JP2008020415A - レーザー墨出し器 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザー墨出し器の基準ラインの表示精度を向上する。
【解決手段】レーザー墨出し器１０は、支持体１４にジンバル機構２４を介して揺動可能に支持された振り子１２と、振り子１２に取り付けられた第１レーザー光源ユニット１６、第２レーザー光源ユニット１７と、を有する。ジンバル機構２４は、支持体１４に支持された第１の軸２０と、第１の軸２０により回転可能に支持された揺動体１８と、第１の軸２０と異なる方向に向けて揺動体１８に取り付けられた第２の軸２２と、相対回転可能な外輪と内輪とを有し、第２の軸２２を振り子１２に回転可能に支持するボールベアリング３２、４０と、を備える。第２の軸２２は、ボールベアリング３２、４０により、水平方向に対して傾斜して設けられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザー墨出し器に関し、特にジンバル機構を有するレーザー墨出し器に関する。

従来、建物の建築工事における水平・鉛直出し作業を行う際に、水平ラインや鉛直ラインなどの基準ラインをレーザー光で表示するレーザー墨出し器が用いられている。レーザー墨出し器を用いることにより、建具、照明器具、窓枠などの取付位置を正確に位置決めすることができる。

レーザー墨出し器は、その姿勢が傾いた場合でも水平ラインや垂直ラインが高い精度で表示されるように、半導体レーザー、コリメータレンズ、ロッドレンズなどを有するレーザー光源ユニットが、ジンバル機構を介して支持されている（たとえば、特許文献１参照）。

ジンバル機構は、互いに直交する方向の２つの軸を有している。一方の軸は、レーザー墨出し器の基盤となるベース上に設けられた支持体によって水平に支持されるとともに、揺動体を回転可能に支持する。他方の軸は、上記一方の軸と直交する方向に向けて揺動体によって支持されるとともに、レーザー光源ユニットが取り付けられた振り子を回転可能に支持する。このように構成されたジンバル機構により、振り子に取り付けられたレーザー光源ユニットは、支持体に対してあらゆる方向に揺動可能となり、常に所定の姿勢を保つことができる。
特開２００５−３００４０６号公報

ところで、上述のようなジンバル機構においては、軸受けとしてボールベアリングが用いられる。ボールベアリングを介して軸を支持することにより、振り子をスムーズに揺動させることができる。しかしながら、ボールベアリングは、内輪・外輪とボールとの間の遊び量である内部すきまを有しているので、振り子は、支持体に対してある程度のがたつきを生じる。特に、ボールベアリングの軸方向への内部すきまであるアキシアルすきまが大きいと、振り子が軸方向にがたつくので、振り子の重量バランスが崩れ、基準ラインの表示精度が低下してしまう。内部すきまの小さいボールベアリングを用いることによって、振り子のがたつきはある程度小さくすることができるものの、内部すきまの小さいボールベアリングは、高価であるため、レーザー墨出し器のコストが高くなってしまう。

本発明はこうした状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、基準ラインの表示精度を向上したレーザー墨出し器を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様のレーザー墨出し器は、支持体にジンバル機構を介して揺動可能に支持された振り子と、振り子に取り付けられたレーザー光源ユニットと、を有するレーザー墨出し器であって、ジンバル機構は、支持体に支持された第１の軸と、第１の軸により回転可能に支持された揺動体と、第１の軸と異なる方向に向けて揺動体に取り付けられた第２の軸と、相対回転可能な外輪と内輪とを有し、第２の軸を振り子に回転可能に支持するボールベアリングと、を備え、第２の軸は、ボールベアリングにより、水平方向に対して傾斜して設けられる。

この態様によると、振り子を支持する第２の軸が、水平方向に対して傾斜して設けられるので、第２の軸を支持するボールベアリングの内輪と外輪とが第２の軸方向に相対的にずれた位置関係をとる。これにより、ボールベアリングのがたつきが小さくなるので、支持体に対する振り子のがたつきが小さくなる。振り子のがたつきが小さくなることにより、振り子が安定して所定の姿勢を取ることができるようになるので、振り子に取り付けられたレーザー光源ユニットが出射する基準ラインの表示精度を向上することができる。

