JP2566336B2 - Displacement detection device - Google Patents

Displacement detection device

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JP2566336B2
JP2566336B2 JP2235153A JP23515390A JP2566336B2 JP 2566336 B2 JP2566336 B2 JP 2566336B2 JP 2235153 A JP2235153 A JP 2235153A JP 23515390 A JP23515390 A JP 23515390A JP 2566336 B2 JP2566336 B2 JP 2566336B2
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修 松本
勉 原
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、回転角即ち角変位を検出する変位検出装置
に関する。
The present invention relates to a displacement detection device for detecting a rotation angle, that is, an angular displacement.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来、角変位を検出する変位検出装置として、羅針
盤、傾斜角センサその他のジャイロ装置が開発されてい
る。殊に機械ジャイロ、レーザージャイロ等のジャイロ
装置については、それぞれ種々の方式若しくは機構が検
討されている。
Conventionally, a compass, a tilt angle sensor, and other gyro devices have been developed as displacement detection devices for detecting angular displacement. In particular, various methods or mechanisms have been studied for gyro devices such as mechanical gyros and laser gyros.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be Solved by the Invention]

しかし、従来の羅針盤では小型で高精度のものが存在
しなかった。また、従来のジャイロ装置では、精度が高
いものの機構・構造が複雑で、調整等が容易でなく、取
扱いに注意を要した。さらに、ジャイロ装置自体が大型
で、取扱いにくく用途が限定され、しかも非常に高価で
あった。
However, there is no conventional compass with small size and high precision. Further, in the conventional gyro device, although the accuracy is high, the mechanism and structure are complicated, adjustment is not easy, and the gyro device requires careful handling. Further, the gyro device itself is large in size, difficult to handle, has limited uses, and is very expensive.

また、従来の傾斜角センサも、機構・構造が複雑で、
調整等が容易でなかった。
In addition, the conventional tilt angle sensor has a complicated mechanism and structure,
Adjustment was not easy.

そこで、上述の事情に鑑み、本発明は、構造が極めて
簡単で、小型・軽量で、なおかつ高い精度を有する変位
検出装置を提供することを目的としている。
Therefore, in view of the above-mentioned circumstances, an object of the present invention is to provide a displacement detection device having an extremely simple structure, a small size, a light weight, and high accuracy.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

上述の目的を達成するため、本発明に係る変位検出装
置においては、(a)変位が検出されるべき基準部材に
設定された所定の回転軸のまわりで回転可能な容器と、
(b)容器内に収容され、該容器内を満たす媒質との間
に1又は2以上の屈折面を有すると共に、前記所定の回
転軸のまわりに回動自在に設けられ、慣性力又は外力に
応じて一定方向を維持する可動手段と、(c)容器側に
設けられた光源と、前記所定の回転軸に垂直な方向に並
ぶ複数の受光面を有し光源から屈折面を経て受光面に入
射する屈折光を検出する光検出手段とを有し、該光検出
手段からの出力に基づいて、可動手段が慣性力又は外力
に応じて前記容器に対し相対的に回転して基準位置から
ずれたこととそのずれ方向とを検出するずれ検出手段
と、(d)ずれ検出手段が可動手段の基準位置からのず
れを検出した場合に、容器を上記所定の回転軸にそって
そのずれ方向に回転させる戻し手段と、(e)基準部材
と容器との相対的な変位を検出する変位検出手段とを備
える構成となっている。
In order to achieve the above object, in the displacement detection device according to the present invention, (a) a container rotatable about a predetermined rotation axis set as a reference member whose displacement is to be detected,
(B) It is housed in a container, has one or two or more refraction surfaces between it and a medium that fills the container, and is rotatably provided around the predetermined rotation axis so that it is free from inertial force or external force. Accordingly, it has a movable means for maintaining a constant direction, (c) a light source provided on the container side, and a plurality of light receiving surfaces arranged in a direction perpendicular to the predetermined rotation axis, and from the light source to a light receiving surface via a refracting surface. A light detecting means for detecting incident refracted light, and based on an output from the light detecting means, the movable means rotates relative to the container in response to an inertial force or an external force and deviates from a reference position. When the deviation detecting means for detecting the fact and the deviation direction thereof and (d) the deviation detecting means detect the deviation of the movable means from the reference position, the container is moved in the deviation direction along the predetermined rotation axis. The returning means for rotating, and (e) the relative position between the reference member and the container. It has a structure and a displacement detection means for detecting the position.

本発明に係る変位検出装置の好適な実施態様によれ
ば、変位検出手段は、戻し手段の駆動方向及び駆動量に
もとづき、基準部材と容器との相対的な変位を検出す
る。
According to a preferred embodiment of the displacement detecting device according to the present invention, the displacement detecting means detects the relative displacement between the reference member and the container based on the driving direction and the driving amount of the returning means.

本発明に係る変位検出装置の別の好適な実施態様によ
れば、可動手段は、容器内を満たす媒質と異なる屈折率
を有する透明な液体である。また、屈折面は、液体の上
方に形成された水平面である。
According to another preferred embodiment of the displacement detecting device according to the present invention, the movable means is a transparent liquid having a refractive index different from that of the medium filling the container. The refracting surface is a horizontal surface formed above the liquid.

本発明に係る変位検出装置の別の好適な実施態様によ
れば、可動手段は、容器内を満たす媒質と異なる屈折率
を有する透明な平板状媒体である。容器内を満たす媒質
と異なる屈折率を有する。また、屈折面は、平板状媒体
の両側に形成された2平面である。
According to another preferred embodiment of the displacement detecting device according to the present invention, the movable means is a transparent flat plate medium having a refractive index different from that of the medium filling the container. It has a different refractive index from the medium that fills the container. The refracting surfaces are two flat surfaces formed on both sides of the flat medium.

