JPH0791939A - 回転角検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】簡単な構成で小型な回転角検出装置を提供する
ことにある。 【構成】回転角検出装置は、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。ボー
ル部２に設けられた発光素子４から出射された光は、ホ
ルダー部３に設けられた分割受光素子７上に光スポトと
して形成され、光電変換され演算処理手段８により処理
される。

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【図面の簡単な説明】

【図１】球面ジョイント式の回転角検出装置の断面図。

【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）。

【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。

【符号の説明】

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

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【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。
2. 【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。