(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
静電容量式加速度センサを利用したデジタル水準器Ｌを用いた傾斜角測定装置であって、前記装置は本体柱１０と、この本体柱１０にネジなどの固定手段で固定可能な筒体１１と、この筒体１１に取り付けた静電容量式加速度センサを利用したデジタル水準器Ｌとを備え、前記筒体１１は本体柱１０に対して摺動可能に取り付けられており、さらに前記デジタル水準器Ｌは、筒体１１上で取り付け位置を１８０度反転でき、かつ、着脱できる取り付け手段を備え、さらに、前記デジタル水準器は測定状態を表示するインジケータランプと、パソコンヘの出力装置と、電源投入後前記加速度センサの出力電圧が安定するまでのウェイティング設定手段と、前記加速度センサのゼロ点調整手段を設けたことを特徴とする傾斜角測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電容量式加速度センサを利用したデジタル水準器を有する傾斜角測定装置に関するものであり、詳しくは建築構造物等における支柱、壁、パネル等の垂直計測を正確かつ迅速に行なうために好適な傾き測定および調整用の静電容量式加速度センサを利用したデジタル水準器を有する傾斜角測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
土木建築分野において、古来より垂直計測の際に頻繁に使用する下げ振り器は、精度は高いが、計測の際、地面に最も近い地点で、人がかがんだ姿勢で観測し、揺れる振り下げの振幅が小さくなるのを待って正確に計測しなければならず、雨、風、足場の悪いところ、暗い場所では計測に時間がかかり、読み取り誤差も生じやすい難点があった。
このため、下げ振り器によって垂直計測を行なう場合、立地条件や気象条件に左右されないように、下げ振りをタテ長の函体に収納し、かつ読み取り誤差を無くするとともに、短時間で傾斜角を計測できる感知性に優れたセンサーを利用し、デジタル表示板に振れ値を表示できるようにしたデジタル表示式下げ振り器が提案されている（特許文献１）。
このものは、下げ振り収納箱の上下両端に取り付けた押付け面を測定する柱に押付け、収納箱内部に垂らした糸の傾きを角度センサにて計測し、デジタル表示機に表示する方法が取られている。
【０００３】
【特許文献１】特開平５−１０７５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながらこの方法では、従来の下げ振り器同様、吊り糸を使用しているため、糸が安定するまでに時間が掛かるという欠点がある。
そこで、このような欠点を解決するために、吊り糸を使用せず、マイクロマシニング技術を利用して作成された加速度センサを用いる傾斜計が提案されている（特許文献２、３）。
【０００５】
【特許文献２】特開２００２−３１８１１４号公報
【特許文献３】特許第２５３８５３５号公報
【０００６】
特許文献２に記載されたものは、必要な角度計測の精度を保った上で、本体および設置コストが安価でかつ設置作業が容易である設置型傾斜計を提案することを目的になされたもので、ウエット異方性エッチングによるバルクマイクロマシニングにより製作した加速度センサをパイプ状のケーシングに一体化して取り付けた構成をしている。
また特許文献３に記載された傾斜計も、測定対象物の傾斜角を精度良く計測できる小型軽量な傾斜計を提案することを目的になされたもので、導電性振り子、および該振り子の変位方向に隔てて配置される一対の対向電極からなる傾斜センサと、該振り子と各対向電極との間の静電容量を検出する容量検出回路と、前記容量検出回路からの出力をアナログ表示するための表示手段とから構成されている。
【０００７】
しかしながら、上記特許文献２、３に記載された傾斜計は、いずれもマイクロマシニング技術を利用して作成された加速度センサを使用している点で、傾斜測定の精度はよいものの、実際に使用する上で、以下のような問題点が明らかとなってきた。
即ち、
上記特許文献２、３に記載のものは電源投入と同時に計測を開始することになるため、センサの出力が安定するまでの測定値にバラツキが生じ測定精度の点の問題がある。
また、ゼロ点調整（キャリブレーション）の機能がないため、測定精度に誤差が生じる。また、傾斜を表示するための工夫がないため、計測中の柱がどちらに傾いているか即座に判断することができない。
