JP2010066165A - レーザ墨出し器用傾斜センサー - Google Patents

Abstract

【課題】 傾斜角検知の感度低下を防止し、簡単な構成で傾斜状態の検知が可能な構成を備えたレーザ墨出し器用傾斜センサーを提供する。
【解決手段】 前端がハウジング２と一体の支持体６によって支持された紐状部材７と、紐状部材７により吊り下げられている不透光性の錘８と、錘８の下方にハウジング２と実質一体に配置され複数面に分割された受光面を備えている光検出器５と、紐状部材７を挟んで光検出器５と対向する位置に配置されている光源４とで構成され、光検出器５に投影される錘８の影の位置変化に応じた光検出器５の出力から傾きを検出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、検出精度を高めることを可能にしたレーザ墨出し器用傾斜センサーに関するものである。

建築現場での作業の一つに柱や壁を構築する際の鉛直度や水平度の基準を出す墨出し作業がある。
墨出し作業に用いられる装置としては、レーザ光を用いたレーザ墨出し器が知られている。

レーザ墨出し器は、半導体レーザから出射されるレーザービームをコリメータレンズにより平行光束とするとともにその平行光束を円柱状のロッドレンズを透過させることにより一方向にのみ拡散させて壁や天井あるいは床などに対して鉛直方向または水平方向の輝線として照射することができる装置である。
この場合の鉛直方向または水平方向での輝線は、半導体レーザからの光路に配置されるロッドレンズの中心線の向きを水平方向または垂直方向に設定することで、それぞれの方向に設定される。

レーザ墨出し器は、上記のレーザ光源やコリメータレンズなどの各光学素子を纏めて収容しているレーザユニットと、このレーザユニットを保持したユニットホルダと、このユニットホルダを吊り下げるジンバル機構あるいはジャイロ機構（以下「ジンバル機構」という）を備えている。ユニットホルダはジンバル機構によって吊り下げられているため、墨出し器が傾いて設置されていても、ユニットホルダは鉛直方向の所定の姿勢に維持され、レーザユニットから射出されるレーザ光によって鉛直方向の基線または水平方向の輝線を照射させることができるようになっている。

ところで、レーザ墨出し器は、傾いて設置されても、墨出し精度への影響を上述したジンバル機構によってある程度は吸収できるものの、その傾斜が所定量以上となるとレーザ光源からの出射光が正確に水平方向や垂直方向に指向できなくなる場合がある。

そこで、所定の角度以上に傾いて設置されているときに警報を発して墨出し作業を行わせないようにする構成が提案されている（例えば、特許文献１）。
特許文献１には、墨出し器を支持する支持脚架台にリングを設け、このリングの中央にセンサーを揺動可能に支持し、センサーがリングに接触したときこれを過剰な傾きと検知して警報する構成が開示されている。

一方、傾きを検知する構成としては、水準センサーを設けて設置角度を検知する構成（例えば、特許文献２）、あるいは、液体中に気泡を封入した容器を用い、容器の傾斜に応じて気泡を透過する光の光学的変化を検知する構成がある（例えば、特許文献３）。
また、気泡を利用する構成の別例としては、電解液中に気泡を封入した構成もある（例えば、特許文献４）。

特許文献２記載の発明は、透過型の光学センサーと、この光軸中に配置されて液体が封入された容器とを備えた水準センサーを用い、光学センサーの受光部に入射する光量変化により水準センサーの鉛直方向に対するずれ（水平度）を検知するようになっている。
特許文献３には、液中に気泡を充填した容器をはさんで一方側に光源を、そして他方側に受光素子であるフォトダイオードを複数の分割領域に配置した受光素子を配置し、傾斜により変化する気泡を介した受光素子側での受光位置を割り出して傾斜を検知する構成が開示されている。
特許文献４には、容器内に充填された電解液中に気泡を封入し、容器内上下に配置した電極に対する電解液の接触面積の変化を検知して傾斜度合いを割り出すようにした構成が開示されている。

これら気泡を用いた傾斜センサーにおいては、使用環境の変化、特に温度による影響が気泡あるいは電解液に及び、気泡の形態が初期条件から変化してしまい、この変化が実際の傾斜度と検出された傾斜度との間でずれを起こす原因となる。電解液と電極との接触を用いる場合においても、温度変化により抵抗値が異なってしまうと傾斜角の測定誤差が発生する虞がある。

