JPS5952363B2 - レ−ザ光線による水準測量装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は測量および建設業界において使用するレーザ光
線による水準測量方法および装置に関するものである。

特に一人で持運びできる比較的軽量で小型の自蔵式水準
器であって、操作にあたりレーザ光線式水準器が成る範
囲内で傾斜した場合自動レベリングを行うことができる
水準器に関するものである。

本発明レーザ光線式水準器を現在建設業界に使用されて
いる光学式水準器および他の自動水準器に代るものとし
て構成する。

レーザ光線式水準器とは水平面上でレーザビームを掃過
させる装置であって、測量および建設業界に使用するも
のソ゛ある。

この場合光源として管式ガスレーザがよく使用され、ガ
スレーザの出力ビームを垂直方向に整列させ、次に回転
ヘッドにより水平方向に転向させ、この回転ヘッドによ
り水平ビームを水平面上で掃過即ち揺動させるのが一般
的である。

光源としてガスレーザ管を使用した従来のレーザ光線式
水準器について米国特許第４０６２６３４号に記載され
ている。

レーザ光線式水準器は初期セットし、操作を開始した後
に成る量の自動水平位置調整即ち自動レベリングを行っ
てビームを水平面上に維持することができるようにすべ
きである。

水準器を地面に支持する基板または支柱は操作中に衝撃
があったり、少なくとも僅かな量ずれたりすることがあ
り、自動レベリングによれは゛このようなちょっとした
衝撃、振動のたびごとに作業員が手で調整する必要がな
くなる。

自動レベリングにより初期セットのための精密な調整が
不要であるから初期セットを迅速に行うことができる。

従来のレーザ光線式水準器において光源としてヘリウム
−ネオンレーザを使用したものは比較的大きく、この結
果従来のレーザ水準器はプラズマ管出力と所要の自動レ
ベリングを得るためにサーボモータと大電力バックを必
要とする相当大きく重い装置になる傾向があった。

これら従来のレーザ光線式水準器は大きすぎて一人で持
運ぶことができず、また製造ならびに購入するにも高価
であった。

本発明の目的は一人で持運ぶことができ、また成る範囲
内での自動レベリングを行うことができる比較的軽量で
携帯可能の、自蔵式のレーザ光線式水準器を得るにある
。

本発明レーザ光線式水準器によれば従来のレーザ光線式
水準器に必要とされたプラズマ管、電気サーボモータ、
大電力供給を排除することができ、固体光源と、限られ
た範囲において自動レベリングを行うように軽量の機械
的懸垂装置により固体光源の下方に懸垂した浮遊正レン
ズとを使用することにより軽量小型の構造にすることが
できる。

本発明によれば必要な電力は比較的小さく、従って自蔵
バッテリパックにより携帯可能になる。

本発明の特別な実施例においては固体光源をダイオード
とし、これにより赤外レーザ光線のビームを発生する。

このダイオードから発生した光源のビームを瞬間的に発
散させ、ダイオードの下方の正レンズをレンズの焦点距
離の位置に配置し、発散した光線ビームを無限遠に結像
させ、レンズを通過する光線ビームをほぼ平行ビームに
する。

懸垂は複数の細線により行い、浮遊取付部内の正レンズ
をダイオードの下方に懸垂し、操作を開始した後に水準
器全体が僅かに移動または傾斜した場合に重力の作用に
よりダイオードの真の垂直方向下方にレンズをずらすこ
とができる。

本発明によるこの懸垂方法により、水準器の所期セット
において精密な水平位置調整（レベリング）を行う必要
がなくなる。

浮遊レンズの好ましくない振動は空気式または電磁式減
衰装置により抑止することができる。

ガラス板をダイオードおよびレンズ間に介挿し、このガ
ラス板を支持体に取付け、ダイオードに対するレンズの
光学的心決めを行う微調整を得るためこの支持体を２個
の互いに直交する方向に傾動自在にする。

