JP2017194397A

JP2017194397A - 超音波モータの制御方法及びそのための測量機

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Publication number: JP2017194397A
Application number: JP2016085770A
Authority: JP
Inventors: 熊谷　薫; Kaoru Kumagai; 薫熊谷; 聡弥延; Satoshi Yanobe
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 2016-04-22
Filing date: 2016-04-22
Publication date: 2017-10-26
Anticipated expiration: 2036-04-22
Also published as: US9979324B2; EP3236578B1; EP3236578A1; US20170310248A1; JP6672055B2

Abstract

【課題】回転軸に超音波モータを採用した測量機において、回転速度や複数の動作モードに応じて駆動信号を設定し、それぞれの要求を満たすための超音波モータの制御方法及びそのための測量機を提供する。【解決手段】回転軸の回転速度が零から第１回転速度Ｖ１までは、前記駆動信号を制御周期内で印加及び停止する矩形波を作る第１駆動信号Ｓ１で制御し、前記第１回転速度Ｖ１から第２回転速度Ｖ２までは、前記矩形波の立ち上がり又は立下りに勾配が付いた第２駆動信号Ｓ２で制御し、前記第２回転速度Ｖ２から第３回転速度Ｖ３までは、前記矩形波の立ち上がり及び立下りに勾配が付いた第３駆動信号Ｓ３で制御し、前記第３回転速度Ｖ３からは、前記駆動信号を連続的に印加する第４駆動信号Ｓ４で制御することを特徴とする。【選択図】図５

Description

本発明は、測量機の回転軸を駆動する超音波モータの制御方法及びそのための測量機に関する。

測量機、例えばトータルステーションは、測定点を視準する望遠鏡と、上記望遠鏡を鉛直方向に回転可能に支持する托架部と、上記托架部を水平方向に回転可能に支持する基盤部とを備えている。上記望遠鏡は鉛直回転軸に設けられた鉛直回転モータによって、上記托架部は水平回転軸に設けられた水平回転モータによって駆動される。特許文献１には、上記鉛直回転モータ及び水平回転モータに超音波モータを採用した測量機が開示されている。

また、測量機には、作業者が手動で視準を行うのに加えて、決められた測点位置まで自動で回転する自動視準モード、移動するターゲットを自動で追尾する自動追尾モードを備えるものも多い。

特開２０１４−１３７２９９号公報

自動視準モードでは、決められた測点位置まで高速回転することが望まれる。一方、自動追尾モードでは、作業者が持ち運ぶターゲットを追尾するので、５［°／ｓ］程度の低速回転を行う必要がある。手動視準モードでは、測点位置まで大きく回転させたのち細かく調整可能であることが望まれる。このように、測量機では、動作モードに応じて要求される制御が異なるという問題がある。

また、超音波モータは連続駆動での低速回転が困難であり、低速回転の時は、駆動信号を印加／停止する間欠駆動で速度を制御する。しかし、間欠駆動を行うと、駆動信号の立ち上がりと立ち下がりの時に異音が生じてしまう。従って、低速回転の時は、回転のスムーズさを考慮して信号波形を大きくするか、音を下げるために信号波形を小さくするか、トレードオフの関係に悩まなければならないという問題がある。

本発明は、前記問題を解決するため、回転軸に超音波モータを採用した測量機において、回転速度や複数の動作モードに応じて駆動信号を設定し、それぞれの要求を満たすための超音波モータの制御方法及びそのための測量機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の超音波モータの制御方法は、周波数可変の駆動信号を受けて測量機の回転軸を駆動する超音波モータの制御方法であって、前記回転軸の回転速度が零から第１回転速度までは、前記駆動信号を制御周期内で印加及び停止する矩形波を作る第１駆動信号で制御し、前記第１回転速度から第２回転速度までは、前記矩形波の立ち上がり又は立下りに勾配が付いた第２駆動信号で制御し、前記第２回転速度から第３回転速度までは、前記矩形波の立ち上がり及び立下りに勾配が付いた第３駆動信号で制御し、前記第３回転速度からは、前記駆動信号を連続的に印加する第４駆動信号で制御することを特徴とする。

上記態様において、前記測量機が有する複数の動作モードに対し、前記動作モード毎に、前記第１〜第４駆動信号の前記制御周期及び前記周波数と、前記第１〜第３駆動信号の前記駆動信号を印加する時間である加速期間と、前記第２〜第３駆動信号の前記勾配の値を設定することも好ましい。

