(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸を中心として回転変位するとともに周方向に沿って信号用スリットが形成されたスリット盤と、該スリット盤に光を照射する固定光源と、該スリット盤の径方向に沿って配置された長手形状の受光面を備え回転変位に伴って径方向に移動する信号用スリットからの通過光を受光しその位置に応じた検出信号を出力する固定受光素子と、該検出信号を処理して回転変位を表わす出力信号を生成する処理回路と、該検出信号に基いて動作し固定受光素子の受光量を一定に保つように該固定光源の発光量を制御する自動光量制御回路とからなる光学式ポテンショメータにおいて、
前記スリット盤は回転変位の検出が可能な有効角度領域と回転変位の検出が不能な無効角度領域とに分かれており、該有効角度領域には回転軸からの径方向距離が回転変位に対して直線的に変化する前記信号用スリットが設けてある一方、該無効角度領域には単に光を通過させる為の保護用スリットが設けられており、該スリット盤の全角に渡って自動光量制御回路が定常動作することを特徴とする光学式ポテンショメータ。
【請求項２】
前記保護用スリットは該スリット盤の周方向に沿って複数個に分割されていることを特徴とする請求項１記載の光学式ポテンショメータ。
【請求項３】
前記保護用スリットと前記信号用スリットとが該スリット盤の周方向に沿って部分的に重複配置していることを特徴とする請求項１記載の光学式ポテンショメータ。
【請求項４】
前記保護用スリットは前記信号用スリットよりも大きな径方向幅を有することを特徴とする請求項１記載の光学式ポテンショメータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固定光源と固定受光素子と両者の間に介在するスリット盤とからなる光学式ポテンショメータに関する。より詳しくは、固定光源を電気的な破壊から防止するためのスリット盤構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から様々な形式の光学式ポテンショメータが知られている。例えば、特開昭６０−１４０１１７号公報、特開昭６０−２２５０２４号公報、特開平７−４３１７６号公報等には螺旋状にスリットが形成されたスリット盤を利用した構造が開示されている。図８に示すように、金属薄板等の遮光性材料からなるスリット盤１は回転軸２に固着されており回転変位可能である。この回転軸２は図示しない被測定体に接続されている。スリット盤１の表面には中心からの距離が周方向に沿って徐々に拡大する螺旋状の信号用スリット３がエッチングにより形成されている。スリット盤１の上方には例えばＬＥＤ等からなる光源４が固定配置されている。この光源４はその表面に固着された投光レンズ５を介して概そ平行な光をスリット盤１の表面に照射する。一方スリット盤１の下方には光源４と整合して受光素子６が固定配置されている。その表面に設けられた受光面７はスリット盤１の径方向に沿った長手形状を有する。スリット盤１の回転変位に伴って信号用スリット３を通った通過光８は径方向に移動し受光面７により受光される。受光素子６は例えばＰＳＤ等からなり、一対の出力端子に検出信号ＩＡ，ＩＢを出力する。検出信号ＩＡ，ＩＢは通過光８の受光位置９に応じて変化する。これら一対の検出信号ＩＡ，ＩＢは処理回路１０により差分処理を施され、スリット盤１の回転変位を表わす出力信号Ｖｏｕｔを生成する。加えて、処理回路１０には自動光量制御回路（ＡＰＣ）１５が接続されており、光源４の駆動回路１６を制御している。すなわち、ＡＰＣ１５は一対の検出信号ＩＡ，ＩＢを互いに加算した信号に基いて動作し受光素子６の受光量を一定に保つように光源４の発光量を制御している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、スリット盤１には周方向に沿って部分的に信号用スリット３が形成されている。従って、スリット盤１の回転位置によっては光源４の光が完全に遮断され受光素子６の受光量が皆無になる場合がある。何ら対策を施さないと、ＡＰＣ１５の作用により駆動回路１６から光源４に供給される駆動電流が極端に増大することになる。そこで、光源４からの光がスリット盤１により遮断されても光源４が破壊されないように、ＡＰＣ１５に電流制限を設けている。ところで制限電流の量は使用温度範囲の全体に渡って光源の定格電流を超えない様に設定する。仮に定格電流を超えて設定すると光源を破壊する恐れがある。一般に、光源の定格電流は周囲温度が高くなる程小さくなる。この為、制限電流は最高使用温度時における光源の定格電流と一致する様に設定される。ところが、最高使用温度以下で使用した場合、光源の消費電流が制限電流に達して設計上製品寿命に到ったとしても、実際には最高使用温度以下で使用している限り光源が破壊又は劣化している分けでは無く、例えば制限電流を新たに高めに設定すればそのまま使用できる。しかしながら、現実には設計上寿命が尽きたとされるので光源は破壊されていないのに使えない状態となる。この様に、電流制限を設けることにより、製品寿命が短くなるという欠点が生じる。なお、電流制限を設けるという電気的な対策に代えて機械的な対策が考えられる。例えば、ストッパを設け信号用スリット３の存在する角度範囲を超えて回転軸２が機械的に回転できないようにする。しかしながら、この場合にはストッパを含む新たな回転停止機構が必要となり、製造コストの増大につながる。
