JP5016677B2 - 光電子水準器を備えた傾斜センサ - Google Patents

Description

本発明は、ハウジング内でカバーガラスの下に液体と気泡を入れた水準器を備え、カバーガラスの上方に光源が配置されている傾斜センサに関する。

測定器等の装置や工作物を水平方向又は垂直方向に位置合わせするために、通常水準器が使用される。これらの水準器は通常１次元位置合わせ用の管形水準器として、又は２次元位置合わせ用の円形水準器として形成されている。水準器は、位置合わせされた状態で気泡が水準器の所定の位置にあるように装置と結合される。水準器を用いることによって位置合わせされた状態がわずかな手間で作りだされ且つ再現される。この装置は必ずしも水平方向又は垂直方向に向けられた状態である必要はない。原理的に水準器を相応に傾けて装置に配置することにより、位置合わせされた状態に対するいかなる傾斜角をも選択できる。

本発明において「気泡が中心にある」という表現は、気泡が所定の位置にあることを意味する。

水準器の傾斜角に応じて気泡の安定した再現可能な位置を達成するために、従来技術ではカバーガラスと液体の境界面が凹状輪郭で形成される。この場合、水準器の感度は主としてカバーガラスの曲率半径に依存する。

従来技術では、水準器を電子的に読み取ることができる装置も知られている。この目的のために原則として光電子原理が用いられる。公知の多数の装置は水準器の発光に基づいており、光源と受光器は水準器の互いに向き合う側、特に上側と下側に配置されている。

例えばＤＥ３９３８８４８Ａ１に記載されている傾斜センサは、慣用的な管形水準器を有しており、そのハウジングは光透過性材料から成り、内室は気泡を含んだ液体で充填されている。管形水準器の上に、管形水準器の全長を照明する光源が配置されている。光源から出た光は、透明なハウジングと同様に光透過性液体及び気泡も透過する。水準器の光源と向き合う側に不均一な光の分配が生じ、これがその下に配置された光検出器によって評価される。このような装置は複雑であり、大きい構造スペースを取り、原則として特殊な構造の水準器を必要とする。一番の問題点は気泡と液体の透過の差が僅かである結果、評価される光斑（Lichtfleck）の明度差が小さく、光学的境界面における反射現象及び拡散現象に起因して光斑の輪郭が不明確になることである。それゆえ光斑の位置把握の際の不確実さが大きく、光電流信号を確実に読み取ることができる気泡の変位は非常に小さい。

ＤＥ３６３４２４４Ａ１により知られている光線放出器と光線検出器を備えた光電子傾斜センサは、光線放出器と光線検出器が光反射媒体の上方に配置されており、光を反射する液体、好ましくは水銀液面における反射によって傾斜が把握される。液体はカプセルに封入されているが、液体はカプセルに部分的にしか充填されていない。この装置によっては気泡の位置の検出は不可能である。

更に、ＪＰ１０２２７６３５Ａにより知られている傾斜センサは、光源と受光器が水準器の同じ側、即ちカバーガラスの上方に配置されている。この傾斜センサは全反射の原理を利用している。水準器が水平方向に位置合わせされており、従って気泡が本発明における意味で中心にある場合、光源から気泡に当たる光は光学的に厚いカバーガラスと光学的に薄いカバーガラスの間の境界面で受光器に向かって全反射される。中心にある場合に全反射される光は受光器によって検出できる。気泡が中心にない場合は、全反射は行われず、従って光は受光器に入射しない。従って検出可能な光に基づき、気泡が中心にあるか否か確認できる。これは装置の水平、垂直又はその他の所定の位置合わせに関する二値判定（合っているか否かの判定）として働く。
この傾斜センサの問題点は、傾斜の方向と程度を把握できないことである。このような傾斜センサを備えた装置の自動位置合わせは不可能である。更なる問題点は、全反射の成分が発光器と検出器との間隔が十分大きい場合のみ有効であることであり、その結果大型で高価なセンサが必要になる。水準器の寸法や所望される調整範囲（傾斜角）によっては、気泡−ガラス接触面での全反射を利用できなくなる恐れがある。

ＤＥ３９３８８４８Ａ１ ＤＥ３６３４２４４Ａ１ ＪＰ１０２２７６３５Ａ

本発明の課題は、傾斜の方向と程度を高精度で判定することができ、そのような傾斜センサを備えた装置を自動的に位置合わせするのに適している、冒頭に記載した種類の傾斜センサを提供することにある。

本発明により上述の課題は、請求項１に記載された特徴を有する装置によって解決される。

従属請求項に有利な構成例が記載されている。請求項に記載された個々の特徴を互いに任意に組み合わせた特徴の組み合わせも出願の対象である。

本発明に係る装置の機能原理は、フレネル反射及び／又は拡散光生成に基づく気泡変位により気泡とカバーガラス下側の光学的に平滑な接触面又は微細粗さを有する接触面で変化した光の分配を確認することに基づいている。

