(57)【要約】【課題】ハウジングに対して傾動可能な偏向手段のための簡単な構造の調整駆動部を具え，ハウジングを容易に小型化可能とする建設用レーザ装置を提案する。【解決手段】建設用レーザ装置（１）におけるレーザユニット（３）からのレーザビーム（４）は，レーザユニット（３）と共に傾動部（６）内に配置された偏向手段（５）により偏向される。傾動部（６）をハウジング（２）に対して調整するための調整駆動部は，制御手段（８）により制御される少なくとも１個のピエゾアクチュエータ（７a）を具える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザユニット（３）と，該レーザユニット（３）からのレーザビーム（４）を偏向するための偏向手段（５）とが傾動部（６）に配置され，該傾動部（６）がハウジング（２）に対して調整駆動部により調整可能とされているする建設用レーザ装置であって，前記調整駆動部が，少なくとも１個のピエゾアクチュエータ（７a）と，該ピエゾアクチュエータ（７a）を制御するための制御手段とを具えることを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
請求項１記載の装置において，前記ハウジング（２）が，好適にはひだ付きの可撓性ダイアフラム（９）により，傾動部（６）に対して密閉されていることを特徴とするレーザ装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の装置において，前記傾動部（６）に重力場（Ｇ）を感知する少なくとも１個の傾斜センサ（１０）が配置され，該傾斜センサ（１０）は前記制御手段に接続されていることを特徴とするレーザ装置。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか一項に記載の装置において，前記偏向手段（５）が前記傾動部（６）において旋回軸線（Ａ）を中心として回動可能に配置されていることを特徴とするレーザ装置。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか一項に記載の装置において，前記傾動部（６）が摺動球面（１２）を有し，該球面が，ハウジング（２）内に分散配置した少なくとも３個のピエゾアクチュエータ（７ａ，７ｂ，７ｃ）に直接的に摩擦接触し，かつ，ピエゾアクチュエータに対して附勢手段により附勢されていることを特徴とするレーザ装置。
【請求項６】
請求項１〜４の何れか一項に記載の装置において，前記ハウジング（２）が摺動球面（１２’）を有し，該球面が，傾動部（６）上に分散配置した少なくとも３個のピエゾアクチュエータ（７ａ，７ｂ，７ｃ）を直接的に摩擦接触し，かつ，ピエゾアクチュエータに対して附勢手段により附勢されていることを特徴とするレーザ装置。
【請求項７】
請求項５又は６に記載の装置において，４個のピエゾアクチュエータ（７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ）を具え，これらは２対のアクチュエータ（７ａ＋７ｂ，７ｃ＋７ｄ）として互いに直交する駆動方向に沿って配置されていることを特徴とするレーザ装置。
【請求項８】
請求項５〜７の何れか一項に記載の装置において，少なくとも１個のピエゾアクチュエータ（７ｄ）が，圧縮ばね手段（１３）を通じてハウジング（２）内に達しており，かつ，該圧縮ばね手段（１３）により摺動球面の球の中心に向けて附勢されていることを特徴とするレーザ装置。
【請求項９】
請求項５〜８の何れか一項に記載の装置において，前記転向手段（５）は，レーザビーム（４）の出射口が摺動球面（１２，１２’）の球の中心近傍に位置するように配置されていることを特徴とするレーザ装置。
【請求項１０】
請求項５〜９の何れか一項に記載の装置において，前記附勢手段が，少なくとも１個の永久磁石（１４）と，対応する磁化可能部材とで構成され，それぞれハウジング（２）内又は傾動部（６）に分散配置されていることを特徴とするレーザ装置。
【請求項１１】
