JP3905131B2 - 水平化され得る器具基部とレーザ光線の自動式の精密水平化装置とを有するレーザー水準儀 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念部分の構成を有するレーザー水準儀（レーザーレベル、Lasernivellier）に関する。
レーザー水準儀は、多様な形態が知られている。それらは、鉛直に対して垂直に方向づけられたレーザ光線の発生にあるいは、鉛直方向のまわりで回転するレーザ光線を使っての水平な基準平面(Referenzebene)の発生のために用いられる。これに関連して、レーザー水準儀の取り付け面が放射プラットフォーム（光線プラットフォーム、Strahlenplattform)と解釈できる。当該取り付け面は、限定された精度で手動で水平化することが可能であり、且つ当該取り付け面に水平へレーザ光線を転向させる手段が配置されている。
通常、レーザは、その光軸が鉛直方向に延びるようにレーザー水準儀に組み込まれる。水平への転向は、鏡あるいはプリズムによって、特に回転可能に装着されたペンタプリズムによって行われる。転向エレメントのための取り付け面は、前述の定義に応じて放射プラットフォームである。
周知のレーザー水準儀では、この放射プラットフォームは、器械のケーシングとしっかりと結合されている。当該ケーシングは、粗い水平化のために調整脚

及び気泡管(Blasenlibellen)を有する。
自動的な粗い水平化のための装置も知られている。この装置の場合には、レーザー水準儀が電気機械的な台架上に配置される。台架脚部は、スピンドルによって、水準儀ケーシングにおける傾斜センサーのはたらきをする水銀スイッチ(Quecksilberschalter)によってこの過程が終わらされるまで、その高さに関して変化させられる。粗い水平化は、約５０″の精度で行われ、相対的に遅い。
比較的高い精度要求の場合には、補償器(Kompensator)による精密水平化が行われる。その際、特に互いに対して移動可能なレンズによる光学的機械的な補償が価値を認められている。これらのレンズの一つは、シリンダ状の筒内に器械に固定的に組み込まれている。別のレンズは、当該筒内で揺れ動くように金属糸につるされている。調整された器具では、レーザから放射された光線が固定的に組み込まれたレンズの光軸において延び、且つ揺れ動くレンズによって、それが鉛直方向にて転向エレメントの方へさすように方向を変えられる。半導体レーザの使用の際には、光線視準(Strahlkollimation)もこれらのレンズに従う。その際、以下でさらに言及されるドイツ特許出願公開第２９４４４０８号明細書から読み取り得るように、レンズ組み合わせ体(Linsenkombination)全体を揺れ動くようにつるすことも可能である。
揺れ動くようにつるされたレンズは、ケーシングに取り付けられた三つのライトバリア(Lichtschranken)と協働できる。当該ライトバリア信号は、星形に器具ケーシングに取り付けられており且つ利用者にそれによって粗い水平化のための脚部ねじ(Fuβschrauben)の調整のための割り当て(Zuordnung)を与える発光ダイオードを制御することができる。それらは、いつもなら通例のサーキュラ・レベル(Dosenlibellen)の代理をする。すでに言及された電気機械的な台架の位置調整のために当該信号を利用することも提案されている。そのために、むろんライトバリアが台架脚部に一直線に並ぶようにそろえられねばならない。
補償範囲は、補償器筒部(Kompensatorrohr)において自由になる空間によって制限されている。揺れ動くようにつるされたレンズは、測定のあいだ、当該筒部の内面に触れてはならない。それゆえ、上述のライトバリアは、特に自由な振り子懸架の監視にも用いられる。設定された閾（境界）までのレベル降下(Pegelabfall)を伴うライトバリア光線の遮断が、レーザダイオードのスイッチオフを導く。新たな粗い水平化後初めて、器械が再び運転を開始され得る。
揺れ動くレンズは、ショック（バイブレーション）に基づいても、それがライトバリアを遮断するほど大きく振り動かされ得る。このことを回避するために、磁気による減衰装置が設けられている。当該減衰装置は、振り子振動の迅速な減衰を強制する。当該減衰装置は、渦電流ブレーキのように作用する。その際、綿密な材料選択と構成によって、磁力が静止状態での振り子の鉛直方向つけに影響を及ぼすことのないように注意する。
上述の従来技術をまとめた記載は、

