JP2006317171A - 傾斜センサ - Google Patents

Abstract

【課題】傾斜センサにおいて、振動や慣性力などの外力に影響されることなく被検出対象物の正確な傾斜状態を検出することを可能にする。
【解決手段】傾斜センサは、中空状のハウジング１０を備えている。ハウジング１０は、発光ダイオード１２を備える蓋部１１、コリメートレンズ１４を備えるレンズホルダ１３、遮光球１８を受ける球受部１５、およびフォトディテクタ２０を備えるセンサホルダ１９から構成されている。球受部１５は、光透過性を有する材料からなり、その内底面１５ｃが球面形状に形成されている。レンズホルダ１３、コリメートレンズ１４および球受部１５によって囲まれた空間は収容部１６として形成されている。この収容部１６内に、光透過性および所定の粘性を有する粘性液体１７および発光ダイオード１２の光を遮る遮光球１８が封入されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、産業用ロボットなどの被検出対象物に装備されて、同被検出対象物の水平面に対する傾斜状態を検出する傾斜センサに関する。

従来から、産業用ロボットなどの被検出対象物に装備されて、同被検出対象物の水平面に対する傾斜角度および傾斜方向などの傾斜状態を検出する傾斜センサはよく知られている。例えば、下記特許文献１に記載の傾斜センサにおいては、筒状に形成されたハウジングの上部に発光手段であるＬＥＤが設けられているとともに、同ＬＥＤに対向してハウジングの底部に受光手段である４つのフォトディテクタが同一円周上に略等間隔に配置されている。これらＬＥＤとフォトディテクタとの間には、底部がフォトディテクタ側に張り出した球面形状の収容部が光透過性を有する材料により形成され、同収容部内に光透過性を有する液体（純水）が所定量（凸レンズ形状が形成できる量）だけ封入されている。この収容部内に封入された液体は、ＬＥＤから出射された光をフォトディテクタが配置された面上に集光する。
特開平１０−１８５５５７号公報

この傾斜センサにおいては、同傾斜センサの傾斜状態に応じて収容部内に封入されている液体の位置が前記球面形状に沿って変化するため、同液体によって集光される光のフォトディテクタ上の位置も変化する。すなわち、傾斜センサが水平状態にある場合には、収容部内の液体が球面形状に形成された底部の略中央部に位置するため、同液体によって集光される光の位置も、４つのフォトディテクタが配置された略中央部となる。一方、傾斜センサが傾斜している場合には、傾斜状態に応じて収容部内の液体の位置が変化するため、同液体によって集光される光の位置も、液体の変位に応じて４つのフォトディテクタ上を変化する。この場合、各フォトディテクタからは、それぞれの受光量に応じた検出信号が出力される。すなわち、各フォトディテクタから出力される検出信号は、傾斜センサの傾斜状態に対応している。したがって、この検出信号に基づいて傾斜センサおよび傾斜センサが設置される被検出対象物の傾斜状態を検出することができる。

しかしながら、このような傾斜センサにおいては、収容部内に封入される液体（純水）の粘性が小さいため、被検出対象物の振動などの周波数成分の高い外力や急激な加速・減速による慣性力などの外力によって収容部内の液体の位置が容易に変化する。このため、傾斜センサが水平状態であってもフォトディテクタで受光される光の受光量が変化し、被検出対象物の正確な傾斜状態を検出できないという問題があった。

本発明は前記問題に対処するためなされたもので、その目的は、振動や慣性力などの外力が加わる環境においても、被検出対象物の正確な傾斜状態を検出することができる傾斜センサを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の特徴は、内部が中空状に形成されたハウジングと、ハウジングに組み付けられて同ハウジング内に光を出射する発光手段と、発光手段に対向するようにハウジングに組み付けられて、発光手段から出射された光を受光して受光状態に応じた検出信号を出力する受光手段と、ハウジング内であって発光手段と受光手段との間に形成され、光透過性および粘性を有する液体を封入するとともに、発光手段から出射された光を受光手段に透過させる収容部と、収容部内に収容されてハウジングの傾斜に応じて変位する移動体とを備えたことにある。

