DE112008002260T5

DE112008002260T5 - Rotierender Laserstrahler

Info

Publication number: DE112008002260T5
Application number: DE112008002260T
Authority: DE
Inventors: Ayman Dayton Hajmousa; James N. Urbana Hayes; Michael F. Kettering Glantz
Original assignee: Trimble Navigation Ltd
Current assignee: Spectra Precision USA LLC
Priority date: 2007-09-10
Filing date: 2008-09-03
Publication date: 2010-07-15
Anticipated expiration: 2028-09-04
Also published as: CN101784867A; US20090067461A1; US20090205212A1; US7954246B2; CN101784867B; WO2009035887A3; US7587832B2; DE112008002260B4; WO2009035887A2

Abstract

Laserstrahler, umfassend:
einen allgemein flachen Leiterplattenstator,
einen Rotor mit einer Vielzahl an Magneten, die in einem Ring um eine zentrale Öffnung herum befestigt sind,
ein Lager, das den genannten Rotor zur Rotation um eine Rotationsachse lagert, die sich durch die genannte zentrale Öffnung hindurch erstreckt,
einen Penta-Prisma-Bausatz mit einem Optikhalter, der am genannten Rotor zur Rotation durch denselben befestigt ist, wobei der genannte Penta-Prisma-Bausatz einen Strahl an Laserlicht durch die genannte zentrale Öffnung empfängt und wenigstens einen Teil des genannten Laserlichts nach außen in eine Richtung umleitet, die normal zur genannten Rotationsachse verläuft, und
eine Laserquelle, die am genannten Stator befestigt ist, um einen Strahl an Laserlicht bereitzustellen, der durch die genannte zentrale Öffnung hindurch zum genannten Penta-Prisma-Bausatz gerichtet ist, wobei der genannte Strahl mit der genannten Rotationsachse ausgerichtet ist, wobei die genannte Laserquelle einen Kollimator enthält, der innerhalb des genannten Rotors positioniert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Laserstrahler, die zur Vermessung oder zur räumlichen Positionierung an Baustellen oder an anderen Plätzen nützlich sind. Laserstrahler der Art, die einen dünnen Strahl an Laserlicht oder einen fächerartig ausgebreiteten Strahl an Laserlicht projizieren und den Strahl um eine Rotationsachse herum rotieren, werden seit einigen Jahren an Baustellen eingesetzt. Diese Strahler können zusammen mit manuellen Vermessungssystemen und auch als Teil automatisierter Vermessungssysteme eingesetzt werden. Laserstrahler dieser Art können ebenfalls in räumlichen Positionierungssystemen zur Regelung von Erdbaumaschinen und ähnlichen eingesetzt werden, um eine Baustelle in eine gewünschte Kontur umzuformen.
Gewöhnlich werden Laserstrahler in einem „Zitter”-Modus betrieben, wobei der Laserstrahl rasch von Seite zu Seite gestrichen wird, wodurch nur ein kleiner Anteil einer gesamten Umdrehung beleuchtet wird. Diese Technik ermöglicht es, einen kleineren Anteil an Strahlrotation mit einer größeren Menge an Strom zu beaufschlagen, wodurch ein bestimmtes Segment mit einer höheren Durchschnittskraft beleuchtet wird. Das Zittern beinhaltet das Umkehren der Richtung des Strahlermotors, nachdem es ein kleines Segment einer kompletten Rotation durchstrichen hat. Bei einem Strahler, der zum Zittern in der Lage ist, war es bisher erforderlich, dass der Strahler einen Impulsgeber für einen akkuraten Achsenwinkel oder ein ähnliches Gerät umfasst. Man wird jedoch zu schätzen wissen, dass dies die Kosten des Strahlers erheblich erhöht.
Es wurden auch weitere Einschränkungen mit den Laserstrahlern gemäß dem Stand der Technik festgestellt. Insbesondere werden die Strahler gemäß dem Stand der Technik bei einigen Aspekten bezüglich der Lageraufhängung der rotierenden Penta-Prisma-Bausätze eingeschränkt. Ein Penta-Prisma weist ein nützliches Merkmal auf, wobei dieses einen Lichtstrahl bei neunzig Grad des Pfads des in das Penta-Prisma eintretenden Strahls nach außen hin reflektiert. Schwankungen der Orientierung des Penta-Prismas verursachen jedoch eine Schwankung der vertikalen Position des Strahls. Weist der Strahl eine vertikale Schwankung auf, führt dies wiederum dazu, dass der Strahl eine weniger zuverlässige Referenz bildet.
Zusammengefasst müssen Laserstrahler gezwungenermaßen einen präzisen Betrieb aufweisen. Dieser Bedarf an Präzision hat jedoch zu Strahlerkonstruktionen geführt, die von der Herstellung her teuer, einigermaßen kompliziert und nicht wunschgemäß kompakt genug sind. Es besteht deshalb offensichtlich ein Bedarf nach einer Strahlerkonstruktion, welche die Einschränkungen von Strahlern gemäß dem Stand der Technik überwindet.
Dieser Bedarf wird durch einen Laserstrahler gemäß der vorliegenden Erfindung zufrieden gestellt. Der Strahler weist einen allgemein flachen Leiterplattenstator, einen Rotor mit einer Vielzahl von Magneten, die in einem Ring um eine zentrale Öffnung herum befestigt sind oder einen kontinuierlichen Ringmagneten sowie ein Lager auf, das den Rotor um eine Rotationsachse herum stützt, die sich durch die zentrale Öffnung hindurch erstreckt. Auf dem Rotor ist ein Penta-Prisma-Bausatz mit einem Optikhalter zur Rotation desselben befestigt. Der Penta-Prisma-Bausatz empfängt einen Laserstrahl durch die zentrale Öffnung und leitet diesen wenigstens um einen Teil des Laserlichts nach außen in einer Richtung um, die normal zur Rotationsachse verläuft. Eine Laserquelle, die am Stator befestigt ist, stellt ein Laserlicht durch die zentrale Öffnung des Penta-Prisma-Bausatzes bereit. Der Laserlichtstrahl wird der Rotationsachse angepasst. Die Laserquelle enthält einen Kollimator, der innerhalb des Rotors positioniert ist.
