JP4270647B2

JP4270647B2 - 傾斜計

Info

Publication number: JP4270647B2
Application number: JP15187299A
Authority: JP
Inventors: 理作戸田; 正喜江刺
Original assignee: ボールセミコンダクター株式会社; 正喜江刺
Priority date: 1999-05-31
Filing date: 1999-05-31
Publication date: 2009-06-03
Anticipated expiration: 2019-05-31
Also published as: US20020073563A1; JP2000337872A; US6505409B2

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、水平面又は垂直軸に対する傾斜角を検出するための傾斜計又はクリノメータに関する。本発明は特に、ロボティクス、バーチャルリアリティー製品等に使用して好適な極めて小型の傾斜計又はクリノメータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ロボティクス、バーチャルリアリティー等、メカトロニクスの分野にてで様々な製品が開発されている。これらの製品には極めて小型のセンサ類が使用される。このようなセンサ類として、ジャイロ、加速度計、傾斜計等がある。
【０００３】
従来、傾斜計として、様々な原理を利用した形式のものが使用されている。典型的には、容器に液体を封入し、液面の傾斜を計測することによって傾斜角を計測するように構成された傾斜計が、良く知られ且つ使用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の傾斜計は、メカトロニクス製品の様々な用途に適合可能な程度に小型化することは困難であった。特に、液面の傾斜を利用する形式の傾斜計は小型化が困難である。
【０００５】
本発明は斯かる点に鑑み、寸法が極めて小さい傾斜計を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の傾斜計は、球形質量部と、球面状の内面の内側の空間に前記球形質量部を可動に配置し、基準軸線を有する球殻部と、前記球殻部の球面状の内面に内接する６面以上の面を有する正多面体の各面に対応した位置であって、前記球殻部の球面状の内面に沿って配置された面状の複数の検出電極と、前記複数の検出電極と絶縁されて、前記球殻部の球面状の内面に配置されたシールド電極と、を有し、前記複数の検出電極のそれぞれと前記シールド電極の間で静電容量を検出することにより、前記基準軸線の傾斜角を演算するように構成されている。
【０００７】
従って、本発明の傾斜計は極めて小型の装置として構成することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１を参照して本発明による傾斜計の例を説明する。本例の傾斜計は、球形質量部１０とそれを囲む球殻部１００とを有する。球形質量部１０の外径は球殻部１００の球面状内面の内径より僅かに小さい。球形質量部１０の周囲には間隙１１が形成される。この間隙１１は、開放空間であってよいが、好ましくは密閉空間である。また、この間隙は真空であってよいが、適当な不活性ガス又は液体によって充填されてよい。
【００１０】
球形質量部１０は球殻部１００内にて自由に動くことができる。傾斜計が静止しているとき、球形質量部１０（中心をＯ₁とする。）は球殻部１００（中心をＯとする。）の球面状内面の最下端にて静止する。球形質量部１０の直径は数ミリメートル以下であり、例えば、１ｍｍであってよい。間隙１１の厚さは、球形質量部１０の最上端にて最大となるが、平均は、数μｍであってよい。
【００１１】
