JP4270180B2 - 水平センサ - Google Patents

Description

本発明は、設備、装置または器具などの水平度合いを検出したり傾斜度合いを検出するために用いられる水平センサや傾斜センサに関する。

一般に、水平センサや傾斜センサでは、水準器内の気泡位置を検出して水平度合いや傾斜度合いを検知する。この気泡位置の検出方式としては、水準器に向かって光を照射し気泡の投影光の位置を受光素子で検出する光学透過式、水準器内に電極を備え、気泡位置によって変化する電極間の静電容量を検出する静電容量式、及び静電容量式と同様な構成で電極間の抵抗を検出する抵抗式などが挙げられる。これらの内、光学透過式は、水平度合いや傾斜度合いの検知精度や水準器の加工性等の点で優れていることから広く使用されている。

このような従来の光学透過式の水平センサとしては、特許文献１に示されるように、発光ダイオードの光源、水準器、４つの受光素子等の主な部品から構成され、光源と受光素子が水準器を挟んで対向し、かつ光源、水準器、受光素子の中心軸が同一直線上に並ぶように配置された水平センサが知られている。この水平センサでは、気泡の直径が一定の場合、光源と水準器の距離が近くなるほど気泡の投影光の直径が大きくなるため、その分、受光素子も大きくする必要がある。そのため、従来は光源と水準器の間にある一定以上の距離を設けて光線をできるだけ平行にすることにより、気泡の直径と気泡の投影光の直径がほぼ等しくなるようにし、この投影光を受光する受光素子も気泡の直径と同程度の大きさのものが用いられてきた。すなわち、各受光素子の受光面の大きさを、気泡の大きさとほぼ同じ程度にするには、できるだけ平行な光線が必要とされていた。このため、光源と水準器の間に一定以上の距離を設けて光経路を長くする必要があり、水平センサを小型化することが困難であった。

ここで、図９（ａ）、（ｂ）を用いて、従来の水平センサにおける気泡１０３ａと受光素子である受光部１０２との平面上の位置関係を説明する。光源は水平センサの上面から水準器１０１内の気泡１０３ａ（又は、移動した気泡１０３ｂ）を照射し、この気泡１０３ａの投影光（この影を気泡影と呼ぶ）を受光部１０２を構成する４個の略正方形の受光ダイオード１０２ａで受光する。４個の受光ダイオード１０２ａは、受光面が全体として正方形状になるように配列されて縦、横寸法が、気泡１０３ａの直径の大きさとほぼ同じに設定され、受光面で受光した光の検出量に対応した電圧をそれぞれ出力し、これらの電圧を比較することにより、傾斜度を検出することができる。水平センサの水平度が保たれ、受光部１０２の受光面の中心に気泡１０３ａの気泡影の中心が一致しすると、４個の受光ダイオード１０２ａの受光レベルが一致する。

上記水平センサにおいて、気泡１０３ａが受光面中心から移動したとき、その移動前後における受光面の光量分布の変化を図９（ｂ）に示す。受光量分布Ｌ３は、気泡１０３ａの移動が無いときの分布であり、受光量分布Ｌ４（破線）は、気泡１０３ａが気泡１０３ｂに移動したときの分布である。気泡１０３ａが移動して気泡１０３ｂに移ったとき、気泡１０３ｂの投影光の位置が受光ダイオード１０２ａの受光面からずれるため、受光ダイオード１０２ａで受光する受光量が変化し、これにより移動が検知される。

次に、上記水平センサの受光部１０２を小型化するため、受光部１０２の大きさを気泡１０３ａの径よりさらに小さくした場合の前記と同様の内容を図１０（ａ）、（ｂ）に示す。受光ダイオード１０２ｂを前述の例より小さくすると、４つの受光素子の受光ダイオード１０２ｂの受光面積は、気泡１０３ａの気泡影の面積より小さくなる。このため、４つの受光ダイオード１０２ｂは、気泡１０３ａが気泡１０３ｂの位置に微小に移動しても、気泡１０３ｂの気泡影の中に入ったままとなる。従って、４つの受光ダイオード１０２ｂは、気泡１０３ａと気泡１０３ｂのいずれの場合も気泡影に入ったままなので、受光量は変化せず傾斜度を検出することができない。このため、従来の水平センサでは、受光素子を気泡のサイズより小さくすることができず、水平センサの小型化をさらに困難にしていた。
特許第３３７０６１９号公報

