(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外光線を発射・受光して距離を計測表示する光波距離計と、前記赤外光線と同軸上にレーザー光線を発射するレーザーマーキング部とを有し、既知座標点に設置される装置本体と、切羽面と前記装置本体との間の既知座標点に設置される複数の基準用反射ターゲットと、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を記憶する記憶手段を有する制御装置とを備え、切羽面にトンネル断面形状や穿孔位置などを前記レーザーマーキング部で照射表示するレーザーマーキング装置において、
前記装置本体は、前記赤外光線または前記レーザー光線を前記反射ターゲットの周囲で２次元方向に走査させるスキャニング部と、前記反射ターゲットから反射される反射光を受光する受光部とを有し、前記制御装置は、この受光部で検出された受光信号に基づいて前記反射ターゲットの中心位置を演算する演算手段を有することを特徴とするレーザーマーキング装置。
【請求項２】
前記受光部は、前記光波距離計の受光部であ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装置。
【請求項３】
前記スキャニング部は、前記赤外光線または前記レーザー光線の発射方向を水平方向に移動させる水平移動用ガルバノメータと、前記レーザー光線の発射方向を鉛直方向に移動させる鉛直移動用ガルバノメータとを有することを特徴とする請求項１または２記載のレーザーマーキング装置。
【発明の詳細な説明】
【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装置に関し、特に、このような照射表示の基準となる反射ターゲットを自動的に視準することができるレーザーマーキング装置に関する。
【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マーキング部と、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マーキング部により切羽面に照射表示される。
ところが、このような構成のレーザーマーキング装置には、以下に説明する技術的な課題があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
すなわち、この種の装置が使用されるトンネルの掘削現場では、掘削の際にダイナマイトの爆破が行なわれ、この爆発により地山自身が振動し、この振動に伴ってマーキング装置も移動する。そこで、前述したようなレーザーマーキング装置では、照射表示を行なう前に基準点に設置されている基準用反射ターゲットを視準して、装置本体の位置を確認し、ズレがあるとその調整を行なっていた。
【０００８】
ところが、このような視準操作は、少なくとも２箇所の基準点用の反射ターゲットでそれぞれ行なう必要があり、この作業に時間と手間がかか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、基準点への視準を自動的に行うことかできるレーザーマーキング装置を提供することにある。
【０００９】
【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、赤外光線を発射・受光して距離を計測表示する光波距離計と、前記赤外光線と同軸上にレーザー光線を発射するレーザーマーキング部とを有し、既知座標点に設置される装置本体と、切羽面と前記装置本体との間の既知座標点に設置される複数の基準用反射ターゲットと、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を記憶する記憶手段を有する制御装置とを備え、切羽面にトンネル断面形状や穿孔位置などを前記レーザーマーキング部で照射表示するレーザーマーキング装置において、前記装置本体は、前記赤外光線または前記レーザー光線を前記反射ターゲットの周囲で２次元方向に走査させるスキャニング部と、前記反射ターゲットから反射される反射光を受光する受光部とを有し、前記制御装置は、この受光部で検出された受光信号に基づいて前記反射ターゲットの中心位置を演算する演算手段を有することを特徴とする。
前記受光部は、前記光波距離計の受光部で構成することができる。前記スキャニング部は、前記赤外光線または前記レーザー光線の発射方向を水平方向に移動させる水平移動用ガルバノメータと、前記レーザー光線の発射方向を鉛直方向に移動させる鉛直移動用ガルバノメータとで構成することができる。
【００１０】
【作用】
上記構成のレーザーマーキング装置によれば、光波距離計またはレーザマーキング部から発射される赤外光線とレーザー光線とのいずれか一方を基準用反射ターゲットの周囲の２次元方向に走査させるスキャニング部と、基準用反射ターゲットから反射される反射光を受光する受光部と、この受光部で検出された受光信号に基づいて基準用反射ターゲットの中心位置を演算する演算処理部とを有しているので、基準用反射ターゲットの視準が自動的に行なわれる。
