JP2011069798A - Inclination angle measuring instrument - Google Patents

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Iwao Ohaku
巌 大泊
Akira Nishitani
章 西谷
Shuichi Shoji
習一 庄子
Takashi Tanii
孝至 谷井
Iwao Matsutani
巌 松谷
Yoshihiro Nita
佳宏 仁田
Kiyoshi Kanekawa
清 金川
Ryota Fuji
良太 冨士
Satoru Miura
悟 三浦
Genichi Takahashi
元一 高橋
Yasutsugu Suzuki
康嗣 鈴木
Tomohiko Hatada
朋彦 畑田
Ryuta Katamura
立太 片村
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Kajima Corp
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Kajima Corp
Waseda University
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an inclination angle measuring instrument for precisely measuring an inclination angle. <P>SOLUTION: The inclination angle measuring instrument 1 includes a casing 2, a light source 3 fixed to the casing 2, a light reception section 5 fixed to the casing 2 while opposing the light source 3, a lens 4 for condensing light emitted from the light source 3 at the light reception section 5, and a calculation section for calculating an inclination angle to a perpendicular direction of the casing, based on an electric signal outputted from the light reception section 5. The lens 4 comprises a concave lens 16 fixed to the casing 2 while a concave surface 16A opposes the light source 3 and a ball lens 15 placed on the concave surface 16A. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、傾斜角度測定器に関し、特に鉛直方向に対する傾きを測定する傾斜角度測定器に関するものである。   The present invention relates to an inclination angle measuring device, and more particularly to an inclination angle measuring device that measures an inclination with respect to a vertical direction.

建築構造物などにおける重力方向に対する傾斜角度の測定方法として、糸で吊るした錘の吊り下げ方向を鉛直としてそれとの傾きを分度器等で測定する方法(例えば、特許文献１)、トランシットによる三角測量から角度を導出する方法（例えば特許文献２、特許文献３）、水柱内の気泡の位置を観察して鉛直に対する直角方向の基準を得る方法がある。ところが、これらの方法で得られる鉛直、あるいは水平の基準角度の測定精度は通常1/10度程度、熟練技術者が慎重に測定しても1/100度程度である。   As a method of measuring the inclination angle with respect to the direction of gravity in a building structure, etc., a method of measuring the inclination with a protractor etc. with the hanging direction of a weight suspended by a thread as vertical (for example, Patent Document 1), from triangulation by transit There are a method of deriving an angle (for example, Patent Document 2 and Patent Document 3) and a method of obtaining a reference in a direction perpendicular to the vertical by observing the position of a bubble in a water column. However, the measurement accuracy of the vertical or horizontal reference angle obtained by these methods is usually about 1/10 degree, and about 1/100 degree even if a skilled engineer measures carefully.

また、光透過部を有する容器と、容器内に満たされた液体と、容器内に配置された球体と、容器に対し所定関係で配置した光源および受光素子とを含む水平面検出装置が開示されている（例えば、特許文献４）。この水平面検出装置では、傾きに応じて球体が液体内の光透過部上を移動し、当該移動した球体に光源から入射した光を受光位置で検出することにより、傾きを検出するように構成されている。   Also disclosed is a horizontal surface detection device including a container having a light transmission part, a liquid filled in the container, a sphere disposed in the container, and a light source and a light receiving element disposed in a predetermined relationship with the container. (For example, Patent Document 4). In this horizontal plane detection device, the sphere moves on the light transmitting portion in the liquid according to the tilt, and the tilt is detected by detecting the light incident on the moved sphere from the light source at the light receiving position. ing.

特開平09-209455号公報JP 09-209455 A 特開2006-144401号公報JP 2006-144401 A 特開平07-310370号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 07-310370 特開2000-193452号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-193452

上記特許文献４の場合、光透過部は球体によって屈折された光を単に透過させるだけなので、装置の精度は球体に依存することになる。そうすると、上記特許文献４では、精度を向上するのに限界があった。   In the case of the above-mentioned patent document 4, since the light transmission part simply transmits the light refracted by the sphere, the accuracy of the device depends on the sphere. Then, in the said patent document 4, there was a limit in improving accuracy.

