JP2014178273A

JP2014178273A - 傾斜角検出装置

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Publication number: JP2014178273A
Application number: JP2013053699A
Authority: JP
Inventors: Takashi Takahashi; 崇高橋; Junichi Furuhira; 純一古平
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2013-03-15
Publication date: 2014-09-25
Also published as: US9303987B2; US20140259712A1; EP2778605A2; EP2778605A3

Abstract

【課題】傾斜角検出の際のダイナミックレンジを確保しつつ、受光素子の受光感度を向上させる傾斜角検出装置を提供する。
【解決手段】性質及び比重及び光透過率の異なる第１の液体１７と第２の液体１８が封入された透明容器１６を有し、透明容器１６の傾斜によって第１の液体１７と第２の液体１８との間で移動が生じる様構成された２液管１９を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、透明容器に性質の異なる２つの液体を封入し、該液体間の移動を検出することで傾斜を検出する傾斜センサを有する傾斜角検出装置に関するものである。

機器の傾斜を検出するものとして気泡管があり、該気泡管はガラス容器に液体と気泡が封入されている。測量機等水平が要求される機器を設置する場合、前記気泡管を備えた傾斜角検出装置が用いられる。前記気泡管には、該気泡管中の気泡の動きを光電的に検出する光電式気泡管があり、図７〜図９により、該光電式気泡管を有する従来の傾斜角検出装置について説明する。

光電式気泡管１は、光源２、受光素子３，４及び略円筒状の気泡管５が組合わされて構成され、前記光電式気泡管１からの信号に基づき傾斜角が検出される。

前記光源２は前記気泡管５の下方に配置され、前記光源２の光軸は前記気泡管５の軸心と直交している。一対の前記受光素子３，４は、前記気泡管５を挾んで前記光源２と対向し、且つ該光源２の光軸に関して対称な位置に所要距離離れて配設されている。前記受光素子３，４としては、光電変換素子が用いられる。

図７に示される様に、軸心方向に於いては、検出光７は前記気泡管５内の気泡８及び液体９を略直進透過し、前記受光素子３，４に受光される。又、前記気泡８と前記液体９の境界部分では、前記検出光７は反射され、前記受光素子３，４に受光されない様になっている。

図８は前記気泡管５の気泡８が存在する部分の断面図であり、図９は、前記気泡管５の前記気泡８が存在しない液体９部分の断面図である。図８に示される様に、前記気泡８が存在する場合、該気泡８の中央を直進する前記検出光７は前記受光素子３，４に受光され、又前記気泡８の周辺の前記液体９を透過する前記検出光７は、光学的作用により前記受光素子３，４に受光される。更に、前記気泡８と前記液体９の境界部分に達した前記検出光７は境界面で反射され、前記受光素子３，４に受光されない。従って、前記気泡８が存在する部分と、図９に示される様な前記気泡８が存在しない部分では、境界面で反射される分だけ前記受光素子３，４が受光する光量に差異が生じる。

従って、前記気泡８の位置により、前記受光素子３，４に入射する前記検出光７の光量が変化する。前記気泡８の位置は傾斜により変化するので、前記受光素子３と前記受光素子４との受光量の差を検出することにより、傾斜角が検出される。

然し乍ら、従来の傾斜角検出装置では、前記検出光７のうち前記気泡８を通過した部分が前記受光素子３，４に定常光ノイズとして受光されてしまう為、Ｓ／Ｎ比が小さくなるという問題があった。

又、従来の傾斜角検出装置では、前記光電式気泡管１のダイナミックレンジが小さくなっているので、検出精度の確保が困難であり、前記気泡管５の軸心と前記検出光７の光軸を直交させる際のセッティングに微細な調整が必要となり、別途調整機構を設けることで構造が複雑になるという問題があった。

特開平１０−２３９０５２号公報

本発明は斯かる実情に鑑み、傾斜角検出の際のダイナミックレンジを確保しつつ、受光素子の受光感度を向上させる傾斜角検出装置を提供するものである。

本発明は、性質及び比重及び光透過率の異なる第１の液体と第２の液体が封入された透明容器を有し、該透明容器の傾斜によって前記第１の液体と前記第２の液体との間で移動が生じる様構成された２液管を具備する傾斜角検出装置に係るものである。

