JPH0422202B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 この発明は、傾斜角度計測装置に関し、特にた
とえば観測物体から基準平面上における基準線を
見たとき該観測物体が基準平面に対してなす傾斜
角度を計測する装置に関する。

先行技術の説明 従来、土木機械や農業機械などのために種々の
傾斜角度計測装置が提案されまたは実現されてい
る。しかしながら、従来の傾斜角度計測装置は、
精度の低いものが多く、逆に精度の高いものは装
置が大形かつ高価であるという欠点があつた。

発明の目的 それゆえに、この発明の主たる目的は、簡単な
構成で精度の高い計測が行なえる全く新規な傾斜
角度計測装置を提供することである。

発明の要約 この発明は、要約すれば、入射した光を同一方
向に反射するという特異な光学的性質を有する光
反射手段に向けて、観測物体から指向性の鋭い光
ビームを回動走査し、光反射手段からの反射光を
受光してこの反射光に含まれる情報に基づいて観
測物体が基準平面に対してなす傾斜角度を計測す
るようにしたものである。さらに詳細には、光反
射手段を構成する３つの光反射鏡面が交差するこ
とによつて形成される３本の交線のうち１本の交
線は基準平面上における基準線と一致するように
配置され、また交反射鏡面の１つには、傾斜角度
を示すためのコードマークが形成される。そし
て、観測物体では、光反射手段に向けて回動走査
した光ビームが光反射手段の光軸中心を通過する
ように光ビームの回動走査方向を制御し、またこ
の制御の後光ビームが前記光反射手段における１
本の交線をなぞるように光ビームの回動走査方向
を制御し、この制御の後受光手段からの受光出力
に含まれるコードマークの情報を読取つて上記傾
斜角度を検出するようにしている。

この発明の上述の目的およびその他の目的と特
徴は、図面を参照しね行なう以下の詳細な説明か
ら一層明らかとなろう。

実施例の説明 第１図はこの発明に用いられる光反射手段の一
例のコーナキユーブを示す外観斜視図である。第
２図はコーナキユーブの内部に収納される鏡の立
体斜視図である。図において、コーナキユーブ
CCの内部には、第２図に示すように、３枚の鏡
１，２および３を立体的に組合わしたものが収納
される。これら鏡１〜３は、それぞれ光反射鏡面
１ａ，２ａおよび３ａが互いに直交するように組
合わされる。このような構成によつて、コーナキ
ユーブCCは、以下に説明するような光学的性質
を有する。

すなわち、コーナキユーブCCは入射した光を
入射方向と同一方向に反射する。今、コーナキユ
ーブCCに入射角度θ１で入射した光Ｌ１を考え
てみる。この入射光Ｌ１は、光反射鏡面１ａ〜３
ａで各１回ずつ反射され、コーナキユーブCCの
光軸Ｏに対して対称な位置から出射する。このと
き、反射光Ｌ１は入射光Ｌ１と平行であり、その
反射角度は入射光Ｌ１の入射角度と等しい。した
がつて、反射光Ｌ１は、入射光Ｌ１が入射してき
た方向と同一の方向に反射される。この関係は、
入射光の入射角度にかかわらず成立する。たとえ
ば、入射光Ｌ２と反射光Ｌ２とは互いに平行であ
り、かつ入射光Ｌ２の入射角度と反射光Ｌ２の反
射角度はともにθ２と等しい。

第３図はこの発明の一実施例に用いられるコー
ナキユーブCCの光反射鏡面の上面図である。第
２図でも説明したように、このコーナキユーブ
CCは光反射鏡面１ａ〜３ａを互いに直交するよ
うに立体的に組合わせて構成される。したがつ
て、第３図では平面的に示されているが、実際に
は３つの光反射鏡面１ａ〜３ａが交わる光軸中心
OOが最も凹んだ部分となるような立体的な構造
になつている。ここで、各光反射鏡面が交差する
部分には交線Ｃ１，Ｃ２およびＣ３が形成され
る。この３本の交線のうち交線Ｃ２は、基準線Ｘ
−Ｘと一致するようにコーナキユーブCCが位置
決めされる。すなわち、第２図に示されるよう
に、交線Ｃ２は基準線Ｘ−Ｘ上に位置することに
なる。一方、光反射鏡面１ａには、コードマーク
CMが形成される。したがつて、交反射鏡面１ａ
上を光ビームが走査すると、反射光にはコードマ
ークCMによる符号情報が含まれることになる。
コードマークCMは、いわゆるアブソリユートタ
イプのロータリエンコーダに付されるコードマー
クと同様の原理であり、光反射鏡面１ａの２等分
線１ｂからの中心角を２値符号で表わすものであ
る。また、光反射鏡面２ａには、光軸中心OO付
近にマークMAが形成される。このマークMA
は、光反射鏡面上を通る光ビームが交線Ｃ２と一
致するように光ビームの回動走査方向を制御する
ときに用いられるものである。

