JP2007298356A - 水平センサ - Google Patents

Abstract

【課題】水平センサにおいて、製作容易にし、簡略な構成で、温度補償による高精度化を図る。
【解決手段】水平センサ１は、気泡２１が残るように液体を封入した水準器２と、ＬＥＤ３と、気泡２１の陰影が投影され、受光量に応じて電気信号を生成する受光部４と、温度変化によって変形するバイメタル７と、を備える。バイメタル７は、温度変化に応じて生じる気泡２１の大きさの変化つまりその陰影の大きさの変化に関わらず、その陰影の大きさを略一定に保つように、水準器２を温度変化に応じて図中上下方向に移動させる。このような構成により、温度変化による電気信号変化の補償が可能となり、高精度に水平度合いを計測することができる。また、水準器２内の液体の種類を制限する必要がなく、さらに、複雑な計算を行なう必要がないので、製作が容易となると共に、構成の簡略化を図ることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、設備、装置又は器具等の水平度合い又は傾斜度合いを計測する水平センサに関する。

従来より、水平センサ又は傾斜センサとして、液体内に気泡を有した水準器が一般に知られている。この水準器内の気泡の位置を検出することにより、水平度合い又は傾斜度合いが計測される。気泡の位置を検出する方法として、水準器に向かって光を照射し、気泡の陰影の位置を受光素子で検出する光学透過式と、水準器内に電極を備え、気泡の位置によって変化する電極間の静電容量を測定する静電容量式と、静電容量式と同様な構成で、電極間の抵抗を測定する抵抗式と、が挙げられる。水平度合い又は傾斜度合いの計測精度の高さや、水準器の加工容易性等のため、光学透過式が広く採用されている。

ここで、図８を参照して、従来の光学透過式の水平センサについて説明する。水平センサ１００は、水準器１０１と、発光ダイオード等から成る光源１０２と、水準器１０１を透過する光源１０２からの光（破線矢印で示す）を受光する受光部１０３と、を備える。受光部１０３は、受光素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄで構成される。水準器１０１には、気泡が残るように液体が封入されている。さらに、水平センサ１００は、受光部１０３の電気信号を増幅する増幅回路１０４と、増幅された電気信号に基づき、受光部１０３に投影される気泡の陰影１０５の位置を算出する演算回路１０６と、を備える。光源１０２からの光は、気泡の陰影１０５を受光素子１０３ａ〜１０３ｄに投影する。受光素子１０３ａ〜１０３ｄのそれぞれは、気泡の陰影１０５の位置に応じて変化する受光量に基づいて電気信号を生成し、この電気信号を増幅回路１０４に出力する。この電気信号は増幅回路１０４により増幅されて電圧値に変換される。この電圧値に基づいて、演算回路１０６により気泡の陰影１０５のＸ方向及びＹ方向の位置が演算され、水平度合いや傾斜角が計測される。

上記のような構成を持つ水平センサ１００において、温度変化に伴い、水準器１０１内の液体が熱膨張又は収縮し、気泡の大きさが変化することがある。この場合、気泡の陰影１０５の大きさが変化するので、受光素子１０３ａ〜１０３ｄの受光量が変化し、これらの受光素子から出力される電気信号に変化が生じる。従って、温度変化により、気泡の陰影１０５の位置を検出する精度が低下し、本センサ１００の傾斜角を計測する精度が低下する虞があった。

そこで、温度変化に伴う気泡径の変化と、これに加えて温度変化による光源の発光強度の変動等のために生じる計測誤差をなくすため、受光素子が気泡影の可動範囲内の位置検出用受光部と可動範囲外の参照用受光部とで構成される傾斜角検出器が知られている（例えば、特許文献１参照）。本検出器では、位置検出用受光部と参照用受光部とが近接配置されている。傾斜角は、参照用受光部の出力及び面積を用いて演算される。

また、所定温度下での出力安定を図るため、メタノールとアセトニトリルとを混合した液体を溶媒とし、この溶媒に電解質を溶解されて成る傾斜センサ用電解液が知られている（例えば、特許文献２参照）。上記の溶媒は、メタノールとアセトニトリルとを９９：１〜１：９９の重量比で混合した液体からなる。なお、本電解液は、電位差測定式の傾斜センサで用いられるものである。

