CN1086852C - 激光水平仪 - Google Patents

Abstract

激光水平仪(136)包括一个激光二极管模块(132)和一个光学系统(140)。激光二极管模块(132)发射出的非准直光束(138)垂直于激光水平仪的转动轴。激光水平仪工作于四种不同的模式，即点模式、线模式、摆动模式和平面模式。点模式提供了两个水平的激光点。线模式提供了短而亮的水平线。摆动模式提供了长且亮的参照线。平面模式提供了360度的水平参照面。该结构允许具有两个相互垂直且垂直于所产生的水平参照面的垂直参照面。

Description

激光水平仪

发明背景

本发明一般地涉及水平装置，更加明确地讲，是涉及到一种能够工作于多种模式的激光水平装置。

激光水平仪在工程建筑中已经使用了多年。它们通常用来为建筑工程产生光参照面。激光水平仪已经应用于大规模的建筑工程，例如商业拓建、铺设基础和安装天花板。与其它工具例如光线水平仪、粉线或信号水平仪相比，激光水平仪在建筑工作的初始规划中节省了大量的时间。可以使用激光水平仪的工作包括铺砌瓷砖、安装柜橱、吊平顶部天棚和安装户外平台等。由于这些激光水平仪通常要卖几千美元，所以只有那些大的建筑商才买得起。尽管激光水平仪节省时间，但是由于它们的购买费用太高，激光水平仪没有被广泛地使用。造价高的原因是可用的激光光源的造价过高，例如氦-氖激光器，以及用于控制激光光源所产生的光线的相关光学系统的造价过高。

发明概述：

本发明涉及激光水平装置。一方面，本发明利用激光二极管模块作为激光光源和光学系统。本发明能够产生可以作为规划参考的光水平面或光水平线。不必利用昂贵的光学元件和复杂的控制激光光束的校准程序来界定光路，本发明可以利用相对便宜的光学元件和新颖的校准程序，以便使用激光二极管模块。另一方面，本发明提供了一个新颖的方法，即廉价激光二极管模块输出的激光光束可以经校准与激光水平装置的转动轴垂直。该方法显著地降低了激光水平仪中必须使用的光学系统的造价。这样，显著地降低了阻碍大众把激光水平仪用作普及型工具的价格障碍。

在本发明的特点中，提供了一种对激光模块输出的激光束进行校准使其垂直于主轴的方法。一方面，低价激光二极管模块安装在连接在主轴上的激光模块壳体内。主轴定义了激光水平仪的转动轴，并且安装在外壳的上表面。外壳的上表面已被加工平整。安装时，主轴垂直于外壳的上表面，激光束平行于外壳的上表面。在外壳内部，一方面，主轴被安装在无油轴承上，并通过皮带轮与马达的转轴相连，马达的转动轴平行于主轴。马达使激光模块的壳体转动。气泡水平仪可以用作调节外壳上表面水平的参考。一旦外壳的上表面达到水平，转动激光束就可以生成光水平参考面。外壳安装在可以调节的底座上。外壳可以安装在底座上，可以进行一系列的正交调整以生成光水平参考面、光垂直参考面和光铅垂参考面。

本发明的目的是，提供一种摆动模块壳体的装置。该装置产生比上述的参考面更加明显的光参考线。光参考线可绕激光水平仪的转动轴转动。可以手动或通过遥控自动地转动光参考线。

本发明的另一个目的是提供把数个激光二极管模块安装到模块壳体内部的装置。当激光模块壳体转动或摆动时，与只安装了单个激光二极管模块的激光模块壳体相比，所产生的参考面或参考线将更加明显。当模块壳体不转动或摆动时，使用者可以在任何平面目标上投射数个激光光点。然后，使用者可以通过连接目标平面上的激光点而划出水平线。

本发明的另一个目的是提供一种同时生成与光参考面垂直的光叉丝参考线。垂直光参考线由激光水平仪的附件产生。该附件由两个用来反射部分光参照面的反射镜组成。第一反射镜以九十度角将部分参考面反射到第三反射镜。第二反射镜以另一个九十度角反射激光光束，并相对于光初始参考面生成垂直叉丝参考。通过转动激光水平仪转动轴周围的附件，该叉丝参考可以在沿着光初始参照面任何位置上生成。

附图简述：

图1显示了非精确光线校准的效果。

图2是简单光学校准系统图。

图3示例了普通廉价激光二极管模块中的典型校准偏差。

图4是普通廉价激光二极管模块中的典型激光光束路径图。

图5示例了由普通廉价激光二极管模块发射的随机激光光束路径图。

图6示例了准线目标的前视图。

图7示例了准线测验台的前视图。

图8示例了无盖激光水平仪的侧视剖面图。

图9A示例了装有叉丝辅助器的激光水平仪的前视剖面图。

图9B示例了叉丝辅助器。

图10示例了盖的一个实施方案的侧视剖面图。

图11示例了另一个盖的实施方案的前视剖面图。

图12示例了带有盖的激光水平仪顶部半切视图。

图13A示例了一种可能的机壳正交方向的剖面图。

图13B示例了另一种可能的机壳正交方向的半切视图。

图14A-D示例了激光水平仪的摆动运动。

图15A是激光二极管模块实施方案的剖面图。

图15B是激光二极管模块实施方案的前视图。

图15C是另一个激光二极管模块实施方案的前视图。

图16A是上盘顶视图。

图16B是上盘侧视图。

图17A-C示例了逆时针旋转旋钮使水珠水平管内的水泡左移的本发明优选实施方案。

图18是水平调整系统的侧视剖面图。

图19是水平板顶视图。

图20是水平调整系统的前视剖面图。

优选实施方案详述：

激光水平仪包括一束绕旋转轴转动的激光光束。光学系统对于激光水平仪十分重要，因为它精确地校准了激光光束，使之精确地垂直于激光水平仪的转动轴。因此，能够精确地校准激光束使之垂直于旋转轴是很重要的。无论目标表面距激光水平仪是远还是近，正确校准的激光光束都将产生一个与参照物等高的水平面。当激光光束没有经校准垂直于转动轴时，它将产生一条参考线，参考线将根据目标距激光水平仪装置的远近而变化高度。

