JP2015114279A - 精密角度位置決め装置 - Google Patents

Abstract

【課題】角度センサの高精度要求を満たす、精密角度位置決め装置を提供する。【解決手段】不変形光斑捕捉ユニットを使用して回転する回転円盤ユニットの表面上からＮ個の不変形レーザ光斑画像を取得すると共に、前記角度校正ユニットと前記角度識別位置決めユニットにより、Ｎ個の座標光斑画像とＮ個の主変化角度とを定義・記録し、その後、データベースの中から即時の不変形光斑画像との間に存在する重なり面積が最大となる第ｉ個の座標光斑画像を見つけ出した場合では、即時の不変形光斑画像の副変化角度、第ｉ個の座標光斑画像の主変化角度及び即時の不変形光斑画像と該第ｉ個の座標光斑画像との間の像平面の変位量等のパラメーターを用いて前記即時の不変形光斑画像の被測定角度を算出することにより、精密の角度位置決めが完成する。【選択図】図３

Description

本発明は、角度位置決め装置に係り、特に、高精度の角度位置決めが可能な装置に関するものである。

磁気角度センサは、第２次世界大戦中に発明されたものであり、戦車に応用することにより、戦車の砲塔を悪環境でも精密な角度で回転させることができる。その後も科学技術の進歩に伴い、光電誘導方式を用いる角度センサが大きな発展を遂げている。
図１の絶対位置決め円形光学格子の構造模式図を参照する。図１に示すように、前記絶対位置決め円形光学格子１’においては、回転軸１１’と、９個のリング型光学格子と、を備え、その内、最内環（第９環）の光学格子１２’は、５１２個の均等部分（２⁹）に分割される。同じように、第２環の光学格子１３’は、４個の均等部分（２²）に分割され、かつ最外環（第１環）の光学格子１４’は、２個の均等部分（２¹）に分割される。また、９個の円環上の光学格子は、それぞれ９個の円環上の光学格子の明（１）値、暗（０）値を読み取るための９個の光電センサに対応することにより、１セットの明暗読み値（例えば、００００００００１）を絶対角度として表示する。

上記の絶対位置決め円形光学格子１’に対しては、その最内環（第９環）の光学格子１２’の数によって角度位置決め精度が決定される。言い換えれば、上記の絶対位置決め円形光学格子１’の角度位置決め精度をより一層向上することができない。
以上に鑑みて、図２の構造模式図に示すような高精度の絶対位置決め円形光学格子が開発され、提案されている。図に示すように、前記高精度の絶対位置決め円形光学格子１”は、主に内環の光学格子１１”と外環の光学格子１２”とからなる。
その内、外環の光学格子１２”は、等間隔の光学格子で、内環の光学格子１１”は、非等間隔の光学格子である。このような特殊な光学格子の配置方式により、前記高精度の絶対位置決め円形光学格子１”は絶対位置決めの角度値を精算することができる。

しかしながら、現在市販されている角度エンコーダーには、いまなお以下に示すような課題が存在している。

１．高精度の絶対位置決め円形光学格子の製作と校正は、相当な困難度を有することから、高精度の絶対位置決め円形光学格子の市販価格がその角度位置決めの精度に対して非直線的に増加するようになる。

２．如何にして軸の同心度の誤差を生じせずに、校正を完成した高精度のエンコーダーをそのサービス機台の受け軸（回転軸）上に取り付けるかが、現在、高精度のエンコーダーが面する最も主要な問題である。

以上の説明から、現在市販されている高精度の絶対位置決め円形光学格子と高精度のエンコーダーのいずれもコスト上、使用上の欠点を抱えていることが解る。

本願発明者は、上記事情に鑑みて鋭意研究開発した結果、以下の知見を得て精密角度位置決め装置及び位置決め方法を完成するに至った。

本発明の主な目的は、精密角度位置決め装置及びその方法を提供することにある。本発明は、主に価格が相対的に安価である回転円盤ユニットと、不変形光斑捕捉ユニットと、角度識別位置決めユニットと、角度校正ユニットとから構成されることで、角度センサの高精度要求を満たす精密角度位置決め装置は、相当な産業競争力を有する。技術上では、不変形光斑捕捉ユニットを使用して回転する回転円盤ユニットの表面上からＮ個の不変形レーザ光斑画像を取得すると同時に、角度校正ユニットにより、毎枚の不変形レーザ光斑画像の校正角度を校正と記録することで、角度校正した後の不変形レーザ光斑画像をさらに座標光斑画像として定義し、続いてＮ枚の座標光斑画像及びその校正したＮ個の主変化角度を設定と記録し、それから画像マッチング方法と数式を用いて即時の不変形光斑画像とその重なり面積が最大となる第ｉ個の座標光斑画像との間の副変化角度を算出する。その後、数式θ_被測定＝θ_i＋（（Δｄ×３６０°）／ΣＤ）を用いていずれか１つの即時の不変形光斑画像の被測定角度θ_被測定を容易に算出することにより、精密な角度位置決めが完成する。