本発明は、上記の問題を解決するために成されたものであり、水準器に対し受光素子と同じ側に配置された光源の光を光ガイドで水準器の入射面の近傍まで導くことにより、水準器軸方向の水平センサの大きさを小さくでき、また、光源の光を効率良く水準器に照射することができる小型で高感度な光学透過式の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、気泡が残るように液体を封入した水準器と、光源と、前記光源からの光を受光して電気信号に変換する受光素子とを備え、前記光源からの光を前記水準器に向かって照射し前記気泡の陰影を前記受光素子に投影させ、その投影光の位置を該受光素子で検出することにより、水平度合いや傾斜度合いを検知する水平センサにおいて、光源と受光素子とを共に１つのプリント基板の同一面に実装し、前記水準器を、その気泡が位置する面を受光素子に対向させるように受光素子上に配置させることにより、前記水準器に対して光源と受光素子とを同じ側に配置し、前記光源からの光を前記水準器にガイドするように透明部材から成る光ガイドを配設し、前記受光素子は、少なくとも４つの受光素子からなり、それら全体の受光面積は平行光を前記気泡に投影したときの投影光の面積より小さく、前記４つの受光素子はそれらによる受光面が全体として正方形状になるように、その受光面の中心に対して対称に配列され、前記光ガイドは、前記光源からの光を全反射させる反射面と、前記反射面で全反射された光を拡散して前記水準器を照射するための導光板とを備え、前記導光板は、光を拡散するための凹凸又は溝形状が形成された凹凸形状部を有しているものである。

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、前記導光板の凹凸形状部に代えて拡散効果を有するシート状の部材を、前記光ガイドの光照射部と前記水準器との間に配設したものである。

本発明によれば、光源を水準器に対し受光部と同じ側に配置し、光源からの光の照射面を水準器の近傍に配設することができるので、水平センサの厚さ（水準器軸方向の大きさ）を薄くすることができ、センサを小型化することができる。また、水準器を、その気泡が位置する面を受光素子に対向させるように受光素子上に配置させているので、受光部と水準器の気泡が位置する面とを接近して配置でき、光の自然拡散により受光素子上の気泡影が広がってボケることの影響を少なくでき、傾斜の測定精度がより向上する。

以下、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乃至図４を参照して説明する。図１及び図２において、水平センサは、光源である発光ダイオード１と、気泡２１が残るように略透明な液体２ｗを封入した円筒容器２ａを持つ水準器２と、気泡２１の平行光による投影光（これを気泡影と呼ぶ）より小さい受光面積を持ち４つの受光素子３１〜３４（図４参照）からなる受光部３と、発光ダイオード１から入射した光を水準器２に導く光ガイド４とを備える。受光部３と発光ダイオード１は、水準器２に対し同じ側に配置されている。

光ガイド４は、透明部材で形成され、光源からの光が入射する入光面４４と、入射光を全反射させる反射面４１と、光を拡散する導光板４０と、光ガイド４から光を出射する出光面４３（光照射部）と、終端面４５とを有する。導光板４０は、反射面４２と、反射面４２の表面に面発光のための微小な凹凸又は溝形状が形成され、光を拡散するための加工がさらに施された凹凸形状部４６からなる。このように、反射面４１で反射された光を凹凸形状部４６で拡散し、出光面４３より面発光（ここで、面発光とは、光を面から照射させる状態をいう）させる面発光源を形成している。この光ガイド４は、光反射面の組合わせにより自由に光を伝送できるので、出光面４３を水準器２に接近させて配置でき、センサの厚みを薄くすることができる。ここで、導光板４０は、導光板４０を形成する透明部材の少なくとも１つの面に、面発光のための微小な凹凸又は溝形状を持っていればよい。また、発光ダイオード１と受光部３は、共に１つのプリント基板５に実装される。

