JP2014102184A - 水準器 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成でありながら、外乱に対して強い水準器を提供する。
【解決手段】被測定面に容器１０の底面を載置した状態で、ＬＥＤ１５から光束を出射して、浮子２０の鏡２３からの反射光を光検出器１６で受光する。すると、被測定面の傾きに応じて、浮子２０が傾くこととなる。このとき、浮子２０の下端は尖っているので、浮子２０の傾きを阻害することがない。又、揺れ抑制板２２が、アルコール１３内で抵抗として作用し、浮子２０の振動を抑制する。光検出器１６の受光面の基準位置に対して、反射光束の入射位置のずれ量で、被測定面の傾きを抑制できる。
【選択図】図1

Description

本発明は、被測定物の姿勢を検出できる水準器に関する。

被測定物の姿勢を検出する姿勢センサの一つである水準器に対して、小型化及び２次元的に角度を測定したいとの要望があり、また分解能、精度、応答性能、安定性などについての高性能化が要請されている。ここで、従来の水準器には、基体に取り付けた振り子の傾きを振り子の先端の変位として検出する原理を用いているものがあるが、振り子の変位検出では２次元での角度の測定が難しく、変位センサの分解能に合わせて振り子の変位を必要とするため、コンパクト化も難しいという問題がある。又、振り子を大型化すると応答性も高められないという問題もある。

一方、２次元の角度測定を実現するために、容器に入れた水銀の表面を鏡とし２方向から測定光を照射する光学的角度センサを用いて、１度の測定で２方向の角度測定を行う技術も知られているが、水銀が人体にとって有毒であるため使いにくいという問題がある。また他の液体では鏡面としての性能が不足するとともに、粘性が不足するなどの問題があり、簡単には利用できない。これに対し特許文献１には、被測定物上に載置した容器内の高粘度流体に浸した振り子に鏡を設け、この鏡に向かって外部に光源から光を出射して、振り子の傾きを検出する構成が開示されている。

特開２０１０−６６１３９号公報 特開平０７−４９６３号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、振り子をつり下げる糸の選択や、糸を介しての振動混入防止と減衰性能を満たすのが難しいという問題がある。

一方、特許文献２には、液体を密封したケース内にマグネットを取り付けたフロートを浮かせ、マグネットの回動を半導体磁気抵抗素子の抵抗変化で検出して、ケースの傾斜変化を検出する構成が開示されている。しかしながら、特許文献２の構成は、磁気的な外乱に弱く、磁気回路等の高価で複雑な部品が必要である。

本発明は、かかる従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、簡素な構成でありながら、外乱に対して強い水準器を提供することを目的とする。

本発明の水準器は、
容器内の液体中に浮遊し、表面の少なくとも一部に鏡を設けた浮子と、
前記容器に固定した一つ以上の光学的角度センサとを有し、
前記光学的角度センサは、光束を前記鏡に向かって出射し、その反射光を検出することで、前記鏡の傾斜を測定するようになっていることを特徴とする。

本発明によれば、水銀などの液面鏡に代わり固体の鏡面を用いることで、水銀等を不要とし、取り扱いやすい任意の液体を用いることで、コストを低減できる。また、磁気回路などの高価な部品が不要であり、磁気的外乱にも強い構成を提供できる。更に、振り子の代わりに、液中に浮かぶ浮子の姿勢を鏡の姿勢に反映させることで、鏡を吊り下げる糸の持つ難点を避けることができる。更に、必要な程度の粘性を有する液体を用いることで安定性を高めることができる。

更に、前記容器が透明な液体を収容しており、且つ透明部材で密封されており、前記光学的角度センサの光束は、前記容器の外部から出射され前記透明部材を介して前記容器内の前記鏡に到達するので、傾いた被測定面上に水準器を載置しても、液体が前記容器からこぼれることを阻止でき、取り扱い性に優れる。

更に、前記浮子の上面に前記鏡が設けられ、前記透明部材は前記容器の上端を封止しており、前記光学的角度センサの光束は、前記容器の上方から出射され前記透明部材を介して前記容器内の前記鏡に到達すると、水準器を比較的細く小型にできるため、狭い場所でも角度測定を行えるようになる。

更に、前記容器の一部が弾性構造であり、前記容器内の液体の膨張または収縮を吸収できるようになっていると、前記液体が環境温度変化によって膨張または収縮した場合でも、前記容器の変形や破損等を回避できる。

更に、前記浮子の振動を減衰させる減衰手段を有すると、前記浮子を安定させて、より精度の高い測定を行える。

第１の実施の形態にかかる水準器の側面図である。 水準器に用いる浮子の斜視図である。 第２の実施の形態にかかる断面図である。 第２の実施の形態の変形例にかかる断面図である。