従って、本発明の上記目的を達成するため、本願発明者が提案する精密角度位置決め装置は、回転円盤ユニットと、コヒーレントな入射光を前記回転円盤ユニットの位置決め表面の上に発射させると共に、前記位置決め表面から反射される反射光を受光することで、前記位置決め表面の不変形光斑画像を取得する不変形光斑捕捉ユニットと、角度校正ユニットと、前記不変形光斑捕捉ユニットと前記角度校正ユニットとを電気的に接続する角度識別位置決めユニットと、前記不変形光斑捕捉ユニットにより取得される前記不変形光斑画像を格納するための記憶ユニットと、を備え、前記回転円盤ユニットを連続的に１回転させる場合において、前記不変形光斑捕捉ユニットは、対応的に回転円盤ユニットのＮ枚の不変形光斑画像を取得すると同時に、前記角度校正ユニットは、前記Ｎ枚の不変形光斑画像に対応するＮ個の校正角度座標を計測すると共に、角度校正した後の不変形レーザ光斑画像を座標光斑画像として定義し、また前記Ｎ枚の座標光斑画像と前記Ｎ個の主変化角度とを前記記憶ユニット内に格納し、また、前記回転円盤ユニットを任意角度で回転させると共に、対応する即時の不変形光斑画像を捕捉した後、前記角度識別位置決めユニットは、画像マッチング関数を用いて前記即時の不変形光斑画像と記憶ユニット内に格納されたＮ枚の座標光斑画像とに対して画像マッチングを行い、前記即時の不変形光斑画像とその重なり面積が最大となる第ｉ個の座標光斑画像との間の変位を算出して生成される即時位置の副変化角度は、該第ｉ個の主変化角度に合わせて、前記即時の不変形光斑画像の被測定角度を精確に算出することができる。

絶対位置決め円形光学格子の構造模式図である。 高精度の絶対位置決め円形光学格子の構造模式図である。 本発明に係る精密角度位置決め装置の構成図である。 回転円盤ユニットの斜視図である。 回転円盤ユニットの斜視図である。 回転円盤ユニットの斜視図である。 不変形レーザ光斑画像を示す図である。 レーザ光斑画像のＳＡＤのマッチンググラフである。 レーザ光斑画像のＳＡＤのマッチンググラフである。 本発明に係る精密角度位置決め装置の第２構成図である。 不変形レーザ光斑画像を示す図である。 本発明に係る精密角度位置決め装置の第３構成図である。

本発明に係る精密角度位置決め装置の好適な実施例について、以下、添付図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明に係る精密角度位置決め装置の構成図である図３を参照する。
この図に示すように、本発明の精密角度位置決め装置１は、主に回転円盤ユニット１１と、不変形光斑捕捉ユニット１２と、角度校正ユニット１３と、角度識別位置決めユニット１４と、記憶ユニットとから構成される。
回転円盤ユニットの斜視図である図４Ａ、図４Ｂと図４Ｃとを同時に参照する。
この図に示すように、角度識別位置決めユニット１４に電気的に接続される不変形光斑捕捉ユニット１２により、コヒーレントな入射光を前記回転円盤ユニット１１の位置決め表面の上に発射させる。例としては、レーザ光を回転円盤ユニット１１の頂部表面（図４Ａを参照）、側辺表面（図４Ｂを参照）或いは底部表面（図４Ｃを参照）に発射することが挙げられる。
続いて、不変形光斑捕捉ユニット１２が前記位置決め表面から反射される反射光を受光すると共に、反射光のレーザ光斑を検出することにより、不変形光斑画像を取得する。

図３に示すように、不変形光斑捕捉ユニット１２は、発光素子１２１と、前段絞り１２２と、レンズ１２３と、後段絞り１２４と、２次元画像センサ１２５と、を備えるように構成される。
その内、発光素子１２１は、当該コヒーレントな入射光（即ち、レーザ光）を前記回転円盤ユニット１１の前記位置決め表面の上に発射させるために用いられる。かつ、前記前段絞り１２２は、前記レーザ光の二次反射散乱光を濾過するために用いられる。また、レンズ１２３は、結像するために用いられ、前記回転円盤ユニット１１の表面の反射光を２次元センサ１２５に結像させる。
絞り１２４は、入射光線の入射視角及び光斑平均サイズを制御するために用いられ、光斑画像の変形量を効果的に低減することができる。さらに、前記２次元画像センサ１２５は、同様に制御と処理モジュール（角度識別位置決めユニット）１４に電気的に接続され、ここでの２次元画像センサは、ＣＣＤ画像センサ或いはＣＭＯＳ画像センサであってもよく、前記レーザ光のレーザ光斑画像を検出と記録するために用いられる。
単一の物体の各物体表面に呈示されている３次元テクスチャーパターンの何れも唯一であるため、レーザ光が物体表面に入射する場合、その反射されるレーザ光斑画像も唯一性を有する。物体表面に反射されるレーザ光斑画像が確かに唯一性を有するかどうかを確定するために、下記のステップ（１）〜（４）に従って以下の実験を行った。

