(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの軸（１、２；１１）を中心に回転可能に支持された望遠鏡本体（５）を備える、光学的に角度測定するための角度測定器具であって、前記軸（１、２；１１）が、少なくとも２つの軸受箇所（６）に回転可能に支持されていて、前記軸受箇所（６）が、前記軸（１、２；１１）の方向に互いに離間している当該角度測定器具において、
前記軸（１、２；１１）の位置を検出するための少なくとも２つのセンサ装置がそれぞれ、前記軸（１、２；１１）に沿った１つの測定箇所に配置されていて、
１つの第１センサ装置が、１つの第１測定箇所に配置されていて且つ容量センサ（７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ）の第１グループを有し、前記容量センサ（７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ）の前記第１グループが、前記第１測定箇所で前記軸線の方向に対して垂直の方向のこの軸（１、２；１１）のずれを検出し、
１つの第２センサ装置が、１つの第２測定箇所に配置されていて且つ容量センサ（７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ）の第２グループを有し、前記容量センサ（７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ）の前記第２グループが、前記第２測定箇所で前記軸線の方向に対して垂直の方向のこの軸（１、２；１１）のずれを検出し、
前記第１測定箇所及び前記第２測定箇所が、前記軸（１、２；１１）の方向に互いに離間していて、
前記第１センサ装置及び前記第２センサ装置がそれぞれ、２つの容量センサを有する１つの第１センサ対（７ａ、７ｂ）及び２つの容量センサを有する１つの第２センサ対（７ｃ、７ｄ）を備え、
前記第１センサ対（７ａ、７ｂ）が、前記軸の方向に対して垂直の第１方向のこの軸（１，２；１１）のずれを測定し、前記第２センサ対（７ｃ、７ｄ）が、前記軸の方向に対して垂直の第２方向のこの軸（１，２；１１）のずれを測定し、前記第１方向と前記第２方向とは互いにほぼ垂直であることを特徴とする角度測定器具。
【請求項２】
温度の影響を排除するための補償回路が設けられている請求項１に記載の角度測定器具。
【請求項３】
前記第１センサ装置及び前記第２センサ装置のうちの少なくとも１つのセンサ装置内では、前記第１センサ対（７ａ、７ｂ）の１つの第１センサ（７ａ）及び前記第２センサ対の１つの第１センサ（７ｃ）がそれぞれ、１つの第１センサ要素キャリア（１４）上に配置されていて、前記第１センサ対の１つの第２センサ（７ｂ）及び前記第２センサ対の１つの第２センサ（７ｄ）がそれぞれ、１つの第２センサ要素キャリア（１４’）上に配置されている請求項１に記載の角度測定器具。
【請求項４】
前記複数の第１センサ及び前記複数の第２センサはそれぞれ、前記軸（１、２；１１）と１つの電極（１６）との間にこの軸（１、２；１１）とこの電極（１６）との間の間隔に応じた容量を形成する請求項１〜３のいずれか１項に記載の角度測定器具。
【請求項５】
前記軸（１、２；１１）は、１つの水平軸（１）及び／又は１つの垂直軸（２）である請求項１〜４のいずれか１項に記載の角度測定器具。
【請求項６】
前記角度測定器具は、電子回路を有し、この電子回路は、前記第１センサ（７ａ、７ｃ）の容量に応じた第１信号と前記第２センサ（７ｂ、７ｄ）の容量に応じた第２信号とを生成するための且つ前記第１信号と前記第２信号とから差動信号を生成するための前記第１センサ対（７ａ、７ｂ）及び前記第２センサ対（７ｃ、７ｄ）に対して構成されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の角度測定器具。
【請求項７】
前記第１信号又は前記第２信号を生成するための前記センサ（７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ）のそれぞれ１つのセンサに対する前記電子回路は、１つの抵抗（Ｒ１）と前記１つのセンサの容量（Ｃｓ）とから構成された分圧器（Ｒ１、Ｃｓ）を有し、
前記抵抗（Ｒ１）が、電源（Ｏｓｃ、Ｄｒｖ）と前記分圧器のタップとの間に配置されていて、前記１つのセンサ（７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ）の容量（Ｃｓ）が、前記タップと前記軸（１、２；１１）との間に配置されている請求項６に記載の角度測定器具。
【請求項８】
前記電子回路は、前記分圧器の前記タップの前記第１信号又は前記第２信号を整流して平滑化するための回路、すなわち前記第１信号又は前記第２信号と直列のダイオード（Ｄ）及び接地された平滑コンデンサ（Ｃ）を有する請求項７に記載の角度測定器具。
【請求項９】
１つのセンサ対（７ａ、７ｂ；７ｃ、７ｄ）の２つのセンサずつに対応する２つのダイオード（Ｄ）が、同一のダイオードハウジング内に配置されている請求項８に記載の角度測定器具。
【請求項１０】
