JP6650764B2 - 超音波モータ及び測量装置 - Google Patents

Description

本発明は、高精度で而も構造が簡潔な超音波モータ及び該超音波モータを具備する測量装置に関するものである。

測量機器、例えば、トータルステーションでは測定点を視準する望遠鏡部を有し、該望遠鏡部は鉛直方向に回転可能に托架部に支持され、更に、該托架部は基盤部に水平方向に回転可能に支持されている。又、トータルステーションは前記望遠鏡部を回転させる為のモータ、前記托架部を回転させる為のモータを備えている。

又、近年モータとして超音波モータの使用が提案されている。超音波モータは、減速機等を必要とせず、駆動対象の回転軸（被駆動軸）に直接連結され、駆動対象を直接駆動でき、バックラッシ等による誤差がなく、更に駆動部の構造を簡略化できるという利点を有す。

一方、測量装置の様に、高精度が要求される装置では、被駆動軸と超音波モータとを直接連結した場合、超音波モータ自体の芯ブレ、或は被駆動軸と超音波モータとを直接連結した場合の組立て誤差による偏心が被駆動軸の回転に影響を及し、被駆動軸の回転精度の低下、ひいては測定精度の低下を招く虞れがある。

特開２００３−１９９３７０号公報 特開２０１４−１３７２９９号公報 特開平１１−３１１５１７号公報

本発明は、超音波モータの出力軸と回転軸とを直接連結し、更に出力軸と回転軸間の偏心の影響を除去した超音波モータ及び該超音波モータを備えた測量装置を提供するものである。

本発明は、回転自在に支持された回転軸の軸端に設けられる超音波モータであって、該超音波モータの出力軸が前記回転軸に連結され、前記出力軸にステータが回転自在に設けられ、前記回転軸にロータが固着され、該ロータ、前記ステータのいずれか一方に超音波振動を発生させる振動発生部が設けられ、超音波振動により前記ロータと前記ステータが相対回転する様構成され、該ステータと前記回転軸を支持する固定側との間に回止めユニットが設けられ、該回止めユニットは、前記固定側に設けられたジョイントホルダと前記ステータに設けられた連結子とを有し、前記ジョイントホルダは金属球を圧縮スプリングによって前記連結子へ周方向に押圧させる球ホルダと、該球ホルダとの間に前記連結子を挾持し、前記ジョイントホルダ間に掛渡り傾動可能に設けられた連結ピンとを有し、前記連結子の回転方向の変位を拘束すると共に前記ジョイントホルダと前記連結子との半径方向の変位を前記連結ピンの傾動により吸収する様に構成した超音波モータに係るものである。

又本発明は、前記ロータが駆動円板を有し、該駆動円板の外周部にはリング状の前記振動発生部が設けられ、前記ステータが中間円板と固定円板とを有し、前記中間円板は前記振動発生部に摩擦トルクＴ１を介して密着し、前記固定円板は前記中間円板に前記摩擦トルクＴ１より小さい摩擦トルクＴ２を介して密着し、前記固定円板に前記回止めユニットが設けられた超音波モータに係るものである。

又本発明は、前記ロータは中間円板を有し、該中間円板が前記出力軸に摩擦トルクＴ２を介して密着し、前記ステータは駆動円板と、該駆動円板に固定された固定円板とを有し、前記駆動円板は外周部にリング状の前記振動発生部を有し、該振動発生部が前記摩擦トルクＴ２より大きい摩擦トルクＴ１を介して前記中間円板に密着し、前記固定円板に前記回止めユニットが設けられた超音波モータに係るものである。

更に又本発明は、整準部に水平軸を介して水平回転可能に設けられた托架部と、該托架部に鉛直軸を介して鉛直方向に回転可能に設けられた望遠鏡部とを具備する測量装置であって、前記水平軸、前記鉛直軸の少なくとも一方に前記超音波モータが設けられた測量装置に係るものである。

