專利名稱：激光水平儀的制作方法
背景技術：
本發明一般地涉及水平裝置，更加明確地講，是涉及到一種能夠工作于多種模式的激光水平裝置。
激光水平儀在工程建筑中已經使用了多年。它們通常用來為建筑工程產生光參照面。激光水平儀已經應用于大規模的建筑工程，例如商業拓建、鋪設基礎和安裝天花板。與其它工具例如光線水平儀、粉線或信號水平儀相比，激光水平儀在建筑工作的初始規劃中節省了大量的時間。可以使用激光水平儀的工作包括鋪砌瓷磚、安裝柜櫥、吊平頂部天棚和安裝戶外平臺等。由于這些激光水平儀通常要賣幾千美元，所以只有那些大的建筑商才買得起。盡管激光水平儀節省時間，但是由于它們的購買費用太高，激光水平儀沒有被廣泛地使用。造價高的原因是可用的激光光源的造價過高，例如氦-氖激光器，以及用于控制激光光源所產生的光線的相關光學系統的造價過高。
發明概述本發明涉及激光水平裝置。一方面，本發明利用激光二極管模塊作為激光光源和光學系統。本發明能夠產生可以作為規劃參考的光水平面或光水平線。不必利用昂貴的光學元件和復雜的控制激光光束的校準程序來界定光路，本發明可以利用相對便宜的光學元件和新穎的校準程序，以便使用激光二極管模塊。另一方面，本發明提供了一個新穎的方法，即廉價激光二極管模塊輸出的激光光束可以經校準與激光水平裝置的轉動軸垂直。該方法顯著地降低了激光水平儀中必須使用的光學系統的造價。這樣，顯著地降低了阻礙大眾把激光水平儀用作普及型工具的價格障礙。
在本發明的特點中，提供了一種對激光模塊輸出的激光束進行校準使其垂直于主軸的方法。一方面，低價激光二極管模塊安裝在連接在主軸上的激光模塊殼體內。主軸定義了激光水平儀的轉動軸，并且安裝在外殼的上表面。外殼的上表面已被加工平整。安裝時，主軸垂直于外殼的上表面，激光束平行于外殼的上表面。在外殼內部，一方面，主軸被安裝在無油軸承上，并通過皮帶輪與馬達的轉軸相連，馬達的轉動軸平行于主軸。馬達使激光模塊的殼體轉動。氣泡水平儀可以用作調節外殼上表面水平的參考。一旦外殼的上表面達到水平，轉動激光束就可以生成光水平參考面。外殼安裝在可以調節的底座上。外殼可以安裝在底座上，可以進行一系列的正交調整以生成光水平參考面、光垂直參考面和光鉛垂參考面。
本發明的目的是，提供一種擺動模塊殼體的裝置。該裝置產生比上述的參考面更加明顯的光參考線。光參考線可繞激光水平儀的轉動軸轉動。可以手動或通過遙控自動地轉動光參考線。
本發明的另一個目的是提供把數個激光二極管模塊安裝到模塊殼體內部的裝置。當激光模塊殼體轉動或擺動時，與只安裝了單個激光二極管模塊的激光模塊殼體相比，所產生的參考面或參考線將更加明顯。當模塊殼體不轉動或擺動時，使用者可以在任何平面目標上投射數個激光光點。然后，使用者可以通過連接目標平面上的激光點而劃出水平線。
本發明的另一個目的是提供一種同時生成與光參考面垂直的光叉絲參考線。垂直光參考線由激光水平儀的附件產生。該附件由兩個用來反射部分光參照面的反射鏡組成。第一反射鏡以九十度角將部分參考面反射到第二反射鏡。第二反射鏡以另一個九十度角反射激光光束，并相對于光初始參考面生成垂直叉絲參考。通過轉動激光水平儀轉動軸周圍的附件，該叉絲參考可以在沿著光初始參照面任何位置上生成。
附圖筒述
圖1顯示了非精確光線校準的效果。
圖2是簡單光學校準系統圖。
圖3示例了普通廉價激光二極管模塊中的典型校準偏差。
圖4是普通廉價激光二極管模塊中的典型激光光束路徑圖。
圖5示例了由普通廉價激光二極管模塊發射的隨機激光光束路徑圖。
圖6示例了準線目標的前視圖。
圖7示例了準線測驗臺的前視圖。
圖8示例了無蓋激光水平儀的側視剖面圖。
圖9A示例了裝有叉絲輔助器的激光水平儀的前視剖面圖。
圖9B示例了叉絲輔助器。
圖10示例了蓋的一個實施方案的側視剖面圖。
圖11示例了另一個蓋的實施方案的前視剖面圖。
圖12示例了帶有蓋的激光水平儀頂部半切視圖。
圖13A示例了一種可能的機殼正交方向的剖面圖。
圖13B示例了另一種可能的機殼正交方向的半切視圖。
圖14A-D示例了激光水平儀的擺動運動。
圖15A是激光二極管模塊實施方案的剖面圖。
圖15B是激光二極管模塊實施方案的前視圖。
圖15C是另一個激光二極管模塊實施方案的前視圖。
圖16A是上盤頂視圖。
圖16B是上盤側視圖。
圖17A-C示例了逆時針旋轉旋鈕使水珠水平管內的水泡左移的本發明優選實施方案。
圖18是水平調整系統的側視剖面圖。
圖19是水平板頂視圖。
圖20是水平調整系統的前視剖面圖。
優選實施方案詳述激光水平儀包括一束繞旋轉軸轉動的激光光束。光學系統對于激光水平儀十分重要，因為它精確地校準了激光光束，使之精確地垂直于激光水平儀的轉動軸。因此，能夠精確地校準激光束使之垂直于旋轉軸是很重要的。無論目標表面距激光水平儀是遠還是近，正確校準的激光光束都將產生一個與參照物等高的水平面。當激光光束沒有經校準垂直于轉動軸時，它將產生一條參考線，參考線將根據目標距激光水平儀裝置的遠近而變化高度。
圖1示例了正確校準的激光光束122和未適當校準的激光光束124。光束122垂直于轉動軸線Z。光束122投射到兩個豎直目標上目標128和目標130。目標128距激光光源126的距離為“X”。目標130距目標128的附加距離為“ΔX”。光束122與目標128的交點與光束122與目標130的交點間的豎直高度差為零。光束124不垂直于轉動軸Z。光束124與垂直線成一個角度O。光束124投射到同一的目標128和目標130上。光束124與目標128的交點與光束124與目標130的交點間的豎直高度差為“ΔH”。這就造成了嚴重的問題。例如，激光水平儀位于正方形屋子的中央，而光束被校準成光束124，激光水平儀將不能在四壁上劃出正確的水平參考線。通常，這使得在許多應用中不能使用激光水平儀。
