JP4367935B2

JP4367935B2 - レーザ測量機

Info

Publication number: JP4367935B2
Application number: JP2004357692A
Authority: JP
Inventors: 富親馬場; 弘之中部
Original assignee: 株式会社ソキア・トプコン
Priority date: 2004-12-10
Filing date: 2004-12-10
Publication date: 2009-11-18
Anticipated expiration: 2024-12-10
Also published as: JP2006162533A

Description

本発明は、レーザ光源からのレーザ光を出射し、前記レーザ光を回転ヘッドにより回転させて、レーザ光による基準面を形成するように構成されたレーザ測量機に関する。

土木・建築・内装工事における水平出し(墨出し)を行うに際して、レーザ光源からのレーザ光を出射し、前記レーザ光を回転ヘッドにより回転させて、レーザ光による基準面を形成するように構成されたレーザ測量機として、例えば、レベルプレーナ(レーザプレーナ)が知られている。この種のレベルプレーナにおいては、回転ヘッドを１００ｒｐｍ、２００ｒｐｍ、３００ｒｐｍ、６００ｒｐｍのうちいずれかの回転数で一定回転させることで、レベルプレーナを中心として、半径数１００ｍ以内に３６０度の水平基準面をレーザ光線によって形成することができ、土木・建築・内装工事における水平出しを効率良く行うことができる。また、レベルプレーナにおいては、回転ヘッドを一定回転で動作させる他に、回転ヘッドを特定の回転角の範囲において反復回転させる、いわゆるスキャニング動作を行うことができるとともに、回転ヘッドを微小範囲(微小角度)移動させる微動動作ができるようになっている。しかし、レベルプレーナを用いてスキャニング動作を連続して行うと、大きな消費電流が流れ、電源が電池で構成されているときには、電池が短時間で消耗することがある。

そこで、レベルプレーナを用いてスキャニング動作を行うに際して、スキャニング動作が設定時間以上行われたときにはスキャニング動作を強制的に停止し、回転ヘッドを一定方向に回転させる一定回転動作に切替えるようにしたものが提案されている(特許文献１参照）。

しかし、レベルプレーナを用いてスキャニング動作を行っているときに、一定時間経過したことを条件にスキャニング動作を強制的に停止したのでは、作業が中断される恐れがある。

一方、モータを回転駆動するに際して、スキャニング動作を行うときにモータに直流電圧を印加するＤＣドライブ方式を採用すると、モータの回転方向を切り替えるごとにモータに高電圧を印加する制御を行わなければならず、モータ駆動回路が複雑になるとともに、応答性を高めるには十分ではない。

そこで、モータをスキャニング動作させるに際して、モータにＰＷＭ(ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ)信号を印加するＰＷＭ方式が採用されている。ＰＷＭ信号をモータに印加した場合、ＰＷＭ信号のデューティ比を高くすれば、モータに高電圧を印加してモータの速度を高めることができ、逆に、デューティ比を小さくすることで、モータに印加される電圧を小さくし、モータの速度を遅くすることができる。すなわち、デューティ比を調整しながらモータを回転動作させることで、スキャニング動作モードにおける消費電流を低減することができる。

特開平８−１４５６７５号公報(第４頁〜第６頁、図１〜図３)

モータをスキャニング動作させるときにモータにデューティ比の大きなＰＷＭ信号を印加すれば、モータの応答性を高めることができる。しかし、ＰＷＭ信号をモータに印加してモータを一定回転させると、モータのコイルには常時交流電圧が印加され、コイルにはモータの回転に寄与しない無効電流が流れ、消費電流が多くなる。すなわち、モータをスキャニング動作させるときにＤＣドライブ方式を採用すると、スキャニング動作時におけるモータの応答性を高めることができず、モータを一定回転動作させるときにＰＷＭ方式を採用すると、消費電流が多くなる。

本発明は、前記従来技術の課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、モータを一定回転させる一定回転動作モードのときには消費電流を少なくし、それ以外の動作モードのときにはそれ以外の動作を円滑に行うことにある。