球殻部１００は、最も内側の電極１０１〜１０６及び１０７（図１では電極１０１、１０２、１０５、１０６、１０７のみ図示）とその外側の絶縁体膜１３０とその外側の電路パターン１１１〜１１７及び１２１〜１２７とその外側の構造膜１３２とを有する。電極１０１〜１０６及び１０７は、絶縁体膜１３０の一部である細い絶縁部１３１によって互いに分離されており、各電極には対応する電路パターン１１１〜１１７及び１２１〜１２７が電気的に接続されている。
【００１２】
尚、球殻部１００の下端にはバンプ１２９が形成されている。バンプ１２９は構造膜１３２に形成された孔に装着され、電路パターン１１１〜１１７及び１２１〜１２７に接続されている。
【００１３】
電極１０１〜１０６、１０７及び電路パターン１１１〜１１７及び１２１〜１２７は導電体、例えば、金属膜によって形成され、絶縁体膜１３０及び絶縁部１３１は絶縁体、例えば、二酸化ケイ素ＳｉＯ₂によって形成される。構造膜１３２は絶縁体、例えば、熱硬化性樹脂より形成される。
【００１４】
本例では、構造膜１３２の厚さは、電極、電路パターン及び絶縁体膜に比べて、大きい。従って、構造膜１３２は、内側の構成部を保護する保護膜として機能すると同時に球殻部１００に構造的強度を提供する。
【００１５】
図２を参照して説明する。図２は球形質量部１０と電極１０１〜１０７のみを示し、球殻部１００の他の構成部、即ち、絶縁体膜１３０、電路パターン１１１〜１１７及び１２１〜１２７及び構造膜１３２は省略して描かれている。
【００１６】
図示のように、球殻部１００の中心に原点Ｏをとり、原点Ｏを通る直交３軸を設定する。傾斜計が水平面上に配置されているときに、水平面上にＸ₁−Ｘ₂軸及びＹ₁−Ｙ₂軸をとり、垂直にＺ₁−Ｚ₂軸をとる。
【００１７】
本例によると、電極は、Ｘ₁−Ｘ₂軸に沿って配置された第１及び第２の傾斜検出電極１０１及び１０２とＹ₁−Ｙ₂軸に沿って配置された第３及び第４の傾斜検出電極１０３及び１０４とＺ₁−Ｚ₂軸に沿って配置された第５及び第６の傾斜検出電極１０５及び１０６と、これらの傾斜検出電極の間に配置されたシールド電極１０７とを含む。
【００１８】
この例では、６個の傾斜検出電極１０１〜１０６は円形であり、シールド電極１０７は６個の傾斜検出電極１０１〜１０６の残りの部分を占めるように形成されている。
【００１９】
図３を参照して説明する。図３は図１に示す傾斜計より構造膜１３２を除去した球殻部１００の外観を示す図である。図３Ａは、本例の傾斜計をＹ₁軸方向に沿って見た図であり、図２ＢはＺ₂軸方向に沿って見た図である。絶縁体膜１３０の外面には上述のように電路パターン１１１〜１１７及び１２１〜１２７が形成されている。電路パターンは図示のように、電極１０１〜１０６、１０７に接続された端子パターン１１１〜１１６、１１７とこれらの端子パターン１１１〜１１６、１１７より延在する配線パターン１２１〜１２６、１２７とを有する。
【００２０】
図３Ｂに示すように、これらの配線パターン１２１〜１２６、１２７の先端部は、球殻部１００の下側に集中化されている。配線パターン１２１〜１２６、１２７の先端部は、例えば、図示のように、同一円に沿って配置されている。配線パターン１２１〜１２６、１２７の先端部は、図１に示したようにバンプに接続される。
【００２１】
図４及び図５を参照して本例の傾斜計の動作を説明する。図示のように、空間に直交３軸、即ち、ｘｙｚ軸を設定する。図５に示すように、空間上の点Ｐは球極座標（ｒ，θ，ψ）によって表される。
【００２２】
【数１】
ｘ＝ｒｓｉｎθｃｏｓψ
ｙ＝ｒｓｉｎθｓｉｎψ
ｚ＝ｒｃｏｓθ
【００２３】
上述のように、球殻部１００に、直交３軸、即ち、Ｘ₁−Ｘ₂軸、Ｙ₁−Ｙ₂軸及Ｚ₁−Ｚ₂軸が設定されている。このうちの１軸、例えば、Ｚ₁−Ｚ₂軸を傾斜計の基準軸とする。垂直軸、即ち、ｚ軸に対する基準軸Ｚ₁−Ｚ₂の傾斜角θが、傾斜計及び被測定対象の傾斜角である。
【００２４】
本例によると、基準軸Ｚ₁−Ｚ₂の傾斜角θの他に、基準軸Ｚ₁−Ｚ₂の傾斜方向又は方位角ψが求められる。
【００２５】