本発明によれば、回転自在に支持された回転軸の軸端に設けられる超音波モータであって、該超音波モータの出力軸が前記回転軸に連結され、前記出力軸にステータが回転自在に設けられ、前記回転軸にロータが固着され、該ロータ、前記ステータのいずれか一方に超音波振動を発生させる振動発生部が設けられ、超音波振動により前記ロータと前記ステータが相対回転する様構成され、該ステータと前記回転軸を支持する固定側との間に回止めユニットが設けられ、該回止めユニットは、前記固定側に設けられたジョイントホルダと前記ステータに設けられた連結子とを有し、前記ジョイントホルダは金属球を圧縮スプリングによって前記連結子へ周方向に押圧させる球ホルダと、該球ホルダとの間に前記連結子を挾持し、前記ジョイントホルダ間に掛渡り傾動可能に設けられた連結ピンとを有し、前記連結子の回転方向の変位を拘束すると共に前記ジョイントホルダと前記連結子との半径方向の変位を前記連結ピンの傾動により吸収する様に構成したので、前記超音波モータの前記出力軸と前記回転軸とを直接連結し、簡単な構造とすることができ、更に前記出力軸と前記回転軸間の偏心の影響が除去される。

又本発明によれば、整準部に水平軸を介して水平回転可能に設けられた托架部と、該托架部に鉛直軸を介して鉛直方向に回転可能に設けられた望遠鏡部とを具備する測量装置であって、前記水平軸、前記鉛直軸の少なくとも一方に前記超音波モータが設けられたので、前記超音波モータにより回転軸を直接駆動することで、構造が簡単となり、又バックラッシ等による誤差がなく、経時的な誤差の発生が抑止できるという優れた効果を発揮する。

本発明の実施例に係る測量装置の全体図である。 本実施例に係る測量装置の水平回転駆動部の断面図である。 該水平回転駆動部に含まれる回止めユニットの一部断面図である。 本発明の他の実施例に係る測量装置の水平回転駆動部の断面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

図１は、本実施例に係る測量装置１を示す全体図であり、図１中、２は整準部、３は測量装置本体を示している。

該測量装置本体３は前記整準部２に設置され、前記測量装置本体３は、前記整準部２により水平状態に整準される様になっている。

前記測量装置本体３は、托架部４、水平回転駆動部５、望遠鏡部６を有し、前記水平回転駆動部５は、前記托架部４の下端部に位置し、前記整準部２に取付けられ、又前記托架部４を水平回転可能に支持する。

該托架部４には前記望遠鏡部６が水平軸心７を中心に回転可能に設けられている。前記望遠鏡部６は、測距部（図示せず）を内蔵し、該測距部からは変調されたレーザ光線、或はパルス光を測距光として測定対象物（図示せず）に向けて射出し、該測定対象物からの反射光を受光して測距を行う。

又、前記托架部４の水平回転角、前記望遠鏡部６の鉛直回転角は、それぞれ水平角エンコーダ（図示せず）、鉛直角エンコーダ（図示せず）によって検出される。

測距結果、検出された水平角、検出された鉛直角に基づき、測定点或は測定対象物の３次元データが測定される。

次に、図２を参照して、前記水平回転駆動部５について詳述する。

モータケーシング１１は、所要の剛性、強度を有し、上ケース１２、下ケース１３により液密に構成されている。前記モータケーシング１１の内部には超音波駆動による水平モータ（超音波モータ）１４が収納されている。前記下ケース１３は、前記整準部２に取付けられる。ここで、前記モータケーシング１１は、前記水平モータ１４を収納するケースとして機能すると共に前記托架部４を支持する構造部材としても機能する。

前記上ケース１２の上面には上方に延出する軸受ブロック１５が設けられ、該軸受ブロック１５を上下に貫通する水平軸１７が回転自在に設けられている。該水平軸１７の上端にはフランジ１８が形成され、該フランジ１８には前記托架部４が固着されている。

前記フランジ１８と前記軸受ブロック１５の上端間には、スラスト軸受１６が設けられ、該スラスト軸受１６により前記測量装置本体３の垂直荷重が支持されている。

前記水平軸１７の下端には連結フランジ１９が固着されている。更に、該連結フランジ１９に前記水平モータ１４がボルト２１により、固着されている。更に、前記水平モータ１４は、前記ボルト２１を外すことで、前記連結フランジ１９（即ち、前記水平軸１７）から取外すことが可能である。

