JP5458847B2 - 回転体の傾き・偏心検出装置、及び回転体の傾き・偏心検出方法 - Google Patents

Description

この発明は、回転体の傾き及び偏心を検出する回転体の傾き・偏心検出装置、及び回転体の傾き・偏心検出方法に関する。

一般的に、回転体を精度よく滑らかに回転させるためには、回転体の傾きや偏心を抑える手段が必要となる。通常、回転体の傾きや偏心を抑えるためには、各種機構部品の寸法精度のばらつきを低減させたり、機構部品の寸法精度のばらつきを吸収する機構を導入したり、あるいは、回転構造物を組立てるときの組立て精度を向上させる必要がある。特に、回転構造物を組立てる際には、何らかの測定手段によって傾き量及び偏心量を測定しながら、序々に精度を上げて行く方法が必要であり、機構部品の寸法精度の向上が製品の最終的な性能に結びつくことが多い。例えば、航空管制等で使用される回転型のアンテナは、重量や慣性が大きいために、アンテナ部分に安定した回転性能を実現させるためには、アンテナを構成する回転体の傾きや偏心を抑えると共に組立て精度を上げる必要がある。

一般的に行われている回転体の傾き検出の方法としては、水準器を用いて回転体の傾きを測定する機械的な測定方法や、レーザ光を回転体の表面に照射して入射光と反射光との光路差（又は時間差）を読み取る光学的な測定方法などが主流である。また、偏心を検出する方法としては、回転軸の周囲に隙間センサを配置し、回転軸と隙間センサとの間のギャップ変動を測定する測定方法や、回転体の横方向に複数の変位センサを配置する等の測定方法が用いられている。

また、回転体の傾きや偏心を検出する先行技術としては、例えば、測定歯車を使用した回転体の偏心検出方法が開示されている（特許文献１参照）。以下、図１３を参照して、特許文献１における偏心検出方法について説明する。この技術では、回転体２０１に取り付けられた歯車２０２の位置を検出する電磁ピックアップ２０３を含む位置検出手段（検出回路２０４）と、この位置検出手段による回転状態時の検出信号と記憶手段であるＲＡＭ２０５やＲＯＭ２０６に記憶された検出信号との時間ずれを測定し、回転状態時の検出信号とあらかじめ記憶されている検出信号との時間的な比較値に基づいて、回転体２０１の偏心量を算出するＣＰＵ（演算手段）２０７と、を備えて偏心検出装置の全体を構成している。そして、この位置検出手段による初期状態時の検出信号と回転状態時の検出信号との時間ずれを比較することにより、回転体の偏心量を検出している。

また、回転体の偏心を検出する技術として、ラインカメラから得られる映像信号によって回転体の偏心角や偏心長を測定する方法も開示されている（特許文献２参照）。この技術によれば、光学的及び電気的に偏心量を測定しているので、分解能が高く高精度に偏心角や偏心長を測定することができる。また、カートリッジに収納されている光ディスク回転体のチルト量（偏心量）を検出する技術も開示されている（特許文献３参照）。この技術によれば、チルトセンサの受光面を、光ディスク回転体のラジアル方向及びタンジェンシャル方向に配置しているので、光ディスク回転体のチルト量をラジアル方向及びタンジェンシャル方向で同時に検出することができる。したがって、光ディスク回転体の偏心量を高精度に検出することが可能となる。

特開平０７−２５３３７５号公報 特開昭６０−２３５００３号公報 特開平１０−３２０８０４号公報

しかしながら、特許文献１の技術による回転体の傾き及び偏心の検出方式においては、次のようないくつかの課題がある。すなわち、第１の課題は、回転体の傾きと偏心とを同時に検出することができず、かつ、少なくとも独立した２つの検出系が必要である。近年では、多次元のレーザ変位計等が存在し、２方向以上の変位や角度が測定できることが可能であるが、このような２方向の測定には大掛かりな準備が必要となる。また、第２の課題は、レーザ光を使用する光学的な測定方法や、特許文献１における測定歯車を使用する測定方法などにおいては、検出機構に高価な測定器や歯車のような精密加工を要する構造体が必要となり、結果的に、低コストでの検出装置を構成することが難しい。さらに、第３の課題は、レーザ等を用いる測定方法では測定系自体の小型化が難しく、例えば、回転体の実動状態における傾き検出が極めて困難である。そため、回転体の動作状態における異常検出等の用途として使用することが難しい。

