JPH05141960A - 光学式回転角度検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光学式回転角度検出装置において角度検出の
大小にかかわらず精度良く回転角度を検出でき、小型長
寿命化を図る。 【構成】 回転軸２３に連動して回転する回動部材２８
の回転中心軸線上に配置された光源２５に入射端面を指
向させた光ファイバ２９を回動部材２８で支持し、該光
ファイバ２９の放射端面を、回動部材２８の回転中心軸
線を中心とする円環状に配置された光位置検知素子２７
の受光部に近接対峙させ、該光ファイバ２９の入射端面
側および放射端面側のいずれか一方若しくは両方に集光
手段を設けたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光学式回転角度検出装置
に関し、更に詳細には受光素子として光位置検知素子を
用いた光位置検出型の光学式回転角度検出装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、高い耐久性および信頼性を備えて
物体の回転角度を検出するため、電気的接触を利用した
可変抵抗器を用いた回転角度検出装置に代わって、特開
昭６１−２４６６２０号公報や特開昭６１−１２４８２
１号公報に示されるような回転物体より放射、或いは回
転物体で反射、透過される光を抵抗層を備えた光位置検
知素子で受光し、この光位置検知素子での受光位置によ
り非接触に回転物体の回転角度を検出する光学式の回転
角度検出装置が用いられてきた。

【０００３】これら従来の光学式回転角度検出装置は図
１３および図１５にそれぞれ示されるように構成されて
いる。すなわち、特開昭６１−２４６６２０号公報に開
示された光学式回転角度検出装置を示す図１３におい
て、１は回転物体（図示せず）に接続した回転軸、２は
回転軸１に連動して回転する回動スリット板をそれぞれ
示している。この回動スリット板２にはその回転角度に
従って半径が変化する、即ち螺旋状のスリット２ａが形
成されている。

【０００４】回動スリット板２を挾んでその両側には各
々光源３および光位置検知素子４がそれぞれ発光部およ
び受光部を回動スリット板２の径方向に伸長して配置さ
れている。光源３の光軸線上には固定スリット板５が配
置されている。この固定スリット板５には、光位置検知
素子４の受光部と平行で且つ回動スリット板２の螺旋状
スリット２ａと互いに交差する固定スリット５ａが形成
されている。

【０００５】光位置検知素子４からは３本のリード線６
ａ，６ｂ，６ｃが出て、検出回路７を構成する各回路に
接続されている。すなわち、検出回路７は、電流電圧変
換回路７ａ，７ｂを含み、この電流電圧変換回路７ａ，
７ｂの各々は光位置検知素子４のリード６ａ，６ｃから
の電流出力ｉ₁ ，ｉ₂ が入力される。この検出回路７は
更に加算回路７ｃ，比較積分回路７ｄ，発光回路７ｅお
よび増幅回路７ｆを備えている。

【０００６】このような光学式回転角度検出装置による
と、発光回路７ｅにより光源３が光を回動スリット板２
の方向に投射すると、光位置検知素子４には投射光のう
ち回動スリット板２の螺旋状スリット２ａと固定スリッ
ト板５の固定スリット５ａの交差領域を通過する光のみ
が到達する。従って、回動スリット板２が回転軸１に連
動して回転すると、かかる交差領域は半径方向に移動
し、光位置検知素子４上での受光位置は半径方向に移動
して回動スリット板２の回転角度により変化するため、
かかる受光位置を検出することにより回転軸１の回転角
度を検出することができる。

【０００７】この光位置検知素子４は、図１４に示され
るように光電変換層４ａを透明抵抗層４ｂ，バイアス電
極４ｃで挾持し、透明抵抗層４ｂの両端に検出電極４ｄ
を設けた構造の半導体で構成されており、検出電極４ｄ
には各々リード６ａ，６ｃが接続され、バイアス電極４
ｃにはリード４ｂから所定のバイアス電位（ここでは接
地の場合を示す。）が与えられている。