そこで、本発明は、傾斜角度を高精度に測定することができる傾斜角度測定器を提供することを目的とする。   Then, an object of this invention is to provide the inclination angle measuring device which can measure an inclination angle with high precision.

本発明の請求項１に係る発明は、鉛直方向に対する傾斜角度を測定する傾斜角度測定器において、筐体と、前記筐体に固定された光源と、前記光源に対向して前記筐体に固定された受光部と、前記光源から出射される光を前記受光部に集光させるレンズと、前記受光部から出力される電気信号に基づいて前記筐体の鉛直方向に対する傾斜角度を算出する算出部とを備え、前記レンズは、凹面を前記光源に対向させて前記筐体に固定された凹面レンズと、前記凹面上に載置されたボールレンズとからなることを特徴とする。   The invention according to claim 1 of the present invention is an inclination angle measuring device that measures an inclination angle with respect to a vertical direction, a housing, a light source fixed to the housing, and fixed to the housing facing the light source. A light receiving unit, a lens for condensing the light emitted from the light source on the light receiving unit, and a calculation unit that calculates an inclination angle of the casing with respect to the vertical direction based on an electrical signal output from the light receiving unit. The lens includes a concave lens fixed to the housing with a concave surface facing the light source, and a ball lens placed on the concave surface.

本発明の請求項２に係る発明は、前記ボールレンズの表面および前記凹面に、処理膜を形成したことを特徴とする。   The invention according to claim 2 of the present invention is characterized in that a treatment film is formed on the surface and the concave surface of the ball lens.

本発明の請求項３に係る発明は、前記光源と前記ボールレンズとの間に、アパーチャを設けたことを特徴とする。   The invention according to claim 3 of the present invention is characterized in that an aperture is provided between the light source and the ball lens.

本発明によれば、ボールレンズで一旦集光された光を凹面レンズで受光部に結像させることができるので、鉛直方向に対する傾きによって生じる受光位置の変位を拡大することができる。したがって、傾斜角度測定器では、分解能を向上することができるので、傾斜角度を高精度に測定することができる。   According to the present invention, since the light once condensed by the ball lens can be imaged on the light receiving unit by the concave lens, the displacement of the light receiving position caused by the inclination with respect to the vertical direction can be enlarged. Therefore, since the resolution can be improved in the tilt angle measuring device, the tilt angle can be measured with high accuracy.

傾斜角度測定器の全体構成を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the whole structure of an inclination angle measuring device. 傾斜角度測定器の使用状態を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the use condition of an inclination-angle measuring device. 傾斜角度測定器を用いた実験装置の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the experimental apparatus using an inclination-angle measuring device. 実験装置に用いた傾斜角度測定器の構成を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the structure of the inclination angle measuring device used for the experimental apparatus. 実験結果を示すグラフである。It is a graph which shows an experimental result. 傾斜角度測定器の変形例を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the modification of an inclination angle measuring device.

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
（１）全体構成
図1に示す傾斜角度測定器１は、筐体２と、当該筐体２に固定された光源３と、前記光源３から出射された光を結像するレンズ４と、前記レンズ４によって結像された光を受光する受光部５と、前記受光部５と電気的に接続された図示しない算出部とを備える。なお、本発明に係る傾斜角度測定器１は、鉛直方向Ｚに直交するｘ方向およびｙ方向の傾斜角度を測定し得るように構成されているが、ｘ方向およびｙ方向において構成上特に差異はないので、簡略のため、ｘ方向についてのみ、説明することとする。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(1) Overall Configuration An inclination angle measuring device 1 shown in FIG. 1 includes a housing 2, a light source 3 fixed to the housing 2, a lens 4 that forms an image of light emitted from the light source 3, A light receiving unit 5 that receives the light imaged by the lens 4 and a calculation unit (not shown) that is electrically connected to the light receiving unit 5 are provided. The tilt angle measuring device 1 according to the present invention is configured to measure the tilt angles in the x direction and the y direction perpendicular to the vertical direction Z, but there is a particular difference in configuration in the x direction and the y direction. For simplicity, only the x direction will be described.

