JPS60159609A - 傾斜角検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 この発明は振子の回動量をもとに被測定体の傾斜角を検
出する傾斜角検出器に関するものでめる。

〔従来技術〕

従来、被測定体の傾斜角を検出するものとして、被測足
体にポテンショメータを取付け、その軸に取付けた振子
が被測定体の傾斜に応じて回動することによって発生す
るポテンショメータの抵抗値変化から回転角を検出する
ものがめった。

しか、しながら、このような従来の装置はポテンショメ
ータの摩擦力の影響を軽減するため、振子の回転モーメ
ンＩｆ十分大きくする必要かめるので小形に構成するこ
とが困難でめ９、また応答特性を所望の特性とすること
は困難でめった。この欠点を除くため、振子の位ｔｉ非
接触状態で検出することが考えられ、静電容量、磁気ま
た鉱光を用いる方法が提案されている。

しかし、静電容量を利用する方法は、容量検出のため発
ｉ回路が必要となる等、回路が複雑になると云う欠点か
める。また、磁気を用いる方法では、外部の磁場によっ
て測定値に影響が出る場合がめり、′これを防ぐために
は磁気シールドが必要となる。しかし、効率の良い磁気
シールドを施すことは比較的困難で、経済性や形状に影
ｉｓを与える。更に、振子の振れ過ぎを抑えるために磁
気ダンパｆ用りる場合、ダンパの磁束の影響によって検
出精度が低下してしまうおそれがあり、これを避けるた
めには信頼性や作業性、特性に於いて劣る液体ダンパを
用いなければならない。

一方、光を用いる方法では、外部の影響を避けるために
は遮光を施せばよく、これは磁気シールドに比べ遥かに
容易でめる。また、磁束の影響を受けないので磁気ダン
パの使用が可能となるという利点かめる。

光を用いる方法として第１図に示すように発光素子１と
受光素子２を対向させ、その間に振子３が支軸３ａ　ｋ
中心に揺動するように配置したものかめ９、傾斜角に応
じて振子３と受光素子２との位置関係変化によって受光
素子２に到達する光量が変化するので、この変化から傾
斜角を検出するものも提案されている。しかし、一般に
受光素子の受光面は小さいので、傾斜角θのわずかな変
化に対して第２図に示すように急激に出力信号の値が変
化してしまうので、検出範囲が狭いという欠点がらる。

この欠点を除去するためには受光面の大きな受光素子を
使用すれば良いが、このような受光素子は特殊なもので
あるので経済性が悪く、また、受光面を大きくすること
も限界がめ９、めまり大き万ものは得られない。

検出範囲を拡大する別の方法として、イメージセンサや
、光電式ポテンショメータのような、比較的広い範囲の
変化全検出できる素子を使用することも考えられるが、
仁れらの素子は高価でメクまた、特殊な部品でるるため
入手が困難でめる。

さらりこ、これらの素子は一般に直線状の変位に比例す
る出力領号が得られるが、振子３は回転運動をするため
、出力信号は傾斜角０Ｖｃ対して、ｌｌｌ１ＯＶＣ比例
するものとなる。このため傾斜角に対して比例関係にる
る出力信号を得たい場合、傾斜角０が小さい範囲ではｓ
ｉｎ　ｅｌ−〇と近似できるので所望の特性が得られる
が、傾斜角０が大きくなるとこの近似が成立せず、直線
性が劣化してしまう。この場合、直線性を確保するには
素子の形状を変え才りは良いが、このためには特殊な素
子が必要になり、経済性が悪くなる。

〔発明の目的および構成〕

したがってこの発明の目的は、小形で良好な応答特性が
得られ、角度検出範囲が広く、直線性の良い傾斜角検出
器を提供することにるる。

このような目的を達成するためにこの発明は、振子の回
動量変化に対応してその振子によって遮光される部分の
面積が順次変化するように複数の回動量検出素子を振子
の回動路に配設したものでおる。以下、笑施例を示す図
面を用いてこの発明の詳細な説明する。

〔災施例〕

第３図はこの発明の一英施例を示す正面図でるる。同図
において、振子３は図示しない被測定体に回動自在に取
付けられており、この振子３は紙面に平行でかつ被測足
体の傾斜方向に傾斜量に対応して回動するようになって
いる。４１〜４ｎ　は被測定体に固定され、振子３に受
光面を向け７’ｃｎ個のフォトダイオードでメク、振子
１の回動中心から振子１の円周までの長さより短かい距
離でめる半径ｔの円周上に順次配設されている。図には
省略しているが、振子３を挾んでフォトダイオード４１
〜４ｎの受光面と対向した位置にはそれぞｔ１発光素子
が配設されており、フォトダイオードと発光素子が対と
なって回動量検出素子を構成している。５は振子３の回
動中心と振子３０重心を結ぶ重心線で、定常状態では常
に鉛直方向と一致する。６は被測定体の基準面と垂直な
垂直軸でるる。フォトダイオード４１〜４ｎは振子３の
回動量変化に対応して振子３によって遮光されるものの
数が変るように配設されており、フォトダイオード４１
〜４ｎは、受光面が完全に遮光されると出力′＃を流が
零となり、振子３で遮光さ扛ない部分の面積が増加する
にしたがいその面積に比例して出力を流が増加し、受光
面が振子３によって全く遮光されなくなると最高値の出
力電流を送出するようになっている。また、被測定体の
基準面が水平状態にるる時、振子３で遮光さｎるフォト
ダイオードの数と、遮光されないフォトダイオードの数
は等しくなるように各フォトダイオードが配設されてい
る。第４図（１）〜（４）は傾斜角を変えた時の各フォ
トダイオードの出力電流特性を示しており、第４図（１
）　、　（２）はフォトダイオード４１．４冨の特性、
第４図（３）はフォトダイオード４１　の特性、第４図
（４）はフォトダイオード４ｎの特性であって、出力電
流の傾斜部はフォトダイオードの遮光面積が変化してい
る部分である。

