(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022150797
(43)【公開日】2022-10-07
(54)【発明の名称】傾斜センサおよびデータ取得装置
(51)【国際特許分類】
G01C 9/06 20060101AFI20220929BHJP
【ＦＩ】
G01C9/06 E
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021053570
(22)【出願日】2021-03-26
(71)【出願人】
【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】100098796
【弁理士】
【氏名又は名称】新井 全
(74)【代理人】
【識別番号】100121647
【弁理士】
【氏名又は名称】野口 和孝
(74)【代理人】
【識別番号】100187377
【弁理士】
【氏名又は名称】芳野 理之
(72)【発明者】
【氏名】笠原 史年
(72)【発明者】
【氏名】大友 文夫
(72)【発明者】
【氏名】東海林 直樹
(72)【発明者】
【氏名】松本 昌絵
(72)【発明者】
【氏名】阿部 淳
(57)【要約】
【課題】加速度センサの出力値にドリフトが発生しても水平方向に対する傾斜角の検出精度を確保することができるとともに、水平方向に対する傾斜角をリアルタイムで検知することができる傾斜センサ、および傾斜センサを備えたデータ取得装置を提供すること。
【解決手段】傾斜センサ６は、第１軸６５および第２軸６４を中心に回転自在に支持されたジンバル機構６０と、第１モータ６５４と、第２モータ６４４と、座標軸の原点が第１軸６５の軸心６５６と第２軸６４の軸心６４６との交点に一致した状態でジンバル機構６０に設置された加速度センサ６３１と、第１軸６５および第２軸６４を同時に回転させることにより第１軸６５および第２軸６４を中心として加速度センサ６３１を連続的に回転させ、加速度センサ６３１の出力値に対して周波数解析を適用することにより水平方向に対する傾斜角を演算する制御部６６と、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】傾斜センサ６は、第１軸６５および第２軸６４を中心に回転自在に支持されたジンバル機構６０と、第１モータ６５４と、第２モータ６４４と、座標軸の原点が第１軸６５の軸心６５６と第２軸６４の軸心６４６との交点に一致した状態でジンバル機構６０に設置された加速度センサ６３１と、第１軸６５および第２軸６４を同時に回転させることにより第１軸６５および第２軸６４を中心として加速度センサ６３１を連続的に回転させ、加速度センサ６３１の出力値に対して周波数解析を適用することにより水平方向に対する傾斜角を演算する制御部６６と、を備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１軸と前記第１軸に直交する第２軸とを有し、前記第１軸および前記第２軸を中心に回転自在に支持されたジンバル機構と、
前記第１軸を回転させる第１モータと、
前記第２軸を回転させる第２モータと、
座標軸の原点が前記第１軸の軸心と前記第２軸の軸心との交点に一致した状態で前記ジンバル機構に設置された加速度センサと、
前記第１モータおよび前記第２モータを駆動して前記第１軸および前記第２軸を同時に回転させることにより前記第１軸および前記第２軸を中心として前記加速度センサを連続的に回転させ、前記加速度センサの出力値に対して周波数解析を適用することにより水平方向に対する傾斜角を演算する制御部と、
を備えたことを特徴とする傾斜センサ。
前記第１軸を回転させる第１モータと、
前記第２軸を回転させる第２モータと、
座標軸の原点が前記第１軸の軸心と前記第２軸の軸心との交点に一致した状態で前記ジンバル機構に設置された加速度センサと、
前記第１モータおよび前記第２モータを駆動して前記第１軸および前記第２軸を同時に回転させることにより前記第１軸および前記第２軸を中心として前記加速度センサを連続的に回転させ、前記加速度センサの出力値に対して周波数解析を適用することにより水平方向に対する傾斜角を演算する制御部と、
を備えたことを特徴とする傾斜センサ。
【請求項2】
前記第１モータにより回転する前記第１軸の回転角を検出する第１エンコーダと、
前記第２モータにより回転する前記第２軸の回転角を検出する第２エンコーダと、
をさらに備え、
前記制御部は、前記加速度センサの出力値に対して前記周波数解析を適用したときの前記第１エンコーダにより検出された前記第１軸の基準位置からの回転角および前記第２エンコーダにより検出された前記第２軸の基準位置からの回転角の少なくともいずれかに基づいて前記傾斜角を演算することを特徴とする請求項１に記載の傾斜センサ。
前記第２モータにより回転する前記第２軸の回転角を検出する第２エンコーダと、
をさらに備え、
前記制御部は、前記加速度センサの出力値に対して前記周波数解析を適用したときの前記第１エンコーダにより検出された前記第１軸の基準位置からの回転角および前記第２エンコーダにより検出された前記第２軸の基準位置からの回転角の少なくともいずれかに基づいて前記傾斜角を演算することを特徴とする請求項１に記載の傾斜センサ。
【請求項3】
前記制御部は、前記第１エンコーダにより検出された前記第１軸の回転角および前記第２エンコーダにより検出された前記第２軸の回転角の少なくともいずれかが所定角度を示すタイミングで前記加速度センサの出力値を取得し、前記第１軸の回転角および前記第２軸の回転角の少なくともいずれかと、前記加速度センサの出力値と、を同期させることを特徴とする請求項２に記載の傾斜センサ。
【請求項4】
前記制御部は、前記第１エンコーダの出力信号および前記第２エンコーダの出力信号の少なくともいずれかに基づいて前記タイミングを検知することを特徴とする請求項３に記載の傾斜センサ。
【請求項5】
前記制御部は、前記第１モータの制御周期および前記第２モータの制御周期の少なくともいずれかと、前記加速度センサの出力値を取得する時間間隔と、を一致させることを特徴とする請求項３または４に記載の傾斜センサ。
【請求項6】
前記第１軸は、前後方向に延び、
前記第２軸は、左右方向に延び、
前記座標軸は、前記第１軸の軸心に一致したＸ軸と、前記第２軸の軸心に一致したＹ軸と、を有することを特徴とする請求項２～５のいずれか１項に記載の傾斜センサ。
前記第２軸は、左右方向に延び、
前記座標軸は、前記第１軸の軸心に一致したＸ軸と、前記第２軸の軸心に一致したＹ軸と、を有することを特徴とする請求項２～５のいずれか１項に記載の傾斜センサ。
【請求項7】
前記制御部は、前記第１エンコーダにより検出された前記第１軸の回転角に基づいて前記第１軸の回転速度を演算し、前記第２エンコーダにより検出された前記第２軸の回転角に基づいて前記第２軸の回転速度を演算し、前記第１軸の回転速度および前記第２軸の回転速度により前記加速度センサの前記出力値に含まれる遠心力に関する成分を除去する演算を実行することを特徴とする請求項２～６のいずれか１項に記載の傾斜センサ。
【請求項8】
測定光を発する発光素子と、前記測定光を射出する測定光射出部と、反射測定光を受光する受光部と、前記反射測定光を受光して受光信号を発生する受光素子と、を有し、前記受光素子からの前記受光信号に基づいて測定対象物の測距を行う測距部と、
請求項１～７のいずれか１項に記載の傾斜センサと、
前記測距部を制御する制御部と、
を備え、
前記傾斜センサの制御部は、第１制御部であり、
前記測距部を制御する制御部は、第２制御部であることを特徴とするデータ取得装置。
請求項１～７のいずれか１項に記載の傾斜センサと、
前記測距部を制御する制御部と、
を備え、
前記傾斜センサの制御部は、第１制御部であり、
前記測距部を制御する制御部は、第２制御部であることを特徴とするデータ取得装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、水平方向に対する傾斜角の検知を必要とする測量装置および画像取得装置等のデータ取得装置に設けられる傾斜センサ、および傾斜センサを備えたデータ取得装置に関する。
【背景技術】
【0002】
測量装置および画像取得装置等のデータ取得装置の水平方向に対する傾斜角を検出するセンサとして、例えばチルトセンサが挙げられる。しかし、チルトセンサは、高精度で水平を検出することができる一方で、傾斜角の検出範囲が比較的狭いという問題を有する。
【0003】
これに対して、特許文献１には、チルトセンサと加速度センサとを備えた姿勢検出装置が開示されている。加速度センサは、チルトセンサと比較すると、大きい傾斜角を検出できる。そのため、特許文献１に記載された姿勢検出装置は、検出精度を確保しつつ全姿勢での姿勢検出が可能である。しかし、姿勢検出装置がチルトセンサおよび加速度センサの両方を備えると、姿勢検出装置が大型化するという点において、特許文献１に記載された姿勢検出装置には、改善の余地がある。
【0004】
そこで、水平方向に対する傾斜角を検知する傾斜センサの小型化を実現するために、チルトセンサを設けず加速度センサだけを設けることが一策として挙げられる。しかし、加速度センサには、チルトセンサと比較すると、検出精度が低いという問題がある。すなわち、加速度センサが温度や気圧や湿度や磁場などの環境の変化による影響を受けることにより、加速度センサの出力値にドリフトが生ずることがある。あるいは、加速度センサが環境の変化による影響を受け続けることにより、加速度センサの出力値が経時的に変化し、加速度センサの出力値にドリフトが生ずることがある。また、測量装置および画像取得装置等のデータ取得装置に用いられる傾斜センサには、水平方向に対する傾斜角をリアルタイムで検知することが望まれる場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２０１６－１５１４２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、加速度センサの出力値にドリフトが発生しても水平方向に対する傾斜角の検出精度を確保することができるとともに、水平方向に対する傾斜角をリアルタイムで検知することができる傾斜センサ、および傾斜センサを備えたデータ取得装置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】
前記課題は、第１軸と前記第１軸に直交する第２軸とを有し、前記第１軸および前記第２軸を中心に回転自在に支持されたジンバル機構と、前記第１軸を回転させる第１モータと、前記第２軸を回転させる第２モータと、座標軸の原点が前記第１軸の軸心と前記第２軸の軸心との交点に一致した状態で前記ジンバル機構に設置された加速度センサと、前記第１モータおよび前記第２モータを駆動して前記第１軸および前記第２軸を同時に回転させることにより前記第１軸および前記第２軸を中心として前記加速度センサを連続的に回転させ、前記加速度センサの出力値に対して周波数解析を適用することにより水平方向に対する傾斜角を演算する制御部と、を備えたことを特徴とする本発明に係る傾斜センサにより解決される。
【0008】
