JP2009074827A - 光学式墨出し器 - Google Patents

Abstract

【課題】任意の傾斜角度のライン光を投射することができる光学式墨出し器において、光源ユニットホルダを、任意に設定した傾斜角度まで傾斜させるのに要する力量を軽減して消費電力を軽減し、目標位置まで傾斜させるのに要する時間を短縮化する。
【解決手段】ジンバル機構２により揺動可能に支持された光源ユニットホルダ３と、光源ユニットホルダ３に取り付けられた少なくとも一つの光源ユニット５１，５２、６１，６２を有し、光源ユニットホルダ３の傾斜角度を検出するために光源ユニットホルダ３に取り付けられた傾斜センサ４と、傾斜センサ４で検出される傾斜角度が予め設定されている傾斜角度になるように、光源ユニットホルダ３を、ジンバル機構２による揺動支点を中心にして揺動させる駆動手段１０１，１０２と、を備え、光源ユニットホルダ３の重心位置がジンバル機構２による揺動支点にある。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源として例えば半導体レーザーを用いた光学式墨出し器に関するもので、特に、光源ユニットホルダの姿勢を能動的に制御することにより、任意の角度のライン光を照射することも可能にした光学式墨出し器に関するものである。

平行光束を円柱状のロッドレンズあるいはシリンドリカルレンズにその中心軸線に直交する方向に入射させると、光束は空気とレンズ表面との境界で屈折され、レンズの中心軸線に直交する面内においてのみ発散されて出射される。したがって、上記レンズを、その中心軸線が水平になるように設置すれば、投射対象面に鉛直方向のライン光を投射することができ、上記レンズの中心軸線が垂直方向に向くように設置すれば、投射対象面に水平方向のライン光を投射することができる。光学式墨出し器は、このような鉛直方向のライン光または水平方向のライン光を投射することができる光投光器を利用したものである。一般的には、ジンバル機構あるいはジャイロ機構など（以下「ジンバル機構」という）によって吊り下げられることにより常時所定の姿勢をとることができる光源ユニットホルダに、上記レンズを含む光源ユニットを取り付けている。上記レンズは一般的にロッドレンズが用いられているので、以下、ロッドレンズが用いられているものとして説明する。

上記光源ユニットの光源としては、一般に半導体レーザーが用いられていることから、光学式墨出し器といえば一般的にレーザー墨出し器のことを指す。上記光源ユニットは、光源としての半導体レーザーと、半導体レーザーから射出される発散光を平行光束に変換するコリメートレンズと、上記ロッドレンズを備え、これらの光学素子が鏡筒に組み込まれてユニット化されたものである。

上に述べたとおり、従来の一般的な光学式墨出し器は、ジンバル機構などによって吊り下げられた光源ユニットホルダに、上記のような光源ユニットを取り付けてなるものである。しかし、このような光学式墨出し器は、ジンバル機構によって受動的に光源ユニットホルダの姿勢を保つように構成されているため、投射対象面に投射されるライン光の鉛直度または水平度は、ジンバル機構の感度に依存する。ジンバル機構の感度はジンバル機構の機械的な抵抗によって決まり、機械的な抵抗が小さいほど感度が高く、感度が高いほど、光源ユニットホルダは本来とるべき理想的な姿勢に近い姿勢をとることができるため、精度の高いライン光を投射することができる。

このように、ジンバル機構を備えた従来一般の光学式墨出し器によれば、なるべく感度の高いジンバル機構を用いることが望ましいが、ジンバル機構の軸受け部には、光源ユニットホルダの荷重、光源ユニットの荷重、その他周辺部品の荷重がかかるため、耐衝撃性および耐摩耗性に優れた高精度かつ高性能のジンバル機構であることが望まれ、高価なジンバル機構を採用せざるを得ない、という難点がる。

かかる難点を解消する目的で、モータ制御により、いわば能動的に光源ユニットホルダの姿勢を保つようにした墨出し器が提案されている。特許文献１、特許文献２記載の発明はその例で、上記光源ユニットホルダに相当するレーザーヘッドに水準センサを一体に取り付け、水準センサから出力される互いに直交する方向の傾き信号に基づきモータを制御し、レーザーヘッドが常に所定の姿勢を維持するようにしたものである。