图1示例了正确校准的激光光束122和未适当校准的激光光束124。光束122垂直于转动轴线Z。光束122投射到两个竖直目标上：目标128和目标130。目标128距激光光源126的距离为“X”。目标130距目标128的附加距离为“ΔX”。光束122与目标128的交点与光束122与目标130的交点间的竖直高度差为零。光束124不垂直于转动轴Z。光束124与垂直线成一个角度θ。光束124投射到同一的目标128和目标130上。光束124与目标128的交点与光束124与目标130的交点间的竖直高度差为“ΔH”。这就造成了严重的问题。例如，激光水平仪位于正方形屋子的中央，而光束被校准成光束124，激光水平仪将不能在四壁上划出正确的水平参考线。通常，这使得在许多应用中不能使用激光水平仪。

一种相对于转动轴Z正确地校准激光光束的方法是使用昂贵的光学元件和耗时的校准程序。图2是该典型系统的略图。光轴O是透镜120的中心轴。机械轴M是外壳116的中心轴，外壳内有激光二极管光源114和相应的透镜120。从实际角度看，机械轴M必须经校准垂直于转动轴Z，光束118应当相对于机械轴M进行准直。然而，需要精细的校准过程产生准直光束118。透镜120的光轴O需要与外壳116的机械轴M对准。激光二极管光源114必须对准光轴O。简而言之，激光二极管光源114和透镜120必须对准使它们共有一个中心。再次，激光二极管光源114沿光轴O到透镜120的距离必须为一个焦距长度。这种准直系统中所需的透镜120很昂贵，因为它需要克服透镜的缺陷，例如球形透镜偏差、彗形象差和象散。可用的准直激光二极管模块是MellesGriot Inc.of Boulder，CO.制造的产品06DLL645。

为了制作用户买得起的激光水平仪，必须降低包括透镜在内的光学系统的造价和对准光学系统的造价。通过采用普通廉价的非精确光学系统，本发明成功地降低了造价，这样它可以用于精确的激光水平仪中。

一方面，本发明利用了廉价激光二极管模块，利用在激光指示器中使用的。这些激光二极管模块包括集成在外壳内的激光二极管光源和光学系统。光学元件很便宜，校准过程又快又简单。普通廉价激光二极管模块由激光二极管光源、安装光源的印刷电路板、廉价的聚焦透镜和外壳组成。一种适用的激光二极管模块是Quarton Company ofTaipei，Taiwan制造的VLM-670。

图3示例了在典型的廉价普通激光二极管模块131中出现的对准偏差。在这些激光二极管模块的典型加工工序中，激光二极管132被粘贴在印刷电路板134上。装有激光二极管132的印刷电路板134与透镜140一起安装到外壳136中。然后，调节透镜140和激光二极管132使光束138聚焦在目标(未示出)上，例如，距激光二极管5-10米的目标。要注意的是激光二极管132到透镜的距离应当为一个焦距长度或者调整激光二极管132，使之对与透镜140共心。机械轴M和光轴O通常是非对准的。通常光束138与机械轴M不平行。

图4显示了在普通廉价激光二极管模块149中出现的典型激光光束146。激光光束146不是平行于机械轴M，而是会聚在距机械轴M的径向距离为R的点147上。

普通廉价激光模块中出现的光学系统不能在典型的激光水平仪器中使用。各个激光二极管模块产生的光束与机械轴M的夹角是随机变化的。图5示例了对准机械轴M1、M2和M3的三个激光二极管模块156、158和160与发射激光光束150、152和154间的关系。

本发明提供了调节由普通廉价激光二极管发射出的光束的方法，使之垂直于激光水平仪的转动轴。一方面，如图6-7所示，该方法利用了校准目标81和校准台83。在优选实施方案中，校准目标81显示在平面图(图6)中的竖直墙上。校准目标81具有相互垂直的一个垂直参照线80和一个水平参照线82。垂直参照线80垂直于大地表面。优选地，校准目标81的直径尺寸为4英尺，但不要求尺寸十分精确。

参照图7，展示了校准台83的优选实施方案。例如，在图7中，校准台83包括坚固的台面84，其平滑上表面89能被调节得水平且与大地表面平行，和严密的准线固定物86。固定物86安装在台面84上，并且具有一个垂直于台面84的孔88。模块外壳36包括一个以紧贴的方式穿过孔88的圆柱形主轴37，所以37垂直于大地表面。主轴37是中空的，以便允许引线(未示出)通过，与激光二极管模块38和39相连。优选地，模块外壳36和主轴37由整块的金属制作，例如不锈钢。主轴37由模块外壳36中部延伸出来，并确定了旋转轴Z。在模块外壳36中心加工一个槽7，并使之与Z轴对准。优选地，模块外壳36包括两个用于安装激光二极管模块38和39的圆孔91和93。如图所示，由主轴37确定的转动轴Z垂直于与圆孔91和93的中心轴相交的水平轴H。

