JP2005331350A

JP2005331350A - 水準器およびレーザー墨出し装置

Info

Publication number: JP2005331350A
Application number: JP2004149568A
Authority: JP
Inventors: Yuzuru Tanaka; 譲田中
Original assignee: Daishowa Seiki Co Ltd
Current assignee: Daishowa Seiki Co Ltd
Priority date: 2004-05-19
Filing date: 2004-05-19
Publication date: 2005-12-02

Abstract

【課題】内部に透明液体と気泡を封入した気泡管を用い、その一側から投光した光を他方で受光し、その受光量の変化から傾斜度を検出するように構成した気泡管式水準器において、気温の変化等により気泡の長さが変化しても高精度で傾斜度を検出できるようにすること。
【解決手段】透光性液体と気泡を封入した気泡管と、該気泡管の一側に配置される投光体と、気泡管を挟んで反対側に配置される受光体とを備えた水準器において、前記受光体として、一対の受光体を水平時における気泡の両端部にそれぞれ配置し、該一対の受光体によって検出される気泡の両端部付近の受光量の変化から気泡管の傾斜度を検出するように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、気泡管を利用して傾斜度を高精度で検出する水準器と該水準器を用いたレーザー墨出し装置に関するものである。

液体と気泡を封入した気泡管の一側から発光ダイオード等で光を発し、気泡管の反対側でその光を受光ダイオード等で受光して、該受光ダイオードの出力信号に基づいて傾斜度を検出する水準器が知られている。この種の水準器としては、例えば特許文献１、特許文献２に開示されているものがある。

特開平７−３３２９７４号公報特開平８−２８５５８４号公報

上記特許文献に開示されているものは、いずれも複数の受光素子を円筒状の気泡管の長手方向に沿って配列し、気泡の移動によって変化する各受光素子の受光量を検出するようになっている。発光素子から気泡管に投射された光は、その液体の部分では直進して受光素子に受光されるが、気泡の部分では屈折するため、その位置に配置されている受光素子の受光量が液体の位置に配置されている受光素子の受光量よりも小さくなる。この受光量の変化を電気的に出力してコンピュータで演算し、傾斜度を検出するのである。

上記従来公知の気泡管式水準器は、円筒状の気泡管内に封入されている気泡に沿って複数の受光素子を配置し、これら複数の受光素子で気泡の一方の端部における受光量の変化を検出するようになっているが、このように気泡の一方の端部の光量の変化のみに注目して傾斜度を検出する方法では、検出誤差が生じるおそれがあった。例えば、気温が上昇すると、気泡管内の液体が膨張するため、気泡が圧縮され、その長さが短くなる。このため、気泡の一方の端部のみにおける光量の変化から傾斜度を検出すると、気泡が短くなった分だけ気泡が移動したように検出され、誤差が生じることになる。

本発明は、上記特許文献１、２に記載の水準器を改良するもので、気泡の移動による受光量の変化から傾斜度を電気的に検出する気泡管式の水準器において、微小な傾斜を高精度に検出できるとともに、気温の変化によって気泡の長さが変化しても、正確に傾斜度を検出することのできる水準器と該水準器を用いたレーザー墨出し装置を提供することを課題としている。

上記課題を解決するため、本発明は次のような構成を採用した。すなわち、請求項１に記載の水準器は、透光性液体と気泡を封入した気泡管と、該気泡管の一側に配置される投光体と、気泡管を挟んで反対側に配置される受光体とを備え、気泡の移動による受光体の受光量の変化から傾斜度を検出する水準器において、前記受光体を気泡の両端縁部にそれぞれ配置し、該気泡の両端縁部に配置した一対の受光体によって検出される気泡の両端縁の受光量の変化に基づいて気泡管の傾斜度を検出するように構成したことを特徴としている。

また、請求項２に記載の水準器は、上記請求項１に記載の構成に加えて、さらに受光体が互いに直交する直径上に一対づつ設けられ、同時にＸ軸及びＹ軸方向の傾斜度を検出できるようになっている。

