JP2016109602A - 傾斜検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】環境温度や受光素子への受光状態に左右されることなく安定して傾斜及び水平を検出可能な傾斜検出装置を提供する。【解決手段】パターンを投影する為の光源2と、自由液面を有しパターンを自由液面で裏面反射させる液体部材9と、裏面反射されたパターンの反射像を受光する受光素子13と、演算処理部16とを具備し、演算処理部16は受光素子13の受光面の所定範囲を所要回数スキャンして検出された受光信号を平均化処理し、平均化処理した信号に基づきパターンの重心位置を演算する。【選択図】図1
Description
本発明は、安定して傾斜及び水平を検出可能な傾斜検出装置に関するものである。
水平及び傾斜を検出する装置として、例えばチルトセンサがあり、従来のチルトセンサとしては、以下の2つが挙げられる。
1つ目は、自由液面を形成する様液体を容器に封入し、液体の液面にテレセントリック光学系によりアブソリュートパターンを照射し、液体に裏面反射させたアブソリュートパターンの反射像を受光素子に投影させるものである。
上記センサの場合、液体の液面が常に水平であることから、センサが傾いていた場合には受光素子に投影される反射像が移動する為、反射像の移動量を検出することでセンサの傾きを検出している。
容器に封入される液体としては、アブソリュートパターンの認識が振動下でも正常に行える様、粘性を有するオイル等を使用し、オイルのダンピングによりアブソリュートパターンを安定して認識できる様にしている。然し乍ら、オイルは低温下で粘度が上昇する為、低温環境で傾斜を検出する場合には、追従性が悪化するという問題がある。
又、2つ目は、透過式円形気泡管の像を4分割した素子に投影し、光量の変化からセンサの傾きを検出するものである。2つ目のセンサの場合、気泡の影による光量差を見ることから、振動による変位は平均化により処理可能であり、気泡管に封入される液体は粘性の低いアルコール等が使用される。
然し乍ら、上記のセンサの場合、気泡の動きがガラス内面の精度に直接依存する為、気泡の動きが前記センサの傾きに感度よく追従する範囲が限定される。又、温度変化による気泡の変形による影響も受け易く、0点のオフセットも困難であるという問題がある。
本発明は斯かる実情に鑑み、環境温度や受光素子への受光状態に左右されることなく安定して傾斜及び水平を検出可能な傾斜検出装置を提供するものである。
本発明は、パターンを投影する為の光源と、自由液面を有し前記パターンを前記自由液面で裏面反射させる液体部材と、裏面反射された前記パターンの反射像を受光する受光素子と、演算処理部とを具備し、該演算処理部は前記受光素子の受光面の所定範囲を所要回数スキャンして検出された受光信号を平均化処理し、平均化処理した信号に基づき前記パターンの重心位置を演算する傾斜検出装置に係るものである。
又本発明は、前記演算処理部は、前記受光素子上の予め設定された点を中心に円状にスキャンする傾斜検出装置に係るものである。
又本発明は、前記演算処理部は、演算により得られた重心を中心として、異なった径でそれぞれ所要回数スキャンを行う傾斜検出装置に係るものである。
又本発明は、前記パターンは、該パターンの重心に対して点対称に配置された少なくとも2つの小パターンにより構成される傾斜検出装置に係るものである。
又本発明は、前記演算処理部は、平均化処理により2つの前記小パターンの幅中心をそれぞれ求め、2つの該小パターンの幅中心を結ぶ直線に基づき前記パターンの重心位置を演算する傾斜検出装置に係るものである。
又本発明は、前記演算処理部は、点対称に配置された2つの前記小パターン2組について、各組毎に該小パターンの幅中心を求め、各組毎に2つの該小パターンの幅中心を結ぶ直線を演算すると共に、2つの直線の交点を重心位置として演算する傾斜検出装置に係るものである。
又本発明は、前記パターンは、少なくとも1つの小パターンにより構成され、該小パターンの中心は前記パターンの重心に対して既知の位置にあり、スキャン時の受光信号を基に前記小パターンの中心位置を演算し、該小パターンの中心位置を基に前記パターンの重心位置を演算する傾斜検出装置に係るものである。
更に又本発明は、前記演算処理部は、前記受光素子上をX軸方向或はY軸方向にスキャンし、X軸方向、Y軸方向の各列の画素分の受光信号を取得して前記パターンを検出し、該パターンの重心位置を演算する傾斜検出装置に係るものである。