本発明に係る変位検出装置の別の好適な実施態様によ
れば、光検出手段はCCDまたはPSDである。
According to another preferred embodiment of the displacement detecting device according to the present invention, the light detecting means is a CCD or a PSD.

〔作用〕[Action]

本発明に係る第1の変位検出装置にあっては、基準部
材が所定の回転軸のまわりに回転しても、可動手段は慣
性又は外力により一定方向を維持する。基準部材が回転
して可動手段が基準位置からずれた場合、光源から出射
し可動手段に設けられた屈折面を経て受光面に入射する
屈折光は複数の受光面の並ぶ方向のいずれかにずれる。
ずれ検出手段は、光検出手段の出力から屈折光の検出位
置のずれの発生とそのずれ方向とを検出する。戻し手段
は、ただちに容器を可動手段がずれた方向に追従するよ
うに回転して容器及び可動手段の関係をずれが発生する
以前の状態に戻す。変位検出手段は、基準部材に対する
容器の相対的な回転量を検出し、基準部材即ち変位検出
装置自体の変位を検出する。
In the first displacement detecting device according to the present invention, even if the reference member rotates about a predetermined rotation axis, the movable means maintains a constant direction due to inertia or external force. When the reference member rotates and the movable means deviates from the reference position, the refracted light emitted from the light source and incident on the light receiving surface via the refracting surface provided on the movable means shifts to one of the plurality of light receiving surface side by side directions. .
The deviation detecting means detects the occurrence of deviation of the detection position of the refracted light and the deviation direction from the output of the light detecting means. The returning means immediately rotates the container so as to follow the direction in which the movable means is displaced, and returns the relationship between the container and the movable means to the state before the displacement occurs. The displacement detection means detects the relative rotation amount of the container with respect to the reference member, and detects the displacement of the reference member, that is, the displacement detection device itself.

なおこの場合、容器及び可動手段の位置関係は、基準
位置の近傍で微視的には振動を繰り返すものの、巨視的
には一定に保たれる。従って、可動手段を支える容器と
可動手段との間の接触抵抗を正及び負の方向に常に相殺
しつつ容器を駆動していることになり、このような接触
抵抗に起因する誤差を最小限に抑えることができる。こ
の結果、可動部材は正確に慣性に応じた動作を行うこと
となる。
In this case, the positional relationship between the container and the movable means is maintained constant macroscopically, although microscopically repeated vibrations occur near the reference position. Therefore, the container is driven while always canceling the contact resistance between the container supporting the movable means and the movable means in the positive and negative directions, and the error caused by such contact resistance is minimized. Can be suppressed. As a result, the movable member accurately operates according to the inertia.

本発明に係る変位検出装置の好適な実施態様にあって
は、戻し手段が容器を回転させて可動部材を随時基準位
置に保つと共に、変位検出手段がこの戻し手段の駆動方
向及び駆動量をモニタしている。よって、戻し手段の駆
動方向を考慮しながらこの駆動量を積算するならば、容
器の基準部材に対する相対的変位を検出することができ
る。つまり、基準部材の変位が検出できる。
In a preferred embodiment of the displacement detecting device according to the present invention, the returning means keeps the movable member at the reference position by rotating the container, and the displacement detecting means monitors the driving direction and the driving amount of the returning means. are doing. Therefore, if this driving amount is integrated while considering the driving direction of the returning means, the relative displacement of the container with respect to the reference member can be detected. That is, the displacement of the reference member can be detected.

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ、説
明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

第1図は、本発明に係る第1の変位検出装置の第1実
施例の構成を説明したものである。
FIG. 1 illustrates the configuration of a first embodiment of the first displacement detecting device according to the present invention.

基準部材である外箱1の内部には、円筒状のプラスチ
ック製容器4とサーボモータ2とが収容される。サーボ
モータ2は外箱1の一端に設けられた固定点3に固定さ
れている。他方、容器4は軸5のまわりで回転できるよ
うにベアリング6等で外箱1の他端に支持されている。
また、容器4は軸7を介してサーボモータ2に接続さ
れ、このサーボモータ2によって回転を制御されてい
る。
A cylindrical plastic container 4 and a servomotor 2 are housed inside an outer box 1 which is a reference member. The servomotor 2 is fixed to a fixed point 3 provided at one end of the outer case 1. On the other hand, the container 4 is supported on the other end of the outer box 1 by a bearing 6 or the like so as to be rotatable around an axis 5.
Further, the container 4 is connected to the servomotor 2 via a shaft 7, and its rotation is controlled by the servomotor 2.

容器4の内部には、可動手段である水8が収容されて
いる。水8の量が容器の容積の約半分になっているた
め、容器4はその回転軸の位置まで水で満たされてい
る。
Inside the container 4, water 8 as a movable means is stored. Since the amount of water 8 is about half the volume of the container, the container 4 is filled with water up to the position of its rotation axis.

容器4の側面上側には、光源として、赤外光を発生す
る光源12が設けられている。また、容器4の側面下側に
は、光検出手段として、光源12に対向するように光ディ
テクタ14が設けられている。
A light source 12 that emits infrared light is provided on the upper side surface of the container 4 as a light source. Further, on the lower side of the side surface of the container 4, a light detector 14 is provided as a light detecting means so as to face the light source 12.

第2図は、第1図の変位検出装置が動作状態にあると
きの容器4及び内部の水8の位置関係を説明したもので
ある。
FIG. 2 illustrates the positional relationship between the container 4 and the water 8 inside when the displacement detecting device of FIG. 1 is in an operating state.

