JP6691419B2 - 超音波モータの制御方法及びそのための測量機 - Google Patents

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。

超音波モータは連続駆動での低速回転が困難である。そのため低速回転の際は、図１０のように、駆動信号をＯＮ／ＯＦＦする間欠駆動が行われる。即ち、駆動周期ＴＭ内で、駆動信号を印加する加速期間Ｔａと駆動信号を停止する減速期間Ｔｒを設け、加速期間Ｔａと減速期間Ｔｒの比を変化させることにより、駆動周期ＴＭにおける平均速度が制御される。

また、測量機には、例えば特許文献２で開示されているように、移動するターゲットを自動で追尾する機能を備えているものも多い。自動追尾には、追尾光を照射する発光部とその反射光を受光する受光部を測量機に設けて、点灯画像と消灯画像を取得してその差分を取り、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する方法がある。

特開２０１４−１３７２９９号公報 特開２００９−３００３８６号公報

自動追尾では、作業者が持ち運ぶターゲットを追尾するために、５［°／ｓ］程度の低速回転で回転軸を駆動することが多い。このため、超音波モータでは上記の間欠駆動が行われるが、超音波モータは制御応答が速いので、加速期間Ｔａには駆動周波数に応じた速度に即座に到達し、減速期間Ｔｒには即座に停止状態に達する。このように超音波モータでは低速回転時に速度むらが生じるため、自動追尾で取得した像がブレることがある。

特に、ターゲットと測量機の距離が離れている場合は、受光部に投影されるターゲット像も小さくなり、陽炎等の影響で１画素当たりの光量が減るため、像のブレが生じると受光信号のＳ／Ｎが下がり、追尾性能が劣化するという問題が生じる。

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、自動追尾の性能劣化を低減する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、回転軸と、前記回転軸を駆動する超音波モータと、発光部と受光部を備えターゲットを追尾する追尾部と、クロック信号を出力するクロック信号発振部とを備えた測量機における超音波モータの制御方法であって、前記超音波モータの低速回転時に、前記クロック信号を基準にして、前記超音波モータの前記駆動信号の駆動周期内で前記駆動信号を印加する加速期間と前記駆動信号を停止する減速期間の比を設定し、前記減速期間中に前記追尾部の前記発光部を発光させることを特徴とする。

上記態様において、前記減速期間中かつ前記加速期間に切り替わる直前に、前記発光部を点灯させるのも好ましい。

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、回転軸と、前記回転軸を駆動する超音波モータと、発光部と受光部を備えターゲットを追尾する追尾部と、クロック信号を出力するクロック信号発振部と、前記超音波モータの低速回転時に、前記クロック信号を基準にして、前記超音波モータの前記駆動信号の駆動周期内で前記駆動信号を印加する加速期間と前記駆動信号を停止する減速期間の比を設定し、前記減速期間中に前記追尾部の前記発光部を発光させる制御部と、を有することを特徴とする。

上記態様において、前記制御部は、前記減速期間中かつ前記加速期間に切り替わる直前に、前記発光部を点灯させるのも好ましい。

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、自動追尾の性能劣化を低減する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。 図１の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。 本形態に係る測量機の測距部および追尾部の構成を示す光学ブロック図である。 本形態の第１の制御方法に係るタイミングチャート図である。 本形態の第２の制御方法に係るタイミングチャート図である。 本形態の変形例１に係るタイミングチャート図である。 本形態の変形例２に係るタイミングチャート図である。 本形態の変形例３に係る制御ブロック図である。 超音波モータの間欠駆動を示す駆動信号の波形図である。

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、図２は図１の超音波モータを含む部分の断面斜視図である。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、自動視準機能と自動追尾機能を備えており、望遠鏡９には、後述する測距部６１と追尾部６２のための発光部６２１、受光部６２２、および光学系６２３が収容されている。托架部７の水平回転と望遠鏡９の鉛直回転の協働により、測距光及び追尾光がターゲットに照射される。

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。

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、図２に示すように、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。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３は本形態に係る測量機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、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。また、追尾部６２の発光タイミングを制御する。この制御については後に詳述する。

