JPH0450613A - 傾斜角測定装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、表面弾性波を利用した傾斜センサを備えた傾
斜角測定装置に関する。

［従来の技術］ 従来、表面弾性波を利用した外力センサとしては、例え
ば第４図に示すようなものがある。

第４図において、１は支持部２に片持ち梁状に取り付け
られたビームであり、ビーム１は圧電性材料で形成され
、ビーム１に外力が作用すると、ビーム１の表面には歪
が発生する。３．４は表面弾性波を送信する送信電極、
５，６はその表面弾性波を受信する受信電極、７．８は
受信電極５゜６の受信信号を増幅して、送信電極３．４
にフィードバックする増幅器であり、これらの送信電極
３．４、受信電極５，６および増幅器７．８が表裏一対
の発振器９．１０を構成している。外力１１による歪は
ビーム１での表面弾性波の伝搬時間を変化させ、表面弾
性波の伝搬時間の変化により、発振器９，１０の発振周
波数が変化する。１２はミキサーであり、ミキサー１２
は発振器９，１．０の発振周波数Ｆｌ、Ｆ２を信号処理
して、差周波数成分Ｆを出力する。なお、ビーム１０表
面弾性波の伝搬経過上に不要な反射波が入らないように
、ビーム１の表面上の表面弾性波の反射する箇所に吸収
剤１３が塗布されている。

ここで、発振器９，１０の無負荷時の発振周波数をそれ
ぞれＦＩＯ，Ｆ２０とする。外力１１が作用したとき、
ビーム１の上面は引張り応力による歪−εが、下面には
圧縮応力による歪εが、それぞれ発生する。このとき、
発振器９，１０の発振周波数Ｆｌ、Ｆ２は外力１１によ
る歪ε、−εのみを考えると、次式（１）、　（２）で
表わされる。

Ｆ１＝Ｆ１０−２Ｆ１０ε　　　　　・・・（１）Ｆ２
＝Ｆ２０＋２Ｆ２０ε　　　　　・・・（２）そして、
発振周波数差Ｆ　（Ｆ＝　ｌ　Ｆ２−Ｆｌ　ｌ）は、次
式（３）となる。

Ｆ’＝ｌ　　（Ｆ２Ｇ＋２Ｆ２０ε）−（Ｆ　１０−２
　Ｆ　１（ｌε）＝　ｌ　Ｆ２０−Ｆ１Ｇ＋２ε・　（
Ｆ２０＋ＦＩＯ）・・・（３） Ｆ２０＝Ｆ１０の場合には、Ｆは次式（４）となる。

Ｆ＝４εＦＩＯ・・・（４） 一方、歪１ε１と外力１１の関係は、外力１１をＱ１ビ
ーム１の断面厚さを８１幅をｂ１ヤング率をＥ１ビーム
１の自由端から波動伝搬路の中央までの距離を又とする
と、歪ｌε１は次式（５）となる。

ｘ Ｅａｚ　ｂＱ−（５） ε　　　＝ したがって、ミキサー１２の出力Ｆよりビーム１に作用
した外力Ｑを検出することができる。

ここで、前記外力センサを傾斜センサとして用いる場合
には、ビーム１の自由端に重力Ｗの重りをつければ良く
、垂直軸に対する傾斜角度をθとすると、作用する外力
１１はＷｓｉｎθとなる。したがって、歪１ε１は、次
式（６）で示され、傾斜角度θを得ることができる。

Ｘ ｅ　ｌ　＝　　　　　　Ｗ　ｓｉｎ＃　　　　、、、　
（６）ａ２　ｂ 具体的には前期式（４）と式（６）から角度θが小さい
範囲ではｓｉｎθ＝θとして、 Ｆ＝θ・α 但し゛　　　　　２４ｘＷＦ１０ として求められ、傾斜センサから出力される差周波数Ｆ
と傾斜角度θとの間には比例関係があり、一義的に傾斜
角度θを測定できる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、このような従来の傾斜センサにあっては
、ビームに発生する歪は外力だけによるのではなく、周
囲温度による熱膨張によっても発生する。