請求項５〜１０の何れか一項に記載の装置において，前記摺動球面（１２，１２’）が磁化可能な金属製であることを特徴とするレーザ装置。
【請求項１２】
請求項５〜１１の何れか一項に記載の装置において，前記摺動球面（１２，１２’）に摺動領域を限定する複数の端部ストッパ（１５）が配置されていることを特徴とするレーザ装置。
【請求項１３】
請求項５〜１２の何れか一項に記載の装置において，全てのピエゾアクチュエータ（７a，７ｂ，７ｃ）が圧縮ばね手段（１３）により担持され，摺動球面（１２）がカルダン継手によりハウジング（２）に懸架されていることを特徴とするレーザ装置。
【請求項１４】
請求項１〜４の何れか一項に記載の装置において，カルダン継手によりハウジング（２）に懸架された傾動部（６）が，角度的にオフセットさせて配置した少なくとも２個のレバー機構（１７a,１７b）を介して少なくとも１個のピエゾアクチュエータ（７a,７c）に結合されていることを特徴とするレーザ装置。
【請求項１５】
請求項１４記載の装置において，２個の前記レバー機構（１７a,１７b）が互いに直角に配置されていることを特徴とするレーザ装置。
【請求項１６】
請求項１４又は１５に記載の装置において，互いに平行に配置された２個のピエゾアクチュエータ（７a+７b）が，可傾式アクチュエータ対を構成することを特徴とするレーザ装置。
【請求項１７】
請求項１〜４の何れか一項に記載の装置において，前記傾動部（６）がヘキサポッド（１８）として構成され，該ヘキサポッド（１８）は少なくとも６個のピエゾアクチュエータ（７a,７b,７c,７d,７e,７f）を介してハウジング（２）に懸架されていることを特徴とするレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，ハウジングに対して傾動可能とするレーザビーム偏向手段を具える建設用レーザ装置に関し，特に，重力場に従って自動的に水準調整を行う回転式建設用レーザ装置に関するものである。本発明は，ダクト工事用レーザ装置又は他のサーボ作動型建設用レーザ装置（点／線）にも適用可能である。
【背景技術】
【０００２】
少なくとも所定の角度範囲で回転するレーザビームを発生させる回転式建設用レーザ装置は，特に，建設部門で壁，天井，床等に対して水平レベル，垂直レベル又は特定の傾斜レベルを確定するために使用される。
【０００３】
通常の回転式レーザ装置は，２本の軸線周りで傾動可能なプラットフォームを有し，このプラットフォーム上に位置センサ及び回転ヘッドが配置されている。回転ヘッドは，センサに対して角度的に数秒のオーダの精度で調整される。外側のハウジングに固定されたステップモータ等の調整駆動部によりプラットフォームを，２方向でハウジングに対して傾動させる。位置センサとしては，ＣＣＤアレー又はフォトダイオードにより光学的に読出される気泡管が使用される。制御部はｘ軸方向及びy軸方向についてセンサを読出し，気泡管の気泡が校正した中間位置に至るまで，対応する方向でステップモータを作動する。ステップモータの出力は，多くの場合，必要な測角精度を確保するために，附勢されたウォーム歯車装置を減速する。このような既知の構造は，本体サイズが大きく，ステップモータが重く，構造的にコスト削減が困難である。更に，ウォーム歯車装置は両端部ストッパ間に挟止される可能性がある。すなわち，駆動部が大きく減速されているため，機械的な端部ストッパでは機械的な自己制動が生じかねない。その場合，ステップモータが端部ストッパに向けて駆動され，ウォームが制動される。モータの出力トルクは，歯車装置を自己制動状態から解除するには不十分である。
【０００４】
ドイツ特許ＤＥ４４０６９１４号明細書（特許文献１）に開示されている自動水準型の建設用回転レーザ装置は，レーザユニットがフレームに配置されており，レーザビームは偏向手段により約９０°だけ偏向可能である。この偏向手段は，旋回軸を中心として回転するように回転部に担持されている。
【特許文献１】ドイツ特許ＤＥ４４０６９１４号明細書
【０００５】