水準器２は、その中心軸と受光部３の光軸とが略一直線上に配設され、かつ受光部３と光ガイド４の出光面４３との間に配置されている。水準器２の円筒容器２ａは、その内側が空洞で、かつその内側の面の少なくとも１つの面が略回転対称の曲面形状を有し、受光部３に対向する出射面２３を持つ上底部２ｂと、その底厚の両面に光の入射面２２と出射面２６を有する下底部２ｃと、側壁部２ｄとを備えている。また、光ガイド４の出光面４３の面積は、対向する水準器２の入射面２２の面積とほぼ同じになるように設定している。

上記構成において、発光ダイオード１から照射された光は、光ガイド４の入光面４４に入射される。この入射光は、光ガイド４内の光経路において、反射面４１で全反射され、図中右向きに進行方向を変更させられて、反射面４２と出光面４３に挟まれた領域に入射する。この入射した光は、導光板４０の凹凸形状部４６で反射され、凹凸形状部４６で決定される方向へ拡散され、出光面４３から出射され、水準器２に向かって進行する。この時、導光板４０は、発光ダイオード１からの入射光を拡散し、出光面４３全体から略均一な光量を持って、広い角度の光量分布を有する拡散光を照射する。このように、光ガイド４の出光面４３は、面全体より拡散光を照射する面発光源を形成することになる。この出光面４３の面発光源は、気泡２１を平行光によって投影したときにできる気泡影の面積以上の大きさの発光面積を有し、水準器２に向かって拡散光を照射する。ここで、光ガイド４の反射面４２と出光面４３の間は０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ程度あればよいため、水平センサの厚さ（水準器軸方向の大きさ）を小さく抑えることができる。

この出光面４３全体から射出した拡散光は、出光面４３に対向する水準器２の入射面２２に入射し、水準器２内の液体２ｗと気泡２１との界面に当たり、この界面で屈折又は全反射され、水準器２の出射面２３から射出され、受光部３の受光素子３１〜３４に入射する。この拡散光によって照射された気泡２１の投影光は、受光部３に投影され、受光素子３１〜３４で受光される。そして、水準器２が傾斜し水準器２内の気泡２１が移動すると、受光素子３１〜３４に投影された気泡２１の気泡影の位置が変化し、その結果、受光素子３１〜３４の受光量が変化する。従って、この変化量を読み取ることにより傾斜角を検出することができる。

図３（ａ）、（ｂ）を用いて、本実施形態の水平センサの受光部３における受光分布状態を説明する。図３（ａ）は、受光部３における平面上の２次元的受光量分布（白黒の濃淡分布）を示し、図３（ｂ）は、気泡２１の中心を基準とする水平方向の１次元的光量分布を示す。

２次元的光量分布は、出光面４３からの拡散光により照射された気泡２１の投影光を受光素子３１〜３４により検出した光量により定まり、受光量が多いほど白く、少ないほど黒く示される。出光面４３からの拡散光は、平行光と異なり出光面４３から前方に、ほぼあらゆる角度で照射される。従って、この拡散光は、水準器２の入射面２２から、広い角度範囲を持って水準器２内の気泡２１に入射する。このとき、この入射光は、気泡２１表面で反射、屈折されるが、気泡２１が球形なので、その球面上の接線に直角に入射した光は直進するが、それ以外は液体２ｗと気泡２１の間で屈折、反射される。これにより、２次元受光量分布は、図３（ａ）のように、気泡２１の中心と外周部で小さく（黒い部分）、中心と外周部の間に最大点（白い部分）を持つリング状の分布となる。

このため、投影光の水平方向位置での光量分布は、図３（ｂ）に示すように、気泡２１の中心軸付近に極小点をもち、概ね気泡２１の半径と同範囲において気泡２１の中心軸（気泡の中心）から離れるにつれて単調増加するような特性を持つ。この特性によって、受光部３を気泡２１の直径の気泡影２１ａより小さくしても、気泡２１の微小移動時において、受光素子３１〜３４により受光量変化を検出することが可能となる。

