(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
球面を有する球面体の前記球面における位置の検出方法であって、
前記球面に回折格子が形成されており、前記球面にレーザー光を照射し、その回折光の回折パターンを読取手段で読み取ることにより、前記球面上におけるレーザー光の照射点の位置を検出することを特徴とする位置検出方法。
【請求項２】
前記球面体は、前記球面を構成する球の中心を中心として、前記読取手段に対して相対的に、少なくとも一次元方向に、回転可能である請求項１に記載の位置検出方法。
【請求項３】
前記回折格子は、溝で構成されている請求項１または２に記載の位置検出方法。
【請求項４】
前記球面を構成する球の中心で直交する２本の直線をそれぞれｘ軸およびｙ軸としたとき、前記回折格子は、前記ｘ軸を中心とする複数の円と、前記ｙ軸を中心とする複数の円とで構成されている請求項１ないし３のいずれかに記載の位置検出方法。
【請求項５】
前記ｘ軸を中心とする円状の回折格子の間隔は、前記ｘ軸方向に沿って変化している請求項４に記載の位置検出方法。
【請求項６】
前記ｙ軸を中心とする円状の回折格子の間隔は、前記ｙ軸方向に沿って変化している請求項４または５に記載の位置検出方法。
【請求項７】
前記球面を構成する球の直径は、０．０５〜１０００ｍｍである請求項１ないし６のいずれかに記載の位置検出方法。
【請求項８】
前記溝は、櫛歯状に形成されたものである請求項３ないし７のいずれかに記載の位置検出方法。
【請求項９】
前記溝は、ノコギリ歯状に形成されたものである請求項３ないし７のいずれかに記載の位置検出方法。
【請求項１０】
前記読取手段は、光電変換手段を有するものである請求項１ないし９のいずれかに記載の位置検出方法。
【請求項１１】
前記光電変換手段は、フォトディテクタアレイまたは撮像素子である請求項１０に記載の位置検出方法。
【請求項１２】
前記レーザー光のビーム径は、０．００５〜１００ｍｍである請求項１ないし１１のいずれかに記載の位置検出方法。
【請求項１３】
前記レーザー光の波長は、０．４〜１．７μｍである請求項１ないし１２のいずれかに記載の位置検出方法。
【請求項１４】
前記回折光の回折パターンを光学系で集光して、前記読取手段で読み取る請求項１ないし１３のいずれかに記載の位置検出方法。
【請求項１５】
前記レーザー光を平行光束として前記球面に照射する請求項１ないし１４のいずれかに記載の位置検出方法。
【請求項１６】
回折格子が形成された球面を有する球面体と、
前記球面にレーザー光を照射するレーザー光照射手段と、
前記回折格子によって回折された前記レーザー光の回折光を受光し、その回折パターンを読み取る読取手段とを有し、
前記回折パターンから前記球面上における前記レーザー光の照射点の位置を検出することを特徴とする位置検出機構。
【請求項１７】
前記球面体は、前記球面を構成する球の中心を中心として、レーザー光照射手段および前記読取手段に対して相対的に、少なくとも一次元方向に、回転可能である請求項１６に記載の位置検出機構。
【請求項１８】
前記回折格子は、溝で構成されている請求項１６または１７に記載の位置検出機構。
【請求項１９】
前記球面を構成する球の中心で直交する２本の直線をそれぞれｘ軸およびｙ軸としたとき、前記回折格子は、前記ｘ軸を中心とする複数の円と、前記ｙ軸を中心とする複数の円とで構成されている請求項１６ないし１８のいずれかに記載の位置検出機構。
【請求項２０】
前記ｘ軸を中心とする円状の回折格子の間隔は、前記ｘ軸方向に沿って変化している請求項１９に記載の位置検出機構。
【請求項２１】
前記ｙ軸を中心とする円状の回折格子の間隔は、前記ｙ軸方向に沿って変化している請求項１９または２０に記載の位置検出機構。
【請求項２２】
前記球面を構成する球の直径は、０．０５〜１０００ｍｍである請求項１６ないし２１のいずれかに記載の位置検出機構。
【請求項２３】
前記溝は、櫛歯状に形成されたものである請求項１８ないし２２のいずれかに記載の位置検出機構。
【請求項２４】
前記溝は、ノコギリ歯状に形成されたものである請求項１８ないし２３のいずれかに記載の位置検出機構。
【請求項２５】
前記読取手段は、光電変換手段を有するものである請求項１６ないし２４のいずれかに記載の位置検出機構。
【請求項２６】
前記光電変換手段は、フォトディテクタアレイまたは撮像素子である請求項２５に記載の位置検出機構。
【請求項２７】
