(57)【要約】【課題】周囲温度の変化によって生ずる電解液の膨張や収縮による影響、電解液の表面張力による接触面の不安定化、電解液の経時変化などの影響を受けない高精度の角度測定装置を実現すること。【解決手段】対向する２面が光透過性部材からなる壁面を有する閉塞された室と、該室内に気泡を有するようして封入された液体と、前記光透過性壁面の一方の壁面側に設けられた発光源と、前記光透過性壁面の他方の壁面側に近接して設けられたＣＣＤ素子とを有し、前記ＣＣＤ素子の画像情報から気泡の両側端の位置を検知して気泡の中心位置を求め、基準位置に対する気泡の変位量から角度を検出するように構成した。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも対向する二壁面が光透過性部材により構成された壁面を有する閉塞された室と、前記室内に気泡を有するようして封入された液体と、前記光透過性部材からなる二壁面のうちの一方の壁面側に配された光源と、前記光透過性部材からなる二壁面のうちの他方の壁面側に配設されたＣＣＤ素子と、ＣＣＤ素子の画像情報に基づいて角度を算出する情報処理手段とを有する角度測定装置であって、所定深さ位置における気泡両側部分の気泡と液体の境界位置を前記ＣＣＤ素子により検知し、検知した気泡両側部分の境界位置情報から気泡の中心位置を算出し、基準位置からの気泡の変位量に基づいて角度を測定することを特徴とする角度測定装置。
【請求項２】
上記気泡が上記光透過性部材からなる二壁面に挟まれた平行部を有していることを特徴とする請求項１記載の角度測定装置。
【請求項３】
上記閉塞された室を構成する壁面のうち、光透過性部材からなる二壁面以外の壁面が金属部材から構成されていることを特徴とする請求項１記載の角度測定装置。
【請求項４】
上記閉塞された室が、略直方体状であることを特徴とする請求項１記載の角度測定装置。
【請求項５】
上記閉塞された室が、アーク状、円筒状、または円柱状であることを特徴とする請求項１記載の角度測定装置。
【請求項６】
上記ＣＣＤ素子が、上記室の外周円または外周円弧に沿って配置されていることを特徴とする請求項５記載の角度測定装置。
【請求項７】
上記ＣＣＤ素子の画像情報が、上記室の外周円または外周円弧に沿って選択されたＣＣＤ画素から得ることを特徴とする請求項５または請求項６記載の角度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば柱や梁などの建築部材に取付け、これら建築部材の傾斜角を測定したり、測量機の本体等に取り付けて本体等の傾斜角を測定する装置に関するものであり、特に、微小な角度変化を高精度で測定できる電子式の角度測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、傾斜角等の測定装置あるいは検出器として、従来の目視式の角度測定器に代わり、気泡管に封入された気泡の位置変化を電気信号に変換して微小な角度変位を測定する方式（電子式）の角度測定器が提案され使用され始めている。
電子式の微小角度変位測定器としては、気泡管内に配置された電極相互間の抵抗あるいはインピーダンス変化に基づいて角度を測定する方式のもの（例えば、特許文献１および特許文献２参照）、気泡の変位量を光学的に検出して角度を測定する方式のもの（例えば、特許文献３および特許文献４参照）などがある。
【０００３】
【特許文献１】特開平６−２５８０７６号公報（第２頁、図１）
【特許文献２】特開平９−２５０９２３号公報（第２頁〜第３頁、図１）
【特許文献３】特開平９−２８０８５７号公報（第２頁〜第３頁、図１〜図３）
【特許文献４】特開平１０−３３２３６７号公報（第２頁〜第３頁、図１〜図２）
【０００４】
特許文献１には、所定曲率を有する管状部材に導電性液体と気泡を封入し、導電性液体に浸漬した２つの電極の抵抗値に基づいて電気的に傾斜角を測定することが開示されている。
