(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動手段によって回転駆動される旋回台と、旋回台の上に装着される傾斜計と、傾斜計から出力される傾斜角に対応した測定値から傾斜角を演算すると共に前記駆動手段を制御する制御部と、前記旋回台に基準傾斜角を選択的に与える基準傾斜角設定機構部と、を備え、
前記制御部は、前記旋回台に基準傾斜角を与えない状態で、被測定軸に傾斜計が一致するように旋回台を回転させたときの傾斜計からの測定値と、前記旋回台をさらに１８０度回転させたときの傾斜計からの測定値とを減算して２で割った値と、前記旋回台に基準傾斜角設定機構部により被測定軸方向に基準傾斜角を与えた状態で、被測定軸に傾斜計が一致するように旋回台を回転させたときの傾斜計からの測定値と、前記旋回台をさらに１８０度回転させたときの傾斜計からの測定値とを減算して２で割った値と、基準傾斜角とを用いて傾斜計のスケールファクタを求めると共に、
前記旋回台に基準傾斜角を与えない状態で、被測定軸に傾斜計が一致するように旋回台を回転させたときの傾斜計からの測定値と、前記旋回台をさらに１８０度回転させたときの傾斜計からの測定値とを減算して２で割った値と前記求められたスケールファクタを用いて被測定軸の傾斜角を演算する、
ことを特徴とする傾斜角測定装置。
【請求項２】
前記制御部は、旋回台が９０度ずつ回転したときの傾斜計からの各測定値を用いて、直交する２軸の傾斜角をそれぞれ演算し、これら傾斜角から旋回台が回転することによって形成する面における最大傾斜角を求めることを特徴とする請求項１記載の傾斜角測定装置。
【請求項３】
前記制御部は、旋回台を回転させながら傾斜計からの測定値を連続的に受けて傾斜角を演算し、その中で最大となる傾斜角を旋回台が回転することによって形成する面における最大傾斜角とすることを特徴とする請求項１記載の傾斜角測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、傾斜角測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の傾斜角測定装置４９としては、例えば図５に示されるようなものがあり、これに示されるものは、サーボ型加速度計５０を用いて傾斜による重力加速度成分を計測及び出力するものである。このサーボ型加速度計５０の出力値には傾斜角の値以外にバイアス値及びスケールファクタ値のずれも入っているので、これらのずれを修正するために、バイアス調整部５２及びスケールファクタ調整部５４によりバイアス調整及びスケールファクタ調整を行い、調整された値をＡ／Ｄ変換器５６によりアナログ−デジタル変換してＣＰＵ５８に読み込ませるている。また、温度の変化によりバイアス値が変化するため、傾斜角測定時の温度を温度センサ６０により計測し、Ａ／Ｄ変換器５６によりアナログ−デジタル変換してＣＰＵ５８に読み込ませ、あらかじめＣＰＵ５８に登録されている温度とバイアス値の関係（バイアス温度感度）に基づいて、読み込んだ温度データから修正バイアス値を設定し、スケールファクタ値、修正バイアス値及びサーボ型加速度計５０の出力値から三角関数を用いて傾斜角を算出している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の傾斜角測定装置４９では、長期間にわたって使用する場合、経年変化によって初期に調整されたバイアス値、スケールファクタ値、バイアス温度感度やケースアライメント値などが変化してしまい、正確な傾斜角が測定できなくなるため、正確な傾斜角を得るためには、一定期間ごとに傾斜角測定装置４９を校正しなければならないという問題がある。
また、サーボ型加速度計５０の取付が固定であるため、１軸方向の傾斜角しか測定することができず、２軸方向以上の傾斜を測定するためには、２個以上のサーボ型加速度計５０を取り付けなければならないという問題もある。
【０００４】
