JP3856802B2

JP3856802B2 - 位置・姿勢変化に対応する電気信号発生装置

Info

Publication number: JP3856802B2
Application number: JP2004170829A
Authority: JP
Inventors: 康彦大江
Original assignee: Kitakyushu Foundation for Advancement of Industry Science and Technology
Current assignee: Kitakyushu Foundation for Advancement of Industry Science and Technology
Priority date: 2002-07-29
Filing date: 2004-06-09
Publication date: 2006-12-13
Anticipated expiration: 2023-02-26
Also published as: JP2004301855A

Description

本発明は、地殻変動の検出や船舶、航空機、車両等の姿勢制御、人の身体各部位の動作・姿勢の検出等に用いることができる位置・姿勢変化に対応する電気信号発生装置（デバイス）に関する。

容器にその容積の所定比率の容積の液状誘電体を装入するとともに所定の平面をもつ少なくとも一対の電極をこの液状誘電体に浸漬しておき、容器の傾斜の大きさに対応して電極間で液状誘電体に浸漬している面積に差異を生じ、この差異に対応する発現静電容量と抵抗を電気的に接続して電圧信号として取出す電気信号発生装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
特開平１１−１１８４１２号公報

上記従来技術によるときは、特定の実験環境或は定置式の姿勢測定に限られることが多かった。従って、傾斜方向が経時的に変化する対象に対しては測定がきわめて困難であった。本発明は、地殻変動の検出や船舶、航空機、車両等の姿勢制御のための姿勢（傾き）の検出或は施設における高齢者や運動選手の身体各部位の動作・姿勢の検出のように、あらゆる場面、場所での対象の変位・姿勢（傾き）の検出が可能な位置・姿勢変化に対応する電気信号発生装置（デバイス）を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための請求項１に記載の発明は、鉛直方向に軸心を有する円筒状容器１と、該円筒状容器１の内周面かつ軸心に関して対称の位置に固着され電圧が印加される各等しい形状、面積もつ少なくとも一対の電極２と、前記円筒状容器１内周面に間隔をおいて相対向する、導電性および非導電性外周面領域を周方向において等分割して交互に配設され各等しい面積で有するとともにダンパに結合されて慣性モーメントを付与されその軸心回りに回動自在な円盤３と、前記円筒状容器１の周方向の回動による位置と円盤３の慣性に起因する周方向における位置のずれによる発現静電容量の変化を電気信号として取出す手段とを有する位置変化に対応する電気信号発生装置である。この電気信号発生装置（デバイス）によれば、鉛直軸（Ｚ軸）回りの加速度（速度、変位量）を測定でき、測定対象のＸ軸、Ｙ軸の向きを決定できる。

請求項２に記載の発明は、鉛直方向に軸心を有する円筒状容器１と、該円筒状容器１の内周面かつ軸心に関して対称の位置に固着され電圧が印加される各等しい形状、面積もつ少なくとも一対の電極２と、前記円筒状容器１内周面に間隔をおいて相対向する、導電性および非導電性外周面領域を周方向において等分割して交互に配設され各等しい面積で有するとともにダンパに結合されて慣性モーメントを付与されその軸心回りに回動自在な円盤３と、前記円筒状容器１の周方向の回動による位置と円盤３の慣性に起因する周方向における位置のずれによる発現静電容量の変化を電気信号として取出す手段と、前記内容積未満の容積の液状誘電体が封入された、鉛直方向に軸心を有する円筒状容器１内にさらに少なくとも各等しい導電性表面積をもつ二対の電極１２を円筒状容器１の軸心を挟んで相対向して一対となる電極対を円筒状容器１横断面において相直交する如く二対配設し、円筒状容器１の傾きに起因する電極１２対間での前記液状誘電体との接触面積の差異による発現静電容量の変化に対応する電圧を出力する電気信号発生手段とを有する位置・姿勢変化に対応する電気信号発生装置である。この電気信号発生装置（デバイス）によるときは、測定対象のＸ軸、Ｙ軸の向きを決定した上で、Ｘ軸および／またはＹ軸における姿勢（傾き）を同時に測定できる。

