(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザと、該半導体レーザより放射された光を平行光とするコリメータレンズと、該コリメータレンズにより平行とされた光束の光軸中央部を透過及び反射する半透過部と、周辺部を反射する全反射部とより構成される光路分割部材と、該光路分割部材で反射された周辺光束光路中に配置された円錐状の反射部材と、これらの光学部材を一体的に保持して本体に対して自由懸垂される保持部材とを有し、該円錐状の反射部材により光束を水平方向へ反射して水平基準線を形成すると共に、該光路分割部材の半透過部により光束を垂直方向に反射して垂直基準点を形成することを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
上記光学系の半透過部を透過した光束を垂直方向へと拡大する拡大光学系を設け、水平基準線と垂直基準点に加えて垂直基準線をも同時に形成することを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項３】
上記垂直基準点を形成する光路中に、本体に対して固定的に取り付けられた傾き検出センサーを設け、該傾き検出センサーは本体の傾きがほぼ存在しない状態ではセンサーに垂直基準点形成光がほとんど入射しない状態であり、本体が傾斜したときにはレーザ投光系と傾き検出センサーとが相対的に変位して、センサーに垂直基準点形成光の全部または一部が入射するようになり、これにより本体の傾きを検出するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項４】
半導体レーザと、該半導体レーザより放射された光を平行光とするコリメータレンズと、該コリメータレンズにより平行とされた光束の光軸中央部を透過する透過部と、周辺部を反射する反射部とより構成される光路分割部材と、該光路分割部材で反射された周辺光束光路中に配置された円錐状の反射部材と、該光学系の透過部を透過した光線を垂直方向へ拡大する拡大光学系と、これらの光学部材を一体的に保持し、本体に対して自由懸垂された保持部材とを有し、該円錐状の反射部材により光束を水平方向へ反射して水平基準線を形成すると共に、該光学部材の透過部を透過した光線を該拡大光学系により垂直方向に拡大して垂直基準線を形成することを特徴とするレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、建築現場等に於いて、構造物の水平設置、垂直設定、所定の基準点に対する垂直位置設定を高精度に行うためのレーザ光投影装置に関する。さらに詳しくは、単一の半導体レーザを用いて、走査のための複雑な可動光学系を用いることなく、水平設置のためのレーザ、垂直設定のためのレーザ、所定の基準点に対する垂直位置設定を高精度に行うためのレーザを投射することができるレーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光源からの光を平行光束として水平方向へ投影して水平基準面を形成する装置としては、特開平５−１０７０３７号公報や特開平５−２８０９７５号公報等に記載されているように、半導体レーザから出射された光束をコリメータレンズによって平行光束とし、該平行光束を円錐状の反射鏡へと導き、この円錐状の反射鏡によりレーザを方向変換させて水平面内で３６０度方向に分散させて水平面光線面を形成するレーザ装置が知られている。
特開平５−９９６７１号公報には、レーザをビームスプリッターで互いに直交する２方向へ分割させ、分割された各レーザをそれぞれ直角プリズムによって直角方向に偏向させると共に、該直角プリズムをその入射光軸を中心に回転させることによって、レーザが互いに直交する２平面を形成する構成が開示されている。
【０００３】
