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技術 有限角センサ

出願人 株式会社ハーモニック・ドライブ・システムズ
発明者 小林修平
出願日 2012年10月10日 (7年8ヶ月経過) 出願番号 2012-224692
公開日 2014年5月1日 (6年1ヶ月経過) 公開番号 2014-077676
状態 拒絶査定
技術分野 光学的手段による測長装置 光学的変換
主要キーワード 各角度位置 LED駆動制御回路 回転角制御 共振エネルギー 回転角度α 切削加工面 高帯域化 外周面部分
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2014年5月1日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (4)

課題

検出対象回転軸イナーシャを増加させることがなく、回転軸の回転角度を精度良く検出できる有限角センサを提案すること。

解決手段

有限角センサ1は、回転軸3の外周面に形成した第1、第2光反射面4、5と、第1、第2光反射面4、5に検出光照射するLED6と、第1光反射面4で反射した第1反射光L1を受光する第1フォトダイオード7と、第2光反射面5で反射した第2反射光L2を受光する第2フォトダイオード8と、これらのフォトダイオードで受光された第1、第2受光量Q1、Q2に基づき、回転軸3の回転角度位置を算出する信号処理装置9とを有している。

概要

背景

有限角センサとしては、特許文献1、2に記載されているような光学式センサが知られている。これらの文献に開示の光学式センサは、検出対象回転軸に取り付けたスリット付きディスクを備えている。発光素子受光素子が、ディスクのスリットを挟み、対向配置されている。回転軸の回転に伴い、発光素子から射出された検出光が通過するスリットの位置が移動する。受光素子は一次元位置検出素子からなり、スリットを通過した検出光の受光位置を検出する。受光位置に基づき回転軸の回転角度位置が分かる。

また、特許文献3に記載されている有限角センサは、検出対象の回転軸の外周面に取り付けた一対の発光素子と、これらから射出される検出光を受光する一対の受光素子(一次元位置検出素子)を備えている。各発光素子からはラジアル方向に検出光が射出される。回転軸の回転に伴い、各発光素子からの検出光の方向が移動する。各受光素子は、検出光の受光位置を検出する。受光位置に基づき回転軸の回転角度位置が分かる。

概要

検出対象の回転軸のイナーシャを増加させることがなく、回転軸の回転角度を精度良く検出できる有限角センサを提案すること。有限角センサ1は、回転軸3の外周面に形成した第1、第2光反射面4、5と、第1、第2光反射面4、5に検出光を照射するLED6と、第1光反射面4で反射した第1反射光L1を受光する第1フォトダイオード7と、第2光反射面5で反射した第2反射光L2を受光する第2フォトダイオード8と、これらのフォトダイオードで受光された第1、第2受光量Q1、Q2に基づき、回転軸3の回転角度位置を算出する信号処理装置9とを有している。

目的

本発明の課題は、受光素子の受光量の変化に基づき回転軸の回転角度を精度良く検出可能な有限角センサを提案することにある

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

検出対象回転軸外周面、あるいは、前記回転軸と一体回転する連結軸の外周面に形成され、180度未満の角度で交差する第1光反射面および第2光反射面と、前記第1光反射面および前記第2光反射面に検出光照射する発光素子と、前記第1光反射面で反射した前記検出光の反射光成分である第1反射光受光する第1受光素子と、前記第2光反射面で反射した前記検出光の反射光成分である第2反射光を受光する第2受光素子と、前記第1受光素子で受光された第1受光量および前記第2受光素子で受光された第2受光量に基づき、前記回転軸の有限回転角度位置を算出する信号処理部と、を有していることを特徴とする有限角センサ

請求項2

請求項1において、前記第1光反射面と前記第2光反射面の交線は、前記回転軸の中心軸線に平行であり、前記第1光反射面および前記第2光反射面は、前記交線と前記中心軸線を含む平面に対して、面対称であり、前記発光素子は、前記検出光の光軸が前記回転軸の中心を通るように、配置されており、前記光軸に前記交線が一致する前記回転軸の回転角度位置は、当該回転軸の有限回転角度の中立位置である有限角センサ。

請求項3

請求項2において、前記第1、第2光反射面は、前記回転軸の中心回り回転対称四角形輪郭外周面部分における隣接する2つの面である有限角センサ。

請求項4

請求項3において、前記四角形輪郭の外周面部分は、前記回転軸の軸端部に形成されている有限角センサ。

請求項5

請求項3または4において、前記第1、第2光反射面、前記発光素子および前記第1、第2受光素子を備えた第1検出部と、第3、第4光反射面、第2検出部用発光素子および第3、第4受光素子を備えた第2検出部とを有し、前記第2検出部の各部は、前記第1検出部の各部に対して、前記回転軸の中心軸線を中心として、回転対称の位置に配置されている有限角センサ。