本発明に係る傾斜センサによれば、加速度センサは、座標軸の原点がジンバル機構の第１軸の軸心とジンバル機構の第２軸の軸心との交点に一致した状態で、ジンバル機構に設置されている。そして、制御部は、第１モータおよび第２モータを駆動して第１軸および第２軸を同時に回転させることにより第１軸および第２軸を中心として加速度センサを連続的に回転させる。また、制御部は、加速度センサの出力値に対して周波数解析を適用することにより水平方向に対する傾斜角を演算する。このように、本発明に係る傾斜センサの制御部は、加速度センサの出力値自体ではなく加速度センサの出力値に対して周波数解析を適用した結果に基づいて水平方向に対する傾斜角を演算する。そのため、制御部は、加速度センサの高精度な出力値を取得しなくとも、加速度センサの出力値に対して周波数解析を適用することで水平方向に対する傾斜角を演算することができる。これにより、本発明に係る傾斜センサは、周波数解析を用いることで、加速度センサの出力値にドリフトが発生しても水平方向に対する傾斜角の検出精度を確保することができる。また、高精度な検出が可能なチルトセンサなどが不要であるため、傾斜センサの小型化を図ることができる。
【0009】
また、制御部が第１軸および第２軸を同時に回転させることで、加速度センサの各軸（例えばＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）に第１モータおよび第２モータの両方の回転の影響が表れてしまう。これに対して、本発明に係る傾斜センサの制御部は、加速度センサの出力値に対して周波数解析を適用することにより、第１モータが回転した時の加速度センサの各軸（例えばＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の振る舞いと、第２モータが回転した時の加速度センサの各軸（例えばＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の振る舞いと、を互いに分離し、水平方向に対する傾斜角の検出精度を確保することができる。 つまり、制御部は、例えば、第１モータのみを駆動し第１軸のみを回転させたり、第２モータのみを駆動し第２軸のみを回転させたりしなくとも、第１モータおよび第２モータを駆動して第１軸および第２軸を同時に回転させ、加速度センサの出力値に対して周波数解析を適用することにより水平方向に対する傾斜角を演算できる。そのため、制御部は、第１軸のみを回転させた場合と、第２軸のみを回転させた場合と、で別々に水平方向に対する傾斜角を演算する必要はなく、第１軸および第２軸を同時に回転させて水平方向に対する傾斜角を演算できる。これにより、本発明に係る傾斜センサは、水平方向に対する傾斜角をリアルタイムで検知することができる。
【0010】
好ましくは、本発明に係る傾斜センサは、前記第１モータにより回転する前記第１軸の回転角を検出する第１エンコーダと、前記第２モータにより回転する前記第２軸の回転角を検出する第２エンコーダと、をさらに備え、前記制御部は、前記加速度センサの出力値に対して前記周波数解析を適用したときの前記第１エンコーダにより検出された前記第１軸の基準位置からの回転角および前記第２エンコーダにより検出された前記第２軸の基準位置からの回転角の少なくともいずれかに基づいて前記傾斜角を演算することを特徴とする。
【0011】
本発明に係る傾斜センサによれば、制御部は、加速度センサの出力値に対して周波数解析を適用したときの第１エンコーダにより検出された第１軸の基準位置からの回転角および第２エンコーダにより検出された第２軸の基準位置からの回転角の少なくともいずれかに基づいて水平方向に対する傾斜角を演算する。言い換えれば、制御部は、加速度センサの出力値に対して周波数解析を適用したときの第１エンコーダの位相および第２エンコーダの位相の少なくともいずれかに基づいて水平方向に対する傾斜角を演算する。これにより、本発明に係る傾斜センサは、水平方向に対する傾斜角の検出精度を確保することができるとともに、水平方向に対する傾斜角をリアルタイムで検知することができる。
【0012】
本発明に係る傾斜センサにおいて、好ましくは、前記制御部は、前記第１エンコーダにより検出された前記第１軸の回転角および前記第２エンコーダにより検出された前記第２軸の回転角の少なくともいずれかが所定角度を示すタイミングで前記加速度センサの出力値を取得し、前記第１軸の回転角および前記第２軸の回転角の少なくともいずれかと、前記加速度センサの出力値と、を同期させることを特徴とする。
【0013】
本発明に係る傾斜センサによれば、制御部は、第１軸の回転角および第２軸の回転角の少なくともいずれかと、加速度センサの出力値と、を同期させる。これにより、加速度センサが所定の出力値を示すタイミングと、そのタイミングにおける第１軸の回転角および第２軸の回転角と、の関係がずれることを抑えることができる。また、制御部は、第１エンコーダにより検出された第１軸の回転角および第２エンコーダにより検出された第２軸の回転角の少なくともいずれかが所定角度を示すタイミングで加速度センサの出力値を取得する。すなわち、制御部は、一定時間ごとではなく、第１エンコーダおよび第２エンコーダの少なくともいずれかの一定角度ごとに加速度センサの出力値のサンプリングを実行する。これにより、例えば、加速度センサが回転する際に、加速度センサやジンバル機構などの回転体のアンバランスによって、第１モータおよび第２モータの少なくともいずれかに加減速が生じた場合であっても、加速度センサが所定の出力値を示すタイミングと、そのタイミングにおける第１軸の回転角および第２軸の回転角と、の関係がずれることをより確実に抑え、第１軸の回転角および第２軸の回転角の少なくともいずれかと、加速度センサの出力値と、をより確実に同期させることができる。
【0014】
本発明に係る傾斜センサにおいて、好ましくは、前記制御部は、前記第１エンコーダの出力信号および前記第２エンコーダの出力信号の少なくともいずれかに基づいて前記タイミングを検知することを特徴とする。
【0015】
本発明に係る傾斜センサによれば、制御部は、第１エンコーダおよび第２エンコーダの少なくともいずれかの出力信号をトリガとして加速度センサの出力値を取得し、第１軸の回転角および第２軸の回転角の少なくともいずれかと、加速度センサの出力値と、を同期させる。これにより、加速度センサが所定の出力値を示すタイミングと、そのタイミングにおける第１軸の回転角および第２軸の回転角と、の関係がずれることをより確実に抑え、第１軸の回転角および第２軸の回転角の少なくともいずれかと、加速度センサの出力値と、をより確実に同期させることができる。
【0016】
本発明に係る傾斜センサにおいて、好ましくは、前記制御部は、前記第１モータの制御周期および前記第２モータの制御周期の少なくともいずれかと、前記加速度センサの出力値を取得する時間間隔と、を一致させることを特徴とする。
【0017】
本発明に係る傾斜センサによれば、第１モータおよび第２モータの少なくともいずれかに周期的な加減速が生じた場合であっても、第１モータおよび第２モータの周期的な加減速が加速度センサの出力値に与える影響を抑えることができる。これにより、本発明に係る傾斜センサは、より高い精度で傾斜角を検出することができる。
【0018】
本発明に係る傾斜センサにおいて、好ましくは、前記第１軸は、前後方向に延び、前記第２軸は、左右方向に延び、前記座標軸は、前記第１軸の軸心に一致したＸ軸と、前記第２軸の軸心に一致したＹ軸と、を有することを特徴とする。
【0019】
本発明に係る傾斜センサによれば、加速度センサの座標軸のＸ軸が、前後方向に延びた第１軸の軸心と一致する。また、加速度センサの座標軸のＹ軸が、左右方向に延びた第２軸の軸心と一致する。そのため、第１モータおよび第２モータに依存する影響を抑えつつ、本発明に係る傾斜センサは、より高い精度で傾斜角を検出することができる。
【0020】
本発明に係る傾斜センサにおいて、好ましくは、前記制御部は、前記第１エンコーダにより検出された前記第１軸の回転角に基づいて前記第１軸の回転速度を演算し、前記第２エンコーダにより検出された前記第２軸の回転角に基づいて前記第２軸の回転速度を演算し、前記第１軸の回転速度および前記第２軸の回転速度により前記加速度センサの前記出力値に含まれる遠心力に関する成分を除去する演算を実行することを特徴とする。
【0021】
本発明に係る傾斜センサによれば、例えば第１軸および第２軸が一定速度で回転するときに加速度センサに発生する遠心力や、加速度センサの座標軸が第１軸の軸心および第２軸の軸心に一致していない場合に加速度センサに発生する遠心力などの影響による加速度が、加速度センサの出力値に含まれる場合であっても、制御部は、第１軸の回転速度および第２軸の回転速度を演算し、第１軸の回転速度および第２軸の回転速度の少なくともいずれかにより加速度センサの出力値に含まれる遠心力に関する成分を除去する演算を実行する。これにより、本発明に係る傾斜センサは、より高い精度で傾斜角を検出することができる。
【0022】
前記課題は、測定光を発する発光素子と、前記測定光を射出する測定光射出部と、反射測定光を受光する受光部と、前記反射測定光を受光して受光信号を発生する受光素子と、を有し、前記受光素子からの前記受光信号に基づいて測定対象物の測距を行う測距部と、上記のいずれかの傾斜センサと、前記測距部を制御する制御部と、を備え、前記傾斜センサの制御部は、第１制御部であり、前記測距部を制御する制御部は、第２制御部であることを特徴とする本発明に係るデータ取得装置により解決される。
【0023】
本発明に係るデータ取得装置によれば、傾斜センサが有する加速度センサは、座標軸の原点がジンバル機構の第１軸の軸心とジンバル機構の第２軸の軸心との交点に一致した状態で、ジンバル機構に設置されている。そして、第１制御部は、第１モータおよび第２モータを駆動して第１軸および第２軸を同時に回転させることにより第１軸および第２軸を中心として加速度センサを連続的に回転させる。また、第１制御部は、加速度センサの出力値に対して周波数解析を適用することにより水平方向に対する傾斜角を演算する。このように、本発明に係るデータ取得装置の傾斜センサの第１制御部は、加速度センサの出力値自体ではなく加速度センサの出力値に対して周波数解析を適用した結果に基づいて水平方向に対する傾斜角を演算する。そのため、第１制御部は、加速度センサの高精度な出力値を取得しなくとも、加速度センサの出力値に対して周波数解析を適用することで水平方向に対する傾斜角を演算することができる。これにより、本発明に係るデータ取得装置の傾斜センサは、周波数解析を用いることで、加速度センサの出力値にドリフトが発生しても水平方向に対する傾斜角の検出精度を確保することができる。また、高精度な検出が可能なチルトセンサなどが不要であるため、傾斜センサの小型化を図ることができる。これにより、データ取得装置の小型化を図ることができる。
【0024】