【０００８】かかる光位置検知素子４に光束が入射する
と、入射光束は透明抵抗層４ｂを透過し、光電変換層４
ａで光電変換されて、その光電流ｉ₁ ，ｉ₂ が透明抵抗
層４ｂをその両端の検出電極４ｄに向って流れる。この
時、電流ｉ₁ ，ｉ₂ の大きさは各検出電極４ｄまでの距
離により異なるため、リード６ａ側の検出電極４ｄから
の受光位置ｘは、電流ｉ₁ ，ｉ₂ より、 ｘ＝Ｌ×ｉ₂ ／（ｉ₁ ＋ｉ₂ ） で求められる。

【０００９】ここにＬは光位置検知素子４の受光長であ
る。そこで、図１３の検出回路７において、かかる電流
ｉ₁ ，ｉ₂ を各々電流電圧変換回路７ａ，７ｂで電圧Ｖ
₁ ，Ｖ₂ に変換し、加算回路７ｃで（Ｖ₁ ＋Ｖ₂ ）を求
め、かかる加算結果（Ｖ₁＋Ｖ₂ ）が所定の一定値とな
るように比較積分回路７ｄで発光回路７ｅを介して光源
３の発光強度を制御し、一方の電流ｉ₂ に相当する電圧
Ｖ₂ を、増幅回路７ｆで所定のゲインを掛けて出力する
ことにより、光位置検知素子４の受光位置ｘに相当し、
回動スリット板２の回転角度θに対応した回転角度出力
Ｖθを得る。

【００１０】次に、特開昭６１−１２４８２１号公報に
開示されている従来の回転角度検出装置は図１５に示さ
れるように構成されている。図１５において、１０はケ
ース、１１は回転軸１２を回転可能に支持する軸受、１
３は回転軸１２の一端に支持され、該回転軸１２と一体
に回転する回動スリット部材をそれぞれ示している。こ
の回動スリット部材１３は透光体１４とこの周囲を覆う
光反射層１５とを含んで構成されている。

【００１１】回動スリット部材１３の光反射層１５は、
回動スリット部材が光源１６に対向する部分と光位置検
知素子１７に対向する部分とを除去して形成された光源
側スリット１５ａおよび受光側スリット１５ｂを備えて
いる。光源１６は回転軸１２の一端側延長線上でケース
１０に固定されて配置されている。他方、回転軸１２に
直交するケース１０内壁面であって光源１６と回転スリ
ット部材１３を挾んで反対側の面には、図１６に示され
るように回転軸１２を中心とする環状の受光部を有する
光位置検知素子１７が素子基板１８上に配置されて設置
されている。

【００１２】このような光学式回転角度検出装置による
と、光源１６から回転軸１２方向に光を投射すると、そ
の一部が回動スリット部材１３の光源側スリット１５ａ
より透光体中に入射され、光反射層１５により形成され
た第１の反射面で半径方向に偏向され、更に透光体中を
透過して、同じく光反射層１５により形成された第２の
反射面で光位置検知素子１７の方向に偏向された後、か
かる透過光のうち受光側スリット１５ｂを通過した光が
光位置検知素子１７に入射する。従って、回転スリット
部材１３の回転と共に光位置検知素子１７への光入射位
置が変化し、これを図１２で説明された検出回路７で検
出して回転軸１２の回転角度出力Ｖθを得る。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
従来の光学式回転角度検出装置においては、回転角度検
出部にスリット光学系を用いていたため、次のような問
題があった。すなわち、図１３に示されるスリット光学
系においては光源３からの投射光のうち回転スリツト２
ａと固定スリット５ａとの交差領域を通過する光のみが
光位置検知素子４に入射するように構成されているた
め、光源３の光束利用効率が極めて低く、そのため光位
置検知素子４での照度が低くなり、電流信号ｉ₁ ，ｉ₂
が非常に小であった。

【００１４】その結果、光位置検知素子４の温度変化に
よる暗電流成分が無視できず、位置検出のＳ／Ｎ比が非
常に悪く、逆に照度を上げようと光源３の放射強度を上
げると光源３の寿命が短かくなる、といった問題があっ
た。また、回転角度変化を光位置検知素子４の半径方向
の受光位置で検出するようにしたため、スリットを細か
くせずに精度を上げようとすると半径方向に検出距離を
伸さざるを得ず、装置が大径となる、といった問題もあ
った。

