JPH09501498A - 傾斜計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ２軸傾斜センサー即ち傾斜計(10)は、不活性流体(20)中に浮かび、非対称のウェィト分布を生成するマグネット(42)を含む球形の基準素子(18)を用いる。非対称のウェイト分布が球形基準素子の重力に対する配向を一定に維持し、他方、ハウジング(12)に対する球形基準素子上のマグネットの位置が、ハウジングにマウントされたホール効果センサー(22)の対向対によって検出される。センサーの対向対からの出力が差動増幅器回路(80)によって処理され、その軸についての傾斜計の傾斜に対応する信号が求められる。

Description

【発明の詳細な説明】 傾斜計 技術分野 この発明は傾斜センサー及び特に低コストの電子的傾斜計に関する。 発明の背景 傾斜センサーは基準に対する角変位を測定するために用いられる装置である。 傾斜センサーは、工業及び輸送の分野の広い範囲で傾斜及び加速度の測定のため に利用される。傾斜センサーは比較的複雑で高価のため、通常低コストの消費者 向け商品に用いられるものではない。 水平基準に対する傾斜角即ち角変位を検出するために用いられる傾斜センサー は、傾斜計として知られている。基準は通常地球の引力又は高速回転する機構の 角運動量ベクトルによって供給される。傾斜計は、通常、傾斜が測定される装置 の一片に固着される固定素子、基準に対して一定の配向を維持する基準素子、固 定素子と基準素子との間の角変位を測定するセンサー、及び、各素子間に相対的 な回転が可能なように基準素子を保持する懸架システムを具える。 傾斜計の普通の型の１つはジャイロスコープ傾斜計であり、高速回転する機械 部分の角運動量ベクトルによって基準配向を得ている。ジャイロスコープ傾斜計 は、回転部分のための機械的に複雑な懸架装置を必要とし、従って高価である。 基準配向を維持するために重力を用いる傾斜計は、通常、支持装置を含む懸架シ ステムを用い、これは固定素子の配向が変わっても基準素子が下方を指し続ける ようになっている。複数の軸について回転できる支持装置を用いた懸架システム はやはり複雑で高価である。 装置に対して固定された素子と基準素子との間の角変位は種々の方法で検出さ れる。例えば、光学的傾斜計においては、通常は固定素子から発した光のビーム が基準素子で反射される。基準素子は例えば反射面を有する振り子であってもよ い。反射した光ビームの変化した方向を求めるために光検出器を用いれば、固定 素子と基準素子との間の角変位が求められる。このような傾斜計は比較的複雑で あり、光源及び多重光検出器を必要とする。 容量傾斜計は通常固定素子の部分として導電性の板を用いる。基準素子は固定 素子の板の間に位置する。板に対する基準素子の角変位の変化は板の間の空間の 誘電定数即ち容量を変化させる。容量の変化が検出され、対応する傾斜角に変換 される。 例えば、導電性の板の間に部分的に懸架された振り子が板の間の空間に入った り出たりするように、板間の容量が変化する。同様に、板の間の空間を部分的に 流体で満たした場合は、板の間の流体で満たされた領域の変化に従って容量が変 化する。他の容量傾斜計は、４つの導電性の板の間に磁気的に浮上している球を 用いる。この装置の名が示すように、浮上している球の平衡位置が４つの板に対 する関係によって変化し、これが対向する板によって形成されるコンデンサの容 量を変化させる。容量を利用するセンサーは、通常、容量の変化を対応する傾斜 角の変化に変換するための比較的複雑な回路、及び基準素子を板に接触せずに板 間に保持する比較的複雑な機械的懸架システムを必要とする。 感知技術及び固定素子中に基準素子を懸架する方法がこのように複雑なため、 傾斜計はコストの面から工業的な応用が限られる。このような傾斜計は複雑で高 価のため、消費者向け商品に用いるための大量生産を行うことができない。 本発明の要約 本発明の目的は、従って、消費者向け商品のための傾斜計に適した低コストの 傾斜センサーを提供することである。 