JPS5855802A - 回転変位並びに直線移動変位検出装置 - 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】 本発明は、回転機械娶るいは直線運動する機械の可動゛
部分の変位を検出する装置に関し、具体的には、回転機
械における回転軸の回転角度検出装置および直線運動機
械における可動部の移動位置を検出する直線移動変位検
出装置に関する。

産業機械その他一般機械の駆動部分の自動制御について
機械の可動部の動作、変位あるいは位置を検出すること
は欠かせない事項である。機械の可動部゛が回転運動を
する場合にはその回転角度を゛検出することで可動部の
変位が検知されるので、回転機械Ｋ１−１回転角度検出
器が取シ付けられるのが普通である。

第１図は回転角度検出器４を備えた回転機械１およびそ
の駆動機構の斜視図である。回転機械ｌはモータ３によ
り減速機２を介して駆動され、回転機械ｌの回転軸５に
直接、あるいはモータ３の出力軸に同様の減速機２を介
して、回転角度検出器４．４′が連結される。回転角度
検出器の例としては従来からロータリーリミットスイッ
チ型あるいｔまパルスエンコーダ型のものが知られてい
る。第２図（ａ）、（切はロータリーリミットス・イツ
チ型回転角度検出器を示したものである。回転機械ある
いは駆動電動機その他の回転軸５け、検出器筐体４０内
に挿入される。この回転軸に複数個の回転ディスク６が
固着され、その各回転ディスクには、第２図（りの如く
夫々異なった位置にストライカ−６′が装着されている
。ストライカ−６′は回転軸５０回転による同転ディス
ク６０回転とともに移動し、各回転ディスクに対応して
所定位置に設けられ丸打動接点７にストライカ−６′が
衝接して押動せしめ、可動接点７を固定接点８に接触せ
しめる。可動接点７および固定接点８には夫々信号ＩＩ
　７／　　８／がついていて、対応する可動接点７と固
定接点８の接触を遠方でも電気的に検知できるようにな
っている。従って、回転ディスク６に固着したストライ
カ−６′の位置を調整すれば回転軸の任意の回転角度を
検出できる。

第３図（ＩＬ）、　（ｂ）はパルスエンコーダ型の回転
角度検出器を示し友ものである。ロータリーりンットス
イッチ型と同様に、筐体４１に挿入・され丸目転軸５に
回転ディスク９が固着され、第３図（１１Ｏの如くその
ディスクに複数個のスリット（穴）９′が穿けられてい
る。そしてそのスリット部を挾むように、ランプあるい
は発光ダイオードなどの投光ａ１゜と、光トランジスタ
などの充電変換素子および増幅回路を内蔵した受光器１
１とが＊、ｂ付けられている。回転軸５０回転角度に応
じて投光器１０からの光は１、回転ディスク９で遣られ
たり、スリット９′を通って受光器１１に入光したりす
る。ディスク９に穿社るスリットの数および間隔を予め
設定しておくことにより、受光器１１の出力は回転角度
に対応するパルス列となり、受光器信号線１１’を通じ
て遠方へ送られる。そこでそのパルス数を計数すれば回
転軸の回転角度が検知できる。１０′は投光器電源線で
ある。

これらの従来型回転角度検出器には次のような問題点が
あった。

（イ）、ロータリーリミットスイッチ型、パルスエンコ
ーダ型のものでは、ともに電気的接点、投光器、受光器
などの電気回路部品が内蔵されていて、これらが被検出
体に隣接して配置されるので、熱、水、ダストあるいは
振動などの多い鉄鋼プラントなどの現場においては故障
しやすい。特にロータリーリミットスイッチ型では接触
式の可動接点部分の故障が多い。

（ロ）、ロータリーリミットスイッチ型では、検出する
（口）転角度は不連続でしかとれない。即ち、ストライ
カ−でセットした負度しか検出できない。

また一度ストライカーの位置をセ・リドしてしまうと、
その変更は現場の検出器の筐体の豊を開けてストライカ
−の位置を動かさなければならず繁雑な作業を要する。

（ハ）、パルスエンコーダ型では回転角度の絶対値が検
出されるのではなく回転移動ｌを示すパルス数しか検出
できないので、回転角度の絶対値を知るためりはロータ
リ、−リミットスイッチ型による回転基準角度の、信号
と組み合わせねばならない。

