JP2000314619A - 光学式偏角測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光を検出器に当てる操作を不要にするだけで
はなく、湿気や粉塵等の多い環境下でも偏角の計測が支
障なく行える光学式偏角測定装置を提供する。 【解決手段】 基点とこれと距離を置いて基点の両側に
設定した各地点とをそれぞれを結ぶ二つの線分の偏角を
光で計測するため、各光源１１，１２からの拡散光を集
光するレンズ２１と、この集光した各光を受光してその
受光位置を検出する位置検出素子２２−１，２２−２
と、レンズに入射しようとする各光源１２，１１からの
拡散光を透過しかつレンズで集光する各光源１１，１２
からの光を各位置検出素子２２−１，２２−２に導く反
射プリズム２３−１，２３−２とを設け、その場合、厚
みが均一で平板状の透明板２５ａを設けた密閉容器２４
にレンズ、位置検出素子及び反射プリズムを納めるとと
もに、透明板の外側表面を撥水性の物質で被覆し、その
外側表面の付着物を噴流により除去できるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基点とこれと距離
を置いて基点の両側に設定した各地点とをそれぞれを結
ぶ二つの線分の偏角を光で計測する光学式偏角測定装置
に関するものであり、地上や地下で行う建設作業にとっ
て特に有用なものでる。

【０００２】

【従来の技術】地上や地下で建設作業を行う場合、基点
となる地点とこれと距離を置いてその両側にそれぞれ設
定した地点とをそれぞれを結ぶ二つの線分同士の角度関
係を知る必要が生じる。例えば、曲折した道路を施工す
るときには、施工路面の曲折部の角度を知ることが必要
になる。その場合には、曲折部の適所に基点となる計測
地点を設定するとともに、これと距離を置いてその両側
の路面施工区域にもそれぞれ計測地点を設定して、基点
となる計測地点とその両側の各計測地点を結ぶ各線分同
士の角度を計測する。また、地中掘進機でカーブした地
下坑を掘削するには、地中掘進機が計画路線（予め設定
された掘進経路）に沿って正しく掘進しているかどうか
を知るため、その掘進位置を確認しなければならない。
その場合にも、後に詳述するように、基点となる計測地
点とその両側の各計測地点を結ぶ各線分同士の角度関係
を知ることが必要になる。このような基点を頂点とする
両側の線分同士の角度関係を知るには、両線分同士の内
角及び外角の何れを計測してもよく、その角度関係を一
義的に特定できるような角度に関する値が計測できれば
その目的が果たせる。この明細書では、こうした二つの
線分同士の角度関係を特定し得るような角度に関する値
を偏角と称している。

【０００３】建設作業においては、これまで、こうした
偏角を計測するのに、トランシットを用いて計測する方
法が一般的に採用されている。このトランシットによる
偏角の計測方法は、人的能力に依存する方法であるた
め、熟練技術者等人手を要するだけでなく一回の測量時
間が長くなる。また、望遠鏡をヨーイング方向（水平方
向）やピッチング方向（垂直方向）に回動させるための
回動機構を必要とするため、この回動機構に起因して機
械的な計測誤差が生じやすく、高い計測精度を確保する
ことが困難である。さらに、ヨーイング方向やピッチン
グ方向に傾動させるような振動等の外力が作用すると、
こうした外力による計測誤差が生じて計測結果に影響を
及ぼす。

【０００４】ところで、地下坑を掘削しながら地中を掘
進する地中掘進機でカーブする地下坑を掘削する場合に
は、地中掘進機が計画路線に沿って正しく掘進できるよ
うに地中掘進機の掘進位置の計測を行う。こうした地中
掘進機の掘進位置の計測をするには、通常、発進立坑等
の地中掘進機の掘進の出発点となる地点及び地中掘進機
内にそれぞれ計測始点及び計測終点を設定するととも
に、地中掘進機の掘進の進展に応じてこれらの中間に適
当数の中間計測点を設定する。そして、これらの計測点
間の各距離を計測するほか、中間計測点と隣接する両側
の計測地点を結ぶ各線分同士の偏角を計測して、これら
の計測結果に基づいて地中掘進機の掘進位置を演算によ
り求めるようにしている。こうした地中掘進機の掘進位
置の計測過程で偏角を計測するときにも、従来、トラン
シットで計測する方法が採用されていた。このトランシ
ットによる方法は、前述したように、一回の測量時間が
長く人手を要し、特に手狭な坑内で測量するときには、
測量作業に多大の労力と危険が伴うことから、この種の
地中掘進機の掘進位置計測技術として、従来、掘進位置
の計測の際に、偏角をトランシットによらないでレーザ
ビームで光学的に計測する方法を採り入れたものがあ
る。

【０００５】こうした方法を採り入れた地中掘進機の掘
進位置計測技術の代表例として、例えば特開平５ー３４
０１８６号公報に記載された技術を挙げることができ
る。この特開平５ー３４０１８６号公報に記載の技術
（以下「従来の技術」という。）は、「カーブする地下
坑内に設定される後方視準点の前方に、測角機能を有す
るレーザ照準機を設置し、シールド掘進機内に、ミニ反
射プリズムを付設した位置検出素子（光電素子）のター
ゲットを設置するとともに、これらの中間位置には、レ
ーザ照準機からのレーザビームを屈折させ屈折させたレ
ーザビームの方向転角を計測できる距離儀付きのウエッ
ジプリズムを、地中掘進機の掘進の進展に応じて適当数
設置するようにした」ものである。