本願発明者等が実験を通して得た周囲温度に対する傾斜
センサの出力周波数Ｆは、次式（７）に示すような、傾
斜角度θと温度Ｔの１次関数で表わされる。

Ｆ（θ、　Ｔ）　＝Ｆ　（０，Ｉ］）十ＫＦ　（０，０
）・Ｔ＋αθ・・・（７） ただし゛　　　２４ｘＦ１０ したがって、傾斜角度θは、次式（８）で得られる。

Ｆ　（θ、　　Ｔ）　　−Ｆ（０，０）　　　Ｋ＠Ｆ（
ｆｌ、０）θ＝　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　Ｔα　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　α（８）式から明らかなように、傾斜セン
サで検出する傾斜角度θは周囲温度Ｔの影響を受けると
いう問題点があった。

また、微小な傾斜角度θ、例えば、１°以下において、
傾斜センサの分解能はαで決まり、αを太き（すると、
ＸまたはＷを大きくすることになり、ビームの共振周波
数が低下し、検出感度が悪化するという問題点もあった
。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたも
のであって、表面弾性波を利用して傾斜角を一対の発振
周波数の差として出力する傾斜センサを備えた装置にお
いて、周囲温度の影響を軽減し且つ検出感度を向上でき
る傾斜角測定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］ この目的を達成するために、本発明は、一端が装置筐体
側に固着され他端に重りが設けられ、傾斜角度に応じた
重りの荷重および周囲温度により歪を生じるビームに、
傾斜角度に対して一方の傾斜センサの出力する発振周波
数差の変化が、他方の傾斜センサの出力する発振周波数
差の変化と逆になるように一対の傾斜センサを配置し、
一対の傾斜センサの各出力を入力とし、両者の差周波数
成分を出力する差動抽ａ手段を設けたものである。

［作用］ 本発明においては、一方の傾斜センサの出力する発振周
波数差をＦＡ、他方の傾斜センサの出力する発振周波数
差をＦＢとし、傾斜角度θに対して差周波数ＦＡの変化
と差周波数ＦＢの変化が逆になるように、一対の傾斜セ
ンサを配置する。即ち、角度θの変化に対し一方の差周
波数ＦＡは変化率＋αで増加し、他方の差周波数ＦＢは
変化率−αで減少するようになる。しかし、周囲温度に
よる差周波数ＦＡ、Ｆｉｌへの影響は同一方向の変化を
もたらす。そこで、一対の傾斜角センサの差周波数出力
の差の（ＦＡ−ＦＢ）を求めることで、温度による変動
分は相殺され、角度による変化分は２倍となって得られ
る。

ここで、一方の傾斜センサの差周波数出力ＦＡは、（９
）式に他方の傾斜センサの差周波数出力ＦＢは（１０）
式にそれぞれ示され、傾斜角度θは（１１）式で求めら
れる。

ＦＡ（θ、　　Ｔ）＝ＦＡ（叱０）　＋　Ｋ　Ｆ　Ａ　
（Ｉ］、　０）　Ｔ＋αθ・・・（９） ＦＢ（θ、Ｔ）＝ＦＢ（Ｉ）、ｌ］）＋ＫＦＢ（０，０
）Ｔ−αθ・・・（ｌＯ） ■ θ　＝Ｕ［ＩＦＢ（０，１１）−ＦＡ（口、０））（Ｆ
Ｂ（θ、Ｔ）−ＦＡ（θ、　　Ｔａ１ｌ（１２）式と（
１３）式を比較すると従来の温度係数に但し、Ｆ　Ａ　
（０，０）、Ｆ　Ｂ　Ｆｏ、　０）は無負荷時（角度θ
−〇°時）の差周波数を示し、またＫ　Ｆ　Ａ　（Ｉ］
、０）ＴｌＫ　Ｆ　Ｂ　（０，０）　Ｔは同じく無負荷
時の周囲温度Ｔに対する周波数変化を示す。

無負荷時の２つの傾斜センサの差周波数ＦＡ　　（０，
０）とＦ　Ｂ　（ｆ］、　０）とを一致させることがで
きれば（１１）式より周囲温度の影響はキャンセルでき
るが、実際には、無負荷時の傾斜センサの差周波数のば
らつき等を考慮して、例えば ＦＢ（０，Ｉ］）＝１．２Ｆ＾（０，０）とすると、（
１１）式から与えられる本発明の温度係数は（１２）式
となり、また（８）式から与えられる従来の温度係数は
（１３）式で示される。

