JPH1163981A

JPH1163981A - 光学式センサ

Info

Publication number: JPH1163981A
Application number: JP22765797A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Oishi; 宏明大石; Hajime Yano; 肇矢野
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1997-08-25
Filing date: 1997-08-25
Publication date: 1999-03-05

Abstract

(57)【要約】【課題】小型化が容易で、低コストであり、任意方向
の傾斜などを簡単に検出することができる、光学式セン
サを提供する。【解決手段】発光素子（ＬＥＤ）１１と受光素子１２
とを、発光素子の光軸と受光素子の受光面の中心が一致
するように対向配設すると共に、発光素子と受光素子の
中間に配設した支承部材１１ｃに、発光素子の光軸と中
心軸が一致するように、母線の仰角αで、円錐形の凹部
１１ｔを形成し、移動自在に球体１３を支承して、傾斜
センサ１０を構成する。受光素子の４個のフォトダイオ
ード１２ａ〜１２ｄの受光面は、発光素子の光軸とそれ
ぞれ垂直な、Ｘ軸およびＹ軸に関して対称に配列され、
母線の仰角を越える角度βでセンサが傾くと、球体が最
大傾斜方向に移動し、その射影が受光面上で移動して、
各フォトダイオードの受光量が変化するので、各フォト
ダイオードの受光量に基づいて、最大傾斜方向を演算す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えば、傾斜の
検出に好適な、光学式センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、高精度に傾斜を検出するものとし
て、錘が垂直を維持する振子式傾斜計や、液体中の浮子
の浮力を利用した浮子式傾斜計がある。慣性体の支持に
は、スプリングサスペンシヨンやピボットサスペンシヨ
ン等が用いられ、マグネットと磁気抵抗素子の組み合わ
せ等により、角度情報をアナログ出力していた。

【０００３】また、それほど精度を要求しない用途に
は、ある角度を超えると作動する水銀スイッチが使われ
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述のような、従来の
高精度の傾斜計は、構造上、小型化が難しく、また高価
であるため、民生用途には使われていなかった。

【０００５】一方、水銀スイッチにおける、水銀の使用
は、環境上好ましいものではなく、代替品も開発されて
いないので、新規製品への採用は難しい状況にある。

【０００６】さらに、従来の傾斜計や水銀スイッチはい
ずれも１軸であるため、任意の方向の傾きを知るには、
２個の傾斜計や水銀スイッチを直角方向に組み合わせる
必要があり、形状が大型化すると共に、コスト高となる
という問題もあった。

【０００７】かかる点に鑑み、この発明の目的は、小型
化が容易で、低コストであり、任意方向の傾斜などを簡
単に検出することができる、光学式センサを提供すると
ころにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、請求項１の発明による光学式センサは、発光素子
と、この発光素子の光軸上に受光部の中心が位置するよ
うに対向して配設された受光素子と、上記発光素子およ
び受光素子の中間に配設されて、上記光軸と中心軸が一
致するように回転凹面を形成した透明な支承部材と、上
記回転凹面内で移動自在に支承される不透明な球体とを
備えるものである。

【０００９】かかる構成の請求項１の発明による光学式
センサにおいては、任意方向のセンサの傾きまたは加速
度による球体の移動に伴って、その射影が受光部上で移
動することにより、受光部の受光量が変化し、この受光
量の変化に基づいて、任意方向の傾きまたは加速度の検
出が可能となる。

【００１０】また、請求項２の発明による光学式センサ
は、請求項１の光学式センサにおいて、上記回転凹面が
円錐面であることを特徴とするものである。

【００１１】かかる構成の請求項２の発明による光学式
センサにおいては、傾斜センサに適用した場合、任意方
向の傾きが母線の仰角を越えたときに、球体が移動し
て、受光部の受光量が変化し、この受光量の変化に基づ
いて、任意方向の傾きの検出が可能となる。

【００１２】また、加速度計に適用した場合には、任意
方向の加速度に比例して球体が移動して、精度のよい計
測が可能となる。

【００１３】また、請求項３の発明による光学式センサ
は、請求項１の光学式センサにおいて、上記回転凹面が
半球面であることを特徴とするものである。

【００１４】かかる構成の請求項３の発明による光学式
センサにおいては、傾斜計に適用した場合、傾きの大小
に応じて、球体の移動量が変化し、任意方向の傾斜角の
計測が可能となる。

【００１５】また、加速度計に適用した場合には、任意
方向の加速度の広範囲にわたる計測が可能となる。

【００１６】また、請求項４の発明による光学式センサ
は、請求項１の光学式センサにおいて、上記受光素子
が、上記中心を通り互いに直交する２軸に関して対称な
４つの受光部を有することを特徴とするものである。

