JP6867734B2 - 軸支持構造、レーザ光線照射ユニット及び測量装置 - Google Patents

軸支持構造、レーザ光線照射ユニット及び測量装置 Download PDF

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Description

本発明は、回転軸の回転精度を維持し構造を簡略化した軸支持構造、該軸支持構造を具備するレーザ光線照射ユニット及び該レーザ光線照射ユニットを具備する測量装置に関するものである。
測量機等の精密機械の回転部には高い回転精度が要求され、回転軸の振れについては秒単位の精度が要求される。
この高精度を達成する為、従来の回転軸の軸支持構造では、回転軸を２つのベアリングで支持し、２つのベアリング間にスプリングを設け、スプリングにより２つのベアリングに近接又は離反する予圧を付加し、ベアリングに存在する隙間を抑止している。
この為、部品点数が多く、軸支持部の構造が大型化し、更に各部品には高精度が要求されることから、製作コストが増大していた。
特開平６−３０７４３９号公報 特開２０１１−２４２９１号公報 特開２０１６−１３００８号公報
本発明は、構造が簡単で、而も高精度の軸支持構造及び該軸支持構造を有するレーザ光線照射ユニット及び該レーザ光線照射ユニットを具備する測量装置を提供するものである。
本発明は、固定部に１つの軸受を介して回転軸が設けられ、該回転軸の一端部にアキシャルギャップ型モータのロータが設けられ、該ロータに対峙する様前記アキシャルギャップ型モータのステータが前記固定部に設けられ、前記ロータと前記ステータ間の引力が予圧として前記軸受に作用する様構成された軸支持構造に係るものである。
又本発明は、固定部に１つの軸受を介して中空の回転軸が設けられ、該回転軸の一端部にアキシャルギャップ型モータのロータが設けられ、該ロータに対峙する様前記アキシャルギャップ型モータのステータが前記固定部に設けられ、前記ロータと前記ステータ間の引力が予圧として前記軸受に作用する様構成され、前記回転軸の他端部には、該回転軸の回転角を検出する角度検出器が設けられ、前記回転軸の内部に偏向光学部材が設けられ、該偏向光学部材を通してレーザ光線が射出される様構成されたレーザ光線照射ユニットに係るものである。
又本発明は、前記偏向光学部材は、プリズムであるレーザ光線照射ユニットに係るものである。
又本発明は、前記偏向光学部材は、フレネルプリズムであるレーザ光線照射ユニットに係るものである。
又本発明は、前記レーザ光線照射ユニットを同一軸心上に複数連設したレーザ光線照射ユニットに係るものである。
又本発明は、整準部と、該整準部に設けられた水平回転部と、該水平回転部に設けられ、水平方向に回転可能な托架部と、該托架部の水平回転角を検出する水平角検出器と、前記托架部に支持されたレーザ光線射出部とを具備し、該レーザ光線射出部は、測距光を射出し、測定対象物からの反射測距光を受光し測定対象物迄の測距を行う測距部と、制御装置と、前記測距部の光軸上に設けられた前記レーザ光線照射ユニットとを有し、前記測距光は前記レーザ光線照射ユニットを通して射出される様構成され、前記制御装置は、前記測距部から得られる測距結果と、前記水平角検出器及び前記角度検出器からの検出結果に基づき測定点の３次元座標を取得する測量装置に係るものである。
更に又本発明は、前記アキシャルギャップ型モータによる前記偏向光学部材の回転と、前記水平回転部による前記托架部の水平回転の協働により、前記測距光を所要範囲で走査し、前記測距部により所要範囲の点群データを取得する様構成した測量装置に係るものである。
本発明によれば、固定部に１つの軸受を介して回転軸が設けられ、該回転軸の一端部にアキシャルギャップ型モータのロータが設けられ、該ロータに対峙する様前記アキシャルギャップ型モータのステータが前記固定部に設けられ、前記ロータと前記ステータ間の引力が予圧として前記軸受に作用する様構成されたので、該軸受の隙間を抑止する為の予圧付与手段を別途設ける必要がなく、小型で高精度の軸受が得られる。
