专利名称：倾斜传感器以及采用它的测量仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用具有自由表面的液体部件的倾斜传感器，尤其对测量仪的倾斜传感器最为适合，可以只由一个线性传感器检测X轴和Y轴两轴方向倾角的倾斜传感器以及采用它的测量仪。
以往，检测测量仪倾角的元件采用的是图9所示的气泡管10000。这种气泡管10000内部封入气泡5000，并且形成电极6000、7000，可通过电气测量静电电容，来测定倾角。
但上述气泡管10000其外周部分由玻璃构成，因而要求冲击较弱和较高的机械精度，因而具有成本较高这种问题。
此外，为了测量X、Y方向倾角，两轴方向需有要两个气泡管10000，因而成本高。
气泡管10000还有受环境温度变化的影响，必须对温度变化进行修正等这种问题。
本发明，第一光学系统使光源出射的光平行，暗场条纹让第一光学系统出射的光通过，半透过反射镜使暗场条纹转向，第一液体部件使半透过反射镜转向的条纹反射，第二光学系统使第一液体部件所反射的条纹成像，感光装置对第二光学系统所成的像感光，运算处理装置根据感光装置的感光信号运算倾角，暗场条纹由多个缝形成，在某一方向上条纹中心线等间距地配置，并且沿正交方向使条纹宽度变化地配置。
附图示出本发明实施例。
图1是示意本发明第一实施例倾斜传感器1000的光学构成图。
图2是本实施例暗场条纹300的说明图。
图3是第二实施例倾斜传感器2000的光学构成图。
图4是第三实施例倾斜传感器3000的光学构成图。
图5是第四实施例倾斜传感器4000的光学构成图。
图6是第一实施例第一流体部件600的说明图。
图7是运算处理装置900倾角运算处理的说明图。
图8是运算处理装置900倾角运算处理的说明图。
图9是现有技术的说明图。
图10是本实施例应用于电子式经纬仪20000的例子的说明图。
图11是本实施例应用于电子式经纬仪20000的例子的说明图。
根据
本发明实施例。
(第一实施例)图1示出第一实施例倾斜传感器100的光学构成，由光源100、聚光透镜200、暗场条纹300、第一图案中继透镜400、半透过反射镜500、具有自由表面的第一液体部件600、第二图案中继透镜700、感光装置800和运算处理装置900构成。
第一实施例光源100为LED，但可以使用任意光源。
聚光透镜200是使光源100出射的光平行用的装置，相当于第一光学系统。
暗场条纹300是在感光装置800上形成条纹像用的装置。
图2示出第一实施例暗场条纹300，由多个纵向缝隙310、310，……构成。这里，令与多个纵向缝隙310、310……相正交方向为X方向，缝隙310的纵向为Y方向。
多个这种纵向缝隙310、310……配置成各缝隙310的中心点按间距P等间隔分布，并且沿正交方向条纹宽度变化配置。
第一图案中继透镜400是将通过暗场条纹300的光导向半透过反射镜500的装置。
经半透过反射镜500转向的光朝向上方，入射至具有自由表面的第一液体部件600。接着，由具有自由表面的第一液体部件600反射的光便通过半透过反射镜500，朝向下方的感光装置800。
具有自由表面的第一液体部件600充填有硅油等具有合适粘性的液体。第一液体部件600具有自由表面，因而表面总是保持水平的状态。
第二图案中继透镜700是使具有自由表面的第一液体部件600反射、透过半透过反射镜500的光成像于感光装置800上所用的装置。具体来说，第二图案中继透镜700是在感光装置800上使暗场条纹300成像用的装置。
另外，第二图案中继透镜700相当于第二光学系统，配置于距感光装置800有第二图案中继透镜700焦距9距离的位置上。
感光装置800是对暗场条纹300的像感光，变换为电信号用的装置，第一实施例中可采用CCD(电荷耦合元件)线型传感器。
运算处理装置900是含CPU的运算处理装置，对全体加以控制，并算出暗场条纹300缝隙像的移动距离，运算相应倾角用的装置。
如上所述构成的第一实施例，倾斜传感器1000倾斜的话，由于第一液体部件600的自由表面保持水平，因而暗场条纹300在感光装置800上的像与倾斜角度成正比移动。
这里，倾斜传感器1000倾斜角度θ时，如图6所示，令第一液体部件600的折射率为n的话，自由表面的反射光便倾斜2nθ。令感光装置800即线型传感器上的距离为L的话，则有下式成立。
L＝f×tan(2nθ) (式1)因而，感光装置800检测出暗场条纹300缝隙310的移动量，运算处理装置900变换为倾角的话，便可以测定倾斜传感器1000的倾角θ。
