JP2007309913A - ３次元座標位置測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型・軽量化とコストダウンを図ることができるとともに、測距部と測角部を分離して測距部の単独での使用が可能である３次元座標位置測定装置を提供すること。
【解決手段】射出部と集光部及び演算／記憶部から成る測距部と、１枚のミラー３１２を交差する２つの軸回りに回転させるモータ３１０，３１３と該モータ３１０，３１３を駆動制御するモータ駆動回路３０３を備えた測角部と、を有し、前記測距部から得られる距離信号と前記測角部から得られる回転角度信号とから測定対象物の３次元座標位置を算出する３次元座標位置測定装置３００として、前記測距部と前記測角部を共通のベース３０１上に配置し、前記測距部（レーザ距離計１００）を前記ベース３０１に対して着脱可能とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、対象物までの距離と水平角及び垂直角を測定することによって３次元の座標位置、距離、面積等を演算することができる装置であって、特に、片手で持つことができる程度の大きさと質量で、測距部と測角部とを分離することができ且つ測距部の単独使用が可能な３次元座標位置測定装置に関するものである。

近年、建築や測量の現場において光波距離計が多用されるようになってきた。この光波距離計とは、発光部から射出された指向性の高い光束を測定対象物の表面に照射し、測定対象物の表面で反射した反射光を受光部に入射させ、射出光と入射光の時間差或は光変調を掛けた場合の位相差によって発光部から対象物までの距離を算出する距離測定装置である。

ところで、レーザ技術が未発達の時代には光源の指向性が高くなかったため、測定対象物表面にコーナーキューブ等のレトロリフレクと呼ばれる反射板の設置が必須であった。これに対して、レーザ技術の進歩により指向性に優れた強力な光源が容易に得られるようになった現在では、反射板無しの所謂ノンプリズム測定が可能になり、光波距離計としてレーザ距離計が急速に普及するに至った。ノンプリズム測定によれば、従来は巻尺により２人必要だった測定が１人でできるようになったり、人間が近づけない場所や対象物までの距離の測定も可能になった。

ここで、市販されているレーザ距離計を図１１及び図１２に基づいて説明する。

図１１はレーザ距離計の使用形態を示す斜視図、図１２は同レーザ距離計の機能ブロック図であり、図示のレーザ距離計１００は、人が片手で持つことができる程度の大きさと形状を備えた携帯型の距離測定装置である。

図１２に示すように、レーザ距離計１００は、射出部２と集光部３及び演算／記憶部９から成る測距部２０と、電池等の不図示の電源部と、制御部１０と、外部入出力部１１を内蔵し、その上面には表示部５と操作部４が設けられ、側面には接続端子１２，１３が設けられている。

上記操作部４は、電源スイッチ、操作スイッチ等の各種押しボタンを有し、これらの押しボタンを操作することによって、図１１に示すように、前記射出部２から対象物６に向けて測距光７が照射される。この測距光７としては可視レーザ光が使用され、測定者は対象物６の測定面における測距光７の照射位置を目視で確認することができる。そして、対象物６の測定面で反射された反射光８は、集光部３を経て前記測距部２０の集光部３に入射し、前記演算／記憶部９によって当該レーザ距離計１００と対象物（測定面）６までの距離が算出され、測定結果が前記表示部５に表示される。

尚、測距光（レーザ光）にはパルスタイプのものと光変調を掛けたタイプのものがあり、パルスタイプのものは射出波と入射波の時間差から往復の距離を求め、その半分を測定距離とする。又、光変調タイプのものは、射出波と入射波の位相差から往復の距離を求め、その半分を測定距離とする。

以上説明したレーザ距離計１００は、当該レーザ距離計１００から対象物６までの奥行き距離は測定できるが、３次元座標位置測定はできない。そこで、「トータルステーション」と称される測量装置が開発されている（特許文献１参照）。その測量装置の外観を図１３に示す。

図１３に示すように、測量装置２００は、測距部２０１と、測角部２０２と、表示部２０３及び操作部２０４から成り、三脚２１０上に取り付けて使用される。測角部２０２には電池等の電源部、測距光の制御回路、距離演算回路、測定データ記憶装置、測距部２０１を水平方向及び垂直方向に回転駆動する不図示のモータ等が内蔵されている。

又、前記操作部２０４は、電源スイッチ、操作スイッチ等の各種押しボタンを有し、これらの押しボタンを操作することによって前記測距部２０１から対象物２０６に測距光２０５が照射される。尚、測距光２０５としては可視レーザ光が使用され、測定者は対象物２０６における測距光２０５の照射位置をファインダ２０７を覗くことによって目視で確認することができる。

