JPH1038910A - 加速度検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 二次元方向の加速度を簡単な構成で検出でき
るようにする。 【解決手段】 外ケース２内に弾性棒３を吊り下げるよ
うに固定する。弾性棒３の下端部にはおもり４が固定さ
れ、その上に透光板５が固定される。透光板５を挟んで
ＬＥＤ６およびＰＳＤ７が配設される。加速度がある状
態ではおもり４が加速度に比例した力を受け、弾性棒３
が変位する。これにより透光板５が加速度に応じた角度
傾斜する。ＬＥＤ６からの光は透光板５を透過するとき
に、傾斜角度に応じて屈折してＰＳＤ７への受光位置が
変位する。その受光位置の変位量と変位方向を検出する
ことにより、加速度が検出できる。簡単な構成で二次元
面内での加速度を高精度で検出できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、車両等に搭載して
その加速度を検出する用途に好適な加速度検出器に関す
る。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】従来の加速度検出器と
しては、例えば、圧電体に錘をつけて加速度に応じて受
ける力を圧電体に発生する電圧により検出して加速度を
検出する構成のものがある。また、ストレインゲージ等
を用いて加速度に応じて受ける力を検出することにより
加速度を検出する構成のものもある。

【０００３】しかしながら、このような加速度検出器で
は、検出器の検出方向となる一方向の加速度の大きさの
みを検出する構成のものが一般的であり、検出器が受け
る加速度の方向まで検出するためには、例えば２個の加
速度検出器を直交する方向にそれぞれ検出方向を設定す
るように設け、各検出方向への加速度をそれぞれの加速
度検出器により検出して合成して実際に受けた加速度の
大きさと方向とを検出する構成とする必要があった。こ
のため、２個の加速度検出器を設けることにより、全体
として大形化してしまうと共に高価になってしまう不具
合がある。

【０００４】また、従来構成のものでは、圧電体あるい
はストレインゲージ等の検出体は周囲温度によりその出
力が変動し易いため、検出回路に温度補償回路を設けて
補正する必要がある。そして、広い温度範囲で安定な検
出を行うためには、より精度が高い温度補償回路を設け
る必要があり、このために検出回路の構成が複雑で高価
なものになってしまう不具合があった。

【０００５】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的は、加速度の大きさおよび方向を検出可能
な構成としながら、簡単且つ安価な構成で小形化も図り
得る加速度検出器を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の加速度検出器
は、透光性材料を所定厚さ寸法の平板状に形成した屈折
部材と、この屈折部材を保持した状態で所定の二次元平
面内に作用する加速度に応じた角度に変位する作用部材
と、前記屈折部材の面に向けて所定角度から投光する投
光素子と、この投光素子と前記屈折部材を挟んで対向す
る位置に配置され、前記投光素子から前記屈折部材を介
して入射する光を受けてその受光位置に応じた受光信号
を出力する位置検出素子と、この位置検出素子からの受
光信号に基づいて前記屈折部材の変位量と変位方向に対
応した信号を検出して二次元平面内の加速度を検出する
検出手段とを設けて構成したところに特徴を有する。

【０００７】上記構成によれば、投光素子から出力され
る光線は屈折部材を介して位置検出素子に入射されるよ
うになる。加速度が作用すると、作用部材がその加速度
に応じた角度に屈折部材を変位させるようになる。する
と、投光素子から出力されて屈折部材に入射する光線
は、屈折部材の入射面で屈折するときに、そのときの加
速度に応じた方向に屈折されるようになる。この光線が
屈折部材から出るときに再び屈折してもとの投光素子の
光線の方向と同じ方向に屈折された状態となって位置検
出素子の受光面に受光されるようになる。

【０００８】位置検出素子に受光面においては、加速度
が作用していない状態における基準位置での受光点に対
して、加速度が作用した状態で受ける光線の受光位置が
その方向と大きさに応じて異なるので、その二次元的な
位置を検出することにより、検出位置と基準位置との間
の距離と方向とが加速度の大きさと距離とに対応した信
号として検出することができるようになる。

【０００９】また、上記構成において、前記作用部材
を、棒状をなす弾性材料から構成し、その基端部を支持
体に固定することができる。これによって、加速度を受
けたときに、作用部材が加速度に応じた力が作用する方
向に変形することにより屈折部材が傾くようになり、加
速度を検出することができ、加速度がなくなると弾性に
よってもとに位置に復帰するようになる。これにより、
簡単な構成として加速度の検出を行うことができる。

