JPH11174075A - 角加速度検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 角加速度に応じて相対変位する第１および第
２のスリット群を備えた角加速度検出装置において、デ
ィスクの偏心誤差、スリットのピッチ誤差等に起因する
出力変動の影響を受けることなく精度の高い検出を可能
にすること。 【解決手段】 角加速度検出装置１０は、回転軸１３に
発生する角加速度に応じて相対変位する第１および第２
のスリット群１６、１７を備えている。これらのスリッ
ト群の相対変位を検出するために等角度間隔で同心円上
に配列した３個の半導体位置検出装置１８（１）〜１８
（３）を備えている。これらの検出信号Ｓ（１）〜Ｓ
（３）は出力補償回路４０で加算されて平均化される。
この結果、検出信号に含まれる誤差成分が効果的に除去
された検出信号が得られる。この検出信号に基づき精度
の良い角加速度検出を行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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、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】さらに詳しくは、各ディスクの取り付け誤
差、スリットのピッチ誤差等に起因する出力変動成分を
検出信号から除去して精度の高い角加速度を検出可能な
角加速度検出装置に関するものである。

【０００３】

【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。

【０００４】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。

【０００５】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。

【０００６】本願人は、かかる点に鑑みて、国際公開番
号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、
一方のディスクが、円周方向に配列したスリット群が形
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、他方のディスクが剛体
であり円周方向に配列したスリット群を備え、各ディス
クに形成されている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できるように構成されてい
る。

【０００７】

【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、双方のディスクに形成されているス
リットのピッチ誤差に起因して、検出出力に変動が発生
する。例えば、検出対象の回転軸に角加速度が発生して
いない場合においてもスリットのピッチ誤差のために、
僅かに角加速度が発生している場合と同様な検出信号が
出るおそれがある。また、各ディスクが偏心回転する場
合においても、検出信号には実際に回転軸に発生してい
る角加速度とは関係の無い出力変動が発生する。

【０００８】本発明の課題は、このようなスリットのピ
ッチ誤差等に起因した出力変動を除去して精度の高い角
加速度検出を行うことのできる角加速度検出装置を提案
することにある。

【０００９】

【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第１のディスクと、前
記回転軸に対して一体回転するように固定されている第
２のディスクと、光学式検出手段とを有しており、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
を備えており、前記第１および第２のディスクは前記第
１および第２のスリット群が対峙するように配置され、
前記光学式検出手段によって検出される前記第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する角加速度検出装置
において、次の構成を備えたことを特徴としている。

【００１０】すなわち、本発明の角加速度検出装置は、
３個以上の奇数個の前記光学式検出手段と、出力補償手
段とを有しており、また、前記光学式検出手段は前記第
１および第２のスリット群の配列方向に沿って等角度間
隔で同心円上に配列されており、更に、前記出力補償手
段は、前記光学式検出手段のそれぞれからの検出信号を
受け取り、これらの検出信号の平均値を算出するように
なっており、前記出力補償手段からの出力される前記検
出信号の平均値に基づき前記回転体に発生する角加速度
を検出するようになっている。

【００１１】本発明の角加速度検出装置の典型例では、
３個の前記光学式検出手段が取り付けられる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して、本発明
の角加速度検出装置の実施の形態について説明する。

【００１３】図１（Ａ）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り、図１（Ｂ）には当該装
置の光学式検出手段の配置を示してある。本例の角加速
度検出装置１０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１４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。

【００１４】これらの第１および第２のスリット群１
６、１７を挟む状態に、３組の半導体位置検出装置１８
（１）、１８（２）、１８（３）の検出部が配置されて
いる。これらの検出部は等角度間隔（本例では１２０度
の間隔）で同心円上に配列されている。各半導体位置検
出装置１８（１）〜１８（３）は同一構成である。ま
た、それらの検出部も同一構成であり、発光ダイオード
２０と半導体位置検出器２１から構成されている。

【００１５】第１のディスク１４は剛体ディスクであ
る。これに対して、第２のディスク１５は、第２のスリ
ット群１７の部分が円周方向に弾性変位可能な構成とな
っている。

【００１６】図２には第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１５ａ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
１２０度間隔で中心に向かって延びる３本の板ばね１５
ｃからなるばね部分１５ｂが形成されている。これらの
３本の板ばね１５ｃ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１５ｃ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。

【００１７】ここで、軸固定部分１５ｄは、図２（Ａ）
において点線で示すような環状のものとすればよいが、
各板ばね１５ｃの間の部分は半径方向の外方に向けて突
出した変位制限用突出部分１５３とされている。この突
出部分１５３の円周方向の両側端１５４、１５５は、対
応する板ばね１５ｃの両側端１５１、１５２に沿って一
定のギャップで平行に延びている。従って、各板ばね１
５ｃが円周方向に弾性変形して隣接する突出部分１５３
の端１５４あるいは１５５に当たると、各板ばね１５ｃ
はそれ以上に変形することはない。従って、各突出部分
１５３によって各板ばね１５ｃの弾性変形が許容量以下
に制限される。

【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、軸固定部分１５ｄおよび変位規
制用突起１５３を形成すればよい。

【００１９】次に、第１および第２のディスク１４、１
５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３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Ａ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４には、本例の角加速度検出装置１０の
制御系を示してある。半導体位置検出装置１８（１）の
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。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、例えばそ
の一方の検出信号Ｓから、交差部分Ａの移動位置を測定
することができる。

