JP2008309660A - 傾斜検出器およびレーザー墨出し器 - Google Patents

Abstract

【課題】温度変化による検出誤差を無くして高い精度で検出することができ、温度補正手段を必要とせず、分解能を高めることができる傾斜検出器、およびこれを用いたレーザー墨出し器を得る。
【解決手段】光源１と、光源から放射される光束を透過させる液体封入体３，４と、光源からの光束が液体封入体を通して照射される光検出器５と、を備え、光検出器５は、液体封入体３，４に封入されている液体の液面３２，４２に対する傾斜検出器５の傾きに対応する光束の照射位置に応じて信号を出力する。光源１と液体封入体３の間に、光源からの光束を平行光束として光検出器５に照射するコリメートレンズ５を配置する。液体封入体は、複数個重ねて用いることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザー墨出し器、測量機、測定器、その他、高精度の傾き角度検出が要求される装置や機器に用いる傾斜検出器およびこれを用いたレーザー墨出し器に関するものである。

レーザー墨出し器、測量機、測定器、その他、高精度の傾き角度検出が要求される装置や機器においては、傾き角度を検出しながら、手動操作により、あるいは自動的な制御により傾きがゼロとなるように調整するようにしたものがある。精度のよい傾き調整ないしは傾き制御を行うには、機器の傾きを精度良く検出する必要がある。従来、傾き角度の検出器として、気泡を利用したもの、電解液の電気抵抗を利用したものがある。

図２は、気泡を利用した従来の傾斜検出器の例を示すもので、気泡管１２を挟んで一方側に配置した光源１１から光ビームを照射し、気泡管１２を挟んで他方側に配置した光センサ１５で光ビームの投射位置を検出することにより傾斜を検出するものである。光センサ１５は受光面が十字状の線によって４分割された光電変換素子からなる。例えば、特許文献１に記載されている傾斜角検出装置はこの種のもので、検出装置が傾くと気泡管１２の気泡１３が基準位置からずれ、気泡１３および気泡管１２内の液体による屈折作用により、光センサ１５の受光面における光ビームの照射位置がずれ、４つの光電変換素子の出力バランスが崩れることによって傾斜を検出するようになっている。

傾きのない状態では気泡管１２の気泡１３が中央の基準位置にあって、光センサ１５の分割された各受光面の受光量に差がなく、傾きがあると気泡１３の位置がずれて各受光面の受光量に差が生じる。そこで、各受光面の検出出力の差をとることにより、傾きの向きと傾き角度を検出することができる。より具体的に説明すると、光センサ１５の４つの受光面を順にａ，ｂ，ｃ，ｄとすると、ａとｂの和と、ｃとｄの和の差、すなわち（ａ＋ｂ）−（ｃ＋ｄ）と、ｂとｃの和と、ｄとａの和の差、すなわち（ｂ＋ｃ）−（ｄ＋ａ）を求めることにより、傾きの向きと傾き角度を検出することができる。

気泡を利用した傾斜検出器の従来例としては特許文献２記載の傾斜角検出器も知られている。この傾斜角検出器は、光源からの光ビームを平行光束とし、この平行光束を気泡管に透過させ、この透過光を、レンズを通して光センサに導くようになっている。光センサは受光面が２分割または４分割されたセンサで、傾斜角検出原理は特許文献１記載の発明と同じである。

電解液の電気抵抗を利用した傾斜検出器は、電解液を収容する容器の水平方向中心にコモン電極を、コモン電極の両側に所定距離をおいて外側電極を配置したものである。傾斜することによって、外側電極の一方と他方とで電解液の接触面積に差が生じ、コモン電極に対する外側電極の一方と他方との間に電気抵抗の差が生じるので、この電気抵抗の差を検出することにより傾斜を検出する（例えば、特許文献３、特許文献４、特許文献５参照）。電解液の電気抵抗を利用した傾斜検出器も、電解液容器内に気泡が生じるように電解液を密封するもので、一種の気泡管を使用するものであるが、検出の原理が異なっている。

