JP3629301B2 - レーザーマーキング用スキャニング装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、トンネル掘削工事で、掘削するトンネルの断面形状や発破装填用の穿孔位置などのトンネル施工情報をレーザー光線で切羽面に照射表示するレーザーマーキング用スキャニング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
山岳トンネルの工事現場では、掘削されたトンネル断面の形状や方向などが、設計図面と一致しているかどうかを確認したり、あるいは、その後に掘削すべき方向，範囲を指示するためや発破装填用の穿孔位置を指示するために、切羽面にトンネルの断面形状や発破装填用の穿孔パターンなどのトンネル施工情報をレーザー光線で照射表示することが行なわれている。
【０００３】
このようなレーザーマーキング装置は、例えば、特開平２−２１０２１３号公報にその一例が開示されている。この公報に開示されているレーザーマーキング装置は、切羽面にトンネル断面形状や穿孔位置を照射するレーザー自動発射手段と、光波距離計と測角儀とを備えている。これらの各部材が設けられた装置本体は、切羽の前方の既知座標点に設置される。
【０００４】
また、装置本体と切羽面との間の２箇所の既知座標点に基準点が設けられ、各基準点には、それぞれ反射ターゲットが設置される。装置本体には、制御装置が接続されていて、この制御装置は、トンネルの路線線形データ，断面線形データ，発破装填穿孔パターンデータなどのトンネル設計データを記憶する記憶手段と、測定点の条件を入力する入力手段とを有している。
【０００５】
切羽面にトンネルの断面形状を照射表示する際には、まず、装置本体に設けられている光波距離計で基準点の反射ターゲットを視準して、装置本体と反射ターゲットとの間の距離と方向とを測定し、装置本体の設置されている座標値を確認して、次に、切羽面に設置される測点ターゲットを視準して、装置本体と切羽面との間の距離を求める。この距離が求められると、装置本体の設置されている位置の座標が既知なので、現在の切羽面の位置が求められる。
【０００６】
現在の切羽面の位置が特定されると、記憶手段に記憶されているトンネルの路線線形データと断面線形データとから、この切羽面に対する設計上のトンネル断面形状が特定され、特定された設計上のトンネル断面形状や穿孔位置などがレーザー自動発射手段により切羽面に照射表示される。
レーザー自動発射手段は、回転自在に支持された反射鏡が設けられ、２軸方向にレーザー光線を走査させる一対のガルバノメータで構成されたスキャニング走査部を有していて、このガルバノメータの反射鏡を回転させることで、レーザー光線を所望の方向に走査させる。
【０００７】
ところが、このような構成のレーザーマーキング装置の、特に、スキャニング走査部には、以下に説明する技術的な課題があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
すなわち、上述したようなレーザーマーキング装置では、レーザ光線で穿孔位置などの照射表示を行なう際には、目の残像効果を利用して行なうため、スキャニング走査部に、高い位置決め精度と高速動作とが要求されていた。ところが、ガルバノメータで構成したスキャニング走査部は、ガルバノメータがいわゆる電流計であって、この電流計に供給する電流で重量が重い反射鏡を回転させるので、停止時のオーバーシュートや、立ち上がり時の時間遅れが大きく、高い位置決め精度が得られないという問題があった。
【０００９】
また、切羽面に対するレーザー光線の走査を一対のガルバノメータでカバーしようとすると、反射鏡の回転角度が大きくなり、広い振り角度で反射鏡を高速動作をさせると、反射鏡の慣性力が大きくなって、一層位置決め精度の制御が難しくなるという問題があった。
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、高速動作が高い位置決め精度の下に行なえるレーザーマーキング用スキャニング装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、装置本体と反射ターゲットと制御装置とを備えて、掘削するトンネルの断面形状や発破装填用の穿孔位置などのトンネル施工情報をレーザー光線で切羽面に照射表示するレーザーマーキングシステムにおける、前記装置本体に内蔵されたレーザーマーキング用のスキャニング装置において、前記切羽面を複数のエリアに分割するとともに、前記スキャニング装置に、前記エリア内で前記レーザー光線を２軸方向に走査させる分割数に対応した複数のスキャニング走査部を設け、かつ、この複数のスキャニング走査部の走査範囲を前記エリアの隣接部分で相互にオーバラップするようにしたことを特徴とする。
前記スキャニング走査部は、前記レーザー光線の透過を遮断するシャッターと、このシャッターの後方に設置され、反射鏡の回転により前記レーザー光線をＸ軸またはＹ軸方向に走査させる一対のガルバノメータとで構成することができる。
また、前記スキャニング走査部は、前記レーザー光線の透過を遮断するシャッターと、このシャッターの後方に設置され、超音波の印加により前記レーザー光線をＸ軸またはＹ軸方向に走査させる一対の音響光学素子とで構成することができる。
【００１１】
【作用】
上記構成のレーザーマーキング用スキャニング装置によれば、切羽面を複数のエリアに分割するとともに、スキャニング装置に、エリア内でレーザー光線を２軸方向に走査させる分割数に対応した複数のスキャニング走査部を設け、かつ、この複数のスキャニング走査部の走査範囲をエリアの隣接部分で相互にオーバラップするようにしたので、各スキャニング走査部の走査範囲が分割数に対応して小さくなり、この結果、各エリアにおいて必要とされるレーザー光線の最大振り角度が小さくなり、例えば、スキャニング走査部にガルバノメータを採用した場合には、反射鏡を小形，軽量化することができる。