またパルスエンコーダ型では信号がパルスという高量波
信号となるのでノイズの発生源となっタシ、逆に他のノ
イズによって影響を受けてパルス数の計数ミスを起むし
易い。

一方、直線運動する機械の可動部分（例えば圧延ライン
におけるブツシャサイドガイドあるいは一般のシリンダ
装置のピストン棒）の移動位置を検出してその機械を自
動制御する場合、リミットスイッチなどによるワンポイ
ント的な検出ではなく、連続的に可動部分の直線運動位
置を検知してその位置による最適制御を実行する場合が
ある。

第４図はこの場合の連続直線運動位装置検出！１ｇを概
略的に示したものである。直線運動機械ｌの町動部に磁
性体から鼻あ直線運動コア１２を連結し、このコア１２
を挾むように変圧器の１次巻線１１および２次巻線１３
を配置する。ｌｏＶｉｌ次巻ｌ５ｌｌに対する交流電源
、１５は２次巻１１１３の出力電圧を増幅する増幅器で
ある。１次巻線１１゜［［線運動コア１２．２次巻＠１
３によって差動変圧器を形成している。従って、直線運
動機械１に連動して動くコア１２０位曾によウマ２次巻
線１３の出力電圧は変化し、それを増幅した出力１７は
自動制御回路へ人力する。

しかしながら、°この従来型の直線運動位置検出器には
１次巻線１１．２次巻線１３．増幅器１５のような電気
回路部品が内蔵されかつこれが機械ｌの近傍に配置され
るため、鉄鋼製造プラントのように高温にさらされるよ
うな機械にコア１２を連結して使用すると、コア１２を
介して熱が検出器１６に伝導し、１次巻線１１．２次巻
線１３、増幅器１５などが加熱され、誤動□作、故障を
引き起こし易く、保守性、信頼性も低く問題であった。

しかも増幅器１５の出力１７を自動制御回路へ送る際、
出力１７がアナログ電気信号であるため。

ノイズを拾い易いという問題もあった。

回転機械あるいは直線運動機械の自動制御が原理的には
可能であるのに、これらの機械の町動部に対する位置検
出器の問題のために１実用化されていなかったり、実用
化されても非常に保守の手間のかかるものであったりし
て保守性、信頼性の高い検出器の出現が待ち望まれてい
た。

本発明は、これらの問題を解決し、保守性、信頼性の高
い回転変位検出装置および直線移動変位検出装置を提供
することを目的とする。

以下、本願の第１の発明に係る回転変位検出装置の実施
例を図面をもとに説明する。

第５図は本発明に係る回転変位検出装置の概略的な縦断
面図でｈｔ。回転機械の回転軸５に回転角度を符号化す
るための符号化部を有する回転ディスク７Ｇ（後述）が
直結され、その回転ディスク７０の符号化部７１を挾む
ように一対の光フアイバ端固定器５３と５５が固定され
ている。各光ファイバ端固定群５３．５５の内部には焦
点ａＳ用レンズ５４がついている。光ファイ／（端面定
器５３および光フアイバ端固定器５５には、夫々投光用
光フアイバケーブル５２および受光用光フアイバケープ
、４５６が接続されている。回転ディスク７０、光フア
イバ端固定器５３．５５およヒ光ファイバケーブル５２
．５６の一部は、カッ（−５０によって保護され、外部
の水、ダスト、特に光がカバー内部に混入しないような
構造である。カッ（−５０に導入される投光用光７アイ
Ｉ（ケーブル５２は、遠方の環境条件のよい電気室など
に設置された光線発生器５１に接続される。同様に一光
用光ファイバケーブル５６は、同じく環境条件のよい電
気室などに設置された充電交換器５７に接続される。更
に光電変換器５７ｉｊ、電気的に信号処理器５９に接続
される。

