JP2003042759A - 傾斜角センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 自動車などの車両に搭載でき、振動や外部磁
界などの外乱に強く、小型化できてかつ水平検知が精度
良く検出できる傾斜センサを提供することにある。 【解決手段】 この課題を解決するために本発明の傾斜
角センサは、角度検出用のスリット列１１ａ，１１ｂに
対応して碇形状の振り子１４の外接円内に位置するよう
に振り子１４の内周近傍に角度検出用の第１、第２の光
学検知素子６，７を配置し、水平位置検出用の第３の光
学検知素子８を前記振り子１４の円周上に面対向して配
置し、小型形状の構造を実現した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は車両や産業用機械等
の傾きを検出するための傾斜角センサに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車の安全機構の一つとして正
面衝突や側面衝突時の事故発生時に動作するエアバッグ
システムが普及してきているが、そのような事故の発生
時には横転を伴うことも考えられ、その回転挙動を検知
し安全機構を動作させるための傾斜角センサが有用と考
えられる。

【０００３】このような傾斜角センサの関連技術として
は実開昭６０−５９９１２号公報に記載された回転検出
装置がある。図７にこの回転検出装置の構造を示す。図
７において、１０１は回転軸、１０２は回転円盤、１０
３，１０４はフォトインタラプタ、１０２ａは回転円盤
の歯部、１０２ｂは回転円盤のスリットである。図８に
おいて、Ｐ１はフォトインタラプタ１０３より得られる
信号、Ｐ２はフォトインタラプタ１０４より得られる信
号を示している。Ｐ１の立ち上がり部と、Ｐ２の立ち上
がり部のどちらが先に来るかで回転方向を判別すること
ができ、また、パルスの１周期（α）中にＰ１，Ｐ２の
それぞれの立ち上がり、立ち下がりが４個所あるので３
６０°／スリット数の１／４の角度検知が可能で、原理
的にはフォトインタラプタを１個用いた時の角度分解能
の４倍が得られる。従って図７に示す回転円盤１０２を
垂直に立てて、これに錘を付加すれば傾斜を測定するた
めの高分解能の傾斜角センサとして使用できる。

【０００４】次に図９、図１０に更なる提案に基づいて
傾斜角センサの構造を示す。図９と図１０において、２
１はケース、２２は断面がほぼコの字状をしたフレーム
であり、２３は扇形をしたスリット板、２４は銅やアル
ミのような導電性のよい材料からなる断面がＬ字状の振
り子、２５ａは回動軸、２５ｂは回動軸２５ａと嵌合し
た段付部を有した円筒軸、２６，２７，２８はそれぞれ
受発光素子を有した第１、第２、第３のフォトインタラ
プタである。第３のフォトインタラプタ２８は基準とな
る水平位置を検知するためのものである。スリット板２
３は薄板でできており、振り子２４に接着やかしめ等で
一体化されている。３１はスリット板２３の外周近傍の
円周方向に設けられたスリット列である。第１、第２、
第３のフォトインタラプタ２６，２７，２８は後述の調
整機構部を介してフレーム２２に取付けられている。２
９ａ，２９ｂは軸受であり、回動軸２５ａを支持してお
り、軸受２９ｂの外周にはネジ部が設けられており、回
動軸２５ａの軸方向の遊びを適正に調整することができ
る。３０は磁石であり、振り子２４に近接した状態でフ
レーム２２に取付けられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような図７、図８の傾斜角センサにおいては、１°の検
出をしようとすると、全周で９０個のスリット１０２ｂ
を４°ピッチで設けるとともに、信号のＯＮ区間とＯＦ
Ｆ区間の幅がほぼ等しいことが必要である。ＯＮ区間の
幅はスリット１０２ｂの幅とフォトインタラプタ１０
３，１０４の出射光の開口幅等で決まる。しかし、実際
はスリット１０２ｂの幅は個々にバラツキがあり、フォ
トインタラプタ１０３，１０４も出射光の広がり具合や
受光部の感度のバラツキがあるため、量産時にＯＮ区間
の幅は大きくばらつく。このため、Ｐ１，Ｐ２のＯＮと
ＯＦＦが順序通りにはならず、その場合は誤動作するこ
とになる。このような誤動作を防ぐには、スリット１０
２ｂの配列の物理的なピッチがある程度以上大きいこと
が必要で、この場合、回転円盤１０２の直径は例えばφ
８０ｍｍにもなり、傾斜角センサとして車両に搭載する
には大きすぎるという難点があった。

