JPH08320218A - 光電式軸角度変換器 - Google Patents
光電式軸角度変換器Info
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- JPH08320218A JPH08320218A JP8112405A JP11240596A JPH08320218A JP H08320218 A JPH08320218 A JP H08320218A JP 8112405 A JP8112405 A JP 8112405A JP 11240596 A JP11240596 A JP 11240596A JP H08320218 A JPH08320218 A JP H08320218A
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/28—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with deflection of beams of light, e.g. for direct optical indication
- G01D5/30—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with deflection of beams of light, e.g. for direct optical indication the beams of light being detected by photocells
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Abstract
(57)【要約】
【課題】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。 【解決手段】上記目的は、放射ビームを生成する放射源
と、前記ビーム中の放射センサであって、それによりビ
ームは、センサ上に放射のパッチを生成し、センサは、
出力信号を生成し、該信号は、パッチ移動軸に沿った、
パッチの移動に従って変化し、前記パッチ移動軸は、ビ
ームと実質的に垂直である、放射センサと、前記ビーム
中の屈折光学要素と、共に回転させるために、対象物
に、屈折光学要素を取り付けるための手段であって、回
転の軸は、ビームと、パッチ移動軸とに実質的に垂直で
あり、それにより屈折光学要素の回転が、パッチ移動軸
に沿ったパッチの移動に、出力信号の変化をもたらせし
める、取り付け手段とからなる、軸角度変換器により達
成される。からなる
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。 【解決手段】上記目的は、放射ビームを生成する放射源
と、前記ビーム中の放射センサであって、それによりビ
ームは、センサ上に放射のパッチを生成し、センサは、
出力信号を生成し、該信号は、パッチ移動軸に沿った、
パッチの移動に従って変化し、前記パッチ移動軸は、ビ
ームと実質的に垂直である、放射センサと、前記ビーム
中の屈折光学要素と、共に回転させるために、対象物
に、屈折光学要素を取り付けるための手段であって、回
転の軸は、ビームと、パッチ移動軸とに実質的に垂直で
あり、それにより屈折光学要素の回転が、パッチ移動軸
に沿ったパッチの移動に、出力信号の変化をもたらせし
める、取り付け手段とからなる、軸角度変換器により達
成される。からなる
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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１
１０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。
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１
１０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θ
２００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２
０２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１
１４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。
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θ
２００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２
０２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１
１４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。
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１
１８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。
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１
１８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＋５
７．３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４
０４−４１１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。
ジアンと＋１．０ラジアンの間（約−５７．３から＋５
７．３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４
０４−４１１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Ｌ
ＥＤ１０６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。
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Ｌ
ＥＤ１０６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１０
８、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。
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１０
８、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。
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。
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、１１
