專利名稱：傾斜傳感器以及采用它的測(cè)量?jī)x的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用具有自由表面的液體部件的傾斜傳感器，尤其對(duì)測(cè)量?jī)x的傾斜傳感器最為適合，可以只由一個(gè)線性傳感器檢測(cè)X軸和Y軸兩軸方向傾角的傾斜傳感器以及采用它的測(cè)量?jī)x。
以往，檢測(cè)測(cè)量?jī)x傾角的元件采用的是圖9所示的氣泡管10000。這種氣泡管10000內(nèi)部封入氣泡5000，并且形成電極6000、7000，可通過電氣測(cè)量靜電電容，來測(cè)定傾角。
但上述氣泡管10000其外周部分由玻璃構(gòu)成，因而要求沖擊較弱和較高的機(jī)械精度，因而具有成本較高這種問題。
此外，為了測(cè)量X、Y方向傾角，兩軸方向需有要兩個(gè)氣泡管10000，因而成本高。
氣泡管10000還有受環(huán)境溫度變化的影響，必須對(duì)溫度變化進(jìn)行修正等這種問題。
本發(fā)明，第一光學(xué)系統(tǒng)使光源出射的光平行，暗場(chǎng)條紋讓第一光學(xué)系統(tǒng)出射的光通過，半透過反射鏡使暗場(chǎng)條紋轉(zhuǎn)向，第一液體部件使半透過反射鏡轉(zhuǎn)向的條紋反射，第二光學(xué)系統(tǒng)使第一液體部件所反射的條紋成像，感光裝置對(duì)第二光學(xué)系統(tǒng)所成的像感光，運(yùn)算處理裝置根據(jù)感光裝置的感光信號(hào)運(yùn)算傾角，暗場(chǎng)條紋由多個(gè)縫形成，在某一方向上條紋中心線等間距地配置，并且沿正交方向使條紋寬度變化地配置。
附圖示出本發(fā)明實(shí)施例。
圖1是示意本發(fā)明第一實(shí)施例傾斜傳感器1000的光學(xué)構(gòu)成圖。
圖2是本實(shí)施例暗場(chǎng)條紋300的說明圖。
圖3是第二實(shí)施例傾斜傳感器2000的光學(xué)構(gòu)成圖。
圖4是第三實(shí)施例傾斜傳感器3000的光學(xué)構(gòu)成圖。
圖5是第四實(shí)施例傾斜傳感器4000的光學(xué)構(gòu)成圖。
圖6是第一實(shí)施例第一流體部件600的說明圖。
圖7是運(yùn)算處理裝置900傾角運(yùn)算處理的說明圖。
圖8是運(yùn)算處理裝置900傾角運(yùn)算處理的說明圖。
圖9是現(xiàn)有技術(shù)的說明圖。
圖10是本實(shí)施例應(yīng)用于電子式經(jīng)緯儀20000的例子的說明圖。
圖11是本實(shí)施例應(yīng)用于電子式經(jīng)緯儀20000的例子的說明圖。
根據(jù)


本發(fā)明實(shí)施例。
(第一實(shí)施例)圖1示出第一實(shí)施例傾斜傳感器100的光學(xué)構(gòu)成，由光源100、聚光透鏡200、暗場(chǎng)條紋300、第一圖案中繼透鏡400、半透過反射鏡500、具有自由表面的第一液體部件600、第二圖案中繼透鏡700、感光裝置800和運(yùn)算處理裝置900構(gòu)成。
第一實(shí)施例光源100為LED，但可以使用任意光源。
聚光透鏡200是使光源100出射的光平行用的裝置，相當(dāng)于第一光學(xué)系統(tǒng)。
暗場(chǎng)條紋300是在感光裝置800上形成條紋像用的裝置。
圖2示出第一實(shí)施例暗場(chǎng)條紋300，由多個(gè)縱向縫隙310、310，……構(gòu)成。這里，令與多個(gè)縱向縫隙310、310……相正交方向?yàn)閄方向，縫隙310的縱向?yàn)閅方向。
