JPS6125004A - 角度センサ - 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】 （技術分野） 本発明は構造体や移動体の、ある基準に対する回転角、
あるいは水平に対する傾斜角を検出する角度センサに関
する。

（発明の背景） 工場における各種製造機器、ロボット、船舶、土木工事
用の特殊車両などにおいて、過酷な条件でも使用できる
よう堅牢で安定確実な指示値が得られ、かつ安価な角度
センサが強く求められていこのような要望を満たすもの
に、発光素子と受光素子の間に光量可変板を置き、測定
されるべき構造に光量可変板の回転中心軸を固定させ、
構造が成る基準に対し、その相対角度が変化したとき光
量可変板が回転することによって、通過する光量が変化
し、この光を受けた受光素子の出力により、変化した相
対角の量を検知する角度センサが考えられる。

このような角度センサにおいては受発光素子を使用する
ので、動作させる電源の電圧（電流）の変動の他、特に
周囲温度の変化に伴う受光素子の特性変化が大きく影響
して、測定されるべき角度に対する指示に誤差が含まれ
ることが多い。

（発明の目的） 本発明の主目的は、前記問題点を解決し、誤差の少い安
定確実な表示が可能で、かつ構造が堅牢で安価である確
度センサを提供することにある。

本発明のさらに他の目的は前記角度センサにおいて、測
定されるべき構造の水平面に対する傾斜角を検出する機
能を有する角度センサを提供することにある。

（発明の構成） 前記目的を達成するために本発明による角度セン号は、
容器と、発光素子と、受光素子と、前記発光素子と前記
受光素子に挟まれるように配置された光量可変部を有し
、基準に対する測定されるべき構造体の角度の変化によ
り発生する、前記受光素子に入射する光量の変化により
、前記構造の基準からの回転角度を検出する角度センサ
において、第１の発光素子から放射され、第１の光量可
変部を通過した光を受光する第１の受光素子と、別に第
２の発光素子から放射され、第２の光量可変部を通過し
た光を受光する第２の受光素子を有し、前記第１の受光
素子の出力と前記第２の受光素子の出力の２つの出力を
入力とする電子回路により、前記第１、第２受光素子そ
れぞれの出力に含まれる目的以外の変動要素の影響を打
消すよう前記２つの入力を差動的に増幅し、測定対象の
回転角を検出するように構成されている。

（実施例） 以下、図面等を参照して本発明をさらに詳しく説明する
。

第４図は本発明の詳細な説明するための要部の分解斜視
図である。本発明による角度センサに使用する発光素子
と受光素子の間に挿入する光量可変部として、ここでは
光学偏光板２枚１組としたものを示している。

図で向き合った２枚の偏光板のうち一方の偏光板１をセ
ンサ本体の外筐（図示しない）に固定し、他方の偏光板
２ａおよび２ｂは同心円状に一つの回転円板２を形成し
、回転中心の支軸３は外筺に回転自在に支持されている
。

支軸３はセンサ使用時は測定されるべき構造体の角度変
化の中心軸に直接または間接に連結される。

例えば回転円板２が第４図（Ａ）の位置から支軸３によ
り時計方向に９０゛まで回転されたときを考えると、第
１の発光素子４ａから出た光が光量変化板を通過して第
１の受光素子５ａに至る光量は１．２の偏光板上に矢印
で示す偏光面の相対角度の変化に応じて最小から最大ま
で変化する。

第４図（Ｂ）に回転円板が４５゛回転したときの、また
第４図（Ｃ’）に９０゛回転したときの状態を示してい
る。

この場合発光素子４ａから出た光が受光素子５ａに至る
光量は、光量可変部（偏光板１，２）の通過個所に矢印
で示した偏光方向が、第４図（Ｂ）では第１図の場合の
同一方向から４５°相対的に異なる方向に変わるので、
その変化分に応して減光される。また第４図（Ｃ）では
２つの偏光方向が同一となって重なるので受光素子５ａ
に至る光量は最大となる。

