JP2001153650A - 傾斜センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 通常は１軸の速度センサのみでは得られない
角度範囲の傾斜角情報を得る傾斜センサを提供する。 【解決手段】 加速度センサ１に入力される重力の大き
さを検出して加速度センサの入力軸の重力方向に対する
傾斜を測る傾斜センサにおいて、１軸の加速度センサ１
を具備し、加速度センサ１の入力軸に垂直に設定された
回転軸周りに加速度センサ１を回転振動させる回転振動
印加装置を具備し、回転振動に同期した信号に基づいて
加速度センサ１の回転軸周りの傾斜方向の極性を判定す
る極性判定装置を具備する傾斜センサ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、傾斜センサに関
し、特に、１軸の加速度センサで０〜３６０°の角度範
囲の傾斜角情報を得る傾斜センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】加速度センサを具備して物体の姿勢を測
定する場合、通常は、物体に設定した直交３軸のそれぞ
れに加速度センサの入力軸を合わせて設置し、各加速度
センサの受ける重力加速度成分の大きさに基づいて各軸
の鉛直方向からの傾斜を計算して物体の姿勢を正確に測
定することができる。ところで、水道管、或いは熱交換
器の配管の如き細管の内部を検査する小型測定機器、人
体の食道或いは腸管に挿通されてこれらの内部を検査す
る胃カメラの如き小型測定機器に傾斜センサを具備して
小型測定機器の姿勢を認識、制御する場合がある。この
種の小型測定機器は、その適用されるところが水道管の
内部、熱交換器の細管の内部、或は人体の食道、腸管の
如き小径のところであるので、これに対応して機器を構
成するケースも小径で内容積も極く小さいものとされて
いる。小径で内容積も極く小さいケースに上述した直交
３軸のそれぞれに加速度センサを設置する余裕のない場
合がある。

【０００３】小型測定機器に直交３軸のそれぞれに対応
して加速度センサを設置せずに、１軸方向のみに加速度
センサを設置した傾斜センサにより小型測定機器の姿勢
を認識することができる。ここで、傾斜センサの加速度
センサと、センサの姿勢角とセンサ出力について図８を
参照して説明する。図８（ａ）は小型測定機器が回転、
傾斜したところを示す図であり、１は加速度センサであ
り、１０は加速度センサ１を設置した小型測定機器を示
す。加速度センサ１はその入力軸を小型測定機器１０の
鉛直方向軸に合わせて小型測定機器１０に設置されてい
る。ここで、小型測定機器１０は、紙面内において６０
゜回転した姿勢角をとったところと、紙面内において３
００゜回転した姿勢角をとったところが示されている。

【０００４】図８（ｂ）は加速度センサの回転角度とセ
ンサ出力の関係を示す図であり、加速度センサ１はその
入力軸が重力方向軸に一致している時に最大センサ出力
１ｇを出力する。図においては、１ｇを１に正規化して
表示している。そして、センサ出力は、重力方向軸から
測定した回転角度の余弦に比例して変化する。図８
（ｂ）において、○により包囲されているところは回転
角度が６０゜と３００゜に対応するところであり、セン
サ出力が１／２に減少したところである。加速度センサ
１は、その回転角度が６０゜と３００゜に対応するとこ
ろにおいて同一のセンサ出力を発生している。即ち、小
型測定機器１０が回転してとる２通りの傾斜角６０°お
よび３００°に対応して、加速度センサ１は同一のセン
サ出力を発生する。これは、小型測定機器１０の２通り
の傾斜角、即ち、６０°および３００°の内の何れが小
型測定機器１０がとっている現実の傾斜角であるのか特
定することができない。この場合の１軸傾斜センサは、
通常、０〜１８０°以内の傾斜角を検出する傾斜センサ
としてしか使用されていない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、加速度セ
ンサを小型測定機器に１軸方向にしか収容取り付けるこ
とができない場合でも、０〜３６０°の傾斜角度範囲に
おいて小型測定機器の傾斜角を特定する上述の問題を解
消した傾斜センサを提供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１：加速度センサ
１に入力される重力の大きさを検出して加速度センサの
入力軸の重力方向に対する傾斜を測る傾斜センサにおい
て、１軸の加速度センサ１を具備し、加速度センサ１の
入力軸に垂直に設定された回転軸周りに加速度センサ１
を回転振動させる回転振動印加装置を具備し、回転振動
に同期した信号に基づいて加速度センサ１の回転軸周り
の傾斜方向の極性を判定する極性判定装置を具備する傾
斜センサを構成した。