また、各エリアにおいて必要とされるレーザー光線の最大振り角度が小さくなるので、例えば、レーザー光線の振り角度が小さい音響光学素子を採用することもでき、スキャニング走査部に音響光学素子を採用すると、反射鏡の回転によりレーザー光線を振る機械式のガルバノメータよりも遙に高速で走査することができる。
【００１２】
【実施例】
以下本発明の好適な実施例について添附図面を参照して詳細に説明する。図１から図７は、本発明にかかるレーザーマーキング用スキャニング装置の一実施例を示している。図１は、本発明にかかるスキャニング装置を使用したレーザーマーキングシステムの全体配置を示しており、レーザーマーキングシステムは、装置本体１０と、切羽面１２と装置本体１０との間に設置される２個の反射ターゲット１４と、制御装置１６とを備えている。
【００１３】
装置本体１０は、例えば、掘削されるトンネル１８の入口地点を原点とした直交座標系上の既知座標点（ｘ１，ｙ１，ｚ１ ）に設置される。２個の反射ターゲット１４の内、一方は、切羽面１２の直前に設置して、切羽面１２の現在位置を測定するためのものであり、他方は既知座標点（ｘ２，ｙ２，ｚ２ ）に設置される基準用のものである。
【００１４】
装置本体１０は、図２に示すように、整準台１０ａと、回転軸部１０ｂと、ヨーク部１０ｃと、ケース１０ｄとから構成されている。ケース１０ｄには、赤外光出射口１０ｅと、レーザー光出射口１０ｆが４つ設けられている。なお、このレーザー光出射口１０ｆは、レーザーマーキング部からの４本のレーザー光が出射できれば１つの円形窓状の孔として構成してもよい。また、ケース１０ｄの上部には、照射方向に対して気泡管１０ｇが配設され、この気泡管１０ｇを見ながら鉛直微動つまみ１０ｈを回すことで、ケース１０ｄに内蔵されている光波距離計（図示省略）の光軸を水平にすることができる。
【００１５】
さらに、整準台１０ａには、円形気泡管１０ｉが配設され、この円形気泡管１０ｉを見ながら整準ねじ１０ｊを回すことにより、装置本体１０の回転軸部１０ｂを鉛直にすることができる。光波距離計には、測距用の光軸と同軸となるよう視準光学系が設けられている。符号１０ｍは、視準光学系の接眼レンズ部である。さらに、ケース１０ｄには、図３にその光路を示すようにスキャニング装置２０が内蔵されている。
【００１６】
同図に示すスキャニング装置２０は、所定波長のレーザー光線Ｌを発射するレーザーチューブ２２と、コリメータ２４と、第１〜第４スキャニング走査部２６，２８，３０，３２とから概略構成されている。レーザーチューブ２２から発射されたレーザー光線Ｌは、２個の三角プリズム３４により１８０°回転させてコリメータ２４に入射する。
【００１７】
コリメータ２４の水平方向に延びる光軸中心上には、第１ハーフミラー３６と三角プリズム３８とが間隔をおいて設けられ、コリメータ２４から出射したレーザー光線Ｌが第１ハーフミラー３６で２方向に分光され、第１ハーフミラー３６で反射した一方のレーザー光線Ｌ１ と、第１ハーフミラー３６を透過して三角プリズム３８で反射したレーザー光線Ｌ２ とが略平行になるように構成されている。
【００１８】
また、第１ハーフミラー３６の鉛直方向の光軸上には、第２ハーフミラー４０と三角プリズム４２とが設けられていて、第２ハーフミラー４０で反射したレーザー光線Ｌ１ と、第２ハーフミラー４０を透過して三角プリズム４２で反射したレーザー光線Ｌ３ とが略平行になるように構成されている。
さらに、三角プリズム３８の鉛直方向の光軸上には、第３ハーフミラー４４と三角プリズム４６とが設けられていて、第３ハーフミラー４４で反射したレーザー光線Ｌ２ と、第３ハーフミラー４４を透過して三角プリズム４６で反射したレーザー光線Ｌ４ とが略平行になるように構成されている。
【００１９】
第１〜第４スキャニング走査部２６，２８，３０，３２は、上述したハーフミラーなどの光学系により４つに分けられたレーザー光線Ｌ１ 〜Ｌ４ をそれぞれ２軸（Ｘ，Ｙ軸）方向に走査させるものであって、各レーザー光線Ｌ１ 〜Ｌ４ の発射方向に沿って配置されている。
第１〜第４スキャニング走査部２６，２８，３０，３２は、この実施例では、同一構成のものが用いられており、シャツター２６ａ，２８ａ，３０ａ，３２ａと、各シャッター２６ａ，２８ａ，３０ａ，３２ａの後方に設置されたＸ軸ガルバノメータ２６ｂ，２８ｂ，３０ｂ，３２ｂおよびＹ軸ガルバノメータ２６ｃ，２８ｃ，３０ｃ，３２ｃとから構成されている。
【００２０】
各シャッター２６ａ，２８ａ，３０ａ，３２ａは、本実施例では、同一構造の液晶式シャッターが採用されており、所定の電圧を印加することにより、その透光率が変化し、各レーザー光線Ｌ１ 〜Ｌ４ の透過ないしは不透過が制御される。なお、シャッター２６ａ，２８ａ，３０ａ，３２ａは、レーザー光線Ｌ１ 〜Ｌ４ の高速走査には、上述した液晶式のものが望ましいが、必ずしもこの方式に限ることはなく、例えば、機械式のシャッターであってもよい。
【００２１】
Ｘ軸およびＹ軸ガルバノメータ２６ｂ〜３２ｂ，２６ｃ〜３２ｃは、この実施例では、同一構造のものが用いられており、図４に第１スキャニング走査部２６のＸ軸ガルバノメータ２６ｂの詳細を示している。同図に示すガルバノメータ２６ｂは、回転駆動部２６１ｂと、反射鏡２６２ｂとを有している。
回転駆動部２６１ｂは、永久磁石で構成されたステータ２６３ｂと、ステータ２６３ｂの中心に回転可能に設けられ、２６３ｂの磁力線と鎖交するように設置された界磁コイル２６４ｂを有するロータ２６５ｂとから構成されている。
【００２２】