さらに特開平３−１８９５１３公報には、建築現場等において基準面を与えるために二つの直交する面に光を投射する投射装置であって、第一光線面を発生する光源装置と、該光源装置によって発生される該第一光線面の一部分を受けてその部分を第一光線面に直行する第二光線面に変換するプリズム状の偏向装置を有する構成を開示している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記特開平５−２８０９７５号公報及び特開平５−１０７０３７号公報に開示された構成においては、水平基準面が形成されるのみであり、建物の床等に定められた基準点に対してその垂直線上の位置を位置出しするには重錐を該投射装置から垂下させること等が必要であり、多くの手間と時間を必要として不便である。さらに、垂直基準面が形成されないため、ビル等の隅部の垂直の位置出しが行うことができないという問題があった。さらに、円錐状の反射鏡をその頂点付近まで高精度に円錐状に形成することは困難であり、高密度で断面積の細い平行レーザを射出することができず、高精度の測定に使用することはできない。上記特開平５−９９６７１号公報では、互いに直交する水平基準面と垂直基準面を形成するレーザ装置が示されているが、基準面を形成するために回転するペンタプリズム等の走査光学系が必要であり、光学系の構成が複雑となる問題がある。垂直基準面が無いことによる問題は上述の通りである。
【０００５】
上記特開平５−１８９５１３号公報においても、互いに直交する水平基準面と垂直基準面を同時に形成するレーザ装置が示されているが、水平基準面を形成するレーザの一部をプリズムによって垂直方向に偏向させて垂直基準面を形成する構成であるため、水平基準面の一部が欠けるという問題がある。従って、レーザの利用効率が低い上、複雑な構成のプリズムを必要とするという問題があった。また、垂直基準点が無いことによる問題は上述の通りである。
【０００６】
【発明の目的】
本発明は、構造物の水平設置、垂直設定、所定の基準点に対する垂直位置設定等に関する従来の装置の上述の問題点に鑑みてなされたものであって、可動部が無く、簡単な構成でレーザの利用効率の高いレーザ装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１発明は、半導体レーザと、該半導体レーザより放射された光を平行光とするコリメータレンズと、該コリメータレンズにより平行とされた光束の光軸中央部を透過及び反射する半透過部と、周辺部を反射する全反射部とより構成される光路分割部材と、該光路分割部材で反射された周辺光束光路中に配置された円錐状の反射部材と、これらの光学部材を一体的に保持して本体に対して自由懸垂される保持部材とを有し、
該円錐状の反射部材により光束を水平方向へ反射して水平基準線を形成すると共に、該光路分割部材の半透過部により光束を垂直方向に反射して垂直基準点を形成することを特徴とするレーザ装置である。
【０００８】
第１発明の実施態様は以下の通りである。
上記光学系の半透過部を透過した光束を垂直方向へと拡大する拡大光学系を設け、水平基準線と垂直基準点に加えて垂直基準線をも同時に形成することを特徴とする。
垂直基準点を形成する光路中に、本体に対して固定的に取り付けられた傾き検出センサーを設け、該傾き検出センサーは本体の傾きがほぼ存在しない状態ではセンサーに垂直基準点形成光がほとんど入射しない状態であり、本体が傾斜したときにはレーザ投光系と傾き検出センサーとが相対的に変位して、センサーに垂直基準点形成光の全部または一部が入射するようになり、これにより本体の傾きを検出するようにしたことを特徴とする。
【０００９】
第２発明は、半導体レーザと、該半導体レーザより放射された光を平行光とするコリメータレンズと、該コリメータレンズにより平行とされた光束の光軸中央部を透過する透過部と、周辺部を反射する反射部とより構成される光路分割部材と、該光路分割部材で反射された周辺光束光路中に配置された円錐状の反射部材と、該光学系の透過部を透過した光線を垂直方向へ拡大する拡大光学系と、これらの光学部材を一体的に保持し、本体に対して自由懸垂された保持部材とを有し、該円錐状の反射部材により光束を水平方向へ反射して水平基準線を形成すると共に、該光学部材の透過部を透過した光線を該拡大光学系により垂直方向に拡大して垂直基準線を形成することを特徴とするレーザ装置である。
【００１０】
【実施例】
本発明の実施例のレーザ装置を以下に図に基づいて説明する。第１実施例のレーザ装置１は、図１に示すように、ケーシングＣから懸垂支持体３によって匡体２を懸垂するように構成され、水平設置のために水平レーザ面６を形成する水平レーザＨ、垂直設定のために垂直レーザ面８を形成する垂直レーザＶ１、及び所定の基準点Ｏに対する垂直位置設定を行うために垂直レーザ線を形成する垂直レーザＶ２を投射する。
