JP2003294491A - センサ - Google Patents

センサ

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 限定された範囲内での回転位置の検出手段を
提供する。 【解決手段】 例えば、動力式車椅子の２つの部材（３
０，３２）の相対位置を、光の第１の色と光の第２の色
の検出された相対強度に基づいて求める。強度のバラン
スを、一方の部材に設けられたマスクによる他方の部材
に設けられた第１のカラーフィルタ部分及び第２のカラ
ーフィルタ部分の相対的な閉鎖の度合いに関連付ける。
例示の用途は、制限された回転範囲内における回転位置
の検出である。２つの部材相互間のコンプライアンスが
所与の場合、位置の検出をトルク検出に代えて利用する
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】関連出願の引照 本特許出願は、動力式車椅子、例えば、２００１年６月
２１日に出願された米国特許出願第０９／８８６，８７
４号明細書（発明の名称：POWER ASSIST VEHICLE）（以
下、「’８７４号出願明細書」という）に示された動力
式車椅子に利用できるセンサ技術に関し、かかる米国特
許出願の記載内容全体を本明細書の一部を形成するもの
としてここに引用する。
【０００２】
【発明の属する技術分野】本発明は、位置検出に関し、
特に、限定された範囲内での回転位置の検出技術に関す
る。
【０００３】
【従来の技術】多くの光センサを有する多くのトルク検
出手段が存在している。光センサの例が、特許文献１、
特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５及び
特許文献６に記載されている。
【０００４】
【特許文献１】米国特許第３，９３８，８９０号明細書
【特許文献２】米国特許第４，５０２，６８１号明細書
【特許文献３】米国特許第５，７２３，９７４号明細書
【特許文献４】米国特許第５，９０７，１０６号明細書
【特許文献５】米国特許第５，９１８，２８６号明細書
【特許文献６】米国特許第６，３１８，８１７号明細書
【０００５】発明の概要 第１の要素と第２の要素の相対的角度位置を求めるに
は、源からマスク及びフィルタを通って通過した光の第
１の色と第２の色のバランスを検出するのがよく、マス
ク及びフィルタのうち一方は、第１の要素に対して実質
的に固定されており、これらのうち他方は、第２の要素
に対して実質的に固定されている。バランスは、フィル
タとマスクの相対的な向き、かくして、第１の要素と第
２の要素の相対的な向きを表している。これら要素の相
対的な向きは、かかる要素相互間のコンプライアンスが
所与であることを考慮すると、これら要素相互間のトル
クを表すことができる。
【０００６】主要な用途として、車椅子のハンドリムと
その関連した車輪との間のトルクの検出が挙げられる。
センサは、車輪に対するハンドリムの撓みを測定する。
コンプライアント（応従性）継手は、最大角度撓みが所
望の最大トルクに対応するように適当な剛性（曲げ剛
性）を有している。センサのうち大抵のものは、車椅子
の本体内に設けられるのが有利であり、最小限の要素が
車輪／ハンドリムに取り付けられている。センサによ
り、駆動システムと検出システムを実質的に互いに別個
独立のものにすることができる。センサにより、車椅子
の本体と回転車輪を互いに電気的に接続しないで、僅か
な撓み又はトルクを測定することができる。データを検
出して伝送する光学的方法を利用することにより、セン
サは、スリップリング、無線リンク、誘導性リンク、容
量性リンクを含む他の非接触方法に見られる問題を回避
することができる。
【０００７】本発明の一以上の実施形態の詳細は、添付
の図面及び以下の説明に記載されている。本発明の他の
