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発明の名称 傾斜センサ
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2001−153650(P2001−153650A)
公開日 平成13年6月8日(2001.6.8)
出願番号 特願平11−340299
出願日 平成11年11月30日(1999.11.30)
代理人 【識別番号】100066153
【弁理士】
【氏名又は名称】草野 卓 (外1名)
【テーマコード(参考)】
2F065
2F105
【Fターム(参考)】
2F065 AA39 BB16 CC00 DD00 FF01 FF15 FF65 JJ03 JJ26 KK01 MM04 PP13 QQ24 QQ25 UU05 
2F105 AA10 BB07 BB17 BB20 CC04 CD02 CD06
発明者 倉本 健次
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 加速度センサに入力される重力の大きさを検出して加速度センサの入力軸の重力方向に対する傾斜を測る傾斜センサにおいて、1軸の加速度センサを具備し、加速度センサの入力軸に垂直に設定された回転軸周りに加速度センサを回転振動させる回転振動印加装置を具備し、回転振動に同期した信号に基づいて加速度センサの回転軸周りの傾斜方向の極性を判定する極性判定装置を具備することを特徴とする傾斜センサ。
【請求項2】 請求項1に記載される傾斜センサにおいて、極性判定装置は、加速度センサの出力する加速度信号に回転振動に同期した信号であってその回転振動方向の極性を表わす参照信号を加速度信号に乗算する乗算器を有するものであることを特徴とする傾斜センサ。
【請求項3】 請求項2に記載される傾斜センサにおいて、回転振動印加装置は、加速度センサを載置した回転振動取り付け板に回転振動を生起する圧電素子を有する振動印加アクチュエータと、振動印加アクチュエータを駆動する振動印加駆動回路とにより構成され、振動印加駆動回路を乗算器に接続したことを特徴とする傾斜センサ。
【請求項4】 請求項1および請求項2の内の何れかに記載される傾斜センサにおいて、回転振動印加装置は加速度センサに接続してこれを操作する回転操作部より成り、回転操作部の回転振動を検出する回転検出器を具備し、回転検出器の検出信号を回転振動に同期した信号として乗算器に印加することを特徴とする傾斜センサ。
【請求項5】 請求項4に記載される傾斜センサにおいて、回転検出器はエンコーダ、ジャイロ、2軸加速度センサより選択された何れかであることを特徴とする傾斜センサ。
【請求項6】 請求項4に記載される傾斜センサにおいて、回転検出器は搭載カメラと、撮像画像信号を記憶する記憶装置と、画像移動方向逐次比較部と、比較結果に基づいて回転極性を検出する回転極性検出部より成ることを特徴とする傾斜センサ。
【請求項7】 請求項5および請求項6の内の何れかに記載される傾斜センサにおいて、回転操作部は加速度センサに接続して延伸するケーブルであることを特徴とする傾斜センサ。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、傾斜センサに関し、特に、1軸の加速度センサで0〜360°の角度範囲の傾斜角情報を得る傾斜センサに関する。
【0002】
【従来の技術】加速度センサを具備して物体の姿勢を測定する場合、通常は、物体に設定した直交3軸のそれぞれに加速度センサの入力軸を合わせて設置し、各加速度センサの受ける重力加速度成分の大きさに基づいて各軸の鉛直方向からの傾斜を計算して物体の姿勢を正確に測定することができる。ところで、水道管、或いは熱交換器の配管の如き細管の内部を検査する小型測定機器、人体の食道或いは腸管に挿通されてこれらの内部を検査する胃カメラの如き小型測定機器に傾斜センサを具備して小型測定機器の姿勢を認識、制御する場合がある。この種の小型測定機器は、その適用されるところが水道管の内部、熱交換器の細管の内部、或は人体の食道、腸管の如き小径のところであるので、これに対応して機器を構成するケースも小径で内容積も極く小さいものとされている。小径で内容積も極く小さいケースに上述した直交3軸のそれぞれに加速度センサを設置する余裕のない場合がある。
