特許 7522849 回転レーザシステム用セルフレベリングシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-17

(45)【発行日】2024-07-25

(54)【発明の名称】回転レーザシステム用セルフレベリングシステム

(51)【国際特許分類】

   G01C 15/00 20060101AFI20240718BHJP

   G01S 1/70 20060101ALI20240718BHJP

【ＦＩ】

G01C15/00 105S

G01C15/00 103B

G01S1/70

【請求項の数】 16

(21)【出願番号】P 2022556195

(86)(22)【出願日】2021-01-27

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-05-08

(86)【国際出願番号】 US2021015149

(87)【国際公開番号】W WO2021188201

(87)【国際公開日】2021-09-23

【審査請求日】2024-01-12

(31)【優先権主張番号】16/821,855

(32)【優先日】2020-03-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】505315742

【氏名又は名称】トプコン ポジショニング システムズ， インク．

(74)【代理人】

【識別番号】100187322

【弁理士】

【氏名又は名称】前川 直輝

(72)【発明者】

【氏名】ニコライ ブイ ハトゥンツェフ

【審査官】山▲崎▼ 和子

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１１／００６７２５０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００９－１０９４５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／１０３１５４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／００３７０４５（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｃ １５／００

Ｇ０１Ｓ １／７０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転ヘッドと、
前記回転ヘッドに搭載された加速度計と、
プロセッサと、
前記プロセッサ上で実行されると、前記加速度計からの加速度信号を受信することと、前記回転ヘッドの傾きを水平方向に調整する１つまたは複数の傾き調整信号を前記加速度信号に基づいて生成することを含む動作を、前記プロセッサに実行させる、コンピュータプログラム指令を記憶するメモリと、
前記１つまたは複数の傾き調整信号に基づいて前記回転ヘッドの前記傾きを調整する１つまたは複数のアクチュエータと、
を備え、
前記加速度信号は、前記加速度計が回転する際の前記加速度計の接線方向軸上の加速度と前記加速度計の半径方向軸上の加速度との少なくとも１つを示す、
ことを特徴とするレーザ発信機。

【請求項2】

前記回転ヘッドの傾きを水平方向に調整する１つまたは複数の傾き調整信号を前記加速度信号に基づいて生成することは、
前記加速度信号から正弦波成分を実質的に除去するように前記１つまたは複数の傾き調整信号を生成することを含む、
ことを特徴とする、請求項１に記載のレーザ発信機。

【請求項3】

前記加速度信号から正弦波成分を実質的に除去するように前記１つまたは複数の傾き調整信号を生成することは、
前記レーザ発信機のエンコーダの基準角度と前記１つまたは複数のアクチュエータの基準角度との間のズレの角度に基づいて前記１つまたは複数の傾き調整信号を生成することを含む、
ことを特徴とする、請求項２に記載のレーザ発信機。

【請求項4】

前記加速度信号から正弦波成分を実質的に除去するように前記１つまたは複数の傾き調整信号を生成することは、
前記加速度信号の振幅を最小限にするように前記１つまたは複数の傾き調整信号を生成することを含む、
ことを特徴とする、請求項２に記載のレーザ発信機。

【請求項5】

前記回転ヘッドの傾きを水平方向に調整する１つまたは複数の傾き調整信号を前記加速度信号に基づいて生成することは、
第１方向における前記回転ヘッドの傾きを調整するための第１傾き調整信号と、第２方向における前記回転ヘッドの傾きを調整するための第２傾き調整信号と、を生成することを含み、
前記１つまたは複数のアクチュエータは、前記第１傾き調整信号に基づいて前記第１方向における前記回転ヘッドの前記傾きを調整する第１アクチュエータと、前記第２傾き調整信号に基づいて前記第２方向における前記回転ヘッドの前記傾きを調整する第２アクチュエータと、を含む、
ことを特徴とする、請求項１に記載のレーザ発信機。

【請求項6】

レーザ発信機の回転ヘッドに搭載された加速度計から加速度信号を受信する工程と、
回転ヘッドの傾きを水平方向に調整する１つまたは複数の傾き調整信号を前記加速度信号に基づいて生成する工程と、
前記１つまたは複数の傾き調整信号に基づいて前記回転ヘッドの前記傾きを調整する工程と、を含み、
前記加速度信号は、前記加速度計が回転する際の前記加速度計の接線方向軸上の加速度と前記加速度計の半径方向軸上の加速度との少なくとも１つを示す、
ことを特徴とする方法。

【請求項7】

前記回転ヘッドの傾きを水平方向に調整する１つまたは複数の傾き調整信号を前記加速度信号に基づいて生成する工程は、
前記加速度信号から正弦波成分を実質的に除去するように前記１つまたは複数の傾き調整信号を生成する工程を含む、
ことを特徴とする、請求項６に記載の方法。

【請求項8】

前記加速度信号から正弦波成分を実質的に除去するように前記１つまたは複数の傾き調整信号を生成する工程は、
前記レーザ発信機のエンコーダの基準角度と１つまたは複数のアクチュエータの基準角度との間のズレの角度に基づいて前記１つまたは複数の傾き調整信号を生成する工程を含む、
ことを特徴とする、請求項７に記載の方法。

【請求項9】

前記加速度信号から正弦波成分を実質的に除去するように前記１つまたは複数の傾き調整信号を生成する工程は、
前記加速度信号の振幅を最小限にするように前記１つまたは複数の傾き調整信号を生成する工程を含む、
ことを特徴とする、請求項７に記載の方法。

【請求項10】

前記回転ヘッドの傾きを水平方向に調整する１つまたは複数の傾き調整信号を前記加速度信号に基づいて生成する工程は、
第１方向における前記回転ヘッドの傾きを調整するための第１傾き調整信号と、第２方向における前記回転ヘッドの傾きを調整するための第２傾き調整信号を生成する工程を含み、
前記１つまたは複数の傾き調整信号に基づいて前記回転ヘッドの前記傾きを調整する工程は、
前記第１傾き調整信号に基づいて前記第１方向における前記回転ヘッドの前記傾きを調整する工程と、
前記第２傾き調整信号に基づいて前記第２方向における前記回転ヘッドの前記傾きを調整する工程とを含む、
ことを特徴とする、請求項６に記載の方法。

