(57)【要約】      （修正有）【課題】角度検出センサが姿勢変化を繰り返す状況の下でも傾斜角度を精度よく安定して検知することができるようにするとともに、角度検出センサの小型軽量化を図る。【解決手段】角度検出センサは基部とケーシングと受光素子と遮光体とから構成される。基部には受光素子が設けられる。遮光体は受光素子を遮光するよう変位自在にケーシングの円筒形である内壁支持面に支持される。受光素子は円形の受光領域を有し、受光領域は面積について四等分される４つの受光面を有する。角度検出センサが傾斜すると、重力により遮光体は変位する。遮光体が変位すると各受光面の受光量も変化し、各受光面はそれぞれの受光量に応じたアナログ信号を出力する。各受光面から出力されたアナログ信号を信号処理回路で処理することにより、角度検出センサの傾斜角度を検出する。【選択図】図１
2007147557.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の受光面からなる受光領域を有する受光素子と、
前記受光領域を遮光可能であり、自重により変位自在な遮光体と、
前記遮光体を変位自在に支持する円筒形の内壁支持面を有するケーシングとを備え、
前記ケーシングの円筒軸心周りの傾斜角度に応じて前記遮光体が前記内壁支持面に沿って変位することにより、前記複数の受光面の少なくとも１つが遮光され、前記傾斜角度を検出することを特徴とする角度検出センサ。
【請求項２】
前記遮光体は円柱形であることを特徴とする請求項１に記載の角度検出センサ。
【請求項３】
前記遮光体の軸方向長さが半径よりも短いことを特徴とする請求項２に記載の角度検出センサ。
【請求項４】
前記遮光体は、前記受光素子に対向する第１の端面と前記受光素子とは反対側の第２の端面とを有し、前記第１および第２の端面が凸曲面であることを特徴とする請求項１に記載の角度検出センサ。
【請求項５】
前記遮光体は前記内壁支持面と全円周に渡って摺接し前記内壁支持面の中心軸に対して回転自在に支持される円柱体であって、前記遮光体の半径よりも短い直径を有する円筒形状の貫通穴が前記遮光体の中心軸と平行な中心軸を有して前記遮光体の外縁寄りに開口していることを特徴とする請求項１に記載の角度検出センサ。
【請求項６】
前記遮光体は球であることを特徴とする請求項１に記載の角度検出センサ。
【請求項７】
前記受光領域は円形であることを特徴とする請求項１に記載の角度検出センサ。
【請求項８】
前記受光面は、直交する２本の直線により前記円形の受光領域が四等分されたものであることを特徴とする請求項７に記載の角度検出センサ。
【請求項９】
前記ケーシングの前記受光素子側を向く内壁面が、凹曲面であることを特徴とする請求項１に記載の角度検出センサ。
【請求項１０】
前記内壁支持面を形成する収容室が光を透過する液体で満たされていることを特徴とする請求項１に記載の角度検出センサ。
【請求項１１】
前記受光領域を照明する光源を備えることを特徴とする請求項１に記載の角度検出センサ。
【請求項１２】
前記光源の軸方向長さが、ケーシングおよび基部それぞれの軸方向長さを加えた厚さよりも短いことを特徴とする請求項１１に記載の角度検出センサ。
【請求項１３】
前記受光領域から出力されたアナログ信号を増幅する増幅器と、
前記増幅器から出力されたアナログ信号をデジタルのデータに変換するＡ／Ｄコンバータと、
前記Ａ／Ｄコンバータから出力されたデータを用いて前記傾斜角度を演算する回路とを備えることを特徴とする請求項１に記載の角度検出センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばカメラ等の光学機器に取付けられ、その姿勢検知に好適な角度検出センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の角度検出センサとして、光学式センサを用いたものが知られている。この角度検出センサは、光源と光学式センサとの間に球体等の遮光物を配設し、機器の姿勢変化と重力の作用により変位する遮光物が光学式センサに入力する光を遮断する性質を利用して、機器の姿勢を検出するものである（特許文献１、２）。
【０００３】
また、光学式センサを用いた角度検出センサとして、機器の姿勢変化と重力に応じて軸を中心として回転する扇形の反射板が、光源の光を光学式センサに向けて反射することにより、機器の姿勢を検出するものも知られている（特許文献３）。
【特許文献１】特開平９−２９２２１９号公報
【特許文献２】特開平１１−６３９８１号公報
