(57)【要約】      （修正有）【課題】従来技術の光学式傾斜センサの構成では、微小な傾斜角の変化を検出しようとすれば、装置の小型化ができず、携帯用電子機器等にこの光学式傾斜センサを搭載することはできなかった。【解決手段】光学式傾斜センサにおいて、外部からの光を遮蔽するケースと、ケース内側に向けて光を出射する発光素子と、ケース内側で発光素子から出射される光の光量を検知する受光素子と、発光素子と受光素子との中心軸とほぼ直交する方向に設けられた回転軸と、回転軸に支持固定され、常に鉛直方向の姿勢を取る錘部材と、回転軸に連動して駆動する輪列機構と、輪列機構により得られる変換回転量に応じた位置で静止をし、発光素子から出射されて受光素子へ到達する光量を分離する光量分離手段とを備える構成とした。【選択図】図１（ａ）
2006078180.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学式傾斜センサにおいて、
外部からの光を遮蔽するケースと、
前記ケース内側に向けて光を出射する発光素子と、
前記ケース内側で前記発光素子から出射される光の光量を検知する受光素子と、
前記発光素子と前記受光素子との中心軸とほぼ直交する方向に設けられた回転軸と、
前記回転軸に支持固定され、常に鉛直方向の姿勢を取る錘部材と、
前記回転軸に連動して駆動する輪列機構と、
前記輪列機構により得られる変換回転量に応じた位置で静止をし、前記発光素子から出射されて前記受光素子へ到達する光量を分離する光量分離手段と、
を備えることを特徴とする光学式傾斜センサ。
【請求項２】
前記輪列機構は、前記ケースの外側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光学式傾斜センサ。
【請求項３】
前記光量分離手段は、所定の長さと幅を有する遮蔽板により構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光学式傾斜センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子と受光素子を用いて傾斜角を検出する光学式傾斜センサに関し、特に、受光素子に到達する光量を傾斜角に応じて変化させ、受光素子の出力から傾斜角を検出することができる光学式傾斜センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
傾斜センサは、自動車、船舶、建設機械等の各種装置や機器の姿勢を検知するうえで有効な機能部品である。近年、小型で安価な発光素子と発光素子の入手が可能になったことから、これら発光素子と受光素子を用いて傾斜角を検出することができる光学式傾斜センサが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
その機能と構成について図面に基づいて説明する。図５（ａ）は、従来の技術における光学式傾斜センサ１００の構造を示す断面図であり、図５（ｂ）は、この光学式傾斜センサ１００を所定の角度θだけ傾けて配置した場合の作用を説明するための図面である。
【０００４】
この従来技術における光学式傾斜センサ１００は、発光ダイオード１０１と、ピンホール部材１０２と、常に鉛直に位置する反射鏡１０３と、反射鏡の反射面を支持する回転軸１０４と、光点位置検出素子１０５とを備えている。
【０００５】
次に、図５（ｂ）を参酌して従来の技術における光学式傾斜センサの傾斜角検出作用を説明する。
従来の光学式傾斜センサ１００を構成する発光ダイオード１０１より発した光は、ピンホール部材１０２により細いビーム光に絞られ、反射鏡１０３で反射して光点位置検出素子１０５の受光面に当たる。また、反射鏡１０３は反射面を回転軸１０４により回転支持されており、その自重によって光学式傾斜センサ１００の傾斜角θに関わらず常に鉛直となる。そのため、ビーム光が反射鏡１０３で反射する際、光学式傾斜センサ１００のケースと水平面に生じた傾斜角θに応じて、ビーム光の入射角及び反射角が変化する。したがって、光点位置検出素子１０５の受光面に当たるビーム光の位置が変化することとなる。
【０００６】
この際、傾斜角をθ、反射鏡１０３と光点位置検出素子１０５の受光面との距離をＬ、光点位置検出素子１０５の受光面上のビーム光の当たる位置の変化量をＸとすると、下記に示す（１）式の関係から目的の傾斜角θを求めることができる。
