JP2008170227A - レーザー墨出し器 - Google Patents

Abstract

【課題】衝撃力が加わったとき、揺動支持体が受けるダメージを小さくして揺動支持体の摩擦抵抗が大きくなるのを防止し、もって、照射対象面に投光されるライン光の位置精度を高めることができるレーザー墨出し器を得る。
【解決手段】レーザーライン光を出射する光源ユニット９、光源ユニットを保持した揺動体８、基台１に対して揺動体を揺動自在に支持する揺動支持体３を備え、揺動体８の揺動に伴って回転する回転体１１と、回転体を覆うキャップ１８と、キャップ内に充填され回転体１１が没している電気粘性流体１３と、揺動体の揺動を検出して電気粘性流体に電圧を印加する揺動検出手段１４，１９と、を備えている。揺動検出手段に代えて、または揺動検出手段とともに、衝撃力によって電圧を発生しこの電圧を電気粘性流体１３に印加する衝撃力検出手段１７を備えていてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザーライン光を出射する光源ユニットと、光源ユニットを保持した揺動体と、基台に対して揺動体を揺動自在に支持する揺動支持体を備えたレーザー墨出し器に関するもので、特に、揺動体の揺動を効果的に制動することができ、また、衝撃力が加わったときに揺動体を制動することによって破損を防止することができるレーザー墨出し器に関するものである。

建築現場などにおいて、壁、天井、床などの照射対象面に墨出し用のレーザーライン光を投光するレーザー墨出し器が使用されている。レーザー墨出し器のレーザー光源は一般的に半導体レーザーが用いられている。半導体レーザーから出射されるレーザー光は拡散光であるため、これをコリメートレンズによってほぼ平行光束とし、これを円柱状のロッドレンズなどに透過させることにより一方向にのみ拡散させ、この拡散光を壁、天井、床などの照射対象面に投光すれば、レーザー光による鉛直方向のライン、あるいは水平方向のラインを引くことができる。そこで、半導体レーザー、コリメートレンズ、ロッドレンズと、これらの光学部品を一体に保持するホルダなどによって光源ユニットを構成し、揺動支持体によって吊り下げられた揺動体に上記光源ユニットを組み付けることによってレーザー墨出し器を構成することができる。レーザー墨出し器が傾いて設置されても、揺動支持体によって吊り下げられている上記揺動体は常時定められた姿勢を保つことができ、揺動体に組みつけられた光源ユニットによって、鉛直方向又は水平方向のライン光が照射対象面に正しく投光される。設置基準点の真上の天井面、あるいは真下の床面に光スポットを投光することができる鉛直ポインターもレーザー墨出し器も一種である。また、上記のようなライン光を投光するレーザー墨出し器が鉛直ポインター機能を備えているものもある。

上記揺動支持体として、一般にジンバル機構が用いられている。ジンバル機構は、軸受としてボールベアリングのような精密部品を用い、対をなす上記軸受で軸を回転自在に支持し、この軸によって上記揺動体を揺動可能に吊り下げている。より具体的に説明すると、基体に固定された固定枠あるいは支柱の類に、共通の直線上に一対の軸受を介して一対の第１水平軸を支持し、この一対の水平軸で揺動枠を揺動自在に支持し、揺動枠には上記水平軸に直交する方向の軸受を介して第２水平軸を支持し、第２水平軸によって揺動体を揺動自在に支持している。

このように、レーザー墨出し器は、ジンバル機構などからなる揺動支持体によって揺動体を揺動自在に支持し、加えて、揺動支持体の摩擦抵抗をできるだけ小さくして、初動感度すなわちレーザー墨出し器本体の傾きに応じて揺動体が重力に応じて変化する感度を高めている。そのため、揺動体は僅かな風圧などの外力を受けても揺動する。しかし、ライン光の投光中に揺動体が揺動すると、ライン光の投光位置が定まらないので、レーザー墨出し器においては、ライン光の投光位置が早期に静止するように、揺動体を制動する装置が組み込まれている。従来のレーザー墨出し器における制動装置は、渦電流を発生させることによる電磁的な制動原理に基づくものである。以下に、レーザー墨出し器における制動装置の従来例について説明する。

