JP2007178391A - 傾斜角検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で精確な傾斜角度を検出することが可能な傾斜角検出装置を提供する。
【解決手段】透光性容器２４の湾曲部２４ａに遮光性の検出体（金属球）２５が移動可能に収容されている。透光性容器２４の上端部に発光素子（ＬＥＤ）２７が発光面を透光性容器２４の湾曲部２４ａへ向けて固定されている。発光素子２７から出射された光は、透光性容器２４を透過して撮像素子２１の撮像エリア２１ａに入射し、撮像エリア２１ａ上に検出体２５の投影像２５ａが形成される。撮像素子２１は、撮像エリア２１ａ上に形成された投影像２５ａを映像信号としてＣＰＵ２３へ出力し、ＣＰＵ２３はその映像信号から検出体２５の位置を認識する。ＣＰＵ２３は、検出体２５の位置に応じた傾斜角度情報を予め記憶しており、その傾斜角度情報と検出体の位置情報とを互いに照らし合わせることで透光性容器２４の傾斜角度を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷蔵庫や半導体製造装置等の各種機器に搭載され、その機器の傾斜角度を検出する傾斜角検出装置に関するものである。

図７は従来の傾斜角検出装置の概略構成図である。以下、従来の傾斜角検出装置を図７を参照して説明する。従来の角度検出装置においては、基板１上にＣＣＤイメージセンサー２が実装されており、さらにＣＣＤイメージセンサー２上には半球状の透明容器３が搭載されている。透明容器３の内部には、互いに光の透過率及び比重の異なる３種類の液体４、５及び６（液体４、５、６と順に比重が大きい）が封入されており、さらに透明容器３の外周に沿って投光用のＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、及び７ｅが配設されている。各ＬＥＤは切り換え部８を介してＣＰＵ９に接続されており、ＣＰＵ９からの切り換え信号に応じて各ＬＥＤが切り換え部８により切り換えられて点灯する。（特許文献１参照）

ＬＥＤから透明容器３へ向けて照射された光は、透明容器３を透過して透明容器３の下部に配設されたＣＣＤイメージセンサー２に入射する。この時、ＣＣＤイメージセンサー２上には、透明容器３に封入された液体４、５及び６の投影像１０、１１及び１２が形成される。ＣＣＤイメージセンサー２は、それらの投影像を各ＬＥＤが点灯する毎に検出し、映像信号としてＣＰＵ９へ出力する。ＣＰＵ９は、ＣＣＤイメージセンサー２から出力された映像信号を内臓メモリ（不図示）に記憶すると共に、それらのデータを基にして各投影像１０、１１、及び１２の位置、濃度面積、及び投影像を撮像エリアの中心で直交する分割線で４分割した際の面積比を演算により求める。そして、ＣＰＵ９はそれらの演算結果を基に透明容器３の傾斜角度を算出する。この構成によれば、機械的な可動部分を必要としないため磁界の変化による影響を受けることはなく、小さな角度でも正確に測定することが可能である。
特開平６−１８２４４号公報

しかしながら、以上説明した傾斜角検出装置は構成部品が多く、さらには構造が複雑なため製造が容易ではなかった。また、ＬＥＤを複数個使用するため、小型化、薄型化が困難であるという課題があった。また、半球状の透明容器に比重の異なる３種類の液体を封入するため、製造工程が複雑であった。本発明は、上記課題を解消するためになされたものであり、小さな傾斜角度でも精確に測定でき、尚且つ容易に製造が可能な傾斜角検出装置を提供することを目的とする。

少なくとも、凹面状に窪んだ湾曲部を有する透光性容器と、当該透光性容器の湾曲部内に収容されて当該湾曲部の内面に沿って移動可能な遮光性の検出体と、前記透光性容器の湾曲部を密閉するように前記透光性容器に接合された蓋部材と、前記透光性容器の湾曲部に向けて光を出射する発光素子と、前記発光素子から出射されて前記透光性容器を透過した光を検出し映像信号として出力する撮像素子と、前記撮像素子から出力された映像信号を基に前記透光性容器の傾斜角度を算出する信号処理手段とを有する傾斜角検出装置とする。

