(57)【要約】【解決手段】  レーザービーム（２４）を実質的に真の水平又は垂直な方向に向ける自己整準式レーザー整列器具（１０）とその方法が開示されている。磁気引力（４０、４２、４４）は、所定の材料剛性を有する可撓性の支持部材（３０）から吊り下げられている、概ね又は部分的に水平位置にある振り子プラットフォーム（１６）の整準エラーを補償するのに用いられる。懸垂部材（３０）の材料剛性は、振り子プラットフォーム（１６）を実質的に真の水平で垂直な向きに引っ張る磁石を用いることによって補償される。【選択図】          図１
2008506968.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー整列器具の振り子懸架システムの材料剛性を補償する自己整準法において、
質量重量による大きい自己整準範囲を有するプラットフォームを、所定の材料剛性を有する振り子懸架要素から支持する段階と、
磁石と、振り子懸架システムに備えられた磁気的に引き付けられる材料との間の磁気引力によって、最終的傾斜の補正を行ない、前記振り子懸架要素の前記所定の材料剛性に打ち勝ち、前記プラットフォームを実質的に垂直な状態に配置する段階と、から成る方法。
【請求項２】
前記磁石は、前記材料の回りに磁界による局所的な直線状の力を作り出す、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記磁気的に引き付けられる材料は、前記振り子懸架要素に取り付けられている、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記振り子懸架要素は、ワイヤ、ばね、及びそれらの組み合わせから成るグループから選択される材料である、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記磁石は、前記振り子懸架システムに沿って配置され、磁界によって２つの局所的に直線状の力を作り出す二対の磁石であり、それぞれが、前記磁気的に引き付けられる材料のそれぞれ一方を引き付ける、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
レーザー源を前記プラットフォームで支持する段階を更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
光学部品を前記プラットフォームによって支持する段階を更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
少なくとも１つの反射面を前記プラットフォームによって支持する段階を更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記プラットフォームの振り子振動を減衰する段階を更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記自己整準範囲は、真の水平から約±５°の傾斜範囲では、真の垂直方向の約９８％である、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記最終的傾斜の補正は、真の垂直方向から約２％までの垂直エラー補正する、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
レーザービームを提供するレーザー整列器具の振り子懸架システムの材料剛性を補償する自己整準法において、
プラットフォームを提供する段階と、
質量重量による大きい自己整準範囲を有する前記プラットフォームを、所定の材料剛性を有する振り子懸架要素から支持する段階と、
磁気的に引き付けられる材料を前記振り子懸架システムに設ける段階と、
前記磁気的に引き付けられる材料を、磁石で、前記プラットフォームが傾斜すると前記材料と磁石対の間の傾斜方向の引力が増大するように、取り囲んで、前記振り子懸架要素の材料剛性を補償し、前記プラットフォームを、実質的に真の水平又は垂直な向きに引っ張る段階と、から成る方法。
【請求項１３】