また、前述の特許文献２の技術においては、カメラ等の光学系を用意しなければならないので、複雑な機構要素が高密度で実装されている回転体の傾き及び偏心を検出することは難しい。また、回転体の周囲にオイルなどが飛散するような雰囲気においては、光学系による検出方法では回転体の傾き及び偏心を正確に検出することはできない。さらに、前述の特許文献３の技術においては、光ディスク回転体のような精密な回転機構の傾き及び偏心を検出するため、検出機構が極めて高価なものとなってしまう。すなわち、回転体の傾き及び偏心を検出する検出機構を安価に実現することはできない。

以上を要約すると、回転体を安定して回転させるには、回転体の傾き及び偏心を抑える必要がある。特に、航空管制レーダ等で用いられる回転体のアンテナには傾きや偏心を充分に抑えることが要求されるので、その回転体を高い精度で組立てることが必要である。ところが、一般的に行われている回転体の傾き検出方法は、水準器を用いる機械的な検出方法や、レーザ光を回転体の表面に照射して入射光と反射光との光路差を読み取る光学的な検出方法などが主流である。また、偏心の検出方法は、回転軸の周囲に複数の隙間センサを配置して、回転軸と隙間センサとの間のギャップ変動を測定する測定方法や、回転体の横方向に複数の変位センサを配置する等の測定方法が用いられている。

しかしながら、これらの検出方法では、回転体の傾きと偏心を同時に検出することができず、少なくとも独立した二系統の検出系が必要である。一方、近年では、多次元のレーザ変位計などが存在し、２方向以上の変位や角度が測定できることが可能になったが、何れの方法にしても、回転体の傾きと偏心を測定（検出）するのに大掛かりな準備が必要となり、またコスト高の要因となるなどの問題がある。

この発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、簡単な構成で回転体の傾きと偏心とを同時に検出することができる回転体の傾き・偏心検出装置、及び回転体の傾き・偏心検出方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、この発明の第１の構成は、固定部に対して回転自在に搭載された回転体の傾き量及び偏心量を検出する回転体の傾き・偏心検出装置であって、前記固定部と前記回転体とに対向して搭載された少なくとも３つ以上の光センサ及び少なくとも３つ以上の被検出体と、前記回転体の回転中において、前記光センサが前記被検出体を検出したときの検出信号に基づいて、前記回転体の傾き量と偏心量とを同時に推定する推定手段とを備え、前記被検出体は、先端に所定の角度を有する角部と該角部からテーパ状に延在するエッジ部とを備えてなると共に、前記光センサは、前記回転体の回転中において、前記被検出体の前記エッジ部で囲まれた領域を横切る態様に配置されてなり、かつ、前記光センサ及び前記被検出体は、それぞれ、前記回転体の円周上に等角度で配置されていることを特徴としている。

この発明の第２の構成は、固定部に対して回転自在に搭載された回転体の傾き量及び偏心量を、前記固定部と前記回転体とに対向して搭載された少なくとも３つ以上の光センサ及び少なくとも３つ以上の被検出体を用いて検出する回転体の傾き・偏心検出方法であって、前記被検出体を、先端に所定の角度を有する角部と該角部からテーパ状に延在するエッジ部とを備える構成にすると共に、前記光センサを、前記回転体の回転中において、前記被検出体の前記エッジ部で囲まれた領域を横切る態様に配置し、かつ、前記光センサ及び前記被検出体を、それぞれ、前記回転体の円周上に等角度に配置することで、前記回転体の回転中において、前記光センサが前記被検出体を検出したときの検出信号に基づいて、前記回転体の傾き量と偏心量とを同時に推定することを特徴としている。

この発明の構成によれば、固定部及び回転体にそれぞれ搭載された複数の光センサと複数の被検出体のみで、回転体の傾きと偏心量を同時に推定することができる。したがって、簡単かつ安価な構成で回転体の傾きと偏心を同時に検出することが可能となる。さらに、小型で汎用的な光センサを用いているので、回転構造物のような複雑な装置に対しても、この発明による回転体の傾き・偏心検出装置を容易に実装することが可能となる。

