JP2005233853A - 姿勢変化、変位に対応する電気信号発生デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 簡潔な構造で安価な、対象の姿勢（傾き）変化・変位の測定が可能な、姿勢変化・変位に対応する電気信号発生デバイスを提供すること。
【解決手段】 傾斜角をもつ量の液状誘電体が封入される球状空間をもつ電気絶縁材料製容器と、該容器の天地に固設される電気絶縁材料製電極保持体と、該電極保持体に固定され前記容器の軸心に関し対称となる位置に配設される複数組の内周電極と、相互に電気的に絶縁され上下から前記液状誘電体封入空間に臨んで容器の軸心を共有し相対向する位置に、電圧が印加される対向電極を配置した姿勢変化に対応する電気信号発生デバイス。また、一の導電性コイルばねと該導電性コイルばねに挿通される小径の導電性コイルばねとからなり、前記何れか一方の導電性コイルばねの伸縮に起因する両者間の静電容量の変化をコイルばねの一端の変位検出パラメータとする変位に対応する電気信号発生デバイス。
【選択図】 図１

Description

本発明は、地殻変動の検出や船舶、航空機、車両等の姿勢制御、人の身体各部位の動作・姿勢の検出等に用いることができまた、マニピュレータ、建築、土木分野で用いられる水準器、メガフロート等の揺れ制御システム、鉄塔、電柱、橋桁等の傾斜測定デバイスおよび、ロボットのアームや人体各部位の変位を電気信号として取り出すデバイスに関する。

地殻変動の検出や航空機、車両等の姿勢制御システム、人の身体各部の姿勢（傾き）の検出のほか工場のマニピュレータ、建築、土木分野で用いる水準器、水平度測定を必要とする医療機器、カメラ等の手ぶれ防止機能制御デバイス、二足歩行ロボットの姿勢制御システム、さらに鉄塔、電柱、橋桁等の傾斜測定のように、対象の姿勢（傾き）をきわめて小型で高い精度下に検出できるセンサ（検出端）が強く望まれている。また、自動車の組み立てラインにおけるロボットの関節や人体の各部位、精密機械工業における加工対象、モーションキャプチャなどのように、姿勢変化と共に対象の変位を高い精度でかつダイナミックに検出することが必要とされる分野は多い。

たとえば、容器にその容積の所定比率の容積の液状誘電体を封入するとともに所定の平面をもつ少なくとも一対の電極をこの液状誘電体に浸漬しておき、容器の傾斜の大きさに対応して生じる、電極間で液状誘電体に浸漬されている面積の差異に対応する発現静電容量と抵抗を電気的に接続して電圧信号として取り出す電気信号発生装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
特開平１１−１１８４１２号公報

また、空芯高周波コイルばねとこのコイルばねの可変インピーダンスに並列容量Ｃを配設した並列容量回路に抵抗を直列に配設した線形補償回路と、この線形補償回路に高周波電流を流す電源と出力部とから構成される線形補償素子によって、変位に対して略線形に補償された出力特性をもつ変位センサが知られている（たとえば、特許文献２参照）。
特開２００３−０６５７０４号公報

上記特許文献１に開示されている先行技術によるときは、特定の実験環境或は定置式の姿勢計測に限られることが多かった。従って、傾斜方向が経時的に変化する対象に対しては、計測がきわめて困難であった。また、この先行技術（デバイス）は構造が複雑であり、製造コストを高くする問題がある。また、特許文献２に開示されている先行技術による場合、空芯高周波コイルばねの可変インダクタンスを利用しインピーダンスを出力パラメータとするものである処から、電磁波ノイズの影響を受けやすく、出力信号（Ｓ）／雑音（Ｎ）比が低下する問題があった。即ち、空芯高周波コイルばねに電流が流れると、自己誘導によって起電力が生じる。しかし、この起電力（自己誘導、自己インダクタンス）に電磁波ノイズが加わった場合、ノイズと信号の区別がつかない。

本発明は、簡潔な構造にして安価であって、あらゆる場面、場所での対象の変位・姿勢の変化の計測が可能な、姿勢変化、変位に対応する電気信号発生デバイスを提供することを目的とする。また、本発明の他の目的は、電磁波ノイズの影響を受けることがなく、高い精度で対象の変位に対応する電気信号を発生することができるデバイスを提供することである。

上記課題を解決するための、請求項１に記載の発明は、その上下において電気絶縁材料からなる電極保持体１が固設されるとともに液状誘電体Ｂがその自由表面が傾斜角をもつに足るだけの容積比率で封入される球状又は楕円状空間をもつ容器２と、前記液状誘電体Ｂ封入空間の中心点を通る平面における内壁面から所定の間隔を置いて、前記容器２の軸心に関し対称となる位置に配設される複数組の内周電極４と、相互に電気的に絶縁され、上下から前記液状誘電体Ｂ封入空間に臨んで容器の軸心を共有し相対向する位置に、それぞれ電圧が印加される対向電極３とを有する姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスである。

請求項２に記載の発明は、対向電極３が、平面を有するものである請求項１に記載の姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスである。

請求項３に記載の発明は、内周電極４が、容器２の天井および底面からそれぞれ延在し、その軸方向において非導電性部分を有するかまたは離隔されているものである請求項１又は請求項２に記載の姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスである。

請求項４に記載の発明は、電源電極が、対向電極３に代えて容器２底面から天井まで一体的に延在しているものである請求項３に記載の姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスである。

請求項５に記載の発明は、その上下において電気絶縁材料からなる電極保持体１が固設されるとともに液状誘電体Ｂがその自由表面が傾斜角をもつに足るだけの容積比率で封入される球状又は楕円状空間５をもつ容器２と、前記液状誘電体Ｂ封入空間の中心点を通る平面における内壁面から所定の間隔を置いて、前記容器２の軸心に関し対称となる位置に配設される複数組の内周電極４と、容器の軸心位置に前記液状誘電体Ｂ封入空間５を貫通するとともに電圧が印加される電源電極３０とを有する姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスである。

