JP6020738B2

JP6020738B2 - 傾き検出装置

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Publication number: JP6020738B2
Application number: JP2015539198A
Authority: JP
Inventors: 寛人石川; 石川　弘樹; 弘樹石川
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2013-09-25
Filing date: 2014-09-22
Publication date: 2016-11-02
Anticipated expiration: 2034-09-22
Also published as: JPWO2015046127A1; WO2015046127A1

Description

本発明は、発光素子と受光素子を用いて被検出物体の傾きを検知する傾き検出装置に関する。

一般に、発光素子と、発光素子から出射された光が被検出物体によって反射された光を受光する受光素子と、受光素子で受光した反射光の信号に基づいて被検出物体の傾きを検知する信号処理手段とを備えた傾き検出装置が知られている。（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。

特許文献１に記載された傾き検出装置は、１個の発光素子の周囲を取囲んで３個の受光素子を設け、各受光素子で受光した光を電気信号に変換し、電流を得る。そして、この傾き検出装置は、各電流の平方根の逆数を演算し、所定の演算処理によって被検出物体の傾き角を求めている。非特許文献１に記載された傾き検出装置は、複数の赤外線測距センサを用いている。すなわち、この傾き検出装置は、赤外線ＬＥＤを発光させて被検出物体からの反射光を位置検出素子で受光し、各センサと被検出物体との座標を求める。そして、非特許文献１に記載された傾き検出装置は、求めた複数の座標から、最小二乗法を用いて、被検出物体の傾きを得ている。

特開平６−９４４４３号公報

"赤外線測距センサを用いた座標と角度による感覚的入力装置の提案"、情報処理学会論文誌、コンシューマ・デバイス＆システム、２０１１年１２月、Ｖｏｌ.１、Ｎｏ.１、ｐ．２８−３７

特許文献１に記載された傾き検出装置では、被検出物体から反射した反射光を電気信号に変換し、補正係数を有する煩雑な計算式を用いて演算処理を行わなければ、被検出物体の傾きを得られなかった。非特許文献１に記載された傾き検出装置では、センサと被検出物体との距離を求め、座標を導出しなければならず、煩雑であった。また、１軸の傾きしか得られないという問題もあった。

本発明は前述の問題に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、簡単な構成および信号処理で被検出物体の傾きを求めることができる傾き検出装置を提供することにある。

（１）．上記課題を解決するために、本発明は、互いに時分割発光する第１および第２の発光素子と、前記第１および第２の発光素子から出射された光が被検出物体によって反射された光を受光する受光素子と、前記受光素子で受光した反射光の信号に基づいて前記被検出物体の傾きを検知する信号処理手段とを備えた傾き検出装置において、前記信号処理手段は、前記第１の発光素子による反射光の強度と前記第２の発光素子による反射光の強度との反射光強度比を演算する反射光強度比演算手段と、予め登録しておいたテーブルから前記反射光強度比を前記被検出物体の傾き角度に換算する角度換算手段とを備えたことを特徴としている。

本発明によれば、２個の発光素子の光を被検出物体が反射したときに、各々の反射光の反射光強度比を求め、その反射光強度比を傾き角度に換算する。この傾き角度によって、被検出物体の傾きを求めることができる。

（２）．また、本発明は、互いに時分割発光する第１，第２および第３の発光素子と、前記第１，第２および第３の発光素子から出射された光が被検出物体によって反射された光を受光する受光素子と、前記受光素子で受光した反射光の信号に基づいて前記被検出物体の傾きを検知する信号処理手段とを備えた傾き検出装置において、前記信号処理手段は、前記第１の発光素子による反射光の強度と前記第２の発光素子による反射光の強度との第１の反射光強度比を演算する第１の反射光強度比演算手段と、予め登録しておいた第１のテーブルから前記第１の反射光強度比を前記被検出物体の第１の傾き角度に換算する第１の角度換算手段と、前記第２の発光素子による反射光の強度と前記第３の発光素子による反射光の強度との第２の反射光強度比を演算する第２の反射光強度比演算手段と、予め登録しておいた第２のテーブルから前記第２の反射光強度比を前記被検出物体の第２の傾き角度に換算する第２の角度換算手段と、前記第１の傾き角度と前記第２の傾き角度とに基づいて前記被検出物体の傾きを求める傾き演算手段とを備えたことを特徴としている。

本発明によれば、３個の発光素子の光を被検出物体が反射したときに、各々の反射光の反射光強度比を求め、その反射光強度比を傾き角度に換算する。これらの複数の傾き角度によって、被検出物体の傾きを求めることができる。また、本発明では、発光素子を３個用いているので、少なくとも２つの反射光強度比を用いることにより、被検出物体の２軸方向の傾きを求めることができる。

（３）．本発明では、前記信号処理手段は、前記第３の発光素子による反射光の強度と前記第１の発光素子による反射光の強度との第３の反射光強度比を演算する第３の反射光強度比演算手段と、予め登録しておいた第３のテーブルから前記第３の反射光強度比を前記被検出物体の第３の傾き角度に換算する第３の角度換算手段とをさらに備え、前記傾き演算手段は、前記第１の傾き角度による第１の傾きベクトルと、前記第２の傾き角度による第２の傾きベクトルと、前記第３の傾き角度による第３の傾きベクトルとに基づいて前記被検出物体の傾きを求める構成としたことにある。