又本発明は、前記透明容器に中空で凸状の逃げ部が形成され、該逃げ部内には気体が封入された傾斜角検出装置に係るものである。

又本発明は、前記第２の液体は、色素、染料、顔料のうちの何れかにより、前記第１の液体と前記検出光の透過率が異なる様着色された傾斜角検出装置に係るものである。

又本発明は、前記第１の液体は、前記第２の液体よりも比重が大きい傾斜角検出装置に係るものである。

又本発明は、前記第１の液体は、アルコール系、エーテル系、アセタール系、ケトン系、エステル系、多価アルコール及びその誘電体系、フェノール系、窒化化合物系、硫黄又はリン含有有機溶剤系、炭化水素系液体、シリコーンオイル等珪素を含む物質、フッ素系溶剤のうちのいずれかの液体からなり、前記第２の液体は、アルコール系、エーテル系、アセタール系、ケトン系、エステル系、多価アルコール及びその誘電体系、フェノール系、窒化化合物系、硫黄又はリン含有有機溶剤系、炭化水素系液体、シリコーンオイル等珪素を含む物質、フッ素系溶剤のうちの前記第１の液体とは異なるいずれかの液体からなる傾斜角検出装置に係るものである。

又本発明は、前記第１の液体及び前記第２の液体のうちの一方が炭化水素系液体である場合に、他方がアルコール系、エーテル系、アセタール系、ケトン系、エステル系、多価アルコール及びその誘電体系、フェノール系、窒化化合物系、硫黄又はリン含有有機溶剤系、シリコーンオイル等珪素を含む物質、フッ素系溶剤のうちのいずれかからなる傾斜角検出装置に係るものである。

又本発明は、前記第１の液体及び前記第２の液体のうちの一方がシリコーンオイル等珪素を含む物質である場合に、他方がアルコール系、エーテル系、アセタール系、ケトン系、エステル系、多価アルコール及びその誘電体系、フェノール系、窒化化合物系、硫黄又はリン含有有機溶剤系、炭化水素系液体、フッ素系溶剤のうちのいずれかからなる傾斜角検出装置に係るものである。

更に又本発明は、前記第１の液体及び前記第２の液体のうちの一方がフッ素系溶剤である場合に、他方がアルコール系、エーテル系、アセタール系、ケトン系、エステル系、多価アルコール及びその誘電体系、フェノール系、窒化化合物系、硫黄又はリン含有有機溶剤系、炭化水素系液体、シリコーンオイル等珪素を含む物質のうちのいずれかからなる傾斜角検出装置に係るものである。

本発明によれば、性質及び比重及び光透過率の異なる第１の液体と第２の液体が封入された透明容器を有し、該透明容器の傾斜によって前記第１の液体と前記第２の液体との間で移動が生じる様構成された２液管を具備するので、前記第２の液体に達した検出光が受光素子に受光されることがなく、Ｓ／Ｎ比を向上させることができると共に、該受光素子の受光量の差が大きくなることで該受光素子の受光感度を高くすることができ、ダイナミックレンジを拡大させても充分な検出精度を得ることができる。

又本発明によれば、前記透明容器に中空で凸状の逃げ部が形成され、該逃げ部内には気体が封入されたので、温度や気圧の変化により第１の液体、第２の液体が膨張した場合であっても、前記逃げ部内の気体が圧縮されることで膨張を吸収することができ、膨張により前記透明容器が破損するのを防止することができる。

又本発明によれば、前記第２の液体は、色素、染料、顔料のうちの何れかにより、前記第１の液体と前記検出光の透過率が異なる様着色されたので、前記第２の液体を透過した前記検出光が前記受光素子に受光されるのを抑制することができる。

又本発明によれば、前記第１の液体は、前記第２の液体よりも比重が大きいので、該第２の液体を前記第１の液体中に浮遊させることができ、前記透明容器の傾斜により前記第２の液体の位置を変化させることができる。