これにより組立時ばかりでなく現場での水準器の校正が
容易になる。

本発明レーザ光線式水準器によれば真の垂直ビームを真
の水平ビームに転向させ、また水平面を得るためこの水
平ビームを揺動させる回転ペンタプリズム、またはこれ
と同一の機能を行う２個の鏡の組合せを使用する（ただ
し水平面は回転ペンタプリズム、または２個の鏡の組合
せにより与えられる範囲内のものである）。

レーザ光線式水準器の作用部分のすべてを軽量の燈台内
部に収容し、再充電可能バッテリパックを水準器に一体
に組込む。

このバッテリは防水部分内には配置せず、充電のために
取外せるようにする。

水準器のための電気制御回路に多数の安全装置を組込む
。

水準器が自動レベリングの範囲を越えて傾いた場合にレ
ーザを自動的に遮断する。

回転ペンタプリズムまたは回転鏡が停止したり、回転が
十分速くない場合にダイオードへの電力を自動的に遮断
する。

これにより特定位置における目に危険な出力密度限界を
越えるのを防止する。

また高温遮断装置を電気制御回路に設けるとよく、これ
によりダイオードの温度を感知し、ダイオードの温度が
ダイオードの寿命を拡散により縮める恐れのある範囲に
達する場合ダイオードへの電力を遮断する。

制御回路に更に光出力検出器を設けるとよく、これによ
りダイオードの光出力を検出し、サーボ回路を作用させ
て、ダイオードへの電流を減少し、検出される出力を一
定にし、寿命を高め、またダイオードに対する光学的損
傷を防止する。

図面につき本発明の詳細な説明する。

本発明によるレーザ光線式水準器の実施例を第１および
２図において参照符号１１にて示す。

この水準器１１を一人の作業員が持ち運びすることがで
き、また限られた範囲の操作においては自動水平位置調
整（以下自動レベリングと称する）ことができる比較的
軽量、小型の自蔵式水準器として構成する。

水準器１１は主フレーム１３を有し、成る作業位置から
他の作業位置に持運ぶことができるように上側バンドル
１５をこの主フレーム１３に設ける。

水準器１１を基板１７により三脚の頂部に取付ける。

ねじ開口１９により基板１７を三脚に取付ける。

手動調整ねじ２１により水準器１１か自動レベリングの
範囲内に入るのに必要な初期調整を行う（自動レベリン
グについては後に詳細に説明する）。

泡準２２をねじ２１の調整に関連して使用し、水準器１
１を自動レベリングの範囲内の状態にする。

水準器１１の光路の主要構成として、固体接合２３、浮
遊正レンズ２５、回転鏡２７、ガラス板２９とを設け、
このガラス板２９を微調整のため傾動自在にする。

固体接合２３により瞬間的に発散するレーザ光の強いビ
ームを発生する。

浮遊正レンズ２５により接合２３からの発散レーザ光を
平行光線にする。

このレンズ２５を重力により自動レベリング範囲内で揺
動させ、レンズの光学素子を接合２３の真の下方に位置
決めする。

従ってレンズにより平行光線ビームを垂直方向に指向さ
せる。

回転鏡２７により垂直指向光ビームをほぼ９０゜転向さ
せるとともに水平面内で転向光ビームを揺動させる（た
だし回転ペンタプリズムまたは２個の鏡の組合せによる
転向装置により与えられる範囲内において）。

この水平面における光を標板または種棒（図示しないが
、当業者にとっては既知である）に取付けた検出器によ
り検出する。

ガラス板２９を２個の互いに直交する方向に傾動自在に
し、接合２３から正レンズ２５に通過する光のずれの量
の微調整制御するための調整を行うことができるように
する。

本発明の特定の実施例において固体接合２３をダイオー
ドとし、可視光線と赤外線とを含む電磁放射線を発生す
る。

ダイオード自身は縦約２ミクロン、横組１０または１５
ミクロンの細片とし、従ってこのダイオードを取付ける
ハウジング３１の底面においてスリットのように見える
。

本発明この特別な実施例においてダイオードは約２〜４
ミリワツトの光を発生し、一方のテ゛イメンションにお
いて約９０°、他方のテ゛イメンションにおいては約９
°の円錐状をなす光ビームを発生する。

