回転センサ
【課題】 加えられる回転変位（角度変位）の大きさに係わらず、回転検出対象の回転状態を確実に検出することができるようにする。
【解決手段】 回転センサは、円環状の環状容器１１を有する。この環状容器１１は、円環状の液体流路１１１を形成する。この液体流路１１１には、液体が封入されている。また、この液体流路１１１には、梁１２が設けられている。この梁１２は、環状容器１１の回転に伴って生じる液体の流動によって変位させられる。この梁１２には、歪みゲージ１３が設けられている。この歪みゲージ１３は、梁１２の変位を検出する。この歪みゲージ１２には、角加速度検出部２０が接続されている。この角速度検出部２０は、歪みゲージ１２の検出出力に基づいて、回転検出対象の角加速度を検出する。
【解決手段】 回転センサは、円環状の環状容器１１を有する。この環状容器１１は、円環状の液体流路１１１を形成する。この液体流路１１１には、液体が封入されている。また、この液体流路１１１には、梁１２が設けられている。この梁１２は、環状容器１１の回転に伴って生じる液体の流動によって変位させられる。この梁１２には、歪みゲージ１３が設けられている。この歪みゲージ１３は、梁１２の変位を検出する。この歪みゲージ１２には、角加速度検出部２０が接続されている。この角速度検出部２０は、歪みゲージ１２の検出出力に基づいて、回転検出対象の角加速度を検出する。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、回転検出対象の回転状態を検出する回転センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、アーム型ロボット等においては、ロボットアーム等の姿勢を制御する姿勢制御装置が必要になる。
【０００３】この姿勢制御装置を実現するためには、ロボットアーム等の姿勢を検出する姿勢センサが必要になる。
【０００４】この姿勢センサとしては、例えば、ロボットアーム等の回転変位（角度変位）を検出する回転センサや直線変位を検出する直線センサ等がある。
【０００５】アーム型ロボット等においては、上記回転センサとして、小型、計量で、角加速度も検出可能な回転センサが望まれている。
【０００６】この要望に応えるため、従来、下記の文献に記載されるような姿勢センサ（回転センサ）が開発されている。文献：特開昭６０−１４７６１１号公報
【０００７】この文献に記載された回転センサは、「環状容器内に液体を封入し、その容器内の液体流路における対称位置に、質量及びばね成分を持つ弁構造体を対にして組み入れ、これらの弁構造体に、容器内液体の流動に伴って生じる弁構造体の変位を検出するためのストレンゲージまたは柔軟圧電フィルムを付設したこと」を特徴とするものである。
【０００８】すなわち、この回転センサは、液体が封入された環状の液体流路に弁状の障害物を設け、液体の流動によって生じる障害物の変位を検出することにより、回転検出対象の角加速度を検出するようにしたものである。
【０００９】このような構成によれば、液体の流動速度が環状容器に加えられる角速度に依存する。これにより、回転検出対象の角加速度を検出することができる。また、環状容器と、弁状の障害物と、歪みゲージによって回転センサの本体を構成することができる。これにより、回転センサを小型、軽量化することができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構成では、液体の流動によって変位させられる障害物として、弁状の障害物を用いているため、次のような２つの問題が予想される。
【００１１】（１）第１の問題は、回転検出対象の回転に伴って回転センサに加えられる回転変位（角度変位）が大きい場合、回転検出対象の回転状態を検出することができないおそれがあるという問題である。ここで、回転状態とは、回転検出対象の回転変位、角度変位、回転速度、角速度、回転加速度、角加速度等をいう。
【００１２】すなわち、上記構成では、障害物として、弁状の障害物が用いられる。具体的は、柔軟薄膜や面状弁が用いられる。しかしながら、弁状の障害物として、柔軟薄膜を用いた場合、環状容器に加えられる回転変位が大きいと、障害物の変位も大きくなるおそれがある。その結果、この変位が歪みゲージの計測範囲を超え、回転検出対象の回転状態を検出することができなくなるおそれがある。
【００１３】（２）第２の問題は、回転センサに加えられる回転変位が微小な場合、回転状態の検出出力の応答性が低下するおそれがあるという問題である。
【００１４】すなわち、上記構成では、障害物として、弁状の障害物が液体流路の２箇所に設けられる。これにより、液体流路が障害物によってほとんど塞がれる。その結果、環状容器に加えられる回転変位が微小な場合、液体の十分な流動が発生しないおそれがある。これにより、回転状態の検出出力の応答性が低下するおそれがある。
【００１５】そこで、本発明は、加えられる回転変位の大きさに係わらず、回転検出対象の回転状態を確実に検出することができる回転センサを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するために請求項１記載の回転センサは、液体の流動によって変位させられる障害物として、大きな回転変位が加えられた場合でも変位がその計測範囲を超えることがないような剛性を有するとともに、液体の流動を妨げないような大きさを有する障害物を用いるようにしたものである。
【００１７】請求項１記載の回転センサは、このような障害物として、梁を用いるようになっている。
【００１８】すなわち、請求項１記載の回転センサは、液体流路形成手段と、少なくとも１つの梁と、変位検出手段とを備えたことを特徴とする。
【００１９】ここで、液体流路形成手段は、環状の液体流路を形成する手段である。この液体流路形成手段は、回転検出対象に取り付けられる。また、梁は、上記液体流路に設けられる。この梁は、液体流路の中心軸を回転軸とする液体流路形成手段の回転によって生じる液体の流動によって変位させられる。変位検出手段は、梁の変位を検出する手段である。
【００２０】この請求項１記載の回転センサでは、回転検出対象が回転すると、液体流路形成手段が回転する。この回転により、液体流路形成手段の液体流路に封入されている液体が流動する。この流動により、梁が液体から圧力を受ける。これにより、梁が変位する。この変位は、変位検出手段により検出される。
【００２１】この場合、障害物として、弁ではなく、梁が用いられている。これにより、この障害物として、ある程度の剛性を持った障害物を用いることができる。その結果、液体流路形成手段に加えられる回転変位が大きい場合でも、障害物の変位を変位検出手段の計測範囲内に収めることができる。これにより、回転検出対象の回転状態を検出することができる。
【００２２】また、このような構成によれば、障害物として、液体の流動をほとんど妨げないような障害物を用いることができる。これにより、液体流路形成手段に加えられる回転変位が微小な場合でも、液体が迅速に流動することができる。その結果、回転検出対象の回転状態の検出出力の応答性が低下することを防止することができる。
【００２３】請求項２記載の回転センサは、請求項１記載のセンサにおいて、さらに、回転状態検出手段を備えたことを特徴とする。ここで、回転状態検出手段は、変位検出手段の検出出力に基づいて、回転検出対象の回転状態を検出する手段である。
【００２４】この請求項２記載の回転センサでは、変位検出手段の検出出力に基づいて、回転検出対象の回転状態が検出される。これにより、回転センサの最終出力を得ることができる。
【００２５】請求項３記載の回転センサは、請求項１または２記載のセンサにおいて、液体の流動方向に垂直な方向における梁の断面積が、同方向における液体流路の断面積の１０％程度に設定されていることを特徴とする。
【００２６】この請求項３記載の回転センサでは、液体の通過面積として、液体流路の垂直断面積の９０％程度を確保することができる。これにより、梁によって液体の流動がほとんど妨げられることがないようにすることができる。
【００２７】請求項４記載の回転センサは、請求項１，２または３記載のセンサにおいて、梁が液体流路の中央部に位置決めされていることを特徴とする。
【００２８】この請求項４記載の回転センサでは、梁が、液体の質量が集中している領域に位置決めされる。これにより、梁を、液体流路形成手段に加わった回転変位に応じた液体の流動速度で変位させることができる。その結果、回転検出対象の回転状態を正確に検出することができる。
【００２９】請求項５記載の回転センサは、請求項１，２，３または４記載のセンサにおいて、梁が液体の流動方向に垂直に支持されていることを特徴とする。
【００３０】この請求項５記載の回転センサでは、液体の圧力が梁に垂直にかかる。これにより、液圧を効率的に受けることができる。その結果、梁を小さくすることができる。これにより、梁によって液体の流動を妨げない効果を高めることができる。
【００３１】請求項６記載の回転センサは、請求項１，２，３，４または５記載のセンサにおいて、梁が長方形の平板状に形成されていることを特徴とする。
【００３２】この請求項６記載の回転センサでは、梁が液圧を平面で受けることができる。これにより、液圧を効率的に受けることができる。その結果、梁を小さくすることができる。これにより、梁によって液体の流動を妨げない効果を高めることができる。
【００３３】請求項７記載の回転センサは、請求項１，２，３，４，５または６記載のセンサにおいて、梁が片持梁であることを特徴とする。
【００３４】この請求項７記載の回転センサでは、梁となる片の一端部を支持することにより、液体の流動によって変位させられる障害物を構成することができる。これにより、この障害物を簡単に構成することができる。
【００３５】請求項８記載の回転センサは、請求項１，２，３，４，５，６または７記載のセンサにおいて、変位検出手段が歪みゲージであることを特徴とする。
【００３６】この請求項８記載の回転センサでは、変位検出手段を梁に貼り付けることにより、梁の変位を検出することができる。これにより、液体流路形成手段の回転状態に影響されることなく、梁の変位を検出することができる。その結果、梁の変位を安定に検出することができる。
【００３７】また、このような構成では、梁の変位とこの変位の検出出力との関係をリニアな特性曲線で表すことができる。これにより、梁の変位を正確に検出することができる。
【００３８】請求項９記載の回転センサは、請求項２記載のセンサにおいて、回転状態検出手段が回転検出対象の角加速度を検出するように構成されていることを特徴とする。
【００３９】この請求項９記載の回転センサでは、回転検出対象の回転状態として、角加速度が検出される。このような構成では、回転状態の検出出力を２度積分することにより、回転検出対象の角度変位を検出することができる。これにより、姿勢センサとして有用な回転センサを提供することができる。
