JP2009058525A - レーザ位置決め装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】レーザ位置決め装置を提供すること。
【解決手段】、ハウジングと、該ハウジングに対して移動することができるように前記ハウジングに取り付けられた振り子と、前記振り子に取り付けられたレーザと、支持面に位置決めされるようになった固定部を有する基部とを有し、前記支持面は半球受面と該半球受面に当接する可動部半球面とを有し、前記ハウジングは、前記ハウジングを前記固定部に対して回転させ、前記固定部に対して傾けることができるように、前記固定部に取り付けられ、前記レーザのおおよその方向を確認するための光源を有するレーザ位置決め装置。
【選択図】図1

Description

本発明は、レーザビームを用いて垂直方向および水平方向の少なくとも一方の方向を測定する機構に関する。
重力に対する水平面を測定する分野に、従来技術が存在する。標準トランシット、経緯儀および建設業者の水平器は、三脚取付け式光学装置である。正確であるためには、このような装置は、三脚に対するユニットの極めて正確なレベリング(水平出し)を必要とする。器具マウントに使用される気泡水平器および電子センサは、精巧で、高価で、かつユニットを新しい位置に移動させる度毎に非常に手間がかかるものである。
従って、レーザビームを、水平方向および垂直方向の少なくとも一方の方向に向けるレーザスキャナであって、従来技術の欠点を解消できるレーザスキャナを提供する。レーザスキャナは、ビームの方向を、水平面内で全360°に亘って回転させることができる。
水平レーザビームは、測量または整合(心合わせ)に使用できる。
本発明の一実施形態のレーザスキャナは、所望の高さを確認できる振り子吊下げレーザを有している。
本発明の他の形態では、レーザスキャナが遠隔制御される。
本発明の更に別の態様では、レーザスキャナに、レーザが取り付けられた振り子の運動を減衰させる機構が設けられている。
本発明の更に別の態様では、ダンパが渦電流を利用して減衰作用を生じさせている。
本発明の更に別の態様では、振り子の運動を減衰させるため、レーザスキャナが流体を利用したダンパを有している。
本発明の更に別の態様では、レーザスキャナが垂直ビームおよび水平ビームを投影でき、レーザスキャナを垂直方向に整合させかつ同時に高さを測定することができる。
本発明の他の目的は、低コストの振り子型遠隔制御レーザ位置決め装置を提供することにある。
本発明の更に別の目的は、高さの測定のための自動レベリング振り子型レーザ装置を、大工、配管工、職人および商人に提供することにある。
本発明の発明性のある特徴および目的を以下に説明する。
〔実施形態I(図1)〕
レーザスキャナ20は、下げ振りおよび建設業者の水平器の両機能を有する新しい道具である。この道具は2つのレーザビームを放射すべく整合された90°ビームスプリッタ光学素子24を備えた内部レーザ22(レーザダイオード)を使用している。すなわち、下向きの垂直ビーム26は、吊下げ点28の真下の垂直な位置にドットを投影し、これに垂直な水平ビーム30は、重力に対して真に水平な方向に投影される。本体32を回転させるか、レーザスキャナ20の内部でビームスプリッタ光学素子24を回転させることにより、90°スプリットビームが、重力に対して真に水平な平面を走査する。ビームの放射範囲内のあらゆる表面上に高さ線(elevation line)を投影できる。ビームスプリッタ光学素子24は、充電可能なバッテリ36により給電されるモータ34を用いて回転される。理解されようが、スプリング巻上げ式モータを使用することもできる。
レーザスキャナ20の下向きビーム26は、伝統的な下げ振りに比べ、幾つかの重要な長所をもたらす。レーザスキャナ20は真の垂直マーク点を投影し、このため、下げ振りの尖点が、マークすべき対象物とどこで交差するかを見積もる使用者の仕事が省略される。点が投影されるので、作業面から上方の下げ振りの高さは厳格でなくてよい。
下向きビーム26はまた、長い糸およびこれに関連する風による誤差を招くことなく、垂直基準を非常に高いところから投影することができる。レーザスキャナ20は短い糸で吊り下げることができ、投影されたビーム26は、ビーム強度の範囲内で、あらゆる物の上に真の垂直点をマークする。
