JP6632117B2

JP6632117B2 - 測量機の鉛直軸構造

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Publication number: JP6632117B2
Application number: JP2015166359A
Authority: JP
Inventors: 洋輔奥平
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 2015-08-26
Filing date: 2015-08-26
Publication date: 2020-01-15
Anticipated expiration: 2035-08-26
Also published as: JP2017044545A

Description

本発明は、セオドライトやトータルステーション等の測量機の鉛直軸構造に関する。

測量機の鉛直軸に求められる性能は、（１）：回転軸が偏芯しないこと（軸芯がラジアル方向にシフトしないこと）、（２）：回転軸の「倒れ（傾き）」が変化しないこと（再現性があればよい）、（３）：起動トルク，回転トルクが小さいこと、が挙げられる。上記（１）は水平角の測角精度，視軸偏差に影響し、上記（２）は傾斜センサの零点誤差に影響し、上記（３）は手動回転時の操作感，モータ回転時の位置決め精度，制御時間に影響を与えるからである。

これらの要求を満たすため、測量機の鉛直軸構造の多くは、振り子構造となっている。振り子構造では、図７に示すように、フランジ部を有する鉛直軸１１を支持する軸受１２の上端をテーパにし、このテーパ面１２ａ上に複数のベアリングボール１３を配置して、該ベアリングボール１３を、鉛直軸１１の下面１１ａ、鉛直軸の外周面１１ｂ，上記テーパ面１２ａの三面で受ける（特許文献１も参照）。この鉛直軸構造とすれば、振り子の求心作用により、軸芯がラジアル方向にシフトすることを抑制できるので、上記要件（１）を満たすことができる。

一方、振り子構造では、上記要件（２）の「倒れ」が生じやすくなる。このため、例えば図７に示すように、鉛直軸１１と軸受１２に所要の嵌合部長さＬ１を設定し、鉛直軸１１の下部１１ｃと軸受１２の下部１２ｃのクリアランスｄ１を狭めて鉛直軸１１と軸受１２が下方で嵌合するようにしたり、特許文献１のように、鉛直軸と軸受の嵌合部下方にベアリングボールを圧入したりする等の対策がなされている。また、上記のようにボールを圧入することや、鉛直軸と軸受の嵌合部の接触面積，面粗さを小さくすることにより摩擦係数を下げ、上記要件（３）も満たすようにしている。

特開平５−２１５５４８号公報

以上のように、振り子構造による鉛直軸構造では、上記要件（２）と（３）に対する対策が必要である。しかし、鉛直軸と軸受のクリアランスを小さくするには、軸・軸受ともに高精度の加工技術が必要であるし、ベアリングボール等の圧入は、部品点数，組立工数の増加が必要となり、いずれの対策も高コストとなるという問題があった。また、上記要件（２）の「倒れ」を抑制するには、軸・軸受に一定以上の嵌合部長さを設定する必要があり、鉛直軸構造の小型化が困難であった。

本発明は、前記問題を解決するために、振り子構造によらない鉛直軸構造により、小型で、高度な加工技術の必要性が低い、測量機の鉛直軸構造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、本発明に係る態様の測量機の鉛直軸構造は、上端にフランジ部を有する鉛直軸と、上端が水平面の軸受と、前記フランジ部の下面と前記水平面の間に配置された複数のベアリングボールと、前記軸受に固定されたロータリエンコーダの目盛盤および前記鉛直軸とともに回転し前記目盛盤の対称位置の角度目盛を読み取るために対向配置された一対の測角センサ、または、前記鉛直軸とともに回転するロータリエンコーダの目盛盤および前記軸受に固定された前記目盛盤の対称位置の角度目盛を読み取るために対向配置された一対の測角センサと、を備える。

上記態様において、前記ベアリングボールは、周方向に均等に３個以上配置されているのも好ましい。

上記態様において、前記ベアリングボールの外周位置に、外周壁が形成されているのも好ましい。

上記態様において、前記外周壁の内周面と前記軸受の内周面との距離からボールベアリング径を差し引いた距離は、前記軸受と前記鉛直軸とのクリアランスよりも大きく形成されるのも好ましい。

上記態様において、前記鉛直軸の長さは、１５ｍｍ〜５０ｍｍで形成されるのも好ましい。

本発明によれば、振り子構造によらない鉛直軸構造により、小型で、高度な加工技術の必要性が低い、測量機の鉛直軸構造を提供することができる。

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、実施の形態に係る測量機の縦端面図である。符号１は測量機である。測量機１は、整準部２と、整準部２の上に設けられた基盤部３と、該基盤部３上を鉛直軸１１周りに水平回転可能に設けられたＵ字形状の支柱部４と、該支柱部４に鉛直回転可能に設けられた望遠鏡５から構成されている。支柱部４および望遠鏡５は、図示しない内蔵のモータにより回転駆動される様になっており、遠隔で又は自動で操作が可能となっている。