优选地，校准目标81和校准台83至少相距15米，尽管不要求精确的间距。调节校准台83和校准目标81使得校准目标81(图6)的水平参照线82和模块外壳36的水平轴H互相平行并且在相对大地的同一水平面上。在确保正确调节水平轴H和水平参照线82的方法中利用了自动-水平激光水平仪，例如Spectra-Physics Corporation ofDayton，Ohio制造的1142 XL Laser Level。然后，校准目标81的垂直参照线80将垂直于校准台83的台面84，并且平行于主轴37。激光二极管模块38和39插入模块外壳36中的孔91和93。激光二极管模块38和39紧密地装入模块外壳36的孔91和93，但仍可以在模块外壳36内部转动。激励激光二极管模块38使激光光束打到校准目标81(图6)上并使得激光光束点85出现在校准目标81上。激光光束点85用作图解。任何给定激光二极管模块射出的实际激光光束点85通常是随机地分布在校准目标81上的。应当注意的是，在激励激光二极管模块38之前，由于以下三个因素不能根据模块38的方向确定点的精确位置：激光光源和聚焦透镜间没有中心；激光光源和聚焦透镜间的随机距离；光轴相对于机械轴的随机调整。当激光二极管模块38在模块外壳36内部转动时，激光光束点85也将相应地转动。激光二极管模块38将持续转动直到激光光束点85对准校准目标81的水平参照线82。在这一点上，利用强力胶水，例如LocTite ofClvelland，Ohio制作的LocTite640，把激光二极管模块38固定在模块外壳36内部。在优选实施方案中，转动两个激光二极管模块38和39使得每个激光二极管模块38和39产生的激光光束点的位置分别沿水平参照线82排列。通过以这种方式调节两个激光光束点，由激光二极管模块38和39射出的激光光束点都将垂直于主轴37。

图8示例了无盖激光水平仪的一个实施方案的、沿图12中的线A-A得到的剖面图。图8展示了具有四个主要元件的激光水平仪：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。四个主要元件中的每一个都由坚硬材料制作，例如注塑ABS塑料。上箱2包括一个在其上装有图10-11所示的头盖的平滑上表面3。替代实施方案包括由金属铸造并坚固地连接到上箱2的平滑上表面3。在上箱2的顶面9上转一个圆孔5。圆孔5垂直于上表面3。把无油轴承28紧密地压入圆孔5中，使轴承28安装到上箱2上。一种适用的轴承是由Motion Idustries of Santa Clara，Clifornia制造的青铜-含油轴承，货号为B6-54。如前所述，模块外壳36包含与轴37对准的激光二极管模块38和39。模块外壳36还包括插入到无油轴承28中的主轴37。制作主轴37的适宜材料是303型不锈钢。对主轴37的外表面进行机械加工和抛光，使之光滑。尽管无油轴承28和37间的接合十分紧密，但是37仍可以在无油轴承28内自由转动。护圈30用来把主皮带轮24保持在无油轴承28的底部。一种适宜的护圈30是由Motion Idustries ofSanta Clara，Clifornia制造的3/8英寸的不锈钢护圈，货号为Q2-37。一种适宜的主皮带轮24可以用尼龙制作。主皮带轮24绕无油轴承28转动。

主皮带轮24固定着一组上层磁铁25。例如，适用的一组磁铁25是由Edmund Scientific Company of Barrington，New Jersey制作的、直径为1/4英寸、厚度为3/16英寸的M35,500。主皮带轮24通过传动带22与小皮带轮20相连。一种适用的传送带是由Winfred M.Berg Inc.ofEast Rockaway，New York制造的、直径为1/16英寸的“O”圈STS-70-226。适用的小传送带22可以用尼龙制作。小皮带轮20装在DC马达14的轴100上。适用的DC马达是由Radio Shack ofMilpitas，California提供的273-273，65mA，1.5v至4.5v。利用螺钉17和101，框架16(图9A)把DC马达14固定在上箱2的内壁上。适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。利用尼龙螺丝34，把图8所示的自由轮32紧密地与主37相连。例如，适用的自由轮32可由尼龙制作。适用的尼龙螺丝34是6/32-1/2英寸的尼龙螺丝。尼龙螺丝34是中空的，以便电线19能够通过。电线19焊接在由尼龙螺丝34支撑的球形接触器35上。球形接触器35由不锈钢制作，并且经过抛光使表面光滑，以便确保与电刷18的平滑、连续的电接触。

自由轮32具有一组下层磁铁26。适宜的下层磁铁组26是由Edmund Scientific Company of Barrington，New Jersey制造的M35500磁铁，直径为1/4英寸，厚度为3/16英寸。下层磁铁26基本上与主皮带轮24中的上层磁铁组25对准。上层磁铁25和下层磁铁26的极性指向使它们相互吸引。当DC马达14转动时，小皮带轮20使驱动主皮带轮24的传送带22转动。主皮带轮24的转动以及上层磁铁25和下层磁铁26间的吸引力将使得自由轮32转动，从而使主轴37和模块外壳36转动。

