JP3814011B2 - 光電式軸角度変換器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸角度変換器に関し、特に、軸の回転角度を測定する場合に、光の偏向ビームを使用する、角度変換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高性能な光学式走査検流計といった計測器は、正確で、高速動作する角度変換器を必要とする。設計者は、従来技術の角度変換器の寸法、費用、及び慣性を低減するために、光ビーム、及び光センサを使用してきた。線形応答、非常に低い質量、及び機械的、及び熱的外乱に対する不感性と共に、これら全ての所望特性を示す、従来技術の変換器はない。
【０００３】
１つの従来技術の変換器は、軸と共に回転するように装着された、光源を含んでいる。光源は、一対の光センサの方向に、軸から半径方向に離れて、光ビームを向けて、センサの相対電気出力は、軸の角度変位の測度となる。しかし、軸装着の光源、及びその柔軟なワイヤは、それらが、高周波のスキャナ用途に使用される場合に、問題を提起する。なぜなら、それらは、軸の質量バランスを妨害し、寄生共振と疲労を生成して、最終的には、ワイヤを破断するためである。
【０００４】
幾つかの他の従来技術の変換器は、軸に装着された、１つのバッフル、又はベーンの組を含んでいる。固定の光源は、バッフル、又はベーンを介して、固定の光センサ上に、光ビームを向ける。軸が回転するにつれて、バッフル、又はベーンの組は、センサに到達する光を変調する。これらの設計は問題を提起する。なぜなら、出力信号が、回転角と線形ではないためである。
【０００５】
他の従来技術の変換器は、半円形バッフルを用いて、２つの半円形光センサ上に、光の半円形パッチを生成する。バッフル、従って光パッチは、軸と共に回転する。２つの光センサ上に当たる光の相対量は、軸回転の角度を近似する出力信号を生成する。しかし、この設計は問題を提起する。なぜなら、変換器が高価であり、バッフルが、回転軸について対称でなく、従って、軸の質量バランスを妨害するためである。
【０００６】
問題として、これらの従来技術の変換器は又、低い信号／雑音比しか示さない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、線形応答、高い信号／雑音比、小さな寸法、及び低コストを有する、軸角度変換器を提供することである。
【０００８】
更なる目的は、軸に、最小の質量、及び質量不均衡を課す、変換器を提供することである。
【０００９】
尚も更なる目的は、軸の振動、及び半径方向と軸方向の並進に敏感でない、変換器を提供することである。
【００１０】
他の目的は、以下である程度明らかとなり、ある程度見られるであろう。従って、本発明は、全て以下の詳細な説明で例示されるように、本明細書に説明される構成、幾つかのステップ、及び他に対する１つ以上のかかるステップとの関連で例示される、特徴及び性質を有する製造方法、及び構成の特徴、要素の組合せ、及びかかるステップをもたらすように適応される、部品の配列を具現化する装置からなり、本発明の範囲は、特許請求の範囲で明示されるであろう。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光ビームを屈折（曲げる）させ、それにより１対の光センサの表面を横切って、光のパッチを並進させる（１次元で移動させる）ために、軸と共に回転するように、軸に固定される、矩形プリズム、又は他の適切な屈折要素を利用する。光パッチが並進するにつれて、より多くの光が、一方の光センサに当たり、それに対応して、より少ない光が、他方の光センサに当たる。２つの光センサに当たる光の量の間の差、従って、光センサにより生成される信号間の差は、軸の角度変位に、実質的に線形に関連付けられる。
【００１２】
有利なことに、対称なプリズムは、軸にほんの小さな質量を加えるだけで、且つ不均衡を何も加えない。更に、通常、最大で１ラジアン（約５７度）の軸角度偏位を伴う、光学スキャナといった用途において、適切なプリズムが、ほぼ線形な応答を与える。
【００１３】
本発明の幾つかの態様では、光センサの面積を有効に利用することを可能にし、それにより、従来技術の軸角度変換器よりも、高い信号／雑音比が達成される。光センサにより生成される信号の強さは、照射される光センサの面積、及び照射する光パッチの強度に比例する。信号中の雑音は、検知面積全体の積、絶対温度の平方根、及びセンサの電気抵抗に比例する。
【００１４】
本明細書で説明する変換器において、円筒レンズが、光ビームをセンサ上に合焦させ、それにより、光パッチの強度が増大される。開口が、光センサの一方の大きさとほぼ整合するように、光パッチの形状、及び寸法を決め、それにより、照射されるセンサの面積が最大となる。本発明の変換器は又、迷光、及びそれに関連した雑音を廃除する、広いバッフルを使用する。
【００１５】
有利なことに、本発明の変換器は又、振動に敏感でない。光センサ上の光パッチの位置は、プリズムの角度変位に依存するが、プリズムの横方向、又は縦方向の位置には依存しない。従って、本発明の変換器は、プリズムの半径方向、又は軸方向の並進の原因となる、軸の軸受けにおける不完全性、及び外部振動に敏感ではない。
【００１６】
