(57)【要約】【課題】小型で測定角度が広く、しかも安価で精度がよい球体の角度検出装置を提供することである。【解決手段】回転自在に支持された球体に設けた受光手段と、前記受光手段と対向して設けられた複数の発光手段と、前記発光手段を所定のパターンで走査発光させて前記受光手段が受光したときの受光量と発光位置情報とに基づいて前記球体の角度を検出する制御手段とを備えた。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転自在に支持された球体に設けた受光手段と、前記受光手段と対向して設けられた複数の発光手段と、前記発光手段を所定のパターンで走査発光させて前記受光手段が受光したときの受光量と発光位置情報とに基づいて前記球体の角度を検出する制御手段とを備えたことを特徴とする球体の角度検出装置。
【請求項２】
前記受光手段と前記発光手段との間に前記発光手段からの光を前記球体の表面に導光する導光手段をさらに設けたことを特徴とする請求項１に記載の球体の角度検出装置。
【請求項３】
前記受光手段と前記発光手段との間に前記発光手段からの光を拡散する拡散手段をさらに設けたことを特徴とする請求項１に記載の球体の角度検出装置。
【請求項４】
前記球体が球面超音波モータのロータであることを特徴とする請求項１ないし３のうちのいずれか１項に記載の球体の角度検出装置。
【請求項５】
複数の発光手段からの光を球体に設けた受光手段によって受光し、前記発光手段を所定のパターンで走査発光させて前記受光手段が受光したときの受光量と発光位置情報とに基づいて前記球体の角度を検出することを特徴とする球体の角度検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転自在に支持された球体の回転角度を非接触で検出する球体の角度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、磁力を使わずにステータ側の圧電素子の超音波振動により、そのステータに接するロータを動かすことができる超音波モータの開発が進んでいる。
【０００３】
超音波モータではステータやロータの形状を工夫することによって様々な用途に用いることができ、たとえばディスク型やリング型等のモータがすでに市販化されよく知られている。また最近では、ロータを球体にした球面超音波モータの開発も進んできている。
【０００４】
この球面超音波モータは、単体で２，３自由度の駆動が可能で、たとえばロボットの分野では、アーム先端等の軽量化と多自由度化を実現することができる。その際に球体を精度よくコントロールするためには、各軸の回転角度を高精度に検出する角度検出装置が不可欠となる。球体の角度検出が行えれば、回転時の速度や位置制御などの様々な制御を行うことができる。
【０００５】
このような球体の角度検出の要求に対して、非特許文献１に記載の装置では、球体の中心点から外方に向かう軸棒をその球体に挿入し、この軸棒をアーチ形状の角度検出用枠に嵌め、球体が回転した場合には軸棒の向きが変動しこれに伴なって角度検出用枠が動き、この角度検出用枠の動きをエンコーダ等によって検出し、これに基づいて球体の角度を検出するようにしている。
【０００６】
また、特許文献１に記載の発明では、球ジョイントの角度検出装置を提供している。この球ジョイントの角度検出装置では、ロータに内設した光源からスポット状の光を平面状の２次元素子に照射してロータ回転によるスポット光の位置変化を前記検出素子で検出することで球ジョイントの角度を検出するようにしている。
【０００７】
【非特許文献１】原田  大、外２名、「多自由度超音波モータを用いたマスタ・スレーブ型能動内視鏡の開発」、日本機械学会［Ｎｏ，０１−４］ロボティクス・メカトロニクス講演会’０１講演論文集１Ａ１−Ｍ６
【特許文献１】特開平８−１４８６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、上述の従来技術には以下のような問題があった。
【０００９】
すなわち、非特許文献１に記載のように球体に設けた軸棒が角度検出枠を動かす構造の場合には、（１）機械的検出手段のため、軸棒と角度検出枠との摺動部や回転部に摩擦による負荷トルクが生じ、球体の円滑な動作を阻害してしまうし、（２）角度検出枠を含むエンコーダ部が大きく、装置の小型化が困難であるし、（３）角度検出枠の摺動部においてガタが出てしまい、球体角度の正確な検出はできないし、（４）球体の軸棒状の回転検出が困難で、付加することにより、さらに検出部が大きくなるという問題があった。
【００１０】
