JP3882561B2 - 傾斜角検出センサ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、傾斜角検出対象の重力方向に対する傾斜角を検出するために用いられる傾斜角検出センサに関する。
【0002】
【従来の技術】
この種の従来の傾斜角検出センサとして、例えば、特公平6−19273号公報に示されるものが知られている。このような従来の傾斜角検出センサでは、平面鏡と液体水平面とで通常はおおむね直交するように構成された二枚鏡によって平行光線を2つの光路に分けて反射させ、集光系でそれぞれの光路の反射光によって結像されたスリットの2つの像の間の間隔を受光素子により測定することによって傾斜角を検出できるように構成されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような従来の傾斜角検出センサは、投光から受光までの光路と参照物体の回転とに大きなスペースが必要となり、小型化が困難となる。また、このような従来の傾斜角検出センサにおいて、検出範囲を大きくするには、受光素子の長さを大きくしたり、または受光素子を追加したり、または入射光の分解能を落として受光素子内に反射光を入射させたりする必要があり、検出範囲が例えば30度以上は困難となる。さらに、このような従来の傾斜角検出センサにおいては、受光素子への反射光の入射位置は傾斜角度に対し線形性が殆どなく、検出範囲が広くなるほど線形性が得られず、±90度以上の検出は不可能となる。一般的に反射屈折を検出して傾斜角を検出する方法では、傾斜角度が大きくなるほど線形性は悪くなり、線形性と分解能は相反する関係にある。
【0004】
【発明の開示】
本発明は上記の従来例の欠点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、傾斜角の線形性検出を可能とし、検出範囲が±90度以上に達成することができ、また、小型化も図れる傾斜角検出センサを提供することにある。
【0005】
本発明に係る第1の傾斜角検出センサは、円弧状の内周面を有し且つ両端面が開口した空間を備え、傾きに応じて前記円弧状の内周面を転動する転動体を収容した転動体収容ケースと、前記転動体収容ケースの一方端面に対向して配置され、前記転動体収容ケースの一方端面に光を照射する発光手段と、前記転動体収容ケースの他方端面に対向して配置され、前記転動体収容ケース内の前記転動体で遮光された以外の光を受光して電気信号に変換する受光手段とを備え、前記受光手段からの電気信号に基づいて、前記転動体収容ケースが置かれた被傾斜角検出対象の傾斜角を検出するように構成した傾斜角検出センサにおいて、前記発光手段を、発光素子と、この発光素子からの光を拡散して均一光として前記転動体収容ケースの一方端面に照射する光拡散手段とから構成したことを特徴としている。
【0006】
本発明に係る第1の傾斜角検出センサによれば、前記発光手段からの光は前記転動体収容ケースの一方端面に照射され、この照射された光は前記転動体で一部が遮光され、この遮光された以外の光は前記受光手段に照射される。これにより、前記受光手段に照射された光は電気信号に変換され、この電気信号を用いて、前記転動体収容ケースが置かれた被傾斜検出対象の傾斜角が検出される。しかも、この第1の傾斜角検出センサによれば、前記発光手段は、発光素子からの光を拡散して均一光として前記転動体収容ケースの一方端面に照射する光拡散手段を有しているので、転動体収容ケースの一方端面に発光素子からの均一光が照射され、これにより転動体による発光手段への遮光部分(投影部分)が正確に現れ、線形的に傾斜角を検出するのに役立つ。
【0007】
本発明に係る第2の傾斜角センサは、円弧状の内周面を有し且つ両端面が開口した空間を備え、傾きに応じて前記円弧状の内周面を転動する転動体を収容した転動体収容ケースと、前記転動体収容ケースの一方端面に対向して配置され、前記転動体収容ケースの一方端面に光を照射する発光手段と、前記転動体収容ケースの他方端面に対向して配置され、前記転動体収容ケース内の前記転動体で遮光された以外の光を受光して電気信号に変換する受光手段とを備え、前記受光手段からの電気信号に基づいて、前記転動体収容ケースが置かれた被傾斜角検出対象の傾斜角を検出するように構成した傾斜角検出センサにおいて、前記発光手段を、発光素子と、この発光素子からの光を拡散して均一光として照射する光拡散手段と、この光拡散手段からの光を散乱防止して前記転動体収容ケースの一方端面に照射する散乱防止手段とから構成したことを特徴としている。
【0008】
本発明に係る第2の傾斜角検出センサによれば、前記発光手段からの光は前記転動体収容ケースの一方端面に照射され、この照射された光は前記転動体で一部が遮光され、この遮光された以外の光は前記受光手段に照射される。これにより、前記受光手段に照射された光は電気信号に変換され、この電気信号を用いて、前記転動体収容ケースが置かれた被傾斜検出対象の傾斜角が検出される。しかも、この第2の傾斜角検出センサによれば、発光手段を、発光素子と、この発光素子からの光を拡散して均一光として照射する光拡散手段と、この光拡散手段からの光を散乱防止して転動体収容ケースの一方端面に照射する散乱防止手段とから構成したので、発光素子からの光は、光拡散手段により均一光となり、さらに散乱防止手段により散乱防止され、転動体収容ケースの一方端面に照射される。これにより、移動体による発光手段への遮光部分が正確に現れ、線形的に傾斜角を検出するのに役立つ。