多個(gè)這種縱向縫隙310、310……配置成各縫隙310的中心點(diǎn)按間距P等間隔分布，并且沿正交方向條紋寬度變化配置。
第一圖案中繼透鏡400是將通過暗場(chǎng)條紋300的光導(dǎo)向半透過反射鏡500的裝置。
經(jīng)半透過反射鏡500轉(zhuǎn)向的光朝向上方，入射至具有自由表面的第一液體部件600。接著，由具有自由表面的第一液體部件600反射的光便通過半透過反射鏡500，朝向下方的感光裝置800。
具有自由表面的第一液體部件600充填有硅油等具有合適粘性的液體。第一液體部件600具有自由表面，因而表面總是保持水平的狀態(tài)。
第二圖案中繼透鏡700是使具有自由表面的第一液體部件600反射、透過半透過反射鏡500的光成像于感光裝置800上所用的裝置。具體來說，第二圖案中繼透鏡700是在感光裝置800上使暗場(chǎng)條紋300成像用的裝置。
另外，第二圖案中繼透鏡700相當(dāng)于第二光學(xué)系統(tǒng)，配置于距感光裝置800有第二圖案中繼透鏡700焦距9距離的位置上。
感光裝置800是對(duì)暗場(chǎng)條紋300的像感光，變換為電信號(hào)用的裝置，第一實(shí)施例中可采用CCD(電荷耦合元件)線型傳感器。
運(yùn)算處理裝置900是含CPU的運(yùn)算處理裝置，對(duì)全體加以控制，并算出暗場(chǎng)條紋300縫隙像的移動(dòng)距離，運(yùn)算相應(yīng)傾角用的裝置。
如上所述構(gòu)成的第一實(shí)施例，傾斜傳感器1000傾斜的話，由于第一液體部件600的自由表面保持水平，因而暗場(chǎng)條紋300在感光裝置800上的像與傾斜角度成正比移動(dòng)。
這里，傾斜傳感器1000傾斜角度θ時(shí)，如圖6所示，令第一液體部件600的折射率為n的話，自由表面的反射光便傾斜2nθ。令感光裝置800即線型傳感器上的距離為L的話，則有下式成立。
L＝f×tan(2nθ) (式1)因而，感光裝置800檢測(cè)出暗場(chǎng)條紋300縫隙310的移動(dòng)量，運(yùn)算處理裝置900變換為傾角的話，便可以測(cè)定傾斜傳感器1000的傾角θ。
(第二實(shí)施例)圖3示出第二實(shí)施例傾斜傳感器2000的光學(xué)構(gòu)成，由光源100、聚光透鏡200、暗場(chǎng)條紋300、第一圖案中繼透鏡400、具有自由表面的第一液體部件600、第二圖案中繼透鏡700、感光裝置800和運(yùn)算處理裝置900構(gòu)成。
第二實(shí)施例傾斜傳感器2000省略第一實(shí)施例傾斜傳感器1000的半透反反射鏡500，構(gòu)成為由第一圖案中繼透鏡400從斜向?qū)⒐馊肷渲辆哂凶杂杀砻娴牡谝灰后w部件600，并且，由具有自由表面的第一液體部件600反射的光也斜向出射，由第二圖案中繼透鏡700在感光裝置800上成像。因而，感光裝置800傾斜配置。
另外，其它構(gòu)成與第一實(shí)施例相同，故省略說明。
(第三實(shí)施例)圖4示出第三實(shí)施例傾斜傳感器3000的光學(xué)構(gòu)成，由光源100、聚光透鏡200、暗場(chǎng)條紋300、第一圖案中繼透鏡400、具有自由表面的第一液體部件600、第二圖案中繼透鏡700、感光裝800、和運(yùn)算處理裝置900構(gòu)成。