第４図および第５図はこの発明の一実施例の使
用態様を説明するための図であり、特に、第４図
は静止物体１００の傾斜角度を計測する場合を示
し、第５図は飛行機等の移動体２００の傾斜角度
を計測する場合を示す。図において、静止物体１
００あるいは移動体２００からは、指向性の鋭い
光ビームたとえばレーザビームLBがコーナキユ
ーブCCに向けて回動走査される。このレーザビ
ームLBがコーナキユーブCCに当たると、コーナ
キユーブCCはレーザビームLBを入射方向と同一
方向に反射する。したがつて、静止物体１００あ
るいは移動体２００でこの反射光を受光する。受
光した反射光の中には、第３図で示したコードマ
ークCMによる符号情報が含まれている。したが
つて、この符号情報を読取れば、静止物体１００
あるいは移動体２００の傾斜角度αが計測でき
る。なお、この傾斜角度αは、静止物体１００あ
るいは移動体２００などの観測物体から基準線Ｘ
−Ｘを見たときに、観測物体が基準平面３００に
対してなす角度である。基準平面３００は基準線
Ｘ−Ｘを含む平面であり、コーナキユーブCCの
交線Ｃ２と、光反射鏡面１ａの２等分線１ｂ（第
３図参照）が、この基準平面３００上に位置する
ようにコーナキユーブCCが配置されている。

第６Ａ図および第６Ｂ図は静止物体１００や移
動体２００などの観測物体に設けられるビームス
キヤナBSを示す外観図であり、特に、第６Ａ図
はその側面図を示し、第６Ｂ図はその上面図を示
す。図において、ビームスキヤナBSは、レーザ
光源や受光素子が収納された円筒４と、この円筒
４に連結されたモータＭ１とを含む。モータＭ１
は円筒４を回動することによつて、レーザビーム
LBを回動走査させる。円筒４およびモータＭ１
は保持部材８によつて保持される。この保持部材
８の側面中央部には、モータＭ２が連結される。
モータＭ２は、保持部材８を回動することによつ
て、レーザビームLBで形成される光走査面を回
動させる。モータＭ２の外周側面には、モータＭ
３が連結される。モータＭ３はモータＭ２を回動
することにより、レーザビームLBで形成される
光走査面を第６Ａ図の上下方向に回動させる。モ
ータＭ２およびＭ３は保持部材９によつて保持さ
れる。この保持部材９は観測物体１００あるいは
２００に固定される。

第７図は第６Ａ図に示す円筒４の縦断面図であ
る。図において、円筒４の内周壁には、たとえば
半導体レーザなどのレーザ光源５が設けられる。
このレーザ光源５から発射されたレーザビーム
LBは、円筒４の側面に形成された孔６から外部
へ出射される。また、円筒４の内部には、レーザ
ビームLBの光路上に、ハーフミラー７がほぼ45
度の角度で配置される。このハーフミラー７は、
レーザ光源５からのレーザビームLBを通過させ
るとともに、コーナキユーブCCに反射されて戻
つてきた光を円筒４の底面４１の方向に反射す
る。円筒４の底面４１には、ハーフミラー７によ
つて反射された光を受光するための受光素子BD
が配置される。この受光素子BDは、第８図に示
すように、半円形の受光素子BD１およびBD２
と、中心部に配置される小円形の受光素子BD０
からなる。

第９図は第６図に示すビームスキヤナBSを駆
動しかつ観測物体１００あるいは２００の傾斜角
度αを検出する回路の概略ブロツク図である。こ
の回路は、観測物体１００あるいは２００に設け
られる。図において、CPU１０には、ROM１１
およびRAM１２が接続される。ROM１１は、
たとえば第１０図に示すような動作プログラムを
記憶し、CPU１０はこの動作プログラムに従つ
て動作を行なう。CPU１０には、さらにインタ
ーフエイス１３が接続される。このインターフエ
イス１３には、受光素子BD０，BD１およびBD
２からの受光出力が与えられる。また、これら受
光素子BD０，BD１およびBD２の出力は、OR
ゲート１４を介してインターフエイス１３に与え
られる。さらに、インターフエイス１３には、駆
動回路１５，１６および１７が接続される。各駆
動回路１５〜１７は、それぞれ、インターフエイ
ス１３を介してCPU１０から与えられる制御信
号に基づいて、モータＭ１〜Ｍ３を駆動する。

