JPH05203447A

JPH05203447A - 傾斜計

Info

Publication number: JPH05203447A
Application number: JP3868892A
Authority: JP
Inventors: Yasuhito Sugiura; 康仁杉浦
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 1992-01-29
Filing date: 1992-01-29
Publication date: 1993-08-10

Abstract

(57)【要約】【目的】加速下や慣性力及び振動等の影響に対しても
高精度に傾斜角度を測定し得る傾斜計を提供すること。【構成】赤外線を放射する赤外線発光体２と、この赤
外線発光体２を覆う透明なドーム状部材３とを設け、こ
のドーム状部材３と赤外線発光体２との間に，上記赤外
線の透過を許容する所定量のガス体４と当該ガス体４を
常に垂直上方向に押し上げるための着色された液体層５
とをそれぞれ封入している。そして、ガス体４における
赤外線の透過先に，結像用レンズ６を介して対向配置さ
れ該ガス体４を透過した赤外線の光スポットを受光する
２次元ＰＳＤプレート７を備え、更に、この２次元ＰＳ
Ｄプレートと７の出力により上記赤外線の光スポットの
当該２次元ＰＳＤプレート７上の入射位置を演算する演
算回路９を備え、この演算回路の出力信号に基づき傾斜
角度を計測する距離演算回路８を装備している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、傾斜計に係り、特に、
地球重心に対する傾斜角度を検出する傾斜計に関する。

【０００２】

【従来技術】従来の傾斜計としては、計測器の内部で
傾斜状態によりスムーズに傾くように取り付けられたオ
モリを元の水平状態に戻すようにする機構をつけたバラ
ンス方式により、傾いたときのオモリの状態を元の状態
に戻すために必要な機構に流れる電流値等を計測する方
式のもの。間接的に振動ジャイロを用いて傾いた時の
角速度を計測し、その値を積分回路に入力して、角度を
計測する方式のものがある。

【０００３】また、水平方向のバランスの状態を把握す
る傾斜計としては、図９に示すように、ｘ軸を水平軸と
したときの傾きを計測するセンサ８１と，ｙ軸を水平軸
としたときの傾きを計測するセンサ８０とをそれぞれ設
け、これらのセンサ８１，８０を互いに直角交差するよ
うに土台９０上に配設したもの等がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしなら、上記従来
例のの方式にあっては、基本的にオモリの慣性力が傾
くため、高周波の振動的な傾き現象には計測分解能の精
度が低くなるという不都合があった。一方上記従来例の
の方式にあっては、積分処理回路により値は積分され
たものであるため、精度が比較的に悪く、また、この誤
差が蓄積していきやすく、更にと同様にセンサに使用
されるロータの質量等により精度が決まってしまうとい
う不都合があった。

【０００５】また、，の方式とも一方向の傾きしか
計測できず、水平のバランスの状態を把握するには、前
述したように２つのセンサが必要である。このことは、
製作時の工程数の軽減化及び部品点数の削減化、更に
は、配置スペースの小規模化に支障を来すという不都合
があった。

【０００６】

【発明の目的】本発明の目的は、かかる従来例の有する
不都合を改善し、特に、加速下や慣性力及び振動等の影
響に対しても高精度に傾斜角度を測定し得る傾斜計を提
供することを、その目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明では、赤外線を放
射する赤外線発光手段と、この赤外線発光手段を覆う透
明なドーム状部材とを設け、このドーム状部材と赤外線
発光手段との間に，上記赤外線の透過を許容する所定量
の気体層と当該気体層を常に垂直上方向に押し上げるた
めの着色された液体層とをそれぞれ封入している。そし
て、気体層における赤外線の透過先に，結像用レンズを
介して対向配置され該気体層を透過した赤外線の光スポ
ットを受光するＰＳＤプレートを備え、更に、このＰＳ
Ｄプレートの出力により上記赤外線の光スポットの当該
ＰＳＤプレート上の入射位置を演算する演算回路を備
え、この演算回路の出力信号に基づき傾斜角度を計測す
る距離演算回路を装備している。これによって前に述べ
た目的を達成しようとしている。

