JP4268135B2 - 特に測量器についての位置制御装置及び測量器 - Google Patents

Description

本発明は、特に特許請求の範囲の請求項１の前段に定義されるような測量器についての位置制御装置に関するものであり、また特許請求の範囲の請求項８の前段に定義されるような測量器に関する。

測量器において、特にトータルステーションと呼ばれるものにおいては、水平軸及び垂直軸の周囲にあるその測量器内の可動ユニットを要求された軸の周りで回転させることにより、その可動ユニットを位置合わせすることが要求される。軸周りの回転は、通常、手動装置に対する手によるか、又は、自動的にある位置から他の位置へ移動させる自動化機器におけるギア装置に接続された電気モータ、例えばトラッキング装置を用いるかのどちらかによってギア装置を経て生み出される。そのようなギア装置は、その目的を果たすために非常に高い精度を必要とし、結果として高価である。また、厳しい精度要求を満たすため、ギア装置の先行搭載を必要とする。ギア装置内に生ずるバックラッシュ及び歪みのため、自動化機器では、十分な安定性とモータをコントロールするための精密なサーボループを得るためにモータと可動ユニットの両方に角度センサを設ける必要がある。

ギアが新しい位置への可動ユニットの手による強制的な移動をブロックするので、モータと可動ユニット間のギア装置の存在は、そのような移動を防止する。しかしながら、新しい位置への可動ユニットの手による強制的な移動を可能とするために、ギア装置と可動ユニットとの間にフリクションクラッチを備えることが一般的であり、そのためギア装置はそのままで可動ユニットが移動することが可能となる。

可動ユニットがモータで動かされる各軸にフリクションクラッチを用いることと同様にギア装置と２つの角度センサを用いることで、測量器は相対的に複雑化し、高価となる。それ故、これらの点において改良した設計が求められている。

測量器における可動ユニットの一般的な回転については、光学トランスミッタを提供する米国特許公開２００２／０００５９４４号公報を通じて先に公知となっており、ここではヘッド部が直接駆動電気モータを用いて垂直軸の周りを回転し、ヘッド部についての特定の回転位置で遠方の受光器へ光信号を照射する手段が存在する。しかしながら、この種の装置においては、特定の回転位置でヘッド部を停止する必要性又は目的が存在しない。また、ヘッド部の強制的な回転を可能にする必要性もない。

本発明の目的は、より簡単且つ製造においてより安価な改良された位置制御装置を提供することにある。本発明の別の目的は、操作を簡単にする一方、使用中高い精度を有する位置正誤装置を提供することにある。本発明のさらなる目的は、小スペースで済む装置を提供することにある。本発明のさらなる別の目的は、改良された測量器を提供することにある。

本発明によると、特許請求の範囲の請求項１に定義される制御装置が提供され、また請求項８で定義される測量器も提供される。

直接駆動電気モータを備えることにより、ギア装置に対する必要性が排除され、通常モード又はフリクションモードでモータを選択的に操作することを可能とすることで、可動ユニットの強制的回転を可能にするための従来のフリクションクラッチについての必要性も除去される。

可動ユニットを動かす外力の存在に応答して、モータの操作モードを自動的に切り替える手段を備えることにより、操作者は操作モードの選択を考慮しなくてもよいため、簡単な操作が可能となる。

さらなる実施態様において、フリクション制御ユニットがフリクションモードにおいて強制的な回転に対する抵抗の大きさをコントロールするために適合され、好ましくはそのフリクション制御ユニットは選択された値にその抵抗を制限するようにも構成される。この方法では、可動ユニットの位置を手動でシフトさせる場合に良い精度を得ることができる。

