JPH11108609A - ポテンショメータを用いた角度検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、３６０度以上回転する機構，例え
ば監視テレビカメラ用電動雲台等の回転角度を検出する
ことができる，簡単な構造で安価な角度検出装置の実現
を目的とする。 【解決手段】 本発明に成る回転角度検出装置は，１個
の環状抵抗体と，環状抵抗体に導通した状態で設けられ
た第１の電極と，環状抵抗体に導通した状態で設けら
れ，第１の電極から１８０度の位置に配置された第２の
電極と，環状抵抗体に導通した状態で設けられ，第１の
電極と第２の電極の間に配置された第３の電極と，環状
抵抗体に導通した状態で設けられ，第３の電極から１８
０度の位置に配置された第４の電極を備え，第１の電極
と第２の電極間に電圧を印可したときは，第３と第４の
電極を開放状態にし，逆に第３の電極と第４の電極間に
電圧を印可したときは，第１と第２の電極を開放状態に
する切り換え手段を備え，環状抵抗体と接触して導通す
る１個の摺動子と，その摺動子の電位を検出する検出手
段を備えた角度検出装置を構成して位置検出装置を実現
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、３６０度以上回転
する機構，例えば監視テレビカメラ用電動雲台等の回転
角度を検出することができる，角度検出装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】抵抗体を用いたポテンショメータは低価
格であり，出力も直流電圧で取り出せるので後の信号処
理も簡単なので，回転角度の検出器としてよく使われ
る。しかし普通の一回転型のポテンショメータは，円環
状に形成した抵抗体に対して，始点と終点に相当する部
分に端末端子を設けるため，抵抗体が分断されるので，
機械的に連続的に回転させることはできても，電気的に
角度を検出することができない部分が一部分発生する。
螺旋状に形成した抵抗体を摺動子が摺動する構造の多回
転型のポテンショメータは，回転角度３６０度以上の角
度検出が可能になるが，抵抗体の終端がすなわち機械的
な終端でもあるので，一方向に機械的に連続回転させる
ことはできず，機械的に回転可能な回転角の範囲で往復
運動させるような使い方しかできない。このような角度
検出装置を，例えば監視テレビカメラの電動雲台に使用
すると，一部分使用できない角度範囲を生じたり，連続
的に一方向に回転させることができない等の不都合を生
じて，使いにくい装置となってしまう問題がある。

【０００３】このような不都合を解決する手段として，
特開平８ー１１４４１０号あるいは特開平８ー１１４４
０９号に開示されている技術がある。図６は特開平８ー
１１４４１０号の基本構成を示す各々平面図と側面図で
あり，同心円状に設けられた３個の環状抵抗体５６，５
８，６０を使用し，それぞれの環状抵抗体に第１の電極
を互いに１２０度の角度で設け，第１の電極から１８０
度の位置にそれぞれ第２の電極を設けて電圧を印可し，
３個の環状抵抗体のそれぞれと接触して導通する３個の
第１の摺動子を設けている。また第１の摺動子の信号を
取り出すため，３個の環状導体を用いて，それに接触し
て導通する３個の第２の摺動子とでスリップリングを形
成し，各々３個の第１の摺動子と接続して検出信号取り
出し用端子としている。

