| 【発明の名称】 |
磁気式エンコーダを搭載した測量機 |
| 【発明者】 |
【氏名】白井 雅実
【氏名】見城 克彦
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| 【要約】 |
【課題】
【解決手段】 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 回転磁気ドラム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と、該多極磁気層に対向配置された、複数の磁気抵抗素子を備えた磁気センサとを備えた磁気式エンコーダが搭載された測量機において、前記磁気センサの近傍に、誤差を減少させる磁石を配置したこと、に特徴を有する磁気式エンコーダを搭載した測量機。
【請求項２】 請求項１記載の磁気式エンコーダを搭載した測量機において、前記誤差はバルクハウゼンノイズである磁気式エンコーダを搭載した測量機。
【請求項３】 請求項１または２記載の磁気式エンコーダを搭載した測量機において、前記磁石は永久磁石である磁気式エンコーダを搭載した測量機。
【請求項４】 請求項１から３のいずれか一項記載の磁気式エンコーダを搭載した測量機において、前記磁石は、主要磁力線が、前記磁気センサのセンサ面に対して略平行、かつ前記多極磁気層の磁力線に対して垂直な方向に走るように配置された磁石である磁気式エンコーダを搭載した測量機。
【請求項５】 請求項１から３のいずれか一項記載の磁気式エンコーダを搭載した測量機において、前記磁石は、前記磁気センサの背面に配置されたシート磁石である磁気式エンコーダを搭載した測量機。
【請求項６】 請求項１から３のいずれか一項記載の磁気式エンコーダを搭載した測量機において、前記磁石は、前記磁気センサのセンサ面に、前記磁気抵抗素子を挟んで一対形成されたシート磁石である磁気式エンコーダを搭載した測量機。
【請求項７】 請求項１から３のいずれか一項記載の磁気式エンコーダを搭載した測量機において、前記磁石は、前記回転磁気ドラムを回動自在に軸支する軸受けが固定された測量機のシャーシに装着されている磁気式エンコーダを搭載した測量機。
【請求項８】 請求項１から３のいずれか一項記載の磁気式エンコーダを搭載した測量機において、前記磁石は、前記回転磁気ドラムを回動自在に軸支する軸受けが固定された測量機のシャーシに対して装着されるカバーに対して装着されている磁気式エンコーダを搭載した測量機。
【請求項９】 請求項１から３のいずれか一項記載の磁気式エンコーダを搭載した測量機において、前記磁石は、前記回転磁気ドラムが回動自在に軸支された軸受けが固定された測量機のシャーシと、該シャーシに対して装着されるカバーの両方に、前記磁気抵抗素子を挟んで装着されている磁気式エンコーダを搭載した測量機。
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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、磁気ドラムの回転角を多極着磁層のピッチ精度で検知し、さらにこのピッチ間の角度を内挿演算によって検知する構成である。測量機はその機能上かなりの高精度を必要とするので、磁気ドラムの多極着磁層の分割数を増やして着磁ピッチを可能な限り細かくし、磁気抵抗素子数を増やすことが望まれる。
【０００４】磁気抵抗素子を使用した磁気式エンコーダでは、バルクハウゼンノイズが発生する。バルクハウゼンノイズとは、強磁性体に磁界をかけたときの磁化曲線において、急激な磁界変化を呈する磁化範囲では、不連続な多極着磁層の移動（磁気ドラムの回転）にともない、磁化曲線に生じる微少振幅のノイズのことである。バルクハウゼンノイズは、前記のように着磁ピッチを細かく、磁気抵抗素子数を増やして高精度化を図れば図るほど生じやすく、影響が大きくなってしまう、という問題がある。
【０００５】
【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、磁気式エンコーダを搭載し、かつバルクハウゼンノイズなどの誤差要因を低減させて精度の維持が可能な測量機を提供することを目的とする。
【０００６】
【発明の概要】この目的を達成する本発明は、回転磁気ドラム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と、該多極磁気層に対向配置された、複数の磁気抵抗素子を備えた磁気センサとを備えた磁気式エンコーダが搭載された測量機において、前記磁気センサの近傍に、誤差を減少させる磁石を配置したこと、に特徴を有する。また、本発明は、磁気式エンコーダの誤差要因にはバルクハウゼンノイズが含まれることに鑑み、バルクハウゼンノイズは、ある方向に磁力を付与すると軽減する、という観点から、磁石を配置した。そして磁石は、主要磁力線が、前記磁気センサのセンサ面に対して略平行、かつ前記多極磁気層の磁力線に対して垂直な方向に走るように配置した。この構成によれば、バルクハウゼンノイズを効果的に減少させることができる。実施形態の一つでは、前記磁気センサの背面に、シート磁石を配置する。また、別の実施の形態では、前記磁気センサのセンサ面に、前記磁気抵抗素子を挟んで一対のシート磁石を形成する。さらに別の実施の形態では、前記回転磁気ドラムを回動自在に軸支する軸受けが固定された測量機のシャーシまたはこのシャーシに対して装着されるカバーの一方または双方に磁石を装着する。磁石は永久磁石または電磁石で構成できる。
【０００７】
【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。
【０００８】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。
