JP2004012203A - 光学式傾斜角検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】従来の光学式傾斜角検出装置に比較し、測定精度の向上、測定に要する時間の短縮、測定精度が温度の影響を受けない様にすることの少なくとも一つを達成することを課題とする。
【構成】２種類以上の物質を収容した容器を含む被投光部、その被投光部へ投光する投光部、投光部より被投光部に投光され被投光部にて光学的影響を受けた光を含む光を受け、それを電子信号に変換し出力する受光部、受光部からの電子信号を入力し、その電子信号に基づいて重力方向に対する傾斜角の算出を行う処理部を含む構成の傾斜角検出装置において、容器に収容される２種類以上の物質は、傾斜角測定時に少なくとも重力に対して垂直な平面形状の境界をなす部分を含み、その境界面の傾きを受光部にて検出し、重力方向に対する傾斜角の算出を行うものである。
【選択図】図１７
【構成】２種類以上の物質を収容した容器を含む被投光部、その被投光部へ投光する投光部、投光部より被投光部に投光され被投光部にて光学的影響を受けた光を含む光を受け、それを電子信号に変換し出力する受光部、受光部からの電子信号を入力し、その電子信号に基づいて重力方向に対する傾斜角の算出を行う処理部を含む構成の傾斜角検出装置において、容器に収容される２種類以上の物質は、傾斜角測定時に少なくとも重力に対して垂直な平面形状の境界をなす部分を含み、その境界面の傾きを受光部にて検出し、重力方向に対する傾斜角の算出を行うものである。
【選択図】図１７
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光学式傾斜角検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】特開昭６０−１８３５１６において明細書２頁左段上から１０行目に明記されているように、光源と一次元イメージセンサを連通管を挟んで対向させた構造の傾斜角検出装置が開示されている。連通管内には不透明な流体が封入されている。しかしながら封入された流体として不透明な液体を用いた場合には、傾斜方向が判らないこと、および傾斜角検出装置の出力に時間遅れが生じると言う２つの欠点が挙げられる。以下は不透明な流体として不透明な液体を採用し、同時に連通管に空気も封入しているとして説明する。
【０００３】
まず、図１０に３次元の座標系および角度を定義する。それぞれｘ、ｙおよびｚ軸において、それぞれ４０で示すａ’、４１で示すｂ’、４２で示すｃ’の切片を有する面４４に対し、原点４３から面４４への垂線１０４とｘｙ平面がなす角度１０１をθとする。θのｘ軸成分を＋θｘ、ｙ軸成分を＋θｙと定義する。図１１に特開昭６０−１８３５１６に開示された装置の概念図を示す。図１１の２で示した座標と角度θ、＋θｘ、＋θｙの関係は、図１０で示した通りとする。図１１において一次元イメージセンサ４５および４６の間の距離６１をｄ１、一次元イメージセンサの位置における空気９と不透明な液体４９との境界位置６８および６９間のｚ軸方向の距離１１４をｄ２とすれば、θｙ方向の傾斜角は、ｔａｎ−１（ｄ２／ｄ１）より求めることができる。図１１で−θｘ方向に傾斜したとする。この様子を図１２に示す。面光源５０から出た光線のうち光線５２より下方の光は、不透明液体４９により遮蔽され、一次元イメージセンサ４５に到達しない。したがって、一次元イメージセンサ４５上の光に照射されたピクセルの出力を“１”、照射されないピクセル部分の出力を“０”とすれば、図１２における光線５２より下のピクセルの出力は“０”となり、一方、光線５２以上のピクセルの出力は“１”となる。この一次元イメージセンサの出力の様子を図１４（ａ）に示す。つぎに、図１１の傾斜角検出装置が＋θｘ方向に傾斜したとする。この様子を図１３に示す。この場合は−θｘ方向に傾斜した図１２の場合と同様に、図１３において光線５２より下方の光は不透明液体４９により遮蔽されるため、光線５２より下方のピクセルの出力は“０”、光線５２以上のピクセル出力は“１”となる。この場合のピクセル出力の様子を図１４（ｂ）に示す。図１４（ａ）および図１４（ｂ）において縦軸は、一次元ラインセンサ４５のピクセルを上方から数えた場合の位置番号である。横軸は各ピクセルの出力であり“１”もしくは“０”である。図１４（ａ）と図１４（ｂ）を比較すると、特開昭６０−１８３５１６に開示されている傾斜角検出装置が、＋θｘ方向および−θｘ方向に同じだけ傾斜した場合、一次元イメージセンサ４５の出力はいずれも全く同一となり、傾斜方向の違いが判別できない事がわかる。
【０００４】
つぎに、特開昭６０−１８３５１６に開示された傾斜角検出装置の出力の時間遅れの発生について説明する。検出装置が図１３に示す状態、すなわち＋θｘ方向に傾いた状態から、＋θｘ方向に０の角度状態に変化したとする。この場合は、非常に薄い不透明液体の膜が連通管の壁面に残存し、光源からの光線を遮る。壁面に残存した不透明液体は、時間とともに下方へ流れついには消失する。これが前記時間遅れの原因である。図１６において（ａ）は＋θｘ方向に傾いている状態の一次元イメージセンサ４５の出力を表わす。図１５（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は＋θｘ方向の傾きが０の状態で、時間経過とともに液体の状態が変化する様子を示す。図１６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ、図１５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の状態における出力である。図１５（ｂ）は角度が＋θｘ方向に傾いた状態から０の状態に移って時間経過が少ない状態を表す。連通管の内面に薄い不透明な膜が残存し、その膜により著しく光線がさえぎられ、同じ水平状態でも図１６（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）で示すように経過に伴い出力が異なる。図１５（ｄ）のとき算出される傾斜角の値が望まれる測定値であるため、前述の膜が残存するときにおいて、精度の良い傾斜角測定が不可能であり、図１５（ｄ）の状態まで待たねばならない。すなわち傾斜角の変化によっては精度の良い傾斜角の測定に時間を要する場合が生ずる。
【０００５】
簡易型の傾斜角検出装置として気泡管を利用したものが多く実用されている。液体と気泡を封入した上部の形状が凸面または凹面になっている気泡管は、その傾斜角によって内部に有する気泡が中心より偏移する。特公平６−４８１９４に記載の傾斜角検出装置では、上方または下方より光線を照射し、光源から気泡管を挟みその対面において受光素子を配置し、気泡管より透過、屈折した光を受光素子で受ける。受光素子で受光量を電子信号に変換し、計算によりその電子信号から気泡管中の気泡偏移情報を得て、重力方向に対する傾斜角を知ることが出来る。特開平７−１４６１４２に記載の傾斜角検出装置では、気泡管中の液体に電解液を利用する。傾斜角にしたがって気泡位置が偏移するが、このとき気泡位置の偏移は電極に接触している気泡と電解液の割合の変化を引き起こし、電極間のインピーダンスを変化させる。このインピーダンスを検出することにより傾斜角の算出を行っている。しかし気泡管を利用したものは、温度の変化が引き起こす液体に封入した気泡の膨張収縮とにより誤差が生ずる。特公平６−４８１９４に記載されている傾斜角検出装置でいえば、気泡の大きさが変化することにより受光素子上での気泡影の面積が変化し、したがって受光素子からの電子信号が変化する。また特開平７−１４６１４２に記載されている傾斜角検出装置では、電極に接触する気泡の面積が大きくなれば電極間のインピーダンスが変化する。
【０００６】
特願平８−５９１８６などに見られるように、傾斜角検出装置として密閉容器に電解液を満たしておき、複数の電極間の傾斜角をインピーダンスの変化により傾斜を検出する方式が存在する。この形式の傾斜角検出装置の持つ欠点としては、電解液の劣化により検出装置の使用期間が限定されることが挙げられる。この形式の傾斜角検出装置に関連する特許には、電解液の長寿命化に関するものもいくつか開示されている。たとえば特願平７−１４６１４２では電解液に接触する電極の面積を大きくし、電解液中に流れる電流密度を小さく抑えることにより電気分解の量を減少させている。しかしいずれにしてもこの方式は電気分解などによる電解液の劣化が発生し、検出装置の使用期間を限定してしまう。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題、課題解決手段、及び効果】
本発明は以上の事情を背景とし、傾斜角測定装置の測定精度の向上、測定に要する時間の短縮、および測定精度が温度の影響を受けない様にすることの少なくとも一つを達成することを目的としたものであり、下記各態様の光学式傾斜角検出装置が得られる。各態様は請求項と同様に、項に区分し各項に（１）から（９）までの番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これはあくまでも本発明の理解を容易にするためであり、本発明最初に記載の技術的特徴およびそれらの組み合わせが、以下の各項に記載のものに限定されると解釈されるべきではない。また１つの項に複数の事項が記載されている場合、それら複数の事項を常に一緒に採用しなければならないわけではなく、また一部の事項のみを取り出して採用することも可能である。
【０００８】
（１） ２種類以上の物質を収容した容器を含む被投光部と、その被投光部へ投光する投光部と、投光部より被投光部に投光され被投光部にて光学的影響を受けた光を含む光を受け、それを電子信号に変換し出力する受光部と、受光部からの電子信号を入力し、その電子信号に基づいて傾斜角の計算を行う処理部を含む構成の装置であり、容器中の物質の位置状態より被投光部の重力方向に対する傾斜角を検出する光学式傾斜角検出装置。
傾斜角検出を光学的に行う利点として長期間に渡り使用しても被投光部、受光部の特性劣化の度合いが極めて小さい点が挙げられる。
【０００９】
（２） 前記処理部が前記被投光部を構成する容器中に収容されている物質の位置情報のうち、異なる種類の物質間で形成される境界位置の全体もしくは部分を、前記受光部にて検出し前記処理部にて重力方向に対する傾斜角を算出するものである（１）項に記載の光学式傾斜角検出装置。この光学式傾斜角検出装置の被投光部を構成する容器については、密閉であってもなくてもよい。被投光部を構成する密閉容器に２種類以上の物質を収容すると、その物質間で境界面を形成し、その境界面が重力の影響によってその位置が変化し、その境界面の位置の全体または部分を受光部で検出することが可能であれば、容器内の物質が気体、液体、固体どの状態であるものでも可能である。
光学式傾斜角検出装置の構成要素として投光部、被投光部、受光部、処理部の他に、傾斜角の検出特性の向上の目的において、投光部より発せられた光、或いは被投光部において光学的影響を受けた光の性質を限定あるいは変化させるフィルタ、反射板、スリット、レンズ、遮蔽板などを配設することは可能である。このときフィルタ、反射板、スリット、レンズ、遮蔽板などの配設する位置は、受光部から被投光部までの光路中、被投光部から受光部までの光路中、あるいは被投光部の内部とすることが可能である。
