JP2008506965A - 圧電ドライブを備えた測地測定器 - Google Patents

Abstract

測地測定器
測地測定器（４）を位置決めするための固定デバイス（８）と、目標を測量するための光学ビーム進路を有する測定部品（７）とを備えた測地測定器（４）であって、測定部品（７）は、固定デバイス（８）に対して移動可能なアラインメント部品（５）の中に装着されるとともに、アラインメント部品（５）に対して移動可能になっており、少なくとも一つの圧電マイクロモータ（１ｂ，１ｃ）によって光学ビーム進路が変更される。

Description

本発明は、請求項１の前文に記載されているフィールド（field）用途に適した測地測定器に関する。

多くの測地測定器においては、例えば、光学ビーム進路（optical beam path）を統合する部品をアラインメントすること（aligning）により、又は目標（target）に焦点を合わせることにより、光学ビーム進路を変更しなければならない。この変更は正確でなければならず、また、動的な応用においては十分に迅速でなければならない。つまり、例えば大きな質量が動くような場合は、光学ビーム進路の正確で迅速な変更は困難となる。さらに、フィールド用途に適した測定器に求められる基本的な必要条件は、ドライブ（drive）が頑丈であること、低消費電力であること、広い温度範囲において操作信頼性が高いことである。

そのような測定器の例として、多くの測量業務に用いられる経緯儀（theodolites）や視距機（tachymeters）があり、これらは、例えば建造物の測量において、データ獲得又は確認が必要な場合に、統合された自動目標獲得デバイスや目標追跡デバイスと組み合わせられたり、或いは組み合わせられなかったりする。測定器のその他の例として、スキャニングモードにおいて、表面のトポグラフィーを三次元のポイントクラウド（point clouds）の形態で記録するスキャナシステムがある。

現在までに既知の解決法として、部品のスイベル（swivel）又は変位用のドライブを与えるサーボモータが用いられている。しかしながら、直列に連結されたドライブギアを有するサーボモータは、その機械的な配置のゆえに遊び（play）を生じ、この遊びは開ループ手順において高度に正確な位置決めを困難とし、その一方で、一旦達成された位置決めを保持するために上記ギア又は他の係止要素を必要としている。

電気モータを含む解決法は、実際に閉ループ手順で達成された位置決めの連続的な確認のゆえに、また、必要な構成要素を固定する必要があるゆえに、複雑になり、かつ大きなスペースを必要とする。そのうえ、電気モータとギアドライブの組み合わせでは、高い軸速度と、正確で遅い微細な照準又は位置決めとを両立させることができない。これは、概して、モータの有用な速度範囲は十分広くないからである。

静電ぐし（electrostatic combs）のようなドライブは、調節範囲が非常に狭い場合は有用かもしれない。圧電調節要素もまた、光学要素や測定軸を動かすためのドライブ部品として従来から知られている。しかしながら、これらのドライブでは、例えば１００分の数ミリメートル程度の非常に小さい一次元変位が得られるだけであるという不利があり、加えて、その変位を得るために大きな電気入力を必要とする。これで達成できる位置も、一時的に保持されるだけ、つまり、テンションがかかっている間だけである。

例えば、クリープ効果（creep effects）のゆえに、長時間にわたって位置は安定ではなく、適用した高電圧の正確な値に伴って変動する。０．５ｍｍまでの比較的大きな変位が得られるとはいえ、同様な基本的な不利が、積層された圧電素子を用いる場合に見られる。なぜなら、単に有限の一次元変位が得られる一方で、遊び（play）を伴わない直接的回転は不可能であるからである。

ＥＰ１３１４９６０の開示から、測定器のハウジング内で放射源を動かすために圧電素子が用いられているような測地測定器が既知である。しかしながら、使用可能な作動範囲は、圧電素子の変形により制限される。特に、例えば回転のために必要とされるようなエンドレスドライブという意味での、干渉されず、かつ制限されない動きは、圧電アクチュエータ、圧電調節素子、又は静電デバイスでは実現できない。

また、ＵＳ２００２／１９８６３２には、従来のモータにより駆動されて水平に回転し、一つ又は幾つかの圧電材料で垂直方向に偏向するミラーが示されている。ここでは、調節素子によって小さな調節範囲を横切る動きが得られている。

また、ＥＰ０３９０１８０には、レーザージャイロスコープにおける光ビームの位置を測定するデバイスの光ブロックが示されている。このブロックは圧電素子により振動する。さらに、圧電素子によりミラーが僅かに再調節される。この調節素子はモータとしても示されている。この機器においても、圧電素子が用いられており、応用面や機械的仕様面において、その特定的な不利はまぬがれない。

また、ＵＳ４５８５９６９には、回転運動を起こさせるための圧電素子を用いた回転ドライブが示されている。ここでは、圧電素子の膨張運動から回転運動を生じさせるために、より複雑な機構が用いられている。ここで得られたモータが非常に正確な位置決めを可能にしており、したがってチップの製造や測定機器に使用できると記されている。しかしながら、これは、複雑な配置のゆえに、特に高速性が得られず、強健な測地用途には複雑過ぎ、フィールド用途には適していない。

したがって、以上に述べたような従来の解決法は、多くの場合、特定の応用の故に、それらの素子の制限、例えば、小さな調節範囲が特段の不利を生じさせない場合において、構成部品を動かすために個々の圧電調節素子をそれぞれにおいて用いるということである。また、従来の解決法は、フィールド用途で発生する制限に対応するためには用いられない。

