特許 7281124 角度センサ、マウント装置、及び測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-05-17

(45)【発行日】2023-05-25

(54)【発明の名称】角度センサ、マウント装置、及び測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01D 5/241 20060101AFI20230518BHJP

   G01B 7/30 20060101ALI20230518BHJP

【ＦＩ】

G01D5/241 B

G01B7/30 D

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2019139120

(22)【出願日】2019-07-29

(65)【公開番号】P2021021655

(43)【公開日】2021-02-18

【審査請求日】2022-04-04

(73)【特許権者】

【識別番号】301032942

【氏名又は名称】国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構

(73)【特許権者】

【識別番号】598031693

【氏名又は名称】株式会社グラビトン

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】今澤 良太

(72)【発明者】

【氏名】長友 光広

【審査官】吉田 久

(56)【参考文献】

【文献】特開平１１－２７１０９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－５８１０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平７－５５５００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－２０１３０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－２９５０２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第４８６４２９５（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｄ ５／１２－５／２５２

Ｇ０１Ｂ ７／００－７／３４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転軸が基準体に固定された回転体の回転角θを検出する角度センサであって、
前記基準体に固定される基準平面電極と、
前記回転体に固定される回転平面電極であって、前記回転軸に直交する平面を挟んで前記基準平面電極と対向する回転平面電極と、を備え、
前記基準平面電極は、前記回転平面電極の一方の面に対向する平面上に並んで配置された第１平面電極及び第２平面電極、並びに、前記回転平面電極の他方の面に対向する平面上に並んで配置された第３平面電極及び第４平面電極を含んでおり、
前記第３平面電極は、前記第１平面電極に並列に接続されており、
前記第４平面電極は、前記第２平面電極に並列に接続されており、
前記平面への前記基準平面電極の正射影と前記平面への前記回転平面電極の正射影との共通部分について、前記回転軸から当該共通部分において前記回転軸に最も近い点までの距離をｄ１とし、前記回転軸から当該共通部分において前記回転軸から最も遠い点までの距離をｄ２として、θが０°であるときにｄ２－ｄ１≦ｄ１を満たす、
ことを特徴とする角度センサ。

【請求項2】

フレームと、
回転軸が前記フレームに固定された第１ジンバルと、
回転軸が前記第１ジンバルに固定された第２ジンバルであって、物品をマウントするための第２ジンバルと、
前記第１ジンバルの回転角θを検出する第１角度センサと、
前記第２ジンバルの回転角θ’を検出する第２角度センサと、を備え、
前記第１角度センサは、
前記フレームに固定された基準平面電極と、
前記第１ジンバルに固定された回転平面電極であって、前記第１ジンバルの回転軸に直交する平面を挟んで当該基準平面電極と対向する回転平面電極と、を備え、
当該平面への当該基準平面電極の正射影と当該平面への当該回転平面電極の正射影との共通部分について、当該回転軸から当該共通部分において当該回転軸に最も近い点までの距離をｄ１とし、当該回転軸から当該共通部分において当該回転軸から最も遠い点までの距離をｄ２として、θが０°であるときにｄ２－ｄ１≦ｄ１を満たし、
前記第２角度センサは、
前記第１ジンバルに固定された基準平面電極と、
前記第２ジンバルに固定された回転平面電極であって、前記第２ジンバルの回転軸に直交する平面を挟んで当該基準平面電極と対向する回転平面電極と、を備え、
当該平面への当該基準平面電極の正射影と当該平面への当該回転平面電極の正射影との共通部分について、当該回転軸から当該共通部分において当該回転軸に最も近い点までの距離をｄ１’とし、当該回転軸から当該共通部分において当該回転軸から最も遠い点までの距離をｄ２’として、θ’が０°であるときにｄ２’－ｄ１’≦ｄ１’を満たす、
ことを特徴とするマウント装置。

【請求項3】

前記物品は、光学部品である、
ことを特徴とする請求項２に記載のマウント装置。

【請求項4】

請求項１に記載の角度センサを用いて前記回転体の回転角θを測定する測定方法であって、
前記回転平面電極に交流電圧を入力する工程と、
前記第１平面電極及び前記第３平面電極に誘導される交流電流の和電流の振幅に比例する第１直流電圧と前記第２平面電極及び前記第４平面電極に誘導される交流電流の和電流の振幅に比例する第２直流電圧との差に基づいて回転角θを特定する工程と、を含んでいる、
ことを特徴とする測定方法。

【請求項5】

前記第１直流電圧と前記第２直流電圧との和が一定になるように、前記回転平面電極に入力する交流電圧の振幅を制御する工程を更に含んでいる、
ことを特徴とする請求項４に記載の測定方法。

【請求項6】

前記交流電圧は、三角波電圧であり、
電流／電圧変換回路と全波整流回路とを含む測定回路を用いて、前記第１直流電圧及び第２直流電圧を生成する、
ことを特徴とする請求項４又は５に記載の測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、回転体の回転角を検出する角度センサに関する。また、そのような角度センサを備えたマウント装置に関する。また、そのような角度センサを用いた回転角の測定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

回転体の回転角を検出する角度センサが広く用いられている。例えば、特許文献１には、回転軸に直交する平面を挟んで対向する固定電極と可動電極との間の静電容量の変化に基づいて、回転体の回転角を検出する角度センサが開示されている。特許文献１に記載の角度センサにおいては、固定電極として半円状の平面電極を用いると共に、可動電極として四分円状の平面電極を用いている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平７－２７５０６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に記載の角度センサは、光学系を構成するミラーの回転角の検出など、微小な回転角の検出に適さない。なぜなら、特許文献１に記載の角度センサは、回転軸に直交する平面において固定電極の正射影と可動電極の正射影との共通部分が回転軸に近接する電極配置を採用しており、検出精度（分解能）が低いからである。

