JP6884529B2 - 測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定対象物の３次元形状を測定可能な測定装置及びモータの制御方法に関するものである。

測定対象物の３次元座標を測定する為の測定機として、例えばトータルステーションや３次元レーザスキャナがある。トータルステーションには、自動で視準を行う為のモータを有するものもあり、測定位置に設置した後、自動で測定対象物を視準し、測距光を射出して測定を行える様になっている。又、３次元レーザスキャナは、高速で測定対象物を測距光で走査し、短時間で測定対象物の３次元形状を測定する様になっている。

測定対象物に向って測距光を往復走査する際には、測距光を偏向させる光学部材をモータにより往復回転させている。この為、モータは目標回転角毎に駆動される。この場合、設定した通りの走査長で測距光を往復走査させる為には、オーバランが生じない様にモータを制御する必要がある。

特開２０１４−８５１３４号公報 特開２００８−２６８００４号公報

本発明は、光学部材を往復回転させる際のオーバランを抑制する測定装置及びモータの制御方法を提供するものである。

本発明は、測距光を射出し、反射測距光を受光して測距を行う測距部と、測距光、反射測距光の共通光路に設けられ、測距光、反射測距光の光軸を同一の偏角、同一の方向で偏向する光軸偏向部と、該光軸偏向部による偏角、偏向方向を検出する射出方向検出部と、演算制御部とを具備し、前記光軸偏向部はそれぞれ独立して回転可能な重なり合う一対の円板状の光学プリズムと、該光学プリズムを回転させる一対のモータと、該モータの回転角を検出するエンコーダとを有し、前記演算制御部は、前記光学プリズムが往復回転する様予め設定されたトルク値と目標回転角に基づき前記モータを制御すると共に、前記モータを反転させた際に検出された反転時回転角と予め設定された基準目標回転角から前記モータのオーバラン量を演算し、該オーバラン量に基づき前記目標回転角から前記反転時回転角を減じる様構成された測定装置に係るものである。

又本発明は、前記演算制御部は、前記目標回転角の修正を前記モータの反転毎に実行する測定装置に係るものである。

又本発明は、前記演算制御部は、前記エンコーダで検出された検出回転角と修正された前記目標回転角との一致を検出し、前記モータの回転を反転させる測定装置に係るものである。

又本発明は、前記演算制御部は、前記エンコーダで検出された検出回転角と、前記目標回転角との一致を各モータ毎に検出し、検出の時間差に基づき前記トルク値を修正する測定装置に係るものである。

又本発明は、前記測距部と、前記光軸偏向部と、前記射出方向検出部と、前記演算制御部とを収納する測定装置本体と、該測定装置本体を上下方向及び左右方向に回転可能に支持する支持部と、前記測定装置本体を上下方向及び左右方向に回転する回転駆動部と、前記測定装置本体の上下角、左右角を検出する角度検出器とを具備する測定装置に係るものである。

又本発明は、前記光学プリズムは、中心部に形成され、測距光を所要の偏角、所要の方向で偏向する測距光軸偏向部と、外周部に形成され、該測距光軸偏向部と同一の偏角、同一の方向で反射測距光を偏向する反射測距光軸偏向部とを有する測定装置に係るものである。

又本発明は、前記光学プリズムは、フレネルプリズムである測定装置に係るものである。

更に又本発明は、予め設定された目標回転角に基づきモータの反転制御を行うモータの制御方法であって、前記モータを反転させた際に検出された反転時回転角と、予め設定された基準目標回転角とから前記モータのオーバラン量を演算し、該オーバラン量に基づき前記反転時回転角を減じる様前記目標回転角を修正するモータの制御方法に係るものである。

本発明によれば、測距光を射出し、反射測距光を受光して測距を行う測距部と、測距光、反射測距光の共通光路に設けられ、測距光、反射測距光の光軸を同一の偏角、同一の方向で偏向する光軸偏向部と、該光軸偏向部による偏角、偏向方向を検出する射出方向検出部と、演算制御部とを具備し、前記光軸偏向部はそれぞれ独立して回転可能な重なり合う一対の円板状の光学プリズムと、該光学プリズムを回転させる一対のモータと、該モータの回転角を検出するエンコーダとを有し、前記演算制御部は、前記光学プリズムが往復回転する様予め設定されたトルク値と目標回転角に基づき前記モータを制御すると共に、前記モータを反転させた際に検出された反転時回転角と予め設定された基準目標回転角から前記モータのオーバラン量を演算し、該オーバラン量に基づき前記目標回転角から前記反転時回転角を減じる様構成されたので、設定した測距光の往復長さと、実際の測距光の往復長さとを一致又は略一致させることができ、正確な測定結果を得ることができると共に、前記モータの個体差を考慮することなくオーバランを抑制することが可能となり、作業性を向上させることができる。

又本発明によれば、予め設定された目標回転角に基づきモータの反転制御を行うモータの制御方法であって、前記モータを反転させた際に検出された反転時回転角と、予め設定された基準目標回転角とから前記モータのオーバラン量を演算し、該オーバラン量に基づき前記反転時回転角を減じる様前記目標回転角を修正するので、前記モータの個体差に拘わらず、該モータのオーバランの抑制が可能となり、作業性を向上させることが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定装置を示す正面図である。 該測定装置の光学系を示す概略図である。 該光学系の光軸偏向部の拡大図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は光軸偏向部の作用を示す説明図である。 光学プリズムを同期回転させる際のモータの制御方法を説明する制御図である。 （Ａ）（Ｂ）は、モータを回転させた際に生じるオーバランについて説明する説明図である。 光学プリズムを同期回転させる際のモータを同期回転させる制御方法を説明する制御図である。 光学プリズムを同期回転させる際のモータのオーバランを防止する制御方法を説明する制御図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

先ず、図１、図２に於いて、本発明の実施例に係る測定装置について説明する。

測定装置１は、例えば追尾機能を有するトータルステーションであり、三脚（図示せず）上に設置される。前記測定装置１は、測定装置本体２、托架部３、台座部４、測量基盤５を有している。

