JP2000241143A - 角度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】広い範囲の角度を小型、簡易な構成で高精度に
角度の検出ができる角度センサを提供する。 【構成】揺動運動するシャフト１にミラー３および偏光
板２または４分の１波長板８を取り付け光源４からの光
をあて、反射光を偏光板６または偏光ビームスプリッタ
１１を介して光量センサ１２に導きその光量を測定して
角度を求める構成とした角度センサ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光走査に用いられるミラ
ー揺動型スキャナ等の角度を測定する角度センサに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】光を用いる角度検出器は非接触で回転特
性に影響を与えず寿命が長いという利点がある。光を用
いる角度検出器の従来例としては光エンコーダがあげら
れる。

【０００３】光エンコーダにはインクリメンタル方式と
アブソリュート方式があり、前者は円周上にｎ個のスリ
ットを設け３６０°／ｎでパルスを計数し離散的に角度
を読みとる。これは相対的な角度の検出である。後者は
角度そのものの値を示すよう円盤の半径方向に２進符号
化されたスリットを配置する。例えばｎビットの符号化
を行うには、ｎ個の独立したスリットを半径方向に設
け、それぞれに対応した一対の受発光検出素子を用意し
て角度の値を検出する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし角度検出の高精
度化、構造上の小型化をしようとすると以下のような問
題点がある。アブソリュートエンコーダの場合、分解能
をあげるには符号化する検出素子がビット数に比例して
多くなり全体の構成が大型化してしまう。一方インクリ
メンタルエンコーダにおいてはアブソリュートの出力が
直ちに求められないという問題がある。また高精度化す
るにはスリット数を増大しなければならないがスリット
数を増大すると大型化する、高速回転に追従できなくな
るという問題もある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明はこれらの課題を
解決するため次のような構成にしたものである。第１は
揺動運動するシャフト１に取り付けられた偏光板２およ
びミラー３と、そこに光を照射する光源４と、光源４と
偏光板２との間に設けられたハーフミラー９と、ミラー
３で反射された後ハーフミラー９を経た光を受光する光
量センサ１２と、光源４から光量センサ１２に至る光路
中に設けられた偏光板６とで構成される角度センサであ
る。

【０００６】第２は上記角度センサにおいてミラー３で
反射後ハーフミラー９を経た光をさらに分けるハーフミ
ラー１０と、ハーフミラー１０の透過光を受ける光量セ
ンサ１２とハーフミラー１０と光量センサ１２の間に設
けられた偏光板６と、ハーフミラー１０の反射光を受け
る光量センサ１３と、ハーフミラー１０と光量センサ１
３との間に設けられた偏光板７とを備え、偏光板６と偏
光板７の偏光角度に差をつけた角度センサである。

【０００７】第３は揺動運動するシャフト１に取り付け
られた４分の１波長板８およびミラー３と、そこに光を
照射する光源４と、光源４と４分の１波長板８との間に
設けられた偏光ビームスプリッタ１１と、偏光ビームス
プリッタ１１で反射した光を受光する光量センサ１２と
で構成される角度センサである。

【０００８】第４は揺動運動するシャフト１に取り付け
られた偏光板２およびミラー３と、そこに一定の入射角
をもって光を照射する光源４と、ミラー３で反射した光
を受光する光量センサ１２と光源４から光量センサ１２
に至る光路中に設けられた偏光板６とで構成される角度
センサである。

【０００９】第５は上記角度センサにおいてミラー３で
反射した光をさらに分けるハーフミラー９と、ハーフミ
ラー９の透過光を受ける光量センサ１２とハーフミラー
９と光量センサ１２の間に設けられた偏光板６と、ハー
フミラー９の反射光を受ける光量センサ１３と、ハーフ
ミラー９と光量センサ１３との間に設けられた偏光板７
とを備え、偏光板６と偏光板７の偏光角度に差をつけた
角度センサである。