ギア装置の除去は、可動ユニットをある位置から他の位置へシフトさせる場合に、より静かでより素早い操作もまた提供する。

本発明のさらなる目的、特徴及び利点は、以下の好ましい実施態様の記載及び図面の参照によって明らかとなるであろう。

図１に、トータルステーションとして一般に参照されるタイプの測量器１の前面図を示す。レンズ３で表される、トータルステーションの光学装置を有する可動ユニット２は、両方向矢印６に示されるように、基本的に水平な軸５の周りでハウジング４に関して旋回可能な方法でハウジング４に支持される。ハウジング４は、両方向矢印１０に示されるように、基本的に垂直な軸９の周りでスタンド８に関して回転可能な方法でスタンド８に支持されるベース７を有する。そのため、二つの軸５及び９の周りで可動ユニット２を回転させることにより、意図された測量操作の実行を目的とする、如何なる望ましい位置にも可動ユニット２を向けることが可能である。軸５の周りでの可動ユニット２の移動に対して、ハウジング４にモータ装置１１が備えられ、また軸９の周りでのハウジング４及び可動ユニット２の移動に対して、スタンド８に同様なモータ装置１２が備えられる。二つのモータ装置１１、１２の各々は、それぞれの軸５及び９に関する位置制御装置に含まれ、また以下に説明される。測量器１は、従来の方法で、三脚又は同様の装置を通じて支持されるようになっている。

二つのモータ装置１１及び１２は、設計上同等であり、また簡単化のために、明瞭化のためにスタンド８の一部が省略されている図２を参照しつつ、モータ装置１２についてのみここでは開示する。モータのドライブシャフト１３は、スタンド８の上部側に固定されたベアリング１４で回転自在に支持され、ハウジング４のベース７を回転しないようにかみ合わせ、軸９の周りで可動ユニット２を間接的に回転させるために、ベース７をドライブシャフト１３を用いて回転させることを可能にする。スタンド８がモータのステータ１６を回転しないように支える一方で、ドライブシャフト１３はモータのロータ１５を回転しないように支える。

ドライブシャフト１３と、つまり間接的に可動ユニット２の回転位置を決定可能とするために、ステータ１６とロータ１５間の相対的位置を検出するように構成される位置検出装置１７を備える。示された実施態様において、位置検出装置１７は二つの検出ユニット１８、１９を有し、検出ユニット１８、１９はドライブシャフト１３を中心として正反対に配置される。これら二つの検出ユニット１８，１９は本質的に同じ設計のものである。各検出ユニットでは、ステータ１６に固定された発光器２０がドライブシャフトに固定された反射器２１の方へ断続的に光を照射し、そして反射器で光をステータ１６に固定されたセンサ２２の方へ反射する。反射器２１からセンサ２２への経路において、ドライブシャフト１３が回転するにつれてセンサ２２に生成されるべき特定の位置信号を生ずるパターンを備え、且つドライブシャフト１３に回転しないように固定された透過ディスク２３を光が透過する。高変化率な信号生成を用いることにより、高度な位置精度が位置検出装置１７によって得られる。

位置検出装置１７の精度向上を可能とするために、透過ディスク２３について互いに異なるパターンを備えた半径方向に異なる領域を反射光が通るよう、二つの検出ユニット１８、１９を、適切に配置することが可能である。

位置検出装置１７の二つの検出ユニット１８及び１９は、実質的にモータ装置１２内の閉環境に配置され、そのため良好に保護されることが図２より気が付かれるであろう。無論、検出ユニット１８、１９の配置、設計と同様にその数も希望によって変化させてもよい。

可動ユニット２についての好ましい位置を取得するために、モータ装置１１及び１２の制御に対して、二つのモータ装置のそれぞれに対して位置制御装置を備える。これらの位置制御装置は設計上同等であり、簡単化のためにモータ装置１２に関する位置制御装置についてのみ、以下で説明する。

図３は、モータ装置１２に関する、発明の位置制御装置３０をブロックダイアグラム形式で概略的に開示する。入力手段３１を備え、モータ装置１２によって操作される可動ユニット２に対して意図された位置及び姿勢についての情報を、入力手段３１を用いて位置制御装置１２が受信する。そのような意図された位置情報は、オペレータによる入力を通じて、例えばジョイスティック他の手段を通じて、若しくは測量システムの１以上のユニットにより自動的に、入力手段に対して提供され得る。例として、測量システムは、可動ユニットがターゲットを自動的に追尾することが可能なトラッキング装置を有してもよい。幾つかの他の同様なアプリケーションが従前より知られており、ここでさらに詳細を述べる必要は無い。通常操作では、入力手段３１からの信号はフィルタユニット３２へ送られ、そこから加算ユニット３３へ送られ、そこからモータ１２の電圧を制御するレギュレータ３４へ出力が送られる。電圧印加に応答して、モータ１２は可動ユニット２の移動を引き起こし（この場合、ハウジング４を通じて軸９の周りで）、そして同様に対応する位置検出装置１７に位置信号を生成させる。位置検出装置１７と加算ユニット３３との接続の間に、加算ユニット３３へ送られる位置信号の符号を変える符号変換ユニット３５を備える。この方法で、意図された回転位置へモータ１２を制御するための制御ループが提供される。フィルタユニット３２及び符号変換ユニット３５から加算ユニット３３で受信された信号間に差異のある限り、レギュレータ３４は信号を受信し、モータ１２は作動するが、一旦その差異がゼロになるとレギュレータ３４は何の信号も受信せず、モータは自動的に停止する。