被投光部を構成する容器中の異種物質間境界の情報により傾斜角を導き出す利点として、高精度な光学式傾斜角検出装置の実現が安価で容易であることが挙げられる。
【００１０】
（３） 前記容器に収容された物質が、透明または半透明の液体と透明または半透明の気体であるか、もしくは複数種類の透明または半透明の液体であり、その容器中に形成される異種物質間境界面の位置の全体もしくは部分を受光部にて検出し、処理部にて傾斜角の算出を行う（２）項に記載の光学式傾斜角検出装置。特開昭６０−１８３５１６において、容器に透明な気体と不透明な液体を入れ、それらに光線を照射し、密閉容器およびその内部の気体および液体を透過した光線を一次元イメージセンサにより検出し、その光線が有する密閉容器中の液面の情報より傾斜角検出を行う傾斜角検出装置が開示されている。
前記容器中に収容する物質に不透明な物質を用いると、不透明な物質自体が境界の情報を隠蔽することとなる場合が起きる。つまり受光部への光路が限定されるために検出し得る傾斜角の範囲が限定され、あるいは被投光部を構成する容器の形状や投光部、被投光部、受光部の相対位置関係などが限定されてしまうことになる。
例えば図７において三角錐の形状をした透明または半透明の密閉容器２９と、その容器２９に透明または半透明液体としてアルコールと水の混合液体７と空気９を収容した被投光部に、その容器に投光する投光部としての電界発光装置５から光線を照射し、被投光部を挟んで投光部と対向させた受光部として電荷結合素子の二次元アレイを備えたカメラ１９により、被投光部を構成する容器の側面に形成した液体と空気の境界１１の位置を検出する傾斜角検出装置において、透明または半透明溶液の代わりに不透明な液体を用いることは適当でない。なぜなら、図７のカメラ１９によって得られる被投光部の像の一例である図８における前記異種物質間の境界位置１１が図８に示すような状態にあるとき、前記液体が不透明な溶液の場合には、前記異種物質間の境界位置１１は得ることが出来ないからである。しかし図７と図８に例を示したとおり、容器中に収容する物質に透明または半透明の溶液と透明または半透明の気体を用い、容器形状が既知であるとすれば、例えば三角錐形状容器２９の各々の辺において、空気が占める長さ９４、９５、９６と、液体が占める長さ９７、９８、９９の比によって、少なくとも同一直線状に無い３点の三次元位置が特定されるので、図７に示す座標２の傾斜角θ、φ両方の算出が可能である。
また、例えば図２４と図２５は、前記被投光部として直方体の透明容器に不透明液体と空気を封入し、側面における境界線の検出をカメラによって行うものであるが、図２４の状態と図２５の状態を区別することが困難である。これは本願明細書の「従来の技術」の「０００３」の項で説明した理由による。一方、図２２、図２３で示すように前記被投光部として、直方体の透明容器に透明または半透明の液体と透明または半透明の気体として空気を封入し、側面における境界位置８８、８９の検出をカメラ８５で行うとき、カメラ８５の合焦位置を変化させることにより、カメラ１９に近い面における境界位置８８と遠い面における境界位置８９を得る事が可能であり、各々の境界線を区別することが可能である。また、近い面と遠い面両方における境界位置の検出とその区別は、図２１のように被投光部と受光部の光路中に結像用のレンズを備えることでも可能であるし、また図１８と図１９のように結像用のレンズを備えていない場合、センサから近い面における境界位置における光量分布のコントラストが、遠い面におけるコントラストよりも大きいため、近い面における境界位置のみの検出が可能である。
この２つの面に生ずる境界線の相互の幅を測定することにより、面に垂直な方向の傾斜を求めることができる。例えば図１８において９１で示す境界線の高さをｐとし、９２で示す境界線の高さをｑとする。また図１８の１１６で示す容器の一辺の長さをｃとする。このとき一次元光電変換素子７５にてｐ、ｑが測定されると、図１８の座標２のθｘ方向の傾斜角は、
ｔａｎ−１（（ｐ−ｑ）／ｃ）より算出することができる。図１８の座標２とθｘの関係は図１０に示すとおりである。
つまり前記容器に収容する物質を透明または半透明の物質にすることによって、より多くの前記異種物質間境界の情報を得ることができる。
また、前記容器に収容する物質に不透明液体を用いる場合、欠点の一つとして応答時間が遅いことが挙げられる。これは密閉容器内部の液面が下がったとき、不透明な液体が密閉容器の壁面に残り、正しい液面位置まで液体が移動するまで待たねばならず、その結果、被投光部の異種物質間境界位置の検出に長時間必要である事が挙げられる。これは本願明細書の「従来の技術」の「０００４」の項で述べたとおりである。
この応答時間の問題を解決するためには、被投光部を構成する容器中に収容する液体を透明、または半透明にすることが有効である。このことにより密閉容器の壁面に残ったわずかな液体の為に著しく光線が遮断され、あるいは、屈折させられることはなくなり、現在の液面より高い位置の壁面に残った微量の液体が原因となって光線がさえぎられ、実際の液面より高い位置を検出することが無いからである。したがって、傾斜角の変動により液面位置が下がった場合でも、壁面に残った微量な液体が現在の液面まで降りてくるまで待つ必要がなくなり、計測に必要な時間が短縮される。図を用いて説明すると、図１７のように投光部１１２として面光源を含み、被投光部として透明または半透明の液体６と透明または半透明の気体として空気９を収容した透明または半透明の直方体容器１１１を含み、受光部として一次元光電変換素子アレイ７５、７６を含み、被投光部をはさみ、受光部と被投光部を対向する形で配設されている構成の傾斜角検出装置を考える。ここで図１７の２で示す座標と傾斜角θｘ、θｙの関係は、図１０に示した通りとする。受光部７５、７６によって、容器内壁の受光部に近い面における異種物質間の境界面１０７の境界位置７７、７８をそれぞれ検出する。ここで異種物質間の境界位置７７、７８の容器底面からの高さをそれぞれａ、ｂとし、一次元光電変換素子アレイ７５、７６の中心間距離をｃとする。検出したその異種物質間の境界位置の高さと、一次元光電変換素子アレイの中心間距離によってθｙは、
ｔａｎ−１（（ａ−ｂ）／ｃ）から求められる。ここでこの機器構成において図１９に示す状態、すなわち＋ｘ方向に＋θｘ傾いた状態から、図２０に示す状態、すなわち＋ｘ方向に０の状態に変化したとする。この場合、図２６（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）において示すように、透明または半透明の液体の膜が容器の壁面に残存し、時間とともに下方へ流れついには消失する。図２７の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ、図２６の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の状態のときの、図２６の一次元光電変換素子アレイ８７の出力を示している。この膜が残存する状態、すなわち図２６の（ｂ）、（ｃ）の状態においても、光量分布から図２６（ｂ）、（ｃ）の７３で示した境界位置の検出が可能であり、したがって図２６（ｄ）の状態となるまで待つことなくθｘ方向の傾斜角の算出は可能である。
【００１１】
（４） 前記容器に収容された２つの物質の境界が、重力方向に垂直な平面あるいは平面形状部分を含む形状となる構造の前記被投光部を含み、前記容器中の前記異種物質間境界面の方向に基づいて傾斜角の算出を行うものである（２）項に記載の光学式傾斜角検出装置。（請求項１）
この項を含むいかなる項の記述においても、前記異種物質間境界の形状を平面と記述した場合、前記異種物質間境界の前記容器の内壁と接する部分が、表面張力などにより平面から僅かに外れる場合もあるが、その場合も境界が平面を成すものと見なすものとする。
この場合、通常表面張力により境界線が上下２本現れる。こうしたときは上下２本の境界線の中間位置を境界とする等の処理を行う。また、その線の像がフォーカスの影響で太い線になることもある。この場合はその線の中心を採用する、或いは線の上端、下端等を使用することもある。
光学式傾斜角検出装置として気泡管を利用したものが多く実用されている。液体と気泡を封入し、上部の形状が凸面または凹面になっている気泡管は、その傾斜角に応じて内部に有する気泡が中心より偏移する。特公平６−４８１９４では、上方または下方の光源より光線を照射し、気泡管を間に挟んで光源と対向する受光素子に、気泡管より透過し屈折させられた光を受けさせる。受光素子で受光量を電子信号に変換し、計算によりその電子信号から気泡管中の気泡偏移情報を得て、重力方向に対する傾斜角を知ることが出来る。特開平７−１４６１４２では気泡管中の液体を電解液とし、気泡管中の気泡の偏移が、電極に接触している気泡と電解液の割合に対応した電極間のインピーダンス変化として現れるので、この情報より傾斜角の算出を行っている。しかし気泡管を利用したものは、温度の変化により液体に囲まれた気泡が膨張収縮することにより誤差が生ずる。
本発明においては、被投光部を形成する容器に封入する２つの物質で形成する境界面の傾きより傾斜角を算出するので、温度変化などにより物質境界面の位置が変化しても誤差要因とならない。
一例をあげて説明すると、図１７において傾斜角度が同じ状態において、１０８で示す異種物質間境界位置を、物質の膨張収縮により１０７で示す異種物質間境界位置から変化した後の境界面とする。一次元光電変換素子アレイ７５、７６におけるこの異種物質間境界位置の移動距離は同じ値αとなる。ここで７５、７６で検出される移動前の１０７で示す異種物質間境界位置の容器底面からの高さをそれぞれｅ、ｆとする。一次元光電変換素子アレイ７５、７６の中心間距離８１をｇとする。膨張収縮によって移動した状態で傾斜角を算出してもθｙ方向の傾斜角は、
ｔａｎ−１（（ｅ＋α−ｆ−α）／ｇ）
＝ｔａｎ−１（（ｅ−ｆ）／ｇ）より、移動前と同じ値ｔａｎ−１（（ｅ−ｆ）／ｇ）が得られることになる。
被投光部を構成する容器中の異なる種類の物質間の境界位置情報により傾斜角を検出する場合で、被投光部を構成する容器中の異なる物質間の境界が、重力方向に対して垂直な平面に近い形状、あるいは重力方向に対して垂直な平面に近い形状の部分を含み、その重力方向に対して垂直な平面に近い形状から傾斜角の検出を行う場合、平行でない２線分、または１つの線分とその線分を含む直線上にない１点、または同一直線上にない３点を検出することにより２方向の傾斜角を知ることができる。
たとえば図を用いて説明すると、図９の面３４上の３点を検出して面３４の傾斜角を求める場合、点３５の位置、点３６の位置、点３７の位置を検出すればφ方向、θ方向の傾斜角が算出可能となる。ここでφ方向とはｚ軸周りの傾斜角で、θ方向とはｘ軸周りの傾斜角である。点３６の位置、点３７の位置、点３８の位置を検出するのみでは、φ方向の傾斜角算出可能でθ方向の傾斜角の算出が不可能である。図９の平面３４上の１つの線分位置と１つの点位置を検出し、平面３４の傾斜角を求める場合、点３６と点３７を結ぶ線分位置と、点３５の位置を検出すればφ方向、θ方向の傾斜角が算出可能となる。また、例えば点３６と点３７を結ぶ線分位置と点３８の位置を検出するとき、φ方向のみの傾斜角が算出可能であり、θ方向の傾斜角算出は不可能である。図９の平面３４上の２つの線分位置を検出し、平面３４の傾斜角を求める場合、例えば点３５と点３６を結ぶ線分位置と、点３６と点３７を結ぶ線分位置を検出すれば、φ方向、θ方向の傾斜角が算出可能となる。また、例えば点３６と点３７を結ぶ線分位置と、点３７と点３８を結ぶ線分位置のみの検出であれば、φ方向の傾斜角が算出可能であり、θ方向の傾斜角算出は不可能である。一般的に言えば、少なくともある１つの平面上の平行でない２線分、または１つの線分とその線分を含む直線上にない１点、または一直線上にない３点が得られれば、その平面を表す式ａｘ＋ｂｙ＋ｃｚ＝ｄが求められる。そしてその式が求められれば図９における傾斜角φ、θは、
