(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定光を照射し、その反射光から測定対象物の方向を求める測定部と、測距光を照射し、その反射光から前記測定対象物までの距離を求める測距部と、前記測定光と前記測距光を射出すると共に、その反射光を前記測定部と前記測距部とに導く反射部材と、この反射部材を水平方向に回転させるための水平駆動部と、前記反射部材を高低方向に回転させるための高低駆動部と、前記射出方向の水平角と高低角を検出するための角度検出手段とを備え、前記測定部と前記測距部とは、装置本体に固定的に設けられ、前記測定部と前記測距部とは、前記反射部材に向けて前記測定光と前記測距光とを発することを特徴とする位置測定装置。
【請求項２】
前記反射部材には、水平回転の傾きを検知するための傾斜測定部が設けられれ、該傾斜測定部の測定に基づき前記測定対象物の位置を補正する請求項１記載の位置測定装置。
【請求項３】
水平方向の前記測定対象物側からの発光を検知する様に、複数の方向に向けて円周状に配置される到来方向検出受光部と、該到来方向検出受光部の受光光を比較し、前記発光の方向を概略検出するための到来方向検出回路とからなる到来方向検出部を備えた請求項１記載の位置測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回動部と固定部とからなる位置測定装置であって、回転部に反射部材を備え、傾斜測定部が、回動部のガタを検知して補正することのできる位置測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、測定対象の位置を自動的に測定する装置としては、トータルステーションを自動化した自動追尾型のトータルステーションが知られている。自動追尾型のトータルステーションは、モーターの駆動力により、鏡筒部の視準方向を上下左右に回転可能に構成している。そして、測角手段であるエンコーダの出力を利用して、水平回転及び高低回転の回転角を検出している。
【０００３】
鏡筒部には、通常のトータルステーションが備えている視準望遠鏡や測距手段の他に、測定位置に置かれたプリズム反射体を検出するための追尾手段が組み込まれている。
【０００４】
その他、自動追尾型のトータルステーション本体には、托架部の倒れを検出するためのチルトセンサー、各種電子処理回路、表示器、バッテリー等が備えられている。
【０００５】
図５は、自動追尾型のトータルステーションの部分断面図である。
【０００６】
測量機本体１０００は、高低回転可能に設けられた鏡筒部１１００と、この鏡筒部１１００を高低回転可能に支えるための托架部１２００と、この托架部１２００を水平回転可能に支えるための基盤部１３００と、この基盤部１３００の下に配置され、整準機能を備えた整準部１４００とから構成されている。
【０００７】
托架部１２００には、水平回転駆動ギア１７１１を介して水平回転モータ１７１２により托架部１２００を鉛直軸回りに水平回転させるための水平回転機構１７１０が設けられ、更に鉛直回転駆動ギア１７４１を介して鉛直回転モータ１７４２により鏡筒部１１００を水平軸回りに鉛直回転させる鉛直回転機構１７４０が設けられている。
【０００８】
水平回転軸１７２０には水平回転角検出エンコーダ１７３０が設けられ、鉛直回転軸１７５０には高低角検出エンコーダ１７６０が設けられ、回転角を検出する様に構成されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
自動追尾型のトータルステーションは、基本的には、手動タイプのトータルステーションタイプである測量機をモータで駆動できる様に改造したものである。自動追尾装置では作業者を必要としない様に自動化した装置であるが、鏡筒部には、視準望遠鏡、測距手段及び追尾手段等が組み込まれている。
【００１１】