【請求項11】

加速度信号を受信する受信手段と、
回転ヘッドの傾きを水平方向に調整する１つまたは複数の傾き調整信号を前記加速度信号に基づいて生成する生成手段と、
前記１つまたは複数の傾き調整信号に基づいて前記回転ヘッドの前記傾きを調整する調整手段と、
を備え、
前記加速度信号は、加速度計が回転する際の前記加速度計の接線方向軸上の加速度と前記加速度計の半径方向軸上の加速度との少なくとも１つを示す、
ことを特徴とするレーザ発信機。

【請求項12】

前記回転ヘッドの傾きを水平方向に調整する１つまたは複数の傾き調整信号を前記加速度信号に基づいて生成する前記生成手段は、
前記加速度信号から正弦波成分を実質的に除去するように前記１つまたは複数の傾き調整信号を生成する生成手段を含む、
ことを特徴とする、請求項１１に記載のレーザ発信機。

【請求項13】

前記加速度信号から正弦波成分を実質的に除去するように前記１つまたは複数の傾き調整信号を生成する前記生成手段は、
前記レーザ発信機のエンコーダの基準角度と１つまたは複数のアクチュエータの基準角度との間のズレの角度に基づいて前記１つまたは複数の傾き調整信号を生成する生成手段を含む、
ことを特徴とする、請求項１２に記載のレーザ発信機。

【請求項14】

前記加速度信号から正弦波成分を実質的に除去するように前記１つまたは複数の傾き調整信号を生成する前記生成手段は、
前記加速度信号の振幅を最小限にするように前記１つまたは複数の傾き調整信号を生成する生成手段を含む、
ことを特徴とする、請求項１２に記載のレーザ発信機。

【請求項15】

前記回転ヘッドの傾きを水平方向に調整する１つまたは複数の傾き調整信号を前記加速度信号に基づいて生成する前記生成手段は、
第１方向における前記回転ヘッドの傾きを調整するための第１傾き調整信号と、第２方向における前記回転ヘッドの傾きを調整するための第２傾き調整信号と、を生成する生成手段を含み、
前記１つまたは複数の傾き調整信号に基づいて前記回転ヘッドの前記傾きを調整する前記調整手段は、
前記第１傾き調整信号に基づいて前記第１方向における前記回転ヘッドの前記傾きを調整する調整手段と、
前記第２傾き調整信号に基づいて前記第２方向における前記回転ヘッドの前記傾きを調整する調整手段とを含む、
ことを特徴とする、請求項１１に記載のレーザ発信機。

【請求項16】

回転ヘッドと、
前記回転ヘッドに搭載された加速度計と、
プロセッサと、
前記プロセッサ上で実行されると、前記加速度計からの加速度信号を受信することと、前記回転ヘッドの傾きを水平方向に調整する１つまたは複数の傾き調整信号を前記加速度信号に基づいて生成することを含む動作を、前記プロセッサに実行させる、コンピュータプログラム指令を記憶するメモリと、
前記１つまたは複数の傾き調整信号に基づいて前記回転ヘッドの前記傾きを調整する１つまたは複数のアクチュエータと、
を備え、
前記加速度信号は、前記加速度計が回転する際の前記加速度計の接線方向軸上の加速度と前記加速度計の半径方向軸上の加速度との少なくとも１つを示す、
ことを特徴とするセルフレベリング装置。

【発明の詳細な説明】

【関連出願の相互参照】

【0001】

本出願は、２０２０年３月１７日に出願された米国出願第１６／８２１、８５５号に基づく優先権を主張するものであり、その開示内容全体をここに参照により援用する。

【技術分野】

【0002】

本発明は、概して回転レーザシステムに関し、特に回転レーザシステム用のセルフレベリングレーザ発信機に関する。

【背景技術】

【0003】

建設作業現場や農作業現場などの作業現場の準備において、作業現場の様々な場所を所望のトポロジーに整地および掘削することが一般的に行われている。位置測定は、そのような整地および掘削の精度を向上する上で、作業現場準備における重要な一段階である。位置測定を容易にするために、レーザ測定システムが建設機器（例えば、ブルドーザ、スクレーパ、掘削機など）によく用いられる。具体的には、レーザ測定システムのレーザ発信機がレーザ信号を発信し、レーザ測定システムのレーザ受信機がそのレーザ信号を受信し、レーザ受信機の位置測定値を測定する。しかし、正確な測定結果を出すためには、レーザ発信機を水平にする必要がある。

【0004】

従来、レーザ測定システムは、バイアルタイプまたはＭＥＭＳ（微小電気機械システム）のいずれかである２つの非回転式の傾斜計を用いて傾斜角を測定し、１つまたは複数のモーターを用いて角度を調整することでセルフレベリングを行っている。このような従来のレーザ測定システムにおける短所の一つとして、傾斜計のアセンブリをカリブレートして各傾斜計のゼロ度を回転の縦軸に正確に対応させなければならない点が挙げられる。このようなカリブレーションは、通常、追加のカリブレーション工程を行って傾斜計を回転軸に位置合わせすることによって、製造中に行われる。また、このような従来のレーザ測定システムは、例えばレーザ発信機を落とした時などにカリブレーションが狂ってしまう傾向にある。

【発明の概要】

【0005】

１つまたは複数の実施形態によれば、セルフレベリングレーザ発信機を提供する。上記セルフレベリングレーザ発信機は、高価な傾斜計を用いずとも高精度を達成する。

【0006】

一実施形態によれば、レーザ発信機は、回転ヘッドと、該回転ヘッドに搭載された加速度計とを備える。加速度計から加速度信号を受信し、該加速度信号に基づいて、回転ヘッドの傾きを水平方向に調整するための１つまたは複数の傾き調整信号を生成する。１つまたは複数のアクチュエータは、上記１つまたは複数の傾き調整信号に基づいて回転ヘッドの傾きを調整する。