上記態様において、前記動作モードのうち少なくとも一の動作モードでは、前記第１〜第４駆動信号による制御のうち少なくとも一の制御を省略することも好ましい。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の測量機は、前記回転速度が零から第１回転速度までは、前記駆動信号を制御周期内で印加及び停止する矩形波を作る第１駆動信号で制御し、前記第１回転速度から第２回転速度までは、前記矩形波の立ち上がり又は立下りに勾配が付いた第２駆動信号で制御し、前記第２回転速度から第３回転速度までは、前記矩形波の立ち上がり及び立下りに勾配が付いた第３駆動信号で制御し、前記第３回転速度からは、前記駆動信号を連続的に印加する第４駆動信号で制御する制御部と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、回転軸に超音波モータを採用した測量機において、回転速度や複数の動作モードに応じて駆動信号を設定することで、それぞれの要求を満たす超音波モータの制御方法及びそのための測量機を提供することができる。

本形態に係る測量機の概略縦断面図である。本形態に係る測量機の光学系の構成を示すブロック図である。本形態に係る超音波モータを含む部分の断面斜視図である。本形態に係る測量機の制御ブロック図である。本形態に係る超音波モータの制御イメージ図である。本形態に係る超音波モータの駆動信号の波形図であり、（ａ）は第１駆動信号の波形図、（ｂ）は第２駆動信号の波形図、（ｃ）は第３駆動信号の波形図、（ｄ）は第４駆動信号の波形図である。本形態に係る超音波モータの動作モード毎の値の設定例である。

次に、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は本形態に係る測量機の概略縦断面図である。符号１が測量機であり、測量機１は、整準部３の上に設けられた基盤部４と、基盤部４上を水平回転軸６周りに水平回転する托架部７と、托架部７に鉛直回転軸１１周りに鉛直回転する望遠鏡９と、を有する。托架部７には、制御部２３が収容されている。測量機１は、手動でターゲットを視準する手動視準モード、決められた測点位置まで自動で回転する自動視準モード、および移動するターゲットを自動で追尾する自動追尾モードの、三種類の動作モードを有する。

望遠鏡９には、自動視準のための測距光学系、自動追尾のための追尾光学系、および手動視準のための望遠鏡光学系が収容されている。図２は測量機１の光学系の構成を示すブロック図であり、上記光学系の構成の一例である。光源１１２は、測距光または追尾光として、例えば赤外光を発光するレーザダイオードである。光源１１２からの発光は、送光レンズ１１４を透過して反射鏡１１６に入射し、送光プリズム１１８に入射した後、平行ガラス１２０を介してターゲット１４４に向けて送光され、ターゲット１４４で反射する。反射光は、平行ガラス１２０、対物レンズ１２２を介してダイクロイックプリズム１２４に入射する。その一部は視準光として合焦レンズ１３６、正立プリズム１３８を透過して焦点板１４０で結像し、接眼レンズ１４２を介して、作業者の網膜に結像する。反射光の残りは、ビームスプリッタ１２６に入射し分岐される。分岐された一方の光は第１撮像素子１２８に入射し、分岐された他方の光は赤外光を除去する波長フィルタ１３０を透過後、第２撮像素子１３２に入射する。

第１撮像素子１２８および第２撮像素子１３２は、イメージセンサ、例えばＣＣＤセンサ、ＣＭＯＳセンサである。撮像素子１２８,１３２で撮られた画像は、画像処理装置１３４に送られ画像処理される。第１撮像素子１２８では光源１１２の赤外光を含む風景画像が撮影され、第２撮像素子１３２では光源１１２の赤外光を除いた風景画像が撮影される。画像処理装置１３４は、点灯画像に相当する第１撮像素子１２８の画像と消灯画像に相当する第２撮像素子１３２の画像の差分を求める。差分を取ることにより、ターゲット１４４の像の中心が求められる。画像処理装置１３４の結果は制御部２３に送られ、制御部２３は、ターゲット１４４の像の中心と望遠鏡の視軸中心からの隔たりが一定値以内に収まる位置をターゲット位置として検出し、自動視準および自動追尾を行う。なお、上記光学系には他の従来公知の構成が採用されてよく、特に上記光学系の各要素は当業者の知識に基づく改変が行われてよい。

図１に示すように、水平回転軸６の下端部には水平回転用の超音波モータ５が設けられ、上端部には水平角検出用のエンコーダ２１が設けられている。鉛直回転軸１１の一方の端部には鉛直回転用の超音波モータ１２が設けられ、他方の端部には鉛直角検出用のエンコーダ２２が設けられている。エンコーダ２１，２２は、回転円盤、スリット、発光ダイオード、イメージセンサを有するアブソリュートエンコーダである。この他、インクリメンタルエンコーダが用いられてもよい。

