JP6055179B2 - 回転角検出装置及び測量装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転角を検出する回転角検出装置及び測定対象の角度と距離を測定する測量装置に関するものである。

土木、建設分野に於いて測定対象の角度と距離を測る測量装置としてトータルステーションが普及している。トータルステーションは、近距離の測定対象から遠距離の測定対象迄、高精度で角度、距離が測定できるが、近年、内装分野等比較的近距離を対象とした現場で使用する安価且つ小型で機動性の良いトータルステーション（以下、ミニトータルステーションと称す）の要求が増えている。

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。

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に比例することから角度精度は秒単位迄要求される。従って、角度誤差の原因となる、回転角検出装置の検出誤差、測定用望遠鏡の回転軸のブレによる回転誤差（回転中心の回転に伴う傾斜誤差）は、厳しく制限される。

従来、測量装置に用いられる回転角検出装置としては、エンコーダが用いられており、高精度のエンコーダは高価である。又、回転軸の回転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。

特開２００９−１５６７７３号公報 特開２００３−５００４号公報

本発明は斯かる実情に鑑み、簡単な構成で高精度の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。

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、前記回転軸の軸心と合致する光軸を有する第１集光レンズと、前記軸受部空間に設けられ、前記回転軸の軸心延長上に設けられた第２集光レンズと、前記第１集光レンズ又は前記第２集光レンズのいずれか一方の焦点位置に設けられた角度検出パターンと、前記第１集光レンズ又は前記第２集光レンズのいずれか他方の焦点位置に設けられたイメージセンサとを具備し、該イメージセンサは該イメージセンサに投影された前記角度検出パターンの投影像を検出し、該投影像の前記回転軸の回転に伴う変位を検出する様構成された回転角検出装置に係るものである。

又本発明は、前記イメージセンサ上に基準位置が設定可能であり、該基準位置に対する前記角度検出パターンの回転変位量が検出される回転角検出装置に係るものである。

又本発明は、前記イメージセンサにより前記角度検出パターンが検出され、更に該角度検出パターンに基づき角度検出パターン像の中心位置が検出され、検出された角度検出パターン像の中心位置と前記イメージセンサ上の基準位置との偏差と、前記第１集光レンズ又は前記第２集光レンズの焦点距離に基づき前記回転軸の傾斜角が検出される回転角検出装置に係るものである。

又本発明は、前記角度検出パターンは、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。

又本発明は、前記角度検出パターンは、該角度検出パターンの中心を中心とした１つの円又は複数の同心円を有する回転角検出装置に係るものである。

又本発明は、前記角度検出パターンは同心多重に形成された複数のリング状のトラックを有する回転角検出装置に係るものである。

又本発明は、前記角度検出パターンの検出は、前記イメージセンサ上に検出ラインが設定され、該検出ラインをスキャンして得られる信号から前記角度検出パターンの検出信号を抽出することで行われる回転角検出装置に係るものである。

又本発明は、前記検出ラインは、前記イメージセンサ上の角度検出パターンの中心を通り、円周を所要等分する各半径と直交した方向で、且つ前記トラック毎に該トラックに含まれる範囲に設定される直線である回転角検出装置に係るものである。

又本発明は、前記検出ラインは、前記イメージセンサ上の角度検出パターンの中心を通り、前記円パターンを横断する直線である回転角検出装置に係るものである。

又本発明は、前記検出ラインは、前記トラック内に含まれ、前記イメージセンサ上の角度検出パターンの中心を中心とする円である回転角検出装置に係るものである。

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。

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、前記回転軸の軸心と合致する光軸を有する第１集光レンズと、前記軸受部空間に設けられ、前記回転軸の軸心延長上に設けられた第２集光レンズと、前記第１集光レンズ又は前記第２集光レンズのいずれか一方の焦点位置に設けられた角度検出パターンと、前記第１集光レンズ又は前記第２集光レンズのいずれか他方の焦点位置に設けられたイメージセンサとを具備し、該イメージセンサは該イメージセンサに投影された前記角度検出パターンの投影像を検出し、該投影像の前記回転軸の回転に伴う変位を検出する様構成されたので、高価なエンコーダを用いることなく回転軸の回転角を測定することができる。

