JPS61112921A - 回転角検出装置 - 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】 （技術分野） 本発明は回転角検出装置に関する。

（従来技術とその問題点） エンジンのクランク軸等の回転体の回転速度等を光電的
に検出する回転角検出装置として、周方向に沿って所定
の間隔でスリットを穿設したスリット円板を回転軸に固
着して当該回転軸と一体に回転させる一方、該スリット
円板の両側に且つ前記スリットを介して対向可能に発光
ダイオード（ＬＥＤ）と受光素子例えばフォトトランジ
スタとをその発光部と受光部とを離隔対向させて配置し
、前記スリット円板の回転に伴ない前記フォトトランジ
スタに入力する光パルス信号を対応する電気パルス信号
に変換して回転速度を検出するようにした回転角検出装
置、或は前記円板のスリットの両側に投光器と、受光面
に前記円板のスリットと同じスリットを設けた受光器と
を対向可能に配置し、前記円板の回転に伴ない前記受光
面に生ずるモアレ縞を検出して対応する電気信号を得、
該信号に基づいて回転軸の回転角を検出するようにした
回転角検出装置等がある。

しかしながら、前者は発光ダイオードの発光量が弱いこ
と及び指向性が鋭くないこと等により比較的低回転域に
おける計測は可能であるが、高回転域ではフォｌ−トラ
ンジスタから出力されるパルス信号の間隔が短くなり前
述した発光ダイオードの特性からスリン１〜間相互の識
別が困難となり、また、投光する光を絞ると光が更に弱
くなる等により高回転域の計測は困難である。この結果
、現状では分解能は１回転当り１８０パルス程度が限度
であり、最高計測回転数も８０００　ｐ　ｐ　ｍ程度が
限界である。従って、エンジンのクランク角度位置等を
検出する場合比較的エンジン回転数の低い四輪車用のエ
ンジンには使用可能であるが、高回転が要求される二輪
車用のエンジンに不向きである。

また、後者は直流モータ等による安定した回転での使用
に対しては２００００　ｒ　ｐ　ｍ程度まで回転角の検
出が可能であるが、二輪車用のエンジン等に対しては約
１１２００ｏ　ｒ　ｐ　ｍ程度までが検出限界である。

その理由としては、二軸車用エンジンのクランク軸の挙
動は偏心や燃焼行程時の角加速度変動等により可成り複
雑であり、このため１１００００ｒｐ以上の高回転では
スリット円板の偏心やエンジン振動の増加によりモアレ
縞模様がぼやけ、コントラストが低下し、この結果、受
光器の出力電圧の振幅が低下し、これに起因して回転角
度の波形抜けが生じ、検出精度が低下する。

更に、比較的低、中回転域においても受光部のスリット
とスリット円板のスリットとが平行となるようにセツテ
ィングしないと前記波形抜けが生じ、このセツティング
に可成りの経験と勘が必要であり、最悪の場合には数日
の試行錯誤の未初めてテストが行える状態になる等の場
合もある。

このような理由により前記回転角検出装置では特に二輪
車用エンジン等の高速回転域におけるクランク軸の回転
角を簡単に且つ高精度に検出することが極めて困′難で
ある一方、最近のエンジンの高回転化に伴いクランク角
度１°程度の高分解能で２０００Ｏｒ　ｐ　ｍ以上の高
回転域まで測定可能で、且つセツティングの容易な回転
角検出装置が要望されている。

（発明の目的） 本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、高回転域ま
で高分解能で回転角の検出を可能とし、且つセツティン
グの容易な回転角検出装置を提供することを目的とする
。

（発明の概要） 上記目的を達成するために本発明においては、周方向に
沿って所定間隔で所定数のスリットが穿設され回転軸に
固着されて当該回転軸と一体に回転する円板と、略コ字
状をなし対向する両端の各端面が該円板のスリットの両
側に離隔対向して配置されるステーと、各一端が該ステ
ーの両端に固定され且つ該円板の各スリットを介して対
向可能に整合配置される第１、第２の光ファイバケーブ
ルと、該第１の光ファイバケーブルの他端に接続され所
定のレーザ光を出力して当該筒１の光ファイバケーブル
に送出するレーザ発振器と、該第２の光ファイバケーブ
ルの他端に接続され該スリットを介して入力する前記レ
ーザ光を対応する電気＝４− 信号に変換出力する光電変換器とを備え、高回転域まで
高分解能で回転角検出ができ、且つセツティングの容易
な回転角検出装置を提供するものである。