第４図の回転円板２の回転角の変化に従い２つの偏光板
の相対角度が図（Ａ）の状態を基準として０〜３６０°
変化する場合を考えると発光素子４ａから受光素子５ａ
に至る光量は、小−大、大−小、小−大、大−小の４つ
の変化をする。

一方策２の発光素子４ｂから出た光が光量可変板を通過
して第２の受光素子５ｂに至る光量について考えると、
回転円板の光を通過する場所は偏光板２ｂの一部である
。第１の発光素子から出た光が通過する部分（偏光板２
ａ）とは偏光方向が同一であるので第４図（Ａ）で第２
の受光素子５ｂが受ける光量は最大であり、同図（Ａ＞
−（Ｂ）→（Ｃ）の順に回転円板２の回転角が０°→４
５゜→９０°と変化し第３図（Ｃ）で最小となる。

回転円板２の回転角の変化に従い２つの偏光板の相対角
度が図（Ａ＞を基準としてＯ〜３６０°変化する場合を
考えると発光素子４ｂから受光素子５ｂに至る光量は、
大−小、小−大、大−小、小→大の４つの変化をする。

５ａ、５ｂの各受光素子の出力は受光量に比例するので
回転円板の回転角に対する受光素子５ａの出力曲線は、
もし電源電圧の変動や温度変化による特性変化の影響な
どによるドリフトが無ければ第５図（Ａ）の実線のよう
になるが、もしドリフトがあり、仮りに出力を増加させ
る方向に影響すれば同図に点線で示すような曲線となる
。

−刃受光素子５ｂの出力も、もしドリフトの影響が無け
れば第５図（Ｂ）の実線のような曲線で示されるが、ド
リフトがある場合は、ドリフトは第１．第２の受光素子
出力に同様の影響を与えるので同図の点線のようになる
。

第５図において回転円板の回転角９０”の場合を考える
と第１受光素子５ａの出力ａ１は同図（Ａ）に示すよう
にドリフトの無いときの出力ａ。。

ドリフトによる増加分をｄとすればａ１＝８０＋ｄで表
わされる。同様にして同図（Ｂ）から判るように第２受
光素子５ｂの出力ｂ１はドリフトの無いときの出カーｂ
ｏ、ドリフトによる増加分はｄでｌ）、　−一’ｂｏ＋
ｄで表わされるから、この２つの出力の差はａｌ　　ｂ
、＝ａ。＋ａ　　　（ｂ。

＋ｄ）　−ａ。＋ｂ。となりドリフトによる増加分ｄは
打消され、ドリフトの無いときの２つの出力の差に等し
くなる。

回転角が１８０°のときも第１の受光素子の出力を２２
＋第２の受光素子の出力をｂ２とすればａ２−ｂ２−−
ａｏ＋ｄ−（ｂＯ＋ｄ）　−（ａ。

＋ｂｏ）となりドリフトの影響が打消されていることが
わかる。

第１の受光素子５ａの出力と第２の受光素子５ｂの出力
を差動増幅器の２つの入力とするとき、差動増幅器の出
力にはドリフトの影響は完全に打消されて現われないの
で、その出力曲線は第５図（Ｃ）のようになる。

同図においてＣＩ　ＣＣａｏ＋ｂｏ　、ｃ２ｏＣ−（ａ
（。

＋ｂｏ）である。

また差動増幅器出力の変化も小−大、大→小。

小−大、大−小の４つの変化をするので３６０゜内に同
一表示が４回現われることになる。これは角度の１象限
〜４象限に対応するので、１象限と区別して、２象限、
３象限、４象限にあたることが判別できる機構を追加す
ることによって、Ｏ〜９０°の他、Ｏ〜１８０°、０〜
２７０°、０〜３６０°の全角度を検出するものを含め
て各種のセンサをつくることができる。

第１図は本発明による第１の実施例を示し、第１図（Ａ
）は一部を切欠き内部が見えるようにした平面図である
。第１図（Ｂ）は第１図（Ａ）のＡ−Ａで切断し正面か
ら見た断面図である。第１図（Ｃ）は同図（Ｂ）のＢ−
Ｂで切断した右側断面図である。

