(57)【要約】【課題】高精度、高安定性の非接触型電子水準器を提供する。【解決手段】  非接触型電子水準器は、光源、水平気泡管、感光部材及び画像処理ユニットを具える。水平気泡管の内部に気泡を有し、光源からの光線照射を受けることができる位置に配置し、感光部材は水平気泡管の中の気泡に対応して位置し、且つ水平気泡管とは一固定距離に位置し、光源に照射されたときの水平気泡管の気泡画像をキャプチャできるようにし、画像処理ユニットは感光部材と電気的に接続し、気泡画像の質量の中心と基準点とを比較することによって、気泡画像を電子水平信号に転換する。【選択図】  図  ２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非接触型電子水準器であって、
光源を具え、
水平気泡管を具えて、内部に泡を有し、該光源からの光線照射を受けることができる位置に配置し、
感光部材を具えて、該水平気泡管の中の該泡に対応して位置し、且つ該水平気泡管と一固定距離に位置して、該水平気泡管が該光源からの照射を受けたときの該泡の画像をキャプチャできるようにし、
画像処理ユニットを具えて、該感光部材に電気的に接続し、該泡の画像の質量の中心と基準点とを比較することによって、該泡の画像を電子水平信号に転換するようにして成ることを特徴とする非接触型電子水準器。
【請求項２】
該水平気泡管は透明ハウジング、気体及び液体を具え、該液体を該透明ハウジング内に配置し、且つ該気体は該液体の上方に浮かんで泡を形成して、該水平気泡管が傾斜すると該泡が移動するようにして成ることを特徴とする請求項1記載の非接触型電子水準器。
【請求項３】
該基準点を該透明ハウジングの中心位置として成ることを特徴とする請求項２記載の非接触型電子水準器。
【請求項４】
該画像処理ユニットの転換プロセスは、以下のステップを含み、
該泡の画像をフィルタリングして該泡の範囲を確認し、
該泡の質量の中心を計算し、
該泡の質量の中心と該基準点を比較し、該泡の位置移動を決定し、
該位置移動に基づいて電子水平信号を発するようにして成ることを特徴とする請求項1記載の非接触型電子水準器。
【請求項５】
該光源はＥＬパネル、発光ダイオード、電球、蛍光灯及び陰極管を含むグループの中から選択して成ることを特徴とする請求項1記載の非接触型電子水準器。
【請求項６】
該感光部材は該泡の位置に対応した箇所に装着し、該水平気泡管の表面と接触するようにして成ることを特徴とする請求項1記載の非接触型電子水準器。
【請求項７】
該感光部材の幅は少なくとも該泡の直径の二倍であるようにして成ることを特徴とする請求項６記載の非接触型電子水準器。
【請求項８】
該感光部材は電荷結合素子及びシーモス（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）を含むグループの中から選択して成ることを特徴とする請求項１記載の非接触型電子水準器。
【請求項９】
該画像処理ユニットはパーソナルコンピュータ、マイクロコントローラ、デジタル回路及び特殊応用集積回路を含むグループの中から選択して成ることを特徴とする請求項１記載の非接触型電子水準器。
【請求項１０】
非接触型電子水準器は更に、
基台を具え、該水平気泡管、該光源及び該感光部材の設置に用い、
台座を具え、該基台に枢接して結合し、また駆動バーを具え、
回路装置を具え、該電子水平信号を受信して該駆動バーを駆動するのに用い、これにより該基台を地面の傾斜に合わせて該基台の勾配を調整できるようにして成ることを特徴とする請求項１記載の非接触型電子水準器。
【請求項１１】
水平を測量する方法は、以下のステップを含み、
光源を使用して内部に泡を有する水平気泡管を照射し、
該水平気泡管が該光源の照射を受けたときの該泡の画像をキャプチャし、
該泡の画像の質量の中心と基準点とを比較することによって、該泡の画像を電子水平信号に転換するようにして成ることを特徴とする水平を測量する方法。
【請求項１２】
転換のステップは以下のステップを含み、
該泡の画像をフィルタリングして該泡の範囲を確認し、
該泡の質量の中心を計算し、
該泡の質量の中心と該基準点とを比較して該泡の位置移動を決定し、
