JPH04109113A - 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〕 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か存在し
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変位被検出部
材に設定された所定の回転軸のまわりに回動自在に設け
られると共に、外周のずれ検出領域に反射鏡を有する可
動部材と、（ｂ）可動部材を収容すると共に、上記所定
の回転軸のまわりで回転可能な容器と、（ｃ）容器側に
設けられると共に、可動部材のずれ検出領域に設けられ
た反射鏡に対し測定光を照射する光源と、（ｄ）容器側
に設けられると共に、所定の回転軸に略垂直な方向に配
置された受光素子を有し、反射鏡から受光素子に入射す
る測定光の検出位置から反射鏡の傾きを検出し、可動部
材が基準位置からずれたこと及びそのずれ方向を検出す
るずれ検出手段と、（ｅ）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、容器を上記所定の
回転軸にそってずれ方向に回転させる戻し手段と、（ｆ
）変位被検出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、
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、変位被検出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、可動部材に設けられた反射鏡は、所定の回転軸の近
傍に設けられている。

〔作用〕

本発明に係る変位検出装置にあっては、変位被検出部材
が所定の回転軸に沿って回転しても、可動部材はその慣
性により一定方向を維持する。例えば、変位被検出部材
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、変位被検出部材に対する容器の相対的な
回転量を検出し、変位被検出部材即ち変位検出装置自体
の変位を検出する。

なお、容器及び可動部材の位置関係は、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。従って、容器と内部の液体との間の摩擦を正
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、このような摩擦に起因する誤差を最小限に抑え
ることができる。更に、容器内に収容された可動部材と
液体とはほぼ等しい比重を有するため、可動部材の回転
を支持する軸受等にかかる負荷が軽減される。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
。

ここで、ずれ検出手段は、可動部材のずれ及びそのずれ
方向を、可動部材に設けられた反射鏡によって光路をか
えられた測定光の受光面への入射位置から検出する。つ
まり、反射鏡は可動部材と共に回転するため、光源から
射出し反射鏡を経て検出手段の受光面に入射する測定光
の位置は、可動部材の回転位置に応じて変化する。例え
ば、測定光の検出値が最大となる受光面の位置を識別し
てもよい。測定光が受光面に入射する位置が変化しなけ
れば、可動部材は基準位置にあり、この位置が変化した
場合、可動部材は基準位置からずれている。可動部材の
ずれ方向は、測定光の入射位置の変化した方向から判別
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
、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
の変位被検出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、変位被検出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、反射鏡が上記所定の回転軸の近傍に設けられてい
る。このため、可動部材が回転しても、測定光が反射鏡
に入射する位置がほとんど変わらない。このため、反射
鏡の面積を減少させることができる。更に、測定光の光
路長が変わらないため、測定光の経路中の誤差要因の影
響を平均化できる。

〔実施例〕

以下、本発明の第１実施例について図面を参照しつつ、
説明する。

第１図は、本発明の一実施例である変位検出装置の構成
を説明したものである。

変位被検出部材である外箱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ｌ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及びカップリング１７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
る平板状のフロート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の内部は水で満たされている。

第２図は、容器４と内部のフロート８の位置関係を示し
た図である。図示の状態で、フロート８が容器４に対し
て基準位置にあると呼ぶものとする。

フロート８は、方形のアルミ板であって、その回転軸３
８より下方（図面下側）に重心を設けである。このため
、フロート８は、外界（この場合、重力場）に対し確実
に一定方向を保つ。この様にフロート８の重心をその回
転軸がらずらすのは、変位検出装置の停止後におけるフ
ロート８の位置の初期設定を簡単にするためであり、ま
た、角変位の検出精度を向上させるためである。

容器４の側面には、光源としてＬＥＤ１２が設けられ、
ずれ検出手段としてＰＳＤ１４が設けらレテイル。ＬＥ
Ｄ１２とＰｓＤ１４とは、容器４の側面の同一円周上に
あり、ＰＳＤ１４の受光面もこの円周の接線方向に配置
されている。また、フロート８の外周には、ずれ検出領
域としてミラー８ａが設けられている。ＬＥＤ１２から
の測定光である赤外光ビーム１２ａは、フロート８の上
面中央のミラー８ａに入射する。赤外光ビーム１２ａは
、このミラー８ａで反射されてＰＳＤ１４の中央に入射
するよう調整されている。