図３は図１の超音波モータ５を含む部分の断面斜視図である。超音波モータ５，１２の構成について、鉛直回転と水平回転の構成は同等であるので、主に水平回転の構成を用いて説明する。超音波モータ５は、ベース部３９から順に、振動を発生する圧電セラミック４２、振動を増幅させるステータ４３、ステータ４３と干渉するロータ４６、ロータ４６をステータ４３側へ押圧するウェーブワッシャ４８を、リング状に備える。圧電セラミック４２にはＳｉｎ電極とＣｏｓ電極が付されており、交互に駆動電圧が掛かることで圧電セラミック４２が超音波振動する。圧電セラミック４２が振動すると、ステータ４３に波状の進行波が形成され、ウェーブワッシャ４８の押圧による摩擦によってステータ４３とロータ４６が相対回転する。図１に示すように、水平側の超音波モータ５は、モータケース２５が基盤部４に固定され、ロータ４６はモータケース２５に固定されているので、ステータ４３が回転し、ベース部３９を介して水平回転軸６がステータ４３と一体に回転する。鉛直側の超音波モータ１２は、ステータ４３がモータケース２５に固定され、ロータ４６が回転し、鉛直回転軸１１がロータ４６と一体に回転する。

図４は測量機１の制御ブロック図である。鉛直回転と水平回転のブロック図は同等であるので、水平回転に関して示し、鉛直回転に関しては説明を省略する。測量機１は、制御部２３と、エンコーダ２１と、測距部６１と、追尾部６２と、クロック信号発振部６３と、駆動回路７３と、超音波モータ５を有する。

制御部２３は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を集積回路に実装したマイクロコントローラによって構成されている。制御部２３は、図示を略する外部パーソナルコンピュータからソフトウェアを変更可能である。制御部２３は、エンコーダ２１の角度信号から回転軸６の回転速度を逐次求める。また、超音波モータ５に対し駆動回路７３を介して駆動信号を出力する。そして、回転軸６の回転速度に応じて、駆動信号の波形を変更する。この駆動信号の波形については後に詳述する。

測距部６１は、制御部２３に制御されて、上記測距光学系を用いて測距光をターゲットに照射しその反射光からターゲットを捕捉して自動視準を行う。また、手動または自動視準が完了すると測距を行う。追尾部６２は、制御部２３に制御されて、上記追尾光学系を用いて追尾光をターゲットに照射してその反射光からターゲットを捕捉して、ターゲットが移動した場合は自動で追尾を行う。

駆動回路７３は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）７３１とアナログ回路７３２によって構成されている。ＦＰＧＡ７３１は制御部２３もしくは図示を略する外部機器によって内部論理回路を定義変更可能である。ＦＰＧＡ７３１は、可変の駆動周波数（駆動信号の周波数）及び可変の振幅で制御信号を発生させることができ、上記駆動周波数及び上記振幅を動的に変化させることができる。アナログ回路７３２は、トランス等で構成されており、上記制御信号を増幅させる。駆動回路７３は、制御部２３からの指令を受けて、ＦＰＧＡ７３１から上記制御信号を出力し、アナログ回路７３２で増幅して二種類の位相の異なる駆動信号を生成し、超音波モータ５の圧電セラミック４２に付されているＳｉｎ電極とＣｏｓ電極に対して出力する。なお、駆動回路７３は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などの他のＰＬＤ（Programmable Logic Device）が用いられてもよい。

クロック信号発振部６３は、クロック信号を制御部２３及びＦＰＧＡ７３１に出力する。制御部２３は、クロック信号に基づき、エンコーダ２１の発光周期を制御する。ＦＰＧＡ７３１は、クロック信号に基づき、駆動信号の振幅，駆動周波数，制御周期の制御と、低速回転域では制御周期内の加速期間（駆動信号を印加する時間）と減速期間（駆動信号を停止する時間）の比率を制御する。なお、本明細書にて、低速回転域とは超音波モータが連続駆動で回転しなくなる速度域のことを意味する。この低速回転域は、超音波モータの製造状態により個々に異なるため、採用する超音波モータの特性を調べることで予め制御部２３に定義しておく。

図５は本形態に係る超音波モータ５の制御イメージ図である。なお、以降も鉛直回転に関する記載を省略するが、水平回転と同様の制御が行われる。

図５の横軸は回転軸６の回転速度Ｖである。回転速度零からしばらくは、ステータ４３とロータ４６間の静止摩擦に打ち勝つのに十分な動力が必要である。そのため、回転速度零（Ｖ０）からある第１回転速度（Ｖ１）までは、駆動信号の波形は矩形波としたほうが、動き出しがスムーズである。従って、この区間は助走区間と位置づけて、助走区間の駆動信号は矩形波とする（第１駆動信号Ｓ１）。

