(57)【要約】【課題】  直線上の絶対位置を高分解能で、かつ高速に求めること。【解決手段】  リニアイメージセンサ１２に向けて光源１６から光を照射し、クロックドライバ１８から素子数に対応したシフトクロックＳＣを出力し、シフトクロックＳＣに従ってリニアイメージセンサ１２の１番目の素子から順番に電気信号を出力し、この電気信号と判定レベル２６とを比較器２２で比較し、この電気信号が判定レベル２６を越えたときのシフトクッロク数Ｃ１をラッチ回路３２でラッチし、電気信号が判定レベル２６以下になったときのシフトクッロク数Ｃ２をラッチ回路３４でラッチし、各ラッチ回路３２、３４の出力を加算回路３６、ビットシフト回路３８を介してＣＰＵ２０に転送し、ＣＰＵ２０で、素子間隔をＰとして、立上エッジ位置Ｌ１＝Ｃ１×Ｐ、立下りエッジ位置Ｌ２＝Ｃ２×Ｐを求めるとともに、光スポットの中心位置Ｐｓｎ＝（Ｌ１＋Ｌ２）／２を求める。【選択図】        図２
2006162531.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光電変換素子が直線状に等間隔に配列されたリニアイメージセンサと、前記リニアイメージセンサと相対向して配置され、かつ前記複数の光電変換素子の配列方向に沿って相対移動可能に配置されて前記リニアイメージセンサのいずれかの光電変換素子に向けて光を照射する光源と、前記光源と前記リニアイメージセンサとの間に配置されて、前記光源から発生する光の光束を制限して出射する光束制限手段と、前記複数の光電変換素子の出力を前記リニアイメージセンサ上の１番目の光電変換素子から配列順序に従って順番に取り込んで判定レベルと比較する比較器と、前記比較器の比較結果を前記各光電変換素子に対応づけて監視し、前記複数の光電変換素子のうちその出力が最初に前記判定レベルを超えた光電変換素子とその出力が前記判定レベルを超えたあと最初に前記判定レベル以下になった光電変換素子を特定する光電変換素子特定手段と、前記光電変換素子特定手段により特定された各光電変換素子の配列位置を基に前記リニアイメージセンサ上における前記光の照射位置を前記１番目の光電変換素子を基準として検出する位置検出手段とを備えてなる絶対位置検出装置。
【請求項２】
複数の光電変換素子が直線状に等間隔に配列され、前記各光電変換素子に対応して発生するシフトクロックに応答して前記各光電変換素子の光電変換に伴う信号電荷に応じた電気信号を順次出力するリニアイメージセンサと、前記リニアイメージセンサと相対向して配置され、かつ前記複数の光電変換素子の配列方向に沿って相対移動可能に配置されて前記リニアイメージセンサのいずれかの光電変換素子に向けて光を照射する光源と、前記光源と前記リニアイメージセンサとの間に配置されて、前記光源から発生する光の光束を制限して出射する光束制限手段と、前記複数の光電変換素子の出力を前記リニアイメージセンサ上の１番目の光電変換素子から配列順序に従って順番に取り込んで判定レベルと比較する比較器と、前記比較器の比較結果を監視して、前記いずれかの光電変換素子の出力が前記判定レベルを超えたことを検出する立上りエッジ検出手段と、前記比較器の比較結果を監視して、前記いずれかの光電変換素子の出力が前記判定レベル以下になったことを検出する立下りエッジ検出手段と、前記シフトクロックに応答してシフトクロック数を計数するとともに、この計数値を前記立上りエッジ検出手段の検出出力に応答して記憶する第１の記憶手段と、前記シフトクロックに応答してシフトクロック数を計数するとともに、この計数値を前記立下りエッジ検出手段の検出出力に応答して記憶する第２の記憶手段と、前記第１の記憶手段に記憶された計数値と前記第２の記憶手段に記憶された計数値とを基に前記リニアイメージセンサ上における前記光の照射位置を前記１番目の光電変換素子を基準として検出する位置検出手段とを備えてなる絶対位置検出装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の絶対位置検出装置において、前記光束制限手段は、１つまたは２つ以上のスリットで構成されてなることを特徴とする絶対位置検出装置。