この傾斜角度測定器１は、光源３から出射された光をレンズ４によって受光部５に結像させ、当該受光部５において前記光の重心位置（以下、「受光位置」という）を検出する。これにより、算出部は、ｘ方向の変位△ｘを算出しさらに当該変位△ｘからｘ方向の傾斜角度△θｘを測定し、測定した傾斜角度△θｘを図示しない表示部に表示し得るように構成されている。このように構成された傾斜角度測定器１は、例えば構造物に設置され、地震などの災害時において、災害の前後において上記のように傾斜角度△θｘを測定し、図示しない表示部に表示することにより、災害の前後おける前記建築物の傾斜角度△θｘの変化をユーザに通知することができる。 The tilt angle measuring device 1 forms an image of light emitted from the light source 3 on the light receiving unit 5 by the lens 4 and detects the position of the center of gravity of the light (hereinafter referred to as “light receiving position”) in the light receiving unit 5. Thus, calculation unit measures the tilt angle △ theta x in the x direction from the further the displacement △ x to calculate the x-direction of the displacement △ x, can be displayed on a display unit (not shown) the measured tilt angle △ theta x It is configured as follows. The tilt angle measuring device 1 configured as described above is installed in a structure, for example, and measures the tilt angle Δθ x as described above before and after the disaster in a disaster such as an earthquake and displays it on a display unit (not shown). By doing so, it is possible to notify the user of a change in the inclination angle Δθ x of the building before and after the disaster.

筐体２は、上面部８と、当該上面部８に平行に設けられた下面部９と、上面部８および下面部９の間に形成されたレンズ設置部１０とを備える。本実施形態の場合、筐体２は、金属板で形成された、上面部８と下面部９と側面部１１とを有する箱体でなる。上面部８には、光源３が下面部９に向かって垂直に光を出射し得るように固定されている。また、下面部９には、当該光源３に対向するように受光面５Ａを配置した受光部５が固定されている。さらに、側面部１１には、内面１１Ａにレンズ設置部１０が形成されている。ここで、光源３の中心と、受光面５Ａの中心とを通る軸を中心軸Ｌと呼ぶこととする。   The housing 2 includes an upper surface portion 8, a lower surface portion 9 provided in parallel with the upper surface portion 8, and a lens installation portion 10 formed between the upper surface portion 8 and the lower surface portion 9. In the case of this embodiment, the housing | casing 2 consists of a box which has the upper surface part 8, the lower surface part 9, and the side part 11 formed with the metal plate. The light source 3 is fixed to the upper surface portion 8 so as to emit light vertically toward the lower surface portion 9. Further, the light receiving part 5 having the light receiving surface 5 </ b> A disposed so as to face the light source 3 is fixed to the lower surface part 9. Further, the side surface portion 11 is formed with a lens installation portion 10 on the inner surface 11A. Here, an axis passing through the center of the light source 3 and the center of the light receiving surface 5A is referred to as a central axis L.

光源３は、点光源とみなすことができる発光面の狭いものであって、一定の範囲に放射状に光を出射し得るものが用いられる。これにより、光源３は、レンズ４に対し、一様な光を出射する。本実施形態の場合、光源３は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）が用いられている。   The light source 3 has a narrow light emitting surface that can be regarded as a point light source, and a light source that can emit light radially within a certain range is used. As a result, the light source 3 emits uniform light to the lens 4. In the present embodiment, the light source 3 is an LED (Light Emitting Diode).

レンズ４は、ボールレンズ１５と、凹面レンズ１６とからなる。ボールレンズ１５は、光源３から出射された光を受光し、集光する。凹面レンズ１６は、ボールレンズ１５で集光された光を受光面５Ａに結像させる。   The lens 4 includes a ball lens 15 and a concave lens 16. The ball lens 15 receives and collects the light emitted from the light source 3. The concave lens 16 focuses the light collected by the ball lens 15 on the light receiving surface 5A.

