JP6615671B2

JP6615671B2 - 超音波モータの制御方法及びそのための測量機

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Publication number: JP6615671B2
Application number: JP2016068638A
Authority: JP
Inventors: 薫熊谷; 聡弥延; 徹太郎糀
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 2016-03-30
Filing date: 2016-03-30
Publication date: 2019-12-04
Anticipated expiration: 2036-03-30
Also published as: JP2017181299A

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モータによって鉛直回転軸回りに回転し、上記托架部は水平回転モータによって水平回転軸回りに回転する。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。

図７は、特許文献１における、鉛直回転軸と鉛直回転モータの簡略構成図である。図７に示すように、鉛直回転軸１１（以下、単に回転軸１１とも言う）の一方の端部には、超音波モータ１２のシャフト１２１が同軸で直接固定されている。超音波モータ１２は、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をリング状に備える。ロータ４６は、図示を略するウェーブワッシャによってステータ４３側へ押圧されており、この間の摩擦によってステータ４３とロータ４６が相対回転する。ステータ４３とシャフト１２１の間にはベアリング４７が装入されており、ロータ４６とステータ４３を回転可能に連結している。回転軸１１の他方の端部には、鉛直角検出用のロータリエンコーダ２２（以下、単にエンコーダ２２とも言う）が設けられている。

特開２０１４−１３７２９９号公報

図７のように超音波モータ１２を回転軸１１に直接固定すると、モータの回転トルクにより、回転軸１１が直前に駆動していた回転方向に軸振れすることがある。しかも、超音波モータ１２は、ステータ４３とロータ４６間の摩擦力により無通電時に高い保持力を有するので、モータ動作が止まると、回転軸１１が軸振れした位置から元の位置に戻らないという不具合があった。鉛直回転軸１１に軸振れがあると、モータを順方向に回転させた時と逆方向に回転させた時とで上記望遠鏡の視軸にずれが生じ、水平角の測定誤差が生じるおそれがある。

また、上記軸振れが起こると回転軸１１にねじれが生じるおそれがある。ねじれが生じると回転軸１１とエンコーダ２２の相対位置関係が変化して、エンコーダ２２で得られる鉛直角にも測定誤差が生じるおそれがある。

これらの問題は、鉛直側だけでなく、水平側の回転軸にも同様に生じるおそれがある。また、上記測量機に、ベアリング４７にかかる負荷を低減するために、ステータ４３の振れを吸収する弾性部材を配置してステータ４３を保持した場合には、上記問題の影響がさらに大きく現れると予想される。

本発明は、前記問題を解決するため、測量機の回転軸の軸振れやねじれの影響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、測量機の回転軸を駆動する超音波モータの制御方法であって、上記回転軸をターゲット位置の回転角まで第１の方向で回転させたのち、前記第１の方向を順方向として前記順方向の回転を与える駆動信号を一定期間出力後逆方向の回転を与える駆動信号を一定期間出力する、又は、前記逆方向の回転を与える駆動信号を一定期間出力後前記順方向の回転を与える駆動信号を一定期間出力する、ニュートラル処理が行われることを特徴とする。

上記態様において、前記順方向の回転と前記逆方向の回転のうち一方の回転が強かった場合は、強い回転を与えたほうの駆動信号の駆動周期が他方の駆動信号の駆動周期よりも短くなるように設定されるのも好ましい。

上記態様において、前記ニュートラル処理を行う前と後で前記回転軸の回転角を検出し、前記ニュートラル処理前の回転角と前記ニュートラル処理後の回転角のうち一方が他方より大きかった場合は、回転角の大きかった方向の駆動信号の駆動周期が他方の駆動信号の駆動周期よりも短く設定されるのも好ましい。

上記態様において、前記ニュートラル処理は複数回行われるのも好ましい。

上記態様において、前記順方向の駆動信号の出力期間と前記逆方向の駆動信号の出力期間の間にディレイ期間が設けられるのも好ましい。

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、前記回転軸の一方の端部に設けられた超音波モータと、前記回転軸の他方の端部に設けられ、前記回転軸の回転角を検出するエンコーダと、上記回転軸を第１の方向でターゲット位置の回転角まで回転させたのち、前記第１の方向を順方向として前記順方向の回転を与える駆動信号を一定期間出力後逆方向の回転を与える駆動信号を一定期間出力する、又は、前記逆方向の回転を与える駆動信号を一定期間出力後前記順方向の回転を与える駆動信号を一定期間出力する、ニュートラル処理を行う制御部と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、測量機の回転軸の軸振れやねじれの影響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。本形態に係る測量機のブロック図である。本形態の第１の制御方法に係る駆動信号と回転角の関係を示す図である。本形態の第２の制御方法に係る駆動信号と回転角の関係を示す図である。本形態の第３の制御方法に係る駆動信号と回転角の関係を示す図である。本形態の第４の制御方法に係る駆動信号と回転角の関係を示す図である。鉛直回転軸と鉛直回転モータの簡略構成図である。