【０００７】
【数１】
2006078180.tif 000003
【０００８】
この光学式傾斜センサ１００は、大型の高分解能なロータリーエンコーダを用いる測定方法と比較して、装置の小型化や低価格化には有利な構造である。
【０００９】
【特許文献１】特開平７−３１８３４４号公報（第２頁、第１−２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来の光学式傾斜センサ１００は、前述の構造及び検出作用から明らか
なように、微小な傾斜角の変化を検出しようとすれば、反射鏡１０３と光点位置検出素子１０５の受光面との距離Ｌを大きく取り、位置検出素子１０５上の光点位置変位Ｘを大きくする必要がある。また、位置分解能の高い位置検出素子１０５とするためには、必然的にこの位置検出素子１０５のサイズが大きくなり、装置の小型化や低価格化の利点は損なわれてしまう。
【００１１】
したがって、この光学式傾斜センサ１００を用いて、微小な傾斜角θの変化を検出しようとすると、装置自体のサイズが大きくなってしまい、例えば携帯用電子機器等にこのタイプの光学式傾斜センサ１００を搭載することはできなかった。
【００１２】
本発明の目的は、上記の課題を解決して、微小な角度変化の検出が可能な小型の光学式傾斜センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明の光学式傾斜センサは、基本的に下記記載の構成を採用するものである。
本発明の光学式傾斜センサは、外部からの光を遮蔽するケースと、ケース内側に向けて光を出射する発光素子と、ケース内側で発光素子から出射される光の光量を検知する受光素子と、発光素子と受光素子との中心軸とほぼ直交する方向に設けられた回転軸と、回転軸に支持固定され、常に鉛直方向の姿勢を取る錘部材と、回転軸に連動して駆動する輪列機構と、この輪列機構により得られる変換回転量に応じた位置で静止をし、発光素子から出射されて受光素子へ到達する光量を分離する光量分離手段とを備えることを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明の光学式傾斜センサは、前述した輪列機構が、ケースの外側に設けられていることを特徴とするものである。
【００１５】
さらに、本発明の光学式傾斜センサは、前述した光量分離手段が、所定の長さと幅を有する遮蔽板により構成されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の光学式傾斜センサによれば、従来の光学式傾斜センサでは達成できなかった、微小な角度変化の検出が可能となり、さらに小型で低価格な光学式傾斜センサとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下図面を参照しながら本発明の最適な実施の形態における傾斜角センサの構造と傾斜角検出作用および傾斜角検出方法について詳細に説明する。
［本発明の光学式傾斜センサの構成例]
まず、本発明における光学式傾斜センサの構成について説明する。
図１（ａ）は本発明の光学式傾斜センサ８を正面から見た構造断面図であり、図１（ｂ）は本発明の光学式傾斜センサ８を側面から見た構造断面図である。
【００１８】
図１（ａ）に示すように、本発明の光学式傾斜センサ８は、外光を遮蔽するためのケース１を有し、当該ケース１内部の底面に発光素子６を備え、上面には受光素子５ａと５ｂを備えている。なお、この発光素子６には、管球式光源、発光ダイオード（ＬＥＤ）、有機発光体（有機ＥＬ）等を用いることができ、受光素子５ａ，５ｂには、ＣｄＳセル、フォトダイオード等を用いることができる。この発光素子６中心は、ケース１の中心軸１３に合致するように設置され、受光素子５ａ，５ｂの設置位置はケース１の中心軸１３に対して対称になっている。さらに、発光素子６の電源端子と受光素子５ａ，５ｂの出力端子
はケース１外部に引き出されている。
【００１９】
なお、本図面においては、発光素子６を１つ、受光素子５ａ，５ｂを２つ設けた構成例を示したが、必ずしもこの形態に限定されるものではなく、受光素子の受光量を増やしたい場合は、２つの発光素子を受光素子５ａ，５ｂに対向させて配置する形態としても構わない。この様に、仕様用途に応じて発光素子と受光素子の数および配置の形態を決めればよい。
【００２０】