請求項６に記載の発明は、弧状の面をもつ複数の電極を上下対称的にその内周面に固定するとともに液状誘電体Ｂがその自由表面が傾斜角をもつに足るだけの容積比率で封入される電気絶縁材料からなる球状容器と、前記弧状の面をもつ複数の電極間であって前記球状容器の大円に沿って配設されるとともに電圧が印加される電極とを有する姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスである。

請求項７に記載の発明は、弧状の面をもつ複数の電極を上下対称的にその内周面に固定するとともに液状誘電体Ｂがその自由表面が傾斜角をもつに足るだけの容積比率で封入される電気絶縁材料からなる球状容器と、一の大円と、該一の大円と直交する方向の他の大円に沿って半球部分に配設され、それらの衝合部が相互に電気的に絶縁されているかまたは離隔されているとともに電圧が印加される電源電極とを有する姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスである。

請求項８に記載の発明は、液状誘電体Ｂがその自由表面が傾斜角をもつに足るだけの容積比率で封入される電気絶縁材料からなる球状容器と、該球状容器内壁面に、前記球状容器の大円の略１／４長さに延在する線状または帯状電極を前記容器の横断面中心点に関して対称となる位置に複数組配設するとともに、相互に電気的に絶縁され、前記球状容器の中心線を共有して下端部および上端部に配設され、電圧が印加される対向電極を有する姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスである。

請求項９に記載の発明は、その上下において電気絶縁材料からなる電極保持体が固設されるとともに液状誘電体Ｂがその自由表面が傾斜角をもつに足るだけの容積比率で封入される電気絶縁材料からなる容器と、該容器の内壁面から所定の間隔を置いて、前記容器の横断面中心点に関し対称となる位置に配設され前記容器の天井および底面からそれぞれ延在しその軸方向において非導電性部分を有するかまたは離隔されている複数組の内周電極と、該内周電極の非導電性部分または離隔されている部分の容器内壁に、周方向に延在する電源電極を配設してなる姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスである。

請求項１０に記載の発明は、その上下において電気絶縁材料からなる電極保持体が固設されるとともに液状誘電体（Ｂ）がその自由表面が傾斜角をもつに足るだけの容積比率で封入される電気絶縁材料からなる容器と、該容器の内壁面から所定の間隔を置いて、前記容器の横断面中心点に関し対称となる位置に配設される複数組の内周電極と、該内周電極と電気的に絶縁されかつ相互に電気的に絶縁されるとともに容器内面の天地に配設され電圧が印加される面状の対向電極を有する姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスである。

請求項１１に記載の発明は、一の導電性コイルばねと、該導電性コイルばねよりも小径の他の導電性コイルばねを前記一のコイルばねに軸方向に変位自在に挿通するとともに導電性コイルばね相互を電気的絶縁状態として、前記何れか一方の導電性コイルばねの伸縮によって変化する導電性コイルばね相互間における静電容量を、前記何れか一方の導電性コイルばねの伸縮量検出パラメータとした変位に対応する電気信号発生デバイスである。

請求項１２に記載の発明は、導電性コイルと、該導電性コイルの内径部に径方向における電気的絶縁手段を介して嵌装される、軸方向に変位自在な棒状導電体とからなり、前記導電性コイルおよび棒状導電体の相対変位に対応して変化する導電性コイル・棒状導電体間の静電容量を、導電性コイルおよび棒状導電体の相対変位量検出パラメータとした変位に対応する電気信号発生デバイスである。

請求項１３に記載の発明は、棒状導電体が、可撓性を有するものである請求項１２に記載の変位に対応する電気信号発生デバイスである。

本発明によれば、きわめて小型で簡潔な構造にして測定対象のＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向における傾斜（姿勢）変化を同時に検出することができる。本発明の姿勢変化、変位に対応する電気信号発生デバイスは、地殻変動の検出や船舶、航空機、車両等の姿勢制御用検出端、人の身体各部の動作・姿勢の検出のほか、工場のマニピュレータ、建築、土木分野で用いる水準器、メガフロートにおける揺れ制御用検出端、水平度測定を必要とする医療機器、建造物における水平方向の振動を制御する制振装置、カメラ等の手ぶれ防止機能制御デバイス、二足歩行型ロボットの姿勢制御、コンピュータ用方向計測入力デバイス、鉄塔、電柱、橋桁等の傾斜測定デバイス等としての用途に好適に用いることができる。

また、請求項１乃至請求項４に記載の発明にあっては、液状誘電体が封入される空間を球状或は楕円状としたから円筒形空間とした場合の側壁・底面、天井間のコーナ部（不連続変化部）の存在に起因する出力のヒステリシス曲線化がなくなる。即ち、大きな傾斜角での姿勢変化の場合も液状誘電体の傾斜角に対応する液面の変化が一様となり、高い精度での測定が可能となる。

請求項１０乃至請求項１２に記載の発明によるときは、従来、エンコーダを使用していたロボットのアームの関節の変位や人体各部位の変位を、金属製コイルばねとトランジスタを構成要素とするきわめて小型、簡潔なデバイスで高精度下に計測することが可能となる。また、請求項１０に記載の発明によるときは、金属製コイルばねそのものをエンコーダとして人体の動作を計測するモーションキャプチャをはじめＦＡ（factory automation）分野におけるロボットの動作・姿勢や精密機械工作におけるワークの変位の計測をすることができ、広範な分野においてその利用が可能となる。