ヨーロッパ特許ＥＰ８５４３５１号明細書（特許文献２）には，レーザビームの回転面を，互いに直交する２個の旋回面に対して傾動可能とすることを開示している。球面軸受により，フレーム内で傾動可能に担持された旋回軸は，レーザユニット及び偏向手段と共に２個の調整駆動部により，通常は水平方向に整列されたハウジングに対して傾動する。使用されるステップモータと，自己制動するねじスピンドルとを具える調整駆動部は，構造的に複雑であり，故障しがちである。
【特許文献２】ヨーロッパ特許ＥＰ８５４３５１号明細書
【０００６】
旧東ドイツ特許ＤＤ２９１１４１号明細書（特許文献３）に開示されている光電式水準器は，回転可能な下側部分に対して傾動可能に担持された水準器付きテレスコープを具える。下側部分に対する水準器付きテレスコープの傾動は，制御手段により制御されるピエゾアクチュエータを通じて達成される。
【特許文献３】旧東ドイツ特許ＤＤ２９１１４１号明細書
【０００７】
なお，ピエゾアクチュエータには多様な用途がある。例えば，ドイツ特許ＤＥ３４１２０１４Ｃ１号明細書（特許文献４），ドイツ特許出願公開ＤＥ１９８１７８０２Ａ１号公報（特許文献５）及びヨーロッパ特許ＥＰ１１４２０３９Ｂ１号明細書（特許文献６）では調整駆動部としての用途が，ドイツ特許出願公開ＤＥ１９７４２２０５Ａ１号公報（特許文献７）ではヘキサポッド用としての用途が，ヨーロッパ特許出願公開ＥＰ３６０９７５Ａ２号公報（特許文献８）及びヨーロッパ特許ＥＰ０７９９５０２Ｂ１号明細書（特許文献９）では慣性体における摩擦力駆動源としての用途が，米国特許ＵＳ４９８７３３４号明細書（特許文献１０）にはレーザジャイロスコープの回転振動駆動部としての用途が開示されている。また，ジェームス・フライド外の論文；Transactions on Mechatronics；ＩＥＥＥ／ＡＳＭＥ  Ｖｏｌ．９，Ｎｏ．  ３；２００４年９月号に記載されているように，幾何学的に複雑な単一のピエゾアクチュエータ構造により，離散した空間領域に制御周波数に依存する種々の振動パターンを発生することが可能である。
【特許文献４】ドイツ特許ＤＥ３４１２０１４Ｃ１号明細書
【特許文献５】ドイツ特許出願公開ＤＥ１９８１７８０２Ａ１号公報
【特許文献６】ヨーロッパ特許ＥＰ１１４２０３９Ｂ１号明細書
【特許文献７】ドイツ特許出願公開ＤＥ１９７４２２０５Ａ１号公報
【特許文献８】ヨーロッパ特許出願公開ＥＰ３６０９７５Ａ２号公報
【特許文献９】ヨーロッパ特許ＥＰ０７９９５０２Ｂ１号明細書
【特許文献１０】米国特許ＵＳ４９８７３３４号明細書
【非特許文献１】ジェームス・フライド外著；Transactions on Mechatronics；ＩＥＥＥ／ＡＳＭＥ  Ｖｏｌ．９，Ｎｏ．  ３；２００４年９月号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は，ハウジングに対して傾動可能な偏向手段のための簡単な構造の調整駆動部を具え，ハウジングを容易に小型化可能とする建設用レーザ装置を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題を解決するため，本発明の建設用レーザ装置は，請求項１に記載した事項を特徴とする。また，本発明の好適な実施形態は，従属請求項に記載したとおりである。
【００１０】
本発明に係る建設用レーザ装置は，ハウジング内にレーザユニットを具える。レーザユニットからのレーザビームは偏向手段により偏向する。偏向手段はレーザユニットと共に傾動部に配置され，傾動部はハウジングに対して調整駆動部により調整可能とする。調整駆動部は，制御手段により制御される少なくとも１個のピエゾアクチュエータを具える。
【００１１】
本発明によれば，調整駆動部としてピエゾアクチュエータを使用するため，複雑な減速機構やステップモータを不要とすることができる。したがって，ハウジング内の所要スペースを大幅に削減することが可能である。
【００１２】
ハウジングを傾動部に対して，可撓性及び弾力性を有するダイアフラムにより密閉するのが有利であり，ダイヤフラムはひだ付きとするのが特に好適である。このようなダイヤフラムを設けたことにより，ピエゾアクチュエータを配置したハウジングの内部スペースを汚染から適切に保護することが可能である。