上記特許文献に開示されているような気泡や電解液などを用いた傾斜センサーにおいては、使用環境の変化、特に温度上昇によって気泡の形態が変化し、また、電解液と接触する電極間の抵抗値が変化することがある。このため、測定した値と実際の傾斜角との間にずれが生じて誤検知が発生する虞がある。

そこで、このような環境変化の影響を受けないようにした構成も提案されている（例えば、特許文献５）。
特許文献５には、可動板から吊り下げたグラスファイバーなどの光導管の延長方向一端（可動板側の端）に光源を設け、この光源から光導管内を通過した光を、光導管の延長方向他端に対向して固定板に設けられている受光素子に向かって出射させ、可動板が水平の姿勢のときの光像の位置における受光素子の出力を予め特定してこれを基準とし、可動板が傾いたときは上記光像が受光素子上を移動して検出出力が変化するので、上記受光素子の出力が上記基準の出力と一致するように、サーボ機構で可動板の姿勢を制御するようにした自動水平設定装置が開示されている。

特開２００７−２８５７１０号 特開平１０−１７６９２４号公報 特開平９−２５７４７４号公報 特開平１０−３１８７４７号公報 特開平１１−２５７９５４号公報

使用環境の変化による影響を受けない特許文献５に開示されている構成においては、光導管を振り子状に設けてその揺動変位を利用するものであるが、次のような問題が存在している。

光導管は、延長方向の途中に支点となる支持位置を設定しないと、光導管の揺動運動ができず、延長方向他端での揺動変位を検知することができない。このため、光導管の揺動支点を支持する構成として、環状部材の直径に一致させて横架させた支持片を設けるようになっている。
しかし、この構成によれば、光導管として、グラスファイバーのような外部に光を漏らすことがない特性を持つ部材でなければ支持片によって光が遮られてしまい、傾斜角の検知ができなくなる。このため、この構成に用いる部材の特性が限られてしまい、安価な構成とすることができない場合がある。

しかも、光導電管は揺動する部材であるので、揺動支点から延長方向各端部に至る距離が小さいと、揺動角に対する揺動量がかなり少ない場合がある。従って、揺動角が大きくならないと傾斜角に対応した変位がきわめて小さくなり、受光素子での分解能が低くなる難点もある。

また、錘内に配置した光源からの光がこれを支持している箇所の構成部材に向け出射されて、いわゆる光が漏洩すると、構成部材からの反射光が受光部に達し、これによっても誤検知を招く。

本発明の目的は、上記従来のレーザ墨出し器における問題、特に傾斜センサーでの問題に鑑み、傾斜角検知の感度低下を防止し、かつ、簡単な構成で傾斜状態の検知が可能な構成を備えたレーザ墨出し器用傾斜センサーを提供することにある。

この目的を達成するため、本発明は、
墨出し器本体に取り付けられて墨出し器本体の傾斜度を検知するレーザ墨出し器用傾斜センサーであって、
前端がハウジングと一体の支持体によって支持された紐状部材と、
前記紐状部材により吊り下げられている不透光性の錘と、
前記錘の下方に上記ハウジングと実質一体に配置され複数面に分割された受光面を備えている光検出器と、
前記紐状部材を挟んで前記光検出器と対向する位置に配置されている光源とで構成され、
前記光検出器に投影される前記錘の影の位置変化に応じた前記光検出器の出力から傾きを検出することを主要な特徴としている。

前記支持体は透明部材であって、この透明部材による紐状部材の支持位置は、前記光源から射出される光束の中心線上に位置する構成にするとよい。

前記光検出器は複数に分割された受光素子を有してなり、各受光素子は、投影される錘の陰の位置変化を検出することによりハウジングの傾斜を検出する構成にするとよい。

ハウジングに傾斜がない状態における光検出器の各受光素子への錘の投影位置を初期状態とし、この初期状態では、前記錘の影が各受光素子に均等に投影されるように構成するとよい。
錘は球体からなり、光検出器に投影される錘の影が円形になるようにするとよい。