また、請求項１０および請求項１２に記載の発明によれば、変位が線形的なもののみならず、弧状（彎曲した）変位の場合であっても検出できる。

以下、本発明をその好ましい実施形態に則して説明する。
本発明の姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスは、測定対象の姿勢（傾き）変化に対応して電極間における静電容量が変化することを利用して電気信号として取り出すものである。而して、電極に高周波電圧または直流電圧を印加することによって、前者の場合には、主として発振器の共振回路における静電容量の変化をまた、後者の場合は、測定対象の傾斜に起因して電極間で生じる液状誘電体と電極の接触面積の差異による静電容量の変化を差動増幅回路によって電圧の変化として検出する。従って、電極間に高周波電圧を印加する場合、測定対象の傾斜角度に対応して発振器の発する搬送波に周波数変調が施されることになる。この信号をＦＭ（frequency modulation）復調すれば、傾斜角を表す信号を得ることができる。ＦＭ復調を施して信号を得るときは、電気的雑音に強いセンサデバイスとすることができる。一方、電極間に直流電圧を印加する場合は、差動増幅器によって傾斜角の変化を電気信号として取り出すことができる。

また、本発明の変位に対応する電気信号発生デバイスは、導電性材料たとえば金属線から形成された相対的に径大の導電性コイルばねの内側に、相対的に径小の導電性コイルばねを軸方向に嵌装し、何れか一方の導電性コイルばねの伸縮量に対応する静電容量の変化を電気信号として取り出すものである。その際、導電性コイルばね相互は、コイルばねの素線にエナメル被覆するなどして電気的に絶縁されている。この実施形態の場合、電極がコイルばねであるから、測定対象である変位が線形的な場合のみならず、弧状（彎曲した）変位をも測定対象とすることができる。

また、本発明の姿勢変化に対応する電機信号発生デバイスと変位に対応する電機信号発生デバイスを併せ複合したデバイスを用いれば、たとえばＦＡ用ロボットの関節の変位と姿勢（傾き）を同時に検出するセンサとすることができる。

さらに、他の実施形態に係る本発明の変位に対応する電気信号発生デバイスは、導電性コイルの内側に電気的絶縁手段たとえば絶縁材料スリーブやコイルの素線にエナメル被覆するなどした手段を介在させて導電性棒状体を軸方向に変位自在に嵌装し、導電性コイルと導電性棒状体の軸方向における相対変位に起因する対向電極面積の変化によって生起する静電容量の変化を電気信号として取り出すものである。この実施形態にあって、導電性棒状体をたとえば導電性ゴムといった可撓性を有する導電性材料とすることによって、線形的変位のみならず弧状（彎曲した）変位をも測定対象とすることができる。

図１および図２に、本発明の一実施例に係る姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスの縦断面および横断面を示す。図１および図２において、１は電極保持体であって、電気的絶縁材料たとえばプラスチック、アクリル、ガラス等からなる。電極保持体１には、対向電極３および内周電極４を密に嵌入する孔が穿設される。対向電極３および内周電極４を電極保持体１に密に嵌入すべく、可撓性を有する電気的絶縁材料たとえばシリコンゴムからなるブッシュを電極保持体１に設けてもよい。

対向電極３および内周電極４は、化学的に安定な（イオン化傾向の小さな）導電性材料たとえば１８Ｋの金（Ａｕ）からなり、この実施例においては、０.６ｍｍφの棒状体である。対向電極３は、図１に示すように、容器２に形成される、この実施例においては球状の空間５の天地から僅かに、たとえば１ｍｍ突出する如く上下の電極保持体１に嵌入される。

容器２は電気的絶縁材料、この実施例においてはたとえばアクリル系、ポリエステル系、ポリアミド系等の透明な合成樹脂からなっている。容器２には、図１および図２に示すように、球状或は楕円状の空間５が形成されており、この空間５に、容器２が傾斜（姿勢変化）したときに、その自由表面と傾斜角をもつに足るだけの容積比率で、この実施例においては空間５の５０％に相当する容積の液状誘電体Ｂが封入される。図１において、Ａはガス体部分、この実施例においては空気である。Ａ部分とＢ部分にたとえば水と油のように混じり合うことのない、一方が液状誘電体である液体を充填するようにしてもよい。その場合、液状誘電体の波打ちを抑える効果がある。

内周電極４は、図１および図２に示すように、容器２に形成されている球状空間５の中心点を通る平面における内壁面から所定の間隔たとえば３ｍｍの間隔を置いて、液状誘電体Ｂの封入空間５の中心点に関し対称となる位置に複数組、この実施例においては、球状空間５の水平方向の大円の周方向に等間隔に４本（２組）配設されている。而して、Ｘ軸方向における内周電極４の対（組）と、Ｙ軸方向における内周電極４の対（組）とを形成している。

対向電極３および内周電極４は、この実施例においては、直径：０.６ｍｍで、表面が研磨されて平滑であり、内周電極４は表面積が４本共均一とされている。そして、対向電極３と内周電極４間には、高周波電圧または直流電圧が印加される。

対向電極３は、図１に示す状態においては、下部の対向電極３が液状誘電体Ｂに浸漬されており、容器２が天地反転したときには容器２の天井部に配設されている対向電極３が液状誘電体Ｂに浸漬される。而して、上部対向電極３および下部対向電極３の何れかが、液状誘電体Ｂを介して外周電極４との間に静電容量を有することになり、容器２のＸ軸方向およびＹ軸方向の何れかまたは複合する方向への傾斜角変化に対応して静電容量が変化し、これを電気信号として検出することができる。

本発明において対向電極３は、容器２に形成されている球状或は楕円状空間５内部に臨んで突出するものに限ることなく、容器２の中実部内に埋没している実施形態を採ることもできる。

本発明において内周電極４は、軸心方向において非導電性部分を有するか或は分割されている実施形態を採ることもできる。その場合、対向電極３に代えて上下の電極保持体１間に延在する一体の電源電極を用いることもできる。

