JPH09250923A - 一軸水平センサ - Google Patents

一軸水平センサ

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JPH09250923A
JPH09250923A JP8059186A JP5918696A JPH09250923A JP H09250923 A JPH09250923 A JP H09250923A JP 8059186 A JP8059186 A JP 8059186A JP 5918696 A JP5918696 A JP 5918696A JP H09250923 A JPH09250923 A JP H09250923A
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英雄 尾川
Norihisa Terachi
憲久 寺地
Kazuhide Terauchi
一秀 寺内
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 誤差要因を解消し、高い分解能と再現性及び
安定検出を高め、傾斜角度ゼロの高い水平度を、姿勢制
御により確保できるところの一軸水平センサを提供す
る。 【解決手段】 水平中心軸直角断面形状を円形とした立
体的面粗度の高い内周壁面の囲壁と、密閉用端板13とで
形成した絶縁材料からなる電極保持体1 に、垂直線V と
一致する位置に貫通突設するコモン電極2 と、該コモン
電極2 の左右対称位置においてコモン電極2 よりも高く
突出し且つ表面積を均一とした周囲電極3 とを貫設する
とともに、電極配設室部11内へ、気泡5 及び電極相互間
のインピーダンスが水平状態において所定値となる比率
に混合された電解液4 とを、コモン電極2 が常に電解液
4 に浸漬し気泡5 に触れず、また水平状態において周囲
電極3 が気泡5 に触れない状態に封入した構成。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、容器内に液体と気
泡を封入し、該封入された気泡の位置を電気的信号によ
り検出して水平度を確認する一軸水平センサに関するも
ので、機械、機器の自動整準、水準装置、角度計、測量
器、測定器、航空機、船舶、鉄道車両、自動車、その他
高精度の水平度が要求される対象物、場所において使用
される。
【０００２】
【従来の技術】従来のこの種の一軸水平センサには、 １）図５に示すように、ガラス管(g) を一軸方向に湾曲
させた形状とし、該ガラス管(g) の下部中心位置にコモ
ン電極板(h) を、また上部中心より左右対称位置の二か
所に対応電極板(i) をそれぞれ設け、該ガラス管(g) の
内部には、表面張力の大きい電解液(j) と気泡(k) と
が、角度測定可能範囲においてコモン電極板(h) 及び対
応電極板(i) の一部が気体(k) に接触するように封入さ
れた構成もの。 ２）一軸の傾斜気泡管において、その気泡の位置を光学
的に検出するようにした構成もの。 ３）作動トランスを用いて、インダクタンスのバランス
変化を検出するようにした構成のもの。 ４）静電容量の大きさに対応する出力信号を演算回路に
入力して、容器傾斜及び角度に変換するようにした構成
のもの（例えば、特開平３−１４２３１５号公報）。 等が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記、１）の一軸水平
センサは、傾斜角度ゼロの水平姿勢制御を目的とするも
のであるが、電解液に対して各電極板の接触度が小さい
ことから、リピータビリティー（繰り返し精度、ヒステ
リシス等）に影響があるだけでなく、ガラス管を用いた
構成上、測定すべき軸方向以外の僅かな傾斜、センサの
周囲温度の変化による電解液の膨張、収縮による電極板
への電解液の接触量の変化、電解液の表面張力による接
触面の不安定化等が、精度誤差や再現性の誤差の要因と
なり、また電解液の表面張力が大きいために応答速度が
遅く、振動などにより気泡が分割する現象を生じ、大き
な誤差を生じる危険性を含み、さらに構造上取付けが困
