(57)【要約】【課題】任意範囲において従来より、低廉乍ら高性能な傾斜角センサを提供する。【解決手段】基本正弦波電圧が印加される少くとも一対のインピーダンス素子の内の各素子が垂直面内に於て順次所定間隔で配列され、垂直隔壁を介して磁気的に相互作用する様対応して収納された磁性流動体に対し、実質的に、一対の上記各素子の内の一方が没入しかつ他方の素子が略浮上するレベルとなる状態からその逆のレベルとなる状態になる迄、各素子の配列と磁性流動体の表面との交叉角度を、上記素子配列と連結された被検体の傾斜角に応じて変化可能としたことにより、各素子のインピーダンスが磁性流動体とのレベル位置関係に応じて変化し、各素子からその変化に応じた変化成分を含む出力電圧を得られる様にした所定範囲の傾斜角を検出するセンサで、磁性流動体が上記収納された空間内にあり、重力に従ってセンサ本体と相対的に移動できる様になっている傾斜角センサ。【選択図】  図７
2004239732.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基本正弦波交流電圧が印加される少なくとも一対のインピーダンス素子の内の各素子が垂直面内において順次所定の間隔を置いて配列され、垂直隔壁を介して磁気的に相互作用する様に対応して収納された磁性流動体に対し、一対の前記インピーダンス素子の内の一方が実質的に没入するレベルとなり、かつ他方の素子が実質的に浮上若しくは半没するレベルとなる状態から、前記一方の素子が実質的に浮上若しくは半没するレベルとなり、かつ前記他方の素子が実質的に没入するレベルとなる状態になるまで、前記インピーダンス素子の配列と前記磁性流動体の表面との交叉角度を、前記素子配列と連結された被検体の傾斜角に応じて変化可能としたことにより、前記各素子のインピーダンスが前記磁性流動体とのレベル位置関係に応じて変化し、前記各素子からそのインピーダンス変化に応じた変化成分を含む出力正弦波交流電圧がそれぞれ得られるようにした、所定角度範囲の傾斜角度を検出する傾斜角センサであって、前記磁性流動体は、前記収納された空間内にあって、重力に従ってセンサ本体と相対的に移動できる様になっていることを特徴とする傾斜角センサ。
【請求項２】
前記出力正弦波交流電圧を基に、さらにルックアップテーブルを用いた補正演算を施して所定角度範囲の傾斜角度を検出することを特徴とする請求項１に記載の傾斜角センサ。
【請求項３】
前記インピーダンス素子は２対のコイルからなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の傾斜角センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検体の傾斜角度を検出するための汎用の傾斜角センサに関するものであり、特に本発明は、交流印加による正弦／余弦変位検出型の位置変位検出原理を用いた傾斜角センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開平９−３１１０３８号公報
【特許文献２】特開平１０−１７６９２５号公報
【特許文献３】特開平１０−１７６９２６号公報
【特許文献４】実用新案登録第３０３６２８５号公報
【０００３】
従来の傾斜角センサにはポテンショメータを用いたものがある。しかし、ポテンショメータの場合は摺動接触子があるために耐久性の点で難があった。その他、傾斜角センサとしてはサーボ型及び振り子型等が知られているが、これらサーボ型及び振り子では機構部が角度に比例して動き、その動きをセンサーで検出しているところ、多数の機械部品により構成されているので耐振動性又は耐衝撃性をより向上させようとすれば、これら全ての部品の精度、材質等々を向上させる必要があり、コスト的に得策とは言えない。
一方、直線変位や回転角度変位の検出に際しては、近年、それら位置変位を交流振幅の正弦／余弦変位として検出するセンサが開発され、これらはその駆動原理から誘導型とインピーダンス型の二つに分けられる。いずれの型においても複数のインピーダンス素子（コイル等）によって位置変位の検出が行われるため、摺動接触子が不要である点で信頼性や耐久性に優れている。いずれの型であっても、複数のインピーダンス素子を直線状に配列して直線変位の検出、或いは円周方向に配列して回転角度の検出を行うことが可能である。誘導型においては、トランスの二次コイルによってこれらの配列が形成される（例えば、［特許文献１］〜［特許文献４］参照）。
【０００４】
上記の回転変位検出型位置変位センサの検出原理をそのまま適用すれば傾斜角度の検出を行うことも十分可能である（［特許文献１］〜［特許文献３］参照）。そこで、まずここで従来知られたいわゆる位相差変換（Ｐ−Ｄ変換）方式の誘導型或いはインピーダンス型センサ（［特許文献１］〜［特許文献４］参照）における位置変位（角度変位θ，直線変位ｘ）の検出原理につき説明する。