また、第１制御部が第１軸および第２軸を同時に回転させることで、加速度センサの各軸（例えばＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）に第１モータおよび第２モータの両方の回転の影響が表れてしまう。これに対して、本発明に係るデータ取得装置の傾斜センサの第１制御部は、加速度センサの出力値に対して周波数解析を適用することにより、第１モータが回転した時の加速度センサの各軸（例えばＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の振る舞いと、第２モータが回転した時の加速度センサの各軸（例えばＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の振る舞いと、を互いに分離し、水平方向に対する傾斜角の検出精度を確保することができる。つまり、第１制御部は、例えば、第１モータのみを駆動し第１軸のみを回転させたり、第２モータのみを駆動し第２軸のみを回転させたりしなくとも、第１モータおよび第２モータを駆動して第１軸および第２軸を同時に回転させ、加速度センサの出力値に対して周波数解析を適用することにより水平方向に対する傾斜角を演算できる。そのため、第１制御部は、第１軸のみを回転させた場合と、第２軸のみを回転させた場合と、で別々に水平方向に対する傾斜角を演算する必要はなく、第１軸および第２軸を同時に回転させて水平方向に対する傾斜角を演算できる。これにより、本発明に係るデータ取得装置の傾斜センサは、水平方向に対する傾斜角をリアルタイムで検知することができる。
【発明の効果】
【0025】
本発明によれば、加速度センサの出力値にドリフトが発生しても水平方向に対する傾斜角の検出精度を確保することができるとともに、水平方向に対する傾斜角をリアルタイムで検知することができる傾斜センサ、および傾斜センサを備えたデータ取得装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0026】
【図1】本発明の実施形態に係る傾斜センサを表す概略図である。
【図2】本実施形態に係る傾斜センサを表すブロック図である。
【図3】加速度センサの座標軸とジンバル機構の回転軸の軸心との関係を表す概念図である。
【図4】本実施形態の加速度センサの出力値を表すグラフである。
【図5】比較例の加速度センサの出力値を表すグラフである。
【図6】比較例の加速度センサの出力値を表すグラフである。
【図7】本実施形態の制御部が加速度センサの出力値を取得するタイミングを説明するグラフである。
【図8】本実施形態の制御部が取得した加速度センサの出力値のサンプリングを表すグラフである。
【図9】エンコーダのアナログ出力値のサンプリングを説明するグラフである。
【図10】本実施形態の制御部が取得した加速度センサの出力値のサンプリングの第１例を例示するグラフである。
【図11】加速度センサのＺ軸が鉛直軸と平行である場合を説明する模式図である。
【図12】本実施形態の制御部が取得した加速度センサの出力値のサンプリングの第２例を例示するグラフである。
【図13】加速度センサのＺ軸が鉛直軸から傾いている場合を説明する模式図である。
【図14】本実施形態の加速度センサのＸ軸の軌跡の一例を例示する模式図である。
【図15】本発明の実施形態に係るデータ取得装置を表す斜視図である。
【図16】本実施形態のレーザスキャナを表すブロック図である。
【図17】本実施形態の偏向部を表す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0027】
以下に、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照して詳しく説明する。
なお、以下に説明する実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。また、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
なお、以下に説明する実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。また、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【0028】
図１は、本発明の実施形態に係る傾斜センサを表す概略図である。
図２は、本実施形態に係る傾斜センサを表すブロック図である。
なお、図１に表した概略図において、重力の方向および重力の反対方向は、図１の紙面に垂直な方向である。
図２は、本実施形態に係る傾斜センサを表すブロック図である。
なお、図１に表した概略図において、重力の方向および重力の反対方向は、図１の紙面に垂直な方向である。
【0029】
本実施形態に係る傾斜センサ６は、矩形枠形状の外フレーム６１と、外フレーム６１の内部に設けられた矩形枠形状の内フレーム６２と、内フレーム６２の内部に設けられた傾斜検出ユニット６３と、を備える。
【0030】
傾斜検出ユニット６３は、左右軸６４に支持されている。本実施形態の左右軸６４は、本発明の「第２軸」の一例である。左右軸６４の両端部は、内フレーム６２に設けられた軸受６４１，６４１に回転自在に嵌合する。左右軸６４は、左右軸心６４６を有する。傾斜検出ユニット６３は、左右軸６４を中心に前後方向に３６０゜回転自在となっている。
【0031】
前後軸６５，６５が、内フレーム６２の後面（図１では上面）、前面（図１では下面）から突設されている。本実施形態の前後軸６５は、本発明の「第１軸」の一例である。前後軸６５，６５は、外フレーム６１に設けられた軸受６５１，６５１と回転自在に嵌合する。前後軸６５，６５は、左右軸心６４６と直交する前後軸心６５６を有する。内フレーム６２は、前後軸６５，６５を中心に左右方向に３６０゜回転自在となっている。
【0032】
傾斜検出ユニット６３は、外フレーム６１に対して２軸方向に回転自在に支持されている。内フレーム６２を回転自在に支持する機構、および傾斜検出ユニット６３を回転自在に支持する機構は、ジンバル機構６０を構成する。傾斜検出ユニット６３は、外フレーム６１に対してジンバル機構６０を介して支持されている。内フレーム６２の回転を制約する機構が存在しないため、傾斜検出ユニット６３は、外フレーム６１に対して全方向に自在に回転することができる。
【0033】
左右軸６４の一端部には、第２被動ギア６４２が嵌着されている。第２被動ギア６４２には、第２駆動ギア６４３が噛合している。又、内フレーム６２の側面（図１では左側面）には、第２モータ６４４が設けられている。第２駆動ギア６４３は、第２モータ６４４の出力軸に嵌着されている。
【0034】
左右軸６４の他端部には、第２エンコーダ６４５が設けられている。第２エンコーダ６４５は、内フレーム６２に対する傾斜検出ユニット６３の前後方向の回転角すなわち左右軸６４の回転度を検出する。第２エンコーダ６４５としては、例えばインクリメントタイプのロータリーエンコーダや、アブソリュートタイプのロータリーエンコーダなどが挙げられる。
【0035】
前後軸６５，６５の一方（図１では下側）の前後軸６５には第１被動ギア６５２が嵌着されている。第１被動ギア６５２には、第１駆動ギア６５３が噛合している。又、外フレーム６１の下面には第１モータ６５４が設けられている。第１駆動ギア６５３は、第１モータ６５４の出力軸に嵌着されている。
【0036】
前後軸６５，６５の他方（図１では上側）の前後軸６５には、第１エンコーダ６５５が設けられている。第１エンコーダ６５５は、内フレーム６２の外フレーム６１に対する左右方向の回転角すなわち前後軸６５の回転度を検出する。第１エンコーダ６５５としては、例えばインクリメントタイプのロータリーエンコーダや、アブソリュートタイプのロータリーエンコーダなどが挙げられる。
【0037】
図２に表したように、制御部６６は、演算処理部６６１と、入出力制御部６６２と、を有する。本実施形態の制御部６６は、本発明の「傾斜センサの制御部」すなわち「第１制御部」の一例である。第１エンコーダ６５５は、Ａ／Ｄ変換器６６４を介して入出力制御部６６２に電気的に接続されている。第２エンコーダ６４５は、Ａ／Ｄ変換器６６４を介して入出力制御部６６２に電気的に接続されている。
【0038】
傾斜検出ユニット６３は、加速度センサ６３１を有する。加速度センサ６３１は、入出力制御部６６２に電気的に接続されている。具体的には、加速度センサ６３１は、Ａ／Ｄ変換器６６４を介して入出力制御部６６２に検出信号を送信する。また、加速度センサ６３１は、入出力制御部６６２から送信された制御信号を受信する。
【0039】
傾斜センサ６について、図２により更に説明する。
傾斜センサ６は、第１エンコーダ６５５と、第２エンコーダ６４５と、加速度センサ６３１と、第１モータ６５４と、第２モータ６４４と、記憶部６６３と、制御部６６と、を具備している。制御部６６は、演算処理部６６１と、入出力制御部６６２と、を有する。
傾斜センサ６は、第１エンコーダ６５５と、第２エンコーダ６４５と、加速度センサ６３１と、第１モータ６５４と、第２モータ６４４と、記憶部６６３と、制御部６６と、を具備している。制御部６６は、演算処理部６６１と、入出力制御部６６２と、を有する。
【0040】
記憶部７３は、傾斜角を検出する為の演算プログラム等のプログラム、及び演算データ等のデータ類を格納している。
【0041】
入出力制御部６６２は、演算処理部６６１から出力される制御指令に基づき第１モータ６５４および第２モータ６４４を駆動し、演算処理部６６１で演算された傾斜検出結果を出力する。第１モータ６５４は、第１駆動ギア６５３および第１被動ギア６５２を介して前後軸６５を回転させる。第２モータ６４４は、第２駆動ギア６４３および第２被動ギア６４２を介して左右軸６４を回転させる。
【0042】
第１エンコーダ６５５は、第１モータ６５４の回転角すなわち第１モータ６５４により回転する前後軸６５の回転角を検出する。第２エンコーダ６４５は、第２モータ６４４の回転角すなわち第２モータ６４４により回転する左右軸６４の回転角を検出する。
【0043】
加速度センサ６３１は、傾斜変化を高応答性で検出することができる。加速度センサ６３１は、各軸が互いに直交する３軸の加速度を取得可能となっている。
【0044】
演算処理部６６１は、入出力制御部６６２を介して加速度センサ６３１から受信した検出結果に基づき、傾斜角および傾斜方向を演算し、演算した傾斜角および傾斜方向に相当する第１エンコーダ６５５の回転角および第２エンコーダ６４５の回転角を演算する。例えば、演算制御部６６１は、以下の式を用い、加速度センサ６３１から受信した検出結果に基づいて水平方向に対する傾斜角を算出する。
【数1】
【0045】
傾斜センサ６は、外フレーム６１が水平に設置された場合に、加速度センサ６３１が水平を検出する様に設定され、更に第１エンコーダ６５５の出力および第２エンコーダ６４５の出力が共に基準位置（回転角０゜）を示す様に設定される。
【0046】
以下、傾斜センサ６の作用について説明する。
図３は、加速度センサの座標軸とジンバル機構の回転軸の軸心との関係を表す概念図である。
図４は、本実施形態の加速度センサの出力値を表すグラフである。
図５および図６は、比較例の加速度センサの出力値を表すグラフである。
図３は、加速度センサの座標軸とジンバル機構の回転軸の軸心との関係を表す概念図である。
図４は、本実施形態の加速度センサの出力値を表すグラフである。
図５および図６は、比較例の加速度センサの出力値を表すグラフである。
【0047】
なお、図５は、前後軸６５のみを中心として回転する加速度センサ６３１の出力値を表すグラフである。図６は、左右軸６４のみを中心として回転する加速度センサ６３１の出力値を表すグラフである。
