(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
球面状あるいは放物面状の凹面を有する透明基台と、
前記透明基台の凹面上に移動自在に配置された非透明なボールと、
前記透明基台の凹面側またはその反対側に設けられ、前記透明基台に対して平行光線を発する平面型光源と、
前記平面型光源に対向して設けられ、前記平面型光源から発せられ、前記透明基台を透過し、前記ボールが存在する部分以外を通過した前記平行光線を受光する２次元フォトセンサアレイと、
を具備し、前記２次元フォトセンサアレイの受光面上に形成される、前記ボールの存在位置に応じた像の位置の検出に応じて、前記ボールの位置を検出することを特徴とする重力利用のセンサ。
【請求項２】
請求項１記載の重力利用のセンサと、
前記２次元フォトセンサアレイからの出力信号に基づいて所定時間間隔で前記ボールの基準位置からの移動量を求め、この移動量から前記センサの傾斜角度を算出する傾斜角度算出手段と、
を具備することを特徴とする重力利用のセンサを用いたシステム。
【請求項３】
請求項１記載の重力利用のセンサと、
前記２次元フォトセンサアレイからの出力信号に基づいて所定時間間隔で前記ボールの基準位置からの移動量を求め、この移動量から前記センサの加速度を算出する加速度算出手段と、
を具備することを特徴とする重力利用のセンサを用いたシステム。
【請求項４】
請求項１記載の重力利用のセンサと、
前記ボールの基準位置および前記ボールの移動位置をその時の時間と関連づけて記憶する記憶手段と、
前記記憶手段に記憶された記憶内容から前記センサの姿勢情報または運動情報を算出する情報算出手段と、
を具備することを特徴とする重力利用のセンサを用いたシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は重力利用のセンサおよびそれを用いたシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ロボット、車輌、船舶、航空機等の姿勢情報や運動情報を検出する場合、ジャイロスコープや極めて高精度な加速度センサを用いている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来では、ロボット、車輌、船舶、航空機等の姿勢情報や運動情報を検出する場合、ジャイロスコープや極めて高精度な加速度センサを必要とし、これらセンサが高価であるという問題があった。また、これらセンサの占めるスペースが大きく、したがって小型のものに装着することができないという問題があった。さらに、これらセンサは、姿勢情報または運動情報検出専用であり、両情報を一つのセンサで検出することができないという問題があった。この発明の目的は、安価で小型化することのできる重力利用のセンサおよびそれを用いたシステムを提供することにある。また、この発明の他の目的は、姿勢情報と運動情報の両情報を一つのセンサによって検出することのできる重力利用のセンサおよびそれを用いたシステムを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の重力利用のセンサは、重力を利用した位置情報を電気信号として取り出すために、透明基台の球面状あるいは放物面状の凹面上に移動自在に配置された非透明なボールの位置を、平面型光源から発せられ、透明基台を透過した平行光線を２次元フォトセンサアレイで受光した際、影として検出するようにしたものである。請求項２記載のシステムは、請求項１記載の重力利用のセンサの２次元フォトセンサアレイからの出力信号に基づいて所定時間間隔でボールの基準位置からの移動量を求め、この移動量からセンサの傾斜角度を算出するようにしたものである。請求項３記載のシステムは、請求項１記載の重力利用のセンサの２次元フォトセンサアレイからの出力信号に基づいて所定時間間隔でボールの基準位置からの移動量を求め、この移動量からセンサの加速度を算出するようにしたものである。請求項４記載のシステムは、請求項１記載の重力利用のセンサのボールの基準位置および該ボールの移動位置をその時の時間と関連づけて記憶し、この記憶内容からセンサの姿勢情報または運動情報を算出するようにしたものである。
