JPH01201129A - 変位検出装置 - 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〕 この発明は力センサ等の変位検出装置に関する。

［従来の技術］ 力センサ等の変位検出装置は、機械的な動きを扱う各種
９分野で多用されている。

従来の変位検出装置を第１３図乃至第１５図に示す。

第１３図は、１軸方向の曲げ変位を検出する変位検出装
置を示すものである。この変位検出装置は、作動軸１１
をポテンショメータ１２の回転軸１３に取り付け、力Ｆ
による作動軸１１の変位をポテンショメータ１２の回転
量によって検出するものである。なお、１４は力Ｆが除
かれたときに作動軸１１を元の位置に戻す復元ばねであ
る。

第１４図は、１軸の直動変位を検出する変位検出装置を
示すものである。

この変位検出装置は、力Ｆによるリニアポテンショメー
タ１５の摺動軸１６の摺動量を直動変位として検出する
ものである。

第１５図は３軸の変位を検出する変位検出装置を示すも
のである。

この変位検出装置は、各軸（Ｘ＋　　ｙ、Ｚ軸）ごとに
リニアポテンショメータ１７，１８．１９を設け、これ
らを連結することにより、力Ｆによる作動軸２０の変位
を各軸の直動変位に分解して検出するものである。

以上、従来の変位検出装置の構成を説明したが、第１３
図に示す変位検出装置は、変位を直接検出する構成では
ないものの、ポテンショメータ１２そのものが大型であ
るため、検出する変位に関係なく構成が大型になるとい
う問題があった。

第１４図および第１５図に示す変位検出装置は、変位を
直接検出する構成であるため、検出する変位か大きくな
れば、それだけ構成が大型になるという問題があった。

また、これは、リニアポテンショショメータが構成上ど
うしてもその検出可能変位しく第１４図参照）以上の長
さし＋αを必要とすることにも起因していた。

また、以上の説明では、１軸および３輔の変位検出装置
を説明したが、従来の技術では、２軸の変位検出装置は
、変位が大きくなると、実現そのものが難しいという問
題があった。

［発明が解決しようとする課題］ 以上述べたように従来の変位検出装置においては、大き
な変位を小さな構成で検出することができないという問
題があった。また、検出する変位が大きくなると、２軸
以上の変位を検出する装置は、実現そのものが難しいと
いう問題があった。

そこで、この発明は、小さな構成で大きな変位を検出す
ることができ、かつ、２軸のものも容易に構成すること
ができる変位検出装置を提供することを目的とする。

［課題を解決・するための手段］ 上記目的を達成するために、この発明の変位検出装置に
おいては、第１の弾性体にこれよりも剛性の低い第２の
弾性体を連結し、光センサによって第１の弾性体の変位
を検出することにより、第２の弾性体の変位を検出する
ようにしたものである。

［作用コ 上記のように構成されたこの発明の変位検出装置の第２
の弾性体に力を加えると、この第２の弾性体が変位する
。また、この力は第２の弾性体を介して第１の弾性体に
加えられるので、この第１の弾性体も変位する。この場
合、第１の弾性体の剛性が第２の弾性体の剛性よりも高
いので、第１の弾性体の変位は第２の弾性体の変位より
も小さくなる。この変位縮小機能により大きな変位を直
接検出する場合よりも装置を小型化することができる。

また、光センサは入力の変化に対する出力の変化率が高
く、また、著しく再現性が良い。そのため、第１の弾性
体の変位が僅かであるとしても大きな検出出力を得るこ
とができる。したがって、光センサの検出出力を増幅す
るアンプとして１段のｔｌ純なアンプを使用することが
でき、装置の小型化を図る二とができる。

また、剛性の異なる２つの弾性体を連結して変位を検出
する構成であるため、２軸以上の変位を検出する装置を
構成することも容易である。

［実施例コ 以下、図面を参照しながら、この発明の実施例を詳細に
説明する。

第１図はこの発明の第１の実施例の構成を示す斜視図で
ある。この実施例は２輔の変位を検出する変位検出装置
を示すものである。

第１図において、２５は剛性の高い第１の弾性体である
。この第１の弾性体２５は筒状かつ蛇腹状に形成され、
その一端部は、アンプ２６に固定されている。２７は剛
性の低い第２の弾性体である。この第２の弾性体２７は
棒状に形成され、その一端部が第１の弾性体２５の他端
部に固定されている。この第２の弾性体２７の他端部に
は力Ｆが加えられる。