前記托架部３は、凹部を有する凹字形状であり、凹部に前記測定装置本体２が収納されている。該測定装置本体２は上下回転軸６を介して前記托架部３に支持され、前記上下回転軸６を中心に上下方向に回転自在となっている。

該上下回転軸６の端部には、上下被動ギア７が嵌設されている。該上下被動ギア７は上下駆動ギア８と噛合し、該上下駆動ギア８は上下駆動モータ９の出力軸に固着されている。前記測定装置本体２は、前記上下駆動モータ９により上下方向に回転される様になっている。

又、前記上下回転軸６と前記測定装置本体２との間には、上下角（前記上下回転軸６を中心とした回転方向の角度）を検出する上下回転角検出器１１（例えば、エンコーダ）が設けられている。該上下回転角検出器１１により、前記測定装置本体２の前記托架部３に対する上下方向の相対回転角が検出される。

前記托架部３の下面からは、左右回転軸１２が突設され、該左右回転軸１２は軸受（図示せず）を介して前記台座部４に回転自在に嵌合している。前記托架部３は、前記左右回転軸１２を中心に左右方向に回転自在となっている。

該左右回転軸１２と同心に、左右被動ギア１３が前記台座部４に固着されている。前記托架部３には左右駆動モータ１４が設けられ、該左右駆動モータ１４の出力軸に左右駆動ギア１５が固着されている。該左右駆動ギア１５は前記左右被動ギア１３と噛合している。前記托架部３は、前記左右駆動モータ１４により左右方向に回転される様になっている。

又、前記左右回転軸１２と前記台座部４との間には、左右角（前記左右回転軸１２を中心とした回転方向の角度）を検出する左右回転角検出器１６（例えば、エンコーダ）が設けられている。該左右回転角検出器１６により、前記托架部３の前記台座部４に対する左右方向の相対回転角が検出される。

又、該台座部４は前記測量基盤５上に設けられ、該測量基盤５は三脚（図示せず）上に設置される。該測量基盤５は自動整準機構を有し、前記測定装置本体２の自動整準を行う整準部として機能する。

前記上下駆動モータ９と前記左右駆動モータ１４との協働により、前記測定装置本体２を所望の方向へと向けることができる。尚、前記托架部３と前記台座部４とにより前記測定装置本体２の支持部が構成される。又、前記上下駆動モータ９と前記左右駆動モータ１４とにより、前記測定装置本体２の回転駆動部が構成される。

該測定装置本体２内には、測距光射出部１７、受光部１８、測距部１９、撮像部２１、射出方向検出部２２、モータドライバ２３、追尾光射出部２４、追尾光受光部２５、追尾部２６、測定制御部である演算制御部２７が収納され、一体化されている。又、前記測定装置本体２には、操作部２８、表示部２９が設けられている。尚、該表示部２９をタッチパネルとし、前記操作部２８と兼用させてもよい。

前記測距光射出部１７は、射出光軸３１を有し、該射出光軸３１上に発光素子３２、例えばレーザダイオード（ＬＤ）が設けられている。又、前記射出光軸３１上に投光レンズ３３が設けられている。更に、前記射出光軸３１上に設けられた偏向光学部材としての第１反射鏡３４と、受光光軸３５（後述）上に設けられた偏向光学部材としての第２反射鏡３６とによって、前記射出光軸３１は前記受光光軸３５と合致する様に偏向される。尚、前記第１反射鏡３４と前記第２反射鏡３６とで射出光軸偏向部が構成される。

尚、前記第１反射鏡３４は波長選択機能を有し、例えば測距光を反射し、後述する追尾光を透過させる光学特性を有するビームスプリッタとなっている。

前記受光部１８は、前記受光光軸３５を有し、前記受光部１８には、測定対象物やプリズムや反射鏡等の再帰反射性を有するターゲットからの反射測距光が入射する。

前記受光光軸３５上に受光素子３７、例えばフォトダイオード（ＰＤ）が設けられ、又結像レンズ３８が配設されている。該結像レンズ３８は、反射測距光を前記受光素子３７に結像する。該受光素子３７は反射測距光を受光し、受光信号を発する。該受光信号は、前記測距部１９に入力される。

更に、前記受光光軸３５（即ち、前記射出光軸３１）上で、前記結像レンズ３８の対物側には、光軸偏向部３９が配設されている。以下、図３に於いて、該光軸偏向部３９について説明する。

該光軸偏向部３９は、一対の光学プリズム４１ａ，４１ｂから構成される。該光学プリズム４１ａ，４１ｂは、それぞれ円板状であり、前記受光光軸３５上に該受光光軸３５と直交して配置され、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂは重なり合い、平行に配置されている。該光学プリズム４１ａ，４１ｂとしては、それぞれフレネルプリズムが用いられることが、装置を小型化する為に好ましい。

前記光軸偏向部３９の中心部は、測距光が透過する第１光軸偏向部である測距光軸偏向部３９ａとなっており、中心部を除く部分は反射測距光が透過する第２光軸偏向部である反射測距光軸偏向部３９ｂとなっている。

前記光学プリズム４１ａ，４１ｂとして用いられるフレネルプリズムは、それぞれ平行に形成されたプリズム要素４２ａ，４２ｂと多数のプリズム要素４３ａ，４３ｂによって構成され、板形状を有する。各プリズム要素４２ａ，４２ｂ及びプリズム要素４３ａ，４３ｂは同一の光学特性を有する。

前記プリズム要素４２ａ，４２ｂは、前記測距光軸偏向部３９ａを構成し、前記プリズム要素４３ａ，４３ｂは前記反射測距光軸偏向部３９ｂを構成する。

前記フレネルプリズムは光学ガラスから製作してもよいが、光学プラスチック材料でモールド成形したものでもよい。光学プラスチック材料でモールド成形することで、安価なフレネルプリズムを製作できる。