【００４０】請求項１０記載の回転センサは、請求項１，２，３，３，４，５，６，７，８または９記載のセンサにおいて、液体流路形成手段と、梁と、変位検出手段とが互いに直交する３つの軸の各軸ごとに設けられていることを特徴とする。
【００４１】この請求項１０記載の回転センサでは、並進加速度が加えられた場合、３つのセンサ本体（液体流路形成手段と、梁と、変位検出手段とからなる部分）のうち、２つのセンサ本体の変位検出手段から検出出力が得られる。これに対し、回転加速度が加えられた場合は、１つのセンサ本体の変位検出手段からしか検出出力が得られない。これにより、回転センサに加えられる加速度が並進加速度か角加速度かを識別することができる。その結果、回転センサに加えられる並進運動の影響を除去することができる。
【００４２】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００４３】［１］一実施の形態［１−１］構成図１は、本発明の一実施の形態の構成を示す図である。
【００４４】図示の回転センサは、センサ本体１０と、角加速度検出部２０とを有する。センサ本体１０は、図示しない回転検出対象に取り付けられる。角加速度検出部２０は、回転検出対象の角加速度を検出する。この角加速度検出部２０は、例えば、回転検出対象以外の部分に設けられる。但し、センサ本体１０と同様に、回転検出対象に取り付けてもよいことは勿論である。
【００４５】上記センサ本体１０は、環状容器１１と、１つの梁１２と、歪みゲージ１３とを有する。ここで、環状容器１１は、環状の液体流路１１１を形成する容器である。この環状容器１１は、例えば、円環状に形成されている。液体流路１１１も、例えば、円環状に形成されている。この場合、液体流路１１１は、環状容器１１と同軸的に形成されている。この液体流路１１１には、液体が封入されている。この場合、液体は、例えば、液体流路１１１を完全に満たすように封入されている。上記梁１２は、液体流路１１１に設けられている。この梁１２は、液体流路１１１の中心軸を回転軸とする環状容器１１１の回転によって生じる液体の流動によって変位させられる。上記歪みゲージ１３は、梁１２の変位（歪み）を検出する機能を有する。この歪みゲージ１３は、例えば、梁１２に貼り付けられている。
【００４６】上記角加速度検出部２０は、歪みゲージ１３に接続されている。この角加速度検出部２０は、歪みゲージ１３の検出出力に基づいて、回転検出対象の角加速度を検出する。この角加速度検出部２０は、例えば、コンピュータにより構成されている。
【００４７】図２は、環状容器１１の構成を示す分解斜視図である。図示のごとく、環状容器１１は、例えば、２つの円筒１１２，１１３と、２つの円板１１４，１１５とを有する。ここで、円筒１１２，１１３の長さ（環状容器１１の中心軸方向（図示矢印Ｘ１−Ｘ２）の寸法）は、同じ値に設定され、径は、異なる値に設定されている。また、円板１１３、１１４の径は、径の大きな円筒１１２の径と同じ値に設定されている。
【００４８】上記円筒１１２，１１３は、同軸的に配設されている。また、上記円板１１４は、円筒１１２，１１３の一端部を塞ぐように、この一端部に取り付けられている。同様に、上記円板１１５は、円筒１１２，１１３の他端部を塞ぐように、この他端部に取り付けられている。これにより、液体の流動方向（図示矢印Ｘ５−Ｘ６方向）に垂直な方向の断面が四角形の環状容器１１が形成される。言い換えれば、この垂直断面が四角形の液体流路１１１が形成される。
【００４９】この液体流路１１１の幅（環状容器１１の中心軸方向（図示矢印Ｘ１−Ｘ２方向）の寸法）は、円筒１１２，１１３の長さによって表される。また、この液体流路１１１の高さ（環状容器１１の径方向（図示矢印Ｘ３−Ｘ４方向）の寸法）は、円筒１１２，１１３の半径の差によって表される。
【００５０】図３は、環状容器１１の内部を示す断面図である。図において、（ａ）は、環状容器１１を、その中心軸に垂直な平面で切断した場合の断面図を示し、（ｂ）は、中心軸を含む平面で切断した場合の断面図を示す。図において、Ｗ１は、上述した液体流路１１１の幅を示し、Ｈは、同じく高さを示す。
【００５１】図示のごとく、梁１２は、例えば、長方形の平板状に形成されている。そして、この長方形の平板状の梁１２は、一端部にて環状容器１１の内壁に支持されている。これにより、本実施の形態では、梁１２として、片持梁が用いられている。
【００５２】この場合、梁１２は、例えば、径の大きな円筒１１２の内壁に垂直に支持されている。これにより、梁１２は、液体の流動方向（図示矢印Ｘ５−Ｘ６方向）に垂直に支持されている。また、梁１２は、側面ではなく、上面１２１や下面１２２が液体の流動方向（図示矢印Ｘ５−Ｘ６方向）を向くように取り付けられている。さらに、梁１２は、液体流路１１１の幅方向（図示矢印Ｘ１−Ｘ２方向）の中央部に取り付けられている。
【００５３】梁１２の長さＬ（環状容器１１の径方向（図示矢印Ｘ３−Ｘ４方向）の寸法）は、例えば、液体流路１１１の高さＨの５０％程度に設定されている。また、梁１２の幅Ｗ２（環状容器１１の中心軸方向（図示矢印Ｘ１−Ｘ２方向）の寸法）は、液体流路１１１の幅の２０％程度に設定されている。これにより、液体の流動方向（図示矢印Ｘ５−Ｘ６方向）に垂直な方向における梁１２の断面積（梁１２の上面１２１や下面１２２（図３（ａ）参照）の面積と同じ）は、例えば、同方向における液体流路１１１の断面積の１０％程度に設定されている。
【００５４】また、梁１２の長さＬは、例えば、梁１２の幅Ｗ２の２〜２．５倍程度に設定されている。さらに、梁１２の厚さＴ（液体の流動方向（図示矢印Ｘ５−Ｘ６方向）の寸法）は、幅Ｗ２の１オーダくらい下に設定されている。
【００５５】さらに、梁１２は、例えば、アクリルやアルミニウムによって構成されている。
【００５６】上記歪みゲージ１３としては、例えば、電気抵抗線式の歪みゲージが用いられている。この歪みゲージ１３は、梁１２の上面１２１と下面１２２のいずれか一方に貼り付けられている。これは、歪みゲージ１３の性質より、上面１２１と下面１２２のいずれか一方に貼り付けることにより、梁１２の図示矢印Ｘ５方向の変位と図示矢印Ｘ６方向の変位のいずれも検出することができるからである。
【００５７】また、この歪みゲージ１３は、梁１２の根元部に貼り付けられている。これは、電気抵抗線式の歪みゲージ１３は、金属線が伸びるとその電気抵抗が増加するという性質を利用して、梁１２の変位を検出するものであるからである。すなわち、このような構成では、歪みゲージ１３を変位が最大となる先端部ではなく、モーメントが最大となる根元部に設ける必要があるからである。
【００５８】ここで、図４を参照しながら、梁１２の長さＬを、液体流路１１１の高さＨの５０％程度に設定した理由を説明する。図４は、液体の速度勾配と質量分布を示す特性図である。なお、図４では、環状容器１１については、その長さ方向（図示矢印Ｘ５−Ｘ６方向）の微小区間Δｄ（図３参照）を拡大して示す。この場合、Δｄは、非常に微小であるため、図４では、環状容器１１の壁を直線で近似している。
【００５９】図において、横軸は、液体の流動速度Ｖを示し、縦軸は、液体流路１１１の外縁から環状容器１１の径方向に向かう距離Ｄを示す。また、特性曲線Ｃ１は、液体の実際の速度勾配を示し、特性曲線Ｃ２は、この速度勾配の近似曲線を示す。さらに、長方形Ｃ３で囲まれる領域は、液体の質量が集中している領域を示す。
【００６０】図示のごとく、特性曲線Ｃ１は、液体流路１１１の高さＨ方向の中央部で最大となるような２次関数で表される。これは、液体流路１１１を流動する液体が、環状容器１１の内壁から摩擦力を受けるからである。すなわち、この摩擦力は、液体流路１１１の周辺部で大きく、中央部で小さくなる。これにより、液体は、液体流路１１１の周辺部より中央部で多く流れる。その結果、液体の流動速度が、液体流路１１１の中央部で大きくなる。
【００６１】今、この特性曲線Ｃ１を、特性曲線Ｃ２で近似するものとする。すなわち、台形で近似するものとする。この台形の上底は、２次関数の頂点側に位置決めされている。この上底の長さは、０．５Ｈに設定されている。
【００６２】液体の速度勾配をこのように仮定した場合、液体の質量は、Ｄ＝０．２５Ｈ〜０．７５Ｈの領域に集中する。これにより、梁１２が液体から圧力を受けるのは、この領域ということになる。また、液体の速度勾配を上記のように仮定した場合、液体の質量は、Ｄ＝０．２５Ｈ〜０．７５Ｈの領域で一定となる。これにより、梁１２は、この領域で、液体から一定の圧力を受ける。
【００６３】以上から、梁１２の長さＬを０．２５Ｈ〜０．７５Ｈに設定することにより、本センサの動特性解析（周波数応答解析）から、理論的に梁１２の挙動を解析することができる。この場合、最も信頼性のある解析を行うことができるのは、梁１２の長さＬが０．５Ｈのときである。そこで、本実施の形態では、梁１２の長さＬを、上記のごとく、液体流路１１１の高さＨの５０％程度に設定している。
【００６４】［１−２］動作上記構成において、動作を説明する。
【００６５】回転検出対象の角加速度を検出する場合、センサ本体１０は、回転検出対象に取り付けられる。図５R>５にこの取付け方の一例を示す。図５には、センサ本体１０を、例えば、ロボットアーム３１に取り付ける場合を代表として示す。また、図５には、ロボットアーム３１の長手方向（図示矢印Ｘ７−Ｘ８方向）の軸を回転軸とするこのアーム３１の回転状態を検出する場合を代表として示す。この場合、センサ本体１０は、例えば、環状容器１１の中央の穴にロボットアーム３１を挿入するようにして、このロボットアーム３１に取り付けられる。
【００６６】この状態で、回転検出対象（ロボットアーム３１）が回転すると、環状容器１１がその中心軸を回転軸として回転する。この回転により、環状容器１１の液体流路１１１に封入されている液体がこの液体流路１１１に沿って流動する。この流動により、梁１２が液体から圧力を受ける。これにより、梁１２の先端部が変位する。この変位は、歪みゲージ１３により検出される。この検出出力は、角加速度検出部２０に供給される。これにより、回転検出対象の角加速度が検出される。
【００６７】この検出は、例えば、テーブルを用いて行われる。このテーブルには、梁１２の各変位Ｙ（ｔ）ごとに、回転検出対象の角加速度Ａ（ｔ）が記述されている。角加速度検出部１４は、歪みゲージ１３の検出出力に基づいて、テーブルを検索することにより、回転検出対象の角加速度Ａ（ｔ）を検出する。
【００６８】上記テーブルは、環状容器１１に回転変位Ｘ（ｔ）を加えたときの梁１２の変位Ｙ（ｔ）を検出することにより作成される。これは、環状容器１１の回転変位Ｘ（ｔ）から回転検出対象の角加速度Ａ（ｔ）を求めることができるからである。これを、図６を参照しながら説明する。図６は、環状容器１１に加えられる回転変位Ｘ（ｔ）と角度変位θ（ｔ）とを示す図である。