このように構成された検出器の動作は次の通りである。

第３図において被測定体の基準面が水平状態に６る時、
傾斜角θ−０とし、この時、被測定体の垂直軸６は振子
３０重心軸５と平行でめるとする。今、被測定体が角度
θだけ傾いたとすると、重心軸５は鉛直方間を向い７ｂ
ままであるから、重心軸５が垂直軸６に対してなす角は
一部となる。

そして、このように傾斜が与えられることによって振子
３によって遮光されるフォトダイオードの数が変化する
が、傾斜角θのときフォトダイオード４１〜４ｎが振子
３によって覆い隠され、フォトダイオード４１が受光面
の一部のみ覆い隠されているとすると、フォトダイオー
ド４１の出力電流の大きさは傾斜角θに比例するとみな
すことができる。

この結果、暗電流を無視すると傾斜角θに対するフォト
ダイオード４１の出力電流Ｉｔ（のけ次の（１ａ）〜（
ｌｃ）式のように表わせる。

Ｉｉ、（θ）＝０：（但しψ−θｓｉ２θ）　−（ｌａ
）Ｉｔ（の＝ｋｉｔｉ（θｓ１−ψ＋　θ　）；（但し
ψ−θｏｉ２θとψ−θｓｉ）　＝（ｌｂ）Ｉｉ（の＝
　ｋｉｔｉ（θｓｉ−θｏｉ）：（但しθ≧９−〇。１
）　・・・・・・（ｌｃ）ここでθＢｉ、θｏｉ、ψは
第３図に記載した各角度でめり、θｓｉはフォトダイオ
ード４１の受光面が振子３によって完全に辿元逼れる傾
斜角、θｏｉは全く遮光されなくなる傾斜角、ψは振子
３の縁と重心軸５とのなす角である。また、ｋｉ　は定
数、ｔｉは振子３の回動中心からフォトダイオード４１
の中心までの距離でめる。

また、傾斜角θに対するフォトダイオードの出力電流の
卵重（のは傾斜角の大きさＫよって次の（２ａ）〜（２
ｅ）式のように表わせる。

Ｉ（の＝０　；（但しψ−θｓ１２θ）　・＝　（２ａ
）Ｉ（（’）＝に＋　ｔｘ　（θｓ１−ψ−〇）（但し
ψ−θＯ１≧θ２φ−θａｔ）・・・・・・（２ｂ）；
（但しψ−θｓｉ２θ　、ｎ＞ｉ＞１）・・・・・・・
・・　（２ｃ） （但しψ−０ｏｉとθ≧ψ−θａｔ。

ｎ＞ｉ＞１　）　・・・・・・・・・（２ｄ）但し、ｋ
ｌ　＋４　＋θ８１はフォトダイオード４１についての
、ｋｊ　、　ｔｊ、θｓＬ　θｏｊはフォトダイオード
４ｊ　についての、θｏｎ　はフォトダイオード４ｎに
ついての定数で、その設定基準はフォトダイオード４１
　で設定しｔ（基準と同様である。

ここで、ｋ　１＝　ｋ　ｍ　＝　・・・・・・＝　ｋｎ
とし、ｔ＋＝ｔｘ＝・・・・・・＝＝ｔｎとなるように
フォトダイオードを配置すれば、Ｉ（のは第５図に実線
で示すような特性となる。これは近似的に点線で示す直
線と等しく、傾斜角０が（ψ−θｓｓ　）から（ψ−θ
ｏｎ）の範囲で傾斜角θに比例した出力電流工（のを得
ることができることを示している。なお第５図は出力信
号を電圧Ｖｏで表示しているが、出力電流を出力電圧に
変換するには第６図に示す回路によって容易に行なえる
。第６図において７は演算増幅器、８は抵抗でａる。

第７図は他の笑施例を示す正面図でるる。同図において
、被測定体に取付けられたフォトダイオード９１〜９８
は被測定体の垂直軸６に対して対象の位置でろって、振
子３の回動中心から等距離の位置に配置され、更に、各
フォトダイオード間の間隔がフォトダイオードにおける
振子３０回動方向の長さと略一致するようになっている
。なお、振子３を挾んで各フォトダイオードと対向する
位置に発光素子が設けられていることは第３図に示す装
置と同様でめる。