本実施形態の場合、凹面レンズ１６は、一側表面が凹面１６Ａであって他側表面が平坦面１６Ｂである平凹レンズである。凹面レンズ１６は、凹面１６Ａを光源３に対向させた状態で、凹面１６Ａの中心が中心軸Ｌに一致するようにレンズ設置部１０に固定されている。これにより、凹面レンズ１６は、受光部５から所定距離だけ離れた位置に保持される。また、凹面１６Ａは、球状であって、曲率半径がボールレンズ１５の半径より大きく設定されている。   In the case of this embodiment, the concave lens 16 is a plano-concave lens in which one surface is a concave surface 16A and the other surface is a flat surface 16B. The concave lens 16 is fixed to the lens installation portion 10 so that the center of the concave surface 16A coincides with the central axis L with the concave surface 16A facing the light source 3. Accordingly, the concave lens 16 is held at a position away from the light receiving unit 5 by a predetermined distance. The concave surface 16 </ b> A is spherical and has a radius of curvature larger than the radius of the ball lens 15.

ボールレンズ１５は、凹面レンズ１６の凹面１６Ａ上に移動可能に載置されている。これによりレンズ４は、筐体２の傾きに応じて、ボールレンズ１５が重力によって凹面１６Ａ上の最も低い位置へ移動し得るように構成されている。   The ball lens 15 is movably mounted on the concave surface 16A of the concave lens 16. Accordingly, the lens 4 is configured such that the ball lens 15 can move to the lowest position on the concave surface 16A by gravity according to the inclination of the housing 2.

また、ボールレンズ１５と凹面レンズ１６は、表面に微細な凹凸がある。当該凹凸に起因した摩擦や帯電により、凹面１６Ａ上をボールレンズ１５が移動するのを妨げるおそれがあるので、ボールレンズ１５の表面および凹面１６Ａに処理膜を形成してもよい。処理膜としては、例えば単分子膜を形成することが考えられる。単分子膜は、種々のものが考えられるが、例えば、有機シラン膜などの疎水性膜を用いてもよい。   The ball lens 15 and the concave lens 16 have fine irregularities on the surface. Since the ball lens 15 may be prevented from moving on the concave surface 16A due to friction or charging caused by the unevenness, a treatment film may be formed on the surface of the ball lens 15 and the concave surface 16A. For example, a monomolecular film may be formed as the treatment film. Various monomolecular films are conceivable. For example, a hydrophobic film such as an organic silane film may be used.

受光部５は、受光位置ｘを電気信号に変換して算出部へ出力し得るように構成された素子を備える。受光部５を構成する素子としては、種々のものを選択することができるが、例えば、平板状の光位置センサ(PSD; Position Sensitive Detector)や四分割フォトダイオードなどを好適に用いることができる。   The light receiving unit 5 includes an element configured to convert the light receiving position x into an electric signal and output it to the calculation unit. Various elements can be selected as the elements constituting the light receiving unit 5. For example, a plate-shaped optical position sensor (PSD) or a quadrant photodiode can be preferably used.

算出部は、受光部５から出力された電気信号に基づき、中心軸Ｌと受光面５Ａとが交差する点（以下、「原点」という）Ｏからの受光位置ｘまでの変位△ｘを算出する。さらに、算出部は、当該変位△ｘより、中心軸Ｌの鉛直方向Ｚに対する傾斜角度△θｘを算出する。傾斜角度△θｘを算出するには、種々の方法が考えられるが、例えば、数１に示す理論式を用いて算出することもできる。ここで、ボールレンズ１５の屈折率：ｎ１、凹面レンズ１６の屈折率：ｎ２、ボールレンズ１５の半径：ｒ、凹面レンズ１６の曲率：Ｒ、凹面レンズ１６の厚さ：ｄ、光源３の先端とボールレンズ１５の上面との距離：ａ、凹面レンズ１６の下面１６Ｂと受光部５の受光面５Ａとの距離：ｂとする。 Based on the electrical signal output from the light receiving unit 5, the calculation unit calculates a displacement Δx from a point (hereinafter referred to as “origin”) O where the central axis L intersects the light receiving surface 5 </ b> A to the light receiving position x. . Further, the calculation unit calculates an inclination angle Δθ x with respect to the vertical direction Z of the central axis L from the displacement Δx. Various methods are conceivable for calculating the inclination angle Δθ x , and for example, it can also be calculated using the theoretical formula shown in Equation 1. Here, the refractive index of the ball lens 15: n 1 , the refractive index of the concave lens 16: n 2 , the radius of the ball lens 15: r, the curvature of the concave lens 16: R, the thickness of the concave lens 16: d, the light source 3 The distance between the tip of the lens and the upper surface of the ball lens 15 is a, and the distance between the lower surface 16B of the concave lens 16 and the light receiving surface 5A of the light receiving unit 5 is b.