この光の強度は極めて高く、瞬間的に発散するものとす
る。

ダイオード２３自体は重数されているもので多数の発売
元から購入することができる。

本発明の特定の実施例においてはハウジング３１を熱電
冷却器３３に取付け、この熱電冷却器３３ （以下に詳
細に説明する）はハウジング３１の成る感知温度に応答
して付勢する。

冷却器３３によりハウジングおよびダイオードを冷却し
、高すぎる温度での操作に基因して拡散によってダイオ
ードに損傷を与えるのを防止する。

ハウジング３１および熱電冷却器３３を取付板３５に取
付け、取付板３５の横方向の位置を調整自在にし、ダイ
オード２３をレンズ２５に対して心決めしうるようにす
る。

調整した位置において板３５を締付ねじ３７によりクラ
ンプする。

板３５を主フレーム１３に対する固定位置にサブフレー
ム３９により保持し、このサブフレーム３９を主フレー
ム１３に取付ける。

本発明の特定の実施例において正レンズ２５の受光角度
を約３５°にし、ダイオード２３により発生した光の円
錐角の半分より若干少ない範囲を受光する。

レンズ２５を外側ねじ山４３を有する胴体即ちスリーブ
４１に取付け、この外側ねじ山４３をシリンダ４７の内
側ねじ山４５に掛合させる。

ねじ山４３，４５によりレンズ２５とダイオード２３と
の間の距離を変化させることができる。

水準器１１の操作においてレンズ２５を（胴体即ち焦点
合せスリーブ４１の回転により）ダイオード２３からレ
ンズの焦点距離に位置決めする。

これによりダイオードならびに発生した光をレンズ２５
の反対側下方のほぼ無限遠に結像し、正レンズ２５を通
過する光ビームをほぼ平行光線にする。

シリンダ４７を懸垂してレンズ２５を水準器１１の自動
レベリングの範囲内に維持するための浮遊取付部とする
。

シリンダ４７の懸垂部材として３個の細線４９を設ける
。

各細線４９の下端をクランプアーム５１によりシリンダ
４７に連結するとともに、上端をクランプアーム５３に
よりサブフレーム３９に連結する。

第２図に明示するように各クランプアームの外端に溝孔
を設け、ねじ５５を締付けて細線４９の選択した位置に
おいて溝孔内に確実に細線４９を把持する。

各クランプアーム５３をサブフレーム３９から片持支持
し、キャップねじ５６によりサブフレーム３９に取付け
る。

下側クランプアーム５１の各々を上述の関連のクランプ
アーム５３と同様の構造にする。

シリンダ４７の下端が主フレーム１３の関連部分の僅か
上方にくるよう懸垂する。

クランプアーム５３，５１の片持支持によりばねのよう
に作用して軸線方向に衝撃を生じた場合でも細線４９に
破断を生ずるに十分な応力を生ずることなくシリンダ４
７の下端の真下に延在する主フレームの関連部分に接触
することができる弾性をもたらす。

細線４９による浮遊懸垂によりシリンダ４７を重力の作
用で横方向に移動しくレンズ素子をダイオードに対して
平行に維持しつつ）、主フレーム１３が傾いても限られ
た範囲内の自動レベリングを行う。

即ち浮遊懸垂によれば水準器１１の僅かなずれまたは傾
斜を生じてもダイオード２３の正確に真の垂直下方にレ
ンズ２５を振り戻すことができる。

本発明の特定の実施例においては自動レベリングの範囲
は±１０°の範囲である。

この範囲をペンタプリズムにより与えられる誤差により
制限する。

本発明の重要な特徴としてはクランプアーム５１．５３
間の細線４９の長さがダイオード２３とレンズ２５との
間の焦点距離よりも十分長く細線の弾性率を補償するこ
とができる点である。

細線の長さは細線の曲げ抵抗に打ち克ち、重力によりレ
ンズ２５をダイオードの垂直下方真下に維持するのに必
要な距離移動するに十分な量だけ焦点距離よりも長くす
る。

自動レベリングの範囲は第２シリンダ５７により制限す
る。

このシリンダ５７によって内側シリンダ４７の高さの大
部分を包囲し、シリンダの内径をシリンダ４７の外径よ
りも僅かに大きくし、内側シリンダ４７が外側シリンダ
５７内で限られた範囲を揺動して上述の自動レベリング
を行うことができる。