本発明の上記の、及び更なる利点は、添付図面と関連して、以下の詳細な説明を参照することにより、より良く理解できよう。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、回転のＺ軸１０４周りで、軸１０２の角度変位を測定するために、軸に結合された、軸角度変換器を符号１００で一般的に示す。発光ダイオード（ＬＥＤ）１０６が、光学アセンブリ１１２を介して、２つの光センサ１１４と１１６上に、Ｘ軸１１０に沿った光ビーム１０８を投射する。Ｘ軸１１０は、Ｚ軸１０４に実質的に垂直であり、光センサ１１４と１１６の間を通る。光学アセンブリ１１２は、光センサ１１４と１１６上に、光ビーム１０８を合焦させる、円筒レンズ１１８と、共に回転するように軸１０２に固定される、矩形プリズム１２０と、開口１２４を有するバッフル１２２から構成される。バッフル１２２の一部は、明瞭化のために、図１には示されていない。円筒レンズ１１８は、Ｘ軸１１０、及びＺ軸１０４に、実質的に垂直なＹ軸１２６を有する。光ビーム１０８は、プリズム１２０、開口１２４を通過して、次いで、２つの光センサ１１４と１１６に当たる。好適には、２つの光センサ１１４と１１６は、一般に「二重セル」、又は「分割セル」と呼ばれ、共通の基板上に構成される。光センサの光感度は、温度と共に変化するが、この構成は、２つの光センサ間の温度差を最小にし、従って、２つのセンサ間の温度差の有害な影響を最小にする。電気回路（不図示）が、光センサ１１４と１１６により生成される信号間の差から、出力信号を生成する。
【００１８】
図２は、プリズム１２０により屈折されている、光ビーム１０８を示す。ＬＥＤ１０６が、光ビーム１０８を生成し、光ビームは、角度θ２００でプリズム１２０に当たる。プリズム１２０は、軸１０２（図１）と共に回転するように取り付けられるので、角度θ２００は又、軸１０２の回転角となる。光ビーム１０８は、プリズム１２０に入ると屈折される。屈折ビーム２０２は、プリズム１２０を出る際に再度屈折される。その後の屈折ビーム２０４は、プリズム１２０が平行側を有するので、光ビーム１０８に平行である。光センサ１１４と１１６の側から透視すると、その後の屈折ビーム２０４は、見かけ上の光源２０６、及び見かけ上の光路２０８を有する。ＬＥＤ１０６からの、見かけ上の光源２０６の変位は、「ｄ」２１０で表される。留意されたいのは、角度θ２００が増大するにつれて、変位「ｄ」２１０も増大するということである。プリズム１２０の厚さは、「ｔ」２１２で表される。当該技術で周知のように、変位「ｄ」２１０と角度θ２００の間の関係は、以下により表される。
【００１９】
ｄ＝｛ｓｉｎ（θ−β）／ｃｏｓ（β）｝ｔ
ここで、β＝ａｒｃｓｉｎ｛ｓｉｎ（θ）／ｎ｝であり、ｔは、プリズム１２０の厚さであり、ｎは、プリズム１２０の屈折率である。
【００２０】
図３で分かるように、ＬＥＤ１０６は、光ビーム１０８を、バッフル１２２の開口１２４を介して、光センサ１１４と１１６上に向けて、光センサに当たり、符号３００で示される光パッチを生成する。プリズム１２０が回転するにつれて、それは、円筒レンズ１１８のＹ軸１２６に平行な、パッチ移動軸１２８（図１）に沿って、光源（図２）の見かけ上の場所を変位させる。開口１２４と、見かけ上の光源の変位とが組合わさって、光センサ１１４と１１６に当たる、光パッチを変位させる。光センサ１１４と１１６側から透視すると、見かけ上の光源２０６はビームを生成し、ビームは、光路２０８となり、開口１２４を介して、センサ上に、符号３０２で示される、変位した光パッチを生成する。
【００２１】
図４のグラフは、ゼロ位置から−１．０ラジアンと＋１．０ラジアンの間（約−５７．３から＋５７．３度）の角度（Ｘ軸４０２に沿ってプロットされた）を通して、プリズム１２０が回転する結果として、光源２０６の見かけ上の変位「ｄ」２１０（Ｙ軸４００に沿ってプロットされた）を示す。グラフの各ライン４０４−４１１は、異なる屈折率「ｎ」を有する、例示的なプリズムを表す。光学スキャナといった用途では、問題とする軸回転角は、通常、ゼロ位置の０．５ラジアン（約２８．６度）以内の領域にある。図４から分かるように、屈折率が高くなると、結果として、問題とする領域におけるリニアリティが良くなる。ガラス、多数の一般的な透明プラスチック、及び他の材料が、満足できる線形な結果をもたらす。
【００２２】
軸の角度変位は、光パッチの比較的小さな並進しか生成せず、これにより、実際に、「ギヤ縮減」がもたらされる。有利なことには、この縮減により、より小さく、安価な光センサを使用することが可能になり、比較的大きな角度変位の測定が容易になる。今後は、軸回転角に対する光パッチの並進の比率を、「利得」と言うことにする。図４のグラフにおいて、ライン４０４−４１１が示すように、利得は、プリズム１２０の屈折率に依存する。（利得は又、以下で説明するが、ＬＥＤ、及び光センサに対する、開口の場所に依存する。）
変換器用の理想的な光源は、点光源である。というのは、点光源は、急峻な影を投じるが、それに対して拡張光源は、一般に充分に急峻な影を投じないためである。これは、小さく、高輝度の、非ランベルト光源により、理想状態に近づけられる。（ランベルト光源は、その表面から全方向に放射して、光線の観測強度は、光線と表面に対する法線の間の角度の余弦で変化する。）例えば、約５×１００ミクロンの放射表面を有する、レーザダイオードは、充分に急峻な影を与えるであろう。レーザダイオードの放射表面は、概ね矩形であり、その光ビームは、放射表面の長手距離に沿って集中され、従って、ビームは、概ね長円形の断面を有し、長円の短軸は、放射表面の長手距離に平行となる。レーザダイオードが、光源として使用される場合、好適には、その放射表面の長手距離が、プリズムの回転軸１０４と平行になるように配向され、光源の見かけ上の寸法、ゆえに、パッチ移動軸に沿った光センサ上の半影投射を最小にすべきである。