図面を参照して、本実施の形態について説明する。図１は、第１の実施の形態にかかる水準器の側面図であり、図２は、水準器に用いる浮子の斜視図である。図１において、筒状の容器１０の内部は、別個のチャンバ１１に対して配管１２により接続されている。容器１０内には、チャンバ１１から供給される液体であるアルコール１３が上端まで充填されている。容器１０の上端は、透明な石英ガラス製の平行平板１４によりシールを介して密封されている。

容器１０内には、浮子２０がアルコール１３内に浮遊した状態で配置されている。浮子２０は、アルコールより密度の低い素材からなる円筒状の本体２１の周囲に、減衰手段としての鍔状又は円盤状の揺れ抑制板２２を取り付けている。本体２１の下面には、金属製の円錐状の重り２５が取り付けられている。重り２５の先端は、容器１０の底面に接していると好ましい。又、本体２１の上端には、上方を向くようにして鏡２３が、側方から回り込んだ固定爪２４により固定されている。

容器１０の外部には、フレーム１７を介して容器１０に固定された光源であるＬＥＤ１５と、光検出器１６が設けられている。ＬＥＤ１５から出射した光束は、平行平板１４を透過して、浮子２０の鏡２３に入射し、ここで反射した光束が平行平板１４を透過して、光検出器１６に入射するようになっている。ＬＥＤ１５と光検出器１６とで、光学的角度センサを構成する。

本実施の形態の動作について説明する。まず、不図示の水平面に容器１０の底面を載置した状態で、ＬＥＤ１５から光束を出射して、浮子２０の鏡２３からの反射光を光検出器１６で受光し、受光面の基準位置に入射するようにして、校正を行う。

その後、被測定面ＯＢ上に容器１０の底面を載置した状態で、ＬＥＤ１５から光束を出射して、浮子２０の鏡２３からの反射光を光検出器１６で受光する。すると、被測定面ＯＢの傾きに応じて、浮子２０が傾くこととなる。このとき、浮子２０の下端は尖っているので、浮子２０の傾きを阻害することがない。又、揺れ抑制板２２が、アルコール１３内で抵抗として作用し、浮子２０の振動を抑制する。光検出器１６の受光面の基準位置に対して、反射光束の入射位置のずれ量で、被測定面の傾きを抑制できる。尚、明らかであるが、別のＬＥＤ１５と光検出器１６とを、容器１０に対して９０°位相をずらせた側に設置することで、被測定面の角度を２方向で検出することができ、すなわち１度の測定で２次元的に角度を求めることができる。

本実施の形態によれば、２次元に角度を求める水準器がコンパクトに構成できる。又、鏡２３の濡れによる信号ノイズの影響を低減でき、波面の影響も低減できる。分解能は、角度センサの分解能まで簡単に高められる。又、液体の粘度を変えることで水準器の減衰性能を容易に制御できる。更に、鏡２３の法線方向が開放されているので、角度センサでのＬＥＤ１５と光検出器１６の構造と取付の自由度が高いため、低コストで製作が容易になる。

尚、環境温度変化が生じたとき、容器１０内のアルコール１３の膨張もしくは収縮に応じて、配管１２を介してアルコール１３がチャンバ１１に戻りあるいはそこから供給されるので、容器１０を変形、破損させることがない。

図３は、第２の実施の形態にかかる水準器の断面図である。筒状の容器１１０の内部は液体であるアルコール１１３が上端まで充填されている。容器１１０の上端は、透明な石英ガラス製の平行平板１１４により密封されている。容器１１０の側壁中央内周には、凹部１１０ａが形成され、凹部１１０ａ内に弾性体（例えば空気を入れた袋等）１１０ｂが収容されている。これにより、環境温度変化が生じたとき、容器１１０内のアルコール１１３の膨張もしくは収縮に応じて弾性体１１０ｂが変形するので、容器１１０を変形、破損させることがない。

容器１１０内には、浮子１２０がアルコール１１３内に浮遊した状態で配置されている。浮子１２０は、アルコールより密度の低い素材からなる円筒状の本体１２１の下面に、金属製の円錐状の重り１２５を取り付けている。重り１２５の周囲には、マグネット１２５が配置されており、それに対向して容器１１０には電磁石１２６が配置されている。マグネット１２５と電磁石１２６とで減衰手段を構成する。一方、本体１２１の上面には鏡１２３が上方を向いて取り付けられている。重り１２５の下端は、容器１１の底面に接していない。