另一种实施方案是转动上层磁铁25和下层磁铁26使它们相互排斥。

如图8所示，球形接触器35安装在电刷18的顶部。球形接触器35能够相对于电刷18自由地转动。适用的电刷18可以用不锈钢制作。弹簧162支撑电刷18。螺钉164支撑弹簧162。在一替换实施方案中，适用的电刷18包括一个碗状光滑上盘(未示出)而不是平滑的表面，这有利于与球形接触器35的连续接触。在另一实施方案中，在开关8和球形接触器35间具有导电性，通过电线19可以向激光二极管模块38和39供电。适用的激光二极管模块38和39是从Quarton Company ofTaipei，Taiwan获得的VLM-670。优选地，螺钉164拧入框架16。一条引线(未示出)用来连接电刷18和电池组12的正极。激光二极管模块38和39的不锈钢外壳作为激光二极管模块38和39的地线。地线是由不锈钢主轴37、不锈钢无油轴承28和连接电池组12负极的引线(未示出)之间的导电性建立起来的。

LED指示器10安装在上箱2的前面。适用的LED是从Radio Shackof Milpitas，California获得的276-025。当向激光二极管模块38和39提供能量时，LED指示器10就会点亮。开关8也安装在上箱2的前面。适用的开关是从Radio Shack of Milpitas，California获得的no.275-634。开关8向激光二极管模块38和39供能。第二开关(未示出)用于向DC马达14提供功率。利用螺丝(未示出)，下箱4固定在上箱2上。下箱4的下表面是平的。在正确地安装到上箱2上之后，下箱4的下表面平行于上箱2的上表面。下箱4包括六个电池12，用来向激光水平仪1供电。适用的电池组是型号为“AA”的碱性电池。下箱4的可移动底盖6是电池12的装入口。

图9A示例了带有叉丝辅助器90的激光水平仪1的前视剖面图。激光水平仪1的剖面是沿图12的线B-B得到的。底座54具有两个加工得相互平行并且在同一水平面上的轨道55和59。下箱4的底部具有具有两个加工得相互平行并且在同一水平面上、同时与上箱2的上表面3平行的底槽57和61。使用底槽57和61以及在平行轨道55和59作为导引，通过在底座54上滑动下箱4将下箱4安装在底座54上。底座54的上和下表面加工成平面。两个螺纹柱102和104每个都通过护圈(未示出)装在底座54上。有螺纹的螺纹柱102安装到底座54的左外边的中心。有螺纹的螺纹柱104安装到底座54的前外边的中心。适用的有螺纹的螺纹柱102和104由不锈钢制作。调整轮58和60分别旋入螺纹柱102和104，以便调节底座54的水平。适用的调整轮是从RutlandIndustries of San Jose，California获得的带有滚花螺帽的螺丝no.9330。优选地，万向节52的一端与底座54的右底部相连。万向节52的另一端与固定座50相连，使底座54能够在调整轮58和60作高度调整旋转时绕万向节52转动。适用的万向节52是从Motion Industriesof Santa Clara，California获得的球形轴承RJS-4。在固定座50的底表面上钻有用于安装普通照相机或结构三脚架的螺纹孔56，以便于安装普通照相机或结构三脚架。在固定座50的侧表面钻有两个底架孔51和53，以便于把激光水平仪1方便地安装到平滑表面上。在优选实施方案中，底架孔51和53的中心线在投射激光水平仪光束的平面内界定了一条线(未示出)。例如，如果激光水平仪1用于界定墙上的水平线，通过将孔51和53对准那条线，可以以相同的高度把激光水平仪1安装到对面的墙上

如图9A所示，叉丝辅助器90安装在上箱2的上表面3上。又丝辅助器90具有一个与投射激光光束96的高度对齐的第一反射镜92。第一反射镜92呈45度角，把激光光束96反射到第二反射镜94。如图9B所示，沿线F-F得到的叉丝辅助器90的前视图，第二反射镜94呈45度角，反射激光光束90度角。适用的反射镜92和94是从EdmundScientific of Barrington，New Jersey获得的反射镜M31011。结果，把转动水平激光光束96投射到叉丝辅助器90的激光水平仪1将投射出与水平面垂直的垂直线。

图10示例了本发明顶盖76的实施方案的剖面图。顶盖76安装到上箱2的上表面3上(图8)。顶盖76呈圆形。适用的顶盖76可以由6061型铝制作。在正确地安装到上表面3上之后，图10所示的C轴将与图8所示的Z轴对准。顶盖76的内壁紧密配合中央梯170的外壁172。顶盖76绕中央梯170转动。优选地，中央梯170由硬质材料制作，例如用来制作上表面3的材料。顶盖76的上和下表面是平面并且加工得相互平行。圆珠水准仪42安装在顶盖76的顶部。适用的圆珠水准仪42是从Edmund Scientific Company of Barrington，New Jersey获得的M42763。顶盖76放置在模块外壳36上方，使得顶盖76的下表面与上箱2的上表面3紧密接触。线性弹簧72垂直地压入轴75的侧边。适用的弹簧72可以由0.03英寸厚的弹簧钢制作。适用的轴可以用不锈钢制作。  线性弹簧72由轴75延伸到顶盖76的内壁附近，并覆盖与顶盖76的内壁紧密相连的间隔接触器74。适用的74可以用铝制作。