【００１０】さらに、上記構成において、前記作用部材
を、棒状をなす剛性材料から構成し、支持体に対して基
端部を支点として回動可能に支持することもできる。こ
れによって、加速度を受けたときに、作用部材が加速度
に応じた力が作用する方向に屈折部材と共に傾くように
なるので、加速度を検出することができる。作用部材を
吊り下げるように支持しておけば、加速度がなくなった
ときには自重でもとの位置に復帰するようになり、簡単
な構成で加速度の検出を行うことができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施例につ
いて、図１ないし図５を参照しながら説明する。全体構
成の概略を示す図１および図２において、基板１の上部
には矩形容器状をなす外ケース２が装着されている。こ
の外ケース２の上面部には作用部材としての弾性棒３が
設けられている。この弾性棒３は、基端部が外ケース２
の上面に貫通した状態で固定されており、外ケース２内
に吊り下げられた状態に設けられている。

【００１２】この弾性棒３の下端部にはおもり４が固定
されており、これによって、弾性棒３はこれと直交する
平面内で受ける加速度に対しておもり４が受ける力でフ
ックの法則にしたがった変位量だけ変形する。弾性棒３
のおもり４の上側には屈折部材としての透光板５が固定
されている。この透光板５は、所定厚さ寸法の平行平板
状に形成された屈折率がｎ（例えば、屈折率ｎ＝１．
５）の透明な板であり、その中心部において弾性棒３に
固定されている。

【００１３】外ケース２内の上面部には、透光板５の情
報に対応する位置に投光素子としてのＬＥＤ（発光ダイ
オード）６が配設されており、下方の透光板５に向けて
光線Ｐを出力するようになっている。また、ＬＥＤ６と
対向するようにして基板１には位置検出素子としてのＰ
ＳＤ（半導体位置検出素子）７が配設されている。この
ＰＳＤ７は、表面分割形に形成されたもので、その受光
面で受けた光の二次元的な位置に応じた検出信号を出力
するようになっており、演算回路において受光したとき
の検出信号を演算することにより受光位置を検出するこ
とができる。

【００１４】図３は検出手段の電気的構成を示すもの
で、ＰＳＤ７の二次元的な位置を示す受光信号を電流信
号として出力する端子としてＸ方向およびＹ方向のそれ
ぞれに対応して出力端子Ｘ１，Ｘ２および出力端子Ｙ
１，Ｙ２が導出されている。そしれ、各出力端子Ｘ１，
Ｘ２，Ｙ１，Ｙ２は電圧変換回路８，９，１０，１１に
接続されており、電流信号が電圧信号に変換された状態
で出力されるようになっている。

【００１５】電圧変換回路８，９の各出力端子は、加算
回路１２および減算回路１３の各入力端子に接続されて
いる。また、電圧変換回路１０，１１の各出力端子は、
加算回路１４および減算回路１５の各入力端子に接続さ
れている。加算回路１２および１４の各出力端子は加算
回路１６の入力端子に接続され、その加算回路１６の出
力端子は電流調整回路１７を介してＬＥＤ６の通電経路
に接続されている。

【００１６】電流調整回路１７は、加算回路１６から入
力される電圧信号の値が所定値に一致するように出力電
流つまりＬＥＤ６への通電電流を調整するもので、これ
によってＰＳＤ７の受光量を常に一定となるように制御
するようになっている。そして、減算回路１３の出力端
子はｘ方向への偏差を示す信号を出力する端子ｘに接続
され、減算回路１５の出力端子はｙ方向への偏差を示す
信号を出力する端子ｙに接続されている。

【００１７】次に、本実施例の作用について図４および
図５も参照して説明する。まず、弾性棒３の変位方向と
変位量との検出原理につて概略的に説明する。すなわ
ち、加速度Ｇを受けた状態では、弾性棒３がおもり４に
受ける力Ｆによって加速度Ｇと反対の方向に変位するよ
うになる。これによって、弾性棒３に固定されている屈
折部材４が加速度に応じた角度θだけ傾斜するようにな
る。この場合、傾斜角度θがラジアン値で示す場合に
「１」よりも小さい場合には、加速度Ｇと傾斜角度θと
は略比例関係にあると見なせるので、この傾斜角度θを
検出することができれば良い。

