特許 6707394 超音波モータの制御方法及びそのための測量機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6707394

(24)【登録日】2020年5月22日

(45)【発行日】2020年6月10日

(54)【発明の名称】超音波モータの制御方法及びそのための測量機

(51)【国際特許分類】

   H02N 2/14 20060101AFI20200601BHJP

   G01C 15/00 20060101ALI20200601BHJP

【ＦＩ】

   H02N2/14

   G01C15/00 103A

【請求項の数】3

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2016-87805(P2016-87805)

(22)【出願日】2016年4月26日

(65)【公開番号】特開2017-200274(P2017-200274A)

(43)【公開日】2017年11月2日

【審査請求日】2019年2月4日

(73)【特許権者】

【識別番号】000220343

【氏名又は名称】株式会社トプコン

(74)【代理人】

【識別番号】100087826

【弁理士】

【氏名又は名称】八木 秀人

(74)【代理人】

【識別番号】100168088

【弁理士】

【氏名又は名称】太田 悠

(72)【発明者】

【氏名】熊谷 薫

(72)【発明者】

【氏名】弥延 聡

(72)【発明者】

【氏名】糀 徹太郎

【審査官】 服部 俊樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭６３−１１０９７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２４４１８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１３７２９９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｎ ２／１４

Ｇ０１Ｃ １５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

駆動信号を受けて測量機の回転軸を駆動する超音波モータの制御方法であって、
前記超音波モータの低速回転域において、制御周期内で前記駆動信号を印加する時間である加速期間の比率を制御するとともに、前記制御周期毎に前記制御周期の終端を含むように前記加速期間を終了する後半加速制御と前記制御周期の開始端を含むように前記加速期間を開始する前半加速制御を交互に繰り返すことを特徴とする超音波モータの制御方法。

【請求項2】

駆動信号を受けて測量機の回転軸を駆動する超音波モータの制御方法であって、
前記超音波モータの低速回転域において、制御周期内で前記駆動信号を印加する時間である加速期間の比率を制御するとともに、前記制御周期をｋ分割（ｋは２以上の自然数）して０〜ｋ−１の区間を作り、前記加速期間を開始する時間を前記区間のいずれかとし、前記制御周期毎に前記加速期間を開始する区間を規則的にずらすことを繰り返すことを特徴とする超音波モータの制御方法。

【請求項3】

回転軸と、
駆動信号を受けて前記回転軸を駆動する超音波モータと、
前記回転軸の回転速度を検出するエンコーダと、
請求項１または２に記載の制御方法を実行する制御部と、
を備えることを特徴とする測量機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、測量機の回転軸を駆動する超音波モータの制御方法及びそのための測量機に関する。

【背景技術】

【0002】

測量機、例えばトータルステーションは、測定点を視準する望遠鏡と、上記望遠鏡を鉛直方向に回転可能に支持する托架部と、上記托架部を水平方向に回転可能に支持する基盤部とを備えている。上記望遠鏡は鉛直回転軸に設けられた鉛直回転モータによって、上記托架部は水平回転軸に設けられた水平回転モータによって駆動される。特許文献１には、上記鉛直回転モータ及び水平回転モータに超音波モータを採用した測量機が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１４−１３７２９９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

測量機には、移動するターゲットを自動で追尾する自動追尾モードを備えるものも多い。自動追尾モードでは、作業者が持ち運ぶターゲットを追尾するので、５［°／ｓ］程度の低速回転を行う必要がある。超音波モータは連続駆動での低速回転が困難であり、低速回転の時は、図８のように、駆動信号をＯＮ／ＯＦＦする間欠駆動が行われる。即ち、所定の制御周期ＴＭ内で、駆動信号を印加する加速期間Ｔａと駆動信号を停止する減速期間Ｔｒを設け、加速期間Ｔａと減速期間Ｔｒの割合を変化させることにより、制御周期ＴＭにおける平均速度が制御される。

【0005】

しかし、間欠駆動を行うと、駆動信号の立ち上がりと立ち下がりの時、即ち加速期間Ｔａの開始時と終了時に異音が鳴り、連続駆動の時と比して耳障りであるという問題があった。

【0006】

本発明は、前記問題を解決するため、回転軸に超音波モータを採用した測量機において、低速回転時の音鳴りを低減するための超音波モータの制御方法及びそのための測量機を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、本発明のある態様の超音波モータの制御方法は、駆動信号を受けて測量機の回転軸を駆動する超音波モータの制御方法であって、前記超音波モータの低速回転域において、制御周期内で前記駆動信号を印加する時間である加速期間の比率を制御するとともに、前記制御周期毎に前記加速期間の開始時間をランダムにずらすことを特徴とする。

