(57)【要約】【課題】  観測用ターゲットを用いて実際に観測することなく、ロータリエンコーダを評価すること。【解決手段】  トータルステーションＴに搭載されたロータリエンコーダ１が所定角度回転するごとに、ロータリエンコーダ１の回転角度をロータリエンコーダ１とオートコリメータＡＣによって順次計測し、各計測値をパソコンＰＣで比較して角度誤差を算出し、算出された各角度誤差を基に任意の回転角度におけるロータリエンコーダ１の誤差を示す誤差関数を算出し、指定角度と前記指定角度を前記誤差関数の変数としたときの誤差とを基に観測値に対応する測角値を演算によって求める。【選択図】        図１
2005351867.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学式ロータリエンコーダが指定の軸を基準に所定角度回転するごとに前記光学式ロータリエンコーダの回転角度を計測する回転角度計測手段と、前記光学式ロータリエンコーダが所定角度回転するごとに前記光学式ロータリエンコーダにより計測された計測値と前記回転角度計測手段の計測値とを基に前記所定角度ごとの角度誤差を算出する角度誤差算出手段と、前記角度誤差算出手段の算出値から任意の回転角度における前記光学式ロータリエンコーダの誤差を示す誤差関数を算出する誤差関数算出手段と、ターゲットを視準対象として観測するときの観測用角度と前記観測用角度を前記誤差関数の変数としたときの誤差とを基に観測値に対応する測角値を演算する演算手段とを備えてなる光学式ロータリエンコーダの測角評価装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光学式ロータリエンコーダの測角評価装置において、前記演算手段は、複数のターゲットと前記光学式ロータリエンコーダとの位置関係を定めた複数の観測用角度と前記各観測用角度を任意の回転角度として前記誤差関数に代入して得られた誤差とを基に前記複数のターゲットを用いたときの観測値に対応する測角値を演算してなることを特徴とする光学式ロータリエンコーダの測角評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トータルステーション、電子セオドライト等の測量機で測角又は角度設定する測角系の測角値を評価するように構成された光学式ロータリエンコーダの測角評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
トータルステーション、電子セオドライト等の測量機には、測角系として、例えば、ロータリエンコーダが搭載されている。この種のロータリエンコーダとして、目盛り盤（回転部）と、目盛り盤に光を照射する発光部及び前記発光部から目盛り盤を透過した光を受光する受光部（固定部）とを備え、受光部が受光した光に応じて出力される信号に基づいて目盛り盤の回転角度を検出するようにしたものが知られている。
【０００３】
一般に、ロータリエンコーダでは、目盛り盤の中心が実際の回転中心から偏心している場合や、目盛り盤が回転軸に対して垂直になっていない場合には角度誤差が生じる。また、目盛り間隔の広狭、目盛り盤の全周を対象とする系統的なひずみ等の目盛り誤差の影響からも角度誤差を生じる。このため、コードパターンおよび受光素子を複数組円周上に略等間隔に配置し、角度誤差を取り除くようにした技術が開示されている（特許文献１参照）。
【０００４】
しかし、角度誤差、特に、目盛り誤差に伴う角度誤差を取り除くことは困難であり、ロータリエンコーダが搭載された測量機の測角系を評価するに際して、例えば、測量機を中心にして、その周囲に５台の光学式コリメータを配置し、測量機から各光学式コリメータを視準する観測として、５方向３対回４群の対回観測が行われている。この対回観測では、角度測定を複数回行い、それぞれの角度測定で読み取る目盛りの位置をずらし、その測定値の平均をとることを行っているので、光学式コリメータの配置が正確に測定できることから、測定値（光学式コリメータの位置＋測量機の誤差）からロータリエンコーダの誤差を分離することができる。
