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【発明の名称】 角度計測器
【発明者】 【氏名】鈴木 夏来
【要約】 【課題】測定範囲を拡大し、測定精度を高めるとともに、取扱いやメンテナンスが容易にして小型軽量化した角度測定装置を提供する。

【解決手段】ベース板１とベース板２とが回転プーリ６とこれに巻き回しされた紐部材８によって連結され、プーリ６が互いに揺動するリンク９によって支持されており、プーリ群と紐部材の回転伝動によってベース板１とベース板２に装着された２物体の相対角度を測定する角度測定装置において、互いに揺動するリンク上のプーリ群６−１、６−２の回転面を同一面とし、さらに同一径とした上で、互いに揺動しないリンク上のプーリ６−３の回転面を自由に設定すること、及びプーリ６−３の動作径を他のプーリ径に比して大または小に選定する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】第１ベースに第２ベースが連結手段を介して連結され、前記第１ベースに対する前記第２ベースの角度状態が計測角度として出力される角度計測器において、前記連結手段が、順次、揺動可能に連結される複数のリンクとされ、前記複数のリンクには、相対回転可能に相互に一体的に連動するように連係されたプーリと、相対回転不可能にリンクに固定されたプーリがあり、前記相対回転可能に相互に一体的に連動するように連係されたプーリは全て隣接同士が同一径をなし、前記相対回転不可能にリンクに固定されたプーリはそれぞれ同一ないし異径をなし、前記第１ベースにはロータリポテンショメータの本体とプーリおよびプーリ軸受けが固定され、前記第２ベースには一個の固定プーリが連結され、これら全てのプーリ間を同一の紐部材にて巻き回しされてことを特徴とする角度計測器。
【請求項２】請求項１において、前記第１ベースに固定されたロータリポテンショメータの回転軸心の角度が、同じく第１ベースに固定されたプーリ軸受けの角度と９０度をなして互いに連動するための機械的装置を備えたことを特徴とする角度計測器。
【請求項３】請求項１において、前記第１ベースに固定されたロータリポテンショメータの回転軸のプーリと、第１ベースに固定されたプーリとの間に、前記紐部材と異なる紐部材をもって連結された一組ないし複数の補助プーリを備えたことを特徴とする角度計測器。
【請求項４】請求項１において、前記第２ベースに固定されたプーリに巻き回しされた紐部材を伸張して、前記第２ベースと一体をなす筐体乃至支持構造とは独立に作られた１ヶのコマ部材に細孔を２カ所設けて貫通せしめ、さらに該細孔の他端に針状クサビ材を挿入して紐部材を固定し、前記コマ部材を前記筐体乃支持構造に勘合固定させることを特徴とする角度計測器筐体構造。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は２要素間の角度を検出する角度計測装置の角度情報を伝達するプーリ及びプーリの支持構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】２要素間の角度を検出する角度計測装置としては、１関節ないし多関節のアーム上に、関節ごとにロータリー型ポテンシオメータを装備し、該ポテンシオメータの角度情報を加算演算することによるものが従来の主な技術である。該アームの関節数を多くすることによって、アームの可動域や回転の自由度が増すところから、屈曲性に関する自由度の高い装置を得ようとすると、必然的にアーム上に装備する角度センサーとしてのポテンシオメータの数が増加し、装置としての重量、容積の増加や、コストの増加を招くという欠点があった。又、歪みゲージ等による、ロータリー型ポテンシオメータ以外の角度センサーを用いた角度計測装置についても同様の欠点があった。移動や屈曲自由度の大きい多関節アームによる２要素間の角度を検出する角度計測装置として、上記欠点を取り除く方法として本件発明者は既に角度計測器（特開平１０−２３９００９；以下「関連特許ア」と称す）を考案した。 「関連特許ア」は上記公開広報に詳述する如く、チェーン状に連結した多くの関節部を備え、関節部はリンク軸によって支持された同一径のプーリから成り立ち、関節間は全て同一の紐状部材でプーリ上を緊張しながら巻き回しされている。測定対象とする２要素は、一要素には１ヶのロータリー型ポテンシオメータとポテンシオメータ可動軸に連結されたプーリ軸を固定したベースが置かれ、他要素にはプーリを固定したベースが置かれている。