本発明の特定の実施例においてシリンダ４７の外径とシ
リンダ５７の内径との間の差を０．３０４８ｍｍ （０
，０１２インチ）とする。

内側シリンダ４７にしんちゅう （プラス）製スリーブ
５９を設け、必要とするレベリングが浮遊レンズ取付部
により得られる自動レベリング範囲よりも大きくなる場
合にこのスリーブ５９をシリンダ５７の内面に掛合させ
る。

シリンダ５７を絶縁部材６１によりフレーム１３から絶
縁し、ブラススリーブ５９とシリンダ５７の接触をワイ
ヤ６３を経て接地する。

このワイヤ６３の接地によりダイオード２３への電力を
遮断する（このことを以下に第３図につき詳細に説明す
る）。

本発明によれば外側シリンダ５７内の内側シリンダ４７
の運動の減衰を空気により行うことができる。

この減衰は空気が互いに接近しようとするシリンダ表面
間の減少しつつある空間から互いに遠去ろうとするシリ
ンダ表面内の増加しつつある空間に移行しなければなら
ない場合に生ずる粘性的な牽引力により生ずる。

２個のシリンダ間の比較的僅かな空間即ちギャップが開
放しており、ギャップの両端において空気の流出、流入
を生ずることができる場合には２個のシリンダの互いに
嵌合する長さは２個のシリンダ間の空気ギャップに生ず
る減衰作用を大きく高めるに十分である。

減衰は互いに接近しようとするシリンダ表面間から空気
を押し出すときの抵抗および互いに離間しようとするシ
リンダ表面間に空気が流入するときの抵抗により生ずる
。

本発明水準器１１においては内側シリンダ４７と外側シ
リンダ５７との間のギャップが比較的小さいこと、なら
びに互いに嵌合する２個のシリンダの長さが長いことに
より空気式減衰は有効に行われる。

本発明の他の実施例においては上述の空気式減衰の代り
に電磁減衰を使用するものがある。

上述したように水準器１１の組立の際にダイオード２３
をねし３７により所定位置にクランプする前にダイオー
ド２３をレンズ２５の上方において心決めする。

しかし機械的にダイオードを位置決めすることによるダ
イオードの精密な心決めは困難である。

本発明によればダイオード２３から発生した光ビームの
ずれを制御する微調整を行うことができる。

この微調整のためガラス板２９を設け、このガラス板を
支持板７１に取付ける。

この支持板７１を調整ねじ７３． ７５ （第２図参
照）により２個の互いに直交する方向に傾動自在にする
。

固定ねじ７７を主フレーム１３に対する板７１の基準枢
着点とする。

好適な実施例においては板７１に一連の溝孔７９を形成
し、これら溝孔を金属細条（図示せず）に共働させ、板
７１の回転を防止しつつ支持板７１を傾動させる案内を
行う。

ガラス板を傾動させることによりガラス板を通過するビ
ームをずらすことができる。

このずれの量は光の波長、ガラス板の厚さ、およびガラ
ス板の角度の関数である。

ねじ７３．７５によりガラス板の傾斜角度に極めて僅か
な変化を生ゼしぬ、ビームをずらし、レンズ２５に対す
るダイオード２３の有効な心決めを行うための微調整を
得ることができる。

検出器８１を支持体７１に取付け、ダイオード２３から
の光の強度を検出する。

この検出器８１をサーボ回路に接続し、このサーボ回路
はダイオードにより生ずる電力を制御する電力レベル制
御装置の一部をなす。

この電力レベル制御装置により操作温度が比較的低い場
合にダイオードに流れる電流を制限することによりダイ
オードに対する光学的損傷を防止する。

電力レベル制御装置に関しては以下に第３図につき詳細
に説明する。

本発明の特定の実施例において、鏡２７をペンタプリズ
ムに相当する２個の鏡の組合せとするが、ペンタプリズ
ムを使用することもできる。

精密軸受８５により主フレーム１３内に回転自在に取付
けたハウジング８３に回転鏡２７を取付ける。

軸受の振動は自動レベリングを行う揺動に比べて小さく
すべきである。

歯車８９．９１を噛合させて駆動モータ８７によりハウ
ジング８３を回転させる。

垂直指向ビームは鏡２７により水平指向ビームに転向し
くただし鏡２７により与えられる範囲内で）、水平指向
ビームを水平面上で揺動させるとともに水平ビームを傾
斜窓９３から通過させる。