また、発光素子の温度変化により生ずる計測誤差を低減するため、発光素子の発光量を制御する発光量制御手段を備えた傾斜角センサが知られている（例えば、特許文献３参照）。この傾斜角センサは、受光素子の全分割部分の出力信号を加算する加算手段を有する。上記の発光量制御手段は、この加算手段の出力が一定となるように発光素子の発光量を制御する。
特許第２６８８９３３号公報 特開平１０−３１８７４６号公報 特開昭６４−８３１０６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、参照用受光部を受光可能な位置に設ける必要があるので回路設計の自由度が少ない、傾斜角を求めるために複雑な演算が必要となる、回路の小型化が難しい、構成が複雑になる、等の問題があった。また、特許文献２に記載の技術では、水準器に封入する液体の種類が制限されるという問題があり、不便であった。また、特許文献３に記載の技術では、温度変化に応じて気泡の大きさが変化することにより、受光素子の電気信号が変化した場合、その電気信号の変化を補償することができなかった。

本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであり、製作容易であり、簡略な構成で、温度補償による高精度化を図ることができる水平センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、容器内に気泡が残るように液体を封入した水準器と、光源と、前記水準器を透過した前記光源からの光を受光し、前記受光した光に応じて電気信号を生成する受光素子と、を備え、前記受光素子に投影された前記気泡の陰影の位置を検出し、水平度合い又は傾斜度合いを計測する水平センサにおいて、周囲の温度変化を検出し、物理量変化又は検出信号を出力する検出手段と、前記検出手段により検出された温度変化に応じて、前記気泡の大きさの変化に基づいて生じる前記受光素子の電気信号変化を補償する補償手段と、を備えるものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の水平センサにおいて、前記検出手段は、温度変化によって変形するアクチュエータを備え、前記補償手段は、前記アクチュエータにより前記水準器と前記光源との間の距離を変化させるものである。

請求項３の発明は、請求項１に記載の水平センサにおいて、前記検出手段は、温度変化によって変形するアクチュエータを備え、前記補償手段は、前記アクチュエータにより前記水準器と前記受光素子との間の距離を変化させるものである。

請求項４の発明は、請求項１に記載の水平センサにおいて、前記検出手段は、温度センサを備え、前記補償手段は、前記受光素子から出力される電気信号を増幅する増幅回路を備え、前記温度センサからの検出信号に基づいて、前記増幅回路のゲインを変化させるものである。

請求項５の発明は、請求項１に記載の水平センサにおいて、前記検出手段は、温度センサを備え、前記補償手段は、前記光源の光量を調整する光量調整手段を備え、前記温度センサからの検出信号に基づいて、前記光量調整手段により前記光源の光量を調整するものである。

請求項１の発明によれば、温度変化に応じて熱膨張又は収縮する液体によって気泡の大きさが変化する場合、この気泡の大きさの変化に基づいて補償がなされるので、温度補償が可能となり、高精度に水平度合い又は傾斜度合いを計測することができる。

請求項２又は請求項３の発明によれば、請求項１の効果に加えて、温度変化により水準器の位置が変化されて温度補償が行なわれるので、製作が容易になると共に、構成の簡略化を図ることができる。

請求項４又は請求項５の発明によれば、請求項１の効果に加えて、周囲の温度変化を測定する温度センサからの検出信号に基づいて温度補償が行なわれるので、製作が容易になると共に、構成の簡略化を図ることができる。

本発明の第１の実施形態に係る水平センサについて図１（ａ）（ｂ）乃至図３を参照して説明する。図１（ａ）（ｂ）は、水平センサ１の構成を示す。この水平センサ１は、水平度合い、又は傾斜度合いすなわち傾斜角を計測をするためのセンサである。

水平センサ１は、水準器２と、発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）３（光源）と、水準器２を透過したＬＥＤ３からの光（破線矢印で示す）を受光する受光部４と、を備える。水準器２には、気泡２１が残るように液体が封入されている。ＬＥＤ３及び受光部４は、同一のプリント基板５の同じ面に実装される。さらに、水平センサ１は、ＬＥＤ３から射出された光を水準器２を介して受光部４に導光するための光ガイド６と、水準器２の位置を変動させるためのバイメタル７（検出手段、補償手段、アクチュエータ）と、を備える。