なお、バイアス値及びケースアライメント値に関しては、特開昭５０−１２９２５３号公報に示されるように、入力軸が被測定面の傾斜方向と一致するように加速度計を配して出力を測定した後、入力軸を１８０度回転させて出力を測定し、これらの出力を差し引くことによりバイアス値及びケースアライメント値を削除する方法が開示されているが、この場合でも、スケールファクタ値は変化してしまうため、これを一定期間ごとに校正しなければならない。
また、加速度計を１８０度回転させて配し直す必要があり、これによる取付誤差が発生する恐れがある。
本発明は、このような課題を解決するためのものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために、本発明のうちで請求項１記載の発明は、駆動手段によって回転駆動される旋回台と、旋回台の上に装着される傾斜計と、傾斜計から出力される傾斜角に対応した測定値から傾斜角を演算すると共に前記駆動手段を制御する制御部と、前記旋回台に基準傾斜角を選択的に与える基準傾斜角設定機構部と、を備え、
前記制御部は、前記旋回台に基準傾斜角を与えない状態で、被測定軸に傾斜計が一致するように旋回台を回転させたときの傾斜計からの測定値と、前記旋回台をさらに１８０度回転させたときの傾斜計からの測定値とを減算して２で割った値と、前記旋回台に基準傾斜角設定機構部により被測定軸方向に基準傾斜角を与えた状態で、被測定軸に傾斜計が一致するように旋回台を回転させたときの傾斜計からの測定値と、前記旋回台をさらに１８０度回転させたときの傾斜計からの測定値とを減算して２で割った値と、基準傾斜角とを用いて傾斜計のスケールファクタを求めると共に、
前記旋回台に基準傾斜角を与えない状態で、被測定軸に傾斜計が一致するように旋回台を回転させたときの傾斜計からの測定値と、前記旋回台をさらに１８０度回転させたときの傾斜計からの測定値とを減算して２で割った値と前記求められたスケールファクタを用いて被測定軸の傾斜角を演算する、
ことを特徴としたものである。
【０００６】
本発明の原理を説明すると、傾斜角を測定したい方向に旋回台を回転させて傾斜計の出力により傾斜角θ［ｒａｄ］を求め、この後、旋回台を１８０度回転させたときの傾斜計の出力により傾斜角−θ［ｒａｄ］を求める。このとき、傾斜角に関しては極性の反転した２つの値が得られ、バイアス値Ｂ［Ｇ］やケースアライメント角Ｋθ［ｒａｄ］に関しては極性の同じ値が得られる。Ｋθ及びθが微少角の場合、ｓｉｎ（Ｋθ±θ）≒Ｋθ±θであるため、１回目の測定値Ｍａは、
【数１】
0003634058.tif 000002
によって示され、２回目の測定値Ｍｂは、
【数２】
0003634058.tif 000003
によって示される。なお、Ｓはスケールファクタ値Ｓ［Ｖ／Ｇ］であり、ｇ［Ｇ］は重力加速度である。また、Ｋ＝ｇ・Ｋθとおいた（Ｋはケースアライメント値［Ｇ］）。
従って、２つの測定値を減算することにより、正確な傾斜角θは、
【数３】
0003634058.tif 000004
によって得られる。
【０００７】
また、θが微少角でない場合（Ｋθは微少角とする）、測定値Ｍａ及びＭｂはそれぞれ
【数４】
0003634058.tif 000005
及び
【数５】
0003634058.tif 000006
によって示されるため、この場合の正確な傾斜角θは、
【数６】
0003634058.tif 000007
によって得られる。
【０００８】
スケールファクタ値Ｓの校正に関しては、基準傾斜角設定機構部により基準傾斜角α［ｒａｄ］の傾斜を旋回台の被測定軸方向に与え、被測定軸に傾斜計が一致するように旋回台を回転させたときの傾斜計からの測定値Ｍａ’と、被測定軸方向に基準傾斜角αを旋回台に与えたままさらに１８０度旋回台を旋回させたときの傾斜計からの測定値Ｍｂ’とを減算して２で割った値と、基準傾斜角αの傾斜を旋回台に与えない状態で、被測定軸に傾斜計が一致するように旋回台を回転させたときの傾斜計からの測定値Ｍａと、旋回台をさらに１８０度旋回させたときの傾斜計からの測定値Ｍｂとを減算して２で割った値と、を減算して基準傾斜角αで割ることにより傾斜計のスケールファクタの校正値Ｓが得られる。