【０００６】この従来の技術により地中掘進機の掘進位
置を計測するときは、ウエッジプリズムを遠隔操作で回
動させることにより、レーザ照準機からのレーザビーム
を、ウエッジプリズムを介してシールド掘進機内のター
ゲットに常に当てるようにする。そうすると、ウエッジ
プリズムを経由したレーザ照準機からのレーザビームが
ターゲットの位置検出素子に当てられるため、レーザス
ポットの位置が検出されるとともに、ウエッジプリズム
の設置点の偏角がウエッジプリズムの回動量により計測
され、また、各計測点間の距離がウエッジプリズムの距
離儀により計測される。従来の技術では、こうして得ら
れた各計測点間の距離、偏角及びレーザスポットの位置
に基づいて地中掘進機の掘進位置を座標位置により計測
する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】この従来の技術に採り
入れられている偏角計測技術は、収束度の高いレーザ光
であるレーザビームを、検出器をなす位置検出素子に当
てるようにウエッジプリズムを回動させて、その回転量
によりウエッジプリズムの設置点の偏角を計測するよう
にしている。そのため、地中掘進機の掘進位置を計測す
る際、レーザビームを検出器の位置検出素子に的確に当
てるようにウエッジプリズムを回動させる操作を要して
操作が複雑であるばかりでなく、ウエッジプリズムを回
動させるための回動機構を要し、これに伴って種々の問
題がもたらされることとなる。例えば、回動機構を要す
るために機械的な計測誤差が生じやすく、光学的な誤差
に機械的な誤差が加わって高い計測精度を確保すること
が困難であるとともに、レーザ照準機が外力によりピッ
チングやヨーイング方向に振動すると、大きな計測誤差
が生じる。特に、地中掘進機の掘進位置の計測では、偏
角の計測結果が掘進位置の計測結果に及ぼす度合いが大
きいことに加えて、緩やかなカーブをなす場所の偏角を
計測する機会が多く、偏角を精度よく計測する必要性が
高いことから、回動機構による機械的な計測誤差や振動
による計測誤差が生じると、地中掘進機の掘進位置の計
測結果に多大な影響を及ぼす。

【０００８】こうしたことから、出願人は、検出器に当
てるための光源として、レーザビームよりも広い領域を
照らせる拡散光を用いて、レーザビームのように光を検
出器の位置検出素子に的確に当てるための操作は要せず
機械的な計測誤差や振動による計測誤差も生じないよう
にした斬新的な偏角測定装置やこれを用いた地中掘進機
の位置計測装置について技術開発を進めている。その技
術開発の過程で生まれた発明は、すでに特許出願されて
おり、その代表的なものとして、特願平９ー２９７２９
５号に係る発明を挙げることができる。

【０００９】この発明に係る光学式偏角測定装置は、基
点に設置される偏角計測用の検出器と、基点の両側に設
定した各地点にそれぞれ設置され拡散光を発する偏角計
測用の光源とからなり、偏角計測用の各光源が発する拡
散光を検出器の集光手段でそれぞれ集光した後、検出器
の各位置検出素子でそれぞれ受光してその受光位置を検
出し、各位置検出素子での検出結果に基づいて各光源の
光軸同士の偏角を演算により算出できるようにしたもの
である。この光学式偏角測定装置は、光源に、レーザビ
ームより広領域を照らせる拡散光を用いて、従来の技術
で生じる前記の問題を解決するようにした点に特徴があ
る。この光学式偏角測定装置の詳細は、後に、この出願
の発明を説明する過程で詳述する。

【００１０】この光学式偏角測定装置について、その
後、実用化を図るための技術開発を進めたところ、大気
中に湿気や粉塵等の夾雑物が多量に含まれる地下坑内で
偏角を計測したとき、こうした地下坑内の湿気や粉塵等
の大気中の夾雑物が検出器に悪影響を及ぼして偏角の計
測精度の低下や誤検出をもたらし、さらには偏角が計測
不能になる事態を招く恐れのあることが判明した。

【００１１】本発明は、前記当社開発の光学式偏角測定
装置についてこうした問題を改善するために創作された
ものであって、その技術課題は、計測時に光を検出器に
当てる操作を不要にし機械的な計測誤差や振動による計
測誤差を生じにくくするだけでなく、湿気や粉塵等の夾
雑物の多い環境下で計測しても偏角の計測を支障なく行
うことができる光学式偏角測定装置を提供することにあ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明のこうした技術課
題は、次の手段により解決される。

【００１３】基点に設置される検出器と、基点の両側に
設定した各地点にそれぞれ設置され拡散光を発する光源
とからなり、基点と基点の両側に設定した各地点とをそ
れぞれを結ぶ二つの線分の偏角を光で計測する光学式偏
角測定装置を構成する場合、各光源からの拡散光をそれ
ぞれ集光する共通の集光手段と、集光手段でそれぞれ集
光した各光源からの光をそれぞれ受光してその受光位置
を検出する各位置検出素子と、集光手段に入射しようと
する各光源からの拡散光の少なくとも一部をそれぞれ透
過しかつ集光手段で集光する各光源からの光をそれぞれ
各位置検出素子に導くように方向転換させる各光方向転
換手段とを設け、集光手段に入射しようとする各光源か
らの拡散光を遮断しない位置に各位置検出素子を配置し
て、これら集光手段、各位置検出素子及び各光方向転換
手段を密閉容器に納め、光を透過できるように外側表面
を撥水性の物質で被覆した厚みが均一で平板状の透明板
を各光源からの拡散光が入射できるように密閉容器に設
けて、拡散光が透明板を通じて各光方向転換手段へ入射
できるようにするとともに、透明板の外側表面の付着物
を噴流により除去する付着物除去手段を密閉容器に設け
て検出器を構成し、各位置検出素子での検出結果に基づ
いて各光源の光軸同士の偏角を演算により算出できるよ
うにする。

