| 【発明の名称】 |
磁気式エンコーダを備えた測量機 |
| 【発明者】 |
【氏名】白井 雅実
【氏名】見城 克彦
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| 【要約】 |
【課題】ヒステリシス現象および外部磁気の影響を極力少なくした磁気式エンコーダを搭載した測量機を提供する。
【解決手段】回転磁気ドラム５３の外周面に等分割されたピッチで磁化された多極磁気層５３ａと、該多極着磁層５３ａに対向配置された、複数の磁気抵抗素子を備えた磁気センサ５４とを備えた磁気式エンコーダが搭載されたトータルステーションにおいて、磁気センサ５４に、多極着磁層５３ａの１ピッチλ相当の位相角離して配置された一対の磁気抵抗素子を８組備え、該各一対の磁気抵抗素子を、他の一対の磁気抵抗素子に対してλ／２相当離反させて配置した。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 測量機の回転自在に軸支された、外周面に等分割されたピッチで磁化された多極着磁層を有する磁気ドラムと、該磁気ドラムの多極着磁層から発生する磁界を検出する磁気センサとを備え、該磁気ドラムの回転による磁気変化を該磁気センサによって検出して磁気ドラムの回転角を測定する磁気式エンコーダであって、前記磁気センサまたは前記磁気センサ内の一対の磁気抵抗素子が奇数ピッチの位相角離されて配置されたこと、を特徴とする磁気式エンコーダを備えた測量機。
【請求項２】 請求項１記載の磁気式エンコーダを備えた測量機において、前記磁気センサは、近接して配置された２個の磁気センサからなる磁気式エンコーダを備えた測量機。
【請求項３】 請求項１記載の磁気式エンコーダを備えた測量機において、前記磁気センサは、磁気ドラムの軸心を挟んでほぼ１８０゜対向位置に配置される磁気式エンコーダを備えた測量機。
【請求項４】 請求項１記載の磁気式エンコーダを備えた測量機において、前記磁気センサには、一対の磁気抵抗素子が４対、互いに１／２ピッチ相当の位相角離して配置されている磁気式エンコーダを備えた測量機。
【請求項５】 請求項１記載の磁気式エンコーダを備えた測量機において、前記磁気センサには、一対の磁気抵抗素子が４対、互いに１／２ピッチ相当の位相角離して配置された第１の相の磁気抵抗素子と、さらに一対の磁気抵抗素子が４対、１／２ピッチ相当の位相角離して配置された第２の相の磁気抵抗素子とを備え、前記第２の相の磁気抵抗素子が第１の相の磁気抵抗素子に対して６＋（３／４）ピッチ相当の位相角離して配置されている磁気式エンコーダを備えた測量機。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の技術分野】本発明は、トータルステーション、セオドライトなどの測量機に適したエンコーダおよび磁気式エンコーダを搭載した測量機に関する。
【０００２】
【従来技術およびその問題点】従来のトータルステーション、セオドライトなどの測量機の中には、測角手段として、インクリメンタル方式のエンコーダを搭載したものがある。従来は、エンコーダとして、安定性、精度などの点から光学式とエンコーダが多用されていた。
【０００３】光学式エンコーダと同様の角度測定手段として、磁気式エンコーダがある。磁気式エンコーダは、通常、回転磁気ドラムと磁気センサを備え、回転磁気ドラムの外周面には、分割数Ｎ（Ｎは正の整数）にて等ピッチで着磁された多極着磁層が形成され、この多極着磁層に対向させて磁気センサが配置されている。磁気センサは、例えば多極着磁層のピッチよりも小さい、例えば１／４または３／８ピッチ離れたＡ、Ｂ相二組の１／２ピッチで配置された４個の磁気抵抗素子を備え、磁気ドラムの回転に従って変化する磁気抵抗素子の抵抗値を検知して、０クロス点およびＡ、Ｂ相による内挿計算（ｔａｎ-1（Ａ／Ｂ））により角度値を検知する構成である。