【００６９】今、環状容器１１に加えられる回転変位Ｘ（ｔ）が、次式（１）で表されるものとする。
Ｘ（ｔ）＝Ｘ０ｓｉｎωｔ …（１）
但し、Ｘ０は、回転変位Ｘ（ｔ）の最大値を示す。また、ωは、角速度を示す。
【００７０】この場合、環状容器１１の角度変位θ（ｔ）は、次式（２）で表される。
θ（ｔ）＝（Ｘ０／Ｒ）ｓｉｎωｔ …（２）
但し、Ｒは、環状容器１１の半径を示す。
【００７１】これにより、環状容器１１の角速度θ’（ｔ）は、次式（３）で表される。
θ’（ｔ）＝（Ｘ０／Ｒ）ωｃｏｓωｔ …（３）
【００７２】その結果、環状容器１１の角加速度θ”（ｔ）は、次式（４）で表される。
θ”（ｔ）＝−（Ｘ０／Ｒ）ω２ｓｉｎωｔ …（４）
【００７３】図５のように、回転検出対象（ロボットアーム３１）と環状容器１１の回転軸が同じ場合、この角加速度θ”（ｔ）が回転検出対象の角加速度Ａ（ｔ）となる。これに対し、２つの回転軸が異なる場合は、環状容器１１の角加速度θ”（ｔ）に対して、所定の変換処理を施すことにより、回転検出対象の角加速度Ａ（ｔ）が求められる。
【００７４】このようにして求められた回転検出対象の角加速度Ａ（ｔ）と、そのときの梁１２の変位Ｙ（ｔ）とをテーブルに記述することにより、両者の対応関係を示すテーブルが作成される。
【００７５】図７は、テーブル作成システム構成の構成の一例を示す図である。図示のテーブル作成システムは、支持機構４１と、ファンクションジェネレータ４２と、増幅器４３と、加振器４４と、ウォームギア機構４５と、レーザ変位計４６と、高速フーリエ変換アナライザ４７とを有する。
【００７６】ここで、支持機構４１は、環状容器１１をその中心軸の周りに回転自在に支持する機能を有する。ジェネレータ４２は、正弦波信号を出力する機能を有する。増幅器３３は、この正弦波信号を増幅する機能を有する。加振器４３は、増幅された正弦波信号を直線振動に変換する機能を有する。ウォームギア機構４５は、この直線振動を環状容器１１の回転振動に変換する機能を有する。レーザ変位計４６は、上記直線振動による直線変位を検出する機能を有する。アナライザ４７は、レーザ変位計４６の検出出力と歪みゲージ１３の検出出力とに基づいて、上記テーブルを作成する機能を有する。
【００７７】上記構成においては、ジェネレータ４２から出力される正弦波信号は、増幅器４３で増幅された後、加振器４４に供給される。これにより、電気的な正弦波信号が機械的な直線振動に変換される。この直線振動は、ウォームギヤ機構４５により、環状容器１１の回転振動に変換される。この変換により、環状容器１１が回転振動させられる。この回転振動により、液体流路１１１に封入されている液体が流動する。この流動により、梁１２の先端部が歪む。この歪みは、歪みゲージ１３により検出される。この検出出力は、アナライザ４７に供給される。
【００７８】また、これと並行して、レーザ変位計４６により、直線振動の変位が検出される。この検出出力は、アナライザ４７に供給される。これにより、環状容器１１の回転変位Ｘ０（ｔ）（式（１）参照）が算出される。この算出は、ウォームギヤ機構４５の変換係数を用いて行われる。この算出出力は、環状容器１１の角加速度θ”（ｔ）に変換される。この角加速度θ”（ｔ）は、回転検出対象の角加速度Ａ（ｔ）に変換される。そして、角加速度Ａ（ｔ）と歪みゲージ１３により検出された梁１２の変位Ｙ（ｔ）とがテーブルに記述される。これにより、角加速度Ａ（ｔ）と変位Ｙ（ｔ）との関係を示すテーブルが作成される。
【００７９】［１−３］効果以上詳述した本実施の形態によれば、次のような効果を得ることができる。
【００８０】（１）まず、本実施の形態によれば、液体の流動によって変位させられる障害物として、弁ではなく、梁１２が用いられる。これにより、障害物として、ある程度の剛性を持った障害物を用いることができる。その結果、環状容器１１に大きな回転変位Ｘ（ｔ）が加わった場合でも、障害物（梁１１）の変位Ｙ（ｔ）が歪みゲージ１３の計測範囲から外れることがない。これにより、このような場合でも、回転検出対象の角加速度Ａ（ｔ）を検出することができる。
【００８１】これを、一実施例を使って説明する。なお、本実施例では、回転センサとして、１ｍｍオーダの微小な回転センサを用いた。このような回転センサは、例えば、運動生理学の観点から、人間の姿勢を検出する場合に用いられる。この場合、回転センサとしては、小型のものが要求される。これは、人間が回転センサを身に付けた場合、この回転センサが人間にとって邪魔にならないようにするためである。
【００８２】但し、実際の実験では、１ｍｍオーダの微小な回転センサではなく、拡大モデルを使った。図８は、この拡大モデルのサイズを示す断面図である。この図８は、センサ本体１０を図３と同じようにして示した断面図である。
【００８３】図示の拡大モデルでは、外側の円筒１１２の直径は、１５０ｍｍに設定され、内側の円筒１１３の直径は、１００ｍｍに設定されている。これにより、流体流路１１１の高さＨは、２５ｍｍに設定されている。また、円筒１１２，１１３の長さは、３０ｍｍに設定されている。これにより、流体流路１１１の幅Ｗ１は、３０ｍｍに設定されている。さらに、梁１２の長さＬは、１４ｍｍに設定され、幅Ｗ２は、６ｍｍに設定され、厚さＴは、０．２ｍｍに設定されている。この梁１２としては、アクリル製の梁を用いた。
【００８４】また、この拡大モデルでは、液体流路１１１に封入される液体として、１万ｃＳｔのシリコンオイルを用いた。これは、回転センサとして、１ｍｍオーダの微小なセンサを用いる場合、液体として粘性の低い水を用いたとしても、梁１２に働く力は、慣性力より液体の粘性力によって支配されるからである。すなわち、液体として、水を用いたとしても、梁１２は、水飴のような粘性の高い液体の中にあるような挙動を示すからである。
【００８５】このような拡大モデルで、梁１２の挙動を求める実験をした。この実験は、図７に示すようなシステムを用いて行った。この場合、梁１２の挙動としては、梁１２の変位Ｙ（ｔ）（出力）の周波数応答ではなく、これを環状容器１１の回転変位Ｘ（ｔ）で割ったもの、すなわち、Ｙ（ｔ）／Ｘ（ｔ）（出力／入力）の周波数応答を求めた。この演算は、アナライザ３７により行われる。
【００８６】図９は、この実験結果を示す図である。図９において、横軸は、回転変位Ｘ（ｔ）の周波数ｆ（＝ω／２π）を示し、縦軸は、出力／入力を示す。また、特性曲線Ｃ４は、計算により求められた周波数応答の理論値を示す。
【００８７】この実験の結果、本実施例では、環状容器１１の回転変位Ｘ（ｔ）の周波数ｆが小さい場合、すなわち、この回転変位Ｘ（ｔ）が大きい場合でも、梁１２の変位Ｙ（ｔ）が歪みゲージ１３の計測範囲に収まることが確かめられた。これにより、本実施例では、環状容器１１の回転変位Ｘ（ｔ）が大きい場合でも、回転検出対象の角加速度Ａ（ｔ）を検出することができる。
【００８８】（２）また、本実施の形態によれば、液体の流動によって変位させられる障害物として、弁ではなく、梁１２が用いられる。これにより、障害物として、液体の流動をほとんど妨げることがないような障害物を用いることができる。その結果、環状容器１１に加わる回転変位Ｘ（ｔ）が小さい場合でも、液体の流動が可能となる。これにより、このような場合でも、回転状態の検出出力の応答性が低下することを防止することができる。
【００８９】（３）さらに、本実施の形態によれば、梁１２の垂直断面の面積が液体流路１１１の垂直断面の面積の１０％程度に設定されている。これにより、液体の通過面積として、液体流路１１１の垂直断面の面積の９０％程度を確保することができる。その結果、梁１２によって液体の流動が妨げられることがないようにすることができる。
【００９０】（４）さらにまた、本実施の形態によれば、梁１２が液体流路１１１の幅Ｗ１方向の中央部に設けられている。また、梁１２の長さＬが液体流路１１１の高さＨの５０％程度に設定されている。これらにより、本実施の形態では、梁１２の先端部を液体流路１１１の中央部に設けることができる。その結果、梁１２の先端部を液体の質量が集中している領域に位置決めすることができる。これにより、梁１２を、環状容器１１に加えられた回転変位Ｘ（ｔ）に応じた圧力で変位させることができる。その結果、回転検出対象の回転状態を正確に検出することができる。
【００９１】（５）また、本実施の形態によれば、梁１２が液体の流動方向に垂直に支持されている。これにより、梁１２に液体の圧力を垂直にかけることができる。その結果、梁１２に液圧を効率的にかけることができる。これにより、梁１２を小さくすることができる。その結果、梁１２によって液体の流動を妨げない効果を高めることができる。
【００９２】（６）さらに、本実施の形態によれば、梁１２が長方形の平板状に形成されている。これにより、液圧を平面で受けることができる。その結果、梁１２に液圧を効率的にかけることができる。これにより、梁１２を小さくすることができる。その結果、梁１２によって液体の流動を妨げない効果を高めることができる。
【００９３】（７）さらにまた、本実施の形態によれば、梁１２の長さＬが幅Ｗ２の２〜２．５倍程度に設定されている。また、本実施の形態によれば、梁１２の厚さＴが幅Ｗ２の１オーダくらい下に設定されている。これらにより、変位Ｙ（ｔ）が歪みゲージ１３の計測範囲を超えることがないような剛性を有する梁１２を構成することができる。
【００９４】（８）また、本実施の形態によれば、梁１２として、片持梁が用いられる。これにより、長方形の平板の一端部を支持するだけで、目的の障害物を構成することができる。その結果、この障害物を簡単に構成することができる。また、梁１２の材料として、固定梁を用いる場合より、弾性の高い材料を用いることができる。これにより、この場合より、変位が計測範囲を超えないようにするための寸法等の設定が容易となる。さらに、単純梁を用いる場合に比べ、確実に歪みゲージ１３の出力を得ることができる。
【００９５】（９）さらに、本実施の形態によれば、変位検出手段として、歪みゲージ１３が用いられる。これにより、変位検出手段を梁１２に貼り付けるだけで、梁１２の変位Ｙ（ｔ）を検出することができる。その結果、環状容器１１の回転状態に影響されることなく、梁１２の変位Ｙ（ｔ）を検出することができる。これにより、梁１２の変位Ｙ（ｔ）を安定に検出することができる。また、このような構成によれば、梁１２の変位Ｙ（ｔ）とこの変位Ｙ（ｔ）の検出出力との関係をリニアな特性曲線で表すことができる。これにより、梁１２の変位Ｙ（ｔ）を正確に検出することができる。
【００９６】（１０）さらにまた、本実施の形態によれば、回転検出対象の回転状態として、角加速度Ａ（ｔ）が検出される。このような構成では、回転状態の検出出力を２度積分することにより、回転検出対象の角度変位を検出することができる。これにより、姿勢センサとして有用な回転センサを提供することができる。
