回転角度計
【課題】簡素で高信頼性の絶対回転角度計
【解決手段】回転軸に固定された回転偏光板と変更角度が相違する固定偏光板に複数の通過光量検出器で判定し半円内角度を求め、回転偏光板に形成させた半円状の凹凸で絶対回転位置を認識させ双方の結果から軸の絶対角度を求める。
【解決手段】回転軸に固定された回転偏光板と変更角度が相違する固定偏光板に複数の通過光量検出器で判定し半円内角度を求め、回転偏光板に形成させた半円状の凹凸で絶対回転位置を認識させ双方の結果から軸の絶対角度を求める。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は回転体の角度を計測することに関する。
【背景技術】
【０００２】
回転角度を認識するには、一般的には現在の位置からの移動分に対応したパルスを発生するロータリーエンコーダや回転体にスリットを設け、このスリットをある固定点で計測して何スリット通過したかをカウントする相対角度を認識するものがある。
【０００３】
また、絶対角度を計測するものとして、複数のコイルを回転体に内蔵させコイルをどれ位通過したかで認識する磁気を利用した回転レゾルバ等がある。
【０００４】
一方光学的には、回転円盤に偏光角度が相違する偏光板を同心円上に配置して複数の受光素子で信号処理をして絶対角度を計測するものがある。
【０００５】
複数の偏光板を同心円上に配置して偏光回転体を実現するため製造上精度を上げることが困難であった。
【特許文献１】特公開平６−３１６４
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は高分解能で簡単な機構で実現でき、接触部をなくして信頼性が高い角度検出を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の課題を解決するために、本発明の回転角度計は、回転軸に固定された円形の回転偏光板の回転軸を中心に１８０度の非対称な径の円形回転偏光板に対し少なくとも２個以上の回転偏光板を通過する同心円上の異なる角度に発光素子と受光素子が対向した光軸上に固定された偏光板を有する光量検出器を配置する。
【０００８】
配置された光量検出器の固定偏光板同士は、それぞれ相違した偏向角度にしておく。それぞれの偏光角度によって回転偏光板と固定偏光板の角度位相で遮断された量の光量が光量検出器の受光素子に入光し受光素子から信号が出力される。
【０００９】
それぞれの光量検出器は回転偏光板と固定偏光板の変移角度によって信号の強弱で現れる。信号は回転偏光板と各固定偏光板との偏光角度により異なり、それぞれの光量検出器の信号と固定偏光板の変位角度から算出すれば、回転偏光板の偏光軸からの変位角度が求めることができる。
【００１０】
上記で求めた偏光軸からの変位角度は０から１８０度の範囲で回転偏光板の偏光軸と回転軸に対して１８０度対象の所にも同様の変位が発生してしまい、１８０度以内の範囲でしか判別できず、回転上の絶対位置を判別することができない。
【００１１】
そこで、回転偏光板に同心円の２つの異なる径の半円を回転軸に対象に形成させ小さい方の半円以内の径で回転偏光板と固定偏光板による光量検出器を配置し、大きい方の半円で回転角度を検出させる。
【００１２】
大きい方の半円での回転角度検出は３つの凸部検出部をおのおの１２０度間隔で円周上に配置させる。
【００１３】
大きい半円が凸部検出部にくるとＯＮになり小さい半円が凸部検出部にくるとＯＦＦになるようにすると、半円の１８０度と凸部検出部の１２０度間隔の配置によって６０度づつの絶対回転角度位置が判明する。
【００１４】
６０度づつの絶対回転角度位置検出の凸部検出部を発光素子と受光素子を対向させてＯＮ／ＯＦＦ検出を形成すると、回転偏光板と検出器は無接触になる。
【００１５】
この２つの角度位置を組合わせて絶対角度を算出する。
【実施例】
【００１６】
本発明の一実施例である、回転角度計の構成を図１に示す。回転力を伝達する回転軸６０に回転偏光円盤１０が鉛直に固定されている。