（半影部の寸法は、光源の寸法、及び開口とセンサ間の距離に比例する。）光源が充分に小さく、高強度で、非ランベルト型である場合、所望の光パッチ強度、及び信号／雑音比を依然として達成しながらも、円筒レンズ１１８を削除することが可能である。ＬＥＤは点光源ではないが、好適な実施例では、低コストのために、約２００ミクロンの直径を有する、非レンズＬＥＤが使用される。ＬＥＤは、その中央近傍に一様な強度を有した光パッチを生成する。しかしながら、開口、及びＬＥＤの有限の幅が、半影部を生成するので、強度は、パッチの縁部において減少する。代替として、別個のＬＥＤ１０６と、円筒レンズ１１８を、パッケージ内に成型された円筒レンズを有するＬＥＤ内に、組み込むことも可能である。代替として、光源を、変換器の他の構成要素から遠隔に置くことも可能で、光は、光ファイバ束といった、光導管を介して供給することができる。
【００２３】
好適な実施例において、円筒レンズ１１８は、円錐形の光ビーム１０８を、ほぼくさび形の光へと成形する。大部分の非レンズ光源は、比較的大きな角度にわたって放射し、ゆえに、円筒レンズ１１８がないと、ＬＥＤ１０６からのエネルギーのほんの微小部分しか、センサに当たらないことになる。円筒レンズ１１８は、光源の見かけ上の寸法を増大することなく、従って、半影部の寸法を増大することなく、ビーム強度の約８倍増をもたらす。円筒レンズ１１８は、Ｚ軸１０４に沿って、光を唯一合焦させる。従って、重要なことは、円筒レンズ１１８は、そのＹ軸１２６が、ビーム１０８、及びＺ軸１０４に実質的に平行となるように配向されるが、レンズの位置決めの際に、適度な精度しか必要としないことである。
【００２４】
好適な実施例において、円筒レンズ１１８は、直径が１／８インチ（３．１８ｍｍ）の標準寸法のガラス、又はプラスチックロッドから製作される。
【００２５】
２つの考え方が、光センサ１１４と１１６を横切った、光パッチの並進の最適な量に影響を及ぼす。第１に、並進を最大にすることは、変換器の利得、分解能、及び角度範囲を最大にする。第２に、光パッチが、光センサの縁部にわたって、「漏れ」ないように、及び半影部が、一方の光センサから他方の光センサに並進しないように、並進を制限することは、出力信号のリニアリティを保持する。好適には、開口１２４は、センサ１１４と１１６に近接して配置され、半影部の幅が最小となり、より大きなパッチの並進が可能になる。
【００２６】
光パッチの変位は、軸１０２の角度変位に比例する。図３から分かるように、その比例量は、２つの距離、すなわち開口１２４と光センサ１１４、１１６間の距離と、ＬＥＤ１０６と開口１２４間の距離との比率に依存する。より高い比率は、より大きな変位、すなわちより高い利得をもたらす。２つの距離の比率は、主として、開口１２４が、ＬＥＤ１０６とプリズム１２０の間か、プリズム１２０と光センサ１１４、１１６の間かの、どちらに配置されるかに依存する。開口１２４は、好適には、プリズム１２０と光センサ１１４、１１６の間に配置されて、半影部の幅が最小にされる。光センサ１１４、１１６に対する、開口１２４の配置は、センサに到達する光の量に影響を与えず、従って、信号の強さにも、雑音レベルにも衝撃的な影響を与えない。ＬＥＤ１０６と光センサ１１４、１１６の間の間隔を最小にすることは、センサに当たる光ビームの強度を最大にし、従って、信号の強さを増大させる。
【００２７】
しかし、プリズムの回転の極限において、円筒レンズ１１８、バッフル１２２、及びプリズム１２０を適応させるためには、ＬＥＤ１０６と光センサ１１４、１１６の間に、充分な間隔を残さねばならない。好適な実施例において、変換器の直径は２５ｍｍである。ＬＥＤ１０６、及び光センサ１１４、１１６のための支持構造は、１０．５ｍｍをとり、ＬＥＤと光センサ間に１４．５ｍｍを残す。ＬＥＤ１０６と開口１２４間の距離は、１０．０ｍｍであり、円筒レンズ１１８（１／８インチ、すなわち３．１８ｍｍ）、その後部焦点長さ（０．０−０．６ｍｍ）、及び回転プリズム１２０（安全余裕を含む）に適応する。開口１２４と光センサ１１４、１１６との間の距離は、その残りの１４．５−１０．０＝４．５ｍｍである。しかし、ＬＥＤ１０６と開口１２４間の光学距離は、プリズム１２０に起因して、９．０ｍｍである。ＬＥＤ１０６と開口１２４間の距離と、開口１２４と光センサ１１４、１１６間の距離との比率は、９．０：４．５＝２：１である。従って、見かけ上の光源２０６の変位により、光路が、ＬＥＤ１０６の距離と正確に半分変位させられ、半影部は、ＬＥＤ１０６の半分の幅である。
【００２８】
光センサ１１４と１１６の各々は、１．２５ｍｍの幅であり、一方ＬＥＤ１０６は、０．２ｍｍの幅である。図５は、２つの光センサ１１４と１１６上に中心決めされた、光パッチ５００を示す。光パッチ５００は、均一照射部５０２、及び２つの半影部５０４と５０６を含む。各半影部は、１／２×０．２＝０．１ｍｍの幅である。図６は、光センサ１１６の縁部にわたって、漏れることなく最大に並進し、光センサ１１４から光センサ１１６に並進する半影部５０４のない、光パッチ５００を示す。光パッチ５００は、１つの光センサと１つの半影部の幅の合計、すなわち１．２５＋０．１＝１．３５ｍｍと同じ大きさにすることができる。均一照射部５０２は、１．１５ｍｍの幅であるので、光パッチ５００は、非リニアリティを招くことなく、どちらかの方向に、最大で１／２×１．１５＝０．５７５ｍｍ並進することができる。見かけ上の光源２０６は、どちらかの方向に、最大で２×０．５７５＝１．１５並進することができる。図４から分かるように、１．６の反射率を有するプリズムは、０．５ラジアンの軸角度で、厚さ１ｍｍにつき０．２ｍｍだけ光パッチを変位する。プリズム１２０は、３．１８ｍｍの厚さであるので、それは、光パッチを、０．５ラジアンで０．６３６ｍｍ、０．８ラジアンで１．１５ｍｍだけ変位する。これらの変位は、角度変位の所望の範囲に適応し、上記で計算した最大距離よりも少ない。