特徴、目的及び利点は、以下の説明及び図面並びに特許
請求の範囲から明らかになろう。
【０００８】図中、同一の符号は同一の要素を示してい
る。
【０００９】
【発明の実施の形態】図１は、車椅子の駆動輪２０及び
これと同軸のハンドリム２２を示している図である。こ
の車輪２０及びハンドリム２２はそれぞれ、共通軸線５
００を備えた同心の内側ハブ管部分３０及び外側ハブ管
部分３２を有している。車輪ハブ管３０は、主駆動管３
４内に支持されている。駆動管３４は、軸受３８により
車椅子の本体に対して（例えば、トランスミッションユ
ニットの構造的部品３６に対して）軸線５００の回りに
回転自在に保持されている。駆動管は、車輪を軸線５０
０回りに駆動するようモータ（図示せず）に結合されて
いる。制御エレクトロニクス及びアルゴリズムを含む車
椅子の図示していない種々の詳細は、’８７４号出願明
細書に開示されているものと実質的に同一であるのがよ
い。迅速離脱（クイックリリース）機構（図示せず）に
より、車輪とハンドリムの組立体を、車輪ハブ管３０を
駆動管３４から引き出すことによりトランスミッション
ユニットから離脱させることができる。車輪とハンドリ
ムは、コンプライアンス４０（例えば、エラストマー又
はコイルばね）により互いに回転自在に結合されてい
る。ハンドリムと車輪を初期の中立の向きから相対的に
回転させると、コンプライアンスは、少なくとも限定さ
れた角運動範囲のそれぞれの終わりのところでの実質的
に硬い停止部までは漸増する抵抗トルクを生じさせる。
例示の範囲は、中立の向きから±１°である。例示の測
定可能なトルクのピークの大きさは、硬い停止部のとこ
ろで１０ポンド−フィート〜２０ポンド−フィートであ
る。管３０は、その内側端部のところにシャドウマスク
４４（以下に説明する）を支持している。
【００１０】ハンドリムハブ管３２は、それ自体の内側
端部のところに、シャドウマスク４４に非常に密接して
対向した状態で又はこれに接触した状態のカラーホイー
ル４６を支持している。ハンドリムハブ管３２は、カラ
ーホイール４６の後ろ（その外方）に内向きの反射面を
備えた半径方向に対称のコーナーレフレクタ４８を支持
している。好ましい実施形態では、レフレクタ４８は、
カラーホイールの外面に取り付けられている。カラーホ
イールとシャドウマスクは、摩耗及び損傷を制御するよ
う互いに完全には接触させず、ゆがみを最小限に抑える
よう互いにできるだけ近接しているのが有利である。
【００１１】トランスミッションユニットは、シャドウ
マスク４４の内側に、光源とセンサの組立体５０を支持
している。例示の組立体５０は、外壁５４及び内壁５６
を備えたカップ状のハウジング５２を有している。ハウ
ジング５２は、内外壁相互間に、複数の緑色及び赤色の
発光ダイオード（ＬＥＤ）５８，６０の形態をした光源
を支持している。ハウジングは、内壁５６内に、複数の
フォトダイオード６２の形態をした光源又は光検出器を
支持している。図２に一層詳細に示すように、フォトダ
イオード６２は、緑色の光に対して優先的に感応する
（感度が高い）フォトダイオード６２Ａ及び赤色の光に
対して優先的に感応するフォトダイオード６２Ｂから成
っている。優先的感応性（高感度）は、かかる光に敏感
な特定の化学的性質を持つフォトダイオードを用いるこ
とにより、或いは、緑色の光以外の光を実質的に全て濾
波するフィルタ及び赤色の光以外の全ての光を実質的に
濾波するフィルタを有する中性フォトダイオードを用い
ることにより達成できる。ＬＥＤは、バッフルとして働
く壁５６によりフォトダイオードから遮蔽されている。
ＬＥＤは、単色光源であり、長期間にわたって安定性が
あり、しかも、低温で動作する（例えば、これらＬＥＤ
の消費電力は、約７５ミリワットである）のでこの用途
向きの優れた光源を構成する。
【００１２】図３（Ａ）及び図３（Ｂ）はそれぞれ、シ