本发明允许有多个不同的操作模式利用顶盖76。图10所示的顶盖76放置在图8所示的激光水平仪1上。以圆珠水准仪42作为参照，利用调整轮58和60，相对于大地正确地定位激光水平仪1。替代实施方案是把一个或多个水准仪放置在图8所示的上箱2的上表面3上。在调节激光水平仪1水平之后，移去顶盖76。然后，闭合电子开关8，向激光二极管模块38和39供电，在点模式中，两个激光水平光束点出现在平滑的目标表面，操作者可以据此划出一条水平参考线。

在面模式中，闭合第二开关(未示出)并启动DC马达14。如上面根据图8所述的，DC马达14带动主皮带轮24和上层磁铁25旋转。由于下层磁铁26吸引上层磁铁25，安装在下层磁铁26上的自由轮32也将旋转。由于自由轮32与主轴37相连，模块外壳36也将旋转。由于模块外壳36中的激光二极管模块38和39射出的光束与主轴37垂直，激光水平仪1将产生水平参考光线。

在短线模式中，如果顶盖76放置在激光水平仪1上，模块外壳36将通过延伸到模块外壳36中的槽7(图8)内部的轴顶端77(图10)与轴75相连。在轴顶端77和槽7正确耦合之后，激光二极管模块38和39通过顶盖76的开口110射出光束。当模块外壳36转动时，线性弹簧72将会受到接触器74的阻挡。当出现此情况时，整个模块外壳36立刻反向转动，因为线性弹簧72将产生足够的力量使上层磁铁25和下层磁铁26分离开。然后，当上层磁铁25和下层磁铁26对准并一起转动时模块外壳36返回初始转动方向。这种转动方向的逆转将在平滑目标表面上产生短且亮的参照线。无顶盖76的激光水平仪1将产生360度的参考平面。加上顶盖76，激光水平仪1将产生在背景光很强的场合可以应用的短且亮的线。

图11示例了本发明另一个实施方案的剖面图。该实施方案包括一个安装在上箱2的上表面3上的顶盖78。在正确地安装到上表面3上之后，图11所述的D轴将与图8所述的Z轴对准。顶盖78的上和下表面是平面且加工得相互平行。圆珠水准仪43紧贴在顶盖78的顶部。适用的水准仪43是从Edmund Scientific of Barrington，New Jersey获得的M42763。顶盖78放置在模块外壳36上面，这样顶盖78的下表面紧贴上箱2(图8)的上表面3。利用护圈71，主轴70与顶盖78的底部相连。适用的主轴70可以由不锈钢制作。主轴70与D轴对准。在主轴70的一端是主轴触头79。在顶盖78正确地安装到上箱2中之后，主轴触头79插入槽7(图8)。

如图11和14A所示，摆轴柄98与主轴70相连。图14A-D示例了激光水平仪1的摆动模式。图14A是沿图11的线G-G得到的部分剖面图。优选地，摆轴柄98是金属的并呈圆柱形。在摆轴柄98中加工一个凹槽106。凹槽106加工得与圆钉99紧密接触。圆钉99安装在偏心轮66的外沿附近。适用的偏心轮66和圆钉99可以用尼龙制作。偏心轮66的外沿有齿轮。具有齿轮的偏心轮66的中心与第二主轴67相连。利用护圈73，第二主轴67与顶盖78的上表面相连。适用的第二主轴67可以用不锈钢制作。

如图11所示，马达62驱动齿轮组64，例如，沿顺时针方向。齿轮组64与偏心轮66的外齿轮相啮合。适用的马达62和齿轮组64是从Futaba of Tokyo，Japan获得的带有齿轮组的DC马达，no.S-148。图14A-D示例了如何把偏心轮66的转动变换为由激光二极管模块38和39射出的光束108的摆动。当偏心轮66沿逆时针方向转动时，摆轴柄98绕主轴70摆动。图14A示例了摆轴柄98相对于主轴70的初始位置。凹槽106中的圆钉99处于三点钟的位置。当偏心轮66绕第二主轴67逆时针转动90度时，随着如图14B所示移动到十二点钟位置的圆钉99的移动，摆轴柄98的远端向左移动。图14C展示了在偏心轮66沿逆时针方向再转动90度之后，圆钉99处于九点钟的位置。最后，图14D展示了在偏心轮66沿逆时针方向再转动90度之后，圆钉99处于六点钟的位置。激光光束108所作的的相应的钟摆似的移动示于图14A-D。

图12示例了安装在激光水平仪1上的顶盖78的半切顶视图。去除图12的线A-A上面的部分以便显示隐藏在顶盖78下面的机械结构。偏心轮66的外齿轮与由马达62驱动的齿轮组64啮合。如图所示，马达62安装在顶盖78的左边上。在启动马达62之后，如前面所讨论的，它使得摆轴柄98绕主轴70摆动。

当顶盖78正确地安装到上箱2的上表面3上时，主轴触头79将装入槽7(图8)，并摆动模块外壳36。另一个DC马达44安装在顶盖78的右边。DC马达44的轴与齿轮46(图11)装在一起。带有齿轮46的适用的DC马达44是从Futaba of Tokyo，Japan获得的no.S-148。当顶盖78放置在上箱2的上表面3上时，齿轮46将与内齿轮48(图8和12)啮合。例如，适用的内齿轮48是从Designatronic，Inc.ofNew Hyde Park，New York获得的no.SIE632-048A120。当顶盖78安装到激光水平仪1上并且启动DC马达44时，如图11所示，顶盖78绕D轴转动。