さらに、請求項３に記載のレーザー墨出し装置は、請求項１又は２に記載の水準器を備え、レーザー光を床面、壁面或いは天井面に対して鉛直方向又は／及び水平方向に投影するレーザーヘッドと、レーザーヘッドに備えた水準器の気泡管の傾斜を修正するＸ軸用モータ及びＹ軸用モータと、これらＸＹ軸用モータを駆動する信号処理装置とが設けられ、信号処理装置は、気泡管の直径上の気泡の両端縁部に配置された一対の受光体の受光量の変化を検出し、これら変化した両受光体の受光量が同じになるように前記ＸＹ軸用モータを駆動して気泡管の傾斜を修正して前記レーザヘッドが水準位置になるよう制御するようになっている。

本発明に係る水準器は、気泡の両端縁部における受光量の変化から傾斜度を検出するので、受光量の変化が倍増して検出されることとなり、気泡管の斜度を高精度で検出することができる。また、気温の変化等によって気泡の長さが変化しても、気泡の両端縁部の受光量に基づいて検出するので、気泡の長さによる受光量の変化を相殺することができ、高精度な検出を確保することができる。

また、請求項２に記載の構成とすると、Ｘ軸方向における傾斜度とＹ軸方向における傾斜度を同時に検出することができるので、実用上便利なものとなる。

さらに、請求項３に記載のレーザー墨出し装置には、前記水準器と共に信号処理装置が設けられ、該信号処理装置によって、気泡管の直径上の気泡の両端縁部に配置された一対の受光体の受光量の変化を検出し、これら変化した両受光素子の受光量が同じになるようにＸＹ両軸用モータを駆動して気泡管の傾斜を修正して前記レーザヘッドが水準位置になるよう制御するため、作業現場の気温の変化等に影響されることなく、高精度にレーザーヘッドを水準位置に設置することができる。

以下本発明の実施形態について、具体的に説明する。図１は本発明の一実施形態の水準器の構成を示す説明図である。水準器１は、透明容器からなる気泡管２と発光素子（投光体）３及び受光素子（受光体）４を備えている。なお、発光素子３の受光素子４に対する光源の態様は点光源（ピンポイント）に調整されることが好ましい。この実施形態における気泡管２は、平面視密封円筒形の容器からなり、この気泡管２の内部には、気泡５と透光性液体６が封入されている。なお、上記気泡管２、発光素子３、受光素子４は、光の影響を受けないように、遮光された容器７（図４）内に配置されている。

円筒形気泡管２の下側中央部には、投光体として上記発光素子（発光ダイオード等）３が配置されている。発光素子としては、赤外発光ダイオード、赤色ＬＥＤ等を用いるのが好ましい。また、気泡管２の上側にあって、水準位置にある気泡管２内の気泡５の長手方向両端縁部５ａ，５ｂの部位に２個の受光素子（フォトダイオード、フォトトランジスタ等）４（Ｘ，Ｘ′）が配置されている。これら一対の受光素子４（Ｘ，Ｘ′）によって該気泡５の長手方向両端縁部の輪郭（影縁）５ａ，５ｂが検出され、従って、影縁５ａ，５ａの変位が検出されるようになっている。

これら一対の受光素子４（Ｘ，Ｘ’）は差動増幅器８を介して赤外発光ダイオード、赤色ＬＥＤ等の表示灯９につながれ、差動増幅器８によって一対の受光素子Ｘ，Ｘ’の受光量の差を検出し、この検出電圧が発生しているときに表示灯９が点灯し、検出電圧が零あるいは一定値以下になったとき、即ち、受光量の差が零あるいは一定値以下になったときに表示灯９が消灯するか、反対に検出電圧が発生しているときに表示灯９が消灯し、検出電圧が零あるいは一定値以下になったときに表示灯９が点灯するようになっている。従って、表示灯９が消灯或いは点灯したときに水準器１が水準位置あるいは許容限度内の水準位置に設置されたことを検出することができる。