【０００８】

【作用】まず、傾斜計本体が任意の方向に傾斜すると、
気体層がドーム状部材内の垂直上方位置に移動する。す
ると、赤外線発光手段から放射される一部の赤外線は気
体層に追従し、ドーム状部材の垂直上方位置に照射され
る。この照射された赤外線は、結像レンズを介してＰＳ
Ｄプレート上の任意の位置に光スポットとして受光され
る。すると、ＰＳＤプレートは、上記光スポットの入射
位置に応じた電気信号を出力する。この信号に基づき演
算回路では、赤外線の光スポットのＰＳＤプレート上の
入射位置を演算する。次に、距離演算回路では、前記演
算回路からの出力信号に基づき傾斜角度を計測する。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１ないし図８に
基づいて説明する。

【００１０】図１は、本発明の一実施例の一部省略した
断面図を示す。この図１に示す実施例の傾斜計１は、赤
外線を放射する赤外線発光手段としての赤外線発光体
（ＬＥＤ等）２と、この赤外線発光体２を覆う透明なド
ーム状部材３とを設け、このドーム状部材３と赤外線発
光体２との間に，上記赤外線の透過を許容する所定量の
気体層としてのガス体４と当該ガス体４を常に垂直上方
向（図１に示す上方向）に押し上げるための着色された
液体層５とをそれぞれ封入している。そして、ガス体４
における赤外線の透過先に，結像用レンズ６を介して対
向配置され該ガス体４を透過した赤外線の光スポットを
受光するＰＳＤプレートとしての２次元ＰＳＤプレート
７を備え、更に、この２次元ＰＳＤプレートと７の出力
により上記赤外線の光スポットの当該２次元ＰＳＤプレ
ート７上の入射位置を演算する演算回路９（図５参照）
を備え、この演算回路の出力信号に基づき傾斜角度を計
測する距離演算回路８（図５参照）を装備している。

【００１１】これを更に詳述すると、赤外線発光体２
は、土台１０における上部の略中央部に配置されてお
り、防水性を有するＬＥＤ等から形成されている。ま
た、この赤外線発光体２の周囲には、該赤外線発光体２
を覆うようにしてドーム状部材３が土台１０に装着され
ている。このドーム状部材３は、透明なガラスやプラス
チック等により形成されてる。更に、ドーム状部材３の
端部３Ａは土台１０の上部に隙間なく密着された状態に
なっている。

【００１２】このドーム状部材３と赤外線発光体２との
間に、上記したガス体４と液体層５とが封入され密閉さ
れた状態になっている。このうち、ガス体４としては、
空気やＮ2 等のように液体に混入しにくいものが使用さ
れている。そして、このガス体４は、液体層５に対する
浮力よって常にドーム状部材３の垂直上方位置にくるよ
うになってる。したがって、傾斜計１が任意の方向に傾
斜した場合でも、ガス体４を透過した赤外線のスポット
は、常にドーム状部材３の垂直上方位置に向けて照射さ
れるようになっている。

【００１３】また、ガス体４における赤外線の透過先，
すなわち，ドーム状部材３の上側には、結像用レンズ６
を介して対向配置され該ガス体４を透過した赤外線の光
スポットを受光する２次元ＰＳＤプレート７が本体（傾
斜計１）と平行になるように配置されている。この２次
元ＰＳＤプレート７は、後述する半導体位置検出素子か
ら形成されており、受光した赤外線を光電変換し、図示
しない電極より出力するようになっている。ここで、上
記の結像用レンズ６は、ガス体４を透過した赤外線をス
ポットとして２次元ＰＳＤプレート７上に結像するため
のものである。

【００１４】演算回路９は、２次元ＰＳＤプレート７か
らの出力信号により赤外光の当該ＰＳＤプレート７上の
入射位置を演算するものである。

【００１５】距離演算回路８は、演算回路からの出力を
受け、ガス体４を透過した赤外線の光スポットが２次元
ＰＳＤプレート７の原点７Ａ（図２参照）からどの方向
にどれだけずれたかを演算し、本体（傾斜計１）におけ
る傾斜角度を計測するものである。

【００１６】ここで、図３ないし図５を参照しつつ、Ｐ
ＳＤの構造と傾斜角度の計測原理及び演算回路９，距離
演算回路８の具体的構成を説明する。

【００１７】図３に示すように、ＰＳＤ（半導体位置検
出素子）は、平板状のシリコンの表面にＰ層，裏面にＮ
層，そして中間にＩ層の３層から構成されている。。こ
のＰＳＤに光スポットが入射すると、入射位置には光エ
ネルギに比例した電荷が発生し、発生した電荷は光電流
として抵抗層（図３の場合はＰ層）を通り、電極より出
力される。抵抗層は全体に均一な抵抗値を持つように作
られているので、、光電流は電極までの距離，すなわち
抵抗値に逆比例して分割され、取り出される。ここで、
電極間の距離をＬ，光電流をＩ₀ ，各電極から取り出さ
れる電流をＩ₁，Ｉ₂ とすれば、ＰＳＤの中心を原点と
して、つぎの関係式が求められる。