【請求項４】
複数の光電変換素子が直線状に等間隔に配列され、前記各光電変換素子に対応して発生するシフトクロックに応答して前記各光電変換素子の光電変換に伴う信号電荷に応じた電気信号を順次出力するリニアイメージセンサと、前記リニアイメージセンサと相対向して配置され、かつ前記複数の光電変換素子の配列方向に沿って相対移動可能に配置されて前記リニアイメージセンサのいずれかの光電変換素子に向けて光を照射する光源と、前記光源と前記リニアイメージセンサとの間に配置されて、前記光源から発生する光を複数の光に分岐させて出射する光分岐手段と、前記複数の光電変換素子の出力を前記リニアイメージセンサ上の１番目の光電変換素子から配列順序に従って順番に取り込んで判定レベルと比較する比較器と、前記比較器の比較結果を監視して、前記いずれかの光電変換素子の出力が前記判定レベルを超えたことを検出する立上りエッジ検出手段と、前記比較器の比較結果を監視して、前記いずれかの光電変換素子の出力が前記判定レベル以下になったことを検出する立下りエッジ検出手段と、前記シフトクロックに応答してシフトクロック数を計数するとともに、この計数値を前記立上りエッジ検出手段から検出出力が発生する毎に記憶する第１の記憶手段と、前記シフトクロックに応答してシフトクロック数を計数するとともに、この計数値を前記立下りエッジ検出手段から検出出力が発生する毎に記憶する第２の記憶手段と、前記第１の記憶手段に記憶された複数の計数値と前記第２の記憶手段に記憶された複数の計数値とを基に前記リニアイメージセンサ上における前記光の照射位置を前記１番目の光電変換素子を基準として検出する位置検出手段とを備えてなる絶対位置検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶対位置検出装置に係り、特に、直線上の絶対位置を検出することができる絶対位置検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、直線上の絶対位置を検出する絶対位置検出装置として、例えば、アブソリュート型リニアエンコーダが知られている。このアブソリュート型リニアエンコーダは、図８に示すように、所定の語長の位置情報を表すアブソリュートコード（ＡＢＳコード）１２０５がＸ方向に記録されたシリアルアブソリュートスケール１２００と、スケール１２００と相対向して配置されて、スケール１２００上のアブソリュートコード１２０５における金属蒸着膜部分１２０５ａあるいは非蒸着部分１２０５ｂを透過した透過光を検出するＡＢＳコード検出器１０１と、ＡＢＳコード検出器１０１の検出による透過光をその明暗に応じて２値情報に変換する変換回路１０４と、変換回路１０４の出力による２値情報を格納するシフトレジスタ１０３と、シフトレジスタ１０３に記憶された２値情報を基に演算処理するコンピュータ（図示せず）とを備え、スライダー（図示せず）がスケール１２００に対して相対的に静止しているときに、ＡＢＳコード検出器１０１は検出ヘッド１００とともにＸ方向に沿って所定の語長に相当する距離だけ変位して２値情報を検出し、ＡＢＳコード検出器１０１の検出による２値情報を変換回路１０４を介して順次シフトレジスタ１０３に格納し、シフトレジスタ１０３に格納された２値情報（位置情報）を基に、ＡＢＳコード検出器１０１の変位量をスライダーの移動の初期位置から減算して、スライダーの初期位置を検出するようにしたものが提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１６８６５５号公報（第４頁〜第５頁、図１〜図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来技術においては、直線上の絶対位置を求めるに際して、シフトレジスタ１０３に格納された２値情報の配列を位置情報を表すシリアルアブソリュート信号に変換し、変換されたシリアルアブソリュート信号に基づいてコンピュータが初期位置を求めるための演算を行ったり、スケール１２００にＡＢＳコード１２０５を記録したりしなければならない。