Figure 2011069798
Figure 2011069798

（２）作用および効果
次に上記のように構成された傾斜角度測定器１の各部の作用および効果について説明する。傾斜角度測定器１は、図1に示す位置関係、すなわち上面部８を上方、下面部９を下方に配置した状態で、構造物例えば柱に設置される。 (2) Actions and Effects Next, actions and effects of each part of the tilt angle measuring device 1 configured as described above will be described. The inclination angle measuring device 1 is installed on a structure, for example, a column with the positional relationship shown in FIG. 1, that is, with the upper surface portion 8 positioned upward and the lower surface portion 9 positioned downward.

傾斜角度測定器１の中心軸Ｌが鉛直方向Ｚと平行である場合（図1）、凹面レンズ１６の凹面１６Ａ上の最も低い位置は中心位置となるので、ボールレンズ１５は、凹面１６Ａの中心位置で静止する。すなわち、レンズ４は、中心軸Ｌ上にボールレンズ１５が静止する。   When the central axis L of the tilt angle measuring device 1 is parallel to the vertical direction Z (FIG. 1), the lowest position on the concave surface 16A of the concave lens 16 is the center position, so the ball lens 15 is centered on the concave surface 16A. Still at position. That is, in the lens 4, the ball lens 15 rests on the central axis L.

この状態で、図示しない電源がオンされると、光源３が光を出射する。光源３から出射された光は、鉛直方向Ｚの下方へ伝播し、ボールレンズ１５へ入射する。ボールレンズ１５は、当該光を受光し中心軸Ｌ上の所定位置に集光する。次いで、凹面レンズ１６は、ボールレンズ１５で集光された光を受光面５Ａの所定位置、この場合原点Ｏに結像させる。   In this state, when a power supply (not shown) is turned on, the light source 3 emits light. The light emitted from the light source 3 propagates downward in the vertical direction Z and enters the ball lens 15. The ball lens 15 receives the light and collects it at a predetermined position on the central axis L. Next, the concave lens 16 forms an image of the light collected by the ball lens 15 at a predetermined position on the light receiving surface 5A, in this case, the origin O.

そうすると、受光部５は、受光位置ｘに基づき電気信号を生成し、算出部へ出力する。算出部は当該電気信号に基づき、変位△ｘを算出する。さらに、算出部は、変位△ｘから傾斜角度△θｘを算出する。なお、この場合、受光位置は原点Ｏであるので、変位△ｘおよび傾斜角度△θｘは、ともに０となる。 If it does so, the light-receiving part 5 will produce | generate an electric signal based on the light reception position x, and will output it to a calculation part. The calculation unit calculates the displacement Δx based on the electrical signal. Furthermore, the calculation unit calculates the tilt angle △ theta x from the displacement △ x. In this case, since the light receiving position is the origin O, both the displacement Δx and the inclination angle Δθ x are 0.

一方、図2に示すように、傾斜角度測定器１の中心軸Ｌが鉛直方向Ｚに対し、本図正面視において時計回転方向に角度△θｘだけ傾いた場合、ボールレンズ１５は、凹面レンズ１６の凹面１６Ａの中心軸Ｌ上から重力によって凹面１６Ａ上の最も低い位置、この場合、右方向へ移動する。 On the other hand, as shown in FIG. 2, when the central axis L of the tilt angle measuring device 1 is tilted with respect to the vertical direction Z by the angle Δθ x in the clockwise direction in the front view of the figure, the ball lens 15 is a concave lens. The lowermost position on the concave surface 16A is moved by gravity from the center axis L of the 16 concave surfaces 16A, in this case, it moves to the right.