図４（ａ）、（ｂ）を用いて、上記受光量分布を持つ水平センサの気泡２１移動時における受光量検出の様子をさらに詳細に説明する。図４（ａ）は、上記本実施形態の水平センサの上面から見た場合における平面上の気泡２１と受光部３の受光素子３１〜３４との位置関係を示す。導光板４０の出光面４３の面発光源からの拡散光は、水準器２内の気泡２１を照射し、受光部３を構成する４個の略正方形の受光ダイオード３１〜３４で受光される。４個の受光ダイオード３１〜３４は、受光面が全体として正方形状になるように受光面の中心に対して対称に配列されて縦、横寸法が、気泡２１の直径の大きさより小さくなるように設定されている。そして、受光面で受光した光の検出量に対応した電圧をそれぞれ出力し、これらの電圧を比較することにより、傾斜度を検出することができる。水平センサの水平度が保たれ、受光部３の受光面の中心に気泡２１の気泡影の中心が一致すると、４個の受光ダイオード３１〜３４の受光レベルが一致する。

図４（ｂ）は、上記水平センサにおいて、受光部３を気泡影２１ａより小さくした場合において、気泡影２１ａが受光面中心から移動したとき、その移動前後における受光面の光量分布の変化を示す。受光量分布Ｌ１は、気泡２１の移動が無いときの分布であり、受光量分布Ｌ２（破線）は、気泡２１が移動し、気泡影２１ａが気泡影２１ｂにシフトしたときの分布である。受光量分布Ｌ１は、図３（ａ）、（ｂ）で示したように、気泡２１の中心軸付近に極小点を持ち、この気泡の半径と略同範囲において気泡２１の中心軸から離れるにつれて直線的に単調増加する特性を持ち、中心から左右に増加する略Ｖ字カーブの形をなす。従って、受光量分布Ｌ１は、受光面の中心で最小となり、中心から離れると必ず、受光レベルが変化する。水平状態で気泡２１の移動前は、受光素子３１〜３４の受光量は、すべて同じで、受光量分布Ｌ１のレベルｌ１でバランスが取られている。一方、気泡２１が移動した移動後は、受光量分布Ｌ１が受光量分布Ｌ２にシフトするので、受光素子３１〜３２の受光量は、受光量分布Ｌ２のレベルｌ２となり、受光素子３３〜３４の受光量は、受光量分布Ｌ２のレベルｌ３となり大きくずれてくる。このように、受光素子３１〜３２と受光素子３３〜３４で受光レベルが異なってくることにより、受光ダイオード３１〜３４のそれぞれで受光する受光量が変化し、これにより移動が検知される。これは、他の方向にずれても同様に検知される。

従って、気泡２１の微小移動に対して、各受光素子３１〜３４における受光量の変化を細かく検出することができる。そして、各受光素子３１〜３４において、受光された光量に対応した電圧をそれぞれ出力し、これらの電圧を比較することにより、より微小な傾斜度を検出することが可能となる。

上記のように、本実施形態の水平センサは、大きい実装面積を占める受光部３を、気泡２１の気泡影２１ａより小さくし、拡散光の照射できる薄型の面発光源を形成したことにより、受光素子上の投影光の光量分布が、気泡２１の中心軸付近に極小点を持ち、この気泡２１の半径と略同範囲において気泡２１の中心軸から離れるにつれて単調増加する光分布特性を得る光学系を実現することができ、小型で高精度のセンサを得ることができる。

また、上記水平センサにおいて、拡散光の形成において、光ガイド４の出光面４３と水準器２の入射面２２の間に光を拡散する機能を有する微小な凹凸が形成されたシート状の部材６（以下、これをシート部材と呼ぶ）（図５（ａ）参照）を配置することにより、光ガイド４の反射面４２の凹凸形状又は溝状の凹凸形状部４６に拡散用の加工をすることが不要となり、その分、出光面４３全体からの照射光量をより均一にすることが可能となる。

また、上記シート状部材６を配置する代わりに、水準器２の入射面２２を粗面にすることにより拡散光を形成してもよい。

さらに、光ガイド４の反射面４１や反射面４２にシート状又は板状の高反射部材を配設することで、入光面４４に入射する光量と出光面４３から射出する光量の比を大きくすることができる。これにより、必要な傾斜検知精度を得るため光源となる発光ダイオード１の電流を小さくすることができ、水平センサの低消費電力化が可能となる。また、本実施形態の水平センサは、同一基板上に発光ダイオード１と受光部３が実装されているが、それぞれを異なる基板に実装しても同等の効果を得ることができる。