【0007】

一実施形態によれば、上記加速度信号は、加速度計が回転する際の加速度計の接線方向軸上の加速度と加速度計の半径方向軸上の加速度との少なくとも一方を示す。上記１つまたは複数の傾き調整信号は、加速度信号から正弦波成分を実質的に除去するように決定される。一実施形態によれば、上記１つまたは複数の傾き調整信号は、上記レーザ発信機のエンコーダの基準角度と上記１つまたは複数のアクチュエータの基準角度との間のズレの角度に基づいて決定される。その他の一実施形態によれば、上記１つまたは複数の傾き調整信号は、上記加速度信号の振幅を最小限にするように決定される。

【0008】

一実施形態によれば、第１方向における回転ヘッドの角度を調整する第１傾き調整信号と第２方向における回転ヘッドの角度を調整する第２傾き調整信号を決定する。第１アクチュエータは、第１傾き調整信号に基づいて第１方向における回転ヘッドの角度を調整し、第２アクチュエータは、第２傾き調整信号に基づいて第２方向における回転ヘッドの角度を調整する。

【0009】

１つまたは複数の実施形態によれば、例えばレーザ発信機などの、セルフレベリング装置を提供する。該セルフレベリング装置は、回転ヘッドと、該回転ヘッドに搭載された加速度計を備える。加速度計から加速度信号を受信し、該加速度信号に基づいて、回転ヘッドの傾きを水平方向に調整するための１つまたは複数の傾き調整信号を生成する。１つまたは複数のアクチュエータは、上記１つまたは複数の傾き調整信号に基づいて回転ヘッドの傾きを調整する。

【0010】

本発明のこれらおよびその他の効果については、以下の詳細な説明および添付の図面を参照することにより、当業者にとって明らかとなろう。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、レーザ測定システムの上位概要図である。

【図2】図２は、レーザ発信機の詳細図である。

【図3】図３は、三軸加速度計により出力される加速度信号を例示するグラフを示す図である。

【図4】図４は、加速度信号のクリッピング効果を例示するグラフを示す図である。

【図5】図５は、レーザ発信機の回転ヘッドのレベリングを行う方法を示す図である。

【図6】図６は、レーザ発信機がロータリエンコーダを備えている場合における、レーザ発信機の回転ヘッドの傾きを水平方向に調整するための傾き調整信号の決定工程についての機能図である。

【図7】図７は、１つまたは複数のアクチュエータの基準角度と、エンコーダの基準角度間のズレの角度を例示するグラフである。

【図8】図８は、レーザ発信機がロータリエンコーダを備えていない場合における、レーザ発信機の回転ヘッドの傾きを水平方向に調整するための傾き調整信号の決定工程についての機能図である。

【図9】図９は、勾配降下アルゴリズムを用いてレーザ発信機の回転ヘッドのレベリングを行う傾き調整信号の決定工程についての、上位概要図である。

【図10】図１０は、八点近似アルゴリズムを用いてレーザ発信機の回転ヘッドのレベリングを行う傾き調整信号の決定工程についての、上位概要図である。

【図11】図１１は、本発明の概念を実施するためのコンピュータの、上位概略ブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

図１に、１つまたは複数の実施形態によるレーザ測定システム１００を示す。レーザ測定システム１００は、レーザ発信機１０２と、レーザ受信機１０４を備える。図１に例示するように、レーザ受信機１０４は、測量ポール１０６に設けられるように構成されている。しかしながら、レーザ受信機１０４について多様な構成が考えられることは理解されるであろう。例えば、レーザ受信機１０４は、建設機器（例えば、掘削機、ダンプトラック、ブルドーザなど）に設けられるように構成されてもよく、手持ち式の装置であってもよい。なお、レーザ測定システム１００は、レーザ発信機１０２から受信したレーザビームに基づいて各レーザ受信機１０４の位置及び方向情報を計算するために、任意の数のレーザ受信機を含んでもよいことは理解されよう。

【0013】

レーザ発信機１０２は、三脚１０８またはその他の任意の基部（例えば、測量用ポール、建設機器など）に搭載された回転ヘッド１１０を備え、回転ヘッド１１０は該三脚１０８または基部において回転する。レーザ発信機１０２は、レーザ受信機１０４に向けて一定速度での回転照射によりレーザ信号１１２を投射する。一実施形態において、レーザ信号１１２は、２００７年３月２７日発行の米国特許第７、１９６、３０２号に記載される（その開示内容全体をここに参照により援用する）ように、Ｎ字形ビームである。しかし、レーザビーム１１２は、好適であれば任意のレーザビーム（例えば、Ｉ字型ビーム）であってもよい。一実施形態において、レーザ発信機１０２は、後述する図２に示すレーザ発信機２００である。

【0014】

レーザ受信機１０４の位置測定値は、レーザ発信機１０２が送信し、レーザ受信機１０４が受信したレーザ信号に基づいて測定される。しかし、レーザ受信機１０４の精確な位置測定値をレーザ測定システム１００が提供するためには、レーザ発信機１０２の回転ヘッド１１０がレベリングされてなければならない。回転ヘッド１１０は、回転ヘッド１１０の回転軸が重力のベクトルと略平行であるときに水平とされる。本発明の実施形態によれば、レーザ発信機１０２の回転ヘッド１１０は加速度計を備えて構成され、回転ヘッド１１０のレベリングは、加速度計が測定した加速度に基づいて傾き調整信号を決定し、１つまたは複数の傾き調整信号に基づいて回転ヘッド１１０の傾きを水平方向に調整することで行われる。

