JP2011069798A

JP2011069798A - 傾斜角度測定器

Info

Publication number: JP2011069798A
Application number: JP2009223380A
Authority: JP
Inventors: Iwao Ohaku; 巌大泊; Akira Nishitani; 章西谷; Shuichi Shoji; 習一庄子; Takashi Tanii; 孝至谷井; Iwao Matsutani; 巌松谷; Yoshihiro Nita; 佳宏仁田; Kiyoshi Kanekawa; 清金川; Ryota Fuji; 良太冨士; Satoru Miura; 悟三浦; Genichi Takahashi; 元一高橋
Original assignee: Kajima Corp; Waseda University
Current assignee: Kajima Corp; Waseda University
Priority date: 2009-09-28
Filing date: 2009-09-28
Publication date: 2011-04-07

Abstract

【課題】傾斜角度を高精度に測定することができる傾斜角度測定器を提供する。
【解決手段】傾斜角度測定器１は、筐体２と、前記筐体２に固定された光源３と、前記光源３に対向して前記筐体２に固定された受光部５と、前記光源３から出射される光を前記受光部５に集光させるレンズ４と、前記受光部５から出力される電気信号に基づいて前記筐体の鉛直方向に対する傾斜角度を算出する算出部とを備える。前記レンズ４は、凹面１６Ａを前記光源３に対向させて前記筐体２に固定された凹面レンズ１６と、前記凹面１６Ａ上に載置されたボールレンズ１５とからなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、傾斜角度測定器に関し、特に鉛直方向に対する傾きを測定する傾斜角度測定器に関するものである。

建築構造物などにおける重力方向に対する傾斜角度の測定方法として、糸で吊るした錘の吊り下げ方向を鉛直としてそれとの傾きを分度器等で測定する方法(例えば、特許文献１)、トランシットによる三角測量から角度を導出する方法（例えば特許文献２、特許文献３）、水柱内の気泡の位置を観察して鉛直に対する直角方向の基準を得る方法がある。ところが、これらの方法で得られる鉛直、あるいは水平の基準角度の測定精度は通常1/10度程度、熟練技術者が慎重に測定しても1/100度程度である。

また、光透過部を有する容器と、容器内に満たされた液体と、容器内に配置された球体と、容器に対し所定関係で配置した光源および受光素子とを含む水平面検出装置が開示されている（例えば、特許文献４）。この水平面検出装置では、傾きに応じて球体が液体内の光透過部上を移動し、当該移動した球体に光源から入射した光を受光位置で検出することにより、傾きを検出するように構成されている。

特開平09-209455号公報特開2006-144401号公報特開平07-310370号公報特開2000-193452号公報

上記特許文献４の場合、光透過部は球体によって屈折された光を単に透過させるだけなので、装置の精度は球体に依存することになる。そうすると、上記特許文献４では、精度を向上するのに限界があった。

そこで、本発明は、傾斜角度を高精度に測定することができる傾斜角度測定器を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る発明は、鉛直方向に対する傾斜角度を測定する傾斜角度測定器において、筐体と、前記筐体に固定された光源と、前記光源に対向して前記筐体に固定された受光部と、前記光源から出射される光を前記受光部に集光させるレンズと、前記受光部から出力される電気信号に基づいて前記筐体の鉛直方向に対する傾斜角度を算出する算出部とを備え、前記レンズは、凹面を前記光源に対向させて前記筐体に固定された凹面レンズと、前記凹面上に載置されたボールレンズとからなることを特徴とする。

本発明の請求項２に係る発明は、前記ボールレンズの表面および前記凹面に、処理膜を形成したことを特徴とする。

本発明の請求項３に係る発明は、前記光源と前記ボールレンズとの間に、アパーチャを設けたことを特徴とする。

本発明によれば、ボールレンズで一旦集光された光を凹面レンズで受光部に結像させることができるので、鉛直方向に対する傾きによって生じる受光位置の変位を拡大することができる。したがって、傾斜角度測定器では、分解能を向上することができるので、傾斜角度を高精度に測定することができる。

