JPH0480661A - 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か検討さ
れている。

〔発明か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が存在し
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・構造か複雑で、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、本発明に係る第１の変位検
出装置にあっては、（ａ）変位が検出されるべき基準部
材に設定された所定の回転軸のまわりで回転可能である
と共に、所定の回転軸に対して略回転対称な形状を有す
る内部空間に蛍光液体を収容する容器と、（ｂ）容器の
内部空間内の所定領域に存在する蛍光液体に対し励起光
を照射する励起光源と、（ｃ）上記所定領域を所定の回
転軸のまわりで一方にわずかに回転した領域に対応する
内部空間内の検出領域に存在する蛍光液体からの蛍光を
検出し、蛍光液体が回転して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、（ｄ）ず
れ検出手段が蛍光液体の基準位置からのずれを検出した
場合に、容器を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、（ｅ）基準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
。

また、本発明に係る第２の変位検出装置にあっては、第
１の変位検出装置と同様に、容器、励起光源、ずれ検出
手段、戻し手段及び変位検出手段を備えるが、ずれ検出
手段が異なる。この場合、ずれ検出手段は、上記所定領
域を所定の回転軸のまわりで一方にわずかに回転した領
域に対応する内部空間内の第１の検出領域からの蛍光を
検出する第１の受光手段と、上記所定領域を所定の回転
軸のまわりで他方にわずかに回転した領域に対応する内
部空間内の第２の検出領域からの蛍光を検出する第２の
受光手段と、を有する。ずれ検出手段は、この第１及び
第２の受光手段の出力にもとづいて、蛍光液体が回転し
て基準位置からずれたことと、そのずれ方向とを検出す
る。

上記第１及び第２の変位検出装置の好適な実施態様にお
いては、前記変位検出手段が、前記戻し手段の駆動方向
及び駆動量にもとづき、前記基準部材と前記容器との相
対的変位を検出する。

〔作用〕

本発明に係る第１の変位検出装置によれば、基準部材が
所定の回転軸に沿って回転しても・、蛍光液体は慣性に
より一定方向を維持する。例えば、基準部材が回転して
蛍光液体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
、ただちに容器を蛍光液体がずれた方向に追従するよう
に回転して容器及び蛍光液体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、基準部材に対する容器の相対的な回転量を検出し、
基準部材即ち第１の変位検出装置自体の変位を検出する
。

なお、容器及び蛍光液体の位置関係は、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、容器と内部の蛍光液体との間の接触
抵抗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、このような接触抵抗に起因する誤差を
最小限に抑えることができる。

この場合、蛍光液体が容器に対して基準位置からずれた
か否かの検出は、以下の原理によって行つＯ まず、第１の変位検出装置の場合について説明する。例
えば、容器の内部空間内の所定領域に存在する蛍光液体
に対し、励起光源からの励起光がパルス的に照射された
と仮定する。この場合、この蛍光液体は蛍光を発生する
が、その後徐々に蛍光発光量が減少する。励起光の照射
の後、基準部材かある方向に回転して蛍光液体が基準位
置からずれたと更に仮定する。この場合、励起光が照射
されていた蛍光液体の部分は、上記所定領域を所定の回
転軸のまわりで一方にわずかに回転した領域に移動する
。この内部空間内の領域を検出領域と呼ぶこととすると
、この検出領域に移動した蛍光液体は徐々に蛍光発光量
が減少する。従って、上記検出領域を適当な光センサ等
で検出すれば、蛍光が急増した後徐々に減少することが
観測されるはずである。他方、基準部材が上記と反対の
方向に回転すると、励起光が照射されていた蛍光液体の
部分は、上記所定領域を所定の回転軸のまわりで他方に
わずかに回転した領域に移動する。従って、上記検出領
域で検出される蛍光は急減する。

このことを利用すれば、例えば上記検出領域で検出され
る蛍光発光量の変化から蛍光液体が基準位置からずれた
ことを検出することができ、蛍光発光量が急増したか急
減したかによってそのずれ方向を検出することができる
。

本発明に係る第２の変位検出装置の場合も同様である。

ただしこの場合、第１の受光手段と第２の受光手段とに
よって、それぞれ容器内の第１の検出領域と第２の検出
領域とをモニタしている。

蛍光液体の振る舞いについては第１の変位検出装置の説
明がそのまま成り立つので、蛍光液体が基準位置からず
れた場合、第１及び第２の受光手段で検出される蛍光発
光量は相補的に増減することとなる。この第１及び第２
の受光手段からの出力の変化から、蛍光液体が基準位置
からずれたことと、ずれ方向とを検出することができる
。例えば、上記第１及び第２の受光手段からの一対の検
出信号の差動出力を求めてずれ及びその方向を検出して
もよい。

