JPWO2020235324A1 - 高低差測定装置および高低差測定方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、よく知られた連通管の考え方に立脚しつつ、最新の気圧センサ技術を加えて、従来は困難であった場所間でも、微小な高低差や傾斜を、安価な装置で測定できる技術を構築したものである。つまり、測定位置の気圧差を内部の連通する液体の高さ変化に置き換え、その液体重量変化として増幅された気圧差を測定し、測定した圧力差（気圧差）を、地面の高低差変化に再変換するものである。また、この結果を連続的に位置の関数として表示し、任意の広い地表面全域に渡って、起伏や傾斜をｃｍオーダで測定するものであり、高精度で起伏や傾斜測定が必要な土木、建設、農業等、その用途は幅広い。

Description

本発明は、建設や土木もしくは農業に用いる地面や地盤の高低差や凹凸を測定する装置ならびにその装置を用いた測定方法であり、高低差や凹凸を点状に断続的に測定することができるだけではなく、1次元もしくは2次元で連続的に表示できる様にしたものである。

農業における圃場工事や高層ビル建造や道路整備などの土木建設工事では、地面の傾斜や凹凸、高低差を知ることが大変重要である。農業における水稲栽培では、地面の傾斜や凹凸が、苗の水浸に差異を生じ、その生育に影響を及ぼし、品質の低下を生じる。また、高層のビルディングや高速道路等の建造時には、わずかな基礎の傾きも建物の脆弱化を招き、耐震力の減少や、耐久性の低下につながる。

現在まで、この様な高低差を測るためには、測量士の資格を持つ者が、大掛りな装置を用いて、２人がかりで行うか、近距離の測定が可能な、高価なレーザを用いた装置で行うのが一般的であり、測定に費やす費用が高額になると共に、技術的にも容易に測定するのは難しかった。

そのため、従来、簡便に起伏や傾斜等を測定する方法として、連通管の原理を応用する方法が提案され、また基本的な原理は同じでありながら、より利便性を向上させる提案も多数なされてきた。

例えば、特許文献１は、連通管に水を満たしたホースと、両端に透明な管を用い、透明管の側部に目盛り板を取り付けたものを用いる。 これら透明管の中の液体先端位置を、目盛り板から読み取り、位置毎のその目盛りの差を計測することによって、各所の高低差や凹凸を測定する事ができる。

しかしながら、この様な方法は、測定部の位置を変えると、もう一方の基準とした側の液面も変化し、液面が両方共に変化するため、測定し辛いばかりでなく、高低差が大きい時には、内部の液があふれる出る場合があり、持ち運びや取扱が面倒であった。

特許文献２は、建設業界の軌道関係工事に用いられて、水平方向に点在する地点の高低差を測定する装置もしくは方法に関するものである。この特許文献２によると、計測水槽と基準水槽を備え、基準水槽近傍に置かれた給水タンクから各水槽に送水し、各地点の計測水槽から水をオーバーフローさせることで水面を一定に保ち、水面の差から高低差を測定する。この方法は、水が循環する為、水温差による比重誤差の防止が可能であるとの効果を提示している。ただ、この方法を用いる場合には、最初に特定位置を決め、その位置での計測となるため、位置の変更や測定点の増減が容易でなく、測定の柔軟性に欠ける。また、各位置では常に水のオーバーフローが起きる可能性があり、そのたびに水回りの後片付けが必要になるという課題もある。
また、特許文献３では、場所間の高低差だけでなく、その面内の高低差の変化量も測定できるとし、小型でありながら微細な高低差から大きな高低差までが測定可能であると述べているが、基本的に上記の特許文献１，２と同等な課題を含んでいる。

ところで、近年は、シリコンウエファーや金属の微細加工技術の進歩と共に、気圧センサの高精度化が進んでいる（例えば非特許文献１）。最近は、腕時計などにこの気圧センサが搭載されて、山登り等に使われることがある。この様な高度計は、この気圧センサ技術の進歩によって可能になっていると考えられる。そのためこの様な気圧センサを利用して、本発明の目的とするような、高低差を計測する事ができないかとも考えられる。しかしながら、風や気流の変動等を考慮すると１００ｍ離れた場所間でも、数ｃｍの高低差を測定するという本発明の技術目的には、この様な気圧センサだけではとても到達することができないのである。

実開平４−５１６１８ 特許第３９３８５６０ 特許第５８２４５７０

ROHM 新商品速報 小型気圧センIC BM１３８３GLV

本発明の目的とするところは、数ｍから数１００ｍ離れた場所間で、数ｃｍの高低差、もしくは高度差を測定するというものであり、従来このような測定において、非常に面倒かつ不便なものは存在しても、安価に手に入れて、簡便に利用できる装置は、見あたらないのである。

背景技術に述べた様に、従来の連通管の原理を用い、水面を開放して測定する方法は、多点の測定を連続的に行うためには、労力と時間を要する。つまり連通管方式では、大気中に液面を露出させた測定方法となるため、高低差によって液面が大きく変動し、測定管をその高低差に対応した長さにしておく必要がある。そのため、移動や運搬、設置の困難を伴うだけでなく、高低差の予測を間違うと、液あふれが生じ、また不足すると、液補充が必要になるという問題があり、現在まであまり広く用いられることがなかった。

また、まだ本発明が目的とする様な高低差測定に使われた実用例は見当たらないが、気圧センサをそのまま使えないかということも考えられるが、前述したように気圧変動がそのまま高低差の誤差になるため、気流の乱れる条件では測定誤差が大きく、計測が難しい。

この気圧センサによる高低差測定の難しさの原因は、本質的には空気の密度が小さいからであり、空気の密度が1ｃｍ^３あたりで０．００１２９ｇに過ぎないためである。つまり、気圧による高低差測定を行う場合には、１ｃｍあたりの高低差で、０．００１２９ｇの圧力変化を捉えなければならない。これは圧力単位に変換すると０．１２６Ｐａとなり、現代の気圧測定技術では測定困難な値である。しかも、屋外での測定を考えるとき、風の影響や気流の乱れなど考慮すると、たとえMEMS（（Micro Electro Mechanical Systems）技術が大きく進歩したとしても、広い面積に渡って高低差を気圧計のみを用いて数ｃｍの誤差でとらえることは、不可能であると考えられる。

