(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザービームを水平な方向又は垂直な方向に投射し、装置自体が傾斜した状態でもその投射したレーザービームを２段階で実質的に真に水平又は垂直な方向に整列させるようになっている携帯用の手持ち装置において、
ハウジングと、
レーザービームを投射するための投射手段を伴うレーザー手段と、
該ハウジングに確保されて該ハウジングの内部で垂れ下がって、該ハウジングが真に水平又は垂直でないときに第１段階の整列を行う振り子式取り付け手段とが設けられており、該ハウジングが傾斜しているときに該レーザー手段から投射されたビームが真に水平又は垂直な方向から小さな偏向角を残してほぼ水平又は垂直な方向に整列することとなるように前記レーザー手段は該振り子式取り付け手段に取り付けられており、更に、
第２段階の整列において、該レーザービームの経路に弱いレンズ手段が配置されており、この弱いレンズ手段は、該レーザービームの経路を前記の小さな偏向角だけ曲げることによって該レーザービームを実質的に真の水平又は垂直な方向に整列させるように選択された位置及び光学素子を有することを特徴とする手持ち装置。
【請求項２】
該レーザー手段は、該振り子式取り付け手段に実質的に水平に取り付けられたレーザーダイオードからなることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の手持ち装置。
【請求項３】
該ハウジング内にレーザー電源を有すると共に該電源から該レーザーダイオードへ延びる少なくとも１本の細いワイヤを有し、その細いワイヤは、該ハウジングが傾斜しているときに該振り子式取り付け手段の整列機能を妨害することのないように充分に細く且つ撓みやすく且つ充分な長さを持っていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の手持ち装置。
【請求項４】
該ハウジングは、前記の弱い負のレンズを該ハウジングに確保して、該装置の較正のために該レーザービームの経路に対してほぼ垂直な方向における該弱いレンズ手段の横方向調整を可能にする調整可能なレンズ取り付け手段を包含することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の手持ち装置。
【請求項５】
該振り子式取り付け手段は重心調整手段を包含しており、この手段は、該振り子式取り付け手段に確保されていて該振り子式取り付け手段の重心を移動させ得るようにその位置を調整し得る錘から成ることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の手持ち装置。
【請求項６】
該装置が落下したり、又は装置を損傷させる可能性のある衝撃が加わったりした場合に該振り子式取り付け手段に対する軸方向衝撃損傷を防止するための手段を更に包含しており、この手段は該振り子式取り付け手段の上端を該ハウジングに確保するバネ取り付け手段から成ることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の手持ち装置。
【請求項７】
該振り子式取り付け手段は、前記の小さな偏向角と該ハウジングの傾斜角との比で計って約０．５％ないし２％の範囲内の剛性を有することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の手持ち装置。
【請求項８】
該ハウジングと該振り子式取り付け手段との間に共同するように配置された磁気減衰手段を更に含むことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の手持ち装置。
【請求項９】
該振り子式取り付け手段は、該ハウジングにほぼ垂直に取り付けられた選択された剛性を有するワイヤから成ることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の手持ち装置。
【請求項１０】
該振り子式取り付け手段は、上端が該ハウジングに固定されているコイルバネから成ることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の手持ち装置。
【請求項１１】
該ハウジングから出射する２本の直交するレーザービームを生じさせる手段を更に該ハウジング内に有し、そのレーザービームのうちの一方は垂直で他方は水平であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の手持ち装置。
【請求項１２】
２本の直交するレーザービームを生じさせる前記手段は、該振り子式取り付け手段に取り付けられたビームスプリッタミラーと、該ハウジングに確保された１対の前記弱いレンズ手段とから成っており、その一方は、水平に投射されたビーム即ち水平ビームの経路に配置され、他方は垂直に投射されたビーム即ち垂直ビームの経路に配置されていることを特徴とする請求の範囲第１１項に記載の手持ち装置。
【請求項１３】
該レーザー手段は、該振り子式取り付け手段から投射される実質的に完全に平行化されたレーザービームを生じさせるための光学手段を包含しており、その平行化されたレーザービームは、前記の弱いレンズ手段の各々への経路上で前記ビームスプリッタ手段により分割され、前記弱いレンズ手段は各々弱い反転望遠鏡から成ることを特徴とする請求の範囲第１２項に記載の手持ち装置。
【請求項１４】
該振り子式取り付け手段は、上端が該ハウジングに固定されたコイルバネから成っており、該コイルバネは逆向きに巻かれたコイルを有し、実質的に該コイルの上側の半分は第１の方向に向けられ、該コイルの下側の半分は反対の方向に向けられており、これにより該振り子式取り付け手段の位置は、該コイルバネの熱膨張及び収縮を引き起こす温度条件の変化があっても回転に関して安定していることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の手持ち装置。
【請求項１５】
該振り子式取り付け手段は上端を有し、該レーザー手段からの少なくとも１本の電気導体ワイヤが該振り子式取り付け手段の該上端に確保されており、少なくとも１本の細いワイヤが該振り子式取り付け手段の該上端の該電気導体ワイヤから延在しており、少なくとも１本の細いワイヤが該振り子式取り付け手段の該上端の該電気導体ワイヤから該ハウジング上の一定位置へ延在しており、前記の細いワイヤは該コイルバネの側の近傍にあって、該振り子式取り付け手段が該ハウジングに対して相対的に傾いて該レーザービームを補正するときに必要なその細いワイヤの曲がりの程度が極めて小さいことを特徴とする請求の範囲第１４項に記載の手持ち装置。
【請求項１６】
レーザー光の水平な平面を投射し、装置自体が傾斜した状態でもその投射されたレーザー平面を２段階で実質的に真に水平な方向に整列させるようになっている携帯用の手持ち装置において、
ハウジングと、
レーザービームを投射するための投射手段を伴うレーザー手段と、
該ハウジングに確保されて該ハウジングの内部で垂れ下がって、該ハウジングが真に水平又は垂直でないときに第１段階の整列を行う振り子式取り付け手段とが設けられており、該ハウジングが傾斜しているときに該レーザー手段から投射されたビームが真の垂直方向から小さな偏向角を残してほぼ垂直な方向に整列することとなるように前記レーザー手段は該振り子式取り付け手段に取り付けられており、更に
該振り子式取り付け手段に固定されて、該レーザー手段から投射されたビームの経路内に存在して、その投射されたビームからレーザー光の平面を広く生じさせるアキシコン反射手段と、