前記レーザー光のビーム径は、０．００５〜１００ｍｍである請求項１６ないし２６のいずれかに記載の位置検出機構。
【請求項２８】
前記レーザー光の波長は、０．４〜１．７μｍである請求項１６ないし２７のいずれかに記載の位置検出機構。
【請求項２９】
前記球面上で回折された前記回折光を集光する光学系を有する請求項１６ないし２８のいずれかに記載の位置検出機構。
【請求項３０】
前記光学系は、前記レーザー光照射手段が発する前記レーザー光を平行光束にして前記球面体に照射する請求項２９に記載の位置検出機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、球面を有する球面体の球面における位置検出方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、様々な分野において、ロボットが用いられている。このようなロボットの一例として、ロボットアームが挙げられる。ロボットアームの関節には、その動きを制御する目的で、一般に、エンコーダ（特に、ロータリーエンコーダ）が用いられている。
【０００３】
このような関節の動きの制御は、エンコーダが、関節を中心としたアームの回転量（角度）を検出し、さらに、その結果がアクチュエータ等にフィードバックされることにより行われる。
【０００４】
図１９は、３軸方向に回転可能なロボットアームの関節を示す図である。この関節には、３つのエンコーダが用いられている。
【０００５】
エンコーダ１３ａは、発光素子１５と受光素子１６との間に、軸１７に固定されたスリット付き回転板１４を設置した構成となっている。スリット付き回転板１４を回転させた場合、照射された光の光路とスリット１４１とが重なるときには、照射された光は受光素子１６に受光されるが、それ以外のときには、光は遮断され、受光素子１６に受光されない。このようにして、受光素子１６の受光回数が検出され、その結果から、スリット付き回転板１４の回転角度が求められる。エンコーダ１３ｂ、１３ｃについても同様に受光素子の受光回数が検出され、スリット付き回転板の回転角度が求められる。
【０００６】
このように、３軸方向に回転可能な関節を有するロボットアームにおいては、エンコーダを３つ以上用いる必要があるので、装置全体の構造は大型化、複雑化し、装置の小型化が困難であった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、簡単な構成で、球面上の位置の検出を可能とする位置検出方法および位置検出機構を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような目的は、下記（１）〜（３０）の本発明により達成される。
【０００９】
（１）  球面を有する球面体の前記球面における位置の検出方法であって、
前記球面に回折格子が形成されており、前記球面にレーザー光を照射し、その回折光の回折パターンを読取手段で読み取ることにより、前記球面上におけるレーザー光の照射点の位置を検出することを特徴とする位置検出方法。
【００１０】
（２）  前記球面体は、前記球面を構成する球の中心を中心として、前記読取手段に対して相対的に、少なくとも一次元方向に、回転可能である上記（１）に記載の位置検出方法。
【００１１】
（３）  前記回折格子は、溝で構成されている上記（１）または（２）に記載の位置検出方法。
【００１２】
（４）  前記球面を構成する球の中心で直交する２本の直線をそれぞれｘ軸およびｙ軸としたとき、前記回折格子は、前記ｘ軸を中心とする複数の円と、前記ｙ軸を中心とする複数の円とで構成されている上記（１）ないし（３）のいずれかに記載の位置検出方法。
【００１３】
（５）  前記ｘ軸を中心とする円状の回折格子の間隔は、前記ｘ軸方向に沿って変化している上記（４）に記載の位置検出方法。
【００１４】
（６）  前記ｙ軸を中心とする円状の回折格子の間隔は、前記ｙ軸方向に沿って変化している上記（４）または（５）に記載の位置検出方法。
【００１５】
（７）  前記球面を構成する球の直径は、０．０５〜１０００ｍｍである上記（１）ないし（６）のいずれかに記載の位置検出方法。
【００１６】
（８）  前記溝は、櫛歯状に形成されたものである上記（３）ないし（７）のいずれかに記載の位置検出方法。
【００１７】
（９）  前記溝は、ノコギリ歯状に形成されたものである上記（３）ないし（７）のいずれかに記載の位置検出方法。
【００１８】
