎に固有の信号を発生させる図中
一点鎖線で囲われるダイオード、群ＣｈＣ３，・・・、
Ｃ１，で直流電源３０４に直列快続された負荷抵抗Ｒｔ
：、　、　Ｒ１：ｚ　ｔ”’＊Ｒｔｎをアース３０３に
短絡する。各負荷抵抗”ｋｓ　＃　％ｚ　＋・・・、−
にはＮＡＮＤ回路Ｎ・ｌ、Ｎ・２．・・・、Ｎ−ｎ　　
がそれぞれ接続され、短絡された各負荷抵抗Ｒ）＝ｔ　
ｔ　”ｌ：２１・・・、曳。から得られる負理論の出力
をそのＮＡＮＤ回路Ｎ・ｌ、Ｎ・２．・・・。

Ｎ−ｎで反転して正理論の出力信号として出力する。

次に、具体的な例を引用して上述した回路から各フォト
トランジスタ７に個有のデジタル信号が出力される様子
を説明する。

被測定物の回転に連動して回転軸２が回転部材４を伴っ
て回転すると、回転部材４は半導体チップ５に対向する
位置でケース１内を回転軸２を中心に回転する。そして
発光ダイオード６から出力した光は部材４に固定された
プリズムの反射面８゜９によって円周上に配置された個
々のフォトトランジスタ７に順次照射される。例えば、
部材４の回転が停止しフォトトランジスタ７−１が光を
検知すると、フォトトランジスタ７・１からは検知電流
が出力されこの電流はホトダーリントンによって電流増
巾され抵抗馬をアース３０３に短絡する。

そしてフォトトランジスタ７・１からの出力電流はアン
プＡ１で更に電流増巾されダイオード群Ｃ３を介し、て
負荷抵抗Ｒ＋：１　＃　”ｔ３１・・・、へ。をアース
３０３に短絡する。この際ＮＡＮＤ回路Ｎ・ｌ、Ｎ・３
．・・・。

Ｎ−ｎへは、それぞれ負理論の入力として“０１０・・
・０″の信号が送られる。ＮＡＮＤ回路Ｎ・ｌ、Ｎ・３
゜・・・、　Ｎ　’　ｎ　はこれら負理論の信号を反転
して正理論の信号をそれぞれ１１０１・・・１＃として
出力する。

本実施例ではＮＡＮＤ回路Ｎ−１，ル２　ｔ　Ｎ”　３
　ｐ　”・ｅ　Ｎ＠”の順にデジタル信号の桁を２°　
２１　、２２．・・・、２°としているので上記した正
理論の信号はそれぞれ”ｌ・・・１０１　’　　となり
て出力される。

光を受けた各フォトトランジスタ７に個有のデジタル信
号を出力する変換回路の半導体チップ５上の配置を第１
１図乃至第１２図を参照して説明する。まず第１１図に
示されるように半導体チップ５上は５つの同心円で区別
される環状の４つの領域Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄと中心の円から
なる領域Ｅに分けられる。そして半導体チップ５上四隅
（図面では四隅のうちの２ケ所）にはアース３０３の端
子Ｐ１と電源■。の端子Ｐ、さらにデジタル信号の出力
端子Ｐ、　、Ｐ４．Ｐｌ・・、Ｐｎがボンディングバッ
トとして形成されている。それぞれの領域Ａ　、　Ｂ　
、　Ｃ。

Ｄ、Ｅには第１２図に示されるように、前述の実施例で
示されたデジタル信号を出力する回路と等価な回路が配
置される。すなわち最外周の領域Ａには、円周状に等間
隔で配置される複数の受光ダイオード１２０１とその各
々の検出電流を増巾するリニアアンプ１２０２と増巾さ
れた検出電流を２値化するシュミット回路１２０３と得
られた２値化信号により動作されるオープンコレクタの
トランジスタ１２０４とがそれぞれ一組となって環状の
領域Ａに円周状等間隔に配置される。領域Ａのすぐ内側
の領域Ｂには図中一点鎖線で囲われるダイオード群ａｔ
、Ｃ！ｔｃ１１・・・、ｃｒ、が各々のトランジスタ１
２０４毎に接続されて配置される。領域Ｂの内側。

の領域Ｃにはプールアップ抵抗である負荷抵抗Ｒ１：ｌ
、馬２　＊　Ｒ１：３　ｔ・・・、もとＮＡＮＤ回路Ｎ
・ｌ、Ｎ・２゜Ｎ・３．・・・、Ｎｏｎが配置される。

領域Ｃ内側の領域りにはアース３０３の端子１２１０と
電源Ｖ。の端子１２１１とＮＡＮＤ回路Ｎ＊１．Ｎａ’
ｌ、Ｎａ３．・・−、Ｎ・ｎの出力端子Ｔ−１、Ｔ・２
．Ｔ・３．・・・、Ｔｅｎが配置される。