この場合、前記移動体を、前記液体の比重より大きい比重の材料で構成し、収容部における受光手段側の底面の形状を同受光手段側に窪んだ球面形状に形成するとよい。また、これに代えて、前記移動体を、液体の比重より大きい比重の材料で構成するとともに、同移動体を収容部における発光手段側の上面から鉛直方向に吊り下げるようにしてもよい。また、これらに代えて、前記移動体を、液体の比重より小さい比重の材料で構成し、収容部における発光手段側の上面の形状を同発光手段側に窪んだ球面形状に形成してもよい。

これらの場合、前記移動体は、発光手段から出射された光の一部を遮光するようにするとよい。また、前記発光手段と前記移動体との間にコリメートレンズを配置するとよい。さらに、前記移動体を、球体にするとよい。

このように構成した本発明の特徴によれば、傾斜センサの傾斜に応じて変位する移動体が収容される収容部内に、光透過性および粘性を有する液体を封入している。このため、被検出対象物からの振動など周波数成分の高い外力や急激な加速・減速による慣性力などの外力が傾斜センサに加わる場合には、これらの外力を収容部内の液体が吸収し早期に減衰させる。これにより、同外力による収容部内の移動体の変位を抑えることができる。このため、受光手段から出力される検出信号の変化も抑えることができる。この結果、傾斜センサに加わる振動や急激な加速・減速による慣性力などの外力に影響されることなく、受光手段から出力される検出信号に基づいて傾斜センサ、すなわち被検出対象物の傾斜状態を正確に計算することができる。

以下、本発明に係る傾斜センサの一実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る傾斜センサの構造を示す縦断面図である。この傾斜センサは、外形が略円柱状に形成されるとともに、その内部が中空状に形成されたハウジング１０を備えている。ハウジング１０は、蓋部１１、レンズホルダ１３、球受部１５およびセンサホルダ１９から構成されている。

蓋部１１は、絶縁性を有する樹脂材により構成されており、上面を閉塞するとともに下面を開放した円筒状に形成されている。蓋部１１の上面中央部には、同上面を上下方向に貫通する取付孔１１ａが設けられている。取付孔１１ａには、蓋部１１の内部側に発光部を位置させた状態で所定の波長の光を出射する発光ダイオード１２が取り付けられている。この蓋部１１の下面には、レンズホルダ１３が固着されている。

レンズホルダ１３は、前記蓋部１１と同様に絶縁性を有する樹脂材により構成されており、外径および内径がそれぞれ異なる段付きの円筒状に形成されている。すなわち、レンズホルダ１３の外形は、蓋部１１の外径と同一の外径に形成された第１外径部１３ａと同第１外径部１３ａより小さい外径に形成された第２外径部１３ｂとから構成されている。この第１外径部１３ａの上面に前記蓋部１１の下面が固着されている。また、レンズホルダ１３の内側は、前記蓋部１１の内径と同一の内径に形成された第１内径部１３ｃと、同第１内径部１３ｃより小さい内径に形成された第２内径部１３ｄとから構成されている。第１内径部１３ｃには、同第１内径部１３ｃの内径に対応した外径に形成されたコリメートレンズ１４が発光ダイオード１２に対向させて嵌め込まれている。コリメートレンズ１４は、発光ダイオード１２から出射された光を平行光束に変換する光学素子である。また、このコリメートレンズ１４は、後述する収容部の上蓋としての機能も有する。このレンズホルダ１３の第２外径部１３ｂは、球受部１５に嵌め込まれている。

球受部１５は、光を透過させる光透過性の樹脂材により構成されており、上面を開放するとともに下面を閉塞した有底円筒状に形成されている。この球受部１５の外形は、蓋部１１およびレンズホルダ１３の第１外径部１３ａと同一の外径に形成されている。球受部１５の内側には、上面側の内径がレンズホルダ１３の第２外径部１３ｂの外径に対応した内径の第１内径部１５ａが形成されており、同第１内径部１５ａに前記レンズホルダ１３の第２外径部１３ｂが嵌め込まれている。球受部１５の内側における第１内径部１５ａの下方には、レンズホルダ１３の第２内径部１３ｄと同一の内径の第２内径部１５ｂが形成されている。また、球受部１５の内底面１５ｃは、中央部を窪ませて球面形状に形成されている。