【０００４】
ここで、上記欠点の理解を容易にする為、光学式ポテンショメータの製品寿命について簡単に説明を加える。光学式ポテンショメータでは構成部品の内で光源の寿命が一番短く、光源の寿命＝製品寿命とすることが最善である。しかしながら、これが成立するのは最高使用温度時のみである。光源として用いられる発光素子の寿命は同じ発光量を得るのに必要な電流が初期の１．５倍になった時、若しくは同じ電流で発光量が６７％になった時とするのが一般である。光源は時間と共に劣化していくため、同じ光量を得るにはより大きな電流を必要とする様になる。光学式ポテンショメータではＰＳＤ等からなる受光素子の受光量の変化が出力となるため、ＰＳＤの受光量が一定になる様光源の発光量をＡＰＣ制御しなければならない。従って、光源の劣化が進み必要電流が制限電流に達するとＰＳＤの受光量をそれまでのレベルに保てなくなる。この時を製品寿命とする。従来の光学式ポテンショメータでは、この様に制限電流を設けたことで製品寿命が人為的に決められている。部品が実際に破壊して機能しなくなるまでではなく、劣化があらかじめ定められた分だけ進行したら実際は使用できるのに製品寿命であると判断されてしまう。なお、ここで制限電流の設定式を参考のため、以下に記載しておく。
制限電流＝（光源電流（ａｔ２５℃））／（相対光量（ａｔ最高使用温度））×（光源の寿命設定係数）＋（回路の消費電流）
相対光量（ａｔ最高使用温度）は光源の特性による。光源の寿命設定係数は一般的に１．５である。回路の消費電流は回路構成により決まる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上述した従来の技術の課題を解決するため以下の手段を講じた。すなわち、本発明に係る光学式ポテンショメータは基本的な構成要素として、スリット盤と、固定光源と、固定受光素子と、処理回路と、自動光量制御回路とを備えている。スリット盤は回転軸を中心として回転変位するとともに周方向に沿って信号用スリットが形成されている。固定光源は該スリット盤に光を照射する。固定受光素子は該スリット盤の径方向に沿って配置された長手形状の受光面を備え回転変位に伴って径方向に移動する信号用スリットからの通過光を受光しその位置に応じた検出信号を出力する。処理回路は該検出信号を処理して回転変位を表わす出力信号を生成する。自動光量制御回路は該検出信号に基いて動作し固定受光素子の受光量を一定に保つように該固定光源の発光量を制御する。係る構成において、前記スリット盤は回転変位の検出が可能な有効角度領域と回転変位の検出が不能な無効角度領域とに分かれている。該有効角度領域には回転軸からの径方向距離が回転変位に対して直線的に変化する前記信号用スリットが設けてある。特徴事項として、該無効角度領域には単に光を通過させるための保護用スリットが設けられており、該スリット盤の全角に渡って自動光量制御回路が定常動作する。元々、自動光量制御回路は常に動作する様設計されている。只、光がスリット盤により遮断されるとフィードバック制御系の信号経路が切断されるため受光量の制御ができなくなる。そこで、スリット盤の全角に渡ってスリットを設け自動光量制御回路の定常動作を維持している。好ましくは、前記保護用スリットは該スリット盤の周方向に沿って複数個に分割されている。また好ましくは、前記保護用スリットと前記信号用スリットとは該スリット盤の周方向に沿って部分的に重複配置している。更に好ましくは、前記保護用スリットは前記信号用スリットよりも大きな径方向幅を有する。なお、見方を変えると、スリット幅を広くすることは条件次第で部分的に保護用スリットと信号用スリットを重複配置したのと同じ効果が得られる。このことは、周方向に分割された保護用スリットの継ぎ目に開口を設ける場合でも同様である。
【０００６】