本発明によれば、第１の発光素子と第２の発光素子による反射光強度比と、第２の発光素子と第３の発光素子による反射光強度比と、第３の発光素子と第１の発光素子による反射光強度比とをそれぞれ傾き角度に換算し、各傾きベクトルを求める。このため、これら３つの傾きベクトルに基づいて、被検出物体の２軸方向の傾きを求めることができる。

（４）．本発明では、前記第１，第２および第３の発光素子は、前記被検出物体との距離が大きくなるに従って前記第１，第２および第３の発光素子からの光の照射位置が互いに離れる方向に向けて光を出射してなる構成としたことにある。

本発明によれば、３つの発光素子間の各距離と被検出物体における３つの照射位置間の各距離とでは、照射位置間の距離の方が大きくなる。その結果、出射光と反射光の進む距離が長くなるに従って、各発光素子における反射光強度の差も大きくなるから、反射光強度比の精度を高めることができる。これにより、被検出物体の傾きを精度よく求めることができる。

第１，第２の実施の形態による傾き検出装置を示す斜視図である。図１の傾き検出装置を示す平面図である。傾き検出装置を図２中の矢示III−III方向からみた断面図である。第１，第２の実施の形態による傾き検出装置を示すブロック図である。傾き検出装置と被検出物体が平行な場合を示す説明図である。傾き検出装置と被検出物体が平行な場合の発光信号および反射光信号の時間変化を示す特性線図である。被検出物体がＹ軸周りに傾いている場合を示す説明図である。被検出物体がＹ軸周りに傾いている場合の発光信号および反射光信号の時間変化を示す特性線図である。被検出物体がＹ軸周りに傾いている場合の第１，第２および第３の傾きベクトルの状態を模式的に示す説明図である。被検出物体がＹ軸周りに傾いている場合の第１，第２および第３の傾きベクトルを上方から平面視した状態で模式的に示す説明図である。第１，第２の実施の形態において、被検出物体の傾きを特定するための全体処理を示す流れ図である。第１，第２の実施の形態において、反射光強度比から傾き角度を換算し、傾きベクトルを求めるための第１，第２および第３のテーブルを示す説明図である。第１の実施の形態において、被検出物体の傾きを求めるための第１，第２および第３の傾きベクトルに基づくテーブルを示す説明図である。第２の実施の形態による傾き検出装置において、被検出物体のロール角およびピッチ角を模式的に示す説明図である。第３の実施の形態による傾き検出装置を示す平面図である。第３の実施の形態による傾き検出装置を示すブロック図である。第３の実施の形態において、被検出物体の傾きを特定するための全体処理を示す流れ図である。第３の実施の形態において、反射光強度比から傾き角度を換算するためのテーブルを示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態による傾き検出装置について、図面を参照しつつ詳細に説明する。まず、図１ないし図１３は本発明の第１の実施の形態を示している。

図１ないし図４に、第１の実施の形態による傾き検出装置１を示す。傾き検出装置１は、基板２、発光素子３〜５、受光素子６等を備えている。

基板２は、絶縁材料を用いて形成された平板である。基板２としては、例えばプリント配線基板が用いられる。基板２の表面２Ａには、発光素子３〜５と受光素子６とが実装されている。

発光素子３〜５は、基板２の表面２Ａに実装され、赤外線や可視光線の時分割された光を出射する。発光素子３〜５の光軸は通常、例えば基板２の表面２Ａに対して垂直方向（Ｚ軸方向）に出射される。発光素子３〜５としては、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）が用いられる。３個の発光素子３〜５は、例えば、基板２の表面２Ａ上で三角形の頂点位置にそれぞれ配置される。なお、傾きの検出誤差が許容可能であれば、３個の発光素子３〜５は一直線上に並んでいてもよい。

受光素子６は、基板２の表面２Ａに実装され、発光素子３〜５から出射された赤外線や可視光線の光が被検出物体Ｏbjによって反射された光を受光する。受光素子６としては、例えばフォトダイオード（ＰＤ）、フォトトランジスタ等が用いられる。受光素子６は、例えば基板２の表面２Ａのうち３個の発光素子３〜５によって形成される三角形領域の範囲内に配置される。なお、被検出物体Ｏbjの傾きを精度よく検出するためには、受光素子６は各発光素子３〜５からの距離が等しい位置に配置されるのが好ましい。なお、傾きの検出誤差が許容可能であれば、受光素子６は３個の発光素子３〜５による三角形領域の外側に配置してもよい。

また、被検出物体Ｏbjが基板２の上方に大きく離れると、発光素子３〜５からの光が弱くなり、被検出物体Ｏbjからの反射光を受光素子６によって検出できなくなる。このため、被検出物体Ｏbjの配置範囲を、被検出物体Ｏbjからの反射光が受光素子６によって検出可能となるような高さの範囲内に設定することが好ましい。

基板２の表面２Ａには、透明樹脂層７が形成される。透明樹脂層７は、基板２の表面２Ａを全面に亘って覆い、発光素子３〜５および受光素子６を封止する。透明樹脂層７には、各発光素子３〜５と対応した位置に発光素子用レンズ７Ａ〜７Ｃが形成される。発光素子用レンズ７Ａ〜７Ｃは、上方に突出した略半球形状に形成される。

発光素子用レンズ７Ａ〜７Ｃの中心と発光素子３〜５の実装位置とは、僅かな距離だけずれている。このため、発光素子３〜５から出射する光束の光軸Ｌ１〜Ｌ３は、発光素子用レンズ７Ａ〜７Ｃによって曲げられ、Ｚ軸方向から傾斜した方向に向けて出射される。このとき、光軸Ｌ1〜Ｌ3の傾斜方向は互いに離れる方向に設定される。これにより、被検出物体Ｏbjにおける発光素子３〜５からの光の照射位置は、互いに異なる部位となる。これに加えて、各発光素子３〜５と被検出物体Ｏbjとの距離が大きくなるに従って、被検出物体Ｏbjにおける各発光素子３〜５からの光の照射位置が互いに離れていくことになる。