【０００４】図７は特開平８ー１１４４０９号の基本構
成を示す平面図と側面図であり，１個の環状抵抗体５６
に対して第１の電極６８と，回転中心Ｏに対して第１の
電極６８が設けられた位置から１８０度の位置に第２の
電極７２を設けて電圧を印可し，環状抵抗体５６と接触
して導通する３個の第１の摺動子を，回転中心に対して
互いに１２０度の角度で配置している。また第１の摺動
子の信号を取り出すため，３個の環状導体を用いて，そ
れに接触して導通する３個の第２の摺動子とでスリップ
リングを形成し，各々３個の第１の摺動子と接続して検
出信号取り出し用端子としている。いずれもホームポジ
ションサーチを行うことなく３６０度以上の回転角度を
検出することが可能な，電動雲台の回転角度検出装置を
提供することを目的としている。また両者とも，３個の
検出用摺動子のうちから１つを選択する選択手段と，選
択された摺動子の電位に基づいて回転角度を検出する角
度検出手段を備えている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述の如き従来の構成
は、基本的に３組のポテンショメータを用いた構成のた
め，構成部品の数が多く複雑であり，検出精度をよくす
るためには精度の高い部品を数多く使用し，かつ組み合
わせ精度も高めなければならず高価になる。例えば特開
平８ー１１４４１０号では３個の環状抵抗体と３個の環
状導体を使用し，合計６個の摺動子を使用しなければな
らず，かつ３個の環状導体の電極間の角度を正確に１２
０度に配置する必要がある。また特開平８ー１１４４０
９号では環状抵抗体を１個に減じた効果はあるが，３個
の摺動子と３個の環状導体を使用しなければならず，か
つ３個の摺動子は１２０度間隔で正確に取り付けなけれ
ばならず，まだ高価な構成である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に成る位置検出装
置は，基本要素である環状抵抗体と検出用の摺動子の組
み合わせを，機械的には１組だけの構造とし，電気的に
２組の機能で使用する構成として，構造を簡単にした角
度検出装置を実現することにある。

【０００７】１個の環状抵抗体と，該環状抵抗体に導通
した状態で設けられた第１の電極と，前記環状抵抗体に
導通した状態で設けられ，前記第１の電極から１８０度
の位置に配置された第２の電極と，前記環状抵抗体に導
通した状態で設けられ，前記第１の電極と第２の電極の
間に配置された第３の電極と，前記環状抵抗体に導通し
た状態で設けられ，前記第３の電極から１８０度の位置
に配置された第４の電極と、を備え，前記第１の電極と
第２の電極間に電圧を印可したときは，前記第３と第４
の電極を開放状態にし，逆に前記第３の電極と第４の電
極間に電圧を印可したときは，前記第１と第２の電極を
開放状態にする切り換え手段を備え，前記環状抵抗体と
接触して導通する１個の摺動子と，該摺動子の電位を検
出する検出手段を備えた角度検出装置を構成して位置検
出装置を実現する。

【０００８】又、前記環状抵抗体として非巻線型抵抗体
を使用したとき，抵抗体が電極によって部分的に短絡さ
れると，摺動子の角度と検出電圧の直線性が悪化するの
で，前記第１から第４までの電極を全て電圧タップとし
た角度検出装置を構成し誤差の少ない位置検出装置を実
現する。

【０００９】前記第１から第４までの電極の切り換え手
段を，半導体を用いて非接触方式とした角度検出装置を
構成し信頼性の高い位置検出装置を実現する。

【００１０】前記環状抵抗体の第１と第２の電極間に電
圧を印可したときと，第３と第４の電極間に電圧を印可
したときに対応する，各々の摺動子の電位と，定められ
た基準値との大小関係ならびに，２個の摺動子の電位相
互の大小関係に基づいて，摺動子が環状抵抗体のどの位
置にあるかを判断する手段と，その判断結果によって定
まる摺動子の回転角度と電位の関係から回転角度を求め
る手段を備えた角度検出装置を構成し位置検出装置を実
現する。

【００１１】前記第１の電極と，第３の電極の間の角
度，すなわち第１と第２および第３と第４の２組の電極
間の角度位相差の設計値と実際値の差によって，角度検
出値に生じる誤差を小さくするため，角度位相差の実測
値を用いて変更あるいは補正可能にした角度検出装置を
構成し，誤差の少ない位置検出装置を実現する。

【００１２】前記第１から第４の電極に電圧タップを使
用したとき発生する電圧降下値の設計値と実際値の差に
よって，角度検出値に生じる誤差を小さくするため，電
圧降下値の実測値を用いて変更あるいは補正可能にした
角度検出装置を構成し，誤差の少ない位置検出装置を実
現する。

