JP3747106B2 - レーザ装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、建築現場等に於いて、構造物の水平設置、垂直設定、所定の基準点に対する垂直位置設定を高精度に行うためのレーザ光投影装置に関する。さらに詳しくは、単一の半導体レーザを用いて、走査のための複雑な可動光学系を用いることなく、水平設置のためのレーザ、垂直設定のためのレーザ、所定の基準点に対する垂直位置設定を高精度に行うためのレーザを投射することができるレーザ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、光源からの光を平行光束として水平方向へ投影して水平基準面を形成する装置としては、特開平5−107037号公報や特開平5−280975号公報等に記載されているように、半導体レーザから出射された光束をコリメータレンズによって平行光束とし、該平行光束を円錐状の反射鏡へと導き、この円錐状の反射鏡によりレーザを方向変換させて水平面内で360度方向に分散させて水平面光線面を形成するレーザ装置が知られている。
特開平5−99671号公報には、レーザをビームスプリッターで互いに直交する2方向へ分割させ、分割された各レーザをそれぞれ直角プリズムによって直角方向に偏向させると共に、該直角プリズムをその入射光軸を中心に回転させることによって、レーザが互いに直交する2平面を形成する構成が開示されている。
【0003】
さらに特開平3−189513公報には、建築現場等において基準面を与えるために二つの直交する面に光を投射する投射装置であって、第一光線面を発生する光源装置と、該光源装置によって発生される該第一光線面の一部分を受けてその部分を第一光線面に直行する第二光線面に変換するプリズム状の偏向装置を有する構成を開示している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記特開平5−280975号公報及び特開平5−107037号公報に開示された構成においては、水平基準面が形成されるのみであり、建物の床等に定められた基準点に対してその垂直線上の位置を位置出しするには重錐を該投射装置から垂下させること等が必要であり、多くの手間と時間を必要として不便である。さらに、垂直基準面が形成されないため、ビル等の隅部の垂直の位置出しが行うことができないという問題があった。さらに、円錐状の反射鏡をその頂点付近まで高精度に円錐状に形成することは困難であり、高密度で断面積の細い平行レーザを射出することができず、高精度の測定に使用することはできない。上記特開平5−99671号公報では、互いに直交する水平基準面と垂直基準面を形成するレーザ装置が示されているが、基準面を形成するために回転するペンタプリズム等の走査光学系が必要であり、光学系の構成が複雑となる問題がある。垂直基準面が無いことによる問題は上述の通りである。
【0005】
上記特開平5−189513号公報においても、互いに直交する水平基準面と垂直基準面を同時に形成するレーザ装置が示されているが、水平基準面を形成するレーザの一部をプリズムによって垂直方向に偏向させて垂直基準面を形成する構成であるため、水平基準面の一部が欠けるという問題がある。従って、レーザの利用効率が低い上、複雑な構成のプリズムを必要とするという問題があった。また、垂直基準点が無いことによる問題は上述の通りである。
【0006】
【発明の目的】
本発明は、構造物の水平設置、垂直設定、所定の基準点に対する垂直位置設定等に関する従来の装置の上述の問題点に鑑みてなされたものであって、可動部が無く、簡単な構成でレーザの利用効率の高いレーザ装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
第1発明は、半導体レーザと、該半導体レーザより放射された光を平行光とするコリメータレンズと、該コリメータレンズにより平行とされた光束の光軸中央部を透過及び反射する半透過部と、周辺部を反射する全反射部とより構成される光路分割部材と、該光路分割部材で反射された周辺光束光路中に配置された円錐状の反射部材と、これらの光学部材を一体的に保持して本体に対して自由懸垂される保持部材とを有し、