（発明の実施例） 以下本発明の実施例を添付図面に基づいて詳述する。

第１図は本発明の原理を示す概略構成図で、円板１の周
縁には同一円周上に周方向に沿って所定の間隔例えば回
転角度１度毎にスリット１ａが穿設されており、この円
板（以下スリット円板という）１は中心に穿設された孔
を介して被測定回転軸２に嵌合固定され当該回転軸２と
一体的に回転する。スリット円板１の両側にはファイバ
ケーブル３，４が配置され、これらの各一端面３ａ、４
ａは夫々スリット１ａを介して僅かな空隙で離隔対向し
て配置され、光ファイバケーブル３の他端面３ｂは所定
波長のレーザ光を発振出力するレーザ発振器５の照射口
５ａに対向して配置され、ファイバケーブル４の他端面
４ｂは受光器例えばピンフォトダイオード６の受光面６
ａと対向して整合配置される。

レーザ発振器５から発振出力されたレーザ光は光ファイ
／＜ケーブル３内に伝送され、端面３ａから円板１のス
リット１ａを通過し、端面４ａから光ファイバケーブル
４内に入射し当該光ファイバケーブル４を通り、端面４
ｂから受光素子例えばピンフォトダイオード６の受光面
６ａに照射される。光ファイバケーブル３の端面３ａか
ら光ファイバケーブル４の端面４ａに照射されるレーザ
光線はスリット円板１の回転により断、続する。即ち、
光ファイバケーブル４には円板１の回転に応じた周期の
レーザパルス（光パルス）信号が入力される。ビンフォ
トダイオード６はこの光パルス信号を対応する電気パル
ス信号に変換出力する。

この出力された電気パルス信号に基づいて周知のように
回転軸２の回転角の検出を行なう。

第２図は上記原理に基づく本発明に係る回転角検出装置
のセンサとスリット円板とを自動二軸車のエンジンに装
着する場合の組付斜視図を示し、エンジン１０のフライ
ホイール１３は円板取付シャフト１４の一端に刻設され
たねじ部１４ａを介してクランク軸１１に強固に螺着固
定され、シャフト１４の軸１４ｂはクランクケースカバ
ー１５の軸孔１５ａを回転可能に遊貫する。クランクケ
ースカバー１５はフライホイール１３を僅かなギャップ
で囲繞しガスケット１６を介してクランクケース１１に
装着され、３本のボルト１９により螺着固定される。

このクランクケース１５には３個のスペーサ１７を介し
て円弧状のセンサスティ１８が装着され、これらのクラ
ンクシャフトケースカバー１５、スペーサ１７及びセン
サスティ１８は３本のボルト２０によりクランクケース
１１に共線固定される。

スリット円板２５は一組のホルダ２６．２７の間に圧着
挟持されてシャフト１４の軸１４ｂに連設され当該軸１
４ｂよりも小径の軸１４ｃに嵌装されねじ１４ｄに螺合
するナツト２８によりホルダ２６．２７と共にシャフト
１４に一体的に固着される。このスリット円板２５には
前記第１図に示すスリット円板１と同様に周縁の同一円
周上に周方向に沿って所定の間隔例えばクランク軸１２
の回転角１°毎にスリット２５ａが穿設され、このスリ
ット２５ａと同心状をなしてクランク軸１２の所定のク
ランク角度位置例えば上死点（Ｔ　Ｄ　Ｃ）位置に対応
するスリット２５ｂが穿設されている。

このスリット円板２５ｂが穿設されている。このスリッ
ト円板２５とセンサスティ１８とは第１０図に示すよう
に同心的に配置される。

２つのセンサヘッド３０．３１はセンサスティ１８にボ
ルト２１を介して螺着され、センサヘッド３ｏはスリッ
ト円板２５のスリット２５ａによるクランク軸１２の１
度毎の回転角を、センサヘッド３１はスリット円板２５
のスリット２５ｂによるクランク軸１２の上死点位置を
検出する。

