JP2017166828A - 傾斜計測装置、傾斜計測システム、及び気圧変動センサの調整方法 - Google Patents
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Abstract
Description
このように、上述した従来技術では、十分な検出精度が得られない場合があり、傾斜情報の検出精度を向上させることが望まれる。
まず、図1〜図3を参照して、第1の実施形態による傾斜計測装置1の構成について説明する。
図1は、本実施形態による傾斜計測装置1の一例を示す外観図である。また、図2は、本実施形態による傾斜計測装置1の一例を示すブロック図である。また、図3は、本実施形態による傾斜変動センサ40の一例を示すブロック図である。
なお、本実施形態において、気圧変動センサ51と、気圧変動センサ52とは、同一の出力特性を示すように調整されており、傾斜計測装置1が備える任意の気圧変動センサを示す場合、又は特に区別しない場合には、気圧変動センサ50として説明する。
また、本実施形態では、傾斜計測装置1が検出する傾斜角θの検出方向を、図1に示すX軸方向とし、高度の方向をZ軸方向として説明する。
静止傾斜センサ32は、例えば、加速度センサを使用した傾斜角センサなどであり、計測対象物が静止している状態における計測対象物の傾斜角θ(静止傾斜角θS)を、静止傾斜情報として検出する。静止傾斜センサ32は、検出した計測対象物の傾斜角θ(静止傾斜角θS)を制御部35に出力する。
なお、静止判定部33は、上述した計測対象物の静止の判定方法のいずれか1つによって、計測対象物が静止しているか否かを判定してもよいし、複数の判定方法を組み合わせて判定してもよい。
気圧変動センサ50は、気圧の変動を検出する差圧センサである。気圧変動センサ51と気圧変動センサ52とは、検出方向(X軸方向)に沿って所定の距離(例えば、距離D)を離して配置されている。また、本実施形態では、気圧変動センサ52は、後述するキャビティ10(図4参照)の容積を変更する容積可変部11を備えている。気圧変動センサ50は、検出した気圧の変動を、例えば検出信号(気圧変動情報)として、傾斜変動情報生成部42に出力する。なお、気圧変動センサ50(51、52)の構成の詳細については後述する。
例えば、傾斜変動情報生成部42は、気圧変動センサ51が検出した検出信号(気圧変動情報)と、気圧変動センサ52が検出した検出信号(気圧変動情報)との差分(気圧変動情報の差分情報ΔP)を算出する。この気圧変動情報の差分情報ΔPは、気圧変動センサ51と気圧変動センサ52との高度差に対応する。傾斜変動情報生成部42は、気圧変動情報の差分情報ΔPを、例えば、変換テーブルなどを利用して、高度変動情報ΔHDを生成する。
制御部35(傾斜情報検出部の一例)は、例えば、CPUなどを含むプロセッサであり、傾斜計測装置1を統括的に制御する。制御部35は、例えば、傾斜計測装置1の起動時に、静止判定部33から計測対象物が静止しているか否かを示す判定結果を取得して、計測対象物が静止したと判定されるまで当該処理を繰り返す。制御部35は、計測対象物が静止したと判定された場合に、静止傾斜センサ32から取得した静止傾斜情報(静止傾斜角θS)を、傾斜角初期値θ0として、記憶部34に記憶させる。
また、制御部35は、計測対象物の傾斜角θを検出した後に、記憶部34が記憶する傾斜角初期値θ0を更新する。すなわち、制御部35は、検出した当該計測対象物の傾斜角θを新たな初期値(傾斜角初期値θ0)として記憶部34に記憶させる。
図4は、本実施形態による気圧変動センサ50の一例を示す構成図である。
図4(a)は、本実施形態における気圧変動センサ50(51、52)の一例を示す平面図であり、図4(b)は、図4(a)に示すA−A線に沿った気圧変動センサ51の断面図である。また、図4(c)は、図4(a)に示すA−A線に沿った気圧変動センサ52の断面図である。
このように、カンチレバー4は、空気をキャビティ10の内外に流通させるギャップ13(連通孔)を除くキャビティ10の開口面を塞ぐように基端部4aから先端部4bに向けて一方向に延びる板状であり、キャビティ10の内部と外部との圧力差に応じて撓み変形する。
気圧変動検出部5は、外部から加わる応力に応じて電気抵抗値が変化するピエゾ抵抗20と、この電気抵抗値変化を取り出す検出回路22から構成されている。
ピエゾ抵抗20は、図4に示すように、Y方向において、貫通孔15を挟んだ両側に対となって配置される。これら一対のピエゾ抵抗20は、導電性材料からなる配線部21を介して相互に電気的に接続されている。
なお、この配線部21及びピエゾ抵抗20を含む全体的な形状は、例えば、図4に示すように平面視U字状とすることができるが、別の配置形状としてもよい。
なお、上記のピエゾ抵抗20は、例えば、イオン注入法や拡散法等の各種方法によりリン等のドープ剤(不純物)をシリコン活性層2cにドーピングすることで形成される。また、ドープ剤は、シリコン活性層2c表面近傍のみに添加される。このため、ピエゾ抵抗20の電気抵抗値の変化は、カンチレバー4に加わる応力の圧縮/伸長の方向に対して正負逆となる。
