JPH0396865A - 全方向センサ - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、３次元加速度の方向検出装置に関し、詳しく
は物体に作用する重カや運動カ等の作用ヵの全方向を検
出する装置に関するものである。

［従来の技術］ ３次元空間で物体に作用する重力や運動力の方向を検出
するものとして、加速度方向センサがある。これは、静
的環境下における重力加速度の方向を基準にした姿勢を
検出するセンサとしても使用されている。しかし、多く
のセンサは、ポテンショメー夕、天秤、振子、流体等を
検出媒体とした機械的手段によるものであって、３次元
空間に任意に作用する加速度方向を効率的に検出できる
まで一体化され、小型化されているものは皆無といって
よい。

［発明が解決しようとする課題コ 従来の加速度センサでは、 １）一様に高感度な測定を全方向において行なうのが困
難である。

２）装置全体の小型化が困難である。

３）機械的変位を利用する方法においては、摩擦力の影
響が避けられず、測定の高精度化を期待できない。

等の欠点があった。

［発明の目的コ 本発明は、上述の問題の解決を計り、構造が簡単、かつ
コンパクトで全方向の検出を可能にする３次元加速度方
向センサの提供を目的としてなされたものである。

［課題を解決するための手段］ かかる目的を達戒するため、本発明の全方向センサは、
球容器を主たる構或要素として採用し、球容器内に液体
あるいは粒子状固体を封じ込め、これらの移動方向を電
気的手段で計測することによってセンサの一体化を計る
。この結果、全方向を一様に高感度で測定し、かつ、装
置自体の小型化を容易にする。

すなわち、重力加速度あるいは運動加速度の影響を受け
て自由に移動する導電性の液体あるいは粒子状固体を、
導電性材質でできた球容器内に封じ込め、また、球容器
外壁を少なくとも４点で一様に分割する各点から、絶縁
性材質で保持された棒状電極を球容器中心に向けて挿入
し、液体あるいは粒子状固体の移動によって変わる棒状
電極と導電性球容器電極間の電気抵抗を計測し、予め定
められた対応関係から、電極が液体あるいは粒子状固体
に覆われる高さを定め、少なくとも３つの高さに関する
データを用いて液体あるいは粒子状固体の存在面を計算
し、球容器に作用する加速度方向を、この面に垂直な方
向として定める。電極数の多いセンサでは、適切なソフ
トウェア、すなわち、数式処理によって加速度方向の測
定精度を高めることができる。数式処理装置（信号処理
装置）を球容器とは別に設置できるので、センサ自身は
小型化される特徴を持つ。

上記中、球容器は導電性材質で作られていたが、球容器
を絶縁性材質で作ることも可能である。この場合、球容
器外壁から離散的に打込むか、ねじ込むかした金属棒の
端面を球容器電極とする。球容器内に金属箔を離散的に
貼って球電極とすることもできる。透明な絶縁性材質で
球容器を作ると球容器内部の目視が可能になる。

［作用］ 本発明の全方向センサによれば、加速度方向の変化は、
球容器内の液体あるいは粒子状固体の移動となって現れ
、この移動が、容器内に配置した電極間の電導度を変化
させるので、電気抵抗を計測することによって、液体あ
るいは粒子状固体に接触する電極高を知ることができる
。そして、少なくとも３箇所において液体あるいは粒子
状固体の高さが与えられれば、液体あるいは粒子状固体
の面を表わす式が計算されるので、球容器に作用する加
速度方向を、液体あるいは粒子状固体の面に垂直な方向
として検出可能である。

［実施例］ 以下、図面に基づいて本発明の全方向センサを詳細に説
明する。

第１図に示すように、本発明の全方向センサにおいて、
測定する対象物、例えばロボットに固定される球容器ｌ
は、金属等で作られ、十分な電導度をもち、外壁に４個
以上の小穴５を有する。小穴５の位置は、一般に球容器
１の中心Ｏの周りの全立体角を等分割する点に定められ
る。すなわち、＝　５ 一　６ 球容器１に内接する正多面体の頂点、もしくは球容器ｌ
に外接する正多面体の面中央に定められる。