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１の概略縦断面図である。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（以下、単に回転軸６とも称する）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。測量機１は、自動視準機能、自動追尾機能を備えており、望遠鏡９には、図示しない測距光学系、追尾光学系が収容されている。測距光学系、追尾光学系の構成は従来技術の構成と同等で良いため記載を省略する。測量機１では、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は、図７で前述したように、ベース部３９から順に、圧電セラミック４２、ステータ４３、ロータ４６をリング状に備える。本形態では、図１に示すように、超音波モータ５，１２はそれぞれモータケース２５に収容されている。水平側の超音波モータ５は、ロータ４６がモータケース２５に固定され、ステータ４３が回転し、ベース部３９と固定された水平回転軸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、シャフト１２１と固定された鉛直回転軸１１がロータ４６と一体に回転する。

図２は本形態に係る測量機１のブロック図である。鉛直回転軸１１と水平回転軸６を駆動させるブロック図は同等であるので、図２では鉛直側の超音波モータ１２とエンコーダ２２に関して示し、水平側の超音波モータ５とエンコーダ２１は説明を省略する。測量機１は、制御部２３と、エンコーダ２２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１２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、後述するニュートラル処理を行うニュートラル処理部２３０を有する。

測距部６１は、制御部２３に制御されて、上記測距光学系を用いて測距光をターゲットに照射してその反射光を受光して測距を行う。追尾部６２は、制御部２３に制御されて、上記追尾光学系を用いて追尾光をターゲットに照射してその反射光を受光し、ターゲットが移動した場合は追尾を行う。

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に制御されて、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１２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及び駆動回路７３に出力する。ＦＰＧＡ７３１は、クロック信号に基づき、駆動信号の振幅，駆動周波数，駆動周期を制御する。制御部２３は、クロック信号に基づき、エンコーダ２２の発光を制御する。

制御部２３は、測距部６１または追尾部６２を使用してターゲットを捕捉する。例えば、画像撮像部で点灯画像と消灯画像を取得し、制御部２３でその差分からターゲット位置を検出し、望遠鏡９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する。この手法は従来技術と同様でよいため記載を省略する。制御部２３は、例えば回転軸１１が時計回りする方向をモータの順方向として、超音波モータ１２に順方向の回転を与える駆動信号ＶＦを出力して、ターゲット位置に相当する回転角θｐまで回転軸１１を回転したとする。以降、回転角θｐまで回転させた後の超音波モータの制御方法を説明する。なお、水平回転軸６と超音波モータ５に関する記載を省略するが、鉛直側と同様の制御が行われる。
（第１の実施形態）

図３は本形態の第１の制御方法に係る駆動信号と回転角の関係を示す図である。図３の横軸は時間ｔ、縦軸はそれぞれ、エンコーダ２２で検出された回転角、駆動信号の振幅であり、回転角θｐが検出された時をｔ＝０として示している。なお、一点鎖線で示す回転角については後述する。

エンコーダ２２で回転角θｐが検出されると、制御部２３のニュートラル処理部２３０が作動する。ニュートラル処理部２３０は一旦駆動信号ＶＦの出力を止め、超音波モータ１２の回転を停止する。回転を停止したのち、順方向の回転を与える駆動信号ＶＦを駆動周期ＴＦだけ出力し、その後駆動信号ＶＦの出力を一旦止める。ディレイ期間ＴＤの間出力を止めた後、今度は超音波モータ１２に逆方向（反時計回り）の回転を与える駆動信号ＶＲを駆動周期ＴＲだけ出力し、ニュートラル処理を終了する。本形態では、順方向の回転を与える駆動信号ＶＦと逆方向の回転を与える駆動信号ＶＲは矩形状であり、駆動信号ＶＦと駆動信号ＶＲの振幅および駆動周波数は同一であり、駆動周期ＴＦ：駆動周期ＴＲ＝１：１である。駆動信号ＶＦ，ＶＲの振幅，駆動周波数，および駆動周期ＴＦ，ＴＲの値は予め制御部２３に設定されている。