このように構成した検出器は、傾斜角θの増加に対して
フォトダイオード９１＋　９ｓ　、　９ｓ　、　９ｙ　
の出力電流は第８図（１）　、　（３）　、　（５）　
、　（７）に示すように増加方向に変化するのに対して
、フォトダイオード９＊　＋　９４　＋　９８　＋　９
８の出力電流は第８図（２）　、　（４）　。

（６）　、　（８）に示すように減少方向に変化する。

このように配設されたフォトダイオード９１〜９８の出
力電流を第９図に示づ“変換回路によって電圧に変換す
る。第９図に示す回路において、フォトダイオード９１
．９ｇ　、９ｇ　、　９ｔ　とフォトダイオード９！＋
９４＋９１１＋９１１は互いに逆極性に接続されている
ので、抵抗８の抵抗値をＲ１フォトダイオード９１〜９
＠の出力電流ｋＩｔ〜工、とすると、この回路の出力電
圧は次のように表わされる。

Ｖｏ＝Ｒ”　（ＩＩ　−ＩＢ　＋　Ｉ３　Ｉ４　＋　ｌ
ｌｌ５　”Ｉｙ　Ｉｓ　） この結果、出力電圧■　は第１Ｏ図に示すように傾斜角
θの変化に対して略比例する特性となる。

第３図のよ゛うＶこ振子３の一方の側にフォトダイオー
ドを並べたものは、個々の受光面と受光面との間がフォ
トダイオードのケースによって区画されているので、第
５図の笑線に示すように直線性に影響をおよぼしている
が、第７図に示す構造にするとケースの影響が排除でき
るので、第１θ図に示すように直線性を確保することが
できる。

第１１図は他の実施例を示す正面図でるる。この例では
フォトダイオード９１〜９４を振子３の片側で、振子３
の回動中心を中心とする同心円上に順次ずらせて配設し
たものでるる。このように構成することによってフォト
ダイオードのケースによる不感帯がなくなり、第７図に
示すものよ゛りも小形に構成できる。この場合、各フォ
トダイオードは振子３０回動中心からの距離が異なるた
め、７第１・ダイオードから得られる出力を流の和は直
線とは異なった特性を示す。直線的な特性が必要な場合
はそれぞれのフォトダイオードに照射する光の強さを変
えるなどして特性の補正を行なえば良い。′ なお、以上の実施例では受光素子としてフォトダイオー
ドを用いた例について説明したが、この他にフォトトラ
ンジスタ、ＣｄＳフォトセル等の光導電素子、赤外線検
出素子などの各種の素子の使用が可能でるる。また、受
光素子の配置や振子の形状、各受光素子に照射する光の
強さ等を適当に選ぶことによって、出力信号と傾斜角と
の関係は直線以外にも任意の特性をもたせることができ
る。

〔発明の効果〕

以上説明したようにこの発明に係る傾斜角検出器は、振
子の回動量に対応して回動量検出素子の遮光状態を変化
するようにしているので、摩擦の影響がなくなって振子
を小形に構成でき、これによって応答特性設足の自由度
が大きくなり、複数の回動量検出素子を用いていること
から角度検出範囲が広くとれ、また通常の受光素子を用
いた回動量検出素子を適当な配設位置とすることによっ
て直線性を確保することができるので経済性が良くなり
、また磁気環境の影響を受けることがないという効果を
有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来装置の一例を示す斜視図、第２図はその出
力特性を示すグラフ、第３図はこの発明の一実施例を示
す正面図、第４図扶第３図における各フォトダイオード
の出力特性を示すグラフ、第５図は第３図に示す検出器
の総合出力特性を示すグラフ、第６図は第３図における
フォトダイオードの出力電流を電圧に変換する回路の回
路図、第７図は他の実施例を示す正面図、第８図は第７
図における各フォトダイオードの出力特性を示すグラフ
、第９図は第７図におけるフォトダイオードの出力電流
を電圧に変換する回路の回路図、第１θ図は第７図に示
す検出器の総合出力特性を示すグラフ、第１１図は他の
実施例を示す正面図である。 ３　＠　＠　＠　＠振子、４１〜４ｎ　、９１〜９ｇ　
”　”　’・フォトダイオード、５・Φ・・重心線、６
・・・・垂直線、７・・・・演算増幅器、８・・・・抵
抗。 特許出願人　ジエコー株式会社 代理人　山川政樹（ほか２名） 第６図　第９図 第３図 ０ 第５図 Ｖ。 第７図 第８図 ■− 第１０図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 被測定体に取付けられた複数の受光素子と、この受光素
   子の受光面に対向して発光面を有し被測定体に取付けら
   れた発光素子と、受光素子と発光素子との対同空間を被
   測定体の傾斜角に対応して回動する振子とから構成さ九
   、受光素子は振子の回動量に対応して順次遮光される部
   分が変化することを特徴とする傾斜角検出器。