更に、前記水平モータ１４について説明する。

前記水平モータ１４の出力軸２２の上端に出力フランジ２３が形成される。該出力フランジ２３の下面に駆動円板２４が固着される。該駆動円板２４の直径は、前記出力フランジ２３より大きくなっており、前記出力フランジ２３から張出した、前記駆動円板２４の外周部にはリング状の振動発生部２５が設けられる。

該振動発生部２５の下面には全周に櫛歯が形成されている。前記振動発生部２５の上面には、前記駆動円板２４と同心に薄板リング状の圧電セラミック（圧電素子）２６が密着固定されている。

前記駆動円板２４の下側に中間円板２７が設けられる。該中間円板２７は、前記出力軸２２に回転可能に設けられ、又前記中間円板２７は軸心方向に変位可能となっている。該中間円板２７の外周部にはリング状のリブ２７ａが形成され、該リブ２７ａは第１摩擦シート２８を介して前記振動発生部２５の下面に密着する。

前記出力軸２２に軸受３１を介して固定円板３２が回転自在に嵌合され、更に該固定円板３２は軸心方向に変位可能となっている。該固定円板３２と前記中間円板２７との間には第２摩擦シート３３が介設される。

前記出力軸２２の下端部には固定ナット３４が螺着され、該固定ナット３４と前記軸受３１との間には、圧縮スプリング３５が設けられている。該圧縮スプリング３５は前記振動発生部２５と前記リブ２７ａとの間、及び前記中間円板２７と前記固定円板３２との間に所要の押圧力を発生させる様、圧縮状態で設けられる。

又、前記圧縮スプリング３５によって付与さる押圧力により、前記振動発生部２５と前記中間円板２７との間に発生する摩擦トルクＴ１と、前記中間円板２７と前記固定円板３２との間に発生する摩擦トルクＴ２との関係は、Ｔ１＞Ｔ２となっており、更にＴ２は、正常運転時に前記水平モータ１４に要求される駆動トルクよりは、大きくなっている。

前記托架部４内部に備えられた電源部（図示せず）から前記圧電セラミック２６に給電されることで、前記櫛歯が超音波振動し、前記リブ２７ａと前記振動発生部２５間で相対回転が発生する様になっている。

又、前記中間円板２７と前記固定円板３２間には摩擦力が作用し、前記中間円板２７と前記固定円板３２は前記出力軸２２に対して回転可能であるので、前記中間円板２７と前記固定円板３２とは一体に回転する。更に、後述する様に、該固定円板３２と前記下ケース１３（即ち固定部）との間には回止めユニット４５が設けられ、前記固定円板３２の回転が拘束される。

従って、前記中間円板２７と前記固定円板３２はステータとして機能し、前記出力軸２２（即ち、前記出力フランジ２３）はロータとして機能し、前記圧電セラミック２６に給電し、給電を制御することで、前記出力フランジ２３が所要の方向、所要の回転速度で回転する。

該出力フランジ２３は、前記水平モータ１４の出力端として機能すると共に該水平モータ１４を前記水平軸１７に、連結する為の継手としての機能を有する。又、前記出力フランジ２３と前記連結フランジ１９とが連結されると、前記水平モータ１４は前記水平軸１７の下端に取付けられ、該水平軸１７に支持された状態となる。

次に、図３を参照して、前記回止めユニット４５について説明する。

上記した様に、前記水平モータ１４は前記水平軸１７の下端に取付けられ、前記出力フランジ２３と前記中間円板２７、前記固定円板３２との間で相対回転は可能であるが、前記出力軸２２から回転力を得る為には、前記中間円板２７、前記固定円板３２を固定する必要がある。

前記回止めユニット４５は、前記固定円板３２と前記モータケーシング１１（図２中の図示では、前記上ケース１２）とを連結し、前記固定円板３２の回転を拘束する。

前記回止めユニット４５はジョイントホルダ４７を有し、該ジョイントホルダ４７は前記モータケーシング１１にボルト４８によって取付けられる。前記ジョイントホルダ４７は、機械加工、或はダイキャスト等で製作され、所要の剛性、強度を有する。