本発明によれば、パターンを投影する為の光源と、自由液面を有し前記パターンを前記自由液面で裏面反射させる液体部材と、裏面反射された前記パターンの反射像を受光する受光素子と、演算処理部とを具備し、該演算処理部は前記受光素子の受光面の所定範囲を所要回数スキャンして検出された受光信号を平均化処理し、平均化処理した信号に基づき前記パターンの重心位置を演算するので、前記液体部材として、低温環境下でも追従性が悪化しない様に温度に対する粘度依存性の低い比較的低粘度の液体であるアルコール等を用いることができ、環境温度や前記受光素子への投影状態に左右されることなく安定して傾斜及び水平を検出することができる。
又本発明によれば、前記演算処理部は、前記受光素子上の予め設定された点を中心に円状にスキャンするので、前記パターンの重心の概略位置を演算することができる。
又本発明によれば、前記演算処理部は、演算により得られた重心を中心として、異なった径でそれぞれ所要回数スキャンを行うので、前記受光素子の各画素の応答性等に個体差がある場合であっても、個体差による誤差を抑制でき、前記パターンの重心位置の演算精度を向上させることができる。
又本発明によれば、前記パターンは、該パターンの重心に対して点対称に配置された少なくとも2つの小パターンにより構成されるので、容易に前記パターンの重心位置を演算することができる。
又本発明によれば、前記演算処理部は、平均化処理により2つの前記小パターンの幅中心をそれぞれ求め、2つの該小パターンの幅中心を結ぶ直線に基づき前記パターンの重心位置を演算するので、外部からの振動がある様な場合であっても、精度よく前記パターンの重心位置を演算することができる。
又本発明によれば、前記演算処理部は、点対称に配置された2つの前記小パターン2組について、各組毎に該小パターンの幅中心を求め、各組毎に2つの該小パターンの幅中心を結ぶ直線を演算すると共に、2つの直線の交点を重心位置として演算するので、外部からの振動がある様な場合であっても、より精度よく前記パターンの重心位置を演算することができる。
又本発明によれば、前記パターンは、少なくとも1つの小パターンにより構成され、該小パターンの中心は前記パターンの重心に対して既知の位置にあり、スキャン時の受光信号を基に前記小パターンの中心位置を演算し、該小パターンの中心位置を基に前記パターンの重心位置を演算するので、1つの前記小パターンをスキャンするだけで、前記パターンの重心位置を演算することができる。
更に又本発明によれば、前記演算処理部は、前記受光素子上をX軸方向或はY軸方向にスキャンし、X軸方向、Y軸方向の各列の画素分の受光信号を取得して前記パターンを検出し、該パターンの重心位置を演算するので、前記パターンの形状に拘わらず該パターンの重心を演算することができるという優れた効果を発揮する。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。
先ず、図1に於いて、本発明の実施例に係る傾斜検出装置1について説明する。
水平方向に光線を発する光源2、例えばLEDが設けられ、該光源2の投光光軸3上に第1コンデンサレンズ4、パターン部5、第2コンデンサレンズ6、ビームスプリッタ7が配設されている。
該ビームスプリッタ7の反射光軸8上には液体部材9が配設され、該液体部材9は自由液面を形成する様に容器10に入れられている。前記液体部材9の材質としては、低温下でも粘性の変化が比較的小さい液体、例えばアルコールが使用される。尚、前記光源2と前記液体部材9の自由液面とは共役な位置に配置することもできる。
前記パターン部5は、透明な基板に不透明なパターンを形成するか、或は不透明な基板にパターンを打抜いたものである。本実施例では、円周方向に所定角度ピッチで円形の孔を打抜くことで、図2(A)、図2(B)に示される様な、所定角度ピッチで配置された複数の円形の小パターン14からなるパターン15が形成される。
前記小パターン14は、前記パターン15の重心Gに関して点対称な位置に配置された少なくとも2つ(1組)あればよいが、前記小パターン14は前記パターン15の重心Gに関して点対称な位置に配置された4つ(2組)以上とするのが好ましい。尚、前記小パターン14の配置は種々考えられるが、図示では同一円周上に所定角度ピッチで配置された場合を示している。
前記光源2、前記第1コンデンサレンズ4、前記パターン部5、前記第2コンデンサレンズ6、前記ビームスプリッタ7等は自由液面投光光学系を構成する。