領域Ｅにはアース端子１２１０と電源端子１２１１より
電流を供給され点灯する発光ダイオード６が抵抗比、と
共に配置されている。領域りの各端子と半導体チップ５
上隅の各端子との接続は半導体チップ５上に穴をあけて
半導体チップ５の裏面に出した端子間を接続する方法や
、半導体チップ５を２層構造として各層の間を通じて半
導体チップ５の裏面に出した端子間を接続する方法があ
る。尚、領域Ａに配置される受光ダイオード１２０１と
１１ニアアンプ１２０２とシュミット回路１２０３の代
わりにフォトトランジスタ７とトランジスタ１２０４と
でホトダーリントン３０２を構成して配置してもよい。

このように半導体チップ５上に円周状に配置された個々
のフォトトランジスタ７は、それぞれに個有のデジタル
信号を出力するようにダイオードＣ，、Ｃ，、、、、、
ｃｎが負荷抵抗Ｒ１：１ｅ　”ｔ２ｔ　”ｃｚ　＋・・
・、〜へ結線されているので、回転軸２の回転角度をこ
のデジタル信号より絶対値で検出できる。また発光ダイ
オードやフォトトランジスタさらには各フォトトランジ
スタ７個有のデジタル信号を発生させる回路を同一の半
導体チップ上に集積回路として一体に設けており、集積
回路の特徴として発光ダイオードや受光ダイオードを極
めて正確に高密度配置することができるので、検出積度
を大幅に向上させることができ、超小壓で超軽量なロー
タリーエンコーダを実現できる。

以上記述した本発明の実施例の構成は本発明の要旨を逸
脱することなく種々の変形を加え得ることは明らかであ
る。

例えば、前述の実施例においてＮＡＮＤ回路Ｎ・１゜Ｎ
・２．Ｎ・３．・・・、Ｎ−ｎより出力されるデジタル
信号は迅速な処理のできる並列の出力信号であるがこれ
を直列信号に変換して出力することもできる。

すなわち第４図に示されるように、ＮＡＮＤ回路Ｎ・１
．Ｎ・２．Ｎ・３．・・・、Ｎ−ｎ　からの各出力はパ
リティ検査回路４０１でパリティ検査をおこない、その
パリティ検査信号４０２と角度検出信号４０３”ａ。

４０３’ｂ、４０３”Ｃ，・、　４０３”ｎにスタート
信号４０４とストップ信号４０５とを付加してシフトレ
ジスタまたはマルチプレクサ４０６で直列信号４０７と
して出力する−０ また、光センサとしてはフォトトランジスタの他にホト
ダイオードやｃｄｓ　、　ｐｄｓ等の光電体および光起
電力の素子で構成してもよい。そして回路中ホトダーリ
ントンによる出力電流が充分大きければアンプによる電
流増巾は不要である。さらに回転角度を示すよう出力さ
れたデジタル信号はＮＡＮＤ回路Ｎ”　Ｉ　Ｔ　Ｎ・２
　、　Ｎ　・３　、　・−・、　Ｎｅ　ｎで反転させず
に正理論ではなく負理論による出力でもかまわない。

その他、半導体チップ上に配置される発光ダイオードお
よびフォトトランジスタの配置は前述の実施例に限定さ
れることなく第５図に示されるような配置でもよい。す
なわち、半導体チップ５０５上には、回転軸２の軸心が
交わる点を中心として２つの同心円周上外側に複数の発
光ダイオード５０７を配置し、内側の同心円周上に各発
光ダイオード５０７に対応してフォトトランジスタ５０
６を半径方向に同一線上に並ぶように配置して、−遺チ
オドトランジスタ５０６と発光ダイオード５０７との間
で対向する回転部材５０４に形成されたプリズム５１０
によって発光ダイオード５０７からの照射された光をフ
ォトトランジスタ５０６へ伝達している。（発光ダイオ
ードとフォトトランジスタの配置は逆でもよい）発光ダ
イオード５０７およびフォトトランジスタ５０６のこの
ような配置により半導体チップ中央に比較的広い領域が
確保されるのでデジタル信号を発生させるため等の回路
を容易に設計配置できる。

