(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸受部と、該軸受部に回転可能に支持された回転軸と、該回転軸に形成された軸部空間と、前記軸受部に形成された軸受部空間と、前記軸部空間に収納された角度検出パターンと、前記軸受部空間に設けられた参照用パターンと、前記軸受部空間に設けられたイメージセンサと、前記軸部空間及び前記軸受部空間に掛渡り、前記角度検出パターンの投影像と、前記参照用パターンの投影像を前記イメージセンサに結像する光学系と、前記角度検出パターンの投影像と前記参照用パターンの投影像とを択一的に前記イメージセンサに投影させる受光切替え手段と、前記イメージセンサからの信号に基づき前記回転軸の回転角を演算する演算装置とを具備し、該演算装置は前記参照用パターンを受光した前記イメージセンサからの信号と前記角度検出パターンを受光した前記イメージセンサからの信号との偏差に基づき前記回転軸の回転角を検出することを特徴とする回転角検出装置。
【請求項２】
前記演算装置は、測定時毎に、前記イメージセンサから前記参照用パターンを受光した信号と前記角度検出パターンを受光した信号とを取得する請求項１の回転角検出装置。
【請求項３】
前記演算装置は、前記参照用パターンを受光した前記イメージセンサからの信号と前記角度検出パターンを受光した前記イメージセンサからの信号との偏差に基づき前記回転軸の芯ブレを検出する請求項１又は請求項２の回転角検出装置。
【請求項４】
前記角度検出パターン、前記参照用パターンは、半径方向に延びる線分が所定角度ピッチで全周に配置され、前記線分によって構成されたリング状のトラックを有する線分パターンを有する請求項１〜請求項３の内いずれかの回転角検出装置。
【請求項５】
前記角度検出パターン及び前記参照用パターンは、それぞれ中心位置を示す芯出しパターンを有する請求項１〜請求項３の内いずれかの回転角検出装置。
【請求項６】
前記角度検出パターン及び前記参照用パターンは、それぞれ中心位置を示す芯出しパターンを有する請求項４の回転角検出装置。
【請求項７】
前記演算装置は、前記イメージセンサからの信号を格納する記憶部を有し、前記演算装置は、記憶された角度検出パターン像及び参照用パターン像の前記線分パターン上にそれぞれ同心円の第１走査ラインを少なくとも１つ設定し、又前記角度検出パターン像及び参照用パターン像の基準指示パターンの上に同心円の第２走査ラインを設定し、前記第１走査ライン上を走査して得られた信号に基づき及び前記第２走査ライン上を走査して得られた信号に基づきそれぞれ前記角度検出パターン像及び前記参照用パターン像間での偏差を求め、両偏差に基づき前記回転軸の回転角を検出する請求項４又は請求項６の回転角検出装置。
【請求項８】
前記角度検出パターン像及び前記参照用パターン像間の回転角は、２つの像の基準指示パターン間に存在する線分の数と、２つの像の線分間の位相差に基づき演算される請求項７の回転角検出装置。
【請求項９】
前記位相差は、所要数の線分について求めた位相差の平均である請求項８の回転角検出装置。
【請求項１０】
前記演算装置は、前記角度検出パターンに円周方向に少なくとも９０°毎の分割部分を設定し、１８０°異なる２つの分割部分の組と、該組と直交関係にあるもう一つの分割部分の組に分け、一方の分割部分の組の中心を他方の分割部分の組を走査して得られる位相差の半分の値から求める請求項７の回転角検出装置。
【請求項１１】
前記演算装置は、事前に前記回転軸を所定角度ピッチで回転し、所定角度回転毎に前記角度検出パターンによりパターン中心を求め、更に該パターン中心と前記参照用パターンの中心との偏差を求め、前記パターン中心の偏差の軌跡により得られる偏心円を取得し、角度測定時の芯ブレは該偏心円と前記角度検出パターンにより得られる中心との偏差により測定する請求項１０の回転角検出装置。
【請求項１２】
前記演算装置は、事前に前記回転軸を所定角度ピッチで回転し、所定角度回転毎に前記角度検出パターン及び前記参照用パターンにより両パターン中心を求め、更に両パターン中心の偏差を求め、該両パターン中心の偏差の軌跡により得られる偏心円を取得し、角度測定時の芯ブレは、各測定時毎に前記角度検出パターンにより得られる中心と、前記参照用パターンにより得られる中心との差と前記偏心円との偏差により測定する請求項１０の回転角検出装置。
【請求項１３】
基台部と、該基台部に鉛直軸心を有する第１回転軸を介して回転可能に設けられた架台と、該架台に水平軸心を有する第２回転軸を介して回転可能に設けられた望遠鏡部と、前記第１回転軸と前記基台部との間に設けられ、請求項１の構成を有する第１回転角検出装置と、前記第２回転軸と前記架台との間に設けられ、請求項１の構成を有する第２回転角検出装置とを具備することを特徴とする測量装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転角度を検出する回転角検出装置及び該回転角検出装置を使用した測量装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
回転角度を検出するものとして回転角検出装置があり、該回転角検出装置は測量機に於ける高低角、水平角を検出する場合の角度検出器として用いられている。
【０００３】
近年の測定装置の小型化、高精度化が要求され、更に低コスト化が要求されている。
【０００４】
例えば、回転角検出装置が用いられている測量装置として、トータルステーションが有り、トータルステーションでは測定対象迄の距離、及び測定対象の高低角、水平角を測定する。
【０００５】
トータルステーションの測定誤差の内、角度誤差に起因する測定値の誤差は、角度誤差に測定対象迄の距離を乗したものであり、距離に比例する。この為、角度精度は秒単位迄要求される。トータルステーションが高価となる要因の１つとして、角度検出精度、回転精度が高精度に要求されることが挙げられる。
【０００６】
従来、測量装置に用いられる回転角検出装置としては、高精度のエンコーダが用いられているが、エンコーダを構成する部品の精度や組立て後の安定性が問題となり、高精度のエンコーダは高価である。又、角度誤差は、エンコーダ自体の製作誤差、検出誤差の他に、回転軸のブレによる回転誤差によっても生ずるので、角度検出精度を要求精度にするには、部品単体の加工精度を管理するだけでは難しく、回転軸、軸受部の組立て状態での微調整、精密仕上げが必要であり、非常に高価なものとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−１５６７７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は斯かる実情に鑑み、簡単な構成で角度検出を可能とした回転角検出装置及び該回転角検出装置を用いた測量装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、軸受部と、該軸受部に回転可能に支持された回転軸と、該回転軸に形成された軸部空間と、前記軸受部に形成された軸受部空間と、前記軸部空間に収納された角度検出パターンと、前記軸受部空間に設けられた参照用パターンと、前記軸受部空間に設けられたイメージセンサと、前記軸部空間及び前記軸受部空間に掛渡り、前記角度検出パターンの投影像と、前記参照用パターンの投影像を前記イメージセンサに結像する光学系と、前記角度検出パターンの投影像と前記参照用パターンの投影像とを択一的に前記イメージセンサに投影させる受光切替え手段と、前記イメージセンサからの信号に基づき前記回転軸の回転角を演算する演算装置とを具備し、該演算装置は前記参照用パターンを受光した前記イメージセンサからの信号と前記角度検出パターンを受光した前記イメージセンサからの信号との偏差に基づき前記回転軸の回転角を検出する回転角検出装置に係るものである。