第2図(a)に示すように、水8が容器4に対して基
準位置にあるとき、屈折面である水平面と、光源12及び
光ディテクタ14の中心を結ぶ線とは直交する。このた
め、光源12から射出した赤外光は光ディテクタ14の一対
の受光面14a、14bの境界点に入射する。したがって、受
光面14a、14bで検出される光量はほぼ等しくなってい
る。この状態から、例えば容器4が反時計方向に回転す
ると、水8は第2図(a)の基準位置からずれて時計方
向に回転する。この結果、第2図(b)に示す様に、光
源12から受光面14aに到達する光量は増大し、受光面14b
に到達する光量は減少する。同様に、容器4が時計方向
に回転した場合は、光源12から受光面14aに到達する光
量は減少し、受光面14bに到達する光量は増大する。以
下に詳細に説明するが、これら光源12及び受光面14a、1
4bの使用により、可動手段である水8が基準位置からず
れたことと、そのずれ方向とが検出できる。
As shown in FIG. 2A, when the water 8 is at the reference position with respect to the container 4, the horizontal plane which is the refracting surface and the line connecting the centers of the light source 12 and the photodetector 14 are orthogonal to each other. Therefore, the infrared light emitted from the light source 12 is incident on the boundary point between the pair of light receiving surfaces 14a and 14b of the photodetector 14. Therefore, the amounts of light detected by the light receiving surfaces 14a and 14b are almost equal. From this state, for example, when the container 4 rotates counterclockwise, the water 8 shifts clockwise from the reference position in FIG. 2 (a). As a result, as shown in FIG. 2B, the amount of light reaching the light receiving surface 14a from the light source 12 increases, and the light receiving surface 14b increases.
The amount of light that reaches is reduced. Similarly, when the container 4 rotates clockwise, the amount of light reaching the light receiving surface 14a from the light source 12 decreases, and the amount of light reaching the light receiving surface 14b increases. As will be described in detail below, these light source 12 and light-receiving surface 14a, 1
By using 4b, it is possible to detect the displacement of the water 8 as the movable means from the reference position and the displacement direction.

第3図は、第1図に示す制御回路16等の回路構成を示
したものである。
FIG. 3 shows a circuit configuration of the control circuit 16 and the like shown in FIG.

光源12に対応するLED12aは、制御回路16から給電され
赤外光を発生する。また、受光面14a、14bに対応するホ
トダイオード15a、15bは、光源からの赤外光に応答し、
電圧又は電流を発生する。制御回路16は、ホトダイオー
ド15a、15bに入射する光量がほぼ等しくなったときA点
での出力電圧が零になるように調節しておく。つまり、
両ホトダイオードからの出力がアンバランスな場合、サ
ーボモータ2を駆動して容器4を回転させる。この場合
の容器4の回転方向は両ホトダイオードからの出力のア
ンバランスを打ち消す方向としている。この結果、水8
が容器4に対して変位しても、水8及び容器4の位置関
係は、制御回路16及びサーボモータ2によってただちに
元の状態(基準位置の状態)に戻される。
The LED 12a corresponding to the light source 12 is supplied with power from the control circuit 16 and generates infrared light. Further, the photodiodes 15a, 15b corresponding to the light receiving surfaces 14a, 14b respond to infrared light from the light source,
Generate voltage or current. The control circuit 16 is adjusted so that the output voltage at point A becomes zero when the amounts of light incident on the photodiodes 15a and 15b become substantially equal. That is,
When the outputs from both photodiodes are unbalanced, the servo motor 2 is driven to rotate the container 4. The rotation direction of the container 4 in this case is a direction in which the unbalance of the outputs from both photodiodes is canceled. As a result, 8
Even if is displaced with respect to the container 4, the positional relationship between the water 8 and the container 4 is immediately returned to the original state (state of the reference position) by the control circuit 16 and the servomotor 2.

容器4の回転角はサーボモータ2に付属させた回転エ
ンコーダ18によってサーボモータ2の回転量から間接的
に検出され、角度表示器17に表示される。この場合、回
転エンコーダ18は、変位検出手段になっている。
The rotation angle of the container 4 is indirectly detected from the rotation amount of the servo motor 2 by a rotary encoder 18 attached to the servo motor 2 and displayed on an angle indicator 17. In this case, the rotary encoder 18 serves as displacement detecting means.

以下に、第1図の変位検出装置の動作を説明する。 The operation of the displacement detector of FIG. 1 will be described below.

図示の変位検出装置は、変位検出装置を搭載すべき物
体、例えば垂直からの角変位の検出が要求される車両等
その他の装置に取り付けられる。
The illustrated displacement detection device is attached to an object on which the displacement detection device is to be mounted, such as a vehicle or other device that requires detection of angular displacement from vertical.

変位検出装置を搭載した物体が回転し変位検出装置が
その軸5、7に平行な任意の軸のまわりに回転した場合
について考察する。この場合、容器4の回転はサーボモ
ータ2よってのみ制御されているため、容器4は外箱1
に対して回転せず、またこれら容器4及び外箱1の位置
関係に変化は生じない。一方、水8はその慣性によって
元の方位又は位置を保つ。なお、容器内の空気も慣性体
であるため、水8は空気の抵抗を受けることがない。こ
の結果、水8は容器4及び外箱1に対して相対的に回転
する。予め水8が基準位置にあったものとすると、水8
は基準位置からずれることとなる。
Consider a case where an object equipped with a displacement detection device rotates and the displacement detection device rotates about an arbitrary axis parallel to the axes 5 and 7. In this case, since the rotation of the container 4 is controlled only by the servomotor 2, the container 4 is not
It does not rotate with respect to each other and the positional relationship between the container 4 and the outer case 1 does not change. On the other hand, the water 8 maintains its original orientation or position due to its inertia. Since the air in the container is also an inertial body, the water 8 does not receive the resistance of the air. As a result, the water 8 rotates relatively to the container 4 and the outer box 1. Assuming that water 8 was in the reference position beforehand, water 8
Will deviate from the reference position.