【０００６】次に上記のような図９、図１０の傾斜角セ
ンサにおいては、スリット板２３の外周部に第１、第
２、第３のフォトインタラプタ２６，２７，２８が調整
機構部を介してフレーム２２に取付けられており、傾斜
角センサの高さが高くなるという欠点があった。

【０００７】本発明はこの課題を解決するものであり、
例えば自動車等の車両の傾斜角を小型な構造で誤動作の
発生なく高分解能に測定できる傾斜角センサを提供する
ことを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明の傾斜角センサは、以下の構成を有する。

【０００９】本発明の請求項１に記載の発明は、フレー
ムと、このフレームに保持された軸受と、この軸受に回
動可能に支持された回動軸と、この回動軸に設けた碇形
状の振り子と、この碇形状の振り子を構成する左右片の
各々に設けられた２組の角度検出用のスリット列と、同
じく上記碇形状の振り子の左右片の中間部に設けられた
水平位置検出用のスリットと、前記碇形状の振り子の左
右片の内周側に配置され、前記振り子に設けた角度検出
用のスリット列に対応する第１、第２の光学検知素子
と、前記碇形状の振り子に対向配置され、前記振り子に
設けた水平位置検出用のスリットに対応する第３の光学
検知素子とを備え、前記第１、第２、第３の光学検知素
子を前記碇形状の振り子の外接円内に配列したものであ
り、前記第１、第２の光学検知素子が前記碇形状の振り
子の左右片に内接するように配置され、かつ前記第３の
光学検知素子も前記碇形状の振り子に対向配置されるの
で、当該振り子の外接円外に張り出すことはなく、セン
サ自体の小型化を図ることができるという作用を有す
る。

【００１０】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の発明において、前記碇形状の振り子は、前記回動軸に
設けた錘体と、この錘体に取付けられ、円周方向に沿っ
て左右各々に設けられた２組の角度検出用のスリット列
および円周方向の一部に設けられた水平位置検出用のス
リットを有する半円状で所定幅をもつスリット板から構
成したものであり、スリット板として薄板を利用し、再
度検出用のスリット列や水平位置検出用のスリットを高
精度に形成することができるという作用を有する。

【００１１】請求項３に記載の発明は、請求項１に記載
の発明において、前記第１、第２の光学検知素子は透過
型のフォトインタラプタであり、前記第３の光学検知素
子は反射型のフォトインタラプタであることを特徴とす
るものであり、特に前記第３の光学検知素子として反射
型のものを利用する関係で下面方向への張り出しをなく
し、センサ自体の小型化を実現できるという作用を有す
る。

【００１２】請求項４に記載の発明は、請求項１に記載
の発明において、前記フレームはＵ字状であり、それぞ
れの自由端に設けた軸受により前記碇形状の振り子を回
動可能に支持したものであり、前記Ｕ字状のフレームの
自由端に前記碇形状の振り子を支持する関係で上面方向
への張り出しを抑制して低背化を可能とし、センサ自体
の更なる小型化を図ることができるという作用を有す
る。

【００１３】請求項５に記載の発明は、請求項１に記載
の発明において、前記碇形状の振り子は非磁性の良導体
であり、当該振り子に制動用の磁石を近接して配設した
ものであり、前記振り子に渦電流ブレーキを作用させる
ことができ、当該振り子に対する速い速度に基づく外部
振動等に起因した誤動作を防止することができるという
作用を有する。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図１から図６を用いて説明する。