【０００７】そして、請求項２：請求項１に記載される
傾斜センサにおいて、極性判定装置は、加速度センサ１
の出力する加速度信号に回転振動に同期した信号であっ
てその回転振動方向の極性を表わす参照信号を加速度信
号に乗算する乗算器４を有するものである傾斜センサを
構成した。また、請求項３：請求項２に記載される傾斜
センサにおいて、回転振動印加装置は、加速度センサ１
を載置した回転振動取り付け板６１に回転振動を生起す
る圧電素子６２を有する振動印加アクチュエータ６と、
振動印加アクチュエータ６を駆動する振動印加駆動回路
５とにより構成され、振動印加駆動回路５を乗算器４に
接続した傾斜センサを構成した。

【０００８】更に、請求項４：請求項１および請求項２
の内の何れかに記載される傾斜センサにおいて、回転振
動印加装置は加速度センサ１に接続してこれを操作する
回転操作部６’より成り、回転操作部６’の回転振動を
検出する回転検出器５’を具備し、回転検出器５’の検
出信号を回転振動に同期した信号として乗算器４に印加
する傾斜センサを構成した。また、請求項５：請求項４
に記載される傾斜センサにおいて、回転検出器５’はエ
ンコーダ、ジャイロ、２軸加速度センサより選択された
何れかである傾斜センサを構成した。

【０００９】更に、請求項６：請求項４に記載される傾
斜センサにおいて、回転検出器５’は搭載カメラと、撮
像画像信号を記憶する記憶装置と、画像移動方向逐次比
較部と、比較結果に基づいて回転極性を検出する回転極
性検出部より成る傾斜センサを構成した。そして、請求
項７：請求項５および請求項６の内の何れかに記載され
る傾斜センサにおいて、回転操作部６’は加速度センサ
１に接続して延伸するケーブルである傾斜センサを構成
した。

【００１０】

【発明の実施の形態】この発明の実施の形態を図１およ
び図２を参照して説明する。図１は傾斜センサの実施例
を説明するブロック図、図２は１軸加速度センサにより
０〜３６０°の角度範囲を判定する原理を説明する図で
ある。図１において、１は傾斜センサに具備される１個
の加速度センサを示す。加速度センサ１により検出され
た１軸方向の加速度信号は、増幅器２に入力して増幅さ
れ、増幅後の加速度信号は傾斜量算出器３および乗算器
４に供給される。傾斜量算出器３は加速度センサ１によ
り検出された加速度信号に基づいて加速度センサ１の傾
斜量を算出する。加速度センサ１には、後で図示説明さ
れる説明される振動印加アクチュエータ６により或る回
転角度範囲内の回転振動が印加される。振動印加駆動回
路５の発生する交流の駆動信号は圧電素子を有する振動
印加アクチュエータ６に印加され、これにより振動印加
アクチュエータ６は或る回転角度範囲内で回転振動せし
められる。加速度センサ１は振動印加アクチュエータ６
の回転取り付け板に載置結合され、振動印加アクチュエ
ータ６の発生する回転振動を加速度センサ１に伝達す
る。これにより、加速度センサ１は振動印加アクチュエ
ータ６の発生する回転振動周期で或る角度範囲内で回転
振動している。振動印加駆動回路５の発生する交流の駆
動信号は乗算器４にも供給される。乗算器４は増幅器２
から入力される増幅後の加速度信号と振動印加駆動回路
５から入力される交流の駆動信号とを乗算し、乗算結果
を極性判定器７に入力する。極性判定器７は乗算器４の
乗算結果を入力し、これを平均して加速度センサ１の傾
斜角の極性を判定する。８は傾斜角度表示器である。傾
斜角度表示器８は、傾斜量算出器３の算出した傾斜量、
および極性判定器７の判定した極性を表示する。

