JPH0615964B2 - 二次元倒れ角センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、二次元的に傾動する支柱の変位方向と変位量
を同時に検出することが可能な二次元倒れ角センサに関
するものであり、さらに詳しくは、これまで、ひずみゲ
ージ、ダイアルゲージ、差動トランス等で測定していた
構造物の変位計測のみならず、力、加速度、速度、角速
度、角加速度等を検出する各種力学量センサとしても利
用でき、さらに、マンマシンインターフェースとしてジ
ョイスティック等に代わる指令入力部等としても用いる
ことが可能な二次元倒れ角センサに関するものである。

［従来の技術］ コンデンサを構成する対板間の対向面積を可変にし、あ
るいは上記対板間のギャップを可変にして、それらの変
化を変位等の測定に利用する技術は、従来から一般的に
知られている。

しかしながら、これらの測定はいずれも一軸方向の変位
量を測定するのが通例である。

一方、上記コンデンサや、一般的に変位測定に用いられ
ているひずみゲージ、差動トランス等を二次元方向変位
の同時計測に用いようとすると、それぞれの軸方向計測
のためのセットアップが必要で、構造が複雑化し、しか
も、それによって測定系の伝達特性が変化することもあ
る。

［発明が解決しようのする課題］ 本発明は、支持台上において二次元的に傾動可能な支柱
の上記支持台に対する傾動の方向と変位量を同時に検出
可能とし、しかも、それらの設置作業が簡便であるばか
りでなく、高精度に計測可能な静電容量変化を利用する
ことにより、小型化されたセンサで精度よく測定できる
ようにした二次元倒れ角センサを提供しようとするもの
である。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するための本発明の二次元倒れ角センサ
は、支持台上に二次元的に傾動可能な支柱を備え、上記
支持台上に、中立位置の支柱の軸線の周囲に回転面を形
成する電極板を設けると共に、支柱上に中立位置におい
て上記支持台上の電極板に平行する電極板を設けて、両
電極板を対面させ、これらの電極板の少なくとも一方
を、上記支柱の軸線のまわりにおいて数個の板片に分割
し、両電極板間にコンデンサを形成させて、それらの電
極板を静電容量検出回路に接続し、該静電容量検出回路
を、支柱の傾動時における上記数個の分割された板片の
うちの対向する板片あるいは相隣合う板片についての静
電容量の差動成分に基づいて支持台に対する支柱に二次
元的な傾斜の方向と変位量を計測するものとしたことを
特徴とするものである。

［作 用］ 支持台上に設けた二次元的に傾動可能な支柱が任意方向
に傾動すると、上記支持台と支柱に設けたコンデンサを
形成する電極板において、静電容量が変化する。従っ
て、数個に分割した電極板における対向する板片間ある
いは相隣合う板片間の静電容量の差動成分を計測するこ
とにより、支持台に対する支柱の二次元的な傾動の方向
と変位量を同時に計測することができる。この場合に、
高精度に計測可能な静電容量変化を利用しているので、
小型化されたセンサによって、精度よく測定でき、その
設置作業も簡便になる。

［実施例］ 第１図ないし第３図は本発明の実施例を示している。

第１図の二次元倒れ角センサは、支持台１上の支持突部
２の上端に、球面軸受３により支柱４を二次元的に傾動
可能に取付け、上記支持台１上に円板状の電極板５を固
定すると共に、支柱４の下端に上記電極板５にに対面す
る電極板６を取付けている。上記電極板６は、支柱４が
中立位置にある状態において支持台１上の電極板５に対
して平行に配設され、しかもこの電極板６は支柱４の軸
線のまわりにおいて４個の均等な板片6a〜6dに分割され
ている。

上記両電極板5,6は、これらの分割された板片6a〜6dに
より支柱回りに多数のコンデンサ群を形成するもので、
図示しない静電容量検出回路に接続し、数個の板片6a〜
6dにおける静電容量の差動成分に基づいて、支持台１に
対する支柱４の二次元的な傾動の方向と変位量を同時に
計測するように構成している。即ち、支柱４が任意の方
向に傾動すると、その傾動方向における球面軸受３の両
側で電極板5,6間のギャップの変化に伴い静電容量が一
様に増減するもので、それを差動静電容量として取出す
ことにより、支柱４の傾きを正確に検出することができ
る。

上記静電容量の差動成分は、対向する板片についての差
動成分、あるいは相隣合う板片についての差動成分とす
ることができる。また、上記両電極板5,6は、それらを
蛇腹や柔軟薄膜で遮蔽し、内部に誘導性液体を封入する
ことによって、静電容量変化量を大にし、感度向上を図
ると共に、その覆いの外表面を誘導性とし、静電遮蔽し
て測定精度の向上を図ることができる。

第２図に示す実施例は、支持台11上の支持突部12の上端
に、球面軸受13により支柱14を二次元的に傾動可能に取
付け、上記支持台11上における支持突部12の周囲に円筒
状の電極板15を固定すると共に、支柱14の下端に放射方
向の腕17を介して上記電極板15に対面する円筒状の電極
板16を取付けている。上記電極板16は、支柱14が中立位
置にある状態において支持台11上の電極板15に対して平
行になるように同心状に配設され、しかもこの電極板16
は支柱14の軸線のまわりにおいて４個の均等な板片16a
〜16dに分割されている。支持台11上の支持突部12の上
端に取付けた球面軸受13は、その回転中心を支柱14に取
付けた電極板16の上端部付近、あるいは下端部付近に位
置させる必要がある。