【００２３】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１４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１５
ａ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Ａ
（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、この検出器２１の出力Ｓ（１）が変化
する。よって、この検出器出力Ｓ（１）から、回転軸１
３に発生した角加速度を測定できる。残りの２個の半導
体位置検出装置１８（２）、１８（３）の検出器２１か
らも同様に検出器出力Ｓ（２）、Ｓ（３）が得られる。

【００２４】ここで、第１および第２のディスク１４、
１５に形成された第１および第２のスリット群１６、１
７の各スリットにピッチ誤差がある場合や、各ディスク
が僅かに偏心した状態で回転軸１３に取り付けられてい
る場合には、それらが原因となって検出出力Ｓには、１
回転１周期で現れる出力変動が含まれる。すなわち、ス
リットのピッチ誤差やディスクの偏心回転に起因して双
方のスリット群の交差部分Ａの位置が、角加速度の増減
に関係なく、あたかも移動したかのような検出出力が得
られてしまう。この弊害を回避するために、本例では次
のようにして検出出力Ｓを補償している。

【００２５】前述のように、本例では３個の半導体位置
検出装置１８（１）〜１８（３）を備え、それらの検出
部は１２０度間隔で同心円上に配列されている。図４に
示すように、各検出部の検出器２１から得られる検出信
号Ｓ（１）〜Ｓ（３）は出力補償回路４０に供給され
る。この出力補償回路４０においては、これらの検出信
号Ｓ（１）〜Ｓ（３）を加算してその平均値を求める。
出力補償回路４０からは、この平均化された値が補償出
力として出力される。この補償出力に基づき、角加速度
が算出される。

【００２６】ここで、従来においては、図５に示すよう
に、半導体位置検出装置１９を２個あるいは４個等角度
間隔に配置し、これらの出力信号間の誤差成分をキャン
セルすることにより、実際の角加速度に関係の無い誤差
成分を除去するようにしている。しかしながら、本発明
者らの実験によれば、従来のように偶数個の半導体位置
検出装置から得られる信号に基づき誤差成分を除去する
場合に比べて、本発明のように奇数個の半導体位置検出
装置からの検出信号を加算して平均化することにより誤
差成分を除去する場合の方が、誤差成分をより効果的に
除去できることが確認された。

【００２７】例えば、３個の半導体位置検出装置を配置
した場合には、各半導体位置検出装置からの出力信号に
は１２０度づつ位相のずれた１回転１周期の正弦波状の
誤差成分が主要な誤差成分として含まれる。これは主と
してディスクの偏心によるものである。このような誤差
成分は、３個の半導体位置検出装置からの出力を加算し
て平均化することにより効果的に除去することができ
る。本発明者等の実験によれば、４個の半導体位置検出
装置を９０度間隔に配置した場合に各装置から得られる
４個の検出信号に基づき誤差を除去する場合（図５
（Ｃ））と少なくとも同程度の結果が得られることが確
認された。

【００２８】なお、本例では、第１および第２のスリッ
ト群の相対的変位を検出するために半導体位置検出装置
を用いているが、これ以外の光学式検出手段を用いても
よいことは勿論である。また、使用する光学式検出手段
の個数は、３個以上の奇数個であればよい。

【００２９】

【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、３個以上の奇数個の光学式検出手段からの
検出信号を加算してそれらの平均値を求めることによ
り、各検出信号に含まれる誤差成分を除去するようにし
ている。この本発明の構成によれば、従来のように偶数
個の光学式検出手段に基づき検出を行う場合に比べて、
誤差成分を効果的に除去できる。換言すると、少ない個
数の光学式検出手段を用いて精度の高い角加速度の検出
を行うことが可能になり、従来に比べて同一精度の角加
速度検出を行うための装置を廉価でコンパクトに構成で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）および（Ｂ）は、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、および光学式
検出手段である半導体位置検出装置の配置を示す説明図
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４】図１の装置の制御系を示すブロック図である。

【図５】従来の角加速度検出装置における光学式検出手
段の配置例を示す説明図である。

【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 １５ｃ 板ばね １５ｄ 軸固定部分 １６、１７ スリット群 １６ａ、１７ａ スリット １８（１）〜１８（３） 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 ４０ 出力補償回路 Ｓ１〜Ｓ３ 各半導体位置検出装置の検出出力

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
   されている第１のディスクと、前記回転軸に対して一体
   回転するように固定されている第２のディスクと、光学
   式検出手段とを有しており、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ており、前記第
   １および第２のディスクは前記第１および第２のスリッ
   ト群が対峙するように配置され、前記光学式検出手段に
   よって検出される前記第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
   速度を検出する角加速度検出装置において、 ３個以上の奇数個の前記光学式検出手段と、出力補償手
   段とを有し、 前記光学式検出手段は前記第１および第２のスリット群
   の配列方向に沿って等角度間隔で同心円上に配列されて
   おり、 前記出力補償手段は、前記光学式検出手段のそれぞれか
   らの検出信号を受け取り、これらの検出信号の平均値を
   算出するようになっており、 前記出力補償手段からの出力される前記検出信号の平均
   値に基づき前記回転体に発生する角加速度を検出するこ
   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、３個の前記光学式検
   出手段を備えていることを特徴とする角加速度検出装
   置。