このため、従来技術の構成を移動体の直線上における絶対位置、例えば、測量機のオートフォーカス機構に用いられる合焦レンズの直線上の絶対位置を求めるものに適用しても、直線上の絶対位置を高速に求めたり、位置情報の分解能を高めたりするには十分ではない。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題に鑑みてなされたもので、その目的は、直線上の絶対位置を高分解能で、かつ高速に求めることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するために、請求項１に係る絶対位置検出装置においては、複数の光電変換素子が直線状に等間隔に配列されたリニアイメージセンサと、前記リニアイメージセンサと相対向して配置され、かつ前記複数の光電変換素子の配列方向に沿って相対移動可能に配置されて前記リニアイメージセンサのいずれかの光電変換素子に向けて光を照射する光源と、前記光源と前記リニアイメージセンサとの間に配置されて、前記光源から発生する光の光束を制限して出射する光束制限手段と、前記複数の光電変換素子の出力を前記リニアイメージセンサ上の１番目の光電変換素子から配列順序に従って順番に取り込んで判定レベルと比較する比較器と、前記比較器の比較結果を前記各光電変換素子に対応づけて監視し、前記複数の光電変換素子のうちその出力が最初に前記判定レベルを超えた光電変換素子とその出力が前記判定レベルを超えたあと最初に前記判定レベル以下になった光電変換素子を特定する光電変換素子特定手段と、前記光電変換素子特定手段により特定された各光電変換素子の配列位置を基に前記リニアイメージセンサ上における前記光の照射位置を前記１番目の光電変換素子を基準として検出する位置検出手段とを備えて構成した。
【０００７】
（作用）複数の光電変換素子が直線状に等間隔に配列されたリニアイメージセンサに向けて光源から光を照射し、各光電変換素子の出力をリニアイメージセンサ上の１番目の光電変換素子から配列順序に従って順番に取り込んで判定レベルと比較し、この比較結果を基に最初に判定レベルを超えた光電変換素子とその後最初に判定レベル以下になった光電変換素子を特定し、特定された各光電変換素子の配列位置を基にリニアイメージセンサ上における光の照射位置を１番目の光電変換素子を基準として検出するようにしたため、簡単な演算で光の照射位置を直線上の絶対位置として高速に求めることができるとともに、光電変換素子の数に応じて分解能を高めることができる。
【０００８】
請求項２に係る絶対位置検出装置においては、複数の光電変換素子が直線状に等間隔に配列され、前記各光電変換素子に対応して発生するシフトクロックに応答して前記各光電変換素子の光電変換に伴う信号電荷に応じた電気信号を順次出力するリニアイメージセンサと、前記リニアイメージセンサと相対向して配置され、かつ前記複数の光電変換素子の配列方向に沿って相対移動可能に配置されて前記リニアイメージセンサのいずれかの光電変換素子に向けて光を照射する光源と、前記光源と前記リニアイメージセンサとの間に配置されて、前記光源から発生する光の光束を制限して出射する光束制限手段と、前記複数の光電変換素子の出力を前記リニアイメージセンサ上の１番目の光電変換素子から配列順序に従って順番に取り込んで判定レベルと比較する比較器と、前記比較器の比較結果を監視して、前記いずれかの光電変換素子の出力が前記判定レベルを超えたことを検出する立上りエッジ検出手段と、前記比較器の比較結果を監視して、前記いずれかの光電変換素子の出力が前記判定レベル以下になったことを検出する立下りエッジ検出手段と、前記シフトクロックに応答してシフトクロック数を計数するとともに、この計数値を前記立上りエッジ検出手段の検出出力に応答して記憶する第１の記憶手段と、前記シフトクロックに応答してシフトクロック数を計数するとともに、この計数値を前記立下りエッジ検出手段の検出出力に応答して記憶する第２の記憶手段と、前記第１の記憶手段に記憶された計数値と前記第２の記憶手段に記憶された計数値とを基に前記リニアイメージセンサ上における前記光の照射位置を前記１番目の光電変換素子を基準として検出する位置検出手段とを備えて構成した。
