(57)【要約】【課題】角度検出装置のＰＳＤの受光長を確保しつつ小型化を図る。【解決手段】角度検出装置は、ケース５に固定された均一な面発光の得られる光拡散性の面光源７，８と、回動可能にケース５に取り付けられたシャフト１と、シャフト１に固定され且つシャフト１の回動中心から離れた位置に透孔若しくは透明開口からなる透光部１０ａを持つ遮光円板１０と、ケース５側に固定されており且つシャフト１と同心的に配された円弧状の受光面を有する位置検出素子１３とからなる。面光源７，８は均一な面発光で遮光円板１０を照射して遮光円板１０の透光部１０ａを通過する光スポットを形成する。遮光円板１０はシャフト１の回動に伴って角的に変位する結果、光スポットが円弧軌跡に沿って移動する。位置検出素子１３は、円弧軌跡に沿って移動する光スポットを円弧状の受光面で受光し、その受光位置からシャフト１の回動角を検出する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケースに固定された均一な面発光の得られる光拡散性の面光源と、回動可能にケースに取り付けられたシャフトと、シャフトに固定され且つシャフトの回動中心から離れた位置に透孔若しくは透明開口からなる透光部を持つ遮光円板と、ケース側に固定されており且つシャフトと同心的に配された円弧状の受光面を有する位置検出素子とからなり、
前記面光源は均一な面発光で該遮光円板を照射して該遮光円板の透光部を通過する光スポットを形成し、
前記遮光円板は該シャフトの回動に伴って角的に変位する結果該光スポットが円弧軌跡に沿って移動し、
前記位置検出素子は、円弧軌跡に沿って移動する光スポットを該円弧状の受光面で受光し、その受光位置から該シャフトの回動角を検出する事を特徴とした角度検出装置。
【請求項２】
前記面光源は、光を放射するＬＥＤと、放射された光を導光して拡散性の面発光にする拡散導光板とから成ることを特徴とする請求項１記載の角度検出装置。
【請求項３】
前記面光源は、均一な発光面を有するＥＬから成ることを特徴とする請求項１記載の角度検出装置。
【請求項４】
前記遮光円板は該透光部にレンズが形成されており、該光スポットを該位置検出素子の受光部に集束させる事を特徴とする請求項１記載の角度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械部品の回転軸など回転物の回転角を検出する角度検出装置に関する。より詳しくは、ＰＳＤなどの受光素子を用いて回転角を光学的に検出する角度検出装置の受光素子周りの改良技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は従来の角度検出装置の一例を示す模式的な斜視図である。金属などの遮光性材料からなる円板２９は、シャフト１９に固着されており回転変位可能である。このシャフト１９は図示しない検出対象物に接続されている。円板２９の表面には螺旋状のスリット４０が形成されている。スリット４０はシャフト１９に対して偏っている。円板２９の上方には例えばＬＥＤなどからなる光源２７が固定配置されている。光源２７はその表面に固着された投光レンズを介してほぼ平行な光を円板２９の表面に照射する。一方、円板２９の下方には光源２７と整合して受光素子３２が固定配置されている。その表面に設けられた受光面４２は円板２９の径方向に沿った長手形状を有する。円板２９の回転変位に伴って螺旋状スリット４０からの透過光４３は径方向に移動し、受光面４２により受光される。受光素子３２は例えば一次元ＰＳＤなどの位置検出素子からなり、一対の出力端子に差動信号Ａ，Ｂを出力する。すなわち、出力信号Ａ，Ｂは透過光４３の受光位置４４に応じて差動的に変化する。より正確には、透過光４３の重心位置に応じて変化する。この出力信号Ａ，Ｂは処理回路４１により差分処理され、円板２９の回転角を表わす検出信号が得られる。この様に一次元ＰＳＤを円板の径方向に沿って配置した角度検出装置は、例えば特許文献１や特許文献２に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平６−２４９６７７号公報
【特許文献２】特開平６−３４１８５９号公報
【特許文献３】特開平６−２０４５５５号公報
【０００４】