Der Penta-Prisma-Bausatz enthält ein Penta-Prisma, das einen Teil des Strahls des Laserlichts nach außen in einer Richtung umleitet, die normal zur Rotationsachse verläuft, während der restliche Anteil des Strahls des Laserlichts durch das Penta-Prisma in der selben Richtung der Rotationsachse passieren kann. Die Laserquelle umfasst dabei eine lichtemittierende Diode und ein allgemein zylindrisches Gehäuse, das am Leiterplattenstator befestigt ist. Das Gehäuse umgibt die lichtemittierende Diode und ermöglicht, dass der Strahl von der Diode an dieser Stelle hindurch passieren kann. Der Kollimator ist derart im Gehäuse befestigt, dass der Kollimatorstrahl des Laserlichts zum Penta-Prisma-Bausatz geleitet wird. Das Lager weist einen inneren Laufring auf, der auf dem allgemein zylindrischen Gehäuse befestigt ist sowie einen äußeren Laufring, der am Rotor befestigt ist.
Der Strahler kann einen allgemein flachen Leiterplattenstator mit einer Vielzahl an Motorspulen enthalten. Eine Laserquelle ist am Stator zur Bereitstellung eines Laserstrahls befestigt, der nach außen vom Leiterplattenstator aus gerichtet ist. Ein Rotor enthält eine Vielzahl an Magneten, die in einem Ring um die zentrale Öffnung herum befestigt ist. Alternativ kann ein kontinuierlicher Ringmagnet mit einer Vielzahl an Polen eingesetzt werden. Ein Penta-Prisma-Bausatz enthält einen Optikhalter, der am Rotor zur Rotation desselben befestigt ist. Der Penta-Prisma-Bausatz empfängt einen Strahl an Laserlicht durch die zentrale Öffnung und leitet wenigstens einen Teil des Laserlichts nach außen in einer Richtung um, die normal zur Rotationsachse verläuft. Ein Lager, das den Rotor zur Rotation um eine Rotationsachse stützt, die durch die zentrale Öffnung hindurch verläuft, und das mit dem Strahl an Laserlicht ausgerichtet ist, umfasst ein einzelnes Kugellager mit einer Vielzahl von Lagerkugeln zwischen einem äußeren Laufring, der am Rotor befestigt ist, und einem inneren Laufring. Ein magnetisches Abschirmblech ist an der Seite des Leiterplattenstators gegenüber dem Rotor zur Bereitstellung einer magnetischen Anziehungskraft zwischen der Vielzahl an Magneten und dem Abschirmblech positioniert. Durch diese Anordnung wird das im Lager befindliche Spiel im Wesentlichen beseitigt.
Der Penta-Prisma-Bausatz kann ein Penta-Prisma enthalten, das den Strahl an Laserlicht radial nach außen in eine Richtung umleitet, die normal zur Rotationsachse verläuft, während der restliche Anteil des Strahls des Laserlichts durch das Penta-Prisma in derselben Richtung der Rotationsachse passieren kann. Die Laserquelle kann eine lichtemittierende Diode und ein allgemein zylindrisches Gehäuse umfassen, das am Leiterplattenstator befestigt ist. Das Gehäuse umgibt die lichtemittierende Diode und ermöglicht es, dass der Strahl von der Diode an dieser Stelle passieren kann. Der Kollimator kann derart im Gehäuse befestigt werden, dass ein kollimierter Strahl an Laserlicht zum Penta-Prisma-Bausatz hin gerichtet wird. Das Lager light weist einen inneren Laufring auf, der am allgemein zylindrischen Gehäuse befestigt ist sowie einen äußeren Laufring, der am Rotor befestigt ist.
Der Laserstrahler umfasst einen allgemein flachen Leiterplattenstator, einen Rotor mit einer Vielzahl an Magneten, die in einem Ring um eine zentrale Öffnung herum befestigt sind und ein Lager, das den Rotor zur Rotation um eine Rotationsachse herum stützt, die allgemein senkrecht zum allgemein flachen Leiterplattenstator verläuft, und das mit der Mitte der zentralen Öffnung ausgerichtet ist. Eine am Stator befestigte Laserquelle stellt einen Strahl an Laserlicht zur Verfügung, der nach außen vom Leiterplattenstator mit der Rotationsachse ausgerichtet ist. Die Laserquelle enthält eine lichtemittierende Diode, die am Stator befestigt ist, einen Kollimator sowie einen Optikhalter, der sich vom Leiterplattenstator erstreckt und den Kollimator innerhalb der zentralen Öffnung stützt und im Wesentlichen entfernt vom Leiterplattenstator liegt. Ein Penta-Prisma-Bausatz enthält einen Optikhalter, der am Rotor zu dessen Rotation befestigt ist. Der Penta-Prisma-Bausatz empfängt den Strahl an Laserlicht durch die zentrale Öffnung und leitet wenigstens einen Teil des Laserlichts nach außen in einer Richtung um, die normal zur Rotationsachse verläuft.