特許文献１、特許文献２に記載されているような、能動的に光源ユニットホルダの姿勢を制御する墨出し器は、応答性が悪いという難点がある。すなわち、水準センサによって光源ユニットホルダの傾きが検出されると、その検出出力に基づきモータが駆動され、光源ユニットホルダの傾きが修正されることになるが、モータの回転力が光源ユニットホルダに伝達されて光源ユニットホルダが移動させられ、その姿勢が修正されるまでに長い時間を要する。このように応答性の鈍い墨出し器は、迅速な作業が好まれる建築作業現場などでの使用が敬遠される要因となる。

そこで本出願人は、ジンバル機構により揺動可能にかつ所定の姿勢をとるように吊り下げられた光源ユニットホルダと、この光源ユニットホルダに取り付けられた少なくとも一つの光源ユニットとを有してなる墨出し器において、光源ユニットホルダの傾きを検出するために光源ユニットホルダに取り付けられた水準センサと、磁石およびコイルを有してなり上記水準センサの出力に基づき上記コイルへの通電を制御することにより上記光源ユニットホルダを所定の姿勢に保つ推力発生手段と、を有する墨出し器につき先に特許出願し、特許権を取得した（特許文献３参照）。

特許文献３記載の発明によれば、受動的に光源ユニットホルダの姿勢を所定の姿勢に保つようにした従来一般の光学式墨出し器に、能動的な制御を併用することによって、従来一般の光学式墨出し器に見られるような、原理上必然的に生じるライン光の鉛直度または水平度の精度の問題を解消することができる。また、さほど感度の高くないジンバル機構を採用しても、精度の高いライン光を投射することができるとともに、光源ユニットホルダの姿勢を所定の姿勢に迅速に安定させることができるため、迅速な作業が好まれる建築作業現場などでの使用にも十分に耐えることができる光学式墨出し器を得ることができる。

特開平１０−３１８７４５号公報 特開平１１−３１１５１６号公報 特許第３５７１６２０号公報

ところで、光学式墨出し器のユーザーによっては、鉛直方向または水平方向のライン光のみでなく、鉛直線または水平線に対して任意の角度傾いたライン光を投射することができる墨出し器の実現を求められることがある。このような機能を備えた墨出し器は、傾斜角度を精度よく検出することができる傾斜センサを用い、目標とする傾斜角度を設定すると、その角度に達するまで光源ユニットホルダをモータなどのアクチュエータによって強制的に傾けるようにすることによって実現することができる。

しかし、ジンバル機構によって光源ユニットホルダを重力方向に吊り下げてなる従来一般の光学式墨出し器によれば、光源ユニットホルダを任意の傾斜角度に設定しようとすると、光源ユニットホルダを重力に逆らって強制的に傾斜させなければならず、駆動に要する力量が増大して、消費電力が増大するとともに、指定した傾斜角度に至るまでに長い時間を要する難点がある。特に、光源ユニットホルダは重力方向に安定した姿勢をとる必要があるため、光源ユニットホルダの重心位置は、ジンバル機構による支持点から下方にできるだけ離れた位置にあることが望ましく、このことが上記のような消費電力の増大、設定角度に至るまでの所要時間の増大の要因となっている。

本発明は、以上説明した従来の光学式墨出し器の問題点を解消するためになされたもので、垂直または水平方向のライン光を投射することができることはもちろん、任意の傾斜角度のライン光を投射することができる光学式墨出し器であって、光源ユニットホルダを、任意に設定した傾斜角度まで傾斜させるのに要する力量を軽減して消費電力を軽減し、また、任意に設定した傾斜角度まで傾斜させるのに要する時間を短縮化することができる光学式墨出し器を提供することを目的とする。

