JP2599028B2 - 動いている平面の水準測定方法及び水準傾きの検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は水平に設定された定盤，機器類，装置等のベ
ースなどの測定平面の水準度、殊にそれが静定状態にな
い場合であっても前記水準を検出すると共に、水準でな
い場合その傾いている方向を特定することができる動い
ている平面の水準測定方法及び水準傾きの検出装置に関
するものである。

〔従来の技術〕

水平に設置，設定されたものの水準を検出する方法と
しては、水準器を使用することが最も一般的である。

しかし、従来の水準器は管状の密閉容器内に水銀と一
つの気泡を入れ、その気泡が容器の中心に位置するか偏
在するかで水準であるかどうかを判定しているため、水
平面に対してはその向きを変え乍ら水準器を設置しなけ
れば、当該水平面のどの方位において傾きがあるかとい
うことは検出できないという問題があった。また、傾き
がどの方向であるかを検出するためには、何度も水準器
の向きを変えなければならず、更に、傾きがある、つま
り水準でないことを検出してもその向きを精度高く特定
することはできない。

また、従来の水準器は、その構造上、測定対象が静定
されたものでなければ、水準の測定はできないものが大
半である。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は従来の水準測定における上記のような問題点
に鑑み、静定されたものは勿論、特に動的なものでも１
回の測定操作で、測定平面が水準であるか否かと、水準
でない場合の傾きの方向や度合を検出することができる
動いている平面の水準測定方法及びそのための装置を開
発することを課題としてなされたものである。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するためになされた本発明において、
測定方法の構成は、測定平面上に立設状態で載置される
基準部材に前記平面内の全方向に自由揺動する重錘を吊
下し、該重錘が自由揺動するときの揺動状態を、前記重
錘の揺動方向における少なくとも前後，左右に配置した
電気的，磁気的，光学的のいずれかの非接触検出手段に
よりパルス信号列として検出し、この検出パルス信号値
を解析することにより前記測定平面の水準を測定する水
準測定方法において、動いている測定平面の水準を測定
するとき、前記検出手段から前後又は左右の揺動方向に
おける検出信号があり、かつ、それらがほぼ同じである
とき基準部材が載置された前記測定平面には前後又は左
右において傾きはないと検出し、前記検出信号に偏差が
あるときは傾きがあると検出し、かつ、その傾き方向を
特定することを特徴とするものであり、また、この方法
を実施する装置の構成は、測定平面上に立設姿勢で載置
できる基準部材に、平面内の全方向に自由に揺動できる
ようにして重錘を吊下すると共に、前記重錘の揺動する
周囲に、当該重錘の揺動を電気的又は磁気的若しくは光
学的に検出する少なくとも４個の非接触検出手段を、各
検出手段の２個が対向するようにして配設する一方、こ
れらの対向させた検出手段により検出したパルス信号列
を取出し、それらがほぼ同じであるとき、基準部材が載
置された前記測定平面に前後又は左右において傾きはな
いと検出し、前記取出した信号に偏差があるときは傾き
があると検出し、かつ、その傾き方向を特定する検出信
号処理手段と、この処理手段の出力を受けて駆動される
表示手段とを設けたことを主な特徴とするものである。

〔作 用〕

測定平面上に立設姿勢で載置できる基準部材に吊下し
た重錘は平面内の全方向に自由揺動できるので、この重
錘は基準部材が測定面に置かれるだけで自由に揺動し始
め、この自由揺動が継続して振動状態となる。

この振動状態を、吊下した重錘の周囲に配設された複
数の対向設置した検出手段により、例えば電気信号で検
出し、この検出信号を解析することにより、基準部材が
載置された測定平面が水準にあるかどうか、水準にない
ときにはどの方向に関して傾いているかということ並び
にその程度を検出する。

