JPH0422254Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、電子測角器等に用いられ水平面の傾
斜角の直交２軸方向への成分を自動的且つ高感度
に計測表示する角度センサーに関するものであ
る。

従来より角度センサーとして幾多の装置が提案
され実用化されている。例えば、機械的或いは電
磁的な角度センサーとして回転軸から垂下する錘
りの移動を利用し、その回転角をエンコーダーに
より読取るもの或いは電磁ローターの励起電流量
に換算して読取るもの等がある。しかしながら、
これらの角度センサーはいずれも回転軸受の摩擦
を伴い、エンコーダー等のセンサーとの結合誤差
要因が多いため精度を良くすることが困難であつ
た。そこで、近年来水銀液面を水平基準とし、こ
れを光学的鏡面に利用して同心リング状パターン
等を水銀液面に投影することにより、その反射像
と基のパターンにより生成される回折像の、中心
からの偏倚を光電検出する所謂光学的角度センサ
ーが提案されている。このように光学像を利用す
ると傾斜角のｘ，y2軸成分を非接触で自動的に
計測し得るところから、上述の如き機械的、電磁
的角度センサーに比して多くの利点を有している
が、これまでの光学的角度センサーは装置が大型
となり感度の面でも問題を有していた。

本考案は上述の点に鑑みてなされたものであ
り、機械的或いは電磁的角度センサーの欠点を除
去し、傾斜角のｘ，y2軸方向の角度成分を同時
に非接触で自動計測し得るところの比較的コンパ
クトな機構を有する高感度な角度センサーを提供
することを目的とする。

以下、図面に基づいて本考案の実施例を説明す
る。

第１図は本考案による角度センサーの一実施例
を示す装置の断面図である。水平を整準しうる水
平台１には液槽２が固定され、その中には光を透
過させない不透明液３がほぼ半分量だけ収容され
ている。この液槽２の斜面４，５は透明な部材、
たとえばガラスから成り、水平面からごく僅かな
角度たとえば10°だけ傾いている。また、この液
槽２の上蓋は平行平面ガラス板６であり、液槽２
に接着されている。これら斜面４，５の外壁には
半導体位置検出素子７，８（以下PSDと称す）
が適当な方法、たとえば接着法により固定されて
いる。これらPSD７，８の取付け位置は、PSD
の受光面の中心が、水平台１が真に水平な時の液
面９（点線）にほぼ一致するような対向位置にな
つている。なおこの図では水平台が真の水平から
傾いた場合の液面１０を実線で描いている。

この場合にはPSD７，８に対向する液面１０
はPSDの中心よりずれ、図示の例では左側及び
右側では夫々下方及び上方に移動している。この
ように液面１０がPSDに対して移動しても、所
望の測角範囲内、たとえば±30′の範囲では、こ
の液面PSD７及び８からはずれることがあつて
はならない。後刻数値を例示するが、この移動量
はごく僅かであり、液面１０は充分にPSDの受
光面内に位置させることが出来る。

一方、液槽２の上部には水平台１と一体になつ
たホルダー（図示せず）に光源１１とコンデンサ
ーレンズ１２から成る照明光学系が設置されてい
る。この光源１１は小型で準単色性のもの、たと
えばLEDが実用に供しうる。コンデンサーレン
ズ１２は光束をほぼ平行光にするように配置され
ている。液槽２の内部底面には頂角が直角であ
り、平行光１３を左右に水平に配分しうるよう
に、頂点を光軸に一致させたプリズム１４が固定
されている。また、このプリズム１４の２つの斜
面には全反射膜が蒸着されている。

このため上部から入射する平行光１３はプリズ
ム１４の斜面で反射され夫々左右のPSD７，８
の方向に進む。この場合平行光１３は厳密な意味
での平行光であつてはいけない。不透明液３を注
入しない前の空槽の場合、この僅かな開き角を有
する光束が充分にPSDの受光面の全面に照射さ
れるように予め調整しておく。

第２図は本考案による角度センサーの液槽と
PSDの配置を模疑的に示したものである。

液槽２の斜面４，５及び１５，１６は夫々直交
軸ｘ，ｙ方向を向いており、それに対応して
PSD７，８，１７，１８が各斜面に固定されて
いる。以上の説明から液面１０が任意の方向に傾
斜した場合に、ｘ軸、ｙ軸のそれぞれ一対の
PSDにより、傾角のｘ，ｙ成分が検出されるこ
とは明白である。

なお、PSDの機能、傾角の検出方法などは後
刻詳述する。

第３図は液面の傾角と斜面上での液面移動量と
の関係を示す図である。斜面４に沿つた液面の移
動量ｘは斜面の傾角α、液面の傾角θ、底辺の長
さａ、容器の高さｂ、液面の高さｄの函数であ
り、簡単な幾何学的計算により求めることが出来
る。いまα＝10°、θ＝5″、ｂ＝10mm、ｄ＝５mm
とするとｘ＝4μ、ａ＝57mmとなる。もしαが90°
であると液槽２は通常の容器のように垂直な壁を
もつた構造となるが、この場合θが同じく5″であ
ると、液面の変化量は約1μにすぎない。斜面４
の傾角αが小さい程この移動量ｘは増加する。つ
まり、液槽２の外壁を斜面で構成することによ
り、液面の傾斜に伴う移動量ｘが増幅される訳で
ある。本考案の角度センサーにおいてはこの液面
変化を光電的に検出することにより、水平台１の
水平面からの傾角を計測せんとするものである。