本発明は、経済的に大量生産ができ、従って、低コストの消費者向け商品のた めの傾斜計に用いるに適した低コストの傾斜センサーに関する。本発明は、基準 素子のための改良された浮遊又は保持、及び、傾斜センサーの基準素子と固定素 子との間の角変位を感知するための改良されたセンサーを提供する。基準素子の ための改良された浮遊は、少なくとも基準素子の比重に等しい比重を持つ不活性 流体を封入したキャビティ中に基準素子を浮遊させる。１つの好ましい実施例に おいては、不活性流体は基準素子の比重と同一の比重を持ち、これにより基準素 子が中性浮力即ち「無重力」状態で浮遊できるようにする。この浮遊により、複 雑な機械的支持懸架装置を使用せずに、基準素子が基準配向を保ち又は基準配向 に戻ることができるようになる。 代替案では、キャビティに、キャビティが完全に満たされるより少ない量の、 基準素子の比重より大きい比重を持つ不活性流体が注入される。キャビティの流 体のレベルは、基準素子がキャビティ中で固定素子に対して正しい位置に保持さ れるように調整される。他の代替案では、キャビティが、基準素子の比重より大 きい比重を有する流体と、基準素子の比重より小さい比重を有する流体との、２ つの混じり合わない流体で満たされる。流体の界面レベルは、基準素子が固定素 子に対して正しい位置に保持されるレベルとする。 本発明の好ましいセンサーにおいては、基準素子上に配置されたマグネット及 び固定素子上に配置された対向する一対のホール効果センサーが用いられる。基 準素子と固定素子との間の角度が変化すると、各ホール効果センサーを通る磁場 が変化し、センサーの出力が変化する。２つの対向するセンサーの出力が平衡差 動増幅器で結合され、傾斜角度に対応する電気信号が生成される。 本発明の傾斜センサーを用いる好ましい傾斜計は、キャビティを画定する壁を 有するハウジングを具える。非対称的なウェイト分布を持つ球形の基準素子が、 回転可能なようにキャビティの不活性流体中に浮遊している。基準素子が、少な くとも基準素子の比重に等しい比重を持つ不活性流体中に保持されるか、又は、 基準素子が、基準素子の比重より大きい比重を有する流体と、基準素子の比重よ り小さい比重を有する流体との２つの不活性流体間の界面に浮遊することができ る。 素子の非対称のウェイト分布に対する重力又は加速度の効果により、球形の基 準素子は、ハウジングの配向の変化に無関係に重力又は加速度の方向に対して好 ましい配向を維持する。ハウジングと基準素子との間の角変位又は配向の差即ち 傾斜が感知され、ハウジングの傾斜又は傾斜センサーの加速度が表示される。 基準素子と固定素子との間の配向の差は、種々の方法で感知される。好ましい 実施例においては、配向の差が、基準素子上にマウントされたマグネットによっ て生成される磁場に応答する線形ホール効果センサーを用いて検出される。容量 を用いる方法又は光学的な方法のような他の感知方法も利用できる。容量を用い る方法では、一般的に基準素子が非対称の誘電特性を持つことが必要である。ハ ウジングに対する基準素子の配向が変化すると、ハウジングの基準素子の両側に 固定された一対の板の間の容量の変化が検出される。容量を用いる方法及びホー ル効果を用いる方法では、共にハウジング上のセンサーによって検出され得る非 対称の電磁気特性を示す基準素子が用いられる。ホール効果センサーによって感 知される磁場を発生するマグネットのウェイトは、基準素子中での非対称のウェ イト分布を生成するためにも利用される。 本発明の低コスト傾斜計は、例えば自動車及び重機械の傾斜角度の測定のよう な通常の用途に用いることができる。低コストは、例えばヴァーチャルリアリテ ィーシステムのコンピュータ指示装置又は本体位置表示装置のような、広い範囲 の新しい用途に用いることを可能にする。本発明の他の目的及び利点は対応する 図面を用いて行われる以下の好ましい実施例の詳細な説明から明らかになる。 