φ＝ｔａｎ−１（−ａ／ｂ）、
θ＝ｔａｎ−１（−ｃ／ｂ）より求められる。
以上の例からも見られるように、平行でない２線分、または１つの線分とその線分を含む直線上にない１点、または一直線上にない３点を含む情報が得られるように、この項を含む以下の項を組み合わせることにより独立２方向の傾斜角の検出が可能となる。
【００１２】
（５） 前記受光部が光電変換素子の一次元アレイを含み、その受光部により前記境界面の位置を２点以上の位置で検出し、前記処理部がそれら２点以上の位置の相対位置関係より前記平面状の境界面の傾斜角を算出するものである（４）項に記載の光学式傾斜角検出装置。（請求項２）
本項記載の光学式傾斜角検出装置の利点として、前記異種物質間境界のうち重力に対して垂直な平面をなす部分の位置を２点以上検出し、その点間を結んだ線分の傾斜を算出することにより傾斜角を求める為、温度変化などによる物質の膨張収縮に伴う、前記容器中に収容した物質の体積比変化を原因とする液面の高さの変化が、検出精度に影響することはない。
前記容器に収容される物質が、透明または半透明の気体と透明または半透明液体の組み合わせであるか、もしくは複数種類の透明または半透明の液体の組み合わせであるので、光電変換素子の一次元アレイにより、前記容器内壁における前記異種物質間の境界面位置付近の光量分布を得ることが可能で、この光量分布より前記異種物質間の境界面位置の検出が光電変換素子アレイのサブピクセル精度で可能であり、高精度な傾斜角検出が可能となる。また光電変換素子の一次元アレイは、小型軽量であることも大きな利点で、小型で高精度な傾斜角検出装置の実現に寄与するものである。
また、本項記載の装置において、前記異種物質間境界のうち重力方向に垂直な平面をなす部分の同一直線上にない３点位置が検出された場合、前記異種物質間境界のうち重力方向に垂直な平面をなす部分の位置を特定することが出来る。したがって２方向の傾斜角を検出することが可能となる。
【００１３】
（６） 前記受光部が光電変換素子の二次元アレイを含み、その受光部により前記異種物質間境界平面の位置の全体または部分を検出し、その境界平面位置より傾斜角を算出する（３）項ないし（４）項いずれかに記載の光学式傾斜角検出装置。
従来、気泡管中の気泡位置あるいは凹型容器中の球形振り子位置を検出することにより、傾斜角を算出する傾斜角検出装置において、４つの光電変換素子を平面状に田の字形に配置した光電変換素子二次元アレイを用い、その４つの光電変換素子からの信号を比較し、光量の比較をすることによって傾斜角の検出を行う形式の傾斜角検出装置が知られている。この形式の場合、４つの光電変換素子間における光電変換特性のばらつきや経年変化が誤差原因となる。すなわち、同じ光量でも変換した信号に差が生じ、この信号の差が傾斜角検出の誤差になるのであり、光電変換素子の光電変換特性校正の重要性が高くなる。この光電変換素子一つずつに校正用の光源をつけ、光電変換特性の校正を容易にしたものも存在するが、光源自体もばらつきがあるため問題を完全に解決し得るわけではない。本発明においては光電変換素子の二次元アレイは、被投光部中の物質間境界位置を検出するために用い、その物質間境界位置の傾斜により傾斜角の検出を行う。そのため、光電変換素子の変換特性における多少のばらつきや経年変化が誤差要因となることはない。前記容器に収容される物質が、透明または半透明の気体と透明または半透明液体の組み合わせであるか、もしくは複数種類の透明または半透明の液体の組み合わせであるので、光電変換素子の二次元アレイにより前記容器内壁における前記異種物質間の境界面位置付近の光量分布を得ることが可能で、この光量分布より前記異種物質間の境界面位置の検出が光電変換素子アレイのサブピクセル精度で可能であり、高精度な傾斜角検出が可能となる。
【００１４】
（７） 前記容器に収容された２つの物質の境界が重力方向に垂直な平面をなし、または重力方向に垂直な平面を含み、前記受光部が二次元の光電変換素子アレイを含み、前記処理部が前記平面と容器内面との境界位置の全体または部分を検出する。そしてその検出した境界位置に対し直線近似を行う。その検出した境界位置に対しての直線近似で得られた直線の傾きにより傾斜角を検出するものである（４）項記載の光学式傾斜角検出装置。（請求項３）
前記容器に収容される物質が、透明または半透明の気体と透明または半透明液体の組み合わせであるか、もしくは複数種類の透明または半透明の液体の組み合わせであるので、光電変換素子の二次元アレイにより前記容器内壁における前記異種物質間の境界位置付近の光量分布を得ることができる。この光量分布により異種物質間の境界位置を得ることが可能である。検出された前記容器内面における異種物質間境界位置に対して直線近似を行い、その直線の傾きより傾斜角の算出を行う。前記異種物質間境界位置の傾斜自体を計測するため、温度変化などによる物質の膨張収縮に伴う体積比変化による前記異種物質間境界位置の高さの変化が、傾斜角計測誤差を生じせしめることは無い。このことの原理的な説明は（４）項に記載した内容と同様である。
【００１５】
（８） 前記受光部において、前記被投光部を構成する前記容器の三次元形状の全体または部分と、前記異種物質間の三次元位置の全体または部分を検出し、その両者より傾斜角の算出を行う（２）、（３）、（４）、（５）、（６）、（７）項いずれかに記載の光学式傾斜角検出装置。（請求項４）
測定時における前記被投光部を構成する容器と境界面の相対位置関係を検出することになり、振動、衝撃などにより前記投光部、被投光部、受光部の相対位置関係の移動が生じても精度良く計測することが可能となる。したがって振動、衝撃などに対して頑強な傾斜角測定が可能である。
例えば図４を用いて説明する。投光部を構成する電界発光装置５、被投光部を構成する内部に透明または半透明の溶液と空気を収容した三角柱透明容器２３、そして受光部を構成するカメラ１９を含む構成の傾斜角検出装置を挙げる。投光部、被投光部、受光部の相対位置関係が固定されているとする。カメラ１９は二次元撮像素子を備え、被投光部の二次元像を撮像することが出来るものである。被投光部を構成する容器の形状は直角三角柱で、その３つの側面のうち同じ形の２つの側面は一辺がｄ３の正方形であり、測定時において形状は既知である。ここで受光部の投光部、被投光部に対する相対位置関係に変動が加わり、投光部、被投光部間の相対位置関係に変動が無いときを例として考える。
カメラ１９により得られる像から得られる異種物質間境界の位置のみより傾斜角を算出する場合、算出された傾斜角の値には誤差が当然含まれる。これに対してカメラ１９により容器の外形形状と異種物質間境界の双方の位置と形状を得ることにより、算出する傾斜角の値に含まれる誤差を小さくすることが出来る。例えば図５は、図４の傾斜角検出装置においてカメラ１９によって得られた被投光部の像である。図５に示す像によって、各頂点６２、６３、６４、６５、６６、６７からの異種物質間境界までの距離９４をｓ、９５をｔ、９６をｕ、９７をｐ、９８をｑ、９９をｒとする。このとき下方側に混合液体７、上方に空気９があるものとする。図５により、ｓとｐ、ｔとｑ、ｕとｒの比を得ることができ、一辺がｄ３であることとあわせてｓ、ｔ、ｕ、ｐ、ｑ、ｒが算出される。そして図５の２に示す座標のθ、φを、
θ＝ｔａｎ−１（（−ｒ＋ｑ）／ｄ３）、
φ＝ｔａｎ−１（（−ｐ＋ｑ）／ｄ３）より算出されるのである。つまり相対位置関係の変動後でも、像から異種物質間境界１１、容器の外形形状２１を得ることができ、像から得られる頂点６２、６３、６４、６５、６６、６７と実際の容器の頂点の対応が明らかであれば、少なくとも被投光部に対する傾斜角計測が可能となる。これは投光部、被投光部、受光部三者の相対位置関係の校正などにも応用可能である。
【００１６】
（９） 前記処理部において、時間情報を伴う前記異種物質間の境界位置の情報より波動などの乱れを除去して、前記異種物質間境界の傾きより傾斜角の算出を行う（２）項ないし（３）、（４）、（５）、（６）、（７）、（８）項いずれかに記載の光学式傾斜角検出装置。（請求項５）
傾斜角の測定時において、前記容器中の異種物質間境界面に波動が残っている状態でも、傾斜角の算出を行うことができることから、迅速な傾斜角計測あるいは頻繁に傾斜角が変化する条件での傾斜角計測に有効である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
【００１８】
（実施形態１） 図１において示すように、直方体形状の透明な密閉容器１にアルコールと水の混合液体７と空気９を封入する。このとき直方体透明容器１の内部では、混合液体７と空気９の境界面が容器内で平面を成す様に封入する。この平面は重力方向に対して垂直を成す。直方体密閉容器１のある１つの側面に対して外側から電界発光装置５で垂直に光線を照射する。その光線を照射した面と対向する面の外側に、電荷結合素子の一次元アレイ３を配設する。２つの電荷結合素子の一次元アレイ３それぞれによって境界面の線１１の位置を検出し、その検出位置を結ぶ線分の傾きを算出することにより、図１の２で示す座標中のφ方向の傾斜角の算出を行う。この場合、液体と密閉容器の間の表面張力により境界線が２本になったり、フォーカスがぼやけた場合は太い線になるが、２本の線の中心を取ったり、太い線の中心を用いる。もちろん、２本の境界線の上または下の線を用いる、あるいはフォーカスがぼやけて太い線になった場合、線の上端または下端等を用いることが可能である。以下の実施例についても、必要な場合は同様の処理を行うことが可能である。なお傾斜角の計測にあたり、被投光部を構成する容器の形状とその容器内部に収容する物質の量など幾何学的な条件を考慮に入れる、あるいは容器内部の物質の光透過率、光屈折率など光学的な性質を考慮に入れれば、ある傾斜角度値とその傾斜角度値に対して１８０度の差異のある傾斜角度との区別が可能である。これは以下の実施形態についても同様である。
【００１９】
（実施形態２） 図２において、直方体形状の透明な密閉容器１にアルコールと水の混合液体７と空気９を封入し、容器１の内部では混合液体７と空気９の境界面が容器内で平面を成すようにする。この平面は重力方向に対して垂直である。電界発光装置５で透明容器の１つの側面に対して外側より垂直に投光を行い、その面に対向する側面に電荷結合素子の二次元アレイ１７を外側に配置する。電界発光装置５と電荷結合素子の二次元アレイ１７は対向する形となる。
ここで透明容器側面のうち、電荷結合素子の二次元アレイ１７が配置されている側面の内壁におけるアルコール液体７と空気９の境界面の位置１１の一部を、電荷結合素子の二次元アレイ１７により検出する。透明または半透明の直方体密閉容器１中のアルコール液体７と空気９の境界位置１１の部分の付近の光量分布を検出し、サブピクセル精度でアルコール液体７と空気９の境界位置１１の部分を算出する。その算出した境界位置に対して直線近似をおこない、その直線の傾きより図２の２で示した座標のφ方向傾斜角の算出を行う。
