JPH09203625A - 回転位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回転軸の回転角度を３６０°の全周に渡って
検出すると共に、非接触で検出することにより耐久性の
向上も図る。 【解決手段】 ベース１および外ケース２を貫通するよ
うに設けられた回転軸３に、円板状の透光板４を傾斜し
た状態で固定する。透光板４は、所定厚さ寸法で屈折率
がｎの平板状をなす透明な板で、面に垂直な方向に対し
て斜めから入射する光を屈折させるようになている。傾
斜角度はθに設定されている。回転軸３の軸方向に沿っ
て光線Ｐを投光するＬＥＤ５とこの光線Ｐを受光するＰ
ＳＤ６が透光板３を挟んで対向する位置に設けられてい
る。回転軸３の回転に伴って透光板４が回転すると、光
線Ｐが透光板４によって屈折される方向が変化し、これ
をＰＳＤ６により検出すれば対応する回転角度を非接触
で全周に渡って検出することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転軸の回転位置
を検出する回転位置検出装置に関する。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】従来より、回転軸の回
転位置を検出するものとしては、回転角度に応じて抵抗
値が変化する可変抵抗器を用いて構成したポテンショメ
ータなどを用いてその電気的信号を検出することにより
回転角度に相当する信号を得るようにしたものがある。
そして、このような可変抵抗式のものは簡単且つ安価な
構成とすることができる利点がある。

【０００３】しかしながら、これらのものでは、可変抵
抗器を構成する抵抗体の面上をブラシが電気的に接触し
た状態で回転することにより、接触した位置の電位を検
出して回転位置を検出する方式としているので、長期間
の使用に対して抵抗体やブラシが摩耗して特性変動が生
じたりあるいは摩耗粉による雑音の発生で検出電位が変
動するなどの不具合があり、耐久性や信頼性の点で実用
上の問題があった。

【０００４】また、このような一般的なポテンショメー
タにおいては、円環状に塗布した抵抗体の一部を切り欠
いてその両端部から電極を取り出すことによりブラシの
接触面を構成するようにしているので、その切り欠いた
部分では原理的に検出不能となるため、このような構成
のものを使用する限りにおいては３６０°の全範囲に渡
って回転角度を検出することが困難になる不具合があっ
た。

【０００５】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的は、長期間の使用に対して耐久性に優れる
と共に、検出不能な部分をなくして３６０°の全範囲に
渡って回転角度の検出が可能な回転位置検出装置を提供
することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の回転位置検出装
置は、所定厚さ寸法の平板状の透光性部材により形成さ
れ回転軸に所定角度傾斜して貫通された状態で固定され
た屈折部材と、この屈折部材に対して前記回転軸の軸方
向から投光する投光素子と、この投光素子と前記屈折部
材を挟んで対向する位置に配置され、前記投光素子から
前記屈折板を介して入射する光を受けてその受光位置に
応じた受光信号を出力する位置検出素子とを備え、この
位置検出素子からの受光信号に基づいて前記回転軸の回
転位置を検出する検出手段とを設けて構成したところに
特徴を有する。

【０００７】上記構成によれば、投光素子から出力され
る光線は屈折部材を介して位置検出素子に入射されるよ
うになる。このとき、屈折部材は、回転軸に傾斜した状
態で固定されているから、投光素子からの光線はその傾
斜角度に対応した入射角度で入射するようになる。した
がって、投光素子から屈折部材中に入射した光線は、そ
の傾斜角度に対応して屈折して内部に入射し、屈折部材
中を通過して再び出るときに、再度屈折することにより
光線は回転軸に沿った方向に進行するようになる。

【０００８】この結果、位置検出素子に入射される光線
の位置は屈折部材が傾斜している分だけ、屈折の法則に
したがった距離だけずれて入射するようになる。このと
き、屈折部材の傾斜方向は、回転軸の回転位置に対応し
て変化するので、位置検出素子の受光面での受光位置
は、屈折部材により変化したずれ量の距離を半径とした
円周上を移動することになる。したがって、検出手段に
より、位置検出素子からの検出信号に基づいてその受光
位置から回転軸の回転位置を演算して求めることができ
るようになる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明をステアリングホイ
ールの回転角度検出装置に適用した場合の第１の実施例
について図面を参照しながら説明する。全体構成の概略
を示す図１および図２において、円板状をなす基板１は
その上部に円筒状をなす外ケース２が装着されている。
この外ケース２内部には回転軸３が貫通するように設け
られており、これには、外ケース２の内部に位置して屈
折部材としての透光板４が固定されている。この透光板
４は、回転軸３の径方向に対して角度θだけ傾けて貫通
した状態で固定されるもので、屈折率がｎ（例えばｎ＝
１．５程度）の透光性を有する樹脂を所定厚さ寸法の円
板に形成したものである。

