JP2008070196A - レーザ光学系の光軸傾斜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】送りネジ部分の繰り返し駆動による累積誤差、摩耗、変形等による送り誤差が生じても、レーザ光学系の光軸の水平又は垂直に対する傾斜角設定精度を確保できるレーザ光学系の光軸傾斜装置を提供する。
【解決手段】本装置はレーザ光学系が内部に配置された鏡筒と、レーザ光学系の光軸をZ軸としてXZ平面内とYZ平面内との少なくとも一方の平面内で傾動可能に鏡筒に支承されかつ基準位置を検出するチルトセンサが設置されたチルトフレームと、鏡筒に固定されかつチルトフレームを水平面に対し傾動させる傾動機構が設置された固定フレームと、鏡筒を傾動可能に支承し鏡筒を傾動させチルトフレームを整準する整準機構とを備え、傾動機構は、送りネジによって往復動されかつチルトフレームを基準位置に対して傾動させる送りコマと、送りコマの位置を検出する位置検出装置とを備え、送りコマの位置に基づき水平面に対するチルトフレームの傾斜角度を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光学系の光軸傾斜装置に関する。

従来から、例えば、回転レーザ測量機には、傾斜勾配設定装置としてレーザ光学系の光軸傾斜装置を用いたものが知られている。この従来のレーザ光学系の光軸傾斜装置には、レーザ光学系の光軸の水平又は垂直（鉛直）に対する傾斜角度の設定量を管理する手段として送りネジ機構にその回転数を検出するエンコーダを備えたもの、送りネジを回転駆動する駆動モータにエンコーダを備えたものが知られている。

このものでは、送りネジ機構を駆動することによって、レーザ光学系を水平姿勢、垂直姿勢から傾斜させる構成となっている（例えば、特許文献１参照。）。

また、レーザ光学系をチルトセンサに対して傾斜させ、光軸傾斜装置全体を整準することによって、レーザ光学系の光軸の傾斜勾配を設定する構成のものも知られている。
特開平６−２６８６１号公報

しかしながら、この種の従来のレーザ光学系の光軸傾斜装置では、送りネジ機構の精度によって回転レーザ測量機の角度設定精度が主として決定され、送りネジ機構のネジ部分の繰り返し駆動による累積誤差、送りネジ部分の繰り返し駆動による摩耗、経年変化よる送りネジ部分の変形等によって送り誤差が生じると角度設定に狂いが生じ、レーザ光学系の光軸の傾斜精度を確保し難いという不都合がある。

本発明は、上記の事情に鑑みて為されたもので、送りネジ部分の繰り返し駆動による累積誤差、送りネジ部分の繰り返し駆動による摩耗、経年変化よる送りネジ部分の変形等によって送り誤差が生じたとしても、レーザ光学系の光軸の水平又は垂直に対する傾斜角設定精度を確保することのできるレーザ光学系の光軸傾斜装置を提供することにある。

請求項１に記載のレーザ光学系の光軸傾斜装置は、レーザ光学系が内部に配置された鏡筒と、前記レーザ光学系の光軸をZ軸としてこのZ軸に直交する平面内で互いに直交する一方をX軸としかつ他方をY軸として前記X軸と前記Z軸とを含むXZ平面内と前記Y軸と前記Z軸とを含むYZ平面内との少なくとも一方の平面内で傾動可能に前記鏡筒に支承されしかも基準位置を検出するチルトセンサが設置されたチルトフレームと、前記鏡筒に固定して設けられかつ前記チルトフレームを水平面に対して傾動させる傾動機構が設置された固定フレームと、前記鏡筒を傾動可能に支承し前記チルトセンサが基準位置を検出するように前記鏡筒を傾動させて前記チルトフレームを整準させる整準機構とを備え、
前記傾動機構は、駆動モータによって回転駆動される送りネジと、該送りネジによって往復動されかつ前記チルトフレームに係合して該チルトフレームを基準位置に対して傾動させる送りコマと、該送りコマの位置を検出する位置検出装置とを備え、
該位置検出装置により検出された前記送りコマの位置に基づき基準位置に対する前記チルトフレームの傾斜角度を算出することを特徴とする。

請求項２に記載のレーザ光学系の光軸傾斜装置は、前記チルトフレームは、前記鏡筒にピボット軸を支点にして傾動可能に支承されていることを特徴とする。

請求項３に記載のレーザ光学系の光軸傾斜装置は、前記チルトフレームは、前記鏡筒にジンバル機構を介して傾動可能に支承されていることを特徴とする。

請求項４に記載のレーザ光学系の光軸傾斜装置は、前記位置検出装置は、照明光により照明されるアブソリュートパターンと照明光により照明されたアブソリュートパターンの投影像を受像する位置検出素子とからなり、前記アブソリュートパターンと前記位置検出素子とのいずれか一方は前記送りコマに設置され、いずれか他方は前記固定フレームに設置されていることを特徴とする。