【0005】

本発明の各態様は、上記の問題に鑑みてなされたものである。本発明の一態様は、回転体の回転角を検出する角度センサにおいて、従来よりも検出精度の高い角度センサを実現することを目的とする。また、本発明の別の一態様は、回転体の回転角を測定する測定方法において、従来よりも測定精度の高い測定方法を実現することを目的とする。また、本発明の別の一態様は、物品をマウントするマウント装置において、物品の向きを精度よく検出することが可能なマウント装置を実現することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の態様１に係る角度センサは、回転軸が基準体に固定された回転体の回転角θを検出する角度センサであって、前記基準体に固定される基準平面電極と、前記回転体に固定される回転平面電極であって、前記回転軸に直交する平面を挟んで前記基準平面電極と対向する回転平面電極と、を備えている。そして、本発明の態様１に係る角度センサにおいては、前記平面への前記基準平面電極の正射影と前記平面への前記回転平面電極の正射影との共通部分について、前記回転軸から当該共通部分において前記回転軸に最も近い点までの距離をｄ１とし、前記回転軸から当該共通部分において前記回転軸から最も遠い点までの距離をｄ２として、θが０°であるときにｄ２－ｄ１≦ｄ１を満たす、構成が採用されている。

【0007】

上記の構成によれば、前記回転軸から前記共通部分までの距離が、従来の角度センサよりも大きくなる。したがって、上記の構成によれば、従来よりも検出精度の高い角度センサを実現することが可能になる。

【0008】

本発明の態様２に係る角度センサにおいては、前記態様１に係る角度センサの構成に加えて、前記基準平面電極は、前記回転平面電極の一方の面に対向する平面上に並んで配置された第１平面電極及び第２平面電極を含んでいる、構成が採用されている。

【0009】

上記の構成によれば、回転角の検出精度を更に高くすることができる。

【0010】

本発明の態様３に係る角度センサにおいては、前記態様２に係る角度センサの構成に加えて、前記基準平面電極は、前記回転平面電極の他方の面に対向する平面上に並んで配置された第３平面電極及び第４平面電極を更に含んでおり、前記第３平面電極は、前記第１平面電極に並列に接続されており、前記第４平面電極は、前記第２平面電極に並列に接続されている、構成が採用されている。

【0011】

上記の構成によれば、回転平面電極が傾いた場合、或いは、回転平面電極が平行移動した場合に生じ得る回転角の検出精度の低下を抑制することができる。

【0012】

本発明の態様４に係るマウント装置は、フレームと、回転軸が前記フレームに固定された第１ジンバルと、回転軸が前記第１ジンバルに固定された第２ジンバルであって、物品をマウントするための第２ジンバルと、前記態様１～３の何れかに係る角度センサであって、前記基準平面電極が前記フレームに固定され、前記回転平面電極が前記第１ジンバルに固定された第１角度センサと、前記態様１～３の何れかに係る角度センサであって、前記基準平面電極が前記第１ジンバルに固定され、前記回転平面電極が前記第２ジンバルに固定された第２角度センサと、を備えている。

【0013】

上記の構成によれば、物品の向きを精度良く検出することが可能なマウント装置を実現することができる。

【0014】

本発明の態様５に係るマウント装置においては、前記態様４に係るマウント装置の構成に加えて、前記物品は、ミラーである、構成が採用されている。

【0015】

上記の構成によれば、ミラーの向きを精度良く検出することが可能なマウント装置を実現することができる。

【0016】

本発明の態様６に係る測定方法は、前記態様１に係る角度センサを用いて前記回転体の回転角θを測定する測定方法であって、前記回転平面電極に交流電圧を入力する工程と、前記基準平面電極に誘導される交流電流の振幅に比例する直流電圧に基づいて回転角θを特定する工程と、を含んでいる。

【0017】

上記の構成によれば、回転体の回転角θを精度良く測定することが可能な測定方法を実現することができる。

【0018】

本発明の態様７に係る測定方法は、前記態様２に係る角度センサを用いて前記回転体の回転角θを測定する測定方法であって、前記回転平面電極に交流電圧を入力する工程と、前記第１平面電極に誘導される交流電流の振幅に比例する第１直流電圧と前記第２平面電極に誘導される交流電流の振幅に比例する第２直流電圧との差に基づいて回転角θを特定する工程と、を含んでいる。

【0019】

上記の構成によれば、回転体の回転角θを更に精度良く測定することが可能な測定方法を実現することができる。

【0020】

本発明の態様８に係る測定方法は、前記態様３に係る角度センサを用いて前記回転体の回転角θを測定する測定方法であって、前記回転平面電極に交流電圧を入力する工程と、前記第１平面電極及び前記第３平面電極に誘導される交流電流の和電流の振幅に比例する第１直流電圧と前記第２平面電極及び前記第４平面電極に誘導される交流電流の和電流の振幅に比例する第２直流電圧との差に基づいて回転角θを特定する工程と、を含んでいる。

【0021】

上記の構成によれば、回転平面電極が傾いた場合でも、回転体の回転角θを精度良く測定することが可能な測定方法を実現することができる。

【0022】

本発明の態様９に係る測定方法は、前記態様７又は８に係る測定方法の構成に加えて、前記第１直流電圧と前記第２直流電圧との和が一定になるように、前記回転平面電極に入力する交流電圧の振幅を制御する工程を更に含んでいる、構成が採用されている。

【0023】

上記の構成によれば、前記第１直流電圧と第２直流電圧との差が回転体の回転角θと一対一に対応する。したがって、前記第１直流電圧と第２直流電圧との差に基づいて、回転体の回転角θを精度良く測定することが可能になる。

【0024】

本発明の態様１０に係る測定方法は、前記態様７～９の何れかに係る測定方法において、前記交流電圧は、三角波電圧であり、電流／電圧変換回路と全波整流回路とを含む測定回路を用いて、前記第１直流電圧及び第２直流電圧を生成する、構成が採用されている。