懸垂支持体３は、ケーシングＣに支持された直交する２軸１４、１６によって懸垂部材２０を支持し、懸垂部材２０によって匡体２を重力方向に支持する。懸垂支持体３は、所望により液体減衰装置、気体減衰装置、機械減衰装置等と組み合わされる。
【００１１】
匡体２は、図２及び図３に示すように、半導体レーザ発振器３０、半導体レーザ発振器３０から射出されたレーザＬを平行光束にするコリメータレンズ３２、該平行光束を３分割するための光路分割部材としての光路分割プリズム３４、光路分割プリズム３４から垂直方向に射出されたレーザを水平レーザＨにするための円錐形ミラー３６、及び光路分割プリズム３４から水平方向に射出されたレーザを垂直レーザＶ１にするためのロッドレンズ３７を有する。匡体２の下方には、匡体２を重力方向に向けるたの錘部材３８が連結部材３９を介して取付けられている。光路分割プリズム３４は、図４に示すように、上向きに４５°傾斜した貼り合わせ面４０を有し、貼り合わせ面４０に楕円ドーナツ形ミラー４２が形成され、楕円ドーナツ形ミラー４２の内部は透過率９０％の半透過部としての半透鏡４４である。半透鏡４４の反射光軸上に円形ミラー４６が形成されている。
【００１２】
匡体２の下部には、図５に示すように、ケーシングＣによって支持された、光路分割プリズム３４からの垂直レーザ線Ｖ２を受け入れる、４５°傾斜した楕円ドーナツ型ミラー５０付きの反射プリズム５１、及び楕円ドーナツ型ミラー５０からの反射レーザを受光する位置検出センサー５２が配置されている。
次に、上述した光学系のレーザ光路について説明する。半導体レーザ発振器３０から射出されたレーザは、コリメータレンズ３２によって平行にされた後、光路分割プリズム３４において３つのレーザ光束に分割される。すなわち、楕円ドーナツ形ミラー４２によって反射されて円筒状にされたレーザは垂直上方に進み、円錐形ミラー３６によって反射されて水平レーザＨを形成し、水平レーザ面６を形成する。
【００１３】
楕円ドーナツ形ミラー４２内部の半透鏡４４を透過したレーザは、水平に進んでロッドレンズ３７に入射し、ここで垂直方向に拡散されて垂直レーザＶ１を形成する。
楕円ドーナツ形ミラー４２内部の半透鏡４４によって反射されたレーザは、円形ミラー４６によって反射され垂直下向きに進み、半透鏡４４を透過し、垂直レーザＶ２を形成する。半透鏡４４を透過した垂直レーザＶ２は、匡体２と楕円ドーナツ型ミラー５０を支持したケーシングＣとが所定の相対的位置関係にあるときは、楕円ドーナツ型ミラー５０の内部を透過して通常基準位置に向かう。匡体２と楕円ドーナツ型ミラー５０を支持したケーシングＣとが所定の相対的位置関係にないときは、半透鏡４４を透過したレーザは楕円ドーナツ型ミラー５０によって反射されて位置検出センサー５２に達する。
【００１４】
次に、本レーザ装置を制御する制御回路を、図６の回路ブロック図に基づいて説明する。レーザＬを射出する半導体レーザ発振器３０は、制御回路全体を制御するＣＰＵ１００にＬＤ発光制御回路１０２を介して接続されて、半導体レーザ発振器３０の間欠的発振が制御される。ＣＰＵ１００からの指令により半導体レーザを連続と間欠的に点灯制御する働きをする。位置検出センサー５２は、楕円ドーナツ型ミラー５０からのレーザの受光位置を検出するためのものであって、受光位置を演算する測距回路１０４及びアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ回路１０６を介してＣＰＵ１００へ接続されている。ＣＰＵ１００には、さらに、Ａ／Ｄ回路１０６からの出力を角度データに変換するＲＯＭ１１０、ＲＯＭ１１０が出力した角度データを表示するための表示素子１１２、及び本レーザ装置をＯＮ、ＯＦＦするためのスイッチ１１４が接続されている。
【００１５】
次に、図７及び図８に基づいて、上述した制御回路の作動について説明する。
ステップ００１：スイッチ１１４をＯＮにすると、回路全体に電源が投入され、ＣＰＵ１００はＲＯＭ１１０に格納されたプログラムの実効を開始する。
ステップ００２：イニシャライズ動作が行われ、ＣＰＵ１００が初期状態に設定される。
