JPH0791939A - Angle-of-rotation detector - Google Patents

Angle-of-rotation detector

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Publication number
JPH0791939A
JPH0791939A JP5237655A JP23765593A JPH0791939A JP H0791939 A JPH0791939 A JP H0791939A JP 5237655 A JP5237655 A JP 5237655A JP 23765593 A JP23765593 A JP 23765593A JP H0791939 A JPH0791939 A JP H0791939A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light receiving
angle
ball
light
holder
Prior art date
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Pending
Application number
JP5237655A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takaharu Koshima
隆治 越馬
Kenzo Sato
賢蔵 佐藤
Tomoyuki Hota
智之 保多
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Nikon Corp filed Critical Nikon Corp
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Publication of JPH0791939A publication Critical patent/JPH0791939A/en
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  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

PURPOSE:To provide a small angle-of-rotation detector with a simple construction. CONSTITUTION:This angle-of-rotation detector is made up of a shank part 1, a ball part 2 and a holder part 3. The ball part 2 has a spherical part in contact with the holder part 3 as bearing and is made rotatable freely through the shank part 1. Light emitted from a light emitting element 4 provided at the ball part 2 is formed as light spot on a split photodetector 7 provide at the holder 3 and undergoes a photoelectric conversion to be processed by an arithmetic processing means 8.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、回転角を検出する装置
に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a device for detecting a rotation angle.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、光電方式を利用した角度検出装置
としては、エンコーダーや光電オートコリメータなどが
あった。エンコーダーは円盤に記されたスケールとその
スケールを読みとるセンサとからなり、円盤の回転量を
スケールからのパルスをカウントすることで検出する検
出装置である。ただし、円盤の回転量しか測定できな
い、すなわちある回転軸回りの角度しか検出できないと
いう欠点があった。 一方、光電オートコリメータは、
反射物(一般にミラー)から反射されてきた光がどこに
戻ってくるかを検出することで、反射物の傾き角度を測
定することができる。角度の分解能は非常に高く、2軸
同時に検出できるという特徴があるが、その反面大きな
角度の測定は不可能であり、システムが大きくなってし
まうという欠点がある。
2. Description of the Related Art Conventionally, encoders and photoelectric autocollimators have been known as angle detecting devices utilizing the photoelectric method. The encoder is a detection device that includes a scale marked on the disk and a sensor that reads the scale, and detects the rotation amount of the disk by counting the pulses from the scale. However, there is a drawback that only the rotation amount of the disk can be measured, that is, only the angle around a certain rotation axis can be detected. On the other hand, the photoelectric autocollimator is
By detecting where the light reflected from the reflector (generally a mirror) returns, the tilt angle of the reflector can be measured. The angle resolution is very high, and it has a feature that two axes can be detected simultaneously, but on the other hand, it is impossible to measure a large angle, and there is a drawback that the system becomes large.

【0003】一般に物体の位置状態を決める自由度は、
一般に平行移動3自由度と、それぞれの軸回りの回転3
自由度の合わせて6自由度ある。そのうち平行移動の3
自由度は拘束して回転の3自由度だけを許容し、その方
向および角度を検出するためには、従来のエンコーダー
を用いた方法では、ジンバル構造を構成し3個のエンコ
ーダーを使用することで3軸の角度検出を可能としてい
た。
Generally, the degree of freedom for determining the position state of an object is
Generally three degrees of freedom for translation and three rotations around each axis
There are 6 degrees of freedom in total. 3 of which are parallel movements
The degree of freedom is constrained and only three degrees of freedom of rotation are allowed, and in order to detect the direction and angle, in the method using the conventional encoder, a gimbal structure is configured and three encoders are used. It was possible to detect the angles of three axes.