対向電極３および内周電極４としては、先に述べたように、たとえば１８Ｋの金（Ａｕ）といったイオン化傾向の小さな材質が適しており、一方、電極相互間におけるインピーダンスが低い方がよい。電極相互間のインピーダンスが高いと、各種のノイズを拾って測定誤差の原因となり、逆にインピーダンスが過度に低いと、消費電力の増大を招くのみならず、電極のめっきによる機能喪失を招く処から、これらを考慮して決定される。

本発明において液状誘電体Ｂとしては、たとえば溶媒としてエチレングリコール、エチレングリコールモノメチルエーテル、γ−ブチロラクトン、Ｎ−メチルホルムアミド等を用い、溶質としてアジピン酸、マレイン酸、安息香酸、フタル酸、サルチル酸、塩基性のものとしてアンモニア、アンモニア水、トリエチルアミン、水酸化テトラメチルアンモニウム等からなる溶液を用いることができる。

本発明の実施例１に係る姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスはまた、図１（ｂ）に示すように、対向電極３に代えて球状空間５を貫通する電源電極３０の形態を採ることもできる。

図３に、本発明の姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスの他の実施例を示す。図１および図２におけると同一の符号は、実施例１におけると同一の構成要素であるから説明を省略する。この実施例において、対向電極３は電気的にはそれぞれ独立した電極として機能するが、機械的には同一の部材として形成されて電極保持体１に密に嵌入され、容器２の天井凹部にその上端部が嵌入される。下部対向電極は中空となっており、この中空部にその断面中心部に導電体が通されている電気絶縁体ＥＩが嵌装されている。而して、電気絶縁体ＥＩ内部の導電体は上部対向電極３と電気的に結合されている。

図４に、本発明の姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスの他の実施例を示す。図１および図２におけると同一の符号は、実施例１におけると同一の構成要素であるから説明を省略する。この実施例において、対向電極は、球状空間５に臨む端部にそれぞれ面電極１３が形成される実施形態を採る。面電極１３は、円形平面部を有しその外径は外周電極４に接触しない範囲内で可及的に大きく採ることが望ましい。これによって、容器２の傾斜角度の変化を静電容量の変化をパラメータとして測定するに際して、液状誘電体Ｂの自由表面が対向電極と外周電極４の間にかかったときに精確な静電容量の測定ができなくなる問題を解決することができる。勿論、Ｘ軸方向或はＹ軸方向における外周電極４対間距離が近接している場合は、図１および図２に示すデバイスで十分に高い精度で容器２の傾斜角度（姿勢）変化を検出することができる。

図５に、本発明の姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスの他の実施例を示す。図１および図２におけると同一の符号は、実施例１におけると同一の構成要素であるから説明を省略する。この実施例において、対向電極は、実施例３におけると同様に、球状空間５に臨む端部にそれぞれ面電極１３が形成される実施形態を採っている。対向面電極１３は電気的にはそれぞれ独立した電極として機能するが、機械的には、その内部に導電体が挿通されている電気絶縁体ＥＩを介して同一の部材として形成されて下部面電極１３に結合されている。

図６に、本発明の姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスの他の実施例を示す。図１および図２におけると同一の符号は、実施例１におけると同一の構成要素であるから説明を省略する。この実施例において、姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスは基板に取付けるべく、ケース２２に収納された構造となっている。容器２を保護すべく、図６に示すように、ケース２２に収納しまた、基板に取付けやすいように、基板接続端子１２３がその下端面に取付けられている基板取付用台１１にデバイスが固定される。基板接続端子１２３は、上部面電極１３、下部面電極１３、内周電極４（この実施例においては、４本）の計６箇の端子と電気的に接続されている。

図７に、本発明の姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスの他の実施例を示す。図１および図２におけると同一の符号は、実施例１におけると同一の構成要素であるから説明を省略する。この実施例においては、図５に示す、姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスを基板に取付けるべく、ケース３２に収納した構造となっている。容器２を保護すべく、図７に示すように、ケース３２に収納しまた、基板に取付けやすいように、基板接続端子１２３がその下端面に取付けられている基板取付用台１１にデバイスが固定される。基板接続端子１２３には、上部面電極１３、下部面電極１３、内周電極４（この実施例においては、４本）の計６箇の端子と電気的に接続されている。

図１乃至図７に示す本発明の実施例においては、内周電極４は直径：０.６ｍｍの導電性棒状体であったが、内周電極４は毛髪のようにきわめて細いものであっても十分に機能する。その場合には、内周電極４は容器２の底面と天井にその上下端が固定され小さな張力を付加されて容器２の軸心と平行を保つよう構成される。このように構成することによって、デバイスをきわめて小さなものとすることができる。

また、図４乃至図７に示す本発明の実施例においては、面電極１３は円形平面を有するものであるが、本発明においては面電極１３として三角形以上の多角形平面を有するもの或は楕円平面を有するものを用いることもできる。

図８に、本発明の姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスを用いて対象のＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸３軸の傾斜を測定するときの、容器２と対向電極３および内周電極４の位置関係ならびに座標軸の関係を示す。容器２における球状空間５の内容積の５０％に相当する量の液状誘電体Ｂが封入され、下部対向電極３と外周電極４間に電圧が印加されている場合、静電容量が発現する。容器２が天地反転すれば、上部対向電極３と内周電極４間に静電容量が発現する。上下の対向電極３の軸心回りに容器２が回転し加速度が作用して２対（４本）の内周電極４と対向電極３間の静電容量Ｃの値が均一であれば、容器２の上下対向電極３を通る軸心は鉛直である。容器２が傾斜すると、２対（４本）の内周電極４と対向電極３間の静電容量Ｃの値が変化するから、その変化量からＸ軸およびＹ軸の何れか一方または双方の複合した傾斜角度を測定することができる。