【０００４】このような磁気抵抗素子を使用した磁気式エンコーダにおいて、磁気抵抗素子の磁気抵抗変化曲線は、磁界零の点を中心にほぼ対象形状を呈することが理想である。しかし、現実には、磁界零の付近において、いわゆるヒステリシス現象を生じてしまい、磁気抵抗変化曲線が磁界零の点を中心に非対称形状を呈してしまう。これは、磁気ドラムの多極着磁層による磁壁の形成される位置が多極着磁層の磁界の向きによって異なるためである。このように磁気抵抗変化曲線が非対称形状を呈すると、回転磁気ドラムを微少角度回転させたときに大きな誤差を生じてしまう。
【０００５】また、磁気式エンコーダは、外部磁気の影響を受けると、磁気抵抗素子の抵抗値が変動してしまい、測定値に誤差を発生してしまう。そのため、磁気式エンコーダを測量機に搭載したときは、外部磁気の影響を受けないようにしなければならない。
【０００６】
【発明の目的】本発明は、このような測量機における従来技術の問題に鑑みてなされたもので、ヒステリシス現象および外部磁気の影響を極力少なくした、磁気式エンコーダを搭載した測量機を提供することを目的とする。
【０００７】
【発明の概要】この目的を達成する本発明は、測量機の回転自在に軸支された、外周面に等分割されたピッチで磁化された多極着磁層を有する磁気ドラムと、該磁気ドラムの多極着磁層に対向配置された磁気センサとを備え、該磁気ドラムの回転による磁気変化を該磁気センサによって検出して磁気ドラムの回転角を測定する磁気式エンコーダであって、前記磁気センサは、前記多極着磁層の１ピッチ相当の位相角離して配置された一対の磁気抵抗素子を複数備え、該各一対の磁気抵抗素は、少なくとも他の一対の磁気抵抗素子に対して１／２ピッチまたは３／２ピッチ相当の位相角離して配置されていること、を特徴とする。この構成は、一対の磁気抵抗素子がヒステリシスおよび外部磁気を補償する配置構造になるので、ヒステリシスによる誤差が除去され、外部磁界の影響も受けず、高精度の角度測定が可能になる。磁気センサには、一対の磁気抵抗素子が４対、互いに１／２ピッチ相当の位相角離して配置されるのが望ましい。この構成によれば、１／４ピッチで磁気ドラムの回転角の検出が可能になる。さらに、１／２ピッチ相当の位相角離して配置され４対の磁気抵抗素子を第１の相の磁気抵抗素子と、さらに１／２ピッチ相当の位相角離して配置され４対の磁気抵抗素子を第２の相の磁気抵抗素子として、第１、第２の相の磁気抵抗素子を６＋（３／４）ピッチ相当の位相角離して配置することが望ましい。この構成によれば、第１の相、第２の相の磁気抵抗素子によって検出した検出値によって内挿演算を実行して、１／４ピッチよりも小さい角度を検出できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下図面に基づいて本発明を説明する。図１は、本発明のエンコーダを適用したトータルステーションを、エンコーダの要部が見えるように一部を切断して示した背面図、図２は同トータルステーションを、エンコーダの要部が見えるように一部を切断して示した側面図である。
【０００９】このトータルステーション１１は、周知の通り、三脚等に装着するための底板１３、この１３に３本の整準ねじ１５で支持された整準台１７、この整準台１７に、鉛直軸１９を介して回転自在に軸支され、一対の支柱を有するＵ字形状の架台（シャーシ）２１、この架台２１の２本の支柱間に水平軸２３を介して回動自在に軸支された視準望遠鏡２５を備えている。なお、水平軸２３は、視準望遠鏡２５の左右に固定され、２本の支柱に対して回動自在に支持されているが、図１には左側の水平軸２３を示した。