【００１５】（実施の形態１）図１は本発明の傾斜角セ
ンサの実施の形態１を説明する蓋を取った状態の正面
図、図２は同側断面図である。

【００１６】図１と図２において、１ａは下ケース、１
ｂは上ケース、２は断面がほぼＵの字状をしたフレーム
であり、３は半円状で所定幅をもつスリット板、４は銅
やアルミのような非磁性で導電性の良い材料からなる断
面がＬ字状の錘体、５は回動軸、６は角度検出用の光学
検知素子である第１の透過型フォトインタラプタ、７は
角度検出用の他方の光学検知素子である第２の透過型フ
ォトインタラプタ、８は水平位置検出用の光学検知素子
である反射型フォトインタラプタである。スリット板３
は薄板でできており錘体４に接着やかしめ等で一体化す
ることにより碇形状の振り子１４を構成している。上記
第１、第２の透過型フォトインタラプタ６，７、および
反射型フォトインタラプタ８はフレーム２に取付けられ
ている。

【００１７】ここで、透過型フォトインタラプタ６，７
はスリット板３の内周側近傍に取付けられ、反射型フォ
トインタラプタ８はスリット板３の円周主面に対向する
ように取付けられている。すなわち、前記碇形状の振り
子１４はその左右片の内周側に透過型のフォトインタラ
プタ６，７が配設され、その左右片の中間部分に反射型
フォトインタラプタ８が面対向して配設されることにな
り、これらフォトインタラプタ６，７，８は前記した碇
形状の振り子１４の外接円内に配置されている。

【００１８】９ａ，９ｂは軸受であり、回動軸５を支持
しており、軸受９ｂの外周にはネジ部が設けられており
回動軸５の軸方向の遊びを適正に調整することができ
る。１０は磁石であり、振り子１４を構成する錘体４に
近接した状態でフレーム２に取付けられている。

【００１９】振り子１４は通常重力方向を指している
が、回動軸５は軸径を小さくするとともに表面を滑らか
にしているため、軸受９ａ，９ｂとの間の摩擦は小さ
く、従って、動きが滑らかであり、車両（車両に取付け
られたケース）等がわずかに傾いても振り子１４はあく
までも重力方向を指し続けることができる。

【００２０】また、磁石１０から発する磁力線は振り子
１４の回動軌跡に直交する方向に優先的に貫通してお
り、磁石１０と振り子１４とが速い相対運動をしようと
すると、振り子１４内に発生する渦電流によって逆磁界
が起こる。この逆磁界により磁石１０との間に制動力が
働く。車両の横転時の速度は比較的ゆっくりしているの
に対し車両に外部から加わる振動や外乱は速度の速いも
のであり、速い動きに対しては前記制動力がかかる。し
たがって、振り子１４は揺れることが無く、傾斜してい
ないのに誤って傾斜したことを示す信号を発生する心配
が無い。

