JP2017032453A - Method and device for measuring attitude angle using diffraction grating - Google Patents
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Description
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。 The present invention measures the attitude angle of the measuring device by detecting the angle change of the diffraction grating suspended on the surface of the liquid, using a floating body composed of a two-dimensional diffraction grating, The present invention relates to a method and apparatus for collectively measuring posture angles.
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。 In the field of precision machining, equipment that accurately measures the three-axis attitude angle of an object is required. Here, the posture angle is defined as rolling, pitching, and yawing as angular displacements around the respective axes of the right-handed system direct coordinates x, y, and z. Conventionally, measurement by an autocollimator has been often used for posture angle measurement.
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。 The autocollimator is an angle measuring device that irradiates a measurement target with light rays and detects the angle deviation between the incident light and the reflected light. High resolution with sub-angular second order and collective measurement of angles around two axes. Is possible. On the other hand, because the structure is such that light rays are exposed to the atmosphere, if the distance between the autocollimator and the object to be measured increases, the measurement accuracy decreases due to fluctuations in the refractive index of the atmosphere. Since each autocollimator is limited to two axes, there is a problem that at least two autocollimators are required for measuring the three-axis attitude angle.
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。 On the other hand, the merit of the angle measuring method using the gyro rate sensor is that a relative attitude angle change is measured based on the integration of the angular velocity, and therefore no external reference is required. In addition, three axes of rolling, pitching and yawing can be measured by preparing gyro rate sensors for three axes. In the precision measurement field, it is used as a parallelism measurement device for rolls in roll-to-roll processing equipment (Non-patent Document 1). This roll parallelism measuring device incorporates three-axis ring laser gyros (Non-Patent Documents 2 and 3) at right angles to each other, and the three-axis measurement accuracy of rolling, pitching and yawing is calculated by converting the parallelism into an angle. It is ± 0.0028 ° (resolution 0.00022 °), and has sufficient accuracy and resolution that can be used even in precision engineering. However, since the gyro rate sensor calculates the angle by time-integrating the angular velocity, the stability of the sensor greatly affects the measurement result (Non-Patent Document 4). This stability is called the bias stability of the gyro rate sensor (Non-Patent Document 5), and considering the long-time angle measurement by the gyro rate sensor, the occurrence of an error proportional to time is expected due to the presence of the bias stability. Is done. The ring laser gyro used in the above-described roll parallelism measuring apparatus has a low bias stability value among 0.01 ° / hour (see Non-Patent Documents 4 and 5) and commercially available gyro rate sensors. However, an error of up to 0.01 ° per hour is still expected. Therefore, it can be seen that it is difficult to maintain accuracy in measurement over a long time.
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。 Further, the use of the ring laser gyro described above is limited from the viewpoint of being very expensive. In addition, as a ring laser gyro with extremely low bias stability, research on seismo vibration measurement used in gravitational wave detection devices in astronomy has been conducted (Non-Patent Documents 6 and 7), but the optical path length is on the order of meters. Since it is large, it is not a realistic size and weight for industrial use. Therefore, it is considered that precise measurement with a gyro rate sensor is difficult.
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。 In addition, posture angle measurement using a tilt sensor is applicable only to rolling and pitching measurements because it does not cause an integration error compared to posture angle measurement using a gyro rate sensor. is there. The attitude angle is the angle with respect to the gravity axis, and the displacement in the direction of gravity on the earth is stable at 0.1 "or less (Non-Patent Document 8), so high accuracy can be expected. It is classified into several types according to the detection method, and typical ones are the pendulum type (Non-Patent Document 9-13), the accelerometer type, and the liquid level reference type (Non-Patent Documents 14 to 18). The pendulum type has a pendulum supported by a rotating shaft or held by an elastic body inside the sensor.When a posture angle is applied to the sensor, the pendulum causes an angular displacement from the initial position so as to be parallel to the gravitational acceleration. The attitude angle is measured from the relative angle between the sensor housing and pendulum by reading it with an angle sensor.In the accelerometer method, gravitational acceleration is detected using a single-axis or multi-axis accelerometer, and the acceleration of each axis is measured. Calculate the direction of gravitational acceleration from the detected value of Is obtained as. Liquid-referencing can be classified into two methods of detecting the movement of the bubble method and in the liquid to detect the liquid level.