上記の様な問題点を解決するために、本発明の高低差測定装置並びに高低差測定方法は、従来より、よく知られた連通管の考え方に立脚しつつ、ＭＥＭＳを利用した気圧センサ技術の進歩を利用したものであり、測定位置の高低差を内部の連通する液体の高さ変化に置き換え、その液体の高さ変化に相当する液体重量を圧力差（もしくは気圧差）として測定し、測定した圧力差を再び高低差に置き換えて、地面等の高低差変化を求めるものであり、また、その結果を連続的に場所の関数として表示しようとするものである。

具体的には、水やシリコンオイル等の液体を満たした管の一方もしくは両端を封止して、封止した端の片方、場合によっては両方に圧力センサを配置する。両端を封止する場合は、必ず少なくとも一方の端には、気体部分を残し、また、片方の端のみを封止する場合には、封止した側に、圧力センサを配置する。

計測方法は、まず両端を一旦、位置を固定し、初期位置とする。その初期位置での圧力を測定し、次に、一方は固定した状態で、もう一方の端を移動させる。次に移動先で再び圧力を測定する。そしてその初期位置での圧力と移動先での圧力の差を求め、ｈＰａをｃｍに変換する。この求められたｃｍ単位の値に補正を行って初期位置と移動先での高低差とするのである。この圧力差測定は、連通管の概念を利用しているために、非常に遠方まで測定が可能であり、圧力は、音速で伝わるため非常に応答が早い。

その際、移動した端の初期位置と移動先との距離をレーザ距離計やウオーキングメジャー等によって計測し、移動先の初期位置との高低差を距離の関数で表す。このデータはＷｉＦｉ等でパソコンやタブレットに送信し、距離に対する高低差のグラフとして表示するのである。

また、パイプ端部の移動は、測定するべき位置である移動先まで人が運んで行うこともできるが、自動走行の移動ロボットに運ばせ、移動ロボットの位置を、ＧＰＳや地磁気センサおよびジャイロセンサ、加速度センサなども加えた装置によって測定を行うことで、各位置での高低差をｃｍ単位で３次元的に表すことも可能である。ただ、移動時は圧力データが変動するため、圧力の計測には、一時的に移動を休止したほうが、データのばらつきを抑えることができる。

ロボット等で自動計測を行うと、人間が関与せずに、遠方までをくまなく自動で移動させることができるため、適当なアルゴリズムを組めば、測定を必要とする地域を全面に渡って有限なポイントを設定して測定できる。この各ポイントで測定された高低差を、有限要素法による数学的解析によって、ポイント間を結び、ポイント間の高低差を類推できる様にすれば、測定地域の全面を３次元の測定値として利用できる様になる。

また、本発明を従来用いられている距離測定用の巻き尺の中に組み込むと、距離と高低差もしくは水平位置差を同時に測定することができる。つまり、巻き尺の引き出し板もしくは帯をパイプ状の構造とするか、パイプを張り付けた構造とし、このパイプに液を満たして、一端に圧力センサを埋め込んで今までに述べた方法と同様の方法で、圧力差を計測し、距離と高低差を同時に求めるのである。この高低差を距離と一緒に液晶表示すると、地面の傾斜や、凹凸が距離とともに、簡便でしかも安価に計測できる。

本発明を利用すると、非常に簡便に、地表面や建物等の高低差や起伏が、数１００ｍ離れていても、数ｃｍオーダの高い精度で計測可能であり、その際、距離も同時に測定するようにすると、従来計測が不可能であったような非常に大きな建造物などの微小な傾斜も、容易に測定できる。

また、曲がった場所で、従来何度も計測を繰り返さないとわからなかったような高低差測定も、パイプ先端さえ移動できれば、一度の計測で、簡単に可能となる。例えば、湾曲した道路の１００ｍ先の位置までの傾斜や、建物の表側を通る道路と裏側を通る道路の高さの差を知りたい場合なども、パイプ先端を表側から裏側まで移動するだけで、簡単かつ迅速に測定ができるのである。

また、地滑り等の災害予防に本発明を利用することも考えられる。本発明を使った装置は、非常に安価に製造が可能なため、各地滑りの危険がある地域に設置し、常にＷｉＦｉ等でモニターしておけば、わずかの地表面に起きた高さ変化をとらえることができるため、地面が大きく滑る前に、地滑りの予測が可能となり、災害を未然に防ぐことが可能になる。

また、本発明ではパイプの一端を開放して計測もできるが、両端を密封して、計測することができる様にもしているため、持ち運びが容易であり、保管がしやすく、故障が起こりにくいという効果もある。

本発明は、作業者が各場所の高低差を知るために、基準となる位置から、パイプ端部を持ち歩くことも可能であるが、自動掃除機で使われているようなアルゴリズムを移動ロボットに組み込み、その移動ロボットに位置を知るためのＧＰＳや地磁気センサ等を取り付けて、移動した場所を明確にすれば、ある面積に渡って二次元的に高低差測定を行うことができるので、ある地域全体に渡って、高低差データを位置との関数の形で得ることができる。このデータを、有限要素法の様な数学的な処理を行うことによって、全面積に渡っての起伏や傾斜等が連続的に明確になり、土木、建設において非常に有効な三次元データを作ることができる。

また、長さ測定は、日常的に用いられる巻き尺やコンベックスによって簡単にできるが、その場所が、別の場所と比較して、高低差がどの程度であるかという点については、計測が難しい。卑近な効果を奏する例として、エアコン等の排水等を考えるとき、床に対して僅か並行より傾けて排水管を通しても、床が傾いている場合があり、うまく排水できないことがある。そのような場合、水平位置の高低差が重要になるが、水準器を用いても、離れている場所との比較が難しく、排水パイプのための壁の穴あけ等が容易でなかった。

本発明を巻き尺やコンベックスと一体化することによって、非常に安価な装置となり、比較的離れた場所の水平差を簡単に測ることができる様になるため、水平を必要とする穴あけ等の作業が正確になり、日常的な様々な場面での利用効果も高いと考えられる。