【０００５】
はじめに、本発明の対象である交流振幅の正弦／余弦変位による位置変位センサの基礎的理解のため、その誘導型位置変位センサについて、まず直線方式の動作原理を図１により概観する。図１において各インピーダンス素子はコイルとする。又図１において、１はソレノイド型一次コイル、２はその内側に同軸配置された二次コイル列であり、ここでは同一規格の４個のインピーダンス素子Ａ〜Ｄ（コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４）が等間隔で配列されている。このコイル配列に対しては、コイル軸と同軸且つ軸方向動自在の関係で磁性体配列棒（可動磁性体）３が挿入される。磁性体配列棒３にはコイル配列間隔（隣接コイル中心間距離）の４倍を１ピッチとして、複数の円筒状強磁性体４が配列されている。ここで１ピッチは、各インピーダンス素子から得られる各々の誘導結合度若しくは磁気結合度に応じた出力レベルからなる変化成分を含む出力正弦波交流電圧の振幅変動の一周期＝２π、に相当する。磁性体配列棒３の棒軸は顕著な磁性を示さない金属又はプラスチック物質からなっている。
【０００６】
インピーダンス素子Ａ〜Ｄ（二次コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４）は、図のごとく正弦波電圧ＡＳｉｎωｔが印加された一次コイル１からの相互誘導作用により、正弦波電圧を誘起されるが、前述した磁性体配列棒３との関係位置に応じたインダクタンスの変化によって二次回路の構成時、異なった振幅のコイル端間電圧を具現するものであり、図１における磁性体配列棒３の軸方向位置（Ｌ１−Ｌ３の位置：両コイルともＬ２を挟んで対向する端部のみが強磁性体４の端部に対応するか、僅かに被る程度の平衡位置。Ｌ２−Ｌ４の位置：Ｌ２が強磁性体４に対応し、Ｌ４が強磁性体４間の大空隙を介して配列棒３の棒軸に対応する位置）をｘ＝０とし、且つ同棒の、例えば図の左方への移動を正方向とすれば、Ｌ１−Ｌ３差動出力は、誘起される正弦波Ｓｉｎωｔに、変動する係数すなわち振幅の変位ａＳｉｎｘを掛けた値
・              ａＳｉｎｘＳｉｎωｔ
となり、Ｌ２−Ｌ４差動出力は、誘起される正弦波Ｓｉｎωｔに、変動する係数すなわち振幅の変位ａＣｏｓｘを掛けた値
・              ａＣｏｓｘＳｉｎωｔ
となり、従って、磁性体配列棒３の１ピッチ変位を１ｐ（＝ピッチ）＝２π（３６０度）とすれば、磁性体配列棒３の変位（実寸）を正弦又は余弦関数において、ｘ（ｐ）＝２π±θ［ｒａｄ］として処理しうることが理解されるであろう。
【０００７】
回転方式の動作原理は図２に示すとおりである。図２において二次コイルを構成する各コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４（２’）は、大直径一次コイル１’に内接する形で平行軸を有し、且つ環状・等間隔に配列されたものであり、いずれも同一の軸横断面内に位置した極端面を有する極鉄心５を有している。二次コイルの中心軸、したがって二次コイル配列の中心軸と同軸に配置されたシャフトスリーブには、二次コイルの極鉄心５を回転位置に応じて覆うための強磁性偏心板６が支持されている。
【０００８】
インピーダンス素子Ａ〜Ｄ（コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４）は、一次コイル１’との相互誘導により、一次側に印加された正弦波電圧ＡＳｉｎωｔに基づく正弦波電圧を誘起されるが、前述した強磁性偏心板６の被り具合に応じたインダクタンスの変化によって、二次回路構成時、異なるコイル端間電圧を具現するようになっている。これらのコイル端間電圧は、配置関係が１８０度（逆位相）であるＬ１−Ｌ３の組，及びＬ２−Ｌ４の組において差動的に取出せば、倍化して検出できるということが明らかである。
【０００９】
図２における強磁性偏心板６の角度位置（コイルＬ２の鉄心が偏心板６に完全に覆われ、コイルＬ４の鉄心が完全に露出し、コイルＬ１−Ｌ３の組が等しく半露出状態となっている位置）をθ＝０とし、且つ図の時計回りの回転を正方向とすれば、二次コイルＬ１−Ｌ３差動出力が、誘起される正弦波Ｓｉｎωｔに、係数すなわち振幅の変位ａＳｉｎθを掛けた値、すなわち
・              ａＳｉｎθＳｉｎωｔ
となり、Ｌ２−Ｌ４差動出力が、誘起される正弦波Ｓｉｎωｔに、係数すなわち振幅の変位ａＣｏｓθを掛けた値、すなわち
・              ａＣｏｓθＳｉｎωｔ
となり、したがって、強磁性偏心板６の１回転は、θの３６０度変位に対応（＝１ピッチに相当）することが理解されるであろう。