特許文献１には、揺動支持体によって揺動自在に支持された揺動体に非磁性金属板を取り付け、この非磁性金属板の上方と下方に磁性体（永久磁石）を有する上板体と下板体を配置し、これら上板体と下板体の間の隙間に上記非磁性金属板を配置した墨出し用レーザー装置が記載されている。上記上板体と下板体の磁性体はＮ極とＳ極が対向していて、上板体と下板体の隙間に磁界が形成され、この磁界を上記非磁性金属板が横切って移動すると非磁性金属板に渦電流が発生し、この渦電流が非磁性金属板の動きに対する制動力となって、揺動体がみだりに揺動することを防止するようになっている。具体的な構成の違いはあるが、従来のレーザー墨出し器における揺動体の制動装置は、特許文献１記載の発明と同様に、電磁的な制動力を発生させるものである点で原理は同じである。

特開平１０−３２５７２３号公報

揺動体に電磁的な制動力を与えるようにした従来のレーザー墨出し器において、制動力を調整するために、永久磁石と非磁性金属板との間隔を調整する機構を組み込むことが考えられているが、かかる調整機構は構成が複雑であり、コスト高になる難点がある。また、揺動体の揺れが短時間で収束するようにすることが望ましく、そのためには、揺動体の揺動サイクル中最大速度で揺れているときに、より強い制動力が発生することが望ましい。その点、従来のように電磁的な制動力を与えるものにおいては、揺動体の揺動速度に対応した制動力が発生するので、理に適っているといえる。しかしながら、永久磁石と非磁性金属板とからなる電磁的な制動機構では、発生する制動力自体が十分とはいえない。

一方、レーザー墨出し器において、前述の初動感度を高めるためには、揺動支持体を構成するジンバル機構などの摩擦抵抗を極力小さくすればよい。しかし、ジンバル機構などの摩擦抵抗を極力小さくすると、外部から加わる衝撃力によってダメージを受けやすくなり、小さな衝撃力が加わっただけで摩擦抵抗が大きくなる難点がある。

また、揺動体を所定の姿勢で所定の位置に正確に静止させるためには、揺動体の重量を重くし、あるいは揺動体に錘を付けるとよい。しかし、揺動体の重量が重いと、衝撃力が加わったときに揺動体に大きな慣性力が発生し、ジンバル機構などの揺動支持体に大きなダメージを与え、揺動支持体の摩擦抵抗が大きくなる。その結果、揺動体の初動感度が悪化し、投光されるライン光の位置精度が劣化する。揺動体に大きな慣性力が発生しないように揺動体を軽くすると、レーザー墨出し器本体が傾いたまま設置されたときに、揺動体が重力に応じて変化しにくくなり、投光されるライン光の位置精度が出なくなる。レーザー墨出し器は、乱暴に扱われることが多く、建築資材がぶつかったり、取り扱い中に取り落としてしまったり、転倒させられてしまったり、というように、衝撃力が加わる機会が多い。したがって、外部から衝撃力が加わっても、揺動支持体が受けるダメージを小さくして、摩擦抵抗が大きくならないような工夫が望まれる。

本発明は、以上説明した従来のレーザー墨出し機の技術的課題を解決するために創作されたもので、仮に揺動体の慣性力が大きいとしても、外部から衝撃力が加わったとき、揺動支持体が受けるダメージを小さくして揺動支持体の摩擦抵抗が大きくなるのを防止し、もって、照射対象面に投光されるライン光の位置精度を高めることができるレーザー墨出し器を提供することを目的とする。

本発明は、レーザーライン光を出射する光源ユニット、光源ユニットを保持した揺動体、基台に対して揺動体を揺動自在に支持する揺動支持体を備えたレーザー墨出し器であって、揺動体の揺動に伴って回転する回転体と、回転体を覆うキャップと、キャップ内に充填され上記回転体が没している電気粘性流体と、揺動体の揺動を検出して電気粘性流体に電圧を印加する揺動検出手段と、を備えていることを最も主要な特徴とする。

上記揺動検出手段に代えて、または上記揺動検出手段とともに、外部から加わる衝撃力によって電圧を発生しこの電圧を電気粘性流体に印加する衝撃力検出手段を備えていてもよい。

揺動体の揺動を検出して電気粘性流体に電圧を印加する揺動検出手段を備えた本発明に係るレーザー墨出し器によれば、レーザー墨出し器本体に対して揺動体が揺動すると、これを揺動検出手段が検出し、電気粘性流体に電圧を印加する。電気粘性流体は、電圧の印加によって、粘度（レオロジー特性）が瞬間的に大きくなり、回転体の回転に対して大きな抵抗となって揺動体を揺動しにくくする。その結果、揺動体に制動力が働き、揺動体がみだりに揺動するのを防止して、揺動体を早期に所定の揺動位置に落ち着かせる。