【０００５】
特許文献２には、常に電解液に浸漬して気泡に触れないコモン電極と、コモン電極よりも高く突出し且つ水平状態では気泡に触れないようにして電解液に浸漬した複数の周囲電極とを有し、水平状態では周囲電極相互間のインピーダンスが所定値の比率となり、傾斜したときにおける周囲電極のインピーダンスの変化から傾斜角を電気的に測定することが開示されている。
【０００６】
特許文献３には、液体および気泡を封入した気泡管を挟む一方の側に発光素子を配設するとともに、気泡管を挟む反対側に気泡管の長手方向に沿って２個の受光素子を並設配置し、発光素子から発光された光が気泡管に封入された液体あるいは気泡を通って２個の受光素子で受光されるようにして，２個の受光素子の受光量の差により傾斜角度を検知する方法が提案されている。
【０００７】
特許文献４には、ドーム状の気泡管において、上下方向の一方向から光を照射し、気泡管を通過した光をＣＣＤ素子で受光することにより気泡に対応する像の画像信号を出力し、該画像信号を直交する２方向の端から順次スキャンして気泡の輪郭線との交点から気泡の中心位置を求めて傾斜角を演算することが提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１あるいは特許文献２などに開示されている傾斜角測定方式は、電極の電解液中に浸漬された部位の抵抗あるいはインピーダンス変化に基づくものである。しかし、このような方式のものにおいては、周囲温度の変化によって生ずる電解液の膨張や収縮による影響、電解液の表面張力による接触面の不安定化、電解液の経時変化などが誤差の要因となり、高精度の角度測定が難しい。
【０００９】
また、特許文献３あるいは特許文献４などに開示されている傾斜角測定方式は、発光源から出て気泡管内に封入された気泡および液体を通過する光の量あるいは像を受光素子で検出し電気信号変換する方式のものである。しかし、これら方式においても、周囲温度の変化によって生ずる電解液の膨張や収縮による影響は基本的に解消されていない。このため、例えば、特許文献４に開示された方式では圧力調整手段を備えている。
【００１０】
また、受光素子と気泡の位置関係に起因する受光素子の不感部分や光量不足などによる測定誤差への影響等の問題もある。例えば、特許文献４に開示された方式においては、気泡管がドーム状（お椀を伏せた形状）であるため、平板状のＣＣＤ素子を用いた場合には、気泡とＣＣＤ素子間の距離が変化してドーム中心部を離れるにしたがって不鮮明な画像情報となる。一方、ドーム形状に沿った曲面状のＣＣＤ素子を製作することは困難であり高価なものとなるため実用的でない。更にまた、特許文献４に開示された方法では、光を気泡上面側から入射し、気泡および気泡下面に存在する液体を通過した光を受光しなければならないため、特に気泡周縁部分における受光量の変化量が小さくなり、気泡輪郭部の画像情報が必ずしも明瞭ではない恐れがある。
【００１１】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、周囲温度の変化による影響の少ない、高精度な電気式の傾斜角検出装置を提供することを課題とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、少なくとも対向する二壁面が光透過性部材により構成された壁面を有する閉塞された室と、前記室内に気泡を有するようして封入された液体と、前記光透過性部材からなる二壁面のうちの一方の壁面側に配された光源と、前記光透過性部材からなる二壁面のうちの他方の壁面側に配設されたＣＣＤ素子と、ＣＣＤ素子の画像情報に基づいて傾斜角を算出する情報処理手段とを有する傾斜角測定装置であって、所定深さ位置における気泡両側部分の気泡と液体の境界位置を前記ＣＣＤ素子により検知し、検知した気泡両側部分の境界位置情報から気泡の中心位置を算出し、基準位置からの気泡の変位量に基づいて角度を測定することを特徴とするものである。