図4(b)に示すように、気圧変動センサ51は、固定のキャビティ底部10aを備えている。このキャビティ底部10aにより、気圧変動センサ51のキャビティ10の容積(例えば、容積V1)は、固定の値となる。
メンブレン構造部60は、キャビティ10の少なくとも1つの面(例えば、底面)に配置され、外力により変形可能な構成となっている。メンブレン構造部60は、例えば、大きさが大、中、及び小の3種類のメンブレン部(601、602、603)を備えており、外力により変形することで、気圧変動センサ52のキャビティ10の容積(例えば、容積V2)を変更する。
なお、図4(c)に示す例では、メンブレン構造部60は、メンブレン部601、メンブレン部602、及びメンブレン部603のそれぞれを1つずつ備える例を示しているが、メンブレン部601、メンブレン部602、及びメンブレン部603のそれぞれを複数備えるようにしてもよい。
まず、図6及び図7を参照して、本実施形態における気圧変動センサ50の動作について説明する。ここでは、計測対象物の高度が変化することで、大気(空気)の圧力が変化した場合のカンチレバー4の動作と、その時の検出回路22の出力特性について説明する。なお、以下の説明において、空気の圧力は、以下、外圧Poutと表記することとする。外圧Poutは、カンチレバー4のキャビティ筐体3への配設面と対向する面(すなわち、図4における上面)側の圧力である。また、キャビティ10内部の内圧を内圧Pinと定義し、外圧Poutとする。
ここで、図6(a)は、外圧Pout及び内圧Pinの経時変化を示しており、図6(b)は、検出回路22の出力信号の経時変化を示している。
また、図7は、実施形態における気圧変動センサ50の動作の一例を示す図であり、図4及び図5に示すカンチレバー4の動作の一例を模式的に示す断面図である。
ここで、図7(a)は、初期状態のカンチレバー4の断面図を示し、図7(b)は、外圧Poutが内圧Pinより高い状態のカンチレバー4の断面図を示している。また、図7(c)は、キャビティ10内外の圧力が同じに戻った状態のカンチレバー4の断面図を示している。なお、図7において、検出回路22の図示を省略する。
その結果、内圧Pinが外圧Poutに徐々に近づくので、カンチレバー4の撓みが徐々に小さくなり、図6(b)に示すように、上述の出力信号が、徐々に低下する。
なお、検出回路22の出力信号は、初期状態における基準電圧と、ピエゾ抵抗20の抵抗変化に基づいて増幅された信号との加算となる。初期状態における基準電圧は、カンチレバー4に加わる差圧ΔPがゼロの場合の、図5に図示したブリッジ回路221の分圧点Vaと分圧点Vbとの電圧差を差動増幅回路222で増幅した電圧値となる。
さらに、気圧変動センサ50では、外圧Poutが非常に緩やかに変化する場合、ギャップ13による圧力伝達媒体の流動制限機能が作用せず、内圧Pinは外圧Poutに対して時間遅れせず、ほぼ同じ圧力値となり、差圧ΔPが発生しない。本実施形態では、これを逆に利用し、外圧Poutが非常に遅い変化速度の場合(例えば、気象変化のような気圧変化の場合)、外圧Poutの変化を無視することが可能となる。よって、気象変化のような気圧変化をノイズとして除去することが可能になる。
図8は、本実施形態における気圧変動センサ52の容積可変部11の動作の一例を示す図である。
図8(a)は、キャビティ10の容積V2が最大に調整された気圧変動センサ52を示している。この状態では、メンブレン構造部60のメンブレン部601、メンブレン部602、及びメンブレン部603のそれぞれが全て、キャビティ10の外側に湾曲している。
次に、さらにメンブレン部603に外力が加えられると、メンブレン部603は、図8(c)に示すように、キャビティ10の内側に湾曲して変形し、キャビティ10の容積V2が、メンブレン部603の容積分だけ低減される。
また、メンブレン構造部60に加えられる外力は、キャビティ10の外部からメンブレン部601、メンブレン部602、及びメンブレン部603を押し込む力だけでなく、外部にメンブレン部601、メンブレン部602、及びメンブレン部603を吸引して引き出す力であってもよい。
図9は、本実施形態における傾斜変動センサ40の動作の一例を示すフローチャートである。
まず、計測対象物に装着された傾斜計測装置1が、上述したX軸方向に傾斜した場合に、2つの気圧変動センサ50に大気圧(上述した外圧Pout)が変化する(ステップS101)。
て追従することとなる。
次に、傾斜変動情報生成部42は、2つの気圧変動センサ50によって検出された2つの検出信号に基づいて、高度変動情報ΔHDを生成する(ステップS108)。ステップS108の処理後に、傾斜変動情報生成部42は、処理を終了する。
図10は、本実施形態による傾斜変動センサ40の水平時(静止時)における出力信号の一例を説明する図である。