【0015】

本発明の実施形態は、２０１８年１２月４日に発行され、その開示内容全体が参照により本件に組み込まれている米国特許１０、１４５、６７１号に記載されているように、例えば、３Ｄレーザ発信機などのレーザ発信機のレベリングに適用することができ、また、Ｎ型ビームレーザ発信機に適用することができる。しかし、本発明の実施形態は、例えば、レーザシステムの基準面のレベリングや建築用の高精度な測鉛ツールなどのあらゆるタイプの回転システムのレベリングに適用可能である。

【0016】

図２は、１つまたは複数の実施形態によるレーザ発信機２００の詳細図である。一実施形態において、レーザ発信機２００は、図１のレーザ発信機１０２である。レーザ発信機２００は、例えば、三脚、測量用ポール、建設機器などに搭載された基部２０４上に搭載された回転ヘッド２０２を備えている。回転ヘッド２０２は、時計回り方向２１４（または、いくつかの実施形態では、反時計回り方向）に、回転軸２１２を中心にして回転する。回転ヘッド２０２が回転すると、１つまたは複数のレーザダイオード（図示せず）または他のレーザ源が、発信機レンズ２２４を介してレーザ信号を投射する。

【0017】

回転ヘッド２０２は、回転ヘッド２０２のレベリングを容易にするために加速度計２０６を備えている。加速度計２０６は、少なくとも１つの感知軸を有し、適切な最小サンプリング周波数及びノイズ密度を有する任意の適切な加速度計であってもよい。回転ヘッド２０２のレベリング精度は、以下の式（１）により推定することができる。

（１）

式中、Ｌ_ａｃｃはレベリング精度（ｍｋｒａｄ）、Ｎ_ｄは加速度計２０６のノイズ密度（

）、leveling_durationはレベリングの継続時間（秒）を示す。最小サンプリング周波数は、加速度センサ２０６加速度計２０６の出力帯域幅より少なくとも２倍以上大きいものであることが好ましい。加速度計２０６の出力帯域幅は、回転ヘッド２０２の回転率より大きいことが好ましい。好ましい一実施形態において、加速度計２０６の出力帯域幅は、回転ヘッド２０２の回転率より少なくとも２倍以上大きい。加速度計２０６は、回転ヘッド２０２上または回転ヘッド２０２内の任意の位置に配置されていてもよい。好ましい一実施形態では、加速度計２０６は、回転軸２１２のできるだけ近くに配置される。

【0018】

一実施形態では、加速度計２０６は、加速度計２０６が回転軸２１２を中心にして（例えば、回転照射中に回転ヘッド２０２により）回転する際に加速度計２０６の接線方向加速度を測定するように配向された感知軸２２８を有する単軸加速度計である。図２に例示するように、加速度計２０６は、円形経路２１８に沿って回転軸２１２を中心に（回転ヘッド２０２により）回転する。加速度計２０６は、その感知軸２２８が加速度計２０６の円形経路２１８の接線方向軸２０８と一致するように配向される。加速度計２０６の接線方向軸２０８は、回転軸２１２に対して垂直であり、また加速度計２０６の半径方向軸２１６に対して垂直である。半径方向軸２１６は、回転軸２１２と加速度計２０６の間に形成される軸であり、加速度計２０６の位置における円形経路２１８の半径に相当する。軸２０８、２１２、２１６は互いに直交し、直交３次元系を形成する。

【0019】

一実施形態では、加速度計２０６は、加速度計２０６の半径方向の加速度を測定するように配向された第１感知軸２３０、加速度計２０６の接線方向の加速度を測定するように配向された第２感知軸２２８、および加速度計２０６の重力方向の加速度を測定するように配向された第３感知軸２３２とを有する三軸加速度計である。よって、加速度計２０６は、第１感知軸２３０が半径方向軸２１６と一致し、第２感知軸２２８が接線方向軸２０８と一致し、第３感知軸２３２が回転軸２１２と平行の重心軸２２２と一致するように配向される。三軸加速度計の一例からの加速度信号の出力の例を図３のグラフ３００に例示し、その詳細は後述する。

【0020】

なお、加速度計２０６は、回転軸２１２と平行ではない少なくとも１本の感知軸を有する如何なる好適な加速度計であってもよい。上記加速度計２０６の少なくとも１本の感知軸が回転軸２１２と平行である場合、該少なくとも１つの加速度計はＤＣ（直流）成分のみを感知し、ＡＣ（交流）成分を感知しないので、セルフレベリングに使用することはできない。一例では、加速度計２０６は、慣性測定ユニットであってもよい。

【0021】

加速度計２０６は、接線方向軸２０８上の加速度を表す加速度信号（および、いくつかの実施形態では、半径方向加速度信号および／または重力方向加速度信号）を生成し、任意の適切なデータ伝送機構を用いてデータプロセッサ２２６に該加速度信号を送信する。データプロセッサ２２６は、例えば、図１１のコンピュータ１１０２のような任意の演算装置を用いて実装されてもよく、図２に示すように基部２０４内に一体化されていてもよく、または、回転ヘッド２０２内に一体化されていてもよい。データ伝送機構は、例えば、データプロセッサ２２６が基部２０４に一体化されている場合、加速度計２０６とデータプロセッサ２２６との間で加速度信号を伝送する構成であってもよい。また、データ伝送機構は、例えば、データプロセッサ２２６が回転ヘッド２０２に一体化されている場合、１つまたは複数のアクチュエータ２２０とデータプロセッサ２２６との間でアクチュエータ制御信号を伝送する構成であってもよい。データ伝送機構は、例えば、スリップリングを使用して実装された有線接続に基づいたものであってよい。上記構成に加えて、または、上記構成に代替して、データ伝送機構は、例えば、双方向に別々のシンプレックスチャンネルを用いた無線周波数（ＲＦ）送信または光学的送信を使用して実装された有線接続に基づいたものであってよい。また、他のデータ伝送機構を採用してもよい。