【００２０】
（実施形態３） 図３に示すように、透明または半透明の直方体形状密閉容器１にアルコールと水の混合液体７と空気９を封入し、容器内部でアルコール液体７と空気９の境界面１１が容器内で平面を成す構造とする。その直方体容器のある１つの側面に対して外側より電界発光装置５で平行光線を垂直に照射する。その電界発光装置５に対して直方体透明容器１をはさみ対向する位置にカメラ１９を配設する。カメラ１９は二次元撮像素子アレイを備え、二次元画像の撮像が可能であるものである。
直方体透明容器１の側面の形状と直方体中に封入した混合液体７と空気９の境界面のうち、容器内壁における境界位置１１およびその付近を、カメラ１９により検出する。このとき合焦位置を変化させることにより、カメラ１９から近い面における境界位置３２と、カメラ１９から遠い面における境界位置３３を得る事ができる。カメラによって焦点を合わせた透明容器側面について、その側面の内壁におけるアルコールと水の混合液体７と空気９の境界面位置３２または３３付近の光量分布を、カメラ１９により検出する。その検出した光量分布より前記境界位置３２または３３を算出する。そして算出された境界位置３２または３３に対して直線近似を行い、その直線の傾きより図３の２で示す座標のφ方向傾斜角の算出を行う。また近い面における直線の高さと遠い面における直線の高さの差を用いることにより、図３の２で示す座標のθ方向傾斜角の算出も可能である。カメラ１９を利用することにより容器の形状を得ることが可能である。したがって傾斜角測定時において、透明または半透明の直方体密閉容器１とカメラ１９の相対位置関係の校正を行うことが可能である。
【００２１】
（実施形態４） 図４で示すように、透明または半透明の直角三角柱形状密閉容器２３にアルコールと水の混合液体７と空気９を封入し、容器内部で混合液体と空気の境界面が容器内で平面を成す構造とする。その透明または半透明の直角三角柱形状密閉容器２３の直角をなす２つの側面を見渡すことのできる位置にカメラ１９を配設する。このカメラ１９に対して直角三角柱形状透明容器２３をはさみ対向する位置に電界発光装置５を配設し、これをもって平行光線を直角三角柱形状密閉容器２３に照射する。その電界発光装置にカメラ１９は二次元撮像素子アレイを備え、二次元画像の撮像が可能であるものである。このときすなわちカメラ１９は、直角三角柱形状容器２３の側面のうち直角を成す２面を撮像可能な位置にある。
図５に示すようにカメラ１９によって、直角三角柱密閉容器の側面のうち近い方の面の形状と、直角三角柱容器中に封入したアルコール液体７と空気９の境界面のうち容器内壁における境界位置１１を検出する。その結果、図５における直角三角柱形状容器の容器内壁におけるアルコール液体７と空気９の境界位置１１と交差する形となる三辺の各々について、底面から境界位置までの距離９７、９８、９９と、上面から境界位置までの距離９４、９５、９６の長さの比を検出することができる。なお図５においては上側に空気が、下側には液体が存在する場合を示す。容器の形状が既知であるので、検出した各々の面について境界線１１と容器側面の形状より境界線１１の傾斜角を算出することが可能である。
【００２２】
（実施形態５） 図６で示すように、三角錐形状の透明な密閉容器２９に、アルコールと水の混合液体７と空気９を封入し、容器内部で混合液体７と空気９の境界面１１が、容器内で平面を成す構造とする。その三角錐形状容器２９の底面に対して、外側より垂直に電界発光装置５で光線を照射する。その底面を除く３つの側面に電荷結合素子の一次元アレイ３を各々一つずつ配置する。電荷結合素子の一次元アレイ３すべてにおいて、混合液体７と空気９の境界位置１１が検出される位置にあるとき、混合溶液７と空気９の境界位置のうち同一直線上にない３点がサブピクセル精度で検出され、図６の２で示した座標のφ、θ方向の傾斜角の算出が可能である。
【００２３】
（実施形態６） 図７に示す透明または半透明の三角錐密閉容器２９に、アルコールと水の混合液体７と空気９を封入する。前記三角錐密閉容器２９の内部では、混合液体７と空気９の境界面が容器内で平面を成している。この平面は重力方向に対して垂直である。前記三角錐密閉容器２９に対して、底面外側から電界発光装置５で投光する。その電界発光装置５に対して、三角錘形状容器２９をはさみ対向する位置にカメラ１９を配設する。カメラ１９は二次元撮像素子アレイを備え、二次元画像の撮像が可能であるものである。このときカメラ１９は三角錐形状透明容器２９の側面３面を見渡す位置にある。カメラ１９と電界発光装置５と三角錐形状透明容器２９の相対位置関係は固定されている。傾斜角計測時においては、カメラ１９と電界発光装置と容器の相対位置関係と、三角錐形状透明容器２９の形状は既知である。容器内壁において生成される混合液体と空気の境界面の位置１１を、カメラ１９によってサブピクセル精度で検出し、その検出位置に対して直線近似をおこなう。三角錐形状容器２９の形状は既知であるので、その直線は図８の三角錘形状容器の外形輪郭７０との相対位置関係から三次元位置が算出される。したがって図７の２で示した座標のφ、θ方向の傾斜角の算出が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態を示す構成図
【図２】第２の実施形態を示す構成図
【図３】第３の実施形態を示す構成図
【図４】第４の実施形態を示す構成図
【図５】第４の実施形態においてカメラにより撮像された像
【図６】第５の実施形態を示す構成図
【図７】第６の実施形態を示す構成図
【図８】第６の実施形態においてカメラにより撮像された像
【図９】２方向の傾斜角が測定可能な機器構成を説明するための図
【図１０】ある座標における面と傾斜角の関係を示す図
【図１１】不透明な液体を用いた光学式傾斜角検出装置の一例
【図１２】図１１で示す光学式傾斜角検出装置の傾斜角計測の例
【図１３】図１１で示す光学式傾斜角検出装置の傾斜角計測の例
【図１４】図１２、図１３における一次元イメージセンサの出力例
【図１５】図１１で示す光学式傾斜角検出装置の傾斜角計測の例
【図１６】図１５における一次元イメージセンサの出力例
【図１７】本発明の構成の一例
【図１８】図１７で示す光学式傾斜角検出装置の傾斜角計測の例
【図１９】図１７で示す光学式傾斜角検出装置の傾斜角計測の例
【図２０】図１７で示す光学式傾斜角検出装置の傾斜角計測の例
【図２１】本発明の構成の一例
【図２２】本発明の構成の一例
【図２３】本発明の構成の一例
【図２４】不透明な液体を用いた光学式傾斜角検出装置の一例
【図２５】不透明な液体を用いた光学式傾斜角検出装置の一例
【図２６】図１７で示す光学式傾斜角検出装置の傾斜角計測の例
【図２７】図２６における一次元光電変換素子アレイの出力例
【符号の簡単な説明】
１ 直方体形状の透明密閉容器
２ 説明のために設定した座標軸
３ 電荷結合素子の一次元アレイ
５ 電界発光装置
６ 透明または半透明の溶液
７ アルコールと水の混合液体
９ 空気
１１ 密閉容器内壁で形成する混合液体と空気の境界面の線
１３ 電荷結合素子の一次元アレイによって検出された混合液体と空気の境界線の位置の一つ
１４ 電荷結合素子の一次元アレイによって検出された混合液体と空気の境界線の位置の一つ
１５ 電荷結合素子の一次元アレイによって検出された混合液体と空気の境界線の位置の一つ
１６ 電荷結合素子の取り付け角度
１７ 電荷結合素子の二次元アレイ
１９ 電荷結合素子の二次元アレイを備えたカメラ
２１ 透明密閉容器の外形輪郭
２３ 直角三角柱形状の透明密閉容器
２９ 三角錐形状の透明密閉容器
３２ カメラから近い面における境界位置
３３ カメラから遠い面における境界位置
３４ ａｘ＋ｂｙ＋ｃｚ＝ｄで表される面
３５ 説明のための点位置の一つ
３６ 説明のための点位置の一つ
３７ 説明のための点位置の一つ
３８ 説明のための点位置の一つ
３９ 各辺が図の２で示す座標の座標軸に平行である、説明のために設けた仮想的な直方体
４０ ｘ軸の切片ａ’
４１ ｙ軸の切片ｂ’
４２ ｚ軸の切片ｃ’
４３ 原点
４４ 面
４５ 一次元イメージセンサ
４６ 一次元イメージセンサ
４８ 連通管
４９ 不透明な液体
５０ 面光源
５１ 面光源から照射された光線
５２ 面光源から照射された光線
５３ 面光源から照射された光線
５４ 面光源から照射された光線
５５ 面光源から照射された光線
５６ 面光源から照射された光線
５７ 面光源から照射された光線
５８ 面光源から照射された光線
５９ 面光源から照射された光線
６０ 面光源から照射された光線
６１ 一次元イメージセンサの中心間距離
６２ 三角柱形状の透明容器の頂点の一つ
６３ 三角柱形状の透明容器の頂点の一つ
６４ 三角柱形状の透明容器の頂点の一つ
６５ 三角柱形状の透明容器の頂点の一つ
６６ 三角柱形状の透明容器の頂点の一つ
６７ 三角柱形状の透明容器の頂点の一つ
６８ 一次元イメージセンサによって検出された境界位置
６９ 一次元イメージセンサによって検出された境界位置
７０ 透明容器の外形輪郭の像
７１ 容器内壁で形成される混合液体と空気の境界面の線の像
７３ 一次元光電変換素子アレイによる検出境界位置
７５ 一次元光電変換素子アレイ
７６ 一次元光電変換素子アレイ
７７ 一次元光電変換素子アレイ７５によって検出された境界位置
７８ 一次元光電変換素子アレイ７６によって検出された境界位置
７９ 傾斜角θｙ
８０ 傾斜角θｘ
８１ 一次元光電変換素子アレイの中心間距離
８２ 面光源から照射された光線
８３ 面光源から照射された光線
８４ 面光源から照射された光線
８５ カメラ
８６ レンズ
８７ 一次元光変換電素子アレイ
８８ 一次元光電変換素子アレイに近い面における境界位置
８９ 一次元光電変換素子アレイから遠い面における境界位置
９１ 一次元光電変換素子アレイに近い面における底面から境界までの距離
９２ 一次元光電変換素子アレイから遠い面における底面から境界までの距離
９４ ある一辺における空気が占める長さｓ
９５ ある一辺における空気が占める長さｔ
９６ ある一辺における空気が占める長さｕ
９７ ある一辺における混合液体が占める長さｐ
９８ ある一辺における混合液体が占める長さｑ
９９ ある一辺における混合液体が占める長さｒ
１００ 角度φ
１０１ 角度θ
１０２ 角度θｘ
１０３ 角度θｙ
１０５ 垂線−θｘ
１０６ 角度−θｙ
１０７ 容器内壁で形成される透明または半透明の液体と空気の境界面の線
１０８ 移動後の容器内壁で形成される透明または半透明の液体と空気の境界面の線
１０９ 境界面の移動距離
１１０ 境界面の移動距離
１１１ 透明または半透明の容器
１１２ 投光部
１１４ 一次元イメージセンサ６８で検出した境界位置と一次元イメージセンサ６９で検出した境界位置のｚ方向の距離
１１５ 一次元光電変換素子アレイ７５で検出した境界位置と、一次元光電変換素子アレイ７６で検出した境界位置のｚ方向の距離
１１６ 容器のある一辺の長さ
【発明の属する技術分野】本発明は、光学式傾斜角検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】特開昭６０−１８３５１６において明細書２頁左段上から１０行目に明記されているように、光源と一次元イメージセンサを連通管を挟んで対向させた構造の傾斜角検出装置が開示されている。連通管内には不透明な流体が封入されている。しかしながら封入された流体として不透明な液体を用いた場合には、傾斜方向が判らないこと、および傾斜角検出装置の出力に時間遅れが生じると言う２つの欠点が挙げられる。以下は不透明な流体として不透明な液体を採用し、同時に連通管に空気も封入しているとして説明する。
