JPS60210711A - 傾斜角センサ− - 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】 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精度に開側１表示する
傾斜角センサーに関するものである。

従来より傾斜角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傾斜角
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、これらの傾斜角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
誤差要因が多いばかりか、χ軸、ｙ軸のうちの一方向の
みの傾斜角しか検出できないため、χ＋Ｖ　−２軸の同
時計測を行なうにはこれら傾斜角センサーを２個設置し
なければ外らず、装置が大型化してその分コスト高にな
る等の欠点は免れない。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Ｉ６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
像と基のパターンと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傾斜角センサーが提
案されている。このように光学像を利用すると傾斜角の
χ＋　ｙ２２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、電磁的傾斜角センサーに比して
多くの利点を有しているが、これまでの光学的傾斜角セ
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
或いは電磁的傾斜角セン、サーの欠点を除去し、傾斜角
のχ＋　ｙ２軸方向の角度成分を同時に非接触で自動言
１測し得るところのコンパクトな機構を有する高感度＝
１斜角センサーを提供することを目的とする。

以下１図面に基づいて本発明を説明する。

第１図は本発明に係る傾斜角センサーの測定原理を示す
概略図である。平行光を発生する照明光学系ｌからの平
行光は、半透鏡２を通過後回折格子３を照明する。一方
、水平台４上には水銀５を入れた水銀槽６が固定されて
いて、前記水銀５の液面７は矢印Ｇで示される重力方向
と直交している。

第１図示の状態で回折格子３と液面７とがなす角をθ、
両者の間隔をｄとすると、液面７で反射した回折格子３
の像は傾斜角θのため図示の如くεだけ左方に移動して
再び回折格子３に重なる。今、回折格子３の格子定数Ｐ
を２μ、間隔ｄを５０μｍとすると、この回折格子像の
重畳によりこの面で光の回折が生じ、所謂モアレ縞が生
じる。このモアレ縞は半透鏡２で反射されて受光素子８
に入射し、光電検出される。尚、前記照明光学系１、半
透鏡２、回折格子３及び受光素子８は全て、前記水平台
４に固着されているものとする。

次に、水平台４を連続的に傾けてゆき傾斜角θを変化さ
せると、光電検出信号は正弦波状に変化し、その正弦波
信号の周期は格子定数Ｐである。

この信号周期を電子工学的手段で細分割して微小な位相
差を読取ることにより傾斜角θを可成りの高精度で検出
することができる。即ち、傾斜角θによる移動量εはＥ
　＝２ｄθであり、この移動量εは検出信号の位相と格
子定数Ｐを介して比例関係にあることによる。例えば傾
斜角θを感度５“で検出したい場合には、移動量εは　
ε＝２．４Ｘ１０−３　μｍであり、一方格子定数Ｐは
上述の如く２μｍであるから、検出信号の一周期を約８
３０分割してその位相差を読取らねばならない（分割数
はＰ／ε）が、検出信号そのものや種々の誤差要因のた
め現実にはこの分割数は４０程度であり、従って上記の
数値例では角検出感度は高々１．５′　となる。

本発明に係る傾斜角センサーは、第１図に示した測角光
学系に改良を加え、移動量εを光学的梃子の原理により
拡大して測角分解能を増大させ、′例えば電子測角器の
水平出し用コンパレータに実用化し得るような更に高感
度なものである。尚、第１図において単に移動量薪を拡
大するだけであれば間隔ｄを大きくすればよいが、間隔
ｄが約１００μ票より大きくなるとモアレ縞のコントラ
ストが０に近づき遂にはモアレ縞信号が消失してしまう
ことは周知の通りである。

第２図は本発明に係る傾斜角センサーの一実施例を示す
概略図である。ＬＥＤ等の光源１０を発した光は、コン
デンサーレンズ１１により平行光となりレンズ１２の前
側焦点面に置かれた第１の回折格子１３を照明する。こ
の回折格子１３の平面図を第３（ａ）図に示すが、その
格子線は左半視野１３１では横方向、右手視野１３２で
は縦方向であり、刻線は互いに直交している。今、座標
系を図示の如く鉛直上方が２軸になるような右手系直交
座標とする。このようにすると、回折格子１３の右半分
１３２．左半分１３１は夫々傾角のχ成分、ｙ成分の検
出に用いられることになる。