水平面の特徴(水平ビーム30)は、重力に対するあらゆる物のレベリングの仕事を簡単化する。作業環境の中間にレーザスキャナ20を吊り下げることにより、大工の水平器または建設業者の水平器を通常必要とするあらゆる作業を、せいぜい巻尺程度のスケールを用いて成し遂げることができる。
水平面には、レーザスキャナ20の軸線に対して垂直なビームを回転させることにより投影される。これは、種々の手段により達成できる。1つの方法は、1つの特定点においてスキャナ20からレーザビームを発光させておくと同時に、スキャナ20の全体を回転させることである。スキャナ本体32を回転させるのに、電気モータまたは巻上げばねモータを使用できる。他の方法は、スキャナ本体32に対して垂直なビームを掃引(スイープ)することである。45°傾斜した反射ミラー、90°ビームスプリッタ、或いは電気モータまたはスプリング駆動モータを備えた別のレーザビームを回転させることにより、平面には投影されるであろう。スキャナ本体32は約360°の窓38を有し、該窓を通ってビームが投影される。
〔実施形態II(図2〜図5)〕
本発明のレーザスキャナ50の他の実施形態が図2〜図5に示されている。図2に示すように、レーザスキャナ50は基部52を有し、該基部52上に、回転可能なハウジング54が取り付けられている。基部52は、例えば机面または三脚の頂部のような安定面上に取り付けることを意図したものである。図2から、レーザスキャナ50が更に、レーザビームを投影するポート56と、幅広の光源58とを有することが理解されよう。光源58は、後述のように、例えば、ポート56から出るレーザ光の位置を容易に決定することを目的とするLEDで構成できる。図2の実施形態は更にアンテナ60を有し、該アンテナは、遠隔制御装置62(図4)を用いてレーザスキャナ50に送信するのに使用される。
図3を参照すると、レーザスキャナ50は枢着ピン64を有し、該枢着ピンから振り子66が吊り下げられている。枢着ピン64は、振り子66を紙面に垂直な方向に枢動できるようにする。また、振り子66は、紙面に平行に枢動できるようにする可撓性部材68を介して吊り下げられている。好ましい実施形態では、可撓性部材68は、Kaptonの商標で市販されているポリイミドで形成される。Mylar(登録商標)も使用できる。可撓性部材として、他のプラスチックおよび金属材料を使用できることは理解されよう。
振り子66は細長い本体70を有し、該本体の遠位端には横方向のレーザマウント72が設けられている。横方向のレーザマウント72は、レーザ光源を受け入れることができる横方向ボア74を有している。好ましい実施形態では、レーザ光源は、適当な光学素子を備えたレーザダイオードからなる。この好ましい実施形態では、レーザは、650nmの波長をもつ赤色光を発生できる。光はポート56を通って投影される。
レーザ76の下には調節ねじ78が設けられており、該調節ねじ78は、枢着ピン64に対する振り子66の重心を調節すべく位置決めできる。
レーザ76の下には、ダンパ装置80も配置されている。ダンパ装置80は、振り子66の基部に固定された銅ディスク82を有している。ダンパ装置80は更に、ハウジング54に固定された磁石84を有している。磁石84は、永久磁石または電磁石で構成できる。振り子66が枢着ピン64に対して揺動すると、銅ディスク82は磁石84に対して2自由度で揺動する。この揺動により、銅ディスク82に渦電流が発生し、振り子66の揺動が減衰される。渦電流を発生させて、レーザスキャナ50の振り子66とハウジング54との間に減衰効果を生じさせるのに他の構成部品および材料を使用できることは理解されよう。図3に示すように、ダンパ機構80は、鋼板86、88の間に包囲されている。銅ディスク82は、孔92を通る延長部90により振り子66から吊り下げられている。この実施形態では、孔92は、振り子66を±3°揺動できるようにするのが好ましい。
ダンパ装置80の下には回路基板94が配置されており、該回路基板94については図5に関連して詳述する。回路基板94の下にはモータ/ギア装置96が配置されている。モータ/ギア装置96はモータ98を有し、該モータはDCモータが好ましい。モータ/ギア装置96には、ステップモータおよび他の形式のモータを使用することもできる。回転可能なハウジング54内には、電池110も収容されている。
