JP2010112780A - 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得る。
【解決手段】 ケーシング２と、光源４１と、ケーシングから吊り下げされて一定の姿勢を保つ第一のレンズ６１と、ケーシングに固定された第二のレンズ９１と、光源からの光ビーム４４が第一のレンズ６１と第二のレンズ９１を通して照射される光検出器１１と、を備える。レンズ６１は、複数のワイヤ５によってケーシングに吊り下げられたレンズホルダ６によって保持されており、レンズ９１は、ケーシング２内部に固着された第二レンズホルダ９によって保持されている。
【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。

気泡を利用した傾斜検出器は、気泡管を挟んで一方側に配置した光源から光ビームを照射し、気泡管を挟んで他方側に配置した光センサ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（例えば、特許文献１参照）。特許文献１記載の傾斜検出器は、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、傾きのない状態では気泡管の気泡が中央にあって分割された各受光面の受光量に差がなく、傾きがあると気泡位置がずれて各受光面の受光量に差が生じるので、各受光面の検出出力の差をとることにより、傾きの向き、傾き角度を検出することができるように構成したものである。

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、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ものである（例えば、特許文献２、特許文献３、特許文献４参照）。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、従来の傾斜検出器に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、かつ、温度補正手段を必要とせず信頼性の高い傾斜検出器、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。

本発明に係る傾斜検出器は、ケーシングと、ケーシングに固定された光源と、ケーシングから吊り下げされて一定の姿勢を保つ第一のレンズと、ケーシングに固定された第ニのレンズと、光源からの光ビームが第一のレンズを通し、第一のレンズを通った光ビームが第二のレンズを通して照射される光検出器と、を備え、第一のレンズは、複数のワイヤによってケーシングに吊り下げられた第一レンズホルダによって保持されており、第二のレンズは、ケーシング内部に固着された第二レンズホルダによって保持されており、光検出器は、上記ケーシングの傾きに対応した光ビームの照射位置に応じた信号を出力することを主な特徴とする。

また、本発明に係る傾斜検出器は、上記の第一レンズホルダと第二レンズホルダの間のケーシングの内部に磁石が固着されており、第一レンズホルダは、底面に銅板が固着されており、磁石によって第一レンズホルダに制動がかかることを特徴とする。

また、本発明に係る傾斜検出器は、上記の第一のレンズが、球体レンズであることを特徴とする。

また、本発明に係る傾斜検出器は、上記の第二のレンズが、凹レンズであることを特徴とする。

また、本発明に係る傾斜検出器は、ケーシングと、ケーシングに固定された光源と、ケーシング内部に移動可能に設けられ光源から出射された光を透過させ所定の焦点距離において光スポットを形成する球体レンズと、ケーシングの内部に固定され球体レンズを保持するレンズホルダと、光源からの光ビームが上記球体レンズを通して照射される光検出器と、を備え、光検出器は、ケーシングの傾きに対応した光ビームの照射位置に応じた信号を出力することを特徴とする。

また、本発明に係る傾斜検出器は、上記レンズホルダが内部に上記球体レンズが転がり可能に設置される空間を有し、底面は凹レンズであって、側面と上面を覆う透明ケースからなることを特徴とする。

また、本発明に係る傾斜検出器は、上記の光検出器において、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ことを特徴とする。

また、本発明に係る傾斜検出器は、上記の光検出器において、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ケーシングの傾きを検出することを特徴とする。

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。

ケーシングが傾くと、光源と光検出器もケーシングとともに傾くが、ケーシングから吊り下げられたレンズ、または、ケーシング内部に所定の範囲で移動するレンズは光軸に対して一定の姿勢を保つため、光源と光検出器に対しレンズが相対的に移動し、レンズを透過して光検出器に照射する光ビームの位置が変動する。光検出器への光ビームの照射位置変動はケーシングの傾き方向および傾き度合に対応しているので、光検出器の出力信号からケーシングの傾き方向および傾き度合を検出することができる。
ケーシングの傾きとレンズ位置との関係は、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、レンズに球体レンズを用いることで、ケーシングの傾きに対して光検出器に照射される光ビームのスポットのズレを大きく検出することができ、検出精度・分解能を向上させることができる。
また、球体レンズと光検出器の間に凹レンズを配置すれば、ケーシングの傾きに対する光ビームスポットのズレをさらに大きくすることができ、検出精度と分解能をより向上させることができる。