又本発明によれば、前記第１の液体は、アルコール系、エーテル系、アセタール系、ケトン系、エステル系、多価アルコール及びその誘電体系、フェノール系、窒化化合物系、硫黄又はリン含有有機溶剤系、炭化水素系液体、シリコーンオイル等珪素を含む物質、フッ素系溶剤のうちのいずれかの液体からなり、前記第２の液体は、アルコール系、エーテル系、アセタール系、ケトン系、エステル系、多価アルコール及びその誘電体系、フェノール系、窒化化合物系、硫黄又はリン含有有機溶剤系、炭化水素系液体、シリコーンオイル等珪素を含む物質、フッ素系溶剤のうちの前記第１の液体とは異なるいずれかの液体からなるので、前記第１の液体と前記第２の液体が混じり合うのを防止することができる。

又本発明によれば、前記第１の液体及び前記第２の液体のうちの一方が炭化水素系液体である場合に、他方がアルコール系、エーテル系、アセタール系、ケトン系、エステル系、多価アルコール及びその誘電体系、フェノール系、窒化化合物系、硫黄又はリン含有有機溶剤系、シリコーンオイル等珪素を含む物質、フッ素系溶剤のうちのいずれかからなるので、前記第１の液体と前記第２の液体が混じり合うのを防止することができる。

又本発明によれば、前記第１の液体及び前記第２の液体のうちの一方がシリコーンオイル等珪素を含む物質である場合に、他方がアルコール系、エーテル系、アセタール系、ケトン系、エステル系、多価アルコール及びその誘電体系、フェノール系、窒化化合物系、硫黄又はリン含有有機溶剤系、炭化水素系液体、フッ素系溶剤のうちのいずれかからなるので、前記第１の液体と前記第２の液体が混じり合うのを防止することができる。

更に又本発明によれば、前記第１の液体及び前記第２の液体のうちの一方がフッ素系溶剤である場合に、他方がアルコール系、エーテル系、アセタール系、ケトン系、エステル系、多価アルコール及びその誘電体系、フェノール系、窒化化合物系、硫黄又はリン含有有機溶剤系、炭化水素系液体、シリコーンオイル等珪素を含む物質のうちのいずれかからなるので、前記第１の液体と前記第２の液体が混じり合うのを防止することができるという優れた効果を発揮する。

本発明の実施例に係る傾斜角検出装置の概要を示すブロック図である。本発明の実施例に係る傾斜角検出装置の光電式２液管を示す概略断面図である。図２のＡ−Ａ矢視図である。図２のＢ−Ｂ矢視図である。前記光電式２液管の変形例を示す概略断面図である。本発明の実施例に係る傾斜角検出装置を搭載したレーザ測量機の概略断面図である。従来の傾斜角検出装置の気泡管を示す概略断面図である。図７のＣ−Ｃ矢視図である。図７のＤ−Ｄ矢視図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

先ず、図１〜図４に於いて、本発明の実施例に係る傾斜角検出装置について説明する。尚、光電式２液管１１，１２は同様の構成であるので、以下では前記光電式２液管１１について説明する。

該光電式２液管１１は、光源１３及び受光素子１４，１５と、透明容器１６と該透明容器１６に封入された第１の液体１７、第２の液体１８からなる２液管１９とにより構成される。

該２液管１９の軸心と直交する方向にＬＥＤ等の前記光源１３を配置し、前記２液管１９を挾んで前記光源１３と対向し、且つ該光源１３の光軸に関して対称な位置に一対の前記受光素子１４，１５が所要距離離れて配置されている。

前記透明容器１６は中央部が太径となった樽形状のガラス製透過容器であり、該透明容器１６内には比重が異なると共に、相対的に極性が異なる（性質が異なる）前記第１の液体１７と前記第２の液体１８が封入され、前記第１の液体１７と前記第２の液体１８とが混ざり合わない様になっている。尚、以下の説明に於いては、該第２の液体１８の比重が前記第１の液体１７の比重よりも小さくなっている。

又、前記第１の液体１７と前記第２の液体１８は、前記光源１３より照射された検出光２１の波長に対する透過率が異なっている。例えば、前記第１の液体１７は、前記透明容器１６の大部分を満たす無色透明の液体であり、前記光源１３より照射された前記検出光２１を透過する。又、前記第２の液体１８は前記透明容器１６内に少量封入された有色例えば黒色の液体であり、前記検出光２１を遮断又は略遮断する。