【００１０】第６は第４の構成の角度センサにおいてミ
ラー３で反射した光をさらに分ける偏光ビームスプリッ
タ１１と、偏光ビームスプリッタ１１の透過光を受ける
光量センサ１２と、偏光ビームスプリッタ１１の反射光
を受ける光量センサ１３とを備えた角度センサである。
第７は第４の構成の角度センサにおいて光源４、偏光板
６、光量センサ１２の組をシャフト回転軸を中心にして
一定角度ずらして複数配置した角度センサである。

【００１１】

【作用】第１の構成では揺動運動するシャフト１に取り
付けられた偏光板２およびミラー３に光源４からの光が
入射する。揺動偏光板２と光路中に設けられた固定偏光
板６の偏光方向が一致するとき、光は偏光板２および６
を通過し光量センサ１２に入射する光量が最大となる。
揺動偏光板２と固定偏光板６の偏光方向が直交すると
き、光は両偏光板を通過できないので光量センサ１２へ
の入射光は最小となりその間の角度では光量は角度差に
対し正弦波状に変化するので光量センサ１２で光量を測
定することによりシャフト１の揺動角を求められる。

【００１２】第２の構成では固定偏光板と光量センサの
組が二つあり（６，７と１２，１３）偏光板の偏光角度
をずらしてあるので互いにずれた二つの光量波形が得ら
れる。この二つの波形を用いてシャフト１の回転方向を
検知したり差動信号をとるなどの操作が可能になる。

【００１３】第３の構成では次のような作用となる。４
分の１波長板８では常光線と異常光線との位相がπ／２
だけずれる。本発明においては光はミラー３で反射して
再度４分の１波長板８を通過するので入射光と反射光で
は常光線と異常光線の間にπの位相ずれが生じる、つま
り２分の１波長板として動作し、その結果反射光は４分
の１波長板８の結晶光軸方向に対して入射光の偏向角と
対称な偏向角に変換される。

【００１４】光源４をでた光が偏光ビームスプリッタ１
１を通過し偏光光となり４分の１波長板８に入射する。
このとき４分の１波長板８の結晶光軸と偏光方向が一致
している場合反射光の偏光方向に変化は生じない。この
とき反射光が偏光ビームスプリッタ１１に戻っても偏光
方向が変化していないので光量センサ１２側に反射しな
い。入射光の偏光方向と４分の１波長板８の光軸方向が
θの角度を持っている場合反射光の偏光方向は２θ変化
する。θ＝４５°のとき２θ＝９０°となり反射光の偏
光方向は入射光と直交するので反射光は偏光ビームスプ
リッタ１１を反射し全量光量センサ１２に入射する。こ
のように光量センサ１２の受光量が変わるのでここから
シャフト１の回転角を測定することができる。

【００１５】第４の構成では揺動運動するシャフト１に
取り付けられた偏光板２およびミラー３に一定の入射角
をもって光が入射する。揺動偏光板２と光路中の固定偏
光板６の偏光方向が一致するとき、光量センサ１２に入
射する光量が最大となる。揺動偏光板２と固定偏光板６
の偏光方向が直交するとき、光は両偏光板を通過できな
いので光量センサ１２に入射する光量は最小となりその
間の角度では角度差に対し光量が正弦波状に変化するの
で光量センサ１２で反射光量を測定することによりシャ
フト１の揺動角度を求められる。

【００１６】第５の構成では第４の構成における偏光板
と光量センサの組が二つあり偏光板６，７の角度をずら
してあるので互いにずれた二つの光量波形が得られる。
この二つの波形を用いてシャフト１の回転方向を検知し
たり差動信号をとるなどの操作が可能になる。第６の構
成では第４の構成において反射光を偏光ビームスプリッ
タ１１で分け各偏光成分を二つの光量センサ１２、１３
で受けるようにしたので差動信号をとるなどの操作が可
能になる。

【００１７】第７の構成では第４の構成におけるシャフ
ト回転軸を中心にして光源４、偏光板６、光量センサ１
２の組を一定角度ずらせて複数配置し、光量変化信号を
複数とれるので偏光板６と７の偏向角をわずかにずらせ
て回転方向検知したり、９０°ずらせて差動信号をとる
などの操作ができる。