【００１０】垂直軸１９は、整準台１７に固定された垂直軸受け２７に回動自在に支持されている。そして架台２１の支柱を連結する基部が、垂直軸１９の上端部に固定されている。水平軸２３は、架台２１の一対の支柱部に固定された水平軸受け２９に回動自在に軸支されている。このように視準望遠鏡２５は、水平軸２３、水平軸受け２９を介して、架台２１に、互いに直交するする垂直軸１９および水平軸２３を軸として回動自在に支持されている。
【００１１】さらに、垂直軸１９には、整準台１７に対する垂直軸１９（架台２１、視準望遠鏡２５）の回転角（水平角）を測定する水平分度として磁気式エンコーダ４１が装着され、水平軸２３には、架台２１に対する水平軸２３（視準望遠鏡２５）の回転角（高度角）を測定する垂直分度として磁気式エンコーダ５１が装着されている。これらの磁気式エンコーダ４１、５１はそれぞれ、軸１９、２３に固定された磁気ドラム４３、５３と、磁気ドラム４３、５３の外周面に形成された多極着磁層に所定間隔で近接対向し、かつ軸１９、２３に対して約１８０゜対向位置に配置された２個の磁気センサ４４、４５、磁気センサ５４、５５を備えている。
【００１２】また、詳細は図示しないが、磁気センサ４４、４５、磁気センサ５４、５５の出力を検知して磁気式エンコーダ４１、５１の回転角、つまり水平角、高度角を求める演算手段を含む電子回路６１（図４参照）が架台２１の基部に搭載されている。そして、トータルステーション１１を操作、制御するためのキーボードおよびキーボードによって入力されたデータ、測距結果などを表示する表示器を備えた操作パネル３１、３２が、架台２１の前後面に設けられている（図２参照）。
【００１３】なお、図１、２において、符号３３はトータルステーション１１の持ち運びに利用するためのハンドグリップ、符号３４は、磁気式エンコーダ４１、不図示のバッテリ等を保護するために架台２１に装着されたカバー、符号３５、３６は視準望遠鏡２５の接眼レンズ、対物レンズである。
【００１４】さらに図３、図４および図５を参照して、本実施の形態の磁気式エンコーダの構成について説明する。磁気式エンコーダ４１、５１の基本構成は同一なので、一方の磁気式エンコーダ５１について説明する。図３は、図１、２に示した磁気式エンコーダ５１の拡大正面図、図４は図１における磁気式エンコーダ５１およびその周辺構造を拡大して示す断面図、図５は第１の磁気センサ５４と多極着磁層５３ａとの関係を説明するための、第１の磁気センサ５４周辺の拡大図である。第１、第２の磁気センサ５４、５５はそれぞれ、アングル５６、５７に固定され、第１の磁気センサ５４はアングル５６を介して架台２１に固定され、第２の磁気センサ５５はアングル５７を介して架台２１に固定されている。第１の磁気センサ５４と第２の磁気センサ５５は、磁気ドラム５３の中心を挟んで１８０゜対向位置に配置されている。第１の磁気センサ５４および第２の磁気センサ５５は同一の構成なので、以下第１の磁気センサ５４の構成について説明する。