このため、大きく重い構成となっている。同様に、鏡筒部を支え水平回転する托架部には、鏡筒部を含め高低回転及び水平回転のための駆動部が内蔵され、回動部が大きく重い構成となっている。
【００１２】
これらの測量機は、その使用上の理由により、鏡筒部は鉛直方向に回転し、托架部は望遠鏡部も含めて水平方向に回転する様に構成されている。
【００１３】
回転部分を停止状態から加速する時に必要なトルクは次式で現される。
【００１４】
Ｔ＝Ｉ＊ｄω／ｄｔ                        ・・・・・第１式
【００１５】
ここで、Ｔはトルクであり、Ｉは回転系の慣性モーメントであり、ｄω／ｄｔは、角加速度である。
【００１６】
この第１式はトルクが、角加速度と慣性モーメントに比例することを示している。
【００１７】
測量機は、一般的に屋外で使用する測定機であるから、その電源には、通常バッテリーを使用する。このためモータの消費電力は、可能な限り小さくする事が求められるので、使用するモータは、小型なサイズのものが要求される。この結果、小型のサイズのモータが発生することのできるトルクＴは、自ずと小さく制限される。
【００１８】
一方、自動追尾トータルステーションは、鉛直及び水平の回転軸部分にモータを組み込んで、望遠鏡部や托架部を回転させ、望遠鏡を、測定対象物であるプリズムの方向へ俊敏に向ける事が要求される。また自動追尾トータルステーションは、移動する測定対象物であるプリズムを追尾しながら測定する場合には、特に、追従特性の向上が求められる。
【００１９】
この回転スピードを上げる、或いは追従性を向上させるの何れにおいても、回転部分の加減速性能が特に重要となる。加減速性能を向上させるには、モータのサイズを大きくし、トルクＴをアップさせる事が簡便な方法であるが、それでは前述の如く消費電力やモータ重量の増加を招き、得策でない。
【００２０】
第１式で示される様にトルクＴが一定の場合には、角加速度を上げる為には慣性モーメントＩを小さくする必要がある。慣性モーメントＩは、回転部分の質量に比例し、回転半径の二乗に比例する。
【００２１】
従って慣性モーメントＩを小さくするためには、回転部分の重量と回転半径を小さくすればよく、小さなトルクＴでも回転性能を向上させることができる。
【００２２】
前述した様に、従来の測量機では、鏡筒部或いは托架部全体が回転する構造となっており、これらの部分に多くの部品が組み込まれている。従って、従来の測量機の構造では、加減速性能を向上させることは困難であるという問題点があった。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題に鑑み案出されたもので、測定光を照射し、その反射光から測定対象物の方向を求める測定部と、測距光を照射し、その反射光から前記測定対象物までの距離を求める測距部と、前記測定光と前記測距光を射出すると共に、その反射光を前記測定部と前記測距部とに導く反射部材と、この反射部材を水平方向に回転させるための水平駆動部と、前記反射部材を高低方向に回転させるための高低駆動部と、前記射出方向の水平角と高低角を検出するための角度検出手段とを備え、前記測定部と前記測距部とは、装置本体に固定的に設けられ、前記測定部と前記測距部とは、前記反射部材に向けて前記測定光と前記測距光とを発することを特徴としている。
【００２５】
更に前記反射部材には、水平回転の傾きを検知するための傾斜測定部が設けられれ、該傾斜測定部の測定に基づき前記測定対象物の位置を補正する構成にすることもできる。
【００２６】
また本発明は、水平方向の前記測定対象物側からの発光を検知する様に、複数の方向に向けて円周状に配置される到来方向検出受光部と、該到来方向検出受光部の受光光を比較し、前記発光の方向を概略検出するための到来方向検出回路とからなる到来方向検出部を備えた構成にすることもできる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明は上記課題に鑑み案出されたもので、測定部が、測定光を照射し、その反射光から測定対象物の方向を求め、測距部が、測距光を照射し、その反射光から測定対象物までの距離を求め、反射部材が、測定光と測距光を射出すると共に、その反射光を測定部と測距部とに導き、水平駆動部が、反射部材を水平方向に回転させ、高低駆動部が、反射部材を高低方向に回転させ、角度検出手段が、射出方向の水平角と高低角を検出し、測定部と測距部とは、装置本体に固定的に設けられ、測定部と測距部とは、反射部材に向けて測定光と測距光とを発する様になっている。