窓９３を傾斜させ、基準平面として使用する外方指向水
平ビームに干渉しないよう反射光を成る角度で反射させ
る。

本発明の他の重要な特徴はすべての操作部分を包囲する
防水燈台状の構造にする。

このことにより水準器の内部での光学系を妨害する湿気
による露結を防止する。

この燈台と支柱９４ （第１図参照）の結合部に窓ガラ
ス９３を組込み、ビームが各支柱を通過して３６０°に
わたり掃過し、遠隔のターゲラ１へまたはビーム検出器
への衝突にロスがない、即ち盲点がないようにする。

この構造は米国特許第４０６２６３４号に記載されたも
のと基本的に同一である。

水準器１１のための電力は電池パック９５により得る。

自動レベリング作用を行うのにサーボモータは不要であ
るため電池パックは比較的軽量であり、また再充電式と
することができる。

自蔵式軽量電池パックにより水準器１１を一人で持運ぶ
ことができ、補助電力または他の装置を必要とせず野外
で操作することができる。

オン−オフスイッチ９７により第３図にブロック線図で
示した電気回路を付勢する。

第３図に示すようにダイオードレーザ２３への電力を遮
断することができる多数の条件がある。

。これらの条件の１つとして水準器１１が自動レベリン
グ範囲から逸脱して傾斜した場合に内側シリンダ４７が
外側シリンダ５７に接触したときレベル逸脱遮断即ち上
述のワイヤ６３による遮断がある。

低速回転遮断９９は回転鏡２７が全然回らないか、また
はレーザの出力密度の安全基準を越えるのを防止するに
十分な程度に速く回転しない場合にダイオードレーザ２
３への電力を遮断する。

上述の光の出力検出器８１を電力レベル制御装置置皿ち
ダイオード駆動装置１０３に作用的に関連させ、ダイオ
ード２３の光の出力が所定最大値を越えた場合レーザダ
イオード２３への電流を減少する。

温度感知器、熱電冷却器、高温遮断をレーザダ。

イオードに使用し、温度が高すぎる場合の操作により生
ずる拡散によりダイオード２３に損傷を与えるのを防止
するよう構成することができるが、これらの構成部分は
必ずしも必要でないため第３図には図示しない。

光出力検出器８１と電力レベル制御装置１０３とにより
低温において多すぎる電力の発生することから生ずるダ
イオード２３に対する光学的損傷を防止することができ
る。

第３図に示すように電気回路に更にロータ駆動モータ１
０７、状態インジケータ１０９、および低電圧検出器１
１１を設ける。

レーザ光線式水準器１１の作用については上述したとこ
ろから明らかであろう。

しかし要約すれば正レンズ２５によりダイオード２３か
ら瞬間的に発散するレーザ光線を平行光線にし、この平
行光線を垂直方向真の下方の回転鏡２７に指向させ、こ
の回転鏡により平行ビームを９０°転向させ、かつ水準
器１１自動レベリング範囲内の真の水平面上において転
向ビームを揺動させる。

傾動自在のガラス板２９により微調整を行って２個の互
いに直交する方向へのビームの横方向のずれを制御し、
レンズ２５に対するレーザダイオードの光学的心決めの
精密な調整を行う。

