JPS62192612A - 光位置検出型傾斜計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、斜面等の傾斜角及び物体の水平方向に対する
傾きを測定する傾斜計に関するもので、特に、光学的に
傾斜角を測定する装置に関する。

従来の技術 従来から、傾斜角を測定する装置としては、円形気泡管
を用いて気泡の位置によって傾斜角を測定する方式のも
のやジャイロや振子を用いて傾斜角を測定するものがあ
った。

例えば、ジャイロを用いた傾斜計で傾斜角を測定する場
合、回転軸の水平時の方向からのずれ、すなわち、傾斜
角に対応するこのずれをポテンショメータ等で測定して
いるが、これは構成が複雑で耐久性が悪く、また、ポテ
ンショメータも高価で、トータルコストに占める割合も
高いので高価なものにしていた。

また、振子を用いるものは、振子が静止するのに時間が
かかるため、連続変化する傾斜角を測定することは難し
いという問題があった。

発明が解決しようとする問題点 本発明の目的は、上記従来技術を改善し、機械的接触部
を少なくして耐久性を良くし、構成を簡単にすると共に
安価な傾斜計を得ることにある。

問題点を解決するための手段 第１図は本発明が上記問題点を解決するために採用した
手段のブロック図で、本発明は、常に垂直方向を検出し
検出姿勢を保持する垂直方向検出手段Ａと、該垂直方向
検出手段Ａに設けられた発光手段Ｂと、該発光手段Ｂか
らの光を受光し受光位置信号を出力する光位置検出装置
Ｃと、該光位置検出装置Ｃの光検出部と上記発光手段Ｂ
が対面するように上記垂直方向検出手段Ａと受光手段Ｃ
を一定位置関係に保持する保持手段りと、上記光位置検
出装置Ｃからの受光位置信号により傾斜角算出する傾斜
角算出手段Ｅと、該傾斜角算出手段Ｅで算出された傾斜
角を表示する表示手段Ｆとを設けることによって、上記
問題点を解決した。

作　　用 該光位置検出型傾斜計を斜面にＭ、置すると、上記垂直
方向検出手段Ａはｉ置された斜面に関係なく常に垂直方
向に向いた姿勢をとるから、該垂直方向検出手段Ａに設
けられた発光手段Ｂからの光は該垂直方向検出手段Ａの
移動と共に移動する。

一方、上記光位置検出装置Ｃの光検出部は上記垂直方向
検出手段Ａに対し保持手段りで一定位置に保持されてい
るから、該光位置検出型傾斜計を水平面に載置したとき
上記光検出部が上記発光手段Ｂから受ける光の位置を原
点とすれば、該傾斜計を斜面に載置したとき、光検出部
が受ける光の位置は該傾斜計が載置された斜面の傾斜角
に応じて原点からずれ、そのずれた位置信号を光位置検
出装置Ｃは出力するから、上記傾斜角算出手段Ｅは光位
置検出装置Ｃからの位置信号に基づいて傾斜角を算出し
、その傾斜角を表示手段Ｆによって表示する。

実施例 第２図は、本発明の第１の実施例の要部斜視図で、１は
垂直方向検出手段としての２軸自由度ジャイロで、２は
２次元光位置検出装置の光検出部で、該ジャイロ１及び
光検出部２は両者が一定な位置関係を保持するよう保持
手段としての筐体３に固着され、本実施例では、ジャイ
ロ１は底板に、光検出部２は筺体３の天井に固着されて
いる。４はジャイロ１の固定台で、ジンバル５の軸を第
２図矢印イ方向に回転自在に枢着しており、また、ジン
バル５にはジンバル６が矢印口方向に回転自在に軸支さ
れている。そして、ジンバル６にはロータ７が回転自在
に軸支されている。また、ジンバル６には上記光検出部
２と対面するように発光手段としての発光素子８が固定
されている。

２次元光位置検出装置として、本実施例では、半導体装
置検出器を用いており、半導体装置検出器の光検出部２
は複数の半導体層で形成された正方形の平面で、該平面
に光を受けると正方形の平面の各辺に設けられた電極に
電流が流れ、光を受けた位置と各辺の電極間の距離によ
って抵抗値が異なることから、各電極に流れる電流値が
異なることを利用して受光した位置を検出するもので、
例えば特開昭５９−５０５７９号公報等に記載された半
導体装置検出器を使用している。なお、この半導体装置
検出器はすでに公知であるのでその詳細は省略する。