【0025】

上記の構成によれば、回転平面電極に三角波電圧を入力したときに、基準平面電極に誘導される方形波電流を、その方形波電流の振幅に比例した直流電圧に簡単に変換することができる。

【発明の効果】

【0026】

本発明の一態様によれば、回転体の回転角を精度良く検出することが可能な角度センサを実現することができる。また、本発明の一実施形態によれば、物品の向きを精度良く検出することが可能なマウント装置を実現することができる。また、本発明の一態様によれば、回転体の回転角を精度良く検出することが可能な測定方法を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】本発明の第１の実施形態に係る角度センサの要部構成を示す斜視図である。

【図2】回転角θが０°の場合に得られる、図１に示す角度センサが備える基準平面電極及び回転平面電極の正射影であって、回転体の回転軸に直交する平面への正射影を示す平面図である。

【図3】回転角θが５°の場合に得られる、図１に示す角度センサが備える基準平面電極及び回転平面電極の正射影であって、回転体の回転軸に直交する平面への正射影を示す平面図である。

【図4】図１に示す角度センサを含む測定システムの構成を示すブロック図である。

【図5】図１に示す角度センサを用いた測定方法の流れを示すフロー図である。

【図6】図１に示す角度センサの一実現例を示す斜視図である。

【図7】図６に示す角度センサを備えたマウント装置の構成を示す斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

〔角度センサ〕
本発明の一実施形態に係る角度センサ１について、図１を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る角度センサ１の要部構成を示す斜視図である。

【0029】

角度センサ１は、回転軸Ａが基準体Ｘに固定された回転体Ｙの回転角θを検出するためのセンサである。角度センサ１は、図１に示すように、基準平面電極１１１と、回転平面電極１２１と、を備えている。

【0030】

基準平面電極１１１は、基準体Ｘに固定された少なくとも１枚の平面電極である。本実施形態において、基準平面電極１１１は、平面視形状が長方形である４枚の平面電極により構成されている。以下、これら４枚の平面電極を、それぞれ、第１平面電極１１１ａ１、第２平面電極１１１ｂ１、第３平面電極１１１ａ２、及び第４平面電極１１１ｂ２とも記載する。回転平面電極１２１は、回転体Ｙに固定された少なくとも１枚の平面電極である。実施形態において、回転平面電極１２１は、平面視形状が長方形である１枚の平面電極により構成されている。

【0031】

基準平面電極１１１を構成する第１平面電極１１１ａ１及び第２平面電極１１１ｂ１は、同一平面上に並んで配置されており、回転軸Ａに直交する平面Ｐ１を挟んで回転平面電極１２１の一方の面と対向している。ここで、第１平面電極１１１ａ１と第２平面電極１１１ｂ１との並び方は、平面視において長辺同士が互いに平行に対向する並び方である。第１平面電極１１１ａ１と第２平面電極１１１ｂ１とは、互いに離間しており、その結果、互いに絶縁されている。

【0032】

以下、第１平面電極１１１ａ１の平面Ｐ１への正射影と回転平面電極１２１の平面Ｐ１への正射影との共通部分（重複部分）の面積のことを、対向面積Ｓａと記載し、第２平面電極１１１ｂ１の平面Ｐ１への正射影と回転平面電極１２１の平面Ｐ１への正射影との共通部分（重複部分）の面積のことを、対向面積Ｓｂと記載する。第１平面電極１１１ａ１と回転平面電極１２１との間の静電容量Ｃａ１は、対向面積Ｓａに比例し、第２平面電極１１１ｂ１と回転平面電極１２１との間の静電容量Ｃｂ１は、対向面積Ｓｂに比例する。

【0033】

基準平面電極１１１を構成する第３平面電極１１１ａ２及び第４平面電極１１１ｂ２は、同一平面上に並んで配置されており、回転軸Ａに直交する平面Ｐ２を挟んで回転平面電極１２１の他方の面と対向している。第３平面電極１１１ａ２と第４平面電極１１１ｂ２との並び方は、平面視において長辺同士が互いに平行に対向する並び方である。第３平面電極１１１ａ２と第４平面電極１１１ｂ２とは、互いに離間しており、その結果、互いに絶縁されている。第３平面電極１１１ａ２は、第１平面電極１１１ａ１に並列に接続されており、第４平面電極１１１ｂ２は、第２平面電極１１１ｂ１に並列に接続されている。

【0034】

第３平面電極１１１ａ２の平面視形状は、第１平面電極１１１ａ１の平面視形状と合同であり、第３平面電極１１１ａ２の平面Ｐ２への正射影と回転平面電極１２１の平面Ｐ２への正射影との共通部分（重複部分）の面積は、上述した対向面積Ｓａと一致する。また、第４平面電極１１１ｂ２の平面視形状は、第２平面電極１１１ｂ１の平面視形状と合同であり、第４平面電極１１１ｂ２の平面Ｐ２への正射影と回転平面電極１２１の平面Ｐ２への正射影との共通部分（重複部分）の面積は、上述した対向面積Ｓｂと一致する。したがって、第３平面電極１１１ａ２と回転平面電極１２１との間の静電容量Ｃａ２は、対向面積Ｓａに比例し、第４平面電極１１１ｂ２と回転平面電極１２１との間の静電容量Ｃｂ２は、対向面積Ｓｂに比例する。また、静電容量Ｃａ１と静電容量Ｃａ２との合成容量Ｃａは、対向面積Ｓａに比例し、静電容量Ｃｂ１と静電容量Ｃｂ２との合成容量Ｃｂは、対向面積Ｓｂに比例する。