水8の回転は、第2図に示したように、光ディテクタ
14によってモニタされる。制御回路16は、両受光面14
a、14bからの光検出出力の差動出力にもとづいてサーボ
モータ2を回転させる。
As shown in FIG. 2, the rotation of the water 8 is caused by the photodetector.
Monitored by 14. The control circuit 16 has two light-receiving surfaces 14
The servo motor 2 is rotated based on the differential output of the light detection outputs from a and 14b.

具体的には、光ディテクタ14からの出力差が所定値以
上になると、水8が基準位置からずれたものと判断さ
れ、その出力差が正か負かで水8が基準位置からずれた
方向を判定できる。この結果に応じて、制御回路16はサ
ーボモータ2を駆動し、容器4を水8のずれた方向に回
転させる。光ディテクタからの出力差が所定値以下にな
ると、制御回路16はサーボモータ2を停止し容器4の回
転を止める。この結果、水8は容器4に対して再び基準
位置に戻る。
Specifically, when the output difference from the photodetector 14 exceeds a predetermined value, it is determined that the water 8 has deviated from the reference position, and depending on whether the output difference is positive or negative, the water 8 deviates from the reference position. Can be determined. According to this result, the control circuit 16 drives the servomotor 2 to rotate the container 4 in the direction in which the water 8 is displaced. When the output difference from the photodetector becomes equal to or smaller than a predetermined value, the control circuit 16 stops the servomotor 2 and stops the rotation of the container 4. As a result, the water 8 returns to the reference position with respect to the container 4.

実際の変位検出装置では、一般的に任意の方向に連続
的に回転する。従って、容器4もこの回転を打ち消すよ
うに滑らかにかつ正確に回転することが望ましい。その
ためには、光ディテクタ14からの出力差がわずかでもサ
ーボモータ2を動作させることが望ましい。また、サー
ボモータ2の回転が滑らかで応答性が良いことが望まし
い。
In an actual displacement detection device, generally, it continuously rotates in an arbitrary direction. Therefore, it is desirable that the container 4 also smoothly and accurately rotate so as to cancel this rotation. For that purpose, it is desirable to operate the servo motor 2 even if the output difference from the photodetector 14 is small. Further, it is desirable that the rotation of the servo motor 2 be smooth and that the response be good.

第4図及び第5図は、本発明に係る第1の変位検出装
置の第2実施例の構成を説明したものである。
FIG. 4 and FIG. 5 explain the configuration of the second embodiment of the first displacement detecting device according to the present invention.

第2実施例の構成は、第1実施例の構成とほぼ同様で
ある。同一部分には第1図と同一の符号を付し説明を省
略する。
The configuration of the second embodiment is almost the same as the configuration of the first embodiment. The same parts are designated by the same reference numerals as those in FIG. 1 and their explanations are omitted.

第1実施例と異なり、容器4の内部には、可動手段で
ある平板状の可動板28が空気38と共に収容されている。
可動板28は、透明なガラス板からなり、軸25、27によっ
て容器と同一の回転軸のまわりに回動自在に支持されて
いる。この場合、可動板28は慣性体になっていて、容器
8が回転してもその慣性によって一定方向を維持する。
また、光源12からの赤外光は可動板28の上下2面で屈折
されて光ディテクタ14に入射することとなる。
Unlike the first embodiment, a flat plate-shaped movable plate 28 that is movable means is housed inside the container 4 together with air 38.
The movable plate 28 is made of a transparent glass plate and is rotatably supported by shafts 25 and 27 about the same rotation axis as the container. In this case, the movable plate 28 is an inertial body and maintains a constant direction due to its inertia even if the container 8 rotates.
Further, infrared light from the light source 12 is refracted by the upper and lower two surfaces of the movable plate 28 and enters the photodetector 14.

第5図は、容器4が基準位置の状態から反時計方向に
回転した場合を示す。可動板28が外界に対して一定方向
を維持するため、可動板28は容器4に対して相対的に回
転する。このため、光源12からの赤外光ビーム22はガラ
ス製可動板28によって光路を変えられて、光ディテクタ
14の左側の受光面14aに入射する。また、図示していな
いが、容器4が時計方向に回転した場合は、光源12から
の赤外光ビーム22はガラス製可動板28によって光路を変
えられて、光ディテクタ14の右側の受光面14bに入射す
る。各受光面14a、14bからの差動出力を検出するなら
ば、可動板28が回転したことと、その回転方向とを検出
できる。第3図と同様の制御回路によりサーボモータ2
を駆動するならば、可動板28が容器4に対して変位して
も、可動板28及び容器4の位置関係はただちに元の状態
(基準位置の状態)に戻される。容器4の回転角(即ち
変位検出装置自体の回転変位)は、サーボモータ2に付
属させた回転エンコーダ18によって検出され、度表示器
に表示される。
FIG. 5 shows the case where the container 4 is rotated counterclockwise from the reference position. Since the movable plate 28 maintains a constant direction with respect to the outside world, the movable plate 28 rotates relative to the container 4. Therefore, the infrared light beam 22 from the light source 12 has its optical path changed by the glass movable plate 28, and
It is incident on the light receiving surface 14a on the left side of 14. Although not shown, when the container 4 is rotated in the clockwise direction, the infrared light beam 22 from the light source 12 has its optical path changed by the glass movable plate 28, so that the light receiving surface 14b on the right side of the photodetector 14 is changed. Incident on. If the differential output from each of the light receiving surfaces 14a and 14b is detected, the rotation of the movable plate 28 and the rotation direction thereof can be detected. Servo motor 2 with the same control circuit as in FIG.
Is driven, even if the movable plate 28 is displaced with respect to the container 4, the positional relationship between the movable plate 28 and the container 4 is immediately returned to the original state (state of the reference position). The rotation angle of the container 4 (that is, the rotation displacement of the displacement detection device itself) is detected by a rotary encoder 18 attached to the servomotor 2 and displayed on a degree indicator.

