(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物に固定される透明な液槽内の液面に対して下方から光を照射し、その反射光の前記液槽に対する角度に基づいて前記液槽の傾斜角を算出する傾斜センサにおいて、
前記光を出射する発光手段と、
前記反射光をその受光面上で受光するとともにその受光位置を検出する光位置検出センサと、
この発光手段によって出射された光の前記液槽に対する入射角度を変化させることにより、前記光位置検出センサの受光面に前記反射光を入射させる入射角変化手段と、
前記光位置検出センサによって検出された前記反射光の位置に基づいて求められた角度を前記光の前記液槽に対する入射角度によって補正し、補正された角度に基づいて前記液槽の傾斜角を算出する傾斜角算出手段と
を備えたことを特徴とする傾斜センサ。
【請求項２】
測定対象物に固定される液槽内の液面に光を照射し、その反射光の位置を光位置検出センサによって検知し、この光位置検出センサによって検知された反射光の位置に基づいて前記液槽の傾斜角を検出する傾斜センサにおいて、
前記光位置検出センサの受光面に前記反射光が入射しない時には、前記光位置検出センサを移動させることにより、前記光位置検出センサの受光面に前記反射光を入射させる光位置センサ移動手段と
を備えたことを特徴とする傾斜センサ。
【請求項３】
測定対象物に固定される液槽内の液面に光を照射し、その反射光の位置に基づいて前記液槽の傾斜角を検出する傾斜センサにおいて、
その受光面上における光の受光位置を検知する光位置検知センサと、
この光位置検知センサ自体の位置を検知するセンサ位置検知手段と、
前記光位置検知センサによって検知された前記光位置検知センサの受光面上での前記光の受光位置と前記センサ位置検知手段によって検知された前記光位置検知センサ自体の位置に基づいて前記傾斜角を算出する傾斜角算出手段とを備えたことを特徴とする光学式傾斜センサ。
【請求項４】
測定対象物に固定される液槽内の液面に光を照射し、その反射光の前記液槽に対する角度に基づいて前記液槽の傾斜角を検出する傾斜センサにおいて、
前記光を出射する発光手段と、
前記反射光をその受光面上で受光するとともにその受光位置を検出する光位置検出手段と、
前記発光手段によって出射された光の前記液槽に対する入射角度を変化させることにより、前記光位置検出手段の受光面に前記反射光を入射させる入射角変化手段と、
前記光位置検出手段によって検出された反射光の受光位置に基づいて前記反射光の前記液槽に対する角度を算出する反射光角度算出手段と、
前記入射角変化手段によって変化された前記光の前記液槽に対する入射角度と前記反射光角度算出手段によって算出された前記反射光の前記液槽に対する角度とに基づいて、前記液槽の傾斜角を算出する傾斜角各算出手段とを
備えたことを特徴とする傾斜センサ。
【請求項５】
前記発光手段は、別々の入射角にて前記光を前記液槽に向けて出射する複数の発光素子からなり、
前記入射角変化手段は、前記発光手段を構成する複数の発光素子から前記光を照射させるものを一つ選択することを特徴とする請求項４記載の傾斜センサ。
【請求項６】
前記発光手段は、一個の発光素子からなり、
前記入射角変化手段は、発光素子の位置を変化させて前記液槽への前記光の入射角を変化させることを特徴とする請求項４記載の傾斜センサ。
【請求項７】
測定対象物に固定される液槽内の液面に光を照射し、その反射光の前記液槽に対する角度に基づいて前記液槽の傾斜角を検出する傾斜センサにおいて、
別々の入射角にて前記光を前記液槽に向けて出射する複数の発光素子からなる発光手段と、
前記発光手段を構成する複数の発光素子から前記光を照射させるものを一つ選択することによって前記液槽へ入射角する光の角度を変化させる入射角変化手段と、
前記反射光をその受光面上で受光するとともにその受光位置を検出する光位置検出手段と、
前記光位置検出手段によって検出された反射光の受光位置に基づいて前記反射光の前記液槽に対する角度を算出する反射光角度算出手段と、
前記入射角変化手段によって変化された前記光の入射角と前記反射光角度算出手段によって算出された前記反射光の前記液槽に対する角度とに基づいて、前記液槽の傾斜角を算出する傾斜角算出手段と
を備えたことを特徴とする傾斜センサ。
【請求項８】
測定対象物に固定される液槽内の液面に光を照射し、その反射光の前記液槽に対する角度に基づいて前記液槽の傾斜角を検出する傾斜センサにおいて、
前記光を出射する一個の発光素子からなる発光手段と、
前記発光素子の位置を変化させて前記液槽への前記光の入射角を変化させる入射角変化手段と、
前記反射光をその受光面上で受光するとともにその受光位置を検出する光位置検出手段と、
前記光位置検出手段によって検出された反射光の受光位置に基づいて前記反射光の前記液槽に対する角度を算出する反射光角度算出手段と、
前記入射角変化手段によって変化された前記光の入射角と前記反射光角度算出手段によって算出された前記反射光の前記液槽に対する角度とに基づいて、前記液槽の傾斜角を算出する傾斜角算出手段と
を備えたことを特徴とする傾斜センサ。
【請求項９】
前記入射角変化手段は、前記発光素子の位置とともにその光の出射方向をも変化させることを特徴とする請求項６又は請求項８に記載の傾斜センサ。
【請求項１０】
前記入射角変化手段は、その光の出射方向を変えることなく前記発光素子の位置を変化させるとともに、前記発光素子の光の出射点をその焦点位置とするｆθレンズによって前記光を屈折させて、前記液槽への入射角を変化させることを特徴とする請求項６又は請求項８に記載の傾斜センサ。
【請求項１１】
前記傾斜角算出手段は、
前記液槽が水平位置にあるときにその液面での反射光が前記光位置検出手段の受光面の中心で受光される前記光の入射角を基準として、前記入射角変化手段によって変化された前記光の入射角の変化量を第１の角度とし、
前記反射光角度算出手段によって算出された前記反射光の前記液槽に対する角度を第２の角度とし、