前記磁石対は、前記振り子懸架要素の回りに、磁界による局所的に直線状の力を作り出す、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記振り子懸架要素は、ワイヤ、ばね、及びそれらの組み合わせから成るグループから選択される材料である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
レーザービームを生成するレーザー源を前記プラットフォームで支持する段階を更に含んでいる、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
光学部品を、前記プラットフォームで前記レーザービームの経路内に支持する段階を更に含んでいる、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
少なくとも１つの反射面を、前記プラットフォームで支持する段階を更に含んでいる、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
前記磁石は、前記振り子懸架システムに沿って配置され、２つの直交する磁界を作り出す二対の磁石である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
前記プラットフォームの振り子振動を減衰する段階を更に含んでいる、請求項１２に記載の方法。
【請求項２０】
前記自己整準範囲は、真の水平から約±５°の傾斜範囲では、真の垂直方向の約９８％である、請求項１２に記載の方法。
【請求項２１】
前記最終的傾斜補正は、真の垂直方向から約２％までの垂直方向エラー補正する、請求項１２に記載の方法。
【請求項２２】
レーザービームを、実質的に真に水平又は垂直な方向に向ける自己整準式レーザー整列器具において、この装置は、
ハウジングと、
前記ハウジングが真に水平又は垂直でないときに、整列の第１段階を実行して、レーザービームの真に水平又は垂直な方向からの偏向の残留角度を残したままとする、前記ハウジングに固定されていて、振り子懸架要素を介して前記ハウジングの内部に垂下している振り子プラットフォームを有する振り子懸架システムと、
前記振り子懸架システムに備えられた磁気的に引き付けられる材料と、
前記ハウジングに取り付けられ、前記材料を取り囲んでいる磁石であって、前記プラットフォームが傾斜すると、前記材料と磁石対の間の、傾斜方向の引力が増大し、それによって、前記振り子懸架要素の材料剛性を補償して、前記プラットフォームを、実質的に真に水平又は垂直な向きに引っ張ることによって、整列の第２段階を実行する、磁石と、を備えている装置。
【請求項２３】
前記磁石は、前記振り子懸架システムの回りに、磁界による局所的な直線状の力を作り出す、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記振り子懸架要素は、ワイヤ、ばね、及びそれらの組み合わせから成るグループから選択される材料である、請求項２２に記載の装置。
【請求項２５】
前記プラットフォームは、レーザービームを生成するレーザー源を含んでいる、請求項２２に記載の装置。
【請求項２６】
前記プラットフォームは、前記レーザービームの経路内に光学部品を含んでいる、請求項２２に記載の装置。
【請求項２７】
前記プラットフォームは、前記レーザービームの前記経路内に配置された少なくとも１つの反射面を含んでいる、請求項２２に記載の装置。
【請求項２８】
前記磁石は、前記振り子懸架システムに沿って配置され、２つの直交する磁界を作り出す二対の磁石である、請求項２２に記載の装置。
【請求項２９】
前記プラットフォームの振り子振動を減衰するため、前記振り子プラットフォームに影響を与える減衰部材を更に備えている、請求項２２に記載の装置。
【請求項３０】
前記自己整準範囲は、真の水平から約±５°の傾斜範囲では、真の垂直方向の約９８％である、請求項２２に記載の装置。
【請求項３１】
前記最終的傾斜の補正は、真の垂直方向から約２％までの垂直方向エラー補正する、請求項２２に記載の装置。
【請求項３２】
前記材料は、前記振り子懸垂部材に備えられている、請求項２２に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自己整準式レーザー整列器具に関しており、具体的には、中に含まれているレーザー整列器具の振り子懸架システムの懸架要素の材料の剛性を補償する自己整準式レーザー整列器具及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