第三實(shí)施例的傾斜傳感器3000省略第一實(shí)施例傾斜傳感器1000的半透過反射鏡500和第一圖案中繼透鏡400，構(gòu)成為使光從鉛直上方入射至具有自由表面的第一液體部件600，透過具有自由表面的第一液體部件600的光便出射至鉛直下方，由第二圖案中繼透鏡700在感光裝置800上成像。
另外，其它構(gòu)成與第1實(shí)施例和第2實(shí)施例相同，故省略其說明。
以下詳細(xì)說明運(yùn)算處理裝置900的傾角運(yùn)算處理。
感光裝置800即線型傳感器配置在與多個(gè)縱向縫隙310、310……的像相正交方向(X方向)上。
因而，對(duì)于X方向的傾角，如圖7所示，可以將縫隙310的特定條紋視作為起始條紋，測(cè)定距離預(yù)先設(shè)定的水平基準(zhǔn)位置的距離dx。
對(duì)于小于間距距離，則通過對(duì)線型傳感器輸出進(jìn)行傅里葉變換，來計(jì)算與同間距對(duì)應(yīng)的水平基準(zhǔn)位置的相位差φ，通過求出φ×p/(2π) (式2)可對(duì)小于間距距離作高精度測(cè)定。接下來，可以與由上述起始條紋距離求得的大于間距距離相結(jié)合，運(yùn)算總體距離。
接著，運(yùn)算處理裝置900可以由總體移動(dòng)量運(yùn)算相應(yīng)的X方向傾角。
接下來為Y方向傾角，但Y方向傾角是由寬度變化的三角形縫隙310b來運(yùn)算的。
具體來說，線型傳感器配置在X方向上，因而在Y方向上發(fā)生傾斜的話，三角形縫隙310b的感光寬度便變化。該變化量與Y方向的傾角成正比，因而運(yùn)算處理裝置900可算出在Y方向上的傾角。
Y方向?qū)挾鹊臏y(cè)定，如圖7所示，可通過對(duì)線型傳感器的輸出進(jìn)行微分，測(cè)定其上升沿與下降沿的距離。而且，為了提高測(cè)定精度，對(duì)整個(gè)信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，求出平均寬度dyave，由傅里葉變換得到的間距寬度p和預(yù)定的比例關(guān)系k，可將線型傳感器上的距離L表達(dá)如下。
L＝k×dyave/p (式3)此外，還可以由式1計(jì)算Y方向的傾角。
另外，寬度變化的縫隙不限于三角形，寬度變化，只要是與傾角相對(duì)應(yīng)設(shè)定的就行。
如上所述，只利用一個(gè)線型傳感器，就可以檢測(cè)X方向和Y方向兩軸方向的傾角。
而且，不用線型傳感器，用面型傳感器，則可以通過采用等間隔形成的多個(gè)縫隙310、310……，檢測(cè)出X方向和Y方向兩軸的傾角。
此外，還可以采取晃動(dòng)自如的懸垂部件來代替具有自由表面的第一液體部件600。
(第四實(shí)施例)圖5示出第四實(shí)施例傾斜傳感器4000的光學(xué)構(gòu)成，由電源100、聚光透鏡200、暗場(chǎng)條紋300、第一圖案中繼透鏡400、半透過反射鏡500、具有自由表面的第一液體部件600、具有自由表面的第二液體部件610、第二圖案中繼透鏡700、感光裝置800和運(yùn)算處理裝置900構(gòu)成。
按與上述第一實(shí)施例相同方法實(shí)施時(shí)，第一液體部件600形成自由表面，第二液體部件610從光路上撤出，因而與第一實(shí)施例具有相同構(gòu)成。
如圖5所示，第四實(shí)施例整體向左旋轉(zhuǎn)90度的話，便變成第二液體部件610形成自由表面，第一液體部件600從光路上撤出的情形。也就是說，第二液體部件610配置成即便使第一實(shí)施例旋轉(zhuǎn)90度也可以使用。