この発明に係る回転型アンテナ装置の全体構成を示す図であり、（ａ）は上から見た平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図１に示す被検出体の形状を示す側面図である。 図１に示す光センサと被検出体との位置関係を示す図であり、（ａ）は光センサの構成の一例を示す図、（ｂ）は被検出体が光センサの上を通過する際の位置関係を示す上面図、(ｃ)は被検出体が光センサの上を通過する際の位置関係を示す側面図である。 図３に示す光センサと被検出体におけるクリアランスと検出感度との関係を示す特性図である。 この発明の回転体の傾き・偏心検出装置における演算回路部の構成を示すブロック図である。 図１に示すアンテナ装置において、回転体が傾いた場合における光センサと被検出体の相対的な高さ方向の位置関係を示す説明図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面における仮想断面図を示す。 図６に示すように回転体に傾きが生じた場合における各光センサからの検出信号を示す特性図であり、（ａ）はクリアランスが狭い光センサ１ａの検出信号、（ｂ）はクリアランスが広い光センサ１ｂの検出信号を示す。 回転体に偏心が生じたときの光センサと被検出体の相対位置の変化を示す図であり、（ａ）は被検出体が外周方向に振られた場合、（ｂ）は回転体に偏心がない状態、（ｃ）は被検出体が内周方向に振られた場合の光センサと被検出体との位置関係を示す。 回転体に偏心が生じたときの光センサからの検出信号を示す特性図であり、（ａ）は被検出体が外周方向に振られた場合、（ｂ）は回転体に偏心がない場合、（ｃ）は被検出体が内周方向に振られた場合の、それぞれの検出信号の特性図を示す。 回転体が偏心したときの、各光センサ位置における相対位置と回転体の偏心量を示す説明図である。 この発明の回転体における、光センサと被検出体の相対位置と各諸元との関係を示す図である。 （ａ）は、この発明の実施形態２に係るアンテナ装置の側面における仮想断面図、（ｂ）は、光センサと被検出体との位置関係を示す図である。 先行技術における偏心検出方法を示す概念図である。

この発明による回転体の傾き及び偏心の検出装置は、固定部に対して回転自在に搭載された回転体の傾き量及び偏心量を検出する回転体の傾き・偏心検出装置であって、固定部と回転体とに対向して搭載された少なくとも３つ以上の光センサ及び少なくとも３つ以上の被検出体と、回転体の回転中において、光センサが被検出体を検出したときの検出信号に基づいて、回転体の傾き量と偏心量とを同時に推定する推定手段とを備えることによって、簡単な構成で回転体の傾きと偏心とを同時に検出するという目的を実現した。

さらに具体的に説明すると、前記被検出体は、先端に所定の角度を有する角部と該角部からテーパ状に延在するエッジ部とを備えてなると共に、前記光センサは、前記回転体の回転中において、前記被検出体の前記エッジ部で囲まれた領域を横切る態様に配置されてなり、かつ、前記光センサ及び前記被検出体は、それぞれ、前記回転体の円周上に等角度で配置されている。

以下、図面を参照して、この発明の実施形態について詳細に説明する。以下の説明では、具体的な実施例として、アンテナ装置における回転機構（回転体）の傾き及び偏心の検出方法について、アンテナ装置の全体構成及び機能を参照して詳細に説明する。

実施形態１

図１は、この発明に係る回転型アンテナ装置の全体構成を示す図であり、（ａ）は上部から見た平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１に示すように、一対の発光部と受光部とを備えた３つの光センサ１ａ、１ｂ、１ｃは、回転軸５を中心とする同一円上に１２０°ずつ離れて配置されており、それぞれ固定部３に固定されている。一方、回転体４には、角部からテーパ状に延在するエッジ部を有する３つの被検出体２ａ、２ｂ、２ｃが、回転軸５を中心とする同一円上に１２０°ずつ離れて取り付けられている。

また、被検出体２ａ、２ｂ、２ｃは、回転体４の回転時において、光センサ１ａ、１ｂ、１ｃの上を接触することなく通過することができ、かつ、両者の間隔は後述する光センサ１が持つ光学検出特性において、検出範囲内になるような高さに配置されている。さらに、回転体４にはアンテナ６が搭載されており、アンテナ６は、駆動モータ８及び旋回ベアリング９を介して回転軸５を中心として回転できる機構となっている。また、アンテナ６の回転時には、光センサ１ａ、１ｂ、１ｃの上を被検出体２ａ、２ｂ、２ｃが通過したときに検出される検出信号が演算回路７へ入力される。なお、この実施形態で使用する光センサ１は反射型のものである。

このような構成により、各被検出体２ａ、２ｂ、２ｃが、各光センサ１ａ、１ｂ、１ｃの上を通過した際に、それぞれの光センサ１ａ、１ｂ、１ｃから出力される検出信号を演算回路部７へ入力すると、その演算回路部７は回転体４の傾きと偏心の算出を行う。

すなわち、回転体４に傾きが生じた場合は、各光センサ１ａ、１ｂ、１ｃがそれぞれの被検出体２ａ、２ｂ、２ｃから検出した検出信号は、それぞれ振幅レベルが異なる信号成分として検出される。また、回転体４に偏心が生じた場合は、各光センサ１ａ、１ｂ、１ｃがそれぞれの被検出体２ａ、２ｂ、２ｃから検出した検出信号は、一定振幅レベル以上の検出信号の検出時間の差として検出される。ここで、傾きと偏心はそれぞれ独立した現象であるため、傾きと偏心が同時に存在している場合には、傾きの検出信号と偏心の検出信号の和として検出される。すなわち、各光センサ１ａ、１ｂ、１ｃから得られた検出信号に基づいて、回転体４の傾きと偏心をそれぞれ独立して算出することができる。