【００１３】
本発明において、上記光透過性部材としては、通常、透明なガラス板や樹脂板を使用するが、使用する発光源の光に対応して当該光源の光を透過できる公知の有色部材等を使用することができる。
本発明において、上記光透過性部材からなる壁面は、基本的に、被測定角度の変位方向面と平行になるように配設する。また、本発明において、上記光透過性部材からなる壁面は，上記気泡の側面が自由面とならないように近接して配設することが望ましい。このように配設することにより、気泡の両側面が規制されて平行な二側面を形成し、光透過性部材からなる壁面と気泡の間に液体がほとんど存在しないようにできるので、所定深さ位置における気泡両側部（気泡移動方向の前後端）での気泡と液体の境界部分の輪郭をより鮮明に検知することができる。
【００１４】
本発明において，上記閉塞された室を構成する壁面のうち、光透過性部材からなる二壁面以外の壁面を構成する部材は透明体あるいは不透明体のいずれでも良い。しかし、気泡が接して移動する気泡上面の壁面を構成する部材は、極めて精密な加工を施し得ることが重要であり、かかる観点からは金属部材を用いることが望ましい。
すなわち、上記閉塞された室を構成する壁面のうち、少なくとも気泡上面が接して移動する上側壁面は、基準位置（通常は傾斜角がゼロの場合）で気泡がほぼ中央部に位置するように、かつ所定の角度変位で所定の距離を気泡が移動するように、上側に凹むような曲線形状に所定の曲率で精密に形成されていなければならない。
また、本発明において、上記室の形状は、測定対象とする角度に対応して，円弧（アーク）状，円筒状あるいは円柱状としても良い。
【００１５】
本発明において、閉塞された室内に密封される液体としては、この種の気泡管において通常使用されている液体、例えば、ジエチルエーテルとエチルアルコールの混合液にヨウ化カリウムを添加した液体等、公知のものを適宜用いることができる。
【００１６】
本発明において，ＣＣＤ素子は、測定角度範囲内で移動する気泡の移動距離以上の長さ範囲に亘り画素が配列されているものを使用する。このＣＣＤ素子を、上側壁面の稜線にほぼ平行に、かつ近接して配設する。このように構成することにより、得られるＣＣＤ画像情報信号から気泡の変位量を求めることができる。なお、閉塞された室の形状が円弧状等の場合には、直線状のＣＣＤ素子を上側壁面の稜線に沿って配設することが難しいが、この場合には、気泡の移動する全範囲をカバーする大きさの画素配列を有するＣＣＤ素子を用い、測定角度に対応して気泡両側境界位置を検出する画素を選択し、室の上側壁面から略一定の距離（気泡深さ位置）で境界位置を検知するようにすれば良い。
【００１７】
詳細は後述するが、本発明においては、気泡における所定深さの位置を横断する少なくとも１つの仮想線と気泡−液体境界線とが交差する二つの点を検知することにより気泡の位置を求める。このため、原理的には、画素情報取り込み対象とするＣＣＤ受光素子の画素配列は１列で良いが、検出精度を向上させるために複数列の画素情報を取り込み対象としても良い。
本発明において、気泡の位置は、気泡両側端の気泡と液体の境界位置を検知し、該気泡両側端の境界位置から演算して気泡の中心位置を算出する。このため、周囲温度の影響等で気泡の大きさが変化しても求められる気泡の中心位置は変わらないので、従来問題であった周囲温度の影響等を極めて小さくできる。
【００１８】
本発明においては、気泡が移動する方向に対して平行に光透過性の壁面で、気泡の気泡の両側を挟み込むように構成しているので、基本的に気泡の動く方向が規定されて移動する。このため、測定しようとする方向の角度のみを正確に測定できる。また、一対の光透過性壁面が、基本的には気泡の自由径以下の間隔で対向配置されているために、気泡と光透過性の壁面間に存在する液体が比較的少ない。このため、気泡部分を通過した光と液体部分を通過した光の量（強度）には大きな差異があり、気泡と液体の境界部を明瞭に認識することができる。
