JP2000046858A - 加速度計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ロッドレンズを用いた従来例は、光束を集光
させようとすると、変位は拡大されず、又変位させよう
とすると、光束が大幅に拡大されてしまい、変位の検出
精度が悪化してしまう。また、凸レンズを用いた従来例
は、変位が光感知器上で拡大されることはなく、単に集
光するのみであり、また、凹型ロッドレンズの場合は、
光束は拡散するのみで、集光することはない等の課題が
あった。 【解決手段】 加速度に従って筐体８に対して相対的に
変位する支持体１と、前記支持体の変位量を拡大すると
共に光束を集光させる光学系を有する光学式変位検出部
３と、前記拡大された変位量によって決まる信号を発生
する信号処理部４と、前記信号処理部からの信号によっ
て前記支持体を元の零位置に引戻す働きをする復元機構
部７とを備えたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は加速度や振動によっ
て発生する変位を光学的に拡大して検出する加速度計に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１０は例えば特公平６−６４０８４号
公報に示された従来の加速度計の概略図である。この加
速度計は平衡状態においてロッドレンズ３４が光源３８
と光検知器４０とによって決まる光路と整合して位置さ
れている。この平衡状態では光源３８から射出される光
ビームは、ロッドレンズ３４を介して一対の検知ホトダ
イオード４０ａ，４０ｂの間の中心位置上に合焦されて
いる。

【０００３】水平支持ロッド３５に加速度が付与される
と、フレクチャ３３を中心にロッドレンズ３４が揺動
し、それにつれて光ビームはホトダイオード４０ａ，４
０ｂ上で移動する。その際、ホトダイオード４０ａ，４
０ｂからはビートスポットの中心位置からのズレの程度
に関する情報を持った電気信号を発生させる。

【０００４】この様にして発生された電気信号は、サー
ボ増幅器４２へ印加され、このサーボ増幅器４２は一対
のトルクコイル３６ａ，３６ｂへフィードバック信号を
供給する。トルクコイル３６ａ，３６ｂは電磁界を発生
して水平支持ロッド３５を元の中心位置へ戻す。

【０００５】上記サーボ増幅器４２からトルクコイル３
６ａ，３６ｂへ供給されるフィードバック電流は、水平
支持ロッド３５に加わる加速度に比例しているので、フ
ィードバック電流を測定することによって、水平支持ロ
ッド３５に加わる加速度を測定することが可能である。

【０００６】図１１は例えば特公平６−６４０８４号公
報に示された従来の他の加速度計の概略図である。凸レ
ンズ５０が揺動部材６０の上部端面に設けられており、
固定された光源３８と光検知器４０とに対して凸レンズ
５０が移動自在に構成されている。この凸レンズ５０
は、光源３８から射出された光ビームを光検知器４０の
表面上に合焦させるように機能する。従って、凸レンズ
５０が揺動して、光センサ４０ａ，４０ｂ上を移動する
と、その揺動の程度に関する電気信号が信号処理部７０
に供給され、加速度を測定することが可能である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
第１の従来例（特公平６−６４０８４号公報）では、光
束を集光させようとすると、ロッドレンズ３４の変位は
拡大されず、又変位させようとすると、光束が大幅に拡
大されてしまい、変位の検出精度が悪化してしまうとい
う課題があった。

【０００８】次に図１２〜図１４を用いてその理由を説
明する。凸型ロッドレンズ３４の中心軸Ａと入射平行光
線の中心軸Ｂとが一致している場合、光線の軌跡は図１
２に示すようになる。そして、ロッドレンズ３４に変位
が発生すると、ロッドレンズ３４の中心軸（光軸）Ａと
入射平行光線の中心軸Ｂとがずれるが、その時の変位量
ε₁ またはε₂ の様子を図１３と図１４に示している。

【０００９】図１３と図１４とでは光束の直径と変位量
ε（ε₁ またはε₂ ）が異なる。図１３、図１４いずれ
の場合でも点Ｐ₁ ではロッドレンズ３４の中心軸Ａ上で
集光し、点Ｐ ₂では発散している。

【００１０】従って、光検知器４０を点Ｐ₁ の位置に置
くと、集光はするが、変位量εは図１３ではε₁ 、図１
４ではε₂ なり、変位量は拡大されない。点Ｐ ₂の位置
では光束の中心の変位は拡大されてはいるが、拡散して
いて集光していない。

