(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体の回転軸に直交して設定される、角度マークを有する回転板と、
前記回転板の角度マークを撮影するために所定の間隔を有して設定された、第１の撮像装置、および、第２の撮像装置と、
前記第１の撮像装置で撮影された第１の角度マークの画像位置を認識する第１の画像処理装置と、
前記第２の撮像装置で撮影された第２の角度マークの画像位置を認識する第２の画像処理装置と、
前記第１の撮像装置で撮影された第１の角度マークの座標位置を求める第１の座標演算装置と、
前記第２の撮像装置で撮影された第２の角度マークの座標位置を求める第２の座標演算装置と、
前記第１および第２の座標演算装置で求められた第１および第２の角度マークの座標位置を結ぶ線分と、回転後に求められた第１および第２の角度マークの座標位置を結ぶ線分とが交差する交差角度を算出する角度演算装置と
を具備してなることを特徴とする回転角度測定装置。
【請求項２】
回転体の回転軸に直交して設定される、角度マークを有する回転板と、
前記回転板の角度マークを撮影する撮像装置と、
前記回転板上の所定の距離が離れた第１の角度マークと第２の角度マークを撮影するために、前記撮像装置に第１の角度マークと第２の角度マークの像を導く光学装置と、
前記撮像装置で撮影された第１の角度マークの画像位置、および、第２の角度マークの画像位置を認識する画像処理装置と、
前記撮像装置で撮影された第１の角度マーク、および、第２の角度マークの座標位置を求める座標演算装置と、
前記座標演算装置で求められた第１および第２の角度マークの座標位置を結ぶ線分と、回転後に求められた第１および第２の角度マークの座標位置を結ぶ線分とが交差する交差角度を算出する角度演算装置と
を具備してなることを特徴とする回転角度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は回転角度測定装置に関し、さらに詳しくは回転体の微小角度の回転変位を高精度に測定する回転角度測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、回転体の回転角度を測定する手段として光学式ロータリーエンコーダや磁気的ロータリーエンコーダを用いてきた。これは回転体の回転周囲に沿って等間隔で信号が記録されていて、この信号を検知し回転角を測定するものである。
【０００３】
この信号は一般にはラジアル方向の変位を検知しにくいものであり、従って変位に対する補正は困難であるため、回転体の回転中心とロータリーエンコーダとの中心は十分に一致していることを前提とし、また、読み取った信号は等間隔であるものと想定して、回転角度を求めているのが現状である。
【０００４】
しかしながら実際には回転体の回転中心とロータリーエンコーダとの中心は厳密に一致することはなく、また、回転軸と軸受けとの間には僅かではあるが間隙があり、読み取った信号は等間隔にはならない。従ってこの信号に基づいて回転角度を算出すると、特に微小で高精度の回転角度を求める場合は誤差が大きくなっていた。
【０００５】
また、極めて微小な回転角を測定するためには、ロータリーエンコーダに記録されている信号も高分解能で高精度に記録されていなければならず、高価なものであった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明は、高分解能で高精度なロータリーエンコーダを用いることなく、回転体の微小角度の回転変位でも高精度に測定できる回転角度測定装置を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであって、回転体の回転軸に直交して設定される、角度マークを有する回転板と、前記回転板の角度マークを撮影するために所定の間隔を有して設定された、第１の撮像装置、および、第２の撮像装置と、前記第１の撮像装置で撮影された第１の角度マークの画像位置を認識する第１の画像処理装置と、前記第２の撮像装置で撮影された第２の角度マークの画像位置を認識する第２の画像処理装置と、前記第１の撮像装置で撮影された第１の角度マークの座標位置を求める第１の座標演算装置と、前記第２の撮像装置で撮影された第２の角度マークの座標位置を求める第２の座標演算装置と、前記第１および第２の座標演算装置で求められた第１および第２の角度マークの座標位置を結ぶ線分と、回転後に求められた第１および第２の角度マークの座標位置を結ぶ線分とが交差する交差角度を算出する角度演算装置とを具備して回転角度測定装置を構成する。
