JP4000685B2 - 回転角度測定装置 - Google Patents
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Description
【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
Claims (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。 - 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。
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