【００１７】かかる構成の請求項４の発明による光学式
センサにおいては、傾斜計に適用した場合、傾斜の方向
および傾斜角の計測が可能となる。

【００１８】また、加速度計に適用した場合には、加速
度および加速方向の計測が可能となる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、図１〜図３を参照しなが
ら、この発明による光学式センサを傾斜センサに適用し
た第１の実施の形態について説明する。

【００２０】［第１の実施の形態の構成］この発明の第
１の実施の形態の全体の構成を図１に示し、その要部の
構成を図２に示す。

【００２１】図１の傾斜センサ１０においては、発光ダ
イオード１１と受光素子１２とが、発光ダイオード１１
の光軸上に受光素子１２の受光面（１２ａ，１２ｂな
ど）の中心が位置するように、対向して配設される。

【００２２】発光ダイオード１１の透明材からなるケー
ス１１ｃの上面には、発光ダイオード１１の光軸と中心
軸が一致するように、円錐形の凹部１１ｔが、母線の仰
角をαとして形成される。そして、この凹部１１ｔに、
例えば、鋼からなる球体１３が収納された後、ホルダ１
４を介して、発光ダイオード１１と受光素子１２とが機
械的に結合される。

【００２３】図２に示すように、この実施の形態の受光
素子１２は、４個のフォトダイオード１２ａ，１２ｂ，
１２ｃ，１２ｄから構成され、各フォトダイオード１２
ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの受光面が、直交するＸ軸
およびＹ軸に関して対称に、２行２列に配列される。そ
して、各フォトダイオード１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１
２ｄの出力信号Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄが演算回路２０
に供給されて、演算回路２０からは１対の出力信号Ｓ
ｘ，Ｓｙが導出される。

【００２４】図３に示すように、この演算回路２０は、
４個のフォトダイオード１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２
ｄに対応する４個の前置増幅回路２１ａ，２１ｂ，２１
ｃ，２１ｄと、これらの増幅回路２１ａ〜２１ｄの出力
が供給される１対の出力増幅回路２２ｘ，２２ｙとから
構成される。

【００２５】フォトダイオード１２ａ，１２ｂ，１２
ｃ，１２ｄの出力信号Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄは、それ
ぞれ対応する増幅回路２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ
の反転入力端子に供給される。

【００２６】第１の増幅回路２１ａの出力は、抵抗器Ｒ
１を通じて、他方の出力増幅回路２２ｙの非反転入力端
子に供給されると共に、抵抗器Ｒ７を通じて、一方の出
力増幅回路２２ｘの反転入力端子に供給される。

【００２７】また、第２の増幅回路２１ｂの出力は、抵
抗器Ｒ２を通じて、他方の出力増幅回路２２ｙの非反転
入力端子に供給されると共に、抵抗器Ｒ６を通じて、一
方の出力増幅回路２２ｘの非反転入力端子に供給され
る。

【００２８】そして、第３の増幅回路２１ｃの出力は、
抵抗器Ｒ３を通じて、他方の出力増幅回路２２ｙの反転
入力端子に供給されると共に、抵抗器５を通じて、一方
の出力増幅回路２２ｘの非反転入力端子に供給される。

【００２９】更に、第４の増幅回路２１ｄの出力は、抵
抗器Ｒ４を通じて、他方の出力増幅回路２２ｙの反転入
力端子に供給されると共に、抵抗器Ｒ８を通じて、一方
の出力増幅回路２２ｘの反転入力端子に供給される。

【００３０】こうして、１対の出力増幅回路２２ｘ，２
２ｙから得られる信号Ｓｘ，Ｓｙは、Ｓｘ＝（Ｓｂ＋Ｓｃ）−（Ｓｄ＋Ｓａ）Ｓｙ＝（Ｓａ＋Ｓｂ）−（Ｓｃ＋Ｓｄ）となる。

【００３１】［第１の実施の形態の傾斜検出］次に、図
１の実施の形態の傾斜検出について説明する。

【００３２】図１Ａに示すように、傾斜センサ１０が水
平に置かれているときは、球体１３が円錐形の凹部１１
ｔの底にあって、球体１３の中心が発光ダイオード１１
の光軸上に位置しているので、発光ダイオード１１から
の光が球体１３に遮られて、図２Ａに示すように、その
射影１３ｓは、受光素子１２の受光部の中央に位置す
る。

【００３３】これにより、各フォトダイオード１２ａ，
１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの受光量は等しくなり、各フォ
トダイオード１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの出力信
号Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄも等しくなって、演算回路２
０の出力信号Ｓｘ，Ｓｙは、Ｓｘ＝Ｓｙ＝０となる。