２要素間の角度情報は両端のベースの相対角度によってのみ定まり、ベース間の多数のリンクの角度や位置に依らないことが特徴である。すなわち「関連特許ア」は多関節アームによる２要素間の相対角度測定を１ヶの角度センサーによって実現している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】 本発明は主として前記「関連特許ア」に関連して、その実現性と操作性を高めることが目的である。前記「関連特許ア」にあっては、その目的用途として、一般に広い範囲で不規則な配置をなす２つの要素間の相対角度を精度良く測定することにある。例えばその回転角度の中心が移動したり特定することが困難な人体の関節部の相対的な屈曲角度を測定することがその主要目的であった。この他に運動中の２点の相対角度を測定する必要性のある機械構造物に関しても計測装置として適合するものである。これらの主要な目的意図に叶うには、前記「関連特許ア」および本発明に関わる角度計測器は、軽量であること、小容積であることの他に屈曲に際しての屈曲トルクが小さいことが重要である。すなわち動的な角度計測において計測器の装着が測定対象物の屈曲運動に抵抗になるような影響を極力小さくしなければならない。すなわち前記「関連特許ア」における２つのベースの相対運動によって生じる屈曲抵抗を小さくすることが課題となる。この屈曲抵抗を生じる要因としては、イ）関節部のリンクの回転摩擦抵杭。ロ）関節部のプーリの回転摩擦抵抗。ハ）ポテンショメータの回転子の回転摩擦抵抗。及びニ）装置を構成する部品群の回転モーメントが主要なものであり、なかでもハ）のポテンショメータの回転子の回転摩擦抵抗が大きな比重を占めていることが判明した。また、前記「関連特許ア」にあっては、多関節アームの両端間の相対角度を１ヶのロータリー型ポテンショメータでセンシングするために、角度センシングの守備範囲が大きくなるのは避けられないところである。例えば１ヶの関節の可動回転角度を±６０度とすると、可撓性大きくするために１０関節アームを具備する装置にあっては理論的に全体で±６００度のセンシング領域を持つことになる。市販のロータリ型ポテンシオメータは、回転角度と電気抵抗の直線関係を利用するものが殆どであり、この種類のポテンシオメータにおいては皮膜抵抗摺動型、巻線抵抗摺動型の他に磁気ホール効果を利用した磁気抵抗素子無摺動型がある。これらの中でロータの回転トルクは皮膜抵抗摺動型が比較的大きく、磁気抵抗素子無摺動型が最も小さい。又可動最大回転角度は巻線抵抗摺動型が大きく、磁気抵抗素子無摺動型が小さい。従って「関連特許ア」に関わる角度計測器に適合するポテンシオメータとしては回転トルクの観点からは磁気抵抗素子無摺動型が選ばれ、直線性を損なわないセンシング領域の大きさの観点からは巻線抵抗摺動型が選ばれることになる。しかしこの選択方法は他方の特性を犠牲にするものであり、前記「関連特許ア」の特徴を基本的に損なっている。さらに前記「関連特許ア」の構造的構成要素においてロータリ型ポテンシオメータの占める体積割合は大きく、さらにチェーン状の屈曲アーム部の一端に縦続に連結する前記ポテンシオメータは、その回転子の軸上に取り付けられたプーリの回転面が前記屈曲アーム部のプーリ群の回転面と同一平面上に配置されているため、ポテンシオメータ構造がプーリ位置の偏心によってアームの中心ライン及び固定ベースの中心ラインから偏心した状態に位置する。このポテンシオメータの偏心状態は、単に見かけ上の不自然さのみならず、細い帯状につくられた屈曲アーム構造に対して突起物として存在し計測器としての屈曲運動や操作性を悪くしている。前記「関連特許ア」の計測器としての操作性についてはこの他に構成要素の組立やメンテナンス時に幾つかの課題を残している。まず前記「関連特許ア」の構成要素の一つにアームの複数個の連結プーリ間を巻き回す一本の紐状部材がある。この紐状部材は一本であるが故にポテンショメータの回転子上のプーリと巻き回し連結を計り乍ら組み立てることに作業上の困難が伴う。ポテンショメータの回転子には本来調整にて設定すべき基準位置があり、この調整はポテンショメータを固定する一方のベース板を基準にして、アームのプーリとは独立におこなわれるべきである。長期使用により何らかの原因で紐状部材が切れたり、緩んだりすると再組立作業が難しく、また回転子の基準がずれるという問題が起きる。さらに前記「関連特許ア」の組立作業上の大きな課題として前記紐状部材のクランプ方法がある。前記「関連特許ア」の特許公報に記述されている紐状部材のクランプ方法はベース板上にあるフック状固定金具とコイル状バネ材によって端末の２本の紐を伸張した上でベース板上にクランプしているが、前記フック状固定金具とコイル状バネ材はこれら自身の保護のため然るべき大きさと強度を持った筐体に収納されねばならず、小形軽量であるべきベース板上の構成物にさらに余分の付属物を必要とする結果となっている。