機械モータを圧電調節素子と組み合わせて、例えば、適切な機械的配置により、サーボモータにより生じる変位を圧電調節素子の高度に正確な位置変化と結び付けても、問題は解決できない。上記のような組み合わせを行っても、得られた位置を保持するために、圧電素子のところで高電圧が保持されなければならないという不利はそのままである。そして、この高電圧の不正確さは、すぐに位置の変化を生じさせるので、これを調整するために電子調節のための入力が必要となる。そのうえ、フィールド用途に適合する機器に対しては、この調整に伴う高い電力消費がさらなる不利を招くことになる。

したがって、本発明の目的は、フィールド用途に適合し、そのドライブ構成部品（drive components）が複雑でなく、部品点数が小さくて、全体のサイズが小さい測地測定器を提供することである。また、個々の構成部品及び測定器全体の反応が高速度である測地測定器を提供することである。さらに、直接的な位置決め、あるいは、位置決め又は照準プロセスにおいて少ない運動数を可能とする測地測定器を提供することである。さらに、簡単化された又は改良された手動アラインメント性を可能とする測地測定器を提供することである。

上記の目的は、請求項１やその従属請求項に記載された解決法によって達成される。

本発明によれば、測地測定器は、フィールド用途のために圧電マイクロモータが使用できるようにデザインされている。そのような圧電マイクロモータにおいては、空間中で作動して接触要素（contact elements）を有する圧電振動子が、適切なベアリング表面上で作動する駆動要素として在り、これにより、圧電振動子とベアリング表面が適切に調和した時に最適化された運動を可能とする。空間的な振動運動が、調和された配置と圧電材料の配索により生じ、その一方で、適切な制御によりベアリング表面上で作動している接触素子が誘導されて推進運動、例えば楕円形状の運動を行う。

多層構造を有する圧電モータは、ＷＯ００／７４１５３から既知である。圧電材料がそれらの間に置かれている電極の配置により、例えばセラミックピンのような接触素子の運動を導き、動かされるべき本体の運動を間接的に導く振動が誘起される。ここで、セラミックピンは、ベアリング表面としてデザインされた接触面を介して、該本体を駆動する。

ＷＯ９８／５３５０９は、エッジと平面をもつ圧電プレートを介してシャフトを直接駆動する圧電マイクロモータを示している。ここで、プレートの表面は、シャフトと調和するようにデザインされており、プレートの表面とシャフトに結合が起こって、圧電プレートの運動がシャフトへ伝達されてシャフトが回転するようになっている。ここでは、数個のマイクロモータが、一つの共通のシャフトに対して作動するようにしてもよい。

ＷＯ００／２５３７０には、多方向モータが示されており、本体の回転方向の交代が、駆動圧電モータの傾斜により生じている。ＥＰ０７４１４２０には、曲面を有する素子を二つの直交軸の周りに回転させるデバイスが示されている。このデバイスは二対の圧電モータにより駆動される。

測定器のドライブにおいては、ベアリングの表面が測地機器の要請にしたがってデザインされていれば、上記のような振動圧電システムがマイクロモータとして使用できる。殆どの場合、測定器は、高速運動のモードと、最低速度を含む高度に正確な位置決めのモードとの両方を含んでいる必要がある。

マイクロモータとベアリング表面の独創的なデザインを用いることにより、同一の構造で、遊びがなく、外部の動きに影響されずに、毎秒数ナノメートルの範囲と毎秒数メートルの範囲との両方において、速度を実現することが可能であり、したがって、高度に正確な位置決めと迅速なスキャニングモーションが等しく可能となる。テンションがもはやかからなくなった時は、摩擦、すなわち力の係止によって位置が維持される。したがって、永久的な電力供給が必要でない。さらに、圧電振動子によって、圧電調節素子では不可能であったエンドレス回転ドライブが実現できる。また、従来のシステムと比べて、可動部分の数を減らすことができる。

本発明によれば、測地測定器において、圧電マイクロモータが、調節を必要とする構成部品を駆動する。ここで調節とは、特に、回転又は一次元変位のことである。該構成部品は、例えば、アラインメント（alignment）又は再アラインメント（realignment）、あるいは目標への合焦（focussing）を経て、測定に用いられるビーム進路を変更する。本発明によれば、前記構成部品は測地測定器をアラインメントする手段であり得るが、該構成部品はまた、例えば、折り曲げミラーやフィルタディスクなど、測定器内部のビーム進路の要素でもあり得る。シャフトへの直接的伝達によって運動（motion）を移動させる時だけでなく、とりわけ、接触要素とベアリング表面の組み合わせを用いる時においても、多くの構造や詳細デザインが可能である。

接触要素とベアリング表面の間の相互作用により線型運動が生まれ、加圧下で接触要素がベアリング表面と接触することにより推進が生まれる。接触要素とベアリング表面のこのカップリングにより、遊びのない運動を介して、直接的位置決めを生む推進力の伝達がなされる。この推進力と速度は、ソフトウェアを介して直接的に設計される。電力が供給されていない時、ベアリング表面を支持する要素は、接触要素により与えられる押圧力によって固定されるので、付加的なブレーキ又は固定要素は必要でない。