本発明は、ジンバル機構により揺動可能に支持された光源ユニットホルダと、この光源ユニットホルダに取り付けられた少なくとも一つの光源ユニットを有してなる光学式墨出し器であって、上記光源ユニットホルダの傾斜角度を検出するために光源ユニットホルダに取り付けられた傾斜センサと、上記傾斜センサによって検出される傾斜角度が予め設定されている傾斜角度になるように上記光源ユニットホルダを上記ジンバル機構による揺動支点を中心にして揺動させる駆動手段と、を備え、上記光源ユニットホルダの重心位置が上記ジンバル機構による揺動支点にあることを最も主要な特徴とする。
上記駆動手段は、磁石およびコイルを備え、傾斜センサの出力に基づき上記コイルへの通電を制御することにより光源ユニットホルダを揺動させるための推力を発生させるようにするとよい。

駆動手段は、光源ユニットホルダの角度が予め設定されている角度になるまで、傾斜センサからの出力を確認しながら光源ユニットホルダを揺動させる。光源ユニットホルダの重心位置はジンバル機構による光源ユニットホルダの揺動支点にあるため、光源ユニットホルダをどの向きに揺動させるにも、僅かな力量で揺動させることができ、目標位置まで迅速に揺動させることができるとともに、消費電力を軽減することができる。目標とする光源ユニットホルダの傾斜をゼロとすれば、鉛直方向または水平方向のライン光を投射することができ、任意の傾斜を目標とすれば、この目標とする傾斜に光源ユニットホルダを合わせることができる。墨出し器の設置姿勢が傾いていたとしても、傾斜センサは光源ユニットホルダの例えば鉛直線に対する傾き角度を検出することができるため、傾斜センサによる検出角度が目標値に達するまで駆動手段が光源ユニットホルダを揺動させる。

以下、本発明にかかる光学式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において、符号１は墨出し器のベースを示している。ベース１の上には、複数の支柱７が立てられ、各支柱７の上端にはジンバルベース３５が結合されて、やぐら状の支持体が構成されている。ジンバルベース３５の内周側にはジンバル機構２が組み込まれている。ジンバル機構２は、ジンバルベース３５の内周側においてその半径方向に、かつ、軸線を共通にして保持された２個一対の軸２１，２２と、これらの軸２１，２２を中心として回転可能に支持された中間揺動体（図示を省略）と、この中間揺動体の内周側において、上記軸２１，２２に直交する方向に支持された軸２３と、を有してなる。上記一対の軸２１，２２の中心軸線と上記軸２３の中心軸線は同一の水平方向の面内にあって、これらの中心軸線は１点で交差している。この交差点が後述の光源ユニットホルダ３の揺動支点となっている。

上記軸２３は光源ユニットホルダ３を貫いていて、光源ユニットホルダ３は軸２３によって回転可能に支持されている。軸２３は上記のように中間揺動体によって支持され、中間揺動体は軸２１，２２によってこれらの軸２１，２２を中心に回転可能に支持されている。よって、光源ユニットホルダ３は、軸２１，２２の中心軸線と軸２３の中心軸線との交差点を揺動支点としてあらゆる向きに、例えば、図１において紙面に平行な左右方向にも、紙面に直角な前後方向にも揺動可能にジンバル機構２によって支持されている。

光源ユニットホルダ３は上記揺動支点を中心に上側と下側に伸びていて、光源ユニットホルダ３の上側には２個一対の垂直ライン光投射用光源ユニット５１，５２が、図１において左右に、光源ユニットホルダ３を挟んで対称に取り付けられている。光源ユニット５１，５２はそれぞれ光源としての半導体レーザー５３，５６と、半導体レーザーから射出される発散光を平行光束にするコリメートレンズ５４，５７と、平行光束を垂直方向にのみ拡散させるロッドレンズ５５，５８と、これらの光学部品を保持する鏡筒を備えてなる。光源ユニット５１，５２は、光源ユニットホルダ３の左右においてそれぞれ斜め上方に向けて取り付けられている。上記ロッドレンズ５５，５８は、中心軸線を水平方向に向けて取り付けられているため、ロッドレンズ５５，５８を透過するレーザー光は垂直方向にのみ拡散され、投射対象物の例えば壁面から天井面にかけてライン光を投射することができ、双方のライン光が天井面において一直線に連続するようになっている。

