(57)【要約】【課題】  比較的簡単な部品構成で安価な２軸加速度センサを提供すること。【解決手段】  中空の筐体１２には、可動体１４が加速度の印加によりＸ方向及びＹ方向に移動可能に配置されている。支持部材１６は、可動体１４を筐体１２に対してＸ方向及びＹ方向に移動可能に支持する。可動体１４内に固定された発光素子１８は、鉛直下方へ向けて光ビームＯＢを出射する。筐体１２の底面上には２次元受光素子２２が固定されている。可動体１４内に配置された集光素子２０は、発光素子１８から出射された光ビームＯＢを２次元受光素子２２上へ集光ビームＯＢとして集光させる。【選択図】      図１
2005195334.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空の筐体と、該筐体内で加速度の印加によりＸ方向及びＹ方向に移動可能に配置された可動体と、該可動体を前記筐体に対して前記Ｘ方向及び前記Ｙ方向に移動可能に支持する支持部材と、前記可動体内に固定されて鉛直下方へ向けて光ビームを出射する発光素子と、前記筐体の底面上に固定されて前記光ビームを受光する２次元受光素子とを備えた加速度センサ。
【請求項２】
前記２次元受光素子は、前記加速度が印加されない状態において、前記光ビームの光軸と分割の中心点とがほぼ一致するように、前記光ビームを４Ｍ個（Ｍは自然数）に等分割して受光する４Ｍ分割受光素子から構成される、請求項１に記載の加速度センサ。
【請求項３】
前記可動体内に配置されて、前記発光素子から出射された光ビームを前記２次元受光素子上へ集光ビームとして集光させる集光素子を更に有する、請求項１に記載の加速度センサ。
【請求項４】
前記２次元受光素子は、前記加速度が印加されない状態において、前記集光ビームの光軸と分割の中心点とがほぼ一致するように、前記集光ビームを４Ｍ個（Ｍは自然数）に等分割して受光する４Ｍ分割受光素子から構成される、請求項３に記載の加速度センサ。
【請求項５】
前記支持部材が、前記可動体の周りに等しい角度間隔で配置されたＮ本（Ｎは３以上の整数）のサスペンションワイヤから成る、請求項１に記載の加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度センサに関し、特に、光ビームを利用した２軸加速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、加速度センサは加速度を測定するためのセンサである。加速度を検出する方法には、慣性力、遠心力、重力などの物理法則を利用することが多い。質量ｍの物体に力Ｆが加わったときに生ずる加速度αはα＝Ｆ／ｍで表されるから、力Ｆと質量ｍの測定結果から加速度αが定まる。加速度センサは、重りとそれを支えるはりおよびダンパ（減衰器）で構成される。すなわち、重りの変位から加速度を求めることができる。換言すれば、加速度センサでは、この変位やこの際のはりの応力などを静電容量やピエゾ抵抗効果を用いて検出する。このような周知の加速度センサは、１軸方向の加速度（向きと大きさ）を検出するものである。
【０００３】
一方、２軸方向（Ｘ方向及びＹ方向）の加速度を検出できる２軸加速度センサも知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に開示されている２軸加速度センサは、光ビームを利用したものである。詳述すると、加速度センサのケース内にはゲルが充填されている。ゲル中にはゲルよりも高い屈折率及び密度を有する粒子が均一に分散されている。ケースに対して加速度が印加されると、密度の高い粒子が密度の低いゲル中を移動し、加速度の向きと大きさに応じて粒子の濃度分布が生じる。この状態で光源から光を照射すると、光は粒子の高濃度側へ屈折され、２次元ＣＣＤから成る受光素子にて受光される。受光素子は受光位置に基づく出力信号を出力し、この出力信号に基づいて加速度の２軸方向の向きと大きさが検出される。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１８０４６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した従来の２軸加速度センサでは、ゲルや粒子のような特殊な材料を必要とするので、高価になってしまう。また、２次元受光素子として２次元ＣＤＤを使用しており、加速度を求めるためには、予め加速度試験によって得られたマップ等を参照しなければならない。換言すれば、従来の２軸加速度センサでは、２次元受光素子上の原点から移動した光のスポット点の位置データとマップ等とを参照することによって、加速度を求めることができることを開示するだけであって、加速度を求めるための具体的な演算式については何ら開示していない。
