JPH10311725A - 傾斜角測定機器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 自由液面を有する液体が納められた収納容器
を用いて傾斜角を測定する測定機器において、収納容器
内の液体が運搬や振動等により流動しても傾斜精度や測
定精度に影響を及ぼさず、一定の傾斜検出精度を維持し
た傾斜角測定機器を提供する。 【解決手段】 この傾斜角測定機器は、光が透過する光
透過部材を備え内部に自由液面Ｃ１を有する透光性液体
Ｃを納めた収納容器３と、収納容器に光学系２を介して
光を入射させる発光素子１とを具備し、入射光を透光性
液体を介して収納容器から出射させるように構成され、
収納容器３の内側表面３ａ、３ｃ、３ｄが低表面張力特
性を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液体の自由液面に
よる反射作用及び透過屈折作用を利用した傾斜センサ、
測量機の自動傾き補正装置等の傾斜角測定機器に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の測量機の自動傾き補正装置として
は、例えぱ図３に示すものが知られている（特開平８−
７５４６６号公報）。図３に示す自動傾き補正装置は、
レーザダイオード３１から上方へ出射されたレーザ光Ｌ
を平行光にするコリメータレンズ３２と、コリメータレ
ンズ３２からの平行光が透過される収納容器３３と、収
納容器３３からの出射光Ｌの傾きを拡大するケプラー式
望遠鏡３６とを備える。

【０００３】収納容器３３の上面３３ａと下面３３ｂと
は互いに平行であり、収納容器３３内には、屈折率１．
４のシリコンオイルＣが封入され、かつシリコンオイル
Ｃの自由液面Ｃ１と接する空間３７か形成されている。

【０００４】この自動傾き補正装置の動作を説明する。
レーザダイオード３１からのレーザ光Ｌはコリメータレ
ンズ３２で平行光になり、収納容器３３内のシリコンオ
イルＣに入射する。自動傾き補正装置全体がθ１だけ傾
くと、収納容器３３も傾き、収納容器３３内のシリコン
オイルＣの液面Ｃ１は、水平を保つので、勾配角θ１を
もつ液体プリズムを形成する。

【０００５】この液体プリズムを透過した光Ｌは、プリ
ズムの屈折作用により、次の近似式（１）により得られ
る角度θ２だけ傾き、ケプラー式望遠鏡３６に入射する
（ｎはシリコンオイルの屈折率）。

【０００６】 θ２＝（ｎ−１）θ１ （１） θ２の角度をもったレーザ光Ｌは、入射側凸レンズ３６
ａの焦点距離ｆ２と出射側凸レンズ３６ｂの焦点距離ｆ
３との間で成り立つ次の式（２）による倍率（ｆ２／ｆ
３）によって角度がθ２からθ３に拡大され、鉛直上方
へ出射する。 ｆ２／ｆ３＝θ３／θ２ （２） 式（１）及び（２）から次の式（３）が得られる。

【０００７】 θ３＝｛（ｎ−１）θ１｝・ｆ２／ｆ３ （３） ここで、ｆ２／ｆ３＝１／（ｎ−１）の条件式から屈折
率ｎに合わせてｆ２／ｆ３の倍率を設定することによっ
て、θ３＝θ１とすることができる。これにより、自動
傾き補正が成り立つことになる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述のような
測量機の自動傾き補正装置における液体収納容器におい
ては、測量機の運搬等の状況や振動により、収納容器内
のシリコンオイルが収納容器内の上面に付着してしまい
上面の平面度が乱され、その結果、レーザ光の平行光が
散乱や屈折により乱れてしまい、遠距離への結像性と補
正精度が悪くなるという問題が生じる場合がある。

【０００９】また、自由液面の反射作用を利用した傾斜
センサでは、収納容器の内面に付着したシリコンオイル
が流れ落ちるのに時間かかかるので、そのため液面高さ
や平面度か安定せず、傾斜精度に悪影響を及ぽすという
間題が生じる場合がある。

【００１０】本発明は、自由液面を有する液体が納めら
れた収納容器を用いて傾斜角を測定する測定機器におい
て、収納容器内の液体が運搬や振動等により流動しても
傾斜精度や測定精度に影響を及ぼさず、一定の傾斜検出
精度を維持した傾斜角測定機器を提供することを目的と
する。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を達成するため
に、本発明は、光が透過する光透過部材を備え内部に自
由液面を有する透光性液体を納めた収納容器と、前記収
納容器に光学系を介して光を入射させる発光素子とを具
備し、前記入射光を前記透光性液体を介して前記収納容
器から出射させるように構成した傾斜角測定機器におい
て、前記収納容器の内側表面が低表面張力特性を備える
ことを特徴とする。ここで、表面が低表面張力特性を備
えると、表面張力の小さい固相面に対して液体が接した
場合に、両者間に働く張力が小さいために液体が表面か
らはじける撥水性・撥油性が優れる。

