JP2000046858A - 加速度計 - Google Patents
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- JP2000046858A JP2000046858A JP10225319A JP22531998A JP2000046858A JP 2000046858 A JP2000046858 A JP 2000046858A JP 10225319 A JP10225319 A JP 10225319A JP 22531998 A JP22531998 A JP 22531998A JP 2000046858 A JP2000046858 A JP 2000046858A
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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。
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
【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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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、
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
- 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10225319A JP2000046858A (ja) | 1998-07-24 | 1998-07-24 | 加速度計 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10225319A JP2000046858A (ja) | 1998-07-24 | 1998-07-24 | 加速度計 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2000046858A true JP2000046858A (ja) | 2000-02-18 |
Family
ID=16827500
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP10225319A Pending JP2000046858A (ja) | 1998-07-24 | 1998-07-24 | 加速度計 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2000046858A (ja) |
-
1998
- 1998-07-24 JP JP10225319A patent/JP2000046858A/ja active Pending
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