球形質量部１０は、球殻部１００の内部にて自由に動くことができるが、傾斜計が静止すると、球殻部１００の内面の最下点にて静止する。図示のように、基準軸Ｚ₁−Ｚ₂が球殻部１００の内面と交差する点をＡ、Ｂとする。基準軸Ｚ₁−Ｚ₂の傾斜角θがゼロのとき、球形質量部１０は下側の交差点Ａにて球殻部１００と接し、上側の交差点Ｂにて球殻部１００と最大の間隙を形成する。
【００２６】
基準軸Ｚ₁−Ｚ₂が垂直軸、即ち、ｚ軸に対して傾斜すると、球形質量部１０が球殻部１００と接する点Ｚ_Dは下側の交差点Ａより偏奇する。球形質量部１０と球殻部１００の接点Ｚ_Dと下側の交差点Ａの間の偏奇量は傾斜角θに比例する。同様に、基準軸Ｚ₁−Ｚ₂が垂直軸、即ち、ｚ軸に対して傾斜すると、球形質量部１０と球殻部１００の間の間隙が最大となる点Ｚ_Uは上側の交差点Ｂより偏奇する。間隙が最大となる点Ｚ_Uと上側の交差点Ｂの間の偏奇量は傾斜角θに比例する。
【００２７】
従って、球殻部１００の内面上の球形質量部１０が球殻部１００と接する点、即ち、球形質量部１０と球殻部１００の間の間隙がゼロとなる点Ｚ_Dが求められれば傾斜角θが得られる。同様に、球殻部１００の内面上の球形質量部１０と球殻部１００の間の間隙が最大となる点Ｚ_Uが求められれば傾斜角θが得られる。間隙がゼロとなる点Ｚ_D又は間隙が最大となる点Ｚ_Uは、傾斜検出電極からの出力信号によって求められる。
【００２８】
図６を参照して説明する。図６は球形質量部１０と６個の傾斜検出電極１０１〜１０６をコンデンサ５０１〜５０６によって置き換えた等価回路を示す。球形質量部１０と電極は導電性材料より構成され、両者はコンデンサを形成する。尚、電極１０１〜１０６及び球形質量部１０の表面は適当な非導電体膜によって被膜されてよい。各コンデンサの静電容量は、コンデンサの間隔によって変化する。即ち、各コンデンサの静電容量は、そのコンデンサを構成する球形質量部１０と傾斜検出電極の間の距離によって変化する。
【００２９】
各コンデンサ５０１〜５０６の静電容量の変化は各コンデンサに印加する電圧Ｖx1、Ｖx2、Ｖy1、Ｖy2、Ｖz1、Ｖz2の変化量を検出することによって検出することができる。
【００３０】
コンデンサ５０１〜５０６の静電容量を測定することによって、球殻部１００の内面上の間隙がゼロとなる点Ｚ_D又は間隙が最大となる点Ｚ_Uが得られる。こうして、間隙がゼロとなる点Ｚ_D又は間隙が最大となる点Ｚ_Uが得られると、それより、基準軸Ｚ₁−Ｚ₂の傾斜角及び傾斜方向が求められる。
【００３１】
図７を参照して傾斜検出電極の形状の他の例を説明する。傾斜検出電極は、好ましくは、球殻部１００の球面状内面に点対称に形成される。傾斜検出電極の点対称的な配置は、例えば、正多面体を利用して形成される。球殻部１００の内面１００Ａに内接する正多面体を想定する。球殻部１００の中心Ｏに点光源を配置し、その光によって正多面体の各面の投影像を球殻部１００の内面１００Ａに投射する。こうして球殻部１００の球面状内面上に正多面体の各面に対応した電極形状が描かれる。図７には正１２面体及び正２０面体が描かれているが、他の正多面体も可能である。
【００３２】
図８を参照して傾斜電極の形状の更に他の例を示す。本例では、傾斜電極はメシュ状に形成されている。球殻部１００の内面に、図示のように多数の経度方向の分離線及び緯度方向の分離線によって互いに分割された多数の傾斜検出電極が形成されている。こうして多数のメッシュ状の電極を用いることによって、間隙がゼロとなる点Ｚ_D又は間隙が最大となる点Ｚ_Uが容易に得られる。
【００３３】
先ずメッシュ状電極の各々に番号を付与し、各電極の緯度及び経度を予め求める。メッシュ状電極の面積は十分小さく、各電極の緯度及び経度はその中心位置の緯度及び経度によって表される。即ち、球形質量部１０の接触点は、球形質量部１０が接触している電極の中心位置であると近似してよい。球形質量部１０が接触している電極の番号を検出することによって、その電極の緯度及び経度が求められる。こうして検出された電極の緯度及び経度は基準軸Ｚ₁−Ｚ₂の傾斜角及び傾斜方向を示す。