前記目的を達成するために、請求項１に係るレーザ測量機においては、レーザ光を発生するレーザ光源と、回転自在に配置されて前記レーザ光源からのレーザ光を導入して本体ケース外に出射する回転ヘッドと、本体ケースに傾動自在に配置されて前記回転ヘッドを回転軸を介して回転自在に軸支する軸筒部と、前記回転軸に連結されて前記回転ヘッドを回転駆動するモータと、前記モータの回転数を検出するエンコーダと、前記エンコーダの検出出力を基に前記モータの動作モードおよび回転数又は回転角度に応じてＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成手段と、前記ＰＷＭ信号生成手段の生成によるＰＷＭ信号を平滑して直流電圧を生成する直流電圧生成手段と、前記モータを一定回転させる一定回転動作モードのときに前記直流電圧生成手段の生成による直流電圧を前記モータに印加し、スキャニング動作モードを含むそれ以外の動作モードのときには前記ＰＷＭ信号生成手段の生成によるＰＷＭ信号を前記モータに印加するモータ駆動手段とを備え、前記回転ヘッドは、前記レーザ光源からのレーザ光を前記回転軸方向と前記回転軸に直交する方向に出射してなる様に構成した。

(作用)モータを一定回転させる一定回転動作モードのときには、ＰＷＭ信号を平滑して得られた直流電圧をモータに印加するようにしたため、モータの一定回転時に無効電流がモータに流れることはなく、モータにＰＷＭ信号を印加するときよりも消費電流を少なくすることができる。一方、モータを一定回転させる動作モード以外の動作モードのときには、ＰＷＭ信号をモータに印加するようにしたため、動作モードに応じてＰＷＭ信号のデューティ比を調整することで、モータの動作、例えば、スキャニング動作や微動動作あるいは９０度回転動作を円滑に行うことができる。

請求項２に係るレーザ測量機においては、請求項１に記載のレーザ測量機において、前記モータを一定回転させるためのデジタル信号を生成するデジタル信号生成手段を備えているとともに、前記直流電圧生成手段の代わりに、前記デジタル信号をアナログ信号に変換して直流電圧を生成するデジタル・アナログ変換手段を備え、前記モータ駆動手段は、前記モータを一定回転させる一定回転動作モードのときに前記デジタル・アナログ変換手段の生成による直流電圧を前記モータに印加する様に構成した。

（作用）モータを一定回転させる一定回転動作モードのときには、デジタル信号をアナログ信号に変換して生成された直流電圧をモータに印加するようにしたため、消費電流を少なくすることができる。

以上の説明から明らかなように、請求項１に係るレーザ測量機によれば、一定回転動作モードのときには消費電流を少なくし、それ以外の動作モードのときにはそれ以外の動作を円滑に行うことができる。

請求項２によれば、一定回転動作モードのときに消費電流を少なくできる。

次に、本発明の実施の形態を実施例にしたがって説明する。図１は、本発明の一実施例を示すレーザ測量機の要部縦断面図、図２は、本発明に係るレーザ測量機の一実施例を示す駆動系のブロック構成図、図３は、図２に示す駆動系の作用を説明するための波形図、図４は、本発明に係るレーザ測量機の他の実施例を示す駆動系のブロック構成図、図５は、図４に示す駆動系の作用を説明するための波形図、図６は、ＰＷＭ信号の周波数と消費電流との関係を示す特性図、図７は、ＰＷＭ信号のデューティ比と消費電流との関係を示す特性図である。

これらの図において、レベルプレーナ１０は、レーザ測量機として、容器状の本体ケース１２と、前記本体ケース１２の上方位置において水平回転して水平回転出射光を形成する回転ヘッド１４と、可視光によるレーザ光を発生するレーザ光源１６と、回転ヘッド１４を回転駆動するモータ１８などを備えて構成されている。

回転ヘッド１４は、ヘッドケーシング１４ａ内にハーフミラー１４ｂが固定されているとともに、ヘッドケーシング１４ａの上端部と側面のハーフミラー１４ｂに対応する位置に、透明のガラスが装着された光出射窓１４ｃが設けられた構造で、ヘッドケーシング１４ａに固定された円筒型の回転軸１４ｄが、本体ケース１２内上下方向に亘って配置されて本体ケース１２に傾動自在に固定された円筒型の軸筒部２０内に挿通されているとともに、回転軸１４ｄと軸筒部２０との間にはボールベアリング１４ｅが介在された回転ヘッド１４が軸筒部２０によって回転可能に軸支されている。