【0009】
本発明に係る第3の傾斜角検出センサは、円弧状の内周面を有し且つ両端面が開口した空間を備え、傾きに応じて前記円弧状の内周面を転動する転動体を収容した転動体収容ケースと、前記転動体収容ケースの一方端面に対向して配置され、前記転動体収容ケースの一方端面に光を照射する発光手段と、前記転動体収容ケースの他方端面に対向して配置され、前記転動体収容ケース内の前記転動体で遮光された以外の光を受光して電気信号に変換する受光手段とを備え、前記受光手段からの電気信号に基づいて、前記転動体収容ケースが置かれた被傾斜角検出対象の傾斜角を検出するように構成した傾斜角検出センサにおいて、前記受光手段を、受けた光を電気信号に変換する受光素子と、前記転動体収容ケースの他方端面から照射される光を散乱防止して前記受光素子に照射する散乱防止手段とから構成したことを特徴としている。
【0010】
本発明に係る第3の傾斜角検出センサによれば、前記発光手段からの光は前記転動体収容ケースの一方端面に照射され、この照射された光は前記転動体で一部が遮光され、この遮光された以外の光は前記受光手段に照射される。これにより、前記受光手段に照射された光は電気信号に変換され、この電気信号を用いて、前記転動体収容ケースが置かれた被傾斜検出対象の傾斜角が検出される。しかも、この第3の傾斜角検出センサによれば、前記受光手段は、受けた光を電気信号に変換する受光素子と、転動体収容ケースの他方端面から照射される光を散乱防止して前記受光素子に照射する散乱防止手段とから構成されているので、前記受光素子には散乱防止された光が照射され、これにより傾斜角の検出精度の向上を図れる。
【0011】
本発明に係る第4の傾斜角検出センサは、円弧状の内周面を有し且つ両端面が開口した空間を備え、傾きに応じて前記円弧状の内周面を転動する転動体を収容した転動体収容ケースと、前記転動体収容ケースの一方端面に対向して配置され、前記転動体収容ケースの一方端面に光を照射する発光手段と、前記転動体収容ケースの他方端面に対向して配置され、前記転動体収容ケース内の前記転動体で遮光された以外の光を受光して電気信号に変換する受光手段とを備え、前記受光手段からの電気信号に基づいて、前記転動体収容ケースが置かれた被傾斜角検出対象の傾斜角を検出するように構成した傾斜角検出センサにおいて、前記受光手段は、受光素子の受光面を1個有し、光照射方向から見てこの受光面の中心を前記空間の中心から偏心した位置に配置したことを特徴としている。
【0012】
本発明に係る第4の傾斜角検出センサによれば、前記発光手段からの光は前記転動体収容ケースの一方端面に照射され、この照射された光は前記転動体で一部が遮光され、この遮光された以外の光は前記受光手段に照射される。これにより、前記受光手段に照射された光は電気信号に変換され、この電気信号を用いて、前記転動体収容ケースが置かれた被傾斜検出対象の傾斜角が検出される。しかも、この第4の傾斜角検出センサによれば、受光手段が、受光素子の受光面を1個有し、この受光面の中心を前記空間の中心から偏心した位置に配置しているので、傾斜角に応じて受光面に照射される光量が変化し、これにより複数個の受光面を用いなくても、傾斜角の検出が可能となる。
【0013】
本発明に係る第5の傾斜角検出センサは、円弧状の内周面を有し且つ両端面が開口した空間を備え、傾きに応じて前記円弧状の内周面を転動する転動体を収容した転動体収容ケースと、前記転動体収容ケースの一方端面に対向して配置され、前記転動体収容ケースの一方端面に光を照射する発光手段と、前記転動体収容ケースの他方端面に対向して配置され、前記転動体収容ケース内の前記転動体で遮光された以外の光を受光して電気信号に変換する受光手段とを備え、前記受光手段からの電気信号に基づいて、前記転動体収容ケースが置かれた被傾斜角検出対象の傾斜角を検出するように構成した傾斜角検出センサにおいて、前記受光手段は、受光素子の受光面を複数個有し、光照射方向から見てこれらの受光面全体の中心を前記空間の中心から偏心した位置に配置したことを特徴としている。
【0014】
本発明に係る第5の傾斜角検出センサによれば、前記発光手段からの光は前記転動体収容ケースの一方端面に照射され、この照射された光は前記転動体で一部が遮光され、この遮光された以外の光は前記受光手段に照射される。これにより、前記受光手段に照射された光は電気信号に変換され、この電気信号を用いて、前記転動体収容ケースが置かれた被傾斜検出対象の傾斜角が検出される。しかも、この第5の傾斜角検出センサによれば、前記受光手段が、複数個の受光面を有し、これらの受光面全体の中心を前記空間の中心から偏心した位置に配置しているので、傾斜角に応じて各受光面に照射される光量が変化し、傾斜角の検出が可能となり、検出精度も向上する。
【0015】