（１）５０ｕｍを撮像間隔とし、不変形光斑捕捉ユニット１２を使用してステンレス鋼の表面上から計１２００枚のレーザ光斑画像を取得すると共に、レーザ光斑画像の撮像作業を行うと同時に、レーザ干渉計を使用して各枚のレーザ光斑画像の位置を計測・記録して、１２００枚の座標光斑画像及びその対応の座標位置を設定する。

（２）取得される１２００枚の座標光斑画像及びその対応の座標位置を角度識別位置決めユニット１４のデータベースの中に格納する。

（３）不変形光斑捕捉ユニット１２を使用して前記ステンレス鋼の表面上において、３ｃｍの位置箇所に即時のレーザ光斑画像を再取得する。

（４）前記角度識別位置決めユニット１４により、画像マッチング関数（即ち、ＳＡＤ（Ｓｕｍ ｏｆ Ａｂｓｏｌｕｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ））を用いて取得される即時のレーザ光斑画像とデータベースの中の１２００枚の座標光斑画像とを逐一にマッチングする。

図５の不変形レーザ光斑画像に示すように、図（ａ）〜図（ｇ）は、それぞれ０ｕｍ（即ち、撮像始点）、１００００．７３ｕｍ、２０００１．５７ｕｍ、２９９９９．０４ｕｍ、３９９９９．９５ｕｍ、５０００１．１８ｕｍ及び６０００１．９４ｕｍの座標光斑画像を示す。そして、図６Ａと図６Ｂに示す１２００枚の座標光斑画像と前記即時のレーザ光斑画像のＳＡＤのマッチンググラフから明らかなように、前記即時のレーザ光斑画像に比べて、データベースの中の位置２９９９９．０４ｕｍでの座標光斑画像が最小のＳＡＤ値を表していることが分かる。
これは、データベースの中には、ただ１枚の座標光斑画像が再取得の前記即時のレーザ光斑画像に最も類似しており、最大の重なり面積を有することを示している。従って、実験結果によれば、物体表面から反射されるレーザ光斑画像が確かに唯一性を有することが実証された。

以上の説明から、如何にして不変形光斑捕捉ユニット１２を用いて物体の表面上から不変形レーザ光斑画像を取得するかは既に明らかであろう。さらに、角度校正ユニット１３の使用に合わせれば、レーザ光斑画像技術も「角度位置決め」に応用可能である。しかし、補助説明すべきことは、レーザ光斑画像技術を物体表面の位置決めに応用する場合、まず、レーザ光斑画像が「不変形」であることを確保する必要がある。
レーザ光斑画像が「不変形」であることを確保する条件は、前記レーザ光斑画像内の任意の２点の光斑の相対光路差の変化量が、前記レーザ光の波長の１／５よりも必ず小さいことである。また、前記座標光斑画像のデータベース内に任意の相隣する２枚の座標光斑画像の重なり長さが、１／２の前記座標光斑画像の長さより大きいことである。さらに、毎枚の座標光斑画像の撮像長さが、光斑不変形の移動可能な距離よりも必ず小さい或いは等しいことである。従って、重なり領域内にある２枚の光斑画像は、光斑画像の変位距離が光斑の不変形距離より小さいので、ほぼ完全一致の光斑画像は、ＳＡＤ、ＳＳＤ、ＮＣＣ或いはＳＩＦＴ等の方法を利用して光斑画像の変位マッチングを行うことができ、相隣する２枚の光斑画像が回転により、画像センサ上に生成される２個の像平面の変位ベクトル（ｄｘ′，ｄｙ′）を精確に算出する。
その内、ｄｘ′は、像平面のｘ′軸の変位ベクトル成分で、ｄｙ′は、像平面のｙ′軸の変位ベクトル成分である。上記より光斑画像が移動する像平面の変位ベクトルが得られ、そして光斑捕捉ユニット（１２）の光学拡大倍率Ｍを利用して物平面の変位ベクトル（ｄｘ，ｄｙ）を算出することができ、ここではｄｘ＝ｄｘ′／Ｍ、ｄｙ＝ｄｙ′／Ｍの条件を満たす。

上記の説明から分かるように、回転円盤ユニット１１の不変形光斑画像の校正位置座標を予め記録しておけば、座標値を有する座標光斑画像が生成されるので、この位置決め方法は、相対位置決め技術から絶対位置決め技術に転換することができる。
応用する際に、即時に取得される光斑画像は、前記即時の光斑画像との重なり範囲が最大となる座標光斑画像を計算するように、その前に記録される全ての座標光斑画像とをマッチングして、これらの２枚の光斑画像が像平面での変位量を計算して、光斑捕捉ユニット１２の光学拡大倍率Ｍ及び座標光斑画像の位置座標に合わせることで、即時の光斑画像の位置座標を確認できる。