前記蓋部材を透光性部材とすると共に、前記発光素子を前記蓋部材の側端部に固定し、前記発光素子の出射光を前記蓋部材内部へ向けて伝播させる傾斜角検出装置とする。

前記蓋部材と前記透光性容器との接合面に遮光性部材を設けた傾斜角検出装置とする。

前記蓋部材の外部に露呈された部位を遮光性部材で被覆した傾斜角検出装置とする。

前記透光性容器を、上端部に凹面状の湾曲部を有する柱状の透光性部材と、当該透光性部材の外周部に嵌合する環状の遮光性部材とで構成した傾斜角検出装置とする。

前記透光性容器の外部に露呈された部位を遮光性部材で被覆した傾斜角検出装置とする。

前記透光性容器に前記撮像素子を収納する凹部を設けた傾斜角検出装置とする。

前記発光素子は、可視光または近赤外線を発する傾斜角検出装置とする。

前記透光性容器の湾曲部に前記検出体より比重の小さい液体を充填した傾斜角検出装置とする。

本発明の傾斜角検出装置は、構成部品が少なく構造も簡単なため、容易且つ安価に製造することができると共に、薄型化が可能である。また、傾斜角度の測定精度は撮像素子の画素数に依存するため、高画素の撮像素子を用いることで測定精度を比例級数的に高めていくことも可能である。

凹面状に窪んだ湾曲部を有する透光性容器と、当該透光性容器の湾曲部内に収容されて当該湾曲部の内面上に沿って移動可能な遮光性の検出体と、前記透光性容器の湾曲部を密閉するように前記透光性容器に接合された蓋部材と、前記透光性容器の湾曲部に向けて光を出射する発光素子と、前記発光素子から出射されて前記透光性容器を透過した光を検出し映像信号として出力する撮像素子と、前記撮像素子から出力された映像信号を基に前記透光性容器の傾斜角度を算出する信号処理手段（ＣＰＵ）とで傾斜角検出装置を構成する。発光素子から出射された光は透光性容器を透過して撮像素子の撮像エアリに入射し、撮像エリア上に遮光性の検出体の投影像が形成される。撮像素子は、撮像エリア上に形成された投影像を映像信号として信号処理手段へ出力し、信号処理手段はその映像信号を基に透光性容器の傾斜角度を算出する。

図１は、本発明による傾斜角検出装置の一実施形態を示す分解斜視図である。本実施形態による傾斜角検出装置においては、ＣＣＤやＣＭＯＳのような撮像素子２１が撮像エリア２１ａを上方に向けて回路基板２２上に実装されており、ボンディングワイヤー等（不図示）を介して回路基板２２上の配線パターン（不図示）と導通している。さらに回路基板２２上には、信号処理素子（ＣＰＵ）２３が実装されており、回路基板２２上の配線パターンを介して撮像素子２１と互いに導通している。

撮像素子２１の上面には、撮像エリア２１ａを覆うように透光性セラミックや透光性プラスチックなどから成る透光性容器２４が固定されている。さらに、透光性容器２４の上端部には撮像素子２１に向かって凹面状に窪んだ湾曲部２４ａが設けられている。本実施例において湾曲部２４ａは半球状をしており、半球の直径は少なくとも撮像エリアの一辺長以下になるように設定されている。

透光性容器２４の湾曲部２４ａ内には、湾曲部２４ａの内面に沿って移動可能な遮光性の検出体２５が収容されている。本実施例において、検出体２５にはアルミニウムなどの金属を直径０．５ｍｍ程度の球状にして表面を研磨したものを用い、湾曲部２４ａの内面上を転がることで自由に移動することができるようになっている。尚、検出体２５は、湾曲部２４ａの湾曲形状に沿って移動可能な材質及び形状で、遮光性を有するものであれば何でも良く、必ずしも金属球に限定されない。