また、本発明の光学式傾斜センサ８には、ケース１の前面と背面に穴明け加工を施して、第一の回転軸２を設けるとともに、図１（ｂ）に示すように、当該第一の回転軸２には、所定の幅と厚みを有する光量分離手段３が回転支持された構成を採用している。
【００２１】
また、第一の回転軸２の一端はケース１外部に延長され、その端部に第一の歯車９が接合されている。さらに、ケース１の中心軸１３上で、第一の回転軸２と第一の歯車９の下方に第二の回転軸１１を設けるとともに、第二の回転軸１１の一端には第二の歯車１０を設けて第一の歯車９と噛み合わせている。これら第一の歯車９と第二の歯車１０により、輪列機構を構成する。この第一の歯車９と第二の歯車１０にそれぞれ設ける歯数を含めた機能および作用については後段で説明をする。
【００２２】
さらに、第二の歯車１０には適度の重量を有する錘１２が支持固定されており、ケース１が傾いた場合でも重力により第二の歯車１０が常に一定方向（鉛直方向）に位置するようにしてある。さらに、ケース１に傾斜与えられない状態で、錘１２と光量分離手段３が鉛直方向に位置するように第一の歯車９と第二の歯車１０を組み合わせている。
【００２３】
本発明の光学式傾斜センサ８においては、前述した第一，第二の歯車９，１０の歯数を任意に選定できるが、本発明の目的を達成するためには、第一の歯車９の歯数は第二の歯車１０の歯数より少なくして、第二の回転軸１１の回転角より第一の回転軸２の回転角が常に大きくなるようにするのが好ましい。例えば、第一の歯車９の歯数と第二の歯車１０の歯数の比を１：２程度に設定する。この様に構成すると、ケース１に与えられた傾斜角（中心軸１３と錘１２の成す角）が第一，第二の歯車９，１０の歯数比に応じて倍加されて第一の回転軸２に伝達される。つまり、歯数比を１：２とした場合は、ケース１に与えられた傾斜角の２倍の角度をもって、光量分離手段３を可動させることとなる。
【００２４】
また、光量分離手段３は、その可動範囲において、図１（ｂ）に示す様に、ケース１に接触しない程度になるべく大きくすることが好ましい。つまり、この光量分離手段３は、発光素子６から発光された光を図１（ａ）における左右の領域に光を分離する作用を有するので、漏れ光による受光素子５への検出感度の低下の影響をできるだけ抑えるためには、この様にケース１内部でできるだけ隙間のないように配置することが好ましい。
【００２５】
なお、図１（ａ）に示すように、光量分離手段３とケース１の傾斜により生じる最大測定角度を、ケース１の内壁に設けたストッパー４によって規制することができる。
【００２６】
以上の構成を採用することで、本発明の光学式傾斜センサ８は、ケース１に傾きが生じていない状態では、光量分離手段３はケース１の中心軸１３上に位置しており、発光素子６から発光した光は光量分離手段３の左右で均等に分離されて、受光素子５ａ，５ｂに同一光量の光が入射することとなる。したがって、受光素子５ａ，５ｂにフォトダイオード等を用いれば入射光量に応じた、各々の受光素子５ａ，５ｂについて等しい出力電圧を得ることができる。
【００２７】
一方、ケース１が傾いた状態では、発光素子６から出射された光は、常に鉛直方向の姿
勢を取る錘１２と、ケース１の傾きを倍加する第一，第二の歯車９，１０の作用によって可動された光量分離手段３によって分離されて、受光素子５ａ，５ｂには異なる量の光が入射することとなる。そして、受光素子５ａ，５ｂからは入射光量に応じた出力電圧を得て、正確にケース１の傾斜角θを検出できるようになる。
【００２８】
上述した様に、傾斜センサとして本発明の光学式傾斜センサ８を用いれば、小さな傾斜でも、正確に目的の傾斜角θを検出することができるようになる。その作用については、後段で詳細に説明する。
【００２９】
なお、ここで説明をした光学式傾斜センサ８の構成例は、第一の歯車９と第二の歯車１０を有する輪列機構が、ケース１の外部に設けた例を示したが、この輪列機構をケース１の内部に設けても構わない。しかしながら、この輪列機構をケース１内部に設けると、発光素子６から発光された光がこの輪列機構に当たり、ケース１内部で散乱光が発生する虞があるからです。したがって、この様な作用を考慮して、散乱光による受光素子５への検出感度の低下の影響をできるだけ抑えるためには、図１（ｂ）で示した様に、構成することが好ましい。
【００３０】
［傾斜角検出作用］