【００２９】
更に反射部材の傾斜測定部が、水平回転の傾きを検知し、傾斜測定部の測定に基づき測定対象物の位置を補正することもできる。
【００３０】
また本発明の到来方向検出部は、水平方向の測定対象物側からの発光を検知する様に、到来方向検出受光部を複数の方向に向けて円周状に配置し、到来方向検出回路が、到来方向検出受光部の受光光を比較し、発光の方向を概略検出することもできる。
【００３１】
【実施例】
【００３２】
以下、本発明の実施例を図面により説明する。
【００３４】
図１と図２とに基づいて、本実施例の測量機１００００を説明する。
【００３５】
測量機１００００は、測量機本体２０００と、整準部３０００とから構成されている。
【００３６】
測量機本体２０００には、回転部２１００と、固定部２２００と、傾斜測定部２３００と、到来方向検出部２４００とから構成されている。
【００３７】
回転部２１００は回動部に該当するもので、鉛直方向の回転部分（高低回動部）と水平方向の回転部分（水平回動部）とを備えている。
【００３８】
鉛直方向の回転部分（高低回動部）は、回転ミラー２１１０を鉛直方向に回転（高低角）させるためのものである。回転ミラー２１１０の両端部に水平軸２１１１、２１１１を設けてあり、一方の水平軸２１１１には、高低角測定用のロータリーエンコーダ２１２０が取り付けられており、他方の水平軸２１１１には、第１の駆動ギア２１３０を介して鉛直駆動用モータ２１４０に連結されている。鉛直駆動用モータ２１４０は、支柱部２１５０に固定されているので、鉛直駆動用モータ２１４０の駆動力により、鉛直方向の回転部分が一体に回転する様に構成されている。
【００３９】
なお、回転ミラー２１１０は、反射部材に該当するものである。
【００４０】
水平方向の回転部分（水平回動部）は、回転ミラー２１１０を水平方向に回転させるためのものである。水平方向の回転部分は、鉛直軸２１７０と、この上に形成される支柱部２１５０と、支柱部２１５０に軸止される回転ミラー２１１０に形成される水平軸２１１１とから構成され、一体に回転させる様に構成されている。
【００４１】
また鉛直軸２１７０には、水平角測定用のロータリーエンコーダ２１８０が取付けられている。更に、鉛直軸２１７０には、第２の駆動ギア２１８５を介して水平駆動用モータ２１９０に連結されている。水平駆動用モータ２１９０は、筐体に固定されているので、水平駆動用モータ２１９０の駆動力により、鉛直軸２１７０を含んで構成される回転部２１００を水平方向に回転させる。
【００４２】
なお、高低角測定用のロータリーエンコーダ２１２０と水平角測定用のロータリーエンコーダ２１８０とが、角度検出手段に該当するものである。
【００４３】
鉛直軸２１７０の内側は、軸受２１６０、２１６０・・・を介して筐体に固定されている。この鉛直軸２１７０下方には、距離測定部２２１０、プリズム検出部２２２０の各光学系が設けられている。
【００４４】
距離測定部２２１０は、距離検出発光部２２１１から発光した測距光が、ダイクロプリズム２２１２で反射し、対物レンズ２２１３を透過した後、回転ミラー２１１０で反射して、図示されていない被測定プリズム（測定対象物）の方向へ射出する。被測定プリズムからの反射光を逆の経路をたどり距離検出受光部２２１４の受光素子で受光する。
【００４５】
