JP2724237B2 - 変位検出装置 - Google Patents

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。

〔従来の技術〕

従来、角変位を検出する変位検出装置として、羅針盤
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械が検討されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

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。

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。

〔課題を解決するための手段〕

上述の目的を達成するため、本発明による変位検出装
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に回動自在に設けら
れ、慣性力に応じて一定方向を維持する可動部材と、
（ｂ）この可動部材及びこれとほぼ等しい比重を有する
液体を収容すると共に、所定の回転軸のまわりで回転可
能な容器と、（ｃ）可動部材が慣性力に応じて容器に対
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
段が可動部材の基準位置からのずれを検出した場合に、
容器を所定の回転軸にそって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。

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。

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、ずれ検出手段は、可動部材をはさむように容器側
に設けられた発光手段及び受光手段を有し、受光手段の
検出する受光量の変化にもとづいて、可動部材が基準位
置からずれたことと、そのずれ方向とを検出する。

本発明に係る変位検出装置の更に別の好適な実施態様
によれば、前記ずれ検出手段は、２組のセンサ手段と、
差動手段とを有する。２組のセンサ手段は、可動部材の
基準位置からの双方向の回転を相補的に検出するよう容
器側に設けられ、一対の検出信号を出力する。差動手段
は、２組のセンサ手段からの一対の検出信号の差動出力
により可動部材のずれ及びその方向を検出する。

その他、容器内の液体の圧力に応じて膨脹・収縮する
バッファ部材を容器内に設けてもよい。また、容器を所
定の回転軸に対して軸対称な形状とし、容器の内部にテ
フロンコーティングを施してもよい。さらに、初期設定
のため可動部材の重心を所定の回転軸からはずしてもよ
い。さらに例えば地磁気等の外部の場に対応する微小な
力を可動部材に与える初期設定手段を新たに設けてもよ
い。

〔作用〕

本発明に係る変位検出装置にあっては、基準部材が所
定の回転軸に沿って回転しても、可動部材は慣性により
一定方向を維持する。例えば、基準部材が回転して可動
部材が基準位置からずれた場合、ずれ検出手段はこのず
れの発生とそのずれ方向とを検出する。戻し手段は、た
だちに容器を可動部材がずれた方向に追従するように回
転して容器及び可動部材の関係をずれが発生する以前の
状態、従って基準位置の状態に戻す。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。

なお、容器及び可動部材の位置関係は、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、容器と内部の液体との間の接触抵
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。更に、容器内に収容された
可動部材と液体とはほぼ等しい比重を有するため、可動
部材の回転を支持する軸受等にかかる負荷が軽減され
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。

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、戻し手段が容器の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ーしている。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。

本発明に係る変位検出装置の別の好適な実施態様にあ
っては、ずれ検出手段が発光手段及び受光手段によって
可動部材の基準位置からずれを検出する。例えば、可動
部材が基準位置から一方にずれたとき、可動部材によっ
て遮られないで受光手段に到達し検出される受光量が所
定値から増大し、可動部材が基準位置から他方にずれた
とき、可動部材によって遮られないで受光手段に到達し
検出される受光量が上記所定値から減少するとする。こ
の場合、受光量の所定値からのずれを検出することによ
って可動部材が基準位置からずれたことを検出できる。
また、受光量の所定値からのずれが正負のいずれである
かを検出することによって可動部材のずれ方向を検出で
きる。

本発明に係る変位検出装置の別の好適な実施態様にあ
っては、差動作動手段が２組のセンサ手段からの一対の
検出信号の差動出力を与える。これにより、可動部材の
ずれ及びその方向を検出することができる。例えば、２
組のセンサ手段からの一対の検出信号が等しくないと
き、差動出力が生じ可動部材が基準位置からずれたこと
になる。また、一対の検出信号のいずれかが大きくなる
と、差動出力は正若しくは負けとなり、可動部材のずれ
方向を検出できる。

〔実施例〕

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。

第１図は、本発明の一実施例である垂直変位検出装置
の構成を説明したものである。

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とサーボモーター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。