次に、第１回転速度Ｖ１以上となると、動き出しに成功したので、動き出しを維持しつつ、今度は音の問題に対処する必要がある。超音波モータ５は、駆動信号の立ち上がりと立ち下がりの時に異音が生じる。そのため、第１回転速度Ｖ１から第２回転速度Ｖ２までは、上記矩形波の立ち上がりか立ち下がりのどちらかに勾配を付けることで、動き出しの維持と音の問題の両方に対処する。この区間は微動区間と位置づけて、微動区間の駆動信号は片勾配の矩形波または三角波とする（第２駆動信号Ｓ２）。

次に、第２回転速度Ｖ２以上となると、既に動き出しているので、音の問題を重視するのが好ましい。そのため、第２回転速度Ｖ２から第３回転速度Ｖ３までは、上記矩形波の立ち上がりと立ち下がりの両方に勾配を付けて、音鳴りを低減させる。この区間は間欠区間と位置づけ、間欠区間の駆動信号は両勾配の矩形波又は三角波とする（第３駆動信号Ｓ３）。

最後に、第３回転速度Ｖ３以上となると、超音波モータ５は低速回転域を抜け出す。そのため、第３回転速度Ｖ３以上では、間欠駆動を止め、駆動信号を連続で印加する。この区間は連続区間と呼び、連続区間の駆動信号は一定とする（第４駆動信号Ｓ４）。

上記の第１回転速度Ｖ１、第２回転速度Ｖ２、および第３回転速度Ｖ３の値は、採用する超音波モータの個体特性に応じて予め制御部２３に設定しておく。なお、本明細書において「第１回転速度Ｖ１から第２回転速度Ｖ２まで」と言うときは、「第１回転速度Ｖ１以上第２回転速度Ｖ２未満」を意味するものとする。

図６は、上記の各区間における超音波モータ５の駆動信号の波形図であり、（ａ）は第１駆動信号Ｓ１の波形図、（ｂ）は第２駆動信号Ｓ２の波形図、（ｃ）は第３駆動信号Ｓ３の波形図、（ｄ）は第４駆動信号Ｓ４の波形図である。いずれも、横軸が時間（ｔ）、縦軸は駆動信号の振幅である。図６における、符号ＷＴが制御周期、符号ＲＴが信号の立ち上がり勾配（上り勾配）を付ける時間、符号ＦＴが信号の立ち下がり勾配（下り勾配）を付ける時間、符号ＯＴが低速回転域において駆動信号を印加する加速時間（加速期間）を示す。なお、上り勾配ＲＴ及び下り勾配ＦＴは、図示のような一次関数的な直線に限らず、曲線的な勾配であってもよい。

このように、回転軸６の回転速度Ｖに応じて、駆動信号の波形を、第１駆動信号Ｓ１、第２駆動信号Ｓ２、第３駆動信号Ｓ３、または第４駆動信号Ｓ４に変更することで、回転速度Ｖに応じて生じる要求を満たす制御を行うことができる。

特に、本形態では、低速回転域（第３回転速度Ｖ３未満）を、助走区間、微動区間、間欠区間の三段階に分けたことで、超音波モータ５の回転のスムーズさと異音の低減の問題に対し、回転速度に応じた適切な対処を行うことができる。

次に、図７は超音波モータ５の動作モード毎の値の設定例である。制御部２３には、手動視準モード、自動視準モード、自動追尾モードの動作モード毎に、制御周期ＷＴ、上り勾配ＲＴ、下り勾配ＦＴ、加速期間ＯＴの値を予め設定しておく。制御部２３は、これら制御周期ＷＴ、上り勾配ＲＴ、下り勾配ＦＴ、加速期間ＯＴと駆動信号の振幅を一定とした上で、視準または追尾中の速度調整は駆動周波数ｆの増減によって行う。なお、駆動周波数ｆについても、動作モード毎に好適な値または好適な変化域（最小値、最大値）を設定するのも好ましい。

図７に例示したように、例えば、自動視準モードは高速制御するのに対し、自動追尾モードでは低速制御するため、追尾モードの制御周期ＷＴ（ａ［ｍｓ］）は自動追尾モードの制御周期ＷＴ（Ａ［ｍｓ］）より短く設定するのも好ましい（ａ＜Ａ）。これにより、自動視準モードでは音鳴りを低減でき、自動追尾モードではフィードバック応答を早めて追尾性能を上げることができる。また、手動視準モードは、自動視準モードよりも時間的な制約が多少緩和されるため、自動視準モードの制御周期ＷＴ（Ａ［ｍｓ］）よりも手動視準モードの制御周期ＷＴを長く設定し（２．５Ａ）、その分勾配を長く設定（１．２５Ａ）して音を緩和させるようにしてもよい。