【０００８】
また、回転体の回転軸に直交して設定される、角度マークを有する回転板と、前記回転板の角度マークを撮影する撮像装置と、前記回転板上の所定の距離が離れた第１の角度マークと第２の角度マークを撮影するために、前記撮像装置に第１の角度マークと第２の角度マークの像を導く光学装置と、前記撮像装置で撮影された第１の角度マークの画像位置、および、第２の角度マークの画像位置を認識する画像処理装置と、前記撮像装置で撮影された第１の角度マーク、および、第２の角度マークの座標位置を求める座標演算装置と、前記座標演算装置で求められた第１および第２の角度マークの座標位置を結ぶ線分と、回転後に求められた第１および第２の角度マークの座標位置を結ぶ線分とが交差する交差角度を算出する角度演算装置とを具備して回転角度測定装置を構成し、上記課題を解決する。
【０００９】
上述した構成では、回転前と回転後において、回転板に記録された２つの角度マークの座標位置を求め、これら２つの座標位置を結ぶベクトルを算出し、さらにこれら回転前と回転後の２つのベクトルが交差する交差角度を求める。この交差角度は回転体の回転角度と一致する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は、回転体に設定し回転角度の検出に供される角度マークを有する回転板と、この回転板の角度マークを撮影するテレビカメラと、テレビカメラで撮影された角度マークを識別する画像処理装置と、識別された角度マークの座標位置を求める座標演算装置と、回転前と回転後に撮影された角度マークの座標位置から回転体の回転角度を求める回転角度演算装置とを具備した回転角度測定装置であって、微小な回転角度を高精度に測定することができることを特徴としている。
【００１１】
つぎに、本発明の回転角度測定装置の実施の形態について図１ないし図８を参照して説明する。尚、図１は本発明にかかわる回転角度測定装置のブロック構成図であり、図２はその構成を示す図である。図３は本発明にかかわる回転角度測定装置に用いられる回転板の構成を示す図であり、図４はその回転板に設けられた角度マークの拡大図である。図５は回転前と回転後にテレビカメラで撮影された角度マークの撮影画像である。また、図６は本発明にかかわる回転角度測定装置の他の構成を示す図であり、図７はその回転角度測定装置における回転前と回転後にテレビカメラで撮影された角度マークの撮影画像である。さらに、図８は図１に示す回転角度測定装置を応用した装置例を示す図である。
【００１２】
まず、図１に示すように回転角度測定装置１０は、モータ等の回転体の回転軸１に設置される、角度マーク２が記録されている回転板３と、この回転板３の角度マーク２を撮影する、回転体と共通の固定側に設定されたテレビカメラ４ａ、４ｂと、テレビカメラ４ａ、４ｂとによって撮影された角度マーク２を識別するための画像処理装置５ａ、５ｂと、画像処理装置５ａ、５ｂとによって識別された角度マーク２の座標位置を求める座標演算装置６ａ、６ｂと、座標演算装置６ａ、６ｂとによって求められた角度マーク２の座標から回転体の回転角度を算出する回転角度演算装置７を有して構成されている。
【００１３】
図２は回転角度測定装置１０の機構部を側面から示していて、測定に供されるモータ１１は基台１２に固定され、また、モータ１１の回転軸１には回転板３が取り付けられている。回転板３には前述した角度マーク２が記録されていて、その角度マーク２を測定する２つのテレビカメラ４ａ、４ｂが所定の距離を有して、モータ１１と共通の基台１２に固定されている。また、テレビカメラ４ａ、４ｂは角度マーク２を撮影し、回転角度を算出するために好適なデータが得られるように、所定のレンズ系で撮影範囲等が設定されているものである。さらに、必要であれば角度マーク２を照明する照明装置を設けてもよい。
【００１４】
回転板３の構成例は図３に示すように、例えば直径４５ｍｍの円盤に、角度マーク２となる直径４０ｍｍの円周上に１度毎に直径０．３ｍｍの丸いマークが記録されているものであって、さらに図４に示すように各角度マーク２にはそれらを識別するための識別記号１４が記されている。この例では角度マーク２のピッチは略０．３５ｍｍとなる。また、角度マーク２の真円度は０．５μｍとし、識別記号１４は３桁の数字等が用いられる。このような角度マーク２を撮影するテレビカメラ４ａ、４ｂの視野は約１ｍｍ×１ｍｍ程度とする。また、符号１３は回転板３をモータ１１に設置するため、回転板３の中心に設けられた孔である。
【００１５】