第１０図は第９図に示すCPU１０の動作を説
明するためのフローチヤートである。以下、第３
図ないし第１０図を参照してこの発明の一実施例
の動作について説明する。

まず、第１０図に示すステツプS1において、
駆動回路１５が能動化され、モータＭ１によるレ
ーザビームLBの回動走査が開始される。続いて、
ステツプS2において、受光素子BDの受光出力の
パターンが読取られる。すなわち、ORゲート１
４の出力は、サンプリングされてRAM１２に記
憶されており、CPU１０は、モータＭ１による
レーザビームLBの１回の回動走査が終了するご
とに、そのとき記憶された受光出力のパターンを
RAM１２から読取る。続いて、ステツプS3に進
み、コーナキユーブCC上の走査線（レーザビー
ムLBがコーナキユーブCCの光反射鏡面を走査す
る線）がコーナキユーブCCの光軸中心OOを通つ
たか否かが判断される。ここで、コーナキユーブ
CCの光軸中心OO（第３図参照）付近に入射した
光は、入射光と全く同一の光路を辿つてビームス
キヤナBSに戻つてくる。このようにして戻つて
きたレーザ光は、ハーフミラー７によつて反射さ
れ、受光素子BDの中心部に位置する受光素子
BD０に当たる。したがつて、レーザビームLBの
１回の回動走査の間に受光素子BD０から受光出
力が導出されれば、コーナキユーブCC上の走査
線が光軸中心OO上を通過していることになる。

上述のステツプS3において、コーナキユーブ
CC上の走査線が光軸中心OO上を通過していない
と判断された場合は、ステツプS4に進む。この
ステツプS4では、走査線が光軸中心OOよりも上
側（第３図において）にずれているか否かが判断
される。もし、走査線が光軸中心OOよりも上側
にずれていると判断すれば、ステツプS5に進み、
モータＭ２を第６Ａ図において時計方向（矢印Ｒ
の方向）に回動させる。これによつて、コーナキ
ユーブCC上の走査線が徐々に下がる。一方、ス
テツプS4において、走査線が光軸中心OOよりも
下側にずれていると判断されれば、ステツプS6
に進む。このステツプS6では、ステツプS5とは
逆に、モータＭ３を第６Ａ図において反時計方向
（矢印Ｌの方向）に回動させる。これによつて、
走査線が徐々に上がる。上述のステツプS5およ
びS6の後は、再びステツプS2以下の動作が繰返
される。ここで、走査線が上側にずれているか否
かは、レーザビームLBの１回の回動走査におい
て受光素子BD１とBD２とのどちらがより長く
受光出力を導出したかによつて判断される。その
理由を以下に説明する。

第１図で説明したように、コーナキユーブCC
に入射した光は、同一の部分からは出射せず、光
軸Ｏを中心として点対称の位置から出射する。し
たがつて、たとえば第３図のコーナキユーブCC
において、基準線Ｘ−Ｘよりも上側の光反射鏡面
に入射した光は、内部で複数回反射された後、最
終的には基準線Ｘ−Ｘよりも下側の光反射鏡面で
反射されて出射する。逆に、基準線Ｘ−Ｘよりも
下側の光反射鏡面に入射した光は、内部で複数回
反射された後、最終的には基準線Ｘ−Ｘよりも上
側の光反射鏡面で反射されて出射する。これに対
して、受光素子BD１は基準線Ｘ−Ｘよりも下側
の光反射鏡面から出射した光を受光するように配
置されている。また、受光素子BD２は基準線Ｘ
−Ｘよりも上側の光反射鏡面から出射した光を受
光するように配置されている。今、第３図に示す
走査線SCAN１（なお、光反射鏡面１ａ〜３ａは
立体的に組合されているので、走査線は途中で折
れ曲がつたように見えている）のように、光軸中
心OOに対して上側にずれている走査線を考える
と、この走査線は基準線Ｘ−Ｘよりも上側の領域
を通る部分が下側の領域を通る部分よりも長くな
る。したがつて、コーナキユーブCCから出射す
る反射光は、基準線Ｘ−Ｘを境として下側の光反
射鏡面から出る時間の方が上側の光反射鏡面から
出る時間よりも長くなる。これに応じて、受光素
子BDでは、受光素子BD１の受光時間が受光素
子BD２の受光時間よりも長くなる。そこで、受
光素子BD１からの受光出力の導出時間が受光素
子BD２からの受光出力の導出時間よりも長いと
きは、走査線が光軸中心OOに対して上側にずれ
ていると判断できる。上述とは逆に、受光素子
DB２からの受光出力の導出時間が受光素子BD
１からの受光出力の導出時間よりも長いときは、
走査線が光軸中心OOに対して下側にずれている
と判断できる。