第6図及び第7図は、本発明に係る第1の変位検出装
置の第3実施例の構成を説明したものである。
6 and 7 illustrate the configuration of the third embodiment of the first displacement detection device according to the present invention.

第3実施例の構成も、第1及び第2実施例の構成とほ
ぼ同様である。同一部分には第1図と同一の符号を付し
説明を省略する。
The configuration of the third embodiment is also similar to that of the first and second embodiments. The same parts are designated by the same reference numerals as those in FIG. 1 and their explanations are omitted.

第2実施例と異なり、ガラス製の可動板28を収容する
真空容器4の内部は減圧されている。このため、可動板
28が容器に対して相対的に回転しても、可動板28は空気
等からの微小な抵抗をも受けることがない。
Unlike the second embodiment, the inside of the vacuum container 4 that houses the movable plate 28 made of glass is depressurized. Therefore, the movable plate
Even when the plate 28 rotates relative to the container, the movable plate 28 does not receive a minute resistance from air or the like.

第7図は、容器4が基準位置の状態から反時計方向に
回転した場合を示す。この場合も、第7図と同様に、光
源12からの赤外光ビーム22はガラス製可動板28によって
光路を変えられて、光ディテクタ14の左側の受光面14a
に入射する。また、図示していないが、容器4が時計方
向に回転した場合には、光源12からの赤外光ビーム22は
光ディテクタ14の右側の受光面14bに入射する。各受光
面14a、14bからの差動出力を検出するならば、可動板28
が回転したことと、その回転方向を検出できる。第3図
の制御回路によりサーボモータ2を駆動するならば、可
動板28を容器4に対して常に一定の状態に保たれる。容
器4の回転角は、サーボモータ2に付属させた回転エン
コーダ18によって検出され、度表示器に表示される。
FIG. 7 shows the case where the container 4 is rotated counterclockwise from the reference position. Also in this case, the infrared light beam 22 from the light source 12 has its optical path changed by the glass movable plate 28, as in FIG.
Incident on. Although not shown, when the container 4 is rotated clockwise, the infrared light beam 22 from the light source 12 is incident on the light receiving surface 14b on the right side of the photodetector 14. If the differential output from each light receiving surface 14a, 14b is detected, the movable plate 28
Can be detected and its rotation direction can be detected. If the servomotor 2 is driven by the control circuit of FIG. 3, the movable plate 28 is always kept in a constant state with respect to the container 4. The rotation angle of the container 4 is detected by a rotary encoder 18 attached to the servomotor 2 and displayed on a degree indicator.

第8図から第11図は、本発明に係る第3の変位検出装
置の一実施例を説明したものである。
FIGS. 8 to 11 explain one embodiment of the third displacement detecting device according to the present invention.

第8図は、実施例の構成を示した図である。容器24に
内部には可動手段である液体8が収容されている。容器
24の上部には光源32が設けられており、この光源32から
の光は、容器2の底部に設けられた光検出器34に入射す
る。第9図は、第8図の容器の側面図である。光源32は
LED32aとレンズ32bとからなる。LED32aからの赤外光は
レンズ32bによって集光ビーム22となり、液面で屈折さ
れた後、液中を進み、光検出器34上に焦点を結ぶ。光検
出器34は、第8図のx軸及びy軸方向にマトリックス状
に並ぶ受光面を備える光電検出装置で、例えばPSD、CCD
等の使用が可能である。
FIG. 8 is a diagram showing the configuration of the embodiment. A liquid 8 which is a movable means is stored in the container 24. container
A light source 32 is provided on the top of 24, and light from this light source 32 enters a photodetector 34 provided on the bottom of the container 2. 9 is a side view of the container of FIG. Light source 32
It consists of an LED 32a and a lens 32b. The infrared light from the LED 32a becomes a focused beam 22 by the lens 32b, is refracted on the liquid surface, then travels through the liquid and is focused on the photodetector 34. The photodetector 34 is a photoelectric detection device having light-receiving surfaces arranged in a matrix in the x-axis and y-axis directions of FIG.
Etc. can be used.

第10図及び第11図は、第8図の変位検出装置の動作と
その原理を説明したものである。
FIGS. 10 and 11 explain the operation and principle of the displacement detector of FIG.

第9図の容器24がy軸のまわりに時計方向に回転した
場合を示す。したがって、液体8は容器24に対して反時
計方向に相対的に回転している。容器24が角θ傾く
と、液面に入射する集光ビーム22の入射角も角θとな
る。また、液面での屈折角θは、スネルの法則 sinθ=n×sinθ に従う。また、屈折した集光ビーム22が光検出器34で検
出される位置は、傾きθが零の時に比較して、y軸に
垂直な方向(この場合、x軸の方向と一致する。)にず
れ量lだけ変位する。したがって、ずれ量lは次式で与
えられる。
FIG. 9 shows the container 24 rotated clockwise about the y-axis. Therefore, the liquid 8 is rotating relative to the container 24 in the counterclockwise direction. When the container 24 is inclined by the angle θ 1 , the incident angle of the focused beam 22 incident on the liquid surface is also the angle θ 1 . Further, the refraction angle θ 2 on the liquid surface follows Snell's law sin θ 1 = n × sin θ 2 . Further, the position where the refracted condensed beam 22 is detected by the photodetector 34 is in a direction perpendicular to the y-axis (in this case, coincides with the x-axis direction) as compared with the case where the inclination θ 1 is zero. Is displaced by the shift amount l. Therefore, the shift amount 1 is given by the following equation.