【０００９】
（作用）複数の光電変換素子が直線状に等間隔に配列されたリニアイメージセンサに向けて光源から光を照射したときに、シフトクロックに同期して各光電変換素子の出力をリニアイメージセンサ上の１番目の光電変換素子から配列順序に従って順番に取り込んで判定レベルと比較するとともに、シフトクロック数を計数し、この計数値のうちいずれかの光電変換素子の出力が判定レベルを超えたときの計数値とその後光電変換素子の出力が判定レベル以下になったときの計数値をそれぞれ記憶し、記憶された各計数値を基にリニアイメージセンサ上における光の照射位置を１番目の光電変換素子を基準として検出するようにしたため、簡単な演算によってリニアイメージセンサ上における光の照射位置を直線上の絶対位置として高速に求めることができる。
【００１０】
例えば、図１（ｂ）に示すように、光束制限手段として、スリットが１個の場合、光電変換素子の出力が判定レベルを越えたときのシフトクロック数をＣ１とし、光電変換素子の出力が判定レベルを超えた後、判定レベル以下になったときのシフトクロック数をＣ２とし、各光電変換素子の素子間隔をＰとすると、リニアイメージセンサ上の１番目の光電変換素子を基準とした立上りエッジ位置（光電変換素子の出力が判定レベルを越えたときの基準位置からの距離）Ｌ１は、Ｌ１＝Ｃ１×Ｐとして求められ、リニアイメージセンサ上の１番目の光電変換素子を基準とした立下りエッジ位置（光電変換素子の出力が判定レベル以下になったときの基準位置からの距離）Ｌ２はＬ２＝Ｃ２×Ｐとして求められ、リニアイメージセンサ上に照射された光の中心位置Ｐｓｎは、Ｐｓｎ＝（Ｌ１＋Ｌ２）／２として求められる。また、光の照射位置の分解能は、光電変換素子の数に比例して高くなるので、光電変換素子の数を多くすることで、光の照射位置に関する分解能を高めることができる。
【００１１】
請求項３においては、請求項１または２に記載の絶対位置検出装置において、前記光束制限手段は、１つまたは２つ以上のスリットで構成した。
【００１２】
（作用）光源から発生する光は光束制限手段、例えば、１つまたは２つ以上のスリットによってその光束が制限された状態で出射され、リニアイメージセンサ上には明暗の差が明らかな光が出射されるので、各光電変換素子の出力と判定レベルとの比較をより正確に行なうことができ、絶対位置検出精度を高めることができる。
【００１３】
請求項４に係る絶対位置検出装置においては、複数の光電変換素子が直線状に等間隔に配列され、前記各光電変換素子に対応して発生するシフトクロックに応答して前記各光電変換素子の光電変換に伴う信号電荷に応じた電気信号を順次出力するリニアイメージセンサと、前記リニアイメージセンサと相対向して配置され、かつ前記複数の光電変換素子の配列方向に沿って相対移動可能に配置されて前記リニアイメージセンサのいずれかの光電変換素子に向けて光を照射する光源と、前記光源と前記リニアイメージセンサとの間に配置されて、前記光源から発生する光を複数の光に分岐させて出射する光分岐手段と、前記複数の光電変換素子の出力を前記リニアイメージセンサ上の１番目の光電変換素子から配列順序に従って順番に取り込んで判定レベルと比較する比較器と、前記比較器の比較結果を監視して、前記いずれかの光電変換素子の出力が前記判定レベルを超えたことを検出する立上りエッジ検出手段と、前記比較器の比較結果を監視して、前記いずれかの光電変換素子の出力が前記判定レベル以下になったことを検出する立下りエッジ検出手段と、前記シフトクロックに応答してシフトクロック数を計数するとともに、この計数値を前記立上りエッジ検出手段から検出出力が発生する毎に記憶する第１の記憶手段と、前記シフトクロックに応答してシフトクロック数を計数するとともに、この計数値を前記立下りエッジ検出手段から検出出力が発生する毎に記憶する第２の記憶手段と、前記第１の記憶手段に記憶された複数の計数値と前記第２の記憶手段に記憶された複数の計数値とを基に前記リニアイメージセンサ上における前記光の照射位置を前記１番目の光電変換素子を基準として検出する位置検出手段とを備えて構成した。