以下図面を参照しながら、本発明の実施の形態における傾斜角検出作用について説明する。図２（ａ）は、本発明の光学式傾斜センサ８が左に傾斜角θだけ傾いた状態を示す構造断面図であり、図２（ｂ）は、右に傾斜角θだけ傾いた状態を示す構造断面図である。図３（ａ）は、本発明の光学式傾斜センサ８が傾斜角θ傾いた場合の、傾斜角θと一方の受光素子５ａの出力電圧値との関係を示す特性図であり、図３（ｂ）は、傾斜角θと他方の受光素子５ｂの出力電圧値との関係を示す特性図である。なお、以下の説明では、前述した第一の歯車９と第二の歯車１０の歯数の比を１：２とした光学式傾斜センサを用いた例を示している。
【００３１】
図１（ａ）に示す様に、ケース１に傾きが生じていない状態では、光量分離手段３はケース１中心軸１３上に位置しており、発光素子６から発せられた光は当該光量分離手段３の左右で均等にケース１内面で反射して、間接的に受光素子５ａ，５ｂに入射する。したがって、受光素子５ａ，５ｂからは等しい出力電圧が発生することとなる。
【００３２】
一方、図２（ａ）に示すように、ケース１に右肩上がりの傾斜、すなわち水平面に対してケース１に傾斜角θを与えた場合は、錘１２は常に鉛直に位置し、光量分離手段３は輪列機構（第一の歯車９と第二の歯車１０）を介して傾斜角θの２倍駆動されるので、当該光量分離手段３は、ケース１の中心軸１３に対し倍加傾斜角（２θ）の位置で静止する。この際、発光素子６から受光素子５ａに到達する光量は、図２（ａ）に示す光量分離手段３下端からケース１左側壁までの距離Ｌａと、ケース１前面内壁から背面内壁までの距離との積から得られる断面積によって規制される。ここで、第一の回転軸２からケース１左側壁までの距離をＲａとすれば、距離Ｌａは下記に示す（２）式で表すことができる。
【００３３】
【数２】
2006078180.tif 000004
【００３４】
上記式（２）から、ケース１前面内壁から背面内壁までの距離は常に一定であることから、受光素子５ａに入射する光量は、倍加傾斜角２θの関数として表される距離Ｌａに比例して変化することが判る。この様に作用することで、受光素子５ａからはこの倍加傾斜
角２θの関数として変化する入射光量に相応の出力電圧が発生することとなる。
【００３５】
また、この際、発光素子６から受光素子５ｂに到達する光量は、図２（ａ）に示す第一の回転軸２からケース１右側壁までの距離Ｒｂと、ケース１前面内壁から背面内壁までの距離との積から得られる断面積によって規制されている。なお、図２（ａ）に示すように、水平面に対してケース１に傾斜角θなる傾斜を与えた場合においても距離Ｒｂ常は一定であり、傾斜を与えない図１（ａ）の場合と等しい出力電圧を受光素子５ｂから得ることができる。
【００３６】
一方、図２（ｂ）に示すように、ケース１に右肩下がりの傾斜、すなわち水平面に対してケース１を傾斜角−θなる傾斜を与えた場合は、光量分離手段３は、ケース１の中心軸１３に対して倍加傾斜角（−２θ）の位置で静止する。そして、図２（ａ）を用いて説明した場合と同様に、光量分離手段３上端からケース１右側壁までの距離Ｌｂは、下記に示す（３）式で表すことができる。
【００３７】
【数３】
2006078180.tif 000005
【００３８】
上記式（３）から、受光素子５ｂに入射する光量は、距離Ｌｂの変化に比例して変化することが判る。受光素子５ｂからはこの倍加傾斜角（−２θ）の関数として変化する入射光量に相応の出力電圧が発生することとなる。
【００３９】
また、この際、発光素子６から受光素子５ａに到達する光量は、図２（ｂ）に示す第一の回転軸２からケース１左側壁までの距離Ｒａと、ケース１前面内壁から背面内壁までの距離との積から得られる断面積によって規制されている。なお、図２（ｂ）に示すように、水平面に対してケース１に傾斜角−θなる傾斜を与えた場合においても距離Ｒａは常に一定であり、傾斜を与えない図１（ａ）の場合と等しい出力電圧を受光素子５ａから得ることができる。
【００４０】
以上の説明したように、本発明の光学式傾斜センサ８の構成によれば、±４５度の傾斜角θの範囲において、受光素子５ａからは図３（ａ）に示す様に、−４５度から０度までは一定の最大出力電圧値を示し、０度から４５度までは出力電圧値の変化が検出され、傾斜角４５度で最小出力となる。
【００４１】
また、受光素子５ｂからは図３（ｂ）に示す様に、４５度から０度までは一定の最大出力電圧値を示し、０度から−４５度までは出力電圧値の変化が検出され、傾斜角−４５度で最小出力となるのである。