【００１０】
又本発明は、前記演算装置は、測定時毎に、前記イメージセンサから前記参照用パターンを受光した信号と前記角度検出パターンを受光した信号とを取得する回転角検出装置に係るものである。
【００１１】
又本発明は、前記演算装置は、前記参照用パターンを受光した前記イメージセンサからの信号と前記角度検出パターンを受光した前記イメージセンサからの信号との偏差に基づき前記回転軸の芯ブレを検出する回転角検出装置に係るものである。
【００１２】
又本発明は、前記角度検出パターン、前記参照用パターンは、半径方向に延びる線分が所定角度ピッチで全周に配置され、前記線分によって構成されたリング状のトラックを有する線分パターンを有する回転角検出装置に係るものである。
【００１３】
又本発明は、前記角度検出パターン及び前記参照用パターンは、それぞれ中心位置を示す芯出しパターンを有する回転角検出装置に係るものである。
【００１４】
又本発明は、前記演算装置は、前記イメージセンサからの信号を格納する記憶部を有し、前記演算装置は、記憶された角度検出パターン像及び参照用パターン像の前記線分パターン上にそれぞれ同心円の第１走査ラインを少なくとも１つ設定し、又前記角度検出パターン像及び参照用パターン像の基準指示パターンの上に同心円の第２走査ラインを設定し、該走査ライン上を走査して得られた信号に基づき及び前記基準指示パターン上を走査して得られた信号に基づきそれぞれ前記角度検出パターン像及び前記参照用パターン像間での偏差を求め、両偏差に基づき前記回転軸の回転角を検出する回転角検出装置に係るものである。
【００１５】
又本発明は、前記角度検出パターン像及び前記参照用パターン像間の回転角は、２つの像の基準指示パターン間に存在する線分の数と、２つの像の線分間の位相差に基づき演算される回転角検出装置に係るものである。
【００１６】
又本発明は、前記位相差は、所要数の線分について求めた位相差の平均である回転角検出装置に係るものである。
【００１７】
又本発明は、前記演算装置は、前記角度検出パターンに円周方向に少なくとも９０°毎の分割部分を設定し、１８０°異なる２つの分割部分の組と、該組と直交関係にあるもう一つの分割部分の組に分け、一方の分割部分の組の中心を他方の分割部分の組を走査して得られる位相差の半分の値から求める回転角検出装置に係るものである。
【００１８】
又本発明は、前記演算装置は、事前に前記回転軸を所定角度ピッチで回転し、所定角度回転毎に前記角度検出パターンによりパターン中心を求め、更に該パターン中心と前記参照用パターンの中心との偏差を求め、前記パターン中心の偏差の軌跡により得られる偏心円を取得し、角度測定時の芯ブレは該偏心円と前記角度検出パターンにより得られる中心との偏差により測定する回転角検出装置に係るものである。
【００１９】
又本発明は、前記演算装置は、事前に前記回転軸を所定角度ピッチで回転し、所定角度回転毎に前記角度検出パターン及び前記参照用パターンにより両パターン中心を求め、更に両パターン中心の偏差を求め、該両パターン中心の偏差の軌跡により得られる偏心円を取得し、角度測定時の芯ブレは、各測定時毎に前記角度検出パターンにより得られる中心と、前記参照用パターンにより得られる中心との差と前記偏心円との偏差により測定する回転角検出装置に係るものである。
【００２０】
又本発明は、基台部と、該基台部に鉛直軸心を有する第１回転軸を介して回転可能に設けられた架台と、該架台に水平軸心を有する第２回転軸を介して回転可能に設けられた望遠鏡部と、前記第１回転軸と前記基台部との間に設けられ、前記回転角検出装置と同等の構成を有する第１回転角検出装置と、前記第２回転軸と前記架台との間に設けられ、前記回転角検出装置と同等の構成を有する第２回転角検出装置とを具備する測量装置に係るものである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、軸受部と、該軸受部に回転可能に支持された回転軸と、該回転軸に形成された軸部空間と、前記軸受部に形成された軸受部空間と、前記軸部空間に収納された角度検出パターンと、前記軸受部空間に設けられた参照用パターンと、前記軸受部空間に設けられたイメージセンサと、前記軸部空間及び前記軸受部空間に掛渡り、前記角度検出パターンの投影像と、前記参照用パターンの投影像を前記イメージセンサに結像する光学系と、前記角度検出パターンの投影像と前記参照用パターンの投影像とを択一的に前記イメージセンサに投影させる受光切替え手段と、前記イメージセンサからの信号に基づき前記回転軸の回転角を演算する演算装置とを具備し、該演算装置は前記参照用パターンを受光した前記イメージセンサからの信号と前記角度検出パターンを受光した前記イメージセンサからの信号との偏差に基づき前記回転軸の回転角を検出するので、イメージセンサの取付精度によらない構成にできる。
【００２２】
又本発明によれば、前記演算装置は、測定時毎に、前記イメージセンサから前記参照用パターンを受光した信号と前記角度検出パターンを受光した信号とを取得するので、温度変化や経時による前記イメージセンサの取付状態の変化が生じても高精度に測定が行える。
【００２３】
又本発明によれば、前記演算装置は、前記参照用パターンを受光した前記イメージセンサからの信号と前記角度検出パターンを受光した前記イメージセンサからの信号との偏差に基づき前記回転軸の芯ブレを検出するので、芯ブレの存在を許容して回転角の検出が行えるので、部品の仕上げ精度、組立て精度を高精度とする必要がなく、コストの低減が図れる。
【００２４】
又本発明によれば、前記角度検出パターン及び前記参照用パターンは、それぞれ中心位置を示す芯出しパターンを有するので、前記角度検出パターン及び前記参照用パターンの中心位置を容易に検出することができる。
【００２５】
又本発明によれば、前記演算装置は、前記イメージセンサからの信号を格納する記憶部を有し、前記演算装置は、記憶された角度検出パターン像及び参照用パターン像の前記線分パターン上にそれぞれ同心円の第１走査ラインを少なくとも１つ設定し、又前記角度検出パターン像及び参照用パターン像の基準指示パターンの上に同心円の第２走査ラインを設定し、該走査ライン上を走査して得られた信号に基づき及び前記基準指示パターン上を走査して得られた信号に基づきそれぞれ前記角度検出パターン像及び前記参照用パターン像間での偏差を求め、両偏差に基づき前記回転軸の回転角を検出するので、パターンピッチを超えた回転角検出が容易に行える。
【００２６】
又本発明によれば、前記位相差は、所要数の線分について求めた位相差の平均であるので、線分の形状の誤差、明度むら等が平均化される。
【００２７】
又本発明によれば、前記演算装置は、前記角度検出パターンに円周方向に少なくとも９０°毎の分割部分を設定し、１８０°異なる２つの分割部分の組と、該組と直交関係にあるもう一つの分割部分の組に分け、一方の分割部分の組の中心を他方の分割部分の組を走査して得られる位相差の半分の値から求めるので、前記角度検出パターン、前記参照用パターンが偏心していた場合でも、正確に中心位置を検出することができる。