本発明によれば、従来の水準センサーなどと違って気泡を用いないので、使用環境の変化による検知精度の低下を防止することができる。

しかも、気泡を用いない構成を採用した場合に、紐状部材の延長方向一端を支持することで延長方向他端に位置する錘までの距離の設定により紐状部材の揺動角に対する揺動変位量を大きく採ることができる。これに加えて、錘と光検出器との間の距離を紐状部材における揺動支持位置からの長さによって調整することにより、受光部に投影される陰のサイズが極端に大きくなってしまうのを防止することができる。この結果、傾斜角に対する分解能が高められることになる。さらに、光検出器に対しては錘を介した陰を用いて傾斜変位を検知できるので、錘に対する漏光対策を要しないで済む。

以下、図面を参照しながら本発明に係るレーザ墨出し器用傾斜センサーを実施するための最良の形態について説明する。
図１は、本実施形態によるレーザ墨出し器（図示されず）に装備されている傾斜センサー示す斜視図である。

同図において傾斜センサー１は、図示しないレーザ墨出し器本体の適宜の位置、例えばベースとなる部材に装備されるハウジング２を備えている。
ハウジング２は、ベース２Ａと、ベース２Ａから垂直に立ち上がった垂直部材２Ｂと、垂直部材２Ｂの上端開口部を塞ぐ平板状の光源ホルダ２Ｃとによって四角注状の箱形に形成されている。垂直部材２Ｂは、四角形状の箱形における４面を覆う板状部材あるいはベース２Ａの四隅と光源ホルダ２Ｃの四隅をつなぐ支柱などで構成される。

光源ホルダ２Ｃには、回路基板３が上面に重ねて設けられているとともに、下面の中央部に半導体レーザなどの発光素子からなる光源４が光ビームの出射方向を下に向けて取り付けられている。回路基板３は光源４の発光制御回路を備えている。
ベース２Ａの上面には、光検出器５が設けられている。光検出器５は、四角形の平板状に形成され、受光面が複数に等分された部材であり、本実施形態で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。

一方、光源４と光検知器５との間には垂直部材２Ｂ間を横断する状態で横架された透明部材６が設けられている。
透明部材６は、光源４からの光を透過できるガラスあるいはアクリルなどの樹脂が用いられ、その端部が垂直部材２Ｂに形成された段部内に固定されている。なお、垂直部材２Ｂが支柱で構成されている場合には、支柱間に横架されたフレームによって透明部材６の横架方向両端を支持するように構成することができる。

透明部材６は紐状部材７の介在のもとに錘８を垂下させて支持する支持部材となっていて、透明部材６の下面中央には紐状部材７の延長方向一端が支持されており、紐状部材７の延長方向他端には不透光性部材からなる錘８が一体化されている。
紐状部材７は、レーザ墨出し器が傾斜していない状態、したがってハウジング２が傾斜していない時に、光源４から射出される光束の中心軸線と一致するように位置決めされており、この状態が初期状態となっている。

紐状部材７に吊り下げられている錘８は、金属あるいは樹脂製の球体で構成され、紐状部材７の延長方向他端に締結されている。
光源４から射出される光束は、透明部材６を透過し、この透過光の一部は錘８で遮光され、他の光束が光検出器５の受光面に至る。上記透過光の一部が錘８で遮光されることにより、光検出器５の受光面に円形の影が投影される。錘８が初期状態にあるとき、４分割された光検出器５の中心を円の中心とした円形の影Ｄが受光面上に、かつ、４分割された各受光面に均等に投影される。

受光面の一部に投影される陰Ｄのサイズを決める要素としては、上述した錘８自体のサイズとともに、錘８と一体化されている紐状部材７の長さがあり、この長さとしては、錘８を光検出器５の受光面になるべく接近させることができる長さとすることが望ましい。

これにより、ハウジング２の傾き角に対する影Ｄの光検出器５の各受光面上での移動距離を大きくすることができ、傾きの検出を鋭敏にすることができる。また、各受光面の面積と、各受光面に投影される陰Ｄの面積の比率を適宜の比率として、影Ｄの変位による光検出器５の各受光素子の検出信号の変化量を大きくすることができる。図３に示す例では、光検出器５の受光面の面積に対して影Ｄの面積が比較的小さくなっているが、ハウジング２の傾きがない初期状態において、光検出器５の各受光面の面積に対して影Ｄの占める面積が大きくなるようにしてもよい。