【００１１】
【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装置の一実施例を示している。同図に示すレーザーマーキング装置は、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個の基準用反射ターゲット１４と、制御装置１６とを備えている。
【００１２】
装置本体１０は、例えば、掘削されるトンネル１６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個の基準用反射ターゲット１４も同様な既知座標点（ｘ2,ｙ2,ｚ2 、ｘ3,ｙ3,ｚ3 ）に設置される。装置本体１０は、その詳細を図２に示すように、水平および鉛直移動自在に支持されたケース１８と、ケース１８内に内蔵された光波距離計２０とレーザーマーキング部２２とを有している。
【００１３】
ケース１８の上端面には、気泡管１０ａが設置されていて、この気泡管１０ａにより光軸方向の水平度が判るようになっている。ケース１８は、ヨーク部１０ｂを介して揺動自在に支持されており、ヨーク部１０ｂは、整準台１０ｃに支持されている。整準台１０ｃには、円型気泡管１０ｄが設けられ、ケース１８の鉛直軸Ｃ／Ｌが、整準台１０ｃに設けられた調整ネジ１０ｅで鉛直に調整される。
【００１４】
なお、図２に符号１０ｆで示した部分がケース１８を水平方向に移動させる水平操作つまみであり、同符号１０ｇで示した部分がケース１８を鉛直方向に移動させる鉛直操作つまみであり、符号１０ｈおよび１０ｉは、つまみ１０ｆ，１０ｇを操作した位置で固定する水平および鉛直固定つまみである。光波距離計２０とレーザーマーキング部２２とは、同軸上に赤外光線Ｌ1 とレーザー光線Ｌ2 とを発射するように構成されており、図３にその光学系の詳細を示している。
【００１５】
同図に示す光波距離計２０は、透光プリズム３８の位置において、レーザーチューブ２８から発射されたレーザー光線Ｌ2 に対して直交するように光軸が配置され、光波距離計２０から発射される赤外光線Ｌ1 は、透光プリズム３８で反射した後に、水平移動用ガルバノメータ３２と鉛直移動用ガルバノメータ３４とを介して、レーザー光線Ｌ2 と同軸方向に発射される。
【００１６】
光波距離計２０には、赤外光線Ｌ1 の光軸に視準光学系が共用するように設けられていて、図２に符号２０ａで示した部分がその接眼レンズである。レーザーマーキング部２２は、所定波長のレーザー光線Ｌ2 を発射するレーザーチューブ２８と、コリメータ３０と、水平移動用ガルバノメータ３２および鉛直移動用ガルバノメータ３４と、複数の反射プリズム３６と、透光プリズム３８とから構成されている。
【００１７】
水平および鉛直移動用ガルバノメータ３２，３４は、赤外光線Ｌ1,レーザー光線Ｌ2を水平および鉛直方向に変位させるとともに、基準用反射ターゲット１４を視準する際に、赤外光線Ｌ1,レーザー光線Ｌ2 を基準用反射ターゲット１４の周囲で２次元方向に走査させるスキャニング部となっており、図４にその詳細を示している。
【００１８】
同図に示すガルバノメータ３２，３４は、回転駆動部３２ａ，３４ａと、反射鏡３２ｂ，３４ｂとを有している。回転駆動部３２ａ，３４ａは、永久磁石で構成されたステータ３２ｃ，３４ｃと、ステータ３２ｃ，３４ｃの中心に回転可能に設けられ、ステータ３２ｃ，３４ｃの磁力線と鎖交するように設置された界磁コイル３２ｄ，３４ｄを有するロータ３２ｅ，３４ｅとから構成されている。
【００１９】
反射鏡３２ｂ，３４ｂは、ロータ３２ｅ，３４ｅの中心に延設されたロッド３２ｆ，３４ｆ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３２，３４では、回転駆動部３２ａ，３４ａの界磁コイル３２ｄ，３４ｄ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３２ｅ，３４ｅが回転して、反射鏡３２ｂ，３４ｂの反射角度が異なるようになっている。
【００２０】
すなわち、ガルバノメータ３２，３４は、いわゆる直流電流計と同一構造のものであって、電流計の指針に反射鏡３２ｂ，３４ｂが固設されていて、励磁コイル３２ｄ，３４ｄへの通電電流の大きさで、反射鏡３２ｄ，３４ｄの回転角度が判るようになっている。なお、赤外光線Ｌ1,レーザー光線Ｌ2 を水平および鉛直方向に変位させる手段は、上記ガルバノメータ３２，３４に限ることはなく、例えば、ステッピングモータによって反射鏡３２ｂ，３４ｂを回転させるようにしてもよい。
【００２１】