【００３４】また、図１Ｂに示すように、円錐形の凹部
１１ｔの母線の仰角αよりも大きい角度βだけ、傾斜セ
ンサ１０が傾けられたときには、球体１３が最大傾斜方
向に転がり、図２Ｂに示すように、その射影１３ｓは、
最大傾斜線を表す矢印Ｖｍ方向に移動する。

【００３５】これにより、各フォトダイオード１２ａ，
１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの受光量は異なり、各フォトダ
イオード１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの出力信号Ｓ
ａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄも異なって、演算回路２０の出力
信号Ｓｘ，Ｓｙは、それぞれ最大傾斜方向に対応した値
となり、両出力信号Ｓｘ，Ｓｙから最大傾斜方向が演算
できる。

【００３６】上述のように、第１の実施の形態では、円
錐形の凹部１１ｔで可動の球体１３を直接に支承すると
いう簡単な構成により、低コストかつ小型の傾斜センサ
を実現することができて、任意方向の所定値を越える傾
斜を容易に検出することができる。

【００３７】［第２の実施の形態］次に、図４を参照し
ながら、この発明による光学式センサを傾斜計に適用し
た第２の実施の形態について説明する。

【００３８】この発明の第２の実施の形態の構成を図４
に示す。この図４において、前出図１に対応する部分に
は同一の符号を付ける。

【００３９】図４の傾斜計１０Ｓにおいては、発光ダイ
オード１１と受光素子１２とが、発光ダイオード１１の
光軸上に受光素子１２の受光面（１２ａ，１２ｂなど）
の中心が位置するように、対向して配設される。

【００４０】発光ダイオード１１の透明材からなるケー
ス１１ｃの上面には、発光ダイオード１１の光軸と中心
軸が一致するように、半球形の凹部１１ｕが形成され
る。そして、この凹部１１ｕに、例えば、鋼からなる球
体１３が収納された後、ホルダ１４を介して、発光ダイ
オード１１と受光素子１２とが機械的に結合される。

【００４１】この実施の形態でも、受光素子１２は、前
出図２に示すように、４個のフォトダイオード１２ａ，
１２ｂ，１２ｃ，１２ｄから構成され、各フォトダイオ
ード１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの受光面が、直交
するＸ軸およびＹ軸に関して対称に、２行２列に配列さ
れる。

【００４２】図４Ａに示すように、傾斜計１０Ｓが水平
に置かれているときは、球体１３の中心が発光ダイオー
ド１１の光軸上に位置しているので、発光ダイオード１
１からの光が球体１３に遮られて、前出図２Ａに示すよ
うに、その射影１３ｓは、受光素子１２の受光部の中央
に位置する。

【００４３】また、図４Ｂおよび図４Ｃに示すように、
傾斜計１０Ｓが小さい角度θや大きい角度φに傾けられ
たときには、球体１３が傾斜方向に移動し、発光ダイオ
ード１１の光軸からの、球体１３の中心の移動量は、傾
斜角θ，φに応じて変わるので、前出図２Ｂに示すよう
な、球体１３の射影１３ｓの移動量も、傾斜角θ，φに
応じて変わり、所定の演算によって、傾斜角をも検知す
ることができる。

【００４４】上述のように、第２の実施の形態では、半
球形の凹部１１ｕで可動の球体１３を直接に支承すると
いう簡単な構成により、低コストかつ小型の傾斜計を実
現することができて、任意方向の傾斜角を容易に検知す
ることができる。

【００４５】［第３の実施の形態］上述の各実施の形態
では、発光ダイオード１１の透明材からなるケース１１
ｃの上面に、球体１３が収納される凹部１１ｔ，１１ｕ
を形成したが、図５に示すように、ホルダ１４の上面に
凹部１４ｔを形成してもよく、図示は省略するが、受光
素子側に球体が収納される凹部を形成してもよい。

【００４６】図５の傾斜センサ１０Ｗにおいては、発光
ダイオード１１と受光素子１２とが、フレキシブル印刷
配線板１５に取り付けられると共に、発光ダイオード１
１の光軸上に受光素子１２の受光面（１２ａ，１２ｂな
ど）の中心が位置するように、対向して配設される。

【００４７】適宜の透明材からなるホルダ１４の下部
に、発光ダイオード１１を収納するための凹部１４ｂが
形成されると共に、ホルダ１４の上面には、円錐形の凹
部１４ｔが形成される。

【００４８】そして、この凹部１４ｔの中心軸と発光ダ
イオード１１の光軸とが一致するように、ホルダ１４の
下部がフレキシブル印刷配線板１５に取り付けられ、ホ
ルダ１４の凹部１４ｔに、例えば、鋼からなる球体１３
が収納された後、ホルダ１４と受光素子１２とが機械的
に結合される。