更に、前記測距部２０１は、測角部２０２の働きにより図１３に矢印にて示すように水平方向と垂直方向に回動可能であり、測距部２０１から射出される測距光２０５を３次元空間の任意の方角に向けて走査することができる。この測距部２０１により対象物２０６までの距離が求められ、測角部２０２により水平角と垂直角が求められるために３次元座標位置を測定することができ、測定結果は前記表示部２０３に表示されるとともに、前記測定データ記憶装置に蓄えられる。そして、得られた３次元座標データから任意の２点間距離を算出したり、面積を計算したり、或は対象物表面の形状を３次元ＣＡＤにて画像として表示したりすることができる。

しかしながら、上記測量装置２００は、測距部２０１全体を回転させるために大形化及びコストアップを免れないという問題がある。この問題を解決するための手段として、特許文献２には、ミラーにレーザビームを反射させ、ミラーを交差する２つの軸の回りに回転させる３次元座標位置測定装置が提案されている。
特開２０００−２２１０３７号公報 特開２００２−２５５４７６号公報

しかしながら、特許文献２において提案されている３次元座標位置測定装置では、３次元レーザセンサを建屋に固定する構成を採用しているため、装置の小型・軽量化及び低コスト化を実現することはできず、可搬性については考慮されていない。

３次元座標位置測定装置は、測定のために測定者が対象物に近づくことが極めて困難な場所や、１人では測定できないような場面で使用されているが、依然として普及途上であり、価格を含め種々の観点から改良が求められている。

本発明者等が現場で使用されている状況を調査した結果、３次元座標位置測定装置に対してユーザが求めている要求や技術課題は次の項目に要約することができる。
（１）小型・軽量化
距離計は、鋼製巻尺（コンベックス）や携帯電話並の大きさにして欲しいという要望がある。シャツやズボンのポケットに入る、或は腰のベルトに吊るすことができる程度の大きさ・質量であることが望まれている。
（２）測距部と測角部の分離及び測距部の単独使用
測角は必要とせず、測距のみの使用頻度も比較的高い。内装工事等は９０％以上が測距のみである。従来の装置では測距部は分離できないが、測距部が分離できれば小型・軽量になって使い勝手が良い。
（３）三脚を使わないで２点間の距離測定を可能にする
距離計が小型・軽量になっても、三脚を使用した測定では全体としては大型で使い勝手が悪いため、三脚を使用しない２点間の距離測定方法が望まれている。
（４）低価格化
一般に距離計は「道具」としては高価である。電動工具や手持工具に近い価格が望まれている。測距部と測角部に分けると測角部の方が高価であるために測角部の低下価格化が必要である。
（５）遠隔操作
操作ボタンを指で押す際の手振れを防止したり、操作ボタンを目視確認することなく扱うことができるようにするためのリモコン装置が必要である。又、３次元の座標位置測定のように距離計を長時間固定しておく使い方においては使用者の疲労を軽減するためにも遠隔操作が望まれている。有線・無線何れでも良い。
（６）測定精度と測定速度のモード切替え
一般に測定精度と測定速度は両立しない関係にある。モード切替ボタン等により精度重視の測定と速度重視（測定時間短縮）の測定を切替える。例えば、内装工事では精度を重視し、３次元の座標位置測定では速度を重視する。
（７）レーザスポットの細径化と視認性の向上
どこを測定しているかの確認はレーザスポットを目視することに頼っている。スポットは大きい方が見易いが、面に凹凸があったり傾斜があったりする場合は測定個所が曖昧になってしまう。レーザスポットの細径化と視認性の向上の両立性が望まれている。
（８）長時間の連続使用を可能にする
３次元の座標位置測定には時間が掛かるために電源が問題になる。バッテリを使うとバッテリが大きなものになってしまうため、適切な外部電源の接続が必要になる。

本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、小型・軽量化とコストダウンを図ることができるとともに、測距部と測角部を分離して測距部の単独での使用が可能である３次元座標位置測定装置を提供することにある。