Der Penta-Prisma-Bausatz enthält ein Penta-Prisma, das einen Teil des Strahls des Laserlichts radial nach außen in einer Richtung umleitet, die normal zur Rotationsachse verläuft, während der restliche Anteil des Strahls des Laserlichts durch das Penta-Prisma in derselben Richtung der Rotationsachse passieren kann. Die Laserquelle umfasst eine lichtemittierende Diode und ein allgemein zylindrisches Gehäuse, das am Leiterplattenstator befestigt ist. Das Gehäuse umgibt die lichtemittierende Diode und ermöglicht es dem Strahl von der Diode an dieser Stelle zu passieren. Der Kollimator ist derart im Gehäuse befestigt, dass ein kollimierter Strahl an Laserlicht zum Penta-Prisma-Bausatz hin umgeleitet wird. Das Lager weist einen inneren Laufring auf, der am allgemein zylindrischen Gehäuse befestigt ist und einen äußeren Laufring, der am Rotor befestigt ist.
Der Laserstrahler umfasst einen Stator, eine Laserquelle, die am Stator befestigt ist, um einen Strahl an Laserlicht bereitzustellen, der nach außen vom Stator gerichtet ist, einen Rotor, der eine Vielzahl von Magneten enthält, die in einem Ring um eine zentrale Öffnung herum befestigt ist, oder einen kontinuierlichen Ringmagneten, sowie ein Lager, das den Rotor zur Rotation um eine Rotationsachse herum stützt, die sich durch die zentrale Öffnung hindurch erstreckt und mit dem Strahl an Laserlicht ausgerichtet ist. Ein Penta-Prisma-Bausatz enthält einen Optikhalter, der am Rotor zur Rotation dessen befestigt ist. Der Penta-Prisma-Bausatz empfängt den Strahl an Laserlicht durch die zentrale Öffnung und leitet wenigstens einen Teil des Laserlichts nach außen in eine Richtung um, die normal zur Rotationsachse verläuft. Ein magnetisches Abschirmblech an der Seite des Stators gegenüber dem Rotor beaufschlagt den Rotor derart mit einer Kraft in der Richtung der Rotationsachse, dass der Rotor das Lager mit einer axialen Kraft beaufschlagt. Aufgrund dessen beseitigt die magnetische Anziehungskraft zwischen der Vielzahl an Magneten und dem magnetischen Abschirmblech im Wesentlichen ein eventuell im Lager vorhandenes Spiel.
Das Lager kann einen inneren Laufring, der an der Laserquelle gelagert ist, einen äußeren Laufring, in den der Rotor eingreift sowie eine Vielzahl von Kugeln zwischen dem inneren Laufring und dem äußeren Laufring umfassen. Die Laserquelle kann ein zylindrisches Gehäuse enthalten, auf dem der innere Laufring gelagert ist. Das magnetische Abschirmblech an der Seite des Stators gegenüber dem Rotor kann in ringförmiger Gestalt vorliegen. Das Lager kann einen äußeren Laufring umfassen, der durch den inneren Laufring gelagert ist, und in den der Rotor eingreift.
Der Laserstrahler kann einen Stator, eine Laserquelle zur Bereitstellung eines Strahls an Laserlicht, einen Rotor mit einer Vielzahl von Magneten sowie ein Lager umfassen, auf dem der Rotor zur Rotation um eine Rotationsachse gelagert ist. Das Lager umfasst einen einzelnen inneren Laufring und einen einzelnen äußeren Laufring mit einer dazwischen angeordneten Vielzahl an Lagerkugeln. Ein Penta-Prisma-Bausatz enthält einen Optikhalter, der am Rotor zur Rotation damit befestigt ist. Der Penta-Prisma-Bausatz empfängt den Strahl an Laserlicht und leitet wenigstens einen Teil des Laserlichts nach außen in eine Richtung um, die normal zur Rotationsachse verläuft. Ein Blech aus magnetischem Material, das in ringförmiger Gestalt vorliegen kann, ist derart positioniert, um eine axiale Vorspannkraft an das Lager bereitzustellen, wodurch eine magnetische Anziehungskraft zwischen der Vielzahl an Magneten und dem Blech im Wesentlichen ein eventuell im Lager vorhandenes Spiel beseitigt. Alternativ kann ein kontinuierlicher Magnet mit einer Vielzahl an Polen eingesetzt werden.
Der Laserstrahler kann einen Stator mit einer Vielzahl an Motorspulen sowie ein Paar Hallsensoren umfassen. Ein Rotor mit einer Vielzahl an Magneten, die in einem Ring befestigt ist, wird durch ein Lager zur Rotation um eine Rotationsachse gelagert. Eine Laserquelle stellt einen Strahl an Laserlicht bereit. Ein Penta-Prisma-Bausatz enthält einen Optikhalter und ist am Rotor zur Rotation durch denselben befestigt. Der Penta-Prisma-Bausatz empfängt den Laserstrahl und leitet wenigstens einen Teil des Strahls nach außen in eine Richtung um, die normal zur Rotationsachse verläuft. Ein Motorsteuerkreis spricht auf die Hallsensoren und einen Taktgeber an und treibt den Motor wiederholt in einer ersten Richtung und dann in einer zweiten Richtung an, wobei die Umkehrung der Rotationsrichtung wenigstens zum Teil auf dem Zeitverlauf beruht, nachdem der Hallsensor einen Hinweis darauf bereitstellt, dass sich der Rotor an einer spezifischen Stelle befindet.
Der Stator kann zwei Motorspulen enthalten. Der Motorsteuerkreis kann den Rotor in einer ersten Richtung nach Empfangen einer Abgabe des Hallsensors antreiben und danach die Rotationsrichtung umkehren, nachdem ein vorbestimmter Zeitraum verstrichen ist.
Dementsprechend liegt eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Laserstrahler bereitzustellen, bei dem die Konstruktion und der Betrieb des Strahlers verbessert sind.