また、計測したデータを記録、表示、呼出し、削除、一括削除を可能にするプログラム等を備えていないため、計測に失敗した場合等、作業面で面倒な点が生じる。
【０００８】
そこで、本発明は、
（１）静電容量式加速度センサを利用したデジタル水準器において、測定開始時に前記加速度センサの安定を図るためのウェイティング設定手段を回路内に設ける。
（２）キャリブレーション（ゼロ点調整）をデジタル水準器を１８０度反転することで容易に行なえるようにする。
（３）デジタル下げ振りの表示方法にインジケータランプを設け、これにより計測中の柱がどちらに傾いているかを即座に判断できるようにする。
（４）水準器内に記憶装置を設けるとともに、パソコンヘの出力装置を備える。
（５）センサ・操作ユニットの筐体への取り付け位置を直角に取り付ける事により水平計測に用いることも可能にする。
等の特徴を備えたデジタル水準器を有する傾斜角測定装置を提案することにより、前記従来の傾斜計が有する問題点を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このため本発明は、本発明が採用した課題を解決するための手段は、
静電容量式加速度センサを利用したデジタル水準器Ｌを用いた傾斜角測定装置であって、前記装置は本体柱１０と、この本体柱１０にネジなどの固定手段で固定可能な筒体１１と、この筒体１１に取り付けた静電容量式加速度センサを利用したデジタル水準器Ｌとを備え、前記筒体１１は本体柱１０に対して摺動可能に取り付けられており、さらに前記デジタル水準器Ｌは、筒体１１上で取り付け位置を１８０度反転でき、かつ、着脱できる取り付け手段を備え、さらに、前記デジタル水準器は測定状態を表示するインジケータランプと、パソコンヘの出力装置と、電源投入後前記加速度センサの出力電圧が安定するまでのウェイティング設定手段と、前記加速度センサのゼロ点調整手段を設けたことを特徴とする傾斜角測定装置である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、
（１）既存の下げ振りの様に風などの環境要因を受けずに傾斜角を容易に測定できる、また素早く計測が表示され、さらにデジタル表示のため人為的な読み取り誤差をなくすことができる。
（２）ウェイティング設定手段を有することで、電源投入時にセンサ出力を安定させ、より一層の測定精度を向上を図ることができる。
（３）内蔵したマイコンソフトにより、機器を左右１８０度反転し、対象物を測定するだけでキャリブレーション（ゼロ点調整）を容易に行うことが出来る。
（４）インジケータランプの点灯数、ランプの点滅状態、ランプの点滅と共にブザー音、もしくは点灯する位置により柱の傾き量の幅を即座に判断可能となる上、暗い場所や遠くからでも確認可能となり、また、計測する柱に取り付けたまま傾き調整をすることができる。
（５）計測したデータを記録、表示、呼出し、削除、一括削除が可能となること、また、計測に失敗したデータを呼び出して個別に消去することも可能となり、従来測定値を柱に直接記入したり、図面に記入したものが、測定した柱の順番さえ覚えておけば、後からデータシートに記入可能となり、作業が一人でも可能となる。
等々の特有の優れた作用効果を達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明に使用する静電容量式加速度センサを利用したデジタル水準器は、測定開始時に前記加速度センサの安定を図るためのウェイティング設定手段を回路内に設け、測定精度の向上を図るとともに、キャリブレーション（ゼロ点調整）をデジタル水準器を１８０度反転することで容易に行なえるようにした。また、傾斜角の表示方法にインジケータランプを設け、これにより計測中の柱がどちらに傾いているかを即座に判断できるようにした。さらに水準器内に記憶装置を設けるとともに、パソコンヘの出力装置を備え、計測したデータを記録、表示、呼出し、削除、一括削除が可能となること、また、計測に失敗したデータを呼び出して個別に消去することも可能とした。
【実施例】
【００１２】
以下、本発明に係るデジタル水準器を有する傾斜角測定装置の実施例を図面に基づいて説明すると、図１は本発明に係るデジタル水準器の外観斜視図、図２は同デジタル水準器を函体に取り付けた傾斜角測定装置の全体図、図３はデジタル水準器のブロック図、図４はデジタル水準器内に配置する加速度センサの作動図、図５は同センサのブロック図、図６はウェイティング設定、キャリブレーションのフロー図、図７はキャリブレーションのＬＣＤ表示部の表示例、図８はデジタル水準器のインジケータランプによる表示の説明図、図９は本デジタル水準器を水平測定に用いる時の説明図である。