【００１１】加速度センサ１に対する回転振動の印加を
図３を参照して説明する。図３（ａ）は静電容量型の加
速度センサ１を電極間隔を誇張して概念的に説明する図
である。この加速度センサ１は、上部電極１１、下部電
極１２、振子を構成する中央電極１３より成る。中央電
極１３はヒンジ１３１を介して支持部１３２に結合して
いる。この加速度センサ１は、実際は、支持部１３２の
上面に上部電極１１の左辺下面が電気的に絶縁して接合
され、支持部１３２の下面に下部電極１２の左辺上面が
電気的に絶縁して接合されて三者一体に接合される。こ
の場合、中央電極１３と上部電極１１および下部電極１
２の間には当然間隙が形成される。図３（ｂ）を参照す
るに、これは、図３（ｂ）は加速度の印加による中央電
極１３の変位に対応する加速度センサ１の静電容量電圧
変換を説明する図である。発振器５０の発振出力は中央
電極１３と上部電極１１および下部電極１２の間に印加
され、中央電極１３の変位に対応する整流出力がアンプ
５１、ダイオード５２を介してそれぞれ取り出される。
これら両出力は演算増幅器５３の反転入力および非反転
入力に印加され、中央電極１３の変位に対応する直流電
圧出力が加算出力される。

【００１２】図４を参照するに、これは図３により図示
説明された加速度センサ１を振動印加アクチュエータに
取り付けるところを説明する図である。図４（ａ）は加
速度センサ１を振動印加アクチュエータに取り付けたと
ころを上から視た図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）の
長辺を横から視た図であり、図４（ｃ）は図４（ａ）の
短辺を横から視た図であり、図４（ｄ）は回転振動取り
付け板を説明する図であり、図４（ｅ）は振動印加アク
チュエータの回転振動を説明する図である。

【００１３】図４（ｄ）を参照するに、回転振動取り付
け板６１は、対向する両短辺に沿って一方の隅部の短辺
から他方の隅部に到る外側と連通する切り欠き６１０を
形成する。これにより回転振動取り付け板６１の短辺に
固定部６１１が形成されると共に、固定部６１１に連続
して長辺にヒンジ部６１２が形成される。そして、対向
する他方の長辺にはヒンジ部６１２に対応して自由端部
６１３が形成される。この回転振動取り付け板６１の中
央部には先の静電容量型の加速度センサ１が接合固定さ
れる。細長片より成る振動板６３には、同様に細長片よ
り成る圧電素子６２が接合固定され、バイメタルと同様
の動作をする振動板６３が構成される。圧電素子６２が
接合固定された振動板６３は、圧電素子６２は電圧を印
加することにより圧電素子６２の長さ方向に伸縮運動す
る。ここで、この振動板６３は、一方の端部を固定する
と、圧電素子６２が長さ方向に伸縮運動することによ
り、他方の端部は固定端部支点として回転振動するに到
る。振動板６３は、一方の端部を支柱６４を介して固定
部６１１の内のヒンジ部６１２の近傍に固定される。そ
して、振動板６３の他方の端部はヒンジ部６１２と対向
する自由端部６１３に支柱６４を介して接合固定されて
いる。

【００１４】図４（ｅ）を参照するに、圧電素子６２に
発振電圧が印加されると、振動板６３はバイメタル動作
し、回転振動取り付け板６１の自由端部６１３は支柱６
４を介して振動板６３の他方の端部により回転振動せし
められる。小型測定機器１０に設置された加速度センサ
１は１ｇの傾斜角の余弦に比例した平均出力を発生す
る。加速度センサ１は振動印加アクチュエータ６に取り
付けられて、加速度センサ１の回転傾斜方向に回転振動
しているので、加速度センサ１の傾斜角自体回転振動し
ている。これを図２を参照してみるに、加速度センサ１
の短時間の出力変化は、増加、減少の矢印の如く僅かに
変動している。この変動は、例えば、○印内の傾斜角６
０°の近傍においては、加速度センサ１が回転振動で右
回りに回転したときの出力は、平均値より僅かに減少
し、左回りに回転したときは平均値より僅かに増加す
る。これとは逆に、○印内の傾斜角３００°の近傍にお
いては、加速度センサ１が回転振動で右回りに回転した
ときの出力は平均値より僅かに増加し、左回りに回転し
たときは平均値より僅かに減少する。