上記第１の弾性体２５の内部には、受光器２８および発
光ダイオード２９からなる光センサが配ゴされている。

受光器２８はアンプ２６に固定され、発光ダイオード２
つは第１の弾性体２５の他端部に固定されている。なお
、図では、第１の弾性体２５の内部を便宜上透視して示
すが、この第１の弾性体２５は不透視で外部光が入らな
いようにすべきである。

上記受光器２８は、第２図に示すように、受光部Ａが４
つの受光部Ａ１〜Ａ４に分割されている。

各分割受光部Ａ［〜Ａ４はそれぞれｘ、ｙ軸で規定され
るｘ＋　　ｙ平面の第１〜第４象限に位置する。

各分割受光部Ａ１〜Ａ４の受光出力８１〜Ｓ４は独立に
取り出され、アンプ２６により増幅される。

発光ダイオード２９および第２の弾性体２７は力Ｆが加
えらない状態では、上記ｘｌｙ軸に２軸を加えた３軸直
交座標系の２軸上に位置する。

なお、用途によっては、第２の弾性体２７に例えば超弾
性合金を使用することがある。

上記構成において動作を説明する。

第２の弾性体２７に力Ｆが加えられない状態では、第２
の弾性体２７および発光ダイオード２８は、上記の如く
、Ｚ軸上に位置する。したがって、この場合、発光ダイ
オード２９から出力されるビーム光の中心は受光器２８
の受光部Ａの原点Ｏ（第２図参照）に当たる。これによ
り、各受光部Ａ１〜Ａ４の受光出力８１〜Ｓ４は等しい
値を示す。

次に、第２の弾性体２７に力Ｆが加わると、この第２の
弾性体２７に曲げ変位が生じる。また、第２の弾性体２
７に力Ｆが加わると、この第２の弾性体２７を介して第
１の弾性体２５に曲げモーメントが生じる。これにより
、第１の弾性体２５にも曲げ変位が生じる。この場合、
第１の弾性体２５の剛性が第２の弾性体２７の剛性より
高いので、第１の弾性体２５の変位は第２の弾性体２７
の変位よりも小さくなる。。

第１の弾性体２５に曲げ変位が生じると、これに固定さ
れた発光ダイオード２つが２軸からずれる。これにより
、発光ダイオード２つから出力されるビーム光の中心が
受光部Ａの原点○からすれる。その結果、各分割受光部
Ａ１〜Ａ４の受光出力８１〜Ｓ４が変化する。したがっ
て、各受光出力Ｓ１〜Ｓ４をみることにより、第１の弾
性体２５の変位を知ることができる。第１の弾性体２５
の変位がわかれば、第２の弾性体の剛性や長さは予めわ
かっているから、この第２の弾性体２７の変位を知るこ
とができる。

この場合、第２の弾性体２７の変位は、ｘｌ　−５座標
に分けて検出される。これは、各分割受光部Ａ１〜Ａ４
の受光出力Ｓ１〜Ｓ４をｘ、Ｘ方向の受光出力Ｓｘ、Ｓ
ｙに変換することによりなされる。この変換式を次式（
１）、（２）に示す。

これらの式（１）、（２）で一部の受光出力に負の符号
を付したのは、受光出力Ｓｘ、Ｓｙを原点Ｏを境に正、
負で表わすためである。なお、原理的には、各式（１）
、（２）の分子のみでも受光出力Ｓｘ、Ｓｙを得ること
ができるが、これを各受光出力８１〜Ｓ４の総和で割っ
て正規化することにより、受光器２８や発光ダイオード
２９の特性が経年変化したとしても、常に同じ精度で受
光出力Ｓｘ、Ｓｙを検出することができる。

第３図は発光ダイオード２９から出力されるビーム光が
Ｘ方向あるいはＸ方向にのみ変位した場合の受光出力Ｓ
ｘあるいはｓｙの変化を示すものである。図示の如く、
受光出力Ｓｘあるいはｓｙは、ビーム光のＸ方向あるい
はＸ方向の変位に従って直線的に変化する。したがって
、受光出力Ｓｘ、Ｓｙを求めることにより、ビーム光の
Ｘ。