【特許文献３】特開平１１−３７７３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の角度検出センサは遮光物の変位可能な空間が大きいため、遮光物は重力だけでなく機器の頻繁な姿勢変化による加速度の影響を受けやすい。つまり、機器の頻繁な姿勢変化により生じる加速度は、遮光物の変位可能な空間の大きさと相まって、遮光物の位置に無視できない影響を及ぼす。これにより、光学式センサから出力される信号が誤差を含むことになり、正確な傾斜角度の検出を行うことができなかった。
【０００５】
また、球体等を用いた角度検出センサでは、球体等が運動するための、例えば半球面から構成される内部空間が必要であり、小型化を図ることが困難であった。
【０００６】
さらに、反射板を用いた角度検出センサでは、単体では大まかな角度しか検出できず、正確な角度を検出するためには複数の角度検出センサを用いる必要があった。
【０００７】
本発明は、これらの問題を同時に解決するためになされたものであり、正確な姿勢を安定して検出可能でかつ小型軽量の角度検出センサを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による角度検出センサは、複数の受光面からなる受光領域を有する受光素子と、受光領域を遮光可能であって自重により変位自在な遮光体と、遮光体を変位自在に支持する円筒形の内壁支持面を有するケーシングとを備え、内壁支持面に沿って変位する遮光体により複数の受光面の少なくとも１つが遮光されることによりケーシングの円筒軸心周りの傾斜角度を検出することを特徴とする。
【０００９】
遮光体は円柱形であることが好ましく、さらにその円柱形は軸方向長さが半径よりも短ければなお良い。これにより角度検出センサの小型化が実現できる。なお、遮光体は球であってもよい。
【００１０】
また、遮光体は、受光素子に対向する第１の端面と受光素子とは反対側の第２の端面とを有し、第１の端面および第２の端面の形状は凸曲面であることが好ましい。ケーシングと遮光体との接触面積を減らすことにより摩擦を低減でき、正確な傾斜角度測定が可能になる。
【００１１】
さらに、遮光体は、遮光体がケーシングの内壁支持面と全円周に渡って摺接しケーシングの内壁支持面の中心軸に対して回転自在に支持される円柱体であって、遮光体の半径よりも短い直径を有する円筒形状の貫通穴が遮光体の中心軸と平行な中心軸を有して遮光体の外縁寄りに開口している形状であってもよい。遮光体の無用な変位を減少して安定した傾斜角度の検出を行うことができる。
【００１２】
受光領域は円形であることが好ましく、受光面は、直交する２本の直線により円形の受光領域が四等分されていることが好ましい。
【００１３】
ケーシングの受光素子側を向く内壁面は、凹曲面であってもよく、内壁支持面を形成する収容室は、光を透過する液体で満たされていてもよい。ケーシングと遮光体との間の摩擦を低減するためである。
【００１４】
角度検出センサには、受光領域を照明する光源が備えられていることが好ましく、光源は、薄型発光体であればなお良い。
【００１５】
角度検出センサは、受光領域から出力されたアナログ信号を増幅する増幅器と、増幅器から出力されたアナログ信号をデジタルのデータに変換するＡ／Ｄコンバータと、Ａ／Ｄコンバータから出力されたデータを用いて受光素子の傾斜角度を演算する回路とを備えていてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、機器が姿勢変化を繰り返す状況の下でも正確な姿勢検知を安定して行うことができると共に、簡素な構成であるため、低価格、小型軽量化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明における角度検出センサの実施形態について添付図面を参照して説明する。
【００１８】
図１、２は第１実施形態を示し、図１は角度検出センサの正面図であり、図２は角度検出センサの側面図である。
【００１９】
角度検出センサ１０は、基部１１とケーシング２０と受光素子（例えばフォトダイオード）３０と遮光体４０とから構成される。基部１１は正方形の基部前面１２を有し、基部前面１２には円筒形の内壁支持面２１と平面である内壁面２２とを有する透明なケーシング２０が取り付けられる。基部前面１２中央には受光素子３０を設置するための正方形の窪み１３が設けられる。窪み１３には、正方形である受光素子３０が嵌合される。窪み１３は、設置された受光素子３０が基部前面１２から突出しない程度の深さを有する。遮光体４０は受光素子３０を遮光するように、変位自在にケーシング２０の円筒形の内壁支持面２１に配設される。
【００２０】