前記第１の液体１７と前記第２の液体１８とは極性が相対的に異なり、又前記第２の液体１８の比重が前記第１の液体１７よりも小さくなっているので、前記第２の液体１８は混じり合うことなく前記２液管１９内で前記第１の液体１７中に浮遊し、浮力により前記２液管１９の内面に貼付く様になっている。

前記光源１３は光源駆動部（図示せず）により駆動され、前記光源１３より発せられた前記検出光２１は、前記２液管１９を透過して前記受光素子１４，１５に到達する。前記検出光２１が前記受光素子１４，１５に受光されることで、該受光素子１４，１５から受光した光量に応じた信号が演算部である傾斜角検出制御部２２に出力される。尚、前記光電式２液管１１，１２及び前記傾斜角検出制御部２２等により傾斜角検出装置が構成される。

前記傾斜角検出制御部２２は、差動増幅器２３、制御演算部２４を有し、前記差動増幅器２３では前記受光素子１４，１５からの出力信号の電流差が増幅されると共に、電流電圧変換されて前記制御演算部２４に出力される。該制御演算部２４では、前記差動増幅器２３からの信号が処理されて傾斜角が演算される。

この時、前記第１の液体１７は無色透明の液体であり、前記光源１３より発せられた前記検出光２１は前記第１の液体１７を透過する。一方、前記第２の液体１８は前記第１の液体１７よりも透過率が低い有色の液体、例えば黒色の液体であり、前記検出光２１は前記第２の液体１８により吸収され遮断される。

該第２の液体１８に到達した前記検出光２１は、前記第２の液体１８により遮られ、前記２液管１９外に漏れることがないので、前記受光素子１４，１５に受光されることがない。従って、定常光ノイズが除去されてＳ／Ｎ比を向上させることができる。又、Ｓ／Ｎ比を向上させることで分解能（再現性）を向上させることができる。

又、前記第２の液体１８が前記検出光２１の光路上に存在する場合には、該検出光２１は全て又は略全てが遮断され、前記第２の液体１８が前記検出光２１の光路上に存在しない場合には、該検出光２１の全てが前記第１の液体１７を透過し前記受光素子１４，１５に受光される。従って、前記第２の液体１８が前記検出光２１の光路上に存在する場合と、前記第２の液体１８が前記検出光２１の光路上に存在しない場合とでは、前記受光素子１４，１５に到達する前記検出光２１の光量差が大きくなる。

而して、前記第２の液体１８が前記透明容器１６を移動した場合には、前記受光素子１４と前記受光素子１５の受光量に大きな差が生じ、前記制御演算部２４で演算して得られる偏差も大きくなることから、前記受光素子１４，１５の受光感度を高くすることができ、ダイナミックレンジを拡大させても充分な精度を得ることができる。

又、前記傾斜角検出装置のダイナミックレンジが拡大されることから、前記２液管１９をセッティングする際に細かな調整を必要としないので、調整機構等を必要とせず、装置構成の簡易化及び製作コストの低減を図ることができる。

次に、前記第１の液体１７と前記第２の液体１８の詳細について説明する。

前記第１の液体１７と前記第２の液体１８として用いられる液体としては、次に挙げられるものがある。高極性物質としては、例えばアルコール系、エーテル系、アセタール系、ケトン系、エステル系、多価アルコール及びその誘電体系、フェノール系、窒化化合物系、硫黄又はリン含有有機溶剤系等を用いることができる。又、低極性物質としては、例えば炭化水素系液体、シリコーンオイル等珪素を含む物質、フッ素系溶剤等を用いることができる。

前記第１の液体１７として、上記した高極性物質のうちいずれか１つが選択された場合には、前記第２の液体１８として、上記した低極性物質のうちいずれか１つが選択される。又、前記第１の液体１７として、上記した低極性物質のうちいずれか１つが選択される場合には、前記第２の液体１８として、上記した高極性物質のうちいずれか１つが選択される。或は、前記第１の液体１７、前記第２の液体１８として、上記した低極性物質の中から互いに異なる液体が選択される。