水準器２は、その中心軸が受光部４の光軸と一致する位置に配置され、ＬＥＤ３から射出された光の伝播経路において、光ガイド６と受光部４との間に設けられる。また、水準器２は、透明の透光性材料から成る容器２２で構成され、この容器２２は液体２ｗを入れるための液室２ａを有する。液室２ａ内には、気泡２１が残るように液体が封入されている。容器２２の形状は円筒状であって、液室２ａの形状は円柱状である。容器２２は、光ガイド６により導光されたＬＥＤ３からの光が入射する下底部２ｂと、受光部４に対向し、受光部４への光が出射する上底部２ｃとを備えている。気泡２１は、上底部２ｃの液体２ｗと接する面を摺動する。

受光部４は、水準器２の上底部２ｃから射出された光を受光し、受光した光の光量に応じて変化する電流値又は電圧値を持つ電気信号を生成する。受光部４は、４個の受光素子で構成され、その受光素子は、例えばＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）である。

光ガイド６は、透明の透光性材料から成り、ＬＥＤ３から光が入射する入光面６ａと、入射した光を全反射させる反射面６ｂと、微小な凸凹形状又は溝形状の反射面６ｃと、光を水準器２に面照射する出光面６ｄとを備える。入光面６ａからの入射光は、反射面６ｂ、６ｃで反射され、出光面６ｄから水準器２に照射される。反射面６ｃの微小な凸凹形状又は溝形状は、出光面６ｄ全体から概ね均一な光量の光を射出するように、また射出光の光量分布を広げる、すなわち出光面６ｄから拡散した光が射出するように形作られる。出光面６ｄは水準器２の下底部２ｂと対向し、出光面６ｄの面積は、水準器２の下底部２ｂの外底面のそれと略同じである。

バイメタル７は、周囲の温度変化を検出し、温度変化によって変形するアクチュエータである。この変形により、例えば、バイメタル７が変形し、その高さ（物理量）が変わる。バイメタル７の形状は、例えば環状である。バイメタル７の下面の外周付近は、接着剤により光ガイド６の出光面６ｄに固定されており、常温時に、下面が外周付近から内周に向けて高くなるようにバイメタル７は形成される。バイメタル７の上面の内周付近は、水準器２の下底部２ｂの外底面と固定されており、常温時に、上面が内周付近から外周に向けて低くなるようにバイメタル７は形成される。このため、バイメタル７の下面の内周付近と光ガイド６の出光面６ｄとの間と、バイメタル７の上面の外周付近と水準器２の下底部２ｂの外底面との間とに隙間が設けられる。温度変化によりバイメタル７の高さが変化した場合、水準器２と、ＬＥＤ３からの光が射出される光ガイド６の出光面６ｄとの距離が増減し、水準器２とＬＥＤ３との間の距離が変化すると共に、これらの間の光路長が増減する。バイメタル７の外径は、水準器２の外径と略同じであり、バイメタル７の内径は、水準器２の液室の径と略同じである。バイメタル７は、その中心軸が水準器２の中心軸と一致するように配置され、水準器２の下底部２ｂに入射する光を遮らない位置に設けられる。

次に、上記構成における光の伝播経路を説明する。図１（ａ）で示されるように、ＬＥＤ３から図中下向きに照射される光は、光ガイド６の入光面６ａに入射する。入光面６ａに入射した光は、光ガイド６内を透過し、反射面６ｂで反射され、進行方向が図中右向きに変化される。進行方向が変化した光は、反射面６ｃと出光面６ｄに挟まれた領域に入射する。この光は、微小な凸凹形状又は溝状の反射面６ｃで、この形状により決定される方向に反射される。反射した光は、出光面６ｄ全体から射出される。出光面６ｄから射出された光は、水準器２の下底部２ｂの外底面に入射し、上底部２ｃの外底面から射出され、受光部４に入射する。水準器２に入射した光のうち、液体と気泡２１との界面に当たる光は、直進、又は界面で屈折若しくは反射する。このようにして、気泡２１の陰影が、ＬＥＤ３からの光によって受光部４に投影される。

