JPH067053B2 - 姿勢センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、構造体や移動体の傾斜角，傾斜方位角または
角速度，角加速度等の検出に利用される姿勢センサに関
するものである。

従来技術 産業用ロボット、船舶、土木建設工事用、特殊車両等
で、常に全方位傾斜角度を検知したいという要請がある
が、この場合最大傾斜角と方位角が同時に検知されなけ
れば検知値を自動制御その他に利用できない場合が極め
て多い。

従来の傾斜角測定装置は一軸方向のみの傾斜角度を表示
できるものが殆どであるが、二軸方向の傾斜角度を表示
できるものとして実公昭49−4374号公報に記載された例
がある。

同例は、「両端を固定した直交する十字型ビーム１，
１’の中心部に重錘アーム２を取りつけ重錘３をその先
端に装着し、正立または倒立振子を形成し、傾斜により
ビームに生ずる曲げモーメントをビームに接着したひず
みゲージにより検出し直交２軸方向の傾斜を測定する」
ものである。

発明が解決しようとする問題点 しかるに十字型ビーム１，１’の両端を固定しているの
で、傾きがあると十字型ビーム１，１’のいずれかに必
ずねじれが生じ、傾き方向によっては、中立軸を中心と
した対称的なねじれではなく変形したねじれを生じる。

変形したねじれがあると、ゲージに抵抗変化が現れるお
それが多分にあり、ブリッジの出力に影響しひいては傾
斜角の測定精度に影響する。

したがって傾き方向が一方のビームと同方向であるとき
は高い精度で傾斜角の測定が可能であるが全方位に亘っ
て高精度の測定は困難である。

問題点を解決するための手段および作用 本発明はかかる点に鑑みなされたものでその目的とする
処は、被計測物の全方位の傾斜角をリアルタイムで正確
に算出可能でかつ角速度，角加速度等の正確な演算を可
能とする姿勢センサを供する点にある。

すなわち本発明は、被計測物に固定される支持枠体と、
同支持枠体の中央に位置した基端部材と、同基端部材よ
り前記支持枠体へ放射状に配設されて基端部材を支持し
基端部または先端部の一方を固定し他方を放射方向を軸
に回動自在に支持された複数の起歪板と、前記基端部材
を常に水平に維持しようと付勢する付勢手段と、前記複
数の起歪板に各々貼付された歪検知素子とを備えた姿勢
センサである。

被計測物が傾いたとき、これと一体に傾く支持枠体の所
定部分と付勢手段により常に水平に維持しようと付勢さ
れた基端部材との間で複数の起歪板が各々歪みを生じ、
この歪みを歪検知素子が検知することができる。

そして起歪板の一端は支持枠体または基端部材のいずれ
かに回動自在に支持されているので、ねじりが生じず、
傾斜角度の測定に影響を与えないので、全方位に亘って
傾斜角を高精度で測定することができる。

各検知素子の検出した歪みの組合せを解析することによ
り傾斜角，方位角および角速度，角加速度等をリアルタ
イムで算出することができる。

実施例 以下第１図ないし第５図に図示した本発明に係る一実施
例について説明する。

第１図は本実施例に係る姿勢センサ１の一部欠截斜視図
である。

２枚の起歪板に弾性復元力が大きい帯状のバネ板２，３
を十字形に交叉させ、この交叉部分の上下面に基端部材
たる基板４を固着せしめ、下方の基板４の中心より垂直
下方に指向して垂設された垂直棒５の下端に重錘６が固
着されている。

また上方の基板４の中心からは垂直上方に指向して垂直
棒７が突設されていてその上端には浮き８が固定されて
いる。

なお基板４はバネ板２，３の重なりで十分剛性が保たれ
れば必要なく交叉部分をそのまま基端部材として直接垂
直棒を固着せしめるようにしてもよい。

またはじめから十字形状に形成された一枚の起歪板を用
いてもさらに四方に４枚の起歪板を用いてもよい。

基板４より四方に延びたバネ板２，３の先端部にはさら
に遠心方向に突出して支持棒９がそれぞれ設けられてい
る。

四方に延びたバネ板２，３のそれぞれの表面および裏面
には、ストレインゲージ10が貼付されている。

かかるバネ板２，３を円環状をした支持枠体20の内部中
央に位置させ、支持枠体20の側壁に等間隔に４箇所穿設
された円孔21に前記バネ板２，３の先端に設けられた各
支持棒９を内側から外側に向けて貫入している。