揺動体の揺動周期中、揺動速度が最大となるときに揺動検出手段から最大の電圧が発生し、この電圧に応じて電気流体の粘性を最も大きくすることができるため、揺動体の揺動を効果的に制動することができる。
また、衝撃力が加わって揺動体がレーザー墨出し器本体に対して急激に揺動しようとすると、上記のように揺動検出手段から電気粘性流体に電圧が印加されて電気粘性流体の粘度が瞬間的に大きくなる。その結果、揺動体が慣性力によって移動しようとする力が回転体から電気粘性流体内に分散して伝達され、電気粘性流体が緩衝材として機能し、揺動支持体が受けるダメージが軽減される。

外部から加わる衝撃力によって電圧を発生しこの電圧を電気粘性流体に印加する衝撃力検出手段を備えた本発明に係るレーザー墨出し器によれば、レーザー墨出し器を落下させる、あるいは転倒させるなどによって衝撃力が加わると、これを衝撃力検出手段が検出して電圧を発生させ、電気粘性流体に印加する。電圧の印加によって電気粘性流体の粘度が瞬間的に大きくなるので、揺動体が慣性力によって移動しようとする力が回転体から電気粘性流体内に分散して伝達され、電気粘性流体が緩衝材として機能し、揺動支持体が受けるダメージが軽減される。

以下、本発明にかかるレーザー墨出し器の実施例について図面を参照しながら説明する。
図１、図２は、本発明に係るレーザー墨出し器の実施例をモデル的に表わしている。図１、図２において、符号１はレーザー墨出し器の基台（ベース）を示している。基台１は、下部に図示されない三脚を有し、あるいは三脚を装着することができ、三脚によって水平方向の姿勢で床などに設置することができる。基台１の上には適宜数の支柱２が立てられ、支柱２も基台１の一部を構成している。

各支柱２の上端部には揺動支持体３が取り付けられている。揺動支持体３はボールベアリングからなる。ボールベアリングは、外輪４と、内輪５と、外輪４と外輪５の間に介在する複数個の鋼球などからなる球体６を有してなり、球体６が転がることによって外輪４と外輪５が低摩擦抵抗のもとに円滑に相対回転することができるようになっている。上記外輪４が支柱２に固定されている。図示の例では、２個の揺動支持体３が対となっていて、各揺動支持体３が２本の支柱２によって支持されている。

対をなす揺動支持体３はそれらの中心軸線が一致するように相対向して配置されていて、各揺動支持体２の上記内輪５を貫通して軸７が圧入され、軸７は各内輪５と一体となって回転自在に支持されている。軸７は揺動体８を貫きかつ揺動体８と一体に結合されている。揺動体８は２対の支柱２の間で、水平方向の軸７を中心に、振子のように揺動自在に支持されている。

対をなす揺動支持体３よりも上方に突出した揺動体８の上端部には、光源ユニット９が取り付けられている。光源ユニット９は、光源としての半導体レーザー（レーザーダイオード）と、半導体レーザーから放射される拡散レーザー光を平行光束にするコリメートレンズと、平行光束を一方向にのみ拡散させる、例えば円柱状のロッドレンズと、これらの光学部品を一体に保持するホルダを有してなる。上記光源ユニット９は鉛直方向のライン光を投光するための光源ユニットで、上記ロッドレンズが水平方向に向くことによって、レーザー光束を鉛直方向に拡散するようになっている。光源ユニット９を構成する上記ホルダは斜め上方に向くように傾けて揺動体８の上端部に取り付けられている。

揺動体８には、鉛直方向のライン光を投光するための光源ユニット９に代えて、あるいは光源ユニット９とともに、水平方向のライン光を投光するための光源ユニットを取り付けることもできる。水平方向のライン光を投光するための光源ユニットも、上記光源ユニット９と同様に、半導体レーザー、コリメートレンズ、ロッドレンズ、ホルダを有してなり、ロッドレンズが垂直方向に向くことによって、レーザー光束が水平方向にのみ拡散される点が異なっている。