【0022】

データプロセッサ２２６は、加速度計２０６から加速度信号を受信し、回転ヘッド２０２の傾きを水平方向に調整するための傾き調整信号を生成し、傾き調整信号に基づいて回転ヘッド２０２の傾きを調整するための（例えば、２つの）アクチュエータ２２０に、傾き調整信号を出力する。データプロセッサ２２６は、加速度信号からあらゆる正弦波成分を除去し、それによって回転ヘッド２０２を水平にするように、傾き調整信号を決定する。回転ヘッド２０２が水平である場合、回転軸２１２は重力ベクトル２１０に平行である。一実施形態では、データプロセッサ２２６は、図５に示す方法５００により、回転ヘッド２０２をレベリングするための傾き調整信号を決定する。アクチュエータ２２０は、回転ヘッド２０２と基部２０４との間に結合されて、回転ヘッド２０２の傾きを２方向で調整する。一実施形態において、アクチュエータ２２０は、それぞれ、Ｘ方向とＹ方向における回転ヘッド２０２の傾きの調整を行う第１および第２アクチュエータを含んでいる。アクチュエータ２２０は、リードスクリューを有する１つまたは複数のステッピングモータ、または他の任意の適切なアクチュエータを含んでいてもよい。

【0023】

加速度計２０６は、任意の適切な電力伝送機構（図２には示されていない）を介して電力を供給される構成であってもよい。電力伝送機構は、例えば、スリップリングを使用して実装された有線接続に基づいたものであってよい。上記構成に加えて、または、上記構成に代替して、電力伝送機構は、例えば、回転ヘッド２０２および基部２０４に設けたアンテナを用いたＲＦ電力伝送、または基部２０４に搭載された発光ダイオード（ＬＥＤ）および回転ヘッド２０２に搭載されたフォトダイオードまたは太陽電池を用いてＬＥＤから光を集め、その光を電気に変換する光電力伝送を用いて実施される無線接続に基づいてもよい。また、他の電力伝送機構を採用してもよい。

【0024】

図３に、１つまたは複数の実施形態による、三軸加速度計により生成、出力された加速度信号を例示するグラフ３００を示す。グラフ３００の加速度信号は、時間（秒）に対する加速度（単位：ｍ／s^２）を表している。図３の説明は、図２を参照して行う。一実施形態において、グラフ３００の加速度信号は、レーザ発信機２００の回転ヘッド２０２に搭載された図２の加速度計２０６により出力されるものであってもよい。よって、加速度計２０６は、第１感知軸２３０が半径方向軸２１６と一致し、第２感知軸２２８が接線方向軸２０８と一致し、第３感知軸２３２が（回転軸２１２と平行の）重心軸２２２と一致するように配向される。クリッピングが発生しない限り、検出軸の多少のズレは許容される。後述する図４にクリッピングの例を示す。

【0025】

半径方向加速度信号３０２は、回転ヘッド２０２が水平でない時に第１感知軸２３０によって半径方向軸２１６に沿って測定された半径方向加速度を表し、半径方向加速度信号３０４は、回転ヘッド２０２が水平の時に第１感知軸２３０によって半径方向軸２１６に沿って測定された半径方向加速度を表している。接線方向加速度信号３０６は、回転ヘッド２０２が水平でない時に第２感知軸２２８によって接線方向軸２０８に沿って測定された接線方向加速度を示し、接線方向加速度信号３０８は、回転ヘッド２０２が水平の時に第２感知軸２２８によって接線方向軸２０８に沿って測定された接線方向加速度を示す。重力方向加速度信号３１０は、回転ヘッド２０２が水平でない時に第３感知軸２３２によって重力方向軸２２２に沿って測定された重力方向加速度を表し、重力方向加速度信号３１２は、回転ヘッド２０２が水平の時に第３感知軸２３２によって重力方向軸２２２に沿って測定された重力方向加速度を表している。

【0026】

グラフ３００に示すように、半径方向加速度信号３０２および３０４はａ=４π^２ｆ^２ｒのバイアスがかかっている。式中、ｆは回転の周波数（ヘルツ）、ｒは加速度計オフセット半径（メートル）である。接線方向加速度信号３０６および３０８にはバイアスがかかっていない。加速度信号３０２および３０６は、回転ヘッド２０２が水平方向にないので、正弦波となっている。重力方向加速度信号３１０および３１２は、重力による加速度を示し、回転ヘッド２０２が水平方向にあるか否かについて影響を受けない。

【0027】

回転ヘッド２０２が水平のとき、加速度計２０６は、半径方向加速度のバイアスａ=４π^２ｆ^２ｒ、接線方向加速度ゼロ、重力加速度にほぼ等しい加速度を出力する。実際には、加速度計２０６からの加速度信号にはノイズやドリフトオフセットがある場合がある。

【0028】

図４に、１つまたは複数の実施形態による、三軸加速度計により出力される加速度信号のクリッピング効果を示すグラフ４００を例示する。グラフ４００の加速度信号は、時間（秒）に対する加速度（単位：ｍ／ｓ^２）を表している。図４の説明は、図２を参照して行う。一実施形態において、グラフ４００の加速度信号は、図３に関して上記に説明したように搭載され、配向された図２の加速度計２０６により出力されたものであってもよい。

【0029】

半径方向加速度信号４０２は半径方向軸２１６に沿って測定された半径方向加速度を表し、接線方向加速度信号４０４は接線方向軸２０８に沿って測定された接線方向加速度を表し、重力加速度信号４０６は重力方向軸２２２に沿って測定された重力加速度を表している。図４に例示するように、半径方向加速度信号４０２は、加速度計２０６の出力範囲が所定の半径方向オフセットおよび所定の回転率に対して小さすぎるためにクリッピングを生じるので、ａ=４π^２ｆ^２ｒのバイアスは、出力範囲のエッジに対して信号をオフセットする。クリッピングの結果、加速度計２０６のデータ範囲の制約により、半径方向加速度信号４０２において、例えば重力加速度の１．５倍のところでフラットにカットオフされる。クリッピングが発生しない限り、特に接線方向加速度信号４０４における感知軸の多少のズレは許容される。