傾斜角度測定器の全体構成を示す縦断面図である。傾斜角度測定器の使用状態を示す縦断面図である。傾斜角度測定器を用いた実験装置の構成を示す斜視図である。実験装置に用いた傾斜角度測定器の構成を示す縦断面図である。実験結果を示すグラフである。傾斜角度測定器の変形例を示す縦断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
（１）全体構成
図1に示す傾斜角度測定器１は、筐体２と、当該筐体２に固定された光源３と、前記光源３から出射された光を結像するレンズ４と、前記レンズ４によって結像された光を受光する受光部５と、前記受光部５と電気的に接続された図示しない算出部とを備える。なお、本発明に係る傾斜角度測定器１は、鉛直方向Ｚに直交するｘ方向およびｙ方向の傾斜角度を測定し得るように構成されているが、ｘ方向およびｙ方向において構成上特に差異はないので、簡略のため、ｘ方向についてのみ、説明することとする。

この傾斜角度測定器１は、光源３から出射された光をレンズ４によって受光部５に結像させ、当該受光部５において前記光の重心位置（以下、「受光位置」という）を検出する。これにより、算出部は、ｘ方向の変位△ｘを算出しさらに当該変位△ｘからｘ方向の傾斜角度△θ_ｘを測定し、測定した傾斜角度△θ_ｘを図示しない表示部に表示し得るように構成されている。このように構成された傾斜角度測定器１は、例えば構造物に設置され、地震などの災害時において、災害の前後において上記のように傾斜角度△θ_ｘを測定し、図示しない表示部に表示することにより、災害の前後おける前記建築物の傾斜角度△θ_ｘの変化をユーザに通知することができる。

筐体２は、上面部８と、当該上面部８に平行に設けられた下面部９と、上面部８および下面部９の間に形成されたレンズ設置部１０とを備える。本実施形態の場合、筐体２は、金属板で形成された、上面部８と下面部９と側面部１１とを有する箱体でなる。上面部８には、光源３が下面部９に向かって垂直に光を出射し得るように固定されている。また、下面部９には、当該光源３に対向するように受光面５Ａを配置した受光部５が固定されている。さらに、側面部１１には、内面１１Ａにレンズ設置部１０が形成されている。ここで、光源３の中心と、受光面５Ａの中心とを通る軸を中心軸Ｌと呼ぶこととする。

光源３は、点光源とみなすことができる発光面の狭いものであって、一定の範囲に放射状に光を出射し得るものが用いられる。これにより、光源３は、レンズ４に対し、一様な光を出射する。本実施形態の場合、光源３は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）が用いられている。

レンズ４は、ボールレンズ１５と、凹面レンズ１６とからなる。ボールレンズ１５は、光源３から出射された光を受光し、集光する。凹面レンズ１６は、ボールレンズ１５で集光された光を受光面５Ａに結像させる。

本実施形態の場合、凹面レンズ１６は、一側表面が凹面１６Ａであって他側表面が平坦面１６Ｂである平凹レンズである。凹面レンズ１６は、凹面１６Ａを光源３に対向させた状態で、凹面１６Ａの中心が中心軸Ｌに一致するようにレンズ設置部１０に固定されている。これにより、凹面レンズ１６は、受光部５から所定距離だけ離れた位置に保持される。また、凹面１６Ａは、球状であって、曲率半径がボールレンズ１５の半径より大きく設定されている。

ボールレンズ１５は、凹面レンズ１６の凹面１６Ａ上に移動可能に載置されている。これによりレンズ４は、筐体２の傾きに応じて、ボールレンズ１５が重力によって凹面１６Ａ上の最も低い位置へ移動し得るように構成されている。

また、ボールレンズ１５と凹面レンズ１６は、表面に微細な凹凸がある。当該凹凸に起因した摩擦や帯電により、凹面１６Ａ上をボールレンズ１５が移動するのを妨げるおそれがあるので、ボールレンズ１５の表面および凹面１６Ａに処理膜を形成してもよい。処理膜としては、例えば単分子膜を形成することが考えられる。単分子膜は、種々のものが考えられるが、例えば、有機シラン膜などの疎水性膜を用いてもよい。

受光部５は、受光位置ｘを電気信号に変換して算出部へ出力し得るように構成された素子を備える。受光部５を構成する素子としては、種々のものを選択することができるが、例えば、平板状の光位置センサ(PSD; Position Sensitive Detector)や四分割フォトダイオードなどを好適に用いることができる。