【００１３】

【作用】上述の如き構成においては、環状抵抗体は１８
０度間隔で第１および第２の電極を有している。第１の
電極と第２の電極の間に１８０度間隔の他の１組の第３
および第４の電極を有している。第３と第４の電極は開
放して，第１と第２の電極間に電圧を印可すると，環状
抵抗体の各部分は，その位置に応じた電位となる。次に
第１と第２の電極を開放して，第３と第４の電極間に電
圧を印可すると，環状抵抗体の各部分は，第１と第２の
電極に対する第３と第４の電極の角度位相差に応じた電
位となる。１個の環状抵抗体と１個の摺動子の組み合わ
せの場合，１回転中に同じ電位が２ヶ所発生するので１
個の摺動子の電位から回転角度を特定することはできな
いが，角度位相差を持って配置された電圧印可電極を切
り換えて使用することにより，等価的に２組の環状抵抗
体と摺動子の組み合わせを使用したことになり，それぞ
れの摺動子の電位は互いに角度位相差を有する２相出力
となり，それぞれの電位と互いの位相関係から摺動子の
回転角度を特定することが可能となる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下図面によって本発明の実施例
を説明する。図１は本発明になる一実施例を示す。１個
の環状抵抗体５６があり，該環状抵抗体５６に導通した
状態で，第１の電極６８が設けられ，該第１の電極５６
から回転角にして１８０度の位置に，前記環状抵抗体５
６に導通した状態で，第２の電極７２が配置されてい
る。前記第１の電極６８と第２の電極７２の間に，例え
ば９０度以下の角度φの位置に，前記環状抵抗体５６に
導通した状態で，環状抵抗体５６に導通した状態で，第
３の電極９１が設けられ，該第３の電極９１から１８０
度の位置に，前記環状抵抗体５６に導通した状態で，第
４の電極９２が設けられている。前記第１の電極６８と
第２の電極７２の間に電圧を印可したときは，前記第３
の電極９１と第４の電極９２を開放状態にし，逆に前記
第３の電極９１と第４の電極９２間に電圧を印可したと
きは，前記第１と第２の電極を開放状態にする切り換え
手段２２ａと２２ｂを備えている。また環状抵抗体５６
に接触して導通する１個の摺動子８４ａを備えており，
環状抵抗体５６との接触位置に対応した電位を検出する
ことができる。摺動子８４ａの検出電圧は，前記摺動子
８４ａと接続された環状導体６２に対して摺動接触する
第２の摺動子８４ｄを介して，接続端子７６から取り出
すことができる。

【００１５】環状抵抗体５６の第１の電極６８と第２の
電極７２間に電圧例えばＶrefを印可する。このときの
第１の摺動子８４ａの検出電圧をｘとする。次に前述の
切り換え手段２２ａと２２ｂによって，電圧Ｖrefを第
３の電極９１と第４の電極９２に切り換え，このときの
摺動子８４ａの検出電圧をｙとする。摺動子８４ａの検
出電圧ｘおよびｙと，回転角度θの関係を求めると図２
のようになる。すなわちｘとｙは回転角度θに対して位
相差がφの関数となる。検出電圧ｘあるいはｙ単独で
は，同じ検出電圧に対して二つのθの値が対応するの
で，一つのθを特定することができないが，位相差φを
持つ二つの電圧ｘおよびｙを利用すれば，一つのθを特
定することが以下のように可能となる。

【００１６】θを特定する方法の一例を図２及び表１を
用いて説明する。図２に示すようにｘとｙが等しい値と
なる二つの電圧レベルをそれぞれα，βとすると，以下
に示す式１および式２の値となる。 α＝Ｖref・φ／９０ （１） β＝Ｖref（１８０−φ／２） （２）

