JP2786005B2

JP2786005B2 - 変位検出装置

Info

Publication number: JP2786005B2
Application number: JP21634890A
Authority: JP
Inventors: 章建林; 修松本; 勉原; 祐二小林; 勝吉藤田; 誠一郎橋本
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1990-08-16
Filing date: 1990-08-16
Publication date: 1998-08-13
Anticipated expiration: 2013-08-13
Also published as: JPH0498115A

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基準部材に
設定された所定の回転軸に対して略回転対称な外形を有
し、内部に第１の流体を収容すると共に、この所定の回
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）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、可動部材
と第２の流体とを収容すると共に、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
て容器に対して相対的に回転し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、第１の流体を収容した可動部材の受ける浮力と、第
１の流体を収容した可動部材の重量とが等しい。

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、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。

〔作用〕

本発明に係る変位検出装置にあっては、容器の内面及
びこれに収容された可動部材の外形が所定の回転軸に対
して略回転対称である。したがって、容器内に収容され
た第２の流体は、容器の内面と可動部材の外面に挟まれ
た層状の空間領域に収容される。このため、基準部材及
び容器が所定の回転軸のまわりに回転しても、容器内の
可動部材及びその内部の第１の流体は、容器及び第２の
流体からの回転作用をほとんど受けず、その慣性により
外界に対して一定方向を維持する。

本発明に係る変位検出装置の動作時に、例えば基準部
材及び容器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、容器と可動部材との位置関係は、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。また、第２の液体と可動部材との位置関係
も、巨視的には一定に保たれたままである。したがっ
て、第２の液体と可動部材との間の摩擦力を正及び負の
方向に常に相殺しつつ容器を駆動していることになり、
このような摩擦力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、第１の流体を収容した可動部材の受ける浮力と、第
１の流体を収容した可動部材の重量とが等しいので、可
動部材を所定の回転軸のまわりに支持するための軸受け
等の手段から受ける負荷が軽減されることとなる。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。

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のずれを検出する。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、受光量の所定量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、本発明の一実施例の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
ある円筒状のフロート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、第２の流体である水で満たされてい
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、第１図の変位検出装置の容器４、フロート
８等の位置関係を説明したものである。

第２図に示すように、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。円柱状のフ
ロート８の内部はアルコール等の第２の流体で満たされ
ている。このため、フロートの材料として水よりも比重
の大きいものを用いれば、フロート８全体と容器４内の
水との比重はぼ等しくなっていて、軸38等にかかる負荷
が軽減されている。

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。なお、図示の状態のフロート８の位置を基準
位置と呼ぶものとする。

一方の第３図（ａ）は容器４の軸方向の断面図であ
り、他方の第３図（ｂ）は、容器４の軸に沿った断面図
である。フロート８が基準位置にあるとき、図に示すよ
うに、光ディテクタ14a、14bは、フロート８の端面18に
設けられた透光部18a及び遮光部18bの境界線に対面する
ように配置されている。また、LED光源12a、12bも透光
部18a及び遮光部18bの境界線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、遮光部8b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、12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に付属させた回転
エンコーダ19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19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、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
によりその方向又は位置を保つ。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でモニタしておけば、変
位検出装置全体の回転量、即ち変位が検出できる。

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の外形は、その回転軸に対して略
回転対称といえる範囲のものであれば任意のものとする
ことができる。ここで、フロート８の形状がその回転軸
に対して略回転対称であるとは、内部に水を収容した容
器４が回転しても、フロート８はその慣性によって外界
に対して一定方向を維持しうるような形状をいうものと
する。したがって、フロート８の形状は、６角柱、８角
柱等であってもよい。

同様に、容器４の内部空間の形状も略回転対称とす
る。このように内部空間を略回転対称とすることで、容
器４とフロート８との間に介在する水に乱流が生じるこ
とを防止でき、さらには、フロート８を介してその軸38
に加わる力を最小限にすることができる。この結果、フ
ロート８及び容器４が相対的に回転することによって生
じるこれらの相互作用を最小限に抑えることができる。

また、フロート８内に液体を密封する必要はない。例
えば、フロート８本体の比重が水の比重に近い場合、そ
の内部の液体も水にすることができる。したがって、フ
ロート８の内外を仕切らず、フロート８を単なるパイプ
状のものとすることもできる。

更に、フロート８の比重を例えば容器内の水よりもわ
ずかに大きくした場合、フロート８の重心を回転軸38よ
りも下方に設定することが望ましい。具体的には、第２
図及び第３図に示すように、フロート８の側面の内壁に
重り28を設ければよい。このような重り28の存在によ
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が重力によって一定の状態に保たれる。
フロート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こととなる。

また、容器４の内面とフロート８の外面とには水との
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の内部に中空のチューブからなるバッフ
ァを設けても良い。このようなバッファは、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
水等の体積変化を吸収でき、また気泡の発生を防止でき
る。

更に、容器４の内部に収容する第２の流体として、水
以外の液体、気体等の使用も可能である。ただし、粘性
の低い液体の方が、流体と、容器或いはフロートとの間
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。なお、容器内に収容する流体として空気を使用した
場合、フロート内をより軽いHe等で満たす工夫が必要な
ことはいうまでもない。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
な流体を使用することが望ましい。

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、19……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 - 9/36

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】変位が検出されるべき基準部材に設定され
た所定の回転軸に対して略回転対称な外形を有し、内部
に第１の流体を収容すると共に、前記所定の回転軸のま
わりに回動自在に設けられ、慣性力に応じて一定方向を
維持する可動部材と、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、前記可動部材と第２の流体とを収容すると
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て相対的
に回転し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。
【請求項２】前記第１の流体を収容した可動部材の受け
る浮力と、前記第１の流体を収容した可動部材の重量と
が等しい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】前記可動部材は開口を有し、前記第１及び
第２の流体は同一の流体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。
【請求項４】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。
【請求項５】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６】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。