【００１２】本発明によれば、自由表面を有する透光性
液体が収納容器の内面に付着しても、収納容器の内側表
面が低表面張力特性を備えるので、その付着した透光性
液体が、低表面張力特性に基づく撥油性・撥水性の効果
により、内側表面からビーズ状になってすぱやく流れ落
ちる。従って、傾斜角測定機器が、どんな姿勢で運搬さ
れ、振動等を受けても、通常の使用状態に設置される
と、収納容器の内面に付着した透光性液体が短期間に通
常の状態に戻るから、傾斜検出精度を常に一定に維持し
て傾斜角測定を行うことができる。

【００１３】また、収納容器の内側表面の表面張力が小
さいため、収納容器の内側表面と透光性液体の自由表面
との境界面における曲率が小さくなり、自由表面をより
平坦な状態にすることができるから、入射光の自由表面
における反射作用または屈折透過作用に悪影響を与えな
い。特に、収納容器の幅を狭くした場合に、自由表面全
体が湾曲してしまうことを防止できる。

【００１４】なお、本発明における傾斜角測定機器と
は、測量機等に用いられる自動傾き補正装置や傾斜角を
検出する傾斜センサ等を含むものである。

【００１５】また、前記収納容器の内側の天井面を、重
力方向に傾斜させる構成とすることにより、天井面に付
着した透光性液体を傾斜面に沿って下方にすばやく流し
落とすことができるから、好ましい。

【００１６】また、収納容器の内側表面にフッ素樹脂膜
を形成することにより、低張力表面特性を持たせること
ができる。なお、光が透過する必要のない収納容器の部
分はフッ素樹脂部材により構成してもよい。

【００１７】また、前記入射光を前記収納容器内の透光
性液体を通過させ、該通過した光を前記収納容器の傾斜
角と同一の角度に偏向させて鉛直方向に出射させる光学
系を更に具備することにより、傾斜角測定機器を測量機
等の自動傾き補正装置として構成することができる。こ
れにより、光の結像性がすぐれ、補正精度の安定した自
動傾き補正装置を提供することができる。

【００１８】また、受光素子と、前記入射光を前記収納
容器内の透光性液体を介して前記受光素子に入射させる
光学系とを更に具備することにより、傾斜角測定機器を
傾斜センサとして構成することができる。これにより、
自由表面の液面高さや平面度がすばやく安定し、傾斜検
出精度のすぐれた傾斜センサを提供することができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明による実施の形態に
ついて図１及び図２により説明する。図１は、第１の実
施の形態における測量機に備えられた自動傾き補正装置
の原理構成を説明する図である。図１に示す自動傾き補
正装置は、レーザダイオード１と、このレーザダイオー
ド１から上方へ出射されたレーザ光Ｌを平行光にするコ
リメータレンズ２と、コリメータレンズ２からの平行光
が透過する収納容器３と、収納容器３からの出射光Ｌの
傾きを拡大するケプラー式望遠鏡５とを備える。

【００２０】収納容器３は、ガラスやアクリル等の光透
過性部材からなり、側面３ｃが側面３ｄよりも低く構成
され、天井面（上面）３ａが底面３ｂに対して傾斜する
ことにより重力方向に傾斜している。上面３ａと、底面
３ｂと、互いに平行な側面３ｃ、３ｄとにより、収納容
器３の断面形状は台形状になっている。

【００２１】透光性収納容器３の傾斜した上面３ａ、両
側面３ｃ、３ｄの各内面には薄い透光性のフッ素樹脂膜
６がコーティングされている。このフッ素樹脂膜６は低
表面特性を有し、撥水性・撥油性に優れているものであ
り、例えば、ポリテトラフルオロエチレンから構成する
ことができる。また、収納容器３内には、透光性である
屈折率１．４のシリコンオイルＣが封入され、シリコン
オイルＣの自由液面Ｃ１と接する空間４が形成されてい
る。

【００２２】この自動傾き補正装置の自動傾き補正動作
を説明する。レーザダイオード１から上方に出射したレ
ーザ光Ｌは、コリメータレンズ２で平行光になり、収納
容器３の底面３ｂに垂直に入射し、シリコンオイルＣに
入射してシリコンオイルＣを透過し、収納容器３の上面
３ａを通過してケプラー式望遠鏡５に入射する。

【００２３】ここで、自動傾き補正装置全体がθ１だけ
傾いた場合、収納容器３も傾くが、シリコンオイルＣの
液面Ｃ１は水平を保つので、収納容器３内のシリコンオ
イルＣが勾配角θ１をもつ液体プリズムを形成すること
になる。