【００２１】また、１３はプリント基板であり、反射型
フォトインタラプタ８が取付けられて有り、フレーム２
に取付けられている。

【００２２】図３（ａ）はスリット板３を示す。図３
（ｂ），（ｃ）は２組の角度検出用のスリット列の拡大
図である。

【００２３】本実施の形態では傾斜角の範囲を±２０°
にしている例を示している。スリット板３の外周近辺に
は角度検出用スリット列１１ａ及び１１ｂが回動軸５を
中心とする円周上に配列されている。車両の水平位置に
おいては角度検出用スリット列１１ａの中央Ａには第１
の透過型フォトインタラプタ６の光軸が相対している。
また角度検出用スリット列１１ｂの中央Ｂには第２の透
過型フォトインタラプタ７の光軸が相対している。角度
検出用スリット列１１ａはＡを境に左右に角度１°分の
光不透過部（パルス信号としてはＯＦＦ部）の次に角度
２°分の光透過部（パルス信号としてはＯＮ部）が来
て、次に角度２°分の光不透過部（ＯＦＦ部）、角度２
°分の光透過部（ＯＮ部）が交互に６周期分来る。ま
た、角度検出用スリット列１１ｂではＢを境に右回りで
は角度２°分の光不透過部（ＯＦＦ部）のあと角度２°
分の光透過部（ＯＮ部）、角度２°分の光不透過部（Ｏ
ＦＦ部）が６周期分来る。左回りでは角度２°分の光透
過部（ＯＮ部）のあと角度２°分の光不透過部（ＯＦＦ
部）、角度２°分の光透過部（ＯＮ部）が交互に６周期
分来る。水平位置検出用のスリット１２には反射型フォ
トインタラプタ８が対応しており、反射型フォトインタ
ラプタ８がちょうど水平位置検出用スリット１２に相対
するときは反射光が戻ってこないためＯＦＦ部と感じ、
このＯＦＦ部はＺを境に左右に角度２°ずつあり、次に
反射部（ＯＮ部）が連続して続く。

【００２４】このように配置されたフォトインタラプタ
群からは図５に示すような信号が得られる。これにて、
右回り、左回り共に角度約２０°の測定範囲をもってい
る（光透過部は計測範囲約２０°であるが数多く開けて
ある）。各スリット列やスリットの基準Ａ，Ｂ，Ｚはタ
イミングが図の基準Ｓに揃えるように各フォトインタラ
プタの位置を予めスリット配列の円周方向に微動させて
調整している。また、反射型フォトインタラプタ８はプ
リント基板１３との取付け深度を変えるか、または別途
設けた調整機構（図示せず）によってスリット板３との
間隔を変えることによってＯＦＦ部の幅が４°になるよ
うに設定することができる。

【００２５】次に、本実施の形態の傾斜角センサを図４
に示すように例えば右回りに一定の速度で回動させたと
き、振り子１４はあくまで重力方向を向き続けるため、
各フォトインタラプタ６，７，８からは図５の右回りに
示すようなパルス信号を発する。第１の透過型フォトイ
ンタラプタ６からの出力波形をＡｐ、第２の透過型フォ
トインタラプタ７からの出力波形をＢｐ、反射型フォト
インタラプタ８からの波形をＺｐとすると、Ａｐは基準
Ｓから角度１°分のＯＦＦ部のあと角度１°のＯＮ部が
来て、ついで角度２°分のＯＦＦ部、角度２°分のＯＮ
部が交互に続く。Ｂｐは基準Ｓから角度２°分のＯＦＦ
部のあと角度２°分のＯＮ部と角度２°分のＯＦＦ部が
交互に続く。Ｚｐは基準Ｓから２°分のＯＦＦ部のあと
に連続したＯＮ部が続く。左回りでは、Ａｐは右回りと
同様に基準Ｓから角度１°分のＯＦＦ部のあと角度２°
分のＯＮ部が来て、ついで角度２°分のＯＦＦ部、角度
２°分のＯＮ部が交互に続く。Ｂｐは基準Ｓから角度２
°分のＯＮ部のあと角度２°分のＯＦＦ部と角度２°分
のＯＮ部が交互に続く。Ｚｐは右回りと同様に基準Ｓか
ら２°分のＯＦＦ部のあとに連続したＯＮ部が続く。