この状態で、光源３から出射された光が入射すると、ボールレンズ１５は、前記光を所定位置に集光する。次いで、凹面レンズ１６は、ボールレンズ１５で集光された光を受光面５Ａに結像させる。この場合、光源３の中心を通り鉛直方向Ｚに平行な鉛直軸ＺＬと受光面５Ａとが交差する点が受光位置ｘとなる。これにより、算出部は、受光位置ｘから変位△ｘを算出し、さらに当該受光位置△ｘから傾斜角度△θｘを算出する。 When light emitted from the light source 3 enters in this state, the ball lens 15 condenses the light at a predetermined position. Next, the concave lens 16 focuses the light collected by the ball lens 15 on the light receiving surface 5A. In this case, a light receiving position x is a point where the vertical axis ZL passing through the center of the light source 3 and parallel to the vertical direction Z intersects the light receiving surface 5A. Thus, calculation unit calculates the displacement △ x from the light receiving position x, and calculates the inclination angle △ theta x from the light receiving position △ x.

本実施形態では、所定角度に対する受光部５の電気信号としての出力電圧値を測定して予め検量線を作成し、当該検量線に実際に測定した受光部５の出力電圧値を対応させることにより、傾斜角度△θｘを算出している。検量線は、図3に示す実験装置２０を用いて作成した。 In the present embodiment, a calibration curve is created in advance by measuring an output voltage value as an electrical signal of the light receiving unit 5 with respect to a predetermined angle, and the actually measured output voltage value of the light receiving unit 5 is associated with the calibration curve. The inclination angle Δθ x is calculated. The calibration curve was created using the experimental apparatus 20 shown in FIG.

実験装置２０は、基台２１と、当該基台２１に傾動自在に設けられた傾動部２２とを備える。傾動部２２は、長尺部材からなり、一端２２Ａが前記基台２１に軸支されている。傾動部２２の他端２２Ｂ側には、測定部２３が設けられている。   The experimental apparatus 20 includes a base 21 and a tilting portion 22 provided on the base 21 so as to be tiltable. The tilting portion 22 is made of a long member, and one end 22 </ b> A is pivotally supported on the base 21. A measuring unit 23 is provided on the other end 22 </ b> B side of the tilting unit 22.

測定部２３は、傾斜角度測定器１と、マイクロメータヘッド２４とで構成されている。マイクロメータヘッド２４は、基台２１の表面にスピンドル２５の先端を当接させるように取付けられている。傾動部２２は、マイクロメータヘッド２４のスピンドル２５が送り出されたり戻されたりすることにより、一端２２Ａを回転中心として他端２２Ｂが傾動し得るように構成されている。   The measuring unit 23 includes the tilt angle measuring device 1 and a micrometer head 24. The micrometer head 24 is attached so that the tip of the spindle 25 is brought into contact with the surface of the base 21. The tilting portion 22 is configured such that the other end 22B can be tilted about the one end 22A as the spindle 25 of the micrometer head 24 is sent or returned.

本実施形態の場合、実験装置２０は、傾動部２２の一端２２Ａと、マイクロメータヘッド２４のスピンドル２５との間の距離Ｄが６００ｍｍとなるように構成されている。また、マイクロメータヘッド２４は、電動マイクロメータ（精度１μｍ）が用いられている。これにより、傾動部２２は、最小０．０００１°の傾斜を形成することができる構成とした（tanθ=1μm/600mm）。   In the case of this embodiment, the experimental apparatus 20 is configured such that the distance D between the one end 22A of the tilting portion 22 and the spindle 25 of the micrometer head 24 is 600 mm. The micrometer head 24 is an electric micrometer (accuracy 1 μm). Thus, the tilting portion 22 is configured to be able to form a minimum tilt of 0.0001 ° (tan θ = 1 μm / 600 mm).

また、傾斜角度測定器１は、図4に示すように、上面部８に配置された光源３から出射された光をレンズ４によって下面部９に配置された受光部５に結像し得るように設けられている。なお、受光部５は、図示しないが、算出部を介して測定結果を表示する表示部に電気的に接続されている。   Further, as shown in FIG. 4, the tilt angle measuring device 1 can image the light emitted from the light source 3 disposed on the upper surface portion 8 on the light receiving portion 5 disposed on the lower surface portion 9 by the lens 4. Is provided. In addition, although not shown in figure, the light-receiving part 5 is electrically connected to the display part which displays a measurement result via a calculation part.