本発明に係る第6の傾斜角検出センサは、円弧状の内周面を有し且つ両端面が開口した空間を備え、傾きに応じて前記円弧状の内周面を転動する転動体を収容した転動体収容ケースと、前記転動体収容ケースの一方端面に対向して配置され、前記転動体収容ケースの一方端面に光を照射する発光手段と、前記転動体収容ケースの他方端面に対向して配置され、前記転動体収容ケース内の前記転動体で遮光された以外の光を受光して電気信号に変換する受光手段とを備え、前記受光手段からの電気信号に基づいて、前記転動体収容ケースが置かれた被傾斜角検出対象の傾斜角を検出するように構成した傾斜角検出センサにおいて、前記受光手段に備えられる受光素子の受光面のサイズと前記転動体の投影サイズとが、同じもしくは略同じであり、前記転動体収容ケースの内周面の半径が、前記転動体の半径の2倍であることを特徴としている。
【0016】
本発明に係る第6の傾斜角検出センサによれば、前記発光手段からの光は前記転動体収容ケースの一方端面に照射され、この照射された光は前記転動体で一部が遮光され、この遮光された以外の光は前記受光手段に照射される。これにより、前記受光手段に照射された光は電気信号に変換され、この電気信号を用いて、前記転動体収容ケースが置かれた被傾斜検出対象の傾斜角が検出される。しかも、この第6の傾斜角検出センサによれば、受光手段に備えられる受光素子の受光面のサイズと前記転動体の投影サイズとが同じもしくは略同じであるので、検出可能な範囲で受光面のサイズを小さくすることができ、これによりセンサ自体の小型化を図れる。また、転動体収容ケースの内周面の半径が転動体の半径の2倍であるので、検出範囲が広くなる。
【0019】
本発明に係る第7の傾斜角検出センサは、円弧状の内周面を有し且つ両端面が開口した空間を備え、傾きに応じて前記円弧状の内周面を転動する転動体を収容した転動体収容ケースと、前記転動体収容ケースの一方端面に対向して配置され、前記転動体収容ケースの一方端面に光を照射する発光手段と、前記転動体収容ケースの他方端面に対向して配置され、前記転動体収容ケース内の前記転動体で遮光された以外の光を受光して電気信号に変換する受光手段とを備え、前記受光手段からの電気信号に基づいて、前記転動体収容ケースが置かれた被傾斜角検出対象の傾斜角を検出するように構成した傾斜角検出センサにおいて、前記受光手段は2個の受光素子を備え、前記受光素子に備えられる各受光素子の受光面のサイズと前記転動体の投影サイズとが、同じもしくは略同じであり、前記転動体収容ケースの内周面の半径が、前記転動体の半径の2倍であり、傾斜角度が0度のとき、各受光素子の遮光面積が等しくなると共に、正負最大検出角で、各受光素子の遮光面積がそれぞれ最大になるように、各受光素子を配置することを特徴としている。
【0020】
本発明に係る第7の傾斜角検出センサによれば、前記発光手段からの光は前記転動体収容ケースの一方端面に照射され、この照射された光は前記転動体で一部が遮光され、この遮光された以外の光は前記受光手段に照射される。これにより、前記受光手段に照射された光は電気信号に変換され、この電気信号を用いて、前記転動体収容ケースが置かれた被傾斜検出対象の傾斜角が検出される。しかも、この第7の傾斜角検出センサによれば、受光手段に備えられる2個の受光素子の各受光面のサイズと前記転動体の投影サイズとが同じもしくは略同じであるので、検出可能な範囲で受光面のサイズを小さくすることができ、これによりセンサ自体の小型化を図れる。また、転動体収容ケースの内周面の半径が転動体の半径の2倍であるので、検出範囲が広くなる。さらに、第7の傾斜角検出センサによれば、傾斜角度が0度のとき、各受光素子の遮光面積が等しくなると共に、正負最大検出角で、各受光素子の遮光面積がそれぞれ最大になるように、各受光素子を配置しているので、傾斜があれば、各受光素子の出力に差ができ、これにより傾斜角を検出することができる。しかも、検出範囲内での遮光面積の変化と傾斜角の変化との線形性が大変良くなる。また、遮光面積と受光素子の感度とが直接入射光の分解能になるので、検出範囲内で高い分解能を得ることができる。
【0021】
本発明に係る第1〜第7の傾斜角検出センサのある実施態様は、前記円弧状の内周面を有する空間とは、円形状、または楕円形状、または数種類の形状が複合された複合形状の内周面を有する空間であることを特徴としている。かかる実施態様によれば、前記転動体は常に水平位置に来るように移動できる。
【0022】
本発明に係る第1〜第7の傾斜角検出センサの別な実施態様においては、前記円弧状の内周面を有する空間とは、内周面に沿って該内周面の曲率が変化する空間であることを特徴としている。かかる実施態様によれば、前記曲率の違いにより、傾斜角に対する前記転動体の移動距離が異なり、検出精度を決定する一つの要因とすることができる。
【0023】
本発明に係る第1〜第3又は第5〜第6の傾斜角検出センサは、前記受光手段に備えられる受光素子が2個以上ある場合に、傾斜角度が0度のとき、各受光素子の遮光面積が等しくなると共に、正負最大検出角で、各受光素子の遮光面積がそれぞれ最大になるように、各受光素子を配置することを特徴としている。かかる実施態様によれば、傾斜があれば、各受光素子の出力に差ができ、これにより傾斜角を検出することができる。しかも、検出範囲内での遮光面積の変化と傾斜角の変化との線形性が大変良くなる。また、遮光面積と受光素子の感度とが直接入射光の分解能になるので、検出範囲内で高い分解能を得ることができる。