【表１】

【００１７】この二つの電圧レベルα，βとｘおよびｙ
の大小関係を利用して，図２および表１に示すように，
θの０から３６０度の範囲をからまでの五つのゾー
ンに分けて考えることができる。すなわち，ｘおよびｙ
の値からθがどのゾーンにあるか判定できるので，表１
に示す各ゾーンに対応するｘおよびｙの関数式を利用し
て，θを特定することができる。例えばゾーンの範囲
では，ｘがαより小さな値となって，一般に直線性が悪
くなるので，この範囲はｙを選択したほうが有利であ
る。この範囲のｙと角度θの関係は式３と４であること
がわかっているので，式５からθを求めることができ
る。 ｙ＝Ｋ（φ−θ） （３） Ｋ＝Ｖref／１８０ （４） θ＝（φ−ｙ）／Ｋ （５）

【００１８】次にゾーンの範囲，すなわちｘがαとβ
の間にあって，ｙがｘより小さい範囲は，ｙがαより小
さい部分を含み，かつｙからθが一義的に定まらないの
で，ここではｘを選択した方が有利であり，θは式６か
ら容易に求まる。 θ＝ｘ／Ｋ （６）

【００１９】ここで説明した電圧レベルや関数の選択方
式は一例であって，絶対的なものではない。位相差を持
った二つの関数の，電圧レベルと位相関係を利用した判
別方法は他にも可能である。例えば，表１は摺動子の角
度位相差φを０より大きく９０度以下の範囲に限って説
明したが，９０度から１８０度の間に設定した場合につ
いても，計算式は変わるが同様の原理を用いてθを求め
ることができる。

【００２０】図３は非巻線抵抗を用いた環状抵抗体の電
極の構造を説明する図面である。環状抵抗体に非巻線型
の抵抗体たとえば導電性プラスチックやサーメットを使
用するときは，図示のように抵抗体１０が幅を持った膜
状になるので，抵抗体１０に導通する電極１１は図３
(ａ)に示すように抵抗体１０を直角に横切った帯状のも
のを使用し，これを電流タップと呼ぶ。このような構造
の電極は抵抗体を短絡するので，抵抗体の位置検出機能
としての直線性を乱すことになる。たとえば前述の第１
と第２の電極間に電圧を印可したとき，中間の第３と第
４の電極により抵抗体が短絡されることになるので，図
４(ａ)に示すように抵抗値の変化が不連続となり位置検
出精度に影響することは明らかである。図３(ｂ)は抵抗
体１０を電極が短絡しないように，接触面積を減らした
電極１２を使用した構造で，これを前述の電流タップに
対して電圧タップと呼ぶ。電圧タップの電極部と抵抗体
との重なり部分１３を，摺動子が摺動する円環状の面積
１４と重ならない範囲に制限しておけば，電圧タップの
直線性への影響を小さくすることができる。電圧タップ
は電流タップに比べ，電極部分に電圧降下δを生じ，図
２と比べると摺動子の検出電圧範囲が図４(ｂ)のように
小さくなる。この上下の電圧供給端子部の電圧降下δ
は，端子の構造により決まる値であり，これを考慮して
摺動子の検出電位を処理することができるので，既知の
値であれば差し支えない。

【００２１】図５は前述の２組の電極を切り換える手段
と，摺動子の電位を検出する手段と，検出した電位から
摺動子が環状抵抗体に対してどの位置にあるか判断する
手段と，その判断結果によって，摺動子の回転角度を求
める手段を実現するための，実施例を示す。前述の切り
換え手段２２ａと２２ｂは，図５ではトランジスタＱ３
とＱ４およびＱ１とＱ２に置き換えられており，マイコ
ン１からの指令で高速に切り換えられるようになってお
り，これと同期して摺動子８４ａの検出電位もマイコン
１に取り込まれる。Ｑ１からＱ４はトランジスタでなく
ＩＣを用いたアナログスイッチを用いても実現できる。
このような目的にはアナログ・デジタルコンバータ（以
下Ａ／Ｄと呼ぶ）を内蔵したワンチップマイコンが，性
能的にも価格的にも適している。摺動子８４ａの電位ｘ
とｙは，接続端子７６を介してマイコン１に取り込ま
れ，Ａ／Ｄでデジタル信号に変換される。マイコンのＲ
ＯＭの中には，前述のα，β，γ，φを設定値としてメ
モリしておき，これらの値とデジタル変換されたｘとｙ
の値を用いて，表１のルールに従い回転角度θを求める
ことができる。