ある程度の最大力を超えた時、接触要素とベアリング表面の間で実現されるすべりクラッチは、依然としてスライディングを許容するので、測定器へのダメージや測定器の位置の変化が避けられる。例えば、三脚台により支持された測定器の迅速な手動によるアラインメントの際に起こり得る該三脚台のひずみが防止される。ここで、圧電ドライブは、運動を生じさせるための専用として用いられていない。むしろ、保持力が摩擦により与えられる最大値から非常に小さい値までに亘って変更されるように、圧電ドライブは電気的に制御される。これらの条件下において、軸の位置は不変である。

ドライブギアに基づいた従来の解決法とは対照的に、本発明によれば、測定器の構成要素の相互手動調節が上記すべりクラッチによって、特に、制御された保持力の変動との組み合わせによって、可能である。このことは、例えば、ユーザーが測定器を直接的に手動でアラインメントすることが可能であることを意味している。この手動によるアラインメントにより、保持力を減らすことにより明らかに手動モードが良い時に、測定業務の最初や最中において、迅速で、ユーザーに親しみやすい粗いアラインメントが可能となる。該構成部品の相互の位置を記録するためにエンコーダが使用された時に、どのようなゆがみの後でも、モータを経由した正確な位置決めが達成され、位置決めのための大きな変位が避けられる。

適切にデザインされた要素又はベアリング表面によって、スライディング推進が回転運動又は傾斜運動に変換される。湾曲したベアリング表面をデザインすることにより、相互的回転が必要とされる構成部品が動かされる。回転の二つの平面が交差する点に配置されたマイクロモータによって、例えば回転後に、回転の二つの該平面における運動が生ずる。例えば球形の表面又はデザインを用いることにより、ベアリング表面は、一つの、また幾つかの回転の平面を含む。

幾つかのマイクロモータを使用する場合は、それらに構成部品のうちの一つを関連づけて、該一つの構成部品に対して動かす部分の上にベアリング表面を与えることが好ましい。このようにして、マイクロモータのカプセル化と、ジョイント電力供給又は制御スキームが実現できる。駆動力を高めるために、幾つかのマイクロモータを直列に配置したり、互いに重ねたりしてもよい。

本発明において用いられる圧電マイクロモータは、意図した主たる応用の機能を発揮するべくデザインされた測定器の主な構成要素を動かすのに使用可能な、登坂可能な軸転システムとして役立つ。とりわけ、測定器の支持軸及び／又は傾斜軸の周りの運動が誘起される。ここで、幾つかの圧電マイクロモータを使用することには特段の有利性がある。なぜなら、本発明による幾つかの圧電マイクロモータの空間的な配置により、回転軸に対するベアリング力によって生じ、軸ベアリングから負荷を取り去ると消滅する力が得られるからである。

さらに、本発明の測地測定器は、静かな駆動という観点から、例えば協会など、騒音を嫌う環境において使用することが可能である。圧電マイクロモータによれば、微細な照準のために、非常に低い速度を用いることができる。つまり、高度に正確な位置決めが可能である。その小さい動質量のゆえに、測定器は高度に動的にデザインすることが可能であり、したがって、サンプリングプロセス又はスキャニングプロセスのために必要とされる高速度が実現される。このように、本発明の測定器は、目標追跡システム、レーザー追跡器、又はスキャナとしてデザインすることも可能である。

測定器の他の構成部品を考慮に入れて調節しないような場合、従来の解決法の実施態様に係る圧電マイクロモータは、フィールド用途から帰結される要請を含む測地目的の応用には適切でない。その物理的な理由として、圧電マイクロモータが適切に操作可能な温度範囲は、非常に狭い限界値を有しており、フィールド用途に適合する測定器が求める要請を満たさないので、使用できない。

本発明による配置においては、ドライブ性能の温度依存性が計算に入れられており、例えば、圧電素子の制御振動数（controlling frequency）を永続的にモニタリングし、かつ最適化している。その他の測定量を修正のための根拠とすることもできる。

動く構成部品にエンコーダなどの測定システムが設けられている場合、測定温度の関数として振動の基本値を選んでもよく、この値から出発して、最大の運動速度を見つけるまで振動数を少し変えてもよい。

速度を推定するためのエンコーダ又はこれに匹敵する機器がないシステムにおいては、制御振動数を変えている時に電流を測定して、電流と制御振動数の関係に基づいて適切な作動点を決定してもよい。

本発明において可能なことであるが、制御振動数の選択に対して、もっぱら測定温度に基づいて、上記の二つの方法は本質的な有利性をもたらす。常に存在する標本のばらつきと製造の許容差は、任意の温度において、相異なる個々のモータが異なる制御振動数を必要とするという効果をもつ。操作中は、マイクロモータの内部の圧電素子が暖められる。この暖まりは、モータハウジングの温度を介して、間接的に、かつある程度の遅延をもってしか求められない。しかしながら、振動数が再調節されない限り、いかなる温度変化も、すぐに出力の低下を招く。

上記の二つの方法は、連続的に制御振動数を再調節することにより、これらの問題を解決する。圧電マイクロモータの簡単な構造と測地測定器の独創的なデザインによって、メンテナンスの要らない又はメンテナンスを減らせる測定器の操作が可能になる。

以下に、本発明の測地測定器の好ましい実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。しかしながら、本発明はそのような実施形態に限定されない。

