(57)【要約】【課題】ローリング、ピッチング、ヨーイングの３軸同時に微小角度変位量を一括して測定する。【解決手段】測定装置において、液体４の液面上に浮遊させた2次元回折格子２の水平面が重力により保持されることを利用して、2次元回折格子２と測定装置との間の角度変化をオートコリメーション法に基づく角度計測機構を用いて測定することにより、測定装置が重力方向と成す角度である姿勢角の絶対値を測定する。【選択図】図１
2017032453.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
重力下で2次元回折格子を液面上に浮遊させたときの格子面を基準となる水平面として測定装置の姿勢角変化を検出する姿勢角測定方法であって、
前記2次元回折格子にレーザ光を照射した際の回折光を受光素子で検出し、前記受光素子上の光スポット位置変化を検出することによって、前記測定装置が重力方向と成す角度である姿勢角の変化を測定することを特徴とする姿勢角測定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の姿勢角測定方法において、
前記2次元回折格子に照射された前記レーザ光の前記回折光を、前記測定装置内に搭載された複数の受光素子により同時に検出することによって、3軸周りの姿勢角の変化を一括して計測することを特徴とする姿勢角測定方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の姿勢角測定方法において、
前記液面上に浮遊させた前記2次元回折格子の反射面が重力により水平に保たれることを利用して、前記測定装置の外部に設けられた参照基準を用いることなく前記姿勢角の絶対角度を測定することを特徴とする姿勢角測定方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の姿勢角測定方法において、
ヨーイング周りの姿勢角の変化によって生じる前記受光素子上の光スポット位置変化が前記回折光のうちの１次回折光に生じることを特徴とする姿勢角測定方法。
【請求項５】
2次元回折格子と、
前記2次元回折格子を浮遊させる液体が貯留される容器と、
重力下で前記液体の液面上に浮遊させた前記2次元回折格子にレーザ光を照射する光源と、
前記2次元回折格子に前記レーザ光を照射した際の回折光を検出する受光素子と、
前記受光素子上の光スポット位置変化を検出することによって、姿勢角の変化を測定する測定部とを備えていることを特徴とする姿勢角測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体表面に浮遊させた回折格子の角度変化を検出することで、測定装置の姿勢角を測定するもので、2次元回折格子より構成される浮遊体を用いて、3軸周りの姿勢角を一括して測定する方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
精密加工の分野では、物体の3軸の姿勢角を精密に計測する機器が必要とされる。ここで、姿勢角とは右手系直行座標ｘ、ｙ、ｚの各軸周りの角度変位としてそれぞれローリング、ピッチング、ヨーイングと定義する。従来、姿勢角計測にはオートコリメータによる計測が多く用いられてきた。
【０００３】
オートコリメータは、測定対象に対して光線を照射し、その入射光と反射光の角度のずれを検出する角度測定器であり、サブ角度秒オーダの高分解能、2軸周りの角度の一括測定が可能である。一方で、光線が大気中に曝露する構造であるためにオートコリメータと測定対象との間の距離が長くなると大気の屈折率のゆらぎにより計測精度が低下することや、計測可能軸が原理上1台のオートコリメータにつき2軸に限定されるため、3軸の姿勢角計測には最低でも2台のオートコリメータが必要であることといった課題がある。
【０００４】
一方で、ジャイロレートセンサを用いた角度計測方法のメリットは、角速度の積分に基づいて相対的な姿勢角変化を測定しているため、外部の基準が不要な点である。また、3軸分のジャイロレートセンサを用意することでローリング、ピッチング、ヨーイングの3軸が測定可能である。精密計測分野においては、Roll-to-Roll加工設備のロールの平行度計測装置として用いられている(非特許文献1)。このロール平行度計測装置には3軸のリングレーザジャイロ(非特許文献2、3)が互いに直角に内蔵されており、ローリング、ピッチング、ヨーイングの3軸の計測精度は、平行度を角度換算したもので±0.0028°(分解能0.00022°)であり、精密工学においても十分使用可能な精度と分解能を有する。しかしながら、ジャイロレートセンサは角速度を時間積分して角度を算出する為、センサの安定性が計測結果に大きく影響する(非特許文献4)。この安定性は、ジャイロレートセンサのバイアス安定性と呼ばれ(非特許文献5)、ジャイロレートセンサによる長時間の角度計測を考えると、バイアス安定性の存在により時間に比例した誤差の発生が予想される。前述のロール平行度計測装置にも使用されているリングレーザジャイロは、0.01°/hour(非特許文献4,5参照)と市販のジャイロレートセンサの中でもバイアス安定性の値は低いものである。しかしながら、それでも一時間当たり最大で0.01°の誤差発生が予想される。したがって、長時間におよぶ計測において精度を維持することが困難であることが分かる。