本実施形態の場合、傾斜角度測定器１は、光源３に赤色ＬＥＤを用いた。また、傾斜角度測定器１は、光源３の先端とボールレンズ１５の上面との距離：ａを８．３５ｍｍ、凹面レンズ１６の下面と受光部５の受光面５Ａとの距離：ｂを１０ｍｍとした。また、ボールレンズ１５は、直径１０ｍｍ、凹面レンズ１６は、Ｒ７７．８５ｍｍ（中心厚２ｍｍ）とした。   In the case of this embodiment, the inclination angle measuring device 1 uses a red LED as the light source 3. Further, the inclination angle measuring device 1 has a distance between the tip of the light source 3 and the upper surface of the ball lens 15: a of 8.35 mm, and a distance between the lower surface of the concave lens 16 and the light receiving surface 5A of the light receiving unit 5: b of 10 mm. did. The ball lens 15 was 10 mm in diameter, and the concave lens 16 was R77.85 mm (center thickness 2 mm).

上記のように構成された実験装置２０において、マイクロメータヘッド２４を操作することにより、傾動部２２の傾斜角度△θｘを設定した。同時に受光部５の出力電圧を測定した。傾動部２２の傾斜角度±１°の範囲内で０．１°毎に受光部５の出力電圧を測定し、この結果を元に検量線を作成した。作成した検量線を図5に示す。この結果から、傾斜角度△θｘと受光部５の出力電圧との関係が直線性を有し、分解能が０．００４°であることが確認できた。以上より、傾斜角度測定器１は、高精度で傾斜角度△θｘを測定できることが確認できた。 In the experimental apparatus 20 configured as described above, the tilt angle Δθ x of the tilting portion 22 was set by operating the micrometer head 24. At the same time, the output voltage of the light receiving unit 5 was measured. The output voltage of the light receiving unit 5 was measured every 0.1 ° within the range of the tilt angle ± 1 ° of the tilting unit 22, and a calibration curve was created based on this result. The prepared calibration curve is shown in FIG. From this result, it was confirmed that the relationship between the inclination angle Δθ x and the output voltage of the light receiving unit 5 has linearity and the resolution is 0.004 °. From the above, it was confirmed that the tilt angle measuring device 1 can measure the tilt angle Δθ x with high accuracy.

上記したように傾斜角度測定器１は、ボールレンズ１５と凹面レンズ１６とからなるレンズ４により、光源３が出射した光を受光部５に結像させることとした。これにより、ボールレンズ１５で一旦集光された光を凹面レンズ１６で距離ｂだけ離れた受光部５に結像させることができるので、鉛直方向Ｚに対する傾きによって生じる受光位置の変位△ｘを拡大することができる。したがって、傾斜角度測定器１では、分解能を向上することができるので、傾斜角度△θｘを高精度に測定することができる。 As described above, the inclination angle measuring device 1 causes the light emitted from the light source 3 to be imaged on the light receiving unit 5 by the lens 4 including the ball lens 15 and the concave lens 16. As a result, the light once condensed by the ball lens 15 can be imaged on the light receiving unit 5 separated by the distance b by the concave lens 16, so that the displacement Δx of the light receiving position caused by the inclination with respect to the vertical direction Z is enlarged. can do. Therefore, since the resolution can be improved in the tilt angle measuring device 1, the tilt angle Δθ x can be measured with high accuracy.

傾斜角度測定器１は、光源３から出射された光をレンズ４によって、受光部５に結像させ、受光部５において前記光の受光位置ｘを検出することにより、算出部において変位△ｘを算出し、さらに当該変位△ｘから傾斜角度△θｘを測定し得るように構成した。これにより、傾斜角度測定器１は、小型化を実現することができる。 The tilt angle measuring device 1 forms an image of the light emitted from the light source 3 on the light receiving unit 5 by the lens 4 and detects the light receiving position x of the light in the light receiving unit 5, thereby calculating the displacement Δx in the calculating unit. Further, the inclination angle Δθ x can be measured from the displacement Δx. Thereby, the inclination-angle measuring device 1 can implement | achieve size reduction.