【００１５】更に、図１５に示される従来の光学式回転
角度検出装置におけるスリット光学系では、図１３に示
される装置のスリット光学系より光束利用率は良いもの
の、やはり同様な検出精度上の問題があると共に、光位
置検知素子１７の受光部でのスポット径が受光側スリッ
ト１５ｂを透過する斜め透過光の存在により図１６に符
号１９で示される如く受光側スリット１５ｂよりかなり
大きくなるため、光位置検知素子１７の受光長を有効に
利用できず、検出角度範囲が狭い場合や逆に検出角度範
囲が２πに近い場合の測定には不向きである、といった
問題もあった。

【００１６】本発明の目的は、かかる従来の光学式回転
角度検出装置における問題点を解消するためになされた
もので、角度検出範囲の大小にかかわらず精度良く回転
角度を検出できる、小型で長寿命の光学式回転角度と検
出装置を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の光学式回転角度
検出装置は、光源と、該光源の光軸線を中心として環状
に形成配置された光位置検知素子と、一端が前記光源に
指向すべく前記光軸線上に配置され且つ他端が前記光位
置検知素子に指向され、回転軸に連動して前記他端を前
記光位置検知素子に沿って移動可能に支持された光ファ
イバからなる導光手段と、該導光手段の一端側或いは他
端側のいずれか一方又は両方に配置された集光手段とを
含んで構成されている。

【００１８】

【作用】本発明の光学式回転角度検出装置によると、光
源より放射した光は光ファイバからなる導光手段の一端
から内部に入射する。この光ファイバからなる導光手段
の他端は回転軸の回転に連動して環状の光位置検知素子
に沿ってその受光面に指向しながら移動し、光源の光を
他端の移動停止位置に対向する光位置検知素子の受光面
に投射する。その際、導光手段の一端側或いは他端側の
いずれか一方又は両方に配置された集光手段が光源から
の光を或いは導光手段の他端から出る光、若しくは両方
の光を集光してスポット光を形成する。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の光学式回転角度検出装置を図
に示される実施例について更に詳細に説明する。図１に
は本発明の第１の実施例に係る光学式回転角度検出装置
２０が示されている。この実施例の光学式回転角度検出
装置２０はケース２１の壁部に設けられた軸受２２によ
り回転可能に支持された回転軸２３を含む。この回転軸
２３の端部に対向するケース２１内壁面には検出回路基
板２４が取付けられている。

【００２０】回転軸２３の回転中心軸線上であって検出
回路基板２４上に、光軸を該回転中心軸線に一致させ且
つ回転軸２３の端部方向に光を放射するように光源（例
えばＬＥＤ）２５が設置されている。この検出回路基板
２４上には更に光源２５を中心とする円上に円環状の素
子支持基板２６が設けられ、この円環状素子支持基板２
６上には光位置検知素子２７が設けられている。

【００２１】この光位置検知素子２７は、これが円環状
であることを除けば、図１４に示された構成と基本的に
は同じであり、バイアス電極２７ｃ上に幅約１から２mm
程度の光電変換層２７ａを設け、その表面に透明電極２
７ｂを重合して形成されている。そして、円環状のこの
透明電極２７ｂの両端部には検出電極２７ｄが取付けら
れ、該電極２７ｄとバイアス電極２７ｃは図１３に示さ
れる従来の検出回路７にリード６ａ，６ｂ，６ｃによっ
て接続されている。このような光位置検知素子２７とし
ては光電変換層２７ａがアモルファスシリコンからなる
ものが、かかる環状の受光部を持つ素子を安価に製作す
るのに適しており、この場合光源２５であるＬＥＤは受
光感度、発光効率の点より緑色或いは赤色の可視光のも
のを用いるのが好ましい。