【００２８】
又本発明によれば、前記演算装置は、事前に前記回転軸を所定角度ピッチで回転し、所定角度回転毎に前記角度検出パターンによりパターン中心を求め、更に該パターン中心と前記参照用パターンの中心との偏差を求め、前記パターン中心の偏差の軌跡により得られる偏心円を取得し、角度測定時の芯ブレは該偏心円と前記角度検出パターンにより得られる中心との偏差により測定するので、部品誤差、組立て誤差があった場合でも、芯ブレを正確に測定することができる。
【００２９】
又本発明によれば、前記演算装置は、事前に前記回転軸を所定角度ピッチで回転し、所定角度回転毎に前記角度検出パターン及び前記参照用パターンにより両パターン中心を求め、更に両パターン中心の偏差を求め、該両パターン中心の偏差の軌跡により得られる偏心円を取得し、角度測定時の芯ブレは、各測定時毎に前記角度検出パターンにより得られる中心と、前記参照用パターンにより得られる中心との差と前記偏心円との偏差により測定するので、部品誤差、組立て誤差があり、イメージセンサが変移した場合でも、芯ブレを正確に測定することができる。
【００３０】
又本発明によれば、基台部と、該基台部に鉛直軸心を有する第１回転軸を介して回転可能に設けられた架台と、該架台に水平軸心を有する第２回転軸を介して回転可能に設けられた望遠鏡部と、前記第１回転軸と前記基台部との間に設けられ、前記回転角検出装置と同等の構成を有する第１回転角検出装置と、前記第２回転軸と前記架台との間に設けられ、前記回転角検出装置と同等の構成を有する第２回転角検出装置とを具備するので、高価なエンコーダを使用せず、回転角検出が行え、回転軸、軸受部の組立てにコストが掛らず、製作コストの低減が図れるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施例に係る回転角検出装置の概略構成図である。
【図２】前記回転角検出装置の照明手段の一例を示す概略図である。
【図３】本実施例に於ける演算装置の概略構成図である。
【図４】本実施例に使用される角度検出パターン、参照用パターンの一例を示す図である。
【図５】本実施例の角度検出のフローチャートである。
【図６】前記角度検出パターンによる角度検出を行う場合の説明図である。
【図７】前記角度検出パターンにより得られる信号の波形図であり、（Ａ）は線分パターンからの信号、（Ｂ）は基準指示パターンからの信号を示す。
【図８】前記角度検出パターンにより中心位置を求める場合の説明図である。
【図９】本実施例に係る回転角検出装置が用いられた測量装置の一例を示す正面図である。
【図１０】該測量装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。
【００３３】
先ず、図１に於いて、本発明の実施例に係る回転角検出装置について説明する。
【００３４】
図１中、１は回転角度が検出される回転軸であり、該回転軸１は軸受２を介して軸支持部３に回転自在に支持されている。
【００３５】
前記回転軸１の端部には、該回転軸１の軸心と同心に円柱状の軸部空間４が形成され、軸端部は中空構造となっている。前記軸支持部３には前記回転軸１の軸心と同心に軸嵌合孔５が形成される。該軸嵌合孔５に前記回転軸１が前記軸受２を介して嵌合されている。前記軸支持部３には収納空間６が形成され、該収納空間６は、前記軸嵌合孔５及び前記軸部空間４に連続している。
【００３６】
前記収納空間６に光軸７が設定され、該光軸７は前記回転軸１の軸心に合致する様になっており、前記光軸７上に、前記回転軸１側から角度検出パターン８、第１集光レンズ９、ハーフミラー１１、第２集光レンズ１２、イメージセンサ１３が配設されている。又、前記ハーフミラー１１により分岐された分岐光軸１４上に第３集光レンズ１５、参照用パターン１６が配設されている。
【００３７】
前記角度検出パターン８、前記第１集光レンズ９は前記軸部空間４内に収納されている。前記第１集光レンズ９の光軸７ａは、前記回転軸１の軸心と合致し、又該回転軸１の軸心が前記光軸７に合致した状態（即ち、前記回転軸１が前記軸嵌合孔５に対して芯ブレ、偏心のない状態）では、前記光軸７ａは前記光軸７と合致する様になっている。
【００３８】
前記角度検出パターン８は前記第１集光レンズ９の焦点位置にあり、前記光軸７ａは前記角度検出パターン８の中心を通過する様に、該角度検出パターン８と前記第１集光レンズ９とが設定されている。
【００３９】
前記イメージセンサ１３は前記第２集光レンズ１２の焦点に保持されている。
【００４０】
前記参照用パターン１６は前記第３集光レンズ１５の焦点に配置されている。前記角度検出パターン８、前記参照用パターン１６が形成される部材の材質は、前記回転軸１の材質、前記軸支持部３の材質と同じ、又は同じ熱膨張率であることが好ましい。
【００４１】
前記第１集光レンズ９と前記第３集光レンズ１５は同倍率、前記第２集光レンズ１２は前記第１集光レンズ９、前記第３集光レンズ１５と同倍率又は低倍率となっている。例えば、前記第１集光レンズ９と前記第３集光レンズ１５の倍率は２倍、前記第２集光レンズ１２の倍率は１倍となっている。従って、前記角度検出パターン８、前記参照用パターン１６の像は前記イメージセンサ１３に縮小されて投影される様になっている。
【００４２】
尚、前記角度検出パターン８、前記参照用パターン１６の基準形状は円形であり、その直径は５ｍｍ〜１０ｍｍ程度である。又、前記角度検出パターン８と前記参照用パターン１６とは同一パターンであってもよく、異なるものであってもよい。尚、異なる場合は、両パターン間で角度偏差、中心位置の偏差が求められる形状となっていればよい。
【００４３】
前記角度検出パターン８の像及び前記参照用パターン１６の像は、それぞれイメージセンサ１３に結像される様になっており、更に前記イメージセンサ１３が前記角度検出パターン８の像、前記参照用パターン１６の像を択一的に受光できる様に受光切替え手段３６（後述）が設けられる。該受光切替え手段３６としては、前記角度検出パターン８と前記参照用パターン１６を照明する照明手段１９，２０を個別に設け、該照明手段１９，２０を択一的に点灯する様に構成する。或は、他の受光切替え手段としては、前記光軸７と前記分岐光軸１４とに掛渡ってシャッタが設けられ、該シャッタによって前記光軸７と前記分岐光軸１４とを択一的に遮断し、光路を切替える構成としてもよい。
【００４４】
前記イメージセンサ１３としては、画素の集合体であるＣＣＤ、或はＣＭＯＳセンサ等が用いられる。前記光軸７は、前記イメージセンサ１３に想定した座標系（Ｘ０−Ｙ０）の原点を通過する様に設定され、各画素は前記イメージセンサ１３上で前記光軸７を原点として位置（座標）が特定できる様になっている。
【００４５】
前記イメージセンサ１３からの受光信号は、演算装置２１に入力され、該演算装置２１は受光信号に基づき前記回転軸１の回転角、該回転軸１の傾斜（傾斜角）による芯ブレを測定する様に構成されている。
【００４６】
前記軸部空間４と前記収納空間６に、収納される前記角度検出パターン８、前記第１集光レンズ９、前記ハーフミラー１１、前記イメージセンサ１３、前記第３集光レンズ１５、前記参照用パターン１６等は、回転角検出装置１８の主要部を構成する。又、前記第１集光レンズ９、前記ハーフミラー１１、前記第２集光レンズ１２、前記第３集光レンズ１５は前記角度検出パターン８の投影像、前記参照用パターン１６の投影像を前記イメージセンサ１３に結像する回転角検出用光学系を構成する。