【００１３】
図１において、本発明に係るデジタル水準器Ｌは図示のような略直方体をしたケーシング１を備えており、このケーシング１内に水準器としての機能を達成するための後述する静電容量式加速度センサ、演算手段、電源等が収納されている。また、ケーシング１の表面には、ＬＣＤ表示部２、インジケータランプ３、記録／復帰ボタン４、消去ボタン５、送りボタン６、戻りボタン７、電源ボタン８、ＰＣ出力インターフェース９が図示のように配置されており、それぞれが公知のように電気回路によって接続されている。
【００１４】
図２において前記デジタル水準器Ｌを用いた本傾斜角測定装置は、本体柱１０と、この本体柱１０にネジなどの固定手段で固定可能な筒体１１と、この筒体１１に取り付けた静電容量式加速度センサを利用したデジタル水準器Ｌとから構成されている。本体柱１０の上下には計測基準となるアタッチメント１２、１３が取り付けられており、図示例では、アタッチメント１２の色を黄色とした方を計測基準面側、アタッチメント１３の色を素材色とした方を準計測側としてある。前記筒体１１は本体柱１０に対して摺動可能に取り付けられており、ネジ１４等の固定手段により本体柱１０に固定できるようになっている。またデジタル水準器Ｌは、筒体１１上で取り付け位置を１８０度反転できるように、また適宜着脱できるように図示せぬネジ等の適宜取り付け手段で取り付けられている。
【００１５】
本デジタル水準器は、図３に示すようなブロック図からなる構成をしている。即ち、ケーシング１内にはマイコン１５、Ａ／Ｄ変換器１６、Ｐｏｗｅｒ制御手段１７が配置され、さらに、ケーシング１には前述したようにＬＣＤ表示部２、記憶用メモリ４ａ、インジケータランプ３、電源ボタン８、消去ボタン５、記録ボタン４、送りボタン６、戻りボタン７が配置（図１参照）され、また本体には静電容量式加速度センサ１８がＡ／Ｄ変換器に接続され、また、パソコンインターフェース９がレベル変換回路２２を介して本体に接続され、さらに電源１９が電源回路２０、加速度センサ、表示手段に接続され本体側と図示のように接続されている。上記接続回路としては、従来公知の手段をもって接続されていることから、これらの詳細な説明は省略する。
【００１６】
本デジタル水準器Ｌは、特許文献２または３に記載されている加速度センサと略同じ静電容量式加速度センサを使用しているが、ここで、改めて簡単に加速度センサによる角度計測の原理を説明する。
図４において、この加速度センサは、可撓性の片持ち梁２４によって支持された錘２５と、この錘２５に対向して配置した固定電極２６とを備えており、これらは図４に示す配置構成からなっている。またこの加速度センサによる傾斜角測定手段は図５に示すブロック図から構成されている。
この加速度センサでは、重力により錘（可動電極）２５に発生する力Ｆにより錘（可動電極）２５と固定電極２６との距離に変化が生じると各電極間の静電容量が変化する。この静電容量の変化を図５に示すように電圧に変換し、それを増幅させて電圧値を読み取り傾きを計測できるようになっている。
【００１７】
具体的には、図４中（イ）のように静電容量式加速度センサが鉛直位置にある場合、錘に掛かる力Ｆは垂直方向に作用し、センサ出力は０％となるため、角度θ＝０度となる。 また、図４中（ハ）のように同加速度センサが水平位置にある場合、にはセンサ出力は１００パーセントとなり、角度θ＝９０度となる。
また、センサが図４中（ロ）に示すような場合、センサ出力は感度方向への力（Ｆ＝ｍｇ）の分力（Ｆ・ｓｉｎθ）となる。
なお、式中
Ｆ［Ｎ］：発生する力、
ｍ［ｋｇ]:錘の質量、
ａ［ｍ／ｓ2 ］: 重力加速度
である。
【００１８】
ところで、上記静電容量式の加速度センサは、一般的にコンデンサと同じ構造のため、電源投入後徐々に内部に電圧を蓄積する。そのため、電源投入後しばらくの間出力電圧が安定しない。そこで本発明ではデジタル水準器の電源投入後、センサの出力電圧が安定するまでのウェイティング手段（時間）をゼロ点調整（キャリブレーション）を行なう前段に設けることで、センサの出力精度の向上を実施している。これは、後述するキャリブレーション（ゼロ点調整）時にセンサ出力に差が生じるとゼロ点が正確に調整できない場合があるためである。なお、電源投入後からキャリブレーションを行うまでのウェイティング時間はセンサ種類の特性を持って考慮されるべきである。
【００１９】