図２（ａ）（ｂ）（ｃ）は、上記のように構成される水平センサ１の電気的構成と、水平センサ１の受光部４に投影される気泡２１の陰影と、受光部４の光強度分布とを示す。図２（ａ）で示されるように、水平センサ１は、ＬＥＤ３の光量を調整するための光量調整回路８と、受光部４が生成する電気信号を増幅するための増幅回路９と、増幅された電気信号に基づいて、気泡２１の陰影の位置を演算するための演算回路１０とを備える。これらの回路を構成する回路素子は、プリント基板５に実装される。

図２（ｂ）で示されるように、受光部４は、４個の受光素子であるＰＤ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを含む。これらは、直交する線上に互いに近接して配置され、反時計回りにＰＤ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの順で配設される。ここで、ＰＤ４ａ及びＰＤ４ｂが並ぶ方向すなわちＰＤ４ｃ及びＰＤ４ｄが並ぶ方向をＹ方向とし、ＰＤ４ａ及びＰＤ４ｄが並ぶ方向すなわちＰＤ４ｂ及びＰＤ４ｃが並ぶ方向をＸ方向とする。水平センサ１が傾斜した場合、水準器２内の気泡２１の位置が移動し、受光部４に投影される気泡２１の陰影がＸ方向又はＹ方向に移動する。

増幅回路９は、ＰＤ４ａ〜ＰＤ４ｄのそれぞれが生成する電気信号を増幅する。演算回路１０は、ＣＰＵ等を含む制御回路から成り、増幅回路９により増幅されたＰＤ４ａ〜ＰＤ４ｄのそれぞれの電気信号に基づき、気泡２１の陰影の位置を求めるために演算を行なう。この演算において、気泡２１の陰影のＸ方向の位置を求めるため、ＰＤ４ａの電気信号の電圧値又は電流値（以下、電圧値と略す）とＰＤ４ｂの電圧値との和と、ＰＤ４ｃの電圧値とＰＤ４ｄとの電圧値の和との差分を求める計算が行なわれる。これに対して、気泡２１の陰影のＹ方向の位置を求めるため、ＰＤ４ａの電圧値とＰＤ４ｄの電圧値との和と、ＰＤ４ｂの電圧値とＰＤ４ｃの電圧値との和との差分を求める計算が行なわれる。この計算に基づき、演算回路１０は、気泡２１の陰影のＸ方向の位置を表すＸ方向出力電圧を出力し、Ｙ方向の位置を表すＹ方向出力電圧を出力する。これらの出力電圧に基づき、水平センサ１の水平具合い、傾斜方向又は傾斜角が算出される。

上記の受光部４に投影される気泡２１の陰影の大きさは、温度補償がなされていない場合、温度変化に応じて変化する。その理由を以下に説明する。高温時には、液体２ｗは膨張し、常温時に比べて気泡２１の直径が小さくなり、受光部４に投影される気泡２１の陰影（一点破線で示す）が小さくなる。これに対し、低温時には、常温時に比べて液体２ｗが収縮し、気泡２１の直径が大きくなる。このため、気泡２１の陰影（破線で示す）が大きくなる。

図２（ｃ）に示されるように、受光部４の光強度分布は、気泡２１の中心軸付近に対応した位置に極小点を持ち、上記の位置から離れるにつれて、概ね気泡２１の半径と同じ範囲内で増加し、この範囲を超えてから、単調減少する特性を持つ。以下にその理由を示す。水準器２の下底部２ｂから入射した拡散光は、広い角度範囲を持って気泡２１に入射する。気泡２１は略球形であるため、球の接平面に対して直角な角度を持って入射した光のみが、屈折及び反射せずに直進し、それ以外の角度で球面に入射した光は、液体２ｗと気泡２１との界面で屈折、反射又は全反射する。このため、受光部４に投影された気泡２１の陰影の中心付近及び外周付近では、光強度が小さくなり、陰影の中心と外周との間では、光強度が大きくなる。光強度の最大点は、陰影の中心と外周との間に存在する。