【００１１】第２の従来例（特公平６−６４０８４号公
報）では、凸レンズ５０の変位が光感知器４０上で拡大
されることはなく、単に集光するのみであり、また、凸
レンズの変位と共に光軸との間に発生した出射角度のま
ま直進するのみである。凹型ロッドレンズの場合は、光
束は拡散するのみで、集光することはない等の課題があ
った。

【００１２】本発明は上記従来の課題を解決するために
なされたもので、光センサー上で光束の変位を大幅に拡
大しながら、ほどよい光束径に集光する光学系を構成す
ることにより、高精度な測定を可能とする加速度計の提
供を目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は以下の構成を有
することを特徴とする加速度計である。

【００１４】（１）加速度に従って筐体に対して相対的
に変位する支持体と、前記支持体の変位量を拡大すると
共に光束を集光させる光学系を有する光学式変位検出部
と、前記拡大された変位量によって決まる信号を発生す
る信号処理部と、前記信号処理部からの信号によって前
記支持体を元の零位置に引戻す働きをする復元機構部と
を備えたことを特徴とする加速度計。

【００１５】（２）光学式変位検出部の光学系は、凸レ
ンズと凹レンズとにより構成されていることを特徴とす
る（１）記載の加速度計。

【００１６】（３）光学式変位検出部の光学系は、凸レ
ンズと凹レンズの組み合わせ体を少なくとも２組以上光
軸上に並設したことを特徴とする（１）記載の加速度
計。

【００１７】（４）光学式変位検出部の光電変換部は２
分割センサＰＳＤであることを特徴とする（１）記載の
加速度計。

【００１８】（５）光学式変位検出部の光電変換部は、
イメージセンサーであることを特徴とする（１）記載の
加速度計。

【００１９】（６）信号処理部は、ＡＳＩＣで構成され
ていることを特徴とする（１）記載の加速度計。

【００２０】

【発明の実施の形態】実施の形態１．図１は本発明の実
施の形態１による加速度計を示すサーボ加速度計の要部
概略図である。図１において、１は測定すべき加速度
（又は振動）方向に弾性的に変位する支持体であり、例
えば振子等から成り、筐体８内に支持されている。支持
体１の一方には局部的に極めて薄くしたフレクシャ部２
を、他方には変位を光学的に拡大して検出する光学式変
位検出部３が設けられている。

【００２１】４は信号処理部であり、光学式変位検出部
３からの信号を処理して変位量を算出している。７は復
元機構部としての駆動部で、コイル５とマグネット６と
から成り、支持体１に付勢力を与える。コイル５は支持
体１の一部に設けてあり、マグネット６はコイル５を囲
むように筐体８の内壁に固定して設けられている。９は
サーボ増幅回路である。

【００２２】次に動作について説明する。

【００２３】今、筐体８に加速度が加わると、支持体１
がその方向に変化する。光学式変位検出部３は変位量を
光学的に拡大して読取る。信号処理部４は光学式変位検
出部３からの信号を基に変位量を算出する。サーボ増幅
回路９は直流電源の供給を受けており、信号処理部４か
らの信号を増幅してコイル５に電流を流す。コイル５に
電流が流れると、電流とマグネット５の磁界により、支
持体１の変位量に比例するトルクが発生し、支持体１が
元の平衡状態に戻る。この時のサーボ増幅回路９から抵
抗１０に流れる電流を計測することにより、筐体８に加
わった加速度を求めることができる。

【００２４】図２は光学式変位検出部３の原理的構成を
示すもので、筐体８に保持された集光レンズ（凸レン
ズ）１２と支持体１に保持された発散レンズ（凹レン
ズ）１３は、加速度が加わらない状態ではＹ軸方向に光
軸が一致しているが、筐体８に加速度が加わると、発散
レンズ１３はｘ軸方向に変位して光軸がずれる。

【００２５】光源１１から射出された光束は、集光レン
ズ１２で集光されて発散レンズ１３に投射される。発散
レンズ１３が変位すると、光束の中心は発散レンズ１３
の光軸からはずれた位置に投射されるため、光束はその
進路を光軸から離れる方向に曲げられて進み、光電変換
部１４に達する。

【００２６】光電変換部１４の受光面上、光軸から光束
が達した点までの距離は、発散レンズ１３の変位量を拡
大した値となり、支持体１の変位量が拡大されて検出さ
れることになる。集光レンズ１２に相当する光学素子が
光源１１内に含まれる場合は、集光レンズ１２が無くし
ても同様の効果が得られることは言うまでもない。

