(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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光波距離計とを有し既知座標点に設置される装置本体と、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のトンネル設計データを記憶する記憶手段を有する制御装置とを備え、前記制御装置からの制御信号に基づいて切羽面にトンネル断面形状や穿孔位置などのトンネル施工情報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、
前記光波距離計は、前記レーザーマーキング部の照射点と前記装置本体との間の距離を、パルス状のレーザー光線の発射時間と反射光の受光時間との差から求めるパルス式測距儀であって、
前記制御装置は、前記切羽面の測距または掘削量に基づいて決定した仮の切羽面距離を前記光波距離計の測距値に基づいて補正し、補正された切羽面距離に基づいて前記レーザーマーキング部の照射位置を制御することを特徴とする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のトンネル施工情報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するものである。
【０００２】
【従来の技術】
山岳トンネルの工事現場では、掘削されたト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、さらには、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のトンネル施工情報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のトンネル設計データ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など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、上述した従来のレーザーマーキング装置では、測点ターゲットが設置された位置において、切羽面が単一の面であると仮定して、その面上におけるレーザーマーキング部の作動を指示して、レーザー光線の照射表示を行なっていた。ところが、実際の切羽面は、岩石の部分的な突出やくぼみが多数あって、単一な面でなく、凹凸面になっている。
【０００８】
このような凹凸面に単一の面で求めたレーザー光線を照射すると、照射ポイントにズレが生じて、例えば、発破装填穿孔パターンを表示した場合には、正確な位置に穿孔できない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、凹凸がある切羽面に正確にレーザー光線を照射表示することが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、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光波距離計とを有し既知座標点に設置される装置本体と、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のトンネル設計データを記憶する記憶手段を有する制御装置とを備え、前記制御装置からの制御信号に基づいて切羽面にトンネル断面形状や穿孔位置などのトンネル施工情報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、前記光波距離計は、前記レーザーマーキング部の照射点と前記装置本体との間の距離を、パルス状のレーザー光線の発射時間と反射光の受光時間との差から求めるパルス式測距儀であって、前記制御装置は、前記切羽面の測距または掘削量に基づいて決定した仮の切羽面距離を前記光波距離計の測距値に基づいて補正し、補正された切羽面距離に基づいて前記レーザーマーキング部の照射位置を制御することを特徴とする。
【００１０】
【作用】
上記構成のレーザーマーキング装置によれば、レーザーマーキング部と同軸上にレーザ光線を発射するパルス式測距儀で、レーザーマーキング部の照射点と装置本体との間の距離を測距し、この測距値に基づいて、切羽面の測距または掘削量に基づいて決定した仮の切羽面距離を補正し、補正された切羽面距離に基づいてレーザーマーキング部の照射位置を制御装置で制御するので、切羽面に凹凸があっても、この凹凸に対応した正確な位置を照射表示することができる。
【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内に内蔵されたレーザーマーキング部２０とパルス式測距儀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を水平方向に微動回転させる水平微動操作つまみであり、同符号１０ｇで示した部分がケース１８を鉛直方向に微動回転させる鉛直微動操作つまみであり、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。
【００１５】
レーザーマーキング部２０とパルス式測距儀２２とは、同軸上にレーザー光線Ｌ１，Ｌ２  を発射するように構成されており、図３にその光学系を示している。同図に示すレーザーマーキング部２０は、所定波長のレーザー光線Ｌ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、ハーフミラー３８とから構成されている。
【００１６】
パルス式測距儀２２は、パルス状のレーザー光線Ｌ2 を発射するものであって、ハーフミラー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Ｌ1 に対して直交するように光軸が配置され、パルス式測距儀２２から発射されるレーザー光線Ｌ2は、ハーフミラー３８を透過し反射プリズム３６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Ｌ1 と同軸方向に発射される。
【００１７】
また、レーザ光線Ｌ２  と同軸の視準光学系がパルス式測距儀２２の中に設けられている。符号２０ａは、視準のための接眼レンズ部である。
図４にパルス式測距儀２２の機能ブロックを示しており、同図に示すパルス式測距儀２２は、所定の波長のレーザー光線を発射するレーザーチューブ２２ａと、このレーザーチューブ２２ａから発射された光線をパルス状レーザー光線Ｌ２  として送出する発光制御部２２ｂと、発光制御部２２ｂから送出されたパルス状レーザー光線Ｌ２  の反射光を受光する受光部２２ｃとを有している。
【００１８】
そして、時間計測部２２ｄでは、発光制御部２２ｂから送出されたパルス状レーザー光線Ｌ２  の送出時間と、反射光を受光部２２ｃで受光した受光時間とから、これらの間の時間間隔を計測し、距離演算部２２ｅでこの時間間隔と光速との関係から、パルス式測距儀２２の設置位置と反射点までの間の距離を演算し、その演算結果を表示部２２ｆに表示する。
【００１９】
水平および鉛直移動用ガルバノメータ３２，３４は、レーザー光線Ｌ１，Ｌ２  を水平および鉛直方向に変位させるものであって、図５にその詳細を示している。