本発明に係る第１及び第２の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蛍光液体
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、容器の基準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、基準部材の角変位が検出でき
る。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ、説明
する。

第１図は、本発明の変位検出装置の一実施例である水平
変位検出装置の構成を説明したものである。

基準部材である外箱１の内部には、円筒状の容器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１
の下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の上端に支持されている。また、容器４は軸
７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の内部には蛍光液体２８が収容されている。この
蛍光液体２８としては、有機蛍光体又は粉末状の蛍光体
を有機溶媒に溶かしたものが使用される。容器４の外側
の側面には、容器内の蛍光液体２８を励起するためのキ
セノン光源１２が固定されている。キセノン光源１２の
左右には、蛍光液体２８の蛍光発光量を検出する受光手
段として、一対の光ディテクタ１４ａ、１４ｂが設けら
れている。

第２図は、容器４の断面図であり、容器４、励起光源１
２及び光デイテクタ１４ａ、１４ｂの位置関係を説明し
たものである。

ｊ＠２図に示すように、キセノン光源１２はキセノンラ
ンプ１２ａ及び集光レンズ１２ｂからなり。

これらは共に透明な容器４に固定されている。キセノン
ランプユ２ａからのパルス状の励起光は、集光レンズ１
２ｂを経て励起光ビーム２２となり、蛍光液体２８内に
入射する。励起光ビーム２２が収束する所定領域２４に
ある蛍光液体は励起されて強い蛍光を発生する。キセノ
ンランプ１２ａの両側には、一対の光ディテクタ１４ａ
、１４ｂが固定されている。これらの光デイテクタ１４
ａ１１４ｂは、それぞれ第１及び第２の検出手段に対応
し、第１及び第２の検出領域３４ａ、３４ｂからの蛍光
を検出することかできる。ここで、第１検出領域３４ａ
は、容器４の内部空間内の領域であって、上記の所定領
域２４を容器の回転軸２５のまわりて一方にわすかに回
転した領域に対応する。また、第２検出領域３４ｂは、
上記の所定領域２４を容器の回転軸２５のまわりで他方
にわずかに回転した領域に対応する。

第３図は、第１図に示す制御回路１６等の回路構成を示
したものである。

キセノンランプ１．２　ａは、制御回路１６内のランプ
駆動回路１６ｂによって駆動され、パルス状の励起光を
発生する。この励起光は、集光レンズ１２ｂを介して蛍
光液体２８に照射される。また、光デイテクタ１４ａ、
１４ｂは、蛍光液体２・８からの蛍光に応答し、電圧又
は電流を発生する。制御回路１６内の差動回路１６ａは
、光ディテクタ１４ａ、１４ｂからの電流又は電圧信号
の差動出力を検出し、サーボモータ２を駆動する。つま
り、両光ディテクタに入射する光量がほぼ等しくなった
とき、出力端子Ａの電圧が零となるように一調整されて
おり、両光ディテクタに入射する光量がアンバランスと
なったときは、出力端子Ａに電圧か発生するようになっ
ている。

サーボモータ２は、出力端子Ａに発生した正又は負の電
圧によって駆動され、容器４を回転させる。この場合の
容器４の回転方向は両光ディテクタからの出力のアンバ
ランスを打ち消す方向としている。

サーボモータ２に付属させた回転エンコーダ１８は、サ
ーボモータ２の回転をモニタすることで間接的に容器４
の回転量を検出する。回転エンコーダ１８からの出力は
、容器の回転量、即ち水平面内での角変位として、角度
表示器１７に表示される。この場合、回転エンコーダ１
８は、変位検出手段になっている。

なお、制御回路１６中のタイミング回路１６ｃは、シー
ケンス動作のタイミング制御を行っている。ここで、シ
ーケンス動作とは、キセノンランプ１２ａにパルス発光
を行わせ、その後に蛍光液体２８からの蛍光を検出し、
これに応じて容器４を所定方向に回転させ、蛍光液体２
８を元の基準位置に戻すまでの一連の動作のことをいう
ものとする。つまり、タイミング回路１６ａは、最初に
ランプ駆動回路１６ｂに信号を送り、キセノンランプ１
２ａに所定時間のパルス発光を行わせる。