前記第１の液体１７及び前記第２の液体１８を選択する際には、該第２の液体１８が着色により比重が変化することから、先ず該第２の液体１８として、上記した高極性物質又は低極性物質のうちの１つを選択する。該第２の液体１８の選択後、前記検出光２１の波長に対する前記第２の液体１８の透過率が、前記検出光２１の波長に対する前記第１の液体１７よりも低い透過率となる様、色素又は染料、或は顔料により前記第２の液体１８を着色する。

例えば、アゾ系染料、多環顔料、レーキ顔料等の染料や色素を前記第２の液体１８に溶解させるか、或はカーボン等の顔料を該第２の液体１８の表面をカルボニル処理、酸処理又はカルボキシル処理することで拡散させ、該第２の液体１８を着色する。

該第２の液体１８の着色後、着色後の該第２の液体１８よりも比重の大きい物質を前記第１の液体１７として選択する。該第１の液体１７と前記第２の液体１８を前記透明容器１６に封入することで、前記第１の液体１７と前記第２の液体１８を前記透明容器１６内で分離させることができる。前記第１の液体１７と前記第２の液体１８を分離させることで、該第２の液体１８が前記第１の液体１７中に浮遊し、前記透明容器１６の内面に貼付いた状態とすることができ、前記２液管１９の傾斜により前記第２の液体１８を移動させることができる。

図５は、前記傾斜角検出装置に於ける前記光電式２液管１１，１２の変形例を示している。

該変形例に於ける２液管２５では、透明容器２６の表面に凸状の逃げ部２７を形成している。該逃げ部２７は中空であり、内部には空気等の気体が封入されている。又、第１の液体１７の液面は、前記透明容器２６の内面よりも突出し、前記逃げ部２７内に位置する様になっている。

前記透明容器２６に前記逃げ部２７が形成され、該逃げ部２７に気体が封入されることで、温度や気圧の変化により前記第１の液体１７、前記第２の液体１８が膨張した場合であっても、前記逃げ部２７内の気体が圧縮されることで前記第１の液体１７、前記第２の液体１８の膨張を吸収することができ、前記透明容器２６の破損を防止することができる。

又、前記第１の液体１７の液面が前記逃げ部２７内に位置しているので、前記２液管２５が傾斜した際に、前記逃げ部２７内の気体が前記透明容器２６内に漏れ出すのを防止することができる。

尚、図５中では前記逃げ部２７を１箇所に設けているが、該逃げ部２７を２箇所以上に設けてもよいのは言う迄もない。

又、第１の実施例及び変形例に於いては、前記第１の液体１７の比重を前記第２の液体の比重よりも大きくしているが、前記第１の液体１７の比重を前記第２の液体１８の比重よりも小さくし、該第２の液体１８が前記第１の液体１７中に沈む様にしてもよい。

図６は、本実施例に於ける傾斜角検出装置が搭載される、レーザ測量機の一例を示している。

レーザ測量機３１は、指向性のあるレーザ光線３５を水平方向に回転照射して照射面を形成し、回転照射面上に位置する受光装置（図示せず）が前記レーザ光線３５を受光検知し、照射位置を決定することで、基準線、基準面が得られる。

レーザ光線射出部３２は、前方向に傾動可能に支持され、且つ頭部には該レーザ光線射出部３２の光軸を中心に回動可能な回動部３３を有している。前記レーザ光線射出部３２には水平方向に直交する前記光電式２液管１１，１２が設けられ、更に垂直方向の傾斜センサ３４が設けられる。

前記回動部３３は垂直方向に射出された前記レーザ光線３５を水平方向に偏向すると共に、走査モータ３６により回転され、前記レーザ光線３５を回転照射する。

前記レーザ光線射出部３２からは、直交する水平２方向にアーム３７，３８（アーム３８に関しては図示していない）が延出され、該アーム３７，３８の先端は傾斜機構に係合している。

該傾斜機構は、前記アーム３７，３８それぞれに関して設けられた２組の傾斜駆動部３９，４０（傾斜駆動部４０は図示せず）、及び該傾斜駆動部３９，４０を制御する傾斜制御部（図示せず）を具備し、前記傾斜駆動部３９，４０は前記レーザ光線射出部３２の光軸方向に延びるスクリュー４２と、該スクリュー４２に螺合し前記アーム３７，３８の先端に当接するナット４３、及び前記スクリュー４２をギア４５，４６を介して回転する傾斜調整モータ４７等からなっている。又、図中４４で示されるのは焦点調整装置であり、前記レーザ光線射出部３２の光路中に配設された集光レンズ４８を光軸方向に移動させることで、前記レーザ光線３５の焦点合せを行う。

