JP6400035B2 - 位置検出装置、力覚センサ、および、装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定対象物からの距離を検出する位置検出装置に関する。

特許文献１には、ＬＥＤからの光束を回折格子を通して反射面に照射し、その反射光を受光素子で受光することにより、測定対象物からの距離を測定するギャップセンサが開示されている。特許文献１のギャップセンサは、インコヒーレント光を２枚の回折格子に透過させて形成される光強度分布の縞を利用する。光強度分布の縞の位相変化に基づいてギャップ量を検出することにより、光源の発光量に依存しない安定したギャップ検出が可能である。

特許文献２には、移動格子の移動により散乱される光のドップラーシフトを利用して、移動格子の変位を演算する光電式エンコーダが開示されている。

特開２００６−３４９６０６号公報 特開２００５−３２６２３２号公報

しかしながら、特許文献１、２によるギャップ検出方法では、反射面が傾くことにより検出値に誤差が生じる可能性があり、高精度なギャップ検出（位置検出）を行うことが困難である。

そこで本発明は、高精度な位置検出が可能な位置検出装置、力覚センサ、および、装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面としての位置検出装置は、光源部からの光を対象物に照射し、該対象物からの反射光を受光部で受光することにより、該対象物の位置情報を検出する位置検出装置であって、前記光源部と前記受光部とを有する検出部と、前記受光部からの信号を処理する信号処理部とを有し、前記検出部は、前記光源部と対象物との間の光路に設けられた第１格子と、前記対象物と前記受光部との間の光路に設けられた第２格子と、前記第２格子と前記受光部との間の光路に設けられた第３格子とを有し、前記光源部からの前記光が前記第１格子を透過することにより、前記第１格子と前記第２格子との間の光路に第１周期像が形成され、前記第１周期像に対応する光が前記第２格子を透過することにより、前記第３格子において第２周期像が形成され、前記信号処理部は、前記受光部により検出された前記第２周期像の位相変化に基づいて、前記対象物の前記位置情報を取得する。

本発明の他の側面としての力覚センサは、ベース部材と、変位部材と、前記ベース部材と前記変位部材とを支持するように該ベース部材と該変位部材との間に設けられた弾性支持部材と、前記変位部材の前記ベース部材に対する変位に応じて該変位部材に作用する外力を検出するように構成された前記位置検出装置とを有する。

本発明の他の側面としての装置は、可動部と、前記力覚センサと、前記力覚センサを用いて前記可動部を制御する制御部とを有する。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。

本発明によれば、高精度な位置検出が可能な位置検出装置、力覚センサ、および、装置を提供することができる。

実施例１における光学式ギャップセンサの断面図である。 実施例１における光学式ギャップセンサの斜視図である。 実施例１における変形例としての光学式ギャップセンサの断面図である。 実施例１における光学式ギャップセンサの光学配置を示す模式図である。 各実施例における受光素子アレイの受光素子の配列図である。 実施例１において、光学式ギャップセンサのギャップ量に対する位相信号Φの変化を示すグラフである。 実施例２における光学式ギャップセンサの斜視図である。 実施例３における光学式ギャップセンサの斜視図である。 実施例４における光学式ギャップセンサの斜視図である。 実施例５における光学式力覚センサの構成図である。 実施例５における光学式力覚センサの力センサ部の平面断面図である。 実施例６におけるロボットアーム搬送装置の構成図である。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。

まず、図１および図２を参照して、本発明の実施例１における光学式ギャップセンサ（位置検出装置）の構成について説明する。図１は、本実施例における光学式ギャップセンサ１００の断面図である。図２は、光学式ギャップセンサ１００の斜視図である。

光学式ギャップセンサ１００は、固定部に取り付けられるセンサユニット１０（検出器）、および、不図示の可動部（被測定物）に取り付けられる反射体２０を有する。なお本実施例において、固定部と可動部の関係は逆でもよく、センサユニット１０を可動部に取り付け、反射体２０を固定部に取り付けることができる。すなわち、センサユニット１０と反射体２０とが相対的に移動可能であればよい（図１中のＺ方向においてセンサユニット１０と反射体２０との距離が変化するように構成されていればよい）。

センサユニット１０は、電流狭窄型ＬＥＤからなる発光素子１１と、受光素子アレイ１２を有する受光ＩＣ１３とが同一パッケージ内に実装された受発光一体型のセンサユニットである。受光素子アレイ１２は、反射体２０からの反射光を検出する複数の受光素子を配列して構成されている。反射体２０は、センサユニット１０に対向する面が平面となっており、光学的な反射面として作用する。反射体２０の表面にアルミ、金、またはクロムなどをコーティングすることにより、光の利用効率を高めることができる。なお本実施例において、反射体２０のガラス面や金属面などを直接反射面として用いることも可能である。

発光素子１１から反射体２０に向かう光路中（発光素子１１と第１格子１５との間の光路）には、透過部と遮光部（非透過部）とが交互に配列された光源パターン（周期的な透過率）を有する光源格子１４が設けられている。光源格子１４は、反射体２０の反射面および主光線の入射面に対して直交する方向（図１中のＹ方向）に伸びた開口列から構成されている。このような構成により、光源格子１４は、発光素子１１からの光を線状アレイ光源化する。本実施例において、光源格子１４の格子ピッチ（格子周期Ｐ１）は８μｍである。本実施例では、発光素子１１と光源格子１４とにより光源部が構成される。