【００１８】

【実施例】以下図面を参照して本発明の実施例を説明す
る。図１は本発明の光学構成を用いた角度センサの第一
の実施例であり、１はシャフト、２は偏光板、３はミラ
ー、４は光源、９はハーフミラー、１２は光量センサ、
６は固定偏光板、１４は光源モニタ用の光量センサであ
る。４の光源はこの実施例ではＬＥＤとしている。

【００１９】ＬＥＤ４から発せられた光はキューブ型ハ
ーフミラー９に入射する。ハーフミラー９で約半分の光
量が反射され光量センサ１４に入射する。約半分の光量
は透過し固定偏光板６を通過してシャフト１の端面に設
けられた偏光板２に入射する。ここで固定偏光板６によ
る偏光方向と偏光板２の偏光方向の角度の差によりミラ
ー３を反射する光量が決まる。

【００２０】両偏光方向が一致している場合にはほぼ全
量の光量が偏光板２を透過しミラー３で反射され再度偏
光板２、固定偏光板６を透過してハーフミラー９にもど
る。両偏光方向が９０度の角度差を持っている場合には
光は偏光板２を透過できずほぼ全量の光が吸収されハー
フミラー９には戻らない。それ以外の角度の場合には以
上の中間の光量が戻り、その光量は角度に対して正弦波
状に変化する。

【００２１】ハーフミラー９にもどった光は更に約半分
の光量がハーフミラー９で反射され光量センサ１２に入
射する。光量センサ１２に入射する光量は以上の様にシ
ャフト偏光板２、固定偏光板６の偏光方向の角度差に対
して正弦波状に変化するのでこの光量変化からシャフト
１の角度を測定することができる。

【００２２】なおもうひとつの光量センサ１４には光源
４の光がハーフミラー９で反射され入射する。この光は
偏光板２の回転の影響を受けないので光量センサ１４は
光源４の変動成分を直接測定でき、この信号により光源
４の変動成分をキャンセルし精度の高い角度測定が可能
になる。各光量センサ１２、１４は各表面での反射光が
相手に入射するのを防ぐためわずかに傾けてある。

【００２３】この実施例では固定偏光板６はハーフミラ
ー９とシャフト偏光板２の間に置く例を説明したが固定
偏光板６の位置は光源４からミラー３を介し光量センサ
１２にいたる光路中どこにいれてもよく、光源４直後、
あるいは光量センサ１２直前でもおなじ機能を生じる。
またこの実施例ではハーフミラー９としてキューブ型の
ものを用いているがプレート型のハーフミラーを用いて
も作用は同じである。

【００２４】次に第２の実施例について説明する。図２
は第１の実施例において光量センサ１２に代えて第２の
ハーフミラー１０、第１の偏光板６、第１の光量センサ
１２、第２の偏光板７、第２の光量センサ１３を設けた
ものである。光源４からでた光はハーフミラー９で半量
反射し光源モニタ用光量センサ１４に入射する。残りの
光はハーフミラー９を透過しシャフト１端部に設けられ
た偏光板２およびミラー３に入射する。その反射光は偏
光板２によりある方向に偏光している。

【００２５】反射光はハーフミラー９により反射され、
第２のハーフミラー１０に入射する。ハーフミラー１０
の透過光は第１の偏光板６を経て第１の光量センサ１２
に入射する。ハーフミラー１０の反射光は第２の偏光板
７を経て第２の光量センサ１３に入射する。各偏光板
６、７において入射光の偏光方向と偏光板６、７の偏光
方向との角度により光量が変化する。第１と第２の偏光
板の角度をずらすと第１の光量センサ１２と第２の光量
センサ１３には位相のずれた信号が発生する。この二つ
の波形を用いてシャフト１の回転方向を検知したり差動
信号をとるなどの操作が可能になる。