【００２７】図３は光学式変位検出部３の変位検出の原
理を示す光路図であり、説明の都合上、集光レンズ１２
には平行光線が投射されているとして説明する。

【００２８】光電変換部１４の受光面から発散レンズ１
３までの距離をＬ₁ 、集光レンズ１２と発散レンズ１３
との距離をｄ₁ 、集光レンズ１２の焦点距離をｆ₁ 、集
光レンズ１２と発散レンズ１３のｘ軸方向相対変位量を
ε、その時の光束１５のε＝０状態からの受光面上にお
ける変位量をＳ₁ とする。この光束１５は集光レンズ１
２で集光作用を受け、発散レンズ１３で発散作用を受け
て光電変換部１４の受光面上に集光する光束である。

【００２９】今、筐体８と支持体１との間に変位差のな
い状態では、集光レンズ１２と発散レンズ１３の光軸の
ｘ軸座標が、図３の２点鎖線上に位置するものとする
と、光束１５の光電変換部１４の受光面上の入射点のｘ
軸方向位置は、２点鎖線と受光面との交差位置である。

【００３０】ここで、図３に示すように筐体８に対して
支持体１がｘ軸方向にεだけ位置したとすると、光学系
中の１つの要素が光軸と垂直な方向に動いた、いわゆる
光軸ずれを起こしたのと同様の状態になり、発散レンズ
１３から出射する光束１５の出射角が変動し、光電変換
部１４の受光面上でのｘ軸方向入射位置も２点鎖線上か
らずれる。光束重心位置Ｓ₁ は集光レンズ１２の焦点ｆ
₁ と発散レンズ１３の光軸位置を結ぶ直線と、光電変換
部１４の受光面との交点として幾何光学的に求められ
る。すなわち

【００３１】

【数１】 と表わせ、倍率β₁ は、 β₁ ＝Ｓ₁ ／ε と考えることができる。又発散レンズ１３の焦点距離ｆ
₂ は

【００３２】

【数２】 のように定められる。

【００３３】図４は信号処理部４の回路構成図を示すも
ので、光電変換部１４がＰＳＤ（ポジションセンサ）の
場合について説明する。ＰＳＤ１４の各出力電極Ｘ₁、Ｘ
₂にはそれぞれ電流−電圧変換反転増幅器Ｕ１，Ｕ２が
接続されている。そして加算回路Ｕ３でＸ₁+Ｘ ₂＝Σ、
減算回路Ｕ４でＸ₁-Ｘ ₂＝△Ｘが演算される。その後、
積算回路Ｕ５で加算回路Ｕ３の出力を積算した後、その
積算値Σを減算回路Ｕ４の出力△Ｘで割り算回路Ｕ６に
より△Ｘ／Σが演算され、ＰＳＤ１４の受光面上におけ
る入射スポット光の重心位置が出力される。ここで、△
Ｘ／Σを演算することにより、ＰＳＤ１４への入射光光
量の変動の影響を除いている。

【００３４】図５は信号処理部４の他の回路構成図を示
すもので、光電変換部１４が２分割センサーで、２個の
フォトダイオードのアノード及びカソードのそれぞれを
外部に取出せる場合について説明する。フォトダイオー
ドＤ１，Ｄ２からの光電変換電流をそれぞれ緩衡増幅回
路Ｕ７，Ｕ８で増幅する。そして、それぞれの出力を減
算回路Ｕ９に入力すると、減算回路Ｕ９は変位検出信号
を出力する。

【００３５】図６は信号処理部４の更に他の回路構成図
を示すもので、光電変換部１４がイメージセンサーで構
成されている場合について説明する。光電変換部１４の
イメージセンサーのｎからＮまでの画素に光量Ｗｉの光
束が投射されたとする。この光量分布の情報は光電変換
部１４から信号処理部４へ送出されて、Ａ／Ｄ変換回路
４ａによりデジタル量に変換されて、ＣＰＵ４ｂに読込
まれる。ＣＰＵ４ｂは例えば

【００３６】

【数３】 の式により、イメージセンサーに投射された光束の重心
を求める。その結果は、Ｄ／Ａ変換回路４ｃによりアナ
ログ値に変換されて信号処理部４から出力され、サーボ
増幅回路（図示せず）へ印加される。

【００３７】光束の重心は１μｍの分解能で検出可能で
あり、従って、光学系の倍率を１００倍にすると、筐体
８と支持体１との変位は０．０１μｍまで検出可能とな
る。ＡＳＩＣの技術を使用することにより、信号処理部
４の小型化が可能となるばかりでなく、信号処理も高速
化され位相遅れ等の問題も大幅に軽減される。