次に、差動回路１６ａ内のリレーを制御して、サーボモ
ータ２を駆動可能な状態とする。所定時間経過後、両光
ディテクタの検出する光量がバランスしていれば、サー
ボモータ２の駆動を禁止すると共に、キセノンランプ１
２ａに所定時間のパルス発光を行わせる。この様なシー
ケンス動作は、制御回路］６即ち水平変位検出装置の動
作中連続的に繰り返される。

以下に、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装置
、例えば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装置が回転し、変位検出装置か
その軸５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
係に変化は生じない。一方、蛍光液体２８はその慣性に
よって元の方位又は位置を保つ。この結果、蛍光液体２
８は容器４及び外箱１に対して相対的に回転する。蛍光
液体２８が予め容器に対して保っていた相対的位置を基
準位置と呼ぶものとすると、蛍光液体２８は基準位置か
らずれることとなる。

以上の現象が、シーケンス動作中においてキセノンラン
プのパルス発光後に生じたとする。例えば、第２図の蛍
光液体が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。）、
パルス発光の直後に所定領域２４で蛍光を発生していた
蛍光液体は、第１の検出領域３４ａ側に移動する。この
ため、光デイテクタ１４ａの検出光量は増大し、光デイ
テクタ１４ｂの検出光量は減少する。これら光デイテク
タからの出力は差動回路１６ａでモニタされ、差動回路
１６ａはその差動出力にもとづいてサーボモータ２を回
転させる。

具体的には、両光ディテクタからの出力差が所定値以上
になると、蛍光液体２８が基準位置からすれたものと判
断され、その出力差が正か負かで蛍光液体２８が基準位
置からずれた方向を判定できる。この結果に応じて、差
動回路１６ａはサーボモータ２を駆動し、容器４を蛍光
液体２８のずれた方向（第２図の時計方向）に回転させ
る。両光ディテクタからの出力差が所定値以下になると
、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、蛍光液体２８は基準位置に戻る。

その後、蛍光液体２８が再び基準位置からずれたとして
も、差動回路１６ａが動作している限り、蛍光液体２８
は基準位置に戻る。

キセノンランプ１２ａのパルス発光ののち所定の期間が
経過したとき、両光ディテクタからの出力差が所定値以
下であれば、蛍光液体２８は容器４に対して基準位置に
戻っていることになり、このシーケンス動作は終了する
。従って、再びキセノンランプ１２ａのパルス発光が行
なわれ、新たなシーケンス動作が開始される。

ここで、キセノンランプ１２ａのパルス発光の時間は短
いほうか望ましい。パルス発光中に蛍光液体か容器４に
対して回転することは、測定精度上望ましくないからで
ある。また、サーボモータ２を駆動可能な状態にする時
間は、蛍光液体の残光時間より長くてはならないが、サ
ーボモータ２の応答時間より短くてもならない。

以上の動作は蛍光液体２８が容器４に対して時計方向に
回転した場合についてのものであるが、蛍光液体２８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、蛍光液体２８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、一般的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か望ましい。そのた
めには、光デイテクタからの出力差がわずかでもサーボ
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の回転か滑らかで応答性か良いことが望ましい。

本発明は上記実施例に限られるものではなく様々な変形
か可能である。

例えば、キセノンランプ１２ａの発光を連続的なものと
しても良い。この場合、サーボモータの動作中も蛍光液
体が励起されるため、蛍光液体の蛍光発光量の立上がり
が問題となる。蛍光発光量の立上がりが早いと、蛍光液
体が基準位置に戻る前に十分に励起され、元の発光部位
からずれた部位が蛍光発光を始める。この結果、蛍光発
光を生じさせる部位が徐々に変動し、測定誤差を生む要
因にもなる。ただし、このような誤差は、蛍光発光量の
立上がり時間と、サーボモータ等の応答時間との相対的
関係によって生じるので、いずれかの時間を調整すれば
測定誤差を減少させることができる。

また、容器４の形状は、球、円筒等のように完全に回転
対称な形状でなくてもよい。容器の形状が略回転対称で
あれば、容器と液体との相対的回転によって生しる抵抗
を無視できるものとすることができるからである。変位
検出装置の動作中、容器４と蛍光液体２８との位置関係
がほとんど変化しないことを考えると、例えば６角柱、
８角柱等の容器の使用も可能である。ただし、容器４の
形状は回転対称に近いことが望ましい。容器４の形状が
回転対称でなくなると、微小な乱流が生じ、誤差の原因
となるからである。