図３の構成のように、実施例１では、Ａｇｉｌｅｎｔ（登録商標）５５３０ 動的測定器（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｃａｌｉｂｒａｔｏｒ）を角度校正ユニット１３とすると共に、下記の手順を通じて即時の角度位置決めが完成する。
まず、回転円盤ユニット１１を１回転させると共に、不変形光斑捕捉ユニット１２を使用して前記回転円盤ユニット１１のＮ枚の不変形光斑画像及び第Ｎ＋１枚の不変形光斑画像を取得し、続いて画像マッチング関数を用いて第１枚の不変形光斑画像と第Ｎ＋１枚の不変形光斑画像とに対して画像変位量マッチングを行い、第Ｎ＋１枚の光斑画像が第１枚の光斑画像を超えたかどうかを確認し、第Ｎ＋１枚の光斑画像が第１枚の光斑画像を超えた場合は、第Ｎ＋１枚の光斑画像の角度座標値が３６０度を超えたことを示し、不変形光斑画像を継続的に捕捉する必要がない。
画像マッチング関数としては、例えば差分絶対値和（Ｓｕｍ Ａｂｓｏｌｕｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ，ＳＡＤ）、差分二乗和（Ｓｕｍ Ｓｑｕａｒｅｄ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ，ＳＳＤ）、正規化相互相関（Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ Ｃｒｏｓｓ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ，ＮＣＣ）或いはスケール不変特徴変換（Ｓｃａｌｅ Ｉｎｖａｒｉａｎｔ Ｆｅａｔｕｒｅ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ，ＳＩＦＴ）等の指標値複数あるがどれを用いてもよいものとする。

不変形光斑画像を捕捉すると同時に、角度校正ユニット１３（即ち、Ａｇｉｌｅｎｔ ５５３０動的測定器）により、毎枚の不変形光斑画像の校正角度座標を定義する必要があり、角度を画定した不変形光斑画像を座標光斑画像として定義する。例えば、第１枚の不変形光斑画像の校正角度座標がθ₁＝０で、第ｉ枚の不変形光斑画像の校正角度座標がθ_iである。かつ、この校正角度を前記座標光斑画像の主変化角度として定義する。Ｎ枚の座標光斑画像及びその対応の主変化角度θ_iを座標データベース内に記録して完成となる。

さらに、回転円盤ユニット１１を１回転させる時の像平面の変位量の総和ΣＤを計算する。ＳＩＦＴ（Ｓｃａｌｅ Ｉｎｖａｒｉａｎｔ Ｆｅａｔｕｒｅ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）を利用して相隣する２枚の座標光斑画像の像平面の変位量をマッチングする。
例えば、第２枚の座標光斑画像と第１枚の座標光斑画像との間の像平面の変位量がｄ１’で、第Ｎ枚の座標光斑画像と第１枚の座標光斑画像との間の像平面の変位量がｄｎ′である。回転円盤ユニット１１を１回転させる時の像平面の変位量の総和は、数式ΣＤ＝（ｄ１′＋ｄ２′＋…＋ｄ（ｎ−１）′＋ｄｎ′）を用いて計算する。
こうして、さらに下記の数式（１）を用いて即時の光斑画像が位置決めをする時の副変化角度を算出する。式中、θｓｕｂは、即時の不変形光斑画像の副変化角度を表し、Δｄは、前記即時の不変形光斑画像とその重なり面積が最大となる座標光斑画像とをマッチングして位置決めする像平面の変位量を表す。

こうして、Ｎ枚の不変形光斑画像、Ｎ個の主変化角度の座標データベースを完成した場合において、回転円盤ユニット１１を任意角度で回転させると共に、即時の不変形光斑画像を取得した後、画像マッチング関数を用いてデータベースの中から前記即時の不変形光斑画像との間に重なり面積が最大となる座標光斑画像を見つけ出し、もし該枚の座標光斑画像を第ｉ枚の座標光斑画像として定義する場合であれば、下記の数式（２）を用いて前記即時の不変形光斑画像の被測定角度θ_被測定を容易に算出することにより、精密の角度位置決めが完成する。

ここで、特別に説明すべきことは、本発明の精密角度位置決め装置の精密角度位置決め誤差源として、下記２種類が挙げられる点である。
１．使用される角度校正ユニット１３の位置決め誤差である。この位置決め誤差は、角度校正ユニット１３が座標光斑画像の主変化角度を校正する時に生じる位置決め誤差である。Ａｇｉｌｅｎｔ ５５３０ 動的測定器（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｃａｌｉｂｒａｔｏｒ）を角度校正ユニット１３とする場合では、座標光斑画像を校正した後の主変化角度の位置決め誤差が０．５″である。
２．即時の光斑画像と座標光斑画とをマッチングして位置決めする時に生じる位置決め誤差である。この位置決め誤差量δの大きさを見積もると、一般的な商用の精密角度センサの位置決め精度が約１″で、高精度の角度センサの外径の範囲が約２０〜３０ｃｍである。角度センサの回転時の回転円周長であるＤに換算すると、その範囲が約６０〜１００ｃｍである。
現在商用規格であるＣＣＤ或いはＣＭＯＳセンサの画素の大きさの範囲が１〜５ｕｍで、ＳＩＦＴマッチング方法を使用してδ値の範囲が約１／５０〜１／１００である画素の大きさは、つまりその範囲約１０〜１００ｕｍである。撮像装置の光学拡大倍率Ｍが１である場合、即時の光斑画像の即時の角度位置決め誤差範囲としては
と見積もることができる。
従って、座標光斑画像の主変化角度の位置決め誤差である０．５″に、即時の光斑画像と座標光斑画像とをマッチングして得られる位置決め誤差である０．２″を加えた、本方法を利用する角度位置決めの誤差総和としては、つまり０．５″＋０．２″＝０．７″となり、１″より小さいので、角度センサの高精度要求を満たすことができる。