【００４７】
図２は、前記角度検出パターン８、前記参照用パターン１６の照明手段１９，２０としての一例を示すものであり、前記照明手段１９について説明する。
【００４８】
前記光軸７を中心とした円周上にＬＥＤ２３を所定の間隔で配置し、前記第１集光レンズ９を通して前記角度検出パターン８を照明する様にしたものである。尚、前記ＬＥＤ２３は、前記軸支持部３側に支持され、該軸支持部３側から電力が供給される。尚、光ファイバの一端面を前記光軸７を中心とした円周上に所定の間隔で配置し、光ファイバの他端面から照明用の光を入射させてもよい。又、前記角度検出パターン８の第１集光レンズ９の反対側、前記参照用パターン１６の第３集光レンズ１５の反対側に照明を配置し、前記角度検出パターン８、前記参照用パターン１６の裏側からそれぞれ照明する様にしてもよい。
【００４９】
又、図示していないが、前記参照用パターン１６は、前記照明手段１９と同様の構成の照明手段２０によって照明される様になっており、上述した様に、前記角度検出パターン８の照明手段１９、前記参照用パターン１６の照明手段２０は、択一的に点灯する様に制御される。
【００５０】
図３に示される様に、前記演算装置２１は、主に、信号処理部３１、演算制御部３２、角度検出部３３、芯ブレ検出部３４、記憶部３５、受光切替え手段３６等から構成される。
【００５１】
前記信号処理部３１は、前記イメージセンサ１３から出力されるデータを増幅し、或は格納可能な様に信号処理する。
【００５２】
前記記憶部３５には、前記照明手段１９，２０の点灯を制御し、前記イメージセンサ１３からの信号取得時期等を制御する制御プロクラム、前記回転軸１の回転角を検出する為の回転角演算プログラム、前記回転軸１の芯ブレを検出する為の芯ブレ演算プログラム、回転角を検出する為、芯ブレを検出する為に必要な信号を抽出する等の信号処理を行う信号処理プログラム等が格納されている。又、前記記憶部３５には、前記イメージセンサ１３から出力される画像データが格納される。
【００５３】
前記演算制御部３２は、各種プログラムに基づき演算制御し、又前記受光切替え手段３６により前記照明手段１９，２０の点灯を制御し、前記イメージセンサ１３からの信号取得の同期制御等を行う。
【００５４】
前記角度検出部３３は、前記イメージセンサ１３からの信号に基づき前記回転軸１の回転角を演算し、主に前記回転角演算プログラム、前記演算制御部３２によって構成される。又、前記芯ブレ検出部３４は、前記イメージセンサ１３からの信号に基づき前記回転軸１の芯ブレを演算し、主に前記芯ブレ演算プログラム、前記演算制御部３２によって構成される。
【００５５】
次に、図４により、本実施例で使用される角度検出パターン８、参照用パターン１６の一例を説明する。尚、前記角度検出パターン８、前記参照用パターン１６には同一パターンが用いられたとし、以下は角度検出パターン８について説明する。
【００５６】
該角度検出パターン８の基本形状は円であり、該角度検出パターン８の中心は前記第１集光レンズ９の光軸、即ち前記光軸７ａに略合致する様に構成されている。
【００５７】
前記角度検出パターン８は、中心部に芯出しパターンとしての円パターン２５、角度検出用のパターンとして前記円パターン２５の周囲に、該円パターン２５と同心に配設された線分パターン２６及び基準指示パターン２７から構成されている。前記円パターン２５は所定の線幅で描かれた複数の真円（図示では２つの同心多重円）である。尚、芯出しパターンは中心が求められるパターンであればよく、例えば十字線であってもよい。
【００５８】
前記線分パターン２６は、半径方向に延びる所定長さの線分２６ａ（図中、黒く塗り潰した部分）が等角度ピッチで全周にｎ配置された構成であり、又該線分２６ａによって形成されたリング状のトラックである。換言すると、前記線分パターン２６は、所定のトラック幅（半径方向に所定長さ）を有するリングを２ｎ数の半径によって全周２ｎ等分し、隔列毎に線分２６ａを形成したものである。各線分２６ａは楔形状となっており、３６０゜／２ｎの中心角αを有している。又、前記線分パターン２６の中心は、前記円パターン２５の中心と同一である。
【００５９】
前記基準指示パターン２７は、前記線分パターン２６の内側に形成され、前記線分パターン２６と同心の円弧形状をしている。又前記基準指示パターン２７は、円周方向に複数のパターンに分割され、１つの位置指示パターン２７ａと、該位置指示パターン２７ａの両側に配置された方向指示パターン２７ｂとから構成されている。
【００６０】
前記位置指示パターン２７ａは前記線分２６ａと同一の中心角を有し、又前記位置指示パターン２７ａは前記線分２６ａの１つと同一半径線上に位置する。
【００６１】
前記方向指示パターン２７ｂは前記位置指示パターン２７ａに関して、対称の位置、対称の形状となっており、３個分の前記線分２６ａに掛渡る幅（中心角５α）を有する。尚、前記方向指示パターン２７ｂの幅（周方向の長さ）は、前記線分２６ａの３個分に限られるものではなく、前記線分２６ａの幅と異なっていればよい。
【００６２】
尚、前記線分２６ａ、前記位置指示パターン２７ａ、前記方向指示パターン２７ｂは、、光を非反射とし、他の部分を反射としてもよく、或は前記線分２６ａ、前記位置指示パターン２７ａ、前記方向指示パターン２７ｂを反射、他の部分を非反射としてもよい。以下の説明では、前記線分２６ａ、前記位置指示パターン２７ａ、前記方向指示パターン２７ｂを非反射として説明している。
【００６３】
以下、上記回転角検出装置１８の作用について説明する。
【００６４】
該回転角検出装置１８に於いては、回転角の検出と、回転に伴う芯ブレ（回転軸の倒れ）とを検出することができる。
【００６５】
前記照明手段１９によって前記角度検出パターン８を照明する。該角度検出パターン８は、前記第１集光レンズ９、前記第２集光レンズ１２の作用によって前記イメージセンサ１３に１／２に縮小されて投影され、該イメージセンサ１３は受光した前記角度検出パターン８に対応した信号を発する。
【００６６】
同様に、前記照明手段２０によって前記参照用パターン１６を照明し、該参照用パターン１６の像が前記イメージセンサ１３に１／２に縮小されて投影され、該イメージセンサ１３は受光した前記参照用パターン１６に対応した信号を発する。
【００６７】
先ず、前記照明手段２０が点灯され、前記参照用パターン１６の像が前記イメージセンサ１３によって取得され、参照用パターン像は前記演算装置２１に格納される。次に、前記照明手段２０が消灯され、前記照明手段１９が点灯され、前記角度検出パターン８の像が前記イメージセンサ１３によって取得される。
【００６８】
前記参照用パターン１６の像の円パターン２５に基づき、前記参照用パターン１６の粗中心位置（前記イメージセンサ１３に想定された座標系での座標）を求めることができる。得られた粗中心位置を中心とした円の軌跡（円周方向）に沿って、前記基準指示パターン２７が画像上で走査され、前記基準指示パターン２７の回転位置が検出される。
【００６９】