【0003】小型測定機器に直交3軸のそれぞれに対応して加速度センサを設置せずに、1軸方向のみに加速度センサを設置した傾斜センサにより小型測定機器の姿勢を認識することができる。ここで、傾斜センサの加速度センサと、センサの姿勢角とセンサ出力について図8を参照して説明する。図8(a)は小型測定機器が回転、傾斜したところを示す図であり、1は加速度センサであり、10は加速度センサ1を設置した小型測定機器を示す。加速度センサ1はその入力軸を小型測定機器10の鉛直方向軸に合わせて小型測定機器10に設置されている。ここで、小型測定機器10は、紙面内において60゜回転した姿勢角をとったところと、紙面内において300゜回転した姿勢角をとったところが示されている。
【0004】図8(b)は加速度センサの回転角度とセンサ出力の関係を示す図であり、加速度センサ1はその入力軸が重力方向軸に一致している時に最大センサ出力1gを出力する。図においては、1gを1に正規化して表示している。そして、センサ出力は、重力方向軸から測定した回転角度の余弦に比例して変化する。図8(b)において、○により包囲されているところは回転角度が60゜と300゜に対応するところであり、センサ出力が1/2に減少したところである。加速度センサ1は、その回転角度が60゜と300゜に対応するところにおいて同一のセンサ出力を発生している。即ち、小型測定機器10が回転してとる2通りの傾斜角60°および300°に対応して、加速度センサ1は同一のセンサ出力を発生する。これは、小型測定機器10の2通りの傾斜角、即ち、60°および300°の内の何れが小型測定機器10がとっている現実の傾斜角であるのか特定することができない。この場合の1軸傾斜センサは、通常、0〜180°以内の傾斜角を検出する傾斜センサとしてしか使用されていない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】この発明は、加速度センサを小型測定機器に1軸方向にしか収容取り付けることができない場合でも、0〜360°の傾斜角度範囲において小型測定機器の傾斜角を特定する上述の問題を解消した傾斜センサを提供するものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】請求項1:加速度センサ1に入力される重力の大きさを検出して加速度センサの入力軸の重力方向に対する傾斜を測る傾斜センサにおいて、1軸の加速度センサ1を具備し、加速度センサ1の入力軸に垂直に設定された回転軸周りに加速度センサ1を回転振動させる回転振動印加装置を具備し、回転振動に同期した信号に基づいて加速度センサ1の回転軸周りの傾斜方向の極性を判定する極性判定装置を具備する傾斜センサを構成した。
【0007】そして、請求項2:請求項1に記載される傾斜センサにおいて、極性判定装置は、加速度センサ1の出力する加速度信号に回転振動に同期した信号であってその回転振動方向の極性を表わす参照信号を加速度信号に乗算する乗算器4を有するものである傾斜センサを構成した。また、請求項3:請求項2に記載される傾斜センサにおいて、回転振動印加装置は、加速度センサ1を載置した回転振動取り付け板61に回転振動を生起する圧電素子62を有する振動印加アクチュエータ6と、振動印加アクチュエータ6を駆動する振動印加駆動回路5とにより構成され、振動印加駆動回路5を乗算器4に接続した傾斜センサを構成した。
【0008】更に、請求項4:請求項1および請求項2の内の何れかに記載される傾斜センサにおいて、回転振動印加装置は加速度センサ1に接続してこれを操作する回転操作部6’より成り、回転操作部6’の回転振動を検出する回転検出器5’を具備し、回転検出器5’の検出信号を回転振動に同期した信号として乗算器4に印加する傾斜センサを構成した。また、請求項5:請求項4に記載される傾斜センサにおいて、回転検出器5’はエンコーダ、ジャイロ、2軸加速度センサより選択された何れかである傾斜センサを構成した。
【0009】更に、請求項6:請求項4に記載される傾斜センサにおいて、回転検出器5’は搭載カメラと、撮像画像信号を記憶する記憶装置と、画像移動方向逐次比較部と、比較結果に基づいて回転極性を検出する回転極性検出部より成る傾斜センサを構成した。そして、請求項7:請求項5および請求項6の内の何れかに記載される傾斜センサにおいて、回転操作部6’は加速度センサ1に接続して延伸するケーブルである傾斜センサを構成した。
【0010】