【０００５】
【特許文献１】特開平６−３１３７１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来技術においては、トータルステーション、電子セオドライトの測角系を評価するに際して、５台の光学式コリメータを用いて５方向３対回４群の対回観測を行っているので、精度の高い基準器を用いなくても測角系に関する評価を精度高く行うことができる。しかし、５方向３対回４群の対回観測を行う評価方法では、測定者が光学式コリメータを１２０回も視準しなければならず、測定時間が長くかかる。しかも、視準精度が最終的な観測結果に大きく影響するので、測定者に対して熟練度が要求されることなる。
【０００７】
本発明は、前記従来技術の課題に鑑みて為されてものであり、その目的は、観測用ターゲット（例えば、コリメータ）を用いて実際に観測することなく、ロータリエンコーダを評価することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するために、請求項１に係る光学式ロータリエンコーダの測角評価装置においては、光学式ロータリエンコーダが指定の軸を基準に所定角度回転するごとに前記光学式ロータリエンコーダの回転角度を計測する回転角度計測手段と、前記光学式ロータリエンコーダが所定角度回転するごとに前記光学式ロータリエンコーダにより計測された計測値と前記回転角度計測手段の計測値とを基に前記所定角度ごとの角度誤差を算出する角度誤差算出手段と、前記角度誤差算出手段の算出値から任意の回転角度における前記光学式ロータリエンコーダの誤差を示す誤差関数を算出する誤差関数算出手段と、ターゲットを視準対象として観測するときの観測用角度と前記観測用角度を前記誤差関数の変数としたときの誤差とを基に観測値に対応する測角値を演算する演算手段とを備えた構成とした。
（作用）光学式ロータリエンコーダを評価するに際して、例えば、水平角を評価するときには、測量機を、鉛直軸を基準に回転させ、光学式ロータリエンコーダが所定角度θ（θ≧出力分解能）回転するごとに、所定角度θの整数倍の角度θｎ＝ｎ×θ（ｎ＝１、２、…、ＮＥ（但し、ＮＥ×θ＝３６０°））を光学式ロータリエンコーダの出力Ｅとして計測し、光学式ロータリエンコーダの計測による検出角度Ｅ（Ｅ＝θ＋δ（θ））に含まれる角度誤差δ（θ）を回転角度計測手段によって順次計測し、これら検出角度Ｅと角度誤差δ（θ）に関し、次式
【数１】
2005351867.tif 000003
を定義し、数１で定義された全ての式を満たすように、ｉ次の振幅誤差Ａｉとｉ次の初期位相φｉ（ｉ＝１、２、…、ＮＥ／２又は（ＮＥ−１）／２）を算出し、算出した振幅誤差Ａｉと初期位相φｉを係数とする周期関数であって、任意の回転角度θにおける測角系の誤差を示す次式の誤差関数
【数２】
2005351867.tif 000004
を算出する。誤差関数δ（θ）におけるθとして、任意の回転角度θｉを代入することで、光学式ロータリエンコーダの任意の回転角度θｉにおける誤差を求めることができる。次に、実際の観測で光学式ロータリエンコーダを評価するために用いられるターゲットを視準対象として観測するときの観測用角度と、前記観測用角度を変数とする誤差関数との関係を定めた演算式に、前記観測用角度を代入することで、ターゲットを用いたときの観測値に対応した測角値を演算によって求めることができる。従って、観測用ターゲットを用いて実際に観測することなく、光学式ロータリエンコーダを高精度に評価することができ、作業時間の短縮および作業性の向上に寄与することができる。
【０００９】
請求項２に係る光学式ロータリエンコーダの測角評価装置においては、請求項１に記載の光学式ロータリエンコーダの測角評価装置において、前記演算手段は、複数のターゲットと前記光学式ロータリエンコーダとの位置関係を定めた複数の観測用角度と前記各観測用角度を任意の回転角度として前記誤差関数に代入して得られた誤差とを基に前記複数のターゲットを用いたときの観測値に対応する測角値を演算してなる構成とした。