センサヘッド３０は第３図に示すように断面略コ字状を
なし両端３０ａ、３０ｂの略中央には孔３０ｄ、３０ｆ
が対向して穿設され、一方の孔３０ｄの孔３０ｆと対向
する開口端３０ｅは同心状に小径をなして絞られている
。そして、一方の孔３０ｄには投光用の光ファイバケー
ブルホルダ３５の一端３５ａが嵌挿され、フランジ３５
ｂを介してボルト３６により螺着され、他方の孔３０ｆ
には受光用光ファイバケーブル３７の一端３７ａが嵌挿
され、フランジ３７ｂを介してボルト３８により螺着さ
れる。

光ファイバケーブル４０の一端はホルダ３５の他端３５
ｃに嵌挿固定され、光ファイバ４１は第４図に示すよう
に当該ホルダ３５の軸芯に穿設された貫通孔３５ｄを嵌
挿し、端面４１ａは一端３５ａの開口端に嵌挿されたレ
ンズ４２の対向端面４２ａに当接され光結合される。受
光用光ファイバケーブル４３の一端も前記光ファイバケ
ーブル４０と同様にしてホルダ３７に装着される。この
状態において、各光ファイバ４１．４４の各一端面は空
隙３０ｃを介して整合配置される。

光ファイバケーブル４０の他端は第５図に示すようにホ
ルダ５０に前述と同様に装着され、該ホルダ５０の一端
５５ａはアダプタ５１の中心孔５１ａに嵌挿される。こ
のホルダ５０はボルト５２によリアダプタ５１の端面に
螺着される。アダプタ５１は第５図及び第６図に示すよ
うにレーザ発振器７０の一端に外嵌されボルト５３によ
り螺着固定される。この状態において光ファイバケーブ
ル４０の光ファイバ４１の他端面はレーザ発振器７０の
照射ロア０ａと対向し、出力されるレーザ光りは当該光
フアイバ４１内に伝送される。

光ファイバケーブル４３の他端は第７図及び第８図に示
すようにホルダ５５に前述と同様に装着され、一端５５
ａはホルダ５６の孔５６ａに嵌挿され、該ホルダ５５は
ボルト５７を介してホルダ５６に螺着固定される。ホル
ダ５８は略り字状をなしホルダ５６にボルト５９により
螺着固定され、両ホルダ５６．５８間には空隙が形成さ
れる。受光素子例えばビンフォトダイオード６０の一端
はホルダ５８にホルダ５６の孔５６ａと対向して穿設さ
れた孔５８ａに嵌挿され、他端は押え板６１を介してボ
ルト６２により当該ホルダ５８に固着される。この状態
において光ファイバケーブル４３の光ファイバ４４の他
端面とビンフォトダイオード６０の受光面６０ａとは僅
かな空隙で整合配置される。ビンフォトダイオード６０
の端子６０ｂ。

６０ｃは接続線（図示せず）を介して第１．０．１１図
に示す光電変換機８ｏに接続される。このようにして受
光部６５が構成される。

センサヘッド３１もセンサヘッド３０と全く同様に構成
され、第１０図に示すように光ファイバケーブル４６を
介してレーザ発振器７１に接続され、光ファイバケーブ
ル４７を介して前記受光部６５と同様に構成された受光
部（図示せず）に接続される。センサヘッド３０は第３
図及び第９図に示すように両端３０ａ、３０ｂによりス
リット円板２５の周縁の両側を挟んで配置され、スリッ
ト円板２５は両端３０ａ、３０ｂ間の空隙部３０ｃ内を
僅かなギャップで回転可能に配置される。センサヘッド
３１もセンサヘッド３０と同様に配置される。そして、
第１０図に示すようにセンサヘッド３０の各光ファイバ
４１．４４の各対向端面はスリット円板２５の各スリッ
ト２５ａと対向可能に配置され、センサヘッド３１の光
ファイバケープル４６．４７の各光ファイバの各対向端
面（いずれも図示せず）はスリット２５ｂと対向可能に
配置される。