図２は、図１の鉛直軸１１の周囲を拡大したもの、すなわち測量機１の鉛直軸構造を示す拡大縦端面図であり、図３は、図２の鉛直軸構造の簡略図である。図２に示すように、測量機１の鉛直軸構造は、鉛直軸１１と、軸受１２と、ベアリングボール１３と、ロータリエンコーダの目盛盤２１と、ロータリエンコーダの測角センサ２２，２２’を有する。

鉛直軸１１は、上端にフランジ部１１１を有する。鉛直軸１１の下端部には、鉛直軸１１を上下方向に抜け止めするためのナット１４が配置されている。鉛直軸１１は、図１に示すように、フランジ部１１１が支柱部４の根元部４１にネジ止めされて、支柱部４に固定されている。

軸受１２は、その上端が水平面１２０で形成されている。水平面１２０には、後述する外周壁１２４が形成されている。軸受１２は、図１に示すように、下端部が基盤部３にネジ止めされて、基盤部３に固定されている。

ベアリングボール１３は、フランジ部１１１の下面１１ａと軸受１２の水平面１２０の間に、複数個配置されている。ベアリングボール１３は、ラジアル方向に、鉛直軸１１の外周面１１ｂと外周壁１２４によって抜け止めされている。

目盛盤２１は、円盤部材の周縁に所定のコードパターンを有するものである。測角センサ２２，２２’は、一対のＣＭＯＳセンサまたは一対のＣＣＤリニアセンサであり、目盛盤２１のコードパターンを対称位置で読み取る。

図１に示すように、目盛盤２１は、軸受１２の外周に形成されたつば部１２１の上面に固定されている。測角センサ２２，２２’は、支柱部４から延出するセンサ保持部３１，３１の上面に固定されている。すなわち、測角センサ２２，２２’は鉛直軸１１とともに回転し、目盛盤２１は回転しないように配置されている。

次に、この鉛直軸構造の作用効果を説明する。

図３に示すように、本形態では、軸受１２の球受け面を、水平面１２０としたことで、ベアリングボール１３は、フランジ下面１１ａと水平面１２０とで、スラスト方向に二面で支持される。このように、本形態は、スラスト方向にボールを受ける構造であるため、鉛直軸１１の倒れ（傾き）が抑制され、微小に倒れが生じても復元する再現性を有する。よって、上述した要件（２）：回転軸の倒れ（傾き）が変化しないこと、を満たすことができる。なお、鉛直軸１１の直径は、大きく形成したほうが、要件（２）が向上するため好ましい。

また、鉛直軸１１の倒れが抑制されるので、鉛直軸１１と軸受１２の嵌合部のクリアランスｄ２を、従来ほど狭める必要がない。このため、軸受１２に高精度な加工技術を施す必要性が低い。参考値として、従来の嵌合部のクリアランスｄ１（図７）は１μｍ以下とする必要があったのに対し、本形態の嵌合部のクリアランスｄ２は約３μｍ〜１０μｍでよい。

また、本形態では、鉛直軸１１の倒れ抑制に嵌合部長さＬ２（図３参照）が影響しないため、従来ほどの嵌合部長さを設定する必要がない。よって、鉛直軸１１の長さを従来よりも短くすることができる。参考値として、本形態での鉛直軸構造の長さｌ_２（図３参照）は、ベアリングボール１３が直径約３ｍｍであれば、フランジ部１１１が約４ｍｍ、軸受１２が約５ｍｍ、抜け止め用のナット１４が約３ｍｍとして、最小で約１５ｍｍとしてもよく、測量機１に配置する他の部品との兼ね合いで、１５ｍｍ〜５０ｍｍで形成することができる。参考値として、従来の鉛直構造の長さｌ_１（図７）は約６０ｍｍであるので、従来と比べて大幅な小型化が実現されている。

また、本形態では、鉛直軸１１と軸受１２の嵌合部のクリアランスｄ２（図３参照）を従来ほど狭める必要がないため、鉛直軸１１と軸受１２の嵌合部に摩擦が生じにくく、起動トルク，回転トルクが小さくなる。このため、上述した要件（３）：手動回転時の操作感，モータ回転時の位置決め精度，制御時間、の問題も解決することができる。