つぎに、上述した構成の回転角度測定装置１０の動作について説明する。
まず、２つのテレビカメラ４ａ、４ｂで撮影される各々の角度マーク２を一対として認識する。ここで注目する角度マーク２は、回転体が所定の角度を回転してもテレビカメラ４ａ、４ｂの視野から外れないものとする。また、複数個の角度マーク２が視野に入る場合は、識別記号１４により注目する角度マーク２を追跡する。
【００１６】
さて、図５に示すように、初めにテレビカメラ４ａで符号Ｐ00の角度マーク２が、また、テレビカメラ４ｂで符号Ｐ10の角度マーク２が撮影されているとする。この状態で符号Ｐ00と符号Ｐ10の角度マーク２の座標が共通な座標軸上で座標演算装置６ａ、６ｂにより求められる。これにより符号Ｐ00と符号Ｐ10の角度マーク２を結ぶベクトルが求められる。
【００１７】
つぎに、回転体が回転して符号Ｐ00の角度マーク２が符号Ｐ01の位置に移動し、また、符号Ｐ10の角度マーク２が符号Ｐ11の位置に移動して、テレビカメラ４ａで符号Ｐ01の角度マーク２が、また、テレビカメラ４ｂで符号Ｐ11の角度マーク２が撮影されるとする。この状態で同様に、符号Ｐ01と符号Ｐ11の角度マーク２の座標が座標演算装置６ａ、６ｂにより求められる。これにより符号Ｐ01と符号Ｐ11の角度マーク２を結ぶベクトルが、回転前と同様にして求められる。
【００１８】
従って、求められた２つのベクトルから回転角度演算装置７によりその交差する角度θが算出され、この角度θが回転角度と一致しているので、微小な回転角度を高精度で測定できることになる。
【００１９】
ここで、回転板３に記録される角度マーク２は、その記録位置や、ピッチ等を正確に設定する必要はなく、それらの座標位置の移動が正確に読み取れるものであればよい。
【００２０】
また、テレビカメラ４ａ、４ｂの画像データを記憶するメモリを設け、このメモリから順次画像データを読み出して処理する構成をとってもよい。これにより画像処理装置、座標演算装置を１つにすることが可能である。しかしながら全体の処理時間が長くなることを考慮する必要がある。
【００２１】
また、上述したように微小の回転角度を連続して測定して加算することで大きな回転角度を測定することも可能である。しかしながら誤差が加算する回数に応じて累積することを考慮する必要がある。
【００２２】
さらに、回転板３に設ける角度マーク２は図３に示すものに限らず、画像処理が可能な２つの特徴ある点や、１つの特徴ある線が記録されているものであってもよい。
【００２３】
つぎに、回転角度測定装置の他の構成例について説明する。図６は回転角度測定装置２０の機構部を側面から示す図であって、測定されるモータ１１は基台１２に固定され、回転軸１に回転板３が取り付けられている。回転板３には角度マーク２が記録されていて、その角度マーク２を測定するテレビカメラ４がモータ１１と共通の基台１２に固定されている。また、光学系２１も基台１２に固定されていて、この光学系２１はミラー２２ａ、ミラー２２ｂ、ミラー２３によって、回転板３上の２箇所の角度マーク２が共にテレビカメラ４で撮影することを可能とする構成になっている。
【００２４】
図７に示すようにテレビカメラ４からは２か所の角度マーク２が映し出されている。回転角度測定装置１０に関して説明したことと同様に、符号Ｐ00の角度マーク２がテレビカメラ４の２分割した一方の視野で、また、符号Ｐ10の角度マーク２が他方の視野で撮影されている。この状態で符号Ｐ00と符号Ｐ10の角度マーク２の座標が共通な座標軸上で求められる。これにより符号Ｐ00と符号Ｐ10の角度マーク２を結ぶベクトルが求められる。
【００２５】
つぎに、回転体が回転して符号Ｐ00の角度マーク２が符号Ｐ01の位置に移動し、また、符号Ｐ10の角度マーク２が符号Ｐ11の位置に移動して、テレビカメラ４の２つに分割したそれぞれの視野で撮影されるとする。この状態で符号Ｐ01と符号Ｐ11の角度マーク２の座標が求められ、さらに符号Ｐ01と符号Ｐ11の角度マーク２を結ぶベクトルが求められる。従って、求められた２つのベクトルから回転角度演算装置７によりその交差する角度θが算出され、微小な回転角度が測定できることになる。
【００２６】
回転角度測定装置２０ではテレビカメラが１台でよく、画像処理も１度に行なうことができ、装置を簡素化することができる。
【００２７】
つぎに回転角度測定装置１０を用いた装置の例を図８を参照して説明する。回転角度測定装置２０を用いて構成してもよいことは当然である。
【００２８】