この小穴５には絶縁性の電極保持具３が設けられ、棒状
電極２ａが挿入される。電極保持具３は小穴５にねじを
切って固定されても、その他の方法で固定されてもよい
。各棒状電極２ａは、各小穴５から球容器工の中心をみ
る方向に挿入される。棒状電極２ａの挿入長Ｈは、一般
に球容器１の内半径ｒより小さく　（第２図参照）、球
容器１内には、導電性の液体あるいは粒子状固体４が封
入される。

測定する対象物に加速度方向の変化が生じると、低粘性
の液体あるいは粒子状固体４は球容器Ｉ内を移動し、加
速度方向と逆方向に位置づけられて安定する。

球容器１は金属のように導電性のよい材質で作られ、し
かも接地される。また、各棒状電極２ａには固定抵抗Ｒ
ｓを介して、定電圧Ｖｓが印加される。したがって、挿
入された棒状電極はすべて高電位となり、これらの間に
電流は流れない。

以下、各棒状電極に通じる信号線をＳｉ１その電位をＶ
ｉで表すことにする。

第１図の例をより判り易く説明するため、球容器１の下
半分を垂直断面、上半分を外観で表わすと、第２図のよ
うになる。内半径ｒの球容器１には、球容器電極２ｂに
設けられた小穴５に固定された絶縁性の電極保持具３か
ら棒状電極２ａが挿入される。液体あるいは粒子状固体
４内を貫通している棒状電極２ａに関し、液体あるいは
粒子状固体４に覆われる電極高をｈｉ１挿入電極長をＨ
で表すことにする。また、信号線Ｓｉに通じる電極の対
地電気抵抗をＲｉ（以下、液体抵抗と呼ぶ）で表すこと
にする。

ここで、ある溶液の断面１平方ｃｍ．長さｌｃｍが２５
℃のときもつ電気抵抗をその溶液の比抵抗といい、その
逆数を導電率と呼ぶ。導電率は比電導度とも呼ばれ、以
下これをＫで表わすことにする。比電導度Ｋの値は水に
溶解する電解質の量によって定まる。つまり、溶解量が
大のとき比電導度Ｋの値は犬となる。また溶液中面積Ｓ
平方Ｃｍの電極２枚を距離ｄだけ離して平行に置くとき
、電極間の電気抵抗Ｒ（上記液体抵抗に同じ）は、次式
で表わされる。

Ｒ＝ｄ，／　（Ｋ−　Ｓ）　　　　　　　　　　（１）
第１図中の球容器１側の電気回路は第３図のように表わ
される。すなわち、信号線Ｓｒによって、棒状電極２ａ
が高電位になるので、斜線で示される棒状電極２ａの液
体あるいは粒子状固体４に接触する部分６から、斜線を
施した球容器電極２ｂの液体あるいは粒子状固体４に接
触する部分６に電流が流れる。液体あるいは粒子状固体
４に覆われる電極高ｈｉは、加速度方向に依存して上下
し、液体あるいは粒子状固体４に接触する棒状電極２ａ
の表面積が変る。一方、液体あるいは粒子状固体４の量
は一定不変であるので、液体あるいは粒子状固体４に接
触する球容器電極２ｂの表面積は方向によらず一定であ
ると見なせる。このことは、液体あるいは粒子状固体４
に接触する棒状電極２ａの表面積をＳｅとしたとき、液
抵抗Ｒが次のように表わされることを意味する。

Ｒ＝ｃ／　（Ｋ−　Ｓ　ｅ）　　　　　　　　（２）以
上を考えると、電極が細い棒状電極２ａである場合、液
体あるいは粒子状固体４に接触する挿入電極２ａの表面
積Ｓｅは、液体あるいは粒子状固体４に接触する電極高
ｈｉに比例すると見なせるので、ｉ番目の棒状電極２ａ
の液抵抗Ｒｉと電極高ｈｉとの間に次式が或立する。