様々な測量及び大工用の器具には、整準の精度と信頼性を改良するため以前からレーザーが利用されている。その様なレーザー整列器具の精度を更に改良するには、レーザー又はレーザー整列器具内の反射面の何れかを自動的に自己整準させる幾つかの方法がある。
【０００３】
或る一般的な種類の自動自己整準では、重力によってレーザーを整準するのに振り子懸架システムが用いられている。或る振り子懸架システムの例では、レーザー又は反射面は、玉軸受けピボットでハウジング内に垂下されている。しかしながら、水平に近い傾斜角度では、玉軸受の摩擦に打ち勝つのに使える力は非常に小さく、不正確になってしまう。
【０００４】
別の振り子懸架システムの例では、レーザー又は反射面は、糸、ワイヤ、又はコイルばねの様な可撓性の支持部材によって吊り下げられている。しかしながら、糸は、有るとしても僅かな捩れ抵抗しか有しておらず、線方向決めは難しい。加えて、傾斜角度が付いている場合、ワイヤ又はコイルばねの材料剛性（即ち、曲げ、歪み、撓み）は、小さいが、振り子を真に垂直に吊り下げることができるわけではなく、この場合も不正確になる。従って、用意されたレーザー整列器具の振り子懸架システムの振り子支持体の材料の剛性を補償する自己整準式レーザー整列器具と方法が必要とされている。
【特許文献１】米国特許第６，５６３，６４６号
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、レーザー整列器具の実質的に水平で垂直に垂れ下がった振り子プラットフォームを２段階で提供する。第１段階では、大きい自己整準範囲を有する振り子プラットフォームは、その質量の重量によって撓んでいる。第２段階では、磁気の引力によって最終的傾斜補正が行われる。磁石と振り子プラットフォームの間の磁気引力は、プラットフォームが真に水平で垂直な状態を実現するのを阻む振り子懸架要素の材料剛性に打ち勝つ。
【０００６】
或る実施形態では、レーザー源と光学部品が、振り子懸架システムの振り子プラットフォームに取り付けられている。振り子プラットフォームは、振り子懸架要素の材料剛性が比較的低いため、水平に非常に近い状態にある。残っている比較的小さな傾斜に依るエラーは、レーザー整列器具のハウジングに取り付けられている磁石と、振り子懸架システムに備えられている鉄系材料との間の磁気引力によって補正される。磁石は、鉄系材料の回りに磁界による横方向に局地的な直線状の力を作り出す。振り子プラットフォームは、ハウジングが傾いている結果として傾斜するので、鉄系材料と磁石の間の傾斜方向の距離が短くなり、その結果、鉄系材料に働く引力は大きくなる。従って、磁気引力は、振り子懸架要素の材料剛性を補償し、プラットフォームを、実質的に真に垂直で水平な位置に引っ張る傾向になる。
【０００７】
別の実施形態では、レーザー整列器具の振り子懸架システムの材料剛性を補償する自己整準法が提供されている。本方法は、プラットフォームを、所定の材料剛性を有する振り子懸架要素から支持する段階を含んでいる。本プラットフォームは、質量重量による大きな自己整準範囲を有している。本方法は、更に、磁石と、磁気的に引き付けられる材料との間の磁気引力によって、振り子懸架要素の所定の材料剛性に打ち勝ち、プラットフォームを実質的に垂直で水平な状態に置く、最終的傾斜補正を行う段階を含んでいる。
【０００８】
別の実施形態では、レーザービームを送るレーザー整列器具の振り子懸架システムの材料剛性を補償する自己整準法が提供されている。本方法は、プラットフォームを提供する段階と、プラットフォームを、所定の材料剛性を有する振り子懸架要素から支持する段階と、を含んでいる。本プラットフォームは、質量重量による大きな自己整準範囲を有している。本方法は、更に、磁気的に引き付けられる材料を振り子懸架システムに提供する段階と、ハウジングが傾斜している結果としてプラットフォームが傾斜するので、前記材料と磁石の間の傾斜方向の引力が大きくなるように、磁気的に引き付けられる材料を磁石で取り囲み、それによって、振り子懸架要素の材料剛性を補償し、プラットフォームを、実質的に真に水平で垂直な向きに引っ張る段階と、を含んでいる。
