JP4270181B2 - 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なされたものであり、水準器に光源からの光を拡散、集光、及び反射する形状を設けることにより、水準器内の気泡への照射光の光の広がりを拡大又は縮小させるための部品点数を低減でき、水準器軸方向の水平センサの大きさを小さくして薄型化を可能にし、微小傾斜変動も検知可能とする小型で高精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て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、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、前記水準器は、前記液体を封入するための空洞を有する円筒容器を有し、前記円筒容器は、前記受光部に対向する光の出射面を持つ上底部と、底厚の両面に光の入射面と出射面を有する下底部と、前記円筒容器の側壁内面を有する側壁部とを備え、前記円筒容器における気泡が摺動する面以外の、前記下底部の入射面、出射面、及び前記側壁部の側壁内面のうち少なくとも一つの面に、前記光源からの光を拡散させる機能を有する形状を設けたものである。

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、前記水準器における円筒容器の側面の受光素子から遠い側に光源からの光が入射する入光部を設け、前記入光部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、前記円筒容器の下底部の面に凹凸又は溝形状を備えたものである。

本発明によれば、水準器自体で入射する光を、拡散させることができるので、気泡の直径より小さい受光部で微小位置移動を高精度で測定できる。また、水準器外に配置される拡散用の部品を不要とし使用部品点数を低減でき、小型化、低廉化することができる。また、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。

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、図２を参照して説明する。図１、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５参照）からなる受光部３とを備える。

水準器２は、発光ダイオード１と受光部３の間に配置され、水準器２の中心軸と、発光ダイオード１の光軸と、受光部３の光軸とは、互いに略同一直線上になるように構成されている。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２２ａ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。入射面２２ａは、発光ダイオード１からの光を光軸に対し略平行に屈折させるように水準器２の中心軸に対して略回転対称であり、かつ発光ダイオード１側に凸となる形状に構成されている。

発光ダイオード１から照射された光は、水準器２の凸形状の入射面２２ａに入射し、入射面２２ａにおいて、光の拡がり角が狭くなるように屈折される。そして、この屈折された光は、液体２ｗと気泡２１の界面において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、発光ダイオード１からの光によって、気泡２１の投影光が受光素子３１〜３４に投影される。

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。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。このように、水準器２の入射面２２ａの形状を発光ダイオード１に向かって凸形状とすることにより、入射面２２ａにおいて、入射光の拡がり角が狭くなるように光軸に対し略平行に屈折されるので、受光部３に投影される気泡２１の投影光の大きさと気泡２１の大きさを概ね等しくすることができる。

従って、本実施形態の水平センサは、入射面７を発光ダイオード１に向かって凸形状になるような形状を持つ水準器２を配設することにより、平行光を形成して受光部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、受光感度を高めることができる。また、水準器２自体に集光作用を持つため、集光のために、発光ダイオード１と水準器２の間に、凸レンズなどの光学部品を挿入することが不要となるため、水平センサの水準器軸方向の大きさ（水平センサの厚さ）を小さくでき、水平センサを小型化が可能となり、同時に部品点数の削減による低廉化も可能となる。

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３を参照して説明する。本実施形態の水平センサは、気泡２１が摺動する面以外の少なくとも１つの水準器の面に、光を拡散する微小な凹凸を形成し、水準器２自体に拡散作用を持たせたた点で前記実施形態と異なる。

図３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５参照）からなる受光部３とを備える。そして、水準器２の気泡が摺動する面以外の少なくとも１つの面に、光を拡散する微小な凹凸が形成されている。また、発光ダイオード１の光軸と、水準器２の中心軸と、受光部３の光軸とは、互いに略一直線上になるように構成され、水準器２は、発光ダイオード１と受光部３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、側壁内面２４を有する側壁部２ｄとを備えている。また、水準器２の気泡２１が摺動する面以外の面として、例えば、入射面２２、側壁内面２４、出射面２６の少なくとも１つ面に、光を拡散させるための微小な凹凸が形成されている。これにより、水準器２自体で光の拡散作用を持つ。