【００１４】本発明の光学式偏角測定装置は、光源とし
て、特に拡散光を発する光源を用いて、拡がりをもつ光
でレーザビームよりも広い領域を照らせるようにしたこ
とにより、光源にレーザビームを用いる従来の技術のよ
うに光源の光を位置検出素子に当てるための操作は要せ
ず、ひいては、その操作を可能にするための回転機構を
設ける必要がなくなって、回転機構に起因する機械的な
計測誤差も生じない。また、各光源からの拡散光を共通
の集光手段で集めて位置検出素子で各光源の受光位置を
検出することにより、同一の検出器で双方の光源の方向
を検出できるようにし、その検出結果に基づいて各光源
の光軸同士の偏角を求め得るようにしたので、検出器が
ピッチング及びヨーイング方向に振動しても、偏角の計
測結果がその影響を受けにくいとともに、検出器を設置
する際、位置設定さえ正確に行えば、偏角の計測結果が
検出器の取付姿勢に影響されることもない。

【００１５】特に、本発明の光学式偏角測定装置では、
集光手段、各位置検出素子及び各光方向転換手段を、透
明板を設けた密閉容器に納めて、各光源からの拡散光が
透明板を通じて各光方向転換手段へ入射できるようにし
たので、集光手段、各位置検出素子及び各光方向転換手
段に大気中の湿気や粉塵等の夾雑物が触れるのを密閉容
器で防ぎつつ偏角を計測することができて、湿気や粉塵
等の多い環境下で偏角を計測しても、偏角の計測精度の
低下や誤検出が生じたしたり偏角の計測ができなくなっ
たりするようなことはない。また、透明板を、特に厚み
が均一で平板状のものにして、光源からの拡散光が入射
できる位置に設けたので、検出器の取付姿勢に応じて透
明板への光の入射方向が変動しても、偏角の計測結果に
誤差が生じるようなことはない。

【００１６】偏角の計測時に、透明板の外側表面に水滴
や粉塵等が付着していると、計測精度の低下をもたらす
が、本発明の光学式偏角測定装置では、この透明板の外
側表面を特に撥水性の物質で被覆したので、水や湿気に
より水滴が生じて透明板に付着しようとしたときでも、
その水滴を撥水性の物質で弾いて水滴の付着を防止する
ことができる。また、密閉容器に特に付着物除去手段を
設けているので、透明板の外側表面に水滴や粉塵等が万
一付着したときでも、水滴や粉塵等の付着物を付着物除
去手段の噴流により除去することができて計測精度の低
下をもたらすようなことはない。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明が実際上どのように
具体化されるのかを示す具体化例を図１及び図２に基づ
いて説明することにより、本発明の実施の形態を明らか
にする。図１は、検出器と光源とをユニット化して一体
にした本発明の光学式偏角測定装置の具体化例を示す斜
視図、図２は、図１の光学式偏角測定装置の要部の縦断
面及び横断面を示す図である。

【００１８】冒頭で述べたように、光学式偏角測定装置
は、基点とこれと距離を置いて基点の両側に設定した各
地点とをそれぞれを結ぶ二つの線分の偏角を光で計測す
る装置である。ここで基点とは、計測しようとする角度
の頂点の個所に設定する計測点を意味する。光学式偏角
測定装置は、その一例が図１に図示されており、大別す
ると、基点の両側に設定した地点にそれぞれ設置され拡
散光を発する偏角計測用の各光源１１，１２と、基点に
設置されこれらの各光源１１，１２の方向を検出できる
偏角計測用の検出器２０とからなる。

【００１９】まず、前記当社開発の光学式偏角測定装置
の基本的な技術内容を、図１を用いて説明する。図１に
示す偏角計測用の検出器２０は、多数の計測点で偏角を
計測する機会が多い地中掘進機の掘進位置の計測に適す
るように光源１１，１２を一体的に付設するようにして
いる。したがって、こうしたユニット状の検出器２０を
多数の計測点にそれぞれ設置すると、各計測点には光源
１１，１２も自動的に設置され、隣合う検出器２０同士
で互いに拡散光を授受して隣の検出器２０の光源の方向
を検出することができることとなり、きわめて簡便であ
る。図１中、点１１は、図１に図示の検出器２０の隣後
方に配置した検出器２０が内蔵している前方光源を表
し、点１２は、図１に図示の検出器２０の隣前方に配置
した検出器２０が内蔵している後方光源を表す。偏角計
測用の検出器２０に光源１１，１２を一体的に付設する
ことは、偏角を計測する上で必ずしも必要なことではな
く、光源１１，１２の方向を検出できる偏角計測用の検
出器と光源１１，１２とを用意すれば、任意の計測点に
検出器を設置しその両側の計測点に光源１１，１２を設
置することにより、任意の計測点を頂点とする偏角を計
測することができる。

【００２０】偏角計測用の検出器２０の概要を説明する
と、検出器２０は、隣合う前方の検出器２０（後方光源
１２以外図示せず。以下同じ。）及び後方の検出器２０
（前方光源１１以外図示せず。以下同じ。）に対してそ
れぞれ拡散光を発する前方光源１１及び後方光源１２
と、隣後方の検出器２０の前方光源１１及び隣前方の検
出器２０の後方光源１２から拡散光をそれぞれ受けて各
光源１１，１２の方向を検出するための、共通のレンズ
２１、位置検出素子２２−１，２２−２及び反射プリズ
ム２３−１，２３−２を有する検出手段とを一体化して
ユニットをなすように構成されている。