【００１５】磁気ドラム５３の外周面には、分割数Ｎ（Ｎは正の整数）にて等ピッチλで着磁された多極着磁層５３ａが形成されている。多極着磁層５３ａの磁極ピッチ（極の境界の間隔）をλとする。一方、この多極着磁層５３ａに所定間隔で対向する第１の磁気センサ５４が配置されている。第１の磁気センサ５４は、平面基板５４ａと、多極磁気層５３ａと対向する平面基板５４ａのセンサ面には、１６個の磁気抵抗素子４ａ11、４ａ12、４ａ21、４ａ22、４ａ31、４ａ32、４ａ41、４ａ42、４ｂ11、４ｂ12、４ｂ21、４ｂ22、４ｂ31、４ｂ32、４ｂ41、４ｂ42が形成されている。本実施例では、１λ相当の位相角離れた一対の磁気抵抗素子が、１／２λ相当の位相角間隔で４対設けられ、さらにこの４対の磁気抵抗素子が、（６＋１／４）λ相当の位相角間隔で二組設けられている。一対の磁気抵抗素子には多極磁気層５３ａの異磁極が作用するので、一対の磁気抵抗素子は相互に、異磁極の磁極の強さによる抵抗変化の相違を補償する。したがって、このように補償関係にある一対の磁気抵抗素子の抵抗値を検知すれば、ヒステリシスや外部磁気の影響を受けない抵抗値を得ることができる。
【００１６】そこで本発明の実施例では、一方の４対の磁気抵抗素子４ａ11、４ａ12、４ａ21、４ａ22、４ａ31、４ａ32、４ａ41、４ａ42をＡ相（第１の相）、他方の４対の磁気抵抗素子４ｂ11、４ｂ12、４ｂ21、４ｂ22、４ｂ31、４ｂ32、４ｂ41、４ｂ42をＢ相（第２の相）とすると、Ａ相、Ｂ相の磁気抵抗素子４ａ11〜４ａ42、４ｂ11〜４ｂ42はそれぞれ、図５に示すようにブリッジ結線されている。
【００１７】電子回路６１は、ブリッジ結線された磁気抵抗素子間に定電圧＋Ｖを印加し、Ａ相の端子ｅ0、ｅ１、およびＢ相の端子ｅ0′、ｅ1′に現れる検出信号電圧に基づいて磁界の変化、つまり磁気ドラム５３の回転角を検知する。つまり、この実施例の磁気式エンコーダ５１は、磁気ドラム５３が回転すると、多極着磁層５３ａが発生する磁界３の変化に応じて変動する磁気抵抗素子４ａ11〜４ａ42、４ｂ11〜４ｂ42の抵抗値の変化によって端子ｅ0、ｅ１、ｅ0′、ｅ1′端子に現れる検出信号電圧を電子回路６１で検知して、磁気ドラム５３の回転角をλ／４ピッチで検知するインクリメンタル方式の磁気式エンコーダである。また、λ／４よりも小さい角度は、いわゆる内挿演算によって求められる。
【００１８】この実施例によれば、Ａ相の磁気抵抗素子の抵抗値ａ11、ａ12、ａ21、ａ22、ａ31、ａ32、ａ41、ａ42は、磁気ドラム５３の回転による磁界の変化によって、下記式のように変化する。
ａ11＝Ｒ0＋Ｒsin（Ｎω)ａ12＝Ｒ0＋Ｒsin（Ｎω＋２π）＝Ｒ0＋Ｒsin（Ｎω）
ａ21＝Ｒ0＋Ｒsin（Ｎω＋３π）＝Ｒ0−Ｒsin（Ｎω）
ａ22＝Ｒ0＋Ｒsin（Ｎω＋５π）＝Ｒ0−Ｒsin（Ｎω）
ａ31＝Ｒ0＋Ｒsin（Ｎω＋６π）＝Ｒ0＋Ｒsin（Ｎω）
ａ32＝Ｒ0＋Ｒsin（Ｎω＋８π）＝Ｒ0＋Ｒsin（Ｎω）
ａ41＝Ｒ0＋Ｒsin（Ｎω＋９π）＝Ｒ0−Ｒsin（Ｎω）
ａ42＝Ｒ0＋Ｒsin（Ｎω＋１１π）＝Ｒ0−Ｒsin（Ｎω）
ただし、ωは磁気ドラム５３の回転角、Ｒ0は無磁界のときの抵抗値、Ｒは抵抗比（係数）である。
【００１９】ここで、端子ｅ0と端子ｅ1の出力を差動増幅すると、Ａ相の出力Ａoutは、Ａout＝α×４×Ｒ×Ｖ／Ｒ0×sin（Ｎω）
となる（ただし、αは増幅率）。
【００２０】Ｂ相の磁気抵抗素子は、Ａ相の磁気抵抗素子に対して（３／４）×πずらして配置してあるため、Ｂ相の出力Ｂoutは、Ｂout＝α×４×Ｒ×Ｖ／Ｒ0×cos（Ｎω）
となる。
【００２１】このＡ相の出力ＡoutおよびＢ相の出力Ｂoutのゼロクロス点を検出すれば、磁気ドラム５３の回転角をＮ／４単位で検出できる。つまり、分割数Ｎの４倍まで検出ピッチを小さく（分解能を高く）することが可能になり、検出精度も高めることができる。測量機においては、Ｎ／４よりも小さい角度検出が求められることがある。そこで、本発明の実施例では、Ａ、Ｂ相に基づいた下記の内挿計算によってさらに検出可能な分割数を増やし、分解能を高めている。
tan-1（Ａout／Ｂout）