発光ダイオード１から照射される光は、水準器２の入射面２２に入射し、入射面２２、側壁内面２４、及び出射面２６のいずれかの面に形成された微小な凹凸により拡散される。この拡散光は、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の陰影の位置が変化し、その結果、受光素子３１〜３４が受光する光量が変化し、その変化量を読みとることにより傾斜角を検出することができる。

図４（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４（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４（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、水準器２内で形成された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。入射面２２からの拡散光は、平行光と異なり、入射面２２から水準器２内をほぼあらゆる角度で照射し、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４（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４（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５（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５（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。水準器２内で形成された拡散光は、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５（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４（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。

このように、上記水平センサは、水準器２において入射面２２、側壁内面２４、及び出射面２６の少なくとも１つ面に、光を拡散させるための微小な凹凸を形成したことにより、水準器２に光を拡散させる機能を形成することができる。この水準器２内の拡散光により、受光部３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量分布特性を実現し、小型で高精度のセンサを得ることができる。そして、上記光量分布特性を確保しつつ、センサの使用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、センサの小型化に寄与することができる。さらに、光を拡散する機能を持つシート状の部材等を取り付ける必要がなくなり、部品点数の低減及び水平センサの水準器軸方向の大きさ（厚さ）を小さく抑えることが可能となり、小型、高精度の水平センサを得ることができる。

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、水準器の側面の受光素子から遠い側に、光ガイド４からの光が入る入射面を設け、この入射面から入射した光を反射・屈折させ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、光の面発光のための微小な凹凸又は溝形状を有し、反射面２２ａに当たった光は、反射面２２ａの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、この射出された光の光量分布が拡がるように形成され、気泡２１を照射する。

このように、気泡２１が照射される光は、受光部３において、前記図４（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。

このように、本実施形態の水平センサは、水準器に側方から入射した光を気泡側に向かって面発光させる機能を設け、光源を、水準器２の同軸上からずらして水準器２の側面に配置させ光源の位置を替えることにより、水準器軸方向の大きさ（厚さ）を小さくし、水平センサの薄型化を図ることができる。なお、本実施形態の構成と第２実施形態の構成との両方を同時に実施し、水準器２自体に面発光作用と光拡散作用を持たせ、例えば、反射面２２aの形状を、反射面２２aからの光が面発光であって、かつ拡散光となるような凹凸又は溝形状としてもよい。

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１０は、光ガイド４の出光面４３と水準器２の入射面２２を接近させて配置し、気泡２１が摺動する面以外の少なくとも１つの水準器の面に、光を拡散する微小な凹凸を形成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、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を備えている。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。

光ガイド４は、発光ダイオ−ド１からの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、４２と、終端面４５と、光を面照射する出光面４３とを有する透明部材で構成される。反射面４１で反射された光は、反射面４２、終端面４５で反射され、出光面４３の面全体から照射される。

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、側壁内面２４を有する側壁部２ｄとを備えている。また、光ガイド４の出光面４３の面積は、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されている。

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。ここで、反射面４２と出光面４３がフラットな平面で形成されているので、この反射面４２と出光面４３に挟まれた領域に入射した光は、反射面４２と出光面４３間で反射を繰り返しながら終端面４５に向かう。さらに終端面４５でも反射され、出光面４３全体から面照射される。光ガイド４の出光面４３は、水準器２の入射面２２に接近して配置されているので、出光面４３からの照射光は、ほぼ全部、入射面２２全体に入射される。ここで、光ガイド４の反射面４２と出光面４３の間を狭くできるので、水平センサの厚み方向を薄くすることが可能となる。

そして、出光面４３全体から射出した光は、出光面４３に対向する水準器２の入射面２２に入射し、少なくともいずれかが光を拡散する微小な凹凸を持つ凹凸形状又は溝形状をを有する入射面２２、又は側壁内面２４、又は出射面２６で拡散されて拡散光となる。この拡散光は、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。これにより、気泡２１の投影光が出光面４３からの拡散光によって受光部３に投影され、受光素子３１〜３４で受光される。

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が受光する光量が変化する。そして、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。