また、手動視準モードは、測点位置まで大きく回転させた後細かく回転させるので、使用する速度域は、第１回転速度Ｖ１から第３回転速度Ｖ３までである。よって、低速回転用に第２駆動信号Ｓ２と高速回転用に第３駆動信号Ｓ３の波形を使用すれば好適な制御が行える。このように、動作モードによっては、全ての第１〜第４駆動信号を使用することなく、使用する回転速度と合致する区間の駆動信号のみを設定し、その他の区間の駆動信号については設定を省略してもよい。

このように、測量機１の備える動作モード毎に、駆動信号の制御周期ＷＴ、上り勾配ＲＴ、下り勾配ＦＴ、加速期間ＯＴ、駆動周波数ｆを設定することで、動作モードに応じて生じる要求を満たす制御を行うことができる。

次に、本形態の変形例について述べる。例えば、測量機１に、軸ブレを解消する動作モードを追加してもよい。超音波モータ５は、ステータ４３とロータ４６間の摩擦力により無通電時に高い保持力を有するので、モータ動作が止まると、回転軸６が軸振れした位置から元の位置に戻らないという不具合が生じることがある。これを解消するために、ターゲット位置の回転角まで到達した後に、超音波モータ５に、同等の回転量を与える一組の順方向の駆動信号と逆方向の駆動信号を出力して、回転軸６を軸振れした位置から元の位置に戻す動作モードを、測量機１に設けてもよい。この軸ブレ解消モードに対し、この動作モードに使用する速度域と合致する区間の駆動信号を設定し、その制御周期ＷＴ、上り勾配ＲＴ、下り勾配ＦＴ、加速期間ＯＴ、駆動周波数ｆを設定してもよい。

以上、本発明の好ましい実施の形態及び変形例を示したが、上記の実施の形態および変形例を当業者の知識に基づいて組み合わせることは可能であり、そのような改変は本発明の範囲に含まれる。

１測量機
５，１２超音波モータ
６，１１回転軸
２１,２２エンコーダ
２３制御部
Ｓ１第１駆動信号
Ｓ２第２駆動信号
Ｓ３第３駆動信号
Ｓ４第４駆動信号
ＷＴ制御周期
ＲＴ,ＦＴ勾配
ＯＴ加速期間
ｆ駆動周波数

Claims

周波数可変の駆動信号を受けて測量機の回転軸を駆動する超音波モータの制御方法であって、
前記回転軸の回転速度が零から第１回転速度までは、前記駆動信号を制御周期内で印加及び停止する矩形波を作る第１駆動信号で制御し、
前記第１回転速度から第２回転速度までは、前記矩形波の立ち上がり又は立下りに勾配が付いた第２駆動信号で制御し、
前記第２回転速度から第３回転速度までは、前記矩形波の立ち上がり及び立下りに勾配が付いた第３駆動信号で制御し、
前記第３回転速度からは、前記駆動信号を連続的に印加する第４駆動信号で制御することを特徴とする超音波モータの制御方法。
前記測量機が有する複数の動作モードに対し、前記動作モード毎に、前記第１〜第４駆動信号の前記制御周期及び前記周波数と、前記第１〜第３駆動信号の前記駆動信号を印加する時間である加速期間と、前記第２〜第３駆動信号の前記勾配の値を設定することを特徴とする請求項１に記載の超音波モータの制御方法。
前記動作モードのうち少なくとも一の動作モードでは、前記第１〜第４駆動信号による制御のうち少なくとも一の制御を省略することを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波モータの制御方法。
回転軸と、
周波数可変の駆動信号を受けて前記回転軸を駆動する超音波モータと、
前記回転軸の回転速度を検出するエンコーダと、
前記回転速度が零から第１回転速度までは、前記駆動信号を制御周期内で印加及び停止する矩形波を作る第１駆動信号で制御し、前記第１回転速度から第２回転速度までは、前記矩形波の立ち上がり又は立下りに勾配が付いた第２駆動信号で制御し、前記第２回転速度から第３回転速度までは、前記矩形波の立ち上がり及び立下りに勾配が付いた第３駆動信号で制御し、前記第３回転速度からは、前記駆動信号を連続的に印加する第４駆動信号で制御する制御部と、を有することを特徴とする測量機。