【００９７】［１−４］その他の実施の形態以上、本発明の一実施の形態を詳細に説明した。しかしながら、本発明は、先の実施の形態に限定されるものではない。
【００９８】（１）例えば、先の実施の形態では、梁１２を外側の円筒１１２の内壁に固定する場合を説明した。しかしながら、本発明は、例えば、内側の円筒１１３の外壁、または、円板１１４，１１５の内壁に固定するようにしてもよい。
【００９９】（２）また、先の実施の形態では、梁１２として、長方形の平板を用いる場合を説明した。しかしながら、本発明は、例えば、円柱状の梁を用いるようにしてもよい。
【０１００】（３）さらに、先の実施の形態では、梁１２として、片持梁を用いる場合を説明した。しかしながら、本発明は、単純梁（両端支点梁）、固定梁、連続梁等を用いるようにしてもよい。
【０１０１】（４）さらにまた、先の実施の形態では、梁１２を１つ設ける場合を説明した。しかしながら、本発明では、これを複数設けるようにしてもよい。この場合、梁１２を、環状容器１１の回転軸を中心とする点対称位置に２つ設けるようにすれば、環状容器１１の並進運動の影響を除去することができる。
【０１０２】（５）また、先の実施の形態では、液体流路として、終端のない液体流路１１１を用いる場合を説明した。しかしながら、本発明は、液体の流動に影響を与えなければ、終端のある液体流路１１を用いるようにしてもよい。
【０１０３】（６）さらに、先の実施の形態では、液体流路として、円環状の液体流路１１１を用いる場合を説明した。しかしながら、本発明は、液体の流動に影響を与えない環状の液体流路でれば、円環状以外の液体流路を用いるようにしてもよい。例えば、多角形状や楕円状の液体流路を用いるようにしてもよい。
【０１０４】（７）さらにまた、先の実施の形態では、液体流路形成手段として、環状容器１１を用いる場合を説明した。しかしながら、本発明は、環状の液体流路を形成することができるものであれば、環状容器１１以外の容器または容器以外の物を用いるようにしてもよい。例えば、環状の液体流路を有する平板状の容器を用いるようにしてもよい。
【０１０５】（８）また、先の実施の形態では、液体流路として、垂直断面が四角形の液体流路１１１を用いる場合を説明した。しかしながら、本発明は、四角形以外の形状の液体流路を用いるようにしてもよい。例えば、多角形または円形の液体流路を用いるようにしてもよい。
【０１０６】（９）さらに、先の実施の形態では、回転検出対象の回転状態として、角加速度Ａ（ｔ）を検出する場合を説明した。しかしながら、本発明は、回転変位、角度変位、回転速度、角速度、回転加速度等を検出するようにしてもよい。
【０１０７】（１０）さらにまた、先の実施の形態では、センサ本体１０を１つの軸にのみ設ける場合を説明した。言い換えれば、回転センサとして、１軸角加速度センサを構成する場合を説明した。しかしながら、本発明は、センサ本体１０を互いに直交する複数の軸の各軸ごとに設けるようにしてもよい。言い換えれば、複数軸角加速度センサを構成するようにしてもよい。この場合、互いに直交する３つの軸の各軸ごとにセンサ本体１０を設けるようにすれば、回転センサに加えられる並進運動の影響を除去することができる。
【０１０８】すなわち、このような構成によれば、回転センサに並進加速度が加えられた場合、３つのセンサ本体１０のうち、２つのセンサ本体１０の歪みゲージ１３から検出出力が得られる。これに対し、回転加速度が加えられた場合は、１つのセンサ本体１０の歪みゲージ１３からしか検出出力が得られない。これにより、回転センサに加えられる加速度が並進加速度か角加速度かを識別することができる。その結果、回転センサに加えられる並進運動の影響を除去することができる。
【０１０９】これを具体的に説明する。今、３つの直交する軸をｘ、ｙ、ｚとし、このうち、例えば、ｘ軸方向に並進加速度が加えられたとする。この場合、ｙ軸用とｚ軸用のセンサ本体１０の梁１２が液体の流動により変位させられる。これは、この場合は、これら２つのセンサ本体１０の梁１２の向きが液体の流動方向に垂直になるからである。これに対し、ｘ軸周りの角加速度が加えられると、ｘ軸用のセンサ本体１０の梁１２が液体の流動により変位させられる。これは、この場合は、このセンサ本体１０の梁１２の向きが液体の流動方向に垂直になるからである。
【０１１０】以上により、３つのセンサ本体１０の歪みゲージ１３の検出出力を観察することにより、加えられた加速度がｘ軸方向の並進加速度かｘ軸周りの角加速度かを識別することができる。これにより、ｘ軸方向の並進運動の影響を除去することができる。なお、これは、詳細な説明は省略するが、ｙ軸方向やｚ軸方向の並進運動についても同様である。
【０１１１】（１１）このほかにも本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々様々変形実施可能なことは勿論である。
【０１１２】
【発明の効果】以上詳述したように請求項１記載の回転センサによれば、液体の流動によって変位させられる障害物として梁が用いられる。これにより、加えられる回転変位の大きさに係わらず、回転検出対象の回転状態を確実に検出することができる。
【０１１３】また、請求項２記載の回転センサによれば、請求項１記載のセンサにおいて、さらに、回転状態検出手段が設けられる。これにより、回転センサの最終出力を得ることができる。
【０１１４】さらに、請求項３記載の回転センサによれば、請求項１または２記載のセンサにおいて、液体の流動方向に垂直な方向における梁の断面積が、同方向における液体流路の断面積の１０％程度に設定されている。これにより、梁によって液体の流動がほとんど妨げられることがないようにすることができる。
【０１１５】さらにまた、請求項４記載の回転センサによれば、請求項１，２または３記載のセンサにおいて、梁が液体流路の中央部に位置決めされている。これにより、回転検出対象の回転状態を正確に検出することができる。
【０１１６】また、請求項５記載の回転センサによれば、請求項１，２，３，４または５記載のセンサにおいて、梁が液体の流動方向に垂直に支持されている。これにより、梁によって液体の流動を妨げない効果を高めることができる。
【０１１７】さらに、請求項６記載の回転センサによれば、請求項１，２，３，４または５記載のセンサにおいて、梁が長方形の平板状に形成されている。これにより、梁によって液体の流動を妨げない効果を高めることができる。
【０１１８】さらにまた、請求項７記載の回転センサによれば、請求項１，２，３，４，５または６記載のセンサにおいて、梁として、片持梁が用いられる。これにより、障害物を簡単に構成することができる。
【０１１９】また、請求項８記載の回転センサによれば、請求項１，２，３，４，５，６または７記載のセンサにおいて、変位検出手段として、歪みゲージが用いられる。これにより、梁の変位を安定にかつ正確に検出することができる。
【０１２０】さらに、請求項９記載の回転センサによれば、請求項２記載のセンサにおいて、回転検出対象の回転状態として、角加速度が検出される。これにより、姿勢センサとして有用な回転センサを提供することができる。
【０１２１】さらにまた、請求項１０記載の回転センサによれば、請求項１，２，３，４，５，６，７，８または９記載のセンサにおいて、液体流路形成手段と、梁と、変位検出手段とが互いに直交する３つの軸の各軸ごとに設けられる。これにより、梁が各液体流路形成手段ごとに１しか設けられない場合であっても、並進運動の影響を除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の構成を示す図である。
【図２】本発明の一実施の形態における環状容器の構成を示す分解斜視図である。
【図３】本発明の一実施の形態におけるセンサ本体の構成を示す断面図である。
【図４】本発明の一実施の形態における液体の流動速度と質量分布を示す図である。
【図５】本発明の一実施の形態のセンサ本体の取付け方の一例を示す斜視図である。
【図６】本発明の一実施の形態において環状容器に加えられる回転変位と角度変位を示す図である。
【図７】本発明の一実施の形態において角加速度の検出に使用されるテーブルの作成システムの構成を示す図である。
【図８】本発明の一実施例における各部の寸法を示す断面図である。
【図９】本発明の一実施例における出力／入力の周波数応答特性を示す特性図である。
【符号の説明】
１０…センサ本体、２０…角加速度検出部、１１…環状容器、１１１…液体流路、１１２，１１３…円筒、１１４，１１５…円板、１２…梁、１３…歪みゲージ、２０…角速度検出部、３１…支持機構、３２…ファンクションジェネレータ、３３…増幅器、３４…加振器、３５…ウォームギヤ機構、３６…レーザ変位計、３７…高速フーリエ変換アナライザ。
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、回転検出対象の回転状態を検出する回転センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、アーム型ロボット等においては、ロボットアーム等の姿勢を制御する姿勢制御装置が必要になる。
【０００３】この姿勢制御装置を実現するためには、ロボットアーム等の姿勢を検出する姿勢センサが必要になる。
【０００４】この姿勢センサとしては、例えば、ロボットアーム等の回転変位（角度変位）を検出する回転センサや直線変位を検出する直線センサ等がある。
【０００５】アーム型ロボット等においては、上記回転センサとして、小型、計量で、角加速度も検出可能な回転センサが望まれている。
【０００６】この要望に応えるため、従来、下記の文献に記載されるような姿勢センサ（回転センサ）が開発されている。文献：特開昭６０−１４７６１１号公報
【０００７】この文献に記載された回転センサは、「環状容器内に液体を封入し、その容器内の液体流路における対称位置に、質量及びばね成分を持つ弁構造体を対にして組み入れ、これらの弁構造体に、容器内液体の流動に伴って生じる弁構造体の変位を検出するためのストレンゲージまたは柔軟圧電フィルムを付設したこと」を特徴とするものである。
【０００８】すなわち、この回転センサは、液体が封入された環状の液体流路に弁状の障害物を設け、液体の流動によって生じる障害物の変位を検出することにより、回転検出対象の角加速度を検出するようにしたものである。
【０００９】このような構成によれば、液体の流動速度が環状容器に加えられる角速度に依存する。これにより、回転検出対象の角加速度を検出することができる。また、環状容器と、弁状の障害物と、歪みゲージによって回転センサの本体を構成することができる。これにより、回転センサを小型、軽量化することができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構成では、液体の流動によって変位させられる障害物として、弁状の障害物を用いているため、次のような２つの問題が予想される。