図５に制御装置１６の一例を示している。同図に示す制御装置１６は、パーソナルコンピュータ（以下パソコンと略す）１６ａとコントロールユニット１６ｂとを主体に構成されている。なお、以下の説明では、光波距離計２０から発射される赤外光線Ｌ1 で自動視準する場合について説明する。
パソコン１６ａ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や制御手順が予め格納記憶される記憶手段１６ｃと、表示器１６ｄと、キーボード１６ｅと、遠隔制御用の通信モデム１６ｆとが接続されている。
【００２２】
コントロールユニット１６ｂは、パソコン１６ａの送出信号を受けて、光波距離計２０やレーザーマーキング部２２のレーザーチューブ２８の駆動，停止を制御するとともに、水平および鉛直移動用ガルバノメータ３２，３４の回転駆動を制御する。
図６には、パソコン１６ａで実行される制御手順の一例を示している。同図に示す制御手順では、手順がスタートすると、まず、ステップｓ１で、装置本体１０の座標値（ｘ1,ｙ1,ｚ1 ）と、２個の基準用反射ターゲット１４の座標値（ｘ2,ｙ2,ｚ2 、ｘ3,ｙ3,ｚ3 ）とがそれぞれキーボード１６ｅから入力される。続くステップｓ２からｓ５では、基準用反射ターゲット１４の視準が行なわれる。
【００２３】
この視準は、以下のような操作で自動的に行なわれる。基準用反射ターゲット１４を視準する際には、基準用反射ターゲット１４の周囲で光波距離計２０から発射される赤外光線Ｌ1 を２次元方向に走査させる。この走査は、例えば、図７（Ａ）に示すように、まず、鉛直移動用ガルバノメータ３４をある一定の角度に固定した状態で、水平移動用ガルバノメータ３２を連続的に回転駆動させて、赤外光線Ｌ1 が基準用反射ターゲット１４の左右方向を横切るようにして照射する（ステップｓ２）。
【００２４】
このときの赤外光線Ｌ1 の照射位置は、水平移動用ガルバノメータ３２への供給電流が回転角度に対応しているので、供給電流の大きさが判れば既知となり、そのデジタル値がパソコン１６ａに取り込まれるとともに、その時の基準用反射ターゲット１４からの反射光Ｌ3 が光波距離計２０の受光部で受光され、受光部で光電変換されたデジタル信号が同様にパソコン１６ａに取り込まれる。
【００２５】
このような赤外光線Ｌ1 の水平走査は、赤外光線Ｌ1 が基準用反射ターゲット１４を横切る度毎に鉛直移動用ガルバノメータ３４を一定角度だけ移動するように回転駆動して、水平移動用ガルバノメータ３２の回転駆動方向を反転させながら複数回（ｎ回）行なわれ、基準用反射ターゲット１４の上下方向の全てをカバーするように照射されるとこの走査が終了する。
【００２６】
図７（Ｂ）には、このような赤外光線Ｌ1 の水平走査により光波距離計２２の受光部で受光される反射光Ｌ3 の光量の変化を示している。このとき、各光量が得られた赤外光線Ｌ1 の水平角度（Ｈ）は、水平移動用ガルバノメータ３２の回転駆動角度として求められているので、パソコン１６ａで、まず、各水平走査における中心点を、Ｈa ＋Ｈb ／２＝Ｈ1 ，Ｈa'＋Ｈb'／２＝Ｈ2 ，……＝Ｈn として求め、これらの平均値（Ｈ1 ＋Ｈ2 ，……＋Ｈn ／ｎ）から、反射ターゲット１４の水平方向の中心が求められる（ステップｓ３）。
【００２７】
なお、以上のような基準用反射ターゲット１４の視準操作は、基準用反射ターゲット１４の初期位置（ｘ2,ｙ2,ｚ2 、ｘ3,ｙ3,ｚ3 ）が予め判っているので、この初期位置を考慮して、レーザー光線Ｌ1 の走査開始位置を決める。また、このような基準用反射ターゲット１４の視準は、掘削サイクルが終了する毎に繰り返されることになるが、その時の各走査開始位置は、前回の走査開始位置を参照して決めればよい。
【００２８】
以上のようにして基準用反射ターゲット１４の水平方向の中心が求められると、次に、水平移動用ガルバノメータ３２を固定して、上記と同様な方法により鉛直方向の走査が行なわれ、同様な演算により基準用反射ターゲット１４の鉛直方向の中心点の位置が求められる（ステップｓ４，５）。次に、ステップｓ２から５の実行を繰り返すことにより、もう１つの基準用反射ターゲット１４の水平および鉛直方向の中心点の位置が同様な手順により求められる。
【００２９】
なお、一般の光波距離計は、受光レベルに応じて、出射光量がしぼりにより変化させるようになっているが、ステップｓ２から５では、この働きを停止するようにコントロールユニットから信号を送る。
そして、２個の基準用反射ターゲット１４の中心位置が求められると、次のステップｓ６では、最初の基準用反射ターゲット１４の中心位置に水平および鉛直移動用ガルバノメータ３２，３４の角度がセットされ、この状態で光波距離計２０の駆動が行なわれ、装置本体１０から基準用反射ターゲット１４までの距離ｌ1 が測定される（ステップｓ７）。
【００３０】
そして、ステップｓ６，７を再び実行することにより、他方の基準用反射ターゲット１４迄の距離ｌ2 が測定される。
