(57)【要約】【課題】気泡が形成された液体を封入した水準器に対して鉛直方向に、光源及び少なくとも２つの受光器を設けた従来の水準器センサにおいては、受光器が２つ以上必要であり、拡散させるための微細粗さが必要となり複雑な構造となり、カバーガラスの厚みを小さくすると検出できる光量が減少してしまうので、ある程度の厚みを持たなくてはならず、この結果、水準器センサが大型化するという課題もあった。【解決手段】水準器センサは、アクリル樹脂、ガラス等よりなるケース１、ケース１の水平方向の一端１ａに設けられた赤外発光ダイオード（LED）等よりなる光源２、及びケース１の水平方向の他端１ｂに光源２に対向して設けられた受光ダイオード等よりなる受光器３によって構成されている。ケース１内には気泡１１が形成された油等よりなる液体１２が封入されている。光源２は制御回路４によって駆動され、この結果、水準器の傾斜角度を示す受光器３の出力信号は制御回路４に供給される。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体及び気泡を封入したケースと、
該ケースの水平方向の一端に設けられた光源と、
前記ケースの水平方向の他端に前記光源に対向して設けられた受光器と
を具備する水準器センサ。
【請求項２】
前記ケース内の前記液体及び前記気泡の体積比が、前記ケースを傾斜させて前記液体を前記光源側にした場合の前記気泡の前記光源側の前記液体から前記ケースの側面への入射した前記光源の光が前記ケースを透過するように、定められた請求項１に記載の水準器センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水準器の傾斜角度を定量的に検出する水準器センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、自動車用ヘッドライトの取付角度を調整するために水準器センサが設けられている。
【０００３】
水準器を設けて水準器の傾斜角度を判別する第１の従来の水準器センサとして、気泡が形成された液体を封入した水準器に対して鉛直方向に、光源及び受光器を設けたものがある（参照：特許文献１、２）。これにより、水準器の傾斜角度が水平であるか否かを判別できる。
【０００４】
しかしながら、上述の第１の従来の水準器センサは水準器の傾斜角度を定量的に検出できない。
【０００５】
水準器を設けて水準器の傾斜角度を定量的に検出する第２の従来の水準器センサとして、気泡が形成された液体を封入した水準器に対して鉛直方向に、光源及び少なくとも２つの受光器を設けたものがある（参照：特許文献３）。これにより、フレネル反射及び拡散光生成に基づく気泡変化による気泡とカバーガラス下側の光学的に平滑な接触面又は微細粗さを有する接触面とで変化した光の分配を検出することにより水準器の傾斜角度を定量的に検出できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２５２７６号公報
【特許文献２】特開２００５−１７２８３３号公報
【特許文献３】特表２０１０−５１０５０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述の第２の従来の水準器センサにおいては、受光器が２つ以上必要であるという課題がある。また、拡散させるための微細粗さが必要となり複雑な構造となるという課題もある。さらに、カバーガラスの厚みを小さくすると検出できる光量が減少してしまうので、ある程度の厚みを持たなくてはならず、この結果、水準器センサが大型化するという課題もある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の課題を解決するために、本発明に係る水準器センサは、液体及び気泡を封入したケースと、ケースの水平方向の一端に設けられた光源と、ケースの水平方向の他端に光源に対向して設けられた受光器とを具備するものである。これにより、受光器は、気泡の位置に応じてケースの側面で全反射した光源の光を受ける。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、受光器を１つにでき、また、簡単な構造にすることができ、さらに、水準器のケース厚みを小さくできるので、水準器センサを小型化できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る水準器センサの実施の形態を示す上面図である。
【図２】図１の水準器センサの光通路を説明するための上面図である。
【図３】図１の水準器センサの臨界角を説明するための断面図である。
【図４】図１のケース１内の気泡及び液体の量（体積比）を説明する図である。
【図５】図１の水準器センサの動作を説明するための上面図である。
