JP2786004B2

JP2786004B2 - 変位検出装置

Info

Publication number: JP2786004B2
Application number: JP21313790A
Authority: JP
Inventors: 章健林; 修松本; 勉原; 祐二小林; 勝吉藤田
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1990-08-10
Filing date: 1990-08-10
Publication date: 1998-08-13
Anticipated expiration: 2013-08-13
Also published as: JPH04212011A

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
置にあっては、（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な容
器と、（ｂ）前記容器の減圧された内部空間に収容され
ると共に、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、（ｃ）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も基準位置からずれ
たことと、そのずれ方向とを検出するずれ検出手段と、
（ｄ）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、
（ｅ）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、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。

〔作用〕

本発明に係る変位検出装置にあっては、変位被検出部
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、変位被検出部材が
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。こ
こで、基準位置とは容器及び可動部材が所定の位置関係
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。可動部材がこの基準位置からずれた
ことが検出された場合、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、変位被検出部材
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、容器内は減圧されているため、可動部材が
容器に対して回転しても、可動部材が受ける抵抗は極め
て少ない。このため、可動部材は、慣性に応じてその状
態を正確に維持する。例えば、容器内に粘性の高い液体
又は気体等の流体が収容されていると仮定すると、容器
の回転によって容器内部に流体流が生じてしまう場合が
しばしば生じる。このような場合、流体流の作用を受け
た可動部材は、慣性に応じてその状態を正確に維持する
ことができなくなる。

なお、可動部材は、容器側に設けられた軸受け等の手
段によって容器内で可動自在に支えられることとなる。
よって、一般には、容器と可動部材との間の抵抗を皆無
にすることは困難である。ただし、本発明の変位検出装
置の場合、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、本発明の変位検出装置の場合、
容器と可動部材との間の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、このような抵
抗に起因する誤差を最小限に抑えることができる。

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、円筒状の真
空容器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、真空容器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、真空容器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。

真空容器４の内部には、仮想線で示すように、アルミ
製の仮材からなる可動部材８が収容されている。この可
動部材８は、軸受け９、10によって、真空容器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。

真空容器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が設けられてお
り、真空容器４内の可動部材８に向けて赤外光ビームを
照射する。真空容器４の他方の端面には、この２つのLE
D光源に対向するように、受光手段である光ディテクタ1
4a、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、ジャイロ装置が動作状態にあるときの真空
容器４及び可動部材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、可動部材８、LED光源12a、12b
及び光ディテクタ14a、14bは、ほぼ同一の平面図にあ
る。可動部材８は軸38を中心に回転可能であるが、図示
の状態の可動部材８の位置を基準位置と呼ぶものとす
る。

第３図は、可動部材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）は真空容器４の側面図であり、他
方の第３図（ｂ）は、真空容器４の軸方向に沿った断面
図である。可動部材８が基準位置にあるとき、図に示す
ように、LED光源12a、12bは、可動部材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、1
4bも可動部材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、可動部材８に遮られ
て最大時の約1/4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）の可動
部材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12
b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、可動部材である可動部
材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
節されており、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を駆動して真空容器４を回
転させる。この場合の真空容器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、可動部材８が真空容器４に対して変位
しても、可動部材８及び真空容器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。

真空容器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の回転量及
び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物体が回転し、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、真空容器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、真空容器４
は外箱１に対して回転せず、またこれら真空容器４及び
外箱１の位置関係に変化は生じない。一方、可動部材８
はその慣性によって元の方位又は位置を保つ。この結
果、可動部材８は真空容器４及び外箱１に対して相対的
に回転する。予め可動部材８が基準位置にあったものと
すると、可動部材８は基準位置からずれることとなる。

例えば、第１図の可動部材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及び真空容
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、可動部材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可動部材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、真空容器４を可動部材
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を停止し真
空容器４の回転を止める。この結果、可動部材８は真空
容器４に対して再び基準位置に戻る。

以上の動作は可動部材８が真空容器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、可動部材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、可動部材８は基準位置に維持される。ここで、
真空容器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、即ち角変位が簡単に
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、真空容器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、可動部材８の重心を回転軸38よりも下方に設
けてもよい。この場合、変位検出装置が動作状態にある
か否かにかかわらず、可動部材８は重力よりも一定の状
態に保たれる。この様に可動部材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
止後における可動部材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、真空容器４内の可動部材８を支えるための軸受
けとして、磁気浮揚等を利用した非接触型の軸受けを使
用してもよい。非接触型の軸受けを使用することで、真
空容器と可動部材との間の接触抵抗に起因する誤差を無
くすことができる。

更に、可動部材の形状は任意なものとすることができ
る。この場合、可動部材の質量が大きいほど軸受け９、
10にかかる負荷が大きいことと、可動部材の慣性モーメ
ントが大きいほど外的作用に対して安定であることとを
考えれば、可能な限り質量を小さくして慣性モーメント
を増大させる形状が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、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可動部材８及び真空
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、可動部材８及び真空容器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可動部材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、真空容器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、真空容器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、ガラス製の真空容器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。
真空容器４内に収容された可動部材８は円板状に形成さ
れ、その半分はLED12a、12bからの光に対して透明であ
り、他方の半分はLED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1
4a、14bで検出される。図示のように可動部材８が真空
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。可動部
材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、可動部材８は地磁気
に応じた所定の方向に力を受ける。

この水平変位検出装置が動作状態にあるとき、可動部
材８は、その慣性と、北を指す磁針22からの力とによ
り、外界に対して一定の状態を保つ。この状態で、LED
の検出する光量が等しくなるように真空容器を回転させ
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。

可動部材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、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、可動部材８に鉄片23と真空容器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、可動部材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、可動部材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
可動部材の配置を示した図、第３図は第１図の変位検出
装置の容器及び可動部材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。

───────────────────────────────────────────────────── 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

(57)【特許請求の範囲】

【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な容器と、前記容器の減圧された内部空間に収容されると共に、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。
【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。
【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。
【請求項４】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。