又、本発明の目的とする処は、安価でＴＶゲーム感覚で操作することができる３次元座標位置測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、
射出部と集光部及び演算／記憶部から成る測距部と、
１枚のミラーを交差する２つの軸回りに回転させるモータと該モータを駆動制御するモータ駆動回路を備えた測角部と、
を有し、前記測距部から得られる距離信号と前記測角部から得られる回転角度信号とから測定対象物の３次元座標位置を算出する３次元座標位置測定装置であって、
前記測距部と前記測角部を共通のベース上に配置し、前記測距部を前記ベースに対して着脱可能としたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記測距部を前記ベース上に位置決めするための位置決め手段を設けたことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、前記位置決め手段を、前記ベース上の前記レーザ距離計の外側面に沿う位置に立設された複数の突起で構成したことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３の何れかに記載の発明において、前記測距部をノブボルトを用いて前記ベース上に着脱可能に取り付けることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１〜４の何れかに記載の発明において、前記測距部と前記測角部とを着脱可能なコネクタ付ケーブルによって電気的に接続することを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記測距部は、前記射出部、集光部、演算／記憶部と制御部、操作部及び表示部を有するレーザ距離計であって、該レーザ距離計単独で距離測定可能であることを特徴とする。

請求項７記載の発明は、
可視光レーザ光線を用いた可搬型の距離測定装置と、
１枚のミラーを交差する２つの軸回りに回転させるモータと、
前記距離測定装置から出射されるレーザ光源を３次元空間の任意の方向に反射させて走査するスキャナ及びその制御部と、
前記スキャナ及び前記距離測定装置から得られるレーザ光源の回転角度信号及び距離信号とから測定対象物の３次元座標位置を算出する演算部と、
可搬型の架台と、を有し、
該架台に前記スキャナ及び前記距離測定装置の位置を確定する位置決め手段を設け、前記架台に前記スキャナ及び前記距離測定装置を搭載した３次元座標位置測定装置において、
可搬型の制御装置に前記スキャナの制御部及び前記演算部を搭載し、それらを前記スキャナと電気的に接続するとともに、該制御部に前記スキャナを操作する操作部と座標位置を表示する表示部を有することを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、測距部と測角部を共通のベース上に配置し、測距部においてはミラーだけを回転させる構成を採用したため、負荷部分がミラーやフレーム等となり、ミラーを回転させるためのモータが小型化し、装置の小型・軽量化とコストダウンを図ることができる。又、測角を必要としない用途に対しては、測距部をベースから取り外してこれを単独で簡便に使用することができる。

請求項２及び３記載の発明によれば、測距部を突起等の位置決め手段によってベース上に正確に位置決めすることができるため、ベース上での測距部と測角部との位置関係を高精度に確定させることができる。

請求項４記載の発明によれば、測距部をノブボルトを用いてベース上に着脱可能に取り付けるようにしたため、該測距部をベースから容易に取り外して単独で使用することができ、又、測距と測角による３次元座標位置測定に際しては測距部をベースに容易に取り付けて使用することができる。

請求項５記載の発明によれば、測距部と測角部とを着脱可能なコネクタ付ケーブルによって電気的に接続するようにしたため、測距部を測角部に対して電気的にも容易に分離して単独で簡便に使用することができる。

請求項６記載の発明によれば、測距部を構成するレーザ距離計をベースから取り外してこれを単独で距離の測定に使用することができる。

請求項７記載の発明によれば、外部入出力機能を持たない安価な或は現在手持ちのレーザ距離計を使用することができるため、安価な３次元座標位置測定装置を得ることができる。

請求項８記載の発明によれば、制御装置の操作部は十字キーを具備しているため、レーザスポットを見たまま操作ボタンに目を戻すことなく、ＴＶゲーム感覚のビーム走査が可能になる。

請求項９記載の発明によれば、制御装置とスキャナの電気的接続を無線通信としたため、リモコン（制御装置）を持ったままレーザスポットに近づいてスポット位置を確認することができる。

［第１発明］
以下に第１発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は第１発明に係る３次元座標位置測定装置の平面図、図２は同３次元座標位置測定装置の側面図、図３は図１のＡ−Ａ線断面図、図４は同３次元座標位置測定装置の使用例を示す斜視図、図５は同３次元座標位置測定装置の機能ブロック図である。

本発明に係る３次元座標位置測定装置３００は、レーザ距離計１００と、ベース３０１と、スキャナ３０２とモータ駆動回路３０３を備えた測角部３０４（図５参照）とで構成されている。

ベース３０１には、図１及び図２に示すように、前記レーザ距離計１００を位置決めするための４つの突起３０６と２つの突起３０７、前記スキャナ３０２の位置決め用溝３０８及びレーザ距離計１００を固定するためのノブボルト３０５、２つの取付孔３１５が形成されており、ベース３０１は、取付孔３１５に挿通する２本のネジ４０１によって三脚取付部４００に固定される。

