(57)【要約】      （修正有）【課題】小型軽量で、高精度かつ高速応答可能な水準器をつくるための新しい原理と構造を提案し、産業界で求められている性能の水準器を提供する。【解決手段】重力方向によって変形せず、また方向を変えない支持枠ＬＷと、線材ＦＳにより前記支持枠ＬＷに垂下されて重力方向に従って姿勢を変える振り子Ｗと、前記支持枠ＬＷに固定された光源ＯＰＳからの光線が入射する前記振り子Ｗに固定された角度検出面と、前記角度検出面で反射または透過した前記光源ＯＰＳからの光線を受光して受光する受光部ＰＤ１、ＰＤ２とを備え、前記振り子Ｗと支持枠ＬＷの相対的姿勢変化を検出する。【選択図】図５
2010066139.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
重力方向によって変形せず、また方向を変えない支持枠と、線材により前記支持枠に垂下されて重力方向に従って姿勢を変える振り子と、前記支持枠に固定された光源からの光線が入射する前記振り子に固定された角度検出面と、前記角度検出面で反射または透過した前記光源からの光線を受光する受光部とを備え、前記振り子と支持枠の相対的姿勢変化を検出するようになっていることを特徴とする水準器。
【請求項２】
前記角度検出面の面法線方向が重力方向成分を含んでいて、重力方向を基準にした直交する2方向の傾斜を検出することを特徴とする請求項1に記載の水準器。
【請求項３】
前記角度検出面が鏡面であり、前記角度検出面の傾斜角に対して既知の比例定数で比例する変位を生じる反射光のスポットを受ける受光部が分割型のフォトダイオードであり、前記分割型フォトダイオードの差動出力から受光スポットの変位を介して前記振り子の姿勢を検出することを特徴とする請求項1又は２に記載の水準器。
【請求項４】
前記角度検出面が周囲とは屈折率の異なる素材からなる透明物体の面（以下境界面と呼ぶ）であり、前記光源から出射された光線の一部が前記透明物体の第1の境界面に対する入射角の変化に応じて前記第1の境界面で反射したときのその光線の第１の光量と、前記第１の境界面を透過して前記透明物体内へ進入した残りの光線が、第２の境界面で入射角の変化に応じて反射したときのその光線の第２の光量と、前記第２の境界面を透過した光線の第３の光量をそれぞれ検出して、それぞれの境界面を介して得られた前記第１〜第３の光量から光線方向角度検出をすることを特徴とする請求項１又は２の水準器。
【請求項５】
前記第１の境界面の面法線方向が重力方向に直交する異なる２方向の成分を持つとき、前記第1の境界面で反射した反射光線を反射光と透過光とに分岐する第３の境界面を設け、前記第３の境界面の透過光についての第４の光量と、前記第３の境界面の反射光についての第５の光量とをそれぞれ検出する第２の受光部が設けられ、前記第４の光量と前記第５の光量とに基づいて、前記異なる２方向の成分を持つ傾きを検出することを特徴とする請求項４に記載の水準器。
【請求項６】
前記透明物体の異なる面に２本の光線を入射させたとき、一方の光線についての前記境界面を介する透過光線と反射光線の受光量に応じた３つの出力と、他方の光線についての前記境界面を介する透過光線と反射光線の受光量に応じた３つの出力との差動出力を得ることによって、傾斜角を検出すべき振り子の傾斜角以外の透明物体の回転や傾斜の影響を除去することを特徴とする請求項４又は５に記載の水準器。
【請求項７】
前記光源が対物レンズを有していて、光源からの光束が角度検出面を介してスポットに収束する位置に前記受光部としてのフォトダイオードが配置されていることを特徴とする請求項1〜６のいずれかに記載の水準器。
【請求項８】
前記振り子の重錘に、少なくとも一部が液体に浸漬された一個以上の羽根を取り付けていることを特徴とする請求項1〜８のいずれかに記載の水準器。
【請求項９】
前記支持枠は前記液体を貯留する貯留部を備え、前記貯留部の一部が前記羽根に当接することで前記振り子の傾きを制限するようになっていることを特徴とする請求項８に記載の水準器。
【請求項１０】
前記貯留部から前記流体を抜き取る機構を備えたことを特徴とする請求項８又は９に記載の水準器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水平面の基準を構築する測定技術に関し、特に水平面の傾きを精度良く測定できる水準器に関する。
【背景技術】
【０００２】