本発明の高低差測定装置とその実施方法を示した説明図である。（実施例１） 本発明の高低差測定装置とその実施方法を示した説明図である。（実施例２） (a)本発明の高低差測定装置とその実施方法を示した説明図である。（実施例３）（ｂ）実施例３に若干の変更を加えた実施例３の類型例である。 本発明の装置を検証するための実験で得た測定データを示した図である。 本発明の高低差測定装置を示した立体斜視図である。（実施例４） 実施例４の内部構造を概略的に説明した図である。 本発明の高低差測定装置を示した立体斜視図である。（実施例５）

本発明の高低差測定装置、並びに高低差測定方法は、基本的には古くから知られる連通する管の液面の高さが等しくなるという連通管の考え方に立脚している。しかもそれに加えて、近年のＭＥＭＳ（Micro Electric Mechanical System）気圧センサーモジュールを用いた気圧測定技術の著しい進歩を利用することで、たとえ１００ｍ離れた場所でも、数ｃｍの誤差で、地面の傾斜や高低差をとらえることができる方法を発明したものである。

これは、初期位置と測定位置の地表面の高度差を、連通管の原理を用いて液体重量変化に置き換えることで、高度差に相当する気圧差を775倍程度に増幅して測定するものである。この方法によって、数ｃｍの高度は測定可能な圧力差となり、その圧力差をもって、地表面の高低差に置き換えて示そうとするものである。

つまり、構造的には非常に簡単でありながら、精度が高く、ダイナミックレンジが広い、高分解能な高低差測定装置および測定方法である。
以下に具体的な構成を上げて、各代表的な実施形態を示して発明を開示する。

図１は、本発明の高低差測定装置およびその測定方法を示した第１番目の実施形態の実施例１である。図中の１０１は基準容器であり、パイプ１０７の一端をそのままの形で用いてもよいが、本実施例１では特別に容器を設けて端部構成としている。基準容器１０１内部には、空間部分１０２と液体部分１０３が存在している。また、この基準容器１０１には、電動開閉バルブ１０４が取り付けられている。また、この実施例１では基準容器１０１の空間部分１０２に圧力センサ１０５が設けられている。この基準容器１０１は固定のための台座１０６で支えられている。

この基準容器１０１内の液体は、液体を満たしたパイプ１０７により、液体の移動可能な状態で測定容器１０８に接続されている。測定容器１０８はパイプ１０７のそのままの形状で使ってもよいが、少し端部を太くしておくほうが、圧力センサの挿入等に便利である。またこの測定容器１０８は、基準容器１０１より内径を小さくして作られており、空間部分１０９の液体部分１１０と接する液面の面積は、基準容器１０１の空間部分１０２が液体部分１０３に接する液面の面積より十分小さくしている。この測定容器１０８の内部には、ＭＥＭＳ構造の圧力センサ１１１が取り付けられいるが、外部とは、密閉シールドされており、データ取り出しのための信号線だけが、測定容器１０８から外部に引き出されている。この信号線は外部に取り付けられた電子回路１１２に引き込まれている。

この電子回路１１２には、WiFi通信可能な電子モジュールが搭載されており、圧力センサ１１１から得られたデジタルデータと、本実施例１では圧力センサに付随した温度センサから得られる温度データ、およびレーザ測長機１１４のデータが、ＷｉＦｉにてタブレット端末１１３に送られて、高低差と距離が液晶画面に表示される。

測定容器１０８には、レーザ測長機１１４にて、基準容器１０１との距離を、常に測長できる様にしており、基準容器１０１との距離を測定容器１０８の初期位置に代用して測定する。測定容器１０８には、車輪１１５が取り付けられて地面１１６上を転がり移動することが可能になっており、基準容器１０１と測定容器１０８間の距離を測定しながら、圧力センサ１１１にて圧力測定ができる様になっている。

本発明による第１番目の実施形態の高低差測定装置構成については、以上に述べた通りであるが、次に高低差測定を行う方法について述べる。

まず、基準容器１０１と測定容器１０８を固定して初期位置を決める。本実施形態では、測定容器１０８を移動させて、測定容器１０８の初期位置と移動後位置の高低差を測定する。最初に電動開閉バルブ１０４に指示を与えて開放しておき、大気圧と空間部分１０２の気圧を同じにする。本実施例１では電動開閉バルブを用いているが、もちろん手動によるバルブを用いてもよい。この大気圧を圧力センサ１０５によって測定する。この大気圧は高低差測定中に大きく変動した際に、補正するものであり、長時間に渡る測定や、急に低気圧が通過する等によって、大きな気圧変化が起こることがない限り、補正値はそれほど大きくならず、ほとんどが誤差範囲に収まる。

通常は基準容器１０１と測定容器１０８は近接させて、初期位置を決める。図１は、測定容器１０８を移動した後の状態を示している。この移動位置で圧力センサ１１１の測定を行う。その際同時に、この圧力センサ付随の温度センサによる温度とレーザ測長機１１４による基準容器１０１との距離も測定する。この移動による距離は、レーザ測長機１１４を用いているがために、本来測定容器１０８の初期位置と移動後の距離を測定すべきところ、測定容器１０８の初期位置を基準容器１０１で代用したものである。尚、温度測定は温度が大きく変化した場合の圧力データの補正用であり、通常の測定時には、それほど大きく温度変化が起こることはない。

この圧力データと温度データおよびレーザ測長機１１４から得られた距離のデータは、電子回路１１２に集められ、ＷｉＦｉでタブレット端末１１３に無線送信される。タブレット端末では、ＴＣＰやＵＤＰに対応した言語であるProcessingで書かれたプログラムによって、ＷｉＦｉの受信とデータの処理、および液晶表示が行われる。

本実施例１では、パイプ１０７は半透明性のものを用い、着色した不凍液を含む水が入っている。パイプ１０７が可視化できる様にいているのは、何らかの原因で気泡がパイプ１０７の内部に混入した場合、速やかに色の変化によって、そのことを知るためである。ただ着色しなくてもある程度は、気泡混入の認識が可能なので、液の着色は必要に応じて行う。気泡混入を防ぐ理由は、気泡がパイプ１０７内の液を部分的にでも断続させると、測定に大きな誤差を生じるためである。

