JPS60205308A - 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】 本発明は電子測角器等に用いる角度センサーに関するも
のである。

従来より角度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角度セン
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、これらはいずれも回転軸の摩擦を伴い、
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、Ｘ軸、Ｘ軸のうち一方向のみの傾斜角しか検出で
きないため−Ｘ＋　Ｙ二軸の同時計測を行なうにはこれ
ら角度センサーを二個設置しなければならず、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
面に利用して同心リング状パターン等を水銀液面に投影
する二とにより、その反射像と基のパターンにより生成
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
的角度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Ｘ。

ｙ二軸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、電磁的角度センサーに比して多くの利
点を有しているが、これまでの光学的角度センサーは装
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角度センサーの欠点を除去し、傾斜
角のＸ＋Ｙ二軸方向の成分を同時に非接触で自動計測し
得るところのコンパクトな機構を有する高感度な角度セ
ンサーを提供することを目的とする。

本発明に係る角度センサーは、平行光を被測定物の反射
面に入射せしめ得る照明光学系と、反射面からの反射光
点の位置を光電検出し得る受光系と、微小角の変動量を
める電子回路系とから成立っており、被測定物としては
水平基準である液体面を採用している。更に、被測定物
の反射面に対向するもう一枚の反射鏡を設置することに
より、光の多重反射を利用して微小な角変位を大幅に増
幅し、測角精度を向上させたものである。

以下、図面に基づいて本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明一実施例の角度センサーの既略図である
。

ＬＥＤのような小型で指向性の良い準単色性の光源１を
発した光束は、コンデンサーレンズ２により平行光とな
り、更にピンボール３を通過して小径、例えば１ｍφ程
度の細い光束となる。尚、符号４は光源ｌ用の電源であ
る。この細い平行光はミラー５により一定角度だけ偏向
されて液面６に照射される。一方、その傾きを微調整し
得る水平台７には液槽８が固定されており、その液面６
は水平面の基準であると共に光の反射面を形成している
。信号検出に際しては、液面６の反射率ができ得る限り
高いほうが好ましいため、液面６を形成する液体として
は高屈折率を有するもの、例えばキノリン（屈折率ｎ＝
１．６２）やヨードベンゼン（ｎ＝１．６２）等が用い
られる。また、水銀液面は良好な反射面を形成する上、
低周波数の振動も吸収するため電子測角器のコンペンセ
ータとしての角度センサーには最適である。このように
液面６の反射率を増大させる替りに、液面６−１−に反
射面をもつ浮板（フロート）ｋ浮かせても良いが、これ
については後述する。液槽８の上蓋は透明な３− ガラス製の平行板９でできており、液槽８に接着されて
液の漏洩を防いでいる。この平行板９の下面中央には金
属薄膜を蒸着した全反射膜１０が設けられ、更に全反射
膜１０の表面には８１０２等の保護膜が蒸着されている
。この全反射膜１０は平行板９の上面に設けても良く、
また液槽８から分離された独立した反射鏡であっても良
い。このように液面６で反射された光は、全反射膜１０
で反射され、その後順次両面間で多重反射され、更にミ
ラー１１を経てレンズ１２で集光されてその結像面に設
置した受光素子１３に入射する。尚、光源１．コンデン
サーレンズ２．ピンホール３及びミラー５は照明光学系
をミラー１１．レンズ１２及び受光素子１３は受光系を
夫々構成しており、この照明光学系と受光系は水平台７
上に固着されているものとする。受光素子１３としては
半導体装置検出素子や四分割ホトダイオード等を使用し
得るが、これらはいずれも受光した光点のＸ　ｒ　Ｖ座
標を検出する光電的な位置センサーである。例えば市販
されている二次元の半導体装置検出素子４− （以下ＰＳＤと称する）の位置分解能は６μ、、応答速
度は５μｓｅｃであり、迅速で高分解能の光点位置の検
出ができる。受光素子１３の検出信号は、演算回路１４
において角度単位（分１秒など）を有するＸ　ｒ’を二
軸の実測値に変換された後、表示器１５に表示される。