又本発明によれば、前記イメージセンサ上に基準位置が設定可能であり、該基準位置に対する前記角度検出パターンの回転変位量が検出されるので、基準位置の設定は任意な時期に、任意の位置に設定でき、回転軸と軸受部との機械的な設定を不要とし、角度測定の初期設定が容易となる。

又本発明によれば、前記イメージセンサにより前記角度検出パターンが検出され、更に該角度検出パターンに基づき角度検出パターン像の中心位置が検出され、検出された角度検出パターン像の中心位置と前記イメージセンサ上の基準位置との偏差と、前記第１集光レンズ又は前記第２集光レンズの焦点距離に基づき前記回転軸の傾斜角が検出されるので、回転軸の回転に誤差が含まれている場合でも、検出した傾斜角で測定値の補正ができ、回転軸の組立て精度が高くなくても高精度の測定が可能であり、又製作費を低減し得る。

又本発明によれば、前記角度検出パターンの検出は、前記イメージセンサ上に検出ラインが設定され、該検出ラインをスキャンして得られる信号から前記角度検出パターンの検出信号を抽出することで行われるので、検出ラインの設定は任意に行え、又検出ライン同士が重複してもよいので、検出ラインの設定の位置、数の制約がなく、測定精度に応じた設定が可能である。

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、前記第２回転角検出装置とを具備する測量装置であるので、高価なエンコーダを使用せず、又回転軸、軸受部の組立てで誤差を生じても回転角検出装置の検出結果で補正でき、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。

（Ａ）本発明の実施例に係る回転角検出装置の概略断面図、（Ｂ）は測定対象の回転軸が傾斜した場合の説明図である。 前記回転角検出装置に用いられる角度検出パターンの第１の例を示す説明図である。 前記回転角検出装置に用いられる角度検出パターンの第２の例を示す説明図である。 前記回転角検出装置に用いられる角度検出パターンの第３の例を示す説明図である。 前記回転角検出装置に用いられる角度検出パターンの第４の例を示す説明図である。 前記角度検出パターンを用いた角度検出方法の第１の例を示し、パターンとパターン検出の関係を示す説明図である。 前記角度検出パターンを用いた角度検出方法の第２の例を示す説明図であり、（Ａ）はパターンとパターン検出の関係を示し、（Ｂ）はパターンを直線的に展開した説明図である。 本発明に係る回転角検出装置が実施された測量装置の実施例を示す正面図である。 該測量装置の概略断面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

先ず、図１（Ａ）（Ｂ）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。

図１中、１は回転角度の測定対象である回転軸であり、該回転軸１は軸受２を介して軸受部３に回転自在に支持されている。

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。前記軸受部３には前記軸部空間４の軸心の延長上に軸受部空間５が形成される。該軸受部空間５は、前記軸部空間４と同心であり、又前記軸受部空間５と前記軸部空間４とは同一の直径となっている。前記軸部空間４と前記軸受部空間５に回転角検出装置６の主要な構成要素が収納される。

前記軸部空間４に第１集光レンズ７が設けられ、前記軸受部空間５に第２集光レンズ８が設けられる。前記第１集光レンズ７、前記第２集光レンズ８の倍率は、それぞれ１倍であり、同一の焦点距離を有している。

前記第１集光レンズ７、前記第２集光レンズ８はそれぞれ光軸９ａ，９ｂを有し、該光軸９ａは前記回転軸１の軸心と合致し、前記光軸９ｂは前記軸受部空間５の軸心と合致している。従って、前記回転軸１に傾きが無い状態では、前記光軸９ａと前記光軸９ｂとは同一直線上で合致する。