一種相對于轉動軸Z正確地校準激光光束的方法是使用昂貴的光學元件和耗時的校準程序。圖2是該典型系統的略圖。光軸O是透鏡120的中心軸。機械軸M是外殼116的中心軸，外殼內有激光二極管光源114和相應的透鏡120。從實際角度看，機械軸M必須經校準垂直于轉動軸Z，光束118應當相對于機械軸M進行準直。然而，需要精細的校準過程產生準直光束118。透鏡120的光軸O需要與外殼116的機械軸M對準。激光二極管光源114必須對準光軸O。簡而言之，激光二極管光源114和透鏡120必須對準使它們共有一個中心。再次，激光二極管光源114沿光軸O到透鏡120的距離必須為一個焦距長度。這種準直系統中所需的透鏡120很昂貴，因為它需要克服透鏡的缺陷，例如球形透鏡偏差、彗形象差和象散。可用的準直激光二極管模塊是MellesGriot Inc.of Boulder，CO.制造的產品06DLL645。
為了制作用戶買得起的激光水平儀，必須降低包括透鏡在內的光學系統的造價和對準光學系統的造價。通過采用普通廉價的非精確光學系統，本發明成功地降低了造價，這樣它可以用于精確的激光水平儀中。
一方面，本發明利用了廉價激光二極管模塊，利用在激光指示器中使用的。這些激光二極管模塊包括集成在外殼內的激光二極管光源和光學系統。光學元件很便宜，校準過程又快又簡單。普通廉價激光二極管模塊由激光二極管光源、安裝光源的印刷電路板、廉價的聚焦透鏡和外殼組成。一種適用的激光二極管模塊是Quarton Company ofTaipei，Taiwan制造的VLM-670。
圖3示例了在典型的廉價普通激光二極管模塊131中出現的對準偏差。在這些激光二極管模塊的典型加工工序中，激光二極管132被粘貼在印刷電路板134上。裝有激光二極管132的印刷電路板134與透鏡140一起安裝到外殼136中。然后，調節透鏡140和激光二極管132使光束138聚焦在目標(未示出)上，例如，距激光二極管5-10米的目標。要注意的是激光二極管132到透鏡的距離應當為一個焦距長度或者調整激光二極管132，使之對與透鏡140共心。機械軸M和光軸O通常是非對準的。通常光束138與機械軸M不平行。
圖4顯示了在普通廉價激光二極管模塊149中出現的典型激光光束146。激光光束146不是平行于機械軸M，而是會聚在距機械軸M的徑向距離為R的點147上。
普通廉價激光模塊中出現的光學系統不能在典型的激光水平儀器中使用。各個激光二極管模塊產生的光束與機械軸M的夾角是隨機變化的。圖5示例了對準機械軸M1、M2和M3的三個激光二極管模塊156、158和160與發射激光光束150、152和154間的關系。
本發明提供了調節由普通廉價激光二極管發射出的光束的方法，使之垂直于激光水平儀的轉動軸。一方面，如圖6-7所示，該方法利用了校準目標81和校準臺83。在優選實施方案中，校準目標81顯示在平面圖(圖6)中的豎直墻上。校準目標81具有相互垂直的一個垂直參照線80和一個水平參照線82。垂直參照線80垂直于大地表面。優選地，校準目標81的直徑尺寸為4英尺，但不要求尺寸十分精確。
參照圖7，展示了校準臺83的優選實施方案。例如，在圖7中，校準臺83包括堅固的臺面84，其平滑上表面89能被調節得水平且與大地表面平行，和嚴密的準線固定物86。固定物86安裝在臺面84上，并且具有一個垂直于臺面84的孔88。模塊外殼36包括一個以緊貼的方式穿過孔88的圓柱形主軸37，所以37垂直于大地表面。主軸37是中空的，以便允許引線(未示出)通過，與激光二極管模塊38和39相連。優選地，模塊外殼36和主軸37由整塊的金屬制作，例如不銹鋼。主軸37由模塊外殼36中部延伸出來，并確定了旋轉軸Z。在模塊外殼36中心加工一個槽7，并使之與Z軸對準。優選地，模塊外殼36包括兩個用于安裝激光二極管模塊38和39的圓孔91和93。如圖所示，由主軸37確定的轉動軸Z垂直于與圓孔91和93的中心軸相交的水平軸H。
優選地，校準目標81和校準臺83至少相距15米，盡管不要求精確的間距。調節校準臺83和校準目標81使得校準目標81(圖6)的水平參照線82和模塊外殼36的水平軸H互相平行并且在相對大地的同一水平面上。在確保正確調節水平軸H和水平參照線82的方法中利用了自動-水平激光水平儀，例如Spectra-Physics Corporation ofDayton，Ohio制造的1142 XL Laser Level。然后，校準目標81的垂直參照線80將垂直于校準臺83的臺面84，并且平行于主軸37。激光二極管模塊38和39插入模塊外殼36中的孔91和93。激光二極管模塊38和39緊密地裝入模塊外殼36的孔91和93，但仍可以在模塊外殼36內部轉動。激勵激光二極管模塊38使激光光束打到校準目標81(圖6)上并使得激光光束點85出現在校準目標81上。激光光束點85用作圖解。任何給定激光二極管模塊射出的實際激光光束點85通常是隨機地分布在校準目標81上的。應當注意的是，在激勵激光二極管模塊38之前，由于以下三個因素不能根據模塊38的方向確定點的精確位置激光光源和聚焦透鏡間沒有中心；激光光源和聚焦透鏡間的隨機距離；光軸相對于機械軸的隨機調整。當激光二極管模塊38在模塊外殼36內部轉動時，激光光束點85也將相應地轉動。激光二極管模塊38將持續轉動直到激光光束點85對準校準目標81的水平參照線82。在這一點上，利用強力膠水，例如LocTite of Clvelland，Ohio制作的LocTite640，把激光二極管模塊38固定在模塊外殼36內部。在優選實施方案中，轉動兩個激光二極管模塊38和39使得每個激光二極管模塊38和39產生的激光光束點的位置分別沿水平參照線82排列。通過以這種方式調節兩個激光光束點，由激光二極管模塊38和39射出的激光光束點都將垂直于主軸37。