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５（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。本実施形態の水平センサは、光ガイド４と水準器２との間に、上記シート状部材６を備えた点で前記実施形態と異なる。図５（ａ）、（ｂ）において、水平センサ１０は、光源である発光ダイオード１と、気泡２１が残るように略透明な液体２ｗを封入した円筒容器２ａを持つ水準器２と、発光ダイオード１からの光を水準器２まで誘導する透明部材よりなる光ガイド７と、シート状部材６と、気泡２１の平行光による投影光より小さい受光面積を持つ４つの受光素子３１〜３４からなる受光部３を備えている。

光ガイド４は、発光ダイオード１からの光を入射する入光面４４と、この入射光を全反射させる全反射面４１、４２と、反射光を出射する出光面４３を有している。また、発光ダイオード１と受光部３は同じプリント基板５に実装されている。

水準器２は、その中心軸と受光部３の光軸が同一直線上になるように配設され、かつ受光部３と光ガイド４の出光面４３との間に配置されている。さらに、光ガイド４の出光面４３と水準器２の間に、シート状部材６が配置されている。水準器２の円筒容器２ａは、水準器２の円筒容器２ａは、その内側が空洞で、かつその内側の面の少なくとも１つの面が略回転対称の曲面形状を有し、受光部３に対向する出射面２３を持つ上底部２ｂと、その底厚の両面に光の入射面２２と出射面２６を有する下底部２ｃと、側壁部２ｄとを備えている。

発光ダイオード１から照射された光は、光ガイド４の入光面４４に入射し、入光面４４に入射した光は、光ガイド４内の反射面４１で全反射され、図中右向きに進行方向を変化させられ、さらに反射面４２で全反射されて出光面４３から射出する。出光面４３から射出された光は、シート状部材６で拡散され、拡散光となって水準器２の入射面２２に入射される。この拡散光は、液体２ｗと気泡２１の界面に当たると、その界面で屈折又は全反射され、水準器２の出射面２３から射出されて、受光素子３１〜３４に入射する。これにより、気泡２１の陰影が発光ダイオード１からの光によって受光素子３１〜３４に投影され、受光量が検出される。

このように、本実施形態の水平センサは、光ガイド４を設け、その出光面７３と水準器２の間にシート状部材６を配設することにより、水準器２の入射面２２に入射する光の拡がり角を大きくして拡散光とすることができ、前記と同様の光量分布特性を得ることができる。従って、この光量分布特性により、水準器２が傾斜し、水準器２内の気泡２１が微小移動すると、前記同様に、その変化量を読み取ることができ、傾斜角を検出することができる。また、シート状の部材により、水準器に入射する光量の均一性が高められ、傾斜検知精度を確保するために必要な発光ダイオード電流を低減することを可能とする。

さらに、上記検知特性を確保しつつ、水平センサに使用する電子部品の中でも広い実装面積が必要な受光部３を小さくすることができるため、水平センサの小型化に寄与することができる。また、光ガイド４を用いて入射光を効率良く伝送できるため、光ガイド４の入光面４４から入射する光量と出光面４３から射出する光量の比を大きくすることができる。このため、必要な傾斜検知精度を得るための発光ダイオード１の電流を小さくすることができ、水平センサの低消費電力化が可能となる。

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６（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。本実施形態の水平センサは、水準器２の側面の受光部３から遠い側に、光ガイド４からの光が入る入光部２５を設け、この入光部２５から入射した光を反射・屈折させ略均一に面照射させるように、水準器２の受光部３のある側の反対側の面に微小な凹凸又は溝形状を備えた点で前記実施形態と異なる。

図６（ａ）、（ｂ）において、水平センサは、光源となる発光ダイオード１と、気泡２１が残るように略透明な液体２ｗを封入した円筒容器２ａを持つ水準器２と、気泡２１の平行光による投影光より小さい受光面積を持つ４つの受光素子３１〜３４からなる受光部３と、発光ダイオード１からの入射光を水準器２の側面に導く光ガイド４を備えている。

水準器２の中心軸と受光部３の光軸は、同一直線上になるように配設されている。水準器２は、側壁部２ｄの受光部３から遠い側に、光ガイド４からの光のが入射する入光部２５を備え、下底部２ｃの底厚の反射面に、光を拡散する微小な凹凸又は溝形状を備えた反射面２２ａを備える。