また、図10(b)において、波形V11が、気圧変動センサ51の出力信号を示し、波形V21が、気圧変動センサ52の出力信号を示し、波形Diff1は、波形V11と波形V21の差を示している(Diff1=V11−V21)。
図10において、計測対象物が静止しているため、気圧変動センサ51の出力信号(波形V11)、気圧変動センサ52の出力信号(波形V21)、及び、その差分(波形Diff1)は、全て“0”になっている。なお、この状態は、計測対象物が水平であることに限らず、傾斜している状態であっても同様である。
ここでは、図10に示す状態から図11に示す状態に計測対象物が傾斜した場合の一例である。
図11(a)において、傾斜計測装置1は、計測対象物がX軸方向に、プリント基板PBの中点を中心に傾斜角θだけ傾斜(回転)している場合の状態を示している。また、図11(b)は、計測対象物の傾斜時における2つの気圧変動センサ50の出力信号(検出信号)を示している。
また、図11(b)において、波形V12が、気圧変動センサ51の出力信号を示し、波形V22が、気圧変動センサ52の出力信号を示し、波形Diff2は、波形V12と波形V22の差を示している(Diff2=V12−V22)。
なお、例えば、気圧変動センサ52を中心にして回転した場合は、気圧変動センサ52の高度は不変なので気圧変動センサ52の出力信号は“0”のままで、気圧変動センサ51の出力信号のみ変化する。この場合も、傾斜変動情報生成部42は、気圧変動センサ51の検出値と、気圧変動センサ52の検出値との差分を算出することで、同一の高度変動情報ΔHDを得ることができる。
図11(a)に示すように、気圧変動センサ51と気圧変動センサ52との高度差ΔH、気圧変動センサ51と気圧変動センサ52との間の距離D、X軸方向の傾斜角θである場合に、下記の式(1)の関係が成り立つ。
そのため、本実施形態による制御部35は、以下のように、傾斜角θを算出する。
図12は、本実施形態による傾斜計測装置1の動作の一例を示すフローチャートである。
まず、傾斜計測装置1の制御部35は、計測対象物が静止状態であるか否かの有無判定を実行する(ステップS201)。すなわち、制御部35は、静止判定部33に、例えば、計測対象物が静止状態であるか否かを問い合わせる信号を送信する。静止判定部33は、計測対象物が静止状態であるか否かの判定を実行し、当該判定結果を制御部35に送信する。
次に、制御部35は、初期傾斜度(傾斜角初期値θ0)を設定する(ステップS204)。すなわち、制御部35は、取得した静止傾斜度(静止傾斜角θS)を、初期傾斜度(傾斜角初期値θ0)として、記憶部34に記憶させる。
なお、制御部35は、算出した現在の傾斜角θを、新たな初期傾斜度(傾斜角初期値θ0)として、記憶部34に記憶させる。
次に、図面を参照して、本実施形態による気圧変動センサ50の調整方法について説明する。
図13は、本実施形態による調整装置7の一例を示すブロック図である。
図13に示す調整装置7は、気圧変動センサ50を調整する装置であり、密閉容器70と、気圧可変部71と、特性計測部72と、容積調整部73とを備えている。
気圧可変部71は、密閉容器70の内部の気圧を周期的に変化させる。気圧可変部71は、例えば、特性計測部72によって指定された周波数により気圧を変化させる。
図14に示す例は、気圧変動センサ51のキャビティ10の容積V1が、気圧変動センサ52のキャビティ10の容積V2より大きい場合(V1>V2)の一例を示している。
また、図14に示すグラフは、縦軸が感度[dB]を示し、横軸は、周波数[Hz]を示している。
なお、気圧変動センサ50において、カットオフ周波数fcは、下記の式(5)により表される。
上述した式(5)に示すように、気圧変動センサ50のカットオフ周波数fcは、ギャップ幅Gの2乗に比例し、キャビティ10の容積Vに反比例する。
このことから、容積調整部73は、例えば、カットオフ周波数fc1がカットオフ周波数fc2より大きい場合(fc1>fc2)に、気圧変動センサ52のキャビティ10の容積V2を小さくする調整を、メンブレン構造部60を変形させて行う。また、容積調整部73は、例えば、カットオフ周波数fc1がカットオフ周波数fc2より小さい場合(fc1<fc2)に、気圧変動センサ52のキャビティ10の容積V2を大きくする調整を、メンブレン構造部60を変形させて行う。
図15は、本実施形態による気圧変動センサ50の調整方法の一例を示すフローチャートである。
図15に示すように、まず、調整装置7の特性計測部72は、気圧変動センサ(51、52)のカットオフ周波数(fc1、fc2)を計測する(ステップS301)。特性計測部72は、気圧可変部71に密閉容器70内の気圧を、周波数を変化させて変更し、カットオフ周波数計測部721が、気圧変動センサ51のカットオフ周波数fc1を計測するとともに、カットオフ周波数計測部722が、気圧変動センサ52のカットオフ周波数fc2を計測する。