（１０）  前記読取手段は、光電変換手段を有するものである上記（１）ないし（９）のいずれかに記載の位置検出方法。
【００１９】
（１１）  前記光電変換手段は、フォトディテクタアレイまたは撮像素子である上記（１０）に記載の位置検出方法。
【００２０】
（１２）  前記レーザー光のビーム径は、０．００５〜１００ｍｍである上記（１）ないし（１１）のいずれかに記載の位置検出方法。
【００２１】
（１３）  前記レーザー光の波長は、０．４〜１．７μｍである上記（１）ないし（１２）のいずれかに記載の位置検出方法。
【００２２】
（１４）  前記回折光の回折パターンを光学系で集光して、前記読取手段で読み取る上記（１）ないし（１３）のいずれかに記載の位置検出方法。
【００２３】
（１５）  前記レーザー光を平行光束として前記球面に照射する上記（１）ないし（１４）のいずれかに記載の位置検出方法。
【００２４】
（１６）  回折格子が形成された球面を有する球面体と、
前記球面にレーザー光を照射するレーザー光照射手段と、
前記回折格子によって回折された前記レーザー光の回折光を受光し、その回折パターンを読み取る読取手段とを有し、
前記回折パターンから前記球面上における前記レーザー光の照射点の位置を検出することを特徴とする位置検出機構。
【００２５】
（１７）  前記球面体は、前記球面を構成する球の中心を中心として、レーザー光照射手段および前記読取手段に対して相対的に、少なくとも一次元方向に、回転可能である上記（１６）に記載の位置検出機構。
【００２６】
（１８）  前記回折格子は、溝で構成されている上記（１６）または（１７）に記載の位置検出機構。
【００２７】
（１９）  前記球面を構成する球の中心で直交する２本の直線をそれぞれｘ軸およびｙ軸としたとき、前記回折格子は、前記ｘ軸を中心とする複数の円と、前記ｙ軸を中心とする複数の円とで構成されている上記（１６）ないし（１８）のいずれかに記載の位置検出機構。
【００２８】
（２０）  前記ｘ軸を中心とする円状の回折格子の間隔は、前記ｘ軸方向に沿って変化している上記（１９）に記載の位置検出機構。
【００２９】
（２１）  前記ｙ軸を中心とする円状の回折格子の間隔は、前記ｙ軸方向に沿って変化している上記（１９）または（２０）に記載の位置検出機構。
【００３０】
（２２）  前記球面を構成する球の直径は、０．０５〜１０００ｍｍである上記（１６）ないし（２１）のいずれかに記載の位置検出機構。
【００３１】
（２３）  前記溝は、櫛歯状に形成されたものである上記（１８）ないし（２２）のいずれかに記載の位置検出機構。
【００３２】
（２４）  前記溝は、ノコギリ歯状に形成されたものである上記（１８）ないし（２３）のいずれかに記載の位置検出機構。
【００３３】
（２５）  前記読取手段は、光電変換手段を有するものである上記（１６）ないし（２４）のいずれかに記載の位置検出機構。
【００３４】
（２６）  前記光電変換手段は、フォトディテクタアレイまたは撮像素子である上記（２５）に記載の位置検出機構。
【００３５】
（２７）  前記レーザー光のビーム径は、０．００５〜１００ｍｍである上記（１６）ないし（２６）のいずれかに記載の位置検出機構。
【００３６】
（２８）  前記レーザー光の波長は、０．４〜１．７μｍである上記（１６）ないし（２７）のいずれかに記載の位置検出機構。
【００３７】
（２９）  前記球面上で回折された前記回折光を集光する光学系を有する上記（１６）ないし（２８）のいずれかに記載の位置検出機構。
【００３８】
（３０）  前記光学系は、前記レーザー光照射手段が発する前記レーザー光を平行光束にして前記球面体に照射する上記（２９）に記載の位置検出機構。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の位置検出方法および位置検出機構を添付図面に示す好適実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００４０】
図１は、本発明の位置検出機構の実施形態を示す斜視図である。なお、図１中の左側から右側に向かう方向を「ｘ軸方向」、紙面奥側から紙面手前側に向かう方向を「ｙ軸方向」、下側から上側に向かう方向を「ｚ軸方向」として説明する。
【００４１】
図１に示すように、本発明の位置検出機構１は、球面体２と、レーザー照射手段３と、読取手段４とで構成されている。
【００４２】
球面体２は、その表面に球面２１を有している。
球面体２は、中空であっても、中実であってもよい。