本実施形態の水平センサでは、光ガイド４の出光面４３から水準器２の入射面２２の面全体に光が入射され、水準器２内面における気泡の摺動する面以外の少なくとも一面に形成された微小な凹凸により、水準器２内で拡散光が形成される。この拡散光が、気泡２１に照射されることにより、前述の図４（ａ）、（ｂ）に示したと同様に、受光量の光量分布特性を得ることができる。この光量分布特性によって、受光部３を気泡２１の直径を持つ気泡影より小さくでき、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。

従って、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内の凹凸形状又は溝形状に拡散を考慮する必要がなく光ガイド４の構成を簡単にできると共に、水準器２の外部に光の拡散用部材を装着する必要がないので、センサの水準器軸方向の大きさ（厚み）を小さくして、センサの厚みを薄くすることが可能となる。なお、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、光源となる発光ダイオードを４つ設け、水準器２の気泡２１が摺動する面以外の少なくとも１つの水準器の面に、光を拡散する微小な凹凸を形成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、光源として４つの発光ダイオード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とを備える。４つの発光ダイオード１は、水準器２の中心軸に対して略回転対称になるように配置されている。

水準器２は、その中心軸と、受光部３の光軸と、４つの発光ダイオードの中心軸とが同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、側壁内面２４を有する側壁部２ｄとを備えている。

上記水平サンサは、光源として４つの発光ダイオード１を使うことにより、水準器２への入射光の拡がり角を光源側で大きくし、さらに、水準器２に入射後、水準器２内の拡散面で拡散されるので、水準器２内でより大きな広がりを持った拡散光となる。その結果、前述の図４（ａ）、（ｂ）に示すような受光量の光量分布の特性が、より鮮明に、高い光量レベルで得ることができる。この光量分布特性によって、高感度、高精度の検知特性を得ることができ、水平センサの高感度化、高精度化、小型化に寄与することができる。また、光源の面積が実質広くなることにより、光源を水準器に接近させることができ、さらに薄型、小型化できる。

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、水準器自体において、入射する光を、拡散、集光、及び反射させることができるので、拡散光、又は平行光に近い光線を、気泡へ照射することができる。これにより、受光部での受光分布特性を変えることができ、拡散光の場合は、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、受光素子を気泡の直径を持つ気泡影より小さくでき、微小傾斜変動の検知が可能となり、小型で高精度の光学透過式の水平センサを得ることができる。また、平行光に近づけた場合は、受光部の大きさを気泡と同等レベルにして、受光感度を高めることができ、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。このように、水準器２の外部に取り付ける拡散、集光、及び反射用の部品の光拡散用シートや集光用凸レンズ等をを不要とし、使用部品点数を低減でき、小型化、低廉化で高感度、高精度の光学透過式の水平センサを得ることができる。また、本発明で開示した技術的な要素は、実施形態としては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、適宜組合わせればよい。

本発明の第１の実施形態における水平センサの構成図。 上記水平センサの外観図。 本発明の第２の実施形態における水平センサの構成図。 （ａ）は上記水平センサの受光面におけ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気泡と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レベル変化を説明する図。 （ａ）は本発明の第３の実施形態におけ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の実施形態におけ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の実施形態における水平センサの構成図、（ｂ）はその外観図。 （ａ）は従来例における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状態の変化を説明する図。 （ａ）は従来例において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状態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
２１ 気泡
２２ａ 反射面（凸形状）
２５ 入光部
３１〜３４ 受光素子

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て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、
   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、
   前記水準器は、前記液体を封入するための空洞を有する円筒容器を有し、
   前記円筒容器は、前記受光部に対向する光の出射面を持つ上底部と、底厚の両面に光の入射面と出射面を有する下底部と、前記円筒容器の側壁内面を有する側壁部とを備え、
   前記円筒容器における気泡が摺動する面以外の、前記下底部の入射面、出射面、及び前記側壁部の側壁内面のうち少なくとも一つの面に、前記光源からの光を拡散させる機能を有する形状を設けたことを特徴とする水平センサ。
2. 前記水準器における円筒容器の側面の受光素子から遠い側に光源からの光が入射する入光部を設け、
   前記入光部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、前記円筒容器の下底部の面に凹凸又は溝形状を備えたことを特徴とする請求項１に記載の水平センサ。