プリズム検出部２２２０は、被測定プリズムを検出するためのもので、プリズム検出発光部２２２１より発光した測距光が、コンデンサーレンズ２２２２、小ミラー２２２３、対物レンズ２２１３を通過し、回転ミラー２１１０で反射して、図示されていない被測定プリズム（測定対象物）の方向へ射出する。被測定プリズムからの反射光は、回転ミラー２１１０で反射され、対物レンズ２２１３で集光し、ダイクロプリズム２２１２を透過し、プリズム検出受光部２２２４の受光素子で受光する様になっている。
【００４６】
整準部３０００は、基本的に三本の脚で測量機本体２０００を支える構造である。三本の脚の１脚は回動自在に、例えば球面で支えている。残る２脚は、整準駆動モータ３１００の駆動力により上下動可能となっている。上下動作を調整することにより測量機本体２０００が整準される様に構成されている。整準は傾斜測定部の出力に基づいて行われる。ばねはその下にある基盤を支え、基盤は三脚の脚頭の取り付ける役目を果たしている。なお整準部３０００は、測量機本体２０００に内蔵し、内部の構成部材を直接整準することもできる。
【００４７】
図４に基づいて、傾斜測定部２３００を説明する。
【００４８】
傾斜測定部２３００は、測量機本体２０００の傾斜を検出し、整準部３０００の制御信号として測量機本体２０００を水平に整準する。それと共に、水平基準に対する鉛直軸２１７０と一体に設けられたエンコーダの傾きを検出することで、
回転部２１００の傾きを検出し、測定値、距離値及び位置の値を補正する。
【００４９】
傾斜測定部２３００は、第１光源１と、第１コンデンサレンズ２と、第１パターン３と、第２コンデンサレンズ４と、第１ハーフミラー５等とからなり、自由液面投光系８を構成している。
【００５０】
前記第１ハーフミラー５で反射された光線は前記自由液面６ａで反射され、前記第１ハーフミラー５を透過する。該第１ハーフミラー５の透過光軸１０上に第２ハーフミラー１５、第３コンデンサレンズ９、受光手段１１が配設されている。該受光手段１１は例えばＣＣＤエリアセンサが用いられる。
【００５１】
前記第１ハーフミラー５の透過光軸１０と平行な投光光軸を有する第２光源１７が配設され、該第２光源１７の投光光軸上に第４コンデンサレンズ１８、第２パターン１９、第５コンデンサレンズ２０、第３ハーフミラー２１が配設され、該第３ハーフミラー２１は前記第２ハーフミラー１５と対向している。
【００５２】
前記第３ハーフミラー２１の透過光軸上に該透過光軸と垂直となる位置に反射部材２２（水平エンコーダ）が配設されている。反射部材２２は、回転部２１００の鉛直軸２１７０と一体に取り付けられた水平エンコーダの面を反射面として利用している。また回転部２１００は、測量機本体２０００のきょう体部に取り付けられた鉛直軸２１７０によって水平回転可能に支持されると共に、傾斜測定部２３００が水平に正しく設置された時に、反射部材２２の反射面も概略水平となる様に取り付けられている。
【００５３】
前記第２光源１７、第４コンデンサレンズ１８、第２パターン１９、第５コンデンサレンズ２０、第３ハーフミラー２１等は固定反射部材投光系２４を構成し、前記第１ハーフミラー５、第２ハーフミラー１５、第３ハーフミラー２１、第３コンデンサレンズ９、受光手段１１等は受光光学系１２を構成する。
【００５４】
而して、前記第１光源１から射出された光線は、第１コンデンサレンズ２で概略平行光束とされ、前記第１パターン３、第２コンデンサレンズ４を透過した後、前記第１ハーフミラー５で反射され、更に前記自由液面６ａで反射され、前記第１ハーフミラー５、第２ハーフミラー１５、前記第３コンデンサレンズ９を透過して前記受光手段１１により受光される。即ち、前記第１パターン３の第１パターン像３ａ（図示せず）は前記第３コンデンサレンズ９により前記受光手段１１に結像される。
【００５５】
又、前記第２光源１７から射出された光線は、前記第４コンデンサレンズ１８で概略平行光束とされ、前記第２パターン１９を透過し、更に前記第５コンデンサレンズ２０、第３ハーフミラー２１を透過し、前記反射部材２２で反射され、前記第３ハーフミラー２１、第２ハーフミラー１５で反射され、前記第３コンデンサレンズ９を経て前記受光手段１１に受光される。即ち、前記第２パターン１９の第２パターン像１９ａ（図示せず）も前記第３コンデンサレンズ９を経て前記受光手段１１に結像される。