反射鏡２６２ｂは、ロータ２６５ｂの中心に延設されたロッド２６６ｂに固設されている。このように構成されたガルバノメータ２６ｂでは、回転駆動部２６１ｂの界磁コイル２６４ｂに通電することにより、その通電電流の大きさに比例して、ロータ２６５ｂが回転して、反射鏡２６２ｂの反射角度が異なるようになっている。
【００２３】
すなわち、ガルバノメータ２６ｂは、いわゆる直流電流計と同一構造のものであって、電流計の指針部に反射鏡２６２ｂが固設されていて、励磁コイル２６４ｂへの通電電流の大きさで、反射鏡２６２ｂの回転角度が判るようになっている。
以上のように構成されたスキャニング装置２０の４個のスキャニング走査部２６，２８，３０，３２は、各スキャニング走査部２６，２８，３０，３２の走査エリアが図５に示すように設定されている。
【００２４】
同図に示した例では、略半円状の切羽面１２を中心から縦横に４分割し、第１〜第４象限のエリア▲１▼〜▲４▼に分け、第１象限のエリア▲１▼内で第１スキャニング走査部２６を走査させ、同第２象限のエリア▲２▼内で第２スキャニング走査部２８を、また、第３象限のエリア▲３▼内で第３スキャニング走査部３０を、さらに、第４象限のエリア▲４▼内で第４スキャニング走査部３２をそれぞれ走査させる。
【００２５】
また、各エリア▲１▼〜▲４▼が相互に隣接する部分（図５にハッチング部分で示している）、例えば、エリア▲１▼と同エリア▲２▼とが隣接する第１および第２象限の境界部分では、第１および第２スキャニング走査部２６，２８のどちらでも走査できるように、オーバーラップさせている。
制御装置１６は、いわゆるパーソナルコンピュータを主体に構成されていて、この制御装置１６には、トンネルの路線線形データ，断面線形データ，発破装填穿孔パターンデータなどのトンネル設計データや、制御手順が予め格納記憶される記憶手段と、表示器と、キーボードなどが設けられている。
【００２６】
切羽面１２にレーザーマーキングを行なう際には、まず、光波距離計を用いて基準用反射ターゲットを測距して、装置本体１０の位置の座標値を確認する。このときの測距方法は、レーザー光線Ｌ１ 〜Ｌ４ が全て平行になるように、かつ、光波距離計の光軸とも平行になるように照射する。この状態は、予め制御装置１６内の記憶手段に測距パターンとして記憶させておくことができる。
【００２７】
反射ターゲットは、反射プリズムとターゲット板とで構成されており、ターゲット板には、４つのポイントが印されている。この反射プリズムと４つのポイントとの位置関係は、装置本体１０の４つのレーザー光の照射口と光波距離計の光軸中心との位置関係に対応している。従って、ターゲット板の４つのポイントに４つのレーザ光のスポットが一致するように装置本体１０の水平，垂直微動ねじを動かして、装置本体１０の位置合わせを行なえば、反射ターゲットと光波距離計との正対がとれたことになり、測距が可能になる。
【００２８】
なお、この方法を用いずに視準光学系１０ｍを利用して反射ターゲットを視準する方法であっても構わない。同様にして、切羽面１２の直前に設けられた反射ターゲット１４を測距して現在の切羽面１２の位置座標値を求める。
現在の切羽面１２の座標値が求まると、記憶手段に格納されているトンネルの路線線形データ，断面線形データ，発破装填穿孔パターンデータから、現在位置におけるトンネルの設計断面形状や発破装填穿孔パターンが演算される。
【００２９】
この演算が終了すると、スキャニング装置２０の第１〜第４スキャニング走査部２６，２８，３０，３２のガルバノメータ２６ｂ〜３２ｂ，２６ｃ〜３２ｃを駆動して、トンネルの設計断面形状や発破装填穿孔パターンがレーザー光線Ｌ１ 〜Ｌ４ の照射により表示される。
このとき、本実施例の第１〜第４スキャニング走査部２６，２８，３０，３２では、例えば、第１象限のエリア▲１▼内でレーザー光線Ｌ１ を走査させる際には、第２〜第４スキャニング走査部２８，３０，３２の各シャッター２８ａ，３０ａ，３２ａが駆動され、レーザー光線Ｌ２ 〜Ｌ４ の照射が遮断される。
【００３０】
また、各象限の境界でエリア▲１▼〜▲４▼が隣接した部分に設定されたオーバーラップ部分の照射では、いずれか一方のスキャニング走査部２６，２８，３０，３２を優先させるようにしておく。
さて、以上のように構成されたレーザーマーキング用スキャニング装置２０によると、切羽面１２を複数のエリア▲１▼〜▲４▼に分割するとともに、スキャニング装置２０に、エリア▲１▼〜▲４▼内でレーザー光線Ｌ１ 〜Ｌ４ を２軸方向に走査させる分割数に対応した複数のスキャニング走査部２６，２８，３０，３２を設け、かつ、この複数のスキャニング走査部２６，２８，３０，３２の走査範囲をエリア▲１▼〜▲４▼の隣接部分で相互にオーバラップするようにしたので、各スキャニング走査部２６，２８，３０，３２の走査範囲が分割数に対応して小さくなる。
【００３１】
このため、各エリア▲１▼〜▲４▼において必要とされるレーザー光線Ｌ１ 〜Ｌ４ の最大振り角度が小さくなり、スキャニング走査部２６，２８，３０，３２のガルバノメータ２６ｂ〜３２ｂ，２６ｃ〜３２ｃは、反射鏡２６２ｂを小形，軽量化することができる。
ガルバノメータ２６ｂ〜３２ｂ，２６ｃ〜３２ｃの反射鏡２６２ｂが小形，軽量化されると、反射鏡２６２ｂの停止時のオーバーシュートや、始動時の時間遅れが非常に少なくなり、反射鏡２６２ｂの位置決め精度が向上するとともに、反射鏡２６２ｂを高速回転させても、その慣性力が余り大きくならないので、正確に位置決めをすることができる。
【００３２】
また、このようにして高速移動と高精度の位置決めが可能になると、残像として正確に照射位置が確認できるとともに、例えば、穿孔位置の数などを文字で照射表示することもできる。さらに、上記実施例のスキャニング装置２０では、１つのレーザーチューブ２２から発射したレーザー光線Ｌを分光して、各スキャニング走査部２６，２８，３０，３２に配分するので、スキャニング装置２０の大型化も避けられる。