【００１８】（Ｉ₂−Ｉ₁）／（Ｉ₂＋Ｉ₁）＝２_XA ／Ｌ …………

【００１９】従って、各電極から取り出される電流
Ｉ₁，Ｉ₂の差と和の比を求めることにより、式により
入射光エネルギとは無関係に、光の入射位置が求められ
る。

【００２０】同様に、２次元ＰＳＤの場合、図４に示す
ように、各電極から得られる出力信号（光電流）を、Ｘ
₁，Ｘ₂，Ｙ₁，Ｙ₂とし、光スポットの位置座標をｘ，ｙ
とすると、次の関係式が成立する。

【００２１】（Ｘ₂−Ｘ₁）／（Ｘ₂＋Ｘ₁）＝２ｘ／Ｌ ……………

【００２２】（Ｙ₂−Ｙ₁）／（Ｙ₂＋Ｙ₁）＝２ｙ／Ｌ ……………

【００２３】演算回路９は、上記は，式を利用して
２次元ＰＳＤプレート７について、２ｘ／Ｌ，２ｙ／Ｌ
をｘ軸，ｙ軸出力として取り出し、距離演算回路８に送
出する回路であり、図５のような構成となっている。こ
の図５において、符号９Ａはアンプを示し、符号９Ｂ，
９Ｃは加算回路を、符号９Ｄ，９Ｅは減算回路を、符号
９Ｆ，９Ｇはバッググランド除去等を行なう補正回路，
符号９Ｈ，９Ｉは除算回路をそれぞれ示す。

【００２４】距離演算回路８では、上記の演算回路９か
らのｘ軸，ｙ軸の信号出力により図２に示すように一次
元のある値Ｘ_A が求まれば、次の式，［tanθ_X＝Ｘ_A／
ｈ＝２次元ＰＳＤプレート７の中心（原点）７Ａから輝
点７Ｂまでの水平方向の距離／赤外線発光体中心２Ａか
らＰＳＤプレート７までの鉛直方向の距離］ゆえに［θ
_X＝tan^-1・Ｘ_A／ｈ］によりｘ軸方向の傾きθ_Xを求め
る。同様にｙ_Aが求まればθ_yも求まる。これによって、
ｘ軸，ｙ軸の傾き（θ_X，θ_y）を計測することができ
る。

【００２５】次に、上述のようにして構成された本実施
例の全体的動作を説明する。

【００２６】まず、始めに図１に示すように傾斜計１の
ｘ軸，ｙ軸（図示せず）とも水平になるように設定す
る。すると、このとき２次元ＰＳＤプレート７の中心７
Ａに輝点７Ｂができ、これが原点である。この原点は、
本実施例の傾斜計１のゼロ点状態（水平状態）を示すも
のである。次に、傾斜計１がｘ軸もしくはｙ軸に対して
傾斜した場合図２に示すようにガス体４の位置がドーム
状部材３の中でずれる。このとき、ドーム状部材３から
発光する光（ガス体４を透過した赤外光）は、着色され
た液体層５の影響が少ない部分，すなわち，ガス体４の
部分が一番輝度が強くなり、この点は常に水平に対して
鉛直方向に向かう光である。

【００２７】具体的には、赤外線発光体２より放射され
た赤外線は、着色された液体層５を通り外へ発光され
る。しかし、ガス体４を透過する赤外線は、液体層５を
通過する赤外線に比べて次の理由で強い発光になる。
気体層（ガス体）４の凸レンズ作用。図８に示すよう
に液体層５を通過する距離が短かいため赤外線の吸収率
が低い（図８において符号Ｈ₁は、液体層５とガス体４
とを透過すする赤外線の距離を示し、符号Ｈ₂は液体層
５のみを通過する赤外線の距離を示している）。そし
て、これらの符号の関係は、Ｈ₁＜Ｈ₂である。また、図
２に示す符号Ｅは強い赤外線の透過光を示し、符号Ｓは
弱い赤外線の透過光を示している。