上述したところは本発明の数例を示したに過ぎず発明の
範囲において種々の変更を加えることができること勿論
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明レーザ光線式水準器の一実施例の一部断
面とする側面図、第２図は第１図の水準器の一部断面と
する平面図、第３図は第１および２図に示した水準器の
電気制御装置のブロック線図である。 １１・・・レーザ光線式水準器、１３・・・主フレニム
、１５・・・上側バンドル、１７・・・基板、１９・・
・ねじ開口、２１・・・手動調整ねし、２２・・・泡準
、２３・・・固体接合、２５・・・浮遊正レンズ、２７
・・・回転鏡、２９・・・ガラス板、３１・・・ハウジ
ング、３３・・・熱電冷却器、３５・・・取付板、３７
・・・締付けねじ、３９・・・サブフレーム、４１・・
・スリーブ、４７，５７・・・シリンダ、４９・・・細
線、５１．５３・・・クランプアーム、５６・・・キャ
ップねし、５９・・・スリーブ、６１・・・絶縁部材、
７１・・・支持板、７３，７５・・・調整ねし、７７・
・・固定ねし、７９・・・溝孔、８１・・・検出器、８
３・・・ハウジング、８５・・・軸受、８７・・・駆動
モータ、８９，９１・・・歯車、９３・・・窓、９４・
・・支柱、９５・・・電池パック、９７・・・オン−オ
フスイッチ、９９・・・低速回転遮断、１０３・・・電
力レベル制御装置、１０７・・・ロータ駆動モータ、１
０９・・・状態インジケータ、１１１・・・低電圧検出
器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 固体光源を有し、この固体光源からレーザ光源の瞬
   間発散高強度ビームを発生するとともに前記固体光源の
   付勢を制御するレーザ光源発生手段と、 前記光源の下方に配置した焦点合せスリーブ内に位置決
   めした正レンズを有し、この正レンズは前記光源からこ
   の正レンズの焦点距離だけ離して位置決めし、前記光源
   からの前記発散ビームを平行光線化する平行光線化手段
   と、 前記光源の下方の浮遊取付部に前記正レンズを配置した
   焦点合せスリーブを取付け、この浮遊取付部を懸垂する
   複数個の細線を設け、前記平行光線化した光線ビームを
   真に垂直方向に指向させるビーム垂直指向手段と、 を具え、前記細線の曲げ抵抗を補償して前記正レンズが
   重力の作用の下に光源の真に垂直下方位置に移動するこ
   とができるよう前記細線の長さを前記正レンズと前記光
   源との間の焦点距離よりも長く し、 更に、 真に垂直方向に指向した垂直指光ビームをほぼ９０°転
   向させ、かつこの転向ビームを水平面上で揺動させる回
   転鏡手段 を具えたことを特徴とするレーザ光線による水準測量装
   置。 ２ 前記ビーム垂直指向手段は、 この浮遊取付部の縦方向の移動を可能にするばね懸垂手
   段と、 前記光源から前記正レンズに向う光のずれを制御する微
   調整手段と、 前記浮遊懸垂レンズの揺動を減衰させる減衰手段と を有するものとしたことを特徴とする特許請求の範囲１
   記載のレーザ光線による水準測量装置。 ３ 前記微調整手段を、前記光源と前記正レンズとの間
   に位置するガラス板と、このガラス板のための支持体と
   前記ガラス板の２個の互いに直交する方向の傾動を変化
   させる調整ねじとにより構成したことを特徴とする特許
   請求の範囲２記載のレーザ光線による水準測量装置。 ４ 前記減衰装置を、前記正レンズの浮遊取付部を構成
   する第１内側シリンダを包囲する第２外側シリンダによ
   り構成し、これら内外側シリンダの対向表面間に比較的
   僅かな空気充満空間のみを残して前記外側シリンダによ
   り前記内側シリンダを包囲したことを特徴とする特許請
   求の範囲２記載のレーザ光線による水準測量装置。 ５ 前記第２外側シリンダ内に包囲された前記第１内側
   シリンダの長さは２個のシリンダ間の空気充満空間に生
   ずる減衰作用を高めるに十分な長さとすることを特徴と
   する特許請求の範囲４記載のレーザ光線による水準測量
   装置。 ６ 前記内側シリンダを前記外側シリンダ内に同心状に
   配置したとき前記内外側シリンダの表面間の距離を０．
   ２０３２０．４０６２ｍｍ （０，００８〜０．０１６
   インチ）の範囲としたことを特徴とする特許請求の範囲
   ５記載のレーザ光線による水準測量装置。