【００２１】次に、この偏角計測用の検出器２０の詳細
を説明すると、２１は隣前方の検出器２０の後方光源１
２及び隣後方の検出器２０の前方光源１１の拡散光を集
光する（収束させて集める）両光源１１，１２に共通の
集光手段としてのレンズ、２２−１は、このレンズ２１
で集められた後方の検出器２０の前方光源１１からの拡
散光を受光しその受光位置を検出する光センサとしての
位置検出素子、２２−２はレンズ２１で集められた前方
の検出器２０の後方光源１２からの拡散光を受光しその
受光位置を検出する同様の位置検出素子、２３−１はレ
ンズ２１で集光する後方の検出器２０の前方光源１１か
らの拡散光を位置検出素子２２−１に導くように光の方
向を転換する光方向転換手段としての反射プリズム、２
３−２はレンズ２１で集光する前方の検出器２０の後方
光源１２からの拡散光を位置検出素子２２−２に導くよ
うに光の方向を転換する光方向転換手段としての反射プ
リズムである。

【００２２】図１に示す偏角計測用の検出器２０は、大
別すると、以上述べた光源１１，１２とレンズ２１と位
置検出素子２２−１，２２−２と反射プリズム２３−
１，２３−２とで構成される。光源１１，１２には、例
えば発光ダイオードやある種の半導体レーザのような拡
散光を発するいわゆる点光源のようなものを用いる。す
なわち、レーザビームのような収束度の高い光線を発す
るものは用いることができないが、基本的には、微小な
エリアから放射状に拡がる拡散光を発するようなもので
あれば、設計上、適宜選択して使用することができる。

【００２３】位置検出素子２２−１及び位置検出素子２
２−２は、隣合う前後の検出器２０の後方光源１２及び
前方光源１１からレンズ２１に入射しようとする拡散光
を遮断しない位置にそれぞれ配置することとする。ここ
に示す例では、位置検出素子２２−１は、その受光面を
レンズ２１の光軸Ｃ（レンズ２１の中心を通りこれに直
交する軸線）と直交する方向に向けて側方に配置し、位
置検出素子２２−２は、その受光面をレンズ２１の光軸
Ｃと直交する方向に向けて上方に配置している。位置検
出素子２２−１，２２−２には、フォトダイオードをマ
トリックス状に配置したＭＯＳ型撮像素子やＣＣＤ（Ｃ
ｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ−Ｄｅｖｉｃｅ）撮像素子
等の二次元光センサを用いることとしている。また、フ
ォトダイオードの表面抵抗を利用して光スポットの位置
を検出することのできるＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ−Ｓ
ｅｎｓｉｔｉｖｅ−Ｄｅｖｉｃｅ）のようなものを用い
てもよく、要は、集光レンズで集められた光を受光しそ
の受光した光の位置を検出できるものであればよく、そ
の種類は限定されない。

【００２４】反射プリズム２３−１及び反射プリズム２
３−２は、それぞれ、レンズ２１の前方位置及び後方位
置に配置され、隣合う前方の検出器２０の後方光源１２
及び後方の検出器２０の前方光源１１からレンズ２１に
入射しようとする各拡散光の少なくとも一部をそれぞれ
透過させ、レンズ２１で集光した前方光源１１及び後方
光源１２からの光の少なくとも一部をそれそれ反射面で
反射させて位置検出素子２２−１及び位置検出素子２２
−２の受光面に導くように方向転換させる働きをする。
また、これらの反射プリズム２３−１及び反射プリズム
２３−２は、それぞれ、検出器２０それ自体に一体的に
付設されている前方光源１１及び後方光源１２の拡散光
の少なくとも一部をそれぞれ反射面で反射させて隣合う
前方の検出器２０及び後方の検出器２０に向けるように
方向転換させる働きもする。

【００２５】こうした反射プリズム２３−１，２３−２
に一般的なものを用いると、レンズ２１に入射しようと
する各光源１１，１２からの拡散光が、それぞれ、その
入射前に、反射プリズム２３−２，２３−１で一部反射
されて減少するため、各位置検出素子２２−１，２２−
２に導かれる光量が損失する。こうした問題を解消する
ため、レンズ２１に入射しようとする各光源１１，１２
からの拡散光を、互いに振動方向の直交する直線偏光の
拡散光になるようにするとともに、各反射プリズム２３
−１，２３−２として、レンズ２１に入射しようとする
一方の直線偏光の拡散光を透過させかつレンズ２１で集
光される過程の他方の直線偏光の拡散光を位置検出素子
２２−１，２２−２に導くように反射する偏光反射プリ
ズムを用いるとよい。反射プリズム２３−１，２３−２
にこうした偏光反射プリズムを用いると、レンズ２１に
入射しようとする光源１２，１１からの拡散光を、その
光量を損失させることなく透過させるとともに、レンズ
２１で集光される過程の光源１１，１２からの拡散光
を、位置検出素子２２−１，２２−２に導くように全反
射させることができ、レンズ２１で集光した光の受光位
置を位置検出素子２２−１，２２−２で明確に検出する
ことができる。

【００２６】以上の構造を備えた偏角計測用の検出器２
０の作用を説明する。隣前方の検出器２０の後方光源１
２から発せられる拡散光は、当該検出器２０の前方の反
射プリズム２３−１に入射後、その少なくとも一部が同
反射プリズム２３−１を透過してレンズ２１で集光さ
れ、しかる後、その背後の反射プリズム２３−２で反射
されて方向転換をし、当該検出器２０の後方の位置検出
素子２２−２上に結像する。同様にして、隣後方の検出
器２０の前方光源１１からの拡散光は、その少なくとも
一部が当該検出器２０の手前の反射プリズム２３−２を
透過してレンズ２１で集光され、しかる後、その背後の
反射プリズム２３−１で反射されて当該検出器２０の前
方の位置検出素子２２−１上に結像する。この間、当該
検出器２０に付設された前方光源１１及び後方光源１２
の拡散光は、それぞれ、反射プリズム２３−１及び反射
プリズム２３−２の作用により隣前方の検出器２０及び
隣後方の検出器２０に向けて出射される。