【００４３】
球面２１を構成する球の直径は、特に限定されないが、０．０５〜１０００ｍｍであるのが好ましく、０．５〜１００ｍｍであるのがより好ましい。
【００４４】
球面体２は、球面２１を構成する球の中心（点Ｏ）を中心として、レーザー照射手段３および読取手段４に対して、相対的に回転可能に設置されている。球面体２の支持構造は、公知のいずれのものでもよく、例えば、球面２１に対応する湾曲凹面が形成され、この湾曲凹面に球面体２がはまって、回転可能に保持される構造等が挙げられる。
【００４５】
球面体２の表面である球面２１上には、回折格子が形成されている。
このため、後述するレーザー照射手段３からレーザー光（球面への入射光）５が、球面２１に対して照射されると、レーザー光５は、照射点２４における回折格子で回折され、レーザー光５の回折光（球面からの出射光）６が、読取手段４の受光面４１に投影される。
【００４６】
点Ｏで直交する３本の軸をｘ軸、ｙ軸およびｚ軸としたとき、回折格子は、ｘ軸を中心とする複数の円状の溝２２と、ｙ軸を中心とする複数の円状の溝２３とで構成されている。
【００４７】
溝２２は、ｘ軸方向に沿って（−ｘから＋ｘに向かって）、そのピッチが漸減している。同様に溝２３は、ｙ軸方向に沿って（−ｙから＋ｙに向かって）、そのピッチが漸減している。なお、溝２２のピッチの変化率と、溝２３の変化率とは、同一であっても、異なっていてもよい。
【００４８】
溝（溝２２および溝２３）の断面形状は、照射点２４で回折光を生じるものであれば、いかなるものでもよいが、例えば、図２に示すような櫛歯状のもの（ラミナー格子）や、図３に示すようなノコギリ歯状のもの（ブレーズド格子）等が挙げられる。
【００４９】
溝２２の断面形状と溝２３の断面形状とは、同一であっても、異なっていてもよい。
【００５０】
溝２２および溝２３のピッチＰは、特に限定されないが、レーザー光の波長をλμｍとしたとき、１．１λ〜１０λμｍであるのが好ましく、１．４λ〜１０λμｍであるのがより好ましい。
【００５１】
溝のピッチＰが、下限値未満であると、レーザー光の波長によっては、回折角θ1が大きくなるため、読取手段４の受光面４１上に現れる回折光６のスポットの間隔が大きくなる。このため、回折光６の回折パターンを読み取るためには、読取手段４の受光面４１の面積を大きくしなければならなくなり、装置の大型化を招く場合がある。
【００５２】
一方、溝のピッチＰが、上限値を超えると、読取手段４の受光面４１上に現れる回折光６のスポットの間隔が小さくなるため、読取手段４における回折光６の回折パターンの読み取り精度が低下する可能性がある。
【００５３】
溝の深さＤは、特に限定されないが、レーザー光の波長をλμｍ、球面体の表面付近の媒質の屈折率をｎとしたとき、０．１５λ／ｎ〜２．２λ／ｎ［μｍ］であるのが好ましく、０．２λ／ｎ〜０．６λ／ｎ［μｍ］であるのがより好ましい。
【００５４】
また、溝の断面形状が櫛歯状であるとき、図３中、θ2で示すブレーズド角は、θ2＝tan-1（Ｄ／Ｐ）で規定され、前述の溝のピッチＰおよび溝の深さＤで定まる。
【００５５】
これらの値は、溝２２と溝２３とで、同一であっても、異なっていてもよい。溝の形成方法は、いかなるものでもよいが、例えば、機械刻線法、２光束干渉法、エッチング法、レプリカ法等が挙げられる。
【００５６】
レーザー光照射手段３は、球面体２の球面２１上に、レーザー光５を照射するための手段である。レーザー光照射手段３から球面２１に照射されるレーザー光５は、レーザー光源５１で発生されたものである。
【００５７】
レーザー光５は、後述する読取手段４の受光面４１のほぼ中央から平行光束として照射される。
【００５８】
なお、光源は、別の場所に設置し、光ファイバー等の導光手段を用いて照射する構成でもよい。
【００５９】
照射されるレーザー光５は、連続光であっても、パルス光であってもよい。
レーザー光５の種類としては、例えば、ガスレーザー（ＣＯ2レーザー等）、固体レーザー、色素レーザー、半導体レーザー等が挙げられるが、その中でも特に、半導体レーザーであるのが好ましい。
【００６０】
レーザー光５のビーム径は、球面２１上に形成された溝のピッチＰやレーザー光５の波長等によって若干異なるが、０．００５〜１００ｍｍであるのが好ましく、０．０１〜３ｍｍであるのがより好ましい。
【００６１】
レーザー光５のビーム径が下限値未満であると、溝のピッチＰ等によっては、読取手段４で回折光６の回折パターンが確実に読み取れない可能性がある。