【０００３】
まず、図１０に３次元の座標系および角度を定義する。それぞれｘ、ｙおよびｚ軸において、それぞれ４０で示すａ’、４１で示すｂ’、４２で示すｃ’の切片を有する面４４に対し、原点４３から面４４への垂線１０４とｘｙ平面がなす角度１０１をθとする。θのｘ軸成分を＋θｘ、ｙ軸成分を＋θｙと定義する。図１１に特開昭６０−１８３５１６に開示された装置の概念図を示す。図１１の２で示した座標と角度θ、＋θｘ、＋θｙの関係は、図１０で示した通りとする。図１１において一次元イメージセンサ４５および４６の間の距離６１をｄ１、一次元イメージセンサの位置における空気９と不透明な液体４９との境界位置６８および６９間のｚ軸方向の距離１１４をｄ２とすれば、θｙ方向の傾斜角は、ｔａｎ−１（ｄ２／ｄ１）より求めることができる。図１１で−θｘ方向に傾斜したとする。この様子を図１２に示す。面光源５０から出た光線のうち光線５２より下方の光は、不透明液体４９により遮蔽され、一次元イメージセンサ４５に到達しない。したがって、一次元イメージセンサ４５上の光に照射されたピクセルの出力を“１”、照射されないピクセル部分の出力を“０”とすれば、図１２における光線５２より下のピクセルの出力は“０”となり、一方、光線５２以上のピクセルの出力は“１”となる。この一次元イメージセンサの出力の様子を図１４（ａ）に示す。つぎに、図１１の傾斜角検出装置が＋θｘ方向に傾斜したとする。この様子を図１３に示す。この場合は−θｘ方向に傾斜した図１２の場合と同様に、図１３において光線５２より下方の光は不透明液体４９により遮蔽されるため、光線５２より下方のピクセルの出力は“０”、光線５２以上のピクセル出力は“１”となる。この場合のピクセル出力の様子を図１４（ｂ）に示す。図１４（ａ）および図１４（ｂ）において縦軸は、一次元ラインセンサ４５のピクセルを上方から数えた場合の位置番号である。横軸は各ピクセルの出力であり“１”もしくは“０”である。図１４（ａ）と図１４（ｂ）を比較すると、特開昭６０−１８３５１６に開示されている傾斜角検出装置が、＋θｘ方向および−θｘ方向に同じだけ傾斜した場合、一次元イメージセンサ４５の出力はいずれも全く同一となり、傾斜方向の違いが判別できない事がわかる。
【０００４】
つぎに、特開昭６０−１８３５１６に開示された傾斜角検出装置の出力の時間遅れの発生について説明する。検出装置が図１３に示す状態、すなわち＋θｘ方向に傾いた状態から、＋θｘ方向に０の角度状態に変化したとする。この場合は、非常に薄い不透明液体の膜が連通管の壁面に残存し、光源からの光線を遮る。壁面に残存した不透明液体は、時間とともに下方へ流れついには消失する。これが前記時間遅れの原因である。図１６において（ａ）は＋θｘ方向に傾いている状態の一次元イメージセンサ４５の出力を表わす。図１５（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は＋θｘ方向の傾きが０の状態で、時間経過とともに液体の状態が変化する様子を示す。図１６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ、図１５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の状態における出力である。図１５（ｂ）は角度が＋θｘ方向に傾いた状態から０の状態に移って時間経過が少ない状態を表す。連通管の内面に薄い不透明な膜が残存し、その膜により著しく光線がさえぎられ、同じ水平状態でも図１６（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）で示すように経過に伴い出力が異なる。図１５（ｄ）のとき算出される傾斜角の値が望まれる測定値であるため、前述の膜が残存するときにおいて、精度の良い傾斜角測定が不可能であり、図１５（ｄ）の状態まで待たねばならない。すなわち傾斜角の変化によっては精度の良い傾斜角の測定に時間を要する場合が生ずる。
【０００５】
簡易型の傾斜角検出装置として気泡管を利用したものが多く実用されている。液体と気泡を封入した上部の形状が凸面または凹面になっている気泡管は、その傾斜角によって内部に有する気泡が中心より偏移する。特公平６−４８１９４に記載の傾斜角検出装置では、上方または下方より光線を照射し、光源から気泡管を挟みその対面において受光素子を配置し、気泡管より透過、屈折した光を受光素子で受ける。受光素子で受光量を電子信号に変換し、計算によりその電子信号から気泡管中の気泡偏移情報を得て、重力方向に対する傾斜角を知ることが出来る。特開平７−１４６１４２に記載の傾斜角検出装置では、気泡管中の液体に電解液を利用する。傾斜角にしたがって気泡位置が偏移するが、このとき気泡位置の偏移は電極に接触している気泡と電解液の割合の変化を引き起こし、電極間のインピーダンスを変化させる。このインピーダンスを検出することにより傾斜角の算出を行っている。しかし気泡管を利用したものは、温度の変化が引き起こす液体に封入した気泡の膨張収縮とにより誤差が生ずる。特公平６−４８１９４に記載されている傾斜角検出装置でいえば、気泡の大きさが変化することにより受光素子上での気泡影の面積が変化し、したがって受光素子からの電子信号が変化する。また特開平７−１４６１４２に記載されている傾斜角検出装置では、電極に接触する気泡の面積が大きくなれば電極間のインピーダンスが変化する。
【０００６】
特願平８−５９１８６などに見られるように、傾斜角検出装置として密閉容器に電解液を満たしておき、複数の電極間の傾斜角をインピーダンスの変化により傾斜を検出する方式が存在する。この形式の傾斜角検出装置の持つ欠点としては、電解液の劣化により検出装置の使用期間が限定されることが挙げられる。この形式の傾斜角検出装置に関連する特許には、電解液の長寿命化に関するものもいくつか開示されている。たとえば特願平７−１４６１４２では電解液に接触する電極の面積を大きくし、電解液中に流れる電流密度を小さく抑えることにより電気分解の量を減少させている。しかしいずれにしてもこの方式は電気分解などによる電解液の劣化が発生し、検出装置の使用期間を限定してしまう。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題、課題解決手段、及び効果】
本発明は以上の事情を背景とし、傾斜角測定装置の測定精度の向上、測定に要する時間の短縮、および測定精度が温度の影響を受けない様にすることの少なくとも一つを達成することを目的としたものであり、下記各態様の光学式傾斜角検出装置が得られる。各態様は請求項と同様に、項に区分し各項に（１）から（９）までの番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これはあくまでも本発明の理解を容易にするためであり、本発明最初に記載の技術的特徴およびそれらの組み合わせが、以下の各項に記載のものに限定されると解釈されるべきではない。また１つの項に複数の事項が記載されている場合、それら複数の事項を常に一緒に採用しなければならないわけではなく、また一部の事項のみを取り出して採用することも可能である。
【０００８】
（１） ２種類以上の物質を収容した容器を含む被投光部と、その被投光部へ投光する投光部と、投光部より被投光部に投光され被投光部にて光学的影響を受けた光を含む光を受け、それを電子信号に変換し出力する受光部と、受光部からの電子信号を入力し、その電子信号に基づいて傾斜角の計算を行う処理部を含む構成の装置であり、容器中の物質の位置状態より被投光部の重力方向に対する傾斜角を検出する光学式傾斜角検出装置。
傾斜角検出を光学的に行う利点として長期間に渡り使用しても被投光部、受光部の特性劣化の度合いが極めて小さい点が挙げられる。
【０００９】
（２） 前記処理部が前記被投光部を構成する容器中に収容されている物質の位置情報のうち、異なる種類の物質間で形成される境界位置の全体もしくは部分を、前記受光部にて検出し前記処理部にて重力方向に対する傾斜角を算出するものである（１）項に記載の光学式傾斜角検出装置。この光学式傾斜角検出装置の被投光部を構成する容器については、密閉であってもなくてもよい。被投光部を構成する密閉容器に２種類以上の物質を収容すると、その物質間で境界面を形成し、その境界面が重力の影響によってその位置が変化し、その境界面の位置の全体または部分を受光部で検出することが可能であれば、容器内の物質が気体、液体、固体どの状態であるものでも可能である。
光学式傾斜角検出装置の構成要素として投光部、被投光部、受光部、処理部の他に、傾斜角の検出特性の向上の目的において、投光部より発せられた光、或いは被投光部において光学的影響を受けた光の性質を限定あるいは変化させるフィルタ、反射板、スリット、レンズ、遮蔽板などを配設することは可能である。このときフィルタ、反射板、スリット、レンズ、遮蔽板などの配設する位置は、受光部から被投光部までの光路中、被投光部から受光部までの光路中、あるいは被投光部の内部とすることが可能である。
被投光部を構成する容器中の異種物質間境界の情報により傾斜角を導き出す利点として、高精度な光学式傾斜角検出装置の実現が安価で容易であることが挙げられる。
【００１０】
（３） 前記容器に収容された物質が、透明または半透明の液体と透明または半透明の気体であるか、もしくは複数種類の透明または半透明の液体であり、その容器中に形成される異種物質間境界面の位置の全体もしくは部分を受光部にて検出し、処理部にて傾斜角の算出を行う（２）項に記載の光学式傾斜角検出装置。特開昭６０−１８３５１６において、容器に透明な気体と不透明な液体を入れ、それらに光線を照射し、密閉容器およびその内部の気体および液体を透過した光線を一次元イメージセンサにより検出し、その光線が有する密閉容器中の液面の情報より傾斜角検出を行う傾斜角検出装置が開示されている。
前記容器中に収容する物質に不透明な物質を用いると、不透明な物質自体が境界の情報を隠蔽することとなる場合が起きる。つまり受光部への光路が限定されるために検出し得る傾斜角の範囲が限定され、あるいは被投光部を構成する容器の形状や投光部、被投光部、受光部の相対位置関係などが限定されてしまうことになる。
例えば図７において三角錐の形状をした透明または半透明の密閉容器２９と、その容器２９に透明または半透明液体としてアルコールと水の混合液体７と空気９を収容した被投光部に、その容器に投光する投光部としての電界発光装置５から光線を照射し、被投光部を挟んで投光部と対向させた受光部として電荷結合素子の二次元アレイを備えたカメラ１９により、被投光部を構成する容器の側面に形成した液体と空気の境界１１の位置を検出する傾斜角検出装置において、透明または半透明溶液の代わりに不透明な液体を用いることは適当でない。なぜなら、図７のカメラ１９によって得られる被投光部の像の一例である図８における前記異種物質間の境界位置１１が図８に示すような状態にあるとき、前記液体が不透明な溶液の場合には、前記異種物質間の境界位置１１は得ることが出来ないからである。しかし図７と図８に例を示したとおり、容器中に収容する物質に透明または半透明の溶液と透明または半透明の気体を用い、容器形状が既知であるとすれば、例えば三角錐形状容器２９の各々の辺において、空気が占める長さ９４、９５、９６と、液体が占める長さ９７、９８、９９の比によって、少なくとも同一直線状に無い３点の三次元位置が特定されるので、図７に示す座標２の傾斜角θ、φ両方の算出が可能である。