【００２６】図３は第２の実施例の変形であり光源４か
らの光の第１のハーフミラー９による反射光がシャフト
１にむかう構成である．機能は図２の場合とまったく同
じである。図２の実施例に比較してシャフト方向には長
くなるが細く構成できるという利点がある。

【００２７】次に図４を参照しながら第３の実施例につ
いて説明する。図４は本発明の光学構成を用いた角度セ
ンサの第３の実施例であり、１はシャフト、８は４分の
１波長板、３はミラー、４は光源のＬＥＤ、１１は偏光
ビームスプリッタ、１２、１４は光量センサである。

【００２８】ＬＥＤ４から発せられた光は偏光ビームス
プリッタ１１に入射する。偏光ビームスプリッタ１１で
はＰ偏光成分が反射され光量センサ１４に入射する。Ｓ
偏光成分は透過しシャフト１の端面に設けられた４分の
１波長板８に入射する。４分の１波長板８を透過した光
はミラー３で反射され再度４分の１波長板８を透過する
ので２分の１波長板として機能する。

【００２９】ここで偏光ビームスプリッタ１１による偏
光方向と４分の１波長板８の結晶光軸方向の角度の差に
より４分の１波長板８を出射する偏光方向が決まる。偏
光ビームスプリッタ１１による偏光方向と４分の１波長
板８の光軸方向の角度差がθである場合ミラー３反射後
４分の１波長板８を出射するときの偏光方向の角度差は
２θとなる。θ＝４５度つまり２θが９０度の場合偏光
ビームスプリッタ１１に対して反射光がＳ偏光となるの
で偏光ビームスプリッタ１１でほぼ全光量反射され光量
センサ１２に入射する。θ＝２θ＝０度の場合は反射光
の偏光方向は変化しないので偏光ビームスプリッタ１１
で反射されず光量センサ１２には光はほとんど入射しな
い。それ以外の角度では光量センサ１２にはいる光量は
正弦波状に変化しこの変化量を計測することでシャフト
１の回転角を測定することができる。

【００３０】光量変化に必要なシャフト回転角は第１の
実施例では最小から最大まで９０度であるが本実施例で
は４５度であり、第１の実施例の半分であるので少ない
角度を高精度に測定する場合に向いているといえる。ま
た第１の実施例では反射光の偏光成分を保存するためビ
ームをわけるのにハーフミラーを用いており反射光の半
分はハーフミラーで失われ外乱要因になるが本実施例で
は偏光ビームスプリッタ１１を用いておりＳ偏光の場合
は全光量反射し光量ロスはほとんど無いため効率がよく
Ｓ／Ｎ比改善に効果がある。

【００３１】なおもうひとつの光量センサ１２には光源
４の光のＳ偏光成分が偏光ビームスプリッタ１１で反射
され入射する。この光は４分の１波長板８の回転の影響
を受けないので光源４の変動成分を直接測定でき、この
信号により光源４の変動成分をキャンセルし精度の高い
角度測定が可能になる。

【００３２】次に図５を参照しながら第４の実施例につ
いて説明する。図５は本発明の光学構成を用いた角度セ
ンサの第４の実施例であり、１はシャフト、２は偏光
板、３はミラー、４は光源であるＬＥＤ、６は固定偏光
板、１２は光量センサである。

【００３３】ＬＥＤ４から発せられた光は固定偏光板６
を通過し単一偏光光となりシャフト１の端面に設けられ
た偏光板２に入射する。ここで光源後の固定偏光板６に
よる偏光方向とシャフト偏光板２の偏光方向の角度の差
により偏光板２を透過する光量が決まる。両偏光方向が
一致している場合にはほぼ全量の光量が偏光板２を透過
しミラー３で反射され再度偏光板２を透過して光量セン
サ１２に入射する。

【００３４】両偏光方向が９０度の角度差を持っている
場合には光は偏光板２を透過できずほぼ全量の光が吸収
され光量センサ１２には入射しない。それ以外の角度の
場合には以上の中間の光量が光量センサ１２に入射し、
その光量はシャフト偏光板２と固定偏光板６の角度差に
対して正弦波状に変化する。光量センサ１２に入射する
光量は以上の様に角度差に対して正弦波状に変化するの
でこの光量変化からシャフト１の角度を測定することが
できる。本実施例では光を斜めからあてるため第１の実
施例などに比べ大きな空間が必要になるがハーフミラー
による光量ロスが無く部品数も少なくすむという利点が
ある。