【００１３】
傾動部には重力場を感知するための少なくとも１個の傾斜センサを配置するのが有利である。傾斜センサは，制御手段に接続する。制御手段の制御ループを通じて建設用レーザ装置が自動的に水準調整を行う。
【００１４】
偏向手段を旋回軸を中心として回動可能に傾動部に担持するのが有利である。この場合，建設用レーザ装置は，少なくとも所定角度範囲内で回転するレーザビームを有する回転式レーザ装置として構成される。
【００１５】
傾動部は摺動球面を有する構成とするのが有利である。この摺動球面は，ハウジング内に分散配置した少なくとも３個のピエゾアクチュエータに摩擦接触させ，ピエゾアクチュエータに対して附勢手段で附勢する。それにより慣性体が形成され，傾動部は鋸歯状電圧を印加する際に各ピエゾアクチュエータに仲介され，そのせん断変形及び傾動部の慣性により球表面の全方向，特に三つのオイラー角Θ，Φ及びΨの全てに関して制御された状態で移動可能となる。複数のピエゾアクチュエータを，幾何学的に複雑なピエゾアクチュエータ構造の面的に分散された空間領域として配置することも可能である。その空間領域は，制御周波数に依存して種々の振動パターンを生じるものである。
【００１６】
上述した実施形態とは逆に，ハウジングに摺動凹球面を設けることも可能である。この摺動球面上には，傾動部に面的に分散配置された少なくとも３個のピエゾアクチュエータを摩擦接触で担持する。摺動球面は，ピエゾアクチュエータに対して附勢手段により附勢する。この場合には，制御手段を傾動部に配置することができる。
【００１７】
長い距離に亙って極めて高精度で相対的な位置決めを行う場合，慣性体は頻繁に応用される既知の定理である。ここで，相対的とは，この定理が絶対的な位置決め方式として特に適することを意味するものではなく，常にセンサと結合して制御回路で使用されることを意味している。この定理の増分変動幅は極めて小さいため，非常に正確な絶対的な位置センサ又は角度センサと協働して極めて正確な位置決めが可能となる。摺動球面及びその上の構造部材の機械的な慣性により，摺動球面はピエゾアクチュエータの緩慢な運動だけに追従する。すなわち，鋸歯波電圧の立ち上がりエッジだけに追従する。印加する鋸歯状電圧の険しい立ち下りエッジにおいては，ピエゾ素子が瞬間的に再変形する。このようなピエゾアクチュエータの加速では慣性が大きく作用するため，ピエゾアクチュエータと摺動球面との間の摩擦は，生じる力を摺動球面に伝達するのに十分ではない。ピエゾアクチュエータが再変形する際，その上に位置する摺動球面は連動しない。ｎｍ領域における変動幅は，鋸歯波電圧の高さ及び周波数，ピエゾアクチュエータの種類及び球状摺動面の表面粗さにより決定される。
【００１８】
４個のピエゾアクチュエータを各駆動方向に沿って２対として配置し，両駆動方向を互いに直交させるのが有利である。各１対のピエゾアクチュエータの制御により，摺動球面の分離可能な運動が達成され，特に，局部的なハウジング直交座標軸Ｘ，Ｙに係る固定した傾斜軸を中心とした純粋な傾動運動のみを発生させることが可能である。
【００１９】
少なくとも１個のピエゾアクチュエータを圧縮ばね手段を通じて担持すると共に，これを球の中心点に対して附勢するのが有利である。法線力は一層均等に複数のピエゾアクチュエータを通じて配分される。
【００２０】
レーザビームの出射口が球状摺動面の球中心点の近傍に位置するように偏向手段を配置するのが有利である。それにより，レーザビームを投射する投影面は前記中心点周りで正確に傾動させることが可能である。
【００２１】
附勢手段は，それぞれハウジング内又は傾動部内に分散配置された少なくとも１個の永久磁石と磁化可能な対応部材とで構成するのが有利である。この場合，必要な付着摩擦を生じる静止法線力が，構造的に容易に実現可能である。
【００２２】
摺動球面は，磁化可能な金属，例えば鋼製とするのが有利である。このような材料は，深絞り及び直後の研削仕上げにより構造的に容易に製造可能である。
【００２３】