第２段階の整列において、レーザー光の該平面の経路に位置する弱いトロイダルレンズ手段とが設けられており、この手段は、該レーザービームの経路を前記の小さな偏向角だけ曲げることによって該レーザービームを実質的に真の水平方向に整列させるように選択された光学素子を有することを特徴とする手持ち装置。
【請求項１７】
該アキシコン反射手段は反射コーンから成り、該レーザー手段は、ほぼ平行なレーザー光のビームを該反射コーンに向けてほぼ平行な光の平面を生じさせるための手段を包含しており、前記の弱いトロイダルレンズ手段は弱い反転望遠鏡から成ることを特徴とする請求の範囲第１６項に記載の手持ち装置。
【請求項１８】
該振り子が該レーザービームの水平又は垂直を実質的に完全に補正することのできる水平化範囲の外に該ハウジングがあることをユーザーに示すための範囲外表示手段を更に包含することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の手持ち装置。
【請求項１９】
前記の範囲外表示手段は、該レーザーを変調して、該振り子がその整列範囲を超えている状態にあることを意味するユーザーが見ることのできる変調ビームを生じさせるための手段を包含することを特徴とする請求の範囲第１８項に記載の手持ち装置。
【請求項２０】
該振り子式取り付け手段は上端を有し、該レーザー手段からの少なくとも１本の電気導体ワイヤが該振り子式取り付け手段の該上端に確保された位置へ延在しており、少なくとも１本の細いワイヤが該振り子式取り付け手段の該上端の該電気導体ワイヤから該ハウジング上の一定位置へ延在しており、前記の細いワイヤは該振り子式取り付け手段の重心の横方向近傍にあって、該振り子式取り付け手段が該ハウジングに対して相対的に傾いて該レーザービームを補正するときに必要なその細いワイヤの曲がりの程度が極めて小さく、更に、屈曲を前記のワイヤに沿って分散させて局部的屈曲を防止して歪みを軽減するために該ワイヤが該ハウジングに固定される位置と該ワイヤが該振り子の該上端に固定される位置とにおいてその細いワイヤを覆う弾性のある材料を有することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の手持ち装置。
【請求項２１】
該ハウジングを実質的に覆うことによって、該ハウジング内の該レーザー手段、該振り子式取り付け手段及び該振り子を保護するための保護用のゴム又はゴム状のエラストマーのケーシングを更に包含することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の手持ち装置。
【請求項２２】
レーザービームを水平な方向又は垂直な方向に投射し、装置自体が傾斜した状態でもその投射したレーザービームを２段階で実質的に真に水平又は垂直な方向に整列させるようになっている携帯用の手持ち装置において、
ハウジングと、
レーザービームを投射するための投射手段を伴うレーザー手段と、
該ハウジングに確保されて該ハウジングの内部で垂れ下がって、該ハウジングが真に水平又は垂直でないときに第１段階の整列を行う振り子式取り付け手段とが設けられており、該ハウジングが傾斜しているときに該レーザー手段から投射されたビームが真に水平又は垂直な方向から小さな偏向角を残してほぼ水平又は垂直な方向に整列することとなるように前記レーザー手段は該振り子式取り付け手段に取り付けられており、更に、
第２段階の整列において、該レーザービームの経路に屈折補正手段が配置されており、この手段は、該レーザービームの経路を前記の小さな偏向角だけ曲げることによって該レーザービームを実質的に真の水平又は垂直な方向に整列させるように選択された光学素子を有することを特徴とする手持ち装置。
【請求項２３】
該屈折補正手段は、実質的に透明な液体で満たされた室を画定する前記ハウジングから成っており、該振り子式取り付け手段はその液体の中に入れられており、該ハウジングはビーム出口窓を有し、該レーザービームはこの窓を通って外に出射し、前記液体の屈折率と該ハウジングの外側の空気の屈折率との比は、前記の第２段階の整列としての実質的に真の水平又は垂直への屈折によって該レーザービームを整列させるのに役立つことを特徴とする請求の範囲第２２項に記載の手持ち装置。
【請求項２４】
該レーザー手段を伴う該振り子式取り付け手段は、実質的に一致する重心と浮力の中心とを有することを特徴とする請求の範囲第２３項に記載の手持ち装置。
【請求項２５】
該レーザー手段を伴う該振り子式取り付け手段は、温度の変化に伴う、該振り子式取り付け手段に作用する浮力に影響を及ぼす該液体の密度の変化が、該屈折補正手段に影響を及ぼす該液体の屈折率の変化によって相殺されることとなるように選択された浮力対重量比を有することを特徴とする請求の範囲第２３項に記載の手持ち装置。
【請求項２６】
該レーザー手段を伴う該振り子式取り付け手段は、実質的に一致する重心と浮力の中心とを有することを特徴とする請求の範囲第２５項に記載の手持ち装置。
【請求項２７】
レーザービームを垂直な方向又は水平な方向に投射し、装置自体が傾斜した状態では投射したレーザービームを実質的に水平又は垂直な方向に整列させるようになっている携帯用の手持ち装置において、
ハウジングと、
レーザービームを投射するための投射手段を伴うレーザー手段と、
該ハウジングに確保されて該ハウジングの内部で垂れ下がって、該ハウジングが真に水平又は垂直でないときに該レーザービームを実質的に整列させる振り子式取り付け手段とが設けられており、前記振り子式取り付け手段は実質的に自由に吊り下げられた振り子から成り、前記レーザー手段は、該ハウジングが傾斜しているときに該レーザー手段から投射されたビームがほぼ実質的に水平又は垂直な方向に整列することとなるように、該振り子式取り付け手段に取り付けられており、前記振り子式取り付け手段は、該振り子が該ハウジングに対して相対的に回動して該ハウジングの傾斜角のほぼ全部を補正する懸垂位置に入ることを可能にする第１段傾斜整列取り付け手段と、該第１段傾斜整列取り付け手段に確保されて該振り子の懸垂位置を該レーザービームの真の水平又は垂直により近い方向に更に補正する第２段傾斜整列取り付け手段とから成ることを特徴とする手持ち装置。
【請求項２８】
該第１段傾斜整列取り付け手段は、２垂直軸の周りの回転を可能にするために該ハウジングに固定された玉軸受けジンバル取り付け手段から成っており、該第２段傾斜整列取り付け手段は、該玉軸受けジンバル取り付け手段に確保されて該玉軸受けジンバル取り付け手段から垂れ下がる引っ張りコイルバネから成っており、該コイルバネの下端は該振り子に固定されており、該コイルバネは、振り子が傾いたときにバネを撓ませるように巻かれた一連のコイル部を有することを特徴とする請求の範囲第２７項に記載の手持ち装置。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は手持ち装置に関し、特に本発明は精密なアライメント（整列）をとるために可視光線の垂直ビーム及び水平ビームを投射するための小型の指示装置に関する。この装置は、互いに９０度をなす２本のビームを同時に投射する。該装置が直立姿勢で使用されるとき、投射されるレーザービームは水平なレーザービーム及び垂直なレーザービームである。この装置を水平面内に横倒しに置いたとき、その線を用いて、建築工事に必要な精密な直角を作ることができる。使用される水平化技術は、既存の水平化技術の最も魅力のある特徴を組み合わせて、自己水平化範囲が広くて、温度が変化しても精度が高くて、製造公差が小さい装置を作り出す。水平ビーム及び垂直ビームを水平にする独特の方法をミラー付きコーンと組み合わせて使用して、空間内に平面の位置を示すためにレーザー光の平面を作り出すことができる。