1 stellt eine Perspektivansicht eines Laserstrahlers gemäß der vorliegenden Erfindung dar;
2 stellt eine Schnittansicht des Laserstrahlers durch den rotierenden Laserkopf hindurch dar;
3 stellt eine Schnittansicht ähnlich der in 2 eines Teils des Strahlers dar;
4 stellt eine Perspektivansicht des Teils des in 3 gezeigten Strahlers dar, wobei jedoch einige der Teile fehlen;
5 stellt eine Diagramm-Repräsentation eines Doppellagerträgers gemäß dem Stand der Technik dar;
6 stellt eine weitere Diagramm-Repräsentation eines Doppellagerträgers gemäß dem Stand der Technik dar;
7 und 8 stellen Diagrammzeichnungen dar, die zum Verständnis der Einzellageranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung nützlich sind; und
9 stellt ein Blockdiagramm dar, das die Motorsteuerung gemäß der Erfindung sowie die Art und Weise, in welcher das Zittern erreicht wird, zeigt.
Es wird im Folgenden Bezug auf 1 bis 4 genommen, die einen Laserstrahler 40 darstellen, der gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert wurde. Der Laserstrahler 40 weist einen Strahlerkasten 42 auf. Der Laserstrahler enthält einen allgemein flachen Leiterplattenstator 68, einen Rotor 70 mit einer Vielzahl an Magneten 66, die in einem Ring um eine zentrale Öffnung im Rotor 70 herum befestigt sind, ein Lager 64, durch den der Rotor 70 zur Rotation um eine Rotationsachse gelagert ist, die sich durch die zentrale Öffnung hindurch erstreckt, und einen Penta-Prisma-Bausatz 50 mit einem Optikhalter 71, der am Rotor 70 zur Rotation durch denselben befestigt ist. Falls gewünscht, kann der Optikhalter 71 als ein einheitlicher oberer Teil des Rotors 70, wie dargestellt, angeformt sein. Falls gewünscht, kann es sich bei der Vielzahl an Magneten 66 auch um einen kontinuierlichen Ringmagneten mit einer Vielzahl an Polen handelt, die um denselben herum angeordnet ist. Eine Laserquelle mit einer Laserdiode 52, einem Kollimator 56 sowie einem allgemein zylindrischen Gehäuse 59 leitet einen Strahl an Laserlicht im Allgemeinen aufwärts in Ausrichtung mit der Rotationsachse des Ro tors 70 bezüglich des Rahmens der in 2 dargestellten Referenz zum Penta-Prisma 53 des Penta-Prisma-Bausatzes 50 um. Der Penta-Prisma-Bausatz 50 empfängt den Strahl an Laserlicht durch die zentrale Öffnung im Rotor 70 und leitet wenigstens einen Teil des Laserlichts nach außen durch die Öffnung 58 in der Abdeckung 60 in eine Richtung um, die normal zur Rotationsachse verläuft. Der Pfad des Laserstrahls wird durch die Linie 61 in 3 und 4 dargestellt. Es sei bemerkt, dass die Laserdiode 52 einen Strahl emittiert, der dann durch die Linse 56 kollimiert wird, die innerhalb des Rotors 70 positioniert ist. Die Linse 56 ist mit einem wesentlichen Abstand zum Leiterplattenstator 68 und zur Laserdiode 52 positioniert, um es dem Strahl zu ermöglichen, sich vor der Kollimation auf den gewünschten Durchmesser zu verbreitern.
Wie in 2 dargestellt, weist der Laserstrahler ein nicht rotierendes Teil 46 und einen rotierenden Laserkopf 48 auf. Der rotierende Laserkopf 48 enthält das Penta-Prisma-Element 53, das einen durch eine Laserdiode 52 erzeugten Laserstrahl umleitet und der nach oben durch das Gehäuse 59 und die Linse 56 passiert. Der Strahl wird radial nach außen durch eine Öffnung 58 in der Abdeckung 60 durch das Penta-Prisma 53 umgeleitet und um die Rotationsachse des Rotors 70 gestrichen. Ein Teil des Strahls kann ebenfalls nach oben durch das Penta-Prisma 53, die obere Oberfläche, die nur teilweise reflexiv sein kann, durch den optischen Keil 55 passieren und aus der Abdeckung 60 durch die Öffnung 62 in derselben Richtung der Rotationsachse des Rotors 70 austreten. Der optische Keil verhindert, dass der Strahl beim Austreten aus dem Penta-Prisma-Bausatz abgelenkt wird.
An der Öffnung 72 wird eine flexible Balgdichtung 74 bereitgestellt, die die Lasererzeugungseinheit umgibt und die Öffnung zwischen dem Kasten 42 und dem nicht rotierenden Teil 46 abdichtet. Die flexible Balgdichtung 74 erstreckt sich von der Kante der Öffnung 72 zum nicht rotierenden Teil 46 und einer Vielzahl von ringförmigen Ackordeonfalten, die sich dehnen, wenn die Lasererzeugungseinheit bezüglich des Kastens 42 geneigt wird. Die flexible Balgdichtung 74 kann aus einem Elastomermaterial bestehen, wie z. B. aus Silikongummi.