(第二实施例)图3示出第二实施例倾斜传感器2000的光学构成，由光源100、聚光透镜200、暗场条纹300、第一图案中继透镜400、具有自由表面的第一液体部件600、第二图案中继透镜700、感光装置800和运算处理装置900构成。
第二实施例倾斜传感器2000省略第一实施例倾斜传感器1000的半透反反射镜500，构成为由第一图案中继透镜400从斜向将光入射至具有自由表面的第一液体部件600，并且，由具有自由表面的第一液体部件600反射的光也斜向出射，由第二图案中继透镜700在感光装置800上成像。因而，感光装置800倾斜配置。
另外，其它构成与第一实施例相同，故省略说明。
(第三实施例)图4示出第三实施例倾斜传感器3000的光学构成，由光源100、聚光透镜200、暗场条纹300、第一图案中继透镜400、具有自由表面的第一液体部件600、第二图案中继透镜700、感光装800、和运算处理装置900构成。
第三实施例的倾斜传感器3000省略第一实施例倾斜传感器1000的半透过反射镜500和第一图案中继透镜400，构成为使光从铅直上方入射至具有自由表面的第一液体部件600，透过具有自由表面的第一液体部件600的光便出射至铅直下方，由第二图案中继透镜700在感光装置800上成像。
另外，其它构成与第1实施例和第2实施例相同，故省略其说明。
以下详细说明运算处理装置900的倾角运算处理。
感光装置800即线型传感器配置在与多个纵向缝隙310、310……的像相正交方向(X方向)上。
因而，对于X方向的倾角，如图7所示，可以将缝隙310的特定条纹视作为起始条纹，测定距离预先设定的水平基准位置的距离dx。
对于小于间距距离，则通过对线型传感器输出进行傅里叶变换，来计算与同间距对应的水平基准位置的相位差φ，通过求出φ×p/(2π) (式2)可对小于间距距离作高精度测定。接下来，可以与由上述起始条纹距离求得的大于间距距离相结合，运算总体距离。
接着，运算处理装置900可以由总体移动量运算相应的X方向倾角。
接下来为Y方向倾角，但Y方向倾角是由宽度变化的三角形缝隙310b来运算的。
具体来说，线型传感器配置在X方向上，因而在Y方向上发生倾斜的话，三角形缝隙310b的感光宽度便变化。该变化量与Y方向的倾角成正比，因而运算处理装置900可算出在Y方向上的倾角。
Y方向宽度的测定，如图7所示，可通过对线型传感器的输出进行微分，测定其上升沿与下降沿的距离。而且，为了提高测定精度，对整个信号进行运算，求出平均宽度dyave，由傅里叶变换得到的间距宽度p和预定的比例关系k，可将线型传感器上的距离L表达如下。
L＝k×dyave/p (式3)此外，还可以由式1计算Y方向的倾角。
另外，宽度变化的缝隙不限于三角形，宽度变化，只要是与倾角相对应设定的就行。
如上所述，只利用一个线型传感器，就可以检测X方向和Y方向两轴方向的倾角。
而且，不用线型传感器，用面型传感器，则可以通过采用等间隔形成的多个缝隙310、310……，检测出X方向和Y方向两轴的倾角。
此外，还可以采取晃动自如的悬垂部件来代替具有自由表面的第一液体部件600。
(第四实施例)图5示出第四实施例倾斜传感器4000的光学构成，由电源100、聚光透镜200、暗场条纹300、第一图案中继透镜400、半透过反射镜500、具有自由表面的第一液体部件600、具有自由表面的第二液体部件610、第二图案中继透镜700、感光装置800和运算处理装置900构成。
按与上述第一实施例相同方法实施时，第一液体部件600形成自由表面，第二液体部件610从光路上撤出，因而与第一实施例具有相同构成。
如图5所示，第四实施例整体向左旋转90度的话，便变成第二液体部件610形成自由表面，第一液体部件600从光路上撤出的情形。也就是说，第二液体部件610配置成即便使第一实施例旋转90度也可以使用。
因而，倾斜传感器4000一旦倾斜，由于第二液体部件610的自由表面确保水平，因而感光装置800上暗场条纹300的像便与倾斜角度成正比移动。
透过半透过反射镜500的条纹像经第二液体部件610反射，再经由半透过反射镜500和第二图案中继透镜700，在感光装置800上成像。这时入射至第一液体部件600的光由于液体处于光路以外位置，因而没有反射。
也就是说，只要增加第二液体部件610，图5倾斜传感器4000便可以在两维方向上使用。
图10和图11所示的电子式经纬仪20000等装配倾斜传感器的话，可以检测出测量装置主体在X方向和Y方向上的倾角。
