JP4794512B2

JP4794512B2 - 回転数計測装置及び回転飛翔体

Info

Publication number: JP4794512B2
Application number: JP2007177216A
Authority: JP
Inventors: 勝之三浦
Original assignee: Yokogawa Denshikiki Co Ltd
Current assignee: Yokogawa Denshikiki Co Ltd
Priority date: 2007-07-05
Filing date: 2007-07-05
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2027-07-05
Also published as: JP2009014530A

Description

本発明は、回転数計測装置及び回転飛翔体に関する。

従来、回転しつつ飛行する回転飛翔体の回転数を計測する方法として、高速度カメラで回転飛翔体を撮影し、当該撮影画像に基づいて回転数を判定する方法が採用されていた（下記非特許文献１参照）。
http://www.nobby-tech.co.jp/product/h07.html

しかしながら、上記のような従来の方法では、ある瞬間の回転飛翔体の回転数を計測することしかできず、回転飛翔体が飛行している間の回転数をリアルタイムに計測することは困難であった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、回転体の回転数をリアルタイムに計測することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明では、回転数計測装置に係る第１の解決手段として、回転体の回転中心に対して対称となる２つの位置に入射される外光の光量を検出する光量検出手段と、前記２つの位置に入射される外光の光量差の変動周期に基づいて前記回転体の回転数を判定する回転数判定手段とを具備することを特徴とする。

また、本発明では、回転数計測装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記光量検出手段は、前記回転体の回転中心に対して対称となる２つの位置に受光面を外側に向けて配置された光電変換素子であり、前記回転数判定手段は、前記２つ位置に配置された光電変換素子の各々から出力される電気信号を入力とし、当該電気信号の差動信号を出力する差動増幅器と、前記差動信号の変動周期に基づいて前記回転体の回転数を判定する信号処理回路とを備えることを特徴とする。

一方、本発明では、回転飛翔体に係る解決手段として、上記第１または第２の解決手段を有する回転数計測装置を具備することを特徴とする。

本発明に係る回転数計測装置では、回転体の回転中心に対して対称となる２つの位置に入射される外光の光量を検出して、前記２つの位置に入射される外光の光量差の変動周期を求める。この外光の光量差の変動周期は、回転体の回転数を表すものである。従って、本発明に係る回転数計測装置によれば、回転体の回転数をリアルタイムに計測することが可能であり、このような回転数計測装置を回転飛翔体に備えることにより、回転飛翔体の回転数をリアルタイムに計測することが可能である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る回転数計測装置ＲＭの機能ブロック図である。この図１に示すように、本回転数計測装置ＲＭは、第１のフォトダイオード１０、第２のフォトダイオード２０、第１の増幅器３０、第２の増幅器４０、差動増幅器５０及び信号処理回路６０を備えている。なお、第１のフォトダイオード１０及び第２のフォトダイオード２０は光電変換素子であり、これらは本発明における光量検出手段に相当する。また、差動増幅器５０及び信号処理回路６０は、本発明における回転数判定手段に相当する。

図２は、回転体１００における上記第１のフォトダイオード１０及び第２のフォトダイオード２０の配置位置を示すものであり、図２（ａ）は回転体１００の正面図、図２（ｂ）は回転体１００の側断面図である。なお、図２（ａ）及び（ｂ）において、図中に示されたＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部材の位置関係について説明する。このＸＹＺ直交座標系では、回転体１００の回転軸をＸ軸と設定し、水平面においてＸ軸と直交する方向をＹ軸と設定し、Ｘ軸及びＹ軸に対して（つまり水平面に対して）垂直な方向をＺ軸と設定している。

図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、回転体１００の回転中心に対して対称となる２つの位置をそれぞれ第１の位置Ｐ１、第２の位置Ｐ２とすると、第１のフォトダイオード１０は第１の位置Ｐ１に受光面を外側に向けて設置され、また、第２のフォトダイオード２０は第２の位置Ｐ２に受光面を外側に向けて設置されている。第１のフォトダイオード１０及び第２のフォトダイオード２０の受光面側には、外光を入射するための開口部が設けられており、これらの開口部には図２（ｂ）に示すように、光学フィルタ１０１を２枚のポリカーポネイド窓材１０２及び１０３で挟持した構成からなる光学系部材が配置されている。