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検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内部構造を示す縦断面図である。図１において、傾斜検出器１０は、フォトダイオード（ＰＤ）などの光電変換素子からなる光検出器１１と、この光検出器１１の端子をハンダ付けして所定の信号処理を行う回路パターンを有する回路基盤を含むベース１と、ベース１から垂直に立ち上がる円筒もしくは四角柱に類した外観形状を有し内部は中空構造であるケーシング２と、ケーシング２の上端開口部に設置される傾斜調整ホルダ３と、傾斜調整ホルダ３に固定され光ビームを光検出器１１に向けて出射する光源ユニット４と、を有してなる。

光源ユニット４は、半導体レーザーからなる光源４２が光ビームの出射方向を下に向け、光源ホルダ４１を介して傾斜調整ホルダ３に固定されている。光源４２は端子をハンダ付けして所定の信号処理を行う回路パターンを有する回路基盤４３に固着され、この回路基盤４３に光源ホルダ４１が固定されている。

傾斜調整ホルダ３は、断面がつば広の帽子形状であって、光源ホルダ４１を固定する円筒部３１と、ケーシング２に傾斜調整ホルダ３を固定する締結孔３３を備え、かつ、ケーシング２の上端面への対向面を構成するフランジ部３２とを有している。光源ユニット４は、円筒部３１の内周面に挿入されて、図示しない側面孔から挿入される締結部材によって嵌合して固定される。

ケーシング２の上部開放端には、上記の締結孔３３と対向する位置に締結孔２１が設けられている。傾斜調整ホルダ３のフランジ部３２の底面側の突出している円筒部の角は面取り加工がされており、この面取り部と当接するケーシング２の上部開放端の内周部分も面取り加工が施されている。従って、傾斜調整ホルダ３は、締結孔３３と締結孔２１を連通する締結具３４によって、ケーシング２への固定と、固定角度の調整が行えるように構成されている。これによって、傾斜検出器１０を組み立てる際に、締結具３４の締め付け度合いを調整することで、光源４２が出射する光ビーム光軸中心が光検出器１１の中心にあるように精度よく調整することができる。

光源ホルダ４１の底面から下方向に向けて吊り下げ部材であるワイヤ５が複数取り付けられている。各ワイヤ５は、光源ホルダ４１から下方に向けて外側に広がるように傾きをもちながら垂下して、もう一方の端部が第一のレンズホルダであるレンズホルダ６に結合されている。ワイヤ５は、傾斜検出器１０が水平なときに所定の位置で光ビーム４４の光軸に対して垂直であるようにレンズホルダ６を保持することができるように、最低３本は必要である。このワイヤ５によってレンズホルダ６は、傾斜検出器１０が傾いたときにケーシング２の内部空間を平行移動や回転移動をすることができる。従って、ケーシング２の内部空間には、ワイヤ５の移動空間が確保されている。また、傾斜調整ホルダ３の光源ユニット４を固定するための内周面には、傾斜検出器１０が傾いたときにワイヤ５の移動を邪魔しないように図示しない切り欠き部が設けられている。

レンズホルダ６は、ワイヤ５によって吊り下げされ、その中心部に形成された円形の窓孔に第一のレンズであるレンズ６１が嵌め込まれている。レンズ６１の中心を光ビームの中心光軸が通るように、上記ワイヤ５の長さが調整されている。ケーシング２に傾きがない状態では、光源４２から出射される光ビーム４４の中心とレンズ６１の光軸中心が一致するようにレンズホルダ６の位置が調整されている。

また、ケーシング２の内部空間には、第二のレンズホルダであるレンズホルダ９がレンズホルダ６と光検出器１１の間に固着されている。このレンズホルダ９によって、光検出器１１の上方の所定の位置に第二のレンズであるレンズ９１が固定されている。

第一のレンズホルダであるレンズホルダ６に固定される第一のレンズ６１は球体レンズであって、第二のレンズホルダであるレンズホルダ９によって固定される第二レンズのレンズ９１は凹レンズである。光源４２から出射される光ビーム４４は、レンズ６１によって、所定の幅の光束に収束し、この光束を凹レンズであるレンズ９１が広げて、光検出器１１上に拡大した光スポットを形成させる。

レンズホルダ６の底面であってレンズホルダ９に対向する面には銅板７が固着されている。この銅板７に対向する位置に磁石８が固定されている。傾斜検出器１０の傾きによって、ワイヤ５によって吊り下げされているレンズホルダ６は相対的に傾きと反対方向に移動することになるが、このレンズホルダ６が移動した後に、所定の位置で素早く制止させるために磁気制動力を銅板７と磁石８によって発生させて、レンズホルダ６が移動位置で素早く制止することができるようになっている。