Ｘ方向の変位を求めることができる。

以上詳述したこの実施例によれば次のような効果を得る
ことができる。

（１）変位検出装置を小型化することかできる。

これは、剛性の異なる２つの弾性体２５゜２７を連結し
、第２の弾性体２７に生じる変位を減衰して検出するよ
うにしたためである。

また、第１の弾性体２５の変位を検出するのに、光セン
サを用いるようにしたためである。すなわち、光センサ
は入力の変化に対する出力の変化率が大きい。例えば、
ＯＡｍｍオーダの変位−であっても、光ビームを絞るこ
とにより、出力はほとんど１００％フルレンジで変化す
る。これにより、アンプ２６として１段の単純なアンプ
を用いることでき、装置の小型化を図ることができるわ
けである。

（２）第１の弾性体２５の変位が僅かであるにもかかわ
らず、高い変位検出精度を得ることかできる。

これは、第１の弾性体２５の変位の検出に、上記の如く
、入力の変化に対する出力の変化率の大きい光センサを
用いたためである。

（３）変位の検出出力としてヒステリシスがなく、再現
性、応答性か良い検出出力を得ることができる。

これは、変位の検出に光センサを用いるようにしたため
である。すなわち、この光センサによれば、先の第３図
に示すように、ヒステリシスがなく、再現性、応答性の
よい検出出力が得られることは明らかである。

（４）堅牢で安価な変位検出装置を実現することができ
る。

これは、構造が剛性の異なる２つの弾性体２５．２７を
連結する単純構造であるためである。

また、アンプ２６として１段の単純なアンプを使用する
ことができるからである。

（５）ｘ、ｙ方向の変位を容易かつ正確に検出すること
ができる。

これは、光センサとして受光部Ａがｘ、ｙ軸に沿って４
つに分割された光センサを用いるため、ｘ＋　　ｙ方向
の変換処理を容易かつ正確に行なうことができるためで
ある。

（６）第１の弾性体２５としてかなり剛性の高い弾性体
を使用することができる。

これは光センサとして変位検出精度の高い４分割型の光
センサを用いたため、第１の弾性体２５の剛性が高く、
その変位がかなり微少であっても、これを正確に検出す
ることができるからである。

第４図はこの発明の第２の実施例の構成を示す斜視図で
ある。この実施例は、３軸の変位を検出する変位検出装
置を示すものである。

第４図において、３１は第２の弾性体である。

第４図においては、この第２の弾性体３１の構成のみが
先の第１図と異なる。したがって、第４図において、先
の第１図と同一部には、同一符号を付し詳細な説明を省
略する。

上記第２の弾性体３１は、例えば、通常のコイルばねで
ある。そして、この第１の弾性体３１の一端部は、第１
の弾性体２５の他端部に連結され、他端部には力Ｆが加
えられるようになっている。

上記構成によれば、第２の弾性体３１の他端部に力Ｆを
加えると、第２の弾性体３１は力Ｆの方向に伸びる。そ
の伸びの長さは力Ｆの大きさに比例する。また、力Ｆは
、第２の弾性体３１を介して第１の弾性体２５の他端部
に加わる。これにより第１の弾性体２５にも力Ｆによる
変位が生じる。

力Ｆはｘ、ｙ、ｚ方向の成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚを有する
。したがって、第２の弾性体３１はＸ。

Ｙ＋ｚ方向に伸びる。また、第１の弾性体２５もＸ・　
ｙ、ｚ方向に変位する。

第１の弾性体２５の２方向の変位は、２方向の受光出力
Ｓｚを求めることにより、求めることができる。この受
光出力Ｓｚは、次式（３）に示すように、各分割受光部
Ａ１〜Ａ４をの受光出力Ｓ１〜Ｓ４を加算することによ
り求めることができる。

Ｓｚ　−３ｌ　＋Ｓ２　＋Ｓ３　＋Ｓ４　　　　　−１
３）第１の弾性体２５のｘ、ｙ方向の変位は、先の実施
例と同様に、ｘ、ｙ方向の受光出力Ｓｘ。

Ｓｙを求めることにより求めることができる。但し、こ
の実施例では、先の式（１）、（２）の分母に当たるＳ
ｌ　＋Ｓ２　＋Ｓ３　Ｓ４なる項が、受光出力Ｓｚを求
めるのに使われるため、ｘ、ｙ方向の受光出力Ｓｘ、Ｓ
ｙを求めるのに、次式（４）。