【００６２】
一方、レーザー光５のビーム径が上限値を超えると、レーザー光５が照射される照射点２４の面積が大きくなり、回折光６の重なりが顕著となり、読取手段４の受光面４１上に照射される回折光６の回折パターンの読み取りが困難となる可能性がある。
【００６３】
レーザー光５の波長は、溝のピッチＰ等によって若干異なるが、０．４〜１．７μｍであるのが好ましく、０．６〜１．６μｍであるのがより好ましい。
【００６４】
レーザー光５の入射角（照射点２４における球面２１の法線と、レーザー光５の入射方向とのなす角）は、特に限定されないが、４５°以下であるのが好ましく、２０°以下であるのがより好ましく、ほぼ０°（垂直入射）であるのがさらに好ましい。
【００６５】
読取手段４は、照射点２４に入射したレーザー光５が回折格子で回折されることにより生じた回折光６をその受光面４１にて受光し、その回折パターンを読み取る機能を有する。
【００６６】
読取手段４の受光面４１の有効受光領域は、球面２１の全ての点について、それらに対応する回折光６の回折パターンを包含し、読み取ることが可能である大きさであればよい。
【００６７】
読取手段４は、光電変換手段を有するものであるのが好ましい。
光電変換手段は、フォトディテクタアレイ（ＰＤＡ）、撮像素子（ＣＣＤ）であるのが好ましい。光電変換手段として、フォトディテクタアレイ（ＰＤＡ）、撮像素子（ＣＣＤ）を用いることにより、装置の小型化、回折光６の検出精度の向上等が可能となる。
【００６８】
次に、球面２１上に形成された回折格子のパターンと、読取手段４の受光面４１が受光する回折光６の回折パターンとの相関について説明する。図１中、点Ａ、点Ｂ、点Ｃおよび点Ｄで示す各点およびその近傍における回折格子のパターンと、読取手段４の受光面４１が受光する回折光６の回折パターンとの相関について説明する。点Ａは、ｙ−ｚ平面上の点であり、点Ｄは、ｘ−ｙ平面上の点である。また、点Ｂと、点Ｃとは、ｘ−ｙ平面について、対称の位置にある。
【００６９】
まず、溝２２および溝２３の断面形状が図２に示すような櫛歯状であり、レーザー光の入射角を０°とした場合における、球面２１上の点Ａ〜点Ｄおよびその近傍に形成された回折格子のパターンと、読取手段４の受光面４１が受光する回折光６の回折パターンとの相関について説明する。
【００７０】
レーザー光の入射角をほぼ０°とした場合、このような櫛歯状の断面形状を有する回折格子においては、図２に示すように、＋１次の回折光とともに、−１次の回折光が発生する。なお、次数の絶対値が２以上である回折光については省略して説明する。
【００７１】
図４に示すように、点Ａ付近においては、溝２２と溝２３とがほぼ直交している。したがって、点Ａをレーザー光５で照射したときに得られる回折光６の回折パターンは、図５に示すようなものとなる。
【００７２】
また、点Ｂ付近においては、図６に示すように、溝２２と溝２３とが平行四辺形の各辺に対応するような形で交差している。したがって、点Ｂをレーザー光５で照射したときに得られる回折光６の回折パターンは、図７に示すようなものとなる。
【００７３】
同様に、点Ｃ付近においては、図８に示すように、溝２２と溝２３とが平行四辺形の各辺に対応するような形で交差している。点Ｃをレーザー光５で照射したときに得られる回折光６の回折パターンは、図９に示すようなものとなる。
【００７４】
すなわち、点Ｃをレーザー光５で照射したときに得られる回折パターンは、点Ｂをレーザー光５で照射したときに得られる回折パターンと鏡像関係にあり、回転により重ね合わせることはできない。したがって、回折光６の回折パターンにより、点Ｂと点Ｃとを区別することが可能となる。
【００７５】
点Ｄ付近では、図１０に示すように、溝２２と溝２３とがほぼ平行になっている。したがって、点Ｄをレーザー光５で照射したときに得られる回折光６の回折パターンは、図１１に示すように、ほぼ一直線上に並ぶ点として観測される。
【００７６】
次に、溝（溝２２および溝２３）の断面形状が図３に示すようなノコギリ歯状の回折格子（ブレーズド格子）であり、レーザー光の入射角を０°とした場合における、球面２１上の点Ａ〜点Ｄおよびその近傍に形成された回折格子のパターンと、読取手段４の受光面４１が受光する回折光６の回折パターンとの相関について説明する。
【００７７】