各円孔21内にはストロークベアリング22が内蔵されてい
て支持棒９を往復回転運動可能に支持している。

以上のバネ板２，３およびストロークベアリング20等を
容器23が水密に覆って防水効果を有しており、容器23内
部にはシリコン液が充填される。

したがってバネ板２，３は支持枠体20の４つのストロー
クベアリング22により支持され、姿勢センサ１が水平に
置かれたとき中央の基板４は垂直棒５を介して重錘６に
より鉛直方向に重力が加わると同時に垂直棒７を介して
浮き８により鉛直上方に浮力を浮けてバネ板２，３が弯
曲を生じない平坦状態の高さ位置において水平に維持さ
れる。

しかも可動部分はシリコン液によりダンパ効果を有す
る。

いまこの姿勢センサ１を水平に保ったときのバネ板２，
３のそれぞれの支持棒９の中心軸をｘ軸，ｙ軸とする。

そして姿勢センサ１がｘ軸を軸として角度βだけ傾いた
（バネ板３の支持棒９がｘ軸を中心に角度βだけ揺動し
た）とすると、第２図に示す状態となる。

すなわち支持枠体20が傾くが、中央の基板４は重錘６お
よび浮き８により水平に維持されるよう付勢されてい
る。

したがって基板４は重錘６および浮き８の水平にしよう
とする付勢力とバネ板３の弯曲による復元力との力の平
衡が成立したある程度傾いた姿勢で支持される（第３図
参照）。

バネ板２は両端のストロークベアリング22の回動作用に
より基板４と平行な状態を保ち、歪みを生じないが、他
方のバネ板３はその両端部が上下に変位し弯曲して曲げ
歪みを生じる。

なおバネ板３の両端はストロークベアリング22の摺動作
用により支持枠体20と相対的に変位し、バネ板３に引張
り力を生じさせず引張り歪みはない。

よってバネ板２に貼付されたストレインゲージ10は不変
であるが、バネ板３に貼付されたストレインゲージ10は
バネ板３の曲げ歪みを検知し、歪みの大きさに応じた検
出値を出力する。

以上はｘ軸を軸として姿勢センサ１を傾けた場合であっ
たがｙ軸を軸として傾けたときは、今度はバネ板３は不
変でバネ板２に曲げ歪みが生じることになる。

さらにｘ軸およびｙ軸以外の水平軸を軸として姿勢セン
サ１を傾けたときはバネ板２，３のいずれにも曲げ歪み
が生じ、両バネ板２，３に貼付されたストレインゲージ
10はこれを検出する。

このときもストロークベアリング22の働きにより、バネ
板２，３にはほとんどねじれおよび引張り歪みは生じな
い。

バネ板２，３にそれぞれ貼付された４個づつのストレイ
ンゲージ10は各々ブリッジ回路を構成していて温度補償
がなされた高精度の検出値を出力できるようになってい
る。

第３図はバネ板３が弯曲したときの断面図を示してい
る。

バネ板３の両面に貼付された４個のストレインゲージ10
は図のようにバネ板３に沿って弯曲し、左側のバネ板３
の表裏面に貼付されたストレインゲージ10の抵抗を
Ｒ₃₁，Ｒ₃₂、右側のバネ板３の表裏面に貼付されたスト
レインゲージ10の抵抗をＲ₃₄，Ｒ₃₃とすると、Ｒ₃₁とＲ
₃₂，Ｒ₃₃とＲ₃₄はそれぞれ異符号等歪みを生じ、これら
の抵抗を第４図に示すように組合せてブリッジ回路を構
成している。

第４図は当該姿勢センサ１を全方位傾斜角計に利用した
ときの電気系のブロック図であり、同図において破線部
分が該姿勢センサ１に相当し、その内下側のブリッジ回
路が上記バネ板３に貼付されたストレインゲージ10によ
り形成されたものであり、上側のブリッジ回路はバネ板
２に貼付された４個のストレインゲージ10の抵抗Ｒ₂₁，
Ｒ₂₂，Ｒ₂₃，Ｒ₂₄によりバネ板３の場合と同じような構
成で形成されたものである。

この２つのブリッジ回路には電源30により電圧Ｅｉが印
加され、バネ板２に関するブリッジ回路からは出力電圧
Ｅ_αが、バネ板３に関するブリッジ回路からは出力電圧
Ｅ_βがそれぞれ出力される。

かかる姿勢センサ１の両出力は各々増幅器31,32によっ
て増幅されて演算器33に入力され、検出電圧Ｅ_α，Ｅ_β
に基づき姿勢センサ１の最大傾斜角および最大傾斜をな
す方位角を演算する。

