JP6650727B2 - 傾斜角測定装置 - Google Patents

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Description

本発明は装置本体の傾斜角を測定する傾斜角測定装置に関するものである。
傾斜角測定装置の1つとして、自由液面が水平を維持することを利用した傾斜角測定装置がある。又、自由液面を利用する傾斜角測定装置として、例えばチルトセンサがある。
チルトセンサでは、チルトセンサが設けられている装置本体が傾斜することで、自由液面が装置本体に対して相対的に傾斜する。
自由液面に検出光を入射させ、自由液面で反射した検出光を受光し、液面の傾斜に伴う受光位置の変化を検出することで、液面の傾斜角、即ち装置本体の傾斜を検出することができる。
自由液面を用いた場合、傾斜角測定装置の傾斜変化に対する自由液面の追従性、或は安定性は、自由液面を形成する液体の粘度の影響を受ける。
即ち、液体の粘度が低くなると追従性は向上するが、安定性は低下し、振動等の影響を受け易く、エラーの発生率も大きくなる。逆に、液体の粘度が高くなると追従性は低下し、角度検出に時間が掛るが、安定性は向上する。
特開2000−266545号公報 特開2011−149854号公報 実開平5−38521号公報 特開2001−221635号公報
本発明は、エラーの発生率を増大させることなく追従性を向上させる傾斜角測定装置を提供するものである。
本発明は、自由液面を形成する液体が封入された円盤状の容器と、前記自由液面に検出光を入射させる発光源と、前記自由液面で反射した検出光を受光する受光素子と、該受光素子からの検出信号に基づき前記自由液面の傾斜を検出する信号処理部とを有する傾斜角測定装置であって、前記信号処理部は、検出信号のエラー発生率が所定値となる様、前記受光素子の検出光蓄積時間を設定する傾斜角測定装置に係るものである。
又本発明は、チルトパターンを具備し、チルトパターン像が前記自由液面に投影され、前記受光素子は、前記自由液面で反射した該チルトパターン像を受光し、該チルトパターン像の変位に基づき前記自由液面の傾斜が検出され、該自由液面の微小振動により前記チルトパターン像のブレが生じた場合に、該チルトパターン像が認識できる粗さを有する傾斜角測定装置に係るものである。
又本発明は、前記容器は底部に、該容器の中心と同心に形成された溝と、前記容器の中心に形成され、前記溝より隆起した中央部とを有し、前記液体は前記溝を充填し、前記中央部で最浅部を形成する様に貯溜された傾斜角測定装置に係るものである。
又本発明は、前記溝に流れ抵抗要素を等間隔で複数突設し、該流れ抵抗要素は、前記液体中に没する様構成された傾斜角測定装置に係るものである。
又本発明は、前記流れ抵抗要素は、円弧状であり、上面が平らとなっている傾斜角測定装置に係るものである。
更に又本発明は、前記流れ抵抗要素の上に、前記溝を覆うリング状の流動抑止板が設けられ、該流動抑止板の内縁には等間隔で複数の欠切部が形成され、前記流動抑止板は、前記液体中に没する様になっている傾斜角測定装置に係るものである。
本発明によれば、自由液面を形成する液体が封入された円盤状の容器と、前記自由液面に検出光を入射させる発光源と、前記自由液面で反射した検出光を受光する受光素子と、該受光素子からの検出信号に基づき前記自由液面の傾斜を検出する信号処理部とを有する傾斜角測定装置であって、前記信号処理部は、検出信号のエラー発生率が所定値となる様、前記受光素子の検出光蓄積時間を設定するので、追従性を向上させつつエラー発生率の増大を抑制する。
又本発明によれば、チルトパターンを具備し、チルトパターン像が前記自由液面に投影され、前記受光素子は、前記自由液面で反射した該チルトパターン像を受光し、該チルトパターン像の変位に基づき前記自由液面の傾斜が検出され、該自由液面の微小振動により前記チルトパターン像のブレが生じた場合に、該チルトパターン像が認識できる粗さを有するので、前記自由液面に微小振動があっても、傾斜角測定が可能となる。