これは、後述するように、第２の回折格子上に生ずるモ
アレ縞の傾角変化に伴う移動方向が各刻線の向きに直交
しているからである。第１の回折格子１３の透過光は、
レンズ１２の後側焦点面に設置された水銀液面１４に結
像し、第１の回折格子１３のスペクトル成分が離散的な
輝点の直線的配列として生起する。後述のモアレ縞生成
の為にはこれらスペクトル列のうち０次及び±１次の輝
点のみが有効であるから、高次成分を除去する為のマス
ク１５がレンズ１２の後側焦点の近傍に設けられている
。尚、傾斜調整が可能な水平台１６には水銀１７を入れ
た水銀槽１８が固定され、その液面１４がレンズ１２の
焦面上に来るように調整されている。この液面１４の中
央は光学的に平坦な、而も良好な反射面を形成し反射鏡
として機能する。このスペクトル輝像は液面１４で反射
され再びレンズ１２を通過した後、半透鏡１９で反射さ
れ、レンズ１２の前側焦点と共軛な位置に置かれ第１の
回折格子１３と全く同一の構造を有する第２の回折格子
２０上に第′１の回折格子１３の像として重畳される。

この第２の回折格子２０の背後に光回折に伴うモアレ縞
が生じるが、視野の上半部、下半部は夫々ｙ軸用、χ軸
用の傾角成分の検出に充当される。これら一対のモアレ
縞は夫々の結像レンズ２１．２２により結像面に設けら
れた第３（ｂ）図に示されるスリット板２３．２４上に
投影される。これらスリット板２３．２４の直後には夫
々半透鏡２５，２６が設置され、スリッドＳ１の光（最
明部）をｉ過させ、スリットｓ２の光（最暗部）を反射
させる。これら２組４種の光束は夫々受光素子２７．２
８，２９．３０により光電変換される。今、傾斜角０が
連続的に一方向に変化すると、第２の回折格子２０に重
畳される第１の回折格子１３の像が移動し、光電変換さ
れた傾角信号は正弦波状に変化する。

ここで、レンズ１２による回折格子像の移動量の拡大作
用について説明する。

水銀液面１４が水平からθだけ傾くと、この液面１４で
反射され名回折像スペクトルは２θだけ偏向し、レンズ
１２上での移動量εはＥ＝２ｆＯとなる。また、レンズ
１２通唖後の回折像の光束は平行光であるから、回折格
子２０に重畳される回折像の移動量もεに等しくなる。

従って、傾斜角θは２ｆ倍されることになり、レンズ１
２の焦点距離ｆが大きい程この拡大率は増加する。

次に第２図及び第４図に従って２組４種類の検出信号か
ら傾斜角θのχ、ｙ成分を計測・表示する電子回路系に
ついて述べる。　゛ 符号３１は傾斜角Ｏのｙ成分を検出する電子回路系であ
り、χ成分用電子回路系３５は電子回路系３１と全く同
じ構成である。受光素子２７．２８で光電変換されたモ
アレ縞信号は、夫々の電流電圧変′換器３２及び３３で
電圧変換されて夫々の出力Ｓ、、Ｓ２がまる。この出力
Ｓ、、Ｓ２は今迄述べたことから次のように表わされる
ことが判る。

ＳＨ＝ａａ＋’ａ１ｓｉｎ　（４πｆ　θ／Ｐ）　・・
−（１）Ｓ２　＝ａ□　−ａ　１　ｓｉｎ　（４πｆ　
θ／Ｐ）　・・−（２）ａｏ：検出信号の直流成分 ａｌ：検出信号の振幅 ここで、直流成分ａＱ、振幅ａｌを両出力ｓ１゜Ｓ２に
ついて互いに等しくなるように図示しない増幅器の利得
調整を行なうことは容易であり、出力Ｓ、、Ｓ２は第４
図に示す如く変化する。出力Ｓ１．Ｓ２は差動増幅器３
４に入力し、出力ｓｙを得る。即ち、 ５ｙ＝Ｓ　ｌ−３２＝２ａ　１５ｉｎ（４πｆｏ／Ｐ）
　・・（３）　。

であり、直流成分ａ（１が相殺され、振幅ａ１が２倍に
なるため検出感度が増大し、位相誤差が激減される。

この出力ｓｙが傾斜角θに対してリニヤ−な範囲はせい
ぜい±π／４の領域である。第４図において、傾斜角θ
＝０の場合はＳｙも零であり傾角方向は出力Ｓｙの正負
で弁別できる。