又、前記ジョイントホルダ４７には、前記モータケーシング１１の接線方向（前記出力軸２２の軸心を中心とする円の接線方向）に延びる凹部４９が形成され、該凹部４９は外周側に位置するＬ字状の縁部５０と、前記凹部４９の基側（図３中下側）に位置する厚肉の基部５１によって３方が囲われ、中心側が開放されている。

前記凹部４９には外形がＬ形状の球ホルダ５２がボルト５３により一箇所で固定されている。又、前記球ホルダ５２は前記縁部５０に当接している。又、前記球ホルダ５２は押しネジ５４によって位置の調整が可能となっている。

前記球ホルダ５２には接線方向の軸心を有する円筒穴５５が穿設され、該円筒穴５５に圧縮スプリング５６が圧縮状態で収納されている。又、該圧縮スプリング５６の先端には金属球好ましくは、鋼球５７が設けられている。

前記基部５１には、前記円筒穴５５と同心となる様にピン収納穴５８が穿設され、該ピン収納穴５８の穴底は、円錐となっている。該ピン収納穴５８には連結ピン６５が挿入される。該連結ピン６５の両端は、球形状に形成されている。

前記ピン収納穴５８の直径は、前記連結ピン６５の直径に対して大きくなっており、該連結ピン６５は基端が前記円錐に嵌合した状態で、基端を中心に傾動可能となっている。

前記固定円板３２に、連結板６１がボルト６２により固定されている。該連結板６１は、機械加工、或はダイキャスト等で製作され、所要の剛性、強度を有する。

前記連結板６１には、先端に連結子６１ａが突設されており、該連結子６１ａは、前記球ホルダ５２と前記基部５１との間に挿入される。

又、前記連結子６１ａには、前記ピン収納穴５８と同心となる様に、ピン受け穴６３が穿設されている。該ピン受け穴６３の穴底は、円錐となっている。

該ピン受け穴６３には前記連結ピン６５の先端部が挿入され、該連結ピン６５は前記ピン収納穴５８と前記ピン受け穴６３間に掛渡って設けられる。

前記連結子６１ａの前記ピン受け穴６３とは反対側の面に、前記鋼球５７が当接する。

該鋼球５７の当接面には、前記圧縮スプリング５６による押圧力が接線方向（周方向）に作用し、前記ピン受け穴６３の穴底には前記連結ピン６５からの押圧反力が作用する。又、前記圧縮スプリング５６の反作用で、前記球ホルダ５２は反時計方向（図３中）の回転力が与えられ、前記球ホルダ５２は前記縁部５０に密着し、姿勢が固定される。

従って、前記連結板６１の周方向の位置は、前記連結ピン６５を介し、前記基部５１によって決定される。更に、前記連結板６１が前記ジョイントホルダ４７に対して半径方向に変位した場合、前記鋼球５７が前記連結板６１に対して滑り、又前記連結ピン６５が傾斜し、前記連結板６１の変位が吸収される。

而して、前記回止めユニット４５は、前記固定円板３２の回転を拘束すると共に前記水平軸１７に対して前記出力軸２２が偏心していた場合、偏心による回転ブレを吸収する。

以下、前記水平モータ１４による水平回転駆動について説明する。

前記圧電セラミック２６に電圧を印加すると、前記櫛歯が超音波振動して前記中間円板２７と前記駆動円板２４間で相対回転する。

前記中間円板２７は、前記固定円板３２、前記回止めユニット４５を介して前記モータケーシング１１に固定されているので、前記出力軸２２即ち前記出力フランジ２３が回転する。

前記出力軸２２の回転力は、前記出力フランジ２３を介して前記水平軸１７に伝達され、前記托架部４が水平回転する。

前記連結フランジ１９への前記出力フランジ２３の取付けで、誤差が発生し、前記水平軸１７に対して前記出力軸２２が偏心した場合も、上記した様に偏心は前記回止めユニット４５によって吸収され、偏心が前記水平軸１７の回転に影響しない。又、前記水平モータ１４自体が芯ブレを有していたとしても、前記回止めユニット４５に吸収され、前記水平モータ１４自体の誤差が、前記水平軸１７の回転精度に影響を与えない。