ャドウマスク及びカラーホイールを示している図であ
る。シャドウマスクは、大体の色に対し（又は、少なく
とも２つの選択された色（例えば、赤及び緑）に対し）
実質的に不透明な複数の部分７０及びかかる色に対して
実質的に透明な（又は、半透明な）別の複数の部分７２
を有している。例示のこれらの部分は、円板の半径方向
に延びる扇形部分が交互に並んだものとして形成され、
各扇形部分は、実質的に同一の円周方向距離のものであ
る。これと同様に、カラーホイール４６は、半透明な又
は透明な部分７４，７６を有し、これら部分７４，７６
はそれぞれ、緑色光及び赤色光を通過させ、その他の色
を濾波して除く。例を挙げると、マスク及びカラーホイ
ールは、５°の円弧を備えた状態で示されている。好ま
しい車椅子エンコーダは、２°の円弧を有し、以下に説
明するように２°の範囲（中央、又は中立点から±１
°）をもたらしている。
【００１３】図４（Ｂ）は、中立の向きにおける互いに
重ね合わせ状態のシャドウマスクとカラーホイールを示
している図である。この向きでは、シャドウマスクとカ
ラーホイールの扇形部分相互間のそれぞれのインタフェ
ースは、扇形部分の角度ピッチの半分だけ互いにずれて
いる。この向きでは、各透明な扇形部分７０は、隣り合
う対をなす緑色扇形部分７４及び赤色扇形部分７６の各
々の半分を閉鎖し、透明な各扇形部分７６は、隣り合う
対をなす扇形部分７４，７６の各々の半分から光を通過
させることができる。実質的に等しい量の緑色光と赤色
光が互いに重ね合わせ状態の組合せ（シャドウマスクと
カラーホイールの組合せ）を通って投射され、カラーホ
イールを十分に脱焦した状態で見ると、正味の結果とし
て、黄色の色が知覚される。もし、この中立の向きか
ら、カラーホイールとシャドウマスクをピッチの半分だ
け互いに対して回転させると、不透明な扇形部分７０
は、緑色扇形部分７４又は赤色扇形部分７６の１つのグ
ループだけを閉鎖し、透明な扇形部分７２は、他のグル
ープからのみ光を通過させる。かくして、図４（Ａ）で
は、カラーホイールとシャドウマスクの相対回転は、赤
色の光だけがこの組合せを通過でき、図４（Ｃ）では、
この赤色光は、緑色の光だけが通過できるよう逆方向に
同一の量だけ回転してある。
【００１４】作用を説明すると、カラーホイールは、ハ
ンドリムと一緒に回転し、シャドウマスクは、駆動輪と
一緒に回転する。赤色ＬＥＤ及び緑色ＬＥＤからの光は
まず最初に、外方へ伝搬しそして、シャドウマスクに当
たる。両方の色は、部分７２を通過し、部分７０によっ
て遮断され、これら２種類の色の全通過光の５０％が最
初に減少する。次に、通過した光は、部分７４，７６に
当たり、それぞれの光の色は、かかる部分を閉鎖しない
程度までそれぞれ対応関係にある部分７４，７６を通過
するに過ぎない。シャドウマスクに対する赤色／緑色の
カラーホイールの角変位に応じて、赤色濾波と緑色濾波
のバランスが変化する。かくして、カラーホイールを通
過した２つの色の正味の割合又はバランスは、相対変位
で決まることになる。光は、カラーホイールを通過した
後、レフレクタの外側部分によって半径方向内方に反射
され、次に、中央部分によって後方内方へ反射される。
反射光は次に、再びカラーホイール及びシャドウマスク
を通過する。閉鎖の度合いは同一なので、この２回目の
通過（パス）は、カラーバランスに影響を及ぼさない。
ただし、これにより、強度が減少する。次に、光は、フ
ォトダイオード６２によって検出され、緑色フォトダイ
オード６２Ａ及び赤色フォトダイオード６２Ｂの出力の
バランスは、通過光のバランス、従って、回転の向き及
び度合いを表している。見たところ、色は、ハンドリム
を−１°から＋１°に動かすと、赤色から赤黄色、黄
色、黄緑、そして緑に変化する。かくして、既知のコン
プライアンスに鑑みて（線形であろうとなかろうと）、