【０００９】鉛直軸１９は、整準台１７に固定された鉛直軸受け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、鉛直軸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鉛直軸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。
【００１０】さらに、鉛直軸１９には、整準台１７に対する鉛直軸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。
【００１１】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）。
【００１２】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。
【００１３】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を介してベースプレート５８に固定されている。
【００１４】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に所定間隔で対向させて第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の一面に８個の磁気抵抗素子４ａ1、４ａ2、４ａ3、４ａ4、４ｂ1、４ｂ2、４ｂ3、４ｂ4を備えている。そしてこの磁気センサ５４は、磁気抵抗素子４ａ1〜４ａ4、４ｂ1〜４ｂ4の中央に立てた垂線が磁気ドラム５３の回転中心を通るように配置されている。なお、こ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の変化に依存するλ／４位相ずれた磁気抵抗素子４ａ1〜４ａ4、４ｂ1〜４ｂ4の抵抗値の変化を検知して、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の間の角度は、内挿演算によって求められる。
【００１５】８個の磁気抵抗素子４ａ1〜４ａ4、４ｂ1〜４ｂ4は、図５に示すように、λ／４（またはλ×（３／４））の位相差を有するＡ相、Ｂ相の二組に分けられる。Ａ相の磁気抵抗素子４ａ1、４ａ2、４ａ3、４ａ4と、Ｂ相の磁気抵抗素子４ｂ1、４ｂ2、４ｂ3、４ｂ4それぞれの間隔はλ／２の等ピッチとなる。
【００１６】これらＡ相、Ｂ相の磁気抵抗素子４ａ1〜４ａ4、４ｂ1〜４ｂ4は、図６に示すようにブリッジ結線されている。そして、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。
【００１７】この実施例によれば、Ａ相の磁気抵抗素子の抵抗値ａ1、ａ2、ａ3、ａ4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。
ａ1＝Ｒ0＋Ｒsin（Ｎω)ａ2＝Ｒ0＋Ｒsin（Ｎω＋π）＝Ｒ0−Ｒsin（Ｎω）
ａ3＝Ｒ0＋Ｒsin（Ｎω＋２π）＝Ｒ0＋Ｒsin（Ｎω）
ａ4＝Ｒ0＋Ｒsin（Ｎω＋３π）＝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。
【００１８】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×２×Ｒ×Ｖ／Ｒ0×sin（Ｎω）
となる（ただし、αは増幅率）。
【００１９】Ｂ相の磁気抵抗素子は、Ａ相の磁気抵抗素子に対してπ／２ずらして配置してあるため、Ｂ相の出力Ｂoutは、Ｂout＝α×２×Ｒ×Ｖ／Ｒ0×cos（Ｎω）
となる。
【００２０】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、精度を高めることができる。通常、測量機においては、Ｎ／４よりも小さい角度検出が必要なため、分割数Ｎ以上の分割数が必要である。そこで、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ている。
tan-1（Ａout／Ｂout）
【００２１】第２の磁気センサ５５も、第１の磁気センサ５４と同様の構成である。第１の磁気センサ５４との相違は、位相調整可能に形成されている点にある。その位相調整機構は、次の通りである。
【００２２】第２の磁気センサ５５が固定されたベースプレート５８は、一方の端部に形成された軸穴５８ａが水平軸受け２９の外周に回動自在に嵌合され、水平軸受け２９の外周と摺接しながら揺動、つまり、水平軸２３の回転中心を回転中心として揺動可能に形成されている。そしてベースプレート５８の自由端部には、回転中心に向かって延びる長孔５８ｂと、長孔５８ｂを挟んで、円周方向に延びる一対の調整穴５８ｃが形成されている。架台２１に回動自在に軸支された偏心ピン５９が長孔５８ｂに嵌合し、固定ねじ６０が調整穴５８ｃを貫通して架台２１にねじ込まれている。したがって、固定ねじ６０を緩め、偏心ピン５９を回転させるとベースプレート５８が回転中心の周りを揺動し、第２の磁気センサ５５を多極着磁層５３ａと一定間隔を保持した円弧上を移動させることができるので、これにより第２の磁気センサ５５の位相を調整することができる。所望の位相となる位置に第２の磁気センサ５５を移動したら、固定ねじ６０をねじ込んでベースプレート５８を架台２１に対して固定する。このように偏心ピン５９を回転させることで、第２の磁気センサ５５の位相を容易に調整できる。
【００２３】次に、このトータルステーションに、バルクハウゼンノイズを軽減することができる本発明を適用した実施の形態について、図７〜図１０を参照して説明する。これらの図は、水平軸２３の軸心Ｏ23で切断して軸心Ｏ23よりも上部の構造を示す、図４同様の断面図である。