又本発明によれば、固定部に１つの軸受を介して中空の回転軸が設けられ、該回転軸の一端部にアキシャルギャップ型モータのロータが設けられ、該ロータに対峙する様前記アキシャルギャップ型モータのステータが前記固定部に設けられ、前記ロータと前記ステータ間の引力が予圧として前記軸受に作用する様構成され、前記回転軸の他端部には、該回転軸の回転角を検出する角度検出器が設けられ、前記回転軸の内部に偏向光学部材が設けられ、該偏向光学部材を通してレーザ光線が射出される様構成されたので、前記軸受の隙間を抑止する為の予圧付与手段を別途設ける必要がなく、小型で高精度の軸受が得られ、更に前記偏向光学部材が出力軸と一体に設けられ、前記偏向光学部材を回転自在に支持する機構、モータの回転を前記偏向光学部材に伝達する為の動力伝達手段を省略でき、部品点数が少なく、小型で軽量とすることができる。
更に又本発明によれば、整準部と、該整準部に設けられた水平回転部と、該水平回転部に設けられ、水平方向に回転可能な托架部と、該托架部の水平回転角を検出する水平角検出器と、前記托架部に支持されたレーザ光線射出部とを具備し、該レーザ光線射出部は、測距光を射出し、測定対象物からの反射測距光を受光し測定対象物迄の測距を行う測距部と、制御装置と、前記測距部の光軸上に設けられた前記レーザ光線照射ユニットとを有し、前記測距光は前記レーザ光線照射ユニットを通して射出される様構成され、前記制御装置は、前記測距部から得られる測距結果と、前記水平角検出器及び前記角度検出器からの検出結果に基づき測定点の３次元座標を取得するので、小型で高精度の軸支持構造を有し、部品点数が少なく、小型で軽量の偏向部により測距光を偏向照射でき、安価で簡便な測量装置とすることができるという優れた効果を発揮する。
本発明の第１の実施例を示す断面図である。 （Ａ）（Ｂ）は第１の実施例に用いられるアキシャルギャップ型モータのロータの説明図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は断面図である。 （Ａ）（Ｂ）は第１の実施例に用いられるアキシャルギャップ型モータのステータの説明図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は断面図である。 本実施例に係るレーザ光線照射ユニットによるレーザ光線の偏向状態を示す説明図である。 本発明の第２の実施例を示す断面図である。 本発明の応用例を示す断面図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、該応用例に於ける偏向の作用説明図である。 本発明の実施例に係る測量装置の概略図である。 該測量装置の概略構成を示すブロック図である。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。
図１に於いて、本発明の第１の実施例に係る軸支持構造を有するレーザ光線照射ユニット１について説明する。
図１中、２は固定部としての軸受ハウジング、３はプリズムホルダを兼ねる中空の回転軸を示している。該回転軸３内には偏向光学部材としてのプリズム４が設けられている。該プリズム４は、透過する光線の光軸を所要角度θ、例えば１０゜偏向する様に作製されている。
前記回転軸３は１つのボールベアリング５を介して前記軸受ハウジング２に回転自在に支持されている。
前記ボールベアリング５は前記軸受ハウジング２に隙間なく嵌合され、外輪止め６によって軸心方向に隙間なく固定されている。又、前記ボールベアリング５は前記回転軸３の一端部に隙間なく嵌合され、内輪止め７によって軸心方向に隙間なく固定されている。
前記回転軸３の他端部と前記軸受ハウジング２との間にアキシャルギャップ型モータ１１が設けられている。
該アキシャルギャップ型モータ１１について、図２（Ａ）、図２（Ｂ）、図３（Ａ）、図３（Ｂ）を参照して略述する。
該アキシャルギャップ型モータ１１は、主に前記回転軸３と同心のリング板状のロータ１２と、前記回転軸３と同心のリング板状のステータ１３とを有する。
前記ロータ１２は前記回転軸３の他端部に隙間なく嵌合され、ロータ押え１４によって前記回転軸３に固定されている。前記ロータ１２は、前記軸受ハウジング２とは非接触となっている。前記ステータ１３は、前記ロータ１２に対して所定の間隙を隔てて前記軸受ハウジング２に嵌合され、ステータ押え１５によって前記軸受ハウジング２に固定されている。