【0024】
【発明の実施の形態】
(第1の実施形態)
図1は本発明の第1の実施形態に係る傾斜角検出センサの構成を示す分解斜視図である。図2は、図1に示す傾斜角検出センサを軸方向で切断した断面図を示す。図1および図2において、傾斜角検出センサ1は、軸方向の両端面が少なくとも円弧状に開口し、前記円弧状の内周面を有する空間4を備え、前記円弧状の内周面を傾きに応じて転動する転動体としての球体3を収容した転動体収容ケース2と、この転動体収容ケース2の一方端面に対向して配置され、転動体収容ケース2の一方端面に光を照射する発光手段5と、転動体収容ケース2の他方端面に対向して配置され、転動体収容ケース2内の球体3で遮光された以外の光を受光して電気信号に変換する受光手段6とを備えており、受光手段6からの電気信号に基づいて、転動体収容ケース2が置かれた被傾斜角検出対象(図示せず)の傾斜角を検出するように構成されている。
【0025】
前記発光手段5は、発光素子9と、この発光素子9からの光を拡散して均一光として転動体収容ケース2の一方端面に照射する光拡散手段としての光拡散板18と、この光拡散板18からの光を散乱防止する散乱防止手段としての散乱防止マスク11とから構成されている。発光素子9には被傾斜角検出対象に載置するための2本の脚7,8が設けられている。光拡散板18は軸方向に開口した発光側ケース10に収納されており、また、発光素子9と散乱防止マスク11は光拡散板18を夾んで発光側ケース10に収納される。また、転動体収容ケース2は一方端面を散乱防止マスク11に面して発光側ケース10に収納される。なお、発光素子は、LED、LD、EL、レーザ光、蛍光灯、電球などで実現される。
【0026】
前記受光手段6は、受けた光を電気信号に変換する受光素子13と、前記転動体収容ケース2の他方端面から照射される光を散乱防止して受光素子13に照射する散乱防止マスク15とから構成されている。受光素子13には被傾斜角検出対象に載置するための脚12が設けられている。受光素子13は受光側ケース14に収納される。散乱防止マスク15は、転動体収容ケース2の他方端面に面して転動体収容ケース2に収納される。なお、受光素子13は後述する複数個または1個の受光素子から構成されている。受光素子は、フォトダイオード、フォトトランジスタ、フォトカプラ、PSD、光導電セルなどで実現される。
【0027】
以上のような構成要素から構成される傾斜角検出センサ1は、組立てる場合、受光側ケース14が発光側ケース10に嵌合され、一体化されて完成する。被傾斜角検出対象の傾斜角を検出する際は、傾斜角検出センサ1の脚7,8,12を被傾斜角検出対象に載置することにより、被傾斜角検出対象の傾斜角を検出することができる。このように傾斜角検出センサ1は、図1に示す発光手段5の構成要素がパッケージ化され、また、受光手段6の構成要素がパッケージ化される。
【0028】
本実施形態の傾斜角検出センサ1では、光拡散板18や球体3の特性、センサの形状精度などに基づいて検出特性が測定できるので、組立調整をする必要がなく、安定動作を図れる。また、球体3は傾斜との応答性が良く、したがって、センサの組立も容易にできる。
【0029】
図3は前記傾斜角検出センサ1の光学系の原理を説明するためのブロック図である。図3において、発光素子9からの光は光拡散板18により均一な光となり受光素子16,17に均一面照射される。受光素子16,17の前面に球体3を配置すると、球体3の投影面積に相当する受光素子16,17の受光面が遮光される。そこで、受光素子16の出力と受光素子17の出力を比較することで球体3の位置や移動が検出でき、これにより被傾斜角検出対象の傾斜角を検出することができる。
【0030】
図4は球体3と受光素子16,17との位置関係を示す図である。図4において4bは空間4の内周面を示し、3aは傾斜角が0度のときの球体3の位置、3bは傾斜角が−90度のときの球体3の位置、3cは傾斜角が90度のときの球体3の位置を示す。16bは受光素子16の受光面、17bは受光素子17の受光面を示す。
【0031】
図5、図6、図7は発光素子側から受光素子側を見た球体に対する受光素子の受光面の位置関係を示す図である。図5は傾斜角が0度のときの位置関係を示し受光面16bと受光面17bの球体3による各遮光面積は同じになっている。これにより、受光面16bを有する受光素子16の出力と、受光面17bを有する受光素子17の出力とが同じになり、両出力を比較することにより傾斜角が0度であることが検出できる。
【0032】
図6は傾斜角が45度のときの位置関係を示し、球体3による遮光面積は受光面17bの方が受光面16bの遮光面積よりも大きくなっている。これにより、受光素子16の出力の方が受光素子17の出力よりも大きくなり、受光素子16の出力と受光素子17の出力とを比較することで、傾斜角が45度であることが検出できる。なお、該比較結果の値の大きさにより、傾斜角が45度であることが分かる。