圖8示例了無蓋激光水平儀的一個實施方案的、沿圖12中的線A-A得到的剖面圖。圖8展示了具有四個主要元件的激光水平儀上箱2、下箱4、底座54和固定座50。上箱2和下箱4都是中空的。四個主要元件中的每一個都由堅硬材料制作，例如注塑ABS塑料。上箱2包括一個在其上裝有圖10-11所示的頭蓋的平滑上表面3。替代實施方案包括由金屬鑄造并堅固地連接到上箱2的平滑上表面3。在上箱2的頂面9上轉一個圓孔5。圓孔5垂直于上表面3。把無油軸承28緊密地壓入圓孔5中，使軸承28安裝到上箱2上。一種適用的軸承是由Motion Idustries of Santa Clara，Clifornia制造的青銅-含油軸承，貨號為B6-54。如前所述，模塊外殼36包含與軸37對準的激光二極管模塊38和39。模塊外殼36還包括插入到無油軸承28中的主軸37。制作主軸37的適宜材料是303型不銹鋼。對主軸37的外表面進行機械加工和拋光，使之光滑。盡管無油軸承28和37間的接合十分緊密，但是37仍可以在無油軸承28內自由轉動。護圈30用來把主皮帶輪24保持在無油軸承28的底部。一種適宜的護圈30是由Motion Idustries ofSanta Clara，Clifornia制造的3/8英寸的不銹鋼護圈，貨號為Q2-37。一種適宜的主皮帶輪24可以用尼龍制作。主皮帶輪24繞無油軸承28轉動。
主皮帶輪24固定著一組上層磁鐵25。例如，適用的一組磁鐵25是由Edmund Scientific Company of Barrington，New Jersey制作的、直徑為1/4英寸、厚度為3/16英寸的M35,500。主皮帶輪24通過傳動帶22與小皮帶輪20相連。一種適用的傳送帶是由Winfred M.Berg Inc.ofEast Rockaway，New York制造的、直徑為1/16英寸的“O”圈STS-70-226。適用的小傳送帶22可以用尼龍制作。小皮帶輪20裝在DC馬達14的軸100上。適用的DC馬達是由Radio Shack ofMilpitas，California提供的273-273，65mA，1.5v至4.5v。利用螺釘17和101，框架16(圖9A)把DC馬達14固定在上箱2的內壁上。適用的框架采用相同的注塑ABS塑料注塑成型，例如上箱2所使用的。利用尼龍螺絲34，把圖8所示的自由輪32緊密地與主37相連。例如，適用的自由輪32可由尼龍制作。適用的尼龍螺絲34是6/32-1/2英寸的尼龍螺絲。尼龍螺絲34是中空的，以便電線19能夠通過。電線19焊接在由尼龍螺絲34支撐的球形接觸器35上。球形接觸器35由不銹鋼制作，并且經過拋光使表面光滑，以便確保與電刷18的平滑、連續的電接觸。
自由輪32具有一組下層磁鐵26。適宜的下層磁鐵組26是由Edmund Scientific Company of Barrington，New Jersey制造的M35500磁鐵，直徑為1/4英寸，厚度為3/16英寸。下層磁鐵26基本上與主皮帶輪24中的上層磁鐵組25對準。上層磁鐵25和下層磁鐵26的極性指向使它們相互吸引。當DC馬達14轉動時，小皮帶輪20使驅動主皮帶輪24的傳送帶22轉動。主皮帶輪24的轉動以及上層磁鐵25和下層磁鐵26間的吸引力將使得自由輪32轉動，從而使主軸37和模塊外殼36轉動。
另一種實施方案是轉動上層磁鐵25和下層磁鐵26使它們相互排斥。
如圖8所示，球形接觸器35安裝在電刷18的頂部。球形接觸器35能夠相對于電刷18自由地轉動。適用的電刷18可以用不銹鋼制作。彈簧162支撐電刷18。螺釘164支撐彈簧162。在一替換實施方案中，適用的電刷18包括一個碗狀光滑上盤(未示出)而不是平滑的表面，這有利于與球形接觸器35的連續接觸。在另一實施方案中，在開關8和球形接觸器35間具有導電性，通過電線19可以向激光二極管模塊38和39供電。適用的激光二極管模塊38和39是從Quarton Company ofTaipei，Taiwan獲得的VLM-670。優選地，螺釘164擰入框架16。一條引線(未示出)用來連接電刷18和電池組12的正極。激光二極管模塊38和39的不銹鋼外殼作為激光二極管模塊38和39的地線。地線是由不銹鋼主軸37、不銹鋼無油軸承28和連接電池組12負極的引線(未示出)之間的導電性建立起來的。
LED指示器10安裝在上箱2的前面。適用的LED是從Radio Shackof Milpitas，Califonia獲得的276-025。當向激光二極管模塊38和39提供能量時，LED指示器10就會點亮。開關8也安裝在上箱2的前面。適用的開關是從Radio Shack of Milpitas，California獲得的no.275-634。開關8向激光二極管模塊38和39供能。第二開關(未示出)用于向DC馬達14提供功率。利用螺絲(未示出)，下箱4固定在上箱2上。下箱4的下表面是平的。在正確地安裝到上箱2上之后，下箱4的下表面平行于上箱2的上表面。下箱4包括六個電池12，用來向激光水平儀1供電。適用的電池組是型號為“AA”的堿性電池。下箱4的可移動底蓋6是電池12的裝入口。