請求項５に記載のレーザ光学系の光軸傾斜装置は、前記位置検出装置は、リニアセンサから構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、送りネジ部分の繰り返し駆動による累積誤差、送りネジ部分の繰り返し駆動による摩耗、経年変化よる送りネジ部分の変形等によって送り誤差が生じたとしても、レーザ光学系の光軸の水平又は垂直に対する傾斜角設定精度を確保することができる。

以下に、本発明に係わるレーザ光学系の光軸傾斜装置の発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１〜図３において、１はジンバルフレーム機構、２は鏡筒である。鏡筒２の下部にレーザ光源部３が設けられ、鏡筒２の上部には例えば回転筒部４が設けられている。その鏡筒２の内部にはレーザ光源部３と回転筒部４との間に対物レンズ５が設けられている。回転筒部４の内部にはペンタプリズム（図示を略す）が設けられている。レーザ光学系はそのレーザ光源部３と対物レンズ５とによって大略構成され、符号O１はそのレーザ光学系の光軸である。この光軸O１をZ軸とする。

対物レンズ５はレーザ光源部３から出射された光束を平行光束に変換するか、有限距離に収束させる役割を果たす。回転筒部４は図示を略す回転駆動機構によって、鏡筒２に対して回転駆動される。レーザ光源部３から出射された光束はペンタプリズムによって偏向され、回転されつつ回転筒部４の窓部（図示を略す）から外部に向けて出射される。

ジンバルフレーム機構１は、図２に示すように、矩形状のジンバルフレーム７と矩形状のジンバルフレーム８とを有する。ジンバルフレーム８は図示を略す筐体に固定されている。

ジンバルフレーム８は、X軸方向に延びる一対の回動軸９、９を有する。ジンバルフレーム７はこの一対の回動軸９、９に支持され、YZ平面内で回動される。ジンバルフレーム７は、Y軸方向に延びる一対の回動軸１０、１０を有する。鏡筒２は一対の回動軸１０、１０に支持され、XZ平面内で回動される。

鏡筒２には、その下部に、送り機構フレーム１１が固定されている。この送り機構フレーム１１は図４に示すようにX軸方向に延びるX軸アーム部１１XとY軸方向に延びるY軸アーム部１１Yとを有する。

X軸アーム部１１Xには、後述する機能を有するチルトフレーム１２を鏡筒２に対して相対的にXZ平面内で傾動するXZ傾動機構１３XZが設けられている。Y軸アーム部１１Yには、チルトフレーム１２を鏡筒２に対して相対的にYZ平面内で傾動するYZ傾動機構１３YZが設けられている。

XZ傾動機構１３XZは、送りモータ１３Xと送りネジ１４Xと送りコマ部材１５Xと位置検出素子としてのCCD１６Xと支持フレーム１７Xとを有する。支持フレーム１７Xは上下方向に延びる縦壁部１７XPと縦壁部１７XPから横方向に延びる横壁部１７XQとを有する。

送りネジ１４Xは横壁部１７XQとX軸アーム部１１Xとに回転可能に軸支されている。CCD１６Xは縦壁部１７XPに固定されている。送りコマ部材１５Xは送りネジ１４Xに螺合されている。CCD１６Xはそのコマ部材１５Xに臨まされている。

X軸送りモータ１３XはX軸アーム部１１Xに固定され、X軸送りモータ１３Xの出力軸１３XOには出力ギヤ１３XGが設けられている。送りネジ１４Xの下端には回転伝達ギヤ１４XGが設けられている。回転伝達ギヤ１４XGは出力ギヤ１３XGに噛み合わされている。

その送りネジ１４XはX軸送りモータ１３Xによって回転駆動され、送りコマ部材１５Xはその送りネジ１４Xの回転によって上下方向に駆動される。

送りコマ部材１５XにはLED１８Xとアブソリュートパターン板１９Xとが設けられている。LED１８Xはアブソリュートパターン板１９Xを照明し、CCD１６Xの受像面には照明光によりアブソリュートパターン像が投影される。送りコマ部材１５Xの上下方向位置は、そのCCD１６Xの受像面に投影されたアブソリュートパターン像により決定される。