【0004】また、エンコーダー以外の手段による角度
検出、あるいは角度を変位に換算して検出する装置の例
としては、特公昭47-30156に見られる差動トランスを用
いた「工業用ロボットの手動操縦用レバー装置」や、特
開昭60-225207 に見られる伸縮リンクの長さを検出する
「ジョイスティック」、特開平1-140976に見られる直線
作動型ポテンショメータを使用した「ジョイスティック
型コントローラ」がある。
Further, as an example of an apparatus for detecting an angle by means other than an encoder, or an apparatus for detecting an angle by converting it into a displacement, a manual operation of an industrial robot using a differential transformer found in JP-B-47-30156 is used. Lever device ", a" joystick "for detecting the length of a telescopic link, which is disclosed in JP-A-60-225207, and a" joystick-type controller "using a linear actuation potentiometer, which is disclosed in JP-A 1-140976.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】ジンバルとエンコーダ
を用いた方法や、前記の従来の実施例では、構成要素の
数が多くなるため、故障等の不具合が発生しやすいとい
う問題がある。また角度検出装置としての小型化にも限
界があった。本発明の目的は、上記課題を解決するため
に、簡単な構成でかつ小型な回転角検出装置を提供する
ことにある。
The method using the gimbal and the encoder and the above-mentioned conventional embodiment have a problem that the number of constituent elements is large, so that a trouble such as a failure is likely to occur. There is also a limit to miniaturization as an angle detection device. An object of the present invention is to provide a rotation angle detecting device having a simple structure and a small size in order to solve the above problems.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】上記課題解決のために、
本発明は、球面ジョイント用ボール部と該ボール部を収
納することによって球面ジョイントを形成するホルダ−
部と、前記ボ−ル部またはホルダ−部のいずれか一方に
設けられた発光部材と他方に設けられた受光部材と、該
受光部材からの出力信号を検出し、演算処理する手段と
を有し、記球面ジョイントを形成するホルダー部とボ−
ル部との相対的角度を検出することを特徴とする。また
前記受光部材は、4分割受光素子であることを特徴とす
る。
[Means for Solving the Problems] In order to solve the above problems,
The present invention relates to a ball portion for a spherical joint and a holder for forming the spherical joint by accommodating the ball portion.
Section, a light emitting member provided on one of the ball section and the holder section, a light receiving member provided on the other side, and means for detecting an output signal from the light receiving member and performing arithmetic processing. The holder and the ball that form the spherical joint.
It is characterized by detecting a relative angle with respect to the projection part. Further, the light receiving member is a four-division light receiving element.

【0007】[0007]

【作用】上記構成により、受光部材に3分割以上の分割
受光部材を使用することで、1個のセンサで2軸の角度
を検出でき、かつ同時に処理ができる。また、今までエ
ンコーダー等のセンサを2個設置し、かつ2軸に自由度
を設ける為には、ジンバル構造等の機構が必要であった
が、本発明では球面ジョイントと1個のセンサのみの設
置で使用できるため、装置全体のコンパクト化が図られ
る。
With the above construction, by using the divided light receiving members of three or more divisions as the light receiving member, the angle of the two axes can be detected by one sensor, and the processing can be performed at the same time. Further, until now, a mechanism such as a gimbal structure was required to install two sensors such as an encoder and to provide two axes of freedom, but in the present invention, only a spherical joint and one sensor are used. Since it can be used for installation, the entire device can be made compact.

【0008】[0008]

【実施例】図1は、球面ジョイントの回転角検出装置の
概略断面図である。球面ジョイントの回転角検出装置の
実施例を示す。球面ジョイントは、シャンク部1、ボー
ル部2、ホルダー部3とから構成されており、ボール部
2は、ホルダー部3と接する球面部分を軸受けとし、シ
ャンク部1を介して自由に回転が可能となっている。球
面ジョイントのボール部2またはホルダー部3に発光素
子4(例えばLED)を設け、レンズA5とレンズBを
介して光スポットが受光素子7上に形成され、光電変換
され演算処理手段8により処理される。レンズAは、光
源からの光を必要なスポットの大きさにするレンズであ
り、レンズBは、レンズAからきた光を受光部に垂直に
入射するようにするレンズである。本実施例では、発光
素子をボール部2に、受光素子をホルダー部3に設けた
が、発光素子をホルダ−部に受光素子をボール部に設け
てもよい。本実施例では発光電源9はボール部2内に設
けてあるが、ボール外部から光ファイバにより導入して
もよい。受光部の形状としては、球面状の受光部と小面
積の平面を組み合わせた受光部と2種類が考えられる。
このスポット及び受光素子の大きさは、検出したい角度
範囲に応じて設定する。
1 is a schematic sectional view of a rotation angle detecting device for a spherical joint. An embodiment of a rotation angle detection device for a spherical joint is shown. The spherical joint is composed of a shank portion 1, a ball portion 2, and a holder portion 3. The ball portion 2 has a spherical portion in contact with the holder portion 3 as a bearing, and can freely rotate through the shank portion 1. Has become. A light emitting element 4 (for example, an LED) is provided on the ball portion 2 or the holder portion 3 of the spherical joint, and a light spot is formed on the light receiving element 7 via the lens A5 and the lens B, photoelectrically converted, and processed by the arithmetic processing means 8. It The lens A is a lens that makes the light from the light source have a required spot size, and the lens B is a lens that makes the light coming from the lens A vertically incident on the light receiving portion. In this embodiment, the light emitting element is provided in the ball portion 2 and the light receiving element is provided in the holder portion 3. However, the light emitting element may be provided in the holder portion and the light receiving element may be provided in the ball portion. In this embodiment, the light emitting power source 9 is provided inside the ball portion 2, but it may be introduced from outside the ball by an optical fiber. As the shape of the light receiving portion, there are two types, that is, a light receiving portion in which a spherical light receiving portion and a flat surface having a small area are combined.
The sizes of the spot and the light receiving element are set according to the angle range to be detected.