レーザ発振器７０．７１は例えばＨｅ−Ｎｅレーザ発振
器で第１０図に示すように高圧電源装置７２゜７３に接
続され、これらの各高圧電源装置はコネクタ７４．７５
を介して電源（図示せず）に接続される。各センサヘッ
ド３０．３１の光ファイバケーブル４３．４７の各他端
が接続されるホルダ５５．５５’は光電変換器８０に接
続される。この光電変換器８０の電源端子はケーブル９
０を介して直流電源装置８６に接続され、出力端子８０
ｃ。

８０ｄはケーブル９１．９２を介してデータ処理装置例
えばパーソナルコンピュータ１００に接続される。また
、イグナイタ８７の入力端子８７ａはエンジン１のクラ
ンク軸１２の他側に設けたパルスジェネレータ（図示せ
ず）に接続され、イグナイタ（点火信号発生装置）８７
の出力端子８７ｂ、８７ｃは夫々線９４．９５を介して
イグニッションコイル８８の入力端子８８ａ、パーソナ
ルコンピユー＝１２− タ１００に接続される。イグニッションコイル８８の出
力端子８８ｂは線９６を介してエンジン１０の一方の点
火プラグｌｏａに接続される。

光電変換器８０は第１１図に示すように、演算増幅器○
Ｐ１．抵抗ＶＲ１、コンデンサＣ１、及び演算増幅器Ｏ
Ｆ２、抵抗ｖＲ２、コンデンサＣ２から成る２つの電流
−電圧変換回路８１．８２と、演算増幅器○Ｐ３、抵抗
ＶＲ３、及び演算増幅器ＯＰ４、抵抗ｖＲ４から成る２
つの波形成形回路８３．８４を備え、各電流−電圧変換
回路８１゜８２の入力端子は夫々各端子８０ａ、８０ｂ
に、各出力端子は夫々波形成形回路８３．８４の各入力
端子に接続され、これらの波形成形回路８３゜８４の各
出力端子は端子８０ｃ、８０ｄに接続される。センサヘ
ッド３０．３１の各光ファイバケーブル４３．４７（第
１０図）の他端面と対向する各ビンフォトダイオード６
０，６０’は夫々端子８０ａ、８０ｂに接続される。

以下作動を説明する。

レーザ発振器７０，７１から出力されるレーザ光線は夫
々光ファイバケーブル４０．４６に伝送され、センサヘ
ッドセ３０．３１に４かれる。エンジン］０のクランク
軸１２が回転するとスリンＩ・円板２５が一体に回転し
、これに伴ないセンサヘッド３０．３］内において光フ
ァイバケーブル４０゜４６から対向する各光ファイバケ
ーブル４３．４７に照射されるシー光りが断続される。

光ファイバケーブル４３に入射されるレーザ光はスリッ
ト円板２５の１回転の間に３６０回断続し、光ファイバ
ケーブル４７に入射されるレーザ光はスリット円板２５
の１回転の間に１回断続する。即ち、各光ファイバケー
ブル４３，４７にはスリット円板２５の回転速度に応じ
た周期の光パルス信号が入力される。

各光ファイバケーブル４３．４７に入射されたパルス信
号ＬｐＩ　ＬＰ’はこれらの光ファイバケーブル４３，
４．７の他端に導かれ対向する各ビンフォトダイオード
６０．６０’（第１１図）の受光面に照射される。ビン
フォトダイオード６０．６０’は入射する光パルス信号
Ｌｐ＋Ｌｐ’を対応する電気パルス信号Ｐ、Ｐ’に変換
出力する。これらの電気パルス信号Ｐ、Ｐ’は電流−電
圧変換回路８１、．８２で対応する電圧パルス信号に変
換された後、波形整形回路８３．８４で波形整形され、
矩形波のパルス信号Ｐ１．Ｐ２として出力される。

そして、パルス信号Ｐ１は例えばクランク軸１２の回転
速度信号として表示され、パルス信号Ｐ２は回転基準信
号として表示される。

そして、パルス信号Ｐ１はその数をカウントすることで
クランク軸１２の回転角度として表示され、パルス信号
Ｐ２はクランク軸１２の基準位置を示し、また、パルス
信号Ｐ２のパルスからパルスまでの時間を計る事でクラ
ンク軸１２の一回転に要した時間がわかり、これより単
位時間当たりの回転数が演算により求められ表示される
。