このような２次元で光の位置を検出する光検出部２の上
記筐体３の天井への固着は、本光位置検出型傾斜計を水
平面に載置したとぎ、すなわち、上記筐体３の底面を水
平面に載置したとき、上記発光素子の光が該光検出部２
の中心点を位置するように固着されている。

そこで、ジャイロ１のロータ７が回転すると、該ロータ
７の軸及び本実施例においてはジンバル６は常に垂直方
向を向くことになり、ジンバル６に固定された発光素子
８からの光は、筐体３が水平面に載置されていれば光検
出部２の中心に当たり、傾斜面に載置されるとその光の
受光位置はずれることとなる。このときの受光位置と筐
体３が載置された傾斜面との関係を第３図の原理図で説
明する。

光検出部２の中心点を座標軸の原点０とし、光検出部２
の辺と平行な２つの該原点を通る線をＸ軸、Ｙ軸とする
。すなわち、原点Ｏは、筐体３が水平面に載置されたと
き、光素子８からの光を受光する点である。今、筐体３
が傾斜面に載置され、光検出部２のａ点で光を受光した
と仮定する。ａ点のＸ軸、Ｙ軸の座標点をそれぞれｘ、
ｙとし、原点Ｏとａ点間をｒ　（すなわち原点０からａ
点までの移動点）とし、ロータ７の中心点、ずなわちジ
ンバル５，６の回転中心線が交差する点をＰとし、該点
Ｐと原点０間の距離をＬとし、線分Ｐ０と線分Ｐａ間の
角度をθ、線分ＰＯと線分Ｐｘ間の角度をα、線分ＰＯ
と線分Ｐｙ間の角度をβ、線分ＱａとＸ軸との角度をφ
とすると、これらの関係は次のようになる。

ｒ　＝Ｊ”’ｆ；コア　　　・・・・・・（１）ｔａｎ
θ＝　　ｒ／　Ｌ　　　　−・−（２）ｔａｎφ＝Ｖ／
Ｘ　　　　・・・・・・（３）ｔａｎα＝ｘ／Ｌ　　　
　・・・・・・（４）ｔａｎβ＝ｙ／Ｌ　　　　・・・
・・・（５）そして、上記θは水平面に対する垂線と傾
斜面に対する垂線間の角度であるから、筺体３を載置し
た傾斜角を表わづことになり、また、上記φは、傾斜の
方向がＸ軸からこの角度φの方向であること、すなわち
傾斜の方向を表わす。さらに、上記αは傾斜がＸ軸方向
に角度αだけ傾いていることを表わし、上記βはＹ軸方
向に角度βだけ傾いていることを表わしている。一方、
受光点ａのＸ軸。

Ｙ軸の座標位置は２次元光位置検出装置によって検出さ
れるものであり、上記しはロータ７の中心と光検出部２
の中心間の距離であるから、固定された一定値であり既
知の値である。

そこで、上記ｒは第（１）式より２次元光位置検出装置
からの出力ｘ、ｙによって算出でき、また、傾斜角θは
第（２）式より求められたｒと既知のＬより求められ、
以下同様に傾きの方向φは第（３）式で、Ｘ軸方向の傾
きαは第（４）式で、Ｙ軸方向の傾きβは第（５）式で
求めることができる。

第４図は、２次元光位置検出装置で検出された受光位１
ａの座標ｘ、ｙから傾斜角θ、傾きの方向φ、Ｘ軸方向
の傾きβを算出し求め表示する制御回路のブロック図で
、本実施例では、これら傾斜角等の算出手段にマイクロ
プロセッサ（以下ＣＰＵという）１４を使用している。

第４図において、１０は２次元光位置検出装置、１１．
１２は２次元光位置検出装置からの受光点のＸ、Ｙ軸座
標位置を示すアナログ信号をデジタル信号に各々変換す
るＡ／Ｄ変換器、１３は入力回路、１４はＣＰＵ、１５
は制御プログラムを記憶するＲＯＭやデータの一時記憶
のためのＲＡＭ等で構成されるメモリ、１６はＣＲＴ表
示装置付手動データ入力装置（以下ＭＤＩ／ＣＲＴとい
う）である。