【００１４】
（作用）複数の光電変換素子が直線状に等間隔に配列されたリニアイメージセンサに向けて光源から光を照射したときに、シフトクロックに同期して各光電変換素子の出力をリニアイメージセンサ上の１番目の光電変換素子から配列順序に従って順番に取り込んで判定レベルと比較するとともに、シフトクロック数を計数し、シフトクロック数の計数値を立上りエッジ検出手段から検出出力が発生する毎に記憶するとともに、立下りエッジ検出出力から検出出力が発生する毎に記憶し、記憶された各計数値を基にリニアイメージセンサ上における光の照射位置を１番目の光電変換素子を基準とした直線上の絶対位置として検出するようにしたため、簡単な演算によってリニアイメージセンサ上における光の照射位置を直線上の絶対位置として高速に求めることができるとともに、検出値に異常が生じたときには、光源とリニアイメージセンサとの間にゴミなどが存在していると判断することができる。また、光の照射位置の分解能は、光電変換素子の数に比例して高くなるので、光電変換素子の数を多くすることで、光の照射位置に関する分解能を高めることができる。
【００１５】
例えば、図１（ｃ）に示すように、光分岐手段としてスリットが２個の場合、光電変換素子の出力が最初に判定レベルを越えたときのシフトクロック数をＣ１とし、光電変換素子の出力が最初に判定レベルを超えた後、判定レベル以下になったときのシフトクロック数をＣ２とし、光電変換素子の出力が２番目に判定レベルを越えたときのシフトクロック数をＣ３とし、光電変換素子の出力が２番目に判定レベルを超えた後、判定レベル以下になったときのシフトクロック数をＣ４とし、各光電変換素子の素子間隔をＰとすると、リニアイメージセンサ上の１番目の光電変換素子を基準とした第１の立上りエッジ位置（光電変換素子の出力が最初に判定レベルを越えたときの基準位置からの距離）Ｌ１は、Ｌ１＝Ｃ１×Ｐとして求められ、リニアイメージセンサ上の１番目の光電変換素子を基準とした第１の立下りエッジ位置（光電変換素子の出力が最初に判定レベルを超え、そのあと判定レベル以下になったときの基準位置からの距離）Ｌ２は、Ｌ２＝Ｃ２×Ｐとして求められ、リニアイメージセンサ上の１番目の光電変換素子を基準とした第２の立上りエッジ位置（光電変換素子の出力が２番目に判定レベルを越えたときの基準位置からの距離）Ｌ３は、Ｌ３＝Ｃ３×Ｐとして求められ、リニアイメージセンサ上の１番目の光電変換素子を基準とした第２の立下りエッジ位置（光電変換素子の出力が２番目に判定レベルを超え、そのあと判定レベル以下になったときの基準位置からの距離）Ｌ４は、Ｌ４＝Ｃ４×Ｐとして求められ、リニアイメージセンサ上に照射された光の中心位置Ｐｓｎは、Ｐｓｎ＝（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４）／４として求められる。
【発明の効果】
【００１６】
以上の説明から明らかなように、請求項１によれば、簡単な演算で光の照射位置を直線上の絶対位置として高速に求めることができるとともに、光電変換素子の数に応じて分解能を高めることができる。
【００１７】
請求項２によれば、簡単な演算で光の照射位置を直線上の絶対位置として高速に求めることができるとともに、光電変換素子の数に応じて分解能を高めることができる。
【００１８】
請求項３によれば、各光電変換素子の出力と判定レベルとの比較をより正確に行なうことができ、絶対位置検出精度を高めることができる。
【００１９】
請求項４によれば、各光電変換素子の出力と判定レベルとの比較をより正確に行なうことができ、絶対位置検出精度を高めることができる。さらに、検出値に異常が生じたときには、光源とリニアイメージセンサとの間にゴミなどが存在していると判断することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に、本発明の実施形態を、実施例に基づいて説明する。図１（ａ）は本発明の一実施例を示す絶対位置検出装置の概略構成図、図１（ｂ）は、１個のスリットを有するスリット板を光源とリニアイメージセンサとの間に配置したときの側面図、図１（ｃ）は、２個のスリットを有するスリット板を光源とリニアイメージセンサとの間に配置したときの側面図、図２は図１に示す絶対位置検出装置のブロック構成図、図３は図２に示す絶対位置検出装置の動作を説明するための波形図である。