【０００９】
更に別の実施形態では、レーザービームを、実質的に真に水平又は垂直な方向に向ける自己整準レーザー整列器具が提供されている。この装置は、ハウジングと、ハウジングが真に水平又は垂直でないときに、整列の第１段階を実行して、レーザービームの真に水平又は垂直な方向からの偏向の残留角度を残したままとする、ハウジングに固定されていて、振り子懸架要素を介してハウジングの内部に垂下している振り子プラットフォームを有する振り子懸架システムと、を備えている。本装置は、更に、振り子懸架システムに備えられた磁気的に引き付けられる材料と、ハウジングに取り付けられ、前記材料を取り囲んでいる磁石であって、ハウジングが傾いている結果としてプラットフォームが傾斜しているときに、前記材料と磁石の間の傾斜方向の引力が増大し、それによって、振り子支持体の材料剛性を補償して、プラットフォームを実質的に真に水平で垂直な向きに引っ張ることによって、整列の第２段階を実行する、磁石と、を含んでいる。
【００１０】
本発明の上記及びその他の特徴及び利点は、本発明の様々な実施形態に関する以下の説明を、添付図面を参照しながら読めば、更に良く理解頂けるであろう。なお、特許請求の範囲は、そこに述べている内容によって定義され、ここに記載している特徴及び利点の具体的な議論によって定義されるものではない。
【００１１】
本発明の構成及び作動方法、並びに、この他の目的及び利点は、添付図面と関連付けて以下の詳細な説明を参照すれば良く理解頂けるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は、異なる形態の実施形態も考えられ、図面に示し、ここに詳しく説明する具体的な実施形態は、本発明の原理の代表例を示す開示であり、本発明を、ここに図示し説明しているものに限定するものではないものと理解頂きたい。
【００１３】
当業者には理解頂けるように、図中の要素は、簡単で分かり易いように図示しており、必ずしも尺度を合わせて描いてはいない。例えば、図中の幾つかの要素の大きさは、本発明の様々な実施形態を理解し易くするため、他の要素に比べて誇張して示している。
【００１４】
図１は、ハウジング１２を有する自己整準式レーザー整列器具１０の或る例示的な実施形態を全体的に示している。ハウジング１２は、部分的に破断して側壁を取り除き、器具１０の、全体を参照番号８で示す、内部に収容されている振り子懸架システムを示している。図示のように、可視レーザー源１４は、振り子懸架システム８の振り子プラットフォーム１６に取り付けられている。レーザー源１４によって生成された発散レーザービームは、レンズ１８と協働して、所定の距離に収束焦点を提供する。
【００１５】
図示の実施形態では、発生した光のビーム２０は、ビームを上向きと下向きのビーム２４、２４’と、一対の直交する水平方向のビーム２４”と２４”’とに分割する光学部品２２によって部分的に反射される。なお、他の実施形態では、ビーム分割器２２は、Ｌｉｔｖｉｎに与えられ、Ｔｒｉｍｂｌｅ  Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ社（カリフォルニア州サニベール）が協同所有している米国特許第６，５６３，６４６号に開示されている様な、３つの直交する水平方向のビームと２つの垂直方向のビーム（１つは上に、１つは下に）を作り出す型式のものであってもよく、同開示全体を参考文献としてここに援用する。
【００１６】
更に別の実施形態では、発生したビーム２０は、或る表面から反射して、内蔵式のビーム分割器によって又はよらずに所望のビーム方向が作り出される。出口窓２６、２６’、２６”、２６”’は、水平方向、垂直方向、及び方形のビームのために設けられている。先行技術の装置で最終的傾斜補償のために通常用いられている弱いレンズは、本発明の補償方法により不要になると理解されたい。
【００１７】