前記第２の角度の半値を前記第１の角度の半値によって加減した値を前記液槽の傾斜角として算出する
ことを特徴とする請求項４記載の傾斜センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、液槽内の液の液面に光ビームを照射するとともに、液面で反射された光の受光位置を検出することにより、液槽の傾斜を検知する光学的傾斜センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、測量機等の傾斜を検知するための傾斜センサとして、光学的な傾斜センサが用いられている。この種の傾斜センサは、測量機等の傾斜検知対象に固定された液槽内に液体を注入し、この液体の液面の液槽に対する傾きを光学的に検出し、検出値を液槽自体の傾きを示す値として出力するものである。
【０００３】
この傾斜センサによる液面の傾斜検出原理を図１５乃至図１８に示す。図１５において、Ｌは、図示せぬ液槽内の液体の液面を示している。図示せぬ液槽が地面に対して傾いた時には、液面Ｌは、その中心点Ｐ（以下、液面中心と言う）を中心として図１５の紙面内で相対的に傾斜する。即ち、この液面中心Ｐには、液面Ｌの相対傾斜角如何に拘わらず、常に液面Ｌが位置するようになっている。
【０００４】
この液面中心Ｐには、発光ダイオード１０３から出射された光ａが、コリメータレンズ１００によって平行光にされて、臨界角以上の入射角で入射する。この光ａは、液面Ｌによって全反射されて、ｆθレンズ１０１によってＰＳＤ（Position Sensitive Detector）１０２の受光面上に収束される。これら発光ダイオード１０３，コリメータレンズ１００、ｆθレンズ１０１，及びＰＳＤ１０２は、図示せぬ液槽に対して固定されている。従って、図示せぬ液槽が地面に対して傾き、液面Ｌが図１５の紙面内で相対的に傾くと、液面中心Ｐからｆθレンズ１０１に入射する反射光ａ’の角度が変化し、その結果、ＰＳＤ１０２の受光面上での反射光ａ’の収束位置も変化するのである。この関係を、次に具体的に述べる。
【０００５】
いま、図１５に示す基準状態において、液面Ｌへの入射光ａと液面Ｌとの間の角度がα［ｒａｄ］であったとする。この場合、液面Ｌからの反射光ａ’と液面Ｌとの間の角度もα［ｒａｄ］となる。この状態から、図１６に示すように、液面Ｌが紙面内でγ［ｒａｄ］だけ左上がりに傾いたとする。すると、入射光ａと液面Ｌとの間の角度がα＋γ［ｒａｄ］となる一方で傾斜前の反射光ａ’に対する液面Ｌの角度がα−γ［ｒａｄ］となるので、傾斜前の反射光ａ’に対して傾斜後の反射光ａ”は、２γ［ｒａｄ］偏向することになる。
【０００６】
ところで、図１７に示すように、ｆθレンズ１０１は、入射光がレンズ光軸からθ［ｒａｄ］傾くと、レンズ光軸に直交する面上においてレンズ光軸位置（焦点位置）から距離ｘ［ｍｍ］離れた位置に光を収束する。この距離ｘは、下記式（１）によって定まる。
【０００７】
ｘ＝ｆ・θ                    ……（１）
ただし、ｆはｆθレンズ１０１の焦点距離［ｍｍ］である。
従って、この式（１）のθ［ｒａｄ］に２γ［ｒａｄ］を代入して変形した下記式（２）を用いることにより、距離ｘ［ｍｍ］に基づいて、傾斜角γ［ｒａｄ］を検出することができるのである。
【０００８】
γ＝ｘ／（２ｆ）              ……（２）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＰＳＤ１０２の受光面の広さには、自ずから限界があり、距離ｘの範囲（即ち、受光範囲）は、一定範囲に限定されざるを得なかった。従って、これに正比例対応する傾斜角γの測定可能範囲も、図１８に示すように一定範囲にのみ限定されてしまっていた。
【００１０】
この場合、単純にＰＳＤ１０２の受光面を大きくすることも考えられる。しかしながら、市場で入手可能なＰＳＤ１０２には限度があり、特注品とすると高コストになってしまう。
【００１１】
また、ｆθレンズ１０１の焦点距離ｆを小さくすれば、上記式（２）においてｘに対するγの比を大きくすることができる。しかしながら、その場合には、焦点距離ｆを小さくした分だけ測定精度が落ちてしまうので、実用には耐えることができない。
【００１２】
本発明は、以上の問題に鑑み、従来と同じ受光面積の光位置検出素子を使用しながら、測定精度を下げることなく傾斜角ψの測定範囲を従来よりも拡大することができる傾斜センサを提供することを課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
各請求項記載の発明は、上記課題を解決するためになされたものである。請求項１記載の発明は、測定対象物に固定される透明な液槽内の液面に対して下方から光を照射し、その反射光の前記液槽に対する角度に基づいて前記液槽の傾斜角を算出する傾斜センサにおいて、前記光を出射する発光手段と、前記反射光をその受光面上で受光するとともにその受光位置を検出する光位置検出センサと、この発光手段によって出射された光の前記液槽に対する入射角度を変化させることにより、前記光位置検出センサの受光面に前記反射光を入射させる入射角変化手段と、前記光位置検出センサによって検出された前記反射光の位置に基づいて求められた角度を前記光の前記液槽に対する入射角度によって補正し、補正された角度に基づいて前記液槽の傾斜角を算出する傾斜角算出手段とを備えたことを特徴とする。
【００１４】
入射角変化手段の具体的な構成としては、図２又は図７のように、光を出射する発光素子自体を移動させる構成，図９又は図１１のように、様々な入射角の光を出射する発光素子を複数個用意しておくとともにこれら複数個の発光素子のうちの一つを選択的に発光させる構成が採り得る。
【００１５】