・・・（１２） がわかる。

したがって、本発明においては、周囲温度の影響を大幅
に軽減することができる。また、傾斜角出力周波数の差
を最終的に求めることで、傾斜角度変化に対する差周波
数の変化量が傾斜センサ１台の場合に比べて２倍となり
、傾斜角度に対する分解能が大きくなり、検出精度を向
上させることができる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１Ａ図は本発明の一実施例を示す図である。

まず、構成を説明すると、第１Ａ図において、２１は圧
電材料からなるビームであり、このビーム２１の一端は
装置筐体側となる支持部２２に片持ち梁状に取り付けら
れ、他端には重り２３が取り付けられている。ビーム２
１に重り２３の荷重が作用すると、ビーム２１の一方の
表面には引張り歪が発生し、反対の表面には圧縮歪みが
発生し、この歪はビーム２１の表面弾性波の伝搬時間を
変化させる。

なお、図中の５１は傾斜角θの増加に対し荷重が加わる
測定方向を示す。

２４．２５は表面弾性波をそれぞれ送信する表裏一対の
送信電極、２６．２７は表面弾性波をそれぞれ受信する
受信電極、２８．２９は受信電極２６．２７の受信信号
をそれぞれ増幅して、送信電極２４．２５にそれぞれフ
ィードバックする増幅器であり、これらの送信電極２４
，２５、受信電極２６．２７および増幅器２８．２９が
全体として表裏一対の発振器３０．３１を構成している
。

ここで、一方の発振器３０の発振周波数をＦｌ、他方の
発振器３１の発振周波数をＦ２とすると、Ｆ２　＞Ｆｌ となるように設定される。発振器３０．３１の出力はミ
キサー４３に入力され差周波数ＦＡが、ＦＡ　＝Ｆ２−
Ｆｌ として検出される。

このような一対の発振器３０．３１により一方の傾斜セ
ンサ３２が構成されている。

３３は他方の傾斜センサであり、他方の傾斜センサ３３
の出力する差周波数ＦＢは、傾斜角に対して一方の傾斜
センサ３２の出力する差周波数ＦＡのと逆の変化をする
ように配置される。

即ち、傾斜センサ３３は表裏一対の発振器３４゜３５よ
り構成され、一対の発振器３４．３５は、表面弾性波を
それぞれ送信する表裏一対の送信電極３６．３７、表面
弾性波をそれぞれ受信する表裏一対の受信電極３８，３
９、および受信電極３８．３９の受信信号をそれぞれ増
幅して、送信電極３６．３７にそれぞれフィードバック
する増幅器４１．４２を有している。

傾斜センサ３３の一方の発振器３４の発振周波数Ｆ３と
他方の発振器３５の発振周波数Ｆ４はＦ３　＞ＦＡ となるように設定されている。即ち、一方の傾斜センサ
３２を構成する発振器３０．３１の発振周波数Ｆｌ、Ｆ
２の大小関係に対し、他方の傾斜センサ３３を構成する
発振器３４．３５の発振周波数Ｆ３．Ｆ４の大小関係は
、ビーム面の位置に対し逆の大小関係となるように設定
されている。具体的には、傾斜センサ３２はビーム表面
のＦｌが裏面のＦ２より小さく、他方の傾斜センサ３３
はビーム表面のＦ３が裏面のＦＡより大きくなる逆の大
小関係に設定している。

傾斜センサ３３に設けた発振器３４．３５の出力Ｆ３．
Ｆ４はミキサー４４に入力され、両者の差周波数ＦＢが
、 ＦＢ　＝Ｆ３−Ｆ４ として求められる。

４５は差動抽出手段であり、一方の傾斜センサ３２の出
力ＦＡと他方の傾斜センサ３３の出力ＦＢを信号処理し
て差周波数成分（ＦＢ　−ＦＡ　）を出力する。

差動抽出手段としては、ミキサーでも、ＣＰＵでもよい
。

第２図は第１Ａ図に示したミキサー４３．４４の具体的
な回路構成を示す。

第２図において、ミキサーは、コンデンサ４６、バイア
ス用抵抗４７、検波ダイオード４８、ダイオード負荷４
９、およびローパスフィルタ５０によりそれぞれ構成さ
れ、一対の発振器３０，３１、または３４．３５の異な
る発振周波数を加算して、その中から和の周波数と差の
周波数とを取り出し、サラにその中からローパスフィル
タ５０により和成分を取り除き、差周波数成分のみを取
り出し、ａカするものである。