また、図４（ａ）、図５（ａ）および図６（ａ）は、時間と、加速度センサ６３１のＸ軸出力値と、の関係を表すグラフである。図４（ｂ）、図５（ｂ）および図６（ｂ）は、時間と、加速度センサ６３１のＹ軸出力値と、の関係を表すグラフである。図４（ｃ）、図５（ｃ）および図６（ｃ）は、時間と、加速度センサ６３１のＺ軸出力値と、の関係を表すグラフである。
また、図４（ａ）、図５（ａ）および図６（ａ）は、時間と、加速度センサ６３１のＸ軸出力値と、の関係を表すグラフである。図４（ｂ）、図５（ｂ）および図６（ｂ）は、時間と、加速度センサ６３１のＹ軸出力値と、の関係を表すグラフである。図４（ｃ）、図５（ｃ）および図６（ｃ）は、時間と、加速度センサ６３１のＺ軸出力値と、の関係を表すグラフである。
【0048】
まず、加速度センサ６３１の座標軸と、ジンバル機構６０の回転軸（左右軸６４および前後軸６５）の軸心（左右軸心６４６、前後軸心６５６）と、の関係を、図３を参照して説明する。
【0049】
加速度センサ６３１の座標軸は、Ｘ軸６３２と、Ｙ軸６３３と、Ｚ軸６３４と、を有する。図３に表したように、加速度センサ６３１は、加速度センサ６３１の座標軸の原点が左右軸６４の左右軸心６４６と前後軸６５の前後軸心６５６との交点に一致した状態で、内フレーム６２を回転自在に支持する機構と傾斜検出ユニット６３を回転自在に支持する機構とを有するジンバル機構６０に設置されている。そのため、加速度センサ６３１は、左右軸６４の左右軸心６４６と前後軸６５の前後軸心６５６との交点（すなわちジンバル機構６０の原点）を中心として回転することができる。Ｘ軸６３２は、前後軸６５の前後軸心６５６に一致する。Ｙ軸６３３は、左右軸６４の左右軸心６４６に一致する。Ｚ軸６３４は、鉛直軸心６７６に一致する。
【0050】
制御部６６（具体的には入出力制御部６６２）は、図３に表した矢印Ａ１および矢印Ａ２のように、第１モータ６５４および第２モータ６４４の両方を同時に駆動して前後軸６５および左右軸６４の両方を同時に回転させ、前後軸６５および左右軸６４を中心として加速度センサ６３１を連続的に回転させる。そして、制御部６６（具体的には演算処理部６６１）は、加速度センサ６３１の出力値に対して周波数解析を適用することにより水平方向に対する傾斜角を演算する。
【0051】
【0052】
まず、図５（ａ）～図５（ｃ）を参照して、制御部６６が第１モータ６５４のみを駆動し前後軸６５のみを中心として加速度センサ６３１を連続的に回転させる場合を説明する。制御部６６が第１モータ６５４のみを駆動し前後軸６５のみを中心として加速度センサ６３１を連続的に回転させると、時間と、加速度センサ６３１の出力値と、の関係は、図５（ａ）～図５（ｃ）に表したグラフの通りになる。
【0053】
すなわち、加速度センサ６３１が前後軸６５のみを中心として回転するため、加速度センサ６３１が連続的に回転しても、加速度センサ６３１のＸ軸６３２は、重力の方向に略垂直のままである。一方で、加速度センサ６３１が前後軸６５のみを中心として回転するため、加速度センサ６３１が連続的に回転すると、加速度センサ６３１のＹ軸６３３および加速度センサ６３１のＺ軸６３４のそれぞれは、一定周期毎に、重力の方向に略平行になったり、重力の方向に略直交になったり、重力の反対方向に略平行になったりする。そのため、図５（ａ）～図５（ｃ）に表したように、加速度センサ６３１のＸ軸出力値の振幅は、加速度センサ６３１のＹ軸出力値の振幅および加速度センサ６３１のＺ軸出力値の振幅よりも小さい。言い換えれば、加速度センサ６３１のＹ軸出力値の振幅および加速度センサ６３１のＺ軸出力値の振幅は、加速度センサ６３１のＸ軸出力値の振幅よりも大きい。
【0054】
図５（ｂ）に表したように、Ｙ軸出力値は、Ｙ軸６３３の正方向が重力の方向に略平行になったときに極大になり、Ｙ軸６３３の正方向が重力の反対方向に略平行になったときに極小になり、Ｙ軸６３３の正方向が重力の方向に略直交するときに中央値になる。言い換えれば、Ｙ軸出力値は、Ｙ軸６３３の正方向が重力の方向に一致したときに最大になり、Ｙ軸６３３の正方向が重力の反対方向に一致したときに最小になり、Ｙ軸６３３の正方向が重力の直交方向に一致したときに中央値になる。これは、図５（ｃ）に表したように、Ｚ軸出力値についても同様である。
【0055】
続いて、図６（ａ）～図６（ｃ）を参照して、制御部６６が第２モータ６４４のみを駆動し左右軸６４のみを中心として加速度センサ６３１を連続的に回転させる場合を説明する。制御部６６が第２モータ６４４のみを駆動し左右軸６４のみを中心として加速度センサ６３１を連続的に回転させると、時間と、加速度センサ６３１の出力値と、の関係は、図６（ａ）～図６（ｃ）に表したグラフの通りになる。
【0056】
すなわち、加速度センサ６３１が左右軸６４のみを中心として回転するため、加速度センサ６３１が連続的に回転しても、加速度センサ６３１のＹ軸６３３は、重力の方向に略垂直のままである。一方で、加速度センサ６３１が左右軸６４のみを中心として回転するため、加速度センサ６３１が連続的に回転すると、加速度センサ６３１のＸ軸６３２および加速度センサ６３１のＺ軸６３４のそれぞれは、一定周期毎に、重力の方向に略平行になったり、重力の方向に略直交になったり、重力の反対方向に略平行になったりする。そのため、図６（ａ）～図６（ｃ）に表したように、加速度センサ６３１のＹ軸出力値の振幅は、加速度センサ６３１のＸ軸出力値の振幅および加速度センサ６３１のＺ軸出力値の振幅よりも小さい。言い換えれば、加速度センサ６３１のＸ軸出力値の振幅および加速度センサ６３１のＺ軸出力値の振幅は、加速度センサ６３１のＹ軸出力値の振幅よりも大きい。
【0057】
図６（ａ）に表したように、Ｘ軸出力値は、Ｘ軸６３２の正方向が重力の方向に略平行になったときに極大になり、Ｘ軸６３２の正方向が重力の反対方向に略平行になったときに極小になり、Ｘ軸６３２の正方向が重力の方向に略直交するときに中央値になる。言い換えれば、Ｘ軸出力値は、Ｘ軸６３２の正方向が重力の方向に一致したときに最大になり、Ｘ軸６３２の正方向が重力の反対方向に一致したときに最小になり、Ｘ軸６３２の正方向が重力の直交方向に一致したときに中央値になる。これは、図６（ｃ）に表したように、Ｚ軸出力値についても同様である。
【0058】
ここで、図５（ａ）～図５（ｃ）に関して前述したように、制御部６６は、第１モータ６５４のみを駆動し前後軸６５のみを回転させる場合には、加速度センサ６３１の各軸（例えばＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）に第１モータ６５４および第２モータ６４４の両方の回転の影響が表れてしまうことを抑え、加速度センサ６３１のＸ軸出力値よりも加速度センサ６３１のＹ軸出力値を高くすることができる。また、図６（ａ）～図６（ｃ）に関して前述したように、制御部６６は、第２モータ６４４のみを駆動し左右軸６４のみを回転させる場合には、加速度センサ６３１の各軸（例えばＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）に第１モータ６５４および第２モータ６４４の両方の回転の影響が表れてしまうことを抑え、加速度センサ６３１のＹ軸出力値よりも加速度センサ６３１のＸ軸出力値を高くすることができる。これによれば、傾斜センサ６は、より高い精度で傾斜角を検出することができる。
【0059】
しかし、制御部６６が、第１モータ６５４および第２モータ６４４のいずれか一方のみを駆動し前後軸６５および左右軸６４のいずれか一方のみを回転させる場合には、水平方向に対する傾斜角をリアルタイムで検知するという点において改善の余地がある。すなわち、制御部６６は、第１モータ６５４および第２モータ６４４のいずれか一方のみを駆動し前後軸６５および左右軸６４のいずれか一方のみを回転させる場合には、第１モータ６５４のみを駆動し前後軸６５のみを回転させる場合と、第２モータ６４４のみを駆動し左右軸６４のみを回転させる場合と、で別々に水平方向に対する傾斜角を演算する必要がある。また、傾斜センサ６が用いられる測量装置および画像取得装置等のデータ取得装置によっては、水平方向に対する傾斜角をリアルタイムで検知することが望まれる場合がある。このような場合において、制御部６６が、第１モータ６５４および第２モータ６４４のいずれか一方のみを駆動し前後軸６５および左右軸６４のいずれか一方のみを回転させると、第１モータ６５４のみを駆動し前後軸６５のみを回転させる場合と、第２モータ６４４のみを駆動し左右軸６４のみを回転させる場合と、で別々に水平方向に対する傾斜角を演算する必要があるため、水平方向に対する傾斜角をリアルタイムで検知するという点において改善の余地がある。
【0060】
これに対して、本実施形態に係る傾斜センサ６の制御部６６は、第１モータ６５４および第２モータ６４４の両方を同時に駆動して前後軸６５および左右軸６４の両方を同時に回転させ、前後軸６５および左右軸６４を中心として加速度センサ６３１を連続的に回転させる。この場合において、時間と、加速度センサ６３１の出力値と、の関係は、図４（ａ）～図４（ｃ）に表したグラフの通りになる。
【0061】
すなわち、加速度センサ６３１が前後軸６５および左右軸６４を中心として回転するため、加速度センサ６３１が連続的に回転すると、加速度センサ６３１のＸ軸６３２、Ｙ軸６３３およびＺ軸６３４は、一定周期毎に、重力の方向に略平行になったり、重力の方向に略直交になったり、重力の反対方向に略平行になったりする。そのため、図４（ａ）～図４（ｃ）に表したように、加速度センサ６３１の出力値の極値は、前後軸６５の回転角および左右軸６４の回転角の両方の影響を受ける。すなわち、加速度センサ６３１の各軸（例えばＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）に第１モータ６５４および第２モータ６４４の両方の回転の影響が表れてしまう。このままでは、制御部６６が水平方向に対する傾斜角を導出することは困難である。
【0062】
これに対して、本実施形態に係る傾斜センサ６の制御部６６は、加速度センサ６３１の出力値（すなわちＸ軸出力値、Ｙ軸出力値、Ｚ軸出力値）に対して周波数解析を適用することにより水平方向に対する傾斜角を演算する。
【0063】
本実施形態に係る傾斜センサ６によれば、制御部６６は、加速度センサ６３１の出力値に対して周波数解析を適用することにより、第１モータ６５４が回転した時の加速度センサ６３１の各軸（例えばＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の振る舞いと、第２モータ６４４が回転した時の加速度センサ６３１の各軸（例えばＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の振る舞いと、を互いに分離し、水平方向に対する傾斜角の検出精度を確保することができる。つまり、制御部６６は、例えば、第１モータ６５４のみを駆動し前後軸６５のみを回転させたり、第２モータ６４４のみを駆動し左右軸６４のみを回転させたりしなくとも、第１モータ６５４および第２モータ６４４を駆動して前後軸６５および左右軸６４を同時に回転させ、加速度センサ６３１の出力値に対して周波数解析を適用することにより水平方向に対する傾斜角を演算できる。そのため、制御部６６は、前後軸６５のみを回転させた場合と、左右軸６４のみを回転させた場合と、で別々に水平方向に対する傾斜角を演算する必要はなく、前後軸６５および左右軸６４を同時に回転させて水平方向に対する傾斜角を演算できる。これにより、本実施形態に係る傾斜センサ６は、水平方向に対する傾斜角をリアルタイムで検知することができる。