図２は、図１に示す被検出体２の形状を示す側面図である。また、図３は、図１に示す光センサ１と被検出体２との位置関係を示す図である、以下、図２及び図３を参照して、この発明の実施形態１における被検出体２の形状及び被検出体２と光センサ１との位置関係について説明する。図２に示すように、この実施形態における被検出体２は、所定の角度αを持つ角部２１を有している。また、角部２１からテーパ状に延在するエッジ部２２、２３は、前記角度αの中心線に対して対称な直線形状を有している。

また、被検出体２は、光センサ１の発光部からの光を効率良く反射させるために、金属等の反射率の高い材料を使用するか、または、光センサ１の発光部から放射される光の波長に対して、充分な反射が得られる材料にて表面全体が均一にコーティングされていることが望ましい。

次に、図３を参照して、この実施形態を実現するための被検出体２と光センサ１との位置関係について説明する。図３（ａ）は、光センサ１の構成の一例を示す図であり、光センサ１には、一対の発光部１１と受光部１２とを備え、発光部１１から発光された光は、図示しない反射物（被検出体）に当たり、反射して戻ってくる光を受光部１２にて受光する構造を有している。

図３（ｂ）は、被検出体２が光センサ１の上を通過する際の位置関係を示す上面図であり、図３(ｃ)は、被検出体２が光センサ１の上を通過する際の位置関係を示す側面図である。被検出体２は、回転時において、発光部１１からの光が、被検出体２のエッジ部２２、２３を確実に捕らえることができるように配置される。また、光センサ１と被検出体２の高さ方向のクリアランスは、ある所定の範囲を確保するように配置されている。

図４は、図３に示す光センサ１と被検出体２におけるクリアランスと検出感度との関係を示す特性図であり、横軸にクリアランス、縦軸に検出感度を示している。すなわち、光センサ１と被検出体２とのクリアランス量は、図４に示すように、光センサ１が被検出体２に対して持つクリアランスと検出感度との関係において、リニアな検出範囲Ｌ０の中心付近になるようにクリアランスの設計値を設定することが望ましい。

図５は、この発明の回転体の傾き・偏心検出装置における演算回路部７の構成を示すブロック図である。図５を参照して、この実施形態における演算回路部７の構成について説明する。なお、各光センサ１ａ、１ｂ、１ｃより得られた検出信号１３ａ、１３ｂ、１３ｃは、被検出体２からの反射光量に比例した光電流として演算回路部７へ出力される。

演算回路部７において、Ｉ−Ｖ変換器７１ａ、７１ｂ、７１ｃは、前記光電流として出力された検出信号１３ａ、１３ｂ、１３ｃを電圧信号に変換する機能を有する。調整部７２ａ、７２ｂ、７２ｃは、各光センサ１ａ、１ｂ、１ｃの出力感度や、被検出体２ａ、２ｂ、２ｃの反射率にばらつきがある場合に、あらかじめゲインや電気的なオフセットを調整する機能を有する。Ａ／Ｄ変換部７３ａ、７３ｂ、７３ｃは、検出信号１３ａ、１３ｂ、１３ｃにおける電圧信号をアナログ信号からデジタル信号へ変換する機能を有する。

振幅検知部７４ａ、７４ｂ、７４ｃは、各光センサ１ａ、１ｂ、１ｃからの検出信号の電圧振幅を出力する機能を有する。時間検知部７５ａ、７５ｂ、７５ｃは、一定振幅レベル以上の検出信号の検出時間を出力する機能を有する。傾き演算部７６は、振幅検知部７４ａ、７４ｂ、７４ｃから得られた各光センサ出力の振幅に基づいて回転体４の傾きを算出する機能を有し、偏心演算部７７は、時間検知部７５ａ、７５ｂ、７５ｃで得られた各光センサ１ａ、１ｂ、１ｃの出力信号の検知時間に基づいて回転体４の偏心量を算出する機能を有する。記憶部７８は、光センサ１（１ａ、１ｂ、１ｃ）と被検出体２（２ａ、２ｂ、２ｃ）のクリアランスと検出信号レベルとの相関関係や、光センサ１と被検出体２のエッジ位置と検出信号の検出時間との相関関係を記憶する機能を有している。