圖9A示例了帶有叉絲輔助器90的激光水平儀1的前視剖面圖。激光水平儀1的剖面是沿圖12的線B-B得到的。底座54具有兩個加工得相互平行并且在同一水平面上的軌道55和59。下箱4的底部具有具有兩個加工得相互平行并且在同一水平面上、同時與上箱2的上表面3平行的底槽57和61。使用底槽57和61以及在平行軌道55和59作為導引，通過在底座54上滑動下箱4將下箱4安裝在底座54上。底座54的上和下表面加工成平面。兩個螺紋柱102和104每個都通過護圈(未示出)裝在底座54上。有螺紋的螺紋柱102安裝到底座54的左外邊的中心。有螺紋的螺紋柱104安裝到底座54的前外邊的中心。適用的有螺紋的螺紋柱102和104由不銹鋼制作。調整輪58和60分別旋入螺紋柱102和104，以便調節底座54的水平。適用的調整輪是從RutlandIndustries of San Jose，California獲得的帶有滾花螺帽的螺絲no.9330。優選地，萬向節52的一端與底座54的右底部相連。萬向節52的另一端與固定座50相連，使底座54能夠在調整輪58和60作高度調整旋轉時繞萬向節52轉動。適用的萬向節52是從Motion Industriesof Santa Clara，California獲得的球形軸承RJS-4。在固定座50的底表面上鉆有用于安裝普通照相機或結構三腳架的螺紋孔56，以便于安裝普通照相機或結構三腳架。在固定座50的側表面鉆有兩個底架孔51和53，以便于把激光水平儀1方便地安裝到平滑表面上。在優選實施方案中，底架孔51和53的中心線在投射激光水平儀光束的平面內界定了一條線(未示出)。例如，如果激光水平儀1用于界定墻上的水平線，通過將孔51和53對準那條線，可以以相同的高度把激光水平儀1安裝到對面的墻上如圖9A所示，叉絲輔助器90安裝在上箱2的上表面3上。叉絲輔助器90具有一個與投射激光光束96的高度對齊的第一反射鏡92。第一反射鏡92呈45度角，把激光光束96反射到第二反射鏡94。如圖9B所示，沿線F-F得到的叉絲輔助器90的前視圖，第二反射鏡94呈45度角，反射激光光束90度角。適用的反射鏡92和94是從EdmundScientific of Barrington，New Jersey獲得的反射鏡M31011。結果，把轉動水平激光光束96投射到叉絲輔助器90的激光水平儀1將投射出與水平面垂直的垂直線。
圖10示例了本發明頂蓋76的實施方案的剖面圖。頂蓋76安裝到上箱2的上表面3上(圖8)。頂蓋76呈圓形。適用的頂蓋76可以由6061型鋁制作。在正確地安裝到上表面3上之后，圖10所示的C軸將與圖8所示的Z軸對準。頂蓋76的內壁緊密配合中央梯170的外壁172。頂蓋76繞中央梯170轉動。優選地，中央梯170由硬質材料制作，例如用來制作上表面3的材料。頂蓋76的上和下表面是平面并且加工得相互平行。圓珠水準儀42安裝在頂蓋76的頂部。適用的圓珠水準儀42是從Edmund Scientific Company of Barrington，New Jersey獲得的M42763。頂蓋76放置在模塊外殼36上方，使得頂蓋76的下表面與上箱2的上表面3緊密接觸。線性彈簧72垂直地壓入軸75的側邊。適用的彈簧72可以由0.03英寸厚的彈簧鋼制作。適用的軸可以用不銹鋼制作。線性彈簧72由軸75延伸到頂蓋76的內壁附近，并覆蓋與頂蓋76的內壁緊密相連的間隔接觸器74。適用的74可以用鋁制作。
本發明允許有多個不同的操作模式利用頂蓋76。圖10所示的頂蓋76放置在圖8所示的激光水平儀1上。以圓珠水準儀42作為參照，利用調整輪58和60，相對于大地正確地定位激光水平儀1。替代實施方案是把一個或多個水準儀放置在圖8所示的上箱2的上表面3上。在調節激光水平儀1水平之后，移去頂蓋76。然后，閉合電子開關8，向激光二極管模塊38和39供電，在點模式中，兩個激光水平光束點出現在平滑的目標表面，操作者可以據此劃出一條水平參考線。
在面模式中，閉合第二開關(未示出)并啟動DC馬達14。如上面根據圖8所述的，DC馬達14帶動主皮帶輪24和上層磁鐵25旋轉。由于下層磁鐵26吸引上層磁鐵25，安裝在下層磁鐵26上的自由輪32也將旋轉。由于自由輪32與主軸37相連，模塊外殼36也將旋轉。由于模塊外殼36中的激光二極管模塊38和39射出的光束與主軸37垂直，激光水平儀1將產生水平參考光線。
在短線模式中，如果頂蓋76放置在激光水平儀1上，模塊外殼36將通過延伸到模塊外殼36中的槽7(圖8)內部的軸頂端77(圖10)與軸75相連。在軸頂端77和槽7正確耦合之后，激光二極管模塊38和39通過頂蓋76的開口110射出光束。當模塊外殼36轉動時，線性彈簧72將會受到接觸器74的阻擋。當出現此情況時，整個模塊外殼36立刻反向轉動，因為線性彈簧72將產生足夠的力量使上層磁鐵25和下層磁鐵26分離開。然后，當上層磁鐵25和下層磁鐵26對準并一起轉動時模塊外殼36返回初始轉動方向。這種轉動方向的逆轉將在平滑目標表面上產生短且亮的參照線。無頂蓋76的激光水平儀1將產生360度的參考平面。加上頂蓋76，激光水平儀1將產生在背景光很強的場合可以應用的短且亮的線。
圖11示例了本發明另一個實施方案的剖面圖。該實施方案包括一個安裝在上箱2的上表面3上的頂蓋78。在正確地安裝到上表面3上之后，圖11所述的D軸將與圖8所述的Z軸對準。頂蓋78的上和下表面是平面且加工得相互平行。圓珠水準儀43緊貼在頂蓋78的項部。適用的水準儀43是從Edmund Scientific of Barrington，New Jersey獲得的M42763。頂蓋78放置在模塊外殼36上面，這樣頂蓋78的下表面緊貼上箱2(圖8)的上表面3。利用護圈71，主軸70與頂蓋78的底部相連。適用的主軸70可以由不銹鋼制作。主軸70與D軸對準。在主軸70的一端是主軸觸頭79。在頂蓋78正確地安裝到上箱2中之后，主軸觸頭79插入槽7(圖8)。