又、前記スキャナ３０２は、垂直方向走査用モータ３１０の回転軸に取り付けられ、レーザビーム反射用ミラー３１２を接着等の方法で保持するマウント３１１と、フレーム３０９と、このフレーム３０９に取り付けられた水平方向走査用モータ３１３と、この水平方向走査用モータ３１３の回転軸に取り付けられたマウント３１４とで構成されている。ここで、マウント３１４は、図３に示すように、水平方向走査用モータ３１３の回転軸と前記垂直方向走査用モータ３１０の回転軸とが直交するように垂直方向走査用モータ３１０を保持している。そして、スキャナ３０２は、前記ベース３０１の２つの位置決め用溝３０８に嵌合した状態で４本のネジ３２６によってベース３０１に固定される。この構成により垂直方向走査用モータ３１０の回転軸がθ回転し、水平方向走査用モータ３１３の回転軸がφ回転する。

更に、前記レーザ距離計１００には、図５に示すように、射出部２と集光部３及び演算／記憶部９から成る測距部２０と、電池等の不図示の電源部と、制御部１０と、外部入出力部１１が内蔵されており、その上面には表示部５と、電源スイッチ、操作スイッチ等の各種押しボタンを有する操作部４が設けられ、側面には接続端子１２，１３が設けられている。

前記測角部３０４のモータ駆動回路３０３は、前記垂直方向走査用モータ３１０と水平方向走査用モータ３１３を駆動するものであって、図２に示すように、前記ベース３０１の下面に取り付けられている。尚、図示しないが、モータ駆動回路３０３には、垂直方向走査用モータ３１０と水平方向走査用モータ３１３の各回転軸の回転角度を検出するための回転角度検出手段が内蔵されている。

そして、図１に示すように、垂直方向走査用モータ３１０とモータ駆動回路３０３とはケーブル３１６とコネクタ３１８，３２１を介して電気的に接続される。又、水平方向走査用モータ３１３とモータ駆動回路３０３とはケーブル３１７とコネクタ３１９，３２０を介して電気的に接続される。

又、図５に示すように、モータ駆動回路３０３とレーザ距離計１００の外部入出力部１１とはケーブル３２２とコネクタ３２３，１３を介して電気的に接続される。又、レーザ距離計１００の外部入出力部１１は、ケーブル３２５とコネクタ３１４，１２を介してパソコンやリモコン等の外部機器と電気的に接続される。

次に、本発明に係る３次元座標位置測定装置３００の動作について説明する。

前記レーザ距離計１００の制御部１０は、操作部４からの信号によって測距部２０、測角部３０４、表示部５及び外部入出力部１１の全ての制御を司るものである。又、外部入出力部１１は、必要に応じてパソコンやリモコン等の外部機器とデータや制御信号のやり取りも行う。

前記操作部４の押しボタンを操作するとその信号が制御部１０に伝わり、図４に示すように、前記射出部２からビーム走査用ミラー３１２に測距光７が照射され、この測距光７はビーム走査用ミラー３１２で反射されて測距光７’となって対象物６に照射される。そして、対象物６の表面で反射された反射光８’は、ビーム走査用ミラー３１２にて進行方向を曲げられて反射光８となり集光部３に入射する。すると、測距部２０の演算／記憶部９は、測距光７の照射開始時間（位相）と反射光８の入射時間（位相）の時間差（位相差）から対象物（測定面）６までの距離を算出する。

又、前記操作部４の押しボタンを操作するとその信号が制御部１０及び外部入出力部１１を経てモータ駆動回路３０３に伝わり、垂直方向走査用モータ３１０と水平方向走査用モータ３１３を駆動し、ビーム走査用ミラー３１２をモータ３１３の回転軸の回りに適宜の方向に回転させることによって測距光７が３次元空間の任意の方角に走査される。

前述のようにモータ駆動回路３０３には角度検出機構が内蔵されており、角度信号が外部入出力部１１を経て演算／記憶部９に送られる。すると、演算／記憶部９は、この角度信号から水平角と垂直角を算出し、これと対象物（測定面）６までの距離の算出結果から３次元座標位置、２点間距離等を算出し、その結果を前記表示部５に表示したり、当該演算／記憶部９に記憶し、或は外部入出力部１１を介してデータをパソコンやリモコン等の外部機器に送信したりする。

測角を必要としない用途においては、先ずコネクタ３２３，３２４を外し、次にノブボルト３０５を緩めてレーザ距離計１００をベース３０１から取り出す。これによりスキャナ３０２、モータ駆動回路３０３、ベース３０１等の不要な部位が無くなるため、装置の小型・軽量化が図られ、使い勝手が著しく向上する。

