JPH10185549A

JPH10185549A - 角度測定装置

Info

Publication number: JPH10185549A
Application number: JP8348631A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kishimoto; 弘岸本
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-12-26
Filing date: 1996-12-26
Publication date: 1998-07-14
Also published as: US6084416A; EP0851215A1

Abstract

(57)【要約】【課題】簡単な構造で角度を検出する装置を提供する。【解決手段】回転軸（１２）の回転角度を測定する角度
測定装置において、回転軸を中心に円形状に配置され、
一端側から短いパルス信号が入力される第一の導体（１
０）と、第一の導体の近傍に沿って前記第一の導体に対
して回転するよう配置された第二の導体（１４）と、第
一の導体に前記パルス信号（Ｐ１）を入力し、第二の導
体が位置する領域で反射する第一の反射パルス信号（Ｐ
２）を検出し、第一の反射パルス信号の到達時間から第
二の導体の位置する角度を検出する角度検出部（１６）
とを有することを特徴とする。更に、角度検出部（１
６）は、第二の導体（１４）が位置する領域で反射する
第一の反射パルス信号（Ｐ２）と第一の導体（１０）の
他端で反射する第二の反射パルス信号（Ｐ３）とを検出
し、第一及び第二の反射パルス信号の到達時間（ｔ１，
ｔ２）から第二の導体の位置する角度を検出することを
特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、短いパルス信号を
利用して回転軸の回転角度を検出する角度測定装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】ロータリーエンコーダ等に代表される角
度測定装置は、精密な目盛りを刻んだディスクを光学的
にあるいは電磁的に検出することを基本原理とする。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、かかる
ロータリーエンコーダは、非常に精度良く目盛りを形成
する必要があり、更にその目盛りを検出する検出センサ
自体高価なものである。そして、構成も複雑であるの
で、環境や衝撃等に弱く、廉価で信頼性の高いものを実
現することは困難であった。

【０００４】そこで、本発明の目的は、上記従来の問題
点を解決した角度測定装置を提供することにある。

【０００５】更に、本発明の目的は、構成が簡単である
が高精度に角度を測定することができ、しかも安価な角
度測定装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、本発明に
よれば、回転軸の回転角度を測定する角度測定装置にお
いて、前記回転軸を中心に円形状に配置され、一端側か
ら短いパルス信号が入力される第一の導体と、該第一の
導体の近傍に沿って前記第一の導体に対して回転するよ
う配置された第二の導体と、該第一の導体に前記パルス
信号を入力し、前記第二の導体が位置する領域で反射す
る第一の反射パルス信号を検出し、該第一の反射パルス
信号の到達時間から該第二の導体の位置する角度を検出
する角度検出部とを有することを特徴とする角度測定装
置を提供することにより達成される。

【０００７】更に、別の発明によれば、上記角度検出部
は、該第一の導体に前記パルス信号を入力し、前記第二
の導体が位置する領域で反射する第一の反射パルス信号
と前記第一の導体の他端で反射する第二の反射パルス信
号とを検出し、該第一及び第二の反射パルス信号の到達
時間から該第二の導体の位置する角度を検出することを
特徴とする。

【０００８】上記の様に、極めて短いパルス信号を円形
の導体に伝播させ、回転移動する第二の導体の位置での
反射パルス信号の伝播遅延時間からその角度を正確に検
出することができる。しかも、その構成は非常に簡単な
ものである。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面に従って説明する。しかしながら、本発明の技術
的範囲がその実施の形態に限定されるものではない。

【００１０】図１は、本発明の実施の形態例の概略図で
ある。図中、１０は短パルス信号が伝播される円形状の
導体であり、その導体１０に沿って回転軸１２と共に回
転する導体１４が回転移動する。円形導体１０の一端１
０ａには、短いパルス信号を発生して円形導体１０に入
力し、反射して戻ってきたパルス信号を検出して、導体
１４の位置の角度を検出する角度検出部１６が接続され
ている。この一端１０ａでは再度パルス信号が反射しな
い様に終端抵抗１８が設けられる。また、円形導体１０
の他端１０ｂには、特に終端抵抗は設けられずに開放状
態であり、円形導体１０を伝播してきたパルス信号が反
射する様に構成されている。

【００１１】回転軸１２と共に回転する導体１４は、所
定の電位に固定されていて、円形導体１４とは、誘電体
層（図示せず）を介して接触または近接して、該円形導
体１４に沿って回転する。

