JPH10319033A - 角加速度検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 角加速度検出装置において、複数本のばね部
材により、角加速度に応じて円周方向に変位するように
支持されたスリット群を備えたディスクの振動ゲインの
ピークを低減させること。 【解決手段】 角加速度検出装置１０は、第１および第
２のディスク１４、１５を有し、第１のディスクが剛体
であり円周方向に配列した第１のスリット群１６を備
え、第２のディスク１５は、回転軸１３に当該ディスク
を固定するための軸固定部分１５ｄと、円環状をしたス
リット形成部分１５ａと、軸固定部分から放射状に延び
てスリット形成部分に連続している複数本の板ばね１５
１〜１５４から成るばね部分１５ｂとを備え、第１のス
リット群と第２のスリット群の相対変位に基づき回転軸
１３に発生する角加速度を検出可能である。各板ばね１
５１〜１５４の幅Ａ〜Ｄは相互に異なるので、それらの
共振周波数も異なる。各板ばねが同時的に共振を起こす
ことがないので、振動ゲインのピークを低減できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、モータ軸などの回
転軸における無限回転角度範囲に渡る角加速度を非接触
状態で検出可能な角加速度検出装置に関するものであ
る。さらに詳しくは、回転軸に対して一体回転するよう
に固定されていると共に相互に対峙させた第１および第
２のディスクを有し、第１のディスクが、円周方向に配
列した第１のスリット群が形成されたスリット形成部分
と、このスリット形成部分を当該ディスクに作用する角
加速度に応じて円周方向に弾性変位させるばね部分とを
備え、第２のディスクが剛体であり円周方向に配列した
第２のスリット群を備え、これら第１のスリット群と第
２のスリット群の相対変位に基づき回転軸に発生する角
加速度を検出可能となっている角加速度検出装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来において、回転軸の角加速度を検出
するための角加速度センサとしては、液体ロータ型角加
速度計、渦電流式の角加速度計が知られている。

【０００３】液体ロータ型角加速度計は、サーボ型加速
度計の振り子の代わりに液体の動きを検出し、この液体
の動きをサーボ機構によりバランスさせるときのフィー
ドバック電流から角加速度を測定するものである。一
方、渦電流を利用した角加速度計は、永久磁石を用いて
磁気回路を構成し、この回路内に円筒形のアルミニウム
製のロータを配置し、このロータの回転速度の変化に応
じて発生する磁気起電力に基づき、角加速度を検出する
ものである。

【０００４】しかしながら、液体ロータ型角加速度計は
回転角度に制限があり、無限回転角度に渡る角加速度の
検出はできないという問題点がある。また、渦電流を利
用した角加速度計は、得られる検出信号が微弱であるの
で、高感度の信号処理回路が必要となる。

【０００５】本願人は、かかる点に鑑みて、国際公開公
報ＷＯ９３／２０４５１号において、簡単な構成で無限
角度範囲に渡って回転軸の角加速度を検出可能な角加速
度検出装置を提案している。この角加速度検出装置は、
回転軸に対して一体回転するように固定されていると共
に相互に対峙させた第１および第２のディスクを有し、
第１のディスクが剛体であり円周方向に配列した第１の
スリット群を備え、第２のディスクが、円周方向に配列
した第２のスリット群が形成されたスリット形成部分
と、このスリット形成部分を当該ディスクに作用する角
加速度に応じて円周方向に弾性変位させるばね部分とを
備え、第１のスリット群と第２のスリット群の相対変位
に基づき回転軸に発生する角加速度を検出するようにし
ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この形式の角加速度検
出装置においては、ばね部分の円周方向への弾性変位に
基づき角加速度を検出しているので、ばね部分のばね特
性を適切に設定する必要がある。

【０００７】図７（Ａ）に示すように、一般的に使用さ
れているばね部分を備えたディスク１００は、円環状の
スリット形成部分１０１が放射状に等しい間隔で延びる
複数本のばね、図において４本のばね１０２ａ〜１０２
ｄからなるばね部分によって支持された構造となってい
る。この場合、一般に、各ばね１０２ａ〜１０２ｄの幅
ａ〜ｄを同一幅として、それらのばね特性を同一のもの
としている。