そして、レーザ距離計１００を元の状態に戻すには、該レーザ距離計１００をベース３０１上に載せ、これを２つの位置決め用突起３０７に突き当てた状態で固定用ノブボルト３０５を締める。すると、レーザ距離計１００は、４つの位置決め用突起３０６によってその位置決めがなされ、位置決め用突起３０６との摩擦によって確実に保持される。このとき、位置決め用突起３０６は、レーザ距離計１００の外形寸法に合わせる、或はレーザ距離計１００が圧入される寸法に配置することにより、レーザ距離計１００のベース３０１への位置決めが確実になる。尚、レーザ距離計１００を三脚等の物体に取り付けた状態において、これの地表に対する傾斜が緩い場合には該レーザ距離計１００が落下する恐れがないため、固定用ノブボルト３０５を締めなくても測定は可能になる。

レーザ距離計１００を分離してこれを単独で使用する場合の動作は従来と同様であるため、これについての説明は省略する。

以上のように、本発明に係る３次元座標位置測定装置３００によれば、測距部２０を含むレーザ距離計１００を測角部３０４とは独立に構成して両者を共通のベース３０１上に配置し、測距部２０においてはビーム走査用ミラー３１２だけを回転させる構成を採用したため、負荷部分がビーム走査用ミラー３１２やフレーム３０９等になり、該ビーム走査用ミラー３１２を回転させるための垂直方向走査用モータ３１０と水平方向走査用モータ３１３が小型化し、当該３次元座標位置測定装置３００の小型・軽量化とコストダウンを図ることができる。

又、測角を必要としない用途に対しては、レーザ距離計１００をベース３０１から取り外してこれを単独で簡便に使用することができる。この場合、レーザ距離計１００をノブボルト３０５を用いてベース３０１上に着脱可能に取り付け、該レーザ距離計１００と測角部３０４とを着脱可能なコネクタ付ケーブル３２２によって電気的に接続するようにしたため、レーザ距離計１００を測角部３０４に対して電気的にも容易に分離することができ、レーザ距離計１００をベース３０１から容易に取り外して単独で簡便に使用することができる。

そして、測距と測角による３次元座標位置測定に際してはレーザ距離計１００をベース３０１に容易に取り付けて使用することができる。この場合、レーザ距離計１００を位置決め用突起３０６，３０７によってベース３０１上に正確に位置決めすることができるため、ベース３０１上でのレーザ距離計１００と測角部との位置関係を高精度に確定させることができる。

［第２発明］
次に、第２発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図６は第２発明に係る３次元座標位置測定装置の平面図、図７は同３次元座標位置測定装置の側面図、図８は図６のＢ−Ｂ線断面図、図９は測距レーザ光の光路を示す斜視図、図１０は同３次元座標位置測定装置の機能ブロック図である。

本発明に係る３次元座標位置測定装置３００は、外部入出力部を持たないレーザ距離計１００、ベース３０１、スキャナ３０２及びモータ駆動回路３０３から成る測角部３０４と、リモコン（制御装置）２００とから構成されている。

上記ベース３０１には、前記レーザ距離計１００の４つの位置決め用突起３０６と２つの位置決め用突起３０７、前記スキャナ３０２の位置決め用溝３０８及びレーザ距離計１００を固定するためのノブボルト３０５、２つの取付孔３１５が形成されており、ベース３０１は、取付孔３１５に挿通する２本のネジ４０１によって三脚取付部４００に固定される。

又、前記スキャナ３０２は、垂直方向走査用モータ３１０の回転軸３１０−Ｓに取り付けられ、レーザビーム反射用ミラー３１２を接着等の方法で保持するマウント３１１と、フレーム３０９、このフレーム３０９に取り付けられた水平方向走査用モータ３１３と、この水平方向走査用モータ３１３の回転軸３１３−Ｓに取り付けられ、この回転軸３１３−Ｓと前記垂直方向走査用モータ３１０の回転軸３１０−Ｓとが直交するように前記垂直方向走査用モータ３１０を保持するマウント３１４とで構成されており、４本のネジ３２５によって前記ベース３０１の２つの位置決め用溝３０８に嵌合した状態で固定される。この構成により垂直方向走査用モータ３１０の回転軸３１０−Ｓがθ回転し、水平方向走査用モータ３１３の回転軸３１３−Ｓがφ回転する
図６及び図８に示すように、水平方向走査用モータ３１３の回転軸３１３−Ｓは、ミラー３１２、マウント３１１、垂直方向走査用モータ３１０及びマウント３１４から成る結合体の略重心位置を支える構造になっている。従って、垂直方向走査用モータ３１０及び水平方向走査用モータ３１３の各回転軸３１０−Ｓ，３１３−Ｓ回りの負荷（慣性モーメント）は極めて小さなものとなっている。