まず、被測定軸方向に基準傾斜角αを旋回台に与えたときの傾斜計の測定値Ｍａ’［Ｖ］は、
【数７】
0003634058.tif 000008
によって得られ、基準傾斜角αを旋回台に与えたままで旋回台を１８０度旋回させたときの傾斜計の測定値Ｍｂ’［Ｖ］は、
【数８】
0003634058.tif 000009
によって得られる。
（４）式から（５）式を減算して２で割ると、
【数９】
0003634058.tif 000010
となる。ただし、ｃｏｓＫθ＝ｃｏｓα＝ｃｏｓθ＝１とした。さらに、得られたＭ’からＭを減算することでスケールファクタの校正値Ｓ［Ｖ／Ｇ］が求められる。
【数１０】
0003634058.tif 000011
【０００９】
以上から、傾斜計のバイアス値、ケースアライメント値及びスケールファクタ値の変化に対応することができる。
また、傾斜計を旋回台に装着したことにより、１つの傾斜計で２軸以上の方向の傾斜角を測定することができる。
【００１０】
また、本発明のうちで請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記制御部が、旋回台が９０度ずつ回転したときの傾斜計からの各測定値を用いて、直交する２軸の傾斜角をそれぞれ演算し、これらの傾斜角から旋回台が回転することによって形成する面における最大傾斜角を求めることを特徴とする。
【００１１】
直交する２軸の傾斜角Ｐ，Ｑを求めれば、その２軸の間の範囲内にある（または２軸のうちのどちらかの）水平軸を特定することができ、その水平軸に直交する最大傾斜軸及びその最大傾斜角を一義的に求めることができる。
【００１２】
また、本発明のうちで請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記制御部が、旋回台を回転させながら傾斜計からの測定値を連続的に受けて傾斜角を演算し、その中で最大または最小となる傾斜角を旋回台が回転することによって形成する面における最大傾斜角とすることを特徴とする。
【００１３】
旋回台を回転させながら傾斜計からの測定値を受けて傾斜角を求めるため、このときの傾斜計の出力が最大となる方位を旋回台の最大傾斜方位及び最大傾斜角として求めることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１及び図２に本発明の実施の形態を示す。
本発明の傾斜角測定装置１１は、傾斜計であるサーボ型加速度計１０と、加速度計１０が装着される旋回台１２と、サーボ型加速度計１０に接続される制御部１４と、制御部１４によって制御される駆動手段であるステッピングモータ１６と、旋回台１２に基準傾斜角を与える基準傾斜角設定機構部１７とを備える。
旋回台１２は、旋回台１２に一体に取り付けられたギヤ１２ａがモータ１６の出力軸に取り付けられた駆動ギア１６ａと噛み合っており、モータ１６によって軸１３の回りに回転することが可能である。また、旋回台１２の側周面にはピン１２ｂが設けられると共に、該ピン１２ｂに対応して旋回台１２よりも外側に光素子２６が固定設置されている。これらは、光素子２６の発光素子と受光素子の間をピン１２ｂが通過することを検知して、旋回台１２の回転角度をリセットするためのものである。
基準傾斜角設定機構部１７は、そのロッド１７ａが伸縮して旋回台１２に予め決められた基準傾斜角を与えることができる。これに対応して回転軸１３はヒンジ１３ａによって傾斜可能となっている。
【００１５】
制御部１４は、上記光素子２６からの信号を受信してピン１２ｂが通過したことを検知する位置検出回路２８、モータ１６を駆動するモータ駆動回路１８、基準傾斜角設定機構部１７を駆動する基準角設定機構駆動回路１９、加速度計１０から出力される測定値に対応する信号を増幅する増幅器２２、増幅器２２からの出力をアナログ−デジタル変換するＡ／Ｄ変換器２４、Ａ／Ｄ変換器２４から得られる加速度計１０からの測定値から傾斜角を演算すると共に、モータ駆動回路１８及び基準角設定機構駆動回路１９を制御する演算処理装置（ＣＰＵ）２０、演算処理装置（ＣＰＵ）２０の演算結果を外部へ出力するインターフェイス（Ｉ／Ｆ）３２により構成されている。