該円錐状の反射部材により光束を水平方向へ反射して水平基準線を形成すると共に、該光路分割部材の半透過部により光束を垂直方向に反射して垂直基準点を形成することを特徴とするレーザ装置である。
【0008】
第1発明の実施態様は以下の通りである。
上記光学系の半透過部を透過した光束を垂直方向へと拡大する拡大光学系を設け、水平基準線と垂直基準点に加えて垂直基準線をも同時に形成することを特徴とする。
垂直基準点を形成する光路中に、本体に対して固定的に取り付けられた傾き検出センサーを設け、該傾き検出センサーは本体の傾きがほぼ存在しない状態ではセンサーに垂直基準点形成光がほとんど入射しない状態であり、本体が傾斜したときにはレーザ投光系と傾き検出センサーとが相対的に変位して、センサーに垂直基準点形成光の全部または一部が入射するようになり、これにより本体の傾きを検出するようにしたことを特徴とする。
【0009】
第2発明は、半導体レーザと、該半導体レーザより放射された光を平行光とするコリメータレンズと、該コリメータレンズにより平行とされた光束の光軸中央部を透過する透過部と、周辺部を反射する反射部とより構成される光路分割部材と、該光路分割部材で反射された周辺光束光路中に配置された円錐状の反射部材と、該光学系の透過部を透過した光線を垂直方向へ拡大する拡大光学系と、これらの光学部材を一体的に保持し、本体に対して自由懸垂された保持部材とを有し、該円錐状の反射部材により光束を水平方向へ反射して水平基準線を形成すると共に、該光学部材の透過部を透過した光線を該拡大光学系により垂直方向に拡大して垂直基準線を形成することを特徴とするレーザ装置である。
【0010】
【実施例】
本発明の実施例のレーザ装置を以下に図に基づいて説明する。第1実施例のレーザ装置1は、図1に示すように、ケーシングCから懸垂支持体3によって匡体2を懸垂するように構成され、水平設置のために水平レーザ面6を形成する水平レーザH、垂直設定のために垂直レーザ面8を形成する垂直レーザV1、及び所定の基準点Oに対する垂直位置設定を行うために垂直レーザ線を形成する垂直レーザV2を投射する。
懸垂支持体3は、ケーシングCに支持された直交する2軸14、16によって懸垂部材20を支持し、懸垂部材20によって匡体2を重力方向に支持する。懸垂支持体3は、所望により液体減衰装置、気体減衰装置、機械減衰装置等と組み合わされる。
【0011】
匡体2は、図2及び図3に示すように、半導体レーザ発振器30、半導体レーザ発振器30から射出されたレーザLを平行光束にするコリメータレンズ32、該平行光束を3分割するための光路分割部材としての光路分割プリズム34、光路分割プリズム34から垂直方向に射出されたレーザを水平レーザHにするための円錐形ミラー36、及び光路分割プリズム34から水平方向に射出されたレーザを垂直レーザV1にするためのロッドレンズ37を有する。匡体2の下方には、匡体2を重力方向に向けるたの錘部材38が連結部材39を介して取付けられている。光路分割プリズム34は、図4に示すように、上向きに45°傾斜した貼り合わせ面40を有し、貼り合わせ面40に楕円ドーナツ形ミラー42が形成され、楕円ドーナツ形ミラー42の内部は透過率90%の半透過部としての半透鏡44である。半透鏡44の反射光軸上に円形ミラー46が形成されている。
【0012】
匡体2の下部には、図5に示すように、ケーシングCによって支持された、光路分割プリズム34からの垂直レーザ線V2を受け入れる、45°傾斜した楕円ドーナツ型ミラー50付きの反射プリズム51、及び楕円ドーナツ型ミラー50からの反射レーザを受光する位置検出センサー52が配置されている。
次に、上述した光学系のレーザ光路について説明する。半導体レーザ発振器30から射出されたレーザは、コリメータレンズ32によって平行にされた後、光路分割プリズム34において3つのレーザ光束に分割される。すなわち、楕円ドーナツ形ミラー42によって反射されて円筒状にされたレーザは垂直上方に進み、円錐形ミラー36によって反射されて水平レーザHを形成し、水平レーザ面6を形成する。