在另一个实施方案中，利用安装到顶盖78上的印刷电路板(PCB)接收机40可以遥控启动激光水平仪1。一种适用的PCB40是由Ming Engingeering Corporation of Los Angeles，California制造的，它可以接收由同样是由Ming Engingeering Corporation制造的便携发射机(未示出)发射的30MHz的RF信号。接收机40监测到信号，利用小的继电器(未示出)启动DC马达44。

在顶盖78的另一个备用实施方案中，可以略去PCB40和带有齿轮46的DC马达44。在该情况下，操作者可以手动地旋转顶盖78。

如图12所示，通过金属电压圈176和安装在上表面3上的金属地圈174，向顶盖78提供能量。两条引线(未示出)把电压圈176和地圈174连接到图8所示的电池12上。另一对引线(未示出)连接到顶盖78的下表面，并向图11所示的马达62和44提供能量。

图11所示的顶盖78放置在图8所示的激光水平仪1上。主轴触头79将延伸到图8所示的槽7中。这样，主轴70将与模块外壳36相连接，激光二极管模块38和39(图8)将通过顶盖78上开口(未示出)射出光束。以水准仪43作为参照，利用调整轮58和60使激光水平仪1达到水平。在激光水平仪1水平之后，通过闭合电子开关8，向激光二极管模块38和39供电。闭合第二开关(未示出)来启动马达62。如前面参照图14A-D所述的，这使得偏心轮66前后摆动主轴70。因为主轴70与模块外壳36相连，所以模块外壳36也如前所述前后摆动。激活激光二极管模块38和39后，该摆动将在平滑的目标表面上产生长参考线。通过手动地旋转顶盖78，长参考线可以绕图8所示的Z轴作360度的旋转。通过启动第二DC马达44来提供转动顶盖78的自动方式。小齿轮46将绕固定在激光水平仪1的上表面3上的内齿轮48转动，从而使顶盖78转动。还可以利用上述的PCB接收机/发射机，通过遥控来启动第二DC马达44。

图13A和13B示例了激光水平仪1的两个相互垂直的方向。上箱2和下箱4的所有边缘都是平的，且垂直于上表面3。底座54被加工为平面。可以以图13A和13B所示的指向放置上箱2和下箱4。这允许操作者在除了水平面之外还可以再划两个参考面。例如，激光水平仪1可以提供一个与水平参考面垂直的垂直参考面和一个与垂直参考面和水平参考面均垂直的铅垂参考面。

图15A是激光二极管模块199的另一个实施方案的剖面图。在该实施方案中，激光二极管模块199包括一个优选地由坚硬金属制作的外箱200，例如黄铜。如图所示，孔201制作在外箱200的左边。孔201包括由外箱200的左外侧边缘向外箱200的中心部分延伸的螺纹部分204。透镜206压入圆柱形的透镜固定圈208。适用的透镜是从EdmundScientific Company of Barrington，New Jersry获得的的no.M23021。适用的圆柱形的透镜固定圈208可以用注塑ABS塑料制作。圆柱形的透镜固定圈208优选地包括位于外表面上、与孔201的螺纹部分204相匹配的螺纹。固定透镜206的透镜固定圈208旋入螺纹部分204。第二孔205制作在外箱200上。第二孔205与第一孔201是同心的。第二孔205的直径与激光二极管209的直径匹配。适用的激光二极管209是由Hitachi America，Ltd.of Brisbane，CA制造的no.HL6714G。优选地，第二孔205与激光二极管209紧密接合以提高热传导性，以便散去激光二极管209在正常工作中产生的热量。第三孔207制作在外箱200的右侧，且与第二孔205是同心的。第二孔205与孔201和第三孔207相连。激光二极管209安装到垫圈212上，并焊接到印刷电路板(PCB)211上。在PCB211上还有驱动激光二极管209的电源电路214。优选地，适用的垫圈212用塑料制作。适用的电源电路214是在Toshiba AmericaElectronics Corporation of Sunnyvale，California的应用说明465-5445中的第35页上所展示的功率电路。电源电路214的正极与外箱200相连。电源电路214的地与接触板216上的焊接点213相连。当安装时，焊接点213与外箱200的机械轴对准。制作接触板216的适宜材料是普通的PCB材料。孔207的内部是绝缘的以便安装：激光二极管209、垫圈212、PCB211和接触板216。适用的绝缘材料是由PDI of CirclePines，MN制造的Plasti-Dip。

当完全安装时，把正电压加到外箱200上，例如4.5V，地接到焊接点213上，使激光二极管209发光。此时，容纳透镜206的透镜固定圈208旋入螺纹部分204直到激光器在大约5米远的目标上聚焦为5-10mm的光点。对光点大小和距离无严格要求。外肩202沿外箱200的左边缘制作。外肩202环绕外箱200并以其机械轴为中心。尽管在图15A中外肩202显示在左侧，外肩202可以在沿着外箱200长度方向的任何位置上。

图15B是沿线J-J得到的激光二极管模块199的视图。一组齿轮215沿外肩202的边缘制作。环绕外肩202的齿轮的确切数目并不重要。在示于图15C的另一个实施方案中，外肩202具有数个沿外肩202的直径分布的孔217。参照图7，激光二极管模块199插入圆柱形孔38。外肩202可防止激光二极管模块199滑过圆柱形孔38。齿轮215或孔217可以用来绕圆柱形孔38的机械轴转动激光二极管模块199。这样，激光二极管模块199完全可以用于前述的对准方法，例如6-7页所述。