光源格子１４から反射体２０に向かう光路中には、交互に配列された凹部と凸部とにより、透過型の位相格子として形成された第１格子１５が設けられている。第１格子１５は、Ｙ方向に伸びた凹凸溝列を備えて構成されており、第１格子１５の格子ピッチ（格子周期Ｐ２）は８μｍである。凹部と凸部との光路長差は、光源波長の半波長程度であり、±１次回折光が最大となるように設計されている。

反射体２０により反射して受光素子アレイ１２に向かう光路中（反射体２０と受光素子アレイ１２との間）には、交互に配列された凹部と凸部により、透過型の位相格子として形成された第２格子１６が設けられている。第２格子１６は、第１格子１５と同様に、Ｙ方向に伸びた凹凸溝列を備えて構成されており、第２格子１６の格子ピッチ（格子周期Ｐ３）は８μｍである。凹部と凸部との光路長差は、光源波長の半波長程度であり、±１次回折光が最大となるように設計されている。なお、第１格子１５および第２格子１６の少なくとも一方は、透過光の光路長が周期的に異なる位相変調型の光学格子である。

第２格子１６から受光素子アレイ１２に向かう光路中には、インデックス格子１７（第３格子）が設けられている。インデックス格子１７は、交互に配列された透過部と遮光部とにより、透過型格子として形成されている。インデックス格子１７は、Ｙ方向に略平行であるが、Ｚ軸周りに微小な角度で回転して配置された開口列から構成されている。インデックス格子１７の格子ピッチ（格子周期Ｐ４）は８μｍである。

光源格子１４、第１格子１５、第２格子１６、および、インデックス格子１７は、カバーガラス１８上に設けられている。各格子を備えたカバーガラス１８は、発光素子１１および受光ＩＣ１３を封止する透光性樹脂１９に貼り合わされ、発光素子１１および受光ＩＣ１３と光学的に一体化される。光源格子１４とインデックス格子１７はそれぞれ、カバーガラス１８の一方の面（図１中のカバーガラス１８の上面）に遮光部となるクロム膜を形成することで設けられる。第１格子１５と第２格子１６はそれぞれ、カバーガラス１８の他方の面（図１中のカバーガラス１８の下面）に、エッチング処理により凹凸パターンを加工することで設けられる。第１格子１５と第２格子１６はそれぞれ、透過部と遮光部とが交互に配列されて構成された格子であってもよい。なおカバーガラス１８は、光源格子１４とインデックス格子１７とが形成されたカバーガラス（第１カバーガラス）と、第１格子１５と第２格子１６と形成されたカバーガラス（第２カバーガラス）とを別々に製作して、これらを貼り合せるようにして形成してもよい。

光源格子１４とインデックス格子１７、および、第１格子１５と第２格子１６は、必ずしも同一面上に配置していなくてもよい。ただし、各格子をそれぞれ同一面内に配置することにより、平面性の高いガラス面上に一度にパターニングすることが可能であるため、製造や組み立てコストを低減することができる。また、第１格子１５と第２格子１６は同一の設計とし、少なくとも一部を共用するように設計することもできる。この場合、第１格子１５と第２格子１６とは、同一平面上に一体的に形成される。同様に、光源格子１４とインデックス格子１７の少なくとも一部を共用するように設計することも可能である。この場合、光線パスと、各格子領域の位置合わせを簡略化することができる。

図３（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、本実施例における変形例としての光学式ギャップセンサ１００ａ、１００ｂの断面図である。図３（ａ）に示されるように、センサユニット１０における発光素子１１と受光ＩＣ１３との間に遮光部材３０を設けた光学式ギャップセンサ１００ａを用いてもよい。遮光部材３０により、反射体２０を介さずにセンサユニット１０の内部で反射した光（例えば光源格子１４とインデックス格子１７からの光源側の面で内面反射した光）が受光素子アレイ１２に入射するのを抑制することができる。これにより、受光素子アレイ１２からの出力信号のコントラストを向上させることが可能である。また、図３（ｂ）に示されるように、カバーガラス１８のスケール側の外面に反射防止膜３１を設けた光学式ギャップセンサ１００ｂを用いてもよい。これにより、不要な反射光を低減し、受光素子アレイ１２からの出力信号の精度の劣化を低減することができる。

次に、図４を参照して、光学式ギャップセンサ１００の作用について説明する。図４は、光学式ギャップセンサ１００の光学配置を示す模式図である。光源格子１４から第１格子１５までの実効的な光学距離をＺ１、第１格子１５から反射面までの光学距離をＺ２、反射面から第２格子１６までの光学距離をＺ３、第２格子１６からインデックス格子１７までの実効的な光学距離をＺ４とする。光学距離（実効的な光学距離）とは、物理長を屈折率で除した値を意味する。光学距離Ｚ２、Ｚ３は、第１格子１５または第２格子１６と反射体２０（反射面）とのギャップに応じて変動する値であるが、ギャップ検出範囲の中心付近において、Ｚ１＝Ｚ２＝Ｚ３＝Ｚ４となるように設計されている。

