(57)【要約】【課題】  ブラシ式可変抵抗器型ポテンショメータの簡単な構造と良好な温度安定性を維持しつつ、ブラシ式のもつ摺動ノイズ、摩耗の問題を解決する。【解決手段】  電位勾配を形成する抵抗体を、電磁波を吸収して電気抵抗が低下する受動素子たる光導電膜で覆い、この上に電磁波を透過させかつ導電性を有する透光性導電膜を形成し、透光性導電膜を介して光導電膜の任意の位置に電磁波を照射して当該照射部位の光導電膜の抵抗値を小さくし、抵抗体の当該部位の電位を光導電膜および透光性導電膜を介して出力させることにより、ブラシ機構を廃する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端に電圧が印加され電位勾配を形成する抵抗体と、該抵抗体に電気的に接続されている電磁波を吸収して電気抵抗が低下する材料からなる受動素子たる光導電部材と、該光導電部材に電気的に接続されている電磁波を透過させかつ導電性を有する材料からなる透光性導電部材と、該透光性導電部材を透過して該光導電部材の所望の位置に電磁波を照射するよう構成された電磁波源と、該透光性導電部材から出力電圧を取り出す手段とを備えたポテンショメータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、可変抵抗器型ポテンショメータの摺動子を廃し非接触化する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】  直流電圧または交流電圧を抵抗体に印加し、この抵抗体の任意の部位から当該部位の位置に固有の分圧比に従って分圧された電位を取出す可変抵抗器型ポテンショメータは、電圧の分圧や位置または変位の検出などに汎く利用されている。従来の可変抵抗器型ポテンショメータでは、抵抗体の任意の位置の電位を取出すために、当該抵抗体と接触摺動するブラシ機構が用いられている。この接触摺動式可変抵抗型ポテンショメータは、構造が簡単である利点のみならず、温度変化による抵抗値の変化が出力電圧に影響を及さない利点を有することは周知である。【０００３】  温度変化により抵抗体の抵抗値はその温度係数に従い変化するが、温度変化が出力に影響しない理由は以下の通りである。出力電圧は、印加された基準電圧に、測定部位から一方の基準電圧印加部位までの抵抗値を抵抗体全体の抵抗値で除した商（無次元数）を乗じた電圧である。通常、抵抗体は意図的に変更しない限り全体が同一材料で構成されるので、測定部位から一方の基準電圧印加部位までの抵抗値と抵抗体全体の抵抗値の温度係数は等しい。よって、温度が変化しても両者の温度係数は分母分子間で消去しあうため、前記の両者の商は温度により変化しない。この原理は当業者において周知である。【０００４】  接触摺動式可変抵抗型ポテンショメータは前記の諸利点を有するが、ブラシが抵抗体と摺動することにより発生する接触摺動部の摩耗によるノイズ発生の問題、寿命が短い問題をもつ。【０００５】  このため、自動車用、医療用、産業用などの高信頼性、高耐久性が要求される用途ではブラシ機構を廃した非接触式が求められている。【０００６】  可変抵抗器型ではないが、非接触式の位置センサーとしてホール素子と永久磁石を用いたものが実用化されている。この方式にはホール素子センサーのほか集積回路による演算器が必要で構成が複雑であり、かつ、ホール素子自体の特性から温度変化による出力変化が可変抵抗型ポテンショメータのそれよりも大きい問題がある。【０００７】  また、非接触式の位置センサーとしてはホトダイオードを利用した光学式位置センサーがある。これは、線状にホトダイオードを形成し、これに逆バイアスをかけ、任意の位置に光を照射し、ホトダイオードを流れる逆電流を諸定数の知られた抵抗体に二方に分流して流し、分流された各電流の差または比から位光照射位置を算出するものである。この構成と作用は下記の「非特許文献１」の１１２ページ以下に記されており、実用に供されている。この方式はセンサー部分の出力の温度変化は接触摺動式可変抵抗型ポテンショメータと同レベルに小さいが、ＰＮ接合からなるホトダイオードを形成することがが必要であり、かつ、可変抵抗型ポテンショメータの出力と同等の位置出力を得るには出力電流の比を求める演算器が必要であって、構造が複雑であり、内部インピーダンスが高く電磁的ノイズを拾い易い問題がある。