請求項２記載の発明は、測定対象物に固定される液槽内の液面に光を照射し、その反射光の位置を光位置検出センサによって検知し、この光位置検出センサによって検知された反射光の位置に基づいて前記液槽の傾斜角を検出する傾斜センサにおいて、前記光位置検出センサの受光面に前記反射光が入射しない時には、前記光位置検出センサを移動させることにより、前記光位置検出センサの受光面に前記反射光を入射させる光位置センサ移動手段とを備えたことを特徴とする。「前記光位置検出センサを移動させる」のは、光位置検出センサによって受光可能な範囲を広げるためである。光位置検出センサ上での受光位置と光位置検出センサ自体の位置を合わせれば反射光の位置が特定でき、その特定した位置に対応した角度に基づいて液槽の傾斜角を検出することができる。この光位置検出センサとは、ＰＳＤやＣＣＤ，ＭＯＳ等の光センサアレイ等のことである。
【００１６】
請求項３記載の発明は、測定対象物に固定される液槽内の液面に光を照射し、その反射光の位置に基づいて前記液槽の傾斜角を検出する傾斜センサにおいて、その受光面上における光の受光位置を検知する光位置検知センサと、この光位置検知センサ自体の位置を検知するセンサ位置検知手段と、前記光位置検知センサによって検知された前記光位置検知センサの受光面上での前記光の受光位置と前記センサ位置検知手段によって検知された前記光位置検知センサ自体の位置に基づいて前記傾斜角を算出する傾斜角算出手段とを備えたことを特徴とする。この請求項３記載の発明は、請求項２を具体化したものである。
【００１８】
請求項４記載の発明は、測定対象物に固定される液槽内の液面に光を照射し、その反射光の前記液槽に対する角度に基づいて前記液槽の傾斜角を検出する傾斜センサにおいて、前記光を出射する発光手段と、前記反射光をその受光面上で受光するとともにその受光位置を検出する光位置検出手段と、前記発光手段によって出射された光の前記液槽に対する入射角度を変化させることにより、前記光位置検出手段の受光面に前記反射光を入射させる入射角変化手段と、前記光位置検出手段によって検出された反射光の受光位置に基づいて前記反射光の前記液槽に対する角度を算出する反射光角度算出手段と、前記入射角変化手段によって変化された前記光の前記液槽に対する入射角度と前記反射光角度算出手段によって算出された前記反射光の前記液槽に対する角度とに基づいて、前記液槽の傾斜角を算出する傾斜角各算出手段とを備えたことを特徴とする。
【００１９】
測定対象物とは、例えば、測量機等である。液槽は、透明部材からなる液体容器である。この液槽は、傾斜角測定範囲内において内部の液体がこぼれなければ十分であるが、この液体を密封していると更に良い。また、入射光又は反射光が透過する液槽の壁面は、これら入射光又は反射光に対する角度が垂直に近いと更に良い。液面に対する光の入射方向は、液体の内面側であっても良いし液体の外面側であっても良い。
【００２０】
発光手段は、１個の発光素子から構成されていても良いし、別々の入射角にて前記光を前記液槽に向けて出射する複数の発光素子から構成されていても良い。後者の場合は、入射角変化手段は、前記発光手段を構成する複数の発光素子から前記光を照射させるものを一つ選択するものとして構成することが可能である（請求項５，７に対応）。また、前者の場合、入射角変化手段は、発光素子の位置を変化させて前記液槽への前記光の入射角を変化させるように構成することが可能である（請求項６，８に対応）。この場合、入射角変化手段は、前記発光素子の位置とともにその光の出射方向をも変化させるようにしても良いし（請求項９に対応）、その光の出射方向を変えることなく前記発光素子の位置を変化させるとともに、前記発光素子の光の出射点をその焦点位置とするｆθレンズによって前記光を屈折させて、前記液槽への入射角を変化させるようにしても良い（請求項１０に対応）。この入射角変化手段による光の入射角の変化は、連続的であっても良いし、数段階（例えば３段）でステップ的に変化させるものでも良い。
【００２１】
傾斜角算出手段は、前記傾斜角算出手段は、前記液槽が水平位置にあるときにその液面での反射光が前記光位置検出手段の受光面の中心で受光される前記光の入射角を基準として、前記入射角変化手段によって変化された前記光の入射角の変化量を第１の角度とし、前記反射光角度算出手段によって算出された前記反射光の前記液槽に対する角度を第２の角度とし、前記第２の角度の半値を前記第１の角度の半値によって加減した値を前記液槽の傾斜角として算出しても良い（請求項１１に対応）。
【００２２】
【本発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて、本発明の実施例を説明する。
【００２３】
【実施形態１】
以下、図面に基づいて本発明の第１の実施形態を説明する。
＜傾斜センサの機械構成＞
図１は、この傾斜センサを正面から見た状態を示す概略構成図である。図１において、傾斜センサは、傾斜測定対象物（例えば測量装置）に固定された液槽１，発光装置２，ｆθレンズ３，及びＰＳＤ４，並びに、ＰＳＤ４からの電流信号を処理する信号処理回路５，発光装置２を駆動する駆動回路７，及びこれら両回路５，７を制御して液槽１の傾斜角（傾斜測定対象物の傾斜角）を算出する制御回路６から構成されている。
【００２４】
この液槽１は、左右対称な箱状の透明ガラスから形成されており、その下面１ａ及び上面１ｆが水平になるように、傾斜測定対象物に固定される。この液槽１の両側面１ｄ，１ｅは、下面１ａ及び上面１ｆに対して垂直に形成され、底面１ａと各側面１ｄ，１ｅとの間には、面取りによって斜面１ｂ，１ｃが形成されている。
【００２５】
この液槽１内には、シリコンオイル８が密封されている。このシリコンオイル８は、液槽１の下面１ｄ及び上面１ｆが水平になった状態において、各側面１ｄ，１ｅの中間点にその液面Ｌが位置するように、その量が定められている。従って、その液面の中心が位置する空間点には、（一定範囲であれば）液槽１がどのように傾いても、常にこの液面Ｌが位置することになる。以下、この点を「液面中心Ｐ」という。
【００２６】