YZ傾動機構１３YZは、送りモータ１３Yと送りネジ１４Yと送りコマ部材１５Yと検出素子としてのCCD１６Yと支持フレーム１７Yとを有する。支持フレーム１７Yは上下方向に延びる縦壁部１７YPと縦壁部１７YPから横方向に延びる横壁部１７YQとを有する。

送りネジ１４Yは横壁部１７YQとX軸アーム部１１Yとに回転可能に軸支されている。CCD１６Yは縦壁部１７YPに固定されている。送りコマ部材１５Yは送りネジ１４Yに螺合されている。CCD１６Yはその送りコマ部材１５Yに臨まされている。

送りモータ１３YはY軸アーム部１１Yに固定され、送りモータ１３Yの出力軸１３YOには出力ギヤ１３YGが設けられている。送りネジ１４Yの下端には回転伝達ギヤ１４YGが設けられている。回転伝達ギヤ１４YGは出力ギヤ１３YGに噛み合わされている。

その送りネジ１４YはY軸送りモータ１３Yによって回転駆動され、送りコマ部材１５Yはその送りネジ１４Yの回転によって上下方向に駆動される。

送りコマ部材１５YにはLED１８Yとアブソリュートパターン板１９Yとが設けられている。LED１８Yはアブソリュートパターン板１９Yを照明し、CCD１６Yの受像面には照明光によりアブソリュートパターン像が投影される。コマ部材１５Yの上下方向位置は、そのCCD１６Yの受像面に投影されたアブソリュートパターン像により決定される。

チルトフレーム１２は互いに直交するX軸アーム部１２XとY軸アーム部１２Yとを有する。そのX軸アーム部１２XにはX軸チルトセンサ１２XSが設けられ、そのY軸アーム部１２YにはY軸チルトセンサ１２YSが設けられている。そのX軸アーム部１２XにはX方向に延びる係合棒１２XRが設けられ、そのY軸アーム部１２YにはY方向に延びる係合棒１２YRが設けられている。

送りコマ部材１５Xには一対の係合爪１５XN、１５XNが上下方向に間隔を開けて設けられ、送りコマ部材１５Yには一対の係合爪１５YN、１５YNが上下方向に間隔を開けて設けられている。一対の係合爪１５XN、１５XNには係合棒１２XRが係合され、一対の係合爪１５YN、１５YNには係合棒１２YRが係合されている。

鏡筒２にはX軸アーム部１２XとY軸アーム部との交差部１２Pに向かって延びるアーム部２Pが設けられ、このアーム部２Pには、上下方向に延びるピボット軸２０が形成されている。チルトフレーム１２にはその交差部１２Pに円錐形状のテーパ凹処１２P’が形成され、ピボット軸２０は、そのテーパ凹処１２P’に係合されている。

チルトフレーム１２は、このピボット軸２０、一対の係合爪１５XN、１５XN、１５YN、１５YNによって支承され、鏡筒２に対してピボット軸２０を支点にしてXZ平面内で傾動されると共に、YZ平面内で傾動されるものとされている。

X軸チルトセンサ１２XS、Y軸チルトセンサ１２YSは絶対水平基準が入力された水平基準位置（基準位置）を検出可能である。その検出出力は図４に示す演算部２５に入力される。

ジンバルフレーム７には、図１に示すように、X軸方向に間隔を開けて軸受け部材２１X、２１Xが設けられている。一対の軸受け部材２１X、２１XにはX軸方向に延びるX軸整準スクリュー部材２２Xが回転可能に支持されている。その一対の軸受け部材２１X、２１Xの一方にはX軸整準モータ２３Xが固定されている。そのX軸整準スクリュー部材２２XはX軸整準モータ２３Xによって回転駆動される。そのX軸整準スクリュー部材２２XにはX軸コマ部材２４Xが螺合されている。このX軸コマ部材２４Xは鏡筒２の周部に固定されている。

ジンバルフレーム８には、Y軸方向に間隔を開けて軸受け部材２１Y、２１Yが設けられている。一対の軸受け部材２１Y、２１YにはY軸方向に延びるY軸整準スクリュー部材２２Yが回転可能に支持されている。その一対の軸受け部材２１Y、２１Yの一方にはY軸整準モータ２３Yが固定されている。そのY軸整準スクリュー部材２２YはY軸整準モータ２３Yによって回転駆動される。そのY軸整準スクリュー部材２２YにはY軸コマ部材２４Yが螺合されている。このY軸コマ部材２４Yはジンバルフレーム７に固定されている。