【0033】
図7は傾斜角が90度のときの位置関係を示し、球体3による遮光面積は受光面17bの方が受光面16bの遮光面積よりも大きくなる。これにより、受光素子16の出力の方が受光素子17の出力よりも大きくなり、受光素子16の出力と受光素子17の出力とを比較することで、傾斜角が90度であることが検出できる。なお、該比較結果の値の大きさにより、傾斜角が90度であることが分かる。
【0034】
図8は、前記傾斜角検出センサ1において、例えば、受光素子の受光面サイズが0.8mm×1.0mmであり、球体の直径が1mmである場合の傾斜角と遮光面積(平方μm)の関係をグラフで示した図である。図8において、ライン81は受光素子16における傾斜角に対する遮光面積の変化、ライン82は受光素子17における傾斜角に対する遮光面積の変化、ライン83は受光素子16の出力から受光素子17の出力を引いた値に基づく傾斜角に対する遮光面積の変化、ライン84は受光素子16の出力と受光素子17の出力を加えた値に基づく傾斜角に対する遮光面積の変化を示す。
【0035】
これらから分かるように、ライン83で示すように、傾斜角と遮光面積の変化の関係がリニアになっており、受光素子16の出力と受光素子17の出力の差をとることにより、傾斜角の検出の線形性が良い検出結果を得られることが理解できる。
【0036】
次に受光素子の受光面の位置や受光面の個数を変えた場合や、転動体収容ケースの内周面の形状を変えた場合の動作について説明する。
【0037】
図9は図5で説明した受光素子の受光面の位置と同じ受光面の位置を示す図であり、転動体収容ケース2の空間4の内周面4bは円形になっており、その空間4には受光面21,22が内周面4bに対して中央に配置されている。この場合は、傾斜角が180度になったとき、受光面21と受光面22の球体3による遮光面積が同じになり、これにより受光面21による出力と受光面22による出力が同じになる。これは、傾斜角が0度のときと同じになる。したがって、図9に示す受光面の配置例では、傾斜角が180度以外は全角検出することができる。
【0038】
図10は180度の傾斜角でも検出できるように、受光面23,24が内周面4bに対して中心位置がずれた位置(偏心させた位置)に配置されている受光面の位置を示す図である。このように受光面23,24を配置することにより、180度の傾斜角でも検出可能になる。この事を図11を参照して説明する。図11(a)は傾斜角が0度のときの受光面23,24の位置を示し、図11(b)は傾斜角が180度のときの受光面23,24の位置を示す。これらによれば、傾斜角180度のときの受光面23,24の球体3による遮光面積が傾斜角0度のときの遮光面積よりも小さくなり、受光面23による出力と受光面24による出力とを比較することにより、傾斜角が0度の場合と180度の場合とを判別できる。
【0039】
また、図11(c)は傾斜角が90度のときの受光面23,24の位置を示す図であり、受光面23による出力と受光面24による出力の差を取ることにより傾斜角が90度であることが検出できる。また、図示しないが、傾斜角が−90度を検出するときは、受光面23による出力と受光面24による出力の差は傾斜角が90度のときの出力の差と異なるので、−90度の傾斜角と90度の傾斜角を判別することができる。
【0040】
なお、図9に示すように、受光面21,22を空間4の内周面4bに対して中央に配置しても、−90度の傾斜角と90度の傾斜角を判別することができる。なぜならば、傾斜角が−90度を検出するときは、受光面23による出力と受光面24による出力の差は傾斜角が90度のときの出力の差(絶対値は同じであるが、±の符号が異なる値)と異なるので、−90度の傾斜角と90度の傾斜角を判別することができる。
【0041】
図12は、4個の受光面25,26.27,28が空間4の内周面4bに対して中央に配置された受光面の位置を示す図である。このように4個の受光面25,26.27,28を設け、各出力を比較することにより、傾斜角を検出するようにすれば、前述した2個の受光面を用いる場合に比べ、検出精度が更に向上するのは言うまでもない。
【0042】
図13は、1個の受光面29が空間4の内周面4bに対して中央に配置された受光面の位置を示す図である。このように、1個の受光面29を設けた場合は、傾斜角に応じて球体3による受光面29に対する遮光面積が変化し、この受光面29による出力を検出することにより、傾斜角を検出することができる。例えば受光素子出力の大きさと傾斜角との関係を示すデータを予めメモリに記憶させておき、このデータを用いて受光面29による出力の大きさを判定することにより傾斜角を検出することが可能になる。
【0043】
図14は、1個の受光面30が空間4の内周面4bに対して中央よりずれた位置に配置された受光面の位置を示す図である。このように、1個の受光面30を設けた場合は、傾斜角に応じて球体3による受光面30に対する遮光面積が変化し、この受光面30による出力を検出することにより、傾斜角を検出することができる。この場合は、受光面30が空間4の内周面4bに対して中央よりずれた位置に配置されているので、傾斜角が0度と180度との判別、および傾斜角が−90度と90度との判別も可能となる。この理由は、図11で説明したのと同様であるので、ここでは説明を省略する。