レンズホルダ１３の第２内径部１３ｄ、コリメートレンズ１４、球受部１５の第２内径部１５ｂおよび内底面１５ｃによって囲まれた空間は収容部１６を構成している。収容部１６は、同収容部１６内に封入される液体が漏出しないように液密的に形成されている。収容部１６内には、粘性液体１７および遮光球１８が封入されている。粘性液体１７は、光透過性および所定の粘度を有する油性の液体であり、発光ダイオード１２から出射された光を透過させるとともに、傾斜センサに加わる振動などの周波数成分の高い外力や急激な加速・減速などによる慣性力などの外力を吸収する機能を有する。したがって、粘性液体１７の粘度は、傾斜センサに加わるこれらの外力に対応している。遮光球１８は、粘性液体１７より比重の大きい材料、具体的には金属材料にて構成された球体であり、発光ダイオード１２から出射される光を遮る機能を有する。この遮光球１８は、収容部１６の内底面１５ｃにおける最下部に沈んだ状態で配置され、傾斜センサの傾斜状態に応じて内底面１５ｃ上を転がりながら変位する移動体である。

球受部１５の下面は、下方に向けて環状に突出しており、第１内径部１５ａの内径と同一の内径の第３内径部１５ｄが形成されている。第３内径部１５ｄには、センサホルダ１９が嵌め込まれている。センサホルダ１９は、蓋部１１およびレンズホルダ１３と同様に絶縁性を有する樹脂材により構成されており、蓋部１１、レンズホルダ１３の第１外径部１３ａおよび球受部１５の外径と同一の外径の円盤状に形成されている。センサホルダ１９の上面には、球受部１５の第３内径部１５ｄの内径に対応した外径で環状に突出した突出部１９ａが形成されており、同突出部１９ａが球受部１５の第３内径部１５ｄに嵌め込まれている。突出部１９ａの内側における上面には、フォトディテクタ２０が固着している。

フォトディテクタ２０は、分割線で区切られた４つの同一正方形状の受光素子からなる４分割受光素子によって構成されており、各受光素子は受光量に比例した検出信号Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄをそれぞれ受光信号として出力する。具体的には、発光ダイオード１２から出射された光を受光して各受光素子の各受光量に応じた検出信号Ａ〜Ｄが出力される。この検出信号Ａ〜Ｄは、各受光素子から下方に延びる端子２０ａを介して、図示しない傾斜状態検出回路に出力され、同傾斜状態検出回路によって傾斜センサの傾斜角および傾斜方向からなる傾斜状態の検出に用いられる。

このように構成された傾斜センサの組み付けについて、図２を用いて説明しておく。まず、作業者は、レンズホルダ１３の第２外径部１３ｂの外周面または球受部１５の第１内径部１５ａの内周面に接着剤を塗布した後、レンズホルダ１３の第２外径部１３ｂを球受部１５の第１内径部１５ａに嵌め込んで固着する。次に、作業者は、遮光球１８を球受部１５の内底面１５ｃ上に配置するとともに粘性液体１７を収容部１６内に注入した後、コリメートレンズ１２をレンズホルダ１３の第１内径部１３ｃに嵌め込んで粘性液体１７および遮光球１８を収容部１６内に封入する。この場合、空気などの気体が収容部１６内に侵入しないとともに、粘性液体１７が収容部１６内から漏出しないように収容部１６内は密閉される。

次に、作業者は、フォトディテクタ２０をセンサホルダ１９の突出部１９ａの内側の上面上に固着する。この場合、フォトディテクタ２０は、４つの端子２０ａがセンサホルダ１９の下面から突出した状態で取り付けられる。また、フォトディテクタ２０の各受光素子の受光面は、センサホルダ１９の下面と平行に取り付けられる。そして、作業者は、フォトディテクタ２０が取り付けられたセンサホルダ１９の突出部１９ａの外周面または球受部１５の第３内径部１５ｄの内周面に接着剤を塗布した後、センサホルダ１９の突出部１９ａを球受部１５の第３内径部１５ｄに嵌め込んで固着する。この場合、球受部１５の球面状に形成された内底面１５ｃの中心部とフォトディテクタ２０の中心部が同軸上に位置するようにセンサホルダ１９が球受部１５に固着される。