【００１０】
これらの関係を、角度及び直線変位について一括し、回路的に示したものが図３であり、同様の関係はＬ１〜Ｌ４を実質上自己インダクタンスのみからなるインピーダンス素子Ａ〜Ｄとして，正弦波電圧ＡＳｉｎωｔを直接加えた場合にも生ずることを示したのが図４の回路図である。
【００１１】
そこでインピーダンス型においても、上記と同様にして得られるインピーダンス素子Ａ〜Ｄ（コイルＬ１〜Ｌ４）の各端子電圧を、角度及び直線変位を一括した正弦係数の式をα、余弦係数の式をβとすれば次の様に表すことができる。
・    α＝ａＳｉｎ（θ，ｘ）・Ｓｉｎωｔ  ・・・・・・（１）
・    β＝ａＣｏｓ（θ，ｘ）・Ｓｉｎωｔ  ・・・・・・（２）
これらの式から、角度変位θ（直線変位ｘについても同様であるため、ここではθのみで説明する。）を求める演算回路としては、まず（１）式及び（２）式にそれぞれ、０から順次増加するデジタル位相値φの余弦関数Ｃｏｓφ、及び正弦関数Ｓｉｎφを乗じていき、
・    Ｓｉｎφ・Ｃｏｓθ−Ｃｏｓφ・Ｓｉｎθ＝０  ・・（３）
の時点において、θ＝φとしてθを特定する公知のＲ−Ｄ変換方式があるが、この方式ではφを追従カウントするときのクロック遅れが生じ，応答性が悪いという問題がある。
【００１２】
このような場合、（１）式におけるＳｉｎωｔを回路上でＣｏｓωｔに変換することによって、ａＳｉｎ（θ，ｘ）・Ｃｏｓωｔを得、直接に三角関数の加法定理を適用する手法がある。すなわち
・    ａＳｉｎ（θ，ｘ）・Ｃｏｓωｔ±ａＣｏｓ（θ，ｘ）・Ｓｉｎωｔ＝ａＳｉｎ（ωｔ±θ，ｘ）              ・・・・・・（４）
【００１３】
この方式を位相差変換（Ｐ−Ｄ変換）と呼び、図５に動作波形及び解析手順を示す。図５の分図（Ａ）は印加電圧ＡＳｉｎωｔと、Ｓｉｎωｔを搬送波とするθ変位に対応した（１）、（２）式の各右辺の電圧波形図、同（Ｂ）はＡＳｉｎωｔのグラフと特定の位相（θ，ｘ）を含む右辺の正弦波、この場合は、ａＳｉｎ（ωｔ−θ，ｘ）のグラフとの時間関係を示す波形図であり、更に同（Ｃ）はこれらの波形図の根拠となる数式的推移を示したものである。また、図５Ｃの操作を具体的に実現する回路のブロック図を図６に示す。センサ本体の各インピーダンス素子Ａ〜Ｄから得られた信号は、位相検出回路４０等よりなる変換器へと入力され、位置変位（θ，ｘ）を求める処理が行われる。変換器は、センサ本体と一体又は別体に設けられる。増幅、位相シフト及び加算の各処理（図６のｃｃで表した部分）はアナログ回路からなり、又位相検出処理に際しては、マイクロコンピュータ等からなる高速の演算処理装置がＡ／Ｄ変換を介して用いられ、これにより位相変位（θ，ｘ）を高精度のディジタル値として求めることが出来る。ここでは、（１）、（２）式で表わされる信号α、βはそれぞれ、位相検出回路４０に入力された後、増幅処理（増幅度ｂ／ａ）を経てから、位相シフト及び加算等の処理が施される。なお、図５Ｂにおいて、進み位相波ａＳｉｎ（ωｔ＋θ，ｘ）の場合、そのグラフは破線で示した遅れ位相波ａＳｉｎ（ωｔ−θ，ｘ）のグラフと対称的に、実線で示したＡＳｉｎωｔのグラフよりも（θ，ｘ）だけ時間的に先行した正弦波として想起できるであろう。
【００１４】
図５Ｂのグラフから明らかなとおり、θ又はｘを求めるにはＡＳｉｎωｔグラフのゼロクロス点から、ａＳｉｎ（ωｔ−θ，ｘ）又はａＳｉｎ（ωｔ＋θ，ｘ）グラフのゼロクロス点までの時間をカウントすればよいことが理解されるであろう。このカウントは進相、遅相いずれの位相で求めてもよいが、各インピーダンス素子Ａ〜Ｄ（コイルＬ１〜Ｌ４）等に温度変化によるインピーダンス変化が生じている場合，それによる位相変動誤差±ｄはωｔに付随するため、ここでは詳述しないが上記の進相、遅相の両正弦波グラフの双方を用いて処理することにより、この±ｄを容易に消去することもできる。
【００１５】
このような誘導型やインピーダンス型の位置変位センサであっても、機構部品の数については、センサの信頼性を低コストで維持する為にも可能な限り少ない方が好ましい。そのため、可動磁性体に磁性流動体を使用する等して部品点数を減らす工夫もなされており（［特許文献１］及び［特許文献２］参照）、これによりセンサの更なる長寿命化、信頼性向上が実現される。
【００１６】
ところで、このように従来知られた傾斜検出装置は、▲１▼円周上に▲２▼９０°毎に▲３▼等間隔に▲４▼４極のコイルが配置されるものであって、被検体の一周全て（０〜３６０°迄の全角度範囲）につき傾斜角度の測定が可能なものである。このとき、被検体が一周することに相当する角度３６０°が、上で説明した１ピッチに相当する。
【００１７】
