JP2000337872A - 傾斜計 - Google Patents
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Abstract
る。 【解決手段】傾斜計は、球形質量部と、該球形質量部を
囲み基準軸線を有する球殻部と、該球殻部の球面状の内
面に装着され上記基準軸線周りに対称的に配置された複
数の電極と、該電極からの信号を入力して上記基準軸線
の傾斜角を演算する演算部とを有する。
Description
する傾斜角を検出するための傾斜計又はクリノメータに
関する。本発明は特に、ロボティクス、バーチャルリア
リティー製品等に使用して好適な極めて小型の傾斜計又
はクリノメータに関する。
ティー等、メカトロニクスの分野にてで様々な製品が開
発されている。これらの製品には極めて小型のセンサ類
が使用される。このようなセンサ類として、ジャイロ、
加速度計、傾斜計等がある。
た形式のものが使用されている。典型的には、容器に液
体を封入し、液面の傾斜を計測することによって傾斜角
を計測するように構成された傾斜計が、良く知られ且つ
使用されている。
傾斜計は、メカトロニクス製品の様々な用途に適合可能
な程度に小型化することは困難であった。特に、液面の
傾斜を利用する形式の傾斜計は小型化が困難である。
さい傾斜計を提供することを目的とする。
質量部と、該球形質量部を囲み基準軸線を有する球殻部
と、該球殻部の球面状の内面に装着された複数の電極
と、を有し、該電極からの信号を入力して上記基準軸線
の傾斜角を演算するように構成されている。
置として構成することができる。
を入力して上記基準軸線の傾斜方向を検出するように構
成されている。上記電極は互いに直交する3軸に沿って
配置された6個の電極を含む。上記電極は正多面体の各
面に対応した位置に配置されている。上記電極は複数の
経度方向及び緯度方向に沿って分割されたメッシュ状電
極からなる。上記球形質量部と上記電極の各々の間の静
電容量より上記基準軸の傾斜角を演算するように構成さ
れている。
計の例を説明する。本例の傾斜計は、球形質量部10と
それを囲む球殻部100とを有する。球形質量部10の
外径は球殻部100の球面状内面の内径より僅かに小さ
い。球形質量部10の周囲には間隙11が形成される。
この間隙11は、開放空間であってよいが、好ましくは
密閉空間である。また、この間隙は真空であってよい
が、適当な不活性ガス又は液体によって充填されてよ
い。
に動くことができる。傾斜計が静止しているとき、球形
質量部10(中心をO1 とする。)は球殻部100(中
心をOとする。)の球面状内面の最下端にて静止する。
球形質量部10の直径は数ミリメートル以下であり、例
えば、1mmであってよい。間隙11の厚さは、球形質
量部10の最上端にて最大となるが、平均は、数μmで
あってよい。
106及び107(図1では電極101、102、10
5、106、107のみ図示)とその外側の絶縁体膜1
30とその外側の電路パターン111〜117及び12
1〜127とその外側の構造膜132とを有する。電極
101〜106及び107は、絶縁体膜130の一部で
ある細い絶縁部131によって互いに分離されており、
各電極には対応する電路パターン111〜117及び1
21〜127が電気的に接続されている。
が形成されている。バンプ129は構造膜132に形成
された孔に装着され、電路パターン111〜117及び
121〜127に接続されている。
ーン111〜117及び121〜127は導電体、例え
ば、金属膜によって形成され、絶縁体膜130及び絶縁
部131は絶縁体、例えば、二酸化ケイ素SiO2 によ
って形成される。構造膜132は絶縁体、例えば、熱硬
化性樹脂より形成される。
電路パターン及び絶縁体膜に比べて、大きい。従って、
構造膜132は、内側の構成部を保護する保護膜として
機能すると同時に球殻部100に構造的強度を提供す
る。
部10と電極101〜107のみを示し、球殻部100
の他の構成部、即ち、絶縁体膜130、電路パターン1
11〜117及び121〜127及び構造膜132は省
略して描かれている。
Oをとり、原点Oを通る直交3軸を設定する。傾斜計が
水平面上に配置されているときに、水平面上にX1 −X
2 軸及びY1 −Y2 軸をとり、垂直にZ1 −Z2 軸をと
る。
って配置された第1及び第2の傾斜検出電極101及び
102とY1 −Y2 軸に沿って配置された第3及び第4
の傾斜検出電極103及び104とZ1 −Z2 軸に沿っ
