(57)【要約】【課題】  精密機械等の傾斜角度を定量的にデジタル表示するとともに、精密機械等の傾斜角度を予め設定された任意の角度に調節する。【解決手段】  本体に一方の端が固定されたバネ板３２と、バネ板３２の表面に貼り付けられた歪み検出ゲージ３４と、本体が傾斜した時にバネ板３２の他方の端にその傾斜角度に応じた荷重を加えるおもり４０とが設けられている。おもり４０は、本体に対して水平に回転自在に取り付けられ、常に鉛直方向を向くように構成されている。本体が傾斜した時に、おもり４０の荷重がバネ板３２に加わるようにした。これにより、歪み検出ゲージ３４の出力に基づいて本体の傾斜角度を計測することができる。【選択図】  図４
2005106643.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
本体に一方の端が固定されたバネ板と、
前記バネ板の表面に貼り付けられた歪み検出ゲージと、
本体が傾斜した時に前記バネ板の他方の端にその傾斜角度に応じた荷重を加えるおもりと、を有し、前記歪み検出ゲージの出力に基づいて本体の傾斜角度を計測することを特徴とする角度計測装置。
【請求項２】
前記おもりが本体に対して水平に回転自在に取り付けられ、本体が傾斜した時に前記おもりの荷重が前記バネ板に加わるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の角度計測装置。
【請求項３】
前記歪み検出ゲージの中心が、前記おもりの回転軸の中心線と前記バネ板の中心線との交点に配置されたことを特徴とする請求項２に記載の角度計測装置。
【請求項４】
前記歪み検出ゲージの出力電圧をデジタル値に変換するＡＤ変換器を有することを特徴とする請求項１に記載の角度計測装置。
【請求項５】
前記ＡＤ変換器の出力に応じた本体の傾斜角度を算出するＣＰＵを有することを特徴とする請求項４に記載の角度計測装置。
【請求項６】
本体の傾斜角度の目標値を前記ＣＰＵに入力するための入力装置を有することを特徴とする請求項５に記載の角度計測装置。
【請求項７】
前記ＣＰＵは、前記ＡＤ変換器の出力に応じて算出した本体の傾斜角度と、前記入力装置から入力された傾斜角度の目標値とを比較し、その比較結果を本体に設けられた表示装置に表示することを特徴とする請求項６に記載の角度計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角度計測装置に関し、特に、精密機械等の設置角度を計測する角度計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、精密機械や精密機械等（以下、精密機械等という）は、水平又は鉛直として設置する必要がある。そこで、従来より、これらの精密機械等を水平又は鉛直に設置する際に、水準器を用いた水平測定、糸と錘による鉛直測定が用いられていた。例えば、水準器を用いて精密機械等の水平からの傾斜角度を測定し、その角度測定結果に基づいて精密機械等の設置角度が水平になるように調整されていた。なお、先行技術文献として以下の特許文献１がある。
【特許文献１】特開２００２−６２１３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、従来の水準器等では、微少な角度だけしか検出できず、また、精密機械等の傾斜角度の絶対値を定量的に測定しかつ、デジタル表示することができなかった。また、従来の水準器等によれば、水平又は鉛直を基準としているので、精密機械等を水平又は鉛直に設置するように角度調整することが可能であるが、水平又は鉛直以外の任意の角度を検出し、その角度に合わせるように精密機械等を正確に角度調整することが困難であった。
【０００４】
そこで、本発明は、精密機械等の傾斜角度の絶対値を精密に測定し、これを定量的にデジタル表示するとともに、精密機械等の傾斜角度を予め設定された任意の角度に容易に調節することを可能にした角度計測装置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】
【０００５】
