(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動する物体の位置及び姿勢を検出する検出方法であって、基板の表面上または面内に形成され、角度に関する性質が２次元方向に既知の関数の形で変化する目盛を構成する角度格子と、前記角度格子面と相対向して配置された角度センサを備え、前記角度センサもしくは該角度センサから発する光スポットを前記角度格子面に沿って定められた方向に所定の速度で走査し、該走査時における前記角度センサの２次元角度出力のそれぞれの成分がゼロとなるゼロクロス点を検出し、この各ゼロクロス点間の通過時間を計測し、この時間計測値から前記角度格子の目盛ピッチ間の内挿値と角度格子の面内の回転角度姿勢であるヨーイング角及び角度格子の面外の回転角度誤差であるピッチング角とローリング角を算出することを特徴とする移動物体の位置及び姿勢検出方法。
【請求項２】
前記角度センサから前記角度格子に向けて照射される光ビームの光路上に配置され、前記光ビームの透過量を大きくしたドットを前記角度格子の目盛ピッチと同一のピッチで形成することにより前記角度格子に形成される光スポット中に多数の強い光のピンスポットを生じさせるピンスポット生成部材を有する請求項１記載の移動物体の位置及び姿勢検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、角度格子と角度センサを用いて移動する物体の位置及び姿勢を検出するのに好適な移動物体の位置及び姿勢検出方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の移動物体の位置及び姿勢検出方法としては、先願として本出願人により開発され出願された特願平８−１９９１１５号がある。
上記出願に関する移動物体の位置及び姿勢検出方法において、角度格子のピッチ間の内挿（補間）値を得る手法としては、角度格子の形状を正確に校正し、形状の確定している関数のアナログ出力を読み取る方法が採られている。
また、角度格子と角度センサの相対的な角度姿勢、すなわちヨーイング角、ピッチング角及びローリング角を得る手法としては、２個あるいは３個の２次元角度センサを既知の間隔をおいて並べ、それぞれの角度センサが検出する２〜３個の角度成分に関する連立方程式をたて、これを解く方法が採られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような先願の検出方法では、角度格子を構成する角度目盛の目盛間の内挿値を高精度に読み取るために角度格子の角度形状の詳細を正確に知っている必要があり、そのためには角度格子の校正が面倒であった。
また、先願の光学式の角度センサでは、一般に平行光束をを用いているので、光ビームの細さに限界があり、格子ピッチが小さい場合には、１つの光ビームのスポット内に複数の格子ピッチが含まれるため、信号の変化量が小さくなる傾向にある。
また、角度格子の内面回転姿勢を検出するのに２個または３個の角度センサを用いる方法では、検出機構が複雑になり、データ処理にも時間を要するという問題があった。
【０００４】
本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、角度格子と角度センサによる両者の相対位置と姿勢を高精度にかつ迅速、簡便に検出することができる移動物体の位置及び姿勢検出方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明は、移動する物体の位置及び姿勢を検出する検出方法であって、基板の表面上または面内に形成され、角度に関する性質が２次元方向に既知の関数の形で変化する目盛を構成する角度格子と、前記角度格子面と相対向して配置された角度センサを備え、前記角度センサもしくは該角度センサから発する光スポットを前記角度格子面に沿って定められた方向に所定の速度で走査し、該走査時における前記角度センサの２次元角度出力のそれぞれの成分がゼロとなるゼロクロス点を検出し、この各ゼロクロス点間の通過時間を計測し、この時間計測値から前記角度格子の目盛ピッチ間の内挿値を角度格子の面内の回転角度姿勢であるヨーイング角及び角度格子の面外の回転角度誤差であるピッチング角とローリング角を算出することを特徴とする。
【０００６】
本発明によれば、角度センサもしくは該角度センサから発する光スポットを前記角度格子面に沿って定められた方向に所定の速度で走査することにより、両者の基準点が相対的に静止している時でも角度センサの角度出力に時間変化を生じさせ、その信号のゼロクロス点の時間間隔を計測することで、角度格子の目盛間内挿値、面内の角度姿勢及び面外の角度姿勢誤差であるピッチング角とローリング角を実時間で検出することが可能になる。また、基準点の相対移動があってもその速度が走査速度に比べて小さいときには、同様の検出が可能となる。
