JP2786003B2 - 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構が検討されている。

〔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変位被検出
部材に設定された所定の回転軸のまわりで回転可能であ
ると共に、この所定の回転軸に対して略回転対称な形状
を有する内部空間内に流体を収容する容器と、（ｂ）内
部空間内に流体と共に収容され所定の回転軸のまわりで
回動自在に設けられた可動部材と、（ｃ）可動部材が内
部空間内に収容された流体と共に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）変位被検出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、可動部材は、上記所定の回転軸に対して非回転軸対
称な形状を有し、慣性力に応じて一定の状態を維持する
流体と共に回転し、外界に対して一定方向を維持する。

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、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、変位被検出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、そのい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に
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。

〔作用〕

本発明に係る変位検出装置にあっては、流体を収容し
た容器の内部空間の形状が所定の回転軸に対して略回転
対称である。このため、変位被検出部材及び容器が所定
の回転軸に沿って回転しても、容器内に収容された流体
は、容器からの作用をほとんど受けず、その慣性により
外界に対して一定の状態を維持する。可動部材も流体か
らの作用を受け、或いはそれ自体の慣性によって流体と
共に回転する。つまり、可動部材も外界に対して一定方
向を維持する。この場合、好適な実施態様によれば、可
動部材が上記所定の回転軸に対して非回転対称である。
このため、可動部材は流体からの作用を受けてより忠実
に流体と共に回転する。

本発明に係る変位検出装置の動作時に、例えば変位被
検出部材が回転して可動部材が流体と共に基準位置から
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、変位検出部材に対す
る容器の相対的な回転量を検出し、変位被検出部材即ち
変位検出装置自体の変位を検出する。

この場合、可動部材を流体と共に確実に回転させ外界
に対して正確に一定方向を維持させるためには、可動部
材の慣性が流体の慣性に比較して十分小さくなければな
らず、また、可動部材の形状が流体の回転運動を効率よ
く受け取りうるようなものでなければならない。

また、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、容器と内部の可動部材との間の接
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。

ここで、基準位置とは容器が可動部材に対し所定の位
置関係にあることをいい、この位置関係は任意に設定で
きる。ただし、変位検出装置の動作中はこの位置関係を
変更することができない。

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
器の変位被検出部材に対する相対的変位を検出すること
ができる。つまり変位被検出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、ずれ検出手段が発行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
定量から増大し、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。

変位被検出部材である外箱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
きるようにペアリング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
ある平板状の帆８が収容されている。この帆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、赤外線を
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光源に対抗する
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及び帆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、帆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。帆８
は、アルミ板の本体部8aとその両端に設けられた遮光部
部8b、8cとからなる。本体部8aは、容器４内の水の力を
受け、帆８全体を水と共に軸38のまわりに回転させる。
本体部8aに設けられた遮光部8b、8cは、帆８の回転に伴
って、LED光源12aから光ディテクタ14aへの入射光と、L
ED光源12bからの光ディテクタ14bへの入射光とを相補的
に増減させる。なお、図示の状態の帆８の位置を基準位
置と呼ぶものとする。

第３図は、帆８、LED光源12a、12b及び光ディテクタ1
4a、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の軸に沿った断面図である。帆
８が基準位置にあるとき、図に示すように、LED光源12
a、12bは、帆８の遮光部8b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も帆８の遮光
部8bの下端に対面するように配置されている。このよう
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、遮光部8b、8c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）の帆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、12及び光ディテクタ14
a、14bの使用により、可動部材である帆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
節してあり、両光ディテクタからの出力がアンバランス
になると、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法としている。この
結果、帆８が容器４に対して変位しても、帆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に付属された回転
エンコーダ18によって、サーボモータ２の回転角及びそ
の回転方向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。

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。

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
に体して回転せず、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、帆８は、その慣性と慣性
体である水の作用とにより、その方向又は位置を保つ。
この結果、帆８は容器４及び外箱１に対して相対的に回
転する。予め帆８が基準位置にあったものとすると、帆
８は基準位置からずれることとなる。

例えば、第１図の帆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
ニタされ、制御回路16は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、帆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帆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はザーボ
モータ２を駆動し、容器４を帆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を停止して容器４の回転を止める。
この結果、帆８は容器４に対して再び基準位置に戻る。

以上の動作は帆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、帆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、帆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。

この場合、帆８は水の存在にかかわらず、その慣性に
よって一定の方向を維持するものとも考えられる。しか
し、帆８はこれを容器内で支えるために必要な軸受け等
によって必す抵抗を受ける。このため、容器内に水が存
在しないと、帆８が徐々に外界に対して回転を始め、測
定誤差の原因となるとも考えられる。これに対し、上記
実施例の変位検出装置の場合、帆８は、それ自体の慣性
のみならず水の大きな慣性の作用を受けるため、外界に
対して正確に一定方向に保つことができる。ここで、水
が容器４との間の作用によって受ける力は、容器の形状
を回転対称としたことにより、容器と水との接触抵抗
（容器内壁とその回転軸に垂直な面との交わる円筒に沿
った接線方向のみの成分）のみとなっている。また、容
器と水とが巨視的には一定の状態に保たれので、接触抵
抗の大部分は正負の方向で相殺される。更に、帆８と容
器４との間には空間が設けられているので、帆８に作用
を及ぼす水は、容器４の近傍から離れた部分の水とな
る。つまり、容器４の近傍の水が緩衝材となって、容器
４からの力は、帆８に伝達されない。よって、容器内の
帆８は、外界に対して極めて正確に一定の状態を保つ。

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、帆８の本体部をその回転軸で直交する２枚の
板材から構成してもよい。また、水車のように複数の羽
から構成してもよい。

更に、帆８の比重が例えば容器内の水よりも大きい場
合、帆８の回転軸38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、帆８の重心は回転軸38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、帆８は重力により一定の状
態に保たれる。この様に帆８が重力場等の外場の下で一
定の状態に保たれるようにしておけば、変位検出装置の
停止後における帆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
液体、気体等の使用も可能になる。ただし、粘性の高い
液体の方が、より効果的に帆に作用を及ぼすことができ
るという観点からは望ましい。反面、粘性の低い液体の
方が、液体と容器４との間の接触抵抗をより小さくでき
るという観点からは望ましい。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
出装置を帆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、帆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、光信号を断続が
切り替わる点を準備位置とすれば、この切り替わる点を
のぞいて帆８が基準位置からずれたこととなる。また、
検出さえ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。

〔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
検出するとこができる。

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一実施例の構成を
示した図、第２図は第１図の変位検出装置の容器及び帆
の配置を示した図、第３図は第１図の変位検出装置の容
器及び帆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。

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 (72)発明者 橋本 誠一郎 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 平２−71115（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−112919（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01C 9/00 - 9/32

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】変位が検出されるべき変位被検出部材に設
   定された所定の回転軸のまわりで回転可能であると共
   に、前記所定の回転軸に対して略回転対称な形状を有す
   る内部空間内に流体を収容する容器と、 前記内部空間内に流体と共に収容され前記所定の回転軸
   のまわりで回動自在に設けられた可動部材と、 前記可動部材が前記内部空間内に収容された流体と共に
   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、 前記変位被検出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】前記可動部材は、前記所定の回転軸に対し
   て非回転対称な形状を有し、慣性力に応じて一定の状態
   を維持する流体と共に回転し、外界に対して一定方向を
   維持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、前記変位被検出部材と前記
   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。
4. 【請求項４】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。
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。