振り子プラットフォーム１６は、可撓性があって、器具１０が傾斜したときに、振り子プラットフォームを極めて垂直近くに吊り下げることができるような材料剛性（即ち、曲げ、歪み、撓み）を備えた、十分な捻り剛性を有する、単一のワイヤ、コイルばね、又は何らかの他の要素の様な振り子懸架要素３０に吊り下げられている。或る例では、振り子プラットフォーム１６の重量は約２５グラムで、振り子懸架要素３０は、長さ１８ｍｍ、直径０．１８ｍｍのワイヤである。その様な装置は、振り子プラットフォーム１６を、重力が掛かった状態で、ハウジングの傾斜範囲±５°以内では真の垂直方向の約９８％に吊り下げることができるほどに弱い。
【００１８】
振り子懸架要素３０は、上端が、クランプ３２によってハウジング１２に係止されており、下端が、クランプ３４によって振り子プラットフォーム１６に係止されている。調整ねじ３６と３８は、振り子プラットフォーム１６、ひいてはレーザービームを、水平及び垂直方向に較正するために設けられている。既知のように、ねじ３６と３８を回すと、重心位置を細かく調整して、レーザービームの方向を決め直すことができる。重心の位置を変えるには、重量を選択的に追加又は取り去る様な、他の周知の方法もある。
【００１９】
振り子プラットフォーム１６の最終的傾斜補償は、振り子懸架要素３０の材料剛性によって生じる垂直及び水平の僅かな欠乏を補正する磁石対４０と４２によって提供される。或る実施形態では、この最終的傾斜補償は、ワイヤの振り子懸架要素３０の材料剛性による約２％のエラーを補正するに十分である。器具１０が傾斜すると、磁石４０と４２は、振り子プラットフォーム１６を完全に実質的に垂直又は水平な向きに引っ張ることによって、振り子懸架要素３０の材料剛性を補償する。本方法によるプラットフォーム１６の最終的な向きは、真の垂直又は水平の約±３０秒以内の精度である。
【００２０】
鉄系部材４４と４４’の様な磁気に引き付けられる材料が、振り子プラットフォーム１６を実質的に真に垂直又は水平の向きに引っ張るのに用いられる。図示の様に、鉄系材料４４と４４’は、それぞれの磁石対４０と４２の間に整列している。磁石対４０と４２は、それぞれの軸に沿って設けられており、例えばＸ軸とＹ軸の、２つの直交する水平方向軸を形成している。
【００２１】
本発明では、各磁石対４０と４２の同じ極は、磁界による横方向に局所的な直線状の力を作り出すため、互いに向かい合って配置されている。従って、ハウジング１２が傾斜すると、磁石対４０と４２からの結果として、磁気に引き付けられる材料４４と４４’に働く、一方は増大し他方は減少する一対の引力が、振り子プラットフォームの傾斜方向に合成力を作り出して、振り子懸架要素３０の材料剛性を補償し、プラットフォーム１６を、実質的に真に水平で垂直な向きに引っ張ることによって、整列の最終又は第２段階を実行する。
【００２２】
或る実験的な実施形態では、本発明による最終的傾斜補償を開示する値を、表１と表２に開示している。表１と表２のデータを纏めるのに用いた実験的な実施形態では、懸架要素は、振り子プラットフォームと一対の鉄系部材を支持する長さ０．７３５インチ（１８．６７ｍｍ）のピアノ線で作られた支持ワイヤであった。振り子プラットフォームは、重量が２５．７８５６グラムであり、クランプから１．０３２５インチ（２６．２３ｍｍ）と２．４４インチ（６１．９８ｍｍ）に配置されている対の鉄系部材は、支持ワイヤを固く保持していた。各鉄系部材は、それぞれの磁石の対によって作り出される磁界内に配置されていた。二対の磁石は、傾斜軸と回転軸（図１）に沿う傾斜を補償するため、２つの直交する磁界を作り出すよう配置されていた。オイルのプールが、振り子プラットフォームの一部分に影響を与えて振り子が振動したらそれを減衰するために、設けられていた。
【００２３】
【表１】
2008506968.tif 000003
【００２４】
【表２】
2008506968.tif 000004
【００２５】
表１に示しているように、ハウジングの傾斜角が変わっても、振り子プラットフォームの錘に対する向きは、ほぼ一定に留まっている。本発明のこのエラー補正法は、懸架要素又は支持ワイヤ３０の長さと、支持ワイヤの直径と、支持ワイヤ３０の弾性係数と、振り子プラットフォームの重心と、振り子懸架システム８の質量と、磁石対４０、４２とそれら各磁気に引き付けられる部材４４、４４’との間の引力の強さと、に依存する。更に、面積慣性モーメント（Ｉ）が幾何学形状に依存しているため、懸架要素の幾何学形状の変化は、その材料剛性をも変えるものと理解されたい。具体的には、ばね懸架要素の最終的エラー補正の特定の範囲に関するパラメーターとそれらの選択は、以下の差分方程式によって求めることができる：