尚、前記第１集光レンズ７と前記第２集光レンズ８とは、像の歪みが生じない様にする為、同一の特性を有するのが好ましい。

前記軸部空間４の底部には、角度検出パターン１１が設けられ、該角度検出パターン１１は前記第１集光レンズ７の焦点位置に位置している。又、前記軸受部空間５にはイメージセンサ１２が設けられ、該イメージセンサ１２は前記第２集光レンズ８の焦点距離に位置している。

前記軸受部空間５、前記軸部空間４の適宜箇所には前記角度検出パターン１１を照明する為の発光部が設けられる。図示では、一例として、前記軸部空間４の底部に設けられ前記角度検出パターン１１を照明する発光部１３を示している。

前記イメージセンサ１２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、各画素は前記イメージセンサ１２上で位置が特定できる様になっている。又、該イメージセンサ１２からの受光信号は、信号処理部１４に入力され、該信号処理部１４は受光信号に基づき回転角、前記回転軸１の傾斜（傾斜角）を測定する様に構成されている。

図２は、前記角度検出パターン１１の一例を示している。

該角度検出パターン１１の基本形状は円であり、該角度検出パターン１１の中心は前記第１集光レンズ７の光軸、即ち前記光軸９ａに合致する。

前記角度検出パターン１１は、中心部に芯出し用の円パターン１５、該円パターン１５の周囲に配設された線分パターン１６から構成されている。前記円パターン１５は所定の線幅で描かれた真円である。

前記線分パターン１６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た構成であり、前記線分パターン１６によってリング状のトラックが形成される。該線分パターン１６の内、所定の複数位置の識別用線分パターン１７は太くなっている。前記線分パターン１６の内端及び外端は、それぞれ前記円パターン１５と同心の円周上に位置する様になっている。又、前記識別用線分パターン１７は、図示される様に、円周を等分した位置には設けられてなく、前記識別用線分パターン１７の位置を検出することで、前記角度検出パターン１１のピッチ間隔を超える回転角を検出できる様になっている。

以下、上記した回転角検出装置６の作用について説明する。

前記角度検出パターン１１は、前記第１集光レンズ７、前記第２集光レンズ８の作用によって前記イメージセンサ１２に１：１の関係で投影され、該イメージセンサ１２は受光した前記角度検出パターン１１に対応した信号を発する。

前記回転軸１が回転すると、該回転軸１と一体に前記角度検出パターン１１が回転し、回転した角度検出パターン像が前記イメージセンサ１２に投影される。該イメージセンサ１２は各画素毎に受光信号を発するので、例えば、前記線分パターン１６及び識別用線分パターン１７が移動すると、該線分パターン１６及び識別用線分パターン１７を受光している画素の位置が変化する。従って、前記イメージセンサ１２からの信号に基づき前記線分パターン１６及び識別用線分パターン１７を受光している画素の位置変化を検出することで、前記回転軸１の前記軸受部３に対する回転角を検出することができる。

次に、前記回転軸１が前記軸受部３に対して傾斜した場合を説明する。

前記第１集光レンズ７、前記第２集光レンズ８の作用によって、前記第１集光レンズ７に入射する光線は、前記第２集光レンズ８によって該光線と平行に前記イメージセンサ１２に投影される。この為、図１（Ｂ）に示される様に、前記第１集光レンズ７の光軸９ａが前記第２集光レンズ８の光軸９に対して傾斜すると、前記イメージセンサ１２に投影される前記角度検出パターン像は、前記第１集光レンズ７の光軸９ａの傾斜分だけ、傾斜した方向から前記イメージセンサ１２に投影される。従って、投影される像は、前記イメージセンサ１２上で傾きに対応する分だけ変位する。

ここで、前記イメージセンサ１２上でのパターン像の変位量をΔ、前記第１集光レンズ７の光軸９ａの傾きをα、前記第２集光レンズ８の焦点をｆとすると、ｔａｎα＝Δ／ｆとなる。更に、前記円パターン１５の中心は、前記角度検出パターン１１の中心を示すものであり、前記円パターン１５を受光する前記イメージセンサ１２の各画素の位置を検出することで、前記円パターン１５の中心が求められ、該円パターン１５の中心と傾斜前の前記円パターン１５の中心との偏差を求めることで、前記変位量Δが求められる。従って、前記イメージセンサ１２の受光結果に基づき前記第１集光レンズ７の光軸９ａの傾き、即ち、前記回転軸１の傾斜角を検出することができる。