又本発明によれば、前記容器は底部に、該容器の中心と同心に形成された溝と、前記容器の中心に形成され、前記溝より隆起した中央部とを有し、前記液体は前記溝を充填し、前記中央部で最浅部を形成する様に貯溜されたので、前記容器が振動抑制機能を有し、傾斜角測定装置の安定性が向上する。
又本発明によれば、前記溝に流れ抵抗要素を等間隔で複数突設し、該流れ抵抗要素は、前記液体中に没する様構成されたので、前記流れ抵抗要素が、更に振動抑制機能を発揮し、傾斜角測定装置の安定性が向上する。
更に又本発明によれば、前記流れ抵抗要素の上に、前記溝を覆うリング状の流動抑止板が設けられ、該流動抑止板の内縁には等間隔で複数の欠切部が形成され、前記流動抑止板は、前記液体中に没する様になっているので、前記流動抑止板が、更に振動抑制機能を発揮し、傾斜角測定装置の安定性が向上するという優れた効果を発揮する。
本発明の第1の実施例に係る傾斜角測定装置の断面図である。 該実施例に係る傾斜角測定装置の部分断面図である。 該実施例の光学系を示す立面概略図である。 該実施例の光学系を示す平面概略図である。 (A)は該実施例の傾斜角測定装置の容器の断面図であり、(B)は該容器が傾いた状態を示す断面図である。 第2の実施例に係る傾斜角測定装置の容器の平面図である。 該容器の断面斜視図である。 流動抑止板が取付けられた第3の実施例に係る傾斜角測定装置の容器の平面図である。 流動抑止板が取付けられた前記容器の断面斜視図である。 流動抑止板が取付けられた第3の実施例の変形例に係る前記容器の平面図である。 本実施例に於ける振動環境下の減衰特性を示す図である。 (A)(B)は、それぞれチルトパターンの一例を示す図である。
以下、図1〜図4を参照して本発明の実施例に係る傾斜角測定装置を説明する。
傾斜角測定装置1は、高精度の水平を検出する、或は水平からの傾斜角を検出するものであり、チルトセンサとして使用される。更に、該傾斜角測定装置1の検出可能な傾斜角は、例えば水平に対して±2゜となっている。
サポートブロック3の上面に液密な容器4が設けられる。該容器4は、内部に円盤状の空間5を形成し、該空間5には所定の粘性を有する透明な液体6が封入されている。該液体6としては、シリコンオイル等が用いられる。
前記空間5は、封入される液量に対して充分大きな容積となっており、前記傾斜角測定装置1が水平な状態、傾斜した状態のいずれの状態でも、前記液体6は自由液面6aを形成する。
前記容器4の底面には検出光用の光路孔7が設けられ、該光路孔7は前記容器4の中心線と同心の軸心を有しており、該光路孔7には集光レンズ8、1/4λ板14が設けられている。前記集光レンズ8の光軸9は前記光路孔7の軸心と合致している。
前記サポートブロック3の内部には直交する2つの光路が形成され、該2つの光路は前記光軸9と直交する平面内に配置される。該光軸9と直交する平面との交点の位置には、反射鏡11が設けられる。
前記2つの光路の内、1方の光路の中心は前記反射鏡11の反射光軸12に沿って形成されており(図1、図3参照)、該反射光軸12上には前記反射鏡11側から集光レンズ13、偏光ビームスプリッタ15、受光素子16が配設されている。
前記偏光ビームスプリッタ15は、所定の偏光面を有する直線偏光を透過し、該直線偏光に対して90゜異なる偏光面の直線偏光を反射する特性を有する。
前記受光素子16は配線基板17に実装され、該配線基板17を介して前記サポートブロック3の側面に固定されている。又、前記配線基板17には温度センサ18、加速度センサ19等が実装されている。又、信号処理部20が別途設けられ、或は前記配線基板17に実装されている。
前記受光素子16は、CCD、CMOSセンサ等が用いられ、CCD、CMOSセンサを構成する画素からの信号に基づき、検出光の受光位置の信号、更に画像信号を出力可能となっている。
前記信号処理部20は、前記受光素子16に入射する検出光(即ち、チルトパターン像(後述))の蓄積時間を制御する。又、前記信号処理部20は、前記受光素子16からの信号に基づき画像処理を行い、基準位置からのパターン像の変位を求め、傾斜角を検出する。