2008506968.tif 000005
【００２６】
ここに、
2008506968.tif 000006
【００２７】
であり、ｒfは、Ｑyが移動する弧の曲率半径であった。Ｑyは、ハウジングが傾斜しているとき、振り子プラットフォームの質量により懸架要素の端部に働く横方向の力である。Ｕは、システムに生じる歪みエネルギーである。変数ｎ、ｓ、ｔは、ばねの幾何学形状に付帯する局所座標系を表している。ＭiとＦiは、局所座標系でばねに掛かるモーメントと力を表している。変数ｒとΨは、ばねの幾何学形状を表している。
【００２８】
表２に示しているように、ハウジングの回転角が変わっても、振り子プラットフォームの、錘に対する向きは、ほぼ一定に留まっている。これは、鉄系材料が、磁石対によって作り出される力が後に直線状である磁界領域内に留まる限り、真である。
【００２９】
振り子懸架システム８の振動を減衰するため、或る実施形態では、減衰プール４６が、ハウジング内の振り子プラットフォーム１６の下方に設けられている。減衰プール４６には、振り子プラットフォームから垂れ下がっているフィン４８と作用し合う鉱油の様な粘性流体が入っている。破断区画２−２で示している別の実施形態では、当技術では既知のように、渦電流の制動を使って、振り子プラットフォーム１６の振り子振動を減衰させている。この目的で、磁石５０は、垂れ下がっている振り子プラットフォームから支持されている減衰部材５２に近接して配置されている。
【００３０】
機械的ストッパ５４、５４’は、振り子懸架システム８の動きを制限し、支持ワイヤ３０とクランプ３２及び３４を、例えば各方向に±５°の様な傾斜補償の範囲は許容しながら、機械的衝撃による損傷から保護するために、設けられている。ストッパ５４、５４’は、衝撃が誘発する回転を最小にするため、振り子プラットフォーム１６の重心に近接して配置されている。ストッパ５４、５４’は、更に、振り子懸架システム８の上／下運動を拘束して、振り子プラットフォーム１６の望ましくない上向き及び下向き運動からの、懸架要素３０への損傷を防いでいる。
【００３１】
バッテリー区画５６は、後方のばねと前方のばねとによって、バッテリー５８をハウジング１２内の所定の位置に保持している。スイッチ６０は、電力を回路板６４に供給するリード線６２への電流の流れを制御する。回路板６４の構成要素は、図面を単純化するために省いている。回路板６４は、ハウジング１２に取り付けられており、電気リード線６６を使って、ダイオードの様なレーザー源１４を駆動する。懸架要素３０は、これらのリード線の１つとして使用して、リード線によって回路板に接続されていてもよい。電気リード線６６は、電力をレーザー源１４に供給する細い銅又は金のワイヤである。電気リード線６６の直径は、振り子懸架システム８に影響を与える虞のある機械的力を生じさせないように、２５ミクロン未満になっている。更に、電気リード線６６の長さは、存在する虞のある機械的な力の影響を軽減するため、比較的長くなっている。
【００３２】
回路板６４は、ハウジングに取り付けられているように図示されているが、別の実施形態では、回路板６４は、振り子プラットフォーム１６に取り付けられている。更に、別の実施形態では、レーザー源１４か光学要素１８、２０（一体又は別々に）の一方が、振り子プラットフォーム１６から吊り下げられており、残りの光学部品はハウジング１２に取り付けられているものと理解されたい。
【００３３】
上に述べた実施形態は、本発明の原理を示すためのものであって、その範囲を制限するものではない。これらの好適な実施形態に対する変形例であるこの他の実施形態も、当業者には明白であろうし、特許請求の範囲に定義されている本発明の精神及び範囲から逸脱すること無く実行することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の或る実施形態による、１つの支持によって吊り下げられている振り子式レーザー投影器の部分断面図である。
【図１】
2008506968.tif 000007
【国際調査報告】
2008506968.tif 000008
2008506968.tif 000009