前記光学プリズム４１ａ，４１ｂはそれぞれ前記受光光軸３５を中心に独立して個別に回転可能に配設されている。前記光学プリズム４１ａ，４１ｂは、回転方向、回転量、回転速度を独立して制御されることで、射出される測距光の前記射出光軸３１を任意の方向に偏向し、受光される反射測距光の前記受光光軸３５を前記射出光軸３１と平行になる様偏向する。

前記光学プリズム４１ａ，４１ｂの外形形状は、それぞれ前記受光光軸３５を中心とする円形であり、反射測距光の広がりを考慮し、充分な光量を取得できる様、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂの直径が設定されている。

又、前記光学プリズム４１ａの外周にはリングギア４４ａが嵌設され、前記光学プリズム４１ｂの外周にはリングギア４４ｂが嵌設されている。

前記リングギア４４ａには駆動ギア４５ａが噛合し、該駆動ギア４５ａはモータ４６ａの出力軸に固着されている。同様に、前記リングギア４４ｂには、駆動ギア４５ｂが噛合し、該駆動ギア４５ｂはモータ４６ｂの出力軸に固着されている。前記モータ４６ａ，４６ｂは、前記モータドライバ２３に電気的に接続されている。

前記モータ４６ａ，４６ｂは、回転角を検出することができるもの、或は駆動入力値に対応した回転をするもの、例えばパルスモータが用いられる。或は、モータの回転量（回転角）を検出する回転角検出器、例えばエンコーダ等を用いてモータの回転量を検出してもよい。前記モータ４６ａ，４６ｂの回転量がそれぞれ検出され、前記モータドライバ２３により前記モータ４６ａ，４６ｂが個別に制御される。

前記駆動ギア４５ａ，４５ｂ、前記モータ４６ａ，４６ｂは、前記測距光射出部１７と干渉しない位置、例えば前記リングギア４４ａ，４４ｂの下側に設けられている。

尚、前記投光レンズ３３、前記測距光軸偏向部３９ａ等は、投光光学系を構成し、前記反射測距光軸偏向部３９ｂ、前記結像レンズ３８等は受光光学系を構成する。

前記測距部１９は、前記発光素子３２を制御し、測距光としてレーザ光線を発光させる。前記プリズム要素４２ａ，４２ｂ（前記測距光軸偏向部３９ａ）により、測距光が測定点に向う様前記射出光軸３１が偏向される。

測定対象物から反射された反射測距光は、前記プリズム要素４３ａ，４３ｂ（前記反射測距光軸偏向部３９ｂ）、前記結像レンズ３８を介して前記受光部１８に入射し、前記受光素子３７に受光される。該受光素子３７は、受光信号を前記測距部１９に送出し、該測距部１９は前記受光素子３７からの受光信号に基づき測定点（測距光が照射された点）の測距を行う。

前記撮像部２１は、例えば５０°の画角を有するカメラであり、測定対象物を含む画像データを取得する。該撮像部２１は、前記測定装置本体２が水平姿勢で水平方向に延出する撮像光軸４７を有し、該撮像光軸４７と前記射出光軸３１とは平行となる様に設定されている。又、前記撮像光軸４７と前記射出光軸３１との距離も既知の値となっている。

前記撮像部２１の撮像素子４８は、画素の集合体であるＣＣＤ、或はＣＭＯＳセンサであり、各画素は画像素子上での位置が特定できる様になっている。例えば、各画素は、前記撮像光軸４７を原点とした座標系での位置が特定される。

前記射出方向検出部２２は、前記モータ４６ａ，４６ｂに入力される駆動パルスをカウントすることで、前記モータ４６ａ，４６ｂの回転角を検出する。或は、エンコーダ５８ａ，５８ｂ（後述）からの信号に基づき、前記モータ４６ａ，４６ｂの回転角を検出する。又、前記射出方向検出部２２は、前記モータ４６ａ，４６ｂの回転角に基づき、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂの回転位置を演算する。更に、前記射出方向検出部２２は、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂの屈折率と回転位置に基づき、測距光の偏角、射出方向を演算し、演算結果は前記演算制御部２７に入力される。

尚、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂにそれぞれエンコーダを設け、該エンコーダの検出結果を基に前記光学プリズム４１ａ，４１ｂの回転位置を演算してもよい。

又、前記追尾光射出部２４は追尾光軸４９を有し、該追尾光軸４９上に発光素子５１、例えば測距光とは異なる波長の追尾光を射出するレーザダイオード（ＬＤ）が設けられている。又、前記追尾光軸４９上に投光レンズ５２が設けられている。更に、前記追尾光軸４９上に偏向光学部材としての前記第１反射鏡３４が設けられている。尚、前記発光素子５１による追尾光の射出は、前記追尾部２６によって制御される。

前記第１反射鏡３４を透過した追尾光は、該第１反射鏡３４で偏向された前記射出光軸３１と合致する。又、追尾光は前記第２反射鏡３６に反射されることで、前記受光光軸３５（即ち、前記射出光軸３１）と合致する。

又、前記追尾光受光部２５は、偏向光学部材であり波長選択機能を有する第３反射鏡５３、集光レンズ５４、偏向光学部材である第４反射鏡５５、追尾光受光素子５６を有している。

前記第３反射鏡５３は前記受光光軸３５上に設けられ、反射追尾光を反射し、波長の異なる反射測距光を透過する光学特性を有している。又、前記追尾光受光部２５は、前記第３反射鏡５３によって前記受光光軸３５から分岐された追尾光受光光軸５７を有し、前記第４反射鏡５５、前記追尾光受光素子５６は前記追尾光受光光軸５７上に設けられている。又、前記集光レンズ５４は前記第３反射鏡５３と前記第４反射鏡５５の間に配設されている。

ターゲットの検出、追尾が行われる場合は、測定対象物として再帰反射性を有する反射鏡、例えばプリズムが用いられる。プリズム（図示せず）で反射された反射追尾光は、前記光軸偏向部３９を透過し、前記第３反射鏡５３で反射され、前記集光レンズ５４で集光され、前記第４反射鏡５５により前記追尾光受光光軸５７上に偏向され、前記追尾光受光素子５６に受光される。該追尾光受光素子５６は、画素の集合体であるＣＣＤ、或はＣＭＯＳセンサであり、各画素は画像素子上での位置が特定できる様になっている。該追尾光受光素子５６は、反射追尾光を受光し、該追尾光受光素子５６上での受光に基づく受光信号を発する。該受光信号は、前記追尾部２６に入力される。