透光性容器２４の上面には、湾曲部２４ａを密閉するように透光性の蓋部材２６が固定されており、さらに蓋部材２６の上面には、透光性容器２４の湾曲部２４ａに向けて光を出射する発光素子２７が固定されている。発光素子２７は、ボンディングワイヤー、又は蓋部材２６表面と回路基板２２上に配設された導電パターン（不図示）を介して回路基板２２上のＣＰＵ２３と導通している。本実施例において発光素子２７は、少なくとも透光性容器２４を透過可能な可視光（波長帯域が３００〜７５０ｎｍ付近）もしくは近赤外線（波長帯域が７５１〜１０００ｎｍ付近）を発する発光素子（ＬＥＤ）である。但し、それら以外の光線を用いた場合であっても、その光線を透過させる材質の容器と、その光線を遮断する材質の検出体と、その光線を検出する撮像素子とを組み合わせることで、本発明と同じ作用を得ることが可能である。

また、透光性容器２４の側面は遮光性（好ましくは光吸収性）の膜やシート部材（不図示）で覆われており、外部からの入光を防止してある。尚、遮光性の膜としてはクロム（Ｃｒ）膜などが挙げられる。また、外部からの入光を防止するという主旨からすれば、側面に限らず外部に露呈されている全ての部位を遮光性部材で覆うのがより好ましい。

また、本実施例では蓋部材を透光性部材とし、その上面に発光素子を配置しているが、蓋部材を非透光性とし、その下面に発光素子を配置することも可能である。発光素子を透光性の蓋部材の上面に配置した場合には、発光素子の出射光は一度透光性の蓋部材を透過してから湾曲部へ向けて照射されるのに対し、発光素子を非透光性の蓋部材の下面に配置した場合には、発光素子の出射光は直接湾曲部へ向けて照射される。尚、蓋部材に透光性部材を用いる場合には、外乱光の侵入を防止するため、外部に露呈された部位、即ち発光素子の実装部位を除く外表面を遮光性（好ましくは光吸収性）の膜やシート部材（不図示）で覆うのが好ましい。遮光性の膜としてはクロム（Ｃｒ）膜などが挙げられる。

発光素子２７から出射された光は、透光性容器２４を透過して撮像素子２１の撮像エリア２１ａに入射する。その際、透光性容器２４の湾曲部２４ａ内に収容された遮光性の検出体２５に向けて照射された光は、検出体２５表面で乱反射もしくは吸収され、その結果、撮像素子２１の撮像エリア２１ａ上に検出体２５の投影像２５ａが形成される。撮像素子２１は、検出体２５の投影像２５ａを検出して映像信号に変換し、回路基板２２を介してＣＰＵ２３へ出力する。ＣＰＵ２３は、撮像素子２１から出力された映像信号を基に検出体２５の位置を認識し、さらにその位置情報を基に透光性容器２４の傾斜角度を算出する。

図２は、本発明による傾斜角検出装置の一実施形態を示す斜視図である。図３は、図２のＡ−Ａ’断面図（ハッチングは省略）で、（Ａ）は透光性容器が水平な状態、（Ｂ）は透光性容器が一方向（右下方向）へ傾いた状態を示している。また、図４は、図３（Ａ）、（Ｂ）の各状態において撮像素子の撮像エリア上に形成される検出体の投影像を示す上面図である。以下、図２、３、４を参照して本発明の傾斜角検出装置における傾斜角検出方法について説明する。まず、透光性容器２４が傾斜していない状態（水平状態）では、図３（Ａ）に示すように遮光性の検出体２５は、透光性容器２４の湾曲部２４ａ中央に静止しており、この時、撮像素子２１の撮像エリア２１ａには、図４（Ａ）に示すように撮像エリア２１ａの中心に検出体２５の投影像２５ａが形成されている。次に、透光性容器２４が図３（Ｂ）に示すように任意の方向（図では右下方向）へ傾くと、検出体２５は重力の影響により湾曲部２４ａの湾曲面に沿って移動して静止する。この時、撮像エリア２１ａ上には、図４（Ｂ）に示すように透光性容器２４の傾斜方向と傾斜度合いに応じて撮像エリア２１ａの中心から所定の位置へ移動した投影像２５ａが形成される。

撮像エリア２１ａ上には微小な受光素子（不図示）がドットマトリクス状に無数に配置されており、それら受光素子の検出体の影となる領域、即ち投影像領域には発光素子２７からの光が照射されないのに対し、それ以外の領域には光が照射されるため、それら２つの領域間では互いに異なる電気信号が作成され、撮像素子２１はその電気信号を映像信号としてＣＰＵ２３へ伝達する。