以下静電容量式加速度センサのキャリブレーションについてのフローチャート（ゼロ点調整手段）を図６を参照して説明する。
ステップ１の電源ＯＦＦの状態からステップ２の電源ＯＮ状態にすると、ステップ３においてウェイティング設定手段において時間測定が開始される。ウェイティング時間が所定の時間になるとゼロ点調整が始まる。即ち、ステップ４において基準面計測が行なわれ、続いてステップ５においてデジタル水準器を１８０度反転して基準面計測を同様に行なう。その結果、ステップ６において測定物を基準面および１８０度反転させて計測した時の値の誤差が、測定単位の精度誤差範囲内か否かを判断し、精度誤差範囲から外れている場合にはステップ４に戻り前記フローを繰り返す。そしてきちんとキャリブレーション（ゼロ点調整）がなされていることをが確認できるとステップ７で測定が開始される。
なおキャリブレーション時には、ＬＣＤ表示部２には図７に示すような表示がでる。この表示において、プラス表示された数値（計測値＋１．０）と、マイナス表示された数値（計測値−１．０）との差が小さければ小さいほど精度が良くなる。
【００２０】
上記構成からなる静電容量式加速度センサを利用したデジタル水準器を有する傾斜角測定装置の作用について図７を参照して説明する。
図７（ロ）に示すように傾斜角測定装置を測定物（たとえば柱等）に取り付けて傾斜角の測定を行なうが、この時、前述したフローチャートにしたがってキャリブレーションを実行する。
即ち、キャリブレーション（機器の精度を保持するために計測を実施する前に行なうゼロ点調節）は、前記フローチャートに従い、また前述した静電容量式加速度センサの原理を利用して行なう。先ず、計測する基準面を決め傾斜角測定装置により測定物を計測する。その後、さらに傾斜角測定装置を１８０度反転して計測することで、測定物（柱）が垂直でない場合でも、両面の傾きの中心をゼロ点に調節する事ができる。キャリブレーション計測が終了後、測定物を基準面および１８０度反転させて計測した時の値の誤差が、測定単位の精度誤差範囲内か否かで、きちんとキャリブレーションがなされているかどうかを確認することが出来る。但し、測定基準面で測定した数値と１８０度反転して測定した時の数値は符号（＋、−）が逆になる。こうして精度の確認をすることができる。
【００２１】
上記測定時におけるデジタル水準器による計測値の表示は次のようになる。
本デジタル水準器では、キャリブレーション時に図７（イ）に示す表示がＬＣＤ表示部２になされる。図７（イ）においてオフセット計測が開始されるとＬＣＤ表示部２ではオフセット１の計測表示がなされる。次いでデジタル水準器を図７（ロ）に示すように反転（１８０度）させ、計測を行いオフセット２の計測値を得る。オフセット１とオフセット２との計測結果の差が小さいほど計測精度がよくなる。ただし、ＬＣＤ表示部２での符号はオフセット１とオフセット２とでは反対になる。
【００２２】
上記のようにキャリブレーションをした後、デジタル水準器で測定物を測定することになるが、この時の計測結果は、前記デジタル水準器のインジケータランプ３に表示される。インジケータランプ３は本例では図８に示すように５個のランプで構成されそれぞれのランプの色を変えてあり、点灯位置により表示範囲が図のように決められている。なお、ランプの点滅やランプ点灯とともにブザー音を発する等して測定結果を知ることもできる。
【００２３】
上記のように本発明に使用するデジタル水準器Ｌは前述したＬＣＤ表示部２、インジケータランプ３を備えているため外界の影響受けずにまた素早くデジタル表示が可能な他、基板に実装されたマイコンのソフトを変更することにより、それぞれの長さによる柱の傾き変位量や角度を表示する事が可能である。また本デジタル水準器は表示部搭載したバックライトにより暗い場所でも表示を見ることが出来る構成となっている。
【００２４】
尚、搭載したインジケータランプ３により、離れた場所からも柱の傾き方向や、大まかな傾き量を確認することが可能である。例えば図８に示すように表示範囲によってインジケータランプ３の点灯位置や点灯色を変えることができ、作業者は傾きを容易に確認することができる。さらに測定物の傾き量の合格範囲に入っている場合はブザー音により、合格レベルを知らせる鳴動音を発するようにすることで、本計測器を取り付けたままで柱の傾き調整が容易に可能となっている。
合格のレベル設定やインジケータランプによる傾き量の設定は内臓ソフトにより変更可能である。