光ガイド４は、透明部材で形成され、入射光の入る入光面４４と、入射光を全反射させる反射面４１と、光ガイド４の端面において水準器２側面の入光部２５に光を照射する出光面４３とを有する。また、発光ダイオード１と受光部３は、同じプリント基板５に実装されている。

発光ダイオード１から照射された光は、光ガイド４の入光面４４に入射し、光ガイド４内の反射面４１で全反射され、図中右向きに進行方向を変化させられた後、出光面４３から射出され、水準器２の入光部２５に入射される。水準器２の入光部２５に入射された光は、反射面２２ａと出射面２６で反射を繰り返しながら図中右方向へ進行する。

ここで、反射面２２ａは、微小な凹凸又は溝形状による光の拡散形状をしているため、反射面２２ａに当たった光は、反射面２２ａの散乱形状で決定される方向へ反射されて出射面２６から照射され、水準器２内の液体２ｗ及び気泡２１に向かって進行する。反射面２２ａに形成された凹凸形状又は溝形状は、出射面２６全体から略均一な光量の光を射出し、この射出光された光の光量分布が拡がるように形成されている。このため、出射面２６全体から射出された光は、拡散光となって、気泡２１を照射することができる。

このように、気泡２１が照射される光は、散乱形状を持った反射面２２ａからの照射により拡散光となるため、受光部３において、前記図３（ａ）、（ｂ）に示されたのと同様の光量分布特性を得ることができる。従って、水準器２が傾斜し、水準器２内の気泡２１が微小移動すると、前記同様に、その変化量を読み取ることができ、傾斜角を検出することができる。

これにより、本実施形態の水平センサは、上記検知特性を確保しつつ、水平センサの電子部品の中でも広い実装面積が必要な受光部３を小さくすることができるため、水平センサの小型化に寄与することができる。また、光ガイド４を水準器２の側面から入射し、凹凸形状又は溝形状を水準器２の反射面２２ａに形成することにより、水準器２の外部に光の拡散部品を装着する必要がなく、水平センサの厚みをさらに薄くすることが可能となる。また、発光ダイオード１と受光部３は、同一基板上に実装されているが、それぞれを異なる基板に実装しても同等の効果が得られる。

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７（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。本実施形態の水平センサは、発光ダイオード１と水準器２の間に、光ガイド４から照射された光を略平行に屈折させるように凸レンズ７を配設した点で前記実施形態と異なる。

図７（ａ）、（ｂ）において、水平センサは、光源である発光ダイオード１と、気泡２１が残るように略透明な液体２ｗを封入した円筒容器２ａを持つ水準器２と、気泡２１の平行光による投影光より小さい受光面積を持つ４つの受光素子３１〜３４からなる受光部３と、発光ダイオード１からの入射光を水準器２に導く光ガイド４と、光ガイド４から射出した光の拡がり角を狭くする凸形状を有した凸レンズ７とを備えている。発光ダイオード１と受光部３は、同じプリント基板５に実装されている。

光ガイド４は、透明部材で形成され、入射光の入る入光面４４と、入射光を全反射させる反射面４１と、水準器２に向けて光を照射する出光面４３とを有する。水準器２は、水準器２の中心軸と受光部３の光軸が略一直線上になるように、かつ受光部３と光ガイド４の出光面４３との間に配置されている。さらに、光ガイド４の出光面４３と水準器２の間に凸レンズ７が配置されている。

水準器２の円筒容器２ａは、その内側が空洞で、かつその内側の面の少なくとも１つの面が略回転対称の曲面形状を有し、受光部３に対向する出射面２３を持つ上底部２ｂと、その底厚の両面に光の入射面２２と出射面２６を有する下底部２ｃと、側壁部２ｄとを備えている。

発光ダイオード１から照射される光は、光ガイド４の入光面４４に入射し、入光面４４に入射した光は、光ガイド４内の反射面４１で全反射され、図中右向きに進行方向を変化させられ、さらに反射面４２で全反射されて、出光面４３から射出される。出光面４３から射出した光は、凸レンズ７により光の拡がり角を狭くなるように屈折され集光された後、水準器２の入射面２２に入射する。この入射光は、液体２ｗと気泡２１の界面に当たり、その界面で屈折又は全反射され、水準器２の出射面２３から射出され、受光素子３１〜３４に入射する。これにより、気泡２１の投影光が発光ダイオード１からの光によって受光素子３１〜３４に投影される。このように、レンズ７を用いて光源から光を集光することにより、水準器への入射光量を増やすことができ、傾斜検知精度を確保するために必要な発光ダイオード電流を低減することができる。