【0035】

回転角θが増加する方向に回転体Ｙが回転すると、対向面積Ｓａが増加すると共に対向面積Ｓｂが減少し、その結果、合成容量Ｃａが増加すると共に合成容量Ｃｂが減少する。逆に、回転角θが減少する方向に回転体Ｙが回転すると、対向面積Ｓａが減少すると共に対向面積Ｓｂが増加し、その結果、合成容量Ｃａが減少すると共に合成容量Ｃｂが増加する。したがって、回転角θは、合成容量Ｃａと合成容量Ｃｂとの差Ｃａ－Ｃｂと一対一に対応する。このため、合成容量Ｃａと合成容量Ｃｂとの差Ｃａ－Ｃｂ、又は、この差Ｃａ－Ｃｂと１対１対応する物理量に基づいて、回転角θを特定することができる。

【0036】

なお、角度センサ１は、半導体部品を用いることなく構成することができる。したがって、角度センサ１は、放射線環境下においても好適に利用することが可能である。また、角度センサ１は、高温環境（例えば、２７０℃以上の環境）、低温環境（例えば、－２６８℃以下の環境）、高圧環境（例えば、１０気圧以上の環境）、及び低圧環境（例えば、真空中）においても、好適に利用することが可能である。

【0037】

なお、本実施形態においては、基準平面電極１１１を４枚の平面電極により構成する態様（以下、「態様Ｃ」とも記載する）を採用しているが、本発明は、これに限定されない。

【0038】

例えば、基準平面電極１１１を１枚の平面電極（例えば、第１平面電極１１１ａ１）により構成する態様（以下、「態様Ａ」とも記載する）も採用可能である。この場合、回転角θは、その１枚の平面電極と回転平面電極１２１との間の静電容量（例えば、静電容量Ｃａ１）と一対一に対応する。したがって、その静電容量、又は、その静電容量と一対一対応する物理量に基づいて、回転角θを特定することが可能である。

【0039】

或いは、基準平面電極１１１を同一平面上に並んで配置された２枚の平面電極（例えば、第１平面電極１１１ａ１及び第２平面電極１１１ｂ１）により構成する態様（以下、「態様Ｂ」とも記載する）も採用可能である。この場合、回転角θは、それら２枚の平面電極と回転電極１２との間の静電容量（例えば、静電容量Ｃａ１及び静電容量Ｃｂ１）の差（例えば、差Ｃａ１－Ｃｂ１）と一対一に対応する。したがって、それらの静電容量の差、又は、その差と一対一対応する物理量に基づいて、回転角θを特定することが可能である。

【0040】

なお、基準平面電極１１１を２枚の平面電極により構成する態様には、基準平面電極１１１を、同一平面上に並んで配置された２枚の平面電極により構成する態様Ｂの他に、基準平面電極１１１を、回転平面電極１２１を介して対向する２枚の平面電極（例えば、第１平面電極１１１ａ１及び第３平面電極１１１ａ２、或いは、第２平面電極１１１ｂ１及び第４平面電極１１１ｂ２）により構成する態様Ｂ’がある。

【0041】

なお、基準平面電極１１１を同一平面上に並んだ２枚の平面電極により構成する態様Ｂには、基準平面電極１１１を１枚の平面電極により構成する態様Ａと比べて、より正確に回転角θを特定することが可能になるというメリットがある。その理由は、回転角θの特定を差動的に行うことが可能になるからである。

【0042】

また、基準平面電極１１１を４枚の平面電極により構成する態様Ｃには、基準平面電極１１１を同一平面上に並んだ２枚の平面電極により構成する対応Ｂと比べて、より一層正確に回転角θを特定することが可能になるというメリットがある。その理由は、以下のとおりである。

【0043】

すなわち、基準平面電極１１１を同一平面上に並んだ２枚の平面電極により構成する態様Ｂを採用する場合、それら２枚の平面電極と回転平面電極１２１との間の静電容量の差は、回転平面電極１２１が傾くことによっても変化する。例えば、回転平面電極１２１が一方の平面電極（例えば、第１平面電極１１１ａ１）に近くづくと共に他方の平面電極（例えば、第２平面電極１１１ｂ１）から遠ざかる方向に傾いた場合、上記一方の平面電極と回転平面電極１２１との間の静電容量（例えば、静電容量Ｃａ１）が増加すると共に上記他方の平面電極と回転平面電極１２１との間の静電容量（例えば、静電容量Ｃｂ１）が減少するので、前者から後者を引いた静電容量の差（例えば、差Ｃａ１－Ｃｂ２）が増加する。このため、回転平面電極１２１の傾きが回転角θを特定する上での誤差要因となり易い。

【0044】

これに対して、基準平面電極１１１を４枚の平面電極により構成する態様Ｃを採用する場合、回転平面電極１２１が傾いても、合成容量Ｃａと合成容量Ｃｂとの差Ｃａ－Ｃｂは、一定又は略一定に保たれる。例えば、回転平面電極１２１が第１平面電極１１１ａ１に近づくと共に第２平面電極１１１ｂ１から遠ざかる方向に傾くと、回転平面電極１２１が第３平面電極１１１ａ２から遠ざかると共に第４平面電極１１１ｂ２に近づく。したがって、静電容量Ｃａ１が増加すると共に静電容量Ｃｂ１が減少するのと同時に、静電容量Ｃａ２が減少すると共に静電容量Ｃｂ２が増加するので、合成容量Ｃａ及び合成容量Ｃｂはそれぞれ一定又は略一定に保たれ、その結果、差Ｃａ－Ｃｂも一定又は略一定に保たれる。このため、回転平面電極１２１の傾きが回転角θを特定する上での誤差要因となり難い。