【００２９】
均一照射部５０２の寸法は、開口１２４の寸法、及び開口１２４と光センサ１１４、１１６間の距離と、ＬＥＤ１０６と光センサ間の距離である、２つの距離の比率に依存する。１．１５×２／３＝０．７６７の開口幅は、上記の計算により必要とされるような、１．１５ｍｍ幅の均一照射部を生成する。
【００３０】
バッフル１２２は、その移動が、ゼロ角度で、変換器の「原点化」を容易に可能にするように装着される。変換器が原点化されると、バッフル１２２は、適所に、例えば適切な接着剤で、固定され得る。
【００３１】
従って、お分かりのように、多様な用途で利用可能である、軸角度変換器、及び軸の角度変位を測定する方法が開発された。本明細書に使用した用語、及び表現は、限定ではなく、説明の用語として用いたものであり、かかる用語、及び表現の使用において、図示、及び説明した特徴の如何なる等価物、及びその部分を含まない、という意図はなく、各種の修正が、特許請求の範囲で規定される、本発明の範囲内で、可能であることが認められる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明は上述のように構成したので、光パッチが並進するにつれて、より多くの光が、一方の光センサに当たり、それに対応して、より少ない光が、他方の光センサに当たる。２つの光センサに当たる光の量の間の差、従って、光センサにより生成される信号間の差は、軸の角度変位に、実質的に線形に関連付けることができる。対称なプリズムは、軸に最小の質量を加えるだけで、不均衡を何も加えない。更に、通常、最大で１ラジアン（約５７度）の軸角度偏位を伴う、光学スキャナといった用途において、適切なプリズムが、ほぼ線形な応答を与える。
【００３３】
また、光センサにより生成される信号の強さは、照射される光センサの面積、及び照射する光パッチの強度に比例する。信号中の雑音は、検知面積全体の積、絶対温度の平方根、及びセンサの電気抵抗に比例する。円筒レンズが、光ビームをセンサ上に合焦させ、それにより、光パッチの強度が増大される。開口が、光センサの一方の大きさとほぼ整合するように、光パッチの形状、及び寸法を決め、それにより、照射されるセンサの面積が最大となる。本発明の変換器は又、迷光、及びそれに関連した雑音を廃除する、広いバッフルを使用する。従って、光センサの面積を有効に利用することを可能にし、それにより、従来技術の軸角度変換器よりも、高い信号／雑音比が達成される。
【００３４】
更に、本発明の変換器は又、振動に敏感でない。光センサ上の光パッチの位置は、プリズムの角度変位に依存するが、プリズムの横方向、又は縦方向の位置には依存しない。従って、本発明の変換器は、プリズムの半径方向、又は軸方向の並進の原因となる、軸の軸受けにおける不完全性、及び外部振動に敏感ではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】明瞭化のために、バッフルの一部を取り外した、軸角度変換器の斜視図である。
【図２】軸角度変換器において、回転されるプリズムにより屈折される、光ビームによりとられる経路、及び結果としての光源の見かけ上の変位を示す。
【図３】光源の明白な変位の結果として、２つの光センサ上の光パッチの変位を示す。
【図４】プリズムの回転角に対してプロットした、見かけ上の光源の変位のグラフである。
【図５】２つの光センサ上に中心決めされた光パッチを示す。
【図６】光センサの一方の縁部に近く並進した光パッチを示す。
【符号の説明】
１００ 軸角度変換器
１０６ 発光ダイオード（ＬＥＤ）
１０８ 光ビーム
１１４、１１６ 光センサ
１１８ 円筒レンズ
１２０ 矩形プリズム
１２２ バッフル
１２４ 開口
１２８ パッチ移動軸
５００ 光パッチ
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸角度変換器に関し、特に、軸の回転角度を測定する場合に、光の偏向ビームを使用する、角度変換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高性能な光学式走査検流計といった計測器は、正確で、高速動作する角度変換器を必要とする。設計者は、従来技術の角度変換器の寸法、費用、及び慣性を低減するために、光ビーム、及び光センサを使用してきた。線形応答、非常に低い質量、及び機械的、及び熱的外乱に対する不感性と共に、これら全ての所望特性を示す、従来技術の変換器はない。
【０００３】
１つの従来技術の変換器は、軸と共に回転するように装着された、光源を含んでいる。光源は、一対の光センサの方向に、軸から半径方向に離れて、光ビームを向けて、センサの相対電気出力は、軸の角度変位の測度となる。しかし、軸装着の光源、及びその柔軟なワイヤは、それらが、高周波のスキャナ用途に使用される場合に、問題を提起する。なぜなら、それらは、軸の質量バランスを妨害し、寄生共振と疲労を生成して、最終的には、ワイヤを破断するためである。
【０００４】
幾つかの他の従来技術の変換器は、軸に装着された、１つのバッフル、又はベーンの組を含んでいる。固定の光源は、バッフル、又はベーンを介して、固定の光センサ上に、光ビームを向ける。軸が回転するにつれて、バッフル、又はベーンの組は、センサに到達する光を変調する。これらの設計は問題を提起する。なぜなら、出力信号が、回転角と線形ではないためである。