【００１２】図１の例では、導体１４が回転軸１２と共
に円形導体１０に対して回転する例である。しかし、原
理的には円形導体１０が回転軸１２と共に回転して、導
体１４が固定していても良い。或いは図１の例で回転軸
１２が固定的に取り付けられ、円形導体１０が回転して
も良い。いずれにしても、円形導体１０と導体１４とが
相対的に回転して、導体１４の位置の円形導体１０に対
する角度が反射パルス信号の遅延時間によって検出され
る。

【００１３】図２は、図１の概略平面図であり、図３は
円形導体１０に短パルス信号を伝播させた時の各々パル
ス信号波形を示す図であり、図４は、図２の円形導体１
０の等価回路図である。円形導体１０は、例えば短パル
ス信号が伝播しやすいような例えば分布定数回路になる
様に構成され、導体１４の位置する所に所定の容量Ｃ０
が付加されて図４の如き等価回路となる。従って、短パ
ルス信号は、角度検出部１６から射出パルス信号Ｐ１と
して円形導体１０の一端１０ａから伝播し、まず導体１
４の位置での容量Ｃ０によるインピーダンスの不連続に
より一部反射をして、反射パルスＰ２として角度検出部
１６に戻ってくる。また、導体１４の位置を通過したパ
ルス信号は、円形導体１０の他端１０ｂで反射して、反
射パルスＰ３として角度検出部１６に戻ってくる。

【００１４】従って、角度検出部１６では、図３に示し
た３つのパルス信号Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を検出することが
でき、パルス信号Ｐ１とＰ２との間の時間ｔ１と導体１
０内のパルス信号の伝播速度から、図２中の角度θを検
出することができる。

【００１５】或いは、パルス信号Ｐ１とＰ２との間の時
間ｔ１と、パルス信号Ｐ１とＰ３との間の時間ｔ２との
比から、角度θを検出することができる。即ち、時間ｔ
２は図２の例では３６０度に対応するので、３６０度に
比率ｔ１／ｔ２を乗ずることによりより正確な角度を検
出することができる。

【００１６】図５は、角度検出装置の具体的構成例を示
す断面図である。また、図６は、図５のＸ−Ｘで切断し
た時の上面図である。回転軸１２は、ケース２０にベア
リング２２、２４を介して相対的に回転自在に取り付け
られている。回転軸１２には、円板状のプリント基板２
６が固定され、そのプリント基板２６の表面に導体１４
に該当する帯状の導体パターン２８が形成される。好ま
しくは、この導体パターン２８は接地電位に接続され
る。

【００１７】一方、ケース２０に固定されている、ドー
ナツ状のプリント基板３０の表面に、円形導体１０とし
て導体パターン３２が形成される。そして、導体パター
ン３２が望ましいパルス信号の伝播路となる様に、例え
ばプリント基板３０の内部に接地層が形成されて、図４
に示した様な伝播回路が構成される。また、プリント基
板３０の背面側には、パルス信号を発生し、反射パルス
信号を検出して角度を求める角度検出部１６が集積回路
としてマウントされている。

【００１８】円板状のプリント基板２６が回転軸１２に
固定されているので、回転軸１２の回転と共に、導体パ
ターン２８（１４）も回転する。導体パターン２８と３
２とは、例えば狭い空気層を介して対向することで、両
導体間に容量Ｃ０を形成する。また、両導体パターンの
表面が所定の誘電体層で被覆される時は、所定の潤滑材
等を介して接触されてもよい。

【００１９】図５に示した角度測定装置は、測定したい
部位に回転軸１２或いはケース２０が固定される。そし
て、その部位の回転と共に回転軸１２とケース２０との
相対的な角度が変位する。

【００２０】図７は、他の実施の形態例の角度測定装置
の概略図である。この例では、円形の導体を４つに分割
し、それぞれの導体１０１、１０２、１０３、１０４に
対して一端に角度検出部１６１〜１６４を設けている。
回転軸１２に固定された導体１４は、４つのの導体１０
１〜１０４に沿って回転する。従って、それぞれの角度
検出部１６１〜１６４がそれぞれの９０度の範囲での角
度を検出する。従って、１つの角度検出部が検出する角
度の範囲を狭くすることで、検出角度の精度を向上させ
ることができる。