【００２７】各位置検出素子２２−１，２２−２には、
それぞれの受光面にＸ−Ｙ平面座標が予め設定されてい
るため、両隣の光源１１，１２からの拡散光が結像する
と、その結像位置すなわち集光した拡散光の受光位置を
Ｘ，Ｙ軸の座標点として検出する。こうして拡散光の受
光位置が検出されると、その検出結果に基づいて各光源
１１，１２の方向を演算により検出することができる。
これらの各光源１１，１２の方向は、検出器２０の基準
線（通常はレンズ２１の光軸Ｃに合わせるように設定）
に対して各光源１１，１２の光軸Ｄ（各光源１１，１２
の拡散光が前後方向に直進するときの各出発点の中心位
置とレンズ２１の中心位置とをそれぞれ結ぶ各線）のな
す角度αで表すことができる。この角度αは、各光源１
１，１２の方向の水平方向の成分（レンズ２１の光軸Ｃ
と各光源１１，１２の光軸Ｄを水平面上へ正投影した線
同士のなす角度）と垂直方向の成分（レンズ２１の光軸
Ｃと各光源１１，１２の光軸Ｄをレンズ２１の光軸Ｃと
平行な垂直面上へ正投影した線同士のなす角度）とで特
定することができる。

【００２８】これら各光源１１，１２の方向の水平方向
の成分及び垂直方向の成分は、レンズ２１の光軸Ｃ上を
通る各光源１１，１２の光軸Ｄがそれぞれレンズ２１に
入射後、レンズ２１の中心位置から位置検出素子２２−
１，２２−２に到達するまでの過程にたどる距離の総和
（この値は検出器２０の仕様により定まる既知の値であ
る。）と、位置検出素子２２−１，２２−２への各光源
１１，１２の拡散光の結像位置のＸ軸方向の成分及びＹ
軸方向の成分との関係から、演算によりそれぞれ求める
ことができる。こうした演算は、中央演算装置のような
演算装置で行ってもよいが、光源１１，１２の方向の水
平方向の成分及び垂直方向の成分は、前記の拡散光の結
像位置のＸ軸方向の成分及びＹ軸方向の成分が検出され
れば、一義的に定まる値であって機械的に求められるの
で、ここに示す例では検出器２０に付設した図示しない
コントローラで求めている。

【００２９】こうして光源１１，１２の方向の水平方向
の成分及び垂直方向の成分を検出すると、その検出結果
に基づいて各光源１１，１２の光軸Ｄ同士の偏角の水平
方向の成分（各光源１１，１２の光軸Ｄを水平面上へ正
投影した線同士のなす角度）及び垂直方向の成分（各光
源１１，１２の光軸Ｄをレンズ２１の光軸Ｃと平行な垂
直面上へ正投影した線同士のなす角度）を算出できる。
すなわち、光源１１の方向の水平方向の成分に関する角
度から光源１２の方向の水平方向の成分に関する角度を
減算することにより、検出器２０のレンズ２１の中心点
を頂点とする各光源１１，１２の光軸Ｄ同士のなす偏角
（外角の偏角）の水平方向の成分を求めることができ、
同じく、前者の垂直方向の成分に関する角度から後者の
水平方向の成分に関する角度を減算することにより、レ
ンズ２１の中心点を頂点とする各光源１１，１２の光軸
Ｄ同士のなす偏角（外角の偏角）の垂直方向の成分を求
めることができる。その場合、これらの角度には極性を
もたせて、光源１１，１２の光軸Ｄをレンズ２１の光軸
Ｃに重なるように最小の角度で回動させる方向が時計方
向であるときを正、反時計方向であるときを負とする。
こうした手法で求めた偏角は、検出器２０が傾動しても
変動しない。

【００３０】こうして検出器２０のレンズ２１の中心点
を頂点とする各光源１１，１２の光軸Ｄ同士の偏角を求
め得ることから、二つの線の偏角を計測するには、測定
しようとする角度の頂点すなわち基点の個所にレンズ２
１の中心点が位置するように検出器２０を設置するとと
もに、二つの線上の任意の個所にそれぞれ光源１１，１
２を設置して以上述べた手法で偏角の垂直方向の成分及
び水平方向の成分を求めればよく、これにより二つの線
の角度関係が特定されて偏角を計測することができる。
こうした偏角の計算は、別途設けた演算装置で行えばよ
い。以上のように、光学式偏角測定装置は、基点の両側
に設置するための偏角計測用の一対の光源１１，１２
と、基点に設置され両光源１１，１２の方向を検出でき
る偏角計測用の検出器２０とで構成される。

【００３１】こうして構成される光学式偏角測定装置
は、各光源１１，１２に特に拡散光を発する光源を用い
て、拡がりをもつ光でレーザビームよりも広い領域を照
らせるようにしているため、偏角を光学的に計測する場
合に、ウエッジプリズムを回動させることによりレーザ
ビームを位置検出素子に当てる従来の技術で行われてい
るような操作は行わなくても計測することができる。そ
の結果、こうした操作を可能にするための回転機構を設
ける必要もなくなるため、従来の技術と異なり、回転機
構に起因する機械的な計測誤差も生じない。また、拡散
光の光源１１，１２は、このように照射領域が広いた
め、検出器２０や光源１１，１２が外力により振動して
も、検出器２０中の光源方向の検出手段を常に照らすこ
とができて計測に支障が生じることもない。