また、容積調整部73は、キャビティ10の容積V2を小さく又は大きくする際に、上述した式(5)に基づいて、容積V2の変化量を決定し、当該変化量に対応させてメンブレン構造部60を変形させてもよい。また、容積調整部73は、カットオフ周波数fc1とカットオフ周波数fc2との差に応じて予め定められた容積V2の変化量に対応させてメンブレン構造部60を変形させてもよい。
これにより、本実施形態による傾斜計測装置1は、容積可変部11を備えることにより、センサ間の感度バラツキを低減することができるため、傾斜情報の検出精度を向上させることができる。
これにより、本実施形態による傾斜計測装置1は、外力によりメンブレン構造部60を変形するという簡易な手段により、キャビティ10の容積を調整することができる。
これにより、メンブレン構造部60は、キャビティ10の容積を精度良く調整することができる。
これに対して、本実施形態による傾斜計測装置1は、mm(ミリメートル)オーダの高度差を検出可能であるため、数cm〜十数cmの間隔に、気圧変動センサ50を配置すれば、絶対圧センサを使用した従来技術よりも高精度に計測精度を実現できる上、傾斜計測装置1のサイズを大幅に縮小することができる。
これにより、本実施形態による傾斜計測装置1は、例えば、式(3)及び式(4)に基づいて、簡易な演算により、高精度に傾斜情報を算出することができる。また、本実施形態による傾斜計測装置1は、積分による演算処理を必要としないため、誤差の蓄積がなく、傾斜情報(傾斜角θ)の検出精度を向上させることができる。
このように、計測対象物が備えている機構を利用して、計測対象物が静止しているか否かを判定することで、本実施形態による傾斜計測装置1は、自装置で計測対象物が静止していることを検出する手段を備える必要がなく、自装置の構成を簡略化することができる。
これにより、本実施形態による傾斜計測装置1は、カンチレバー4の撓み変形に応じた抵抗変化に基づいて、圧力変化(高度変化)をより正確に検出することができるため、傾斜情報の検出精度を向上させることができる。なお、半導体プロセス技術によりカンチレバー4を形成できるので、本実施形態による傾斜計測装置1では、カンチレバー4を非常に薄型化(例えば数十から数百nm厚)することができる。よって、本実施形態による傾斜計測装置1では、微小な圧力変動の検出を精度よく行うことができる。
これにより、本実施形態による気圧変動センサ50の調整方法は、上述した傾斜計測装置1と同様に、センサ間の感度バラツキを低減することができるため、傾斜情報の検出精度を向上させることができる。
これにより、本実施形態による気圧変動センサ50の調整方法では、簡易な手法により、精度良くキャビティ10の容積を調整することができる。
図16は、ねじ機構を利用した容積可変部11の変形例を示す図である。
<第1の変形例>
図16(a)は、ねじ機構を利用した第1の変形例の容積可変部11aを備える気圧変動センサ52aを示している。気圧変動センサ52aが備える容積可変部11aは、変位可能なキャビティ10の底面部61と、ねじ62(雄ねじ)と、第3筐体部63とを備えている。
ねじ62は、外側にねじ山を有する雄ねじであり、回転させることで、第3筐体部63内に挿入される長さを変更可能となっている。
底面部61は、ねじ62が第3筐体部63内に挿入される長さに応じて、Z軸方向の位置が変位し、キャビティ10の容積V2を変更可能に構成されている。
本変形例の容積可変部11aは、ねじ62を回転させることにより、底面部61の位置がZ軸方向に変位し、キャビティ10の容積V2を変更する。
これにより、本変形例の容積可変部11aは、ねじ62を回転させることで、上述したメンブレン構造部60を備える場合に比べて、キャビティ10の容積V2をさらに細かく調整することができる。
図16(b)は、ねじ機構を利用した第2の変形例の容積可変部11bを備える気圧変動センサ52bを示している。気圧変動センサ52bが備える容積可変部11bは、変位可能なキャビティ10の底面部61aと、2つのねじ(62A、62B)と、雌ねじ部(64A、64B)を有するキャビティ筐体3と、蛇腹機構65とを備えている。
蛇腹機構65は、底面部61aと、キャビティ筐体3との間を覆うように、且つ、キャビティ10を、ギャップ13以外で空気の出入りがないように、伸縮自在に構成されている。蛇腹機構65は、底面部61aのZ軸方向の変位に応じて、伸縮し、当該蛇腹機構65が伸縮することにより、キャビティ10の容積V2を変更可能に構成されている。
本変形例の容積可変部11bは、ねじ62A及びねじ62Bを回転させることにより、底面部61aの位置がZ軸方向に変位し、キャビティ10の容積V2を変更する。
これにより、本変形例の容積可変部11bは、ねじ62A及びねじ62Bを回転させることで、上述したメンブレン構造部60を備える場合に比べて、キャビティ10の容積V2をさらに細かく調整することができる。
これにより、本変形例の容積可変部11bは、上述した第1の変形例と同様に、キャビティ10の容積V2を調整することができる。