難である等の理由から、高精度を確保するセンサとして
使用することができない点に課題がある。
【０００４】また、２）の一軸水平センサは、温度変化
による気泡の外形変化による誤差や、光学的なセンサに
依存するために光学センサの誤差の影響があり、３）、
４）のセンサも同様に外部検出素子の依存度が高く誤差
要因が大きくなる点に解決すべき課題があった。
【０００５】本発明は、誤差要因を解消し、高い分解能
と再現性及び安定検出を高め、傾斜角度ゼロの高い水平
度が、姿勢制御により確保できるところの一軸水平セン
サを提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の一軸水平センサ
は、垂直線上の点を中心とする所定半径で且つ該垂直線
で二等分される円弧線を、該円弧線の垂直線上半径と直
交する水平中心軸の回りに回転することにより得られる
回転体形状であって、前記水平中心軸の直角断面形状を
円形とした立体的面粗度の高い内周壁面の囲壁と、その
両端開口部を閉塞する密閉用端板とで、電解液と気泡を
封入する電極配設室を形成した絶縁材料からなる電極保
持体に、前記垂直線と一致する位置に電極配設室内の径
方向へ貫通突設するコモン電極と、該コモン電極を中心
として水平中心軸に沿う左右対称位置において前記コモ
ン電極よりも電極配設室内の径方向へ高く突出し且つ表
面積を均一とした周囲電極とを、それぞれ液密状態で貫
設し、前記電極配設室内には、気泡及び表面張力が小さ
く電極相互間のインピーダンスが水平状態において所定
値となる比率に混合された電解液とが、前記コモン電極
が常に電解液に浸漬して気泡に触れず、また水平状態に
おいて周囲電極も気泡に触れない状態でそれぞれ封入さ
れていることを特徴とする構成である。
【０００７】なお、コモン電極及び周囲電極としては、
18K(Au) 等のイオン化傾向の低い金属材料の表面を研磨
して表面積を均一として使用し、電解液としては、溶媒
として精製水、溶質として硫酸マグネシウム、溶液とし
て無水メタノール、無水エタノールのいずれかを、電極
相互間インピーダンスが40〜50 KΩ程度となる比率で混
合し、表面張力を小さく、沸点を高く又凝固点を低くし
たものを用い、さらに前記電極配設室の内周壁面の面粗
度は、JIS Rmax 0.2S 以下とすることが、誤差要因を解
消し、高い分解能と再現性及び安定検出を高める上で最
適であるが、これらに限定されるものではない。
【０００８】上記のように構成した本発明に係る一軸水
平センサは、傾斜角度ゼロ（完全水平の状態）における
電極配設室中心と内周壁面の円弧線の半径中心とを結ぶ
垂直線であって、前記円弧線を水平中心軸の回りに回転
することにより形成される曲面の鉛直下に位置するコモ
ン電極とその左右の周囲電極の内、前記コモン電極が常
に電解液に浸漬し気泡に触れず、また水平状態において
周囲電極が気泡に触れない状態で、表面張力が小さく電
極相互間のインピーダンスが所定値となる比率に混合さ
れた電解液中に常に浸漬され、傾斜角度の存在により気
泡が電極配設室の内面を形成する曲面に沿って変位した
場合には、気泡の位置により、電極相互間のインピーダ
ンスが変化するようになり、この変化を直接電気信号に
変換し角度情報信号としてアナログ信号で出力すること
ができ、これに基いてアナログ信号がゼロとするように
モータ駆動等を制御して、傾斜角度ゼロの精度の高い水
平度を得るために使用することが可能となる。
【０００９】特に、電極配設室の内壁が、垂直線上の点
を中心とする所定半径で且つ該垂直線で二等分される円
弧線を、垂直線と直交する水平中心軸の回りに回転する
ことにより得られる形状であって、水平中心軸直角断面
形状を円形とした立体的面粗度の高い内周壁面の囲壁と
したため、測定すべき一軸水平以外の傾斜に対して、測
定誤差の要因が解消され、またコモン電極が気泡に触れ
ることなく電解液に常に浸漬し、また水平状態において
周囲電極が気泡に触れない状態として、気泡の位置変位
によって生じる電極間のインピーダンスの変化を立体的
に検出することから、角度情報出力が高くなり、また周
囲温度の変化によって生じる電解液の膨張、収縮、表面