上記構成を有する倒れ角センサは、その電極板15,16を
静電容量検出回路に接続し、数個の板片16a〜16dにおけ
る静電容量の差動成分に基づいて、支柱14の二次元的な
傾動の方向と変位量を同時に計測することは、前述した
実施例の場合と同様である。なお、支持台１１上に取付
けた円筒状の電極板15により構成される容器の上部を可
撓性の遮蔽膜18により被覆し、その容器内に誘電性液体
を封入することにより、感度及び測定精度を一層高める
ことができる。

第３図に示す実施例は、支持台21上の支持突部22の上端
に、球面軸受23により支柱24を二次元的に傾動可能に取
付け、上記支持台21上における支持突部22の周囲に、球
面軸受23の回転中心に中心をもつ球状の電極板25を腕27
により固定すると共に、支柱24に上記球状の電極板25と
同心の球状の電極板26を取付けている。上記電極板26
は、支柱24が中立位置にある状態において支持台21上の
電極板25に対して平行になるように同心状に配設され、
しかもこの電極板26は支柱24の軸線のまわりにおいて４
個の均等な板片26a〜26d（一部図示省略）に分割されて
いる。

上記倒れ角センサは、その電極板25,26を静電容量検出
回路に接続し、数個の板片26a〜26dにおける静電容量の
差動成分に基づいて、支柱24の二次元的な傾動の方向と
変位量を同時に計測することは、前述した第１図及び第
２図の実施例の場合と同様であるが、この倒れ角センサ
はでは、支柱24の傾動に伴う電極板25,26の対向面積の
変化を静電容量の変化として検出している点で、支柱の
傾動に伴って生じる電極間の距離の変化を静電容量の変
化として検出している第１図及び第２図の場合とは相違
している。

上述した各実施例においては、支持台上に、中立位置の
支柱の軸線の周囲に回転面を形成する電極板を設けると
共に、支柱上に中立位置において上記支持台上の電極板
に平行する電極板を設け、後者の電極板を、上記支柱の
軸線のまわりにおいて数個の板片に分割しているが、支
持台に固定した電極板を数個に分割して、支柱に取付け
た電極板を非分割のものとすることもでき、また支持台
及び支柱に取付けた両電極板を数個に分割することもで
きる。

また、上述した倒れ角センサは、支柱−支持台系にあら
かじめ設計された二次元方向力−変位特性を持たせ、且
つ、検出感度も設計されたものとすることができ、しか
も単一素子で二次元方向についての計測を同時に行うこ
とができるので、センサの取付け作業が簡便化され、精
度、信頼度の大幅な改善が期待できる。

さらに、現在の静電容量計測技術が向上していることに
より、0.01pFオーダの静電容量変化に見合う程度にまで
小型微小化が行える。

次に、上記二次元倒れ角センサの利用の態様について説
明する。

上記二次元倒れ角センサは、基本的には、構造体の変
位、角変位置を接触方式で測定できるものであるが、そ
れのみならず、傾き角計、加速度計、角加速度計、さら
にはロボツト等の動作指令入力装置としても応用でき
る。

傾き角計や加速度計は、第４図に例示するように、支持
台41に対する支柱44の取付構造部43をスプリング要素と
し、支柱44の先端部に質量47を付加することにより構成
される。なお、同図中、45及び46は電極板を示してい
る。

角加速度計も同様のメカニズムを利用して得ることがで
き、また、変位−力校正を行うことにより、二次元力計
としても利用できる。

ロボット等の動作指令入力装置としては、この二次元倒
れ角センサをロボツトの一か所の二軸関節に対応させ、
第５図に示すように、複数の倒れ角センサ50，・・を多
段接続すると、それは容易にマスタマニピュレータとす
ることができる。即ち、倒れ角センサ50の支柱54を手で
傾けることにより、関節度の倒れ角とその方向を指定す
ると、その形状通りにスレーブマニピュレータが動くよ
うなマンマシンインターフェース部である。

［発明の効果］ 以上に詳述した本発明の二次元倒れ角センサによれば、
支持台上において二次元的に傾動可能な支柱の上記支持
台に対する傾動の方向と変位量を同時に検出することが
でき、しかも、それらの設置作業が簡便であるばかりで
なく、高精度に計測可能な静電容量変化を利用すること
により、小型化されたセンサで精度よく測定することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の二次元倒れ角センサの異な
る実施例を示す斜視図、第３図は同断面図、第４図及び
第５図はそれらの二次元倒れ角センサの利用の態様を説
明するための構成図である。 1,11,21,41……支持台、 3,13,23……球面軸受、 4,14,24,44,54……支柱、 5,6,15,16,25,26,45,46……電極板、 6a〜6d，16a〜16d，26a〜26d……板片。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】支持台上に二次元的に傾動可能な支柱を備
   え、上記支持台上に、中立位置の支柱の軸線の周囲に回
   転面を形成する電極板を設けると共に、支柱上に中立位
   置において上記支持台上の電極板に平行する電極板を設
   けて、両電極板を対面させ、これらの電極板の少なくと
   も一方を、上記支柱の軸線のまわりにおいて数個の板片
   に分割し、両電極板間にコンデンサを形成させて、それ
   らの電極板を静電容量検出回路に接続し、該静電容量検
   出回路を、支柱の傾動時における上記数個の分割された
   板片のうちの対向する板片あるいは相隣合う板片につい
   ての静電容量の差動成分に基づいて支持台に対する支柱
   の二次元的な傾斜の方向と変位量を計測するものとした
   ことを特徴とする二次元倒れ角センサ。