【0044】
図15は、転動体収容ケース2における空間4の内周面4bが楕円形状を有し2個の受光面31,32が空間4の内周面4bに対して中央に配置された受光面の位置を示す図である。この構成によれば、傾斜角が例えば−15度<傾斜角<15度の範囲では球体3は傾きに対して移動距離が長くなるので、この移動する球体3による遮光変化を捕らえる受光面31,32の遮光面積の変化も大きくなり、傾斜角の検出精度が向上する。なお、精度良く検出したい傾斜角の範囲は内周面4bの曲率半径が大きい内周面4bの部分を用いれば良い。即ち、図15に示すように、曲率半径の大きい内周面4bの部分に球体3を配置すれば、少しの傾きでも球体3は多くの距離を移動するので、その範囲での傾斜角の検出精度を高くすることができる。
【0045】
図16は、本発明の第2の実施形態に係る傾斜角検出センサの構成を示す断面図である。図16において、図2に示す構成要素に対応するものには同一の符号を付す。
【0046】
図16において、傾斜角検出センサ51は、軸方向の両端面が少なくとも円弧状に開口し、前記円弧状の内周面を有する空間4を備え、前記円弧状の内周面を傾きに応じて転動する転動体としての球体3を収容した転動体収容ケース2と、この転動体収容ケース2の一方端面に対向して配置され、転動体収容ケース2の一方端面に光を照射する発光手段(後述する)と、転動体収容ケース2の他方端面に対向して配置され、転動体収容ケース2内の球体3で遮光された以外の光を受光して電気信号に変換する受光手段(後述する)とを備えており、受光手段からの電気信号に基づいて、転動体収容ケース2が置かれた被傾斜角検出対象(図示せず)の傾斜角を検出するように構成されている。
【0047】
前記発光手段は、発光素子9と、この発光素子9からの光をコリメートして転動体収容ケース2の一方端面に照射するコリメート手段としてのレンズ52と、このレンズ52からの光を散乱防止する散乱防止マスク11とから構成されている。発光素子9には被傾斜角検出対象に載置するための2本の脚8(一本は図示せず)が設けられている。レンズ52は発光側ケース10に収納されており、また、発光素子9と散乱防止マスク11はレンズ52を夾んで発光側ケース10に収納される。また、転動体収容ケース2は一方端面を散乱防止マスク11に面して発光側ケース10に収納される。
【0048】
前記受光手段は、受けた光を電気信号に変換する受光素子13と、転動体収容ケース2の他方端面から照射される光を散乱防止して受光素子13に照射する散乱防止マスク15とから構成されている。受光素子13には被傾斜角検出対象に載置するための脚12が設けられている。受光素子13は受光側ケース14に収納される。散乱防止マスク15は、転動体収容ケース2の他方端面に面して転動体収容ケース2に収納される。なお、受光素子13は前述した個数の受光素子から構成されている。
【0049】
そして、組立時は、受光側ケース14が発光側ケース10に嵌合されて、本実施形態の傾斜角検出センサ51が完成する。被傾斜角検出対象の傾斜角を検出する際は、傾斜角検出センサ51の脚8,12などを被傾斜角検出対象に載置することにより、被傾斜角検出対象の傾斜角を検出することができる。
【0050】
このような構成を有する傾斜角検出センサ51では、光拡散板の代わりにレンズ52を用いているので、発光素子からの光が弱まることなく、コリメートされ、受光素子に照射され、これにより、傾斜角の検出精度が向上する。なお、本実施形態では、コリメート手段としてのレンズは発光手段側に設けたが、受光手段側に設けても良い。また、転動体は、球体に限らず、円柱体または円筒体であっても良い。
【0051】
なお、球体などの転動体と受光手段との距離を一定に保つためには、転動体収容ケース内の空間の内周面にテーパーを施して傾斜させておき、転動体が常に受光素子側へ引きつけられるようにしておけばよい。あるいは、傾斜角度検出センサを対象物に取付ける際、傾斜角度検出センサの検出範囲内で転動体が受光手段側へ転がるように傾斜角度検出センサを傾けて取付けるようにしてもよい。
【0052】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の傾斜角検出センサによれば、軸方向の両端面が少なくとも円弧状に開口し、前記円弧状の内周面を有する空間を備え、前記円弧状の内周面を傾きに応じて転動する転動体を収容した転動体収容ケースと、前記転動体収容ケースの一方端面に対向して配置され、前記転動体収容ケースの一方端面に光を照射する発光手段と、前記転動体収容ケースの他方端面に対向して配置され、前記転動体収容ケース内の前転動体で遮光された以外の光を受光して電気信号に変換する受光手段とを備え、前記受光手段からの電気信号に基づいて、前記転動体収容ケースが置かれた被傾斜角検出対象の傾斜角を検出するように構成した。
【0053】