モータ/ギア装置96は更に、モータ98の軸に取り付けられた第1ギア100を有している。回転軸106には、第2および第3ギア102、104が取り付けられている。ギア104は第4ギア108と噛み合っている。第4ギア108は固定されており、基部52に対して移動しない。従って、モータ98を付勢すると、該モータ98、第2および第3ギア102、104、並びに回転ハウジング54の全体が基部52上でかつ第4ギア108の回りで回転する。
回転ハウジング54は、1組のボールベアリング112を介して基部52に取り付けられている。図3に示すように、第4固定ギア108が取り付けられた固定軸114が、基部52の孔116を通って突出している。孔116は、軸114が±5°移動できるようにする。かくして、孔92により許容される移動と相まって、振り子66は、ハウジング基部52に対してあらゆる方向に±約8°整合できる。ほぼ球状の基部52の下部118は、孔116内での軸114の移動限度まで、基部52の固定部分120に対して移動できる。
幅広光源58、レーザ76およびアンテナ60の全ては、図示の経跡(traces)により回路基板94に電気的に接続されている。幅広光源58は容易に視認でき、使用者がレーザ76の方向および該レーザから出る光の方向を決定する補助をする。
図4は、手持ち式遠隔制御装置62を示す。好ましい実施形態では、遠隔制御装置62は、無線信号を使用してレーザスキャナ50の位置および運動を制御する。
遠隔制御装置は、無線技術に限定する必要がないことは理解されよう。任意の適当な電磁波(ラジオ、マイクロウェーブ、極低周波数、IR、可視光等)も使用できる。超音波を含む音響通信も使用できる。いかなる遠隔制御も必要としない音声指令システムを使用することもできる。
この好ましい実施形態では、遠隔制御装置62は、モータにより、回転ハウジング54を時計回り方向または反時計回り方向に駆動させるパンボタン(pan b-utton)122を有している。遠隔制御装置62は更に、レーザダイオードオン/オフスイッチ124および幅広光源126を有している。遠隔制御装置62は更に、レーザスキャナ50のメモリに所望位置を記憶させるメモリボタン128と、回転ハウジング54を記憶位置に戻す戻しボタン130とを有している。
ハウジング54の角速度は、パンボタン122を押すことにより、時計回り方向または反時計回り方向に、低速から高速まで調節することができる。非常に低速であれば、レーザを所望の方向に向けることを非常に容易にする。高速であれば、大きい角度で変化させるときに時間を節約できる。レーザを連続的に掃引するユニットの場合には、連続掃引ボタン121が使用される。角速度はまた、掃引ボタン121に関連してパンボタン122を使用することにより遠隔制御できる。
図5は、図3の回路基板94に設けられる回路を示す概略図である。図5に示す回路は、RF受信器132に接続された前述の電池110を有している。RF受信器132からの信号はデコーダ134で復号され、該デコーダは、データおよび指令をマイクロプロセッサ136に供給する。この実施形態では、マイクロプロセッサ136は、信号をHブリッジ138に供給する。Hブリッジ138は、DCモータ98を正転または逆転させるのに単一の電池の使用を可能にする。この好ましい実施形態では、パルス幅変調信号がマイクロプロセッサ136からHブリッジ138に送られ、モータ98を駆動する。また、方向信号がマイクロプロセッサからHブリッジ138に送られ、モータ98が駆動される方向を選択する。最後に、マイクロプロセッサ136はHブリッジ138に制動信号を設定し、モータ98の回転を停止させる。モータ98はエンコーダを有し、該エンコーダは、モータ98の位置を決定する目的で、エンコーダカウンタ140に信号を送る。エンコーダカウンタ140はマイクロプロセッサ136と通信してレーザ76の位置を所望通りに記憶する。最後に、図5の回路には、幅広光源58およびレーザ76に適当な電圧を供給する電圧調整器142が示されている。
本発明の実施形態の遠隔制御装置の特徴は、本発明に多くの長所を提供する。第1に、レーザスキャナ50は、該スキャナまで歩く必要なくして遠隔制御でオン/オフできるため、レーザスキャナ50内に装填される電池の寿命を延長できる。他の使用者は、レーザスキャナ50を所望位置に再位置決めするのに、スキャナまで戻る必要がない。