回転軸１４ｄには、連結部１４ｆが連結されており、軸筒部２０の側面に固定されたモータ１８の駆動力が減速機２２、ギア２４を介して連結部１４ｆに連結されるようになっている。モータ１８の駆動力が減速機２２、ギア２４を介して連結部１４ｆに伝達されて回転軸１４ｄが回転すると、回転ヘッド１４が回転軸１４ｄととともに回転し、回転ヘッド１４からは、回転軸１４ｄと交差する方向、すなわち、回転軸１４ｄと直交する方向に水平照射光Ｌ１が出射されるとともに、回転軸１４ｄと同軸方向に垂直照射光Ｌ２が出射される。そして、水平照射光Ｌ１によって水平回転照射面（水平面）が形成される。

また、ギア２４の駆動軸２４ａには回転円板２６が固定されており、回転円板２６の周囲には、モータ１８の回転数を検出するためのロータリエンコーダ２８が配置されている。ロータリエンコーダ２８とモータ１８はそれぞれ配線(図示せず)を介して制御基板３０に接続されており、制御基板３０上にはモータ１８の駆動系が搭載されている。

モータ１８の駆動系は、図２に示すように、マイクロコンピュータで構成されたＣＰＵ３２と、回転方向制御回路３４と、平滑回路３６と、電源回路３８と、モータドライブ回路４０と、モータ印加電圧調整回路４２と、ロータリエンコーダ２８を備えて構成されている。

モータ１８は、ＤＣモータで構成されており、ＰＷＭ信号または直流電圧によって回転駆動されるようになっている。モータ１８の回転数はロータリエンコーダ２８によって検出されるようになっている。ロータリエンコーダ２８は、モータ１８の回転数に応じたパルスを生成し、このパルスをＣＰＵ３２に出力するようになっている。

ＣＰＵ３２は、ロータリエンコーダ２８の出力パルス(検出出力)を基に、モータ１８の動作モード、例えば、モータ１８を一定回転させる一定回転動作モード、モータ１８を微小範囲（微小角度）だけ回転させる微動動作モード、モータ１８を特定の回転角範囲において反復回転させるスキャニング動作モード、回転ヘッド１４を９０度回転させる９０度回転動作モードに応じてＰＷＭ信号を生成し、生成したＰＷＭ信号を回転方向制御回路３４と平滑回路３６に出力するＰＷＭ信号生成手段として構成されている。

例えば、微動動作モードのときには、ＣＰＵ３２において、微動動作に必要な時間として予め設定された時間に対応づけて、指定のデューティ比を有するＰＷＭ信号が生成される。スキャニング動作モードあるいは９０度回転動作モードのときには、ＣＰＵ３２において、ロータリエンコード２８の出力パルスをカウントし、カウント値を基に、スキャニング動作あるいは９０度回転動作を行うに必要な回転角度に対応づけて、指定のデューティ比を有するＰＷＭ信号が生成される。

また、ＣＰＵ３２は、各動作モードを実行するときに、ＰＷＭ／ＤＣドライブ切替信号ＳＷを回転方向制御回路３４に出力するとともに、モータ１８の回転方向を示す回転方向制御信号ＤＩＲを回転方向制御回路３４に出力するようになっている。

モータ１８を一定回転させる一定回転動作モード以外の動作モード、例えば、モータ１８をスキャニング動作モードで回転させるときには、ＣＰＵ３２からは、ＰＷＭ／ＤＣドライブ切替信号ＳＷとして、ＰＷＭ駆動を示す信号とＰＷＭ信号が回転方向制御回路３４とモータ印加電圧調整回路４２に出力される。なお、モータ印加電圧調整回路４２は、一定回転動作モードでないため、その動作を停止した状態にある。

そして、モータ１８を正回転（回転方向ＣＷ)させるときには、図３(a)に示すような波形のＰＷＭ信号が回転方向制御回路３４に出力されるとともに、回転方向制御信号ＤＩＲとして、図３(b)に示すように、ローレベルの信号が回転方向制御回路３４に出力される。そして、回転方向制御回路３４からは、図３(c)に示すように、ＰＷＭ信号と同一波形のモータドライブ制御信号１００が出力され、このモータドライブ制御信号１００はモータドライブ回路４０を介してモータ１８にモータ印加電圧２００として印加される。また、回転方向制御回路３４からは、図３(ｄ)に示すように、ローレベルのモータドライブ制御信号１０２が出力され、このモータドライブ制御信号１０２はモータドライブ回路４０を介してモータ印加電圧２０２としてモータ１８に印加される。