前記2つの光路の内、他方の光路は投光光軸21に沿って形成され(図2、図4参照)、該投光光軸21は前記反射光軸12と交差し、この交差する位置に前記偏光ビームスプリッタ15が設けられている。従って、前記反射光軸12は、図2中、前記偏光ビームスプリッタ15に対し垂直な方向(紙面に対して垂直な方向)に延出している。
前記投光光軸21上には、前記偏光ビームスプリッタ15側から偏光板24、チルトパターン22、コリメートレンズ23、LED光源(発光源)25が設けられ、該LED光源25は前記サポートブロック3の側面(上記した側面とは直交する面)に取付けられている。
図2に於いて、前記LED光源25から発せられた検出光は、前記コリメートレンズ23で集光され、前記チルトパターン22、前記偏光板24を透過する。該偏光板24を透過することで直線偏光、例えばP直線偏光となる。
前記検出光は、前記偏光ビームスプリッタ15で紙面に対して垂直な方向に反射され、前記反射鏡11で上方に反射される。
前記検出光は、前記1/4λ板14を透過した後、前記集光レンズ8を通って前記自由液面6aに前記チルトパターン像を投影し、更に前記自由液面6aで反射される。前記傾斜角測定装置1が傾斜すると、前記自由液面6aは水平を維持するので、該自由液面6aは前記傾斜角測定装置1に対して相対的に傾斜する。
前記自由液面6aの傾斜によって、前記検出光は光梃子の原理で傾斜角の2倍の角度を持って反射される。反射検出光は、前記1/4λ板14を透過した後、前記反射鏡11で反射され、前記集光レンズ13を透過して前記偏光ビームスプリッタ15に入射する。前記検出光は往路、復路で前記1/4λ板14を2度透過するので、反射検出光はS直線偏光となり、前記偏光ビームスプリッタ15を透過する。
該偏光ビームスプリッタ15を透過した反射検出光は、前記受光素子16によって検出される。即ち、前記チルトパターン22が前記受光素子16に投影される。
上記した様に、前記自由液面6aが傾斜することで、反射検出光は前記反射光軸12からずれた状態で前記受光素子16に受光される。前記反射光軸12の位置を基準として、受光位置の偏差を検出することで、前記自由液面6aが水平かどうか、更に該自由液面6aの傾斜角が検出できる。
更に、高精度に傾斜角を検出する場合は、ずれ量を前記チルトパターン22の像の変位から検出することで、高精度の角度検出が可能となる。
上記した様に、前記傾斜角測定装置1では、前記自由液面6aに傾斜時の揺れが残っていたり、或は該自由液面6aが振動を起していた場合は、検出光の反射方向に揺れ、振動の影響が現れ、検出誤差となる。
本実施例では、以下の如く、揺れ、振動が抑止される。
図5(A)、図5(B)により、本実施例に於ける前記容器4について、更に説明する。
該容器4の底面には、前記光軸9を中心として、リング状の溝28が形成される。又、前記容器4の底面の中央部4a(前記光路孔7部分を含む)は、前記光軸9と直交する平面となっている。
前記溝28の断面形状は、溝の中央部が最深部28aとなる様な略V字形状となっている。該最深部28aから前記中央部4aに至る範囲は、前記最深部28aからなだらかに隆起し前記中央部4aで接する凸曲面28bで構成されている。
前記容器4に貯溜される前記液体6は、前記溝28を満たし、更に前記中央部4a部分で所要の液深(最浅部)となる量である。ここで、最浅部の液深としては、例えば1mm程度とする。
前記容器4に前記溝28を形成し、該溝28から隆起した前記中央部4aを形成することで、検出光が前記自由液面6aに入射する部分の液深を可及的に浅くすることができる。
検出光の反射部分で液深が浅いことから、前記液体6の粘性抵抗(粘性摩擦)に起因する剪断力が前記自由液面6aに強く作用する。従って、微小な振動等が該自由液面6aに伝達されにくくなり、該自由液面6aでの振動による微小波が生じにくくなる。更に、液深が浅いことから大きな波は発生しにくい。従って、静止状態の安定性が向上する。
次に、前記傾斜角測定装置1が傾斜した場合(図5(B))、図示では右側が上昇した場合を示している。