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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、レーザー光線Ｌ１，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。
【００２２】
図６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。
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のトンネル設計データ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。
【００２３】
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、レーザーマーキング部２０のレーザーチューブ２８やパルス式測距儀２２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７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では、仮の切羽面１２の演算が行なわれる。
【００２４】
このときの仮の切羽面１２の演算は、例えば、切羽面１２の直前に測点ターゲットを設置し、このターゲットをパルス式測距儀２２て視準することによって行なうか、あるいは、一回の掘削作業で、どの程度トンネル掘削が行なわれるかが判っているので、掘削作業の回数を計数することにより概略の切羽面１２の位置が求められるので、これらのいずれかにより仮の切羽面１２を決定する。
【００２５】
仮の切羽面１２が決定されると、記憶手段１６ｃに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のトンネル設計データが格納記憶されているので、その内容を読み出して、仮の切羽面１２の断面形状や同切羽面１２における発破装填穿孔パターンが選択され、この選択された内容に基づいて、レーザー光線Ｌ１  で照射表示する最初の照射点が決まり、仮の切羽面１２上におけるこの照射点までの距離（ｌｘ  ）が演算される（ステップｓ３）。
【００２６】
次のステップｓ４では、照射点の座標値から水平および垂直移動用ガルバノメータ３２，３４の回転角度が決定され、この決定に基づいてガルバノメータ３２，３４が駆動される（ステップｓ４）。そして、ステップｓ５では、この状態でパルス式測距儀２２のレーザーチューブ２２ａが駆動され、パルス状レーザー光線Ｌ２  をガルバノメータ３２，３４を介して実際の切羽面１２上に照射し、実際の照射点までの距離（ｌｘ  ’）が測定される。
【００２７】
続くステップｓ６では、距離（ｌｘ  ）と距離（ｌｘ  ’）とが一致しているか否かが判断され、これが一致している場合には、ステップｓ７で、レーザーマーキング部２０のレーザーチューブ２８が駆動され、レーザー光線Ｌ１  による照射点の照射表示が行なわれる。なお、ステップｓ６における距離の一致判断においては、必ずしも完全一致である必要はなく、ある程度の幅を持たせることができる。
【００２８】
一方、ステップｓ６で距離（ｌｘ  ）と距離（ｌｘ  ’）とが一致していないと判断した場合には、ステップｓ８で補正値の演算が行なわれ、ステップｓ９では、求められた補正値に基づいて、水平および鉛直移動用ガルバノメータ３２，３４の回転角度の修正が行なわれ、その後に、ステップｓ７が実行される。
図８には、この補正値の演算が行なわれる場合の２つの態様を示している。同図（Ａ）に示したのが、仮の切羽面１２よりも実際の照射点が奥側にあって、照射点が凹部に位置している場合である。
【００２９】
従来のこの種の装置では、切羽面１２の位置ａを照射しているのであるが、実際の切羽面がその奥側に位置しているので、実際の切羽面における照射点は点ｂとなり、点ａと点ｂとの間の距離をｌとし、レーザー光線の傾斜角度をθとすると、ｌｔａｎθ（＝ｍ）の誤差が生じる。そこで、本実施例では、この誤差ｍを演算し、得られた誤差ｍで補正することにより、正しい点ｃをレーザー光線Ｌ２  で照射するようにしている。
【００３０】
このような補正は、図８（Ｂ）に示したように、仮の切羽面１２に対して、実際の照射点が突出している場合も同様に補正することができる。そして、ステップｓ８でレーザー光線Ｌ２  で照射点の照射表示が完了すると、ステップｓ１０で予定されている照射点の全ての照射が終了したか否かが判断され、終了していなければステップｓ３に戻って上記した手順が再び繰り返されるとともに、終了したと判断された場合には、手順が終わる。
【００３１】
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、レーザーマーキング部２０と同軸上にレーザ光線Ｌ１  を発射するパルス式測距儀２２で、レーザーマーキング部２０の照射点と装置本体１０との間の距離を測距し、この測距値に基づいて、仮の切羽面距離を補正し、補正された切羽面距離に基づいてレーザーマーキング部２０の照射位置を制御装置１６で制御するので、切羽面１２に凹凸があっても、この凹凸に対応した正確な位置を照射表示することができる。
【００３２】
【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、凹凸がある切羽面に正確にレーザー光線を照射表示することができ、例えば、発破用の穿孔を予定した個所に正確に穿けることができる。
【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説明図である。
【図３】図２の光学系の説明斜視図である。
【図４】パルス式測距儀の機能構成ブロック図である。
【図５】本発明にかかるレーザーマーキング装置のスキャンニング部を構成するガルバノメータの説明図である。
【図６】本発明にかかるレーザーマーキング装置の制御装置のブロック構成図である。
【図７】図６に示した制御装置の制御手順を示すフローチャート図である。
【図８】本発明にかかるレーザーマーキング装置で照射点の補正を行なう場合の補正値の計算方法を示す説明図である。
【符号の説明】
１０            装置本体
１２            切羽面
１４            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            レーザーマーキング部
２２            パルス式測距儀
２２ａ          レーザーチューブ
２２ｂ          発光制御部
２２ｃ          受光部
２２ｄ          時間計測部
２２ｅ          距離演算部
２２ｆ          表示部
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
【図１】
0003596945.tif 000002
【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】
0003596945.tif 000008
【図８】
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