前記光源2から射出され、前記ビームスプリッタ7で反射されたレーザ光線は、前記液体部材9の自由液面で反射され、前記ビームスプリッタ7を透過する様になっている。該ビームスプリッタ7の透過光軸11上には、第3コンデンサレンズ12、受光素子13が配設される。該受光素子13は、例えば画素の集合体であるプロファイルセンサが用いられる。該プロファイルセンサは、全画素の情報を取得することなくX方向、Y方向の各列の画素分の情報のみにより、プロファイルセンサ内での対象物の位置を検出することができる。尚、前記受光素子13として、CCD、CMOSセンサを用いてもよい。
前記ビームスプリッタ7、前記第3コンデンサレンズ12、前記受光素子13は受光光学系を構成する。
又、前記傾斜検出装置1は演算処理部16を有している。前記透過光軸11は、前記液体部材9の自由液面で反射された反射光の光軸であり、前記自由液面投光光学系が傾斜していた場合には、前記液体部材9の自由液面は前記自由液面投光光学系に対して相対的に傾斜する。その結果、前記反射光軸8は前記ビームスプリッタ7に対して傾斜し、更に該ビームスプリッタ7での反射光(前記透過光軸11)は前記反射光軸8に対して偏角する。
この為、自由液面投光光学系の前記受光素子13に対する投影位置が変化する。該受光素子13に於ける投影位置の変化を基に、前記自由液面投光光学系の傾斜を検出することができる。前記演算処理部16は、前記受光素子13から受光された入力信号を基に前記液体部材9の自由液面の傾き、傾きの方向を演算する様になっている。
前記光源2から射出されたレーザ光線は、前記第1コンデンサレンズ4、前記パターン部5、前記第2コンデンサレンズ6、前記ビームスプリッタ7を経て前記液体部材9に入射され、自由液面によって反射される。反射光は前記ビームスプリッタ7、前記第3コンデンサレンズ12を経て前記受光素子13に投影される。即ち、前記パターン15が前記受光素子13に投影される。
前記傾斜検出装置1が水平な状態では、前記パターン15の重心Gの位置と、前記受光素子13の中心、或は予めオフセットした原点とが一致している。本実施例では、図2(A)に示される様に、前記パターン15の重心Gと前記受光素子13の中心(即ちスキャンの中心)とが合致している。
又、前記傾斜検出装置1が傾いた場合には、前記液体部材9の自由液面は水平を保つので、傾斜角度に比例して前記液体部材9上の前記パターン15像が移動し、図2(B)に示される様に、該パターン15の重心Gの位置が前記受光素子13の中心から離れた位置に投影される。
又、前記傾斜検出装置1が振動した場合には、振動により前記液体部材9の自由液面の状態が変化し、前記受光素子13上の前記パターン15像の位置や形状が変化する。
本実施例に於いて、前記傾斜検出装置1による傾斜検出を行なう際には、粗傾斜検出工程と精密傾斜検出工程の2工程が実行される。
粗傾斜検出工程では、先ずスキャン中心の検出が行われる。粗傾斜検出工程では、先ず前記演算処理部16が予め設定された点、例えば前記受光素子13の中心をセンターパターン(スキャン中心)として円状にスキャンを行う。尚、粗傾斜検出工程では、スキャン半径は前記パターン15の半径と同一とし、又複数回のスキャンに止める。
前記傾斜検出装置1が水平であった場合には、粗傾斜検出の結果、一周のスキャンで検出信号は等間隔、等信号幅で検出される。従って、一周のスキャンで現れる全信号の重心は、センターパターンと一致する。即ち、検出信号から得られる前記パターン15の重心Gとセンターパターンとが一致する。ここで、全信号の重心は、スキャンの軌跡であるスキャンライン17(図3参照)上の検出信号の位置に基づいて求められる。
又、前記傾斜検出装置1が傾斜していた場合には図2(B)に示される様に、前記パターン15は前記受光素子13に対して相対移動し、前記パターン15の重心GはセンターパターンからΔdだけ変位する。
この状態で、センターパターンを中心としてスキャンを行うと、前記スキャンライン17は前記パターン15の一部の小パターン14を通過するのみとなる。例えば、図2(B)の状態で、前記受光素子13の中心をセンターパターンとしてスキャンすると、前記スキャンライン17は図中右下部分は前記小パターン14を通過するが、左上部分は該小パターン14を通過しない。
従って、前記スキャンライン17上の検出信号の重心を求めると、前記受光素子13の中心から右下方向に移動した位置となる。次に、検出信号から得られた重心位置をセンターパターンとして再設定して、上記と同様に粗傾斜検出工程が実行される。
粗傾斜検出工程を繰返し実行することで、センターパターンを前記パターン15の重心Gに略一致させることができる。センターパターンを前記パターン15の重心Gに略一致させることで、前記スキャンライン17上に全ての前記小パターン14を検出した信号が現れる。