温度変化に応じて気泡２１の大きさが変化した場合、それに伴って気泡２１の陰影の大きさが拡大又は縮小するので、上記の光強度分布は変化する。このため、受光部４の電気信号の電圧値が変化が生じ、計測誤差が生じる。そこで、この計測誤差を抑制し、温度変化に関わらず気泡２１の陰影の大きさを常温時の大きさ（図２（ｂ）で実線で示す）で略一定にする（同図で破線矢印で示す）ことにより、温度変化に基づいて生じる受光部４の電気信号変化を補償するため、本実施形態の水平センサ１はバイメタル７を備える。

次に、気泡２１の陰影の大きさを略一定に保つため、温度変化に応じて、水準器２がバイメタル７によって移動される様子を説明する（図２（ａ）参照）。上述の通り、バイメタル７の下面の外周付近は、光ガイド６の出光面６ｄに固定され、バイメタル７の上面の内周付近は、水準器２の下底部２ｂの外底面と固定される。また、常温時に、バイメタル７の下面の内周付近は、光ガイド６の出光面６ｄと当接せず、バイメタル７の上面の外周付近は、水準器２の下底部２ｂの外底面と当接しないように形成される。

高温時に、バイメタル７は熱膨張により変形する。この熱膨張により、バイメタル７の内周付近が盛り上がり、水準器２の位置が図中で上方向に変化される。この変化により、水準器２と光ガイド６の出光面６ｄとの距離が長くなり、ＬＥＤ３と水準器２との間の光路長が伸びる。また、水準器２と受光部４との距離が縮まる。従って、水準器２内の気泡２１の陰影は、拡散光によって、受光部４に、より大きく映し出されることとなる。このように、このバイメタル７の作用に基づいて気泡２１の陰影の大きさが大きくなることにより、温度上昇による気泡２１の陰影の縮小が止められる。このため、温度変化に関わらず、気泡２１の陰影の大きさが常温時の大きさに保たれる。

低温時に、バイメタル７は、常温時に比べて収縮し、図中で上下方向に縮む。縮む際に、バイメタル７の内周付近の位置が下がり、水準器２の位置が下方向に変化される。この変化により、水準器２と光ガイド６の出光面６ｄとの距離が短くなり、ＬＥＤ３と水準器２との間の光路長が短くなる。また、水準器２と受光部４との距離が長くなる。従って、水準器２内の気泡２１の陰影は、拡散光によって、受光部４に、より小さく映し出されることとなる。このように、このバイメタル７の作用に基づいて気泡２１の陰影の大きさが小さくなることにより、温度低下による気泡２１の陰影の拡大が止められる。このため、温度変化に関わらず、気泡２１の陰影の大きさが常温時の大きさに保たれる。

このように、温度変化により水準器２の位置が変化されて温度補償が行なわれるので、温度補償のために水準器２内の液体２ｗの種類を制限する必要がなく、また、温度補償のために複雑な計算を行なう必要がない。このため、製作が容易になると共に、構成の簡略化を図ることができる。さらに、複雑な計算が不要であるので、回路を簡単化でき、回路を小型化できる。