次に、回転体４に傾き及び偏心が生じた場合の、光センサ１と被検出体２による信号検出のメカニズムについて、図を参照して説明する。図６は、図１に示すアンテナ装置において、回転体４が傾いた場合における光センサ１と被検出体２の相対的な高さ方向の位置関係を示す説明図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面における仮想断面図を示している。

なお、この実施形態において、図６（ａ）では光センサ１ａ、１ｂ、１ｃの配置間隔は１２０°間隔で配置されているが、同図（ｂ）では、作図の関係上及び説明の便宜上から、光センサ１ａと１ｂ、及び被検出体２ａと２ｂが１８０°対向する位置関係に配置されて図示されている。回転体４に図６（ｂ）に示すような傾きがある場合には、光センサ１ａと被検出体２ａとのクリアランスは狭くなり、光センサ１ｂと被検出体２ｂとのクリアランスは広くなる。

図７は、図６に示すように回転体４に傾きが生じた場合における各光センサからの検出信号を示す特性図であり、（ａ）はクリアランスが狭い光センサ１ａの検出信号、（ｂ）はクリアランスが広い光センサ１ｂの検出信号を示している。なお、図７（ａ）、(ｂ)は、何れも横軸に時間、縦軸に検出信号の信号レベルを示している。すなわち、図６に示すように回転体４に傾きが生じて、光センサ１ａと被検出体２ａとのクリアランスが狭くなり、光センサ１ｂと被検出体２ｂとのクリアランスが広くなるようなクリアランスの関係になると、図４に示すクリアランスと検出感度との関係から、図７（ａ）、（ｂ）に示すような信号特性となる。言い換えると、図６に示すように光センサ１ａのクリアランスは光センサ１ｂのクリアランスより狭いので、図７（ａ）に示す光センサ１ａの検出信号１３ａは、同図（ｂ）に示す光センサ１ｂの検出信号１３ｂよりも大きな振幅を示している。

この実施形態では、光センサ1と被検出体２がそれぞれ１２０°ずつ隔てて３箇所存在するため、３箇所の位置情報と図７に示すような検出信号レベルの情報とに基づいて、回転体４の平面度を推定することができる。すなわち、１２０°ずつ隔てた各光センサ１ａ、１ｂ、１ｃの検出信号の振幅レベルを検知して演算回路部７が演算することにより、回転体４の傾きを推定することができる。

また、回転体４が偏心した場合には、被検出体２が、光センサ１に対して、回転面内に相対的な位置ずれを生ずる。図８は、回転体４に偏心が生じたときの光センサ１と被検出体２の相対位置の変化を示す図である。すなわち、図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、光センサ１と被検出体２が、図面左右方向に相対的にずれた場合の位置関係を示している。

図８（ａ）は、回転体４の偏心により被検出体２が外周方向に振られた場合の光センサ１と被検出体２の位置関係を示している。また、図８（ｂ）は、回転体４に偏心がない状態、または偏心があっても、被検出体２が設計位置を通過した場合の位置関係を示している。さらに、図８（ｃ）は、図８（ａ）とは逆方向つまり内周方向に被検出体２が振られた場合の光センサ１と被検出体２の位置関係を示している。

また、図９は、回転体４に偏心が生じたときの光センサからの検出信号を示す特性図であり、横軸に時間、縦軸に検出信号の信号レベルを示している。すなわち、図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）における光センサ１と被検出体２との位置関係が、それぞれ、図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の検出信号の特性図に対応している。言い換えると、図９（ａ）は、図８（ａ）のように被検出体２が外周方向に振られた場合の検出信号の特性図、図９（ｂ）は、図８（ｂ）のように回転体４に偏心がない場合の検出信号の特性図、図９（ｃ）は、図８（ｃ）のように被検出体２が内周方向に振られた場合の検出信号の特性図を示している。

すなわち、回転体４が偏心して回転した場合には、光センサ１の発光部１１が被検出体２に当接する時間の長さは、図８（ａ）＞図８（ｂ）＞図８（ｃ）の関係にある。したがって、それぞれの検出信号を示すと、図９（ａ）、図９（ｂ）、図９（ｃ）のように、時間幅Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃがそれぞれ異なる台形波の検出信号が検出され、それぞれの検出信号の時間幅は、Ｔａ＞Ｔｂ＞Ｔｃの関係となる。

図１０は、回転体４が偏心したときの、各光センサ１ａ、１ｂ、１ｃの位置における相対位置と回転体４の偏心量を示す説明図である。すなわち、回転体４が偏心して回転し、図１０に示すような偏心状態になった場合、光センサ１と被検出体２は、図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のような位置関係になり、その結果、検出信号は図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すような時間関係になる。