該位置移動に基づいて電子水平信号を発するようにして成ることを特徴とする請求項１１記載の水平を測量する方法。
【請求項１３】
更に、
該電子水平信号に基づいて該水平気泡管の勾配を調整するようにして成ることを特徴とする請求項１１記載の水平を測量する方法。
【請求項１４】
更に、
該電子水平信号を使用して該泡の勾配を調整する回路装置のリターン信号とするようにして成ることを特徴とする請求項１１記載の水平を測量する方法。
【請求項１５】
非接触型電子水準器であって、
水平気泡管を具え、内部に泡を有し、
感光部材を具えて、該水平気泡管の中の該泡に対応して位置し、且つ該水平気泡管と一固定距離に位置して、該泡の画像をキャプチャできるようにし、
画像処理ユニットを具え、該感光部材と電気的に接続し、該泡の画像の質量の中心と基準点とを比較して該泡の画像を電子水平信号に転換するようにして成ることを特徴とする非接触型電子水準器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水準器に関し、特に非接触型電子水準器に関する。
【背景技術】
【０００２】
水平気泡管は水平の検査と被験物の傾斜方向と角度を測定する測量装置である。水平気泡管は、円柱形のガラス管のものもあり、球形のものもあって、これは気泡が全方向に移動できるため、水平を調整する際に水準器をいちいち９０度回転する必要がない。
図１に示すように、公知の水準器１００は主にハウジング１０２、電解液１０４と複数個の金属電極１０６から構成する。電解液１０４をハウジング１０２の中に装入し、金属電極１０６はハウジング１０２を貫通して電解液１０４に浸漬し、またハウジング１０２の内部には気泡１０８を含み、電解液１０４の上方に浮かんでいる。気泡１０８が、水準器１００が傾斜したためにハウジング１０２表面に沿って移動すると、金属電極１０６間のインピーダンスが気泡１００の位置移動のために変化し、この値の変化を利用して、水準器１００の水平位置を求めることができる。
【０００３】
しかし公知の水準器１００は、以下のように操作上やはり不便な点が存在する。
１． 公知の水準器１００の金属電極１０６は長期間使用すると、その表面が腐蝕しやすくなりインピーダンスに影響し、水準器１００の精度と敏感度の低下を引き起こす。
２． 公知の水準器１００の電解液１０４は定期的に交換して、イオン濃度を維持しなければならない。
３． 公知の水準器１００は定期的に金属電極１０６と電解液１０４を交換したとしても、徐々に消耗していくため、インピーダンスの変化は多かれ少なかれ影響され、それにつれて水準器１００の精度と敏感度に影響する。
４． 電解液１０４は環境温度の影響を受け易く、電解液１０４の導電度が変化してしまい、水準器１００の精度と敏感度に影響する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、非接触型電子水準器を提供し、精密な水平電子信号を得ることによって、水準器の精度、敏感度、及び計測の安定性を向上させることを課題とする。
本発明はまた、非接触型電子水準器を提供し、腐蝕性のある電解液を使用せずに、光線を媒体とすることによって、水準器の寿命を延長することをもう一つの課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は非接触型電子水準器を提供し、光源、水平気泡管、感光部材及び画像処理ユニットを具える。水平気泡管内に泡を有し、光源からの光線照射を受けることができる位置に設ける。感光部材は水平気泡管の中の泡に対応して位置し、且つ水平気泡管とは一固定距離に位置させて、光を照射した水平気泡管の泡の画像をキャプチャできるようにする。画像処理ユニットを感光部材に電気的に接続し、泡の画像の質量の中心と基準点とを比較することによって、泡の画像を電子水平信号に転換する。
【０００６】
本発明はまた水平を測量する方法を提供し、以下のステップを含む。光源を使用して内部に泡を有する水平気泡管を照射し、水平気泡管が光源に照射されたときの泡の画像をキャプチャし、泡の画像の質量の中心と基準点とを比較することによって泡の画像を電子水平信号に転換し、この電子水平信号に基づいて泡の勾配を調整する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の非接触型電子水準器は少なくとも以下の長所がある。