前記ロータ１２は、磁性体のリング円板形のロータヨーク１６と、該ロータヨーク１６の前記ステータ１３と対峙する面に固定された所定数のマグネット１７とを有する。該マグネット１７は、前記回転軸３と同心の円周上に所定間隔で配置されている。
前記ステータ１３は、磁性体のリング円板形のステータヨーク１８と、該ステータヨーク１８の前記ロータヨーク１６と対峙する面に固定された所定数のコイル１９とを有する。該コイル１９は、前記マグネット１７と対向し、同心の円周上に所定間隔で配置されている。
前記コイル１９に通電する駆動電流のタイミング、極性を制御することで、前記ロータ１２が回転され、又回転が制御される。
尚、前記マグネット１７及び前記コイル１９が形成する磁界によって前記ロータ１２と前記ステータ１３間には引力が作用し、該引力によって前記回転軸３には軸心方向にスラスト力が作用する。従って、前記ボールベアリング５には、前記スラスト力により予圧が作用し、前記回転軸３の振れが抑制される。
該回転軸３には角度検出器としてのエンコーダ２１が設けられ、該エンコーダ２１により前記回転軸３の回転角が検出される。尚、図１中、２２はパターンリング、２３はセンサを示している。前記パターンリング２２は前記回転軸３に取付けられ、前記パターンリング２２には角度検出用パターン（図示せず）が形成されている。前記センサ２３は固定側（前記軸受ハウジング２側）に設けられ、角度検出用パターンを読取り角度検出信号を発する。
又、２４はレーザ光線２６を発する発光部、２５は測定対象物からの反射光を受光して測距を行う測距部を示している。
以下、前記レーザ光線照射ユニット１の作用を説明する。
前記コイル１９に駆動電流を通電することで、前記ロータ１２が回転され、該ロータ１２と一体に前記回転軸３が回転する。即ち、該回転軸３には前記アキシャルギャップ型モータ１１の回転力が伝達され、前記回転軸３は前記アキシャルギャップ型モータ１１の出力軸となっている。前記回転軸３の回転角は、前記エンコーダ２１によって検出される。
前記マグネット１７が形成する磁界によって、前記コイル１９への通電、非通電に拘らず前記ロータ１２、前記ステータ１３間には引力が作用し、前記ボールベアリング５には常時予圧が作用する。従って、停止状態であっても前記回転軸３の振れが抑止される。
前記アキシャルギャップ型モータ１１が、前記ロータ１２を回転することで、前記回転軸３と一体に前記プリズム４が回転する。
該プリズム４を透過する前記レーザ光線２６は、前記プリズム４の光学作用で偏向する。該プリズム４を透過した前記レーザ光線２６は、前記プリズム４の回転と共に前記回転軸３の軸心を中心に回転する。即ち、前記レーザ光線２６は、偏角θの範囲で（例えば、θ＝±１０゜）の範囲で走査される（図４参照）。
又、該レーザ光線２６の照射方向は、前記エンコーダ２１によって検出される。
本実施例では、モータ（回転駆動部）と、偏向部と、レーザ光線の走査部（回転照射部）とが一体となっており、更に、軸受に予圧を作用させる機構を別途設ける必要がなく、小型、簡潔な構成となっている。
又、偏向手段としてプリズムを用いているので、反射鏡の様に軸の振れの影響を大きく受けることがなく、高精度の回転精度が得られる。
又、前記プリズム４は、前記回転軸３に直接保持されており、回転部の質量は少なく、前記アキシャルギャップ型モータ１１によって高速で回転することができる。
尚、前記エンコーダ２１の代りに磁気センサを用いてもよく、前記ボールベアリング５をクロスベアリングとしてもよい。又、大きな偏角を得る為、前記回転軸３内に複数のプリズム４を設けてもよい。
図５は、第２の実施例を示している。
第２の実施例は、第１の実施例で示したプリズム４を複数のプリズム要素３１で構成し、フレネルプリズムとしたものである。
該プリズム要素３１は、円形を複数の平行な分割線で分割した棒状のプリズムであり、同一の光学特性を有する。第２の実施例に於ける前記プリズム４は、前記プリズム要素３１を積上げ円板状に構成している。
前記プリズム４をフレネルプリズムとすることで、該プリズム４の厚みを薄くでき、軽量化が図れる。