種々の測量装置及び大工道具がレーザーを採用している。初期のレーザー・アライメント装置は、米国特許第３、８９７、６３７号、及び米国特許第３、２７９、０７０号の場合のように、手操作で水平化されていた。後に、精度及び信頼性を高めるために自己水平化装置が採用された。レーザー投射器が搭載されているプラットホームを電子的に水平化する方法が幾つかある。そのようなシステムは、実際の水平化を行うモータを制御するために電子水平センサーを使用する。それらのシステムは非常に高価で複雑である。
はっきりと異なる二つの方法を用いる自動自己水平化技術が達成されている。第１の範疇の水平化装置においては、レーザー全体が重力によって水平化される。米国特許第３、７７１、８７６号に置いては、Ｈｅ−Ｎｅレーザーとシャシーとが可撓性の支持体により吊り下げられて垂直ビームを生じさせ、このビームが後にペンタプリズムにより水平面内に向けられる。本願の図１はそのシステムを示すものであり、レーザー４は、ペンタプリズム１０の上にワイヤ２によって吊り下げられている。振り子振動は磁石１２により減衰させられる。ペンタプリズム１０はモータ１６により回転させられ、ビームは窓４から出る。
別のプラットホーム水平化システムが米国特許第５、１８４、４０６号に開示されており、本願の図２ａに図示されている。電池で動作するレーザーダイオード組立体２２が、容器２４内で液体２８により支持されるフロート２６に搭載されている。その容器が傾いても、平行レーザービーム２０は垂直に保たれる。
米国特許第５、１４４、４８７号の玉軸受け振り子が図２ｂに示されている。プラットホーム２３は、ハウジング２９内で玉軸受けピボット２５により吊されている。プラットホーム内の光学組立体は、アライメントの目的のために複数の平行レーザービーム２１を発生させる。このプラットホームの運動は、磁石２７により誘導される渦電流により減衰させられる。数個の玉軸受けを使用しているために、この装置は高価で大型であり、精度及び頑丈さが限定されている。水平に近い傾斜角度では、玉軸受けにおける摩擦に打ち勝つために利用し得る力は極めて小さくて、精度不良につながる。
全く異なる第２の範疇のレーザー・アライメント装置においては、レーザーは装置のハウジングに堅く取り付けられ、補正手段を用いて該ハウジングの傾斜を補正する。米国特許第３、６８４、３８１号においては、本願の図３に示されているように、下方に向けられたレーザービーム３２を垂直方向に向ける補正プリズムをオイルの薄い膜３６を使って作り出す。このオイルプリズムは、上の方の水平なオイルのレベルと下の方の傾斜している窓３８とにより形成される。オイルは、上方の窓３４とハウジング３５とによって封じ込められる。レーザー光源はレーザーハウジング３０内に搭載される。このシステムは、屈折率１．５０００のオイルを伴う二つのセルが使用される場合に限って正確である。このシステムは、通常の温度範囲において所望の性質を持つ流体が存在しないので、不十分であることが分かっている。また、室の縁のメニスカスは波面誤差を生じさせる。図３のシステムでは、ペンタプリズム４０は垂直ビームを水平面内へ向ける。
ワイヤを使ってレーザービームを傾斜補正する方法が幾つか開発されている。米国特許第４、２２１、４８３号では、振り子レンズがレーザーダイオードの下に吊されている。ハウジングを傾斜させてゆくとき、このレンズの運動は重力の影響下でその傾斜角度に比例し、これによりレーザービームが垂直位置に向けられる。この場合にもペンタプリズムが垂直ビームを水平面内へ向ける。米国特許第４、８５２、２６５号及び４、９１２、８５１号においては、図４に示されているように、レーザービーム４１は、単一のワイヤ４４から吊されているプラットホーム４６の上のミラー４３から反射される。反射されたレーザービーム４２は、重力の影響下にあるプラットホームの傾斜により補正される。このワイヤの長さ及び直径は、装置のハウジングが正確に１度だけ傾斜しているときに該プラットホームが正確に１度の半分だけ傾斜していることとなるように、選択される。ミラーの傾斜とビームの補正とが２：１の関係となっているので、レーザービームは傾けられた後にその垂直方向に戻される。これらの特許は、ハウジングの傾斜に応じて出射ビームを補正する片持ちばりに搭載されたレーザーダイオードも示している。
米国特許第４、６７９、９３７号では、本願の図５に示されているように、類似の技術を使用して光の平面を生じさせる。米国特許第４、１１１、５６４号に記載されているように、ミラー付きコーンから平行光ビームを反射させることによって光の平面を生じさせることができる。光学基準平面の中心を画定するために該ビームのエネルギー中心が使用される。ハウジング６２により支持されているワイヤ６０から吊り下げられているコーン５６の鏡面から平面５８の中へ平行レーザービーム５４が反射される。磁石６４は、安定した動作のために必要な減衰を与える。
第１の範疇のレーザープラットホーム水平化技術には、プラットホームが水平に近づくに従って水平からの外れを補正するのに利用できる力が小さくなるために精度が制限されるという問題がある。また、水平ビームを生じさせるために高価なペンタプリズムが必要である。米国特許第３、７７１、８７６号のワイヤ吊り下げ式プラットホーム（本願の図１）においては、誤差はハウジングの水平からの外れの程度に依存する。
第２の範疇のワイヤビーム技術は、水平ビーム又は光の平面を生じさせるためにペンタプリズムを必要とする。それは、ミラーに対する垂直ベクトルが入射ビーム及び反射ビームの平面から外れているときに９０度偏差の不正確さを結果する反射の特徴である。その結果として、ペンタプリズム及びミラー付きコーン反射器の自己水平化範囲は、２０秒より良好な精度を得るためには０．５度未満となる。また、これらの製品は、これらの高価な反射器のコストを負担する。
傾斜補正を利用する装置のもう一つの不利な点は、装置を製造する際の公差をきつくする必要があるということである。プラットホームの傾斜とビームの偏向との間の一定の関係についての要件が精度の必要性を定める。
発明の概要
本発明は、レーザープロジェクタを２段階で水平化することを通じて高精度を達成する。大きな自己水平化範囲と低い剛性とを有する振り子ワイヤ吊り下げ式プラットホームが、レンズを通じての弱い傾斜補正又は弱い反転望遠鏡と組み合わされる。レーザープロジェクタと複数のビーム生成光学系とがプラットホームに搭載される。このプラットホームは、振り子支持体の剛性が低いので、水平に非常に近い。小さな傾斜依存誤差は、ハウジングに搭載されたレンズ又は弱い反転望遠鏡により補正される。図６Ａにおいて、負のレンズを使用する本発明の単純化された形が、角度を誇張して示されている。図６Ａ及び６Ｂから分かるように、プラットホームの水平からの実際の傾斜は、ハウジングの傾斜に比べると小さい。長焦点距離の負のレンズがビームを水平に戻す。近平行レンズと補正レンズとの間のレーザービームは僅かに収斂していて、補正後に該ビームが平行にされ得るようになっていることに注意されたい。必要な補正は、図６Ｃ及び６Ｄに示されているように、弱い反転望遠鏡を使って得ることができる。この望遠鏡は短く且つ弱くて、単一のレンズのように見える。その像倍率は約０．９９であり、その角度倍率は、使用される方向においては１．０１である。この望遠鏡に入って出てゆくビームは平行にされる。弱い望遠鏡に入ってから出てゆく平行ビームを設けたので、弱い負のレンズにより補正される僅かに収斂するビームに伴って生じる僅かな焦点ぼけの問題を回避することができる。これは補正の程度にも僅かな影響を及ぼすけれども、この効果を補償する特別のレンズを設けることが可能であろう。完全な平行ビームを使用することのもう一つの利点は、水平ビーム及び垂直ビームの間の焦点の食い違いを回避し得ることにある。装置内の光学素子の構成により、振り子ピボットにより近い垂直ビームは、補正をする弱い負のレンズを横切って行ったり来たりする程度がより小さく、垂直ビームを適切な方向に出射させるためには、水平ビームよりも垂直ビームのためにより強い負のレンズが必要となる。このために、出射する垂直ビーム及び水平ビームの間に僅かな焦点の相違を生じさせる可能性がある。