大型加工物の加工精度向上に対する要求の高まりと共に、工作機械の移動真直度や加工面の真直形状の測定精度に対してもその向上が求められている。移動真直度のローリング測定には水準器が用いられ、高さ方向の並進運動測定には、直定規との比較測定が行われる。また、形状で言えば、水平面内での長尺加工物の真直形状誤差の高精度測定には水準器や、オートコリメータによる測定が用いられる。
【０００３】
水銀の液面を鏡として、水準器の枠に取り付けた光源からの光を水銀面に投射してその反射光の振れを角度として検出する方法が研究されている。
【０００４】
現在多用されている電子式の水準器では分解能が０．２秒程度で、分解能の高いものはかなり大型’（テーラーホブソン100*32*80、ワイラー150*149*45）で重量も１ｋｇ〜２ｋｇ以上になる。また、2次元のものは供給されていないので、ピッチングとローリングを同時に測定するにはこれらを2個用意することが多い。
【０００５】
現在、真直運動のローリング測定において不可欠の水準器ではあるが、分解能が不足し、応答性も十分ではない。また、定盤などの大きな平面の形状測定においても水準器の分解能が不足し、応答性の悪さのため、測定所要時間が長すぎることが課題になっている。また、分解能が高い水準器は、外形も重量も大きくなる傾向がある。
【０００６】
現在開発されている高性能の電子式水準器は、水準器の枠から吊るされた振り子の振れ変位を平衡位置に戻すためのフィードックをかけて、平衡位置に戻すための電磁力の強弱を水準器の傾斜に換算しており、更に振り子と枠との相対変位を測定するか、その変位をゼロにするためのフィードバックに要する電磁力を測定している。この原理では、長さLメートルの振り子の振れ角θは、変位でＬθとなる。従って振り子の振れ角の分解能を現状の１０倍にするには、長さＬを十倍にするか、変位検出の精度を１０倍高めなければならず、どちらも現実的ではない。特に、振り子の周期は長さＬの平方根に比例して長くなることを考慮すると、応答性という点からも長さは現状より、短くすることが望ましい。電子式水準器は、また構造上、2次元化も難しいようである。
【０００７】
これに対し、特許文献１には、水平な軸回りに揺動可能に支持された支持枠の両端にシャッターを設け、光ダイオードとフォトトランジスタを用いて２枚のシャッターからの反射光の強度を比較することで、支持枠の傾斜を求めることができるサーボ型傾斜センサーが開示されている。
【特許文献１】特開平０４−１１０６０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかるに、特許文献１の技術では、支持枠を天秤状に用いているので横幅が広くなるという問題がある。又、支持枠は単一の軸回りに揺動可能に支持されているので、わずかながら軸の支持抵抗が生じ、また２次元方向の傾きを一度に測定することが難しいという問題もある。
【０００９】
本発明は、かかる問題点に鑑み、小型軽量で、高精度かつ高速応答可能な水準器をつくるための新しい原理と構造を提案し、産業界で求められている性能の水準器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の水準器は、重力方向によって変形せず、また方向を変えない支持枠と、線材により前記支持枠に垂下されて重力方向に従って姿勢を変える振り子と、前記支持枠に固定された光源からの光線が入射する前記振り子に固定された角度検出面と、前記角度検出面で反射または透過した前記光源からの光線を受光して受光する受光部とを備え、前記振り子と支持枠の相対的姿勢変化を検出するようになっていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、前記振り子が、線材により前記支持枠に垂下されて重力方向に従って姿勢を変えるようになっているので、被測定面が小さくても容易に測定でき、また傾きに対する線材の抵抗が小さいので、傾きの測定を精度良く光学的に行うことが出来、しかも２次元方向の傾きにも対処できる。特に、光線方向角度を直接検出する原理を採用出来るので、振子の長さ等の寸法に依存しない構造を取れる。
【００１２】
前記角度検出面の面法線方向が重力方向成分を含んでいて、重力方向を基準にした直交する2方向の傾斜を検出すると好ましい。
【００１３】
前記角度検出面が鏡面であり、前記角度検出面の傾斜角に対して既知の比例定数で比例する変位を生じる反射光のスポットを受ける受光部が分割型のフォトダイオードであり、前記分割型フォトダイオードの差動出力から受光スポットの変位を介して前記振り子の姿勢を検出するとともに角度検出感度を2倍にすると好ましい。