発光素子１１としてのＬＥＤから出射した発散光束は、光源格子１４を通過することにより、互いにインコヒーレントな複数の２次点光源を含む光源アレイを形成する。光源格子１４から出射した発散光束は、第１格子１５に入射する。なお本実施例では、発光素子１１（ＬＥＤ）と光源格子１４との組み合わせ（発光素子１１と光源格子１４とを含む光源部）により２次点光源を形成しているが、これに限定されるものではない。光源部として、光源格子１４を用いることなく、発光素子１１に代えて電流狭窄型ＬＥＤや半導体レーザなどを実効的な点光源として用いてもよい。

第１格子１５により回折された＋１次回折光と−１次回折光は、反射体２０の近傍で互いに干渉する。その結果、一定周期の光強度分布を有する第１周期像が形成される。光源格子１４の格子周期をＰ１、第１格子１５の格子周期をＰ２、第２格子１６の格子周期をＰ３とするとき、Ｐ１＝Ｐ２＝Ｐ３＝８μｍである。第１格子１５から第１周期像の第１結像面までの距離Ｚ_ｉｍ１、第１結像面における第１周期像の周期Ｐ_ｉｍ１は、以下の式（１）、（２）のようにそれぞれ表される。

式（１）において、Ｎは干渉の次数を表し、本実施例では±１次回折光を利用するため、Ｎ＝２を有効信号成分とする。

第１周期像は、３次的な光源アレイとして作用する。第１周期像からの発散光束は、反射体２０からの復路において、第２格子１６に入射する。第２格子１６により回折された＋１次回折光と−１次回折光は、インデックス格子１７の近傍で互いに干渉する。その結果、一定周期の光強度分布を有する第２周期像が形成される。第２格子１６から第２周期像の第２結像面までの距離Ｚ_ｉｍ２、第２結像面における第２周期像の周期Ｐ_ｉｍ２は、以下の式（３）、（４）のようにそれぞれ表される。

式（１）より、Ｚ_ｉｍ１＝Ｚ１＝Ｚ２となり、第１結像面は反射面と一致する。式（２）より、Ｐ_ｉｍ１＝Ｐ１＝８μｍである。式（３）より、Ｚ_ｉｍ２＝Ｚ３＝Ｚ４となり、インデックス格子１７面上に第２周期像が形成される。式（４）より、Ｐ_ｉｍ２＝８μｍである。これらは、ギャップ検出範囲の中心付近（Ｚ１＝Ｚ２＝Ｚ３＝Ｚ４）の条件下であり、ギャップ変化（Ｚ２、Ｚ３の変化）とともに、インデックス格子１７面上に形成される光強度分布の周期および中心位相は変化する。本実施例では、インデックス格子１７を用いて、以下のように中心位相を検出することにより、ギャップ量を検出する。

インデックス格子１７は、第２周期像と略等しい周期を有する。しかし、インデックス格子１７は、Ｚ軸周りの回転により、わずかに傾いて配置されている。この傾き量に応じて、インデックス格子１７の格子周期方向に略直交するモアレ縞を発生させる。そして、モアレ縞の強度分布を受光素子アレイ１２で受光し、受光素子アレイ１２からの出力信号に基づいて位相を算出する。

次に、図５を参照して、受光素子アレイ１２の受光素子の配列について説明する。図５は、受光素子アレイ１２の受光素子の配列図である。受光素子アレイ１２は、Ｙ方向に互いに等しい幅を有する１６個の受光素子が、Ｙ方向に等間隔に配置され、Ａ＋、Ｂ＋、Ａ−、Ｂ−の４相に対応する受光素子が、順番に４組分一列に配列されて構成されている。Ａ＋、Ｂ＋、Ａ−、Ｂ−の受光素子４相分の長さは、モアレ縞の１周期分に近くなるように設計されている。各相に対応する受光素子の出力信号は、それぞれ合計され、４相のアナログ電気信号Ｓ（Ａ＋）、Ｓ（Ｂ＋）、Ｓ（Ａ−）、Ｓ（Ｂ−）として信号処理回路１０２（信号処理部）に出力される。

信号処理回路１０２は、以下の式（５）、（６）のように表される差動演算を行い、同相ノイズおよび直流成分を除去する。

Ｓ（Ａ）＝Ｓ（Ａ＋）−Ｓ（Ａ−） … （５）
Ｓ（Ｂ）＝Ｓ（Ｂ＋）−Ｓ（Ｂ−） … （６）
また信号処理回路１０２は、信号Ｓ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）を用いて、以下の式（７）で表される演算により位相信号Φを取得する。

Φ＝ＡＴＡＮ２［Ｓ（Ａ），Ｓ（Ｂ）］ … （７）
式（７）において、ＡＴＡＮ２［Ｙ，Ｘ］は、象限を判別して０〜２π位相に変換する逆正接演算関数である。検出タイミングごとの位相信号Φの差分を積算して所定の係数を掛けることにより、ギャップ変位量Ｚに変換する。このとき、リニアリティや感度を補正する処理を行うことにより、精度を向上させることができる。補正方法としては、校正用の原器との比較により補正値を記憶する方法や、検出中心のギャップ設計値をＺ０とし、Ｚ´＝Ｚ０／Ｚとして変換を行ってもよい。

次に、図６を参照して、式（７）により得られる位相信号Φの波形について説明する。図６は、光学式ギャップセンサ１００のギャップ量に対する位相信号Φの変化を示すグラフである。図６（ａ）〜（ｃ）のそれぞれにおいて、横軸はギャップ量、縦軸は位相信号をそれぞれ示している。