水準器２が傾斜し、水準器２内の気泡２１が移動すると、受光素子３１〜３４に投影される気泡２１の投影光の位置が変化し、その結果、受光素子３１〜３４が受光する光量が変化する。その変化量を読み取ることで傾斜角を検出することができる。ここで、光ガイド４の出光面４３と水準器２の間に光の拡がり角を狭くするように凸形状を有した凸レンズ７を配設したことにより、水準器２の入射面２２に入射する光の拡がり角を小さくすることができる。

したがって、光ガイド４の出光面４３からの光を集光させて水準器２に入射することができ、受光部３の大きさを気泡２１の大きさと同程度まで小さくすることができる。これにより、光ガイド４の出光面４３と水準器２の間の距離を短くでき、水平センサの厚みを薄くすることが可能となる。

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８（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。本実施形態の水平センサは、受光素子を４つ備え、これらの各受光素子の頂点のうち受光素子全体の中心に最も近い頂点を、他の頂点より水準器から離れるように各受光素子を配置した点で前記実施形態と異なる。

図８（ａ）、（ｂ）において、水平センサは、光源である発光ダイオード１と、気泡２１が残るように略透明な液体２ｗを封入した円筒容器２ａを持つ水準器２と、気泡２１の平行光による投影光より小さい受光面積を持つ４つの受光素子３１〜３４からなる受光部３と、発光ダイオード１からの入射光を水準器２に導く光ガイド４とを備えている。受光部３の受光素子３１〜３４は、それぞれ受光部の光軸に最も近い頂点が、他の頂点と比較して水準器２の出射面２３から遠い位置になるように配置されている。

光ガイド４は、透明部材で形成され、入射光の入る入光面４４と、入射光を全反射させる反射面４１と、水準器２に向けて光を照射する出光面４３とを有する。水準器２は、その中心軸と受光部３の光軸が同一直線上になるように、かつ受光部３と光ガイド４の出光面４３との間に配置されている。水準器２の円筒容器２ａは、その内側が空洞で、かつその内側の面の少なくとも１つの面が略回転対称の曲面形状を有し、受光部３に対向する出射面２３を持つ上底部２ｂと、その底厚の両面に光の入射面２２と出射面２６を有する下底部２ｃと、側壁部２ｄとを備えている。

発光ダイオード１からの光は、光ガイド４４を経て、出射面２３より水準器２の入射面２２を照射する。入射面２２からの入射光は、液体２ｗと気泡２１の界面に当たると、その界面で屈折又は全反射され、水準器２の出射面２３から射出され、受光素子３１〜３４に入射する。これにより、気泡２１の投影光が発光ダイオード１からの光によって受光素子３１〜３４に投影される。

ここで、受光部３の受光素子３１〜３４が、受光部３の光軸に最も近い頂点が、他の頂点と比較して水準器２の出射面２３から遠い位置になるように配置されているので、各受光素子３１〜３４の受光面が、水準器２の出射面２３から見て、等価的に菱形のような形状になる。従って各受光素子３１〜３４の中央部で面積が大きく、上下の両頂点に向かうほど面積が小さくなる。これにより、受光部３で受光する光量分布は、前記図３（ａ）、（ｂ）と同様の光量分布特性を得ることができる。従って、この光量分布特性によって、気泡２１の微小移動時における受光素子３１〜３４の光量変化を検出できる高精度の検知特性を得ることができる。

このように、本実施形態の水平センサは、受光部３のみで同様の光量分布特性が得られるので、入射光として拡散光が必ずしも必要でなく、構成が簡単にでき、センサの小型化に寄与できる。また、拡散光を必要としないことから、拡散用の反射面４２を備えた導光板４０や、拡散用のシート状部材６等が不要となるので、部品点数の低減が可能になる。

