(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気絶縁材料からなる電極保持体（１）に密に固定される電気絶縁材料からなる円筒状容器（２）と、該円筒状容器（２）の内周面から所定間隔を置いて前記円筒状容器（２）の横断面中心点に関し対称となる位置に配設されるＸ軸方向及びＹ軸方向における前記容器（２）の傾斜を検出すべく機能する少なくとも２対（４本）の外周電極（４）と、前記円筒状容器（２）の底面である電極保持体（１）上面及び円筒状容器（２）天井下面の、前記円筒状容器（２）の横断面中心点に相互に離隔されて配設されそれぞれに電圧が印加される対向電極（３）とを設け、前記円筒状容器（２）が傾斜したときに前記円筒状容器（２）の軸心との間に自由表面が傾斜角を形成することができる容積の液状誘電体（Ｂ）を前記円筒状容器（２）の内部空間に封入してなる姿勢変化に対応する電気信号発生装置。
【請求項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装置。
【請求項３】
外周電極（４）が、円筒状容器（２）の天井及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又は分割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装置。
【請求項４】
Ｘ軸方向及びＹ軸方向における容器の傾斜を検出すべく機能しそれぞれ同一の形状、面積をもつ少なくとも８面の弧状面電極（３４）を上下対称的に内周面に固定した電気絶縁材料からなる球状容器と、相互に離隔又は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する下端部及び上端部に配設されそれぞれ電圧が印加される対向電極（３３）とを有し、前記球状容器が傾斜したときに前記上下の対向電極（３３）を結ぶ球状容器の軸心との間に自由表面が傾斜角を形成することができる容積の液状誘電体（Ｂ）を前記球状容器の内部空間に封入してなる姿勢変化に対応する電気信号発生装置。
【請求項５】
Ｘ軸方向及びＹ軸方向における容器の傾斜を検出すべく機能しそれぞれ同一の形状、面積をもつ少なくとも４面の平面電極を対称的にその内壁面に固定した電気絶縁材料からなる多面体容器と、前記多面体容器の天井及び底面の面中心点部位に、相対向して離隔しそれぞれ電圧が印加される対向電極とを有し、前記多面体容器が傾斜したときに前記上下の対向電極を結ぶ多面体容器の軸心との間に自由表面が傾斜角を形成することができる容積の液状誘電体（Ｂ）を前記多面体容器の内部空間に封入してなる姿勢変化に対応する電気信号発生装置。
【請求項６】
姿勢変化に対応する電気信号発生手段が、対向電極に高周波電圧が印加し、高周波電圧発振器が発生する搬送波に容器の傾斜に対応する周波数変調を生起せしめ、この信号をＦＭ復調するものである請求項１乃至請求項５何れかに記載の姿勢変化に対応する電気信号発生装置。
【請求項７】
中空の導電体と、該中空導電体に嵌装され線形変位自在な、電気絶縁材料で被覆された導電体と、前記中空導電体と電気絶縁材料で被覆された導電体間に電圧を印加する手段とを有し、前記中空導電体と電気絶縁材料で被覆された導電体間の抜き差し変位量に対応する静電容量変化を電気信号として取出す手段とを有する位置変化に対応する電気信号発生装置の両端又は離隔する途中部位に、請求項１乃至請求項６何れかに記載の姿勢変化に対応する電気信号発生装置を取着してなる位置・姿勢変化に対応する電気信号発生装置。
【請求項８】
可撓性を有する中空の導電体と、該中空導電体に嵌装され軸心方向に変位自在な、電気絶縁材料で被覆された可撓性を有する導電体と、前記可撓性を有する中空導電体と電気絶縁材料で被覆された可撓性導電体間に電圧を印加する手段とを有し、前記可撓性中空導電体と電気絶縁材料で被覆された可撓性導電体間の抜き差し変位量に対応する静電容量変化を電気信号として取出す手段とを有する位置変化に対応する電気信号発生装置の両端又は離隔する途中部位に、請求項１乃至請求項６何れかに記載の姿勢変化に対応する電気信号発生装置を取着してなる位置・姿勢変化に対応する電気信号発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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、橋桁等の傾斜測定に用いることができる位置・姿勢変化に対応する電気信号発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば船舶の姿勢制御に用いられる、船舶の姿勢の変化（傾斜）を検出する手段として、容器にその容積の所定比率の容積の液状誘電体を装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電極間で液状誘電体に浸漬している面積に差異を生じ、こ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出す電気信号発生装置が、たとえば特開平１１−１１８４１２号公報に開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術によるときは、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、上記従来のデバイスは、構造が複雑であり製造コストを高くする問題がある。