ＣＰＵ２３は、図４（Ａ）に示すように透光性容器２４が水平状態にある時の映像信号を予め記憶しており、撮像素子２１からそれと同等な映像信号が出力されている時を、検出体２５が湾曲部２４ａの中央にある状態、即ち透光性容器２４が水平状態にあると認識している。それと同様に、透光性容器が図３（Ｂ）に示すように傾斜し、それに伴って検出体２５の投影像２５ａが図４（Ｂ）に示す位置へ移動すると、撮像素子２１からはその投影像２５ａの位置に応じて異なる映像信号が出力される。例えば、図４（Ｂ）に示すような検出体２５の投影像２５ａが得られた場合には、図４（Ａ）に示す水平状態における投影像２５ａの一端部もしくは中心部（本実施例では、中心部）を距離計測の基準点として、同じく図４（Ｂ）に示す投影像２５ａの一端部もしくは中心部（本実施例では一端部）までの距離を計測する。ＣＰＵ２３は、投影像２５ａの移動距離に応じた傾斜角度（湾曲部２４ａの曲率により決定される）を予め記憶しており、例えば、投影像２５ａの移動距離を撮像エリア２１ａに配列された受光素子のドット数に換算して縦に１００ドット、横に５０ドットならば縦傾斜角度３０°、横傾斜角度１５°として傾斜角度を算出する。このようにして撮像エリア２１ａ上における投影像２５ａの位置を求めることにより、３６０°どの方向でも精確な傾斜角度を測定することが可能である。

実施例１では発光素子を蓋部材の主面上に配置しているが、蓋部材の側端部に配置することも可能である。図５は、発光素子を蓋部材の側端部に配置した実施形態を示す要部断面図で、この構成においては、透光性材質、特に導光材質（導光板）として構成された蓋部材２８の側端部に発光面を対向させて発光素子２７が配置されている。発光素子２７から出射された光は蓋部材２８の側端部から入射して蓋部材２８内部を拡散しつつ伝播し、蓋部材２８の下面から透光性容器２４の湾曲部２４ａへ向けて均一に照射される。尚、このように蓋部材を導光板として構成する場合には、光の損失を低減させるために光の入射面（一側端面）と出射面（下面）以外を反射部材等（不図示）で覆っておくのが好ましい。さらに、蓋部材２８を透光性容器２４上端部に固定する際に遮光性（好ましくは光反射性）の接着剤や両面テープ２９を用いれば、よりいっそう光の利用効率が高まるだけでなく、光出射面の見切りとしての作用も得られ、出射光の指向性が高まる。このようにして照明光の均一性や指向性を高めることで、より精確な検出体の投影像を得ることが可能となり、傾斜角度の測定精度が向上する。

実施例１、２では透光性容器２４の外表面に遮光性部材を設けているが、透光性容器２４を透光性部材と遮光性部材（好ましくは光吸収性部材）の２つの部材で構成することで同様の作用を得ることも可能である。図６は、透光性容器を透光性部材と遮光性部材の２つの部材で構成した実施形態を示す要部断面図で、図１に示した実施例１における透光性容器２４を、上端部に凹面状に窪んだ湾曲部を有する円柱状の透光性部材３０と、環状の遮光性部材３１とで構成してある。円柱状の透光性部材３０の外径は、環状の遮光性部材３１の内径とほぼ同一となっており、円柱状の透光性部材３０の外周に環状の遮光性部材３１を嵌合することで一体化されている。この構成では、円柱状の透光性部材３０と環状の遮光性部材３１との接合面（境界面）３２により、発光素子２７の出射光を撮像素子２１の撮像エリア２１ａへ向けてガイドする導光路が形成されため、発光素子２７の出射光が光路中で透光性部材３０の外部へ拡散するのを防止することができる。