図９に、本発明の姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスの他の実施例を示す。図９において、１３３は電源電極であって線状或は帯状導電性材料からなり、球状容器１３２の大円に沿う内壁面に固着される。球状容器１３２は、この実施例においては、アクリル系、ポリエステル系、ポリアミド系の透明合成樹脂からなっている。電源電極１３３は、図１０に示すように、経線方向に延在する如く配設してもよい。電源電極１３３を経線方向に延在する如く配設する場合は、図１１に示すように、容器１３２の上半球で直交する経線に沿って延在する如くもう１本の電源電極が配設され、赤道（水平方向の大円）部分で、対をなす下半球部分の電源電極１３３と相互に電気的に絶縁或は離隔されている。

１３４は面電極であって導電性材料たとえば金箔によって形成され、球状容器１３２の内壁面に貼着或は蒸着されて弧状を呈し球状容器１３２の中心点に関し対称となる位置に配設される。この実施例においては、上半球内壁面に４面、下半球内壁面に４面、計８面の面電極１３４が相互に電気的に絶縁されるように離隔されて分割配置される。図９および図１０に示すように、それぞれの面電極１３４に導線ｗが接続されている。

球状容器１３２の内部には、その内容積の５０％に相当する量の液状誘電体Ｂが封入され、球状容器１３２の傾きに応じて弧状の面電極１３４と液状誘電体Ｂとの接触面積に変化を生じる。８面の面電極１３４間における液状誘電体Ｂとの接触面積の相対関係の変化に起因して、電源電極１３３と各面電極１３４間に生成される静電容量に変化を生じる。而して、各面電極１３４と電源電極１３３間の静電容量の変化を検出することによって、球状容器１３２のＸ軸方向およびＹ軸方向における傾きを測定することができる。

対象の傾きが生じる方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）とデバイスの関係を、図１１に示す。図１１において、上半球および下半球における電源電極１３３と面電極１３４の間で、液状誘電体Ｂを介してコンデンサが形成される。図１１に示す状態では、下半球の電源電極１３３と面電極１３４の間で、液状誘電体Ｂを介してコンデンサが形成されている。球状容器１３２が天地反転したときには、上半球の電源電極１３３と面電極１３４の間で、液状誘電体Ｂを介してコンデンサが形成される。而して、上半球の電源電極１３３と面電極１３４の間で図１１に示すＹ軸方向における１８０°の範囲の球状容器１３２の傾きを測定でき、下半球についても同様であるからＹ軸方向における３６０°の範囲の球状容器１３２の傾きを測定できる。

図１１に示す球状容器１３２の左右の半球についても上下半球と同様であるから、Ｘ軸方向における３６０°の範囲の球状容器１３２の傾きを測定できる。

図１２および図１３に、図９乃至図１１に示す面電極１３４を線状或は帯状とした本発明の姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスを示す。線・帯状電極２３４は相互に分割されて、図１２および図１３に示す球状容器２３２の上半球内壁面に４本、下半球内壁面に４本、計８本が固着される。面電極を線・帯状電極２３４とすることで、めっき或はエッチングによって球状容器２３２内壁面に電極を形成でき、２３２内壁面への電極形成が容易になる。

１３３は電源電極であり、球状容器２３２の軸心位置に、球状容器２３２の天地から球状容器２３２内部に臨む如く配設される。球状容器２３２内部には、内部容積の５０％に相当する量の液状誘電体が封入される。これによって、実施例７におけると同様に、図１３に示すＸ軸方向、Ｙ軸方向それぞれの３６０°の範囲の球状容器１３２の傾きを測定できる。

図１４に、本発明の姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスの他の実施例を示す。図１４において、３３２は円筒型の容器であって、この実施例にあっては、アクリル系、ポリエステル系、ポリアミド系の透明合成樹脂からなっている。３３３は電源電極であり導電性材料箔からなり、容器３３２の高さ方向中央部の内壁面に周方向延在する如く配設される。３３４は内周電極であって線状或は帯状を呈し、容器３３２内壁面に貼着されている。内周電極３３４は、図１４に示すように、電源電極３３３が周方向に延在する部位において、上下に離隔されている。而して内周電極３３４は、容器３３２上部に４本、下部に４本、容器３３２の内壁面に周方向に等間隔に配設されている。また、容器３３２内部には、容器３３２の内容積の５０％に相当する量の液状誘電体Ｂが封入されている。容器３３２の上下には勿論鏡板が固着されている。この構成によって、容器３３２のＸ軸方向およびＹ軸方向における３６０°の範囲の傾き（姿勢変化）を測定できる。

図１５に、本発明の他の実施例に係る姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスを示す。図１５において、４３２は円筒型の容器であって、この実施例にあっては、アクリル系、ポリエステル系、ポリアミド系の透明合成樹脂からなっている。４３３は電源電極であって、容器４３２の天地の鏡板の内部壁面に形成されている。４３４は内周電極であり、図１５に示すように、線状或は帯状を呈し、球状容器４３２内壁面に容器の軸方向に延在する如く貼着されている。内周電極４３４は、図１５に示すように、電源電極４３３が周方向に延在する部位において、上下に離隔されている。而して内周電極４３４は、容器４３２上部に４本、下部に４本、容器４３２の内壁面に周方向に等間隔に配設されている。また、容器４３２内部には、容器４３２の内容積の５０％に相当する量の液状誘電体Ｂが封入されている。この構成によって、容器４３２のＸ軸方向およびＹ軸方向における３６０°の範囲の傾き（姿勢変化）を測定できる。

図１乃至図１５に示す本発明の各実施例に係る姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスの信号取出しおよび処理について説明する。図１６に示す、たとえばＸ軸方向における容器２の傾き（姿勢変化）に対応する対向電極３と内周電極４間の静電容量信号Ｓ_１とＳ_２を図１７に示す信号処理回路に入力する。Ｘ軸および／またはＹ軸方向における容器２の傾きに対応する信号Ｓ_１、Ｓ_２は、図１乃至図１５に示すデバイスにおいて本質的に同じである。図１７に示す信号処理回路における出力信号Ｖ_ｏは、次式で与えられる。