【００１４】
前記角度検出面が周囲（空気、真空、液体のいずれも可）とは屈折率の異なる素材からなる透明物体の面（以下境界面と呼ぶ）であり、前記光源から出射された光線の一部が前記透明物体の第1の境界面に対する入射角の変化に応じて前記第1の境界面で反射したときのその光線の第１の光量と、前記第１の境界面を透過して前記透明物体内へ進入した残りの光線が、第２の境界面で入射角の変化に応じて反射したときのその光線の第２の光量と、前記第２の境界面を透過した光線の第３の光量をそれぞれ検出して、それぞれの境界面を介して得られた前記第１〜第３の光量から光線方向角度検出をすると好ましい。
【００１５】
前記第１の境界面の面法線方向が重力方向に直交する異なる２方向の成分を持つとき、前記第1の境界面で反射した反射光線を反射光と透過光とに分岐する第３の境界面を設け、前記第３の境界面の透過光についての第４の光量と、前記第３の境界面の反射光についての第５の光量とをそれぞれ検出する第２の受光部が設けられ、前記第４の光量と前記第５の光量とに基づいて、前記異なる２方向の成分を持つ傾きを検出すると好ましい。
【００１６】
前記透明物体の異なる面に２本の光線を入射させたとき、一方の光線についての前記境界面を介する透過光線と反射光線の受光量に応じた３つの出力と、他方の光線についての前記境界面を介する透過光線と反射光線の受光量に応じた３つの出力との差動出力を得ることによって、傾斜角を検出すべき振り子の傾斜角以外の透明物体の回転や傾斜の影響を除去すると好ましい。
【００１７】
前記光源が対物レンズを有していて、光源からの光束が角度検出面を介してスポットに収束する位置に前記受光部としてのフォトダイオードが配置されていると好ましい。
【００１８】
前記振り子の重錘に、少なくとも一部が液体に浸漬された一個以上の羽根を取り付けていると好ましい。
【００１９】
前記支持枠は前記液体を貯留する貯留部を備え、前記貯留部の一部が前記羽根に当接することで前記振り子の傾きを制限するようになっていると好ましい。
【００２０】
前記水準器が、前記貯留部から前記流体を抜き取る機構を備えていると好ましい。
【００２１】
本発明の提案する技術は、振り子の傾斜角を直接角度として検出することと、傾斜角の検出に小型の光線方向検出装置を用いることを特徴とする。振り子の一部に鏡または透明物体を取り付けると振り子の傾斜が鏡または透明物体と外部との境界面の傾斜となる。そこで、水準器の枠に取り付けた光源から鏡または透明物体と外部との境界面に光線を投射すると、その鏡面または境界面への光線の入射角度が変わり、その角度を読み取ることで水準器の機能を発揮する。この構造であれば、原理的に水準器の感度は振り子の長さに左右されない。また、2次元化も難しい問題ではなくなる。
【００２２】
一層の小型軽量化には、振り子の小型化だけでなく、振り子の振れ角を測定するために高感度で小型化が可能な原理の角度センサを利用する。光線を使った角度検出器にはオートコリメータの原理が多用されるが、本発明では、角度検出光学系が水準器内の固定空間で用いられることを考慮して、単なる光てこで、しかも高感度の小型角度検出手法を採用する。スポット変位を高分解能で検出するためには、スポットの小径化も有効であるが、本発明では受光面でスポットが最小となる収束光を投射することで高感度化を図ることができる。
【００２３】
また、角度検出感度が光路長に依存しない小型化の容易な角度センサとして、屈折率の変わる物体の境界面へ入射する光の反射光と透過光の比率から光線の角度方向を検出する原理の角度センサを採用する。
【００２４】
また、本発明では、採用される光学系の角度検出法が、フォトダイオードの差動出力から求められることを利用して、フォトダイオードの差動出力がゼロになる位置を振り子の原点位置と定めることで、高感度に、安定してゼロ位法で重力方向を検出するフィードバック制御型の水準器を提供することもできる。
【００２５】
本発明では、また、振り子の重錘を粘性の高い液体中に沈めて振り子の振動減衰を速やかに実現することも特徴とする。
【００２６】