しかし、現実には、被検体の一周３６０°全範囲における傾斜角の検出を必要とするケースよりも、むしろ一定の角度範囲の中で、その範囲内については高精度、高分解能で傾斜角度を求めたい、というニーズの方が数多く存在する。
その一方、分解能を上げるためには、複数のインピーダンス素子からなる測定系における１ピッチ当たりの分割数を増やすことがその一手段となり得る。分割数を増やすには変換器側にある演算処理装置のビット数を増やす必要があるが、そうすると演算処理装置内部の処理速度を高速化する必要がある。ところが、高速な演算処理装置（マイクロコンピュータ等）は、高価であり、傾斜角センサのコストアップに繋がってしまう。
【００１８】
他方、［特許文献２］をはじめとする従来知られた傾斜検出装置では、センサ本体側にあたる測定系の１ピッチが３６０°に固定されているので、１ピッチ当たりの分割数（＝ビット数）を増やせば、０〜３６０°の範囲全体の分解能を向上させることが可能である。しかし、或る一定範囲の測定角度範囲についてだけ高分解能の傾斜角度検出が必要なケースにおいては、その必要な範囲以外の角度範囲についても高分解能が得られる結果となり、これでは不要な範囲についてまで高いコストを投下しているのと同様であり、センサの低コスト化の要請に反すると共に非効率的かつ不経済である。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明は、任意の測定角度範囲について、従来知られた傾斜検出装置よりも、低コストで高い傾斜角検出性能が得られる効率的かつ経済的な傾斜角センサを提供することを課題とする。要するに本発明は、変換器側となる信号処理系の性能に手を加えることなく、或る特定の角度範囲において従来よりも精度即ち分解能の高い傾斜角センサを提供することを課題とするものである。
【００２０】
又本発明は、摺動接触子を持たず、しかも機構部品の少ないシンプルな構造であって、信頼性及び耐久性が高く、かつ低コストな傾斜角センサを提供することを課題とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決すべく種々検討を行った結果、任意の測定角度範囲を１ピッチとして適宜自由に設定することが出来るならば、必要な範囲については十分高精度、高分解能の傾斜角検出性能を提供出来ると共に不要な範囲についてまでコストを投下するという非効率かつ不経済な状況を回避でき、従って従来知られた傾斜検出装置よりも、安価ながら任意の測定角度範囲につき従来よりも高分解能を有する傾斜角センサを提供できることを見出し、本発明を完成した。上記課題を解決するため、本発明は基本正弦波交流電圧が印加される少なくとも一対のインピーダンス素子の内の各素子が垂直面内において順次所定の間隔を置いて配列され、垂直隔壁を介して磁気的に相互作用する様に対応して収納された磁性流動体に対し、一対の前記インピーダンス素子の内の一方が実質的に没入するレベルとなり、かつ他方の素子が実質的に浮上若しくは半没するレベルとなる状態から、前記一方の素子が実質的に浮上若しくは半没するレベルとなり、かつ前記他方の素子が実質的に没入するレベルとなる状態になるまで、前記インピーダンス素子の配列と前記磁性流動体の表面との交叉角度を、前記素子配列と連結された被検体の傾斜角に応じて変化可能としたことにより、前記各素子のインピーダンスが前記磁性流動体とのレベル位置関係に応じて変化し、前記各素子からそのインピーダンス変化に応じた変化成分を含む出力正弦波交流電圧がそれぞれ得られるようにした、所定角度範囲の傾斜角度を検出する傾斜角センサであって、前記磁性流動体は、前記収納された空間内にあって、重力に従ってセンサ本体と相対的に移動できる様になっていることを特徴とする。
【００２２】
本発明によれば、傾斜角センサの測定角度範囲を任意に設定出来ると共に、その設定した範囲を１ピッチとすることができるので、必要な範囲については十分高精度、高分解能の傾斜角検出性能を提供出来る一方、不要な範囲の分解能についてまで測定角度範囲と同等の性能を担保する必要性は無くなる。
そのため被検体の一周３６０°を一律に１ピッチとする従来知られた傾斜検出装置に比べ、本発明では必要とする測定角度範囲を１ピッチとすることができるので、当該範囲内はこのとき必然的に従来より細かく分割される。従って、一定の角度範囲内について高精度、高分解能で傾斜角度を求める場合、従来のように測定系の１ピッチ当たりの分割数を増やして結果的に演算処理装置のビット数を増やしたり、さらに信号処理装置の性能（処理速度）を高めるまでもなく、１ピッチ当たりの分割数（ビット数）や信号処理系の性能を同等或いは不変としたまま、一定角度範囲における高精度、高分解能の傾斜角度検出を、結果的に低コストで実現できる。
【００２３】