図７に示す本発明に係る精密角度位置決め装置の第２構成は、回転円盤ユニット１１と、不変形光斑捕捉ユニット１２と、角度校正ユニット１３と、角度識別位置決めユニット１４と、記憶ユニットとから構成されると共に、慣性レーザジャイロスコープを角度校正ユニット１３とする。
実施例２では、下記の手順を通じて座標光斑画像の主変化角度の校正・位置決めが完成する。まず、不変形光斑捕捉ユニット１２の２次元画像センサ１２５の撮像重複率の範囲を１ＫＨｚ〜１０ＫＨｚの間に設定する必要がある。
続いて回転円盤ユニット１１を１０°／秒の固定回転速度で１回転させると共に、Ｎ枚の不変形光斑画像を取得する。そして、前記回転円盤ユニット１１を回転させると同時に、慣性レーザジャイロスコープが出力するビート信号の周期数ｋｉと座標位相φｉとを読み取り、記録する。

上記の説明のように、第１枚の座標光斑画像の角度座標を原点とすることによって、ｋ１＝０とφ１＝０を定義するものとなり、また第２枚の座標光斑画像のビート信号の累計周期数がｋ２＋（φ２／３６０）で、第ｉ枚の座標光斑画像のビート信号の累計周期数がｋｉ＋（φｉ／３６０）で、そして第Ｎ枚の座標光斑画像のビート信号の累計周期数がｋｎ＋（φｎ／３６０）である。
ここでは画像マッチング関数を用いて第１枚の不変形光斑画像と第Ｎ枚の変形光斑画像との間の像平面の変位量がｄｎを算出し、かつ性レーザジャイロスコープが対応的に出力するビート信号の周期数をΔｋに設定する。こうして、Δｋの値は、下記の数式（３）に代入して、

の式から求めることができる。また、位置決めする回転円盤ユニット１１を１回転させるビート信号的累計周期数はΣｋであるから、それは、下記の数式（４）に代入して、

の式から求めることができる。従って、ΔｋとΣｋの値が得られた後に、下記の数式（５）に代入して、

の式からＮ枚の座標光斑画像に対応するＮ個の主変化角度を求めることができる。式中、θ_iは主変化角度を表す。

Ｎ枚の座標光斑画像とＮ個の主変化角度の校正と記録を完成した後、続いて回転円盤ユニット１１を１回転させる時の像平面の変位量の総和は、数式ΣＤ＝（ｄ１′＋ｄ２′＋…＋ｄ（ｎ−１）′＋ｄｎ′）を用いて計算する。
また、回転円盤ユニット１１を任意角度で回転させると共に、即時の不変形光斑画像を取得した後、画像マッチング関数を用いてデータベースの中から前記即時の不変形光斑画像とその間に重なり面積が最大となる座標光斑画像とをマッチングして位置決めすることにより、これらの２枚の光斑画像が像平面での変位量Δｄが得られる。それから、下記の数式（６）に代入して、

の式から前記即時の不変形光斑画像の副変化角度θｓｕｂを求めることができる。

図８に示す不変形レーザ光斑画像を参照する。その内、図８の図（ａ）は、前記即時の不変形光斑画像を示し、図（ｂ）、図（ｃ）、図（ｄ）と図（ｅ）は、それぞれデータベースの中の第ｉ枚の座標光斑画像、第ｉ−１枚の座標光斑画像、第ｉ−２枚の座標光斑画像と第ｉ＋１枚の座標光斑画像を示す。
ＳＩＦＴ画像マッチングによると、第ｉ枚の座標光斑画像（図（ｂ））と即時の不変形光斑画像（図（ａ））との間に、最大の光斑画像の重なり領域を有し、またＳＩＦＴ画像マッチング関数でマッチングすれば、２枚の光斑画像が像平面での変位距離Δｄが−０．０５画素であることが分かる。この数値は、像平面のマッチングにおいて、前記即時の光斑画像は、第ｉ枚の座標光斑画像から０．０５画素の距離をリードすることを意味している。
逆に、図（ｅ）の第ｉ＋１枚の座標光斑画像は、図（ａ）の不変形光斑画像を超えて２枚の光斑画像が像平面での変位距離の大きさが＋５．６０画素である。よって、図（ｂ）に示す第ｉ枚の座標光斑画像は、前記即時の不変形光斑画像との間に最大の重なり面積を有することが確定する。第ｉ枚の座標光斑画像の主変化角度がθ_iとすれば、下記の数式（７）に代入して、