【0030】

図５に、１つまたは複数の実施形態によるレーザ発信機の回転ヘッドのレベリング方法５００を示す。方法５００は、図２を参照して説明する。一実施形態において、方法５００はデータプロセッサ２２６により実施される。

【0031】

ステップ５０２において、レーザ発信機２００の回転ヘッド２０２に搭載された加速度計２０６から加速度信号を受信する。一実施形態において、加速度信号は、加速度計２０６が回転軸２１２を中心にして回転する際に接線方向軸２０８に沿った加速度計２０６の感知軸２２８により測定された加速度計２０６の加速度を示す。他の一実施形態において、加速度信号は、加速度計２０６が回転軸２１２を中心にして回転する際に半径方向軸２１６に沿った加速度計２０６の感知軸２３０により測定された加速度計２０６の加速度を示す。他の一実施形態において、加速度信号は、接線方向軸２０８に沿った加速度計２０６の感知軸２２８により測定された加速度計２０６の加速度と、半径方向軸２１６に沿った加速度計２０６の感知軸２３０により測定された加速度計２０６の加速度との線型結合を示す。

【0032】

ステップ５０４において、水平方向への回転ヘッド２０２の傾きの調整のための１つまたは複数の傾き調整信号は、加速度信号に基づいて決定される。上記１つまたは複数の傾き調整信号は、加速度信号における正弦波成分を実質的に除去するように加速度信号回転ヘッド２０２を２方向において調整する。一実施形態において、第１方向（例えば、Ｘ方向）における回転ヘッド２０２の傾きを調整するために第１傾き調整信号を生成し、第２方向（例えば、Ｙ方向）における回転ヘッド２０２の傾きを調整するために第２傾き調整信号を生成する。一実施形態において、例えばレーザ発信機２００がエンコーダを備えている場合、傾き調整信号は図６を参照して後述するように決定される。その他の一実施形態において、例えばレーザ発信機２００がエンコーダを備えていない場合、傾き調整信号は図８を参照して後述するように決定される。加速度信号が、半径方向軸２１６において感知軸２３０により測定された加速度を（少なくとも一部）示すように構成された一実施形態において、加速度信号のクリッピングを回避するために、加速度計２０６の出力範囲をａ=４π^２ｆ^２ｒより大きくするか、もしくは加速度計２０６を中心に十分近い位置に配置してバイアスが加速度計２０６の範囲内にあるようにしなければならない。

【0033】

ステップ５０６において、上記１つまたは複数の傾き調整信号に基づいて回転ヘッド２０２の傾きを調整する。第１アクチュエータは、第１傾き調整信号に基づいて第１方向における回転ヘッド２０２の傾きを調整し、第２アクチュエータは、第２傾き調整信号に基づいて第２方向における回転ヘッド２０２の傾きを調整して、回転ヘッド２０２を水平方向にする。

【0034】

図６に、１つまたは複数の実施形態により、レーザ発信機の回転ヘッドの傾きを調整して水平方向にするための傾き調整信号を決定する機能図６００を示す。図５のステップ５０４は、例えば、レーザ発信機がエンコーダを備えている場合、機能図６００に従って実施されてもよい。

【0035】

機能図６００において、レーザ発信機のエンコーダ６０４は、該レーザ発信機の回転ヘッドの角度位置を供給する。エンコーダ６０４は、例えば、アブソリュートまたはインクリメンタルロータリーエンコーダなど、任意の適切なエンコーダであってもよい。角度位置は、ｓｉｎ／ｃｏｓ変換部６０６によって、例えば、サインルックアップテーブルを使用する、もしくはｓｉｎ（Ｘ）とｃｏｓ（Ｘ）との関数（Ｘはラジアンまたは角度による角度位置）を直接算出することによって、ｓｉｎ信号とｃｏｓ信号に変換される。乗算部６０８および６１０は、それぞれ、加速度ａ_ｔ６０２にサインとコサインを乗算して周波数シフトを実行する。接線方向加速度ａ_ｔ６０２は、回転ヘッドに搭載された加速部から受信し、加速部が回転する際の加速部における加速度を表す。乗算部６０８および６１０の結果は、所定の期間にわたって、回転ヘッドの回転数（整数）に対してそれぞれ積算部６１２および６１４によって蓄積される。そして、以下のステップにおいて回転マトリクス(

)で出力を乗算することにより、ズレの角度αに積算部６１２および６１４の出力（例えば、２次元ベクトル）を回転させる。積算部６１２からの積分結果は、乗算部６１６及び６２０によってそれぞれｓｉｎ(α)およびｃｏｓ(α)により乗算され、積算部６１４からの積分結果は、乗算部６１８および６２２によってそれぞれｃｏｓ(α)及び－ｓｉｎ(α)により乗算され、式中αは１以上のアクチュエータとレーザ発信機のエンコーダ６０４の基準角度との間のずれの角度を示している。ずれの角度αについては、図７を参照して以下でさらに説明する。乗算部６１６および６１８の結果は加算部６２４で合成されて、回転ヘッドのＸ方向の傾きを調整するための傾き調整信号を生成し、アクチュエータ６２８に出力される。乗算部６２０および６２２の結果は加算部６２６で合成されて、回転ヘッドのＹ方向の傾きを調整するための傾き調整信号を生成し、アクチュエータ６３０に出力される。傾き調整信号により、加速度ａ_ｔ６０２の正弦波成分は一切除去される。アクチュエータ６２８および６３０は、それぞれ傾き調整信号に基づいてＸまたはＹ方向における回転ヘッドの傾きを調整し、レーザ発信機の回転ヘッドを水平にする。