【００１１】（１）第１の問題は、回転検出対象の回転に伴って回転センサに加えられる回転変位（角度変位）が大きい場合、回転検出対象の回転状態を検出することができないおそれがあるという問題である。ここで、回転状態とは、回転検出対象の回転変位、角度変位、回転速度、角速度、回転加速度、角加速度等をいう。
【００１２】すなわち、上記構成では、障害物として、弁状の障害物が用いられる。具体的は、柔軟薄膜や面状弁が用いられる。しかしながら、弁状の障害物として、柔軟薄膜を用いた場合、環状容器に加えられる回転変位が大きいと、障害物の変位も大きくなるおそれがある。その結果、この変位が歪みゲージの計測範囲を超え、回転検出対象の回転状態を検出することができなくなるおそれがある。
【００１３】（２）第２の問題は、回転センサに加えられる回転変位が微小な場合、回転状態の検出出力の応答性が低下するおそれがあるという問題である。
【００１４】すなわち、上記構成では、障害物として、弁状の障害物が液体流路の２箇所に設けられる。これにより、液体流路が障害物によってほとんど塞がれる。その結果、環状容器に加えられる回転変位が微小な場合、液体の十分な流動が発生しないおそれがある。これにより、回転状態の検出出力の応答性が低下するおそれがある。
【００１５】そこで、本発明は、加えられる回転変位の大きさに係わらず、回転検出対象の回転状態を確実に検出することができる回転センサを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するために請求項１記載の回転センサは、液体の流動によって変位させられる障害物として、大きな回転変位が加えられた場合でも変位がその計測範囲を超えることがないような剛性を有するとともに、液体の流動を妨げないような大きさを有する障害物を用いるようにしたものである。
【００１７】請求項１記載の回転センサは、このような障害物として、梁を用いるようになっている。
【００１８】すなわち、請求項１記載の回転センサは、液体流路形成手段と、少なくとも１つの梁と、変位検出手段とを備えたことを特徴とする。
【００１９】ここで、液体流路形成手段は、環状の液体流路を形成する手段である。この液体流路形成手段は、回転検出対象に取り付けられる。また、梁は、上記液体流路に設けられる。この梁は、液体流路の中心軸を回転軸とする液体流路形成手段の回転によって生じる液体の流動によって変位させられる。変位検出手段は、梁の変位を検出する手段である。
【００２０】この請求項１記載の回転センサでは、回転検出対象が回転すると、液体流路形成手段が回転する。この回転により、液体流路形成手段の液体流路に封入されている液体が流動する。この流動により、梁が液体から圧力を受ける。これにより、梁が変位する。この変位は、変位検出手段により検出される。
【００２１】この場合、障害物として、弁ではなく、梁が用いられている。これにより、この障害物として、ある程度の剛性を持った障害物を用いることができる。その結果、液体流路形成手段に加えられる回転変位が大きい場合でも、障害物の変位を変位検出手段の計測範囲内に収めることができる。これにより、回転検出対象の回転状態を検出することができる。
【００２２】また、このような構成によれば、障害物として、液体の流動をほとんど妨げないような障害物を用いることができる。これにより、液体流路形成手段に加えられる回転変位が微小な場合でも、液体が迅速に流動することができる。その結果、回転検出対象の回転状態の検出出力の応答性が低下することを防止することができる。
【００２３】請求項２記載の回転センサは、請求項１記載のセンサにおいて、さらに、回転状態検出手段を備えたことを特徴とする。ここで、回転状態検出手段は、変位検出手段の検出出力に基づいて、回転検出対象の回転状態を検出する手段である。
【００２４】この請求項２記載の回転センサでは、変位検出手段の検出出力に基づいて、回転検出対象の回転状態が検出される。これにより、回転センサの最終出力を得ることができる。
【００２５】請求項３記載の回転センサは、請求項１または２記載のセンサにおいて、液体の流動方向に垂直な方向における梁の断面積が、同方向における液体流路の断面積の１０％程度に設定されていることを特徴とする。
【００２６】この請求項３記載の回転センサでは、液体の通過面積として、液体流路の垂直断面積の９０％程度を確保することができる。これにより、梁によって液体の流動がほとんど妨げられることがないようにすることができる。
【００２７】請求項４記載の回転センサは、請求項１，２または３記載のセンサにおいて、梁が液体流路の中央部に位置決めされていることを特徴とする。
【００２８】この請求項４記載の回転センサでは、梁が、液体の質量が集中している領域に位置決めされる。これにより、梁を、液体流路形成手段に加わった回転変位に応じた液体の流動速度で変位させることができる。その結果、回転検出対象の回転状態を正確に検出することができる。
【００２９】請求項５記載の回転センサは、請求項１，２，３または４記載のセンサにおいて、梁が液体の流動方向に垂直に支持されていることを特徴とする。
【００３０】この請求項５記載の回転センサでは、液体の圧力が梁に垂直にかかる。これにより、液圧を効率的に受けることができる。その結果、梁を小さくすることができる。これにより、梁によって液体の流動を妨げない効果を高めることができる。
【００３１】請求項６記載の回転センサは、請求項１，２，３，４または５記載のセンサにおいて、梁が長方形の平板状に形成されていることを特徴とする。
【００３２】この請求項６記載の回転センサでは、梁が液圧を平面で受けることができる。これにより、液圧を効率的に受けることができる。その結果、梁を小さくすることができる。これにより、梁によって液体の流動を妨げない効果を高めることができる。
【００３３】請求項７記載の回転センサは、請求項１，２，３，４，５または６記載のセンサにおいて、梁が片持梁であることを特徴とする。
【００３４】この請求項７記載の回転センサでは、梁となる片の一端部を支持することにより、液体の流動によって変位させられる障害物を構成することができる。これにより、この障害物を簡単に構成することができる。
【００３５】請求項８記載の回転センサは、請求項１，２，３，４，５，６または７記載のセンサにおいて、変位検出手段が歪みゲージであることを特徴とする。
【００３６】この請求項８記載の回転センサでは、変位検出手段を梁に貼り付けることにより、梁の変位を検出することができる。これにより、液体流路形成手段の回転状態に影響されることなく、梁の変位を検出することができる。その結果、梁の変位を安定に検出することができる。
【００３７】また、このような構成では、梁の変位とこの変位の検出出力との関係をリニアな特性曲線で表すことができる。これにより、梁の変位を正確に検出することができる。
【００３８】請求項９記載の回転センサは、請求項２記載のセンサにおいて、回転状態検出手段が回転検出対象の角加速度を検出するように構成されていることを特徴とする。
【００３９】この請求項９記載の回転センサでは、回転検出対象の回転状態として、角加速度が検出される。このような構成では、回転状態の検出出力を２度積分することにより、回転検出対象の角度変位を検出することができる。これにより、姿勢センサとして有用な回転センサを提供することができる。
【００４０】請求項１０記載の回転センサは、請求項１，２，３，３，４，５，６，７，８または９記載のセンサにおいて、液体流路形成手段と、梁と、変位検出手段とが互いに直交する３つの軸の各軸ごとに設けられていることを特徴とする。
【００４１】この請求項１０記載の回転センサでは、並進加速度が加えられた場合、３つのセンサ本体（液体流路形成手段と、梁と、変位検出手段とからなる部分）のうち、２つのセンサ本体の変位検出手段から検出出力が得られる。これに対し、回転加速度が加えられた場合は、１つのセンサ本体の変位検出手段からしか検出出力が得られない。これにより、回転センサに加えられる加速度が並進加速度か角加速度かを識別することができる。その結果、回転センサに加えられる並進運動の影響を除去することができる。
【００４２】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００４３】［１］一実施の形態［１−１］構成図１は、本発明の一実施の形態の構成を示す図である。
【００４４】図示の回転センサは、センサ本体１０と、角加速度検出部２０とを有する。センサ本体１０は、図示しない回転検出対象に取り付けられる。角加速度検出部２０は、回転検出対象の角加速度を検出する。この角加速度検出部２０は、例えば、回転検出対象以外の部分に設けられる。但し、センサ本体１０と同様に、回転検出対象に取り付けてもよいことは勿論である。
【００４５】上記センサ本体１０は、環状容器１１と、１つの梁１２と、歪みゲージ１３とを有する。ここで、環状容器１１は、環状の液体流路１１１を形成する容器である。この環状容器１１は、例えば、円環状に形成されている。液体流路１１１も、例えば、円環状に形成されている。この場合、液体流路１１１は、環状容器１１と同軸的に形成されている。この液体流路１１１には、液体が封入されている。この場合、液体は、例えば、液体流路１１１を完全に満たすように封入されている。上記梁１２は、液体流路１１１に設けられている。この梁１２は、液体流路１１１の中心軸を回転軸とする環状容器１１１の回転によって生じる液体の流動によって変位させられる。上記歪みゲージ１３は、梁１２の変位（歪み）を検出する機能を有する。この歪みゲージ１３は、例えば、梁１２に貼り付けられている。
【００４６】上記角加速度検出部２０は、歪みゲージ１３に接続されている。この角加速度検出部２０は、歪みゲージ１３の検出出力に基づいて、回転検出対象の角加速度を検出する。この角加速度検出部２０は、例えば、コンピュータにより構成されている。
【００４７】図２は、環状容器１１の構成を示す分解斜視図である。図示のごとく、環状容器１１は、例えば、２つの円筒１１２，１１３と、２つの円板１１４，１１５とを有する。ここで、円筒１１２，１１３の長さ（環状容器１１の中心軸方向（図示矢印Ｘ１−Ｘ２）の寸法）は、同じ値に設定され、径は、異なる値に設定されている。また、円板１１３、１１４の径は、径の大きな円筒１１２の径と同じ値に設定されている。