本形態によれば、ターゲット位置に相当する回転角θｐまで回転終了後、ニュートラル処理部２３０が、順方向の駆動信号ＶＦと逆方向の駆動信号ＶＲを、振幅，駆動周波数，および駆動周期を同一にして出力する。このため、回転角θｐに向かう回転で順方向に軸触れが起こっていても、逆方向の駆動信号ＶＲが出力されるので、回転軸１１を中立位置（回転角θｐまで回転させる前の回転軸１１の位置）側に戻すことができる。また、同等の回転量を与える一組の順方向の駆動信号ＶＦと逆方向の駆動信号ＶＲが出力されるので、再び回転角θｐの位置で回転軸１１を停止させることができる。これにより、回転軸１１の軸振れは低減され、かつ軸振れが起因して生じる軸のねじれも低減されるので、鉛直角および水平角を正確に測定することができる。
（第２の実施形態）

図４は本形態の第２の制御方法に係る駆動信号と回転角の関係を示す図であり、回転角θｐが検出された時をｔ＝０として示している。第１の制御方法と同様の要素については符号を引用して説明を省略する。第２の実施形態では、ニュートラル処理部２３０は、順方向の回転を与える駆動信号ＶＦおよび逆方向の回転を与える駆動信号ＶＲのそれぞれに、信号の立ち上り時と立ち下り時に勾配を設定する。信号の立ち上り時の勾配ｋｆと立ち下り時の勾配ｋｌの値は制御性や異音の大きさを考慮して予め制御部２３に設定されている。このように、駆動信号ＶＦ，ＶＲの立ち上り時と立ち下り時に勾配ｋｆ，ｋｌを付けることにより、駆動信号のＯＮ／ＯＦＦ時（図４に示すＣ点）に、超音波モータ１２に異音が生じるのを防ぐことができる。なお、上がり勾配ｋｆと下がり勾配ｋｌの値は同一としても良いし、制御性や異音の大きさを考慮していずれか一方の勾配を他方の勾配よりも急勾配（または緩勾配）に設定してもよい。
（第３の実施形態）

図５は本形態の第３の制御方法に係る駆動信号と回転角の関係を示す図であり、回転角θｐが検出された時をｔ＝０として示している。第１および第２の制御方法と同様の要素については符号を引用して説明を省略する。第３の実施形態では、ニュートラル処理部２３０は、第２の実施形態の駆動信号ＶＦと駆動信号ＶＲを１セットとして、これを複数回繰り返し行う。複数回行うことにより、より確実に中立位置に回転軸１１を戻すことが可能となる。また、第３の実施形態は、回転角θｐまで回転が大きかった場合により効果的である。
（第４の実施形態）

図６は本形態の第４の制御方法に係る駆動信号と回転角の関係を示す図であり、回転角θｐが検出された時をｔ＝０として示している。第１および第２の制御方法と同様の要素については符号を引用して説明を省略する。第４の実施形態では、ニュートラル処理部２３０は、回転角θｐまで回転終了後、一旦回転を停止している間の時刻Ｔ１に、エンコーダ２２から時刻Ｔ１時の回転角θ１を取得し記憶する。次に、１回目のニュートラル処理として、第２の制御方法と同様に、一組の駆動信号ＶＦと駆動信号ＶＲを、振幅、駆動周波数、駆動周期、および勾配同一で出力する。ニュートラル処理部２３０は、１回目のニュートラル処理後の時刻Ｔ２に、エンコーダ２２から時刻Ｔ２時の回転角θ２を取得し記憶する。ニュートラル処理部２３０は、時刻Ｔ１時の回転角θ１と時刻Ｔ２時の回転角θ２の差θｄを計算する。ニュートラル処理部２３０は、差θｄがゼロでなかった場合は、２回目のニュートラル処理を行う。２回目のニュートラル処理では、順方向の駆動信号ＶＦと逆方向の駆動信号ＶＲの振幅および駆動周波数を同一とした上で、回転角の大きかった方の駆動信号の駆動周期を他方の駆動信号の駆動周期よりも短く設定する。図５の例では、１回目のニュートラル処理で順方向の回転角θ１＞逆方向の回転角θ２であったため、２回目のニュートラル処理では、順方向の駆動周期ＴＦ＜逆方向の駆動周期ＴＲに変更されて出力されている。