振り子支持体の可撓性を考察しよう。剛性ゼロの支持体は、常に水平なプラットホームを作り出す。無限大の剛性を持つ支持体は、振り子動作を全く生じさせない。可撓性の支持体を伴う振り子の合成は、ε／θ、即ちイプシロン割るシータ、という一定の量で記述することのできるものであり、ここでイプシロンはプラットホームの水平からの角度であり、シータはハウジング又は支持体の水平からの傾斜角である。ゼロに等しいε／θは、無限に可撓性の振り子支持体及び水平な振り子である。ハウジング搭載レーザービームを振り子搭載ミラーから反射させることによって０．５００に等しいε／θを有する振り子を使用することができる。図４及び５のような装置は、米国特許第４、９１２、８５１号に示されているように、この技術を使って水平ビームを生じさせる。本発明では、ε／θの値は約０．５〜２％であり、より好ましくは１〜２％である。一つの場合には、長焦点距離レンズにより追加の水平補正が行われる。例えばハウジングが水平であるとき、振り子は水平でありビームは負のレンズの中心を通過し、何らの補正も必要ではなく且つ何らの補正も行われない。図６Ａのハウジングが水平から１度だけずれているとき、ε／θが１％に等しい場合には、プラットホームは１度の１％だけ水平からずれている、即ち０．６分だけ水平からずれている。ハウジングは１°回転させられているので、ビームは今は負のレンズ上の異なる点に入射する。小さな角度については、その点は、ラジアン単位で表したシータのＲ倍だけ該レンズの中心からずれており、このＲは振り子の回転の中心とレンズとの間の距離である。負のレンズの焦点距離は、ビームを所要の０．６分だけ水平の方へずらすように選択される。必要な関係は、Ｒ／｜ｆ｜＝ε／θという関係で表される。傾斜の僅か１％を補正するだけでよいので、この補正の公差は極めて小さい。弱い反転望遠鏡の場合、この望遠鏡の角度倍率は１＋ε／θである。従って、支持体が完全な可撓性を持っていなくてもその反転望遠鏡によって補正が行われる。ハウジング搭載レーザーの反射を利用する図４及び５の補償装置のような在来の補償装置は、その角度全体を制御するので、高精度を必要とする。そのような差違を理解するためには、二つの場合における支持ワイヤの剛度を考察するのがよい。本発明における支持ワイヤの剛度は、第２の範疇の光学補償装置における対応する支持ワイヤの剛度の約８０分の１〜１００分の１である。本発明において使用されるワイヤは、殆ど自由振り子のように振る舞う。
弱い望遠鏡及び負のレンズを使用すると共に、屈折率の異なる二つの媒体の間の境界面での屈折を、２段階水平化システムの一つの段階として使用することもできる。レーザープロジェクタとバネとは透明な液体に沈められる。振り子は前と同じく傾斜するけれども、この場合には浮力があると共に、封じ込め容器の出口で屈折がある。この場合、その液体の中に吊されているバネ及び振り子についてのε／θの値は（１−１／ｎ）となるように選択されるが、このｎはその二つの媒体の屈折率比である。望遠鏡により前もって与えられる角度倍率はスネルの法則により与えられる。流体の密度は温度と共に変化するから、重心と浮力の中心とは同じ場所になければならない。温度と共に角度補正が変化するのを避けるために、浮力の減少は振り子の比重の適切な選択の代わりに屈折率の減少により補償される。
上記した２段階水平化方法では、水平光ビーム又は垂直光ビームを生じさせるためにバネ手段及び光学手段が使用された。玉軸受け手段及びバネ手段を利用して２段階水平化を行うこともできる。その第１段階は、粗水平化を行う２軸軸受け又はジンバルである。第２段階は、細密水平化を行う引っ張りコイルバネである。
ほぼ水平なプラットホームからの光ビームは、レンズ又は反転望遠鏡を使って水平に補正可能であるので、プラットホーム搭載レーザープロジェクタにビームスプリッタを付加することによって垂直上向き、垂直下向き、及び如何なる方向の水平光ビームも可能となる。従って、互いに直交するビーム、垂直なビーム及び幾つかの方向の水平なビーム等の多数のビームを生じさせる装置を制作することができる。
高価なペンタプリズムの代わりに単一の安価なビームスプリッタを使うことが本発明の更なる利点である。工場又は現場での水平の較正は、この種のあらゆる装置に必要な重要なことである。調整手段は、容易で、安価で、且つ信頼の置けるものでなければならない。本発明で、負のレンズをスライドさせてビームの向きを変えることによって較正を行うことができる。このレンズの焦点距離は長いので、この較正の感度は低く、工場でも現場でも容易に実行することができる。１ミリメートルあたり４０〜８０度の感度が一般的であり、且つ十分である。錘により、又は、ビームスプリッタ支持体を曲げることにより、投射されたレーザービームを大ざっぱに整列させることができる。その後、負のレンズをスライドさせ、弱い反転望遠鏡を傾斜させ、又は重心をずらすことによって、細密に整列させる。弱い反転望遠鏡の場合には、装置を構成するためにその望遠鏡を傾斜させることができる。
本発明のもう一つの特徴は、建築用の製品に不可欠の、衝撃及び振動に対する抵抗力にある。上記したように、振り子の弱いたわみ継ぎ手を通してハウジングの傾斜の僅か１％がプラットホームの傾斜に変換されるに過ぎない。従って、使用中、衝撃及び振動が加わった際の構造の歪みも、精度に対しては極めて小さな影響を及ぼすに過ぎない。それにも関わらず、あらゆる方向に機械的ストッパを設けることにより振り子は衝撃から保護される。振り子の並進運動を効果的に阻止するために、この場合には重心に近い衝撃の中心に機械的ストッパが設けられる。緊張しているワイヤを破壊する可能性のある衝撃によるワイヤの損傷を防止すると共に、振り子の運動を制限するために、特別のケーシング支持体が振り子に設けられる。そのケーシング支持体は回転の中心に近いので、その設計が簡単になる。一実施例では、ワイヤの頂部にある板バネがワイヤを破壊から守る。ワイヤに沿っての加速度はその板バネを偏向させるので、力がワイヤを破壊する前に、該ケーシング支持体のために設けられているストッパに荷重が伝達される。
また、弱曲げ機能及び緩衝取り付け機能を支援するために、１個又は２個の引っ張りコイルバネを使用することもできる。極端な精度が要求されない場合には、このプラットホーム水平化方法は平行アライメント・レーザービームと共に用いるのには十分であり、負のレンズ又は弱い望遠鏡からなる第２段の補正を必要としない。このようなコイルバネ・サスペンションシステムは、玉軸受けピボットシステムなどの他のシステムと比べて非常に安価である。
このビーム水平化技術は、振り子式プラットホームにミラー付き４５°コーンを取り付けることによって光の平面を生じさせるのにも役立つ。この場合、補正用光学素子は、そのコーンの軸を中心軸とする円形でなければならない。該光学素子の表面はトーラスの表面となる。