因而，傾斜傳感器4000一旦傾斜，由于第二液體部件610的自由表面確保水平，因而感光裝置800上暗場(chǎng)條紋300的像便與傾斜角度成正比移動(dòng)。
透過半透過反射鏡500的條紋像經(jīng)第二液體部件610反射，再經(jīng)由半透過反射鏡500和第二圖案中繼透鏡700，在感光裝置800上成像。這時(shí)入射至第一液體部件600的光由于液體處于光路以外位置，因而沒有反射。
也就是說，只要增加第二液體部件610，圖5傾斜傳感器4000便可以在兩維方向上使用。
圖10和圖11所示的電子式經(jīng)緯儀20000等裝配傾斜傳感器的話，可以檢測(cè)出測(cè)量裝置主體在X方向和Y方向上的傾角。
如上所述構(gòu)成的本發(fā)明，第一光學(xué)系統(tǒng)使光源出射的光平行，暗場(chǎng)條紋讓第一光學(xué)系統(tǒng)出射的光通過，半透過反射鏡使暗場(chǎng)條紋轉(zhuǎn)向，具有自由表面的第一液體部件使半透過反射鏡轉(zhuǎn)向的條紋反射，第二光學(xué)系統(tǒng)使第一液體部件所反射的條紋成像，感光裝置對(duì)第二光學(xué)系統(tǒng)的成像感光，運(yùn)算處理裝置根據(jù)感光裝置的感光信號(hào)運(yùn)算傾角，暗場(chǎng)條紋由多個(gè)縫形成，在某一方向上條紋中心線等間距地配置，并且沿正交方向使條紋寬度變化地配置，因而具有可以提供高機(jī)械強(qiáng)度、高精度傾斜傳感器這種效果。
而且，本發(fā)明的感光裝置將線型傳感器配置在與多個(gè)縱向縫隙的像相正交方向(X方向)上，運(yùn)算處理裝置由相對(duì)線型傳感器的移動(dòng)量求得條紋超過間距的動(dòng)作，通過運(yùn)算傅里葉變換產(chǎn)生的條紋相位，求得條紋低于間距的動(dòng)作，從而可求出X方向傾角，通過利用Y方向變化的縫隙像寬度，從而可求出Y方向傾角，因而可以由一個(gè)線型傳感器檢測(cè)出X方向和Y方向兩軸的傾角，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便、可靠性提高、成本也低這類優(yōu)越效果。
此外，本發(fā)明對(duì)于縫隙像低于間距的移動(dòng)量，是運(yùn)算處理裝置通過傅里葉變換運(yùn)算縫隙條紋相位求出的，因而，不需將暗場(chǎng)條紋精度專門提高，便可以進(jìn)行高精度的傾角測(cè)定。尤其是采用傅里葉變換，因而具有暗場(chǎng)條紋的縫隙形狀誤差和間距誤差對(duì)于最后的傾角可減輕傳遞這種優(yōu)越效果。
權(quán)利要求
1.一種傾斜傳感器，其特征在于包括光源；使該光源出射光平行用的第一光學(xué)系統(tǒng)；讓該第一光學(xué)系統(tǒng)出射光通過的暗場(chǎng)條紋；使該暗場(chǎng)條紋轉(zhuǎn)向用的半透過反射鏡；具有自由表面用以反射由該半透過反射鏡轉(zhuǎn)向的條紋的第一液體部件；使該第一液體部件反射的條紋成像用的第二光學(xué)系統(tǒng)；對(duì)該第二光學(xué)系統(tǒng)所成的像感光用的感光裝置；根據(jù)該感光裝置的感光信號(hào)運(yùn)算傾角用的運(yùn)算處理裝置，所述暗場(chǎng)條紋由多個(gè)縫隙形成，在一方向上條紋中心線等間距地配置，并且沿正交方向使條紋寬度變化地配置。