これらの機能について説明すると、回転機械本体に対し
て遠く離れた場所に置かれた光線発生器５１から発生さ
れ九光が、投光用光コアイノ（ケーブル５２を経て光フ
アイバ端固定器５３の焦点調＠ｐＨｖｙ：＜ｓ　＜−＋
＠＠ｆイ、ｘ　ｆｉ　７０　（Ｄ＊＊イ、つ７、→光フ
ァイバ端固定器５５の焦点１１１１１用レンズ５４→受
光用光フアイバケーブル５６→光電変換器５７へと伝播
し、光電変換器５７にてその伝播光に対応した電気信号
５８に変換され、その電気信号が信号処理器５９に送ら
れる。この光の伝播において、回転ディスク７０の符号
化部７１が重要な役目を果たす。

次に１本発明の回転変位検出器に適用される回転ディス
ク７０について詳述する。

８６図（ａ）は回転ディスク７０の一例を示したもので
ある。この回転ディスク７０の外周部には、任意の基線
位１ｌｌ（０’、３６０°・・・）から光透過率が単調
連続に変化する符号化部７１が設けられている。、符号
化部７１は、周方向に例えば黒色塗装した完全不透明部
分から漸次透明度を増した灰色半透明部分を経て完岑透
明部分に至るように表面処理がなされている。第６図（
ＩＬ）　Ｋ示す如く１回転ディスク符号化部フ１の基線
位置からの回転角度を０とする。回転ディスク７０は回
転軸５に固着されるので、この角度θは回転軸の回転角
度と考えてよい６＃述した如く、光線発生器５１で発生
した光は、この符号化部７１を通過するときに、回転角
度θに対応して減衰して光“電変換器に受光される。従
って、第６図（功の実線のような光透過率をもった符号
化部７１の場合、光電変換器５７の受光量電気信号５８
は第６図（Ｃ）のようにする。

よって、回転角度＃に対応した電気信号が得られるので
、これを信号処理部５９で処理すれば任意のθを検出す
ることが可能である。

信号処理部の構成例を第７図（ａ）　Ｋ示し、９０’≦
θ≦１８０°を検出したい場合の回路出力を第７図（ｂ
）に示して、これで説明する。

信号処理部は、例えばＮ個の比較器５９　（０）、ｓ　
９　（１）、５９　（２）・・・％５９　（Ｎ）とイン
バータ（反転）論理回路６０　（１０）と論理積回路６
ｏ　（ｏｏ）とで構成される。比較器５９（Ω）（１≦
ｎ≦Ｎ）にはＮ情夫々独立に変化可能な基準信号５９（
００）、５９（０１）、・・・、５９　（ｏＮ）と受光
量電気信号５８が入力される。比較器５９　（ｎ）では
、その受光量電気″信号５８と基準信号５９（Ｏｆｌ）
とを比較して、５８が５９　（Ｏｎ）以上になると定レ
ベル出力６０　（ｎ）を出す。９０°≦０≦１８００を
検出したい場合は、基準信号５９　（００）をθ＝９０
°に対応する受光量電気信号値として基準信号５９（０
１）をθ＝１８０’に対応する受光量電気信号値に調整
すれば、比較器５９　（０）の出力６０　（０）　Ｆｉ
、９０’＋３６０’ＸＭ≦＃≦３６０°Ｋ（Ｍ＋１）、
（Ｍ二〇、１．２、−）にて定レベル出力を出し、全く
同様に比較６５９　（１）の出力６０　（１）は、 １８０°＋３ｇｏ’ｘｕ≦θ≦３６０’Ｘ（Ｍ−ｆｉｌ
　）、（Ｍ＝０．１．２、−）にて定レベル出力を出す
。従って、出力６０（１）をインバータ（反転）論理回
路６０　（１０）を通した出力と出力６０　（０）の信
号とを入力した論理積回路６０　（００）の出力６０は
、 ９０°＋３６００ＸＭ≦θ≦１８０°＋３６０°ｘＭ、
　（Ｍ＝０．１，２、−・・）にて定レベルを出すので
所望の回転角度検出が実現する。

