JPS6171311A - 傾斜角センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は構造体や移動体の傾斜の二次元の傾斜角を検出
する傾斜角センサに関する。

（発明の背景） 工業用ロボット、船舶、土木工事用の特殊車両などで傾
斜角を常時測定したいという強い要請がある。

このような装置において使用される傾斜角センサには、
細密な測定精度よりも安定した確実な表示が可能である
こと、および構造が堅牢でかつ安価であることが求めら
れる。

従来の傾斜角測定装置として、一端に重りをつけた棒を
、支点を中心として一つの平面内で自由に回転できるよ
うな構造とすることで、支持構造が傾いても棒が常に鉛
直を保つことを利用して傾斜角度を表示するものがある
。

このような装置では支点と重りまでの長さが測定精度に
影響し、小形化すれば精度も悪く、振動の影響を受は易
い。

また測定に際して被測定平面上に装置を置き、測定点を
中心にして３６０度回軸回転仰角または俯角の最大の方
向を基準方向からの角度を読みとり、同時にそのとき示
す傾斜角度を読みとるという繁雑な操作が必要であり、
これらの欠点に対する改善が強く望まれていた。

（発明の目的） 本発明の目的は、前記従来装置の問題点を解決し、ｙｌ
ＷＥな操作を必要とせず確実な二次元の表示が可能であ
ること、および構造が堅牢でかつ安価である傾斜角セン
サを提供することにある。

（発明の構成） 前記目的を達成するために本発明による傾斜角センサば
傾斜角センサ本体と、おもり、あるいは浮き、あるいは
浮きとおもりを取りつけ、液体を隔てて前記１項斜角セ
ンサ本体に回転自在に支承され中心を通る光の経路を常
に鉛直方向に保つ回転体と、光源と、前記光源からの光
束を前記回転体の中心に向けて集束し、傾斜角センサ本
体の任意の傾斜位置において前記光源からの光を前記光
の経路に平行に入射させる光学系と、前記傾斜角センサ
本体に前記回転体の光の経路を通過した光を受ける位置
に配置されている２次元位置検出素子と、前記２次元位
置検出素子の出力を演算し傾斜角センサ本体の傾斜角と
、傾斜の方向を出力する位置演算回路で演算した結果に
より、（頃斜角センサ本体の傾斜角と、１頃斜の方向を
読み取るように構成されている。

さらに前記回転体は球の一部を切欠いてつくられるコマ
形状で、コマの軸に相当する部分に光路を有する構成と
するか、または回転体の本体と浮きを分離し、前記回転
体の本体内部の光路を延長して前記浮きを取りつけるこ
とによって回転体の本体と浮きを結合した構成としてい
る。

前記回転体は回転体とカプセルとの間隙に液体を充填し
であるので、摩擦抵抗は掘めて小さく、回転体は自在に
回転でき、しかも回転体には厚き、あるいはおもりなど
が取りつけであるので比重の違いにより重い方が常に下
を向く。

光源から出た光の内一部は直接回転体の上部に、また他
の一部は凹面反射鏡に反射された後回転体上部に当てら
れ、回転体の上部と光源の位置関係が変っても常に充分
な光が当てられる。

光は回転（７←の光路を上下に真直ぐ通過し、回転体下
θ１１．１部のレンズボールの上下方向の軸の延長線上
に集光されるので、その焦点が２次元位置検出素子の受
光面上にあれば回転体を支承するカプセルを固定するケ
ースの傾斜に応じた正確な傾斜角度と方向とを容易に検
出することができる。

（実施例） 以下、図面等を参照して本発明をさらに詳しく説明する
。

第１図は本発明による実施例の上面（断面）図で第２図
は第１図の傾斜角センサに使用する回転体の一例を斜視
図で示している。

第２図の回転体は球形の一部を切欠いたコマ形状で、太
鼓の胴のような形の回転体中央部１と、光ファイバー２
を支える回転体上部３と、ポールレンズ４を埋め込んだ
回転体下部５とから構成され、回転体全体は真球度の高
い球面に内接する形として仕上げられる。

回転体中央部１は材質として比重の非常に軽い物、例え
ば発泡型プラスチック材を選び、回転体下部５は非常に
重い物例えば鉛、黄銅などの材質を選ぶ。

このように回転体の下部が重く、液の中にあって回転自
在の状態では常に鉛直線に沿って上下の位置が定まるが
、さらに正確に鉛直姿勢を保つよう、また回転体と液体
の比重関係の調整にも役立つよう回転体中央部のやや下
寄り数ケ所に調整ねじ６．・・・６を設けである。