さらに詳しく説明すると、図１０に示すように回転体４が偏心しているときの光センサ１ａの位置においては、回転体４は理想位置４ａ（偏心のない場合の回転体４）よりも外周方向（図の左方向）に振られる。ところが、光センサ１ｃの位置においては、回転体４は理想位置４ａよりも内周方向（図の斜め右上方向から斜め右下方向）に振れている。一方、光センサ１ｂは理想位置４ａと回転体４の位置が一致していて偏心が生じていない。この実施形態では、光センサ1と被検出体２がそれぞれ３個存在するため、３箇所の位置情報から実際の回転体４の偏心円が決まる。すなわち、図９に示すように、各光センサ１ａ、１ｂ、１ｃの検出信号１３ａ、１３ｂ、１３ｃの時間幅がＴａ＞Ｔｂ＞Ｔｃとなる情報に基づいて、図１０に示す偏心量Δを推定することができる。

次に、回転体４の傾き及び偏心を求めるための演算回路７の動作に関して、図５を参照して説明する。回転体４の傾きを算出するためには、振幅検知部７４ａ、７４ｂ、７４ｃへ各光センサ１ａ、１ｂ、１ｃからの検出信号１３ａ、１３ｂ、１３ｃのＡ／Ｄ変換信号（つまり、デジタル信号）を入力する。すると、振幅検知部７４ａ、７４ｂ、７４ｃは、これら３つの検出信号１３ａ、１３ｂ、１３の台形波の振幅を検知し、その振幅データを傾き演算部７６へ送信する。

ここで、検出信号１３ａ、１３ｂ、１３の台形波の振幅と、光センサ１と被検出体２のクリアランスとの関係については、図４に示す特性図よってその関係がわかるため、記憶部７５に記憶されているクリアランスと検出信号レベルとの相関関係を参照することにより、３つの光センサ位置におけるクリアランス変動量が求められる。すなわち、回転体４の理想的な平面が決定されるため、回転体４の傾きは傾き演算部７６によって一義的に傾き量を算出することができる。

また、回転体４の偏心を算出するためには、時間検知部７５に各光センサ１ａ、１ｂ、１ｃからの検出信号１３ａ、１３ｂ、１３ｃのＡ／Ｄ変換信号（デジタル信号）を入力する。すると、時間検知部７５は、これらの３つの検出信号の台形波がある一定レベルを超えている時間を検知する。なお、被検出体２のエッジ部２２、２３が、光センサ１（１ａ、１ｂ、１ｃ）の各発光部１１を横切るとき、検出信号は理論上においては台形波ではなく矩形波であるが、現実的には反射率の急変動によって発光部１１の光は有限の光束をもつため、図９に示すような台形波の検出信号となる。

このため、光センサ１の発光部１１に被検出体２が横切る時間は、等価的に台形波の振幅Ａの半値Ａ／２以上になる時間Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃの情報を利用すればよい。すなわち、図９の例では、各光センサ１ａ、１ｂ、１ｃの検出信号１３ａ、１３ｂ、１３ｃの時間幅はＴａ＞Ｔｂ＞Ｔｃとなっているので、これらの時間幅の情報を利用すれば回転体４の偏心を推定することができる。

図１１は、光センサ１と被検出体２の相対位置と各諸元との関係を示す図である。すなわち、図１１（ａ）は、回転体に偏心がある場合の光センサ１と被検出体２の位置関係を示し、図１１（ｂ）は、回転体に偏心がない場合の光センサ１と被検出体２の位置関係を示している。

ここで、被検出体２に光センサ１の発光体１１が横切る距離Ｌａ（ｍ）は、被検出体２の回転軸からの半径をＲ（ｍ）、回転体４の回転数がＺ（ｒｐｍ）、光センサ１の発光体１１に被検出体２が横切る時間をＴａとすれば、回転体４に偏心がある場合は、被検出体２に光センサ１の発光部が横切るための距離Ｌａ（ｍ）は、下記の式（１）で求まる。

Ｌａ＝２πＺＴａＲ／６０ （１）

一方、回転体に偏心がない状態での、被検出体２に光センサ１の発光部が横切る距離をＬとすれば、光センサ１がある位置での回転体の振れ量δは、次の式（２）で求まる。
δ＝（Ｌａ−Ｌ）／２ｔａｎ（α／２） （２）

上記の振れ量δは、３つの光センサ１ａ、１ｂ、１ｃの位置での値がそれぞれ算出される。このようにして３つの振れ量が推定できれば、実際に偏心して回転している回転体４の円の形状が求められるため、偏心量を求めることができる。なお、偏心がない状態での、被検出体２に光センサ１の発光体１１が横切る距離Ｌは、演算回路７の中の記憶部７５に記憶される。