【００３３】
また、従来のように切羽面１２の全面を１つのスキャニング走査部でカバーする場合には、１つのポイントを余り長くレーザー光線で照射することが困難なので、残像の明度が不足がちになっていたが、本実施例の場合には、切羽面１２を４分割し、各分割されたエリア▲１▼〜▲４▼にそれぞれ対応してスキャニング走査部２６，２８，３０，３２を配置しているので、従来の場合よりも１つのポイントを比較的長くレーザー光線で照射することができ、残像の明度も向上する。
【００３４】
図６は、本発明にかかるレーザーマーキング用スキャニング装置２０’の第２実施例を示しており、以下にその特徴点についてのみ説明する。同図に示したスキャニング装置２０’は、上記実施例と同様に、ハーフミラーと三角プリズムとで分光されたレーザー光線Ｌ１ 〜Ｌ４ に対して、これらをエリア▲１▼〜▲４▼でそれぞれ走査させる４個のスキャニング走査部２６’，２８’，３０’，３２’を有している。
【００３５】
各スキャニング走査部２６’，２８’，３０’，３２’は、同一構成のものが用いられており、液晶式のシャツター２６ａ’，２８ａ’，３０ａ’，３２ａ’と、各シャッター２６ａ’，２８ａ’，３０ａ’，３２ａ’の後方に設置されたＸ軸音響光学素子２６ｂ’，２８ｂ’，３０ｂ’，３２ｂ’およびＹ軸音響光学素子２６ｃ’，２８ｃ’，３０ｃ’，３２ｃ’とから構成されている。
【００３６】
音響光学素子２６ａ’，２８ａ’，３０ａ’，３２ａ’，２６ｃ’，２８ｃ’，３０ｃ’，３２ｃ’は、物質中を超音波が伝播すると、光弾性効果によって物質の屈折率が変化することを利用するものであって、例えば、二酸化テルルやモリブデン酸鉛の単結晶に所定の周波数ｆの超音波を加えることにより、超音波の印加方向およびその大きさを制御することにより、結晶中を伝播するレーザー光線Ｌ１ 〜Ｌ４ を２ 軸方向に振らせることができる。
【００３７】
このように構成されたスキャニング装置２０’によっても上記第１実施例と同等の作用効果が得られるとともに、この実施例の場合には、各エリア▲１▼〜▲４▼において必要とされるレーザー光線Ｌ１ 〜Ｌ４ の最大振り角度が小さくなるので、レーザー光線Ｌ１ 〜Ｌ４ の振り角度が小さい音響光学素子２６ａ’，２８ａ’，３０ａ’，３２ａ’，２６ｃ’，２８ｃ’，３０ｃ’，３２ｃ’を採用しても十分にマーキング表示することができる。
【００３８】
しかも、スキャニング走査部２６’，２８’，３０’，３２’に音響光学素子２６ａ’，２８ａ’，３０ａ’，３２ａ’，２６ｃ’，２８ｃ’，３０ｃ’，３２ｃ’を採用すると、反射鏡の回転によりレーザー光線を振る機械式のガルバノメータよりも遙に高速で走査することができ、位置決め精度がより一層向上する。
【００３９】
図７は、本発明にかかるスキャニング装置における切羽面１２を分割する際の他の態様を示しており、同図では、略半円状の切羽面１２は、その中心から等角度間隔に放射状に４分割された４つのエリアに分けられていて、各エリアか隣接する部分にオーバーラップ部が設けられている。
このように分割した場合には、例えば、図２に示した４個のスキャニング走査部２６，２８，３０，３２をコリメータ２４から出射するレーザー光線Ｌに沿って並列配置すればよい。
なお、上記実施例では、切羽面１２を４分割した場合を例示したが、本発明の実施はこれに限定されることはなく、例えば、２以上の分割数に適用することができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上、実施例で詳細に説明したように、本発明にかかるレーザーマーキング用スキャニング装置によれば、切羽面を複数に分割し、この分割数に対応して複数のスキャニング走査部を設けたので、高速動作が高い位置決め精度の下に行なえる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるレーザーマーキング用スキャニング装置の使用状態での全体構成図である。
【図２】同装置の装置本体の正面図と側面図である。
【図３】同スキャニング装置の光学系の斜視図である。
【図４】図スキャニング装置のガルバノメータの説明図である。
【図５】同スキャニング装置のスキャニング走査部の走査範囲の説明図である。
【図６】本発明にかかるレーザーマーキング用スキャニング装置の他の実施例を示す斜視図である。
【図７】本発明にかかるスキャニング装置のスキャニング走査部の走査範囲の他の例を示す説明図である。
【符号の説明】
１０ 装置本体
１２ 切羽面
１４ 反射ターゲット
１６ 制御装置
２０ スキャニング装置
２２ レーザーチューブ
２４ コリメータ
２６ 第１スキャニング走査部
２６ａ シャッター
２６ｂ Ｘ軸ガルバノメータ
２６ｃ Ｙ軸ガルバノメータ
２８ 第２スキャニング走査部
２８ａ シャッター
２８ｂ Ｘ軸ガルバノメータ
２８ｃ Ｙ軸ガルバノメータ
３０ 第３スキャニング走査部
３０ａ シャッター
３０ｂ Ｘ軸ガルバノメータ
３０ｃ Ｙ軸ガルバノメータ
３２ 第４スキャニング走査部
３２ａ シャッター
３２ｂ Ｘ軸ガルバノメータ
３２ｃ Ｙ軸ガルバノメータ
【産業上の利用分野】
この発明は、トンネル掘削工事で、掘削するトンネルの断面形状や発破装填用の穿孔位置などのトンネル施工情報をレーザー光線で切羽面に照射表示するレーザーマーキング用スキャニング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
山岳トンネルの工事現場では、掘削されたトンネル断面の形状や方向などが、設計図面と一致しているかどうかを確認したり、あるいは、その後に掘削すべき方向，範囲を指示するためや発破装填用の穿孔位置を指示するために、切羽面にトンネルの断面形状や発破装填用の穿孔パターンなどのトンネル施工情報をレーザー光線で照射表示することが行なわれている。