発光手段としての発光装置２は、液槽１の斜面１ｂを通して液面中心Ｐに向けて光ビームを照射する装置である。図２に示すように、発光装置７内には、液面中心Ｐを中心とした円弧状のレール１０が形成されている。このレール１０には、ホルダ１１がスライド可能に取り付けられている。このホルダ１１は、その光の出射方向を液面中心Ｐに向けて、発光ダイオード１２（発光素子）を保持している。従って、ホルダ１１のスライド位置如何に拘わらず、発光ダイオード１２は、常に液面中心Ｐを向いている。
【００２７】
このホルダ１１には、発光ダイオード１２による光の出射光軸に沿った長穴１１ａが形成されている。また、この長穴１１ａには、アクチュエータ１３のロッド１４の先端が係合している。従って、アクチュエータ１３によるロッド１４の進退に従って、ホルダ１１は、レール１０上でスライド駆動される。このアクチュエータ１３は、駆動回路７によって制御され、ホルダ１１に保持されている発光ダイオード１２を、図２に示すＡ，Ｂ，又はＣの位置に移動させることができる（入射角変化手段に対応）。なお、Ａの位置は、発光ダイオード１２から出射された光ａが水平状態にある液槽１内の液面Ｌとの間で角度αをなす位置である。また、Ｂの位置は、発光ダイオード１２から出射された光ｂがＡの位置からの光ａに対して液面Ｌ側に角度２ψだけオフセットする位置である。また、Ｃの位置は、発光ダイオード１２から出射された光ｃがＡの位置からの光ａに対して底面１ａ側に角度２ψだけオフセットする位置である。これら各光ａ〜ｃの光路上には、夫々、これらの光ａ〜ｃを平行光にして液面中心Ｐに導くコリメートレンズ１５，１６，１７が配置されている。
【００２８】
図１に戻り、ｆθレンズ３は、液面中心Ｐにおいて反射され斜面１ｃを透過した発光ダイオード１２からの光のスポットをＰＳＤ４上に形成させるためのレンズである。このｆθレンズ３は、水平状態にある液槽１内の液面Ｌによって反射されたＡの位置からの光ａの反射光ａ’がその光軸を通るように配置されている。
【００２９】
光位置検出手段としてのＰＳＤ４は、ｆθレンズ３の焦点位置にその受光面中心が合致するように配置されており、ｆθレンズ３によって形成された光スポットの位置に応じて、その両端の出力端子から電流Ｉ1，Ｉ2を出力する。この電流Ｉ1は、液面Ｌ側の出力端子から出力される電流である。また、電流Ｉ2は、底面１ｄ側の出力端子から出力される電流である。ＰＳＤ４から出力された両電流Ｉ1，Ｉ2は、信号処理回路５に入力される。
【００３０】
この信号処理回路５では、両電流Ｉ1，Ｉ2に対して下記式（３）を実行し、ＰＳＤ２６の受光面の中心から光スポットまでの距離Ｘを算出する。
Ｌ・（Ｉ2−Ｉ1）／（Ｉ2＋Ｉ1）＝Ｘ          ……（３）
但し、Ｌは、ＰＳＤ４の受光面の長軸方向の長さの半分の値である。また、Ｘは、Ｉ2の端子側において正の極性をとる。
【００３１】
なお、ｆθレンズ３の光軸に対する液面中心Ｐからの反射光の角度は、水平状態にある液面Ｌに対する傾斜後の液面Ｌの液槽１に対する相対傾斜角（液槽１の傾斜角）θ2の倍角となる。従って、信号処理回路５は、反射光角度検出手段として、式（３）で求めた距離Ｘに対して下記式（４）を実行し、液面Ｌの相対傾斜角（液槽１の傾斜角θ2）を算出する。
【００３２】
θ2＝Ｘ／（２ｆ）                           ……（４）
但し、ｆは、ｆθレンズ３の焦点距離である。また、θ2は、Ｘの極性の変化に従い、液面Ｌが図１において左上がりに傾斜した時に正の極性をとり、右上がりに傾斜した時に負の極性をとる。また、算出可能なθ2の角度範囲（２β）は、上述の角度ψよりも若干大きくなっている。
【００３３】
信号処理回路５は、算出した傾斜角θ2を制御回路６に入力する。但し、反射光のスポットがＰＳＤ４の受光面から外れた時には、上記演算（３），（４）を実行し得ないので、有効な傾斜角θ2の値を制御回路６に入力することができない。
＜傾斜角算出処理＞
次に、傾斜角算出手段としての制御回路６において液面Ｌの液槽１に対する相対傾斜角（液槽１の傾斜角）算出のために実行される制御処理の内容を説明する。
【００３４】
具体的制御内容の説明に先だって、まず、本実施形態における傾斜角算出の原理を説明する。図３は、液槽１が水平状態にある場合における、各位置Ａ〜Ｃに配置された発光ダイオード１２から出射される光ａ〜ｃの液面Ｌでの反射の状態を示している。この図３から明らかなように、液槽１が水平状態にあるときには、Ａの位置に配置された発光ダイオード１２から出射された光ａの反射光ａ’のみがＰＳＤ４の中心位置に入射し、他の位置Ｂ，Ｃの位置に配置された発光ダイオード１２から出射された光ｂ，ｃの反射光ｂ’，ｃ’はＰＳＤ４に入射しない。この場合には、ＰＳＤ４は、上述したように、一定範囲（θ2＝−β〜＋β）で液面Ｌの傾きを検出することができる（図５参照）。
【００３５】
これに対し、図４に示すように、液面Ｌが左上がりに角度ψ傾斜したときには、Ａの位置に配置された発光ダイオード１２から出射された光ａの反射光ａ’はもはやＰＳＤ４に入射し得ず、その代わり、Ｂの位置に配置された発光ダイオード１２から出射された発光ダイオード１２から出射された光ｂの反射光ｂ’がＰＳＤ４の中心位置に入射する。この場合にも、ＰＳＤ４は、−β〜＋βの範囲で傾きを検出することができる。但し、その測定値の基準は元々角度ψの傾斜面であるので、検出される液面Ｌの相対傾斜角の範囲は、ψ−β〜ψ＋βとなる。即ち、発光ダイオード１２の位置をＡの位置から角度ψだけオフセットしたことにより、図５に示すように、液面Ｌの相対傾斜の測定可能範囲が＋側に角度ψだけシフトしたことになるのである。なお、このとき、上述したように、−β〜＋βの範囲の間の角度がψよりも大きいので、Ａの位置に発光ダイオード１２を配置した時の傾斜角測定可能範囲とＢの位置に発光ダイオード１２を配置した時の傾斜角測定可能範囲とはオーバーラップし、測定不能な範囲の発生が防止されている。なお、図５におけるＣは、発光ダイオード１２をＣの位置に移動させた場合における傾斜角測定可能範囲を示している。