本発明によれば、基準ラインの表示精度を向上したレーザー墨出し器を提供することができる。

図１は、本実施の形態に係るレーザー墨出し器１０の斜視図である。図１に示すように、レーザー墨出し器１０の基盤となるベース２８の下面側には、３つの脚部３０が取り付けられている。この３つの脚部３０で３点支持することにより、レーザー墨出し器１０の設置安定性を高めている。また、脚部３０は、伸縮可能に構成されており、レーザー墨出し器１０を設置する環境に合わせて脚部３０の長さを調整できるようになっている。

ベース２８の上面側には、ターンテーブル２６が設けられている。ターンテーブル２６は、ベース２８に設けられた調整つまみを操作することにより、ベース２８上で回転させることができる。

ターンテーブル２６上には、支持体１４が鉛直方向に立設されている。支持体１４の上端部には、２軸のジンバル機構２４を介して、振り子１２が揺動可能に支持されている。ジンバル機構２４は、支持体１４上端の支持部に水平に取り付けられた第１の軸２０と、第１の軸２０により回転可能に支持された揺動体１８と、第１の軸２０と直交する方向に向けて揺動体１８に取り付けられた第２の軸２２と、を有している。振り子１２は、第２の軸２２により回転可能に支持されている。このように構成されたジンバル機構２４により、振り子１２は、支持体１４に対してあらゆる方向に揺動可能となっている。ジンバル機構２４の詳細な構造については後述する。

図１に示すように、振り子１２の側面部には、第１レーザー光源ユニット１６、第２レーザー光源ユニット１７が設けられている。第１レーザー光源ユニット１６、第２レーザー光源ユニット１７は、いずれも、半導体レーザーと、この半導体レーザーからのレーザー光を平行光束に変換するコリメータレンズと、平行光束に変換されたレーザー光をライン状の光束に変換するロッドレンズと、を備える。第１レーザー光源ユニット１６は、垂直方向にライン状の光束を出射し、第２レーザー光源ユニット１７は、水平方向にライン状の光束を出射する。

第１レーザー光源ユニット１６、第２レーザー光源ユニット１７が取り付けられている振り子１２は、ジンバル機構２４を介して支持体１４に支持されているので、レーザー墨出し器１０を設置する設置面が水平面に対して傾斜していた場合であっても、振り子１２は常に所定の姿勢を取ることができる。これにより、レーザー墨出し器１０は、自身の姿勢が傾いた場合であっても、正確に垂直ラインおよび水平ラインを出射することができる。

次に、図２を用いて、本実施の形態に係るジンバル機構２４の構造について詳細に説明する。図２は、図１に示すレーザー墨出し器１０のＡ−Ａ断面図である。ジンバル機構２４は、互いに異なる方向に向いている２つの軸、第１の軸２０と、第２の軸２２と、を有する。第１の軸２０と第２の軸２２は、図２に示すように、互いに直交する向きに設けられることが好ましい。

第１の軸２０は、支持体１４の上端部に形成された支持部に水平に支持されている。第１の軸２０は、揺動体１８を回転可能に支持している。揺動体１８は、金属で形成された直方体状のブロックであり、第１の軸２０は、揺動体１８の中央を貫通している。第１の軸２０と揺動体１８の間には、揺動体１８の回転がスムーズとなるように、一対のボールベアリングが介在されることが好ましい。

第２の軸２２は、同一線上に配置された一対の軸２２ａ、２２ｂからなる。軸２２ａ、２２ｂは、揺動体１８に形成されたねじ穴にねじ込まれることにより、揺動体１８の対向する側面から突出して形成される。上述したように、第２の軸２２は、第１の軸２０と異なる方向、望ましくは直交する方向に設けられる。このように、一対の軸２２ａ、２２ｂからなる第２の軸２２を揺動体１８の対向する側面から突出して形成することにより、第１の軸２０と第２の軸２２とを同一平面上に設けることができる。第１の軸２０と第２の軸２２を同一平面上に設けた場合、コンパクトにジンバル機構を構成することができる。

第２の軸２２は、一対のボールベアリング３２、４０を介して、振り子１２を回転可能に支持している。振り子１２は、底面部１２ａと側面部１２ｂを有する箱体であり、側面部１２ｂには、第１レーザー光源ユニット１６、第２レーザー光源ユニット１７が取り付けられている。また、底面部には、レーザー墨出し器１０の下部に地墨ポイントを表示するための第３レーザー光源ユニット５６が取り付けられている。ボールベアリング３２、４０は、それぞれ相対回転可能な外輪３６、４２と、内輪３８、４４と、を有する。