上記実施例の回転角度検出器は、従来の回転角度検出器
の問題点を解消し、次のような優れた性質をもつ。

（イ）、ロータリーリミットスイッチ型、パルスエンコ
゛−ダ型回転角度検出器のように、電気回路部品が回転
機械の回転軸付近の環境条件の悪いところには全く存在
せず、光ファイバとレンズなどの光学部品のみなので故
障が少ない。！！ＩｔＫカバー５０を堅牢かう密閉性の
よいものにすれば、熱、水、ダストおよび振動に対して
非常に強いものとな抄、鉄鋼プラントなど現場環境条件
の悪い場所で従来城検出器が使えなかった場所にも使用
できる。

（ロ）、ロータリーリミットスイッチ型では、ストライ
カ−でセットした角度しか検出できず、一度ストライカ
ーをセットしてしまうとその変更が繁雑であったが、本
実施例では、電気室内で信号処ｔ＆１部の調整のみでで
きる。具体的には第７図（ａ）にて、基準−信号５−’
９　（Ｏｆ’）　；　５９　（０２）’、・・・などの
調整で簡単にしか啄どのような角度でも検出できる。

（・・）、パルス・エンコーダ型では、角度の絶体値は
開傘にｒｉ脅出できないが、本実施例では、角度の絶体
値が簡−に検出できる。即ち１本実施例の検出’ｄ；ｉ
ｎパルスエンコー“ダ型とロータリーリミットスイッチ
型を組み合わせた検出方式と同等の能力をもっている。

また現場からの回転角度信号伝送が光という媒体を使っ
ているので、従来のパルスエンコーダ型で問題となった
ノイズの問題が全くなく、検出の精度、信頼性が高い。

本発明に係る回転ディスクは上記実施例の＃１かに種々
の形態をとり得る。第８図（ａ）　ｔ′ｉ回転ディスク
７０の符号化部７１に半透明板を複数枚はり合わせ、こ
れによって回転ディスクに伴って光の透過率を第８図（
ｂ）の如く階段状に変化させるようにしたものである。

第８図（Ｑ）　Ｆｉ、上記実施例における回転ディスク
の回転角、即ち機械の回転軸の回転角度に対する受光部
の電気信号を示（７た吃のである。光透過率は、回転角
度θに関して単調増加（あるいは単一減少）であるなら
ば、第８図（ｂ）のように階段状あるいは第６図（ｂ）
の点線のように曲線状に変化する形態でもよい。以上は
回転ディスクの符号化部を半透明体とし光の減衰を利用
した例である−が、こ゛の符号化部を光学フィルタにて
構成し、その波長を利用した方式でもよい。第９図はこ
の場合の回転ディスク７０の一例を示したものである。

ディスク７０の外周部を赤、赤紫、紫、育・・・等の可
視光フィルタ７１’の組Ｏｆｆ構成し、回転角に応じて
これらの部分を光が通過するときに成る波長の光だけを
選択的に透過させ、光電変換器５７および信号処理器５
９で光の波長を分別して回転角度θを得る。更に第１Ｏ
図（ａ）に示す如く、回転ディスク７０の外周部に従来
のパルスエンコーダ型と同じようなスリット９′を穿け
、投光器からの光の適所、通過の回数によって回転角を
検出することでもよい。これによって環境条件に強くノ
イズに対して影響を受けないパルスエンコーダ型回転角
度検出器が得られる。第１０図（功はこの実施例におけ
る回転角度と受光部の電気信号との関係を示した本ので
ある。

次に、本願の第２の発明に係る直線移動変位検出装置の
実施例を図面をもとに説明する。

８１１図は上記第２の本発明の一施例を示した研略的な
縦断面図である。直線運動機械１′の可動部例えばシリ
ンダ装置のピストン棒に長尺の位置符号化長板２３が固
着され、この符号化長板を挾むように一対の光フアイバ
端固定器２２．２４が配置されている。第５図の回転角
度検出器の場合と同様に光フアイバ端固定器２２．２４
には、各各投光用光ファイバケーブル２１および受光用
光フアイバケーブル２５が接続され、これらの光７アイ
パケーブル２１．２５の他端は直線運動機械から遠く離
れた環境のよい電気室などに設置された光線発生器２０
および光電変換器２６に接続される。符号化長板２３、
光フアイバ端固定器２２．２４および光フアイバケーブ
ル２１．２５の一部は、カバー３０によって保鏝されて
いる。光電変換器２６には信号処理器２７が接続される
。