【図６】図５の動作によって得られる受光器出力を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は本発明に係る水準器センサの実施の形態を示す上面図である。
【００１２】
図１において、水準器センサは、アクリル樹脂、ガラス等よりなるケース１、ケース１の水平方向の一端（入射面とする）１ａに設けられた赤外発光ダイオード（LED）等よりなる光源２、及びケース１の水平方向の他端（出射面とする）１ｂに光源２に対向して設けられた受光ダイオード等よりなる受光器３によって構成されている。また、ケース１内には気泡１１が形成された油等よりなる液体１２が封入されている。尚、ケース１の厚みを大きくする必要はない。
【００１３】
光源２は制御回路（たとえばマイクロコンピュータ）４によって駆動され、この結果、水準器の傾斜角度を示す受光器３の出力信号は制御回路４に供給される。制御回路４は受光器３の出力信号に基づいてたとえば自動車のヘッドライトの配光を制御する。
【００１４】
尚、ケース１の入射面１ａと光源２との間及びケース１の出射面１ｂと受光器３との間には、必要に応じて集光レンズ５、６を挿入する。
【００１５】
図１の水準器センサにおいては、光源２から出射された光がケース１内の気泡１１、液体１２を通過して受光器３に入射した光の光量に応じて水準器の傾斜角度を検出する。この場合、光源２から出射された光には、ケース１の側面１ｃ、１ｄに到達しない光と、ケース１の側面１ｃ、１ｄに到達する光とがある。
【００１６】
図２の（Ａ）に示すごとく、光源２からの光Ｘがケース１の側面１ｃ、１ｄに到達しない場合には、気泡１１の位置に関係なく、光Ｘはケース１の出射面１ｂに到達し、この場合、ケース１の側面１ａと受光器３との間に集光レンズ６があるとすれば、光Ｘはすべて受光器３に到達する。
【００１７】
他方、図２の（Ｂ）に示すごとく、光源２からの光Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３がケース１の側面１ｃ、１ｄに到達した場合には、光Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３がケース１の出射面１ｂに到達するか否かは光Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３が到達したケース１の側面１ｃ、１ｄの位置及び気泡１１の位置に依存する。
【００１８】
たとえば、光Ｙ１が臨界角θcより小さい角度θ1で液体１２から気泡１１の前方でケース１の側面１ｃに到達したと仮定すると、光Ｙ１はケース１の側面１ｃを透過して外気へ出射される。臨界角θcは後述する。つまり、気泡１１の光源２側の液体１２の領域は透過領域Ｔとなる。
【００１９】
また、光Ｙ２が液体１２から気泡１１を介してケース１の側面１ｃに到達したと仮定すると、光Ｙ２は、ケース１の側面１ｃへの入射角θ2に関係なく、ケース１の側面１ｃを透過して外気へ出射される。これについては後述する。つまり、気泡１１の領域は透過領域Ｔとなる。
【００２０】
さらに、光Ｙ３が臨界角θcより大きい角度θ3で液体１２から気泡１１の後方でケース１の側面１ｃに到達したと仮定すると、ケース１の側面１ｃ（正確には、ケース１の外側面）で全反射してケース１の出射面１ｂに到達する。この場合、ケース１の側面１ａと受光器３との間に集光レンズ６があるとすれば、光Ｙ３はすべて受光器３に到達する。つまり、気泡１１の受光器３側の液体１２の領域は全反射領域Ｒとなる。
【００２１】
次に、図３を参照して臨界角について説明する。一般的に、ケース１に対する入射角をφ1、ケース１から外気に対する入射角をφ2、ケース１から外気に出る出射角をφ3とすれば、スネルの法則から、次の関係がある。
n1・sinφ1 = n2・sinφ2 = n3・sinφ3
但し、n1は液体１２もしくは気泡１１の屈折率、
n2はケース１の屈折率、
n3は外気の屈折率、
である。
【００２２】
図３の（Ａ）に示すように、ケース１の内側に液体１２が存在する場合の臨界角φ1=θcについて考察する。この場合、φ3=90°、n1（油）=1.36、n2（アクリル）=1.5、n3（空気）=1.0とすれば、上述の式は、
1.36・sinφ1 = 1.5・sinφ2 = 1.0
となる。従って、
φ1 = 47.3°
φ2 = 14.8°
となる。つまり、臨界角θc =φ1=47.3°となる。この結果、図２の（Ｂ）における光Ｙ１の入射角θ1がθ1＜47.3°であれば、光Ｙ１はケース１を透過することになり、他方、図２の（Ｂ）における光Ｙ３の入射角θ3がθ3＞47.3°であれば、光Ｙ１はケース１で全反射することになる。
【００２３】
図３の（Ｂ）に示すように、ケース１の内側に気泡１１が存在する場合について考察する。この場合、n1（空気）=1.0、n2（アクリル）=1.5、n3（空気）=1.0とすれば、上述の式は、