図１は圧電マイクロモータ１によるドライブの模式図である。ここには少なくとも一つの運動伝達接触素子２が含まれている一方、運動受け素子、本例ではベアリング表面３が接触素子２と相対している。運動受け素子は、接触素子２の運動を所望の運動に変換する。そのような運動受け素子の他の例としては、その中に接触素子２が係合して回転を生じるような偏心開口を有するディスクがある。

マイクロモータ１’は多くの部分マイクロモータ１ａから構成されてもよい。部分マイクロモータ１ａは、動かされる構成部品に対して、同様なアクションを生むように配置される。本例では、ベアリング表面３として、円形のセラミック表面を有するディスク形状の要素が、エンドレスドライブとして配置された三つの部分マイクロモータ１ａにより駆動される。そのような要素の回転により、例えば、動かされたり固定されたりする測定用構成部品の光学ビーム進路（optical beam path）をデザインしてもよい。マイクロモータ１により生まれる前方へのスラスト（thrust）はソフトウェアにより自由に構成可能である一方、ギアの遊びに起因する不正確さを補償する必要がない限りは、位置に関する直接的なアプローチも実現又は改良可能である。

マイクロモータ１又はその接触素子２によってベアリング表面３に作用される圧力は、さらなる構成部品、例えば圧電素子ＰＥにより変えることができる。押圧力を選択的に変化させることで、個々の構成部品の相互の調節が容易になる。別の応用として、不都合な角度位置において重量分布又は慣性モーメントがかなり非対称な時に、増大された押圧力を生じさせる応用がある。可変の押圧力により、小さな力を通常の範囲でかけることができる一方、不都合な位置においては、力を連続して増加させてもよい。このようにして、低い摩耗をさらに減少させることができる。

本実施形態に示されているように、より高いスラストを達成するように、少なくとも二つの圧電マイクロモータ１ａが、同様に作動するように、特にカスケード配置又はスタック配置により、スラスト方向へ配置される。しかしながら、基本的に本発明の測地測定器は、単に単一の圧電マイクロモータ１によって駆動されてもよい。

図２は、測地測定器において圧電マイクロモータを制御する回路ダイアグラムを示す。コントローラＣＯＮとドライバＤＲを介して、プロセッサＣＰＵが圧電マイクロモータ１を制御する。プロセッサＣＰＵがドライバＤＲを直接制御することにより、線型制御が確保される。マイクロモータ１により動かされる構成部品の現在の位置が、エンコーダＥＮＣ、例えばゴニオメータセンサによって捕捉される。

基本的に、構成部品の直接的な位置決めは、前方へのスラストの一次元的拡張の観点から可能であるけれども、上記のようなエンコーダＥＮＣを使用することが好ましい。なぜなら、すべりクラッチに起因するゆがみが起こり、これが保存されていた名目上の位置と真の現在位置との間にある相関を乱すからである。このように、エンコーダＥＮＣが構成部品の真の位置を連続的に確認し、遊びのない前方へのスラストの観点から、従来の解決法において必要とされていた数多くの微細補正をすることなく、直接的な位置決めが容易となる。

図３ａ，図３ｂは、本発明の測地測定器の第１実施形態としての経緯儀又はトータルステーションの模式図である。

図３ａにおいては、トータルステーションが、アラインメント部品５と測定部品７を有する測地測定器４として示されている。測定部品７は、そこを通って測量すべき目標へのビーム進路が定められる対物レンズ６を含む。アラインメント部品５は、不図示の装着台に対して、垂直支持軸の周りに回転可能である。アラインメント部品５内に測定部品７を支持することにより、測定部品７を水平傾斜軸の周りに動かすことができる。支持軸及び傾斜軸の周りに可動であることから、大きな空間的角度範囲をカバーすることができる。つまり、支持台を介して調整できるように測定部品７をデザインすることにより、周囲の空間を完全にカバーすることができる。

同じ測地測定器４に関して、図３ｂは模式的な単純化された図である。対物レンズ６を有する測定部品７は、軸９を介して、アラインメント部品５に対して回転可能となっている。軸９は、マイクロモータとしての測定モータ１ｂが相対する湾曲したベアリング表面３ａを有する。測定モータ１ｂは、ベアリング表面３ａに放射状に接触して、傾斜軸周りの回転を生じさせる。アラインメント部品５に対する測定部品７の現在位置はエンコーダＥＮＣによって取得される。

目標を測量するために用いられる放射線は、対物レンズ６を通して、又は対物レンズ６の光軸に平行な付加的なビーム進路を通して、放射可能である。ビーム進路には、レーザー放射線を放射する遠隔測定ユニット（telemetric unit）１０とこれに関連するミラー１１が含まれ、アラインメント部品５を動かすことにより、周囲がスキャンされるようになっている。支持軸の周りのアラインメント部品５の回転は、第２のマイクロモータ、すなわちアラインメントモータ１ｃによって生じる。アラインメントモータ１ｃは、装着台８内に配置された環状のベアリング表面３ｂに軸状に接触する。アラインメントモータ１ｃを使用することにより、アラインメント部品５を装着台８に対して回転させることができ、このような配置はエンドレスドライブとして機能する。