【0009】次に上記基本構成からなり、分割受光部材
に4分割受光素子を用いた検出装置についての動作説明
する。図2は、4分割受光素子の4つの分割領域A,
B,C,Dと受光面上のスポットの初期位置とボールが
ある角度動いた位置を説明する図である。光源から出射
された光は、レンズを介して4分割された受光部A,
B,C,D上にスポット状に照射される。この時の状態
を初期位置とする。ボール部がある角度移動した時、受
光部上に形成された光スポットもボール部に対応して動
く。その時初期位置からの角度変化は、分割された各受
光部の電圧出力変化として得られ、初期位置からの位置
と角度は比例関係にあるので、この演算により回転角度
を求めることができる。
Next, the operation of the detecting device having the above basic structure and using the four-divided light receiving element as the divided light receiving member will be described. FIG. 2 shows four divided areas A of the four-divided light receiving element,
It is a figure explaining the initial position of B, C, D and the spot on a light-receiving surface, and the position where the ball moved angularly. The light emitted from the light source is divided into four light receiving parts A through the lens,
The spots are irradiated on B, C, and D. The state at this time is the initial position. When the ball part moves by a certain angle, the light spot formed on the light receiving part also moves corresponding to the ball part. At that time, the angle change from the initial position is obtained as a voltage output change of each of the divided light receiving portions, and the position and the angle from the initial position are in a proportional relationship, so that the rotation angle can be obtained by this calculation.

【0010】図3は、演算処理手段8の各受光領域の出
力信号処理のブロック図である。各受光領域で生じた光
電流は、前置増幅器10a〜10dにて電圧信号に変換
され、信号処理回路11、演算処理回路12にて処理さ
れる。ここで発光部材から出射された光を分割された受
光部材面で受け、得られた各電圧出力から角度を求める
算出法について述べる。
FIG. 3 is a block diagram of output signal processing of each light receiving area of the arithmetic processing means 8. The photocurrent generated in each light receiving region is converted into a voltage signal by the preamplifiers 10a to 10d and processed by the signal processing circuit 11 and the arithmetic processing circuit 12. Here, a calculation method for receiving the light emitted from the light emitting member on the divided light receiving member surface and obtaining the angle from each of the obtained voltage outputs will be described.

【0011】各受光領域に照射された光は、各々光電変
換により電圧に変換される。ここで受光部Nの照射され
ている面積をS(N)、受光部Nの光電変換された電圧
をV(N)、光電変換による変換係数をkとすると、V
(N)=k・S(N) と表される。初期位置の受光
部Nの面積をSi(N)とすると、光スポットは分割受
光部の中心近傍に照射され、各受光部に照射されている
面積は、Si(A)=Si(B)=Si(C)=Si
(D) となる。ここで、受光部Nの光電変換された電
圧をVi(N)とすると、各受光部から得られる電圧
は、Vi(A)=Vi(B)=Vi(C)=Vi(D)
となる。
The light applied to each light receiving region is converted into a voltage by photoelectric conversion. Let S (N) be the illuminated area of the light receiving portion N, V (N) be the photoelectrically converted voltage of the light receiving portion N, and k be the conversion coefficient by photoelectric conversion.
It is expressed as (N) = k · S (N). Assuming that the area of the light receiving portion N at the initial position is Si (N), the light spot is irradiated near the center of the divided light receiving portion, and the area irradiated to each light receiving portion is Si (A) = Si (B) = Si (C) = Si
(D). Here, if the photoelectrically converted voltage of the light receiving portion N is Vi (N), the voltage obtained from each light receiving portion is Vi (A) = Vi (B) = Vi (C) = Vi (D).
Becomes

【0012】ある角度動いた場合の角度検出は次のよう
になる。ある角度動いた状態の受光部Nの面積をSm
(N)、受光部Nの光電変換された電圧をVm(N)と
する。初期位置から移動した光スポットの位置P(n)
を分割受光素子の各領域の出力電圧の関数として表す
と、 P(x)=Vm・(((A+B)−(C+D))/(A
+B+C+D)) P(y)=Vm・(((B+C)−(A+D))/(A
+B+C+D)) となり、移動方向及び移動量が算出できる。
The angle detection when a certain angle moves is as follows. Let Sm be the area of the light-receiving portion N that has moved a certain angle.
(N), the photoelectrically converted voltage of the light receiving portion N is Vm (N). Position P (n) of the light spot moved from the initial position
Is expressed as a function of the output voltage of each region of the divided light receiving element, P (x) = Vm · (((A + B) − (C + D)) / (A
+ B + C + D)) P (y) = Vm · (((B + C) − (A + D)) / (A
+ B + C + D)), and the moving direction and moving amount can be calculated.