【００１０】外ケース２内の上面部には投光素子として
のＬＥＤ（発光ダイオード）５が配設されており、その
光軸は回転軸３の軸方向に沿った方向に設定されてい
る。基板１には、ＬＥＤ５と透光板４を挟んで対向する
位置に位置検出素子としてのＰＳＤ（半導体位置検出素
子）６が設けられている。このＰＳＤ６は、ＬＥＤ５か
らの光のスポットの受光位置を二次元的に検出可能なも
のでその受光位置に応じた検出信号を出力するようにな
っている。

【００１１】図３は検出手段の電気的構成を示すもの
で、ＰＳＤ６の二次元的な位置を示す受光信号を電流信
号として出力する端子としてＸ方向およびＹ方向のそれ
ぞれに対応して出力端子Ｘ１，Ｘ２および出力端子Ｙ
１，Ｙ２が導出されている。そして、各出力端子Ｘ１，
Ｘ２，Ｙ１，Ｙ２は電圧変換回路７，８，９，１０に接
続されており、電流信号が電圧信号に変換された状態で
出力されるようになっている。

【００１２】電圧変換回路７，８の各出力端子は、加算
回路１１および減算回路１２の各入力端子に接続されて
いる。また、電圧変換回路９，１０の各出力端子は、加
算回路１３および減算回路１４の各入力端子に接続され
ている。加算回路１１および１３の各出力端子は加算回
路１５の入力端子に接続され、その加算回路１５の出力
端子は電流調整回路１６を介してＬＥＤ５の通電経路に
接続されている。

【００１３】電流調整回路１６は、加算回路１５から入
力される電圧信号の値が所定値に一致するように出力電
流つまりＬＥＤ５への通電電流を調整するもので、これ
によってＰＳＤ６の受光量を常に一定となるように制御
するようになっている。そして、減算回路１２の出力端
子はｘ方向への偏差を示す信号を出力する端子ｘに接続
され、減算回路１４の出力端子はｙ方向への偏差を示す
信号を出力する端子ｙに接続されている。

【００１４】次に、本実施例の作用について図４ないし
図７も参照して説明する。まず、回転軸３の回転角度の
検出原理について概略的に説明する。すなわち、ＬＥＤ
５から出力される回転軸３の軸方向に平行な光線Ｐが透
光板４に入射すると、図４に示すように、屈折によりそ
の進行方向が透光板４の内部側に曲げられ、この後透光
板４から出るときに再び屈折をおこして曲げられ、結
局、回転軸３の軸方向と平行な光線Ｐとなって進行する
ようになる。しかし、このときに透光板４を通過したた
めに、その光線Ｐの光路はＬＥＤ５から出力されたとき
の位置よりも偏差距離δだけずれた位置となる。

【００１５】したがって、透光板４の上面側で入射した
光線Ｐは各位置でその傾きに対応した方向に屈折して下
面側に出力するので、図５で矢印で示すようにずれるよ
うになる。このことは、透光板４が回転することに対応
して、ＰＳＤ６で受光する位置でみると、図６に示すよ
うに、透光板４の回転に伴ってその光線Ｐの位置は、透
光板４がないときに光線Ｐを受光する受光面の位置を原
点Ｏとし、その原点Ｏを中心として半径が偏差距離δに
相当する円周上を移動することになる。

【００１６】さて、このような偏差距離δは、透光板４
の傾き角度θ，厚さ寸法ｈおよび屈折率ｎの値から次式
（１）のように計算することができる。すなわち、屈折
の法則にしたがって光線Ｐの透光板４内部での進行方向
を求め、透光板４内から出る位置を計算することにより
偏差距離δを求めることができる。

【００１７】

【数１】

【００１８】ＰＳＤ６の受光面においては、回転軸３の
回転に伴って回転する透光板４の位置に応じて半径δの
円の周上の対応する点に受光するようになる。ＰＳＤ６
は、受光信号をｘ方向およびｙ方向のそれぞれに対応し
た信号として出力するので、回転角度をαとすると、こ
れに対応して得られるｘ，ｙの各受光信号の値は図７に
示すような変化をする。そして、その受光位置に対応し
た角度αは、ｘ，ｙの各位置を示す信号に基づいて次式
（２）で求めることができる。