Ｒｉ＝ｅ／　（Ｋ−　ｈ　ｉ）　　　　　　　（３）た
だし、ｅは定数である。

従って、第１図中、ｉ番目の棒状電極２ａの電位Ｖｉは
、第４図をもとにして次のように計算される。

Ｖｉ＝Ｒｉ／　（Ｒｓ＋Ｒｉ）　　・Ｖｓ　　　　（４
）ここで、Ｒｓ＞＞Ｒｉすると Ｖｉ＝Ｒｉ／Ｒｓ−Ｖｓ ＝ｅ／（Ｒｓ−Ｋ−ｈｉ）・Ｖｓ　　（５）式中、ｅ，
ＲｓＳＫ，Ｖｓは定数のため、Ｖｉはｈｉに反比例する
ことが明らかである。Ｖｉは、信号処理回路９（第７図
参照）によって簡単に計測される。電極電位Ｖｉが定ま
ると、式（５）を用いて棒状電極２ａの液体あるいは粒
子状固体４−　９　＝ １０　　− に接触する電極高ｈｉを一意的に定めることができる。

棒状電極２ａが液体あるいは粒子状固体４に接触しない
場合、Ｖｉ＝Ｖｓで、ｈｉ＝ｏと計測されることは言う
までもない。

第５図に示す通り、球容器１の中心Ｏから液面までの距
離ｒ−ｈｉを計算し、少なくともこれらの距離データを
３個収集して、液体あるいは粒子状固体４の存在面λを
表わす式を、信号処理回路９で演算して求めることがで
きる。ただし、第７図中演算回路は省略されている。３
個以上の棒状電極２ａの液抵抗Ｒｉデータを収集できる
場合には、最小２乗法等の計算手法を適用し、面λを表
わす式を精度よく求めることができる。信号処理回路９
はこうした処理を行ない、面λに垂直な直線じを定め、
その方向を出力する。このようにして球容器工に作用す
る加速度方向を検出することができる。

次に、球容器を電気的に絶縁性の材質で作る場合の実施
例について述べる。この場合、球容器１を金属にする必
要がないので、透明にして内部を見えるようにできる。

実施例の構戒は、第１図、第２図と同様であるが、球容
器電極２ｂが異なる。

すなわち、第６図のように、壁面から球容器１′中心Ｏ
に向けて離散的に挿入した金属棒を球容器電極２ｂ’と
する。これは、信号線Ｓｉを接続する棒状電極２ａとは
別に挿入され、すべて共通にして接地される。球容器１
゜内部に挿入される棒状電極２ａに通じる信号線Ｓｉは
、第１図と同様な回路に導かれる。第１図と同様、すべ
ての棒状電極２ａは同電位に接続されるので、ある棒状
電極２ａを流れる電流は、他の棒状電極２ａに向うこと
なくすべて球容器電極２ｂ’　に向う。また、離散的に
挿入される金属棒２ｂ’　の数やその頭部面積を増大す
ることによって、球容器電極２ｂ’の液体あるいは粒子
状固体４に接触する部分６（斜線部分）の面積和は、加
速度方向によらず殆ど変らないので、球容器電極２ｂ’
　を導電性材質の球容器１で構戊する場合と同様な効果
を得ることができる。

従って、前記実施例と同様、式（５）が或立する。ただ
し、Ｒ　ｓ　＞＞Ｒ　ｉとする。その結果、球容器１′
の中心Ｏから液面までの距離ｒ−ｈｉを計算でき、少な
くともこれらの距離データを３個収集して、液体あるい
は粒子状固体４の存在面λを表わす式を、信号処理回路
９で演算して求めることができる（第５図参照）。信号
処理回路９はさらに、面λに垂直な直線１を定め、その
方向を出力する。このようにして、球容器１゜に作用す
る加速度方向を検出することができる。

なお、第６図は、金属棒２ｂ″を球容器１′の外部から
挿入して球容器電極２ｂ’　を構或する例であったが、
球容器１゛は２つの半球容器を接着、圧着あるいはねじ
固着によって一体化できることを考えると、球容器１゜
の内面に導電箔を固着したり、導電膜を蒸着したりして
球容器電極２ｂ’とすることもできる。