前記角度検出パターン１１の前記イメージセンサ１２上での回転、或は前記角度検出パターン１１の中心位置の変位量は、前記イメージセンサ１２の画素単位で検出できるので、高精度の測定が可能である。

更に、本実施例では、回転角と共に前記回転軸１の傾斜が検出できる。検出された傾斜に基づき、測定値の補正を行うことで、前記回転軸１の傾斜の影響を除去した測定結果を得ることができる。従って、前記回転軸１の回転が誤差を含んだ状態であっても、即ち該回転軸１の組立てを高精度にしなくても、高精度の角度検出を行える。

尚、上記実施例に於いて、前記回転軸１側に前記イメージセンサ１２を設け、前記軸受部３側に前記角度検出パターン１１を設けてもよい。

図３は、角度検出パターン１１の第２の例を示している。

第２の例では、円パターン１５が同心の複数（図示では４）の円１５ａ〜１５ｄから構成されている。前記円パターン１５が複数の円１５ａ〜１５ｄで構成されることで、該円１５ａ〜１５ｄそれぞれについて中心を求めることができ、得られた中心位置を平均化することで高精度に前記角度検出パターン１１の中心位置を求めることができる。

又、第２の例では、円パターン１５、線分パターン１６の他に基準指示パターン１８が設けられている。該基準指示パターン１８は前記線分パターン１６が設けられている円周とは異なる直径（図示では小径）の円周上に、半径方向に延びる３の線分１８ａ，１８ｂによって構成され、該線分１８ａ，１８ｂは等角度ピッチに配置され、両端の線分１８ｂは線幅が太く形成されている。尚、線分１８ａ，１８ｂの線幅は同じであってもよい。

前記基準指示パターン１８が設けられることで、測定開始時に前記基準指示パターン１８の位置を前記イメージセンサ１２によって検出し、検出した位置を基準位置に設定すれば、測定時の角度は、測定時の前記基準指示パターン１８の位置と前記基準位置との差から求めることができる。又、微小回転角については、前記線分パターン１６の線分間のずれによって検出される。

図４は、角度検出パターン１１の第３の例を示している。

第３の例は、前記角度検出パターン１１が複数の直線１９が等間隔で直交されて格子パターンが構成された場合を示し、前記直線１９の内、複数の直線１９ａは線幅が太くなっており、該直線１９ａによって前記角度検出パターン１１の中心及び基準位置が検出可能となっていると共に該角度検出パターン１１の回転方向の姿勢が検出できる様になっている。

図５は、角度検出パターン１１の第４の例を示している。

第４の例は、円パターン１５が同心の複数（図示では４）の円１５ａ〜１５ｄから構成されていると共に、線分パターン１６が複数（図示では４）のトラック１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄが同心多重に配置されることによって構成されている。

前記トラック１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄのそれぞれは、図２で示した線分パターン１６と同様、半径方向に延びる線分２１が所定角度ピッチで全周に配置された構成となっている。

又、前記トラック１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄを構成する各線分２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの角度ピッチは、前記トラック１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ毎に僅かに異なっており、トラック間の各線分２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの位相関係を検出することで回転位置が求まる様になっている。第４の例では、各線分２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの位相関係で角度検出パターン１１の回転位置が一義的に決定されるので、第１の例の様に（図２参照）、該線分２１の複数を太くする必要はない。又、各トラックの線分２１の内端、外端はそれぞれ円周上に位置するので、該線分２１の内端、外端を検出することで、円が検出でき、更に検出した円に基づき中心位置を検出することができる。従って、前記円パターン１５を省略することが可能である。