光学フィルタ１０１は、第１のフォトダイオード１０及び第２のフォトダイオード２０の受光面に入射する外光の強度（光量）を減衰するためのフィルタである。この光学フィルタ１０１は、第１のフォトダイオード１０及び第２のフォトダイオード２０の受光量が仕様上の最大許容受光量を超えないようにするために設けられたものである。また、ポリカーポネイド窓材１０２及び１０３は、高衝撃による光学フィルタ１０１の破損を防止するために設けられたものである。

また、図２（ｂ）に示すように、第１のフォトダイオード１０の出力配線は第１の回路基板１０４に接続され、また、第２のフォトダイオード２０の出力配線は第２の回路基板１０５に接続されている。詳細には、第１の回路基板１０４には第１の増幅器３０が実装されており、第１のフォトダイオード１０の出力配線はこの第１の増幅器３０の入力端子に接続されている。また、第２の回路基板１０５には第２の増幅器４０が実装されており、第２のフォトダイオード２０の出力配線はこの第２の増幅器２０の入力端子に接続されている。なお、図２（ｂ）には図示していないが、第１の増幅器３０及び第２の増幅器４０の出力配線は差動増幅器５０の入力端子に接続されており、また、差動増幅器５０の出力配線は信号処理回路６０の入力端子に接続されている。

図１を参照してより具体的に説明すると、第１のフォトダイオード１０は、回転体１００の第１の位置Ｐ１に入射される外光を受光し、受光量に応じた第１の電気信号Ｓ１を第１の増幅器３０に出力する。一方、第２のフォトダイオード２０は、回転体１００の第２の位置Ｐ２に入射される外光を受光し、受光量に応じた第２の電気信号Ｓ２を第２の増幅器４０に出力する。第１の増幅器３０は、第１の電気信号Ｓ１を増幅して差動増幅器５０の正極入力端子に出力する。第２の増幅器４０は、第２の電気信号Ｓ２を増幅して差動増幅器５０の負極入力端子に出力する。

差動増幅器５０は、正極入力端子に入力された第１の電気信号Ｓ１と、負極入力端子に入力された第２の電気信号Ｓ２との差分（つまり第１のフォトダイオード１０の受光量と第２のフォトダイオード２０の受光量との光量差）を示す差動信号Ｓ３を信号処理回路６０に出力する。信号処理回路６０は、上記差動信号Ｓ３をデジタルデータに変換した後、このデジタルデータを信号処理することによって差動信号Ｓ３の変動周期を求め、当該変動周期に基づいて回転体１００の回転数を判定する。また、この信号処理回路６０は、回転数の判定結果、つまり回転数の計測結果を内部メモリに保存する。

次に、上記のように構成された本回転数計測装置ＲＭの動作について図３及び図４を参照して説明する。

図３は、回転体１００の回転に伴って第１のフォトダイオード１０及び第２のフォトダイオード２０の位置が変化する様子を示すものである。図３（ａ）に示すように、時刻ｔ０において、第１のフォトダイオード１０はＺ軸上の上方に位置し、第２のフォトダイオード２０はＺ軸上の下方に位置しているものとする。また、Ｚ軸上の上方から入射される外光を天空光（つまり太陽光）、下方から入射される外光を地表光（つまり天空光が地表によって反射された光）とする。また、回転体１００は右回りに回転するものとする。

図３（ｂ）に示すように、時刻ｔ１において回転体１００は４５°回転し、図３（ｃ）に示すように、時刻ｔ２において回転体１００は９０°回転し、図３（ｄ）に示すように、時刻ｔ３において回転体１００は１３５°回転し、図３（ｅ）に示すように、時刻ｔ４において回転体１００は１８０°回転し、図３（ｆ）に示すように、時刻ｔ５において回転体１００は２２５°回転し、図３（ｇ）に示すように、時刻ｔ６において回転体１００は２７０°回転し、図３（ｈ）に示すように、時刻ｔ７において回転体１００は３１５°回転するものとする。また、図示していないが、時刻ｔ８において回転体１００は３６０°回転し、図３（ａ）の状態に戻るものとする。

このように回転体１００が回転する時刻ｔ０〜ｔ８までの間に、差動増幅器５０から出力される差動信号Ｓ３の時間変化を示したものが図４である。図４において横軸は時間を示し、縦軸は差動信号Ｓ３の振幅値（つまり第１のフォトダイオード１０の受光量と第２のフォトダイオード２０の受光量との光量差）を示している。