（５）に示すように正規化は行なわない。

ＳＸ　−８Ｌ　−８２−Ｓ３　＋Ｓ４　　　　　　・（
４）ｓｙ　−ｓｉ　＋Ｓ２−３３−３４　　　　　・・
・（５）受光出力Ｓｘ、Ｓｙ、Ｓｚがわかれば、第１の
弾性体２５の変位がわかる。この第１の弾性体２５の変
位がわかれば、これに加わる力Ｆがわかる。この力Ｆが
わかれば、第２の弾性体３１の変位を求めることができ
る。

この実施例においても先の実施例と同様の効果を得るこ
とができることは勿論である。

また、第２の弾性体３１に加わる力Ｆの方向を２方向に
制限することにより、１軸の直動変位を検出する変位検
出装置とすることができる。

第５図はこの発明の第３の実施例の構成を示す側面図で
ある。

この実施例は、先の第４図において、第２の弾性体３１
の変位方向をＺ方向に限定するだけでなく、光センサも
１軸の直動変位のみを検出可能な構成にしたものである
。すなわち、第５図において、３５は光センサの発光ダ
イオードであり、３６は同じ（受光器である。これらは
支持台３７を介シてアンプ２６に固定されている。この
光センサのビーム光ＢＬの光路は例えばＸ方向に設定さ
れている。そして、この光路には、光遮蔽板３８が挿入
されている。この光遮蔽板３８は第１の弾性体２５の他
端部に固定されている。

上記構成によれば、第２の弾性体３１の２方向の変位に
応じて第１の弾性体２５も２方向に変位する。これによ
り、光遮蔽板３８も２方向に変位する。その結果、この
光遮蔽板３８によるビーム光ＢＬの遮蔽量が変化し、受
光器の受光出力Ｓが変化する。したがって、この受光出
力Ｓをみれば、第２の弾性体３１の変位を検出すること
ができる。

第６図はこの発明の第４の実施例の構成を示す示す斜視
図であり、第７図は同じく正面図である。

先の３つの実施例では、第１．第２の弾性体を別体とし
て構成する場合を説明した。これに対し、この実施例は
、第１．第２の弾性体を同一体として構成するようにし
たものである。なお、図には、１軸の曲げ変位を検出す
る場合を代表として示す。

第６図および第７図において、４１は弾性体である。こ
の弾性体４１の一端部はアンプ２６に固定され、他端部
には力Ｆが加えられる。４２は光センサの発光ダイオー
ドで、４３は同じく受光器である。これら発光ダイオー
ド４２および受光器４３は支持体４４を介してアンプ２
６に固定されている。弾性体４１の変位方向を例えばＸ
方向とすると、光センサのビーム光ＢＬの光路はＸ方向
に設定されている。そして、弾性体４１はこの光路を横
切るように設定されている。

上記弾性体４１の一端部はアンプ２６に固定されている
から、この部分の剛性は高い。これに対し、弾性体４１
の他端部は開放されているので、この部分の剛性は低い
。したがって、この実施例では、弾性体４１の一端部を
第１の弾性体、他端部を第２の弾性体とみることができ
る。

上記構成においては、弾性体４１の他端部にＸ方向の力
Ｆを加わえると、この弾性体４１の一端部にＸ方向の曲
げ変位が生じる。これにより、弾性体４１によるビーム
光ＢＬの遮蔽量が変り、この弾性体４１の変位を検出す
ることができる。

この実施例によれば、第１．第２の弾性体が１つの弾性
体４１によって一体物として構成されるので、構成をよ
り単純化することができる。

第８図はこの発明の第５の実施例の構成を示す側面図で
あり、第９図は同じく斜視図である。この実施例も第１
．第２の弾性体を１つの弾性体で構成した実施例を示す
もので、例えば０、−軸の直動変位を検出する例である
。

図において、４５は円弧上に形成された弾性体である。

この弾性体４５の一端部はアンプ２６に固定され、他端
部はＺ方向に摺動自在な摺動部材に固定されている。４
７は光センサの発光ダイオードであり、第９図の示すよ
うに受光器４８とともに支持台４９を介してアンプ２６
に固定されている。弾性体４５の一端部は、第９図に示
すように、光センサのビーム光を横切るように設けられ
、発光ダイオード４７から出力されるビーム光を遮蔽す
るようになっている。