本発明の電気信号発生装置（デバイス）によれば、きわめて小型（数ｍｍオーダ）のデバイスで測定対象の鉛直軸（Ｚ軸）回りの加速度（速度、変位量）を測定できる。

請求項２に記載の発明によるときは、測定対象の姿勢（傾き）の方向を定義する座標の変化と併せＸ軸およびＹ軸の何れかまたはこれらが複合した方向への面（２次元）の姿勢（傾き）を一度に測定できる。

以下、本発明をその好ましい実施形態に則して説明する。本発明は、鉛直方向に軸心を有する円筒状容器と、この円筒状容器の内周面かつ軸心に関して対称の位置に固着され電圧が印加される各等しい形状、面積もつ少なくとも一対の電極２と、前記円筒状容器１内周面に間隔おいて相対向する、導電性および非導電性外周面領域を周方向において等分割して交互に配設され各等しい面積で有するとともにダンパに結合されて慣性モーメントを付与されその軸心回りに回動自在な円盤と、前記円筒状容器１の周方向の回動による位置と円盤の慣性に起因する周方向における位置のずれによる発現静電容量の変化を電気信号として取出す手段とから構成され、鉛直な軸心回りの加速度を円筒容器が受けたときに、円筒容器と円盤の慣性に起因する位置のずれによる円筒容器内周面電極と円盤外周面電極および液状誘電体とで構成されるコンデンサの発現静電容量の変化に基づいて円筒容器の周方向における加速度、速度、変位量を測定するものである。

また、鉛直方向に軸心を有する円筒状容器内にさらに少なくとも各等しい導電性表面積をもつ電極を円筒状容器の軸心を挟んで相対向して一対となる電極対を円筒状容器横断面において相直交する如く二対配設し、円筒状容器の傾きに起因する電極対間での前記液状誘電体との接触面積の差異による発現静電容量の変化に対応する電圧を出力する電気信号発生手段とを有する位置・姿勢変化に対応する電気信号を発生する電気信号発生装置（デバイス）を上記電気信号発生装置（デバイス）に複合集積させたものである。

図１に、本発明の一実施例に係る位置の変化に対応する電気信号発生装置（デバイス）の概要を示す。図１において、１は円筒容器であって、非導電性材料たとえばプラスチックで形成されている。１−２は蓋であり、非導電性材料たとえばプラスチックで形成され円筒容器１の頂部を覆う。２は電極であって弧状の面をもち、この実施例においては二対の各等しい形状、サイズの導電性材料たとえば金属箔が円筒容器１の内周面に円筒容器１の軸心に関して対称となる位置に貼着される。３は円盤（ディスク）であり、その平面中心で軸４に固定されている。円盤３の外周面には、図１および図４に示すように、非導電性領域５および導電性領域６が、この実施例においては、円盤３の外周面を周方向において４等分して交互に形成されている。この実施例においては、定常状態において、円筒容器１の内周面に貼着されている電極２と円盤３の外周面に形成されている導電性領域（電極面）６とが液状誘電体を介して間隔を置いて相対向してコンデンサを構成している。相対向する電極面間には交流電圧或は直流電圧が印加されている。誘電体としてガス体を用いることも勿論できる。

円盤３はその平面中心で軸４に固定されており、軸４は、図４に示すように、ダンパ（ばね）７を介してその下端部が円筒容器１の底面に固定されている。而して、円盤３はその周方向の変位に際してダンパ７によって慣性を付与される。軸４の上端は蓋１−２に回転自在に支承されている。

次に、この実施例に係る位置の変化に対応する電気信号発生装置（デバイス）の動作を説明する。円筒容器１が公転或は自転すると、円筒容器１はその軸心回りに回動する。一方、円盤３はそれ自体慣性モーメントを有しダンパ７によって慣性を付与されているから、円筒容器１の周方向における運動の加速度に対応して、円筒容器１の内周面に貼着されている電極２と、円盤３の外周面に形成されている導電性領域（電極面）６或は非導電性領域５との間に周方向においてずれを生じる。このずれによって、円筒容器１の内周面に貼着されている電極２と円盤３の外周面に形成されている導電性領域（電極面）６とが液状誘電体を介して間隔を置いて相対向して構成されているコンデンサの静電容量に変化を生起する。この静電容量の変化を電圧の変化として検出することによって、円筒容器１の周方向における加速度を測定することができる。加速度を時間について２階積分すると、変位量が求まる。