６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。Ｌ
ＥＤ１０６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。
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、１１
６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。Ｌ
ＥＤ１０６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１２
０を適応させるためには、ＬＥＤ１０６と光センサ１１
４、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１１
４、１１６との間の距離は、その残りの１４．５−１
０．０＝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、ＬＥＤ１
０６の半分の幅である。
円筒レンズ１１８、バッフル１２２、及びプリズム１２
０を適応させるためには、ＬＥＤ１０６と光センサ１１
４、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１１
４、１１６との間の距離は、その残りの１４．５−１
０．０＝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、ＬＥＤ１
０６の半分の幅である。
【００２８】光センサ１１４と１１６の各々は、１．２
５ｍｍ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５０
０は、均一照射部５０２、及び２つの半影部５０４と５
０６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１
ｍｍ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。
５ｍｍ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５０
０は、均一照射部５０２、及び２つの半影部５０４と５
０６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１
ｍｍ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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
を示す。
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 (20)
- 【請求項１】 対象物の角度変位を測定するための変換
器において、 (a) 放射ビームを生成する放射源と、 (b) 前記ビーム中の放射センサであって、それによりビ
ームは、センサ上に放射のパッチを生成し、センサは、
出力信号を生成し、該信号は、パッチ移動軸に沿った、
パッチの移動に従って変化し、前記パッチ移動軸は、ビ
ームと実質的に垂直である、放射センサと、 (c) 前記ビーム中の屈折光学要素と、 (d) 共に回転させるために、対象物に、屈折光学要素を
取り付けるための手段であって、回転の軸は、ビーム
と、パッチ移動軸とに実質的に垂直であり、それにより
屈折光学要素の回転が、パッチ移動軸に沿ったパッチの
移動に、出力信号の変化をもたらせしめる、取り付け手
段と、からなる変換器。 - 【請求項２】 前記放射源は、 (a1)放射の円錐状ビームを生成する発光ダイオードと、 (a2)円錐状ビーム中の円筒レンズであって、該レンズの
軸は、円錐状ビームと実質的に垂直であり、且つパッチ
移動軸と実質的に平行であり、それにより、前記レンズ
は、パッチ移動軸と実質的に垂直な方向に、放射源によ
り生成される、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。 - 【請求項３】 前記放射センサは、パッチ移動軸と実質
的に垂直な軸に沿って、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量は、パッチの移動に
従って変化する、請求項２に記載の変換器。 - 【請求項４】 前記放射源は更に、バッフルからなり、
該バッフルは、パッチ移動軸に沿って、放射源により生
成されるビームを制限する、開口を規定する、請求項３
に記載の変換器。 - 【請求項５】 前記屈折光学要素は、矩形プリズムから
なる、請求項４に記載の変換器。 - 【請求項６】 前記開口は、パッチ移動軸と実質的に垂
直な方向に、放射源により生成されるビームを制限す
る、請求項５に記載の変換器。 - 【請求項７】 前記放射センサは、二重セルからなる、
請求項６に記載の変換器。 - 【請求項８】 前記放射源は、非ランベルト源からな
る、請求項１に記載の変換器。 - 【請求項９】 前記放射センサは、パッチ移動軸と実質
的に垂直な軸に沿った、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量は、パッチの移動に
従って変化する、請求項８に記載の変換器。 - 【請求項１０】 前記放射源は更に、バッフルからな
り、該バッフルは、パッチ移動軸に沿って、放射源によ
り生成されるビームを制限する、開口を規定する、請求
項９に記載の変換器。 - 【請求項１１】 前記屈折光学要素は、矩形プリズムか
らなる、請求項１０に記載の変換器。 - 【請求項１２】 前記開口は、パッチ移動軸と実質的に
垂直な方向に、放射源により生成されるビームを制限す
る、請求項１１に記載の変換器。 - 【請求項１３】 前記放射センサは、二重セルからな
る、請求項１２に記載の変換器。 - 【請求項１４】 前記放射源は、レーザダイオードから
なる、請求項１３に記載の変換器。 - 【請求項１５】 前記ビーム中の円筒レンズから更にな
り、該レンズの軸は、ビームと実質的に垂直であり、且
つパッチ移動軸と実質的に平行であり、それにより、前
記レンズは、パッチ移動軸と実質的に垂直な方向に、ビ
ームの拡がりを制限する、請求項１に記載の変換器。 - 【請求項１６】 前記放射センサは、パッチ移動軸と実
質的に垂直な軸に沿った、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量は、パッチの移動
に従って変化する、請求項１５に記載の変換器。 - 【請求項１７】 前記放射源は更に、バッフルからな
り、該バッフルは、パッチ移動軸に沿って、放射源によ
り生成されるビームを制限する、開口を規定する、請求
項１６に記載の変換器。 - 【請求項１８】 前記屈折光学要素は、矩形プリズムか
らなる、請求項１７に記載の変換器。 - 【請求項１９】 前記開口は、パッチ移動軸と実質的に
垂直な方向に、放射源により生成されるビームを制限す
る、請求項１８に記載の変換器。 - 【請求項２０】 前記放射センサは、二重セルからな
る、請求項１９に記載の変換器。
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