JPS6080707A - 傾斜角度計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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ａ業機械などのために種々の傾斜角度
計測＠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
う欠点があった。

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量装置を
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
とによって形成される３本の交線のうち１木の交線は基
準平面上にお（）る基準線と一致するように配置され、
また光反射鏡面の１つには、傾斜角度を示すためのコー
ドマτりが形成される。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っ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
面を参照して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
ナキューブを示す外観斜視図である。第２図はコーナキ
ュ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、コーナキューブ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Ｉａ１〜３は、それぞれの光
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って、コーナキュー
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、コーナキューブＣＣは入射した光を入射方向
と同一方向に反射する。今、コーナキューブＣＣに入射
角度θ１で入射した光し１を考えてみる。この入射光Ｌ
１は、光反射鏡面１ａ−３ａで各１回ずつ反射され、コ
ーナキューブＣＣの光軸Ｏに対して対称な位置から出射
する。このとき、反射光し１は入射光Ｌ１ど平行であり
、その反射角度は入射光Ｌ１の入射角度ど等しい。した
がって、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、入射光し２と反
射光Ｌ２どは互いに平行であり、かつ入射光Ｌ２の入射
角度ど反射光Ｌ２の反射角度はともに０２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ュー
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、このコーナキューブＣＣは光反射鏡面１８〜
３ａを互いに直交りるように立体的に組合わせて構成さ
れる。したがって、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１８〜３ａが交わる光軸中
心００が最も凹んだ部分となるような立体的な構造にな
っている。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
ナキューブ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。したがって、光反射鏡面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
、いわゆるアブソリューＩ〜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ｔＪ４＃Ｉｔ面２ａには、光
軸中心００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’＋
００の傾斜角度をｎ１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づ
。図において、静止物体１００ｆＱるいは移動体２００
からは、指向性の鋭い光ビームたとえはレーザビームＬ
ＢがコープキューブＣＣに向Ｇノて回動走査される。こ
のレーザビーム［ＢがコーナキューブＣＣに当たると、
コーナキューブＣＣはレーザビームＬＢを入射方向と同
一方向に反射する。したがって、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による符号情報か含まれている。したがって、この
符号情報を読取れば、静止物体１００あるいは移動体２
００の傾斜角度αが計測０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、Ｉ［Ｉｉ！測物体が
基準平面３００に対してなす角度である。基準平面３０
０は基準線ｘ−Ｘを含む平面であり、コーナキュー１Ｃ
Ｃの交線Ｃ２と、光反射鏡１１１ａの２等分線ｌｂ（第
３図参照）が、この基準平面３００上に位置するように
コーナキューブ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ャナ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、ビームスキャナ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って、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によっ
て保持される。この保持部材８の開面中央部には、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って、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Ｍ３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によっ
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が設ジノられる。

このレーザ光源５から発射されたレーザビームしＢ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−７がほぼ４５度の角度で配置される。こ
のハーフミラ−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、コーナキューブＣＣに反射
されて戻ってきた光を円筒４の底面４１の方向に反ｌす
る。

円筒４の底面４１には、ハーフミラ−７によって反射さ
れた光を受光するだめの受光素子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ＢＤＩおよびＢＤ２と、中心部に配置される小円形
の受光素子Ｂｌ）Ｏからなる。

第９図は第６図に示すビームスキャナＢＳを駆勤しかつ
観測物体１００あるいは２０’Ｏの傾斜角度αを検出す
る回路の概略ブロック図である。この回路は、ｖＡ測動
物体１００るいは２００に設【プられる。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
に従って動作を行なう、、ＣＰＵ１０には、さらにイン
ターフェイス１３が接続される。このインターフェイス
１３には、受光素子ＢＤＯ，ＢＤ１およびＢＯ２からの
受光出力が与えられる。また、これら受光素子ＢＤＯ，
ＢＤＩおよびＢＯ２の出力は、ＯＲゲート１４を介して
インターフェイス１３に与えられる。さらに、インター
フェイス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
ーフェイス１３を介してＣＰＬｌｌｏ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１Ｖ−トである。以下、第３図ないし第１
０図を参照してこの発明の一実施例の動作について説明
でる。