又本発明によれば、各インピーダンス素子のインピーダンス変化を検出する手段に磁性流動体を使用するため、機械部品が僅かで済み、低コストかつ振動・衝撃に強いという効果が得られる。また磁性流動体の粘度を調整することで、静定時間を任意に設定することも可能となる。
以下、本発明をより詳細に説明する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明は、一定の測定角度範囲を１ピッチとすることにより、無駄なコストを投下せずに、当該測定角度範囲内において従来よりも分解能の高い傾斜角度の検出を行うものである。
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態につき、例を挙げて説明する。
【００２５】
［基本構成］
図７及び図８は本発明に係る傾斜角センサ１０の基本的構成例を示す図であり、（ａ）はセンサ全体の正面略図であり、（ｂ）は収納空間周辺の平面概要図、（ｃ）は収納空間周辺の中央側断面図である。図７及び図８に示す通り、傾斜角センサ１０は被検体上に設置され、図示される傾斜方向に傾く被検体の傾斜角を検出する。図７は測定角度範囲＝±３０°のもの、図８は測定角度範囲＝±６０°のものである。又図９は、本発明の傾斜角センサに使用する変換器の一例を示す図である。
傾斜角センサ１０は、本体１１、インピーダンス素子たる４極のコイルＬ１〜Ｌ４、可動磁性体たる磁性流動体１３及びこれを収める収納空間３１、隔壁３２、並びに各コイルＬ１〜Ｌ４から得られる出力正弦波交流電圧を処理して傾斜角θを導き出す変換器３５（図９参照）よりなる。図９に示す変換器３５はセンサ本体１１と別体としても良いし、又本体１１内の空隙３３（図７，図８参照）或いは本体１１の別の場所に組み込んでも良い。変換器３５は、コイルＬ１〜Ｌ４の出力信号から傾斜角度θを導き出す手法（後述）に応じて適宜設計されるものであり、例えばマイクロコンピュータ等の演算処理装置３６とメモリ３７とからなっているが、必要に応じて、演算処理装置３６の前段にさらに上述の位相検出回路４０が組まれる。上記構成からなる傾斜角センサ１０は適宜、被検体の所定位置に取り付けられる。尚本実施形態において図７（ａ）及び図８（ａ）では見かけ上、コイルが磁性流動体１３内に浸った状態で示されているが、実際には各コイルは隔壁３２を介して磁性流動体１３の外側に位置する。このため本実施例に係る傾斜角センサではセンサ機能は非接触で実現される。隔壁３２は非磁性体からなり、例えば１．６ｍｍのＰＣＢ板等からなる。本実施形態では本体１１も非磁性体からなる。図７及び図８に示されるように、本体１１は、実質上円形断面の収納空間３１を有しており、その内部に適量の磁性流動体１３が収納される。図７（ａ）及び図８（ａ）に示す例では、収納空間３１内には、その容積の実質的に半分を占める量の磁性流動体１３が封入されている。図７（ａ）及び図８（ａ）に示す状態は、被検体が、傾斜しておらず水平状態にある場合を示すものであり、このときコイルＬ２，Ｌ３は磁性流動体１３に被われている。磁性流動体１３としては、例えば磁性流体あるいは磁性粉体を使用する。磁性粉体としては、微粒粉に限らず、砂鉄のようなものであってもよい。尚磁性流動体の他に、粘性流動体（例えば油等）を注油口３４より混合封入しておくことにより、センサの静定時間を任意に制御することが可能となる。
【００２６】
［コイル配置について］
各コイルＬ１〜Ｌ４より構成されるコイル部１２は、収納空間３１内における磁性流動体１３の分布を検出し得るような適宜のコイル配置からなる。以下、本実施形態のコイル配置について説明する。尚センサはインピーダンス型であっても、誘導型であっても良い。インピーダンス型の場合、各コイルＬ１〜Ｌ４の一端に直接、基本正弦波交流信号ＡＳｉｎωｔが印加される。又誘導型にする場合、コイルＬ１〜Ｌ４は２次コイルとなるので、各２次コイルに対応し得る１次コイルを適宜設ければよい。
【００２７】
本実施形態では２対即ち４極のコイルが、測定角度範囲内における被検体の傾斜に連動する磁性流動体が存在し得る収納空間の領域に対応する位置において、所定の基準円１５に沿って弧状に、間隔を置いて配列されている。例えば、被検体が−３０°から＋３０°の範囲で傾く際（図７（ａ）参照）、それに従って収納空間３１内においてセンサ本体１１と相対的に傾動する磁性流動体１３の表面下部は、例えば傾斜角θ＝−３０°のときにはコイルＬ１，Ｌ２、θ＝０のときにはコイルＬ２，Ｌ３、そしてθ＝＋３０°のときにはコイルＬ３，Ｌ４に対応する様になっている。即ち、被検体が測定角度範囲の一端から他端に向かって傾斜するに従って、図７（ａ）及び図８（ａ）に示すセンサの正面視上、各コイルが逐次磁性流動体内に浸かって行く様な態様でコイルＬ１〜Ｌ４は配置されている。つまり各コイルＬ１〜Ｌ４は、収納空間の上部に中心を定めた、基準円１５上の上開の弧に沿って間隔を置いて配置されると共に、各コイルは、被検体の傾斜角度に応じて収納空間３１内を相対的に傾動する磁性流動体１３の表面が、順次隣接したコイルをその表面下部に実質的に没入させていく軌跡をたどる様なかたちで配置される。測定角度範囲＝±６０°の場合も同様である。