【0013】
楕円ドーナツ形ミラー42内部の半透鏡44を透過したレーザは、水平に進んでロッドレンズ37に入射し、ここで垂直方向に拡散されて垂直レーザV1を形成する。
楕円ドーナツ形ミラー42内部の半透鏡44によって反射されたレーザは、円形ミラー46によって反射され垂直下向きに進み、半透鏡44を透過し、垂直レーザV2を形成する。半透鏡44を透過した垂直レーザV2は、匡体2と楕円ドーナツ型ミラー50を支持したケーシングCとが所定の相対的位置関係にあるときは、楕円ドーナツ型ミラー50の内部を透過して通常基準位置に向かう。匡体2と楕円ドーナツ型ミラー50を支持したケーシングCとが所定の相対的位置関係にないときは、半透鏡44を透過したレーザは楕円ドーナツ型ミラー50によって反射されて位置検出センサー52に達する。
【0014】
次に、本レーザ装置を制御する制御回路を、図6の回路ブロック図に基づいて説明する。レーザLを射出する半導体レーザ発振器30は、制御回路全体を制御するCPU100にLD発光制御回路102を介して接続されて、半導体レーザ発振器30の間欠的発振が制御される。CPU100からの指令により半導体レーザを連続と間欠的に点灯制御する働きをする。位置検出センサー52は、楕円ドーナツ型ミラー50からのレーザの受光位置を検出するためのものであって、受光位置を演算する測距回路104及びアナログ信号をデジタル信号に変換するA/D回路106を介してCPU100へ接続されている。CPU100には、さらに、A/D回路106からの出力を角度データに変換するROM110、ROM110が出力した角度データを表示するための表示素子112、及び本レーザ装置をON、OFFするためのスイッチ114が接続されている。
【0015】
次に、図7及び図8に基づいて、上述した制御回路の作動について説明する。
ステップ001:スイッチ114をONにすると、回路全体に電源が投入され、CPU100はROM110に格納されたプログラムの実効を開始する。
ステップ002:イニシャライズ動作が行われ、CPU100が初期状態に設定される。
ステップ003:半導体レーザが連続直流点灯され、レーザLがコリメータレンズ32によって平行とされ、上述した光学系により3種類のレーザ、すなわち水平レーザH、垂直レーザV1、及び垂直レーザ線V2を形成する。
(垂直基準光、水平基準光線面、垂直基準光線面)となって投射される。
ステップ004:スイッチ114がONとなっているかが判断される。ONとなっていれば以下のステップへと移行するが、OFFであればステップ101へと分岐し、動作を終了する。
【0016】
ステップ005:変数nを1に設定してステップ006へ移行する。ステップ006では半導体レーザが連続直流点灯しているかが判定される。連続直流点灯していれば以下のステップへと移行するが、連続直流点灯していなければステップ102へと分岐する。当初は上記したように連続直流点灯されているのでステップ007へ移行する。
ステップ007:位置検出センサー52の出力を測距回路104で演算処理し、A/D回路106でデジタル信号に変換して、CPU100に取り込み、位置検出センサー52に入力するビームの位置を検出する。
ステップ008:位置検出センサー52からの出力信号とROM29に記憶された位置・角度変換テーブルの情報から傾き角を求め、CPU100内のRAM(図示せず)に記憶する。
【0017】
ステップ009:変数nが1であるか否かが判定され、1であれば以下のステップに移行するが、1でなければステップ103へと分岐する。電源を投入した直後はnが1に設定されているから、以下のステップ010へ移行する。
ステップ010:上記RAMに一時的に記憶された傾き角度情報がCPU100内のメモリーAに格納され、ステップ011へ移行する。
ステップ011:nに1を加えてそれを新たにnとし、ステップ012へと移行する。