て配置された第5及び第6の傾斜検出電極105及び1
06と、これらの傾斜検出電極の間に配置されたシール
ド電極107とを含む。
106は円形であり、シールド電極107は6個の傾斜
検出電極101〜106の残りの部分を占めるように形
成されている。
す傾斜計より構造膜132を除去した球殻部100の外
観を示す図である。図3Aは、本例の傾斜計をY1 軸方
向に沿って見た図であり、図2BはZ2 軸方向に沿って
見た図である。絶縁体膜130の外面には上述のように
電路パターン111〜117及び121〜127が形成
されている。電路パターンは図示のように、電極101
〜106、107に接続された端子パターン111〜1
16、117とこれらの端子パターン111〜116、
117より延在する配線パターン121〜126、12
7とを有する。
ン121〜126、127の先端部は、球殻部100の
下側に集中化されている。配線パターン121〜12
6、127の先端部は、例えば、図示のように、同一円
に沿って配置されている。配線パターン121〜12
6、127の先端部は、図1に示したようにバンプに接
続される。
作を説明する。図示のように、空間に直交3軸、即ち、
xyz軸を設定する。図5に示すように、空間上の点P
は球極座標(r,θ,ψ)によって表される。
軸、即ち、X1 −X2 軸、Y1 −Y2軸及Z1 −Z2 軸
が設定されている。このうちの1軸、例えば、Z1 −Z
2 軸を傾斜計の基準軸とする。垂直軸、即ち、z軸に対
する基準軸Z1 −Z2 の傾斜角θが、傾斜計及び被測定
対象の傾斜角である。
θの他に、基準軸Z1 −Z2 の傾斜方向又は方位角ψが
求められる。
て自由に動くことができるが、傾斜計が静止すると、球
殻部100の内面の最下点にて静止する。図示のよう
に、基準軸Z1 −Z2 が球殻部100の内面と交差する
点をA、Bとする。基準軸Z1−Z2 の傾斜角θがゼロ
のとき、球形質量部10は下側の交差点Aにて球殻部1
00と接し、上側の交差点Bにて球殻部100と最大の
間隙を形成する。
対して傾斜すると、球形質量部10が球殻部100と接
する点ZD は下側の交差点Aより偏奇する。球形質量部
10と球殻部100の接点ZD と下側の交差点Aの間の
偏奇量は傾斜角θに比例する。同様に、基準軸Z1 −Z
2 が垂直軸、即ち、z軸に対して傾斜すると、球形質量
部10と球殻部100の間の間隙が最大となる点ZU は
上側の交差点Bより偏奇する。間隙が最大となる点ZU
と上側の交差点Bの間の偏奇量は傾斜角θに比例する。
部10が球殻部100と接する点、即ち、球形質量部1
0と球殻部100の間の間隙がゼロとなる点ZD が求め
られれば傾斜角θが得られる。同様に、球殻部100の
内面上の球形質量部10と球殻部100の間の間隙が最
大となる点ZU が求められれば傾斜角θが得られる。間
隙がゼロとなる点ZD 又は間隙が最大となる点ZU は、
傾斜検出電極からの出力信号によって求められる。
部10と6個の傾斜検出電極101〜106をコンデン
サ501〜506によって置き換えた等価回路を示す。
球形質量部10と電極は導電性材料より構成され、両者
はコンデンサを形成する。尚、電極101〜106及び
球形質量部10の表面は適当な非導電体膜によって被膜
されてよい。各コンデンサの静電容量は、コンデンサの
間隔によって変化する。即ち、各コンデンサの静電容量
は、そのコンデンサを構成する球形質量部10と傾斜検
出電極の間の距離によって変化する。
変化は各コンデンサに印加する電圧Vx1、Vx2、Vy1、
Vy2、Vz1、Vz2の変化量を検出することによって検出
することができる。
定することによって、球殻部100の内面上の間隙がゼ
ロとなる点ZD 又は間隙が最大となる点ZU が得られ
る。こうして、間隙がゼロとなる点ZD 又は間隙が最大
となる点ZU が得られると、それより、基準軸Z1 −Z
2 の傾斜角及び傾斜方向が求められる。
例を説明する。傾斜検出電極は、好ましくは、球殻部1
00の球面状内面に点対称に形成される。傾斜検出電極
の点対称的な配置は、例えば、正多面体を利用して形成
される。球殻部100の内面100Aに内接する正多面
体を想定する。球殻部100の中心Oに点光源を配置
し、その光によって正多面体の各面の投影像を球殻部1
00の内面100Aに投射する。こうして球殻部100
の球面状内面上に正多面体の各面に対応した電極形状が
描かれる。図7には正12面体及び正20面体が描かれ