【００２２】摺動子の検出電位ｘとｙの角度位相差φ
は，設計値としてあらかじめ決める値であるが，製作時
にずれが発生することがあり，その結果検出回転角度θ
に誤差を生じる。そこで角度位相差φを実測して，その
値をマイコンに入力すれば，実際のφの値を用いて回転
角度θを求めることができるので，誤差の少ない検出装
置にすることができる。図５は，可変抵抗器２を用いて
アナログ電圧値としてφの値をマイコン１に入力できる
ように構成した一例を示している。もちろんマイコン１
のＲＯＭのデータを，φの実測値によって書き込み，あ
るいは書き直しすることによっても可能である。ＲＯＭ
に書き換え可能なもの，たとえばフラッシュメモリ等を
使用すれば，より便利な装置にすることができる。

【００２３】又、環状抵抗体に前述の非巻線型抵抗体を
使用し，かつ接続電極に電圧タップを用いた場合，電極
部に発生する電圧降下δは，設計値としてあらかじめ決
める値であるが，製作時にずれが発生することがあり，
その結果検出回転角度θに誤差を生じる。 そこで電圧
降下δを実測して，その値をマイコンに入力してやれ
ば，実際のδの値を用いて回転角度θを求めることがで
きるので，誤差の少ない検出装置にすることができる。
図５は，可変抵抗器４を用いてアナログ電圧値５として
δの値をマイコン１に入力できるように構成した一例を
併せて示している。もちろんマイコン１のＲＯＭのデー
タを，δの実測値によって書き込み，あるいは書き直し
することによっても可能である。ＲＯＭに書き換え可能
なもの，たとえばフラッシュメモリ等を使用すれば，よ
り便利な装置にすることができる。

【００２４】

【発明の効果】本発明に成る角度検出装置は，１個の環
状抵抗体に対して１８０度間隔で配置した２組の電極
を，互いに位相差を持たせて配置し，両者を切り換えて
環状抵抗体に電圧を印可する。一方１個の摺動子が，環
状抵抗体に接触しており，接触個所の電位を検出する。
環状抵抗体は第１の電極と第２の電極間に電圧を印可さ
れる場合と，第３の電極と第４の電極間に電圧を印可さ
れる場合があり，環状抵抗体の各部位は，それぞれの場
合についてその位置に応じた電位にされている。第１と
第２の電極の組と，第３と第４の電極の組は，互いに角
度位相差を与えられているため，第１の摺動子を通して
環状抵抗体との接触個所の電位を検出すると，回転角に
対して位相差を持った２組の出力となる。従ってこの検
出値から逆に摺動子の環状抵抗体に対する位置，すなわ
ち回転角度を検出することができる。摺動子は３６０度
を越えて回転することができるので，自由な位置から自
由な方向へ回転しても，絶対位置が検出可能な角度検出
装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に成る角度検出装置の，第の実施例の１
個の環状抵抗体と２組の電極の配置を示す構成略図であ
る。

【図２】本発明に成る角度検出装置の摺動子の検出電圧
と回転角度の関係を示す説明図である。

【図３】本発明に成る角度検出装置の，第２の実施例の
環状抵抗体と電極の構造を説明する説明図で（ａ）は電
流タップの電極構造を示している。（ｂ）は電圧タップ
の電極構造を示している。

【図４】本発明に成る角度検出装置の，第２の実施例に
おける (ａ)電流タップを使用したときの抵抗体短絡を示す説明
図である。 (ｂ)電圧タップを使用したときの電圧降下を示す説明図
である。