ステップ００３：半導体レーザが連続直流点灯され、レーザＬがコリメータレンズ３２によって平行とされ、上述した光学系により３種類のレーザ、すなわち水平レーザＨ、垂直レーザＶ１、及び垂直レーザ線Ｖ２を形成する。
（垂直基準光、水平基準光線面、垂直基準光線面）となって投射される。
ステップ００４：スイッチ１１４がＯＮとなっているかが判断される。ＯＮとなっていれば以下のステップへと移行するが、ＯＦＦであればステップ１０１へと分岐し、動作を終了する。
【００１６】
ステップ００５：変数ｎを１に設定してステップ００６へ移行する。ステップ００６では半導体レーザが連続直流点灯しているかが判定される。連続直流点灯していれば以下のステップへと移行するが、連続直流点灯していなければステップ１０２へと分岐する。当初は上記したように連続直流点灯されているのでステップ００７へ移行する。
ステップ００７：位置検出センサー５２の出力を測距回路１０４で演算処理し、Ａ／Ｄ回路１０６でデジタル信号に変換して、ＣＰＵ１００に取り込み、位置検出センサー５２に入力するビームの位置を検出する。
ステップ００８：位置検出センサー５２からの出力信号とＲＯＭ２９に記憶された位置・角度変換テーブルの情報から傾き角を求め、ＣＰＵ１００内のＲＡＭ（図示せず）に記憶する。
【００１７】
ステップ００９：変数ｎが１であるか否かが判定され、１であれば以下のステップに移行するが、１でなければステップ１０３へと分岐する。電源を投入した直後はｎが１に設定されているから、以下のステップ０１０へ移行する。
ステップ０１０：上記ＲＡＭに一時的に記憶された傾き角度情報がＣＰＵ１００内のメモリーＡに格納され、ステップ０１１へ移行する。
ステップ０１１：ｎに１を加えてそれを新たにｎとし、ステップ０１２へと移行する。
ステップ０１２：変数ｎが４であるか否かが判定され、４であれば以下のステップへと移行するが、４以外の場合はステップ００６へと分岐する。当初はｎが４でないのでステップ００６へと分岐し、ステップ０１１でｎが４となるまでこのループが繰り返される。この間、それぞれの時点で検出された傾き角がそれぞれ異なるメモリーＢとＣとに格納される。即ち、ステップ０１２でステップ００６へと分岐した後、同様にしてビーム位置の検出と傾き角の検出を行うが、今度はすでにｎの値が１プラスされて２となっているので、ステップ００９でステップ１０３へと分岐する。
【００１８】
ステップ０１３：ｎが２と等しいか否かが判定され、等しければステップ１０４へと移行し、等しくなければステップ１０５へと移行する。ここではｎが２であるので、ステップ１０４へと移行し、直前求められた傾き角度データをメモリーＢへと格納してステップ０１１へ移行し、ステップ０１１で変数ｎに１を加えて３とし、ステップ０１２へと移行する。ステップ０１２ではｎが３であるので、ステップ００６へと分岐し、再びビーム位置の検出とそれに基づいた傾き角の検出を行いステップ００９へと移行する。ステップ００９ではｎが３であるのでステップ１０３へと分岐する。ステップ１０３ではｎが２と等しいかが判定され、判定の結果ｎが２ではないのでステップ０１５へと分岐し、その時の装置本体の傾き角のデータがメモリーＣに記憶される。この様にして時間的に連続した３つの装置本体の傾き角データがそれぞれ、メモリーＡ，Ｂ，Ｃに記憶される。その後ステップ０１１でｎに１を加えて４とし、ステップ０１２へと移行する。ステップ０１２ではｎが４であるので、ステップ０１３へと移行し、メモリーＡとメモリーＢに記憶された装置本体の傾き角の２つのデータの差の絶対値と予め決められた一定の微少角データεとが比較され、メモリーＡとメモリーＢとの差がこの一定値εよりも小さければステップ０１４へと移行し、大きい場合にはステップ１０６へと分岐する。
【００１９】
ステップ０１４：メモリーＢとメモリーＣに格納された傾き角データの差の絶対値と一定の微少角データεと比較される。その結果、メモリーＢとメモリーＣとの差がこの一定値εよりも小さければステップ０１５へと移行し、大きい場合にはステップ１０６へと移行する。