如上所述构成的本发明，第一光学系统使光源出射的光平行，暗场条纹让第一光学系统出射的光通过，半透过反射镜使暗场条纹转向，具有自由表面的第一液体部件使半透过反射镜转向的条纹反射，第二光学系统使第一液体部件所反射的条纹成像，感光装置对第二光学系统的成像感光，运算处理装置根据感光装置的感光信号运算倾角，暗场条纹由多个缝形成，在某一方向上条纹中心线等间距地配置，并且沿正交方向使条纹宽度变化地配置，因而具有可以提供高机械强度、高精度倾斜传感器这种效果。
而且，本发明的感光装置将线型传感器配置在与多个纵向缝隙的像相正交方向(X方向)上，运算处理装置由相对线型传感器的移动量求得条纹超过间距的动作，通过运算傅里叶变换产生的条纹相位，求得条纹低于间距的动作，从而可求出X方向倾角，通过利用Y方向变化的缝隙像宽度，从而可求出Y方向倾角，因而可以由一个线型传感器检测出X方向和Y方向两轴的倾角，具有结构简便、可靠性提高、成本也低这类优越效果。
此外，本发明对于缝隙像低于间距的移动量，是运算处理装置通过傅里叶变换运算缝隙条纹相位求出的，因而，不需将暗场条纹精度专门提高，便可以进行高精度的倾角测定。尤其是采用傅里叶变换，因而具有暗场条纹的缝隙形状误差和间距误差对于最后的倾角可减轻传递这种优越效果。
权利要求
1.一种倾斜传感器，其特征在于包括光源；使该光源出射光平行用的第一光学系统；让该第一光学系统出射光通过的暗场条纹；使该暗场条纹转向用的半透过反射镜；具有自由表面用以反射由该半透过反射镜转向的条纹的第一液体部件；使该第一液体部件反射的条纹成像用的第二光学系统；对该第二光学系统所成的像感光用的感光装置；根据该感光装置的感光信号运算倾角用的运算处理装置，所述暗场条纹由多个缝隙形成，在一方向上条纹中心线等间距地配置，并且沿正交方向使条纹宽度变化地配置。
2.一种倾斜传感器，其特征在于包括光源；使该光源出射光平行用的第一光学系统；让该第一光学系统出射光通过的暗场条纹；配置成使该暗场条纹斜向入射、具有自由表面的第一液体部件；使该第一液体部件反射的条纹成像用的第二光学系统；对该第二光学系统所成的像感光用的感光装置；根据该感光装置的感光信号运算倾角用的运算处理装置，所述暗场条纹由多个缝隙形成，在一方向上条纹中心线等间距地配置，并且沿正交方向使条纹宽度变化地配置。
3.一种倾斜传感器，其特征在于包括光源；使该光源出射光平行用的第一光学系统；让该第一光学系统出射光通过的暗场条纹；配置成从铅直方向使该暗场条纹入射、具有自由表面的第一液体部件；使透过该第一液体部件的光成像用的第二光学系；对该第二光学系统所成的像感光用的感光装置；根据该感光装置的感光信号运算倾角用的运算处理装置，所述暗场条纹由多个缝隙形成，在一方向上条纹中心线等间距地配置，并且沿正交方向使条纹宽度变化地配置。
4.如权利要求1～3中任一项所述的倾斜传感器，其特征在于包括具有自由表面，用以对使暗场条纹转向用的半透过反射镜所透过的光进行反射，经由第二光学系统，入射至同一感光装置的第二液体部件，构成为可在二维方向上使用。
5.如权利要求1～4中任一项所述的倾斜传感器，其特征在于，感光装置是配置在与多个纵向缝隙的像相正交方向(X方向)上的线型传感器，运算处理装置构成为由相对线型传感器的移动量求出条纹超过间距的移动，通过运算傅里叶变换得到的条纹相位求出条纹低于间距的移动，从而求出X方向倾角，通过利用Y方向变化的缝隙像的宽度，求出Y方向倾角。
6.如权利要求1～5中任一项所述的倾斜传感器，其特征在于，采用晃动自如的悬垂部件代替具有自由表面的液体部件。
7.一种采用如权利要求1～6中任一项所述的倾斜传感器的测量仪，其特征在于，将它装配在测量装置主体上，来检测测量装置主体X方向和Y方向的倾角。
全文摘要
本发明涉及一种最适合测量仪，仅用一个线型传感器就可以检测二维方向倾角的倾斜传感器，本发明中，第一光学系统使光源出射光平行，暗场条纹让出射光通过，半透过反射镜使暗场条纹转向，第一液体部件使半透过反射镜转向的条纹反射，第二光学系统使第一液体部件所反射的条纹成像，感光装置对第二光学系统所成的像感光，运算处理装置根据感光信号运算倾角，暗场条纹由多个缝形成，条纹中心线等间距地配置，并且沿正交方向使条纹宽度变化地配置。
文档编号G01C15/00GK1167907SQ97110370
公开日1997年12月17日 申请日期1997年4月14日 优先权日1996年4月17日
发明者熊谷薰, 大友文夫 申请人:株式会社拓普康