正方形である受光素子３０には内接する円形の受光領域３１が形成される。受光領域３１は４つの受光面３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄにより構成される。受光面３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄは、受光素子３０の中心を通り受光素子３０のいずれかの辺に対して平行である直線と、受光素子３０の中心を通り前記直線に直交する直線とによって受光領域３１を面積について四等分した四分円である。
【００２１】
受光面３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄは光が当たることにより、アナログ信号を出力する。アナログ信号は受光面３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄが光を受ける面積に従って変化する。
【００２２】
遮光体４０は円柱形である。遮光体４０は、受光領域３１を遮光するように、基部前面１２とケーシング２０との間に形成される円筒形の内壁支持面２１に摺動自在に設けられる。遮光体４０の直径は受光素子３０の対角線長さの略１／２であることが好ましい。ただし、遮光体４０の直径は傾斜角度を検出しうる程度の大きさであれば、適宜変更してもよい。
【００２３】
以上のようにケーシング２０を基部１１へ配設すると、遮光体は各受光面に対して垂直方向の変位が制限され、受光素子３０上の平面でのみ変位する。垂直方向の変位は各受光面における受光量を不安定にさせるため、これを制限することにより、傾斜角度を安定して測定することができる。
【００２４】
角度検出センサ１０は、本実施形態では図１において上が鉛直上方となるように設置される。角度検出センサ１０がケーシング２０の円筒軸周りに傾斜すると、遮光体４０は重力によりケーシング２０の図において最下部へ移動する。これにより、受光領域３１において光が当たる領域が変化し受光面３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄから出力されるアナログ信号が変動する。受光面３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄから出力されたアナログ信号を測定し、最も低い電圧を出力する受光面を選択することにより、角度検出センサ１０の傾斜角度を約９０度刻みで検出することができる。
【００２５】
光源５０が角度検出センサ１０の内部または外部に備えられてもよい。光源５０は受光領域３１へ投光する。これにより、外光が角度検出センサに届かない場合であっても角度検出センサ１０の傾きを検出することができる。光源としては、例えば、ＬＥＤが好適である。
【００２６】
以上のように第１の実施形態によれば、９０度刻みで角度検出センサ１０の傾斜角度を安定して検出することが可能となる。さらに、ケーシング２０の内壁支持面２１を円筒形としたため、小型の角度検出センサ１０を得ることができる。
【００２７】
第２の実施形態について図３を用いて説明する。図３は、各受光面からのアナログ信号を処理する信号処理回路６０を備える角度検出センサ１０のブロック図である。
【００２８】
本実施形態は第１の実施形態に信号処理回路６０を付加したものである。その他の構成要件は第１の実施形態と同じである。
【００２９】
信号処理回路６０は増幅器６１、Ａ／Ｄコンバータ６２および演算回路６３を備え、各受光面が出力したアナログ信号を処理して傾斜角度を算出する機能を有する。各受光面から出力されたアナログ信号は、それぞれ増幅器６１によって増幅される。増幅器６１によって増幅されたアナログ信号は、デジタル変換するＡ／Ｄコンバータ６２によってデジタルのデータへ変換される。Ａ／Ｄコンバータ６２から出力されたデータを演算回路６３により処理し、角度検出センサ１０の傾斜角度を検出する。
【００３０】
演算回路６３は式（１）による演算を行う。Ｖａは受光面３０ａ、Ｖｂは３０ｂ、Ｖｃは３０ｃ、Ｖｄは３０ｄからそれぞれ出力される電圧値である。θは演算により求められる角度検出センサ１０の演算傾斜角度である。各受光面からの出力電圧値を以下の式を用いて演算処理することにより角度検出センサ１０の演算傾斜角度θが求められる。
θ＝−ｔａｎ-1（（Ｖｄ−Ｖｂ）／（Ｖａ−Ｖｃ））＋１３５    （１）
【００３１】
信号処理回路６０を角度検出センサ１０の内部に設けると、角度検出センサ１０の外部に別途信号処理回路を設けることなく傾斜角度を検出することができる。信号処理回路６０を角度検出センサ１０の外部に設けると、角度検出センサ１０を小型化することができる。
【００３２】
以上のように第２の実施形態によると、第１の実施形態における角度検出センサ１０による検出角度よりも精度良く、例えば約２．５度ピッチの精度で傾斜角度を検出することが可能になる。なお、後述する第３から第７の実施形態も信号処理回路６０を備えている。
【００３３】