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。 The method of detecting the liquid level utilizes the fact that the liquid level of the liquid sealed inside the sensor becomes horizontal due to gravity, and converts the change in the liquid level into a posture angle. As a tilt sensor based on a horizontal surface created by a liquid that can measure two-axis attitude angles of rolling and pitching, it has an accuracy of ± 0.4 "using a commercial product with an angular resolution of 3.6" and refraction on the liquid surface. Sensors have also been studied (see Non-Patent Document 19). However, in any tilt sensor, the number of measurement axes is limited to two. This is because the gravitational acceleration vector is a direction vector and has only three components of rolling, pitching, and gravitational acceleration. The orientation component that is the rotational component around the gravitational acceleration vector, that is, the yawing attitude angle, Measurement was impossible in principle. This is a phenomenon common to all tilt sensors including a pendulum type and an accelerometer type as well as a liquid level based tilt sensor.
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。 On the other hand, in order to perform a three-axis attitude angle measurement using an inclination sensor, a new method for detecting a yawing attitude change is required. A simple method is to combine a tilt sensor and another attitude angle sensor capable of measuring yawing. Examples of sensors capable of measuring yawing include a magnetic compass, a mechanical compass, and a gyro rate sensor. The magnetic compass is a sensor that indicates magnetic north at an arbitrary point on the earth (excluding the polar region), and can measure the absolute value of the attitude angle of yawing. However, the accuracy of commercially available products is limited to ± 0.1 ", and because the magnetic field lines of weak geomagnetism are detected, there is a possibility of being affected by external magnetism, which is not suitable for high-accuracy posture angle measurement. A mechanical compass is a sensor that indicates the true north at any point on the earth using the gyro effect (the direction of the axis of rotation is north), and measures the absolute value of the yaw attitude angle in the same way as the magnetic compass. Is possible.
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。 However, this is also unsuitable for use in a highly accurate attitude angle measurement application with a precision of ± 0.3 ° on the market. As described above, the gyro rate sensor can achieve high resolution in a short time, but drift of the angle measurement value due to time integration occurs. Therefore, when performing long-time measurement, the ring laser gyro with the highest performance for consumer use is used. Even when using, a drift of 36 "/ hour is predicted. In order to measure 3-component rolling, pitching and yawing of an object in space, a yawing detection mechanism separate from the tilt sensor is required. Conventionally, the attitude heading reference system (AHRS) has been used in aerospace applications, which is a ring laser that is a highly stable gyro-rate sensor for measuring the three-axis attitude angles described above. A sensor system that combines a gyro, a tilt sensor for periodically resetting the integration error of the gyro rate sensor, and a magnetic compass for azimuth detection. That.
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。 In the sensor that performs the spatial posture measurement as described above, detection of a large posture change on the order of several tens of degrees is assumed, and a high resolution of the sub-angular second order cannot be obtained. Furthermore, since it is attitude angle measurement using a ring laser gyro, the cost per number of axes is very high, and there is a problem in usability. As described above, in the measurement of the yawing attitude angle change, there is a problem that it is difficult to achieve both resolution and cost.
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。 Therefore, in the present invention, a triaxial attitude angle with the gravitational direction as a reference direction, which can measure a minute angular displacement simultaneously with the three axes of rolling, pitching and yawing, which is impossible with a conventional biaxial attitude angle sensor. It aims to provide a sensor.