图16A是用于对准水珠水平管和转动轴的完整上板的顶视图。优选地，上板250由坚硬的金属制作，例如铝合金或铸造铝合金383。孔252制作得与上板250的下表面253垂直。参照图16B，沿线K-K得到的上板250的前视图，和图8，优选地，上板250的上表面251连接到上箱2的顶面9上。参照图16A和8，孔252加工得与圆孔5同心且直径相同。如前在图8所示，示于图16B的孔252将决定转动轴Z。如图16A-B所示，两个孔254和256加工得垂直于孔252。孔256的机械轴决定同样与转动轴Z垂直的Y轴。孔254的机械轴决定同样与转动轴Z垂直的X轴。两个水珠水平管255和257分别插入孔254和256。适用的水平管是由Empire Level Mfg.Corp.of Milwaukee，WI.制作的no.0349。参照图16B，上板250包括一个臂260，臂上有一个机械孔258。机械孔258偏离孔232且与之平行。圆柱形水珠水平管259插入到孔252中。适用的水平管259是由Empire Level Mfg.Corp.ofMilwaukee，WI.制作的no.0224。

在图8所示的水平指向中，如果水平管255和257是水平的，激光水平仪1将投射出激光水平面。在图13A和13B所示的垂直和铅垂指向中，如果水平管258水平，那么激光水平仪1将投射出与水平面垂直的激光垂直面。上板250不需要加工上表面3使之垂直于图8所示的圆孔5。同样，不需要加工顶盖76和顶盖78的上表面和下表面使其平滑且相互平行，如图10-11所示。

在本发明的替代实施方案中，图18示例了水平系统的侧视图。水平系统由三个主要元件组成：底板280、水平板284和基板296。优选地，三种元件均由坚硬金属制作，例如铝。适用的替代材料是注塑聚丙烯塑料。底板280包括一个从底板280的左顶部一体延伸的的定位托架281。定位孔283制作在底板280上。

图20，水平系统的前视图，展示了位于底板280右侧的定位托架285和定位孔287。定位托架281、285和定位孔283、287用来把下箱4定位在底板280上，如图8所示。定位托架281和285的内侧间距与下箱4的宽度相一致。当把下箱4放置在底板280上时，在下箱4上加工两个孔(未示出)，并进行攻丝，使它们与定位孔283和287同心。旋钮289和相应的旋钮(未示出)用于把下箱4定位在底板280上。理想的旋钮是由Stock Drive Products of New Hyde Park，New York制作的no.9T41-B8399116。半边铰链282沿底板280的右底边一体伸展。

图19是水平板284的顶视图，包括一个从水平板284的右顶边伸出的匹配半边铰链291。参照图19和20，固定销293与半边铰链282和291啮合。理想的固定销293是由Stock Drive Products of New HydePark，New York制作的no.A9Y35-04444。加工和组装半边铰链282和291，使底板280能够绕固定销293摆动。U形或圆形套305从底板280的底部、前部和中心开始延伸，如图20所示。把直径稍大于套305内口的钢球292压入套305。理想的钢球是由Stock Drive Products ofNew Hyde Park，New York制作的no.A9Y71-06。偏压弹簧306的一端紧贴底板280的左下角。理想的弹簧是由Stock Drive Products of NeWHyde Park，New York制作的no.S78ESY-006008025。弹簧的另一端紧贴基板296的右上角。

图19是水平板284的顶视图，包括两个孔307和308，它们分别加工在水平板284的左中部和前中部。孔307和308相互垂直。旋钮298和299分别插入孔307和308。理想的旋钮是由Stock Drive Products ofNew Hyde Park，New York制作的no.9T41-R8399134。旋钮298和299可以分别固定护圈309和310。理想的扩圈是由Stock Drive Productsof New Hyde Park，New York制作的A9Q290-15。两个调整块290和302分别旋入旋钮299和298。调整块290和302的宽度分别与孔308和307匹配。优选地，理想的调整块290和302是先用黄铜制作，然后再镀镍。如图18-20所示，调整块290和302分别包括一个斜面311和312。如图20所示，调整块302的斜面312与球304接触。如图18所示，斜面311接触钢球292。调整块290和302具有与旋钮299和298的螺纹匹配的螺纹。当旋转旋钮298和299时，调整块302和290沿孔307和308的长度方向移动。半边铰链294完全从水平板284的底部和左下角伸出。

参照图18，匹配半边铰链295从基板296的左顶边一体延伸。297与两个半边铰链294和295耦合。理想的297是由Stock Drive Productsof New Hyde Park，New York制作的A9Y35-0444。加工并组装半边铰链294和295，使水平板284绕297摆动。U形或圆形套303完全从基板296的顶中部延伸。如前所述，把球304压入套303。理想的球304是由Stock Drive Products of New Hyde Park，New York制作的A9Y7 1-06。

当安装水平系统时，底板280放在水平板284上，然后放在基板296上。由于弹簧306(图20)的张力，钢球292紧贴调整块290。当旋钮299逆时针转动时，调整块290将向左移动。由于调整块290的斜面311，底板280将绕固定销293摆动。图18是调整块290的一个指向，这样逆时针旋转旋钮299将使固定销293上的底板280升起。让调整块290转动180度将使旋钮299逆时针转动，从而降低了固定销293上的底板280。

参照图20，由于弹簧306的张力，球304紧贴调整块302。当逆时针转动旋钮298时，调整块302向右移动。由于调整块302的斜面312，水平板284将绕固定销297摆动，如图18所示。图20示例了调整块302的一个指向，这样，逆时针转动旋钮298将升高固定销297上的水平板284(图18)。让调整块302转动180度将使旋钮298逆时针转动，从而降低了固定销297上的水平板284。