【０００８】しかしながら、この場合には、各ばね１０
２ａ〜１０２ｄの固有振動数が同一となる。この結果、
図７（Ｂ）に示すように、各ばねは同時的に共振を起こ
し、共振時のゲインはばねの本数倍となってしまい、角
加速度検出精度が極端に低下し、検出不能になるおそれ
もたかい。

【０００９】本発明の課題は、この点に鑑みて、ばね部
分の共振時のゲインを低減することの可能な構成を備え
た角加速度検出装置を提案することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明は、回転軸に対して一体回転するように固
定されていると共に相互に対峙させた第１および第２の
ディスクを有し、前記第１のディスクは剛体であり円周
方向に配列した第１のスリット群を備え、前記第２のデ
ィスクは、円周方向に配列した第２のスリット群が形成
されたスリット形成部分と、このスリット形成部分を当
該ディスクに作用する角加速度に応じて円周方向に弾性
変位させるばね部分とを備え、前記第１のスリット群と
前記第２のスリット群の相対変位に基づき前記回転体に
発生する角加速度を検出可能となっている角加速度検出
装置において、前記第２のディスクの前記ばね部分とし
て、所定の間隔で放射状に配置された複数本のばね部材
からなる構成のものを使用すると共に、各ばね部材の固
有振動周波数を相互に異なるように設定するようにして
いる。

【００１１】ここで、第２のディスクが一定の厚さのス
テンレススチール製等の円板から形成されている場合に
は、前記の各ばね部材は、円板を部分的にカットするこ
とにより同一厚さの板ばねとして形成することができ
る。この場合には、これらの板ばねの弾性変位方向の幅
を相互に異ならせればよい。

【００１２】このように構成した本発明の角加速度検出
装置においては、ばね部分を構成している各ばね部材の
固有振動周波数が相互に異なっているので、各ばね部材
が同時的に共振を起こしてゲインが各ばね部材によるゲ
インを加算した大きな値になってしまうといった弊害の
発生を回避できる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して本発明の
実施の形態を説明する。

【００１４】図１には、本発明を適用した角加速度検出
装置の縦断面を示してある。本例の角加速度検出装置１
０は薄い円筒状のハウジング１１を有し、このハウジン
グ１１の中央を、ベアリング１２を介して、測定対象の
回転軸１３が回転自在に貫通している。ハウジング１１
内に位置する回転軸１３の外周には、第１のディスク１
４および第２のディスク１５が対峙した状態で固定され
ている。これらのディスク１４、１５の外周側の部分に
は、円周方向に向けて一定の角度間隔でそれぞれ第１の
スリット群１６および第２のスリット群１７が形成され
ている。これらの第１および第２のスリット群１６、１
７を挟む状態に、検出部１９が配置されている。この検
出部１９は、発光ダイオード２０と半導体位置検出器２
１から構成されている。

【００１５】図２には、上記の第２のディスク１５の形
状を示してある。この図に示すように、第２のディスク
１５は、最も外周側の部分が環状のスリット形成部分１
５ａであり、ここに第２のスリット群１７が形成されて
いる。このスリット形成部分１５ａの内側には、その内
周面から９０度間隔で中心に向かって延びる４本の板ば
ね１５１〜１５４からなるばね部分１５ｂが形成されて
いる。これらの４本の板ばね１５１〜１５４の内側端
は、回転体１３の外周に固定した軸固定部分１５ｄの外
周に連続している。４本の板ばね１５１〜１５４のそれ
ぞれは、スリット形成部分１５ａに作用する角加速度に
応じて円周方向に弾性変形する。

【００１６】ここで、各板ばね１５１〜１５４は一定の
厚さであるが、その幅（弾性変位方向の幅）が相互に異
なっている。すなわち、板ばね１５１の幅Ａが最も広
く、板ばね１５２の幅Ｂ、板ばね１５３の幅Ｃおよび板
ばね１５４の幅Ｄはこの順序で狭くなっている。

【００１７】Ａ＞Ｂ＞Ｃ＞Ｄ このために、幅が最も広い板ばね１５１の固有振動周波
数が最も高く、それ以外の板ばね１５２〜１５４の固有
振動周波数もそれらの幅に応じて低くなっている。この
結果、これらの板ばね１５１〜１５４を備えたばね部分
１５ｂの振動特性は、図３に示すように、振動のゲイン
は、各板ばね１５１〜１５４の固有振動周波数に対応し
た周波数の部分でそれぞれ小さなピークが現れるもの
の、全体としては、平坦なものになる。