尚、本例では、基準角設定機構駆動回路１９を備え、演算処理装置（ＣＰＵ）２０の指令に基づいて基準傾斜角設定機構部１７を駆動することとしているが、旋回台１２が所定の角度に達すると機械スイッチにより、自動的に基準傾斜角設定機構部１７が作動して旋回台１２に基準傾斜角を与えてそのまま保持し、さらに、旋回台１２を所定の角度へ回転させると別の機械スイッチによりこの基準傾斜角を解除するようにすることもできる。
【００１６】
図２に示されるように、サーボ型加速度計１０は、±１５Ｖの直流電源３４、サーボアンプ３６、偏位ピックアップ３８、ビーム４０、マグネット４２、トルカコイル４４、フレキシャヒンジ４６により構成されている。加速度がビーム４０に作用するとその慣性力でビーム４０が平衡点から偏位するので、その偏位量を偏位ピックアップ３８で電気信号に変換し、サーボアンプ３６を通してトルカコイル４４に電流を流して、ビーム４０を元の位置に復元する力を発生させる。この電流がビームに作用した加速度に比例することから電流を計測することにより、加速度、延いては傾斜角を測定するものである。
【００１７】
次に、本実施の形態の作用について説明する。
まず、傾斜角測定装置１１の電源投入と同時に演算処理装置（ＣＰＵ）２０のＲＯＭに予め格納されているプログラム、または外部からの指令に基づき、旋回台１２を回転させるべくモータ駆動回路１８へ信号が出力される。旋回台１２が回転して、ピン１２ｂが光素子２６を通過したことが位置検出回路２８によって検知されると、演算処理装置（ＣＰＵ）２０は、旋回台１２の回転角度をリセットし、以降はモータ駆動回路１８から出力されるパルス数をカウントすることにより、旋回台１２の回転角度を検出、制御する。
【００１８】
次に、測定したい軸方向に旋回台１２を回転させ、その位置（図４中ａ点）でサーボ型加速度計１０により測定値Ｍａを測定する。なお、この測定値Ｍａは、バイアス値及びケースアライメント値の誤差が含まれているため、正確な傾斜信号ではない。次に、旋回台１２を１８０度回転させ、その位置（図４中ｂ点）でサーボ型加速度計１０により測定値Ｍｂを測定する。なお、この測定値Ｍｂもバイアス値及びケースアライメント値の誤差が含まれているため、正確な傾斜信号ではない。これらＭａ及びＭｂは、傾斜角θの極性が逆になっている。サーボ型加速度計１０から出力されたＭａ及びＭｂは、増幅器２２によって増幅され、Ａ／Ｄ変換器２４によってアナログ−デジタル変換された後、ＣＰＵ２０により、（３）式又は（３）’式の演算が行われ、傾斜角成分のみ求められる。
【００１９】
また、スケールファクタ値を校正するために、基準角設定機構駆動回路１９を介して基準傾斜角設定機構部１７を作動させ、旋回台１２に基準傾斜角αを与える（図３参照）。この基準傾斜角αを与えた状態で、測定値Ｍａ及びＭｂを測定した位置において再びサーボ型加速度計１０により測定値Ｍａ’及びＭｂ’を測定する。測定値Ｍａ’及びＭｂ’は、増幅器２２によって増幅され、Ａ／Ｄ変換器２４によってアナログ−デジタル変換された後、ＣＰＵ２０により、（７）式の演算が行われ、スケールファクタの校正値Ｓが求められる。
この後、ＣＰＵ２０では、スケールファクタの校正値Ｓを用いて正確な傾斜角が求められ、この傾斜角がＩ／Ｆ３２を介して出力される。
【００２０】
次に、傾斜角及びスケールファクタ値の別の校正方法について説明する。
旋回台１２に基準傾斜角αを与えたときのＭ’の値を、基準傾斜角αを与えていないときのＭの値で割ると、（３）”式及び（６）式から傾斜角θは、
【数１１】
0003634058.tif 000012
になる。但し、ｃｏｓＫθ＝１とした。
（８）式により得られた傾斜角θを（３）”式に代入してスケールファクタの校正値Ｓが得られる。
【数１２】
0003634058.tif 000013
尚、基準傾斜角αは測定軸の方向によって変化するので、任意の被測定軸の傾斜角を測定しようとする場合には、旋回台１２の回転角度と基準傾斜角αの関係を予め求めておくとよい。