次に、モータ１８が正方向に回転したあと、モータ１８の駆動が一旦停止されると（タイミングｔ０〜ｔ１）、その後、ＣＰＵ３２からは、図３(ａ)に示すように（タイミングｔ１以降）、モータ１８を逆方向(回転方向ＣＣＷ)に回転させるためのＰＷＭ信号が出力され、回転方向制御信号ＤＩＲとしてハイレベルの信号が回転方向制御回路３４に出力される。そして回転方向制御回路３４からは、モータドライブ制御信号１００としてローレベルの信号が出力され、このモータドライブ制御信号１００はモータドライブ回路４０を介して、モータ印加電圧２００としてモータ１８に印加される。さらに回転方向制御回路３４からは、図３(ｄ)に示すように、ＰＷＭ信号と同一波形のモータドライブ制御信号１０２が出力され、このモータドライブ制御信号１０２はモータドライブ回路１０４を介してモータ印加電圧２０２として、モータ１８に印加される。

モータ１８を、例えば、スキャニング動作させるに際して、モータ１８にＰＷＭ信号によるモータ印加電圧２００またはモータ印加電圧２０２を印加すると、ＰＷＭ信号がハイレベルのときの電圧がモータ１８の駆動に寄与し、ＰＷＭ信号がローレベルにあるときにはモータ１８には電圧は印加されない。すなわち、モータ１８にＰＷＭ信号によるモータ印加電圧２００またはモータ印加電圧２０２を印加すると、ＰＷＭ信号の立ち上がり時にモータ１８に高電圧が印加されて、モータ１８が瞬時に起動されるので、スキャニング動作を円滑に行うことができる。

なお、モータ１８に印加される電圧は電源回路３８の電源電圧に依存しているが、電源電圧の変動に対しても、モータ１８に対する印加電圧が一定になるように、モータドライブ回路４０において、モータ印加電圧２００、２０２のレベルが調整されるようになっている。

本実施例において、回転方向制御回路３４とモータドライブ回路４０および電源回路３８は、ＣＰＵ３２の生成によるＰＷＭ信号をモータ１８に印加するモータ駆動手段を構成することになる。

一方、モータ１８を一定回転させる一定回転動作モードのときには、ＣＰＵ３２において、ロータリエンコーダ２８の出力パルスを基にモータ１８の回転数を検出し、この検出値と目標回転数とを比較し、この比較結果を０にするためのデューティ比が設定され、設定されたデューティ比にしたがったＰＷＭ信号が生成され、生成されたＰＷＭ信号が回転方向制御回路３４と平滑回路３６に出力される。

例えば、モータ１８を正回転させるときには、図３(ｅ)に示すようなＰＷＭ信号がＣＰＵ３２から回転方向制御回路３４と平滑回路３６に出力される。このとき、ＣＰＵ３２から回転方向制御回路３４に対してローレベルの信号が出力されるとともに、ＣＰＵ３２からモータ印加電圧調整回路４２に対して、ＰＷＭ／ＤＣドライブ切替信号ＳＷとしてＤＣドライブを示す信号が出力される。そして回転方向制御回路３４からは、モータドライブ制御信号１００としてハイレベルの信号が出力され、モータドライブ制御信号１０２としてローレベルの信号が出力される。

一方、平滑回路３６は、ＣＰＵ３２の出力によるＰＷＭ信号を平滑して直流電圧を生成し、生成された平滑信号(ＤＣ信号)３００をモータ印加電圧調整回路４２に出力するようになっている。モータ印加電圧調整回路４２は、平滑信号３００を増幅し、増幅された平滑信号３００をモータドライブ回路４０に出力するようになっている。すなわち、モータ印加電圧調整回路４２においては、平滑回路３６においてＰＷＭ信号を平滑して得られた電圧（ＰＷＭ信号を積分して得られた電圧）に比例した電圧をモータドライブ回路４０に出力するようになっている。そしてモータドライブ回路４０からは、図３(ｉ)に示すように、直流のモータ印加電圧２００が出力され、このモータ印加電圧２００がモータ１８に印加される。また、モータドライブ回路４０からは、図３（ｊ）に示すように、ローレベルのモータ印加電圧２０２が出力される。これにより、モータ１８は、直流のモータ印加電圧２００によって正方向に一定回転駆動されることになる。