（作用）実際の観測で光学式ロータリエンコーダを評価するために用いられる複数のターゲットと光学式ロータリエンコーダとの位置関係から定まる複数の観測用角度と、各観測用角度における光学式ロータリエンコーダの誤差との関係を示す演算式に、算出した各誤差と各観測用角度を演算式に代入することで、複数の観測用ターゲットを用いたときの観測値に対応する測角値を演算によって求めることができる。
【００１０】
例えば、Ｌ方向Ｍ対回の対回観測をシミュレーションする場合、ターゲットの方向を示す観測用角度を測量機の０°を基準にＴｋ（ｋ＝１、…、Ｌ）とすると、ｊ（ｊ＝１、…、Ｍ）対回目の正位の観測値Ｅｒｊｋ  と観測用角度Ｔｋ’は次式で示すように、
【数３】
2005351867.tif 000005
と表せる。
【００１１】
同様に、ｊ対回目の反位の観測値Ｅｌｊｋと観測用角度Ｔｋ’は、次式で示すように、
【数４】
2005351867.tif 000006
と表せる。
【００１２】
ｊ対回目の正位の観測値Ｅｒｊｋと反位の観測値Ｅｌｊｋを演算で求めるに際しては、数３、数４の各演算式のうち観測用角度Ｔｋ’に観測用角度と設定されている値（例えば、測量機に対する観測用ターゲットの方向を示す角度、０°、４５°、９０°、１８０°、２７０°等）を代入することで観測用角度Ｔｋ’の値を求めることができ、また、数２のθに観測用角度Ｔｋ’として設定されている値を代入することで、観測用角度Ｔｋ’における角度誤差δ（Ｔｋ’）の値を求めることができる。
【００１３】
従って、複数の観測用ターゲットを用いて実際に観測することなく、光学式ロータリエンコーダを高精度に評価することができ、作業時間の短縮および作業性の向上に寄与することができる。
【発明の効果】
【００１４】
以上の説明から明らかなように、請求項１に係る光学式ロータリエンコーダの測角評価装置によれば、観測用ターゲットを用いて実際に観測することなく、光学式ロータリエンコーダを高精度に評価することができ、作業時間の短縮および作業性の向上に寄与することができる。
【００１５】
請求項２によれば、複数の観測用ターゲットを用いて実際に観測することなく、光学式ロータリエンコーダを高精度に評価することができ、作業時間の短縮および作業性の向上に寄与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、本発明の実施形態を、実施例に従って説明する。図１は、本発明の一実施例を示す光学式ロータリエンコーダの測角評価装置のブロック構成図、図２は、ロータリエンコーダの斜視図、図３は、光電式オートコリメータとポリゴン鏡との関係を説明するための構成図である。光電式オートコリメータは、ＣＣＤ素子列の中にターゲット像が結像されていれば正対しなくとも正対位置が画素位置から求められるので、ターゲット像の位置を記録することができるものである。
【００１７】
これらの図において、測量機としてのトータルステーションＴは、例えば、トータルステーションＴの水平角測定用の測角系として、ロータリエンコーダ（光学式ロータリエンコーダ）１を備えており、トータルステーションＴのロータリエンコーダ１を評価するために、本実施例では、測角評価装置として、ポリゴン鏡Ｐ、光電式オートコリメータＡＣ、パーソナルコンピュータ（以下、パソコンと称する。）ＰＣを備えて構成されている。
【００１８】