更に、容器４の内部には、蛍光液体２８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、蛍光液体に使用する溶媒として、様々なものを使
用することができる。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
の光に対して適度な透明性を有し、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。

更に、容器４側面の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、容器内の液体の
圧力に応じて彫版・収縮するので、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、蛍光液体の励起波長に対応す
る光を発生するものならば、ＬＥＤ、ＬＤ等の光源を使
用してもよい。

更に、本実施例の場合、励起光源と、第１および第２の
受光手段とからなる一組のセンサを使用したが、複数組
のセンサによって蛍光液体の位置を検出しても良い。こ
の様なセンサを増やしてゆけば精度を向上させることが
できる。

更に、本実施例の場合、第１および第２の受光手段とし
て一対の光デイテクタを使用したが、単一の光デイテク
タを使用しても良い。この場合、第１図及び第２図に示
した光デイテクタの一方１４ｂを省略すれば良い。具体
的には、光デイテクタ３４ｇが所定領域２４からの蛍光
発光を部分的に検出できるようにしておけばよい。光デ
イテクタ３４ａの検出する蛍光発光量がその残光の減少
曲線に従って指数的に減少するとき、蛍光液体の位置は
基準位置にあるものと考えられる。従って、光デイテク
タによって検出される蛍光発光量が上記減少曲線に従っ
て指数的に減少しないとき、即ち、蛍光発光量が急増又
は急減するときは、蛍光液体が基準位置からずれたもの
と考えられる。

また、検出された蛍光発光量が急増したか急減したかで
、蛍光発光量が基準位置からずれた方向がいずれである
かが定まる。

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じて増減させる方法が
ある。抵抗体の抵抗値をモニタすることにより、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。

更に、上記実施例の変位検出装置を横置きとし、容器の
回転軸を水平面と一致させるならば、垂直変位検出用の
装置となる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、第１の変位検出装置によれば、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、累積誤差等の生じない精度の高い変位検出装置
を提供することができる。

更に、第２の変位検出装置によれば、一対の受光手段を
使用したことにより、上記利点に加え、蛍光液体の変位
検出が簡易になるという利点がある。また、変位検出装
置の組み立てや車両等への搭載後の調整が比較的簡単に
なるという利点もある。

また、好適な実施態様によれば、戻し手段の駆動方向及
び駆動量に基づいて、簡易に角変位を検出することがで
きる。

【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一実施例の構成を
示した図、第２図は第１図の変位検出装置の容器の断面
図、第３図は第１図の変位検出装置の回路図である。 ４・・・容器、１２・・・励起光源、１４ａ、１４ｂ・
・・ずれ検出手段（１４ａ・・・第１の受光手段、１４
ｂ・・・第２の受光手段）、２．１６・・・戻し手段、
１８・・・変位検出手段、２８・・・蛍光液体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、変位が検出されるべき基準部材に設定された所定の
   回転軸のまわりで回転可能であると共に、前記所定の回
   転軸に対して略回転対称な形状を有する内部空間に蛍光
   液体を収容する容器と、前記容器の内部空間内の所定領
   域に存在する蛍光液体に対し励起光を照射する励起光源
   と、前記所定領域を前記所定の回転軸のまわりで一方に
   わずかに回転した領域に対応する前記内部空間内の検出
   領域に存在する蛍光液体からの蛍光を検出し、蛍光液体
   が回転して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蛍光液体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、 前記基準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、変位が検出されるべき基準部材に設定された所定の
   回転軸のまわりで回転可能であると共に、前記所定の回
   転軸に対して略回転対称な形状を有する内部空間に蛍光
   液体を収容する容器と、前記容器の内部空間内の所定領
   域に存在する蛍光液体に対し励起光を照射する励起光源
   と、前記所定領域を前記所定の回転軸のまわりで一方に
   わずかに回転した領域に対応する前記内部空間内の第１
   の検出領域からの蛍光を検出する第１の受光手段と、前
   記所定領域を前記所定の回転軸のまわりで他方にわずか
   に回転した領域に対応する前記内部空間内の第２の検出
   領域からの蛍光を検出する第２の受光手段と、を有し、
   前記第１及び第２の受光手段の出力にもとづいて、蛍光
   液体が回転して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蛍光液体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、 前記基準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。 ３、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、前記基準部材と前記容器との相対的
   変位を検出することを特徴とする請求項１又は請求項２
   のいずれか一項に記載の変位検出装置。