２枚の光量可変板のうち容器１０に対し回転自在の回転
円板２には偏光板２ａ、　　２ｂの円周外側にスリット
加工板１１が取付けられている。

スリット加工板１１は加工性の高いステンレス板を加工
し、円弧上のスリン）１２ａ、１２ｂ。

１２ｃを設けである。

偏光板２ａ、２ｂ、スリット加工板１１の組立（回転円
板２）は容器１０内にボールベアリング１６および１７
により回転可能に支持される。

固定偏光板１には同心円状に２つの偏光板１ａおよび１
ｂによって組み立てられ容器１０の内側に固定されてい
る。

偏光板１ａと２ａ、ｌｂと２ｂのそれぞれの偏光方向の
組み合わせは回転円板２を回転させたとき、１ａと２ａ
を通過する光量が最小のときに１ｂと２ｂを通過する光
量が最大であり、ｌａと２３を通過する光量が最大のと
きに１ｂと２ｂを通遇する光量が最小であるようになっ
ているが、これは差動増幅器出力が最大となるように考
えて調整されたもので、厳密なものではなく多少ずれて
いても発光素子４ａから受光素子５ａに至る光量変化と
、発光素子４ｂから受光素子５ｂに至る光量変化との間
に、回転円板の回転角度対出力の特性曲線で比較して充
分な位相差があればよい。

回転円板２の支軸３は使用時には測定されるべき構造体
に直結されるか、あるいは角度増幅用のギヤ機構を介し
て連結されている。

構造体の角度変化に応じて回転円板が回転し、受光素子
５ａ、５ｂの出力は変化する。受光素子５ａ、５ｂの出
力変化は前述のようにＯ〜３６０゜の間に同一表示が表
われるので、これらが０〜３６０°の角度の１象限〜４
象限に対応するかの判別機構として回転円板に設けたス
リット板１１のスリン）１２ａを挾んで発光素子１４ａ
および受光素子１５ａが、スリンｌ−１２ｂを挟んで発
光素子１４ｂおよび受光素子１５ｂが、スリット１２Ｃ
を挟んで発光素子１４ｃおよび受光素子１５ｃが、それ
ぞれ配置されている。

いま仮り第１図（Ｂ）の回転円板２が図中時計方向に回
転したとき０〜９０°の範囲では１４ａ。

１４ｂ、１４Ｃいずれの発光素子から出た光もスリット
板に遮られ受光素子のどれにも出力は現われない。一方
その間の回転角の詳細な情報は受光素子５ａおよび５ｂ
から電子回路（図示しない）の差動増幅器に送られる。

つぎに最小の９０°を越えてさらに回転角が増加して１
８０°に至るまでスリット１２Ｈに対応する受光素子１
５ａに出力が現れ、その間の回転角の詳細な情報は受光
素子５ａおよび５ｂから差動増幅器に送られる。

さらに回転角が増加して１８０°〜２７０°の間では、
スリット１２ｂに対応する受光素子１５ｂに出力が現れ
、その間の回転角の詳細な情報Ｇま受光素子５ａおよび
５ｂから差動増幅器に送られる。

回転角が２７０°〜３６０°の間ではスリット１２ｃに
対応する受光素子１５Ｃに出力が現れ、その間の回転角
の詳細な情報は受光素子５ａおよび５ｂから差動増幅器
に送られる。

このようにして構造体の角度変化に応じて受光素子５ａ
および５ｂから回転角の詳細な情報が差動増幅器に送ら
れると同時に、それらの情報がＯ〜９０°、９０°〜１
８０°、１８０°〜２７０゜２７０°〜３６０°のうち
いずれの範囲にあるかの判別信号を受光素子１５ａ、１
５ｂ、１５ｃから、角度情報を処理する論理回路に送出
する。