【０００７】
また、本発明は、前記角度センサから前記角度格子に向けて照射される光ビームの光路上に配置され、前記光ビームの透過量を大きくしたドットを前記角度格子の目盛ピッチと同一のピッチで形成することにより前記角度格子に形成される光スポット中に多数の強い光のピンスポットを生じさせるピンスポット生成部材を有するものである。
【０００８】
本発明によれば、角度格子に照射される光スポット中に多数の強い光のピンスポットを形成し、この各ピンスポットによる出力信号が加え合わされるから、角度センサの角度信号の出力レベルを大きくできるとともに、検出感度が向上し、かつ検出信号の対雑音比を向上できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施の形態における角度格子と角度センサの関係を示す基本構成図である。
図１において、角度格子１０は、基板１０１の表面上において直交する２方向（ｘ，ｙ方向）の角度に関する性質が既知の関数の形で変化する一定振幅（正弦波状）の山谷の集合から構成されている。そして、このｘ，ｙの２次元角度格子１０の上方には、その表面に沿って角度センサ２０が一定の方向に一定の速度で走査できるように配置されている。この図１における角度センサ２０の走査方向は、走査ライン３０で示すように、２次元角度格子１０のｘ軸方向でｘ軸に対して角度αだけ傾いた方向である。
角度センサ２０には、図２に示す角度格子１０の目盛線であるゼロクロスラインと交わる時のｘ，ｙ方向の信号に基づいて制御され、ゼロクロス点間隔を計測するカウンタ２２が接続され、さらに、カウンタ２２には、カウンタ２２の計測値から角度αの値を算出する演算部２３が接続されている。
【００１０】
なお、角度センサ２０を角度格子１０に対して一定の方向に一定の速度で走査する方法としては、アクチュエータにより一定範囲を移動させる。
また、角度センサ２０が光学式のものである場合は、角度検出のための光スポットを音響光学偏向素子や電気光学結晶を利用して高速に振ることにより、角度センサを走査するのと同様な効果を与えることができる。
【００１１】
図２は、目盛間内挿と面内回転姿勢の検出方法を説明するための原理図を示すもので、角度センサ２０の角度検出基準軸２０１が角度格子１０の表面に対し鉛直な状態で走査した時の角度出力信号がゼロとなる線を角度格子１０の目盛線として図示すると図２に示すようになる。
【００１２】
図２において、実線で示す線４１はｘ軸方向の正の方向に角度センサ２０を走査した時、２次元角度格子１０の角度がゼロとなる信号の立ち上がり側ｘ方向ゼロクロスラインであり、破線で示す線４２はｘ軸方向の正の方向に角度センサ２０を走査した時、２次元角度格子１０の角度がゼロとなる信号の立ち下がり側ｘ方向ゼロクロスラインである。
また、実線で示す線４３はｙ軸方向の正の方向に角度センサ２０を走査した時、２次元角度格子１０の角度がゼロとなる信号の立ち上がり側ｙ方向ゼロクロスラインであり、破線で示す線４４はｙ軸方向の正の方向に角度センサ２０を走査した時、２次元角度格子１０の角度がゼロとなる信号の立ち下がり側ｘ方向ゼロクロスラインである。
【００１３】
なお、実線で示す立ち上がり側ｘ方向ゼロクロスライン４１と立ち上がり側ｙ方向ゼロクロスライン４３とがクロスする部分が図１に示した角度格子の山の部分に対応し、破線で示す立ち下がり側ｘ方向ゼロクロスライン４２と立ち下がり側ｙ方向ゼロクロスライン４４とがクロスする部分が図１に示した角度格子の谷の部分に対応する。
また、ｘ軸とαの角度なしている太い実線３０は、角度センサ２０の走査線を示している。この走査線３０の出発点が走査の基準点５０であり、この走査基準点５０は角度センサ２０の位置を決める基準点となる。
【００１４】
角度格子１０と角度センサ基準点５０が相対的に静止していると見なせる状態では、図２における走査線３０が各ゼロクロスラインと交わる各ゼロクロス点間の間隔は、対応する角度信号のゼロクロス点の時間間隔に比例する。
以下、立ち上がり側のゼロクロス点だけを使用して２次元角度格子の目盛間の内挿値と２次元角度格子の角度センサ走査方向に対する面内回転角度姿勢を検出する場合について説明する。
【００１５】