ここで、前記基準指示パターン２７の回転位置とは、前記イメージセンサ１３上での座標を示す。或は、前記イメージセンサ１３に想定した座標軸を前記粗中心位置に平行移動した状態での、座標軸に対して前記基準指示パターン２７が前記粗中心位置を中心として所定の回転方向（例えば時計方向）に回転した回転角度を言う。この回転角度は、前記イメージセンサ１３に想定した座標軸に対する前記参照用パターン１６の回転方向の位置ずれ（即ち該参照用パターン１６設置時のずれ）を示す。
【００７０】
又、前記粗中心位置を中心として前記線分パターン２６を円周方向に走査することで前記基準指示パターン２７を基準位置とした周波数成分の信号が得られる。該周波数成分の信号に基づき、回転角が求められ、更に、少なくとも９０°毎の分割部分を設定し、１８０°異なる２つの分割部分の組と、該組と直交する関係にある他方の分割部分の組とに分け、前記一方の分割部分の組の中心を他方の分割部分の組を走査して得られる位相差の半分から、前記参照用パターン１６の精密な中心位置が求められる。
【００７１】
次に、前記角度検出パターン８の像が前記イメージセンサ１３によって取得される。前記参照用パターン１６の場合と同様にして、前記粗中心位置を求め、該粗中心位置を中心として前記基準指示パターン２７、前記線分パターン２６を円周方向に走査し、前記角度検出パターン８の回転位置、精密な中心位置が求められる。
【００７２】
前記角度検出パターン８で得られた精密中心位置と前記参照用パターン１６で得られた精密中心位置とを比較し、両精密中心位置の前記イメージセンサ１３上での位置ずれ（偏差）を求め、前記角度検出パターン８の前記基準指示パターン２７の回転位置又は前記参照用パターン１６の前記基準指示パターン２７の回転位置、及び前記角度検出パターン８の前記線分パターン２６の周波数成分又は前記参照用パターン１６の前記線分パターン２６の周波数成分を前記偏差により修正する。修正後の前記角度検出パターン８の前記基準指示パターン２７の回転位置と前記参照用パターン１６の前記基準指示パターン２７の回転位置との比較で粗回転角を求め、更に前記角度検出パターン８の前記線分パターン２６の周波数成分と前記参照用パターン１６の前記線分パターン２６の周波数成分との位相差を求めて、位相差に基づき１線分パターン未満の角度（精密回転角）を求め、前記粗回転角と精密回転角との組合せより高精度の回転角を測定する。
【００７３】
又、更に所定時間経過後の回転角を求める場合、経過時間が長くない場合は、前記角度検出パターン８についてのみ、前記基準指示パターン２７の回転位置、前記線分パターン２６の周波数成分を取得し、経過時間が長い場合は、同様にして前記参照用パターン１６で得られた前記基準指示パターン２７の回転位置、前記線分パターン２６の周波数成分との比較で所定時間経過後の高精度の回転角が測定できる。
【００７４】
更に、所定時間経過前の前記角度検出パターン８について得られた回転角、所定時間経過後に得られた前記角度検出パターン８の回転角との比較で、経過時間での回転量が得られ、更に回転量を経過時間で微分することで回転速度が得られる。
【００７５】
図５、図６を参照して、回転角の検出、芯ブレの検出について具体的に説明する。
【００７６】
ＳＴＥＰ：０１、ＳＴＥＰ：０２に於いて、前記回転軸１の参照パターン画像、角度検出パターン画像が取得され、前記記憶部３５にそれぞれ格納される。格納されている前記参照パターン画像、前記角度検出パターン画像それぞれについて、画像信号上（前記記憶部３５に格納されたデータ上）で、走査ライン（スキャンライン）が設定され、該走査ラインに沿って走査（スキャン）される。ここで、該走査ラインは、データ上に設定される仮想ラインであるので、任意の位置に、任意の数だけ設定でき、該走査ラインの数を増やすことで、測定精度を向上させることができる。
【００７７】
尚、図６は前記参照パターン画像、前記角度検出パターン画像に於ける円パターン２５、線分パターン２６、基準指示パターン２７と前記走査ラインとの関係を示しており、図６中、Ｘ軸，Ｙ軸は前記参照パターン画像又は前記角度検出パターン画像の中心を原点とする座標系（Ｘ−Ｙ）を示している。ここで示される、座標軸は前記イメージセンサ１３上に設定されたＸ０軸、Ｙ０軸を平行移動したものであり、前記角度検出パターン８、前記参照用パターン１６の中心と前記光軸７とが合致している状態では、図６で示されるＸ軸、Ｙ軸は前記イメージセンサ１３に想定したＸ０軸、Ｙ０軸と合致する。
【００７８】
又、図６中、前記線分２６ａ、前記位置指示パターン２７ａ、前記方向指示パターン２７ｂは黒塗りを省略している。
【００７９】
以下、前記参照パターン画像、前記角度検出パターン画像の前記イメージセンサ１３に於ける位置（中心位置及び回転位置）が、それぞれ求められる。どちらを先に求めてもよいが、以下の手順では、先ず前記参照パターン画像について位置が求められ、次に前記角度検出パターン画像について位置が求められる場合を説明する。
【００８０】
ＳＴＥＰ：０３  先ず、前記円パターン２５に関し、Ｘ０軸、Ｙ０軸と平行に走査ライン３７ａ，３７ｂが設定され、該走査ライン３７ａ，３７ｂに沿って走査され、各走査ライン３７ａ，３７ｂ上に位置する画素の信号が取得される。取得された画素の信号に基づき、前記円パターン２５が検出される。
【００８１】
ＳＴＥＰ：０４  該円パターン２５を検出することで、円の中心、即ち前記参照用パターン１６のＸ０−Ｙ０座標上での中心位置（以下、粗中心位置）が求められ、該粗中心位置の座標原点に対する偏差を求めることで、前記回転角検出装置１８の前記参照用パターン１６の位置ずれが求められる。尚、この位置ずれは、前記参照用パターン１６の設置誤差として測定される。
【００８２】
ここで、前記円パターン２５が多重円であり、前記走査ライン３７が複数設定されていることで、複数のデータが取得でき、更に複数の粗中心位置が求められる。求められた複数の粗中心位置を平均化することで精度が向上する。
【００８３】
求められた粗中心位置を中心とした線分パターン２６の走査ライン３８ａ，３８ｂ，３８ｃ、走査ライン３９が同心多重円（図示では４つの多重円）に設定される。又、走査を開始する点（始点）（０゜の位置）は、前記走査ライン３８ａ，３８ｂ，３８ｃ上の任意の位置に設定してよいが、座標系（Ｘ−Ｙ）で基準の位置であることが好ましく、例えば、Ｙ軸と交差する点に設定する。
【００８４】
ＳＴＥＰ：０５  前記基準指示パターン２７について、前記走査ライン３９が走査され、該走査ライン３９上の信号が取得される（図７（Ｂ）参照）。尚、図７（Ｂ）は前記基準指示パターン２７を複数回全周走査した状態を示しており、前記基準指示パターン２７の信号が３６０゜毎に取得される。
【００８５】
ＳＴＥＰ：０６  前記線分パターン２６について走査ライン３８ａ，３８ｂ，３８ｃが走査される。
【００８６】
図７（Ａ）は、前記線分パターン２６を走査した場合に得られる信号出力を示しており、図７（Ａ）は前記線分パターン２６を３回転走査し、１回転毎に走査ラインを前記走査ライン３８ａから前記走査ライン３８ｂに、該走査ライン３８ｂから前記走査ライン３８ｃに変更した場合（各走査ラインを全周走査した場合）に得られる信号を示し、又信号は連続させて示している。
【００８７】
図４で示した様に、前記線分パターン２６は空白部と線分パターン２６が交互に形成されており、空白部と線分パターン２６とで１周期が形成される。従って、前記線分パターン２６を走査することで、周波数成分を含む信号（以下、周波数信号）が得られる。又、各走査ライン３８ａ，３８ｂ，３８ｃを各全周スキャンし、得られた周波数信号を平均化することで高精度な周期（位相）を有する粗周波数信号を取得できる。