ステップ０１５：メモリーＡとメモリーＢとメモリーＣとに格納された角度データの平均値の絶対値が予め決められた一定の角度δ以内であるか否かが判定され、以内であればステップ０１６へと移行し、以上であればステップ１０６へと移行する。以上のステップ０１３からステップ０１５においては、装置本体の時間的な安定度と装置本体の絶対的な傾き程度の二つが判定される。すなわち、ステップ０１３またはステップ０１４では、異なる時間における装置本体の傾きデータを比較して、その値が予め決められた一定の微少範囲を超えているか否かを測定することで装置本体が安定しているかどうかを判定し、ステップ０１５では時間的に異なる３回の角度データを平均してその絶対値が一定角度範囲内にあるかどうかを測定し、装置本体の傾きが投光ビームを水平または垂直に維持できる一定範囲内（前記した匡体２が可動可能な傾き範囲内）にあるかどうかを判定する。投光レーザビームが安定しており、装置本体の傾きが一定角度以内の場合には、ステップ０１６に移行する。
【００２０】
ステップ０１６：メモリーＡとメモリーＢとメモリーＣに格納されている傾きデータの平均値を求める。
ステップ０１７：ステップ０１６で求めた値を角度データとして液晶パネルに出力する。従って使用者はこの液晶パネルを見ることで装置本体、即ち装置が置かれている場所の傾きを知ることができる。
ステップ０１８：半導体レーザ発振器３０を連続直流点灯してステップ００４へと戻り、以上のステップを繰り返す。これに対して投光レーザビームが不安定、例えば、装置本体を置いた直後など、または装置本体の傾きが一定以上の場合にはステップ０１３、ステップ０１４またはステップ０１５でステップ１０６へと分岐し、半導体レーザ発振器３０を点滅状態にして使用者にそのことを知らせると同時に、ステップ１０７で液晶表示素子１１２をＯＦＦにして誤って使用者が傾き値を読み取ることを防止する。半導体レーザ発振器３０を点滅状態にするのは、これを完全に消灯してしまうと使用者が装置が故障したものと勘違いしてレーザ光をのぞき込む危険を防止する意味もある。以後、ステップ００４へと移行し、以上のステップを繰り返す。半導体レーザ発振器３０が点滅している場合にはステップ００６でステップ１０２へと分岐し、半導体レーザが点灯状態であるか否かを判定し、点灯時にはステップ００７へと移行してビーム位置を検出する。非点当時には点灯状態まで待機し、点灯を待ってステップ００７へと移行するように動作して、半導体レーザ光が点灯していない状態でビーム位置の検出を行って誤った検出をする事を防止している。尚、このフローの動作中に電源がＯＦＦになると、ステップ００４でスイッチ１１４がＯＦＦ状態であることが判定され、ステップ１０１に移行して全体の動作を停止すると共に電源をＯＦＦにして動作を終了する。
【００２１】
第２実施例のレーザ装置２００は、図９に示すように、光源としての半導体レーザ発振器２０２、半導体レーザ発振器２０２より放射されたレーザを平行より若干広めの角度に集光するための投光用レンズ２０４、及びレーザを２分割する光路分割プリズム２０６を有する。
光路分割プリズム２０６は、下向きに４５°傾斜した貼り合わせ面２１０を有し、貼り合わせ面２１０に楕円ドーナツ形ミラー２１２が形成されている。光路分割プリズム２０６の下方には、孔２２０付き凹面反射鏡２２４が配置され、さらに下方に凸レンズ２２６が配置されている。凸レンズ２２６の下方には、第１実施例と同じように、ケーシングＣによって支持された、光路分割プリズム２０６からの垂直レーザ線Ｖ２を受け入れる、４５°傾斜した楕円ドーナツ型ミラー５０付きの反射プリズム５１、及び楕円ドーナツ型ミラー５０からの反射レーザを受光する位置検出センサー５２が配置されている。
【００２２】
楕円ドーナツ形ミラー２１２の内部の半透鏡２１４の透過光軸上には、軸線が紙面と平行である第１シリンドリカルレンズ２３０、及び軸線が紙面と直交する第２シリンドリカルレンズ２３２が配置されている。光路分割プリズム２０６の上方には、第１実施例と同じように、円錐形ミラー３６が配置される。
次に、上述した光学系のレーザ光路について説明する。半導体レーザ発振器２０２から射出されたレーザは、投光用レンズ２０４によって拡散光束にされた後、周辺部分のレーザは楕円ドーナツ形ミラー２１２によって反射され平行レーザとされて垂直上向きに進み、円錐形ミラー３６によって反射されて水平レーザ面６を形成する。
楕円ドーナツ形ミラー２１２内部を透過したレーザは、水平に進み、第１シリンドリカルレンズ２３０によって紙面と平行な面内において平行レーザとされ、第２シリンドリカルレンズ２３２によって垂直方向に拡散されて垂直レーザＶ１を形成する。