【０００５】
また、上記のリングレーザジャイロは、非常に高額な点からも利用が制限されている。また、極低バイアス安定性のリングレーザジャイロとして、天文学における重力波検出装置に使用されるサイズモ振動計測のための研究もされている(非特許文献6,7)が、光路長がメートルオーダと大きくなっているため、産業用途として現実的な大きさ、重量ではない。したがって、ジャイロレートセンサによる精密計測は困難であると考えられる。
【０００６】
また、傾斜センサを用いた姿勢角計測では、ローリング、ピッチングの計測だけに限った場合にはジャイロレートセンサによる姿勢角計測に比べて積分誤差が生じないため、長時間の測定にも適用可能である。姿勢角とは重力軸に対する角度のことであり、地球上での重力方向の変位は0.1"以下(非特許文献8)と安定しているため、高精度が期待できる。傾斜センサは重力加速度の検出方法により幾つかの種類に分類される。代表的なものは、振子式(非特許文献9-13)、加速度計式、液面基準式(非特許文献14から18)の3種類である。振子式は、センサ内部に回転軸で支持もしくは弾性体で保持された振子を有する。センサに姿勢角が加えられると、振子は重力加速度と平行になるよう初期位置から角度変位を生じるため、それを角度センサで読み取ることで、センサ筐体と振子の相対角度から姿勢角を計測する。加速度計方式では、1軸もしくは多軸の加速度計を用いて重力加速度を検出し、各軸の加速度の検出値から重力加速度の方向を計算し、姿勢角として得るものである。液体基準式は、液面を検出する方式と液体中の気泡の動きを検出する方式の2種類に分類できる。
【０００７】
液面を検出する方式は、センサ内部に封入された液体の液面が重力により水平になることを利用したもので、液面の変化を姿勢角に変換している。ローリング、ピッチングの2軸の姿勢角計測が可能な液体の作る水平面を基準とした傾斜センサとしては、角度分解能3.6"の市販製品や液面での屈折を利用して±0.4"の精度を有するセンサも研究されている(非特許文献19参照)。しかしながら、いずれの傾斜センサも測定軸数は2軸に限定されていた。これは、重力加速度ベクトルが方向ベクトルで、ローリング、ピッチング、重力加速度の大きさの3つの成分のみ有しているからであり、重力加速度ベクトル周りの回転成分である方位成分、すなわちヨーイング姿勢角の計測は原理上不可能であった。これは、液面基準の傾斜センサのみならず、振子式、加速度計式を含む全ての傾斜センサに共通する現象である。
【０００８】
一方で、傾斜センサを用いて3軸の姿勢角計測を実施するためには、ヨーイングの姿勢変化検出の方法が新たに必要となる。単純な方法としては、傾斜センサとヨーイングが測定可能な別の姿勢角センサを複合させることである。ヨーイングの計測が可能なセンサとして、磁気コンパス、機械式コンパス、ジャイロレートセンサが挙げられる。磁気コンパスは、地球上の任意の地点（極地を除く）において磁北を指し示すセンサであり、ヨーイングの姿勢角の絶対値を計測することが可能である。しかしながら、市販製品では精度は±0.1"に留まり、また地磁気の微弱な磁力線を検出しているため、外部磁気の影響を受ける可能性があり、高精度な姿勢角計測には不適であると考えられる。機械式コンパスは、ジャイロ効果を用いて地球上の任意の地点における真北（自転軸の方向を北とする）を指し示すセンサであり、磁気コンパス同様にヨーイングの姿勢角の絶対値を計測可能である。
【０００９】
しかしながら、これも、市販製品の精度は±0.3°と高精度な姿勢角計測用途には不適である。ジャイロレートセンサは、前述のように短時間であれば高分解能が得られるが、時間積分による角度計測値のドリフトが発生する為、長時間の計測となると民生用にて最高性能のリングレーザジャイロを用いても、36"/hourのドリフト発生が予測される。空間中の物体の姿勢角3成分ローリング、ピッチング、ヨーイングを計測するためには、傾斜センサとは別のヨーイング検出機構が必要となる。従来、航空宇宙用途では姿勢方位基準装置（Attitude Heading Reference system : AHRS）が用いられてきた。この装置は、前述の3軸の姿勢角計測のための高安定ジャイロレートセンサであるリングレーザジャイロと、ジャイロレートセンサの積分誤差を定期的にリセットするための傾斜センサと、方位検出の為の磁気コンパスとが複合されたセンサシステムである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】横野 智明 and 横野智明, “リングレーザージャイロを用いたロールパラレルアライメント計測--高機能ウェブの不良発生を防ぐ予防診断技術,” コンバーテック, vol. 39, no. 4, pp. 100-103 (2011).