その演算結果は最大傾斜角表示器34および方位角表示器
35に出力され表示がなされる。

以下最大傾斜角θと方位角ψが算出される根拠を簡単に
説明する。

まず第３図においてバネ板３の両端の支持棒９の中心軸
が水平面と角度βをなしたとき、バネ板３のストレイン
ゲージ部分の歪みεと角度βとの間には次の関係があ
る。

ここにＡ＝ＭｒｌでありＭは重錘６の重さであり浮き８
の浮力Ｆと等しい値とし、ｒはバネ板２，３の十字の中
心から重錘６の重心および浮き８の浮心までの距離，ｌ
はバネ板２，３の長さである。

またＥはバネ板２，３の縦弾性係数であり、Ｉはその断
面２次モーメントである。

なお(1)式はストレインゲージ10をバネ板３の端よりｌ
／３の長さ位置に貼付したときの関係式である。

(1)式の歪みεは抵抗の変化率ΔＲ／Ｒに比例し、この
ΔＲ／Ｒはブリッジ回路においてその出力電圧Ｅ_βと比
例関係にある。

すなわちε＝ｋＥ_β（ｋ：比例定数）の関係にあり、前
(1)式のεをＥ_βに置換すれば角度βが算出されること
になる。

同様にしてバネ板２についてもその両端の支持棒９の中
心軸が水平面となす角度αはブリッジ回路の出力電圧Ｅ
_αに基づき算出されることになる。

ここでバネ板２，３のそれぞれの支持棒９の中心軸が水
平面となす角をα，βとしたときの最大傾斜角θおよび
方位角ψとの関係を第５図に図示する。

バネ板２の両端の支持棒９の中心軸が直線ａであり、バ
ネ板３の両端の支持棒９の中心軸が直線ｂである。

直線ａおよび直線ｂが水平面ｈとなす角度がαおよびβ
である。

直線ａと直線ｂを含む平面ｓが水平面ｈとなす角がすな
わち最大傾斜角θであり、中心Ｏを通り最大傾斜角θを
なす方向に向う直線をＯＭとすると、ＯＭの水平面ｈへ
の正斜影と前記直線ａの水平面ｈへの正斜影とのなす角
が方位角ψである。

すなわち方位角ψは最大傾斜角θをなす方向から直線α
が水平面ｈ上でどの程度の角度を有しているかを示した
ものである。

かかるα，βとθ，ψとの間には次の関係が成立する。

cosθ＝(1+tan²α＋tan²β）^-1/2…(2) cosψ＝(1+cot²α×tan²β）^-1/2…(3) したがって角度α，βより最大傾斜角θおよび方位角ψ
が算出できる。

以上のようにブリッジ回路の出力電圧Ｅ_α，Ｅ_βにより
(1)式に基づき、角度α，βが算出でき、角度α，βか
ら(2),(3)式に基づき最大傾斜角θおよび方位角ψを求
めることができる。

かかる演算は演算器33が行い結果は最大傾斜角表示器3
4，方位角表示器35によって表示されることになる。

以上のように本実施例においては、傾斜角90度以内のど
のような姿勢におかれても、瞬時に検出角α，βをもと
に最大傾斜角θおよび方位角ψを算出し表示することが
できる。

したがって各種移動体に本計器を搭載することにより移
動体の全方位傾斜角度をリアルタイムで検出できる各種
制御に利用可能である。

該姿勢センサーをある自動制御に利用する場合、検出電
圧Ｅ_α，Ｅ_βからα，βあるいはθ，ψを必ずしも求め
る必要はなく、直接Ｅ_α，Ｅ_βから必要な制御量を求め
るようにしてもよいのは当然である。

十字形の起歪板にストレインゲージを貼付するという簡
単な基本構成により成り立っているので、各部品の可動
量も少なく姿勢センサ自体の小型化，堅牢化およびコス
トの低減を図ることができる。

起歪板端部をストロークベアリングにより支持している
ので起歪板にねじれおよび引張り等の本来目的としない
歪みを計測方向に関係なく減少させることができるとと
もに、ストレインゲージの抵抗をブリッジ回路に構成し
ているので、温度等の外乱を除去して本来計測すべき曲
げ歪みのみを正確に検出することができ、精度の高い姿
勢センサとしている。

なお容器内にはシリコン液が充填されるので変動に対し
てセンサの可動部分がダンパ効果を有し、凹凸の激しい
傾斜面を移動する場合にも検出値を早期に安定させるこ
とができる。

本実施例にはバネ板２，３の端部をストロークベアリン
グにより支持して、回動と同時に摺動を可能として引張
り歪みを除いていたが、単純に回動のみを許すベアリン
グで支持してもよく、これによって生じる引張り歪みの
影響はストレインゲージ10の抵抗をブリッジ回路に構成
することで消去することができる。