まず、第１０図に示すステップ＄１において、駆動回路
１５が能動化され、モータＭ１にＪ−る１ノーザビーム
ＬＢの回動走査が開始される。続いて、ステップＳ２に
おいて、受光素子ＢＤの受光用ツノのパターンが読取ら
れる。すなわち、ＯＲゲート１４の出力は、ザンブリン
グされてＲＡＭ１２に記憶されており、ＣＰＩＪＩＯは
、モータＭ１によるレーザビームＬ　Ｂ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、ステップＳ３
に進み、コーナキューブＣＣ上の走査線（レーザビーム
ＬＢがコーナキューブＣＣの光反射鏡面を走査する線）
がコーナキューブＣＣの光軸中心ＯＯを通ったか否かが
判断される。ここで、コーナキューブＣＣの光軸中心０
０（第３図参照）付近に入射り、た光は、入射光と全く
同一の光路を辿ってビームスキ１アナＢＳに戻ってくる
。このようにして戻ってきたレーザ光は、ハーフミラ−
７によって反射され、受光素子ＢＤの中心部に位置する
受光素子Ｂ　Ｄ　Ｏに当たる。したがって、レーザビー
ムＬＢの１回の回動走査の間に受光素子ＢＤＯから受光
出力が導出されれば、コーナキューブ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。

上述のステップＳ３において、コーナキューブＣＣ上の
走査線が光軸中心００上を通過していないと判断された
場合は、ステップｓ４に進む。このステップ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
ずれているが否かが判断される。もし、走査線が光軸中
心００よりも上側にずれていると判断すれば、ステップ
Ｓ５に進み、モータＭ３を第６Δ図において時π１方向
（矢印Ｒの方向）に回動させる。これによって、コーナ
キューブＣＣ上の走査線が徐々に下がる。

一方、ステップＳ４において、走査線が光軸中心００よ
りも下側にずれていると判断されれば、ステップＳ６に
進む。このステップＳ６では、ステップＳ５とは逆に、
モータＭ３を第６Ａ図において反時計方向く矢印りの方
向）に回動させる。これによって、走査線が徐々に上が
る。上述のステップＳ５およびＳ６の後は、再びステッ
プ８２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Ｊ３いて受光素子ＢＤＩとＢＯ２とのどちらがよ
り長く受光出力を導出したかによっ−（判断きれる。そ
の理由を以下に説明づる。

第１図で説明したように、コーナキューＩＣＣに入射し
た光は、同一の部分からは出射せず、光軸Ｏを中心どし
て点対称の位置から出射づる。したがって、たとえば第
３図のコーナキューブ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Ｃ反射されて出射する。逆に、基準線Ｘ−Ｘよりも
下側の光反＠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Ｍ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ＢＤ
Ｉは基準線Ｘ−Ｘよりも下側の光反射鏡面から出射した
光を受光づるように配置されている。また、受光素子Ｂ
Ｄ２は基準線Ｘ−Ｘよりも上側の光反射鏡面から出射し
Ｉこ光を受光するように配置されている。今、第３図に
示づ走査線ＳＣハＮ１（なお、光反射鏡面１８〜３ａ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
ったように見えている）のように、光軸中心００←二対
して上側にずれＣ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。したがって、コーナキュー
ブＣＣから出射する反射光は、基準線Ｘ−Ｘを境として
Ｆ側の光反ｍｓ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ＢＤＩの受光時間が受光素子ＢＤ２
の受光時間よりも長くなるつそこで、受光素？　Ｂ　Ｄ
−１からの受光出力の導出時間が受光素子ＢＤ２からの
受光用ノＪ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ＢＤ２からの受光出力の導出時間が
受光素子Ｂ０１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Ｆ側にずれＣいる
と判断できる。