図５は、図４に示した角度検出装置を実際の製品に組み上げた例を示す模式的な断面図である。シャフト１９はベアリング２２，２３の内輪に固定されている。ベアリング２２，２３の外輪はケース２４に固定されている。この為、シャフト１９はケース２４に対して回転できる様になっている。シャフト１９の先端にはロータ２５が固定されている。円板２９がＣＳリング３１とワッシャ３０によってロータ２５に固定されている。これにより、シャフト１９と一体となって円板２９が回転する。又、シャフト１９はロータ２５とＣーリング２０及びワッシャ２１によってスラスト方向のガタを抑制している。光源となるＬＥＤ２７はホルダ２６に固定されている。ホルダ２６はケース２４に固定されている。ＬＥＤ２７はリード線あるいはフレキシブルケーブル２８によって基板３３と電気的に接続している。蓋３５はケース２４に固定されている。ＬＥＤ２７から放射した光は、円板２９に形成された螺旋状スリット４０を通り、直接一次元ＰＳＤ３２に受光される。図示する様に、螺旋状スリット４０はシャフト１９に対して偏っている。一次元ＰＳＤ３２は回路基板３３に固定されており、基板上にある電気回路によってＰＳＤ３２が受光した光の総和に対応する信号を温度補償に使用するとともに、一次元ＰＳＤ３２から出力された一対の信号の差分を取って、絶対回転角度として増幅し且つ出力する。円板２９に形成された螺旋状スリット４０はシャフト１９に対して偏っており、シャフト１９の回転角によって径方向に配置した一次元ＰＳＤの受光位置が径方向に変位する。これによりシャフト１９の回転角度が検出され、出力端子３４から出力される構造となっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図５に示した角度検出装置は、非接触の回転型ポテンションメータとして小型である点に特徴があり、様々な機器のセンサに組み込まれている。しかしながら、近年の更なる小型化への要求に対して、図５に示した従来構造は対応できなくなっている。前述した様に、従来の構造は、ＬＥＤなどの発光素子から放射した光をスリットによって制限して光スポットを形成する。径方向に移動する光スポットを一次元ＰＳＤ（直線ＰＳＤ）によって受光し、光スポットの径方向の変位を絶対回転角度として読み取る構造である。しかしながら、この従来構造では小型化の要求に対応すべく直線ＰＳＤを小型化すると、その受光範囲が短くなる。従って、径方向に移動する光スポットの検出可能な距離が短くなり、著しく精度が悪化してしまう。しかも、シャフトのラジアルガタはそのまま直線ＰＳＤの受光位置の誤差として現われる。このラジアルガタを最小限に止める為、軸受け部はベアリングを使用しなければならない。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述した従来の技術の課題に鑑み、本発明はＰＳＤの受光長を確保しつつ小型化を図るとともに、軸受け構造を簡略化しても角度検出に悪影響が生じない小型低価格の角度検出装置を提供することを目的とする。係る目的を達成するために以下の手段を講じた。即ち、本発明にかかる角度検出装置は、ケースに固定された均一な面発光の得られる光拡散性の面光源と、回動可能にケースに取り付けられたシャフトと、シャフトに固定され且つシャフトの回動中心から離れた位置に透孔若しくは透明開口からなる透光部を持つ遮光円板と、ケース側に固定されており且つシャフトと同心的に配された円弧状の受光面を有する位置検出素子とからなり、前記面光源は均一な面発光で該遮光円板を照射して該遮光円板の透光部を通過する光スポットを形成し、前記遮光円板は該シャフトの回動に伴って角的に変位する結果該光スポットが円弧軌跡に沿って移動し、前記位置検出素子は、円弧軌跡に沿って移動する光スポットを該円弧状の受光面で受光し、その受光位置から該シャフトの回動角を検出する事を特徴とする。好ましくは、前記面光源は、光を放射するＬＥＤと、放射された光を導光して拡散性の面発光にする拡散導光板とから成る。或いは、前記面光源は、均一な発光面を有するＥＬを用いても良い。場合により、前記遮光円板は該透光部にレンズが形成されており、該光スポットを該位置検出素子の受光部に集束させる。
【０００７】