図８は回転角度測定装置１０をＩＣマウント装置３０に適用したものであって、基台１２の上にＹステージ３１が、またＹステージ３１の上にＸステージ３２が設けられていて、Ｘステージ３２の上にＩＣ３３がマウントされる基板３４が装着されている。基板３４はＹステージ３１とＸステージ３２によってその位置が制御される。
【００２９】
さらに上部の基台１２にはＺステージ３５が設けられ、このＺステージ３５に回転用のモータ１１、モータ１１の回転軸１に装着されたガラス製の回転板３、回転板３を撮影するためのテレビカメラ４ａ、４ｂが設けられている。また、Ｚステージ３５は基台１２に対して上下方向だけではなく、Ｘステージ３２に対する垂直面内で回動して調整できるものである。
【００３０】
また、回転板３に蒸着等より作成された角度マーク２を照明する照明装置３６が、回転板３を挟んでテレビカメラ４ａ、４ｂとは反対の側に設けられている。また、回転軸１の先端の基板３４と対向する部位にＩＣ３３を装着し、或いはリリースするＩＣ保持部３７が設けられている。
尚、照明装置３６はテレビカメラ４ａ、４ｂの側から照明するように装着してもよく、また、光源としてＬＥＤ、白熱電球等を用いることができる。
【００３１】
つぎに上述したＩＣマウント装置３０の動作について説明する。基板３４はＸステージ３２の上に装着され、その位置が制御される。また、基板３４のＩＣをマウントする部位の位置と角度は図示しない画像処理手段により計測されている。ここで基板３４にＩＣ３３をマウントしようとすると、既に測定されている情報に基づき、ＩＣ保持部３７に保持されているＩＣ３３の回転に関する成分の姿勢が、モータ１１の回転によって制御されることになる。このとき回転板３とこれを撮影するテレビカメラ４ａ、４ｂの情報により、正確な回転角度が算出されることは詳細に説明した通りであり、基板３４に対するＩＣ３３の正確な回転位置が決定されることになる。
【００３２】
尚、図８においては基台１２は分離して上下に示されているが、これらは一体となったものであって、相互に移動して変位が生じてはならない。
【００３３】
また、本発明の回転角度測定装置は上述したＩＣマウント装置に限ることなく、微小で正確な角度制御が必要な種々の装置に適用できることは当然である。
【００３４】
【発明の効果】
従って本発明の回転角度測定装置によると、回転角度を算出するときの基準となる角度マークは回転板上に所定の位置を保って設けられればよいので、回転板を安価に作成することができ、また、取り付け精度にも余裕があり、作業の効率が向上する。
【００３５】
また、回転軸に揺動があっても、高精度に回転角度が測定できるので、回転軸に関する精度も低下することができる。
【００３６】
さらに、テレビカメラとレンズ系の選択、およびそれらの取り付けに自由度が生じるため、種々の作業要求に対応が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明にかかわる回転角度測定装置のブロック構成図である。
【図２】  本発明にかかわる回転角度測定装置の構成を示す図である。
【図３】  回転角度測定装置に用いられる回転板の構成を示す図である。
【図４】  回転板に設けられた角度マークの拡大図である。
【図５】  回転前と回転後にテレビカメラで撮影された角度マークの撮影画像である。
【図６】  本発明にかかわる回転角度測定装置の他の構成を示す図である。
【図７】  図６に示す回転角度測定装置において、回転前と回転後にテレビカメラで撮影された角度マークの撮影画像である。
【図８】  図１に示す回転角度測定装置を応用した装置例を示す図である。
【符号の説明】
１…回転軸、２…角度マーク、３…回転板、４、４ａ、４ｂ…テレビカメラ、５ａ、５ｂ…画像処理装置、６ａ、６ｂ…座標演算装置、７…回転角度演算装置、１０，２０…回転角度測定装置、１１…モータ、１２…基台、１３…孔、１４…識別記号、２１…光学系、２２ａ，２２ｂ，２３…ミラー、３０…ＩＣマウント装置、３１…Ｙステージ、３２…Ｘステージ、３３…ＩＣ、３４…基板、３５…Ｚステージ、３６…照明装置、３７…ＩＣ保持部
【図１】
0004000685.tif 000002
【図２】
0004000685.tif 000003
【図３】
0004000685.tif 000004
【図４】
0004000685.tif 000005
【図５】
0004000685.tif 000006
【図６】
0004000685.tif 000007
【図７】
0004000685.tif 000008
【図８】
0004000685.tif 000009