【0064】
また、加速度センサが温度や気圧や湿度や磁場などの環境の変化による影響を受けると、加速度センサの出力値にドリフトが生ずることがある。あるいは、加速度センサが環境の変化による影響を受け続けると、加速度センサの出力値が経時的に変化し、加速度センサの出力値にドリフトが生ずることがある。
【0065】
これに対して、本実施形態に係る傾斜センサ６の制御部６６は、加速度センサ６３１の出力値自体ではなく加速度センサ６３１の出力値に対して周波数解析を適用した結果に基づいて水平方向に対する傾斜角を演算する。そのため、制御部６６は、加速度センサ６３１の高精度な出力値を取得しなくとも、加速度センサ６３１の出力値に対して周波数解析を適用することで水平方向に対する傾斜角を演算することができる。これにより、本実施形態に係る傾斜センサ６は、周波数解析を用いることで、加速度センサ６３１の出力値にドリフトが発生しても水平方向に対する傾斜角の検出精度を確保することができる。また、高精度な検出が可能なチルトセンサなどが不要であるため、傾斜センサ６の小型化を図ることができる。
【0066】
また、第１モータ６５４および第２モータ６４４の制御周期に依存する加速度変化や、第１モータ６５４および第２モータ６４４が有するコギングトルクの影響による加速度変化などが、加速度センサ６３１の出力値に含まれることがある。
これに対して、本実施形態に係る傾斜センサ６では、加速度センサ６３１のサンプリング周期と、第１モータ６５４および第２モータ６４４の制御周期と、を互いに一致させることで、周波数解析を適用した際に制御周期に依存する加速度、コギングトルクの影響による加速度変化の平均値を０にすることで、より高い精度で傾斜角を検出することができる。
これに対して、本実施形態に係る傾斜センサ６では、加速度センサ６３１のサンプリング周期と、第１モータ６５４および第２モータ６４４の制御周期と、を互いに一致させることで、周波数解析を適用した際に制御周期に依存する加速度、コギングトルクの影響による加速度変化の平均値を０にすることで、より高い精度で傾斜角を検出することができる。
【0067】
なお、制御部６６は、第１モータ６５４および第２モータ６４４の駆動を制御し、前後軸６５および左右軸６４を一定速度で回転させてもよく、前後軸６５および左右軸６４を変速で回転させてもよい。制御部６６は、前後軸６５および左右軸６４を一定速度で回転させる場合には、重力以外の加速度が加速度センサ６３１に発生することを抑えることができる。また、図４（ａ）～図４（ｃ）に表したように、制御部６６は、Ｘ軸出力値およびＹ軸出力値の少なくともいずれかを正弦波にフィッティングさせ、ノイズを軽減した状態で傾斜角を算出することができる。これにより、制御部６６が前後軸６５および左右軸６４を一定速度で回転させる場合には、本実施形態に係る傾斜センサ６は、より高い精度で傾斜角を検出することができる。なお、制御部６６は、前後軸６５および左右軸６４の回転速度を例えば２０ｒｐｓ以下程度に設定する。但し、前後軸６５および左右軸６４の回転速度は、２０ｒｐｓ以下に限定されるわけではない。また、制御部６６は、前後軸６５および左右軸６４を互いに同じ速度で回転させてもよく、互いに異なる速度で回転させてもよい。
【0068】
次に、本実施形態に係る傾斜センサ６の具体的な作用を、図面を参照してさらに説明する。
図７は、本実施形態の制御部が加速度センサの出力値を取得するタイミングを説明するグラフである。
図８は、本実施形態の制御部が取得した加速度センサの出力値のサンプリングを表すグラフである。
図９は、エンコーダのアナログ出力値のサンプリングを説明するグラフである。
図７は、本実施形態の制御部が加速度センサの出力値を取得するタイミングを説明するグラフである。
図８は、本実施形態の制御部が取得した加速度センサの出力値のサンプリングを表すグラフである。
図９は、エンコーダのアナログ出力値のサンプリングを説明するグラフである。
【0069】
なお、図７（ａ）は、時間と、本実施形態のエンコーダの出力信号と、の関係を表すグラフである。図７（ｂ）は、時間と、加速度センサ６３１の出力値と、の関係を表すグラフである。図７（ｃ）は、本実施形態のエンコーダの角度と、加速度センサ６３１の出力値のサンプリングと、の関係を表すグラフである。
また、図８（ａ）は、エンコーダの角度と、加速度センサ６３１のＸ軸出力値と、の関係を表すグラフである。図８（ｂ）は、エンコーダの角度と、加速度センサ６３１のＹ軸出力値と、の関係を表すグラフである。図８（ｃ）は、エンコーダの角度と、加速度センサ６３１のＺ軸出力値と、の関係を表すグラフである。
図７（ａ）および図７（ｃ）～図８（ｃ）に表した「エンコーダ」は、第１エンコーダ６５５および第２エンコーダ６４５の少なくともいずれかである。
また、図８（ａ）は、エンコーダの角度と、加速度センサ６３１のＸ軸出力値と、の関係を表すグラフである。図８（ｂ）は、エンコーダの角度と、加速度センサ６３１のＹ軸出力値と、の関係を表すグラフである。図８（ｃ）は、エンコーダの角度と、加速度センサ６３１のＺ軸出力値と、の関係を表すグラフである。
図７（ａ）および図７（ｃ）～図８（ｃ）に表した「エンコーダ」は、第１エンコーダ６５５および第２エンコーダ６４５の少なくともいずれかである。
【0070】
本実施形態の制御部６６は、エンコーダの角度が所定角度を示すタイミングで加速度センサ６３１の出力値を取得する。すなわち、本実施形態の制御部６６は、エンコーダの一定角度ごとに加速度センサ６３１の出力値のサンプリングを実行する。そして、制御部６６は、エンコーダの角度と、加速度センサ６３１の出力値と、を同期させる制御を実行する。
【0071】
例えば、図７（ａ）に表したように、エンコーダがインクリメントタイプのロータリーエンコーダである場合において、エンコーダの出力信号は、矩形波を呈する。この場合において、図７（ｂ）に表したように、制御部６６は、エンコーダの出力信号の立ち上がり（オフ（暗）からオン（明）への切り替わり）のタイミング、およびエンコーダの出力信号の立ち下がり（オン（明）からオフ（暗）への切り替わり）のタイミングで加速度センサ６３１の出力値を取得する。すなわち、制御部６６は、エンコーダの出力信号に基づいて加速度センサ６３１の出力値を取得するタイミングを検知し、そのタイミングで加速度センサ６３１の出力値を取得する。これにより、図７（ｃ）に表したように、制御部６６は、エンコーダの角度と加速度センサ６３１の出力値との関係、すなわちエンコーダの角度に対する加速度センサ６３１の出力値を導き出すことができる。そして、制御部６６は、エンコーダの角度と、加速度センサ６３１の出力値と、を同期させる制御を実行する。
【0072】
具体的に説明すると、図８（ａ）に表したように、制御部６６は、エンコーダの角度が所定角度を示すタイミングで加速度センサ６３１のＸ軸出力値を取得し、エンコーダの角度と、加速度センサ６３１のＸ軸出力値と、を同期させる。また、図８（ｂ）に表したように、制御部６６は、エンコーダの角度が所定角度を示すタイミングで加速度センサ６３１のＹ軸出力値を取得し、エンコーダの角度と、加速度センサ６３１のＹ軸出力値と、を同期させる。また、図８（ｃ）に表したように、制御部６６は、エンコーダの角度が所定角度を示すタイミングで加速度センサ６３１のＺ軸出力値を取得し、エンコーダの角度と、加速度センサ６３１のＺ軸出力値と、を同期させる。
【0073】
図８（ａ）～図８（ｃ）に表したグラフでは、説明の便宜上、加速度センサ６３１が、Ｘ軸６３２に一致した前後軸心６５６を有する前後軸６５を中心として回転する場合を例に挙げている。但し、図３～図４（ｃ）に関して前述したように、本実施形態に係る傾斜センサ６では、前後軸６５および左右軸６４の両方が同時に回転し、加速度センサ６３１は、前後軸６５および左右軸６４を中心として回転する。
【0074】
図８（ａ）に表したグラフの例では、制御部６６は、第１エンコーダ６５５により検出された前後軸６５の回転角が所定角度を示すタイミングで加速度センサ６３１のＸ軸出力値を取得し、前後軸６５の回転角と、加速度センサ６３１のＸ軸出力値と、を同期させる。また、図８（ｂ）に表したグラフの例では、制御部６６は、第１エンコーダ６５５により検出された前後軸６５の回転角が所定角度を示すタイミングで加速度センサ６３１のＹ軸出力値を取得し、前後軸６５の回転角と、加速度センサ６３１のＹ軸出力値と、を同期させる。また、図８（ｃ）に表したグラフの例では、制御部６６は、第１エンコーダ６５５により検出された前後軸６５の回転角が所定角度を示すタイミングで加速度センサ６３１のＺ軸出力値を取得し、前後軸６５の回転角と、加速度センサ６３１のＺ軸出力値と、を同期させる。
【0075】
本実施形態の制御部６６は、第１モータ６５４の制御周期および第２モータ６４４の制御周期の少なくともいずれかと、加速度センサ６３１の出力値を取得する時間間隔（すなわちサンプリング間隔あるいはサンプリング周期）と、を一致させる。図７（ａ）～図８（ｃ）に表したグラフの例では、第１エンコーダ６５５の角度（すなわち前後軸６５の回転角）が４５度の倍数を示すタイミングで加速度センサ６３１の出力値を取得し、第１エンコーダ６５５の角度と、加速度センサ６３１の出力値と、を同期させている。なお、制御部６６が加速度センサ６３１の出力値を取得するタイミングは、これだけに限定されるわけではない。例えば、制御部６６は、エンコーダの角度が３６０／２＾ｋ［ｄｅｇ］（ｋ∈Ｎ）を示すタイミングで２＾ｌ（ｌ∈Ｎ）個の加速度センサ６３１の出力値を取得してもよい。
【0076】
また、図７（ａ）に表したグラフでは、エンコーダの出力は、Ａ／Ｄ変換後のデジタル出力（矩形波）である。但し、エンコーダの出力は、これだけに限定されるわけではない。例えば、制御部６６は、図９（ａ）に表したようなエンコーダのアナログ出力値を、図９（ｂ）に表したように、エンコーダの角度が４５度の倍数を示すタイミングでサンプリングを行い、必要に応じて各測定点間の内挿を行ってもよい。これにより、エンコーダの高分解能や所望の分解能を実現することができる。なお、エンコーダのアナログ出力値のサンプリングを行うタイミングは、エンコーダの角度が４５度の倍数を示すタイミングに限定されるわけではない。
【0077】
前述したように、図８（ａ）～図８（ｃ）に表したグラフでは、説明の便宜上、加速度センサ６３１が、Ｘ軸６３２に一致した前後軸心６５６を有する前後軸６５を中心として回転する場合を例に挙げた。図８（ａ）～図８（ｃ）に関する説明は、加速度センサ６３１が、Ｙ軸６３３に一致した左右軸心６４６を有する左右軸６４を中心として回転する場合についても同様である。そして、制御部６６は、図７（ａ）～図８（ｃ）に関して説明したタイミングで取得した加速度センサ６３１の出力値に対して周波数解析を適用したときのエンコーダの位相に基づいて水平方向に対する傾斜角を演算する。これについて、図面を参照してさらに説明する。
【0078】
図１０は、本実施形態の制御部が取得した加速度センサの出力値のサンプリングの第１例を例示するグラフである。
図１１は、加速度センサのＺ軸が鉛直軸と平行である場合を説明する模式図である。
なお、図１１に表したｚ軸は、鉛直軸である。図１１に表したｘ軸は、鉛直軸に垂直な軸の１つである。図１１に表したｙ軸は、ｚ軸（鉛直軸）およびｘ軸に垂直な軸である。