図６（ａ）は、発光素子１１の発光波長６５０ｎｍの場合の、ギャップ量に対する位相信号Φの変化を示す。ギャップ量の変化に伴い位相信号Φは変化し、ギャップ量が検出可能であることが分かる。図６（ｂ）は、発光素子１１の発光波長６５０ｎｍの場合の、反射体２０（対象物）がＹ軸周りに０．１度傾いた場合の、ギャップ量に対する位相信号Φの変化を示す。傾きの回転中心は、反射面（対象面）上の主光線位置としている。図６（ａ）と比較して、ギャップ量に対する位相信号Φの関係は、ほぼ変化しておらず、反射面の傾きの影響は極めて小さいことが分かる。このように本実施例によれば、光源像を光路中に再結像することで、第１結像面が反射面の近傍に形成されることにより、反射面の傾きの影響を低減することができる。これは、反射面の傾きにより検出値が変動する従来技術（例えば、特開２００６−３４９６０６号公報）とは対照的である。

図６（ｃ）は、発光素子１１の発光波長８５０ｎｍの場合の、反射体２０の傾きが０度の場合の、ギャップ量に対する位相信号Φの変化を示す。図６（ａ）と比較して、ギャップ量に対する位相信号Φの関係は、ほぼ変化しておらず、波長変動の影響も極めて小さいことが分かる。このように本実施例は、波長依存性がほとんど無く、温度変化に対しても安定なギャップ検出が可能である。従来技術（例えば、特開２００５−３２６２３２号公報）では、空間的にコヒーレントな光（例えば、コリメートされたレーザー光）を用い、２光束干渉を利用する。しかし、この場合、ギャップ変動に伴う格子像の位相変化量は波長に依存（反比例）する。これは、環境温度変動などにより波長が変動する場合、計測値のばらつき要因となる。

このように、本実施例の位置検出装置（光学式ギャップセンサ１００）は、光源部からの光を対象物（反射体２０）に照射し、対象物からの反射光を受光部（受光素子アレイ１２）で受光することにより、対象物の位置情報を検出する。位置検出装置は、光源部と受光部とを有する検出部（センサユニット１０）、および、受光部からの信号を処理する信号処理部（信号処理回路１０２）を有する。検出部は、光源部と対象物との間の光路に設けられた第１格子１５、対象物と受光部との間の光路に設けられた第２格子１６、および、第２格子と受光部との間の光路に設けられた第３格子（インデックス格子１７）を有する。光源部からの光が第１格子を透過することにより、第１格子と第２格子との間の光路に第１周期像が形成される。第１周期像に対応する光が第２格子を透過することにより、第３格子において第２周期像が形成される。そして信号処理部は、受光部により検出された第２周期像の位相変化に基づいて、対象物の位置情報を取得する。好ましくは、対象物の位置情報は、検出部から対象物までの距離の変位に関する情報である。

本実施例によれば、対象物の反りや傾きの影響を受けにくい高精度な位置検出装置（ギャップセンサ）を実現することができる。

次に、図７を参照して、本発明の実施例２における光学式ギャップセンサ（位置検出装置）について説明する。図７は、本実施例における光学式ギャップセンサ１００ｃの斜視図であり、２軸の検出を行う構成の例を示している。本実施例のセンサユニット１０は、実施例１に対して、発光素子１１を挟んで対向する位置に（Ｘ方向に沿って）同じ光学構成を更に有する。

図７において、発光素子１１の左側の第１光学構成に関しては、第１光線パスにより、反射体２０上の第１光線パス照射位置Ｘ１における第１ギャップ量Ｚ１を検出する。第１光線パスは、発光素子１１から、光源格子１４Ａ、第１格子１５Ａ、反射体２０、第２格子１６Ａ、インデックス格子１７Ａ（第３格子）、および、受光素子アレイ１２Ａに至る光線パスである。また、発光素子１１の右側の第２光学構成に関しては、第２光線パスにより、反射体２０上の第２光線パス照射位置Ｘ２における第２ギャップ量Ｚ２を検出する。第２光線パスは、発光素子１１から、光源格子１４Ｂ、第４格子１５Ｂ、反射体２０、第５格子１６Ｂ、インデックス格子１７Ｂ（第６格子）、および、受光素子アレイ１２Ｂに至る光線パスである。なお、ギャップ量の検出方法は、実施例１と同様であるため、その説明を省略する。

このように、本実施例のセンサユニット（検出部）は、実施例１のセンサユニット１０の各要素に加えて、第４格子１５Ｂ、第５格子１６Ｂ、および、インデックス格子１７Ｂ（第６格子）を有する。第４格子１５Ｂは、光源部（発光素子１１と光源格子１４Ｂ）と対象物（反射体２０）との間の光路に設けられている。第５格子１６Ｂは、反射体２０と受光素子アレイ１２Ｂ（受光部）との間の光路に設けられている。インデックス格子１７Ｂは、第５格子１６Ｂと受光素子アレイ１２Ｂとの間の光路に設けられている。光源部からの光が第４格子１５Ｂを透過することにより、第４格子１５Ｂと第５格子１６Ｂとの間の光路に第３周期像が形成される。また、第３周期像に対応する光が第５格子１６Ｂを透過することにより、インデックス格子１７Ｂにおいて第４周期像が形成される。そして、信号処理部（信号処理回路１０２）は、受光素子アレイ１２Ｂにより検出された第４周期像の位相変化に基づいて、反射体２０の位置情報を取得する。