【００３５】図６は第４の実施例の変形であり図５では
固定偏光板６を光源４直後においていたが図６では固定
偏光板６を光量センサ１２直前に置いた例である。作用
はまったく同じである。

【００３６】次に図７を参照しながら本発明の第５の実
施例を説明する。図７は本発明の光学構成を用いた角度
センサの第５の実施例であり、１はシャフト、２は偏光
板、３はミラー、４は光源であるＬＥＤ、１２は光量セ
ンサ、９はハーフミラー、６、７は固定偏光板、１２、
１３は光量センサである。

【００３７】ＬＥＤ４から発せられた光はシャフト１の
端面に設けられた偏光板２に入射する。ここでの反射光
は偏光板２の偏光方向に偏光されハーフミラー９に入射
する。ハーフミラー９での透過光と反射光はそれぞれ偏
光板６、７、光量センサ１２、１３に入射する。各偏光
板において入射光の偏光方向と偏光板の偏光方向との角
度により光量が変化する。第１と第２の偏光板６、７の
角度をずらすと第１の光量センサ１２と第２の光量セン
サ１３には位相のずれた信号が発生する。この二つの波
形を用いてシャフト１の回転方向を検知したり差動信号
をとるなどの操作が可能になる。

【００３８】次に図８を参照しながら本発明の第６の実
施例を説明する。図８は本発明の光学構成を用いた角度
センサの第６の実施例であり、１はシャフト、２は偏光
板、３はミラー、４は光源であるＬＥＤ、１１は偏光ビ
ームスプリッタ、１２，１３は光量センサである。

【００３９】ＬＥＤ４から発せられた光はシャフト１の
端面に設けられた偏光板２に入射する。ここでの反射光
は偏光板２の偏光方向に偏光され偏光ビームスプリッタ
１１に入射する。偏光ビームスプリッタ１１ではＳ偏光
成分は透過、Ｐ偏光成分は反射する。透過光と反射光は
それぞれ光量センサ１２、１３に入射する。各成分の割
合はシャフト１につけられた偏光板２の方向で決まるの
で各光量センサ１２、１３の信号の割合からシャフト１
の角度を求めることができる。

【００４０】本実施例ではシャフト１からの反射光は偏
光ビームスプリッタ１１で透過または反射し、固定偏光
板による吸収などがないので光量ロスがなくまた部品点
数が少ないという利点がある。一方各光量センサ１２、
１３の信号の位相を自由に変えることはできない。

【００４１】次に本発明の第７の実施例を説明する。図
９は本発明の光学構成を用いた第７の実施例で、シャフ
ト中心軸方向から見たものであり１、２、３はシャフ
ト、ミラー、偏光板が重なったものであり、６、７は偏
光板、４、５はＬＥＤ、１２、１３は光量センサであ
る。対向したＬＥＤ４、偏光板６、光量センサ１２の位
置関係は第４の実施例と同じであり、本実施例はこの組
を複数設け、シャフト中心軸まわりに一定角度をもって
配置したものである。

【００４２】図９は光源、センサの組を９０度ずらせて
ふたつ配置した例であり光源４、５を発した光はおのお
の対向する光量センサ１２、１３に入射する。このとき
光路中の固定偏光板６、７とシャフト１に設けられた偏
光板２を通過する。両偏光板の偏向角の角度差により光
量センサ１２、１３に入射する光量が変化し、０度のと
きに最大、９０度で最小となる。図９では偏光板の傾き
を各組で傾けてあるので光量信号は各組で位相がずれ、
これにより回転方向検知などの信号処理が可能になる。

【００４３】

【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明によれ
ば広い範囲の角度を偏光板、ミラー、光量センサ及び光
源などからなるきわめて小型で簡易な構成で高精度に角
度の検出ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の構成図