又、該プリズム４は、モールド成形したフレネルプリズムとしてもよい。
図６は、本発明の応用例のレーザ光線照射ユニット３３を示している。
図６中、図１中で示したものと同一のものには同符号を付し、その説明を省略する。
本応用例の前記レーザ光線照射ユニット３３では、第１の実施例で示したレーザ光線照射ユニット１を２組同一軸心上に対称的に連設したものである。尚、必ずしも対称に配設しなくてもよく、同一姿勢で複数連設してもよい。
尚、図中左側のレーザ光線照射ユニット１については添字ａ、右側のレーザ光線照射ユニット１については添字ｂを付してある。
本応用例では、単一のレーザ光線照射ユニット１ａが偏角θで偏向可能とすると、２組組合わせることで、最大２θの偏角で偏向可能となる。
更に、前記レーザ光線照射ユニット１ａ，１ｂの回転を個々に制御することで、種々の態様で走査可能となる。
図７（Ａ）〜図７（Ｃ）を参照して説明する。
図７（Ａ）は最大の偏角２θが得られる状態を示しており、プリズム４ａ、プリズム４ｂのそれぞれの偏向方向が合致する様に回転方向の位置（以下、回転位置）が設定される。
図７（Ｂ）は、直線方向に走査する場合を示しており、前記プリズム４ａ，４ｂを反対方向に等速度ωで回転させることで、走査軌跡は直線となる。
図７（Ｃ）では、前記プリズム４ａと前記プリズム４ｂを同方向に、且つ一方を高速で、他方を低速で回転させた場合を示している。この場合、走査軌跡は螺旋となる。
又、図示していないが、偏角を所要角度変更し、偏角を維持して、前記プリズム４ａ，４ｂを一体に回転することで、円の軌跡が得られ、偏角を変更する度に、前記プリズム４ａ，４ｂを一体に回転すれば多重同心円の走査軌跡が得られる。
前記プリズム４ａと前記プリズム４ｂとの回転位置の組合わせにより、射出するレーザ光線２６の偏向方向、偏角を任意に変更することができると共に任意の走査軌跡が得られる。
図８、図９は、本実施例に係るレーザ光線照射ユニットを具備した測量装置の概略を示している。
所定地点に３脚３５が設置され、該３脚３５に整準部３６が設けられる。該整準部３６に水平回転部３７を介して托架部３８が設けられている。該托架部３８は、中央部に凹部３９が形成され、該凹部３９に鉛直回転軸４１を介してレーザ光線射出部４２が回転可能に支持されている。
前記托架部３８は、前記水平回転部３７により鉛直軸心を中心に水平方向に回転され、水平回転角は水平角検出器４３によって検出される。又、前記レーザ光線射出部４２は前記鉛直回転軸４１を中心に鉛直方向に回転可能であり、鉛直回転角は鉛直角検出器４４によって検出される。
前記レーザ光線射出部４２内に、レーザ光線照射ユニット１、測距光学系４６、前記測距部２５等が収納され、前記レーザ光線照射ユニット１は前記測距光学系４６の光軸４８上に配設されている。又、前記托架部３８、又は前記レーザ光線射出部４２内に制御装置５１が設けられている。該制御装置５１は、前記測距部２５、前記水平回転部３７、前記レーザ光線射出部４２を所要のタイミングで所要の状態に制御し、測定を実行する。
前記測距光学系４６の概略を説明する。
前記測距部２５は前記発光部２４を駆動し、該発光部２４から発せられたレーザ光線２６は、前記レーザ光線照射ユニット１を通ってθの偏角で、偏向され、射出される。
測定対象物から反射された、反射測距光２６′は受光素子４７で受光され、受光信号が前記測距部２５に入力される。該測距部２５では、前記レーザ光線２６の発光タイミングと前記反射測距光２６′の受光タイミングとの差に基づき距離が演算される。
又、前記レーザ光線射出部４２の方向（前記測距光学系４６の前記光軸４８の方向）は、前記水平角検出器４３、前記鉛直角検出器４４の検出結果に基づき決定され、又前記光軸４８に対する前記レーザ光線２６の偏向方向は、前記エンコーダ２１の検出結果に基づき演算することができる。従って、前記レーザ光線２６の射出方向は、前記水平角検出器４３、前記鉛直角検出器４４、前記エンコーダ２１の検出結果に基づき求めることができる。
而して、前記測距部２５による測距結果、前記レーザ光線２６の射出方向に基づき、測定点の３次元座標を求めることができ、トータルステーションと同様の測定が行える。