本発明によれば、従来の直線ＰＳＤに代えて、円弧状の受光面を有する円形ＰＳＤを位置検出素子に用いている。円形ＰＳＤを採用し、ＬＥＤなどから放射した光を導光板などによって拡散面発光に変換し、遮光円板に形成された透孔で周方向に移動する光スポットを形成する。この周方向に移動する光スポットを円形ＰＳＤで受光する。円形ＰＳＤの出力を絶対回転角度として求める。
【０００８】
例えば、θ度分の絶対回転角度を検出する場合に、直線ＰＳＤでは受光長がＡ必要であるとする。これに対し、円形ＰＳＤに形成された円弧状受光面の直径をＢとすると、円形ＰＳＤの円弧状受光面の長さ（受光長）は、Ｂ×π×（θ／３６０）となる。ここで、直線ＰＳＤと円形ＰＳＤで受光長を同じに設定した場合、Ａ＝Ｂ×π×（θ／３６０）が成立する。これを整理すると、Ｂ＝Ａ×３６０／（π×θ）となる。この式から、θが１１４．６度より大きければ、ＡよりＢの方が小さくなる。例えばθ＝３３０度の時、円形ＰＳＤの円弧状受光面の直径Ｂは、直線ＰＳＤの受光長Ａの約０．３４７倍あればよい。従って、円形ＰＳＤは直線ＰＳＤに比べ小型化に適していることが分かる。
【０００９】
直線ＰＳＤを用いた場合、シャフトの中心に対して径方向に配置することになる。従って、シャフトの中心から片側に偏って配置されることになる。これに対し円形ＰＳＤを採用すると、シャフトの中心に円形ＰＳＤの中心がくる。従って、仮にＡ＝Ｂの場合でも円形ＰＳＤの方が直線ＰＳＤに比べ小径化が可能である。以上により、従来の直線ＰＳＤを使用した角度検出装置よりも、円形ＰＳＤを使用した角度検出装置の方が小径化が可能である。又小径化しつつもＰＳＤの受光長を確保もしくは拡大することが可能である為、ラジアルガタに対して影響の少ない非接触の絶対回転角センサを構成することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明に係る角度検出装置の実施形態を示す模式的な断面図である。本角度検出装置は基本的に、面光源と、シャフト１と、遮光円板１０と、位置検出素子１３とからなる。面光源はケース５に固定されており、均一な面発光が得られる。本実施形態では、この面光源は光を放射するＬＥＤ７と、放射された光を導光して拡散性の面発光にする拡散導光板８とから構成されている。これに代えて、均一な発光面を有するＥＬを面光源に用いることもできる。シャフト１は測定対象となる物体（図示せず）に接続されるとともに、回動可能にケース５に取り付けられている。遮光円板１０は、シャフト１に固定され且つシャフト１の回動中心から離れた位置に透孔１０ａもしくは透明開口からなる透光部を備えている。位置検出素子１３はケース５側に固定されており且つシャフト１と同心的に配された円弧状の受光面を有する。
【００１１】
本発明の特徴事項として、ＬＥＤ７と導光板８の組み合わせからなる面光源は均一な面発光で遮光円板１０を照射して、遮光円板１０の透孔部１０ａを通過する光スポットを形成する。遮光円板１０はシャフト１の回動に伴って角的に変位する結果、光スポットが周方向に沿って移動する。この結果、光スポットは円弧軌跡を描くことになる。位置検出素子１３はいわゆる円形ＰＳＤからなり、円弧軌跡に沿って移動する光スポットを円弧状の受光面で受光し、その受光位置からシャフト１の回動角を検出する様になっている。場合によっては、遮光円板１０は透孔部１０ａにレンズが形成されており、光スポットを位置検出素子の受光部に集束させている。これにより、ＬＥＤ７から放射される光の利用効率を高くすることができる。利用効率を高めれば、その分円形ＰＳＤの小型化が可能になる。
【００１２】
引続き図１を参照して本角度検出装置の構成を具体的に説明する。シャフト１はケース５に対して軸受け４により回転可能に取り付けられている。この軸受け４はボールベアリングの様な高価な部品は必要でなく、例えばメタル軸受けが用いられる。遮光円板１０はピン１１をシャフト１に圧入することにより固定されている。これにより、シャフト１と一緒に遮光円板１０が回転する。シャフト１はＣーリング２及びワッシャ３によってスラスト方向のガタを抑制している。ＬＥＤ７はホルダ６に固定されており、ホルダ６はケース５に固定されている。ＬＥＤ７への電気的な接続はリード線あるいはフレキシブルケーブル１２を用いており、回路基板１４へと接続されている。ＬＥＤ７から放射した光は導光板８によって拡散され且つ遮光円板１０の下面に導かれる。遮光円板１０に形成された透孔部１０ａ以外から光が漏れない様に、あらかじめ導光板８上には遮光テープ９を貼り付けてある。導光板８から拡散光が放射される領域は遮光テープ９が貼られていない内側に限定されている。この導光板８の光が出る円形領域に対して、遮光円板１０の直径は充分大きく設定されている。蓋１５は外乱要因となる外光が入らない様にケース５に取り付けられている。