垂直方向走査用モータ３１０及び水平方向走査用モータ３１３は小型の５相ステッピングモータであり、１回転５００ステップである。これらのモータ３１０，３１３を１ステップ８０分割のマイクロステップ駆動すると１回転が４０，０００ステップになり、角度分解能は３６０／４００００＝０．００９度＝０．５４分となる。この種のステッピングモータの位置決め精度は、軽負荷であれば２分以内である。前述のようにモータ３１０，３１３の回転軸３１０−Ｓ，３１３−Ｓ回りの慣性モーメントは極めて小さいため、１ステップ８０分割のマイクロステップ駆動により２分（角度）の位置決め精度が得られる。

又、前記レーザ距離計１００には、図１０に示すように、射出部２と集光部３及び演算／記憶部９から成る測距部２０と、電池等の不図示の電源部と、制御部１０が内蔵されており、その上面には表示部５、電源スイッチ、操作スイッチ等の各種押しボタンを有する操作部４が設けられている。そして、射出部２の直上には、回転軸３１０−Ｓ，３１３−Ｓの回転角の基準点を定めるための目印Ｐ２が設けられている。

モータ駆動回路３０３は、前記垂直方向走査用モータ３１０と水平方向走査用モータ３１３を駆動するものであって、前記ベース３０１の下面に取り付けられており、モータ３１０，３１３の回転軸３１０−Ｓ，３１３−Ｓの回転角度検出機構を内蔵している。垂直方向走査用モータ３１０とモータ駆動回路３０３とはケーブル３１６、コネクタ３１８，３２１を介して電気的に接続される。又、水平方向走査用モータ３１３とモータ駆動回路３０３とはケーブル３１７、コネクタ３１９，３２０を介して電気的に接続される。

リモコン２００は、角度制御・検出部２０５、演算／記憶部２０６、電池等の不図示の電源部及び制御部２０７を内蔵し、その上面には表示部２０３、電源スイッチ、十字キー２０１やテンキー２０２等の各種押しボタンを有する操作部２０４が設けられている。又、モータ駆動回路３０３とリモコン２００とはケーブル３３２、コネクタ３３０，３３１を介して電気的に接続される。

次に、本発明に係る３次元座標位置測定装置３００の動作について説明する。

前記レーザ距離計１００の制御部１０は、操作部４からの信号によって測距部２０と表示部５を制御し、測距部２０にて距離測定を行い、その測定結果を表示部５に表示する。

前記リモコン２００は、操作部２０４からの信号により制御部２０７にて角度制御・検出部２０５、表示部２０３、演算・記憶部２０６を制御し、モータ駆動回路３０３から角度データを自動採取し、前記レーザ距離計１００の表示部５に表示された距離データを操作部２０４から手動で入力することによって、３次元座標位置を算出してその結果を表示部２０３に表示する。

前記レーザ距離計１００の操作部４の押しボタンを操作すると、その信号が制御部１０に伝達され、前記射出部２からビーム走査用ミラー３１２に測距光７が照射され、ここで反射され測距光７’（図９参照）となって対象物６に照射される。そして、対象物６の表面で反射された反射光８’は、ビーム走査用ミラー３１２にて進行方向が曲げられて反射光８（図９参照）となり、集光部３に入射する。演算／記憶部９は、射出部２から出射された測距光と集光部３に入射した測距光の時間差或は位相差から前記対象物（測定面）６までの距離を算出する。

前記リモコン２００の操作部２０４の十字キー２０１又はテンキー２０２を操作すると、その信号が制御部２０７及び角度制御・検出部２０５を経てモータ駆動回路３０３に伝達され、垂直方向走査用モータ３１０と水平方向走査用モータ３１３を駆動し、ビーム走査用ミラー３１２をモータ３１３の回転軸３１３−Ｓ回りに適宜の方向に回転させることによって、測距光７が３次元空間の任意の方角に走査される。十字キー２０１を使うと垂直方向走査用モータ３１０と水平方向走査用モータ３１３の同時駆動ができるため、レーザスポットＳ１，Ｓ１’を見たまま操作部を２０４見ることなくＴＶゲーム感覚でビーム走査を行うことができる。