【００２１】図８は、更に他の実施の形態例の角度測定
装置の概略図である。この例では、同様に角度検出精度
を上げる為に、円形の導体１０を一回転ではなく、３回
転分設けている。より長い伝播路上において導体１４が
位置する３カ所でパルス信号が反射するので、それぞれ
の反射パルス信号から求められる角度を平均化等をする
ことにより、角度の検出精度を上げることができる。

【００２２】図９は、更に他の実施の形態例の角度測定
装置の概略図である。この例では、円形状の導体１０が
回転軸１２を中心とする円に沿って該円を横切る様に鋸
波状に設けられている。こうすることで、パルス信号が
伝播する経路を長くすることができ、反射パルス信号の
遅延時間ｔ１，ｔ２の時間分解能が高くなり、より精度
の高い角度検出が可能になる。

【００２３】図１０は、更に他の実施の形態例の角度測
定装置の概略図である。また、図１１は、その場合の反
射パルス信号の遅延時間（横軸）と検出角度（縦軸）と
の関係を示すグラフである。図１０の例では、円形状の
導体１０が回転軸１２を中心とする円に沿って該円を横
切る様に矩形波状に設けられている。この様な形状の設
けることで、図１１の如き検出特性を得ることができ
る。即ち、導体１０の半径方向の部分では、パルス信号
は遅延伝播するが検出角度は変化しない。一方、導体１
０の円周方向の部分では、検出角度は変化する。従っ
て、反射パルス信号の遅延時間がその分長くなり時間分
解能が高くなる。さらに、０〜１５度、１５〜３０度、
３０〜４５度の範囲の間に、角度が変化しないが反射パ
ルス信号Ｐ２の伝播は生じる領域を生成することができ
る。従って、上記の角度範囲毎に飛び飛びの反射パルス
信号の遅延時間領域を持ち、略デジタル的な角度検出を
可能にする。

【００２４】図１２は、更に他の実施の形態例の角度測
定装置の概略図である。この例は、図８の例と類似する
が、円形状の導体１４が折り返して２回転する様に設け
られる。この場合も、導体１４付近での反射パルス信号
が２つになり、検出角度の精度を向上させることができ
る。

【００２５】図１３は、更に他の実施の形態例の角度測
定装置の概略図である。この例では、回転軸１２の位置
が円形の導体１０の中心からずれていても、正確に角度
を検出することができる様にしている。即ち、ロータリ
ーエンコーダにおける軸ずれ対策として知られている様
に、回転軸１２と共に回転する導体１４を１８０度ずれ
た位置に２本設けている。その場合、円形の導体１０は
１本でも良いが、検出を容易にする為に１８０度ずらし
て２本１０５、１０６設けている。そして、それぞれの
導体１０５、１０６に短パルス信号を射出して反射パル
ス信号の伝播遅延時間ｔ１，ｔ２を検出する角度検出部
１６５、１６６を接続する。

【００２６】図１４は、図１３の回転軸１２が中心から
ずれている場合でも、２本の導体１４ａ，１４ｂにより
正確に角度を検出することを示す図である。また、図１
５は、その場合の反射パルス信号の遅延時間（横軸）と
検出角度（縦軸）との関係を示すグラフである。即ち、
正しい中心がＯ１であるのに対して、回転軸１２がそこ
からずれた点Ｏ２に位置するとする。その場合、２つの
導体１４ａ，１４ｂは、図中でＡ−Ｏ２，Ｂ−Ｏ２の辺
に位置する。従って、正しい回転角度はθである。とこ
ろが、導体１４ａ，１４ｂが点Ａ，Ｂの位置にあるの
で、反射パルス信号によって、点Ａのほうはθ＋αと検
出され、点Ｂのほうはθ−αとして検出される。即ち、
導体１４ａによっては図１５中の実線のごとき正弦波と
なるのに対して、導体１４ｂによっては図１５中の破線
のごとき正弦波となる。従って、導体１４ａによって反
射するパルス信号から検出される角度θ＋αと、導体１
４ｂによって反射するパルス信号から検出される角度θ
−αとを加算して１／２倍することで、誤差αをキャン
セルすることができる。

【００２７】図１３において、円形の導体１０が１本で
ある場合は、例えば導体１４ｂで反射する反射パルス信
号から検出される角度から１８０度分除いた角度を用い
ることで、上記と同様に誤差角αをキャンセルすること
ができる。