本発明は、バネ板に歪み検出ゲージを貼り付け、このバネ板に本体の傾斜に応じたおもりの荷重が加わるように構成し、歪み検出ゲージの出力に基づいて、精密機械等の角度測定を行うようにしたものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の角度計測装置によれば、精密機械等の傾斜角度の絶対値を精密に測定し、これを定量的にデジタル表示するとともに、精密機械等の傾斜角度を予め設定された任意の角度に容易に調節することができる。また、傾斜角度の計測可能範囲は０度〜１０度程度であり、従来の水準器等に比して大きな角度まで計測できる。さらにまた、精密機械等の傾斜面に本体を設置するだけで計測可能であるので、簡便に角度計測を行えるという利点もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
次に、本発明を実施するための最良の形態（以下、本実施形態という）について説明するする。まず、この角度計測装置の計測原理について、図１を参照しながら説明する。本体１０の天井板にバネ板１１の一端が固定され、このバネ板１１の他端にはおもり（錘）１２が取り付けられている。すなわち、バネ板１１は、おもり１２によって鉛直方向に引っ張られた状態で固定されている。
【０００８】
このバネ板１１の表面には、歪み検出ゲージ１３が接着剤で貼り付けられている。本体１０が水平方向から傾斜するとバネ板１１はたわみ、バネ板１１には、その傾斜角度に応じた歪み、つまり伸び（又は縮み）が生じる。この伸び量（又は縮み量）は、歪み検出ゲージ１３によって検出され、電圧値に変換される。
【０００９】
そこで、本体１０の傾斜角度と歪み検出ゲージ１３の出力電圧値との関係が、予めわかっていれば歪み検出ゲージ１３の出力電圧値に基づいて本体１０の傾斜角度を知ることができる。
【００１０】
なお、上記の計測原理の説明では、おもり１２はバネ板１１に固定されているが、これには限定されず、後述する具体例で説明するように、おもり１２はバネ板１１に固定されず、本体１０の傾斜に応じておもり１２の加重がバネ板１１に加わるように構成してもよい。
【００１１】
次に、本実施形態に係る角度計測装置の具体的な構成例について詳しく説明する。図２は、この角度計測装置の外形を示す図であり、図２（ａ）はその上面図、図２（ｂ）はその正面図である。２０は、精密機構部を収納する収納ケースである。精密機構部の構成については、後に詳しく説明するが、収納ケース２０に収納してこれと分離された構造とすることで、本体を被測定物に固定する際、固定面の歪み等による悪影響を及ぼさないようにしている。
【００１２】
収納ケース２０の上面にはＬＣＤ表示装置２１、ＬＥＤ２２−１、２２−２、２２−３、２２−４、２２−５、が配置されている。ＬＣＤ表示装置２１は収納ケース２０内部の後述する回路基板上に実装され、収納ケース２０の上面に設けられた表示窓から露出され外部から目視可能であるように位置決めされている。そして、ＬＣＤ表示装置２１には、本体の傾斜角度の目標値、又は本体の傾斜角度の現状値が表示されるように構成されている。
【００１３】
また、ＬＥＤ２２−１、２２−２、２２−３、２２−４、２２−５、も同様に前記回路基板上に実装され、収納ケース２０の上面に設けられたそれぞれの表示窓から露出され外部から目視可能に位置決めされている。ここで、ＬＥＤ２２−１〜２２−５は一列に配列され、本体が傾斜する方向と平行に配列されている。
【００１４】
また、ＬＥＤ２２−１、２２−２、２２−３、２２−４、２２−５は、例えば、赤、アンバー、グリーン、アンバー、赤の順に色分けされている。本体の傾斜が目標の傾斜角度に近づくと、マイナス（−）赤からアンバーへ点灯が変化し、目標値に達するとグリーンが点灯する。さらに同じ方向に本体を傾けるとグリーンからプラス（＋）アンバーへ点灯が移動し、さらに傾けるとプラス（＋）赤が点灯する。目標値は、工場出荷時に設定されるか、ユーザーがキー入力装置のような入力装置を用いて任意に設定できる。
【００１５】