一方、本形態は、求心作用が無いため、上述した要件（１）：回転軸が偏芯しないこと、に対しては抑制することができない。しかし、鉛直軸１１とともに回転する対向配置の測角センサ２２，２２’と軸受１２に固定された目盛盤２１とから得られた読取角度から、鉛直軸１１の偏芯による測角誤差は補正することができる。

回転軸の偏芯による測角誤差を補正する技術については、当業者に周知であるから、簡単に説明する。詳細は、特許第４７４９１５４号にも記載されている。

図４は、測量機１のブロック図である。図４に示すように、測量機１は、一例として、目盛盤２１と、目盛盤２１に対し平行に対向配置された測角センサ２２，２２’と、増幅器２３，２３’と、Ａ／Ｄ変換器２４，２４’と、ＣＰＵ２５と、記憶手段２６と、表示手段２７と、を有する。目盛盤２１には、細いスリットと太いスリットを組み合わせた符号を角度目盛とするコードパターン２１１が付されている。

図５は、回転軸の偏芯による測角誤差を補正する技術を説明するための模式図である。符号Ｃａは、鉛直軸１１の中心を示している。鉛直軸１１が偏芯している場合、測角センサ２２，２２’の読取点Ｐ_１，Ｐ_２は、偏芯していない場合の読取点Ｙ_１，Ｙ_２に対して、角度δ_１，δ_２だけずれる。この角度δ_１，δ_２が、角度誤差となる。

測角センサ２２，２２’は、読取点Ｐ１およびＰ２における読取角度φ１およびφ２を複数回得る。このとき、測角センサ２２，２２’に投影される目盛盤の像から、鉛直軸中心Ｃａから測角センサ２２，２２’までの距離Ｒ_１，Ｒ_２の値を測定し、記憶する。ＣＰＵ２５は、読み取った読取角度φ１およびφ２の平均Ψと差Φを求めて記憶する。ＣＰＵ２５は、最小二乗法により、（１）式を満たす偏芯因子Ａ，Ｂ，およびＣを求める。
Φ＝Ａｓｉｎ（Ψ＋Ｂ）＋Ｃ・・・（１）
偏芯因子Ｒ_１，Ｒ_２，Ａ，Ｂ，およびＣが既知となると、上記平均Ψに、（２）式に示す誤差補正量Ｃｃｏｍｐを加えて、偏芯による角度誤差を補正する。
Ｃｃｏｍｐ＝（Ａ／２）｛√（Ｒ_１ ^２＋Ｒ_２ ^２−２Ｒ_１Ｒ_２ｃｏｓＣ）
／√（Ｒ_１ ^２＋Ｒ_２ ^２＋２Ｒ_１Ｒ_２ｃｏｓＣ）｝＊ｓｉｎ〔Ψ＋Ｂ
−ｔａｎ^−１｛（Ｒ_２−Ｒ_１）／（Ｒ_１＋Ｒ_２）＊ｔａｎ（Ｃ／２）｝
＋ｔａｎ^−１｛（−Ｒ_１−Ｒ_２）／（Ｒ_１−Ｒ_２）＊ｔａｎ（Ｃ／２）｝〕…（２）
これにより、鉛直軸１１が偏芯していても、角度誤差は補正することができるので、本形態は、要件（１）：回転軸が偏芯しないこと、も満たすことができる。

以上のようにして、本形態の鉛直軸構造は、上述した要件（１）〜（３）を全て満たすことができる。そして、従来の振り子構造による鉛直軸構造に比して、小型で、高度な加工技術の必要性が低い、鉛直軸構造となっている。

また、本形態でのベアリングボール１３は、ラジアル方向に自由に移動可能であるので、図２に示すように、ベアリングボール１３の外方向の抜け止めとして、外周壁１２４を形成するのが好ましい。さらに、図３に示すように、外周壁１２４の内周面と軸受１２の内周面との距離ｄ４からボールベアリング径ｄ５を差し引いた距離ｄ３は、鉛直軸１１と軸受１２の嵌合部のクリアランスｄ２よりも大きく形成する（ｄ３＞ｄ２）のが好ましい。内方向のクリアランスｄ２よりも外方向のクリアランスｄ３を大きく形成しておくことで、鉛直軸１１の倒れ発生時にベアリングボール１３がロックするのを防止することができる。さらに、ｄ３＞ｄ２とすることに加えて、ｄ３−ｄ２が出来る限り小さくなるよう形成するのが好ましい。これにより、フランジ下面１１ａ（すなわち、ベアリングボール１３と鉛直軸フランジ面の接触点）が径方向に変化しにくくなるため、鉛直軸に求められる上記要件（２）をより満たすことができる。なお、外周壁１２４はボールリテーナー（保持器）であってもよい。