また、各光軸Ｌ１〜Ｌ３は、Ｚ軸方向から同じ角度で傾斜して出射されるのが好ましい。この場合、発光素子３〜５と被検出物体Ｏbjが離れるに従って、光の照射位置が互いに等距離で離れていく。その結果、被検出物体Ｏbjの傾きが同じであれば、基板２との距離が異なる位置で被検出物体Ｏbjの傾きを検出するときでも、被検出物体Ｏbjに対して各発光素子３〜５からの光の照射位置が作る三角形は、互いに相似する。

また、透明樹脂層７には、受光素子６と対応した位置に受光素子用レンズ７Ｄが形成される。受光素子用レンズ７Ｄも、発光素子用レンズ７Ａ〜７Ｃと同様に半球形状に形成される。受光素子用レンズ７Ｄは、外部から入射される光を受光素子６に集光するものである。

なお、発光素子用レンズ７Ａ〜７Ｃおよび受光素子用レンズ７Ｄは、発光素子３〜５および受光素子６を封止する透明樹脂層７に一体的に形成したが、透明樹脂層７とは別個に設けてもよい。また、発光素子３〜５からの光は発光素子用レンズ７Ａ〜７Ｃによって基板２の鉛直方向から傾斜する構成としたが、発光素子３〜５を基板２の表面２Ａに対して傾斜した状態で取付けて、発光素子３〜５から出射する光を直接的に基板２の鉛直方向から傾斜させる構成としてもよい。

次に、発光素子３〜５および受光素子６に接続された信号処理回路１１について説明する。

図４に示すように、信号処理回路１１は、受光素子６で受光した反射光の信号に基づいて、被検出物体Ｏbjの傾きを検知する信号処理手段を構成している。この信号処理回路１１は、駆動部１２、不揮発性メモリ１３および演算部１４を備えている。

駆動部１２は、演算部１４と協働して発光素子３〜５の時分割発光を制御する。駆動部１２は、発光素子３〜５に接続され、演算部１４からの制御信号に基づいて発光信号Ｓt1〜Ｓt3を出力する。具体的には、駆動部１２は、発光素子３〜５を発光させるための駆動電流を、発光素子３〜５に供給する。

そして、信号処理回路１１は、駆動部１２を用いて発光素子３〜５を駆動し、発光素子３〜５から被検出物体Ｏbjに向けて光軸Ｌ1〜Ｌ3に沿った光を出射する。また、被検出物体Ｏbjからの反射光を受光した受光素子６は、光検出信号Ｓ0を演算部１４に向けて出力する。

不揮発性メモリ１３は、演算部１４に接続されていて、発光素子３と発光素子４の反射光強度比Ｒaを傾き角度θ1に換算するテーブルＴ1と、発光素子４と発光素子５の反射光強度比Ｒbを傾き角度θ2に換算するテーブルＴ2と、発光素子５と発光素子３の反射光強度比Ｒcを傾き角度θ3に換算するテーブルＴ3とが記憶されている。同様に、不揮発性メモリ１３は、各傾き角度θ1〜θ3を各傾きベクトルＶa〜Ｖcに変換する情報を記憶し、傾きベクトルＶa〜Ｖcの値に基づいて被検出物体Ｏbjの傾きを求めるテーブルＴ4を記憶している。ここで、不揮発性メモリ１３としては、例えばＲＯＭやフラッシュメモリが用いられる。

また、不揮発性メモリ１３は、各発光素子３〜５の出力強度の個体差や、各発光素子３〜５と受光素子６との距離差を校正する補正係数Ｃ1〜Ｃ3が記憶されている。

演算部１４は、例えばマイクロプロセッサであり、発光素子３〜５の発光を制御する処理、光検出信号Ｓ0から発光素子３〜５に対応した３つの反射光信号Ｓr1〜Ｓr3に分離する処理、反射光信号Ｓr1〜Ｓr3に補正係数Ｃ1〜Ｃ3を掛ける処理、３つの反射光信号Ｃ1Ｓr1〜Ｃ3Ｓr3に基づいて不揮発性メモリ１３のテーブルＴ1〜Ｔ3を介して被検出物体Ｏbjの傾きを検出する処理、傾き検出装置１の全体的な制御等を行う。

具体的には、演算部１４は、発光素子３〜５の検出光の強度やタイミングを制御するための制御信号を駆動部１２に供給し、この制御信号に対応するように発光素子３〜５を発光させる。ここで、駆動部１２は、発光信号Ｓt1〜Ｓt3としてパルス状の駆動電流を発光素子３〜５にそれぞれ供給する。発光信号Ｓt1〜Ｓt3のパルスは、一定の発光間隔Ｔ0を有すると共に、発光素子３〜５毎に異なるタイミングで出力される。これにより、発光素子３〜５は、各々がパルス発光で、かつ時分割発光する（図６、図８参照）。