【0045】

また、基準平面電極１１１を同一平面上に並んだ２枚の平面電極により構成する態様Ｂを採用する場合、それら２枚の平面電極と回転平面電極１２１との間の静電容量の差は、回転平面電極１２１が平行移動することによっても変化する。例えば、回転平面電極１２１が２枚の平面電極（例えば、第１平面電極１１１ａ１及び第２平面電極１１１ｂ１）にεだけ近くづく場合、それぞれの平面電極と回転平面電極１２１との間の静電容量（例えば、静電容量Ｃａ１及び静電容量Ｃａ２）がｄ／（ｄ－ε）倍になるので、それらの静電容量の差（例えば、差Ｃａ１－Ｃａ２）もｄ／（ｄ－ε）倍になる。ここで、ｄは、基準平面電極１１１から回転平面電極１２１までの平行移動前の距離である。このため、回転平面電極１２１の平行移動も回転角θを特定する上での誤差要因となり得る。

【0046】

これに対して、基準平面電極１１１を４枚の平面電極により構成する態様Ｃを採用する場合、回転平面電極１２１が第１平面電極１１１ａ１及び第２平面電極１１１ｂ１にεだけ近づくと同時に、回転平面電極１２１が第３平面電極１１１ａ２及び第４平面電極１１１ｂ２からεだけ遠ざかる。このため、第１平面電極１１１ａ１及び第２平面電極１１１ｂ１と回転平面電極１２１との間の静電容量Ｃａ１，Ｃｂ１がｄ／ｄ－ε倍になると同時に、第３平面電極１１１ａ２及び第４平面電極１１１ｂ２と回転平面電極１２１との間の静電容量Ｃａ２，Ｃｂ２がｄ／ｄ＋ε倍になる。このとき、合成容量Ｃａ，Ｃｂは、それぞれ、｛ｄ／（ｄ－ε）｝×｛ｄ／（ｄ＋ε）｝倍になり、その結果、差Ｃａ－Ｃｂも｛ｄ／（ｄ－ε）｝×｛ｄ／（ｄ＋ε）｝倍になる。ここで、０＜ｄ／（ｄ＋ε）＜１なので、｛ｄ／（ｄ－ε）｝×｛ｄ／（ｄ＋ε）｝＜ｄ／（ｄ－ε）である。このため、回転平面電極１２１の平行移動は、基準平面電極１１１を同一平面上に並んだ２枚の平面電極により構成する態様Ｂを採用する場合と比べて誤差容易となり難い。

【0047】

〔角度センサの特徴〕
本実施形態に係る角度センサ１の特徴について、図２～図３を参照して説明する。図２～図３は、回転体Ｙの回転軸Ａに直交する平面Ｐへの基準平面電極１１１及び回転平面電極１２１の正射影を示す平面図である。ここで、平面Ｐは、上述した平面Ｐ１であってもよいし、上述した平面Ｐ２であってもよいし、回転体Ｙの回転軸Ａに直交する他の平面であってもよい。

【0048】

なお、平面Ｐへの第１平面電極１１１ａ１の正射影と平面Ｐへの第３平面電極１１１ａ２の正射影とは、互いに一致する（互いに過不足なく重なり合う）。このため、図２～図３においては、これらの正射影を単一の正射影ＯＰ１１１ａとして図示している。上述した対向面積Ｓａは、この正射影ＯＰ１１１ａと、平面Ｐへの回転平面電極１２１の正射影ＯＰ１２１との共通部分（ＯＰ１１１ａ∩ＯＰ１２１）の面積に他ならない。また、平面Ｐへの第２平面電極１１１ｂ１の正射影と平面Ｐへの第４平面電極１１１ｂ２とは、互いに一致する（互いに過不足なく重なり合う）。このため、図２～図３においては、これらの正射影を単一の正射影ＯＰ１１１ｂとして図示している。上述した対向面積Ｓｂは、この正射影ＯＰ１１１ｂと、平面Ｐへの回転平面電極１２１の正射影ＯＰ１２１との共通部分（ＯＰ１１１ｂ∩ＯＰ１２１）の面積に他ならない。

【0049】

角度センサ１の特徴は、平面Ｐへの基準平面電極１１１の正射影ＯＰ１１１と平面Ｐへの回転平面電極１２１の正射影ＯＰ１２１との共通部分ＯＰ１１１∩ＯＰ１２１が、θが０°であるときに回転軸Ａから十分に離間している点にある。より具体的に言うと、回転軸Ａから、共通部分ＯＰ１１１∩ＯＰ１２１において回転軸Ａに最も近い点までの距離をｄ１とし、回転軸Ａから、共通部分ＯＰ１１１∩ＯＰ１２１において回転軸に最も遠い点までの距離をｄ２として、θが０°であるときにｄ２－ｄ１≦ｄ１を満たす点にある。ここで、平面Ｐへの基準平面電極１１１の正射影ＯＰ１１１とは、正射影ＯＰ１１１ａと正射影ＯＰ１１１ｂとの合併ＯＰ１１１ａ∪ＯＰ１１１ｂのことを指す。この特徴により、角度センサ１は、回転角θを精度良く検出することが可能になる。なぜなら、対向面積Ｓａ，Ｓｂの単位回転角あたりの変動量がｄ１＜ｄ２－ｄ１である場合よりも大きくなり、その結果、静電容量差Ｃａ－Ｃｂの単位回転角あたりの変動量がｄ１＜ｄ２－ｄ１である場合よりも大きくなるからである。

【0050】

図２は、回転角θが０°であるときに実現される、平面Ｐにおける正射影ＯＰ１１１と正射影ＯＰ１２１との配置を例示している。図３は、回転角θが５°であるときに実現される、平面Ｐにおける正射影ＯＰ１１１と正射影ＯＰ１２１との配置を例示している。

【0051】

なお、上記の特徴により対向面積Ｓａの単位回転角あたりの変動量が大きくなることは、以下の議論によっても確かめられる。なお、以下の議論においては、第１平面電極１１１ａが幅ｗの長方形であり、回転平面電極１２１が高さｈの長方形であると仮定する（図２参照）。