【0008】

他の態様の超音波モータの制御方法は、駆動信号を受けて測量機の回転軸を駆動する超音波モータの制御方法であって、前記超音波モータの低速回転域において、制御周期内で前記駆動信号を印加する時間である加速期間の比率を制御するとともに、前記制御周期毎に前記加速期間の開始時間を規則的にずらすことを特徴とする。

【0009】

上記態様において、前記制御周期内のある時間を起点にして、前記制御周期毎に前記加速期間の開始時間を前記起点から一定時間ずつずらすことも好ましい。

【0010】

上記態様において、前記制御周期をｋ分割（ｋは２以上の自然数）して０〜ｋ−１の区間を作り、前記加速期間を開始する時間を前記区間のいずれかとし、前記制御周期毎に前記区間を規則的にずらすことも好ましい。

【0011】

また別の態様の超音波モータの制御方法は、駆動信号を受けて測量機の回転軸を駆動する超音波モータの制御方法であって、前記超音波モータの低速回転域において、制御周期内で前記駆動信号を印加する時間である加速期間の比率を制御するとともに、前記制御周期毎に前記制御周期の終端を含むように前記加速期間を終了する後半加速制御と前記制御周期の開始端を含むように前記加速期間を開始する前半加速制御を交互に繰り返すことを特徴とする。

【0012】

本発明のある態様の測量機は、回転軸と、駆動信号を受けて前記回転軸を駆動する超音波モータと、前記回転軸の回転速度を検出するエンコーダと、上記制御方法らのいずれかに記載の制御方法を実行する制御部と、を備えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、回転軸に超音波モータを採用した測量機において、低速回転時の音鳴りを低減するための超音波モータの制御方法及びそのための測量機を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本形態に係る測量機の概略縦断面図である。

【図2】図１の超音波モータを含む部分の断面斜視図である。

【図3】本形態に係る測量機の制御ブロック図である。

【図4】第１の制御方法に係る超音波モータの駆動信号の波形図である。

【図5】第２の制御方法に係る超音波モータの駆動信号の波形図である。

【図6】第３の制御方法に係る超音波モータの駆動信号の波形図である。

【図7】第４の制御方法に係る超音波モータの駆動信号の波形図である。

【図8】超音波モータを間欠駆動させる制御イメージ図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

次に、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。

【0016】

図１は本形態に係る測量機の概略縦断面図、図２は図１の超音波モータを含む部分の断面斜視図である。符号１が測量機であり、測量機１は、整準部３の上に設けられた基盤部４と、基盤部４上を水平回転軸６周りに水平回転する托架部７と、托架部７に鉛直回転軸１１周りに鉛直回転する望遠鏡９と、を有する。托架部７には、制御部２３が収容されている。測量機１は、自動視準機能および自動追尾機能を備えており、望遠鏡９には、図示しない測距光学系、追尾光学系が収容されている。測距光学系、追尾光学系の構成は従来技術の構成と同等で良いため記載を省略する。測量機１では、托架部７の水平回転と望遠鏡９の鉛直回転の協働により測距光および追尾光がターゲットに照射される。

【0017】

水平回転軸６の下端部には水平回転用の超音波モータ５が設けられ、上端部には水平角検出用のエンコーダ２１が設けられている。鉛直回転軸１１の一方の端部には鉛直回転用の超音波モータ１２が設けられ、他方の端部には鉛直角検出用のエンコーダ２２が設けられている。エンコーダ２１，２２は、回転円盤、スリット、発光ダイオード、イメージセンサを有するアブソリュートエンコーダである。この他、インクリメンタルエンコーダが用いられてもよい。