の学位論文、D 82 Diss. TH Aachen, (1988), ISSN 0515-0574, Entwicklung und Untersuchung eines Rotationsnivellierinstruments und einerphotoelektrischen Nivellierlatte zur Automatisierung desgeometrischen Nivellementsに見られる。
ドイツ特許出願公開第２９４４４０８号明細書により、振り子式補償器(Pendelkompensator)が知られている。当該振り子式補償器の場合には、補償レンズを有する揺動するようにつるされた内側のシリンダが外側のシリンダ内で振動する。これらのシリンダは、比較的に長く、且つわずかな中間空間を有する。シリンダ面の間隔の変化の際には空気が押しのけられる。この空気が、流動抵抗に基づいて振り子振動の減衰を発生させる。
外側のシリンダは、ケーシングに対して電気的に絶縁されている。外側のシリンダと内側のシリンダが接触すると、ワイヤが接地され、それによってレーザダイオードがすぐにスイッチオフされる。再び運転を開始するためには、振り子を再びその作業領域にもたらすサーキュラ・レベルを使用しての新たな粗い水平化が必要である。
補償レンズの代わりにレーザダイオードを振り子に取り付けてもよい。
本発明は、レーザー水準儀のために、がんじょうに且つ簡単に構成されており、且つ内側シリンダが外側シリンダに接触している場合にも粗い水平化のための調整信号を発生させる振り子式補償器を作り出すことを課題とする。特に、当該振り子式補償器は、動力による水平化が当該調整信号に依存して高い精度で可能であるように放射プラットフォームと結合されているべきだろう。
この課題は、初めに述べた種類のレーザー水準儀の場合に、本発明により、請求項１の特徴とする構成によって解決される。有利な別の構成は、従属項の特徴的構成から生じる。
本発明では、外側シリンダと内側シリンダとを有するそれ自体は周知の振り子式補償器が、振動運動（振り子運動）によって局所的に変動する容量値

を有するコンデンサ（蓄電器）として形成される。その際、当該シリンダシステムの幾何学的な関係は変化しない。その結果、減衰特性が引き続き保たれている。電極面のうちの一つをセグメント化（分割）することが揺動振幅についての一義的な方向割り当て(Richtungszuordnung)を可能にする。そのためには、原理的には、二つのコンデンサセグメントが十分である。しかしながら、三つあるいは四つのセグメントに分割することが合目的であると実証されている。
当該システムはきわめてがんじょうである。電極面のうちの一つが電気的に絶縁する層を備えるならば、電極の間の短絡という事態になる可能性がなく、容量が外側シリンダへの振り子の接触の際にも測定され得る。しかもそのうえ、各コンデンサセグメントにあるいは反対極として作用する内側シリンダにそれぞれより大きな不変の容量が直列に接続されると、電極面の間の短絡が測定を妨害しない。電極セグメントの必要不可欠な電子工学的な配線(Beschaltung)のために、これらが、固定されている外側シリンダに配置されていると合目的である。
現在の容量値の測定は、有利には、次々に矢継ぎ早に行われる。そのとき、すべての測定に対して同一の測定及び評価電子機器が使用され得る。その結果、容量、増幅器等のドリフトがすべての測定値に同じように影響をもたらす。揺動変動が測定値応答(Meβwertabfrage)と比較して比較的緩慢であるので、測定値の獲得が実際的に同時に行われる。
本発明に係る振り子式補償器の特に有利な使用は、放射プラットフォームがレーザー水準儀内に水平化され得るように装着されており且つ調整モーター（サーボモーター、アクチュエータ、Stellmotoren）によってコンデンサシステムの信号に依存して振り子が自由に振動するまで位置を調整され得るときに生じる。
本発明を、以下に、図面に図式的に示された実施例をもとにして詳細に説明する。個々に、
図１は、コンデンサシステムの横断面の図であり、
図２は、振り子式補償器の縦断面の図であり、
図３は、調整信号の獲得のためのブロックダイアグラムであり、
図４は、容量測定の時間的な経過の図である。
図１は外側シリンダ１を横断面で示しており、当該外側シリンダの内面には、三つの電極セグメント２、３、４が取り付けられている。当該電極セグメントは、図示平面に対して垂直に延在するウェブ（細条部、Stege）２’、３’、４’によって互いに切り離されている。これらのウェブと外側シリンダ１への付着架橋部