また、例えば図２４と図２５は、前記被投光部として直方体の透明容器に不透明液体と空気を封入し、側面における境界線の検出をカメラによって行うものであるが、図２４の状態と図２５の状態を区別することが困難である。これは本願明細書の「従来の技術」の「０００３」の項で説明した理由による。一方、図２２、図２３で示すように前記被投光部として、直方体の透明容器に透明または半透明の液体と透明または半透明の気体として空気を封入し、側面における境界位置８８、８９の検出をカメラ８５で行うとき、カメラ８５の合焦位置を変化させることにより、カメラ１９に近い面における境界位置８８と遠い面における境界位置８９を得る事が可能であり、各々の境界線を区別することが可能である。また、近い面と遠い面両方における境界位置の検出とその区別は、図２１のように被投光部と受光部の光路中に結像用のレンズを備えることでも可能であるし、また図１８と図１９のように結像用のレンズを備えていない場合、センサから近い面における境界位置における光量分布のコントラストが、遠い面におけるコントラストよりも大きいため、近い面における境界位置のみの検出が可能である。
この２つの面に生ずる境界線の相互の幅を測定することにより、面に垂直な方向の傾斜を求めることができる。例えば図１８において９１で示す境界線の高さをｐとし、９２で示す境界線の高さをｑとする。また図１８の１１６で示す容器の一辺の長さをｃとする。このとき一次元光電変換素子７５にてｐ、ｑが測定されると、図１８の座標２のθｘ方向の傾斜角は、
ｔａｎ−１（（ｐ−ｑ）／ｃ）より算出することができる。図１８の座標２とθｘの関係は図１０に示すとおりである。
つまり前記容器に収容する物質を透明または半透明の物質にすることによって、より多くの前記異種物質間境界の情報を得ることができる。
また、前記容器に収容する物質に不透明液体を用いる場合、欠点の一つとして応答時間が遅いことが挙げられる。これは密閉容器内部の液面が下がったとき、不透明な液体が密閉容器の壁面に残り、正しい液面位置まで液体が移動するまで待たねばならず、その結果、被投光部の異種物質間境界位置の検出に長時間必要である事が挙げられる。これは本願明細書の「従来の技術」の「０００４」の項で述べたとおりである。
この応答時間の問題を解決するためには、被投光部を構成する容器中に収容する液体を透明、または半透明にすることが有効である。このことにより密閉容器の壁面に残ったわずかな液体の為に著しく光線が遮断され、あるいは、屈折させられることはなくなり、現在の液面より高い位置の壁面に残った微量の液体が原因となって光線がさえぎられ、実際の液面より高い位置を検出することが無いからである。したがって、傾斜角の変動により液面位置が下がった場合でも、壁面に残った微量な液体が現在の液面まで降りてくるまで待つ必要がなくなり、計測に必要な時間が短縮される。図を用いて説明すると、図１７のように投光部１１２として面光源を含み、被投光部として透明または半透明の液体６と透明または半透明の気体として空気９を収容した透明または半透明の直方体容器１１１を含み、受光部として一次元光電変換素子アレイ７５、７６を含み、被投光部をはさみ、受光部と被投光部を対向する形で配設されている構成の傾斜角検出装置を考える。ここで図１７の２で示す座標と傾斜角θｘ、θｙの関係は、図１０に示した通りとする。受光部７５、７６によって、容器内壁の受光部に近い面における異種物質間の境界面１０７の境界位置７７、７８をそれぞれ検出する。ここで異種物質間の境界位置７７、７８の容器底面からの高さをそれぞれａ、ｂとし、一次元光電変換素子アレイ７５、７６の中心間距離をｃとする。検出したその異種物質間の境界位置の高さと、一次元光電変換素子アレイの中心間距離によってθｙは、
ｔａｎ−１（（ａ−ｂ）／ｃ）から求められる。ここでこの機器構成において図１９に示す状態、すなわち＋ｘ方向に＋θｘ傾いた状態から、図２０に示す状態、すなわち＋ｘ方向に０の状態に変化したとする。この場合、図２６（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）において示すように、透明または半透明の液体の膜が容器の壁面に残存し、時間とともに下方へ流れついには消失する。図２７の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ、図２６の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の状態のときの、図２６の一次元光電変換素子アレイ８７の出力を示している。この膜が残存する状態、すなわち図２６の（ｂ）、（ｃ）の状態においても、光量分布から図２６（ｂ）、（ｃ）の７３で示した境界位置の検出が可能であり、したがって図２６（ｄ）の状態となるまで待つことなくθｘ方向の傾斜角の算出は可能である。
【００１１】
（４） 前記容器に収容された２つの物質の境界が、重力方向に垂直な平面あるいは平面形状部分を含む形状となる構造の前記被投光部を含み、前記容器中の前記異種物質間境界面の方向に基づいて傾斜角の算出を行うものである（２）項に記載の光学式傾斜角検出装置。（請求項１）
この項を含むいかなる項の記述においても、前記異種物質間境界の形状を平面と記述した場合、前記異種物質間境界の前記容器の内壁と接する部分が、表面張力などにより平面から僅かに外れる場合もあるが、その場合も境界が平面を成すものと見なすものとする。
この場合、通常表面張力により境界線が上下２本現れる。こうしたときは上下２本の境界線の中間位置を境界とする等の処理を行う。また、その線の像がフォーカスの影響で太い線になることもある。この場合はその線の中心を採用する、或いは線の上端、下端等を使用することもある。
光学式傾斜角検出装置として気泡管を利用したものが多く実用されている。液体と気泡を封入し、上部の形状が凸面または凹面になっている気泡管は、その傾斜角に応じて内部に有する気泡が中心より偏移する。特公平６−４８１９４では、上方または下方の光源より光線を照射し、気泡管を間に挟んで光源と対向する受光素子に、気泡管より透過し屈折させられた光を受けさせる。受光素子で受光量を電子信号に変換し、計算によりその電子信号から気泡管中の気泡偏移情報を得て、重力方向に対する傾斜角を知ることが出来る。特開平７−１４６１４２では気泡管中の液体を電解液とし、気泡管中の気泡の偏移が、電極に接触している気泡と電解液の割合に対応した電極間のインピーダンス変化として現れるので、この情報より傾斜角の算出を行っている。しかし気泡管を利用したものは、温度の変化により液体に囲まれた気泡が膨張収縮することにより誤差が生ずる。
本発明においては、被投光部を形成する容器に封入する２つの物質で形成する境界面の傾きより傾斜角を算出するので、温度変化などにより物質境界面の位置が変化しても誤差要因とならない。
一例をあげて説明すると、図１７において傾斜角度が同じ状態において、１０８で示す異種物質間境界位置を、物質の膨張収縮により１０７で示す異種物質間境界位置から変化した後の境界面とする。一次元光電変換素子アレイ７５、７６におけるこの異種物質間境界位置の移動距離は同じ値αとなる。ここで７５、７６で検出される移動前の１０７で示す異種物質間境界位置の容器底面からの高さをそれぞれｅ、ｆとする。一次元光電変換素子アレイ７５、７６の中心間距離８１をｇとする。膨張収縮によって移動した状態で傾斜角を算出してもθｙ方向の傾斜角は、
ｔａｎ−１（（ｅ＋α−ｆ−α）／ｇ）
＝ｔａｎ−１（（ｅ−ｆ）／ｇ）より、移動前と同じ値ｔａｎ−１（（ｅ−ｆ）／ｇ）が得られることになる。
被投光部を構成する容器中の異なる種類の物質間の境界位置情報により傾斜角を検出する場合で、被投光部を構成する容器中の異なる物質間の境界が、重力方向に対して垂直な平面に近い形状、あるいは重力方向に対して垂直な平面に近い形状の部分を含み、その重力方向に対して垂直な平面に近い形状から傾斜角の検出を行う場合、平行でない２線分、または１つの線分とその線分を含む直線上にない１点、または同一直線上にない３点を検出することにより２方向の傾斜角を知ることができる。
たとえば図を用いて説明すると、図９の面３４上の３点を検出して面３４の傾斜角を求める場合、点３５の位置、点３６の位置、点３７の位置を検出すればφ方向、θ方向の傾斜角が算出可能となる。ここでφ方向とはｚ軸周りの傾斜角で、θ方向とはｘ軸周りの傾斜角である。点３６の位置、点３７の位置、点３８の位置を検出するのみでは、φ方向の傾斜角算出可能でθ方向の傾斜角の算出が不可能である。図９の平面３４上の１つの線分位置と１つの点位置を検出し、平面３４の傾斜角を求める場合、点３６と点３７を結ぶ線分位置と、点３５の位置を検出すればφ方向、θ方向の傾斜角が算出可能となる。また、例えば点３６と点３７を結ぶ線分位置と点３８の位置を検出するとき、φ方向のみの傾斜角が算出可能であり、θ方向の傾斜角算出は不可能である。図９の平面３４上の２つの線分位置を検出し、平面３４の傾斜角を求める場合、例えば点３５と点３６を結ぶ線分位置と、点３６と点３７を結ぶ線分位置を検出すれば、φ方向、θ方向の傾斜角が算出可能となる。また、例えば点３６と点３７を結ぶ線分位置と、点３７と点３８を結ぶ線分位置のみの検出であれば、φ方向の傾斜角が算出可能であり、θ方向の傾斜角算出は不可能である。一般的に言えば、少なくともある１つの平面上の平行でない２線分、または１つの線分とその線分を含む直線上にない１点、または一直線上にない３点が得られれば、その平面を表す式ａｘ＋ｂｙ＋ｃｚ＝ｄが求められる。そしてその式が求められれば図９における傾斜角φ、θは、
φ＝ｔａｎ−１（−ａ／ｂ）、
θ＝ｔａｎ−１（−ｃ／ｂ）より求められる。
以上の例からも見られるように、平行でない２線分、または１つの線分とその線分を含む直線上にない１点、または一直線上にない３点を含む情報が得られるように、この項を含む以下の項を組み合わせることにより独立２方向の傾斜角の検出が可能となる。
【００１２】
（５） 前記受光部が光電変換素子の一次元アレイを含み、その受光部により前記境界面の位置を２点以上の位置で検出し、前記処理部がそれら２点以上の位置の相対位置関係より前記平面状の境界面の傾斜角を算出するものである（４）項に記載の光学式傾斜角検出装置。（請求項２）
本項記載の光学式傾斜角検出装置の利点として、前記異種物質間境界のうち重力に対して垂直な平面をなす部分の位置を２点以上検出し、その点間を結んだ線分の傾斜を算出することにより傾斜角を求める為、温度変化などによる物質の膨張収縮に伴う、前記容器中に収容した物質の体積比変化を原因とする液面の高さの変化が、検出精度に影響することはない。
前記容器に収容される物質が、透明または半透明の気体と透明または半透明液体の組み合わせであるか、もしくは複数種類の透明または半透明の液体の組み合わせであるので、光電変換素子の一次元アレイにより、前記容器内壁における前記異種物質間の境界面位置付近の光量分布を得ることが可能で、この光量分布より前記異種物質間の境界面位置の検出が光電変換素子アレイのサブピクセル精度で可能であり、高精度な傾斜角検出が可能となる。また光電変換素子の一次元アレイは、小型軽量であることも大きな利点で、小型で高精度な傾斜角検出装置の実現に寄与するものである。