l=d×tan(θ−θ) ただし、θ及びθの関係は、上記スネルの法則に
よって与えられるので、 θ=sin-1(sinθ1/n) となる。ここで、入射点が常に容器の横断面の中心にあ
るとすると、入射角θが所定の傾きの範囲内にあると
き、入射点から光検出器34の検出面までの距離dは一定
に保たれる。第11図は、液面の傾きθと検出位置のず
れ量lの関係を示したものである。ただし、n=1.5、
d=10mmとした。ずれ量lと傾きθとが一対一に対応
するため、ずれ量lから液体即ち容器の傾きを求めるこ
とができる。
l = d × tan (θ 1 −θ 2 ) However, since the relationship between θ 1 and θ 2 is given by Snell's law, θ 2 = sin −1 (sin θ 1 / n). Here, assuming that the incident point is always at the center of the cross section of the container, the distance d from the incident point to the detection surface of the photodetector 34 is constant when the incident angle θ 1 is within the range of a predetermined inclination. To be kept. FIG. 11 shows the relationship between the inclination θ 1 of the liquid surface and the deviation amount 1 of the detection position. However, n = 1.5,
d = 10 mm. Since the deviation amount 1 and the inclination θ 1 have a one-to-one correspondence, the inclination of the liquid, that is, the container can be obtained from the deviation amount l.

以上は、y軸のまわりの傾き検出であったが、x軸ま
わりの傾き検出も同様に可能である。さらに、x軸及び
y軸のまわりの回転が複合している場合も、同様にそれ
ぞれの軸のまわりで回転を検出できる。この事は、液面
の回転の各軸に関する成分がそれぞれの軸に垂直な方向
での各ずれ量に対応し、各々の成分及びずれ量が独立変
数になっていることによって説明される。つまり、x軸
まわりの回転がy軸方向のずれ量に変換され、y軸まわ
りの回転がx軸方向のずれ量に変換される。
The above is the detection of the inclination around the y-axis, but the detection of the inclination around the x-axis is also possible. Further, even when the rotations about the x-axis and the y-axis are combined, the rotations about the respective axes can be similarly detected. This is explained by the fact that the components related to the respective axes of rotation of the liquid surface correspond to the respective deviation amounts in the direction perpendicular to the respective axes, and the respective components and deviation amounts are independent variables. That is, the rotation around the x-axis is converted into the shift amount in the y-axis direction, and the rotation around the y-axis is converted into the shift amount in the x-axis direction.

なお、このような変換は、マイクロコンピュータ等の
演算装置によって瞬時に行うことができる。従って、光
検出器34によって検出されたる検出位置のずれ量をx軸
及びy軸まわりの回転角に随時変換するならば、容器24
即ち変位検出装置の傾きを随時検出できる。
Note that such conversion can be instantaneously performed by a computing device such as a microcomputer. Therefore, if the shift amount of the detection position detected by the photodetector 34 is converted into the rotation angle around the x-axis and the y-axis at any time, the container 24
That is, the inclination of the displacement detecting device can be detected at any time.

ここで、液体8の屈折率が高いほど屈折角θが小さ
くなることを考慮すると、液体8の屈折率を高くすれば
するほど、変位検出装置の感度がよくなることが分か
る。また、粘性が高ければ振動に強くなるが、あまり高
いと変位検出装置の応答性が悪くなる。この様な仕様に
合う液体としては、例えば液浸対物レンズ用のイマージ
ョン・オイルがある。
Here, considering that the higher the refractive index of the liquid 8 is, the smaller the refraction angle θ 2 is, the higher the refractive index of the liquid 8 is, the better the sensitivity of the displacement detecting device is. Further, if the viscosity is high, it becomes strong against vibration, but if it is too high, the responsiveness of the displacement detecting device is deteriorated. Liquids that meet such specifications include, for example, immersion oil for immersion objective lenses.

また、屈折面として液体の表面を使用したが、平板状
の高屈折率媒体を使用してもよい。例えば、厚さdで屈
折率nの可動板をx軸のまわりに可動自在に設けたとす
る。可動板の傾きがθとなり、集光ビームの入射角が
θとなったとすると、集光ビームのずれ量lは、 l=a×d×sinθ で与えられる。なお、上記変数aは、 で与えられる。
Although the liquid surface is used as the refracting surface, a flat plate-shaped high refractive index medium may be used. For example, assume that a movable plate having a thickness d and a refractive index n is movably provided around the x axis. When the tilt of the movable plate is θ 1 and the incident angle of the focused beam is θ 1 , the shift amount l of the focused beam is given by l = a × d × sin θ 1 . The variable a is Given in.

また、平板でなくプリズム状の可動板を用いてもよ
い。この場合、プリズムの偏角に関する公式を用いるこ
ととなる。
Alternatively, a prism-shaped movable plate may be used instead of the flat plate. In this case, the formula regarding the deflection angle of the prism is used.

本発明は上記実施例に限られるものではなく様々な変
形が可能である。
The present invention is not limited to the above embodiment, but various modifications can be made.

例えば、第1図から第7図に示した実施例において、
光検出手段14を一次元に配列された3以上の受光面従っ
て受光素子を備えるCCD、PSD等から構成し、集光ビーム
22の受光位置を検出できるようにしてもよい。受光位置
が検出できると、容器4、14の回転量も算出できるの
で、算出した回転量に応じてサーボモータ2の回転量を
決定することができる。
For example, in the embodiment shown in FIGS.
The light detecting means 14 is composed of a CCD, a PSD, etc. having three or more light receiving surfaces arranged one-dimensionally and therefore light receiving elements.
The light receiving position of 22 may be detected. When the light receiving position can be detected, the rotation amounts of the containers 4 and 14 can also be calculated, so that the rotation amount of the servo motor 2 can be determined according to the calculated rotation amount.