【００２１】
本発明の傾斜角測定装置１１によって、旋回台１２が回転することによって形成される面における最大傾斜方位φと傾斜角θを次のように求めることができる。
まず、図４（ａ）に示したように、ａ点及びｂ点の２点の測定からａ−ｂ軸の水平面からの傾斜Ｐを求め、ａ点から９０度離れたｃ点及びｃ点から１８０度離れたｄ点の２点の測定からｃ−ｄ軸の水平面からの傾斜Ｒを求める。今、最大傾斜方位をＯＢとし、水平軸がＯＡであるとすると、ＯＢはＯＡに直交するため、まず、回転軸ＯＡの方位を求めることにする。ＯＡは、傾斜面Ｘ’ＯＹ’の回転軸となるから、ＯＡ軸を紙面に垂直な軸として表した図４（ｂ）からわかるように、球面三角形ＸＡＸ’と球面三角形ＹＡＹ’から
【数１３】
0003634058.tif 000014
であり、
【数１４】
0003634058.tif 000015
となる。
Ｒ＝０のとき、すなわちｃ−ｄ軸が水平軸であるときは、
【数１５】
0003634058.tif 000016
となる。最大傾斜方位φは、ＯＸを０度方位として、
【数１６】
0003634058.tif 000017
で表される。また、最大傾斜角θは、
【数１７】
0003634058.tif 000018
となり、φ＝π／２のとき、θ＝Ｒとなる。
こうして、９０度ずつ離れた任意の４点で測定を行うことで、最大傾斜方位φと最大傾斜角θを求めることができる。
【００２２】
旋回台１２の最大傾斜方位φと、最大傾斜角θを求める他の方法としては、旋回台１２を回転させながらサーボ型加速度計１０の出力を測定し、サーボ型加速度計１０の出力が最大又は最小となる方位を最大傾斜方位φとして求め、最大傾斜角θは、最大傾斜方位軸線上の２点の測定値と、基準傾斜角αを旋回台１２に与えて測定した結果と、から求めることもできる。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のうち請求項１記載の発明は、制御部により旋回台の回転を制御して１８０度回転角度が異なるときの傾斜計の測定値同士の減算を行って２で割ることによりバイアス値及びケースアライメント値を含まない傾斜角を得ることができ、また、旋回台に基準傾斜分の傾斜角を与えて、１８０度角度が異なるときの傾斜計の測定値同士を減算して２で割った値と、基準傾斜分の傾斜角を旋回台に与えずに１８０度角度が異なるときの傾斜計の測定値同士を減算して２で割った値と、基準傾斜角とを用いてスケールファクタ値の校正値を得ることができる。
【００２４】
また、傾斜計を旋回台に装着したことにより、任意の方向の傾斜角を１つの傾斜計で測定することができ、これにより、傾斜計を１８０度回転させて配し直す必要がないため、取付誤差が発生することもない。
【００２５】
また、直交する２軸の傾斜角を求めることができるので、これらから、最大傾斜角及び最大傾斜方位を一義的に求めることが可能になる。
また、旋回台を回転させながら傾斜計からの測定値を受けて傾斜角を求めることができるため、その中から最大傾斜方位と最大傾斜角を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の傾斜角測定装置の実施の形態を示すブロック図である。
【図２】図１の加速度計の回路図である。
【図３】図１の旋回台に基準傾斜角を与えた状態を示す説明図である。
【図４】最大傾斜方位と最大傾斜角を求める原理を示す説明図であり、（ａ）は旋回台の斜視図であり、（ｂ）は旋回台の側面図である。
【図５】従来の傾斜角測定装置を示す図である。
【符号の説明】
１０  サーボ型加速度計（傾斜計）
１２  旋回台
１４  制御部
１６  モータ（駆動手段）
１７  基準傾斜角設定機構部
【図１】
0003634058.tif 000019
【図２】
0003634058.tif 000020
【図３】
0003634058.tif 000021
【図４】
0003634058.tif 000022
【図５】
0003634058.tif 000023