測定容器１０８は車輪１１５上に乗せられており、パイプ１０７はフレキシブルなものを用いているので、測定容器１０８は、地面１１６上を、起伏を越えて、自在に動くことができる。図１の様に、測定容器１０８の移動位置では、初期位置より地面１１６がへこんでいる。そのため、連通管の原理から、一定水面高さを保つため、基準容器１０１の液面は降下しようとし、測定容器１０８内の液面は上昇しようとする。しかし空間部分１０８は閉じているため、それらの力は空間部分１０８に圧力として働き、空間部分を圧縮させるのである。そのため、測定容器１０８の空間部分１０９の圧力を測定すると、初期圧力との間に、地面の起伏に対応する水圧差が生じ、この圧力の差を、再び地面１１６の高低差に変換できるのである。

基準容器１０１の液体部分１０３の空間部分１０２と接する面積は、測定容器１０８の液体部分１１０の空間部分１０９と接する面積より大きくしているが、これは、測定容器１０８が地面１１６の凹凸によって変化した際に、基準容器１０１内の液面変化をできるだけ小さく抑えるためであり、この基準容器１０１と測定容器１０８の液面変化は、圧力測定後の補正値となる。つまり、実際の高低差は、圧力から求めた高低差から、基準容器１０１の液面が下がった量と、測定容器１０８の液面が上がった量を足し引きして求められるのである。そのため、基準容器１０１の液面を、誤差範囲の変化に留めることができれば、基準容器１０１の液面変化を無視でき、測定容器１０８の液面を参照するだけで補正が済み、両方を参照するという手間を半減できるのである。

本実施例では、基準容器１０１を大気開放し、気圧が一定の条件で測定しているため、非常に安定した計測値が得られる一方、いくつかの課題がある。一つは、電動開閉バルブの開閉が面倒であり、もし測定時に開放を忘れると、開放した場合とそうでない場合とで、測定値が異なり、大きい過誤をひき起こす可能性があるということであり、利用は可能であっても、改善すべき点として課題が残る。

また、パイプ１０７内部の液体として水を用いる場合。基準容器１０１を大気開放しているため、水の蒸発と散逸が起き、常に水量に注意していないと、水量が減少して測定に支障がでる。そのため、この第一番目の実施形態である実施例１では、内部の液体として水を使うことをやめ、シリコンオイル等の、蒸発しにくい液体を用いることを試みたが、本実施例１では、パイプが常に密閉された状態ではないため、基準容器１０１が、何かの拍子に倒れた場合等に、液が漏れ出るために、後始末に手間がかかるという課題があった。

図２は、本発明の高低差測定装置及びその測定方法を示した、第二番目の実施形態の実施例２である。第一番目の実施形態である実施例１との大きな改善点は、実施例１で行った基準容器の開閉操作をやめ、常にパイプ全体の密閉状態を維持する点にある。こうすることで、本装置のパイプ部分は完全に外気に対して孤立するので、持ち運びの利便性が向上するばかりでなく、測定ごとに弁の開閉をする必要がなくなり、弁の開放忘れによる測定の失敗を防止することができる。

ただ、反面、基準容器の大気開放を行わない為に、基準容器のパイプ内の液面にかかる圧力は、安定した一定値を継続する大気圧ではなくなり、測定容器内にかかる圧力と同様に、基準容器の圧力も変化する。そのため、常に基準容器、測定容器両方の圧力と液面を測定するか、どちらかの圧力と液面から、他方を計算し、補正を行う必要が出てくるのである。

図２において、基準容器２０１と測定容器２０７はパイプ２０６の端部を拡大したものであり、液体が注入されており、基準容器２０１と測定容器２０７内には、空間部分２０５と２１０が作られている。またその空間部分２０５および２１０と接して、液体部分２０３と２０８が液面を形成している。この液面近傍にはシリコンオイルが、不凍液を混在させた水の上部に注入されており、水はパイプ２０６に充満している。

距離測定は、車輪２１４の軸に取り付けられたロータリーエンコーダ２１５から出力されるパルスを電子回路２１１に送り、カウントして係数を乗じて距離に変換している。またこの電子回路２１１には、気圧センサ２０９からの圧力や温度データも送られてきており、これらの情報は、ZigBee等のワイアレスモジュールを介してノート型のＰＣ２１２にて解釈、処理され、液晶画面に表示される。

本実施例２では、移動の際に液を満たしたホース２０６が、測定の邪魔にならない様に、車輪２１４の軸周囲に弱いゼンマイバネ（表示せず）を介して巻き取られている。そのためパイプ２０６を必要な距離だけ出し終え、元に戻す場合はバネの力で元の状態に巻き取る事ができる。また、本実施例２では基準容器２０１にも気圧センサ２０２を設けているが、測定容器２０７の気圧センサ２０９か、基準容器２０１の気圧センサ２０２かのどちらか一方だけの圧力情報でも、解析計算によって、高低差の計測が可能である。

測定方法は、ほぼ実施例１と同じであるが、以下の手順で行う。測定開始時に、まず基準容器２０１と測定容器２０７の位置を固定して初期位置とし、この時の気圧センサ２０２と２０９の圧力、温度の値を読み取り、各初期圧力、温度とする。次に測定容器を必要な距離だけ移動させて、移動後位置での圧力と温度の値を測定し、移動後圧力、温度とする。その際、車輪２１４に取り付けたロータリーエンコーダ２１５のパルスもカウントしており、その値から移動した距離を求めている。本実施例２では測定容器２０７を移動させるが、基準容器２０１を移動させて計測しても、高低差の測定は可能である。

通常、短時間の測定では温度はほとんど変化がないので、温度補正はわずかであるが、測定容器２０７を移動させた際に、温度が大きく変化した場合には、ボイルシャルルの法則に基づき、圧力が絶対温度に比例することを利用して、移動後の圧力を初期位置での温度と移動後の温度を比較して補正する。液体部分２０３と２０８の表面には、蒸気圧の低いシリコンオイルを浮かべているために、温度による蒸気圧の補正は必要がないが、シリコンオイルを用いず、水をそのまま液体部分全体に用いている場合は、温度が大きく変化する場合は、水蒸気圧の補正も必要となる。