次に、本実施例の動作について、第５図の動作処理フロ
ーチャートと共に説明する。

本領斜計を作動させ、筺体３を傾斜面に載置するとジャ
イロ１の発光素子８からの光は載置された傾斜面の傾斜
角に応じて移動し、光検出部２でこの移動位置を検出し
、２次元光位置検出装置１０から移動座標位置（ｘ　、
　ｙ　）が出力され、座標位置ｘ、ｙは各々Ａ／Ｄ変換
器１１．１２によりアナログ信号からデジタル信号に変
換され、入力回路１３に入力される。そこで、ＭＤＩ／
ＣＲＴ１６より表示指令を入力すると（ステップＳｌ）
、ＣＰＵ１４は入力回路１３を介してこの座標位置ｘ、
ｙを読取り（ステップＳ２）、第（１）式で示す演算を
行い、原点０と移動点すなりら受光点８間の距離ｒをの
出し、ＣＲＴ表示装置１６に表示する（ステップ８３）
。次に、この求められたｒの値とすでに設定されている
ロータ７の中心と原点０間の距！ＩＩＩＬの値より第（
２）式で示す演算を行い、傾斜角θのｔａｎθを求め、
表示装置１６に表示する（ステップ８４）。以下、同様
に座標位ａｘ　、ｙの値とＬの値により傾きの方向φ、
Ｘ軸方向の傾きα、Ｙ軸方向の傾ぎβの各々のタンジェ
ントのＩａを求め表示する（ステップ８５〜Ｓ７）。そ
して、再びステップＳ１に戻り、表示指令が持続してい
れば連続的にステップ８２以下の処理を行い連続的に表
示する。すなわち、筐体３が戎冒された傾斜角が変動し
ている場合、その変動を順次表示することとなる。

なお、上記実施例では傾清角θ等をタンジェントの値で
表示させたが、メモリ１５内にタンジェントの値とその
値に対応する角度のテーブルを記憶させておき、タンジ
ェントの値ではなく角度によって上記各角度θ、φ、α
、βを表示させるようにしてもにい。また、Ａ／Ｄ変換
器１１．１２をＸ軸座標位置用とＹ軸座、ａ！位置用に
２つ設けたが、Ａ／Ｄ変換器を１つにし、切換スイッチ
を設け、ＣＰＵ１４からの指令で、該切換スイッチを切
換えて順次座標位置×、ｙを入力するようにしてもよい
。また、２次元光位置検出装置１０の光検出部２は、本
実施例では筺体３の天井に設けたが、底面に設けてもよ
いことは勿論である。

さらに、本実施例では、２次元光位置検出装首１０とし
て、半導体積層された平面の光検出部２を有する半導体
装置検出器を用いたが、この代りに光検出部として受光
素子をマトリックス状に配置した受光素子アレイを用い
てもよい。この場合には、受光素子の座標位値が決まっ
ているから発光素子８からの光を受けた受光素子からの
信号は１対１の対応で、傾斜面の傾斜角θ、傾きの方向
φ、ｘ、ｙ軸方向の傾きα、βを示すから受光した受光
素子からの信号でこれらのデータを表示するようにすれ
ばよい。

以上述べたように、本実施例では傾斜面の傾斜角θ、傾
斜の方向φ、ｘ軸、■＠方向への各々の傾きα、βを瞬
時に安定して求めることができ、かつ、傾斜が変動して
もその変動に応じて各データが求められるものである。

第６図は本発明の第２の実施例の要部斜視図で、２０は
１自由度ジャイロ、２１は１次元光位置検出装置の光検
出部で、第１の実施例と同様、この１次元光位置検出装
置は半導体装置検出器を使用している。２３はこれら光
検出部２１．ジャイロ２０を固定保持する筐体で、光検
出部２１は該筐体２３の側面に設けられており、ジャイ
ロ２０はその固定台２８が筐体２３の底面に固着されて
いる。ジャイロ２０のジンバル２４．２５は互いに直交
し、軸受部材２つに第６図中矢印ハ方向に回転自在に軸
受されている。ジンバル２５には〇−タ２６の軸が回転
自在に枢着され、ロータ２６の周面には発光素子２７が
固定されており、少なくともジンバル２４は光透過性の
材料で作られ、発光素子２７からの光が光検出部２１に
達するように構成されている。

そこで、ロータ２６が回転し゛筐体２３を傾斜面に載置
すると、発光素子２７からの光はＩ、１５１１目的に光
検出部２１に当たり、載置された傾斜面の傾斜角に応じ
て、光検出部２１で受光する位置は変動する。そこで、
この傾斜面の傾斜角と受光位置の関係を第７図の原理図
で説明すると、今、傾斜面の傾斜角をθとし、ジャイロ
２０の〇−タ２６の中心点から光検出部２１に下した垂
線の長さ、すなわち筐体２３に固着した光検出部２１の
底面位置とジャイロ２０の固定台２８の中心間の距離を
Ｌとし、ジャイロ２６のロータ２６の中心点の底面から
の高さをＨとし、光検出部２１が受光した位置と底面か
らの距離をＸとすると、次の第（６）式の関係式が成立
する。