本実施例においては、第１光線パス照射位置Ｘ１、第２光線パス照射位置Ｘ２、第１ギャップ量Ｚ１、および、第２ギャップ量Ｚ２を用いて、以下の式（７）で表されるように、Ｙ軸周りの回転量θｙを検出することができる。

θｙ＝ＡＴＡＮ｛（Ｚ２−Ｚ１）／（Ｘ２−Ｘ１）｝ … （７）
また、θｙ＜＜１の条件下で近似を行うことにより、Ｙ軸周りの回転量θｙは、以下の式（８）のように表される。

θｙ＝（Ｚ２−Ｚ１）／（Ｘ２−Ｘ１） … （８）
以上のようにして、ギャップ量とともに、回転量を検出する一体型のセンサユニットを実現することができる。

次に、図８を参照して、本発明の実施例３における光学式ギャップセンサ（位置検出装置）について説明する。図８は、本実施例における光学式ギャップセンサ１００ｄの斜視図であり、２軸の検出を行う構成の例を示している。本実施例のセンサユニット１０は、実施例１に対して、発光素子１１を挟んで対向する位置に（Ｘ方向に沿って）、Ｘ方向の位置検出用の光学構成を更に有する。

図８において、発光素子１１の左側の光学構成に関しては、第１光線パスにより、反射体２０上の第１光線パス照射位置Ｘ１におけるギャップ量Ｄ１を検出する。第１光線パスは、発光素子１１から光源格子１４Ａ、第１格子１５Ａ、反射体２０、第２格子１６Ａ、インデックス格子１７Ａ（第３格子）、および、受光素子アレイ１２Ａ（受光部）に至る光線パスである。なお、ギャップ量の検出方法については、実施例１と同様であるため、その説明を省略する。

発光素子１１の右側の光学構成に関しては、Ｘ方向の位置検出を行う。図８において、発光素子の右側の光学構成において、発光素子１１から反射体２０に向かう光路中には、透過部と遮光部とが交互に配列された、光源格子１４Ｂが設けられている。光源格子１４Ｂは、反射体２０の反射面および主光線の入射面に対し、直交する方向（図８中のＹ方向）に伸びた開口列を備えて構成されている。光源格子１４Ｂの格子ピッチは、８μｍである。反射体２０には、光源格子１４Ｂからの光束が照射される領域に、交互に配列された凹部と凸部により、反射型の位相格子２１が設けられている。位相格子２１は、Ｙ方向に伸びた凹凸溝列を備えて構成されており、位相格子２１の格子ピッチは８μｍである。凹部と凸部の光路長差は、ダブルパスで光源波長の半波長程度であり、±１次回折光が最大となるように設計されている。

また、位相格子２１から受光素子アレイ１２Ｂ（受光部）に向かう光路中には、インデックス格子１７Ｂ（第７格子）が設けられている。インデックス格子１７Ｂは、交互に配列された透過部と遮光部とにより透過型格子として形成されている。インデックス格子１７Ｂは、Ｙ方向において略平行であるが、Ｚ軸周りに微小な角度で回転して配置された開口列を備えて構成されている。インデックス格子１７Ｂの格子ピッチは、８μｍである。

発光素子１１（ＬＥＤ）から出射した発散光束は、光源格子１４Ｂを通過することにより、互いにインコヒーレントな複数の２次点光源を含む光源アレイを形成する。光源格子１４Ｂから出射した発散光束は、反射体２０上の第６格子２１に入射する。

このように本実施例のセンサユニット（検出部）は、実施例１のセンサユニット１０の各要素に加えて、対象物（反射体２０）の所定の領域に設けられた位相格子２１からの反射光を透過するインデックス格子１７Ｂ（第７格子）を更に有する。光源部（発光素子１１と光源格子１４Ｂ）からの光は、位相格子２１で反射し、インデックス格子１７Ｂを透過して受光素子アレイ１２Ｂ（受光部）により受光される。そして信号処理部（信号処理回路１０２）は、受光素子アレイ１２の検出信号に基づいて、検出部から反射体２０までの距離の方向（Ｚ方向）と垂直な方向（Ｘ方向）の位置情報（変位情報）を取得する。

位相格子２１により回折および反射された＋１次回折光と−１次回折光は、インデックス格子１７Ｂ上で互いに干渉する。その結果、８μｍ周期の光強度分布を有する干渉縞が形成される。インデックス格子１７Ｂは、干渉縞に対してわずかに傾いて配置されており、この傾き量により、インデックス格子１７Ｂの格子周期方向に略直交するモアレ縞を発生させる。モアレ縞の強度分布を受光素子アレイ１２Ｂで受光し、受光素子アレイ１２Ｂの検出信号（出力信号）に基づいて位相を算出することができる。受光素子アレイ１２Ｂの構成および位相演算は、実施例１のギャップ検出の場合と同様であるため、それらの説明を省略する。位相信号は、反射体２０のＸ方向の移動とともに、変化する周期信号となる。＋１次回折光と−１次回折光の干渉を用いているため、第６格子２１の格子ピッチ８μｍの半分の移動量で、２πの位相が変化する。以上の構成により、本実施例によれば、Ｚ方向およびＸ方向の２軸の検出が可能である。

