JP3042526B1 - 変位センサ - Google Patents
変位センサInfo
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- JP3042526B1 JP3042526B1 JP11058406A JP5840699A JP3042526B1 JP 3042526 B1 JP3042526 B1 JP 3042526B1 JP 11058406 A JP11058406 A JP 11058406A JP 5840699 A JP5840699 A JP 5840699A JP 3042526 B1 JP3042526 B1 JP 3042526B1
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Abstract
【要約】
【課題】 高精度で且つ安価な変位センサを提供する。
【解決手段】 磁性体より成る可動子１を中心に磁性体
より成る固定子２0 、２ 1 を対向して配置する。前記固
定子２0 、２1 には各々駆動コイルＤＬ0 、ＤＬ 1 とこ
れらに対応する検出コイルＳＬ0 、ＳＬ1 を備えてい
る。制御部は、前記検出コイルＳＬ0 、ＳＬ1 の検知出
力に基づき、前記可動子が前記固定子２0 、２1 中間位
置でバランスするように、前記可動子１と前記固定子２
0 、２1 の間隔ｄ0 、ｄ1 に応じた電力にて前記駆動コ
イルＤＬ0 、ＤＬ1 をパルス駆動する。そして、各駆動
コイルＤＬ0 、ＤＬ1 の駆動パルス数を計数してその計
数値より前記可動子１に加わる力もしくは加速度を算出
する。
より成る固定子２0 、２ 1 を対向して配置する。前記固
定子２0 、２1 には各々駆動コイルＤＬ0 、ＤＬ 1 とこ
れらに対応する検出コイルＳＬ0 、ＳＬ1 を備えてい
る。制御部は、前記検出コイルＳＬ0 、ＳＬ1 の検知出
力に基づき、前記可動子が前記固定子２0 、２1 中間位
置でバランスするように、前記可動子１と前記固定子２
0 、２1 の間隔ｄ0 、ｄ1 に応じた電力にて前記駆動コ
イルＤＬ0 、ＤＬ1 をパルス駆動する。そして、各駆動
コイルＤＬ0 、ＤＬ1 の駆動パルス数を計数してその計
数値より前記可動子１に加わる力もしくは加速度を算出
する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高精度な計測が可
能な力センサや加速度センサ等による変位センサに関す
るものである。
能な力センサや加速度センサ等による変位センサに関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】従来より、この種のセンサとして、例え
ば、特開平８−２４８０５９号公報には、一個の錘部
と、該錘部の重心点より３次元方向に点対称で、且つ等
距離な位置に配置された検出部とを含み、錘部に加わっ
た３次元加速度を検出部により検出する３次元加速度セ
ンサが開示されている。
ば、特開平８−２４８０５９号公報には、一個の錘部
と、該錘部の重心点より３次元方向に点対称で、且つ等
距離な位置に配置された検出部とを含み、錘部に加わっ
た３次元加速度を検出部により検出する３次元加速度セ
ンサが開示されている。
【０００３】この開示技術には、検出部に圧電素子を利
用し、錘部を一定圧力で挟み込む調整トルクネジにて各
方向に加わった加速度を圧電素子によりアナログ的な電
圧変化として検出する構造のもの（圧電型加速度セン
サ）、あるいは、検出部に磁気センサを利用し、磁気セ
ンサを固定した電磁石とその制御部モジュールを有し、
磁性体の錘部の変位量を磁気センサにより磁界の変化と
して検知し、この錘部を両磁気センサの中心部に位置さ
せるよう、その変位量をパルス幅変調して電磁石にフィ
ードバックすると共に、このパルス幅変調をモニタして
加速度を検出する構成のもの（電磁型加速度センサ）、
あるいは磁気特性を持つ磁石を慣性体とした錘部を有
し、検出部はケース内面に３次元方向の各方面に対向し
て配置した磁石と、磁石コイルモジュールを有し、錘部
を磁石と磁石コイルモジュールによる６方向からの磁気
サスペンション効果でケース内に浮かせておいて、錘部
の位置変化による磁束変化を電気信号に変換し、加速度
として検出する構成のもの（磁石型センサ）等が示され
ている。
用し、錘部を一定圧力で挟み込む調整トルクネジにて各
方向に加わった加速度を圧電素子によりアナログ的な電
圧変化として検出する構造のもの（圧電型加速度セン
サ）、あるいは、検出部に磁気センサを利用し、磁気セ
ンサを固定した電磁石とその制御部モジュールを有し、
磁性体の錘部の変位量を磁気センサにより磁界の変化と
して検知し、この錘部を両磁気センサの中心部に位置さ
せるよう、その変位量をパルス幅変調して電磁石にフィ
ードバックすると共に、このパルス幅変調をモニタして
加速度を検出する構成のもの（電磁型加速度センサ）、
あるいは磁気特性を持つ磁石を慣性体とした錘部を有
し、検出部はケース内面に３次元方向の各方面に対向し
て配置した磁石と、磁石コイルモジュールを有し、錘部
を磁石と磁石コイルモジュールによる６方向からの磁気
サスペンション効果でケース内に浮かせておいて、錘部
の位置変化による磁束変化を電気信号に変換し、加速度
として検出する構成のもの（磁石型センサ）等が示され
ている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来技術は以下のような欠点を有していた。
た従来技術は以下のような欠点を有していた。
【０００５】すなわち、前記圧電型加速度センサのよう
に加速度の感知部（錘部）が他の物体（検出部）に接触
する構造の場合は、その摩擦力による機械的な誤差が発
生し易い。
に加速度の感知部（錘部）が他の物体（検出部）に接触
する構造の場合は、その摩擦力による機械的な誤差が発
生し易い。
【０００６】また、前記電磁型加速度センサのように、
錘部が中空にバランスする構造であっても、磁石コイル
へ供給する電力制御をパルス幅変調にて行う方式である
ため、変調誤差やパルス幅−電力変換の際の変換誤差が
発生し易く、高精度の検出が困難である。
錘部が中空にバランスする構造であっても、磁石コイル
へ供給する電力制御をパルス幅変調にて行う方式である
ため、変調誤差やパルス幅−電力変換の際の変換誤差が
発生し易く、高精度の検出が困難である。
【０００７】また、これらの方式は何れも、加速度の検
出に同期整流平滑、増幅、積分等のアナログ処理を伴
い、且つＡ／Ｄ変換を必要とすることから、その非直線
性のため、一定以上の精度を出し難く、且つ、回路規模
も大きくなり、コスト高となる。また、温度や電源変動
の影響を受け易いため動作不安定である。
出に同期整流平滑、増幅、積分等のアナログ処理を伴
い、且つＡ／Ｄ変換を必要とすることから、その非直線
性のため、一定以上の精度を出し難く、且つ、回路規模
も大きくなり、コスト高となる。また、温度や電源変動
の影響を受け易いため動作不安定である。
【０００８】本発明は上記欠点に鑑みて成されたもの
で、高精度で且つ安価な変位センサを提供することを目
的としている。
で、高精度で且つ安価な変位センサを提供することを目
的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】すなわち、請求項１に記