【００２８】
又この様にするため、±３０°の場合と±６０°の場合を比較すれば明らかな通り、測定角度範囲が広ければ広い程、▲１▼基準円１５の半径は、より小さくなるほか、▲２▼実質上円形断面を有する収納空間３１の中心軸と基準円１５の中心軸とがずれている距離は短くなる。本実施形態の場合、半径２０ｍｍの実質上円形断面を有する収納空間３１に対し、▲１▼半径１４ｍｍ（測定角度範囲が±３０°の場合）、又は▲２▼半径９ｍｍ（測定角度範囲が±６０°の場合）の基準円１５に沿って描かれる弧上にその中心軸が来る様な態様で、半径２ｍｍの樹脂芯等に巻かれた半径５ｍｍの空心コイルが、４極、被検体の傾斜に連動する磁性流動体が存在し得る収納空間の領域に対応する位置において、実質上等間隔を置いて配置される。尚、基準円上におけるＬ１の中心点と−３０°（−６０°）の境界線間、或いは基準円１５上におけるＬ４の中心点と＋３０°（＋６０°）の境界線間の距離は、基準円１５上におけるＬ１−Ｌ２，Ｌ２−Ｌ３，Ｌ３−Ｌ４間の各中心軸間の距離の実質上半分である。
【００２９】
本発明では、各コイルがそれに沿って配置される基準円１５の径を変更することで、１ピッチに充当する測定角度範囲を調整出来る。このとき、本実施形態では、被検体が傾斜角θ＝０の水平状態に於いては、Ｌ２とＬ３の２個のコイルが、実質上全て磁性流動体１３により被われた状態とするべく、測定角度範囲の大きさに応じて、実質上円形断面を有する収納空間３１の中心軸と基準円１５の中心軸とがずれる距離を適宜調節している。
【００３０】
ここで各コイルＬ１〜Ｌ４の一端に直接、基本正弦波交流信号ＡＳｉｎωｔを印加、或いは１次コイルを基本正弦波交流信号ＡＳｉｎωｔで励磁すると、各コイルＬ１〜Ｌ４には、夫々の誘導結合度若しくは磁気結合度に応じた出力レベルからなる変化成分を含む出力正弦波交流電圧が誘導される。この誘導結合若しくは磁気結合は、磁性流動体１３の存在によって可変制御される。これら出力正弦波交流電圧を利用することにより、本発明の傾斜角センサでは傾斜角度の検出が実現される。
【００３１】
［本発明の傾斜センサの動作について］
被検体が適当な角度θで傾斜すると、それに伴って被検体上に設置された本体１１も傾斜する一方、収納空間３１内部の磁性流動体１３は、自重によって本体１１に対して相対的に傾動する。その結果、各コイルに対する磁性流動体１３の相対的位置が変化し、これに応じて各コイルからの出力信号はその傾斜角θに対応する値を示すものとなる。
【００３２】
すなわち、傾斜角θに応じて磁性流動体１３の各コイルＬ１〜Ｌ４に対する対応位置が変化することにより、各コイルの誘導結合或いは各極の１次コイルと２次コイルＬ１〜Ｌ４間の磁気結合も、その傾斜角θに応じて変化し、これにより、その傾斜角θに応じて振幅変調された出力正弦波交流信号が、各コイルの配置のずれに応じて異なる振幅関数特性で各コイルＬ１〜Ｌ４に誘起される。
【００３３】
例えば図７（ａ）において、被検体が−３０°傾いたとき、被検体及び本体１１は、反時計方向に傾く一方、相対的に磁性流動体１３は、重力に従って収納空間３１内を移動する。このとき、最も多量の磁性流動体１３が、コイルＬ１，Ｌ２の位置に対応する様になっている。コイルＬ３の位置に対応している磁性流動体１３はＬ３を半分被う程度であり、又コイルＬ４の位置に対応している磁性流動体１３の量は０である。このように、被検体の傾斜角θに応じて、収納空間３１内における磁性流動体１３の分布に応答する出力信号を、コイルＬ１〜Ｌ４から得ることができ、これに基づき傾斜角θを検出することができる。
コイルＬ１〜Ｌ４より得られた、それぞれの誘導結合度又は磁気結合度に応じた出力レベルからなる変化成分を含む出力正弦波交流信号は、図９に示す変換器３５の演算処理装置３６、或いはその前段に接続された位相検出回路４０に入力され、これらより実際に被検体が傾斜している角度を導き出す処理が行われる。
【００３４】
［変換器内における信号処理について］
次に、各インピーダンス素子から得られる出力信号より被検体の傾斜角度を導き出すための変換器内における処理につき、図９を参照しながら説明する。
【００３５】