の式から前記即時の不変形光斑画像の被測定角度θ_被測定を容易に求めることができることにより、精密の角度位置決めが完成する。

ここで、特別に説明すべきことは、例えばＨｏｎｅｙｗｅｌｌ（登録商標）ＧＧ１３２０ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌａｓｅｒ Ｇｙｒｏの慣性レーザジャイロスコープを角度校正ユニット１３とする場合において、そのバイアス安定性（Ｂｉａｓ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ）が０．００３５ｄｅｇ／ｈｏｕｒで、かつ回転円盤ユニット１１を秒毎に１０⁰の固定回転速度で回転させるので、回転円盤ユニット１１を１回転に要する時間が約３６秒（或いは０．０１時間）であることが分かる。
こうして、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ ＧＧ１３２０が０．０１時間内の角度位置決め精度が０．００３５ｄｅｇ／ｈｏｕｒ×０．０１ｈｏｕｒ＝３．５×１０^-5ｄｅｇ＝０．１２６″と計算する。従って、慣性レーザジャイロスコープを角度校正ユニット１３とする場合において、本発明の角度位置決め誤差値は、約座標光斑画像の主変化角度の位置決め誤差である０．１２６″に、即時の光斑画像と座標光斑画像とをマッチングして得られる位置決め誤差である０．２″を加えた値であり、つまり（０．１２６″＋０．２″）≦０．４″なので、実施例１と同様に角度センサの高精度要求を満たすことができる。

図９に示す本発明に係る精密角度位置決め装置の第３構成は、回転円盤ユニット１１と、不変形光斑捕捉ユニット１２と、角度校正ユニット１３と、角度識別位置決めユニット１４と、記憶ユニットとから構成されると共に、慣性光ファイバジャイロスコープを角度校正ユニット１３とする。
実施例３では、下記の手順を通じて座標光斑画像の主変化角度の校正・位置決めが完成する。まず、実施例２と同様に不変形光斑捕捉ユニット１２の２次元画像センサ１２５の撮像重複率の範囲を１ＫＨｚ〜１０ＫＨｚの間に設定する必要がある。続いて回転円盤ユニット１１を１０°／秒の固定回転速度で１回転させると共に、Ｎ枚の不変形光斑画像を取得する。そして、前記回転円盤ユニット１１を回転させると同時に、慣性光ファイバジャイロスコープが出力する前記Ｎ枚の座標光斑画像に対応するＮ個の校正角度を読み取りする。その内、第１枚の座標光斑画像の校正角度がθ₁′で、第２枚の座標光斑画像の校正角度がθ₂′で、かつ、第Ｎ枚の座標光斑画像の校正角度がθ_n′である。
こうして、第１枚の座標光斑画像の主変化角度をθ₁＝θ₁′−θ₁′＝０として定義し、さらに第２枚の座標光斑画像の主変化角度をθ₂＝θ₂′−θ₁′に代入して計算し、かつ第Ｎ枚の座標光斑画像の主変化角度をθ_n＝θ_n′−θ₁′に代入して計算することができる。言い換えれば、第ｉ枚の座標光斑画像の主変化角度は、下記の数式（８）を用いて計算することができる。

Ｎ枚の座標光斑画像とＮ個の主変化角度の校正と記録を完成した後、続いて回転円盤ユニット１１を１回転させる時の像平面の変位量の総和は、数式ΣＤ＝（ｄ１′＋ｄ２′＋…＋ｄ（ｎ−１）′＋ｄｎ′）を用いて計算する。また、回転円盤ユニット１１を任意角度で回転させると共に、即時の不変形光斑画像を取得した後、画像マッチング関数を用いてデータベースの中から前記即時の不変形光斑画像とその間に重なり面積が最大となる座標光斑画像とをマッチングして位置決めすることにより、これらの２枚の光斑画像が像平面での変位量Δｄが得られる。それから、下記の数式（９）に代入して、

の式から前記即時の不変形光斑画像の副変化角度θｓｕｂを求めることができる。
さらに、下記の数式（１０）に代入して、

の式から前記即時の不変形光斑画像の被測定角度θ_被測定を容易に求めることができることにより、精密の角度位置決めが完成する。

ここで、特別に説明すべきことは、例えばＨｏｎｅｙｗｅｌｌ Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃ Ｇｙｒｏの慣性光ファイバジャイロスコープを角度校正ユニット１３とする場合においては、そのバイアス安定性（Ｂｉａｓ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ）が０．０００３ｄｅｇ／ｈｏｕｒで、かつ回転円盤ユニット１１を秒毎に１０°の固定回転速度で回転させるので、回転円盤ユニット１１の１回転に要する時間が約３６秒（或いは０．０１時間）であることが分かる。
こうして、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃ Ｇｙｒｏが０．０１時間内の角度位置決め精度が
と計算する。従って、慣性光ファイバジャイロスコープを角度校正ユニット１３とする場合において、本発明の角度位置決め誤差値は、約座標光斑画像の主変化角度の位置決め誤差である０．０１″に、即時の光斑画像と座標光斑画像とをマッチングして得られる位置決め誤差である０．２″を加えた値であり、つまり（０．０１″＋０．２″）≦０．３″なので、実施例１及び実施例２と同様に角度センサの高精度要求を満たすことができる。
また、もし不変形光斑画像の位置決め精度を０．１ｕｍから１０ｎｍまでに高めることができるか、或いは回転円盤ユニットの周長を１ｍから１０ｍまでに増加させることができる場合であれば、即時の光斑画像の重複位置決め誤差を０．０２″までに改善することができるので、システム全体においては角度位置決め精度を０．０３″（０．０１″＋０．０２″＝０．０３″）までに高める可能性を示唆する。