また、光透過性壁面は平板状であるため、発光素子および受光素子とも、簡単な構造で安価な平板状長尺ＣＣＤ素子が使用可能である。また、気泡とＣＣＤ受光素子間の距離が変化しないために、検出される画像情報信号の信頼性（精度）が高い。
【００１９】
本発明の角度測定装置は、まず、基準角度の状態（例えば、傾斜していない水平状態など）での気泡の中心位置を基準点として記憶させる。次いで、所定の角度変化における気泡の移動位置を順次測定して記憶回路に記憶保存し、実測時には、この保存記憶した基本データを参照して角度を測定する。
例えば、本発明の角度測定装置を測量機の本体に取り付けて使用する場合には、まず、取付けた状態で基本データを採取・記憶させ、次いで実測することになる。なお、例えば経時変化等が原因で、傾斜しない状態で基準点と気泡の中心位置とが一致しない状態になることもあるが、そのような場合は、必要に応じて基準点の位置等を適宜調整することが望ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下，本発明の一実施形態について図面を参照して詳述する。
図１および図２は、本発明の一実施形態における検出部の概略構成説明図および構成部材説明図である。図１および図２において、１は基体であり、図２に示すように中央部にほぼ長方形の貫通した窓部２が形成されている。窓部２の上側壁面は基準位置（通常は角度がゼロの場合）で気泡がほぼ中央部に位置するように所定の曲率で上側に凹むような曲線形状に仕上げてある。
３ａ，３ｂは光透過性の材料からなる平板部材である。本実施形態においては、基体１の両側面に同じものを配設しているが、異なる材質，形状としても良い。
【００２１】
図１は、本実施形態における検出部の概略構成説明図である。なお、図１（Ａ）はａ−ａ断面で示す立面図、図１（Ｂ）はｂ−ｂ断面で示す側面図である。基体１の両側面に平板部材３ａ、３ｂが接着剤で密着固定され、閉塞されたほぼ直方体形状の室４が形成されている。本実施態様においては、室形状をほぼ直方体状としているが、測定対象角度によっては、円弧状（アーク状）あるいは円筒状などの形状を採用しても良い。
閉塞された室４内には、注入孔（図示省略）から注入された液体５を気泡６が形成されるようにして充填され、密封されている。また、光透過性材料からなる一方の壁面３ａの外側面には光源７を取り付けてあり、対向する他方の光透過性材料からなる壁面３ｂの外側面であって室４の上側壁面近傍にはＣＣＤ素子８を取り付けてある。
上記構成とすることにより、光源７から出射された光が、気泡及び／または液体を通過してＣＣＤ素子８に到達し、受光される。光源７から出射される光は、できれば平行光線であることが好ましいが、必ずしも平行な光線である必要はない。また、閉塞した室内には、光源７から出射された光以外に入射光が存在しないように構成することが、ノイズを少なくするために好ましい。なお、本実施形態では、光源７を特別に取り付けたが、場合により、光源７を特に設けないで、周囲光を光源としても良い。
【００２２】
ＣＣＤ素子８は、少なくとも，密閉された室４の上側壁面に沿って移動する気泡の移動範囲の全域に亘って受光できる構成のものとする。すなわち気泡が移動する範囲の全長以上の範囲に亘って画素が配列されている構成のものを使用する。また、その設置位置は、上側壁面近傍の窓部外面で、かつ上側壁面の稜線にほぼ平行な長手方向に配設する。
図３は、本実施態様における気泡中心位置の測定方法を説明するための概念図である。なお、図３は、説明の便宜上、気泡の大きさに比べてＣＣＤ受光素子の画素を極めて大きく示し、また、基体１の上側壁面９にほぼ平行に１列のＣＣＤ素子の画素を配置し、簡略化して示してある。