次に、図９を参照して、本発明の実施例４における光学式ギャップセンサ（位置検出装置）について説明する。図９は、本実施例における光学式ギャップセンサ１００ｅの斜視図であり、２軸の検出を行う構成の例を示している。本実施例のセンサユニット１０は、実施例１に対して、発光素子１１を挟んで対向する位置に（Ｘ方向に沿って）、Ｙ方向の位置検出用の光学構成を更に有する。

図９において、発光素子１１の左側の光学構成に関しては、第１光線パスにより、反射体２０上の第１光線パス照射位置Ｘ１におけるギャップ量Ｄ１を検出する。第１光線パスは、発光素子１１から光源格子１４Ａ、第１格子１５Ａ、反射体２０、第２格子１６Ａ、インデックス格子１７Ａ（第３格子）、および、受光素子アレイ１２Ａ（受光部）に至る光線パスである。なお、ギャップ量の検出方法については、実施例１と同様であるため、その説明を省略する。

発光素子１１の右側の光学構成に関しては、Ｙ方向の位置検出を行う。図９において、発光素子１１の右側の光学構成において、発光素子１１から反射体２０に向かう光路中には、透過部と遮光部とが交互に配列された光源格子２３が設けられている。光源格子２３は、主光線の入射面に対し、平行な方向（図９中のＸ方向）に伸びた開口列を備えて構成されている。光源格子２３の格子ピッチは、８μｍである。

反射体２０には、光源格子２３および光源格子１４Ａからの光束の照射領域に、交互に配列された凹部と凸部とにより、反射型の位相格子２２が設けられている。位相格子２２は、Ｘ方向に伸びた凹凸溝列を備えて構成されており、位相格子２２の格子ピッチは８μｍである。凹部と凸部の光路長差は、ダブルパスで光源波長の半波長程度であり、±１次回折光が最大となるように設計されている。図９において、発光素子１１の左側におけるギャップ検出の光束も、位相格子２２により反射する。すなわち、光源部（発光素子１１と光源格子１４Ａ）からの第１格子１５Ａを透過した光は、対象物（反射体２０）の位相格子２２で反射して、第２格子１６Ａに入射する。しかし、センサ側の各格子（光源格子１４Ａ、第１格子１５Ａ、第２格子１６Ａ、および、インデックス格子１７Ａ）と、位相格子２２とは、格子の周期方向が互いに直交しているため、ギャップ検出信号に影響することはない。

また、位相格子２２から受光素子アレイ１２Ｂ（受光部）に向かう光路中には、第８格子２４が設けられている。第８格子２４は、交互に配列された透過部と遮光部とにより透過型格子として形成されている。第８格子２４は、Ｘ方向に平行に配置された開口列を備えて構成されている。第８格子２４の格子ピッチは、８μｍに対してわずかに大きな周期となっている。

発光素子１１としてのＬＥＤから出射した発散光束は、光源格子２３を通過することにより、互いにインコヒーレントな複数の光束となる。このように発光素子１１と光源格子２３とにより、２次点光源を含む光源アレイが形成される。光源格子２３から出射した発散光束は、反射体２０上の第８格子２２に入射する。

位相格子２２により回折および反射された＋１次回折光と−１次回折光は、第８格子２４上で互いに干渉する。その結果、８μｍ周期の光強度分布を有する干渉縞が形成される。第８格子２４は、干渉縞の周期８μｍよりもわずかに大きな周期を有し、第８格子２４の格子周期方向にモアレ縞を発生させる。モアレ縞の強度分布を受光素子アレイ１２Ｂで受光し、受光素子アレイ１２Ｂの出力信号に基づいて位相を算出する。受光素子アレイ１２Ｂの構成および位相演算は、実施例１のギャップ検出の場合と同様であるため、それらの説明を省略する。位相信号は、反射体のＹ方向の移動とともに、変化する周期信号となる。＋１次回折光と−１次回折光の干渉を用いているため、第８格子２２の格子ピッチ８μｍの半分の移動量で、２πの位相が変化する。以上の構成により、本実施例によれば、Ｚ方向およびＹ方向の２軸の検出が可能である。

次に、図１０および図１１を参照して、本発明の実施例５における光学式力覚センサ（６軸力覚センサ）について説明する。本実施例の光学式力覚センサは、実施例４の光学式ギャップセンサ１００ｅを有する。

図１０は、本実施例における光学式力覚センサ３００の構成図（側面断面図）である。図１１は、光学式力覚センサ３００の力センサ部１０１の平面断面図である。図１０は、図１１中のＡ−Ａ線の断面図である。
光学式力覚センサ３００は、力センサ部１０１と信号処理回路１０２（信号処理部）とを備えて構成されている。力センサ部１０１は、外力により力センサ部１０１内の後述する変位部材に生じた変位を示す変位信号を信号処理回路１０２に出力する。信号処理回路１０２は、入力された変位信号から外力のベクトル量を演算し、その演算結果を力覚信号として出力する。

力センサ部１０１は、ベース部材１、変位部材２、弾性支持部材３（弾性部材）、および、変位検出器（センサユニット１０Ａ〜１０Ｄおよび反射体２０を含む光学式ギャップセンサ１００ｅ）を備えて構成されている。なお図１１には、力センサ部１０１のうち、変位部材２と反射体２０とを除いて、ベース部材１、弾性支持部材３、および、変位検出器５のセンサユニット１０Ａ〜１０Ｄを平面視した構成を示している。