該追尾部２６は、反射追尾光の前記追尾光受光素子５６上での受光を基にプリズムを検出し、前記追尾光受光素子５６の中心とプリズムの位置との差を演算する。演算結果は前記演算制御部２７に入力される。

該演算制御部２７は、入出力制御部、演算器（ＣＰＵ）、記憶部等から構成されている。該記憶部には測距作動を制御する測距プログラム、後述するターゲットを検出する為の検出プログラム、追尾作動を制御する追尾プログラム、前記モータドライバ２３に前記モータ４６ａ，４６ｂの駆動を制御させる為のプリズム制御プログラム、前記上下駆動モータ９と前記左右駆動モータ１４の駆動を制御する為の本体制御プログラム、前記射出方向検出部２２からの測距光の射出方向の演算結果、前記上下回転角検出器１１と前記左右回転角検出器１６の検出結果に基づき測距光の方向角（水平角、鉛直角）を演算する方向角演算プログラム、前記表示部２９に画像データ、測距データ等を表示させる為の画像表示プログラム等のプログラムが格納されている。更に、前記記憶部には、測距データ、画像データや、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂの回転位置データ、前記モータ４６ａ，４６ｂを制御する際の設定値データ等が格納される。

次に、前記測定装置１による測定作動について、図４（Ａ）〜図４（Ｃ）を参照して説明する。尚、図４（Ａ）では説明を簡略化する為、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂについて、前記プリズム要素４２ａ，４２ｂ、前記プリズム要素４３ａ，４３ｂを分離して示している。又、図４（Ａ）で示される前記プリズム要素４２ａ，４２ｂ、前記プリズム要素４３ａ，４３ｂは最大の偏角が得られる状態となっている。又、最小の偏角は、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂのいずれか一方が１８０゜回転した位置であり、偏角は０゜となり、射出されるレーザ光線（測距光）の光軸は前記射出光軸３１と平行となる。前記プリズム要素４２ａ，４２ｂは、例えば±２０°の範囲で測定対象物或は測定対象エリアを測距光で走査できる様になっている。

前記発光素子３２から測距光が発せられ、測距光は前記投光レンズ３３で平行光束とされ、前記測距光軸偏向部３９ａ（前記プリズム要素４２ａ，４２ｂ）を透して測定対象物或は測定対象エリアに向けて射出される。ここで、前記測距光軸偏向部３９ａを透過することで、測距光は前記プリズム要素４２ａ，４２ｂによって所要の方向に偏向されて射出される。

測定対象物或は測定対象エリアで反射された反射測距光は、前記反射測距光軸偏向部３９ｂ（前記プリズム要素４３ａ，４３ｂ）を透して入射され、前記結像レンズ３８により前記受光素子３７に集光される。

反射測距光が前記反射測距光軸偏向部３９ｂを透過することで、反射測距光の光軸は、前記受光光軸３５と合致する様に前記プリズム要素４３ａ，４３ｂによって偏向される（図４（Ａ））。

又、前記光学プリズム４１ａと前記光学プリズム４１ｂとの回転位置の組合わせにより、射出する測距光を任意の偏向方向、偏角で偏向することができる。

又、前記光学プリズム４１ａと前記光学プリズム４１ｂとの位置関係を固定した状態で（前記光学プリズム４１ａと前記光学プリズム４１ｂとで得られる偏角を固定した状態で）、前記モータ４６ａ，４６ｂにより、前記光学プリズム４１ａと前記光学プリズム４１ｂとを一体に回転することで、前記測距光軸偏向部３９ａを透過した測距光が描く軌跡は前記射出光軸３１を中心とした円となる。

従って、前記発光素子３２よりレーザ光線（測距光）を発光させつつ、前記光軸偏向部３９を回転させれば、測距光を円の軌跡で走査させることができる。

尚、前記反射測距光軸偏向部３９ｂは、前記測距光軸偏向部３９ａと一体に回転していることは言う迄もない。

次に、図４（Ｂ）は前記光学プリズム４１ａと前記光学プリズム４１ｂとを相対回転させた場合を示している。前記光学プリズム４１ａにより偏向された光軸の偏向方向を偏向Ａとし、前記光学プリズム４１ｂにより偏向された光軸の偏向方向を偏向Ｂとすると、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂによる光軸の偏向は、該光学プリズム４１ａ，４１ｂ間の角度差θとして、合成偏向Ｃとなる。

従って、角度差θを変化させる度に、前記光軸偏向部３９を１回転させ、１回転毎に照射すれば、直線状に測距光を走査させることができる。又、角度差θを変化させる度に、測距光を照射した状態で回転させれば、同心多重円状に測距光を走査させることができる。又、前記光学プリズム４１ａと前記光学プリズム４１ｂを同速度で反対方向に回転させれば、合成偏向Ｃ方向に直線で測距光を走査させることができる。

更に、図４（Ｃ）に示される様に、前記光学プリズム４１ａの回転速度に対して遅い回転速度で前記光学プリズム４１ｂを回転させれば、角度差θは漸次増大しつつ測距光が回転されるので、測距光の走査軌跡は、スパイラル状となる。

更に又、前記光学プリズム４１ａ、前記光学プリズム４１ｂの回転方向、回転速度を個々に制御することで、測距光の走査軌跡を前記射出光軸３１を中心とした放射方向（半径方向の走査）とし、或は水平、垂直方向とする等、種々の走査状態が得られる。

測定の態様としては、前記光軸偏向部３９を所要偏角毎に固定して測距を行うことで、特定の測定点についての測距を行うことができる。更に、前記光軸偏向部３９の偏角を変更しつつ、測距を実行することで、即ち測距光を走査しつつ測距を実行することで走査軌跡上の測定点についての測距データを取得することができる。