〔実施例〕 次に、本発明の実施例を図に拠り説明する。

第１図（ａ）は本発明方法に使用する検出器本体の一
例の縦断面図、第１図（ｂ）は第１図（ａ）のＩ−Ｉ線
断面図、第２図（ａ）は本発明方法に使用する使用器本
体の他の例の縦断面図、第２図（ｂ）は第２図（ａ）の
II−II線断面図、第３図（ａ）は検出器本体における別
例の要部の斜視図、第３図（ｂ）は同じく検出器本体の
他の例の縦断面図、第４図（ａ）は水準状態における吊
杆，重錘と検出手段の関係の一例を示す模式図、第４図
（ｂ）は第４図（ａ）の状態における検出手段の出力波
形の一例を示す波形図、第５図（ａ）は基準平面が傾い
た状態における吊杆，重錘と検出手段の関係の一例を示
す模式図、第５図（ｂ）は第５図（ａ）の状態における
検出手段の出力波形の一例を示す波形図、第６図は第１
図の検出器本体における検出手段の検出出力を処理して
本発明水準装置を構成する機能ブロック図である。

第１図（ａ），（ｂ）に於て、１は本発明装置に含ま
れる検出器本体の基準部材となる筒状本体、２はこの本
体１の天蓋部材で、中央部に凹球面を有する窪みが受座
３として形成されている。受座３は第２図（ａ）に示す
ような凹球面を有する穴でもよい。

４は上記受座３に載架支持される下端面が微小な球面
状部4aに形成された逆円錐状をなす支持部材である。５
は重錘６の支持体たる吊杆で、略状に形成されたその
上部が上記支持部材４の上面中央に取付けられると共
に、下半側が天蓋部材２に形成した孔2aを貫通させられ
ている。而して、支持部材４には受座３と天蓋部材２の
間に柔らかいコイルバネ5aを介在させ、支持部材４の下
端の球面状部4aと受座３のフリクションを軽減してい
る。フリクションの軽減のさせ方としては、球面状部4a
と受座３に同極の磁性を付与することによっても実現で
きる。

上記吊杆５の下半側は、ここでは筒状本体１の内部に
おいて支持部材４の中心と同軸上に位置するように形成
され、この部分に重錘６がネジ機構6aなどにより上，下
位置調整自在に取付けられている。

尚、重錘６の上，下位置は、その揺動乃至は振動周波
数を調整したら固定する。ここで、重錘６は吊杆５の上
部側、つまり、支持点の近傍に位置付けると振動周波数
が高くなるので、本発明方法による水準度並びにその傾
きの検出精度が高まる。

以上の各部材１〜６の構成によって、上記重錘６は筒
状本１の内部でその受座３と支持部材４の当接面におい
て平面上のあらゆる方向に揺動可能に吊杆５に吊下支持
される。

本発明において、重錘６を平面内で自由に揺動ないし
振動させるための構造は、上記例に限られるものではな
く、他の任意の構造、例えば、第２図（ａ），（ｂ）に
示す構造とすることが出来る。第２図（ａ），（ｂ）に
おいて、第１図（ａ），（ｂ）と同一符号は一部材を示
す。

また、受座の構造としては、第３図（ａ）に示すよう
に重錘６を有する吊杆５を交叉するピボット軸310,320
により支持するようにしてもよい。ここで、ピボット軸
320は上記の天蓋部材２に回転自在に支持される。

一方、第３図（ｂ）に示すように、基準部材たる皿状
本体110の中央に重錘受杆21を立設すると共に該受杆21
の上端を球状尖端21aに形成する一方、この尖端21aに、
下面が凹面31aに形成された支持ブロック31を支持させ
ると共に、この支持ブロック31から放射状に延設した４
本の支持杆51に、環状の重錘61を支持させるように構成
してもよい。

上記の重錘6,61は、自由揺動可能に支持されているた
め、基準部材としての筒状本体1,皿状本体11が少し傾
く、即ち、これら本体1,11がおかれた測定平面が水準か
ら外れていると揺動が起こし、それが持続、つまり、揺
動することとなる。従って、揺動のし始めを検出すれ
ば、基準平面に傾きが発生したことを検出することがで
きる。

ここで、前記重錘6,61が例えば、前後方向で揺動し始
め、これが継続して振動状態になると、この振動が前，
後の検出手段に検出されるので、前記本体1,11の傾きが
いずれの側に生じたのか、或は、傾きの度合はどの程度
かといったことは、検出手段の出力だけでは検出，判別
できない。