光源ユニットホルダ３の上側は光源ユニット５１，５２よりも上方に伸びていて、光源ユニットホルダ３の上端、したがって、光源ユニット５１，５２よりも上側において傾斜センサ４が取り付けられている。傾斜センサ４の検出方式は任意で、例えば、前記特許文献１に記載されているような水準センサを用いてもよい。このセンサは、液体とともに気泡を封じ込めたガラスなどからなる透明な容器を挟んで発光素子と受光素子を配置してなる。受光素子は受光面が複数に分割されている。センサが傾斜すると、気泡が容器の基準位置からずれ、容器内の液体および気泡を通って受光素子に至る発光素子からの光束が、気泡により屈折されて受光素子上における基準受光位置から大きくずれ、このずれ量に応じて受光素子の各受光面の受光量が変化するため、各受光面の受光量の差を求めることによって傾斜方向および傾斜角度を検出することができる。

光源ユニットホルダ３の上記揺動支点よりも下側には２個一対の水平ライン光投射用光源ユニット６１，６２が、図１において左右に、光源ユニットホルダ３を挟んで対称に取り付けられている。水平ライン光投射用光源ユニット６１，６２も、垂直ライン光投射用光源ユニット５１，５２と同様に、光源としての半導体レーザー、コリメートレンズ、ロッドレンズ、これらの光学部品を保持する鏡筒を備えてなる。図１において符号６３，６４は上記光源ユニット６１，６２のロッドレンズを示している。これらのロッドレンズ６３，６４はその中心軸線を垂直方向に向けて取り付けられている。また、光源ユニット６１，６２は光軸方向を水平方向に向けて取り付けられている。光源ユニット６１，６２は、それぞれの半導体レーザーから射出されるレーザー光束を平行光束にした後、ロッドレンズ６３，６４で水平方向にのみ拡散して射出し、投射対象となる壁面に水平方向のライン光を投射することができる。

光源ユニットホルダ３の下端部には、地墨投射用光源ユニット８が、その光軸を光源ユニットホルダ３の中心軸線に一致させて取り付けられている。上記光源ユニット８も、光源としての半導体レーザーと、半導体レーザーから射出されるレーザー光束を平行光束にするコリメートレンズと、これらの光学部品を保持する鏡筒を有してなるが、ロッドレンズは備えていない。したがって、光源ユニット８からは垂直方向下向きに平行光束が射出され、床面に光スポットが投射される。光源ユニットホルダ３が鉛直方向の姿勢を保っているとき、上記光スポットは基準位置を示す地墨となる。

墨出し器の下端部には、光源ユニットホルダ３を前記ジンバル機構２による揺動支点を中心にして能動的に揺動させる駆動手段１０１，１０２が取り付けられている。各駆動手段１０１，１０２は磁石９１，９５とコイル９３，９７を備えた電磁的な推力発生手段からなる。これらの推力発生手段を構成する磁石９１，９５は、前記ベース１に、光源ユニットホルダ３の下端部外側の両側に対向させて取り付けられているＵ字形のヨーク９２，９６の一辺の内側面に固定されている。より具体的には、Ｕ字形のヨーク９２，９６は、その開放端が光源ユニットホルダ３を挟んで対向する向きに、かつ、下側の辺がベース１に固定されている。光源ユニットホルダ３の下端部両側面には、コイル支持片３１，３２が一体に取り付けられ、コイル支持片３１，３２は光源ユニットホルダ３の両側方に斜め上方に向かって伸び出ている。上記ヨーク９２，９６は、上記コイル支持性片３１，３２の上記揺動支点を中心にした揺動軌跡方向に傾けて固定されている。Ｕ字形ヨーク９２，９６の下側の辺の内側面すなわち上面に磁石９１，９５が固定され、ヨーク９２，９６の上側の辺と磁石９１，９５の上面との間には隙間が形成されていて、この隙間に磁界が形成されている。光源ユニットホルダ３と一体の上記コイル支持片３１，３２の先端部には、筒型に巻かれたコイル９３，９７が固着されていて、コイル９３，９７をヨーク９２，９６の上側の辺が、コイル９３，９７の内周面との間に適宜の間隔をおいて貫いている。換言すれば、コイル９３，９７は、ヨーク９２，９６の上側の一辺の外周側にこの一辺との間に間隔をおいて光源ユニットホルダ３に固着されている。