図において、気泡６Ａは基準角度における気泡の位置であり、その中心位置（すなわち基準位置）がｎ番目の画素の位置に対応するものとする。次に、角度αで傾斜している場合の気泡を気泡６Ｂとすると、基準位置からの気泡６Ｂの移動距離Ｌは、次のようにして求められる。光源７から出た光は、気泡あるいは液体中を通ってＣＣＤ素子８で受光されるが、気泡と液体とでは光の透過率が異なるため、ＣＣＤ素子８における気泡部に対応する画素からの検知情報信号と液体部分に対応する画素からの検知情報信号との間には差違を生ずる。
説明を簡単化するために、図３においては、各画素の検知情報を２値化して、液体中を通ってきた光を受光した画素を黒丸で、気泡中を通ってきた光を受光した画素を白丸で表示した。図に示すように気泡を通過した光を受光した画素と、液体を通過した光を受光した画素とは、明確に判別することが出来る。
【００２３】
図３において、気泡Ｂの左側端部における気泡と液体の境界位置に該当する画素をＰ１とし、右側における気泡と液体の境界位置に該当する画素をＰ２とする。気泡は表面張力によりほぼ円弧状に形成されているので、Ｐ１およびＰ２は気泡の中心位置に対して対象な位置に存在する。画素Ｐ１がｎ＋ｍ番目であり、画素Ｐ２がｎ＋ｍ＋ｄ番目（ここで、ｄは画素Ｐ１とＰ２間に存在する画素数に相当する）であるとすると、気泡の中心位置に相当する画素は、ｎ＋ｍ＋ｄ／２番目に位置することになる。
角度αに対応する気泡の移動量は、当該角度における気泡の中心位置に対応する画素と角度ゼロの気泡の中心位置に対応する画素との間に存在する画素数に画素の配列ピッチを乗ずることにより求めることができる。すなわち、角度αでの気泡中心位置に対応する画素位置はｎ＋ｍ＋ｄ／２であり、角度ゼロでの気泡中心位置に対応する画素位置はｎであるから、両画素位置間に存在する画素数は（ｎ＋ｍ＋ｄ／２）−ｎ＝（ｍ＋ｄ／２）である。したがって、気泡の移動距離は、配列ピッチをｐとすれば、（ｍ＋ｄ／２）×ｐで求められる。
【００２４】
図４は、本実施態様における情報処理手段１０についての概略構成説明図である。図において、１１は被角度測定物、１２は検出部、１３は検出部１２に設けられたＣＣＤ受光素子部、１４はＣＣＤ駆動回路、１５は画素情報認識回路、１６は演算回路、１７は記憶回路、１８は表示手段である。
被角度測定物１１に取り付けた検出部１２のＣＣＤ受光素子部１３は、ＣＣＤ駆動手段１４により駆動され、スキャンされた各画素からの検知情報信号が画素情報認識回路１５に入力される。画素情報認識回路１５では、各画素からの検知情報信号を処理して、気泡両側部の境界位置情報を認識する。この認識された境界位置情報信号を、演算回路１６に入力することにより気泡の中心位置が算出されとともに、あらかじめ記憶回路１７に記憶した基準位置を参照して気泡の移動量が算出され、移動量に対応した基準位置からの角度変位が求められる。
演算回路１６により得られた角度情報信号の出力は、表示手段１８等に入力され角度表示される。また、図示はしないが、この角度情報信号出力を印刷手段に入力することにより印刷したり、警報手段に入力することで警報を発したりすることができる。
【００２５】
上記の実施形態においては，基体および光透過性部材とも平板状としたが、本発明はこの形状に限定されるものではない。例えば，基体の室の形状をアーク状（円弧状）、円筒状（リング状）、あるいは円柱状に形成してもよい。また、あるいは両部材の結合が良好に行えるような嵌め合い部を設けるなど、形状的には種々の変更が可能である。
また、本発明のおける情報処理手段の構成は、上記実施態様に示した構成に限定されるものではなく、その作用・効果を妨げない範囲で種々の回路構成を取りうることは言うまでもない。
上述したように、本発明においては，気泡の両側端部の位置を検知し、両側端部の位置の中央位置を気泡の中心位置として算出しているため、周囲温度による気泡の膨張・収縮の影響を受けることなく気泡の位置、換言すれば角度を正確に測定することができる。