各測距光の射出方向角は、前記モータ４６ａ，４６ｂの回転角及び前記上下回転角検出器１１と前記左右回転角検出器１６の検出結果により検出でき、射出方向角と前記測距データとを関連付けることで、３次元の測距データを取得することができる。

又、上記した様に、前記測定装置１は前記撮像部２１を具備し、該撮像部２１で取得された画像は前記表示部２９に表示される。

ここで、前記撮像部２１の画角は例えば５０°であり、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂによる偏向範囲は例えば±２０°であるので、前記測距部１９の測定範囲は前記撮像部２１の撮像範囲と略一致している。従って、測定者は視覚によって容易に測定範囲を特定でき、前記表示部２９に表示された画像から、測定対象物を探し、或は測定対象物を選択することができるので、測定対象物を視準する必要がない。

尚、前記撮像部２１の画角、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂによる偏向範囲は上記したものに限られるものではなく、例えば前記測距部１９の測定範囲と前記撮像部２１の撮像範囲とが完全に一致する様にしてもよい。

測定対象物が選択されると、測定対象物に向って測距光が偏向される様、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂを回転させる。尚、測定対象物が前記撮像部２１の撮像範囲外にある場合には、測定対象物が前記撮像部２１の撮像範囲内に位置する様、前記上下駆動モータ９と前記左右駆動モータ１４とを駆動させる。

前記射出光軸３１と前記撮像光軸４７は平行であり、且つ両光軸は既知の関係であるので、前記演算制御部２７は前記撮像部２１で取得した画像上で、画像中心と前記射出光軸３１とを一致させることができる。更に、前記演算制御部２７は、測距光の射出方向角を検出することで、該射出方向角に基づき画像上に測定点を特定できる。従って、測定点の３次元の測距データと前記撮像部２１で取得した画像の関連付けは容易に行え、該撮像部２１で取得した画像を３次元データ付きの画像とすることができる。

又、前記測定装置１は前記追尾部２６を具備している。前記発光素子５１から追尾光が発せられ、追尾光は前記投光レンズ５２で平行光束とされ、前記測距光軸偏向部３９ａ（前記プリズム要素４２ａ，４２ｂ）を透して測定対象物、例えばプリズムや反射鏡等の再帰反射性を有するターゲットに向けて射出される。ここで、前記測距光軸偏向部３９ａを透過することで、追尾光は前記プリズム要素４２ａ，４２ｂによって所要の方向に偏向されて射出される。

ターゲットで反射された反射追尾光は、前記反射測距光軸偏向部３９ｂ（前記プリズム要素４３ａ，４３ｂ）を透して入射され、前記結像レンズ３８、前記第３反射鏡５３、前記集光レンズ５４、前記第４反射鏡５５により前記追尾光受光素子５６に集光される。

前記追尾部２６は、反射追尾光の前記追尾光受光素子５６上での受光を基に、ターゲットを検出し、前記追尾光受光素子５６の中心とターゲットの位置との差を演算する。演算結果は前記演算制御部２７に入力される。

該演算制御部２７は、前記追尾部２６での演算結果を基に、前記モータ４６ａ，４６ｂの駆動を制御する。ターゲットからの反射追尾光が前記追尾光受光素子５６の中心に受光される様、前記演算制御部２７が前記光学プリズム４１ａ，４１ｂを回転させる。これにより、該測定装置本体２は静止した状態で追尾光のみをターゲットの動きに追従させ、ターゲットを追尾する。

尚、前記光軸偏向部３９による追尾範囲を超える様な場合は、前記上下駆動モータ９、前記左右駆動モータ１４を駆動し、前記測定装置本体２をターゲットに向ける様回転させるのは言う迄もない。

以下、測定対象物の限られた部位を集中的に測定する場合に於いて、前記光学プリズム４１ａ、前記光学プリズム４１ｂを高速で往復回転させ、測距光で前記部位を往復走査する場合の前記モータ４６ａ，４６ｂの反転制御について説明する。

図５は、該モータ４６ａ，４６ｂの反転制御を行なう際の基本的な制御図であり、該モータ４６ａ，４６ｂのトルク値、回転角を固定値とした場合を示している。

前記演算制御部２７からモータドライバ２３ａに対して、回転方向例えば順回転の指示である信号ａと予め設定されたトルク値である信号ｂが入力されると、該モータドライバ２３ａは、入力された信号ａ、信号ｂに基づき、前記モータ４６ａを回転させる。

該モータ４６ａの回転角は、前記エンコーダ５８ａでリアルタイムに検出され、検出回転角を有する信号ｃが判断部５９ａに入力される。

該判断部５９ａには、予め設定された順回転時の目標回転角が信号ｄとして前記演算制御部２７より入力されている。前記判断部５９ａは、前記エンコーダ５８ａからの検出回転角と、前記演算制御部２７からの目標回転角とが一致したかどうかを判断し、検出回転角と目標回転角とが一致した時点で、回転完了信号ｅを前記演算制御部２７に出力する。

該演算制御部２７は、回転完了信号ｅが入力されると、前回とは逆向きの方向への回転指示（反転指示）である信号ａと、逆回転時トルク値である信号ｂとを前記モータドライバ２３ａに出力する。

上記の処理は、測定対象物の測定が完了し、前記モータ４６ａの反転制御が終了する迄繰返し実行される。又、上記処理が行われることで、前記モータ４６ａ，４６ｂの応答速度の上限一杯での往復動作が可能となる。更に、上記処理が繰返されることで、狭い走査範囲に対する高速のスキャンが可能となる。