該傾斜角測定装置1が傾斜することで、前記液体6は右から左へ流動する。
前記溝28には充分な前記液体6が貯溜されているので、前記中央部4a部分の液深が浅くても充分な液体の移動量が確保できる。更に、前記最深部28aから前記中央部4a迄は、前記凸曲面28bによってなだらかに連続しているので、前記液体6の移動は円滑に行われる。従って、該液体6の移動による液体自体の振動等は抑止される。
更に、傾斜による該液体6の流動は、前記中央部4aを乗越えて反対側の前記溝28に移動する。従って、前記中央部4aを乗越える過程で位置エネルギの消耗がある。
更に、前記液体6が最浅部を通過する際は、流路断面積の最小部分を通過することになり、流路断面積が一定の場合に比べ流速が増大する。前記中央部4aから粘性抵抗、剪断力を強く受けることに加え、流速の増大は、粘性抵抗の増大となり、前記液体6の運動エネルギが消耗される。
従って、前記傾斜角測定装置1が傾斜したことにより、前記液体6の流動が発生した場合、該液体6には減衰力が強く作用することになる。この為、液体の揺れ戻し等が抑止され、傾斜後、短時間で該液体6は安定し、測定が可能となる。
図6、図7は、溝28中に液体6の円滑な流動を抑止する為の、流れ抵抗要素31を、更に設けた場合を示している。該流れ抵抗要素31により、前記液体6の流動に対して一層抵抗を発生させることで、更に減衰効果を増大させている。
前記流れ抵抗要素31は、前記溝28と同心である円弧形状をしており、円周4分割した位置に突設されている。前記流れ抵抗要素31の断面形状は、前記溝28の最深位置を頂点とする略5角形となっている。前記流れ抵抗要素31の上面の中央には突起32が形成されている。又、前記流れ抵抗要素31は、前記液体6に完全に没する大きさとなっている。
前記溝28に前記流れ抵抗要素31が設けられることで、前記容器4が振動した場合に前記溝28中の前記液体6の円滑な流動が妨げられる。この為、前記容器4の振動に伴う波の形成が抑制され、且つ前記液体6の揺れが抑制され、傾斜角測定装置1による傾き検出の安定性が向上する。更に、前記容器4が傾斜した場合は、やはり前記流れ抵抗要素31が前記液体6の流動に対して抵抗となり、揺れ戻し等が抑止され、傾斜後、短時間で該液体6は安定し、測定が可能となる。
尚、前記流れ抵抗要素31は、前記液体6の流動に対して抵抗を与えればよく、形状は上記円弧状に限らない。例えば、円柱状の突起を所定間隔で設けてもよい。
図8、図9では、流動抑止板33を、更に追加した場合を示しており、該流動抑止板33は溝28を覆う様に設けられている。
前記流動抑止板33は中央部に円孔34を有し、全体形状としてリング形状となっている。前記流動抑止板33には突起32に対応する嵌合孔35が4箇所(円周4等分の位置)に設けられており、前記流動抑止板33は前記嵌合孔35が前記突起32に嵌合した状態で、取付けられる。
前記流動抑止板33が取付けられた状態では、該流動抑止板33は完全に液体6中に没しており、又傾斜角測定装置1が傾斜した状態でも前記流動抑止板33は露出しない様に構成されている。
該流動抑止板33には、前記嵌合孔35,35の間(円周4等分の位置)に内縁側から凸形状の欠切部36が形成されている。該欠切部36は、前記流動抑止板33が取付けられた状態で、中央部4aとの間に前記液体6が流出入する間隙37を形成する。
前記流動抑止板33が設けられることで、容器4の内部全体に亘って液浅部が形成され、前記液体6の表面に波が発生するのが防止され、更に前記傾斜角測定装置1が傾斜した場合、前記液体6は前記間隙37を通して流動するので、流動抵抗が大きく、減衰効果が発揮される。尚、前記流動抑止板33自体減衰効果があるので、流れ抵抗要素31を省略し、前記流動抑止板33のみを設けてもよい。
図10は、流動抑止板33の取付け状態を変更した、変形例を示している。
該変形例では前記流動抑止板33に形成した欠切部36の突出部位36aを突起32に嵌合可能とし、図8、図9で示した状態に対し、前記流動抑止板33を所要角度(図示では45゜)回転させて設けたものである。