載の本発明では、磁性体より成る可動子（１）と、各々
駆動コイル（ＤＬ0 、ＤＬ1 ）とこれらに対応する位置
検出器（ＳＬ0 、ＳＬ1 ）とを備え、前記可動子（１）
を中心に対向して配置された磁性体より成る一対の固定
子（２0 、２1 ）と、前記位置検出器（ＳＬ0 、Ｓ
Ｌ1 ）の検知出力に基づき、前記可動子（１）が前記固
定子（２0 、２1 ）の中間位置でバランスするように、
前記可動子（１）と前記固定子（２0 、２1 ）の間隔
（ｄ0 、ｄ１）に応じた電力にて前記駆動コイル（ＤＬ
0 、ＤＬ1 ）を駆動すると共に、各駆動コイル（Ｄ
Ｌ0 、ＤＬ1 ）の駆動電力より前記可動子（１）に加わ
る力（Ｆ）もしくは加速度（Ｇ）を算出する制御部（１
０）とで構成され、且つ、前記駆動コイル（ＤＬ 0 、Ｄ
Ｌ 1 ）の駆動が一定幅のパルス駆動であり、このパルス
駆動信号の数より駆動電力を算出する。
載の本発明では、磁性体より成る可動子（１）と、各々
駆動コイル（ＤＬ0 、ＤＬ1 ）とこれらに対応する位置
検出器（ＳＬ0 、ＳＬ1 ）とを備え、前記可動子（１）
を中心に対向して配置された磁性体より成る一対の固定
子（２0 、２1 ）と、前記位置検出器（ＳＬ0 、Ｓ
Ｌ1 ）の検知出力に基づき、前記可動子（１）が前記固
定子（２0 、２1 ）の中間位置でバランスするように、
前記可動子（１）と前記固定子（２0 、２1 ）の間隔
（ｄ0 、ｄ１）に応じた電力にて前記駆動コイル（ＤＬ
0 、ＤＬ1 ）を駆動すると共に、各駆動コイル（Ｄ
Ｌ0 、ＤＬ1 ）の駆動電力より前記可動子（１）に加わ
る力（Ｆ）もしくは加速度（Ｇ）を算出する制御部（１
０）とで構成され、且つ、前記駆動コイル（ＤＬ 0 、Ｄ
Ｌ 1 ）の駆動が一定幅のパルス駆動であり、このパルス
駆動信号の数より駆動電力を算出する。
【００１０】また、請求項２に記載の本発明では、前記
固定子（２0 、２1 ）が前記可動子（１）のＸ，Ｙ，Ｚ
の３軸方向の各面に対向して一対以上設けて構成され
る。
固定子（２0 、２1 ）が前記可動子（１）のＸ，Ｙ，Ｚ
の３軸方向の各面に対向して一対以上設けて構成され
る。
【００１１】また、請求項３に記載の本発明では、磁性
体より成る球形の可動子（１）と、各々駆動コイル（Ｄ
Ｌ0 、ＤＬ1 ）とこれらに対応する位置検出器（Ｓ
Ｌ0 、ＳＬ1 ）とを備え、前記可動子（１）を中心に
Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸方向にそれぞれ対向して配置された磁
性体より成る３対の固定子（２0 、２1 ）と、前記位置
検出器（ＳＬ0 、ＳＬ1 ）の検知出力に基づき、前記可
動子（１）が前記各固定子（２0 、２1 ）の中間位置で
バランスするように、前記可動子（１）と前記固定子
（２0 、２1 ）の間隔（ｄ0 、ｄ1 ）に応じた電力にて
前記駆動コイル（ＤＬ0、ＤＬ1 ）を駆動すると共に、
各駆動コイル（ＤＬ0 、ＤＬ1 ）の駆動電力より前記
可動子（１）に加わる力（Ｆ）もしくは加速度（Ｇ）を
算出する制御部（１０）とで構成され、且つ、前記駆動
コイル（ＤＬ 0 、ＤＬ 1 ）の駆動が一定幅のパルス駆動
であり、このパルス駆動信号の数より駆動電力を算出す
る。
体より成る球形の可動子（１）と、各々駆動コイル（Ｄ
Ｌ0 、ＤＬ1 ）とこれらに対応する位置検出器（Ｓ
Ｌ0 、ＳＬ1 ）とを備え、前記可動子（１）を中心に
Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸方向にそれぞれ対向して配置された磁
性体より成る３対の固定子（２0 、２1 ）と、前記位置
検出器（ＳＬ0 、ＳＬ1 ）の検知出力に基づき、前記可
動子（１）が前記各固定子（２0 、２1 ）の中間位置で
バランスするように、前記可動子（１）と前記固定子
（２0 、２1 ）の間隔（ｄ0 、ｄ1 ）に応じた電力にて
前記駆動コイル（ＤＬ0、ＤＬ1 ）を駆動すると共に、
各駆動コイル（ＤＬ0 、ＤＬ1 ）の駆動電力より前記
可動子（１）に加わる力（Ｆ）もしくは加速度（Ｇ）を
算出する制御部（１０）とで構成され、且つ、前記駆動
コイル（ＤＬ 0 、ＤＬ 1 ）の駆動が一定幅のパルス駆動
であり、このパルス駆動信号の数より駆動電力を算出す
る。
【００１２】また、請求項４に記載の本発明では、隣接
するＸ、Ｙ、Ｚ軸上の前記固定子（２0 、２1 ）間に非
磁性体（７）を介在して構成される。
するＸ、Ｙ、Ｚ軸上の前記固定子（２0 、２1 ）間に非
磁性体（７）を介在して構成される。
【００１３】
【００１４】また、請求項５に記載の本発明では、前記
制御部（１０）は、比較用信号（Ｃｌｏｃｋ）を前記対
の位置検出器（ＳＬ0 、ＳＬ1 ）にそれぞれ印加して対
の固定子（２0 、２1 ）と可動子（１）の間隔（ｄ0 、
ｄ1 ）のアンバランスを前記比較用信号（Ｃｌｏｃｋ）
の位相差として検出する位相比較回路（１１）と、検出
された位相差に応じて前記駆動コイル（ＤＬ0 、Ｄ
Ｌ1 ）の何れかに一定幅の駆動パルス（Ｐ０、Ｐ１）を
供給するパルス発生回路（１２）と、前記駆動パルス
（Ｐ０、Ｐ１）にて各駆動コイル（ＤＬ0 、ＤＬ1 ）を
駆動する駆動回路（１３）と、前記駆動パルス（Ｐ０、
Ｐ１）の数を計数する計数回路（１４）と、この計数回
路（１４）の計数値に基づいて前記可動子（１）に加わ
る力（Ｆ）もしくは加速度（Ｇ）を算出する演算手段
（２０）とを備えて構成される。
制御部（１０）は、比較用信号（Ｃｌｏｃｋ）を前記対
の位置検出器（ＳＬ0 、ＳＬ1 ）にそれぞれ印加して対
の固定子（２0 、２1 ）と可動子（１）の間隔（ｄ0 、
ｄ1 ）のアンバランスを前記比較用信号（Ｃｌｏｃｋ）
の位相差として検出する位相比較回路（１１）と、検出
された位相差に応じて前記駆動コイル（ＤＬ0 、Ｄ
Ｌ1 ）の何れかに一定幅の駆動パルス（Ｐ０、Ｐ１）を
供給するパルス発生回路（１２）と、前記駆動パルス
（Ｐ０、Ｐ１）にて各駆動コイル（ＤＬ0 、ＤＬ1 ）を
駆動する駆動回路（１３）と、前記駆動パルス（Ｐ０、
Ｐ１）の数を計数する計数回路（１４）と、この計数回
路（１４）の計数値に基づいて前記可動子（１）に加わ
る力（Ｆ）もしくは加速度（Ｇ）を算出する演算手段
（２０）とを備えて構成される。
【００１５】また、請求項６に記載の本発明では、前記
演算手段（２０）は、一軸における対の駆動コイル（Ｄ
Ｌ0 、ＤＬ1 ）に印可された駆動パルス（Ｐ０、Ｐ１）
のカウント数をＮ１、Ｎ２、各々の力係数をＫ１、Ｋ２
とした時、前記可動子（１）に加わる力（Ｆ）を１軸当
たりＦ＝Ｋ１・Ｎ１−Ｋ２・Ｎ２で算出するものであ
る。
演算手段（２０）は、一軸における対の駆動コイル（Ｄ
Ｌ0 、ＤＬ1 ）に印可された駆動パルス（Ｐ０、Ｐ１）
のカウント数をＮ１、Ｎ２、各々の力係数をＫ１、Ｋ２
とした時、前記可動子（１）に加わる力（Ｆ）を１軸当
たりＦ＝Ｋ１・Ｎ１−Ｋ２・Ｎ２で算出するものであ
る。
【００１６】また、請求項７に記載の本発明では、前記
演算手段（２０）は、一軸における対の駆動コイル（Ｄ
Ｌ0 、ＤＬ1 ）に印加された駆動パルス（Ｐ０、Ｐ１）
のカウント数をＮ１、Ｎ２、各々の加速度係数をＫ１
０、Ｋ２０とした時、前記可動子（１）に加わる加速度