ステップ012:変数nが4であるか否かが判定され、4であれば以下のステップへと移行するが、4以外の場合はステップ006へと分岐する。当初はnが4でないのでステップ006へと分岐し、ステップ011でnが4となるまでこのループが繰り返される。この間、それぞれの時点で検出された傾き角がそれぞれ異なるメモリーBとCとに格納される。即ち、ステップ012でステップ006へと分岐した後、同様にしてビーム位置の検出と傾き角の検出を行うが、今度はすでにnの値が1プラスされて2となっているので、ステップ009でステップ103へと分岐する。
【0018】
ステップ013:nが2と等しいか否かが判定され、等しければステップ104へと移行し、等しくなければステップ105へと移行する。ここではnが2であるので、ステップ104へと移行し、直前求められた傾き角度データをメモリーBへと格納してステップ011へ移行し、ステップ011で変数nに1を加えて3とし、ステップ012へと移行する。ステップ012ではnが3であるので、ステップ006へと分岐し、再びビーム位置の検出とそれに基づいた傾き角の検出を行いステップ009へと移行する。ステップ009ではnが3であるのでステップ103へと分岐する。ステップ103ではnが2と等しいかが判定され、判定の結果nが2ではないのでステップ015へと分岐し、その時の装置本体の傾き角のデータがメモリーCに記憶される。この様にして時間的に連続した3つの装置本体の傾き角データがそれぞれ、メモリーA,B,Cに記憶される。その後ステップ011でnに1を加えて4とし、ステップ012へと移行する。ステップ012ではnが4であるので、ステップ013へと移行し、メモリーAとメモリーBに記憶された装置本体の傾き角の2つのデータの差の絶対値と予め決められた一定の微少角データεとが比較され、メモリーAとメモリーBとの差がこの一定値εよりも小さければステップ014へと移行し、大きい場合にはステップ106へと分岐する。
【0019】
ステップ014:メモリーBとメモリーCに格納された傾き角データの差の絶対値と一定の微少角データεと比較される。その結果、メモリーBとメモリーCとの差がこの一定値εよりも小さければステップ015へと移行し、大きい場合にはステップ106へと移行する。
ステップ015:メモリーAとメモリーBとメモリーCとに格納された角度データの平均値の絶対値が予め決められた一定の角度δ以内であるか否かが判定され、以内であればステップ016へと移行し、以上であればステップ106へと移行する。以上のステップ013からステップ015においては、装置本体の時間的な安定度と装置本体の絶対的な傾き程度の二つが判定される。すなわち、ステップ013またはステップ014では、異なる時間における装置本体の傾きデータを比較して、その値が予め決められた一定の微少範囲を超えているか否かを測定することで装置本体が安定しているかどうかを判定し、ステップ015では時間的に異なる3回の角度データを平均してその絶対値が一定角度範囲内にあるかどうかを測定し、装置本体の傾きが投光ビームを水平または垂直に維持できる一定範囲内(前記した匡体2が可動可能な傾き範囲内)にあるかどうかを判定する。投光レーザビームが安定しており、装置本体の傾きが一定角度以内の場合には、ステップ016に移行する。
【0020】
ステップ016:メモリーAとメモリーBとメモリーCに格納されている傾きデータの平均値を求める。
ステップ017:ステップ016で求めた値を角度データとして液晶パネルに出力する。従って使用者はこの液晶パネルを見ることで装置本体、即ち装置が置かれている場所の傾きを知ることができる。