【００３８】図７は変位検出の原理を示す光路図であ
り、説明の都合上、光学式変位検出部３には平行光線が
投射されているとする。光電変換部１４の受光面から集
光レンズ１７までの距離をＬ₂ 、発散レンズ１６と集光
レンズ１７との距離をｄ₂ 、発散レンズ１６の焦点距離
をｆ₃ 、発散レンズ１６と集光レンズ１７のｘ方向相対
変位量をε、その時の光束１８のε＝０状態からの変位
量をＳ₂ とする。光束１８は発散レンズ１６で発散作用
を受け、集光レンズ１７で集光作用を受けて光電変換部
１４の受光面上に集光する光束である。

【００３９】今、筐体８と支持体１との間に変位差のな
い状態では、発散レンズ１６と集光レンズ１７の光軸の
ｘ軸座標が、図７の２点鎖線上に位置するものとする
と、光束１８の光電変換部１４の受光面上の入射点のｘ
軸方向位置は２点鎖線と受光面との交差位置である。

【００４０】ここで、図７に示すように、筐体８に対し
て支持体１がｘ軸方向にεだけに変位したとすると、光
学系中の１つの要素が光軸と垂直な方向に動いた、いわ
ゆる光軸ずれを起こしたのでと同様の状態になり、集光
レンズ１７から出射する光束１８の出射角が変動し、光
電変換部１４の受光面上でのｘ軸方向入射位置も２点鎖
線上からずれる。

【００４１】光束重心位置Ｓ₂ は発散レンズ１６の焦点
ｆ₃ と集光レンズ１７の光軸位置を結ぶ直線と、光電変
換部１４の受光面との交点として幾何光学的に求められ
る。すなわち、

【００４２】

【数４】 と表わせ、倍率β₂ は β₂ ＝Ｓ₂ ／ε と考えることができる。又集光レンズ１７の焦点距離ｆ
₄ は

【００４３】

【数５】 のように定められる。

【００４４】図８は光学式変位検出部３の他の原理的構
成図である。図において、２１はレーザーダイオード等
の光源、２２は焦点距離ｆの凸レンズ、２３は焦点距離
Ｆの凹レンズ、２４は２分割ホトダイオード等の光電変
換部の受光面であり、光源２１と凸レンズ２２間、凸レ
ンズ２２と焦点ｂ間、凸レンズ２２と凹レンズ２３間、
凹レンズ２３と受光面２４間の距離をそれぞれｄ，Ｅ，
ｅ，Ｌとする。

【００４５】凸レンズ２２を通った光は凹レンズ２３の
焦点距離以内の点ｂに集光するように、また、凹レンズ
２３を通った光は受光面２４上で集光するように設定さ
れている。ｘ軸方向，ｙ軸方向は図示の通りとする。ま
た、凸レンズ２２は光源２１に搭載されている。

【００４６】以上のような構成のとき、加速度センサー
にＸ軸方向の加速度が加わり凸レンズ２２が矢印方向に
変化したとする。光源２１から出射された光で、光軸
（２点鎖線）からεだけ変位した凸レンズ２２の中心を
通った光は、そのまま直進する。他の光は凹レンズ２３
の焦点距離以内の点ｂに集光するように進む。凹レンズ
２３との中心点ｍを結ぶ線を光束の中心として、光束２
５のように集光しながら進み、受光面２４の点ｎに達す
る。ｎ点と光軸間の距離をＳとすると、変位は受光面上
でＳ／ε倍されたことになる。

【００４７】次に図８の光学系において、Ｓ／εの値を
レンズの焦点距離や物体間の距離等を用いて求めると、
次のようになる。

【００４８】凸レンズ２２と△ａｂｃについて １／ｄ＋１／Ｅ＝１／ｆ （１） ｄ：（ｄ＋Ｅ）＝ε：ｓ （２） 凹レンズ２３と△ｍｎｏ，△ｍｂｃについて ｛−１／（Ｅ−ｅ）｝＋１／Ｌ＝−１／Ｆ （３） （Ｅ−ｅ）：Ｌ＝ｓ：Ｓ （４） ∴Ｓ／ε＝（Ｅ／ｆ）×｛（Ｆ＋Ｌ）／Ｆ｝ 又は＝（１／ｆＦ）×｛ＦＬ＋ｅ（Ｆ＋Ｌ）｝ 以上、図８において、支持体（図１）に設けた光源２１
に搭載した凸レンズ２２が加速度によりεだけ変位した
場合について述べたが、凸レンズ２２を固定し、光源２
１と凹レンズ２３を支持体に載せた場合も同様に動作す
る。又光源２１のみ、または凹レンズ２３のみが変位し
た場合も、変位は拡大される。

