JPH11287609A - 角度検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】構造が簡単で部品点数のすくない角度検出装置
を実現する。 【解決手段】第１の環状抵抗体に第１の電極とこの電極
から回転角にして１８０度離間した第２の電極を配置
し、第１の環状抵抗体に対して同様に１８０度の間隔の
第３と第４の電極を設けた第２の環状抵抗体を同心状に
かつ互いの電極が回転角度φだけずれた状態に配置す
る。摺動子は二つの環状抵抗体に機械的に同時に接触摺
動する構造とする。第１と第２の電極間に電圧を印加し
た時は第３と第４の電極を開放状態にし、逆に第３と第
４の電極間に電圧を印加した時は第１と第２の電極を開
放状態にする切り換え手段を備える。また切り換え手段
によって開放された側の電極を利用して、電圧が印加さ
れていない環状抵抗体を介して摺動子の検出電位を取り
出して利用するための切り換え手段を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は角度検出装置、特
に、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、回
転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
理も簡単であり、回転角度の検出器としてよく使われて
いる。しかし通常の一回転型のポテンショメータにおい
ては、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ているため、抵抗体が分
断され、摺動子を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。

【０００３】また、螺旋状に形成した抵抗体をワイパー
が摺動する構造の多回転型のポテンショメータによれ
ば、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必要がある。
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。

【０００４】このような不都合を解決する手段として特
願平９−２７７９８９号あるいは特願平９−２８１１８
５号に示すものが提案されている。図５は特願平９−２
７７９８９号に示すものの基本構成を示し、同心円状ま
たは同軸状に設けられた２個の環状抵抗体５６，５８を
使用し、このそれぞれの環状抵抗体５６，５８に１８０
度間隔をおいて電極６８ａ，７２ａ及び６８ｂ，７２ｂ
を設けて電圧を印加し、上記２個の環状抵抗体５６，５
８のそれぞれに第１の摺動子８４ａ，８４ｂを接触せし
め、それぞれの摺動子８４ａ，８４ｂの信号を取り出す
ため環状導体６２，６４と、これに接触する第２の摺動
子８４ｄ，８４ｅとでスリップリングを形成し、それぞ
れ第２の摺動子８４ｄ，８４ｅを介して、接続端子７
６，７８から検出信号を取り出している。

【０００５】図６は特願平９−２８１１８５号に示すも
のの基本構成を示し、１個の環状抵抗体５６を使用し、
この環状抵抗体５６に第１の電極６８を設け、この第１
の電極６８から回転角にして１８０度の位置で、上記環
状抵抗体５６に第２の電極７２を設け、上記第１の電極
６８と第２の電極７２の間に、例えば角度φの位置で上
記環状抵抗体５６に第３の電極９１を設け、この第３の
電極から１８０度の位置で上記環状抵抗体５６に第４の
電極９２を設け、上記第１の電極６８と第２の電極７２
の間に電圧を印加したとき、上記第３の電極９１と第４
の電極９２を開放状態にし、逆に第３の電極９１と第４
の電極９２間に電圧を印加したとき、上記第１の電極６
８と第２の電極７２を開放状態にする切り換え手段２２
ａ，２２ｂを備え、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、環状抵抗体５６との
接触位置に対応した電位を環状導体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
取り出すようにしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】然しながら、図５の構
成では、基本的に２組のポテンショメータを用いている
ため、構成部品の数が多く複雑であり、検出精度を良く
するためには精度の高い部品を数多く使用し、かつ組み
合せ精度も高めなければならず高価になる。

【０００７】また図６の構成では、図５の場合に比較し
て部品点数を減らした構成にはなっているが、非巻線型
の環状抵抗体を使用し、４個の電極部に抵抗体の幅全体
を横切った帯状の電流タップを用いると、抵抗体を短絡
し直線性を乱すため、抵抗体に対する接触面積を減らし
局部的に接触する電圧タップ方式の電極を使用する必要
がある。しかし電圧タップは抵抗体に対する接触面積が
小さいため、電極部に電圧降下を生じ、ポテンショメー
タとして利用できる電圧範囲が狭くなり、また４箇所の
電圧降下を同じ値にすることも難しく、最終的に位置検
出精度を悪化させる問題が避けられない。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、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２
組使用し、両者の機能を複合的に利用して、摺動子出力
取出専用のスリップリングを省略した、構造が簡単で部
品点数のすくない角度検出装置を実現することにある。