本発明の基本的な概念はスリット盤の回転位置に係わらず常に受光素子に光源からの光を受光させることである。このため、信号用スリットが存在する有効角度領域外の無効角度領域に保護用スリットを設けている。このように、スリット盤の３６０度全角にわたってスリットを設けることにより、自動光量制御回路を常に定常動作させ、光源に過剰な駆動電流が供給されないようにしている。この様に、本発明では光が遮断されることがなくなるため、電流制限を設けなくても良くなり、制限抵抗を省略できるとともに光源寿命＝製品寿命になる。電流制限は光が遮断されたとき光源が破壊されない様に設けたものであり、光が遮断されなければ必要ない。また、保護用スリットをスリット盤の周方向に沿って複数個分割している。各保護用スリットの間に継ぎ目が残されることによりスリット盤の機械的な強度を維持可能としている。更に、保護用スリットと信号用スリットとはスリット盤の周方向に沿って部分的に重複配置して互いに干渉させている。これにより、３６０度全角にわたって光源からの光を完全に透過させることが可能になる。加えて、保護用スリットの径方向幅を信号用スリットの径方向幅より広めにしている。これにより、無効角度領域における光源の駆動電流を抑制できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の最良な実施形態を詳細に説明する。図１は本発明に係る光学式ポテンショメータの基本的な構成を示す模式的なブロック図である。図示するように、本光学式ポテンショメータはスリット盤１と、固定された光源４と、同じく固定された受光素子６と、処理回路１０と、自動光量制御回路（ＡＰＣ）１５とを備えている。スリット盤１は回転軸２を中心として回転変位するとともに、周方向に沿って信号用スリット３が部分的に形成されている。このスリット盤１は金属薄板等の遮光性材料からなり、信号用スリット３はエッチングにより形成できる。光源４は例えばＬＥＤ等からなり駆動回路１６から駆動電流の供給を受けて発光しスリット盤１に光を照射する。光源４はその表面に固着された投光レンズ５を介してほぼ平行な光をスリット盤１の表面に照射する。受光素子６はスリット盤１を介して光源４に対向配置しており、スリット盤１の径方向に沿って配置された長手形状の受光面７を備え、回転変位に伴って径方向に移動する信号用スリット３からの通過光８を受光し、その位置９に応じた検出信号ＩＡ，ＩＢを出力する。この受光素子６は例えばＰＳＤ等からなり、一対の出力端子に検出信号ＩＡ，ＩＢを出力する。検出信号ＩＡ，ＩＢは通過光８の受光位置９に応じて変化する。処理回路１０は検出信号ＩＡ，ＩＢを処理して回転変位を表わす出力信号Ｖｏｕｔを生成する。具体的には、一対の検出信号ＩＡ，ＩＢを差分処理して、スリット盤１の回転変位情報を表わす出力信号Ｖｏｕｔを生成する。ＡＰＣ１５は処理回路１０に接続しており、一対の検出信号ＩＡ，ＩＢを互いに加算処理した信号に基いて動作し、受光素子６の受光量を一定に保つように光源４の発光量を制御する。すなわち、検出信号ＩＡ，ＩＢの合計量が増大した場合には、ＡＰＣ１５は駆動回路１６を制御して光源４に供給する駆動電流を抑制する。又、検出信号ＩＡ，ＩＢの合計量が低下した場合には、ＡＰＣ１５は駆動回路１６を制御して光源４に供給する駆動電流を増大させる。これにより、光源４と受光素子６の組み合わせからなる検出系はフィードバック制御により安定的に動作可能となる。
【０００８】
スリット盤１は回転変位の検出が可能な有効角度領域と回転変位の検出が不能な無効角度領域とに分かれている。有効角度領域には回転軸２からの径方向距離が回転変位に対して直線的に変化する信号用スリット３が設けてある。この信号用スリット３は例えば中心からの距離が周方向に沿って徐々に拡大する螺旋形状を有している。これに対し、無効角度領域には単に光を通過させるための保護用スリット３ａが設けられている。この保護用スリット３ａは例えば単純な円弧形状を有している。このように、スリット盤１の３６０度全角にわたってスリット３，３ａを設けることにより、自動光量制御回路１５がスリット盤１の回転位置に係わらず常に定常動作することとなり、光源４と受光素子６の組合わせからなる検出系の安定動作が完全に維持できる。
【０００９】
図２は、スリット盤１に形成されたスリットの形状を示す一実施であり、最も単純な例を表わしている。信号用スリット３は螺旋形状を有し、有効角度領域３１に形成されている。一方、保護用スリット３ａは円弧形状を有し無効角度領域３２に形成されている。なお、信号用スリット３および保護用スリット３ａの形状はこれらに限られるものではない。本例では有効角度領域３１が約１２０度であり、無効角度領域３２が約２４０度となっており、スリット盤１の３６０度全角に渡ってスリット３，３ａが設けてある。これにより、スリット盤１の回転位置に係わらず光源からの光が遮断されることがなくなり、ＡＰＣの電流制限にかかる恐れがなくなる。
【００１０】
図３はスリット形状の他の実施例を表わしている。図２に示した最も単純な実施例では信号用スリット３と保護用スリット３ａとの間で２箇所のみに継ぎ目が残されることになる。このため、スリット盤１の機械的強度が低下する恐れがある。そこで、図３に示した実施例では保護用スリット３ａをスリット盤１の周方向に沿って複数個に分割し、継ぎ目の個数を増やしている。この例では保護用スリット３ａを３分割することで、スリット盤１には合計４個の継ぎ目３３が残されることになり、機械的強度が大きくなる。
【００１１】