摺動球面には運動範囲を領域的に限定する複数の端部ストッパを配置するのが有利である。摺動球面の過大な傾斜のみならず，多重回転も阻止することができる。
【００２４】
別の方法として，全てのピエゾアクチュエータを圧縮ばね手段により担持すると共に，摺動球面をカルダン式にハウジングに懸架するのが有利である。旋回角Фの運動は，カルダン継手の強制作用により阻止され，特に旋回軸を中心とする球状摺動面の自転が阻止される。
【００２５】
更に別の方法として，ハウジングにカルダン式に担持した傾動部を，レバー比が１０：１を超える少なくとも２個のレバー機構を介して少なくとも１個のピエゾアクチュエータに対して傾動可能に結合することも可能である。ピエゾアクチュエータの直接的な変形により，任意の傾斜軸を中心とする傾動が達成可能となる。
【００２６】
ピエゾアクチュエータは極めて僅かな調整距離を具えるだけであるが，極めて大きな調整力を増成できるため，長いレバーアームを有する固定レバー機構により短い入力調整距離を長い出力位置決め距離に転換することは位置決め目的として有用である。
【００２７】
２個のレバー機構を互いに直交させて配置するのが有利である。この場合，局部的なハウジング直角座標Ｘ，Ｙに係る純粋な傾動運動を生じさせることが可能である。
【００２８】
互いに平行に配置された２個のピエゾアクチュエータにより一対の傾動アクチュエータを構成するのが有利である。逆変形において，各１個の僅かな線形調整距離が角度減衰αに変換され，その傾斜アーチは著しく長くなる。
【００２９】
更に別の方法として，傾動部を少なくとも６個のピエゾアクチュエータによりハウジングに懸架したヘキサポッドとして構成する。この場合，ピエゾアクチュエータの制御により，仮想中心点周りでの任意の傾動運動を生じさせることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下，本発明を図示の好適な実施形態について更に具体的に説明する。
【００３１】
図１に示すように，本発明に係る建設用レーザ装置１は，部分的に透明なハウジング２内に配置したレーザユニット３を具える。旋回角Фで回転するレーザビーム４は，旋回軸Ａを中心として回動する偏向手段５により偏向する。偏向手段はレーザユニット３と共に傾動部６に配置される。傾動部６は，ハウジング２に対して調整駆動部により調整のために傾動させることができる。調整駆動部は面的に分散配置された４個のピエゾアクチュエータ７ａ〜７ｄを具える。これらのピエゾアクチュエータ７ａ〜７ｄは，制御手段８により制御する。ハウジング２は，可撓性及び弾力性を有するひだ付きのダイアフラム９により，傾動部６に対して密閉する。傾動部６には，重力場Ｇを感知する傾斜センサ１０を配置する。この傾斜センサ１０は制御手段８に接続する。制御手段８は，所定の整アルゴリズムに従う運動の遂行である限り，ピエゾアクチュエータ７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄを制御し，座標軸Ｘ,Ｙを有するハウジング直角座標系に係る重力場Ｇに対する所望の傾斜角Θｘｙを調整する。ハウジング２は凹球摺動凹球面を具える。この球面上で，面的に分散配置された４個のピエゾアクチュエータ７a,７b,７c,７dを通じて傾動部６が摩擦接触により担持される。第４のピエゾアクチュエータ７d自体は，圧縮ばね手段１３を通じて傾動部６内まで達している。２対のピエゾアクチュエータ７a+７b,７c+７dは，それぞれ駆動方向に沿って互いに直角をなす座標軸Ｘ，Ｙに添って配置する。偏向手段５におけるレーザビーム４の出射口は，摺動球面１２の球の中心点に位置する。傾動部６に配置した永久磁石１４は，磁化可能な対応部材として，クロムめっき鋼板で構成した摺動球面１２を介して，ピエゾアクチュエータ７a,７b,７c,７dの摩擦接触を法線力Ｆnで附勢する。摺動球面１２の両側には，端部ストッパ１５を配置する。
【００３２】