【0052】

回転軸Ａから回転平面電極１２１までの距離をＬとすると（図２参照）、回転角がθであるときの対向面積Ｓａは、下記式（１）のように表される。したがって、回転角がθであるときの単位回転角あたりの対向面積Ｓａの変動量ｄＳａ／ｄθは、下記式（２）のように表され、回転角が０であるときの単位回転角あたりの対向面積Ｓａの変動量ｄＳａ／ｄθ（θ＝０°）は、下記式（３）のように表される。

【0053】

【数1】

【数2】

【数3】

【0054】

変動量ｄＳａ／ｄθ（θ＝０°）は、角度センサ１の感度の指標となる。つまり、上記式（３）は、距離Ｌ（距離ｄ１に相当）が大きくなればなるほど、角度センサ１の感度が高くなることを示している。特に、ｗ≦Ｌである場合（ｄ２－ｄ１≦ｄ１である場合に相当）、変動量ｄＳａ／ｄθ（θ＝０°）は、３ｗ^２／２以上になる。したがって、第１平面電極１１１ａの幅ｗを適宜調整することによって、所望の感度を有する角度センサ１を容易に実現することが可能である。２×（ｄ２－ｄ１）≦ｄ１であれば、一層、感度の高い角度センサ１を実現することができ、３×（ｄ２－ｄ１）≦ｄ１であれば、更に一層、感度の高い角度センサを実現することができる。発明者らが行った実験によれば、一実施例として、－２．７°≦θ≦＋２．７°における角度分解能が２μｒａｄである角度センサ１を実現できることが確かめられている。

【0055】

〔測定方法〕
本発明の一実施形態に係る測定方法ＭＭについて、図４及び図５を参照して説明する。

【0056】

まず、測定方法ＭＭを実施するために用いる測定システムＭＳについて、図４を参照して説明する。図４は、測定システムＭＳの構成を示すブロック図である。

【0057】

測定システムＭＳは、図４に示すように、上述した角度センサ１に加えて、電源装置２と、測定回路３と、電子計算機４と、を備えている。

【0058】

電源装置２は、角度センサ１の回転平面電極１２１に交流電圧を入力するための装置である。本実施形態において、電源装置２は、回転平面電極１２１を構成する１枚の平面電極に交流電圧Ｖを入力する。本実施形態においては、交流電圧Ｖとして、三角波電圧を用いる。

【0059】

角度センサ１の回転平面電極１２１に交流電圧が入力されると、角度センサ１の基準平面電極１１１に交流電流が誘導される。本実施形態においては、基準平面電極１１１を構成する４枚の平面電極１１１ａ１，１１１ａ２，１１１ｂ１，１１１ｂ２に、それぞれ、交流電流Ｉａ１，Ｉａ２，Ｉｂ１，Ｉｂ２が誘導される。回転平面電極１２１に入力される交流電圧Ｖが三角波電圧である場合、基準平面電極１１１に誘導される交流電流は方形波電流になる。

【0060】

測定回路３は、角度センサ１の基準平面電極１１１に誘導される交流電流を直流電圧に変換するための回路である。本実施形態において、測定回路３は、（１）基準平面電極１１１を構成する２枚の平面電極１１１ａ１，１１１ａ２に誘導される交流電流Ｉａ１，Ｉａを、これらの交流電流Ｉａ１，Ｉａ２の和電流Ｉａ＝Ｉａ１＋Ｉａ２の振幅に比例する直流電圧Ｖａに変換し、（２）基準平面電極１１１を構成する２枚の平面電極１１１ｂ１，１１１ｂ２に誘導される交流電流Ｉｂ１，Ｉｂ２を、これらの交流電流Ｉｂ１，Ｉｂ２の和電流Ｉｂ＝Ｉｂ１＋Ｉｂ２の振幅に比例する直流電圧Ｖｂに変換する。

【0061】

このような機能を有する測定回路３は、例えば図４に示すように、第１平面電極１１１ａ１及び第３平面電極１１１ａ２に接続された電流／電圧変換回路３１ａと、電流／電圧変換回路３１ａに接続された全波整流回路３２ａと、第２平面電極１１１ｂ１及び第４平面電極１１１ｂ２に接続された電流／電圧変換回路３１ｂと、電流／電圧変換回路３１ｂに接続された全波整流回路３２ｂと、により構成することができる。なお、電流／電圧変換回路３１ａ，３１ｂとしては、例えば、トランスインピーダンスアンプを用いることができる。全波整流回路３２ａ，３２ｂとしては、例えば、絶対値回路を用いることができる。本実施形態においては、交流電圧Ｖとして三角波電圧を用いているので、測定回路３の出力電圧は、リップル成分を含まない、又は、含まれるリップル成分が少ない直流電圧となる。このため、応答速度の速い（回転角θが変化してから回転角θの特定を完了するまでの時間が短い）測定システムＭＳを実現することが可能になる。

【0062】

電子計算機４は、測定回路３にて得られた直流電圧に基づいて回転角θを特定するための装置である。本実施形態において、電子計算機４は、測定回路３にて得られた直流電圧Ｖａ，Ｖｂに基づいて回転角θを特定する。回転角θの値は、例えば、直流電圧Ｖａ，Ｖｂの和電圧Ｖ^＋＝Ｖａ＋Ｖｂに対する、直流電圧Ｖａ，Ｖｂの差電圧Ｖ^－＝Ｖａ－Ｖｂの比Ｖ^－／Ｖ^＋の値と１対１に対応する。本実施形態において、電子計算機４は、この対応関係を利用して回転角θを特定する。このため、電子計算機４のストレージ４１には、比Ｖ^－／Ｖ^＋の値と回転角θの値とを対応付けるテーブルＴが格納されている。電子計算機４のプロセッサ４２は、（イ）直流電圧Ｖａ，Ｖｂから比Ｖ^－／Ｖ^＋を算出する処理、及び、（ロ）テーブルＴにおいて比Ｖ^－／Ｖ^＋に対応する回転角θを特定する処理を実行する。