尚、前記モータ４６ｂに対する反転制御は、前記モータ４６ａに対する反転制御と同様であるので、説明を省略する。

又、図５中では、前記判断部５９ａ，５９ｂは独立した構成として記載されているが、実際には該判断部５９ａ，５９ｂは前記演算制御部２７の一部となっている。

図６（Ａ）は、前記モータ４６ａの回転範囲６１ａの一部を示し、前記モータ４６ａを往復回転させる場合の反転目標位置６２ａ，６２ｂと該反転目標位置６２ａ，６２ｂに至るまでの回転の軌跡６３ａ，６３ｂを示している。又、図６（Ｂ）は、前記モータ４６ｂの回転範囲６１ｂの一部を示し、該モータ４６ｂを往復回転させる場合の反転目標位置６４ａ，６４ｂと該反転目標位置６４ａ，６４ｂに至るまでの回転の軌跡６５ａ，６５ｂを示している。尚、前記モータ４６ｂに対しては、前記モータ４６ａと同様の制御が行われるので、以下、図６（Ａ）について説明する。

図６（Ａ）に示される様に、前記反転目標位置６２ａで前記モータ４６ａの回転を停止させた場合、オーバラン６６ａが生じ、前記反転目標位置６２ｂで前記モータ４６ａの回転を停止させた場合、オーバラン６６ｂが生じる。従って、実際に前記モータ４６ａの回転が反転する位置は、前記反転目標位置６２ａ，６２ｂよりも前記オーバラン６６ａ，６６ｂ分だけ回転した位置となる。即ち、前記モータ４６ａの回転量は、設定した回転量よりも前記オーバラン６６ａ，６６ｂ分だけ多くなる。

該オーバラン６６ａ，６６ｂは、前記モータ４６ａの重さ、回転モーメントや軸受部のグリースの広がり具合等により変化する。又、該モータ４６ａの回転速度も該モータ４６ａの重さや軸受部のグリースの広がり具合等により変化する。従って、製作誤差による個体差で変化も一様ではない。又、前記モータ４６ａの駆動中にも温度変化、湿度変化等環境の変化に起因しても変化を生じる。従って、前記オーバラン６６ａ，６６ｂや前記モータ４６ａの回転速度を把握し、制御することは困難である。

一方で、前記モータ４６ａ，４６ｂにオーバランが発生した場合や、回転速度が異った場合には、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂの同期回転にズレが生じ、設定した測距光の走査形状や往復長さと、実際の測距光の走査形状や往復長さとに差異が生じ、正確な測定結果が得られない場合がある。

従って、前記測定装置１により正確な測定結果を得る為には、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂの回転を正確に同期させ、又オーバランを生じない様に回転させる必要がある。

以下、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂを正確に同期回転させ、又オーバランを生じさせない様にする為の前記モータ４６ａ，４６ｂの制御について説明する。

図７は、該モータ４６ａ，４６ｂを正確に同期回転させた反転制御を行なう際の制御図であり、トルク値を可変値、回転角を固定値とした場合を示している。

前記演算制御部２７から前記モータドライバ２３ａに対して、回転方向の指示である信号ａ、予め設定されたトルク値である信号ｂが入力されると、該モータドライバ２３ａは、入力された回転指示、予め設定されたトルク値に基づき、前記モータ４６ａを回転させる。

該モータ４６ａの回転角は、前記エンコーダ５８ａで信号ｃとしてリアルタイムに検出され、検出回転角が前記判断部５９ａに入力される。

該判断部５９ａは、前記エンコーダ５８ａからの検出回転角と、前記演算制御部２７からの目標回転角（信号ｄ）とが一致したかどうかを判断し、検出回転角と目標回転角とが一致した時点で、回転完了信号ｅを前記演算制御部２７に出力する。

同様に、前記演算制御部２７からモータドライバ２３ｂに対して、回転方向の指示（信号ａ）、予め設定されたトルク値（信号ｂ）が入力されると、該モータドライバ２３ｂは、入力された回転指示、トルク値に基づき前記モータ４６ｂを回転させる。

該モータ４６ｂの回転角は、前記エンコーダ５８ｂでリアルタイムに検出され（信号ｃ）、検出回転角が前記判断部５９ｂに入力される。

該判断部５９ｂは、前記エンコーダ５８ｂからの検出回転角と、前記演算制御部２７からの目標回転角（信号ｄ）とが一致したかどうかを判断し、検出回転角と目標回転角とが一致した時点で、回転完了信号ｅを前記演算制御部２７に出力する。

該演算制御部２７は、前記判断部５９ａからの回転完了信号ｅと、前記判断部５９ｂからの回転完了信号ｅのうち、一方の回転完了信号ｅが入力されてから、他方の回転完了信号ｅが入力されるまでの経過時間（時間差）を計測している。

例えば、前記判断部５９ａからの回転完了信号ｅが先に入力された場合、前記演算制御部２７は時間差に基づき、前記モータドライバ２３ａに出力されるトルク値を弱める為のトルク修正値を演算する。尚、トルク修正値については、事前に各モータ４６ａ，４６ｂ間の回転完了信号ｅの時間差とトルク修正値とのデータテーブルを作成しておき、該データテーブルによりトルク修正値を演算する様にしてもよい。或は、トルク修正後の時間差を求め、時間差が０になる様にトルク修正値を収斂させてもよい。

トルク修正値が演算されると、前記演算制御部２７は、前回とは逆向きの回転方向の指示（反転指示）である信号ａと、予め設定されたトルク値（信号ｂ）からトルク修正値（信号ｆ）を引いたトルク値、即ち予め設定されたトルク値にマイナスのトルク修正値を加えたトルク値を前記モータドライバ２３ａに出力する。

該モータドライバ２３ａは、入力された回転指示とトルク値に基づき、前記モータ４６ａを前回とは逆向きに、前回よりも弱い駆動力で回転させる。

又、前記モータドライバ２３ｂに対しては、前回とは逆向きの回転方向の指示（反転指示）である信号ａと、前回と同様のトルク値（信号ｂ）が入力され、前記モータ４６ｂを前回とは逆向きに、前回と同様の駆動力で回転させる。