本発明ではこのような状態において、迅速且つ正確
に、測定平面の傾きの有無や傾きの方向、或は、傾き度
合を、簡単な構造で検出できるようにした。以下、この
部の構成について第１図，第２図により説明をする。

第１図，第２図において、７は上記吊杆５の下端に取
付けた平円板状の光遮蔽板で、ここでは平面円形に形成
されている。8,9,10,11は上記遮蔽板７の外周上におい
て、この板７を上下から挟む態様で基準部材である筒状
本体１の下端に平面90度ピッチで配設した、例えば、ホ
トインタラプタなどによる検出手段である。8a〜11a、8
b〜11bはホトインタラプタの場合、発光部と受光部であ
る。光遮蔽板７と検出手段８〜11は、吊杆５のできるだ
け下端側に設けることが望ましい。小さな傾きでも感度
よく検出するためである。尚、第３図（ｂ）において、
第１図，第２図と同一符号は同一部材を示す。

而して、上記の各検出手段８〜11は、筒状本体１が水
準状態の測定平面BH上に鉛直、つまり、本体１と吊杆５
とが共に鉛直な姿勢にあるときは、いずれの検出手段８
〜11も信号を生じないが、一例として、筒状本体１が第
１図において左側に傾くと、検出手段10のホトインタラ
プタの受光側に信号が生じるようになっている。また、
筒状本体１が各検出手段８〜11の中間側、つまり、斜め
に傾いていると、対応する側の２つの検出手段に信号が
発生する。

従って、いま、遮蔽板７と各検出手段８〜11の関係を
平面から見て第１図，第２図の（ｂ）に示すように位置
付けたとすると、検出手段８の出力は基準部材なる筒状
本体１の右傾を、検出手段９の出力は前記本体１の前傾
（向う側への傾き）を、検出手段10の出力は前記本体１
の左傾を、検出手段11の出力は前記本体１の後傾（手前
側への傾き）を、それぞれ示すことになる。また、検出
手段8,9、又は、同9,10、若しくは、同11,8の、夫々の
同時出力は、基準部材たる筒状本体１がそれぞれ前後、
或は、左右において斜めに傾いていることを示すことと
なる。

この結果、上記各検出手段８〜11のいずれから最初の
出力が得られるかということを検出すれば、筒状本体１
が載置された測定平面が当初いずれの方向に傾いたこと
を知ることができるので、本発明検出器は、この機能だ
けでも水準器として使用することができる。

上記例の説明において、対向する検出手段８と同10、
同じく検出手段９と同11は、遮蔽板７に対し、鉛直時を
除いて、つまり、少しでも筒状本体１に傾きが生じる
と、直ちにその旨の信号を検出するように位置決めして
設けるよりは、筒状本体１に多少の傾き、例えば、基準
平面BHの１度前後といった微小角度の傾きでは、それを
検出することがない、即ち、不感帯を有するように位置
決めを設定することが望ましい。

これは傾きに対し余り感度を鋭くすると、各検出手段
８〜11の出力にいわゆるチャタリングが表われ、却っ
て、測定平面BHの傾きの検出がしにくくなるからであ
る。

しかし乍ら、本発明水準器は、移動したり水準状態に
ある静定状態から傾くことがある測定平面BHを有する対
象に取付けて、当該対象の水準度、並びに、水準にない
場合の傾きの方向を迅速且つ正確に検出することを目的
としているので、以下にこの目的に対応した構成につい
て説明する。

而して、上記で説明した水準器は、それを取付けた測
定平面BHを有する対象が移動したり傾いたりすると、重
錘６を取付けた吊杆５は、自由揺動可能にその取付部材
４が受座３に載架されているため、対象の移動等に起因
する吊杆５の揺動が振動状態となって継続することとな
る。

ここで、基準部材の筒状本体１に鉛直軸に対する傾き
がなければ（第４図（ａ）参照）、重錘の振動により、
例えば、検出手段8,10に検出される信号は、第４図
（ｂ）から明らかなように、略同等の出力値である。