この場合、角度センサ２０がｘ軸方向またはｙ軸方向に走査された時にそれぞれの立ち上がり側ｘ方向ゼロクロスライン４１または立ち上がり側ｙ方向ゼロクロスライン４３で生じるゼロクロス点の時間間隔Ｔｐｘ，Ｔｐｙは既知と考えてよいから、走査線３０がｘ軸に対してαの角度傾いている時、ｘ，ｙ方向それぞれの立ち上がり側ｘ方向ゼロクロスライン４１から次の立ち上がり側ｘ方向ゼロクロスライン４１までのゼロクロス点間隔Ｔｘ（ｘ方向信号周期６０）、または立ち上がり側ｙ方向ゼロクロスライン４３から次の立ち上がり側ｙ方向ゼロクロスライン４３までのゼロクロス点間隔Ｔｙ（ｙ方向信号周期６１）をカウンタ２２により計測し、この計測結果に基づいて演算部２３により、次の（１）式または（２）式を用いて角度αを計算することができる。
ｃｏｓ（α）＝Ｔｘ／Ｔｐｘ・・・・・・・・・・・・（１）
ｓｉｎ（α）＝Ｔｙ／Ｔｐｙ・・・・・・・・・・・・（２）
【００１６】
また、角度センサが走査を開始してから走査の基準点５０からｘ，ｙそれぞれの方向の最初の立ち上がり側ｘ方向ゼロクロスライン４１または立ち上がり側ｙ方向ゼロクロスライン４３と交わるゼロクロス点までの時間ｔｘ（ｘ方向信号端数時間６２），ｔｙ（ｙ方向信号端数時間６３）をカウンタ２２により計測し、この計測結果と上記ゼロクロス点間隔Ｔｘ，Ｔｙを基に、ｔｘ／Ｔｘ，ｔｙ／Ｔｙから、角度センサ２０の基準位置に関して、ｘ，ｙ方向の目盛間の内挿が可能になる。
なお、角度αが０度や９０度に近づくと、角度センサ２０の走査長さによっては必要なゼロクロス点の幾つかが現れない状態となる。このようにα＝４５度を中心にして、±４０度以上の回転角度を検出する必要がある時は、図２の走査線３０の直交する方向にも角度センサ２０を走査することで対処できる。
【００１７】
図３は、角度格子１０がｘ，ｙ方向に正弦波状に変化する山谷の集合から構成された場合において、この角度格子１０に対して角度センサ２０がｘ軸に対しαの角度方向に走査された時の角度信号のｘ方向成分の時間変化の様子と、ピッチング角によるゼロクロス点の変化の様子を示す説明図である。
図３において、立ち上がり側のゼロクロス点から立ち下がり側のゼロクロス点までの時間をＴｘｄとする。ここで、角度格子１０の表面に対して角度センサ２０の角度検出基準軸２０１が正しく鉛直な関係にあれば、ｘ方向角度信号７０の出力波形は図３に示すように一定振幅の正弦波となり、その角度信号の出力がゼロとなるライン７１は信号振幅の中心にある。この時、立ち下がりのゼロクロス点は立ち上がりゼロクロス点の真ん中になり、Ｔｘｄ＝Ｔｘ／２となる。
【００１８】
もし、角度センサ２０の角度検出基準軸２０１が角度格子１０の表面に対してｘ方向にβだけ傾くと角度センサ２０の角度信号の出力がゼロとなるライン７２は、図３に示すように−β分ゼロライン７１よりシフトする。これに伴い、立ち上がり側のゼロクロス点から立ち下がり側のゼロクロス点までの時間はＴｘｄ’＝Ｔｘｄ＋２ｔ0 となり、鉛直となる時のＴｘｄよりも大きくなる。一方、１周期の値はβの影響を受けないので、図３でＴｘ＝Ｔｘ’である。
ここで、角度格子１０の形状が既知であれば、βとＴｘｄ／Ｔｘの関係を予め計算しておくことができるので、これを基に、ｘ方向の傾斜角（ピッチング角）も計測することができる。勿論、このピッチングによる目盛間内挿値ｔｘ／Ｔｘの誤差も補正することができる。
また、同様にして、ｙ方向の角度信号の出力を用いれば、ｙ方向の傾斜角（ローリング角）に関しても同様に計測することができる。
【００１９】
このような本実施の形態によれば、角度格子と角度センサによる位置検出時の目盛間内挿を高精度に行うことができる。
また、１個の２次元角度センサだけで、面内の２自由度の位置と姿勢を一括して検出することができるほか、ピッチング角とローリング角という２つの面外の角度姿勢の影響を目的の３自由度成分から取り除くことができ、しかも、その面外の角度姿勢変化を同時に検出することができる。
また、１つの角度センサだけで、２次元的な移動物体の角度格子からの高さ方向並進成分を除いた位置と姿勢の５自由度を分離検出することができる。
さらに、時間計測結果の簡単な演算処理だけで位置と姿勢の成分が分離検出できるので、５自由度の位置情報をリアルタイムに得ることができる。
【００２０】
なお、角度格子を正弦波で構成されるものとして説明したが、例えば、直径の決まった球を２次元的に並べるだけでも角度格子は構成される。このときは谷に相当する範囲の角度信号は検出できないので、ゼロクロスラインは、立上がり側だけしか得られない。このような簡便な角度格子を用いるときは、上記説明で述べた立下がり側のゼロクロス点を用いる方法は成立せず、ピッチングなどの影響は無視するか、別途に求めた値を利用するか、もう一つ角度センサを追加する方法を用いることになる。
【００２１】
なお、上記実施の形態では、角度センサ２０を角度格子１０に対して走査する場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、角度センサ２０と角度格子１０を相対的に走査する方式にも同様に適用することができる。