【0018】

超音波モータ５，１２の構成について、鉛直回転と水平回転の構成は同等であるので、主に水平回転の構成を用いて説明する。超音波モータ５は、ベース部３９から順に、振動を発生する圧電セラミック４２、振動を増幅させるステータ４３、ステータ４３と干渉するロータ４６、ロータ４６をステータ４３側へ押圧するウェーブワッシャ４８を、リング状に備える。圧電セラミック４２にはＳｉｎ電極とＣｏｓ電極が付されており、交互に駆動電圧が掛かることで圧電セラミック４２が超音波振動する。圧電セラミック４２が振動すると、ステータ４３に波状の進行波が形成され、ウェーブワッシャ４８の押圧による摩擦によってステータ４３とロータ４６が相対回転する。図１に示すように、水平側の超音波モータ５は、モータケース２５が基盤部４に固定され、ロータ４６はモータケース２５に固定されているので、ステータ４３が回転し、ベース部３９を介して水平回転軸６がステータ４３と一体に回転する。鉛直側の超音波モータ１２は、ステータ４３がモータケース２５に固定され、ロータ４６が回転し、鉛直回転軸１１がロータ４６と一体に回転する。

【0019】

図３は測量機１の制御ブロック図である。鉛直回転と水平回転のブロック図は同等であるので、水平回転に関して示し、鉛直回転に関しては説明を省略する。測量機１は、制御部２３と、エンコーダ２１と、測距部６１と、追尾部６２と、クロック信号発振部６３と、駆動回路７３と、超音波モータ５を有する。

【0020】

制御部２３は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を集積回路に実装したマイクロコントローラによって構成されている。制御部２３は、図示を略する外部パーソナルコンピュータからソフトウェアを変更可能である。制御部２３は、エンコーダ２１の角度信号から回転軸６の回転速度を逐次求める。また、超音波モータ５に対し駆動回路７３を介して駆動信号を出力する。この駆動信号の波形については後に詳述する。

【0021】

測距部６１は、制御部２３に制御されて、上記測距光学系を用いて測距光をターゲットに照射しその反射光からターゲットを捕捉して自動視準を行う。また、手動または自動視準が完了すると測距を行う。追尾部６２は、制御部２３に制御されて、上記追尾光学系を用いて追尾光をターゲットに照射してその反射光からターゲットを捕捉して、ターゲットが移動した場合は自動で追尾を行う。

【0022】

駆動回路７３は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）７３１とアナログ回路７３２によって構成されている。ＦＰＧＡ７３１は制御部２３もしくは図示を略する外部機器によって内部論理回路を定義変更可能である。ＦＰＧＡ７３１は、可変の駆動周波数（駆動信号の周波数）及び可変の振幅で制御信号を発生させることができ、上記駆動周波数及び上記振幅を動的に変化させることができる。アナログ回路７３２は、トランス等で構成されており、上記制御信号を増幅させる。駆動回路７３は、制御部２３からの指令を受けて、ＦＰＧＡ７３１から上記制御信号を出力し、アナログ回路７３２で増幅して二種類の位相の異なる駆動信号を生成し、超音波モータ５の圧電セラミック４２に付されているＳｉｎ電極とＣｏｓ電極に対して出力する。なお、駆動回路７３は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などの他のＰＬＤ（Programmable Logic Device）が用いられてもよい。

【0023】

クロック信号発振部６３は、クロック信号を制御部２３及びＦＰＧＡ７３１に出力する。制御部２３は、クロック信号に基づき、エンコーダ２１の発光周期を制御する。ＦＰＧＡ７３１は、クロック信号に基づき、駆動信号の振幅，駆動周波数ｆ，駆動信号の制御周期ＴＭの制御と、低速回転域では制御周期ＴＭ内の加速期間Ｔａ（駆動信号を印加する時間）と減速期間Ｔｒ（駆動信号を停止する時間）の割合を制御する。なお、本明細書にて、低速回転域とは超音波モータが連続駆動で回転しなくなる速度域のことを意味する。この低速回転域は、超音波モータの製造状態により個々に異なるため、採用する超音波モータの特性を調べることで予め制御部２３に定義しておく。

【0024】

以上の構成を用いて、測量機１の制御部２３は、超音波モータ５の低速回転域において以下のように駆動信号を制御する。なお、以降も鉛直回転に関する記載を省略するが、水平回転と同様の制御が行われる。

【0025】

（第１の制御方法）
図４は第１の制御方法に係る超音波モータ５の駆動信号の波形図である。制御部２３は、回転軸６の回転速度を参照しながら、クロック信号発振部６３からのクロック信号を基準にして超音波モータ５の制御周期ＴＭを一定にし、制御周期ＴＭ内の加速期間Ｔａの比率（加速期間Ｔａと減速期間Ｔｒの割合）を変更する（加速期間Ｔａは制御周期ＴＭ内に一回立ち上げる）。その上で、制御部２３は、加速期間Ｔａの開始時間は、周期毎にランダムに設定する。即ち、制御周期ＴＭ内の加速期間Ｔａは、クロック信号に基づき（例えば１パルス＝１μsecを最小単位として）周期毎に異なる時間から開始される。