ここで、レーザ距離計１００による測定面（対象物）６までの距離Ｌと垂直方向走査用モータ３１０の回転軸３１０−Ｓの回転角θ及び水平方向走査用モータ３１３の回転軸３１３−Ｓの回転角φからＸ，Ｙ，Ｚ直交座標を求めるための変換式について説明する。

図９において、Ｐ１点はＸ，Ｙ，Ｚ座標の原点である。回転角θと回転角φの原点は反射光７’が射出部２に向かうようなミラー３１２の位置とする。レーザ距離計１００による距離測定の基準点は射出部２である。

従って、Ｐ１点から反射光７’による測定面６上のスポットＳ１までの距離をｄ１とすると距離Ｌは、
Ｌ＝Ｃ１＋ｄ１となる。

又、回転軸３１０−Ｓと３１３−Ｓがそれぞれθ，φ回転したときの測定面６上のスポットＳ１’までの距離をｄ１’とすると、距離Ｌは、
Ｌ＝Ｃ１−Ａ１＋ｄ１’となる。

回転軸３１０−Ｓと回転軸３１３−Ｓの交点から原点Ｐ１までの距離をＢ１とすると、
Ａ１＝Ｂ１×ｔａｎφ
なる関係が成り立つ。

従って、
ｄ１’＝Ｌ−（Ｃ１−Ａ１））＝ｄとおくと、
Ｘ＝２ｄ×ｃｏｓφ×ｓｉｎφ×ｃｏｓ２θ
Ｙ＝−２ｄ×ｃｏｓφ×ｓｉｎθ×ｃｏｓθ
Ｚ＝ｄ×（−１＋２ｃｏｓ２φ×ｃｏｓ２θ）)＋Ａ１
としてＸ，Ｙ，Ｚ座標を算出することができる。

Ｚ座標算出式の右辺の＋Ａ１は、回転軸３１３−Ｓとレーザ光の反射点のズレの補正項であり、これにより測定誤差を小さく抑えることができる。

モータ３１０，３１３はステッピングモータであり、ロータリーエンコーダ等の回転角検出器は不要であるが、測定開始前に角度のゼロ点調整が必要である。回転角θと回転角φの原点は反射光７’が射出部２に向かうようなミラー３１２の位置であるため、この位置で原点調整をするには反射光を射出部２に向けることになって視認性が極めて悪くなる。

そこで、射出部２の直上に目印（＋）Ｐ２を設け、この目印Ｐ２と原点Ｐ１を結ぶ直線とＺ軸のなす角θ０を前もって設定しておき、目印Ｐ２に反射光７’のスポットを一致させたときの角度をφ＝０、θ＝θ０とすることによって角度のゼロ点調整を行う。

モータ駆動回路３０３には角度検出機構が内蔵されており、角度信号が角度制御・検出部２０５を経て演算／記憶部２０６に送られる。演算／記憶部２０６は、この角度信号から水平角と垂直角を算出し、これと前記測定面（対象物）６までの距離の測定結果から３次元座標位置、２点間距離等を算出し、その結果を前記表示部２０３に表示したり、演算／記憶部２０６に記憶したりする。

以上の説明においては、リモコン２００はケーブル３３２とコネクタ３３０，３３１を介してモータ駆動回路３０３と電気的に接続されるとしたが、無線通信による接続でも良いことは勿論である。無線の場合は前記スキャナ３０２を任意の場所から操作できるため、レーザスポットＳ１，Ｓ１’が遠くて見えにくいときには近づいて確認することが可能になる。

又、測角を必要としない用途においては、ノブボルト３０５を緩めてレーザ距離計１００をベース３０１から取り出すことにより単独での使用が可能になる。レーザ距離計１００を元の状態に戻すには、該レーザ距離計１００をベース３０１上に載せ、２つの位置決め用突起３０７に突き当てた状態で固定用ノブボルト３０５を締める。４つの位置決め用突起３０６はレーザ距離計１００の幅と同寸法であるため、摩擦による保持力が発生する。三脚等の物体に取り付けた状態での地表に対する傾斜が緩い場合は落下の恐れがないため、固定用ノブボルト３０５を締めなくても測定は可能になる。