如圖11和14A所示，擺軸柄98與主軸70相連。圖14A-D示例了激光水平儀1的擺動模式。圖14A是沿圖11的線G-G得到的部分剖面圖。優選地，擺軸柄98是金屬的并呈圓柱形。在擺軸柄98中加工一個凹槽106。凹槽106加工得與圓釘99緊密接觸。圓釘99安裝在偏心輪66的外沿附近。適用的偏心輪66和圓釘99可以用尼龍制作。偏心輪66的外沿有齒輪。具有齒輪的偏心輪66的中心與第二主軸67相連。利用護圈73，第二主軸67與頂蓋78的上表面相連。適用的第二主軸67可以用不銹鋼制作。
如圖11所示，馬達62驅動齒輪組64，例如，沿順時針方向。齒輪組64與偏心輪66的外齒輪相嚙合。適用的馬達62和齒輪組64是從Futaba of Tokyo，Japan獲得的帶有齒輪組的DC馬達，no.S-148。圖14A-D示例了如何把偏心輪66的轉動變換為由激光二極管模塊38和39射出的光束108的擺動。當偏心輪66沿逆時針方向轉動時，擺軸柄98繞主軸70擺動。圖14A示例了擺軸柄98相對于主軸70的初始位置。凹槽106中的圓釘99處于三點鐘的位置。當偏心輪66繞第二主軸67逆時針轉動90度時，隨著如圖14B所示移動到十二點鐘位置的圓釘99的移動，擺軸柄98的遠端向左移動。圖14C展示了在偏心輪66沿逆時針方向再轉動90度之后，圓釘99處于九點鐘的位置。最后，圖14D展示了在偏心輪66沿逆時針方向再轉動90度之后，圓釘99處于六點鐘的位置。激光光束108所作的的相應的鐘擺似的移動示于圖14A-D。
圖12示例了安裝在激光水平儀1上的頂蓋78的半切頂視圖。去除圖12的線A-A上面的部分以便顯示隱藏在頂蓋78下面的機械結構。偏心輪66的外齒輪與由馬達62驅動的齒輪組64嚙合。如圖所示，馬達62安裝在頂蓋78的左邊上。在啟動馬達62之后，如前面所討論的，它使得擺軸柄98繞主軸70擺動。
當頂蓋78正確地安裝到上箱2的上表面3上時，主軸觸頭79將裝入槽7(圖8)，并擺動模塊外殼36。另一個DC馬達44安裝在頂蓋78的右邊。DC馬達44的軸與齒輪46(圖11)裝在一起。帶有齒輪46的適用的DC馬達44是從Futaba of Tokyo，Japan獲得的no.S148。當頂蓋78放置在上箱2的上表面3上時，齒輪46將與內齒輪48(圖8和12)嚙合。例如，適用的內齒輪48是從Designatronic，Inc.ofNew Hyde Park，New York獲得的no.SIE632-048A120。當頂蓋78安裝到激光水平儀1上并且啟動DC馬達44時，如圖11所示，頂蓋78繞D軸轉動。
在另一個實施方案中，利用安裝到頂蓋78上的印刷電路板(PCB)接收機40可以遙控啟動激光水平儀1。一種適用的PCB40是由Ming Engingeering Corporation of Los Angeles，California制造的，它可以接收由同樣是由Ming Engingeering Corporation制造的便攜發射機(未示出)發射的30MHz的RF信號。接收機40監測到信號，利用小的繼電器(未示出)啟動DC馬達44。
在頂蓋78的另一個備用實施方案中，可以略去PCB40和帶有齒輪46的DC馬達44。在該情況下，操作者可以手動地旋轉頂蓋78。
如圖12所示，通過金屬電壓圈176和安裝在上表面3上的金屬地圈174，向頂蓋78提供能量。兩條引線(未示出)把電壓圈176和地圈174連接到圖8所示的電池12上。另一對引線(未示出)連接到頂蓋78的下表面，并向圖11所示的馬達62和44提供能量。
圖11所示的頂蓋78放置在圖8所示的激光水平儀1上。主軸觸頭79將延伸到圖8所示的槽7中。這樣，主軸70將與模塊外殼36相連接，激光二極管模塊38和39(圖8)將通過頂蓋78上開口(未示出)射出光束。以水準儀43作為參照，利用調整輪58和60使激光水平儀1達到水平。在激光水平儀1水平之后，通過閉合電子開關8，向激光二極管模塊38和39供電。閉合第二開關(未示出)來啟動馬達62。如前面參照圖14A-D所述的，這使得偏心輪66前后擺動主軸70。因為主軸70與模塊外殼36相連，所以模塊外殼36也如前所述前后擺動。激活激光二極管模塊38和39后，該擺動將在平滑的目標表面上產生長參考線。通過手動地旋轉頂蓋78，長參考線可以繞圖8所示的Z軸作360度的旋轉。通過啟動第二DC馬達44來提供轉動頂蓋78的自動方式。小齒輪46將繞固定在激光水平儀1的上表面3上的內齒輪48轉動，從而使頂蓋78轉動。還可以利用上述的PCB接收機/發射機，通過遙控來啟動第二DC馬達44。
圖13A和13B示例了激光水平儀1的兩個相互垂直的方向。上箱2和下箱4的所有邊緣都是平的，且垂直于上表面3。底座54被加工為平面。可以以圖13A和13B所示的指向放置上箱2和下箱4。這允許操作者在除了水平面之外還可以再劃兩個參考面。例如，激光水平儀1可以提供一個與水平參考面垂直的垂直參考面和一個與垂直參考面和水平參考面均垂直的鉛垂參考面。