【０００５】
他の従来技術の変換器は、半円形バッフルを用いて、２つの半円形光センサ上に、光の半円形パッチを生成する。バッフル、従って光パッチは、軸と共に回転する。２つの光センサ上に当たる光の相対量は、軸回転の角度を近似する出力信号を生成する。しかし、この設計は問題を提起する。なぜなら、変換器が高価であり、バッフルが、回転軸について対称でなく、従って、軸の質量バランスを妨害するためである。
【０００６】
問題として、これらの従来技術の変換器は又、低い信号／雑音比しか示さない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、線形応答、高い信号／雑音比、小さな寸法、及び低コストを有する、軸角度変換器を提供することである。
【０００８】
更なる目的は、軸に、最小の質量、及び質量不均衡を課す、変換器を提供することである。
【０００９】
尚も更なる目的は、軸の振動、及び半径方向と軸方向の並進に敏感でない、変換器を提供することである。
【００１０】
他の目的は、以下である程度明らかとなり、ある程度見られるであろう。従って、本発明は、全て以下の詳細な説明で例示されるように、本明細書に説明される構成、幾つかのステップ、及び他に対する１つ以上のかかるステップとの関連で例示される、特徴及び性質を有する製造方法、及び構成の特徴、要素の組合せ、及びかかるステップをもたらすように適応される、部品の配列を具現化する装置からなり、本発明の範囲は、特許請求の範囲で明示されるであろう。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光ビームを屈折（曲げる）させ、それにより１対の光センサの表面を横切って、光のパッチを並進させる（１次元で移動させる）ために、軸と共に回転するように、軸に固定される、矩形プリズム、又は他の適切な屈折要素を利用する。光パッチが並進するにつれて、より多くの光が、一方の光センサに当たり、それに対応して、より少ない光が、他方の光センサに当たる。２つの光センサに当たる光の量の間の差、従って、光センサにより生成される信号間の差は、軸の角度変位に、実質的に線形に関連付けられる。
【００１２】
有利なことに、対称なプリズムは、軸にほんの小さな質量を加えるだけで、且つ不均衡を何も加えない。更に、通常、最大で１ラジアン（約５７度）の軸角度偏位を伴う、光学スキャナといった用途において、適切なプリズムが、ほぼ線形な応答を与える。
【００１３】
本発明の幾つかの態様では、光センサの面積を有効に利用することを可能にし、それにより、従来技術の軸角度変換器よりも、高い信号／雑音比が達成される。光センサにより生成される信号の強さは、照射される光センサの面積、及び照射する光パッチの強度に比例する。信号中の雑音は、検知面積全体の積、絶対温度の平方根、及びセンサの電気抵抗に比例する。
【００１４】
本明細書で説明する変換器において、円筒レンズが、光ビームをセンサ上に合焦させ、それにより、光パッチの強度が増大される。開口が、光センサの一方の大きさとほぼ整合するように、光パッチの形状、及び寸法を決め、それにより、照射されるセンサの面積が最大となる。本発明の変換器は又、迷光、及びそれに関連した雑音を廃除する、広いバッフルを使用する。
【００１５】
有利なことに、本発明の変換器は又、振動に敏感でない。光センサ上の光パッチの位置は、プリズムの角度変位に依存するが、プリズムの横方向、又は縦方向の位置には依存しない。従って、本発明の変換器は、プリズムの半径方向、又は軸方向の並進の原因となる、軸の軸受けにおける不完全性、及び外部振動に敏感ではない。
【００１６】
本発明の上記の、及び更なる利点は、添付図面と関連して、以下の詳細な説明を参照することにより、より良く理解できよう。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、回転のＺ軸１０４周りで、軸１０２の角度変位を測定するために、軸に結合された、軸角度変換器を符号１００で一般的に示す。発光ダイオード（ＬＥＤ）１０６が、光学アセンブリ１１２を介して、２つの光センサ１１４と１１６上に、Ｘ軸１１０に沿った光ビーム１０８を投射する。Ｘ軸１１０は、Ｚ軸１０４に実質的に垂直であり、光センサ１１４と１１６の間を通る。光学アセンブリ１１２は、光センサ１１４と１１６上に、光ビーム１０８を合焦させる、円筒レンズ１１８と、共に回転するように軸１０２に固定される、矩形プリズム１２０と、開口１２４を有するバッフル１２２から構成される。バッフル１２２の一部は、明瞭化のために、図１には示されていない。円筒レンズ１１８は、Ｘ軸１１０、及びＺ軸１０４に、実質的に垂直なＹ軸１２６を有する。光ビーム１０８は、プリズム１２０、開口１２４を通過して、次いで、２つの光センサ１１４と１１６に当たる。好適には、２つの光センサ１１４と１１６は、一般に「二重セル」、又は「分割セル」と呼ばれ、共通の基板上に構成される。光センサの光感度は、温度と共に変化するが、この構成は、２つの光センサ間の温度差を最小にし、従って、２つのセンサ間の温度差の有害な影響を最小にする。電気回路（不図示）が、光センサ１１４と１１６により生成される信号間の差から、出力信号を生成する。
【００１８】