図面の簡単な説明 図１は、本発明の傾斜計の、中心を通る水平面に沿った断面図、 図２は、図１の傾斜計におけるハウジング内のセンサーの配置を示す、中心を 通る垂直面に沿った断面図、 図３は、球形キャビティを持ち且つ基準素子の比重より大きい比重を持つ流体 を用いる本発明の傾斜計の、基準素子と２つのセンサーの中心を通る垂直面に沿 った断面図、 図４は、球形キャビティが基準素子の比重より大きい比重を有する流体と基準 素子の比重より小さい比重を有する流体との２つの流体を含む以外は、図３と同 様の断面図、 図５は、図１の傾斜計のハウジング部分と底板とを示す斜視図、 図６Ａ及び６Ｂは、対向するセンサー対からの出力を組合せて傾斜計の傾斜を 表す信号を生成する２つの平衡差動増幅器回路を示す回路図である。 好ましい実施例の詳細な説明 図１は、本発明の好ましい傾斜計10を示す。傾斜計10は、閉じたキャビティ16 を画定する壁14を有するハウジング12を具える。非対称のウェイト分布及び電磁 気特性を持つ基準素子18が、不活性流体20に保持されてキャビティ16中に配置さ れる。センサー22N,22E,22S及び22Wが、ハウジング12に９０°の間隔を置いて キャビティ16の周囲に固定され、ハウジング12に対する基準素子18の配向の変化 を検出する。図２は、好ましい傾斜計10のキャビティ16における周囲のセンサー 22N,22E及び22Wの配置を示す断面図である。 基準素子18は球形でキャビティ16内で自由に回転できることが望ましく、この ようにすれば、傾斜計10が２つの軸に沿って傾斜を検出することができる。基準 素子18は他の形をとることもできる。例えば、１つの軸の回りの傾斜を感知する ための実施例では、基準素子18は円筒であってもよい。 好ましい基準素子18はポリプロピレンのような材料からなる中空の球であり、 直径40は３／８インチ（０．９５ｃｍ）である。例えばテキサス州フォートワー スのタンディ社ラジオシャックディビジョンの型式番号64-1895のような小さい マグネット42が、ポリプロピレン球の内壁44にマウントされる。マグネット42の ウェイトは、基準素子18に非対称即ち偏芯ウェイト分布を与える。従って、基準 素子18は、キャビティ16の中で、基準素子18の中心からマグネット42に向いてい る矢印46が重力方向即ち下方に向くように回転しようとする。 マグネット42は一般的に基準素子18に非対称電磁気特性を与える。非対称電磁 気特性は、基準素子18が異なる誘電特性、導電特性又は磁化特性を示す領域を持 つことによっても生成される。種々の非対称電磁気特性を検出するために種々の 型のセンサー22が用いられる。 傾斜計10が加速されると、マグネット42の慣性により、基準素子18のマグネッ ト42が付着した部分もまた加速度の方向から逸れて回転しようとする。従って傾 斜計10はまた加速度計としても用いられる。従って矢印46の方向は、重力と加速 度との両者によって定まる。 基準素子18が３次元で自由に回転できるようにするため、基準素子18はキャビ ティ16中に不活性流体20で保持される。流体20の比重は少なくとも基準素子18の 比重に等しく、基準素子18がキャビティ16中で流体20に浮くようにされ、これに より、摩擦を少なくし、基準素子18を機械的に支持することを不要にする。流体 20の比重が基準素子18の比重に等しいと、基準素子18はキャビティ16中に中性浮 力で浮遊する。図３は、流体20の比重が基準素子18の比重より大きい実施例を示 す。この実施例においては、キャビティ16中の流体20のレベル54は、基準素子18 がキャビティ16中でキャビティ16の頂部と底部との中間に浮かび、センサー22N, 22E,22S及び22Wに対して垂直方向のほぼ中心にあるように設定される。キャビテ ィ16の流体20で満たされない部分の容積は、空間56を構成し、これは空気又は不 活性気体で満たされる。 図４は、基準素子18が、２つの不活性流体、即ち基準素子18の比重より大きい 比重を持つ第１の流体58と基準素子18の比重より小さい比重を持つ第２の流体60 との界面に浮遊する他の実施例を示す。基準素子18は流体58と60との界面に部分 的にそれぞれの中に浮かぶ。流体58と60との相対的な体積は、基準素子18がキャ ビティ16中でキャビティ16の頂部と底部との中間に浮かび、センサー22N,22E,22 S及び22Wに対して垂直方向のほぼ中心にあるようにされる。 