（Ｇ）を１軸当たりＧ＝Ｋ１０・Ｎ１−Ｋ２０・Ｎ２で
算出するものである。
演算手段（２０）は、一軸における対の駆動コイル（Ｄ
Ｌ0 、ＤＬ1 ）に印加された駆動パルス（Ｐ０、Ｐ１）
のカウント数をＮ１、Ｎ２、各々の加速度係数をＫ１
０、Ｋ２０とした時、前記可動子（１）に加わる加速度
（Ｇ）を１軸当たりＧ＝Ｋ１０・Ｎ１−Ｋ２０・Ｎ２で
算出するものである。
【００１７】また、請求項８に記載の本発明では、前記
制御部（１０）は、温度センサを備え、その検知出力に
基づいて前記演算手段（２０）の算出処理を補正するも
のである。
制御部（１０）は、温度センサを備え、その検知出力に
基づいて前記演算手段（２０）の算出処理を補正するも
のである。
【００１８】さらに、請求項９に記載の本発明では、前
記位置検出器（ＳＬ0 、ＳＬ1 ）はインダクタンスの変
化、または静電容量の変化を利用した変換器で構成され
る。
記位置検出器（ＳＬ0 、ＳＬ1 ）はインダクタンスの変
化、または静電容量の変化を利用した変換器で構成され
る。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の変
位センサを説明する。
位センサを説明する。
【００２０】図１は、本発明を構成する一軸力センサの
基本構成を示す正断面図である。図１中、符号１は磁性
体より構成される直方体の可動子で、符号２０、２1 は
この可動子１の両端（本図では左右）に所定の間隔
ｄ0 、ｄ1 を持って配置された一対の固定子である。
基本構成を示す正断面図である。図１中、符号１は磁性
体より構成される直方体の可動子で、符号２０、２1 は
この可動子１の両端（本図では左右）に所定の間隔
ｄ0 、ｄ1 を持って配置された一対の固定子である。
【００２１】これら固定子２0 、２1 は前記可動子１と
同様に磁性体で構成されており、それぞれに駆動コイル
ＤＬ0 、ＤＬ1 とこれに対応する位置検出器としての検
出コイルＳＬ0 、ＳＬ1 が同心円状に配設されている。
同様に磁性体で構成されており、それぞれに駆動コイル
ＤＬ0 、ＤＬ1 とこれに対応する位置検出器としての検
出コイルＳＬ0 、ＳＬ1 が同心円状に配設されている。
【００２２】図２は前記固定子の構造を示すが、図示の
ように、これら検出コイルＳＬ0 、ＳＬ1 および駆動コ
イルＤＬ0 、ＤＬ1 は、それぞれの固定子２0 、２1 に
輪状に形成された収納溝５と６に直接収納して樹脂やモ
ールドにて接着・固定しても良いし、あるいは、各々コ
イルをボビンに巻回し、ボビン付コイルとして各々収納
溝５，６に収納して接着・固定した構成であっても良
い。各コイルの取り出しは、収納溝５，６に設けた取出
溝３，４（或いは、取出孔３，４としても良い）より引
出し可能である。
ように、これら検出コイルＳＬ0 、ＳＬ1 および駆動コ
イルＤＬ0 、ＤＬ1 は、それぞれの固定子２0 、２1 に
輪状に形成された収納溝５と６に直接収納して樹脂やモ
ールドにて接着・固定しても良いし、あるいは、各々コ
イルをボビンに巻回し、ボビン付コイルとして各々収納
溝５，６に収納して接着・固定した構成であっても良
い。各コイルの取り出しは、収納溝５，６に設けた取出
溝３，４（或いは、取出孔３，４としても良い）より引
出し可能である。
【００２３】上記構成において、双方の固定子２0 、２
1 と中央の可動子１との間隔ｄ0 、ｄ1 を常に等しく維
持するため、可動子１と双方の固定子２0 、２1 による
磁界閉ループの変化を検出コイルＳＬ0 、ＳＬ1 にて検
出し、間隔が大きい側の駆動コイルに一定量のパルス電
力を供給する。これを高速度で逐次行うことにより、可
動子１を双方の固定子２０、２1 間でバランスさせるこ
とができる。この時、双方の固定子２0 、２1 から可動
子１に加えた動力（即ち、駆動コイルＤＬ0 、ＤＬ1 に
供給した電力）の差は可動子１に働いた力に比例した値
となり、一対の駆動コイルＤＬ0 、ＤＬ1 の双方に印加
した駆動パルス数の差で力Ｆのデジタル信号として取り
出すことができる。従って、本発明では、従来のような
パルス幅変調や増幅等のようなアナログ処理を全く必要
としない。本構成では、可動子１のバランスの位置精度
を構造上数ミクロン以下に保つことができる。即ち、可
動子１に印加された力を数ミクロン以下の変位量で検出
可能な変位センサとすることができる。
1 と中央の可動子１との間隔ｄ0 、ｄ1 を常に等しく維
持するため、可動子１と双方の固定子２0 、２1 による
磁界閉ループの変化を検出コイルＳＬ0 、ＳＬ1 にて検
出し、間隔が大きい側の駆動コイルに一定量のパルス電
力を供給する。これを高速度で逐次行うことにより、可
動子１を双方の固定子２０、２1 間でバランスさせるこ
とができる。この時、双方の固定子２0 、２1 から可動
子１に加えた動力（即ち、駆動コイルＤＬ0 、ＤＬ1 に
供給した電力）の差は可動子１に働いた力に比例した値
となり、一対の駆動コイルＤＬ0 、ＤＬ1 の双方に印加
した駆動パルス数の差で力Ｆのデジタル信号として取り
出すことができる。従って、本発明では、従来のような
パルス幅変調や増幅等のようなアナログ処理を全く必要
としない。本構成では、可動子１のバランスの位置精度
を構造上数ミクロン以下に保つことができる。即ち、可
動子１に印加された力を数ミクロン以下の変位量で検出
可能な変位センサとすることができる。
【００２４】ところで、図３〜図５に示すものは、図１
に示した一軸力センサの構造で、各検出コイルＳＬ0 、
ＳＬ1 、各駆動コイルＤＬ0 、ＤＬ1 、可動子１、固定
子２の位置関係を変えた例であって、何れも適用可能で
ある。尚、その基本動作は全て上記したものと同じであ
る。
に示した一軸力センサの構造で、各検出コイルＳＬ0 、
ＳＬ1 、各駆動コイルＤＬ0 、ＤＬ1 、可動子１、固定
子２の位置関係を変えた例であって、何れも適用可能で
ある。尚、その基本動作は全て上記したものと同じであ
る。
【００２５】次に、上記した一軸力センサによる変位セ
ンサの実施形態を示す。
ンサの実施形態を示す。
【００２６】図６は、板状の可動子１に固定子２ｚによ
り形成されるＺ軸方向の力センサをＸ、Ｙ軸平面上に３
個、且つ三角形状に配置して成る変位センサである。こ
の変位センサは可動子１がＸ、Ｙ軸の平面上で摩擦０で
自由に移動が可能で、各々の力センサに加わる力Ｆｚ
１、Ｆｚ２、Ｆｚ３が超高精度で計測できるものであ
る。また、これらの計測値から、後述する算出方法によ
りＸ軸、Ｙ軸の回転トルクを算出することも可能であ
る。
り形成されるＺ軸方向の力センサをＸ、Ｙ軸平面上に３
個、且つ三角形状に配置して成る変位センサである。こ
の変位センサは可動子１がＸ、Ｙ軸の平面上で摩擦０で
自由に移動が可能で、各々の力センサに加わる力Ｆｚ
１、Ｆｚ２、Ｆｚ３が超高精度で計測できるものであ
る。また、これらの計測値から、後述する算出方法によ
りＸ軸、Ｙ軸の回転トルクを算出することも可能であ
る。
【００２７】図７は、前記図６に示す変位センサに、Ｙ
軸方向に２個の固定子２ｙを配置したもので、可動子１
はＸ軸上で自由に移動が可能であり、Ｚ軸上の各力セン
サに加わる力Ｆｚ１、Ｆｚ２、Ｆｚ３とＹ軸上の各力セ
ンサに加わる力Ｆｙ１、Ｆｙ２が超高精度で計測できる