なお、発光素子３〜５は、時分割でパルス発光すればよい。このため、例えば発光素子３の発光が停止するのと同時に、次なる発光素子４の発光を開始してもよい。

また、演算部１４は、図１１に示すプログラムを実行する。このプログラムでは、以下に示す手順によって、被検出物体Ｏbjの傾きを特定する。

ステップ１では、受光素子６から供給された光検出信号Ｓ0を読込む。ステップ２では、光検出信号Ｓ0から３つの反射光信号Ｓr1〜Ｓr3を分離する。ここで、発光素子３〜５は互いに異なるタイミングで時分割発光するので、発光素子３〜５の発光タイミング毎に、それぞれの発光素子３〜５からの光を被検出物体Ｏbjが反射した反射光が受光素子６において受光される。このため、光検出信号Ｓ0から発光信号Ｓt1〜Ｓt3と同期した３つの信号を取り出すことによって、それぞれの発光素子３〜５からの光に基づく反射光の信号を分離することができる。

そこで、演算部１４は、光検出信号Ｓ0を発光素子３〜５の発光タイミング毎に取り出し、発光素子３〜５の反射光に応じた３つの反射光信号Ｓr1〜Ｓr3に分離する。

この場合、１個の受光素子６によって各々の発光素子３〜５による反射光を検出することができるから、受光素子６の個数を低減することができ、部品点数を削減して製造コストを低減することができる。

ステップ２の次の処理として、発光素子３〜５等の個体差を校正するために、反射光信号Ｓr1〜Ｓr3に補正係数Ｃ1〜Ｃ3を掛ける。ここで、補正係数Ｃ1〜Ｃ3は、被検出物体Ｏbjが基板２に対して平行に配置された場合を基準として、その場合に各反射光信号Ｓr1〜Ｓr3の値が同じ値となるような係数であればよい。すなわち、被検出物体Ｏbjが基板２に対して平行に配置された場合に、以下の数１の式に示す関係が成立すればよい。

続くステップ３では、補正した反射光信号Ｃ1Ｓr1と反射光信号Ｃ2Ｓr2に基づいて、反射光強度比Ｒaを演算する。ステップ４では、テーブルＴ1を用いて、反射光強度比Ｒaを傾き角度θ1に換算し、傾きベクトルＶaを求める。ここで、傾きベクトルＶaは、発光素子３，４からの光の照射位置を結ぶベクトルに直交したベクトルであり、例えば、発光素子３，４方向から見た被検出物体Ｏbjの垂線に沿ったベクトルである。また、傾き角度θ1とは、Ｚ軸と傾きベクトルＶaとがなす角度をいう（図９（ａ）参照）。また、テーブルＴ1は、発光素子３と発光素子４の反射光強度比Ｒaを傾き角度θ1に換算するための換算表である。テーブルＴ1の一例を図１２（ａ）に示す。

図１２（ａ）中のテーブルＴ1は、傾き角度θ1を水平状態、正側の傾斜状態、負側の傾斜状態に分けた場合を例示している。このとき、テーブルＴ1における値Ａは、傾き角度θ1が水平状態（０°）として検出可能となる角度範囲を示している。一方、傾き角度θ1が（−Ａ）と（＋Ａ）の間の範囲内に該当しない場合は、傾き角度θ1は正側または負側に傾斜していることを示している。また、値Ｒa1，Ｒa2は、反射光強度比Ｒaのしきい値である。テーブルＴ1は、反射光強度比Ｒaと値Ｒa1，Ｒa2とを比較することによって、傾き角度θ1を３段階で検出する。

従って、反射光強度比ＲaがＲa1より大きい場合、傾き角度θ1は（−Ａ）よりも小さい値となり、負側の傾斜状態に対応する。反射光強度比ＲaがＲa1とＲa2の間の範囲内の場合、傾き角度θ1は（−Ａ）と（＋Ａ）の間の値となり、水平状態に対応する。また同様に、反射光強度比ＲaがＲa2よりも小さい場合、傾き角度θ1は（＋Ａ）よりも大きい値となり、正側の傾斜状態に対応する。

なお、テーブルＴ1における値Ａ，Ｒa1，Ｒa2は任意の値であり、これらの値は適宜設定することが可能である。

ステップ５でも同様に、補正した反射光信号Ｃ2Ｓr2と反射光信号Ｃ3Ｓr3に基づいて反射光強度比Ｒbを演算する。ステップ６では、テーブルＴ2を用いて、反射光強度比Ｒbを傾き角度θ2に換算し、傾きベクトルＶbを求める。ここで、傾きベクトルＶbは、発光素子４，５からの光の照射位置を結ぶベクトルに直交したベクトルであり、例えば、発光素子４，５方向から見た被検出物体Ｏbjの垂線に沿ったベクトルである。また、傾き角度θ2とは、Ｚ軸と傾きベクトルＶbとがなす角度をいう（図９（ｂ）参照）。また、テーブルＴ2は、発光素子４と発光素子５の反射光強度比Ｒbを傾き角度θ2に換算するための換算表である。テーブルＴ2の一例を図１２（ｂ）に示す。なお、テーブルＴ2は、テーブルＴ1とほぼ同様に構成される。テーブルＴ2における値Ｒb1，Ｒb2は、反射光強度比Ｒbのしきい値であり、値Ｒa1，Ｒa2と同様に適宜設定される。

従って、上述した反射光強度比Ｒaと同様に、反射光強度比ＲbがテーブルＴ2の左欄のいずれか１つに該当する場合は、その該当する欄と同行にある右欄の傾き角度θ2を求めることができる。