【０００５】
【作用】
請求項１〜３記載の発明によれば、少なくとも透明基台、非透明なボール、平面型光源、２次元フォトセンサアレイ、２次元フォトセンサアレイからの出力信号に基づいて所定の演算を行う演算部を備えればよく、したがって安価で小型化することができる。また、請求項４記載の発明によれば、センサの姿勢情報または運動情報を検出することができるので、姿勢情報と運動情報の両情報を一つのセンサによって検出することができる。
【０００６】
【実施例】
図１はこの発明の一実施例における重力利用のセンサの要部を示したものである。このセンサは、アクリル樹脂やガラス等からなる透明基台１を備えている。透明基台１の上面はＯ点を中心とする球面状（あるいは放物面状）の凹面２とされ、下面は平坦面とされている。透明基台１の凹面２上には、表面張力により球状となった水銀、金や銀等の金属、樹脂等に金属メッキしたもの等からなる非透明なボール３が移動自在に配置されている。透明基台１上には平面型光源４が設けられ、下には２次元フォトセンサアレイ５が設けられ、この状態で樹脂製のケース６によって一体化されている。このうち平面型光源４は、ＥＬや平面型ＦＬ等からなり、下方に向かって平行光線を発するようになっている。２次元フォトセンサアレイ５は、フォトダイオード、ＭＯＳ型フォトトランジスタ、ＣＣＤ等からなり、平面型光源４から発せられた後透明基台１を透過した平行光線を受光するようになっている。この場合、ボール３が影として捕らえられ、この影の位置（Ｘ、Ｙ）がボール３の位置として２次元フォトセンサアレイ５からイメージ情報として出力される。なお、透明基台１の凹面２と平面型光源４との間の空間は大気圧、真空のいずれであってもよく、また透明な液体を充填しておいてもよい。
【０００７】
次に、図２はこのセンサの回路構成の概略を示したものである。制御部１１はこのセンサの全体の回路制御を行うためのものである。この制御部１１には２次元フォトセンサアレイ５、操作パネル入力部１２、Ａ／Ｄ変換部１３、タイミング発生回路１４、メモリ部１５、演算部１６、表示部１７等が接続されている。このうち操作パネル入力部１２は、スタートボタン、ボール基準位置（Ｘ0、Ｙ0）設定用ボタン等を備えている。Ａ／Ｄ変換部１３は、２次元フォトセンサアレイ５からアンプ１８を介してのイメージ情報を、タイミング発生回路１４で発生されるタイミングでＡ／Ｄ変換し、所定時間ｔごとにその時のボール３の移動位置データ（Ｘ1、Ｙ1）（Ｘ2、Ｙ2）……（Ｘn-1、Ｙn-1）（Ｘn、Ｙn）をメモリ部１５に送出するものである。メモリ部１５は、ボール３の基準位置データ（Ｘ0、Ｙ0）および測定時間間隔ｔごとにＡ／Ｄ変換部１３から送出されたボール３の移動位置データ（Ｘ1、Ｙ1）（Ｘ2、Ｙ2）……（Ｘn-1、Ｙn-1）（Ｘn、Ｙn）を記憶する一方、その他の処理データの一時的な記憶を行うものである。演算部１６は、メモリ部１５から呼び出したデータに基づいて所定の演算を行い、その演算データをメモリ部１５に送出するものである。表示部１７は、メモリ部１５から呼び出したデータに基づいて所定の表示を行うものである。
【０００８】
次に、このセンサで傾斜角度を検出する場合について、図３を参照しながら説明する。今、このセンサが水平な状態にあり、図３において実線で示すように、ボール３が自重により凹面２の中心に位置しているとする。そして、操作パネル入力部１２のボール基準位置（Ｘ0、Ｙ0）設定用ボタンを一時的にオンの状態とする。すると、平面型光源４に電圧Ｖccが印加され、平面型光源４から平行光線が発せられ、この平行光線のうちボール３によって遮光された部分以外の平行光線が透明基台１を透過して２次元フォトセンサアレイ５に照射され、ボール３の位置が影として２次元フォトセンサアレイ５に捕らえられる。そして、２次元フォトセンサアレイ５からボール３の基準位置情報（Ｘ0、Ｙ0）を含むイメージ情報がアンプ１８を介してＡ／Ｄ変換部１３に送出され、Ａ／Ｄ変換されたボール３の基準位置データ（Ｘ0、Ｙ0）がメモリ部１５に記憶される。