【図２】本発明の第２の実施例の構成図

【図３】本発明の第２の実施例の変形例を示す図

【図４】本発明の第３の実施例の構成図

【図５】本発明の第４の実施例の構成図

【図６】本発明の第４の実施例の変形例を示す図

【図７】本発明の第５の実施例の構成図

【図８】本発明の第６の実施例の構成図

【図９】本発明の第７の実施例の構成図

【符号の説明】 １はシャフト ２は偏光板 ３はミラー ４、５は光源 ６、７は固定偏光板 ８は４分の１波長板 ９、１０はハーフミラー １１は偏光ビームスプリッタ １２、１３、１４は光量センサ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】揺動運動するシャフト１に取り付けられた
   偏光板２およびミラー３と、そこに光を照射する光源４
   と、光源４と偏光板２との間に設けられたハーフミラー
   ９と、ミラー３で反射された後ハーフミラー９を経た光
   を受光する光量センサ１２と、光源４から光量センサ１
   ２に至る光路中に設けられた偏光板６とで構成されるこ
   とを特徴とする角度センサ。
2. 【請求項２】揺動運動するシャフト１に取り付けられた
   偏光板２およびミラー３と、そこに光を照射する光源４
   と、光源４と偏光板２との間に設けられたハーフミラー
   ９とを設け、ミラー３で反射後ハーフミラー９を経た光
   をさらに分けるハーフミラー１０と、ハーフミラー１０
   の透過光を受ける光量センサ１２とハーフミラー１０と
   光量センサ１２の間に設けられた偏光板６と、ハーフミ
   ラー１０の反射光を受ける光量センサ１３と、ハーフミ
   ラー１０と光量センサ１３との間に設けられた偏光板７
   とを備え、偏光板６と偏光板７の偏光角度に差をつけた
   ことを特徴とする角度センサ。
3. 【請求項３】揺動運動するシャフト１に取り付けられた
   ４分の１波長板８およびミラー３と、そこに光を照射す
   る光源４と、光源４と４分の１波長板８との間に設けら
   れた偏光ビームスプリッタ１１と、偏光ビームスプリッ
   タ１１で反射した光を受光する光量センサ１２とで構成
   されることを特徴とする角度センサ。
4. 【請求項４】揺動運動するシャフト１に取り付けられた
   偏光板２およびミラー３と、そこに一定の入射角をもっ
   て光を照射する光源４と、ミラー３で反射した光を受光
   する光量センサ１２と光源４から光量センサ１２に至る
   光路中に設けられた偏光板６とで構成されることを特徴
   とする角度センサ。
5. 【請求項５】揺動運動するシャフト１に取り付けられた
   偏光板２およびミラー３と、そこに一定の入射角をもっ
   て光を照射する光源４を設け、ミラー３で反射した光を
   さらに分けるハーフミラー９と、ハーフミラー９の透過
   光を受ける光量センサ１２と、ハーフミラー９と光量セ
   ンサ１２の間に設けられた偏光板６と、ハーフミラー９
   の反射光を受ける光量センサ１３と、ハーフミラー９と
   光量センサ１３との間に設けられた偏光板７とを備え、
   偏光板６と偏光板７の偏光角度に差をつけたことを特徴
   とする角度センサ。
6. 【請求項６】揺動運動するシャフト１に取り付けられた
   偏光板２およびミラー３と、そこに一定の入射角をもっ
   て光を照射する光源４を設け、ミラー３で反射した光を
   さらに分ける偏光ビームスプリッタ１１と、偏光ビーム
   スプリッタ１１の透過光を受ける光量センサ１２と、偏
   光ビームスプリッタ１１の反射光を受ける光量センサ１
   ３とを備えたことを特徴とする角度センサ。
7. 【請求項７】請求項４の角度センサにおいて光源４、偏
   光板６、光量センサ１２の対をシャフト回転軸を中心に
   して一定角度ずらして複数配置したことを特徴とする角
   度センサ。