Der Rotor läuft auf einem Lager 64 und wird durch die Interaktion zwischen einem Ring aus Magneten 66 und einem Paar Spulen 75 angetrieben, die auf einem allgemein flachen Leiterplattenstator 68 enthalten sind. Das Lager 64 weist einen inneren Laufring 95 auf, der am allgemein zylindrischen Gehäuse 59 befestigt ist, und einem äußeren Laufring 97, der am Rotor 70 befestigt ist. Das Lager 64 enthält eine Vielzahl an Lagerkugeln 100, die ein einem einzelnen Ring zwischen dem inneren Laufring 95 und dem äußeren Laufring 97 angeordnet sind. Ein magnetisches Abschirmblech 102, das aus einem magnetischen Material besteht, wie z. B. Stahl, ist auf der Seite des Leiterplattenstators 68 gegenüber dem Rotor 70 befestigt. Das Blech 102 stellt eine magnetische Anziehungskraft zwischen der Vielzahl an Magneten 66 bereit, die in einem Ring am Rotor 70 und dem magnetischen Abschirmblech 102 angeordnet sind. Das Blech 102 ist bevorzugt ringförmig ausgebildet, obwohl andere Gestalten ebenfalls verwendet werden können. Das Blech 102 beaufschlagt den Rotor 70 mit einer nach unten gerichteten Kraft, die das Spiel im Lager 64 reduziert oder beseitigt, das von den Herstellungstoleranzen oder vom Lagerverschleiß verursacht werden kann.
5 und 6 zeigen eine Lagerkonstruktion gemäß dem Stand der Technik für einen Laserstrahler. Hierfür wurde typischerweise ein Penta-Prisma-Bausatz zur Rotation mit einer Spindel 106 befestigt, die durch einen Motor (nicht dargestellt) angetrieben wird. Die Stabilität des Penta-Prismas 104 während der Rotation ist für die Leistung eines Strahlers kritisch. Veränderungen am Winkel, d. h. eine Neigung der Spindel 106 aufgrund von internen Spielräumen innerhalb der Lager 108 und 110 könnten eine Neigung des Penta-Prismas verursachen, was zu Laserstrahl-Positionsvariationen führen könnte, während der Strahl durch das rotierende Penta-Prisma herum gestrichen wird. Der Ansatz gemäß dem Stand der Technik für die Lösung dieses Problems wird in 5 und 6 dargestellt. Ein Paar Lager 108 und 110 wird in Verbindung mit einer Spannfeder 112 eingesetzt. Das radiale und axiale Lagerspiel wurde durch Beaufschlagen des inneren Laufrings des unteren Lagers 110 mit einer Vorspannkraft beseitigt. Durch diese Anordnung wird eine Kraft in entgegen gesetzten Richtungen an den inneren Laufringen der Lager 108 und 110 durch die Vorspannfeder 112 und die Schulter 114 an der Spindel 106 beaufschlagt. 6 stellt im Diagramm den Effekt der Vorspannkraft auf das Lagerpaar 108 und 110 dar, wobei die Art und Weise gezeigt wird, in der die internen Spielräume der Lager beseitigt werden. Bei einem Lagerpaar kann die Vorspannkraft nur auf die inneren Laufringe beaufschlagt werden, wodurch die Spiele aus dem Lagersystem entfernt werden können. Die einzige Reibung innerhalb des Systems ist die von den Kugeln verursachte Rollreibung. Der Nachteil dieser Technik ist die Verwendung eines zweiten Lagers, was zusätzliche Kosten und Gewicht des Strahlers hinzufügt.
Diese Technik ist nicht zur Anwendung bei einer einzelnen Lagerkonstruktion, wie im Diagramm in 7 gezeigt, geeignet. In diesem Fall muss eine Vorspannkraft von der Feder 115 vom inneren Laufring 116 direkt zum äußeren Laufring 118 des Lagers 120 reagieren. Zwischen der Feder 115 und dem inneren Laufring 116 besteht ein zusätzlicher Rotationswiderstand, was diese Konfiguration unpraktisch macht.
Die vorliegende Erfindung bewältigt dieses Problem, wie im Diagramm von 8 dargestellt. Die Technik des Beaufschlagens einer Vorspannkraft auf den inneren Laufring 116 relativ zum äußeren Laufring 118 gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet das Positionieren eines Stahlblechs in der Nähe eines Magneten 122 an der Unterseite der Spindel 124 und eines fixen Stahlblechs 126 unterhalb des Magneten 122. Die magnetische Anziehungskraft zwischen dem Magneten 122 und dem Stahlblech 126 erzeugt einen nach unten gerichteten Zug auf die Spindel 124. Aufgrund dessen werden die internen Spiele des einzelnen Lagers in 8 ohne Hinzufügen weiterer Reibung zum System beseitigt.
Unter weiterer Bezugnahme von 3 ist ersichtlich, dass diese Technik in diesem Strahlerdesign ganz besonders vorteilhaft ist, da der Rotor 70 eine Vielzahl an Magneten 66 in einem Ring trägt, der in Verbindung mit Spulen 75 an der Stator-Leiterplatte 68 wirkt, um den Rotor zum Rotieren zu bringen. Die vorliegende Erfindung zieht ebenfalls eine zusätzliche Verwendung von Magneten 66 in Erwägung, indem die magnetische Abschirmung 102 hinzugefügt wird, um die erforderliche Menge an nach unten gerichteter Vorspannkraft am Rotor 70 und dem äußeren Laufring 97 des Lagers 64 zu produzieren. Die Menge dieser Vorspannkraft wird durch die Auswahl des geeigneten Abstands zwischen den Magneten 66 und dem Blech 102 geregelt.