【０００９】
次に、操作パネル入力部１２のスタートボタンをオンの状態とする。そして、センサが傾斜すると、ボール３が自重により所定の方向に、例えば図３において点線で示すように、移動する。このとき、Ａ／Ｄ変換部１３は、２次元フォトセンサアレイ５からアンプ１８を介してのイメージ情報を、タイミング発生回路１４で発生されるタイミングでＡ／Ｄ変換し、所定時間ｔごとにその時のボール３の移動位置データ（Ｘ1、Ｙ1）（Ｘ2、Ｙ2）……（Ｘn-1、Ｙn-1）（Ｘn、Ｙn）をメモリ部１５に記憶させる。演算部１６は、所定時間ｔごとに、メモリ部１５に記憶されたボール３の基準位置データ（Ｘ0、Ｙ0）および最新のボール３の移動位置データ（Ｘ、Ｙ）を呼び出し、所定の演算を行う。
【００１０】
この場合の演算は、例えばボール３が図３において点線で示す位置に移動したとすると、まず、この位置に対応するボール３の移動位置データ（Ｘ、Ｙ）およびボール３の基準位置データ（Ｘ0、Ｙ0）を呼び出し、両データの差（ΔＸ、ΔＹ）を求める。この場合、例えば図３において右側に移動する場合をプラスとし、左側に移動する場合をマイナスとしておくと、ΔＸ（またはΔＹ）はプラスとなる。このプラス・マイナスによってボール３がどの方向に移動したか、つまりセンサがどの方向に傾斜したかが判定されることになる。そして、ΔＸとΔＹのベクトル（ΔＸＹとする）を求めると、前後左右のどの方向に傾斜しているかが求められる。また、ΔＸＹは実際のボール３が凹面２に沿って移動した移動量とほぼ同じであるので、ボール３の中心からＯ点までの距離をＲとすると、このときの傾斜角度θ＝ΔＸＹ／Ｒが求められる。そして、傾斜角度データとしてΔＸＹとΔＸＹ／Ｒのデータがメモリ部１５に記憶される。この傾斜角度データは所定時間ｔごとに書き換えられる。そして、表示部１７は、所定時間ｔごとに、メモリ部１５から傾斜角度データを呼び出し、この呼び出した傾斜角度データに基づいて所定の表示を行う、例えば前後左右のどの方向にどの程度傾斜しているかを数値等によって表示する。
【００１１】
次に、このセンサで加速度を検出する場合について、図４を参照しながら説明する。この場合、センサの傾斜角度が変動しないとし、一例として、センサが水平な状態にある場合について説明する。まず、上述した傾斜角度検出の場合と同様に、操作パネル入力部１２のボール基準位置（Ｘ0、Ｙ0）設定用ボタンを一時的にオンの状態とし、図４において実線で示す位置にあるボール３の基準位置データ（Ｘ0、Ｙ0）をメモリ部１５に記憶させる。
【００１２】
次に、操作パネル入力部１２のスタートボタンをオンの状態とする。そして、センサに加速度が加わると、ボール３が所定の方向に、例えば図４において点線で示すように、移動する。このとき、上述した傾斜角度検出の場合と同様に、２次元フォトセンサアレイ５からのイメージ情報に基づいて、所定時間ｔごとにその時のボール３の移動位置データ（Ｘ1、Ｙ1）（Ｘ2、Ｙ2）……（Ｘn-1、Ｙn-1）（Ｘn、Ｙn）をメモリ部１５に記憶させる。演算部１６は、所定時間ｔごとに、メモリ部１５に記憶されたボール３の基準位置データ（Ｘ0、Ｙ0）および最新のボール３の移動位置データ（Ｘ、Ｙ）を呼び出し、所定の演算を行う。
【００１３】
この場合の演算は、例えばボール３が図４において点線で示す位置に移動したとすると、まず、この位置に対応するボール３の移動位置データ（Ｘ、Ｙ）およびボール３の基準位置データ（Ｘ0、Ｙ0）を呼び出し、両データの差（ΔＸ、ΔＹ）を求める。この場合も、例えば図３において右側に移動する場合をプラスとし、左側に移動する場合をマイナスとしておくと、ΔＸ（またはΔＹ）はプラスとなる。このプラス・マイナスによってボール３がどの方向に移動したか、つまりセンサにどの方向の加速度が加わったかが判定されることになる。そして、ΔＸとΔＹのベクトル（ΔＸＹとする）を求める。