JPH01118706A - 回転軸の相対角度検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、異なる回転軸同士の同期をとる場合や、同一
軸上の異なる二点間のねじれ歪みを測定する場合等に好
適に適用可能な回転軸の相対角度検出器に関するもので
ある。

［従来の技術］ 異なる回転軸同士の同期をとる必要がある場合、従来で
は各々の回転軸にエンコーダやポテンショメータ等のセ
ンサを取着して速度信号を個別に取出し、これをロータ
リエンコーダに逐次入力して、その経時的データに基づ
いて相対角度を算出するようにしているのが通例である
。また、同一軸上における二点間にトルクが作用してね
じれ歪みが生じた場合に、そのねじれ歪みを検出しよう
とする際には、各々の被検出部分に歪みゲージを貼着し
ておき、スリップリングを介して歪みゲージから電気的
な歪み検出倍電・を取出し、これに基づいて比較するよ
うにしている。

［発明が解決しようとする問題点］ ところが、ロータリエンコーダを用いる場合には、セン
サの検出値が直接に相対角度を示すアブソリュートな信
号でないため、前述したように各々の軸部に設けたセン
サからの信号を経時的に処理して相対角度を算出しなけ
ればならない。このため、検出器の電源投入時や停電回
復時等には、初期状態を検出できない欠点がある。また
、この種のものは三箇所にセンサ部を取付けなければな
らない上に、演算部も必要であるため、部品点数が増大
してコスト高を招くことが避けられないといった不具合
がある。

一方、歪みゲージを用いる場合には、ゲージの許容変位
量が一般に非常に小さいものであるため、測定レンジに
自ずと限界が定められる他、検出信号を取出すためには
通常スリップリングを用いるためコスト高となり、さら
に該スリップリングとゲージとの間に生ずる機械的な摩
擦・接触に起因して検出器が故障し易い。

本発明は、以上のような不具合に鑑みてなされたもので
あって、簡単な構成により相対する二軸部間の同期状態
やねじれ歪み等を適確に検出し得る回転軸の相対角度検
出器を実現することを目的としている。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、かかる目的を達成するために次のような手段
を採用したものである。

すなわち、本発明に係る回転軸の相対角度検出器は、同
一軸心」二にあって相対する二軸部にそれぞれ偏光ガラ
スを軸着して対向させるとともに、これら両偏光ガラス
に向け非接触に発光体と受光体を対設し、前記発光体が
発光する光を前記両偏光ガラスを透過させて前記受光体
に受光させ、その光量を直接または電気量に変換して取
出し得るように構成したことを特徴としている。

［作用］ このような構成のものであれば、透過光量は両偏光ガラ
スの極性が揃った時に最大となり、漸次減少してその極
性が相反した時に最少となる。したがって、受光体が受
光する光量は両軸部の相対角度に対応したアブソリュー
トな値を示すことになり、そのまま回転軸の相対角度信
号として取扱うことが可能となる。

そして、検出手段である発光体と受光体は、両偏光ガラ
スに対して非接触に配設されるため、機械的な摩擦・接
触等を生じる不具合を伴わない。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

この実施例の相対回転角度検出器は、第１図に示すよう
に、ケーシング１によって同一軸心上に回転可能に配し
た二本のシャフト２．３を検出対象である軸部となし、
これら両シャフト２．３の同期をとることを目的として
構成されている。

具体的には、両シャフト２．３の端部２ａ、３ａには、
各々のシャフト２．３と一体回転するよう、互いに対面
させた状態で一対の偏光ガラス４．５が保持板４　ａ　
ｓ　５　ａおよびキー４ｂ、５ｂを介して前記両シャフ
ト２．３にそれぞれ軸着されている。これらの偏光ガラ
ス４．５は、第２図および第３図に示すように、特定方
向Ｄ１、Ｄｌに振動する光を良く透過させ、これらに直
角な方向に振動する光を殆ど透過させない性質を有して
いる。

しかして、両偏光ガラス４．５をこのように同一軸心上
に軸着して対向配置させると、その重合方向の光に対し
て、前記両シャフト２．３の相対角度に応じた複合的な
透過特性を示すことになる。

すなわち、透過光量は前記両偏光ガラス４．５の極性が
揃った時（Ｄ、／／Ｄ２）最大となり、漸次減少してそ
の極性が相反した時（Ｄ＋ユＤ２）に最少となるように
変化する。

そして、前記ケーシング１の対向する内壁１ａおよび１
ｂには、それぞれ前記偏光ガラス４．５に向けて、対を
なす発光体７と受光体８を配設している。発光体７は、
白色光を始めとして赤外線や紫外線等の発光源を用いる
ことができる。また、受光体８は受取った光量を直接出
力するものの他、アモルファスシリコン等を用いて受光
量に比例した電気信号に変換するようなものでもよい。