容器４の内部には、仮想線で示すように、可動部材で
ある平板状のフロート８が収容されている。このフロー
ト８は、軸受け９、10によって、容器４の回転軸と同一
の回転軸のまわりに回動自在に支持されている。また、
容器４の内部は水で満たされている。

容器４の一方の端面には、発光手段として、赤外光を
発生する一対のLED光源12a、12bが設けられている。容
器４の他方の端面には、この２つのLED光源に対向する
ように、受光手段である光ディテクタ14a,14bが設けら
れている。一方のLED光源12aと一方の光ディテクタ14a
は１組のセンサを構成し、他方のLED光源12bと他方の光
ディテクタ14bも１組のセンサを構成する。

第２図は、変位検出装置が動作状態にあるときの容器
４及びフロート８の位置関係を説明したものである。

第２図に示すように、フロート８、LED光源12a,12b及
び光ディテクタ14a,14bは、ほぼ同一の平面内にある。
ここに、フロート８は、方形のアルミ板8b上に発泡スチ
ロール板8aを張り付けたもので、アルミ板及び発泡スチ
ロール板の厚みを調節することでフロート８全体の比重
を調節することができる。ここでは、フロート８の比重
を容器４内の水の比重と等しくし、これによって軸受け
９、10での摩擦を少なくしている。なお、フロート８は
軸38を中心に回転可能であるが、この状態のフロート８
の位置を基準位置と呼ぶものとする。

第３図は、フロート８、LED光源12a、12b及び光ディ
テクタ14a、14bの位置関係を更に詳細に説明するための
図である。

一方の第３図（ａ）は容器４の側面図であり、他方の
第３図（ｂ）は、容器４の軸方向の断面図である。フロ
ート８が基準位置にあるとき、図に示すように、LED光
源12a、12bは、フロート８の下端に対面するように配置
されている。また、光ディテクタ14a、14bもフロート８
の下端に対面するように配置されている。このような状
態で、光ディテクタ14aによって受信されるLED光源12a
からの光信号は、フロート８に遮られて最大時の約半分
となっている。光ディテクタ14bの場合もまた同様であ
る。この状態から、第３図（ａ）のフロート８が、例え
ば時計方向に回転すると、LED光源12aから光ディテクタ
14aに到達する光量は増大し、LED光源12bから光ディテ
クタ14bに到達する光量は減少する。以下に詳細に説明
するが、これらLED光源12a、12b及び光ディテクタ14a、
14bの使用により、可動部材であるフロート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。

第４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。

LED光源12a、12bは、制御回路16から給電され赤外光
を発生する。また、光ディテクタ14a、14bは、LED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、光ディテクタ14a、14b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、両光ディテクタからの出力がアン
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の回転方向は両光ディテク
タ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、フロート８が容器４に対して変位して
も、フロート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。

容器４の回転角はサーボモータ２は付属させた回転エ
ンコーダ18によって検出され、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。

以下に、第１図の変位検出装置の動作を説明する。

図示の変位検出装置は、変位検出装置を搭載すべき装
置、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。

変位検出装置を搭載した装置が回転し、変位検出装置
がその軸５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に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、フロート８はその慣性に
よって元の方位又は位置を保つ。なお、水も慣性体であ
るため、フロート８は水の抵抗を受けることがない。こ
の結果、フロート８は容器４及び外箱１に対して相対的
に回転する。予めフロート８が基準位置にあったものと
すると、フロート８は基準位置からずれることとなる。

例えば、第１図のフロート８が図面左側から見て時計
方向に回転したとすると（現実には、外箱１及び容器４
が反時計方向に回転したことになる。）、光ディテクタ
14aの検出光量は増大し、光ディテクタ14bの検出光量は
減少する。これら光ディテクタからの出力は制御回路16
でモニターされ、制御回路16はその差動出力にもとづい
てサーボモータ２を回転させる。

具体的には、光ディテクタからの出力差が所定値以上
になると、フロート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フロート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をフロート８の
ずれた方向（この場合、第１図左側から見て時計方向）
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、フロート８は容器４に対し
て再び基準位置に戻る。