次に、ΔＸＹは実際のボール３が凹面２に沿って移動した移動量とほぼ同じであるので、ボール３の中心からＯ点までの距離をＲとすると、このときのボール３の移動角度θ＝ΔＸＹ／Ｒが求められる。次に、加速度をａとし、ボール３の質量をｍとすると、加速度によりボール３に作用している力Ｆ1はｍａとなり、そのボール３が位置する凹面２の接線方向の分力Ｆ1′はｍａ・ｃｏｓθ（θ＝ΔＸＹ／Ｒ）となり、この分力Ｆ1′が重力Ｆ0＝ｍＧ（重力加速度）のボール３が位置する凹面２の接線方向の分力Ｆ0′＝ｍＧ・ｓｉｎθ（θ＝ΔＸＹ／Ｒ）と釣り合うことにより、加速度ａ＝Ｇ・ｔａｎθ（θ＝ΔＸＹ／Ｒ）が求められる。そして、加速度データとしてΔＸＹとＧ・ｔａｎθ（θ＝ΔＸＹ／Ｒ）のデータがメモリ部１５に記憶される。この加速度データは所定時間ｔごとに書き換えられる。そして、表示部１７は、所定時間ｔごとに、メモリ部１５から加速度データを呼び出し、この呼び出した加速度データに基づいて所定の表示を行う、例えば前後左右のどの方向にどの程度の加速度が加わっているかを数値等によって表示する。
【００１４】
次に、このセンサで加速度が加わっている状態における傾斜角度を検出する場合について、図５を参照しながら説明する。この場合も、当初センサが水平な状態にあるとする。そして、上述した傾斜角度検出の場合と同様にして、当初図５において実線で示す位置に位置していたボール３が同図において点線で示す位置に移動したとき、そのときの加速度を含む傾斜角度データとしてΔＸＹとθ＝ΔＸＹ／Ｒを算出してメモリ部１５に記憶させる。また、このとき、このセンサにΔＸ′Ｙ′方向の加速度ａ′が加わっているとすると、これを図示しない通常の加速度センサを用いて検出し、加速度データとしてΔＸ′Ｙ′とａ′をメモリ部１５に記憶させる。そして、演算部１６は、所定時間ｔごとに、メモリ部１５に記憶された加速度を含む傾斜角度データΔＸＹとθ＝ΔＸＹ／Ｒおよび加速度データΔＸ′Ｙ′とａ′を呼び出し、前者から後者を引算することになる。例えば、加速度が加わっていない場合、ボール３が図５において二点鎖線で示す位置に位置するとすると、加速度を含む場合の傾斜角度θから加速度による傾斜角度θ1を引算すると、実際の傾斜角度θ2が求められることになる。
【００１５】
なお、加速度を伴わないものの場合には、傾斜角度のみを測定するようにしてもよい。また、傾斜角度が変動しないものの場合には、加速度のみを測定するようにしてもよい。また、運動情報としては、加速度のほかに、速度を測定することもできる。また、運動方向が一定である場合には、一次元フォトセンサアレイを用いるようにしてもよい。さらに、透明基台１の凹面２側にフォトセンサアレイを設け、その反対側に光源を設けるようにしてもよい。
【００１６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１〜３記載の発明によれば、少なくとも透明基台、非透明なボール、平面型光源、２次元フォトセンサアレイ、２次元フォトセンサアレイからの出力信号に基づいて所定の演算を行う演算部を備えればよく、したがって安価で小型化することができる。また、請求項４記載の発明によれば、センサの姿勢情報または運動情報を検出することができるので、姿勢情報と運動情報の両情報を一つのセンサで検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例における重力利用のセンサの要部の断面図。
【図２】このセンサの回路構成の概略図。
【図３】このセンサで傾斜角度を検出する場合を説明するために示す図。
【図４】このセンサで加速度を検出する場合を説明するために示す図。
【図５】このセンサで加速度が加わっている状態における傾斜角度を検出する場合を説明するために示す図。
【符号の説明】
１  透明基台
２  凹面
３  ボール
４  平面型光源
５  ２次元フォトセンサアレイ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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