【０００６】
したがって、本発明の課題は、比較的簡単な部品構成で安価な２軸加速度センサを提供することにある。
【０００７】
本発明の他の課題は、マップ等を使用することなく、簡易な演算式によって２軸方向（Ｘ方向及びＹ方向）の加速度を求めることができる２軸加速度センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、中空の筐体（１２）と、該筐体内で加速度の印加によりＸ方向及びＹ方向に移動可能に配置された可動体（１４）と、該可動体を前記筐体に対して前記Ｘ方向及び前記Ｙ方向に移動可能に支持する支持部材（１６）と、前記可動体内に固定されて鉛直下方へ向けて光ビーム（ＯＢ）を出射する発光素子（１８）と、前記筐体の底面上に固定されて前記光ビームを受光する２次元受光素子（２２，２２Ａ）とを備えた加速度センサ（１０）が得られる。
【０００９】
上記加速度センサにおいて、前記２次元受光素子は、前記加速度が印加されない状態において、前記光ビームの光軸と分割の中心点とがほぼ一致するように、前記光ビームを４Ｍ個（Ｍは自然数）に等分割して受光する４Ｍ分割受光素子（２２，２２Ａ）から構成されることが好ましい。
【００１０】
また、上記加速度センサは、前記可動体内に配置されて、前記発光素子から出射された光ビームを前記２次元受光素子上へ集光ビーム（ＯＢ）として集光させる集光素子（２０）を更に有しても良い。この場合、前記２次元受光素子は、前記加速度が印加されない状態において、前記集光ビームの光軸と分割の中心点とがほぼ一致するように、前記集光ビームを４Ｍ個（Ｍは自然数）に等分割して受光する４Ｍ分割受光素子（２２，２２Ａ）から構成されることが好ましい。
【００１１】
更に、上記加速度センサにおいて、前記支持部材は、例えば、前記可動体の周りに等しい角度間隔で配置されたＮ本（Ｎは３以上の整数）のサスペンションワイヤ（１６）から構成されて良い。
【００１２】
尚、上記括弧内の符号は、本発明の理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、これらに限定されないのは勿論である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、可動体を支持部材によってＸ方向およびＹ方向に移動可能に支持し、可動体内に固定された発光素子から出射された光ビームを２次元受光素子で受光するように構成したので、比較的簡単な部品構成で安価な２軸加速度センサを提供ことができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１５】
図１を参照して、本発明の一実施の形態に係る加速度センサ１０について説明する。図１において、（ａ）は加速度センサ１０の透視斜視図、（ｂ）は加速度センサ１０の概略平面図である。
【００１６】
加速度センサ１０は、直方体形状の中空の筐体１２を有する。図示の例では、筐体１２はその水平断面形状が正方形をしている。筐体１２内には直方体形状の可動体１４が配置されている。図示の例では、筐体１２と可動体１４とは、初期状態において、鉛直方向に延在する中心軸Ｏが互いに一致するように配置されている。尚、初期状態とは、加速度が印加されない状態をいう。また、筐体１２と同様に、可動体１４もその水平断面形状が正方形をしている。可動体１４は、後述するように、筐体１２内で加速度の印加によりＸ方向及びＹ方向に移動可能である。可動体１４は、少なくとも底面側が光を透過する材料で作られている。尚、図１（ａ）において、Ｘ方向は左右方向、Ｙ方向は前後方向であり、中心軸Ｏは上下方向である。
【００１７】
加速度センサ１０は、更に、可動体１４を筐体１２に対してＸ方向及びＹ方向に移動可能に支持する支持部材１６を備えている。図示の支持部材１６は、可動体１４の周りに９０°の等しい角度間隔で配置された４本のサスペンションワイヤ１６から成る。詳述すると、各サスペンションワイヤ１６は、可動体１４の各辺の外壁と、対向する筐体１２の各辺の内壁との間に設けられている。
【００１８】