図１１は、加速度センサのＺ軸が鉛直軸と平行である場合を説明する模式図である。
なお、図１１に表したｚ軸は、鉛直軸である。図１１に表したｘ軸は、鉛直軸に垂直な軸の１つである。図１１に表したｙ軸は、ｚ軸（鉛直軸）およびｘ軸に垂直な軸である。
【0079】
図１１に表した加速度センサ６３１は、説明の便宜上、Ｘ軸６３２に一致した前後軸心６５６を有する前後軸６５を中心として回転する。但し、図３～図４（ｃ）に関して前述したように、本実施形態に係る傾斜センサ６では、前後軸６５および左右軸６４の両方が同時に回転し、加速度センサ６３１は、前後軸６５および左右軸６４を中心として回転する。
【0080】
図７（ａ）～図８（ｃ）に関して前述したように、制御部６６は、第１エンコーダ６５５により検出された前後軸６５の回転角が所定角度を示すタイミングで加速度センサ６３１のＸ軸出力値を取得し、前後軸６５の回転角と、加速度センサ６３１のＸ軸出力値と、を同期させる。この結果は、図１０（ａ）に表したグラフの通りである。また、制御部６６は、第１エンコーダ６５５により検出された前後軸６５の回転角が所定角度を示すタイミングで加速度センサ６３１のＹ軸出力値を取得し、前後軸６５の回転角と、加速度センサ６３１のＹ軸出力値と、を同期させる。この結果は、図１０（ｂ）に表したグラフの通りである。また、制御部６６は、第１エンコーダ６５５により検出された前後軸６５の回転角が所定角度を示すタイミングで加速度センサ６３１のＺ軸出力値を取得し、前後軸６５の回転角と、加速度センサ６３１のＺ軸出力値と、を同期させる。この結果は、図１０（ｃ）に表したグラフの通りである。
【0081】
図１０（ａ）～図１０（ｃ）に表したグラフの例では、第１エンコーダ６５５のスリット円板は、互いに等しい間隔で設けられた４個以上のスリットを有する。そのため、制御部６６は、第１エンコーダ６５５の角度（すなわち前後軸６５の回転角）が４５度の倍数を示すタイミングで加速度センサ６３１の出力値を取得し、第１エンコーダ６５５の角度と、加速度センサ６３１の出力値と、を同期させている。
【0082】
例えば、エンコーダのスリット円板がＮ個のスリットを有する場合において、基準位置（回転角０°）からみたｉ番目のスリットの角度は、３６０ｉ／Ｎで表される。そのため、図１０（ｂ）に表したグラフの例において、加速度センサ６３１のＹ軸出力値が極大を示すときの第１エンコーダ６５５の角度（すなわち前後軸６５の回転角）Ａ１１は、基準位置からみて９０度である。また、図１０（ｃ）に表したグラフの例において、加速度センサ６３１のＺ軸出力値が極大を示すときの第１エンコーダ６５５の角度（すなわち前後軸６５の回転角）Ａ１２は、基準位置からみて１８０度である。
【0083】
そして、制御部６６は、図１０（ａ）～図１０（ｃ）に表した加速度センサ６３１のＸ軸出力値、Ｙ軸出力値およびＺ軸出力値に対して周波数解析を適用したときの第１エンコーダ６５５の位相（すなわち前後軸６５の基準位置からの回転角）に基づいて水平方向に対する傾斜角を演算する。
【0084】
なお、前述したように、図１０（ａ）～図１１では、説明の便宜上、加速度センサ６３１が、Ｘ軸６３２に一致した前後軸心６５６を有する前後軸６５を中心として回転する場合を例に挙げた。図１０（ａ）～図１１に関する説明は、加速度センサ６３１が、Ｙ軸６３３に一致した左右軸心６４６を有する左右軸６４を中心として回転する場合についても同様である。
【0085】
図１２は、本実施形態の制御部が取得した加速度センサの出力値のサンプリングの第２例を例示するグラフである。
図１３は、加速度センサのＺ軸が鉛直軸から傾いている場合を説明する模式図である。
なお、図１３に表したｘ軸、ｙ軸およびｚ軸は、図１１に関して前述した通りである。
図１３は、加速度センサのＺ軸が鉛直軸から傾いている場合を説明する模式図である。
なお、図１３に表したｘ軸、ｙ軸およびｚ軸は、図１１に関して前述した通りである。
【0086】
図１３に表した加速度センサ６３１は、説明の便宜上、Ｘ軸６３２に一致した前後軸心６５６を有する前後軸６５を中心として回転する。但し、図３～図４（ｃ）に関して前述したように、本実施形態に係る傾斜センサ６では、前後軸６５および左右軸６４の両方が同時に回転し、加速度センサ６３１は、前後軸６５および左右軸６４を中心として回転する。
【0087】
図７（ａ）～図８（ｃ）に関して前述したように、制御部６６は、第１エンコーダ６５５により検出された前後軸６５の回転角が所定角度を示すタイミングで加速度センサ６３１のＸ軸出力値を取得し、前後軸６５の回転角と、加速度センサ６３１のＸ軸出力値と、を同期させる。この結果は、図１２（ａ）に表したグラフの通りである。また、制御部６６は、第１エンコーダ６５５により検出された前後軸６５の回転角が所定角度を示すタイミングで加速度センサ６３１のＹ軸出力値を取得し、前後軸６５の回転角と、加速度センサ６３１のＹ軸出力値と、を同期させる。この結果は、図１２（ｂ）に表したグラフの通りである。また、制御部６６は、第１エンコーダ６５５により検出された前後軸６５の回転角が所定角度を示すタイミングで加速度センサ６３１のＺ軸出力値を取得し、前後軸６５の回転角と、加速度センサ６３１のＺ軸出力値と、を同期させる。この結果は、図１２（ｃ）に表したグラフの通りである。
【0088】
図１２（ａ）～図１２（ｃ）に表したグラフの例では、第１エンコーダ６５５のスリット円板は、互いに等しい間隔で設けられた４個以上のスリットを有する。そのため、第１エンコーダ６５５の角度（すなわち前後軸６５の回転角）が４５度の倍数を示すタイミングで加速度センサ６３１の出力値を取得し、第１エンコーダ６５５の角度と、加速度センサ６３１の出力値と、を同期させている。
【0089】
図１２（ｂ）に表したグラフの例において、加速度センサ６３１のＹ軸出力値が極大を示すときの第１エンコーダ６５５の角度（すなわち前後軸６５の回転角）Ａ１３は、基準位置からみて４５度である。また、図１２（ｃ）に表したグラフの例において、加速度センサ６３１のＺ軸出力値が極大を示すときの第１エンコーダ６５５の角度（すなわち前後軸６５の回転角）Ａ１４は、基準位置からみて１３５度である。
【0090】
そして、制御部６６は、図１２（ａ）～図１２（ｃ）に表した加速度センサ６３１のＸ軸出力値、Ｙ軸出力値およびＺ軸出力値に対して周波数解析を適用したときの第１エンコーダ６５５の位相（すなわち前後軸６５の基準位置からの回転角）に基づいて水平方向に対する傾斜角を演算する。
【0091】
なお、前述したように、図１２（ａ）～図１３では、説明の便宜上、加速度センサ６３１が、Ｘ軸６３２に一致した前後軸心６５６を有する前後軸６５を中心として回転する場合を例に挙げた。図１２（ａ）～図１３に関する説明は、加速度センサ６３１が、Ｙ軸６３３に一致した左右軸心６４６を有する左右軸６４を中心として回転する場合についても同様である。
【0092】
以上説明したように、本実施形態に係る傾斜センサ６によれば、制御部６６は、加速度センサ６３１の出力値に対して周波数解析を適用したときの第１エンコーダ６５５により検出された前後軸６５の基準位置からの回転角および第２エンコーダ６４５により検出された左右軸６４の基準位置からの回転角の少なくともいずれかに基づいて水平方向に対する傾斜角を演算する。言い換えれば、制御部６６は、加速度センサ６３１の出力値に対して周波数解析を適用したときの第１エンコーダ６５５の位相および第２エンコーダ６４５の位相の少なくともいずれかに基づいて水平方向に対する傾斜角を演算する。これにより、本実施形態に係る傾斜センサ６は、水平方向に対する傾斜角の検出精度を確保することができるとともに、水平方向に対する傾斜角をリアルタイムで検知することができる。
【0093】
また、制御部６６は、前後軸６５の回転角および左右軸６４の回転角の少なくともいずれかと、加速度センサ６３１の出力値と、を同期させる。これにより、加速度センサ６３１が所定の出力値を示すタイミングと、そのタイミングにおける前後軸６５の回転角および左右軸６４の回転角と、の関係がずれることを抑えることができる。また、制御部６６は、第１エンコーダ６５５により検出された前後軸６５の回転角および第２エンコーダ６４５により検出された左右軸６４の回転角の少なくともいずれかが所定角度を示すタイミングで加速度センサ６３１の出力値を取得する。すなわち、制御部６６は、一定時間ごとではなく、第１エンコーダ６５５および第２エンコーダ６４５の少なくともいずれかの一定角度ごとに加速度センサ６３１の出力値のサンプリングを実行する。これにより、例えば、加速度センサ６３１が回転する際に、加速度センサ６３１やジンバル機構６０などの回転体のアンバランスによって、第１モータ６５４および第２モータ６４４の少なくともいずれかに加減速が生じた場合であっても、加速度センサ６３１が所定の出力値を示すタイミングと、そのタイミングにおける前後軸６５の回転角および左右軸６４の回転角と、の関係がずれることをより確実に抑え、前後軸６５の回転角および左右軸６４の回転角の少なくともいずれかと、加速度センサ６３１の出力値と、をより確実に同期させることができる。
【0094】
また、制御部６６は、第１エンコーダ６５５の出力信号および第２エンコーダ６４５の出力信号の少なくともいずれかに基づいて加速度センサ６３１の出力値を取得するタイミングを検知し、そのタイミングで加速度センサ６３１の出力値を取得する。つまり、制御部６６は、第１エンコーダ６５５の出力信号および第２エンコーダ６４５の出力信号の少なくともいずれかをトリガとして加速度センサ６３１の出力値を取得し、前後軸６５の回転角および左右軸６４の回転角の少なくともいずれかと、加速度センサ６３１の出力値と、を同期させる。これにより、加速度センサ６３１が所定の出力値を示すタイミングと、そのタイミングにおける前後軸６５の回転角および左右軸６４の回転角と、の関係がずれることをより確実に抑え、前後軸６５の回転角および左右軸６４の回転角の少なくともいずれかと、加速度センサ６３１の出力値と、をより確実に同期させることができる。
【0095】
さらに、制御部６６は、第１モータ６５４の制御周期および第２モータ６４４の制御周期の少なくともいずれかと、加速度センサ６３１の出力値を取得する時間間隔と、を一致させる。これにより、第１モータ６５４および第２モータ６４４の少なくともいずれかに周期的な加減速が生じた場合であっても、第１モータ６５４および第２モータ６４４の周期的な加減速が加速度センサ６３１の出力値に与える影響を抑えることができる。これにより、本実施形態に係る傾斜センサ６は、より高い精度で傾斜角を検出することができる。
【0096】
次に、本実施形態に係る傾斜センサの自己キャリブレーション機能を、図面を参照して説明する。
図１４は、本実施形態の加速度センサのＸ軸の軌跡の一例を例示する模式図である。
図１４は、本実施形態の加速度センサのＸ軸の軌跡の一例を例示する模式図である。
【0097】
本実施形態に係る傾斜センサ６は、前後軸６５の前後軸心６５６と、加速度センサ６３１のＸ軸６３２と、の軸ぶれ（すなわち軸の角度ずれ）を計算する自己キャリブレーション機能を有する。
【0098】