図16(c)は、ねじ機構を利用した第3の変形例の容積可変部11cを備える気圧変動センサ52cを示している。気圧変動センサ52cが備える容積可変部11cは、ねじ62(雄ねじ)と、第3筐体部63とを備えている。
ねじ62(雄ねじ)と、第3筐体部63とは、第1の変形例の容積可変部11aと同様であり、容積可変部11cは、変位可能なキャビティ10の底面部61を備えない点が異なる。
これにより、本変形例の容積可変部11cは、上述した第1の変形例と同様に、キャビティ10の容積V2を調整することができる。
図17は、樹脂注入を利用した容積可変部11の変形例を説明する図である。
図17(a)に示すように、本変形例の気圧変動センサ52dは、キャビティ筐体3の底部に挿入孔66を備えている。気圧変動センサ52dは、キャビティ10の容積V2を調整する際に、挿入孔66からキャビティ10内に、例えば、接着剤や硬化性樹脂などの樹脂67を注入される。
本変形例の容積可変部11dは、キャビティ10内に挿入された樹脂部67aの体積により、キャビティ10の容積V2を変更する。すなわち、本変形例の容積可変部11dは、キャビティ10の内部に配置された樹脂部67aによってキャビティ10の容積V2を変更する。
これにより、本変形例の容積可変部11dは、上述したメンブレン構造部60を備える場合に比べて、キャビティ10の容積V2をさらに細かく調整することができる。
<第5の変形例>
図18(a)は、ピエゾ素子68を利用した第5の変形例の容積可変部11eを備える気圧変動センサ52eを示している。気圧変動センサ52eが備える容積可変部11eは、ピエゾ素子68と、ピエゾドライバ部69とを備えている。
ピエゾドライバ部69は、ピエゾ素子68に電圧を印加する。ピエゾドライバ部69は、例えば、外部からの指令に基づいて、ピエゾ素子68に印加する電圧を変更できるものとする。
これにより、本変形例の容積可変部11eは、上述したメンブレン構造部60を備える場合に比べて、キャビティ10の容積V2をさらに細かく調整することができる。
これにより、本変形例の容積可変部11eは、電子制御により、キャビティ10の容積V2を調整することできる。すなわち、気圧変動センサ52eは、傾斜計測装置1に実装された後に、キャビティ10の容積V2を調整することできる。
図18(b)は、ピエゾ素子68aを利用した第6の変形例の容積可変部11fを備える気圧変動センサ52fを示している。気圧変動センサ52fが備える容積可変部11fは、変位可能なキャビティ10の底面部61と、ピエゾ素子68aと、第3筐体部63と、ピエゾドライバ部69とを備えている。
本変形例では、第1の変形例におけるねじ62の代わりに、ピエゾ素子68aを利用して、キャビティ10の底面部61を変位させる変形例である。
底面部61は、ピエゾ素子68aの体積がZ軸方向に変化することにより、Z軸方向の位置が変位する。
ピエゾドライバ部69は、ピエゾ素子68aに電圧を印加する。ピエゾドライバ部69は、例えば、外部からの指令に基づいて、ピエゾ素子68aに印加する電圧を変更できるものとする。
このように、本変形例の容積可変部11fは、変位可能なキャビティ10の底面部61(底面)と、底面部61の位置を変更して、キャビティ10の容積V2を変更するピエゾ素子68a(圧電素子)とを備えている。
これにより、本変形例の容積可変部11fは、上述した第5の変形例と同様に、電子制御により、キャビティ10の容積V2を調整することできる。
図18(c)は、ピエゾ素子68bを利用した第7の変形例の容積可変部11gを備える気圧変動センサ52gを示している。気圧変動センサ52gが備える容積可変部11gは、ピエゾ素子68bと、第3筐体部63と、ピエゾドライバ部69とを備えている。
第3筐体部63は、ピエゾ素子68bの体積がZ軸方向に変化することにより、Z軸方向の位置が変位する。すなわち、キャビティ10の底面部が、Z軸方向の位置が変位する。
ピエゾドライバ部69は、ピエゾ素子68bに電圧を印加する。ピエゾドライバ部69は、例えば、外部からの指令に基づいて、ピエゾ素子68bに印加する電圧を変更できるものとする。
このように、本変形例の容積可変部11gは、変位可能なキャビティ10の底面部(第3筐体部63の底面)と、キャビティ10の底面部の位置を変更して、キャビティ10の容積V2を変更するピエゾ素子68b(圧電素子)とを備えている。
これにより、本変形例の容積可変部11gは、上述した第5及び第6の変形例と同様に、電子制御により、キャビティ10の容積V2を調整することできる。
図19は、モータ及びねじ機構を利用した容積可変部11の変形例を示す図である。
図19に示す気圧変動センサ52hが備える容積可変部11hは、モータ81と、回転軸82と、ピストン83と、モータドライバ部84とを備えている。
回転軸82は、先端が外部にねじ山を有する雄ねじになっており、モータ81により回転される。回転軸82は、回転されることにより、ピストン83のZ軸方向の位置を変位させる。
モータドライバ部84は、モータ81を駆動する電力(電気信号)をモータ81に供給する。