使用する調整ねじ６の大きさで回転体全体の比重を微細
に調節し、そのねじ込みの深さによって光ファイバー２
およびポールレンズの中心を通る回転体の中心軸が鉛直
線に一致するようｍ細に調節することができる。

回転体を構成する各部の材質によって、回転体とカプセ
ルの間に入れる液体により経時変化が予想される場合は
、回転体全体に樹脂を吹付けるなどによりフィルムで覆
う必要がある。

なお回転の摩擦抵抗を小さくするため、回転体とカプセ
ルとの間に入れる液体の比重と、回転体全体の比重との
関係は、 （回転体の比重）≧（液体の比重）が成立するよう、回
転体の比重を調整し作成する。

第３図は回転体の位置を決定するカプセルの一例を示す
。構成する各部はプラスチック成形品で光源波長を透過
しやすい材質を選ぶ。

なお光源波長域！２量がやや多いまたは、屈折率が大き
い材料の場合は第４図のように成形するとよい。図中カ
プセル上部１１とカプセル下部１２との間にできる空隙
１３に回転体を挿入し組み上げる。回転体とカプセルの
間には、シリコンオイルとか、アルコールなどを液注入
口１４から注入する。図中１５は液圧人時に空隙１３に
ある空気を逃すための空気抜き穴であり、１６は回転体
の中の光の通路以外から光が漏れないようカプセル上部
１１の下面で、カプセル下部１２と接する部分に作られ
た全屈蒸着面または、金属箔である。

１７は凹面反射鏡との間に適当な距離を保ち、かつ光源
を適当な位置に保持するためのスペーサであり、この２
段リング上のスペーサの内側にも反射のための金ＢＭＭ
面１８を作る。スペーサの複数箇所に設けられた孔１９
は光源を保持する細い棒を通して固定するためのもので
ある。

第１図は本発明による実施例の傾斜角センサ本体の一例
を示す。

回転体２１は液体２２を隔て回転自在の状態でカプセル
上部１１およびカプセル下部１２に支承され、常に光の
経路は鉛直となる。上下に背中合せに組み合わされた光
源２３は、スペーサ１７に設けられた孔１９に挿入固着
された細い捧２０によって支持されカプセルから適当な
位置に設置される。

光源２３のうち上向きの光’ｆＭ　２３　ａの孔を下方
へ反射させるため凹面反射鏡２４をスペーサ１７の内面
につけられた段の肩に凹面周辺を押付けるように固定す
る。この場合センサ使用状態における回転体のあらゆる
姿勢に対し、上向きの光源２３ａを凹面反射鏡２４で反
射した反射光か、あるいは光源２３の他の光源である下
向きの光源２３ｂの直接光のいづれかが、回転体に取り
つけられた光ファイバー２の軸と一致するよう光源およ
び凹面反射鏡の焦点の位置を定め固定する。

２５はカプセル、スペーサを固定するマウントベースで
ある。マウントベース、スペーサは可視光、赤外光の無
反射とするため黒色とする。

このように設置された光源の光のうち下向きの光源２３
ｂから放射された光は、第１図のように被測定構造体に
置かれたマウントベースが鉛直か、あるいは比・咬的鉛
直に近い場合に直接回転体の光路入口に達し、光ファイ
バー２を通り回転体下部５にあるボールレンズ４から出
るとき、レンズ効果で集束され２次元位置検出素子２６
の有効受光面２７の面上に焦点を結ぶ。

また光源の光のうち上向きの光源２３ａから放射された
光は構造が大きく傾き、マウントベースも第５図に示す
ように大きくθ１度傾いた場合に凹面反射鏡２４で反射
されてから回転体の光路の入口に至り、下向きの光源２
３ｂから出た光の場合と同様に２次元位置検出素子２６
の有効受光面２７０面上に焦点を結ぶ。

傾斜角センサとしての性能は位置検出素子の分解能によ
って決定される。

この実施例では、２次元位置検出素子２６として浜松ポ
トニクス社製５１３００を使用する。

検出限界を受光面上の距離で表示した場合６μｍである
。

したがってボールの中心から受光面までの距離をＸｍｍ
とすると、１頃斜θは、 θ＝ｔａｎ−’　　（０，００６／Ｘ）となりχ＝１２
ｍｍとすればθ＝０．０２８°であるから、計算上、角
度読み取り精度は０．０２８゜となる。