このような構成により、前記転動体の回転移動を検出することができるので、傾斜角に対し線形的な変化を検出できる。即ち、傾斜角の大きさに応じて転動体が回転移動し、この転動体による前記受光手段への遮光面積が線形的に変化し、これに伴って前記受光手段からの電気信号(検出信号)も線形的に変化する。また、前記受光手段と前記転動体の配置により、前記転動体の遮光面積の変化の割合が一定になるので、例えば、±90〜100度における傾斜角と前記受光手段の出力は線形性がよい。また、前記転動体収容ケースの空間も最小限になり、小型化を図れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る傾斜角検出センサの構成を示す分解斜視図である。
【図2】図1に示す傾斜角検出センサを軸方向で切断した断面図を示す。
【図3】前記傾斜角検出センサの光学系の原理を説明するためのブロック図である。
【図4】前記傾斜角検出センサにおいて球体と受光素子との位置関係を示す図である。
【図5】前記傾斜角検出センサにおいて発光素子側から受光素子側を見た球体に対する受光素子の受光面の位置関係を示す図である。
【図6】前記傾斜角検出センサにおいて発光素子側から受光素子側を見た球体に対する受光素子の受光面の位置関係を示す図である。
【図7】前記傾斜角検出センサにおいて発光素子側から受光素子側を見た球体に対する受光素子の受光面の位置関係を示す図である。
【図8】前記傾斜角検出センサにおいて、例えば、受光素子の受光面サイズが0.8mm×1.0mmであり、球体の直径が1mmである場合の傾斜角と遮光面積(平方μm)の関係をグラフで示した図である。
【図9】前記傾斜角検出センサにおいて受光面が空間の内周面に対して中央に配置されている場合の受光面の位置を示す図である。
【図10】前記傾斜角検出センサにおいて受光面が空間の内周面に対して中心位置がずれた位置(偏心させた位置)に配置された受光面の位置を示す図である。
【図11】前記傾斜角検出センサにおいて受光面が空間の内周面に対して中心位置がずれた位置(偏心させた位置)に配置され受光面の位置の変化を示す図である。
【図12】前記傾斜角検出センサにおいて4個の受光面が空間の内周面に対して中央に配置された受光面の位置を示す図である。
【図13】前記傾斜角検出センサにおいて1個の受光面が空間の内周面に対して中央に配置された受光面の位置を示す図である。
【図14】前記傾斜角検出センサにおいて1個の受光面が空間の内周面に対して中央よりずれた位置(偏心させた位置)に配置された受光面の位置を示す図である。
【図15】前記傾斜角検出センサにおいて転動体収容ケースにおける空間の内周面が楕円形状を有し2個の受光面が空間の内周面に対して中央に配置された受光面の位置を示す図である。
【図16】本発明の第2の実施形態に係る傾斜角検出センサの構成を示す断面図である。
【符号の説明】
1,51 傾斜角検出センサ
2 転動体収容ケース
3 球体(転動体)
4 空間
4b 内周面
5 発光手段
6 受光手段
9 発光素子
11,15 散乱防止マスク(散乱防止手段)
13,16,17 受光素子
16b,17b,21,22,23,24,25,26,27,28,29 ,30,31,32 受光面
18 光拡散板(光拡散手段)
52 レンズ(コリメート手段)
Claims (10)
- 円弧状の内周面を有し且つ両端面が開口した空間を備え、傾きに応じて前記円弧状の内周面を転動する転動体を収容した転動体収容ケースと、
前記転動体収容ケースの一方端面に対向して配置され、前記転動体収容ケースの一方端面に光を照射する発光手段と、
前記転動体収容ケースの他方端面に対向して配置され、前記転動体収容ケース内の前記転動体で遮光された以外の光を受光して電気信号に変換する受光手段とを備え、
前記受光手段からの電気信号に基づいて、前記転動体収容ケースが置かれた被傾斜角検出対象の傾斜角を検出するように構成した傾斜角検出センサにおいて、
前記発光手段を、発光素子と、この発光素子からの光を拡散して均一光として前記転動体収容ケースの一方端面に照射する光拡散手段とから構成したことを特徴とする傾斜角検出センサ。 - 円弧状の内周面を有し且つ両端面が開口した空間を備え、傾きに応じて前記円弧状の内周面を転動する転動体を収容した転動体収容ケースと、
前記転動体収容ケースの一方端面に対向して配置され、前記転動体収容ケースの一方端面に光を照射する発光手段と、
前記転動体収容ケースの他方端面に対向して配置され、前記転動体収容ケース内の前記転動体で遮光された以外の光を受光して電気信号に変換する受光手段とを備え、
前記受光手段からの電気信号に基づいて、前記転動体収容ケースが置かれた被傾斜角検出対象の傾斜角を検出するように構成した傾斜角検出センサにおいて、
前記発光手段を、発光素子と、この発光素子からの光を拡散して均一光として照射する光拡散手段と、この光拡散手段からの光を散乱防止して前記転動体収容ケースの一方端面に照射する散乱防止手段とから構成したことを特徴とする傾斜角検出センサ。 - 円弧状の内周面を有し且つ両端面が開口した空間を備え、傾きに応じて前記円弧状の内周面を転動する転動体を収容した転動体収容ケースと、
前記転動体収容ケースの一方端面に対向して配置され、前記転動体収容ケースの一方端面に光を照射する発光手段と、