特開昭６０−１２３７１９号公報 特開平９−３０４０６０号公報 特開平９−２５０９２３号公報 特開平１０−３１８７４７号公報 特開平８−２１９７８０号公報

気泡管を利用したものにせよ、電解液の電気抵抗を利用したものにせよ、従来の傾斜検出器には、温度変化によって検出精度が低下する難点がある。気泡管を利用した傾斜検出器によれば、温度変化によって気泡が膨張、縮小し、センサによる検出特性が変化して検出精度が低下する。電解液の電気抵抗を利用した傾斜検出器によれば、電解液の抵抗が温度変化により変化するので、温度変化によって検出結果に誤差を生じる。このように、いずれの方式にせよ、従来の傾斜検出器は温度変化によって検出結果に誤差を生じるので、温度補正を行う必要があるという難点があるとともに、検出精度を高めることも難しい。

本発明は、以上説明したような従来技術の問題点を解消し、温度変化による検出誤差を無くすことにより、高い精度で検出することができ、また、温度補正手段を必要としない傾斜検出器、およびこれを用いたレーザー墨出し器を提供することを目的とする。
本発明はさらに、必要に応じて分解能を高めることができる傾斜検出器、およびこれを用いたレーザー墨出し器を提供することを目的とする。

本発明に係る傾斜検出器は、光源と、光源から放射される光束を透過させる液体封入体と、光源からの光束が液体封入体を通して照射される光検出器と、を備え、光検出器は、上記液体封入体に封入されている液体の液面に対する傾斜検出器の傾きに対応する光束の照射位置に応じて信号を出力することを最も主要な特徴とする。
光源と液体封入体の間に、光源からの光束を平行光束として光検出器に照射するコリメートレンズが配置すればなおよい。
光検出器は、受光面を複数に分割し、各受光面に対応した出力端子から検出信号を出力するようにするとよい。
液体封入体は、複数個重ねて用いてもよい。
本発明に係るレーザー墨出し器は、上記傾斜検出器を備えていることを特徴とする。

傾斜検出器に傾きがないときは、光源からの光束が光検出器の基準位置に照射され、光検出器の出力から傾きがないことがわかる。傾斜検出器が傾くと、光源と光検出器との相対関係は変化がないのに対し、液体封入体に封入されている液体の液面は常に水平面を保つため、光源からの光束が液面に対し斜めに入射して屈折し、光検出器への照射位置が基準位置からずれ、光検出器の出力信号が傾斜に応じて変化する。光検出器の出力信号の変化は光束の照射位置の変化に対応しているので、光検出器の出力信号の変化から傾斜検出器の傾き方向および傾き度合を検出することができる。
傾斜検出器の傾きと液体封入体における液面との関係は、温度変動によってほとんど影響を受けることはないから、温度変化による傾き検出誤差もほとんどなく、温度補正手段を設ける必要がない。その分構成が簡単になり、検出精度を低下させる要因も少なくなる。
また、液体封入体は複数個を光束の透過方向に重ねて使用することも可能であるため、傾斜角検出の分解能を高めることもできる。

以下、本発明に係る傾斜検出器の実施例について図面を参照しながら説明し、併せて本発明に係る傾斜選出器を備えたレーザー墨出し器の実施例について説明する。
図１は本発明に係る傾斜検出器の実施例を示すものであるが、内部の構成部材のみを示しており、内部構成部材を一体的に保持するケーシングの描写は省略されている。図１において、符号１は例えば半導体レーザーからなる光源を示しており、光源１は下に向かって光束を出射するように配置されている。光源１から出射される光束は発散光束であり、この発散光束は光源１の下方に配置されたコリメートレンズ２によって平行光束に変換されるようになっている。光源１、コリメートレンズ２は上記ケーシングに固定されている。