このようにして構造体の角度変化に応じて角度センサの
受光素子５ａ、５ｂ、１５ａ、１５ｂ。

１５Ｃの出力が、これらの出力を処理する電子回路に送
出される。

第２図はこれらの出力を処理して回転角を表示する回路
の実施例を示すブロック図である。

角度センサ２１の第１部２１ａの出力（受光素子５ａの
出力）および第２部２．１ｂの出力（受光素子５ｂの出
力）は差動増幅器２２の２つの入力として入力され、差
動増幅器２２でドリフ１の影響が除去され、増幅された
後デジタル表示のためにＡＤ変換器２３でＡＤ変換され
、論理回路に送られる。

一方角度センサの１〜４象限判別部の出力（受光素子１
５ａ、１５ｂ、１５ｃの出力）も論理回路に送られ、構
造体が基準からの角度変化が正しく表示されるようＡＤ
変換器出力の論理処理に関係する。

論理回路出力を受けて表示器は正しい角度情報をデジタ
ル表示する。

角度センサ、差動増幅器、Ａ−Ｄ変換器、論理回路、表
示器には電源部から動作電力が供給されている。

第３図に本発明による第２の実施例として構造体の水平
に対する側斜角を測定する角度センサの要部を分解斜視
図で示している。

図中第１図、第４図と同一符号を付しているのは同等の
働きをするものであるので各部の説明は省略する。

第３図の容器１０を測定されるべき構造体に固定すると
き、容器１０は構造体が傾いた時同様に傾き、容器１０
に固定されている固定偏光板１も傾き、偏光板１の偏光
方向は傾斜角に応じて回転する。

一方回転円板２には重り３１および浮き３２がつけられ
ており、支軸３３と回転円板はボールベアリング３４で
回転自在に支持されているので、常に重り３１が回転中
心から鉛直線上の真下になるよう動き安定する。

この実施例は回転円板をシリコンなどの液中に置くこと
を前提とするものであるから、重り３１と浮き３２を組
み合わせであるが、気体の中に配置するときは、重り３
１だけでよい。

第４図について説明した原理によって発光素子４ａから
出た光は２つの偏光板２ａと１の偏光方向の相対角度に
応じて減光され受光素子５ａに至り、受光素子に応じた
出力が電子回路（図示しない）の差動増幅器に送られる
。

同様に発光素子４ｂから出た出力は２つの偏光板２ｂと
１の偏光方向の相対角度に応じて減光され受光素子５ｂ
に至り、受光量に応じた出力が差動増幅器に送られる。

この実施例は容器の傾斜が水平に対し仰角、俯角とも最
大４５°の範囲内で使用することを前提としているので
スリット板およびスリット板と組合わせ使用する受光素
子は配置していない。角度変化範囲が９０゛以上に及ぶ
ときはスリット板とスリン）Ｉｆを挟む受光素子が必要
となる。

（変形例の説明） 以上詳しく説明した実施例につき、本発明の範囲内で種
々の変形を施すことができる。

光量可変板として第１図の例では固定偏光板、回転円板
に取付けた偏光板とも２枚ずつ同心円状に配置し、第３
図の例では固定偏光板を１枚の偏光板とし回転円板には
２枚の偏光板を使用しているが、固定偏光板を２枚の偏
光板で構成し、２つの受光素子の前方の偏光方向がそれ
ぞれ互いにほぼ直角をな、すよう配置し、回転円板には
偏光板１枚だけを取りつけてもよい。

また第１．第２の光量可変部の偏光板の偏光方向は図示
以外に種々の方向が考えられるが、回転円板の回転に対
する２つの受光素子出力特性曲線相互に位相差を生じる
状態であればいずれでもよい。第６図に固定偏光板と回
転円板にとりつけた偏光板の偏光方向の各種の組み合わ
せの例を示す。

第６図（Ａ）、、　　（Ｂ）、、（（１）の回転板にと
りつけた偏光板４ａ、４ｂの偏−光方向は同図（Ｄ）に
示す固定偏光板と組み合わせて使用できるよう調整され
たものである。