本発明では、また、振り子の錘に羽根を多数つけて粘性の高い液体中に沈めて、振り子の減衰性能を固めると共にその重力軸回り回転を抑制することも特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施形態を図面に沿って説明する。図1（a）、図2は、本発明の基本的原理構造を説明するための図である。図１（ａ）において、水準器のコ字状になった本体枠（実質的に重力方向によって変形せず、また方向を変えない支持枠）ＬＷの上部下面から、（図２では三角錐状の取付部ＳＨを介して）線材としての糸ＦＳで吊るされた（垂下された）振り子の重錘Ｗの側面に、平坦な鏡面Ｍを角度検出面として具備している。角度検出面である鏡面Ｍに、水準器の本体枠ＬＷに固定された半導体レーザ等を含む光源ＯＰＳから入射光線IBを入射させる。鏡面Ｍにて反射した反射光線RBは、本体枠ＬＷに固定された受光部としての角度センサの受光面ＰＤ１，ＰＤ２で受光される。図１（ａ）の角度センサは、１次元であり、その受光面ＰＤ１，ＰＤ２が２分割された２分割フォトダイオードＰＤ１２である。測定時には、被測定面に載置した本体枠ＬＷが傾斜すると、重力に応じて振り子の重錘Ｗが鏡面Ｍと共に本体枠ＬＷに対して傾くので、鏡面Ｍにて反射した反射光線RBの方向が変わる。これにより、角度センサの受光面ＰＤ１，ＰＤ２上の光スポットが、鏡面Ｍの傾斜角に対して既知の比例定数で比例して変位するので、２つの受光面ＰＤ１、ＰＤ２からの出力電圧ＶＰＤ１，ＶＰＤ２の差動出力から、次式のように角度出力ＡＯが算出される。角度出力ＡＯと、本体枠ＬＷとの傾きとの関係を予め求めておけば、角度出力ＡＯを測定することで、本体枠ＬＷ即ち被測定面の傾きを求めることができる。尚、この例では、傾き方向に受光面ＰＤ１，ＰＤ２を並べる必要がある。
ＡＯ＝（VPD1−VPD2）／（VPD1＋VPD2）  
【００２８】
図１（ｂ）は、図１（ａ）の構成に比べて更に高感度の角度検出手段を採用した別な構成を示しており、ここでは屈折率の異なる媒体の境界面で入射角によって反射光量と透過光量の比率が変化することを利用している。本構成では、振り子の重錘Ｗがガラス等の透過材（透明物体）からなるプリズムとなっており、角度検出器としてフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３を有する。水準器の本体枠ＬＷに固定された光源ＯＰＳから出射された入射光線ＩＢは、重錘Ｗの第１の境界面ＡＩ１で反射光ＲＢと透過光Ｏｘに分けられ、反射光ＲＢは、本体枠ＬＷに固定されたフォトダイオードＰＤ３で受光される。その測定値が第１の光量となる。一方、透過光Ｏｘは、重錘Ｗ内に進入して内部を進行し、第１の境界面ＡＩ１と反対側の第２の境界面ＡＩ２で、再び透過光Ｏｘ１と反射光Ｏｘ2とに分けられ、それぞれ、本体枠ＬＷに固定されたフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２で受光される。その測定値が第２の光量、第３の光量となる。尚、第１の境界面ＡＩ１、第２の境界面ＡＩ２が角度検出面となる。
【００２９】
傾いた被測定面に水準器を載置したときに、振り子の重錘Ｗの傾きに応じて、入射光線ＩＢの第１の境界面ＡＩ１への入射角と、第２の境界面ＡＩ２への入射角とが変化するので、それぞれのフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３からの出力電圧を、VPD1、VPD2、VPD3で表せば、次式のような関係で、第１の境界面ＡＩ１の角度出力ＡＯ１、第２の境界面ＡＩ２で角度出力ＡＯ２が検出できる。角度出力ＡＯ１，ＡＯ２と、本体枠ＬＷとの傾きとの関係を予め求めておけば、角度出力ＡＯ１，ＡＯ２を測定することで、本体枠ＬＷ即ち被測定面の傾きを求めることができる。ただし、分母はそれぞれの境界面へ達した光量の和である。
ＡＯ２＝（VPD1−VPD2）／（VPD1＋VPD2）                    （１）
ＡＯ１＝（VPD1＋VPD2−VPD3）／（VPD1＋VPD2＋VPD3）        （２）
【００３０】
一般に、反射率が５０％近傍にある状態では、図１（ｂ）の第2境界面ＡＩ２、すなわち高屈折率（ガラス）から低屈折率（空気）に向かう境界面での反射率変化の方が、その逆である第1境界面ＡＩ１における反射率変化よりも顕著になる。従って、図１（ｂ）の第2境界面ＡＩ２を使って光線を分岐させることにより高感度で狭範囲の傾斜検出ができ、第1境界面ＡＩ１を使って光線を分岐させることにより低感度で広範囲の傾斜検出ができる。よって、両者を組み合わせることで、高感度で広範囲の傾斜検出ができることとなる。目的に応じて一方だけの検出でも良い。