これに対して特許文献１に記載の発明では、角度検出に関する構成として機械的な構成ではなく、光学的な構成を用いるようにしているので上述のような問題は解消されるものの、依然として以下のような問題を抱えたものであった。
【００１１】
すなわち、特許文献１に記載の発明では、（１）投射光を非常に高価な２次元位置検出素子で受光しているため、検出部のコストが高くなるし、（２）検出角度を大きくすると、それに比例して検出素子を大きくする必要があり、検出部の大型化と高コスト化につながるという問題があった。
【００１２】
本発明は上記の点にかんがみてなされたもので、球体の角度検出を機械的な構成で行う場合の欠点を解消しつつ、従来の光学的な構成の場合の２次元検出素子による高コストの問題をも解消することができる球体の角度検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の球体の角度検出装置は、回転自在に支持された球体に設けた受光手段と、前記受光手段と対向して設けられた複数の発光手段と、前記発光手段を所定のパターンで走査発光させて前記受光手段が受光したときの受光量と発光位置情報とに基づいて前記球体の角度を検出する制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００１４】
また本発明は請求項１に記載の発明において、前記受光手段と前記発光手段との間に前記発光手段からの光を前記球体の表面に導光する導光手段をさらに設けたことを特徴とする。
【００１５】
また本発明は請求項１に記載の発明において、前記受光手段と前記発光手段との間に前記発光手段からの光を拡散する拡散手段をさらに設けたことを特徴とする。
【００１６】
また本発明は請求項１ないし３のうちのいずれか１項に記載の発明において、前記球体が球面超音波モータのロータであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、球体の角度検出を機械的な構成で行う場合の欠点を解消しつつ、従来の光学的な構成の場合の２次元検出素子による高コストの問題をも解消することができる球体の角度検出装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の一実施の形態による球体の角度検出装置の概略を示す斜視図である。
【００２０】
図１に示す本実施の形態による球体の角度検出装置１は、球体をロータとして回す超音波モータにおいて、そのロータの回転角度を検出するものであるが、本発明はこれに限られるものではなく、球体の駆動源の種類やその有無は問わず、回転自在に支持された球体の角度検出として本発明による球体の角度検出装置を適用することができる。
【００２１】
図１に示すように、超音波モータのステータ３ａ、３ｂ、３ｃは、それぞれ配線３ａ’、３ｂ’、３ｃ’を介して操作装置５によって動作制御が行われ、ロータである球体２を任意の方向に回すことができる。この実施の形態の角度検出装置１は、その時々の球体２の角度を検出する。
【００２２】
球体２には、配線２ｂを通すための管部２ａが設けられており、管部２ａの下端には配線２ｂに接続された受光素子２ｃ（後に図２に示す）が設けられている。この受光素子２ｃによって受光し電気的に変換された検出量は配線２ｂを介して操作装置５に伝えられる。
【００２３】
また本実施の形態においては、球体２の下側に、受光素子２ｃと対向して複数の発光素子４ｂ（後に図３に示す）から成る発光素子群４が設けられている。この発光素子群４は配線４ａを介して操作装置５によって発光制御され、この発光制御によって、所定の走査パターンで、すなわち任意の時間に任意の発光素子４ｂが発光させられる。
【００２４】
発光素子群４の発光は受光素子２ｃによって受光され、その受光の検出量は配線２ｂを介して操作装置５に伝えられる。操作装置５では、この受光結果と発光位置情報とに基づき、後述のようにして受光素子２ｃの向き、すなわち球体２の回転角度を検出し、その検出結果を表示部５ａに表示する。検出結果である球体の角度は、表示せずに、他の制御に利用するように信号として外部出力してもよいことはいうまでもない。
【００２５】
図２は図１に示した角度検出装置の断面図である。
【００２６】
球体２はステータ３ａ、３ｂ、３ｃによって任意の方向に回され、それに応じて管部２ａの下端に設けられた受光素子２ｃの向きも変わる。すなわち受光素子２ｃの向きを検出することによって球体２の角度を検出することができる。
【００２７】
受光素子２ｃはその受光特性により向いている方向にある発光素子４ｂからの光をよく検出するので、受光素子２ｃの向きは、受光素子２ｃにて大きな光量を受光したときに発光素子群４のうちのどの発光素子４ｂが発光していたかによって検出することができる。
【００２８】