また浮き８を使用せず、バネ板２，３の中央が重錘６に
より若干落ち込んだ状態にあっても傾斜角の検出は可能
である。

次に別の実施例について第６図に基づき説明する。

円環状の支持枠体40の四方等間隔位置に端部を固定され
て中心に向けて４枚のバネ板41，42，43，44が延出され
ており、各バネ板の先端からは中心に向けて支持棒45が
突設されている。

支持枠体40の中心には基端部材たる円板46が位置し、そ
の外周面に４箇所等間隔に円溝を有し、その内部にベア
リング47が内蔵されていて、同ベアリング47によって前
記４本の支持棒45がそれぞれ回動自在に嵌入支持されて
いる。

円板46の下面中央より垂直に垂直棒48が突設されその先
端に重錘49が固着されている。

各バネ板41，42，43，44の表裏面にはそれぞれストレイ
ンゲージ50が貼付されていて、以上の部材は全て容器51
によって密閉されている。

なお各バネ板41,42,43,44に貼付されたストレインゲー
ジ50は対称な位置関係にあるバネ板の４個のストレイン
ゲージ50でそれぞれ前記実施例同様のブリッジ回路を構
成し、その出力は増幅器で増幅されて演算器で演算され
るようになっている。

本実施例は以上のような構成に係る姿勢センサであり、
中央の円板46は四方のバネ板のバネ力によってのみ支持
されており、水平姿勢にあっても重錘49により若干落込
んだ状態にある。

該姿勢センサが傾いたとき、円板46は重錘49により水平
状態を維持するように働らき、したがってバネ板に歪み
を生じさせる。

ベアリング47の働らきによりねじり歪みは最小に抑えら
れ、引張り歪みはブリッジ回路で除去され、本来の目的
とする曲げ歪みのみが検出される。

該姿勢センサが水平姿勢にある状態でも、円板46が若干
落込んでバネ板に曲げを生じているのが、かかる状態を
予め基準に設定しておけば、以後の傾きに対しても正確
な傾斜角等が算出できる。

ストレインゲージ50の抵抗をブリッジ回路に組込んでい
るので温度による影響も無視でき、安定した高精度の検
知出力を得ることができるとともに、構成が極めて簡単
で各部品の可動量が少ないため小型軽量化および堅牢化
が可能で、コストの低減も図ることができる。

また容器51内に前記実施例と同様にシリコン液を充填し
てよりダンパ効果をもたせることもでき、そのとき円板
46の上面に浮きを設けて鉛直付勢力を増すようにしても
よい。

なお以上の実施例では歪検知素子としてストレインゲー
ジを用いたが、その他柔軟圧電フィルム等が利用でき
る。

バネ板も十字形状に限らず放射状に複数配設してもよ
く、その場合も適当に歪検知素子を貼付してその検出値
をもとに傾斜角等の算出が可能である。

発明の効果 本発明は放射状に配設され一端を固定し他端を回動自在
に支持された起歪板に歪検知素子を貼付し、起歪板に支
持された中央の基端部材が水平に付勢される簡単な構成
で全方向に亘って高精度で安定した検知出力を得ること
ができる。

したがって小型軽量化および堅牢化が図れるとともに低
コストを実現できる。

高精度の検知出力は最大傾斜角および方位角その他角速
度，角加速度等の算出に利用でき、その表示精度も高く
維持できる。

【図面の簡単な説明】第１図は本発明に係る一実施例の
姿勢センサの一部欠截斜視図、第２図は同姿勢センサを
一方向に傾けたときの要部斜視図、第３図はバネ板の曲
がり状態をモデル化した図、第４図は同実施例の電気系
ブロック図、第５図は検出値と最大傾斜角および方位角
との関係を示す説明図、第６図は別実施例の姿勢センサ
の一部欠截斜視図である。 １…姿勢センサ、２，３…バネ板、４…基板、５…垂直
棒、６…重錘、７…垂直棒、８…浮き、９…支持棒、10
…ストレインゲージ、 20…支持枠体、21…円孔、22…ストロークベアリング、
23…容器、 30…電源、31,32…増幅器、33…演算器、34…最大傾斜
角表示器、35…方位角表示器 40…支持枠体、41，42，43，44…バネ板、45…支持棒、
46…円板、47…ベアリング、48…垂直棒、49…重錘、50
…ストレインゲージ、51…容器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被計測物に固定される支持枠体と、 同支持枠体の中央に位置した基端部材と、 同基端部材より前記支持枠体へ放射状に配設されて基端
   部材を支持し基端部または先端部の一方を固定し他方を
   放射方向を軸に回動自在に支持された複数の起歪板と、 前記基端部材を常に水平に維持しようと付勢する付勢手
   段と、 前記複数の起歪板に各々貼付された歪検知素子とを備え
   たことを特徴とする姿勢センサ。