張力等の物理的変化による出力変動誤差が極めて小さく
なって、高い精度及び再現性が確保できるようになる。
【００１０】
【発明の実施の形態】及び
【実施例】
（実施例）図１は本発明の実施例に係る一軸水平センサ
(S) の長手方向垂直断面図、図２は一軸水平センサ(S)
の断面図、図２は図１のＡ−Ａ線における断面図、図３
は一軸水平センサ(S) の側面図であって、電極保持体
(1) と、一本のコモン電極(2) 、二本の周囲電極(3) 及
び前記電極保持体(1) 内に封入される電解液(4) と気泡
(5) とから構成されている。
【００１１】前記電極保持体(1) は、絶縁材料としてポ
リカーボネイトを使用して断面略八角形の筒状であって
両端開口の電極配設室(11)を形成した電極配設室形成主
体(12)と、同じくポリカーボネイトで形成した二個の密
閉用端板(13a) 、(13b) とで形成されている。
【００１２】前記電極配設室形成主体(12)の電極配設室
(11)の内壁面は、中心を通る垂直線(V) 上の点(P) を中
心とする大きな曲率の半径（100mm ）で且つ該垂直線
(V) で二等分される円弧線(AL)を、該円弧線(AL)の垂直
線(V) 上半径と直交する水平中心軸(H) の回りに回転す
ることにより得られる回転体形状であって、図３の側面
図に破線で示すように電極配設室(11)は水平中心軸直角
断面が円形( 最大部分直径６mm) に形成されており、そ
の内壁面の立体的面粗度がJIS Rmax 0.2S 以下に製作さ
れ、両端開口部には密閉用端板(13a) 、(13b) を液密状
態に組込むための密閉用座グリ(14)が形成されている。
【００１３】また電極配設室形成主体(12)には、その水
平中心軸(H) を含む水平面と平行であり且つ略八角形の
一つの面である水平精度を高くした水平底面(B) であっ
て前記垂直線(V) が通る位置に、コモン電極固定用孔(1
5)が、そしてこれを中心として水平中心軸(H) 下の左右
対称位置に周囲電極固定用孔(16)が、それぞれ電極配設
室(11)の径方向に貫設されている。
【００１４】さらにポリカーボネイトで形成した二個の
密閉用端板(13a) 、(13b) は、電極配設室形成主体(12)
の密閉用座グリ(14)部に固定するものであり、これには
電解液(4) と気泡(5) を封入するための封入用孔(17)が
貫設されており、該封入用孔(17)は、電解液(4) と気泡
(5) を封入した後、封入栓体(18)を嵌合し溶着手段等に
より液密に封栓される。
【００１５】そして一本のコモン電極(2) 及び二本の周
囲電極(3) は、イオン化傾向の低い金属材料である１８
K(Au) を使用し、直径0.6mm で表面が均一に研磨された
ものであり、コモン電極(2) は電解液(4) とともに封入
される気泡(5) に触れることなく常に電解液(4) に浸漬
する長さで、また周囲電極(3) は電極配設室(11)の直径
線上の内壁面に可能な限り接近する長さで、それぞれ電
極配設室(11)に突出し、それぞれの電極後端部は水平底
面(B) へ突出するように、前記電極配設室形成主体(12)
の水平底面(B) に貫設したコモン電極固定用孔(15)と周
囲電極固定用孔(16)に立設固定される。
【００１６】電解液(4) は、表面張力を小さく、沸点を
高く又凝固点を低くするために、溶媒として精製水、溶
質として硫酸マグネシウム、溶液として無水メタノー
ル、無水エタノールのいずれかを、電極相互間インピー
ダンスが40〜50 KΩ程度となる比率で混合したものであ
り、その封入量は封入される気泡(5) にコモン電極(2)
が触れることなく常に浸漬する量であり、気泡(5) は水
平状態において周囲電極(3) に触れない空気量であっ
て、それぞれ封入用孔(17)から封入され、封入用孔(17)
は封入後に封入栓体(18)で液密に封栓される。
【００１７】上記実施例の一軸水平センサ(S) による、
気泡(5) の位置を直接電気信号に変換する手段として
は、例えば、図４のセンサアップの説明図に示すよう
に、交流を発振器OSC で所定の４KHz の基本パルスに構