ポリゴン鏡Ｐは、正Ｎｐ角柱形に形成されたＮｐ面鏡として、反射面Ｐｎ（ｎ＝１、２、…、Ｎｐ）を備え、ポリゴン鏡Ｐの回転中心軸Ｐａは、トータルステーションＴの鉛直軸Ｔａと鉛直方向において略一致するように結合されている。なお、図３には、ポリゴン鏡Ｐとして、１２面鏡の例を示してある。ポリゴン鏡Ｐに相対向して光電式オートコリメータＡＣが配置されている。光電式オートコリメータＡＣは、トータルステーションＴの鉛直軸Ｔａとともに、ポリゴン鏡Ｐが回転するときに、第１反射面Ｐ１〜第Ｎｐ反射面ＰＮｐと順次正対するように配置されており、ポリゴン鏡Ｐが回転するときに、ポリゴン鏡Ｐに対して光を照射し、各反射面Ｐｎで反射した反射光を受光し、受光した光を基にポリゴン鏡Ｐとの正対位置からの微小相対角度、すなわち、トータルステーションＴの回転角度をロータリエンコーダ１よりも高精度に計測し、計測結果をパソコンＰＣに出力するようになっている。すなわち、光電式オートコリメータＡＣは、ポリゴン鏡Ｐとその校正値とをともに用いることで、トータルステーションＴの回転角度をロータリエンコーダ１よりも高精度に計測する回転角度計測手段として構成されている。
【００１９】
パソコンＰＣは、光電式オートコリメータＡＣの計測値とロータリエンコーダ１の計測値を入力し、入力した各計測値を基に所定角度ごとの角度誤差等を算出し、算出値を基にロータリエンコーダ１を評価するように構成されている。
【００２０】
係るロータリエンコーダ１の検出角度には誤差が含まれている。誤差の原因には偏心、目盛り盤の傾き等が考えられる。ただし、これらは機械調整することにより小さくできる。しかしながら、目盛り誤差は機械的な調整では小さくすることができず、正確な目盛り盤を作らなければならない。
【００２１】
ポリゴン鏡Ｐの反射面Ｐ１〜ＰＮｐが、光電式オートコリメータＡＣと略正対するようにトータルステーションＴの鉛直軸を基準に回転し、トータルステーションＴの回転角度をロータリエンコーダ１と光電式オートコリメータＡＣで計測する。このとき、ポリゴン鏡Ｐと光電式オートコリメータＡＣを用いて割り出した回転角度（回転角）は、ほぼ真値として、
【数５】
2005351867.tif 000007
と表せる。
【００２２】
ここで、各回転角度でのロータリエンコーダ１の計測値をＥｊとすると、誤差は、
【数６】
2005351867.tif 000008
と表せる。
【００２３】
また、Ｐｊ、Ｃｊが十分に小さく、ほぼ等間隔に測定できたとすると、Ｎｐ／２次以上の誤差成分が小さいエンコーダでは、フーリエ級数展開により、誤差関数は、
【数７】
2005351867.tif 000009
となる。
【００２４】
すなわち、Ｎｐ個の角度誤差をフーリエ級数展開すると、誤差振幅Ａ１〜ＡＮｐと初期位相φ１〜φＮｐが得られ、数７に示すように、誤差関数δ（θ）として、Ａ１・ｓｉｎ（θ＋φ１）〜ＡＮｐ・ｓｉｎ（Ｎｐθ＋φＮｐ）が得られる。そして、誤差関数δ（θ）におけるθとして、任意の回転角度θｉを代入することで、ロータリエンコーダ１の任意の回転角度θｉにおける誤差を求めることができる。
【００２５】
次に、実際の観測で測角系を評価するために用いられる複数の観測用ターゲット、例えば、光電式オートコリメータと測量機との位置関係から定まる複数の観測用角度（光電式オートコリメータ間の挟角）と、各観測用角度における測角系の誤差との関係を示す演算式を定義し、算出した各誤差と各観測用角度を演算式に代入することで、複数の観測用ターゲットを用いたときの観測値に対応する測角値を演算によって求めることができる。
【００２６】
例えば、Ｌ方向Ｍ対回の対回観測をシミュレーションする場合、ターゲットの方向を示す観測用角度を測量機の０°を基準にＴｋ（ｋ＝１、…、Ｌ）とすると、ｊ（ｊ＝１、…、Ｍ）対回目の正位の観測値Ｅｒｊｋ  と観測用角度Ｔｋ’は、
【数８】
2005351867.tif 000010
と表せる。
【００２７】
同様に、ｊ対回目の反位の観測値Ｅｌｊｋと観測用角度Ｅｒｊｋは、
【数９】
2005351867.tif 000011
と表せる。
【００２８】
ｊ対回目の正位の観測値Ｅｒｊｋと反位の観測値Ｅｌｊｋを演算で求めるに際しては、数８、数９の各演算式のうち観測用角度Ｔｋ’に観測用角度と設定されている値（例えば、０°、４５°、９０°、１８０°、２７０°等）を代入することで観測用角度Ｔｋ’の値を求めることができ、また、数７のθに観測用角度Ｔｋ’として設定されている値を変数として代入することで、観測用角度Ｔｋ’における角度誤差δ（Ｔｋ’）の値を求めることができる。