発光素子群４の大きさとしては、球体２の検出したい角度範囲の末端部でそのとき受光素子２ｃが向いている方向に発光素子４ｂが存在する程度の大きさが必要である。
【００２９】
図３は図１に示した発光素子群の平面図である。
【００３０】
図３に示すように、本実施の形態の発光素子群４は縦横に配列された複数の発光素子４ｂを有して構成される。これらの発光素子４ｂのそれぞれは、上述のように配線４ａを介して操作装置５によって発光制御される。
【００３１】
図４は、図１に示した角度検出装置の制御に関する構成を示すブロック図である。
【００３２】
図４に示す基準信号発生部１０、走査パターン制御部１１、検出レベル比較判定部１４、演算部１５および座標出力部１６は操作装置５に設けられ、座標出力部１６は表示部５ａで構成され、発光手段１２は発光素子群４で構成され、検出手段１３は受光素子２ｃで構成される。
【００３３】
本実施の形態の角度検出装置１では、基準信号発生部１０にて所定の周波数の基準信号を発生させ、この基準信号に基づき走査パターン制御部１１にて、発光素子４ｂのそれぞれを発光させる順序のパターンである走査パターンを生成し、この走査パターンで発光手段１２を発光させるよう発光制御する。このとき、走査位置情報すなわち発光している発光素子４ｂの位置の情報は演算部１５に伝えられる。
【００３４】
発光手段１２の発光は検出手段１３で検出され、検出結果は検出レベル比較判定部１４にて検出レベルの比較判定が行われ、演算部１５にその判定結果が入力される。
【００３５】
演算部１５では、走査パターン制御部１１からの走査位置情報と検出レベル比較判定部４からの判定結果とに基づいて、図３に示したような配列の発光素子４ｂの座標を球体座標等の任意の座標系に変換し、その座標を座標出力部１６すなわち表示部５ａにて表示する。
【００３６】
この角度検出は、たとえば、受光素子２ｃにて受光した光量が最も大きなときに点灯していた発光素子４ｂと球体２の中心とを結んだ線の方向に球体２が向いているものと判断して行う。
【００３７】
図５および図６は、図４に示した走査パターン制御部による走査パターンの例を説明する図であり、図５（ａ）〜（ｃ）はＸ軸方向の走査を示す図であり、図６（ａ）〜（ｃ）はＹ軸方向の走査を示す図である。
【００３８】
図５（ａ）〜（ｃ）および図６（ａ）〜（ｃ）においては、図３に示した複数の発光素子４ｂのうちの３６個のみを示し、Ｘ軸とＹ軸とで表される座標で、各発光素子４ｂのそれぞれを特定するようにしている。また、図５（ａ）〜（ｃ）および図６（ａ）〜（ｃ）においては、座標（Ｘ３，Ｙ２）の発光素子４ｂの方を受光部すなわち受光素子２ｃが向いているものとし、発光している発光素子４ｂを黒丸で示している。
【００３９】
本実施の形態の走査パターンは、まず図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、Ｙ軸上１列の発光素子４ｂのみを発光させ、これをＸ軸に沿って移動させ、Ｘ軸すべてに行き渡ったならば、その後は図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、Ｘ軸上１列の発光素子４ｂのみを発光させ、これをＹ軸に沿って移動させ、Ｙ軸すべてに行き渡ったならば、またＹ軸上１列の発光に戻りこれを繰り返す。
【００４０】
この走査パターンによれば、受光素子２ｃは、図５（ｃ）の状態で所定レベル以上の光を検出し、さらに図５（ｂ）の状態で所定レベル以上の光を検出する。これによって、演算部１５では、受光素子２ｃが座標（Ｘ３，Ｙ２）の発光素子４ｂの方を向いていることを検出することができる。
【００４１】
なお、走査パターンは、このようにＸ軸、Ｙ軸を１列ずつ走査するものに限られず、斜めに走査するものでもよいし、複数列ずつ走査するものでもよいし、列に限らず所定のまとまりごとに発光させるものでもよい。
【００４２】
この図１に示す実施の形態のように構成することによって、受光素子が少なくて済むため、外部ノイズからのシールドが容易であるという効果がある。また、高価な受光素子が少なくて済むためコスト的にも優位である。
【００４３】
なお、図１に示す例では、ステータ３ａ、３ｂ、３ｃの動作制御や、発光素子群４の発光制御や、受光素子２ｃによる受光結果に基づく球体の角度検出を、操作装置５で行うようにしているが、本発明はこれに限られるものではなく、それぞれの制御や検出を別々の装置で行うものであってもかまわない。
【００４４】
次に、本発明の図１とは別の実施の形態について説明する。
【００４５】
図７は、本発明の、図１とは別の実施の形態による角度検出装置の断面図である。
【００４６】