本発明の各実施例に係る姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスの信号処理回路として、図１８に示すＲＣ発振回路を用いることもできる。また、本発明の姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスは、容量が変化するコンデンサであるからバリコンとして作用する。従って、ＦＭ変調方式、ＡＭ変調方式を採用できる。これらの実施形態の１つとして、ウィーンブリッジ発振回路を用いる場合について説明する。図１９に、ウィーンブリッジ発振回路を示す。Ｃ_１、Ｃ_２、Ｒ_１、Ｒ_２で構成される部分（点線で囲まれた部分）は、正帰還によりオペアンプに発振動作をさせるとともにＣＲの時定数によって発振周波数を定める。一方、Ｒ_３、Ｒ_４の回路は、オペアンプの増幅率を制御する。この発振回路は、増幅率を３とすると発振する。３未満では発振しない。他方、３を超えると出力が飽和してきれいな信号が出なかったり、発振が止まってしまう。図１９に示すウィーンブリッジ発振回路を変形すると、図２０の如くである。ここで、このウィーンブリッジの平衡条件が発振条件になる。発振周波数ｆは、次式で与えられる。

Ｃ＝Ｃ_１＝Ｃ_２ Ｒ＝Ｒ_１＝Ｒ_２ とすると、

となる。その際、安定した発振をするために必要なオペアンプの条件は、増幅率＝３である。この増幅率から逆算して、Ｒ_３とＲ_４の関係（正相増幅率）を求めると、３＝（１＋Ｒ_４／Ｒ_３）、故に、Ｒ_４＝２・Ｒ_３の条件が必要となる。前記数式３におけるｆを検出することによって、容器２の傾きを測定することができる。

図２１に、矩形波発振回路の例を示す。この回路は、論理素子（デジタルＩＣ）を用いた発振回路である。この回路によれば、容器の傾きに対応する静電容量の変化を、矩形波として取り出すことができる。この回路による発振周波数は、次の通りである。

図２２に、本発明の実施例に係る変位に対応する電気信号発生デバイスを示す。図２２において、２０１は相対的に大径の導電性コイルばね、２０２は相対的に小径の導電性コイルばねであって、相互に電気的絶縁状態、たとえばそれぞれの導電性コイルばねを形成している素線にエナメル被覆を施してコイルばねとした状態で、図２２（ｂ）に示すように、導電性コイルばね２０１内径部に相対的に小径の導電性コイルばね２０２が相対的に軸方向に変位自在に挿通されている。

ここで、図２２（ｃ）に示すように、相対的に大径の導電性コイルばね２０１が伸びてその一端が導電性コイルばねの軸方向に変位すると、相対的に小径の導電性コイルばね２０２外径部と相対向する相対的に大径の導電性コイルばね２０１内径部の表面積が変化する。このことに起因して導電性コイルばね２０１と導電性コイルばね２０２間の静電容量が変化する。即ち、導電性コイルばね２０１および導電性コイルばね２０２の何れか一方の伸縮量に対応して両者間の静電容量Ｃが変化する。導電性コイルばね２０１と導電性コイルばね２０２間の静電容量Ｃは、

で与えられる。ここで、導電性コイルばね２０１の内径部と導電性コイルばね２０２の外径部間の距離（電極間距離）ｔは一定である。また、誘電体の比誘電率の空気濃度による変化は補正できるから実質的に一定である。而して、導電性コイルばね２０１および導電性コイルばね２０２の何れか一方の伸縮による電極間対向面積Ｓの変化のみが、両導電性コイルばね間における静電容量Ｃの変数（パラメータ）となる。従って、導電性コイルばね２０１および導電性コイルばね２０２の何れか一方の伸縮量即ち変位を測定することができる。

この実施例に係る変位に対応する電気信号発生デバイスは、導電性コイルばね、たとえば燐青銅を素線とする大径、小径一対の導電性コイルばねで構成されるから、対象の変位が線形的なもののみならず弧状の（彎曲した）変位であっても測定が可能である。

この実施例における対象の変位の測定は、図２３に示す回路によって単に静電容量Ｃの変化を検出することによって実施することができる。また、図２４に示すＣＲ発振回路（ウィーンブリッジ発振回路）によっても実施することができる。図２４に示す回路は、Inputに電圧を印加し、図２２に示すデバイスにおける何れか一方の導電性コイルばねの伸縮（変位）に起因する静電容量Ｃの変化を周波数変化として取り出す回路である。図２４に示す回路は発振回路であるから、図２２に示すデバイスにおける導電性コイルばねの伸縮によって変化する周波数として検出する。具体的には、図１９および図２０に示すウィーンブリッジ発振回路を用いる。このウィーンブリッジ発振回路による静電容量の変化を電気信号として取り出す手段は、姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスにおけると同様である。また、矩形波発振回路の場合も同様である。

図２５に、導電性コイル３０１に絶縁体３０３を介在させて導電性棒状体３０２を軸方向に変位自在に挿通させる、変位に対応する電気信号発生デバイスの構成を示す。導電性コイル３０１と導電性棒状体３０２間の電気的絶縁手段として、導電性コイル３０１の素線にエナメル被覆するようにしてもよい。この実施例において、導電性コイル３０１と導電性棒状体３０２が軸方向に相対的に変位したときに、導電性コイル３０１内径部と導電性棒状体３０２外径部が相対向する面積が変化するようにしておくことによって両者間の静電容量の変化を検出することで変位を測定することができる。

この実施例において、導電性棒状体３０２を可撓性を有する導電性材料たとえば導電性ゴムの棒状体とすることによって、変位が彎曲したものである場合も変位量を測定することができる。