次に、作業者は、発光ダイオード１２の発光部を蓋部１１の内側に位置させて蓋部１１の取付孔１１ａに嵌め込んで取り付ける。そして、蓋部１１の下面またはレンズホルダ１３の上面に接着剤を塗布した後、蓋部１１の下面をレンズホルダ１３の上面に押し付けて固着する。これにより、図１に示すように、発光ダイオード１２、コリメートレンズ１４、収容部１６の内底面１５ｃおよびフォトディテクタ２０は各中心軸が同軸上に配置されて傾斜センサが一体的に組み付けられる。なお、この傾斜センサの組み付け過程は、一例を示すに過ぎず、各過程は適宜変更して行われてもよい。また、このように組み付けられた傾斜センサの遮光球１６は、通常、すなわち図１に示すように、センサホルダ１９の下面を下向きにした水平状態にある場合には、球受部１５の内底面１５ｃの中心部（最下部）に位置した状態となる。

このように構成された傾斜センサを使用するに際しては、傾斜センサは、傾斜状態の検出対象となる被検出対象物の所定の設置位置に取り付けられる。具体的には、産業用ロボット（図示せず）の所定の設置位置にセンサホルダ１９の下面を下向きにした水平状態で取り付けられる。また、傾斜センサの発光ダイオード１２の各端子は、所定の制御装置（図示せず）に接続され、その作動が制御される。また、フォトディテクタ２０の各端子も傾斜状態検出回路（図示せず）に接続される。

この傾斜センサは、産業用ロボットの始動に応じて作動が制御される。すなわち、産業用ロボットが始動した場合、傾斜センサの発光ダイオード１２は前記制御装置に制御されて光の出射を開始する。発光ダイオード１２から出射した光は、コリメートレンズ１４によって平行光束に変換された後、収容部１６内に導かれる。収容部１６に導かれた光は、光透過性を有する粘性液体１７を透過して球受部１５の内底面１５ｃを介してフォトディテクタ２０に導かれる。この場合、内底面１５ｃ上には遮光球１８が存在するため、遮光球１８の位置に対応してフォトディテクタ２０上に光が到達しない領域、すなわち影が形成される。

例えば、傾斜センサが水平状態である場合には、フォトディテクタ２０の略中央部に遮光球１８による影が形成される。フォトディテクタ２０は、４つの各受光素子の各受光量に応じた検出信号Ａ〜Ｄを傾斜状態検出回路に出力する。傾斜状態検出回路は、同各検出信号Ａ〜Ｄに基づいて傾斜センサの傾斜状態を計算する。

このような傾斜センサの作動状態において、産業用ロボットが傾斜、すなわち傾斜センサが傾斜した場合には、収容部１６内の遮光球１８は、傾斜センサの傾斜角度および傾斜方向に応じて内底面１５ｃ上を転がって変位する。この場合、遮光球１８は、粘性液体１７の有する粘性に抗しながら内底面１５ｃ上を変位するとともに、同遮光球１８の変位に応じてフォトディテクタ２０上に形成される影の位置も変位する。このため、フォトディテクタ２０の各受光素子からは、各受光素子における各受光量の変化に対応した各検出信号Ａ〜Ｄが出力される。そして、傾斜状態検出回路は、同出力された各検出信号Ａ〜Ｄに基づいて傾斜センサの傾斜状態を計算する。

また、傾斜センサの作動状態において、産業用ロボットの動作中における振動など周波数成分の高い外力や急激な加速・減速による慣性力などの外力が傾斜センサに加わる場合には、これらの外力を収容部１６内の粘性液体１７が吸収し早期に減衰させる。これにより、収容部１６内の遮光球１８が、これらの外力によって球受部１５の内底面１５ｃ上を変位する量は大幅に抑えられる。このため、フォトディテクタ２０から出力される各検出信号Ａ〜Ｄの変化も大幅に減少する。この結果、傾斜状態検出回路は、傾斜センサに加わる振動や急激な加速・減速による慣性力などの外力に影響されることなく、フォトディテクタ２０から出力される検出信号Ａ〜Ｄに基づいて傾斜センサ、すなわち被検出対象である産業用ロボットの傾斜状態を正確に計算することができる。