対をなすボールベアリング３２、４０のうち一方のボールベアリング３２（図２において右側のボールベアリング）は、その外輪３６が、振り子１２側面に形成された嵌合孔に嵌められている。この嵌合孔の外側にはねじ部が形成されており、このねじ部に外ナット５２がねじ込まれる。ボールベアリング３２の外輪３６は、外ナット５２と、嵌合孔の段部との間に挟み込まれて、振り子１２に固定される。ボールベアリング３２の内輪３８には、軸２２ａが嵌められている。揺動体１８と内輪３８の間には、揺動体１８と内輪３８の位置を一定に保つために、スペーサ４８が介装される。

同じように、他方のボールベアリング４０（図２において左側のボールベアリング）は、その外輪４２が、振り子１２側面に形成された嵌合孔に嵌められている。この嵌合孔の外側にはねじ部が形成されており、このねじ部に外ナット５４がねじ込まれる。ボールベアリング４０の外輪４２は、外ナット５４と、嵌合孔の段部との間に挟み込まれて、振り子１２に固定される。ボールベアリング４０の内輪４４には、軸２２ｂが嵌められている。揺動体１８と内輪４４の間には、揺動体１８と内輪４４の位置を一定に保つために、スペーサ５０が介装される。

このように、本実施の形態に係るジンバル機構２４においては、揺動体１８は、第１の軸２０を中心に揺動可能である。さらに、振り子１２は、揺動体１８に支持された第２の軸２２を中心に揺動可能である。従って、振り子１２は、支持体１４に対してあらゆる方向に揺動可能であり、結果として、振り子１２に取り付けられた第１レーザー光源ユニット１６、第２レーザー光源ユニット１７は、所定の姿勢をとることができる。

本実施の形態に係るレーザー墨出し器１０においては、図２に示すように、第２の軸２２は、ボールベアリング３２、４２により、水平方向に対して傾斜して設けられる。第２の軸２２を水平方向に対して傾斜して支持するために、ボールベアリング３２、４０は、振り子１２の側面において、鉛直方向に異なる高さ、すなわち、振り子１２の底面部１２ａから異なる高さにそれぞれ設けられる。

図３は、ボールベアリング３２周辺部を示す図である。図３において、破線Ｈは、水平方向を表す。図３に示すように、第２の軸２２は、水平方向Ｈに対して角度θだけ傾斜している。

本実施の形態に係るレーザー墨出し器１０においては、第２の軸２２が水平方向に対して傾斜しているので、振り子１２の自重により、ボールベアリング３２の外輪３６、内輪３８が、図３に示すような位置関係となる。すなわち、外輪３６と内輪３８とが第２の軸２２方向に相対的にずれた位置関係をとる。従って、ボールベアリング３２のボール３４は、内輪３８の溝３８ａの外側と、外輪３６の溝３６ａの内側に当接することとなる。これにより、確実に位置決めがなされ、ボールベアリング３２のがたつきを小さくすることができる。もう一方のボールベアリング４０についても同様に、ボールベアリング４０の外輪４２と内輪４４とが第２の軸２２方向に相対的にずれた位置関係をとるので、ボールベアリング４０のがたつきを小さくすることができる。

以上のように、本実施の形態に係るレーザー墨出し器１０においては、第２の軸２２を水平方向に対して傾斜して設けることにより、ボールベアリング３２、４０のがたつきを小さくすることができるので、支持体１４に対する振り子１２のがたつきを小さくすることができる。振り子１２のがたつきが小さくなることにより、振り子１２が安定して所定の姿勢を取ることができるようになるので、振り子１２に取り付けられた第１レーザー光源ユニット１６、第２レーザー光源ユニット１７が出射する垂直ライン、水平ラインの表示精度を向上することができる。

次に、第２の軸２２の好適な傾斜角度について説明する。ボールベアリングの軸方向の内部すきまであるアキシアルすきまをＳａ、直径方向の内部すきまであるラジアルすきまをＳｒとしたとき、ボールベアリングの傾斜限界角度θｃは、（１）式の様に表すことができる。
θｃ＝ａｒｃｓｉｎ（２Ｓａ／Ｓｒ）×Ｋ …（１）
傾斜限界角度θｃは、内輪、外輪の軌道をボールが乗り越えない角度である。（１）式において、Ｋは、安全係数であり、ボールベアリングの外径をＤ、内径をｄとしたときに、
Ｋ＝１−０．１×（Ｄ−ｄ）／２ …（２）
と表すことができる。