【００３１】
なお、図１（ｂ）では、角度検出のための第１境界面ＡＩ１，第２境界面ＡＩ２以外のプリズムと外部との境界面での光線の屈折は省略しており、式でも第１境界面ＡＩ１，第２境界面ＡＩ２以外での反射による光線の損失は無視している。この省略は、以下の図４，５などでも同様である。
【００３２】
更に、図１（ｂ）の水準器で、フォトダイオードＰＤ３の代わりに２分割フォトダイオードを配置すれば、図１（ａ）と同様の角度検出も出来る。また、第1境界面ＡＩ１での検出だけが目的ならば、第2境界面ＡＩ２は鏡にしても良く、また、第1境界面ＡＩ１との相対角度を調整して、透過光Oxの第2境界面ＡＩ２への入射角が臨界角を超えて全反射となるようにしておくことも有効である。以上の場合、フォトダイオードＰＤ１は不要となる。
【００３３】
尚、光線の方向を検出するには、高い屈折率の媒体から屈折率の低い媒体へ境界面で生じる臨界角近傍の急激な反射率の変化を利用する臨界角法が知られている。また、屈折率の変化する境界面で、反射光量と屈折透過光量が等しくなる入射角が必ず存在することを利用してその両光量の差の変化から角度を検出する方法も研究されている。図１１に低屈折率から高屈折率の媒体の境界面への入射光の境界面での分岐（反射と透過）の様子（ａ）と、高屈折率から低屈折率の媒体の境界面への入射光の境界面での分岐の様子（ｂ）を示す。図中、Rp、はｐ偏光の反射率、Rsはｓ偏光の反射率を示す。図１（ｂ）に示す水準器において、この臨界角を用いて境界面の傾きを決定することができる。
【００３４】
図２に示す例では、角度検出面としての鏡面Ｍが略水平に置かれて（その面法線方向が重力方向成分を含み）重錘Ｗの上端に取り付けられている。本体枠ＬＷに固定された光源ＯＰＳから出射された入射光ＩＢは、鏡面Ｍで反射され、その反射光ＲＢは本体枠ＬＷに固定された２次元角度センサＤＡＳにより検出される。２次元角度センサＤＡＳは、図２に示すように受光面として４分割フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４を有するものが知られており、受光した光束の位置を２次元的に検出できるものである。重錘Ｗの傾きに応じた反射光ＲＢの方向変化は、水準器の２方向の傾斜の影響が現れるので、２次元角度センサＤＡＳにより重力方向を基準として直交する２方向の傾きを検出できる。
【００３５】
図３の例は、図２の例に類似するが、水準器内の狭い空間で２次元角度検出を高感度に実現するために、光源ＯＰＳからの入射光ＩＢを、レンズＬＳを透過させることで収束光線として、振り子の角度検出部としての鏡面Ｍに入射させており、その反射光ＲＢが、２次元角度センサＤＡＳに設けられた受光部としての４分割フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４の受光面で収束スポットとして、要求感度と測定範囲から決める適切な大きさに収束させている。
【００３６】
ここで、４つのフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４の出力を電圧に直して、VPD1、VPD2、VPD3、VPD4とすると、
｛（VPD1＋VPD2）−（VPD３＋VPD４）｝／（VPD1＋VPD2＋VPD３＋VPD４）が、第１の方向の傾斜角に比例する出力となり、
｛（VPD1＋VPD３）−（VPD２＋VPD４）｝／（VPD1＋VPD2＋VPD３＋VPD４）が、第１の方向に直交する第２の方向の傾斜角に比例する出力となる。これにより、被測定面の２次元方向の傾斜を精度良く求めることができる。
【００３７】
また、透過材からなるプリズムの互いに傾いた上面や下面を用いて光線を分岐することもできる。図４（ａ）に示すプリズムは、周辺（空気）と屈折率の異なる透過材からなり、図２，３の水準器と同様に、不図示の振り子の重錘に取り付けられて用いられる。かかるプリズムには、角度検出面としての第1の境界面ＡＩ１が上面に形成され、また角度検出面としての第２の境界面ＡＩ２が下面に形成されている。ここで、不図示の光源からの入射光線ＩＢが、第1の境界面ＡＩ１に入射した後、反射光線ＲＢと透過光線Oxに分岐される。さらに光線Oxは第2の境界面ＡＩ２で、透過光線Ox1と反射光線Ox2とに分岐される。光源の光軸と境界面ＡＩ１，ＡＩ２との相対的な姿勢変化が入射光線ＩＢの入射角の変化となり、それぞれの境界面ＡＩ１，ＡＩ２での反射光量と透過光量の変化となり、受光部としてのフォトダイオードPD３、PD1およびPD2に到達して、光量に比例した電気量に変換されることとなる。