気圧センサ２０２と気圧センサ２０９から得た圧力データは、先に述べた補正を加えて、正規化した後、移動後圧力と初期圧力を比較し、地面２１３の高低差を導く。例えば、図２の様に、測定容器２０７を移動させた際に、地面２１３が測定容器２０７の初期位置と比較して、移動後位置の水平高さ（高度）が低くなっているときには、測定容器２０７の空間部分２１０と液体部分２０８の間の液面は、地面２１３が低くなった分だけ、連通管の原理により、初期位置での液面に戻ろうとし、パイプ内の液体によって押され、空間部分２１０が加圧される。

一方、基準容器２０１の空間部分２０５は、測定容器２０７の位置が低下したために、初期位置からパイプ２０６内の液体の引く力によって、減圧されることになる。基準容器２０１内の、液体部分２０３と空間部分２０５の接する面積が、測定容器２０７内の液体部分２０８と空間部分２１０の接する面積より、十分に大きくとられている場合は、基準容器２０１内の液面変化は、測定容器２０７の液面変化に比べて小さくなる。

その場合は、わずかな地面２１３の起伏に対しては、基準容器２０１の空間部分２０５の容積変化はほとんどなくなるため、基準容器２０１内の圧力もほとんど変化しないため、実施例１と同様な方法で高低差を計測できる。ただし、大きな起伏変化に対しては、基準容器２０１、測定容器２０７の両方の圧力が変化するため、気圧センサ２０２と気圧センサ２０９両方の圧力データを参照して高低差の計算をする必要があり、同時に、基準容器２１０と測定容器２０７の液面の変化の補正も加えなければならない。

一方、圧力センサをどちらか１つにして測定する場合は、測定容器２０７と基準容器２０１の内径を同じにして、空間部分２０５と２１０の液体部分２０３と２０８に接する面積を同じにする。そうすることによって、パイプ２０６内の液量は一定であるため、一方の液面の低下もしくは上昇量は、他方と同じ値になる。そのように、一方の液面変化を測定し、他方を予測し、数値計算で高低差を導くのである。

以上の様に、本実施例２は、実施例１の様に片側を開放するための開閉弁に伴う課題は除かれるが、両端に密閉空間があるために、両空間の液面と圧力変化の監視が必要となるという面倒な課題が残る。

本実施形態は、実施例１と実施例２の課題や問題点を改善しようとする過程で生まれたものであり、液面の監視が不要になる、より利便性を向上させた新しい知見が含まれる。実施例１や実施例２の開発実験を繰り返す内に、本実施例のような方法が可能であることを、たまたま発見したものであり、連通管の考え方に立脚しつつも、片側に空間のない状態で気圧を測定するという、連通管の概念を超えた、まったく新しい考え方に到達したものである。ただ、ＭＥＭＳ型の圧力センサの内部に微小な空間部分が残っているのではないかということも考えられるが、その場合は、実施例２の改良として、非常に微細な空間を、圧力計の測定部に形成して、圧縮膨張による液面変化を誤差範囲程度にまで微小に抑えたということになるが、今のところは明確ではない。

図３の（ａ）は、本発明の高低差測定装置およびその測定方法の第３番目の実施形態の一つであり、それを実施例３として開示したものである。本実施例３では、測定容器３０８を、遠隔的にコントロールして移動させることが可能な、移動ロボット３１２に装着している。しかも、基準容器３０２は、空間部分をなくし、MEMS式の気圧センサ３０３が基準容器３０２内に液浸されて、密封されている。本実施例では、液体は比重が1に近く、粘性の低いシリコンオイルを用いている。

基準容器３０２と測定容器３０８は、パイプ３０９の両端に取り付けられている。この基準容器３０２や測定容器３０８は、パイプ３０９の端部をそのまま利用してもよいのであるが、やや空間を広げる方が、基準容器３０２にあっては、気圧センサ３０３の挿入の容易性、測定容器３０８にあっては、空間部分３１１の作り易さのため、容器状にしているのである。先に述べた様に、測定容器３０８は、基準容器３０２と異なり、空間部分３１１が作られ、液体部分３１０との間に液面を作っている。また、パイプ３０９は全体的に密封されており、外気から遮断されている。

測定容器３０８は、 移動ロボット３１２に搭載されて、地面３１４を移動し、凹凸や起伏の情報を、パイプ３０９内のシリコンオイルを介して、基準容器３０２内面に配置した気圧センサ３０３に伝える。この気圧センサ３０３による測定データは、計測モジュール３０１に伝えられ、処理され、地面３１４の高低差として表示される。

本実施例３では、基準容器３０２は支柱３０４によって支えられ、パイプ３０９は巻き取り機３０７によって巻き取る構造になっており、パイプ３０９の出し入れは、モータ３０６への指令によって行われる。またその際、モータの回転数と巻き径の関係から、距離を割り出すことができる様にしている。そのため、パイプ３０９が１列に積層されて巻き取られている。パイプ３０９の出し入れを容易にするために、基準容器３０２や計測モジュール３０１は一体となって、移動ロボット３１２の方向に回転する様になっており、回転を容易にするために、ベアリング３０５が用いられている。

また、計測モジュールからは、WｉFi無線通信によって、コンピュータ３１５にデータが送られ、距離と高低差のグラフが描かれ、基準容器３０２位置を所定位置に移動させながら、測定することで、３次元的なグラフが描けるようにもしている。ただ、実際上は、基準容器３０２を移動することが面倒であるため、現在は、基準容器３０２を中心として、その周囲を円周状に測定する方法を用いているが、この場合、支柱は中心に1本だけにして、基準容器３０２が回転可能な状態にして、支える方法を用いる。

この、実施例３（ａ）では、基準容器３０２内に液体を満たして、測定容器３０８を移動させる方法を採用したが、測定容器３０８を液体で満たして、その中に圧力センサを浸して、圧力測定し、その圧力差によって高低差を求めることも可能である。その際は、基準容器３０２に空間部分を設けなくてはならない。また、移動ロボット３１２に、GPSや地磁気センサを搭載して、圧力や温度のデータと共に、コンピュータ３１５にデータを送信すれば、任意の面積全体の高低差を測定でき、３次元的な地図を容易に描くことができる。