こうして、上記の詳細な説明から、本発明の精密角度位置決め装置は、完全かつ明瞭に開示されており、本発明が下記の利点を有することが分かる。

１．本発明によれば、価格が相対的に安価である回転円盤ユニット１１と、不変形光斑捕捉ユニット１２と、角度識別位置決めユニット１４と、角度校正ユニット１３とを利用するだけで、角度センサの高精度要求を満たす精密角度位置決め装置が構成され、相当な産業競争力を有する。

２．本発明の技術によれば、不変形光斑捕捉ユニット１２を使用して回転する回転円盤ユニット１１の表面上からＮ個の座標光斑画像を取得すると同時に、角度校正ユニット１３と角度識別位置決めユニット１４との使用に合わせて、毎枚の座標光斑画像の主変化角度を校正と記録する。
このようにして、データベース内に格納されたＮ枚の座標光斑画像及びそれに対応するＮ個の主変化角度は、即時の不変形光斑画像とその重なり面積が最大となる第ｉ個の座標光斑画像に合わせることで、像平面の変位距離Δｄ及び回転円盤ユニット１１を１回転させる時の像平面の変位量の総和ΣＤといった２つのパラメーターが得られ、それから、数式θ_被測定＝θ_i＋（（Δｄ×３６０⁰）／ΣＤ）を用いて前記即時の不変形光斑画像の被測定角度θ_被測定を容易に算出することにより、精密な角度位置決めが完成する。

３．上記第２点に続いて、さらに本発明の精密角度位置決め装置は、Ａｇｉｌｅｎｔ ５５３０ 動的測定器（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｃａｌｉｂｒａｔｏｒ）、慣性レーザジャイロスコープ及び慣性光ファイバジャイロスコープのいずれかを角度位置決めユニット１３として使用してもよく、それらの全てが角度センサの高精度要求を満たすことができる。

強調すべき点は、上記の詳細な説明は、本発明の実施可能な実施例を具体的に説明したものであり、本発明の特許範囲はこれらの実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的精神を逸脱しない限り、その等効果実施又は変更は、なお、本願の特許請求の範囲内に含まれる点である。

１ 精密角度位置決め装置
１１ 回転円盤ユニット
１２ 不変形光斑捕捉ユニット
１３ 角度校正ユニット
１４ 制御と処理モジュール
１２１ 発光素子
１２２ 前段絞り
１２３ レンズ
１２４ 後段絞り
１２５ ２次元画像センサ
１’ 絶対位置決め円形光学格子
１１’ 回転軸
１２’ 最内環の光学格子
１３’ 第８環の光学格子
１４’ 最外環の光学格子
１” 高精度の絶対位置決め円形光学格子
１１” 内環の光学格子
１２” 外環の光学格子

Claims (9)