【0026】

従来のように、即ち図８のように、加速期間Ｔａを毎周期同じ時間から開始すると、例えば制御周期ＴＭ＝４ｍsecとした場合は、４ｍsecに相当する周波数２５０kHzと、その高長波である５００kHz、１０００kHzのスペクトルが確認される。これらが異音と感じる要因となっている。

【0027】

これに対し、加速期間Ｔａの開始時間を周期毎にランダムにずらすことで、高長波の発生が抑制され、低速回転時の音鳴りを低減することができる。

【0028】

（第２の制御方法）
図５は第２の制御方法に係る超音波モータ５の駆動信号の波形図である。制御部２３は、回転軸６の回転速度を参照しながら、クロック信号発振部６３からのクロック信号を基準にして超音波モータ５の制御周期ＴＭを一定にし、制御周期ＴＭ内の加速期間Ｔａの比率を変更する（加速期間Ｔａは制御周期ＴＭ内に一回立ち上げる）。その上で、制御部２３は、制御周期ＴＭをｋ分割（ｋは２以上の自然数）して０〜ｋ−１の区間を設定し、周期毎に加速期間Ｔａの開始時間を規則的にずらす。

【0029】

一例として、図５は制御周期ＴＭを８等分して０、１、２、３、４、５、６、７の区間を設定している。この場合、制御部２３は、周期毎に、加速期間Ｔａの開始時間を１区間ずつずらす。例えば、第１周期目は第０区間の始めから加速期間Ｔａを開始し、第２周期目は第１区間の始めから加速期間Ｔａを開始し、第３周期目は第２区間の始めから加速期間Ｔａを開始し、第４周期目は第３区間の始めから加速期間Ｔａを開始して、周期毎に加速期間Ｔａの開始時間を一定時間ずつずらすようにする。第７区間まで進んだら、第６区間へ折り返してもよいし、再び第０区間に戻ってもよい。また、第０区間ではない他の区間からスタートしてもよいし、区間の終わりや区間の中間点から加速期間Ｔａを開始してもよい。

【0030】

このように、周期毎に加速期間Ｔａの開始区間を規則的にずらすことで、周期毎に加速期間Ｔａの開始時間か変更されるので、高長波の発生が抑制され、低速回転時の音鳴りを低減することができる。

【0031】

（第３の制御方法）
図６は第３の制御方法に係る超音波モータの駆動信号の波形図であり、周期毎に加速期間Ｔａの開始時間を規則的にずらす方法の他の例である。第２の制御方法と同様の構成は同一の符号を用いて説明を省略する。図５のように、制御部２３は制御周期ＴＭを８等分して０〜７の区間を設定した上で、第ｎ周期目（ｎは自然数）は第０区間の始めから加速期間Ｔａを開始し、第ｎ＋１周期目は第４区間の始めから加速期間Ｔａを開始し、第ｎ＋２周期目は第４区間の始めから加速期間Ｔａを開始し、第ｎ＋３周期目は第０区間の始めから加速期間Ｔａを開始し、これを繰り返すようにする。即ち、制御部２３は、加速期間Ｔａの開始時間を｜０,４,４,０｜０,４,４,０｜・・・と規則的にずらす。

【0032】

図６の規則性は一例であり、この他にも、｜０,２,４,６｜・・・と偶数区間でずらす、｜１,３,５,７｜・・・と奇数区間でずらす、｜０,２,４,６｜１,３,５,７｜・・・と偶数奇数交互にずらす、３区間ずつずらす、任意の３区間の並び替え又は組み合わせで選択した区間から開始する、など、周期毎に加速期間Ｔａの開始時間か変更されるように何らかの取り決め（規則性）があればよい。

【0033】

このように周期毎に加速期間Ｔａの開始区間を規則的にずらしても、周期毎に加速期間Ｔａの開始時間か変更されるので、高長波の発生が抑制され、低速回転時の音鳴りを低減することができる。

【0034】

また、図６の例では、第ｎ周期目から第ｎ＋１周期目は０から４、第ｎ＋１周期目から第ｎ＋２周期目は４から４、第ｎ＋２周期目から第ｎ＋３周期目は４から０、第ｎ＋３周期目から第ｎ＋４周期目は０から０と、周期的に加速期間Ｔａが立ち上がる間隔が変化するので、加速度を強弱させることができる。