可動体１４内には、発光素子１８が固定して設けられている。図示の発光素子１８は、初期状態において、中心軸Ｏ上に配置されており、中心軸Ｏに沿って鉛直下方へ向けて光ビームＯＢを出射する。また、図示の例では、可動体１４内に集光素子２０が配置されている。筐体１２の底面上には２次元受光素子２２が固定されている。集光素子２０は、発光素子１８から出射された光ビームＯＢを２次元受光素子２２上へ集光ビームＯＢとして集光させる。
【００１９】
図２を参照すると、図示の２次元受光素子２２は、加速度が印加されない状態（初期状態）において、集光ビームＯＢの光軸と分割の中心点とが一致するように、集光ビームＯＢを４つに等分割して受光する４分割受光素子から構成されている。尚、加速度が印加されない状態では、集光ビームＯＢの光軸と中心軸Ｏとは一致している。
【００２０】
ここでは、図２に示されるように、４分割受光素子２２を構成する４つの受光素子において、中心軸Ｏに対して、左側の受光素子を素子Ａと、奥側の受光素子を素子Ｂと、右側の受光素子を素子Ｃと、および前側の受光素子を素子Ｄと呼ぶことにする。また、素子Ａ〜Ｄで受光された光量も、それぞれ、Ａ〜Ｄで表すことにする。
【００２１】
このような構成の加速度センサ１０においては、印加された加速度を、素子Ａ〜Ｄの光量Ａ〜Ｄから下記の演算式で求めることができる。
【００２２】
Ｘ方向  ＝  Ｃ  −  Ａ
Ｙ方向  ＝  Ｄ  −  Ｂ
すなわち、加速度センサ１０に加速度が加わると、可動体１４（集光ビームＯＢ）が加速度を加えた方向と逆方向に移動する。従って、この移動量と移動方向を検出する事で、加速度の２軸方向の大きさと向きを知ることができる。
【００２３】
図３を参照して、加速度センサ１０による加速度検出方法について説明する。図３は、４分割受光素子２２と集光ビームＯＢとの関係を示した図で、（ａ）は初期状態、すなわち、加速度が印加されない状態を示し、（ｂ）はＸ方向に微弱な加速度が印加された状態を示し、（ｃ）はＸ方向に強大な加速度が印加された状態を示している。
【００２４】
図３（ａ）に示されるように、初期状態では、集光ビームＯＢの光軸と４分割受光素子２２の分割の中心点とが一致する。従って、Ｘ方向およびＹ方向の加速度は、次のように求められる。
【００２５】
Ｘ方向  ＝  Ｃ  −  Ａ  ＝  ０．２  −  ０．２  ＝  ０
Ｙ方向  ＝  Ｄ  −  Ｂ  ＝  ０．２  −  ０．２  ＝  ０
図３（ｂ）に示されるように、Ｘ方向に微弱な加速度が印加された状態では、集光ビームＯＢの光軸が、４分割受光素子２２の分割の中心点より若干右側へ移動する。従って、Ｘ方向およびＹ方向の加速度は、次のように求められる。
【００２６】
Ｘ方向  ＝  Ｃ  −  Ａ  ＝  ０．５  −  ０．１  ＝  ０．４
Ｙ方向  ＝  Ｄ  −  Ｂ  ＝  ０．２  −  ０．２  ＝  ０
図３（ｃ）に示されるように、Ｘ方向に強大な加速度が印加された状態では、集光ビームＯＢの光軸が、４分割受光素子２２の分割の中心点より大きく右側へ移動する。従って、Ｘ方向およびＹ方向の加速度は、次のように求められる。
【００２７】
Ｘ方向  ＝  Ｃ  −  Ａ  ＝  １．０  −  ０  ＝  １．０
Ｙ方向  ＝  Ｄ  −  Ｂ  ＝  ０  −  ０  ＝  ０
このように、本実施の形態による加速度センサ１０では、マップ等を使用しなくとも、簡易な演算式を使用することにより、加速度の２軸方向（Ｘ方向およびＹ方向）の向きと大きさを求めることができる。
【００２８】
図４に加速度センサとして用いられる他の２次元受光素子（４分割受光素子）２２Ａを示す。図示の４分割受光素子２２Ａでは、中心軸Ｏに対して、左奥側に素子Ａが、右奥側に素子Ｂが、右前側に素子Ｃが、および左前側に素子Ｄが配置されている。図２の場合と同様に、素子Ａ〜Ｄで受光された光量は、それぞれ、Ａ〜Ｄで表されるとする。
【００２９】
このような２次元受光素子２２Ａを有する加速度センサにおいては、印加された加速度を、素子Ａ〜Ｄの光量Ａ〜Ｄから下記の演算式で求めることができる。
【００３０】
Ｘ方向  ＝  （Ｂ＋Ｃ）  −  （Ａ＋Ｄ）
Ｙ方向  ＝  （Ｃ＋Ｄ）  −  （Ａ＋Ｂ）
すなわち、このような２次元受光素子２２Ａを有する加速度センサにおいても、マップ等を使用せずに、比較的簡易な演算式を使用することにより、加速度の２軸方向（Ｘ方向およびＹ方向）の向きと大きさを求めることができる。
【００３１】