【０００４】本発明は以上のような事情を勘案してなされたもので、その目的は、時間的変動を伴う２要素間の角度計測に際しての取り扱い性を向上させることができると共に検出範囲を拡大することができ、しかも安価でメンテナンスが容易な角度計測器を提供することにある。
【０００５】
【問題を解決するための手段】上記目的を達成するために請求項１の発明にあっては、先願発明「関連特許ア」において示された角度計測器としての基本機能であるところの２要素間の角度情報伝達に関わる複数のアーム関節部、２つのベース部及び１つのポテンシオメータ回転子の各部に設けられたプーリ寸法やその配置に関してさらに適切な選択方法に関する。すなわち、アーム関節部の屈曲状態の如何に依らず２要素間の相対角度が伝達されるための条件は、屈曲運動を伴うアーム関節部のプーリ群だけが全て等外径という制約を受け、他の全てのプーリ外径が等外径である必要はない。そのため両端のベース部及びポテンシオメータ回転子の各部および相対運動の無いリンク部等に設けられたプーリに関しては、ワイヤーで連結された同径あるいは異径のプーリ間の角度伝達およびトルク伝達という力学装置の部品としてこれらプーリ外径を自由に選択できる。ここで選択の対象となるプーリとしてロータリポテンショメータの軸心に装荷されているプーリと、これに隣接するプーリ取り上げてみる。例えばこの両プーリ間の外径比率を２対１とすると、ロータリポテンショメータの軸心に装荷されているプーリの回転角は２倍となって隣接するプーリに伝わり、トルクは２分の１になる。本請求項１の発明の趣旨は計測対象となる２要素に沿って取り付けられたベース１およびベース２の間の角度を計測するに際して、２要素間の最大角度範囲をポテンショメータの有効測定可能な最大角度範囲以下にすることと、ベース１およびベース２の間の回転摩擦トルクを低減させることにある。前記のロータリポテンショメータの軸心に装荷されているプーリと、これに隣接するプーリの外径比を前記の如く２対１に設定することによって、２要素間の最大角度範囲が例えば３６０度であれば、ポテンショメータの応答角度範囲は１８０度になり、通常の巻線型ロータリポテンショメータの有効角２４０度以下にすることが可能になる。同時に巻線型ロータリポテンショメータの摩擦トルクは２分の１に減少してベース１からベース２に伝達される。かくして本請求項１の発明の目的のうちの２つが達せられることを具体的に示したが、本目的は一般的には前記のロータリポテンショメータの軸心に装荷されているプーリ径がこれに隣接するプーリの外径に対して大なるとき実現されるものである。すなわ第１ベースに第２ベースが連結手段を介して連結され、前記第１ベースに対する前記第２ベースの角度状態が計測角度として出力される角度計測器において、前記連結手段が、順次、揺動可能に連結される複数のリンクとされ、前記複数のリンクには、相対回転可能に相互に一体的に連動するように連係されたプーリと、相対回転不可能にリンクに固定されたプーリがあり、前記相対回転可能に相互に一体的に連動するように連係されたプーリは全て隣接同士が同一径をなし、前記相対回転不可能にリンクに固定されたプーリはそれぞれ同一ないし異径をなし、前記第１ベースにはロータリポテンショメータの本体とプーリおよびプーリ軸受けが固定され、前記第２ベースには一個の固定プーリが連結され、これら全てのプーリ間を同一の紐部材にて巻き回しされた構成をなす。
【０００６】請求項２に記載された発明によれば、第１ベースに固定されたロータリポテンショメータの回転軸心の角度が、同じく第１ベースに固定されたプーリ軸受けの角度と９０度をなして互いに連動するための機械的装置を備えていることから、前記ロータリポテンショメータの第１ベースに対する位置関係が９０度回転して、第１ベースに対して対称的な配置構造となる。ロータリポテンショメータのプーリと第１ベースに設けられたプーリ軸受けに支持されたプーリの相対位置は８の字を９０度捻った関係になる。このように縦に捻れて連結する二つのプーリと巻き回しする紐部材とがスムースに連動回転するには、両プーリの中心距離が少なくとも両外径の和の２倍以上が必要である。