とが、電気的に絶縁する且つ硬化され得る粘着物（接着剤、Kleber）によって埋められる。内側シリンダ５は、電極セグメントにわずかな間隔をあけて向き合って位置する。内側シリンダは、電気的に伝導性の材料から製造されており、且つ電極セグメント２、３、４に対する反対電極（対極）を形成する。内側シリンダ５と電極セグメント２、３、４との間の間隙６は、内側シリンダの最大の揺動距離である。図１における別のエレメントは、図２との関連で記載される。
図２の縦断面図から、振り子式補償器の機能がわかる。外側シリンダ１は、放射プラットフォーム７に垂直に固定されている。この放射プラットフォームには、レンズ８が挿着されている。レンズ８の焦点には、レーザダイオード９が配置されている。その結果、放射プラットフォームから出るレーザ光束１０が平行である。ビーム軸は１１で示されている。レーザ光束１０の向きをビーム軸１１に対して垂直に変える手段は、図示されていない。それは、それ自体周知なように放射プラットフォーム７に固定されている。
レンズ８及びダイオードレーザ９は、ビーム軸１１がコンデンサシステム１〜５のための対称軸を形成するように配置されている。内側シリンダ５は、三つの対称に放射プラットフォーム７に固定されたワイヤ１２につるされている。それに加えて、内側シリンダ５の下端部には、取り付けプレート１３がある。当該取り付けプレートに、ダイオードレーザ９も固定されている。当該ダイオードレーザは、放射プラットフォーム７の水平化された方向づけの状態で精確にレンズ８の焦点に位置するように、不図示の調整手段を使って方向づけられ得る。ワイヤ１２は、同様に放射プラットフォーム７の水平化された方向づけの状態で内側シリンダ５が外側シリンダ１に同心につりさがっているように固定する必要がある。
放射プラットフォーム７がわずかに傾斜している状態では、内側シリンダ５に固定された取り付けプレート１３が、したがってレーザダイオード９も間隙６によって設定されたわずかな自由な揺動距離においてビーム軸１１に対して横向きに移動する。しかし、その際、レーザダイオード９はさらに引き続きレンズ１１の焦点にある。その結果、放射プラットフォームから出る光束１０の光線方向は変化しない。
放射プラットフォーム７がより大きく傾斜している状態では、内側シリンダ５が電極セグメント２、３、４にぶつかる。そのとき、前述の方向補償は、もはや与えられない。内側シリンダと電極セグメントとの電気的な短絡を回避するために、電極面のうちの少なくとも一つが電気的に絶縁するコーティングを備え得る、あるいは、以下に記載される回路技術的な措置を講じ得る。それによって、本発明に係る容量測定がすべての揺動位置で有効なままである。
振り子コンデンサ(Pendelkondensator)を有する放射プラットフォーム７は、レーザー水準儀のケーシング１４内にある。普通、当該ケーシングはその底面に不図示の調整脚