また、２４は収納ケース２０の取り付け板であり、その略中央に設けられた穴部２４ａを介して、被測定体である精密機械等の被測定物にネジ止め可能に構成されている。なお、被測定物への取り付け方法は、ネジ止め法に限らず、マグネット式、マジックテープ、接着等、あらゆる方法を適宜選択することができる。また、図２（ｂ）に示すように、収納ケース２０の側面には、電源のオンオフ・スイッチ２５が設けられている。
【００１６】
次に、本実施形態の角度計測装置の精密機構部の具体的な構成例について詳しく説明する。図３は、収納ケース２０に収納された角度計測装置の精密機構部を示す図であり、図３（ａ）は、その上面図、図３（ｂ）は、その正面図、図３（ｃ）は、その側面図である。また、図４はその斜視図である。図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、精密機後部が収納ケース２０に収納された状態を示しているが、図４については、収納ケース２０がはずされた状態を示している。なお、図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）において、図２と同一の構成部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００１７】
３０は、金属製のシャシーであり、略コの字状の形状を有した上板３０ａと略コの字状の形状を有した一対の側面３０ｂから構成されている。このシャシー３０の上板３０ａから下方へ屈曲した取り付け板３１が形成されており、この取り付け板３１に細長いバネ板３２がネジ３３によってネジ止めされている。そして、バネ板３２の表面に歪み検出ゲージ３４が接着剤等を用いて貼り付けられている。バネ板３２はステンレス製等の金属薄板であることが好ましいが、弾性を有する材質であればよい。
【００１８】
４０はおもり（錘）であり、このおもり４０の本体から延びた一対の腕部４１、４１にそれぞれ設けられた回転軸４２、４２がシャシー３０の一対の側板３０ｂ、３０ｂに回転自在に係合されている。すなわち、おもり４０は本体に対して水平に設けられた回転軸４２、４２を中心として回転自在に取り付けられており、角度計測装置の本体が傾いても、水平に保たれている時と同様に、おもり４０が重力により常に鉛直方向を向くように構成されている。
【００１９】
また、おもり４０の本体略中央には溝部４３が形成されており、バネ板３２はこの溝部４３に挿入されている。精密機構部の本体が水平に保たれているとき、バネ板３２の裏面はおもり４０の溝部４３に軽く当接するか、あるいは僅かな間隙を持って対向するように配置されている。
【００２０】
バネ板３２はおもり４０に固着されていてもよいが、これでは本体が過度に傾いたり、衝撃が加わった時に、おもり４０を介してバネ板３２に衝撃が加わり、歪み検出ゲージ３４が損傷するおそれがある。そこで、上記のように、おもり４０を本体に回転自在に固定し、バネ板３２に直接固定にしないことが好ましい。
【００２１】
また、バネ板３２はおもり４０の溝部４３に挿入されているので、この角度計測装置では、バネ板３２がおもり４０に接する方向に傾く場合にのみ計測可能である。そこで、おもり４０の溝部４３に蓋部を設け、バネ板３２を蓋部と溝部４３の壁の両側から挟むように構成することで、本体が２つの方向のどちらに傾いても、その傾斜角度を計測することができる。
【００２２】
また、歪み検出ゲージ３４の歪検出感度を高めるために、歪み検出ゲージ３４の中心Ｐは、バネ板３２の中心線と、回転軸４２、４２の中心線の交点Ｐに配置することが好ましい。
【００２３】
また、シャシー３０の側面３０ｂ、３０ｂには短形の切り欠き部３５が設けられており、本体が過度に傾いた時におもり４０が切り欠き部３５の端部３５ａに当接することにより、バネ板３２に過度のたわみが生じて歪み検出ゲージ３４が破壊したり故障するのを防止している。また、３６は、上板３０ａに接着された回路基板であり、この回路基板３６上に前述したＬＣＤ表示装置２１、ＬＥＤ２２−１〜２２−５等が実装されている。この回路基板３６上に実装される回路については、後に詳しく説明する。
【００２４】
次に、本実施形態の角度計測装置の動作について、図５を用いて説明する。図５（ａ）、図５（ｂ）において、図３と同一の構成部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００２５】