さらに光量可変板そのものも、本実施例のように偏光板
を使用しなくても受発光素子の間に挿入して光量がアナ
ログ的に変化するものであれば、例えば回転位置によっ
て光の透過率の変化するものや光の通過穴の面積が変わ
るものなどを使用してもよい。

第２の実施例に示した第３図の傾斜角を検知する角度セ
ンサは傾斜角の水平に対し±４５°の範囲内のみを検知
対象としているが、他に±９０°。

±１３５’、　　±１８０°などもスリット板とスリッ
ト板を挟む受発光素子を回転円板に配置することで製作
可能である。

第６図（Ａ）に±１３５°、（Ｂ）に±９０゜の傾斜角
を検知できる角度センサの回転円板の例を示している。

第３図に示した実施例では１個のＭす３１を用いたが、
第６図（Ａ）、　　（Ｃ）に示すように２個の重り４１
．４２をつけることができる。

１個の重り３１を用いる方が構造も調整も簡単であるが
、重りを２箇所に分けた場合、ヤジロベーと同一原理で
傾斜角度変動後、安定に要する時間が短く、従って応答
特性はよく振動にも強い。

（発明の効果） 以上述べたように本発明による角度センサは簡単な構造
でありながらドリフトの影響を受けない。

したがって安定で確度の高いセンサを安価に製作するこ
とができる。

さらに実施例に示したように光量可変板に偏光板を使う
ときは小形化が容易で、かつ振動にも強いという利点が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による角度センサの第１実施例の平面図
と平面図中のＡ−Ａで示す部分で切断した断面図と右側
断面図である。 第２図は本発明のセンサを使用し回転角を測定するとき
の電気回路構成例を示すブロック図である。 第３図は本発明による第２の実施例として傾斜角測定用
角度センサの要部を示す分解斜視図である。 第４図は本発明による角度センサの動作原理を説明する
ための要部の斜視図である。 第５図は本発明による角度センサ出力と第２図における
差動増幅器の出力との関係を示す特性曲線図である。 第６図は回転円板の各種変形例を示す図である。 １・・・固定偏光板 ２・・・回転円板（回転偏光板） ４・・・発光素子　　　　　５・・・受光素子１０・・
・容器　　　　　　２２・・・差動増幅器３１・・・重
り　　　　　　　３２・・・浮き特許出願人　　オプト
工業　株式会社 代理人　弁理士　　井　ノ　ロ　　壽 Ｒぜ 嘔　　　　　１−１−　　　　　咲 く一一割叡費；爾田や

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）容器と、発光素子と、受光素子と、前記発光素子
   と前記受光素子に挟まれるように配置された光量可変部
   を有し、基準に対する測定されるべき構造体の角度の変
   化により発生する、前記受光素子に入射する光量の変化
   により、前記構造の基準からの回転角度を検出する角度
   センサにおいて、第１の発光素子から放射され、第１の
   光量可変部分を通過した光を受光する第１の受光素子と
   、別に第２の発光素子から放射され、第２の光量可変部
   を通過した光を受光する第２の受光素子を有し、前記第
   １の受光素子の出力と前記第２の受光素子の出力の２つ
   の出力を入力とする電子回路により、前記第１、第２受
   光素子それぞれの出力に含まれる目的以外の変動要素の
   影響を打消すよう前記２つの入力を差動的に増幅し、測
   定対象の回転角を検出するように構成した角度センサ。
2. （２）前記第１および第２の光量可変部は、前記容器に
   固定された固定偏光板と、前記固定偏光板に平行位置を
   保って支点を中心に回転自在に支持される回転偏光板（
   回転円板）の、２枚１組から構成される特許請求の範囲
   第１項記載の角度センサ。
3. （３）前記回転偏光板は気体または液体の中にあってそ
   の１点が常に鉛直方向を保つように重り、または重りと
   浮きを取りつけ、容器を固定した構造体の面に対する垂
   直線と鉛直線とのなす角を検出する特許請求の範囲第１
   項および第２項記載の角度センサ。