【００３６】
図６に示す制御処理は、上記原理に基づき、発光ダイオード１２の位置を移動させるとともに、信号処理回路５において算出された角度θ2を発光ダイオード１２の位置データによって補正し、液面Ｌの液槽１に対する相対傾斜角（液槽１の傾斜角）θを算出するためのものである。
【００３７】
図６の制御処理は、傾斜角測定開始コマンドの受信によりスタートする。そして、最初のＳ１０１において、傾斜センサ全体の初期設定を行う。ここでは、発光ダイオード１２を点灯させるとともに、発光ダイオード１２をＡの位置に移動させるように駆動回路７に指示を行う。
【００３８】
次のＳ１０２では、信号処理回路５から有効な角度検出信号θ2が入力されているかどうかをチェックする。そして、有効な角度検出信号θ2が入力されている場合には、その角度θ2を補正する必要がないので、Ｓ１０３において、補正角θ1を０と設定する。
【００３９】
一方、信号処理回路５から有効な角度検出信号θ2が入力されていないと判断した場合は、液面中心Ｐからの反射光ａ’がＰＳＤ４に入射していない場合であるので、Ｓ１０４において、発光ダイオード１２をＢの位置に移動させるように駆動回路７に指示を行う。
【００４０】
次のＳ１０５では、信号処理回路５から有効な角度検出信号θ2が入力されているかどうかを再度チェックする。そして、有効な角度検出信号θ2が入力されている場合には、その角度θ2を＋側に補正する必要があるので、Ｓ１０６において、補正角θ1を＋ψと設定する。
【００４１】
一方、信号処理回路５から有効な角度検出信号θ2が入力されていないと判断した場合は、液面中心Ｐからの反射光ｂ’がＰＳＤ４に入射していない場合であるので、Ｓ１０７において、発光ダイオード１２をＣの位置に移動させるように駆動回路７に指示を行う。
【００４２】
次のＳ１０８では、信号処理回路５から有効な角度検出信号θ2が入力されているかどうかを再度チェックする。そして、有効な角度検出信号θ2が入力されている場合には、その角度θ2を−側に補正する必要があるので、Ｓ１０９において、補正角θ1を−ψと設定する。一方、信号処理回路５から有効な角度検出信号θ2が入力されていないと判断した場合は、傾斜角θが測定範囲外であるので、処理を異常終了する。
【００４３】
Ｓ１０３，Ｓ１０６，又はＳ１０９において補正角θ1を設定した時には、Ｓ１１０において、信号処理回路５から受信した角度θ2にその補正角θ1を加算して、液面Ｌの相対傾斜角（液槽１の傾斜角）θを算出する。なお、この傾斜角θの単位は［ｒａｄ］なので、必要に応じて［度］に単位変換する。また、連続して傾斜角測定をする場合には、処理をＳ１０１に戻す。
＜実施形態の作用＞
本実施形態によれば、液面Ｌの液槽１に対する相対傾斜角（液槽１の傾斜角）θが一定範囲（−β〜０〜＋β）であれば、発光ダイオード１２を基準位置Ａに固定したまま、ＰＳＤ４からの出力信号のみに基づいて、傾斜角θの測定を行う。
【００４４】
また、液面Ｌの液槽１に対する相対傾斜角（液槽１の傾斜角）θがＰＳＤ４による測定可能範囲（−β〜０〜＋β）を超えた時には、駆動回路７が発光ダイオード１２の位置をＢ又はＣに移動させる。そして、Ｂの位置では、水平から角度＋ψだけオフセットした面を中心に傾斜角測定を行う。この傾斜角測定によってＰＳＤ４によって得られた角度θ2（−β〜０〜＋β）は、元々の基準面が水平から角度＋ψだけオフセットしているので、測定値θ2に角度＋ψを加算して補正する。同様に、Ｃの位置では、水平から角度−ψだけオフセットした面を中心に傾斜角測定を行う。この傾斜角測定によってＰＳＤ４によって得られた角度θ2（−β〜０〜＋β）は、元々の基準面が水平から角度−ψオフセットしているので、測定値θ2に角度−ψを加算して補正する。
【００４５】
このように、本実施形態によると、ＰＳＤ４自体は従来のものを使用しながら、測定可能な傾斜角θの範囲を拡大することができる。しかも、その場合において、傾斜角θの測定精度が落ちることもない。
【００４６】
【実施形態２】
本発明の第２の実施形態による傾斜センサは、上述の第１実施形態と比較して、発光装置７内において発光ダイオード２２が直線的に移動する点を特徴とする。
【００４７】
図７は、本第２実施形態における発光装置２の内部構造を示す概略図である。この図７に示すように、発光装置２内には、その光軸延長線が液面中心Ｐに達するｆθレンズ２５が配置されている。また、このｆθレンズ２５の反対面側には、ｆθレンズ２５の光軸に直交する向きに直線状のレール２０が形成されている。このレール２０には、ホルダ２１がスライド可能に取り付けられている。このホルダ２１は、その光の出射方向をｆθレンズ２５の光軸と平行に向けた発光ダイオード２２を保持している。
【００４８】
この発光ダイオード２２の発光点は、ｆθレンズ２５の焦点位置と一致している。従って、ホルダ２１のスライド位置如何に拘わらず、発光ダイオード２２から出射された光は、平行光となって液面中心Ｐに進む。また、ｆθレンズの特性により、発光ダイオード２２の変移量とｆθレンズ２５によって屈折された光の角度の変化量は、常に比例関係を保つ。
【００４９】
ホルダ２１には、アクチュエータ２３のロッド２４の先端が接合している。従って、アクチュエータ２３によるロッド２４の進退に従って、ホルダ２１は、レール２０上でスライド駆動される。このアクチュエータ２３は、駆動回路７によって制御され、ホルダ２１に保持されている発光ダイオード２２を、図２に示すＡ，Ｂ，又はＣの位置に移動させることができる。なお、Ａの位置は、発光ダイオード１２から出射された光ａがｆθレンズ２５の光軸に沿って進行し、水平状態にある液槽１内の液面Ｌとの間で角度αをなす位置である。また、Ｂの位置は、発光ダイオード１２から出射された光ｂがＡの位置からの光ａに対して液面Ｌ側に角度２ψだけオフセットする位置である。また、Ｃの位置は、発光ダイオード１２から出射された光ｃがＡの位置からの光ａに対して底面１ａ側に角度２ψだけオフセットする位置である。