【００１８】なお、第２のディスク１５は、例えば、ス
テンレススチール製のものとすることができる。この場
合、ワイヤカットにより、ステンレススチール製のディ
スク素材を裁断して、上記のようなスリット形成部分１
５ａ、ばね部分１５ｂ、および軸固定部分１５ｄを形成
すればよい。

【００１９】次に、図４を参照して、第１および第２の
ディスク１４、１５に形成されている第１および第２の
スリット群１６、１７について説明する。

【００２０】第１のディスク１４のスリット形成部分１
４ａに形成された第１のスリット群１６は、一定の角度
間隔で形成された半径方向に延びるスリット１６ａから
構成されている。これに対して、第２のディスク１５の
スリット形成部分１５ａに形成した第２のスリット群１
７は、同一の角度間隔ではあるが、半径方向に対して一
定の角度だけ傾斜した方向に延びるスリット１７ａから
構成されている。

【００２１】図４には、これらの第１および第２のスリ
ット群１６、１７を円周方向から直線方向に展開した状
態で示してある。この図において点線で示すスリット群
が第１のディスク１４に形成された第１のスリット群１
６であり、実線で示すものが第２のディスク１５に形成
した第２のスリット群１７である。また、想像線で囲っ
た範囲が発光ダイオード２０からの平行光の照射領域で
ある。スリット群１６は一定のピッチｐで形成されたス
リット１６ａから構成され、他方のスリット群１７は、
スリット１６ａに対して一定の角度だけ傾斜したスリッ
ト１７ａから構成されている。これらのスリット１６ａ
と１７ａの交差部分Ａが光通過部分を区画形成してい
る。双方のスリット１６ａ、１７ａが横方向の相対的に
移動すると、この交差部分１７０が垂直方向に向けて移
動する。この移動位置が半導体位置検出器２１の側にお
いて検出される。

【００２２】図５には、本例の角加速度検出装置１０の
制御系を示してある。発光ダイオード２０からの平行光
が、スリット１６ａ、１７ａの交差部分を通過して半導
体位置検出器２１の検出面２１ａに照射すると、その照
射位置に応じた比率に配分された光電流出力ｉ１、ｉ２
がこの検出器２１から出力される。ここで、本例におい
ては、出力ｉ１とｉ２の和が一定値になるように、発光
ダイオード２０の光量を制御している。したがって、検
出器２１の検出出力から、交差部分１７０の移動位置を
測定することができる。

【００２３】このように構成した本実施例の角加速度検
出装置１０において、回転軸１３が回転を開始し、ある
いは回転速度が変化した場合には、第２のディスク１５
の側の第２のスリット群１７が他方の第１のディスク１
４の側の第１のスリット群１６に対して円周方向にずれ
る。すなわち、第２のディスク１５の側のスリット形成
部分１５ａの慣性力によって、そのばね部分１５ｂが円
周方向に弾性変形するので、第２のスリット群１７もそ
れに伴って円周方向にずれる。この結果、第１のスリッ
ト群１６と第２のスリット群１７の間に形成される交差
部分１７０（光透過部分）は、半径方向にずれる。この
ために、半導体位置検出器２１の側における受光位置が
移動する。この移動に伴い、この半導体位置検出器２１
の出力が変化する。よって、この検出器出力から、回転
軸１３に発生した角加速度を測定できる。

【００２４】角加速度の測定時における第２のディスク
１５の振動状態は、図３に示すように、各板ばね１５１
〜１５４の固有振動周波数が異なっているので、振動ゲ
インにおいて特定の周波数で大きなピークが現れること
は無い。従って、全体として第２のディスク１５の共振
時のゲインを低減することができ、角加速度検出精度が
悪化する等の弊害を回避できる。

【００２５】次に、図６には上記の角加速度検出装置１
０の第２のディスク１５の変形例を示してある。図に示
す第２のディスク２１５は、第２のスリット群２１７が
形成されている環状のスリット形成部分２１５ａと、回
転軸２１３に固定される環状の軸固定部分２１５ｄと、
これらのスリット形成部分２１５ａおよび軸固定部分２
１５ｄを連結している４本の板ばね２１５ｃから成るば
ね部分２１５ｂとを備えている。この構成は上記の各例
と同一である。

