JPH047810B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、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。

本発明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、図面に基づいて本発明の実施例を説明す
る。

第１図は本発明に係る角度センサーの一実施例
の既略図である。

準単色性を有するLED又は半導体レーザー等
の光源１からの光束は、コンデンサーレンズ２に
より平行光となり、半透鏡３により90゜偏向され
て鉛直下に向かう。水平を整準し得るベース４に
は水銀槽５が固定され水銀が封入されている。こ
の水銀槽５の上蓋は透明な平板ガラス６から成
り、水銀を封入すると共に半透鏡３からの平行入
射光束を透過し得るようになつている。水銀液面
７は、水平基準であると同時に光学的に良質な反
射面を形成している。水銀液面７からの反射光は
半透鏡３を経由した後、臨界角プリズム８に入射
する。尚、これら一連の光学系はベース４と一体
の図示しない筐体に取付けられており、ベース４
の水平面が傾くと光軸９も同等に傾き、水銀液面
７に関して当初垂直に設定されていた入射光及び
出射光も垂直方向から偏倚する。

ここで、第２図に従つて臨界角プリズム８につ
いて説明する。

鉛直な反射光束１０，１１が斜面１２，１３に
入射するとき、夫々の入射角θcがこれら入射光線
に関して臨界角をなすように製作されているのが
臨界角プリズム８である。即ち、斜辺１２又は１
３に臨界角θcで入射した光線１０又は１１は、こ
の斜面１２又は１３を全く透過せず再びこのプリ
ズム内に全反射されるわけである。この臨界角プ
リズム８の屈折率を1.52とすると、臨界角θcは
41.41゜である。第２図示の如く入射光線が鉛直な
光軸９に対して傾き、光線１４，１５のようにな
つた場合を考えると、光軸１４の斜面１２への入
射角は臨界角θcより小さくなるのでその一部は斜
面１２を透過して透過光１６となり、他の部分は
反射された後斜面１３に入射するが、その入射角
は臨界角θcより大きいため全反射光１７となる。
一方、光線１５の斜面１３及び１２に対する入射
角は、いずれも臨界角θcより大きいため全反射光
１８となる。光線１４，１５の傾角方向が共に図
示のものとは逆になつても、これら光線の振舞が
左右逆になるだけである。

第３図は臨界角近傍における透過光１６の透過
率を示している。

横軸は入射角で臨界角θcより小さい入射角領城
を示し、縦軸はＰ−偏光及びＳ−偏光の透過率
Tp，Tsを示している。

これら透過率は臨界角に近づくにつれて急激に
減少し、臨界角以上の入射角に対して完全にゼロ
である。また、透過率Tp（又はTs）は入射角θ
に対して放物線状に変化し、 Tp≒２×10²√ と近似し得る。このため臨界角θc近傍における
dTp／dθは5″当たり−3.3％という急峻な透過率
変化を示す。即ち、微小な角度変化が透過率を媒
介して増幅されることに他ならない。

本発明の角度センサーは、この鋭敏な透過率変
化を利用することにより、高精度な微小角測定を
可能とするものである。

ここで、再び第１図に戻り更に第４図も用いて
これら透過光の光電変換及び信号処理について説
明する。

臨界角プリズム８の斜辺１２及び１３には薄い
間隙を隔てて受光素子２０及び２１が設けられ、
透過光量を光電変換する。この受光素子２０及び
２１の出力である受光信号は、夫々電流電圧変換
器２２，２３に入力される。電流電圧変換器２
２，２３の夫々の出力ａ，ｂは、既に第３図を用
いて説明したように放物線型に変化する透過光量
に比例している。この出力ａ，ｂは、シユミツト
回路２４，２５により夫々パルスｃ，ｄに成形さ
れ、更にナンド回路２６により臨界角θcを挟む狭
い幅のパルスｅとして出力される。シユミツト回
路２４，２５のトリガーレベルVoは、パルスｅ
の幅Δθが所望の測角感度、例えばΔθ＝5″に対応
するよう予め設定することができる。従つて、こ
のパルスｅが発生すれば水銀液面７の入射又は出
射光線とΔθの範囲内で垂直になつたことが判る。
このような測角モードは例えば電子測角器のコン
ペンセータとして採用することができるものであ
る。