前記突出部位36aを前記突起32に嵌合させることで、流れ抵抗要素31が前記欠切部36の位置となり、間隙37の実質的な開口面積が減少する。従って、より流動抵抗が増大し、減衰効果も増大する。又、嵌合孔35が全開され、該嵌合孔35からも液体6が流出入する為、流出入が分散され、該液体6の流動状態が平均化される。
如上の如く、本実施例では、減衰効果が大きいので、粘性の低い液体6を使用することが可能となる。粘性の低い該液体6を使用することは、追従性の向上に繋がり、前記傾斜角測定装置1を用いた測定装置での整準作業の作業性の向上が図れる。
従来のチルトセンサに用いられていた液体6の粘度としては、100cStであったが本実施例では、粘度が50cStの液体6を使用することができる。
更に又、粘性の低い該液体6を使用することができるので、緯度の高い寒冷地での効率のよい使用が可能となる。
図11は、振動環境下に於ける傾斜検出信号のエラー発生率を示している。傾斜検出信号は、前記受光素子16が出力する受光信号である。図11中、蓄積時間は、前記受光素子16が検出光を受光している時間(露光時間)を示している。
第1例は、図8、図9で示した傾斜角測定装置、第2例は、図10で示した傾斜角測定装置についてのエラー発生率を示している。又、第3例は、従来の傾斜角測定装置のエラー発生率を示している。
尚、図11中、第1例、第2例には50cStのシリコンオイルが用いられ、従来のチルトセンサでは100cStのシリコンオイルが用いられた場合を示している。
図11に示される様に、従来のチルトセンサでは、前記液体6(粘度:100cSt)の減衰状態から蓄積時間が30msに設定されており、この蓄積時間では、振動環境下に於いてエラー発生率は27%となっている。
これに対し、前記液体6の粘度を50cSt迄下げたにも拘らず、第1例、第2例では、振動環境下に於いてそれぞれ蓄積時間が42msでエラー発生率は25%、24%であり、蓄積時間が40ms以下であれば、従来のチルトセンサよりエラー発生率は低く、振動に対して良好な結果が得られている。
更に、第1例、第2例の蓄積時間とエラー発生率との関係から、蓄積時間を短くすると蓄積時間に対応してエラー発生率が小さくなっている。特に、蓄積時間を2msとした場合、エラー発生率はそれぞれ6%、3%であり、従来のチルトセンサと比べて大幅にエラー発生率が少なくなっている。又、蓄積時間を2msとした場合でも傾斜角測定が可能なことも確認されている。
従って、前記液体6の粘度を低くすることが可能となり、低温環境下でも傾斜角測定装置1の高応答性が得られる。高応答性を得る為に用いられる液体の粘度としては、40〜60cStが好ましい。
次に、図12(A)、図12(B)によりチルトパターンを説明する。
図12(A)はチルトパターンの一例のチルトパターン22aを示しており、図12(B)は他の例のチルトパターン22bを示している。
前記チルトパターン22aと前記チルトパターン22bのパターンは基本的には同一であり、パターンには、等間隔で所定ピッチで、行、列が形成され、行列の交点に矩形性状のパターン要素が配設され、該パターン要素は、行方向、列方向に漸次形状を変化させている。前記チルトパターン22bと前記チルトパターン22aとは外形形状は同じ(大きさは同じ)であり、前記チルトパターン22bは前記チルトパターン22aに対して、ピッチを大きくしている。
例えば、図示では、前記チルトパターン22bのピッチは、前記チルトパターン22aのピッチに対して26/18となっている。
前記チルトパターン22a、前記チルトパターン22bのいずれを選択するかは、傾斜角測定装置1が用いられる環境、用いられる液体6の粘性に対応して決定される。
例えば、高応答性が要求されない、振動の少ない環境で前記傾斜角測定装置1が使用される場合、或は粘性の高い前記液体6が用いられた場合では、微小振動(人が体感できない様な振動)に対する液面の揺れは少ないと考えられ、蓄積時間中に取得されるパターン像のブレは小さいと考えられ、前記チルトパターン22aが用いられる。