【００４８】上記円筒１１２，１１３は、同軸的に配設されている。また、上記円板１１４は、円筒１１２，１１３の一端部を塞ぐように、この一端部に取り付けられている。同様に、上記円板１１５は、円筒１１２，１１３の他端部を塞ぐように、この他端部に取り付けられている。これにより、液体の流動方向（図示矢印Ｘ５−Ｘ６方向）に垂直な方向の断面が四角形の環状容器１１が形成される。言い換えれば、この垂直断面が四角形の液体流路１１１が形成される。
【００４９】この液体流路１１１の幅（環状容器１１の中心軸方向（図示矢印Ｘ１−Ｘ２方向）の寸法）は、円筒１１２，１１３の長さによって表される。また、この液体流路１１１の高さ（環状容器１１の径方向（図示矢印Ｘ３−Ｘ４方向）の寸法）は、円筒１１２，１１３の半径の差によって表される。
【００５０】図３は、環状容器１１の内部を示す断面図である。図において、（ａ）は、環状容器１１を、その中心軸に垂直な平面で切断した場合の断面図を示し、（ｂ）は、中心軸を含む平面で切断した場合の断面図を示す。図において、Ｗ１は、上述した液体流路１１１の幅を示し、Ｈは、同じく高さを示す。
【００５１】図示のごとく、梁１２は、例えば、長方形の平板状に形成されている。そして、この長方形の平板状の梁１２は、一端部にて環状容器１１の内壁に支持されている。これにより、本実施の形態では、梁１２として、片持梁が用いられている。
【００５２】この場合、梁１２は、例えば、径の大きな円筒１１２の内壁に垂直に支持されている。これにより、梁１２は、液体の流動方向（図示矢印Ｘ５−Ｘ６方向）に垂直に支持されている。また、梁１２は、側面ではなく、上面１２１や下面１２２が液体の流動方向（図示矢印Ｘ５−Ｘ６方向）を向くように取り付けられている。さらに、梁１２は、液体流路１１１の幅方向（図示矢印Ｘ１−Ｘ２方向）の中央部に取り付けられている。
【００５３】梁１２の長さＬ（環状容器１１の径方向（図示矢印Ｘ３−Ｘ４方向）の寸法）は、例えば、液体流路１１１の高さＨの５０％程度に設定されている。また、梁１２の幅Ｗ２（環状容器１１の中心軸方向（図示矢印Ｘ１−Ｘ２方向）の寸法）は、液体流路１１１の幅の２０％程度に設定されている。これにより、液体の流動方向（図示矢印Ｘ５−Ｘ６方向）に垂直な方向における梁１２の断面積（梁１２の上面１２１や下面１２２（図３（ａ）参照）の面積と同じ）は、例えば、同方向における液体流路１１１の断面積の１０％程度に設定されている。
【００５４】また、梁１２の長さＬは、例えば、梁１２の幅Ｗ２の２〜２．５倍程度に設定されている。さらに、梁１２の厚さＴ（液体の流動方向（図示矢印Ｘ５−Ｘ６方向）の寸法）は、幅Ｗ２の１オーダくらい下に設定されている。
【００５５】さらに、梁１２は、例えば、アクリルやアルミニウムによって構成されている。
【００５６】上記歪みゲージ１３としては、例えば、電気抵抗線式の歪みゲージが用いられている。この歪みゲージ１３は、梁１２の上面１２１と下面１２２のいずれか一方に貼り付けられている。これは、歪みゲージ１３の性質より、上面１２１と下面１２２のいずれか一方に貼り付けることにより、梁１２の図示矢印Ｘ５方向の変位と図示矢印Ｘ６方向の変位のいずれも検出することができるからである。
【００５７】また、この歪みゲージ１３は、梁１２の根元部に貼り付けられている。これは、電気抵抗線式の歪みゲージ１３は、金属線が伸びるとその電気抵抗が増加するという性質を利用して、梁１２の変位を検出するものであるからである。すなわち、このような構成では、歪みゲージ１３を変位が最大となる先端部ではなく、モーメントが最大となる根元部に設ける必要があるからである。
【００５８】ここで、図４を参照しながら、梁１２の長さＬを、液体流路１１１の高さＨの５０％程度に設定した理由を説明する。図４は、液体の速度勾配と質量分布を示す特性図である。なお、図４では、環状容器１１については、その長さ方向（図示矢印Ｘ５−Ｘ６方向）の微小区間Δｄ（図３参照）を拡大して示す。この場合、Δｄは、非常に微小であるため、図４では、環状容器１１の壁を直線で近似している。
【００５９】図において、横軸は、液体の流動速度Ｖを示し、縦軸は、液体流路１１１の外縁から環状容器１１の径方向に向かう距離Ｄを示す。また、特性曲線Ｃ１は、液体の実際の速度勾配を示し、特性曲線Ｃ２は、この速度勾配の近似曲線を示す。さらに、長方形Ｃ３で囲まれる領域は、液体の質量が集中している領域を示す。
【００６０】図示のごとく、特性曲線Ｃ１は、液体流路１１１の高さＨ方向の中央部で最大となるような２次関数で表される。これは、液体流路１１１を流動する液体が、環状容器１１の内壁から摩擦力を受けるからである。すなわち、この摩擦力は、液体流路１１１の周辺部で大きく、中央部で小さくなる。これにより、液体は、液体流路１１１の周辺部より中央部で多く流れる。その結果、液体の流動速度が、液体流路１１１の中央部で大きくなる。
【００６１】今、この特性曲線Ｃ１を、特性曲線Ｃ２で近似するものとする。すなわち、台形で近似するものとする。この台形の上底は、２次関数の頂点側に位置決めされている。この上底の長さは、０．５Ｈに設定されている。
【００６２】液体の速度勾配をこのように仮定した場合、液体の質量は、Ｄ＝０．２５Ｈ〜０．７５Ｈの領域に集中する。これにより、梁１２が液体から圧力を受けるのは、この領域ということになる。また、液体の速度勾配を上記のように仮定した場合、液体の質量は、Ｄ＝０．２５Ｈ〜０．７５Ｈの領域で一定となる。これにより、梁１２は、この領域で、液体から一定の圧力を受ける。
【００６３】以上から、梁１２の長さＬを０．２５Ｈ〜０．７５Ｈに設定することにより、本センサの動特性解析（周波数応答解析）から、理論的に梁１２の挙動を解析することができる。この場合、最も信頼性のある解析を行うことができるのは、梁１２の長さＬが０．５Ｈのときである。そこで、本実施の形態では、梁１２の長さＬを、上記のごとく、液体流路１１１の高さＨの５０％程度に設定している。
【００６４】［１−２］動作上記構成において、動作を説明する。
【００６５】回転検出対象の角加速度を検出する場合、センサ本体１０は、回転検出対象に取り付けられる。図５R>５にこの取付け方の一例を示す。図５には、センサ本体１０を、例えば、ロボットアーム３１に取り付ける場合を代表として示す。また、図５には、ロボットアーム３１の長手方向（図示矢印Ｘ７−Ｘ８方向）の軸を回転軸とするこのアーム３１の回転状態を検出する場合を代表として示す。この場合、センサ本体１０は、例えば、環状容器１１の中央の穴にロボットアーム３１を挿入するようにして、このロボットアーム３１に取り付けられる。
【００６６】この状態で、回転検出対象（ロボットアーム３１）が回転すると、環状容器１１がその中心軸を回転軸として回転する。この回転により、環状容器１１の液体流路１１１に封入されている液体がこの液体流路１１１に沿って流動する。この流動により、梁１２が液体から圧力を受ける。これにより、梁１２の先端部が変位する。この変位は、歪みゲージ１３により検出される。この検出出力は、角加速度検出部２０に供給される。これにより、回転検出対象の角加速度が検出される。
【００６７】この検出は、例えば、テーブルを用いて行われる。このテーブルには、梁１２の各変位Ｙ（ｔ）ごとに、回転検出対象の角加速度Ａ（ｔ）が記述されている。角加速度検出部１４は、歪みゲージ１３の検出出力に基づいて、テーブルを検索することにより、回転検出対象の角加速度Ａ（ｔ）を検出する。
【００６８】上記テーブルは、環状容器１１に回転変位Ｘ（ｔ）を加えたときの梁１２の変位Ｙ（ｔ）を検出することにより作成される。これは、環状容器１１の回転変位Ｘ（ｔ）から回転検出対象の角加速度Ａ（ｔ）を求めることができるからである。これを、図６を参照しながら説明する。図６は、環状容器１１に加えられる回転変位Ｘ（ｔ）と角度変位θ（ｔ）とを示す図である。
【００６９】今、環状容器１１に加えられる回転変位Ｘ（ｔ）が、次式（１）で表されるものとする。
Ｘ（ｔ）＝Ｘ０ｓｉｎωｔ …（１）
但し、Ｘ０は、回転変位Ｘ（ｔ）の最大値を示す。また、ωは、角速度を示す。
【００７０】この場合、環状容器１１の角度変位θ（ｔ）は、次式（２）で表される。
θ（ｔ）＝（Ｘ０／Ｒ）ｓｉｎωｔ …（２）
但し、Ｒは、環状容器１１の半径を示す。
【００７１】これにより、環状容器１１の角速度θ’（ｔ）は、次式（３）で表される。
θ’（ｔ）＝（Ｘ０／Ｒ）ωｃｏｓωｔ …（３）
【００７２】その結果、環状容器１１の角加速度θ”（ｔ）は、次式（４）で表される。
θ”（ｔ）＝−（Ｘ０／Ｒ）ω２ｓｉｎωｔ …（４）
【００７３】図５のように、回転検出対象（ロボットアーム３１）と環状容器１１の回転軸が同じ場合、この角加速度θ”（ｔ）が回転検出対象の角加速度Ａ（ｔ）となる。これに対し、２つの回転軸が異なる場合は、環状容器１１の角加速度θ”（ｔ）に対して、所定の変換処理を施すことにより、回転検出対象の角加速度Ａ（ｔ）が求められる。
【００７４】このようにして求められた回転検出対象の角加速度Ａ（ｔ）と、そのときの梁１２の変位Ｙ（ｔ）とをテーブルに記述することにより、両者の対応関係を示すテーブルが作成される。
【００７５】図７は、テーブル作成システム構成の構成の一例を示す図である。図示のテーブル作成システムは、支持機構４１と、ファンクションジェネレータ４２と、増幅器４３と、加振器４４と、ウォームギア機構４５と、レーザ変位計４６と、高速フーリエ変換アナライザ４７とを有する。
【００７６】ここで、支持機構４１は、環状容器１１をその中心軸の周りに回転自在に支持する機能を有する。ジェネレータ４２は、正弦波信号を出力する機能を有する。増幅器３３は、この正弦波信号を増幅する機能を有する。加振器４３は、増幅された正弦波信号を直線振動に変換する機能を有する。ウォームギア機構４５は、この直線振動を環状容器１１の回転振動に変換する機能を有する。レーザ変位計４６は、上記直線振動による直線変位を検出する機能を有する。アナライザ４７は、レーザ変位計４６の検出出力と歪みゲージ１３の検出出力とに基づいて、上記テーブルを作成する機能を有する。
【００７７】上記構成においては、ジェネレータ４２から出力される正弦波信号は、増幅器４３で増幅された後、加振器４４に供給される。これにより、電気的な正弦波信号が機械的な直線振動に変換される。この直線振動は、ウォームギヤ機構４５により、環状容器１１の回転振動に変換される。この変換により、環状容器１１が回転振動させられる。この回転振動により、液体流路１１１に封入されている液体が流動する。この流動により、梁１２の先端部が歪む。この歪みは、歪みゲージ１３により検出される。この検出出力は、アナライザ４７に供給される。
【００７８】また、これと並行して、レーザ変位計４６により、直線振動の変位が検出される。この検出出力は、アナライザ４７に供給される。これにより、環状容器１１の回転変位Ｘ０（ｔ）（式（１）参照）が算出される。この算出は、ウォームギヤ機構４５の変換係数を用いて行われる。この算出出力は、環状容器１１の角加速度θ”（ｔ）に変換される。この角加速度θ”（ｔ）は、回転検出対象の角加速度Ａ（ｔ）に変換される。そして、角加速度Ａ（ｔ）と歪みゲージ１３により検出された梁１２の変位Ｙ（ｔ）とがテーブルに記述される。これにより、角加速度Ａ（ｔ）と変位Ｙ（ｔ）との関係を示すテーブルが作成される。