【０００９】本発明の角度検出装置は、第１の環状抵抗
体と、この第１の環状抵抗体に設けた第１の電極及びこ
の第１の電極から１８０度の位置に配置された第２の電
極と、上記第１の環状抵抗体と同心状に配置した第２の
環状抵抗体と、この第２の環状抵抗体に設けた第３の電
極及びこの第３の電極から１８０度の位置に配置された
第４の電極と、上記第１の電極と第２の電極間に電圧を
印加したとき、上記第３と第４の電極を開放状態にし、
上記第３の電極と第４の電極間に電圧を印加したとき、
上記第１と第２の電極を開放状態にする切り換え手段
と、上記２つの環状抵抗体に接触する摺動子とを備え、
上記第１、第２の環状抵抗体に夫々設けられた電極位置
に角度位相差を有せしめ、上記切り換え手段によって開
放された側の電極を利用して、電圧が印加されていない
環状抵抗体を介して上記摺動子の検出電位を取り出すよ
うにしたことを特徴とする。

【００１０】本発明においては、上記環状抵抗体として
非巻線型抵抗体を使用し、上記第１〜第４の電極を上記
第１、第２の環状抵抗体上にこれを横切って配置される
電流タップとしたことを特徴とする。

【００１１】また、上記電極の切り換え手段は、半導体
を用いた非接触手段であることを特徴とする。

【００１２】

【作用】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ヵ所発生するので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、本発明の角度検出装置においては、角度位相差を持
って配置された電圧印加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より、それぞれの摺動子の電位は互
いに角度位相差φ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。

【００１３】

【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。

【００１４】本発明の角度検出装置は、図１に示すよう
に第１の環状抵抗体３０と、この環状抵抗体３０に設け
た第１の電極３１及びこの第１の電極から回転角にして
１８０度の位置に配置した第２の電極３２と、上記第１
の環状抵抗体３０と同心状に配置された第２の環状抵抗
体３３と、この環状抵抗体３３に設けた第３の電極３４
及びこの第３の電極３４から回転角にして１８０度の位
置に設けた第４の電極３５と、上記第１，第２の環状抵
抗体３０，３３に接触する摺動子３６とにより構成せし
める。

【００１５】上記第１の環状抵抗体３０と第２の環状抵
抗体３３は、同心円状の状態で、互いの電極が回転角度
位相差φ（例えば９０度）だけずれた状態に配置し、上
記摺動子３６は、上記二つの環状抵抗体３０，３３に機
械的に同時に接触摺動する構造とする。

【００１６】また、上記第１の電極３１と第２の電極３
２の間に電圧を印加したとき、上記第３の電極３４と第
４の電極３５を開放状態にし、逆に上記第３の電極３４
と第４の電極３５間に電圧を印加したとき、上記第１の
電極３１と第２の電極３２を開放状態にする切り換え手
段２２ａ，２２ｂを備え、また、上記切り換え手段２２
ａ，２２ｂによって開放された側の電極を利用して、電
圧が印加されていない環状抵抗体を介して上記摺動子の
検出電位を取り出して利用するための切り換え手段２２
ｃを備える。

【００１７】本発明の角度検出装置は、上記のような構
成であるから環状抵抗体３０の第１の電極３１と第２の
電極３２間に電圧例えばＶｒｅｆを印加したときの摺動
子３６の検出電圧がｘ、次に切り換え手段２２ａ，２２
ｂによって電圧Ｖｒｅｆを第３の電極３４と第４の電極
３５に切り換えたときの摺動子３６の検出電圧をｙとす
ると、この検出電圧ｘ及びｙは、摺動子が同時に接触し
ている他方の環状抵抗体を介して開放されている側の電
極から取り出すことができる。

【００１８】以上は検出電圧を第１，第２の電極３１，
３４から取り出す例であるが、両方の電極を用いても取
り出すことができる。いずれの場合でも環状抵抗体を介
して検出電圧を取り出すので、結果的に出力インピーダ
ンスが大きくなるが、十分高い入力インピーダンスの回
路で受けて処理することは、技術的に容易に実現でき
る。摺動子３６による検出電圧ｘ及びｙと、摺動子の機
械的な回転角度θの関係を、φが９０度の場合について
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９０度の２相出力となる。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９０度の二つの関数ｘ及びｙを利用すれ
ば、一つのθを特定することが可能となる。

【００１９】一般に環状抵抗体に非巻線型の抵抗体、例
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３に示すように抵抗体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に示すよ
うに抵抗体１０を直角に横切った帯状の電流タップを使
用し、電極部の電圧降下やバラツキを小さくして誤差を
少なくするのが好ましい。なお、このような構造の電極
は抵抗体を短絡するので、図２のように出力電圧に平坦
部が現れることになり、この部分では位置検出に誤差を
生ずるが、平坦部が発生する部分とその幅はあらかじめ
判るため、角度を演算で求めるときに他の相の検出電圧
を使用してこの部分は使わないようにしたり、あるいは
両者を用いるとしても影響度を低減するような演算方法
を採用することが可能である。