【0063】

なお、電子計算機４のプロセッサ４２は、直流電圧Ｖａ，Ｖｂの和電圧Ｖ^＋が一定（予め定められた値）になるように、電源装置２の出力電圧の振幅（すなわち、回転平面電極１２１に入力される交流電圧Ｖの振幅）をフィードバック制御する機能を有していてもよい。この場合、回転角θは、直流電圧Ｖａ，Ｖｂの差電圧Ｖ^－＝Ｖａ－Ｖｂと１対１に対応する。この場合、電子計算機４のストレージ４１には、上記のテーブルＴの代わりに、直流電圧Ｖａ，Ｖｂの差電圧Ｖ^－の値と回転角θの値とを対応付けるテーブルＴ’を格納すればよい。また、この場合、プロセッサ４２は、上記の処理（イ）及び（ロ）の代わりに、（ハ）直流電圧Ｖａ，Ｖｂから差電圧Ｖ^－を算出する処理、及び、（ニ）テーブルＴ’において差電圧Ｖ^－に対応する回転角θを特定する処理を実行すればよい。

【0064】

次に、測定方法ＭＭについて、図５を参照して説明する。図５は、測定方法ＭＭの流れを示すフロー図である。

【0065】

測定方法ＭＭは、図５に示すように入力工程Ｓ１と、変換工程Ｓ２と、特定工程Ｓ３と、を含んでいる。

【0066】

電源装置２は、角度センサ１の回転平面電極１２１に交流電圧を入力する入力工程Ｓ１を実施する。本実施形態に係る入力工程Ｓ１においては、上述したように、回転平面電極１２１を構成する１枚の平面電極に交流電圧Ｖ（三角波電圧）が入力される。入力工程Ｓ１は、図５に示すように、測定期間全体に亘って継続的に実施される。

【0067】

測定回路３は、角度センサ１の基準平面電極１１１に誘導される交流電流を直流電圧Ｖに変換する変換工程Ｓ２を実施する。本実施形態に係る変換工程Ｓ２においては、上述したように、（１）基準平面電極１１１を構成する２枚の平面電極１１１ａ１，１１１ａ２に誘導される交流電流Ｉａ１，Ｉａ２（方形波電流）が、これらの交流電流Ｉａ１，Ｉａ２の和電流Ｉａ＝Ｉａ１＋Ｉａ２の振幅に比例する直流電圧Ｖａに変換され、（２）基準平面電極１１１を構成する２枚の平面電極１１１ｂ１，１１１ｂ２に誘導される交流電流Ｉｂ１，Ｉｂ２（方形波電流）が、これらの交流電流Ｉｂ１，Ｉｂ２の和電流Ｉｂ＝Ｉｂ１＋Ｉｂ２の振幅に比例する直流電圧Ｖｂに変換される。変換工程Ｓ２は、図５に示すように、測定期間全体に亘って継続的に実施される。

【0068】

電子計算機４は、測定回路３にて得られた直流電圧に基づいて回転角θを特定する特定工程Ｓ３を実施する。本実施形態に係る特定工程Ｓ３においては、上述したように、測定回路３にて得られた直流電圧Ｖａ，Ｖｂに基づいて回転角θを特定される。例えば、比Ｖ^－／Ｖ^＋の値と回転角θの値とを対応付けるテーブルＴを利用する場合、（イ）直流電圧Ｖａ，Ｖｂから比Ｖ^－／Ｖ^＋を算出する処理、及び、（ロ）テーブルＴにおいて比Ｖ^－／Ｖ^＋に対応する回転角θを特定する処理が実行される。或いは、差電圧Ｖ^－の値と回転角θの値とを対応付けるテーブルＴ’を利用する場合、（ハ）直流電圧Ｖａ，Ｖｂから差電圧Ｖ^－を算出する処理、及び、（ニ）テーブルＴ’において差電圧Ｖ^－に対応する回転角θを特定する処理が実行される。特定工程Ｓ３は、図５に示すように、測定期間においてサンプリングタイミング毎に周期的に実施される。なお、差電圧Ｖ^－の値と回転角θの値とを対応付けるテーブルＴ’を利用する場合には、直流電圧Ｖａ，Ｖｂの和電圧Ｖ^＋が予め定められた値に固定するためのフィードバック制御が測定期間全体に亘って継続的に実施される。

【0069】

なお、ここでは、基準平面電極１１１を４枚の平面電極により構成する態様Ｃに即した測定方法ＭＭについて説明したが、本発明は、これに限定されない。

【0070】

例えば、基準平面電極１１１を１枚の平面電極により構成する態様Ａを採用した場合には、この平面電極に誘導される交流電流を、その振幅に比例する直流電圧に変換し、この直流電圧に基づいて回転角θを特定すればよい。

【0071】

或いは、基準平面電極１１１を２枚の平面電極（例えば、第１平面電極１１１ａ１及び第２平面電極１１１ｂ１）により構成する態様Ｂを採用した場合、これらの平面電極に誘導される交流電流を、それぞれ、その振幅に比例する直流電圧に変換し、これらの直流電圧の差に基づいて回転角θを特定すればよい。

【0072】

〔角度センサの実現例〕
角度センサ１の一実現例（以下、角度センサ１００と記載する）について、図６を参照して説明する。図６は、角度センサ１００の構成を示す斜視図である。

【0073】

角度センサ１００は、図６に示すように、基準モジュール１１０と、回転モジュール１２０と、を備えている。

【0074】

基準モジュール１１０は、基準体Ｘに固定されるモジュールである。基準モジュール１１０は、上述した基準平面電極１１１に加えて、基準平面電極１１１に接続された出力端子１１２と、基準平面電極１１１を収容すると共に、出力端子１１２を取り付けるための筐体１１３と、を備えている。