尚、角度検出パターン１１については種々考えられ、上記した例に限られるものではない。

次に、上記パターンを用いて、角度及び中心を検出する方法について説明する。

先ず、図６に於いて、角度及び中心検出方法の第１の例を説明する。又、第１の例を図５で示した第４の角度検出パターン１１を用いて説明する。

前記イメージセンサ１２を構成する全ての画素から発せられる信号に基づき、各トラック１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄの各線分２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄを認識して角度検出パターン１１の回転角、中心を求めることもできるが、以下はより簡便に角度及び中心を検出する方法を説明する。

図６は、イメージセンサ１２に投影された角度検出パターン像１１′を示している。又、図示の角度検出パターン像１１′の中心は前記イメージセンサ１２の中心と合致した状態となっている。

該イメージセンサ１２からの受光信号を取得する為、所定位置にスキャンラインを設定し、スキャンライン上をスキャンしてスキャンライン上の画素からの出力を取得する。スキャンラインの設定は、角度検出用に角度検出ライン２２及び中心検出用に中心検出ライン２３が設定される。

先ず前記角度検出ライン２２は、円周を等分（図示では８等分）した半径と直交し、且つ各トラック１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄに含まれる様に設定される。従って、第１の方法では、円周を８等分し、トラック数が４であるので前記角度検出ライン２２は３２本となる。

次に、前記円パターン１５を横切る様に、又前記イメージセンサ１２の中心を通過する２本の中心検出ライン２３が設定される。該２本の中心検出ライン２３は、直交することが好ましい。

角度を検出する場合、前記角度検出ライン２２を走査することで、前記線分２１を横切った位置での画素の信号を取得することができる。例えば、角度検出ライン２２ａ〜２２ｄについて説明すると、前記角度検出ライン２２ａをスキャンすると、前記線分２１を横切る度に、線分２１の検出信号が得られ、該検出信号を出力する画素の位置は前記イメージセンサ１２上で特定できる。

次に、角度検出ライン２２ｂをスキャンすると、同様に前記線分２１を横切る度に、線分２１の検出信号が得られ、該検出信号を出力する画素の位置は前記イメージセンサ１２上で特定できる。更に、順次角度検出ライン２２ｃ、角度検出ライン２２ｄについても線分２１の検出信号が得られ、該検出信号の位置が前記イメージセンサ１２上で特定できる。

前記角度検出ライン２２ａ〜２２ｄ上をスキャンして得られる検出信号を前記角度検出ライン２２ａ〜２２ｄ間で比較することで、各角度検出ライン２２ａ〜２２ｄ間の位相差が検出でき、更に位相差に基づき、前記角度検出パターン１１の前記イメージセンサ１２の基準位置に対する回転角が検出できる。

尚、回転角は、１つの半径を横切る１組の角度検出ライン２２によって検出することができるが、他の組、更に複数組の角度検出ライン２２によって角度検出し、検出結果を平均することで更に測定精度が向上する。又、１組の角度検出ライン２２によって得られた結果と該１組の角度検出ライン２２に対して１８０゜位相の異なる他の組の角度検出ライン２２で得られた結果とを平均化することで、パターンの倒れ等により発生する誤差を相殺することができる。

尚、設定する角度検出ライン２２は、前記イメージセンサ１２上に物理的に設定する訳ではなく、信号を抽出する場合に仮想したラインであるので、隣接する角度検出ライン２２が重複しても差支えない。従って、理論上は無限分割した半径を横切る角度検出ライン２２を設定することができる。又、分割した半径の数、即ち前記角度検出ライン２２の組数が多い程、測定精度が向上する。

又、分割数、角度検出ライン２２の組数を要求される測定精度に対応して、適宜設定することも可能である。即ち、高精度を要求される場合は、分割数、角度検出ライン２２の組数を多くし、高精度を要求されない場合は、分割数、組数を少なくする等である。