ものであ。また、これらの計測値からＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸
の回転トルクも算出可能である。
軸方向に２個の固定子２ｙを配置したもので、可動子１
はＸ軸上で自由に移動が可能であり、Ｚ軸上の各力セン
サに加わる力Ｆｚ１、Ｆｚ２、Ｆｚ３とＹ軸上の各力セ
ンサに加わる力Ｆｙ１、Ｆｙ２が超高精度で計測できる
ものであ。また、これらの計測値からＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸
の回転トルクも算出可能である。
【００２８】図８は、図７に示す変位センサに、Ｘ軸方
向に固定子２ｘを配置したものである。この変位センサ
は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸上とＸ、Ｙ、Ｚ軸の回転方向で全く自
由度が無く、Ｚ軸の力センサに加わる力Ｆｚ１、Ｆｚ
２、Ｆｚ３とＹ軸の力センサに加わる力Ｆｙ１、Ｆｙ２
とＸ軸の力センサに加わる力Ｆｘが超高精度で計測でき
るものである。また、これらの計測値からＸ軸、Ｙ軸、
Ｚ軸の回転トルクも算出可能である。
向に固定子２ｘを配置したものである。この変位センサ
は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸上とＸ、Ｙ、Ｚ軸の回転方向で全く自
由度が無く、Ｚ軸の力センサに加わる力Ｆｚ１、Ｆｚ
２、Ｆｚ３とＹ軸の力センサに加わる力Ｆｙ１、Ｆｙ２
とＸ軸の力センサに加わる力Ｆｘが超高精度で計測でき
るものである。また、これらの計測値からＸ軸、Ｙ軸、
Ｚ軸の回転トルクも算出可能である。
【００２９】図９は、図８に示す変位センサにおいて、
可動子１の形状を立方体にしてＸ、Ｙ、Ｚ軸の３面で力
センサを全て対称に配置したものである。本構成では、
Ｚ軸の力センサに加わる力Ｆｚ１、Ｆｚ２とＹ軸の力セ
ンサに加わる力Ｆｙ１、Ｆｙ２とＸ軸の力センサに加わ
る力Ｆｘ１、ＦＸ２が超高精度で計測でき、これより、
Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の回転トルクも算出可能である。
可動子１の形状を立方体にしてＸ、Ｙ、Ｚ軸の３面で力
センサを全て対称に配置したものである。本構成では、
Ｚ軸の力センサに加わる力Ｆｚ１、Ｆｚ２とＹ軸の力セ
ンサに加わる力Ｆｙ１、Ｆｙ２とＸ軸の力センサに加わ
る力Ｆｘ１、ＦＸ２が超高精度で計測でき、これより、
Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の回転トルクも算出可能である。
【００３０】図１０は、円板状の可動子１にＺ軸方向の
力センサを３個、Ｘ、Ｙ軸の平面上と円板側面のＸ軸と
Ｙ軸に各１個づつ配置したもので、Ｚ軸の回転θが自由
であり、Ｚ軸の力センサに加わる力Ｆｚ１、Ｆｚ２、Ｆ
ｚ３とＹ軸の力センサに加わる力ＦｙとＸ軸の力センサ
に加わる力Ｆｘが超高精度で計測でき、これより、Ｘ
軸、Ｙ軸の回転トルクも算出可能である。
力センサを３個、Ｘ、Ｙ軸の平面上と円板側面のＸ軸と
Ｙ軸に各１個づつ配置したもので、Ｚ軸の回転θが自由
であり、Ｚ軸の力センサに加わる力Ｆｚ１、Ｆｚ２、Ｆ
ｚ３とＹ軸の力センサに加わる力ＦｙとＸ軸の力センサ
に加わる力Ｆｘが超高精度で計測でき、これより、Ｘ
軸、Ｙ軸の回転トルクも算出可能である。
【００３１】図１１は、円柱状の可動子１にＸ、Ｙ軸方
向の力センサを２組Ｘ軸上に配置したものである。この
変位センサは、Ｘ軸の回転θとスライドが自由であり、
Ｚ軸の力センサに加わる力Ｆｚ１、Ｆｚ２とＹ軸の力セ
ンサに加わる力Ｆｙ１、Ｆｙ２が超高精度で計測でき、
これよりＹ軸、Ｚ軸の回転トルクも算出可能である。
向の力センサを２組Ｘ軸上に配置したものである。この
変位センサは、Ｘ軸の回転θとスライドが自由であり、
Ｚ軸の力センサに加わる力Ｆｚ１、Ｆｚ２とＹ軸の力セ
ンサに加わる力Ｆｙ１、Ｆｙ２が超高精度で計測でき、
これよりＹ軸、Ｚ軸の回転トルクも算出可能である。
【００３２】図１２は、前記図１１に示す変位センサ
に、さらにＸ軸方向の力センサを配置したものである。
この変位センサはＸ軸の回転が自由であり、Ｚ軸の力セ
ンサに加わる力Ｆｚ１、Ｆｚ２とＹ軸の力センサに加わ
る力Ｆｙ１、Ｆｙ２とＸ軸の力センサに加わる力Ｆｘが
超高精度で計測でき、これより、Ｙ軸、Ｚ軸の回転トル
クも算出可能である。以上説明した図１〜図１２の各変
位センサは、図示しないが非磁性体で形成された固定枠
に収納されている。
に、さらにＸ軸方向の力センサを配置したものである。
この変位センサはＸ軸の回転が自由であり、Ｚ軸の力セ
ンサに加わる力Ｆｚ１、Ｆｚ２とＹ軸の力センサに加わ
る力Ｆｙ１、Ｆｙ２とＸ軸の力センサに加わる力Ｆｘが
超高精度で計測でき、これより、Ｙ軸、Ｚ軸の回転トル
クも算出可能である。以上説明した図１〜図１２の各変
位センサは、図示しないが非磁性体で形成された固定枠
に収納されている。
【００３３】次に、図１３、図１４に基づき、上記変位
センサの変形例として３軸加速度センサについて説明す
る。
センサの変形例として３軸加速度センサについて説明す
る。
【００３４】図１３は３軸加速度センサの基本構成を示
す半断面図、図１４はその一軸部分を取り出した断面図
である。
す半断面図、図１４はその一軸部分を取り出した断面図
である。
【００３５】図１３、図１４中、符号１は磁性体より構
成される球形の可動子で、この可動子１を挟み込むよう
に固定子２0 、２1 が可動子１を中心にＸ、Ｙ、Ｚの３
軸方向にそれぞれ所定の間隔ｄ0 、ｄ1 を持って対状に
配置されている。これら対の固定子２0 、２1 は前記可
動子１と同様に磁性体で構成されており、それぞれが、
駆動コイルＤＬ0 、ＤＬ1 と位置検出器としての検出コ
イルＳＬ0 、ＳＬ1 を備えている。また、隣接する固定
子２0 、２1 間には、前記駆動コイルＤＬ0 、ＤＬ1 の
磁束漏れを防止するための非磁性体７が介在されてい
る。係る構成の３軸加速度センサは非磁性体で形成され
た固定枠８に一体的に収納・固定されている。
成される球形の可動子で、この可動子１を挟み込むよう
に固定子２0 、２1 が可動子１を中心にＸ、Ｙ、Ｚの３
軸方向にそれぞれ所定の間隔ｄ0 、ｄ1 を持って対状に
配置されている。これら対の固定子２0 、２1 は前記可
動子１と同様に磁性体で構成されており、それぞれが、
駆動コイルＤＬ0 、ＤＬ1 と位置検出器としての検出コ
イルＳＬ0 、ＳＬ1 を備えている。また、隣接する固定
子２0 、２1 間には、前記駆動コイルＤＬ0 、ＤＬ1 の
磁束漏れを防止するための非磁性体７が介在されてい
る。係る構成の３軸加速度センサは非磁性体で形成され
た固定枠８に一体的に収納・固定されている。
【００３６】図１４において、左右の一対の固定子
２0 、２1 と中央の可動子１との間隔ｄ 0 、ｄ1 を常に
等しく維持するため、可動子１と双方の固定子２0 、２
1 による磁界閉ループの変化を検出コイルＳＬ0 、ＳＬ
1 で検出・比較し、間隔が大きい側の駆動コイルに一定
量の電力を供給する。これを高速度で逐次行うことによ
り、可動子１を双方の固定子２０、２1 間でバランスさ
せることができる。この時、双方の固定子２0 、２1 か
ら可動子１に加えた動力（即ち、駆動コイルＤＬ0、Ｄ