以上の動作はフロート８が容器４に対して時計方向に
回転した場合についてのものであるが、フロート８が反
時計方向に回転した場合についても同様のことが成り立
ち、フロート８は基準位置に維持される。ここで、容器
４の回転量を回転エンコーダ18でモニターしておけば、
変位検出装置全体の回転量、即ち角変位が検出できる。

実際の変位検出装置は、一般的には任意の方向に連続
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。

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。

例えば、フロート８を一様な比重を有する材質で構成
しても良い。この場合、フロート８の比重を水よりも僅
かに大きくし、フロート８の回転軸38をフロートの中心
よりわずかに上側に設けることが望ましい。或いは、フ
ロート８の比重を水よりも小さくし、フロート８の回転
軸38をフロートの中心よりも下側に設けるようにしても
良い。例えば前者の場合、フロート８の重心は回転軸38
よりも下方に設定されており、変位検出装置が動作状態
にあるか否かにかかわらず、フロート８は重力により一
定の状態に保たれる。この様にフロート８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フロート８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。

また、容器４の内部には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の内部に収容する液体として、水以外の
ものも使用できる。ただし、粘性の低い液体が望ましい
ことはいうまでもない。容器４との接触抵抗を小さくす
るためである。更に、実際の使用にあたっては、光源の
光に対して透明で、融点が低く、比重の大きな液体を使
用することが望ましい。

更に、例えば第１図に示したように、容器４の側面内
部に中空のチューブからなるバッファ20を設けても良
い。このバッファ20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。また、このような
バッファは、容器４の回転軸５、７の近傍に設けてもよ
い。このほうが、容器４内の流体との接触抵抗をなくす
という観点からは望ましいともいえる。

更に、発光手段としては、LEDの他LD等の光源を使用
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。更
に、超音波発信源及び受信器の組み合わせを使用してず
れ検出手段としてもよい。更に、磁気的・静電的位置検
出装置をフロート８及び容器４に設け、これをずれ検出
手段としてもよい。

更に、本実施例の場合、２組のセンサを使用したが、
一対のLED光源及び光ディテクタからずれ検出手段を構
成してもよい。この場合、フロート８及び容器４が所定
の位置関係にあるときに、LED光源から光ディテクタへ
の光信号が遮られるようにしておく。例えば、光信号の
断続が切り替わる点を基準位置とすれば、この切り替わ
る点をのぞいてフロート８が基準位置からずれたことと
なる。また、検出された光信号が断続いずれの状態にあ
るかで基準位置からずれた方向がいずれであるかが定ま
る。

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、抵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ーすることにより、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。

第５図は本発明の第２実施例の水平変位検出装置を説
明した図である。なお、第１図の第１実施例と共通する
部分については省略してある。

第２実施例の場合は、容器４は、サーボモータ２によ
って垂直な回転軸７のまわりに回転する。容器４内に収
容されたフロート８は円板状に形成され、その半分はLE
D12a、12bからの光に対して透明であり、他方の半分はL
EDからの光に対して不透明である。これらLED12a、12b
からの光は、それぞれ光ディテクタ14a、14bで検出され
る。図示のようにフロート８が容器４に対して基準位置
にあるとき、それぞれの光ディテクタ14a、14bで検出さ
れる光量はほぼ等しい。フロート８は、軸18を介して軸
受け９から吊されている。この軸18には磁針22が固定さ
れており、フロート８は磁場に応じた所定の方向に力を
受ける。また、容器４は水で満たされており、フロート
８と磁針22とを合わせた状態で水の比重にほぼ等しくな
るようにしている。磁針22が北を指したままで、光ディ
テクタの検出する光量が等しくなるように容器を回転さ
せこの量を積算するならば、変位検出装置の角変位を容
易に検出することができる。

フロート８の不透明部の形状は任意に定めることがで
きる。この場合の、不透明部の形状に合わせてLED及び
光ディテクタの位置を調節しなければならない。ただ
し、光ディテクタの差動出力が使用されるので、これら
の調整は簡単である。