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、エンコーダ２１から得た角度信号を元に回転軸６の回転速度を求め、駆動信号を印加する加速期間Ｔａと駆動信号を停止する減速期間Ｔｒの駆動周期ＴＭ内の比を決定し、ＦＰＧＡ７３１に指令する。即ち、連続駆動では全期間を加速期間Ｔａにして駆動信号を連続的に印加し、間欠駆動で回転速度を上げたいときは加速期間Ｔａの比率を上げ、回転速度を下げたいときは加速期間Ｔａの比率を下げる（減速期間Ｔｒを上げる）。ＦＰＧＡ７３１は、制御部２３から上記の比に関する指令を受けて、クロック信号に基づき、駆動信号の振幅，駆動周波数，駆動周期ＴＭ、加速期間Ｔａ、および減速期間Ｔｒを制御する。これにより、駆動周期ＴＭにおける平均速度が変化し、駆動周期ＴＭごとに回転軸６の回転速度のフィードバックが行われる。ＦＰＧＡ７３１が作成した駆動周期ＴＭ、加速期間Ｔａ、および減速期間Ｔｒの制御情報は、逐次、制御部２３に伝えられる。

図４は本形態に係る測量機の測距部６１および追尾部６２の構成を示す光学ブロック図である。図４は、追尾部６２の構成の一例であり、測距部６１と追尾部６２の発光部、受光部、光学系を共有させた構成である。測量機１は、測距部６１と追尾部６２が各々に発光部、受光部、光学系を有する構成であってもよい。

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の演算結果は制御部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。上記において、光源１１２が追尾部６２の発光部６２１、第１撮像素子１２８および第２撮像素子１３２が追尾部６２の受光部６２２である。なお、光学系６２３の各要素は当業者の知識に基づく改変が行われてよい。また、画像処理装置１３４での処理は制御部２３で行われてもよい。

以上の構成を用いて、測量機１では以下の制御が行われる。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。

（第１の制御方法）
図５は本形態の第１の制御方法に係るタイミングチャート図である。図５の横軸は時間ｔ、上の縦軸は追尾部６２の発光部６２１の発光パルスの振幅、下の左縦軸は超音波モータ５の駆動信号の振幅（実線）、下の右縦軸は回転軸６の回転速度（一点鎖線）である。

制御部２３は、クロック信号発振部６３からのクロック信号を基準にして、超音波モータ５の駆動周期ＴＭと発光部６２１の発光周期ＴＴを決定する。本形態では、駆動周期ＴＭと発光周期ＴＴは一致している。

制御部２３は、エンコーダ２１から低速回転域（超音波モータが連続駆動で回転しなくなる速度域）であることを検知すると、超音波モータ５を間欠駆動する。本形態では、駆動周期ＴＭの開始と同時に加速期間Ｔａが設けられている。このため、回転軸６の回転速度は、駆動周期ＴＭの終端に向かうほど遅くなる。この際、制御部２３は、減速期間Ｔｒの間に発光部６２１を発光させる。

このように、超音波モータ５の加速期間Ｔａの終了後、減速期間Ｔｒの間に追尾光を発光させることで、減速期間Ｔｒの間に追尾光の反射光を受光することができる。即ち、減速中にターゲット１４４を撮影することができるので、像のブレが生じにくくなる。

（第２の制御方法）
図６は本形態の第２の制御方法に係るタイミングチャート図である。図６の横軸は時間ｔ、上の縦軸は追尾部６２の発光部６２１の発光パルスの振幅、下の左縦軸は超音波モータ５の駆動信号の振幅（実線）、下の右縦軸は回転軸６の回転速度（一点鎖線）である。第２の制御方法でも、駆動周期ＴＭの開始と同時に加速期間Ｔａが設けられている。この際、制御部２３は、減速期間Ｔｒの間かつ次の駆動周期ＴＭ（加速期間Ｔａ）に切り替わる直前に、発光部６２１を発光させる。最も好ましくは、減速期間Ｔｒの間かつ次の駆動周期ＴＭ（加速期間Ｔａ）に切り替わる直前までに、発光部６２１を発光させ終える。

回転軸６の回転速度は、減速期間Ｔｒの終端に向かうほど遅くなる。本形態によれば、超音波モータ５の減速期間Ｔｒの終盤に追尾光を発光させ反射光を受光することができるので、減速期間Ｔｒの間で最も回転速度が遅い時にターゲット１４４を撮影することができる。このため、最も像のブレが生じにくくなる。