【００３４】
図９及び図１０を参照して本発明による傾斜計の他の例を説明する。図１０は図９の傾斜計の球形質量部１０と電極の等価回路を示す。電極の形状は特に図示されていないが、上述のいずれの電極の例が使用されてもよい。本例によると、互いに隣接する２つの電極によってスイッチ１６１〜１６４が構成される。隣接する電極の一方に直流電源１６０を接続し、隣接する電極の他方に電圧検出用の出力端子１５１、１５２、１５３、１５４を接続する。
【００３５】
球形質量部１０及び電極又はそれらの表面を導電体によって形成する。図９Ｂに示すように、球形質量部１０が最下端にある隣接する２つの電極に接触すると、その２つの電極は電気的に接続される。即ち、最下端にある隣接する２つの電極によって構成されるスイッチはオンとなる。
【００３６】
球形質量部１０が接触する電極は最下端の電極だけである。即ち、球形質量部１０によってオンとなるスイッチは１つだけであり、他のスイッチはオフとなっている。従って、オンとなっているスイッチを検出することによって最下端にある電極が知られる。最下端の電極が判れば、上述のように基準軸の傾斜角及び傾斜方向が検出される。
【００３７】
尚、球形質量部１０が最下端の２つの電極に接触している場合には、それに対応したスイッチがオンとなるが、球形質量部１０が最下端の１つの電極にのみ接触している場合には、オンとなるスイッチはない。しかしながら、この場合、傾斜計を僅かに動かし、球形質量部１０を、いずれかの互いに隣接する２つの電極に接触させることによって、そのスイッチがオンとなる。
【００３８】
以上本発明の実施例について詳細に説明したが、本発明は上述の実施例に限ることなく本発明の要旨を逸脱することなく他の種々の構成が採りうることは当業者にとって容易に理解されよう。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、球形質量部とその周囲に且つそれに近接して配置された電極からなる極めて小型の傾斜計を提供することができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の傾斜計の構造の例を示す図である。
【図２】本発明の傾斜計の電極の例を示すための説明図である。
【図３】本発明の傾斜計の電極及び配線パターンを示す説明図である。
【図４】本発明の傾斜計の動作を説明するための説明図である。
【図５】球極座標を説明する説明図である。
【図６】本発明の傾斜計の等価回路を示す図である。
【図７】本発明の傾斜計の電極の他の例を示す図である。
【図８】本発明の傾斜計の電極の更に他の例を示す図である。
【図９】本発明の傾斜計の更に他の例を示す図である。
【図１０】図９の傾斜計の電極の等価回路を示す図である。
【符号の説明】
１０…球形質量部、１１…間隙、１００…球殻部、１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６…電極パターン、１０７…シールド電極、１１１，１１２，１１３，１１４，１１５，１１６，１１７…端子パターン、１２１，１２２，１２３，１２４，１２５，１２６，１２７…配線パターン、１２９…バンプ、１３０…絶縁体膜、１３２…構造膜

Claims

球形質量部と、
球面状の内面の内側の空間に前記球形質量部を可動に配置し、基準軸線を有する球殻部と、
前記球殻部の球面状の内面に内接する６面以上の面を有する正多面体の各面に対応した位置であって、前記球殻部の球面状の内面に沿って配置された面状の複数の検出電極と、
前記複数の検出電極と絶縁されて、前記球殻部の球面状の内面に配置されたシールド電極と、
を有し、
前記複数の検出電極のそれぞれと前記シールド電極の間で静電容量を検出することにより、前記基準軸線の傾斜角を演算するように構成されている傾斜計。
前記球形質量部が、導電性材料により形成される請求項１記載の傾斜計。
前記球形質量部が、非導電体膜により被覆される請求項１又は２記載の傾斜計。