ステツプS2〜S6の動作の繰返しによつて、走
査線SCAN１は走査線SCAN２のように光軸中心
OO上を通過するようになる。したがつて、ステ
ツプS3でそのことが判断され、ステツプS7に進
む。ステツプS7では、再び受光素子BDの受光出
力のパターンが読取られる。そして、ステツプ
S8に進み、走査線が基準線Ｘ−Ｘに対して右上
がりになつているか右下がりになつているかが判
別される。この判別は、上述のステツプS7にお
いて読取られた受光パターンに基づいて行なわれ
る。すなわち、受光素子BD２から得られる受光
出力にマークMA（第３図参照）に相当する符号
が含まれていない場合は走査線が右上がりである
と判断され、逆に受光素子BD２から得られる受
光出力にマークMAに相当する符号が含まれてい
る場合は走査線が右下がりであると判断される。
たとえば、第３図に示す走査線SCAN２の場合
は、走査線がマークMA上を通らないため、受光
素子BD２からはマークMAに相当する符号が得
られない。したがつて、走査線が右上がりである
と判断される。続いて、ステツプS9に進み、走
査線が交線Ｃ２と一致したか否かが判断される。
もし、一致していないと判断されれば、ステツプ
S10に進み、走査線が右上がりか否かが判断され
る。この判断は、前述のステツプS8の判別結果
に基づいて行なわれる。もし、走査線が右上がり
であると判断されれば、ステツプS11に進み、走
査線が右下がりとなる方向にモータＭ２が回動さ
れる。一方、走査線が右下がりと判断されれば、
ステツプS12に進み、走査線が右上がりとなる方
向にモータＭ２が回動される。これらステツプ
S11およびS13の後は、再びステツプS7以下の動
作が繰返される。ステツプS7〜S12の動作の繰返
しによつて、走査線は徐々に交線Ｃ２に近付き、
最終的には交線Ｃ２の近傍で右上がりの状態と右
下がりの状態とを交互にい繰返すことになる。こ
の実施例では、このように走査線が右上がりの状
態と右下がりの状態とを交互に繰返すようになつ
たとき、走査線が交線Ｃ２に一致したと見なして
いる。そのことがステツプS9で判断されると、
ステツプS13に進み、再び受光パーンが読取られ
る。このとき、走査線は第３図で示す走査線の
SCAN３のようになつている。すなわち、光軸中
心OOから右側半分の走査線は交線Ｃ２と一致
し、交軸中心OOから左側半分の走査線は基準線
Ｘ−Ｘに対して角度αを有する線となつている。
この角度αは、第４図あるいは第５図で示した観
測物体の傾斜角度αと等しい。したがつて、この
とき受光パターンに含まれるコード情報（コード
マークCMに基づく情報）を読取れば、観測物体
１００あるいは２００の傾斜角度αを求めること
ができる。その動作が、ステツプS14で行なわれ
る。その後、再びステツプS2の動作に戻る。

なお、上述の実施例では、基準面３００（第５
図参照）に対して上側にある観測物体の傾斜角度
を検出する場合を説明したが、基準面３００に対
して下側にある観測物体の傾斜角度を検出できる
ことももちろんである。

また、上述の実施例では、コードマークCMの
基準角度（0°）を光反射鏡面１ａの２等分線１ｂ
に選んだため、この２等分線１ｂを中心として±
45°の範囲で傾斜角度αを測定することができる
が、コードマークCMの基準角度は光反射鏡面１
ａの開き角度90°の範囲内でどのように選んでも
よい。この場合、コードマークCMの基準角度と
光線Ｃ２とが基準平面３００上に位置するように
設定されることは勿論である。

また、コードマークCMは基準角度から角度情
報を２進符号で表わすものであればどのような形
態であつてもよい。そして、第３図の実施例では
コードマークCMを直線的に配置しているが、い
わゆるロータリエンコーダと全く同様に同心円状
に配置してもよい。