1.0・sinφ1 = 1.5・sinφ2 = 1.0・sinφ3
となる。従って、
φ1 = φ3
となる。但し、φ2の値はφ1（=φ3）に依存する。この結果、図２の（Ｂ）における光Ｙ２の入射角θ2の光は、常に、ケース１を透過することになる。
【００２４】
図４は図１のケース１内の気泡１１及び液体１２の量（体積比）を説明する図である。
【００２５】
図４は図１の水準器センサの傾斜角度をある方向（−方向とする）にして光源２を下方、受光器３を上方にした場合を示している。この場合、ケース１の側面１ｃ（１ｄ）における気泡１１と液体１２との境界点Ｐにおいて、光源２の入射角が臨界角θcとなるように、気泡１１及び液体１２の量（体積比）を設定する。この結果、光源２からの光は気泡１１より光源２側においてもケース１の側面１ｃ、１ｄを透過するようになり、気泡１１の領域及び気泡１１より光源２側の液体１２の領域は共に透過領域Ｔとなり、光源２の光はケース１を透過する。従って、後述のごとく、受光器３の出力は水準器センサの傾斜角度に線形関係を有することになる。尚、気泡１１より光源２側の液体１２で全反射してその光が受光器３に入射すると、この線形関係が維持できなくなる。
【００２６】
図５を参照して図１の水準器センサの動作を説明する。尚、図６は図５の動作のシミュレーション結果である。
【００２７】
始めに、図５の（Ａ）を参照すると、水準器センサの傾斜角度を−方向にして気泡１１を光源２側にする。このときの気泡１１の距離ｄを0mmとする。この結果、全反射領域Ｒは最大、総透過領域はＴ0であり最小となる。従って、図６の矢印Ａに示すごとく、受光器３の出力は0.8となった。
【００２８】
次に、図５の（Ｂ）を参照すると、水準器センサの傾斜角度を＋方向にして気泡１１を光源２側から受光器３側に近づける。このときの気泡１１の距離ｄを2.25mmとする。この結果、全反射領域Ｒは減少し、透過領域Ｔが発生し、総透過領域Ｔ＋Ｔ0は増加する。従って、図６の矢印Ｂに示すごとく、受光器３の出力は0.7となった。
【００２９】
次に、図５の（Ｃ）を参照すると、水準器センサの傾斜角度をさらに＋方向にして気泡１１を光源２側から受光器３側にさらに近づける。このときの気泡１１の距離ｄを4.5mmとする。この結果、全反射領域Ｒはさらに減少し、総透過領域Ｔ＋Ｔ0はさらに増加する。従って、図６の矢印Ｃに示すごとく、受光器３の出力は0.6となった。
【００３０】
次に、図５の（Ｄ）を参照すると、水準器センサの傾斜角度をさらに＋方向にして気泡１１を光源２側から受光器３側にさらに近づける。このときの気泡１１の距離ｄを6.75mmとする。この結果、全反射領域Ｒはさらに減少し、総透過領域Ｔ＋Ｔ0はさらに増加する。従って、図６の矢印Ｄに示すごとく、受光器３の出力は0.6となった。
【００３１】
最後に、図５の（Ｅ）を参照すると、水準器センサの傾斜角度をさらに＋方向にして気泡１１を受光器３側にする。このときの気泡１１の距離ｄを9mmとする。この結果、全反射領域Ｒは消滅し、総透過領域Ｔ＋Ｔ0は最大となる。従って、図６の矢印Ｅに示すごとく、受光器３の出力は0.3となった。
【００３２】
尚、図６における受光器３の出力の値0.3は、光源２の光のうち、ケース１の側面１ｃ、１ｄに到達せずに受光器３へ直接到達した光Ｘ（参照：図２の（Ａ））によるものである。
【００３３】
このように、受光器３の出力つまり光量は気泡１１の位置と線形関係を有する。尚、受光器の出力に適当な角度補正係数を乗算することによって水準器センサの角度と直線近似することができる。
【００３４】
また、図１の光源２の指向特性は、最大の全反射領域Ｒのみ（参照：図５の（Ａ））を有効に照射するように定められればよいが、光源２の指向特性が悪いときには、図１に示すごとく、集光レンズ５を挿入する。
【００３５】
さらに、図４に示すごとく、ケース１の側面１ｃ（１ｄ）における気泡１１と液体１２との境界点Ｐにおいて、光源２の光の入射角が臨界角θcとするのが理想的であるが、気泡１１の光源２側の液体１２の領域が透過領域Ｔとなり、他方、気泡１１の受光器３側の液体１２の領域が全反射領域Ｒとなるように、配光制御される限り、光源２の入射角=θcとなる位置が境界点Ｐから光源２側に多少ずれてもよい。
【符号の説明】
【００３６】
１：ケース
１ａ：一端（入射面）
１ｂ：他端（出射面）
１ｃ、１ｄ：側面
２：光源
３：受光器
４：制御回路
５、６：集光レンズ 
Ｔ、Ｔ0：透過領域 
Ｒ：全反射領域
【図１】
2012103038.tif 000003
【図２】
2012103038.tif 000004
【図３】
2012103038.tif 000005
【図４】
2012103038.tif 000006
【図５】
2012103038.tif 000007
【図６】
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