原則として、不図示のエンコーダもこの軸に割り当てられ、支持軸や傾斜軸に対する構成部品のアラインメントが記録され、正確に確認され得る。アラインメント部品５の律動性運動は、ベアリング表面３ｂ上の第２マイクロモータ１ｂの接触要素のすべりを生み、これにより、装着台８の位置は変動しない。このように、上記のような配置は、自発的又は望ましくない律動性運動に対して、アラインメント部品５と装着台８とを非連結とする。測定モータ１ｂとアラインメントモータ１ｃとの協働によって、ビーム進路が動かされ、アラインメントされて、かくして、二つの軸の周りに変更される。単一の構成部品の中にすべてのマイクロモータを配置する時は、構造的に有利な制御や電力供給が確保される。

図４は本発明の測地測定器４の第１実施形態に係る模式的な側面図である。この第１実施形態においては、測定部品７が対物レンズ６の反対側にある接眼レンズ１３を含み、これによって、使用者が直接的に見ることができる。他の記録システムやアラインメントシステムによっても本発明の実施形態を実現することができる。例として、カメラシステム、又は接眼レンズ１３なしのシステムなどが挙げられる。

遠隔測定ユニット１０は、ビーム分割器１６とミラー１１を介してレーザー放射線Ｓを目標に送るレーザー源１４を含む。目標で反射された後、放射線は戻って来て、ミラー１１とビーム分割器１６を介してセンサ１５へ導かれる。ミラー１１のアラインメントにより、レーザー放射線は、対物レンズ６を通ってビーム進路に平行な軸に沿って放射され、目標での反射後に受け取られる。しかしながら、本発明の別の実施形態においては、遠隔測定ユニット１０のすべてが測定部品７内に統合され、これにより、レーザー放射線Ｓが、対物レンズ６を経由して同軸に放射され、目標での反射後に受け取られるようにしてもよい。

本発明の測地測定器の第２実施形態が図５に模式的に示されている。第１実施形態と同様に、この測定器も、対物レンズ６を有する測定部品７’、軸９に固定されたミラー１１、装着台８、エンコーダＥＮＣと遠隔測定ユニット１０とを有するアラインメント部品５’を含む。ここで、測定部品７’は、軸９によって、アラインメント部品５’に対して回転可能になっている。第１実施形態と同様に、アラインメント部品５’は、アラインメントモータ１ｃと環状のベアリング表面３ｂによって、装着台８に対して移動可能となっている。しかしながら、この第２実施形態においては、測定モータ１ｂに相対する湾曲したベアリング表面３ｃは、軸９に取り付けられておらず、測定部品７’に直接的に配置されている。

ここで、ベアリング表面は３６０度の角度範囲をカバーしてもよいし、あるいは円形の部分のみをカバーしてもよい。この構造を用いることにより、二つのマイクロモータを互いに非常に接近させて配置することができ、これにより、コンパクト化が達成できる。湾曲したベアリング表面３ｃと環状のベアリング表面３ｂが、少なくとも部分的に逆になるように配置された場合は、旋回できるのであれば、単一のマイクロモータが両方のベアリング表面と接触するようにしてもよい。この場合は、測定モータ１ｂとアラインメントモータ１ｃの両機能を、１８０度に亘って旋回可能な単一のマイクロモータ中に組み合わせることができる。

図６は本発明の測地測定器の第３実施形態としてのスキャナの模式図である。レーザー源１４とビーム分割器１６を有する遠隔測定ユニット１０’において、レーザー放射線Ｓが発生して、傾斜ミラー面１１’を有する測定部品７’’へ導かれる。測定モータ１ｂとこれに相対するベアリング表面３ｄの組み合わせにより、傾斜ミラー面１１’又は測定部品７’’は、アラインメント部品５’’に対して、水平軸の周りを回転可能であり、これにより、基本的に３６０度の角度がサンプルできる。放射の方向又はミラー面の位置は、第１エンコーダＥＮＣ１によって検出される。

スキャンされている目標によって反射されて戻って来たレーザー放射線は、同じミラー面１１’を経由して受け取られ、ビーム分割器１６を経由してセンサ１５へ導かれる。アラインメントモータ１ｃとこれに相対するベアリング表面３ｅとの組み合わせにより、アラインメント部品５’’を、装着台８’に対して、支持軸の周りに回転させることができ、これにより、測定部品７’’とアラインメント部品５’’の組み合わされた運動により、空間の完全なスキャニングサンプリングが可能となる。装着台８’に対するアラインメント部品５’’の位置は、第２エンコーダＥＮＣ２によって検出される。本実施形態においては、二つのベアリング表面３ｄと３ｅが、放射状に接触したシリンダーエンベロープとして形成されている。その他の形状や接触方法を選択してもよい。このように、両方のベアリング表面が軸状に接触した環状の表面としてデザインされてよい。

図７ａ〜７ｃは本発明の測地測定器の第４実施形態に係る模式図であり、図７ａは側面図、図７ｂは正面図、図７ｃは背面図である。本実施形態においては、測定部品とアラインメント部品が、対物レンズ６’を含む、共通部品としての回転体１７中に統合されており、この共通部品は二つの軸の周りに可動となっている。

回転体１７のためのレセプタクル１８が装着台２０上に置かれ、この装着台２０とレセプタクル１８が、互いに固定されたり、互いに可動となるように据え付けられている。回転体１７は、調節素子１９により９０度に亘って回転可能な単一のマイクロモータ１ｄによって動かされ、あるいは不連続的又は連続的にスラスト方向が変えられる。前方へのスラストは、球面に湾曲したベアリング表面をもつ回転体１７の表面への接触により得られる。この構成により、閉じた部品における光学部品の良好なカプセル化が実現できる。