さらにその他、第６図に示されるように半導体チップ６
０５上には一つの円周上に複数のフォトトランジスタ６
０７が等間隔に配設され、軸受６０３によって支持され
た回転軸６０２の側面には帯状の電極リンク６１１が２
朱子行して巻きつけられており、外部電源６１２に接続
された２つの電極板６１０が各々電極リンク６１１に接
している。この電極リンク６１１と、回転部材６０４先
端でフォトトランジスタ６０７が配置された円周上を回
転するように位置する発光ダイオード６０６とは図中点
線で示されるリード線６０８゜６０９によって接続され
ている。このリード線６０８．６０９によってｉ５極リ
ンク６１１に外部Ｋｍ＜６０２より供給された電気は発
光ダイオード６０６に送られこの発光ダイオード６０６
を点灯さぜる。したがって、発光ダイオード６０６が回
転軸６０２に連動して円周上に配置されたフォトトラン
ジスタ６０７上を周回するので、半導体チップ６０５上
に発光ダイオード３よび点灯のための電源を設ける必要
がなく、半導体チップ上の回路構成を簡易なものにする
。また第７図に示されるように、フォトトランジスタ６
０７上を周回する発光ダイオード６０６への電流供給を
軸受６０３に固定されたコイル７０１に高周波電源７０
２より高周波を供給し、コイル７０１に対向するように
回転軸６０２に固定した回転コイル７０３へ誘動起電力
を生じさせることにより行う方法があり、回転軸６０２
に固定された回転コイル７０３に生じた励磁電流は回転
軸に備えられた整流器７０４によって整流され、発光ダ
イオード６０６を点灯させる。このような構成により電
極リンクと接触板を用いて発光ダイオードを点灯させる
前述の構成よりもより簡易な方法でしかも確実に回転す
る発光ダイオードへ電流を供給することができる。

さらに第８図に示されるように本発明はリニアエンコー
ダとしての通用もｉＪ’能である。−例をあげるならば
すなわち、長方形状の半導体チップ８０１上には複数の
フォトトランジスタ８００を長手方向−列に一定間隔で
配設し、半導体チップ８０１上方長手方向に電源８０２
によって電流を供給される電極を兼ねた２本の平行なリ
ニアカイト８０３を敷設する。そして、このリニアガイ
ド８０３から電流供給を受けて点灯する発光ダイオード
８０５を各フォトトランジスタ８００に対向して直線移
動するように保持した直線移動子８０４を設はリニアガ
イド８０３に摺動可能に係合する。而して、各フォトト
ランジスタ８００は発光ダイオード８０５からの光を検
知すると図示せぬ信号処理系より個有のデジタル信号を
出力する。このように、出力されたデジタル信号より発
光ダイオード８０５を保持した直線移動子８０４の位置
を検出することが可能となる。

ここで本実施例中発光ダイオード６からフォトトランジ
スタ７への光の伝達を回転部材４に固定したプリズム１
０を用いて行う事例を取り上げたが第９図および第１０
図に示されるように回転部材４に保持された光ファイバ
９０．９１を用いて発光ダイオード６から照射される光
をフォトトランジスタ７へ直接導くこともできる。この
ように光ファイバー９０．９１を用いることによりより
確実な発光ダイオード６きフォトトランジスタ７間の光
の伝達を実現できる。またプリズムの反射面の代りにミ
ラーを使用してもさしつかえない。

さらに、この反射面あるいはミラ一部を湾曲させて焦点
を持たせて形成しても良い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例でありロータリーエンコーダに
適用した時の構成を示す透視斜視図、第２図は同実施例
の構成を示す断面図、第３図は同実施例における、信号
処理回路を示す回路図、第４図は同実施例で出力される
並列信号を直列信号Ｊこ変換する回路構成を示すブロッ
ク図、第５図は同実施例の変形例の構成を示す断面図、
第６図および第７図は同実施例の変形例の構成を示す斜
視図、第８図は本発明をリニアエンコーダに適用した場
合の構成を示す斜視図、第９図乃至第１０図は、本発明
の他の適用例で受発光素子間の光伝達路に光ファイバを
用いた場合の構成を示す断面図、第１１図は本発明の実
施例における半導体チップ上に構成される回路パターン
の配置を示す配置図、第１２図は同実施例において半導
体チップ状に配置される回路パターンを示す回路図、４
１３図は従来例で取り上げたロータリーエンコーダの構
造を示す透視斜視図である。 ２・・・回転軸、４・・・回転部材、５・・・半導体チ
ップ、６・・・発光ダイオード、７・・・フォトトラン
ジスタ。 代理人　弁理士　　則　近　憲　佑 同　　　　　竹　花　喜久男 第　　１　　図 第　　２　図 第　　３　図 第　　４　図 第５図 第６図　　　　第７図 第　　９　図 第１０図 第１２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 基体上を所望の領域に所定間隔に列設配置された複数の
   受光素子と、この受光素子の列に沿って移動し、かつこ
   の受光素子へ光を照射する光源と、この光源からの光を
   受けた前記受光素子に対応して各々の前記受光素子に個
   有のデジタル信号を出力する回路とからなることを特徴
   とする変位検出装置。