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

位置検出装置、力覚センサ、および、装置 Download PDF

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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Zim1、第1結像面における第1周期像の周期Pim1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Zim2、第2結像面における第2周期像の周期Pim2は、以下の式(3)、(4)のようにそれぞれ表される。
式(1)より、Zim1=Z1=Z2となり、第1結像面は反射面と一致する。式(2)より、Pim1=P1=8μmである。式(3)より、Zim2=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、Pim2=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、並進位置検出値をX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、並進位置検出値をX、センサユニット10Cによるギャップ位置検出値をD、並進位置検出値をX、センサユニット10Dによるギャップ位置検出値をD、並進位置検出値をX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。
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