この内容をより明確に示すために、図３に（ｂ）として図によって示した。（ａ）と（ｂ）で共通するものは、同じ番号をもちいている。

図３の（ｂ）においては（ａ）と異なり、基準容器３０２は液体で満たさず、空間部分３１５が存在し、液体部分３１６と接しており、密閉栓３１７によって、外気とは封止されている。一方、測定容器３０８は、液体が充満しており、気圧センサ３１８が浸漬されている。この気圧センサのデジタル信号は、電子モジュール３２０に伝えられる。また、この電子モジュール３２０には、移動ロボットの車軸に取り付けられた、エンコーダ３２１からのパルスデータも伝えられているため、このパルス数から測定容器３０８がどの程度動いたかの距離測定ができる。

これらのデータは、電子モジュール３２０にて処理され、コンピュータ３１５にＷｉＦｉ送信され、処理されて表示装置に表示される。

本実施例では、（ａ）は、基準容器３０２側にて、モータ３０６の回転数から距離を割り出す方法を述べているが、（ｂ）では移動ロボット３１２の軸に、ロータリエンコーダ３２１を取り付け、その値から距離を割り出す方法を述べた。

また、測定は、例えば0.1ｍ移動して、０．５秒休止しその休止間に、圧力を測定する方法をとるべきであり、移動と休止を繰り返しつつ圧力測定するのが望ましい。移動中は、パイプ３０９が揺れ動くため、圧力変動ノイズが大きくなり、それを測定データとすると、本来の正しいデータが明確でなくなり、望ましい結果が得られなくなるのである。この移動量と休止時間は測定する対象の面がどの程度なめらかか、もしくは、どの程度荒れているか等、またどの程度高精細の高低差図を作るか等を考慮して決める必要がある。

本実施例では、気圧センサ３０３や３１８を用いているが、現在商品として生産されている気圧センサは３００ｈＰａ程度から、１３００ｈＰａ程度までを計測することができる様になっているものが多い。本実施例では、高低差を上下方向で測定するため、気圧センサが上限と下限の中間で動作するのが望ましい。

そのため、パイプ内の気圧を５００ｈＰａ程度減じて、初期の気圧中心部を８００ｈＰａ程度のところに落ち着かせ、上下で５００ｈＰａの測定ができる様にする。このように、パイプ内を減圧することで、上下方向に５ｍの高低差の測定が可能になる。

本発明では、パイプを封止しており、パイプ内を満たす液体としてシリコンオイルを用いれば、トリチェリの真空は生じないため、高低差が１０ｍ以上でも測定が可能である。ただ、そのためには、差圧が１０００ｈＰａより大きい圧力に耐えうる圧力センサを用いる必要がある。どのような圧力センサを選ぶかは、測定対象と、その時の測定精度や最小測定分解能をいくらにするかによって決める必要がある。

本実施例３では、図３の（ａ）と（ｂ）において示した様に、パイプ３０９の一端が液体で満たされ、気圧センサ３０３もしくは３１８が液浸されてている。そのため、パイプ３０９内部に密閉された液体は、移動できない状態になっており、液面や、空間部分の体積変化がない。そのため、実施例１や実施例２の様な液面変化や空間部分の圧力変化による補正の必要がないという画期的な特徴がある。

では、何故連通管でありながら、両端に空間が必要でないのかという点について、一つには、ＭＥＭＳの気圧センサー内部に微小な空間が残存している場合が考えられる。もう一つの考え方として、海底に潜った場合に体にかかる圧力と同じ考え方が適用できるのではないかとも考えられる。どちらが正しい考え方になるかは、今後の研究を待たざるを得ないが、実用上は、正しい高低差の結果が得られるのであるから、実用上での問題はないと思われる。

そこで、図４は、パイプ長を５ｍとして、実施例３（ｂ）の測定容器３０８の移動位置を固定し、上下方向に測定容器を垂直移動させて、その高さをルーラーで測定して値を比較したものである。ルーラーで測定した高低差は、横軸にて示し、本発明によって測定した高低差は、縦軸にて示した。黒丸は測定値を絶対値で示したものであり、０点から延びる実直線は、ルーラーによる高低差と本発明の装置による高低差が一致する点を結んだものである。一方点線は、黒丸の測定値を結んだ近似線である。

図４にてわかるように、ルーラーによる高低差の方が本発明による高低差よりも8％程度大きい。これは、パイプに封入している液体の比重が１より小さいことや、気圧センサをシリコンオイルに浸して、気圧を測定しているため、粘度等の影響が出ている等の原因が考えられるが、何度かの繰り返し実験を行ったところ、ほぼ再現性が得られ、かつ直線性から逸脱しないため、この値を補正値としている。つまり、本実施例３を用いた場合は。本発明の装置から得た値を、ルーラーの高低差に合わせるためには、補正係数として１．０８を掛け合わせる必要がある。

図５は実施例４を示したものであり、本発明の第４番目の実施形態である。基本的な考え方は、これまでに述べた実施例と異ならない。パイプの一方の端を液体で充満させ、他方の端に液体と接する空間部分を設け、液体の充満した端の方に気圧センサを挿入している点は、実施例３の応用展開と言える。実施例３をより一般的な家庭での使用に向く様に簡略化し、利用拡大を目的としたものである。つまり、この実施例４は、市販されているコンベックスもしくは巻き尺の距離測定に加えて、高低差の測定が可能となるように機能を拡張したものと言える。

図５にて説明を行うと、巻取り機５０１の内部には、液体溜めがあり、その液体溜めから、パイプ５０４が引き出されて、測定容器５０５に繋がっている。パイプ５０４は、スケーラ５０３に接着されており、パイプ５０４は閉止栓５０６によって外部とは完全に密閉されている。測定容器５０５は、液体が空間と接する状態で密閉され、液体も空間を構成する気体も漏れ出ることはない。

図５では、外見しかわからないため、図６によって内部の様子を簡略化して示した。図６では、説明を分かり易くするために、図５に表したものと同じ部位の符号は、同じものを用いてあらわしている。