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、位置・姿勢変化に対応する電気信号発生装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための請求項１に記載の発明は、電気絶縁材料からなる電極保持体１に密に固定される電気絶縁材料からなる円筒状容器２と、該円筒状容器２の内周面から所定間隔を置いて前記円筒状容器２の横断面中心点に関し対称となる位置に配設されるＸ軸方向及びＹ軸方向における前記容器２の傾斜を検出すべく機能する少なくとも２対（４本）の外周電極４と、前記円筒状容器２の底面である電極保持体１上面及び円筒状容器２天井下面の、前記円筒状容器２の横断面中心点にそれぞれ配設され電圧が印加される対向電極３とを設け、前記円筒状容器２が傾斜したときに前記円筒状容器２の軸心との間に自由表面が傾斜角を形成することができる容積の液状誘電体Ｂを前記円筒状容器２の内部空間に封入してなる姿勢変化に対応する電気信号発生装置である。この発明によれば、きわめて小型で簡潔な構造にして、測定対象のＸ軸方向およびＹ軸方向の一方または双方の傾斜を同時に３６０°の範囲において測定できる。また、デバイスを組み合わせることによってＺ軸方向における傾斜（姿勢）変化を併せて検出することができる。
【０００５】
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装置である。この発明によるときは、対向電極と外周電極間を近接させることができるから、液状誘電体の自由表面が対向電極と外周電極間にかかって、精確な静電容量の検出ができない不備を補うことができる。
【０００６】
請求項３に記載の発明は、外周電極４が、容器２の天井および底面からそれぞれ延在し、その軸心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装置である。
【０００７】
請求項４に記載の発明は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向における容器の傾斜を検出すべく機能しそれぞれ同一の形状、面積をもつ少なくとも８面の弧状面電極３４を上下対称的に内周面に固定した電気絶縁材料からなる球状容器と、相互に離隔又は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する下端部及び上端部に配設されそれぞれ電圧が印加される対向電極３３とを有し、前記球状容器が傾斜したときに前記上下の対向電極３３を結ぶ球状容器の軸心との間に自由表面が傾斜角を形成することができる容積の液状誘電体Ｂを前記球状容器の内部空間に封入してなる姿勢変化に対応する電気信号発生装置である。この発明によれば、秒単位のＸ、Ｙ２軸方向傾斜角度変化を３６０°の範囲に亘って検出することができ、精緻な姿勢変化量の検出を要する場合に好適である。
【０００８】
請求項５に記載の発明は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向における容器の傾斜を検出すべく機能しそれぞれ同一の形状、面積をもつ少なくとも４面の平面電極を対称的にその内壁面に固定した電気絶縁材料からなる多面体容器と、前記多面体容器の天井及び底面の面中心点部位に、相対向して離隔しそれぞれ電圧が印加される対向電極とを有し、前記多面体容器が傾斜したときに前記上下の対向電極を結ぶ多面体容器の軸心との間に自由表面が傾斜角を形成することができる容積の液状誘電体Ｂを前記多面体容器の内部空間に封入してなる姿勢変化に対応する電気信号発生装置である。
【０００９】
請求項６に記載の発明は、姿勢変化に対応する電気信号発生手段が、対向電極に高周波電圧が印加され、高周波電圧発振器が発生する搬送波に容器の傾斜に対応する周波数変調を生起せしめ、この信号をＦＭ復調するものである請求項１乃至請求項５何れかに記載の姿勢変化に対応する電気信号発生装置である。
【００１０】
請求項７に記載の発明は、中空の導電体と、該中空導電体に嵌装され線形変位自在な、電気絶縁材料で被覆された導電体と、前記中空導電体と電気絶縁材料で被覆された導電体間に電圧を印加する手段とを有し、前記中空導電体と電気絶縁材料で被覆された導電体間の抜き差し変位量に対応する静電容量変化を電気信号として取出す手段とを有する位置変化に対応する電気信号発生装置の両端又は離隔する途中部位に、請求項１乃至請求項６何れかに記載の姿勢変化に対応する電気信号発生装置を取着してなる位置・姿勢変化に対応する電気信号発生装置である。この発明によるときは、部材間の線形変位量と部材のＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸各方向における傾斜角度（姿勢）の変化を併せ検出することができる。
【００１１】