【0075】

本実施形態においては、筐体１１３として、（１）第１側壁１１３ａ、（２）第１側壁１１３ａと交わる第２側壁１１３ｂ、（３）第２側壁１１３ｂと交わり、第１側壁１１３ａと対向する第３側壁１１３ｃ、（４）第３側壁１１３ｃ及び第１側壁１１３ａと交わり、第２側壁１１３ｂと対向する第４側壁１１３ｄを含む箱型筐体を用いている。基準平面電極１１１を構成する第１平面電極１１１ａ１及び第２平面電極１１１ｂ１は、第１側壁１１３ａの内側の面に固定されている。基準平面電極１１１を構成する第３平面電極１１１ａ２及び第４平面電極１１１ｂ２は、第３側壁１１３ｃの内側の面に固定されている。出力端子１１２は、第１平面電極１１１ａ１及び第３平面電極１１１ａ２に接続された第１出力端子１１２ａと、第２平面電極１１１ｂ１及び第４平面電極１１１ｂ２に接続された第２出力端子１１２ｂと、により構成されている。第１出力端子１１２ａ及び第２出力端子１１２ｂは、それぞれ、第２側壁１１３ｂの外側の面に、該面と直交する方向に突出するように取り付けられている。第４側壁１１３ｄには、回転平面電極１２１を挿入するための開口１１３ｄ１が形成されている。

【0076】

回転モジュール１２０は、回転体Ｙに固定されるモジュールである。回転モジュール１２０は、上述した回転平面電極１２１に加えて、回転平面電極１２１に接続された入力端子１２２と、回転平面電極１２１及び入力端子１２２を取り付けるための筐体１２３と、を備えている。

【0077】

本実施形態においては、筐体１２３として、（１）第１側壁１２３ａ、（２）第１側壁１２３ａと交わる第２側壁１２３ｂ、（３）第２側壁１２３ｂと交わり、第１側壁１２３ａと対向する第３側壁１２３ｃ、（４）第３側壁１２３ｃ及び第１側壁１２３ａと交わり、第２側壁１２３ｂと対向する第４側壁１２３ｄ、（５）これらの側壁１２３ａ～１２３ｄと交わる天板１２３ｅを含む箱型筐体を用いている。回転平面電極１２１は、天板１２３ｅの外側の面に、該面と直交する方向に突出するように取り付けられている。入力端子１２２は、回転平面電極１２１を構成する１枚の平面電極に接続されている。入力端子１２２は、第２側壁１２３ｂの外側の面に、該面と直交する方向に突出するように取り付けられている。

【0078】

角度センサ１００は、図６に示すように、回転モジュール１２０の天板１２３ｅに取り付けられた回転平面電極１２１を、基準モジュール１１０の第４側壁１１３ｄに形成された開口１１３ｄ１に挿入した状態で使用される。この状態においては、基準平面電極１１１と回転平面電極１２１との間に図６に示した配置が実現される。

【0079】

（角度センサを備えたマウント装置）
角度センサ１００を備えたマウント装置２００について、図７を参照して説明する。図７は、マウント装置２００の構成を示す斜視図である。

【0080】

マウント装置２００は、円盤状のミラーを回転可能にマウントするための装置である。マウント装置２００は、図７に示すように、２つの角度センサ１００に加えて、フレーム２０１と、第１ジンバル２０２と、第２ジンバル２０３と、を備えている。

【0081】

第１ジンバル２０２は、フレーム２０１の内側に配置され、回転可能にフレーム２０１に取り付けられている。第１ジンバル２０２の回転軸Ａ１は、フレーム２０１に固定されている。第２ジンバル２０３は、第１ジンバル２０２の内側に配置され、回転可能に第１ジンバル２０２に取り付けられている。第２ジンバル２０３の回転軸Ａ２は、第１ジンバル２０２に固定されている。第１ジンバル２０２の回転軸Ａ１と第２ジンバル２０３の回転軸Ａ２とは、互いに直交している。ミラーは、第２ジンバル２０３に固定（例えば、螺子止め）される。

【0082】

２つの角度センサ１００の一方は、フレーム２０１に対する第１ジンバル２０２の回転角θ１を検出するために利用される。この角度センサ１００を構成する基準モジュール１１０は、フレーム２０１に固定されている。一方、この角度センサ１００を構成する回転モジュール１２０は、第１ジンバル２０２に固定されている。

【0083】

２つの角度センサ１００の他方は、第１ジンバル２０２に対する第２ジンバル２０３の回転角θ２を検出するために利用される。この角度センサ１００を構成する基準モジュール１１０は、第１ジンバル２０２に固定されている。一方、この角度センサ１００を構成する回転モジュール１２０は、第２ジンバル２０３に固定されている。

【0084】

マウント装置２００によれば、ミラーを回転可能にマウントすると共に、ミラーの向きを２つの角度センサ１００によって正確に検出することが可能である。角度センサ１００は、半導体部品を用いることなく実現されているので、マウント装置２００は、放射線環境下においても好適に利用することが可能である。

【0085】

なお、本実施形態においては、ミラーのマウントに好適なマウント装置２００について説明したが、マウントされる物品は任意であり、ミラーに限定されない。マウント装置２００にマウントされる、ミラー以外の物品としては、例えば、レンズ、カメラ、光センサ、光ファイバなどの光学部品が挙げられる。また、姿勢制御が必要になる物品であれば、光学部品以外の物品であってもよい。

【0086】

〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0087】

１ 角度センサ
１００ 角度センサ
１１０ 基準モジュール
１１１ 基準平面電極
１１１ａ１ 第１平面電極
１１１ｂ１ 第２平面電極
１１１ａ２ 第３平面電極
１１１ｂ２ 第４平面電極
１１２ 出力端子
１１３ 筐体
１２０ 回転モジュール
１２１ 回転平面電極
１２２ 入力端子
１２３ 筐体
２ 電源装置
３ 測定回路
４ 電子計算機
２００ マウント装置
２０１ フレーム
２０２ 第１ジンバル
２０３ 第２ジンバル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】