図示の状態から、フロート８が容器４に対し図面右側か
ら見て時計方向に回転したとする。反射された赤外光ビ
ーム１２ａもまた時計方向に回転する。逆に、フロート
８が容器４に対し反時計方向に回転すると、反射された
赤外光ビーム１２ａは反時計方向に回転する。よって、
赤外光ビーム１２ａのＰＳＤ１４上への入射位置を検出
するならば、フロート８が容器４に対して回転したこと
とフロート８の回転方向とが分かる。つまり、これらＬ
ＥＤ１２及びＰＳＤ１４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。

再び第１図に戻って変位検出装置の構成を説明する。

ＬＥＤ光源１２は、制御回路１６から給電され赤外光を
発生する。また、ＰＳＤ１４は、ＬＥＤ１２からの赤外
光ビームに応答し、その入射位置を検出する。制御回路
１６は、赤外光ビームがＰＳＤ１４の中央に入射したと
判断したときサーボモータ２の回転を禁止する。また、
赤外光ビームかＰＳＤ１４の中央からずれた位置に入射
したと判断したときは、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の回転方向は赤外光
ビームがＰＳＤ１４の中央に戻る方向としている。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１８によってサーボモータ２の回転量から間接的
に検出され、角度表示器１５に表示される。この場合、
回転エンコーダ１８は、変位検出手段になっている。

以丁に、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、変位検出装置か
その軸６．７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
置関係に変化は生しない。一方、フロート８はその慣性
によって元の方位又は位置を保つ。なお、水も慣性体で
あるため、フロート８は水の抵抗を受けることがない。

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が図面右側から見て時計方
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。）、赤外光ビームの
入射位置は、ＰＳＤ１４の中央から時計方向に回転した
位置に変化する。

ＰＳＤ１４からの入射位置に関する情報は制御回路１６
でモニタされている。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図右側から見て時計方向）に回
転させる。赤外光ビームの入射位置がＰＳＤ１４の中央
に戻ったことが検出されると、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は容器４に対してが時計方向に
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、即ち角変位が検出できる。

実際の変位検出装置は、−船釣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、赤外光ビームの入射位置がＰＳＤ１４の中央が
らゎずかにずれてもサーボモータ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。

第３図は、本発明の第２実施例の構成を示した図である
。なお、第１図の第１実施例と同様の部分は省略した。

第１実施例と異なり、第２実施例の容器５４は立方体の
真空容器である。容器５４内の可動板５８の厚みは、第
１実施例のフロート８の厚みと異る。また、可動板５８
の回転軸３８の延長線は、可動板の重心を通る。このた
め、可動板５８は、重力の場に対してではなく外界に対
して一定方向を維持する。この場合、容器５４の形状が
正方形になっているが、容器５４内が減圧されているた
め、容器５４内の流体の乱流によって可動板５８の回転
が妨げられることはない。

容器５４の上側には、ＬＥＤ１２とＰＳＤ１４が設けら
れている。ＬＥＤ１２とＰＳＤ１４とは、可動板５８の
回転軸３８に垂直な方向に並んでおり、ＰＳＤ１４の受
光面もこの方向に沿って配置されている。ＬＥＤ１２か
らの赤外光ビーム１２ａは、フロート８の上面の中央に
設けられたミラー５８ａに入射する。ここに入射した赤
外光ビーム１２ａは、このミラー８ａで反射されてＰＳ
Ｄ１４の中央に入射するよう調整されている。

ＬＥＤ１２は、第１図と同様の制御回路から給電され赤
外光を発生する。また、ＰＳＤ１４は、ＬＥＤ’１２か
らの赤外光ビーム１２ａに応答し、その入射位置を検出
する。制御回路は、赤外光ビーム１２ａがＰＳＤ１４の
中央に入射したと判断したときサーボモータの回転を禁
止する。また、赤外光ビーム１２ａがＰＳＤ１４の中央
からずれた位置に入射したと判断したときは、サーボモ
ータを駆動して容器５４を回転させる。この場合の容器
５４の回転方向は赤外光ビームがＰＳＤ１４の中央に戻
る方向としている。この結果、可動板８が容器５４に対
して変位しても、可動板８及び容器５４の位置関係は、
制御回路及びサーボモータ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５４の回転角はサー
ボモータに付属させた回転エンコーダによってサーボモ
ータの回転量から間接的に検出され、角度表示器に表示
される。