次いで、ステップｓ８では、ステップｓ１で入力された装置本体１０の座標値（ｘ1,ｙ1,ｚ1 ）と２個の基準用反射ターゲット１４の座標値（ｘ2,ｙ2,ｚ2 、ｘ3,ｙ3,ｚ3 ）とから計算上の距離が演算され、この演算距離値と測定された距離ｌ1 ，距離ｌ2 との比較演算が行なわれ、これらの間に所定値以上のズレが有る場合には、ステップｓ９でその旨の指示が出され、この指示に基づいて水平ないしは鉛直つまみ１０ｆ，１０ｇでの調整が行なわれ、ステップｓ６に戻る。
【００３１】
一方、ステップｓ８で計算上の距離と測定上の距離ｌ1 ，ｌ2 とが一致していると判断された場合には、ステップｓ１０で、レーザーマーキング部２２を駆動して、切羽面１２へのトンネル断面形状の照射表示や穿孔位置の照射表示が行なわれる。
このときの照射表示は、水平および鉛直移動用ガルバノメータ３２，３４をコントロールユニット１６ｂで制御しつつレーザーチューブ２８を駆動することにより行なわれ、トンネル断面形状の照射表示や発破位置の照射表示は、予め記憶手段１６ｃに予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切羽面１２の位置に対応して選択される。
【００３２】
なお、この場合の切羽面１２の位置は、例えば、１回の掘削による掘削量が予測されるので、その予測量と掘削回数とを乗算することにより求めることができるし、従来と同様に、切羽面１２の直前に基準用反射ターゲットを設置して、この基準用反射ターゲットを視準して距離を測定することによって求めてもよい。
そして、掘削面１２に発破を装填して爆破し、掘削ずりの排出等の一連の作業が完了し、ステップｓ１１でトンネル構築作業が完了していないと判断されると、ステップｓ２に戻り同様な手順が実行される。
【００３３】
さて、以上のように構成されたレーザーマーキング装置によれば、光波距離計２０から発射される赤外光線Ｌ1 を、スキャニング部（水平および鉛直移動用ガルバノメータ３２，３４）で基準用反射ターゲット１４の周囲の２次元方向に走査させ、基準用反射ターゲット１４から反射される反射光Ｌ3 を光波距離計２２の受光部で受光し、この受光部で検出された受光信号に基づいて基準用反射ターゲット１４の中心位置をパソコン１６ａで演算するので、基準用反射ターゲット１４の視準が自動的に行なわれる。
【００３４】
しかも、このような基準用反射ターゲット１４の視準は、複数のものが人手によらず自動的に行なえるので、操作が簡単になり、作業能率も向上する。
なお、上記実施例では、基準用反射ターゲット１４の視準に光波距離計２０から発射する赤外光線Ｌ1 を使用したが、この赤外光線Ｌ1 に代えて、レーザーマーキング部２２から発射するレーザー光線Ｌ2 を使用することもできるし、この場合、基準用反射ターゲット１４からの反射光Ｌ3 の受光部は、光波距離計２２に内蔵されている受光部に代えて、例えば、専用のホトトランジスタなどを設置する。
【００３５】
【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装置によれば、レーザー光線でトンネル形状などを照射表示する際の基準点への視準操作を自動的に行なえるので、操作が簡単になり、作業能率も向上する。
【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装置の使用状態での全体構成図である。
【図２】同レーザーマーキング装置の装置本体の正面図と側面図である。
【図３】図２の光学系の説明斜視図である。
【図４】本発明にかかるレーザーマーキング装置のスキャニング部を構成するガルバノメータの説明図である。
【図５】本発明にかかるレーザーマーキング装置の制御系のブロック構成図である。
【図６】図５に示した制御系の制御手順を示すフローチャート図である。
【図７】本発明にかかるレーザーマーキング装置のスキャニング部で反射ターゲットの中心位置を求める際の説明図である。
【符号の説明】
１０            装置本体
１２            切羽面
１４            基準用反射ターゲット
１６            制御装置
１６ａ          パーソナルコンピュータ
１６ｂ          コントロールユニット
１６ｃ          記憶手段
２０            光波距離計
２２            レーザーマーキング部
２８            レーザーチューブ
３２            水平移動用ガルバノメータ
３４            鉛直移動用ガルバノメータ
３２ａ，３４ａ  回転駆動部
３２ｂ，３４ｂ  反射鏡
３２ｇ，３４ｇ  ロータリーエンコーダー
１６ｂ      フリップフロップ

【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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