図９に示す様に、傾斜角θを、変換器３５内に直接入力される個別の各コイル２１〜２４の出力レベルに基づき検出することも出来るが、このとき同時に適宜補正演算を行なうのが望ましい。ここで補正演算には、ルックアップテーブルと言われる変換テーブル等が用いられる。ルックアップテーブルとして記憶される情報としては、例えば４つのコイルから得られる出力信号から求まる傾斜角度の値と、実際の正しい傾斜角度との間の誤差の情報（誤差情報）が挙げられる。又４つのコイルから得られる上記出力信号或いはこれらから求まる傾斜角度の値（誤差を含む）より、これをアドレスとして、直接実際の正しい傾斜角度（真の値）に辿り着けるようにし、その上で、この真の値に関する情報を、センサ製造時等に補正演算用のロムに予め書き込んでおいてもかまわない。
【００３６】
図７又は図８のようなコイル配置を持つ本発明の傾斜角センサーであっても、上記のルックアップテーブルの様な変換テーブルを用いれば、従来知られた傾斜検出装置と同様、例えば４つのコイルから夫々得られる、夫々の誘導結合度若しくは磁気結合度に応じた出力レベルを有する交流正弦波信号の値から直ちに、正確な傾斜角θを導き出すことが出来る。このとき、４つのコイルから夫々得られる正弦波交流信号は、演算処理装置３６に入力され、その内部又は外部に設置されたメモリ３７に格納されているルックアップテーブルと対照する処理が行われる。
【００３７】
又、上記手法に限らず、直線変位や回転角度を検出する誘導型やインピーダンス型の位置変位センサにおいて従来知られた位相差変換（Ｐ−Ｄ変換）方式を用いることによって、傾斜角θを導き出すことも可能である。Ｐ−Ｄ変換については上述した通りであり、図９から明らかな様に、４つのコイルの出力より、これらがＬ１−Ｌ３（α），Ｌ２−Ｌ４（β）の二種類の差動出力に変換されたのち、変換器３５内の位相検出回路４０に入力され、増幅、位相シフト、加算の処理が施された後に位相検出処理が行われて傾斜角θの値が導き出される。
例えば図７又は図８のようなコイル配置の場合、Ｐ−Ｄ変換を適用した出力値から求められる傾斜角度の値と実際の傾斜角度の値の間の誤差の補正を行うには、上記の様にセンサ出力値（誤差を含んだ値）と真の値（実際の正しい傾斜角度）との対照変換表等の様なルックアップテーブルを、センサ製造時の検査等で実際に測定された出力値を基にして予め作っておき、これを補正用ロムのような記憶媒体（メモリ３７）を介してセンサの変換器３５内に備えておけば良く、各コイルから実際に得られた信号を順次このルックアップテーブルに対照する処理を演算処理装置３６で行うことにより、各コイルから実際に得られた（誤差を含む）出力信号から真の値を容易に求めることができる。このとき、位相検出回路４０から出た傾斜角θの値は、同じ変換器３５内にある演算処理装置３６に入力される。演算処理装置３６には、ルックアップテーブルが格納されたメモリ３７が内蔵或いは電気的に接続されていて、位相検出回路４０から入力された値は、当該演算処理装置３６内において順次ルックアップテーブルと対照処理される。対照処理の後、演算処理装置３６からは補正演算後の正しい傾斜角度の値が得られる。その他、コイルＬ１〜Ｌ４の出力信号に基づく具体的な傾斜角の判定の仕方は、設計上適宜の構成を採用してよい。
【００３８】
本発明に係る傾斜角センサでは、測定角度範囲を一定値（例えば、±３０°）に絞る一方、その角度範囲が１ピッチ即ち、各インピーダンス素子から得られる各々の誘導結合度若しくは磁気結合度に応じた出力レベルからなる変化成分を含む出力正弦波交流電圧の振幅変動の一周期＝２π、に相当することになる。
従って、被検体の一周に相当する丁度３６０°が１ピッチに相当することになる従来知られた傾斜検出装置と比較すると、本発明の傾斜角センサでは当該一定範囲における分割数が結果的に増加することになるため、精度即ち分解能が高くなる。
そのため、演算処理装置のビット数を増やして出力正弦波交流電圧の振幅変動の一周期＝２π当たりの分割数を多くすることによって分解能を高めるような手法を用いなくても、一定角度範囲での分解能を高めることが可能となる。
【００３９】
【実施例】
本発明の一実施例となる傾斜角センサの構成、および動作等については、図７〜図９をはじめとする添付図面、及び上記［発明の実施の形態］で説明した通りである。
かくして、最終的に変換器３５より得られた傾斜角θは、直線変位検出センサにおける直線変位或いは回転変位検出センサにおける角度変位に相当するものであって、例えば従来知られた▲１▼実質上円形断面の可動磁性体の収納空間と中心軸が共通する円周上に▲２▼９０°毎に▲３▼等間隔に▲４▼４極のコイルが配置される傾斜検出装置であれば１ピッチ（＝３６０度）を２１６＝６５５３６分割し、３６０／６５５３６≒０．００５５［度］の分解能が得られていたところ、本発明の傾斜角センサによれば、任意の角度範囲（例えば±３０°）を１ピッチとすることが出来るので、変換器の性能を変更しなくても、±３０°／６５５３６≒０．００９２［度］という約６倍の分解能が得られることになる。