図２は、プリズム１２０により屈折されている、光ビーム１０８を示す。ＬＥＤ１０６が、光ビーム１０８を生成し、光ビームは、角度θ２００でプリズム１２０に当たる。プリズム１２０は、軸１０２（図１）と共に回転するように取り付けられるので、角度θ２００は又、軸１０２の回転角となる。光ビーム１０８は、プリズム１２０に入ると屈折される。屈折ビーム２０２は、プリズム１２０を出る際に再度屈折される。その後の屈折ビーム２０４は、プリズム１２０が平行側を有するので、光ビーム１０８に平行である。光センサ１１４と１１６の側から透視すると、その後の屈折ビーム２０４は、見かけ上の光源２０６、及び見かけ上の光路２０８を有する。ＬＥＤ１０６からの、見かけ上の光源２０６の変位は、「ｄ」２１０で表される。留意されたいのは、角度θ２００が増大するにつれて、変位「ｄ」２１０も増大するということである。プリズム１２０の厚さは、「ｔ」２１２で表される。当該技術で周知のように、変位「ｄ」２１０と角度θ２００の間の関係は、以下により表される。
【００１９】
ｄ＝｛ｓｉｎ（θ−β）／ｃｏｓ（β）｝ｔ
ここで、β＝ａｒｃｓｉｎ｛ｓｉｎ（θ）／ｎ｝であり、ｔは、プリズム１２０の厚さであり、ｎは、プリズム１２０の屈折率である。
【００２０】
図３で分かるように、ＬＥＤ１０６は、光ビーム１０８を、バッフル１２２の開口１２４を介して、光センサ１１４と１１６上に向けて、光センサに当たり、符号３００で示される光パッチを生成する。プリズム１２０が回転するにつれて、それは、円筒レンズ１１８のＹ軸１２６に平行な、パッチ移動軸１２８（図１）に沿って、光源（図２）の見かけ上の場所を変位させる。開口１２４と、見かけ上の光源の変位とが組合わさって、光センサ１１４と１１６に当たる、光パッチを変位させる。光センサ１１４と１１６側から透視すると、見かけ上の光源２０６はビームを生成し、ビームは、光路２０８となり、開口１２４を介して、センサ上に、符号３０２で示される、変位した光パッチを生成する。
【００２１】
図４のグラフは、ゼロ位置から−１．０ラジアンと＋１．０ラジアンの間（約−５７．３から＋５７．３度）の角度（Ｘ軸４０２に沿ってプロットされた）を通して、プリズム１２０が回転する結果として、光源２０６の見かけ上の変位「ｄ」２１０（Ｙ軸４００に沿ってプロットされた）を示す。グラフの各ライン４０４−４１１は、異なる屈折率「ｎ」を有する、例示的なプリズムを表す。光学スキャナといった用途では、問題とする軸回転角は、通常、ゼロ位置の０．５ラジアン（約２８．６度）以内の領域にある。図４から分かるように、屈折率が高くなると、結果として、問題とする領域におけるリニアリティが良くなる。ガラス、多数の一般的な透明プラスチック、及び他の材料が、満足できる線形な結果をもたらす。
【００２２】
軸の角度変位は、光パッチの比較的小さな並進しか生成せず、これにより、実際に、「ギヤ縮減」がもたらされる。有利なことには、この縮減により、より小さく、安価な光センサを使用することが可能になり、比較的大きな角度変位の測定が容易になる。今後は、軸回転角に対する光パッチの並進の比率を、「利得」と言うことにする。図４のグラフにおいて、ライン４０４−４１１が示すように、利得は、プリズム１２０の屈折率に依存する。（利得は又、以下で説明するが、ＬＥＤ、及び光センサに対する、開口の場所に依存する。）
変換器用の理想的な光源は、点光源である。というのは、点光源は、急峻な影を投じるが、それに対して拡張光源は、一般に充分に急峻な影を投じないためである。これは、小さく、高輝度の、非ランベルト光源により、理想状態に近づけられる。（ランベルト光源は、その表面から全方向に放射して、光線の観測強度は、光線と表面に対する法線の間の角度の余弦で変化する。）例えば、約５×１００ミクロンの放射表面を有する、レーザダイオードは、充分に急峻な影を与えるであろう。レーザダイオードの放射表面は、概ね矩形であり、その光ビームは、放射表面の長手距離に沿って集中され、従って、ビームは、概ね長円形の断面を有し、長円の短軸は、放射表面の長手距離に平行となる。レーザダイオードが、光源として使用される場合、好適には、その放射表面の長手距離が、プリズムの回転軸１０４と平行になるように配向され、光源の見かけ上の寸法、ゆえに、パッチ移動軸に沿った光センサ上の半影投射を最小にすべきである。（半影部の寸法は、光源の寸法、及び開口とセンサ間の距離に比例する。）光源が充分に小さく、高強度で、非ランベルト型である場合、所望の光パッチ強度、及び信号／雑音比を依然として達成しながらも、円筒レンズ１１８を削除することが可能である。ＬＥＤは点光源ではないが、好適な実施例では、低コストのために、約２００ミクロンの直径を有する、非レンズＬＥＤが使用される。ＬＥＤは、その中央近傍に一様な強度を有した光パッチを生成する。しかしながら、開口、及びＬＥＤの有限の幅が、半影部を生成するので、強度は、パッチの縁部において減少する。代替として、別個のＬＥＤ１０６と、円筒レンズ１１８を、パッケージ内に成型された円筒レンズを有するＬＥＤ内に、組み込むことも可能である。代替として、光源を、変換器の他の構成要素から遠隔に置くことも可能で、光は、光ファイバ束といった、光導管を介して供給することができる。
【００２３】
好適な実施例において、円筒レンズ１１８は、円錐形の光ビーム１０８を、ほぼくさび形の光へと成形する。大部分の非レンズ光源は、比較的大きな角度にわたって放射し、ゆえに、円筒レンズ１１８がないと、ＬＥＤ１０６からのエネルギーのほんの微小部分しか、センサに当たらないことになる。円筒レンズ１１８は、光源の見かけ上の寸法を増大することなく、従って、半影部の寸法を増大することなく、ビーム強度の約８倍増をもたらす。円筒レンズ１１８は、Ｚ軸１０４に沿って、光を唯一合焦させる。従って、重要なことは、円筒レンズ１１８は、そのＹ軸１２６が、ビーム１０８、及びＺ軸１０４に実質的に平行となるように配向されるが、レンズの位置決めの際に、適度な精度しか必要としないことである。