Ｌ1 に供給した電力）の差は可動子１に働いた力に比例
した値になる。本構成は、可動子１が固定子内に収容さ
れる構造であって、既述の実施形態のように外部から機
械的にエネルギー（力）を加え難い構造であることか
ら、加速度の検出には好適であり、対の駆動コイルＤＬ
0 、ＤＬ1 に印加した駆動パルス数の差で加速度Ｇのデ
ジタル信号として取り出すことができる。ここでは、構
造的にバランスの位置精度を数ミクロン以下に保つこと
ができ、換言すれば、可動子１に印加された加速度を数
ミクロン以下の変位量で検出可能な変位センサとするこ
とができる。
２0 、２1 と中央の可動子１との間隔ｄ 0 、ｄ1 を常に
等しく維持するため、可動子１と双方の固定子２0 、２
1 による磁界閉ループの変化を検出コイルＳＬ0 、ＳＬ
1 で検出・比較し、間隔が大きい側の駆動コイルに一定
量の電力を供給する。これを高速度で逐次行うことによ
り、可動子１を双方の固定子２０、２1 間でバランスさ
せることができる。この時、双方の固定子２0 、２1 か
ら可動子１に加えた動力（即ち、駆動コイルＤＬ0、Ｄ
Ｌ1 に供給した電力）の差は可動子１に働いた力に比例
した値になる。本構成は、可動子１が固定子内に収容さ
れる構造であって、既述の実施形態のように外部から機
械的にエネルギー（力）を加え難い構造であることか
ら、加速度の検出には好適であり、対の駆動コイルＤＬ
0 、ＤＬ1 に印加した駆動パルス数の差で加速度Ｇのデ
ジタル信号として取り出すことができる。ここでは、構
造的にバランスの位置精度を数ミクロン以下に保つこと
ができ、換言すれば、可動子１に印加された加速度を数
ミクロン以下の変位量で検出可能な変位センサとするこ
とができる。
【００３７】この１軸加速度センサをＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸
に配置し、前記図１３のように３軸構成とすることによ
り、可動子１を完全に空中に浮いた状態にバランスさせ
ることができ、高精度な加速度センサが実現できる。
に配置し、前記図１３のように３軸構成とすることによ
り、可動子１を完全に空中に浮いた状態にバランスさせ
ることができ、高精度な加速度センサが実現できる。
【００３８】次に、図１５、図１６に基づいて制御部の
動作を説明する。図１５は制御回路図、図１６は各部の
波形図である。本制御部１０は変位センサの動作制御を
行うもので、前記固定子や可動子と共に固定枠８内に一
体的に収納されている。
動作を説明する。図１５は制御回路図、図１６は各部の
波形図である。本制御部１０は変位センサの動作制御を
行うもので、前記固定子や可動子と共に固定枠８内に一
体的に収納されている。
【００３９】ところで、前記制御部１０は、１対の検出
コイルＳＬ0 、ＳＬ1 とそれぞれの一端に接続された同
じ容量のコンデンサＣ0 、Ｃ1 とで形成した２回路の遅
延回路とフリップ・フロップ回路ＩＣ１により、前記固
定子２0 、２1 と可動子１の間隔ｄ0 、ｄ1 のアンバラ
ンスを比較用信号の位相差として検出する位相比較回路
１１と、検出された位相差に応じて駆動コイルＤＬ0 、
ＤＬ1 の何れかに駆動パルスＰ０、Ｐ１を供給するパル
ス発生回路１２と、トランジスタＱ１、Ｑ２による各駆
動コイルＤＬ0 、ＤＬ1 の駆動回路１３と、駆動パルス
数を計数するカウンタとデータラッチ用の、例えばシフ
トレジスタとで成るカウント・ラッチ回路ＩＣ４、ＩＣ
５とを備えた計数回路１４と、この計数値に基づいて可
動子１に加わる力（加速度）を算出する演算手段２０と
で構成されている。
コイルＳＬ0 、ＳＬ1 とそれぞれの一端に接続された同
じ容量のコンデンサＣ0 、Ｃ1 とで形成した２回路の遅
延回路とフリップ・フロップ回路ＩＣ１により、前記固
定子２0 、２1 と可動子１の間隔ｄ0 、ｄ1 のアンバラ
ンスを比較用信号の位相差として検出する位相比較回路
１１と、検出された位相差に応じて駆動コイルＤＬ0 、
ＤＬ1 の何れかに駆動パルスＰ０、Ｐ１を供給するパル
ス発生回路１２と、トランジスタＱ１、Ｑ２による各駆
動コイルＤＬ0 、ＤＬ1 の駆動回路１３と、駆動パルス
数を計数するカウンタとデータラッチ用の、例えばシフ
トレジスタとで成るカウント・ラッチ回路ＩＣ４、ＩＣ
５とを備えた計数回路１４と、この計数値に基づいて可
動子１に加わる力（加速度）を算出する演算手段２０と
で構成されている。
【００４０】尚、本制御部１０は３軸加速度センサ用で
あって、各々Ｘ、Ｙ、Ｚ軸に対応して専用の制御回路１
０Ｘ、１０Ｙ、１０Ｚを備えている。但し、それぞれの
回路構成および動作は全て同じである。
あって、各々Ｘ、Ｙ、Ｚ軸に対応して専用の制御回路１
０Ｘ、１０Ｙ、１０Ｚを備えている。但し、それぞれの
回路構成および動作は全て同じである。
【００４１】以下、その一軸（Ｘ軸）に対応する制御回
路１０ｘの動作を説明する。尚、本動作は可動子１が固
定子２1 側（すなわち、検出コイルＳＬ1 側）に偏った
アンバランスな状態にある場合（ｄ0 ＞ｄ1 ）である。
路１０ｘの動作を説明する。尚、本動作は可動子１が固
定子２1 側（すなわち、検出コイルＳＬ1 側）に偏った
アンバランスな状態にある場合（ｄ0 ＞ｄ1 ）である。
【００４２】バッファを介して検出コイルＳＬ0 、ＳＬ
1 に前記比較用信号として１ＭＨｚ〜１０ＫＨｚの方形
波パルス信号Ｃｌｏｃｋが印加される。可動子１が上記
した位置関係（変位）にある時、検出コイルＳＬ0 のイ
ンダクタンスＬ0 と検出コイルＳＬ1 のインダクタンス
Ｌ1 はＬ0 ＜Ｌ1 の関係となっており、各検出コイルＳ
Ｌ0 、ＳＬ1 が接続されている遅延回路には、それぞれ
のインダクタンスＬ０ 、Ｌ1 値に応じて遅延量の異なる
遅延出力信号Ｓ０、Ｓ１が得られる。この遅延出力信号
Ｓ０とＳ１をそれぞれバッファを介して波形整形し、フ
リップ・フロップＩＣ１のＣＬＫ端子とＤ端子に入力す
ることにより、両信号Ｓ０とＳ１の位相差を検出するこ
とができる。即ち、本例の場合は、フリップ・フロップ
ＩＣ１の一方の出力ＱがＬに、他方の出力がＨにセット
される。
1 に前記比較用信号として１ＭＨｚ〜１０ＫＨｚの方形
波パルス信号Ｃｌｏｃｋが印加される。可動子１が上記
した位置関係（変位）にある時、検出コイルＳＬ0 のイ
ンダクタンスＬ0 と検出コイルＳＬ1 のインダクタンス
Ｌ1 はＬ0 ＜Ｌ1 の関係となっており、各検出コイルＳ
Ｌ0 、ＳＬ1 が接続されている遅延回路には、それぞれ
のインダクタンスＬ０ 、Ｌ1 値に応じて遅延量の異なる
遅延出力信号Ｓ０、Ｓ１が得られる。この遅延出力信号
Ｓ０とＳ１をそれぞれバッファを介して波形整形し、フ
リップ・フロップＩＣ１のＣＬＫ端子とＤ端子に入力す
ることにより、両信号Ｓ０とＳ１の位相差を検出するこ
とができる。即ち、本例の場合は、フリップ・フロップ
ＩＣ１の一方の出力ＱがＬに、他方の出力がＨにセット
される。
【００４３】パルス発生回路１２では、このフリップ・
フロップＩＣ１の両方の出力がＮＯＲ回路ＩＣ２、ＩＣ
３に入力されると共に、前記パルス信号Ｃｌｏｃｋとの
論理和により、位相の早い側（即ち、遅延量の少ない
側）のＮＯＲ回路ＩＣ２に前記パルス信号Ｃｌｏｃｋに
同期した一定幅の駆動パルスＰ０が出力される。