【非特許文献２】E. Sanders, “The laser,” Rev. Mod. Phys., vol. 57, no. 1, p. 61. (1985).
【非特許文献３】ERIC UDD, “Fiber Optic Sensors Section9_FIBER OPTIC SENSORS BASED ON THE SAGNAC INTERFEROMETER AND PASSIVE RING RESONATOR,” Second., E. U. W. B. S. Jr., Ed. John Wiley & Sons, Inc., pp. 199-230, (2011).
【非特許文献４】N. M. Barbour, “Inertial Navigation Sensors,” vol. 116, pp. 1-28, 2011.
【非特許文献５】多摩川精機編、「ジャイロセンサ技術: ポイント解説」、東京電機大学出版局、(2011).
【非特許文献６】K. U. Schreiber and J. P. R. Wells, “Invited Review Article: Large ring lasers for rotation sensing,” Rev. Sci. Instrum., vol. 84, no. 2013, (2013).
【非特許文献７】K. U. Schreiber, J. N. Hautmann, a. Velikoseltsev, J. Wassermann, H. Igel, J. Otero, F. Vernon, and J. P. R. Wells, “Ring laser measurements of ground rotations for seismology,” Bull. Seismol. Soc. Am., vol. 99, no. 2, pp. 1190-1198, (2009).
【非特許文献８】M. P. Thekaekara and R. Appler, “Mercury Pool for Precise Alignment of Instruments,” Rev. Sci. Instrum., vol. 36, no. 5, p. 644, (1965).
【非特許文献９】K.-C. Fan, T.-H. Wang, S.-Y. Lin, and Y.-C. Liu, : Design of a dual-axis optoelectronic level for precision angle measurements, Meas. Sci. Technol., 22, 5, 055302, (2011).
【非特許文献１０】K. Venkateswara, C. a Hagedorn, M. D. Turner, T. Arp, and J. H. Gundlach: A high-precision mechanical absolute-rotation sensor., Rev. Sci. Instrum., 85, 1, 015005, (2014).
【非特許文献１１】H. Bao, X. Dong, C. Zhao, L.-Y. L. Shao, C. C. Chan, and P. Shum, “Temperature-insensitive FBG tilt sensor with a large measurement range,” Opt. Commun., vol. 283, no. 6, pp. 968-970, (2010).
【非特許文献１２】J. Liang, T. Matsuo, F. Kohsaka, X. Li, K. Kunitomo, and T. Ueda, “Fabrication of two-axis quartz MEMS-based capacitive tilt sensor,” IEEJ Trans. Sensors Micromachines, vol. 128, no. 3, pp. 85-90, (2008).
【非特許文献１３】Y. Cheng, J. Winterflood, L. Ju, and D. G. Blair, “Tilt sensor and servo control system for gravitational wave detection,” Class. Quantum Gravity, vol. 19, no. 7, p. 1723, (2002).
【非特許文献１４】Z. W. Zhong, L. P. Zhao, and H. H. Lin, “Development and investigation of an optical tilt sensor,” Opt. Commun., vol. 261, no. 1, pp. 23-28, (2006).
【非特許文献１５】H. Jung, C. C. J. Kim, and S. H. S. Kong, “An optimized MEMS-based electrolytic tilt sensor,” Sensors Actuators A Phys., vol. 139, no. 1, pp. 23-30, (2007).