【００３２】また、各光源１１，１２からの拡散光を共
通の集光手段２１で集めて位置検出素子２２−１，２２
−２で各光源１１，１２の受光位置を検出することによ
り、同一の検出器２０で双方の光源１１，１２の方向を
検出するようにし、その検出結果に基づいて各光源１
１，１２の光軸同士の偏角を求め得るようにしたので、
その結果求められる偏角の計測値は、偏角計測用の検出
器２０が姿勢の変化や振動等により上下方向（ピッチン
グ方向）や左右方向（ヨーイング方向）に傾動して、各
光源１１，１２の方向に関する角度が変動しても、その
変動にほとんど影響されることなく一定に保たれる。し
たがって、検出器２０が外力によりピッチング方向やヨ
ーイング方向に振動しても、計測誤差が生じにくい。さ
らに、光源１１，１２に拡散光を用いてレンズ２１で集
光するようにしていることと前記のこととが相俟って、
偏角計測用の検出器２０を設置する際、位置設定さえ正
確に行えば、偏角の計測結果が検出器２０の取付姿勢に
影響されることもない。

【００３３】偏角計測用の検出器２０を構成する場合、
反射プリズム２３−１，２３−２を設けないで、検出器
２０の前部及び後部にそれぞれレンズ２１を配置し、各
レンズ２１の背後にそれぞれ位置検出素子２２−１，２
２−２を配置するとともに、レンズ２１の前方位置及び
後方位置にそれぞれ光源１１及び光源１２を配置して構
成しても、以上のような効果を奏する。しかしながら、
ここに示すように反射プリズム２３−１，２３−２を設
けると、隣前方の検出器２０の後方光源１２及び隣後方
の検出器２０の前方光源１１からの拡散光がレンズ２１
に入射するのを阻止しない位置にそれぞれ位置検出素子
２２−１及び位置検出素子２２−２を配置することが可
能となるため、拡散光を集めるためのレンズ２１を各光
源１１，１２ごとに設けることは要せず共通化すること
ができる。

【００３４】このように光源１１，１２の拡散光を集光
するレンズ２１を共通化すると、各光源１１，１２の方
向に基づいて当該検出器２０で計測される偏角は、共通
のレンズ２１の中心位置を頂点とする各光源１１，１２
の光軸Ｄ同士のなす偏角が計測されることとなる。その
結果、その計測される偏角は、レンズ２１を前記のよう
に前方光源１１及び後方光源１２に対応して別々に設け
る場合に比べて、当該検出器２０がピッチング方向及び
ヨーイング方向に変位しても確実に変動しなくなるた
め、当該検出器２０の取付時の取付姿勢の不統一やその
後の外力による姿勢の変化にも一層影響されなくなって
精度の高いものとなる。

【００３５】以上、当社開発の光学式偏角測定装置の基
本的な技術内容を述べたが、この光学式偏角測定装置
は、前述したように、大気中に湿気や粉塵等が多量に含
まれる場所で偏角を計測したときに計測に支障が生じる
ことから、本発明では、こうした問題を解消するように
この光学式偏角測定装置に改良を加えている。そこで、
この点に関する技術内容を、図１及び図２を用いて以下
に説明する。

【００３６】これらの図において、２４は光源の方向の
検出手段であるレンズ２１、位置検出素子２２−１，２
２−２及び反射プリズム２３−１，２３−２を納めるた
めの直方体形状の密閉容器、２５は隣合う前後の検出器
２０の光源１２，１１の拡散光が入射できるようにする
ための密閉容器２４の前後の側壁に設けた窓部、２５ａ
はこの窓部２５を構成するための、密閉容器２４の側壁
の光採取孔に設けた硝子製の透明板、２５ｂはこの透明
板２５ａと密閉容器２４の側壁との隙間をシールするシ
ール部材、２５ｃは透明板２５ａの外側表面を撥水性の
物質で被覆して形成した撥水性被覆層である。なお、こ
こに示す例では、密閉容器２４内に、前記の光源の方向
の検出手段のほか、検出器２０に付設した光源１１，１
２や図示していないコントローラを収めているが、これ
らを密閉容器２４内に納めることは、本発明にとって不
可欠のことではない。

【００３７】透明板２５ａは、表裏両面が平行な平行平
板の板ガラスで形成されているが、厚みが均一で平板状
の透明板であれば、他の材料で形成したものでもよい。
こうした透明板２５ａを、両隣の各光源１１，１２から
の拡散光が入射できるように密閉容器２４の側壁に設け
て、各光源１１，１２からの拡散光が各透明板２５ａを
通じてそれぞれ各反射プリズム２３−２，２３−１へ入
射できるようにしている。透明板２５ａの外側表面に撥
水性被覆層２５ｃを形成する場合には、撥水性の物質を
透明板２５ａの外側表面に光を透過できるようにコーテ
ィングして形成してもよいし、透明な撥水性のフィルム
を透明板２５ａの外側表面に被着するようにして形成し
てもよく、要は、透明板２５ａの外側表面を、光が透過
できるように撥水性の物質で被覆するようにすればよ
い。