【００２６】しかし、本例の第２のディスク２１５で
は、ばね部分２１５ｂを構成している４本の板ばね２１
５ｃは、別部品として製造したものである。すなわち、
各板ばね２１５ｃを製造した後に、各板ばね２１５ｃの
外側端２１５ｆと内側端２１５ｇを、それぞれスリット
形成部分２１５ａの内周面および軸固定部分２１５ｄの
外周部に固着してある。固着方法としは、ねじ止め、接
着、かしめ等の方法を採用できる。

【００２７】このように板ばね２１５ｃを別部品として
製造できるので、その厚さ、幅等の調整を簡単に行うこ
とができる。換言すると、そのばね特性を簡単に調整で
きる。このために、センサ感度の調整、変更も容易とな
る。さらには、ステンレススチール板をワイヤーカット
して第２のディスクを製造する場合に比べて、第２のデ
ィスクを廉価に製造できるという利点もある。

【００２８】（その他の実施の形態）上記の各実施例に
おいては板ばねの本数が４本であるが、板ばねは３本、
あるいは５本以上であってもよい。また、どの位置にあ
る板ばねの幅を最も広くし、どの位置にある板ばねの幅
を最も狭くするのかも、ディスクの振動特性等に基づき
適宜設定すればよい。

【００２９】さらに、上記の各実施例では、同一厚さの
板ばねの幅を変えることによる各板ばねの固有振動周波
数を異なるようにしている。ばね特性に影響を与える幅
以外の要素を変えることにより、各ばねの固有振動周波
数を異なるものとなるようにしてもよい。例えば、同一
幅として厚さを変え、あるいは、各板ばねの形状を異な
ったものとして、各板ばねの固有振動周波数を異なった
ものとなるように調整することもできる。さらには、各
板ばねの材質を変えることにより、各板ばねの固有振動
周波数を異なったものにしてもよい。

【００３０】これに加えて、ばね部分としては板ばね以
外のばね機構を備えたものであってもよいことは勿論で
ある。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の角加速度
検出装置は、第２のディスクのばね部分を構成している
複数本のばね部材の固有振動周波数を相互に異なったも
のとしてある。従って、各ばね部材が同時的に共振を起
こすことは無いので、振動特性に大きなゲインのピーク
が現れて検出精度が悪化する等の弊害は発生しない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した角加速度検出装置の構造を示
す概略縦断面図である。

【図２】（Ａ）および（Ｂ）は、図１の装置の第２のデ
ィスク１５の形状を示す正面図および断面図である。

【図３】図２の第２のディスクの振動特性を示す特性曲
線図である。

【図４】図１の装置のスリット群１６、１７の関係を示
す説明図である。

【図５】図１の装置の制御系を示すブロック図である。

【図６】第２のディスクの更に別の例を示す正面図であ
る。

【図７】従来のディスクの改善すべき点を説明するため
の説明図である。

【符号の説明】

１０ 角加速度検出装置 １３ 回転軸 １４、１５ ディスク １５ａ スリット形成部分 １５ｂ ばね部分 １５１〜１５４ 板ばね １５ｄ 軸固定部分 １６、１７ スリット群 １６ａ、１７ａ スリット １９ 半導体位置検出装置 ２０ 発光ダイオード ２１ 半導体位置検出器 Ａ〜Ｄ 各板ばねの幅 １７１，１７２ スリット １７３，１７４ ピン

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転軸に対して一体回転するように固定
   されていると共に相互に対峙させた第１および第２のデ
   ィスクを有し、前記第１のディスクは剛体であり円周方
   向に配列した第１のスリット群を備え、前記第２のディ
   スクは、円周方向に配列した第２のスリット群が形成さ
   れたスリット形成部分と、このスリット形成部分を当該
   ディスクに作用する角加速度に応じて円周方向に弾性変
   位させるばね部分とを備え、前記第１のスリット群と前
   記第２のスリット群の相対変位に基づき前記回転体に発
   生する角加速度を検出可能となっている角加速度検出装
   置において、 前記第２のディスクの前記ばね部分は、所定の間隔で放
   射状に配置された複数本のばね部材を備え、各ばね部材
   の固有振動周波数は相互に異なっていることを特徴とす
   る角加速度検出装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記の各ばね部材は
   同一素材からなる同一厚さの板ばねであり、これらの板
   ばねの弾性変位方向の幅が相互に異なっていることを特
   徴とする角加速度検出装置。