図３に示すように、ハウジング２に傾きがない場合に、錘８の影Ｄが、光検出器５の中心を中心とした、すなわち光検出器５を４分割する互いに直交する線の交点を中心とした円形に投影され、各受光面に均等に影Ｄができるようになっている。換言すれば、各受光面に均等に影Ｄができていれば、光検出器５の各受光部の出力に差がなく、その場合はハウジング２に傾きがないものと判断できる。

光検出器５の受光面に対する錘８の影Ｄの投影位置は、ハウジング２の傾きに応じて変化する。光検出器５では、陰（便宜上、図３において符号Ｄ’で示す）の投影位置が変化するのに対応した各受光素子間の出力差を割り出すことで、傾斜方向と傾斜量を求めることができるようになっている。図３に示す例で、左上、右上、右下、左下の受光素子をそれぞれａ、ｂ、ｃ、ｄとし、それぞれの検出出力も同じ符号で表すものとすると、（ａ＋ｂ）−（ｃ＋ｄ）を演算し、また、（ａ＋ｄ）−（ｂ＋ｃ）を演算することによって、傾斜方向と傾斜量を求めることができる。図３の上下方向を前記ハウジング２の前後方向とすると、錘の影が破線で示すように変位した場合、（ａ＋ｂ）−（ｃ＋ｄ）はゼロで、（ａ＋ｄ）−（ｂ＋ｃ）はプラスになり、ハウジングが右に傾いたことがわかり、その値の大きさによって傾き量がわかる。

本実施形態は以上のような構成であるから、墨出し器が傾斜している場合には、傾斜センサー１のハウジング２も傾く。
ハウジング２が傾くと、紐状部材７に吊り下げられている錘８の位置が初期位置から変位する。この変位により光源４を用いた光検出器５の受光面に対する錘８の投影位置が変化する。
光検出器５において各受光面での投影位置の変化を割り出し、その変化が所定量以上である場合には、墨出し不能と判断して警報することができる。

本実施形態においては、光源４から射出される光束を錘８に向かって照射し、錘８の投影像を光検出器５に形成するだけでよいので、集光レンズなどの光学部材を要することなく傾斜状態を判別することができる。しかも、紐状部材７は錘８を吊り下げる機能のみでよいので、一部の従来例に見られるような光導管などを使用する必要がなく、容易に入手できる安価な材料を用いれ傾斜センサーを構成することが可能である。

本発明に係るレーザ墨出し器用傾斜センサーの実施形態を示す模式図である。 上記実施形態の縦断面図である。 上記実施形態における光検知器とこの光検知器に投影される影の例を示す平面図である。

符号の説明

１ 傾斜センサー
２ ハウジング
２Ａ ベース
２Ｃ 光源ホルダ
４ 光源
５ 光検出器
６ 透明部材（支持体）
７ 紐状部材
８ 錘
Ｄ，Ｄ’ 陰

Claims (5)

1. 墨出し器本体に取り付けられて墨出し器本体の傾斜度を検知するレーザ墨出し器用傾斜センサーであって、
   前端がハウジングと一体の支持体によって支持された紐状部材と、
   前記紐状部材により吊り下げられている不透光性の錘と、
   前記錘の下方に上記ハウジングと実質一体に配置され複数面に分割された受光面を備えている光検出器と、
   前記紐状部材を挟んで前記光検出器と対向する位置に配置されている光源とで構成され、
   前記光検出器に投影される前記錘の影の位置変化に応じた前記光検出器の出力から傾きを検出することを特徴とするレーザ墨出し器用傾斜センサー。
2. 前記支持体は透明部材であって、この透明部材による紐状部材の支持位置は、前記光源から射出される光束の中心線上にあることを特徴とする請求項１記載のレーザ墨出し器用傾斜センサー。
3. 前記光検出器は複数に分割された受光素子を有してなり、各受光素子は、投影される錘の陰の位置変化を検出することによりハウジングの傾斜を検出することを特徴とする請求項１記載のレーザ墨出し器用傾斜センサー。
4. ハウジングに傾斜がない状態における光検出器の各受光素子への錘の投影位置を初期状態とし、この初期状態では、前記錘の影が各受光素子に均等に投影されることを特徴とする請求項３記載のレーザ墨出し器用傾斜センサー。
5. 錘は球体からなり、光検出器に投影される錘の影が円形である請求項１ないし４のいずれかに記載のレーザ墨出し器用傾斜センサー。

Images