ているが、他の正多面体も可能である。
例を示す。本例では、傾斜電極はメシュ状に形成されて
いる。球殻部100の内面に、図示のように多数の経度
方向の分離線及び緯度方向の分離線によって互いに分割
された多数の傾斜検出電極が形成されている。こうして
多数のメッシュ状の電極を用いることによって、間隙が
ゼロとなる点ZD 又は間隙が最大となる点ZU が容易に
得られる。
し、各電極の緯度及び経度を予め求める。メッシュ状電
極の面積は十分小さく、各電極の緯度及び経度はその中
心位置の緯度及び経度によって表される。即ち、球形質
量部10の接触点は、球形質量部10が接触している電
極の中心位置であると近似してよい。球形質量部10が
接触している電極の番号を検出することによって、その
電極の緯度及び経度が求められる。こうして検出された
電極の緯度及び経度は基準軸Z1 −Z2 の傾斜角及び傾
斜方向を示す。
斜計の他の例を説明する。図10は図9の傾斜計の球形
質量部10と電極の等価回路を示す。電極の形状は特に
図示されていないが、上述のいずれの電極の例が使用さ
れてもよい。本例によると、互いに隣接する2つの電極
によってスイッチ161〜164が構成される。隣接す
る電極の一方に直流電源160を接続し、隣接する電極
の他方に電圧検出用の出力端子151、152、15
3、154を接続する。
を導電体によって形成する。図9Bに示すように、球形
質量部10が最下端にある隣接する2つの電極に接触す
ると、その2つの電極は電気的に接続される。即ち、最
下端にある隣接する2つの電極によって構成されるスイ
ッチはオンとなる。
電極だけである。即ち、球形質量部10によってオンと
なるスイッチは1つだけであり、他のスイッチはオフと
なっている。従って、オンとなっているスイッチを検出
することによって最下端にある電極が知られる。最下端
の電極が判れば、上述のように基準軸の傾斜角及び傾斜
方向が検出される。
に接触している場合には、それに対応したスイッチがオ
ンとなるが、球形質量部10が最下端の1つの電極にの
み接触している場合には、オンとなるスイッチはない。
しかしながら、この場合、傾斜計を僅かに動かし、球形
質量部10を、いずれかの互いに隣接する2つの電極に
接触させることによって、そのスイッチがオンとなる。
たが、本発明は上述の実施例に限ることなく本発明の要
旨を逸脱することなく他の種々の構成が採りうることは
当業者にとって容易に理解されよう。
に且つそれに近接して配置された電極からなる極めて小
型の傾斜計を提供することができる利点がある。
である。
説明図である。
である。
る。
ある。
る。
101,102,103,104,105,106…
電極パターン、 107…シールド電極、 111,1
12,113,114,115,116,117…端子
パターン、 121,122,123,124,12
5,126,127…配線パターン、 129…バン
プ、 130…絶縁体膜、 132…構造膜
Claims (7)
- 【請求項1】 球形質量部と、該球形質量部を囲み基準
軸線を有する球殻部と、該球殻部の球面状の内面に装着
された複数の電極と、を有し、該電極からの信号を入力
して上記基準軸線の傾斜角を演算するように構成されて
いる傾斜計。 - 【請求項2】 請求項1記載の傾斜計において、上記電
極からの信号を入力して上記基準軸線の傾斜方向を検出
するように構成されていることを特徴とする傾斜計。 - 【請求項3】 請求項1記載の傾斜計において、上記電
極は互いに直交する3軸に沿って配置された6個の電極
を含むことを特徴とする傾斜計。 - 【請求項4】 請求項1記載の傾斜計において、上記電
極は正多面体の各面に対応した位置に配置されているこ
とを特徴とする傾斜計。 - 【請求項5】 請求項1記載の傾斜計において、上記電
極は複数の経度方向及び緯度方向に沿って分割されたメ
ッシュ状電極からなることを特徴とする傾斜計。 - 【請求項6】 請求項1載の傾斜計において、上記球形
質量部と上記電極の各々の間の静電容量より上記基準軸
の傾斜角を演算するように構成されていることを特徴と
する傾斜計。 - 【請求項7】 請求項1載の傾斜計において、上記球形
質量部と上記電極が接触することによって閉回路が形成
され、該閉回路を構成する上記電極を検出することによ
って上記基準軸の傾斜角を演算するように構成されてい
ることを特徴とする傾斜計。
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