【００３８】撥水性の物質とは、水を弾く性質を有する
物質であり、水に対する接触角が９０度以上の接触角が
大きいすなわち臨界表面張力（γｃ（ｍＮｍ））の小さ
い物質を意味する。透明板２５ａの外側表面をこうした
撥水性の物質で被覆すると、水や湿気により水滴が生じ
て透明板２５ａに付着しようとしたときでも、その水滴
を撥水性の物質で弾いて水滴の付着を妨げる。そのた
め、透明板２５ａは、水や湿気が多い環境下でも水滴が
付着せず、厚みが均一な平行平板の状態を保持できて、
どのような方向から光が入射したときでも、その光の方
向に変動をもたらさない。撥水性の大きい物質として
は、例えば、パーフルオロラウリン酸単分子膜（γｃ＝
６、-ＣＦ3（後半の化学式は「表面配向基」を表す。以下
同じ。））、ポリ（パーフルオロオクチルエチルアクリ
レート）（γｃ＝１０、-ＣＦ3,-ＣＦ2-）、ポリテトラ
フルオロエチレン（γｃ＝１８、-ＣＦ2- ）、パラフィ
ン（γｃ＝２２、-ＣＨ3, -ＣＨ2- ）、オクタデシルア
ミン単分子膜（γｃ＝２２〜２４、-ＣＨ3）、ポリジメ
チルシロキサン（γｃ＝２４、-ＣＨ3）、ポリエチレン
（γｃ＝３１、-ＣＨ2- ）を挙げることができ、何れも
Ｃ−Ｆ結合やＣ−Ｈ結合を多く含んだ物質である。

【００３９】この光学式偏角測定装置では、透明板２５
ａへの水滴や粉塵等の付着を防止するため、こうした手
段のほか、透明板２５ａの外側表面の付着物を噴流によ
り除去するための付着物除去手段を密閉容器に設けて偏
角計測用の検出器２０を構成している。そこで、その付
着物除去手段の技術内容を説明すると、２５ｄはシール
部材２５ｂの外側端部に付設した、窓部２５に圧縮空気
を導入するための空気導入管路部、２５ｅは透明板２５
ａの外側表面部又はその近傍に圧縮空気を噴出するよう
に空気導入管路部２５ｄに形成された空気噴出口、２５
ｆは空気導入管路部２５ｄに圧縮空気を供給する空気供
給通路部である。

【００４０】空気導入管路部２５ｄは、円盤状の透明板
２５ａの外周部を囲繞するように環状に配置されてお
り、この空気導入管路部２５ｄの内周部には、内周側に
向かって空気を噴射するように、多数の空気噴出口２５
ｅが等間隔で設けられている。空気供給通路部２５ｆ
は、空気導入管路部２５ｄ内の管路に接続され、図示し
ていない圧縮空気供給源から圧縮空気が送られるように
なっている。したがって、空気供給通路部２５ｆに圧縮
空気が送られると、その圧縮空気は、空気導入管路部２
５ｄに導入されて、多数の空気噴出口２５ｅから透明板
２５ａの外側表面部又はその近傍に向けて噴射される。
その結果、透明板２５ａの外側表面に付着している付着
物は、その噴射時に発生する空気の噴流により強制的に
除去される。ここに示す例では、空気噴出口２５ｅから
空気を噴射させるようにしているが、温風や他の流体を
噴射させるようにしてもよい。

【００４１】この改良された光学式偏角測定装置では、
レンズ２１、各位置検出素子２２−１，２２ー２及び各
反射プリズム２３−１，２３−２を、透明板２５ａを設
けた密閉容器２４に納めて、各光源１１，１２からの拡
散光がそれぞれ透明板２５ａを通じて各反射プリズム２
３−２，２３−１へ入射できるようにしたので、レンズ
２１、各位置検出素子２２−１，２２ー２及び各反射プ
リズム２３−１，２３−２に大気中の湿気や粉塵等の夾
雑物が触れるのを密閉容器２４で防ぎつつ偏角を計測す
ることができて、地下坑等、湿気や粉塵等の多い環境下
で偏角を計測しても、偏角の計測精度の低下や誤検出が
生じたしたり偏角の計測ができなくなったりするような
ことはない。したがって、この改良された光学式偏角測
定装置によれば、計測時に光を偏角計測用の検出器２０
に当てる操作を不要にし、機械的な計測誤差や振動によ
る計測誤差を生じにくくするだけでなく、湿気や粉塵等
の夾雑物の多い環境下で計測しても、偏角の計測を支障
なく行うことができる。

【００４２】この光学式偏角測定装置は、前述したよう
に、偏角計測用の検出器２０を設置する際、位置設定さ
え正確に行えば、検出器２０の取付姿勢を調整しなくて
も正しく計測できて、偏角の計測結果がその取付姿勢に
影響されないようにした点に一つの特徴がある。こうし
たことと関連して、この改良された光学式偏角測定装置
では、光源１１，１２からの拡散光が入射する透明板２
５ａを、特に厚みが均一で平板状をなす透明な平行平板
にしたので、検出器２０の設置時の取付姿勢のバラツキ
に応じて透明板２５ａへの光の入射方向が変動しても、
偏角の計測結果に誤差が生じるようなことはなく、偏角
を、検出器２０の取付姿勢に影響させることなく、一層
精度よく計測することができる。

【００４３】偏角の計測時に、透明板２５ａの外側表面
に水滴や粉塵等が付着していると、計測精度の低下をも
たらすが、このの光学式偏角測定装置では、この透明板
２５ａの外側表面を特に撥水性の物質で被覆することに
より撥水性被覆層２５ｃを形成したので、水や湿気によ
り水滴が生じて透明板２５ａに付着しようとしたときで
も、その水滴は、撥水性被覆層２５ｃで弾かれて透明板
２５ａに付着できずに重力により落下することとなり、
透明板２５ａに水滴が付着するを防ぐことができる。ま
た、密閉容器２４には、特に空気導入管路部２５ｄ、空
気噴出口２５ｅ及び空気供給通路部２５ｆからなる付着
物除去手段を設けているので、透明板２５ａの外側表面
に水滴や粉塵等が万一付着したときでも、空気噴出口２
５ｅから空気を噴射させることにより、水滴や粉塵等の
付着物を空気の噴流により除去することができる。これ
らの結果、透明板２５ａの外側表面に水滴や粉塵等が付
着するのを確実に防ぐことができて、透明板２５ａの外
側表面への水滴や粉塵等の付着に起因する計測精度の低
下も防止することができるため、本発明によれば、湿気
や粉塵等の夾雑物の多い環境下で計測するのに好適な光
学式偏角測定装置を得ることができる。