流体20の粘性は、基準素子18が受容できる時間内に配向の変化に応答でき、他 方で過度の運動を防ぎ、基準素子18をハウジング12に強く接触して生ずる機械的 な衝撃から保護するために充分な粘性力が残っているようにされる。好ましい１ つの実施例では、流体20は、例えばカリフォルニア州カーピンテリアのマクガン ニュシル社のシリコン流体9040のような比重０．９８のシリコン流体からなる。 基準素子18は、キャビティ16中に機械的な支持又は他の懸架方法によって懸架さ れてもよい。 図５はアクリル材料のブロックから加工した好ましいハウジング12を示し、複 数のセンサー22（図１及び２）をマウントするための複数の切り込み62を含む。 ２つの軸に沿って傾斜を測定するための典型的な実行例においては、４つのセン サー22N,22E,22S及び22Wがハウジング12の周囲に９０°の間隔で切り込み62中に マウントされる。センサー22N及び22S及びセンサー22E及び22Wが対向センサーの 対を構成し、それぞれ北−南及び東−西軸の回りの傾斜を感知する。センサー22 は、好ましくは、例えばマサチューセッツ州ワーセスターのアレグロマイクロシ ステムズ社の型式番号UGN3503のような線形ホール効果センサーである。センサ ー22は、他の方法例えば図３及び４に示されるようにハウジング12の中の壁14の 後ろの部分に埋め込むことによって、ハウジング12に固定されてもよい。基準素 子18が内部に収められた後、第１及び第２の底板66（１つが図示されている）に よりハウジング12が封止される。ハウジング12は、第２の底板66が固定さ れる前又は第２の底板66が固定された後で塞ぐことができる注入孔（図示されて いない）を通して、流体20が注入される。図３及び４に示される球形キャビティ 16を用いる実施例のようないくつかの実施例においては底板66は不要である。 センサー22の対向する対の出力が平衡差動増幅器によって電気的に結合され、 ハウジング12に対して特定の軸に沿って生ずる基準素子18の傾斜が求められる。 図６Ａ及び６Ｂは、北−南軸及び東−西軸それぞれの回りの傾斜に対応する信号 を生成する回路80a及び80bの回路図である。回路80a及び80bは、ホール効果セン サーのそれぞれの対向対22N-22S及び22E-22Wからの入力信号を有するオペレーシ ョン増幅器82を具える平衡差動増幅器である。各センサー22にかかる動作電圧は 一般的にはほぼ５Ｖである。抵抗器84は一般的には１０ｋΩの値を持ち、抵抗器 86は一般的には２０ｋΩの値を持つ。２つの軸に沿った傾斜に対応する出力信号 を生成することにより、回路80a及び80bはいかなる方向の傾斜についての情報で も提供することができる。出力信号の翻訳には、地磁気の変動に対する補償を含 むことができる。 ハウジング12に対する基準素子18の配向を検出するために、他の型のセンサー を用いることができる。例えば、基準素子18の非対称電磁気特性は、非対称の導 電特性又は誘電特性であってもよく、この場合は、センサー22は容量を測定して 基準素子18とハウジング12との相対的な配向を求めるものである。本発明の中性 浮力構成には、更に光学センサーを用いることができる。 同様に、本発明は、他の手段によって基準素子18を保持し、傾斜を検出するた めにホール効果センサーを用いても実現される。例えば、機械的な支持又は磁気 的な浮上を用いて基準素子18を懸架することができる。ホール効果傾斜計センサ ーは、更にジャイロスコープ傾斜計において相対的な角変位を検出するために用 いられる。 前記の本発明の詳細について、本発明の原理から逸脱することなしに、多くの 変更が可能であることが明らかである。本発明の範囲は、従って、以下の請求の 範囲によってのみ定められるべきである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．