しかし乍ら、吊杆５の揺動が、基準部材の筒状本体１
が鉛直軸に対して傾いた状態（第５図（ａ）参照）にお
いて続くと、その揺動に沿った方向に位置する検出手
段、例えば、検出手段８と10とに得られる検出出力は、
第５図（ｂ）から明らかなように異ったものとなる。

そこで、本発明では、一例として上記検出手段８又は
10から出力が得られる時間を計測してこれを比較した
り、或は、検出手段8,10の検出出力をパルス信号で取出
すようにしておき、両出力を比較して演算処理すること
により、上記例の場合、対象がいずれの検出手段8,10に
関してより傾いているか、つまり、傾きの方向を検出す
ると共に、検出手段８の単位時間における出力（波形の
面積やパルス数）を計測演算してこの傾きの度合を検出
するようにした。

ここで、本発明では、重錐が振動状態にあるときで
も、傾き検出の不感帯を、次のように設定することがあ
る。

即ち、重錐６は筒状本体１が鉛直軸に対し傾いていな
い場合でも、筒状本体１の取付対象の挙動によって自由
に揺動をすることがあるが、この場合、その揺動の前後
に配設された検出手段8,10、又は、同9,11が、ほぼ均等
な検出出力を供給することは先に述べた通りである。そ
こで、本発明では、対となる検出手段8,10、又は、同じ
く検出手段9,10の検出出力の差を常時みておき、偏差ゼ
ロ（又は予め設定した所定偏差内）では、筒状本体１に
傾きはないとする中立帯乃至は不感帯を設定し、この設
定条件下で前記の対の検出手段の出力に偏差が検出され
たとき、その向きにおいて傾きがあると判断するように
するのである。

尚、検出手段８〜11の一例として設けたホトインタプ
タにおいて、その発光部8a〜11aがパルス光を受光側8b
〜11bへ照射するタイプのものを使用することにより、
各手段８〜11の検出出力をパルス波形で得るようにでき
る。このようにパルス波形による出力がある検出手段で
は、発光部の発光周波数を変調することにより検出感
度、或は、検出精度を任意に調整することが可能にな
る。

また、上記のような出力を得る検出手段としては、磁
気エンコーダのような構造のものを用いることもでき
る。

第６図は上記検出手段８〜11の出力信号の処理部の一
例を示す機能ブロック図で、本発明水準測定装置の一例
を示すブロック図である。

第６図に於て、12〜15は各検出手段８〜11に接続され
た検出回路で、例えば、各検出手段８〜11において出力
8s〜11sのある時間をクロックパルスで計測する回路、
又は、検出手段の出力のパルス数を計測するカウンタ回
路により形成されている。

16〜19は、各検出手段８〜11において同時に互に隣り
合う２つの検出手段から検出出力がある場合において、
隣り合う両検出手段の検出回路12〜15の出力の加算値を
検出する加算検出回路で、２つの検出手段からの入力が
なければ作動しないゲート（図示せず）を具備してい
る。

20〜23は、上記の各検出回路12〜15、及び同16〜19に
おいて、対応関係にある検出手段８〜11の検出出力同士
を比較する比較演算回路で、例えば、各検出回路12〜1
5、又は、加算検出回路16〜19の検出数値の差を演算す
る。この演算値は、それぞれ次の出力回路24〜27におい
て角度（向き）を示す信号に変換処理されて出力され
る。

上記実施例においては、４個の検出手段８〜11を遮蔽
板７の円周上に90度ピッチで配置しているが、この検出
手段の設置数を円周上に等ピッチで６個〜８個又はそれ
以上の個数にして設置することは任意である。

本発明において、前記の出力回路24〜27の傾きの方向
を示す出力信号は、一例として、表示部（図示せず）に
おいて、測定平面BHが水準にあるかどうかと水準状態に
ない場合の当該平面BHの傾きの方向を示す内容で表示さ
れるので、次の、この表示部の表示態様について説明す
る。

出力回路24では、検出手段８と10の検出出力が比較さ
れ、出力の大きい検出手段８又は10の側に角状本体１が
傾いている、つまり測定平面BHが傾いていることが判断
され、その旨の表示が表示部になされる。

以下、同様にして出力回路25では検出手段９と11の検
出出力が比較され、出力の大きい側の検出手段９又は11
の側に筒状本体が傾き、測定平面BHが水準にないことが
判断され、その旨の表示が表示部になされる。