図６において、巻き取り機５０１の内部には、パイプ５０４が巻き込まれており、コイルばね６０３とスケーラ部５０３（図５参照、図６中には示さず）が繋がっている。パイプ５０４は基準容器６０５に繋がっており、基準容器６０５内には、パイプ内に注入されている液体と同じ液体が充満している。本実施例４では、液体としては、比較的低粘度のシリコンオイルを用いている。パイプ５０４は測定容器５０５とつながっており、測定容器内は空間部分６０８と液体部分６０９に分かれている。基準容器６０５、測定容器５０５を含むパイプ５０４は閉止栓５０６によって外気から完全に密封されている。

使用法としては、例えば、図６に示す様に、測定対象物６１１が、巻き取り機５０１の前方にあり、その水平位置の高低差と距離を知りたい場合、測定を始める前の初期位置は、巻き取り機５０１を固定した状態での位置であり、スイッチ（図示せず）を入れると、表示が現れ、高低差は０ｃｍと表示される。図６では、少し起伏があり、表示は+Ｈｃｍとなる。距離はスケーラから読みＬｃｍである。測定対象物６１１のところまで、測定容器５０５を移動させる際に、巻き取り機５０１は固定しているため、内部に設置した基準容器６０５も固定されている。

図５のストッパ５０２は、一時的にスケーラ５０３とパイプ５０４の動きを止めるものであり、この位置で、リセットボタン５０８でリセットすると、この測定容器５０５の位置が高低差０となって、次に移動した場所との相対的な高低差を測定することができる。リセットしないで、測定容器５０５を移動させた場合は、初期位置との高低差となる。

図７は第５番目の実施形態である実施例５である。本実施例５は基本的には、実施例４と同じ考え方であるが、横に寝かして使う様に工夫したものである。このようにすることで、液晶表示が見やすく、かつ設置が安定するという利点がある。

図７において、巻き取り機７０１の内部には、パイプ７０６が巻き取られており、このパイプは、片端が、基準容器７０３に繋がり、もう一方が測定容器７０７に繋がっている。測定容器７０７内には、液体が充満しており、気圧センサ７０８がその中に浸って、外部に端子部が取り出されている。もう一方の端にある基準容器７０３の内部は、液体部分と空間部分に分かれており、空間部分は閉止栓７０２で密封されている。それゆえパイプ７０６は、外気とは完全に密封状態にある。

パイプ７０６はフレキシブルなものを用いているため、四方に自在に動き、フレキシブルな信号線が接着されている。この信号線は気圧センサ７０８を駆動するためのものであり、電圧線、グランド線とSCL、SDAからなる信号線で構成されている。測定容器７０７を巻き取り機７０１に引き寄せられた位置が初期位置であり、そこから引き出した距離が、液晶表示部７１０に表示され、同時に、測定容器７０７が上下に振れた位置と初期位置との高低差が、液晶表示部７１０に表示される。

ストッパ７０９の働きは、実施例４と同じであり、引き出し位置を固定し、リセットボタン７０４の働きは、移動後の位置を０として、初期化リセットする場合に利用する。

以上、縷々述べた様に、本発明の高低差測定装置を利用することによって、田や畑の高低差を容易に、かつ安価にしかも必要な面積に渡って、三次元的に測定できる様になるため、排水、田の平たん化、など様々な利用が可能になる。また建設や土木現場においては、曲がった道路や、隣の道路との高低差などでも、非常に容易に測定できるほか、直接的に見えない場所でもパイプさえ通せれば、高低差も測定が可能となり、大いに利用に供することになる。また、安全対策面では、地滑りなどの対策時に、本発明を用いて常時監視っできる様にしていれば、非常に安価に、事前予告が可能になり、災害予測に非常に有効だと思われる。

また、家庭用として用いれば、今までは測定が難しかった、離れた場所での高低差を、距離との関係で、巻き尺の様な感覚で簡易に測定することができるため、エアコンの穴開けや、曲がった場所での樋の傾斜測定など様々な利用が可能となる。

１０１、３０２、６０５ 基準容器
１０８、３１５、６０８ 空間部分
１１０、３１６、６０９ 液体部分
１０７、３０９、５０４ パイプ
１０８、３０８、５０５ 測定容器
１１１ 圧力センサ
２０９、３１８、６０４ 気圧センサ
１１２ 電子回路
２１５，３２１ ロータリーエンコーダ
３０６ モータ
３０７，５０１ 巻き取り機
３１２ 移動ロボット

Claims (19)