【００２４】図７に示した第１実施例は、第１の磁気センサ５４の背面に、シート磁石１１１を配置したことに特徴を有する。シート磁石１１１は、主要磁力線１１０が、第１の磁気センサ５４のセンサ面５４ｂ（図５参照）に対してほぼ平行、かつ多極着磁層５３ａの磁力線３に対して直交するように配置する。つまり、第１実施例では、シート磁石１１１を磁極（Ｎ極、Ｓ極）が軸心Ｏ23に沿って離反する方向に向け、センサ面５４ｂと平行にして、第１の磁気センサ５４を挟んでアングル５６に接着材などで固定してある。さらにシート磁石１１１は、その外形を、全ての磁気抵抗素子４ａ1〜４ａ4、４ｂ1〜４ｂ4を覆い得る大きさに形成してある。このシート磁石１１１の配置および形状によって、主要磁力線１１０が、全ての磁気抵抗素子４ａ1〜４ａ4、４ｂ1〜４ｂ4のバルクハウゼンノイズを有効に減少させるように作用する。
【００２５】図８に示した第２実施例は、第１の磁気センサ５４の平面基板５４ａに、磁気抵抗素子４ａ1〜４ａ4、４ｂ1〜４ｂ4を挟む位置に一対のシート磁石１２１、１２２を配置したことに特徴を有する。一対のシート磁石１２１、１２２は、互いに異なる磁極Ｓ、Ｎが対向するように配置して、主要磁力線１２０が、磁気センサ５４のセンサ面５４ｂに対してほぼ平行、かつ多極磁気層５３ａの磁力線３に対して略直交する方向に発生するようにしてある。このシート磁石１２１、１２２は、第１の磁気センサ５４とは別体として形成して平面基板５４ａに接着材などで固定してあるが、第１の磁気センサ５４と一体に形成することも可能である。
【００２６】図９、図１０に示した第３、第４実施例は、永久磁石を、カバー３４または架台２１に装着したことに特徴を有する。第１、第２実施例は、永久磁石が、シート磁石であること、このシート磁石を第１の磁気センサ５４が装着されたアングル５６または第１の磁気センサ５４自体に固定したことに特徴を有するが、第３、第４実施例は、シート磁石でなくてもよいこと、第１の磁気センサ５４およびアングル５６ではなく、これらが装着される測量機のシャーシ、カバーに装着したことに特徴を有する。
【００２７】図９に示した第３実施例では、棒状の磁石１３１をカバー３４の内面に装着してある。このカバー３４は、架台２１に対して着脱可能であるから、カバー３４を架台２１に装着したときに、磁石１３１の磁力線１３０が、第１の磁気センサ５４のセンサ面５４ｂに対してほぼ平行、かつ多極磁気層５３ａの磁力線３に対してほぼ直交する方向に発生するように配置してある。
【００２８】図１０に示した第４実施例では、棒状の磁石１４１を、架台２１に形成したくぼみにはめ込み固定してある。この磁石１４１も、磁力線１３０が、気センサ５４のセンサ面５４ｂに対して略平行、かつ多極磁気層５３ａの磁力線３に対して略直交する方向に発生するように位置および極性が設定されている。
【００２９】また本発明は、図９、図１０に示した実施例の磁石１３１、１４１を両方とも装着してもよい。これらの磁石１３１、１４１は、磁気センサ５４を挟んで対向位置に配置されるので、対向側の極性をＮ、Ｓとすることでより安定した磁力線が発生し、バルクハウゼンノイズを効果的に減少させることができる。
【００３０】以上図７〜図１０には、トータルステーションの４個の磁気センサ４４、４５、５４、５５の内の１個の磁気センサ５４にバルクハウゼンノイズ軽減用の永久磁石を装着した実施例を示したが、他の磁気センサ４４、４５、５５に対しても適用可能であり、通常適用されることはいうまでもない。その場合、位置調整可能な磁気センサ４５、５５に対しては、磁気センサ５５、４５と一緒に移動する点で、第１、第２実施例の構成の方が好ましい。
【００３１】また、本実施例ではバルクハウゼンノイズの低減について説明したが、本実施例のように磁界をかけることにより、下記の効果がある。Ａ、Ｂ相の信号よりオシロスコープ上で確認できるリサージュ図形の真円度が向上する。真円に近くなるということは、内挿演算の信頼性が向上することになり、測角精度が向上する。ただし、あまり強い磁界をかけるとＡ、Ｂ相の出力値が小さくなるため、逆にノイズに弱くなることがある。したがって、０．５〜１０ガウス程度の磁界をかけるのが好ましい。また、磁界をかける方法として永久磁石を使用したが、電磁石を使用して、測角のときだけ通電して磁界をかける構成にしてもよい。
【００３２】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。
【００３３】
【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センサ近傍に、誤差を減少させる磁石を配置したので、外部磁気が存在しても、微少な角度まで高精度の測角が可能になる。この磁石をシート磁石により形成し、磁気センサの背面または磁気センサのセンサ面に形成すれば、磁気センサと一体として測量機に装着されるので、取付、位置調整の手間が少なくなる。この磁石を、磁気センサが装着される測量機本体、カバー等に対して装着すれば、大きさ、形状の自由度が増すので、磁力の強い磁石の使用が可能になり、磁気センサからの距離を離しても所定の弱い磁界をかけることが可能になり、より効果的にバルクハウゼンノイズを軽減することができる。
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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２００１−１２４５８９（Ｐ２００１−１２４５８９Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年５月１１日（２００１．５．１１） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−３０１１１６ |
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