第３の実施形態について図４を用いて説明する。図４は遮光体が略楕円の断面を有する角度検出センサの断面図である。
【００３４】
本実施形態は第１の実施形態における遮光体の形状を変更し、略楕円の断面形状としたものである。その他の構成要件は第１の実施形態と同じである。
【００３５】
遮光体４０ａは、受光素子３０に対向する第１の端面４１と受光素子３０とは反対側の第２の端面４２とを有する。第１の端面４１は基部前面１２に対して、第２の端面４２は内壁面２２に対して凸曲面である。遮光体４０ａの直径は受光素子３０の対角線長さの略１／２であることが好ましい。ただし、遮光体４０ａの受光領域３１に対して平行である断面での直径は、傾斜角度を検出しうる程度の長さであれば、適宜変更してもよい。
【００３６】
以上のように、第３の実施形態では遮光体４０ａにおける面４１、４２を凸曲面とすることにより、遮光体４０ａと、ケーシング２０または基部１１との間で発生する摩擦を第１の実施形態よりも小さくすることができ、迅速かつ正確な角度検出が可能となる。
【００３７】
第４の実施形態について図５を用いて説明する。図５は、遮光体が円形の貫通穴４３を有する角度検出センサの断面図である。図６は、遮光体４０ｂの正面図である。図７は、遮光体４０ｂが円形の貫通穴４３を有する角度検出センサの斜視断面図である。
【００３８】
本実施形態は第１の実施形態における遮光体の形状を変更し、貫通穴を有する円筒形状としたものである。その他の構成要件は第１の実施形態と同じである。
【００３９】
遮光体４０ｂはケーシング２０の円筒形の内壁支持面２１と全円周に渡り摺接し、円筒形の内壁支持面２１の中心軸に対して回転自在に配される円柱体である。遮光体４０ｂには、円柱体の半径よりも短い直径を有する円形の貫通穴４３が穿設される。貫通穴４３の中心軸は、遮光体４０ｂの中心軸と平行である。貫通穴４３は遮光体４０ｂの外縁寄りに開口する。ただし、貫通穴４３の直径は傾斜角度を検出しうる程度の長さであれば、適宜変更してもよい。
【００４０】
貫通穴４３が位置する部位は、遮光体４０ｂ全体において比較的軽量であるため、ケーシング２０が円筒軸周りに傾斜しても、重力により常に図において上側に位置することになる。そして、貫通穴４３が位置する受光面は光を受け、位置しない受光面は遮光される。これにより、各受光面が受ける光量が変化し受光量に応じたアナログ信号が出力され、角度が検出される。
【００４１】
以上のように第４の実施形態では、遮光体４０ｂはケーシング２０の内壁支持面２１と全周に渡り接しているため、角度検出センサの急激な動きに対し、異常な変動をすることがない。これにより、各受光面から出力されるアナログ信号が安定し、第１の実施形態よりも測定精度が向上する。
【００４２】
第５の実施形態について図８を用いて説明する。図８は、遮光体が球形である角度検出センサの断面図である。
【００４３】
本実施形態は第１の実施形態における遮光体の形状を変更したものである。その他の構成要件は第１の実施形態と同じである。
【００４４】
本実施形態は、第１の実施形態における遮光体を球形としたものである。遮光体４０ｃの直径は受光素子３０の対角線長さの略１／２であることが好ましい。ただし、遮光体４０ｃの直径は、傾斜角度を検出しうる程度の長さであれば、適宜変更してもよい。遮光体４０ｃが球形であれば、遮光体４０ｃと、ケーシング２０または基部１１との間で発生する摩擦が小さくなり、迅速かつ正確な角度検出が可能となる。
【００４５】
以上のように遮光体４０ｃを球形とすることにより、遮光体４０ｃと、ケーシング２０または基部１１との間で発生する摩擦が第１の実施形態よりも小さくなり、迅速かつ正確な角度検出が可能となる。
【００４６】
第６の実施形態について図９を用いて説明する。図９は、ケーシング２０の内部が曲面２２ａで構成される角度検出センサの断面図である。
【００４７】
本実施形態は、第１の実施形態において、ケーシング２０の内壁面２２ａを、基部前面１２に対して凹形状としたものである。その他の構成要件は第１の実施形態と同じである。
【００４８】
内壁面２２ａを凹形状とすることにより、内壁面２２が平面である第１の実施形態よりも遮光体４０と内壁面２２ａとの間に発生する摩擦が少なくなり、迅速かつ正確な角度検出が可能となる。
【００４９】
第７の実施形態について図１０を用いて説明する。図１０は、薄型の光源を備える角度検出センサの断面図である。
【００５０】
本実施形態は、第１の実施形態において、光源５０を薄型の光源としたものである。その他の構成要件は第１の実施形態と同じである。
【００５１】
本実施形態における光源５０ａの軸方向長さは、ケーシング２０および基部１１それぞれの軸方向長さを加えた厚さよりも短い。この薄型の光源５０ａを備えることによって角度検出センサを小型化することができる。光源５０ａは、例えば、薄型ＬＥＤあるいは面発光素子などが好適である。
