JPH04110608A - 傾斜計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はｆｑ４斜計に関し、特に拡散型力覚センサーを
使用した傾斜計に関する。

（従来の技術とその課題） 従来より知られた傾斜計は、傾斜角センサーとして差動
トランス型、ポテンショメーター型、トルクバランス型
、静電容量型（液面の傾斜角を検出）等があるが、何れ
も振子や流体の変動等の可動部があり、応答性は０．３
〜０．５秒程度である。

又、この可動部のために故障発生の可能性も高い。

本発明は上述の問題を解決して、可動部がなく、然も応
答性の速い傾斜計を提供することを課題とする。

（課題を達成するための手段） 上述の課題を達成するために、拡散歪ゲージを形成した
シリコン単結晶板を起歪体１１上に接合してなる拡散型
力覚センサー１０の検出アーム１３の先端に分銅５．５
ａを螺合した検出ブロック２と、前記分銅５．５ａに働
く重力によって生じた前記拡散型力覚センサー１０の出
力を各ベクトル成分からなる極座標に変換して傾斜角θ
２と傾斜方向角θ１を立体的に算出する出力処理装置３
とからなるものである。

なお、前記検出ブロック２は容器４内に充満した液体６
内に固定されているものがある。

（作用） 上述のように、重力による下向きの力は力覚センサーの
傾斜により、横方向の分力が発生し、この分力により出
力処理回路が極座標又は直交座標により１頃きを算出し
て表示器に表示する。

（実施例） 第１図は本発明の傾斜計に使用する検出ブロックの一例
の断面図、第２図は同じ（他の例の断面図、第３図は力
覚センサーの断面図である。

先ず、本発明に使用する拡散型力覚センサーについて、
その概要を説明する。従来より知られている力覚センサ
ーは三次元構造に加工された起歪体にストレインゲージ
を貼付したものであるが、大きさや感度、更に価格の面
で充分ではない。

これを改良したものとして、シリコン単結晶板に機械的
外力を加えると結晶格子に歪みを注し、半導体中のキャ
リア数や移動度が変化して抵抗率が変わる現象、即ちピ
エゾ抵抗効果を利用して起歪体の歪みを抵抗の変化に変
換し、ブリッジ回路によって起歪体に加わる力を電気信
号に変換するものである。

拡散型力覚センサー（以下単に力覚センサーという）　
１０の起歪体１１は第３図に示すように環状のダイアフ
ラム１２が形成され、ダイアフラム１２のエツジ部１２
ａ　、　１２ｂの上方にゲージ抵抗１４−１〜１４−４
が形成されている。このゲージ抵抗１４−１〜１４−４
は第３図に示すように、起歪体１１の一つの直径上の一
端側から他端側に１４−１．１４−２．１４−３．１４
−４の順に配置されており、この順序はＸ軸周、Ｙ軸用
、Ｚ軸周とも同じである。又、このダイアフラム１２の
中心からダイアフラム面に垂直に検出アーム１３が延伸
している。ダイアフラム１２の中心点１２ｃはダイアフ
ラム１２が微小変形する時の検出アーム１３の傾斜の中
心点Ａである。

この起歪体１１にＸ軸又はＹ軸方向のモーメントが働い
た時、又はＺ軸方向の力（押力、又は張力）が働いた時
の変形シミュレーションを第４図、第５図に示す。

上述のブリッジ回路は第６．７．８図に示すもので、こ
の各ブリッジ回路を構成している各辺の抵抗Ｒｘｌ〜Ｒ
ｘ４、Ｒ１／＋〜Ｒｙ４、Ｒｚ１〜Ｒｚ４が外力を受け
た時に第１表に示す変化を起こす。この変化により、Ｘ
軸モーメント（Ｍｘ）、ＹＭモーメント（Ｍ！／）、Ｚ
軸押張力（Ｆｚ）を検出することが出来る。

以上のように構成された３軸以上の軸数を有する力覚セ
ンサー１０を使用した傾斜計について説明する。

第９図は３次元力覚センサーを応用した傾斜計の構成図
で、検出ブロック２と、この検出ブロック２の検出々力
から各ベクトル成分を極座標又は直交座標にて傾斜角を
立体的に算出する出力処理装置３よりなる。

第９図（イ）の場合は、検出ブロック２は被測定物１に
固定されている容器４内に固定されており、この容器４
の内部には液体６が満たしである。

この容器４には温度変化による液体６の膨張により内圧
が変化しないように同図（ロ）に示すような内圧調整手
段として、壁面の一部に孔４ａを穿設してあり、この孔
４ａにゴムシート４ｂを貼付することで内圧の変化をゴ
ムシー）４ｂの凸状又は凹状の変形により吸収して内圧
を一定に保持している。

なお、内部に液体を充填しない場合には、気体の膨張又
は収縮のために小孔５ｃを穿設して内圧の変動を防止し
ている。

第１表 第１図は第９図に使用している検出ブロック２の断面図
である。この力覚センサー１０Ｑこは各ケージ抵抗を保
護するためのカバー１５が上面に設けられている。検出
アーム１３の先端にはネジ孔が穿設されており、皿形の
分銅５がネジ止めされている。