ステップ８２〜Ｓ６の動作の繰返しによ−）Ｃ１走査線
５ＣＡＮ１は走査線Ｓ　ＣＡ　Ｎ　２のように光軸中心
ＯＯ上を通過するようになる。したがって、ステップ８
３　′ｃ（のことが判断され、ステラＩＳ７に進む。ス
テップ８７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。ぞして、ステップＳ８に進み、走査
線が基準線Ｘ−Ｘに対し′（右上がりになっＣいるか右
下がりになっ−（いるかが判別される。この判別は、上
述のステップＳ７においＣ読取られた受光パターンに基
づいて行なわれる。づなわち、受光素子ＢＤ２から１９
られる受光出力にン一りＭＡ（第３図参照）にイロ当す
る符号が含まれＣいないＳ合は走査線が右上がりＣ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５ＣＡＮ２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。（）たがって、走査線が右上
がりであると判断される。続いて、ステップ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、ステップ３１０
に進み、走査線が右上がりか否かが判断される。この判
ＩＷｉは、前述のステップ＄８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、ステップ３１１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、ステップ８１２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
ップ８１１および８１３の後は、再びステップ８７以下
の動作が繰返される。ステップ８７〜３１２の動作の繰
返しによって、走査線は徐々に交線Ｃ２に近付き、＃ｌ
終的には交ＩＣ２の近傍で右上がりの状態と右下がりの
状態とを交互に繰返すことになる。この実施例χは、ご
のように走査線が右上がりの状態と右１−・がりの状態
とを某Ｒに繰返１ようになったとき、走査線が交線Ｃ２
に一致したと見なしている。そのことかステップＳ９で
判断されると、ズう゛ツブＳ１３に進み、再び受光バー
ンが読取られる。このとぎ、走査線は第３図て示づ走査
線５ＣＡＮ３のようになっている。づなわち、光軸中心
ＯＯから右側半分の走査線は交線Ｃ２ど一致し、光軸中
心００から２ＬｌｌＩ斗分の走査線は基Ｌシー線ｘ−Ｘ
に刻し１角度αを右づる轢どなっている。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
ど等しい。したかって、このとき受光パターンに含まれ
るコート情報（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をめ
ることができる。その動作が、ステップ５１４ｒｆ）な
われる。その後、再びステップＳ２の動作に戻る。

なお、上述の実施例Ｃ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１
ａ（０°）を光反射鏡面１ａの２等分線１ｂに選Ｉυ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Ｃ
Ｍの基準角度は光反射鏡面１ａ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の基準角醜と光ｍＧ２とが基準平面３００上に位置
づ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は基準角度からの角度情報を２
進符号で表わすものであればどのような形態であっても
よい。そして、第３図の実施例ではコードマークＣＮ４
を直線的に配置しているが、いわゆるロータリ１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ューブの一例として３枚
の鏡を立体的に組合わせてなるものを説明したか、周知
のＪ、うに、」−ナキュ−１にはその他の構成のものも
提案されている。たとえば、第２１２！Ｉて示づ光反射
鏡面１ａ〜３ａで囲まれる空間形状と有りるガラスの透
明体を準備し、光反射鏡面１ａ〜３ａに相当プる端面に
銀蒸着などによって光反射鏡面を外部から形成し、残り
の一端を平面にし°（この平面から光を入射させるよう
な］−プキューブもある。この発明はこのにうなソリッ
ドスｊ−トタイブの」−ナキュ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
成りるようにしたが、これに代えて、受光素ＦＢＤ１Ｊ
５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（）、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って走歪線の右上がりと右
下がりとを判別づることができる。

また、この発明はロボットやマニピュレータ等の移動部
の傾斜角度を測定することもできる。

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りＦＴ
現な傾斜角測定装置を費ることができる。

【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二Ｊ
−ナキューブを示ず外観斜視図であるｎ第２図はコーナ
キュ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ューブ
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だめの図解図で
あり、特に、第４図は静止物体１００の傾斜角度な測定
づる場合を示し、第５図は移動体２００の傾斜角面を測
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゛−・ムスキャナ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り。 第７図は第６Ａ図に示す円筒４の縦断面図でよ）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ャナＢＳを駆動し、かつ観測
物体の傾斜角ηＦを泊詐づる電気回路の概略ブロック図
である。第１０図は第９図に示すｃｐｕ　ｉ　ｏの動作
を説明づるためのフローチャートである。 図において、ＣＣ↓まコーナキューブ、１８〜３ａ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、２００は移動体、ＢＳ
はど一ムスキャカ、Ｍ１〜Ｍ３はモータ、５はレーデ光
源、Ｂ　Ｄは受光素子、１０はＣＰ　ＩＪ、１１はＲＯ
Ｍ、１２はＲＡ　Ｍを示す。 特許出願人　津　村　俊　弘 津　村　豪 （ほか２名）　・冨　□ 第３図 〆°。 第６Ａ１４ 第６８図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （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
   測する装置であって、 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
   ことによって形成される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
   クの情報を読取っ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. （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. （３）　前記移動物体は、ロボットやマニピュレータ等
   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. （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. （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。