【００５６】
尚、前記反射部材２２からの反射光で前記第２ハーフミラー１５で反射された状態の反射光軸２３は前記透過光軸１０が鉛直の場合に該透過光軸１０に合致する。従って、前記第１パターン３の第１パターン像３ａと第２パターン１９の第２パターン像１９ａとが合致する様になっている。
【００５７】
前記透過光軸１０は前記自由液面６ａで反射されたものであり、従って、傾斜検出装置自体が傾斜していると、前記液体部材６の自由液面６ａは傾斜検出装置自体に対して相対的に傾斜し、その結果入射光軸に対して反射光軸２３が偏角する。
【００５８】
前述した様に、前記自由液面６ａがθ傾斜した場合、液体部材６の屈折率ｎとすると反射光軸は２ｎθ偏角し、前記受光手段１１上では、前記第１パターン像３ａはｆ＊ｔａｎ（２ｎθ）だけ基準位置から移動する。
【００５９】
一方、前記反射部材投光系２４の投光光軸は、測量機本体２０００が水平に整準されている時に鉛直に固定されている。そして反射部材２２である水平エンコーダにガタも傾きもなく、水平に回転している場合には、前記反射部材２２で反射された光線の、前記受光手段１１での受光位置（第２パターン像１９ａの位置）は一定している。
【００６０】
ところが、反射部材２２である水平エンコーダに回転ガタや傾きがある場合には、第１パターン像３ａに対する第２パターン像１９ａの移動量Ｌとして検出される。前記受光手段１１の第１パターン３ａに対する第２パターン像１９ａの方向を検出することで、傾斜方向も検出することが可能である。
【００６１】
演算処理手段４０００に於いて、前記受光手段１１からの受光信号に基づき前記第１パターン像３ａと第２パターン像１９ａとの偏差を求め、更に偏差に基づき傾斜量、傾斜方向が演算される。
【００６２】
尚、前記受光光学系１２での第１パターン像３ａ及び第２パターン像１９ａは、水平状態からの像の相対的な動き量を検出するためのものであるため、傾斜設定部２３００自体が水平な状態に於いて、前記反射部材２２からの反射光軸２３と前記自由液面６ａからの反射光軸２３は必ずしも合致していなくても、又平行でなくてもよい。更に、傾斜設定部２３００自体が水平状態で前記第１パターン像３ａと第２パターン像１９ａとは前記受光手段１１上で必ずしも合致する必要はなく、両者のずれ量は演算する場合の補正値とすればよい。
【００６３】
到来方向検出部２４００は、到来方向を概略検出するものである。測定目標点にいる作業者が、特定周波数の変調光を測量機本体２０００本体に向けて発光すると、到来方向検出部２４００の到来方向検出受光部２４１０は、変調光を受光し、到来方向を概略検出することができる。
【００６４】
到来方向検出部２４００は、到来方向検出受光部２４１０と到来方向検出回路２４２０とから構成される。到来方向検出受光部２４１０は、水平方向からの到来光を検知する様に、複数の方向に向けて円周上の配列される。到来方向検出回路２４２０は、複数の到来方向検出受光部２４１０の受光光量を比較して方向を定める様に構成されている。
【００６５】
次に図３に基づいて、本実施例の測量機１００００の電気的構成を説明する。
【００６６】
測量機１００００は、距離測定部２２１０と、距離検出発光部２２１１と距離検出受光部２２１４とからなる測距部２２１０Ｂと、プリズム検出部２２２０に相当する測定検出部２２２０Ａと、プリズム検出発光部２２２１とプリズム検出受光部２２２４とからなる測定部２２２０Ｂと、高低角測定用のロータリーエンコーダ２１２０と水平角測定用のロータリーエンコーダ２１８０と、角度演算部４１００と、傾斜測定部２３００と、到来方向検出受光部２４１０と、到来方向検出回路２４２０と、記憶部４２００、表示部４３００と、駆動回路４４００と、モータ４５００と、演算処理手段４０００とから構成されている。