図２は、上記の傾斜検出器１０が左方向に傾いた状態を示す縦断面図である。図２に示すように、光源４２から出射されて広がった光ビーム４４は、レンズ６１によって光軸方向に収束され、レンズ９１によって光スポットが拡大されて、光検出器１１上に照射される。

ここで、図３を用いて傾斜検出器１０の傾きと、光源から出射されレンズ６１とレンズ９１によって光検出器１１上に形成される光スポットの関係を説明する。ベース１の上面に配置されている光検出器１１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。例えば、光検出器１１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。

傾斜検出器１０に傾きがない状態では、光検出器１１はその受光面がレンズ６１とレンズ９１の光軸に対して直交するように、また、上記直交する線の交点にレンズ６１とレンズ９１の光軸が位置するように設置されているから、光源から出射される光束中心とレンズ６１とレンズ９１の光軸が一直線になり、この光軸が光検出器１１の互いに直交する十字状の分割線の交点にある。

したがって、光検出器１１の受光面に照射される光ビームの照射パターン１２は、図３（ａ）に示すように、上記十字状の線の交点を中心とした円形になる。説明の都合上、光検出器１１の４つの受光面には、図３（ａ）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。つまり、前記各受光面ａ，ｂ，ｃ，ｄの受光面積は等しく、各受光面ａ，ｂ，ｃ，ｄの出力信号は等しくなる。そこで、図３（ａ）に示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３（ａ）において、傾斜検出器１０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、傾斜調整ホルダ３によって光源の左右方向の傾きと前後方向の傾きを調整すれば、傾斜検出器１０の傾きゼロ点を調整することができる。

例えば傾斜検出器１０が組み込まれた機器が、左側に傾いたときは上記機器とともに傾斜検出器１０の光源と光検出器１１も左側に傾くが、レンズ６１はワイヤ５によって常に水平を保って所定位置に留まる。その結果、図５（ｂ）に示すように、レンズ６１の光軸位置が光検出器１１の左側に移動し、レンズ９１を透過して光検出器１１の受光面に照射される光ビームの照射パターン１２は左側に偏る。したがって、（ａ＋ｃ）−（ｂ＋ｄ）を演算するとプラスの値が出るので、この値がゼロになるように上記機器の傾きを修正ないしは制御する。

傾斜検出器１０が組み込まれた機器が、傾斜検出器１０とともに例えば右側に傾いたときは、図３（ｃ）に示すように、レンズ６１の光軸位置が光検出器１１の右側に移動し、レンズ９１を透過して光検出器１１の受光面に照射される光ビームの照射パターン１２が右側に偏る。したがって、（ａ＋ｃ）−（ｂ＋ｄ）を演算するとマイナスの値が出るので、この値がゼロになるように上記機器の傾きを修正ないしは制御する。

上記の説明では、傾斜検出器１０が左右方向に傾いた場合を例に挙げて説明したが、傾斜検出器１０が前後方向に傾いた場合も同様の原理によって、傾斜検出器１０の傾きを修正ないしは制御することができる。この場合は、４分割された受光面の出力から、（ａ＋ｂ）−（ｃ＋ｄ）を演算し、その結果がゼロになるように傾斜検出器１０の傾きを修正ないしは制御する。

次に、本発明に係る傾斜検出器の別の実施例について説明する。図４は、本発明に係る傾斜検出器の別の実施例の内部構造を示す縦断面図である。図４において傾斜検出器１０ａは、ベース１と、ケーシング２と、傾斜調整ホルダ３と、光源ユニット４０と、を有している。また、ケーシング２の内部には、レンズホルダ６０が所定の位置で固定されている。

レンズホルダ６０は、ケーシング２の内側面に固定され、シャーレ形状を伏せた外観を有する透明ケース６０ａと、透明ケース６０ａの開口部を塞ぐように固定されて底面を形成する凹レンズ６０ｂを有してなる。透明ケース６０ａは、アクリル素材、あるいは、ガラス素材などの光を透過し、かつ、薄くても強度を保つことができる素材で形成されている。この透明ケース６０ａと凹レンズ６０ｂによって形成される内部空間にレンズ６１が設置されている。レンズ６１は球体レンズであって、傾斜検出器１０ａが傾くと、傾き方向と反対方向に凹レンズ６０ｂの凹面を転がるようになっており、傾斜検出器１０ａが水平状態のとき、光源ユニット４０から出射される光ビームの中心がレンズ６１および凹レンズ６０ｂの中心を通るように調整されている。
また、透明ケース６０ａの上面部は、球体レンズ６１が転がりすぎて脱落しないように移動範囲を制限する機能も有する。