各コイル９３，９７には、図示されない目標値設定手段により設定されている目標となる角度と前記傾斜センサ４の検出信号から求められる傾斜角度との差がゼロとなる向きに推力が発生するように、制御電流が流される。制御電流は、対をなす一方のコイルに光源ユニットホルダ３を押す向きの推力を発生させ、他方のコイルに光源ユニットホルダ３を引っ張る向きの推力を発生させるように流される。上記磁界を横切っているコイル９３，９７に制御電流が流されることにより、コイル９３，９７にその中心軸線方向の推力が発生し、光源ユニットホルダ３が揺動させられる。目標値設定手段によって目標値が０度に設定されていれば、傾斜角度が０度になるように制御電流が流され、垂直ライン光投射用光源ユニット５１，５２によって鉛直方向のライン光が投射され、水平ライン光投射用光源ユニット６１，６２によって水平方向のライン光が投射される。鉛直線あるいは水平線に対して任意の角度傾いたライン光を投射しようとする場合は、目標とする傾斜角度を設定すればよく、前記駆動手段が、目標とする傾斜角度になるまで光源ユニットホルダ３を揺動させる。

従来一般の光学式墨出し器は、光源ユニットなどを含む光源ユニットホルダ３の重心位置を揺動中心より下側に設定することにより、光源ユニットホルダ３の姿勢を重力方向に安定させていた。このような従来一般の光学式墨出し器によれば、ジンバル機構２を高感度のものにしないと高精度の墨出しができないことは先に述べた。しかし、光源ユニットなどを含む光源ユニットホルダ３の重心位置が揺動中心より下側に設定されると、上記のような駆動手段１０１，１０２によって光源ユニットホルダ３を強制的に揺動させようとするとき、迅速に目標位置まで揺動させることはできないし、大きな力量を必要とするため消費電力も増大する。そこで、図示の実施例では、光源ユニット、傾斜センサ４、光源ユニットホルダ３、コイル支持片３１，３２、コイル９３，９７を含む光源ユニットホルダ３の重心位置と、光源ユニットホルダ３の揺動支点とを一致させている。これにより、光源ユニットホルダ３はいずれの向きにも極小さな力量を加えるだけで揺動するため、目標位置まで迅速に揺動させることができるし、消費電力を軽減することもできる。

光源ユニットホルダ３の重心位置をその揺動支点と一致させるためには、光源ユニットホルダ３の上下左右の重量配分を工夫する必要がある。図示の例では、まず、垂直ライン光投射用光源ユニット５１，５２と、水平ライン光投射用光源ユニット６１，６２を、光源ユニットホルダ３を挟んで図１において左右方向に対称に配置して左右のバランスを図っている。また、光源ユニットホルダ３の上部を揺動支点よりも上方に十分に伸ばし、揺動支点の上下に垂直ライン光投射用光源ユニット５１，５２と、水平ライン光投射用光源ユニット６１，６２を振り分けるとともに、光源ユニットホルダ３の上端に傾斜センサ４を取り付けて上下方向のバランスを図っている。ただ、光源ユニットホルダ３の下側には、地墨用光源ユニット８が取り付けられ、また、駆動手段の一部を構成するコイル９３，９７とその支持片３１，３２が取り付けられているため、下側が重くなりがちな構成になっている。そこで、上下のバランスを図るために上側にバランスウェイトを設けるとよい。図１に示す例では、傾斜センサ４の下において、光源ユニットホルダ３の外周に嵌められているリング状の部材３６をバランスウェイトとすることができ、あるいは光源ユニットホルダ３内にバランスウェイトを装着してもよい。