【００１７】
回転偏光板１０は回転軸の中心に対し対称に径が違う大小の半円を１枚の偏光板で形成する。
【００１８】
発光素子３１と受光素子４１を対向させ、この光軸内に固定偏光板２１を配置する。これらと同じように光量検出部として発光素子３２、３３受光素子４２、４３とその光軸内に固定偏光板２２，２３を配置させた光量検出部を回転偏光板の小さい半円の径内に同心円上に配置する。
【００１９】
これらの３つの光量検出部の固定偏光板２１，２２，２３は互いに１２０度の偏光軸角度を保つようにする。
【００２０】
一方、回転偏光板１０の大きい径の半円の外周に大きい半円の凸部を検出し、小さい半円の凹部を検出しないように光軸を対向させた凸部検出部５１、５２，５３を回転偏光板１０の外周におのおの１２０度間隔に離れた位置に配置する。
【００２１】
回転偏光板１０の偏光軸と固定偏光板の偏光軸との角度と通過する光量の関係はｓｉｎθの関係となりθ部分がお互いの偏光軸の角度となる。その角度と光量検出器の出力信号の関係と回転偏光板１０の外周に配置した凸部検出器５１，５２，５３の出力信号の関係をグラフにした図が図２に示す。
【００２２】
回転軸６０をある方向に１回転回したとき光量検出器の受光素子４１，４２，４３の出力信号がそれぞれＡ１、Ａ２、Ａ３である。また凸部検出器５１、５２、５３の出力信号がＢ１、Ｂ２，Ｂ３である。
【００２３】
光量検出部受光素子４１，４２，４３の出力信号はそれぞれ１回転中に正弦波が２サイクル現れる。
【００２４】
複数の光量検出部で固定偏光板の配置角度によって各光量検出器の出力信号の差を演算することによって１８０度半円中の現在位置を知ることができる。
【００２５】
この場合、１回転３６０度の絶対角度で考えると２箇所の位置で発生することになる。
【００２６】
これを回転偏光板１０の外周上に１２０度間隔で配置された凸部検出器の出力では６０度の幅で確実に１回転上での６状態の角度位置を検出できる。
【００２７】
これらを踏まえ、光量検出器での半円角度位置を算出した後、凸部検出器の出力状態から２つの半円状のどちらにいるかを判定し絶対回転角度を求める。
【発明の効果】
【００２７】
以上のように本発明は、２つの偏光板の変位角９０度で最大の光遮断を行うが、これでは、１回転の角度位置を判別することができない。しかし、回転位置状態を知る検出器と組合わせることで１回転３６０度の絶対角度位置を判別できる。
【００２８】
また、回転偏光板が無接触になるため機械的歪がなく信頼性の高い回転角度を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】回転角度計の実施図
【図２】回転角度計からの１回転出力信号図
【符号の説明】
【００３０】
［１０］回転偏光板
［２１〜２３］固定偏光板
［３１〜３３］発光素子
［４１〜４３］受光素子
［５１〜５３］凸部検出部
［６０］回転軸
［Ａ１〜Ａ３］受光素子からの出力信号波形
［Ｂ１〜Ｂ３］凸部検出部出力波形
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は回転体の角度を計測することに関する。
【背景技術】
【０００２】
回転角度を認識するには、一般的には現在の位置からの移動分に対応したパルスを発生するロータリーエンコーダや回転体にスリットを設け、このスリットをある固定点で計測して何スリット通過したかをカウントする相対角度を認識するものがある。
【０００３】
また、絶対角度を計測するものとして、複数のコイルを回転体に内蔵させコイルをどれ位通過したかで認識する磁気を利用した回転レゾルバ等がある。
【０００４】
一方光学的には、回転円盤に偏光角度が相違する偏光板を同心円上に配置して複数の受光素子で信号処理をして絶対角度を計測するものがある。
【０００５】
複数の偏光板を同心円上に配置して偏光回転体を実現するため製造上精度を上げることが困難であった。
【特許文献１】特公開平６−３１６４