【００４２】
また、本発明の光学式傾斜センサ８の構成によれば、受光素子５ａ，５ｂの最小出力から最大出力まで（ダイナミックレンジ）を呈する角度範囲は、先述の第一の歯車９と第二の歯車１０の歯数の比で任意に選定することができる。
【００４３】
この作用は、実質的に受光素子５ａ，５ｂの感度を高くすることに相当する。一般的には受光素子５ａ，５ｂの出力を電気的な手段によって増幅する方法が知られているが、この場合、出力信号とともにノイズ成分も増幅されてしまうため、検出角度の分解能は良くならない。しかし、本発明の構成によれば、受光素子５ａ，５ｂの出力電圧のみを輪列機構によって倍加するため、ケース１の微小な傾斜角度の変化も分解能良く検出できるよう
になる。
【００４４】
次に本発明の光学式傾斜センサ８を用いた具体的な傾斜角算出手段について説明する。図４は、受光素子５ａ，５ｂのそれぞれの出力電圧値の差分と傾斜角θの関係を示す特性図である。
【００４５】
本発明の光学式傾斜センサ８の傾斜角θは、受光素子５ａ，５ｂ各々の出力電圧の変化からケース１に与えた傾斜角θを求めることができる。
まず、図３（ａ）と図３（ｂ）に示す受光素子５ａ，５ｂ各々の出力電圧値を減算することで、図４に示す傾斜角θと電圧出力の連続関数を得る。この減算から得られた出力電圧値と傾斜角θの関数は、図４に示す様に傾斜角θが±２２．５度以内の範囲では、ほぼ直線で近似できる。また、傾斜角θが±４５度の範囲では、出力電圧値の差分はほぼ正弦関数として変化していることが判る。ここで受光素子５ａと５ｂの出力電圧値の差をＸとすると、以下の関係式（４）から傾斜角θを算出することができる。
【００４６】
【数４】
2006078180.tif 000006
【００４７】
また、上記の傾斜角算出手段に基づく実際の電気回路的な傾斜角θの検出手段としては、例えば、減算、加算、積算等の論理回路を組み合わせた電気回路により各受光素子５ａ，５ｂの出力から傾斜角θを検出する方法や、受光素子５ａ，５ｂの出力をデジタル信号に変換した後、演算器等を用いて算出する方法等が挙げられる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
この様に、本発明の光学式傾斜センサを小型としたとしても、微小な角度変化の検出が可能となり、従来の構成では不可能とされていた、カーナビゲーション装置、携帯用電子機器、例えば特に携帯電話、ＰＤＡといった携帯情報端末や腕時計などに、この光学式傾斜センサの搭載が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１（ａ）】本発明の光学式傾斜センサを正面から見た際の装置断面図である。
【図１（ｂ）】本発明の光学式傾斜センサを側面から見た際の装置断面図である。
【図２（ａ）】本発明の光学式傾斜センサがθ傾いた場合の角度検出作用を説明するための装置断面図である。
【図２（ｂ）】本発明の光学式傾斜センサが−θ傾いた場合の角度検出作用を説明するための装置断面図である。
【図３（ａ）】本発明の光学式傾斜センサの一方の受光素子から得られる出力電圧と傾斜角の関係を示す特性図である。
【図３（ｂ）】本発明の光学式傾斜センサの他方の受光素子から得られる出力電圧と傾斜角の関係を示す特性図である。
【図４】本発明の光学式傾斜センサの２個の受光素子から得られる出力電圧値の差分と傾斜角の関係を示す特性図である。
【図５】従来技術の光学式傾斜センサの構造および角度検出作用を示す装置断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１  ケース
２  第一の回転軸
３  光量分離手段
４  ストッパー
５ａ，５ｂ  受光素子
６  発光素子
８  光学式傾斜センサ
９  第一の歯車
１０  第二の歯車
１１  第二の回転軸
１２  錘
１３  中心軸
【図１（ａ）】
2006078180.tif 000007
【図１（ｂ）】
2006078180.tif 000008
【図２（ａ）】
2006078180.tif 000009
【図２（ｂ）】
2006078180.tif 000010
【図３（ａ）】
2006078180.tif 000011
【図３（ｂ）】
2006078180.tif 000012
【図４】
2006078180.tif 000013
【図５】
2006078180.tif 000014