Die beiden Spulen 75, welche die geschalteten Magnetfelder bereitstellen, um den Rotor 70 und die Magnetringe der Magnete 66 zum Rotieren zu bringen werden durch einen im Blockdiagramm von 9 dargestellten Motorsteuerkreis 130 betätigt. Ein Paar Hallsensoren 132 und 134 am gedruckten Leiterplattenstator 68 stellen jedes Mal, wenn eine Vorderflanke eines Magneten 66 im Magnetring in die Nähe rotiert, Pulsleistungen bereit. Bevorzugt sind 10 solcher Magneten vorhanden, was zu 20 Pulsen pro Umdrehung des Rotors 70 führt. Alternativ kann ein Ringmagnet mit zehn Polen eingesetzt werden. Die Hallsensoren sind derart angeordnet, um Blindstromsignale abzugeben, wodurch ein Hinweis auf die Rotationsrichtung gegeben wird. Durch die 20 Pulse pro Umdrehung wird ermöglicht, den Richtungswinkel in 18 Grad Segmente (360 Grad, geteilt durch 20 Pulse pro Umdrehung) zu zergliedern. Es kann manchmal wünschenswert sein, den Strahler in einen Zitter-Betriebsmodus zu schalten, wobei der Strahl wiederholt über ein ziemlich schmales Segment einer Umdrehung hin und her gestrichen wird. Für den Zitterbetrieb ist es wünschenswert, den Strahl wiederholt über Segmente von nur 3 Grad zu streichen. Die vorliegende Erfindung stellt diese Fähigkeit durch den Zitterbetrieb mit einem Hallsensorpuls bereit, wobei jeweils ein Ende des Streichens des Zitterstrahls und ein Taktgeber, der das Signal bereitstellt, bereitgestellt wird, um die Rotationsrichtung am anderen Ende des Streichens des Zitterstrahls umzukehren. Der Taktgeber 136 wird jedes Mal betätigt, wenn der Motorsteuerkreis 130 mit dem Streichen beginnt, wobei der Anfang des Streichens durch den Hallsensor festgestellt wird. Wenn der Taktgeber 136 die gewünschte Zeitzahl erreicht hat, kehrt der Motorsteuerkreis 130 die Richtung der Motorrotation um, bis der Hallsensor die Rückkehr des Rotors zur ursprünglichen Ausgangsposition erfasst. An dieser Stelle wird die Rotationsrichtung erneut umgekehrt und der Taktgeber 136 wird erneut gestartet. Diese Technik stellt eine akkurate Zitterbreite bereit, während der Bedarf an kostspieligen Winkelsensoren ausgeräumt wird. Man wird zu schätzen wissen, dass andere Zitterregelungstechniken unter Anwendung eines Taktgebers 136 und Hallsensorausgaben ebenfalls eingesetzt werden können. Der Hallpuls kann zum Beispiel eingesetzt werden, um die Mitte des Streichens zu definieren, wobei die Zeitausgabe jedes Ende des Streichens definiert.
Weitere Aspekte, Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung können aus der Studie der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche entnommen werden.
Zusammenfassung
Rotierender Laserstrahler
Der Strahler weist einen allgemein flachen Leiterplattenstator, einen Rotor mit einer Vielzahl an Magneten, die in einem Ring um eine zentrale Öffnung herum befestigt sind, und ein Lager auf, das den Rotor zur Rotation um eine Achse lagert, die sich durch die zentrale Öffnung hindurch erstreckt sowie einen Penta-Prisma-Bausatz mit einem Optikhalter, der am Rotor zur Rotation durch denselben befestigt ist. Der Penta-Prisma-Bausatz empfängt einen Strahl an Laserlicht durch die zentrale Öffnung und leitet diesen wenigstens um einen Teil des Laserlichts nach außen in eine Richtung um, die normal zur Rotationsachse verläuft. Eine Laserquelle, die am Stator befestigt ist, stellt einen Strahl an Laserlicht durch die zentrale Öffnung zum Penta-Prisma-Bausatz bereit. Der Strahl an Laserlicht ist mit der Rotationsachse ausgerichtet. Die Laserquelle enthält einen Kollimator, der innerhalb des Rotors positioniert ist. Ein Abschirmungsblech aus magnetischem Material unterhalb des Stators übt eine Kraft auf den Rotor in Verbindung mit den Magneten aus, wodurch das im Lager vorhandene Spiel beseitigt wird. Der Strahler setzt Hallsensoren am Stator zur Regelung des an die Spulen am Stator gelieferten Schaltstroms ein. Der Strahler verwendet ebenfalls die Ausgaben der Hallsensoren und eine Taktgeberausgabe zur Regelung des Zitterbetriebs des Laserstrahls.

Claims

Laserstrahler, umfassend: einen allgemein flachen Leiterplattenstator, einen Rotor mit einer Vielzahl an Magneten, die in einem Ring um eine zentrale Öffnung herum befestigt sind, ein Lager, das den genannten Rotor zur Rotation um eine Rotationsachse lagert, die sich durch die genannte zentrale Öffnung hindurch erstreckt, einen Penta-Prisma-Bausatz mit einem Optikhalter, der am genannten Rotor zur Rotation durch denselben befestigt ist, wobei der genannte Penta-Prisma-Bausatz einen Strahl an Laserlicht durch die genannte zentrale Öffnung empfängt und wenigstens einen Teil des genannten Laserlichts nach außen in eine Richtung umleitet, die normal zur genannten Rotationsachse verläuft, und eine Laserquelle, die am genannten Stator befestigt ist, um einen Strahl an Laserlicht bereitzustellen, der durch die genannte zentrale Öffnung hindurch zum genannten Penta-Prisma-Bausatz gerichtet ist, wobei der genannte Strahl mit der genannten Rotationsachse ausgerichtet ist, wobei die genannte Laserquelle einen Kollimator enthält, der innerhalb des genannten Rotors positioniert ist.
Laserstrahler nach Anspruch 1, wobei die genannte Vielzahl an Magneten einen einzelnen Ringmagneten mit einer Vielzahl an Polen umfasst, die in einem Ring um die genannte zentrale Öffnung herum angeordnet ist.