【００７９】［１−３］効果以上詳述した本実施の形態によれば、次のような効果を得ることができる。
【００８０】（１）まず、本実施の形態によれば、液体の流動によって変位させられる障害物として、弁ではなく、梁１２が用いられる。これにより、障害物として、ある程度の剛性を持った障害物を用いることができる。その結果、環状容器１１に大きな回転変位Ｘ（ｔ）が加わった場合でも、障害物（梁１１）の変位Ｙ（ｔ）が歪みゲージ１３の計測範囲から外れることがない。これにより、このような場合でも、回転検出対象の角加速度Ａ（ｔ）を検出することができる。
【００８１】これを、一実施例を使って説明する。なお、本実施例では、回転センサとして、１ｍｍオーダの微小な回転センサを用いた。このような回転センサは、例えば、運動生理学の観点から、人間の姿勢を検出する場合に用いられる。この場合、回転センサとしては、小型のものが要求される。これは、人間が回転センサを身に付けた場合、この回転センサが人間にとって邪魔にならないようにするためである。
【００８２】但し、実際の実験では、１ｍｍオーダの微小な回転センサではなく、拡大モデルを使った。図８は、この拡大モデルのサイズを示す断面図である。この図８は、センサ本体１０を図３と同じようにして示した断面図である。
【００８３】図示の拡大モデルでは、外側の円筒１１２の直径は、１５０ｍｍに設定され、内側の円筒１１３の直径は、１００ｍｍに設定されている。これにより、流体流路１１１の高さＨは、２５ｍｍに設定されている。また、円筒１１２，１１３の長さは、３０ｍｍに設定されている。これにより、流体流路１１１の幅Ｗ１は、３０ｍｍに設定されている。さらに、梁１２の長さＬは、１４ｍｍに設定され、幅Ｗ２は、６ｍｍに設定され、厚さＴは、０．２ｍｍに設定されている。この梁１２としては、アクリル製の梁を用いた。
【００８４】また、この拡大モデルでは、液体流路１１１に封入される液体として、１万ｃＳｔのシリコンオイルを用いた。これは、回転センサとして、１ｍｍオーダの微小なセンサを用いる場合、液体として粘性の低い水を用いたとしても、梁１２に働く力は、慣性力より液体の粘性力によって支配されるからである。すなわち、液体として、水を用いたとしても、梁１２は、水飴のような粘性の高い液体の中にあるような挙動を示すからである。
【００８５】このような拡大モデルで、梁１２の挙動を求める実験をした。この実験は、図７に示すようなシステムを用いて行った。この場合、梁１２の挙動としては、梁１２の変位Ｙ（ｔ）（出力）の周波数応答ではなく、これを環状容器１１の回転変位Ｘ（ｔ）で割ったもの、すなわち、Ｙ（ｔ）／Ｘ（ｔ）（出力／入力）の周波数応答を求めた。この演算は、アナライザ３７により行われる。
【００８６】図９は、この実験結果を示す図である。図９において、横軸は、回転変位Ｘ（ｔ）の周波数ｆ（＝ω／２π）を示し、縦軸は、出力／入力を示す。また、特性曲線Ｃ４は、計算により求められた周波数応答の理論値を示す。
【００８７】この実験の結果、本実施例では、環状容器１１の回転変位Ｘ（ｔ）の周波数ｆが小さい場合、すなわち、この回転変位Ｘ（ｔ）が大きい場合でも、梁１２の変位Ｙ（ｔ）が歪みゲージ１３の計測範囲に収まることが確かめられた。これにより、本実施例では、環状容器１１の回転変位Ｘ（ｔ）が大きい場合でも、回転検出対象の角加速度Ａ（ｔ）を検出することができる。
【００８８】（２）また、本実施の形態によれば、液体の流動によって変位させられる障害物として、弁ではなく、梁１２が用いられる。これにより、障害物として、液体の流動をほとんど妨げることがないような障害物を用いることができる。その結果、環状容器１１に加わる回転変位Ｘ（ｔ）が小さい場合でも、液体の流動が可能となる。これにより、このような場合でも、回転状態の検出出力の応答性が低下することを防止することができる。
【００８９】（３）さらに、本実施の形態によれば、梁１２の垂直断面の面積が液体流路１１１の垂直断面の面積の１０％程度に設定されている。これにより、液体の通過面積として、液体流路１１１の垂直断面の面積の９０％程度を確保することができる。その結果、梁１２によって液体の流動が妨げられることがないようにすることができる。
【００９０】（４）さらにまた、本実施の形態によれば、梁１２が液体流路１１１の幅Ｗ１方向の中央部に設けられている。また、梁１２の長さＬが液体流路１１１の高さＨの５０％程度に設定されている。これらにより、本実施の形態では、梁１２の先端部を液体流路１１１の中央部に設けることができる。その結果、梁１２の先端部を液体の質量が集中している領域に位置決めすることができる。これにより、梁１２を、環状容器１１に加えられた回転変位Ｘ（ｔ）に応じた圧力で変位させることができる。その結果、回転検出対象の回転状態を正確に検出することができる。
【００９１】（５）また、本実施の形態によれば、梁１２が液体の流動方向に垂直に支持されている。これにより、梁１２に液体の圧力を垂直にかけることができる。その結果、梁１２に液圧を効率的にかけることができる。これにより、梁１２を小さくすることができる。その結果、梁１２によって液体の流動を妨げない効果を高めることができる。
【００９２】（６）さらに、本実施の形態によれば、梁１２が長方形の平板状に形成されている。これにより、液圧を平面で受けることができる。その結果、梁１２に液圧を効率的にかけることができる。これにより、梁１２を小さくすることができる。その結果、梁１２によって液体の流動を妨げない効果を高めることができる。
【００９３】（７）さらにまた、本実施の形態によれば、梁１２の長さＬが幅Ｗ２の２〜２．５倍程度に設定されている。また、本実施の形態によれば、梁１２の厚さＴが幅Ｗ２の１オーダくらい下に設定されている。これらにより、変位Ｙ（ｔ）が歪みゲージ１３の計測範囲を超えることがないような剛性を有する梁１２を構成することができる。
【００９４】（８）また、本実施の形態によれば、梁１２として、片持梁が用いられる。これにより、長方形の平板の一端部を支持するだけで、目的の障害物を構成することができる。その結果、この障害物を簡単に構成することができる。また、梁１２の材料として、固定梁を用いる場合より、弾性の高い材料を用いることができる。これにより、この場合より、変位が計測範囲を超えないようにするための寸法等の設定が容易となる。さらに、単純梁を用いる場合に比べ、確実に歪みゲージ１３の出力を得ることができる。
【００９５】（９）さらに、本実施の形態によれば、変位検出手段として、歪みゲージ１３が用いられる。これにより、変位検出手段を梁１２に貼り付けるだけで、梁１２の変位Ｙ（ｔ）を検出することができる。その結果、環状容器１１の回転状態に影響されることなく、梁１２の変位Ｙ（ｔ）を検出することができる。これにより、梁１２の変位Ｙ（ｔ）を安定に検出することができる。また、このような構成によれば、梁１２の変位Ｙ（ｔ）とこの変位Ｙ（ｔ）の検出出力との関係をリニアな特性曲線で表すことができる。これにより、梁１２の変位Ｙ（ｔ）を正確に検出することができる。
【００９６】（１０）さらにまた、本実施の形態によれば、回転検出対象の回転状態として、角加速度Ａ（ｔ）が検出される。このような構成では、回転状態の検出出力を２度積分することにより、回転検出対象の角度変位を検出することができる。これにより、姿勢センサとして有用な回転センサを提供することができる。
【００９７】［１−４］その他の実施の形態以上、本発明の一実施の形態を詳細に説明した。しかしながら、本発明は、先の実施の形態に限定されるものではない。
【００９８】（１）例えば、先の実施の形態では、梁１２を外側の円筒１１２の内壁に固定する場合を説明した。しかしながら、本発明は、例えば、内側の円筒１１３の外壁、または、円板１１４，１１５の内壁に固定するようにしてもよい。
【００９９】（２）また、先の実施の形態では、梁１２として、長方形の平板を用いる場合を説明した。しかしながら、本発明は、例えば、円柱状の梁を用いるようにしてもよい。
【０１００】（３）さらに、先の実施の形態では、梁１２として、片持梁を用いる場合を説明した。しかしながら、本発明は、単純梁（両端支点梁）、固定梁、連続梁等を用いるようにしてもよい。
【０１０１】（４）さらにまた、先の実施の形態では、梁１２を１つ設ける場合を説明した。しかしながら、本発明では、これを複数設けるようにしてもよい。この場合、梁１２を、環状容器１１の回転軸を中心とする点対称位置に２つ設けるようにすれば、環状容器１１の並進運動の影響を除去することができる。
【０１０２】（５）また、先の実施の形態では、液体流路として、終端のない液体流路１１１を用いる場合を説明した。しかしながら、本発明は、液体の流動に影響を与えなければ、終端のある液体流路１１を用いるようにしてもよい。
【０１０３】（６）さらに、先の実施の形態では、液体流路として、円環状の液体流路１１１を用いる場合を説明した。しかしながら、本発明は、液体の流動に影響を与えない環状の液体流路でれば、円環状以外の液体流路を用いるようにしてもよい。例えば、多角形状や楕円状の液体流路を用いるようにしてもよい。
【０１０４】（７）さらにまた、先の実施の形態では、液体流路形成手段として、環状容器１１を用いる場合を説明した。しかしながら、本発明は、環状の液体流路を形成することができるものであれば、環状容器１１以外の容器または容器以外の物を用いるようにしてもよい。例えば、環状の液体流路を有する平板状の容器を用いるようにしてもよい。
【０１０５】（８）また、先の実施の形態では、液体流路として、垂直断面が四角形の液体流路１１１を用いる場合を説明した。しかしながら、本発明は、四角形以外の形状の液体流路を用いるようにしてもよい。例えば、多角形または円形の液体流路を用いるようにしてもよい。
【０１０６】（９）さらに、先の実施の形態では、回転検出対象の回転状態として、角加速度Ａ（ｔ）を検出する場合を説明した。しかしながら、本発明は、回転変位、角度変位、回転速度、角速度、回転加速度等を検出するようにしてもよい。
【０１０７】（１０）さらにまた、先の実施の形態では、センサ本体１０を１つの軸にのみ設ける場合を説明した。言い換えれば、回転センサとして、１軸角加速度センサを構成する場合を説明した。しかしながら、本発明は、センサ本体１０を互いに直交する複数の軸の各軸ごとに設けるようにしてもよい。言い換えれば、複数軸角加速度センサを構成するようにしてもよい。この場合、互いに直交する３つの軸の各軸ごとにセンサ本体１０を設けるようにすれば、回転センサに加えられる並進運動の影響を除去することができる。