引続き、第７図に示すように、棒状電極２ａと球容器電
極としての棒状の電極２ｂ”を互に平行に、対をなして
球容器１”内に挿入する場合の実施例について述べる。

これは、第６図中の球容器電極２ｂ’　を必ずしも球容
器１゛の内表面に設置する必要がないという長所をもつ
。したがって、前述の実施例と大きく異なる点は、棒状
電極２ａと、球容器電極である棒状の電極２ｂ”が、絶
縁性の電極保持具３に支持されて電極取り付け穴５から
球容器１”の中心Ｏに向けて挿入されることである。棒
状電極２ａと、棒状の球容器電極２ｂ”の太さや長さ、
間隔は皆同じで、長さが球容器１”の内半径ｒより小さ
いことは前記実施例と変らない。

ここで注意すべき点は、棒状電極２ａと棒状の球容器電
極２ｂ”とからなる各対は、他の電極対と電気的に絶縁
されていることである。もし、各対の一電極２ｂ”を共
通にするならば、各電極を流れる電流がお互に影響し合
うことになり、１対の電極間の液抵抗Ｒｉは正確に測定
されなくなる。

この問題を解決するため、信号処理回路９の信号入力部
は光結合アイソレータ７を用いて他の電極対の液抵抗Ｒ
ｉとクロストークのないよう絶縁される。各電極対に専
用な電源は、この絶縁を実現１３ ｌ４ するために必要なものである。この電源によって、各対
の一棒状電極２ａに電位Ｖｓが与えられ、棒状電極２ａ
と、液体あるいは粒子状固体４間の接触面積に比例する
電流が、他方の球容器電極２ｂ”に流れ込む。図中の点
を施した部分８は、電流か集中的に流れる領域を示す。

棒状電極２ａと棒状の球容器電極２ｂ”が近接する場合
、この電流は液体あるいは粒子状固体４に接触する部分
６の電極高ｈｉに比例する。電極間の液抵抗Ｒｉは、式
（３）で表わされるので、第７図の光結合アイソレータ
７中の発光ダイオードが電極高ｈｉに比例して光る。一
方、同アイソレータ７中の受光ダイオードは、光の強さ
を電気信号に変換するので、後段のトランジスタから出
力Ｖｉ得られる。この出力Ｖｉは、電極高ｈｉに対応ず
けられるので、信号処理回路９により、球容器１”の中
心０から液面までの距離ｒ−ｈｉが計算され、少なくと
もこれらの距離データを３個収集して、液体あるいは粒
子状固体４の存在面λを表わす式を求めることができる
（第５図参照）。信号処理回路９はさらに、面λに垂直
な直線１を定め、その方向を出力するので、球容器１”
に作用する加速度方向を検出することができる。この実
施例は、電極対間の電気回路が完全に絶縁されるので、
球容器１”の材質の電気的性質を全く問わないと言うメ
リットをもつ。

第７図中の一組の電極対は、平行な２本の棒であるが、
電極対としては第８図に示すような電極構造も考えられ
る。（ａ）は平行に配置された２本の棒状電極、（ｂ）
は単一棒状電極とその周囲に配置された網状電極、（Ｃ
）は単一棒状電極とその周囲に配置された支持柱を含む
螺旋状電極である。（ｂ）、（Ｃ）は電極配置に方向性
がないので方向の測定誤差を小さくする効果を有するが
、網目や螺旋の間隔が小さいと、液体あるいは粒子状固
体の移動を妨げる。また、毛細管現象による計測誤差を
生じる。このため、電極２ａ，２ｂ”の間隔を大きくす
るなど、電極の設計に注意を要する。

球容器１、１゜、１”内に封じ込められる液体あるいは
粒子状固体４の量は、第９図の３つの場合に分けられる
。

図中、点を施した部分が封じ込められる液体あるいは粒
子状固体４を表わし、（ａ）は球容器１の半分以下、（
ｂ）は半分、（Ｃ）は半分以上である。（ｂ）、（Ｃ）
においては、棒状電極２ａ全体が、液体あるいは粒子固
体４に埋る場合が生じ、球容器１、１′、１”内の物質
に多くの電流を流すことになる。また、（ｂ）において
は、液体あるいは粒子状固体４に接触する電極が液面あ
るいは粒子状固体面４と並行なることがあり、液抵抗Ｒ
ｉを正確に人力できなくなることになる。