（変形例１）
図７は本形態の変形例１に係るタイミングチャート図であり、第２の制御方法の変形例である。変形例１では、駆動周期ＴＭの終端側に加速期間Ｔａが設けられている。加速期間Ｔａが後半にある場合も、制御部２３は、減速期間Ｔｒの間かつ加速期間Ｔａに切り替わる直前までに、発光部６２１を発光させ終える。

このように、発光部６２１の発光のタイミングは、超音波モータ５の減速期間Ｔｒと加速期間Ｔａの配置に応じて変更される。超音波モータ５の減速期間Ｔｒと加速期間Ｔａの配置が変更されても、超音波モータ５の減速期間Ｔｒの間かつ加速期間Ｔａに切り替わる直前までに追尾光を発光させ受光すれば、第２の制御方法と同等の効果が得られる。

（変形例２）
図８は本形態の変形例２に係るタイミングチャート図であり、第２の制御方法の変形例である。変形例２では、制御部２３は、クロック信号発振部６３からのクロック信号を基準にして、超音波モータ５の駆動周期ＴＭと発光部６２１の発光周期ＴＴを１：２に設定する。その上で、制御部２３は、減速期間Ｔｒの間かつ加速期間Ｔａに切り替わる直前までに、発光部６２１を発光させ終える。

このように、超音波モータ５の駆動周期ＴＭと発光部６２１の発光周期ＴＴは、１：ＮまたはＮ：１（但しＮは１以外の自然数）に設定されてもよい。駆動周期ＴＭと発光周期ＴＴを１：ＮまたはＮ：１に設定すれば、電子デバイスの制約で厳密に周期を合わせられない場合でも、第２の制御方法と同等の効果が得られる。

（変形例３）
図９は本形態の変形例３に係る制御ブロック図であり、図３の測量機１の構成の変形例である。図３の構成では、ＦＰＧＡ７３１は、制御部２３から指令を受けて、駆動周期ＴＭ、加速期間Ｔａ、および減速期間Ｔｒを制御し、これらの制御情報を制御部２３に伝えていたが、制御部２３を介さず追尾部６２に伝えるようにしてもよい。即ち、追尾部６２に第２の制御部６２４を設け、第２の制御部６２４に制御情報を直接伝えて、第２の制御部６２４が同期を取る役割を持ってもよい。

以上の実施の形態および変形例によれば、超音波モータ５と追尾部６２に同期を取ることにより、自動追尾で取得した像のブレを低減することができる。これにより、受光部６２２での受光光量の減少を防ぐことができるので、追尾性能の劣化を防ぐことができる。

なお、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
６２ 追尾部
６２１ 発光部
６２２ 受光部
２３ 制御部
６３ クロック信号発振部
ＴＭ 駆動周期
ＴＴ 発光周期
Ｔａ 加速期間
Ｔｒ 減速期間

Claims (4)

1. 回転軸と、前記回転軸を駆動する超音波モータと、発光部と受光部を備えターゲットを追尾する追尾部と、クロック信号を出力するクロック信号発振部とを備えた測量機における超音波モータの制御方法であって、
   前記超音波モータが連続駆動で回転しなくなる低速回転時に、前記クロック信号を基準にして、前記超音波モータの駆動信号の駆動周期内で前記駆動信号を印加する加速期間と前記駆動信号を停止する減速期間の比を設定し、前記減速期間中に前記追尾部の前記発光部を発光させることを特徴とする超音波モータの制御方法。
   
2. 前記減速期間中かつ前記加速期間に切り替わる直前に、前記発光部を点灯させ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。
   
3. 回転軸と、
   前記回転軸を駆動する超音波モータと、
   発光部と受光部を備えターゲットを追尾する追尾部と、
   クロック信号を出力するクロック信号発振部と、
   前記超音波モータが連続駆動で回転しなくなる低速回転時に、前記クロック信号を基準にして、前記超音波モータの駆動信号の駆動周期内で前記駆動信号を印加する加速期間と前記駆動信号を停止する減速期間の比を設定し、前記減速期間中に前記追尾部の前記発光部を発光させる制御部と、を有することを特徴とする測量機。
   
4. 前記制御部は、前記減速期間中かつ前記加速期間に切り替わる直前に、前記発光部を点灯させることを特徴とする請求項３に記載の測量機。

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