【０００７】請求項３に記載された発明にあっては、第１ベースに固定されたロータリポテンショメータの回転軸のプーリと、同じく第１ベースに固定され、多関節アームの末端に連結するプーリとの間に、新たな紐部材をもって連結された一組ないし複数の補助プーリを備えた装置に関するもので、その目的とするところは、回転軸のプーリを含むロータリポテンショメータユニットと、複数のリンク群からなる多関節アームユニットを各々独立に組み立て調整した上で能率良く結合し動作させるところにある。すなわち本来は機械的に同一線上にあるロータリポテンショメータの回転軸のプーリと多関節アームの末端に連結するプーリとを互いにオフセットの状態で配置し、両プーリ間に新たに一つのプーリと一本のワイヤを介在させて全体を連結する。
【０００８】請求項４に記載された発明にあっては、 第２ベースに固定されたリンク上のプーリに巻き回しされた紐部材を伸張して、同じく第２ベースと一体をなす筐体ないし端末支持構造とは別個に作られた１ヶのコマ部材に細孔を２カ所設けて前記紐部材をこれに貫通せしめ、さらに該細孔の他端に針状クサビ材を挿入して紐部材を固定し、前記コマ部材を前記筐体乃支持構造に勘合固定させるもので、本発明の目的は、発明の主要構成要素である紐部材の端末クランプ方法に関してクランプ構造の小型化とクランプ処理作業の簡素化を図ることである。すなわち細孔を設けたコマ部材は、紐部材を予め細孔に通しておくことによってコマ材と紐部材端末とが一体化し紐部材の組立作業時における処理が楽になることが解る。又、細孔に紐部材と共に挿入可能な２カ所の針状クサビ材は、一時的に紐部材とコマ部材を固定したり、最終的な固定時に有用であり、ループを構成する紐部材の移動時に着脱が容易であるという特徴がある。又太さ０．５ミリメートルないし１ミリメートル以下の太さの紐部材を固定するために要するコマ部材の大きさは細孔部分の長さで１０ミリメートル程度で充分なところから、クランプ構造全体の小型化が図れることが解る。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。図１、図２は本発明に関わる角度計測システムの角度センサー部基本構造である。図１、図２において、１および２はそれぞれ測定対象の２つの可動要素に固定される長方形のベース板である。３はロータリポテンショメータを納める筐体である。４はポテンショメータから出力される角度電気信号を外部に導くリードケーブルである。５はベース板１，２に固定されプーリ６とその軸心７およびプーリ６に巻き回しされたワイヤ８およびプーリ６とその軸心７を支持して相互揺動するリンク９とからなる多関節アームを把持するブラケットである。両端のベース板１，２はバンド１０でそれぞれ別の可動要素に固定される。フレキシブル構造のゴム性繊維からなる被覆材１１は多関節アーム構造体を保護し、その動きをスムースにする。
【００１０】ポテンショメータを収容する筐体３において、ポテンショメータ３−１はその軸心３−２にプーリ６−３を固定してある。ワイヤ８を通すブラケット５はプーリ６−２の軸受けを備え、ワイヤ８を巻き回しして可動関節リンク群のプーリ６−１にワイヤを緊張した状態で連結する。ここで複数の可動リンク６−１及び１ヶの固定リンク６−２は外径が同一であるのに対して、リンク６−３は６−１及６−２ の外径のおよそ１．５倍の径となっている。（図３参照）
【００１１】図４、図５、図６，は本発明の請求項１に関わる、ポテンショメータプーリ６−３，固定プーリ６−２、可動プーリ６−１のそれぞれの相対的外径の大きさの設計条件を示すための原理図である。図４は６−１，６−２，６−３の全てのプーリが同径の場合であって、揺動する全てのリンクの角度情報は相対運動によって相殺され伝達されないので、伝達される角度情報は、正確にプーリ６−３まで到達する。従って伝動ワイヤの機械的働きは角度計測器としての機能を何ら損なうものではないが、前述したように、６−３のポテンシオメータの回転角度や回転摩擦トルクの伝動率も１となって、センサーとしての機能が不十分となることがあった。図５は６−３のポテンシオメータの径だけが大なるばあいであって、固定プーリ６−２、可動プーリ６−１の外径は等しい。ここでは、揺動する全てのリンクの角度情報は相対運動によって相殺されて伝達しないので、ベース板１とベース板２両端の角度情報は、正確にプーリ６−３まで到達する。