尚、距離計単独使用の場合の動作は従来と同様であるため、これについての説明は省略する。

第１発明に係る３次元座標位置測定装置の平面図である。 第１発明に係る３次元座標位置測定装置の側面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 本発明に係る３次元座標位置測定装置の使用例を示す斜視図である。 第１発明の実施形態に係る３次元座標位置測定装置の機能ブロック図である。 第２発明に係る３次元座標位置測定装置の平面図である。 第２発明に係る３次元座標位置測定装置の側面図である。 図６のＢ−Ｂ線断面図である。 第２発明に係る３次元座標位置測定装置の使用例を示す斜視図である。 第２発明の実施形態に係る３次元座標位置測定装置の機能ブロック図である。 従来のレーザ距離計の使用形態を示す斜視図である。 従来のレーザ距離計の機能ブロック図である。 従来の測量装置（トータルステーション）の使用形態を示す斜視図である。

符号の説明

２ 射出部
３ 集光部
４ 操作部
５ 表示部
６ 対象物
７，７’ 測距光
８，８’ 反射光
９ 演算／記憶部
１０ 制御部
１１ 外部入出力部
１２，１３ コネクタ
１００ レーザ距離計
２００ リモコン（制御装置）
３００ ３次元座標位置測定装置
３０１ ベース
３０２ スキャナ
３０３ モータ駆動回路
３０４ 測角部
３０５ ノブボルト
３０６ 位置決め用突起
３０７ 位置決め用突起
３０８ 位置決め用溝
３０９ フレーム
３１０ 垂直方向走査用モータ
３１０−Ｓ 垂直方向走査用モータの回転軸
３１１ マウント
３１２ レーザビーム反射用ミラー
３１３ 水平方向走査用モータ
３１３−Ｓ 水平方向走査用モータの回転軸
３１４ マウント
３１５ 取付孔
３１６ ネジ
３１７ ケーブル
３１８ コネクタ
３１９ コネクタ
３２０ コネクタ
３２１ コネクタ
３２２ ケーブル
３２３ コネクタ
３２４ コネクタ
３２５ ケーブル
３２６ ネジ
３３１ コネクタ
３３２ ケーブル
Ｐ２ 目印

Claims (9)

1. 射出部と集光部及び演算／記憶部から成る測距部と、
   １枚のミラーを交差する２つの軸回りに回転させるモータと該モータを駆動制御するモータ駆動回路を備えた測角部と、
   を有し、前記測距部から得られる距離信号と前記測角部から得られる回転角度信号とから測定対象物の３次元座標位置を算出する３次元座標位置測定装置であって、
   前記測距部と前記測角部を共通のベース上に配置し、前記測距部を前記ベースに対して着脱可能としたことを特徴とする３次元座標位置測定装置。
2. 前記測距部を前記ベース上に位置決めするための位置決め手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の３次元座標位置測定装置。
3. 前記位置決め手段を、前記ベース上の前記レーザ距離計の外側面に沿う位置に立設された複数の突起で構成したことを特徴とする請求項２記載の３次元座標位置測定装置。
4. 前記測距部をノブボルトを用いて前記ベース上に着脱可能に取り付けることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の３次元座標位置測定装置。
5. 前記測距部と前記測角部とを着脱可能なコネクタ付ケーブルによって電気的に接続することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の３次元座標位置測定装置。
6. 前記測距部は、前記射出部、集光部、演算／記憶部と制御部、操作部及び表示部を有するレーザ距離計であって、該レーザ距離計単独で距離測定可能であることを特徴とする請求項１記載の３次元座標位置測定装置。
7. 可視光レーザ光線を用いた可搬型の距離測定装置と、
   １枚のミラーを交差する２つの軸回りに回転させるモータと、
   前記距離測定装置から出射されるレーザ光源を３次元空間の任意の方向に反射させて走査するスキャナ及びその制御部と、
   前記スキャナ及び前記距離測定装置から得られるレーザ光源の回転角度信号及び距離信号とから測定対象物の３次元座標位置を算出する演算部と、
   可搬型の架台と、を有し、
   該架台に前記スキャナ及び前記距離測定装置の位置を確定する位置決め手段を設け、前記架台に前記スキャナ及び前記距離測定装置を搭載した３次元座標位置測定装置において、
   可搬型の制御装置に前記スキャナの制御部及び前記演算部を搭載し、それらを前記スキャナと電気的に接続するとともに、該制御部に前記スキャナを操作する操作部と座標位置を表示する表示部を有することを特徴とする３次元座標位置測定装置。
8. 前記制御装置の前記操作部に十字キーを設けたことを特徴とする請求項７記載の３次元座標位置測定装置。
9. 前記制御装置と前記スキャナとを無線通信によって電気的に接続したことを特徴とする請求項１又は２記載の３次元座標位置測定装置。

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