【００１５】そこで、乗算器４を使用し、加速度センサ
１により検出されて増幅器２を介して入力される加速度
信号を、振動印加駆動回路５から供給される駆動信号の
極性によりスイッチング、即ち、同期検波し、結果を極
性判定器７に入力して平均化する。図２を参照するに、
この平均化により、傾斜角６０°においては負の加速度
信号となる極性判定の直流信号が得られ、傾斜角３００
°においては正の加速度信号となる極性判定の直流信号
が得られる。以下、この同期検波による極性判定を図５
を参照して説明する。

【００１６】図５は傾斜角３００°近傍における動作を
説明する図である。この場合の同期検波を構成する加速
度センサの出力と極性を表す信号も乗算と平均化により
得られる直流信号の極性が求める加速度センサの傾斜の
極性となる。傾斜角３００°の近傍においては、加速度
センサの傾斜の極性はプラスである。同期検波はデジタ
ル的にも処理することができる。即ち、デジタル的に処
理する場合、印加する回転振動に同期したタイミングで
加速度センサ出力をサンプリングし、交番にサンプリン
グされるデータをホールドして直接その大小を比較して
も極性を判定することができる。

【００１７】傾斜の大きさについては、加速度センサ１
の出力θをθ＝ｃｏｓ^-1（出力）で０＜θ＜１８０°の
範囲で求ることができる。但し、１８０°＜θ＜３６０
°の範囲でも同じ出力となるので、表示器に双方の範囲
を表示しておき、極性判定信号で何れかを選択する。こ
れにより１個のみ加速度センサ１を使用して３６０°の
角度範囲、或は−１８０°ないし＋１８０°の角度範囲
の傾斜角表示をすることができる。

【００１８】図１において、傾斜量算出器３、乗算器
４、極性判定器７、傾斜角度表示器８として、独立した
個別の回路、表示器表を使用して傾斜センサを構成する
こともできるが、増幅器２および振動印加駆動回路５か
ら供給される信号を全て演算処理装置ＣＰＵに読み込ん
で、ソフトウエアにより処理することもできる。図１に
おいては、また、加速度センサ１に回転振動を印加する
に振動印加アクチュエータ６を使用しているが、細管内
部を検査する小型測定機器１０は、一般に、細管外部か
ら送り込まれるケーブルが一体にしている。この場合、
小型測定機器１０をケーブルを介して操作している時に
生ずるケーブルの回転が加速度センサ１を具備する小型
測定機器１０の回転と同期している。この場合、加速度
センサ１の回転振動に振動印加アクチュエータ６を特に
使用することなく、小型測定機器１０をケーブルを介し
て操作する場合のケーブルの回転を振動印加アクチュエ
ータ６による回転の代わりに代用する。これを図６を参
照して説明するに、小型測定機器１０を操作する場所
は、普通、各種の機器を位置決め設置する余地がない程
寸法制限のあることはないので、ロータリーエンコー
ダ、ジャイロ、２軸加速度センサその他の回転極性を検
出する装置を形状寸法の如何に関わらずに回転検出部
５’として設置する。そして、ケーブルを介して実施す
る小型測定機器１０の操作を回転操作部６’として取り
扱い、この回転操作部６’による回転を回転検出部５’
により検出し、検出結果を演算処理装置ＣＰＵに読み込
んでソフトウエアで処理することにより、振動印加アク
チュエータ６を使用した場合と同様な作用、効果を奏す
ることができる。回転操作部６’による回転振動は不規
則、非連続的であるが、これを極性を表す信号として充
分に使用することができる。