成し、分周器F/F でデューティ50％の２KHz のパルスと
し、このパルスをバッファアンプSP1 とその逆相パルス
のバッファアンプSP2 により本発明の係る一軸水平セン
サ(S) の周囲電極(3) に印加し、これから情報を引き出
すために、コモン電極(2) から信号増幅回路AMP1に信号
を引き込み、その出力を可変抵抗VR1 によりゼロドリフ
ト修正機能を有する増幅回路AMP2を介してアナログスイ
ッチMPに引き込むとともに、前記分周器F/Fからの同期
信号をアナログスイッチに引き込み、該アナログスイッ
チにおいて同期したアナログ信号をサンプル＆ホールド
回路SH1 を介して増幅器AMP3に送り、該増幅器AMP3にお
いて傾斜に応じた所定のアナログ信号を出力する手段を
採用することができるが、これに限定されるものではな
く、公知の変換手段に置換できることはいうまでもな
い。
【００１８】そして本発明の一軸水平センサは、水平に
設置することが要求される装置、機器等の平面に固定
し、従来の手法と同様のメカニカル制御手段、例えば、
信号変換器で変換されたデジタル信号によって、傾斜を
変更調整するための各モータを回転させ、この回転を直
線運動に変換してセンサ取付け面の傾斜を変化させ、ア
ナログ出力がゼロとなるように制御するように使用す
る。なお、本発明の一軸水平センサの二個を水平直角交
叉状態で使用することにより、二軸水平センサとして水
平を得ることにも使用することができる。
【００１９】
【発明の効果】上記のように構成した本発明に係る一軸
水平センサは、傾斜角度ゼロ（完全水平の状態）におけ
る、電極配設室中心と内周壁面の円弧線の半径中心とを
結ぶ垂直線であって、前記円弧線を水平中心軸の回りに
回転することにより形成される回転体形状の内曲面の鉛
直下に位置するコモン電極とその左右の周囲電極の内、
前記コモン電極が常に電解液に浸漬し気泡に触れず、ま
た水平状態において周囲電極が気泡に触れない状態で、
表面張力が小さく電極相互間のインピーダンスが所定値
となる比率に混合された電解液中に常に浸漬されている
から、傾斜角度の存在により電極配設室の内面を形成す
る曲面に沿って気泡が変位した場合には、気泡の位置に
よって電極相互間のインピーダンスが変化するようにな
り、この変化を直接電気信号に変換し角度情報信号とし
てアナログ信号で出力し、該アナログ信号を利用してメ
カニカル制御手段により、これに基いてアナログ信号が
傾斜角度ゼロ（完全水平の状態）とする水平制御を実行
し、傾斜角度ゼロの精度の高い水平度が得られる。
【００２０】特に、電極配設室の内壁が、垂直線上の点
を中心とする所定半径で且つ該垂直線で二等分される円
弧線を、垂直線と直交する水平中心軸の回りに回転する
ことにより得られる回転体形状であって、水平中心軸直
角断面形状を円形とした立体的面粗度の高い内周壁面の
囲壁としたことにより、測定すべき一軸水平以外の傾斜
に対して測定誤差の要因が解消され、またコモン電極が
気泡に触れることなく電解液に常に浸漬するとともに、
水平状態において周囲電極が気泡に触れない状態とした
から、気泡の位置変位によって生じる電極間のインピー
ダンスの変化を立体的に検出することが可能となって角
度情報出力が高くなる。
【００２１】また電解液として、表面張力を小さく、沸
点を高く又凝固点を低くするために、溶媒として精製
水、溶質として硫酸マグネシウム、溶液として無水メタ
ノール、無水エタノールのいずれかを、電極相互間イン
ピーダンスが40〜50 KΩ程度となる比率で混合したもの
を使用し、電極配設室の内面の立体的面粗度を高くした
ことにより、周囲温度の変化によって生じる電解液の膨
張、収縮、表面張力等の物理的変化による出力変動誤差
が極めて小さく、高い精度及び再現性が確保でき、使用
対象機器の姿勢を精度の高い傾斜角度ゼロの状態（完全
水平）にすることが達成できる。
【００２２】よって、機械、機器の自動整準、水準装
置、角度計、測量器、測定器、航空機、船舶、鉄道車
両、自動車、その他高精度の水平度が要求される分野に
最適の一軸水平センサを安価に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る一軸水平センサの長手方