【００２６】図５のパルス列では右回り、左回り共に基
準Ｓから１°進むごとにＡｐ，Ｂｐ，Ｚｐいずれかのパ
ルスが切り替わるため、この切り替わりをカウントする
ことで何度回った（傾いた）のかを角度１°の分解能で
検知することができる。またＡｐ，Ｂｐいずれの切り替
わりが先に来るかを検出することで右回りなのか左回り
なのかを検知することができる。ＯＮ部を１、ＯＦＦ部
を０とすると、ＺｐがＯＦＦ部の領域Ｒにおいては（Ａ
ｐ，Ｂｐ，Ｚｐ）の値は左から（１，１，０）、（０，
１，０）、（０，０，０）、（１，０，０）といずれも
組み合わせが異なるため領域Ｒの範囲ならば領域を４つ
に分けたうちのどこにいるかを即座に認識することがで
きる。基準Ｓは傾斜角センサ内で調整できるものである
が、基準Ｓと真の垂直とが一致しているとは限らず、か
かる場合に基準Ｓと真の垂直とのズレが領域Ｒの範囲で
あれば４つに分けた領域と真の垂直とが合うところを真
の垂直として覚え込ませることができるものである。こ
れは、車両に実際に組み込んだときに平坦な道路であり
ながら傾斜角センサの取り付け面が水平ではない場合に
もその車両に特有な方向を垂直方向として覚え込ませる
ことができるという特徴も有しているものである。

【００２７】これまでの説明で、傾斜角センサの高さ
は、計測範囲２０°、分解能１°の条件ではスリット板
３と錘体４の合計高さを約１３ｍｍにすることが可能と
なり、ケース１との合計高さ約１９ｍｍに実現可能とな
った。

【００２８】これまでの説明では分解能が角度１°の場
合について述べたが、分解能をαとしてＡｐ，Ｂｐ，Ｚ
ｐのパルス幅をすべてα倍しても全く同様の効果を有す
るものである。

【００２９】これまでの説明では、説明の便宜上スリッ
ト列の光透過部と光不透過部との比を図５に示すパルス
幅のＯＮ部、ＯＦＦ部の比と等しくしたが、実際には光
学素子を透過する光に一定の幅を持っているため、スリ
ットの光透過部の幅をその分狭くする必要があるが、そ
のような場合にも全く同様の効果を有するものである。

【００３０】また測定範囲を左右２０°にて説明してい
るが、２０°に固定されるものではなく何度にでも設定
可能なものである。

【００３１】振り子１４はどんな時にでも重力方向に向
いていて静止していることが望ましいが、外部からの振
動や衝撃が加わると振り子１４は揺れて誤信号を出し、
正しい垂直方向を示せなくなる。磁石１０の磁力線は振
り子１４を貫通しているが、振り子１４が静止している
限り磁石１０により振り子１４に何らの作用もしない
が、外部からの振動や衝撃によって振り子１４が揺れた
とすると振り子１４と磁石との間に相対運動が生じ、そ
のときに導電体である錘体４内に生じる渦電流による反
磁界の作用によって制動力が発生して振り子の揺れを強
制的に減衰させて止めてしまうことができる。

【００３２】（実施の形態２）図６は本発明の傾斜角セ
ンサの実施の形態２を説明する蓋を取った状態の正面図
である。

【００３３】図６において、前記図１で説明した角度検
出用透過型フォトインタラプタ６，７をも反射型フォト
インタラプタ１６，１７に置き換えた実施例である。

【００３４】ここで、角度検出用フォトインタラプタ、
及び水平検出用フォトインタラプタを反射型フォトイン
タラプタで統一することにより、プリント基板１３に角
度検出用反射型フォトインタラプタ１６，１７、水平検
出用フォトインタラプタ８を実装可能となる。図１では
角度検出用透過型フォトインタラプタ６，７の取付けを
省略したが、角度検出用透過型フォトインタラプタ６，
７の出力端子と水平検出用フォトインタラプタ８の出力
端子の方向が異なるため、角度検出用透過型フォトイン
タラプタ６，７の出力端子からプリント基板１３に接続
するときはフレキシブルな配線コネクタが必要となる
が、実施の形態２に示す場合、プリント基板に直接接続
可能となる。

【００３５】但し、透過型のフォトインタラプタから反
射型のフォトインタラプタに置き換えた時、図７のＡ
ｐ，Ｂｐの出力波形は反転したものになるが説明を省略
する。

【００３６】これまでの説明では、説明の便宜上スリッ
ト列の光透過部と光不透過部と説明したが、光吸収部、
光反射部と言い換えても説明がつくように、スリット列
を窓から白黒印刷されたバーコードでも全く同様の効果
を有するものである。