すなわち、制御部６６は、軸ぶれの自己キャリブレーション機能を実行する場合には、図１４（ａ）に表した矢印Ａ１のように、第１モータ６５４を駆動して前後軸６５を３６０度以上回転させ、前後軸６５を中心として加速度センサ６３１を３６０度以上回転させる。前後軸６５の前後軸心６５６と、加速度センサ６３１のＸ軸６３２と、の軸ぶれが存在する場合には、加速度センサ６３１のＸ軸６３２の軌跡は、例えば図１４（ｂ）あるいは図１４（ｃ）に表した通りになる。図１４（ｂ）に表した例では、加速度センサ６３１のＸ軸６３２の軌跡と、前後軸６５の前後軸心６５６と、の間の角度θは、０度よりも大きく４５度未満である。また、図１４（ｃ）に表した例では、加速度センサ６３１のＸ軸６３２の軌跡と、前後軸６５の前後軸心６５６と、の間の角度θは、４５度である。
【0099】
前後軸６５の前後軸心６５６と、加速度センサ６３１のＸ軸６３２と、の軸ぶれＲ１，Ｒ２が相対的に大きいほど、加速度センサ６３１の出力値の振幅は、相対的に大きい。そのため、制御部６６は、第１モータ６５４を駆動して前後軸６５を３６０度以上回転させ、前後軸６５を中心として加速度センサ６３１を３６０度以上回転させて、加速度センサ６３１の出力値の振幅を取得することにより、前後軸６５の前後軸心６５６と、加速度センサ６３１のＸ軸６３２と、の軸ぶれＲ１，Ｒ２を算出することができる。
【0100】
なお、制御部６６は、第２モータ６４４を駆動して左右軸６４を３６０度以上回転させ、左右軸６４を中心として加速度センサ６３１を３６０度以上回転させることができる。この場合には、制御部６６は、加速度センサ６３１の出力値の振幅を取得することにより、左右軸６４の左右軸心６４６と、加速度センサ６３１のＹ軸６３３と、の軸ぶれを算出することができる。
【0101】
また、本実施形態に係る傾斜センサ６は、加速度センサ６３１に発生する遠心力を計算する自己キャリブレーション機能を有する。
【0102】
すなわち、制御部６６は、第１エンコーダ６５５により検出された前後軸６５の回転角に基づいて前後軸６５の回転速度を演算する。また、制御部６６は、第２エンコーダ６４５により検出された左右軸６４の回転角に基づいて左右軸６４の回転速度を演算する。そして、制御部６６は、加速度センサ６３１に発生する遠心力を演算する。さらに、制御部６６は、加速度センサ６３１の出力値から、演算により求めた加速度センサ６３１に発生する遠心力を除去する演算を実行する。すなわち、制御部６６は、加速度センサ６３１の出力値に含まれる遠心力に関する成分を除去する演算を実行する。
【0103】
これによれば、例えば前後軸６５および左右軸６４が一定速度で回転するときに加速度センサ６３１に発生する遠心力や、加速度センサ６３１のＸ軸６３２が前後軸６５の前後軸心６５６に一致していない場合および加速度センサ６３１のＹ軸６３３が左右軸６４の左右軸心６４６に一致していない場合に、加速度センサ６３１に発生する遠心力などの影響による加速度が、加速度センサ６３１の出力値に含まれる場合であっても、制御部６６は、加速度センサ６３１の出力値に含まれる遠心力に関する成分を除去する演算を実行することができる。これにより、本実施形態に係る傾斜センサ６は、より高い精度で傾斜角を検出することができる。
【0104】
次に、本発明の実施形態に係るデータ取得装置ついて説明する。
なお、本実施形態に係るデータ取得装置が備える傾斜センサの構成要素が、図１～図１４に関して前述した本実施形態に係る傾斜センサの構成要素と同様である場合には、重複する説明は適宜省略し、以下、相違点を中心に説明する。
なお、本実施形態に係るデータ取得装置が備える傾斜センサの構成要素が、図１～図１４に関して前述した本実施形態に係る傾斜センサの構成要素と同様である場合には、重複する説明は適宜省略し、以下、相違点を中心に説明する。
【0105】
図１５は、本発明の実施形態に係るデータ取得装置を表す斜視図である。
本実施形態に係るデータ取得装置の例としては、例えば、測定点の３次元座標（３次元データ）を高精度に測定するトータルステーション、測距光としてパルスレーザ光を回転照射しパルスレーザ光毎に測距を行い点群データを取得するレーザスキャナユニット、土木工事などを行う際の基準線を設定するレーザ照射装置（パイプレーザ）、および回転レーザなどが挙げられる。本実施形態の説明では、本実施形態に係る傾斜センサ６を備えるデータ取得装置の一例として、レーザスキャナユニットを挙げる。なお、以下に説明するレーザスキャナユニットには、一対の光学プリズム３６ａ，３６ｂを有する偏向部３５が設けられているが、本実施形態に係る傾斜センサ６は、一対の光学プリズム３６ａ，３６ｂが設けられたレーザスキャナユニットだけに適用されるわけではなく、一対の光学プリズム３６ａ，３６ｂが設けられていない一般的なレーザスキャナユニットにも適用可能である。また、本実施形態に係る傾斜センサ６は、レーザスキャナ専用として使用されるわけではなく、一般的な傾斜センサとして使用可能である。
本実施形態に係るデータ取得装置の例としては、例えば、測定点の３次元座標（３次元データ）を高精度に測定するトータルステーション、測距光としてパルスレーザ光を回転照射しパルスレーザ光毎に測距を行い点群データを取得するレーザスキャナユニット、土木工事などを行う際の基準線を設定するレーザ照射装置（パイプレーザ）、および回転レーザなどが挙げられる。本実施形態の説明では、本実施形態に係る傾斜センサ６を備えるデータ取得装置の一例として、レーザスキャナユニットを挙げる。なお、以下に説明するレーザスキャナユニットには、一対の光学プリズム３６ａ，３６ｂを有する偏向部３５が設けられているが、本実施形態に係る傾斜センサ６は、一対の光学プリズム３６ａ，３６ｂが設けられたレーザスキャナユニットだけに適用されるわけではなく、一対の光学プリズム３６ａ，３６ｂが設けられていない一般的なレーザスキャナユニットにも適用可能である。また、本実施形態に係る傾斜センサ６は、レーザスキャナ専用として使用されるわけではなく、一般的な傾斜センサとして使用可能である。
【0106】
図１５に表したデータ取得装置１は、レーザスキャナユニットであり、本発明の「データ取得装置」の一例である。図１５に表した基準光軸Ｏは、後述する偏向部３５により偏向されていない状態での光軸を示す。偏向部３５により偏向されていない状態での光軸は、偏向部３５の中心を透過する真直な光軸であり、基準光軸に相当する。
【0107】
データ取得装置１は、主に、支持装置としての三脚２と、レーザスキャナ３と、操作装置４と、設置台ユニット５と、を備える。図１～図１４に関して前述した傾斜センサ６は、レーザスキャナ３の内部に設けられている。設置台ユニット５は、三脚２の上端に取り付けられている。レーザスキャナ３は、横回転可能および縦回転可能に設置台ユニット５に取り付けられている。このように、本実施形態に係る傾斜センサ６は、三脚２および設置台ユニット５により静止状態で設置されたレーザスキャナ３の内部に設けられている。
【0108】
設置台ユニット５には、横方向に延びるレバー７が設けられる。作業者は、レバー７の操作により、レーザスキャナ３を上下方向（鉛直方向）または横方向（水平方向）に回転させることができ、レーザスキャナ３を所要の姿勢で固定することも可能となっている。
【0109】
レーザスキャナ３は、測距部３Ａ（図１６参照）と、傾斜センサ６（図１６参照）と、を内蔵する。測距部３Ａは、測定光２３を測定対象物あるいは測定範囲に射出し、反射測定光２４（図１６参照）を受光して測定を行う。また、傾斜センサ６は、レーザスキャナ３の水平（又は鉛直）に対する姿勢を高精度に検出可能である。例えば、傾斜センサ６は、レーザスキャナ３の水平方向に対する傾斜角を検出する。
【0110】
操作装置４は、レーザスキャナ３との間で有線、無線等所要の手段を介して通信を行う通信機能を有する。また、操作装置４は、アタッチメント８を介してレーザスキャナ３に着脱可能となっている。作業者は、取り外した操作装置４を片手で保持し操作可能であり、操作装置４によりレーザスキャナ３の遠隔操作を行うことができる。
【0111】
さらに、レーザスキャナ３は、画像、測定状態、測定結果等を操作装置４に送信する。レーザスキャナ３から送信された画像、測定状態、測定結果等は、操作装置４に記憶され操作装置４の表示部（図示せず）に表示される。操作装置４は、例えばスマートフォンであってもよい。
【0112】
【0113】
レーザスキャナ３は、測定光射出部１１と、受光部１２と、測距演算部１３と、撮像部１４と、射出方向検出部１５と、モータドライバ１６と、傾斜センサ６と、通信部１８と、演算制御部１９と、記憶部２０と、撮像制御部２１と、画像処理部２２と、を具備する。これらは、筐体９に収納され、一体化されている。なお、測定光射出部１１、受光部１２、測距演算部１３等は、測距部３Ａの少なくとも一部を構成する。また、本実施形態の演算制御部１９は、本発明の「測距部を制御する制御部」すなわち「第２制御部」の一例である。
【0114】
測定光射出部１１は、射出光軸２６を有する。射出光軸２６上には、例えばレーザダイオード（ＬＤ）などの発光素子２７が設けられている。また、射出光軸２６上に投光レンズ２８が設けられている。さらに、射出光軸２６上に設けられた偏向光学部材としての第１反射鏡２９と、受光光軸３１上に設けられた偏向光学部材としての第２反射鏡３２と、によって、射出光軸２６は、受光光軸３１と合致する様に偏向される。第１反射鏡２９と第２反射鏡３２とで射出光軸偏向部の少なくとも一部が構成される。発光素子２７は、パルスレーザ光線を発する。測定光射出部１１は、発光素子２７から発せられたパルスレーザ光線を測定光２３として射出する。
【0115】
受光部１２について説明する。受光部１２には、測定対象物（即ち測定点）からの反射測定光２４が入射する。受光部１２は、受光光軸３１を有する。受光光軸３１には、上記した様に、第１反射鏡２９、第２反射鏡３２によって偏向された射出光軸２６が合致する。
【0116】
偏向された射出光軸２６上に、即ち受光光軸３１上に偏向部３５（後述）が配設される。偏向部３５の中心を透過する真直な光軸は、基準光軸Ｏとなっている。基準光軸Ｏは、偏向部３５によって偏向されなかった時の射出光軸２６または受光光軸３１と合致する。
【0117】
偏向部３５を透過し、入射した受光光軸３１上に、結像レンズ３４と、例えばフォトダイオード（ＰＤ）などの受光素子３３と、が設けられている。結像レンズ３４は、反射測定光２４を受光素子３３に結像する。受光素子３３は、反射測定光２４を受光し、受光信号を発生する。受光信号は、測距演算部１３に入力される。測距演算部１３は、受光信号に基づき測定点までの測距を行う。
【0118】
ここで、図１７を参照して、偏向部３５について説明する。偏向部３５は、一対の光学プリズム３６ａ，３６ｂを有する。光学プリズム３６ａ，３６ｂは、それぞれ円板状であり、受光光軸３１上に直交して配置され、重なり合い、平行に配置されている。光学プリズム３６ａ，３６ｂとして、それぞれリズレープリズムが用いられることが、装置を小型化するために好ましい。偏向部３５の中央部は、測定光２３が透過し、射出される第１偏向部である測定光偏向部３５ａとなっており、中央部を除く部分は反射測定光２４が透過し、入射する第２偏向部である反射測定光偏向部３５ｂとなっている。
【0119】
光学プリズム３６ａ，３６ｂとして用いられるリズレープリズムは、それぞれ平行に形成されたプリズム要素３７ａ，３７ｂと、多数のプリズム要素３８ａ，３８ｂと、を有し、円板形状を呈する。光学プリズム３６ａ，３６ｂと、各プリズム要素３７ａ，３７ｂと、プリズム要素３８ａ，３８ｂと、は、同一の光学特性を有する。