【００１３】
ＬＥＤ７から出た光は遮光円板１０の透孔部１０ａを通り、円形ＰＳＤ１３に受光される。円形ＰＳＤ１３は回路基板１４に固定されている。基板１４には処理回路が搭載されており、円形ＰＳＤ１３から出力された受光信号の総和を温度補償に用いるとともに、一対の信号の差を絶対回転角度として増幅し且つ出力する。遮光円板１０には一箇所透孔部１０ａが形成されており、光スポットが得られる。シャフト１の回転角によって、円形ＰＳＤ１３が受光する光スポットの位置が周方向に沿って変位する。円形ＰＳＤ（位置検出素子）１３は受光位置に応じて検出信号を出力する。基板１４上の処理回路はこの信号を処理してシャフト１の回転角度を得ている。この様にして検出した回転角度は出力端子１６によって出力される構造である。
【００１４】
図２及び図３は、図１に示した角度検出装置の分解図である。回転軸に沿って、上から下まで順に構成部品を展開して示してある。一番上に蓋１５が位置し、その下に回路基板１４が位置する。回路基板１４の上面には処理回路や出力端子１６が搭載されている。回路基板１４の下面には円形ＰＳＤからなる位置検出素子１３が取り付けられている。前述した様に、この円形ＰＳＤ１３は円弧状の受光面１３ａを有し、円弧軌跡に沿って移動する光スポットを受光することができる。円形ＰＳＤ１３は光スポットの受光位置に応じてシャフトの回動角を表わす信号を回路基板１４側に送出する。
【００１５】
遮光円板１０は一箇所透孔１０ａが形成されており、上述した光スポットを生成する。遮光円板１０はピン１１によってシャフトの先端に固定される。本例ではこの遮光円板１０は金属板からなり、一箇所エッチングで透孔１０ａが形成されている。これに代えてガラスやプラスチックなどの透明板を用いることができる。この場合には透明円板の上下両面を金属膜などで遮光するとともに、一部エッチングで透明開口を形成すればよい。場合によっては、透明開口に集光用のレンズを形成する様にしてもよい。
【００１６】
遮光円板１０の下方には導光板８が配されている。導光板８の上面は遮光テープ９で被覆されており、余分な光が遮光円板１０側に到達しない様にしている。導光板８は透明板からなり、下面及び湾曲周面は反射膜で覆われている。上面は光散乱性の粗面となっている。導光板８の平端面に接してＬＥＤ７が配される。このＬＥＤ７はホルダ６に固定されているとともに、ケーブル１２で基板１４と接続している。ＬＥＤ７から放射した光は導光板８の平端面に入り、内部で屈折反射を繰り返した後、上面から拡散放射される。これにより、均一な面発光が得られる。場合によっては、ＬＥＤ７と導光板８の組み合わせに代え、ＥＬ素子を光源に用いることができる。ＥＬ素子自体で拡散面光源を構成することができる。
【００１７】
図３に移ると、まずシャフト１が表われている。シャフト１の先端は前述したピン１１が圧入する様に凹部が形成されている。又、先端の直下にはフランジが形成されており、シャフト１のスラスト方向の位置決めを行っている。シャフト１は軸受け４により回動可能に保持される。メタル軸受け４は円筒状のケース５の内部に装着される。このケース５は例えばプラスチックの射出成形品である。ケース５の下方にはシャフト１を固定するワッシャ３及びＣーリング２が取り付けられる。
【００１８】
図６は、図２に示した円形ＰＳＤの具体的な構成例を示す模式図である。円形ＰＳＤは、市販されている。例えば浜松ホトニクス株式会社の角度検出用円形ＰＳＤとして、１次元ＰＳＤＳ８１５８がある。（Ａ）は円形ＰＳＤの平面形状を示し、（Ｂ）は正面形状を示す。図示するように、円形ＰＳＤ１３は、接続端子を兼ねるリードフレーム１５０に搭載されたＰＳＤ半導体チップ１００からなり、モールド１８０でパッケージされている。半導体チップ１００の上面に円形の受光面１３ａが形成されている。参考のため、パッケージの寸法を例示しており、単位はｍｍである。ただし、寸法は例示に過ぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００１９】