【００２８】本体（傾斜計１）と２次元ＰＳＤプレート
７とは、平行に取付けられており、この傾斜計１を取付
けた車体等（図示せず）が傾くと、ガス体４の現位置が
ずれ、２次元ＰＳＤプレート７における赤外線の入射光
の位置もかわる。すると、該ＰＳＤプレート７は、その
赤外線の光スポットの入射位置に応じた電気信号
（Ｘ₁，Ｘ₂，Ｙ₁，Ｙ₂）を出力する。この信号に基づき
演算回路９では、前述したようにして入射した光スポッ
トの当該２次元ＰＳＤプレート７上の入射位置（ｘ，
ｙ）を演算する。次に距離演算回路８では、この演算回
路９の出力に基づきｘ軸，ｙ軸方向の傾き，すなわち，
（θ_X，θ_y）を計測する。

【００２９】以上説明したように、本実施例によると、
ガス体４の動きに追従する赤外線における光スポットの
動きを計測するため、従来例のよなロータやオモリ等を
使用したものとは異なり、機構的な駆動部を不要にする
ことができる。このため、加速下や慣性及び振動等の影
響に対して強く，かつ，その環境下でも精度よい計測結
果を得ることができる。また、１つのセンサ（傾斜計）
で同時にｘ，ｙ方向の２次元の傾斜が計測できる。

【００３０】更に、本実施例に使用されるＰＳＤは、フ
ォトダイオードアレイやＣＣＤなどの撮像素子と異なり
絵素間の不感部がなく連続した位置信号を出力するた
め、高精度計測（位置分解能１／５０００）が行なえる
と共に、光スポットの輝度レベルを含めた３次元の重心
位置を検出するので多少フォーカスがずれても正確な計
測ができる（図６参照）。このため、高精度，高速応答
のセンサ（傾斜計）を提供することができる。

【００３１】また、駆動部が無く、部品点数が少ないた
め、機械的強度に強い。更に、キャリブレーション（水
平位置検出）は、電流値が（０，０）になるところであ
るので修正が他の水平基準器を使用せず簡単にできる。
製作時の基準水平が絶対的な水平となり、精度が良い。

【００３２】ここで、本実施例における赤外線発光体及
びドーム状部材の構成としては、濃色の着色水を使用し
た場合や赤外線発光体（ＬＥＤ）のもともとの輝度が小
さい場合、図７に示すようにドーム状部材３の中の防水
性の赤外線発光体２Ａの一部が常に着色された液体層５
Ａの表面上に露出するように構成しても前述した効果を
得ることができる。

【００３３】

【発明の効果】本発明では、以上のように構成され機能
するので、これによると、気体層の動きに追従する赤外
線における光スポットの動きを計測するため、従来例の
よなロータやオモリ等を使用したものとは異なり、機構
的な駆動部を不要にすることができる。このため、加速
下や慣性及び振動等の影響に対して強く，かつ，その環
境下でも精度のよい計測結果を得ることができるという
従来にない優れた傾斜計を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を説明する一部省略した断面
図である。

【図２】図１に示す実施例の傾斜した状態を説明する図
である。

【図３】１次元ＰＳＤの構造及び位置検出原理を説明す
るための図である。

【図４】２次元ＰＳＤの位置検出原理を説明するための
図である。

【図５】図１の実施例に使用される演算回路の一部の具
体的構成例を示すブロック図である。

【図６】ＰＳＤの性能を説明するグラフである。

【図７】本発明における他の実施例を説明する図であ
る。

【図８】赤外線の液体層通過距離を説明する図である。

【図９】従来例を説明する図である。

【符号の説明】

１傾斜計２赤外線発光手段としての赤外線発光体３ドーム状部材４気体層としてのガス体５液体層６結像用レンズ７ＰＳＤプレートとしての２次元ＰＳＤプレート８距離演算回路９演算回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】赤外線を放射する赤外線発光手段と、こ
の赤外線発光手段を覆う透明なドーム状部材とを設け、
このドーム状部材と前記赤外線発光手段との間に，前記
赤外線の透過を許容する所定量の気体層と当該気体層を
常に垂直上方向に押し上げるための着色された液体層と
をそれぞれ封入し、前記気体層における赤外線の透過先
に，結像用レンズを介して対向配置され当該気体層を透
過した前記赤外線の光スポットを受光するＰＳＤプレー
トを装備し、このＰＳＤプレートの出力により前記赤外
線の光スポットの当該ＰＳＤプレート上の入射位置を演
算する演算回路を備え、この演算回路の出力信号に基づ
き傾斜角度を計測する距離演算回路を装備したことを特
徴とする傾斜計。