【００３７】

【発明の効果】以上のように本発明は、フレームと、前
記フレームに保持された軸受と、前記軸受に回動可能に
支持された回動軸と、前記回動軸に設けた碇形状の振り
子と、前記碇形状の振り子の左右片に円周方向に沿って
左右各々設けられた２組の角度検出用のスリット列と、
同じく円周方向の一部に設けた水平位置検出用のスリッ
トと、前記角度検出用スリット列に対応するように前記
碇形状の振り子の内周側近傍に配設された第１、第２の
光学検知素子、前記水平検出用スリットに対応するよう
に碇形状の振り子に面対向して設けられた第３の光学検
知素子とを備え、第１、第２、第３の光学検知素子を振
り子の外接円内に配列したため、小型な構造でありなが
ら誤動作の発生がなく、高分解能な測定ができる傾斜角
センサが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の傾斜角センサの実施の形態１を説明す
るための蓋を取った状態の正面図

【図２】同側断面図

【図３】（ａ）同スリット板の詳細構造を説明するため
の正面図 （ｂ），（ｃ）同スリット板の詳細構造を説明するため
の拡大図

【図４】本発明の傾斜角センサの実施の形態１の動作状
態を示す説明図

【図５】同センサの動作説明図

【図６】本発明の傾斜角センサの実施の形態２を説明す
るための正面図

【図７】従来の傾斜角センサの関連技術を説明するため
の模式斜視図

【図８】同両フォトインタラプタの出力信号の位相関係
を説明するための出力信号波形図

【図９】従来の傾斜角センサを説明するための蓋を取っ
た状態の正面図

【図１０】同側断面図

【符号の説明】

１ａ 下ケース １ｂ 上ケース ２ フレーム ３ スリット板 ４ 錘体 ５ 回動軸 ６ 第１の光学検知素子 ７ 第２の光学検知素子 ８ 第３の光学検知素子 ９ａ，９ｂ 軸受 １０ 磁石 １１ａ，１１ｂ 角度検出用スリット列 １２ 水平位置検出用スリット １３ プリント基板 １４ 振り子

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 フレームと、このフレームに保持された
   軸受と、この軸受に回動可能に支持された回動軸と、こ
   の回動軸に設けた碇形状の振り子と、この碇形状の振り
   子を構成する左右片の各々に設けられた２組の角度検出
   用のスリット列と、同じく上記碇形状の振り子の左右片
   の中間部に設けられた水平位置検出用のスリットと、前
   記碇形状の振り子の左右片の内周側に配置され、前記振
   り子に設けた角度検出用のスリット列に対応する第１、
   第２の光学検知素子と、前記碇形状の振り子に対向配置
   され、前記振り子に設けた水平位置検出用のスリットに
   対応する第３の光学検知素子とを備え、前記第１、第
   ２、第３の光学検知素子を前記碇形状の振り子の外接円
   内に配列した傾斜角センサ。
2. 【請求項２】 前記碇形状の振り子は、前記回動軸に設
   けた錘体と、この錘体に取付けられ、円周方向に沿って
   左右各々に設けられた２組の角度検出用のスリット列お
   よび円周方向の一部に設けられた水平位置検出用のスリ
   ットを有する半円状で所定幅をもつスリット板から構成
   した請求項１に記載の傾斜角センサ。
3. 【請求項３】 前記第１、第２の光学検知素子は透過型
   のフォトインタラプタであり、前記第３の光学検知素子
   は反射型のフォトインタラプタである請求項１に記載の
   傾斜角センサ。
4. 【請求項４】 前記フレームはＵ字状であり、それぞれ
   の自由端に設けた軸受により前記碇形状の振り子を回動
   可能に支持した請求項１に記載の傾斜角センサ。
5. 【請求項５】 前記碇形状の振り子は非磁性の良導体で
   あり、当該振り子に制動用の磁石を近接して配設した請
   求項１に記載の傾斜角センサ。