【0036】

図７に、１つまたは複数の実施形態による、レーザ発信機の回転ヘッドの傾きを調整する１つまたは複数のアクチュエータの基準角度と、レーザ発信機のエンコーダの基準角度との間のズレの角度を示すグラフ７００を示す。エンコーダの基準角度（ゼロ）は線７０２で表され、ｃｏｓ線に相当する。エンコーダの基準角度（ゼロ）は＋ｘ軸で表される。ずれの角度α７０４は、＋ｘ軸と線７０２のなす角度として示されている。

【0037】

図８に、１つまたは複数の実施形態により、レーザ発信機の回転ヘッドの傾きを調整して水平方向にするための傾き調整信号を決定する機能図８００を示す。図５のステップ５０４は、例えば、レーザ発信機がエンコーダを備えている場合、機能図８００に従って実施されてもよい。

【0038】

ローカル発振部８０４は、おおよその回転率におけるｓｉｎ信号とｃｏｓ信号を出力し、ｓｉｎ信号とｃｏｓ信号はそれぞれ乗算部８０６、８０８により加速度ａ_ｔ８０２（例えば、接線方向加速度や半径方向加速度など）で乗算される。加速度ａ_ｔ８０２は、回転ヘッドに搭載された加速部から受信されるものであり、加速部が回転する際の加速部における加速度を示す。乗算部８０６および８０８の結果は、それぞれ、実際の回転率と近似回転率の差より大きな帯域幅を持つローパスフィルタ８１０および８１４と、二乗関数８１２、８１６とで処理され、加算部８１８で合成される。最小検索論理ブロック８２０は、加算部８１８の結果から、Ｘ方向とＹ方向における回転ヘッドの傾きを調整するための傾き調整信号を決定し、そして傾き調整信号は、アクチュエータ８２２および８２４に出力され、それぞれ、接線方向加速度ａ_ｔ８０２の正弦波成分を除去するようにしてＸ方向とＹ方向における回転ヘッドの傾きを水平方向に調整する。最小検索論理ブロック８２０は、接線方向加速度ａ_ｔ８０２のあらゆる正弦波成分を実質的に除去する傾き調整信号を決定する。一実施形態では、最小検索論理ブロック８２０は、接線方向加速度ａ_ｔ８０２の振幅を最小化するアルゴリズム（例えば、最小検索アルゴリズム）を適用するように実装されていてもよい。最小検索アルゴリズムの例としては、それぞれ図９および図１０を参照して以下で説明するように、勾配降下アルゴリズムまたは八点近似アルゴリズムなどが挙げられる。

【0039】

図９に、１つまたは複数の実施形態による、勾配降下アルゴリズムを用いたレーザ発信機の回転ヘッドを水平方向にするための傾き調整信号の決定に関する上位概要図９００を示す。勾配降下アルゴリズムは、加速度信号（例えば、接線方向または半径方向の加速度信号）の最小振幅を得るように、傾き調整信号を求める。初期点（ｘ、ｙ）９０２（例えば、加算部８１８の出力として求められる点）を起点として、（ｘ、ｙ）９０２における加速度信号の振幅ａ_０、点（ｘ＋ｄｘ、ｙ）９０８における振幅ａ_ｄｘ、および点（ｘ、ｙ＋ｄｙ）９１０における振幅ａ_ｄｙを測定する。初期ステップｄｘとｄｙは、任意に選択されてもよく、あるいはアクチュエータの調整の全範囲に基づいて、例えば全範囲の１０％または５％と選択されてもよい。勾配を

にて算出し、初期点（ｘ、ｙ）９０２を勾配の方向に点９０４まで移動させる。このプロセスを繰り返して、点９０６における接線方向加速度の最小振幅を求める。

【0040】

図１０に、１つまたは複数の実施形態による、八点近似アルゴリズムを用いたレーザ発信機の回転ヘッドを水平方向にするための傾き調整信号の決定に関する上位概要図１０００を示す。八点近似アルゴリズムは、接線方向加速度の最小振幅を得るように、傾き調整信号を求める。初期点（ｘ、ｙ）（例えば、加算部８１８の出力として求められる点）を起点として、任意のｄｘおよびｄｙ（ｄｘはｄｙと等しくてもよい）を決定する（例えば、全アクチュエータ範囲の５％）。接線方向加速度の振幅をＡ_１（ｘ＋ｄｘ、ｙ－ｄｙ）、Ａ_２（ｘ、ｙ－ｄｙ）、Ａ_３（ｘ－ｄｘ、ｙ－ｄｙ）、Ａ_４（ｘ－ｄｘ、ｙｙ）、Ａ_５（ｘ－ｄｘ、ｙ＋ｄｙ）、Ａ_６（ｘ、ｙ＋ｄｙ）、Ａ_７（ｘ＋ｄｘ、ｙ＋ｄｙ）、およびＡ_８（ｘ＋ｄｘ、ｙ）の八点において測定する。係数ｋはｋ=Ａ_１＋Ａ_３＋Ａ_５＋Ａ_７－Ａ_２－Ａ_４－Ａ_６－Ａ_８として算出される。ΔxおよびΔｙは、

および

として算出される。傾き調整信号は、レーザ発信機の回転ヘッドの水平な向きに対応する、（ｘ+Δｘ）および（ｙ+Δｙ）として求められる。

【0041】

本明細書に記載のシステム、装置、および方法は、デジタル回路を用いて、または公知のコンピュータプロセッサ、メモリユニット、記憶装置、コンピュータソフトウェアや他の構成要素を用いる１つまたは複数のコンピュータを用いて実現されてもよい。典型的には、コンピュータは、指令を実行するためのプロセッサと、指令およびデータを記憶するための１つまたは複数のメモリとを備えた構成であってもよい。また、コンピュータは、１つまたは複数の磁気ディスク、内部ハードディスクおよびリムーバブルディスク、光磁気ディスク、光ディスクなどの、１つまたは複数の大容量記憶装置を備えている構成であってもよく、１つまたは複数の大容量記憶装置に接続している構成であってもよい。