次に、作用を説明する。

前述したように、一方の傾斜センサ３２の出力をＦＡ（
＝Ｆ２−Ｆｌ）、他方の傾斜センサ３３の出力をＦＥ（
＝Ｆ３−Ｆ４）とし、ＦＢが傾斜角度θに対してＦＡと
逆に変化をするように、一対の傾斜センサ３２．３３を
配置する。

例えば一方の傾斜センサ３２の傾斜角度θに対する差周
波数出力ＦＡは、第１Ｂ図（ａ）に示すように、＋αと
なる正の傾きをもち、これに対し他方の傾斜センサ３３
の差周波数出力ＦＢは同図（ｂ）に示すように、−αと
なる負の傾きをもっことになる。

このためには発振器３０．３１，３４．３５の発振周波
数Ｆｌ、Ｆ２およびＦ３．ＦＡの関係を（１４）式、（
１５）式となるように設定することで実現できる。

Ｆ２　　＞Ｆｌ　　　　　　　　　　　　　　　　　・
・・（１４）Ｆ３　　＞ＦＡ　　　　　　　　　　　　
　　　　　・・・（１５）例えば傾斜角度θの増加に対
し第１Ａ図の重り２３の矢印５１に示す方向に荷重が増
加し、このためビーム２１の表面には引張り歪みが加わ
り、ビーム裏面には圧縮歪みが加わる。引張り歪みに対
し発振器３０．３１，３４．３５の発振周波数は減少し
、圧縮歪みに対し発振周波数は増加する関係にある。

そこで一方の傾斜センサ３２の発振器３０，３１に注目
すると、引張り歪みを受ける発振器３０の発振周波数Ｆ
１は減少し、圧縮歪みを受ける発振器３１の発振周波数
Ｆ２を増加する。ここで、Ｆｌ＜Ｆ２であるから、Ｆｌ
の減少とＦ２の増加に対し、差周波数ＦＡ　＝Ｆ２−Ｆ
ｌは増加することとなり、その結果、第１Ｂ図（ａ）の
特性が得られる。

これに対し他方の傾斜センサ３３の発振器３４゜３５は
、ビーム表面の発振器３４の発振周波数Ｆ３が引張り歪
みで減少し、ビーム裏面の発振器３５の発振周波数Ｆ４
が圧縮歪みで増加し、Ｆ３＞ＦＡであるから差周波数Ｆ
Ｂ　＝Ｆ３−Ｆ４は減少し、第１Ｂ図（ｂ）の特性が得
られる。

ここで、周囲温度の影響を考慮した一方の傾斜センサ３
２の出力ＦＡ、および他方の傾斜センサ３３の出力ＦＢ
は、次式（９）　（１０）で示すように、１次式で表わ
すことができる。

ＦＡ（θ、Ｔ）＝ＦＡ（＋］、［ｌ）＋ＫＦＡ（［１，
［１）　Ｔ　＋　ａ　ｅ・・・（９） Ｆｉｔ（θ、　Ｔ）　＝ＦＢ（（１，（］）＋ＫＦ［１
（１１，ＩＩＪＴ−αθ・・・（１０） 尚、ＦＡ（［１，［ｌ）、Ｆ　Ｂ　（１１，Ｑ）は無負
荷時（傾斜角θ＝０°時）の差周波数出力を示す。

したがって、傾斜角θは、次式（１１）で求めることが
できる。

θ＝丁丁［ｆＦ　Ｂ　ｆＯ，［１）　−Ｆ　Ａ　ｆＯ，
［１））−（Ｆ［ｌ（θ、Ｔ）−ＦＡ（θ、Ｔ））］仮
に、Ｆ　Ａ　（０，Ｉ］）　＝　Ｆ　１ｌ（０，０）と
した場合には、（１１）式右辺第２項（温度類）は消去
され、周囲温度Ｔの影響を全く受けない。この場合は理
想的なケースである（第１Ｂ図（Ｃ））。