図１に示す様に、前記傾斜角検出制御部２２は前記受光素子１４，１５からの受光信号が入力される前記差動増幅器２３、該差動増幅器２３からの出力信号に基づき重力方向に対する傾斜を演算し、制御信号を発する前記制御演算部２４を有し、該制御演算部２４からの制御信号に基づき駆動回路（図示せず）が前記傾斜調整モータ４７を駆動し、前記レーザ光線射出部３２の光軸が鉛直又は所要の角度に調整される。

前記回動部３３から前記レーザ光線３５が水平方向に照射され、前記走査モータ３６により前記回動部３３を回転させることで照射面が形成され、又前記レーザ光線３５の走査位置を受光装置で所定の位置に設定することで基準面を得ることができる。

基準面を得ることにより、広範囲の作業位置を容易に決定することが可能となる。例えば、建築工事の内装作業に於ける窓位置の設定、或は土木作業の整地等である。

１１光電式２液管
１２光電式２液管
１３光源
１４受光素子
１５受光素子
１６透明容器
１７第１の液体
１８第２の液体
１９２液管
２１検出光
２２傾斜角検出制御部
２５２液管
２６透明容器
２７逃げ部

Claims

性質及び比重及び光透過率の異なる第１の液体と第２の液体が封入された透明容器を有し、該透明容器の傾斜によって前記第１の液体と前記第２の液体との間で移動が生じる様構成された２液管を具備することを特徴とする傾斜角検出装置。
前記透明容器に中空で凸状の逃げ部が形成され、該逃げ部内には気体が封入された請求項１の傾斜角検出装置。
前記第２の液体は、色素、染料、顔料のうちの何れかにより、前記第１の液体と前記検出光の透過率が異なる様着色された請求項１又は請求項２の傾斜角検出装置。
前記第１の液体は、前記第２の液体よりも比重が大きい請求項３の傾斜角検出装置。
前記第１の液体は、アルコール系、エーテル系、アセタール系、ケトン系、エステル系、多価アルコール及びその誘電体系、フェノール系、窒化化合物系、硫黄又はリン含有有機溶剤系、炭化水素系液体、シリコーンオイル等珪素を含む物質、フッ素系溶剤のうちのいずれかの液体からなり、前記第２の液体は、アルコール系、エーテル系、アセタール系、ケトン系、エステル系、多価アルコール及びその誘電体系、フェノール系、窒化化合物系、硫黄又はリン含有有機溶剤系、炭化水素系液体、シリコーンオイル等珪素を含む物質、フッ素系溶剤のうちの前記第１の液体とは異なるいずれかの液体からなる請求項１〜請求項４のうちいずれかの傾斜角検出装置。
前記第１の液体及び前記第２の液体のうちの一方が炭化水素系液体である場合に、他方がアルコール系、エーテル系、アセタール系、ケトン系、エステル系、多価アルコール及びその誘電体系、フェノール系、窒化化合物系、硫黄又はリン含有有機溶剤系、シリコーンオイル等珪素を含む物質、フッ素系溶剤のうちのいずれかからなる請求項５の傾斜角検出装置。
前記第１の液体及び前記第２の液体のうちの一方がシリコーンオイル等珪素を含む物質である場合に、他方がアルコール系、エーテル系、アセタール系、ケトン系、エステル系、多価アルコール及びその誘電体系、フェノール系、窒化化合物系、硫黄又はリン含有有機溶剤系、炭化水素系液体、フッ素系溶剤のうちのいずれかからなる請求項５の傾斜角検出装置。
前記第１の液体及び前記第２の液体のうちの一方がフッ素系溶剤である場合に、他方がアルコール系、エーテル系、アセタール系、ケトン系、エステル系、多価アルコール及びその誘電体系、フェノール系、窒化化合物系、硫黄又はリン含有有機溶剤系、炭化水素系液体、シリコーンオイル等珪素を含む物質のうちのいずれかからなる請求項５の傾斜角検出装置。