ステップ018:半導体レーザ発振器30を連続直流点灯してステップ004へと戻り、以上のステップを繰り返す。これに対して投光レーザビームが不安定、例えば、装置本体を置いた直後など、または装置本体の傾きが一定以上の場合にはステップ013、ステップ014またはステップ015でステップ106へと分岐し、半導体レーザ発振器30を点滅状態にして使用者にそのことを知らせると同時に、ステップ107で液晶表示素子112をOFFにして誤って使用者が傾き値を読み取ることを防止する。半導体レーザ発振器30を点滅状態にするのは、これを完全に消灯してしまうと使用者が装置が故障したものと勘違いしてレーザ光をのぞき込む危険を防止する意味もある。以後、ステップ004へと移行し、以上のステップを繰り返す。半導体レーザ発振器30が点滅している場合にはステップ006でステップ102へと分岐し、半導体レーザが点灯状態であるか否かを判定し、点灯時にはステップ007へと移行してビーム位置を検出する。非点当時には点灯状態まで待機し、点灯を待ってステップ007へと移行するように動作して、半導体レーザ光が点灯していない状態でビーム位置の検出を行って誤った検出をする事を防止している。尚、このフローの動作中に電源がOFFになると、ステップ004でスイッチ114がOFF状態であることが判定され、ステップ101に移行して全体の動作を停止すると共に電源をOFFにして動作を終了する。
【0021】
第2実施例のレーザ装置200は、図9に示すように、光源としての半導体レーザ発振器202、半導体レーザ発振器202より放射されたレーザを平行より若干広めの角度に集光するための投光用レンズ204、及びレーザを2分割する光路分割プリズム206を有する。
光路分割プリズム206は、下向きに45°傾斜した貼り合わせ面210を有し、貼り合わせ面210に楕円ドーナツ形ミラー212が形成されている。光路分割プリズム206の下方には、孔220付き凹面反射鏡224が配置され、さらに下方に凸レンズ226が配置されている。凸レンズ226の下方には、第1実施例と同じように、ケーシングCによって支持された、光路分割プリズム206からの垂直レーザ線V2を受け入れる、45°傾斜した楕円ドーナツ型ミラー50付きの反射プリズム51、及び楕円ドーナツ型ミラー50からの反射レーザを受光する位置検出センサー52が配置されている。
【0022】
楕円ドーナツ形ミラー212の内部の半透鏡214の透過光軸上には、軸線が紙面と平行である第1シリンドリカルレンズ230、及び軸線が紙面と直交する第2シリンドリカルレンズ232が配置されている。光路分割プリズム206の上方には、第1実施例と同じように、円錐形ミラー36が配置される。
次に、上述した光学系のレーザ光路について説明する。半導体レーザ発振器202から射出されたレーザは、投光用レンズ204によって拡散光束にされた後、周辺部分のレーザは楕円ドーナツ形ミラー212によって反射され平行レーザとされて垂直上向きに進み、円錐形ミラー36によって反射されて水平レーザ面6を形成する。
楕円ドーナツ形ミラー212内部を透過したレーザは、水平に進み、第1シリンドリカルレンズ230によって紙面と平行な面内において平行レーザとされ、第2シリンドリカルレンズ232によって垂直方向に拡散されて垂直レーザV1を形成する。
【0023】
楕円ドーナツ形ミラー212によって反射されたレーザの中心部分は、凹面反射鏡224の孔220を通過し、凸レンズ226によって平行レーザとされて、垂直レーザV2を形成する。
【0024】
【発明の効果】
本発明によれば、可動部が無く、簡単な構成でレーザの利用効率の高いレーザ装置を構成することができる。
さらに詳しく述べれば、水平基準面の形成にはあまり役に立たない円錐状の反射部材の頂点付近に入射する光束を垂直基準点を形成する光束として使用することができ、投射されるレーザ光の強度を犠牲にすることなく水平基準面と合わせて垂直基準点を形成することができ、さらに、水平基準面を形成する光束をより平板状に断面を細くすることができ、位置出しの精度が向上させることができる。 また、該光学系の半透過部を透過した光束を垂直方向へと拡大する拡大光学系を設け、水平基準線と垂直基準線に加えて垂直基準線をも同時に形成することによって、建設現場等における多様な用途に答えることができる。
【0025】