また、第4図及び第6図の実施例で、可動板28の回転
軸25、27を可動板28の中心よりわずかに上側に設けるこ
とが望ましい。この場合、可動板8の重心が回転軸25、
27よりも下方に設定されることとなり、変位検出装置が
動作状態にあるか否かにかかわらず、可動板28は重力に
より一定の状態に保たれる。この様に可動板28が重力場
の下で一定の状態に保たれるようにしておけば、変位検
出装置の停止後における可動板28の位置の初期設定が簡
単になり、かつ角変位の検出精度が向上する。
In the embodiment shown in FIGS. 4 and 6, it is desirable that the rotary shafts 25, 27 of the movable plate 28 be provided slightly above the center of the movable plate 28. In this case, the center of gravity of the movable plate 8 is the rotary shaft 25,
Since it is set lower than 27, the movable plate 28 is kept in a constant state by gravity regardless of whether or not the displacement detection device is in an operating state. If the movable plate 28 is kept in a constant state under the gravitational field as described above, the initial setting of the position of the movable plate 28 after the displacement detecting device is stopped becomes simple, and the angular displacement is detected. Accuracy is improved.

更に、容器4の内部には水等の液体を収容してもよ
い。液体を使用することで、可動板28の屈折面での屈折
率差が減少することとなるが、軸22、27にかかる負荷は
減少する。よって、可動板28は、その慣性に応じて正確
に一定方向を維持することとなる。この場合、容器4と
水との接触抵抗を小さくするため、テフロン等のコーテ
ィングを施しても良い。更に、容器4の側面内部に中空
のチューブからなるバッファを設けても良い。このバッ
ファは、容器内の液体の圧力に応じて膨脹・収縮するの
で、温度変化による水の体積変化を吸収でき、また気泡
の発生を防止できる。
Further, a liquid such as water may be stored inside the container 4. By using a liquid, the difference in refractive index on the refractive surface of the movable plate 28 is reduced, but the load on the shafts 22, 27 is reduced. Therefore, the movable plate 28 accurately maintains the fixed direction according to its inertia. In this case, in order to reduce the contact resistance between the container 4 and water, a coating such as Teflon may be applied. Further, a buffer composed of a hollow tube may be provided inside the side surface of the container 4. Since this buffer expands and contracts according to the pressure of the liquid in the container, it can absorb the volume change of water due to the temperature change and can prevent the generation of bubbles.

更に、光源としては、LEDの他LD等の各種光源を使用
してもよい。また、信号光として、可視領域の外光をノ
イズとして受けないように赤外光を使用したが、各種波
長の信号光の使用が可能なことはいうまでもない。
Further, as the light source, various light sources such as LD other than LED may be used. Further, as the signal light, infrared light is used so as not to receive external light in the visible region as noise, but it goes without saying that signal light of various wavelengths can be used.

更に、容器4の外箱1に対する回転は、抵抗体によっ
て測定してもよい。例えば、低抗体の可変の抵抗値をサ
ーボモータ2の回転量及び方向に応じて増減させる方法
がある。抵抗体の抵抗値をモニタすることにより、サー
ボモータ2の駆動量及び方向を検出することができ、更
に、容器4の回転量も測定できる。
Further, the rotation of the container 4 with respect to the outer box 1 may be measured by a resistor. For example, there is a method of increasing or decreasing the variable resistance value of the low antibody according to the rotation amount and direction of the servo motor 2. By monitoring the resistance value of the resistor, the drive amount and direction of the servomotor 2 can be detected, and the rotation amount of the container 4 can be measured.

更に、第1図及び第8図の実施例で、容器4、34に互
いに混合せず、かつ、屈折率の異なる2種以上の液体を
収容してもよい。この場合、各液体の境界面が屈折面と
なる。
Further, in the embodiment shown in FIGS. 1 and 8, the containers 4 and 34 may contain two or more kinds of liquids which are not mixed with each other and have different refractive indexes. In this case, the boundary surface of each liquid becomes a refracting surface.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上説明したように、本発明に係る第1、第2及び第
3の変位検出装置によれば、構造が極めて簡単で、か
つ、小型で軽量であって、精度の高い変位検出装置を提
供することができる。
As described above, according to the first, second and third displacement detecting devices of the present invention, a highly accurate displacement detecting device having an extremely simple structure, small size and light weight is provided. be able to.