【非特許文献１６】D. Welch, J. Georgiou, and J. B. Christen, “Fully differential current-mode MEMS dual-axis optical inclination sensor,” Sensors Actuators A Phys., (2012).
【非特許文献１７】Y. Z. Xing and F. Schneider, “A bubble-level tilt sensor with a large measurement range,” Sensors and Actuators, vol. 17, no. 3, pp. 339-344, (1989).
【非特許文献１８】H. Jung, C. C. J. Kim, and S. H. S. Kong,: An optimized MEMS-based electrolytic tilt sensor, Sensors Actuators A Phys., vol. 139, no.1, pp. 23-30, (2007).
【非特許文献１９】J. Torng, C.-H. Wang, Z.-N. Huang, and K.-C. Fan, “A novel dual-axis optoelectronic level with refraction principle,” Meas. Sci. Technol., vol. 24, no. 3, p. 035902, (2013).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
以上に述べたような空間姿勢計測を行うセンサでは、数10°オーダの大きな姿勢変化の検出が想定されており、サブ角度秒オーダの高分解能は得られない。さらに、リングレーザジャイロを用いた姿勢角計測であるため、軸数当りのコストが非常に高く、利用性に問題がある。このように、ヨーイングの姿勢角変化の計測においては、分解能とコストの両立が困難であるという問題が生じていた。
【００１２】
そこで、本発明では、従来の２軸姿勢角センサでは不可能であった、ローリング、ピッチング、ヨーイングの３軸同時に微小角度変位量を測定可能な、重力方向を基準方向とした３軸の姿勢角センサを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
そこで、本発明者らは、液面に回折格子を浮揚させ、その姿勢角を、レーザの回折現象を利用した３軸角度センサ（例えば特許第5322099号）により計測する方法を着想した。これにより、回折格子のレーザ照射面の法線が液面の法線と一致することを利用して、センサと回折格子間の姿勢の相対角を計測するができる。すなわち、ローリング、ピッチングの２軸の姿勢角を測定し、さらに回折格子のヨーイングの慣性モーメントを十分大きくすることによって、センサ全体がヨーイングしても回折格子は常に空間中の一定方向を指し示すことになる。
【００１４】
従って、３軸角度センサにより回折格子とセンサ全体のヨーイング姿勢角変位を計測することによって、センサ全体の初期状態からのヨーイング周りの角度変化を検出することが可能になる。これにより、地球上の任意の地点で使用可能な、3軸角度変位が計測可能な姿勢角センサを提供することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により、センサに内蔵された容器内に液体を封入してその液面上に回折格子を浮遊させ、同じくセンサに内蔵された３軸角度センサからレーザ光を回折格子に向かって照射した際に生じるN次回折光（N＝０、±１、±２…）を角度センサ内部の受光素子で受光し、回折格子の姿勢角がローリング、ピッチング、ヨーイング周りに変位した際における受光素子上の光スポットの位置変化量を検出・演算することにより、３軸の角度変位を液面上に浮遊された回折格子を基準として計測できる。このため、例えばミラーや回折格子といった角度参照基準をセンサ外部に設置することなく、角度計測を行うことが可能になるので、ヨーイングの姿勢角変化計測を含む空間姿勢計測において分解能とコストの両立ができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係る３軸姿勢角センサの基本構成
【図２】本発明の実施形態に係る３軸姿勢角センサにおける浮体に固定された回折格子
【図３】本発明の実施形態に係る３軸姿勢角センサにおけるピッチング周りの姿勢角変化の検出原理
【図４】本発明の実施形態に係る３軸姿勢角センサにおけるヨーイング周りの姿勢角変化の検出原理