をもっている。ケーシング１４内には、電圧供給部及び評価回路を有する電子機器１５も含まれている。これは、さらに以下に詳細に記載される。レーザダイオード９の作動のための符号１６を付されて図示された接続線、電極セグメント２、３、４の配線のための符号１７を付された接続線、反対電極として働く内側シリンダ５の配線のための符号１８を付された接続線、及び調整モーター２０、２０’の供給及びコントロールのための符号１９を付された接続線は、単に図式的に解釈すべきである。
図示された実施例では、放射プラットフォーム７が位置調整可能にケーシング１４に支持されている。そのために、当該放射プラットフォームは、まず第一に、ケーシング突出部上の球２１上にのっており、さらに付け加えて調整モーター２０、２０’のスペンドル２２、２２’によって支えられる。調整モーター２０、２０’及び球２１の配置は、図１の平面図に一緒に示されている。
スピンドル２２を調整すると、放射プラットフォーム７が軸線２３のまわりで傾動する。スピンドル２２’を調整すると、軸線２４のまわりでの傾動が行われ、両方のスピンドル２２、２２’を調整すると、放射プラットフォーム７が軸線２５のまわりで傾動させられる。スピンドルは、モーターによって、内側シリンダ５が自由に振動するまで位置調整され得る。
図３には、測定及び制御電子機器のブロックダイアグラムが記載されている。電極セグメント２、３、４と内側シリンダ５との間の揺動位置に依存した容量が、可変の容量Ｃ₁、Ｃ₂、Ｃ₃として示されている。すでに上述したように、電極セグメントへの内側シリンダの接触の際にも容量が測定可能であることを保証するために、電極セグメントに基礎容量Ｃ₁’、Ｃ₂’、Ｃ₃’が直列に接続されている。それらの基礎容量は、それらの値に関して、測定容量Ｃ₁、Ｃ₂、Ｃ₃の約１００倍の大きさである。
コントロール可能なスイッチＳ₁、Ｓ₂、Ｓ₃及び抵抗Ｒ１を介して前記の容量が充電電圧(Ladespannung)及び演算増幅器ＯＰ１と接続され得る。別のコントロール可能なスイッチＳ₄を介して、コンデンサシステムが共通の電圧ポテンシャルＵ₁につながれ得る。合目的には、この電圧は、内側シリンダ５につながれる。当該内側シリンダがその振り子ワイヤ１２を介して電気的にケーシング１４と接続されているので、共通のポテンシャルとしてケーシング接地

が選択される。
高インピーダンスなインピーダンス変換器として働く演算増幅器ＯＰ１には、ＡＤ変換器及びマイクロプロセッサμＰが後に接続されている。当該マイクロプロセッサは、スイッチＳ₁〜Ｓ₄もモーター２０、２０’のためのサーボ駆動装置もコントロールし、また測定経過をコントロールする。
測定の時間的な経過は、図４に示されている。ロジックレベル「高(High)」での信号の場合には、それぞれスイッチが閉じられている。ロジックレベル「低(Low)」での信号の場合にはスイッチが開いている。そのつどの測定の前に、補償器容量が放電させられる。そのために、スイッチＳ₁〜Ｓ₄が約２００μｓの継続時間の間、閉じられる。この時間の間、コンデンサＣ₁、Ｃ₂、Ｃ₃が放電する。従って、すべてのコンデンサ接続が電圧値Ｕ₁にある。当該電圧値は、通常は０に等しい。
その後、スイッチＳ₂、Ｓ₃、Ｓ₄が開かれ、スイッチＳ₁だけが閉じられたままである。抵抗Ｒ１を介して、約２μｓの充電パルス（低レベル）が発生させられる。この２μｓにおいて、容量Ｃ₁と抵抗Ｒ１とに依存して、コンデンサＣ₁における充電電圧がＵ₁に比べてｅ関数に従って連続的にネガティブポテンシャルに下がる。しかしながら、充電パルスが終るとすぐに、Ｃ₁に関しての電圧が固定した値にとどまる。高インピーダンスなインピーダンス変換器回路ＯＰ１を介して、Ｃ₁の電圧がＡＤ変換器に供給される。
ＡＤ変換は、充電パルスの終了の後に開始され、約１００μｓ接続する。マイクロプロセッサμＰは、ＡＤ変換された電圧値をデジタル形式で呼び出し、それを蓄積する。ここで、コンデンサシステムの放電がスイッチＳ₁〜Ｓ₄を閉じることによって繰り返される。その後、それは、スイッチＳ₁、Ｓ₃、Ｓ₄を開くことによって容量Ｃ₂の測定を開始する。Ｃ₃についても同様である。全体の測定サイクルは、約１ｍｓを継続する。この時間において、内側シリンダの揺動位置は、減衰される懸架の結果、変動しないとみなされ得る。
Ｃ₁、Ｃ₂、Ｃ₃の三つの電圧値から、μＰが調整モーターのサーボユニットのための信号コンディショニング（信号再生、Signalaufbereitung）を算出する。当該信号コンディショニングは、測定エレメントの電気的な調整を要求するのではなく、本質的に測定された容量値の以下のやり方での相対的な比較に存する。
μＰは、外側シリンダのどの電極セグメントに内側シリンダが当接し（最大の容量）、どれが最大の間隔をもつか（最小の容量）を確認する。三つの電極セグメントの場合には、出発状態において、内側シリンダが常に少なくとも一つのセグメントに当接し、一つに対してはそれが最大の空気間隔をもつだろう。モーター２０、２０’は、相前後してあるいは一緒に、放射プラットフォームの傾動が発生させられるように制御される。当該傾動が、最大の測定された容量をもつ電極セグメントを、そのつど、揺動する内側シリンダから離すように動かす。振り子式補償器が最適な自由に振動する位置からどの程度離れているかによって、モーターの調整速度が調節され得る。
測定サイクルが約２００ｍｓの固定した時間間隔でそのつど繰り返されると有利であるとわかっている。その間の時間に、モーターが放射プラットフォームの水平化に従事する。典型的な水平化過程（水平化操作）は、約３０ｓ継続する。その結果、複数の測定によって調整過程が検査されて修正され得る。すべての三つのコンデンサが所望の公差範囲内で等しい容量値をもつとき、理想的な水平化状態が達成されている。
図示された実施例とは異なって、コンデンサシステムから引き出された調整信号は、当然に光学的にも表示することが可能であり、脚部調整ねじによる手動の水平化のために利用することができる。全く同様に、脚部調整ねじに、調整信号によってコントロールされるサーボモーターを組み込んでもよい。
達成された水平化ののちに、本実施例で説明されたシステムは、水平化の持続的な監視にも使用され得る。一般に、監視のためには、測定サイクルのためにより長い時間間隔が十分である。容量値の著しい変化だけが放射プラットフォームの調整しなおしを導く必要がある。