圖15A是激光二極管模塊199的另一個實施方案的剖面圖。在該實施方案中，激光二極管模塊199包括一個優選地由堅硬金屬制作的外箱200，例如黃銅。如圖所示，孔201制作在外箱200的左邊。孔201包括由外箱200的左外側邊緣向外箱200的中心部分延伸的螺紋部分204。透鏡206壓入圓柱形的透鏡固定圈208。適用的透鏡是從EdmundScientific Company of Barrington，New Jersry獲得的的no.M23021。適用的圓柱形的透鏡固定圈208可以用注塑ABS塑料制作。圓柱形的透鏡固定圈208優選地包括位于外表面上、與孔201的螺紋部分204相匹配的螺紋。固定透鏡206的透鏡固定圈208旋入螺紋部分204。第二孔205制作在外箱200上。第二孔205與第一孔201是同心的。第二孔205的直徑與激光二極管209的直徑匹配。適用的激光二極管209是由Hitachi America，Ltd.of Brisbane，CA制造的no.HL6714G。優選地，第二孔205與激光二極管209緊密接合以提高熱傳導性，以便散去激光二極管209在正常工作中產生的熱量。第三孔207制作在外箱200的右側，且與第二孔205是同心的。第二孔205與孔201和第三孔207相連。激光二極管209安裝到墊圈212上，并焊接到印刷電路板(PCB)211上。在PCB211上還有驅動激光二極管209的電源電路214。優選地，適用的墊圈212用塑料制作。適用的電源電路214是在Toshiba AmericaElectronics Corporation of Sunnyvale，California的應用說明465-5445中的第35頁上所展示的功率電路。電源電路214的正極與外箱200相連。電源電路214的地與接觸板216上的焊接點213相連。當安裝時，焊接點213與外箱200的機械軸對準。制作接觸板216的適宜材料是普通的PCB材料。孔207的內部是絕緣的以便安裝激光二極管209、墊圈212、PCB211和接觸板216。適用的絕緣材料是由PDI of CirclePines，MN制造的Plasti-Dip。
當完全安裝時，把正電壓加到外箱200上，例如4.5V，地接到焊接點213上，使激光二極管209發光。此時，容納透鏡206的透鏡固定圈208旋入螺紋部分204直到激光器在大約5米遠的目標上聚焦為5-10mm的先點。對光點大小和距離無嚴格要求。外肩202沿外箱200的左邊緣制作。外肩202環繞外箱200并以其機械軸為中心。盡管在圖15A中外肩202顯示在左側，外肩202可以在沿著外箱200長度方向的任何位置上。
圖15B是沿線J-J得到的激光二極管模塊199的視圖。一組齒輪215沿外肩202的邊緣制作。環繞外肩202的齒輪的確切數目并不重要。在示于圖15C的另一個實施方案中，外肩202具有數個沿外肩202的直徑分布的孔217。參照圖7，激光二極管模塊199插入圓柱形孔38。外肩202可防止激光二極管模塊199滑過圓柱形孔38。齒輪215或孔217可以用來繞圓柱形孔38的機械軸轉動激光二極管模塊199。這樣，激光二極管模塊199完全可以用于前述的對準方法，例如6-7頁所述。
圖16A是用于對準水珠水平管和轉動軸的完整上板的頂視圖。優選地，上板250由堅硬的金屬制作，例如鋁合金或鑄造鋁合金383。孔252制作得與上板250的下表面253垂直。參照圖16B，沿線K-K得到的上板250的前視圖，和圖8，優選地，上板250的上表面251連接到上箱2的頂面9上。參照圖16A和8，孔252加工得與圓孔5同心且直徑相同。如前在圖8所示，示于圖16B的孔252將決定轉動軸Z。如圖16A-B所示，兩個孔254和256加工得垂直于孔252。孔256的機械軸決定同樣與轉動軸Z垂直的Y軸。孔254的機械軸決定同樣與轉動軸Z垂直的X軸。兩個水珠水平管255和257分別插入孔254和256。適用的水平管是由Empire Level Mfg.Corp.of Milwaukee，WI。制作的no.0349。參照圖16B，上板250包括一個臂260，臂上有一個機械孔258。機械孔258偏離孔232且與之平行。圓柱形水珠水平管259插入到孔252中。適用的水平管259是由Empire Level Mfg.Corp.ofMilwaukee，WI。制作的no.0224。
在圖8所示的水平指向中，如果水平管255和257是水平的，激光水平儀1將投射出激光水平面。在圖13A和13B所示的垂直和鉛垂指向中，如果水平管258水平，那么激光水平儀1將投射出與水平面垂直的激光垂直面。上板250不需要加工上表面3使之垂直于圖8所示的圓孔5。同樣，不需要加工頂蓋76和頂蓋78的上表面和下表面使其平滑且相互平行，如圖10-11所示。
在本發明的替代實施方案中，圖18示例了水平系統的側視圖。水平系統由三個主要元件組成底板280、水平板284和基板296。優選地，三種元件均由堅硬金屬制作，例如鋁。適用的替代材料是注塑聚丙烯塑料。底板280包括一個從底板280的左頂部一體延伸的的定位托架281。定位孔283制作在底板280上。
圖20，水平系統的前視圖，展示了位于底板280右側的定位托架285和定位孔287。定位托架281、285和定位孔283、287用來把下箱4定位在底板280上，如圖8所示。定位托架281和285的內側間距與下箱4的寬度相一致。當把下箱4放置在底板280上時，在下箱4上加工兩個孔(未示出)，并進行攻絲，使它們與定位孔283和287同心。旋鈕289和相應的旋鈕(未示出)用于把下箱4定位在底板280上。理想的旋鈕是由Stock Drive Products of New Hyde Park，New York制作的no.9T41-B8399116。半邊鉸鏈282沿底板280的右底邊一體伸展。