次に、前記角度検出パターン像１１′の中心を求める場合は、前記中心検出ライン２３上をスキャンする。該中心検出ライン２３をスキャンすることで、前記円１５ａ〜１５ｄを横切る度に、線分２１の検出信号が得られ、得られた信号に基づき前記角度検出パターン像１１′の中心位置を求めることができる。

得られた前記角度検出パターン像１１′の中心位置と、前記イメージセンサ１２の基準位置とを比較する。前記光軸９ａ（前記回転軸１）が傾斜している場合は、偏差が求められ、偏差に基づき前記光軸９ａの傾斜角が求められる。尚、前記円パターン１５を多くすること、又前記中心検出ライン２３の数を増やすことで、検出値が多く得られ、検出精度が向上する。

次に、図７に於いて、角度検出方法の第２の例を説明する。又、第２の例を図３で示した第２の角度検出パターン１１を用いて説明する。尚、図７（Ｂ）は角度検出パターン１１を直線的に展開したものである。

イメージセンサ１２を構成する画素の位置を、極座標系で特定し、角度検出のスキャンライン２５を円とする。該スキャンライン２５は、前記線分パターン１６の基準円（線分パターン１６の内端と外端の中間を通過する円）と同一に設定された角度検出ライン２５ａと、基準指示パターン１８を通過する円上に設定された基準位置検出ライン２５ｂが設定される。

前記イメージセンサ１２上の前記基準指示パターン１８の基準位置と、前記基準位置検出ライン２５ｂをスキャンすることで得られた前記基準指示パターン１８の位置との比較から前記角度検出パターン１１の回転角が求められる。

又、前記線分パターン１６のピッチ以下の角度検出については、３６０゜分の前記線分パターン１６の信号を取得し、得られた各線分の検出信号に、ｓｉｎ（２πｎ／３６０θ）、ｃｏｓ（２πｎ／３６０θ）を乗じ、ｓｉｎ成分、ｃｏｓ成分の比例関係からピッチ内の位相が求められる。

図８、図９は本実施例の回転角検出装置６が測量装置としてトータルステーション３０に実施された場合を示している。

整準部３１に整準螺子３２を介して基台部３３が設けられている。該基台部３３に架台３４が設けられ、該架台３４には光学系を含む望遠鏡部３５が支持されている。該望遠鏡部３５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３５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。

前記基台部３３は前記整準螺子３２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３４は鉛直軸心を中心に回転可能であり、前記望遠鏡部３５は水平軸心を中心に回転可能となっている。又、前記架台３４には表示部３６を有する操作入力部３７が設けられ、前記表示部３６にはトータルステーション３０の動作状態或は測定対象物迄の距離の測定値等が表示される。

前記基台部３３の上面には架台ベース３８が設けられ、該架台ベース３８の中心には上方に突出する軸受部３９が設けられている。該軸受部３９に水平回転軸４１が軸受４２を介して回転自在に嵌合され、該水平回転軸４１に前記架台３４の筐体４３が固着されている。前記架台ベース３８は、前記筐体４３を支持する前記基台部３３の一部を構成すると共に前記筐体４３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。

前記軸受部３９には水平回転ギア４４が固着され、該水平回転ギア４４には水平回転駆動ギア４５が噛合している。該水平回転駆動ギア４５は水平回転モータ４６の出力軸に固着されており、前記水平回転モータ４６によって前記水平回転駆動ギア４５が回転されることで、前記水平回転ギア４４を介して前記筐体４３が水平回転軸４１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４６は前記筐体４３に固着され、前記水平回転モータ４６と前記筐体４３とは一体に回転する様になっている。

前記水平回転軸４１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４７が形成される。該第１軸部空間４７には水平角度検出パターン４８、水平第１集光レンズ４９が収納され、前記水平角度検出パターン４８、前記水平第１集光レンズ４９は前記水平回転軸４１の軸心上に設けられている。