X軸整準モータ２３Xを回転駆動すると、X軸整準スクリュー部材２２Xが回転駆動され、これによって、X軸コマ部材２４XがX軸方向に移送され、鏡筒２が回動軸１０、１０を支点にして傾動される。Y軸整準モータ２３Yを回転駆動すると、Y軸整準スクリュー部材２２Yが回転駆動され、これによって、Y軸コマ部材２４YがY軸方向に移送され、鏡筒２が回動軸９、９を支点にして傾動される。

鏡筒２は図示を略す装置を用いて光軸O１が鉛直方向を向くように設定され、チルトフレーム１２は、送りコマ部材１５X、１５Yを駆動することによって製造段階で各傾動機構１３XZ、１３YZにより水平に設定される。その製造段階での水平位置に対応するアブソリュートパターン像の検出位置が原点位置Oｘ、Oｙとされ、その原点位置Oｘ、Oｙに対応する原点信号が演算部２５を介して記憶部２６に記憶される。これによって、光軸O１とチルトフレーム１２に対する垂直関係が製造段階で設定される。

この垂直関係が設定された状態で、鏡筒２はジンバル機構を介して筐体にセットされる。

レーザ光学系の光軸O１を水平面に対して所望の角度に設定する場合には、例えば、以下の設定作業を行う。

例えば、チルトフレーム１２が所望の角度に設定されるように、図示を略す傾動角設定ボタンを操作し、送りモータ１３X、１３Yを駆動して送りコマ部材１４X、１４Yを移動させる。演算部２５はアブソリュートパターン像の位置と記憶部２６に記憶された原点位置とに基づき送りコマ部材１４X、１４Yの原点位置Oｘ、Oｙからのずれ量Δｘ、Δｙを検出する。

ピボット軸２０から係合棒の先端部までのX軸方向距離をLｘ、ピボット軸２０から係合棒の先端部までのY軸方向距離をLｙとすると、XZ面内でのチルトフレームの傾動角度θｘ、YZ面内でのチルトフレーム１２の傾動角度θｙは、演算部２５により下記の式を用いて算出される。
θｘ＝tan^-1（Δｘ／Lｘ）
θｙ＝tan^-1（Δｙ／Lｙ）
このチルトフレーム１２の傾動角度θｘ、θｙは、例えば、図示を略すモニタの画面に表示される。チルトフレーム１２の傾動角度θｘ、θｙが所望の角度に達するまで、傾動角設定ボタンを操作し、所望の角度に達した時点で、送りコマ部材１４X、１４Yの移動を停止させる。これによって、チルトフレーム１２は、図５に示すように、水平面に対して傾動角度θｘ、θｙに対応する傾斜角度に設定される。

チルトセンサ１２XS、１２YSは水平面に対するチルトフレーム１２の傾斜角度に比例したチルト信号を演算部２５に向けて出力する。演算部２５は、X軸チルトセンサ１２XS、Y軸チルトセンサ１２YSの出力が「０」となるように、X軸整準モータ２３X、Y軸整準モータ２３Yを駆動する。

これによって、チルトフレーム１２が水平になるように鏡筒２がXZ平面内で回動軸１０、１０を支点にして傾動されると共にYZ平面内で回動軸９、９を支点にして傾動される。

その結果、レーザ光学系の光軸O１は、XZ平面内でθｘ度、YZ平面内でθｙ度傾動されることになる。

すなわち、ジンバル機構１は、Z軸（光軸O１）に直交する平面内で互いに直交する一方をX軸としかつ他方をY軸としてX軸とZ軸とを含むXZ平面内とY軸とZ軸とを含むYZ平面内とで傾動可能のチルトフレーム１２を整準させる（水平に位置させる）整準機構として機能する。

この発明の実施の形態によれば、チルトフレーム１２を傾動させる送りコマ部材１４X、１４Yの実際の位置を検出するので、送りネジ部分の繰り返し駆動による累積誤差、送りネジ部分の繰り返し駆動による摩耗、経年変化よる送りネジ部分の変形等によってガタが送りネジ機構部に生じたとしても、レーザ光学系の光軸O１の水平又は垂直に対する傾斜角設定精度を確保することができる。

以上、発明の実施の形態では、位置検出素子としてCCD１６X、１６Yを用いてアブソリュートパターン像の位置を検出することにしたが、位置検出素子としてPSDを用いてアブソリュートパターン像の位置を検出する構成としても良い。更には、位置検出素子としてスライドボリューム等の抵抗素子（リニアセンサ）を用いて、送りコマ部材１５X、１５Yの位置を検出しても良い。