また、上述した加速度の大きさを求める方法は、集光ビームＯＢの光軸と分割の中心点とが一致することが前提であるが、上記光軸と前記中心点とがずれた場合でも、加速度が印加されない状態（初期状態）において４つの分割受光素子で測定した各光量を各々の基準光量とすることで、加速度センサ１０に加速度が加わった場合の加速度の向きと大きさを求める事ができる。
【００３２】
例えば、加速度が印加されない状態（初期状態）で、図３（ｂ）に示されるように集光ビームＯＢの光軸と分割の中心点Ｏにずれが生じているとする。この場合、４分割受光素子２２の各受光素子Ａ〜Ｄの光量を求め、その値を各受光素子の基準光量Ａ０〜Ｄ０とする（例えば、Ａ０＝０．１、Ｂ０＝０．２、Ｃ０＝０．５、Ｄ０＝０．２）。
【００３３】
次に図３（ｃ）に示されるように、Ｘ方向に加速度が印加された状態では、Ｘ方向およびＹ方向の加速度は、次のように求められる。
【００３４】
Ｘ方向＝（Ｃ−Ｃ０）−（Ａ−Ａ０）
＝（１．０−０．５）−（０−０．１）＝０．６
Ｙ方向＝（Ｄ−Ｄ０）−（Ｂ−Ｂ０）
＝（０−０．２）−（０−０．２）＝０
このように、本実施の形態による加速度センサ１０では、加速度が印加されない状態（初期状態）で集光ビームの光軸と分割の中心点とがずれていても、マップ等を使用せずに、簡易な演算式を使用することにより、加速度の２軸方向（Ｘ方向およびＹ方向）の向きと大きさを求めることができる。
【００３５】
尚、本実施の形態による加速度センサ１０では、集光ビームが他の分割受光素子領域とは交わらず、例えば受光素子Ａの領域中で移動している場合は、光量が変化しないため、加速度の大きさが一定となり特定する事ができない。よって、精密な測定が求められる場合は、加速度が印加されない状態（初期状態）で集光ビームの光軸と分割の中心点とを一致させ、且つ分割受光素子の素子領域が集光ビーム径より小さくなるように分割数４Ｍ（Ｍは自然数）を増やす（すなわち、大きいＭを使用する）ことで、測定精度を向上させることができる。
【００３６】
以上、本発明について好ましい実施の形態によって説明してきたが、本発明は上述した実施の形態に限定しないのは勿論である。例えば、発光素子から出射される光ビームが、元々周囲に広がらないスポット形状である場合には、集光素子を省略することができる。また、上述した実施の形態では、発光素子から出射される光ビームは円形断面形状を有しているが、楕円断面形状であっても良い。この場合には、集光素子によって発光素子から出射された楕円断面形状の光ビームを円形断面形状の集光ビームに変換するようにするか、又は２次元受光素子として矩形形状の４分割受光素子を使用すれば良い。更に、筐体や可動体の形状は直方体に限定されず、円筒（円柱）体であっても良い。この場合には、支持部材として、可動体の周りに等しい角度間隔で配置されたＮ本（Ｎは３以上の整数）のサスペンションワイヤを使用することができる。また、上述の実施の形態では、２次元受光素子として４分割受光素子を使用しているが、２次元ＣＣＤを使用しても良い。但し、この場合には、加速度の２軸方向の向きと大きさを求めるためにはマップ等を使用する必要がある。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施の形態に係る加速度センサの構成を示し、（ａ）は透視斜視図、（ｂ）は概略平面図である。
【図２】図１に示した加速度センサに使用される２次元受光素子を、集光ビームのスポット形状と共に示す平面図である。
【図３】図１に示した加速度センサの加速度検出方法を説明するための、２次元受光素子と集光ビームのスポット形状を示す平面図であって、（ａ）は初期状態を、（ｂ）は微弱な加速度が印加された状態を、（ｃ）は強大な加速度が印加された状態を示す。
【図４】図１に示した加速度センサに使用される他の２次元受光素子を、集光ビームのスポット形状と共に示す平面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０    加速度センサ
１２    筐体
１４    可動体
１６    支持部材（サスペンションワイヤ）
１８    発光素子
２０    集光素子
２２、２２Ａ    ２次元受光素子（４分割受光素子）
Ｏ    中心軸
ＯＢ    光ビーム（集光ビーム）
【図１】
2005195334.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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