このような性能を有する２次元位置検出素子の出力をア
ナログ演算器で演算し、その出力で傾斜角度および方向
をアナログまたはデジタル表示することができる。

第６図に本発明の実施例における電気的構成の系統図を
示す。

図において傾斜角センサ３１の２次元位置検出素子２６
の出力をアナログ演算器３２で演算処理後デジタル表示
のため、ＡＤ変換器３３で変換し表示器３４で表示する
。

傾斜角センサ、アナログ演算器、ＡＤ変換器、表示器に
それぞれ動作電力を電源部３５から供給する。

電源部ＡＣＩＯ（ＩＶ用または車載蓄電池からＤＣ−Ｄ
Ｃコンバータで所要直流電圧を得る直流用のいずれでも
良い。

第７図は本発明による傾斜角センサのさらに他の実施例
を示す図である。

図中第１図と同等または同等の働きをする部分には同一
符号を付しであるので説明は省略し、第１図の実施例と
異なる部分のみを説明する。

回転体は真球度の高い球形の回転体の本体７から逆円錐
形の浮き８を分離し、浮き８を貫通する光路をなす光フ
ァイバー２を延長して回転体本体内に導き、光ファイバ
ー２をもって比重の軽い浮き８と比重の、重い回転体の
本体７とを結合する形とし、回転体本体７の下部付近に
ボールレンズ４を内蔵する構成としている。

カプセル上部１１とカプセル１２との間に形成され、液
体が充填される空隙は第１図の場合のような球形ではな
く、上部カプセルが空隙を形成する面は比較的大きな球
面の一部を含み、下部カプセルの空隙は小さい球形の回
転体の本体７との間に薄い液面を介して嵌合し回転体の
本体７が自在に回転できるよう形成されている。

したがって回転体の回転の中心は回転体本体７の球の中
心点に一致し、浮き８はカプセル上部内側上向きの半球
形部に沿って自在に動く。

厚き８が非常に軽い比重の物質で作られているのに対し
回転体の本体７は比重の重い金属で作られているので回
転体の内部を通る光は常に鉛直線に沿って上から下へ通
過することは第１図の場合と同様である。

光源２３の上向きの光源２３ａまたは下向きの光源２３
ｂから放射された光が浮き８を貫通する光ファイバーを
通りボールレンズ４で葉先されて２次元位置検出素子２
６の有効受光面２７の面上に焦点を結ぶ。

このように回転体の本体を小さな球形とし浮きを分離し
た構成とすることによって、回転体の比重調整が、第２
図のような調整ねしなどを設けなくとも比較的簡単に行
え、また光の経路と回転体の重心と一致させることがセ
ンサ性能の向上につながるが、この調整も容易となる。

さらに第５図におけるθ１に相当する回転体の振り角は
第７図の実施例では第１図の実施例よりも広い範囲に振
、らせることができるので計測可能な傾斜角中ば２次元
位置検出素子の有効受光面積によってほぼ決定され、か
りに回転体の回転中心から受光面までの距離をＸ　＝　
６　ｍ　ｍとすれば、実施例に使用した浜松ホトニクス
社製５１３００の有’Ａｓ受光面積は１３Ｘ１３ｍｍで
あるから、計測可能な傾斜角中は±４７．２°が得られ
る。

第９図は本発明による傾斜角センサの第２の実施例の断
面拡大図である。

この実施例は光源４０の光を前記回転体の中心に向けて
集束レンズ４１ａ、４１ｂにより集束している。集束レ
ンズ４１ａ、４１ｂはレンズ枠４２により固定されてい
る。

この実施例は傾斜角センサの前髪が前記実施例に比較し
て、″ｔＪ゛干長（なるが、光源は１つで足りる。

（変形例） 以上詳しく説明した実施例につき本発明の範囲内で種々
の変形を施すことができる。

その−例として第８図に回転体の変形例を示す。

同図（Ａ）〜（Ｄ）は第１図の実施例に使用する回転体
の変形例であり同図（Ｅ）＋’　（Ｆ）は第７図の実施
例に使用する回転体の変形例である。

図（Ａ）は回転体中央部１を上下に２分したもので遮光
性はそのままで回転体とカプセルとが液体を介して相対
する面積を減らし傾斜が変化したときの応動を速かにし
ている。