图17A-C示例了本发明的一个优选实施方案，其中调节调整块290的指向使得在逆时针转动旋钮299时水泡301左移，在顺时针转动旋钮299时水泡301右移。这样，使用人可以直观地调节激光水平仪1。

Claims (23)

1.一种激光水平仪，包括：

一个轴；

一个支撑所述轴的上箱；和

一个固定在所述轴上的模块外壳，模块外壳具有一个机械轴并且支撑着一个投射出激光光束的激光器，其中机械轴和激光光束的中心线均垂直于转动轴。

2.根据权利要求1的一种激光水平仪，特征在于所述轴是可转动的轴；并且还包括一个与转动轴相连的马达。

3.根据权利要求1的一种激光水平仪，特征在于所述轴是可摆动的轴；并且还包括一个与摆动轴相连的马达。

4.根据权利要求2的一种激光水平仪，特征在于所述模块外壳具有数个机械轴并且支撑着数个激光器，每个激光器都能投射出激光光束，其中数个机械轴和激光光束的中心线均垂直于转动轴。

5.根据权利要求1的一种激光水平仪，特征在于所述轴是固定的轴，所述模块外壳具有数个机械轴并且支撑着数个激光器，每个激光器都能投射出激光光束，其中数个机械轴和激光光束的中心线均垂直于固定轴。

6.根据权利要求2的一种激光水平仪，特征在于所述模块外壳具有数个机械轴并且支撑着数个激光器，每个激光器都能投射出激光光束，其中数个机械轴和激光光束的中心线均垂直于摆动轴。

7.根据权利要求1、2、3、4、5、或6的激光水平仪，还包括安装在上箱上的上板，其中上板确定了与轴同心的第一孔，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.根据权利要求1、2、3、4、5、或6的激光水平仪，还包括安装在上箱上的上板，其特征在于上板确定了与轴同心的第一孔，第四孔平行于第一孔，其中第四孔位于一个水平面上。

9.根据权利要求2的一种激光水平仪，特征在于包括：

数个激光器；和

所述模块外壳具有数个机械轴并且支撑着数个激光器，每个激光器都能投射出激光光束，其中数个机械轴和激光光束的中心线均垂直于转动轴；和

一个安装在上箱上的上板，其中上板确定了与轴同心的第一孔，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.根据权利要求1、2、3、4、5、或6的激光水平仪，还包括环绕轴的轴承，环绕轴承的主皮带轮和附着在轴上、靠近主皮带轮的自由轮，其中主皮带轮和自由轮分别包括至少一块间隔开的磁铁，主皮带轮可操作地与马达相连。

11.根据权利要求1、2、3、4、5、或6的激光水平仪，还包括一个具有一个开口且搁置在上箱上的可转动的顶盖，其中顶盖可操作地与模块外壳相连，由此至少有一束激光光束通过开口投射出来。

12.根据权利要求1、2、3、4、5、或6的激光水平仪，还包括安装在上箱上的上板和具有一个开口且搁置在上板上的可转动顶盖，其中顶盖可操作地与模块外壳相连，由此一束激光光束通过开口投射出来。

13.根据权利要求1或4的激光水平仪，还包括具有一个开口且搁置在上箱上的可转动顶盖，其中可转动顶盖包括一个附着在顶盖内壁上的间隔接触器，阻止模块外壳的转动。

14.根据权利要求1或4的激光水平仪，还包括安装在上箱上的上板，还包括一个具有一个开口且搁置在上板上的可转动顶盖，其中至少有一束激光光束通过开口投射出来，其中可转动顶盖包括一个附着在顶盖内壁上的间隔接触器，阻止模块外壳的转动。

15.根据权利要求1或4的激光水平仪，还包括一个位于上箱上的叉丝辅助器，辅助器包括一个第一反射镜，它把来自垂直于转动轴的第一方向的激光光束反射到与转动轴平行且指向第二反射镜的第二方向，其中第二反射镜把来自第二方向的投射激光光束反射到与第一方向和第二方向垂直的第三方向。

16.根据权利要求15的激光水平仪，其特征在于第一方向是转动水平光束，第三方向是垂直于水平光束的垂直线。

17.根据权利要求15的激光水平仪，其特征在于第一方向是转动垂直光束，第三方向是垂直于垂直光束的水平线。

18.根据权利要求15的激光水平仪，其特征在于数个叉丝辅助器支撑在上箱上。

19.根据权利要求1或4的激光水平仪，还包括一个安装在上箱上的上板，还包括一个安装在上板上的叉丝辅助器，辅助器包括一个第一反射镜，它把来自垂直于转动轴的第一方向的激光光束反射到与转动轴平行且指向第二反射镜的第二方向，其中第二反射镜把来自第二方向的激光光束反射到与第一方向和第二方向垂直的第三方向。

20.根据权利要求19的激光水平仪，其特征在于第一方向是转动水平光束，第三方向是垂直于水平光束的垂直线。

21.根据权利要求19的激光水平仪，其特征在于第一方向是转动垂直光束，第三方向是垂直于垂直光束的水平线。

22.根据权利要求19的激光水平仪，其特征在于数个叉丝辅助器支撑在上板上。

23.根据权利要求1的激光水平仪，其特征在于所述轴是固定轴。

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