【００２２】
なお、以上は角度センサあるいは光スポットを相対的に走査する所定の速度を一定として説明したが、この速度は、変化の様子が既知であれば一定でなくても良い。例えば、一定周波数で角度センサを振動させるとセンサのｘ方向出力成分には１／Ｔｘを周波数とする波が既知の振動周波数に重なった形で含まれるので、これを同期検波などの既存の技術で分離して必要な１／Ｔｘを周波数とする波だけをとりだせば、上記の時間間隔の計測手法でも、また周波数変化、すなわち１／Ｔｘの変化の計測手法でも、同様の効果を得ることが出来る。
【００２３】
図４は、本発明の検出方法における他の実施の形態を示す投射光学系の構成図である。
図４において、投射光学系は、角度センサ２０から角度格子１０に向けて照射される光ビーム２０２の光路上に光軸を一致して配置され、光ビーム２０２を所定径（例えば0.２mm）の平行光線に変換して光スポット８１を形成する投射レンズ８０と、この投射レンズ８０の光スポット出射側に配置され、光の透過量を大きくしたドット８２を角度格子１０の目盛ピッチと同一のピッチで形成することにより光スポット８１中に多数の強い光のピンスポット８１１を生じさせるピンスポット生成部材８３とから構成されている。
【００２４】
上記のように構成された実施の形態において、角度センサ２０から出射される光ビーム２０２が投射光学系を通して角度格子１０に目盛表面に照射されると、その光スポット８１中に多数の強い光のピンスポット８１１が形成され、この各ピンスポット８１１が角度センサ一個分のビームとして作用するため、各ピンスポット８１１の同一位相での反射光の方向変化だけが同期して加え合わされ、その結果、角度センサ２０の角度信号出力は、各ピンスポット８１１による出力信号が加え合わされたものとなる。
【００２５】
このような本実施の形態によれば、角度センサの角度信号の出力レベルを大きくできるとともに、検出感度が向上し、かつ検出信号の対雑音比を向上することができる。
【００２６】
なお、上記実施形態は、請求項１の光学式センサを走査する場合だけでなく、走査をしないで用いる本出願人が既に出願している特願平８−１９９１１５号の移動物体の位置及び姿勢検出方法でも有効である。
【００２７】
【発明の効果】
上記のように本発明によれば、角度格子と角度センサによる位置検出時の目盛間内挿を高精度に行うことができる。
また、本発明によれば、１個の２次元角度センサだけで、面内の２自由度の位置と姿勢を一括して検出することができるほか、ピッチング角とローリング角という１つの面外の角度姿勢の影響を目的の３自由度成分から取り除くことができ、しかも、その面外の角度姿勢変化を同時に検出することができる。
また、本発明によれば、１つの角度センサだけで、２次元的な移動物体の角度格子からの高さ方向並進成分を除いた位置と姿勢の５自由度を分離検出することができる。
さらに、本発明によれば、時間計測結果の簡単な演算処理だけで位置と姿勢の成分が分離検出できるので、５自由度の位置情報をリアルタイムに得ることができる。
【００２８】
また、本発明によれば、角度格子に照射される光スポット中に多数の強い光のピンスポットを形成し、この各ピンスポットによる出力信号が加え合わされる構成にしたので、角度センサの角度信号の出力レベルを大きくできるとともに、検出感度が向上し、かつ検出信号の対雑音比を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法を適用した検出装置の実施の形態における角度格子と角度センサの関係を示す基本構成図である。
【図２】本発明の実施の形態における目盛間内挿と面内回転姿勢の検出方法を説明するための原理図である。
【図３】本発明の実施の形態における角度信号のｘ方向成分の時間変化の様子と、ピッチング角によるゼロクロス点の変化の様子を示す説明図である。
【図４】本発明の検出方法における他の実施の形態を示す投射光学系の構成図である。
【符号の説明】
１０  角度格子
１０１  基板
２０  角度センサ
２２  カウンタ
２３  演算部
２０１  角度検出基準軸
３０  走査線
４１  立ち上がり側ｘ方向ゼロクロスライン
４２  立ち下がり側ｘ方向ゼロクロスライン
４３  立ち上がり側ｙ方向ゼロクロスライン
４４  立ち下がり側ｙ方向ゼロクロスライン
８０  投射レンズ
８１  光スポット
８２  ドット
８３  ピンスポット生成部材
８１１  ピンスポット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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