このような構成においては、摺動部材４７がＺ方向に摺
動することにより、弾性体４５がたわみ変形し、この弾
性体４５の一端部が第８図の矢印Ｍ方向に変位する。こ
れにより、弾性体４５によるビーム光の遮蔽量が変化す
るので、弾性体４５の他端部の変位を検出することがで
きる。

以上この発明の実施例をいくつか説明したが、この発明
はこのような実施例に限定されるものではない。

例えば、以上の説明では、第１の弾性体の剛性が高く、
第２の弾性体の剛性が低いと説明したが、少なくとも第
１の弾性体の剛性が第２の弾性体の剛性より高ければ、
減衰機能が得られるので、この発明の第１．第２の弾性
体はこのような条件を満足するするものであればよい。

この他にも発明の要旨を逸脱しない範囲で種々様々変形
実施可能なことは勿論である。

次にこの発明の適用例について説明する。

この発明の変位検出装置は、ロボットの触角型近接セン
サとして有効である。ここで、触角型近接センサとは、
触子が作業者や障害物に触れて変形することを検出する
ことにより、ロボットと作業者や障害物との衝突を防止
するものである。

ロボットに触角型近接センサを取り付け、ロボットと作
業者や障害物との衝突を防ぐ場合、その効果はほぼ触角
型近接センサの数に比例する。したがって、この場合、
第１０図あるいは第１１図に示すように、ロボット５１
．５２に多くの触角型近接センサ５３を付ける必要があ
る。また、障害物が多くあるような環境下にあっては、
触角型近接センサとして耐久性の高いものが要求される
。

以上の点を考慮した場合、例えば第１図に示すような２
軸の変位検出装置は、小型、堅牢、安価に製造すること
ができるので、触角型近接センサとして好適である。ま
た、この発明の変位検出装置は、小型で、かつ単純構造
であるため、完全密閉型の構造にすることができるので
、水中ロボットの触角型近接センサとしても有効である
。

また、他の適用例としては、第４図の変位検出装置の第
２の弾性体３１の他端部に、第１２図に示すようにロボ
ットの腕５４を吊るすことにより、この腕５４の位置を
検出するといった適用も可能である。

この他にも、この発明の変位検出装置は、種々様々なも
のに適用可能である。

［発明の効果］ 以上述べたようにこの発明によれば、大きな変位を検出
する場合であっても装置の小型化を図ることができ、か
つ、２軸の変位を検出する装置も容易に実現することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１の実施例の構成を示す斜視図、
第２図は第１図に示す受光部の構成を示す正面図、第３
図は第１図の動作を説明するための特性図、第４図はこ
の発明の第２の実施例の構成を示す斜視図、第５図はこ
の発明の第３の実施例の構成を示す側面図、第６図はこ
の発明の第４の実施例の構成を示す斜視図、第７図は同
じく正面図、第８図は第この発明の第５の実施例の構成
を示す側面図、第９図は同じく斜視図、第１０図乃至第
１２図はこの発明の適用例を示す図、第１３図は従来の
変位検出装置の一例の構成を示す斜視図、第１４図は同
じく他の例の構成を示す側面図、第１５図はさらに他の
例の構成を示す側面図である。 ２５・・・第１の弾性体、２６・・・アンプ、２７゜３
１・・・第２の弾性体、２８，３６，４３．４８・・・
受光器、２９，３５，４２．４７・・・発光ダイオード
、３７，４４．４９・・・支持体、３８・・・遮蔽板、
４１．４５・・・弾性体、４６・・・摺動部材、５１゜
５２・・・ロボット、５３・・・触角型近接センサ、５
４・・・腕、Ａ・・・受光部、Ａ１−Ａ４・・・分割受
光部。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第２図 第３図 第４図 ７／−３１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 第１の弾性体と、 この第１の弾性体に連結され、この第１の弾性体よりは
   剛性の低い第２の弾性体と、 上記第１の弾性体の変位を検出する光センサとを具備し
   、 上記光センサにより上記第１の弾性体の変位を検出する
   ことにより、上記第２の弾性体の変位を検出するように
   したことを特徴とする変位検出装置。