符号化長板２３Ｆｉ、その長手方向に光の透過量あるい
は異なる波長の光を通過させこれによって符号化された
信号光を得るように構成された坂である。その具体的な
構成は第６図（＆）、！ｓ８図（ａ）、第９図あるいは
第１０図（ＩＬ）　Ｋ関して述べたものと同様でよい。

第１２図（ＩＬ）　ｔ：を光の透過率を連続的に変化さ
せるようにした例、第１３図は可視光による光フィルタ
で長手方向０位置により成る波長の光だけを選択的に通
過させるようにした例である。

この場合、各色のフィルタをはり合わせて光色フィルタ
として作成してもよい。なお、符号化長板は、光の通過
する部分のみ透過率が変化すればよいので、鉄板の外枠
に透過板あるいはフィルタ板をスリット状に取り付けて
作成してもよい。

この実施例で機械の直線運動変位を検出する動作は前述
した回転角度検出の場合とほぼ同様である。まず、光線
発生器２０にて発生した光は、光ファイバ２１から符号
化長板２３を経て光ファイバ２５へと伝播し、符号化長
板２３を通過するときに機械ｌ′の直線運動位置によっ
て光の強度に変化が与えられる。このように光強度に位
置の情報が与えられた光線が元ファイバ２５を通って光
電変換器２６に受光され、光から電気信号に変換され番
。第１２図（→の実線の如く符−号化長板の通過光の強
度によって光電変換器２６で線型に出力電圧が変化する
ものであればその出力電圧をそのまｉ変位検出出力２８
として出力すれば機械ｌ′の直線位置出力となるし、同
図（功の点線の如く非線型であっても信号処理器２７に
よって補正すれば機械１′の直線位置出力２８を作るこ
とは可能である。

出力２８ｉ；ｉ直線運動機械の自動制御回路（図示省略
）に入力される。

本実施例の検出器はカバー３０の内部の光フアイバ端固
定器２２，２４、符号化長板２３などは光学部品のみな
ので従来の電気部品よりも熱に強く、その温度が変化し
ても特性の変動がない。更に直線運動機械の位置を検知
し伝播する信号が光信号なので従来のような電気的ノイ
ズの問題がなく極めて信頼性が高い。

本発明の装置は一般の回転機械あるいは直線運動機械す
べて、に適用できる。特に、ガソリンエンジンのような
内燃機関においては回転角度をカム機構などで一械的に
検出しているが、本発明を適用すればカムなどの機構を
使わずに点火、弁制御カテキる。また、レシプロエンジ
ンにて本発明の直線運動変位検出器をエンシソのシリン
ダ部Ｋｊ［り付けてピストンのレシプロ運動を検出させ
ること４できる。これはマイクロコンピュータなどでガ
ソリンエンジンを自動制御する場合′などにおいて有効
なセンサである。