【００８８】
尚、図７（Ａ）では走査の始点（０゜）の位置と周波数成分の位相０゜とが合致せず、位相がずれた状態を示している。
【００８９】
ＳＴＥＰ：０７  前記基準指示パターン２７で得られる信号と前記線分パターン２６で得られる信号に基づき、前記参照用パターン画像の回転位置（座標系（Ｘ−Ｙ）を基準とした回転角）を求める。
【００９０】
図７（Ｂ）を参照すると、前記基準指示パターン２７の信号は走査始点（０゜）より−側にあり、走査始点から前記線分２６ａの数、即ち周波の数（Ｎ）を数えることで大まかな回転角が求められる。更に、走査始点に対して前記周波数信号の位相がずれているので、位相差σを求めることで、端数の角度が求められる。
従って、前記参照用パターン画像の回転角度は、
Ｎ×３６０゜／ｎ＋σ×３６０゜／ｎとなる。
【００９１】
ＳＴＥＰ：０８  前記基準指示パターン２７の前記位置指示パターン２７ａ、前記方向指示パターン２７ｂのいずれかを基準として、前記線分パターン２６を周方向に偶数等分（少なくとも４分割）する。図８では４分割した場合を示している。分割した一方の１８０゜の範囲に属する分割部をＡ１，Ａ２とし、他方の１８０゜の範囲に属する分割部をＢ１，Ｂ２とし、更に前記分割部Ａ１と前記分割部Ｂ１、前記分割部Ａ２と前記分割部Ｂ２とをそれぞれ対向させる。従って、対応する分割部分は、それぞれ位相が１８０゜ずれている。
【００９２】
ＳＴＥＰ：０９  前記線分パターン２６を走査ライン３８ａに沿って全周走査し、各分割部分に属する線分２６ａの信号を取得する。同様に走査ライン３８ｂ，３８ｃに沿って全周走査し、各分割部分に属する線分２６ａの信号を取得する。取得した信号を分割部分毎に平均化することで、前記線分２６ａのパターン成形誤差を相殺した、高精度の周波数信号（以下、（分割部周波数信号）と称す）が得られる。
【００９３】
ＳＴＥＰ：１０  全ての分割部分について、位相を検出すると、検出した位相に基づく各分割部分のＸ０−Ｙ０座標上での偏差（変位量）（又は、Ｘ０−Ｙ０座標上での分割部分中心の座標）を求める。分割部分より得られた変位量に基づき線分パターン画像の中心位置を求める。ここで求められる中心位置は、前記円パターン２５に基づき求めた粗中心位置より更に高精度である（以下、精密中心位置）。
【００９４】
ＳＴＥＰ：１１  得られた精密中心位置を基準として、前記基準指示パターン２７の精密回転位置を求める。即ち、精密中心位置を原点とする高精度に修正されたＸ−Ｙ座標系が得られ、該Ｘ−Ｙ座標系で前記周波数信号の位相差が求められ、該位相差に基づき高精度の回転角が求められる。
【００９５】
ＳＴＥＰ：１２  前記参照用パターン１６について、該参照用パターン画像の精密中心位置及び前記基準指示パターン２７の精密回転位置、精密周波数信号、更に該精密周波数信号の位相差が取得できると、角度検出パターン画像についても同様に、精密中心位置、前記基準指示パターン２７の精密回転位置、前記線分パターン２６についての精密周波数信号及び該精密周波数信号の位相差を取得する。
【００９６】
前記角度検出パターン画像についても上記ＳＴＥＰ：０３〜ＳＴＥＰ：１１迄の工程が実行され、（精密中心位置）′、（回転角）′（以下、角度検出パターン８に関するものについては′を付ける）が求められる。
【００９７】
ＳＴＥＰ：１３  精密中心位置と（精密中心位置）′との偏差を求めることで前記参照用パターン１６と前記角度検出パターン８の中心位置の偏差、即ち芯ブレが検出され、回転角と（回転角）′との偏差を求めることで、前記参照用パターン１６と前記角度検出パターン８間の回転角度の差、即ち前記回転軸１の回転角（回転量）が求められる。
【００９８】
尚、前記角度検出パターン８と前記参照用パターン１６に形成される前記線分パターン２６は、位相差を検出できればよいので、前記角度検出パターン８及び前記参照用パターン１６に形成される線分パターン２６は、全周に形成されなくとも、所定角度の範囲に形成されてもよい。更に全周に形成した場合でも、所要数の線分２６ａについて位相差を求め、平均化した位相差で角度を検出してもよい。
【００９９】
前記角度検出パターン８、前記参照用パターン１６のパターンに誤差が含まれている場合もあるが、走査ライン３８の全周は３６０゜であり、この値は変らない。従って、全周に亘って信号を取得し、全周に亘って角度検出することで、前記角度検出パターン８、前記参照用パターン１６に含まれる誤差要因が相殺され、高精度の角度検出が行える。
【０１００】
上記測定では、常に前記参照用パターン１６と前記角度検出パターン８との比較で角度の検出、芯ブレの測定を行っているので、測定中前記イメージセンサ１３が温度上昇し、変移したとしても、誤差が相殺される。従って、温度差が大きい測定環境でも、安定性、信頼性の高い、高精度の測定が可能となる。
【０１０１】
尚、前記イメージセンサ１３の温度上昇は、測定初期の現象であり、測定開始後所定時間を経過すると安定する。又、電気回路のドリフト現象も測定初期に多く現れ、所定時間経過後は少なくなる。従って、前記イメージセンサ１３による前記参照用パターン１６の像の取得を測定初期には前記参照用パターン１６と前記角度検出パターン８との比較を略同時刻で取得した像で行い、所定時間が経過した後は、所定時間間隔で取得した前記参照用パターン像と測定時の前記角度検出パターン像とを比較する様にしてもよい。
【０１０２】
又本実施例では、前記角度検出パターン８、前記参照用パターン１６を用いて芯ブレを更に高精度に測定することができる。
【０１０３】
図８を参照して説明する。尚、以下は前記角度検出パターン８について説明するが、前記参照用パターン１６も同様である。尚、図中、前記線分２６ａ、前記位置指示パターン２７ａ、前記方向指示パターン２７ｂは黒塗りを省略している。
【０１０４】
先ず前記角度検出パターン８に関して、前記走査ライン３８ａについて説明する。
【０１０５】
前述した様に、前記基準指示パターン２７の前記位置指示パターン２７ａ、前記方向指示パターン２７ｂのいずれかを基準として、前記線分パターン２６は周方向に前記分割部Ａ１、前記分割部Ａ２、前記分割部Ｂ１、前記分割部Ｂ２に４分割されている。
【０１０６】
角度を高精度に検出する場合と同様に、各分割部分について（分割部周波数信号）を求める。例えば、前記分割部Ａ１について（分割部周波数信号）を求める。更に、１８０゜位相の異なる前記分割部Ｂ１の（分割部周波数信号）を求める。
【０１０７】
更に、前記分割部Ａ１、前記分割部Ｂ１と位相の９０゜異なる前記分割部Ａ２、前記分割部Ｂ２の（分割部周波数信号）をそれぞれ求める。
【０１０８】
次に、前記分割部Ａ１と、前記分割部Ｂ１と、前記分割部Ａ２と、前記分割部Ｂ２の、それぞれの（分割部周波数信号）について位相差を求める。
【０１０９】
各分割部分間で求められる位相差は、前記イメージセンサ１３上に設定される直交座標上のずれ量として設定される。
【０１１０】
演算されたずれ量に基づき前記分割部Ａ１、前記分割部Ｂ１、前記分割部Ａ２、前記分割部Ｂ２の各分割部分の直交座標上での中心位置が演算できる。
【０１１１】
前記分割部Ａ１の中心と前記分割部Ｂ１の中心とを結ぶ直線（Ｙ中心線）、及び前記分割部Ａ２の中心と前記分割部Ｂ２の中心とを結ぶ直線（Ｘ中心線）が得られる。Ｘ中心線の中心位置（Ｘ中心線の中点）、Ｙ中心線の中心位置（Ｙ中心線の中点）が、それぞれ前記角度検出パターン８の中心位置となり、直交座標（Ｘ−Ｙ座標系の座標位置）上での座標位置が演算される。