全ての該小パターン14が検出された状態が得られると、次に精密傾斜検出が実行される。
精密傾斜検出工程では、粗傾斜検出工程で得られた前記パターン15の重心Gをセンターパターンとして、前記受光素子13を円状にスキャンし、前記スキャンライン17上の画素からの受光信号を検出する。更に、スキャンは一周毎に半径(図3中r1、r2、r3)を変え、同心円状にスキャンを行う。スキャンを行う半径方向の範囲は、前記小パターン14が完全にスキャン範囲に含まれる迄とする。又、1周毎の半径の変更量は、前記受光素子13の一画素単位、或は所要画素単位とされる。
前記スキャンライン17が前記小パターン14を通過することで、該小パターン14と同等の幅の前記検出信号18を有する矩形波が検出される。尚、本実施例では、例えば1秒間に40回〜50回程度スキャンが行われる様になっている。
本実施例では、図3に示される様に、前記スキャンライン17の径を変更し、所要箇所(図3中では3箇所)をスキャンしている。前記小パターン14は円形であるので、前記演算処理部16に検出される矩形波は、図4(A)〜図4(C)に示される様に、それぞれ異なる幅の前記検出信号18a〜18cを有する矩形波となる。
尚、図3中、スキャンライン17aにより検出されるのは図4(A)に示される矩形波であり、スキャンライン17bにより検出されるのは図4(B)に示される矩形波であり、スキャンライン17cにより検出されるのは図4(C)に示される矩形波である。前記演算処理部16は、各スキャンライン17a〜17c上を、それぞれ所要回数スキャンする様になっている。
前記液体部材9は粘性の低いアルコール等の液体となっているので、外部からの振動により前記傾斜検出装置1が振動した場合には、前記液体部材9が振動して自由液面の状態が変化し、前記受光素子13に投影される前記パターン15の反射像の位置や形状が変化する。
該パターン15の反射像の位置や形状が変化した場合には、図5に示される様に、前記演算処理部16により検出される前記検出信号18の幅がP1、P2、P3等に変化し、矩形波の幅が変化する。
各スキャンライン17a〜17c上を、それぞれ所要回数スキャンが行われているので、前記演算処理部16により検出された矩形波をそれぞれ平均化処理することで、前記液体部材9の振動等による変化が相殺され、各矩形波の幅の中心Oを求めることができる。
又、前記演算処理部16は、隣接する各矩形波の幅の中心O間のピッチを求め、平均化処理することで検出された前記小パターン14間のピッチを求めることができる。更に、求めた各小パターン14間のピッチが等ピッチとなる点を求めることで、前記パターン15の重心Gを求めることができる。
尚、平均化処理により求められた各矩形波の幅の中心Oは、前記小パターン14の中心と前記パターン15の重心Gとを通る直線上に位置する。従って、前記小パターン14及び該小パターン14と点対称の位置にある小パターン14の幅の中心Oを求め、同一走査線上の検出信号を基に幅の中心O同士を結んだ線の中点を求めることで、前記パターン15の重心Gの位置を求めてもよい。
又、前記パターン15の重心Gに関して点対称な前記小パターン14が2組以上ある場合には、点対称な位置にある前記小パターン14の幅の中心O同士を結んだ線の交点を求めることで、前記パターン15の重心Gの位置を求めてもよい。更に、スキャンライン17上の矩形波の位置、矩形波の幅に基づき、図形上から重心を求めてもよい。
前記パターン15の重心Gの位置を求めた後、前記演算処理部16が前記受光素子13の中心に対する前記パターン15の重心Gの移動量と移動方向、即ち前記受光素子13での受光位置の変化を演算し、受光位置の変化を基に前記傾斜検出装置1の傾斜を検出し、水平出しを行うことができる。
上述の様に、本実施例では、前記受光素子13に投影された前記パターン15の反射像に対し、円状に所要回数スキャンし、得られた矩形波を平均化処理することで、前記小パターン14の幅の中心Oを求め、該小パターン14の幅中心Oから前記パターン15の重心Gの位置を求めている。
この為、外部からの振動により前記傾斜検出装置1が振動し、前記受光素子13の受光状態が絶えず変化している様な場合であっても、スキャン回数を適切に選択することで、状況変化に起因する変化分を相殺することができ、正確な前記小パターン14の幅中心O、前記パターン15の重心Gの位置を求めることができる。