【発明の実施の形態】この発明の実施の形態を図1および図2を参照して説明する。図1は傾斜センサの実施例を説明するブロック図、図2は1軸加速度センサにより0〜360°の角度範囲を判定する原理を説明する図である。図1において、1は傾斜センサに具備される1個の加速度センサを示す。加速度センサ1により検出された1軸方向の加速度信号は、増幅器2に入力して増幅され、増幅後の加速度信号は傾斜量算出器3および乗算器4に供給される。傾斜量算出器3は加速度センサ1により検出された加速度信号に基づいて加速度センサ1の傾斜量を算出する。加速度センサ1には、後で図示説明される説明される振動印加アクチュエータ6により或る回転角度範囲内の回転振動が印加される。振動印加駆動回路5の発生する交流の駆動信号は圧電素子を有する振動印加アクチュエータ6に印加され、これにより振動印加アクチュエータ6は或る回転角度範囲内で回転振動せしめられる。加速度センサ1は振動印加アクチュエータ6の回転取り付け板に載置結合され、振動印加アクチュエータ6の発生する回転振動を加速度センサ1に伝達する。これにより、加速度センサ1は振動印加アクチュエータ6の発生する回転振動周期で或る角度範囲内で回転振動している。振動印加駆動回路5の発生する交流の駆動信号は乗算器4にも供給される。乗算器4は増幅器2から入力される増幅後の加速度信号と振動印加駆動回路5から入力される交流の駆動信号とを乗算し、乗算結果を極性判定器7に入力する。極性判定器7は乗算器4の乗算結果を入力し、これを平均して加速度センサ1の傾斜角の極性を判定する。8は傾斜角度表示器である。傾斜角度表示器8は、傾斜量算出器3の算出した傾斜量、および極性判定器7の判定した極性を表示する。
【0011】加速度センサ1に対する回転振動の印加を図3を参照して説明する。図3(a)は静電容量型の加速度センサ1を電極間隔を誇張して概念的に説明する図である。この加速度センサ1は、上部電極11、下部電極12、振子を構成する中央電極13より成る。中央電極13はヒンジ131を介して支持部132に結合している。この加速度センサ1は、実際は、支持部132の上面に上部電極11の左辺下面が電気的に絶縁して接合され、支持部132の下面に下部電極12の左辺上面が電気的に絶縁して接合されて三者一体に接合される。この場合、中央電極13と上部電極11および下部電極12の間には当然間隙が形成される。図3(b)を参照するに、これは、図3(b)は加速度の印加による中央電極13の変位に対応する加速度センサ1の静電容量電圧変換を説明する図である。発振器50の発振出力は中央電極13と上部電極11および下部電極12の間に印加され、中央電極13の変位に対応する整流出力がアンプ51、ダイオード52を介してそれぞれ取り出される。これら両出力は演算増幅器53の反転入力および非反転入力に印加され、中央電極13の変位に対応する直流電圧出力が加算出力される。
【0012】図4を参照するに、これは図3により図示説明された加速度センサ1を振動印加アクチュエータに取り付けるところを説明する図である。図4(a)は加速度センサ1を振動印加アクチュエータに取り付けたところを上から視た図であり、図4(b)は図4(a)の長辺を横から視た図であり、図4(c)は図4(a)の短辺を横から視た図であり、図4(d)は回転振動取り付け板を説明する図であり、図4(e)は振動印加アクチュエータの回転振動を説明する図である。
【0013】図4(d)を参照するに、回転振動取り付け板61は、対向する両短辺に沿って一方の隅部の短辺から他方の隅部に到る外側と連通する切り欠き610を形成する。これにより回転振動取り付け板61の短辺に固定部611が形成されると共に、固定部611に連続して長辺にヒンジ部612が形成される。そして、対向する他方の長辺にはヒンジ部612に対応して自由端部613が形成される。この回転振動取り付け板61の中央部には先の静電容量型の加速度センサ1が接合固定される。細長片より成る振動板63には、同様に細長片より成る圧電素子62が接合固定され、バイメタルと同様の動作をする振動板63が構成される。圧電素子62が接合固定された振動板63は、圧電素子62は電圧を印加することにより圧電素子62の長さ方向に伸縮運動する。ここで、この振動板63は、一方の端部を固定すると、圧電素子62が長さ方向に伸縮運動することにより、他方の端部は固定端部支点として回転振動するに到る。振動板63は、一方の端部を支柱64を介して固定部611の内のヒンジ部612の近傍に固定される。そして、振動板63の他方の端部はヒンジ部612と対向する自由端部613に支柱64を介して接合固定されている。
【0014】図4(e)を参照するに、圧電素子62に発振電圧が印加されると、振動板63はバイメタル動作し、回転振動取り付け板61の自由端部613は支柱64を介して振動板63の他方の端部により回転振動せしめられる。小型測定機器10に設置された加速度センサ1は1gの傾斜角の余弦に比例した平均出力を発生する。加速度センサ1は振動印加アクチュエータ6に取り付けられて、加速度センサ1の回転傾斜方向に回転振動しているので、加速度センサ1の傾斜角自体回転振動している。これを図2を参照してみるに、加速度センサ1の短時間の出力変化は、増加、減少の矢印の如く僅かに変動している。この変動は、例えば、○印内の傾斜角60°の近傍においては、加速度センサ1が回転振動で右回りに回転したときの出力は、平均値より僅かに減少し、左回りに回転したときは平均値より僅かに増加する。これとは逆に、○印内の傾斜角300°の近傍においては、加速度センサ1が回転振動で右回りに回転したときの出力は平均値より僅かに増加し、左回りに回転したときは平均値より僅かに減少する。