図３は、上記のような水平センサ１における傾斜角変化に対する出力電圧変化を示す。同図において、横軸は水平センサの角度（°）、縦軸は、演算回路１０の出力電圧であって、上記の演算回路１０から出力されるＸ方向出力電圧又はＹ方向出力電圧（以下、出力電圧と略す）である。角度が増すにつれ、出力電圧が比例して高くなる。本実施形態による温度補償がなされていない場合、高温時には、常温時と比較して、受光部４に投影される気泡２１の陰影の大きさが小さくなる。このため、受光部４の受光量は減少し、受光素子４ａ〜４ｄそれぞれの電気信号の電圧値が低くなる。演算回路１０から出力される出力電圧は、上記のようにこれらの電圧値の和又は差に基づいて算出されるので、水平センサ１の傾きが常温時と同じであっても、出力電圧の変化（破線Ａで示す）の傾きはゆるくなる。低温時には、常温時と比較して、気泡２１の陰影の大きさが大きくなる。このため、受光部４の受光量は増加し、受光素子４ａ〜４ｄそれぞれの電気信号の電圧値が高くなる。演算回路１０から出力される出力電圧は、上記のようにこれらの電圧値の和又は差に基づいて算出されるので、水平センサ１の傾きが常温時と同じであっても、出力電圧の変化（一点破線Ｃで示す）の傾きが増す。すなわち、温度補償がなされていない水平センサでは、高温時、常温時、低温時に、同じ傾斜角に応じて出力される出力電圧が異なる。これに対して、本実施形態では、温度変化に伴うバイメタル７の変形により、気泡２１の陰影の大きさが常温時の大きさで略一定に保たれるので、出力電圧変化の傾きは、常温時の出力電圧変化（実線Ｂで示す）の傾きに保たれる。このため、温度変化に応じて、気泡２１の大きさの変化に基づいて生じる受光部４の電気信号変化が補償される。従って、高精度に水平度合いを計測することができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る水平センサについて図４を参照して説明する。図４は、本実施形態の水平センサ１の構成を示す。本実施形態の水平センサ１は、第１の実施形態のそれと比較して、ＬＥＤ３の位置が異なる点で差異がある。本実施形態において、上記の実施形態と同一の部材には同一の符号を付している（以下、同様）。

ＬＥＤ３は、水準器２の下底部２ｂと対向して配置され、プリント基板５ａに実装される。プリント基板５ａはケース１１により固定される。その同じケース１１は、さらに、ＰＤ４が実装されるプリント基板５を固定する。プリント基板５の固定位置は、ＰＤ４が水準器２を挟んでＬＥＤ３と向かい合う位置で、且つ、ＰＤ４の光軸がＬＥＤ３の光軸と一致する位置である。ケース１１の内面には、ＬＥＤ３からの光を遮らないようにバイメタル７が載置され、バイメタル７の下面の外周付近が接着剤により固定される。バイメタル７の上面の内周付近は、水準器２の下底部２ｂの外底面と接着剤により固定される。バイメタル７は、常温時に、下面が外周付近から内周に向けて高くなるように、また上面が内周付近から外周に向けて低くなるように形成される。このバイメタル７は、高温時に上下方向に伸長し、低温時に上下方向に収縮する。ＬＥＤ３から射出される光（破線矢印で示す）は、水準器２の下底部２ｂに入射し、気泡２１の陰影を受光部４に投影する。本実施形態の水平センサ１においても、第１の実施形態と同様の作用効果が得られる。なお、図中のバイメタル７の形状は常温時のものである。

次に、本発明の第３の実施形態に係る水平センサについて図５を参照して説明する。図５は、本実施形態の水平センサ１の構成を示す。本実施形態の水平センサ１は、第１の実施形態のそれと比較して、バイメタル７の位置が異なる点で差異がある。

バイメタル７は、水準器２と受光部４との間に、水準器２の上底部２ｃからの射出光を遮らない位置に配設される。バイメタル７の上面の外周付近は、受光部４と固定されており、常温時に、上面が外周付近から内周に向けて低くなるようにバイメタル７は形成される。バイメタル７の下面の内周付近は、接着剤により水準器２の上底部２ｃの外底面に固定されており、常温時に、下面が内周付近から外周に向けて高くなるようにバイメタル７は形成される。このため、バイメタル７の下面の外周付近と水準器２の上底部２ｃの外底面との間と、バイメタル７の上面の内周付近と受光部４との間とに隙間が設けられる。バイメタル７の形状は、温度変化により変わり、高温時には、同図において上下方向に縮むことにより、水準器２と受光部４との間の距離を短し、低温時には、同図において上下方向に伸びることにより、水準器２と受光部４の間の距離を長くする。本実施形態の水平センサ１においても、第１の実施形態と同様の作用効果が得られる。なお、図中のバイメタル７の形状は常温時のものである。