【非特許文献１】針生尚著、電子・情報工学講座１０光エレクトロニクスデバイス改訂版、株式会社培風館（１９９９年１０月２５日発行）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】  本発明が解決しようとする課題は、ブラシが抵抗体と摺動することにより発生する接触摺動部の摩耗によるノイズ発生の問題、寿命が短い問題を解決することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  本発明では、一対の入力端に基準電圧が印加されて電位勾配を形成する抵抗体と、該抵抗体に電気的に接続され、電磁波を吸収することにより電気抵抗が低下する材料からなる受動素子たる光導電部材と、該光導電部材に電気的に接続され、電磁波を透過させかつ導電性を有する材料からなる透光性導電部材と、該透光性導電部材を透過して該光導電部材の所望の位置に電磁波を照射するよう構成された電磁波源と、該透光性導電部材から出力電圧を取り出す手段とを備えることにより、ブラシ機構を廃して非接触化を実現し前記の課題を解決する。【００１０】  本発明において、電磁波とは可視光を含む全波長領域の電磁波を意味し、この少なくとも一部の波長領域において電磁波を吸収して電気抵抗が低下する材料を光導電材料と称し、これを用いた部材を光導電部材と称し、電磁波を透過する性質を透光性と称する。これらには「光」という文字が付されているが、電磁波の波長を紫外、可視、赤外などの光領域に限定するものではない。【００１１】  図１、図２、図３および図４は、本発明になるポテンショメータ例を示す図である。図１は、ポテンショメータ例の側面図、図２は、図１のポテンショメータ例の正面図、図３は、図２中のＳ−Ｓにおける断面図、図４は、図２のＴ−Ｔにおける電磁波源（４）の断面図である。【００１２】  図１、図２、図３および図４に示すポテンショメータ例は、直線動作型ポテンショメータである。これらの図において、合成樹脂製のフレーム（５１）には磁器製の基盤（５）が保持されている。電磁波源（４）はガイドロッドＡ（２１）、ガイドロッドＢ（２２）によって基盤（５）に向き合うように保持されている。ガイドロッドＡ（２１）、ガイドロッドＢ（２２）の一端は電磁波源（４）に係合されており、他端はフレーム（５１）に設けられた孔を貫通している。電磁波源（４）とガイドロッドＡ（２１）、ガイドロッドＢ（２２）は一体となって外力により図１中の上下の方向に外力により自在に移動するよう構成されている。【００１３】  基盤（５）上には、炭素の微粉を合成樹脂で結合した材料からなる抵抗体（１）が敷設されている。抵抗体（１）はその全域に渉り一様な材料で構成されており、各部の抵抗値の温度係数は一様である。抵抗体（１）と平行しつつ間隙をあけて銅の膜たる出力用導体（３）が敷設されている。抵抗体（１）の基板（５）に接していない面には、若干の添加物を含む水素化アモルファスシリコン膜たる光導電部材（２）が敷設されている。抵抗体（１）と光導電部材（２）は電気的に接続されている。光導電部材（２）の抵抗体（１）と接していない面から出力用導体（３）の基板（５）に接していない面までの領域には、ドーピングした酸化亜鉛の透明な膜である透光性導電部材（３１）が敷設されている。光導電部材（２）と透光性導電部材（３１）、透光性導電部材（３１）と出力用導体（３）は各々電気的に接続されているが、抵抗体（１）と透光性導電部材（３１）は光導電部材（２）により電気的に隔てられている。【００１４】  抵抗体（１）の一端は銅の膜たる端子Ａ（１１）に接続されており、端子Ａ（１１）は基準電圧源の一方の出力端に接続される。抵抗体（１）の他端は銅の膜たる端子Ｂ（１２）に接続されており、端子Ｂ（１２）は基準電圧源の他方の出力端に接続される。出力用導体（３）の両端は銅からなる端子Ｃ（１３）に接続されている。端子Ｃ（１３）は、端子Ａ（１１）または端子Ｂ（１２）のいずれかと対を形成して出力電圧を取出すための端子である。出力用導体（３）、端子Ｃ（１３）が本例における「透光性導電部材（３１）から出力電圧を取り出す手段」を構成している。【００１５】  電磁波源（４）の内部には、中心波長６１５ナノメートルの光を発する発光ダイオード（６）が備えられており、電磁波源（４）が透光性導電部材（３１）と光導電部材（２）とが積層された部位に向き合う位置には、該発光ダイオード（６）の放射方向に一致して開口する平行光線を形成するスリット（７）が設けられている。