本形態によれば、順方向の駆動信号ＶＦと逆方向の駆動信号ＶＲを、振幅，駆動周波数，および駆動周期同一で出力するニュートラル処理を行うとともに、ニュートラル処理前後で回転角を測定し、順方向と逆方向の回転に偏りがないか確認する。一方の回転が強かった場合は、２回目のニュートラル処理を行い、強い回転を与えた方の駆動周期を短くして回転量を調整する。これにより、超音波モータ１２の回転に偏りがあった場合でも、制御部２３で偏りを補正することができる。

なお、差θｄがゼロとなるか否かの判定は、例えば０±１［″］とするなど、若干の誤差を許容してよい。また、図５の例では、差θｄの値が大きいほど駆動周期ＴＦは短くされるので、差θｄと駆動周期ＴＦの関数を設定するのも好ましい。

また、この他に、測量機１の出荷時に、望遠鏡９の視軸を見て回転軸１１の軸振れを検査する、または回転軸１１のねじれを直接測定することで回転の偏りを検出し、駆動周期ＴＦと駆動周期ＴＲの比を予め調整して制御部２３に設定しておくのもよい。
（変形例）。

上述した実施の形態の好ましい変形例を述べる。

第１〜４の実施形態では、一例として図３に一点鎖線の回転角で示したように、逆方向の回転を与える駆動信号ＶＲが先に出力され、その後順方向の回転を与える駆動信号ＶＦが出力されても、同様の効果が得られる。

第１〜４の実施形態で行っているように、駆動信号ＶＦと駆動信号ＶＲの間にディレイ期間ＴＤを設けるのも好ましい。ディレイ期間ＴＤを設けることで、ディレイ期間ＴＤ後の駆動信号が良好に機能し回転のすべり出しが良いことが確認されたからである。ディレイ期間ＴＤの長さは、ディレイ期間ＴＤ後の回転が良好に機能すれば任意に設定されてよいし、ゼロとされてもよい。

第４の実施形態では、順方向と逆方向の回転の偏りを駆動周期ＴＦと駆動周期ＴＲの比を調整することで補正したが、駆動信号ＶＦと駆動信号ＶＲの振幅および／または駆動周波数の比を調整してもよい。

以上、好ましい実施の形態および変形例について述べたが、各形態および各変形例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
２１，２２エンコーダ
２３制御部
２３０ニュートラル処理部

Claims

測量機の回転軸を駆動する超音波モータの制御方法であって、
上記回転軸をターゲット位置の回転角まで第１の方向で回転させたのち、
前記第１の方向を順方向として前記順方向の回転を与える駆動信号を一定期間出力後逆方向の回転を与える駆動信号を一定期間出力する、又は、前記逆方向の回転を与える駆動信号を一定期間出力後前記順方向の回転を与える駆動信号を一定期間出力する、ニュートラル処理が行われることを特徴とする超音波モータの制御方法。
前記順方向の回転と前記逆方向の回転のうち一方の回転が強かった場合は、強い回転を与えたほうの駆動信号の駆動周期が他方の駆動信号の駆動周期よりも短くなるように設定され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。
前記ニュートラル処理を行う前と後で前記回転軸の回転角を検出し、前記ニュートラル処理前の回転角と前記ニュートラル処理後の回転角のうち一方が他方より大きかった場合は、回転角の大きかった方向の駆動信号の駆動周期が他方の駆動信号の駆動周期よりも短く設定され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。
前記ニュートラル処理は複数回行われ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。
前記順方向の駆動信号の出力期間と前記逆方向の駆動信号の出力期間の間にディレイ期間が設けられることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の超音波モータの制御方法。
回転軸と、
前記回転軸の一方の端部に設けられた超音波モータと、
前記回転軸の他方の端部に設けられ、前記回転軸の回転角を検出するエンコーダと、
上記回転軸を第１の方向でターゲット位置の回転角まで回転させたのち、前記第１の方向を順方向として前記順方向の回転を与える駆動信号を一定期間出力後逆方向の回転を与える駆動信号を一定期間出力する、又は、前記逆方向の回転を与える駆動信号を一定期間出力後前記順方向の回転を与える駆動信号を一定期間出力する、ニュートラル処理を行う制御部と、を有することを特徴とする測量機。