次に、本発明の第４の実施形態に係る水平センサについて図６（ａ）（ｂ）を参照して説明する。図６（ａ）は、本実施形態の水平センサ１の構成を示す。本実施形態の水平センサ１は、第１の実施形態のそれと比較して、バイメタル７を備えず、代わりに、温度センサ１２（検出手段）と、温度センサ１２からの出力に基づいて温度を測定するための温度測定回路１３（検出手段）と、温度測定回路１３により測定された周囲の温度に基づいて、温度変化に伴う受光部４の電気信号変化を補償するための補償演算回路１４（補償手段）と、を備える点で異なる。これらの回路は、プリント基板５に実装される。水準器２の上底部２ｃは受光部４に固定される。水準器２の下底部２ｂと光ガイド６の出光面６ｄとの間には隙間が設けられる。

温度センサ１２は、例えば、プリント基板５の受光部４近傍に実装され、周囲温度に応じて、出力信号（検出信号）を温度測定回路１３に出力する。温度センサの位置は、光路上に限定されず、水準器２周囲の温度を測定できる領域内であればよいため、回路設計に自由度を持たせることができ、製作が容易で、また、回路を小型化できる。

温度測定回路１３は、温度センサ１２からの出力信号に応じて、温度センサ１２の周囲の温度を測定する。測定された温度を通知する測定信号（検出信号）が、温度測定回路１３から補償演算回路１４へ送信される。

補償演算回路１４は、温度測定回路１３からの測定信号に基づき、増幅回路９のゲインを変化させて調整する。この調整は、温度補償のためにゲインの調整を指示するゲイン調整信号が、補償演算回路１４から増幅回路９に送信されることにより行なわれる。このゲインの調整方法について、以下に詳述する。図６（ｂ）に示されるように、温度補償がなされていない場合、高温時には、常温時と比較して、受光部４に投影される気泡２１の陰影の大きさが小さくなるため、受光量が減り、受光部４の電気信号の電圧値が低くなる。この電気信号は、増幅回路９の常温時のゲインに基づいて増幅される。このため、傾き変化に対する、演算回路１０のＸ方向又はＹ方向出力電圧の変化（破線Ａで示す）の傾きはゆるくなる。低温時には、常温時と比較して、気泡２１の陰影の大きさが大きくなるため、受光量が増し、受光部４の電気信号の電流値又は電圧値が高くなる。この電気信号は、増幅回路９の常温時のゲインに基づいて増幅する。このため、上記の出力電圧の変化（一点破線Ｃで示す）の傾きが増す。従って、温度補償がなされていない場合、高温時、常温時、低温時に、同じ傾き角に対する出力電圧が異なる。これに対して、本実施形態では、増幅回路９のゲインが温度変化に応じて補償演算回路１４により調整され、受光部４からの電気信号の増幅率が変化される。この増幅回路９のゲインは、高温時に高められ、低温時に低められ、演算回路１０の出力電圧変化の傾きが、常温時の出力電圧変化（実線Ｂで示す）の傾きに保たれるように調整される。このため、温度変化に応じて、気泡２１の大きさの変化に基づいて生じる受光部４の電気信号変化が補償される。従って、高精度に水平度合いを計測することができる。このように、温度センサ１２からの出力信号に基づいて温度補償が行なわれ、複雑な計算が不要であるため、構成の簡略化を図ることができる。

次に、本発明の第５の実施形態に係る水平センサについて図７（ａ）（ｂ）を参照して説明する。図７（ａ）は、本実施形態の水平センサ１の構成を示す。本実施形態の水平センサ１は、第４の実施形態のそれと比較して、温度補償のための信号が補償演算回路１４から光量調整回路８（光量調整手段）に送信される点で異なる。

補償演算回路１４は、温度測定回路１３からの測定信号に基づき、光量調整回路８にＬＥＤ３の光量の調整を指示する。この調整は、温度補償のためにＬＥＤ３の光量の調整を指示する光量調整信号が、補償演算回路１４から光量調整回路８に送信されることにより行なわれる。光量調整回路８は、この光量調整信号に基づいて、ＬＥＤ３の発光強度を調整する。この光量調整方法について以下に説明する。図７（ｂ）で示されるように、温度補償がなされていない場合、高温時には、気泡２１の陰影の大きさが小さくなるため、受光部４全体の受光量は減少する。低温時には、気泡２１の陰影の大きさが大きくなるため、受光部４全体の受光量は増加する。従って、温度変化に応じて受光部４の電気信号変化が生じ、計測誤差が発生する。これに対し、本実施形態では、高温時にＬＥＤ３の光量が増加するように調整され、低温時にＬＥＤ３の光量が減少するように調整され、受光部４全体の受光量が、温度変化に関わらず常温時の受光量で略一定に保たれる。このため、温度変化に応じて、気泡２１の大きさの変化に基づいて生じる受光部４の電気信号変化が補償される。その結果、高精度に水平度合いを計測することができる。本実施形態の水平センサ１においても、第４の実施形態と同様の作用効果が得られる。