請求項８に記載の発明は、可撓性を有する中空の導電体と、該中空導電体に嵌装され軸心方向に変位自在な、電気絶縁材料で被覆された可撓性を有する導電体と、前記可撓性を有する中空導電体と電気絶縁材料で被覆された可撓性導電体間に電圧を印加する手段とを有し、前記可撓性中空導電体と電気絶縁材料で被覆された可撓性導電体間の抜き差し変位量に対応する静電容量変化を電気信号として取出す手段とを有する位置変化に対応する電気信号発生装置の両端又は離隔する途中部位に、請求項１乃至請求項６何れかに記載の姿勢変化に対応する電気信号発生装置を取着してなる位置・姿勢変化に対応する電気信号発生装置である。この発明によれば、たとえば身体各部位の変位量と姿勢変化を併せ検出することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をその好ましい実施形態に則して説明する。
本発明の位置・姿勢変化に対応する電気信号発生装置は、測定対象の変位、姿勢の変化に対応して電極間での静電容量が変化することを利用してこれを電圧といった電気信号として取出すものである。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出すことができる。
【００１３】
【実施例】
実施例１
図１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装置の縦断面を示す。図１において、１は電極保持体であって、電気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にはその上面に平坦部が形成され、図１および図２に示すように、対向電極３を密に嵌入するためのブッシュ５−１嵌入用および外周電極４を密に嵌入するためのブッシュ５−１嵌入用孔５が穿設され、このブッシュ嵌入用孔５にブッシュ５−１が密に嵌入される。ブッシュ５−１は、可撓性を有する電気絶縁材料たとえばシリコンゴムからなる。
【００１４】
対向電極３および外周電極４は、化学的に安定な（イオン化傾向の低い）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の横断面中心点かつ容器の天井部および電極保持体１におけるブッシュ５−１に穿設される対向電極嵌装用孔６に密に嵌入され、それぞれの一端が容器２の内部空間に臨む如く所定長さ突出している。そして、それぞれの対向電極３と外周電極４間には高周波電圧または直流電圧が印加される。外周電極４は、図１および図２に示すように、容器２の内壁面から所定間隔、この実施例においては、０.３ｍｍの間隔を置いて周方向に等間隔に配設される。外周電極４は、その一端、図１でみて上端が容器２の天井に嵌入せしめられ、その上下端が容器２および電極保持体１に固定される。対向電極３および外周電極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、外周電極４は、表面積が４本共均一とされている。
【００１５】
対向電極３は、図２に示すように、容器２の天井および、容器２内周面と嵌合する電極保持体１の上段部の平面中心に穿設されるブッシュ嵌入用孔５に嵌入するブッシュ５−１の平面中心に穿設されている対向電極嵌装用孔６に密に嵌入され、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度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。
【００１６】
対向電極３は、容器２の天上および底面の壁厚内部に埋没している実施形態を採る場合も、本発明の姿勢変化に対応する電気信号発生装置として機能し得る。
【００１７】
外周電極４は、図１および図２に示すように、容器２の天井部および電極保持体１の、容器２内周面と嵌合する電極保持体１の上段部の平面中心点を通る線分と、前記上段部の平面中心点を通り前記線分と直交する線分と、容器２内壁面から所定間隔をおいて通る、容器２の軸心（中心点）とその軸心を共有する円との交点の位置に配設され、それぞれＸ軸方向における外周電極４の対と、Ｙ軸方向における外周電極４の対とを形成している。
【００１８】
本発明において、外周電極４は、図８に示すように、容器２の底面および天井からそれぞれ延在し、その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、容器２の天井から底面に延在し一体となっている電源電極を用いることもできる。
【００１９】
対向電極３および外周電極４としては、先に述べたように、たとえば１８Ｋ（Ａｕ）といったイオン化傾向の低い材質が適しており、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。
【００２０】
容器２は円筒状を呈し天井部が閉じており、下端開口部が、図１に示すように、その内周面が電極保持体１上段部の外周面と密に嵌合している。容器２は電気絶縁材料からなり、この実施例においては、アクリル系、ポリエステル系、ポリアミド系合成樹脂等からなっている。容器２の内部空間には、図１に示すように、液状誘電体Ｂがその自由表面と容器２内面との間で傾斜面を形成することができる容積比率で充填される。この実施例においては、容器２の内部容積の５０％の容積の液状誘電体Ｂが充填されている。Ａはガス体部分、この実施例においては空気である。Ａ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液体を容器２内に充填してもよい。