インジケータランプには、ＬＥＤ：液晶、ネオン管等が考えられるが、電力消費を抑えるためにＬＥＤがもっとも適していると考えられる。
【００２５】
データの記録、表示、呼出し、削除、一括削除について
本デジタル水準器Ｌは前述したように内蔵した回路上に実装された記憶用メモリに測定したデータを記録することが可能でありまた一旦記録したデータを呼び出しして確認することや、呼び出したデータを１つずつ消去すること、また一括で消去することが出来る。なお、このような記録、表示、呼出し、削除、一括削除の方法は従来パソコン上で行なわれている公知の手法を採用している。
【００２６】
パソコンヘのデータ出力について
水準器内に内蔵された前述のパソコンインターフェース９により、専用ソフトを利用してパソコンヘデータ転送が可能としてある。このインターフェース９は、ＲＳ２３２Ｃシリアル通信やコンパクトフラッシュ(登録商標）、ＳＤカード、ＵＳＢメモリ等に対応させることができる。
これらの機能により、従来下げ振りや水準器で計測した値は、直接柱に書き込んで後からデータシートもしくは図面に記入していたが、本発明では上記記載の通り、計測器内部に測定データを記憶させることにより、データをナンバリング管理できる。
【００２７】
このように、現場から離れた場所にあるパソコンヘデータを出力することが出来ると、後からデータの編集が可能になり、作業効率が飛躍的に向上する。パソコンヘの出力ソフトをカスタマイズすることで、データシートをそのまま出力することも可能となる。
また、本測定装置に採用するデジタル水準器Ｌはセンサ・操作ユニットの取り付け位置を図９に示すように筒体に対し直角に取り付けることで、水平計測も可能となる。この時、取り付けにはセンサの特性を考慮し、ガタツキがなきようしっかりと固定する必要がある。また固定手段はネジ等を始め現在公知の種々の固定手段を採用することができる。
【００２８】
以上、本実施形態の一例を説明したが、本発明はその精神又は主要な特徴から逸脱することなく他の色々な形で実施することができる。また、前述の実施例はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。
例えば、デジタル水準器の筒体への取り付け方法等は現在公知の種々の手段を採用することができるし、また筒体を省略して直接本体柱にデジタル水準器を着脱自在に取り付けることもできる。またデジタル水準器の表示部の配置、表示方法等は自由に設定できる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明は、建築構造物等における支柱、壁、パネル等の垂直計測を正確かつ迅速におこなうために好適な傾き測定および調整用のデジタル水準器として利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係るデジタル水準器の外観斜視図である。
【図２】同デジタル水準器を函体に取り付けた傾斜角測定装置の全体図である。
【図３】デジタル水準器のブロック図である。
【図４】デジタル水準器内に配置する加速度センサの作動図である。
【図５】同センサのブロック図である。
【図６】ウェイティング設定、キャリブレーションのフロー図である。
【図７】キャリブレーションのＬＣＤ表示部の表示例である。
【図８】デジタル水準器のインジケータランプによる表示の説明図である。
【図９】本デジタル水準器を水平測定に用いる時の説明図である。
【符号の説明】
【００３１】
１ ケーシング
２ ＬＣＤ表示部
３ インジケータランプ
４ 記録／復帰ボタン
５ 消去ボタン
６ 送りボタン
７ 戻りボタン
８ 電源ボタン
９ パソコンインターフェース
１０ 本体柱
１１ 筒体
１２、１３ アタッチメント
１４ ネジ
１５ マイコン
１６ Ａ／Ｄ変換器
１７ Ｐｏｗｅｒ制御手段
１８ 静電容量式加速度センサ
１９ 電源
２０ 電源回路
２２ レベル変換回路 ２４ 片持ち梁
２５ 錘
２６ 固定電極
【図１】
0005053787.tif 000002
【図２】
0005053787.tif 000003
【図３】
0005053787.tif 000004
【図４】
0005053787.tif 000005
【図５】
0005053787.tif 000006
【図６】
0005053787.tif 000007
【図７】
0005053787.tif 000008
【図８】
0005053787.tif 000009
【図９】
0005053787.tif 000010