【００５０】
本第２実施形態における他の構成及び作用は、第１実施形態のものと全く同じなので、その説明を省略する。
【００５１】
【実施形態３】
本発明の第３の実施形態による傾斜センサは、第１実施形態と比較して、予め３個の発光ダイオードをＡ，Ｂ，Ｃの位置に各々固定し、液面Ｌの相対傾斜に合わせて選択的に点灯させることを特徴とする。
【００５２】
即ち、図８に示すように、本第３実施形態による傾斜センサには、制御回路６の指示によって発光装置３１内の発光ダイオードを選択発光させる点灯制御回路３０が、第１実施形態による駆動回路７の代わりに備えられている。
【００５３】
この発光装置３１内には、液面中心Ｐを中心とした円弧状のブラケット３８が形成されている。このブラケット３８には、点灯制御回路３０によって夫々点灯制御される３個の発光ダイオード（発光ダイオードＡ３２，発光ダイオードＢ３３，発光ダイオードＣ３４）が、光の出射方向を液面中心Ｐに向けて取り付けられている。具体的には、発光ダイオードＡ３２は、水平状態にある液槽１内の液面Ｌとその出射光ａとが角度αをなす位置に取り付けられている。また、発光ダイオードＢ３３は、その出射光ｂが光ａに対して液面Ｌ側に角度２ψだけオフセットする位置に取り付けられている。また、発光ダイオードＣ３４は、その出射光ｃが光ａに対して底面１ａ側に角度２ψだけオフセットする位置に取り付けられている。これら各光ａ〜ｃの光路上には、夫々、これらの光ａ〜ｃを平行光にして液面中心Ｐに導くコリメータレンズ３５，３６，３７が配置されている。
【００５４】
本第３実施形態におけるその他の構成は、第１実施形態におけるものと同じなので、その説明を省略する。
＜傾斜角算出処理＞
次に、制御回路６において液面Ｌの液槽１に対する相対傾斜角（液槽１傾斜角）算出のために実行される制御処理の内容を、図１０のフローチャートに基づいて説明する。
【００５５】
図１０の制御処理は、傾斜角測定開始コマンドの受信によりスタートする。そして、最初のＳ２０１において、傾斜センサ全体の初期設定を行う。ここでは、発光ダイオードＡ３２を点灯させるように点灯制御回路３０に指示を行う。
【００５６】
次のＳ２０２では、信号処理回路５から有効な角度検出信号θ2が入力されているかどうかをチェックする。そして、有効な角度検出信号θ2が入力されている場合には、その角度θ2を補正する必要がないので、Ｓ２０３において、補正角θ1を０と設定する。
【００５７】
一方、信号処理回路５から有効な角度検出信号θ2が入力されていないと判断した場合は、液面中心Ｐからの反射光ａ’がＰＳＤ４に入射していない場合であるので、Ｓ２０４において、発光ダイオードＡ３２を消灯させて発光ダイオードＢ３３を点灯させるように点灯制御回路３０に指示を行う。
【００５８】
次のＳ２０５では、信号処理回路５から有効な角度検出信号θ2が入力されているかどうかを再度チェックする。そして、有効な角度検出信号θ2が入力されている場合には、その角度θ2を＋側に補正する必要があるので、Ｓ２０６において、補正角θ1を＋ψと設定する。
【００５９】
一方、信号処理回路５から有効な角度検出信号θ2が入力されていないと判断した場合は、液面中心Ｐからの反射光ｂ’がＰＳＤ４に入射していない場合であるので、Ｓ２０７において、発光ダイオードＢ３３を消灯させて発光ダイオードＣ３４を点灯させるように駆動回路７に指示を行う。
【００６０】
次のＳ２０８では、信号処理回路５から有効な角度検出信号θ2が入力されているかどうかを再度チェックする。そして、有効な角度検出信号θ2が入力されている場合には、その角度θ2を−側に補正する必要があるので、Ｓ２０９において、補正角θ1を−ψと設定する。一方、信号処理回路５から有効な角度検出信号θ2が入力されていないと判断した場合は、傾斜角θが測定範囲外であるので、処理を異常終了する。
【００６１】
Ｓ２０３，Ｓ２０６，又はＳ２０９において補正角θ1を設定した時には、Ｓ２１０において、信号処理回路５から受信した角度θ2にその補正角θ1を加算して、液面Ｌの液槽１に対する相対傾斜角（液槽１の傾斜角）θを算出する。なお、この傾斜角θの単位は［ｒａｄ］なので、必要に応じて［度］に単位変換する。また、連続して傾斜角測定をする場合には、処理をＳ２０１に戻す。
＜実施形態の作用＞
本第３実施形態によれば、第１実施形態において発光ダイオード１２を機械的に移動させていた代わりに、３個の発光ダイオード３２〜３４を選択的に点灯させ、出射光の方向を変える。従って、機械的な動作が必要ないので、消費電力を小さく抑えられるとともに、測定時間を短縮することができる。また、傾斜角測定に伴って機械的振動が生じることもなくなる。
【００６２】
本第３実施形態のその他の作用は、第１実施形態のものと全く同じなので、その説明を省略する。
【００６３】
【実施形態４】
本発明の第４の実施形態による傾斜センサは、上述の第３実施形態と比較して、発光装置３１内において発光ダイオードが直線的に配置されている点を特徴とする。
【００６４】
図１１は、本第４実施形態における発光装置３１の内部構造を示す概略図である。この図１１に示すように、発光装置３１内には、その光軸延長線が液面中心Ｐに達するｆθレンズ４１が配置されている。また、このｆθレンズ４１の反対面側には、ｆθレンズ４１の光軸に直交する向きに直線状のブラケット４５が形成されている。このブラケット４５には、点灯制御回路３０によって夫々点灯制御される３個の発光ダイオード（発光ダイオードＡ４２，発光ダイオードＢ４３，発光ダイオードＣ４４）が、光の出射方向をｆθレンズ２５の光軸と平行に向けて取り付けられている。
【００６５】
発光ダイオード４２の発光点は、ｆθレンズ４１の焦点位置と一致している。従って、何れの発光ダイオード４２〜４４から出射された光も、平行光となって液面中心Ｐに進む。
【００６６】