図７は、図６に示した円形ＰＳＤの原理を示す模式的な平面図である。図示の通り、半導体チップ１００の表面側であるドーナッツ状の入射面の両端部には一対の位置信号電極１０２ａ，１０２ｂが設けられ、これらの間の入射面の外側端部には基幹導電層１０３が形成されている。この基幹導電層１０３は図中の点Ｐを中心とする円の円周に沿っている。基幹導電層１０３からは入射面方向に延びるように、半径方向に分枝導電層１０４が形成されているが、これは互いに等角度間隔で複数本となっている。
【００２０】
上記例の円形ＰＳＤデバイスの詳細な構成を、図８の部分平面図およびＡ−Ａ線断面図により説明する。例えば、各辺が１〜５０ｍｍのｎ型のシリコンからなる半導体チップ１００の表面側には、１×１０１３〜１０１４ｃｍ−３程度にｐ型不純物を注入した基幹導電層１０３がリング状に形成されると共に、同一の工程で分枝導電層１０４が５μｍ程度のピッチで０．５〜１μｍ程度の深さに形成される。入射面の両端には１×１０１８〜１０１９ｃｍ−３程度にｐ型不純物を注入したオーミックコンタクト領域１０６ａ，１０６ｂが形成され、これらは上記の基幹導電層１０３と接続されている。これらの上には、例えば熱酸化ＳｉＯ２からなる絶縁膜１０７が形成され、オーミックコンタクト領域１０６ａ，１０６ｂ上の絶縁膜１０７の開口を介して、例えばアルミニウムからなる位置信号電極１０２ａ，１０２ｂとのオーミック接触がとられている。
【００２１】
これらの上には例えばエポキシ樹脂からなる表面保護層１０８が塗布形成され、その開口（図示せず）を介してワイヤ（図示せず）が位置信号電極１０２ａ，１０２ｂにボンディングされている。半導体チップ１００の裏面側には、例えば１×１０１９〜１０２０ｃｍ−３程度のｎ型不純物を含むオーミックコンタクト層１１０が形成され、この表面には裏面電極１１１がオーミック接触して設けられる。
【００２２】
例えば、赤外線スポットが表面側から入射されると、これは表面保護層１０８および絶縁膜１０７を透過して半導体チップ１００の入射面に達する。これにより半導体チップ１００で電子／正孔対が発生すると、電子はオーミックコンタクト層１１０および裏面電極１１１側へ流れ、正孔はｐ型の分枝導電層１０４に流れ込む。そして、この正孔による光電流は分枝導電層１０４を通って基幹導電層１０３に流れ、この流入点から位置信号電極１０２ａ，１０２ｂまでの距離（角度）の比に応じた抵抗比により分割される。従って、この半導体チップ１００の入射面にスポット光を入射すれば、回転角度に応じた信号が位置信号電極１０２ａ，１０２ｂから得られる。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明によれば、位置検出素子として従来の直線ＰＳＤに代えて円形ＰＳＤを用いることで、角度検出装置の小径化が可能になった。又円形ＰＳＤの受光面は円弧状である為、ラジアルガタの影響が少なくなり、その分シャフトを高価なボールベアリングで軸受けする必要がなくなる。従って円形ＰＳＤを用いることで小型且つ低価格の角度検出装置を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る角度検出装置の断面図である。
【図２】本発明に係る角度検出装置の分解斜視図である。
【図３】本発明に係る角度検出装置の分解斜視図である。
【図４】従来の角度検出装置の一例を示す斜視図である。
【図５】従来の角度検出装置を示す断面図である。
【図６】図２に示した円形ＰＳＤの具体的な構成例を示す模式図である。
【図７】円形ＰＳＤの原理を示す模式的な平面図である。
【図８】円形ＰＳＤの構造を示す模式的な部分平面図及び断面図である。
【符号の説明】
１・・・シャフト、４・・・軸受け、５・・・ケース、７・・・ＬＥＤ、８・・・導光板、１０・・・遮光円板、１０ａ・・・透光部、１３・・・円形ＰＳＤ（位置検出素子）、１４・・・基板
【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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