フォトダイオードの出力は、ハンドリムと車輪との間の
トルクを求めるのに使用できる。
【００１５】光の戻り量は僅かであろう。フォトダイオ
ードの出力は、僅かなので、増幅器（図示せず）は恐ら
くは非常に高い利得を必要とするであろう。エレクトロ
ニクス（図示せず）がノイズを減少させるために都合良
くセンサカップ内に設けられる。幾つかのタイプの光学
利得（安価なレンズ）を設けると、必要とされる電気的
利得を減少させることができる。
【００１６】センサは、電気的ノイズからの影響を極め
て受けにくいものであることが必要であり、ＥＭＩ（電
磁障害）を放射しないことが必要である。
【００１７】本システムは、歪ゲージに用いた場合に計
装用増幅器からの出力と同一であるように見えるアナロ
グ出力を有するのがよいが、ディジタル出力を有しても
よい。
【００１８】シャドウマスク及びカラーホイールは、伝
搬する赤色光と緑色光の相対的割合を変化させないで、
車椅子に対してユニットとして回転することができる。
光源の強度（しかしながら、そのスペクトルということ
ではない）が変化しても、赤色と緑色の比は変化しな
い。本システムは、光の伝搬量の変化の影響をそれほど
受けないので、もし駆動ユニットと車輪との間の境界部
が少し汚れていても、撓みの推定量は変化しない。
【００１９】検出組立体全体を有利には、駆動装置（例
えば、一体形モータ／トランスミッションユニット）か
らこれを開くことなく取り外すことができる。
【００２０】本発明の１以上の実施形態を説明した。そ
れにもかかわらず、本発明の精神及び範囲から逸脱する
ことなく種々の改造例を想到できることは理解されよ
う。例えば、カラーホイール及びシャドウマスクの改造
を行うことができる。例えば、部分７０，７２，７４，
７６の２回の通過のうち１回を例えば、シャドウマスク
及びカラーホイールにアパーチュア又は追加の透明な領
域を設けることにより無くすことができる。これによ
り、感度を増大させることができる。他の補色を用いる
ことができ、レシーバを外側に設けて光源を内側に設け
てもよく、また、白色光源を用いてもよい。駆動輪取付
け構造は、駆動輪が取り付けられているギアボックスか
らシャフトが突き出るようなものであってよく、或い
は、シャフトが駆動輪から突き出てギアボックス内に挿
入されるようなものであってもよい。赤色ＬＥＤと緑色
ＬＥＤを交互に照明し、そして、フォトダイオードの出
力を非常に高速（例えば、数ｋＨｚ以上）で同期して測
定することにより１以上の非濾波型フォトダイオード
（両方の色成分に対して高感度である）を用いてもよ
い。したがって、これら他の実施形態は、特許請求の範
囲に記載された本発明の範囲に属している。
【００２１】本発明の具体的な実施態様は、以下の通り
である。 （１）前記位置又は向きの前記変化に抵抗するコンプラ
イアンスに鑑みて、第１の部材と第２の部材との間の力
又はトルクを測定するのに用いられる請求項１記載の装
置。 （２）第１の部材と第２の部材の組合せは、第３の部材
によって支持され、光源及びセンサは、前記組合せが光
源及びセンサに対して動くことができるように第３の部
材に取り付けられており、前記装置は、第１の部材及び
第２の部材のうちの一方によって支持されたレフレクタ
を更に有し、前記レフレクタは、光路が光源からレフレ
クタを介してセンサまで延び、マスク及びフィルタを少
なくとも１回通過するように位置決めされていることを
特徴とする請求項１記載の装置。 （３）光路は、マスク及びフィルタを２回通過すること
を特徴とする実施態様（２）記載の装置。 （４）第１の部材及び第２の部材は、前記位置又は向き
の変化が第１の部材及び第２の部材に対して固定された
軸線の回りにおける相対回転に実質的に制限されるよう
拘束されていることを特徴とする請求項１記載の装置。 （５）マスク及びフィルタの第１の部分及び第２の部分