Claims (5)

1. 水平化可能な放射プラットフォーム（７）とレーザ光線（１０）の自動式の精密水平化装置とを有するレーザ水準儀であって、その精密水平化装置が、外側シリンダ（１）内に揺動するようにつるされていて方向づけエレメントを支持している内側シリンダ（５）を備えていて、
   前記外側シリンダ（１）及び前記内側シリンダ（５）が、互いに向き合って位置する電極面を有するコンデンサシステムを形成し、
   前記電極面のうちの一つがセグメント化されており、これらの電極セグメント（２、３、４）の分離部（２’、３’、４’）がビーム軸（１１）の方向に延在し、前記外側シリンダ（１）が、前記放射プラットフォーム（７）と、前記ビーム軸（１１）に中心があるように垂直に結合されていて、前記コンデンサシステムから、前記内側シリンダ（５）の揺動位置の検知のための信号が導き出され得る、前記レーザー水準儀において
   前記のシリンダのうちの少なくとも一つのシリンダの電極面が、電気的に絶縁するコーティングを備えていること、
   及び／又は、
   前記電極セグメント（２、３、４）のそれぞれに、不変の基礎容量（Ｃ ₁ ’、Ｃ ₂ ’、Ｃ ₃ ’）が直列に接続されていること
   を特徴とするレーザー水準儀。
2. 二つより多くの等しい電極セグメント（２、３、４）が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載のレーザー水準儀。
3. 前記外側シリンダ（１）の前記電極面がセグメント化されていることを特徴とする、請求項１に記載のレーザー水準儀。
4. 容量（Ｃ₁、Ｃ₂、Ｃ₃）の連続的な測定のための唯一の測定チャンネルが設けられていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザー水準儀。
5. 前記放射プラットフォーム（７）がレーザー水準儀ケーシング（１４）内に水平化可能に支持（２１）されており、調整原動機（２０、２０’）により前記コンデンサシステムの信号に依存して調整され得ることを特徴とする、請求項１に記載のレーザー水準儀。

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