【０１１２】
尚、Ｘ中心線、Ｙ中心線は下記式により表される。
Ｘ中心線＝［Φ（Ａ１）−Φ（Ｂ１）］／２
Ｙ中心線＝［Φ（Ａ２）−Φ（Ｂ２）］／２
ここで、Φ（Ａ１），Φ（Ａ２），Φ（Ｂ１），Φ（Ｂ２）は各分割部に於ける位相を示す。
【０１１３】
同様にして、前記走査ライン３８ｂ，３８ｃに関してもそれぞれ中心座標を求め、全ての中心座標を平均することで更に高精度に前記角度検出パターン８の中心座標が求められる。
【０１１４】
得られた中心位置の座標と同様に前記参照用パターン１６から得られた中心位置の座標に対する前記角度検出パターン８の中心の芯ブレの大きさと、芯ブレの方向とが演算できる。
【０１１５】
前記回転軸１は、回転時に芯ブレがないことが好ましいが、部品精度を高くし、又組立て精度を高くして、芯ブレを０に近づけることは極めて困難であり、又製作コストが高くなる。ここで述べる芯ブレとは、回転軸のガタツキのこととする。
【０１１６】
本実施例では、前記回転軸１の芯ブレを許容し、更に高精度での角度検出を可能としている。
【０１１７】
先ず、初期データを取得して前記参照用パターン１６の中心座標が得られた状態で、前記回転軸１を所定角度ピッチ（例えば５゜ピッチ）で回転させ、各ピッチ回転毎に前記角度検出パターン８の中心座標を求め、該中心座標と前記参照用パターン１６の中心座標とを比較し、偏差を求める。得られた偏差は、回転角と関連付けて、前記記憶部３５に記憶させる。
【０１１８】
前記回転軸１を３６０゜回転させ、１回転の前記参照用パターン１６の中心に対する偏差を求める。この偏差の軌跡は、前記回転軸１の回転中心が完全に前記光軸７に合致し、且つ芯ブレがなければ、点として前記参照用パターン１６の中心座標に合致する。
【０１１９】
実際は、前記回転軸１の回転に伴い芯ブレが生じるので、回転に応じて中心軸が描く軌跡は円又は楕円（以下芯ブレによる偏心円と称す）となる。然し、この芯ブレによる偏心円は、機構上再現性が高く、芯ブレの方向、量を前記偏差の軌跡によって正確に把握することができる。従って、芯ブレによる偏心円を検出し、測定角度を補正することで、芯ブレを有する回転軸であっても、高精度で角度測定が可能である。
【０１２０】
又、前記参照用パターン１６は固定され、前記回転軸１の回転により変位しないので、前記参照用パターン１６で得られた中心位置を既定値とし、該既定値と各ピッチ回転毎に得た前記角度検出パターン８の中心との偏差で芯ブレ量を求めてもよい。
【０１２１】
又、同様にパターンの取付に誤差がある場合も回転に応じて中心軸が描く軌跡は誤差による偏心円を描くこととなるが、これも前記と同様に補正することができる。
【０１２２】
更に、一度偏差の軌跡を取得して、補正情報として記憶しておくことで、前記回転軸１の回転角を正確に測定でき、又何らかの原因で、更に前記回転軸１の芯ブレが拡大した場合は、得られた偏差との差を求めることで、拡大した場合でも容易に補正をすることができる。この場合は、例えば前記イメージセンサ１３が温度により変形した場合でも補正情報を基準とすることにより、信頼性の高い、安定した測定を行うことができる。
【０１２３】
更に、高精度に芯ブレを測定する場合を説明する。高精度に芯ブレを測定する場合は、測定毎に、前記角度検出パターン８を円周方向に偶数等分して例えば９０°毎の分割部分を設定する。互いに１８０°異なる２つの分割部分同士の組合せと、該組合せられた分割部分と直交する関係に配置された部分を有する組合せとに分ける。それぞれの組合せの部分を走査し、それぞれの平均値から組合せを形成する部分の中心を求める。更に、このそれぞれの中心で得られる位相差の半分の値から求めることによって、得られる中心座標を得ると同時に、前記参照用パターン１６の中心座標を取得し、前記角度検出パターン８の中心座標と前記参照用パターン１６の中心座標との偏差を求める。
【０１２４】
平均した中心座標を用いる為、照明ムラ、前記イメージセンサ１３の画素による量子化誤差が軽減され、高精度な芯ブレの検出を基にした高精度の角度測定が可能となる。
【０１２５】
尚、上記実施例では、前記角度検出パターン８、前記参照用パターン１６の画像を前記イメージセンサ１３で取得し、取得したそれぞれの画像から、前記角度検出パターン８、前記参照用パターン１６の回転角を検出し、検出した回転角の比較で、前記回転軸１の回転量（軸の回転角）、芯ブレを求めたが、前記イメージセンサ１３で取得した参照用パターン画像と前記角度検出パターン画像との偏差を求め、両パターン画像の偏差から前記回転軸１の回転角、芯ブレを測定してもよい。
【０１２６】
図９、図１０は、本実施例に係る回転角検出装置１８が測量装置に使用された場合を示し、又測量装置の一例としてトータルステーション４０を示している。
【０１２７】
整準部４１に整準螺子４２を介して基台部４３が設けられている。該基台部４３に架台４４が設けられ、該架台４４には光学系を含む望遠鏡部４５が支持されている。該望遠鏡部４５の内部には測距部（図示せず）が設けられている。該測距部は、前記望遠鏡部４５から測距光が測定対象に照射され、測定対象で反射された測距光を受光し、受光した反射光に基づき測距を行う様構成されている。
【０１２８】
前記基台部４３は前記整準螺子４２により水平となる様に整準可能となっている。又、前記架台４４は鉛直軸心を中心に回転可能であり、前記望遠鏡部４５は水平軸心を中心に回転可能となっている。又、前記架台４４には表示部４６を有する操作入力部４７が設けられ、前記表示部４６にはトータルステーション４０の動作状態或は測定対象迄の距離の測定値等が表示される。
【０１２９】
前記基台部４３の上面には架台ベース４８が設けられ、該架台ベース４８の中心には上方に突出する軸受５２が設けられている。該軸受５２に水平回転軸５１が軸受部４９を介して回転自在に嵌合され、該水平回転軸５１に前記架台４４の筐体５３が固着されている。前記架台ベース４８は、前記筐体５３を支持する前記基台部４３の一部を構成すると共に前記筐体５３の下部開口を閉塞する下部カバーとしての機能を有している。
【０１３０】
前記軸受５２には水平回転ギア５４が固着され、該水平回転ギア５４には水平回転駆動ギア５５が噛合している。該水平回転駆動ギア５５は水平回転モータ５６の出力軸に固着されており、前記水平回転モータ５６によって前記水平回転駆動ギア５５が回転されることで、前記水平回転ギア５４を介して前記筐体５３が前記水平回転軸５１を中心として水平方向に回転する様になっている。前記水平回転モータ５６は前記筐体５３に固着され、前記水平回転モータ５６と前記筐体５３とは一体に回転する様になっている。
【０１３１】
前記水平回転軸５１の下端部は中空となっており、該中空部によって第１軸部空間５７が形成される。該第１軸部空間５７には水平角度検出パターン５８、水平第１集光レンズ５９が収納され、前記水平角度検出パターン５８、前記水平第１集光レンズ５９は前記水平回転軸５１の軸心上に設けられている。
【０１３２】
前記架台ベース４８の中心部下面には、軸部ホルダ６１が設けられ、該軸部ホルダ６１の軸心は前記水平回転軸５１の軸心と合致する様になっている。前記軸部ホルダ６１の内部には軸受部空間６２が形成され、該軸受部空間６２に水平第２集光レンズ６３及び水平イメージセンサ６４が収納され、前記水平第２集光レンズ６３、前記水平イメージセンサ６４は前記軸部ホルダ６１の軸心上に設けられている。