【００２４】この液体プリズムを透過した光Ｌは屈折作
用により、上述の式（１）から得られるθ２だけ傾き、
ケプラー式望遠鏡５に入射する。θ２の角度をもったレ
ーザ光Ｌは、入射側凸レンズ５ａの焦点距離ｆ２と出射
側凸レンズ５ｂの焦点距離ｆ３との関係できまる上述の
式（２）から得られる倍率（ｆ２／ｆ３）によって、角
度がθ２からθ３に拡大され、レンズ５ｂから鉛直上方
へ出射される。

【００２５】上述の式（３）から、ｆ２／ｆ３＝１／
（ｎ−１）の条件式に基づき、屈折率ｎに合わせてｆ２
／ｆ３の倍率を設定することによって、θ３＝θ１とす
ることができる。これにより、自動傾き補正装置を備え
る測量機全体が角度θ１だけ傾いても、ケプラー式望遠
鏡５から出射するレーザ光Ｌが、θ１に等しい角度θ３
だけ偏向されるので、測量機の傾きは自動的に補正され
る。

【００２６】次に、透光性収納容器３内のシリコンオイ
ルＣの動きを説明する。測量機の遅搬や振動等により、
収納容器３内においてシリコンオイルＣが流動すると、
シリコンオイルＣが収納容器３内の側面３ｃ、３ｄや上
面３ａに付着する。この状態から測量機を測定のための
通常の状態に設置すると、上面３ａ、側面３ｃ、３ｄに
付着したシリコンオイルＣは、フッ素樹脂膜６の撥油性
効果により、すぱやくビーズ状になって流れ落ちる。上
面３ａは重力方向に傾斜しているので、上面３ａに付着
したシリコンオイルＣは、上面３ａの傾斜方向に沿って
側面３ｃに向けてすばやく流れ落ちることができる。

【００２７】以上のように、光の屈折透過を利用した測
量機の自動傾き補正装置においては、収納容器３の上面
３ａにシリコンオイルＣが付着しないので、光路に影響
を与えることはなく、レーザ光の結像性が優れ、補正精
度が安定する効果が得られる。

【００２８】次に、図２により本発明の第２の実施の形
態における傾斜センサについて説明する。図２は本実施
の形態による傾斜センサの原理構成を説明する図であ
る。図２に示す傾斜センサは、レーザダイオード１１、
コリメータレンズ１２、入射面１３ａ及び出射面１３ｂ
を有しシリコンオイルＣを封入した透光性収納容器１
３、投影レンズ１５、２次元ＣＣＤ１７を備えている。

【００２９】収納容器１３は、ガラスやアクリル等の光
透過性部材からなり、側面１３ｄが側面１３ｅよりも低
く構成され、天井面（上面）１３ｃが底面１３ｆに対し
て傾斜することにより重力方向に傾斜している。入射面
１３ａ及び出射面１３ｂは、レーザ光が垂直方向に入射
し、垂直方向に出射するように底面１３ｆに対して傾斜
している。上面１３ｃ、互いに平行な側面１３ｄ、１３
ｅ、入射面１３ａ、出射面１３ｂ、及び底面１３ｆによ
り、収納容器３の断面形状は六角形状になっている。

【００３０】透光性収納容器１３の傾斜した上面１３
ｃ、両側面１３ｄ、１３ｅの各内面には薄い透光性のフ
ッ素樹脂膜１６が、図１の場合と同様に、コーティング
されている。収納容器１３内には、透光性である屈折率
１．４のシリコンオイルＣが封入され、シリコンオイル
Ｃの自由液面Ｃ１と接する空間１４が形成されている。

【００３１】次に、傾斜センサの動作原理を説明する。
レーザダイオード１１からの光は、コリメータレンズ１
２により平行光Ｌ１とされ、平行光Ｌ１は上方向に４５
度傾いて出射し、収納容器１３の入射面１３ａに垂直に
入射し、収納容器１３内に入り、シリコンオイルＣを透
過して自由液面Ｃ１において全反射する。この全反射し
た光Ｌ２は、収納容器１３の出射面１３ｂから垂直に出
射し、下方向に４５度傾いて投影レンズ１５に入射し、
このレンズ１５により集光された光が２次元ＣＣＤ１７
に入射する。

【００３２】ここで、図２に示すように、傾斜センサ全
体がθ１だけ傾いたとすると、収納容器１４に封入され
たシリコンオイルＣの液面Ｃ１は水平を保つので、結果
的に液面Ｃ１はθ１だけ変化したことになる。レーザ光
Ｌ１は、液面Ｃ１で全反射され、紙面上の軸（Ｘ軸とす
る）においては、θ２ｘ＝２ｎθ１（ｎはシリコンオイ
ルの屈折率）だけ角度変化したレーザ光Ｌ２ｘとなって
収納容器１３から出射する。一方、紙面上Ｘ軸と直交す
る軸（Ｙ軸とする）方向の反射光は、反射角度に１．４
１４２倍の感度差が生じるので、θ２ｙ＝１．４１４２
ｎθ１の角度変化のレーザ光Ｌ２ｙとなって収納容器１
３から出射する。反射感度の異なったレーザ光Ｌ２は、
投影レンズ１５によって集光され、２次元ＣＣＤ１７に
点像となって投影される。