従って、前記液体部材9として、粘性の変化が比較的小さいアルコール等の液体を用いることができるので、低温環境下でも前記液体部材9の追従性が悪化することがなく、環境温度に左右されることなく安定して前記傾斜検出装置1の傾斜及び水平を検出することができる。
又、該傾斜検出装置1は、前記液体部材9による液体裏面反射により前記受光素子13に前記パターン15の反射像を投影させるので、ガラスの加工精度による前記液体部材9の追従性の悪化を抑制することができる。
又、径が異なる所要箇所の前記スキャンライン17上をスキャンさせているので、前記受光素子13の各画素の応答性等に個体差がある場合であっても、平均化処理により個体差による誤差を抑制することができ、前記小パターン14の幅中心O及び前記パターン15の重心Gの演算精度を向上させ、真値に近づけることができる。
又、複数の前記スキャンライン17をスキャンさせることで、前記小パターン14のどの位置をスキャンしているのかを容易に判断することができる。
尚、本実施例では、前記受光素子13に対する前記パターン15の投影位置を円状にスキャンしているが、前記受光素子13上の所要範囲をX軸方向或はY軸方向にスキャンし、X軸方向、Y軸方向の各列の画素分の情報を取得し、前記小パターン14を検出することで、前記パターン15の重心Gの位置を求めてもよい。
又、本実施例では、前記小パターン14の形状を円形状としているが、図6(A)に示される様な楕円形状の小パターン14′、図6(B)に示される様な6角形状の小パターン14′′等、点対称に配置できる形状であれば前記小パターン14を他の形状としてもよい。
又、本実施例では、前記小パターン14を円周方向に所定角度ピッチで配置することで、前記パターン15を形成しているが、楕円形や偶数多角形状等、前記小パターン14を点対称に配置できる形状であれば前記パターン15を他の形状としてもよい。
更に、本実施例では、前記パターン15の重心Gの位置を演算するのに、点対称な位置に配置された少なくとも2つの小パターン14を用いているが、該小パターン14の中心を前記パターン15の重心に対して既知の位置に配置することで、スキャン時に前記小パターン14の中心に対して前記パターン15の重心Gがどの位置にあるかを判別可能とすれば、該小パターン14は1つであってもよい。
1 傾斜検出装置
2 光源
5 パターン部
7 ビームスプリッタ
9 液体部材
13 受光素子
14 小パターン
15 パターン
16 演算処理部
2 光源
5 パターン部
7 ビームスプリッタ
9 液体部材
13 受光素子
14 小パターン
15 パターン
16 演算処理部
Claims (8)
- パターンを投影する為の光源と、自由液面を有し前記パターンを前記自由液面で裏面反射させる液体部材と、裏面反射された前記パターンの反射像を受光する受光素子と、演算処理部とを具備し、該演算処理部は前記受光素子の受光面の所定範囲を所要回数スキャンして検出された受光信号を平均化処理し、平均化処理した信号に基づき前記パターンの重心位置を演算することを特徴とする傾斜検出装置。
- 前記演算処理部は、前記受光素子上の予め設定された点を中心に円状にスキャンする請求項1の傾斜検出装置。
- 前記演算処理部は、演算により得られた重心を中心として、異なった径でそれぞれ所要回数スキャンを行う請求項2の傾斜検出装置。
- 前記パターンは、該パターンの重心に対して点対称に配置された少なくとも2つの小パターンにより構成される請求項1〜請求項3のうちいずれかの傾斜検出装置。
- 前記演算処理部は、平均化処理により2つの前記小パターンの幅中心をそれぞれ求め、2つの該小パターンの幅中心を結ぶ直線に基づき前記パターンの重心位置を演算する請求項4の傾斜検出装置。
- 前記演算処理部は、点対称に配置された2つの前記小パターン2組について、各組毎に該小パターンの幅中心を求め、各組毎に2つの該小パターンの幅中心を結ぶ直線を演算すると共に、2つの直線の交点を重心位置として演算する請求項4の傾斜検出装置。
- 前記パターンは、少なくとも1つの小パターンにより構成され、該小パターンの中心は前記パターンの重心に対して既知の位置にあり、スキャン時の受光信号を基に前記小パターンの中心位置を演算し、該小パターンの中心位置を基に前記パターンの重心位置を演算する請求項1〜請求項3のうちいずれかの傾斜検出装置。
- 前記演算処理部は、前記受光素子上をX軸方向或はY軸方向にスキャンし、X軸方向、Y軸方向の各列の画素分の受光信号を取得して前記パターンを検出し、該パターンの重心位置を演算する請求項1の傾斜検出装置。
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