【００２１】
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の溶液を用いることができる。
【００２２】
実施例２
図３に、本発明の姿勢変化に対応する電気信号発生装置の他の実施例を示す。図１および図２に示すと同一の符号は、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配設されるが、機械的には同一の部材として形成されて電極保持体１におけるブッシュ５−１の対向電極嵌装用孔６に密に嵌入され、容器２の天井凹部その上端部が嵌入される。下部対向電極３は中空となっており、この中空部に、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おりまた、下方の対向電極接続端子２３とも電気的に結合されている。一方、下部の対向電極３の、電極保持対１下端面からの突出部は、対向電極接続端子２３として機能する。
【００２３】
実施例３
図４に、本発明の姿勢変化に対応する電気信号発生装置の他の実施例を示す。図１および図２に示すと同一の符号は、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、容器２内面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３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軸方向或いは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に示す装置（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。
【００２４】
実施例４
図５に、本発明の姿勢変化に対応する電気信号発生装置の他の実施例を示す。図１および図２に示すと同一の符号は、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、実施例３におけると同様に、容器２内面に臨む端部にそれぞれ面電極１３が形成される。上部面電極１３および下部面電極１３は、電気的にはそれぞれ独立した電極として配設されるが、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下部面電極１３に接続している。対向電極接続端子２３は、電極保持体１におけるブッシュ５−１の対向電極嵌装用孔６に嵌入され、その中空部に電気絶縁体ＥＩを嵌装し、この電気絶縁体ＥＩの上端に容器２の天井に接する面電極１３を固定している。電気絶縁体ＥＩの内部には導電体が挿通されており、而して、上部の面電極１３はこの導電体を通して、下部面電極とは独立に電圧を印加されている。電気絶縁体ＥＩの下端部には対向電極接続端子２３が固定され、電気絶縁体ＥＩ内部の導電体に接続されている。この実施例においては、機械的に一体化されている面電極１３対を、下部面電極１３下部の、中空の対向電極接続端子２３を対向電極嵌装用孔６に嵌入・固定することで電極保持体１に固定し、位置を調整した上で容器２を、電極保持体１上段部に嵌入・固定し、然る後、液状誘電体Ｂを、容器２内部空間容積の５０％程度封入する。
【００２５】
実施例５
図６に、本発明の姿勢変化に対応する電気信号発生装置の他の実施例を示す。図１および図２に示すと同一の符号は、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装置（デバイス）は、基板に取り付けるべく、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には、上部面電極１３、下部面電極１３、外周電極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。
【００２６】
実施例６
図７に、本発明の姿勢変化に対応する電気信号発生装置の他の実施例を示す。図１および図２に示すと同一の符号は、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装置（デバイス）を基板に取り付けるべく、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、外周電極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。
【００２７】
図１乃至図８に示す本発明の実施例においては、外周電極４は直径：０.６ｍｍの棒状であったが、外周電極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。その場合は、外周電極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、姿勢変化に対応する電気信号発生装置（デバイス）をきわめて小さなものとすることができる。
【００２８】
また、図４乃至図８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も用いることができる。
【００２９】