【０１０８】すなわち、このような構成によれば、回転センサに並進加速度が加えられた場合、３つのセンサ本体１０のうち、２つのセンサ本体１０の歪みゲージ１３から検出出力が得られる。これに対し、回転加速度が加えられた場合は、１つのセンサ本体１０の歪みゲージ１３からしか検出出力が得られない。これにより、回転センサに加えられる加速度が並進加速度か角加速度かを識別することができる。その結果、回転センサに加えられる並進運動の影響を除去することができる。
【０１０９】これを具体的に説明する。今、３つの直交する軸をｘ、ｙ、ｚとし、このうち、例えば、ｘ軸方向に並進加速度が加えられたとする。この場合、ｙ軸用とｚ軸用のセンサ本体１０の梁１２が液体の流動により変位させられる。これは、この場合は、これら２つのセンサ本体１０の梁１２の向きが液体の流動方向に垂直になるからである。これに対し、ｘ軸周りの角加速度が加えられると、ｘ軸用のセンサ本体１０の梁１２が液体の流動により変位させられる。これは、この場合は、このセンサ本体１０の梁１２の向きが液体の流動方向に垂直になるからである。
【０１１０】以上により、３つのセンサ本体１０の歪みゲージ１３の検出出力を観察することにより、加えられた加速度がｘ軸方向の並進加速度かｘ軸周りの角加速度かを識別することができる。これにより、ｘ軸方向の並進運動の影響を除去することができる。なお、これは、詳細な説明は省略するが、ｙ軸方向やｚ軸方向の並進運動についても同様である。
【０１１１】（１１）このほかにも本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々様々変形実施可能なことは勿論である。
【０１１２】
【発明の効果】以上詳述したように請求項１記載の回転センサによれば、液体の流動によって変位させられる障害物として梁が用いられる。これにより、加えられる回転変位の大きさに係わらず、回転検出対象の回転状態を確実に検出することができる。
【０１１３】また、請求項２記載の回転センサによれば、請求項１記載のセンサにおいて、さらに、回転状態検出手段が設けられる。これにより、回転センサの最終出力を得ることができる。
【０１１４】さらに、請求項３記載の回転センサによれば、請求項１または２記載のセンサにおいて、液体の流動方向に垂直な方向における梁の断面積が、同方向における液体流路の断面積の１０％程度に設定されている。これにより、梁によって液体の流動がほとんど妨げられることがないようにすることができる。
【０１１５】さらにまた、請求項４記載の回転センサによれば、請求項１，２または３記載のセンサにおいて、梁が液体流路の中央部に位置決めされている。これにより、回転検出対象の回転状態を正確に検出することができる。
【０１１６】また、請求項５記載の回転センサによれば、請求項１，２，３，４または５記載のセンサにおいて、梁が液体の流動方向に垂直に支持されている。これにより、梁によって液体の流動を妨げない効果を高めることができる。
【０１１７】さらに、請求項６記載の回転センサによれば、請求項１，２，３，４または５記載のセンサにおいて、梁が長方形の平板状に形成されている。これにより、梁によって液体の流動を妨げない効果を高めることができる。
【０１１８】さらにまた、請求項７記載の回転センサによれば、請求項１，２，３，４，５または６記載のセンサにおいて、梁として、片持梁が用いられる。これにより、障害物を簡単に構成することができる。
【０１１９】また、請求項８記載の回転センサによれば、請求項１，２，３，４，５，６または７記載のセンサにおいて、変位検出手段として、歪みゲージが用いられる。これにより、梁の変位を安定にかつ正確に検出することができる。
【０１２０】さらに、請求項９記載の回転センサによれば、請求項２記載のセンサにおいて、回転検出対象の回転状態として、角加速度が検出される。これにより、姿勢センサとして有用な回転センサを提供することができる。
【０１２１】さらにまた、請求項１０記載の回転センサによれば、請求項１，２，３，４，５，６，７，８または９記載のセンサにおいて、液体流路形成手段と、梁と、変位検出手段とが互いに直交する３つの軸の各軸ごとに設けられる。これにより、梁が各液体流路形成手段ごとに１しか設けられない場合であっても、並進運動の影響を除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の構成を示す図である。
【図２】本発明の一実施の形態における環状容器の構成を示す分解斜視図である。
【図３】本発明の一実施の形態におけるセンサ本体の構成を示す断面図である。
【図４】本発明の一実施の形態における液体の流動速度と質量分布を示す図である。
【図５】本発明の一実施の形態のセンサ本体の取付け方の一例を示す斜視図である。
【図６】本発明の一実施の形態において環状容器に加えられる回転変位と角度変位を示す図である。
【図７】本発明の一実施の形態において角加速度の検出に使用されるテーブルの作成システムの構成を示す図である。
【図８】本発明の一実施例における各部の寸法を示す断面図である。
【図９】本発明の一実施例における出力／入力の周波数応答特性を示す特性図である。
【符号の説明】
１０…センサ本体、２０…角加速度検出部、１１…環状容器、１１１…液体流路、１１２，１１３…円筒、１１４，１１５…円板、１２…梁、１３…歪みゲージ、２０…角速度検出部、３１…支持機構、３２…ファンクションジェネレータ、３３…増幅器、３４…加振器、３５…ウォームギヤ機構、３６…レーザ変位計、３７…高速フーリエ変換アナライザ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 環状の液体流路を形成するものであって、回転検出対象に取り付けられる液体流路形成手段と、前記液体流路に設けられ、この液体流路の中心軸を回転軸とする前記液体流路形成手段の回転に伴う前記液体の流動によって変位させられる少なくとも１つの梁と、この梁の変位を検出する変位検出手段とを備えたことを特徴とする回転センサ。
【請求項２】 前記変位検出手段の検出出力に基づいて、前記回転検出対象の回転状態を検出する回転状態検出手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の回転センサ。
【請求項３】 前記液体の流動方向に垂直な方向における前記梁の断面積が、同方向における前記液体流路の断面積の１０％程度に設定されていることを特徴とする請求項１または２記載の回転センサ。
【請求項４】 前記梁が前記液体流路の中央部に位置決めされていることを特徴とする請求項１，２または３記載の回転センサ。
【請求項５】 前記梁が前記液体の流動方向に垂直となるように支持されていることを特徴とする請求項１，２，３または４記載の回転センサ。
【請求項６】 前記梁が長方形の平板状に形成されていることを特徴とする請求項１，２，３，４または５記載の回転センサ。
【請求項７】 前記梁が片持梁であることを特徴とする請求項１，２，３，４，５または６記載の回転センサ。
【請求項８】 前記変位検出手段が歪みゲージであることを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６または７記載の回転センサ。
【請求項９】 前記回転状態検出手段が前記回転検出対象の角加速度を検出するように構成されていることを特徴とする請求項２記載の回転センサ。
【請求項１０】 前記液体流路形成手段と、前記梁と、前記変位検出手段とが、互いに直交する３つの軸の各軸ごとに設けられていることを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６，７，８または９記載の回転センサ。
【請求項１】 環状の液体流路を形成するものであって、回転検出対象に取り付けられる液体流路形成手段と、前記液体流路に設けられ、この液体流路の中心軸を回転軸とする前記液体流路形成手段の回転に伴う前記液体の流動によって変位させられる少なくとも１つの梁と、この梁の変位を検出する変位検出手段とを備えたことを特徴とする回転センサ。
【請求項２】 前記変位検出手段の検出出力に基づいて、前記回転検出対象の回転状態を検出する回転状態検出手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の回転センサ。
【請求項３】 前記液体の流動方向に垂直な方向における前記梁の断面積が、同方向における前記液体流路の断面積の１０％程度に設定されていることを特徴とする請求項１または２記載の回転センサ。
【請求項４】 前記梁が前記液体流路の中央部に位置決めされていることを特徴とする請求項１，２または３記載の回転センサ。
【請求項５】 前記梁が前記液体の流動方向に垂直となるように支持されていることを特徴とする請求項１，２，３または４記載の回転センサ。
【請求項６】 前記梁が長方形の平板状に形成されていることを特徴とする請求項１，２，３，４または５記載の回転センサ。
【請求項７】 前記梁が片持梁であることを特徴とする請求項１，２，３，４，５または６記載の回転センサ。
【請求項８】 前記変位検出手段が歪みゲージであることを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６または７記載の回転センサ。
【請求項９】 前記回転状態検出手段が前記回転検出対象の角加速度を検出するように構成されていることを特徴とする請求項２記載の回転センサ。
【請求項１０】 前記液体流路形成手段と、前記梁と、前記変位検出手段とが、互いに直交する３つの軸の各軸ごとに設けられていることを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６，７，８または９記載の回転センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０００−９７６７９（Ｐ２０００−９７６７９Ａ）
【公開日】平成１２年４月７日（２０００．４．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願平１０−２６４５０６
【出願日】平成１０年９月１８日（１９９８．９．１８）
【出願人】（０００１１３２６３）ホーヤ株式会社 (3,820)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１２年４月７日（２０００．４．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１０年９月１８日（１９９８．９．１８）
【出願人】（０００１１３２６３）ホーヤ株式会社 (3,820)
【Ｆターム（参考）】
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