第６図は本発明の第３実施例の水平変位検出装置を説
明した図である。なお、本実施例においても、第１実施
例と共通する部分については省略してある。

第３実施例の変位検出装置は第２実施例の装置とほぼ
同様である。異なるのは、磁針22が省略されている点
と、フロート８に鉄片23と容器４内壁に磁石片24とが新
たに設けられている点である。これら鉄片23と磁石片24
は弱い磁力によって結ばれており、変位検出装置が動作
していない状態でも、図示のような状態を保とうとす
る。この結果、変位検出装置の起動直後から角変位の測
定が可能になる。ただしこの場合、鉄片23及び磁石片24
に作用する引力は、フロート８の慣性動作を妨げるほど
大きなものであってはならない。

なお、参照番号23、24で示した部材を両方とも磁石片
にしても構わないし、フロート８側を磁石片にしてもか
まわない。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、構造が極めて
簡単で、かつ、小型で軽量の変位検出装置であって、精
度の高い変位検出装置を提供することができる。

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。

更に、好適な実施態様の変位検出装置によれば、発光
手段及び受光手段を使用したことにより、可動部材が基
準位置からずれたことと、基準位置からずれた方向とを
簡易に判定できる。

更に、好適な実施態様の変位検出装置によれば、２組
のセンサ手段を使用したことにより、変位検出装置の組
み立てや車両等への搭載後の調整が比較的簡単になると
いう利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る変位検出装置の第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
フロートの配置を示した図、第３図は第１図の変位検出
装置の容器及びフロートの側面図及び断面図、第４図は
第１図の変位検出装置の制御回路の回路構成を示した
図、第５図は第２実施例の変位検出装置を示した図、第
６図は第３実施例の変位検出装置を示した図である。 ４……容器、８……可動部材、12a、12b、14a、14b……
ずれ検出手段、２、16……戻し手段、18……変位検出手
段。

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【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に回動自在に設けられ、慣性力
   に応じて一定方向を維持する可動部材と、 前記可動部材と、該可動部材とほぼ等しい比重を有する
   液体とを収容すると共に、前記所定の回転軸のまわりで
   回転可能な容器と、 前記可動部材が慣性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部材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。
2. 【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。
3. 【請求項３】前記ずれ検出手段は、前記可動部材をはさ
   むように前記容器側に設けられた発光手段及び受光手段
   を有し、前記受光手段の検出する受光量の変化にもとづ
   いて、前記可動部材が基準位置からずれたことと、その
   ずれ方向と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。
4. 【請求項４】前記発光手段は赤外光を発生し、前記受光
   手段は赤外光を検出することを特徴とする請求項３に記
   載の変位検出装置。
5. 【請求項５】前記ずれ検出手段は、前記可動部材の基準
   位置からの双方向の回転を相補的に検出するよう容器側
   に設けられ、一対の検出信号を出力する２組のセンサ手
   段と、該２組のセンサ手段からの一対の検出信号の差動
   出力により前記可動部材のずれ及びその方向を検出する
   差動手段とを有することを特徴とする請求項１に記載の
   変位検出装置。
6. 【請求項６】前記容器内の液体の圧力に応じて膨脹、収
   縮自在なバッファ部材を該容器の内壁に設けたことを特
   徴とする請求項１に記載の変位検出装置。
7. 【請求項７】前記容器を前記所定の回転軸に対して軸対
   称な形状とし、該容器の内部にテフロンコーティングを
   施したことを特徴とする請求項１に記載の変位検出装
   置。
8. 【請求項８】前記可動部材の重心が前記所定の回転軸か
   らはずれていることを特徴とする請求項１に記載の変位
   検出装置。
9. 【請求項９】外部の場に対応する微小な力を前記可動部
   材に与える初期設定手段をさらに備えることを特徴とす
   る請求項１に記載の変位検出装置。
10. 【請求項１０】前記初期設定手段は、地磁気の方向に対
    応した力を前記可動部材に与える磁針であることを特徴
    とする請求項９に記載の変位検出装置。
11. 【請求項１１】前記可動部材を前記容器に対して基準位
    置に保つ微小な力を前記可動部材に与える初期設定手段
    をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の変位
    検出装置。