位置を変えることが可能で、かつ、スラスト方向への連続的な調節が可能なマイクロモータ１ｄのデザインにより、マイクロモータ１ｄは、常にスラスト方向に接するようにアラインメントでき、これにより、所望の運動方向における最適な前方スラストが得られる。第２圧電モータによる、モータのアラインメントにおけるそのような変化の例が、ＥＰ１１２７３８０に記載されている。運動の二つの直交する成分への分離や、二つの独立したモータによる生成を省略することができる。

回転体１７が球形である必要はない。本発明においては、球形の表面の一部、又は異なった種類の曲率をもつ表面、例えば、可変の曲率半径を有する表面でもよい。

図８ａ，図８ｂは、本発明の圧電マイクロモータによる光学要素のドライブの模式図である。これ以前の図において示された実施形態の補足又は代替案として、測定部品又はアラインメント部品内でそれを反映させることで、光学ビーム進路の変更が達成される。

図８ａは、例えば望遠鏡本体などのガイド体２３の中の合焦要素として支持された合焦スライド中の光学要素２１，例えばレンズを示しており、縦方向に可動となっている。調節モータ１ｅとしてのマイクロモータにより、光学要素２１がガイド体２３の一つの表面に押し付けられ、これにより、その位置が固定される。調節モータ１ｅの押圧力が、ガイド体２３内のスライディングベアリングを生起させている。ここで、ガイド体２３内の摩擦は、調節モータ１ｅのスラストよりも小さいことが必要である。調節モータ１ｅの接触素子は、ガイド溝として働く溝２２内の光学要素２１と接触し、これにより、光学要素２１が回転に対して固定して保持される。

合焦について、従来技術のシステムにおいては、ビーム進路内でシフトでき、レンズマウントに取り付けられたピンを介してガイドトラック（guide track）により動かされるレンズ素子を用いている。ガイドトラックは、回転可能に配置されたシリンダー内に螺旋としてデザインされている。ここでは、回転中心がレンズ系の中心と一致するように、システムがデザインされている。要求された位置忠実性を保証する高価なスプリングシステムが、中心の逸脱（deviations）を回避するために用いられている。さらに、経緯儀においては、大きな有用角度範囲のゆえに、極端な位置においては重力が補償される必要がある。

圧電システムの静電押圧力が固定機能を引き受けるようにデザインすることにより、圧電調節モータ１ｅにより達成される本発明のドライブが、上記のスプリングシステムに取って代わる。ガイドトラックの適切なデザインにより、合焦体（focussing body）のゆがみが防止される。このような構成により、遊びやデッドラン（dead run）やヒステリシスのないベアリングが実現され、これにより、迅速で直接的な位置決めが可能となり、しかも、永続性のある性能発揮が可能となる。そのうえ、従来の解決法において必要であった幾つかの構成部品を省略することができるので、本発明の測地測定器は、よりコンパクトで頑丈になる。

従来技術において、上記の回転シリンダーは直接駆動されるか、あるいはギアを介して駆動される。あるいは、ガイドピンも、歯の付いたラック又はスクリューで直接駆動される。これらの技術的解決法は、それらの構造に起因して、ある程度の遊びを必然的に伴うという共通した特徴を示す。この遊びに起因するヒステリシスが、合焦プロセスを妨害し、遅くする。

図８ｂに示されたベアリングは、調節モータ１ｅにより生起されるガイド体２３’内の光学要素２１’の運動に依存しているが、この系にはすべり摩擦が存在しておらず、反対側にあるシリンダー２４が押圧力を吸収している。したがって、この系の構造が、運動中にドライブにより克服されねばならない摩擦を低減することを可能にしている。すべての角度範囲において安全な機能を確保するために、固定のための更なる要素、例えば更なる反対側シリンダー又はスプリングなどの使用が必要の場合もある。

図９は本発明の測地測定器の第５実施形態に係る模式図である。ここでは、光学ビーム進路が、本発明の測地測定器の実施例である経緯儀の望遠鏡内において変更される。反射手段２８，２９と対物レンズ３０を経由して、光が、解析エレクトロニクス２５と共に共通の支持要素上に配置された放射源２６から目標３１へ放射される。目標３１で反射された後、光は対物レンズにより再捕捉され、二色性ミラー要素３２，反射手段２９，レンズ系３３を経由してレシーバ３４へ導かれ、信号処理される。レシーバ３４が受けた信号は、解析エレクトロニクス２５により処理されて、距離データが引き出される。

調整フラップ（calibrating flap）３６が、放射源２６により放射された光の一部を直接的にレシーバ３４へ偏向させる第１光学要素として、ビーム進路内に配置される。これにより、この測定器内における基準トラック（reference track）が実現される。通常の測定プロセスから基準測定を分離するために、解析エレクトロニクス２５により制御される第１圧電マイクロモータによって、調整フラップ３６がビーム進路内へ動かされる。第１圧電マイクロモータは第１調節モータ１ｅ’として働き、ジョイントを介して調整フラップ３６に接続されている押しロッド３７を駆動する。