【００２２】ケース２１内には、回転軸２３の端部に連
結された回動部材２８が配置され、該回動部材２８はｕ
字形に曲げられた光ファイバ２９（この実施例では多モ
ード光ファイバを用いた例を示す）を支持している。回
動部材２８の回転中心軸線上光源対向面には光源２５が
入り込む大きさの凹部３０が形成され、該凹部３０の奥
壁には円錐状の反射形集光器３１が形成されている。こ
の反射形集光器３１は回動部材２８の凹部奥壁に形成さ
れた円錐穴の表面をメッキ或いは蒸着などで鏡面に仕上
げして形成されている。

【００２３】光ファイバ２９の一端である光入射端面２
９ａはこの反射器３１の集光部にあって光源２５の光軸
に対してほぼ垂直になるよう位置決めされ、且つ他端の
光放射端面２９ｂは光位置検知素子２７に近接対峙する
位置に支持されている。このような光ファイバ２９はコ
ア２９ｃの周囲をグラッド２９ｄで被覆してなり、かか
る光ファイバ２９は光学プラスチックで形成されたプラ
スチックファイバを用いれば安価に形成でき、しかも小
径の曲げ加工もできる。

【００２４】このように構成された第１の実施例の光学
式回転角度検出装置２０によると、光源２５であるＬＥ
Ｄより投射された光は反射形集光器３１で反射集光さ
れ、この集光された光は回動部材２８に支持された光フ
ァイバ２９の光入射端面２９ａからコア２９ｃに入射す
る。光ファイバ２９への入射光は、コア２９ｃ内を透過
し、光ファイバ２９のｕ字状屈曲により１８０°方向を
変えて他端の光放射端面２９ｄから出射し、光位置検知
素子２７の受光部上にスポット光３２となって集束す
る。

【００２５】このスポット光３２は回転軸２３に伴なう
回動部材２８の回転によって光位置検知素子２７の受光
部上を移動する。従って、光位置検知素子２７の受光部
への光入射位置は回動部材２８即ち回転軸２３の回転角
度と等しくなり、その電流出力ｉ₁ ，ｉ₂ が検出回路基
板２４上の検出回路７に導かれて、光入射位置ｘに相当
する回転角度出力Ｖθが出力される。

【００２６】この第１の実施例においては、光位置検知
素子２７上のスポット光径は光ファイバ２９のコア２９
ｃの径および光ファイバ端面での開口数ＮＡで決定され
る。そのため、光位置検知素子側の光ファイバ端面を光
位置検知素子２７に近接させることにより光ファイバ２
９のコア径の大きさのほぼそのままのスポット光が光位
置検知素子２７に投射されるため、光源２５からの放射
光のほとんどが光位置検知素子２７上に微小スポットと
して集光される。

【００２７】従って、光束利用効率が極めてよく、光位
置検知素子２７上での照度を光源２５であるＬＥＤの駆
動電流をさほど大きくしなくとも十分大きくとれるた
め、光位置検知素子２７の暗電流などの誤差が無視で
き、位置検出のＳ／Ｎ比が向上する。その結果、位置検
出精度を上げられると共に、ＬＥＤの寿命も長くでき、
長期に亘り精度の良い位置検出ができる。

【００２８】また、この第１の実施例では、光学レンズ
部品を一切使用しておらず、安価にできると共に、スポ
ット光径は光ファイバ２９のコア径および開口数によっ
て決まることによりコア径および開口数の小さいものを
選ぶことで微小にできる。すなわち、かかる実施例にお
いては光位置検知素子２７上のスポット光径が微小にで
き、受光部の端から端までを有効に検出できることから
検出角度範囲が狭くても精度よく検出できると共に最大
検出角度範囲もほぼ２πとすることができ、更に小径の
受光部の光位置検知素子であっても精度よく検出できる
ので装置を小径の小型なものにできる。

【００２９】次に、図３，図４および図５には前述の実
施例における光学式回転角度検出装置２０に利用でき
る、光源２５からの放射光を光ファイバ内に集光させる
集光手段の別の例が示されている。図３に示される集光
手段は光源であるＬＥＤチップ上にマイクロボールレン
ズ３３を配して光源２５からの光を光ファイバ光の入射
端面に集光させるものである。