また、好適な実施態様の変位検出装置によれば、戻し
手段の駆動方向及び駆動量に基づいて、簡易に角変位を
検出することができる。
Further, according to the displacement detecting device of the preferred embodiment, the angular displacement can be easily detected based on the driving direction and the driving amount of the returning means.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明に係る第1の変位検出装置の第1実施例
の構成を示した図、第2図は第1図の変位検出装置の容
器及び水の配置を示した図、 第3図は第1図の変位検出装置の制御回路等の回路構成
を示した図、第4図は本発明に係る第1の変位検出装置
の第2実施例の構成を示した図、第5図は第4図の変位
検出装置の容器及び可動板の配置を示した図、第6図は
本発明に係る第1の変位検出装置の第3実施例の構成を
示した図、第7図は第6図の変位検出装置の容器及び可
動板の配置を示した図、第8図は本発明に係る第3の変
位検出装置の実施例の構成を示した図、第9図は第8図
の変位検出装置の容器及び可動板の配置を示した図、第
10図は第8図の変位検出装置が傾いた時の液体の状態を
示した図、第11図は容器の傾きとずれ量との関係を示し
た図である。 4、14、24……容器、8、28……可動手段、 12、14、32、34……ずれ検出手段、 2、16……戻し手段、18……変位検出手段。
1 is a diagram showing a configuration of a first embodiment of a first displacement detecting device according to the present invention, FIG. 2 is a diagram showing an arrangement of a container and water of the displacement detecting device of FIG. 1, and FIG. FIG. 4 is a diagram showing a circuit configuration of a control circuit and the like of the displacement detection device of FIG. 1, FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a second embodiment of the first displacement detection device according to the present invention, and FIG. Is a diagram showing the arrangement of the container and the movable plate of the displacement detection device of FIG. 4, FIG. 6 is a diagram showing the configuration of the third embodiment of the first displacement detection device according to the present invention, and FIG. FIG. 6 is a view showing the arrangement of the container and the movable plate of the displacement detection device of FIG. 6, FIG. 8 is a view showing the configuration of an embodiment of the third displacement detection device according to the present invention, and FIG. 9 is FIG. Showing the arrangement of the container and the movable plate of the displacement detection device of FIG.
FIG. 10 is a diagram showing the state of the liquid when the displacement detecting device of FIG. 8 is inclined, and FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the inclination of the container and the deviation amount. 4, 14, 24 ... container, 8, 28 ... movable means, 12, 14, 32, 34 ... deviation detection means, 2, 16 ... return means, 18 ... displacement detection means.

フロントページの続き (72)発明者 小林 祐二 静岡県浜松市市野町1126番地の1 浜松 ホトニクス株式会社内 (72)発明者 藤田 勝吉 静岡県浜松市市野町1126番地の1 浜松 ホトニクス株式会社内 (56)参考文献 特開 昭60−316(JP,A) 実開 昭59−162611(JP,U)Front page continuation (72) Inventor Yuji Kobayashi 1 1126 Ichinomachi, Hamamatsu City, Shizuoka Prefecture 1126 Hamamatsu Photonics Co., Ltd. (72) Inventor Katsukichi Fujita 1 1126 Ichinomachi, Hamamatsu City Shizuoka Prefecture 1 Hamamatsu Photonics Co., Ltd. (56 ) References JP-A-60-316 (JP, A) Actually developed 59-162611 (JP, U)

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】変位が検出されるべき基準部材に設定され
た所定の回転軸のまわりで回転可能な容器と、 前記容器内に収容され、該容器内を満たす媒質との間に
1又は2以上の屈折面を有すると共に、前記所定の回転
軸のまわりに回動自在に設けられ、慣性力又は外力に応
じて一定方向を維持する可動手段と、 容器側に設けられた光源と、前記所定の回転軸に垂直な
方向に並ぶ複数の受光面を有し前記光源から前記屈折面
を経て該受光面に入射する屈折光を検出する光検出手段
とを有し、該光検出手段からの出力に基づいて、前記可
動手段が慣性力又は外力に応じて前記容器に対し相対的
に回転して基準位置からずれたこととそのずれ方向とを
検出するずれ検出手段と、 前記ずれ検出手段が前記可動手段の前記基準位置からの
ずれを検出した場合に、前記容器を前記所定の回転軸に
そって前記ずれ方向に回転させる戻し手段と、 前記基準部材と前記容器との相対的な変位を検出する変
位検出手段と、 を備えたことを特徴とする変位検出装置。
1. 1 or 2 between a container rotatable about a predetermined rotation axis set as a reference member whose displacement is to be detected, and a medium contained in the container and filling the container. Movable means having the above refraction surface, rotatably provided around the predetermined rotation axis, and maintaining a constant direction according to an inertial force or an external force; a light source provided on the container side; A plurality of light receiving surfaces that are arranged in a direction perpendicular to the rotation axis of the light source, and a light detecting means that detects refracted light that enters the light receiving surface through the refraction surface from the light source, and an output from the light detection means. On the basis of the above, the movable means rotates relative to the container in response to an inertial force or an external force and is displaced from a reference position and a displacement detecting means for detecting the displacement direction, and the displacement detecting means is The displacement of the movable means from the reference position was detected. In this case, there is provided return means for rotating the container in the displacement direction along the predetermined rotation axis, and displacement detecting means for detecting relative displacement between the reference member and the container. Displacement detection device.
【請求項2】前記変位検出手段は、前記戻し手段の駆動
方向及び駆動量にもとづき、前記基準部材と前記容器と
の相対的な変位を検出することを特徴とする請求項1に
記載の変位検出装置。
2. The displacement detecting device according to claim 1, wherein the displacement detecting device detects a relative displacement between the reference member and the container based on a driving direction and a driving amount of the returning device. Detection device.
【請求項3】前記可動手段は、前記容器内を満たす媒質
と異なる屈折率を有する透明な液体であり、前記屈折面
は、該液体の前記媒質の界面に形成された水平面である
ことを特徴とする請求項1に記載の変位検出装置。
3. The movable means is a transparent liquid having a refractive index different from that of a medium filling the container, and the refraction surface is a horizontal plane formed at the interface of the liquid with the medium. The displacement detection device according to claim 1.
【請求項4】前記可動手段は、前記容器内を満たす媒質
と異なる屈折率を有する透明な平板状媒体であり、前記
屈折面は、該平板状媒体の両側に形成された2平面であ
ることを特徴とする請求項1に記載の変位検出装置。
4. The movable means is a transparent flat plate medium having a refractive index different from that of a medium filling the container, and the refraction surfaces are two flat surfaces formed on both sides of the flat plate medium. The displacement detection device according to claim 1, wherein:
【請求項5】前記光検出手段は、CCDまたはPSDであるこ
とを特徴とする請求項1に記載の変位検出装置。
5. The displacement detecting apparatus according to claim 1, wherein the light detecting means is a CCD or a PSD.
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