【００３３】２次元ＣＣＤ１７では、あらかじめ傾斜セ
ンサが水平のときの２軸（Ｘ軸，Ｙ軸）原点位置か決め
られているので、原点位置からの変動した２軸の座標点
を求めて、それぞれの反射感度を考慮すれば、２軸方向
の傾斜角度を検出することができる。

【００３４】また、収納容器１３内のシリコンオイルＣ
の動きを説明する。傾斜センサの運搬や振動等により収
納容器１３内のシリコンオイルＣは、流動し、収納容器
１３内の側面１３ｄ、１３ｅや上面１３ｃに付着する
が、傾斜センサが測定のための状態で設置されると、上
面１３ｃ、側面１３ｄ、１３ｅに付着した付着したシリ
コンオイルＣは、フッ素樹脂膜１の撥油性効果により、
すぱやくビーズ状になって流れ落ちる。上面１３ｃは重
力方向に傾斜しているので、上面１３ｃに付着したシリ
コンオイルＣは、上面１３ｃの傾斜方向に沿って側面１
３ｄに向けてすばやく流れ落ちることができる。

【００３５】以上のように、液面の反射作用を利用した
傾斜センサにおいて、収納容器１３内のシリコンオイル
Ｃの液面高さや平面度がすばやく安定するので、傾斜角
を正確に検出でき、検出精度を向上させることができ
る。

【００３６】なお、本実施の形態では、収納容器１３の
上面１３ｃ、両側面１３ｄ、１３ｅを、入射面１３ａや
出射面１３ｂと同様の光透過部材から構成し、この部材
上にフッ素樹脂膜をコーティングにより形成したが、こ
れらの部分をフッ素樹脂部材により構成してもよい。

【００３７】また、本発明による傾斜角測定機器は、本
実施の形態における測量機の自動傾き補正装置や反射式
傾斜センサに限定されることなく、その他の補正または
傾斜検出方式による傾斜角測定機器に適用することもで
きる。また、収納容器に納める液体は、アルコールや水
等の透光性液体であればいずれでもよい。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、自由液面を有する液体
が納められた収納容器を用いて傾斜角を測定する測定機
器において、収納容器内の液体が運搬や振動等により流
動しても傾斜精度や測定精度に影響を及ぼさず、一定の
傾斜検出精度を維持した傾斜角測定機器を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による第１の実施の形態における測量機
の自動傾き補正装置の構成を示す図である。

【図２】第２の実施の形態における傾斜センサの構成を
示す図である。

【図３】従来の測量機の自動傾き補正装置の構成を示す
図である。

【符号の説明】

１、１１ レーザダイオード ２、１２ コリメータレンズ ３、１３ 透光性液体の収納容器 ３ａ、１３ｃ 収納容器の上面（天井面） ４、１４ 収納容器内の空間 ５ ケプラー式望遠鏡 ６、１６ フッ素樹脂膜 Ｃ シリコンオイル Ｃ１ 自由液面 １５ 投影レンズ １７ ２次元ＣＣＤ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光が透過する光透過部材を備え内部に自
   由液面を有する透光性液体を納めた収納容器と、 前記収納容器に光学系を介して光を入射させる発光素子
   と、を具備し、 前記入射光を前記透光性液体を介して前記収納容器から
   出射させるように構成した傾斜角測定機器において、 前記収納容器の内側表面が低表面張力特性を備えること
   を特徴とする傾斜角測定機器。
2. 【請求項２】 前記収納容器の内側の天井面を、重力方
   向に傾斜させたことを特徴とする請求項１記載の傾斜角
   測定機器。
3. 【請求項３】 前記内側表面にフッ素樹脂膜を形成した
   ことを特徴とする請求項１または２記載の傾斜角測定機
   器。
4. 【請求項４】 前記入射光を前記収納容器内の透光性液
   体を通過させ、該通過した光を前記収納容器の傾斜角と
   同一の角度に偏向させて鉛直方向に出射させる光学系を
   更に具備することを特徴とする請求項１，２または３記
   載の傾斜角測定機器。
5. 【請求項５】 受光素子と、前記入射光を前記収納容器
   内の透光性液体を介して前記受光素子に入射させる光学
   系とを更に具備することを特徴とする請求項１，２また
   は３記載の傾斜角測定機器。