【００４４】図１に示す光学式偏角測定装置では、偏角
計測用の検出器２０に、特に偏角計測用の光源１１，１
２を付設して密閉容器２４に納めるようにしているの
で、その光源１１，１２に対しても大気中の湿気や粉塵
等の夾雑物が触れるのを密閉容器２４で防ぐことができ
て偏角の計測を精度よく行うことができる。また、透明
板２５ａを透明な平行平板にしてその外側表面を撥水性
の物質で被覆したことにより、検出器２０に付設した光
源１１，１２の光が透明板２５ａを経て出射するときに
も、透明板２５ａは、その出射方向に変動をもたらすよ
うなことはなく、そのため、隣合う偏角計測用の検出器
２０での偏角の計測結果に誤差をもたらすようなことは
ない。

【００４５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
は、「課題を解決するための手段」の項に示す手段を採
用しているので、計測時に光を検出器に当てる操作を不
要にし機械的な計測誤差や振動による計測誤差を生じに
くくするだけでなく、湿気や粉塵等の夾雑物の多い環境
下で計測しても偏角の計測を支障なく行うことができる
光学式偏角測定装置を得ることができる。こうした効果
を奏することに加え、検出器を設置する際に位置設定さ
え正確に行えば、計測結果が検出器の取付姿勢に影響さ
れるようなことはないという効果も併せ奏することがで
きる。また、透明板を、特に厚みが均一で平板状のもの
にして、光源からの拡散光が入射できる位置に設けたの
で、検出器の取付姿勢に応じて透明板への光の入射方向
が変動しても、偏角の計測結果に誤差が生じるようなこ
とはなく、偏角を、検出器の取付姿勢に影響させること
なく、一層精度よく計測することができる。

【００４６】本発明においては、透明板の外側表面を特
に撥水性の物質で被覆したので、偏角の計測時に水や湿
気により水滴が生じて透明板に付着しようとしたときで
も、その水滴を撥水性の物質で弾いて水滴の付着を防止
することができる。また、密閉容器に特に付着物除去手
段を設けているので、透明板の外側表面に水滴や粉塵等
が万一付着したときでも、水滴や粉塵等の付着物を付着
物除去手段の噴流により除去することができる。これら
の結果、透明板の外側表面に水滴や粉塵等が付着するの
を確実に防ぐことができて、透明板の外側表面への水滴
や粉塵等の付着に起因する計測精度の低下も防止するこ
とができるため、本発明によれば、湿気や粉塵等の夾雑
物の多い環境下で計測するのに好適な光学式偏角測定装
置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】検出器と光源とをユニット化して一体にした本
発明の光学式偏角測定装置の具体化例を示す斜視図であ
る。

【図２】図１の光学式偏角測定装置の要部の縦断面及び
横断面を示す図である。

【符号の説明】 １１，１２ 光源 ２０ 偏角計測用の検出器 ２１ レンズ ２２−１，２２−２ 位置検出素子 ２３−１，２３−２ 反射プリズム ２４ 密閉容器 ２５ 窓部 ２５ａ 透明板 ２５ｂ シール部材 ２５ｃ 撥水性被覆層 ２５ｄ 空気導入管路部 ２５ｅ 空気噴出口 ２５ｆ 空気供給通路部 Ｃ レンズの光軸 Ｄ 光源の光軸

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 美野本 泰 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機株 式会社土浦工場内 (72)発明者 亀井 健 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機株 式会社土浦工場内 Ｆターム(参考） 2D054 GA17 GA62 GA82 2F065 AA32 CC14 DD13 DD14 FF01 GG01 GG06 GG07 HH02 JJ03 JJ16 JJ18 JJ26 LL12

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基点に設置される検出器と、基点の両側
   に設定した各地点にそれぞれ設置され拡散光を発する光
   源とからなり、基点と基点の両側に設定した各地点とを
   それぞれを結ぶ二つの線分の偏角を光で計測する光学式
   偏角測定装置であって、各光源からの拡散光をそれぞれ
   集光する共通の集光手段と、集光手段でそれぞれ集光し
   た各光源からの光をそれぞれ受光してその受光位置を検
   出する各位置検出素子と、集光手段に入射しようとする
   各光源からの拡散光の少なくとも一部をそれぞれ透過し
   かつ集光手段で集光する各光源からの光をそれぞれ各位
   置検出素子に導くように方向転換させる各光方向転換手
   段とを設け、集光手段に入射しようとする各光源からの
   拡散光を遮断しない位置に各位置検出素子を配置して、
   これら集光手段、各位置検出素子及び各光方向転換手段
   を密閉容器に納め、光を透過できるように外側表面を撥
   水性の物質で被覆した厚みが均一で平板状の透明板を各
   光源からの拡散光が入射できるように密閉容器に設け
   て、拡散光が透明板を通じて各光方向転換手段へ入射で
   きるようにするとともに、透明板の外側表面の付着物を
   噴流により除去する付着物除去手段を密閉容器に設けて
   検出器を構成し、各位置検出素子での検出結果に基づい
   て各光源の光軸同士の偏角を演算により算出できるよう
   にしたことを特徴とする光学式偏角測定装置。