図１に示す実施例では、光源ユニットホルダ３を挟んでその左右に光源ユニットを搭載した例になっているが、図１の紙面に直交する前後方向に、光源ユニットホルダ３を挟んで対称に光源ユニットを搭載してもよい。また、図１に示す実施例では、磁石およびコイルを有してなる駆動手段１０１，１０２が左右方向に対称に配置されているが、このような駆動手段は、光源ユニットホルダ３を直交する２方向に揺動させることができるように、光源ユニットホルダ３を挟んで直交する２方向にそれぞれ対称位置に配置するものとする。光源ユニットは、一方向に対称に配置してもよいが、光源ユニットホルダ３を挟んで互いに直交する２方向にそれぞれ対称位置に配置してもよい。

図１に示す実施例では、揺動支点の上下に垂直ライン光投射用光源ユニット５１，５２と、水平ライン光投射用光源ユニット６１，６２を振り分けているが、揺動支点の上側にのみ、または下側にのみ光源ユニットを配置してもよい。要は、光源ユニットホルダ３の重心位置をその揺動支点と一致させるのに適した構成をとればよい。

本発明にかかる光学式墨出し器の実施例を示す縦断面図である。

符号の説明

１ ベース
２ ジンバル機構
３ 光源ユニットホルダ
４ 傾斜センサ
５１ 垂直ライン光投射用光源ユニット
５２ 垂直ライン光投射用光源ユニット
６１ 水平ライン光投射用光源ユニット
６２ 水平ライン光投射用光源ユニット
９１ 磁石
９３ コイル
９５ 磁石
９７ コイル
１０１ 駆動手段
１０２ 駆動手段

Claims (10)

1. ジンバル機構により揺動可能に支持された光源ユニットホルダと、この光源ユニットホルダに取り付けられた少なくとも一つの光源ユニットを有してなる光学式墨出し器であって、
   上記光源ユニットホルダの傾斜角度を検出するために光源ユニットホルダに取り付けられた傾斜センサと、
   上記傾斜センサによって検出される傾斜角度が予め設定されている傾斜角度になるように上記光源ユニットホルダを上記ジンバル機構による揺動支点を中心にして揺動させる駆動手段と、を備え、
   上記光源ユニットホルダの重心位置が上記ジンバル機構による揺動支点にあることを特徴とする光学式墨出し器。
2. 駆動手段は、磁石およびコイルを有してなり、傾斜センサの出力に基づき上記コイルへの通電を制御することにより光源ユニットホルダを揺動させるための推力を発生させる請求項１記載の光学式墨出し器。
3. 磁石およびコイルを有してなる駆動手段は、光源ユニットホルダを挟んで対称位置に配置されている請求項２記載の光学式墨出し器。
4. 磁石およびコイルを有してなる駆動手段は、光源ユニットホルダを直交する２方向に揺動させることができるように、光源ユニットホルダを挟んで直交する２方向にそれぞれ対称位置に配置されている請求項２記載の光学式墨出し器。
5. 磁石は墨出し器のベースに固定されたＵ字形ヨークの一辺に固定され、コイルは上記ヨークの他の一辺の外周側にこの一辺との間に間隔をおいて光源ユニットホルダに固着されている請求項２，３または４記載の光学式墨出し器。
6. 駆動手段は、光源ユニットホルダの下端部に配置されている請求項１記載の光学式墨出し器。
7. 光源ユニットホルダには、揺動支点より上側に光源ユニットが配置されている請求項１記載の光学式墨出し器。
8. 光源ユニットホルダには、揺動支点より上側に垂直ライン光投射用光源ユニットが、上記揺動支点より下側に水平ライン光投射用光源ユニットが配置されている請求項１記載の光学式墨出し器。
9. 垂直ライン光投射用光源ユニットと水平ライン光投射用光源ユニットは、それぞれ対をなして光源ユニットホルダの対称位置に配置されている請求項８記載の光学式墨出し器。
10. 傾斜センサは、光源ユニットホルダの上端部であって垂直ライン光投射用光源ユニットの上方に配置されている請求項７または９記載の光学式墨出し器。

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