フロップＩＣ１の両方の出力がＮＯＲ回路ＩＣ２、ＩＣ
３に入力されると共に、前記パルス信号Ｃｌｏｃｋとの
論理和により、位相の早い側（即ち、遅延量の少ない
側）のＮＯＲ回路ＩＣ２に前記パルス信号Ｃｌｏｃｋに
同期した一定幅の駆動パルスＰ０が出力される。
【００４４】駆動回路１３では、この駆動パルスＰ０に
基づいてトランジスタＱ１をオン・オフし、駆動コイル
ＤＬ0 に一定量の電力ＰＷ０を供給し、可動子１を固定
子２ 0 側に変位させるように制御する。
基づいてトランジスタＱ１をオン・オフし、駆動コイル
ＤＬ0 に一定量の電力ＰＷ０を供給し、可動子１を固定
子２ 0 側に変位させるように制御する。
【００４５】同時に、カウント・ラッチ回路ＩＣ４によ
り、この駆動パルスＰ０の数が計数され、ラッチされた
計数データがデータバス３０を介して演算手段２０（例
えば、ＣＰＵ）に転送される。
り、この駆動パルスＰ０の数が計数され、ラッチされた
計数データがデータバス３０を介して演算手段２０（例
えば、ＣＰＵ）に転送される。
【００４６】尚、この計数データの転送は、前記パルス
信号Ｃｌｏｃｋの整数倍の周期（例えば、１０〜１００
ｍｓの周期）で行われる。
信号Ｃｌｏｃｋの整数倍の周期（例えば、１０〜１００
ｍｓの周期）で行われる。
【００４７】以上の説明では、可動子１が固定子２1 側
（すなわち、検出コイルＳＬ1 側）に偏った状態にある
場合（ｄ0 ＞ｄ1 ）を示したが、可動子１が固定子２0
側にアンバランスな状態にある場合（ｄ0 ＜ｄ1 ）は、
当然のことながら駆動コイルＤＬ1 がパルス駆動され、
その際の駆動パルスＰ１の数がカウント・ラッチ回路Ｉ
Ｃ５にて計数され、前記した一定の周期で演算手段２０
に転送される。
（すなわち、検出コイルＳＬ1 側）に偏った状態にある
場合（ｄ0 ＞ｄ1 ）を示したが、可動子１が固定子２0
側にアンバランスな状態にある場合（ｄ0 ＜ｄ1 ）は、
当然のことながら駆動コイルＤＬ1 がパルス駆動され、
その際の駆動パルスＰ１の数がカウント・ラッチ回路Ｉ
Ｃ５にて計数され、前記した一定の周期で演算手段２０
に転送される。
【００４８】そして、演算手段２０は入力された転送デ
ータに基づいて力（加速度）の算出処理を実行する。
ータに基づいて力（加速度）の算出処理を実行する。
【００４９】例えば、仮に、一周期に転送される一軸当
たりの各駆動パルス数（即ち、各々駆動コイルＤＬ0 、
ＤＬ1 に印加した一定電力ＰＷ０、ＰＷ１の回数）をＮ
１，Ｎ２とすると、この軸に加えられた力Ｆ＝Ｋ１×Ｎ
１−Ｋ２×Ｎ２（但し、Ｋ１、Ｋ２は双方の力係数を示
す）である。また、この力センサを一軸の直角な平面上
に二対配置した場合は、上記計算方法にて算出した各々
の力Ｆ１、Ｆ２の差より一軸の回転トルクを計算でき
る。さらには、一軸の直角な平面上に三対三角形に配置
して力Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３を算出すれば、各々の差より二
軸の回転トルクが算出できる。
たりの各駆動パルス数（即ち、各々駆動コイルＤＬ0 、
ＤＬ1 に印加した一定電力ＰＷ０、ＰＷ１の回数）をＮ
１，Ｎ２とすると、この軸に加えられた力Ｆ＝Ｋ１×Ｎ
１−Ｋ２×Ｎ２（但し、Ｋ１、Ｋ２は双方の力係数を示
す）である。また、この力センサを一軸の直角な平面上
に二対配置した場合は、上記計算方法にて算出した各々
の力Ｆ１、Ｆ２の差より一軸の回転トルクを計算でき
る。さらには、一軸の直角な平面上に三対三角形に配置
して力Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３を算出すれば、各々の差より二
軸の回転トルクが算出できる。
【００５０】尚、係数は異なるが、加速度Ｇも上記同様
の演算処理にて算出できるものである。因みに、加速度
係数をＫ１０、Ｋ２０とすると、一軸当たりの加速度は
Ｇ＝Ｋ１０・Ｎ１−Ｋ２０・Ｎ２である。これをＸ、
Ｙ、Ｚ軸の３方向に対して各々の加速度Ｇｘ、Ｇｙ、Ｇ
ｚを算出すれば良い。
の演算処理にて算出できるものである。因みに、加速度
係数をＫ１０、Ｋ２０とすると、一軸当たりの加速度は
Ｇ＝Ｋ１０・Ｎ１−Ｋ２０・Ｎ２である。これをＸ、
Ｙ、Ｚ軸の３方向に対して各々の加速度Ｇｘ、Ｇｙ、Ｇ
ｚを算出すれば良い。
【００５１】また、図示しないが、前記各係数は温度に
より変化すると考えられることから、センサ内に温度セ
ンサ（図示せず）を取付け、その検知温度に基づいて前
記各々の係数を補正することにより、より正確な演算結
果が得られる。
より変化すると考えられることから、センサ内に温度セ
ンサ（図示せず）を取付け、その検知温度に基づいて前
記各々の係数を補正することにより、より正確な演算結
果が得られる。
【００５２】また、以上の実施形態では、位置検出器と
して、可動子１の変位をインダクタンスの変化として検
出する検出コイルを用いたが、これに限定されるもので
はなく、静電容量の変化として検出するようにしても良
い。但し、当然のことではあるが、この場合、各遅延回
路はＣＲの構成となる。
して、可動子１の変位をインダクタンスの変化として検
出する検出コイルを用いたが、これに限定されるもので
はなく、静電容量の変化として検出するようにしても良
い。但し、当然のことではあるが、この場合、各遅延回
路はＣＲの構成となる。
【００５３】以上説明したように、本発明の変位センサ
は極めて高精度を実現できるものであるから、力計、加
速度計、地震観測等の計測機器を始めとして、Ｘ、Ｙテ
ーブル、回転テーブル等の工作機械や機構装置、或い
は、ナビゲーション、速度メータ、距離メータ、加速度
メータ等の自動車・航空機関連の機器等、その応用分野
は極めて広いものとなる。
は極めて高精度を実現できるものであるから、力計、加
速度計、地震観測等の計測機器を始めとして、Ｘ、Ｙテ
ーブル、回転テーブル等の工作機械や機構装置、或い
は、ナビゲーション、速度メータ、距離メータ、加速度
メータ等の自動車・航空機関連の機器等、その応用分野
は極めて広いものとなる。
【００５４】
【発明の効果】以上、説明したように、請求項１から請
求項３に記載の本発明によれば、可動子を中心に固定子
を対向して配置し、可動子が対の固定子の中間位置でバ
ランスするように可動子と固定子の間隔に応じた電力に
て駆動コイルを駆動すると共に、各駆動コイルの駆動電
力より可動子に加わる力もしくは加速度を算出するよう
にしたので、係るセンサをＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に配置する
ことにより、可動子を完全に空中に浮かせた状態にバラ
ンスさせることができ、機械的な摩擦の無い理想的な変
位センサを実現できる。しかも、バランスの位置精度は
構造的に数ミクロン以下に保つことができ、換言すれ
ば、可動子に印加された力（加速度）を数ミクロン以下
の変位量で検出可能な高精度の変位センサとすることが
できる。加えて、駆動コイルの駆動を一定幅のパルス駆
動とし、この駆動パルスの数より駆動電力を算出する構
成としたので、従来のパルス幅変調方式のような複雑な
アナログ処理に依らず、極めて単純に駆動電力の算出が
行える。係る方式であれは、算出誤差が発生し難いから
高精度の検出が可能となる。しかも、駆動パルスは全て