上記の処理は、測定対象物の測定が完了し、前記モータ４６ａ，４６ｂの反転制御が終了する迄繰返し実行される。

回転完了信号ｅが先に入力される前記モータ４６ａに対して、即ち前記モータ４６ｂよりも回転速度が速い前記モータ４６ａに対して、時間差に基づきトルク値を弱める様に制御する。該モータ４６ａの回転速度を低下させ、該モータ４６ａの回転速度を前記モータ４６ｂの回転速度と合わせることができるので、前記モータ４６ａと前記モータ４６ｂの回転完了信号ｅを同時又は略同時に検出することができる。

従って、前記モータ４６ａ，４６ｂを正確に同期回転させた反転制御が可能となり、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂの正確な同期回転が可能となるので、設定した測距光の走査形状と実際の測距光の走査形状とを一致させることができ、測定対象物の正確な測定結果を得ることができる。

又、時間差に基づくトルク値の修正は、前記モータ４６ａ，４６ｂの反転のタイミング毎に実行されるので、該モータ４６ａ，４６ｂの駆動中に於ける回転速度の変化にも対応することができる。

従って、前記モータ４６ａ，４６ｂとして、製作誤差やグリースの広がり具合等、個体差のあるモータが用いられた場合でも、正確に同期回転させることができる。従って、前記モータ４６ａ，４６ｂの個体差、組立て誤差があった場合でも、実際の回転状態に基づき同期制御が行われるので、個体差等を考慮する必要がなく、作業性を向上させることができる。

尚、上記では、回転完了信号ｅが先に入力される前記モータ４６ａに対して、時間差に基づきトルク値を弱める様に制御しているが、回転完了信号ｅが後に入力される前記モータ４６ｂに対して、時間差に基づき予め設定されたトルク値（信号ｂ）からマイナスのトルク修正値（信号ｆ）を引き、トルク値を強める様に制御してもよい。

この場合、前記演算制御部２７が時間差に基づきトルク修正値を演算し、予め設定されたトルク値（信号ｂ）にトルク修正値（信号ｆ）を加えたトルク値が前記モータドライバ２３ｂに出力される。

又、上記では、前記モータ４６ａ，４６ｂの反転のタイミング毎にトルク値の修正を行っているが、前記モータ４６ａ，４６ｂを１往復回転させる毎にトルク値の修正を行う様にしてもよい。

図８は、該モータ４６ａ，４６ｂにオーバランを生じさせない様に反転制御を行なう際の制御図であり、トルク値を固定値、回転角を可変値とした場合を示している。尚、前記モータ４６ｂに対して行われる反転制御は、前記モータ４６ａと同様の制御となっているので、以下前記モータ４６ａの反転制御を行う場合について説明する。

反転制御が開始されると、先ず前記演算制御部２７から前記モータドライバ２３ａに対して、例えば順方向への回転指示（信号ａ）と、予め設定されたトルク値（信号ｂ）が入力される。該モータドライバ２３ａは、入力された回転指示、トルク値に基づき、前記モータ４６ａを順方向に回転させる。

該モータ４６ａの回転角は、前記エンコーダ５８ａにリアルタイムで検出され、検出回転角（信号ｃ）が判断部６８ａに入力される。該判断部６８ａは、予め設定された前記演算制御部２７からの順回転時の目標回転角（信号ｄ）と検出回転角とが一致したかどうかを判断し、検出回転角と目標回転角とが一致した時点で、回転完了信号ｅを前記演算制御部２７に出力する。

該演算制御部２７は、回転完了信号ｅが入力されると、前回とは逆向きの方向への回転指示（反転指示）（信号ａ）と、トルク値（信号ｂ）とを前記モータドライバ２３ａに出力する。この時、前記判断部６８ａに対しても、前記演算制御部２７から前記モータ４６ａの回転方向（信号ｆ）が出力される。前記モータドライバ２３ａは、入力された回転指示（反転指示）、トルク値に基づき、前記モータ４６ａを逆方向に回転させる駆動信号ｇを発する。

該モータ４６ａに駆動信号ｇが発せられた時点でも、該モータ４６ａはイナーシャにより反転せず減速しつつ回転（オーバラン）する。やがて該モータ４６ａが停止し、反転する。該モータ４６ａの停止反転は、前記エンコーダ５８ａによって検出され、検出結果は反転時回転角として前記判断部６８ａに入力される。

該判断部６８ａは、前記エンコーダ５８ａからの検出回転角（信号ｃ）の増加が停止した時、或は減少に転じた時の検出回転角（信号ｈ）を反転時回転角として、該反転時回転角（信号ｆ）と基準目標回転角との差分（信号ｉ）を演算する。この差分（回転角度差）がオーバラン量となる。

該判断部６８ａにより、該オーバラン量が目標回転角と検出回転角とが一致した際の回転完了信号ｅと共に前記演算制御部２７に出力される。

基準目標回転角は、前記モータ４６ａのオーバランを検出する為の基準値であり、常に一定となっている。前記モータ４６ａの制御が開始された時点では、目標回転角と基準目標回転角とは一致している。

該演算制御部２７は、入力されたオーバラン量を基に、オーバラン量だけ反転時回転角を減じる様目標回転角を修正し、順回転時の新たな目標回転角を演算する。又、前記演算制御部２７は、前回とは逆向きの順方向への回転指示とトルク値とを前記モータドライバ２３ａに出力すると共に、前記判断部６８ａに回転方向を出力する。尚、演算された順回転時の新たな目標回転角は、基準目標回転角とは異なった値となる。

又、前記演算制御部２７より順方向への反転指示が出力され、検出回転角の増加が停止した時、或は減少に転じた時の前記モータ４６ａの回転角が、実際に順方向に反転した時の角度である反転時回転角として前記エンコーダ５８ａにより検出され、前記判断部６８ａに入力される。

該判断部６８ａは、逆回転時の基準目標回転角と反転時回転角との差分、即ち逆回転時のオーバラン量を演算し、該オーバラン量が目標回転角と検出回転角とが一致した際の回転完了信号ｅと共に前記演算制御部２７に出力される。尚、この時の目標回転角と基準目標回転角とは一致している。