【図５】本発明に成る角度検出装置の，摺動子の２組の
検出電圧から，回転角度を求める回路の１例を示す概略
図である。

【図６】３個の環状抵抗体と３個の検出用摺動子を用い
た，従来の検出装置の概略構成図である。

【図７】１個の環状抵抗体と３個の検出用摺動子を用い
た，従来の検出装置の概略構成図である。

【符号の説明】

１ マイコン， ２ 可変抵抗器， ３ 位相差設定（補正）電圧 ４ 可変抵抗器， ５ 電圧降下設定（補正）電圧 １０ 非巻線型環状抵抗体， １１ 電流タップ， １２ 電圧タップ ２２ 電極切り換え器 Ｑ１，Ｑ２ ＮＰＮ型トランジスタ Ｑ３，Ｑ４ ＰＮＰ型トランジスタ ５６ 環状抵抗体， ５８ 環状抵抗体， ６０ 環状抵抗体 ６２ 環状導体， ６４ 環状導体， ６６ 環状導体 ６８ 第１の電極， ７２ 第２の電極 ７６ 検出信号取り出し用端子， ７８ 検出信号取り出し用端子 ８０ 検出信号取り出し用端子 ８４ａ第１の摺動子， ８４ｂ第２の摺動子 ９１ 第３の電極， ９２ 第４の電極

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 １個の環状抵抗体と，該環状抵抗体に導
   通した状態で設けられた第１の電極と，前記環状抵抗体
   に導通した状態で設けられ，第１の電極から１８０度の
   位置に配置された第２の電極と，前記環状抵抗体に導通
   した状態で設けられ，前記第１の電極と第２の電極の間
   に配置された第３の電極と，前記環状抵抗体に導通した
   状態で設けられ，前記第３の電極から１８０度の位置に
   配置された第４の電極と、を備え，前記第１の電極と第
   ２の電極間に電圧を印可したときは，前記第３と第４の
   電極を開放状態にし，逆に前記第３の電極と第４の電極
   間に電圧を印可したときは，前記第１と第２の電極を開
   放状態にする切り換え手段を備え，前記環状抵抗体と接
   触して導通する１個の摺動子を設け、該摺動子の電位を
   検出する検出手段を備えたたこと、を特徴とするポテン
   ショメータを用いた角度検出装置。
2. 【請求項２】 前記環状抵抗体として非巻線型抵抗体を
   使用し，前記第１から第４までの電極を全て電圧タップ
   としたこと，を特徴とする請求項１に記載のポテンショ
   メータを用いた角度検出装置。
3. 【請求項３】 請求項１に記載した電極の切り換え手段
   を，半導体を用いて無接点方式としたこと、を特徴とす
   る請求項１と２に記載のポテンショメータを用いた角度
   検出装置。
4. 【請求項４】 前記環状抵抗体の第１と第２の電極間に
   電圧を印可したときと，第３と第４の電極間に電圧を印
   可したときに対応する，各々の摺動子の電位と，予め定
   められた基準値との大小関係ならびに，前記環状抵抗体
   の第１と第２の電極間に電圧を印可したときと，第３と
   第４の電極間に電圧を印可したときに対応する，各々の
   摺動子の電位相互の大小関係に基づいて，摺動子が環状
   抵抗体のどの位置にあるかを判断する手段と，その判断
   結果によって定まる摺動子の回転角度と電位の関係から
   回転角度を求める手段を備えたこと，を特徴とする請求
   項１から３に記載のポテンショメータを用いる角度検出
   装置。
5. 【請求項５】 前記第１の電極と，第３の電極の間の角
   度，すなわち第１と第２および第３と第４の２組の電極
   間の角度位相差の値を，実測値によって変更あるいは補
   正可能に構成したこと、を特徴とする請求項４に記載の
   角度検出装置。
6. 【請求項６】 前記第１から第４の電極に電圧タップを
   使用したとき発生する電圧降下の値を，実測値によって
   変更あるいは補正可能に構成したこと、を特徴とする請
   求項４に記載の角度検出装置。