圖19是水平板284的頂視圖，包括一個從水平板284的右頂邊伸出的匹配半邊鉸鏈291。參照圖19和20，固定銷293與半邊鉸鏈282和291嚙合。理想的固定銷293是由Stock Drive Products of New HydePark，New York制作的no.A9Y35-04444。加工和組裝半邊鉸鏈282和291，使底板280能夠繞固定銷293擺動。U形或圓形套305從底板280的底部、前部和中心開始延伸，如圖20所示。把直徑稍大于套305內口的鋼球292壓入套305。理想的鋼球是由Stock Drive Products ofNew Hyde Park，New York制作的no.A9Y71-06。偏壓彈簧306的一端緊貼底板280的左下角。理想的彈簧是由Stock Drive Products of NewHyde Park，New York制作的no.S78ESY-006008025。彈簧的另一端緊貼基板296的右上角。
圖19是水平板284的頂視圖，包括兩個孔307和308，它們分別加工在水平板284的左中部和前中部。孔307和308相互垂直。旋鈕298和299分別插入孔307和308。理想的旋鈕是由Stock Drive Products ofNew Hyde Park，New York制作的no.9T41-R8399134。旋鈕298和299可以分別固定護圈309和310。理想的護圈是由Stock Drive Productsof New Hyde Park，New York制作的A9Q290-15。兩個調整塊290和302分別旋入旋鈕299和298。調整塊290和302的寬度分別與孔308和307匹配。優選地，理想的調整塊290和302是先用黃銅制作，然后再鍍鎳。如圖18-20所示，調整塊290和302分別包括一個斜面311和312。如圖20所示，調整塊302的斜面312與球304接觸。如圖18所示，斜面311接觸鋼球292。調整塊290和302具有與旋鈕299和298的螺紋匹配的螺紋。當旋轉旋鈕298和299時，調整塊302和290沿孔307和308的長度方向移動。半邊鉸鏈294完全從水平板284的底部和左下角伸出。
參照圖18，匹配半邊鉸鏈295從基板296的左頂邊一體延伸。297與兩個半邊鉸鏈294和295耦合。理想的297是由Stock Drive Productsof New Hyde Park，New York制作的A9Y35-0444。加工并組裝半邊鉸鏈294和295，使水平板284繞297擺動。U形或圓形套303完全從基板296的頂中部延伸。如前所述，把球304壓入套303。理想的球304是由Stock Drive Products of New Hyde Park，New York制作的A9Y71-06。
當安裝水平系統時，底板280放在水平板284上，然后放在基板296上。由于彈簧306(圖20)的張力，鋼球292緊貼調整塊290。當旋鈕299逆時針轉動時，調整塊290將向左移動。由于調整塊290的斜面311，底板280將繞固定銷293擺動。圖18是調整塊290的一個指向，這樣逆時針旋轉旋鈕299將使固定銷293上的底板280升起。讓調整塊290轉動180度將使旋鈕299逆時針轉動，從而降低了固定銷293上的底板280。
參照圖20，由于彈簧306的張力，球304緊貼調整塊302。當逆時針轉動旋鈕298時，調整塊302向右移動。由于調整塊302的斜面312，水平板284將繞固定銷297擺動，如圖18所示。圖20示例了調整塊302的一個指向，這樣，逆時針轉動旋鈕298將升高固定銷297上的水平板284(圖18)。讓調整塊302轉動180度將使旋鈕298逆時針轉動，從而降低了固定銷297上的水平板284。
圖17A-C示例了本發明的一個優選實施方案，其中調節調整塊290的指向使得在逆時針轉動旋鈕299時水泡301左移，在順時針轉動旋鈕299時水泡301右移。這樣，使用人可以直觀地調節激光水平儀1.
權利要求
1.一種激光系統，包括一個可轉動的軸；一個與轉動軸相連的馬達；一個支撐轉動軸的上箱；和一個固定在轉動軸上的模塊外殼，模塊外殼具有一個機械軸并且支撐著一個投射出激光光束的激光器，其中機械軸和激光光束的中心線均垂直于轉動軸。
2.一種激光系統，包括一個固定的軸；一個支撐固定軸的上箱；和一個安裝在固定軸上的模塊外殼，模塊外殼具有一個機械軸并且支撐著一個投射出激光光束的激光器，其中機械軸和激光光束的中心線均垂直于固定軸。
3.一種激光系統，包括一個可擺動的軸；一個與擺動軸相連的馬達；一個支撐擺動軸的上箱；和一個安裝在擺動軸上的模塊外殼，模塊外殼具有一個機械軸并且支撐著一個投射出激光光束的激光器，其中機械軸和激光光束的中心線均垂直于擺動軸。
4.一種激光系統，包括一個可轉動的軸；一個與轉動軸相連的馬達；一個支撐轉動軸的上箱；和一個固定在轉動軸上的模塊外殼，模塊外殼具有數個機械軸并且支撐著數個激光器，每個激光器都能投射出激光光束，其中數個機械軸和激光光束的中心線均垂直于轉動軸。
5.一種激光系統，包括一個固定的軸；一個支撐固定軸的上箱；和一個安裝在固定軸上的模塊外殼，模塊外殼具有數個機械軸并且支撐著數個激光器，每個激光器都能投射出激光光束，其中數個機械軸和激光光束的中心線均垂直于固定軸。