【００２８】図１３の例に、更に９０度回転させた更に
２本の導体を追加して、９０度づつ隔てた４本の導体１
４を設けても、同様に回転軸のずれによる誤差をキャン
セルすることができる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば、従
来に比較して単純な構成で角度を測定する装置を提供す
ることができ、廉価な角度測定装置の提供が可能にな
る。

【００３０】また、角度検出部で生成される短パルス信
号は、極めて微弱なパワーのパルス信号で良く、角度検
出部の消費電力を少なくすることができる。そして、本
発明の角度検出装置では、角度の測定を行う時のみ電力
を消費するので、通常状態では電源を切断しても角度の
状態は保たれ、常に通電しておく必要がない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態例の概略図である。

【図２】図１の概略平面図である。

【図３】円形導体１０に短パルス信号を伝播させた時の
各々パルス信号波形を示す図である。

【図４】円形導体１０の等価回路図である。

【図５】角度検出装置の具体的構成例を示す断面図であ
る。

【図６】図５のＸ−Ｘで切断した時の上面図である。

【図７】他の実施の形態例の角度測定装置の概略図であ
る。

【図８】他の実施の形態例の角度測定装置の概略図であ
る。

【図９】他の実施の形態例の角度測定装置の概略図であ
る。

【図１０】他の実施の形態例の角度測定装置の概略図で
ある。

【図１１】図１０の角度測定装置における反射パルス信
号の遅延時間（横軸）と検出角度（縦軸）との関係を示
すグラフである。

【図１２】他の実施の形態例の角度測定装置の概略図で
ある。

【図１３】他の実施の形態例の角度測定装置の概略図で
ある。

【図１４】図１３における軸ずれが生じた場合の検出角
度の関係を示す図である。

【図１５】図１３の角度測定装置における反射パルス信
号の遅延時間（横軸）と検出角度（縦軸）との関係を示
すグラフである。

【符号の説明】

１０第一の導体１２回転軸１４第二の導体１６角度検出部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転軸の回転角度を測定する角度測定装置
において、前記回転軸を中心に円形状に配置され、一端側から短い
パルス信号が入力される第一の導体と、該第一の導体の近傍に沿って前記第一の導体に対して回
転するよう配置された第二の導体と、該第一の導体に前記パルス信号を入力し、前記第二の導
体が位置する領域で反射する第一の反射パルス信号を検
出し、該第一の反射パルス信号の到達時間から該第二の
導体の位置する角度を検出する角度検出部とを有するこ
とを特徴とする角度測定装置。
【請求項２】回転軸の回転角度を測定する角度測定装置
において、前記回転軸を中心に円形状に配置され、一端側から短い
パルス信号が入力される第一の導体と、該第一の導体の近傍に沿って前記第一の導体に対して回
転するよう配置された第二の導体と、該第一の導体に前記パルス信号を入力し、前記第二の導
体が位置する領域で反射する第一の反射パルス信号と前
記第一の導体の他端で反射する第二の反射パルス信号と
を検出し、該第一及び第二の反射パルス信号の到達時間
から該第二の導体の位置する角度を検出する角度検出部
とを有することを特徴とする角度測定装置。
【請求項３】請求項２記載の角度測定装置において、前記角度検出部は、前記第一の反射パルス信号の遅延時
間と該第二の反射パルス信号の遅延時間の比率から前記
第二の導体の位置する角度を検出することを特徴とする
角度測定装置。
【請求項４】請求項１、２または３において、前記第一の導体と第二の導体との間に誘電体が介在され
て所定の容量が形成されていることを特徴とする角度測
定装置。
【請求項５】請求項１、２または３において、前記回転軸に支持されて回転可能な基板と、該基板表面
に前記第二の導体が形成されていることを特徴とする角
度測定装置。
【請求項６】請求項１、２または３において、前記第一の導体が、複数の角度領域に分割して設けら
れ、それぞれの分割した第一の導体に対して前記角度検
出部が設けられていることを特徴とする角度検出装置。
【請求項７】請求項１、２または３において、前記第一の導体が、複数巻きの円形状であることを特徴
とする角度検出装置。
【請求項８】請求項１、２または３において、前記第一の導体が、前記回転軸を中心とする円に沿って
該円を横切る様に波状、鋸波状、または矩形波状に設け
られていることを特徴とする角度検出装置。
【請求項９】請求項乃至９において、前記第二の導体が、前記回転軸に対して１８０度の位置
に複数個設けられていることを特徴とする角度測定装
置。