パーソナルコンピュータ１００はパルス信号Ｐ１′。

Ｐ２に基づいて例えばエンジン１０の回転上昇率（Ｎｅ
−Ｔｉｍｅ）特性を、パルス信号Ｐ２とイグナイタ８７
から入力される点火信号とに基づいて例えば過渡点火時
期特性（Ｎｅ−Ｏｉｇ）、ここに値θｉｇは点火角度を
示す）を表示する。因みにエンジン１０をアイドル回転
数付近から１１００００ｒｐ付近までスロットル弁を開
弁じたときの当該エンジン１０の回転上昇率特性及び過
渡点火時期特性は夫々第１２図及び第１３図に示すよう
に表わされ、エンジン回転数を９０００　ｒ　ｐ　ｍ付
近からアイドル回転数までスロットル弁を閉弁したとき
の回転上昇率特性及び過渡点火時期特性は夫々第１４図
及び第１５図に示すように表わされる。

第１６図はセンサヘッドの他の実施例を示し、センサヘ
ッド１１０は第１７図に示すように複数のポルｌ〜１２
０により互いに圧着固定される２枚のホルダ１１１と１
１２との間に２本の投光用光ファイバケーブル１３０．
１３１、受光用光ファイバケーブル１３２゜１３３を各
ホルダ１１１．．１１２に設けた溝内に嵌合させ、各光
ファイバケーブル１３０〜１３３の各一端にホルダ１３
５〜１３８を嵌装し、これらの各ホルダ１３５〜１３８
の各一端をスリット円板介装用の切欠１１１ａの対向端
に配設し、且つ光ファイバケーブル１３０と１３２゜１
３１と１３３の端面が整合するように配設し、光ファイ
バケーブル１３０と１３２とにより１つの投受光部を、
光ファイバケーブル１３１と１３３とによりもう１つの
投受光部を形成し、１つのホルダ１１０に２つの投受光
部を組込んだものである。そして４本の光ファイバケー
ブル１３０〜１３３はホルダ１１０外において被覆１３
９により１本に束ねられる。

ホルダ１１１と１１２の各切欠１１１ａと１１２ａとに
より形成される切欠１１０ａ（第１６図）にスリット円
板２５を介装する。この状態において、ホルダ１１０は
光ファイバケーブル１３０と１３２の各一端がスリット
２５ｂ（第１０図）を介して対向可能に、光ファイバケ
ーブル１３１と１３３の各一端がスリット２５ａを介し
て対向可能に配設される。

第１８図及び第１９図は投受光器の更に他の実施例を示
し、第１８図は、投受光一体式の反射型に構成され、中
心に投光用の光ファイバケーブル１４０を、該投光用光
ファイバケーブル１４０の周りに受光用光ファイバケー
ブル１４１を複数配置して１本に束ねて光ファイバケー
ブル１４２を形成し、該光ファイバケーブル１４２の一
端を前述したようにホルダ１４３を介してクランクケー
スカバー１５に装着すると共に、スリット円板に換えて
反射型の円板即ち、スリットに代えて反射面（図示せず
）を形成した円板１４５を使用するようにしたものであ
る。投光用光ファイバケーブル１４０から円板１４５に
投光されたレーザ光線は前記反射面で反射され、各受光
用光ファイバケーブル１４１を介して受光される。受光
用光ケーブル１４１は前述したように投光用光ケーブル
１４０の囲りに多数配置されその受光面積が大きいため
に反射光を十分に受光することが可能である。

また、第１９図は投光部をエンジン１ｏに装着し、受光
部はエンジン１０から離して配置するようにしたもので
、投光用光ファイバケーブル１５０の一端をホルダ１５
１を介してクランクケースカバー１５に装着し、クラン
ク軸に固着したスリット円板１５５の各スリット（図示
せず）を透光するレーザ光りを受光部１６０のレンズ１
６１により受光して収束し、受光用光ケーブル１６２に
導くようにしたものである。

また、第２０図に示すようにエンジン１のクランク軸の
両端にスリット円板１７０，１７０’を固着し、例えば
第１７図に示すセンサヘッド１１０を図示のように２個
配置し、これらの各センサヘッド１１０，１１０の各出
力信号の位相差を検出することにより前記クランク軸の
回転時の捩れを検出することもできる。