（Ｘ−Ｈ）／Ｌ−ｔａｎθ　　・・・・・・（６）ここ
で、Ｘは１次元光位置検出装置によって検出される値で
あり、Ｌ、Ｈは固有値であり既知な値であるので、傾斜
角θのタンジェントの値は、１次元光位置検出装置から
検出される値Ｘによって第（６）式から算出されること
となる。

そこで、第１の実施例で説明したように、第４図で示す
ような演算制御回路によって傾斜角θを求めることがで
きる。なお、この実施例においては１次元であるので、
１次元光位置検出装置からは１つの信号Ｘのみが出力さ
れるので、Ｄ／Ａｆ換器は１つでよく、ＣＰＩＪはこの
信号Ｘより第（６）式の演算を行い傾斜角を算出し、表
示装置に表示することとなる。また、ＣＰＵを用いて演
算処理を行わず、１次元光位置検出装置からの信号Ｘ（
電圧）を減算回路を用いて高さＨ分だけ減算し、減算回
路からの出力電圧を割算回路によって［に対応する電圧
で割り、ｔａｎθの値を算出しそれを表示するようにし
てもよい。

以上が第２の実施例の構成であるが、この第２の実施例
は１次元であるため、傾斜角のみしか検出できない。そ
のため、筐体２３の載置方向を変えて、光検出部２１で
受光する位ｆａｔＸが最大になる位置を求め、傾斜角θ
、傾斜方向を求めねばならない。

なお、上記第２の実施例では、発光素子をロータ２６の
周面に固定したが、ジンバル２４またはジンバル２５に
固定してもよい。ジンバル２４に固定した場合には、発
光素子２７からの光は第６図中傾斜角に応じて上下に同
一線上を移動することになるため、光検出部２１の配置
位置は筐体の側板に光を検出し得る上下に長い光検出部
２１となる。また、ジンバル２５の天井に対面する位置
に固定した場合は、発光素子２７からの光は傾斜角に応
じて第６図中天井の一辺と平行な線上を移動することと
なるから、光検出部２１の位置は筐体２３の天井に、か
つ光を検出し得る位置の天井の一辺と平行な長い光検出
部２１となる。さらに、ジンバル２５の底面と対面する
位置に発光素子を固定しても良いが、この場合、固定台
２８や軸、軸受部２９を透明にする必要があり、また、
光検出部２１も底面に設ける必要がある。

さらに、第１の実施例と同様に１次元光位置検出装置の
光検出部を受光素子とし、光の当たる線上へ受光素子を
多数配置することによって傾斜角を求めるようにするこ
ともできる。

第８図は本発明の第３の実施例で、水弟３の実施例と第
１．第２の実施例と相違する点は、第１゜第２の実施例
は垂直方向を検出する垂直方向検出手段にジャイロを使
用したが、水弟３の実施例においてはジャイロに変えて
振子を用いる点である。

第８図において、３０は振子で、糸や鎖のような柔軟性
のあるものや玉継手等で３６０度振動できるように天井
に固着されたもので、該振子３０の先端には発光素子３
２が固着され、底面に向けて光を出すようになっている
。筐体３１の底面には第１の実施例と同様２次元光位置
検出装置の光検出部３３が配置され、発光素子３２から
の光を受光するようになっており、振子３０の天ｌキへ
の取り付は位置から底面に垂線を下した位置に光検出部
３３の中心がくるように配置されている。

そこで、本実施例の原理を第９図の原理図によって説明
する。

振子３０の取り付番プ位置Ｐから筒体３１の底面の光検
出部３３の面に下した垂直線の長さをＬとし、この垂直
線と光検出部３３の交点を原点Ｏとし、正方形の光検出
部３３の各辺と平行で原点Ｏを通る線をＸ軸、Ｙ軸とダ
る。今、筺体３１が水平面に載置されていると、発光素
子３２からの光は原点０の位置に当り、筐体３１が傾斜
面に載置されると振子３０は揺動し垂直方向を指す。そ
して、振子３０の先端に設けられた発光素子３２からの
光も移動し、光検出部３３で検出されるが、今、発光素
子３２からの光が第９図ａ点で検出されたとすると、線
分Ｐａは垂直方向を指しており、ｐ　ｏ　Ｉ、を筐体３
１が水平面に載置されたときの垂直方向であるから、角
ａＰｏは傾斜面の傾斜角θを示すこととなる。一方、ａ
点のＸ、Ｙ軸の位置をｘ、ｙとすると、線分ＯＰと線分
ｘｐの角度をα、線分ＯＰと線分ｙＰの角度をβ、線分
Ｑａの長さをｒ、線分ＱａとＸ軸の角度をφとすると、
これらの関係は第１の実施例で述べた第（１）式から第
（５）式の関係と同じである。