【００１９】

【数２】

【００２０】この場合、ｘ，ｙの値の符号に応じて回転
位置を示す角度αの値は次の範囲に対応している。

【数３】

【００２１】さて、ＰＳＤ６から実際に出力される信号
は、各端子からｘ方向およびｙ方向に対応してそれぞれ
Ｘ１，Ｘ２およびＹ１，Ｙ２となっており、これらを次
式（３），（４）に示すような演算を行うことにより、
上述の信号ｘおよびｙが求められるようになる。この場
合、ＬをＰＳＤ６の受光面の一辺の長さとして設定して
いる。

【００２２】

【数４】

【００２３】上述の演算は、図３に示した電気的構成に
よって行われて出力される。ＰＳＤ６は、受光した位置
に応じた受光信号をＸ１，Ｘ２，Ｙ１，Ｙ２の各端子か
ら出力する。各信号をＸ１，Ｘ２，Ｙ１，Ｙ２とする
と、これらは各増幅器７〜１０を介して電圧信号に変換
された後、ｘ方向に対応して加算器１１により加算さ
れ、ｙ方向に対応して加算器１３により加算され、それ
らの加算結果はさらに加算器１５にて加算され全受光電
流に相当する信号として得られるようになる。

【００２４】電流調整回路１６においては、この全受光
電流が一定となるようにＬＥＤ５への電流を制御するの
で、式（３），（４）中でＸ２＋Ｘ１の値およびＹ１＋
Ｙ２の値は実質的に常に一定の値として制御されるよう
になり、Ｌの値と共に定数と見なすことができるように
なる。そして、式（３），（４）の分子に記載された差
の値Ｘ２−Ｘ１およびＹ２−Ｙ１は、それぞれ減算回路
１２および１４にて演算されるので、端子ｘおよびｙか
ら出力される信号に基づいて、前述の式（２）に対応す
る演算処理を行うことで回転角度αが求められるのであ
る。

【００２５】このような本実施例によれば、透光板４を
角度θだけ傾けた状態で回転軸３に固定し、回転軸３の
回転に伴ってＬＥＤ５からの光線Ｐの進路を屈折によっ
て変化させるようにしたので、非接触状態で回転軸３の
回転角度αに対応した位置でＰＳＤ６により光線Ｐを受
光することができるようになり、長期間の使用に対する
耐久性の向上を図ることができると共に、簡単且つ安価
な構成で回転軸３の回転角度αを精度良く検出すること
ができるようになる。

【００２６】図８および図９は本発明の第２の実施例を
示すもので、以下、第１の実施例と異なる部分について
説明する。すなわち、ＰＳＤ１７は、改良表面分割形の
ものであり、図９に示すように、４つの出力端子Ａ〜Ｄ
は受光面の四隅に設けられており、このような構成上の
相違から検出手段としての電気的構成についても図８に
示すように変更される部分がある。

【００２７】図８において、ＰＳＤ１７の四隅に設けら
れた出力端子Ａ〜Ｄは、それぞれ電圧変換回路１８〜２
１に接続され、ＰＳＤ１７から電流信号として出力され
る信号を電圧信号に変換するようになっている。４個の
加算回路２２〜２５において、加算回路２２の加算入力
は電圧変換回路２０および２１とされ、加算回路２３の
加算入力は電圧変換回路１８および１９とされ、加算回
路２４の加算入力は電圧変換回路１８および２１とさ
れ、加算回路２５の加算入力は電圧変換回路１９および
２０とされている。

【００２８】加算回路２２および２３の加算出力は減算
回路２６の減算入力とされ、加算回路２４および２５の
加算出力は減算回路２７の減算入力とされると共に加算
回路２８の加算入力とされる。加算回路２８の加算出力
は電流調整回路１６を介してＬＥＤ５に接続されてい
る。減算回路２６および２７の減算出力はｘ方向検出信
号およびｙ方向検出信号として外部に出力可能な構成と
される。

【００２９】上記構成によれば、第１の実施例と同様に
して受光動作を行うと、このときＰＳＤ１７の四隅に設
けられた電極Ａ〜Ｄから出力される受光信号に基づいて
検出回路においては、次のようにしてｘ方向およびｙ方
向の検出信号を得ることができるようになる。なお、こ
こでは電極Ａ〜Ｄから出力される電流信号の大きさを電
圧変換回路１８〜２１にて電圧信号に変換したときの値
を、それらの符号と同じ符号Ａ〜Ｄとして示すことにす
る。