前記架台ベース３８の中心部下面には、軸部ホルダ５１が設けられ、該軸部ホルダ５１の軸心は前記水平回転軸４１の軸心と合致する様になっている。前記軸部ホルダ５１には上面側から円柱状の凹部である軸受部空間５２が形成され、該軸受部空間５２に水平第２集光レンズ５３及び水平イメージセンサ５４が収納され、前記水平第２集光レンズ５３、前記水平イメージセンサ５４は前記軸部ホルダ５１の軸心上に設けられている。

前記水平角度検出パターン４８、前記水平第１集光レンズ４９及び前記水平第２集光レンズ５３及び前記水平イメージセンサ５４は、水平角を検出する水平回転角検出装置５５の主要部を構成する。

前記望遠鏡部３５には左右両端から水平方向に延出する前記鉛直回転軸５６が設けられ、該鉛直回転軸５６は軸受５７を介して前記筐体４３に支持され、前記望遠鏡部３５は前記鉛直回転軸５６を中心に鉛直方向に回転可能となっている。

該鉛直回転軸５６の一端には鉛直回転ギア５８が固着され、該鉛直回転ギア５８には鉛直回転駆動ギア５９が噛合している。該鉛直回転駆動ギア５９は鉛直回転モータ６１の出力軸に固着され、該鉛直回転モータ６１が駆動されることで、前記鉛直回転駆動ギア５９、前記鉛直回転ギア５８を介して前記望遠鏡部３５が前記鉛直回転軸５６を中心として回転される。

前記鉛直回転軸５６の他端部には、該鉛直回転軸５６と同心の第２軸部空間６２が形成され、該第２軸部空間６２には鉛直角度検出パターン６３、鉛直第１集光レンズ６４が収納され、前記鉛直角度検出パターン６３、前記鉛直第１集光レンズ６４は前記鉛直回転軸５６の軸心上に設けられている。

前記鉛直回転軸５６の他端部と同心に筒状のホルダサポート６５が内部に向って突設され、該ホルダサポート６５の先端部に軸部ホルダ６６が嵌設されている。該軸部ホルダ６６には、前記鉛直回転軸５６の軸心と同心の軸受部空間６７が形成され、該軸受部空間６７に鉛直第２集光レンズ６８、鉛直イメージセンサ６９が収納される。前記鉛直第２集光レンズ６８、前記鉛直イメージセンサ６９は、前記鉛直回転軸５６の軸心上に設けられる。

前記鉛直角度検出パターン６３、前記鉛直第１集光レンズ６４及び前記鉛直第２集光レンズ６８及び前記鉛直イメージセンサ６９は、鉛直角（高低角）を検出する鉛直回転角検出装置７１の主要部を構成する。

前記整準螺子３２によって、前記トータルステーション３０が整準される。整準後、該トータルステーション３０が基準位置としてセットされる。

次に、前記望遠鏡部３５を測定対象に視準させる為、前記水平回転モータ４６を駆動して前記筐体４３を水平方向に回転する。該筐体４３の水平回転角は、前記水平回転角検出装置５５によって検出される。又、回転軸の軸ブレ（軸の傾き）も同時に検出され、検出された軸ブレに基づき前記水平回転角検出装置５５が検出した水平角が補正される。

又、前記鉛直回転モータ６１を駆動し、前記望遠鏡部３５が鉛直方向に回転する。該望遠鏡部３５の鉛直回転角は、前記鉛直回転角検出装置７１によって検出され、又前記鉛直回転軸５６の軸ブレも同時に検出される。同様に、検出された軸ブレに基づき前記鉛直回転角検出装置７１が検出した鉛直角が補正される。

前記望遠鏡部３５の視準が完了すると、該望遠鏡部３５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５５、前記鉛直回転角検出装置７１により水平角、高低角が測定される。

本実施例に斯かる測量装置では、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５５、前記鉛直回転角検出装置７１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。