図４はスリット形状の別の実施例を表わしている。図３に示した例ではあるスリットの端と隣接する他のスリットの端はエッチング加工等の製造誤差により完全に一致するとは限らない。スリットの端と端が離間してしまうと、光源からの光の一部が遮断されてしまうため、光が完全に通過している時よりも光源に供給される駆動電流が大きくなる。このため、定格電流を超える可能性がある。そこで、本実施例では一部でも光が遮断されないように、スリットの端と端を互いに周方向に沿って部分的に重複させている。この際、信号用スリット３は有効角度領域３１に対応した有効電気角が小さくならないように、重複させる分だけ切れ角を大きくとってある。
【００１２】
図５はスリット形状の更に別の実施例を示している。図４に示した実施例では隣合うスリットが重複している部分は通常よりも通過光量が増大するため、光源に供給される駆動電流が通常よりも小さくなる。このような変動を押えるため、図５に示した実施例では分割された保護用スリット３ａの間を離間し、重複部分をなくすとともに、これに替えて一対の開口３４を設けている。ここで、保護用スリット３ａの径方向幅をｄとし、隣り合う保護用スリット３ａの周方向離間距離をｔし、一方の開口３４の直径を２ｒ1 とし、他方の開口３４の直径を２ｒ2 とすると、π（ｒ1 の２乗＋ｒ2 の２乗）＞ｄ・ｔの関係を満たすようにすれば、保護用スリット３ａの境界における出力をほぼ一定にできる。
【００１３】
図６はスリットの更に別の実施例を表わしている。一般に、光源は駆動電流が小さい程寿命が長くなる。この点に鑑み、本実施例では保護用スリット３ａの径方向幅Ｄを信号用スリット３の径方向幅ｄよりも広く設定している。このようにすると、光学式ポテンショメータが無効角度領域にある場合、有効角度領域に比べＡＰＣにより光源の駆動電流が抑制されるため、その分劣化を遅くすることができる。
【００１４】
最後に、図７は図１に示した処理回路１０，ＡＰＣ１５及び駆動回路１６の具体的な構成例を示すブロック図である。ＰＳＤ等からなる受光素子６から出力される一方の検出信号ＩＡはアンプ１１により対応する電圧信号ＶＡに変換された後、差分器１２の正入力端子に印加される。同様に、他方の検出信号ＩＢはアンプ１３により対応する電圧信号ＶＢに変換された後、差分器１２の負入力端子に印加される。一対の電圧信号ＶＡ，ＶＢは差分器１２により互いに差分処理され、スリット３を通った通過光の受光位置に対応した信号Ｖｏｕｔを出力する。更に、一対の電圧信号ＶＡ，ＶＢは加算器１４により互いに加算処理される。加算器１４の出力端子には駆動回路１６に含まれる駆動トランジスタ１６ａが接続されており、加算結果が一定となるようにＬＥＤ等からなる光源４の駆動電流を制御する。
【００１５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、信号用スリットをスリット盤の有効角度領域に設ける一方、保護用スリットをスリット盤の無効角度領域に設け、スリット盤の全角にわたって自動光量制御回路を動作させている。これにより、光学式ポテンショメータが有効角度領域から外れて無効角度領域に進入した場合でも、光源の破壊を防ぐことが可能である。また、保護用スリットをスリット盤の周方向に沿って複数個に分割することで継ぎ目を残し、スリット盤の機械的強度を維持可能である。更に、保護用スリットと信号用スリットをスリット盤の周方向に沿って部分的に重複配置することで、光源からの光が一瞬でも遮断されることを防止し、光源の破壊の可能性を皆無とする。加えて、保護用スリットの径方向幅を信号用スリットよりも大きく設定することで、光源の経時劣化を遅くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光学式ポテンショメータの基本的な構成を示すブロック図である。
【図２】スリット盤に形成される保護用スリットの一実施例を示す模式的な平面図である。
【図３】同じく保護用スリットの他の実施例を示す平面図である。
【図４】同じく保護用スリットの別の実施例を示す平面図である。
【図５】同じく保護用スリットの更に別の実施例を示す平面図である。
【図６】同じく保護用スリットの更に別の実施例を示す平面図である。
【図７】図１に示した光学式エンコーダに組込まれる処理回路の具体的な構成例を示すブロック図である。
【図８】従来の光学式ポテンショメータの一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１・・・スリット盤、２・・・回転軸、３・・・信号用スリット、３ａ・・・保護用スリット、４・・・光源、６・・・受光素子、７・・・受光面、８・・・通過光、９・・・受光位置、１０・・・処理回路、１５・・・自動光量制御回路、１６・・・駆動回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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