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。 In view of this, the present inventors have conceived a method in which a diffraction grating is levitated on the liquid surface and its attitude angle is measured by a three-axis angle sensor (for example, Japanese Patent No. 5322099) using a laser diffraction phenomenon. Accordingly, the relative angle of the posture between the sensor and the diffraction grating can be measured by utilizing the fact that the normal line of the laser irradiation surface of the diffraction grating matches the normal line of the liquid surface. That is, by measuring the attitude angles of the two axes of rolling and pitching and further increasing the moment of inertia of yawing of the diffraction grating, the diffraction grating always points in a certain direction in space even if the entire sensor yaws. Become.
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。 Therefore, by measuring the yaw attitude angular displacement of the diffraction grating and the entire sensor by the three-axis angle sensor, it becomes possible to detect an angular change around the yawing from the initial state of the entire sensor. Accordingly, it is possible to provide a posture angle sensor that can be used at any point on the earth and that can measure a three-axis angular displacement.
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。 According to the present invention, when a liquid is enclosed in a container built in the sensor, the diffraction grating is floated on the liquid surface, and laser light is irradiated toward the diffraction grating from the triaxial angle sensor built in the sensor. N-order diffracted light (N = 0, ± 1, ± 2 ...) generated in the light is received by the light receiving element inside the angle sensor, and the light on the light receiving element when the attitude angle of the diffraction grating is displaced around rolling, pitching, and yawing By detecting and calculating the position change amount of the spot, the three-axis angular displacement can be measured with reference to the diffraction grating suspended on the liquid surface. For this reason, it is possible to perform angle measurement without installing an angle reference standard such as a mirror or a diffraction grating outside the sensor, so that both resolution and cost can be achieved in spatial attitude measurement including yawing attitude angle change measurement. The effect that it can be obtained.
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。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is an apparatus front view showing a basic configuration of a triaxial attitude angle sensor according to an embodiment of the present invention. The diffraction grating (two-dimensional diffraction grating) 2 is fixed to the floating body 1 and is held in a floating state on the liquid surface by the liquid 4 filled in the container 3. The laser beam 13 irradiated from the laser light source 5 and collimated by the collimating lens 6 is irradiated to the diffraction grating 2 through the beam splitter 7 and the polarizing plate 8, and the 0th order, ± 1st order, ± 2nd order ... ± Nth order diffraction. Produce light.
In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the 0th-order diffracted light 14 is collected by the lens 9 shown in FIG. 1 and detected by the light receiving element 10, and the + 1st-order diffracted light 15a is collected by the lens 11 shown in FIG. Light is detected by the light receiving element 12. Thereby, the light spot position change on each light receiving element is detected. In the present embodiment, the first-order diffracted light 15b is not used.
As described above, in this embodiment, it is possible to measure the relative angle between the angle sensor and the diffraction grating by measuring using the angle measuring mechanism built in the angle sensor based on the laser autocollimation method. It is. In other words, by detecting the diffracted light when the diffraction grating is irradiated with laser light with the light receiving element and detecting the change in the light spot position on the light receiving element, the change in the attitude angle, which is the angle that the angle sensor forms with the direction of gravity. Can be measured. Here, by simultaneously measuring the change in the light spot position of the first-order diffracted light, the change in the angle around the three axes can be detected simultaneously and the change in the posture angle can be accurately measured and evaluated.
As shown in FIG. 3, the diffraction grating 2 is fixed to the floating body 1, and the diffraction grating installation surface of the floating body 1 is parallel to the liquid surface, so that the optical action surface of the diffraction grating 2 is a horizontal plane. Therefore, the angle sensor measures the angle between itself and the horizontal plane, and the posture angle can be measured. Therefore, according to this principle, it is possible to measure the posture angle around rolling and pitching, and the measurement result is acquired as the posture angle change around the rolling and pitching of the sensor.
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。 Next, the measurement principle of the angular displacement around the yawing will be described with respect to the three-axis attitude angle sensor configured as described above. FIG. 4 shows a state of the floating body 1 and a diffraction grating (not shown) fixed thereto when the entire sensor rotates around the yawing. In the present embodiment, it is utilized that the change in the light spot position on the light receiving element caused by the change in the attitude angle around the yawing is generated in the first-order diffracted light. Here, the equation of motion of rotation around the yawing of the floating body is expressed by Equation 1.