はそれぞれ、環又は円板の扇形部分を交互に配置したも
のであることを特徴とする実施態様（４）記載の装置。
【００２２】（６）光源は、第１の色成分の１以上の実
質的に別々の第１の源及び第２の色成分の１以上の実質
的に別々の第２の源から成ることを特徴とする請求項１
記載の装置。 （７）第１の源及び第２の源は、第１の発光ダイオード
及び第２の発光ダイオードであることを特徴とする実施
態様（６）記載の装置。 （８）第１の発光ダイオード及び第２の発光ダイオード
はそれぞれ、赤色及び緑色であることを特徴とする実施
態様（７）記載の装置。 （９）前記センサは、前記第１の色成分及び第２の色成
分に感応し、前記光源は、第１の色成分と第２の色成分
を交互に生じさせるよう稼働されることを特徴とする請
求項１記載の装置。 （１０）第１の色成分と第２の色成分を同期して検出す
る単一のフォトダイオードが設けられていることを特徴
とする実施態様（９）記載の装置。
【００２３】（１１）前記位置又は向きの前記変化は、
停止部によって、２つの限界が定められた１次元の範囲
内にあるように実質的に制限されていることを特徴とす
る請求項１記載の装置。 （１２）前記２つの限界が定められた１次元の範囲は、
０．５°〜１０．０°の回転範囲であることを特徴とす
る実施態様（１１）記載の装置。 （１３）前記２つの限界が定められた１次元の範囲は、
１．０°〜３．０°の回転範囲であり、コンプライアン
スが、相対回転をかかる範囲内の中心に置く傾向がある
ことを特徴とする実施態様（１１）記載の装置。 （１４）第１の色及び第２の色は、赤色及び緑色であ
り、前記バランスは、実質的に等しい量の赤色光と緑色
光が通過する中立条件に関連付けられ、前記検出の範囲
は、中立条件から±２°以下であることを特徴とする請
求項３記載の方法。
【００２４】
【発明の効果】本発明の構成によれば、マスク及びフィ
ルタのうち一方を第１の要素に対して固定し、他方を第
２の要素に対して固定し、マスク及びフィルタの通過光
の色成分を検出するセンサを利用した光学的手法によ
り、マスクとフィルタの相対的な向き、かくして第１の
要素と第２の要素の相対的な向きを求めることができ、
第１の要素及び第２要素相互間のコンプライアンスが所
与であることを考慮してこれら要素相互間のトルクを正
確且つ迅速に求めることができる。
【００２５】本発明の主要な用途は、例えば第１の要素
としての車椅子の駆動輪と第２の要素としてのハンドリ
ムとの間のトルクの検出であり、本発明の装置で用いら
れるセンサにより、僅かな撓み又はトルクを光学的に正
確且つ迅速に測定することができる。本発明の構成は、
他の非接触方式に見られる問題、例えば、スリップリン
グ、無線リンク、誘導性リンク、容量性リンクの劣化又
は誤動作に起因する検出トルクの不正確さの問題を回避
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理によるセンサの概略縦断面図であ
る。
【図２】図１のセンサの光源及び光検出器カップの幾分
概略的な開口端面図である。
【図３】（Ａ）は図１のセンサのシャドウマスクの平面
図である。（Ｂ）は図１のセンサのカラーホイールの平
面図である。
【図４】（Ａ）は互いに重なり合ったマスクとカラーホ
イールを示す図であり、カラーホイールを左側一杯まで
回転させた状態を示す図である。（Ｂ）は互いに重なり
合ったマスクとカラーホイールを示す図であり、カラー
ホイールを真ん中に配置した状態を示す図である。
（Ｃ）は互いに重なり合ったマスクとカラーホイールを
示す図であり、カラーホイールを右側一杯まで回転させ
た状態を示す図である。
【符号の説明】
２０ 車輪（駆動輪） ２２ ハンドリム ３０ 内側ハブ管 ３２ 外側ハブ管 ３４ 主駆動管 ４０ コンプライアンス ４４ シャドウマスク ４６ カラーホイール ４８ レフレクタ ５０ 光源とセンサの組立体 ５２ ハウジング ５８，６０ ＬＥＤ ６２ フォトダイオード ６２Ａ 緑色フォトダイオード ６２Ｂ 赤色フォトダイオード