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は高分解能で簡単な機構で実現でき、接触部をなくして信頼性が高い角度検出を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の課題を解決するために、本発明の回転角度計は、回転軸に固定された円形の回転偏光板の回転軸を中心に１８０度の非対称な径の円形回転偏光板に対し少なくとも２個以上の回転偏光板を通過する同心円上の異なる角度に発光素子と受光素子が対向した光軸上に固定された偏光板を有する光量検出器を配置する。
【０００８】
配置された光量検出器の固定偏光板同士は、それぞれ相違した偏向角度にしておく。それぞれの偏光角度によって回転偏光板と固定偏光板の角度位相で遮断された量の光量が光量検出器の受光素子に入光し受光素子から信号が出力される。
【０００９】
それぞれの光量検出器は回転偏光板と固定偏光板の変移角度によって信号の強弱で現れる。信号は回転偏光板と各固定偏光板との偏光角度により異なり、それぞれの光量検出器の信号と固定偏光板の変位角度から算出すれば、回転偏光板の偏光軸からの変位角度が求めることができる。
【００１０】
上記で求めた偏光軸からの変位角度は０から１８０度の範囲で回転偏光板の偏光軸と回転軸に対して１８０度対象の所にも同様の変位が発生してしまい、１８０度以内の範囲でしか判別できず、回転上の絶対位置を判別することができない。
【００１１】
そこで、回転偏光板に同心円の２つの異なる径の半円を回転軸に対象に形成させ小さい方の半円以内の径で回転偏光板と固定偏光板による光量検出器を配置し、大きい方の半円で回転角度を検出させる。
【００１２】
大きい方の半円での回転角度検出は３つの凸部検出部をおのおの１２０度間隔で円周上に配置させる。
【００１３】
大きい半円が凸部検出部にくるとＯＮになり小さい半円が凸部検出部にくるとＯＦＦになるようにすると、半円の１８０度と凸部検出部の１２０度間隔の配置によって６０度づつの絶対回転角度位置が判明する。
【００１４】
６０度づつの絶対回転角度位置検出の凸部検出部を発光素子と受光素子を対向させてＯＮ／ＯＦＦ検出を形成すると、回転偏光板と検出器は無接触になる。
【００１５】
この２つの角度位置を組合わせて絶対角度を算出する。
【実施例】
【００１６】
本発明の一実施例である、回転角度計の構成を図１に示す。回転力を伝達する回転軸６０に回転偏光円盤１０が鉛直に固定されている。
【００１７】
回転偏光板１０は回転軸の中心に対し対称に径が違う大小の半円を１枚の偏光板で形成する。
【００１８】
発光素子３１と受光素子４１を対向させ、この光軸内に固定偏光板２１を配置する。これらと同じように光量検出部として発光素子３２、３３受光素子４２、４３とその光軸内に固定偏光板２２，２３を配置させた光量検出部を回転偏光板の小さい半円の径内に同心円上に配置する。
【００１９】
これらの３つの光量検出部の固定偏光板２１，２２，２３は互いに１２０度の偏光軸角度を保つようにする。
【００２０】
一方、回転偏光板１０の大きい径の半円の外周に大きい半円の凸部を検出し、小さい半円の凹部を検出しないように光軸を対向させた凸部検出部５１、５２，５３を回転偏光板１０の外周におのおの１２０度間隔に離れた位置に配置する。
【００２１】
回転偏光板１０の偏光軸と固定偏光板の偏光軸との角度と通過する光量の関係はｓｉｎθの関係となりθ部分がお互いの偏光軸の角度となる。その角度と光量検出器の出力信号の関係と回転偏光板１０の外周に配置した凸部検出器５１，５２，５３の出力信号の関係をグラフにした図が図２に示す。
【００２２】
回転軸６０をある方向に１回転回したとき光量検出器の受光素子４１，４２，４３の出力信号がそれぞれＡ１、Ａ２、Ａ３である。また凸部検出器５１、５２、５３の出力信号がＢ１、Ｂ２，Ｂ３である。
【００２３】
光量検出部受光素子４１，４２，４３の出力信号はそれぞれ１回転中に正弦波が２サイクル現れる。
【００２４】
複数の光量検出部で固定偏光板の配置角度によって各光量検出器の出力信号の差を演算することによって１８０度半円中の現在位置を知ることができる。