ステップ７でも同様に、補正した反射光信号Ｃ3Ｓr3と反射光信号Ｃ1Ｓr1に基づいて、反射光強度比Ｒcを演算する。ステップ８では、テーブルＴ3を用いて、反射光強度比Ｒcを傾き角度θ3に換算し、傾きベクトルＶcを求める。ここで、傾きベクトルＶcは、発光素子５，３からの光の照射位置を結ぶベクトルに直交したベクトルであり、例えば、発光素子５，３方向から見た被検出物体Ｏbjの垂線に沿ったベクトルである。また、傾き角度θ3とは、Ｚ軸と傾きベクトルＶcとがなす角度をいう（図９（ｃ）参照）。また、テーブルＴ3は、発光素子５と発光素子３の反射光強度比Ｒcを傾き角度θ3に換算するための換算表である。テーブルＴ3の一例を図１２（ｃ）に示す。なお、テーブルＴ3は、テーブルＴ1とほぼ同様に構成される。テーブルＴ3における値Ｒc1，Ｒc2は、反射光強度比Ｒcのしきい値であり、値Ｒa1，Ｒa2と同様に適宜設定される。

従って、上述した反射光強度比Ｒaと同様に、反射光強度比ＲcがテーブルＴ3の左欄のいずれか１つに該当する場合は、その該当する欄と同行にある右欄の傾き角度θ3を求めることができる。

なお、テーブルＴ1〜Ｔ3は、傾き角度θ1〜θ3を３段階で検出するものとした。しかし、本発明はこれに限らず、テーブルＴ1〜Ｔ3は、例えば水平状態、正側で２段階の傾斜状態、負側で２段階の傾斜状態の合計５段階で傾き角度θ1〜θ3を検出してもよく、それ以上の高い分解能をもって傾き角度θ1〜θ3を検出してもよい。

そして、ステップ９では、各傾きベクトルＶa〜Ｖcに基づいて、被検出物体Ｏbjの法線ベクトルＮを特定し、被検出物体Ｏbjの傾きを求める。

次に、図５ないし図１３を用いて、傾き検出装置１による被検出物体Ｏbjの傾き検出動作について説明する。なお、説明を簡便にするため、各傾きベクトルＶa〜Ｖcは負側の傾斜状態を表す「−」，水平状態を表す「０」，正側の傾斜状態を表す「＋」の値しか有さず、被検出物体Ｏbjの傾きを求める際、各傾きベクトルＶa〜Ｖcの値に基づいたテーブルＴ4を用いる方法を例示する（図１２，図１３参照）。また、図１０に示すように、各発光素子３〜５からの光の照射位置が作る三角形が正三角形であり、各回転軸が各々の光の照射位置の中点にある場合を例示して説明する。

傾き検出装置１が駆動すると、発光素子３〜５は基板２の上方に向けて光を出射する。この状態で基板２の上方に例えば手の平のような被検出物体Ｏbjが配置されると、発光素子３〜５の光路を被検出物体Ｏbjが遮る。これにより、被検出物体Ｏbjは発光素子３〜５からの光を反射する。この反射光は受光素子６によって受光され、受光素子６は、反射光の強度に応じた電流を光検出信号Ｓ0として出力する。

演算部１４は、受光素子６からの光検出信号Ｓ0から３つの反射光信号Ｓr1〜Ｓr3を分離する。演算部１４は、これらの反射光信号Ｓr1〜Ｓr3に、不揮発性メモリ１３に予め登録しておいた補正係数Ｃ1〜Ｃ3を掛けて、これらの反射光強度比Ｒa〜Ｒcを演算する。そして、演算部１４は、不揮発性メモリ１３に予め登録しておいたテーブルＴ1〜Ｔ3を用いて、３つの反射光強度比Ｒa〜Ｒcを傾き角度θ1〜θ3に換算する。すなわち、図１２に示すように、演算部１４は、テーブルＴ1を用いて、発光素子３と発光素子４による反射光強度比Ｒaを傾き角度θ1に換算する。演算部１４は、テーブルＴ2を用いて、発光素子４と発光素子５による反射光強度比Ｒbを傾き角度θ2に換算する。演算部１４は、テーブルＴ3を用いて、発光素子５と発光素子３による反射光強度比Ｒcを傾き角度θ3に換算する。

そして、演算部１４は、３つの傾き角度θ1〜θ3を各傾きベクトルＶa〜Ｖcに変換し、各傾きベクトルＶa〜Ｖcに基づいて、被検出物体Ｏbjの傾きを特定する。具体的な方法としては、図１２に示すように、各傾き角度θ1〜θ3を各傾きベクトルＶa〜Ｖcに換算するテーブルＴ1〜Ｔ3を不揮発性メモリ１３に予め登録しておき、各傾き角度θ1〜θ3から各傾きベクトルＶa〜Ｖcを求める。次に、図１３に示すように、各傾きベクトルＶa〜Ｖcに基づくテーブルＴ4を用いて、被検出物体Ｏbjの傾きを特定する。例えば、各傾きベクトルＶa〜Ｖcの値が「０００」である場合は、被検出物体Ｏbjは基板２と平行であることを示す。また、例えば、各傾きベクトルＶa〜Ｖcの値が「０−＋」である場合は、法線ベクトルＮは図１３中の２７０°方向を向き、被検出物体Ｏbjは手前に傾いていることを示している。

このように、テーブルＴ4は各傾きベクトルＶa〜Ｖcに基づいて法線ベクトルＮの方位角を求めるものである。図１３において、発光素子３，４を結ぶ直線の回転軸を中心として、被検出物体Ｏbjが発光素子４側に傾いている状態を０°とした。図１３における他の角度は、０°を基準として、反時計回りに増加するものとした。