【０００３】
このようなレーザーマーキング装置は、例えば、特開平２−２１０２１３号公報にその一例が開示されている。この公報に開示されているレーザーマーキング装置は、切羽面にトンネル断面形状や穿孔位置を照射するレーザー自動発射手段と、光波距離計と測角儀とを備えている。これらの各部材が設けられた装置本体は、切羽の前方の既知座標点に設置される。
【０００４】
また、装置本体と切羽面との間の２箇所の既知座標点に基準点が設けられ、各基準点には、それぞれ反射ターゲットが設置される。装置本体には、制御装置が接続されていて、この制御装置は、トンネルの路線線形データ，断面線形データ，発破装填穿孔パターンデータなどのトンネル設計データを記憶する記憶手段と、測定点の条件を入力する入力手段とを有している。
【０００５】
切羽面にトンネルの断面形状を照射表示する際には、まず、装置本体に設けられている光波距離計で基準点の反射ターゲットを視準して、装置本体と反射ターゲットとの間の距離と方向とを測定し、装置本体の設置されている座標値を確認して、次に、切羽面に設置される測点ターゲットを視準して、装置本体と切羽面との間の距離を求める。この距離が求められると、装置本体の設置されている位置の座標が既知なので、現在の切羽面の位置が求められる。
【０００６】
現在の切羽面の位置が特定されると、記憶手段に記憶されているトンネルの路線線形データと断面線形データとから、この切羽面に対する設計上のトンネル断面形状が特定され、特定された設計上のトンネル断面形状や穿孔位置などがレーザー自動発射手段により切羽面に照射表示される。
レーザー自動発射手段は、回転自在に支持された反射鏡が設けられ、２軸方向にレーザー光線を走査させる一対のガルバノメータで構成されたスキャニング走査部を有していて、このガルバノメータの反射鏡を回転させることで、レーザー光線を所望の方向に走査させる。
【０００７】
ところが、このような構成のレーザーマーキング装置の、特に、スキャニング走査部には、以下に説明する技術的な課題があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
すなわち、上述したようなレーザーマーキング装置では、レーザ光線で穿孔位置などの照射表示を行なう際には、目の残像効果を利用して行なうため、スキャニング走査部に、高い位置決め精度と高速動作とが要求されていた。ところが、ガルバノメータで構成したスキャニング走査部は、ガルバノメータがいわゆる電流計であって、この電流計に供給する電流で重量が重い反射鏡を回転させるので、停止時のオーバーシュートや、立ち上がり時の時間遅れが大きく、高い位置決め精度が得られないという問題があった。
【０００９】
また、切羽面に対するレーザー光線の走査を一対のガルバノメータでカバーしようとすると、反射鏡の回転角度が大きくなり、広い振り角度で反射鏡を高速動作をさせると、反射鏡の慣性力が大きくなって、一層位置決め精度の制御が難しくなるという問題があった。
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、高速動作が高い位置決め精度の下に行なえるレーザーマーキング用スキャニング装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、装置本体と反射ターゲットと制御装置とを備えて、掘削するトンネルの断面形状や発破装填用の穿孔位置などのトンネル施工情報をレーザー光線で切羽面に照射表示するレーザーマーキングシステムにおける、前記装置本体に内蔵されたレーザーマーキング用のスキャニング装置において、前記切羽面を複数のエリアに分割するとともに、前記スキャニング装置に、前記エリア内で前記レーザー光線を２軸方向に走査させる分割数に対応した複数のスキャニング走査部を設け、かつ、この複数のスキャニング走査部の走査範囲を前記エリアの隣接部分で相互にオーバラップするようにしたことを特徴とする。
前記スキャニング走査部は、前記レーザー光線の透過を遮断するシャッターと、このシャッターの後方に設置され、反射鏡の回転により前記レーザー光線をＸ軸またはＹ軸方向に走査させる一対のガルバノメータとで構成することができる。
また、前記スキャニング走査部は、前記レーザー光線の透過を遮断するシャッターと、このシャッターの後方に設置され、超音波の印加により前記レーザー光線をＸ軸またはＹ軸方向に走査させる一対の音響光学素子とで構成することができる。
【００１１】
【作用】
上記構成のレーザーマーキング用スキャニング装置によれば、切羽面を複数のエリアに分割するとともに、スキャニング装置に、エリア内でレーザー光線を２軸方向に走査させる分割数に対応した複数のスキャニング走査部を設け、かつ、この複数のスキャニング走査部の走査範囲をエリアの隣接部分で相互にオーバラップするようにしたので、各スキャニング走査部の走査範囲が分割数に対応して小さくなり、この結果、各エリアにおいて必要とされるレーザー光線の最大振り角度が小さくなり、例えば、スキャニング走査部にガルバノメータを採用した場合には、反射鏡を小形，軽量化することができる。
また、各エリアにおいて必要とされるレーザー光線の最大振り角度が小さくなるので、例えば、レーザー光線の振り角度が小さい音響光学素子を採用することもでき、スキャニング走査部に音響光学素子を採用すると、反射鏡の回転によりレーザー光線を振る機械式のガルバノメータよりも遙に高速で走査することができる。
【００１２】
【実施例】
以下本発明の好適な実施例について添附図面を参照して詳細に説明する。図１から図７は、本発明にかかるレーザーマーキング用スキャニング装置の一実施例を示している。図１は、本発明にかかるスキャニング装置を使用したレーザーマーキングシステムの全体配置を示しており、レーザーマーキングシステムは、装置本体１０と、切羽面１２と装置本体１０との間に設置される２個の反射ターゲット１４と、制御装置１６とを備えている。