図９に、図１乃至図８に示す、本発明の姿勢変化に対応する電気信号発生装置（デバイス）を用いて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および外周電極４の位置関係ならびに座標軸の関係を示す。容器２内に、容器２の内容積の５０％の容積の液状誘電体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と外周電極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）の電極間で静電容量Ｃの値が均一であれば、容器２における上下対向電極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）の電極間で静電容量Ｃ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。
【００３０】
実施例７
図１０に、本発明の姿勢変化に対応する電気信号発生装置の他の実施例を示す。図１０において、３３は対向突出電極である。対向突出電極３３は、図１０に示すように、球状容器５２の上部および下部に配設されそれぞれの一端が、前記球状容器５２の内部空間に臨んで所定長さ突出している。対向突出電極３３は面であってもよい。球状容器５２は、非導電性材料たとえばプラスチックからなる中空球体である。球状容器５２の内周面には、図１０に示すように、球体の大円において少なくとも４等分された上下それぞれの半球内周面区画内に、導電性材料たとえば金（Ａｕ）の箔状物からなる面状電極３４が貼着され、球状容器５２内周面全体で８箇の面状電極３４が配設される。Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸何れかの軸における傾斜のみを検出するときは、球状容器５２内周面全体で４箇（２対）の電極の配設でよい。図９に示すように、各面電極には配線ｗが接続され、電極に電圧を印加できるように構成されている。この実施例におけるように、球状容器５２内周面全体で８箇の電極を配設すると、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸における球状容器５２の傾きを一度に検出することができる。
【００３１】
球状容器５２の内部には、この実施例においては、内部容積の５０％（球の大円の位置まで）の容積の液状誘電体Ｂが封入されている。球状容器５２が天地反転したときには、球状容器５２の上部に配設されている対向電極３３が液状誘電体Ｂに浸漬される。而して、上部対向電極３３および下部対向電極３３の何れかが液状誘電体Ｂを介して球状容器５２の半球における面状電極３４との間に静電容量を有することになり、球状容器５２の傾斜角度の変化に対応して静電容量が変化する。
【００３２】
実施例８
図１１に、本発明の姿勢変化に対応する電気信号発生装置の他の実施例を示す。図９に示すと同一の符号は、実施例７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９に示す姿勢変化に対応する電気信号発生装置（デバイス）を基板に取付けるべく、デバイスがケース４２に収納された構造を採る。球状容器５２を保護すべく、図１１に示すように、ケース４２に収納しまた、基板に取付けやすいように、基板接続用端子２２３がその下端に取付けられている基板取付用台１１に、デバイスを収納・固定しているケース４２が固定される。基板接続用端子２２３には、上部対向電極３３、下部対向電極３３各１箇、および球状容器５２内周面電極８箇の計１０箇の端子と電気的に接続されている。
【００３３】
本発明において、図１０および図１１に示す球状容器５２に代えて、多角形状容器とすることも勿論できる。その場合、容器内壁面に配設される電極は、弧状ではなくて平面電極となる。
【００３４】
次に、本発明の姿勢変化に対応する電気信号発生装置（デバイス）の動作を説明する。図１乃至図１１に示すデバイスにおいて、容器２または球状容器５２が傾斜すると、外周電極４或は面状電極３４対間で液状誘電体Ｂとの接触面積が相違してくる。この接触面積の変化に対応して発現静電容量が変化する。静電容量Ｃは、
【００３５】
【数１】
Ｃ＝ξ０・ξ・Ｓ／ｔ＝８.８５５×１０−１２×ξ・Ｓ／ｔ    （１）
Ｃ：静電容量
Ｓ：電極面積
ｔ：電極間距離
ξ０：真空の誘電率（８.８５５×１０−１２）
ξ： 誘電体の比誘電率
【００３６】
によって与えられる。従って、電極面積：Ｓ、電極間距離：ｔとによって静電容量を検出することができる。これまで述べた、本発明の実施例においては電極間距離：ｔは一定であるから、電極面積：Ｓ即ち、容器２或は球状容器５２の傾斜に起因する、外周電極４対間或は面状電極３４対間における液状誘電体Ｂとの接触面積の差異およびその変化が静電容量Ｃの変化として検出されることになる。
【００３７】
図１乃至図１１に示す本発明の姿勢変化に対応する電気信号発生装置（デバイス）によって電気信号を取出すには、たとえば図１２に示す積分回路による。デバイスにおける静電容量が変化する毎にコンデンサに流れる電流を積分することで、デバイスの傾斜に応じた電圧信号を取り出すことができる。電圧信号として出力される電圧Ｖoutは、
【００３８】
【数２】
Ｖout＝ＣＶref                        （２）