この水準器１は、傾斜度を検出すべき被検出面、例えば床面、機械装置の水平面等の上に設置する。被検出面が傾斜していると、気泡管２内の気泡５が傾斜の高い方へ移動する。投光体である発光素子３から発せられた光は、気泡管５の透光性液体６を通過して受光素子４に受光されるが、気泡５の位置では光が屈折して受光素子４は到達しなくなる。このため、気泡５の両端縁部の光量を検出するように配置されている受光素子４の受光量は気泡５の移動とともに変化する。図１に示すように、気泡５が実線の中央位置にあるとき、すなわち気泡管２が図の左右方向に対して水平であるときは、発光素子３から発せられた光は、気泡５の左右両端部５ａ，５ｂに配置されている受光素子４（Ｘ，Ｘ’）の両方に受光されるが、気泡５の内部は通過しないので、気泡５上にある部分では受光しない。そして、気泡５の長手方向両端縁部５ａ，５ｂの上方部位の受光素子４（Ｘ，Ｘ’）は気泡５に対し対称的に配置されているので、この時の受光量は両者とも同じとなり、両受光素子（Ｘ，Ｘ’）の受光量に差が発生しない。

この状態から気泡管２の傾斜にしたがって、気泡５が図１の鎖線の位置まで移動すると、図の左側の受光素子４（Ｘ）の受光量Ｐは図２の（ａ）に示すように次第に減少する。一方、右側の受光素子４（Ｘ’）の受光量Ｐ′は図５の（ｂ）に示すように次第に増大する。両者の受光量は電気信号として差動増幅器８に入力され、気泡の両端縁部における受光量の変化から傾斜度を検出するので、受光量の変化が倍増して検出されることとなり、気泡管の傾斜度を高精度で検出することができる。また、気温の変化等によって気泡の長さが変化しても、気泡の両端縁部の受光量に基づいて検出するので、気泡の長さによる受光量の変化を相殺することができ、高精度な検出を確保することができる。

図３〜図５は、本発明の他の実施形態を示すもので、この水準器１における気泡管２は、図３の（ａ）に示すように、平面視円形に形成され、その内側上面は、図３の（ｂ）に示すように中央部が最も高くなるような凹状球面２ａとして形成され、気泡管２が水準位置にあるときには、気泡５は凹状球面２ａに接して円形の輪郭に形成されている。

円形気泡管２の下側中央部には発光素子３が配置され、気泡管２の上側には、図３の（ａ）及び図５に示すように、気泡管２を通った光を検出する４個の受光素子４（Ｘ，Ｘ’，Ｙ，Ｙ’）が設けられている。これら４個の受光素子４は、気泡管２の中心Ｏを通って互いに直交する直線上に、気泡管２の中心を挟んで対向するように１対づつ配置されていて、受光素子ＸとＸ’の対が図３の（ｂ）又は図５に示すように、気泡管２の一つの直径上で対向し、受光素子ＹとＹ’の対がこれと直交する直径上で対向している。したがって、各受光素子４は互いに９０度の間隔で配置されていることになる。なお、図４に示すように、上記気泡管２、発光素子３、受光素子４は、光の影響を受けないように、遮光された容器７内に配置されていることは前述のとおりである。

図５に示すように、上記二対の受光素子Ｘ，Ｘ’とＹ，Ｙ’は、それぞれ差動増幅器８を介して信号処理装置（マイクロコンピュータ）１０に接続されている。また、気泡管２は、上記ＸとＸ’を結ぶ直線と平行でこの直線と平面視で重なるＸ軸、及びＹとＹ’を結ぶ直線と平行でこの直線と平面視で重なるＹ軸を中心に揺動可能に支持されている。さらに、気泡管２を傾斜させるための駆動源として、上記Ｘ軸及びＹ軸を中心に気泡管２を正逆回転させる２基のモータＭＸ，ＭＹが設けられている。これら２基のモータは、信号処理装置１０からのモータ起動信号によって起動されるようになっている。