容器１１０の上部には、フレーム１１７を介して容器１１０に固定された光学的角度センサ１５６が、鏡１２３に対向するようにして配置されている。光学的角度センサ１５６は、ＬＥＤと光検出器とを内蔵しており、ＬＥＤから下方に向けて出射した光束は、平行平板１１４を透過して、浮子１２０の鏡１２３に入射し、ここで反射した光束が平行平板１１４を透過して、光検出器に入射するようになっている。

本実施の形態の動作について説明する。まず、不図示の水平面に容器１１０の底面を載置した状態で、光学的角度センサ１５６から光束を出射して、浮子１２０の鏡１２３からの反射光を光学的角度センサ１５６で受光し、光検出器の受光面の基準位置に入射するようにして、校正を行う。

その後、被測定面ＯＢ上に容器１１０の底面を載置した状態で、光学的角度センサ１５６から光束を出射して、浮子１２０の鏡１２３からの反射光を光学的角度センサ１５６で受光する。すると、被測定面ＯＢの傾きに応じて、浮子１２０が傾くこととなる。このとき、電磁石１２６に通電することで、マグネット１２５に反発力が生じるから、その作用で浮子１２０の振動を抑制できる。光学的角度センサ１５６における光検出器の受光面の基準位置に対して、反射光束の入射位置のずれ量で、被測定面ＯＢの傾きを抑制できる。本実施の形態では、光検出器の受光面の基準位置に対して、２次元的にシフトした反射光束の入射位置を測定できるので、被測定面の角度を２方向で検出することができ、すなわち１度の測定で２次元的に角度を求めることができる。

図４は、第２の実施の形態の変形例にかかる断面図である。本変形例では、容器１１０の上端までアルコール１１３は注入されていない。浮子１２０に取り付けられた鏡１２３は、上方に延在する筒状の側壁１２３ａにより周囲を密閉的に覆われており、アルコール１１３に浸されていない。又、弾性体は設けられていない。それ以外は、上述した実施の形態と同様である。

測定時、光学的角度センサ１５６から出射された光束は、平行平板１１４介して容器１１０内に進入するが、側壁１２３ａにより浮子１２０の鏡１２３がアルコール１１３に浸されていないので、鏡１１３から明瞭な反射光が出射することとなる。これを光学的角度センサ１５６で受光することで、より高精度な測定を行える。尚、アルコール１１３は、容器１１０の上端まで注入されていないので、環境温度変化が生じたとき、容器１１０内のアルコール１１３の膨張もしくは収縮が生じても、容器１１０の上部の空気の体積が変化することで、これを吸収できるので、容器１１０を変形、破損させることがない。

本発明は、以上の実施の形態に限られない。鏡が容器の底に一端を固定された糸につながれているものでも良く、液体の浮力とバランスして自然に表面に浮く材質でできている鏡を用いても良く、浮子の役目をする物体と一体になった鏡を用いるものでも良い。液体はアルコール限らず、種々のものを用いることができる。アルコールやエタノールを使用すると、浮子の感度向上を図れるが、光学計で使用されるインデックスマッチング液なども使用可能である。鏡は２つ以上設けても良い。

１０ 容器
１１ チャンバ
１２ 配管
１３ アルコール
１４ 平行平板（透明部材）
１５ ＬＥＤ
１６ 光検出器
１７ フレーム
２０ 浮子
２１ 本体
２２ 抑制板
２３ 鏡
２４ 固定爪
１１０ 容器
１１０ａ 凹部
１１０ｂ 弾性体
１１３ アルコール
１１４ 平行平板
１１７ フレーム
１２０ 浮子
１２１ 本体
１２３ 鏡
１２３ａ 側壁
１２５ マグネット
１２６ 電磁石
１５６ 光学的角度センサ

Claims (5)

1. 容器内の液体中に浮遊し、表面の少なくとも一部に鏡を設けた浮子と、
   前記容器に固定した一つ以上の光学的角度センサとを有し、
   前記光学的角度センサは、光束を前記鏡に向かって出射し、その反射光を検出することで、前記鏡の傾斜を測定するようになっていることを特徴とする水準器。
2. 前記容器が透明な液体を収容しており、且つ透明部材で密封されており、前記光学的角度センサの光束は、前記容器の外部から出射され前記透明部材を介して前記容器内の前記鏡に到達することを特徴とする請求項１記載の水準器。
3. 前記浮子の上面に前記鏡が設けられ、前記透明部材は前記容器の上端を封止しており、前記光学的角度センサの光束は、前記容器の上方から出射され前記透明部材を介して前記容器内の前記鏡に到達することを特徴とする請求項２記載の水準器。
4. 前記容器の一部が弾性構造であり、前記容器内の液体の膨張または収縮を吸収できるようになっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の水準器。
5. 前記浮子の振動を減衰させる減衰手段を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の水準器。

Images