【００２５】
この場合、１回転３６０度の絶対角度で考えると２箇所の位置で発生することになる。
【００２６】
これを回転偏光板１０の外周上に１２０度間隔で配置された凸部検出器の出力では６０度の幅で確実に１回転上での６状態の角度位置を検出できる。
【００２７】
これらを踏まえ、光量検出器での半円角度位置を算出した後、凸部検出器の出力状態から２つの半円状のどちらにいるかを判定し絶対回転角度を求める。
【発明の効果】
【００２７】
以上のように本発明は、２つの偏光板の変位角９０度で最大の光遮断を行うが、これでは、１回転の角度位置を判別することができない。しかし、回転位置状態を知る検出器と組合わせることで１回転３６０度の絶対角度位置を判別できる。
【００２８】
また、回転偏光板が無接触になるため機械的歪がなく信頼性の高い回転角度を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】回転角度計の実施図
【図２】回転角度計からの１回転出力信号図
【符号の説明】
【００３０】
［１０］回転偏光板
［２１〜２３］固定偏光板
［３１〜３３］発光素子
［４１〜４３］受光素子
［５１〜５３］凸部検出部
［６０］回転軸
［Ａ１〜Ａ３］受光素子からの出力信号波形
［Ｂ１〜Ｂ３］凸部検出部出力波形
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と連動した回転する第１の偏光板上の等円上の複数箇所に発光素子と受光素子を対向させた光軸上に、第２の固定した偏光板を設けた光量検出器を配置し、検出器の第２の固定した偏光板の偏光角度をそれぞれ相違させ、第１の回転する偏光板と第２の固定した偏光板を通過した発光素子からの光を受光素子で捉え、それぞれの信号の処理を行い０−１８０度の半円角度を認識する装置。
【請求項２】
同じ第１の回転偏光板の外周にカム構造の半円凹凸部を持たせ、１２０度づつずらした位置に３個の凸面検出器を有し、この凸面検出器により３６０度６０度づつの位置を検出し、上記０−１８０度半円角度検出装置と組合わせ３６０度絶対角度を検出することを特徴とした回転角度計。
【請求項１】
回転軸と連動した回転する第１の偏光板上の等円上の複数箇所に発光素子と受光素子を対向させた光軸上に、第２の固定した偏光板を設けた光量検出器を配置し、検出器の第２の固定した偏光板の偏光角度をそれぞれ相違させ、第１の回転する偏光板と第２の固定した偏光板を通過した発光素子からの光を受光素子で捉え、それぞれの信号の処理を行い０−１８０度の半円角度を認識する装置。
【請求項２】
同じ第１の回転偏光板の外周にカム構造の半円凹凸部を持たせ、１２０度づつずらした位置に３個の凸面検出器を有し、この凸面検出器により３６０度６０度づつの位置を検出し、上記０−１８０度半円角度検出装置と組合わせ３６０度絶対角度を検出することを特徴とした回転角度計。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００８−２９８７６０（Ｐ２００８−２９８７６０Ａ）
【公開日】平成２０年１２月１１日（２００８．１２．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１６９７４１（Ｐ２００７−１６９７４１）
【出願日】平成１９年５月３１日（２００７．５．３１）
【出願人】（５０６１８３２５８）株式会社ネットワークシステムズ (2)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１２月１１日（２００８．１２．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月３１日（２００７．５．３１）
【出願人】（５０６１８３２５８）株式会社ネットワークシステムズ (2)
【Ｆターム（参考）】
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