即ち、本実施例によれば、前記水平軸１７に対して前記水平モータ１４の取付けを高精度に行う必要がない。

更に、該水平モータ１４と前記水平軸１７とを直接連結しているので、動力伝達経路にバックラッシ等が介在せず、高精度に動力伝達が可能であると共に、経時的な精度の劣化が生じない。

次に、前記水平モータ１４の駆動中に、前記出力軸２２に過大な負荷が発生した場合、例えば、前記測量装置本体３が異物と干渉し、該測量装置本体３の回転が拘束された場合、前記駆動円板２４と前記中間円板２７間の摩擦トルクＴ１より前記中間円板２７と前記固定円板３２間の摩擦トルクＴ２を小さく設定しているので、前記中間円板２７と前記固定円板３２間でスリップを生じ、前記中間円板２７のみが回転する。即ち、前記水平モータ１４自体が、過負荷に対する安全機能を具備している。

従って、該水平モータ１４に過大な負荷が掛り、該水平モータ１４が損傷することが防止される。尚、前記測量装置本体３が拘束されたことは、前記水平角エンコーダ（図示せず）によって検出され、前記水平モータ１４の駆動が停止される。

又、前記測量装置１が休止状態でも、前記水平モータ１４が持つ摩擦トルクにより前記測量装置本体３の停止状態が維持され、前記中間円板２７と前記固定円板３２間の摩擦トルクＴ２以上の回転力を与えることで、前記托架部４を所要の方向に回転させることができる。

図４を参照して他の実施例を説明する。

尚、図４中、図２中で示したものと同等のものには同符号を付し説明を省略する。

上記実施例の水平モータ１４（超音波モータ）では、駆動円板２４（振動発生部２５）と出力軸２２とが一体に回転する様構成されている。他の実施例では前記駆動円板２４が
固定され、中間円板２７が出力フランジ２３（前記出力軸２２）と一体に回転する様になっている。

前記出力フランジ２３の下側に前記中間円板２７が設けられ、該中間円板２７と前記出力フランジ２３との間に第２摩擦シート３３が介設されている。

前記中間円板２７の下側に前記駆動円板２４が設けられ、更に該駆動円板２４の下側に固定円板３２が設けられる。前記振動発生部２５と前記固定円板３２との間には圧電セラミック２６が介設されている。

該圧電セラミック２６に給電されることで、前記振動発生部２５が超音波振動し、該振動発生部２５と前記中間円板２７間で相対回転が発生する。

又、前記駆動円板２４と前記中間円板２７間に発生する摩擦トルクＴ１より前記中間円板２７と前記出力フランジ２３間に発生する摩擦トルクＴ２が小さく設定されている。

前記固定円板３２と前記モータケーシング１１間に回止めユニット４５が設けられ、前記固定円板３２の回転が拘束される。尚、前記回止めユニット４５は、上記したと同様であるので説明を省略する。

本他の実施例では、前記駆動円板２４と前記固定円板３２がステータとして機能し、前記中間円板２７、前記出力フランジ２３がロータとして機能する。

次に、前記圧電セラミック２６に電圧が印加されると、前記駆動円板２４と前記中間円板２７間で相対回転が発生する。前記振動発生部２５は前記固定円板３２を介し、前記回止めユニット４５により前記モータケーシング１１に固定されているので、前記出力軸２２が回転する。

又、前記水平モータ１４に過負荷が生じた場合、水平軸１７の回転が拘束された場合、前記出力フランジ２３と前記中間円板２７間で滑りを生じ、前記水平モータ１４が破損することが防止される。

尚、上記実施例では、前記水平モータ１４を回転軸（前記水平軸１７）の下端に設けたが、上端にも同様に設けることができることは言う迄もない。又、望遠鏡部６を水平軸心７を中心に回転するモータとして、前記超音波モータ（前記水平モータ１４）を設けることも可能である。