ベース部材１および変位部材２は、それぞれ円板形状を有する。ベース部材１および変位部材２は、それらの円中心軸であるＺ軸が延びるＺ方向に互いに離間して配置され、それらの間に配置された４つの円筒形状の弾性支持部材３により互いに連結されている。変位部材２は、変位部材２に作用する外力に応じて、弾性支持部材３を弾性変形させながらベース部材１に対してＺ方向に垂直変位が可能である。また、変位部材２は、ベース部材１に対して、Ｚ軸に直交するＸ軸またはＹ軸に沿った方向（第２の方向）への平行変位、Ｘ軸周り方向およびＹ軸周り方向への回転変位、および、Ｚ軸周りでの回転変位が可能である。

弾性支持部材３は、円周上に９０度ごとに（円中心軸に対して９０度の間隔で）配置されている。センサユニット１０Ａ〜１０Ｄは、弾性支持部３に対し、４５度ずれた円周上に９０度ごとに配置されている。センサユニット１０Ａ〜１０Ｄは、それぞれ、実施例４のセンサユニット１０と同様に、ギャップ検出用の受光素子アレイ１２Ａと並進検出用の受光素子アレイ１２Ｂとをそれぞれ備えている。

センサユニット１０Ａによるギャップ位置検出値をＤ_ａ、並進位置検出値をＸ_ａとする。同様に、センサユニット１０Ｂによるギャップ位置検出値をＤ_ｂ、並進位置検出値をＸ_ｂ、センサユニット１０Ｃによるギャップ位置検出値をＤ_ｃ、並進位置検出値をＸ_ｃ、センサユニット１０Ｄによるギャップ位置検出値をＤ_ｄ、並進位置検出値をＸ_ｄとする。このとき、信号処理回路１０２は、変位部材２のＸ軸方向の変位量Ｘ、Ｙ軸方向の変位量Ｙ、Ｚ軸方向の変位量Ｚ、Ｘ軸周りの回転量θｘ、Ｙ軸周りの回転量θｙ、および、Ｚ軸周りの回転量θｚを、以下の式（９）で表される行列演算により取得する。

式（９）において、αおよびβは、反射体２０が回転量θｘ、θｙだけ傾いた際に、並進位置検出値が変化する感度に相当する係数である。係数α、βは、力センサ部１０１の設計により決定され、光源格子２３および第９格子２４から第８格子２２までの距離、発光素子１１と受光素子アレイ１２との距離などの設計値により、幾何光学的に算出することが可能である。係数α、βは、実測により決定してもよい。このようにして、反射型回折格子（第９格子２４）を用いた面内変位検出において、反射面の傾き変動によるクロストーク成分を除去することが可能である。

以上のようにして求められた各軸の変位より、変位部材２へのＸ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｘ軸周りのモーメントＭｘ、Ｙ軸周りのモーメントＭｙ、および、Ｚ軸周りのモーメントＭｚの６軸の外力を演算する。すなわち各軸の外力は、Ｘ軸方向の変位量Ｘ、Ｙ軸方向の変位量Ｙ、Ｚ軸方向の変位量Ｚ、Ｘ軸周りの回転量θｘ、Ｙ軸周りの回転量θｙ、および、Ｚ軸周りの回転量θｚのそれぞれと略比例関係にある。このため、各軸の外力は、それぞれの変位量または回転量に係数をかけることにより変換されて取得される。

このように本実施例の力覚センサ（光学式力覚センサ３００）は、ベース部材１、変位部材２、および、ベース部材１と変位部材２とを支持するようにベース部材１と変位部材２との間に設けられた弾性支持部材３を有する。また力覚センサは、変位部材２のベース部材１に対する変位に応じて変位部材２に作用する外力を検出するように構成された、各実施例の光学式ギャップセンサ（位置検出装置）を有する。

なお本実施例では、ベース部材１に変位検出器５のセンサユニット１０Ａ〜１０Ｄを設け、変位部材２に反射体２０を設けた場合について説明した。しかし、ベース部材１に反射体２０を設け、変位部材２のセンサユニット１０Ａ〜１０Ｄを設けてもよい。すなわち、検出器本体をベース部材１と変位部材２の一方の部材に設け、反射体２０を他方の部材に設けることができる。

次に、図１２を参照して、本発明の実施例６におけるロボットアーム搬送装置について説明する。図１２は、本実施例におけるロボットアーム搬送装置４００の構成図であり、実施例５で説明した光学式力覚センサ３００を備えたロボットアーム搬送装置４００を示している。

動作可能な可動部としてのロボットアーム２００は、把持部２０１にて被搬送物２０５を把持する。ロボットアーム２００は、被搬送物２０５を基板２０６に形成された穴部２０６ａに挿入する動作を行っており、その動作は制御部２１０によって制御される。

ロボットアーム２００には、把持部２０１が被搬送物２０５を介して基板２０６から受ける上向きの外力を検出するための力センサ部１０１（光学式力覚センサ３００）が搭載されている。被搬送物２０５が基板２０６の上面における穴部２０６ａ以外の部分に接触している場合、把持部２０１から力センサ部１０１に外力が作用するため、被搬送物２０５の位置が穴部２０６ａの位置から外れていることが検出される。このため、制御部２１０は、被搬送物２０５を基板２０６の上面に沿って移動させるようにロボットアーム２００の動作を制御する。