【００２９】
本実施例によれば、複数の観測用ターゲットを用いて実際に観測することなく、測量機の測角系を評価することができ、作業時間の短縮および作業性の向上に寄与することができる。また、複数の観測用ターゲットを用いて実際に観測する必要がないので、測定者による視準精度の影響を受けることがなく、観測値に対応した測角値として精度の高いものを求めることができ、測量機の測角系を高精度に評価することが可能になる。
【００３０】
さらに、観測値に対応した測角値を演算で求めたときには、演算によって得られた観測値を基に誤差の分布の標準偏差、倍角差、観測差をそれぞれ求めることができる。
【００３１】
例えば、誤差の分布の標準偏差としては、ＪＩＳ  Ｂ７９０９（ＩＳＯ  １７１２３−３）に従って求めることができる。倍角差と観測差については、「最新測量機器便覧」第７２頁から第７４頁（２００３年７月２９日発行  山海堂）の記載および「新版測量の基礎知識」第９０頁から第１００頁（１９９２年３月３日発行  市ケ谷出版社）の記載に従って求めることができる。
【００３２】
また、対回観測をシミュレーションするに際しては、光電子オートコリメータの配置、ロータリエンコーダの原点位置等の条件を任意に変更したり、対回観測の測定条件が変更になったりしたときでも、条件に応じて誤差関数、観測用角度、角度誤差を求めることで、観測値に対応した測角値を演算で求めることができる。
【００３３】
また、計測された誤差の一部に最大値として、他の誤差とは値が大きく異なるものが存在するときには、最大値が演算結果に反映されるように、光電式オートコリメータの位置を逆算し、この逆算によって得られた位置に光電子オートコリメータを再配置するシミュレーションを行うことで、誤差の演算結果を演算結果に反映させることができる。
【００３４】
また、測角値を演算で求める際に、分解能に応じた丸めを行うことで、任意の分解能での観測結果に応じた結果が得られる。
【００３５】
また、対回観測をシミュレーションするに際しては、測定者の視準誤差を加味するために、測定者の視準誤差と観測値に対応した測角値の分散の和を求めることもできる。
【００３６】
また、本実施例におけるパソコンＰＣは、光電式オートコリメータＡＣの計測値とロータリエンコーダ１の計測値を入力し、入力した各計測値を基に所定角度ごとの角度誤差を算出する角度誤差算出手段と、角度誤差算出手段の算出値から任意の回転角度におけるロータリエンコーダ１の誤差を示す誤差関数を算出する誤差関数算出手段と、ロータリエンコータ１を評価するために用いられる複数のターゲット、例えば、光電式オートコリメータとトータルステーションＴとの位置関係を定めた複数の観測用角度（光電式オートコリメータ間の挟角）と各観測用角度を誤差関数に代入して得られた関数値とを基に複数のターゲットを用いたときの観測値に対応する測角値を演算する演算手段としての機能を備えていることになる。
【００３７】
また、他の検査方法としてロータリエンコーダ単体で角度誤差の定数を決めるには角度誤差のわかっている基準のロータリエンコーダを基準に前記ロータリエンコーダと比較して誤差を測定し、誤差関数の定数を決定できる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施例を示すロータリエンコーダの測角評価装置のブロック構成図である。
【図２】ロータリエンコーダの斜視図である。
【図３】光電式オートコリメータとポリゴン鏡との関係を説明するための構成図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  ロータリエンコーダ
Ｔ  トータルステーション
Ｐ  ポリゴン鏡
ＡＣ  光電式オートコリメータ
ＰＣ  パソコン
【図１】
2005351867.tif 000012
【図２】
2005351867.tif 000013
【図３】
2005351867.tif 000014