の駆動コイルに対し共通の信号であるから、各駆動コイ
ルに印加する電力にアンバランスが生じない。
求項３に記載の本発明によれば、可動子を中心に固定子
を対向して配置し、可動子が対の固定子の中間位置でバ
ランスするように可動子と固定子の間隔に応じた電力に
て駆動コイルを駆動すると共に、各駆動コイルの駆動電
力より可動子に加わる力もしくは加速度を算出するよう
にしたので、係るセンサをＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に配置する
ことにより、可動子を完全に空中に浮かせた状態にバラ
ンスさせることができ、機械的な摩擦の無い理想的な変
位センサを実現できる。しかも、バランスの位置精度は
構造的に数ミクロン以下に保つことができ、換言すれ
ば、可動子に印加された力（加速度）を数ミクロン以下
の変位量で検出可能な高精度の変位センサとすることが
できる。加えて、駆動コイルの駆動を一定幅のパルス駆
動とし、この駆動パルスの数より駆動電力を算出する構
成としたので、従来のパルス幅変調方式のような複雑な
アナログ処理に依らず、極めて単純に駆動電力の算出が
行える。係る方式であれは、算出誤差が発生し難いから
高精度の検出が可能となる。しかも、駆動パルスは全て
の駆動コイルに対し共通の信号であるから、各駆動コイ
ルに印加する電力にアンバランスが生じない。
【００５５】また、請求項４に記載の本発明によれば、
隣接するＸ、Ｙ、Ｚ軸上の各記固定子間に非磁性体を介
在して構成したので、各固定子からの磁束漏れが防止さ
れ、漏れ磁束による誤作動が無くなり、信頼性が向上す
る。
隣接するＸ、Ｙ、Ｚ軸上の各記固定子間に非磁性体を介
在して構成したので、各固定子からの磁束漏れが防止さ
れ、漏れ磁束による誤作動が無くなり、信頼性が向上す
る。
【００５６】
【００５７】また、請求項５から請求項７に記載の本発
明によれば、制御部は、対の固定子と可動子の間隔のア
ンバランスを比較用信号の位相差として検出する位相比
較回路と、検出された位相差に応じて駆動コイルの何れ
かに一定幅の駆動パルスを供給するパルス発生回路と、
各駆動コイルを駆動する駆動回路と、駆動パルスの数を
計数する計数回路と、この計数回路の計数値に基づいて
可動子に加わる力もしくは加速度を算出する演算手段と
で構成したので、従来のようなアナログ的手段を用いず
全てデジタル的に処理できるため、回路構成も簡略化で
き、安価で、且つ温度や電源変動等に影響されない安定
した高精度の変位センサが実現できる。
明によれば、制御部は、対の固定子と可動子の間隔のア
ンバランスを比較用信号の位相差として検出する位相比
較回路と、検出された位相差に応じて駆動コイルの何れ
かに一定幅の駆動パルスを供給するパルス発生回路と、
各駆動コイルを駆動する駆動回路と、駆動パルスの数を
計数する計数回路と、この計数回路の計数値に基づいて
可動子に加わる力もしくは加速度を算出する演算手段と
で構成したので、従来のようなアナログ的手段を用いず
全てデジタル的に処理できるため、回路構成も簡略化で
き、安価で、且つ温度や電源変動等に影響されない安定
した高精度の変位センサが実現できる。
【００５８】また、請求項８に記載の本発明によれば、
温度センサの検知出力により演算手段の算出処理を補正
するようにしたので、温度変化等に影響されないより正
確な力（加速度）の算出が行えるようになる。
温度センサの検知出力により演算手段の算出処理を補正
するようにしたので、温度変化等に影響されないより正
確な力（加速度）の算出が行えるようになる。
【図１】本発明に係る変位センサを構成する一軸力セン
サの基本構成を示す正断面図である。
サの基本構成を示す正断面図である。
【図２】固定子のコイル収納構造を示す図で、（ａ）は
平面図、（ｂ）は側半断面図である。
平面図、（ｂ）は側半断面図である。
【図３】図１とは異なる一軸力センサの基本構成を示す
正断面図である。
正断面図である。
【図４】図３とは異なる一軸力センサの基本構成を示す
正断面図である。
正断面図である。
【図５】図４とは異なる一軸力センサの基本構成を示す
正断面図である。
正断面図である。
【図６】本発明の変位センサの実施形態を示す構造図で
ある。
ある。
【図７】同、図６とは別の実施形態を示す変位センサの
構造図である。
構造図である。
【図８】同、図７とは別の実施形態を示す変位センサの
構造図である。
構造図である。
【図９】同、図８とは別の実施形態を示す変位センサの
構造図である。
構造図である。
【図１０】同、図９とは別の実施形態を示す変位センサ
の構造図である。
の構造図である。
【図１１】同、図１０とは別の実施形態を示す変位セン
サの構造図である。
サの構造図である。
【図１２】同、図１１とは別の実施形態を示す変位セン
サの構造図である。
サの構造図である。
【図１３】本発明に係る３軸加速度センサの基本構成を
示す半断面図である。
示す半断面図である。
【図１４】図１３の一軸部分を示す断面図である。
【図１５】本発明の変位センサの制御部の回路図であ
る。
る。
【図１６】同、制御部の各部の波形を示す図である。
１ 可動子 ２0 、２1 固定子 ７ 非磁性体 １０ 制御部 １１ 位相比較回路 １２ パルス発生回路 １３ 駆動回路 １４ 計数回路 ＤＬ0 、ＤＬ1 駆動コイル ＳＬ0 、ＳＬ1 位置検出器（検出コイル）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ // Ｇ０１Ｂ 7/00 Ｇ０１Ｂ 7/00 Ｒ Ｇ０１Ｐ 15/00 Ｋ (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01P 15/13 G01D 5/20 G01L 5/16 G01P 15/11 G01P 15/18 G01B 7/00
Claims (9)
- 【請求項１】 磁性体より成る可動子（１）と、 各々駆動コイル（ＤＬ0 、ＤＬ1 ）とこれらに対応す
る位置検出器（ＳＬ0、ＳＬ1 ）とを備え、前記可動子
（１）を中心に対向して配置された磁性体より成る一対
の固定子（２0 、２1 ）と、 前記位置検出器（ＳＬ0 、ＳＬ1 ）の検知出力に基づ
き、前記可動子（１）が前記固定子（２0 、２1 ）の中
間位置でバランスするように、前記可動子（１）と前記
固定子（２0 、２1 ）の間隔（ｄ0 、ｄ1 ）に応じた電
力にて前記駆動コイル（ＤＬ0 、ＤＬ1 ）を駆動すると
共に、各駆動コイル（ＤＬ0 、ＤＬ1 ）の駆動電力より
前記可動子（１）に加わる力（Ｆ）もしくは加速度
（Ｇ）を算出する制御部（１０）とで構成され、且つ、
前記駆動コイル（ＤＬ0 、ＤＬ1 ）の駆動が一定幅のパ
ルス駆動であり、このパルス駆動信号の数より駆動電力
を算出することを特徴とする変位センサ。 - 【請求項２】 前記固定子（２0 、２1 ）が前記可動子
（１）のＸ，Ｙ，Ｚの３軸方向の各面に対向して一対以
上設けて成ることを特徴とする請求項１に記載の変位セ
ンサ。 - 【請求項３】 磁性体より成る球形の可動子（１）と、 各々駆動コイル（ＤＬ0 、ＤＬ1 ）とこれらに対応する
位置検出器（ＳＬ0 、ＳＬ1 ）とを備え、前記可動子
（１）を中心にＸ，Ｙ，Ｚの３軸方向にそれぞれ対向し
て配置された磁性体より成る３対の固定子（２0 、