【０１３３】
又、該軸部ホルダ６１の軸心上で、前記水平第２集光レンズ６３と前記水平イメージセンサ６４との間には水平ハーフミラー６５が設けられ、該水平ハーフミラー６５の反射光軸上に水平第３集光レンズ６６、水平参照用パターン６７が設けられている。
【０１３４】
前記水平角度検出パターン５８、前記水平第１集光レンズ５９及び前記水平第２集光レンズ６３及び前記水平イメージセンサ６４、前記水平ハーフミラー６５、前記水平第３集光レンズ６６、前記水平参照用パターン６７は、水平角を検出する水平回転角検出装置６８の主要部を構成する。
【０１３５】
又、前記水平第１集光レンズ５９、前記水平第２集光レンズ６３、前記水平ハーフミラー６５、前記水平第３集光レンズ６６は、前記水平角度検出パターン５８、前記水平参照用パターン６７の投影像を前記水平イメージセンサ６４に結像する水平回転角検出用光学系を構成する。
【０１３６】
前記望遠鏡部４５には左右両端から水平方向に延出する鉛直回転軸７１が設けられ、該鉛直回転軸７１は軸受７２を介して前記筐体５３に支持され、前記望遠鏡部４５は前記鉛直回転軸７１を中心に鉛直方向に回転可能となっている。
【０１３７】
該鉛直回転軸７１の一端には鉛直回転ギア７３が固着され、該鉛直回転ギア７３には鉛直回転駆動ギア７４が噛合している。該鉛直回転駆動ギア７４は鉛直回転モータ７５の出力軸に固着され、該鉛直回転モータ７５が駆動されることで、前記鉛直回転駆動ギア７４、前記鉛直回転ギア７３を介して前記望遠鏡部４５が前記鉛直回転軸７１を中心として回転される。
【０１３８】
前記鉛直回転軸７１の他端部には、該鉛直回転軸７１と同心の第２軸部空間７６が形成され、該第２軸部空間７６には鉛直角度検出パターン７７、鉛直第１集光レンズ７８が収納され、前記鉛直角度検出パターン７７、前記鉛直第１集光レンズ７８は前記鉛直回転軸７１の軸心上に設けられている。
【０１３９】
前記鉛直回転軸７１の他端部と同心に筒状のホルダサポート７９が前記筐体５３の内部に向って突設され、該ホルダサポート７９の先端部に軸部ホルダ８１が嵌設されている。該軸部ホルダ８１には、前記鉛直回転軸７１の軸心と同心の軸受部空間８２が形成され、該軸受部空間８２に鉛直第２集光レンズ８３、鉛直イメージセンサ８４が収納される。前記鉛直第２集光レンズ８３、前記鉛直イメージセンサ８４は、前記鉛直回転軸７１の軸心上に設けられる。
【０１４０】
前記鉛直回転軸７１の軸心上で、前記鉛直第２集光レンズ８３と前記鉛直イメージセンサ８４との間に鉛直ハーフミラー８５が設けられ、該鉛直ハーフミラー８５の反射光軸上に鉛直第３集光レンズ８６、鉛直参照用パターン８７が設けられる。
【０１４１】
前記鉛直角度検出パターン７７、前記鉛直第１集光レンズ７８、前記鉛直第２集光レンズ８３、前記鉛直イメージセンサ８４、前記鉛直ハーフミラー８５、前記鉛直第３集光レンズ８６、前記鉛直参照用パターン８７は、鉛直角（高低角）を検出する鉛直回転角検出装置８８の主要部を構成する。
【０１４２】
又、前記鉛直第１集光レンズ７８、前記鉛直第２集光レンズ８３、前記鉛直ハーフミラー８５、前記鉛直第３集光レンズ８６は、前記鉛直角度検出パターン７７、前記鉛直参照用パターン８７の投影像を前記鉛直イメージセンサ８４に結像する鉛直回転角検出用光学系を構成する。
【０１４３】
上記トータルステーション４０の作動について説明する。尚、前記水平回転角検出装置６８、前記鉛直回転角検出装置８８の作用は、前記回転角検出装置１８の作用と同様であるので説明を省略する。
【０１４４】
先ず、前記整準螺子４２によって、前記トータルステーション４０が整準される。整準後、該トータルステーション４０が基準位置としてセットされる。
【０１４５】
次に、前記望遠鏡部４５を測定対象に視準させる為、前記水平回転モータ５６を駆動して前記筐体５３を水平方向に回転する。該筐体５３の水平回転角は、前記水平回転角検出装置６８によって検出される。又、回転軸の軸ブレ（軸の傾き）も前記水平回転角検出装置６８によって同時に検出され、検出された軸ブレに基づき検出された水平角が補正される。
【０１４６】
又、前記鉛直回転モータ７５を駆動し、前記望遠鏡部４５が鉛直方向に回転される。該望遠鏡部４５の鉛直回転角は、前記鉛直回転角検出装置８８によって検出され、又前記鉛直回転軸７１の軸ブレも前記鉛直回転角検出装置８８によって同時に検出される。同様に、検出された軸ブレに基づき検出された鉛直角が補正される。
【０１４７】
前記望遠鏡部４５の視準が完了すると、該望遠鏡部４５から測距光が射出され、測定対象迄の距離が測定され、同時に前記水平回転角検出装置６８、前記鉛直回転角検出装置８８により水平角、高低角が測定される。
【０１４８】
本実施例に係る測量装置では、高価なエンコーダを用いないで高精度に水平角、高低角が測定でき、又前記水平回転角検出装置６８、前記鉛直回転角検出装置８８は製作精度を要求しないので、安価に製造でき、測量装置の製作コスト低減が図れる。
【符号の説明】
【０１４９】
１              回転軸
２              軸受
３              軸支持部
７              光軸
８              角度検出パターン
９              第１集光レンズ
１２            第２集光レンズ
１３            イメージセンサ
１５            第３集光レンズ
１６            参照用パターン
１８            回転角検出装置
１９            照明手段
２０            照明手段
２１            演算装置
２５            円パターン
２６            線分パターン
２７            基準指示パターン
３１            信号処理部
３２            演算制御部
３３            角度検出部
３４            芯ブレ検出部
３５            記憶部
３７            走査ライン
３８            走査ライン
３９            走査ライン
４０            トータルステーション
４３            基台部
４４            架台
４５            望遠鏡部
５１            水平回転軸
５３            筐体
６２            軸受部空間
６３            水平第２集光レンズ
６４            水平イメージセンサ
６８            水平回転角検出装置
７１            鉛直回転軸
７６            第２軸部空間
７７            鉛直角度検出パターン
７８            鉛直第１集光レンズ
８２            軸受部空間
８３            鉛直第２集光レンズ
８７            鉛直参照用パターン
８８            鉛直回転角検出装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図４】
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