図２６に、本発明の姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスの他の実施例を示す。図２６において、４０１は外部円筒であって、その軸心が水平方向に延在し、内壁面の周方向における５０％は導電性物質で形成されている。周方向における残り５０％は非導電性である。４０２は内部円筒であり、その外表面は導電性物質で形成されている。内部円筒４０２は、外部円筒４０１とその軸心を共有する。外部円筒４０１と内部円筒４０２は等しい軸方向長さを有し、その両端部に絶縁性材料たとえばプラスチック製の鏡板４０３が固着される。そして、外部円筒４０１の内壁面導電性部分は電極として機能し、導線が接続されている。内部円筒４０２の外表面も電極として機能し、導線が接続されている。

上記二重円筒の、内部円筒４０２の外表面と、外部円筒４０１の内壁面によって形成される環状空間にその容積の５０％に相当する量の液状誘電体が封入され、内部円筒４０２の外表面と外部円筒４０１の内壁面半周の導電性表面部分との間に電圧が印加され、液状誘電体を介してコンデンサが形成される。而して、二重円筒が周方向に変位（傾斜）すると、外部円筒４０１の内壁面半周の導電性表面部分と液状誘電体の接触面積が変化し、内部円筒４０２の外表面間における静電容量が変化する。この静電容量の変化量を検出することによって傾斜角度を測定することができる。この実施例に係るデバイスは、二重円筒を形成する内・外部円筒それぞれの壁厚を数十μｍ程度にまで薄くすることができるから、デバイスをきわめて小型化でき、デジタルカメラ等各種機器の傾斜センサとして用いることができる。

図２７に、本発明の姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスの他の実施例を示す。図２７において、５０１は電極板対であって、導電性内壁面を有する。電極板５０１対に直交する方向および底面に、絶縁性材料の板材５０２たとえばアクリル板が電極板５０１対に相互の端部で固着され、直方体容器を構成する。この直方体容器の内容積の５０％に相当する量の液状誘電体が封入される。電極板５０１対にはそれぞれ導線が接続され、両電極板５０１間に電圧が印加され、コンデンサを形成する。

そして直方体容器が傾斜すると、一方の電極板５０１と液状誘電体の接触面積が増大し、他方の電極板５０１と液状誘電体の接触面積が減少する。それによって両電極板５０１間の静電容量が変化するから、この静電容量の変化量を検出することによって傾斜角度を測定することができる。

本発明の一実施例に係る姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスを示す縦断面図であって、（ａ）は対向電極を電源電極とする実施形態（ｂ）は貫通電極を電源電極とする実施形態を示す。 図１に示す姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスの平面図 本発明の他の実施例に係る姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスを示す縦断面図 本発明の他の実施例に係る姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスを示す縦断面図 本発明の他の実施例に係る姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスを示す縦断面図 本発明の他の実施例に係る姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスを基板に搭載するときの態様を示す縦断面図 図５に示す姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスを基板に搭載するときの態様を示す縦断面図 本発明を実施するときの、容器と対向電極および内周電極の位置関係ならびに座標軸の関係を示す斜視図 本発明の他の実施例に係る姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスを示す斜視図 本発明の他の実施例に係る姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスを示す斜視図 本発明の他の実施例に係る姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスを示す斜視図 本発明の他の実施例に係る姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスを示す斜視図 本発明の他の実施例に係る姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスを示す斜視図 本発明の他の実施例に係る姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスを示す斜視図 本発明の他の実施例に係る姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスを示す斜視図 本発明の姿勢変化に対応する対向電極および内周電極間の静電容量信号を取り出す状態を示す斜視図 本発明の姿勢変化ならびに変位に対応する電気信号発生デバイスにおける信号処理回路の一例を示す回路図 本発明の姿勢変化ならびに変位に対応する電気信号発生デバイスにおけるＲＣ発振回路を用いた信号処理回路を示す回路図 本発明の姿勢変化ならびに変位に対応する電気信号発生デバイスにおいてウィーンブリッジ発振回路を用いた信号処理回路を示す回路図 図１９に示す回路を変形して示すブリッジ回路図 本発明の姿勢変化ならびに変位に対応する電気信号発生デバイスにおける矩形波発振回路即ち論理素子（デジタルＩＣ）を用いた信号処理回路を示す回路図 本発明の一実施例に係る変位に対応する電気信号発生デバイスを示す斜視図であって、（ａ）は相対的に大径の導電性コイルばねおよび小径の導電性コイルばね（ｂ）は小径の導電性コイルばねを大径の導電性コイルばねに挿通させた状態（ｃ）は大径の導電性コイルばねを伸長させた状態を示す図 本発明の一実施例に係る変位に対応する電気信号発生デバイスにおける対象の変位をコンデンサの容量変化として捉える回路を示す回路図 本発明の変位に対応する電気信号発生デバイスにおけるＲＣ発振回路（ウィーンブリッジ発振回路）を用いた信号処理回路を示す回路図 本発明の他の実施例に係る変位に対応する電気信号発生デバイスを示す斜視図 本発明の姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスの他の実施例を示す模式図 本発明の姿勢変化に対応する電気信号発生デバイスの他の実施例を示す模式図

符号の説明

１ 電極保持体
２ 容器
３ 対向電極
４ 内周電極
５ 液状誘電体封入空間
１１ 基板取付用台
１３ 面電極
２２ ケース
３２ ケース
１２３ 基板接続端子
１３２ 球状容器
１３３ 電源電極
１３４ 面電極
２０１ 大径導電性コイルばね
２０２ 小径導電性コイルばね
２３２ 球状容器
２３４ 内周電極
３０１ 導電性コイル
３０２ 導電性棒状体
３０３ 絶縁体
３３２ 容器
３３３ 電源電極
３３４ 内周電極
４０１ 外部円筒
４０２ 内部円筒
４０３ 鏡板
４３２ 容器
４３３ 電源電極
４３４ 内周電極
５０１ 電極板
５０２ 絶縁性材料板材
Ｂ 液状誘電体
ＥＩ 電気絶縁体
Ｓ_１ 信号
Ｓ_２ 信号