技術分野

0001

本発明は、有限回転型電動機の回転角制御等に用いる有限角センサに関する。

背景技術

0002

有限角センサとしては、特許文献1、2に記載されているような光学式センサが知られている。これらの文献に開示の光学式センサは、検出対象回転軸に取り付けたスリット付きディスクを備えている。発光素子受光素子が、ディスクのスリットを挟み、対向配置されている。回転軸の回転に伴い、発光素子から射出された検出光が通過するスリットの位置が移動する。受光素子は一次元位置検出素子からなり、スリットを通過した検出光の受光位置を検出する。受光位置に基づき回転軸の回転角度位置が分かる。

0003

また、特許文献3に記載されている有限角センサは、検出対象の回転軸の外周面に取り付けた一対の発光素子と、これらから射出される検出光を受光する一対の受光素子(一次元位置検出素子)を備えている。各発光素子からはラジアル方向に検出光が射出される。回転軸の回転に伴い、各発光素子からの検出光の方向が移動する。各受光素子は、検出光の受光位置を検出する。受光位置に基づき回転軸の回転角度位置が分かる。

先行技術

0004

特開平07−31119号公報
特開2001−339910号公報
特開2002−236009号公報

発明が解決しようとする課題

0005

スリット付きディスクを備えた有限角センサでは、回転軸に取り付けられるスリット付きディスク自体の共振のために、回転軸側機構全体としての共振周波数高帯域化共振エネルギーの低減化を図ることが困難である。すなわち、機構全体の共振特性が低下し、振動等が発生しやすくなる。また、ディスクを回転軸に取り付け、ディスクの両側(回転軸の軸線方向)に発光素子および受光素子を配置するので、軸方向に長くなり易い。

0006

特許文献3に開示の有限角センサは、回転軸のラジアル方向に発光素子および受光素子が配列されている。ディスクを回転軸に取り付ける必要がないので機構全体の共振特性の低下を抑制でき、軸方向の長さの増加も回避できる。

0007

しかしながら、発光素子を回転軸の外周面に取り付けるので、回転軸のイナーシャが増加してしまう。また、発光素子からラジアル方向に射出される検出光の受光位置を受光素子で検出している。発光素子の組み付け誤差は、増幅されて、受光素子における検出光の受光位置の誤差となって現れる。このため、回転角を精度良く検出するためには、発光素子の組み付け位置、発光素子と受光素子の位置関係を精度良く設定する必要がある。

0008

本発明の課題は、受光素子の受光量の変化に基づき回転軸の回転角度を精度良く検出可能な有限角センサを提案することにある。また、本発明の課題は、検出対象の回転軸のイナーシャを増加させることなく、受光素子の受光量の変化に基づき回転軸の回転角度を精度良く検出できる有限角センサを提案することにある。

課題を解決するための手段

0009

上記の課題を解決するために、本発明の有限角センサは、
検出対象の回転軸の外周面、あるいは、前記回転軸と一体回転する連結軸の外周面に形成され、180度未満の角度で交差する第1光反射面および第2光反射面と、
前記第1光反射面および前記第2光反射面に検出光を照射する発光素子と、
前記第1光反射面で反射した前記検出光の反射光成分である第1反射光を受光する第1受光素子と、
前記第2光反射面で反射した前記検出光の反射光成分である第2反射光を受光する第2受光素子と、
前記第1受光素子で受光された第1受光量および前記第2受光素子で受光された第2受光量に基づき、前記回転軸の有限回転角度位置を算出する信号処理部と、
を有していることを特徴としている。

0010

回転軸の回転に伴って第1、第2光反射面も回転し、発光素子から射出される検出光の入射角度、照射領域が変化する。この結果、第1、第2受光素子での第1、第2受光量が変化する。第1、第2受光量の変化を、回転軸の有限回転角度内の各角度位置に対応するように、各部の位置関係を設定しておくことで、信号処理部では第1、第2受光量から回転軸の有限回転角度位置を算出できる。