【００３０】図４に示される集光手段は光源２５である
ＬＥＤ上に集光レンズ３４を配置したものである。この
例では集光レンズ３４をＬＥＤから離して光ファイバ２
９の一端との間に配置しているが、ＬＥＤに集光レンズ
を内蔵したレンズ付ＬＥＤを用いてもよい。また、図５
に示される集光手段は光ファイバ２９のコア先端を溶融
して球状とした先球光ファイバを用いたもので、この球
状部３５がレンズの作用をして集光する。このような光
学系を用いることにより光源からの放射光を光ファイバ
２９内に更に効率よく集光でき、光利用効率が向上す
る。

【００３１】図６は本発明の第２の実施例に係る光学式
回転角度検出装置４０を示す。この第２の実施例を示す
図６において、図１および図２に示される第１の実施例
の光学式回転角度検出装置２０と同一又は相当する部分
には同一の参照符号を付して説明を省略する。この第２
の実施例の光学式回転角度検出装置４０ではリング状素
子支持基板２６の上に回転角度に従って半径が変化する
螺旋状の光位置検知素子４１を設けたものである。

【００３２】そして、光学系としては光放射側端部で短
冊状集束光４２を集光させる光学系、例えば図７および
図８に示されるように光放射側端部でコア４３ａを径方
向一列に配列した光ファイバ４３等を用いる。このよう
な光位置検知素子４１および光ファイバ４３を用いるこ
とにより２π回転角の検出が可能である。なお、図６お
よび図７において符号４１ａは光電変換層、４１ｂは透
明電極、４１ｃはバイアス電極、４１ｄは検出電極、４
３ｂはクラッドをそれぞれ示している。

【００３３】図９は本発明の第３の実施例に係る光学式
回転角度検出装置５０を示している。この第３の実施例
の光学式回転角度検出装置５０は、図１に示される第１
の実施例のものと異なり光位置検知素子２７が光源２５
と対向する回転軸側のケース２１内壁に配置されたもの
である。そして、光ファイバ２９もこれに伴なってＳ字
形に回動部材２８で支持されている。これらの点を除け
ば第１の実施例の光学式回転角度検出装置と同じであ
る。

【００３４】このような第３の実施例に係る光学式回転
角度検出装置５０によれば、光源２５と光位置検知素子
２７とを対向して配置したため、光ファイバ２９を短か
くでき、また円環状の光位置検知素子２７を小径に形成
して回転軸２３に接近させると光ファイバ２９の曲げ部
の曲率半径が小となって光学系分解能が上がり、光位置
を精度良く検出できると共に装置をより小型化すること
ができる。

【００３５】更に、図１０，図１１および図１２には前
述の第１および第３の各実施例における光学式回転角度
検出装置２０，５０に利用できる、光ファイバ２９から
の放射光を光位置検知素子２７上に集光させる集光手段
が示されている。図１０は光ファイバ２９の光放射端面
と光位置検知素子２７との間にコンデンサレンズ３６を
配置した例を示す。また図１１は光ファイバ２９の光放
射端部においてコアを球状に形成した先球光ファイバを
用いた例を示し、この球状部３７がレンズ作用をして光
ファイバ２９から放射される光を光位置検知素子２７上
に集光させる。

【００３６】最後の図１２は光ファイバ２９の光放射端
面にマイクロボールレンズ３８を配した例を示す。この
マイクロボールレンズ３８に代えてマイクロドラムレン
ズを使用してもよい。なお、これらの集光手段３６，３
７，３８は光ファイバ２９の放射端部と共に回動する。
このような構成により光ファイバ２９からの放射光を光
位置検知素子２７上に集光させるようにすれば、光ファ
イバ径即ちコア径を大きくして光利用効率をより向上さ
せられると共に光位置検知素子２７上に集光するスポッ
ト光３２をより微小にできる。