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る３軸姿勢角センサの基本構成を示す装置正面図である。回折格子（2次元回折格子）２は浮体１に固定され、容器３内に満たされた液体４により液面上に浮遊状態で保持される。レーザ光源５から照射され、コリメートレンズ６によりコリメートされたレーザ光線１３は、ビームスプリッタ７と偏光板８を通して回折格子２に照射され、０次、±１次、±２次…±N次の回折光を生じる。
本実施形態では、図２に示すように、０次回折光１４を、図１に示すレンズ９により集光し受光素子１０により検出し、+１次回折光１５aを、図１に示すレンズ１１により集光し受光素子１２により検出する。これにより、各受光素子上における光スポット位置変化が検出される。本実施形態では-１次回折光１５bは使用しない。
以上のように、本実施形態では、角度センサに内蔵された、レーザオートコリメーション法に基づく角度計測機構を用いて計測することにより、角度センサと回折格子の間の相対角度を測定することが可能である。言い換えると、回折格子にレーザ光を照射した際の回折光を受光素子で検出し、受光素子上の光スポット位置変化を検出することによって、角度センサが重力方向と成す角度である姿勢角の変化を測定することができる。ここで、１次回折光の光スポット位置変化を同時に計測することによって、3軸周りの角度変化を同時一括で検出し、姿勢角変化を正確に測定・評価することができる。
図３に示されるように、回折格子２は浮体１に固定されており、さらにその浮体１の回折格子設置面は液面と平行であるので、回折格子２の光学作用面は水平面となる。従って、角度センサは自身と水平面の間の角度を測定することとなり、姿勢角の測定が可能となる。よって、本原理により、ローリング、ピッチング周りの姿勢角を計測することが可能であり、その測定結果をセンサのローリング、ピッチング周りの姿勢角変化として取得する。
【００１８】
次に、以上のような構成の３軸姿勢角センサに関し、ヨーイング周りの角度変位の測定原理を説明する。図４は、センサ全体がヨーイング周りに回転した場合における浮体１及びそれに固定された回折格子（図示省略）の状態を示す。本実施形態では、ヨーイング周りの姿勢角の変化によって生じる受光素子上の光スポット位置変化が、１次回折光に生じることを利用する。ここで、浮体のヨーイング周りの回転の運動方程式は式１により表される。
【００１９】
【数１】
2017032453.tif 000003
【００２０】
ここで、q：浮体のヨーイング周りの角度、I：浮体のヨーイング周りの慣性モーメント、t：浮体のヨーイング周りに加わる外力トルク、t：時間である。この微分方程式を時間で一回積分すると式２となる。
【００２１】
【数２】
2017032453.tif 000004
【００２２】
ここで、rは容器３の中心からの距離を示し、C1は積分定数である。さらに式２を時間で２回積分することにより浮体のヨーイング周りの角度の時間応答が式３のように得られる。
【００２３】
【数３】
2017032453.tif 000005
【００２４】
ここで、C2は積分定数である。初期状態において浮体２がヨーイング周りに静止しているとすれば、C1＝０、C2＝０である。したがって、式３は、浮体のヨーイング周りの慣性モーメントI、浮体のヨーイング周りに加わる外力トルクτに支配されることを示している。そのため、Iが十分に大きく、またτが十分に小さい場合、浮体２に生じるヨーイング周りの角度変化は非常に小さくなる。
【００２５】
すなわち、浮体２はヨーイング周りの回転を生じず常に一定方向を指針していることとなる。本発明の３軸姿勢角センサにヨーイング周りの任意の姿勢角変化を与えた場合、浮体２は初期状態の角度を保持しているが、センサ筐体は与えた角度変化分だけ回転するため、３軸角度センサと回折格子の間にヨーイング周りの角度変化が生じることとなる。
【００２６】
したがって、この角度変化を３軸角度センサで計測することにより、ヨーイング周りの初期状態からの姿勢角変化を計測することが出来る。以上が本発明のヨーイング周りの姿勢角変化の検出原理である。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明を用いると、重力加速度ベクトルを基準として姿勢角の変化を測定できるため、大型で高価な外部基準を用いる必要が無く、かつ自在に測定装置を設置できるため、位置決め装置や駆動機構への応用が期待でき、その産業上の利用可能性は高い。
【符号の説明】
【００２８】
１  浮体
２  回折格子
３  容器
４  液体
５  レーザ光源
６  コリメートレンズ
７  ビームスプリッタ
８  偏光板
９  レンズ
１０  受光素子
１１  レンズ
１２  受光素子
１３  レーザ光線
１４  ０次回折光
１５ａ  +１次回折光
１５ｂ  -１次回折光
【図２】
2017032453.tif 000006
【図１】
2017032453.tif 000007
【図３】
2017032453.tif 000008
【図４】
2017032453.tif 000009