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ダナ・アール・ヨーガー アメリカ合衆国、マサチューセッツ州、ノ ース・ファルマウス、カーリー・ブールバ ード 45 (72)発明者 デイビッド・ケイ・ネルガード アメリカ合衆国、01460 マサチューセッ ツ州、リトルトン、キング・ストリート 367 (72)発明者 アルバート・エム・ブラッドリー アメリカ合衆国、マサチューセッツ州、ノ ース・ファルマウス、オールド・メイン・ ロード 160 Ｆターム(参考） 2F103 CA02 DA13 EA08 EA12 EB05 EB06 EB08 EB12 EB16 EB33

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１の部材及び第２の部材の相対的な位
    置又は向きを検出する装置であって、第１の色成分及び
    第２の色成分を備えた光の源と、第１の部材に対して実
    質的に固定されていて、前記第１の色成分及び前記第２
    の色成分をそれぞれ優先的に通過させる第１の部分及び
    第２の部分を備えたフィルタと、第２の部材に対して実
    質的に固定されていて、前記第１の色成分と前記第２の
    色成分の両方に対してそれぞれ比較的透明な第１の部分
    及び比較的不透明な第２の部分を備えたマスクと、第１
    の色成分及び第２の色成分を検出するセンサとを有し、
    マスク及びフィルタは、光源とセンサとの間で１以上の
    光路に沿って設けられ、前記位置又は向きが変化する
    と、前記第２のマスク部分による前記第１のフィルタ部
    分及び第２のフィルタ部分の相対的な閉鎖の度合いが変
    化し、それにより、センサによって検出される前記第１
    の色成分及び第２の色成分の相対的な割合が変化するこ
    とを特徴とする装置。
  2. 【請求項２】 車椅子であって、座席と、フレームと、
    左側モータ及び右側モータと、左側モータ及び右側モー
    タにそれぞれ駆動的に結合された左側駆動輪及び右側駆
    動輪と、左側駆動輪及び右側駆動輪とそれぞれ同心であ
    ってこれらに結合された左側ハンドリム及び右側ハンド
    リムとを有し、左側駆動輪及び右側駆動輪にそれぞれ関
    連した請求項１記載の装置が左側及び右側に設置され、
    第１の部材及び第２の部材がそれぞれ、関連の駆動輪及
    びハンドリムのハブ部分であり、左側モータを少なくと
    も左側装置によって検出されたトルクに応動して駆動
    し、右側モータを少なくとも右側装置によって検出され
    たトルクに応動して駆動するよう左側の装置とモータ、
    右側の装置とモータをそれぞれ結合する制御システムが
    設けられていることを特徴とする車椅子。
  3. 【請求項３】 ユーザにより車椅子のハンドリムに加え
    られる駆動トルクを検出する方法であって、源からマス
    ク及びフィルタを通過した第１の光の色と第２の光の色
    とのバランスを検出する段階を有し、マスク及びフィル
    タのうち一方は、ハンドリングに対して実質的に固定さ
    れ、マスク及びフィルタのうち他方は、ハンドリムと関
    連した駆動輪に対して実質的に固定され、駆動輪とハン
    ドリムの相対的な向きは、所与のコンプライアンスに鑑
    みて前記トルクを表し、前記バランスは、フィルタとマ
    スクの相対的な向きを表していることを特徴とする方
    法。
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