気泡−ガラス接触面から発光される光成分を有効に増すための効果的な方策は、表面を加工して磨りガラス板に類似の微細粗さを持たせることである。本発明で言う微細粗さを有する表面は有効谷深さが１μｍより大きいものを言い、研削、サンドブラスト、エッチング等の通常の方法で形成できる。気泡−ガラス接触面の外部ではガラスと液体の屈折率の差は一般に非常に小さいので、「磨りガラス板効果」は消滅して、有意な散乱光成分は生成されない。

カバーガラス下側の微細粗さは本発明に係る装置と結び付いて次の重要な利点を有する。
・センサの側方寸法及びこれに伴う製造コストを大幅に削減できる。
・全反射方式と異なり光源の最大明度の領域でも散乱光の生成が行われる。これにより非常に良好なＳＮ比と高い検出感度が達成される。
・傾斜測定の再現性に対する温度変化の好ましくない影響が、ＪＰ１０２２７６３５Ａによる全反射方式に比べて著しく低減する。なぜならば、発光する気泡−カバーガラス接触面の温度変化による相対的変化は、上記接触面の外周におけるリング状又はストライプ状の領域から出る全反射光の相対的変化よりも常に小さいからである。
・光源からガラス−気泡接触面を通って前方に伝達される光成分は、気泡の球状内面で公知のウルブリヒト球の作用に類似する方式により反射され、それによって気泡とガラスの微細粗さを有する境界面での散乱光生成に追加的に寄与する。

有利な構成は、水準器壁に由来する妨害的な散乱光を抑制するために、ハウジングは内側に吸光面を有している。

単色光を用いる応用例に対しては、動作波長において光吸収する液体を使用することが最も効果的な解決である。液体自体が光吸収性でないか、或いは光吸収性が不十分な場合は、光吸収性の高い適切な色素を使用することができる。この場合、水準器における有効な吸収長さが往復で２倍になるという事実が有利に働く。

水準器ガラスと液体の屈折率の差は本発明においては非生産的であるので、水準器ガラスと液体の屈折率が可能な限り高い一致を示すことが要求される。その方法として、例えば素材（ガラス、ＰＭＭＡ、ポリカーボネート等）を選択すること、適切な屈折率を有する種々の液体を適切な容積割合で混合すること等がある。特に液体の混合によりほぼ１００％の一致を達成できる。好ましくは液体の混合に着色を組み合わせることができる。

以下、本発明を実施例に基づき詳細に説明する。

図１は光電子水準器の断面図である。
図２は光電子水準器の光学的機構を示す。
図３は拡散効果の説明図である。
図４はチップ基板の平面図である。
図５はチップ基板の平面図である。

図１に全体構成が略示されている。この装置は水準器１と測定モジュール２から成る。水準器１は、液体３と気泡４の入ったハウジング１．１を有している。ハウジング１．１は内側に吸光面１．２を備えている。
液体３はガラスと液体の境界面５でカバーガラス１．３と接触している。測定モジュール２においてチップ基板２．１内に光学素子が設けられている。凹部２．２内に好ましくはＬＥＤから成る光源２．３がある。受光器２．４は光源からほぼ等間隔でチップ基板２．１の表面に配置されている。

図２は、電子センサの作用方式に影響を与える光学的効果を説明する。ここでは好ましくない寄生的効果と有効な作用が区別される。好ましくない効果として、次のものが挙げられる。
Ｅ１：光源（ＬＥＤ）と受光器（ピン・ダイオード）の直接的な光学的クロストーク。
Ｅ２：水準器ハウジングの床及び壁並びにカバーガラス周囲における反射若しくは発光。
Ｅ３：屈折率が等しくない場合のカバーガラスと液体の境界面におけるフレネル反射又は拡散光生成。

有効な効果として、次のものが挙げられる。
Ｅ４：光学的に平滑な境界面におけるフレネル反射及び／又はガラスと気泡の微細粗さを有する境界面における拡散光生成。
Ｅ５：気泡内側のフレネル反射。
Ｅ６：限界角度条件を超えた場合のガラスと気泡の境界面における全反射。
Ｅ７：気泡のメニスカスにおける全反射。

本発明のために効果Ｅ４及びＥ５、即ち光学的に平滑な境界面におけるフレネル反射及び／又は微細粗さを有する境界面における拡散光生成を利用する。有効な境界面として、気泡４がカバーガラス１．３の下側に接触する領域にあるカバーガラス１．３の下側を用いる。

図３は、カバーガラス１．３の下側で生じる拡散効果を説明する。光源２．３から出た照射光線は、カバーガラス１．３の下側で反射される。この場合、光源としてＬＥＤを使用することが好ましい。全反射の限界角度を下回る角度で入射する照射光線は、拡散反射されて測定モジュール２上に高精度で評価できる光斑を生成する。この場合に好ましいのは、拡散反射された光が光源２．３に比較的近傍に配置できる受光器２．４．１及び２．４．２によって捕捉されるのに対し、全反射された光はより外側に配置されなければならない受光器２．４．３及び２．４．４に入射することである。それゆえ全反射の評価機能を備えた装置は、拡散評価機能を備えた装置よりも大きい寸法のチップ基板２．１を必要とし、そのためコストも高くなる。拡散光の生成は光源２．３の最大明度の領域で行われるので、非常に良好なＳＮ比と、それにより高い検出感度が達成される。