この状態から気泡管２の傾斜にしたがって、気泡５が図３の（ａ）、（ｂ）に示す鎖線の位置まで移動すると、図の左側の受光素子４（Ｘ）の受光量Ｐは、前述の図２の（ａ）に示すように次第に減少する。一方、右側の受光素子４（Ｘ’）の受光量Ｐ′は前述の図２の（ｂ）に示すように次第に増大する。両者の受光量は電気信号として信号処理装置１０に入力され、信号処理装置１０は、両受光素子４（Ｘ，Ｘ’）の受光量が同じになるようにＸ軸モータＭＸに駆動信号を出力する。この駆動信号によりＸ軸モータＭＸが起動され、気泡管２が水平になるまで、すなわち両受光素子の受光量が同じになるまで、気泡管２が軸回りに揺動される。この揺動量からＸ−Ｘ軸を中心とした傾斜度が演算されるのである。

一方、上記受光素子４（Ｘ，Ｘ’）を結ぶ線と直角の線上に配置されている受光素子４（Ｙ，Ｙ’）についても同様で、気泡管２の傾斜によって一対の受光素子Ｙ，Ｙ’の受光量が変化すると、信号処理装置１０が両者の受光量が同じになるようにＹ軸モータＭＹを駆動し、Ｙ−Ｙ’軸を中心とした傾斜を打ち消すように気泡管を揺動させる。この揺動量からＹ−Ｙ’軸を中心とした傾斜度が演算されるのである。

なお、この水準器１には、図５に示すように、受光素子の取り付け誤差等による微小な水準位置からのズレを修正するために調整用スイッチ１８（ｘ，ｘ’，ｙ，ｙ’）が設けられていて、これらのスイッチを操作することにより、前記二つのモータＭＸ．ＭＹを駆動して、Ｘ軸を中心とした傾斜及びＹ軸を中心とした傾斜を修正することができるようになっている。この修正量は、不揮発性メモリ１９等に記憶され、以後常に水準位置が維持される。

この実施形態の使用例を、図６によって説明すると、図６は、レーザー墨出し装置１１の要部を示すもので、レーザーヘッド１２を備え、該レーザーヘッド１２は、その基部下面中心部で球軸受１３を介して基台１４に支持され、球軸受１３を中心に３６０°範囲にわたって揺動可能となっている。

レーザーヘッド１２の外周傾斜面１２ａには、先端部に横方向にロッドレンズ１５を取付けたレーザー光発信ユニット１６Ａが上向きに取り付けられ、レーザー光ＬＤを床面、壁面或いは天井面に対して鉛直方向ａに投影するようになっており、またレーザーヘッド１２の外周縦側面１２ｂには、先端部に縦方向にロッドレンズ１５を取付けたレーザー光発信ユニット１６Ｂが水平方向に取り付けられ、レーザー光ＬＤを壁面に対して水平方向ｂに投影するようになっている。

この種のレーザー墨出し装置において、上述のようにレーザー光発信ユニット１６Ａ，１６Ｂによっ正確にレーザー光ＬＤを鉛直方向および水平方向に投光するためには、当然のことながら、これらを支持するレーザーヘッド１２が正確に水準位置に保持されなければならない。

そこで、このレーザーヘッド１２には、その基部１２Ａに連結支柱等の機械的連結手段１７を介して前述の水準器１が取り付けられ、該水準器１はレーザーヘッド１２と一体に揺動するようになっている。そして、レーザーヘッド基部１２Ａには、これに備えた水準器１の気泡管の傾斜を修正するＸ軸用モータＭＸとこれに直交するＹ軸用モータＭＹがそれぞれＸ軸またはＹ軸を介して取り付けられている。