該演算制御部２７は、入力されたオーバラン量を基に、オーバラン量だけ反転時回転角を減じる様目標回転角を修正し、逆回転時の新たな目標回転角を演算する。又、前記演算制御部２７は、前回とは逆向きの逆方向への回転指示とトルク値とを前記モータドライバ２３ａに出力すると共に、前記判断部６８ａに回転方向を出力する。尚、演算された逆回転時の新たな目標回転角は、基準目標回転角とは異なった値となる。

該判断部６８ａは、前記エンコーダ５８ａによる検出回転角と新たな目標回転角との一致を判断すると共に、反転時回転角と基準目標回転角との差分（オーバラン量）を演算し、回転完了信号ｅとオーバラン量を前記演算制御部２７に出力する。

上記の処理は、測定対象物の測定が完了し、前記モータ４６ａの反転制御が終了する迄繰返し実行される。

上記した様に、本実施例では、予め設定された基準目標回転角と、反転指示時の実際の反転時回転角との差分、即ちオーバラン量を演算し、該オーバラン量分だけ反転時回転角を減じる様、目標回転角を修正し、反転時回転角を基準目標回転角に近づける様制御を行っている。

従って、前記モータ４６ａ，４６ｂを駆動させた際のオーバランを抑制することができるので、設定した測距光の往復長さと、実際の測距光の往復長さとを一致又は略一致させることができ、測定対象物の正確な測定結果を得ることができる。

又、目標回転角の修正は、前記モータ４６ａ，４６ｂの反転のタイミング毎に実行されるので、該モータ４６ａ，４６ｂの駆動中に於けるオーバラン量の変化にも対応することができる。

従って、製作誤差や軸受部のグリースの広がり具合等、個体差のあるモータに対しても、或は環境の変化等により駆動中に変化が生じたモータに対しても、同様に処理してオーバランを防止することができるので、モータの個体差を考慮する必要がなく、作業性を向上させることができる。

尚、図８中では、前記判断部６８ａ，６８ｂが独立した構成として記載されているが、実際には該判断部６８ａ，６８ｂは前記演算制御部２７の一部となっている。

又、図７では、トルク値を可変値とし、回転角を固定値として前記モータ４６ａ，４６ｂの同期回転を行い、図８では、トルク値を固定値とし、回転角を可変値として前記モータ４６ａ，４６ｂのオーバランの抑制を行っているが、トルク値と回転角を共に可変値としてもよい。

トルク値と回転角とを共に可変値とすることで、前記モータ４６ａ，４６ｂの同期回転とオーバランの抑制とを同時に行うことができ、測定結果の正確性、作業性をより向上させることができる。

又、本実施例では、前記モータ４６ａ，４６ｂを同期回転させる制御、オーバランを抑制する制御を前記測定装置１に適用する場合について説明したが、例えばレーザ光線で被加工物を加工する加工機のレーザ光線の方向の制御等、２つのモータを正確に同期回転させ、オーバランを抑制することが必要な装置であれば、他の装置に対しても本実施例の制御が適用可能であるのは言う迄もない。又、中空ブラシレスモータ（ダイレクトドライブモータ）、超音波モータ等に対しても、本実施例の制御を適用可能である。

１ 測定装置
２ 測定装置本体
１８ 受光部
１９ 測距部
２２ 射出方向検出部
２３ モータドライバ
２７ 演算制御部
３９ 光軸偏向部
４１ａ，４１ｂ 光学プリズム
４６ａ，４６ｂ モータ
５８ａ，５８ｂ エンコーダ
５９ａ，５９ｂ 判断部
６８ａ，６８ｂ 判断部

Claims (7)

1. 測距光を射出し、反射測距光を受光して測距を行う測距部と、測距光、反射測距光の共通光路に設けられ、測距光、反射測距光の光軸を同一の偏角、同一の方向で偏向する光軸偏向部と、該光軸偏向部による偏角、偏向方向を検出する射出方向検出部と、演算制御部とを具備し、前記光軸偏向部はそれぞれ独立して回転可能な重なり合う一対の円板状の光学プリズムと、該光学プリズムを回転させる一対のモータと、該モータの回転角を検出するエンコーダとを有し、前記演算制御部は、前記光学プリズムが往復回転する様予め設定されたトルク値と目標回転角に基づき前記モータを制御すると共に、前記モータを反転させた際に検出された反転時回転角と予め設定された基準目標回転角から前記モータのオーバラン量を演算し、
   該オーバラン量だけ前記反転時回転角を減じる様前記目標回転角を修正し、修正された目標回転角を新たな目標回転角とし、目標回転角の修正は反転のタイミング毎に実行される様構成された測定装置。
2. 前記演算制御部は、前記目標回転角の修正を前記モータの反転毎に実行する請求項１に記載の測定装置。
3. 前記演算制御部は、前記エンコーダで検出された検出回転角と修正された前記目標回転角との一致を検出し、前記モータの回転を反転させる請求項１又は請求項２に記載の測定装置。
4. 前記演算制御部は、前記エンコーダで検出された検出回転角と、前記目標回転角との一致を各モータ毎に検出し、検出の時間差に基づき前記トルク値を修正する請求項１〜請求項３のうちいずれか１項に記載の測定装置。
5. 前記測距部と、前記光軸偏向部と、前記射出方向検出部と、前記演算制御部とを収納する測定装置本体と、該測定装置本体を上下方向及び左右方向に回転可能に支持する支持部と、前記測定装置本体を上下方向及び左右方向に回転する回転駆動部と、前記測定装置本体の上下角、左右角を検出する角度検出器とを具備する請求項１〜請求項４のうちいずれか１項に記載の測定装置。
6. 前記光学プリズムは、中心部に形成され、測距光を所要の偏角、所要の方向で偏向する測距光軸偏向部と、外周部に形成され、該測距光軸偏向部と同一の偏角、同一の方向で反射測距光を偏向する反射測距光軸偏向部とを有する請求項１〜請求項５のうちいずれか１項に記載の測定装置。
7. 前記光学プリズムは、フレネルプリズムである請求項１〜請求項６のうちいずれか１項に記載の測定装置。

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