発光ダイオード（６）は受電端子Ａ（１４）、受電端子Ｂ（１５）が備えられており、図中では省略されている電流制御手段を介し点灯用電源に接続される。基準電源を発光ダイオード（６）を点灯するための電源として利用することが可能である場合もある。【００１６】  本例のポテンショメータは、光の侵入がない筐体内での使用を前提に設計されているが、外部からの光が光導電部材（２）に照射される場合には、これを遮断するためのカバーで覆うことが必要である。【００１７】  抵抗体（１）は、全長２５ミリメートル、幅５ミリメートルでその全長に渉り均一な抵抗分布をもち、両端間の抵抗値は１キロオームである。光導電部材（２）は、厚さ２００ナノメートルで、光が照射されない時の２９３ケルビンにおける比抵抗は５００００００００００オーム・センチメートルであり、同条件で波長６１５ナノメートル、放射照度０．５ミリワット／平方センチメートルの光が照射された時の比抵抗は５０００００００オーム・センチメートルである。【００１８】  透光性導電部材（３１）の厚さは１００から２００ナノメートルであり、波長６１５ナノメートルの光の透過率は７５パーセント以上であり、光が照射されない時の２９３ケルビンにおける比抵抗は０．０１オーム・センチメートル以下である。光が照射された時の比抵抗はこれよりやや小さくなる。【００１９】  発光ダイオード（６）が点灯されると、電磁波源（４）のスリット（７）から照射される平行光線である光は、抵抗体（５）の任意の位置にいおてその長手方向の長さ２ミリメートル、長手方向に直角な方向の幅５ミリメートルの全てを照射し、透光性導電部材（３１）を透過して光導電部材（２）を照射する。透光性導電部材（３１）上での放射照度は約０．６７ミリワット／平方センチメートルであり、７５パーセント以上の光が透光性導電部材（３１）を透過して光導電部材（２）を照射する。すなわち、光導電部材（２）の被照射部位には放射照度０．５ミリワット／平方センチメートル以上の光が入射する。【００２０】  抵抗体（１）とこれに平行に敷設された出力用導体（３）の間隙は約０．６ミリメートルである。【００２１】  以上の構成をもつポテンショメータ例につき以下でその作用を説明する。【００２２】  以下では基準電源の電圧は直流１０ボルトとする。抵抗体（１）の端子Ａ（１１）を基準電圧源の高電位側出力端に接続し、端子Ｂ（１２）を同低電��側出力端に接続する。端子Ｂ（１２）と端子Ｃ（１３）の電位差がポテンショメータの出力となる。【００２３】  この状態の等価回路を図５に示す。同図において、抵抗体素（１０１）は抵抗体（１）を構成する微小長さの抵抗体部分を示し、光導電部材素（１０２）は光導電部材（２）の光が照射されていない部位の光導電部材（２）を構成する微小長さの光導電部材部分を示す。本例では、抵抗体素（１０１）を抵抗体（１）の全長にわたり積分した抵抗値は両端子間抵抗に等しい１キロオームである。透光性導電部材（３１）の比抵抗、出力用導体（３）の比抵抗は小さく、他の抵抗要素に対して無視できるので、図５では抵抗値ゼロの導線として表現されている。回路全体は、抵抗体素（１０１）、光導電部材素（１０２）からなる分布定数回路である。【００２４】  この状態では発光ダイオード（６）は点灯されていないので電磁波源（４）の位置は図５の等価回路には影響を及さない。端子Ｂ（１２）と端子Ｃ（１３）の電位差は基準電源の電圧の１／２である５ボルトであるが、光導電部材（２）の比抵抗は全領域に渉り５００００００００００オーム・センチメートルと高いので、長さ２５ミリメートル、幅５ミリメートル、厚さ２００ナノメートルの光導電部材（２）の抵抗は約８００キロオームである。【００２５】  次に、発光ダイオード（６）の受電端子Ａ（１４）、受電端子Ｂ（１５）を直流電源に接続し、発光ダイオード（６）を点灯する。この時、透光性導電部材（３１）上での放射照度が約０．６７ミリワット／平方センチメートルとなるように電流を規制する。この状態の等価回路を図６に示す。同図の各部は図６とほぼ同様であるが、スリット（７）で絞られた発光ダイオード（６）からの光を照射された被照射光導電部材素（２０２）を太線で示す。この部分の比抵抗は５０００００００オーム・センチメートルであるので、長さ２ミリメートル、幅５ミリメートル、厚さ２００ナノメータの当該部位の光導電部材（２）の抵抗は約１０キロオームである。