0011

受光量の増減に基づき回転軸の振れ角(有限回転角度位置)を算出しているので、受光位置の移動に基づき振れ角を算出する場合に比べて、受光素子の感度が高く、精度良く振れ角を算出できる。また、検出対象の回転軸の外周面に第1、第2光反射面を形成すれば、回転軸にスリット付きディスク、発光素子等を取り付ける場合とは異なり、回転軸のイナーシャが増加することがない。よって、有限回転機構の側における回転角制御の制御性を低下させることがない。

0012

ここで、本発明による典型的な有限角センサでは、
前記第1光反射面と前記第2光反射面の交線は、前記回転軸の中心軸線に平行であり、
前記第1光反射面および前記第2光反射面は、前記交線と前記中心軸線を含む平面に対して、面対称であり、
前記発光素子は、前記検出光の光軸が前記回転軸の中心を通るように、配置されており、
前記光軸に前記交線が一致する前記回転軸の回転角度位置は、当該回転軸の有限回転角度の中立位置である。

0013

また、前記第1、第2光反射面は、前記回転軸の中心回り回転対称四角形輪郭外周面部分における隣接する2つの面である。さらに、前記四角形輪郭の外周面部分は、前記回転軸の軸端部に形成される。

0014

なお、第1、第2光反射面の偏心による誤差を除去するためには、2組の検出部を配置すればよい。すなわち、上記構成の前記第1、第2光反射面、前記発光素子および前記第1、第2受光素子を備えた第1検出部を配置すると共に、第3、第4光反射面、第2検出部用発光素子および第3、第4受光素子を備えた第2検出部を配置する。第2検出部の各部を、前記第1検出部の各部に対して、前記回転軸の中心軸線を中心として、回転対称の位置に配置すればよい。

図面の簡単な説明

0015

本発明を適用した有限角センサを示す説明図および概略構成図である。
図1の有限角センサの検出動作を示す説明図である。
図1の有限角センサの変更例を示す概略構成図である。

実施例

0016

以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る有限角センサを説明する。

0017

図1(a)は本実施の形態に係る有限角センサを示す説明図であり、図1(b)はその概略構成図である。有限角センサ1は、例えば、有限回転型電動機2の回転軸3の軸先端部3aに配置される。回転軸3の振れ角(有限回転角度)は、中立位置Nに対して左右に例えば15°である(30°の有限回転角度である)。

0018

有限角センサ1は、回転軸3の軸先端部3aに形成した第1光反射面4および第2光反射面5を備えている。また、第1、第2光反射面4、5に検出光Lを照射するLED6と、第1光反射面4で反射した検出光Lの反射光成分である第1反射光L1を受光する第1フォトダイオード7と、第2光反射面5で反射した検出光Lの反射光成分である第2反射光L2を受光する第2フォトダイオード8とを備えている。さらに、第1フォトダイオード7で受光された第1受光量Q1および第2フォトダイオード8で受光された第2受光量Q2に基づき、回転軸3の有限回転角度位置を算出する信号処理装置9を備えている。

0019

回転軸3の軸先端部3aは、その端面3bから一定の長さに亘って菱形断面となるように、切削加工されている。4つの切削加工面は、鏡面仕上げコーティング等の表面処理が施されて、光反射面とされている。菱形断面の長軸は回転軸3の外径と同一であり、短軸は回転軸3の外径よりも短い。菱形断面部分における相互に隣接している一対の外面が第1光反射面4および第2光反射面5であり、これらは、90°よりも僅かに大きな角度で交差している。また、これらの光反射面の交線11は回転軸3の中心軸線3Aに平行である。また、第1光反射面4および第2光反射面5は、交線11と中心軸線3Aを含む平面に対して、面対称である。

0020

LED6は定まった位置に配置されている。すなわち、第1、第2光反射面4、5の外周側の位置において、検出光Lの中心光軸Laが回転軸3の中心を通るように、配置されている。図1(b)には、光軸Laに第1、第2光反射面4、5の交線11が一致した状態を示してある。この状態における回転軸3の回転角度位置が、当該回転軸3の中立位置Nである。

0021

第1フォトダイオード7および第2フォトダイオード8は、同一形状のものである。それらの受光面7a、8aは、それぞれ、第1、第2光反射面4、5に対峙する定まった位置に配置されている。また、第1、第2フォトダイオード7、8は、第1、第2光反射面4、5の交線11と回転軸3の中心軸線3Aを通る平面に対して、面対称の状態に配置されている。