Claims (13)

1. その上下において電気絶縁材料からなる電極保持体（１）が固設されるとともに液状誘電体（Ｂ）がその自由表面が傾斜角をもつに足るだけの容積比率で封入される球状又は楕円状空間（５）をもつ電気絶縁材料からなる容器（２）と、前記液状誘電体（Ｂ）封入空間（５）の中心点を通る平面における内壁面から所定の間隔を置いて、前記容器（２）の軸心に関し対称となる位置に配設される複数組の内周電極（４）と、相互に電気的に絶縁され上下から前記液状誘電体（Ｂ）封入空間に臨んで容器（２）の軸心を共有し相対向する位置に、電圧が印加される対向電極（３）とを有することを特徴とする姿勢変化に対応する電気信号発生デバイス。
2. 対向電極（３）が、平面を有するものである請求項１に記載の姿勢変化に対応する電気信号発生デバイス。
3. 内周電極（４）が、容器（２）の天井および底面からそれぞれ延在し、その軸方向において非導電性部分を有するかまたは分割されているものである請求項１または請求項２に記載の姿勢変化に対応する電気信号発生デバイス。
4. 電源電極が、対向電極（３）に代えて容器（２）底面から天井まで一体的に延在しているものである請求項３に記載の姿勢変化に対応する電気信号発生デバイス。
5. その上下において電気絶縁材料からなる電極保持体（１）が固設されるとともに液状誘電体（Ｂ）がその自由表面が傾斜角をもつに足るだけの容積比率で封入される球状又は楕円状空間（５）をもつ電気絶縁材料からなる容器（２）と、前記液状誘電体（Ｂ）封入空間（５）の中心点を通る平面における内壁面から所定の間隔を置いて、前記容器（２）の軸心に関し対称となる位置に配設される複数組の内周電極（４）と、容器（２）の軸心位置に前記液状誘電体（Ｂ）封入空間（５）を貫通するとともに電圧が印加される電源電極（３０）とを有することを特徴とする姿勢変化に対応する電気信号発生デバイス。
6. 弧状の面をもつ複数の電極を上下対称的にその内周面に固着するとともに液状誘電体（Ｂ）がその自由表面が傾斜角をもつに足るだけの容積比率で封入される電気絶縁材料からなる球状容器と、前記弧状の面をもつ複数の電極間であって前記球状容器の大円に沿って配設されるとともに電圧が印加される電源電極とを有することを特徴とする姿勢変化に対応する電気信号発生デバイス。
7. 弧状の面をもつ複数の電極を上下対称的にその内周面に固着するとともに液状誘電体（Ｂ）がその自由表面が傾斜角をもつに足るだけの容積比率で封入される電気絶縁材料からなる球状容器と、一の大円と、該一の大円と直交する方向の他の大円に沿って半球部分に配設され、それらの衝合部が相互に電気的に絶縁されているかまたは離隔されているとともに電圧が印加される電源電極とを有することを特徴とする姿勢変化に対応する電気信号発生デバイス。
8. 液状誘電体（Ｂ）がその自由表面が傾斜角をもつに足るだけの容積比率で封入される電気絶縁体で形成された球状容器と、該球状容器内壁面に、該球状容器の大円の略１／４長さに延在する線状または帯状電極を前記球状容器の中心点に関して対称となる位置に複数組配設するとともに、相互に電気的に絶縁され、前記球状容器の中心点を通る線分を共有して下端部および上端部に配設され、電圧が印加される対向電極を有することを特徴とする姿勢変化に対応する電気信号発生デバイス。
9. その上下において電気絶縁材料からなる電極保持体が固設されるとともに液状誘電体（Ｂ）がその自由表面が傾斜角をもつに足るだけの容積比率で封入される電気絶縁材料からなる容器と、該容器の内周面から所定間隔を置いて、前記容器の横断面中心点に関して対称となる位置に配設され、前記容器の天井および底面からそれぞれ延在しその軸方向において非導電性部分を有するかまたは離隔されている複数組の内周電極と、前記内周電極の非導電性部分または離隔されている部分の容器内壁に、周方向に延在する電源電極を配設してなる姿勢変化に対応する電気信号発生デバイス。
10. その上下において電気絶縁材料からなる電極保持体が固設されるとともに液状誘電体（Ｂ）がその自由表面が傾斜角をもつに足るだけの容積比率で封入される電気絶縁材料からなる容器と、該容器の内周面から所定間隔を置いて、前記容器の横断面中心点に関して対称となる位置に配設される複数組の内周電極と、該内周電極と電気的に絶縁されかつ相互に電気的に絶縁されるとともに容器内面の天地に配設され電圧が印加される、面状の対向電極を有することを特徴とする姿勢変化に対応する電気信号発生デバイス。
11. 一の導電性コイルばねと、該一の導電性コイルばねよりも小径の他の導電性コイルばねを前記一の導電性コイルばねに軸方向に変位自在に挿通するとともに導電性コイルばね相互を電気的絶縁状態として、前記何れか一方の導電性コイルばねの伸縮によって変化する導電性コイルばね相互間における静電容量を、前記何れか一方の導電性コイルばねの伸縮量検出パラメータとしたことを特徴とする変位に対応する電気信号発生デバイス。
12. 導電性コイルばねと、該導電性コイルばねの内径部に径方向における電気的絶縁手段を介して嵌装される、軸方向に変位自在な棒状導電体とからなり、前記棒状導電体および導電性コイルの軸方向相対変位によって変化する導電性コイルばね・棒状導電体間の静電容量を、導電性コイルおよび棒状導電体の相対変位量検出パラメータとしたことを特徴とする変位に対応する電気信号発生デバイス。
13. 棒状導電体が、可撓性を有するものである請求項１２に記載の変位に対応する電気信号発生デバイス。
    

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