【００２４】
好適な実施例において、円筒レンズ１１８は、直径が１／８インチ（３．１８ｍｍ）の標準寸法のガラス、又はプラスチックロッドから製作される。
【００２５】
２つの考え方が、光センサ１１４と１１６を横切った、光パッチの並進の最適な量に影響を及ぼす。第１に、並進を最大にすることは、変換器の利得、分解能、及び角度範囲を最大にする。第２に、光パッチが、光センサの縁部にわたって、「漏れ」ないように、及び半影部が、一方の光センサから他方の光センサに並進しないように、並進を制限することは、出力信号のリニアリティを保持する。好適には、開口１２４は、センサ１１４と１１６に近接して配置され、半影部の幅が最小となり、より大きなパッチの並進が可能になる。
【００２６】
光パッチの変位は、軸１０２の角度変位に比例する。図３から分かるように、その比例量は、２つの距離、すなわち開口１２４と光センサ１１４、１１６間の距離と、ＬＥＤ１０６と開口１２４間の距離との比率に依存する。より高い比率は、より大きな変位、すなわちより高い利得をもたらす。２つの距離の比率は、主として、開口１２４が、ＬＥＤ１０６とプリズム１２０の間か、プリズム１２０と光センサ１１４、１１６の間かの、どちらに配置されるかに依存する。開口１２４は、好適には、プリズム１２０と光センサ１１４、１１６の間に配置されて、半影部の幅が最小にされる。光センサ１１４、１１６に対する、開口１２４の配置は、センサに到達する光の量に影響を与えず、従って、信号の強さにも、雑音レベルにも衝撃的な影響を与えない。ＬＥＤ１０６と光センサ１１４、１１６の間の間隔を最小にすることは、センサに当たる光ビームの強度を最大にし、従って、信号の強さを増大させる。
【００２７】
しかし、プリズムの回転の極限において、円筒レンズ１１８、バッフル１２２、及びプリズム１２０を適応させるためには、ＬＥＤ１０６と光センサ１１４、１１６の間に、充分な間隔を残さねばならない。好適な実施例において、変換器の直径は２５ｍｍである。ＬＥＤ１０６、及び光センサ１１４、１１６のための支持構造は、１０．５ｍｍをとり、ＬＥＤと光センサ間に１４．５ｍｍを残す。ＬＥＤ１０６と開口１２４間の距離は、１０．０ｍｍであり、円筒レンズ１１８（１／８インチ、すなわち３．１８ｍｍ）、その後部焦点長さ（０．０−０．６ｍｍ）、及び回転プリズム１２０（安全余裕を含む）に適応する。開口１２４と光センサ１１４、１１６との間の距離は、その残りの１４．５−１０．０＝４．５ｍｍである。しかし、ＬＥＤ１０６と開口１２４間の光学距離は、プリズム１２０に起因して、９．０ｍｍである。ＬＥＤ１０６と開口１２４間の距離と、開口１２４と光センサ１１４、１１６間の距離との比率は、９．０：４．５＝２：１である。従って、見かけ上の光源２０６の変位により、光路が、ＬＥＤ１０６の距離と正確に半分変位させられ、半影部は、ＬＥＤ１０６の半分の幅である。
【００２８】
光センサ１１４と１１６の各々は、１．２５ｍｍの幅であり、一方ＬＥＤ１０６は、０．２ｍｍの幅である。図５は、２つの光センサ１１４と１１６上に中心決めされた、光パッチ５００を示す。光パッチ５００は、均一照射部５０２、及び２つの半影部５０４と５０６を含む。各半影部は、１／２×０．２＝０．１ｍｍの幅である。図６は、光センサ１１６の縁部にわたって、漏れることなく最大に並進し、光センサ１１４から光センサ１１６に並進する半影部５０４のない、光パッチ５００を示す。光パッチ５００は、１つの光センサと１つの半影部の幅の合計、すなわち１．２５＋０．１＝１．３５ｍｍと同じ大きさにすることができる。均一照射部５０２は、１．１５ｍｍの幅であるので、光パッチ５００は、非リニアリティを招くことなく、どちらかの方向に、最大で１／２×１．１５＝０．５７５ｍｍ並進することができる。見かけ上の光源２０６は、どちらかの方向に、最大で２×０．５７５＝１．１５並進することができる。図４から分かるように、１．６の反射率を有するプリズムは、０．５ラジアンの軸角度で、厚さ１ｍｍにつき０．２ｍｍだけ光パッチを変位する。プリズム１２０は、３．１８ｍｍの厚さであるので、それは、光パッチを、０．５ラジアンで０．６３６ｍｍ、０．８ラジアンで１．１５ｍｍだけ変位する。これらの変位は、角度変位の所望の範囲に適応し、上記で計算した最大距離よりも少ない。
【００２９】
均一照射部５０２の寸法は、開口１２４の寸法、及び開口１２４と光センサ１１４、１１６間の距離と、ＬＥＤ１０６と光センサ間の距離である、２つの距離の比率に依存する。１．１５×２／３＝０．７６７の開口幅は、上記の計算により必要とされるような、１．１５ｍｍ幅の均一照射部を生成する。
【００３０】
バッフル１２２は、その移動が、ゼロ角度で、変換器の「原点化」を容易に可能にするように装着される。変換器が原点化されると、バッフル１２２は、適所に、例えば適切な接着剤で、固定され得る。
【００３１】