今、数値例として出力ｓｙの位相角範囲±π／４に対応
する傾斜角をめる。焦点距１１１ｉ　ｆ　＝　２０ｍｍ
。

格子定数Ｐ＝５μ１位相角±π／４とすると、傾斜角θ
は（３）式から θ＝±Ｐ／ｌｃ＋ｆ＝±３．２′ となる。即ち、この出力の線形領域では、この角度以下
の微細角も充分に検出可能である。尚、電子回路系３１
．３５の夫々の出力Ｓ　ｙ　ｓ　Ｓχは表示器３６に入
力され、秒単位の角１度に換算されて砿斜角θのχ、ｙ
成分が表示される。

上記数値例では±３．２“以内の更に微細な角度検出が
できることを示したが、電子測角器のように例えば３秒
単位の水準補正で充分な場合には次のような回路処理を
行い得る。即ち、出力Ｓｙ及びＳχの零クロス点でパル
スを発生させる技術は周知であるから、そのようなパル
ス列を引数することにより、±１．６“の分解能で容易
に傾斜角θをＨ１測・表示することができる。また、更
に小さい格子定数Ｐと大きい焦点距離ｆを選ぶことによ
り、測角の分解能が高められることは言う迄もなｔ）。

上記実施例においては、電子測角器用のコンペンセータ
ーを念頭に置き被測定対象となる反射面として水銀液面
をあげたが、反射面としては通常のガラス製乃至金属製
ミラーを用いてもよく、これら反射ミラーを各種測角機
器に取付けることにより回転角測定や振動解析を行なう
ことも可能である。また、ここで用い得る回折格子は矩
形振幅格子、ブレーズ格子或いは位相格子のうちいずれ
でも良い。

以上のように、本発明によれば比較的簡単な構成の光学
系と電子回路系を採用することにより。

χ、ｙ２軸に関する傾斜角成分を非接触で自動的に同時
計測可能な傾斜角センサーをコンビ（クト且つ高精度と
することが可能となる。

本発明の傾斜角センサーは、鉛直軸からの傾斜角のみな
らずあらゆる計測・制御機器における精密な測角センサ
ーとしての用途を見出し得るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る傾斜角センサーの測定原理を示す
概略図、第２図は本発明−実施例の概略図、第３（ａ）
図は本発明における回折格子の平面図、第４図は本発明
におけるスリット板の平面図である。 １２・・・レンズ １３・・・第１の回折格子 １４・・・液面 １８・・・水銀槽 １９・・・半透鏡 ２０・・・第２の回折格子 ２１、、？２・・・結像レンズ ２３．２４・・・スリッ１、板 ２７、．２８，２９．３０・・・受光素子３１．３５・
・・電子回路 ３６・・・表示器 Ｓ、、Ｓ２・・・スリット 特許出願人　旭光学工業株式会社　 ″１４？い 手゛続補正書（方式） 昭和５９年７月２３日 特許庁長官　殿 ｄ１発明の名称 傾斜角センサー ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 住所　東京都板橋区前野町２丁目３６番９号名称　（０
５２）　旭光学工業株式会社代表者　松本　徹 ダ０代理人 居所　東京都板橋区前野町２丁目３６番９号６、補正命
令の日付　昭和５９年６月　６日発送日　昭和５９年６
月２６日 乙、補正の対象 明細書の「図面の簡単な説明」の欄 ７、補正の内容 明細書の「図面の簡単な説明ｊの欄中。 第１２頁第１４行目〜第１５行目にある「第４図は・・
・・・・である。」を 「第３図（ｂ）は本発明におけるスリット板の平面図、
第４図は本発明−実施例の出方を示す図である。Ｊと補
正する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 平行光を出射する照明光学系と、該照明光学系からの平
   行光路中に設けたレンズと、該レンズの前側焦点に配置
   され左右の半視野における刻線方向が互いに直交する２
   種の回折格子を複合した第１の回折格子と、前記レンズ
   の後側焦点が液面となるよう設置された水銀槽と、前記
   第１の回折格子と前記レンズとの間の光路中に設けた半
   透鏡と。 該半透鏡を介して前記レンズの前側焦点と共軛の位置に
   設けられ前記第１の回折格子と同一構造の第２の回折格
   子と、該第２の回折格子及び前記第１の回折格子により
   左右の半視野ごとに生起する夫々の回折像を結像させる
   ２個の結像レンズと。 該結像レンズの夫々の焦点における回折像の位相をπだ
   け相違させて２分するための２個のスリットを夫々が有
   する２枚のスリット板と、前記スリットを通過した２組
   ４種の回折像を受光する受光素子と、該受光素子の出力
   のうち１組２種の受光信号の差出力を夫々与える２つの
   電子回路と、該電子回路の出力を個別に表示する表示器
   とから成る傾斜角センサー。