【００１３】
装置本体１０は、例えば、掘削されるトンネル１８の入口地点を原点とした直交座標系上の既知座標点（ｘ１，ｙ１，ｚ１ ）に設置される。２個の反射ターゲット１４の内、一方は、切羽面１２の直前に設置して、切羽面１２の現在位置を測定するためのものであり、他方は既知座標点（ｘ２，ｙ２，ｚ２ ）に設置される基準用のものである。
【００１４】
装置本体１０は、図２に示すように、整準台１０ａと、回転軸部１０ｂと、ヨーク部１０ｃと、ケース１０ｄとから構成されている。ケース１０ｄには、赤外光出射口１０ｅと、レーザー光出射口１０ｆが４つ設けられている。なお、このレーザー光出射口１０ｆは、レーザーマーキング部からの４本のレーザー光が出射できれば１つの円形窓状の孔として構成してもよい。また、ケース１０ｄの上部には、照射方向に対して気泡管１０ｇが配設され、この気泡管１０ｇを見ながら鉛直微動つまみ１０ｈを回すことで、ケース１０ｄに内蔵されている光波距離計（図示省略）の光軸を水平にすることができる。
【００１５】
さらに、整準台１０ａには、円形気泡管１０ｉが配設され、この円形気泡管１０ｉを見ながら整準ねじ１０ｊを回すことにより、装置本体１０の回転軸部１０ｂを鉛直にすることができる。光波距離計には、測距用の光軸と同軸となるよう視準光学系が設けられている。符号１０ｍは、視準光学系の接眼レンズ部である。さらに、ケース１０ｄには、図３にその光路を示すようにスキャニング装置２０が内蔵されている。
【００１６】
同図に示すスキャニング装置２０は、所定波長のレーザー光線Ｌを発射するレーザーチューブ２２と、コリメータ２４と、第１〜第４スキャニング走査部２６，２８，３０，３２とから概略構成されている。レーザーチューブ２２から発射されたレーザー光線Ｌは、２個の三角プリズム３４により１８０°回転させてコリメータ２４に入射する。
【００１７】
コリメータ２４の水平方向に延びる光軸中心上には、第１ハーフミラー３６と三角プリズム３８とが間隔をおいて設けられ、コリメータ２４から出射したレーザー光線Ｌが第１ハーフミラー３６で２方向に分光され、第１ハーフミラー３６で反射した一方のレーザー光線Ｌ１ と、第１ハーフミラー３６を透過して三角プリズム３８で反射したレーザー光線Ｌ２ とが略平行になるように構成されている。
【００１８】
また、第１ハーフミラー３６の鉛直方向の光軸上には、第２ハーフミラー４０と三角プリズム４２とが設けられていて、第２ハーフミラー４０で反射したレーザー光線Ｌ１ と、第２ハーフミラー４０を透過して三角プリズム４２で反射したレーザー光線Ｌ３ とが略平行になるように構成されている。
さらに、三角プリズム３８の鉛直方向の光軸上には、第３ハーフミラー４４と三角プリズム４６とが設けられていて、第３ハーフミラー４４で反射したレーザー光線Ｌ２ と、第３ハーフミラー４４を透過して三角プリズム４６で反射したレーザー光線Ｌ４ とが略平行になるように構成されている。
【００１９】
第１〜第４スキャニング走査部２６，２８，３０，３２は、上述したハーフミラーなどの光学系により４つに分けられたレーザー光線Ｌ１ 〜Ｌ４ をそれぞれ２軸（Ｘ，Ｙ軸）方向に走査させるものであって、各レーザー光線Ｌ１ 〜Ｌ４ の発射方向に沿って配置されている。
第１〜第４スキャニング走査部２６，２８，３０，３２は、この実施例では、同一構成のものが用いられており、シャツター２６ａ，２８ａ，３０ａ，３２ａと、各シャッター２６ａ，２８ａ，３０ａ，３２ａの後方に設置されたＸ軸ガルバノメータ２６ｂ，２８ｂ，３０ｂ，３２ｂおよびＹ軸ガルバノメータ２６ｃ，２８ｃ，３０ｃ，３２ｃとから構成されている。
【００２０】
各シャッター２６ａ，２８ａ，３０ａ，３２ａは、本実施例では、同一構造の液晶式シャッターが採用されており、所定の電圧を印加することにより、その透光率が変化し、各レーザー光線Ｌ１ 〜Ｌ４ の透過ないしは不透過が制御される。なお、シャッター２６ａ，２８ａ，３０ａ，３２ａは、レーザー光線Ｌ１ 〜Ｌ４ の高速走査には、上述した液晶式のものが望ましいが、必ずしもこの方式に限ることはなく、例えば、機械式のシャッターであってもよい。
【００２１】
Ｘ軸およびＹ軸ガルバノメータ２６ｂ〜３２ｂ，２６ｃ〜３２ｃは、この実施例では、同一構造のものが用いられており、図４に第１スキャニング走査部２６のＸ軸ガルバノメータ２６ｂの詳細を示している。同図に示すガルバノメータ２６ｂは、回転駆動部２６１ｂと、反射鏡２６２ｂとを有している。
回転駆動部２６１ｂは、永久磁石で構成されたステータ２６３ｂと、ステータ２６３ｂの中心に回転可能に設けられ、２６３ｂの磁力線と鎖交するように設置された界磁コイル２６４ｂを有するロータ２６５ｂとから構成されている。
【００２２】
反射鏡２６２ｂは、ロータ２６５ｂの中心に延設されたロッド２６６ｂに固設されている。このように構成されたガルバノメータ２６ｂでは、回転駆動部２６１ｂの界磁コイル２６４ｂに通電することにより、その通電電流の大きさに比例して、ロータ２６５ｂが回転して、反射鏡２６２ｂの反射角度が異なるようになっている。
【００２３】
すなわち、ガルバノメータ２６ｂは、いわゆる直流電流計と同一構造のものであって、電流計の指針部に反射鏡２６２ｂが固設されていて、励磁コイル２６４ｂへの通電電流の大きさで、反射鏡２６２ｂの回転角度が判るようになっている。
以上のように構成されたスキャニング装置２０の４個のスキャニング走査部２６，２８，３０，３２は、各スキャニング走査部２６，２８，３０，３２の走査エリアが図５に示すように設定されている。
【００２４】