１． 本発明の非接触型電子水準器は、感光部材を使用して気泡画像をキャプチャし、気泡の静止・流動状態にかかわらず、正確にに気泡の位置をキャッチすることができ、これにより画像処理ユニットが精密な電子水平信号を出力して、水平度を判断する根拠とする。
２． 本発明の非接触型電子水準器は、画像処理ユニットを使用して気泡画像を処理し、気泡の中心位置と透明管の中心位置との位置移動を正確に計算することができ、これにより水平気泡管または被験物の傾斜の状況を判断できる。
３． 本発明の非接触型電子水準器は、気泡画像を画像処理ユニットで処理した後、精密な電子水平信号を出力して外部接続回路装置のリターン信号とすることができ、更には水平気泡管の水平度を調整する。
４． 本発明の非接触型電子水準器は、非接触性の計測方法を使っているため、環境温度の変化によって計測の精度が変わることがない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図２と図３に示すように、本発明の一実施例では、非接触型電子水準器２００は水平気泡管２０２、感光部材２０４及び画像処理ユニット２０６を具える。水平気泡管は透明球体或いは透明管２１０といった透明ハウジングを使用することができ、その内部に第一流体と第二流体を装入し、第一流体の密度と第二流体の密度が等しくないようにして、第二流体が第一流体の上に浮いて泡を形成するようにし、水平気泡管を傾斜させると、泡は水平気泡管の傾斜につれて移動する。図２に示す好適な実施例では、第一流体を液体２１２、第二流体を気体としたため、図２の泡は気泡２１４である。以下第一流体を液体２１２、泡を気泡２１４と称する。気泡２１４は光源２０８の照射を受けることができ、光源２０８はＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ  Ｂｏａｒｄ）、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ、略称ＬＥＤ）、電球、蛍光灯、陰極管またはその類似装置とすることができる。感光部材２０４は水平気泡管２０２に対応して位置し、且つ水平気泡管２０２とは一定距離Ｚの一位置にあり、この感光部材２０４は例えば電荷結合素子（Ｃｈａｒｇｅ−ｃｏｕｐｌｅｄ  ｄｅｖｉｃｅ）、シーモス（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）またはその類似装置である。このほか、感光部材２０４の形式は例えば、気泡２１４の一次元画像をキャプチャするラインセンサ（ｌｉｎｅａｒ  ｐｈｏｔｏ  ｓｅｎｓｏｒ）、または気泡２１４の二次元画像をキャプチャするエリアタイプセンサである。画像処理ユニット２０６は感光部材２０４に電気的に接続し、パーソナルコンピュータ、マイクロコントローラ、デジタル回路、特殊応用集積回路またはその類似装置であってよい。
【０００９】
液体２１２を透明管２１０内に配置し、気泡２１４は液体２１２の上方に浮動し、また透明管２１０は通常ガラス或いは樹脂で製造する。水平気泡管２０２が傾斜していると、気泡２１４は透明管２１０の高いところへ移動し、水平気泡管２０２が理想的な水平状態にあるとき、気泡２１４の質量の中心は透明管２１０の中心線の特定の位置上に位置する。この特定の位置は傾斜しているか否かを決定する基準点の位置とすることができる。透明管２１０が光源２０８の照射を受けると、感光部材２０４は光源２０８の照射を受けた気泡画像２２０をキャプチャでき、画像処理ユニット２０６は気泡２１４の画像の質量の中心と基準点とを比較して、気泡画像２２０の質量の中心と基準点（即ち、透明管２１０の中央の特定の位置）との間の相対位置移動Ｗを得て、気泡２１４の画像２２０を電子水平信号に転換し、水平気泡管が水平状態にあるか否かを判定する。
【００１０】