光源ユニット４０は、半導体レーザーからなる光源４２が光ビームの出射方向を下に向け、光源ホルダ４５を介して傾斜調整ホルダ３に固定されている。光源４２は前述の実施例にかかる傾斜検出器１０が備える光源４２と同様に回路パターンを構成する回路基盤が光源ホルダ４５に固定されている。光源ホルダ４５は、光源４２を固定する円筒部４５ａと、絞り４５ｂを有している。絞り４５ｂは、光源４２からレンズ６１に至る光ビームの拡散を規制するために設けられている。

上記構成を有する傾斜検出器１０ａが傾いた方向と相対的に反対の方向に、レンズ６１が凹レンズ６０ｂ上を移動するので、光検出器１１上に形成される光ビームのスポットは、光検出器１１の中心から相対的にずれ、先に説明した信号処理によって、傾きを検出することができる。

以上説明した図４に示す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配置されるレンズをケーシングから吊り下げる必要もないから、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。

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。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。

本発明に係る傾斜検出器の実施例を示す縦断面図である。 上記傾斜検出器が、左に傾いた状態の例を示す縦断面図である。 上記実施例を示すもので、（ａ）は傾きがないときの光検出器および受光位置の例を示す図、（ｂ）上記実施例が一方向に傾いたときの光検出器および受光位置の例を示す図、（ｃ）は、上記実施例が反対方向に傾いたときの光検出器および受光位置の例を示す図である。 本発明に係る傾斜検出器の別の実施例を示す縦断面図である。

符号の説明

１０ 傾斜検出器
１１ 光検出器
４ 光源ユニット
４１ 光源ホルダ
４２ 光源
４５ｂ 絞り
５ 吊り下げ部材
６ 第一のレンズホルダ
６１ 第一レンズ
７ 銅板
８ 磁石
９ 第二のレンズホルダ
９１ 第二レンズ

Claims (9)

1. ケーシングと、
   上記ケーシングに固定された光源と、
   上記ケーシングから吊り下げされて一定の姿勢を保つ第一のレンズと、
   上記ケーシングに固定された第二のレンズと、
   上記光源からの光ビームが上記第一のレンズを通し、第一のレンズを通った上記光ビームが上記第二のレンズを通して照射される光検出器と、を備え、
   上記第一のレンズは、複数のワイヤによってケーシングに吊り下げられた第一レンズホルダによって保持されており、
   上記第二のレンズは、上記ケーシング内部に固着された第二レンズホルダによって保持されており、
   上記光検出器は、上記ケーシングの傾きに対応した光ビームの照射位置に応じた信号を出力することを特徴とする傾斜検出器。
2. 上記第一レンズホルダと上記第二レンズホルダの間の上記ケーシング内部に、磁石が固着されており、
   上記第一レンズホルダは、底面に銅板が固着されており、上記磁石によって当該第一レンズホルダに制動がかかることを特徴とする請求項１記載の傾斜検出器。
3. 上記第一のレンズは、球体レンズであることを特徴とする請求項１または２に記載の傾斜検出器。
4. 上記第二のレンズは、凹レンズであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の傾斜検出器。
5. ケーシングと、
   上記ケーシングに固定された光源と、
   上記ケーシング内部を移動可能に設けられ上記光源から出射された光を透過させ所定の焦点距離において光スポットを形成する球体レンズと、
   上記ケーシングの内部に固定され上記球体レンズを保持するレンズホルダと、
   光源からの光ビームが上記球体レンズを通して照射される光検出器と、を備え、
   上記光検出器は、上記ケーシングの傾きに対応した光ビームの照射位置に応じた信号を出力することを特徴とする傾斜検出器。
6. 上記レンズホルダは内部に上記球体レンズが転がり可能に設置される空間を有し、底面は凹レンズであって、側面と上面を覆う透明ケースからなることを特徴とする請求項５に記載の傾斜検出器。
7. 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ないし６のいずれかに記載の傾斜検出器。
8. 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ケーシングの傾きを検出する請求項１ないし７のいずれかに記載の傾斜検出器。
9. 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８のいずれかに記載の傾斜検出器のケーシングが取り付けられているレーザー墨出し器。

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