これにより、本変形例の容積可変部11hは、上述した第1の変形例と同様に、メンブレン構造部60を備える場合に比べて、キャビティ10の容積V2をさらに細かく調整することができる。
これにより、本変形例の容積可変部11hは、上述した第5〜第7の変形例と同様に、電子制御により、キャビティ10の容積V2を調整することできる。また、本変形例の容積可変部11hは、電力供給の必要なしに、キャビティ10の容積V2を調整した状態を維持することができる。そのため、本変形例の容積可変部11hは、傾斜計測装置1の消費電力を低減させることができる。
次に、図面を参照して、第2の実施形態による気圧変動センサ50の調整方法について説明する。
図20は、第2の実施形態による気圧変動センサの調整方法の一例を示すフローチャートである。
なお、本実施形態において、傾斜計測装置1及び調整装置7の構成は、第1の実施形態と同様であるので、ここではその説明を省略する。
ステップS404及びステップS405の処理後に、特性計測部72は、気圧変動センサ(51、52)のカットオフ周波数(fc1、fc2)を計測する(ステップS406)。
これにより、本実施形態による気圧変動センサ50の調整方法では、2つの許容値を使用することで、気圧変動センサ50の調整のランク分けを行うことができる。例えば、第2許容値が第1許容値より厳しい値である場合には、より追い込んだ調整が可能になり、より精度を求める場合の傾斜計測装置1に使用することができる。
次に、図面を参照して、第3の実施形態による傾斜計測装置1及び気圧変動センサ50の調整方法について説明する。
本実施形態では、2つの気圧変動センサ50の両方が、容積可変部11を備える場合の一例について説明する。なお、図示を省略するが、本実施形態による傾斜計測装置1は、気圧変動センサ51aと気圧変動センサ52とを備えている。気圧変動センサ51aは、気圧変動センサ52と同一の構成であり、容積可変部11を備えているものとする。また、本実施形態において、気圧変動センサ51aと、気圧変動センサ52とは、傾斜計測装置1が備える任意の気圧変動センサを示す場合、又は特に区別しない場合には、気圧変動センサ50として説明する。
図21に示すように、調整装置7aは、密閉容器70と、気圧可変部71と、特性計測部72と、容積調整部73aとを備えている。
なお、図21において、図13に示す構成と同一の構成には、同一の符号を付与してその説明を省略する。
本実施形態では、容積調整部73aが、気圧変動センサ51aと気圧変動センサ52との両方の調整を行う点が、第1及び第2の実施形態と異なる。
図22は、本実施形態による気圧変動センサ50の調整方法の一例を示すフローチャートである。
図22に示すように、まず、調整装置7aの特性計測部72は、気圧変動センサ(51a、52)のカットオフ周波数(fc1、fc2)を計測する(ステップS501)。特性計測部72は、気圧可変部71に密閉容器70内の気圧を、周波数を変化させて変更し、カットオフ周波数計測部721が、気圧変動センサ51aのカットオフ周波数fc1を計測するとともに、カットオフ周波数計測部722が、気圧変動センサ52のカットオフ周波数fc2を計測する。
これにより、本実施形態による気圧変動センサ50の調整方法では、気圧変動センサ51aと気圧変動センサ52とのいずれか一方、又は両方により調整できるため、さらに細かくキャビティ10の容積を調整することができる。すなわち、本実施形態による気圧変動センサ50の調整方法では、キャビティ10の容積を調整する自由度を向上させることができる。
次に、図23を参照して、第4の実施形態による傾斜計測装置1について説明する。
本実施形態では、傾斜計測装置1が、気圧変動センサ50の調整機能を備える場合の一例について説明する。
図23に示すように、傾斜計測装置1の傾斜変動センサ40は、通信部41と、傾斜変動情報生成部42と、2つの気圧変動センサ(51、52)と、特性計測部72と、容積調整部73とを備えている。
なお、図23において図示を省略した傾斜計測装置1の他の構成は、第1の実施形態と同様である。また、図23において、図3及び図13に示す構成と同一の構成には、同一の符号を付与してその説明を省略する。
これにより、本実施形態による傾斜計測装置1は、気圧変動センサ50を実装した状態において、気圧変動センサ50を調整することができる。例えば、経年変化などにより、2つの気圧変動センサ50の出力特性がずれた場合などであっても、本実施形態による傾斜計測装置1は、気圧変動センサ50を調整することができる。よって、本実施形態による傾斜計測装置1は、傾斜情報の検出精度を維持することができる。
次に、図24を参照して、第5の実施形態による傾斜計測システム100について説明する。
なお、本実施形態では、上述した傾斜計測装置1を複数の装置に分割して、傾斜計測システム100とした場合の一例について説明する。
図24に示すように、傾斜計測システム100は、傾斜計測装置1aと、センサユニット1bとを備えている。
なお、図24において、図2及び図3に示す構成と同一の構成には、同一の符号を付与してその説明を省略する。