1. 精密角度位置決め装置であって、
   回転円盤ユニットと、
   コヒーレントな入射光を前記回転円盤ユニットの位置決め表面の上に発射させると共に、前記位置決め表面から反射される反射光を受光することで、前記位置決め表面の不変形光斑画像を取得する不変形光斑捕捉ユニットと、
   前記不変形光斑画像の校正角度座標を測定するための角度校正ユニットと、
   前記不変形光斑捕捉ユニットと前記角度校正ユニットとを電気的に接続する角度識別位置決めユニットと、
   前記不変形光斑捕捉ユニットにより取得される前記不変形光斑画像を格納するための記憶ユニットと、を備え、
   前記回転円盤ユニットを連続的に１回転させる場合において、前記不変形光斑捕捉ユニットは、対応的に回転円盤ユニットのＮ枚の不変形光斑画像を取得すると同時に、前記角度校正ユニットは、前記Ｎ枚の不変形光斑画像に対応するＮ個の校正角度座標を計測すると共に、前記角度識別位置決めユニットにより、対応のＮ個の主変化角度が算出され、校正を経て主変化角度の不変形光斑画像を座標光斑画像として定義し、また前記Ｎ枚の座標光斑画像と前記Ｎ個の主変化角度とを前記記憶ユニット内に格納し、
   前記回転円盤ユニットを任意角度で回転させると共に、対応する即時の不変形光斑画像を捕捉した後、前記角度識別位置決めユニットは、画像マッチング関数を用いて前記即時の不変形光斑画像と記憶ユニット内に格納されたＮ枚の座標光斑画像に対して画像マッチングを行い、前記即時の不変形光斑画像とその重なり面積が最大となる第ｉ個の座標光斑画像との間の変位を算出して生成される即時位置の副変化角度は、該第ｉ個の主変化角度に合わせて、前記即時の不変形光斑画像の被測定角度を精確に算出することを特徴とする、
   精密角度位置決め装置。
2. 前記位置決め表面は、回転円盤ユニットの頂部表面、回転円盤ユニットの側辺表面及び回転円盤ユニットの底部表面からなる群から選択されるいずれか１つの表面であることを特徴とする、請求項１に記載の精密角度位置決め装置。
3. 前記画像マッチング関数は、ＳＡＤ（Ｓｕｍ ｏｆ Ａｂｓｏｌｕｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）、ＳＳＤ（Ｓｕｍ ｏｆ Ｓｑｕａｒｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）、ＮＣＣ（Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ Ｃｒｏｓｓ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）及びＳＩＦＴ（Ｓｃａｌｅ Ｉｎｖａｒｉａｎｔ Ｆｅａｔｕｒｅ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）からなる群から選択されるいずれか１種の関数であることを特徴とする、請求項１に記載の精密角度位置決め装置。
4. 前記不変形光斑捕捉ユニットは、レーザ光を前記回転円盤ユニットの前記位置決め表面の上に発射させるための発光素子と、前記レーザ光の二次反射散乱光を濾過するための前段絞りと、前記レーザ光を物体表面に照射することによる光斑画像を２次元センサ上に結像させるためのレンズと、前記反射光の光斑サイズを制御するための後段絞りと、ＣＣＤ画像センサ或いはＣＭＯＳ画像センサであり、前記レーザ光が前記物体表面に照射することによる不変形レーザ光斑画像を検出と記録するための２次元画像センサと、を備えることを特徴とする、請求項１に記載の精密角度位置決め装置。
5. 前記角度校正ユニットは、Ａｇｉｌｅｎｔ（登録商標）５５３０ 動的測定器（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｃａｌｉｂｒａｔｏｒ）、慣性レーザジャイロスコープ及び慣性光ファイバジャイロスコープからなる群から選択されるいずれか１つであることを特徴とする、請求項１に記載の精密角度位置決め装置。
6. 当該慣性レーザジャイロスコープを前記角度校正ユニットとする場合において、前記主変化角度、前記副変化角度と前記即時の不変形光斑画像の被測定角度を、それぞれ下記の数式（１）〜（３）を用いて算出し、
   式中、θ_iは、第ｉ枚の座標光斑画像の主変化角度を表し、ｋ_i＋（φ_i／３６０）は、第ｉ枚の座標光斑画像の慣性レーザジャイロスコープによるビート信号の累計周期数を表し、ΣＫは、前記回転円盤ユニットを１回転させて、慣性レーザジャイロスコープによるビート信号の累計周期数の総和を表し、Δｄは、前記即時の不変形光斑画像とその重なり面積が最大となる該第ｉ個の座標光斑画像との間の像平面の変位量を表し、ΣＤは、前記回転円盤ユニットを１回転させて、像平面に生じる変位量の総和を表し、θ_subは、前記即時の不変形光斑画像の副変化角度を表し、θ_被測定は、即時の不変形光斑画像の被測定角度を表すことを特徴とする、請求項５に記載の精密角度位置決め装置。
7. 当該慣性光ファイバジャイロスコープを前記角度校正ユニットとする場合において、前記主変化角度、前記副変化角度と前記即時の不変形光斑画像の被測定角度を、それぞれ下記の数式（４）〜（６）を用いて算出し、
   式中、θ_iは、第ｉ枚の座標光斑画像の主変化角度を表し、θ_i′は、慣性光ファイバジャイロスコープが出力する即時角度を表し、
   θ₁＝θ₁′−θ₁′＝０，θ₂＝θ₂′−θ₁′，θ₃＝θ₃′−θ₁′であり、
   Δｄは、前記即時の不変形光斑画像とその重なり面積が最大となる該第ｉ個の座標光斑画像との間の像平面の変位量を表し、ΣＤは、前記回転円盤ユニットを１回転させて、像平面に生じる変位量の総和を表し、θ_subは、前記即時の不変形光斑画像の副変化角度を表し、θ_被測定は、即時の不変形光斑画像の被測定角度を表すことを特徴とする、請求項５に記載の精密角度位置決め装置。
8. 当該Ａｇｉｌｅｎｔ ５５３０ 動的測定器を前記角度校正ユニットとする場合において、前記副変化角度と前記即時の不変形光斑画像の被測定角度を、それぞれ下記の数式（７）と（８）を用いて算出し、
   式中、θ_iは、第ｉ枚の座標光斑画像の主変化角度を表し、Δｄは、前記即時の不変形光斑画像とその重なり面積が最大となる該第ｉ個の座標光斑画像との間の像平面の変位量を表し、ΣＤは、前記回転円盤ユニットを１回転させて、像平面に生じる変位量の総和を表し、θ_subは、前記即時の不変形光斑画像の副変化角度を表し、θ_被測定は、即時の不変形光斑画像の被測定角度を表すことを特徴とする、請求項５に記載の精密角度位置決め装置。
9. 前記座標光斑画像内に任意の２点の光斑の相対光路差の変化量が、前記レーザ光の波長の１／５よりも必ず小さく、かつ前記座標光斑画像のデータベース内の任意の相隣する２枚の座標光斑画像の重なり長さが、１／２の前記座標光斑画像の長さより大きく、各座標光斑画像の撮像長さが、光斑不変形の移動可能な距離よりも必ず小さい或いは等しいことを特徴とする、請求項４に記載の精密角度位置決め装置。