【0013】ここである角度移動した位置P(n)と角
度θ(n)とは、次の関係にある。 θ(n)=h・P(n) h:定数 従って、各軸回り角も求めることができる。
The position P (n) which is moved by a certain angle and the angle θ (n) have the following relationship. θ (n) = h · P (n) h: constant Therefore, the angle around each axis can also be obtained.

【0014】X軸回りの角度は、θ(X)=h・P
(x) となり、Y軸回りの角度は、θ(Y)=h・
P(y) となる。このように簡単な演算で回転角度
を算出ことができる。
The angle around the X axis is θ (X) = h · P
(X) and the angle around the Y axis is θ (Y) = h.
P (y). In this way, the rotation angle can be calculated by a simple calculation.

【0015】[0015]

【発明の効果】 本発明により、今まで設置スペースを
必要とした2軸の角度を検出する方式が、コンパクト化
されるという効果がある。具体的にはゲーム機等の操作
用ジョイスティックや移動体の操作部の構造のコンパク
ト化が可能になる。
According to the present invention, there is an effect that a method for detecting an angle of two axes, which has conventionally required an installation space, can be made compact. Specifically, the structure of the operation joystick of a game machine or the operation unit of a moving body can be made compact.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】球面ジョイント式の回転角検出装置の断面図。FIG. 1 is a sectional view of a spherical joint type rotation angle detection device.

【図2】4分割受光素子上での光スポットの位置を示す
図で初期位置(a),ある角度移動した時の位置
(b)。
FIG. 2 is a diagram showing a position of a light spot on a four-division light receiving element, an initial position (a) and a position (b) when moved by a certain angle.

【図3】受光素子から検出され演算処理されるまでのブ
ロック図。
FIG. 3 is a block diagram of the steps from detection by a light receiving element to calculation processing.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 シャンク部 2 ボール部 3 ホルダー部 4 発光部材 5 レンズA 6 レンズB 7 受光部材8 演算処理手段 9 発光部材の電源 10a〜10d 前置増幅器 11 信号処理回路 12 演算処理回路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 shank part 2 ball part 3 holder part 4 light emitting member 5 lens A 6 lens B 7 light receiving member 8 arithmetic processing means 9 power source of light emitting member 10a-10d preamplifier 11 signal processing circuit 12 arithmetic processing circuit

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】球面ジョイント用ボール部と該ボール部を
収納することによって球面ジョイントを形成するホルダ
−部と、前記ボ−ル部またはホルダ−部のいずれか一方
に設けられた発光部材と他方に設けられた受光部材と、
該受光部材からの出力信号を検出し、演算処理する手段
とを有し、記球面ジョイントを形成するホルダー部とボ
−ル部との相対的角度を検出することを特徴とする回転
角検出装置。
1. A ball part for a spherical joint, a holder part for forming a spherical joint by housing the ball part, a light emitting member provided on either the ball part or the holder part, and the other part. A light receiving member provided in
A rotation angle detecting device having means for detecting an output signal from the light receiving member and performing arithmetic processing, and detecting a relative angle between a holder portion and a ball portion forming a spherical joint. .
【請求項2】前記受光部材は、4分割受光素子であるこ
とを特徴とした上記請求項1記載の回転角検出装置。
2. The rotation angle detecting device according to claim 1, wherein the light receiving member is a four-division light receiving element.
JP5237655A 1993-08-11 1993-09-24 Angle-of-rotation detector Pending JPH0791939A (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP5237655A JPH0791939A (en) 1993-09-24 1993-09-24 Angle-of-rotation detector
US08/512,855 US5884718A (en) 1993-08-11 1995-08-09 Traveling apparatus, and control method and rotational-angle detector applied thereto

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP5237655A JPH0791939A (en) 1993-09-24 1993-09-24 Angle-of-rotation detector

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH0791939A true JPH0791939A (en) 1995-04-07

Family

ID=17018547

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP5237655A Pending JPH0791939A (en) 1993-08-11 1993-09-24 Angle-of-rotation detector

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