前記転動体収容ケースの他方端面に対向して配置され、前記転動体収容ケース内の前記転動体で遮光された以外の光を受光して電気信号に変換する受光手段とを備え、
前記受光手段からの電気信号に基づいて、前記転動体収容ケースが置かれた被傾斜角検出対象の傾斜角を検出するように構成した傾斜角検出センサにおいて、
前記受光手段を、受けた光を電気信号に変換する受光素子と、前記転動体収容ケースの他方端面から照射される光を散乱防止して前記受光素子に照射する散乱防止手段とから構成したことを特徴とする傾斜角検出センサ。 - 円弧状の内周面を有し且つ両端面が開口した空間を備え、傾きに応じて前記円弧状の内周面を転動する転動体を収容した転動体収容ケースと、
前記転動体収容ケースの一方端面に対向して配置され、前記転動体収容ケースの一方端面に光を照射する発光手段と、
前記転動体収容ケースの他方端面に対向して配置され、前記転動体収容ケース内の前記転動体で遮光された以外の光を受光して電気信号に変換する受光手段とを備え、
前記受光手段からの電気信号に基づいて、前記転動体収容ケースが置かれた被傾斜角検出対象の傾斜角を検出するように構成した傾斜角検出センサにおいて、
前記受光手段は、受光素子の受光面を1個有し、光照射方向から見てこの受光面の中心を前記空間の中心から偏心した位置に配置したことを特徴とする傾斜角検出センサ。 - 円弧状の内周面を有し且つ両端面が開口した空間を備え、傾きに応じて前記円弧状の内周面を転動する転動体を収容した転動体収容ケースと、
前記転動体収容ケースの一方端面に対向して配置され、前記転動体収容ケースの一方端面に光を照射する発光手段と、
前記転動体収容ケースの他方端面に対向して配置され、前記転動体収容ケース内の前記転動体で遮光された以外の光を受光して電気信号に変換する受光手段とを備え、
前記受光手段からの電気信号に基づいて、前記転動体収容ケースが置かれた被傾斜角検出対象の傾斜角を検出するように構成した傾斜角検出センサにおいて、
前記受光手段は、受光素子の受光面を複数個有し、光照射方向から見てこれらの受光面全体の中心を前記空間の中心から偏心した位置に配置したことを特徴とする傾斜角検出センサ。 - 円弧状の内周面を有し且つ両端面が開口した空間を備え、傾きに応じて前記円弧状の内周面を転動する転動体を収容した転動体収容ケースと、
前記転動体収容ケースの一方端面に対向して配置され、前記転動体収容ケースの一方端面に光を照射する発光手段と、
前記転動体収容ケースの他方端面に対向して配置され、前記転動体収容ケース内の前記転動体で遮光された以外の光を受光して電気信号に変換する受光手段とを備え、
前記受光手段からの電気信号に基づいて、前記転動体収容ケースが置かれた被傾斜角検出対象の傾斜角を検出するように構成した傾斜角検出センサにおいて、
前記受光手段に備えられる受光素子の受光面のサイズと前記転動体の投影サイズとが、同じもしくは略同じであり、前記転動体収容ケースの内周面の半径が、前記転動体の半径の2倍であることを特徴とする傾斜角検出センサ。 - 円弧状の内周面を有し且つ両端面が開口した空間を備え、傾きに応じて前記円弧状の内周面を転動する転動体を収容した転動体収容ケースと、
前記転動体収容ケースの一方端面に対向して配置され、前記転動体収容ケースの一方端面に光を照射する発光手段と、
前記転動体収容ケースの他方端面に対向して配置され、前記転動体収容ケース内の前記転動体で遮光された以外の光を受光して電気信号に変換する受光手段とを備え、
前記受光手段からの電気信号に基づいて、前記転動体収容ケースが置かれた被傾斜角検出対象の傾斜角を検出するように構成した傾斜角検出センサにおいて、
前記受光手段は2個の受光素子を備え、前記受光素子に備えられる各受光素子の受光面のサイズと前記転動体の投影サイズとが、同じもしくは略同じであり、
前記転動体収容ケースの内周面の半径が、前記転動体の半径の2倍であり、
傾斜角度が0度のとき、各受光素子の遮光面積が等しくなると共に、正負最大検出角で、各受光素子の遮光面積がそれぞれ最大になるように、各受光素子を配置することを特徴とすることを特徴とする傾斜角検出センサ。 - 前記円弧状の内周面を有する空間とは、円形状、または楕円形状、または数種類の形状が複合された複合形状の内周面を有する空間であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の傾斜角検出センサ。
- 前記円弧状の内周面を有する空間とは、内周面に沿って該内周面の曲率が変化する空間であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の傾斜角検出センサ。
- 前記受光手段に備えられる受光素子が2個以上ある場合に、傾斜角度が0度のとき、各受光素子の遮光面積が等しくなると共に、正負最大検出角で、各受光素子の遮光面積がそれぞれ最大になるように、各受光素子を配置することを特徴とする請求項1〜3又は5〜6のいずれか1項に記載の傾斜角検出センサ。
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