実施形態２

図１２（ａ）は、この発明の実施形態２に係るアンテナ装置の側面における仮想断面図であり、（ｂ）は、光センサ１ａと被検出体２aとの位置関係を示す図である。すなわち、前述の実施形態１では、固定部３に光センサ１（１ａ、１ｂ、１ｃ）を実装し、回転体４に被検出体２（２ａ、２ｂ、２ｃ）を固定している。ところが、実施形態２では、固定部３に被検出体２を固定し、回転体４に光センサ１を実装している。このようにして、光センサ１と被検出体２とを実施形態１とは逆にした取付け構成にしても、実施形態１と同様の作用効果が得られる。

すなわち、図１２（ａ）は、実施形態２における側面から見た回転構造物の仮想断面図であり、図１２（ｂ）は、光センサ１ａと被検出体２aを下から見た位置関係を示す図である。一対の発光部と受光部を備えた３つの光センサ１ａ、１ｂ、１ｃは、実施形態１と同様に、回転軸５を中心とする同一円上に１２０°離れて配置されていて回転体４に固定されている。

一方、固定部３には、角部２１からテーパ状に延在したエッジ部２２、２３を有する３つの被検出体２ａ、２ｂ、２ｃが、回転軸５を中心とする同一円状に１２０°ずつ離れて取り付けられている。また、被検出体２ａ、２ｂ、２ｃは、回転時において光センサ１ａ、１ｂ、１ｃの上を接触することなく通過できる高さ関係に配置されている。さらに、回転体４は、駆動モータ８、旋回ベアリング９を介して、回転することができる機構となっている。

このような構成により、回転体４の回転時には、光センサ１ａ、１ｂ、１ｃの上を被検出体２ａ、２ｂ、２ｃが通過したときに検出される検出信号１３ａ、１３ｂ、１３ｃを演算回路７へ入力する。尚、この実施形態２で使用する光センサ１は反射型のものである。

ここで、図１（ｂ）及び図３（ｂ）の実施形態１と比較すると、実施形態２では、図１２に示すように、光センサ１と被検出体２の搭載場所と、搭載の向きが異なっているのみであり、回転体４に傾きや偏心が生じたとしても、光センサ１及び被検出体２の相対的な位置関係は実施形態１と同じである。したがって、以降の動作原理及び作用効果については、実施形態１と同じであるため、それらの説明は省略する。

以上述べたように、この発明による回転体の傾き・偏心検出装置によれば、以下に述べるような種々の効果を奏することができる。すなわち、第１の効果は、複数（たとえば、３つ）の光センサと複数（例えば、３つ）の被検出体のみで、回転体の傾きと偏心量を同時に推定することができることにある。その理由は、角部にエッジ部を有する被検出体を用いることにより、回転体の傾きによる光センサの検出信号の特徴と、偏心による光センサの検出信号の特徴との相違点を作り出すことができるためである。

第２の効果は、低コストで回転体の傾き及び偏心が検出可能であることにある。その理由は、従来のように特別なセンサや大型の測定器を用いる必要がないため、光センサとして汎用のフォトインタラプタなどのような低価格のものを使用することができるからである。また、第３の効果は、汎用の光センサは非常に小型であるため、常に回転構造物に実装した状態で使用できるという点である。これは、単に、傾きや偏心の検出のみに限らず、実稼動状態における異常や故障検出などに応用することができることを意味している。

以上、この発明の２つの実施形態を、図面を参照して詳述してきたが、この発明の具体的に構成は、これらの実施形態に限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、それらはこの発明に含まれる。例えば、光センサ及び被検出体は、それぞれ３個ではなく、さらに多くの個数を回転体の円周上に配置すれば、回転体の傾き量及び偏心量をさらに高精度に測定することができる。また、複数の光センサ及び被検出体は、回転体の円周上に等角度で配置すれば、回転体の傾き量及び偏心量を円周に沿って均一に測定することができるが、回転体の傾きと偏心を簡易的に検出する場合は、複数の光センサ及び被検出体を回転体の円周上に不等角度で配置してもよい。

この発明による回転体の傾き・偏心検出装置は、航空管制用の空中線回転装置（回転アンテナ）などのように、安定した回転運用が必要とされる回転構造物に有効に利用することができる。特に、回転構造物を組み立てるときの、精度追い込み作業時の傾きや偏心検出、あるいは運用時における回転動作の異常検出などに有効に利用することができる。