図２に示す実施形態では，４個のピエゾアクチュエータ７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄは，図１の場合とは異なり，それぞれ圧縮ばね手段１３を通じてハウジング２内に担持され，そこに配置した制御手段８と接続している。摺動球面１２’を研磨したアルミニウムで構成した傾動部６は，球の中心点においてカルダン継手１６を通じてカルダン式にハウジング２に懸架する。偏向手段５における旋回角Фの傾斜Θｘｙで回動するレーザビーム４の出射口は，摺動球面１２’の球中心点の近傍に位置する。
【００３３】
図３及び図４に示す実施形態に係る建設用レーザ装置１は，部分的に透明なハウジング２の内部に配置したレーザユニット３を具える。旋回角Фで回動するレーザビーム４は，旋回軸Ａを中心として回転する偏向手段５により偏向する。偏向手段５は，レーザユニット３と共に傾動部６に配置される。傾動部６は，ハウジング２に対して調整駆動部により調整のために傾動させることができる。調整駆動部は面的に分布した４個のピエゾアクチュエータ７ａ〜７ｄを具え，これらのピエゾアクチュエータは制御手段８に接続する。ハウジング２は，可撓性及び弾力性を有するひだ付きダイアフラム９により傾動部６に対して密閉さていれる。傾動部６には重力場Ｇを感知する傾斜センサ１０を配置する。傾斜センサ１０は，制御手段８に接続する。制御手段８は，座標軸Ｘ，Ｙを有するハウジングの直角座標系１１に係る重力場Ｇに対する所望のΘｘｙが達成されるまで，調整アルゴリズムに従ってピエゾアクチュエータ７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄを変形させる。
【００３４】
図３に示すように，カルダン継手を通じてカルダン式にハウジング２に担持された傾動部６は，互いに直交させて配置した（レバー比２０：１）２個のレバー機構１７ａ，１７ｂ（レバー比２０：１）を通じて，互いに平行に配置した各２個のピエゾアクチュエータ７a+７b,７c+７dからなる各１対の傾動アクチュエータに傾動可能として結合する。偏向手段５における傾斜Θｘｙの旋回角Фで回動するレーザビーム４の出射口は，カルダン継手１６の旋回点から遠く離れて位置する。
【００３５】
図４に示す傾動部６はヘキサポッドとして形成される。この傾動部６は，互いに逆向きに配置した６個のピエゾアクチュエータ７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆを介してハウジング２に結合する。ピエゾアクチュエータ７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆの制御に際して制御手段８の調整アルゴリズムにより決定された旋回点は，偏向手段５における傾斜Θｘｙの旋回角Фで回動するレーザビーム４の出射口に正確に位置する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】永久磁石を具える回転式建設用レーザ装置を示す配置図である。
【図２】カルダン継手を具える別の実施形態を示す配置図である。
【図３】ピエゾアクチュエータを具える別の実施形態を示す配置図である。
【図４】ピエゾアクチュエータ・ヘキサポッドを具える別の実施形態を示す配置図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  建設用レーザ
２  ハウジング
３  レーザユニット
４  レーザビーム
５  転向手段
６  傾斜手段
７a,７b,７c,７d  ピエゾアクチュエータ
８  制御手段
９  ダイアフラム
１０  傾斜センサ
１１  ハウジング座標系
１２  摺動面
１３  圧縮ばね手段
１４  永久磁石
１５  端部ストッパ
１６  カルダン継手
１７a,１７b  レバー機構
１８  ヘキサポッド
【図１】
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【図２】
2006133229.tif 000004
【図３】
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【図４】
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