さらに、垂直基準点を形成する光路中に、本体に対して固定的に取り付けられた傾き検出センサー設け、該傾き検出センサーは本体の傾きがほぼ存在しない状態ではセンサーに垂直基準点形成光がほんとど入射しない状態であるのに対し、本体が傾斜したときにはレーザ投光系と傾き検出センサーとが相対的に変位して、センサーに垂直基準点形成光の全部または一部が入射するようになり、これにより本体の傾きを検出するようにしたものであり、通常の使用態様ではレーザ光の強度を犠牲にすることなく単一のレーザ光から放射された光を傾き検出用にも利用でき、レーザ光の利用効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例のレーザ装置の斜視説明図である。
【図2】本発明の第1実施例のレーザ装置の光学系の斜視図である。
【図3】本発明の第1実施例のレーザ装置の光学系の光路図である。
【図4】本発明の第1実施例の光路分割プリズムの説明図である。
【図5】本発明の第1実施例の傾斜検出光学系の説明図である。
【図6】本発明の第1実施例の制御回路の回路ブロック図である。
【図7】本発明の第1実施例の電気回路の動作を説明するためのフローチャート図である。
【図8】本発明の第1実施例の電気回路の動作を説明するためのフローチャート図である。
【図9】本発明の第2実施例のレーザ装置の光学系の光路図である。
【符号の説明】
L レーザ
H 水平レーザ
VI 垂直レーザ
V2 垂直レーザ
C ケーシング
O 基準点
1 レーザ装置
2 匡体
3 懸垂支持体
6 水平レーザ面
8 垂直レーザ面
14、16 軸
30 半導体レーザ発振器
32 コリメータレンズ
34 光路分割プリズム
36 円錐形ミラー
37 ロッドレンズ
39 連結部材
40 貼り合わせ面
42 楕円ドーナツ形ミラー
44 半透鏡
46 円形ミラー
50 楕円ドーナツ型ミラー
52 位置検出センサー
100 CPU
102 LD発光制御回路
106 A/D回路
Claims (4)
- 半導体レーザと、該半導体レーザより放射された光を平行光とするコリメータレンズと、該コリメータレンズにより平行とされた光束の光軸中央部を透過及び反射する半透過部と、周辺部を反射する全反射部とより構成される光路分割部材と、該光路分割部材で反射された周辺光束光路中に配置された円錐状の反射部材と、これらの光学部材を一体的に保持して本体に対して自由懸垂される保持部材とを有し、該円錐状の反射部材により光束を水平方向へ反射して水平基準線を形成すると共に、該光路分割部材の半透過部により光束を垂直方向に反射して垂直基準点を形成することを特徴とするレーザ装置。
- 上記光学系の半透過部を透過した光束を垂直方向へと拡大する拡大光学系を設け、水平基準線と垂直基準点に加えて垂直基準線をも同時に形成することを特徴とする請求項1に記載のレーザ装置。
- 上記垂直基準点を形成する光路中に、本体に対して固定的に取り付けられた傾き検出センサーを設け、該傾き検出センサーは本体の傾きがほぼ存在しない状態ではセンサーに垂直基準点形成光がほとんど入射しない状態であり、本体が傾斜したときにはレーザ投光系と傾き検出センサーとが相対的に変位して、センサーに垂直基準点形成光の全部または一部が入射するようになり、これにより本体の傾きを検出するようにしたことを特徴とする請求項1に記載のレーザ装置。
- 半導体レーザと、該半導体レーザより放射された光を平行光とするコリメータレンズと、該コリメータレンズにより平行とされた光束の光軸中央部を透過する透過部と、周辺部を反射する反射部とより構成される光路分割部材と、該光路分割部材で反射された周辺光束光路中に配置された円錐状の反射部材と、該光学系の透過部を透過した光線を垂直方向へ拡大する拡大光学系と、これらの光学部材を一体的に保持し、本体に対して自由懸垂された保持部材とを有し、該円錐状の反射部材により光束を水平方向へ反射して水平基準線を形成すると共に、該光学部材の透過部を透過した光線を該拡大光学系により垂直方向に拡大して垂直基準線を形成することを特徴とするレーザ装置。
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