【0120】
プリズム要素３７ａ，３７ｂは、測定光偏向部３５ａを構成する。プリズム要素３８ａ，３８ｂは、反射測定光偏向部３５ｂを構成する。リズレープリズムは、光学ガラスから製作されてもよいが、光学プラスチック材料でモールド成形されてもよい。リズレープリズムを光学プラスチック材料でモールド成形することで、安価なリズレープリズムを製作できる。
【0121】
光学プリズム３６ａ，３６ｂは、それぞれ受光光軸３１を中心に独立して個別に回転可能に配設されている。光学プリズム３６ａ，３６ｂは、回転方向、回転量、回転速度を独立して制御されることで、射出光軸２６を通過する測定光２３を任意の方向に偏向し、受光される反射測定光２４を受光光軸３１と平行に偏向する。光学プリズム３６ａ，３６ｂの外形形状は、それぞれ受光光軸３１を中心とする円形である。光学プリズム３６ａ，３６ｂの直径は、反射測定光２４の広がりを考慮し、光学プリズム３６ａ，３６ｂが充分な光量を取得できる様に設定されている。
【0122】
光学プリズム３６ａの外周には、リングギア３９ａが嵌設されている。光学プリズム３６ｂの外周には、リングギア３９ｂが嵌設されている。リングギア３９ａには、駆動ギア４１ａが噛合している。駆動ギア４１ａは、モータ４２ａの出力軸に固着されている。同様に、リングギア３９ｂには、駆動ギア４１ｂが噛合している。駆動ギア４１ｂは、モータ４２ｂの出力軸に固着されている。モータ４２ａ，４２ｂは、モータドライバ１６に電気的に接続されている。
【0123】
モータ４２ａ，４２ｂとしては、回転角を検出することができるもの、あるいは駆動入力値に対応した回転をするもの、例えばパルスモータが用いられる。あるいは、モータの回転量は、モータの回転量（回転角）を検出する例えばエンコーダ等の回転角検出器を用いて検出されてもよい。モータ４２ａ，４２ｂの回転量がそれぞれ検出され、モータドライバ１６によりモータ４２ａ，４２ｂが個別に制御される。なお、リングギア３９ａ，３９ｂにそれぞれ直接取付けられたエンコーダが、リングギア３９ａ，３９ｂの回転角を直接検出してもよい。
【0124】
駆動ギア４１ａ，４１ｂ、モータ４２ａ，４２ｂは、測定光射出部１１と干渉しない位置、例えばリングギア３９ａ，３９ｂの下側に設けられている。
投光レンズ２８、第１反射鏡２９、第２反射鏡３２、測定光偏向部３５ａ等は、投光光学系の少なくとも一部を構成する。反射測定光偏向部３５ｂ、結像レンズ３４等は、受光光学系の少なくとも一部を構成する。
投光レンズ２８、第１反射鏡２９、第２反射鏡３２、測定光偏向部３５ａ等は、投光光学系の少なくとも一部を構成する。反射測定光偏向部３５ｂ、結像レンズ３４等は、受光光学系の少なくとも一部を構成する。
【0125】
測距演算部１３は、発光素子２７を制御し、測定光２３としてパルスレーザ光線を発光させる。測定光２３が、プリズム要素３７ａ，３７ｂ（測定光偏向部３５ａ）により、測定点に向うよう偏向される。
【0126】
測定対象物から反射された反射測定光２４は、プリズム要素３８ａ，３８ｂ（反射測定光偏向部３５ｂ）と、結像レンズ３４と、を介して入射し、受光素子３３に受光される。受光素子３３は、受光信号を測距演算部１３に送出する。測距演算部１３は、受光素子３３からの受光信号に基づき、パルス光毎に測定点（測定光２３が照射された点）の測距を行う。測距データは、記憶部２０に格納される。而して、測距演算部１３は、測定光２３をスキャンしつつ、パルス光毎に測距を行うことで各測定点の測距データを取得できる。
【0127】
射出方向検出部１５は、モータ４２ａ，４２ｂに入力する駆動パルスをカウントすることで、モータ４２ａ，４２ｂの回転角を検出する。あるいは、射出方向検出部１５は、エンコーダからの信号に基づき、モータ４２ａ，４２ｂの回転角を検出する。また、射出方向検出部１５は、モータ４２ａ，４２ｂの回転角に基づき、光学プリズム３６ａ，３６ｂの回転位置を演算する。
【0128】
さらに、射出方向検出部１５は、光学プリズム３６ａ，３６ｂの屈折率と回転位置とに基づき、測定光２３の射出方向を演算し、演算結果を演算制御部１９に出力する。演算制御部１９は、測定光２３の射出方向から基準光軸Ｏに対する測定点の水平角θ１および鉛直角θ２を演算し、各測定点について、水平角θ１および鉛直角θ２を測距データに関連付けることで、測定点の３次元データを求めることができる。
【0129】
傾斜センサ６について説明する。傾斜センサ６は、筐体９に固定され、あるいは構造部材に固定され、レーザスキャナ３と一体となっている。前述したように、傾斜センサ６は、ジンバル機構６０を介して加速度センサ６３１が取り付けられている。加速度センサ６３１は、直交する２軸を中心に３６０゜回転自在となっている。
【0130】
加速度センサ６３１が傾斜していた場合（レーザスキャナ３が傾斜していた場合）、加速度センサ６３１の検出結果に基づき、レーザスキャナ３の傾斜角、傾斜方向が検出される。これは、図１～図１４に関して前述した通りである。加速度センサ６３１は、２軸について３６０゜回転自在であるので、傾斜センサ６がどの様な姿勢となろうとも（例えば、傾斜センサ６の天地が逆になった場合でも）、全方向での姿勢検出が可能である。
【0131】
演算制御部１９は、傾斜の変動が大きい時、傾斜の変化が速い時であっても、加速度センサ６３１からの信号に基づき、モータを制御する。また、演算制御部１９は、傾斜の変動が小さい時、傾斜の変化が緩やかな時であっても、加速度センサ６３１からの信号に基づき、モータを制御する。
【0132】
撮像部１４は、レーザスキャナ３の基準光軸Ｏと平行な撮像光軸４３を有し、例えば５０°の画角を有するカメラであり、レーザスキャナ３のスキャン範囲を含む画像データを取得する。撮像光軸４３と射出光軸２６及び基準光軸Ｏとの関係は既知となっている。また、撮像部１４は、動画像、又は連続画像を取得可能である。
【0133】
撮像制御部２１は、撮像部１４の撮像を制御する。撮像制御部２１は、撮像部１４が動画像、又は連続画像を撮像する場合に、動画像、又は連続画像を構成するフレーム画像を取得するタイミングとレーザスキャナ３でスキャンするタイミングとの同期を取っている。演算制御部１９は画像と点群データとの関連付けも実行する。
【0134】
撮像部１４の撮像素子４４は、画素の集合体であるＣＣＤあるいはＣＭＯＳセンサである。撮像素子４４の各画素は、画像素子上での位置を特定できる。例えば、各画素は、撮像光軸４３を原点とした座標系での画素座標を有する。画像素子上での位置は、画素座標によって特定される。画像処理部２２は、撮像部１４で取得した画像データに操作装置４で表示させる情報を重ね合わせる画像処理等を行う。画像処理部２２が生成した画像は、演算制御部１９により操作装置４の表示部４ａに表示される。
【0135】
本実施形態に係るデータ取得装置１によれば、傾斜センサ６の制御部６６は、加速度センサ６３１の出力値自体ではなく加速度センサ６３１の出力値に対して周波数解析を適用した結果に基づいて水平方向に対する傾斜角を演算する。そのため、制御部６６は、加速度センサ６３１の高精度な出力値を取得しなくとも、加速度センサ６３１の出力値に対して周波数解析を適用することで水平方向に対する傾斜角を演算することができる。これにより、傾斜センサ６は、周波数解析を用いることで、加速度センサ６３１の出力値にドリフトが発生しても水平方向に対する傾斜角の検出精度を確保することができる。また、高精度な検出が可能なチルトセンサなどが不要であるため、傾斜センサ６の小型化を図ることができる。これにより、データ取得装置１の小型化を図ることができる。
【0136】
また、傾斜センサ６の制御部６６は、加速度センサ６３１の出力値に対して周波数解析を適用することにより、第１モータ６５４が回転した時の加速度センサ６３１の各軸（例えばＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の振る舞いと、第２モータ６４４が回転した時の加速度センサ６３１の各軸（例えばＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の振る舞いと、を互いに分離し、水平方向に対する傾斜角の検出精度を確保することができる。つまり、制御部６６は、例えば、第１モータ６５４のみを駆動し前後軸６５のみを回転させたり、第２モータ６４４のみを駆動し左右軸６４のみを回転させたりしなくとも、第１モータ６５４および第２モータ６４４を駆動して前後軸６５および左右軸６４を同時に回転させ、加速度センサ６３１の出力値に対して周波数解析を適用することにより水平方向に対する傾斜角を演算できる。そのため、制御部６６は、前後軸６５のみを回転させた場合と、左右軸６４のみを回転させた場合と、で別々に水平方向に対する傾斜角を演算する必要はなく、前後軸６５および左右軸６４を同時に回転させて水平方向に対する傾斜角を演算できる。これにより、本実施形態に係るデータ取得装置１の傾斜センサ６は、水平方向に対する傾斜角をリアルタイムで検知することができる。
【0137】
以上、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、上記実施形態に限定されず、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で種々の変更を行うことができる。上記実施形態の構成は、その一部を省略したり、上記とは異なるように任意に組み合わせたりすることができる。
【符号の説明】
【0138】
１：データ取得装置、 ２：三脚、 ３：レーザスキャナ、 ３Ａ：測距部、 ４：操作装置、 ４ａ：表示部、 ５：設置台ユニット、 ６：傾斜センサ、 ７：レバー、 ８：アタッチメント、 ９：筐体、 １１：測定光射出部、 １２：受光部、 １３：測距演算部、 １４：撮像部、 １５：射出方向検出部、 １６：モータドライバ、 １８：通信部、 １９：演算制御部、 ２０：記憶部、 ２１：撮像制御部、 ２２：画像処理部、 ２３：測定光、 ２４：反射測定光、 ２６：射出光軸、 ２７：発光素子、 ２８：投光レンズ、 ２９：第１反射鏡、 ３１：受光光軸、 ３２：第２反射鏡、 ３３：受光素子、 ３４：結像レンズ、 ３５：偏向部、 ３５ａ：測定光偏向部、 ３５ｂ：反射測定光偏向部、 ３６ａ、３６ｂ：光学プリズム、 ３７ａ、３７ｂ、３８ａ、３８ｂ：プリズム要素、 ３９ａ、３９ｂ：リングギア、 ４１ａ、４１ｂ：駆動ギア、 ４２ａ、４２ｂ：モータ、 ４３：撮像光軸、 ４４：撮像素子、 ６０：ジンバル機構、 ６１：外フレーム、 ６２：内フレーム、 ６３：傾斜検出ユニット、 ６４：左右軸、 ６５：前後軸、 ６６：制御部、 ７３：記憶部、 ６３１：加速度センサ、 ６３２：Ｘ軸、 ６３３：Ｙ軸、 ６３４：Ｚ軸、 ６４１：軸受、 ６４２：第２被動ギア、 ６４３：第２駆動ギア、 ６４４：第２モータ、 ６４５：第２エンコーダ、 ６４６：左右軸心、 ６５１：軸受、 ６５２：第１被動ギア、 ６５３：第１駆動ギア、 ６５４：第１モータ、 ６５５：第１エンコーダ、 ６５６：前後軸心、 ６６１：演算処理部、 ６６２：入出力制御部、 ６６３：記憶部、 ６６４：Ａ／Ｄ変換器、 ６７６：鉛直軸心
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】