Laserstrahler nach Anspruch 1, wobei die genannte Laserquelle eine lichtemittierende Diode und ein allgemein zylindrisches Gehäuse umfasst, das am genannten Leiterplattenstator befestigt ist, wobei das Gehäuse die genannte lichtemittierende Diode umgibt und den Strahl von der Diode durch dieselbe passieren lässt, wobei der genannte Kollimator derart im genannten Gehäuse befestigt ist, dass ein kollimierter Strahl an Laserlicht zum genannten Penta-Prisma-Bausatz gerichtet ist.
Laserstrahl nach Anspruch 3, wobei das genannte Lager einen inneren Laufring aufweist, der am genannten allgemein zylindrischen Gehäuse befestigt ist, sowie einen äußeren Laufring, der am genannten Rotor befestigt ist.
Laserstrahler, umfassend: einen allgemein flachen Leiterplattenstator, einschließlich einer Vielzahl an Motorspulen, eine Laserquelle, die am genannten Stator zur Bereitstellung eines Strahls an Laserlicht befestigt ist, das einen Strahl an Laserlicht nach außen vom genannten Leiterplattenstator richtet, einen Rotor, einschließlich einer Vielzahl an Magneten, die in einem Ring um eine zentrale Öffnung herum befestigt ist, einen Penta-Prisma-Bausatz, einschließlich einem Optikhalter, der am genannten Rotor zur Rotation durch denselben befestigt ist, wobei der genannte Penta-Prisma-Bausatz den genannten Strahl an Laserlicht durch die genannte zentrale Öffnung empfängt und wenigstens einen Teil des genannten Laserlichts nach außen in eine Richtung umleitet, die normal zur genannten Rotationsachse verläuft, ein Lager, das den genannten Rotor zur Rotation um eine Rotationsachse lagert, die sich durch die genannte zentrale Öffnung hindurch erstreckt, und die mit dem genannten Strahl an Laserlicht ausgerichtet ist, wobei das genannte Lager ein einzelnes Kugellager mit einer Vielzahl and Lagerkugeln zwischen einem äußeren Laufring umfasst, der am genannten Rotor befestigt ist und einen inneren Laufring, und ein magnetisches Abschirmblech an der Seite des genannten Leiterplattenstators gegenüber dem genannten Rotor zur Bereitstellung einer magnetischen Anziehungskraft zwischen der genannten Vielzahl an Magneten und dem genanten magnetischen Abschirmblech, wobei ein im Lager vorhandenes Spiel im Wesentlichen beseitigt wird.
Laserstrahler nach Anspruch 5, wobei die genannte Vielzahl an Magneten einen Ring mit einer Vielzahl an Polen umfasst, die in einem Kreis angeordnet ist.
Laserstrahler nach Anspruch 5, wobei die genannte Laserquelle eine lichtemittierende Diode und ein allgemein zylindrisches Gehäuse umfasst, das am genannten Leiterplattenstator befestigt ist, wobei das genannte Gehäuse die genannte lichtemittierende Diode umgibt und den Strahl von der Diode durch dieselbe passieren lässt, wobei der genannte Kollimator derart im genannten Gehäuse befestigt ist, dass ein kollimierter Strahl an Laserlicht zum genannten Penta-Prisma-Bausatz gerichtet ist.
Laserstrahler nach Anspruch 7, wobei das genannte Lager einen inneren Laufring aufweist, der am genannten allgemein zylindrischen Gehäuse befestigt ist, und einen äußeren Laufring, der am genannten Rotor befestigt ist.
Laserstrahler, umfassend: einen allgemein flachen Leiterplattenstator, einen Rotor mit einer Vielzahl an Magneten, die in einem Ring um eine zentrale Öffnung herum befestigt ist, ein Lager, das den genannten Rotor zur Rotation um eine Rotationsachse lagert, die allgemein senkrecht zum genannten allgemein flachen Leiterplattenstator verläuft und die mit der Mitte der genannten zentralen Öffnung ausgerichtet ist, eine Laserquelle, die am genannten Stator zur Bereitstellung eines Strahls an Laserlicht befestigt ist, der nach außen vom genannten Leiterplattenstator in Ausrichtung mit der genannten Rotationsachse ausgerichtet ist, wobei die genannte Laserquelle eine lichtemittierende Diode, die am genannten Stator befestigt ist, einen Kollimator sowie einen Optikhalter enthält, der sich vom genannten Leiterplattenstator erstreckt und den genannten Kollimator innerhalb der genannten zentralen Öffnung lagert und im Wesentlichen entfernt vom genannten Leiterplattenstator liegt, und einen Penta-Prisma-Bausatz mit einem Optikhalter, der am genannten Rotor zur Rotation durch denselben befestigt ist, wobei der genannte Penta-Prisma-Bausatz den genannten Strahl an Laserlicht durch die genannte zentrale Öffnung empfängt und wenigstens einen Teil des genannten Laserlichts nach außen in eine Richtung umleitet, die normal zur genannten Rotationsachse verläuft.
Laserstrahler nach Anspruch 9, wobei die genannten Magnete einen Ringmagneten mit einer Vielzahl an Polen umfasst, die in einem Kreis angeordnet ist.
Laserstrahler nach Anspruch 9, wobei die genannte Laserquelle eine lichtemittierende Diode und ein allgemein zylindrisches Gehäuse umfasst, das am genannten Leiterplattenstator befestigt ist, wobei das genannte Gehäuse die genannte lichtemittierende Diode umgibt und den Strahl von der Diode durch dieselbe passieren lässt, wobei der genannte Kollimator derart im genannten Gehäuse befestigt ist, dass ein kollimierter Strahl an Laserlicht zum genannten Penta-Prisma-Bausatz gerichtet ist.
Laserstrahler nach Anspruch 11, wobei das genannte Lager einen inneren Laufring, der am genannten allgemein zylindrischen Gehäuse befestigt ist, und einen äußeren Laufring aufweist, der am genannten Rotor befestigt ist.