算出部は、受光部５から出力された電気信号に基づき、中心軸Ｌと受光面５Ａとが交差する点（以下、「原点」という）Ｏからの受光位置ｘまでの変位△ｘを算出する。さらに、算出部は、当該変位△ｘより、中心軸Ｌの鉛直方向Ｚに対する傾斜角度△θ_ｘを算出する。傾斜角度△θ_ｘを算出するには、種々の方法が考えられるが、例えば、数１に示す理論式を用いて算出することもできる。ここで、ボールレンズ１５の屈折率：ｎ_１、凹面レンズ１６の屈折率：ｎ_２、ボールレンズ１５の半径：ｒ、凹面レンズ１６の曲率：Ｒ、凹面レンズ１６の厚さ：ｄ、光源３の先端とボールレンズ１５の上面との距離：ａ、凹面レンズ１６の下面１６Ｂと受光部５の受光面５Ａとの距離：ｂとする。

（２）作用および効果
次に上記のように構成された傾斜角度測定器１の各部の作用および効果について説明する。傾斜角度測定器１は、図1に示す位置関係、すなわち上面部８を上方、下面部９を下方に配置した状態で、構造物例えば柱に設置される。

傾斜角度測定器１の中心軸Ｌが鉛直方向Ｚと平行である場合（図1）、凹面レンズ１６の凹面１６Ａ上の最も低い位置は中心位置となるので、ボールレンズ１５は、凹面１６Ａの中心位置で静止する。すなわち、レンズ４は、中心軸Ｌ上にボールレンズ１５が静止する。

この状態で、図示しない電源がオンされると、光源３が光を出射する。光源３から出射された光は、鉛直方向Ｚの下方へ伝播し、ボールレンズ１５へ入射する。ボールレンズ１５は、当該光を受光し中心軸Ｌ上の所定位置に集光する。次いで、凹面レンズ１６は、ボールレンズ１５で集光された光を受光面５Ａの所定位置、この場合原点Ｏに結像させる。

そうすると、受光部５は、受光位置ｘに基づき電気信号を生成し、算出部へ出力する。算出部は当該電気信号に基づき、変位△ｘを算出する。さらに、算出部は、変位△ｘから傾斜角度△θ_ｘを算出する。なお、この場合、受光位置は原点Ｏであるので、変位△ｘおよび傾斜角度△θ_ｘは、ともに０となる。

一方、図2に示すように、傾斜角度測定器１の中心軸Ｌが鉛直方向Ｚに対し、本図正面視において時計回転方向に角度△θ_ｘだけ傾いた場合、ボールレンズ１５は、凹面レンズ１６の凹面１６Ａの中心軸Ｌ上から重力によって凹面１６Ａ上の最も低い位置、この場合、右方向へ移動する。

この状態で、光源３から出射された光が入射すると、ボールレンズ１５は、前記光を所定位置に集光する。次いで、凹面レンズ１６は、ボールレンズ１５で集光された光を受光面５Ａに結像させる。この場合、光源３の中心を通り鉛直方向Ｚに平行な鉛直軸ＺＬと受光面５Ａとが交差する点が受光位置ｘとなる。これにより、算出部は、受光位置ｘから変位△ｘを算出し、さらに当該受光位置△ｘから傾斜角度△θ_ｘを算出する。

本実施形態では、所定角度に対する受光部５の電気信号としての出力電圧値を測定して予め検量線を作成し、当該検量線に実際に測定した受光部５の出力電圧値を対応させることにより、傾斜角度△θ_ｘを算出している。検量線は、図3に示す実験装置２０を用いて作成した。

実験装置２０は、基台２１と、当該基台２１に傾動自在に設けられた傾動部２２とを備える。傾動部２２は、長尺部材からなり、一端２２Ａが前記基台２１に軸支されている。傾動部２２の他端２２Ｂ側には、測定部２３が設けられている。

測定部２３は、傾斜角度測定器１と、マイクロメータヘッド２４とで構成されている。マイクロメータヘッド２４は、基台２１の表面にスピンドル２５の先端を当接させるように取付けられている。傾動部２２は、マイクロメータヘッド２４のスピンドル２５が送り出されたり戻されたりすることにより、一端２２Ａを回転中心として他端２２Ｂが傾動し得るように構成されている。

本実施形態の場合、実験装置２０は、傾動部２２の一端２２Ａと、マイクロメータヘッド２４のスピンドル２５との間の距離Ｄが６００ｍｍとなるように構成されている。また、マイクロメータヘッド２４は、電動マイクロメータ（精度１μｍ）が用いられている。これにより、傾動部２２は、最小０．０００１°の傾斜を形成することができる構成とした（tanθ=1μm/600mm）。