【００６７】
モータ４５００は、鉛直駆動用モータ２１４０と水平駆動用モータ２１９０とが相当する。
【００６８】
以上の様に構成された測量機１００００は、測定部２２２０Ｂが、測定光を測定対象物に向けて射出し、その反射光を受光する。測定検出部２２２０Ａが、測定対象物を検出する信号を生成する。高低角測定用のロータリーエンコーダ２１２０と水平角測定用のロータリーエンコーダ２１８０との検出信号に基づき、角度演算部４１００が回転角を検出し、演算処理手段４０００は、駆動回路４４００を介してモータ４５００を駆動し、測量機１００００を測定対象物に向ける又は追尾する様になっている。
【００６９】
そして距離測定部２２１０が、測量機１００００と測定対象物との距離を演算する。
【００７０】
更に傾斜測定部２３００が、軸受の回転精度に起因する回転部２１００の回転ガタや傾きを検出し、演算処理手段４０００が、受光部が受光する測定対象物の受光位置を補正して、回転ガタや傾きの影響を除去することができる。
【００７１】
以上の様に構成された本実施例は、基本的に探査・追尾するための動作部は回転ミラー２１１０に集約され、鏡筒部及び托架部はなく回動部は、回転ミラー２１１０と高低角測定用のロータリーエンコーダ２１２０のみの構成である。距離測定部２２１０、測定部２２２０Ｂは、測量機本体２０００側に固定的に設けられている。
【００７２】
回転部２１００は、被測定プリズム（測定対象物）の方向に光を射出し、及び被測定プリズム（測定対象物）からの反射光を、対物レンズ２２１３を透過して各受光部に導くための最少の部品で構成することができる。これにより回転部２１００の重量軽減と回転半径減少により慣性モーメントを最少とし、小さなモータと低消費電力で高速の探査及び追尾動作を実現することができる。
【００７３】
【効果】
以上の様に構成された本発明は、測定光を照射し、その反射光から測定対象物の方向を求める測定部と、測距光を照射し、その反射光から前記測定対象物までの距離を求める測距部と、前記測定光と前記測距光を射出すると共に、その反射光を前記測定部と前記測距部とに導く反射部材と、この反射部材を水平方向に回転させるための水平駆動部と、前記反射部材を高低方向に回転させるための高低駆動部と、前記射出方向の水平角と高低角を検出するための角度検出手段とを備え、前記測定部と前記測距部とは、装置本体に固定的に設けられ、前記測定部と前記測距部とは、前記反射部材に向けて前記測定光と前記測距光とを発することができるので、回転部の重量軽減と回転半径減少により慣性モーメントを最少とし、小さなモータと低消費電力で高速の探査及び追尾動作を実現することができるという卓越した効果がある。
【００７４】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の測量機１００００を説明する図である。
【図２】本実施例の測量機１００００を説明する図である。
【図３】本実施例の測量機１００００の電気的構成を説明する図である。
【図４】本実施例の傾斜測定部２３００を説明する図である。
【図５】従来技術を説明する図である。
【符号の説明】
１００００  測量機
２０００  測量機本体
２２１０  距離測定部
２２１０Ｂ  測距部
２２２０Ａ  測定検出部
２２２０Ｂ  測定部
２３００  傾斜測定部
２１２０  高低角測定用のロータリーエンコーダ
２１８０  水平角測定用のロータリーエンコーダ
２４１０  受光部
２４２０  到来方向検出回路
３０００  整準部
４０００  演算処理手段
４１００  角度演算部
４２００  記憶部
４３００  表示部
４４００  駆動回路
４５００  モータ
【図１】
0003799579.tif 000002
【図２】
0003799579.tif 000003
【図３】
0003799579.tif 000004
【図４】
0003799579.tif 000005
【図５】
0003799579.tif 000006