この分銅５はその重心点Ｐと力覚センサー１０の前記中
心点Ａとの距ＭＬを小さくするために円板状の周辺部を
上側に起立させた皿形に成形しである。

第２図に示すものは、上記の距離りを大きくするために
円柱形の分１５ａとしたもので、この円柱の上面に上記
ネジ孔と螺合する雄ねじが形成されて、検出アーム１３
の先端に頓着されている。

出力処理装置３は処理回路３ａ、表示器３ｂ及び電源３
ｃよりなる。

次に上述の傾斜計の動作について説明する。

先ず、傾斜していない場合は分銅５．５ａによる重力の
方向は検出アーム１３の延長方向であるので、力覚セン
サー１０の検出々力はＦｚのみであり、第１０図に示す
極座標による分力の説明図に示すＦ×、Ｆｙは発生せず
、Ｆ＝Ｆｚであるので、極座標ではθ２＝○で、　表示
器３ｂの表示は　　θ１＝Ｏ１θ２＝０であり、第１１
図に示す直交座標ではφ×＝ψｙ＝０である。

被測定物ｌが傾斜すると、同じ角度だけ力覚センサー１
０も傾斜し、分銅５．５ａによる重力方向の傾斜角は第
１０図に示すようにθ２となる。この結果、検出アーム
１３は分銅の重心点Ｐでは力Ｆで０２方向く鉛直下向き
）に引っ張られ、第１０図、第１１図に示すように直交
座標においてのヘクトル成分Ｆｘ、　Ｆｙ、　Ｆｚに分
解され、ダイアフラム１２の中心点Ａ　（１２ｃ）では
次式■、■によるＸ軸モーメント、Ｙ軸モーメントが発
生する。

？１ｘ＝ＬＦＸ・・・■　　　ｍｙ＝ｔ、ｐｙ　　−−
−■ここで力Ｆの方向を極座標θ１、θ２で表すとθ工
＝　ｔａｎ−’　（Ｆｙ／Ｆｘ）　＝　ｔａｎ−’　（
Ｍｙ／Ｍｘ）　・・・■θ２　　＝ｊａｎ−’（ｖ’Ｆ
ｘτコア璽／Ｆｚ）−ｔａｎ−’（ｖ’Ｍｘ　＋Ｍｙ’
璽／ＬＦｚ）・・・■又、直交座標で表すと ψｘ　　＝　ｔａｎ−’Ｆｘ／Ｆｚ　＝　ｔａｎ−’Ｍ
ｘ／ＬＦｚ　　・・・■φｙ　　＝ｔａｎ−’Ｆｙ／Ｆ
ｚ＝ｊａｎ−’Ｍｙ／ＬＦｚ　　・＋　　Ｈ■となり、
力覚センサー１０の検出するＭｘ、　Ｍｙ、　Ｆｚによ
り出力処理装置３の処理回路３ａは極座標の場合は上述
の■、■式により傾斜角θ２と傾斜方向角θユを算出し
、直交座標の場合はφＸとφｙを算出し、表示器３ｂで
表示する。

第２図の場合は上記Ａ点とＰ点間の距離りを長くしたも
ので、動作原理は全く同じである。このＬが短い場合（
第１図）はＭｘ、　Ｍｙ、　Ｆｚの感度を揃え、全方位
の計測に好都合である。又、長い場合（第２図）はＦｚ
よりもＭｘ、　Ｍｙの感度を高くすることが出来るので
、傾斜計の用途や使用目的に合ったＬの長さに選択する
ことが可能である。

（発明の効果） 上述のように可動部分がないため、応答性が従来のもの
の０．３〜０．５ｓｅｃに比べて数ｍ５ｅｃと格段に速
い。

又、このために信頼性が高く、破損の心配がなく、耐衝
撃性に優れている。

更に、検出ブロックを液体中に固定した場合は、液体が
ダンパーとして作用するので、振動状態の被測定物の場
合に安定した測定値を得ることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は検出ブロックの断面図、第３図は起歪
体断面図、第４図はＸ　（Ｙ）軸方向の変形シミュレー
ション図、第５図はＺ軸方向の押力（張力）の変形シミ
ュレーション図、第６図はＸ軸周ブリッジ回路図、第７
図はＹ軸周ブリッジ回路図、第８図はＺ軸周ブリッジ回
路図、第９図は３次元力覚センサーを応用した傾斜計の
構成図で、（イ）は検出ブロックが容器内に固定された
状態図、（ロ）は容器壁の内圧調整手段の構成図、第１
０図は力Ｆを極座標に分解する場合の説明図、第１１図
は同じく直交座標に分解する場合の説明図である。 ２：検出ブロック、　３；出力処理装置、　４：容器、
　５．５ａ：分銅、　１０：力覚センサー１３：検出ア
ーム、　θ１　：傾斜方向角、　θ２　：傾斜角、 １１：起歪体。 ＄１山 箋２０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）拡散歪ゲージを形成したシリコン単結晶板を起歪体
   上に接合してなる拡散型力覚センサーの検出アームの先
   端に分銅を螺合した検出ブロックと、前記分銅に働く重
   力によって生じた前記拡散型力覚センサーの出力を演算
   により、傾斜角及び傾斜方向角で表す極座標、或いは直
   交する２方向のそれぞれの傾きで表す直交座標によって
   傾斜を立体的に算出する出力処理装置とからなることを
   特徴とする傾斜計。 ２）前記検出ブロックは容器内に充満した液体内に固定
   されていることを特徴とする第１項記載の傾斜計。