【００３８】
図1（ｂ）、図４に示す水準器では、光線の傾き角を受光面でのスポットの変位によって検出する方式に対して、境界面での反射光量と透過光量の比だけを用いるため、ここでも角度検出面から受光部までの寸法で感度が左右されることは無い。そのため、水準器の小型化を、高い感度を維持したまま実現できる。
【００３９】
また図４（ｂ）に示すように、プリズムの水平面を第１の境界面ＡＩ１として、その法線方向が前記水準器の2方向の傾斜による振り子の２方向の振れに関して成分を持つとき、反射光線RBの受光部ＰＤ５で光線のｙ方向の振れが入射角変化に現れる第３の境界面ＡＩ３を設ければ、2次元の角度が同時に検出できる。このときは、第３の境界面ＡＩ３での透過光線をOy4、反射光線をOy5とすると、その光線をそれぞれ受光する受光フォトダイオードPD4、PD5を用いて、その差動出力（５つのフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４、ＰＤ５の出力を電圧に直して、VPD1、VPD2、VPD3、VPD4、VPD5とする）から、以下の式に基づき、y方向の振り子の傾斜角が検出される。
第２の境界面での角度（ｘ方向）出力＝（VPD1−VPD2）／（VPD1＋VPD2）
第３の境界面での角度（ｙ方向）出力＝（VPD4−VPD5）／（VPD４＋VPD５）
第1の境界面での角度（x方向）出力＝（VPD1＋VPD2−VPD4−VPD5）／（VPD1＋VPD2＋VPD4＋VPD5）
【００４０】
即ち、ｘｙ平面に沿った第１の境界面ＡＩ１の面法線方向が、重力方向を基準として、それに略直交するｘ方向成分とｙ方向成分を持つとき、図４（ｂ）に示すように、ｘｙ平面に直交しｚ方向に延在する第３の境界面ＡＩ３を設けて、第１の境界面ＡＩ１で反射した反射光線ＲＢを反射光と透過光とに分岐し、第３の境界面ＡＩ３の透過光についての第４の光量VPD4と、第３の境界面ＡＩ３の反射光についての第５の光量VPD5とを、第２の受光部PD4、PD5を用いてそれぞれ検出することで、上述した式に従いVPD1、VPD2に加えVPD4、VPD5に基づいて、重力方向に対して傾いた振り子のｘ方向成分とｙ方向成分を求めることができる。なお、同様の2次元化は、透過光線Oy4またはOy5の受光部でのスポット移動からｙ方向の角度変化を検出してもよい。また、第２の境界面を光線Oxにほぼ垂直な面からｙ軸回りに回転して、第２の境界面への入射光線Oxのｙ方向の角度変化を検出する形の2次元化も可能である。
【００４１】
図４（ｃ）の構成は、図４（ａ）の構成に対して表裏の関係となっている。より具体的には、プリズムには、角度検出面としての第1の境界面ＡＩ１が下面に形成され、また角度検出面としての第２の境界面ＡＩ２が上面に形成されている。図４（ｃ）において、不図示の光源からの入射光線ＩＢが、第1の境界面ＡＩ１に入射した後、反射光線ＲＢと透過光線Oxに分岐される。さらに光線Oxは第2の境界面ＡＩ２で、透過光線Ox1と反射光線Ox2とに分岐される。光源の光軸と境界面ＡＩ１，ＡＩ２との相対的な姿勢変化が入射光線ＩＢの入射角の変化となり、それぞれの境界面ＡＩ１，ＡＩ２での反射光量と透過光量の変化となり、受光部としての３つのフォトダイオード（不図示）に到達して、図４（ａ）と同様に光量に比例した電気量に変換されることとなる。ここで、図４（ａ）のプリズムと図４（ｃ）のプリズムとを振り子に固定して、２本の光線をそれぞれのプリズムの第１の境界面ＡＩ１に入射させれば、それぞれのプリズムで分岐された光線の受光量に応じてそれぞれ３つの出力を得ることが出来る。ここで、２つのプリズムは振り子と一体で傾くため、プリズムの境界面ＡＩ１に入射した２つの光線において、一方の入射角は増大し他方の入射角は減少するようになり、すなわち反射率の増減に関して等しい絶対値で正負逆になるので、その差動出力を求めることによって、検出すべき振り子の傾斜角以外のプリズムの回転や傾斜の影響を除去することができる。尚、プリズムを単一とし、一方の光線は上面の第１の境界面ＡＩ１から入射させ、他方の光線は下面の第２の境界面ＡＩ２から入射させるようにしても良い。この場合、境界面ＡＩ１，ＡＩ２について、分岐された３つの光線を受光する３つのフォトダイオードを共通に用いることもできるが、光線の混同が生じないように、一方の光線がオンのときは、他方の光線をオフする形で分離することが望ましい。また、光源に異なる周波数で強度変調を加えて、受光部で同期検波をする形の分離法を採用してもよい。