【００１８】いま、図４に示すように、透光板５が角度
θだけ傾斜した状態である場合を想定すると、ＬＥＤ６
からＰＳＤ７に向けて出力される光線Ｐが透光板５に入
射すると、図４に示すように、屈折によりその進行方向
が透光板５の内部側に曲げられ、この後、透光板５から
出射するときに再び屈折を起こして曲げられ、結局もと
のＬＥＤ６の出射方向と同じ方向に向けて光線Ｐが出射
されるようになる。このとき、透光板５を透過した光線
Ｐは、入射した光線Ｐに対して偏差距離δだけずれた位
置となる。

【００１９】したがって、透光板５の上面側で入射した
光線Ｐは各位置でその傾きに対応した方向に屈折して下
面側に透過するので、もとの構成Ｐとは同じ方向である
が光路は偏差距離δだけずれることになる。このこと
は、おもり４が加速度Ｇによって受ける力Ｆで弾性棒３
が変位した距離に対応させることができる。

【００２０】さて、上述した偏差距離δは、透光板５の
傾斜角度θ，厚さ寸法ｈおよび屈折率ｎの値から、次式
（１）のように計算することができる。すなわち、屈折
の法則にしたがって、光線Ｐの透光板５内部での進行方
向を求め、透光板５内から出る位置を計算することによ
り偏差距離δを求めることができる。

【００２１】

【数１】

【００２２】ここで、透光板５の傾斜角度θの範囲が小
さい場合を想定すると、次の近似を行うことができる。
すなわち、傾斜角度θをラジアン値に変換したときにそ
の値が「１」よりも十分に小さいときには、 sinθの値
はθの値と略等しいと仮定することができ、 cosθの値
は略「１」と仮定することができる。これによって、式
（１）のように示された偏差距離δの値は、次式（２）
のように簡略化した式で示すことができ、この結果、偏
差距離δの値は角度θに比例する値であることがわか
る。

【００２３】

【数２】

【００２４】これにより、上述の傾斜角度θの範囲が小
さい条件においては、偏差距離δが検出できれば、これ
に比例した値として透光板５の傾斜角度θが検出でき
る。さて、この偏差距離δの値はＰＳＤ７から得られる
信号がｘ方向およびｙ方向に対する偏差データであるか
ら、これらｘ，ｙの値から次式（３）のように計算する
ことができる。また、操作方向を示す角度αの値につい
ては、同様にしてｘ，ｙの値から演算により次式（４）
のように求めることができる。

【００２５】

【数３】

【００２６】この場合において、式（４）中の角度αの
値は、ｘおよびｙの値の取る範囲に対応して、次のよう
な対応関係となる。

【００２７】

【数４】

【００２８】次に、ＰＳＤ７による入射光の受光位置を
示す上述のｘ，ｙの信号を得るための算出について説明
する。すなわち、ＰＳＤ７は、ＰＩＮ構造を有するフォ
トダイオードであり、このフォトダイオードの受光面に
おいて入射された光により光電流が生成されると、受光
面内を流れて電極Ｘ１，Ｘ２およびＹ１，Ｙ２から外部
に出力されるようになる。このとき、表面分割形である
ＰＳＤ７においては、次式（５）および（６）によりｘ
方向の信号とｙ方向の信号とを得ることができるように
なっている。

【００２９】

【数５】

【００３０】なお、上式（５）および（６）において、
式中の分数で示す部分の分母に相当する値（Ｘ１＋Ｘ
２）および（Ｙ１＋Ｙ２）で示す受光量の値は、受光レ
ベルが常に一定の値となるように電流調整回路１６によ
りＬＥＤ６への電流を調整するようになっているので、
定数として扱っても差支えないことになるから、検出回
路においては、減算回路１３および１５の各出力がその
ままｘおよびｙの検出信号として出力されるようになっ
ている。

【００３１】このような構成とすることにより、得られ
たｘ方向の信号およびｙ方向の信号に基づいて上述した
式（１）〜（４）で示す関係を利用して弾性棒３の先端
部が移動した変位量と変位方向に相当する検出信号とし
て偏差距離δおよび変位方向αの値を得ることができる
ようになる。