本発明の実施形態は以上説明したとおりであるが、本発明の傾斜角検出装置は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば透光性容器２４の下端部に凹部（不図示）を設け、そこに撮像素子２１を収納するようにしてもよく、こうすることで撮像素子を外部から保護する作用が得られる。また、検出体２５をより安定して静止させたい場合には、透光性容器２４の湾曲部２４ａに検出体２５より比重の小さい透明オイルなどの液体を充填して検出体２５の動きを鈍化させることも可能である。この場合、液体を封入するための工数は掛かるが、従来技術よりは取り扱う液体の種類が少なくて済むため（少なくとも１種類でよい）、製造工程が煩雑化することはない。

本発明による傾斜角検出装置の一実施形態を示す分解斜視図 本発明による傾斜角検出装置の一実施形態を示す斜視図（実施例１） 図２のＡ−Ａ’断面図で、（Ａ）は透光性容器が水平な状態、（Ｂ）は透光性容器が一方向（右下方向）へ傾いた状態を示している 図３（Ａ）、（Ｂ）の各状態において撮像素子の撮像エリア上に形成される検出体の投影像を示す上面図 発光素子を蓋部材の側端部に配置した実施形態を示す要部断面図（実施例２） 透光性容器を透光性部材と遮光性部材の２つの部材で構成した実施形態を示す要部断面図（実施例３） 従来の傾斜角検出装置の概略構成図

符号の説明

１ 基板
２ 撮像素子
３ 透明容器
４ 液体
５ 液体
６ 液体
７ａ ＬＥＤ
７ｂ ＬＥＤ
７ｃ ＬＥＤ
７ｄ ＬＥＤ
７ｅ ＬＥＤ
８ 切り換え部
９ ＣＰＵ
１０ 投影像
１１ 投影像
１２ 投影像
２１ 撮像素子
２１ａ 撮像エリア
２２ 回路基板
２３ 信号処理素子（ＣＰＵ）
２４ 透光性容器
２４ａ 湾曲部
２５ 検出体
２５ａ 投影像
２６ 蓋部材
２７ 発光素子（ＬＥＤ）
２８ 蓋部材
２９ 遮光性接着剤又は遮光性両面テープ
３０ 透光性部材
３１ 遮光性部材
３２ 接合面（境界面）

Claims (9)

1. 少なくとも、凹面状に窪んだ湾曲部を有する透光性容器と、当該透光性容器の湾曲部内に収容されて当該湾曲部の内面に沿って移動可能な遮光性の検出体と、前記透光性容器の湾曲部を密閉するように前記透光性容器に接合された蓋部材と、前記透光性容器の湾曲部に向けて光を出射する発光素子と、前記発光素子から出射されて前記透光性容器を透過した光を検出し映像信号として出力する撮像素子と、前記撮像素子から出力された映像信号を基に前記透光性容器の傾斜角度を算出する信号処理手段とを有することを特徴とする傾斜角検出装置。
2. 前記蓋部材を透光性部材とすると共に、前記発光素子を前記蓋部材の側端部に固定し、前記発光素子の出射光を前記蓋部材内部へ向けて伝播させることを特徴とする請求項１に記載の傾斜角検出装置。
3. 前記蓋部材と前記透光性容器との接合面に遮光性部材を設けたことを特徴とする請求項２に記載の傾斜角検出装置。
4. 前記透光性容器を、上端部に凹面状の湾曲部を有する柱状の透光性部材と、当該透光性部材の外周部に嵌合する環状の遮光性部材とで構成したことを特徴とする請求項１、又は２に記載の傾斜角検出装置。
5. 前記蓋部材の外部に露呈された部位を遮光性部材で被覆したことを特徴とする請求項２〜４の何れか１つに記載の傾斜角検出装置。
6. 前記透光性容器の外部に露呈された部位を遮光性部材で被覆したことを特徴とする請求項１〜４の何れか１つに記載の傾斜角検出装置。
7. 前記透光性容器に前記撮像素子を収納する凹部を設けたことを特徴とする請求項１〜６の何れか１つに記載の傾斜角検出装置。
8. 前記発光素子は、可視光または近赤外線を発することを特徴とする請求項１〜７の何れか１つに記載の傾斜角検出装置。
9. 前記透光性容器の湾曲部に前記検出体より比重の小さい液体を充填したことを特徴とする請求項１〜８の何れか１つに記載の傾斜角検出装置。

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