【００４２】
ところで、振り子がいつまでも安定せず揺れ続けると、フォトダイオードの受光面におけるスポットの位置が安定せず、精度の良い測定の妨げになる。そこで、振り子に有効な減衰力を与えて揺れを抑える必要がある。図５に示す例においては、本体枠ＬＷの底面に液体収容部ＬＱＣを形成し、その中にシリコン油などの高粘度液体ＬＱを貯留して、振り子の重錘Ｗの下面に取り付けた板状の減衰用羽根ＤＨの少なくとも一部を高粘度液体ＬＱに浸すことにより、重錘Ｗに減衰力を与えるようにしている。
【００４３】
更に効果的な減衰力を得るためには、例えば図６（ａ）に示す様に、重錘Ｗの下面から軽量材でできた凸部CYを突出させ、凸部ＣＹの周面に９０度毎に等間隔に、凸部ＣＹから半径方向突出する４枚の羽根ＤＨを設けると好ましい。羽根車を形成する羽根ＤＨの少なくとも一部は、図５の高粘度液体ＬＱに浸されて減衰力を発生させるが、羽根ＤＨは４枚に限られず、それより多くても少なくても良い。
【００４４】
更に、図６（ｂ）、（ｃ）に示すように、各羽根ＤＨの表面に、高粘度液体ＬＱ中での抵抗力を増すための貫通穴ＡＰや突起ＰＪを付与するのも好ましい。また、図示していないが、ポーラスな材質を用いて羽根ＤＨを作製するのも好ましい。
【００４５】
本発明にかかる最良の実施形態の一つは、図７に示すように、水準器の本体枠ＬＷの上部から吊るされる振り子の重錘Ｗが、光線角度検出の役割を果たす境界面を有するプリズムＰＭと、振り子として必要な重量を負荷する円筒部ＣＹとからなり、円筒部ＣＹの下部外周に剛体的に結合されている羽根車ＨＧが、液体収容部ＬＱＣ内に貯留された、粘度の調整された液体ＬＱ内に浸漬されてあり、これにより減衰力を受ける役割を果たすようになっている。なお、この羽根車ＨＧは振り子の重心を下げないように、プラスチックやセラミック等、できるだけ軽い材質で構成することが好ましい。尚、不図示の光源と、プリズムＰＭの第１の境界面ＡＩ１からの反射光を受光するｘ方向傾斜角度センサＡｘｓと、プリズムＰＭに進み第２の境界面ＡＩ１からの反射光を受光するフォトダイオードＰＤ２と、第２の境界面ＡＩ１の透過光を受光するフォトダイオードＰＤ３は、ｚｘ平面から等距離で配置されている。
【００４６】
角度検出には、ｘ方向の傾斜に関して、プリズムＰＭ体内部から外部（空気）へ進む境界面ＡＩ２における反射率変化をフォトダイオードで検出する方法を採用しているため、振り子の姿勢変化に対する感度が高くなる。ｙ方向の傾斜に関しては、詳細は図示しないが、同様な構成の高感度の角度検出部を直交する方向に設けてもよく、また、用途によっては、感度を下げて測定範囲を広く取るセンサを設けても良い。
【００４７】
図７（ｂ）は、液体収容部ＬＱＣを、糸ＦＳの軸線に直交する方向に切断して羽根車ＨＧと共に示す図であるが、図に示すように、液体収容部ＬＱＣは、略十字形の凹部ＣＶを有している。羽根車ＨＧを凹部ＣＶに挿入した状態で、羽根車ＨＧと凹部ＣＶの内面とは若干の隙間を空けて隔てた状態で配置され、その隙間に高粘度液体ＬＱが充填され、振り子の振動防止と、重力軸回りの回転防止とを図っている。更に、凹部ＣＶの対向面は、振り子の感度方向の過剰な振れが生じたときに、振り子に当接してそれ以上の揺れを防止するストッパとしての役割も果たす。
【００４８】
図８は、液体収容部ＬＱＣ内の液体を出し入れする機構を示す模式図である。測定を行う場所まで水準器を運搬するような場合、振動で液体収容部ＬＱＣから液体がこぼれないように、運搬前には液体を抜き出しておくことが好ましい。本例では、液体収容部ＬＱＣに、一端が底部に開口した細い配管ＴＢを設けておき、配管ＴＢの他端を、取り外し可能な注射器のような一種の手動ポンプＰＴに接続し、これを用いて液体収容部ＬＱＣ中の液体を配管ＴＢを介して吸い取り、また元に戻すことができるようにしている。なお用途によっては、液体を注入せずに、羽根と溝で過剰な振れを防止する形式で水準器を用いても良い。
【００４９】
このほか、図示はしていないが、水準器の運搬中に振り子を固定保持するための機構を付与することが好ましいことは言うまでも無い。
【００５０】