【0042】

本明細書に記載のシステム、装置、および方法は、プログラマブルプロセッサにより実行されるために、例えば、機械読み取り可能な非一時的記憶装置などの情報担体において有形に具現化されたコンピュータプログラム製品を用いて実施されてもよく、本明細書に記載の方法やワークフローにおける各ステップ（図５のステップまたは機能のうちの１つ以上を含む）は、そのようなプロセッサによって実行可能な１つまたは複数のコンピュータプログラムを用いて実施されてもよい。コンピュータプログラムは、任意の動作を行ったり、任意の結果を得たりするためにコンピュータにおいて直接的または間接的に使用することができる１組のコンピュータプログラム指令である。コンピュータプログラムは、コンパイラ型言語やインタープリタ型言語などの任意の方式のプログラミング言語で記載でき、スタンドアロンプログラムとして、またはモジュール、構成要素、サブルーチンや任意の演算環境での利用に適した他のユニットとしての方式などの任意の方式で展開できる。

【0043】

本明細書に記載のシステム、装置、および方法を実施するために使用できるコンピュータ１１０２の一例の上位概略ブロック図を図１１に示す。コンピュータ１１０２は、データ記憶装置１１１２とメモリ１１１０に操作可能に接続されたプロセッサ１１０４を備える。プロセッサ１１０４は、コンピュータ１１０２の動作全般を、該動作を定義するコンピュータプログラム命令を実行することにより、制御する。該コンピュータプログラム命令は、データ記憶装置１１１２または他のコンピュータ読み取り可能な記録媒体に保存されたものであってもよく、該コンピュータプログラム命令の実行が必要な際にメモリ１１１０にロードされてもよい。よって、図５の方法やワークフローにおけるステップは、メモリ１１１０および／またはデータ記憶装置１１１２に保存されているコンピュータプログラム命令により定義され、該コンピュータプログラム命令を実行するプロセッサ１１０４により制御されるものであってもよい。例えば、図５の方法やワークフローにおけるステップを実行するように当業者によりプログラムされたコンピュータ実行可能コードとして実施可能である。したがって、コンピュータプログラム指示を実行することにより、プロセッサ１１０４は、図５の方法やワークフローにおけるステップ、または機能を実行する。また、コンピュータ１１０４は、ネットワークを介して他の装置と通信するための１つまたは複数のネットワークインターフェース１１０６を備えている構成であってもよい。また、コンピュータ１１０２は、コンピュータ１１０２とのユーザインタラクションを可能にする１つまたは複数の入出力デバイス１１０８（例えば、ディスプレイ、キーボード、マウス、スピーカ、ボタン等）を備えた構成であってもよい。

【0044】

プロセッサ１１０４は、汎用マイクロプロセッサと専用マイクロプロセッサとの両方を含んでいてもよく、コンピュータ１１０２の唯一のプロセッサであっても、複数のプロセッサの１つであってもよい。プロセッサ１１０４は、例えば、１つまたは複数の中央処理装置（ＣＰＵ）を備えていてもよい。プロセッサ１１０４、データ記憶装置１１１２および／またはメモリ１１１０は、１つもしくは複数の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）および／または１つもしくは複数のフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）を含むか、これらによって補完されるか、またはこれらに内蔵されてもよい。

【0045】

データ記憶装置１１１２およびメモリ１１１０は、それぞれ、コンピュータ読み取り可能な、有体かつ非一次的な記憶媒体を備えている。データ記憶装置１１１２およびメモリ１１１０は、それぞれ、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）、スタティックランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）、ダブルデータレート同期型ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＤＲ ＲＡＭ）、または他のランダムアクセスのソリッドステートメモリ装置などの高速ランダムアクセスメモリを含んでいてもよく、内蔵ハードディスク、リムーバブルディスクなどの１つもしくは複数の磁気ディスク記憶装置、光磁気ディスク記憶装置、光ディスク記憶装置、フラッシュメモリ装置、消却・プログラム可能型読取専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、電気的消却・プログラム可能型読取専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）などの半導体メモリ装置、コンパクトディスク読取専用メモリ（ＣＤ－ＲＯＭ）、デジタル多用途ディスク読取専用メモリ（ＤＶＤ－ＲＯＭ）ディスクなどの不揮発性メモリ、またはその他の不揮発性ソリッドステート記憶装置を含んでいてもよい。

【0046】

入力／出力装置１１０８としては、プリンタ、スキャナ、表示画面などの周辺機器を備えていてもよい。例えば、入力／出力装置１１０８は、ユーザに情報を表示する陰極線管（ＣＲＴ）または液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）モニタ、およびそれによりユーザがコンピュータ１１０２に入力を行うことができるキーボードやマウスやトラックボールなどのポインティングディバイスを備えていてもよい。

【0047】

図２のデータプロセッサ装置２２６の構成要素を含む、本明細書に記載のシステムおよび装置のいずれかまたはすべてを、コンピュータ１１０２などの１つまたは複数のコンピュータを用いて実施してもよい。

【0048】

当業者は、実際のコンピュータやコンピュータシステムの実施は、その他の構成を有していたり、その他の構成要素を含んでいてもよく、図１１は、例示を目的としてそのようなコンピュータの構成要素のうち、いくつかの構成要素を上位表示したものであることを理解するであろう。

【0049】

上記の詳細な説明は、あらゆる点で、説明と例示のためのものであり、本発明を限定するものではなく、また、本明細書に開示されている本発明の範囲は、詳細な説明から判断されるべきものではなく、特許法により許容される最も広い範囲に従って解釈される請求項の範囲から判断されるべきものである。本明細書に記載かつ示された実施形態は、本発明の原理を例示するものにすぎず、本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく当業者が種々の変更を実施し得ることを理解されたい。当業者であれば、本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく、様々な他の特徴の組み合わせを実施することが可能であろう。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】