信号処理手段は別として、経緯儀の望遠鏡は、目標３１で反射されて戻ってきた光を観測者又はカメラにとって有用なものとするための視覚光学部品（visual optics）を含む。この視覚光学部品としては、第２光学要素としての合焦部材２１’’と接眼部材３８が用いられる。そして、これらの視覚光学部品は、例えば反転プリズム３５など、数多くの構成部品を含んでいる場合がある。合焦部材２１’’は、第２調節モータ１ｅとして働く第２圧電マイクロモータによって、図８ａ又は図８ｂに示されたのと類似の仕方で動かされる。ここで、合焦部材２１’’を包む又は位置決めするガイド体は図中に示していない。第２調節モータ１ｅも解析エレクトロニクス２５により制御される。

解析エレクトロニクス２５により制御される第３調節モータ１ｅ’’として働く第３圧電マイクロモータが、第３光学要素として働くフィルタホイール（filter wheel）４０を動かすために用いられる。第３調節モータ１ｅ’’は、ドライブホイール（drive wheel）３９上の環状のベアリング表面に軸状に接触し、これにより、軸を介してフィルタホイール４０を動かしている。フィルタホイール４０は、例えば、至近距離で作動している時のレシーバ３４で起こるおそれのある高い強度を低減させるために用いられる。本発明においては、測地測定器におけるすべての光学要素が、個々に、あるいは組み合わされて実現されてもよい。その一方で、二つ又はそれ以上の光学要素が、一つの共通の調節モータによって動かされてもよい。

従来技術と比べた場合、本発明によるマイクロモータの応用が、ビーム進路を一時的又は永続的に変更する働きのあるフィルタフラップ又はその他の光学要素を固定する問題を解決するので、本発明における上記圧電マイクロモータの使用は本質的な有利性を備えている。従来は、例えばキャッチ（catch）などの構成的な方策が、この固定という目的のために設けられねばならなかった。

スカイフィルタ（sky filter）としてデザインされたフィルタディスクにより、ディスクの位置の関数としてフィルタ動作が変わる。したがって、一旦セットされたフィルタ位置を正確に維持することが非常に重要となる。戻り止め位置の数が非常に小さい場合は、しばしば、ステップモータの戻り止めトルクの使用があまりに不正確となる。三相モータを使用する場合は、高度の正確性が得られる。しかしながら、その場合は、連続的な電力供給の条件下でのみ、位置が保持されるという不利に甘んじなければならない。したがって、フィールド用途の測定器にこれを使用した場合は、バッテリの寿命が、圧電マイクロモータの上記のような応用におけるよりも短くなる。

代替的又は補足的な仕方で、光学ビーム進路を変更するための上記とは別の手段を互いに組み合わせることができることは言うまでもない。また、測地測定器の上記で説明した箇所以外の箇所にマイクロモータを配置することもできる。

本発明の圧電マイクロモータによるドライブの模式図である。 本発明の測地測定器における圧電マイクロモータを制御する回路ダイアグラムを示す図である。 本発明の測地測定器の第１実施形態としての経緯儀の模式図である。 本発明の測地測定器の第１実施形態に係る模式的な側面図である。 本発明の測地測定器の第２実施形態としての経緯儀の模式図である。 本発明の測地測定器の第３実施形態としてのスキャナの模式図である。 本発明の測地測定器の第４実施形態に係る模式図である。 本発明の圧電マイクロモータによる光学要素のドライブの模式図である。 本発明の測地測定器の第５実施形態に係る模式図である。

符号の説明

１，１’ 圧電マイクロモータ
１ａ 部分マイクロモータ
１ｂ マイクロモータ（測定モータ）
１ｃ アラインメントモータ
１ｄ マイクロモータ
１ｅ，１ｅ’，１ｅ’’ 調節モータ
２ 運動伝達接触素子
３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ ベアリング表面
４ 測地測定器
５，５’，５’’アラインメント部品
６，６’ 対物レンズ
７，７’，７’’ 測定部品
８，８’ 装着台
９ 軸
１０，１０’ 遠隔測定ユニット
１１，１１’ ミラー
１３ 接眼レンズ
１４ レーザー源
１５ センサ
１６ ビーム分割器
１７ 回転体
１８ レセプタクル
１９ 調節素子
２０ 装着台
２１，２１’，２１’’ 光学要素（合焦部材）
２２，２２’ 溝
２３，２３’ ガイド体
２４ シリンダー
２５ 解析エレクトロニクス
２６ 放射源
２８，２９ 反射手段
３０ 対物レンズ
３１ 目標
３２ 二色性ミラー要素
３３ レンズ系
３４ レシーバ
３５ 反転プリズム
３６ 調整フラップ
３７ 押しロッド
３８ 接眼部材
３９ ドライブホイール
４０ フィルタホイール
ＣＰＵ プロセッサ
ＣＯＮ コントローラ
ＤＲ ドライバ
ＥＮＣ，ＥＮＣ１，ＥＮＣ２ エンコーダ
ＰＥ 圧電素子

Claims (18)