図４に示すように、時刻ｔ０において、差動信号Ｓ３の振幅値は＋側に最大値となる。これは、天空光と地表光の光軸はＺ軸とほぼ平行であるので、第１のフォトダイオード１０及び第２のフォトダイオード２０の受光面が天空光と地表光の光軸（Ｚ軸）と直交することになり、受光感度が最も高くなるためである。また、＋側に最大値となるのは、天空光の方が地表光よりも光量が高いため（第１の電気信号Ｓ１の振幅値の方が第２の電気信号Ｓ２の振幅値よりも大きいため）である。

続いて、時刻ｔ１において回転体１００が４５°回転すると、第１のフォトダイオード１０及び第２のフォトダイオード２０の受光面が天空光と地表光の光軸（Ｚ軸）に対して４５°傾くことになり受光感度が低下する。その結果、図４に示すように、差動信号Ｓ３の振幅値は減少することになる。

続いて、時刻ｔ２において回転体１００が９０°回転すると、第１のフォトダイオード１０及び第２のフォトダイオード２０の受光面が天空光と地表光の光軸（Ｚ軸）に対して平行になり受光感度は最も低くなるが、フォトダイオードはある程度の視野角を有しているため、それぞれの受光量は零とはならない。しかしながら、時刻ｔ２では、第１のフォトダイオード１０及び第２のフォトダイオード２０の両方がＹ軸方向（水平方向）に位置することになるため、それぞれの受光量はほぼ等しくなる。その結果、図４に示すように、差動信号Ｓ３の振幅値（光量差）は零となる。なお、天候や地表面の状態、回転体が回転飛翔体であれば飛行状態などの条件によっては差動信号Ｓ３の振幅値（光量差）は必ずしも零になるとは限らず、ある程度の値となる場合もある。

続いて、時刻ｔ３において回転体１００が１３５°回転すると、第１のフォトダイオード１０及び第２のフォトダイオード２０の受光面が天空光と地表光の光軸（Ｚ軸）に対して４５°傾くことになり受光感度は時刻ｔ２と比べると高くなる。しかしながら、この場合、第２のフォトダイオード２０の受光量が第１のフォトダイオード１０の受光量より大きくなる（つまり第２の電気信号Ｓ２の振幅値が第１の電気信号Ｓ１の振幅値より大きくなる）ため、図４に示すように、差動信号Ｓ３の振幅値は−側に増大することになる。

続いて、時刻ｔ４において回転体１００が１８０°回転すると、第１のフォトダイオード１０及び第２のフォトダイオード２０の受光面が天空光と地表光の光軸（Ｚ軸）と直交することになり受光感度は最も高くなるが、図４に示すように、時刻ｔ０とは逆に差動信号Ｓ３の振幅値は−側に最大値となる。

続いて、時刻ｔ５において回転体１００が２２５°回転すると、第１のフォトダイオード１０及び第２のフォトダイオード２０の受光面が天空光と地表光の光軸（Ｚ軸）に対して４５°傾くことになり受光感度が低下する。その結果、図４に示すように、差動信号Ｓ３の振幅値は＋側に減少することになる（時刻ｔ３と同様の状況となる）。

続いて、時刻ｔ６において回転体１００が２７０°回転すると、時刻ｔ２と同様の状況となり、その結果、図４に示すように、差動信号Ｓ３の振幅値は零となる（時刻ｔ２と同様の状況となる）。続いて、時刻ｔ７において回転体１００が３１５°回転すると、時刻ｔ１と同様の状況となり、その結果、図４に示すように、差動信号Ｓ３の振幅値は＋側に増大する。そして、時刻ｔ８において回転体１００が３６０°回転すると、時刻ｔ０と同様の状況となり、その結果、図４に示すように、差動信号Ｓ３の振幅値は＋側に最大値となる。

以上説明したように、差動信号Ｓ３の振幅値は、回転体１００の回転に伴って＋側の最大値と−側の最大値との範囲で変動し、その変動周期Ｔ（＝ｔ８−ｔ０）は回転体１００の１回転分に相当する。従って、回転体１００の回転数ｆは、ｆ＝１／Ｔで表すことができる。すなわち、信号処理回路６０は、差動信号Ｓ３をデジタルデータに変換した後、このデジタルデータを信号処理することによって差動信号Ｓ３の変動周期Ｔを求め、ｆ＝１／Ｔを演算することによって回転体１００の回転数ｆを判定する。