【００２６】
【実施例】
アルミ板を加工して、幅１０ｍｍ×長さ４０ｍｍ×奥行８ｍｍの窓２を有する幅４０ｍｍ×長さ８０ｍｍ×厚さ８ｍｍの基体１を作成した。窓４の上壁面は、ワイヤソーを用いて半径７ｍの曲率で精密に加工仕上げしてある。なお、基体１の一側面には、そのほぼ中央部に窓２まで貫通する注入孔を穿設した。
光透過性材料としては無色透明のガラス板を用い、幅４０ｍｍ×長さ６０ｍｍ×厚さ２ｍｍの平板３を２枚作成した。この２枚のガラス平板３ａ，３ｂを基体１の両面に接着剤を使用して密着固定し、対向する２面がガラス壁面からなる閉塞された室４を形成した。
次に、所定の大きさの気泡が形成される状態まで、前記注入孔からジエチルエーテルとエチルアルコールの混合液にヨウ化カリウムを添加した液体を注入した後、注入孔を密封した。
【００２７】
次いで，一方のガラス壁面の外側部に複数の発光素子（ＬＥＤ）を配列した平面型発光素子７を固着し、対向する他方のガラス壁面外側部にはＣＣＤ受光素子を固着配設した。ＣＣＤ受光素子としてはコダック社製リニアイメージセンサＫＬＩ−２１１３を使用した。このＣＣＤ受光素子は、画素数が２１２２個×３列配置、画素寸法１４μｍ×１４μｍのものである。
ＣＣＤ受光素子の画素列が窓４の上壁面の稜線より約０．５ｍｍ下で、かつ上側壁面の稜線にほぼ沿うように受光素子を固着した。
次に、注入孔から液体５を注入し、適当な大きさの気泡６が形成された状態で注入孔を塞いで密封して、検出部を作成した。
【００２８】
まず、この気泡装置を角度基準装置に取り付け、傾斜ゼロにおける気泡の中心位置および任意の角度変位における気泡の中心位置をあらかじめ測定し、角度と気泡の中心位置との相関性についての基本位置情報データを記憶手段に記憶させた。図５は、本実施例における角度と気泡の中心位置の移動量との相関曲線図である。本実施例の場合には、角度と気泡移動量とはほぼ直線関係にあることがわかる。
次に、本実施例による検出部を建築部材に取り付け、実際の角度を測定したところ、０．０１ｍｍ／１０００ｍｍの精度で角度を測定することができた。
【００２９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明は、気泡の両側端位置から気泡の中心位置を求めているため、外部温度の影響による気泡の大きさの変化とは無関係に気泡の中心位置を捉えることができ、外部温度の影響を極めて少なく出来る効果がある。また、気泡の側面から光を照射し受光しているため、極めて明瞭に気泡の両側端位置を検知することができるため、高精度の角度測定をすることができる。このため、本発明による角度測定装置は、建築現場などにおいて建築機器・部材等の角度を測定するなど、精密な角度測定が要求される多くの用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施態様における検出部の部分断面説明図、
【図２】本発明の一実施態様における検出部構成部材の部分説明図、
【図３】本発明における角度測定方法についての概略説明図、
【図４】本発明に一実施態様における情報処理手段の概略説明図、
【図５】本発明の一実施例における角度と気泡移動量との相関図、
【符号の説明】
１：基体
２：窓部
３：光透過性部材
４：閉塞された室
５：液体
６：気泡
７：発光源
８：ＣＣＤ受光素子
９：上側壁面
１０：情報処理手段
１１：被角度測定物
１２：検出部
１３：ＣＣＤ受光素子部
１４：ＣＣＤ駆動回路
１５：画素情報認識回路
１６：演算回路
１７：記憶回路
１８：表示手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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