ある特定の範囲のブレーズド角θ2を有するブレーズド格子においては、レーザー光の入射角をほぼ０°とした場合、図３に示すように、＋１次回折光６１は発生するが、−１次回折光６２は発生しない。そのため、点Ａ〜点Ｄをレーザー光５で照射したときに得られる回折光６の回折パターンは、それぞれ図１２〜図１５に示すようになる。
【００７８】
このように、読取手段４の受光面４１上に現れる回折光のスポットの数が減少するので、後述するＣＰＵ等による演算処理が簡素化できる。
【００７９】
このような球面２１上の各点における回折格子の形状と、読み取り手段４が受光する回折光６の回折パターンとの相関を利用した球面２１上の位置の検出は、例えば、次のようにして行われる。
【００８０】
予め、球面２１上の各点（球面２１のほぼ全体を網羅するよう球面２１上に設定された各点）における回折格子の形状と、対応する回折光６の回折パターンとの相関関係をＣＰＵ等に内蔵されたメモリに記憶させ、データベースを構築（テーブル化）しておく。
【００８１】
このような状態で、レーザー光照射手段３からレーザー光５を球面体２に向けて照射すると、レーザー光５は、球面２１で回折され、レーザー光５の回折光６が読取手段４の受光面４１に投影される。受光面４１に投影された回折光６の回折パターンを光電変換し、その出力された信号をＣＰＵ等に入力する。
【００８２】
入力された信号は、予めメモリに記憶されている前記データベースと照合され、データベース中の合致するデータを検索することにより、照射点２４が特定（検出）される。
【００８３】
以上、球面２１上の１点を検出する方法について説明したが、本発明によれば、回転している球面２１上の照射点２４をリアルタイムに検出することもできる。その一例として、レーザー光５をパルス光として間欠的に照射し、読取手段４の受光面４１に投影された回折光６の回折パターンを前記パルス光と同期的に検出する方法が挙げられる。このような検出（連続的な検出）を行うことにより、球面体の回転方向、回転距離、回転速度等を特定することが可能となる。
【００８４】
図１６は、本発明の位置検出機構の他の実施形態を示す図である。以下、図１６に示す位置検出機構１について、前述の実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
【００８５】
レーザー光照射手段３から発せられるレーザー光５は、発散光（球面波）である。また、本実施形態の位置検出機構１では、球面体２と読取手段４との間に、レンズ（レンズ系）１８等で構成される光学系が設置されている。
【００８６】
レーザー光照射手段３から発せられた光は発散光であるが、この光は、レンズ１８により平行光束とされ、この平行光束が球面２１に照射される。また、球面２１の照射点で回折されたレーザー光５の回折光６は、レンズ１８により集光され、読取手段４の受光面４１に投影される。
【００８７】
このように、レンズ１８は、レーザー光５を平行光束にするコリメータレンズとしての機能と、回折光６を集光し受光面４１に投影し、受光面４１上での回折光６のスポットを小さくする（シャープにする）集光レンズとしての機能とを併有している。そのため、簡単な構成で、読取手段４での回折パターンの読取精度を向上させることができる。
【００８８】
次に、本発明の位置検出方法、位置検出機構を用いた応用例について、図１７および図１８に基づいて説明する。
【００８９】
図１７は、図１および図３に示す本発明の位置検出機構をロボットアームの関節に用いた応用例を示す図である。
【００９０】
ロボットアーム７は、第１アーム９と、第２アーム１０と、アクチュエータ１１と、前述の位置検出機構１とで構成されている。第１アーム９には、球面体２が固定されており、第２アーム１０には、レーザー光照射手段３と読取手段４とが固定されている。また、第２アーム１０は、アクチュエータ１１により関節８で、球面体２の球面２１を構成する球の中心を中心として、任意の方向に回動可能となっている。
【００９１】
レーザー光照射手段３から球面体２に向けてレーザー光５（パルス光）を照射した場合、レーザー光５は球面２１で回折され、回折光６が読取手段４の受光面４１に投影される。回折光６の回折パターンから、前述したような方法で照射点２４が特定（検出）される。
【００９２】
このようにして、球面２１上の１点が照射点２４として検出されることにより、その状態における第２アーム１０の向き、角度等を特定することが可能となる。そのため、動作開始時における初期化（原点復帰）が不要となる。
【００９３】