また、レンズ４は、ボールレンズ１５の表面および凹面１６Ａに処理膜を形成したことにより、ボールレンズ１５の表面および凹面１６Ａの凹凸に起因する摩擦や帯電を防止する構成とした。これにより、傾斜角度測定器１は、筐体２の傾きに応じて、ボールレンズ１５が凹面１６Ａ上を円滑に移動し得るので、より精度よく傾斜角度△θｘを測定することができる。 In addition, the lens 4 is configured to prevent friction and charging due to the unevenness of the surface of the ball lens 15 and the concave surface 16A by forming a treatment film on the surface of the ball lens 15 and the concave surface 16A. Thereby, the inclination angle measuring device 1 can measure the inclination angle Δθ x with higher accuracy because the ball lens 15 can smoothly move on the concave surface 16A according to the inclination of the housing 2.

（３）変形例
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。例えば、図6に示すように、傾斜角度測定器３０は、光源３とレンズ４との間にアパーチャ３１を設け、ボールレンズ１５の受光量を調整することとしてもよい。これにより、傾斜角度測定器３０の角度測定における精度を向上させることができる。 (3) Modifications The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately changed within the scope of the gist of the present invention. For example, as shown in FIG. 6, the tilt angle measuring device 30 may adjust the amount of light received by the ball lens 15 by providing an aperture 31 between the light source 3 and the lens 4. Thereby, the precision in the angle measurement of the inclination angle measuring device 30 can be improved.

また、上記実施形態では、凹面レンズ１６が平凹レンズである場合について説明したが、本発明はこれに限らず、両側表面が凹面である両凹レンズ、または、一側表面が凹面で他側表面が凸面である凹凸レンズを用いてもよい。   In the above embodiment, the case where the concave lens 16 is a plano-concave lens has been described. However, the present invention is not limited to this, and a biconcave lens in which both surfaces are concave, or one surface is concave and the other surface is An uneven lens that is a convex surface may be used.

１ 傾斜角度測定器
２ 筐体
３ 光源
４ レンズ
５ 受光部
１５ ボールレンズ
１６ 凹面レンズ
１６Ａ 凹面
Ｚ 鉛直方向 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Inclination angle measuring device 2 Case 3 Light source 4 Lens 5 Light-receiving part 15 Ball lens 16 Concave lens 16A Concave surface Z Vertical direction

Claims (3)

鉛直方向に対する傾斜角度を測定する傾斜角度測定器において、
筐体と、
前記筐体に固定された光源と、
前記光源に対向して前記筐体に固定された受光部と、
前記光源から出射される光を前記受光部に集光させるレンズと、
前記受光部から出力される電気信号に基づいて前記筐体の鉛直方向に対する傾斜角度を算出する算出部と
を備え、
前記レンズは、
凹面を前記光源に対向させて前記筐体に固定された凹面レンズと、
前記凹面上に載置されたボールレンズと
からなることを特徴とする傾斜角度測定器。 In a tilt angle measuring device that measures the tilt angle with respect to the vertical direction,
A housing,
A light source fixed to the housing;
A light receiving portion fixed to the housing facing the light source;
A lens for condensing the light emitted from the light source on the light receiving unit;
A calculation unit that calculates an inclination angle with respect to a vertical direction of the housing based on an electrical signal output from the light receiving unit;
The lens is
A concave lens fixed to the housing with a concave surface facing the light source;
An inclination angle measuring device comprising: a ball lens placed on the concave surface. 前記ボールレンズの表面および前記凹面に、処理膜を形成したことを特徴とする請求項１記載の傾斜角度測定器。 2. The tilt angle measuring device according to claim 1, wherein a treatment film is formed on a surface of the ball lens and the concave surface. 前記光源と前記ボールレンズとの間に、アパーチャを設けたことを特徴とする請求項１または２記載の傾斜角度測定器。 The tilt angle measuring device according to claim 1 or 2, wherein an aperture is provided between the light source and the ball lens.
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