ここで、被検出物体Ｏbjが傾き検出装置１に対して平行な場合について説明する。図５に示すように、被検出物体Ｏbjが傾き検出装置１に対して平行な場合は、各反射光強度比Ｒa〜Ｒcは同じ値となる。なぜなら、被検出物体Ｏbjが基板２に対して平行に配置された場合を基準として、発光素子３〜５等の個体差を校正するために、反射光信号Ｓr1〜Ｓr3に補正係数Ｃ1〜Ｃ3を掛けているからである。

従って、図６に示すように、被検出物体Ｏbjが基板２に対して平行に配置された場合は、補正した反射光信号Ｃ1Ｓr1〜Ｃ3Ｓr3は略同じ大きさとなり、各反射光強度比Ｒa〜Ｒcは以下の数２，数３，数４の式に示す値となる。

そして、図１２に示すテーブルＴ1〜Ｔ3を用いて、反射光強度比Ｒa〜Ｒcから３つの傾き角度θ1〜θ3を求める。また、３つの傾き角度θ1〜θ3を各傾きベクトルＶa〜Ｖcに変換し、図１３に示す、傾きベクトルＶa〜Ｖcに基づくテーブルＴ4から、被検出物体Ｏbjの法線ベクトルＮを特定し、傾きを検出することができる。

すなわち、被検出物体Ｏbjが傾き検出装置１に対して平行な場合、各傾きベクトルＶa〜Ｖcは各回転軸に対して垂直なので、順に「０」，「０」，「０」となる。従って、図１３のテーブルＴ4から「０００」が示す位置は円の中心であるので、被検出物体Ｏbjの法線ベクトルＮは中心から鉛直方向に向かって伸び、被検出物体Ｏbjの傾きは傾き検出装置１に対して平行となる。

次に、被検出物体ＯbjがＹ軸周りに傾いている場合、すなわちＹ軸を中心として、被検出物体Ｏbjの左端側が傾き検出装置１に近く、被検出物体Ｏbjの右端側が傾き検出装置１から遠い場合について説明する。ここで、反射光信号Ｓr1〜Ｓr3の大きさは、被検出物体ＯbjのＺ軸方向の位置に応じて変化する。すなわち、被検出物体Ｏbjが傾き検出装置１に近い位置に配置されたときには、反射光が強くなり、反射光信号Ｓr1〜Ｓr3も大きくなる。一方、被検出物体Ｏbjが傾き検出装置１から離れた位置に配置されたときには、反射光が弱くなり、反射光信号Ｓr1〜Ｓr3も小さくなる。

従って、図７に示すように、被検出物体Ｏbjが傾き検出装置１に対してＹ軸周りに傾いている場合は、補正した反射光信号Ｃ1Ｓr1〜Ｃ3Ｓr3の大きさは、以下の数５の式のようになる（図８参照）。これは、傾き検出装置１に対して、１番目に近い位置が発光素子３による光軸Ｌ1の照射位置であり、２番目に近い位置が発光素子５による光軸Ｌ3の照射位置であり、３番目に近い位置が発光素子４による光軸Ｌ2の照射位置となるからである。

従って、各反射光強度比Ｒa〜Ｒcは、以下の数６，数７，数８の式に示す値となる。

そして、図１２に示すテーブルＴ1〜Ｔ3を用いて、各反射光強度比Ｒa〜Ｒcから３つの傾き角度θ1〜θ3を求め、３つの傾き角度θ1〜θ3を各傾きベクトルＶa〜Ｖcに変換する。そして、図１３に示す、傾きベクトルＶa〜Ｖcに基づくテーブルＴ4から、被検出物体Ｏbjの法線ベクトルＮを特定し、傾きを検出することができる。

すなわち、被検出物体ＯbjがＹ軸周りに傾いている場合、傾きベクトルＶaは発光素子３側に傾いているので「−」（図９(a)参照）、傾きベクトルＶbは発光素子４側に傾いているので「＋」（図９(b)参照）、傾きベクトルＶcは発光素子３側に傾いているので「＋」（図９(c)参照）となる。従って、図１４のテーブルＴ4から「−＋＋」が示す位置は１８０°方向であるので、被検出物体Ｏbjの法線ベクトルＮは中心から１８０°方向に向かって伸び、被検出物体Ｏbjの傾きはＹ軸周りに左側に傾いていることが分かる。

かくして、第１の実施の形態によれば、信号処理回路１１は、各発光素子３〜５による各反射光強度比Ｒa〜Ｒcを各傾き角度θ1〜θ3に換算し、各傾きベクトルＶa〜Ｖcを求める。これにより、これらの傾きベクトルＶa〜Ｖcに基づいて、被検出物体Ｏbjの２軸方向の傾きを求めることができる。

なお、図１１中のステップ３は第１の反射光強度比演算手段の具体例を示し、ステップ４は第１の角度換算手段の具体例を示している。また、ステップ５は第２の反射光強度比演算手段の具体例を示し、ステップ６は第２の角度換算手段の具体例を示している。また、ステップ７は第３の反射光強度比演算手段の具体例を示し、ステップ８は第３の角度換算手段の具体例を示している。さらに、ステップ９は傾き演算手段の具体例を示している。

次に、図１ないし図４、図１１、図１４を用いて、本発明の第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態では、テーブルＴ4を用いずに、傾き演算手段として、各傾きベクトルＶa〜Ｖcに基づいて被検出物体Ｏbjのロール角およびピッチ角を特定し、被検出物体Ｏbjの傾きを求める。なお、第２の実施の形態において、第１の実施の形態と同一の構成要素は同一の符号を付し、その説明を省略する。また、各発光素子３〜５からの光の照射位置が作る三角形が正三角形であり、各回転軸が各々の光の照射位置の中点にある場合を例示して説明する。