このような点から液体あるいは粒子状固体４の量は球容
器１内容積の１／２以下とするのが好ましい。

特定の加速度方向を、高感度あるいは高精度で測定する
場合、球容器１、１゛、１”は必ずしも正確な球状であ
る必要はない。楕円体型の容器であってもよい。そして
、このような容器は、一般に２つの容器の接着、圧着、
ねじ込み、圧人等によって製作できる。こうした手段は
、電極保持具３を球容器１、１゜、ｌ”に取り付ける場
合でも同様に有効である。

液体は、粒子状固体に比べて移動し易いので、球容器１
、１′、１”内に封じ込める媒質は、液体の方が加速度
方向を高感度に人力できる。しかし、球容器１、１゜、
１”を取り付ける対象が振動する場合には、それが雑音
として検出される。

液体の代りに粒子状固体を封じ込める場合には、加速度
方向の検出は落ちるが、振動に対する雑音は受けにくい
。液体による電極の腐食は、大電流を流さない限り問題
とならない。人畜無害な水でも常温で、４．１５Ｘ　１
０−”／Ω・ｃｍの電導度を有するので、これを封じ込
める液体として用いることも可能である。球容器１、１
゜、１”内の物質である液体あるいは粒子状固体物質４
や、電極２ａ，２ｂ’　、２ｂ”の交換が必要な場合に
は、電極保持具３を球容器１、１゛、１”からはずして
行なえるので、センサの保守は至って簡単である。

要するに、本発明は、球容器１、１゜、１”内−　１７
　＝ −　１８　＝ に導電性の液体あるいは粒子状固体４を封じ込め、その
移動方向が球容器１、１′、１”に作用する重力加速度
と運動加速度の合戊力方向を表わすことに着目し、球容
器１、１′、１”の外壁の少なくとも異なる４点から球
容器１、１′、１”の中心Ｏに向けて棒状電極２ａを挿
入し、液や粒子４に接触する棒状電極２ａの表面積に比
例して変る電極間の液抵抗Ｒｉを計測し、これらのデー
タを総合して計算される液体あるいは粒子状固体４の存
在面をもとに、重力加速度あるいは運動加速度の合戒力
方向を検出するものである。

棒状電極２ａは球容器１、１′、１”内に封じ込められ
る液体あるいは粒子状固体４の電気抵抗を検出する場合
について説明してきたが、球容器１、１“、１”内に封
じ込める物質４を、誘電性あるいは磁性を有する液体あ
るいは粒子状固体に置き換えることにより、静電容量変
化や磁気効果を利用して、重力加速度あるいは運動加速
度の合威力方向を検出することも可能になることは言う
までもない。

［発明の効果］ ロボットの手足の制御においては、位置の他に方向の制
御が非常に重要な内容となっている。ところが、現在、
ロボットの手足等の方向検出に適したセンサがなく、各
関節の制御量を使った複雑な行列計算によって方向を人
力している。この方法では、計算機に大きな負担をかけ
、高精度で高速な手足の制御は望めない。

本発明による全方向センサは、球容器を主たる構或要素
として採用し、球容器内に液体あるいは粒子状固体を封
じ込め、これらの移動方向を電気的手段で計測すること
によってセンサの一体化を計るので、全方向を一様に高
感度で測定でき、かつ、装置自体を小型化できる。すな
わち、重力加速度あるいは運動加速度の影響を受けて自
由に移動する導電性の液体あるいは粒子状固体を、導電
性材質でできた球容器内に封じ込め、また、球容器外壁
を少なくとも４点で一様に分割する各点から、絶縁性材
質で保持された棒状電極を球容器中心に向けて挿入し、
液体あるいは粒子状固体の移動によって変わる棒状電極
と球容器電極間の電気抵抗を計測し、予め定められた対
応関係から電極が液体あるいは粒子状固体に覆われる高
さを定め、少なくとも３つの高さに関するデータを用い
て液体あるいは粒子状固体の存在面を計算し、この面に
垂直な方向を球容器に作用する加速度方向として出力す
る。電極数の多いセンサでは、適切なソフトウェア、す
なわち、数式処理によって加速度方向の測定精度を高め
ることができる。数式処理装置（信号処理装置）を球容
器とは別に設置できるので、センサ自身は小型化される
。球容器外壁から離散的に打込むか、ねじ込むかした金
属棒の端面を球容器電極とすれば、球容器を絶縁性材質
で作ることも可能である。球容器内に金属箔を離散的に
貼って球容器電極とすることもできる。透明な絶縁性材
質で球容器を作ると球容器内部の目視が可能になる。