さらに、６−２、６−３のプーリの外径比の変化によって、回転角度観測範囲が拡大し、回転摩擦トルクが減少するという利点を生じる。図６は図５と同じ意図をもってプーリ６−３及びプーリ６−２の外径を大きくしたものである。しかしこの場合プーリ６−３とプーリ６−２が相対的に揺動する関係にあるところから、プーリ６−２とプーリ６−１の角度情報がベース板１とベース板２両端の角度情報に誤差値として混入する。すなわち図６のような径の選定は、図５の回転角度観測範囲が拡大し、回転摩擦トルクが減少するという利点はあるものの、大きな角度測定誤差を伴い、本来の角度計測器としての機能を果たすことが出来ない。結局角度情報の正確な伝達と、角時計測器としての性能を十分に発揮させるためには図４、図５、図６に示されたリンク上のプーリ径の組み合わせのうちの図５が最も適していることが理解される。
【００１２】図７は先願発明「関連特許ア」において示された構造、図８は本発明の請求項３に係わる実施例を示す。図７はポテンショメータ及びリンク上のプーリ群が全て同一面上、すなわちプーリの回転面に平行に位置して置かれた状態を示している。このときポテンシオメータ３−１は回転面から離れて置かれるため配置構造として面対称位置からズレることになる。その結果ポテンシオメータ３−１、やポテンシオメータ筐体３はベース板１から外れた状態となり、取り付けが不安定になるばかりでなく、筐体寸法を大きくせざるを得ない。図８で示されるように、結合ワイヤ８の緊張を保ったままポテンシオメータおよびポテンシオメータプーリを９０度回転することによって、ポテンシオメータ筐体３はリンクの回転面に対して対象の位置となり、小型化することが可能となっている。
【００１３】図９、図１０はポテンシオメータ筐体の対象性を改善するための他の構造案を示したもので、図９のプーリ６−４は軸７−２を同じ軸心としてプーリ６−２と平行に新たに設置し、回転面をオフセットしている。図１０においては傘型ギヤ１２、１３を内蔵するギヤボックス１４を設け、回転面及び軸心を変えている。
【００１４】図１１及び図１２は本発明の請求項４に係わる実施例を示す。図１１においてプーリ結合紐（ワイヤ）は端部ベース板２近傍で２本の自由端となるが、本構造においては２つの紐部材貫通孔を有するコマ部材１５を通す。クサビ状針部材１６はコマ部材を端末支持構造５に勘合させて、紐部材８を緊張牽引した上で紐部材に沿ってコマ部材貫通孔に差し込む。図１２は紐部材のクランプ後の姿を示している。すなわち円盤状の押さえ板１７とネジ１８によってクサビ状針部材１６は押さえ込み固定される。
【００１５】
【発明の効果】請求項１に記載された発明によれば、互いに揺動するプーリ間の径を等しくし、互いに揺動しないプーリ間の径を自由に選定できることから、ベース板上のポテンショメータのプーリ径を隣端部プーリの径より大きくすることによって、角度測定のレンジを広げることが可能となり、回転時の負荷を小さくして測定精度を高めることが出来る。
【００１６】請求項２に記載された発明によれば、互いに揺動するプーリ間の回転面を等しくし、互いに揺動しないプーリ間の回転面を自由に選定可能なことから、ベース板上のポテンショメータのプーリ回転面を隣端部プーリと９０度変位させることによって、ポテンショメータブラケットの位置を回転面に対して面対称に設置して、小形にして安定な角度測定用センサーを提供することができる。
【００１７】請求項３に記載された発明によれば、ポテンショメータ部分に専用の紐部材とプーリが追加設置されることから、関節アーム部と独立に組み立て調整が可能となり、組立時間の短縮と検査工程の簡便化を図ることができる。
【００１８】請求項４に記載された発明によれば、簡単な機械部材の組み合わせによって、本発明を構成する紐部材の終端部を本体部に安定して確実に固定することができる。
【００１９】かくして本発明になる角度測定用センサは、固定または時間的変動を伴う２要素間の角度計測に際して測定対象物に対する取り付け設定の自由度が大きく、取り扱いが簡便で、測定範囲大にして、高精度、小形軽量、安価なる汎用性の大きい角度測定装置システムを提供することが可能となる。
【出願人】 【識別番号】５９７１０７９４０
【氏名又は名称】有限会社光ベルコム
【出願日】 平成１１年９月１０日（１９９９．９．１０）
【代理人】
【公開番号】 特開２００１−８２９１２（Ｐ２００１−８２９１２Ａ）
【公開日】 平成１３年３月３０日（２００１．３．３０）
【出願番号】 特願平１１−２９５７１５