1. 少なくとも
   測地測定器（４）を位置決めするための一つの装着台（８，８’）と、
   光学ビーム進路を目標（３１）の方へアラインメントするための測定部品（７，７’，７’’）と、
   を備えた測地測定器（４）、特に経緯儀であって、
   前記測定部品（７，７’，７’’）は、前記装着台（８，８’）に対して可動な、特に支持軸の周りに回転可能なアラインメント部品（５，５’，５’’）の中に支持されるとともに、該アラインメント部品（５，５’，５’’）に対して可動、特に傾斜軸の周りに可動であって、
   前記光学ビーム進路は、少なくとも一つの運動伝達接触素子（２）を有する少なくとも一つの圧電マイクロモータ（１，１’，１ａ−１ｅ，１ｅ’，１ｅ’’）によって変更され、該圧電マイクロモータは空間において振動するように操作され、少なくとも一つの運動受け素子、特にベアリング表面（３，３ａ−３ｅ）が前記接触素子（２）と相対することを特徴とする測地測定器（４）。
2. 前記接触素子（２）と少なくとも一つの前記運動受け素子との協働により、連続的な線型運動又は回転運動が生成されることを特徴とする請求項１記載の測地測定器（４）。
3. 前記マイクロモータ（１，１’，１ａ−１ｅ，１ｅ’，１ｅ’’）は、該マイクロモータ（１，１’，１ａ−１ｅ，１ｅ’，１ｅ’’）のスラスト又は戻り止め力が自由に設計されるように、前記測地測定器（４）の中のコンピュータにより制御されることを特徴とする請求項１又は２記載の測地測定器（４）。
4. 前記測地測定器（４）の中の前記コンピュータは、連続的に再調節可能な制御振動数を与えることを特徴とする請求項３記載の測地測定器（４）。
5. 前記コンピュータは、特に温度に依存する基本値から出発して最大の運動速度が見つかるまで、前記制御振動数を少し変えるか、あるいは、前記制御振動数を変えながら、時間の関数としての電流を測定して、この測定から前記制御振動数の最適作動値を決めることを特徴とする請求項４記載の測地測定器（４）。
6. 前記接触素子（２）と前記ベアリング表面（３，３ａ−３ｅ）がすべりクラッチを形成し、前記接触素子（２）と前記ベアリング表面（３，３ａ−３ｅ）が互いに可動となっていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちいずれか１項記載の測地測定器（４）。
7. 少なくとも一つの前記ベアリング表面（３，３ａ−３ｅ）が、前記装着台（８，８’）及び／又は前記測定部品（７，７’，７’’）に配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のうちいずれか１項記載の測地測定器（４）。
8. 前記装着台（８，８’）及び前記測定部品（７，７’，７’’）が、それぞれ、湾曲したベアリング表面（３，３ａ−３ｅ）又は環状のベアリング表面（３，３ａ−３ｅ）を有することを特徴とする請求項１乃至請求項７のうちいずれか１項記載の測地測定器（４）。
9. 前記光学ビーム進路を変更するために、前記アラインメント部品（５，５’，５’’）が、アラインメントモータ（１ｃ）としての前記マイクロモータにより移動可能となっている、及び／又は、前記測定部品（７，７’，７’’）が、測定モータ（１ｂ）としての前記マイクロモータ又は測定モータ（１ｂ）としての更なる圧電マイクロモータにより移動可能となっている、ことを特徴とする請求項１乃至請求項８のうちいずれか１項記載の測地測定器（４）。
10. 前記装着台（８）の前記ベアリング表面（３ｂ）が、前記アラインメントモータ（１ｃ）の相対する前記接触素子と軸状に接触し、前記測定部品（７，７’，７’’）の前記ベアリング表面（３ａ，３ｃ，３ｅ）が、前記測定モータ（１ｂ）の相対する前記接触素子と放射状に接触することを特徴とする請求項８又は９記載の測地測定器（４）。
11. 前記測定モータ（１ｂ）と前記アラインメントモータ（１ｃ）が、前記アラインメント部品（５，５’，５’’）内に配置されていることを特徴とする請求項９又は１０記載の測地測定器（４）。
12. 前記測定部品と前記アラインメント部品が共通部品（１７）としてデザインされており、該共通部品（１７）は、特に球面に湾曲したベアリング表面を介して、二つの軸の周りに可動となっていることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のうちいずれか１項記載の測地測定器（４）。
13. 前記マイクロモータにより又は調節モータ（１ｅ，１ｅ’，１ｅ’’）としての更なる圧電マイクロモータにより動かされる、特に、前記ビーム進路へシフトされる又は折り曲げられる、少なくとも一つの光学要素（２１，２１’）が、前記光学ビーム進路に対して割り当てられることを特徴とする請求項１乃至請求項１２のうちいずれか１項記載の測地測定器（４）。
14. 前記光学要素（２１，２１’，２１’’）はレンズを含むとともに、ガイド体（２３，２３’）に対して、特に縦方向に、変位可能に支持されており、前記調節モータ（１ｅ）は、前記光学要素（２１，２１’，２１’’）を、前記ガイド体（２３）に対して、及び／又は、一つ又は複数の反対側のシリンダー（２４）に対して、押圧することを特徴とする請求項１３記載の測地測定器（４）。
15. 前記光学要素が、前記調節モータ（１ｅ）に相対する溝形状のベアリング表面を含むことを特徴とする請求項１３又は１４記載の測地測定器（４）。
16. 前記光学要素が、測定トラックへ切り替えられる光学ビーム進路へ移動可能な調整フラップ（３６）であることを特徴とする請求項１３記載の測地測定器（４）。
17. 前記光学要素が、光学ビーム進路へ移動可能な光学フィルタ、特にフィルタホイールであることを特徴とする請求項１３記載の測地測定器（４）。
18. 部品としての前記マイクロモータが、特にカスケード配置又はスタック配置されてスラスト方向で同様に作動する少なくとも二つの部分圧電マイクロモータを含むことを特徴とする請求項１乃至請求項１７のうちいずれか１項記載の測地測定器（４）。

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