【００１９】図７を参照するに、小型測定機器１０が胃
カメラの如くカメラを搭載している場合、回転検出部
５’の回転極性を検出する装置としてこの搭載カメラを
使用する。即ち、回転操作部６’によるカメラの回転に
対応する撮像画像信号を処理して回転を検出する。搭載
カメラから出力される或る瞬間の画像信号を記憶装置に
記憶し、この画像が何れの方向へ回転したかを次の瞬間
の画像と比較し、比較結果により回転極性信号を得るこ
とができる。

【００２０】

【発明の効果】以上の通りであって、この発明によれ
ば、１軸の加速度センサに回転方向の機械的変調を加
え、得られた傾斜測定データを回転方向の極性で同期検
波することにより、通常は１軸の速度センサのみでは得
られない角度範囲の傾斜角情報を得ることができる。即
ち、形状寸法に制限があり、加速度センサを１個しか収
容取り付けることがきない場合でも、０〜３６０°の角
度範囲の傾斜角情報を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例を説明する図。

【図２】加速度センサの回転角度−センサ出力特性を示
す図。

【図３】静電容量型の加速度センサを説明する図。

【図４】振動印加アクチュエータを説明する図。

【図５】同期検波による極性判定を説明する図。

【図６】他の実施例を説明する図。

【図７】更なる他の実施例を説明する図。

【図８】従来例を説明する図。

【符号の説明】

１ 加速度センサ ４ 乗算器 ５ 振動印加駆動回路 ６ 振動印加アクチュエータ ６１ 回転振動取り付け板 ６２ 圧電素子

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加速度センサに入力される重力の大きさ
   を検出して加速度センサの入力軸の重力方向に対する傾
   斜を測る傾斜センサにおいて、 １軸の加速度センサを具備し、 加速度センサの入力軸に垂直に設定された回転軸周りに
   加速度センサを回転振動させる回転振動印加装置を具備
   し、 回転振動に同期した信号に基づいて加速度センサの回転
   軸周りの傾斜方向の極性を判定する極性判定装置を具備
   することを特徴とする傾斜センサ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載される傾斜センサにおい
   て、 極性判定装置は、加速度センサの出力する加速度信号に
   回転振動に同期した信号であってその回転振動方向の極
   性を表わす参照信号を加速度信号に乗算する乗算器を有
   するものであることを特徴とする傾斜センサ。
3. 【請求項３】 請求項２に記載される傾斜センサにおい
   て、 回転振動印加装置は、加速度センサを載置した回転振動
   取り付け板に回転振動を生起する圧電素子を有する振動
   印加アクチュエータと、振動印加アクチュエータを駆動
   する振動印加駆動回路とにより構成され、振動印加駆動
   回路を乗算器に接続したことを特徴とする傾斜センサ。
4. 【請求項４】 請求項１および請求項２の内の何れかに
   記載される傾斜センサにおいて、 回転振動印加装置は加速度センサに接続してこれを操作
   する回転操作部より成り、 回転操作部の回転振動を検出する回転検出器を具備し、 回転検出器の検出信号を回転振動に同期した信号として
   乗算器に印加することを特徴とする傾斜センサ。
5. 【請求項５】 請求項４に記載される傾斜センサにおい
   て、 回転検出器はエンコーダ、ジャイロ、２軸加速度センサ
   より選択された何れかであることを特徴とする傾斜セン
   サ。
6. 【請求項６】 請求項４に記載される傾斜センサにおい
   て、 回転検出器は搭載カメラと、撮像画像信号を記憶する記
   憶装置と、画像移動方向逐次比較部と、比較結果に基づ
   いて回転極性を検出する回転極性検出部より成ることを
   特徴とする傾斜センサ。
7. 【請求項７】 請求項５および請求項６の内の何れかに
   記載される傾斜センサにおいて、 回転操作部は加速度センサに接続して延伸するケーブル
   であることを特徴とする傾斜センサ。