この図７の実施の形態では、図２に示した発光素子群４の代わりに、発光素子群７および導光部材６を設けている。この導光部材６には、発光素子群７の複数の発光素子からの光を上部に導光する複数の貫通孔６ａが設けられている。
【００４７】
図８は、図７に示した導光部材を示す図であり、（ａ）は導光部材の斜視図であり、（ｂ）は導光部材の平面図である。
【００４８】
図７、図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように導光部材６の上面は球体２の球面に沿った形状となっており、このような形状によって平面である発光素子群７からの光を球体２の表面に導光することで、球体２の検出角度範囲を広げることができる。
【００４９】
この実施の形態によれば、前記の図２と同じ検出角度範囲を保ちながら、発光素子群７の大きさを最小化することができるため、図７のように装置を小型化することができる。
【００５０】
発光素子と受光素子との間に設ける導光手段としては、図７に示したような貫通孔６ａを設けた導光部材６のほかにも、ミラーやプリズム、光ファイバなどのあらゆる光学的部材を用いることができ、平面から球面に光を導光するものであればよい。また有機ＥＬのように可撓性を有し、球面を覆うように発光することができる発光手段を用いることもできる。
【００５１】
ところで、図１や図７に示した実施の形態では、球体２に受光手段として受光素子２ｃを１つだけ設けたが、本発明はこれに限られるものではなく、球体２の球面の異なる角度に複数の受光素子を設けるようにしてもよい。このようにすれば、複数の受光素子による受光結果に基づいて球体の角度検出を行うことができ、これによって、いずれかの受光素子と球体の中心とを結ぶ線を軸とした回転角度や任意の軸上の回転角度も検出することができる。
【００５２】
また、上述の実施の形態では、たとえば、受光素子２ｃにて受光した光量が最も大きなときに点灯していた発光素子４ｂと球体２の中心とを結んだ線の方向に球体２が向いているものと判断するようにしたが、本発明はこれに限られるものではない。たとえば、受光量をアナログ的に比較し、隣接する２個の発光素子から１：１の割合の強度の受光があった場合には、その受光割合に応じてその２個の発光素子の中間に受光素子２ｃが向くような角度に球体２があるというように判断することができ、その時々の受光割合に応じて球体２の角度を検出することができる。また、隣接する２個の発光素子での割合だけではなく、３個以上の数の発光素子によって球体２の角度を検出することもできる。
【００５３】
また、上述の実施の形態では、発光素子からの光が直接に受光素子に届くようにしているが、本発明はこれに限られるものではなく、発光素子と受光素子との間に光を拡散させる、たとえばすりガラスのような拡散板を設け、発光素子の位置にて光量の急激な立ちあがりをしないよう光を拡散させることができる。このようにすることによって、前記のアナログ的に受光量を比較する手法と組み合わせて発光素子個々の固体差を小さくし、また発光素子の数を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の一実施の形態による球体の角度検出装置の概略を示す斜視図である。
【図２】図１に示した角度検出装置の断面図である。
【図３】図１に示した発光素子群の平面図である。
【図４】図１に示した角度検出装置の制御に関する構成を示すブロック図である。
【図５】図４に示した走査パターン制御部による走査パターンの例を説明する図であり、（ａ）〜（ｃ）はＸ軸方向の走査を示す図である。
【図６】図４に示した走査パターン制御部による走査パターンの例を説明する図であり、（ａ）〜（ｃ）はＹ軸方向の走査を示す図である。
【図７】本発明の、図１とは別の実施の形態による角度検出装置の断面図である。
【図８】図７に示した導光部材を示す図であり、（ａ）は導光部材の斜視図であり、（ｂ）は導光部材の平面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１  角度検出装置
２  球体
２ａ  管部
２ｂ  配線
２ｃ  受光素子
３ａ、３ｂ、３ｃ  ステータ
３ａ’、３ｂ’、３ｃ’  配線
４  発光素子群
４ａ  配線
４ｂ  発光素子
５  操作装置
５ａ  表示部
６  導光部材
６ａ  貫通孔
７  発光素子群
１０  基準信号
１１  走査パターン制御部
１２  発光手段
１３  検出手段
１４  検出レベル比較判定部
１５  演算部
１６  座標出力部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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