Ｖref:閾値電圧
【００３９】
で与えられる。図１２に示す回路によって１軸（たとえばＸ軸）方向における傾斜を測定することができる。Ｘ軸方向およびＹ軸方向の２軸測定を行うには、２つの積分回路を要する。図１２に示す積分回路をさらに簡略化して示すと、図１３に示す回路図となる。
【００４０】
図１２に示す積分回路は一種の差動増幅回路であるが、増幅度が高過ぎて安定した動作を期待できない。そこで図１４に示す差動増幅回路を用いる。図１４に示す回路は、回路におけるｎ点とｐ点の電位が等しくなるように働くから、
【００４１】
【数３】
Ｖ１−Ｒ１Ｉ１＝Ｒ２Ｉ２                （３）
【００４２】
が成立し、入力インピーダンスの高いオペアンプに電流が流れ込まない処から、電流Ｉ１、Ｉ２はそれぞれ、
【００４３】
【数４】
Ｉ１＝（Ｖ１−Ｖｏ）／（Ｒ１＋Ｒ２）    （４）
【００４４】
【数５】
Ｉ２＝Ｖ２／（Ｒ１＋Ｒ２）              （５）
【００４５】
で与えられる。代入して整理すれば、出力電圧Ｖｏは、
【００４６】
【数６】
Ｖｏ＝（Ｒ１／Ｒ２）・（Ｖ２−Ｖ１）      （６）
【００４７】
によって求めることができる。これによって、入力端子の電位差のみを増幅できることが分かる。図１４に示す差動増幅回路をさらに簡略化して示すと、図１５に示す回路図となる。
【００４８】
実施例９
図１６に、本発明の位置の変化に対応する電気信号発生装置の検出部を示す。図１６において、５０は、位置の変化に対応する電気信号発生用検出端、５３は絶縁体被覆導電体（芯材）、５４は導電性中空体であって、絶縁体被覆導電体（芯材）５３を抜き差し自在に嵌装している。絶縁体被覆導電体（芯材）５３および導電性中空体５４にはそれぞれ電極が取付けられ、絶縁体被覆導電体（芯材）５３および導電性中空体５４間に電圧が印加される。而して、絶縁体被覆導電体（芯材）５３および導電性中空体５４の抜き差し変位量に対応して両者間における静電容量が変化する。
【００４９】
絶縁体被覆導電体（芯材）５３と導電性中空体５４は非接触であるから、静電容量の変化をパラメータとして両者の抜き差し変位量を測定するときのノイズが非常に小さい。この実施例に係る本発明の位置の変化に対応する電気信号発生装置（デバイス）を用いれば、２点間の距離を非接触で測定することができるから、精密機械製造工程、ロボットの各関節間の距離、車両等における部品の作動状態、航空機におけるフラッパーほかの部材の作動状況等広い分野で利用することができる。
【００５０】
実施例１０
図１７に、本発明の位置の変化に対応する電気信号発生装置の検出部を示す。図１７において、１５０は、位置の変化に対応する可撓性を有する電気信号発生用検出端、１５３は可撓性を有する絶縁体被覆導電体（芯材）、１５４は可撓性中空導電体であって、可撓性を有する絶縁体被覆導電体（芯材）１５３を抜き差し自在に嵌装している。絶縁体被覆導電体（芯材）１５３および可撓性中空導電体１５４にはそれぞれ電極が取付けられ、可撓性を有する絶縁体被覆導電体（芯材）１５３および可撓性中空導電体１５４間に電圧が印加される。而して、可撓性を有する絶縁体被覆導電体（芯材）１５３および可撓性中空導電体１５４の抜き差し変位量に対応して両者間における静電容量が変化する。
【００５１】
図１８に、図１乃至図１１に示す、本発明の姿勢変化に対応する電気信号発生装置（デバイス）を身体の各部位に装着した状態を示す。これによって、身体各部位のＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸方向傾きの変化を知ることができる。
【００５２】
図１９に、図１乃至図１１に示す、本発明の姿勢変化に対応する電気信号発生装置（デバイス）を図１６に示す位置の変化に対応する電気信号発生装置の両端部に取着した状態を示す。これによって、工作機械やロボットの各部位の線形変位量および各部位がＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸方向において、どれだけ傾斜したかを検出することができる。
【００５３】
図２０に、図１乃至図１１に示す、本発明の姿勢変化に対応する電気信号発生装置（デバイス）を身体各部位に装着するとともに、図１７に示す本発明の位置の変化に対応する電気信号発生装置の両端部に装着したもの１５０Ａおよび１５０Ｂを、１５０Ａは背中側から、１５０Ｂは胸部側からデバイス間を結合した状態を示す。この状態で、たとえば腕を胸の方から背中の方に移動させた場合、腕が胸側にある場合にはデバイス１５０Ａは伸び、デバイス１５０Ｂは縮む。この状態から腕を背中に向けた場合、今度は逆にデバイス１５０Ｂは伸び、デバイス１５０Ａは縮む。デバイス１５０Ａおよびデバイス１５０Ｂは、図１７に示す構造であるから、デバイス１５０Ａおよびデバイス１５０Ｂの伸び縮み量を可撓性を有する絶縁体被覆導電体（芯材）１５３および可撓性中空導電体１５４の抜き差し変位量即ち静電容量の変化として取出すことができる。
【００５４】
実施例１１