ここで、本発明水準器は、測定平面BHに任意に仮設し
た平面座標のＸ軸に、一例として検出手段8,10を沿わせ
（または、Ｙ軸に検出手段9,11を沿わせ）て設置するこ
とにより、上記表示部の表示は、測定平面BHがＸ軸の十
側、又は一側（又はＹ軸の十側、又は、一側）に傾いて
いることを表示する。

以上の説明から判るとおり、出力回路26では、上記平
面座標の第2,第４象限を貫く向きに関して、同じく出力
回路27では上記平面座標の第1,第３象限を貫く向きに関
して、それぞれ基準平面BHに傾きがあるときその旨と傾
きの方向を表示する。

従って、本発明において、検出手段８〜11の設置数
を、上記実施例の４個から６個〜８個又はそれ以上にす
ることにより、これらの各検出手段の光遮蔽板７の中心
に関して対向位置関係にあるペアの検出出力、或は、各
検出手段の相隣るもの同士と、これらの相隣るもの同士
の前記遮蔽板７の中心に関する対向位置関係に立つペア
のそれぞれのペアの加算された検出出力を取出し、上記
実施例のように処理することによって、よりきめの細か
なピッチで傾き方向を表示することが可能になる。

また、上記の対向位置関係に立つ検出手段のペアにお
ける検出出力の差（第５図（ｂ）参照）を解析すること
により、測定平面BHの傾きがないとき、対向位置関係に
ある検出手段、例えば、第４図（ａ），（ｂ）に示した
検出手段8,10では検出出力に差はないので、傾き角は概
ね零度乃至はその近傍の微小角である。しかし、測定平
面BHに傾きがあると対向位置関係にある、例えば、第５
図（ａ），（ｂ）に示した検出手段8,10では検出出力に
差異が生じる。このとき、検出手段8,10の出力を傾き角
に対応したパルス数で検出するようにしておけば、上記
検出出力の差を示すパルス数を計数することにより、直
接傾き角を演算検出することもできる。勿論、本発明に
おいては、傾き角の検出がこの手法のみに限られるもの
ではない。

上記実施例では、測定する平面が動いているときの傾
きの有無とその傾きの方向を検出する場合を中心に説明
したが、本発明の検出装置は、測定する平面が動いてい
ないとき、即ち、静定平面であってもその傾きの有無と
傾きの方向を検出することは勿論可能である。

〔発明の効果〕

本発明は以上の通りであって、測定平面上に載置され
る筒状本体等による鉛直な基準部材に吊下げ等により自
由揺動可能に組込んだ重錐を、その基準部材のあらゆる
方向への傾きによって生じる継続揺動を振動としてとら
え、この振動状態を前記重錐の少なくとも前後，左右の
４個の非接触検出手段によるパルス信号列の検出出力に
よって取出すと共に、取出した出力を、前記検出信号が
あってそれらがほぼ同じであるときには基準部材が載置
された前記測定平面に前後又は左右において傾きはない
と検出し、前記検出信号に偏差があるときは傾きがある
と検出するように処理するので、動いている測定平面で
あっても、その面が水準状態にあるかどうかについて、
傾きの有無，その方向，程度を迅速かつ正確に検出する
ことができる。

従って、本発明方法並びにその水準測定装置は、静定
された測定平面は勿論のこと、それを設置した測定平面
を有する対象が移動したり揺動したりするものであって
もその移動，揺動に拘らず、前記対象上の測定平面の水
準状態を容易に、しかも、正確かつ迅速に検出すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明方法に使用する検出器本体の一例
の縦断面図、第１図（ｂ）は第１図（ａ）のＩ−Ｉ線断
面図、第２図（ａ）は本発明方法に使用する使用器本体
の他の例の縦断面図、第２図（ｂ）は第２図（ａ）のII
−II線断面図、第３図（ａ）は検出器本体における別例
の要部の斜視図、第３図（ｂ）は同じく検出器本体の他
の例の縦断面図、第４図（ａ）は水準状態における吊
杆，重錐と検出手段の関係の一例を示す模式図、第４図
（ｂ）は第４図（ａ）の状態における検出手段の出力波
形の一例を示す波形図、第５図（ａ）は基準平面が傾い
た状態における吊杆，重錐と検出手段の関係の一例を示
す模式図、第５図（ｂ）は第５図（ａ）の状態における
検出手段の出力波形の一例を示す波形図、第６図は第１
図の検出器本体における検出手段の検出出力を処理して
本発明水準装置を構成する機能ブロック図である。 １……筒状本体、２……天蓋部材、３……受座、４……
支持部材、５……吊杆、６……重錐、７……光遮蔽板、
８〜11……検出手段