第３図は本発明の他の実施例を示す図である。

本実施例は、一対のビームを設け、一方のビームに一方
の傾斜センサを、他方のビームに他方の傾斜センサをそ
れぞれ設けた例である。

第３図において、２１Ａは一方のビームであり、この一
方のビーム２１Ａは一端が装置筐体側となる支持部２２
に片持ち梁状に支持され、他端には重り２３Ａが取り付
けられている。一方のビーム２１Ａには第１Ａ図の実施
例と同様な一方の傾斜センサ３２が設けられ、その８カ
はＦＡ（＝Ｆ２−Ｆｌ）である。２１Ｂは他方のビーム
であり、この他方のビーム２１Ｂは一端が装置筐体側と
なる支持部２２に片持ち梁状に支持され、他端には重り
２３Ｂが取り付けられている。他方のビーム２１Ｂには
第１Ａ図の実施例と同様な他方の傾斜センサ３３が設け
られ、その出力はＦｉｌ（＝Ｆ３−ＦＡ　）である。し
たがって、傾斜角度θは前記（１１）式で求められる。

２個の傾斜センサが同一のケース内に収納されてもよい
し、別々のケースに収納されても全くかまわない。

本実施例においても、前記実施例と同様な効果が得られ
ることは言うまでもない。

［発明の効果コ 以上説明してきたように、本発明によれば、傾斜角に対
して一方の傾斜センサの出力が他方の傾斜センサの出力
と逆の変化をするように、２つの傾斜センサを配置する
ようにしたため、周囲温度の影響を大幅に軽減すること
ができ、また、傾斜角度に対する分解能を２倍とするこ
とができ、検出感度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は本発明の一実施例を示す図、第１Ｂ図は第１
Ａ図の一対の傾斜センサの出力特性とその合成特性を示
した説明図、 第２図はミキサーの構成図、 第３図は本発明の他の実施例を示す図、第４図は従来例
を示す図である。 図中、 ２１．２１Ａ、２１Ｂ・・・ビーム、 ２２・・・支持部、 ２３．２３Ａ、２３Ｂ・・・重り、 ２４．２５，３６．３７・・・送信電極、２６．２７，
３８．３９・・・受信電極、８．２９．４１．４２・・
・増幅器、 ０，３１．３４．３５・・・発振器、 ２．３３・・・傾斜センサ、 ３．４４・・・ミキサー ５・・・差動油８手段、 ６・・・コンデンサ、 ７・・・バイアス用抵抗、 ８・・・検波ダイオード、 ９・・・ダイオード負荷、 ０・・・ローパスフィルタ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）　表面弾性波を利用して傾斜角を一対の発振器の
   発振周波数の差として出力する傾斜センサを備えた傾斜
   角測定装置に於いて、 一端が装置筐体側に固着され他端に重りが設けられ、傾
   斜角度に応じた重りの荷重及び周囲温度により歪みを生
   ずるビームに、傾斜角度に対して一方の傾斜センサの出
   力する発振周波数差の変化が、他方の傾斜センサの出力
   する発振周波数差の変化と逆になるように一対の傾斜セ
   ンサを配置し、該一対の傾斜センサの各出力を入力とし
   、両者の差周波数成分を抽出する差動抽出手段を設けた
   ことを特徴とする傾斜角測定装置。
2. （２）　前記一対の傾斜センサの各々は、前記ビームの
   相対するビーム面の各々に形成した表面弾性波の伝搬路
   を正帰還回路に設けた一対の発振器を有し、傾斜角が零
   となる状態で、一方の傾斜センサの一対の発振器の発振
   周波数に所定の差を持たせると共に、他方の傾斜センサ
   の一対の発振器は第１の傾斜センサとは逆のビーム面と
   なる発振器の位置関係で同じ発振周波数の差を持たせた
   ことを特徴とする請求項１記載の傾斜角測定装置。
3. （３）　前記ビームを２個設けて、一方のビームに前記
   一方の傾斜センサを、他方のビームに前記他方の傾斜セ
   ンサを設けたことを特徴とする前記請求項１記載の傾斜
   角測定装置。