【００５２】
以上のように第７の実施形態によれば、外部に光源を設けることなく傾斜角度を検出可能な、第１の実施形態よりも小型の角度検出センサを得ることができる。
【００５３】
第１から第７の実施形態いずれにおいても、受光面は２つでもよい。この場合、受光面は受光素子３０の中心を通り受光素子３０のいずれかの辺に対して平行である直線により受光領域３１を面積について二等分した二分円である。これにより、角度検出センサの構成を第１の実施形態よりも簡素とした上で、０度〜１８０度の範囲で傾斜角度を検知することが可能となる。また、受光素子３０は正方形でなくてもよく、例えば円形でもよい。
【００５４】
第１から第７の実施形態いずれにおいても、遮光体４０が収容されるケーシング２０と基部１１により形成される収容室には、光を透過する液体が充填されてもよい。これにより、遮光体４０と、ケーシング２０または基部前面１２との間における摩擦が少なくなるとともに遮光体４０の急激な変位が減少し、安定した角度検出が可能となる。
【００５５】
第１から第７の実施形態いずれにおいても、角度検出センサ１０はケーシング２０の円筒軸周り左右４５度どちらかに傾斜して設置されてもよい。この場合、最も出力電圧の小さい受光面が最も下に位置すると処理する回路を備えることにより、傾斜センサとして用いることができる。第２の実施形態における信号処理回路６０よりも回路構成が簡単になり、角度検出センサの小型軽量化、低価格化を図ることができる。
【００５６】
図１１は角度検出センサの傾斜角度と各受光面から出力されるアナログ信号の電圧値との関係を示したグラフである。
【００５７】
横軸は角度検出センサ１０の傾斜角度を示し、縦軸は各受光面から出力された電圧値を示す。角度検出センサ１０がケーシング２０の円筒軸周りに傾斜することにより、遮光体４０による受光領域３１上の遮光位置が変化し、遮光位置の変化により各受光面からの出力電圧値が変化する。
【００５８】
図１２は、角度検出センサの傾斜角度と演算処理により求められた演算傾斜角度との関係を示したグラフである。
【００５９】
横軸は角度検出センサ１０の傾斜角度を示し、縦軸は演算回路から出力された演算傾斜角度θの値である。角度検出センサ１０の傾斜角度と演算傾斜角度θが一致し、正確な傾斜角度検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】第１の実施形態における角度検出センサの正面図である。
【図２】第１の実施形態における角度検出センサの側面図である。
【図３】第２の実施形態における、各受光面からのアナログ信号を処理する信号処理回路を備える角度検出センサのブロック図である。
【図４】第３の実施形態における、遮光体が略楕円の断面を有する角度検出センサ      の断面図である。
【図５】第４の実施形態における、遮光体が円形の貫通穴を有する角度検出センサ      の断面図である。
【図６】第４の実施形態における遮光体の正面図である。
【図７】第４の実施形態における、遮光体が円形の貫通穴を有する角度検出センサ      の斜視断面図である。
【図８】第５の実施形態における、遮光体が球である角度検出センサの断面図であ      る。
【図９】第６の実施形態における、ケーシングの内部が曲面で構成される角度検出      センサの断面図である。
【図１０】第７の実施形態における、薄型の光源を備える角度検出センサの断面図である。
【図１１】角度検出センサの傾斜角度と各受光面から出力されるアナログ信号の電圧値との関係を示したグラフである。
【図１２】角度検出センサの傾斜角度と演算処理により求められた演算傾斜角度との関係を示したグラフである。
【符号の説明】
【００６１】
１０  角度検出センサ
２０  ケーシング
３０  受光素子
３１  受光領域
４０  遮光体
６０  信号処理回路
【図１】
2007147557.tif 000003
【図２】
2007147557.tif 000004
【図３】
2007147557.tif 000005
【図４】
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【図５】
2007147557.tif 000007
【図６】
2007147557.tif 000008
【図７】
2007147557.tif 000009
【図８】
2007147557.tif 000010
【図９】
2007147557.tif 000011
【図１０】
2007147557.tif 000012
【図１１】
2007147557.tif 000013
【図１２】
2007147557.tif 000014