2.一種傾斜傳感器，其特征在于包括光源；使該光源出射光平行用的第一光學(xué)系統(tǒng)；讓該第一光學(xué)系統(tǒng)出射光通過的暗場(chǎng)條紋；配置成使該暗場(chǎng)條紋斜向入射、具有自由表面的第一液體部件；使該第一液體部件反射的條紋成像用的第二光學(xué)系統(tǒng)；對(duì)該第二光學(xué)系統(tǒng)所成的像感光用的感光裝置；根據(jù)該感光裝置的感光信號(hào)運(yùn)算傾角用的運(yùn)算處理裝置，所述暗場(chǎng)條紋由多個(gè)縫隙形成，在一方向上條紋中心線等間距地配置，并且沿正交方向使條紋寬度變化地配置。
3.一種傾斜傳感器，其特征在于包括光源；使該光源出射光平行用的第一光學(xué)系統(tǒng)；讓該第一光學(xué)系統(tǒng)出射光通過的暗場(chǎng)條紋；配置成從鉛直方向使該暗場(chǎng)條紋入射、具有自由表面的第一液體部件；使透過該第一液體部件的光成像用的第二光學(xué)系；對(duì)該第二光學(xué)系統(tǒng)所成的像感光用的感光裝置；根據(jù)該感光裝置的感光信號(hào)運(yùn)算傾角用的運(yùn)算處理裝置，所述暗場(chǎng)條紋由多個(gè)縫隙形成，在一方向上條紋中心線等間距地配置，并且沿正交方向使條紋寬度變化地配置。
4.如權(quán)利要求1～3中任一項(xiàng)所述的傾斜傳感器，其特征在于包括具有自由表面，用以對(duì)使暗場(chǎng)條紋轉(zhuǎn)向用的半透過反射鏡所透過的光進(jìn)行反射，經(jīng)由第二光學(xué)系統(tǒng)，入射至同一感光裝置的第二液體部件，構(gòu)成為可在二維方向上使用。
5.如權(quán)利要求1～4中任一項(xiàng)所述的傾斜傳感器，其特征在于，感光裝置是配置在與多個(gè)縱向縫隙的像相正交方向(X方向)上的線型傳感器，運(yùn)算處理裝置構(gòu)成為由相對(duì)線型傳感器的移動(dòng)量求出條紋超過間距的移動(dòng)，通過運(yùn)算傅里葉變換得到的條紋相位求出條紋低于間距的移動(dòng)，從而求出X方向傾角，通過利用Y方向變化的縫隙像的寬度，求出Y方向傾角。
6.如權(quán)利要求1～5中任一項(xiàng)所述的傾斜傳感器，其特征在于，采用晃動(dòng)自如的懸垂部件代替具有自由表面的液體部件。
7.一種采用如權(quán)利要求1～6中任一項(xiàng)所述的傾斜傳感器的測(cè)量?jī)x，其特征在于，將它裝配在測(cè)量裝置主體上，來檢測(cè)測(cè)量裝置主體X方向和Y方向的傾角。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種最適合測(cè)量?jī)x，僅用一個(gè)線型傳感器就可以檢測(cè)二維方向傾角的傾斜傳感器，本發(fā)明中，第一光學(xué)系統(tǒng)使光源出射光平行，暗場(chǎng)條紋讓出射光通過，半透過反射鏡使暗場(chǎng)條紋轉(zhuǎn)向，第一液體部件使半透過反射鏡轉(zhuǎn)向的條紋反射，第二光學(xué)系統(tǒng)使第一液體部件所反射的條紋成像，感光裝置對(duì)第二光學(xué)系統(tǒng)所成的像感光，運(yùn)算處理裝置根據(jù)感光信號(hào)運(yùn)算傾角，暗場(chǎng)條紋由多個(gè)縫形成，條紋中心線等間距地配置，并且沿正交方向使條紋寬度變化地配置。
文檔編號(hào)G01C15/00GK1167907SQ97110370
公開日1997年12月17日 申請(qǐng)日期1997年4月14日 優(yōu)先權(quán)日1996年4月17日
發(fā)明者熊谷薰, 大友文夫 申請(qǐng)人:株式會(huì)社拓普康