本発明は、上記のような実施形態の構成に限定されるものでなく、使用目的に応じ、様々な変形が可能である。例えば、バイメタル７は、上記の固定方法に限定されず、上面又は下面の一部が水準器２、受光部４又は光ガイド６に固定されていればよい。また、光源は、ＬＥＤに限定されず、半導体レーザダイオード、面発光素子（ＶＩＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）であっても構わない。

（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る水平センサの断面図、（ｂ）は同センサの斜視図。 （ａ）は上記水平センサの断面及び電気的構成を示すブロック図、（ｂ）は上記水平センサの受光部に投影される水準器の気泡の陰影を示す図、（ｃ）は同受光部の光強度分布を示す図。 上記水平センサにおける傾斜角変化に対する出力電圧変化を示す図。 本発明の第２の実施形態に係る水平センサの断面図。 本発明の第３の実施形態に係る水平センサの断面及び電気的構成を示す図。 （ａ）は本発明の第４の実施形態に係る水平センサの電気的構成を示す図、（ｂ）は上記水平センサにおける傾斜角変化に対する出力電圧変化を示す図。 （ａ）は本発明の第５の実施形態に係る水平センサの電気的構成を示す図、（ｂ）は上記水平センサにおける傾斜角変化に対する出力電圧変化を示す図。 従来の水平センサの電気的構成を示すブロック図。

符号の説明

１ 水平センサ
２ 水準器
２１ 気泡
３ 発光ダイオード（光源）
４ 受光部
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ フォトダイオード（受光素子）
５、５ａ プリント基板
６ 光ガイド
７ バイメタル（検出手段、補償手段、アクチュエータ）
８ 光量調整回路（光量調整手段）
９ 増幅回路
１０ 演算回路
１２ 温度センサ
１４ 補償演算回路（補償手段）

Claims (5)

1. 容器内に気泡が残るように液体を封入した水準器と、光源と、前記水準器を透過した前記光源からの光を受光し、前記受光した光に応じて電気信号を生成する受光素子と、を備え、前記受光素子に投影された前記気泡の陰影の位置を検出し、水平度合い又は傾斜度合いを計測する水平センサにおいて、
   周囲の温度変化を検出し、物理量変化又は検出信号を出力する検出手段と、
   前記検出手段により検出された温度変化に応じて、前記気泡の大きさの変化に基づいて生じる前記受光素子の電気信号変化を補償する補償手段と、を備えることを特徴とする水平センサ。
2. 前記検出手段は、温度変化によって変形するアクチュエータを備え、
   前記補償手段は、前記アクチュエータにより前記水準器と前記光源との間の距離を変化させることを特徴とする請求項１に記載の水平センサ。
3. 前記検出手段は、温度変化によって変形するアクチュエータを備え、
   前記補償手段は、前記アクチュエータにより前記水準器と前記受光素子との間の距離を変化させることを特徴とする請求項１に記載の水平センサ。
4. 前記検出手段は、温度センサを備え、
   前記補償手段は、前記受光素子から出力される電気信号を増幅する増幅回路を備え、前記温度センサからの検出信号に基づいて、前記増幅回路のゲインを変化させることを特徴とする請求項１に記載の水平センサ。
5. 前記検出手段は、温度センサを備え、
   前記補償手段は、前記光源の光量を調整する光量調整手段を備え、前記温度センサからの検出信号に基づいて、前記光量調整手段により前記光源の光量を調整することを特徴とする請求項１に記載の水平センサ。
   
   
   

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