また、この発明の実施の形態では、送りコマ部材１５X、１５Yにアブソリュートパターン板１９X、１９Yを設け、縦壁部１７XP、１７YPに位置検出素子を設ける構成としたが、送りコマ部材１５X、１５Yに位置検出素子を設け、縦壁部１７XP、１７YPにLED１８X、１８Yとアブソリュートパターン板１９X、１９Yとを設ける構成としても良い。

更に、この発明の実施の形態では、チルトフレーム１２をピボット軸２０によって支承し、XZ平面内でピボット軸２０を支点にして傾動可能にすると共にYZ平面内でピボット軸２０を支点にして傾動可能な構成としたが、チルトフレーム１２をXZ平面内とYZ平面内とのいずれか一方の平面内で傾動可能な構成としても良い。

更に、この発明の実施の形態では、チルトフレーム１２をピボット軸２０を支点にして傾動させる構成としたが、チルトフレーム１２を図６、図７に示すようにジンバル機構２７に支持させる構造としても良い。

例えば、このジンバル機構２７はジンバルフレーム２７Xとジンバルフレーム２７Yとから構成される。ジンバルフレーム２７Xはアーム部２Pに立設された一対の支持壁２Q、２Qに設けられた一対の回動軸２８を介して鏡筒２に回動可能に支持される。

ジンバルフレーム２７Yは一対の回動軸２９を介して鏡筒２に回動可能に支持されると共に、チルトフレーム１２の交差部１２Pに固定されている。そのジンバル機構２７の傾動動作はジンバル機構１の傾動動作と大略同一なので詳細な説明は省略する。

本発明に係わるレーザ光学系の光軸傾斜装置のXZ平面内での傾動機構の概要を説明するための断面図である。 本発明に係わるレーザ光学系の光軸傾斜装置のYZ平面内での傾動機構の概要を説明するための断面図である。 図１、図２に示すジンバル機構の概要を説明するための平面図である。 図１、図２に示すチルトフレームと固定フレームと鏡筒との関係を示す平面図である。 本発明に係わるレーザ光学系の光軸傾斜装置のXZ平面内での傾動作用を説明するための断面図である。 本発明に係わるレーザ光学系の光軸傾斜装置の他の実施例を説明するための平面図であって、チルトフレームをジンバル機構によって支承した状態を示す図である。 図６に示すチルトフレームとアーム部との詳細構成を示す部分拡大図であって、X軸方向から目視した図である。

符号の説明

１…ジンバル機構（整準機構）
２…鏡筒
１２…チルトフレーム
１２XS、１２YS…チルトセンサ
１３XZ、１３YZ…傾動機構
１４X、１４Y…送りネジ
１５X、１５Y…送りコマ
１６X、１６Y…位置検出装置
O１…光軸

Claims (5)

1. レーザ光学系が内部に配置された鏡筒と、前記レーザ光学系の光軸をZ軸としてこのZ軸に直交する平面内で互いに直交する一方をX軸としかつ他方をY軸として前記X軸と前記Z軸とを含むXZ平面内と前記Y軸と前記Z軸とを含むYZ平面内との少なくとも一方の平面内で傾動可能に前記鏡筒に支承されしかも基準位置を検出するチルトセンサが設置されたチルトフレームと、前記鏡筒に固定して設けられかつ前記チルトフレームを水平面に対して傾動させる傾動機構が設置された固定フレームと、前記鏡筒を傾動可能に支承し前記チルトセンサが基準位置を検出するように前記鏡筒を傾動させて前記チルトフレームを整準させる整準機構とを備え、
   前記傾動機構は、駆動モータによって回転駆動される送りネジと、該送りネジによって往復動されかつ前記チルトフレームに係合して該チルトフレームを基準位置に対して傾動させる送りコマと、該送りコマの位置を検出する位置検出装置とを備え、
   該位置検出装置により検出された前記送りコマの位置に基づき前記チルトフレームの傾斜角度を算出することを特徴とするレーザ光学系の光軸傾斜装置。
2. 前記チルトフレームは、前記鏡筒にピボット軸を支点にして傾動可能に支承されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光学系の光軸傾斜装置。
3. 前記チルトフレームは、前記鏡筒にジンバル機構を介して傾動可能に支承されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光学系の光軸傾斜装置。
4. 前記位置検出装置は、照明光により照明されるアブソリュートパターンと照明光により照明されたアブソリュートパターンの投影像を受像する位置検出素子とからなり、前記アブソリュートパターンと前記位置検出素子とのいずれか一方は前記送りコマに設置され、いずれか他方は前記固定フレームに設置されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光学系の光軸傾斜装置。
5. 前記位置検出装置は、リニアセンサから構成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光学系の光軸傾斜装置。

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