なお、発光ダイオードＡ４２は、出射光ａがｆθレンズ４１の光軸に沿って進行し、水平状態にある液槽１内の液面Ｌとの間で角度αをなす位置に取り付けられている。また、発光ダイオードＢ４３は、その出射光ｂが光ａに対して液面Ｌ側に角度２ψだけオフセットする位置に取り付けられている。また、発光ダイオードＣ４４は、その出射光ｃが光ａに対して底面１ａ側に角度２ψだけオフセットする位置に取り付けられている。
【００６７】
本第４実施形態における他の構成及び作用は、第３実施形態のものと全く同じなので、その説明を省略する。
【００６８】
【実施形態５】
本発明の第５の実施形態による傾斜センサは、上述の第１実施形態と比較して、発光ダイオードの位置は固定されるとともに、ＰＳＤの位置が移動する点を特徴とする。
＜傾斜センサの機械構成＞
図１２は、この傾斜センサを正面から見た状態を示す概略構成図である。図１２において、傾斜センサは、傾斜測定対象物（例えば測量装置）に固定された液槽１，発光ダイオード５３，コリメータレンズ６２，及び光位置検出装置５１，並びに、光位置検出装置５１内のＰＳＤ５６からの電流信号を処理する信号処理回路５，光位置検出装置５１内のＰＳＤ５６を移動させる駆動回路５２，及びこれら両回路５，５２及び発光ダイオード５３を制御して、液槽１の傾斜角（傾斜測定対象物の傾斜角）を算出する制御回路６から構成されている。
【００６９】
この液槽１の構成は、第１実施形態のものと全く同じなので、その説明を省略する。
発光ダイオード５３は、水平状態にある液槽１内の液面Ｌとの間で角度αをなすように、液面中心Ｐに向けて光を出射する。コリメータレンズ６２は、この発光ダイオード５３の出射光を平行光にして、液槽１の斜面１ｂに入射させるレンズである。
【００７０】
光位置検出装置５１は、液面中心Ｐにおいて反射され斜面１ｃを透過した反射光の角度を検出する装置である。図１３に示すように、光位置検出装置５１内には、液面中心Ｐを中心とした円弧状のレール５４が形成されている。このレール５４には、ホルダ５５がスライド可能に取り付けられている。このホルダ５５は、その受光面の中心に立てた垂線が液面中心Ｐと合致する向きで、ＰＳＤ５６を保持している。従って、ホルダ５５のスライド位置如何に拘わらず、ＰＳＤ５６の受光面は、常に液面中心Ｐを向く。
このホルダ５５には、ＰＳＤ５６の受光面に直交する方向に沿った長穴５５ａが形成されている。また、この長穴５５ａには、アクチュエータ５７のロッド５８の先端が係合している。従って、アクチュエータ５７によるロッド５８の進退に従って、ホルダ５５は、レール５４上でスライド駆動される。このアクチュエータ５７は、駆動回路５２によって制御され、ホルダ５５に保持されているＰＳＤ５６を、図１３に示すＡ，Ｂ，又はＣの位置に移動させることができる。なお、Ａの位置は、液槽１が水平状態にある時に、液面中心Ｐで反射された発光ダイオード５３からの光ａがＰＳＤ５６の受光面中心に入射する位置である。また、Ｂの位置は、Ａの位置を基準とした場合に、液面中心Ｐに関して底面１ａ側に角度２ψだけオフセットした位置である。また、Ｃの位置は、Ａの位置を基準とした場合に、液面中心Ｐに関して液面Ｌ側に角度２ψだけオフセットした位置である。  光ａの光軸上には、Ａの位置に位置するＰＳＤ５６の受光面中心にその焦点位置を合致させたｆθレンズ６０が配置されている。また、液面中心ＰからＢの位置に位置するＰＳＤ５６の受光面中心に進む光路ｂ上には、そのＰＳＤ５６の受光面中心にその焦点位置を合致させたｆθレンズ６１が配置されている。また、液面中心ＰからＣの位置に位置するＰＳＤ５６の受光面中心に進む光路ｃ上には、そのＰＳＤ５６の受光面中心にその焦点位置を合致させたｆθレンズ５９が配置されている。これらｆθレンズ５９〜６１は、対応する位置に位置するＰＳＤ５６の受光面上に、液面中心Ｐにて反射された光のスポットを形成させるレンズである。なお、図１３に示すように、ＰＳＤ５６は、Ａの位置に位置する時とＢ又はＣの位置に位置する時とで、その受光面の一部がオーバーラップする。
【００７１】
光位置検知センサとしてのＰＳＤ５６は、各ｆθレンズ５９〜６１によって形成された光スポットの位置に応じて、その出力端子から電流Ｉ1，Ｉ2を出力する。この電流Ｉ1は、液面Ｌ側の出力端子から出力される電流である。また、電流Ｉ2は、底面１ｄ側の出力端子から出力される電流である。ＰＳＤ５６から出力された両電流Ｉ1，Ｉ2は、信号処理回路５に入力される。
【００７２】
この信号処理回路５では、両電流Ｉ1，Ｉ2に対して上記式（３）を実行し、ＰＳＤ５６の受光面中心から光スポットまでの距離Ｘを算出する。また、この式（３）で求めた距離Ｘに対して上記式（４）を実行し、液面Ｌの液槽１に対する相対傾斜角（液槽１の傾斜角）θ2を算出する。
【００７３】
信号処理回路５は、算出した傾斜角θ2を制御回路６に入力する。但し、反射光のスポットがＰＳＤ４の受光面から外れた時には、上記演算（３），（４）を実行し得ないので、有効な傾斜角θ2の値を制御回路６に入力することができない。
＜傾斜角算出処理＞
次に、制御回路６において液面Ｌの相対傾斜角（液槽１の傾斜角）算出のために実行される制御処理の内容を説明する。
【００７４】
図１４の制御処理は、傾斜角測定開始コマンドの受信によりスタートする。そして、最初のＳ３０１において、傾斜センサ全体の初期設定を行う。ここでは、発光ダイオード５３を点灯するとともに、ＰＳＤ５６をＡの位置に移動させるように駆動回路５２に指示を行う。
【００７５】
次のＳ３０２では、信号処理回路５から有効な角度検出信号θ2が入力されているかどうかをチェックする。そして、有効な角度検出信号θ2が入力されている場合には、その角度θ2を補正する必要がないので、Ｓ３０３において、補正角θ1を０と設定する（センサ位置検出手段に対応）。
【００７６】
一方、信号処理回路５から有効な角度検出信号θ2が入力されていないと判断した場合は、液面中心Ｐからの反射光ａ’がＰＳＤ４に入射していない場合であるので、Ｓ３０４において、ＰＳＤ５６をＢの位置に移動させるように駆動回路５２に指示を行う。
【００７７】