また制御ユニット３６も備え、制御ユニット３６は、入力手段３１、位置検出装置１７及び加算ユニット３３から入力信号を受信する。これらの信号に基づいて制御ユニット３６は位置制御装置３０を上述したような通常モードで操作すべきか、以下に述べるフリクションモードで操作すべきかを決定する。このために、制御ユニット３６は、二つのスイッチ３８及び３９を有し、位置制御装置に含まれるスイッチ装置３７を制御する。スイッチ３８は入力手段３１とフィルタユニット３２の間に配置され、フィルタユニット３２を入力手段３１（通常モード、実線で示される）若しくは位置検出装置１７（フリクションモード、破線で示される）のどちらか一方と接続することができる。スイッチ３９はレギュレータ３４とモータ１２の間に配置され、モータ１２をレギュレータ３４（通常モード、実線で示される）若しくはフリクション制御ユニット４０を通じて符号変換ユニット３５（フリクションモード、破線で示される）のどちらか一方と接続することができる。

通常操作中に、オペレータが可動ユニット２を新しい姿勢または位置に素早くセットすることを望む場合、本発明によると、移動に対する抵抗を受けつつ、可動ユニット２をつかみ、望みの姿勢にそれを手動でスイングする。そのような方法で可動ユニット２をつかんでいる場合、位置検出装置１７は可動ユニット２の位置について大きく且つ素早い変化を検出する。これは加算ユニット３３で受信される信号間の大きな差異を生じ、この大きな差異は制御ユニット３６で検知され、ここで操作モードはもはや通常モードではないことが決定され、そしてスイッチ３８及び３９が実線で表される通常モードポジションから破線で表されるフリクションモードポジションへシフトするよう操る。結果として、フィルタユニット３２は、ここで可動ユニット２の実際の位置についての情報を取得するために、位置検出装置１７から直接的に入力信号を受信する。また、モータ１２はレギュレータ３４より、むしろフリクション制御ユニット４０に接続されるようになる。

可動ユニット２が受けている強制的な移動に応答して、フリクション制御ユニット４０は、モータ１２に強制的移動に抵抗するトルクを生じさせる。このトルクの大きさは、実行される移動の種類に対してトルクの大きさを適合させるために、好ましくはその強制的な移動の速度及び時間的加速度の関数として決定される。抵抗するトルクの特性を多数の方法で選択することが可能であり、フリクション制御ユニット４０のソフトウェアを変更することによって、容易く変え得ることが理解されるであろう。モータ１２を保護するために、フリクション制御ユニット４０で許容されるトルクの大きさを制限することが好ましい。

一度可動ユニット２の強制的な移動が止むと、制御ユニット３６は、位置検出装置１７から受信した位置情報に基づいて、位置の変化の比がすっかり小さくなることを検知し、この解析及び受信した他の情報に基づき、ここで位置制御装置３０が通常モードで操作すべきと決定する。結果として、スイッチ３８及び３９は位置制御装置３０をフリクションモードから（図３で実線により示される）通常モードへリセットするように操作される。

フリクション制御ユニット４０は、可動ユニット２の角度位置における変化の比を求めるための微分モジュール４１、必要とされるカウンタートルクを計算するための比例モジュール４２、及び許容されるトルクを制限するための制限モジュール４３を有する。フリクションモードで生成されるカウンタートルクは、スリッピングクラッチや同様の装置といった従来のフリクション装置からの内蔵フリクションと似ている。

モータ装置１２に対して示された位置制御装置３０は、より少ない部品を有するより簡単でよりコンパクトな実施態様を得るために、他のモータ装置１２に関して対応する位置制御装置と一定度の共通特性を持たせることが可能である。そのため、例えば制御ユニット３６及び他のユニットは、各モータ装置用のチャンネルを備えてもよい。