図４に示すように、その転換フローはステップ２０６ａから始まる。ステップ２０６ａで、感光部材２０４は気泡２１４の画像をキャプチャし、続いて２０６ｂに進む。ステップ２０６ｂでは、キャプチャした画像をフィルタリングして気泡２１４の実際の範囲を確認し、その後ステップ２０６ｃに入る。ステップ２０６ｃでは、画像処理ユニット２０６が気泡２１４の画像２２０の中心と基準点とを比較して気泡２１４の相対位置移動Ｗを得て、続いてステップ２０６ｄに進む。ここで、気泡２１４の画像２２０の中心（即ち、気泡２１４の質量の中心）は次の公式（数１）で計算することができる。
【数１】
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ここでｘ、ｙ座標はキャプチャした画像の任意の画素の水平と垂直位置であり、ｘ座標は画面の水平軸に沿って、画像の最も左側の画素（画素０）から計算した指定画素番号であり、ｙ座標は画面の垂直軸に沿って、画像の最も上の画素（画素０）から計算した指定画素番号であり、ｘとｙ座標から画像上のいかなる特定画素の位置でも確定できる。
ｍは気泡画像２２０の水平軸に沿った総画素数である。
ｎは気泡画像２２０の垂直軸に沿った総画素数である。
Ｂ［ｉ，ｊ］は画素（ｉ，ｊ）のウェイト、画素が黒色のとき１と指定され、画素が白色のとき０と指定される。
Ａは気泡画像２２０の総画素数である。
ステップ２０６ｄでは、画像処理ユニット２０６が位置移動Ｗに基づいて電子水平信号を発する。
【００１１】
図５、図６は図２及び図３の非接触型電子水準器２００が理想的水平状態にあるときの略図である。気泡画像２２０が画像処理ユニット２０６の処理を経ると、気泡画像２２０の中心位置と基準点（即ち、透明管２１０の中心の特定位置）との間の相対位置移動はゼロである。
【００１２】
図７の非接触型電子水準器２００を回路装置３０２に接続した実施例では、回路装置３０２は制御回路を具えたモータとすることができ、画像処理ユニット２０６は電子水平信号３０４をこの回路装置３０２へ出力するのに用いて、回路装置３０２を制御して水平気泡管２０２の勾配調整を操作するためのリターン信号とする。つまり、気泡２１４が光源２０８の照射を受けて、感光部材２０４が気泡画像２２０をキャプチャし、画像処理ユニット２０６が気泡画像２２０を処理した後、電子水平信号３０４を出力し、この電子水平信号３０４を外部接続した回路装置３０２のリターン信号とする。
【００１３】
続いて図７に示すように、水平気泡管２０２を基台３０８に置き、基台３０８は定盤３０６上に置く。回路装置３０２が電子水平信号３０４を受信すると、回路装置３０２のモータを起動して定盤３０６の勾配を調整することができ、ひいては気泡２１４の勾配を調整して、水平気泡管２０２を水平位置に位置決めする。
【００１４】
図８に示す本発明のもう一つの実施例では、非接触型電子水準器は図７の非接触型電子水準器に類似した部材で構成し、図中の符号も同じとし、詳説しない。両者の違いは、感光部材２０４と水平気泡管２０２との間の固定距離を近くしたことである。図８の感光部材２０４は気泡２１４の位置に対応した水平気泡管２０２の表面上に直接配置し、このとき図８の感光部材２０４の幅Ｌは少なくとも気泡２１４の直径の二倍とし、異なる勾配の気泡２１４の全体画像をキャプチャできるようにする。
【００１５】
図９と図１０に示すように、一実施例の非接触型電子水準器２００を支持手段上に設置した応用実装図とその指示手段の分解図では、二つのブロック３０１で図２の非接触型電子水準器２００を表す。図９に示すように、本発明の非接触型電子水準器２００を基台３０８上に装着し、基台３０８は台座３０５に結合し、台座３０５は基台３０８に隣接する球面滑り軸受ユニット３０５１を具え、球面滑り軸受ユニット３０５１は回路装置３０２の制御回路３０２１が画像処理ユニット２０６の電子水平信号３０４を受信すると、回路装置３０２によって駆動する。よって、図９に示す支持手段上に設置した非接触型電子水準器２００は、一連の連続した電子水平信号３０４を使用して、回路装置３０２のリターン制御信号とし、球面滑り軸受ユニット３０５１を駆動して基台３０８を傾斜させ、水平気泡管２０２中の気泡２１４の水平度を調整する。
【００１６】