次のＳ３０５では、信号処理回路５から有効な角度検出信号θ2が入力されているかどうかを再度チェックする。そして、有効な角度検出信号θ2が入力されている場合には、その角度θ2を＋側に補正する必要があるので、Ｓ３０６において、補正角θ1を＋ψと設定する（センサ位置検出手段に対応）。
【００７８】
一方、信号処理回路５から有効な角度検出信号θ2が入力されていないと判断した場合は、液面中心Ｐからの反射光ｂ’がＰＳＤ４に入射していない場合であるので、Ｓ３０７において、ＰＳＤ５６をＣの位置に移動させるように駆動回路５２に指示を行う。
【００７９】
次のＳ３０８では、信号処理回路５から有効な角度検出信号θ2が入力されているかどうかを再度チェックする。そして、有効な角度検出信号θ2が入力されている場合には、その角度θ2を−側に補正する必要があるので、Ｓ３０９において、補正角θ1を−ψと設定する（センサ位置検出手段に対応）。一方、信号処理回路５から有効な角度検出信号θ2が入力されていないと判断した場合は、傾斜角θが測定範囲外であるので、処理を異常終了する。
【００８０】
Ｓ３０３，Ｓ３０６，又はＳ３０９において補正角θ1を設定した時には、Ｓ３１０において、信号処理回路５から受信した角度θ2にその補正角θ1を加算して、液面Ｌの相対傾斜角（液槽１の傾斜角）θを算出する（傾斜角算出手段に対応）。なお、この傾斜角θの単位は［ｒａｄ］なので、必要に応じて［度］に単位変換する。また、連続して傾斜角測定をする場合には、処理をＳ３０１に戻す。
＜実施形態の作用＞
本実施形態によれば、液面Ｌの相対傾斜角（液槽１の傾斜角）θが一定範囲（−β〜０〜＋β）であれば、ＰＳＤ５６を基準位置Ａに固定したまま、ＰＳＤ５６からの出力信号のみに基づいて、傾斜角θの測定を行う。
【００８１】
また、液面Ｌの相対傾斜角（液槽１の傾斜角）θがＰＳＤ５６による測定可能範囲（−β〜０〜＋β）を超えた時には、駆動回路５２がＰＳＤ５６自体の位置をＢ又はＣに移動させる。そして、Ｂの位置では、水平から角度＋ψだけオフセットした面を中心に傾斜角測定を行う。この傾斜角測定によってＰＳＤ４によって得られた角度θ2（−β〜０〜＋β）は、元々の基準面が水平から角度＋ψだけオフセットしているので、測定値θ2に角度＋ψを加算して補正する。同様に、Ｃの位置では、水平から角度−ψだけオフセットした面を中心に傾斜角測定を行う。この傾斜角測定によってＰＳＤ４によって得られた角度θ2（−β〜０〜＋β）は、元々の基準面が水平から角度−ψだけオフセットしているので、測定値θ2に角度−ψを加算して補正する。
【００８２】
このように、本実施形態によると、ＰＳＤ４自体は従来のものを使用しながら、測定可能な傾斜角θの範囲を拡大することができる。しかも、その場合において、傾斜角θの測定精度が落ちることもない。
【００８３】
【発明の効果】
以上のように構成された本発明の傾斜センサによれば、従来と同じ受光面積の光位置検出素子を使用しながら、測定精度を下げることなく傾斜角の測定範囲を従来よりも拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施形態による傾斜センサを正面から見た状態を示す概略構成図
【図２】  図１の発光装置の内部構成図
【図３】  傾斜角測定原理の説明図
【図４】  傾斜角測定原理の説明図
【図５】  傾斜角測定原理の説明図
【図６】  図１の制御回路で実行される傾斜角算出処理を示すフローチャート
【図７】  本発明の第２の実施形態による傾斜センサの発光装置の内部構成図
【図８】  本発明の第３の実施形態による傾斜センサを正面から見た状態を示す概略構成図
【図９】  図８の発光装置の内部構成図
【図１０】  図８の制御回路で実行される傾斜角算出処理を示すフローチャート
【図１１】  本発明の第４の実施形態による傾斜センサの発光装置の内部構成図
【図１２】  本発明の第５の実施形態による傾斜センサを正面から見た状態を示す概略構成図
【図１３】  図１２の発光装置の内部構成図
【図１４】  図１２の制御回路で実行される傾斜角算出処理を示すフローチャート
【図１５】  従来の傾斜センサの概略構成図
【図１６】  図１５の傾斜センサにおいて液面Ｌが角度ψだけ傾斜した状態を示す説明図
【図１７】  ｆθレンズの説明図
【図１８】  従来の傾斜センサの傾斜角と受光位置との関係を示すグラフ
【符号の説明】
１    液槽
２    発光装置
４    ＰＳＤ
５    信号処理回路
６    制御回路
７，５２    駆動回路
１０，２０，５４    レール
１２，２２，３２，３３，３４，４２，４３，４４，５３    発光ダイオード
１３，２３，５７    アクチュエータ
３０    点灯制御回路
【図１】
0003641297.tif 000002
【図２】
0003641297.tif 000003
【図３】
0003641297.tif 000004
【図４】
0003641297.tif 000005
【図５】
0003641297.tif 000006
【図６】
0003641297.tif 000007
【図７】
0003641297.tif 000008
【図８】
0003641297.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0003641297.tif 000011
【図１１】
0003641297.tif 000012
【図１２】
0003641297.tif 000013
【図１３】
0003641297.tif 000014
【図１４】
0003641297.tif 000015
【図１５】
0003641297.tif 000016
【図１６】
0003641297.tif 000017
【図１７】
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【図１８】
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