このように本発明によれば、利用頻度の高い限られた角度範囲内において、従来よりも分解能の高い傾斜角度情報をユーザに提供することが可能となる。
【００４０】
尚、各インピーダンス素子の数及び配置は上記実施形態等に記載するような４極からなるコイル構成に限らず、様々な設計変更が可能である。又可動磁性体の収納空間は実質上円形断面を有するものに限られず、楕円状或いは多角形断面のものも使用し得る。基準円についても同様である。上記補正演算を行えばより正確な傾斜角の値が得られる。その他、隔壁無しでも傾斜角は検出できる。さらに各インピーダンス素子は、コイルに限らず例えば磁気抵抗素子（ＭＲ）等であっても良い。但し、各インピーダンス素子として磁気抵抗素子を使用する場合は、特開２０００−２９２１１３号公報等にも記載されている様に、各磁気抵抗素子にバイアス磁界（フィールド磁界）を別途加えることが必要である。又測定角度範囲外の角度についても、磁性流動体とインピーダンス素子とのレベル位置関係に応じて変化する各素子のインピーダンスから検出し得ることが明らかである。
【００４１】
【発明の効果】
このように、本発明によればインピーダンス素子を上記の態様で傾斜角センサ内に装置し、さらに可動磁性体として磁性流動体を使用することで、一定の角度範囲を１ピッチとした精密な傾斜角度を求めることが可能となる。
従来知られた、▲１▼円周上に▲２▼９０°毎に▲３▼等間隔に▲４▼４極のコイルを配置した傾斜検出装置では、１ピッチ即ち各インピーダンス素子から得られる各々の誘導結合度若しくは磁気結合度に応じた出力レベルからなる変化成分を含む出力正弦波交流電圧の振幅変動の一周期＝２π、のフルレンジが被検体の一周に相当する丁度３６０°となっていたが、本発明に係る傾斜角センサでは１ピッチのフルレンジをある一定の測定角度範囲（例えば±３０°等）に設定することもできる。
それ故本発明では、演算処理装置のビット数を上げなくても、一定の測定角度範囲について、従来より数多く分割して傾斜角度の値を導き出すことが出来るので、結果として高精度、高分解能が容易に得られ、これによりセンサの性能を十分担保できる。
【００４２】
又本発明では、インピーダンス素子がその円周上に沿って配置される基準円の半径を変えることで、測定角度範囲を変えることが出来る。
さらに本発明に係る傾斜角センサは部品点数が少なく、又互いに機械的に作用し合う様な機構部品を持たないものである。そのため信頼性が高く、しかも長寿命である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の誘導方式による直線変位検出型センサの構造原理を模式的に示す斜視図である。
【図２】従来の誘導方式による回転変位検出型センサの構造原理を模式的に示す斜視図である。
【図３】図１及び図２の構造がそれぞれ対象とする角度及び直線変位検出の態様を、一括して回路的に示したものである。
【図４】図３の誘導方式におけるトランス構造に代えて、実質上自己インダクタンスＬ１〜Ｌ４のみからなるインピーダンス素子を用い、同様の関係が得られるようにしたセンサ回路図である。
【図５】直線変位検出型及び回転変位検出型センサの動作波形及び解析手順を示す図であり、（Ａ）は印加電圧ＡＳｉｎωｔと、Ｓｉｎωｔを搬送波とするθ変位を含む電圧波形図、（Ｂ）はＡＳｉｎωｔのグラフと特定の位相（θ，ｘ）を含む正弦波、ａＳｉｎ（ωｔ−θ，ｘ）のグラフとの時間関係を示す波形図、（Ｃ）はこれらの波形図の根拠となる数式的推移を示した図である。
【図６】図５Ｃにあらわされた操作を具体的に実現する回路のブロック図である。
【図７】本発明の一実施形態を示す図である。
【図８】本発明の別の実施形態を示す図である。
【図９】変換器の一例を示す図である。
【符号の説明】
Ａ  インピーダンス素子
Ｂ  インピーダンス素子
Ｃ  インピーダンス素子
Ｄ  インピーダンス素子
Ｌ１  コイル
Ｌ２  コイル
Ｌ３  コイル
Ｌ４  コイル
１  一次コイル
１’  一次コイル
２  二次コイル
２’  二次コイル
３  磁性体配列棒
４  強磁性体
５  極鉄心
６  強磁性偏心板
１０  傾斜角センサ
１１  本体
１２  コイル部
１３  磁性流動体
１５  基準円
３１  収納空間
３２  隔壁
３３  空隙
３４  注油口
３５  変換器
３６  演算処理装置
３７  メモリ
３８  インピーダンス素子が配置される空間
４０  位相検出回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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