【００３２】このような本実施例によれば、加速度Ｇを
おもり４に受ける力Ｆによって弾性棒３を変位させ、こ
れによって傾斜する透光板５の傾斜に応じてＬＥＤ６か
らの光を屈折させてＰＳＤ７への受光位置を変化させる
ようにしたので、簡単な構成としながら二次元的な変位
位置を高精度で検出することができる。また、この構成
によれば、ＰＳＤ７の受光位置をピンホール等の移動に
より変化させるものに比べて位置合わせが不要となるの
で、組み立ての作業性が向上すると共に、検出精度の向
上も図れる。

【００３３】図６は本発明の第２の実施例を示すもの
で、第１の実施例と異なるところは、作用部材としての
弾性棒３に代えて剛性を有する作用棒材１８を用い、球
状に形成したその基端部１８ａを外ケース１９内の上面
に設けた凹部１９ａにはめ込むことにより回動可能に保
持させたところである。また、作用棒材１８の先端部１
８ｂには、基板１の上面との間を連結するようにねじり
コイルばね２０が接続されており、先端部１８ｂを所定
位置に付勢している。

【００３４】上記構成によれば、おもり４が加速度Ｇに
よる力Ｆを受けると、作用棒材１８は力Ｆを受けた方向
に凹部１９ａを回動中心として回動することになる。こ
のとき、透光板５の傾斜角度θは、第１の実施例と同様
に、加速度Ｇに略比例した大きさとして得られるように
なる。したがって、このような第２の実施例によっても
第１の実施例と同様の効果を得ることができる。

【００３５】図７および図８は本発明の第３の実施例を
示すもので、以下、第１の実施例と異なる部分について
説明する。すなわち、ＰＳＤ２１は、改良表面分割形の
ものであり、図７に示すように、４つの出力端子Ａ〜Ｄ
は受光面の四隅に設けられており、このような構成上の
相違から検出手段としての電気的構成についても図８に
示すように変更される部分がある。

【００３６】図８において、ＰＳＤ２１の四隅に設けら
れた出力端子Ａ〜Ｄは、それぞれ電圧変換回路２２〜２
５に接続され、ＰＳＤ２１から電流信号として出力され
る信号を電圧信号に変換するようになっている。４個の
加算回路２６〜２９において、加算回路２６の加算入力
は電圧変換回路２４および２５とされ、加算回路２７の
加算入力は電圧変換回路２２および２３とされ、加算回
路２８の加算入力は電圧変換回路２２および２５とさ
れ、加算回路２９の加算入力は電圧変換回路２３および
２４とされている。

【００３７】加算回路２６および２７の加算出力は減算
回路３０の減算入力とされ、加算回路２８および２９の
加算出力は減算回路３１の減算入力とされると共に加算
回路３２の加算入力とされる。加算回路３２の加算出力
は電流調整回路１７を介してＬＥＤ６に接続されてい
る。減算回路３０および３１の減算出力はｘ方向検出信
号およびｙ方向検出信号として外部に出力可能な構成と
される。

【００３８】上記構成によれば、第１の実施例と同様に
して受光動作を行うと、このときＰＳＤ２１の四隅に設
けられた電極Ａ〜Ｄから出力される受光信号に基づいて
検出回路においては、次のようにしてｘ方向およびｙ方
向の検出信号を得ることができるようになる。なお、こ
こでは電極Ａ〜Ｄから出力される電流信号の大きさを電
圧変換回路２２〜２５にて電圧信号に変換したときの値
を、それらの符号と同じ符号Ａ〜Ｄとして示すことにす
る。

【００３９】まず、ｘ方向に対応して、加算回路２４に
おいて（Ｃ＋Ｄ）が演算され、加算回路２７において
（Ａ＋Ｂ）が演算される。これらは、ｘ方向に対する正
および負の信号に対応しており、これらの差を減算回路
３０にて演算すると、ｘ方向に対応する信号［（Ｃ＋
Ｄ）−（Ａ＋Ｂ）］として得ることができる。また、ｙ
方向に対応して、加算回路２８において（Ａ＋Ｄ）が演
算され、加算回路２９において（Ｂ＋Ｃ）が演算され
る。これらはｙ方向に対する正および負の信号に対応し
ており、これらの差を減算回路３１にて演算すると、ｙ
方向に対応する信号［（Ａ＋Ｄ）−（Ｂ＋Ｃ）］として
得ることができる。