第２の実施の形態による傾き検出装置２１は、第１の実施の形態による傾き検出装置１と同様に構成される。また、信号処理回路２２も、第１の実施の形態による信号処理回路１１と同様に構成される。さらに、第２の実施の形態による演算部１４は、第１の実施の形態とほぼ同様に図１１に示すプログラムを実行する。第１の実施の形態と第２の実施の形態とでは、ステップ９においてテーブルＴ4を用いずに、下記に示す数９および数１０の式を用いて被検出物体Ｏbjの傾きを求める点が異なっている。

すなわち、ステップ９では、数９の式を用いて各傾きベクトルＶa〜Ｖcから各傾きベクトルのＸ軸方向成分を求め、数１０の式を用いて各傾きベクトルＶa〜Ｖcから各傾きベクトルのＹ軸方向成分を求め、これらのＸ軸方向成分とＹ軸方向成分とに基づいて被検出物体Ｏbjの傾きを求める。ここで、Ｘ軸方向とは図１４に示す発光素子３，４とを結ぶ方向とし、Ｙ軸方向とは該Ｘ軸に直交する方向としている。また、数９の式においてＶxは、各傾きベクトルＶa〜ＶcのＸ軸方向成分を合成したものである。数１０の式においてＶyは、各傾きベクトルＶa〜ＶcのＹ軸方向成分を合成したものである。

合成したＸ軸方向成分Ｖxから、Ｙ軸周りにおける被検出物体Ｏbjのロール角を求めることができる。また、合成したＹ軸方向成分Ｖyから、Ｘ軸周りにおける被検出物体Ｏbjのピッチ角を求めることができる。従って、第２の実施の形態では、これらのロール角およびピッチ角に基づいて被検出物体Ｏbjの傾きを求める。

かくして、第２の実施の形態でも、第１の実施の形態とほぼ同様の作用効果を得ることができる。

次に、図１５ないし図１８を用いて、本発明の第３の実施の形態について説明する。第３の実施の形態では、２個の発光素子を用いて被検出物体Ｏbjの傾きを求める。なお、第３の実施の形態において、第１の実施の形態と同一の構成要素は同一の符号を付し、その説明を省略する。

第３の実施の形態による傾き検出装置３１は、第１の実施の形態による傾き検出装置１とほぼ同様に構成される。このため、基板２には、２個の発光素子３，４と受光素子６が設けられると共に、信号処理手段としての信号処理回路３２が実装される。信号処理回路３２は、第１の実施の形態による信号処理回路１１とほぼ同様に構成され、駆動部１２、不揮発性メモリ１３および演算部１４を備える。

第３の実施の形態による演算部１４は、図１７に示すプログラムを実行する。このプログラムでは、以下に示す手順によって、被検出物体Ｏbjの傾きを特定する。

ステップ１１では、受光素子６から供給された光検出信号Ｓ0を読込む。ステップ１２では、光検出信号Ｓ0から２つの反射光信号Ｓr1とＳr2を分離する。ステップ１２の次の処理として、発光素子３，４等の個体差を校正するために、反射光信号Ｓr1，Ｓr2に補正係数Ｃ1，Ｃ2を掛ける。

続くステップ１３では、補正した反射光信号Ｃ1Ｓr1と反射光信号Ｃ2Ｓr2に基づいて、反射光強度比Ｒaを演算する。ステップ１４では、テーブルＴ31を用いて、反射光強度比Ｒaを傾き角度θ1に換算し、被検出物体Ｏbjの傾きを求める。なお、第３の実施の形態では、テーブルＴ31を用いて反射光強度比Ｒaから算出した傾き角度θ1が、そのまま被検出物体Ｏbjの傾きとなる。なお、テーブルＴ31は第１の実施の形態のテーブルＴ1とほぼ同様に構成される。

かくして、第３の実施の形態によれば、各発光素子３，４による反射光強度比Ｒaを傾き角度θ1に換算することにより、被検出物体Ｏbjの傾きを求めることができる。

なお、図１７中のステップ１３は反射光強度比演算手段の具体例を示し、ステップ１４は角度換算手段の具体例を示している。

ここで、前記第１の実施の形態では、３個の発光素子３〜５を備える場合を例に挙げて説明したが、４個以上の発光素子を備える構成としてもよい。

また、前記第１の実施の形態では、３つの傾きベクトルＶa〜Ｖcから被検出物体Ｏbjの傾きを求める構成としたが、２つの傾きベクトルから被検出物体Ｏbjの傾きを求める構成としてもよい。例えば、各発光素子３〜５からの光の照射位置が作る三角形が直角三角形である場合は、互いに直交する２辺で検出した２つの傾きベクトルに基づいて被検出物体Ｏbjの傾きを求める構成としてもよい。

また、前記第１の実施の形態では、各傾きベクトルＶa〜Ｖcの値が負側の傾斜状態を表す「−」，水平状態を表す「０」，正の傾斜状態を表す「＋」の値しか有さず、テーブルＴ4に基づいて被検出物体Ｏbjの傾きを求める構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、各傾きベクトルＶa〜Ｖcの値を増やして、被検出物体Ｏbjの傾き方向や傾き角度をより細かく求める構成としてもよい。