本発明の付加的特徴は、相互に正確に９０°をなす２本のビームを水平面内に投射する能力である。ハウジングを横倒しにしておくと、振り子は機能しなくなって、重力により内部のストッパに当接して保持される。２本の光ビームはハウジングから出射し、ハウジングを回転させることによって該光ビームを位置決めすることができる。このような特徴は、建築工事の際に床に直交する線を引くのに役立つ。
この装置の自己水平化範囲外での使用を防止するために、２種類の安全装置を設けることができる。第１の場合には、振り子とゴムの緩衝器との接触を電気的に検出することができる。第２の場合には、装置の自己水平化範囲を超える面上ではケースが転倒するようにベースの幅と重心の位置とを設計する。
建築においては、雨水を流すための管理された斜面を設けたり、或いは一つの斜面を隣の面と一直線に揃えることが必要となることがしばしばある。本装置の効用は、水平なビームを、制御された量だけ水平から上又は下にそれさせる付属装置により、向上する。便宜上、その付属品は装置にクリップで留められ、これによりアパーチュアが自動的に整列すると共に取り扱いが容易となり、せっかちな取り付けに対処する。等しい大きさの反対の屈折力を有する二つのレンズを相互にすれ違うようにスライドさせることによって、水平なビームを連続的に正確にそらせることができる。それらのレンズが一直線に並んでいるときにはビームは全くそれない。一つのレンズを他方のレンズに対して相対的に移動させてゆくと、ビームは直線的にそれてゆく。そのレンズの場所からホルダーに対する相対的な角度を直接読みとれるように該レンズとスケールとを統合することができる。偏向角は、レンズ移動割るレンズの焦点距離に等しい。
【図面の簡単な説明】
図１〜５は、従来技術のビーム水平化垂直化装置の原理を示す。
図１は、回転するペンタプリズムの上に単一の支持体により吊された振り子式レーザープロジェクタの部分的断面図である。
図２Ａは、自己水平化レーザービームを投射するための浮遊式プラットホーム上のレーザープロジェクタの部分的断面図である。
図２Ｂは、玉軸受けピボットを利用した自己水平化プラットホームを一部切り欠いて示す図である。
図３は、水平なレーザービームを投射するレーザープロジェクタと液膜補償手段とを一部切り欠いて示す図である。
図４は、垂直ビームを直接生じさせると共にペンタプリズムによって水平ビームを生じさせる、ワイヤ補償手段を有するレーザープロジェクタを示す部分的断面図である。
図５は、水平な光の平面を生じさせるためのレーザービームとワイヤ吊り下げ式のミラー付きコーン補償手段とを示す。
図６Ａ及び６Ｂは、本発明の略図であり、弱い光学的補正手段と非常に撓みやすいワイヤ自己水平化手段との組み合わせを示す。
図６Ｃ及び６Ｄは、本発明の２段階水平化の略図であり、弱い反転望遠鏡と非常に撓みやすいワイヤとの組み合わせを示す。
図７Ａは、非常に撓みやすいワイヤを使って自己水平化を行う本発明の好ましい実施例の部分的断面図である。
図７Ｂは、図７Ａに似ているけれども、引っ張りコイルバネを使って自己水平化を行う別の実施例を示す。
図８Ａ及び８Ｂは、直交する二つのビームを投射する好ましい装置実施例の斜視図であり、図８Ａは水平面内に投射されたビームを示し、図８Ｂは垂直ビーム及び水平ビームの投射を示す。
図９は、直交する三つの方向にアライメントビームを生じさせる本発明の実施例の略図である。
図１０は、光の平面を生じさせる実施例の略図である。
図１１は、本発明の別の実施例により、一つの反射素子で光の平面を生じさせることを示す部分的断面図である。
図１２Ａは、装置の前のビーム偏向付属装置の分解図である。この付属装置の弾力性を利用してのハウジングへの取り付けとレンズ及びスケール統合部材の固定の詳細も示されている。
図１２Ｂは、、図１２Ａの装置に取り付けられたビーム偏向付属装置の正面図であり、スケール及び基準マークを示す。
図１３は、ベースの幅と重心の位置とをどのように利用して装置の自己水平化範囲を超える面上で装置を自動的に転倒させるかを示す。
図１４は、振り子搭載バネ抑制装置と弱い反転望遠鏡とを特徴とする装置の別の好ましい実施例を示す。
図１５Ａは、第１段水平化にバネ部材を利用し、第２段に光の屈折を利用する２段階水平化を示す。
図１５Ｂは、液体の屈折率１．３３の数値例を示す。
図１６Ａ及び１６Ｂは、屈折率とバネの歪みとを利用して水平な平面を生じさせることのできる２段階レーザープロジェクタを示す。図１６Ａは振り子部材の拡大図であり、図１６Ｂは装置全体である。
図１７Ａ及び１７Ｂは、玉軸受けとバネ部材とを利用する２段階水平化を示す。図１７Ａでは４個の玉軸受けが使われており、図１７Ｂでは２個の玉軸受けが使われている。
好ましい実施例の説明
図７Ａは、ケース又はハウジング７５、７６を有する水平垂直装置の好ましい実施例を示す。図７Ａにおいて、可視レーザーダイオード８０がアルミニウム製振り子８２に取り付けられている。このレーザーからの発散するビームはレンズ８３により部分的に伝達されるが、該ビームは僅かに発散し続ける。出てきた光ビーム１００は、上方に向かうビーム１０２を生じさせるビームスプリッタ９０により部分的に反射される。出口窓９８及び１２１が水平ビーム及び垂直ビームのために設けられている。
振り子は１本のワイヤ１０４により吊り下げられており、このワイヤの剛性は非常に低くて、装置７５が傾いたときに振り子は垂直に非常に近い状態でぶら下がっていることができる。振り子の重さは約１０グラムであるので、直径が０．１ｍｍ、長さが５０ｍｍのワイヤは十分に弱くて、振り子はハウジングの傾斜角の１％以内でぶら下がっていることができる、即ち垂直からの誤差はハウジングの傾斜角の１％以内となる。このワイヤの頂部と底部はワイヤクランプ１２６、１０６で固着されている。このデザインの本質的特徴は、水平ビーム及び垂直ビームを厳密な水平及び垂直に容易に且つ正確に調整し得る能力にある。調整ネジ１１０及び１１２が図示の実施例においてこの目的のために使われる。これらのネジを回すことにより重心の位置を微調整してレーザービームの方向を調整することができる。例えば錘を付加したり取り外したりする方法など、重心の位置をずらす周知の方法は他にもある。
レーザーの方向の最終的補償は、水平ビーム１００及び垂直ビーム１０２のための負の（凹）レンズ９４及び１１４により与えられる。これらのレンズは、ハウジングが傾いているときには僅かに垂直／水平から外れる僅かに発散するレーザービームを受けて、それらの方向を完全に垂直／水平に戻し（約２０秒の精度内に）、同時に各ビームを収斂させて完全に平行にする。
更に、これらのレンズ９４及び１１４は、装置の微調整にも対応する。該レンズを並進させることにより（例えばレンズ９４の場合には上下に）、出てゆくビームの向きを微調整することができる。出射ビームは装置の範囲の間に平行にされているので、レンズ８２の焦点合わせは、正しい位置にある負のレンズ９４及び１１４でなされなければならない。これらのレンズは、並進運動を、即ちレーザービームに対してほぼ垂直な滑る運動を許すクランプ９２及び１１８によって定位置に保持される。
ケースが傾くとき、ワイヤの剛性に起因する垂直及び水平からの僅かなずれを補正する負のレンズの補正効果を利用して高精度が得られる。例えば、ケース７６が１°傾くと、ビームはレンズ上で１°の正弦と負のレンズまでの距離との積に等しい量だけ移動する（この距離は傾斜角と共に変化するけれども、装置の素子は、補正のためにその変化を無視し得るように配置されている）。この移動の量をレンズの焦点距離で割って得られる量は、レンズが与えるビームの補償に等しい。振り子が１°の１％だけふれるのを許すのに充分な剛性をワイヤが持っていれば、負のレンズを通過するビームの偏向は１°の百分の一（０．０１°）となる。この例では１％が選択されているけれども、これより小さな割合又は大きい割合でも所要の補償を与えるであろう。