そして、図５に示すように、これらＸＹ軸用モータＭＸ，ＭＹを駆動する信号処理装置１０は、気泡管２の直径上の気泡５の円形端縁部５ｃに周方向等間隔に配置された４個の受光体４（Ｘ，Ｘ′，Ｙ，Ｙ′）の受光量の変化を検出し、これら変化した受光体の受光量が同じになるように前記ＸＹ軸用モータＭＸ，ＭＹを、図６の図示矢印に示すようにｘｙ方向にを駆動して気泡管の傾斜を修正して前記レーザヘッド１２が常に水準位置になるよう制御するようになっている。図６では、Ｘ軸モーターＭＸ及びＹ軸モーターＭＹを横向きに設置してＸ軸及びＹ軸を回転するようにしているが、Ｘ軸モーターＭＸ及びＹ軸モーターＭＹを縦向きに設置して、ネジ・ナット作用によりＸ軸及びＹ軸を上下方向に駆動するようにし、Ｙ軸の上下方向の駆動によりレーザヘッド１２が矢印ｙ方向に、またＹ軸の上下方向の駆動によりレーザヘッド１１が矢印ｘ方向にそれぞれ揺動するようにしてもよいことは勿論である。

なお、対象物の微小な傾斜を検出するためには、受光素子（チップ）の大きさは、例えば直径０．７ｍｍ程度のものであるから、気泡管２内の気泡５の移動量は１ｍｍ程度でよく、これがために本発明に使用される気泡管５は２〜４ｍｍ程度の長さまたは直径のものでよく、更に又、気泡５は１ｍｍ程度だけ正確に移動するものであればよいから、比較的に精度の低いものであってもよい。

一例を挙げれば、工作機械の設置面の微小な誤差を検知する場合に、該設置面は、例えば１ｍｍの長さに対し０．０１ｍｍ程度という小さな傾斜度を検出すればよいから、この程度のもので充分に目的を達成することができる。

以上の説明から明らかなように、本発明に係る水準器は、傾斜を検出する軸方向における気泡の両端縁部に配置した一対の受光素子の受光量に基づいて傾斜度を検出するので、微小な傾斜でも高精度で検出することが可能であり、例えば工作機械等の設置時における傾斜の検出に使用したり、高精度のレーザー墨出し装置の製造に利用することが可能である。

本発明の一実施形態の水準器の説明図である。（ａ）及び（ｂ）は受光体による受光量の変化を表すグラフである。（ａ）及び（ｂ）は本発明の他の実施形態を示す平面図及び正面図である。同水準器の説明図である。同水準器の説明図である。同水準器を用いたレーザー墨出し装置の要部の説明図である。

符号の説明

１水準器
２気泡管
３発光素子（投光手段）
４受光素子（受光手段）
５気泡
１０信号処理装置
１１レーザー墨出し装置
１２レーザーヘッド
１６Ａレーザー光発信ユニット
１６Ｂレーザー光発信ユニット

Claims

透光性液体と気泡を封入した気泡管と、該気泡管の一側に配置される投光体と、気泡管を挟んで反対側に配置される受光体とを備え、気泡の移動による受光体の受光量の変化から気泡管の傾斜度を検出する水準器において、前記受光体を気泡の両端縁部にそれぞれ配置し、該気泡の両端縁部に配置した一対の受光体によって検出される気泡の両端縁部の受光量の変化に基づいて気泡管の傾斜度を求めるように構成したことを特徴とする水準器。
受光体が、気泡管の中心を通って互いに直交する二つの直径上にそれぞれ一対づつ設けられている請求項１に記載の水準器。
請求項１又は２に記載の水準器を備え、レーザー光を床面、壁面或いは天井面に対して鉛直方向又は／及び水平方向に投影するレーザーヘッドと、レーザーヘッドに備えた水準器の気泡管の傾斜を修正するＸ軸用モータ及びＹ軸用モータと、これらＸＹ軸用モータを駆動する信号処理装置とが設けられ、信号処理装置は、気泡管の直径上の気泡の両端縁部に配置された一対の受光体の受光量が同じになるように前記ＸＹ軸用モータを駆動して気泡管の傾斜を修正して前記レーザヘッドが水準位置になるよう制御するようになっているレーザー墨出し装置。