コリメートレンズ２の下方には２段に重ねられた液体封入体３，４が上記ケーシングに固定されて配置されている。各液体封入体３，４は、直方体の形をした筐体と、筐体に封入された液体３１，４１とを有してなる。各筐体の少なくとも天井板と底板は光透過面となっていて、例えば、ガラス、透明プラスチックなどの、光を透過させかつ光を乱反射させにくい素材からなる。また、上記天井板と底板は互いに平行になるように形成されている。液体封入体３，４に封入される液体３１，４１も光を透過させる液体からなる。上記液体３１，４１はなるべく屈折率の高い物質が望ましい。液体３１と液体４１は同一の物質であってもよいが、屈折率の異なる別々の物質であってもよい。各液体封入体３，４では、封入されている液体３１，４１の上面すなわち液面３２，４２と天井板との間に空間があり、傾き角度がある程度以上の大きな角度にならない限り、液体３１，４１の液面３２，４２が天井板に接することはない。
図１に示す実施例では二つの液体封入体３，４が重ねて配置されているが、液体封入体は１個のみを用いてもよいし、傾斜検出の分解能を高めるために３個以上の液体封入体を重ねて用いてもよい。

液体封入体４の下方、例えば前記ケーシングの内底面には光検出器５が配置されている。光検出器５は四角形の平板状に形成されていて、受光面が複数に等分されている。図示の例では互いに直交する十字状の線に沿って４分割されている。

光源１から出射される光束の中心とコリメートレンズ２の光軸とが一致すると共に、レンズ２の光軸は各液体封入体３，４の天井板と底板の面に直交し、光検出器５の受光面を４分割する十字線の交点と一致するように調整されている。
そして、上記ケーシングに傾きがない状態では、各液体封入体３，４の液体３１，４１の上面すなわち液面３２，４２が上記レンズ光軸に対して直交している。したがって、液体封入体３，４の液体３１，４１を透過して光検出器５の受光面に照射される光束は、４分割された各受光面に均等になる。

説明の都合上、光検出器５の４つの受光面には、図１に示すように、左上、右上、右下、左下の順に、符号ａ，ｂ，ｃ，ｄを付しておく。上記のようなケーシングに傾きがない状態では、光検出器５の受光面に照射される光ビームの照射パターンは、上記十字状の線の交点を中心とした円形になり、各受光面ａ，ｂ，ｃ，ｄの受光面積は等しく、各受光面ａ，ｂ，ｃ，ｄの出力信号は等しい。そこで、図１において、左右方向の傾きを表わす左側の受光面の出力と右側の受光面の出力の差をとると、
（ａ＋ｄ）−（ｂ＋ｃ）＝０
となる。また、図１において、ケーシングの前後方向の傾きを表わす上側の受光面の出力と下側の受光面の出力の差をとると、
（ａ＋ｂ）−（ｃ＋ｄ）＝０
となる。このように、受光面の左右の出力差と前後の出力差がゼロになるように、ケーシングの左右方向の傾きと前後方向の傾きを調整ないしは制御すれば、ケーシングが傾きなく設置されたことになる。

次に、ケーシングが傾向くと、光源１と、コリメートレンズ２と、液体封入体３，４と、光検出器５の相対位置関係は変わらないが、液体封入体３，４に封入されている液体の液面３２，４２は常に水平を保つため、上記各構成部材に対して液面３２，４２が相対的に変動することになる。液面３２，４２の相対的な変動により、コリメートレンズ２から出射した平行光束が液面３２，４２に対して斜めに入射することになり、液体３１，４１を透過するたびに光束の進行方向が曲げられる。その結果、図１に示すように、光検出器５の受光面に照射される光束の照射パターンが当初の基準位置から片方に偏る。傾きの方向および傾き量は、
（ａ＋ｄ）−（ｂ＋ｃ）
および
（ａ＋ｂ）−（ｃ＋ｄ）
を演算することによって求めることができる。これらの各式の演算結果がゼロになるようにケーシングの傾きを修正ないしは制御する。