そして、被搬送物２０５が穴部２０６ａの上方に位置すると、それまで把持部２０１から力センサ部１０１に作用していた外力がなくなるため、被搬送物２０５の位置が穴部２０６ａの位置に一致したことが検出される。このため、制御部２１０は、被搬送物２０５を穴部２０６ａ内に挿入するようにロボットアーム２００の動作を制御する。

このように本実施例の装置（ロボットアーム搬送装置４００）は、可動部（把持部２０１）と、実施例５の力覚センサ（光学式力覚センサ３００）と、力覚センサを用いて可動部を制御する制御部２１０とを有する。ロボットアーム２００に実施例５にて説明した光学式力覚センサ３００を用いることにより、ロボットアーム２００の動作を高精度に制御することができる。なお、実施例５にて説明した光学式力覚センサ３００は、本実施例で説明したようなロボットアーム搬送装置４００以外の装置であって、外力検出の結果を用いて動作の制御を行う各種装置に用いることができる。

各実施例の位置検出装置は、反射面の傾きの影響を受けにくい。このため各実施例によれば、高精度な位置検出（ギャップ検出）が可能な位置検出装置、力覚センサ、および、装置を提供することができる。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１０ センサユニット（検出部）
１１ 発光素子
１２ 受光素子アレイ（受光部）
１５ 第１格子
１６ 第２格子
１７ インデックス格子（第３格子）
２０ 反射体（対象物）
１００ 光学式ギャップセンサ（位置検出装置）
１０２ 信号処理回路（信号処理部）

Claims (13)

1. 光源部からの光を対象物に照射し、該対象物からの反射光を受光部で受光することにより、該対象物の位置情報を検出する位置検出装置であって、
   前記光源部と前記受光部とを有する検出部と、
   前記受光部からの信号を処理する信号処理部と、を有し、
   前記検出部は、
   前記光源部と対象物との間の光路に設けられた第１格子と、
   前記対象物と前記受光部との間の光路に設けられた第２格子と、
   前記第２格子と前記受光部との間の光路に設けられた第３格子と、を有し、
   前記光源部からの前記光が前記第１格子を透過することにより、前記第１格子と前記第２格子との間の光路に第１周期像が形成され、
   前記第１周期像に対応する光が前記第２格子を透過することにより、前記第３格子において第２周期像が形成され、
   前記信号処理部は、前記受光部により検出された前記第２周期像の位相変化に基づいて、前記対象物の前記位置情報を取得することを特徴とする位置検出装置。
2. 前記対象物の前記位置情報は、前記検出部から前記対象物までの距離の変位に関する情報であることを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
3. 前記光源部は、
   発光素子と、
   前記発光素子と前記第１格子との間の光路に設けられた光源格子と、を有することを特徴とする請求項１または２に記載の位置検出装置。
4. 前記光源格子は、周期的な透過率を有し、前記発光素子からの光を線状アレイ光源化するように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の位置検出装置。
5. 前記光源部は、電流狭窄型ＬＥＤまたは半導体レーザを有することを特徴とする請求項１または２に記載の位置検出装置。
6. 前記第１格子と前記第２格子とは、同一平面上に一体的に形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の位置検出装置。
7. 第１格子および第２格子の少なくとも一方は、透過光の光路長が周期的に異なる位相変調型の光学格子であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の位置検出装置。
8. 前記受光部は、複数の受光素子を有する受光素子アレイであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の位置検出装置。
9. 前記検出部は、
   前記光源部と前記対象物との間の光路に設けられた第４格子と、
   前記対象物と前記受光部との間の光路に設けられた第５格子と、
   前記第５格子と前記受光部との間の光路に設けられた第６格子と、を更に有し、
   前記光源部からの前記光が前記第４格子を透過することにより、前記第４格子と前記第５格子との間の光路に第３周期像が形成され、
   前記第３周期像に対応する光が前記第５格子を透過することにより、前記第６格子において第４周期像が形成され、
   前記信号処理部は、前記受光部により検出された前記第４周期像の位相変化に基づいて、前記対象物の前記位置情報を取得することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の位置検出装置。
10. 前記検出部は、前記対象物の所定の領域に設けられた位相格子からの反射光を透過する第７格子を更に有し、
    前記光源部からの前記光は、前記位相格子で反射し、前記第７格子を透過して前記受光部により受光され、
    前記信号処理部は、前記受光部の検出信号に基づいて、前記検出部から前記対象物までの距離の方向と垂直な方向の位置情報を取得することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の位置検出装置。
11. 前記光源部からの前記第１格子を透過した光は、前記対象物の前記位相格子で反射して、前記第２格子に入射し、
    前記第１格子、前記第２格子、および、前記第３格子のそれぞれの周期方向と、前記位相格子の周期方向とは、互いに直交していることを特徴とする請求項１０に記載の位置検出装置。
12. ベース部材と、
    変位部材と、
    前記ベース部材と前記変位部材とを支持するように該ベース部材と該変位部材との間に設けられた弾性支持部材と、
    前記変位部材の前記ベース部材に対する変位に応じて該変位部材に作用する外力を検出するように構成された、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の位置検出装置と、を有することを特徴とする力覚センサ。
13. 可動部と、
    請求項１２に記載の力覚センサと、
    前記力覚センサを用いて前記可動部を制御する制御部と、を有することを特徴とする装置。