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】測定平面上に立設状態で載置される基準部
   材に前記平面内の全方向に自由揺動する重錘を吊下し、
   該重錘が自由揺動するときの揺動状態を、前記重錘の揺
   動方向における少なくとも前後，左右に配置した電気
   的，磁気的，光学的のいずれかの非接触検出手段により
   パルス信号列として検出し、この検出パルス信号列を解
   析することにより前記測定平面の水準を測定する水準測
   定方法において、動いている測定平面の水準を測定する
   とき、前記検出手段から前後又は左右の揺動方向におけ
   る検出信号があり、かつ、それらがほぼ同じであるとき
   基準部材が載置された前記測定平面には前後又は左右に
   おいて傾きはないと検出し、前記検出信号に偏差がある
   ときは傾きがあると検出し、かつ、その傾き方向を特定
   とすることを特徴とする動いている平面の水準測定方
   法。
2. 【請求項２】基準部材が載置されて動いている測定平面
   の傾きの検出は、当該傾きの有無と当該傾きの方向並び
   に傾きの度合を検出手段の検出信号に基いて検出する請
   求項１の動いている平面の水準測定方法。
3. 【請求項３】測定平面上に立設姿勢で載置できる基準部
   材に、平面内の全方向に自由に揺動できるようにして重
   錘を吊下すると共に、前記重錘の揺動する周囲に、当該
   重錘の揺動を電気的又は磁気的若しくは光学的に検出す
   る少なくとも４個の非接触検出手段を、各検出手段の２
   個が対向するようにして配設する一方、これらの対向さ
   せた検出手段により検出したパルス信号列を取出し、そ
   れらがほぼ同じであるとき、基準部材が載置された前記
   測定平面に前後又は左右において傾きはないと検出し、
   前記取出した信号に偏差があるときは傾きがあると検出
   し、かつ、その傾き方向を特定する検出信号処理手段
   と、この処理手段の出力を受けて駆動される表示手段と
   を設けたことを特徴とする動いている平面の水準傾きの
   検出装置。
4. 【請求項４】重錘の揺動は、バネの撥力，磁力などによ
   り外部から付勢をし前記揺動の助長乃至は持続をさせる
   ようにした請求項３の動いている平面の水準傾きの検出
   装置。
5. 【請求項５】重錘の吊下支持点にはスプリングを介在さ
   せ、重錘による当該支持点におけるフリクションを軽減
   するようにした請求項３又は４の動いている平面の水準
   傾きの検出装置。
6. 【請求項６】重錘の吊下支持点は、磁性の同極を以て形
   成し、重錘による当該支持点におけるフリクションを軽
   減乃至は解消するようにした請求項３〜５のいずれかの
   動いている平面の水準傾きの検出装置。
7. 【請求項７】重錘の吊下は、重錘の揺動周波数を高めか
   つその周波数を調整するため、吊具支持点の近傍に位置
   付け且つ上下位置調整可能にすると共に、検出手段は検
   出感度を上げるため、吊下支持点から離れた吊下支持体
   の下端近くの位置に設けた請求項３〜６のいずれかの動
   いている平面の水準傾きの検出装置。
8. 【請求項８】重錘がほぼ鉛直な向きに静定していると
   き、又は、鉛直軸に対し前後乃至は左右に偏ることなく
   揺動するときは、各検出手段に出力を生じさせないか、
   又は、揺動方向で対向した検出手段の出力を相殺した不
   感帯を設定するようにした請求項３〜７のいずれかの動
   いている平面の水準傾きの検出装置。