第５図は、他の測角モードを提供し得る電子回
路系を示している。

符号２７は受光した透過光量を対応する角度値
に変換するための角度変換回路であり、換算メモ
リーを内蔵している。電流電圧変換器２２，２３
の出力は、この角度換算回路２７により所望の単
位を有する実測値に変換され、その値が表示器２
８に表示される。尚、このような角度換算回路２
７は現有の電子回路技術により容易に構築できる
ものなので説明を省略する。

また、電流電圧変換器２２，２３の出力は夫々
インバータ２９，３０及びアンド回路３１，３２
に順次接続され、傾角の方向を示すパルスを出力
する。例えば、受光素子２１に透過光量が入射す
るような傾角を＋とすると、アンド回路３２の出
力パルスがプラス傾角を示すことになり、これら
傾角方向の弁別パルスも実測角度値と同様に表示
器３２において表示される。この弁別パルスにつ
いても、第４図のｃ，ｄの如きレベル信号を用い
て上記インバータ２９，３０とアンド回路３１，
３２により容易に得ることができるので説明を省
略する。

以上の説明では平行光線の傾角の方向が紙面内
に限られていたが、実際には紙面に垂直な面内で
の傾角方向も考慮しなければならない。このよう
な２次元的な傾角を検出するためには、臨界角プ
リズム８を紙面に垂直な方向にも一対の臨界角を
形成した４つの斜面を有する２次元性の臨界角プ
リズムとし、この紙面に垂直な方向の斜面にも一
対の受光素子を追加して、第１図又は第５図示の
如き測角信号処理用の電子回路系を付加すれば良
い。

尚、上記実施例においては電子測角器のコンペ
ンセータを念頭にして反射面を水銀液面とした
が、この反射面は被検物に固定した任意姿勢もを
つ反射体であつてもよい。また、臨界角プリズム
に入射する光線の平行度は極力良好なことが望ま
しいから、光源としては半導体レーザーの如き指
向性の鋭いものが要求されるが、数ミリラジアン
程度の開き角をもつ平行光を用いても、拡がり角
の外線での臨界透過光の振舞は相変わらず尖鋭な
ので問題はない。ただし、この開き角に相当する
測角精度限界を伴うことは致し方ないことであ
る。

以上のように、本発明の角度センサーは１本の
平行光を測定できるだけの大きさがあれば良いと
ころから微小光学部材を用いてコンパクト且つ比
較的廉価に構成することができ、更に微小な角度
変化であつても高精度に測定することができる等
の効果を有する。

本発明の角度センサーはあらゆる計測、制御機
器に組込まれて多大の機能を果すことが期待され
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の概略図，第２図は
本発明に用いられる臨界角プリズムの一例を示す
測面図，第３図は臨界角近傍における透過光の透
過率を示す図，第４図は本発明に用いられる電子
回路系内の各部の出力波形を示す図、第５図は他
の測角モードを提供し得る電子回路系を示すブロ
ツク図である。 １…光源、２…コンデンサーレンズ、３…半透
鏡、７…水銀液面（反射面）、８…臨界角プリズ
ム、２０，２１…受光素子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 光源と、該光源からの光束を平行光となすコ
   ンデンサーレンズと、該コンデンサーレンズの平
   行光路上に設けた半透鏡と、被測定対象に固定さ
   れ前記半透鏡により反射された平行光束を略垂直
   に入射する反射面と、該反射面からの反射光路上
   に設けた臨界角プリズムと、該臨界角プリズムの
   斜面に近接して設けた受光素子とを有する角度セ
   ンサー。