そして、第１の実施例と同じく、θは筐体３１が載置さ
れた傾斜面の傾斜角θを意味し、φは傾斜方向、αはＸ
軸方向への傾き度、βはＹ軸方向への傾き度を表わして
おり、第１の実施例とまったく同一である。なお、第１
の実施例と本実施例においては、Ｘ軸、Ｙ軸のプラス方
向が異なるだけであり、筐体３１をＩ！　ｉ？Ｊする向
きを変えれば良いだけの問題である。

この第３の実施例においても、Ｌは固有値で既知の値で
あり、ａ点の座標値もｘ、ｙの値は２次元光位置検出器
によって検出できるから、上記第（１）弐〜第（５）式
によって傾斜面の傾斜角θ、傾き方向φ、Ｘ、Ｙ軸方向
への各々の傾き度α。

βは算出することができ、そして、このときの演算制御
回路は第１の実施例に記載した第４図と同一の制御回路
で良く、また、ＣＰＵ１４の動作処理も第１の実施例で
述べた第５図の動作処理フローでよいこととなる。

なお、この第３の実施例においては、振子３０の撮動が
停止したとぎに傾斜角等を求めねばならないから、傾斜
角が連続的に変動するものに対しては使用することが困
難であり、第５図において、ステップＳ１からステップ
Ｓ７まで順次繰り返して処１！Ｉ！　ｉＪ’るものでな
く、表示指令がある毎にステップＳ２からステップＳ７
の処理を行うこととなる。また、２次元光位置検出器の
光検出部を受光素子をマトリックス状に多数配置した受
光素子アレイを用いてし良いこと、または、傾斜角θ等
をタンジェントの値ではなく角度に変換して表示装置に
表示するようにする点も第１の実施例と同（革である。

発明の効果 以上述べたように、本発明は、ジャイロや振子等の垂直
方向を検出し、検出姿勢を保持する垂直方向検出手段に
固定された発光手段からの光を光位置検出装置によって
検出し、これにより傾斜角等を求め表示するようにした
から、構成が簡単で、機械的接触部が少なく耐久性が良
く、また、安圃な傾斜計を１ｇることができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明が従来技術の問題点を解決するために採
用した手段のブロック図、第２図は本発明の第１の実施
例の要部斜視図、第３図は第１の実施例の原理説明図、
第４図は第１の実施例の制御回路のブロック図、第５図
は第１の実施例の動作処理フローチャート、第６図は本
発明の第２の実施例の要部説明図、第７図は第２の実施
例の原理説明図、第８図は本発明の第３の実−流側の要
部斜視図、第９図は第３の実施例の原理説明図である。 １・・・２自由度ジャイロ、２，２１．３３・・・光位
置検出装置の光検出部、３，２３．３１・・・筐体、８
．２７．３２・・・発光素子、２０・・・１自由度ジャ
イロ、３０・・・振子。 ト 第４区 第２図 第５図 第７図 第９図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）常に垂直方向を検出し検出姿勢を保持する垂直方
   向検出手段と、該垂直方向検出手段に設けられた発光手
   段と、該発光手段からの光を受光し受光位置信号を出力
   する光位置検出装置と、該光位置検出装置の光検出部と
   上記発光手段が対面するように上記垂直方向検出手段と
   光検出部を一定位置関係に保持する保持手段と、上記光
   位置検出装置からの受光位置信号により傾斜角を算出す
   る傾斜角算出手段と、該傾斜角算出手段で算出された傾
   斜角を表示する表示手段とを有することを特徴とする光
   位置検出型傾斜計。
2. （２）上記垂直方向検出手段はジャイロである特許請求
   の範囲第１項記載の光位置検出型傾斜計。
3. （３）上記ジャイロは２軸自由度ジャイロで、上記発光
   手段は該ジャイロの常に垂直方向の姿勢をとる部材に固
   定され、上記光位置検出装置は２次元光位置検出装置で
   ある特許請求の範囲第２項記載の光位置検出型傾斜計。
4. （４）上記ジャイロは１軸自由度で上記光位置検出装置
   は１次元光位置検出装置である特許請求の範囲第２項記
   載の光位置検出型傾斜計。
5. （５）上記垂直方向検出手段は振子で、該振子の先端に
   上記発光手段が固定され、上記光位置検出装置は２次元
   光位置検出装置である特許請求の範囲第１項記載の光位
   置検出型傾斜計。