また、上述の説明ではコーナキユーブの一例と
して３枚の鏡を立体的に組合わせてなるものを説
明したが、周知のように、コーナキユーブにはそ
の他の構成のものも提案されている。たとえば、
第２図で示す光反射鏡面１ａ〜３ａで囲まれる空
間形状を有するガラスの透明体を準備し、光反射
鏡面１ａ〜３ａに相当する端面に銀蒸着などによ
つて光反射鏡面を外部から形成し、残りの一端を
平面にしてこの平面から光を入射させるようなコ
ーナキユーブもある。この発明はこのようなソリ
ツドステートタイプのコーナキユーブももちろん
用いることができる。

また、上述の実施例では、光反射鏡面にマーク
MAを形成するようにしたが、これに代えて、受
光素子BD１およびBD２をさらに２等分して中
心角が90度の４つの受光素子を設け、受光出力が
これら４つの受光素子のいずれから得られたかに
よつて走査線の右上がりと右下がりとを判別する
ことができる。

また、この発明はロボツトやマニピユレータ等
の移動部の傾斜角度を観測することもできる。

発明の効果 以上のように、この発明によれば、簡単かつ安
価な構成でしかも極めて正確に傾斜角の測定が行
なえる全く新規な傾斜角測定装置を得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に用いられる光反射手段の一
例のコーナキユーブを示す外観斜視図である。第
２図はコーナキユーブの内部に収納される鏡の立
体斜視図である。第３図はこの発明の一実施例に
用いられるコーナキユーブの光反射鏡面の上面図
である。第４図および第５図はこの発明の一実施
例の使用態様を説明するための図解図であり、特
に、第４図は静止物体１００の傾斜角度を測定す
る場合を示し、第５図は移動体２００の傾斜角度
を測定する場合を示す。第６Ａ図および第６Ｂ図
はこの発明の一実施例に用いられるビームスキヤ
ナBSを示す外観図であり、特に、第６Ａ図はそ
の側面図を示し、第６Ｂ図はその上面図を示す。
第７図は第６Ａ図に示す円筒４の縦断面図であ
る。第８図は第７図に示す受光素子BDの平面図
である。第９図は第６図に示すビームスキヤナ
BSを駆動し、かつ観測物体の傾斜角度を演算す
る電気回路の概略ブロツク図である。第１０図は
第９図に示すCPU１０の動作を説明するための
フローチヤートである。 図において、CCはコーナキユーブ、１ａ〜３
ａは光反射鏡面、CMはコードマーク、MAはマ
ーク、Ｃ１〜Ｃ３は交線、１００は静止物体、２
００は移動体、BSはビームスキヤナ、Ｍ１〜Ｍ
３はモータ、５はレーザ光源、BDは受交素子、
１０はCPU、１１はROM、１２はRAMを示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 観測物体から基準平面上における基準線を見
   たとき、該観測物体が基準平面に対してなす傾斜
   角度を計測する装置であつて、 平面状の３つの光反射鏡面を互いに直交するよ
   うに立体的に組合わせた構造からなり、入射した
   光を同一方向に反射する光反射手段を備え、 前記光反射鏡面が交差することによつて形成さ
   れる３本の交線のうち１本の交線は前記基準線と
   一致するように配置され、かつ 前記１本の交線を含まない光反射鏡面には、前
   記傾斜角度を示すためのコードマークが形成さ
   れ、 前記観測物体は、 前記光反射手段に向けて指向性の鋭い光ビーム
   を回動走査する手段と、 前記光反射手段からの反射光を受光する手段
   と、 前記回動走査された光ビームがたどる走査線が
   前記光反射手段の光軸中心を通過するように前記
   回動走査手段を制御する第１の制御手段と、 前記第１の制御手段による制御の後、前記回動
   走査された光ビームがたどる走査線が前記光反射
   手段における前記１本の交線と一致するように前
   記回動走査手段を制御する第２の制御手段と、 前記第１の制御手段と前記第２の制御手段とに
   よる制御の後、前記受光手段の受光出力に含まれ
   る前記コードマークの情報を読取つて前記傾斜角
   度を検出する手段とを含む、傾斜角度計測装置。 ２ 前記観測物体は移動物体である、特許請求の
   範囲第１項記載の傾斜角度計測装置。 ３ 前記移動物体は、ロボツトやマニビユレータ
   等の移動部である、特許請求の範囲第２項記載の
   傾斜角度計測装置。 ４ 前記観測物体は静止物体である、特許請求の
   範囲第１項記載の傾斜角度計測装置。 ５ 前記光反射鏡面には、さらに第２のマークが
   形成され、 前記第２の制御手段は、前記受光手段の出力に
   含まれる前記第２のマークによる情報に基づいて
   前記制御を行なうことを特徴とする、特許請求の
   範囲第１項ないし第４項のいずれかに記載の傾斜
   角度計測装置。