良い精度を得るために、約１０００Ｈｚの角度位置のサンプリングレートを用いること、及び発光器２０にとても短い閃光を生成させることが好ましい。各閃光は数ミリセカンドであってもよい。各モータ装置１１、１２の角速度は、約１又は２rad/sの最大値を有し、最大角加速度は３rad/s²程度であってもよい。通常、測量器の柔軟な使用を提供するためにモータはバッテリーで駆動されるため、各モータの電力消費は可能な限り低い方が好ましい。

モータの精度制御のために、動かされるパーツの慣性を考慮に入れることが好ましく、トルクをモニタするために適切な加速度と遅延が素早く正確なポジショニングを提供するために取得される。

本発明の範囲内において、述べてきたもの以上の様々な他の変化が開示された実施態様に対して構成可能であることもまた明白であろう。

本発明の実施態様である測量器の正面図である。 本発明の位置制御配置で使用されるモータ装置の概略断面図である。 本発明の位置制御配置を示すブロック図である。

Claims (9)

1. 可動ユニット（２）の回転位置を制御するための、特に測量器用の位置制御装置であって、所定の回転軸（９）の周りで前記可動ユニット（２）を回転させるための電気モータ（１２）と、前記可動ユニットの意図された回転位置に応答してモータの操作を制御するためのレギュレータ（３４）と、前記可動ユニット（２）の実際の回転位置を検出するための位置検出装置（１７）と、前記レギュレータ（３４）を操るように構成された、前記の意図された回転位置と前記の実際の回転位置との差を確定するための手段（３３）とを有し、
   前記モータ（１２）が直接駆動モータであり、前記モータのシャフトが前記可動ユニット（２）についての前記回転軸（９）を形成し、所望の位置に前記可動ユニットを回転させるための通常モードか、所定の位置から新しい位置への回転中に、前記可動ユニットの強制的な回転に対する抵抗を提供するためのフリクションモードのいずれか一方で、前記モータ（１２）が選択的に操作するように構成されることを特徴とする位置制御装置。
2. 前記可動ユニットの強制的な回転を検出するため、且つ強制的な回転が存在するか否かに応答して前記モータに対する操作の前記モードを自動的に変更するために制御ユニット（３６）を備える、請求項１に記載の位置制御装置。
3. 前記制御ユニット（３６）は、前記モータに対する操作のフリクションモードにおいて、前記モータ（１２）から前記レギュレータ（３４）を接続せず、前記モータに対してフリクション制御ユニット（４０）を接続するように構成し、且つ前記モータに対する操作の通常モードにおいて前記の接続を逆にするように構成される、請求項２に記載の位置制御装置。
4. 前記フリクション制御ユニット（４０）は、強制的な回転の方法に応答して、前記の強制的な回転に対する抵抗の大きさを適合させるように構成される、請求項３に記載の位置制御装置。
5. 前記フリクション制御ユニット（４０）は、所定の最大値に対して強制的な回転に対する前記抵抗を制限するように構成される、請求項４に記載の位置制御装置。
6. 位置入力手段（３１）が、前記制御ユニット（３６）に接続され、且つ前記モータに対する通常操作モードにおいて前記レギュレータ（３４）に接続可能である、請求項２に記載の位置制御装置。
7. 前記制御ユニット（３６）は、通常操作モードにおいて前記入力手段（３１）を前記レギュレータ（３４）を通じて前記モータに接続するため、且つフリクションモードにおいて前記入力手段（３１）及び前記モータの両方から前記レギュレータ（３４）を接続しないようにするためのスイッチ装置（３７）を制御する、請求項６に記載の位置制御装置。
8. 測量器であって、電気モータ（１２）を用いて少なくとも一つの回転軸（９）の周りで回転可能な可動ユニット（２）を備え、前記可動ユニットに対して所望の位置で回転を停止するための制御手段を備え、
   前記電気モータは直接駆動モータであり、前記モータのシャフトが前記可動ユニットに対する前記回転軸を形成し、所望の位置に前記可動ユニットを回転させるための通常モードか、所定の位置から新しい位置への回転中に、前記可動ユニットの強制的な回転に対する抵抗を提供するためのフリクションモードのいずれか一方で、前記モータ（１２）が選択的に操作するように構成されることを特徴とする測量器。
9. 前記電気モータ（１２）は、請求項１〜７の何れか一項に記載の位置制御装置に組み込まれる、請求項８に記載の測量器。

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