１、１ａ、１ｂ、１ｃ 光センサ
２、２ａ、２ｂ、２ｃ 被検出体
３ 固定部
４、４ａ 回転体
５ 回転軸
６ アンテナ
７ 演算回路部（推定手段）
８ 駆動モータ
９ 旋回ベアリング
１１ 発光体
１２ 受光体
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ 検出信号
２１ 角部
２２、２３ エッジ部
７１ａ、７１ｂ、７１ｃ Ｉ−Ｖ変換部
７２ａ、７２ｂ、７２ｃ 調整器
７３ａ、７３ｂ、７３ｃ Ａ／Ｄ変換部
７４ａ、７４ｂ、７４ｃ 振幅検知部
７５ａ、７５ｂ、７５ｃ 時間検知部
７６ 傾き演算部
７７ 偏心演算部
７８ 記憶部
Δ 偏心量

Claims (10)

1. 固定部に対して回転自在に搭載された回転体の傾き量及び偏心量を検出する回転体の傾き・偏心検出装置であって、
   前記固定部と前記回転体とに対向して搭載された少なくとも３つ以上の光センサ及び少なくとも３つ以上の被検出体と、
   前記回転体の回転中において、前記光センサが前記被検出体を検出したときの検出信号に基づいて、前記回転体の傾き量と偏心量とを同時に推定する推定手段とを備え、
   前記被検出体は、先端に所定の角度を有する角部と該角部からテーパ状に延在するエッジ部とを備えてなると共に、前記光センサは、前記回転体の回転中において、前記被検出体の前記エッジ部で囲まれた領域を横切る態様に配置されてなり、かつ、
   前記光センサ及び前記被検出体は、それぞれ、前記回転体の円周上に等角度で配置されている
   ことを特徴とする回転体の傾き・偏心検出装置。
2. 前記光センサは、前記回転体の回転中における傾き量に応じて前記被検出体との間のクリアランスを変化させると共に、前記回転体の回転中における偏心量に応じて前記エッジ部で挟まれた領域を横切る時間を変化させる
   ことを特徴とする請求項１記載の回転体の傾き・偏心検出装置。
3. 前記推定手段は、
   前記光センサが前記被検出体から検出した検出信号の振幅レベルに応じて前記回転体の傾き量を推定し、
   前記光センサが前記被検出体から検出した一定振幅レベル以上の検出信号の検出時間に応じて前記回転体の偏心量を推定する
   ことを特徴とする請求項２記載の回転体の傾き・偏心検出装置。
4. 前記光センサは前記固定部に搭載され、前記被検出体は前記回転体に搭載されていることを特徴とする請求項１、２又は３記載の回転体の傾き・偏心検出装置。
5. 前記光センサは前記回転体に搭載され、前記被検出体は前記固定部に搭載されていることを特徴とする請求項１、２又は３記載の回転体の傾き・偏心検出装置。
6. 前記光センサは、自己が放射した光信号を前記被検出体から反射させて受光する反射型の光センサであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１に記載の回転体の傾き・偏心検出装置。
7. 前記被検出体は、反射率の高い材料を用いるか、又は、その光センサから放射される光信号の波長に対して充分な反射率が得られる材料で表面全体がコーティングされていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１に記載の回転体の傾き・偏心検出装置。
8. 固定部に対して回転自在に搭載された回転体の傾き量及び偏心量を、前記固定部と前記回転体とに対向して搭載された少なくとも３つ以上の光センサ及び少なくとも３つ以上の被検出体を用いて検出する回転体の傾き・偏心検出方法であって、
   前記被検出体を、先端に所定の角度を有する角部と該角部からテーパ状に延在するエッジ部とを備える構成にすると共に、前記光センサを、前記回転体の回転中において、前記被検出体の前記エッジ部で囲まれた領域を横切る態様に配置し、かつ、
   前記光センサ及び前記被検出体を、それぞれ、前記回転体の円周上に等角度に配置することで、
   前記回転体の回転中において、前記光センサが前記被検出体を検出したときの検出信号に基づいて、前記回転体の傾き量と偏心量とを同時に推定することを特徴とする回転体の傾き・偏心検出方法。
9. 前記被検出体は、前記回転体の回転中における偏心量に応じて、前記回転体の軸心方向と円周方向との間を移動し、
   前記光センサは、前記回転体の回転中における傾き量に応じて前記被検出体との間のクリアランスを変化させると共に、前記回転体の回転中における偏心量に応じて前記エッジ部で挟まれた領域を横切る時間を変化させる
   ことを特徴とする請求項８記載の回転体の傾き・偏心検出方法。
10. 前記光センサが前記被検出体から検出した検出信号の振幅レベルに応じて前記回転体の傾き量を推定し、
    前記光センサが前記被検出体から検出した一定振幅レベル以上の検出信号の検出時間に応じて前記回転体の偏心量を推定する
    ことを特徴とする請求項９記載の回転体の傾き・偏心検出方法。

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