【００２６】  図７に、図６の分布定数回路の等価回路を示す。図６の分布定数回路は７個の抵抗で表現される。同図において、抵抗Ｆ（５０２）が光導電部材（２）の光が照射された部位である。例えば、電磁波源（４）の位置が１／４の位置、すなわち一端から６．２５ミリメートルである場合、抵抗Ａ（４０１）、抵抗Ｂ（４０２）はともに１２５オーム、抵抗Ｃ（４０３）、抵抗Ｄ（４０４）はともに３７５オーム、抵抗Ｅ（５０１）は約３８１０キロオーム、抵抗Ｆ（５０２）は１０キロオーム、抵抗Ｇ（５０３）は約１１２６キロオームである。抵抗Ｆ（５０２）の抵抗値が抵抗Ｅ（５０１）、抵抗Ｇ（５０３）のそれより格段に小さいので抵抗Ｆ（５０２）が接続された抵抗体（１）の部位の電位が出力されることは明かである。【００２７】  図８は、本例のポテンショメータにおいて電磁波源（４）を長さ２５ミリメートルの抵抗体（１）に沿い２５ミリメートルだけ移動させた場合の、電磁波源（４）の位置と出力電圧の関係示す図である。横軸に電磁波源（４）からの光線の中心線の抵抗体（１）のゼロボルト側端部からの距離、縦軸に出力電圧を示す。スリットで絞られた光線の抵抗体（１）の長手方向の長���は２ミリメートルであるので、電磁波源（４）の位置が０から１ミリメートルの区間と２４から２５ミリメートルまでの区間では光線の一部が抵抗体（１）の外を照射するので、これらの区間ではリニアリティが損われ、出力はゼロボルトから１０ボルトの間をフルスイングしない。しかしながら、これらの区間を除く２３ミリメートルの範囲では実用上十分なリニアリティが得られている。なお、抵抗体（１）のパターンをあらかじめ微調整しておくことによりリニアリティを改善することが可能である。【００２８】  本発明になるポテンショメータでは、これを構成している抵抗体（１）および光導電部材（２）の温度が変化してその抵抗値が変化しても、光導電部材（２）は摺動子を代替する単なる部位特定的なスイッチとしてのみ機能するので、接触式ポテンショメータの場合と同じ原理により出力電位が変化することがないのは明らかである。また、光導電部材（２）に入射する光のエネルギーが変化して当該部位の光導電部材（２）の抵抗値が変化した場合、出力インピーダンスは変化するものの出力電圧には殆ど影響をおよぼさないことも明かである。【００２９】  本発明になるポテンショメータでは、光導電部材（２）は抵抗体（１）の高電位側と低電位側との間に発生する電位勾配に沿って隙間なく実用上稠密に配置されているので、電磁波源（４）が光導電部材（２）を照射する部位は有限の長さをもつにも拘らず、電磁波源（４）の微小な移動に対してもこれに見合って連続的に変化する出力が得られ、高い分解能が確保されている。【００３０】  本発明になるポテンショメータでは、抵抗体（１）としては接触摺動式では摩耗のため使用できない金属膜などを使用することができる。光導電部材（２）としては、例えば２−６族系、３−５族系、４族系の光導電材料や有機系光導電材料などの受動素子をオーミック接続で使用できるが、ＰＮ接合を有し太陽電池として機能し起電力を有するホトダイオードのような能動素子は、当該起電力が出力電圧に影響するために使用できない。【００３１】  本発明になるポテンショメータでは、電磁波を透過させる透光性導電部材（３１）を採用しているため、光導電部材（２）の厚さを薄くすることおよび光導電部材（２）と透光性導電部材（３１）の接触面積を大きく取ることにより光導電部材（２）部分の抵抗値を低くとることが可能となり、出力インピーダンスを下げることが可能となった。このため、電磁波照射時の比抵抗が高い水素化アモルファスシリコンなどの材料も実用的に使用することが可能となった。透光性導電部材（３１）としては、酸化インジウム−酸化錫混合物（ＩＴＯ）や酸化亜鉛などのいわゆる透明材料のほか、透明ではないが電磁波をある程度透過させる程度に薄膜化された金属膜などが使用できる。透光性導電部材（３１）の採用は本発明の大きな特徴である。【００３２】  前記例では部透光性導電材（３１）と出力用導体（３）は介在物なく電気的に直接接続されているが、光導電部材（２）を出力用導体（３）を覆いつつ透光性導電部材（３１）との間に介在するように敷設し、かつ、この光導電部材（２）の介在部位にも電磁波を照射するように構成することも可である。出力用導体（３）は抵抗体（１）と同じ材料で構成し、電磁波源（４）の位置に拘らず出力インピーダンスを一定とすることも可である。