図（Ｂ）も同様の目的で中央部１のカプセルに相対する
帯状の幅を薄くしたものである。

図（Ｃ）は回転体中央部１と回転体上部３を一体として
比重の軽い材質を使用し半球形としたものである。

図（Ｄ）は遮光性の高い円板で回転体中央部１を形成し
、回転体上部３と回転体下部５を分離して球形としたも
のである。

図（Ｅ）は回転体の本体７から分離した浮き８を球形と
したものであり、図（Ｆ）は同じく分離したｄき８を上
面が上向きの球面の一部で形成された円筒形としたもの
である。

回転体についてはこの他にも種々の変形が考えられるが
、材質の比重、硬さ、加工性などを考慮して適当なもの
を選べばよく、構造の傾斜の変化に即応して自在円滑に
動き、常に光路が鉛直線に一致する位置に速かに静止す
るよう構成されていればよい。

また回転体の種々の変形に伴って上記の回転体の動作が
満足されるようカプセルの構造にも種々の変形が考えら
れ、特に説明はしないがそれぞれＩｒｋ、通のものを選
ぶとよい。

（発明のダＪ果） 以上説明したように、本発明によれば光源から出た光を
直接あるいは凹面反射鏡を用いて反射させるごとにより
、回転自在で常に鉛直方向に光が通過する回転体に能率
よく光を与え、回転体を通過した光を受ける２次元検出
素子出力を演算器に入れ演算することによって正確で精
度の高い傾斜角度および方向が自動的に出力される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による傾斜角センサの第１の実施例の断
面拡大図である。 第２図は第１図の実施例に使用する回転体の一例を示す
斜視拡大図である。 第３図は第２図の回転体を回転自在に支承するカプセル
の平面図および正面（ｌ折面）図である。 第４図はカプセルの他の一例を示す断面図である。 第５図は第１図の傾斜角センサが０１度傾いたときの要
部の断面拡大図である。 第６図は本発明による実施例の電気的構成を示す系統図
である。 第７図はさらに他の実施例を示す断面図である。 第８図は回転体の他の変形例を示す斜視拡大図である。 第９図は本発明による傾斜角センサの第２の実施例の断
面拡大図である。 １・・・回転体中央部　　２・・・光ファイバー３・・
・回転体上部　　　４・・・ボールレンズ５−・・・回
転体下部　　　７・・・回転体の本体８・・・回転体の
浮ぎ　　１１・・・カプセル上部１２・・・カプセル下
部　２３・・・光源２４・・・凹面反射鏡　　２６・・
・２次元位置検出素子２７・・・２次元位置検出素子の
有効受光面３２・・・アナログ演算器 ４０・・・光源 ４１２．４１ｂ・・・集束レンズ ４２・・・レンズ枠 特許出願人　　　オプト工業株式会社 代理人　弁理士　　井　ノ　ロ　　壽 才　１　　図 ／１７６図 ／ｌ−７回 十　　　８　　国 オ　９　　図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）傾斜角センサ本体と、おもり、あるいは浮き、あ
   るいは浮きとおもりを取りつけ、液体を隔てて前記傾斜
   角センサ本体に回転自在に支承され中心を通る光の経路
   を常に鉛直方向に保つ回転体と、光源と、前記光源から
   の光束を前記回転体の中心に向けて集束し、傾斜角セン
   サ本体の任意の傾斜位置において前記光源からの光を前
   記光の経路に平行に入射させる光学系と、前記傾斜角セ
   ンサ本体に前記回転体の光の経路を通過した光を受ける
   位置に配置されている２次元位置検出素子と、前記２次
   元位置検出素子の出力を演算し傾斜角センサ本体の傾斜
   角と、傾斜の方向を出力する位置演算回路で演算した結
   果により、傾斜角センサ本体の傾斜角と、傾斜の方向を
   読み取るように構成した傾斜角センサ。
2. （２）前記光学系は、凹面反射鏡であって、前記反射鏡
   と前記回転体の間に配置された光源から前記凹面鏡に向
   けて放出された光を前記回転体の中心に向けて反射する
   特許請求の範囲第１項記載の傾斜角センサ。
3. （３）前記光学系は、前記光源からの光を前記回転体の
   中心に向けて集束する集束レンズである特許請求の範囲
   第１項記載の傾斜角センサ。
4. （４）前記回転体は球形の一部を切欠いて作られるコマ
   形状で、コマの軸に相当する部分に光路を有する特許請
   求の範囲第１項記載の傾斜角センサ。
5. （５）前記回転体は回転体の本体と浮きを分離し、前記
   回転体の本体内部の光路を延長して前記浮きの内部を貫
   通させることにより回転体の本体と浮きを結合した特許
   請求の範囲第１項記載の傾斜角センサ。