【００２３】
楕円ドーナツ形ミラー２１２によって反射されたレーザの中心部分は、凹面反射鏡２２４の孔２２０を通過し、凸レンズ２２６によって平行レーザとされて、垂直レーザＶ２を形成する。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、可動部が無く、簡単な構成でレーザの利用効率の高いレーザ装置を構成することができる。
さらに詳しく述べれば、水平基準面の形成にはあまり役に立たない円錐状の反射部材の頂点付近に入射する光束を垂直基準点を形成する光束として使用することができ、投射されるレーザ光の強度を犠牲にすることなく水平基準面と合わせて垂直基準点を形成することができ、さらに、水平基準面を形成する光束をより平板状に断面を細くすることができ、位置出しの精度が向上させることができる。  また、該光学系の半透過部を透過した光束を垂直方向へと拡大する拡大光学系を設け、水平基準線と垂直基準線に加えて垂直基準線をも同時に形成することによって、建設現場等における多様な用途に答えることができる。
【００２５】
さらに、垂直基準点を形成する光路中に、本体に対して固定的に取り付けられた傾き検出センサー設け、該傾き検出センサーは本体の傾きがほぼ存在しない状態ではセンサーに垂直基準点形成光がほんとど入射しない状態であるのに対し、本体が傾斜したときにはレーザ投光系と傾き検出センサーとが相対的に変位して、センサーに垂直基準点形成光の全部または一部が入射するようになり、これにより本体の傾きを検出するようにしたものであり、通常の使用態様ではレーザ光の強度を犠牲にすることなく単一のレーザ光から放射された光を傾き検出用にも利用でき、レーザ光の利用効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例のレーザ装置の斜視説明図である。
【図２】本発明の第１実施例のレーザ装置の光学系の斜視図である。
【図３】本発明の第１実施例のレーザ装置の光学系の光路図である。
【図４】本発明の第１実施例の光路分割プリズムの説明図である。
【図５】本発明の第１実施例の傾斜検出光学系の説明図である。
【図６】本発明の第１実施例の制御回路の回路ブロック図である。
【図７】本発明の第１実施例の電気回路の動作を説明するためのフローチャート図である。
【図８】本発明の第１実施例の電気回路の動作を説明するためのフローチャート図である。
【図９】本発明の第２実施例のレーザ装置の光学系の光路図である。
【符号の説明】
Ｌ          レーザ
Ｈ          水平レーザ
ＶＩ        垂直レーザ
Ｖ２        垂直レーザ
Ｃ          ケーシング
Ｏ          基準点
１          レーザ装置
２          匡体
３          懸垂支持体
６          水平レーザ面
８          垂直レーザ面
１４、１６  軸
３０        半導体レーザ発振器
３２        コリメータレンズ
３４        光路分割プリズム
３６        円錐形ミラー
３７        ロッドレンズ
３９        連結部材
４０        貼り合わせ面
４２        楕円ドーナツ形ミラー
４４        半透鏡
４６        円形ミラー
５０        楕円ドーナツ型ミラー
５２        位置検出センサー
１００        ＣＰＵ
１０２        ＬＤ発光制御回路
１０６        Ａ／Ｄ回路
【図１】
0003747106.tif 000002
【図２】
0003747106.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003747106.tif 000005
【図５】
0003747106.tif 000006
【図６】
0003747106.tif 000007
【図７】
0003747106.tif 000008
【図８】
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【図９】
0003747106.tif 000010