渦電流が振り子の振動を減衰させ得るように、磁石８７及び８８が振り子の近くに配置されている。極片８６は磁界を強化する。各方向の好ましい５°の傾斜補償を可能にしつつ、同時に振り子の運動を制限し且つ機械的衝撃によるワイヤ及びクランプの損傷を防止するために機械的ストッパが設けられている。ストッパ１２０は、衝撃により誘起される回転をなるべく小さくするために振り子の重心の近くに配置されている。ストッパ１２８は振り子の上下運動を抑える。筒状の振り子止め１０８は、上方の振り子枠と共同して、振り子の望ましくない上昇運動によるワイヤの損傷を防止する。上方のワイヤクランプ１２６は、振り子の下降運動を許す板バネ１２４に取り付けられている。装置を落とすと、振り子の作用する力によって板バネがゆがんで、ワイヤの張力がワイヤを損傷させるのに充分なほどに高くなる前に振り子止め１０８の頂部の１対のフランジ１２９がストッパ１２８と接触することができる。
電池１４４は、後ろ側のバネ１４０と前側のバネ１４２とによってケース７６内の定位置に保持される。スイッチ１３８は、導線１３４への電流を制御するが、この導線の回路基板１３０への接続は、図面の複雑さを減少させるために、省略されている。回路基板１３０は、ハウジング７６に取り付けられて、３本の導線によってレーザーダイオード８０を駆動する。支持ワイヤ１０４は、導線１３３で回路基板に接続されて、それらの導線のうちの１本として使用されることができる。導線１３２はダイオードに電力を運ぶ細い銅又は金のワイヤである。ワイヤの直径は、振り子を乱す可能性のある機械的な力を避けるために２５ミクロンより小さい。また、そのワイヤの長さは、存在する機械的な力の効果を減少させるために割合に長い。その電気導線を旋回中心点の近くに取り付け、その後にそれらをレーザーダイオードに接続することによって、機械的な力を更に小さくすることができる。そのワイヤの抵抗は、該ワイヤでの電力の損失を無視し得るほどに小さい。回路がハウジングに取り付けられていて、ダイオード制御ワイヤは振り子に接続されているけれども、そのような構成の代わりとして、駆動回路を振り子に取り付けて電力導線を上記したように配線しても良い。
図７Ｂの好ましい実施例では、引っ張りコイルバネ１４５がプラットホームの自己水平化と所要の緩衝取り付けを与える。これはクランプ１４６によりハウジングに結合されている。この引っ張りコイルバネは、上記したワイヤと同じく、ハウジングの傾斜角の約９９％偏向するように設計されている。このバネの軸に沿う方向のコンプライアンスにより、装置をこの軸に沿って落としても大した損傷は生じない。従って、肝心のバネ取り付け部には大きな衝撃力は作用しない。重心が偶然に軸から外れて位置したことに起因する振り子の捻れをなるべく小さくするために、この引っ張りコイルバネは、右巻き部と左巻き部とを有するように巻かれている。これにより、変動する温度条件の下でも振り子の回転は極めて小さくなり、或いはなくなる。
図８Ａ及び８Ｂは、二つの動作モードで使用される装置７５を示す。図８Ａでは、装置は、互いに厳密に９０°をなす２本のレーザービームを投射している。装置を横倒しにして使用する、水平化機能を必要としない動作モードのために、懸垂搭載のための抑制装置又はケーシング（この図には示されていない）を含む。図８Ｂにおいて、装置は垂直光ビームと水平光ビームとを投射している。番号が付されている部分は、図７Ａ及び７Ｂの同じ番号に対応する。
図８Ａは、衝撃による損傷から装置を保護するために設けられた特徴とその正確な動作とをも略図示している。ゴム又はゴムに似ているエラストマーのケーシングが分離可能な２部分１５０及び１５２として図８Ａに示されている。この２部分は装置を覆うように組み立てられて、落下又はその他の衝撃による損傷を防止する割合に厚い、緩衝し衝撃を吸収するカバーとなる。保護カバーは、図示の形以外の形でも形成され得るものであり、接着剤又は機械的結合手段によって装置のハウジングに保持されることができる。
本発明は、幾通りかの方法で光の基準線及び平面を生じさせるために使用することのできる自己水平化プラットホームを提供する。その光の線及び平面は、上記した光学素子を使用して微調整することのできるものであって、単純な垂直線又は水平線に限定されない。
図９に略図示されている他の好ましい実施例では、特殊なアライメント要件がある場合に必要となることのある２本の垂直光ビームと１本の水平ビームとを同時に投射することができる。２本の垂直ビームは共線的であることができる（又は２本の水平ビームが共線的であり得る）。本発明は、上記した実施例の場合と同様に、上記の場合と同じくサスペンション（図示せず）とともに機能するが、ミラーの構成が異なっている。修正された一つの好ましい構成が図９に示されている。レーザーダイオード１６２が取り付け台１６４に取り付けられて光ビーム１６７を投射する。上記したように集束を行わせるためにレンズ１６８が集束スタンド１６６に取り付けられている。ビームスプリッタ１７０は、光の約６６％を透過させ、光の約３３％を反射する。透過したビーム１７１は、ビームスプリッタ１７６により分割されて垂直上向きビーム１８０と水平ビーム１８２とを生じさせる。反射された光ビーム１７３は、ミラー１７２及び１７４によって更に反射されて垂直下向きビーム１８４を生じさせる。このようにして３本の直交するビームが形成され、或いは２本の共線的ビームと第３の直交するビームとが形成される。上記したように磁気的に振動が減衰させられるようになっているプラットホーム１６０にこの光学組立体は取り付けられている。同様にして、全て水平面内にある３本の水平ビームを生じさせる光学組立体を作ることができる。当該技術分野の専門家にとっては、本発明を水平又は垂直及び共線的である５本の光ビームの発生に拡張し得ることは明らかである。
光学的補償手段と組み合わせた自己水平化プラットホームの他の実施例においては、図１０に示されているミラー付きコーンを使用して光の平面を生じさせることができる。レーザーダイオード１９２は、ワイヤ１９６により支持される振り子１９０に取り付けられている。レーザーダイオードからの発散するビームはレンズ２０６により不完全に平行化され、窓２０８を通過する。その後、そのビームはミラー付きコーン２１０（これは振り子と共に動揺する）により反射され、僅かに収斂して出現し、周囲を囲むプラスチックの円柱レンズ２１２の負の光学的パワーによって方向を変更させられて集束させられる。装置から遠ざかるあらゆる方向に向けられた光の平面２１６がプラスチックのシリンダーを通して出現する。上記した方法の場合と類似する方法で該シリンダーを傾けることによって、その光の平面を細密に水平化することができる。２段階水平化を弱い反転望遠鏡を用いて行う場合には、弱い負のトロイダルレンズをトロイダル反転望遠鏡と置換する。この場合には、その弱い望遠鏡に近づく光の平面は実質的に完全に平行にされ、上記した利点及び図１９を参照して後述する利点がある。