２1 ）と、 前記位置検出器（ＳＬ0 、ＳＬ1 ）の検知出力に基づ
き、前記可動子（１）が前記各固定子（２0 、２1 ）の
中間位置でバランスするように、前記可動子（１）と前
記固定子（２0 、２1 ）の間隔（ｄ0 、ｄ1 ）に応じた
電力にて前記駆動コイル（ＤＬ0 、ＤＬ1 ）を駆動する
と共に、各駆動コイル（ＤＬ0 、ＤＬ1 ）の駆動電力よ
り前記可動子（１）に加わる力（Ｆ）もしくは加速度
（Ｇ）を算出する制御部（１０）とで構成され、且つ、
前記駆動コイル（ＤＬ0 、ＤＬ1 ）の駆動が一定幅のパ
ルス駆動であり、このパルス駆動信号の数より駆動電力
を算出することを特徴とする変位センサ。 - 【請求項４】 隣接するＸ、Ｙ、Ｚ軸上の前記固定子
（２0 、２1 ）間に非磁性体（７）を介在して成ること
を特徴とする請求項３に記載の変位センサ。 - 【請求項５】 前記制御部（１０）は、比較用信号（Ｃ
ｌｏｃｋ）を前記対の位置検出器（ＳＬ0 、ＳＬ1 ）に
それぞれ印加して対の固定子（２0 、２1 ）と可動子
（１）の間隔（ｄ0 、ｄ1 ）のアンバランスを前記比較
用信号（Ｃｌｏｃｋ）の位相差として検出する位相比較
回路（１１）と、 検出された位相差に応じて前記駆動コイル（ＤＬ0 、Ｄ
Ｌ1 ）の何れかに一定幅の駆動パルス（Ｐ０、Ｐ１）を
供給するパルス発生回路（１２）と、 前記駆動パルス（Ｐ０、Ｐ１）にて各駆動コイル（ＤＬ
0 、ＤＬ1 ）を駆動する駆動回路（１３）と、 前記駆動パルス（Ｐ０、Ｐ１）の数を計数する計数回路
（１４）と、 この計数回路（１４）の計数値に基づいて前記可動子
（１）に加わる力（Ｆ）もしくは加速度（Ｇ）を算出す
る演算手段（２０）とを備えて成ることを特徴とする請
求項１から請求項４までの何れかに記載の変位センサ。 - 【請求項６】 前記演算手段（２０）は、一軸における
対の駆動コイル（ＤＬ0 、ＤＬ1 ）に印可された駆動パ
ルス（Ｐ０、Ｐ１）のカウント数をＮ１、Ｎ２、各々の
力係数をＫ１、Ｋ２とした時、 前記可動子（１）に加わる力（Ｆ）を１軸当たりＦ＝Ｋ
１・Ｎ１−Ｋ２・Ｎ２で算出することを特徴とする請求
項５に記載の変位センサ。 - 【請求項７】 前記演算手段（２０）は、一軸における
対の駆動コイル（ＤＬ0 、ＤＬ1 ）に印加された駆動パ
ルス（Ｐ０、Ｐ１）のカウント数をＮ１、Ｎ２、各々の
加速度係数をＫ１０、Ｋ２０とした時、 前記可動子（１）に加わる加速度（Ｇ）を１軸当たりＧ
＝Ｋ１０・Ｎ１−Ｋ２０・Ｎ２で算出することを特徴と
する請求項５に記載の変位センサ。 - 【請求項８】 前記制御部（１０）は、温度センサを備
え、その検知出力に基づいて前記演算手段（２０）の算
出処理を補正することを特徴する請求項６または請求項
７の何れかに記載の変位センサ。 - 【請求項９】 前記位置検出器（ＳＬ0 、ＳＬ1 ）はイ
ンダクタンスの変化、または静電容量の変化を利用した
変換器であることを特徴とする請求項５に記載の変位セ
ンサ。
Priority Applications (6)
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|---|---|---|---|
| JP11058406A JP3042526B1 (ja) | 1999-03-05 | 1999-03-05 | 変位センサ |
| KR1020007012316A KR20010043340A (ko) | 1999-03-05 | 2000-02-14 | 변위 센서 및 이를 이용한 이동 정보 수집 장치 |
| US09/673,182 US6571631B1 (en) | 1999-03-05 | 2000-02-14 | Displacement sensor and movement information collecting device comprising the same |
| EP00902939A EP1077379A4 (en) | 1999-03-05 | 2000-02-14 | DISPLACEMENT SENSOR AND INFORMATION COLLECTION DEVICE CONCERNING THE MOVEMENT EQUIPPED WITH THE SENSOR |
| PCT/JP2000/000783 WO2000054060A1 (fr) | 1999-03-05 | 2000-02-14 | Capteur de deplacement et dispositif de collecte d'information concernant le mouvement equipe du capteur |
| TW089102637A TW463050B (en) | 1999-03-05 | 2000-02-16 | Shift sensor and its information collecting device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11058406A JP3042526B1 (ja) | 1999-03-05 | 1999-03-05 | 変位センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP3042526B1 true JP3042526B1 (ja) | 2000-05-15 |
| JP2000258452A JP2000258452A (ja) | 2000-09-22 |
Family
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11058406A Expired - Fee Related JP3042526B1 (ja) | 1999-03-05 | 1999-03-05 | 変位センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3042526B1 (ja) |
Families Citing this family (4)
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|---|---|---|---|---|
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| JP5302018B2 (ja) * | 2009-01-23 | 2013-10-02 | エヌエスディ株式会社 | 多軸荷重センサ |
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-
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- 1999-03-05 JP JP11058406A patent/JP3042526B1/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
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| JP2000258452A (ja) | 2000-09-22 |
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