向垂直断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線における断面図である。
【図３】本発明の実施例に係る一軸水平センサの側面図
である。
【図４】本発明の実施例に係る一軸水平センサを使用す
る場合のセンサアップの説明図である。
【図５】従来の一軸水平センサの一例を示す断面図であ
る。
【符号の説明】
(1) 電極保持体 (2) コモン電極 (3) 周囲電極 (4) 電解液 (5) 気泡 (11) 電極配設室 (12) 電極配設室形成主体 (13a)、(13b) 密閉用端板 (14) 密閉用座グリ (15) コモン電極固定用孔 (16) 周囲電極固定用孔 (17) 封入用孔 (18) 封入栓体 (V) 垂直線 (P) 点 (AL) 円弧線 (H) 水平中心軸 (B) 水平底面

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 垂直線上の点を中心とする所定半径で且
    つ該垂直線で二等分される円弧線を、該円弧線の垂直線
    上半径と直交する水平中心軸の回りに回転することによ
    り得られる回転体形状であって、前記水平中心軸の直角
    断面形状を円形とした立体的面粗度の高い内周壁面の囲
    壁と、その両端開口部を閉塞する密閉用端板とで、電解
    液と気泡を封入する電極配設室を形成した絶縁材料から
    なる電極保持体に、前記垂直線と一致する位置に電極配
    設室内の径方向へ貫通突設するコモン電極と、該コモン
    電極を中心として水平中心軸に沿う左右対称位置におい
    て前記コモン電極よりも電極配設室内の径方向へ高く突
    出し且つ表面積を均一とした周囲電極とを、それぞれ液
    密状態で貫設し、前記電極配設室内には、気泡及び表面
    張力が小さく電極相互間のインピーダンスが水平状態に
    おいて所定値となる比率に混合された電解液とが、前記
    コモン電極が常に電解液に浸漬して気泡に触れず、また
    水平状態において周囲電極も気泡に触れない状態でそれ
    ぞれ封入されていることを特徴とする一軸水平センサ。
  2. 【請求項２】 コモン電極及び周囲電極は、18K(Au) 等
    のイオン化傾向の低い金属材料の表面を研磨して表面積
    を均一としたものである請求項１記載の一軸水平セン
    サ。
  3. 【請求項３】 電解液は、溶媒として精製水、溶質とし
    て硫酸マグネシウム、溶液として無水メタノール、無水
    エタノールのいずれかを、電極相互間インピーダンスが
    40〜50 KΩ程度となる比率で混合し、沸点を高く又凝固
    点を低くしたものである請求項１又は２記載の一軸水平
    センサ。
  4. 【請求項４】 電極室の内周壁面の面粗度を、JIS Rmax
    0.2S 以下とした請求項１、２又は３記載の一軸水平セ
    ンサ。
  5. 【請求項５】 交流を発振器で所定の基本パルスに構成
    し、分周器でデューティ50％のパルスとし、このパルス
    をバッファアンプとその逆相パルスのバッファアンプに
    より周囲電極に印加し、これから情報を引き出すため
    に、コモン電極から増幅回路に信号を引き込み、その出
    力をゼロドリフト修正機能を有する２個の増幅回路を介
    してアナログスイッチに引き込むとともに、前記分周器
    からの同期信号をアナログスイッチに引き込み、該アナ
    ログスイッチにおいて同期したアナログ信号をサンプル
    ＆ホールド回路を介して増幅器に送り、該増幅器におい
    て傾斜に応じた所定のアナログ信号を出力する手段を備
    えた請求項１、２、３又は４記載の一軸水平センサ。
JP8059186A 1996-03-15 1996-03-15 一軸水平センサ Expired - Fee Related JP2990342B2 (ja)

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