【００３７】このような集光手段を示す図１０ないし図
１２においては、光ファイバ２９の光入射端に第１の実
施例で説明された反射形集光器３１を配しているが、こ
のような集光器３１に代えて図３ないし図５に示される
ような集光手段を用いてもよいし、或いは光ファイバ２
９の光入射端に集光手段を特別設置しなくとも所定の効
果を奏することはできる。更に、光ファイバの光入射端
に設ける集光手段として図１に示される反射形の集光器
３１および図３ないし図５に示される各種の集光手段が
例示されたが、このような集光手段は図６に示される第
２の実施例についても利用することができると共に同様
に図１０ないし図１２に示される光ファイバ光放射端に
配置する集光手段も利用できることは言うまでもない。

【００３８】前述した各実施例では、光源２５であるＬ
ＥＤと光位置検知素子２７を各々別々に検出回路基板２
４に半田付けして取り付けたものであったが、ガラス等
の支持基板状にＬＥＤと光位置検知素子２７を同時に形
成してもよく、検出回路基板２４の表面の一部を処理し
てＬＥＤと光位置検知素子２７を検出基板上に形成して
もよい。また、第１の集光手段および第２の集光手段か
らなる光学系は図示する以外の種々のレンズ、反射鏡等
を組み合わせて構成できると共に光ファイバも同様に種
々の形状が考えられる。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光学式回
転角度検出装置によれば、光源から円環状の光位置検知
素子へ光を導く導光手段が光ファイバとされ、その光入
射端又は光放射端のいずれか一方若しくは両方に集光手
段を設けたことにより、角度検出範囲の大小にかかわら
ず精度良く回転角度を検出でき、小型で長寿命の回転角
度検出装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る光学式回転角度検
出装置を概略的に示す断面図である。

【図２】図１に示される光学式回転角度検出装置におけ
る光位置検知素子を示す平面図である。

【図３】本発明の光学式回転角度検出装置における光フ
ァイバに光源からの光を集光して入射させる第１の集光
手段を示す構成説明図である。

【図４】本発明の光学式回転角度検出装置における光フ
ァイバに光源からの光を集光して入射させる他の第１の
集光手段を示す構成説明図である。

【図５】本発明の光学式回転角度検出装置における光フ
ァイバに光源からの光を集光して入射させる更に他の第
１の集光手段を示す構成説明図である。

【図６】本発明の第２の実施例に係る光学式回転角度検
出装置における光位置検知素子を示す平面図である。

【図７】図６に示される光学式回転角度検出装置で使用
される光ファイバの正面図である。

【図８】図７に示される光ファイバの側面図である。

【図９】本発明の第３の実施例に係る光学式回転角度検
出装置を概略的に示す断面図である。

【図１０】本発明の光学式回転角度検出装置において光
ファイバの光放射端に設置される第２の集光手段を示す
構成説明図である。

【図１１】本発明の光学式回転角度検出装置において光
ファイバの光放射端に設置される他の第２の集光手段を
示す構成説明図である。

【図１２】本発明の光学式回転角度検出装置において光
ファイバの光放射端に設置される更に別の第２の集光手
段を示す構成説明図である。

【図１３】従来の光学式回転角度検出装置を概略的に示
す構成説明図である。

【図１４】従来の光学式回転角度検出装置における光位
置検知素子の構造を示す部分的な断面図である。

【図１５】従来の他の光学式回転角度検出装置を概略的
に示す構成説明図である。

【図１６】図１５に示される従来の光学式回転角度検出
装置における光位置検知素子および回動ストッパ部材を
示す平面図である。

【符号の説明】

２０ 光学式回転角度検出装置 ２１ ケース ２３ 回転軸 ２４ 検出回路基板 ２５ 光源 ２７ 光位置検知素子 ２８ 回動部材 ２９ 光ファイバ ３１ 反射形集光器 ３６ コンデンサレンズ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源と、該光源の光軸線を中心として環
   状に形成配置された光位置検知素子と、一端が前記光源
   に指向すべく前記光軸線上に配置され且つ他端が前記光
   位置検知素子に指向され、回転軸に連動して前記他端を
   前記光位置検知素子に沿って移動可能に支持された光フ
   ァイバからなる導光手段と、該導光手段の一端側或いは
   他端側のいずれか一方又は両方に配置された集光手段と
   を含んでなる光学式回転角度検出装置。