以上述べたように、本実施形態に係る水平センサによれば、光を全反射させる反射面を備えた透明部材から成る光ガイド４を配設したことにより、発光ダイオード１と受光部３を同じ基板に配置しながら、発光ダイオード１の光を水準器２の近傍にガイドすることができる。従って、水平センサの厚さを薄くすることができ、センサを小型化することができる。また、光ガイド４により、発光ダイオード１からの光を少ない伝送ロスで水準器２に導いて照射できるので、受光部３での受光感度を高めることができ、小型で高感度の光学透過式の水平センサを得ることができる。

また、光ガイドに発光ダイオードの光を拡散する導光板、拡散シート等を設けることにより、拡散光を形成して水準器を照射することにより、受光量の光量分布が、気泡の中心軸付近に極小点を持ち、概ね気泡の半径と同範囲において気泡の中心軸から離れるにつれて単調増加するような特性を得ることができる。この特性によって、受光部を気泡の直径を持つ気泡影より小さくして、気泡の微小移動時の受光素子の光量変化を検出することを可能になる。これにより、小型、高精度の光学透過式の水平センサを得ることができる。

さらに、上記光ガイドによる厚みを薄くする構成と受光素子を小型化する構成とを組み合わせることにより、全体的に小型化を図ることができる。また、本発明で開示した技術的な要素は、実施形態として示していない組み合わせであっても、本発明の趣旨を逸脱しない限り、適宜組み合わせればよい。

本発明の第１の実施形態による水平センサの構成図。 上記水平センサの外観図。 （ａ）は上記水平センサの受光面による光量分布を示す図、（ｂ）は光量分布のグラフ。 （ａ）は上記水平センサの水準器内の気泡と受光素子の位置関係を示す図、（ｂ）は気泡の移動による受光素子の受光レベル変化を示す図。 （ａ）は本発明の第２の実施形態による水平センサの構成図、（ｂ）はその外観図。 （ａ）は本発明の第３の実施形態による水平センサの構成図、（ｂ）はその外観図。 （ａ）は本発明の第４の実施形態による水平センサの構成図、（ｂ）はその外観図。 （ａ）は本発明の第５の実施形態による水平センサの構成図、（ｂ）は４つの受光素子と水準器の配置関係を示す図。 （ａ）は従来の水平センサの気泡と受光素子の位置関係を示す図、（ｂ）はこの気泡の移動による受光素子の受光量の変化を説明する図。 （ａ）は従来の受光素子を小さくした状態の水平センサの気泡の受光素子の平面上の位置関係を示す図、（ｂ）は気泡の移動による受光素子の受光量の変化を説明する図。

符号の説明

１ 発光ダイオード（光源）
２ 水準器
２ｗ 液体
３ 受光部
４ 光ガイド
５ プリント基板
６ シート状部材
７ 凸レンズ
２１ 気泡
３１〜３４ 受光素子
４０ 導光板
４１ 反射面
４２ 反射面
４３ 出光面（光照射部）

Claims (2)

1. 気泡が残るように液体を封入した水準器と、光源と、前記光源からの光を受光して電気信号に変換する受光素子とを備え、前記光源からの光を前記水準器に向かって照射し前記気泡の陰影を前記受光素子に投影させ、その投影光の位置を該受光素子で検出することにより、水平度合いや傾斜度合いを検知する水平センサにおいて、
   光源と受光素子とを共に１つのプリント基板の同一面に実装し、前記水準器を、その気泡が位置する面を受光素子に対向させるように受光素子上に配置させることにより、前記水準器に対して光源と受光素子とを同じ側に配置し、
   前記光源からの光を前記水準器にガイドするように透明部材から成る光ガイドを配設し、
   前記受光素子は、少なくとも４つの受光素子からなり、それら全体の受光面積は平行光を前記気泡に投影したときの投影光の面積より小さく、
   前記４つの受光素子はそれらによる受光面が全体として正方形状になるように、その受光面の中心に対して対称に配列され、
   前記光ガイドは、前記光源からの光を全反射させる反射面と、前記反射面で全反射された光を拡散して前記水準器を照射するための導光板とを備え、
   前記導光板は、光を拡散するための凹凸又は溝形状が形成された凹凸形状部を有していることを特徴とする水平センサ。
2. 前記導光板の凹凸形状部に代えて拡散効果を有するシート状の部材を、前記光ガイドの光照射部と前記水準器との間に配設したことを特徴とする請求項１に記載の水平センサ。