以上のように、本回転数計測装置ＲＭによれば、回転体１００の回転数をリアルタイムに計測することができる。

以下、上述した回転数計測装置ＲＭを、回転しつつ飛行する回転飛翔体の回転数計測に応用した例について説明する。図５は、本回転数計測装置ＲＭを備えた回転飛翔体ＭＳの構成概略図である。この図５に示すように、回転飛翔体ＭＳは、略円筒形状であって、先端（進行方向）に向かって徐々に縮径された形状のケーシング２００内に、本回転数計測装置ＲＭの構成要素である第１のフォトダイオード１０、第２のフォトダイオード２０、第１の増幅器３０、第２の増幅器４０、差動増幅器５０及び信号処理回路６０を備えた構成となっている。ケーシング２００は、回転軸ＡＸを中心として回転しつつ飛行するものであり、つまり第１のフォトダイオード１０及び第２のフォトダイオード２０は、ケーシング２００の回転中心である回転軸ＡＸに対して対称となる位置に受光面を外側に向けて配置されている。

なお、回転数計測装置ＲＭを回転飛翔体ＭＳに備える場合、外光として可視光のみを受光するような波長感度特性を有する第１のフォトダイオード１０及び第２のフォトダイオード２０を選定することが望ましい。これは、例えば赤外光の場合、飛行高度が高くなると天空光と地表光との光量差が小さくなって差動信号Ｓ３の振幅が小さくなり、回転数の計測精度が低下してしまうが、可視光の場合は飛行高度が高くとも天空光と地表光との光量差を確保できるためである。また、天空光と地表光との光量差に影響を及ぼす程の高度を飛行しない場合は、可視光、赤外光、紫外光など、どの波長領域の外光を受光するかは任意に決定して良い。

このように本回転数計測装置ＲＭを回転飛翔体ＭＳに設けることにより、回転飛翔体ＭＳが飛行している間の回転数をリアルタイムに計測することができ、この回転数の計測結果を信号処理回路６０の内部メモリに保存しておくことで、着地後に回転数計測結果を回収することができる。

なお、上記応用例では、本回転数計測装置ＲＭを回転飛翔体ＭＳの回転数計測に使用した場合を例示して説明したが、これに限定されず、天空光と地表光との入射を受ける回転体であれば本回転数計測装置ＲＭを用いることができる。また、天空光と地表光は自然光に限らず、人工的な光を天空光とし、この人工的な光が地表や床面などによって反射した光を地表光とする場合でも本回転数計測装置ＲＭを用いることができる。

本発明の一実施形態に係る回転数計測装置ＲＭの機能ブロック図である。本発明の一実施形態に係る回転数計測装置ＲＭにおける第１のフォトダイオード１０及び第２のフォトダイオード２０の配置説明図である。本発明の一実施形態に係る回転数計測装置ＲＭの動作に関する第１説明図である。本発明の一実施形態に係る回転数計測装置ＲＭの動作に関する第２説明図である。本発明の一実施形態に係る回転数計測装置ＲＭを備えた回転飛翔体ＭＳの概略図である。

符号の説明

ＲＭ…回転数計測装置、１０…第１のフォトダイオード、２０…第２のフォトダイオード、３０…第１の増幅器、４０…第２の増幅器、５０…差動増幅器、６０…信号処理回路、１００…回転体、ＭＳ…回転飛翔体

Claims

回転体の回転中心に対して対称となる２つの位置に入射される天空光及び地表光の光量を検出する光量検出手段と、
前記２つの位置に入射される天空光及び地表光の光量差の変動周期に基づいて前記回転体の回転数を判定する回転数判定手段と、
を具備することを特徴とする回転数計測装置。
前記光量検出手段は、前記回転体の回転中心に対して対称となる２つの位置に受光面を外側に向けて配置された光電変換素子であり、
前記回転数判定手段は、前記２つ位置に配置された光電変換素子の各々から出力される電気信号を入力とし、当該電気信号の差動信号を出力する差動増幅器と、前記差動信号の変動周期に基づいて前記回転体の回転数を判定する信号処理回路とを備える、
ことを特徴とする請求項１記載の回転数計測装置。
前記光電変換素子は、可視光のみを受光する波長感度特性を有することを特徴とする請求項２に記載の回転数計測装置。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転数計測装置を具備することを特徴とする回転飛翔体。