なお、内底面１５ｃ上を転がって変位する遮光球１８の変位のし易さは、粘性液体１７の粘度の他に、内底面１５ｃの球面の曲率、遮光球１８の大きさおよび質量にも依存している。例えば、内底面１５ｃの球面の曲率は、同曲率が小さい程、遮光球１８は変位し易くなる。この場合、傾斜センサが検出できる傾斜角の精度（分解能）は向上するが、検出できる傾斜角の範囲は狭くなる。また、遮光球１８の大きさおよび質量は、これらが大きい程、遮光球１８は変位し難くなる。この場合、傾斜センサが検出できる傾斜角の変化の検出精度は低下するが、周波数成分の高い外力や慣性力などの外力による変位は少なくなる。したがって、内底面１５ｃの球面の曲率、遮光球１８の大きさおよび質量は、被検出対象物に必要とされる傾斜角の検出精度（分解能）、検出範囲、傾斜角の変化の検出精度および外力による変位の量に応じて適宜設定される。

さらに、本発明の実施にあたっては、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

上記実施形態においては、球受部１５の内底面１５ｃを球面形状に形成し、遮光球１８を収容部１６内に沈めて構成したが、これに限定されるものではない。例えば、図３に示すように、球受部１５の内底面１５ｃの形状を平面状に形成するとともに、遮光球１８をコリメートレンズ１４の下面中央部から金属製のワイヤ２１によって吊り下げるように構成してもよい。この場合、傾斜センサが水平状態にある場合には、遮光球１８よる影はフォトディテクタ２０上の略中央部に位置する。また、傾斜センサが傾斜した場合には、遮光球１８は、粘性液体１７の粘性およびワイヤ２１の弾性に抗して変位し、フォトディテクタ２０上に形成される影の位置も遮光球１８の変位に応じて変位する。

また、傾斜センサに振動や急激な加速・減速による慣性力などの外力が加わる場合には、粘性液体１７の粘性およびワイヤ２１の弾性によって同外力が吸収され減衰されることにより、遮光球１８が同外力によって変位する量は大幅に抑えられる。すなわち、前記外力に対する遮光球１８の応答性は、粘性液体１７の粘度およびワイヤ２１のバネ定数によって規定される。このように構成した傾斜センサによっても、上記と同様の効果が期待できる。なお、上記変形例のように、遮光球１８をコリメートレンズ１２から吊り下げた場合には、遮光球１８の形状は球体以外の形状、例えば立方体、直方体などの多面体であってもよい。

また、上記実施形態においては、遮光球１８を粘性液体１７の比重より大きい比重の材料で構成したが、遮光球１８を粘性液体１７の比重より小さい比重の材料で構成してもよい。この場合、図４に示すように、レンズホルダ１３を光透過性の材料で構成するとともに、下面が閉塞した有底円筒状に形成する。そして、レンズホルダ１３の下面１３ｅをコリメートレンズ１４側に窪んだ球面形状に形成する。これによれば、遮光球１８は、粘性液体１７より比重が小さいため、収容部１６内の上部に浮いた状態となる。また、収容部１６の上面、すなわちレンズホルダ１３の下面１３ｅが球面形状に形成されているため、遮光球１８は、傾斜センサが水平状態において同下面１３ｅの中央部に位置し、傾斜センサの傾斜状態に応じて同下面１３ｅに沿って変位する。そして、傾斜センサに振動や急激な加速・減速による慣性力などの外力が加わる場合には、粘性液体１７の粘性よって同外力が吸収され減衰されることにより、遮光球１８が同外力によって変位する量は大幅に抑えられる。これによっても、上記と同様の効果が期待できる。