【0015】そこで、乗算器4を使用し、加速度センサ1により検出されて増幅器2を介して入力される加速度信号を、振動印加駆動回路5から供給される駆動信号の極性によりスイッチング、即ち、同期検波し、結果を極性判定器7に入力して平均化する。図2を参照するに、この平均化により、傾斜角60°においては負の加速度信号となる極性判定の直流信号が得られ、傾斜角300°においては正の加速度信号となる極性判定の直流信号が得られる。以下、この同期検波による極性判定を図5を参照して説明する。
【0016】図5は傾斜角300°近傍における動作を説明する図である。この場合の同期検波を構成する加速度センサの出力と極性を表す信号も乗算と平均化により得られる直流信号の極性が求める加速度センサの傾斜の極性となる。傾斜角300°の近傍においては、加速度センサの傾斜の極性はプラスである。同期検波はデジタル的にも処理することができる。即ち、デジタル的に処理する場合、印加する回転振動に同期したタイミングで加速度センサ出力をサンプリングし、交番にサンプリングされるデータをホールドして直接その大小を比較しても極性を判定することができる。
【0017】傾斜の大きさについては、加速度センサ1の出力θをθ=cos-1(出力)で0<θ<180°の範囲で求ることができる。但し、180°<θ<360°の範囲でも同じ出力となるので、表示器に双方の範囲を表示しておき、極性判定信号で何れかを選択する。これにより1個のみ加速度センサ1を使用して360°の角度範囲、或は−180°ないし+180°の角度範囲の傾斜角表示をすることができる。
【0018】図1において、傾斜量算出器3、乗算器4、極性判定器7、傾斜角度表示器8として、独立した個別の回路、表示器表を使用して傾斜センサを構成することもできるが、増幅器2および振動印加駆動回路5から供給される信号を全て演算処理装置CPUに読み込んで、ソフトウエアにより処理することもできる。図1においては、また、加速度センサ1に回転振動を印加するに振動印加アクチュエータ6を使用しているが、細管内部を検査する小型測定機器10は、一般に、細管外部から送り込まれるケーブルが一体にしている。この場合、小型測定機器10をケーブルを介して操作している時に生ずるケーブルの回転が加速度センサ1を具備する小型測定機器10の回転と同期している。この場合、加速度センサ1の回転振動に振動印加アクチュエータ6を特に使用することなく、小型測定機器10をケーブルを介して操作する場合のケーブルの回転を振動印加アクチュエータ6による回転の代わりに代用する。これを図6を参照して説明するに、小型測定機器10を操作する場所は、普通、各種の機器を位置決め設置する余地がない程寸法制限のあることはないので、ロータリーエンコーダ、ジャイロ、2軸加速度センサその他の回転極性を検出する装置を形状寸法の如何に関わらずに回転検出部5’として設置する。そして、ケーブルを介して実施する小型測定機器10の操作を回転操作部6’として取り扱い、この回転操作部6’による回転を回転検出部5’により検出し、検出結果を演算処理装置CPUに読み込んでソフトウエアで処理することにより、振動印加アクチュエータ6を使用した場合と同様な作用、効果を奏することができる。回転操作部6’による回転振動は不規則、非連続的であるが、これを極性を表す信号として充分に使用することができる。
【0019】図7を参照するに、小型測定機器10が胃カメラの如くカメラを搭載している場合、回転検出部5’の回転極性を検出する装置としてこの搭載カメラを使用する。即ち、回転操作部6’によるカメラの回転に対応する撮像画像信号を処理して回転を検出する。搭載カメラから出力される或る瞬間の画像信号を記憶装置に記憶し、この画像が何れの方向へ回転したかを次の瞬間の画像と比較し、比較結果により回転極性信号を得ることができる。
【0020】
【発明の効果】以上の通りであって、この発明によれば、1軸の加速度センサに回転方向の機械的変調を加え、得られた傾斜測定データを回転方向の極性で同期検波することにより、通常は1軸の速度センサのみでは得られない角度範囲の傾斜角情報を得ることができる。即ち、形状寸法に制限があり、加速度センサを1個しか収容取り付けることがきない場合でも、0〜360°の角度範囲の傾斜角情報を得ることができる。




 

 


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