また、レーザー光５を球面２１に照射した状態で、アクチュエータ１１が第２アーム１０を回転させると、読取手段４の受光面４１が受光する回折光６の回折パターンは変化する。この回折光６の回折パターンから、照射点２４の検出が行われる。このような照射点の特定を繰り返し行うことにより、球面体２の相対的な回転方向、回転距離、回転速度等が求められる。これにより、第２アームの回転方向、回転距離、回転速度等が求められる。これらの情報は、アクチュエータ１１の動作にフィードバックされる。これにより、第２アーム１０の動作を自動制御することが可能となる。
【００９４】
このような位置検出機構１を用いたロボットアーム７においては、三次元的な動作（例えば、図１中のｘ軸、ｙ軸およびｚ軸を中心とする３方向への回転）を行う場合であっても、複数の位置検出機構を必要としないので、装置の大型化、複雑化を防止することができる。
【００９５】
図１８は、図１および図３に示す本発明の位置検出機構をペン（コンピュータ用入力手段）１２に用いた応用例を示す図である。
【００９６】
ペン１２は、ケーシング１２１と、ペン先として機能する球面体２と、レーザー照射手段３と、読取手段４とを有する。ペン１２の先端部には、保持部１２２が設けられて、この保持部１２２に、球面体２が回転可能に保持されている。レーザー照射手段３と読取手段４とは、ケーシング１２１内に収納されている。
【００９７】
ペン１２は、例えば、レーザー光５（パルス光）を球面２１に照射した状態で、球面体２を紙面などに押圧しながら回転させることにより使用される。このとき、読取手段４の受光面４１が受光する回折光６の回折パターンは、連続的に変化する。これらの回折パターンから、照射点２４の検出を繰り返し行うことにより、球面体２の回転方向、回転距離等を求めることができる。これにより、ペン先の移動軌跡を求めることができる。
【００９８】
このようにして得られた情報は、必要に応じて、ＣＲＴ等に表示されてもよい。また、このような構造は、マウス等のコンピュータ用入力手段に用いられてもよい。
【００９９】
このように、本発明においては、レーザー光の回折による位置の検出を利用しているので、装置の大型化、複雑化を伴わず、球面の３軸方向への回転等、複雑な動作が行われるときの位置検出を行うことが可能である。そのため、本実施形態のような小型化、軽量化が求められる装置等への応用も可能である。
【０１００】
これらの応用例に示したように、球面上の位置を特定すること自体が最終目的でなく、検出された球面２１上の位置情報（単一または連続的な位置情報）から得られる２次的な情報を利用することも可能である。
【０１０１】
また、応用例として上記の２例を挙げたが、本発明の用途は、これらに限定されるものではない。
【０１０２】
以上、本発明の位置検出方法および位置検出機構を図示の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、位置検出機構の構成要素、特に、球面体は、同様の効果を発揮しうる任意の形状、構造のものと置換することができる。
【０１０３】
例えば、球面体は、半球状のように、その表面の少なくとも一部に球面を有していればよい。
【０１０４】
また、球面上に形成された回折格子を構成する溝は、いかなる形状のものであってもよく、例えば、ｘ軸を中心とする複数の円と、ｙ軸を中心とする複数の円と、ｚ軸を中心とする複数の円とで構成されたものであってもよい。また、球面上に形成された溝の少なくとも一部は、球面上の互いに最も離れた２点を結ぶことにより描かれる複数の半円（地球儀の経線のような半円）で構成されたものであってもよい。
【０１０５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の位置検出方法および位置検出機構によれば、装置の大型化、複雑化を伴わずに球面上の位置を検出することが可能となる。
【０１０６】
また、球面状の各点における回折格子のパターンと、読取手段の受光面が受光する回折光の回折パターンとを１対１で対応させることにより、相対的な位置のみならず、球面体の絶対的な位置を定めることができる。そのため、本発明の位置検出機構を用いた装置等においては、動作開始時に初期化（原点回帰）を行うことなく、球面の絶対位置を特定できる。
【０１０７】
さらに、装置の大型化、複雑化を伴わずに、比較的簡単な構成で、球面の３軸方向への回転のような複雑な動作時の位置検出を行うことが可能であるので、ロボットの関節、コンピュータ入力装置、各種センサー、計測機器等あらゆる分野のあらゆる装置への応用も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の位置検出機構の実施形態を模式的に示す図である。