同図に示した例では、略半円状の切羽面１２を中心から縦横に４分割し、第１〜第４象限のエリア▲１▼〜▲４▼に分け、第１象限のエリア▲１▼内で第１スキャニング走査部２６を走査させ、同第２象限のエリア▲２▼内で第２スキャニング走査部２８を、また、第３象限のエリア▲３▼内で第３スキャニング走査部３０を、さらに、第４象限のエリア▲４▼内で第４スキャニング走査部３２をそれぞれ走査させる。
【００２５】
また、各エリア▲１▼〜▲４▼が相互に隣接する部分（図５にハッチング部分で示している）、例えば、エリア▲１▼と同エリア▲２▼とが隣接する第１および第２象限の境界部分では、第１および第２スキャニング走査部２６，２８のどちらでも走査できるように、オーバーラップさせている。
制御装置１６は、いわゆるパーソナルコンピュータを主体に構成されていて、この制御装置１６には、トンネルの路線線形データ，断面線形データ，発破装填穿孔パターンデータなどのトンネル設計データや、制御手順が予め格納記憶される記憶手段と、表示器と、キーボードなどが設けられている。
【００２６】
切羽面１２にレーザーマーキングを行なう際には、まず、光波距離計を用いて基準用反射ターゲットを測距して、装置本体１０の位置の座標値を確認する。このときの測距方法は、レーザー光線Ｌ１ 〜Ｌ４ が全て平行になるように、かつ、光波距離計の光軸とも平行になるように照射する。この状態は、予め制御装置１６内の記憶手段に測距パターンとして記憶させておくことができる。
【００２７】
反射ターゲットは、反射プリズムとターゲット板とで構成されており、ターゲット板には、４つのポイントが印されている。この反射プリズムと４つのポイントとの位置関係は、装置本体１０の４つのレーザー光の照射口と光波距離計の光軸中心との位置関係に対応している。従って、ターゲット板の４つのポイントに４つのレーザ光のスポットが一致するように装置本体１０の水平，垂直微動ねじを動かして、装置本体１０の位置合わせを行なえば、反射ターゲットと光波距離計との正対がとれたことになり、測距が可能になる。
【００２８】
なお、この方法を用いずに視準光学系１０ｍを利用して反射ターゲットを視準する方法であっても構わない。同様にして、切羽面１２の直前に設けられた反射ターゲット１４を測距して現在の切羽面１２の位置座標値を求める。
現在の切羽面１２の座標値が求まると、記憶手段に格納されているトンネルの路線線形データ，断面線形データ，発破装填穿孔パターンデータから、現在位置におけるトンネルの設計断面形状や発破装填穿孔パターンが演算される。
【００２９】
この演算が終了すると、スキャニング装置２０の第１〜第４スキャニング走査部２６，２８，３０，３２のガルバノメータ２６ｂ〜３２ｂ，２６ｃ〜３２ｃを駆動して、トンネルの設計断面形状や発破装填穿孔パターンがレーザー光線Ｌ１ 〜Ｌ４ の照射により表示される。
このとき、本実施例の第１〜第４スキャニング走査部２６，２８，３０，３２では、例えば、第１象限のエリア▲１▼内でレーザー光線Ｌ１ を走査させる際には、第２〜第４スキャニング走査部２８，３０，３２の各シャッター２８ａ，３０ａ，３２ａが駆動され、レーザー光線Ｌ２ 〜Ｌ４ の照射が遮断される。
【００３０】
また、各象限の境界でエリア▲１▼〜▲４▼が隣接した部分に設定されたオーバーラップ部分の照射では、いずれか一方のスキャニング走査部２６，２８，３０，３２を優先させるようにしておく。
さて、以上のように構成されたレーザーマーキング用スキャニング装置２０によると、切羽面１２を複数のエリア▲１▼〜▲４▼に分割するとともに、スキャニング装置２０に、エリア▲１▼〜▲４▼内でレーザー光線Ｌ１ 〜Ｌ４ を２軸方向に走査させる分割数に対応した複数のスキャニング走査部２６，２８，３０，３２を設け、かつ、この複数のスキャニング走査部２６，２８，３０，３２の走査範囲をエリア▲１▼〜▲４▼の隣接部分で相互にオーバラップするようにしたので、各スキャニング走査部２６，２８，３０，３２の走査範囲が分割数に対応して小さくなる。
【００３１】
このため、各エリア▲１▼〜▲４▼において必要とされるレーザー光線Ｌ１ 〜Ｌ４ の最大振り角度が小さくなり、スキャニング走査部２６，２８，３０，３２のガルバノメータ２６ｂ〜３２ｂ，２６ｃ〜３２ｃは、反射鏡２６２ｂを小形，軽量化することができる。
ガルバノメータ２６ｂ〜３２ｂ，２６ｃ〜３２ｃの反射鏡２６２ｂが小形，軽量化されると、反射鏡２６２ｂの停止時のオーバーシュートや、始動時の時間遅れが非常に少なくなり、反射鏡２６２ｂの位置決め精度が向上するとともに、反射鏡２６２ｂを高速回転させても、その慣性力が余り大きくならないので、正確に位置決めをすることができる。
【００３２】
また、このようにして高速移動と高精度の位置決めが可能になると、残像として正確に照射位置が確認できるとともに、例えば、穿孔位置の数などを文字で照射表示することもできる。さらに、上記実施例のスキャニング装置２０では、１つのレーザーチューブ２２から発射したレーザー光線Ｌを分光して、各スキャニング走査部２６，２８，３０，３２に配分するので、スキャニング装置２０の大型化も避けられる。
【００３３】
また、従来のように切羽面１２の全面を１つのスキャニング走査部でカバーする場合には、１つのポイントを余り長くレーザー光線で照射することが困難なので、残像の明度が不足がちになっていたが、本実施例の場合には、切羽面１２を４分割し、各分割されたエリア▲１▼〜▲４▼にそれぞれ対応してスキャニング走査部２６，２８，３０，３２を配置しているので、従来の場合よりも１つのポイントを比較的長くレーザー光線で照射することができ、残像の明度も向上する。
【００３４】