このようにして、円筒容器１の軸心（Ｚ軸）回りの加速度を電気信号として取出すことができ、測定対象がどの向きにどれだけ変位したかを知ることができる。

上記、測定対象即ち円筒容器１の軸心（Ｚ軸）回りの加速度に加えて、測定対象のＸ軸、Ｙ軸何れか或はこれらが複合した方向（２次元：面）における姿勢（傾き）を併せて測定することができる位置・姿勢変化に対応する電気信号発生装置（デバイス）の実施例を説明する。図２および図３に、測定対象の姿勢（傾き）の変化に対応する電気信号発生装置（デバイス）の概要を示す。図２および図３において、１１は容器であって、１３は液状誘電体たとえばエチレングリコールを溶媒とし水酸化テトラメチルアンモニウムを溶質とする溶液が注入されている。Ａは液状誘電体１３が注入されていない部分である。

１２は電極であり、この実施例においては、図２および図３に示すように、一対の電極１２が相対向して液状誘電体１３にそのある割合が浸漬する如く配置されている。１４は配線、１５は静電容量計測装置である。

而して、容器１１が傾斜すると、図３に示すように、電極１２対間で液状誘電体１３との接触面積が相異してくる。この接触面積の変化に対応して発現静電容量が変化する。静電容量Ｃは、

で与えられる。この発現静電容量の変化を、静電容量計測装置１５において電圧の変化として検出する。

発明者の知見によれば、液状誘電体に求められる特性は、
１）陽極、陰極等の構成材料に対して、化学的に安定であること。
２）電極面をよく濡らす性質を有すること。
３）電極或は容器を保護し、弱点部分を修復する化成能力を有すること。
４）高温においても蒸気圧が低いこと。
５）長期間安定した性質を有し、毒性などに配慮した物質であること。
などである。このような性質を有する液状誘電体として、溶媒としてエチレングリコール、エチレングリコールモノメチルエーテル、γ−ブチロラクトン、Ｎ−メチルホルムアミド等、溶質としてアジピン酸、マレイン酸、安息香酸、フタル酸、サリチル酸、塩基性のものとしてアンモニア、アンモニア水、トリエチルアミン、水酸化テトラメチルアンモニウム等の溶液を用いることができる。

液状誘電体として、たとえば水と油のように、混じり合うことのない２種類の液状物を容器に封入して用いることもできる。その場合、液状誘電体表面の脈動が抑えられて好ましい。

この測定対象のＸ軸、Ｙ軸何れか或はこれらが複合した方向（２次元：面）における姿勢（傾き）をこの姿勢（傾き）変化に対応する電気信号発生デバイスを、図４に示すように、円筒容器１の軸心（Ｚ軸）回りの変位に対応する電気信号発生デバイスと併せ集積搭載すれば、計測対象がどの向きにどれだけ傾斜したかを測定することができる。即ち、姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスの座標軸の向きをリアルタイムで併せ測定することが可能になる。

図４に示す上記位置・姿勢変化に対応する電気信号発生装置（デバイス）の回路を、図５に示す。図５において、Ｃ１、Ｃ３はデバイスのＸ軸方向における傾斜を検出すべく機能するコンデンサであり、Ｃ２、Ｃ４はＹ軸方向における傾斜を検出すべく機能するコンデンサである。Ｃ５、Ｃ６は図１に示す円筒容器１の軸心（Ｚ軸）回りの変位に対応する電気信号発生装置（デバイス）におけるコンデンサである。それぞれ信号処理回路から、電気信号発生装置（デバイス）がＺ軸回り何れの方向に向いているのかまた、その向きを基準としてＸ軸方向或はＹ軸方向にどれだけ傾いているのかを併せて出力（ＯＵＴ）する。