レーザスキャナ50は所望のままに回転できかつ所望の固定位置に保持できるため、弱いレーザ光源を使用できかつ弱いレーザ光源でも使用者が識別できる。レーザ光源が連続的に走査する場合には、使用者がレーザビームを識別できるようにするため、強いレーザ光源を使用しなければならない。また、レーザ光源は所望位置に停止できるので、測定を行う前にレーザを固定位置に定めることができ、従って、この実施形態では、レーザスキャナの振動を防止する高価な振動防止機構を設計する必要がない。このような振動は、レーザ光が目標に当たるときに、レーザ光の位置に差異を生じさせることがある。レーザスキャナ50は、レーザ光をオンにした状態で完全停止位置に位置決めされるので、レーザビームを用いて水平位置または垂直位置を決定する前に振り子66を固定できる。
〔実施形態III(図6〜図11)〕
図6は、本発明の他の実施形態を示すレーザスキャナ150の側断面図である。レーザスキャナ150は3つの副組立体からなる。これらの副組立体は、図7に示す振り子副組立体152、図8に示すハウジング副組立体154および図9に示すダッシャ副組立体156である。
図6および図11に示すように、振り子152は、その頂部がフィラメント158により支持されている。好ましい実施形態では、フィラメント158はナイロンで形成される。フィラメント158の下には、1対の同心状チューブ、すなわち振り子152の内側チューブ160および外側チューブ162がある。フィラメント158は、内側チューブ160の閉鎖上端部164に取り付けられている。底板166が、内側チューブ160と外側チューブ162とを連結している。両チューブ160、162の間の環状空間には、ダンパ液170が充満されている。両チューブ160、162の底部にはウェイト172が取り付けられている。好ましい実施形態では、ウェイト172の底部の近くにダイオードレーザ174が配置されている。レーザ174は、振り子152がフィラメント158により支持されたときに水平ビーム176を発生するように整合されている。内側チューブ160の下端部内には、ダイオードレーザ174に給電する電池178が配置されている。フィラメント158および両チューブ間のダンパ液170を除く他の全ての振り子部品は、剛体として機能する。
図8は、ハウジング副組立体154を示す側断面図である。ハウジング154は、カバーチューブ180と、端プラグ182と、ギア/モータ装置184とからなる。ギア/モータ装置184は、カバーチューブ180の上端部に配置されている。ギア/モータ装置184は、その出力軸186が下向きになるように配向されている。軸186はカバーチューブ180と同心状である。端プラグ182は、ギア/モータ装置184をカバーチューブ180の上端部に取り付けている。これらの3つの部品は剛体として機能する。
図9は、ダッシャ副組立体(dasher subassembly)156を示す側断面図である。ダッシャ156は、開放下端部188と、閉鎖上端部190とを備えた垂直チューブである。閉鎖上端部190から上方に、短い円筒状の軸192が突出している。軸192はダッシャ156と同心状である。軸192には、軸カップリング194が取り付けられている。軸192およびカップリング194の内部には、他の幾つかの小さい部品および特徴が存在するが、これらについては図11に関連して後述する。ダッシャ156およびカップリング194は剛体として一体に機能する。
図11には、3つの副組立体がいかにして一体連結されるかが示されている。フィラメント158の上端部および振り子152は、ダッシャ組立体156の上端部に取り付けられる。ダッシャ156は、振り子152の内側チューブ160と外側チューブ162との間の環状空間168内に配置される。ダッシャ組立体156の軸カップリング194は、ギア/モータ装置の出力軸186にクランプされる。これにより、振り子組立体152およびダッシャ組立体156がカバーチューブ180の内部に配置される。レーザダイオード174およびウェイト172の下部のみがカバーチューブ180の下から突出している。これにより、振り子152が風から保護される。風からの保護を一層高めるため、透明な管状窓を付加することもできる。