以上説明した傾斜検出器の実施例によれば、従来の傾斜検出器のように、気泡管、あるいは電解液を封入した容器などを使用する必要がなく、光源と光検出器との間に、液体封入体を配置するだけの構成で足りるので、構成およびメンテナンスが容易な傾斜検出器を得ることができる。
また、液体や気泡を利用するものではないことから、温度変化の影響がほとんどなく、温度補正を不要としながら高精度の傾斜検出が可能である。
加えて、液体封入体は、これを複数重ねて使用することも可能であるから、傾斜検出の分解能を高めることも容易である。

図１に示す実施例では、上から順に、光源１、コリメートレンズ２、液体封入体３，４、光検出器５が配置されているが、これらは上下反転させてもよく、この点も本願発明独特の効果である。
複数の液体封入体を使用する場合、液体封入体相互を密着させて配置してもよいが、相互間に空間をおいて配置してもよい。

以上説明した傾斜検出器は、これをレーザー光源から出射されるレーザー光束を一方向にのみ放射して鉛直方向のライン光または水平方向のライン光を照射するレーザー墨出し器に設置するとよい。レーザー墨出し器本体に本発明にかかる傾斜検出器を設置し、レーザー墨出し器本体の傾きがゼロになるように調整する。あるいは、レーザー墨出し器本体に対して姿勢制御可能に設けられた光源ユニットホルダの傾きを本発明に係る傾斜検出器で検出し、光源ユニットホルダをその傾きがゼロになるように制御する。こうすることにより、上に述べたような本発明に係る傾斜検出器によって得られる効果と同様の効果を得ることができるレーザー墨出し器を得ることができる。

一般的なレーザー墨出し器は、本体が傾いて設置されても、ジンバル機構で吊り下げられたレーザーユニットホルダーが常に鉛直方向の姿勢を保つようにして、鉛直方向あるいは水平方向のライン光が投射されるように構成されている。しかし、本体の傾き角度がある程度以上になると、レーザーユニットホルダーを所定の位置ないしは姿勢に保つことができなくなり、投射されるライン光の精度が低下する。そこで、レーザー墨出し器に、上に述べたような本発明に係る傾斜検出器を設置し、レーザー墨出し器の設置角度がある程度以上になった場合は傾斜検出器の検出信号に基づいて警報を発し、レーザー墨出し器を設置しなおすことをうながすようにするとよい。

本発明に係る傾斜検出器の実施例を示す光学配置図である。 従来の傾斜検出器の例を示す光学配置図である。

符号の説明

１ 光源
２ コリメートレンズ
３ 液体封入体
４ 液体封入体
５ 光検出器
３１ 液体
３２ 液面
４１ 液体
４２ 液面

Claims (8)

1. 光源と、
   上記光源から放射される光束を透過させる液体封入体と、
   上記光源からの光束が上記液体封入体を通して照射される光検出器と、を備え、
   上記光検出器は、上記液体封入体に封入されている液体の液面に対する傾斜検出器の傾きに対応する光束の照射位置に応じて信号を出力することを特徴とする傾斜検出器。
2. 光源と液体封入体の間に、光源からの光束を平行光束として光検出器に照射するコリメートレンズが配置されている請求項１記載の傾斜検出器。
3. 光検出器は、受光面が複数に分割され、各受光面に対応した出力端子から検出信号を出力する請求項１記載の傾斜検出器。
4. 光検出器の各受光面に対応した出力端子から出力される検出信号の差によって傾きを検出する請求項３記載の傾斜検出器。
5. 液体封入体は、天井板と底板が互いに平行な光透過面となっていて、封入されている液体の液面と天井板との間に空間がある請求項１記載の傾斜検出器。
6. 液体封入体は、複数個重ねられている請求項１記載の傾斜検出器。
7. 光源と、液体封入体と、コリメートレンズと、光検出器がケーシングに一体に取り付けられている請求項２記載の傾斜検出器。
8. レーザー光源から出射されるレーザー光束を一方向にのみ放射して鉛直方向のライン光または水平方向のライン光を照射するレーザー墨出し器であって、レーザー墨出し器本体に請求項１ないし７のいずれかに記載の傾斜検出器が取り付けられているレーザー墨出し器。

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