また、本項記載の装置において、前記異種物質間境界のうち重力方向に垂直な平面をなす部分の同一直線上にない３点位置が検出された場合、前記異種物質間境界のうち重力方向に垂直な平面をなす部分の位置を特定することが出来る。したがって２方向の傾斜角を検出することが可能となる。
【００１３】
（６） 前記受光部が光電変換素子の二次元アレイを含み、その受光部により前記異種物質間境界平面の位置の全体または部分を検出し、その境界平面位置より傾斜角を算出する（３）項ないし（４）項いずれかに記載の光学式傾斜角検出装置。
従来、気泡管中の気泡位置あるいは凹型容器中の球形振り子位置を検出することにより、傾斜角を算出する傾斜角検出装置において、４つの光電変換素子を平面状に田の字形に配置した光電変換素子二次元アレイを用い、その４つの光電変換素子からの信号を比較し、光量の比較をすることによって傾斜角の検出を行う形式の傾斜角検出装置が知られている。この形式の場合、４つの光電変換素子間における光電変換特性のばらつきや経年変化が誤差原因となる。すなわち、同じ光量でも変換した信号に差が生じ、この信号の差が傾斜角検出の誤差になるのであり、光電変換素子の光電変換特性校正の重要性が高くなる。この光電変換素子一つずつに校正用の光源をつけ、光電変換特性の校正を容易にしたものも存在するが、光源自体もばらつきがあるため問題を完全に解決し得るわけではない。本発明においては光電変換素子の二次元アレイは、被投光部中の物質間境界位置を検出するために用い、その物質間境界位置の傾斜により傾斜角の検出を行う。そのため、光電変換素子の変換特性における多少のばらつきや経年変化が誤差要因となることはない。前記容器に収容される物質が、透明または半透明の気体と透明または半透明液体の組み合わせであるか、もしくは複数種類の透明または半透明の液体の組み合わせであるので、光電変換素子の二次元アレイにより前記容器内壁における前記異種物質間の境界面位置付近の光量分布を得ることが可能で、この光量分布より前記異種物質間の境界面位置の検出が光電変換素子アレイのサブピクセル精度で可能であり、高精度な傾斜角検出が可能となる。
【００１４】
（７） 前記容器に収容された２つの物質の境界が重力方向に垂直な平面をなし、または重力方向に垂直な平面を含み、前記受光部が二次元の光電変換素子アレイを含み、前記処理部が前記平面と容器内面との境界位置の全体または部分を検出する。そしてその検出した境界位置に対し直線近似を行う。その検出した境界位置に対しての直線近似で得られた直線の傾きにより傾斜角を検出するものである（４）項記載の光学式傾斜角検出装置。（請求項３）
前記容器に収容される物質が、透明または半透明の気体と透明または半透明液体の組み合わせであるか、もしくは複数種類の透明または半透明の液体の組み合わせであるので、光電変換素子の二次元アレイにより前記容器内壁における前記異種物質間の境界位置付近の光量分布を得ることができる。この光量分布により異種物質間の境界位置を得ることが可能である。検出された前記容器内面における異種物質間境界位置に対して直線近似を行い、その直線の傾きより傾斜角の算出を行う。前記異種物質間境界位置の傾斜自体を計測するため、温度変化などによる物質の膨張収縮に伴う体積比変化による前記異種物質間境界位置の高さの変化が、傾斜角計測誤差を生じせしめることは無い。このことの原理的な説明は（４）項に記載した内容と同様である。
【００１５】
（８） 前記受光部において、前記被投光部を構成する前記容器の三次元形状の全体または部分と、前記異種物質間の三次元位置の全体または部分を検出し、その両者より傾斜角の算出を行う（２）、（３）、（４）、（５）、（６）、（７）項いずれかに記載の光学式傾斜角検出装置。（請求項４）
測定時における前記被投光部を構成する容器と境界面の相対位置関係を検出することになり、振動、衝撃などにより前記投光部、被投光部、受光部の相対位置関係の移動が生じても精度良く計測することが可能となる。したがって振動、衝撃などに対して頑強な傾斜角測定が可能である。
例えば図４を用いて説明する。投光部を構成する電界発光装置５、被投光部を構成する内部に透明または半透明の溶液と空気を収容した三角柱透明容器２３、そして受光部を構成するカメラ１９を含む構成の傾斜角検出装置を挙げる。投光部、被投光部、受光部の相対位置関係が固定されているとする。カメラ１９は二次元撮像素子を備え、被投光部の二次元像を撮像することが出来るものである。被投光部を構成する容器の形状は直角三角柱で、その３つの側面のうち同じ形の２つの側面は一辺がｄ３の正方形であり、測定時において形状は既知である。ここで受光部の投光部、被投光部に対する相対位置関係に変動が加わり、投光部、被投光部間の相対位置関係に変動が無いときを例として考える。
カメラ１９により得られる像から得られる異種物質間境界の位置のみより傾斜角を算出する場合、算出された傾斜角の値には誤差が当然含まれる。これに対してカメラ１９により容器の外形形状と異種物質間境界の双方の位置と形状を得ることにより、算出する傾斜角の値に含まれる誤差を小さくすることが出来る。例えば図５は、図４の傾斜角検出装置においてカメラ１９によって得られた被投光部の像である。図５に示す像によって、各頂点６２、６３、６４、６５、６６、６７からの異種物質間境界までの距離９４をｓ、９５をｔ、９６をｕ、９７をｐ、９８をｑ、９９をｒとする。このとき下方側に混合液体７、上方に空気９があるものとする。図５により、ｓとｐ、ｔとｑ、ｕとｒの比を得ることができ、一辺がｄ３であることとあわせてｓ、ｔ、ｕ、ｐ、ｑ、ｒが算出される。そして図５の２に示す座標のθ、φを、
θ＝ｔａｎ−１（（−ｒ＋ｑ）／ｄ３）、
φ＝ｔａｎ−１（（−ｐ＋ｑ）／ｄ３）より算出されるのである。つまり相対位置関係の変動後でも、像から異種物質間境界１１、容器の外形形状２１を得ることができ、像から得られる頂点６２、６３、６４、６５、６６、６７と実際の容器の頂点の対応が明らかであれば、少なくとも被投光部に対する傾斜角計測が可能となる。これは投光部、被投光部、受光部三者の相対位置関係の校正などにも応用可能である。
【００１６】
（９） 前記処理部において、時間情報を伴う前記異種物質間の境界位置の情報より波動などの乱れを除去して、前記異種物質間境界の傾きより傾斜角の算出を行う（２）項ないし（３）、（４）、（５）、（６）、（７）、（８）項いずれかに記載の光学式傾斜角検出装置。（請求項５）
傾斜角の測定時において、前記容器中の異種物質間境界面に波動が残っている状態でも、傾斜角の算出を行うことができることから、迅速な傾斜角計測あるいは頻繁に傾斜角が変化する条件での傾斜角計測に有効である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
【００１８】
（実施形態１） 図１において示すように、直方体形状の透明な密閉容器１にアルコールと水の混合液体７と空気９を封入する。このとき直方体透明容器１の内部では、混合液体７と空気９の境界面が容器内で平面を成す様に封入する。この平面は重力方向に対して垂直を成す。直方体密閉容器１のある１つの側面に対して外側から電界発光装置５で垂直に光線を照射する。その光線を照射した面と対向する面の外側に、電荷結合素子の一次元アレイ３を配設する。２つの電荷結合素子の一次元アレイ３それぞれによって境界面の線１１の位置を検出し、その検出位置を結ぶ線分の傾きを算出することにより、図１の２で示す座標中のφ方向の傾斜角の算出を行う。この場合、液体と密閉容器の間の表面張力により境界線が２本になったり、フォーカスがぼやけた場合は太い線になるが、２本の線の中心を取ったり、太い線の中心を用いる。もちろん、２本の境界線の上または下の線を用いる、あるいはフォーカスがぼやけて太い線になった場合、線の上端または下端等を用いることが可能である。以下の実施例についても、必要な場合は同様の処理を行うことが可能である。なお傾斜角の計測にあたり、被投光部を構成する容器の形状とその容器内部に収容する物質の量など幾何学的な条件を考慮に入れる、あるいは容器内部の物質の光透過率、光屈折率など光学的な性質を考慮に入れれば、ある傾斜角度値とその傾斜角度値に対して１８０度の差異のある傾斜角度との区別が可能である。これは以下の実施形態についても同様である。
【００１９】
（実施形態２） 図２において、直方体形状の透明な密閉容器１にアルコールと水の混合液体７と空気９を封入し、容器１の内部では混合液体７と空気９の境界面が容器内で平面を成すようにする。この平面は重力方向に対して垂直である。電界発光装置５で透明容器の１つの側面に対して外側より垂直に投光を行い、その面に対向する側面に電荷結合素子の二次元アレイ１７を外側に配置する。電界発光装置５と電荷結合素子の二次元アレイ１７は対向する形となる。
ここで透明容器側面のうち、電荷結合素子の二次元アレイ１７が配置されている側面の内壁におけるアルコール液体７と空気９の境界面の位置１１の一部を、電荷結合素子の二次元アレイ１７により検出する。透明または半透明の直方体密閉容器１中のアルコール液体７と空気９の境界位置１１の部分の付近の光量分布を検出し、サブピクセル精度でアルコール液体７と空気９の境界位置１１の部分を算出する。その算出した境界位置に対して直線近似をおこない、その直線の傾きより図２の２で示した座標のφ方向傾斜角の算出を行う。
【００２０】
（実施形態３） 図３に示すように、透明または半透明の直方体形状密閉容器１にアルコールと水の混合液体７と空気９を封入し、容器内部でアルコール液体７と空気９の境界面１１が容器内で平面を成す構造とする。その直方体容器のある１つの側面に対して外側より電界発光装置５で平行光線を垂直に照射する。その電界発光装置５に対して直方体透明容器１をはさみ対向する位置にカメラ１９を配設する。カメラ１９は二次元撮像素子アレイを備え、二次元画像の撮像が可能であるものである。
直方体透明容器１の側面の形状と直方体中に封入した混合液体７と空気９の境界面のうち、容器内壁における境界位置１１およびその付近を、カメラ１９により検出する。このとき合焦位置を変化させることにより、カメラ１９から近い面における境界位置３２と、カメラ１９から遠い面における境界位置３３を得る事ができる。カメラによって焦点を合わせた透明容器側面について、その側面の内壁におけるアルコールと水の混合液体７と空気９の境界面位置３２または３３付近の光量分布を、カメラ１９により検出する。その検出した光量分布より前記境界位置３２または３３を算出する。そして算出された境界位置３２または３３に対して直線近似を行い、その直線の傾きより図３の２で示す座標のφ方向傾斜角の算出を行う。また近い面における直線の高さと遠い面における直線の高さの差を用いることにより、図３の２で示す座標のθ方向傾斜角の算出も可能である。カメラ１９を利用することにより容器の形状を得ることが可能である。したがって傾斜角測定時において、透明または半透明の直方体密閉容器１とカメラ１９の相対位置関係の校正を行うことが可能である。
【００２１】
（実施形態４） 図４で示すように、透明または半透明の直角三角柱形状密閉容器２３にアルコールと水の混合液体７と空気９を封入し、容器内部で混合液体と空気の境界面が容器内で平面を成す構造とする。その透明または半透明の直角三角柱形状密閉容器２３の直角をなす２つの側面を見渡すことのできる位置にカメラ１９を配設する。このカメラ１９に対して直角三角柱形状透明容器２３をはさみ対向する位置に電界発光装置５を配設し、これをもって平行光線を直角三角柱形状密閉容器２３に照射する。その電界発光装置にカメラ１９は二次元撮像素子アレイを備え、二次元画像の撮像が可能であるものである。このときすなわちカメラ１９は、直角三角柱形状容器２３の側面のうち直角を成す２面を撮像可能な位置にある。