直流のモータ印加電圧２００をモータ１８に印加して、モータ１８を一定回転させるに際しては、ＣＰＵ３２において、ロータリエンコーダ２８の出力パルスと目標回転数（設定回転数）とが比較され、モータ１８の回転数が目標回転数（設定回転数）よりも低いとき、すなわち、検出された回転速度が目標速度よりも遅いときには、デューティ比の大きなＰＷＭ信号が生成され、デューティ比が大きくなったＰＷＭ信号が平滑回路３６に出力される。平滑回路３６において、デューティ比の大きくなったＰＷＭ信号を平滑すると、平滑信号３００のレベルが高くなり、モータ印加電圧２００のレベルも高くなり、モータ１８が加速される。逆に、モータ１８の回転数が目標回転数よりも高いとき、すなわち、モータ１８の検出回転速度が目標速度よりも速いときには、ＣＰＵ３２において、デューティ比の小さなＰＷＭ信号が生成され、デューティ比の小さくなったＰＷＭ信号が平滑回路３６に出力される。平滑回路３６において、デューティ比の小さくなったＰＷＭ信号を平滑すると、平滑信号３００のレベルが低くなり、モータ印加電圧２００のレベルも低くなり、モータ１８が減速される。このような制御を繰り返すことで、モータ１８を正方向において、一定回転させることができる。

また、モータ１８を一定回転動作モードにおいて、タイミングｔ１以降、逆方向に一定回転させるときには、ＣＰＵ３２からは、図３(ｅ)に示すようなＰＷＭ信号が出力されるとともに、回転方向制御信号ＤＩＲとしてハイレベルの信号が回転方向制御回路３４に出力される。そして回転方向制御回路３４からは、モータドライブ制御信号１００としてローレベルの信号が出力され、モータドライブ制御信号１０２としてハイレベルの信号が出力される。一方、モータドライブ回路４０からは、ＰＷＭ信号を平滑回路３６で平滑して得られた平滑信号３００がモータ印加電圧調整回路４２に入力される。平滑信号３００がモータ印加電圧調整回路４２で増幅されると、増幅された平滑信号３００がモータドライブ回路４０に入力され、モータドライブ回路４０からは、ローレベルのモータ印加電圧２００が出力されるとともに、直流のモータ印加電圧２０２が出力される。そしてモータ１８が直流のモータ印加電圧２０２にしたがって逆方向に一定回転駆動されることになる。

図２に示す実施例では、モータ１８を一定回転動作モードで運転するときに、ＰＷＭ信号を平滑して直流電圧を生成するものについて述べたが、図４および図５に示すように、モータ１８を一定回転動作モードで運転するに際して、ＣＰＵ３２において、ＰＷＭ／ＤＣドライブ切替信号の代わりに、ＰＷＭ／デジタル・アナログ変換切替信号を生成するとともに、ＰＷＭ信号とは別に、モータ１８を一定回転させるためのデジタル信号を生成し、生成したＰＷＭ／デジタル・アナログ変換切替信号を回転方向制御回路３４に出力するとともに、生成したデジタル信号をデジタル・アナログ変換器３７でアナログ信号３０１に変換して直流電圧を生成し、生成したアナログ信号３０１をモータ印加電圧調整回路４２を介してモータドライブ回路４０に出力し、モータドライブ回路４０からモータ１８にモータ印加電圧２００、２０２を印加する構成を採用することもできる。なお、ＣＰＵ３２としては、デジタル・アナログ変換器を内蔵したものを用いることができる。

モータ１８を一定回転動作モードで運転するときに、モータ１８に直流電圧を印加すると、モータ１８にＰＷＭ信号を印加して一定回転させるときよりも消費電流を少なくすることができる。