ここでPSDについて説明する。PSDはシリコ
ンホトダイオードを応用した光スポツトの位置検
出センサーであり、素子の両端に一対の電極を有
する。この電極間の抵抗値を光スポツトの照射位
置で内分割した夫々の分割抵抗値が電流値に換算
されて出力されるから光スポツト位置が検知され
る。本考案の角度センサーにおいてはPSDに入
射する光束は光スポツトではなく、後述するよう
に液面の傾斜に伴つて遮蔽されてゆく帯状の光束
である。このような照射位置が変化する光束につ
いてもPSDが鋭敏に応答することは既によく知
られている。このようなPSDとしては、たとえ
ば浜松ホトニツクス社製のS1544型等を採用する
ことができる。このタイプの受光面は幅１mm、長
さ６mm、位置分解能は0.3μであり、また応答速度
は5μsecである。

再び第１図について液面１０の傾斜による
PSD７及び８への入射光の様子を説明する。水
平台１が真に水平ならば液面は記号９であり、
PSD７及び８の中心がこの液面９に一致してお
り、したがつて夫々のPSDとも受光面の上半分
に光束が入射している。液面１０の傾斜に伴つて
左方のPSD７に入射する光束は下方に移動して
増加し、一方右方のPSD８では逆に減少してゆ
く。その結果PSD７及び８の出力電流は夫々増
加、減少する。これら２個の出力の差を求めるこ
とにより測角感度が倍加するが、一対のPSDを
用いた理由はこの点にある。

前述の数値例によると水平角の変化5″に対する
液面の移動量ｘは4μであるが、PSDの位置分解
能が高いためこの移動量は充分に検出しうる。な
お、測角範囲を±30′とするとこの移動量は±1.5
mmとなるが、PSDの長さより短かいので問題な
い。

第４図はPSDの出力信号から傾角を演算・表
示する電子回路系のブロツク図である。演算回路
２０，２１は夫々PSD７，８からの出力信号を
演算処理するが、演算回路２１の内容は２０のも
のと同一なので描画を省略した。PSD７からの
一対の出力信号は電流電圧変換器２２及び２３を
経由して加算器２４及び減算器２５において夫々
加、減算される。これら２出力は割算器２６に入
り、商：（差信号／和信号）を出力する。この割
算を行うと光源の光量変化、PSDの入射光量変
化に無関係に正規化された液面位置信号が得られ
る。演算回路２０及び２１の出力は差動増幅器に
印加され、前述の如く増感された液面位置信号が
得られる。この液面位置信号は角度換算器２８に
入力し、秒単位の角度値に変換される。この換算
器内には予め換算係数が記録されている。

第４図ではｘ軸用の電子回路系のみを示した
が、ｙ軸用のそれも全く同一の構成である。これ
らｘ，y2軸に関する測角データーは表示器２９
に表示される。

以上の説明では２軸に関する同時測角モードに
ついて記述したが、一軸の測角モードの場合には
液槽の斜面は一対のみでよい。また、測角分解能
が余り要求されない場合には、斜面及びPSDは
各１個で済む。

本考案による角度センサーは、水平面を整準可
能な水平台と、該水平台上に固定され不透明液を
収容する液槽と透明部材で構成され前記水平面と
僅少な傾角をなして前記液槽の上面の一部をなす
少なくとも一つの斜面と、該斜面に前記不透明液
の液面に対向して設けられた半導体位置検出手段
と、光源を有する照明系と、該照明系からの照明
光を前記半導体位置検出手段上に分配する配光手
段と、前記半導体位置検出手段の出力から液面位
置を検出する演算回路と、該演算回路の出力によ
り液面の傾角を計算する換算回路と、該換算回路
の計算結果を表示する表示器とから構成したの
で、コンパクトな構成をとり、水平角を非接触的
且つ自動的に光電計測しうることが明白になつ
た。このような角度センサーは単体で水平整準器
になり得るが、他に水平角検知を必要とするも
の、たとえば電子測角器のコンペンセーター、石
油ヒーターの地震感知センサーなどへの広汎な用
途を期待しうるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案による角度センサーの一実施
例、第２図は液槽とPSDの配置を模擬的に示す
図、第３図は液面の傾角と移動量との関係を示す
図、第４図は測角の演算・表示を行う電子回路系
のブロツク図である。 １……水平台、２……液槽、３……不透明液、
４，５……斜面、７，８……PSD、１１……光
源、１２……コンデンサーレンズ、１４……プリ
ズム、２０，２１……演算回路、２７……差動増
幅器、２８……角度換算器、２９……表示器。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 水平面を整準可能な水平台と、該水平台上に固
   定され不透明液を収容する液槽と透明部材で構成
   され前記水平面と僅少な傾角をなして前記液槽の
   上面の一部をなす少なくとも一つの斜面と、該斜
   面に前記不透明液の液面に対向して設けられた半
   導体位置検出手段と、光源を有する照明系と、該
   照明系からの照明光を前記半導体位置検出手段上
   に分配する配光手段と、前記半導体位置検出手段
   の出力から液面位置を検出する演算回路と、該演
   算回路の出力により液面の傾角を計算する換算回
   路と、該換算回路の計算結果を表示する表示器と
   から成る角度センサー。