更に、前記回止めユニット４５は、上記実施例以外にも、偏心しつつ相対回転する種々の機器の回転止に実施可能であることは言う迄もない。

１ 測量装置
２ 整準部
３ 測量装置本体
４ 托架部
５ 水平回転駆動部
６ 望遠鏡部
７ 水平軸心
１１ モータケーシング
１２ 上ケース
１３ 下ケース
１４ 水平モータ
１７ 水平軸
１９ 連結フランジ
２１ ボルト
２２ 出力軸
２３ 出力フランジ
２４ 駆動円板
２５ 振動発生部
２７ 中間円板
３２ 固定円板
３３ 第２摩擦シート
３５ 圧縮スプリング
４５ 回止めユニット
４７ ジョイントホルダ
５２ 球ホルダ
５６ 圧縮スプリング
５７ 鋼球
６１ａ 連結子
６５ 連結ピン

Claims (3)

1. 回転自在に支持された回転軸の軸端に設けられる超音波モータであって、該超音波モータの出力軸が前記回転軸に連結され、前記出力軸にステータが回転自在に設けられ、前記回転軸にロータが固着され、該ロータ、前記ステータのいずれか一方に超音波振動を発生させる振動発生部が設けられ、超音波振動により前記ロータと前記ステータが相対回転する様構成され、該ステータと前記回転軸を支持する固定側との間に回止めユニットが設けられ、該回止めユニットは、前記固定側に設けられたジョイントホルダと前記ステータに設けられた連結子とを有し、前記ジョイントホルダは金属球を圧縮スプリングによって前記連結子へ周方向に押圧させる球ホルダと、該球ホルダとの間に前記連結子を挾持し、前記ジョイントホルダ間に掛渡り傾動可能に設けられた連結ピンとを有し、前記連結子の回転方向の変位を拘束すると共に前記ジョイントホルダと前記連結子との半径方向の変位を前記連結ピンの傾動により吸収する様に構成され、
   前記ロータが駆動円板を有し、該駆動円板の外周部にはリング状の前記振動発生部が設けられ、前記ステータが中間円板と固定円板とを有し、前記中間円板は前記振動発生部に摩擦トルクＴ１を介して密着し、前記固定円板は前記中間円板に前記摩擦トルクＴ１より小さい摩擦トルクＴ２を介して密着し、前記固定円板に前記回止めユニットが設けられた超音波モータ。
2. 回転自在に支持された回転軸の軸端に設けられる超音波モータであって、該超音波モータの出力軸が前記回転軸に連結され、前記出力軸にステータが回転自在に設けられ、前記回転軸にロータが固着され、該ロータ、前記ステータのいずれか一方に超音波振動を発生させる振動発生部が設けられ、超音波振動により前記ロータと前記ステータが相対回転する様構成され、該ステータと前記回転軸を支持する固定側との間に回止めユニットが設けられ、該回止めユニットは、前記固定側に設けられたジョイントホルダと前記ステータに設けられた連結子とを有し、前記ジョイントホルダは金属球を圧縮スプリングによって前記連結子へ周方向に押圧させる球ホルダと、該球ホルダとの間に前記連結子を挾持し、前記ジョイントホルダ間に掛渡り傾動可能に設けられた連結ピンとを有し、前記連結子の回転方向の変位を拘束すると共に前記ジョイントホルダと前記連結子との半径方向の変位を前記連結ピンの傾動により吸収する様に構成され、
   前記ロータは中間円板を有し、該中間円板が前記出力軸に摩擦トルクＴ２を介して密着し、前記ステータは駆動円板と、該駆動円板に固定された固定円板とを有し、前記駆動円板は外周部にリング状の前記振動発生部を有し、該振動発生部が前記摩擦トルクＴ２より大きい摩擦トルクＴ１を介して前記中間円板に密着し、前記固定円板に前記回止めユニットが設けられた超音波モータ。
3. 整準部に水平軸を介して水平回転可能に設けられた托架部と、該托架部に鉛直軸を介して鉛直方向に回転可能に設けられた望遠鏡部とを具備する測量装置であって、前記水平軸、前記鉛直軸の少なくとも一方に請求項１又は請求項２に記載の超音波モータが設けられた測量装置。

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