測定モジュール２はチップ基板２．１を有する。図４は、チップ基板の上側の機能面の平面図である。チップ基板２．１は凹部２．２を備えており、この中にＬＥＤを用いた光源２．３と、円環セグメント状の光検出器を用いた４個の受光器２．４．１、２．４．２、２．４．３、２．４．４が実質的に同一面上に組み入れられている。円環セグメントは２次元領域の４個の四分円を覆っている。凹部２．２は光源２．３と受光器２．４との直接的な光学的クロスオーバーを防止する。光源２．３と受光器２．４の外側接続部２．５の導電線はチップ基板２．１上に配置されており、接続区域（２．５）を介してチップ基板２．１と接続されている。尚、光源２．３の電源は見易くするために図示しない。
チップ基板２．１は直接カバーガラス１．３上に取り付けるか、或いはカバーガラス１．３とチップ基板２．１との間にあってカバーガラス（１．３）と共に光学的ユニットを構成するガラス基板と接合できる。

図５に示された実施形態においては、各受光器２．４は半径方向にも分割されており、この構成は合計８個の各セグメント２．４．１〜２．４．８を含む。これにより分解能は更に改善され得る。

１ 水準器
１．１ ハウジング
１．２ 吸光面
１．３ カバーガラス
１．３．１ 微細粗さを有する表面
２ 測定モジュール
２．１ チップ基板
２．２ 凹部
２．３ 光源
２．４ 受光器
２．４．１ 第１の受光器
２．４．２ 第２の受光器
２．４．３ 第３の受光器
２．４．４ 第４の受光器
２．５ 接続区域
３ 液体
４ 気泡
５ ガラス−液体境界面
Ｅ１ 光学的クロストーク
Ｅ２ 内壁における反射及び発光
Ｅ３ 屈折率が等しくない場合のガラス−液体境界面におけるフレネル反射又は拡散光生成
Ｅ４ ガラス−空気境界面におけるフレネル反射又は拡散光生成
Ｅ５ 気泡内側のフレネル反射
Ｅ６ ガラス−空気境界面における全反射
Ｅ７ 気泡のメニスカスにおける全反射

Claims (9)

1. ハウジング（１．１）内でカバーガラス（１．３）の下に液体（３）と気泡（４）を入れた水準器（１）を備え、カバーガラス（１．３）の上方に光源（２．３）が配置されている傾斜センサにおいて、カバーガラス（１．３）の上方に少なくとも２個の受光器（２．４）が配置されており、光源（２．３）から放出されて、気泡（４）が中心にある場合には気泡（４）と接するカバーガラス（１．３）の表面で拡散する光（Ｌ）を前記少なくとも２個の受光器（２．４）によって検出でき、気泡（４）が中心にない場合には、前記受光器（２．４）によって異なる量の光を検出でき、光源（２．３）と受光器（２．４）は共通のチップ基板（２．１）の上に配置され、チップ基板（２．１）の機能面がカバーガラス（１．３）の上に、又はカバーガラス（１．３）と共に光学的ユニットを形成するガラス基板の上に配置され、カバーガラス（１．３）の液室に向いた面が微細粗さを備えていることを特徴とする傾斜センサ。
2. 光源（２．３）の周囲に少なくとも４個の受光器（２．４．１、２．４．２．．．２．４．４）が配置されており、光源（２．３）から放出されて、気泡（４）が中心にある場合は気泡（４）と接するカバーガラス（１．３）の表面で拡散する光（Ｌ）を前記少なくとも４個の受光器（２．４．１、２．４．２．．．２．４．４）によって検出できることを特徴とする、請求項１記載の傾斜センサ。
3. 気泡（４）が中心にある場合には光源（２．３）は気泡（４）の上の中心に配置されていることを特徴とする、請求項１又は２記載の傾斜センサ。
4. 光源（２．３）の周囲に少なくとも４個の受光器（２．４．１．．．２．４．４）が配置されており、それら受光器（２．４．１．．．２．４．４）はカバーガラス（１．３）と平行な平面上で光源（２．３）と関連する受光器（２．４．１．．．２．４．４）の間とを通る仮想線にそれぞれ沿って複数のセグメントに分割されており、拡散する光が前記セグメントによってそれぞれ他のセグメントと関わりなく検出できることを特徴とする、請求項１記載の傾斜センサ。
5. ハウジング（１．１）は内側に吸光面（１．２）を有することを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の傾斜センサ。
6. 光源（２．３）が単色光を放出し、この波長の光を吸収する水準器液が使用されることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の傾斜センサ。
7. 前記液体が光源（２．３）の波長範囲で吸収を引き起こす色素を含むことを特徴とする、請求項６に記載の傾斜センサ。
8. カバーガラス（１．３）と液体（３）との間の屈折率の差を小さくするために、カバーガラス（１．３）に液体（１．３）の屈折率に近似する素材が使用されることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の傾斜センサ。
9. カバーガラス（１．３）と液体（３）との間の屈折率の差を小さくするために、液体（３）の屈折率は容積比の異なる種々の液体の混合によって調整されることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の傾斜センサ。

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