本実施形態による傾斜計測システム100は、傾斜計測装置1aは、静止傾斜センサ32及び傾斜変動センサ40を、傾斜計測装置1aとは別体のセンサユニット1bに備えるように構成し、傾斜計測装置1aと、センサユニット1bとを異なる場所に配置することを可能にする。
なお、傾斜計測装置1aと、センサユニット1bとの間の接続は、有線接続であってもよいし、無線通信などで接続するようにしてもよい。
これにより、本実施形態による傾斜計測システム100は、第1の実施形態の傾斜計測装置1と同様に、容積可変部11を備えることにより、センサ間の感度バラツキを低減することができるため、傾斜情報の検出精度を向上させることができる。
例えば、上述した各実施形態において、制御部35は、傾斜角初期値θ0を初期化する初期化要求(リセット要求)に応じて、静止判定部33によって計測対象物が静止していると判定された場合に、静止傾斜情報(静止傾斜角θS)を傾斜角初期値θ0として記憶部34に記憶させるようにしてもよい。
これにより、例えば、計測誤差が蓄積した場合などに、リセット要求により静止傾斜情報(静止傾斜角θS)を傾斜角初期値θ0として再設定することで、傾斜計測装置1は、計測対象物の傾斜情報(傾斜角θ)の検出精度を高精度に維持することができる。
また、上記の各実施形態において、静止傾斜センサ32が、加速度センサを使用した傾斜角センサである例を説明したが、ジャイロセンサ等を使用した傾斜角センサであってもよい。
また、上記の各実施形態において、気圧変動センサ50の出力特性の一例として、カットオフ周波数を用いる例を説明したが、これに限定されるものではなく、カットオフ周波数の代わりに、例えば、出力波形、他の周波数特性、遅延特性、位相特性などを用いてもよい。
また、上記の第4の実施形態において、気圧変動センサ50を調整する際に、傾斜計測装置1を密閉容器70に収納する例を説明したが、傾斜計測装置1の気圧変動センサ50を含む一部を密閉容器70に収納するようにしてもよい。
また、上記の第2〜第5の実施形態において、容積可変部11の代わりに、上述した第1〜第8の変形例の容積可変部11a〜11hのいずれかが、適用されてもよいし、他の方式の容積可変部が適用されるようにしてもよい。
また、「コンピュータシステム」は、インターネットやWAN、LAN、専用回線等の通信回線を含むネットワークを介して接続された複数のコンピュータ装置を含んでもよい。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。このように、プログラムを記憶した記録媒体は、CD−ROM等の非一過性の記録媒体であってもよい。
1b センサユニット
2 SOI基板
2a シリコン支持層
2b 酸化層
2c シリコン活性層
3 キャビティ筐体
3a 第1筐体部
3b 第2筐体部
4 カンチレバー
4a 基端部
4b 先端部
5 気圧変動検出部
7、7a 調整装置
10 キャビティ
10a キャビティ底部
11、11a〜11h 容積可変部
12 蓋部
13 ギャップ
15 貫通孔
16 溝部
20 ピエゾ抵抗
21 配線部
22 検出回路
30 傾斜情報計測部
31 電源部
32 静止傾斜センサ
33 静止判定部
34 記憶部
35 制御部
40 傾斜変動センサ
41 通信部
42 傾斜変動情報生成部
50、51、51a、52、52a〜52h 気圧変動センサ
60 メンブレン構造部
61、61a 底面部
62、62A、62B ねじ
63 第3筐体部
64A、64B 雌ねじ部
65 蛇腹機構
66 挿入孔
67 樹脂
67a 樹脂部
68、68a、68b ピエゾ素子
69 ピエゾドライバ部
70 密閉容器
71 気圧可変部
72 特性計測部
73、73a 容積調整部
81 モータ
82 回転軸
83 ピストン
84 モータドライバ部
100 傾斜計測システム
221 ブリッジ回路
222 差動増幅回路
601、602、603 メンブレン部
721、722 カットオフ周波数計測部
PB プリント基板
Claims (13)
- 気圧の変動を検出し、検出方向に沿って所定の距離を離して配置される、少なくとも2つの気圧変動センサと、
前記少なくとも2つの気圧変動センサによって検出された前記気圧の変動を示す気圧変動情報に基づいて、計測対象物の傾斜情報を計測する傾斜情報計測部と
を備え、
前記気圧変動センサは、空気が流入するキャビティと、前記空気を前記キャビティの内外に流通させる連通孔と、を有し、前記キャビティの内部と外部との圧力差に基づいて前記気圧の変動を検出し、
前記少なくとも2つの気圧変動センサのうちの少なくとも1つが、前記キャビティの容積を変更する容積可変部を備える
ことを特徴とする傾斜計測装置。 - 前記容積可変部は、前記キャビティの少なくとも1つの面に配置され、外力により変形可能なメンブレン構造部を備える
ことを特徴とする請求項1に記載の傾斜計測装置。 - 前記容積可変部は、
変位可能な前記キャビティの底面と、