次に、本実施例の作動を説明する。発光体７が発した光
は先ず偏光ガラス４によってり、方向の振動成分を有し
た光以外はカットされる。次に、この偏光ガラス４を透
過した光は次に偏光ガラス５に達するが、この時点で偏
光ガラス５の極性が前記偏光ガラス４のそれに一致して
いればこの光を全面的に透過させ、相反していれば全面
的にカットしてしまう。したがって、受光体８の受光量
は、Ｄ、とＤｌが一致した時点で最大となり、ＤｌとＤ
ｌのなす角が大きくなるにつれてサインヵ−ブ状に減少
し、直角に相対した時に略０となる。

イ旦し、Ｄ、とＤ２のなす角は、シャフト２．３の連続
的な相対角度の変化に対しては９０°毎に反転して繰返
されるため、９０°を越えたものに対しては０〜９０６
の場合と識別できない。したがって、この実施例ではシ
ャフト２．３同士の相対角度が９０°を越えて変化しな
いような測定対象に対して、構造も簡単であるため好適
に適用される。

このような構成であると、受光体８に常に両シャフト２
．３の相対角度に比例したアブソリュートな光量の光を
受光させることができるので、検出手法としては演算等
のプロセスが介在しない直接測定となる。したがって、
この検出器は作動させた瞬間から相対角度の検出を開始
することができ、初期値が得られないという従来の不具
合が解消できる。また、角度検出のためのアナログやデ
ジタル等の演算手段を個別に設ける必要がないので、製
作工数やコストを削減できる。一方、構造的には発光体
７と受光体８をシャフト２．３に非接触に配設している
ので、従来のスリップリングのように機械的な摩擦・接
触等が生ずること力でなく、検出器の信頼性と耐久性が
向上される。

なお、上記実施例において、発光素子７と受光素子８に
は、これらを一体にしたフォト・インタラプタを用いる
とさらに検出が簡単となる。例えば、透過型フォト・イ
ンクラブタの場合は、二枚の偏光ガラス４．５を両側か
ら挟んだ状態で用い、反射型フォト・インタラプタの場
合は、２枚の偏光ガラス４．５を光が透過した後、反射
鏡等により再び２枚の偏光ガラスを逆方向から透過させ
、戻ってきた光を検出するものである。

また、上述のように一対の受発光素子７．８のみで検出
を行なう構造は、場合によっては偏光ガラス４．５の部
分的な特性変化の影響を受は易い。

したがって、複数個の受発光素子あるいは円環状に連続
する受発光素子を円周−１−に配設して検出し１、それ
らの平均をとることにより信頼性を向１−させることが
可能である。

ところで、複数の受発光素子を用いると、次の実施例に
述べるように検出器の測定レンジを拡張することが可能
となる。

この実施例のものは、測定レンジを００〜１８０°にま
で拡張できるものであって、第４図および第５図に示す
ように、両偏光ガラス１４．１５に対して対をなす発光
体１７Ａ、１７Ｂと受光体１８Ａ、１８Ｂを、軸心を挟
んで対向する位置に２ｍ設けている。そして、前記両偏
光ガラス１４．１５のうち下段に配設される偏光ガラス
１５は、半面１５ａのみが透過性のもので、残りの半面
１５ｂは全（光を透過させないものにしておく。これに
より、受光体１８Ａの受光量は、第６図に示すように９
０°〜２７０°でカットされて０になる。一方、受光体
１８Ｂの受光量は、第７図に示すように０°〜９０°お
よび２７０°〜３６０゜でカットされて０になる。そし
て、両受光体１８Ａ、１８Ｂの出力を例えば電圧に変換
し、受光体１８Ｂの出力を反転して受光体１８Ａのそれ
に加算するようにすれば、第８図に示すように０〜１８
０°の間で出力電圧と相対角度との間に一対に対応する
関係が得られる。しかして、この範囲におけるシャフト
同士の相対角度を確実に検出することが可能となる。

また、第９図に示すものは、上述のような測定レンジに
制約がある場合に何効で、軸部である両シャフト２１．
２２間がそのレンジを越えて相対偏位することがないよ
う、該シャフト２１．２２間にストッパー機構２３を構
成したものである。