該チルトパターン22aは、パターンは緻密であるが、パターン像のブレが小さいので、パターン像の認識が可能であり、傾斜角測定が行える。又、前記チルトパターン22aはパターンが緻密であるので高解像度の像が得られる。
又、高応答性が要求される環境、更に高応答性に対応して粘性の低い前記液体6が用いられた場合、微小振動に対して液面も微小に揺れると考えられる。
この場合は、前記チルトパターン22bが用いられる。該チルトパターン22bに於いて、パターンのピッチを大きく(粗く)することで、パターン要素が微小に変位しても、隣接するパターン要素との重なりが避けられ、隣接するパターン要素からの判別が可能となり、パターン全体の認識が可能となる。
従って、画像処理によって、パターン全体の変位量を演算でき、傾斜角の測定が可能となる。
従って、パターン像の蓄積時間を短時間(例えば2ms)とし、粘性の低い前記液体6を選択し、チルトパターンとしてチルトパターン22bを選択することで、高応答性でエラー発生率の小さい前記傾斜角測定装置1を構成することができる。
又、前記チルトパターン22aについては、上記粗さに限定されるものではない。液面の微小振動に対するパターン像のブレに対して、パターン像が認識できるものであればよく、更にパターンはマトリックス形状に限らず、上下、左右対称の形状であればよい。
又、使用環境に対応させ、温度センサ18により取得した使用温度から、信号処理部20により蓄積時間を選択してもよい。即ち、温度による前記液体6の粘性変化を考慮して、予め蓄積時間とエラー発生率のデータを取得し、想定した使用環境で要求される測定精度を満足するエラー発生率となる様、蓄積時間を設定する。
更に上記した様に、容器4に溝28を形成し、該溝28に流れ抵抗要素31を設け、更に流動抑止板33を設ける等し、前記容器4に前記液体6の振動抑止機能、振動減衰機能を付加することで、高応答性で而も安定性の高い傾斜角測定装置を構成することができる。
1 傾斜角測定装置
3 サポートブロック
4 容器
4a 中央部
6 液体
6a 自由液面
14 1/4λ板
15 偏光ビームスプリッタ
16 受光素子
18 温度センサ
20 信号処理部
22 チルトパターン
24 偏光板
25 LED光源
28 溝
31 流れ抵抗要素
33 流動抑止板
36 欠切部

Claims (5)

  1. 自由液面を形成する液体が封入された円盤状の容器と、前記自由液面に検出光を入射させる発光源と、前記自由液面で反射した検出光を受光する受光素子と、該受光素子からの検出信号に基づき前記自由液面の傾斜を検出する信号処理部とを有する傾斜角測定装置であって、
    前記検出光の光路中にチルトパターンを具備し、チルトパターン像が前記自由液面に投影され、前記受光素子は、前記自由液面で反射した該チルトパターン像を受光し、該チルトパターン像の変位に基づき前記自由液面の傾斜が検出され、前記チルトパターンは前記自由液面の微小振動により前記チルトパターン像のブレが生じた場合に、該チルトパターン像が認識できる粗さを有し、
    前記信号処理部は、検出信号のエラー発生率が所定値となる様、前記受光素子の検出光蓄積時間を設定する傾斜角測定装置。
  2. 前記容器は底部に、該容器の中心と同心に形成された溝と、前記容器の中心に形成され、前記溝より隆起した中央部とを有し、前記液体は前記溝を充填し、前記中央部で最浅部を形成する様に貯溜された請求項1に記載の傾斜角測定装置。
  3. 前記溝に流れ抵抗要素を等間隔で複数突設し、該流れ抵抗要素は、前記液体中に没する様構成された請求項2に記載の傾斜角測定装置。
  4. 前記流れ抵抗要素は、円弧状であり、上面が平らとなっている請求項3に記載の傾斜角測定装置。
  5. 前記流れ抵抗要素の上に、前記溝を覆うリング状の流動抑止板が設けられ、該流動抑止板の内縁には等間隔で複数の欠切部が形成され、前記流動抑止板は、前記液体中に没する様になっている請求項3又は請求項4に記載の傾斜角測定装置。
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