また、第２の軸２２は、ボールベアリングの外輪、内輪が図３のような位置関係、すなわち、外輪と内輪とが第２の軸方向に相対的にずれた位置関係をとるような角度に傾斜させる必要がある。このような傾斜角度を設定するために、まず、ボールベアリングの静止摩擦力ｆｓを求める。静止摩擦力ｆｓは、水平状態に保った第２の軸２２にボールベアリング３２、４０を介して第１レーザー光源ユニット１６、第２レーザー光源ユニット１７を取り付けた振り子１２を吊り下げ、水平方向に力をかけて動き出すときの力を求めることにより測定できる。このとき、ボールベアリングの外輪、内輪を図３のような位置関係にするのに必要な最小角度θｓは、（３）式のように表すことができる。
θｓ＝ａｒｃｔａｎ（ｆｓ／Ｍ） …（３）
ここで、Ｍは、振り子１２と第１レーザー光源ユニット１６、第２レーザー光源ユニット１７の重量である。

以上をまとめると、ボールベアリングのアキシアルすきまによるがたつきを解消するためには、第２の軸２２の傾斜角度θを、θｓ＜θ＜θｃの範囲に設定することが好ましい。ただし、傾斜角度θが大きくなるほど、振り子１２と第１レーザー光源ユニット１６、第２レーザー光源ユニット１７の重量により、ボールベアリングのボールが外輪、内輪の溝の端に強く押しつけられ、ボールベアリングの性能を低下させてしまう可能性があるため、傾斜角度θは、最小角度θｓに近い値、たとえば、余裕を見て最小角度θｓの２倍程度の傾斜角度に設定することが好ましい。

たとえば、ボールベアリングのラジアルすきまＳｒ＝１０μｍ、アキシアルすきまＳａ＝４μｍ、ボールベアリングの外径Ｄ＝８ｍｍ、内径ｄ＝４ｍｍ、振り子１２と第１レーザー光源ユニット１６、第２レーザー光源ユニット１７の重量Ｍ＝１９９ｇ、静止摩擦力ｆｓ＝１１．５ｇｆとしたときに、第２の軸２２の傾斜角度θは、（１）〜（３）式を用いて、３．３°＜θ＜５０．４°の範囲に設定することが好ましい。さらには、最小角度θｓ＝３．３°の２倍程度の角度、すなわち６°〜７°程度に設定することがより好ましい。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、その各構成要素の組合せにいろいろな変形例が可能である。また、そうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

本実施の形態に係るレーザー墨出し器の斜視図である。 図１に示すレーザー墨出し器のＡ−Ａ断面図である。 ボールベアリング周辺部を示す図である。

符号の説明

１０ レーザー墨出し器、 １２ 振り子、 １４ 支持体、 １８ 揺動体、 ２０ 第１の軸、 ２２ 第２の軸、 ２４ ジンバル機構、 ３２、４０ ボールベアリング、 ３４ ボール、 ３６、４２ 外輪、 ３８、４４ 内輪。

Claims (4)

1. 支持体にジンバル機構を介して揺動可能に支持された振り子と、前記振り子に取り付けられたレーザー光源ユニットと、を有するレーザー墨出し器であって、
   前記ジンバル機構は、
   前記支持体に支持された第１の軸と、
   前記第１の軸により回転可能に支持された揺動体と、
   前記第１の軸と異なる方向に向けて前記揺動体に取り付けられた第２の軸と、
   相対回転可能な外輪と内輪とを有し、前記第２の軸を前記振り子に回転可能に支持するボールベアリングと、
   を備え、
   前記第２の軸は、前記ボールベアリングにより、水平方向に対して傾斜して設けられることを特徴とするレーザー墨出し器。
2. 前記振り子の側面において、鉛直方向に異なる高さにボールベアリングがそれぞれ設けられ、前記第２の軸がそれらのボールベアリングにより水平方向に対して傾斜して支持されることを特徴とする請求項１に記載のレーザー墨出し器。
3. 前記第２の軸は、前記揺動体の対向する側面から突出して形成されることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザー墨出し器。
4. 水平方向に対して傾斜する前記第２の軸を支持するボールベアリングにおいて、外輪と内輪とが第２の軸方向に相対的にずれた位置関係をとることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のレーザー墨出し器。

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