１ 回転軸
２ 軸受
３ 軸受部
４ 軸部空間
５ 軸受部空間
６ 回転角検出装置
７ 第１集光レンズ
８ 第２集光レンズ
９ 光軸
１１ 角度検出パターン
１２ イメージセンサ
１３ 発光部
１５ 円パターン
１６ 線分パターン
１７ 識別用線分パターン
１８ 基準指示パターン
１９ 直線
２１ 線分
２２ 角度検出ライン
２３ 中心検出ライン
３０ トータルステーション
３３ 基台部
３４ 架台
３５ 望遠鏡部
４１ 水平回転軸
４３ 筐体
５２ 軸受部空間
５３ 水平第２集光レンズ
５４ 水平イメージセンサ
５５ 水平回転角検出装置
５６ 鉛直回転軸
６２ 第２軸部空間
６３ 鉛直角度検出パターン
６４ 鉛直第１集光レンズ
６７ 軸受部空間
６８ 鉛直第２集光レンズ
６９ 鉛直イメージセンサ
７１ 鉛直回転角検出装置

Claims (12)

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、前記回転軸の軸心と合致する第１光軸を有する第１集光レンズと、前記軸受部空間に設けられ、前記回転軸の軸心延長上に設けられ、前記第１光軸に合致する第２光軸を有する第２集光レンズと、前記第１集光レンズ又は前記第２集光レンズのいずれか一方の焦点位置に設けられた角度検出パターンと、前記第１集光レンズ又は前記第２集光レンズのいずれか他方の焦点位置に設けられたイメージセンサと、
   該イメージセンサからの受光信号が入力される信号処理部と
   を具備し、該信号処理部は前記受光信号に基づきイメージセンサに投影された前記角度検出パターンの投影像を検出し、該投影像の前記回転軸の回転に伴う変位を検出すると共に、前記角度検出パターンの前記イメージセンサ上での変位を求め、前記第２光軸に対する前記第１光軸の傾斜を検出し、前記回転軸の傾斜角を検出する様構成されたことを特徴とする回転角検出装置。
2. 前記イメージセンサ上に基準位置が設定可能であり、該基準位置に対する前記角度検出パターンの回転変位量が検出される請求項１の回転角検出装置。
3. 前記イメージセンサからの前記受光信号に基づき前記角度検出パターンが検出され、更に該角度検出パターンに基づき角度検出パターン像の中心位置が検出され、検出された角度検出パターン像の中心位置と前記イメージセンサ上の基準位置との偏差と、前記第１集光レンズ又は前記第２集光レンズの焦点距離に基づき前記回転軸の傾斜角が検出される請求項１又は請求項２の回転角検出装置。
4. 前記角度検出パターンは、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。
5. 前記角度検出パターンは、該角度検出パターンの中心を中心とした１つの円又は複数の同心円を有する請求項１〜請求項４の内いずれかの回転角検出装置。
6. 前記角度検出パターンは同心多重に形成された複数のリング状のトラックを有する請求項１〜請求項５の内いずれかの回転角検出装置。
7. 前記角度検出パターンの検出は、前記イメージセンサ上に検出ラインが設定され、該検出ラインをスキャンして得られる信号から前記角度検出パターンの検出信号を抽出することで行われる請求項１〜請求項３又は請求項５の内いずれかの回転角検出装置。
8. 前記角度検出パターンの検出は、前記イメージセンサ上に検出ラインが設定され、該検出ラインをスキャンして得られる信号から前記角度検出パターンの検出信号を抽出することで行われる請求項４又は請求項６の回転角検出装置。
9. 前記検出ラインは、前記イメージセンサ上の角度検出パターンの中心を通り、円周を所要等分する各半径と直交した方向で、且つ前記トラック毎に該トラックに含まれる範囲に設定される直線である請求項８の回転角検出装置。
10. 前記検出ラインは、前記イメージセンサ上の角度検出パターンの中心を通り、該角度検出パターンの中心に設けられた円パターンを横断する直線である請求項７又は請求項８の回転角検出装置。
11. 前記検出ラインは、前記トラック内に含まれ、前記イメージセンサ上の角度検出パターンの中心を中心とする円である請求項８の回転角検出装置。
12. 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。

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