第４図及び第５図は、本発明の第３実施例の構成を示し
た図である。なお、第１図の第１実施例と同様の部分は
省略した。

この場合、フロート１０８の形状か第１実施例のフロー
ト８と異なる。フロート１０８の中央部分には、凹部１
０８ｂが設けられており、更にその中心にミラー１０８
ａが取り付けられている。

このミラー１０８ａは、回転軸３８の延長線を通る。こ
のため、ミラー１０８ａは、フロート１０８の回転にと
もなって、ミラー１０８８自体の中心のまわりで回転す
る。

第５図は、第４図のフロート１０８を収容した容器４を
その横断面方向から見たものである。図示の場合、赤外
光ビーム１２ａはＰＳＤ１４の中央に入射する。

図示の状態から、フロート１０８が容器４に対し図面右
側から見て時計方向に角度θだけ回転したとする。反射
された赤外光ビーム１２ａは、結果として角度２θだけ
時計方向に回転する。ここで容器４自体の屈折率を内部
の水の屈折率と等しいものとすると、赤外光ビーム１２
ａがＰＳＤ１４上を移動する量は、容器４の半径とｔ　
ａｎ２θとに比例する。よって、赤外光ビーム１２ａの
ＰＳＤ１４上への入射位置を検出するならば、フロート
８の回転角θを検出できる。つまり、これらＬＥＤ１２
及びＰＳＤ１４の使用により、可動部材であるフロート
１０８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。

本発明は、上記実施例に限られるものでなく種々の変形
が可能である。

例えば、第１図の容器４の内壁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の内部に収容する液体として、水以外のも
のも使用できる。ただし、粘性の低い液体が望ましいこ
とはいうまでもない。容器４との接触抵抗を小さくする
ためである。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、比重の大きな液体を使用
することが望ましい。一つの例としては、フロロホルム
があげられる。

更に、第１図の容器４の側面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。このバッファは、容器４
内の液体の圧力に応じて膨張・収縮するものとする。こ
のため、温度変化による水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、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
ノイズとして受けにく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。

また受光素子としてもＰＤＳ以外にもＰＣＤ、ＣＣＤな
どを使うことができる。

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して増減させる方法が
ある。抵抗体の抵抗値をモニターすることにより、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１こ角変位を
検出することができる。

更に、別の好適な実施態様の変位検出装置によれば、反
射鏡が上記所定の回転軸の近傍に設けられているので、
反射鏡の面積を減少させ、測定光の光路長をほぼ一定に
することができる。したかって、角度検出誤差等が減少
し、より正確な変位検出が可能となる。

【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第１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２実施例の容器
及び可動部材の配置を示した図、第４図は第３実施例の
フロートを示した図、第５図は第３実施例の容器及びフ
ロートの配置を示した図。 ４．５４・・・容器、８．５８．１０８・・・可動部材
、８ａ、５８ａ、１０８ａ・・・ずれ検出領域、１２．
１４・・・ずれ検出手段、２・・・戻し手段、１８・・
・変位検出手段。 代理人弁理士　　　長谷用　　芳　　樹第１実施例の変
（ｎ検出装置 第１冒 容器及びフロート 第２図 第２実施例の容器＆びフロート 第３図 第３実施例のフロート 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、変位が検出されるべき変位被検出部材に設定された
   所定の回転軸のまわりに回動自在に設けられると共に、
   外周のずれ検出領域に反射鏡を有する可動部材と、 前記可動部材を収容すると共に、前記所定の回転軸のま
   わりで回転可能な容器と、 前記容器側に設けられると共に、前記可動部材の前記ず
   れ検出領域に設けられた前記反射鏡に対し測定光を照射
   する光源と、 前記容器側に設けられると共に、前記所定の回転軸に略
   垂直な方向に配置された受光素子を有し、前記反射鏡に
   よって反射されたのち前記受光素子に入射する前記測定
   光の検出位置から前記反射鏡の傾きを検出し、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、 前記変位被検出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。 ２、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、前記変位被検出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。 ３、前記可動部材に設けられた前記反射鏡は、前記所定
   の回転軸の近傍に設けられていることを特徴とする請求
   項１に記載の変位検出装置。