ここで、多重反射による計測角度の増幅効果について述
べる。液面６に対する光束の入射角θが、基準角度即ち
水平台７が正確に水平面と一致し、光軸１６，１７が液
面６に平行なときの入射角よりαだけ傾いていたとする
。この光束が液面６でｎ回多重反射した後、ミラー１１
の方向に出射するときの出射角はθ±２ｎαとなり、角
変位は２ｎ倍だけ増幅される。入射点Ｑｏから受光素子
１３までの光路長Ｑｏ　ＰａをＱとすると、受光素子１
３上の光点移動ｐ、ｐ、は２ｎｆｉαとなる。前述した
如く、ＰＳＤの位置分解能は６μ以下で著しく高いが、
それを倍加するように光点移動量が増幅されているため
、その分だけ短い光路長でも同等の測角精度が保証され
る。

第２図乃至第４図は本発明に係る角度センサーの他の実
施例の要部側断面図であり、照明系、受光系及び電子回
路系は第１図に示したものと同一なのでいずれも描画を
省略しである。

第２図において、液体２０を収容した液槽８の液面６に
は浮板２１が浮かべてあり、その上面中央部には全反射
ｌｌＩ２３が蒸着されている。この浮板２１は液面６の
傾斜に追従して傾くが、液槽８の内壁と浮板２１の端面
が接触すると互の摩擦によって追従性が悪くなったり、
或いは衝突による浮板２１の揺動が生じる。このため、
浮板２１の直径は微小な間隔を保って内壁に接触する寸
法とし、その端面２２は小曲率を有する球面となってい
る。この浮板２１に替るものとしては、凹球面容器に凸
状の半球フロートを浮かせてもよい。照明系からの入射
光２４は、この浮板２１の上方に極く近接して設けた反
射鏡２５と全反射膜２３との間で多重反射した後、出射
光２６となる。

第３図示の実施例は、液面と液槽底板間の多重反射を行
なう所謂透過型角度センサーである。

液槽８の底抜の中央部には、保護膜で被覆した全反射膜
２５が設けられており、入射光２４はこの全反射膜２５
と液面６との間で多重反射された後に受光系へ向けて出
射する。この透過型角度センサーは、組込まれる計測器
２例えば電子測角器等の設計上や構造上の制約によりこ
のように斜下方からの送光、受光方式が望ましい場合に
採用し得る。

第４図示の実施例は、先に第２図に示した如く液面６に
浮板２１を浮かべたものであるが、全反射膜２３は浮板
２１の下面、即ち液体２ｏと対向する面上にある。そし
て、第３図に示した全反射面２５とこの全反射膜２３と
の間で入射光２４が多重反射される。このようにすると
、第３図示のように液面６での反射を用いるのに比較し
て反射率が著しく増加し検出効率が向上する。

尚、測角器のコンペンセータ等の場合、測角レンジは高
々±２０′であるからこれら両反射面間の間隙は極めて
狭くなし得る。

例えば両者の間隔を２閣にとり、入射角＋１１＝３０″
７− 平行光スポットＩＩφ１反射回数ｎ＝５とすると全反射
膜の直径は約８φと小さい。

上記の実施例はいずれも被検対象を水平液面としている
が、もっと普遍的な角度センサーを考慮すると、反射面
は水平液面である必要はなく、被測定物に固定した任意
の姿勢をとる金属またはガラス製反射鏡であってもよい
。

以上のように、本発明によれば高分解能を有する微小角
変位の自動的な精密測定を実現し得ることは明白であり
、更に光路長を短くなし得る上細径の平行光を用いると
ころから全て微小光学部材で構成できるので、コンパク
トでポータプルな角度センサーとなり、例えばオートレ
ベルとしても使用可能である。また、電子測角器のみな
らず各種の開側・制御分野において広汎な用途を期待し
得るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明一実施例の既略図、第２図乃至第４図は
本発明の他の実施例の要部側断面図である。 ８− ６：液　面 ７：水平台 ８：液　槽 】０：全反射膜 ２３：全反射膜 ２５：反射鏡 特許出願人　旭光学工業株式会社 １ｚ１呪 崩御。 ｉう藺 ４−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 平行光を被測定物の反射面に照射する照明光学系と、前
   記反射面からの反射光点の位置を光電検出する受光系と
   、傾きを微調整可能であり液槽と前記照明光学系及び受
   光系が固着される水平台と、該水平台の水平面と平行に
   前記液槽内の液面と近接対向して設けられる反射鏡とを
   有し、前記被測定物を前記液面として、該液面上の反射
   面と前記反射鏡との間で光の多重反射を行なわせること
   により微小角の偏倚を増幅することを特徴とする角度セ
   ンサー。