1. 液体を注入したパイプ（もしくはチューブ）の、少なくとも一端は、大気に対して開閉可能とし、前記パイプのもう一端は、閉塞させてパイプ内部の圧力を測定できる様に圧力センサを設け、大気開放が可能な前記一端をO端と名付け、大気に対して開放し、別の閉塞した端をＳ端と名付け、前記Ｓ端のパイプ内部の圧力を、前記圧力センサによって継続的もしくは断続的に測定し、前記Ｓ端もしくはO端のどちらか一方を移動させて、前記圧力センサによる圧力測定値の変化から、前記移動したＯ端もしくはＳ端の水平位置高低差（以後高低差と呼ぶ）を求めることを特徴とする高低差測定装置および高低差測定方法
2. 前記装置のO端には、開閉弁が設けられ、Ｏ端近傍の前記パイプ内に気圧センサが設けられており、少なくともＳ端の圧力センサによる圧力測定時には、前記開閉弁が開放されており、前記Ｏ端の気圧センサによって気圧を測定して、必要に応じて高低差を補正したことを特徴とする請求項1記載の高低差測定装置および高低差測定方法
3. 前記開閉弁の開閉が、前記高低差測定の最初の測定前に電動で行われ、前記高低差測定の測定作業が終了後に、前記開閉弁の閉止が電動で行われる様に、測定のためのプログラムに組み込まれているか、もしくは手動スイッチ入力によって、前記開閉弁の開閉指令が行われることを特徴とする請求項１もしくは請求項２記載の高低差測定装置および高低差測定方法
4. 両端に空間を設けて、液体で満たして密閉したパイプ（もしくはチューブ）の、両端をB端とM端と名付け、前記M端に内部の圧力が測れるよう圧力センサを設け、前記Ｂ端位置を固定して、前記Ｍ端は初期位置から移動させて、移動後の位置において、逐次前記初期位置との圧力の変化値を前記圧力センサによって測定し、前記圧力の変化値に係数を乗じたものを、前記Ｍ端の初期位置との水平高低差としたことを特徴とする高低差測定装置および高低差測定方法
5. 前記Ｂ端にも前記Ｍ端と同様に圧力を測定できる様に圧力センサを設け、前記Ｂ端の位置を固定して、前記Ｍ端を初期位置から移動させて、逐次初期位置との圧力の変化値を、Ｂ端とＭ端の両方の前記センサで求め、前記Ｍ端の圧力の変化値を前記Ｂ端の圧力の変化値で補正した後、前記Ｍ端の圧力の変化値に係数を乗じたものを、前記Ｍ端の初期位置との高低差としたことを特徴とする請求項４記載の高低差測定装置および高低差測定方法
6. パイプ（もしくはチューブ）のどちらか一端に空間を設けて、もう一方の端には空間の無いように液体を満たして密封し、前記液体の満ちた前記パイプ内側に圧力センサを設け、圧力を継続もしくは断続的に測定できる様にし、最初に前記パイプ両端位置を固定して、前記圧力センサにて初期圧力を測定し、次にどちらか一方の端を移動させて移動後の圧力を、前記圧力センサにて測定し、逐次初期圧力と移動後の圧力との差を求めて係数をかけた値を、移動した前記パイプ端の最初の固定位置との高低差としたことを特徴とする高低差測定装置および高低差測定方法
7. 前記パイプ内部の圧力測定を行う前記圧力センサはMEMS（Micro Electro Mechanical Systems）構造の圧力センサであり、少なくとも前記ＭＥＭＳ部分がパイプ内部に封入されていることを特徴とする請求項1もしくは請求項４もしくは請求項６記載の高低差測定装置
8. 前記液体が、不凍液を含む水もしくはシリコンオイルであり、少なくとも前記パイプ内の空間部分に接した液体部分と前記圧力センサに接する部分はシリコンオイルであることを特徴とする請求項１もしくは請求項４もしくは請求項６記載の高低差測定装置
9. 前記パイプ端が移動するごとに、前記移動するパイプ端の移動前の位置と移動後の位置の距離を測定し、逐次前記高低差と同時に記録し、前記距離ごとの高低差が参照できるようにしたことを特徴とする請求項１および請求項４および請求項６記載の高低差測定装置および高低差測定方法
10. 前記移動する側の前記パイプ端を歩行用距離測定器（ロードメジャー）の車輪軸の近傍に配置し、前記ロードメジャーによる距離測定と前記高低差測定装置から得られる高低差によって、各移動場所での地面の起伏や傾斜の測定ができる様にしたことを特徴とする請求項９記載の高低差測定装置および高低差測定方法
11. 前記パイプの移動する端側に、外部からのコントロールが可能な移動装置が接続されており、移動した位置が、移動前との関係、もしくは前記初期位置との関係で特定できる様にし、前記特定した位置において高低差測定が行われることを特徴とする請求項1もしくは請求項４もしくは請求項６記載の高低差測定装置および高低差測定方法
12. 前記移動装置に、ＧＰＳと地磁気センサ、加速度センサ、ジャイロセンサのセンサーモジュールが取り付けられており、前記移動装置の位置と移動状態が無線送信できるようにしたことを特徴とする請求項１１記載の高低差測定装置
13. 前記移動が、一時的な停止を挟んで繰り返され、前記一時的な停止時に、１回以上の圧力測定が行われ、前記移動に伴う圧力のノイズ成分を除去する操作を組み込んだことを特徴とする請求項９から請求項１２記載の高低差測定方法
14. 巻き取り構造部分による出し入れ可能なパイプに、片側の端にガスもしくは空気の溜まった空間を設け、もう一方の端までは液体を充満させて密閉し、前記液体が充満している一端には、ＭＥＭＳ型の気圧センサを液浸させた構造とし、前記巻き取り構造部分が置かれた位置に前記パイプが巻き取られている状態を初期位置とし、初期位置での前記気圧センサにより測定される圧力を初期圧力とし、前記巻き取り構造部分の初期位置を固定した状態で、前記出し入れ可能なパイプを引き出して、前記パイプの先端部を移動させ、移動後の位置を測定位置とし、前記測定位置での前記気圧センサから得た圧力を測定圧力とし、前記パイプを引き出したことによるパイプ長さから距離を測定し、前記初期圧力と前記測定圧力の差を長さ単位に変換して、係数をかけたものを、前記測定位置での前記初期位置との高低差として、距離と同時に高低差を測定することを特徴とする高低差測定装置および高低差測定方法
15. 液体を充満させた前記パイプが前記巻き取り構造部分の内部に位置し、引き出される前記パイプ内部の先端に前記空気もしくはガスの溜まった空間を有する様に、前記パイプを構成し、前記巻き取り構造の外表面には、前記距離と前記高低差の表示を行う表示器が備えられていること特徴とする請求項１４記載の高低差測定装置
16. 前記巻き取り構造部分から出し入れする前記パイプの先端部内に気圧センサが配置され、少なくとも２本の信号線が、前記パイプに接合もしくは接着されて、一体化されていることを特徴とする請求項１４記載の高低差測定装置
17. 前記信号線が、少なくとも電圧を供給するＶＤＤ線とGND線からなり、前記気圧センサから得られたデータが、前記巻き取り構造部分側に送受信されるとともに、前記巻き取り構造部分側に表示装置と電源を設けたことを特徴とする請求項１６記載の高低差測定装置および高低差測定方法
18. 前記密閉されたパイプ内を前記圧力センサの測定可能範囲のおおよそ中心圧力まで、前記パイプ内を減圧したことを特徴とする請求項４および請求項６および請求項１４記載の高低差測定装置
19. 前記パイプが透明もしくは半透明であり、内部の前記液体と混入した気体との判別が可能な様にしたことを特徴とする請求項１および請求項４および請求項６および請求項１４記載の高低差測定装置

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