図11に示すように、ゴムダイアフラム196は、1つ以上のひだ(convo-lution)を備えた環状の形状を有している。ダイアフラム196の内径部は、ダッシャ156の上端部から突出する軸192の周囲をシールする。ダイアフラム196の外径部は、振り子152の外側チューブ162の上端部をシールする。ひだ付きダイアフラム196(図11)は2つの機能を有している。第1の機能は、液体170が振り子組立体152から漏洩しないようにすることである。第2の機能は、ダッシャ組立体156と振り子152との間の捩りカップリングとして作用することである。図11に示すように、フィラメント158の上端部は、端止め金具198内に保持される。この金具198は、フィラメント158を支持する。端止め金具198の下に配置されるコイルスプリング200は、金具198を押し上げて軸カップリング194の底部に当接させた状態に保持すべく予負荷されている。予負荷の大きさは振り子組立体152の重量より大きいが、フィラメント158の破断強度より小さい。スプリング200は、フィラメント158を破断から保護するのに使用される。振り子152を下方に引っ張ると、スプリング200が撓み、振り子152が下方に移動するであろう。振り子152の頂部は、フィラメント158が破断する前にダッシャ156の頂部に当たりかつ停止するであろう。
フィラメント158は、振り子152が垂直に吊り下げられることを妨げないように、可撓性を有する必要がある。フィラメント158は、長くなればなるほど、可撓性が大きくなる。フィラメント158が長くなるほど、振り子152は揺れ易くなる。この傾向は、フィラメント158を、小さな孔202に通すことにより低減させる。小さい孔202は、振り子152の横方向運動を拘束することを補助する。
ひだ付きダイアフラム196は、フィラメント158が通る小さな孔202の回りで心出しされている。振り子152が揺動するとき、振り子152は、孔202に非常に近い位置で枢動する傾向がある。この結果、ダイアフラム196が振り子152に作用するいかなる横方向の力も、振り子152の角度に影響を与えるほどのモーメントは殆ど引き起こさない。また、ダイアフラム196は枢動点に近接して配置されているので、振り子152の角度が変化するときに、ダイアフラム196に生じる撓みは極く僅かである。このため、振り子152に作用するモーメントは最小である。
前述のように、ダイオードレーザ174は、振り子152がフィラメント158により支持されているときにビーム176を発生すべく、振り子152の他の部品と整合されている。ダッシャ156および振り子152内に収容された液体170は、振り子152の揺動を減衰すべく機能する。振り子152が揺動すると、液体170とダッシャ156との間には相対運動が生じる(図10)。この相対運動により、流体中に粘性牽引力が発生する。これらの力が、揺動振り子152のエネルギを消失させる。
通常の使用時には、レーザスキャナ150は、所望の高さで外部支持体に固定される。ハウジングは垂直に対して約3°以内に整合される。垂直整合させるのに、ハウジング上に配置される1つ以上の気泡水平器を用いることができる(図13の実施形態参照)。図10には、ハウジングと垂直との間に小さな整合誤差があるレーザスキャナ150が示されている。ハウジング154が垂直に対して数度以内に整合している限り、振り子152が垂直に自由に吊り下げられることが理解されよう。ギア/モータ装置184が付勢されると、その出力軸によりダッシャ156が回転される。ダッシャ156の回転はダイアフラム196を介して振り子152に伝達され、これによりレーザ174が回転される。
〔実施形態IV(図12)〕
図12は、本発明のレーザスキャナ220の他の実施形態を示す。この実施形態は、多くの点で図6〜図11に関連して説明した実施形態と類似しており、従って同じ参照番号が使用されている。しかしながら、この実施形態220では、レーザ174が下向きに配向されており、従って垂直ビーム222が放射される。光学素子224の使用により、水平ビーム176を得ることもできる。
従って、図1に示した第1実施形態と同様に、この実施形態でも水平ビームおよび垂直ビームの両方が得られ、これにより、レーザスキャナ220を或る位置から突出させかつ同時に高さを確認することができる。
〔実施形態V(図13および図14)〕