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。 Here, q: angle around the yawing of the floating body, I: moment of inertia around the yawing of the floating body, t: external force torque applied around the yawing of the floating body, and t: time. When this differential equation is integrated once in time, Equation 2 is obtained.
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。 Here, r indicates the distance from the center of the container 3, and C1 is an integral constant. Furthermore, the time response of the angle around the yawing of the floating body is obtained as shown in Equation 3 by integrating Equation 2 twice over time.
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。 Here, C2 is an integral constant. If the floating body 2 is stationary around the yawing in the initial state, C1 = 0 and C2 = 0. Therefore, Formula 3 shows that it is dominated by the inertia moment I around the yawing of the floating body and the external force torque τ applied around the yawing of the floating body. Therefore, when I is sufficiently large and τ is sufficiently small, the angle change around the yawing generated in the floating body 2 becomes very small.
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。 In other words, the floating body 2 does not rotate around the yawing and always points in a certain direction. When an arbitrary posture angle change around the yawing is given to the three-axis posture angle sensor of the present invention, the floating body 2 holds the initial angle, but the sensor casing rotates by the given angle change, An angle change around the yawing occurs between the three-axis angle sensor and the diffraction grating.
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。 Therefore, by measuring this angle change with a three-axis angle sensor, it is possible to measure the attitude angle change from the initial state around the yawing. The above is the detection principle of the posture angle change around the yawing of the present invention.
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。 By using the present invention, it is possible to measure the change in the attitude angle based on the gravitational acceleration vector, so there is no need to use a large and expensive external reference, and the measuring device can be installed freely, so that the positioning device and the drive mechanism can be installed. Applications can be expected, and its industrial applicability is high.
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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Floating body 2 Diffraction grating 3 Container 4 Liquid 5 Laser light source 6 Collimating lens 7 Beam splitter 8 Polarizing plate 9 Lens 10 Light receiving element 11 Lens 12 Light receiving element 13 Laser beam 14 0th order diffracted light 15a + 1st order diffracted light 15b-1st order diffracted light
Claims (5)
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。 A posture angle measurement method for detecting a change in the posture angle of a measuring device using a grating plane when a two-dimensional diffraction grating is suspended on a liquid surface under gravity as a reference horizontal plane,
An attitude angle that is an angle formed by the measuring device with respect to the direction of gravity by detecting a diffracted light when the two-dimensional diffraction grating is irradiated with a laser beam with a light receiving element and detecting a change in a light spot position on the light receiving element. A posture angle measuring method, characterized by measuring a change in the angle.
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。 In the posture angle measuring method according to claim 1,
By simultaneously detecting the diffracted light of the laser light irradiated on the two-dimensional diffraction grating by a plurality of light receiving elements mounted in the measuring apparatus, changes in attitude angles around three axes are collectively measured. A posture angle measuring method characterized by:
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。 In the attitude angle measuring method according to claim 1 or 2,
Using the fact that the reflecting surface of the two-dimensional diffraction grating suspended on the liquid surface is kept horizontal by gravity, the absolute angle of the posture angle can be obtained without using a reference standard provided outside the measuring apparatus. A posture angle measuring method characterized by measuring an angle.
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。 In the attitude angle measuring method according to any one of claims 1 to 3,
A posture angle measuring method, wherein a change in a light spot position on the light receiving element caused by a change in posture angle around a yawing is generated in the first-order diffracted light of the diffracted light.
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。
A two-dimensional diffraction grating,
A container in which a liquid for floating the two-dimensional diffraction grating is stored;
A light source for irradiating the two-dimensional diffraction grating suspended on the liquid surface under gravity with a laser beam;
A light receiving element for detecting diffracted light when the two-dimensional diffraction grating is irradiated with the laser light;
A posture angle measuring device comprising: a measuring unit that measures a change in posture angle by detecting a light spot position change on the light receiving element.
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