【0035】

なお、周期毎に加速期間Ｔａの開始時間を規則的にずらす方法として、制御周期ＴＭをｋ分割する方法だけでなく、クロック信号に基づき周期毎に一定時間ずつずらす方法でもよい。例えば１パルス＝１μsecを最小単位として、加速期間Ｔａの開始時間を周期毎に１μsecずつずらし、制御周期ＴＭの終端まで行ったら折り返す、または制御周期ＴＭの開始端に戻ってもよい。

【0036】

（第４の制御方法）
図７は第４の制御方法に係る超音波モータ５の駆動信号の波形図である。制御部２３は、クロック信号発振部６３からのクロック信号を基準にして超音波モータ５の制御周期ＴＭを一定にし、制御周期ＴＭ内の加速期間Ｔａの比率を変更する（加速期間Ｔａは一の制御周期ＴＭに一回立ち上げる）。その上で、制御部２３は、周期毎に、制御周期ＴＭの終端を含むように加速期間Ｔａを終了させる後半加速制御Ｃｏｌ（ｒ）と、制御周期ＴＭの開始端を含むように加速期間Ｔａを開始させる前半加速制御Ｃｏｌ（ｆ）を交互に繰り返す。

【0037】

このように、後半加速制御Ｃｏｌ（ｒ）と前半加速制御Ｃｏｌ（ｆ）を交互に繰り返すことで、後半加速制御Ｃｏｌ（ｒ）の加速期間Ｔａと前半加速制御Ｃｏｌ（ｆ）の加速期間Ｔａが連続するため、本形態では、駆動信号は見かけ上制御周期ＴＭの２倍の周期（以降、見かけの周期ＴＭ´と称する）に一度立ち上がることとなる。例えば制御周期ＴＭ＝４ｍsecとした場合、加速期間Ｔａは見かけの周期ＴＭ´＝８ｍsecに一度設けられる。このため、駆動信号のＯＮ／ＯＦＦの回数は制御周期ＴＭ＝４ｍsecの場合の半分となり、周波数スペクトルは見かけの周期ＴＭ´の８ｍsecに相当する１２５kHzとなる。従って、音鳴りが４ｍsecの場合よりも低音となるため、耳障り感が大幅に低減する。

【0038】

また、第４の制御方法では、制御周期ＴＭは４ｍsecのままであるので、後半加速制御Ｃｏｌ（ｒ）と前半加速制御Ｃｏｌ（ｆ）で加速期間Ｔａを異ならせることができる。例えば、後半加速制御Ｃｏｌ（ｒ）では加速期間Ｔａは１ｍsecとしていたところを、回転速度を上げたければ、前半加速制御Ｃｏｌ（ｆ）の加速期間Ｔａは１．３ｍsecに変更することができる。即ち、フィードバック制御はそのまま（４ｍsec）で、駆動信号の間隔は２倍（８ｍsec）となるので、追尾性能を落とすことなく音鳴りを低減することができる。

【0039】

なお、第４の制御方法の第１周期目は、前半加速制御Ｃｏｌ（ｆ）から開始してもよい。また、制御の最終周期目が後半加速制御Ｃｏｌ（ｒ）で終了してもよい。

【0040】

また、第４の制御方法は、第２及び第３の制御方法である「周期毎に加速期間Ｔａの開始時間を規則的にずらす」方法の一種とも言える。第４の制御方法は、制御周期ＴＭを８等分して０〜７の区間を設定した場合、｜７,０,７,０｜７,０,７,０｜・・・と、加速期間Ｔａの開始区間が規則的にずれる。即ち、第４の制御方法は、制御周期ＴＭをｋ分割した場合、加速期間Ｔａの開始時間を｜ｋ−１,０,ｋ−１,０｜・・・と規則的にずらす方法である。

【0041】

以上、好ましい実施の形態および変形について述べたが、各形態および各変形を当業者の知識に基づいて組み合わせることは可能である。例えば、上記実施の形態および変形では、駆動信号の振幅は一定としたが、周期毎に振幅を変更してもよい。このような改変も、本発明の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0042】

１ 測量機
５，１２ 超音波モータ
６，１１ 回転軸
２１,２２ エンコーダ
２３ 制御部
ＴＭ 制御周期
Ｔａ 加速期間
Ｃｏｌ（ｒ） 後半加速制御
Ｃｏｌ（ｆ） 前半加速制御

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】