また、傾斜角度測定器１は、図4に示すように、上面部８に配置された光源３から出射された光をレンズ４によって下面部９に配置された受光部５に結像し得るように設けられている。なお、受光部５は、図示しないが、算出部を介して測定結果を表示する表示部に電気的に接続されている。

本実施形態の場合、傾斜角度測定器１は、光源３に赤色ＬＥＤを用いた。また、傾斜角度測定器１は、光源３の先端とボールレンズ１５の上面との距離：ａを８．３５ｍｍ、凹面レンズ１６の下面と受光部５の受光面５Ａとの距離：ｂを１０ｍｍとした。また、ボールレンズ１５は、直径１０ｍｍ、凹面レンズ１６は、Ｒ７７．８５ｍｍ（中心厚２ｍｍ）とした。

上記のように構成された実験装置２０において、マイクロメータヘッド２４を操作することにより、傾動部２２の傾斜角度△θ_ｘを設定した。同時に受光部５の出力電圧を測定した。傾動部２２の傾斜角度±１°の範囲内で０．１°毎に受光部５の出力電圧を測定し、この結果を元に検量線を作成した。作成した検量線を図5に示す。この結果から、傾斜角度△θ_ｘと受光部５の出力電圧との関係が直線性を有し、分解能が０．００４°であることが確認できた。以上より、傾斜角度測定器１は、高精度で傾斜角度△θ_ｘを測定できることが確認できた。

上記したように傾斜角度測定器１は、ボールレンズ１５と凹面レンズ１６とからなるレンズ４により、光源３が出射した光を受光部５に結像させることとした。これにより、ボールレンズ１５で一旦集光された光を凹面レンズ１６で距離ｂだけ離れた受光部５に結像させることができるので、鉛直方向Ｚに対する傾きによって生じる受光位置の変位△ｘを拡大することができる。したがって、傾斜角度測定器１では、分解能を向上することができるので、傾斜角度△θ_ｘを高精度に測定することができる。

傾斜角度測定器１は、光源３から出射された光をレンズ４によって、受光部５に結像させ、受光部５において前記光の受光位置ｘを検出することにより、算出部において変位△ｘを算出し、さらに当該変位△ｘから傾斜角度△θ_ｘを測定し得るように構成した。これにより、傾斜角度測定器１は、小型化を実現することができる。

また、レンズ４は、ボールレンズ１５の表面および凹面１６Ａに処理膜を形成したことにより、ボールレンズ１５の表面および凹面１６Ａの凹凸に起因する摩擦や帯電を防止する構成とした。これにより、傾斜角度測定器１は、筐体２の傾きに応じて、ボールレンズ１５が凹面１６Ａ上を円滑に移動し得るので、より精度よく傾斜角度△θ_ｘを測定することができる。

（３）変形例
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。例えば、図6に示すように、傾斜角度測定器３０は、光源３とレンズ４との間にアパーチャ３１を設け、ボールレンズ１５の受光量を調整することとしてもよい。これにより、傾斜角度測定器３０の角度測定における精度を向上させることができる。

また、上記実施形態では、凹面レンズ１６が平凹レンズである場合について説明したが、本発明はこれに限らず、両側表面が凹面である両凹レンズ、または、一側表面が凹面で他側表面が凸面である凹凸レンズを用いてもよい。

１傾斜角度測定器
２筐体
３光源
４レンズ
５受光部
１５ボールレンズ
１６凹面レンズ
１６Ａ凹面
Ｚ鉛直方向

Claims

鉛直方向に対する傾斜角度を測定する傾斜角度測定器において、
筐体と、
前記筐体に固定された光源と、
前記光源に対向して前記筐体に固定された受光部と、
前記光源から出射される光を前記受光部に集光させるレンズと、
前記受光部から出力される電気信号に基づいて前記筐体の鉛直方向に対する傾斜角度を算出する算出部と
を備え、
前記レンズは、
凹面を前記光源に対向させて前記筐体に固定された凹面レンズと、
前記凹面上に載置されたボールレンズと
からなることを特徴とする傾斜角度測定器。
前記ボールレンズの表面および前記凹面に、処理膜を形成したことを特徴とする請求項１記載の傾斜角度測定器。
前記光源と前記ボールレンズとの間に、アパーチャを設けたことを特徴とする請求項１または２記載の傾斜角度測定器。