温度の影響を排除するための補償回路としての１つの電子回路が、分圧器と、それぞれ個別の前記センサ（７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ）の回路と同様に構成されている整流して平滑化するための回路とを有する請求項６〜９のいずれか１項に記載の角度測定器具。
【請求項１１】
前記角度測定器具は、前記軸（１、２、１１）の回転角度を算出するための角度エンコーダと、前記軸（１、２、１１）の位置に応じて補正された前記軸（１、２、１１）の回転角度から望遠鏡本体（５）の視野方向を決定するための手段とを有する請求項１に記載の角度測定器具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学的角度測定器具の分野、特に、請求項１の上位概念に記載の角度測定器具に関する。
【背景技術】
【０００２】
角度測定器具は、例えば角度を測定するための純粋なセオドライトとして使用されるか、又は例えば電気光学的距離測定システムと組み合わされて調整測定システムの一部として使用される。典型的に、セオドライトにおいて、水平軸は、Ｖ字状軸受、すなわち、規定された２つの接点を有する摩擦軸受を有する。しかし、Ｖ字状軸受は、一方向のみの負荷を受けることしかできないという欠点を有し、このことにより、非垂直な配置が阻止され、駆動力の方向が変化するので、モータ駆動が困難になる。
【０００３】
半径方向の遊びを若干有する他の軸受は空気軸受であり、応力が加えられた玉軸受である。レーザートラッカー等の器具は、応力が加えられた玉軸受を備える。空気軸受が扱いにくく、大きいのに対して、応力が加えられた玉軸受は、最小の半径方向のずれ誤差に従った要件によって、非常に強い応力を玉に加えなければならないので、玉がもはや理想的に転動しないという欠点を有する。材料選択に応じた、応力印加による温度の影響は、さらなる複雑さをもたらす。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、本発明の課題は、回転マウントの上記欠点を除去する冒頭に述べた種類の角度測定器具を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この課題は、少なくとも１つの軸１、２；１１を中心に回転可能に支持された望遠鏡本体５を備える、光学的に角度測定するための角度測定器具であって、前記軸１、２；１１が、少なくとも２つの軸受箇所６に回転可能に支持されていて、前記軸受箇所６が、前記軸１、２；１１の方向に互いに離間している当該角度測定器具において、前記軸１、２；１１の位置を検出するための少なくとも２つのセンサ装置がそれぞれ、前記軸１、２；１１に沿った１つの測定箇所に配置されていて、１つの第１センサ装置が、１つの第１測定箇所に配置されていて且つ容量センサ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの第１グループを有し、前記容量センサ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの前記第１グループが、前記第１測定箇所で前記軸線の方向に対して垂直の方向のこの軸１、２；１１のずれを検出し、１つの第２センサ装置が、１つの第２測定箇所に配置されていて且つ容量センサ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの第２グループを有し、前記容量センサ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの前記第２グループが、前記第２測定箇所で前記軸線の方向に対して垂直の方向のこの軸１、２；１１のずれを検出し、前記第１測定箇所及び前記第２測定箇所が、前記軸１、２；１１の方向に互いに離間していて、前記第１センサ装置及び前記第２センサ装置がそれぞれ、２つの容量センサを有する１つの第１センサ対７ａ、７ｂ及び２つの容量センサを有する１つの第２センサ対７ｃ、７ｄを備え、前記第１センサ対７ａ、７ｂが、前記軸の方向に対して垂直の第１方向のこの軸１，２；１１のずれを測定し、前記第２センサ対７ｃ、７ｄが、前記軸の方向に対して垂直の第２方向のこの軸１，２；１１のずれを測定し、前記第１方向と前記第２方向とは互いにほぼ垂直であることによって解決される。
【０００６】
すなわち、光学的角度測定用の角度測定器具は、角度エンコーダを有する、少なくとも１つの軸を中心に回転可能に支持された望遠鏡本体を備える。望遠鏡本体には、一般に公知の種類の望遠照準器、電子カメラ、レーザ光学距離計等を設けることができる。この場合、軸は少なくとも２つの軸受箇所に回転可能に支持されており、またこれらの軸受箇所は軸の方向に互いに離間している。軸の正確な位置を検出するための少なくとも２つのセンサ装置のそれぞれは、軸に沿った測定箇所に配置されており、この場合、測定箇所は軸の方向に互いに離間している。センサ装置の少なくとも１つは、測定箇所で軸方向に対して垂直な方向への軸のずれを検出する一群の容量センサを備える。
【０００７】