前記底面の位置を変更して、前記容積を変更する送りねじ機構と
を備えることを特徴とする請求項1に記載の傾斜計測装置。 - 前記容積可変部は、
変位可能な前記キャビティの底面と、
前記底面の位置を変更して、前記容積を変更する圧電素子と
を備えることを特徴とする請求項1に記載の傾斜計測装置。 - 前記容積可変部は、前記キャビティの側面に配置された、前記底面を変位する蛇腹機構を備える
ことを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の傾斜計測装置。 - 前記容積可変部は、前記キャビティの内部に配置された樹脂部によって前記容積を変更する
ことを特徴とする請求項1に記載の傾斜計測装置。 - 前記計測対象物が静止している状態における前記計測対象物の傾斜情報を、静止傾斜情報として検出する静止傾斜センサと、
前記計測対象物が静止しているか否かを判定する静止判定部と
を備え、
前記傾斜情報計測部は、
前記少なくとも2つの気圧変動センサによって検出された前記気圧の変動を示す気圧変動情報に基づいて、前記計測対象物の傾斜角の変動に関する情報を示す傾斜変動情報を生成する傾斜変動情報生成部と、
前記静止判定部によって前記計測対象物が静止していると判定された場合に前記静止傾斜センサによって検出された前記静止傾斜情報と、前記傾斜変動情報生成部によって生成された前記傾斜変動情報とに基づいて、前記計測対象物の傾斜情報を検出する傾斜情報検出部と
を備えることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の傾斜計測装置。 - 前記計測対象物の傾斜情報の初期値を記憶する記憶部を備え、
前記傾斜情報検出部は、
前記静止判定部によって前記計測対象物が静止していると判定された場合に、前記静止傾斜情報を前記初期値として前記記憶部に記憶させ、
前記記憶部が記憶する前記初期値と、前記傾斜変動情報とに基づいて、前記計測対象物の傾斜情報を検出するとともに、検出した当該計測対象物の傾斜情報を前記初期値として前記記憶部に記憶させる
ことを特徴とする請求項7に記載の傾斜計測装置。 - 前記気圧変動センサは、
前記キャビティを有するセンサ本体と、
前記連通孔を除く前記キャビティの開口面を塞ぐように基端部から先端部に向けて一方向に延びる板状であり、前記キャビティの内部と外部との圧力差に応じて撓み変形するカンチレバーと、
前記カンチレバーの撓み変形に応じた前記気圧変動情報を検出する気圧変動検出部と
を備えることを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の傾斜計測装置。 - 前記少なくとも2つの気圧変動センサの出力特性を計測する特性計測部と、
前記特性計測部によって計測された前記少なくとも2つの気圧変動センサの出力特性が一致するように、前記容積可変部により調整する調整部と
を備えることを特徴とする請求項1から請求項9のいずれか一項に記載の傾斜計測装置。 - 気圧の変動を検出し、検出方向に沿って所定の距離を離して配置される、少なくとも2つの気圧変動センサと、
前記少なくとも2つの気圧変動センサによって検出された前記気圧の変動を示す気圧変動情報に基づいて、計測対象物の傾斜情報を計測する傾斜情報計測部と
を備え、
前記気圧変動センサは、空気が流入するキャビティと、前記空気を前記キャビティの内外に流通させる連通孔と、を有し、前記キャビティの内部と外部との圧力差に基づいて前記気圧の変動を検出し、
前記少なくとも2つの気圧変動センサのうちの少なくとも1つが、前記キャビティの容積を変更する容積可変部を備える
ことを特徴とする傾斜計測システム。 - 気圧の変動を検出し、検出方向に沿って所定の距離を離して配置される、少なくとも2つの気圧変動センサと、前記少なくとも2つの気圧変動センサによって検出された前記気圧の変動を示す気圧変動情報に基づいて、計測対象物の傾斜情報を計測する傾斜情報計測部と、を備える傾斜計測装置に用いる気圧変動センサの調整方法であって、
空気が流入するキャビティと、前記空気を前記キャビティの内外に流通させる連通孔と、を有し、前記キャビティの内部と外部との圧力差に基づいて気圧の変動を検出する、前記少なくとも2つの気圧変動センサの出力特性を計測する特性計測ステップと、
前記少なくとも2つのうちの少なくとも1つが備える、前記キャビティの容積を変更する容積可変部によって、前記特性計測ステップによって計測された前記少なくとも2つの気圧変動センサの出力特性が一致するように調整する調整ステップと
を含むことを特徴とする気圧変動センサの調整方法。 - 前記特性計測ステップにおいて、前記出力特性として、カットオフ周波数を計測し、
前記調整ステップにおいて、前記少なくとも2つの気圧変動センサの前記カットオフ周波数の差が所定の範囲内になるように、前記容積可変部によって調整する
ことを特徴とする請求項12に記載の気圧変動センサの調整方法。
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