【００４０】このようにして得られたｘ方向およびｙ方
向に対応する検出信号を全電流値に相当する（Ａ＋Ｂ＋
Ｃ＋Ｄ）で割算処理を行うことにより、ｘ方向およびｙ
方向の検出信号として得ることができるようになる。こ
のような演算処理は、検出回路において、次式（５），
（６）に示すような演算処理を行うことになる。すなわ
ち、ｘ方向の検出信号は受光面の一辺の長さをＬとした
ときに式（５）のようにして得ることができ、ｙ方向の
検出信号は同様に式（６）のようにして得ることができ
るのである。

【００４１】

【数６】

【００４２】なお、実際の検出回路においては、加算回
路３２において全出力の加算値（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）を演
算し、この値が一定となるように電流調整回路１７にて
ＬＥＤ６に対する通電電流を制御しているので、この全
電流を示す値については定数と見なすことができるよう
になり、実質的には割算処理をしなくともｘ方向および
ｙ方向の検出信号として得ることができるようになる。
したがって、このような第３の実施例によっても第１の
実施例と同様の効果を得ることができる。

【００４３】本発明は、上記実施例にのみ限定されるも
のではなく、次のように変形または拡張できる。ＰＳＤ
は両面分割形などの他のタイプのものを用いても良い。
また、位置検出素子として、ＰＳＤ以外にＣＣＤを用い
ることもできる。屈折部材は光が透過可能であればガラ
スや樹脂などなんでも良い。投光素子はレーザを用いて
も良い。投光素子により発する光は、可視光でも赤外光
でも良い。

【００４４】

【発明の効果】請求項１記載の加速度検出器によれば、
透光性材料を所定厚さ寸法の平板状に形成した屈折部材
を作用部材に保持させるようにして、これを所定の二次
元平面内に作用する加速度に応じた角度に変位させるよ
うに構成し、投光素子と位置検出素子とによりその変位
量と変位方向とを検出するようにしたので、簡単な構成
としながら高精度で二次元方向の加速度の大きさと方向
を検出することができ、組み立ての作業性の向上も図る
ことができるようになる。

【００４５】請求項２記載の加速度検出器によれば、作
用部材を棒状の弾性材料から構成することにより、その
弾性復帰力を利用して加速度に応じた変位と復帰により
簡単な構成としながら高精度で加速度の検出を行うこと
ができる。

【００４６】請求項３記載の加速度検出器によれば、作
用部材を棒状の剛性材料から構成したので、加速度に応
じた力で作用部材を変位させることができ、簡単な構成
で加速度の検出を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す縦断側面図

【図２】横断平面図

【図３】電気的構成図

【図４】透光板を透過する光線の奇跡を示す作用説明図

【図５】ＰＳＤの受光面と受光位置を示す作用説明図

【図６】本発明の第２の実施例を示す図１相当図

【図７】本発明の第３の実施例を示す図５相当図

【図８】図３相当図

【符号の説明】

１は基板、２は外ケース、３は弾性棒（作用部材）、４
はおもり、５は透光板（屈折部材）、６はＬＥＤ（透光
素子）、７，２１はＰＳＤ（位置検出素子）、８〜１
１，２２〜２５は電圧変換回路、１２，１４，１６，２
６〜２９，３２は加算回路、１３，１５，３０，３１は
減算回路、１７は電流調整回路、１８は作用棒（作用部
材）、１９は外ケース、１９ａは凹部、２０はねじりコ
イルばねである。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 透光性材料を所定厚さ寸法の平板状に形
   成した屈折部材と、 この屈折部材を保持した状態で所定の二次元平面内に作
   用する加速度に応じた角度に変位する作用部材と、 前記屈折部材の面に向けて所定角度から投光する投光素
   子と、 この投光素子と前記屈折部材を挟んで対向する位置に配
   置され、前記投光素子から前記屈折部材を介して入射す
   る光を受けてその受光位置に応じた受光信号を出力する
   位置検出素子と、 この位置検出素子からの受光信号に基づいて前記屈折部
   材の変位量と変位方向に対応した信号を検出して二次元
   平面内の加速度を検出する検出手段とを具備したことを
   特徴とする加速度検出器。
2. 【請求項２】 前記作用部材は、棒状をなす弾性材料か
   らなり、その基端部が支持体に固定されていることを特
   徴とする請求項１記載の加速度検出器。
3. 【請求項３】 前記作用部材は、棒状をなす剛性材料か
   らなり、支持体に対して基端部を支点として回動可能に
   支持されていることを特徴とする請求項１記載の加速度
   検出器。