これにより、通常の、すなわち、特に強くはない応力印加で玉軸受を動作させることが可能になる。このようにして、球面のそれぞれ直径上の正反対の点で球の容易な転動が保証されている。
【０００８】
この場合、軸の点は、軸受精度によって、軸方向に対して垂直な平面で移動できる。この移動はセンサ装置によって測定箇所のそれぞれで検出することができる。２つの測定箇所が存在しているので、軸の２つの点の位置又はずれ、したがって、ずらされた軸の位置も全体的に認識されている。この位置は、望遠鏡本体の又はその中に配置された望遠鏡及び／又は距離計の視野方向を算出する際に考慮される（角度エンコーダによって通常算出された、１つ又は２つの軸を中心とする回転角度に加えて）。このことは、望遠鏡本体の視野方向が、一方では、軸を中心とする回転から決定され、他方では、本発明に従って決定された軸の位置に応じて、補正が行われることを意味する。例えば温度測定による器具の形状の別の補正を公知の方法で行うことができる。
【０００９】
本発明の好ましい実施形態では、センサ装置の各々は、それぞれ２つの容量センサを有する第１センサ対及び第２センサ対を備え、この場合、第１センサ対は、軸方向に対して垂直な第１方向への軸のずれを測定し、第２センサ対は、軸方向に対して垂直な第２方向への軸のずれを測定し、また第１方向と第２方向とが互いにほぼ垂直である。センサ対を互いに垂直に向けることによって、２つの方向の位置決定が互いに分離されている。
【００１０】
しかし、その代わりに、センサを若干使用することも可能である。例えば、一方向のみへの軸のずれを測定するために、１つのみのセンサ又は１つのみのセンサ対を使用できる。あるいは、３つのセンサが軸を中心に周囲に三角形構成で配置され、また軸のずれが、２つの方向において３つのセンサ容量の全体から算出される。同様に、５つ又は６つのセンサを使用できる。しかし、評価については、２つの垂直センサ対を有する詳細に示した別形態が特に簡単である。
【００１１】
本発明の別の好ましい実施形態では、センサ装置の少なくとも１つにおいて、第１センサ対の第１センサ、及び第２センサ対の第１センサのそれぞれが、第１センサ要素キャリアに配置されており、また第１センサ対の第２センサ、及び第２センサ対の第２センサのそれぞれが、第２センサ要素キャリアに配置されている。このことにより、それぞれ２つのセンサを軸の位置に調整することが可能になり、この場合、対の２つのセンサの調整のそれぞれが互いに独立して行われる。２つのセンサは同一のキャリアで互いに垂直であるので、軸に対するそれらのセンサの配置は、キャリアを移動させることによって本質的に互いに独立して設定することも可能である。
【００１２】
本発明の別の好ましい実施形態では、軸と電極との間のセンサのそれぞれは、軸と電極との間隔に従って容量を形成する。この場合、軸は、電気的に見てアースに置かれていることが好ましい。これによって、センサ容量のサーキッティング及び評価を特に簡単に構成できる。
【００１３】
角度測定器具の複数の軸で、特に、水平軸（又は天頂軸）で及び／又は垂直軸（又は方位軸）で、本発明による測定装置を使用できる。
【００１４】
本発明の好ましい実施形態では、角度測定器具は、センサ対の少なくとも１つのために、第１センサの容量に従って第１信号を生成し、また第２センサの容量に従って第２信号を生成するように、そして第１信号と第２信号とから差動信号を生成するように形成されている電子回路を備える。したがって、差動信号は、第１センサと第２センサとの間の方向への軸のずれに関する基準である。
【００１５】
別の好ましい実施形態は従属請求項から明らかである。
【００１６】
添付図面に示した好ましい実施形態を参照して、本発明について以下に詳細に説明する。
【００１７】
図面に用いた参照符号及びそれらの意味は符号の説明にまとめて記載されている。原則として、図面の同一の部分には、同一の参照番号が付与されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、回転位置センサを有する角度測定器具の側面図を示している。この場合、望遠鏡本体５は水平軸１を中心に支持部４に回転可能に支持されている。支持部４は垂直軸２を中心に基部３に回転可能に支持されている。マウントは玉軸受６をそれぞれ備える。２つの軸１、２のそれぞれには、軸方向に互いに離間して一対ずつ又は個別に配置されている容量センサ７が設けられている。センサ７のそれぞれは軸１、２の軸受６に配置されていることが好ましい。センサ７の容量の変化を通じて、軸の横方向のずれが測定されて、回転位置の角度補正に換算される。対応する軸を中心に回転角度を測定するための角度計又は角度エンコーダ、及び存在し得るモータ回転駆動部は図示されていない。
【００１９】
図２は、回転位置センサの詳細図を示している。図面の左側は軸方向の平面図を示しており、また右側は断面図を示しており、この場合、紙面には軸方向が存在する。支持部４又は基部３の一部であるベースキャリア１２（断面図にのみ図示）には、２つのセンサ要素キャリア１４、１４’が例えばねじ１３等の固定手段で固定されている。この固定は調整可能であるので、センサ７と軸１１との間の間隔を設定できる。この場合、軸１１とセンサ７の電極１６との間の空隙が容量を形成する。電極１６と軸１１との間隔は、キャリア１４を移動させることによって例えば約１５マイクロメートルにそれぞれ設定される。２８ｍｍの軸径の場合、３ｍｍの電極幅でまた１０ｍｍの長さで約３〜４ｐＦのベース容量が得られる。