0022

信号処理装置9は、LED駆動制御回路12を備えている。LED駆動制御回路12は、第1、第2フォトダイオード7、8の受光量の合計が同一となるように、LED6の発光制御を行う。また、信号処理装置9は、第1、第2フォトダイオード7、8の第1、第2受光量Q1、Q2の差分を算出する差動増幅回路13、差分ΔQに基づき回転軸3の有限回転角度αを算出する演算回路14を備えている。算出された有限回転角度αの情報は、例えば、有限回転型電動機2の駆動制御装置(図示せず)の側に出力される。

0023

図2(a)〜(c)は有限角センサ1の角度検出動作を示す説明図である。図2(a)は、図1に示す場合と同じく、回転軸3が中立位置Nにある状態を示す説明図である。この状態においては、LED6から射出された検出光Lは、第1、第2光反射面4、5に対して、同一の入射角で、同一の照射領域を照射する。よって、第1、第2光反射面4、5の反射光L1、L2の光量は同一である。第1、第2フォトダイオード7、8の第1、第2受光量Q1、Q2は同一になる。これらの差分ΔQはになり、回転軸3が中立位置Nにあることが算出される。

0024

図2(b)は、回転軸3が反時計回りに最大に振れた場合の状態を示す説明図である。この状態では、第1光反射面4は、検出光Lの照射領域から外れており、第2光反射面5に検出光Lが照射される。よって、第1フォトダイオード7の第1受光量Q1は最小値Q1(min)の零になる。第2フォトダイオード8の第2受光量Q2は最大値Q2(max)になる。受光量の差分ΔQ(=Q1−Q2)は、負側に最大値となる。これにより、回転軸3が反時計回りに最大に振れた振れ角15°の位置にあることが算出される。

0025

図2(c)は、回転軸3が時計回りに最大に振れた場合の状態を示す説明図である。この状態では、第2光反射面5は、検出光Lの照射領域から外れており、第1光反射面4に検出光Lが照射される。よって、第2フォトダイオード8の第2受光量Q2は最小値Q2(min)の零になる。第1フォトダイオード7の第1受光量Q1は最大値Q1(max)になる。受光量の差分ΔQ(=Q1−Q2)は、正側に最大値となる。これにより、回転軸3が時計回りに最大に振れた振れ角15°の位置にあることが算出される。

0026

回転軸3が図2(a)の中立位置から図2(b)の位置まで回転する場合、図2(a)の中立位置から図2(c)の位置まで回転する場合には、回転軸3の回転に伴って、差分ΔQが逆方向に増加する。よって、各回転角度位置を検出できる。

0027

(その他の実施の形態)
図3は、上記の有限角センサ1の変更例である、2組の検出部を備えた有限角センサの例を示す概略構成図である。有限角センサ1Aは、第1検出部20と第2検出部30を備えている。第1検出部20は、第1、第2光反射面4、5と、LED6と、第1、第2フォトダイオード7、8を備えている。第2検出部30は、第3、第4光反射面34、35と、LED36と、第3、第4フォトダイオード37、38を備えている。第2検出部20と第3検出部30は、回転軸3の中心軸線3Aに対して、回転対称の状態に配置されている。

0028

信号処理装置9においては、第2検出部30からの受光量に基づき、第1、第2光反射面4、5の回転中心が、回転軸3の回転中心から偏心している場合の検出誤差を除去できる。よって、精度の高い検出を行うことができる。

0029

なお、上記の例では、回転軸3の軸先端部3aを菱形断面に加工して、その外周面を反射面として用いている。軸先端部3aを四角形以外の多角形断面にして、隣接する2つの面を第1、第2反射面として用いることもできる。

0030

また、上記の例では、回転軸3の軸先端部3aを加工して、回転軸3に直接、第1、第2光反射面を形成している。この代わりに、連結軸の外周面に第1、第2光反射面を形成し、この連結軸を回転軸3の先端面に同軸連結固定することも可能である。

0031

1、1A有限角センサ
2有限回転型電動機
3回転軸
3a軸先端部
3b 先端面
3A中心軸線
4 第1光反射面
5 第2光反射面
6LED
7 第1フォトダイオード
8 第2フォトダイオード
9信号処理装置
11交線
12LED駆動制御回路
13差動増幅回路
14演算回路
20 第1検出部
30 第2検出部
34 第3光反射面
35 第4光反射面
36 LED
37 第3フォトダイオード
38 第4フォトダイオード
L検出光
La光軸
L1 第1反射光
L2 第2反射光
Q1 第1受光量
Q2 第2受光量
ΔQ 差分
α 有限回転角度

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