キャビティ(16)を画定する壁(14)を有するハウジング(12)、 キャビティ(16)中に位置し回転可能のほぼ球形の基準素子(18)、 球形の基準素子(18)の中に位置し非対称のウェイト分布を与え且つここに所 定の磁場配向を与える単一マグネット(42)、 基準素子(18)をキャビティ(16)中で保持する流体(20)、 ハウジング(12)中に基準素子(18)を挟んで対向して位置し、ハウジング(12) の第１の軸に対する磁場の配向に応答して電気信号の第１の対を発生するための ホール効果センサーの第１の対(22N，22S)、 ハウジング(12)中に基準素子(18)を挟んで対向して位置し、ハウジング(12) の第２の軸に対する磁場の配向に応答して電気信号の第２の対を発生するための ホール効果センサーの第２の対(22E，22W)、及び 電気信号の第１及び第２の対にそれぞれ電気的に接続され、磁場の配向に対 するハウジングの第１及び第２の軸のそれぞれの傾斜に関する第１及び第２の傾 斜角信号を生成する第１及び第２の平衡差動増幅器(80a，80b) を具備する傾斜を感知する装置(10)。 ２．基準素子(18)が実質的に流体(20)の比重と同一の比重を持ち、これにより基 準素子がキャビティ(16)の流体(20)中に中性の浮力で保持される請求項１に記載 の装置。 ３．流体(20)が少なくとも基準素子(18)の比重と等しい比重を持ち、これにより 基準素子(18)が流体(20)中に浮かぶ請求項１に記載の装置。 ４．流体(20)が基準素子(18)の比重より大きい比重を有する第１の流体(58)を含 み、更に、キャビティ(16)中にあり基準素子(18)の比重より小さい比重を有し且 つ第１の流体(58)と混じり合わない第２の流体(60)を含み、基準素子(18)が第１ の流体と第２の流体との境界面に浮かぶ請求項１に記載の装置。 ５．第１及び第２の軸が互いに直交する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の 装置。 ６．単一マグネット(42)を球形の基準素子(18)の中に配置し、非対称のウェイト 分布を与え且つここに所定の磁場配向を与え、 キャビティ(16)を有するハウジング(12)を具え、 キャビティ(16)中に基準素子(18)を配置し、 基準素子(18)を保持するための流体(20)をキャビティ(16)に注入し、基準素 子(18)がキャビティ(16)中で自由に回転するようにし、 ハウジング(12)の第１の軸に対する磁場の配向に応答して電気信号の第１の 対を発生するために、ホール効果センサーの第１の対(22E，22W)をハウジング(1 2)中に基準素子(18)を挟んで対向して配置し、 ハウジング(12)の第２の軸に対する磁場の配向に応答して電気信号の第２の 対を発生するために、ホール効果センサーの第２の対(22N，22S)をハウジング(1 2)中に基準素子(18)を挟んで対向して配置し、更に 電気信号の第１及び第２の対をそれぞれ差動的に増幅し、磁場の配向に対す るハウジング(12)の第１及び第２の軸のそれぞれの傾斜に関する第１及び第２の 傾斜角信号を生成する 傾斜を感知する方法。 ７．ハウジング(12)の第１及び第２の軸が互いに直交する請求項６に記載の方法 。 ８．流体(20)をキャビティ(16)に注入するステップが、更に、流体(20)が基準素 子(18)を実質的に中性の浮力で保持する比重を持つように流体を選択するステッ プを含む請求項６又は７に記載の方法。 ９．流体(20)をキャビティ(16)に注入するステップが、 流体(20)が基準素子(18)を正の浮力で保持する比重を持つように流体を選択 するステップ、及び キャビティ(16)中で基準素子の自由な回転が可能であるのに充分なレベルま でキャビティに流体(20)を注入するステップ を含む請求項６又は７に記載の方法。 １０．流体(20)をキャビティ(16)に注入するステップが、 基準素子(18)を正の浮力で保持する比重を有する第１の流体(58)を選択する ステップ、 第１の流体(58)と混じり合わず、基準素子(18)を負の浮力で保持する比重を 有する第２の流体(60)を選択するステップ、及び 基準素子(18)をキャビティ(16)中に浮遊させるに充分な量の第１の流体及び 第２の流体(58,60)をキャビティ(16)に満たすステップ を含む請求項６又は７に記載の方法。