図２１に、相対向する電極間の距離の変化による静電容量の変化を検出することによって筋肉等の拡縮変化を定量的に検出する、本発明の位置の変化に対応する電気信号発生装置（デバイス）を示す。図２１において、６０は、環状拡縮変化量に対応する電気信号発生装置（デバイス）６１は外膜、６２は内膜であって、何れも可撓性を有するとともに伸縮自在である。６３はコンデンサであって、外膜６１と内膜６２間に形成される環状空間に、相対向して電圧が印加される電極対が複数対配設される。而して、このデバイスをたとえば手首に装着すると、指を伸ばしているときの手首の太さは、筋肉の収縮によりデバイスにおける電極対（コンデンサ）間距離が変化し静電容量が変化する。この静電容量の変化を電気信号として取出す。
【００５５】
このデバイスを胸部周りに装着したり、ウエットスーツのように着るタイプにすれば、呼吸動作や全身の動作を定量的に測定することができる。
【００５６】
実施例１２
図２２に、本発明の位置・姿勢変化に対応する電気信号発生装置（デバイス）からの情報を、Webサーバまたはコンピュータのメモリに記録する攻勢の一例を示す。図２２に示すように、本発明のデバイスを制御するコントロールユニット（以下、Web ＰＣと称する。）をポケットに入るようにデザインすることによって手軽に持ち運びでき、様々な場所・場面における測定対象の姿勢（傾斜）および加速度（変位）を測定することができる。また、たとえば図２２に示すコンピュータ構成を図２３に示す携帯コンピュータとして用いると、デバイスを人体の各部位に取付け、位置・姿勢を測定することができる。さらに、利用者にＧＰＳ（Global Positioning System）を取付けると、利用者が何処で、どのような行動を行っているのか記録しまた、インターネットを介してデータを配信することもできる。このことは、従来、人体に取付け持ち運ぶことができなかったモーションキャプチャ装置を手軽に持ち運び、人体各部位の方向ベクトルを情報として入手することが可能となったことを意味する。
【００５７】
また、Web ＰＣは独自にＩＰアドレスをもっているため、被検者側のWeb ＰＣがインターネットに接続されることで、世界中の利用者ＰＣへ身体各部位の動作・姿勢を発信することができる。さらに、無線ＬＡＮを使っているため、ローカルなネットワーク環境で利用すれば、手軽に数人分の動作データを取得することが可能となる。
【００５８】
さらに、図２３に示す被検者側のWeb ＰＣは、ワンチップで構成されている点によって特徴づけられ、利用者ＰＣ側と無線、有線で通信を行い、通信が可能である場合には、ＲＯＭに予め書かれたプログラム通りに被検者側のWeb ＰＣ内部メモリに動作データを記録する。後日、このメモリからデータを抜き取ることによって利用者の１日の完全な行動記録を得ることができる。たとえば、スポーツ選手等に取付けることによって、スポーツ選手の競技中の動作を数値的に記録することができる。また、人体に限ることなく、たとえば医療用インプラント上のポートを位置決めするための装置や建築物の傾斜角度の長期的な測定、自動車、飛行機、船舶等姿勢制御等多くの分野で利用することができる。
【００５９】
図２３に、図２２に示すWeb ＰＣを人体に取付けたときの概略を示す。図２３に示すように、人体の各部位にデバイスを取付ける。図２３に示す実施形態においては、人体にＧＰＳをも取付けている。これにより、利用者がどの場所（ＧＰＳにより取得）でどのような動作を行っているかインターネット上で知ることができる。インターネットが利用できない場合は、図２１に示すように、Web ＰＣにメモリによるデータの記録および有線によるデータの配信が可能な構成となっている。また、デバイスを取付けた測定対象が移動する場合にはＧＰＳが必要であるが、測定対象が建築物などのように移動しない場合には必要ない。
【００６０】
【発明の効果】
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。本発明の位置・姿勢変化に対応する電気信号発生装置（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・姿勢の検出等のほか、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、水平方向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。
【００６１】
請求項２に記載の発明によるときは、対向電極と外周電極間を近接させることができるから、液状誘電体の自由表面が対向電極と外周電極間にかかって精確な静電容量の検出ができなくなる問題を解決できる。
【００６２】
請求項４に記載の発明によれば、秒単位の傾斜角度変化をも検出することができ、精緻な姿勢変化量の検出ができる。
【００６３】
請求項６に記載の発明によるときは、電気的雑音に強いセンサデバイスとすることができる。
【００６４】
請求項７、請求項８に記載の発明によれば、部材間の線形変位量と部材のＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸各方向における傾斜角度（姿勢）の変化やたとえば身体各部位の変位量と姿勢変化を併せ検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  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装置の縦断面図