本発明の位置・姿勢変化に対応する電気信号発生装置は、測定対象の位置・姿勢の変化に対応して電極対間の発現静電容量が変化することを利用してこれを電圧といった電気信号として取出すものであるから、電極に高周波電圧または直流電圧を印加することで、前者の場合には主に発振器の共振回路における静電容量の変化を、後者の場合には２枚の電極間で液状誘電体との接触面積が変化するため、電極に電圧を印加しておけば電圧の変化と等価と見做すことができる。従って、たとえば高周波電圧を印加した場合、人の手の関節運動によって発振器の発する搬送波に周波数変調が加えられることになる。この信号をＦＭ（Frequency Modulation）復調すれば手の関節運動を表す信号を得ることができる。また、直流電圧を用いた場合、差動増幅器によって手の関節運動を表す信号を得ることができる。ＦＭ復調を用いて信号を得る場合、電気的雑音に非常に強い電気信号発生装置（デバイス）とすることができる。

測定対象のＺ軸回りの位置、速度、加速度を検出するための、位置変化に対応する電気信号発生装置（デバイス）の構成を示す模式図測定対象のＸ軸、Ｙ軸何れか或はこれらが複合した方向（２次元：面）における姿勢（傾き）をこの姿勢（傾き）変化に対応する電気信号発生デバイスの構成を示す模式図図２に示す電気信号発生装置（デバイス）が傾斜したときの模様を示す模式図図１および図２に示す電気信号発生装置（デバイス）を１ユニットに集積した電気信号発生装置（デバイス）を示す模式図図４に示す電気信号発生装置（デバイス）の電気回路図

符号の説明

１円筒容器
１−２蓋
２電極
３円盤（ディスク）
４軸
５非導電性外周面領域
６導電性外周面領域（電極面）
７ダンパ（ばね）
１１容器
１２電極
１３液状誘電体
１４配線
１５静電容量計測装置
Ａ液状誘電体を注入しない部分

Claims

鉛直方向に軸心を有する円筒状容器（１）と、該円筒状容器（１）の内周面かつ軸心に関して対称の位置に固着され電圧が印加される各等しい形状、面積もつ少なくとも一対の電極（２）と、前記円筒状容器（１）内周面に間隔をおいて相対向する、導電性および非導電性外周面領域を周方向において等分割して交互に配設され各等しい面積で有するとともにダンパに結合されて慣性モーメントを付与されその軸心回りに回動自在な円盤（３）と、前記円筒状容器（１）の周方向の回動による位置と円盤（３）の慣性に起因する周方向における位置のずれによる発現静電容量の変化を電気信号として取出す手段とを有することを特徴とする位置変化に対応する電気信号発生装置。
鉛直方向に軸心を有する円筒状容器（１）と、該円筒状容器（１）の内周面かつ軸心に関して対称の位置に固着され電圧が印加される各等しい形状、面積もつ少なくとも一対の電極（２）と、前記円筒状容器（１）内周面に間隔をおいて相対向する、導電性および非導電性外周面領域を周方向において等分割して交互に配設され各等しい面積で有するとともにダンパに結合されて慣性モーメントを付与されその軸心回りに回動自在な円盤（３）と、前記円筒状容器（１）の周方向の回動による位置と円盤（３）の慣性に起因する周方向における位置のずれによる発現静電容量の変化を電気信号として取出す手段と、前記内容積未満の容積の液状誘電体が封入された、鉛直方向に軸心を有する円筒状容器（１）内にさらに少なくとも各等しい導電性表面積をもつ電極（１２）を円筒状容器（１）軸心を挟んで相対向して一対となる電極対を円筒状容器（１）横断面において相直交する如く二対配設し、円筒状容器（１）の傾きに起因する電極（１２）対間での前記液状誘電体との接触面積の差異による発現静電容量の変化に対応する電圧を出力する電気信号発生手段とを有することを特徴とする位置・姿勢変化に対応する電気信号発生装置。