図13および図14には、本発明の更に別の実施形態が示されている。この実施形態は、上記幾つかの実施形態の多くの長所を有している。図13に示すように、レーザスキャナ250は、上方の固定ハウジング252と、下方の回転ハウジング254とを有している。上方の固定ハウジング252は、クランプ256により固定位置に固定される。上方の固定ハウジング252は、レーザスキャナ250へのコース配向の決定を補助する気泡水平器257を有している。また、レーザスキャナ250が付勢されているときを表示するためのLED光源258も使用されている。下方の回転ハウジング254の最下端部にはポート260が設けられており、該ポート260を通ってレーザダイオードからのレーザビーム262が投影される。
図14から、レーザスキャナ250が、上方の固定ハウジング252に対する下方の回転ハウジング254の回転を可能にするベアリング装置264を有していることが理解されよう。レーザスキャナ250は振り子266を有し、該振り子には、前述の実施形態に関連して示したのと同じ態様でレーザ268が取り付けられている。この実施形態は更に、図3に示した磁気ダンパ機構と同様に作動するダンパ機構270を有している。
以上より、本発明は、遠隔制御装置を用いて正確かつ容易に作動できる経済的なレーザスキャナを提供する。本発明のレーザスキャナは、高価な防振要素を用いないで、振動のない円滑な作動を行うことができる。
添付図面および請求の範囲の記載から、本発明の他の他の特徴、実施形態および目的が理解されよう。請求の範囲に記載された本発明の精神および範囲内で、他の実施形態を考え得ることは理解されよう。
慣用的な下げ振りの形態をなす本発明の一実施形態を示す部分断面図である。 基部が取り付けられるように構成された本発明の一実施形態を示す正面図である。 図2の実施形態を90°だけ回転させた断面図である。 図2の実施形態の手持ち式遠隔制御装置を示す側面図である。 図2の実施形態の回路を示す概略図である。 プラットホームから吊り下げるように構成された本発明の他の実施形態を示す側断面図である。 図6の実施形態の振り子組立体を示す側断面図である。 図6の実施形態のハウジング組立体を示す側断面図である。 図6の実施形態のダッシャ組立体を示す側断面図である。 異なる方向における本発明の実施形態を示す図6と同様な図面である。 図6に示す本発明の実施形態の部分拡大断面図である。 本発明の他の実施形態を示す側断面図である。 本発明の更に別の実施形態を示す側面図である。 図13に示す本発明の実施形態の側断面図である。

Claims (6)

  1. レーザ位置決め装置であって、
    ハウジングと、
    該ハウジングに対して移動することができるように前記ハウジングに取り付けられた振り子と、
    前記振り子に取り付けられたレーザと、
    支持面に位置決めされるようになった固定部を有する基部とを有し、前記支持面は半球受面と該半球受面に当接する可動部半球面とを有し、前記ハウジングは、前記ハウジングを前記固定部に対して回転させ、前記固定部に対して傾けることができるように、前記固定部に取り付けられ、
    前記レーザのおおよその方向を確認するための光源を有する、
    レーザ位置決め装置。
  2. 前記振り子の運動を減衰させるためのダンパ機構を有する、請求項1記載のレーザ位置決め装置。
  3. 前記ハウジングを前記基部に対して回転させるためのモータと、該モータを遠隔制御するための遠隔制御装置とを有する、請求項1又は請求項2記載のレーザ位置決め装置。
  4. 前記レーザからのビームを水平ビームと垂直ビームとに分割する光学素子を有する、請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載のレーザ位置決め装置。
  5. 前記ダンパ機構が、前記振り子に取り付けられた金属部材と、該金属部材に隣接して前記ハウジングに取り付けられた磁石とを有する、請求項1乃至請求項4いずれか一項に記載のレーザ位置決め装置。
  6. 前記ダンパ機構が、前記振り子を包囲するように設けられる液体を有する、請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載のレーザ位置決め装置。
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JP6255130B1 (ja) * 2017-05-02 2017-12-27 純平 富田 計測支援装置

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