図示の例では、揺動支持体３が揺動体８を一方向にのみ揺動可能に支持する構成になっているが、揺動体８を、互いに直交する水平方向の２軸を中心として揺動可能に支持するジンバル機構で構成するとよい。ジンバル機構を用いる場合は、基台又は基台の一部をなす支柱２によって水平方向の第１軸で中間揺動体を揺動自在に支持し、中間揺動体には第１軸に直交する水平方向の第２軸を介して揺動体を振子状に揺動可能に支持する。ジンバル機構を用いれば、基台１のあらゆる方向への傾きに対しても揺動体の姿勢を所定の姿勢に修正することができる利点がある。ジンバル機構は、ジャイロ機構と称されることもある。

一対の揺動支持体３から外側に突出した軸７の両端には円板形の回転体１１が一体に固着されている。一対の揺動支持体３から外側に突出した軸７の両端部は、上記回転体１１とともに有底円筒形のキャップ１８によって覆われている。キャップ１８は、揺動支持体３を構成するボールベアリングの外側面を覆うとともに、内部空間を気密に保っていて、この気密の内部空間には電気粘性流体１３が充填されている。電気粘性流体１３は、ＥＲ（エレクトロレオロジー）流体とも呼ばれていて、電圧をかけると粘度（レオロジー特性）が大きく瞬間的に変わり、その変化が可逆的な流体である。回転体１１は電気粘性流体１３内に没している。電気粘性流体１３には、揺動体８の揺動を検出する揺動検出手段から、または、外部から加わる衝撃力によって電圧を発生する衝撃力検出手段から、電圧が印加されるようになっている。上記回転体１１は、電気粘性流体１３に電圧を印加するための一方の電極を兼ねている。電気粘性流体１３に電圧を印加するための他方の電極１２は、キャップ１８の内面側に、回転体１１に対向させて配置されている。キャップ１８は絶縁体で形成されている。以下、揺動検出手段と衝撃力検出手段について具体的に説明する。

図１では、右側の電気粘性流体１３に揺動検出手段から電圧が印加され、左側の電気粘性流体１３に衝撃力検出手段から電圧が印加されるように構成されている。左右両側の電気粘性流体１３に揺動検出手段から電圧を印加するようにしてもよいし、左右両側の電気粘性流体１３に衝撃力検出手段から電圧を印加するようにしてもよい。揺動検出手段は、揺動体８の下端に取り付けられた永久磁石１９と、この永久磁石１９の揺動軌跡に対向させてベース１に配置された検出コイル１４を備えてなる。検出コイル１４はまた、揺動体８の揺動に伴う永久磁石１９の揺動サイクル中、揺動速度が最大となる揺動中心位置に対向させて配置されている。永久磁石１９はＮ極とＳ極を上下方向に向けて配置され、永久磁石１９で形成される磁界が検出コイル１４を横切るように配置されている。検出コイル１４を磁界が効率的に横切るように、検出コイル１４の下方にヨークを配置するとよい。

揺動体８とともに永久磁石１９が揺動すると、永久磁石１９で形成される磁界が移動して検出コイル１４を横切り、検出コイル１４が起電力を発生する。この起電力を電気粘性流体１３に印加してもよいが、電気粘性流体１３で得られる電圧は電気粘性流体１３の粘度を高めるには低すぎ、また、揺動体８の揺動に伴った交番的な電圧であるため、検出コイル１４の検出出力を増幅器１５に入力して増幅し、さらに、増幅器１５の出力を検波器１６（例えば、ダイオード）で検波し、電気粘性流体１３に印加するようになっている。電気粘性流体１３への電圧の印加は、電極を兼ねる回転体１１と、電極１２との間に電圧を印加することによって行われる。電気粘性流体１３への電圧の印加によって電気粘性流体１３は瞬間的に粘度が高まり、回転体１１の回転に対して大きな抵抗となる。その結果、揺動体８の揺動に対して制動力が働くことになり、揺動体８の揺動が早期に収束して、揺動体８が直ちに所定の位置に落ち着き、所定の姿勢になる。また、外部から加わる衝撃力で揺動体８が揺動しようとするときも、上記のように電気粘性流体１３の粘度が瞬間的に高まり、回転体１１を動きにくくするため、揺動体８の慣性力を粘性流動体１３が分散しながら受け止め、ボールベアリングなどからなる揺動支持体３が受けるダメージを軽減することができる。

次に、衝撃力検出手段について説明する。図１に示す例では、ベース１の左端部に配置されている圧電素子１７が衝撃力検出手段を構成している。圧電素子１７の出力端子は、図１において左側の回転体１１と電極１２に接続されている。圧電素子１７は、例えばピエゾ素子からなり、衝撃力を受けることによって高電圧を発生する。この高電圧を、電極を兼ねる回転体１１と電極１２から電気粘性流体１３に印加するように構成されている。