【００４９】図９は光学式変位検出部３の他の原理的構
成図であり、図８の変位拡大の原理を２度利用する構成
になっている。

【００５０】すなわち、凸レンズ２２は光源２１からの
光を凹レンズ２３の焦点距離内のｂ点に集光させてい
る。その位置は凹レンズ２３を通った光が凹レンズ２７
の焦点距離内のｋ点に集光するように定める。

【００５１】又、ｋ点の位置は凹レンズ２７を通った光
がセンサ上のｎ点に集光するように設定される。

【００５２】以上のような構成のため変位εが変位ｓに
拡大されるところまでは図８の場合と同様に動作する。

【００５３】変位ｓは凹レンズ２３により変位ｑに拡大
される。凹レンズ２７からの出射光は凹レンズ２７の中
心と点ｋを結ぶ線を光束の中心として集光しながら受光
面上の点ｎに達する。

【００５４】図８でレンズの焦点距離を小さくするか、
枚数を増やすことにより、拡大率を大きくすることが可
能であるが、いずれも限度がある。図９の構成は、この
ような場合に有用となる。

【００５５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
筐体と支持体（振子）との相対変位を光学系により拡大
して検出するように構成したので、分解能を格段に向上
させることができ、極めて精度の良い測定が可能な加速
度計を得ることができる。

【００５６】筐体と支持体（振子）との相対変位を凸レ
ンズ（集光レンズ）と凹レンズ（発散レンズ）より成る
光学系により拡大して検出するように構成したので、レ
ンズの簡単な組み合わせによって、極めて精度の良い加
速度計を得ることができる。

【００５７】また、凸レンズと凹レンズの組み合わせ体
を少なくとも２組以上光軸上に並設するように構成した
ので、光束変位の拡大を容易に大きくすることができる
という効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の形態１による加速度計を示す要部概
略図である。

【図２】 光学式変位検出部の概略図である。

【図３】 光学式変位検出部の原理図である。

【図４】 信号処理部の回路図である。

【図５】 信号処理部の回路図である。

【図６】 信号処理部の回路図である。

【図７】 イメージセンサ上の光束分布を示す図であ
る。

【図８】 光学式変位検出部の原理図である。

【図９】 光学式変位検出部の原理図である。

【図１０】 従来の加速度計の概略図である。

【図１１】 従来の加速度計の概略図である。

【図１２】 従来の加速度計の動作原理の説明図。

【図１３】 従来の加速度計の動作原理の説明図。

【図１４】 従来の加速度計の動作原理の説明図。

【符号の説明】

１ 支持体（振子）、３ 光学式変位検出部、４ 信号
処理部、７ 駆動部（復元機構部）、８ 筐体、１２、
１７ 集光レンズ（凸レンズ）、１３、１６発散レンズ
（凹レンズ）、、１４ 光電変換部、１１ 光源。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加速度に従って筐体に対して相対的に変
   位する支持体と、前記支持体の変位量を拡大すると共に
   光束を集光させる光学系を有する光学式変位検出部と、
   前記拡大された変位量によって決まる信号を発生する信
   号処理部と、前記信号処理部からの信号によって前記支
   持体を元の零位置に引戻す働きをする復元機構部とを備
   えたことを特徴とする加速度計。
2. 【請求項２】 光学式変位検出部の光学系は、凸レンズ
   と凹レンズとにより構成されていることを特徴とする請
   求項１記載の加速度計。
3. 【請求項３】 光学式変位検出部の光学系は、凸レンズ
   と凹レンズの組み合わせ体を少なくとも２組以上光軸上
   に並設したことを特徴とする請求項１記載の加速度計。
4. 【請求項４】 光学式変位検出部の光電変換部は２分割
   センサＰＳＤであることを特徴とする請求項１記載の加
   速度計。
5. 【請求項５】 光学式変位検出部の光電変換部はイメー
   ジセンサーであることを特徴とする請求項１記載の加速
   度計。
6. 【請求項６】 信号処理部はＡＳＩＣで構成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の加速度計。