図５（ａ）に示すように、角度計測装置の本体が水平に設置されている時、バネ板３２は、おもり４０と同様に鉛直方向に向いているので、バネ板３２に対しておもり４０の荷重はかからない。そして、図５（ｂ）に示すように、角度計測装置の本体が水平から傾斜すると、バネ板３２もそれに伴って鉛直方向から傾こうとするのでその傾斜角度に応じておもり４０の荷重の分力がバネ板３２に加わる。これにより、バネ板３２にたわみが生じ、そのたわみが、歪みとして歪み検出ゲージ３４によって検出される。
【００２６】
ここで、バネ板３２に生じるたわみ量とバネ板３２に加わるおもり４０の荷重Ｗの分力Ｗxとの関係について図６の模式図を用いて説明する。ここで、荷重Ｗの分力Ｗxとは、おもり４０の垂直方向にかかる荷重Ｗの中、バネ板３２に加わる荷重成分である。バネ板３２の長さをＬ、たわみ量をＶｍａｘ、たわみ量Ｖｍａｘは、次式で表わされる。
Ｖｍａｘ＝（ＷxＬ３）／（３ＥＩ）
ここで、Ｅはバネ板３２の材質に応じて変化するヤング率、Ｉはバネ板３２の形状に応じて変化する断面２次モーメントである。
【００２７】
次に、歪み検出ゲージ３４の具体的な構造ついて、図７、図８を用いて説明する。
図７は歪み検出ゲージ３４の平面図、図８はその等価回路図である。歪み検出ゲージ３４は、絶縁フィルム上に、つづら折りにパターニングされた金属薄膜細線から成る４つの歪み検出ゲージＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４から構成されている。歪み検出ゲージＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は一種の金属抵抗体であり、図８に示すように、ホイートストンブリッジ回路を構成している。なお、図７に示すように、４つの歪み検出ゲージＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は同一材料で同時にエッチングしてパターニングしているので、それらの間の特性ばらつきがなく、温度補償特性も優れたものである。
【００２８】
また、歪み検出ゲージＲ１、Ｒ３はバネ板３２の長手方向に平行に折り曲げられている。歪み検出ゲージＲ２、Ｒ４はバネ板３２の長手方向に直角に折り曲げられている。これにより、バネ板３２にたわみが生じた時に、歪み検出ゲージＲ１、Ｒ３と歪み検出ゲージＲ２、Ｒ４には互いに反対の極性の抵抗変化が生じる。
【００２９】
ここで、入力端子Ｐ３、Ｐ４に印加される電圧をＶｉｎ、出力端子Ｐ１、Ｐ２に出力される出力電圧Ｖｏｕｔとすると、Ｖｏｕｔは次式で表される。
Ｖｏｕｔ＝｛（１＋ν）Ｖｉｎ・Ｋｓ・ε０｝／２
νはポアソン比、Ｋｓはゲージ率、Ｒ１、Ｒ３の歪みはε０、Ｒ２、Ｒ４の歪みは−νε０である。
【００３０】
次に、本実施形態の角度計測装置の回路構成について、図９を参照しながら説明する。本体が傾斜すると、歪み検出ゲージ３４により歪みに応じた電圧が出力端子Ｐ１，Ｐ２に出力される。この出力電圧Ｖｏｕｔは、アンプ８０により増幅される。このアンプ８０によって増幅された出力電圧は、Ａ／Ｄ変換器８１によりデジタル値に変換される。そして、Ａ／Ｄ変換器８１から出力されたデジタル値は、ＣＰＵ８２に入力される。ＣＰＵ８２は、そのデジタル値に基づいて傾斜角度（現状値）を算出する。
【００３１】
一方、キーボードのような入力装置８３が設けられ、この入力装置８３から傾斜角度の目標値がデジタル値としてＣＰＵ８２に入力される。ＣＰＵ８２はこの傾斜角度の目標値と現状値とを比較し、その比較結果に応じて、ＬＥＤインジケーター８８に表示信号を出力する。ＬＥＤインジケーター８８は、前述したＬＥＤ２２−１〜２２−５から構成されている。なお、ＬＥＤインジケーター８８はＬＥＤに限らず、有機ＥＬ表示装置等の他の表示装置であってもよい。
【００３２】
すなわち、傾斜角度の目標値に近づくと、マイナス（−）赤からアンバーへ点灯が変化し、目標値に達するとグリーンが点灯する。さらに同じ方向に本体を傾けるとグリーンからプラス（＋）アンバーへ点灯が移動し、さらに傾けるとプラス（＋）赤が点灯するように制御される。したがって、本実施形態の角度測定装置では、精密機械等の傾斜角度を予め設定された任意の角度に容易に調節することができる。