図６は、本発明にかかるレーザーマーキング用スキャニング装置２０’の第２実施例を示しており、以下にその特徴点についてのみ説明する。同図に示したスキャニング装置２０’は、上記実施例と同様に、ハーフミラーと三角プリズムとで分光されたレーザー光線Ｌ１ 〜Ｌ４ に対して、これらをエリア▲１▼〜▲４▼でそれぞれ走査させる４個のスキャニング走査部２６’，２８’，３０’，３２’を有している。
【００３５】
各スキャニング走査部２６’，２８’，３０’，３２’は、同一構成のものが用いられており、液晶式のシャツター２６ａ’，２８ａ’，３０ａ’，３２ａ’と、各シャッター２６ａ’，２８ａ’，３０ａ’，３２ａ’の後方に設置されたＸ軸音響光学素子２６ｂ’，２８ｂ’，３０ｂ’，３２ｂ’およびＹ軸音響光学素子２６ｃ’，２８ｃ’，３０ｃ’，３２ｃ’とから構成されている。
【００３６】
音響光学素子２６ａ’，２８ａ’，３０ａ’，３２ａ’，２６ｃ’，２８ｃ’，３０ｃ’，３２ｃ’は、物質中を超音波が伝播すると、光弾性効果によって物質の屈折率が変化することを利用するものであって、例えば、二酸化テルルやモリブデン酸鉛の単結晶に所定の周波数ｆの超音波を加えることにより、超音波の印加方向およびその大きさを制御することにより、結晶中を伝播するレーザー光線Ｌ１ 〜Ｌ４ を２ 軸方向に振らせることができる。
【００３７】
このように構成されたスキャニング装置２０’によっても上記第１実施例と同等の作用効果が得られるとともに、この実施例の場合には、各エリア▲１▼〜▲４▼において必要とされるレーザー光線Ｌ１ 〜Ｌ４ の最大振り角度が小さくなるので、レーザー光線Ｌ１ 〜Ｌ４ の振り角度が小さい音響光学素子２６ａ’，２８ａ’，３０ａ’，３２ａ’，２６ｃ’，２８ｃ’，３０ｃ’，３２ｃ’を採用しても十分にマーキング表示することができる。
【００３８】
しかも、スキャニング走査部２６’，２８’，３０’，３２’に音響光学素子２６ａ’，２８ａ’，３０ａ’，３２ａ’，２６ｃ’，２８ｃ’，３０ｃ’，３２ｃ’を採用すると、反射鏡の回転によりレーザー光線を振る機械式のガルバノメータよりも遙に高速で走査することができ、位置決め精度がより一層向上する。
【００３９】
図７は、本発明にかかるスキャニング装置における切羽面１２を分割する際の他の態様を示しており、同図では、略半円状の切羽面１２は、その中心から等角度間隔に放射状に４分割された４つのエリアに分けられていて、各エリアか隣接する部分にオーバーラップ部が設けられている。
このように分割した場合には、例えば、図２に示した４個のスキャニング走査部２６，２８，３０，３２をコリメータ２４から出射するレーザー光線Ｌに沿って並列配置すればよい。
なお、上記実施例では、切羽面１２を４分割した場合を例示したが、本発明の実施はこれに限定されることはなく、例えば、２以上の分割数に適用することができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上、実施例で詳細に説明したように、本発明にかかるレーザーマーキング用スキャニング装置によれば、切羽面を複数に分割し、この分割数に対応して複数のスキャニング走査部を設けたので、高速動作が高い位置決め精度の下に行なえる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるレーザーマーキング用スキャニング装置の使用状態での全体構成図である。
【図２】同装置の装置本体の正面図と側面図である。
【図３】同スキャニング装置の光学系の斜視図である。
【図４】図スキャニング装置のガルバノメータの説明図である。
【図５】同スキャニング装置のスキャニング走査部の走査範囲の説明図である。
【図６】本発明にかかるレーザーマーキング用スキャニング装置の他の実施例を示す斜視図である。
【図７】本発明にかかるスキャニング装置のスキャニング走査部の走査範囲の他の例を示す説明図である。
【符号の説明】
１０ 装置本体
１２ 切羽面
１４ 反射ターゲット
１６ 制御装置
２０ スキャニング装置
２２ レーザーチューブ
２４ コリメータ
２６ 第１スキャニング走査部
２６ａ シャッター
２６ｂ Ｘ軸ガルバノメータ
２６ｃ Ｙ軸ガルバノメータ
２８ 第２スキャニング走査部
２８ａ シャッター
２８ｂ Ｘ軸ガルバノメータ
２８ｃ Ｙ軸ガルバノメータ
３０ 第３スキャニング走査部
３０ａ シャッター
３０ｂ Ｘ軸ガルバノメータ
３０ｃ Ｙ軸ガルバノメータ
３２ 第４スキャニング走査部
３２ａ シャッター
３２ｂ Ｘ軸ガルバノメータ
３２ｃ Ｙ軸ガルバノメータ
Claims (3)
- 装置本体と反射ターゲットと制御装置とを備えて、掘削するトンネルの断面形状や発破装填用の穿孔位置などのトンネル施工情報をレーザー光線で切羽面に照射表示するレーザーマーキングシステムにおける、前記装置本体に内蔵されたレーザーマーキング用のスキャニング装置において、
前記切羽面を複数のエリアに分割するとともに、前記スキャニング装置に、前記エリア内で前記レーザー光線を２軸方向に走査させる分割数に対応した複数のスキャニング走査部を設け、かつ、この複数のスキャニング走査部の走査範囲を前記エリアの隣接部分で相互にオーバラップするようにしたことを特徴とするレーザーマーキング用スキャニング装置。 - 前記スキャニング走査部は、前記レーザー光線の透過を遮断するシャッターと、このシャッターの後方に設置され、反射鏡の回転により前記レーザー光線をＸ軸またはＹ軸方向に走査させる一対のガルバノメータとを有することを特徴とする請求項１記載のレーザーマーキング用スキャニング装置。
- 前記スキャニング走査部は、前記レーザー光線の透過を遮断するシャッターと、このシャッターの後方に設置され、超音波の印加により前記レーザー光線をＸ軸またはＹ軸方向に走査させる一対の音響光学素子とを有することを特徴とする請求項１記載のレーザーマーキング用スキャニング装置。
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