【００２２】以上の通り本発明の実施の形態によれば、測量機に搭載された、磁気抵抗素子を使用した磁気式エンコーダにおいて、磁気抵抗素子を、ヒステリシスおよび外部磁気を補償する配置構造としたので、ヒステリシスによって発生する誤差を除去すとともに、外部磁界の影響がある場所でも高精度の角度検出が可能になる。
【００２３】また、図４では、例えば直列接続される２対の磁気抵抗素子４ａ11、４ａ12、４ａ21、４ａ22をそれぞれ、λ、λ／２、λの位相角相当離して配置したが、図６に示すように、λ／２の等位相角相当離して磁気抵抗素子４ａ11、４ａ21、４ａ12、４ａ22の順に配置し、図５に示した結線と同様に結線してもよい。この場合、一対の磁気抵抗素子としての間隔はλ／２の位相角相当であるが、磁気抵抗素子４ａ11と磁気抵抗素子４ａ12、磁気抵抗素子４ａ21と磁気抵抗素子４ａ22の間隔はそれぞれλの位相角相当になり、磁気抵抗素子４ａ11、４ａ12と磁気抵抗素子４ａ21、４ａ22の間隔はλ／２の位相角相当になるので、図４に示した実施の形態と同様の効果が得られる。
【００２４】本実施例では、磁気センサ内において一対の１ピッチ磁気抵抗素子の組合せにより構成したが、本発明はこれに限定されない。例えば、磁気センサ５４、５５に替えて、本発明のように組み合わされていない磁気抵抗素子を備えた２個の磁気センサを使用する場合、これら２個の磁気センサを、磁気ドラムの軸心を挟んでほぼ１８０゜対向位置において奇数ピッチ離れた同位相状態に取り付けて、２個の磁気センサの検出信号または内挿計算した角度値を平均することによっても、図４に示した実施の形態と同様の効果が得られる。
【００２５】また、磁気センサ５４、５５の近傍に同一の磁気センサをさらに１個、奇数ピッチ離した同位相状態に配置して、各磁気センサからの信号または内挿計算した角度値を平均することによっても同様の効果が得られる。
【００２６】以上、本発明をトータルステーションに適用した実施例について説明したが、本発明は、レベル、トランシットなど他の測量機に適用できることはいうまでもない。
【００２７】
【発明の効果】以上の説明から明らかな通り本発明は、測量機に搭載した磁気式エンコーダの磁気抵抗素子をヒステリシスおよび外部磁気を補償する配置構造としたので、ヒステリシスによる誤差が除去されて高精度の角度測定が可能になり、しかも外部磁界の影響を受けないので、外部磁界がある場所においても高精度の角度測定を維持することが可能になる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】００００００５２７
【氏名又は名称】旭光学工業株式会社
【識別番号】０００１１６９９８
【氏名又は名称】旭精密株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年１０月２２日（１９９９．１０．２２） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８３２８６
【弁理士】
【氏名又は名称】三浦 邦夫
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| 【公開番号】 |
特開２００１−１２４５５４（Ｐ２００１−１２４５５４Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年５月１１日（２００１．５．１１） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−３０１１１７ |
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