【図２】球面体の球面上に形成された回折格子の断面形状の一例を示す図である。
【図３】球面体の球面上に形成された回折格子の断面形状の一例を示す図である。
【図４】図１に示す球面体の球面上の点Ａ付近における回折格子の形状（パターン）を示す図である。
【図５】図１に示す球面体の球面上の点Ａに照射されたレーザー光の回折光が読取手段の受光面上に形成する回折パターンを示す図である。
【図６】図１に示す球面体の球面上の点Ｂ付近における回折格子の形状（パターン）を示す図である。
【図７】図１に示す球面体の球面上の点Ｂに照射されたレーザー光の回折光が読取手段の受光面上に形成する回折パターンを示す図である。
【図８】図１に示す球面体の球面上の点Ｃ付近における回折格子の形状（パターン）を示す図である。
【図９】図１に示す球面体の球面上の点Ｃに照射されたレーザー光の回折光が読取手段の受光面上に形成する回折パターンを示す図である。
【図１０】図１に示す球面体の球面上の点Ｄ付近における回折格子の形状（パターン）を示す図である。
【図１１】図１に示す球面体の球面上の点Ｄに照射されたレーザー光の回折光が読取手段の受光面上に形成する回折パターンを示す図である。
【図１２】図１に示す球面体の球面上の点Ａに照射されたレーザー光の回折光が読取手段の受光面上に形成する回折パターンを示す図である。
【図１３】図１に示す球面体の球面上の点Ｂに照射されたレーザー光の回折光が読取手段の受光面上に形成する回折パターンを示す図である。
【図１４】図１に示す球面体の球面上の点Ｃに照射されたレーザー光の回折光が読取手段の受光面上に形成する回折パターンを示す図である。
【図１５】図１に示す球面体の球面上の点Ｄに照射されたレーザー光の回折光が読取手段の受光面上に形成する回折パターンを示す図である。
【図１６】本発明の位置検出機構の他の実施形態を模式的に示す図である。
【図１７】本発明の応用例を示す図である。
【図１８】本発明の応用例を示す図である。
【図１９】従来のエンコーダを用いた３軸方向に回転可能な関節を有するロボットアームを示す図である。
【符号の説明】
１                      位置検出機構
２                      球面体
２１                    球面
２２                    溝
２３                    溝
２４                    照射点
３                      レーザー光照射手段
４                      読取手段
４１                    受光面
５                      レーザー光
５１                    レーザー光源
６                      回折光
６１                    ＋１次回折光
６２                    −１次回折光
７                      ロボットアーム
８                      関節
９                      第１アーム
１０                    第２アーム
１１                    アクチュエータ
１２                    ペン（コンピュータ用入力手段）
１２１                  ケーシング
１２２                  保持部
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ  エンコーダ
１４                    スリット付き回転板
１４１                  スリット
１５                    発光素子
１６                    受光素子
１７                    軸
１８                    レンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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