例えば、電源電圧一定の状態でモータ１８の回転数が一定になるときのＰＷＭ信号の周波数と消費電流との関係を計測したところ、図６に示すような計測結果が得られた。図６から、ＰＷＭ信号の周波数を高くするにしたがって、消費電流が低下することが分かる。

また、ＰＷＭ信号の周波数を一定とし、ＰＷＭ信号のデューティ比を変化させて消費電流を計測したところ、図７に示すような計測結果が得られた。図７から、ＰＷＭ信号のデューティ比を大きくすると、例えば、デューティ比が１００％のとき、すなわち、直流のときには消費電流が最も少なくなることが分かる。

また、電源回路３８に用いる電源として、単１の電池を４本用い、モータ１８を１００ｒｐｍで一定回転させるに際して、ＰＷＭ方式でモータ１８を一定回転させたときの全電流と電池持ち時間を計測するとともに、ＤＣドライブ方式によってモータ１８を一定回転させたときの全電流と電池持ち時間とを計測したところ、次の表１に示すような結果が得られた。

表１から、モータ１８を一定回転動作モードで運転するときに、モータ１８をＤＣドライブ方式によって一定回転駆動すれば、ＰＷＭ方式によってモータ１８を一定回転駆動するときよりも消費電流を少なくすることができるとともに、電池の持ち時間を長くすることができる、ということが分かる。

このように、本実施例においては、モータ１８の一定回転時には、ＤＣドライブ方式を採用することで消費電流を少なくすることができ、モータ１８を一定回転動作モード以外の動作モード、例えば、微動動作モード、スキャニング動作モード、９０度回転動作モードのいずれかの動作モードで運転するときにはＰＷＭ方式を採用することで、微動動作、スキャニング動作、９０度回転動作を円滑に行うことができる。

本発明の一実施例を示すレーザ測量機の要部縦断面図である。本発明に係るレーザ測量機の一実施例を示す駆動系のブロック構成図である。図２に示す駆動系の作用を説明するための波形図である。本発明に係るレーザ測量機の他の実施例を示す駆動系のブロック構成図である。図４に示す駆動系の作用を説明するための波形図である。ＰＷＭ信号の周波数と消費電流との関係を示す特性図である。ＰＷＭ信号のデューティ比と消費電流との関係を示す特性図である。

符号の説明

１０レベルプレーナ
１２本体ケース
１４回転ヘッド
１６レーザ光源
１８モータ
２８ロータリエンコーダ
３２ＣＰＵ
３４回転方向制御回路
３６平滑回路
３７デジタル・アナログ変換器
３８電源回路
４０モータドライブ回路
４２モータ印加電圧調整回路

Claims

レーザ光を発生するレーザ光源と、回転自在に配置されて前記レーザ光源からのレーザ光を導入して本体ケース外に出射する回転ヘッドと、本体ケースに傾動自在に配置されて前記回転ヘッドを回転軸を介して回転自在に軸支する軸筒部と、前記回転軸に連結されて前記回転ヘッドを回転駆動するモータと、前記モータの回転数を検出するエンコーダと、前記エンコーダの検出出力を基に前記モータの動作モードおよび回転数又は回転角度に応じてＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成手段と、前記ＰＷＭ信号生成手段の生成によるＰＷＭ信号を平滑して直流電圧を生成する直流電圧生成手段と、前記モータを一定回転させる一定回転動作モードのときに前記直流電圧生成手段の生成による直流電圧を前記モータに印加し、スキャニング動作モードを含むそれ以外の動作モードのときには前記ＰＷＭ信号生成手段の生成によるＰＷＭ信号を前記モータに印加するモータ駆動手段とを備え、前記回転ヘッドは、前記レーザ光源からのレーザ光を前記回転軸方向と前記回転軸に直交する方向に出射してなるレーザ測量機。
請求項１に記載のレーザ測量機において、前記モータを一定回転させるためのデジタル信号を生成するデジタル信号生成手段を備えているとともに、前記直流電圧生成手段の代わりに、前記デジタル信号をアナログ信号に変換して直流電圧を生成するデジタル・アナログ変換手段を備え、前記モータ駆動手段は、前記モータを一定回転させる一定回転動作モードのときに前記デジタル・アナログ変換手段の生成による直流電圧を前記モータに印加してなることを特徴とするレーザ測量機。