レーザー墨出し器を取り落とし、あるいは転倒させるなどしてレーザー墨出し器に衝撃力が加わると、衝撃力検出手段としての圧電素子１７にも衝撃力が加わり、圧電素子１７は瞬間的に高電圧を発生する。この高電圧によって電気粘性流体１３の粘度が瞬間的に高くなり、前述のとおり、電気粘性流体１３は、回転体１１を動きにくくし、揺動体８の慣性力を分散しながら受け止め、ボールベアリングなどからなる揺動支持体３が受けるダメージを軽減する。

なお、図示の実施例は、揺動支持体３は、揺動体を１軸方向にのみ揺動自在に支持する比較的簡単な構成になっているが、前にも述べたとおり、いわゆるジンバル機構などからなる直交する２軸を中心に揺動体が揺動可能に支持されたレーザー墨出し器にも、本発明の技術思想を適用することができる。その場合、上記２軸のうち少なくとも１軸に本発明の技術思想を適用しても所期の効果を得ることができ、２軸に本発明の技術思想を適用すればより一層効果的である。
回転体１１は、複数枚を一定間隔おいて平行に配置してもよい。こうすることによって、電気粘性流体１３による制動力をより効果的に得ることができる。

本発明に係るレーザー墨出し器の実施例の一部を切り欠いてモデル的に示す正面図である。 上記実施例モデル的に示す側面図である。

符号の説明

１ 基台
２ 支柱
３ 揺動支持体
４ 外輪
５ 内輪
６ 球体
７ 軸
８ 揺動体
９ 光源ユニット
１１ 回転体
１２ 電極
１３ 電気粘性流体
１４ コイル
１５ 増幅器
１６ 検波器
１７ 圧電素子
１８ キャップ

Claims (10)

1. レーザーライン光を出射する光源ユニット、光源ユニットを保持した揺動体、基台に対して揺動体を揺動自在に支持する揺動支持体を備えたレーザー墨出し器であって、
   揺動体の揺動に伴って回転する回転体と、
   上記回転体を覆うキャップと、
   上記キャップ内に充填され上記回転体が没している電気粘性流体と、
   上記揺動体の揺動を検出して上記電気粘性流体に電圧を印加する揺動検出手段と、を備えてなるレーザー墨出し器。
2. 揺動検出手段は、揺動体に取り付けられた永久磁石と、この永久磁石の揺動軌跡に対向して配置されたコイルからなり、揺動体とともに永久磁石が揺動することによりコイルに発生する起電力が電気粘性流体に印加される請求項１記載のレーザー墨出し器。
3. コイルに発生する起電力を増幅する増幅器と、この増幅器の出力を検波して電気粘性流体に印加する検波器を備えている請求項２記載のレーザー墨出し器。
4. レーザーライン光を出射する光源ユニット、光源ユニットを保持した揺動体、基台に対して揺動体を揺動自在に支持する揺動支持体を備えたレーザー墨出し器であって、
   揺動体の揺動に伴って回転する回転体と、
   上記回転体を覆うキャップと、
   上記キャップ内に充填され上記回転体が没している電気粘性流体と、
   外部から加わる衝撃力によって電圧を発生しこの電圧を上記電気粘性流体に印加する衝撃力検出手段と、を備えてなるレーザー墨出し器。
5. 揺動支持体は、内輪と、外輪と、これら内輪と外輪の間に介在する複数の球体を備えたボールベアリングからなり、
   基台と揺動体の間にボールベアリングが介在している請求項１又は４記載のレーザー墨出し器。
6. ボールベアリングからなる揺動支持体は、一方向の軸を中心として揺動体を揺動可能に支持する請求項５記載のレーザー墨出し器。
7. ボールベアリングからなる揺動支持体は、一方向の軸とこれに直交する方向の軸を中心として揺動体を揺動可能に支持するジンバル機構からなる請求項５記載のレーザー墨出し器。
8. 回転体は、電気粘性流体に電圧を印加するための一方の電極を兼ねている請求項１又は４記載のレーザー墨出し器。
9. キャップは絶縁体で構成され、キャップの内面側に電気粘性流体に電圧を印加するための他方の電極が配置されている請求項８記載のレーザー墨出し器。
10. 衝撃力検出手段は圧電素子からなる請求項４記載のレーザー墨出し器。

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