【００３０】まず、ｘ方向に対応して、加算回路２２に
おいて（Ｄ＋Ｃ）が演算され、加算回路２３において
（Ａ＋Ｂ）が演算される。これらは、ｘ方向に対する正
および負の信号に対応しており、これらの差を減算回路
２６にて演算すると、ｘ方向に対応する信号［（Ｄ＋
Ｃ）−（Ａ＋Ｂ）］として得ることができる。また、ｙ
方向に対応して、加算回路２４において（Ａ＋Ｄ）が演
算され、加算回路２５において（Ｂ＋Ｃ）が演算され
る。これらは、ｙ方向に対する正および負の信号に対応
しており、これらの差を減算回路２７にて演算すると、
ｙ方向に対応する信号［（Ａ＋Ｄ）−（Ｂ＋Ｃ）］とし
て得ることができる。

【００３１】このようにして得られたｘ方向およびｙ方
向に対応する検出信号を全電流値に相当する（Ａ＋Ｂ＋
Ｃ＋Ｄ）で割算処理を行うことにより、ｘ方向およびｙ
方向の検出信号として得ることができるようになる。こ
のような演算処理は、検出回路において、次式（５），
（６）に示すような演算処理を行うことになる。すなわ
ち、ｘ方向の検出信号は受光面の一辺の長さをＬとした
ときに式（５）のようにして得ることができ、ｙ方向の
検出信号は同様に式（６）のようにして得ることができ
るのである。

【００３２】

【数５】

【００３３】なお、実際の検出回路においては、加算回
路２８において全出力の加算値（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）を演
算し、この値が一定となるように電流調整回路１６にて
ＬＥＤ５に対する通電電流を制御しているので、この全
電流を示す値については定数と見なすことができるよう
になり、実質的には割算処理をしなくともｘ方向および
ｙ方向の検出信号として得ることができるようになる。
したがって、このような第２の実施例によっても第１の
実施例と同様の作用効果を得ることができる。

【００３４】本発明は、上記実施例にのみ限定されるも
のではなく、次のように変形または拡張できる。ＰＳＤ
は両面分割形などの他のタイプのものを用いても良い◎
また、位置検出素子として、ＰＳＤ以外にＣＣＤを用い
ることもできる。屈折部材は光が透過可能であればガラ
スや樹脂などなんでも良い。投光素子はレーザを用いて
も良い。投光素子により発する光は、可視光でも赤外光
でも良い。

【００３５】

【発明の効果】本発明の回転位置検出装置によれば、回
転軸に所定角度傾斜して貫通された状態で屈折部材を固
定し、この屈折部材に対して投光素子から投光した光を
投光素子とは屈折部材を挟んで対向する位置に配置した
位置検出素子により受光し、検出手段により位置検出素
子からの受光信号に基づいて回転軸の回転位置を検出す
る構成としたので、回転軸の回転位置に対応して屈折部
材の傾斜方向を変化させて異なる受光位置としてその回
転軸の回転位置を非接触状態で検出することができるよ
うになり、これによって、長期間の使用に対する耐久性
の向上を図ることができると共に、回転軸の回転角度を
全周（３６０°）に渡ってとぎれることなく検出するこ
とができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す縦断側面図

【図２】横断平面図

【図３】電気的構成図

【図４】透光板を透過する光線の軌跡を示す作用説明図

【図５】円板内での屈折による光線のずれ方向を示す作
用説明図

【図６】ＰＳＤの受光面と受光位置を示す作用説明図

【図７】回転角度に対応した受光位置信号の変化を示す
図

【図８】本発明の第２の実施例を示す図３相当図

【図９】図６相当図

【符号の説明】

１は基板、２は外ケース、３は回転軸、４は透光板（屈
折部材）、５はＬＥＤ（投光素子）、６，１７はＰＳＤ
（位置検出素子）、７〜１０，１８〜２１は電圧変換回
路、１１，１３，１５，２２〜２５，２８は加算回路、
１２，１４，２６，２７は減算回路、１６は電流調整回
路である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定厚さ寸法の平板状の透光性部材によ
   り形成され回転軸に所定角度傾斜して貫通された状態で
   固定された屈折部材と、 この屈折部材に対して前記回転軸の軸方向から投光する
   投光素子と、 この投光素子と前記屈折部材を挟んで対向する位置に配
   置され、前記投光素子から前記屈折板を介して入射する
   光を受けてその受光位置に応じた受光信号を出力する位
   置検出素子と、 この位置検出素子からの受光信号に基づいて前記回転軸
   の回転位置を検出する検出手段とを具備したことを特徴
   とする回転位置検出装置。