このストッパー機構２３は、シャフト２１の端部に設け
たスリワリ部２１ａと、このスリヮリ部り１ａ内で一定
角度だけ回転し得るようにシャフト２２の端部を加工し
てなる平板部２２ａとで構成されている。また、第１０
図に示すものは、第９図のスリワリ部り１ａ内壁に下端
を固設したスプリング２４ａを平板部２２ａの両端面に
設けた溝２４ｂに挿入させ、トルクが作用しない時に両
シャフト２１．２２が自動的に中立関係に復帰できるよ
うにしたものである。第１１図に示すものも同様の趣旨
で構成されており、同図では一方の偏光ガラス３４を保
持する保持板３４ａに周方向に伸びる凹部３６を刻設し
、この凹部３６内に、他方の偏光ガラス３５を保持する
保持板３５ａに突設した凸部３７を回動可能に遊嵌させ
ることにより、軸部である両シャフト３２．３３の相対
的な偏位の限界を設定している。

また、第１２図に示すものは、同一軸心上に配した軸部
であるシャフト４２．４３間をトーションバー４１で連
結した構造の測定対象物に対して本発明を適用したもの
で、このトーションバー４１のねじれ歪みが検出できる
。

さらにまた、第１３図はこの相対角度検出器をトルク増
幅器に適用したものである。軸部である入力軸５１と負
荷軸５２にそれぞれ偏光ガラス５３．５４を軸着してお
り、発光体および受光体は図示省略しである。負荷軸５
２の端部５２ａに負荷を接続し、この負荷軸を５２をギ
゛ア５３ａ、５３ｂを介して電動機５４で駆動する。一
方、入力軸５１はハンドル５５によって回転操作され、
この入力軸５１に追従して前記負荷軸５２が回転するよ
う、受光体の受光量を基にして前記電動機５４にフィー
ドバックをかけている。

作動について略述すれば、系の停止状態からハンドル５
５を回転操作すると、相対角度検出器がハンドル角度に
比例した電気信号を出力する。この電気信号は電動機５
４の駆動速度を変化させ、負荷軸５２をハンドル５５に
追従させて同方向に回転させる。そして、該負荷軸５２
のハンドル５１に対する相対角度が０になると、電動機
５４が停止する。このようにして、ハンドル５５から手
操作で人力された操作力は、トルクを倍増して負荷軸５
２から取出すことができるものである。なお、駆動手段
に油圧モータや油圧シリンダ、エアモータ等を用いても
同様である。

以上、本発明の実施例のうち数例を挙げて説明したが、
これら以外にも本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変
形が可能である。

［発明の効果］ 本発明は、以上のような構成であるから次のような効果
が得られる。

先ず、発光体から発した検出用の光を両偏光ガラスを透
過させて受光体に受光させるようにしたので、該受光体
からは両二輪部の相対角度に比例して変化するアブソリ
ュートな完全または電気量の信号を取出すことができる
。したがって、従来のようにアナログやデジタル計算に
よって相対角度を算出することは不要でありで、部品点
数を削減することができる他、検出器に電源を投入した
瞬間から検出が可能であり、−時的に停電したり不慮に
給電がストップした際にもその回復時から即座に検出を
再開することができる。

また、発光体と受光体とは両偏光ガラスに対して非接触
に配設されるので、スリップリングのような機械的な摩
擦・接触部分がなく、従来のような故障要因が除去され
る。したがって、検出器の信頼性と耐久性を向上させる
ことになる。これらニ加えて、このような構成は歪みゲ
ージ等に比べると測定レンジを比較的大きく設定できる
利点もある。

以上、検出器全体として総括すれば、従来のこの種のも
のに比して始動性と信頼性に優れるとともに、製作工数
の削減とコストダウンの効果等が得られるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明の一実施例を示し、第１図は回
転軸の相対角度検出器を示す側断面図、第２図および第
３図は偏光ガラスの平面図である。 また、第４図〜第１３図は他の複数の実施例を示し、第
４図および第５図はそれぞれ第２図および第３図に対応
する平面図、第６図〜第８図は作用説明図、第９図およ
び第１０図はストッパーの構造説明図、第１１図および
第１２図はそれぞれ第１図に対応する側断面図、第１３
図はトルク増幅器を構成した場合の概略的な斜視図であ
る。 ２．３．２１．２２．３２．３３．４２．４３・・・軸
部（シャフト） ５１・・・軸部（入力軸）　５２・・・軸部（負荷軸）
４．５．１４．１５．３４．３５・・・偏光ガラス７．
１７Ａ、１７ｂ・・・発光体 ８．１８Ａ、１８ｂ・・・受光体

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 同一軸心上にあって相対する二軸部にそれぞれ偏光ガラ
   スを軸着して対向させるとともに、これら両偏光ガラス
   に向け非接触に発光体と受光体を対設し、前記発光体が
   発光する光を前記両偏光ガラスを透過させて前記受光体
   に受光させ、その光量を直接または電気量に変換して取
   出し得るように構成したことを特徴とする回転軸の相対
   角度検出器。