なお、−Ｆ記の実施例では光の透過率の変化あるいは通
過光の波長を利用したが、本発明はこれらに＠定されず
、回転ディスクあるいは符号化長板で投射光が反射し、
この反射光の強度あるいは波長を利用することでもよい
。このような態様も本発明に含まれる本のである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の回転角度検出器を備えた回転機械および
その駆動機構の斜視図、第２図（ＩＬ）は従来のｏ−タ
リーリミットスイッチ型回転角度検出器の縦断面図、＠
２図（功は第２図（ａ）の筐体を除去した状態における
正面図、１ｓ３図（→は従来のパルスエンコーダ型回転
角度検出器の縦断面図、第３図（呻は第３図（→の筐体
を除去した状態における概略的な正面図、第４図は従来
の連続直線運動位置検出器の概略的な側面図、第５図は
本発明の実施例に係る回転変位検出装置の縦断面図、第
６図（りは本発明に係る回転ディスクの一例を示したＩ
ａ面図。 第６図（りは回転ディスクの回転角度と符号化部におけ
る光透過率との関係を示した図、３６図（Ｃ）は回転角
度と受光部の電気信号との関係を示した図、第７図（！
Ｌ）は本発明に係る信号処理部の回路構成を示した図、
第７図（功は回転角度と信号処理部の入力および出力と
の関係を示した図、第８図（ａ）Ｆｉ本発明の他の実施
例に係る回転ディスクの端面図、第８図＜りは第８図（
ＩＬ）の回転ディスクを用いた場合の回転角度と光透過
率との関係を示した図、Ｈｓ図（Ｃ）は第８図（→の回
転ディスクを用いた場合の回転角度と出力電気信号との
関係を示した図、第９図は本発明の他の実施例に係る回
転ディスクの端面図、第１０図（＆）は本発明のさらに
他の実施例に係る回転ディスクの端面図、第１θ図（り
は第１０図（→の回転ディスクによる回転角度と出力電
気信号との開俵を示し九図ｓ　！ｉ　１図は本発明に係
る直線移動変位検出装置の概略的な側面図、ＱＸＺ図（
ＩＬ）は本発明に係る符号化長板の一例を示した図、第
１２図（→は本発明を適用した場合の可動部の直線移動
位置と符号化長板の光透過率との関係を示した図、第１
３図は本発明に係る符号化長板の他の例を示した図であ
る。 ｌ・・・回転機械、　　　　１′・・・直線運動機械、
５・・・回転軸、　　　　　　２０．５１・・・光線発
生器、２１．５２・・・投光用光）６アイバケーブル、
２２．２４．５３．５５・・・光フアイバ端固定器、２
３・・・符号化長板、 ２５．５ｇ・・・受光用光フアイバケーブル、２６．５
７・・・光電変換器、 ２７．５９・・・信号処理器、 ２８．６０・・・電気信号出力。 ７０・・・回転ディスク％　　７１・・・符号化部。 代理人　　弁理士　　染　、川　利　吉第１図 □θ（０） ０　　　　　　９０　　　　　１８０　　　　２７０　
　　　　３６０回転角度 悄７図（ａ） ９ 第７図（ｂ） ９０　１８０　　　　　４５０５４０　　　　　θ（０
）第８図（ｂ） 回転角度θ 回転角度θ 第９図 第１０図（０） 回転角度θ 第１１図 第１２図（ｏ）　　　　　第１２図（ｂ）１′ 直線移動位置 第１３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ！１’）　　機械の可動部分に連結された符号化板に光
   を投射して該符号化板を経由した光の変位を電気信号の
   変化として取り出すようにした変位検出器において、回
   転軸に固着されかつ外局に光信号の符号化処理がなきれ
   た符号化円板と、前記符号化円板に投光用光ファイバを
   通して投光する投光装置と、前記投光用光ファイバから
   の光を前記符号化円板を介してかつ受光用光ファイバを
   通して受光し電気信号として出力する光電変換装置と、
   前記光電変換装置からの電気信号を前記回転軸の回転角
   度信号に変換する信号処理装置とを有することを特徴と
   する回転変位検出装置。 （２）機械の可動部分に連結された符号化板に光を投射
   し該符号化板を経由した光の変化を電気信号の変化とし
   て取り出すようにした変位検出器において、機械の直線
   運動部分に固着されかう長手方向に沿って光信号の符号
   化処理がなされた符号化長板と、前記符号化長板に投光
   用光ファイバを通して投光する投光装置と、前記投光用
   光ファイバからの光を前記符号化長板を介してかつ受光
   用光７アイパを通して受光し電気信号として出力する光
   電変換装置と、前記光電・変換装置からの電気信号を前
   記直線運動部分の直線変位信号に変換す′る信号処理装
   置とを有することを特徴とする＊ｍ移動変位検出装置。