また、ベアリングボール１３は、最小で、周方向に均等に３個以上配置すれば、倒れ抑制に十分な効果があり、高価な部品であるベアリングボールの削減につながる。一方、配置できる限り複数個（例えば約３０個）で支持するように構成すれば、ベアリングボール１３が移動により上下動してバラついたとしても、いずれかの複数個のベアリングボール１３がフランジ下面１１ａと接触して水平が保たれるように機能するので、上記要件（２），倒れの抑制につながる。

なお、上記形態は実施の一例であって、例えば以下の変形を伴ってよい。

例えば、上述した形態では測角センサ２２，２２’が目盛盤２１の下方に配置されているが、測角センサ２２，２２’が目盛盤２１の上方に配置されていてもよい。

または、上述した形態ではコードパターンを投影した光を直接測角センサ２２，２２’で受けているが、測角センサ２２，２２’の位置にミラーを配置し、測角センサ２２，２２’その外側または内側に配置することで、上記ミラーを介して投影光を受ける形態としてもよい。目盛盤２１と測角センサ２２，２２’には一定距離が必要であるので、投影光をミラーで横に折り曲げることで、光路を縦長でなく横長とすることができ、鉛直軸１１を短くする場合に有効となる。

または、上述した形態では目盛盤２１が回転せず、測角センサ２２，２２’が回転するが、図６に示すように、測角センサ２２，２２’が回転せず、目盛盤２１が鉛直軸１１とともに回転するように固定（例えば、目盛盤２１を鉛直軸１１に貼り、測角センサ２２，２２’を軸受１２に貼る）する形態としてもよい。

また、回転軸の偏芯による測角誤差を補正する技術において、偏芯因子Ａ，Ｂ，およびＣを最小二乗法で求めたが、フーリエ級数において第２調和波を無視した関係からフーリエ係数を求め、これを変形して偏芯因子Ａ，Ｂ，およびＣを求めてもよい。

また、鉛直軸１１と軸受１２の嵌合部のクリアランスは、図３に示されているように、嵌合部の長さ方向全ての域でクリアランスｄ２を取る必要はない。嵌合部の一部域でクリアランスｄ２を取り、その他の域はｄ２よりも大きなクリアランスとしてもよい。

以上、本発明の好ましい実施の形態およびその変形について述べたが、上記の実施の形態および変形は本発明の一例であり、これらを当業者の知識に基づいて組み合わせることが可能であり、そのような形態も本発明の範囲に含まれる。

実施の形態に係る測量機の縦端面図である。図１の鉛直軸構造を示す拡大縦端面図である。図２の鉛直軸構造の簡略図である。実施の形態に係る測量機のブロック図である。回転軸の偏芯による測角誤差を補正する技術を説明するための模式図である。図１の変形例を示す図である。従来の鉛直軸構造の簡略縦断面図である。

１測量機
１１鉛直軸
１１ａフランジの下面
１１１フランジ
１２軸受
１２０水平面
１２４外周壁
１３ベアリングボール
２１ロータリエンコーダの目盛盤
２２，２２’ 測角センサ
ｄ２軸受と鉛直軸とのクリアランス
ｄ３外周壁の内周面と軸受の内周面との距離

Claims

上端にフランジ部を有する鉛直軸と、
上端が水平面の軸受と、
前記フランジ部の下面と前記水平面の間に配置された複数のベアリングボールと、
前記軸受に固定されたロータリエンコーダの目盛盤および前記鉛直軸とともに回転し前記目盛盤の対称位置の角度目盛を読み取るために対向配置された一対の測角センサ、または、前記鉛直軸とともに回転するロータリエンコーダの目盛盤および前記軸受に固定された前記目盛盤の対称位置の角度目盛を読み取るために対向配置された一対の測角センサと、
を備え、
前記ベアリングボールの外周位置には、外周壁が形成され、
前記外周壁の内周面と前記軸受の内周面との距離から前記ボールベアリング径を差し引いた距離は、前記鉛直軸と前記軸受の嵌合部のクリアランスよりも大きく形成され、
前記鉛直軸はラジアル方向に偏芯可能である
ことを特徴とする測量機の鉛直軸構造。
前記ベアリングボールは、周方向に均等に３個以上配置された請求項１に記載の測量機の鉛直軸構造。
前記鉛直軸の長さは、１５ｍｍ〜５０ｍｍで形成された請求項１または２に記載の測量機の鉛直軸構造。