図９は、別の形態にかかる、液体収容部ＬＱＣ内の液体を抜き取る機構を示す断面図である。図９において、密閉された中空円筒状の液体収容部ＬＱＣは、上壁に複数の注入口ＰＯを有しており、注入口ＰＯは蓋ＰＧで塞がれている。液体収容部ＬＱＣの下面中央には、内部が連通した中空の小円筒部ＳＣが設けられている。小円筒部ＳＣの下面に設けられたドレーン孔ＤOの上部テーパ面には、ボールＢＬが当接してシールしており、ボールＢＬは、液体収容部ＬＱＣの下面に配置されたコイルスプリングＣＳにより、ドレーン孔ＤOに向かって付勢されている。
【００５１】
一方、中空円筒状の回収容器ＲＰは、上部中央に円管部ＣＴを有し、円管部ＣＴの端面にはＯ−リングＯＲが取り付けられている。又、円管部ＣＴの中央には、柱部ＰＬが立設され、柱部ＰＬの上端は、外径がドレーン孔ＤOの内径より小さなピン部ＰＮとなっている。
【００５２】
液体収容部ＬＱＣに液体を貯留した状態では、ドレーン孔ＤＨの上部テーパ面に、ボールＢＬが当接してシールされているため、液体が外に漏れ出すことはない。一方、液体を抜き出す場合、回収容器ＲＰを液体収容部ＬＱＣの下方に位置させて上昇させると、ピン部ＰＮがドレーン孔ＤＨ内に侵入し、ボールＢＬを押し上げることとなる。これにより、ボールＢＬとテーパ面との間に隙間が生じ、かかる隙間を通過し、更に円管部ＣＴ内を通過して、液体収容部ＬＱＣに液体が重力により落下し、回収容器ＲＰ内に移動する。このとき、円管部ＣＴの上端が小円筒部ＳＣに接近し、その間がＯ−リングＯＲにより密封されるので、その隙間から液体が漏れ出すことはない。
【００５３】
減衰力発生媒体として液体の粘性以外に種々の方法が考えられる。例えば、図１０に概略を示すように、羽根車の各羽根ＤＨを鉄などの磁性体から形成し、各羽根ＤＨを、渦電流発生用のコイルＥＣで挟持するようにしても良い。各羽根ＤＨが変位すると、コイルＥＣからの磁力によって、各羽根ＤＨ内に渦電流が発生し磁界が生じて、羽根ＤＨの変位を抑制しようとする力が働くこととなる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の基本的原理構造を説明するための図である。
【図２】本発明の基本的原理構造を説明するための図である。
【図３】簡易型の２次元角度センサを示す図である。
【図４】小型、高分解能の２次元角度センサを示す図である。
【図５】振動の減衰効果をもった水準器を示す概念図であり、（ｂ）は（ａ）の水準器を矢印VB方向に見た図である。
【図６】振動の減衰効果を持たせるための振り子に取り付ける羽根車の変形例を示す図である。
【図７】水準器の羽根車を、収容部の高粘度液体に浸漬下状態を示す図である。
【図８】減衰用の液体の注入と抜き取りができる構造例を示す図である。
【図９】減衰用の液体の注入と抜き取りができる別な構造例を示す図である。
【図１０】渦電流ダンパを用いる減衰用羽根の例を示す図である。
【図１１】低屈折率から高屈折率の媒体の境界面への入射光の境界面での分岐（反射と透過）の様子（ａ）と、高屈折率から低屈折率の媒体の境界面への入射光の境界面での分岐の様子（ｂ）を示す図である。
【符号の説明】
【００５５】
LW  水準器外枠
SH  振り子糸の保持部
FS  振り子の糸
L  振り子長さ
W  重錘
M  鏡
PM  透明物体
AI１、AI2  角度検出用境界面
OPS    光源
IB    入射光線
RB    反射光線
AS、DAS、Aｘs  角度センサ、2次元角度センサ、ｙ方向角度センサ
ａ  反射面から分割フォトダイオードまでの距離
PD1、PD2、PD3、PD4    フォトダイオード
VPD1、VPD2、VPD3、VPD4  フォトダイオードからの電圧出力
PD12、PD14  2分割および4分割フォトダイオード
DH  減衰用羽根
HG  羽根車
LQ  減衰用液体
LQC  減衰用液体収容部
EC  渦電流発生用コイル
CV  液体収容部の凹部
TB  配管
CY  羽根を取り付けるための重錘からの突出部
PJ  抵抗を増すための羽根に取り付けた突起
AP  抵抗を増すための羽根に取り付けた貫通穴
PO  注入口
PG  蓋
SC  小円筒部
DO  ドレーン孔
CS  コイルスプリング
OR  O−リング
CT  円管部
PL  柱部
【図４】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図１１】
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