【００２０】図４は上記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。

【００２１】上記切り換え手段２２ａ，２２ｂは、図４
に示す実施例ではトランジスタＱ３とＱ４及びＱ１とＱ
２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
動子の検出電位もマイコンに取り込まれる。トランジス
タＱ１〜Ｑ４は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ので好まし
い。摺動子３６の電位ｘとｙは、端子３１あるいは３４
を介してマイコン１に取り込まれ、前述の切り換え手段
２２ａ，２２ｂと同期してマイコン内部で切り換えられ
Ａ／Ｄでデジタル信号に変換される。ｘとｙの大小関係
や位相差φ並びに電流タップによる短絡幅等を用いて、
回転角度θを求める演算処理により角度検出を行う。

【００２２】

【発明の効果】上記のように本発明の角度検出装置にお
いては、１８０度間隔に２個の電極を設けた環状抵抗体
を２組同心円状に配置し、摺動子は機械的に両方の抵抗
体に同時に接触しながら回転する構造とし、かつ２個の
環状抵抗体の電極の位置を互いに回転角度φ（例えば９
０度）だけずれた位置になるように配置し、両者を切り
換えて環状抵抗体に電圧を印加する、すなわち環状抵抗
体は第１の電極と第２の電極間に電圧を印加する場合
と、第３の電極と第４の電極間に電圧を印加する場合が
あるようにし、一方二つの環状抵抗体に、機械的に同時
に接触摺動するように摺動子を配置し、電圧を印加して
いない側の環状抵抗体を摺動子の検出電圧を取り出すた
めのスリップリングとして利用し、一般に用いられる摺
動子専用の環状導体とブラシで構成したスリップリング
を省略せしめたため、構造の簡単な角度検出装置を実現
することができる。また摺動子を通して環状抵抗体との
接触箇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組の出力を取り出すことができ、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。更に、摺動子は３
６０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等大きな利益がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の角度検出装置における環状抵抗体と電
極の配置を示す説明図である。

【図２】本発明の角度検出装置における２相出力電圧を
示す線図である。

【図３】本発明の角度検出装置の説明図である。

【図４】環状抵抗体と電極の構造と検出電圧を説明する
説明図である。

【図５】２組の環状抵抗体を用いた従来の角度検出装置
の説明図である。

【図６】１個の環状抵抗体に２組の電極を用いた従来の
角度検出装置の説明である。

【符号の説明】

１ マイコン １０ 抵抗体 １１ 電極 ２２ａ 切り換え手段 ２２ｂ 切り換え手段 ２２ｃ 切り換え手段 ３０ 第１の環状抵抗体 ３１ 第１の電極 ３２ 第２の電極 ３３ 第２の環状抵抗体 ３４ 第３の電極 ３５ 第４の電極 ３６ 摺動子 ５６ 環状抵抗体 ５８ 環状抵抗体 ６２ 環状導体 ６４ 環状導体 ６８ 第１の電極 ６８ａ 電極 ６８ｂ 電極 ７２ 第２の電極 ７２ａ 電極 ７２ｂ 電極 ７６ 接続端子 ７８ 接続端子 ８４ａ 第１の摺動子 ８４ｂ 第１の摺動子 ８４ｄ 第２の摺動子 ８４ｅ 第２の摺動子 ９１ 第３の電極 ９２ 第４の電極 Ｑ１ トランジスタ Ｑ２ トランジスタ Ｑ３ トランジスタ Ｑ４ トランジスタ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の環状抵抗体と、この第１の環状抵
   抗体に設けた第１の電極及びこの第１の電極から１８０
   度の位置に配置された第２の電極と、上記第１の環状抵
   抗体と同心状に配置した第２の環状抵抗体と、この第２
   の環状抵抗体に設けた第３の電極及びこの第３の電極か
   ら１８０度の位置に配置された第４の電極と、上記第１
   の電極と第２の電極間に電圧を印加したとき、上記第３
   と第４の電極を開放状態にし、上記第３の電極と第４の
   電極間に電圧を印加したとき、上記第１と第２の電極を
   開放状態にする切り換え手段と、上記２つの環状抵抗体
   に接触する摺動子とを備え、上記第１、第２の環状抵抗
   体に夫々設けられた電極位置に角度位相差を有せしめ、
   上記切り換え手段によって開放された側の電極を利用し
   て、電圧が印加されていない環状抵抗体を介して上記摺
   動子の検出電位を取り出すようにしたことを特徴とする
   角度検出装置。
2. 【請求項２】 上記環状抵抗体として非巻線型抵抗体を
   使用し、上記第１〜第４の電極を上記第１、第２の環状
   抵抗体上にこれを横切って配置される電流タップとした
   ことを特徴とする請求項１記載の角度検出装置。
3. 【請求項３】 上記電極の切り換え手段が、半導体を用
   いた非接触手段であることを特徴とする請求項１または
   ２記載の角度検出装置。