前記第１，第２の実施の形態では、各発光素子３〜５からの光の照射位置が作る三角形が正三角形であり、３つの傾き角度θ1〜θ3に基づいて被検出物体Ｏbjの傾きを求める構成としたが、三角形の形状は正三角形に限らず、任意の三角形でよい。

また、前記各実施の形態では、各発光素子の個体差を修正するために、反射光信号Ｓr1〜Ｓr3に補正係数Ｃ1〜Ｃ3を掛ける構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、反射光信号Ｓr1〜Ｓr3をそのまま用いて、より簡易な信号処理で被検出物体Ｏbjの傾きを求める構成としてもよい。

また、前記各実施の形態では、３つの傾きベクトルから被検出物体Ｏbjの傾きを求める構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、被検出物体Ｏbjに発光素子３〜５からの光を照射したときの３つの光の照射位置を結ぶ三角形の２辺のベクトル（傾きベクトルに直交したベクトル）の外積を演算することによって、被検出物体Ｏbjの法線ベクトルＮを求め、被検出物体Ｏbjの傾きを求める構成としてもよい。

また、Ｘ軸方向およびＹ軸方向は前記各実施の形態に例示したものに限らず、基板２の表面２Ａに平行で互いに直交した任意の２軸方向に設定することができる。

また、前記各実施の形態では、発光素子３〜５からの光軸Ｌ1〜Ｌ3は発光素子用レンズ７Ａ〜７Ｃによって互いに離れる方向に出射される。しかし、本発明はこれに限らず、発光素子用レンズ７Ａ〜７Ｃを配置せず、発光素子３〜５からの光軸Ｌ1〜Ｌ3を、直接的に基板２の鉛直方向に出射する構成としてもよい。また、発光素子用レンズ７Ａ〜７Ｃの中心と発光素子３〜５の実装位置を一致させて、発光素子３〜５からの光軸Ｌ1〜Ｌ3を基板２の鉛直方向に出射する構成としてもよい。

また、前記各実施の形態では、受光素子６と演算部１４との間を直接接続する構成としている。しかし、本発明はこれに限らず、受光素子６と演算部１４との間に、光検出信号Ｓ0を増幅する信号増幅装置と、光検出信号Ｓ0のノイズを除去するフィルタ装置を設ける構成としてもよい。

また、前記各実施の形態では、受光素子６を１個設ける構成としたが、例えば、発光素子毎に別個の受光素子で受光する構成としてもよい。

さらに、前記各実施の形態では、信号処理手段としての信号処理回路１１，２２，３２は基板２に実装する構成としたが、基板２と別個に設けてもよい。

１，２１，３１傾き検出装置
３〜５発光素子
６受光素子
１１，２２，３２信号処理回路（信号処理手段）
１４演算部
Ｒa，Ｒb，Ｒc 反射光強度比
θ1，θ2，θ3 傾き角度
Ｔ1，Ｔ2，Ｔ3，Ｔ4，Ｔ31 テーブル
Ｖa，Ｖb，Ｖc 傾きベクトル

Claims

互いに時分割発光する第１および第２の発光素子と、前記第１および第２の発光素子から出射された光が被検出物体によって反射された光を受光する受光素子と、前記受光素子で受光した反射光の信号に基づいて前記被検出物体の傾きを検知する信号処理手段とを備えた傾き検出装置において、
前記信号処理手段は、前記第１の発光素子による反射光の強度と前記第２の発光素子による反射光の強度との反射光強度比を演算する反射光強度比演算手段と、
予め登録しておいたテーブルから前記反射光強度比を前記被検出物体の傾き角度に換算する角度換算手段とを備えたことを特徴とする傾き検出装置。
互いに時分割発光する第１，第２および第３の発光素子と、前記第１，第２および第３の発光素子から出射された光が被検出物体によって反射された光を受光する受光素子と、前記受光素子で受光した反射光の信号に基づいて前記被検出物体の傾きを検知する信号処理手段とを備えた傾き検出装置において、
前記信号処理手段は、前記第１の発光素子による反射光の強度と前記第２の発光素子による反射光の強度との第１の反射光強度比を演算する第１の反射光強度比演算手段と、
予め登録しておいた第１のテーブルから前記第１の反射光強度比を前記被検出物体の第１の傾き角度に換算する第１の角度換算手段と、
前記第２の発光素子による反射光の強度と前記第３の発光素子による反射光の強度との第２の反射光強度比を演算する第２の反射光強度比演算手段と、
予め登録しておいた第２のテーブルから前記第２の反射光強度比を前記被検出物体の第２の傾き角度に換算する第２の角度換算手段と、
前記第１の傾き角度と前記第２の傾き角度とに基づいて前記被検出物体の傾きを求める傾き演算手段とを備えたことを特徴とする傾き検出装置。
前記信号処理手段は、前記第３の発光素子による反射光の強度と前記第１の発光素子による反射光の強度との第３の反射光強度比を演算する第３の反射光強度比演算手段と、
予め登録しておいた第３のテーブルから前記第３の反射光強度比を前記被検出物体の第３の傾き角度に換算する第３の角度換算手段とをさらに備え、
前記傾き演算手段は、前記第１の傾き角度による第１の傾きベクトルと、前記第２の傾き角度による第２の傾きベクトルと、前記第３の傾き角度による第３の傾きベクトルとに基づいて前記被検出物体の傾きを求める構成としてなる請求項２に記載の傾き検出装置。
前記第１，第２および第３の発光素子は、前記被検出物体との距離が大きくなるに従って前記第１，第２および第３の発光素子からの光の照射位置が互いに離れる方向に向けて光を出射してなる請求項２または３に記載の傾き検出装置。