Laserstrahler, umfassend: einen Stator, eine Laserquelle, die am genannten Stator zur Bereitstellung eines Strahls an Laserlicht befestigt ist, der nach außen vom genannten Stator gerichtet ist, einen Rotor mit Magneten in einem Ring um eine zentrale Öffnung herum, ein Lager, das den genannten Rotor zur Rotation um eine Rotationsachse lagert, die sich durch die genannte zentrale Öffnung erstreckt und mit dem genannten Strahl an Laserlicht ausgerichtet ist, einen Penta-Prisma-Bausatz mit einem Optikhalter, der am genannten Rotor zur Rotation durch denselben befestigt ist, wobei der Penta-Prisma-Bausatz den genannten Strahl an Laserlicht durch die genannte zentrale Öffnung empfängt und wenigstens einen Teil des genannten Laserlichts nach außen in eine Richtung umleitet, die normal zur genannten Rotationsachse verläuft, und ein magnetisches Abschirmblech auf der Seite des genannten Stators gegenüber des genannten Rotors zur Beaufschlagung einer Kraft auf den genannten Rotor in Richtung der genannten Rotationsachse, sodass der genannte Rotor das genannte Lager mit einer axialen Kraft beaufschlagt, wobei eine magnetische Anziehungskraft zwischen der genannten Vielzahl an Magneten und dem genannten magnetischen Abschirmblech im Wesentlichen ein eventuell im genannten Lager vorhandenes Spiel beseitigt.
Laserstrahler nach Anspruch 13, wobei das genannte Lager einen inneren Laufring, der auf der genannten Laserquelle gelagert ist, und einen äußeren Laufring, in den der genannte Rotor eingreift und eine Vielzahl an Kugeln zwischen dem genannten inneren Laufring und dem genannten äußeren Laufring umfasst.
Laserstrahler nach Anspruch 13, wobei die genannte Laserquelle ein zylindrisches Gehäuse enthält und wobei der genannte innere Laufring auf dem genannten zylindrischen Gehäuse der genannten Laserquelle gelagert ist.
Laserstrahler nach Anspruch 13, wobei das genannte magnetische Abschirmblech auf der Seite des genannten Stators gegenüber dem genannten Rotor eine ringförmige Gestalt aufweist.
Laserstrahler nach Anspruch 13, wobei das genannte Lager einen äußeren Laufring umfasst, der durch den genannten inneren Laufring gelagert ist und in den genannten Rotor eingreift.
Laserstrahler, umfassend einen Stator, eine Laserquelle zur Bereitstellung eines Strahls an Laserlicht, einen Rotor mit Magneten ein Lager, das den genannten Rotor zur Rotation um eine Rotationsachse lagert, wobei das genannte Lager einen einzelnen inneren Laufring und einen einzelnen äußeren Laufring mit einer Vielzahl an dazwischen befindlichen Lagerkugeln umfasst, einen Penta-Prisma-Bausatz mit einem Optikhalter, der am genannten Rotor zur Rotation durch denselben befestigt ist, wobei der Penta-Prisma-Bausatz den genannten Strahl an Laserlicht empfängt und wenigstens einen Teil des genannten Laserlichts nach außen in eine Richtung umleitet, die normal zur genannten Rotationsachse verläuft, und ein Blech aus magnetischem Material, das derart positioniert ist, um eine axiale Vorspannkraft an das genannte Lager bereitzustellen, wobei eine magnetische Anziehungskraft zwischen der genannten Vielzahl an Magneten und dem genannten Blech im Wesentlichen das im genannten Lager vorhandene Spiel beseitigt.
Laserstrahler nach Anspruch 18, wobei die genannten Magnete in einem Ring angeordnet sind und wobei das genannte Blech aus magnetischem Material eine ringförmige Gestalt aufweist.
Laserstrahler, umfassend: einen Stator mit einer Vielzahl an Motorspulen und einem Paar Hallsensoren, einen Rotor mit Magneten, die in einem Ring befestigt sind, ein Lager, das den genannten Rotor zur Rotation um eine Rotationsachse lagert, eine Laserquelle zur Bereitstellung eines Strahls des Laserlichts, ein Penta-Prisma-Bausatz mit einem Optikhalter, der am genannten Rotor zur Rotation durch denselben befestigt ist, wobei der genannte Penta-Prisma-Bausatz den genannten Laserstrahl empfängt und wenigstens einen Teil des genannten Strahls nach außen in eine Richtung umleitet, die normal zur genannten Rotationsachse verläuft, und einen Motorsteuerkreis, der auf den genannten Hallsensor reagiert sowie einen Taktgeber zum wiederholten Antrieb des Rotors in einer ersten Richtung, und dann zum Antrieb des Rotors in einer zweiten Richtung, wobei die Umkehr der Rotationsrichtung wenigstens teilweise auf dem Zeitverlauf beruht, nachdem der Hallsensor einen Hinweis darauf bereitstellt, dass sich der Rotor an einer spezifischen Stelle befindet.
Laserstrahler nach Anspruch 20, wobei der genannte Motorsteuerkreis den Rotor in einer ersten Richtung nach Empfang einer ersten Ausgabe von einem Hallsensor antreibt und die Rotationsrichtung umleitet, nachdem ein vorbestimmter Zeitraum verstrichen ist.
Laserstrahler nach Anspruch 20, wobei der genannte Motorsteuerkreis den Rotor in einer ersten Richtung nach einem Verstreichen eines vorbestimmten Zeitraums nach Empfang einer Ausgabe von einem Hallsensor antreibt und den Rotor in eine zweite Richtung nach einem Verstreichen eines Zeitraums nach Empfang der nächsten Ausgabe von dem Hallsensor antreibt.