従って、お分かりのように、多様な用途で利用可能である、軸角度変換器、及び軸の角度変位を測定する方法が開発された。本明細書に使用した用語、及び表現は、限定ではなく、説明の用語として用いたものであり、かかる用語、及び表現の使用において、図示、及び説明した特徴の如何なる等価物、及びその部分を含まない、という意図はなく、各種の修正が、特許請求の範囲で規定される、本発明の範囲内で、可能であることが認められる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明は上述のように構成したので、光パッチが並進するにつれて、より多くの光が、一方の光センサに当たり、それに対応して、より少ない光が、他方の光センサに当たる。２つの光センサに当たる光の量の間の差、従って、光センサにより生成される信号間の差は、軸の角度変位に、実質的に線形に関連付けることができる。対称なプリズムは、軸に最小の質量を加えるだけで、不均衡を何も加えない。更に、通常、最大で１ラジアン（約５７度）の軸角度偏位を伴う、光学スキャナといった用途において、適切なプリズムが、ほぼ線形な応答を与える。
【００３３】
また、光センサにより生成される信号の強さは、照射される光センサの面積、及び照射する光パッチの強度に比例する。信号中の雑音は、検知面積全体の積、絶対温度の平方根、及びセンサの電気抵抗に比例する。円筒レンズが、光ビームをセンサ上に合焦させ、それにより、光パッチの強度が増大される。開口が、光センサの一方の大きさとほぼ整合するように、光パッチの形状、及び寸法を決め、それにより、照射されるセンサの面積が最大となる。本発明の変換器は又、迷光、及びそれに関連した雑音を廃除する、広いバッフルを使用する。従って、光センサの面積を有効に利用することを可能にし、それにより、従来技術の軸角度変換器よりも、高い信号／雑音比が達成される。
【００３４】
更に、本発明の変換器は又、振動に敏感でない。光センサ上の光パッチの位置は、プリズムの角度変位に依存するが、プリズムの横方向、又は縦方向の位置には依存しない。従って、本発明の変換器は、プリズムの半径方向、又は軸方向の並進の原因となる、軸の軸受けにおける不完全性、及び外部振動に敏感ではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】明瞭化のために、バッフルの一部を取り外した、軸角度変換器の斜視図である。
【図２】軸角度変換器において、回転されるプリズムにより屈折される、光ビームによりとられる経路、及び結果としての光源の見かけ上の変位を示す。
【図３】光源の明白な変位の結果として、２つの光センサ上の光パッチの変位を示す。
【図４】プリズムの回転角に対してプロットした、見かけ上の光源の変位のグラフである。
【図５】２つの光センサ上に中心決めされた光パッチを示す。
【図６】光センサの一方の縁部に近く並進した光パッチを示す。
【符号の説明】
１００ 軸角度変換器
１０６ 発光ダイオード（ＬＥＤ）
１０８ 光ビーム
１１４、１１６ 光センサ
１１８ 円筒レンズ
１２０ 矩形プリズム
１２２ バッフル
１２４ 開口
１２８ パッチ移動軸
５００ 光パッチ
Claims (9)
- 対象物の角度変位を測定するための変換器であって、
（Ａ）発散する放射ビームを生成する放射源と、
（Ｂ）前記ビームの光路に配置された放射センサであって、前記角度変位の軸に垂直なラインにおいてその放射センサ上に放射されたパッチの移動に従って連続的に変化する出力信号を生成する、放射センサと、
（Ｃ）前記放射源と前記放射センサとの間で、前記発散する放射ビーム中に配置された屈折光学要素であって、その屈折光学要素が前記対象物と回転するように前記対象物に取り付けられることにより、前記屈折光学要素の回転が、前記軸に垂直な前記ビームを並進させる、屈折光学要素と、及び
（Ｄ）前記放射センサ上で照射されたパッチの寸法を画定するために、前記屈折光学要素と前記放射センサとの間で前記発散する放射ビームをさえぎる開口を形成する手段であって、前記パッチが、前記対象物の角度変位に応じて前記軸に対して垂直に移動する、手段とを備える、変換器。 - 前記放射源が、
（Ａ）発散する放射ビームを生成する発光ダイオードと、及び
（Ｂ）前記発散する放射ビーム中の円筒レンズであって、その円筒レンズの軸が、前記ビームの角度変位の軸に実質的に垂直であり、且つパッチ移動の方向に実質的に平行であり、それにより、前記円筒レンズが、パッチ移動軸と実質的に垂直な方向に、前記放射源により生成された前記ビームの拡がりを制限する、円筒レンズとからなる、請求項１に記載の変換器。 - 前記放射センサが、角度変位の軸と実質的に垂直な軸の方向において、２つの部分に二等分され、それにより各部分に当たる放射の相対的な量が、前記パッチの移動に従って変化する、請求項１に記載の変換器。
- （Ａ）前記放射センサの２つの部分が、実質的に等しい大きさであり、及び
（Ｂ）パッチの移動方向における前記パッチの寸法が、実質的に前記放射センサの片方の部分の、その方向における幅である、請求項３に記載の変換器。 - 円筒レンズを含み、その円筒レンズが、
（Ａ）前記放射ビームの光路に配置され、及び
（Ｂ）前記円筒レンズの軸が光路の移動方向に平行であり、それにより前記円筒レンズが回転の軸に平行な方向に前記ビームの拡がりを制限する、請求項１に記載の変換器。 - 前記屈折光学要素が第１と第２の平行な面を含み、前記ビームが、その第１の面を介して前記屈折光学要素に入射して、その第２の面を介して前記屈折光学要素から出射する、請求項１に記載の変換器。
- 前記放射源がレーザダイオードである、請求項１に記載の変換器。
- 前記放射源が発光ダイオードである、請求項１に記載の変換器。
- 円筒レンズを含み、その円筒レンズが、
（Ａ）前記放射ビームの光路に配置され、及び
（Ｂ）前記円筒レンズの軸が光路の移動方向に平行であり、それにより前記円筒レンズが回転の軸に平行な方向に前記ビームの拡がりを制限する、請求項１に記載の変換器。
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