更に、前記測距光学系４６から射出される測距光を走査し、点群データを取得する。点群データの取得は、パルス方式、位相差方式、或は両者の組合わせ方式であってもよい。
前記光軸４８を固定した状態で、前記アキシャルギャップ型モータ１１により前記プリズム４を回転することで、前記光軸４８に対して２θの範囲で前記レーザ光線２６の一軸の走査が行え、更に前記水平回転部３７により前記托架部３８を水平回転することで、鉛直角２θの範囲で水平方向の走査が行え、広範囲の点群データを取得することができる。
又、１水平回転毎に、前記レーザ光線射出部４２の鉛直角を変更することで、更に広範囲の点群データの取得ができる。
尚、前記プリズム４は、前記アキシャルギャップ型モータ１１によって高速回転が可能であり、効率よく点群データが取得できる。又、前記偏角θを大きくした場合は、前記レーザ光線射出部４２は鉛直方向に回転しなくてもよい。
１ レーザ光線照射ユニット
２ 軸受ハウジング
３ 回転軸
４ プリズム
５ ボールベアリング
１１ アキシャルギャップ型モータ
１２ ロータ
１３ ステータ
１４ ロータ押え
２１ エンコーダ
２２ パターンリング
２３ センサ
２４ 発光部
２５ 測距部
２６ レーザ光線
３１ プリズム要素
３３ レーザ光線照射ユニット
３６ 整準部
３７ 水平回転部
３８ 托架部
４２ レーザ光線射出部
４３ 水平角検出器
４４ 鉛直角検出器
４７ 受光素子
５１ 制御装置

Claims (7)

  1. 固定部としての軸受ハウジングに１つの軸受を介して回転軸が設けられ、前記軸受は前記回転軸の一端部に外嵌されると共に前記軸受ハウジングの一端部に内嵌され、該回転軸の他端部にアキシャルギャップ型モータのロータが外嵌され、該ロータに対峙する様前記アキシャルギャップ型モータのステータが前記軸受ハウジングに内嵌され、該軸受ハウジングの内面と前記回転軸の外面との間に前記アキシャルギャップ型モータが構成され、
    前記ロータと前記ステータ間の引力が予圧として前記軸受に作用する様構成された軸支持構造。
  2. 固定部としての軸受ハウジングに１つの軸受を介して中空の回転軸が設けられ、前記軸受は前記回転軸の一端部に外嵌されると共に前記軸受ハウジングの一端部に内嵌され、該回転軸の他端部にアキシャルギャップ型モータのロータが外嵌され、該ロータに対峙する様前記アキシャルギャップ型モータのステータが前記軸受ハウジングに内嵌され、該軸受ハウジングの内面と前記回転軸の外面との間に前記アキシャルギャップ型モータが構成され、
    前記ロータと前記ステータ間の引力が予圧として前記軸受に作用する様構成され、
    前記回転軸の一端部には、該回転軸の回転角を検出する角度検出器が設けられ、前記回転軸の内部に偏向光学部材が設けられ、該偏向光学部材を通してレーザ光線が射出される様構成されたレーザ光線照射ユニット。
  3. 前記偏向光学部材は、プリズムである請求項２に記載のレーザ光線照射ユニット。
  4. 前記偏向光学部材は、フレネルプリズムである請求項２に記載のレーザ光線照射ユニット。
  5. 請求項２のレーザ光線照射ユニットを同一軸心上に複数連設したレーザ光線照射ユニット。
  6. 整準部と、該整準部に設けられた水平回転部と、該水平回転部に設けられ、水平方向に回転可能な托架部と、該托架部の水平回転角を検出する水平角検出器と、前記托架部に支持されたレーザ光線射出部とを具備し、該レーザ光線射出部は、測距光を射出し、測定対象物からの反射測距光を受光し測定対象物迄の測距を行う測距部と、制御装置と、前記測距部の光軸上に設けられた請求項２のレーザ光線照射ユニットとを有し、前記測距光は前記レーザ光線照射ユニットを通して射出される様構成され、前記制御装置は、前記測距部から得られる測距結果と、前記水平角検出器及び前記角度検出器からの検出結果に基づき測定点の３次元座標を取得する測量装置。
  7. 前記アキシャルギャップ型モータによる前記偏向光学部材の回転と、前記水平回転部による前記托架部の水平回転の協働により、前記測距光を所要範囲で走査し、前記測距部により所要範囲の点群データを取得する様構成した請求項６に記載の測量装置。
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