【図２】  図１に示す姿勢変化に対応する電気信号発生装置の横断面図
【図３】  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装置の縦断面図
【図４】  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装置の縦断面図
【図５】  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装置の縦断面図
【図６】  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装置を基板に搭載するときの態様を示す縦断面図
【図７】  図５に示す姿勢変化に対応する電気信号発生装置を基板に搭載するときの態様を示す縦断面図
【図８】  本発明における、外周電極の他の実施形態を示す模式図
【図９】  図１乃至図８に示す姿勢変化に対応する電気信号発生装置における容器と、対向電極および外周電極の位置関係ならびに容器の傾斜方向座標軸の関係を示す斜視図
【図１０】  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装置の模式図
【図１１】  図１０に示す姿勢変化に対応する電気信号発生装置を基板に搭載するときの態様を示す縦断面図
【図１２】  本発明の姿勢変化に対応する電気信号発生装置によって電気信号を取り出すときに用いる積分回路を示す回路図
【図１３】  図１２に示す回路を簡略化して示す回路図
【図１４】  本発明の姿勢変化に対応する電気信号発生装置によって電気信号を取り出すときに用いる差動積分回路を示す回路図
【図１５】  図１４に示す回路を簡略化して示す回路図
【図１６】  本発明の位置変化に対応する電気信号発生装置の検出部を示す斜視図
【図１７】  本発明の位置変化に対応する電気信号発生装置の可撓性を有する検出部を示す斜視図
【図１８】  本発明の姿勢変化に対応する電気信号発生装置を身体各部に装着した状態を示す正面図
【図１９】  図１６に示す位置変化に対応する電気信号発生装置の検出部の両端に本発明の姿勢変化に対応する電気信号発生装置を取着した状態を示す模式図
【図２０】  図１７に示す位置変化に対応する電気信号発生装置の検出部の両端に本発明の姿勢変化に対応する電気信号発生装置を取着したアセンブリーを身体に装着した状態を示す正面図
【図２１】  対向電極間距離の変化に対応する静電容量変化を検出する、本発明の位置変化に対応する電気信号発生装置の他の実施例を示す斜視図
【図２２】  本発明のデバイスで測定した対象の位置・姿勢に対応する３次元姿勢情報を構成要素としたＷｅｂサーバ及びコンピュータの構成の一例を示すブロック図
【図２３】  図２２に示すＷｅｂ  ＰＣを用いて人体の動作記録を行う実施例を示すブロック図
【符号の説明】
１  電極保持体
２  容器
Ａ  空気（気体）部分
Ｂ  液状誘電体部分
３  対向電極
４  外周電極
５  ブッシュ嵌入用孔
５−１  ブッシュ
６  対向電極嵌装用孔
７  外周電極嵌装用孔
１１  基板取付用台
１３  面電極
ＥＩ  電気絶縁体
２２  ケース
２３  対向電極接続端子
１２３  基板接続用端子
３３  対向突出電極
３４  面状電極
２２３  基板に固定される電極
５０  位置変化に対応する電気信号発生装置用検出端
５３  絶縁体被覆導電体
５４  中空導電体
１５０  位置変化に対応する電気信号発生装置用可撓性検出端
１５３  可撓性を有する絶縁体被覆導電体
１５４  可撓性中空導電体
１５０Ａ  位置変化に対応する可撓性電気信号発生装置
１５０Ｂ  位置変化に対応する可撓性電気信号発生装置
６０  環状拡縮変位量に対応する電気信号発生装置用検出端
６１  外膜
６２  内膜
６３  コンデンサ
【図１】
0003646221.tif 000002
【図２】
0003646221.tif 000003
【図３】
0003646221.tif 000004
【図４】
0003646221.tif 000005
【図５】
0003646221.tif 000006
【図６】
0003646221.tif 000007
【図７】
0003646221.tif 000008
【図８】
0003646221.tif 000009
【図９】
0003646221.tif 000010
【図１０】
0003646221.tif 000011
【図１１】
0003646221.tif 000012
【図１２】
0003646221.tif 000013
【図１３】
0003646221.tif 000014
【図１４】
0003646221.tif 000015
【図１５】
0003646221.tif 000016
【図１６】
0003646221.tif 000017
【図１７】
0003646221.tif 000018
【図１８】
0003646221.tif 000019
【図１９】
0003646221.tif 000020
【図２０】
0003646221.tif 000021
【図２１】
0003646221.tif 000022
【図２２】
0003646221.tif 000023
【図２３】
0003646221.tif 000024