図５に示すようにカメラ１９によって、直角三角柱密閉容器の側面のうち近い方の面の形状と、直角三角柱容器中に封入したアルコール液体７と空気９の境界面のうち容器内壁における境界位置１１を検出する。その結果、図５における直角三角柱形状容器の容器内壁におけるアルコール液体７と空気９の境界位置１１と交差する形となる三辺の各々について、底面から境界位置までの距離９７、９８、９９と、上面から境界位置までの距離９４、９５、９６の長さの比を検出することができる。なお図５においては上側に空気が、下側には液体が存在する場合を示す。容器の形状が既知であるので、検出した各々の面について境界線１１と容器側面の形状より境界線１１の傾斜角を算出することが可能である。
【００２２】
（実施形態５） 図６で示すように、三角錐形状の透明な密閉容器２９に、アルコールと水の混合液体７と空気９を封入し、容器内部で混合液体７と空気９の境界面１１が、容器内で平面を成す構造とする。その三角錐形状容器２９の底面に対して、外側より垂直に電界発光装置５で光線を照射する。その底面を除く３つの側面に電荷結合素子の一次元アレイ３を各々一つずつ配置する。電荷結合素子の一次元アレイ３すべてにおいて、混合液体７と空気９の境界位置１１が検出される位置にあるとき、混合溶液７と空気９の境界位置のうち同一直線上にない３点がサブピクセル精度で検出され、図６の２で示した座標のφ、θ方向の傾斜角の算出が可能である。
【００２３】
（実施形態６） 図７に示す透明または半透明の三角錐密閉容器２９に、アルコールと水の混合液体７と空気９を封入する。前記三角錐密閉容器２９の内部では、混合液体７と空気９の境界面が容器内で平面を成している。この平面は重力方向に対して垂直である。前記三角錐密閉容器２９に対して、底面外側から電界発光装置５で投光する。その電界発光装置５に対して、三角錘形状容器２９をはさみ対向する位置にカメラ１９を配設する。カメラ１９は二次元撮像素子アレイを備え、二次元画像の撮像が可能であるものである。このときカメラ１９は三角錐形状透明容器２９の側面３面を見渡す位置にある。カメラ１９と電界発光装置５と三角錐形状透明容器２９の相対位置関係は固定されている。傾斜角計測時においては、カメラ１９と電界発光装置と容器の相対位置関係と、三角錐形状透明容器２９の形状は既知である。容器内壁において生成される混合液体と空気の境界面の位置１１を、カメラ１９によってサブピクセル精度で検出し、その検出位置に対して直線近似をおこなう。三角錐形状容器２９の形状は既知であるので、その直線は図８の三角錘形状容器の外形輪郭７０との相対位置関係から三次元位置が算出される。したがって図７の２で示した座標のφ、θ方向の傾斜角の算出が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態を示す構成図
【図２】第２の実施形態を示す構成図
【図３】第３の実施形態を示す構成図
【図４】第４の実施形態を示す構成図
【図５】第４の実施形態においてカメラにより撮像された像
【図６】第５の実施形態を示す構成図
【図７】第６の実施形態を示す構成図
【図８】第６の実施形態においてカメラにより撮像された像
【図９】２方向の傾斜角が測定可能な機器構成を説明するための図
【図１０】ある座標における面と傾斜角の関係を示す図
【図１１】不透明な液体を用いた光学式傾斜角検出装置の一例
【図１２】図１１で示す光学式傾斜角検出装置の傾斜角計測の例
【図１３】図１１で示す光学式傾斜角検出装置の傾斜角計測の例
【図１４】図１２、図１３における一次元イメージセンサの出力例
【図１５】図１１で示す光学式傾斜角検出装置の傾斜角計測の例
【図１６】図１５における一次元イメージセンサの出力例
【図１７】本発明の構成の一例
【図１８】図１７で示す光学式傾斜角検出装置の傾斜角計測の例
【図１９】図１７で示す光学式傾斜角検出装置の傾斜角計測の例
【図２０】図１７で示す光学式傾斜角検出装置の傾斜角計測の例
【図２１】本発明の構成の一例
【図２２】本発明の構成の一例
【図２３】本発明の構成の一例
【図２４】不透明な液体を用いた光学式傾斜角検出装置の一例
【図２５】不透明な液体を用いた光学式傾斜角検出装置の一例
【図２６】図１７で示す光学式傾斜角検出装置の傾斜角計測の例
【図２７】図２６における一次元光電変換素子アレイの出力例
【符号の簡単な説明】
１ 直方体形状の透明密閉容器
２ 説明のために設定した座標軸
３ 電荷結合素子の一次元アレイ
５ 電界発光装置
６ 透明または半透明の溶液
７ アルコールと水の混合液体
９ 空気
１１ 密閉容器内壁で形成する混合液体と空気の境界面の線
１３ 電荷結合素子の一次元アレイによって検出された混合液体と空気の境界線の位置の一つ
１４ 電荷結合素子の一次元アレイによって検出された混合液体と空気の境界線の位置の一つ
１５ 電荷結合素子の一次元アレイによって検出された混合液体と空気の境界線の位置の一つ
１６ 電荷結合素子の取り付け角度
１７ 電荷結合素子の二次元アレイ
１９ 電荷結合素子の二次元アレイを備えたカメラ
２１ 透明密閉容器の外形輪郭
２３ 直角三角柱形状の透明密閉容器
２９ 三角錐形状の透明密閉容器
３２ カメラから近い面における境界位置
３３ カメラから遠い面における境界位置
３４ ａｘ＋ｂｙ＋ｃｚ＝ｄで表される面
３５ 説明のための点位置の一つ
３６ 説明のための点位置の一つ
３７ 説明のための点位置の一つ
３８ 説明のための点位置の一つ
３９ 各辺が図の２で示す座標の座標軸に平行である、説明のために設けた仮想的な直方体
４０ ｘ軸の切片ａ’
４１ ｙ軸の切片ｂ’
４２ ｚ軸の切片ｃ’
４３ 原点
４４ 面
４５ 一次元イメージセンサ
４６ 一次元イメージセンサ
４８ 連通管
４９ 不透明な液体
５０ 面光源
５１ 面光源から照射された光線
５２ 面光源から照射された光線
５３ 面光源から照射された光線
５４ 面光源から照射された光線
５５ 面光源から照射された光線
５６ 面光源から照射された光線
５７ 面光源から照射された光線
５８ 面光源から照射された光線
５９ 面光源から照射された光線
６０ 面光源から照射された光線
６１ 一次元イメージセンサの中心間距離
６２ 三角柱形状の透明容器の頂点の一つ
６３ 三角柱形状の透明容器の頂点の一つ
６４ 三角柱形状の透明容器の頂点の一つ
６５ 三角柱形状の透明容器の頂点の一つ
６６ 三角柱形状の透明容器の頂点の一つ
６７ 三角柱形状の透明容器の頂点の一つ
６８ 一次元イメージセンサによって検出された境界位置
６９ 一次元イメージセンサによって検出された境界位置
７０ 透明容器の外形輪郭の像
７１ 容器内壁で形成される混合液体と空気の境界面の線の像
７３ 一次元光電変換素子アレイによる検出境界位置
７５ 一次元光電変換素子アレイ
７６ 一次元光電変換素子アレイ
７７ 一次元光電変換素子アレイ７５によって検出された境界位置
７８ 一次元光電変換素子アレイ７６によって検出された境界位置
７９ 傾斜角θｙ
８０ 傾斜角θｘ
８１ 一次元光電変換素子アレイの中心間距離
８２ 面光源から照射された光線
８３ 面光源から照射された光線
８４ 面光源から照射された光線
８５ カメラ
８６ レンズ
８７ 一次元光変換電素子アレイ
８８ 一次元光電変換素子アレイに近い面における境界位置
８９ 一次元光電変換素子アレイから遠い面における境界位置
９１ 一次元光電変換素子アレイに近い面における底面から境界までの距離
９２ 一次元光電変換素子アレイから遠い面における底面から境界までの距離
９４ ある一辺における空気が占める長さｓ
９５ ある一辺における空気が占める長さｔ
９６ ある一辺における空気が占める長さｕ
９７ ある一辺における混合液体が占める長さｐ
９８ ある一辺における混合液体が占める長さｑ
９９ ある一辺における混合液体が占める長さｒ
１００ 角度φ
１０１ 角度θ
１０２ 角度θｘ
１０３ 角度θｙ
１０５ 垂線−θｘ
１０６ 角度−θｙ
１０７ 容器内壁で形成される透明または半透明の液体と空気の境界面の線
１０８ 移動後の容器内壁で形成される透明または半透明の液体と空気の境界面の線
１０９ 境界面の移動距離
１１０ 境界面の移動距離
１１１ 透明または半透明の容器
１１２ 投光部
１１４ 一次元イメージセンサ６８で検出した境界位置と一次元イメージセンサ６９で検出した境界位置のｚ方向の距離
１１５ 一次元光電変換素子アレイ７５で検出した境界位置と、一次元光電変換素子アレイ７６で検出した境界位置のｚ方向の距離
１１６ 容器のある一辺の長さ
Claims (5)
- ２種類以上の物質を収容した容器を含む被投光部、その被投光部へ投光する投光部、投光部より被投光部に投光され被投光部にて光学的影響を受けた光を含む光を受け、それを電子信号に変換し出力する受光部、受光部からの電子信号を入力し、その電子信号に基づいて重力方向に対する傾斜角の算出を行う処理部を含む構成の傾斜角検出装置において、前記被投光部を構成する前記容器に収容される２種類以上の物質は、傾斜角測定時において前記容器中で、少なくとも透明または半透明液体と透明または半透明気体の組み合わせで重力に対して垂直な平面形状の境界をなす部分、または２種類の透明または半透明液体の組合わせで重力に対して垂直な平面形状の境界をなす部分を含み、その境界面の傾きより重力方向に対する傾斜角の算出を行うものである光学式傾斜角検出装置。
- 請求項１に記載の光学式傾斜角検出装置において、前記受光部が光電変換素子の一次元アレイを含み、その光電変換素子の一次元アレイをもって前記異種物質間平面状境界面の位置を２点以上検出し、前記処理部によりその点間を結んだ線分の傾きから重力方向に対する傾斜角を算出する光学式傾斜角検出装置。
- 請求項１に記載の光学式傾斜角検出装置において、前記受光部に光電変換素子の二次元アレイを含み、その光電変換素子の二次元アレイにより前記異種物質間で形成する境界位置の全体もしくは部分を検出し、その検出した境界位置の全体あるいは部分に対し直線近似を行い、その直線の傾きより重力方向に対する傾斜角を算出する光学式傾斜角検出装置。
- 請求項１に記載の光学式傾斜角検出装置において、前記受光部に光電変換素子の一次元アレイもしくは二次元アレイを含み、その光電変換素子の一次元アレイもしくは二次元アレイにより、前記被投光部を構成する前記容器の三次元形状の全体または部分と、前記容器中に収容された異種物質間に生ずる境界の三次元位置の全体または部分を検出し、その両者の相対位置関係より傾斜角の算出を行う光学式傾斜角検出装置。
- 請求項１、２、３、４に記載の光学式傾斜角検出装置において、前記受光部にて得た前記異種物質間境界像に時間情報を考慮し、波動など前記異種物質間境界の乱れを除去して傾斜角の検出を行う光学式傾斜角検出装置。
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-
2002
- 2002-06-04 JP JP2002163521A patent/JP2004012203A/ja active Pending
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