【００３３】
また、ＣＰＵ８２は、傾斜角度の目標値に応じた表示信号をＬＣＤ表示装置２１に出力する。これにより、ＬＣＤ表示装置２１にはその目標値が表示される。なお、ＬＣＤ表示装置２１の代わりに、他の表示装置、例えば有機ＥＬ表示装置を用いてもよい。
【００３４】
また、ＣＰＵ８２は、傾斜角度の現状値に応じた表示信号をＬＣＤ表示装置２１に出力し、目標値と現状値とを所定時間間隔をおいて交互に表示するようにしてもよい。あるいは、そのような表示切り替えスイッチを収納ケース２０に取り付けてもよい。
【００３５】
図１０は、本実施形態の角度計測装置による歪み検出ゲージ３４の出力電圧と傾斜角度との関係を実測した結果を示す図である。このように、出力電圧と傾斜角度の関係は非線形特性を示しているが、出力電圧をＡＤ変換して傾斜角度と関係づけることで、傾斜角度をデジタル化することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施形態に係る角度計測装置の計測原理図である。
【図２】本発明の実施形態に係る角度計測装置の外形を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る角度計測装置の精密機構部を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係る角度計測装置の精密機構部を示す斜視図である。
【図５】本発明の実施形態に係る角度計測装置の動作を示す側面図である。
【図６】本発明の実施形態に係る角度計測装置の模式図である。
【図７】本発明の実施形態に係る角度計測装置の歪み検出ゲージを示す平面図である。
【図８】本発明の実施形態に係る角度計測装置の歪み検出ゲージを示す回路図である。
【図９】本発明の実施形態に係る角度計測装置の回路構成を示す図である。
【図１０】本実施形態に係る角度計測装置による歪み検出ゲージの出力電圧と傾斜角度との関係を実測した結果を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０  本体                １１  バネ板                １２  おもり    
１３  歪み検出ゲージ      ２０  収納ケース            ２１  ＬＣＤ表示部
２２−１〜２２−５  ＬＥＤ                            ２３  取り付け部位    
２４ａ  穴部              ２５  オンオフ・スイッチ    ３０  シャシー
３０ａ  上板              ３０ｂ  側面                ３１  取り付け板    
３２  バネ板              ３３  ネジ                  ３４  歪み検出ゲージ    
３５  切り欠き部          ３５ａ  端部                ３６  回路基板
４０  おもり              ４１  腕部                  ４２  回転軸
４３  溝部                ８０  アンプ                ８１  ＡＤ変換器
８２  ＣＰＵ              ８３  入力装置              ８８  ＬＥＤインジケーター
【図１】
2005106643.tif 000003
【図２】
2005106643.tif 000004
【図３】
2005106643.tif 000005
【図４】
2005106643.tif 000006
【図５】
2005106643.tif 000007
【図６】
2005106643.tif 000008
【図７】
2005106643.tif 000009
【図８】
2005106643.tif 000010
【図９】
2005106643.tif 000011
【図１０】
2005106643.tif 000012