また、上記実施形態においては、遮光球１８を金属製の球体で構成したが、これに限定されるものではない。遮光球１８の材料は、粘性液体１７の比重との相対的な関係で決定される。すなわち、遮光球１８の材料は、粘性液体１７の比重より大きい材料であればよく、固体に限らず液体であってもよい。液体により遮光球１８を構成する場合には、粘性液体１７と混ざり合わない液体とする。なお、図４に示す変形例においては、遮光球１８の材料は、粘性液体１７の比重より小さい材料であればよい。

また、上記実施形態および変形例においては、レンズホルダ１３と球受部１５とをそれぞれ別体にて構成したが、これに限定されるものではなく、レンズホルダ１３と球受部１５とを一体的に構成してもよい。これによっても、上記と同様の効果が期待できる。

また、上記実施形態においては、発光ダイオード１２から出射された光を受光する受光素子として、４分割フォトディテクタ２０を用いたが、遮光球１８による影の位置が特定できれば、これに限定されるものではない。例えば、多数の受光素子により構成され受光位置を表す検出信号を出力する２次元ポジションセンサ（ＰＳＤ）を用いて構成するようにしてもよい。２次元ポジションセンサ（ＰＳＤ）は、フォトダイオードの表面抵抗を利用した２次元の受光光量の重心を検出して、同重心位置を表す検出信号を出力する素子である。これによっても、上記と同様の効果が期待できる。

さらに、上記実施形態においては、傾斜センサを産業用ロボットに設置した例を用いて説明したが、これに限定されるものではない。被検出対象物として、例えば、産業用ロボット以外の産業用機械および装置や自動車などの車両などにも広く適用することができる。この場合においても上記と同様の効果が期待できる。

本発明の一実施形態に係る傾斜センサの縦断面図である。 図１の傾斜センサの分解斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る傾斜センサの縦断面図である。 本発明の他の実施形態に係る傾斜センサの縦断面図である。

符号の説明

１０…ハウジング、１１…蓋部、１２…発光ダイオード、１３…レンズホルダ、１４…コリメートレンズ、１５…球受部、１６…収容部、１７…粘性液体、１８…遮光球、１９…センサホルダ、２０…フォトディテクタ。

Claims (7)

1. 内部が中空状に形成されたハウジングと、
   前記ハウジングに組み付けられて同ハウジング内に光を出射する発光手段と、
   前記発光手段に対向するように前記ハウジングに組み付けられて、前記発光手段から出射された光を受光して受光状態に応じた検出信号を出力する受光手段と、
   前記ハウジング内であって前記発光手段と前記受光手段との間に形成され、光透過性および粘性を有する液体を封入するとともに、前記発光手段から出射された光を前記受光手段に透過させる収容部と、
   前記収容部内に収容されて前記ハウジングの傾斜に応じて変位する移動体とを備えたことを特徴とする傾斜センサ。
2. 請求項１に記載の傾斜センサにおいて、
   前記移動体を、前記液体の比重より大きい比重の材料で構成し、
   前記収容部における前記受光手段側の底面の形状を同受光手段側に窪んだ球面形状に形成した傾斜センサ。
3. 請求項１に記載の傾斜センサにおいて、
   前記移動体を、前記液体の比重より大きい比重の材料で構成するとともに、同移動体を前記収容部における前記発光手段側の上面から鉛直方向に吊り下げた傾斜センサ。
4. 請求項１に記載の傾斜センサにおいて、
   前記移動体を、前記液体の比重より小さい比重の材料で構成し、
   前記収容部における前記発光手段側の上面の形状を同発光手段側に窪んだ球面形状に形成した傾斜センサ。
5. 請求項１ないし４のうちのいずれか１つに記載の傾斜センサにおいて、
   前記移動体は、前記発光手段から出射された光の一部を遮光する傾斜センサ。
6. 請求項１ないし５のうちのいずれか１つに記載の傾斜センサにおいて、
   前記発光手段と前記移動体との間にコリメートレンズを配置した傾斜センサ。
7. 請求項１ないし６のうちのいずれか１つに記載の傾斜センサにおいて、
   前記移動体は、球体である傾斜センサ。
   

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