また、Ｐｌ、Ｐ２信号をイグナイタ８７の入力端子８７
ａに接続することによって、点火時期の制御信号として
用いることもできる。

（発明の効果） 以上説明したように本発明によれば、周方向に沿って所
定間隔で所定数のスリットが穿設され回転軸に固着され
て当該回転軸と一体に回転する円板と、略コ字状をなし
対向する両端の各端面が該円板のスリットの両側に離隔
対向して配置されるステーと、各一端が該ステーの両端
に固定され且該円板の各スリットを介して対向可能に整
合配置される第１、第２の光ファイバケーブルと、該第
１の光ファイバケーブルの他端に接続され所定のレーザ
光を出力して当該第１の光ファイバケーブルに送出する
レーザ発振器と、該第２の光ファイバケーブルの他端に
接続され該スリットを介して入力する前記レーザ光を対
応する電気信号に変換出力する光電変換器とを備え、レ
ーザ光線により前記回転軸の回転を検出するようにした
ので、指向性が鋭く且つ光度の強い光を得ることができ
、これに伴ない光束を絞ることができるためにスリット
向板のスリット幅を狭く且つその数を増すことができ、
高回転域まで高分解能を維持することができると共にス
リット円板を小さくすることが可能でありコンパクト化
を図ることができる。更にスリットの偏心やエンジン振
動を伴ってもスリット円板のスリットをレーザ光線が横
切れば回転角等を検出することができ検出精度が向上す
る。

更に光ファイバケーブルを使用することによりイグニッ
ションのノイズ等の影響を受けることがなく耐ノイズ性
に優れる。また、投光部とを一体化することによりセツ
ティングが容易であり、更に光ファイバケーブルを使用
することによりレーザ発振器と光電変換部とを１つにま
とめることができ被検査体から隔れた所でレーザ光量の
調整とその効果を確認することができる所謂遠隔操作が
可能となる等の優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の検出原理を示す図、第２図は本発
明に係る回転角検出装置のセンサヘッド及びスリット円
板のエンジンへの取付状態を示す組付斜視図、第３図は
第２図に示すセンサヘッドの断面図、第４図は光ファイ
バケーブルホルダの一部切欠側面図、第５図は光ファイ
バケーブルとレーザ発振器との接続を示す一部切欠組立
斜視図、第６図は第５図の組立状態を示す要部断面図、
第７図は受光部の組立斜視図、第８図は第７図の組立断
面図、第９図は第２図のセンサヘッドとスリット円板と
の関係を示す側面図、第１０図は本発明に係る回転角検
出装置の一実施例を示す構成図。 第１１図は光電変換器の一実施例を示す回路図、第１２
図乃至第１５図は本発明装置の測定結果の一例を示す特
性図、第１６図はセンサヘッドの他の実施例を示す正面
図、第１７図は第１６図のセンサヘッドの組立斜視図、
第１８図及び第１９図は回転検出部の他の実施例を示す
概略構成図、第２０図は本発明装置を適用してクランク
軸の捩れを検出する場合のセンサヘッドとスリット円板
の取付状態の概略を示す図である。 １ｏ・・・エンジン、１１・・クランクケース、１２・
・・クランク軸、２５・・・スリット円板、３０．３１
・・・センサヘッド、４０，４３，４６．４７・・・光
ファイバケーブル、６０．６０’・・・受光素子、７０
゜７１・・・レーザ発振器、８０・・光電変換器、８７
・・イグナイタ、８８・・・イグニッションコイル、１
００・・・パーソナルコンピュータ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、周方向に沿って所定間隔で所定数のスリットが穿設
   され回転軸に固着されて当該回転軸と一体に回転する円
   板と、略コ字状をなし対向する両端の各端面が該円板の
   スリットの両側に離隔対向して配置されるステーと、各
   一端が該ステーの両端に固定され且つ該円板の各スリッ
   トを介して対向可能に整合配置される第１、第２の光フ
   ァイバケーブルと、該第１の光ファイバケーブルの他端
   に接続され所定のレーザ光を出力して当該第１の光ファ
   イバケーブルに送出するレーザ発振器と、該第２の光フ
   ァイバケーブルの他端に接続され該スリットを介して入
   力する前記レーザ光を対応する電気信号に変換出力する
   光電変換器とを備えたことを特徴とする回転角検出装置
   。