【００２０】
軸１１は水平軸１又は垂直軸２であることができる。センサ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの各々は、絶縁体１５を介してセンサ要素キャリア１４に絶縁固定されておりかつ電極接続リード１７を介して評価電子装置に電気的に接続されている電極１６を備える。絶縁体１５は機械的精度及び安定性の理由でセラミック材料からなることが好ましい。軸１１は評価電子装置のアース接続部に電気的に接続されている。
【００２１】
４重循環読出又は４重センサによって軸の角度位置を測定した場合、この種の角度測定は、軸のずれに関する情報も提供でき、すなわち、このために、センサ装置としても用いることができる。この場合、軸の位置を完全に決定するには、軸方向に離間した上記の種類の追加の容量センサ装置だけで済む。
【００２２】
図３は、回転位置センサの容量値を評価するための電子回路を示している。それぞれ１つのセンサ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ用の、第１信号又は第２信号を生成するための電子回路は、抵抗Ｒ１とセンサの可変容量Ｃｓとからなる分圧器を備えることが好ましい。この場合、特に、電圧Ｕｏを有する電源と電圧Ｕｓを有する分圧器のタップとの間に抵抗Ｒ１が配置されている。分圧器のタップと軸１、２；１１との間にはセンサ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの容量が配置されている。分圧器のタップで信号Ｕｓを整流して平滑化するために、分圧器のタップと増幅器入力との間にはダイオードＤが直列に配置されており、また増幅器入力とアースとの間には平滑コンデンサＣが配置されている。好ましくは、２つのダイオードＤは、センサ対のそれぞれ２つのセンサによって一対になっており、すなわち、同一のダイオードハウジング内に配置されている。
【００２３】
センサ対の平滑化された２つの信号は、差動増幅器Ｘ、Ｙの２つの入力に案内される。差動増幅器Ｘ、Ｙの出力信号は、センサの中心からＸ方向又はＹ方向への軸のずれに関する基準である。差動法によって、温度の影響が小さく保持される。２つの差動増幅器Ｘ、Ｙの出力は、Ａ／Ｄ変換器によってデジタル化され、システムコントローラによってデジタル継続処理される。当然、同一の全体機能によって、回路構成の他の箇所でも、アナログ信号処理とデジタル信号処理とのインターフェースを実現できる。軸のずれを決定するための回路を純粋にアナログで実現できる。
【００２４】
電源は発振器ＯｓｃとドライバＤｒｖとを備える。発振器Ｏｓｃの周波数ｆ、例えば約１．５ＭＨｚのシヌソイド信号は、ドライバＤｒｖによって、例えば約２Ｖｐｐの電圧Ｕｏに増加される。抵抗Ｒ１はセンサ電極の容量Ｃｓと共に分圧器を形成する。ダイオードＤにおいて、分圧器のタップの得られた電圧Ｕｓが整流されて、Ｃに平滑化される。
【数１】
0005235679.tif 000002
【００２５】
約１００ｍＶ／マイクロメートルのセンサ感度及び約１ｍＶのノイズでは、１０〜２０ｎｍの分解能が得られる。これにより、１５０ｍｍの軸受間隔に対応するセンサ間隔では、約０．１マイクロラドの軸１１の回転（軸１１に対して垂直な軸を中心とした）に関する角度感度が得られる。
【００２６】
電子回路は、温度の影響を排除するための補償回路、特に分圧器Ｒ１−Ｒ２と、それぞれ個々のセンサ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの回路と同様に形成されている整流して平滑化するための回路とを備えることが好ましい。これによって、基準電圧が発生し、さらに、この基準電圧がＡ／Ｄ変換器を介してデジタル化される。このようにして、センサ対の測定信号が基準電圧に関連することによって、変化する信号振幅Ｕｏの影響が排除される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】回転位置センサを有する角度測定器具の側面図である。
【図２】回転位置センサの詳細図である。
【図３】回転位置センサの容量値を評価するための電子回路の図面である。
【符号の説明】
【００２８】
１  水平軸
２  垂直軸
３  基部
４  支持部
５  望遠鏡本体
６  玉軸受
７、７ａ．．．７ｄ  センサ
１１  軸
１２  ベースキャリア
１３  固定部、ねじ
１４  センサ要素キャリア
１５  絶縁体
１６  電極
１７  電極接続リード
【図１】
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【図２】
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【図３】
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