以上のように、本発明は、構造が簡単、小型で手軽に使
える安価な全方向センサを提供する。とくに、視界が閉
ざされて、カメラ情報から方向感覚を得ることが困難な
ロボットの自立制御あるいは倒立振子や歩行の制御にお
いて、振動、動揺、転倒などを防止するばかりでなく、
動的に安定な制御を実現する上に大きな効果を表わすも
のと考えられ、実用的見地から効果の非常に大きい有用
なものである。

【図面の簡単な説明】

第ｌ図は本発明の一実施例を示す図、第２図は第１図の
実施例の部分断面図、第３図は第ｌ図の実施例の電極説
明図、第４図は同電気回路図、第５図は液面あるいは粒
子状固体面の計算図、第６図は本発明の他の実施例を示
す図、第７図は本発明の第３実施例を示す図、第８図（
ａ）、（ｂ）、（ｅ）は第３実施例中の電極構造図、第
９図（ａ）（ｂ）、（ｅ）は電極長と液体あるいは粒子
状固体の量との関係をそれぞれ表わす図である。 １、１゛、１”・・・・・・球容器 ２ａ・・・・・・棒状電極 ２ｂ，２ｂ’　、２ｂ”・・・・・・球容器電極−　　
２１ ２２ ３・・・・・・絶縁性の電極保持具 ４・・・・・・液体あるいは粒子状固体５・・・・・・
小穴 ６・・・・・・液体あるいは粒子状固体に接触する電極
部分 ７・・・・・・光結合アイソレータ ８・・・・・・電流が集中的に流れる領域９・・・・・
・信号処理回路

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、外壁に少なくとも４個の小穴を有する球容器と、前
   記穴に固定する絶縁体と、前記絶縁体で保持される棒状
   電極と、前記球容器内に封じ込める導電性の液体あるい
   は粒子状固体と、前記棒状電極間の電気抵抗を計測・演
   算する信号処理回路とを備えたことを特徴とする全方向
   センサ。 ２、外壁に少なくとも４個の小穴を有し電気的に絶縁性
   の球容器と、前記穴に固定する絶縁体と、前記絶縁体で
   保持される複数対の棒状電極と、前記球容器内に封じ込
   める導電性の液体あるいは粒子状固体と、前記各対の電
   極間の電気抵抗を他の対の電極から電気的に絶縁して計
   測・演算する信号処理回路とを備えたことを特徴とする
   全方向センサ。 ３、前記球容器は導電性を有し、前記球容器自体が一電
   極を成すことを特徴とする請求項１記載の全方向センサ
   。 ４、前記球容器は電気的絶縁性を有し、内面に多数の金
   属箔あるいは金属蒸着膜あるいは金属板を離散的に配置
   し、これらを共通にして一電極を成すことを特徴とする
   請求項１記載の全方向センサ。 ５、前記球容器の外壁の小穴にネジを切って前記絶縁体
   を固定することを特徴とする請求項１から４のうち何れ
   か１項記載の全方向センサ。 ６、前記球容器内に封入する前記導電性の液体あるいは
   粒子状固体を、誘電性の液体あるいは粒子状固体に置き
   換え、前記電極から静電容量に関するデータを得て前記
   誘電性の液体あるいは粒子状固体の存在方向を検出する
   ことを特徴とする請求項１から５のうち何れか１項記載
   の全方向センサ。