電磁波源（４）が電磁波を照射していない状態での出力を所望の電位に規定するため、出力を所望の電位にプルダウンまたはプルアップする１個または１対の抵抗を内蔵するも可である。出力用導体（３）と出力を取出す端子の間に、出力を短絡した際に各部位を保護するための電流規制用抵抗を介在させることも可である。出力インピーダンスをさらに下げる必要がある場合には、初段を電界効果トランジスタ構成とした増幅器などを組込むことも可である。光学系は、電磁波源（４）をフレーム（５１）などに不動的に固定し、スリット、レンズ、反射鏡、プリズム、光ファイバーなどの光学系を移動させて光導電部材（２）に対する電磁波の照射位置を変化させる構成とすることも可である。必要に応じて光導電部材（２）、透光性導電部材（３１）の表面に電磁波を透過させる樹脂などの保護膜で覆うも可である。【００３３】  図１以下のポテンショメータ例において、フレーム（５１）の端部と電磁波源（４）の間にコイルスプリングを装着し、これを電磁波源（４）への電源供給線の一部として利用することも可である。【００３４】  本発明になるポテンシオメータから電磁波源（４）を除去し、抵抗体（１）部分を金属などの良導体で置換したものは、光導電部材に照射する光の照度を光導電部材の抵抗値の変化として検出する出力インピーダンスの低い照度センサーとして使用できる。【００３５】  本発明の光導電部材（２）を磁気抵抗体で、電磁波源（４）を磁石で置換した構成を採用すれば、原理的には本発明と同様の作用、効果が得られるが、これを実用化しうる材料は現在探索中である。
【発明の効果】
【００３６】  本発明になるポテンショメータでは、機械的な接触摺動を行うブラシ機構が廃されているため抵抗体の摩耗は皆無であり、摩耗によるノイズの問題、寿命が短い問題が解消され効果が得られる。また、可変抵抗型ポテンショメータの基本構造と原理は維持されているので、構造が簡単である利点、意図的に抵抗体を不均一な材料で構成しない限り温度変化による出力電圧の変化が小さい利点も維持される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】  本発明を実施するための最良の形態は、従来の接触摺動式可変抵抗器型ポテンショメータの外形、電気的特性を維持し、これらと形状的、電気的互換性を有する形態である。
【実施例１】
【００３８】  図１以下に示したポテンショメータ例は直線動作型であるが、これを基板が形成する平面上で円弧状に湾曲させ、または基板を円筒状に湾曲させ、抵抗体を円弧状とし、この円弧の中心位置に回転軸を設け、この回転軸に電磁波源またはスリットなどの光学系を付設し、回転型として構成することができる。これらの回転型はいずれも接触摺動式可変抵抗器で汎く採用されている周知の形態であり、当業者においてこれらの形態に本発明を適用するのは容易である。回転型の場合、電磁波源は回転軸に付設するもフレーム側に不動的に固定するも自由である。回転軸に電磁波源を付設する場合、トーションコイルをリターンスプリングとして採用するならば、このスプリングを電磁波源への電力供給線の一部として利用するも可である。
【産業上の利用可能性】
【００３９】  接触摺動に起因するノイズを極小化する必要があり、高い耐久性、信頼性が要求される直流または交流用の分圧器、位置センサーなどに汎く利用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】  本発明になるポテンショメータ例の側面図
【図２】  本発明になるポテンショメータ例の正面図
【図３】  本発明になるポテンショメータ例の断面図
【図４】  本発明になるポテンショメータ例の電磁波源の断面図
【図５】  本発明になるポテンショメータ例の電磁波源が非発光状態の等価回路図
【図６】  本発明になるポテンショメータ例の電磁波源が発光状態の等価回路図
【図７】  図６を簡略化した等価回路図
【図８】  本発明になるポテンショメータ例の電磁波源位置−出力電圧特性図
【符号の説明】
【００４１】        １    抵抗体
２    光導電部材
４    電磁波源
３１    透光性導電部材
【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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