図１１は、一つの光学素子で光の平面を生じさせることのできる光学サブシステムの別の実施例を示す。アキシコン反射器（axicon reflector）２２８は、図１０のレンズ及び円錐状反射器を、成形プラスチックで構成することのできる単一の反射素子と置き換えている。単一のプラスチック成形反射器を使用したことによって振り子の重量が減少したので、振動を減衰させるために必要な磁石（図１１には示されていない）の大きさが小さくなっている。図１１の光学サブシステムにおいては、振り子式プラットホーム２３０（振り子支持体は示されていない）に固定されたレーザーダイオード２２０は、発散するビーム２２４を生じさせ、このビームは窓２２６を通過する。このビームは、凹面を持つアキシコン反射器２２８から遠ざかる方向に反射され、これは好ましいことに僅かに発散する反射ビーム平面を生じさせる。ハウジングに固定されていて、トロイドの一部をなす少なくとも一つの面を有するように環状に形成された負の円柱レンズ２３４は、その平面を集束させて平行化すると共に、上記実施例の場合と同じく僅かな補助的傾斜補正を行う。このように、図１０のレンズ２０６及び反射コーン２１０は、図１１においてアキシコン反射器２２８に置換されている。図１０のコーン２１０はアキシコン反射器という範疇に属する反射器の中の一つの特別の例であることに注意しなければならない。
図１２Ａは、ビーム偏向付属装置２８０と、本発明の装置２８４への該付属装置の接続の詳細とを示す分解図である。ユーザーは、装置の凹部２８６と該付属装置の対応する突起２８７とを使用して主構造２８２を弾力を利用して装置のハウジングに取り付けることができる。負のレンズ２８８は主構造２８２に取り付けられている。基準マーク２８３が主構造上に配置されている。プラスチックのスライダ２９０に正のレンズ曲率２９１が成形されており、スケール２９２は、この負のレンズとプラスチックのスライダとを通過するビームの偏向を表示するために該基準マークと関連して使用される。矢印２９３は、ビームの偏向方向を示すが、スライダを上下逆転させることによってこれを変更することができる。固定用のノブ又はネジ２９４により、ビームの偏向を容易に調整し得ると共にその位置を確実に維持させることができる。
組み立てられたビーム偏向付属装置の機能が図１２Ｂの正面図に示されている。ノブ２９４を緩めて、基準マークによりスクール上で所望のビーム偏向が読みとれるようになるまでスライダ２９０を移動させることによって、偏向が変更される。
図１３は、包括的に６５２で指示されている本発明の装置の二つの端面図を示す。左側の図では、装置は水平面上に安定して載っており、重力は装置の支持面内にある重心６５４を通って作用する。傾斜面上では、重力により装置は不安定となって転倒する。図１３の右側の図では、安定起立状態と、装置を転倒させる不安定起立状態との中間の限界状態が示されており、自己水平化範囲外での装置の使用を妨げる。
図１４に示されている他の好ましい実施例７００においては、レーザーダイオードが振り子７０４の密接嵌合穴に取り付けられている。レーザーダイオードへの電力は可撓性の回路７０６により供給される。この回路は３本の導体を有する。光ビームの中心線は７０８として示されている。レンズ７１０は、接着剤７１２により振り子７０４に保持されていて、この場合には実質的に完全にレーザービームを平行化する。ビームスプリッタ７１４は、接着剤７１６によって定位置に保持される。ビームは、非常に倍率の低いプラスチック成形望遠鏡である光学素子７１８及び７２０を通って進む。如上で説明したように、僅かに収斂するビームを弱い負のレンズで補正する場合と比べて、弱い反転望遠鏡を通過する平行ビームを使用することにより、僅かな焦点ぼけ、補償の程度の変動、及び出射する垂直ビーム及び水平ビームの間の矛盾する焦点という問題を克服する。
組立体は、ケース７２２に取り付けられたブラケット７２４と、スライドするシリンダー支持体７２６とによりケース７２２内に支持されている。ブラケット７２４は、シリンダー７２６をくるんで把持する円弧の形状をなしている。この取り付け構造は、装置の組立の際又はその後の修理の際に振り子７０４を上下に滑らせて行う調整と回転させて行う調整とを可能にするものである。引っ張りコイルバネ７３０は、平坦部７３１においてネジ（図示せず）によりシリンダー７２６に堅く取り付けられている。振り子７０４は、ネジ７３２を伴うバネ７３０により支持されている。バネ止め７３４と下側のバネ止め７３６とは、バネを囲んで振り子に取り付けられている。ゴム製緩衝器７４０がケース７２２に結合されてバネ止め７３４及び７３６を囲んでいる。振り子７０４は、ケースが装置の自己水平化範囲内にある限りは、バネ止めをゴム製緩衝器７４０に接触させることなく引っ張りコイルバネ７３０の中心の周りに自由に揺れ動く。機械的衝撃や振動が作用するとき、バネ止め７３４及び７３６は、デリケートな引っ張りコイルバネ７３０が周囲の物体にぶつかって損傷するのを防止する。振り子７０４の下側部分は、ハウジングからのピン７４６及び７４８によってそれぞれ支持されるゴム製緩衝器７４２及び７４４により緩衝される。この緩衝器は、図の上下左右だけでなくて紙面から出入りする方向における振り子の運動を制限する。永久磁石７５０、７５２及び７５４が馬蹄型極片７５８及び７６０に結合されている。これらの磁石による振り子内の渦電流が振り子の運動を減衰させる。また、緩衝器７４２及び７４４及び上記の緩衝器７４０を伝導性の材料（例えば伝導性の粒子を封じ込める）で作ることにより、装置の繰り返し精度に対する静電気の影響を小さくすることができる。そのようにすれば、装置をその自己水平化範囲を超えて使用しようとする試みによって振り子が緩衝器と接触したときに緩衝器が信号を伝導することが可能となる。伝導性の素子同士のこのような接触を利用して、装置がその正確さの範囲を超えているという意味の信号をユーザーに対して生じさせることができる。その信号は、例えば、ＬＥＤから発光させたり、レーザービームの送出を変調したりすることからなる。
細い金のワイヤ７７０は、可撓線回路７０６をケースに取り付けられている可撓線回路７７２に接続して電力をレーザーダイオード７０２に供給する。該ワイヤの直径は約２５ミクロンである。該ワイヤの旋回中心点付近への配置及びそのサイズの故に、該ワイヤの振り子の運動に対する影響は限定される。装置７００の細密較正は、重心を移動させて平行レーザービームが真の水平方向及び真の水平方向に位置することを可能にする調整ネジ７８０及び７８２によって行われる。
本質的に図１４に示されている通りの装置を、概ね図１０及び１１に示されているように光の平面を生じさせるように変更することができる。そのような実施例は特に図示されていないけれども、振り子は本質的に図１４に図示されているのと同じものであることができるが、図１０に示されているような下向きのビームを生じさせるためにレーザーダイオード７０２は垂直に取り付けられる。その場合、ビームは平行化されて図１０に示されている反射器２１０などのアキシコン反射器から反射される。実質的に平行な平面ビームが弱い反転望遠鏡に向かって外方に放射される。この望遠鏡は円柱状で装置のハウジングの周囲に延在する。即ち、図１４の弱い反転望遠鏡７１８を発展させて、外方に放射される平面ビームに対して同じ効果を有する１対の円柱レンズとする。凹面反射器２２８を使用する図１１の実施例を円柱状の弱い反転望遠鏡と共に利用することもできる。
自己水平化レーザービーム発生装置の他の実施例が図１５Ａ及び１５Ｂに示されており、この場合には第２段補正として液体と空気との境界面でのビームの屈折を利用する。