図１０と図１１に示すように、非接触型電子水準器２００を基台３０８、台座３０５及び回路装置３０２を含む支持手段上に設置する。ここで基台３０８上に水準器２００を表すブロック３０１二つを設置し、台座３０５は基台３０８を枢接する球面滑り軸受３０５１を具え、その上に複数個の駆動バー３０５２を連結し、各駆動バー３０５２を駆動バー３０５２に対応した回路装置３０２のモータユニット３０２２の駆動ブロック３０２２ｃに結合する。よって、回路装置３０２の制御回路３０２１が非接触型電子水準器２００の画像処理ユニット２０６から電子水平信号３０４を受け取ると、回路装置３０２のモータ３０２２ａはモータ３０２２ａに結合した伝動輪３０２２ｄを駆動し、ボルト３０２２ｂに結合したもう一つの伝動輪３０２２ｅを動かし、これによりボルト３０２２ｂに装着した駆動ブロック３０２２ｃがボルト３０２２ｂに沿って移動できるようにして、これに結合した駆動バー３０５２を動かすことができ、球面滑り軸受ユニットで基台３０８の水平度を調整する。
【００１７】
図１２は非接触型電子水準器２００を被験物に接続した図であり、非接触型電子水準器２００を被験物３１０上に置いて被験物３１０の水平度を計測できるようにする。被験物３１０は角度計、測量装置、または測定機器などといった高精度の水平が必要な場所である。
【００１８】
本発明の各実施例は、感光部材２０４を使用して気泡２１４の画像をキャプチャし、画像処理ユニット２０６で気泡画像２２０を処理して、高精度の電子水平信号３０４を出力する。実施例以外の種類の気泡画像２２０キャプチャ方法と画像処理ユニット２０６は、その他の形態の感光部材２０４、画像処理ユニット２０６であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】公知の水準器の略図である。
【図２】本発明の実施例の非接触型電子水準器の水平気泡管が傾斜している略図である。
【図３】図２の非接触型電子水準器が傾斜位置にあるときの気泡画像を画像処理ユニットで処理した後の略図である。
【図４】気泡画像を電子水平信号に転換するプロセスのフローチャートである。
【図５】図２の非接触型電子水準器の水平気泡管が理想的水平状態にある略図である。
【図６】図５の非接触電子水準器が理想水平位置にあるときの気泡画像を画像処理ユニットで処理した後の略図である。
【図７】本発明の実施例の図２と図５の非接触型電子水準器に回路装置を接続した略図である。
【図８】本発明のもう一つの実施例の非接触型電子水準器である。
【図９】本発明の非接触型電子水準器を支持手段上に装着した実装図である。ここで二つのブロックを使用して図２の非接触型電子水準器を表す。
【図１０】図９の支持手段の分解図である。
【図１１】図１０の回路装置の細部の図である。
【図１２】本発明の好適な実施例である図２と図５の非接触型電子水準器に被験物に接続した略図である。
【符号の説明】
【００２０】
１００      公知の水準器
１０２      ハウジング
１０４      電解液
１０６      金属電極
１０８      気泡
２００      非接触型電子水準器
２０２      傾斜計
２０４      感光部材
２０６      画像処理ユニット
２０８      光源
２１０      透明管
２１２      液体
２１４      気泡
２１６      気泡の中心位置
２１８      透明管の中心位置
２２０      気泡画像
３０１      ブロック
３０２      回路装置
３０２１    制御回路
３０２２    モータユニット
３０２２ａ  モータ
３０２２ｂ  ボルト
３０２２ｃ  駆動ブロック
３０２２ｄ  伝動輪
３０２２ｅ  伝動輪
３０４      電子水平信号
３０５      台座
３０５１    球面滑り軸受ユニット
３０５２    駆動バー
３０６      定盤
３０８      基台
３１０      被験物
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2005233952.tif 000012
【図１０】
2005233952.tif 000013
【図１１】
2005233952.tif 000014
【図１２】
2005233952.tif 000015