6.一種激光系統，包括一個可擺動的軸；一個與擺動軸相連的馬達；一個支撐擺動軸的上箱；和一個安裝在擺動軸上的模塊外殼，模塊外殼具有數個機械軸并且支撐著數個激光器，每個激光器都能投射出激光光束，其特征在于數個機械軸和激光光束的中心線均垂直于擺動軸。
7.根據權利要求1、2、3、4、5、或6的激光系統，還包括安裝在上箱上的上板，其中上板確定了與軸同心的第一孔，第二和第三孔垂直于第一孔，其中第二孔和第三孔位于同一水平面上。
8.根據權利要求1、2、3、4、5、或6的激光系統，還包括安裝在上箱上的上板，其特征在于上板確定了與軸同心的第一孔，第四孔平行于第一孔，其中第四孔位于一個水平面上。
9.一種激光系統，包括一個可轉動的軸；一個與轉動軸相連的馬達；一個支撐轉動軸的上箱；數個激光器；和一個固定在轉動軸上的模塊外殼，模塊外殼具有數個機械軸并且支撐著數個激光器，每個激光器都能投射出激光光束，其特征在于數個機械軸和激光光束的中心線均垂直于轉動軸；和一個安裝在上箱上的上板，其中上板確定了與軸同心的第一孔，第二和第三孔垂直于第一孔，第四孔平行于第一孔，其中第二孔、第三孔和第四孔位于同一水平面上。
10.根據權利要求1、2、3、4、5、或6的激光系統，還包括環繞軸的軸承，環繞軸承的主皮帶輪和附著在軸上、靠近主皮帶輪的自由輪，其中主皮帶輪和自由輪分別包括至少一塊間隔開的磁鐵，主皮帶輪可操作地與馬達相連。
11.根據權利要求1、2、3、4、5、或6的激光系統，還包括一個具有一個開口且擱置在上箱上的可轉動的頂蓋，其中頂蓋可操作地與模塊外殼相連，由此至少有一束激光光束通過開口投射出來。
12.根據權利要求1、2、3、4、5、或6的激光系統，還包括安裝在上箱上的上板和具有一個開口且擱置在上板上的可轉動頂蓋，其中頂蓋可操作地與模塊外殼相連，由此一束激光光束通過開口投射出來。
13.根據權利要求1或4的激光系統，還包括具有一個開口且擱置在上箱上的可轉動頂蓋，其中可轉動頂蓋包括一個附著在頂蓋內壁上的間隔接觸器，阻止模塊外殼的轉動。
14.根據權利要求1或4的激光系統，還包括安裝在上箱上的上板，還包括一個具有一個開口且擱置在上板上的可轉動頂蓋，其中至少有一束激光光束通過開口投射出來，其中可轉動頂蓋包括一個附著在頂蓋內壁上的間隔接觸器，阻止模塊外殼的轉動。
15.根據權利要求1或4的激光系統，還包括一個位于上箱上的叉絲輔助器，輔助器包括一個第一反射鏡，它把來自垂直于轉動軸的第一方向的激光光束反射到與轉動軸平行且指向第二反射鏡的第二方向，其中第二反射鏡把來自第二方向的投射激光光束反射到與第一方向和第二方向垂直的第三方向。
16.根據權利要求15的激光系統，其特征在于第一方向是轉動水平光束，第三方向是垂直于水平光束的垂直線。
17.根據權利要求15的激光系統，其特征在于第一方向是轉動垂直光束，第三方向是垂直于垂直光束的水平線。
18.根據權利要求15的激光系統，其特征在于數個叉絲輔助器支撐在上箱上。
19.根據權利要求1或4的激光系統，還包括一個安裝在上箱上的上板，還包括一個安裝在上板上的叉絲輔助器，輔助器包括一個第一反射鏡，它把來自垂直于轉動軸的第一方向的激光光束反射到與轉動軸平行且指向第二反射鏡的第二方向，其中第二反射鏡把來自第二方向的激光光束反射到與第一方向和第二方向垂直的第三方向。
20.根據權利要求19的激光系統，其特征在于第一方向是轉動水平光束，第三方向是垂直于水平光束的垂直線。
21.根據權利要求19的激光系統，其特征在于第一方向是轉動垂直光束，第三方向是垂直于垂直光束的水平線。
22.根據權利要求19的激光系統，其特征在于數個叉絲輔助器支撐在上板上。
23.一種校準激光二極管模塊的方法，包括把可轉動激光二極管模塊插入具有圓孔的校準臺，其中孔包括一個激光二極管模塊的轉動軸，第一線和第二線相互交叉、相互垂直，且均垂直于轉動軸；確定校準目標，包括第一參照線，和垂直于第一參照線的第二參照線；校準校準臺和校準目標，其中校準臺和校準目標相互間隔開，第一線平行于第一參照線，第二線平行于第二參照線；啟動激光二極管模塊使光點投射到校準目標上；和在圓孔內轉動激光二極管模塊使激光光束光點定位于校準目標的第一參照線。
24.一種激光二極管模塊，包括一個具有外肩的外殼；一個透鏡；一個電源；一個激光二極管；且其中外殼容納了激光二極管、透鏡和電源。
25.根據權利要求24的激光二極管模塊，其中外殼的外肩包括一個至少具有一個齒的外沿。
26.根據權利要求24的激光二極管模塊，其特征在于外殼的外肩包括至少一個孔。
27一種水平系統，包括一塊底板；一塊水平板；一塊基板；且其中底板繞水平板擺動，水平板繞基板擺動。
28.根據權利要求27的水平系統，還包括第一旋鈕；旋入第一旋鈕的第一調整塊；和其中第一旋鈕安裝在水平板上，第一調整塊與底板相連。
29.根據權利要求27的水平系統，還包括第二旋鈕；旋入第二旋鈕的第二調整塊；和其中第二旋鈕安裝在水平板上，第二調整塊與基板相連。
全文摘要
激光水平儀(136)包括一個激光二極管模塊(132)和一個光學系統(140)。激光二極管模塊(132)發射出的非準直光束(138)垂直于激光水平儀的轉動軸。激光水平儀工作于四種不同的模式,即點模式、線模式、擺動模式和平面模式。點模式提供了兩個水平的激光點。線模式提供了短而亮的水平線。擺動模式提供了長且亮的參照線。平面模式提供了360度的水平參照面。該結構允許具有兩個相互垂直且垂直于所產生的水平參照面的垂直參照面。
文檔編號H01S5/022GK1185239SQ96194090
公開日1998年6月17日 申請日期1996年3月27日 優先權日1995年4月3日
發明者董大為 申請人:富山工業股份有限公司