【００４９】この実施の形態でも、受光素子１２は、前
出図２に示すように、４個のフォトダイオード１２ａ，
１２ｂ，１２ｃ，１２ｄから構成され、各フォトダイオ
ード１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの受光面が、直交
するＸ軸およびＹ軸に関して対称に、２行２列に配列さ
れる。

【００５０】そして、この実施の形態でも、前出図１の
実施の形態と同様に、円錐形の凹部１４ｔで可動の球体
１３を直接に支承するという簡単な構成により、低コス
トかつ小型の傾斜センサを実現することができて、任意
方向の所定値を越える傾斜を容易に検出することができ
る。

【００５１】また、発光ダイオード１１と受光素子１２
とを、フレキシブル印刷配線板１５上に取り付けること
により、電気的結線を簡単化することができる。

【００５２】［他の実施の形態］前述の各実施の形態で
は、前出図２に示すように、４個のフォトダイオード１
２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの受光面が、直交するＸ
軸およびＹ軸に関して対称に配列された、受光素子１２
を用いたが、傾斜方向を検知する必要がない場合には、
適宜サイズの単一の受光素子を発光ダイオードの光軸上
に配置することにより、水平時には、球体１３に遮られ
て、受光素子に光が当たらず、傾斜して球体１３が移動
すると光が当たるようになって、簡単に傾斜を検出する
ことができる。

【００５３】また、１軸のみの検出であれば、凹部を２
次元形状とすることにより、簡単に実現できる。この場
合、２次元形状を半円にすると共に、２個のフォトダイ
オードで球体の射影を受けることにより、傾斜角の検出
が可能となる。

【００５４】［更に他の実施の形態］前述の各実施の形
態では、この発明による光学式センサを傾斜センサおよ
び傾斜計に適用した場合について説明したが、この発明
による光学式センサを水平に保持しておけば、球体の慣
性力により、水平方向の加速度とその方向とを計測する
ことができる。

【００５５】なお、加速度計の場合、凹部が円錐形であ
るときは、球体の移動量が加速度に対して直線的とな
り、精度よく計測することができる。また、凹部が半球
形であるときには、広範囲の加速度を計測することがで
きる。

【００５６】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よれば、小型化が容易で、低コストであり、任意方向の
傾斜または加速度を簡単に検出することができる。

【００５７】また、請求項２の発明によれば、所定値を
越えた任意方向の傾斜を検出することができ、もしく
は、任意方向の加速度を精度よく計測することができ
る。

【００５８】そして、請求項３の発明によれば、任意方
向の傾斜角を計測することができ、もしくは、任意方向
の加速度を広範囲にわたって計測することができる。

【００５９】更に、請求項４の発明によれば、傾斜の方
向および傾斜角を計測することができ、もしくは、加速
度および加速方向を計測することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による光学式センサを傾斜センサに適
用した実施の形態の全体の構成を示す側面図である。

【図２】図１の実施の形態の要部の構成を示す概念図で
ある。

【図３】図１の実施の形態の説明のためのブロック図で
ある。

【図４】この発明による光学式センサを傾斜センサに適
用した他の実施の形態の構成を示す側面図である。

【図５】この発明による光学式センサを傾斜センサに適
用した他の実施の形態の構成を示す側面図である。

【符号の説明】

１０，１０Ｗ…傾斜センサ、１０Ｓ…傾斜計、１１…発
光ダイオード、１１ｔ，１１ｕ…凹部、１２…受光素
子、１２ａ〜１２ｄ…フォトダイオード、１３…球体、
１３ｓ…射影、１４…ホルダ、１４ｔ…凹部、１５…フ
レキシブル印刷配線板、２０…演算回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発光素子と、この発光素子の光軸上に受光部の中心が位置するように
対向して配設された受光素子と、上記発光素子および受光素子の中間に配設されて、上記
光軸と中心軸が一致するように凹面を形成した透明な支
承部材と、上記凹面内で移動自在に支承される不透明な球体とを備
える光学式センサ。
【請求項２】請求項１に記載の光学式センサにおいて、上記凹面が円錐面であることを特徴とする光学式セン
サ。
【請求項３】請求項１に記載の光学式センサにおいて、上記凹面が半球面であることを特徴とする光学式セン
サ。
【請求項４】請求項１に記載の光学式センサにおいて、上記受光素子が、上記中心を通り互いに直交する２軸に
関して対称な４つの受光部を有することを特徴とする光
学式センサ。
【請求項５】請求項１に記載の光学式センサにおいて、上記凹面が２次元曲面であることを特徴とする光学式セ
ンサ。
【請求項６】請求項５に記載の光学式センサにおいて、上記２次元曲面は半円形状面であることを特徴とする光
学式センサ。