図１５Ａに示されているレーザービームプロジェクタ８０２は、ハウジング８０３に内蔵されて、ハウジングがこの図において真に水平であるときに液体８０５の中で水平なレーザービーム８０４を投射する。ビームスプリッタ８０６は垂直ビーム８０８を生じさせる。窓８１０及び８１２はビームがハウジングから出てゆくことを可能にする。バネ８１４は主傾斜補正を行う。ハウジングの頂部の注入管８１３は密封されており、熱膨張を吸収するために空気の泡が内部にある。その代わりとして、空気を全く封じ込めないで、液体の界面に可動の膨張隔膜を設けることもできる。
図１５Ｂに示されている数値例を考察しよう。液体は屈折率１．３３（液体／空気の屈折率比）を有し、これはバネのε／θが０．２５＝１−１／ｎであることを必要とする。このことは、スネルの法則から、境界面での法線からの偏差と該屈折率との積が、空気へ入ってゆく際の法線からの角度を与えるので、明らかである。ハウジングが５°傾いているとき、ビームは水平から１．２５°上を向く。窓の法線と光ビームとの間の角度は３．７５°である。ビームが空気中に入ってゆくときの窓での屈折は、スネルの法則から、係数１．３３×３．７５°５°である。この偏向がビームを水平に戻す。窓は平行な表面を有するので、そのビームに対する効果はとるに足りない。同様に、上向きのビームも、ハウジングから出るときに垂直に補正される。このことは、装置の動作範囲内の如何なる角度にも該当する。このような液体系を利用することの利点は、減衰が自動的に行われるので、上記の磁気減衰を必要としないことにある。
上記したように、図１５Ａ及び１５Ｂの構成は、温度との関係で安定している。ε／θは、この場合には、単にバネのみによって決まるのではなくて、バネと液体８０５中に吊されている振り子とによって決まる。振り子に作用する浮力は液体の密度の変化に従って変化するので、ε／θは、温度の変化と、その結果としての液体の密度の変化に従って変化する。ε／θの変化は、ビームが液体から出てゆくときの異なる屈折率比によって補償される。例えば、高温では、液体の密度は低くなり、ハウジングが傾いているときに振り子プラットホームは低温の時よりも水平に近い状態でぶら下がることになる。同時に、密度が低くなっている液体の屈折率比は小さくなっていてハウジングから出るときの補正量は低温の場合よりも小さくなる。これが適切な調節の方向である。振り子の浮力対重量比を正しく選択することによって、ε／θの値の変化を屈折率比の変化で補償する。温度変化の両方の効果が線形である。これが該当するためには、振り子の浮力の中心は、装置の精度に影響を及ぼさないようにその重心の場所に十分に近く、本質的に一致していなければならない。
この一般的技術を使用して、図１６Ａ及び１６Ｂに示されているようにミラー付きコーンと平行光ビームとを用いて光の平面を生じさせることができる。この方法の、既存のあらゆるレーザー平面発生方法に勝る主な長所は、その自己水平化範囲が非常に広いことにある。在来の装置の範囲は０．２５°であるが、このデザインは５°以上の範囲を有する。
図１６Ａにおいて振り子は包括的に８１５で指示されている。レーザーダイオード８１６はビーム８１８を放射し、このビームは、ハウジング８２２に内蔵されて窓８２４で密封されたレンズ８２０により平行化される。該ハウジングは４個の透き通ったプラスチックの支柱８２６及び８２８によってミラー付きコーン８３０に結合されている。光の平面８３１が３６０°に投射される。ゴム製緩衝器８３２が緩衝取り付けのために該コーンに結合されている（図１６Ｂも参照のこと）。組立体全体が撓みバネ８３４により指示される。電気的接続はピン８３６及び可撓性ワイヤ８３８を介して行われる。可撓線回路８４０は、レーザーダイオードに接続しているワイヤ８４２への接続を行う。この組立体は図１６Ｂにおいて密封された容器内で液状媒体８５４に浸されている。
装置は図１６Ｂにおいて包括的に８５０で指示されている。下側のハウジング８５２は透明な液体８５４を内蔵している。この容器の底のゴム製緩衝器８５６は上下方向の衝撃を抑える。円柱状の窓８５８は、下側ハウジング８５２と上側ハウジング８６０との間で密封されている。上側支持体８６２はバネ８３４を支える。液体８５４は、電気的フィードスルー８６８を有する回路基板８６４により封じ込められている。コネクタホルダー８７０は、電気的フィードスルー８６８に入る場所でピンを支持する。液体注入のためにネジ穴８７２が上側ハウジング８６０に設けられている。図１５Ａ及び１５Ｂの場合と同じく熱膨張に対処するための手段を設けることができる。電池８７４は装置に給電し、キャップ８７６は装置の上側部分を密閉する。オン／オフ・スイッチと、電池及び回路の間の内部配線とは、図面を明瞭にするために省略されている。
図１７Ａ及び１７Ｂは、光学的補正手段を全く含まない別の種類の２段階水平化を示す。
図１７Ａに示されている単純なジンバルは、約０．１°〜０．５°の精度で水平化し得る第１段水平化プラットホームの例である。明瞭化のために、レーザービームの発生に関する詳細は省略されている。第２段水平化システムは、０．０１のε／θを有する引っ張りコイルバネを使用する。玉軸受け第１段水平化システムの第２の例が図１７Ｂに示されており、これは４個の軸受けの代わりに２個の軸受けを使用するものであって、ほぼ同じ繰り返し精度を持っている。
図１７Ａにおいては、ジンバル９０２は内側フレーム９０４と別々の玉軸受けの組９０６、９０８、９１０及び９１２とを有する。外側フレーム９１４がハウジングに結合されている。内側素子９１６はジンバルで垂直に向けられる。バネ９１８はビームプロジェクタ９２０を素子９１６に結合させる。磁石及び極片９２４によって渦電流減衰作用を行わせるために減衰板９２２が結合されている。プロジェクタ９２０及び９２２の重量のもとで、素子９１６は垂直から０．１°〜０．５°の範囲内にぶら下がる。プロジェクタは０．００１°〜０．００５°の範囲内で水平である。
もっと少ない軸受けを使用する図１７Ｂでも同じ動作が生じる。対応する部分には対応する番号が付されている。フレーム９１４ａ内の大型軸受け９２６は、内側フレーム９０４ａを回転可能に支持する。内側フレーム９０４ａは、バネ９１８に結合された素子９１６ａを回転可能に吊り下げる軸受け９２８を有する。
請求の範囲の欄において使用した「弱いレンズ手段」という用語は、補正光学素子としての弱い負のレンズ（例えば図７Ａ及び７Ｂ）又は補正光学素子としての弱い反転望遠鏡（例えば図６Ｃ−６Ｄ及び１４）を意味する。いずれの場合にも、弱いレンズ手段は、ビームのアライメントをアライメントの第２段階において実質的に真の水平及び／又は垂直の方位に補正する。弱い負のレンズの場合、この素子は出射ビームの焦点にも影響を及ぼすが、望遠鏡の場合には影響を及ぼさない。「屈折補正手段」という用語は、弱いレンズ手段又は図１５Ａ、１５Ｂ、１６Ａ及び１６Ｂに関連して上記した液体／空気・屈折率比の使用を広く意味する。
上記した好ましい実施例は、本発明の原理を解説するためのものであって、その範囲を限定するものではない。これらの好ましい実施例を変化させた他の実施例は、当該技術分野の専門家にとっては明白であり、下記の請求の範囲の欄において定義される発明の範囲から逸脱せずにそれらを作ることができる。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図３】
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【図４】
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【図２Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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