【００２１】
これらの図において、絶対位置検出装置は、例えば、アブソリュート型リニアエンコーダとして、長方形形状に形成されたベース１０を備えており、ベース１０にはリニアイメージセンサ（ラインセンサ）１２が固定されている。リニアイメージセンサ１２は、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）などの半導体素子を備えて構成されており、これら半導体素子のうち複数個の光電変換素子Ｓ１〜Ｓｎが、例えば、５、０００〜１０、０００個直線状に等間隔（例えば、７μｍピッチ）で配列されている。
【００２２】
一方、リニアイメージセンサ１２に相対向して移動体１４が配置されており、移動体１４の前面（リニアイメージセンサ１２と相対向する面）のほぼ中央部には光源１６が固定されている。移動体１４はベース１０と平行になって配置され、モータやリンク機構（図示せず）などの駆動手段により、各光電変換素子（Ｓｉ）の配列方向に沿って直線状に往復動可能に配置されている。そして光源１６からコリメータレンズ１７を介してリニアイメージセンサ１２に光が照射されるようになっている。
【００２３】
光源１６からの光がコリメータレンズ１７を介してリニアイメージセンサ１２のいずれかの光電変換素子（Ｓｉ）に照射されたときに、光の照射位置を直線上の絶対位置として検出するに際して、クロックドライバ１８からリニアイメージセンサ１２とＣＰＵ（マイクロプロセッサ）２０に対して、１フレーム毎、例えば、１ｍｓ毎にシフトパルスＳＰが出力されるとともに、クロックドライバ１８からリニアイメージセンサ１２に対して、１フレームの間、各光電変換素子に対応してシフトクロックＳＣが一定の間隔で順次出力されるようになっている。シフトパルスＳＰは、ＣＰＵ２０に対して、データの読み始めまたは読み終わりを規定するタイミング信号として用いられ、シフトパルスＳＰが発生した後、シフトクロックＳＣが順次リニアイメージセンサ１２に入力されると、リニアイメージセンサ１２からは、シフトクロックＳＣの立上りまたは立下りに応答して、各光電変換素子の光電変換に伴う信号電荷に応じた電気信号が１番目の光電変換素子Ｓ１から配列順序にしたがって順次増幅器２２に出力されるようになっている。増幅器２２はリニアイメージセンサ１２の出力による電気信号を順次増幅し、増幅した信号を比較器２４に出力するようになっている。比較器２４は、増幅器２２の出力による電気信号を順次取り込んで判定レベル（エッジ判定レベル電圧）２６と比較し、各比較結果を立上りエッジ検出回路２８と立下りエッジ検出回路３０に出力するようになっている。
【００２４】
立上りエッジ検出回路２８は、比較器２４の比較結果を監視して、増幅器２２の出力が判定レベル２６を超えたときに、いずれかの光電変換素子の出力が判定レベル２６を超えたとして、立上りエッジ検出出力をカウンタ値ラッチ回路３２に出力する立上りエッジ検出手段として構成されている。一方、立下りエッジ検出回路３０は、比較器２４の比較結果を監視して、増幅器２２の出力が判定レベル２６以下になったときに、いずれかの光電変換素子の出力が判定レベル２６以下になったとして、立下りエッジ検出出力をカウンタ値ラッチ回路３４に出力する立下りエッジ検出手段として構成されている。
【００２５】
カウンタ値ラッチ回路３２は、シフトクロックＳＣの立上りおよび立下りに応答してシフトクロックＳＣを計数し、この計数値（カウンタ値）を立上りエッジ検出回路２８からの立上りエッジ検出出力に応答して記憶し、記憶した計数値を加算回路３６に出力する第１の記録手段として構成されている。このカウンタ値ラッチ回路３２は、例えば、図３に示すように、立上りエッジ検出回路２８からタイミングｔ１で立上りエッジ検出出力が発生したときには、タイミングｔ１における計数値（シフトクロック数）Ｃ１をラッチし、ラッチした計数値（シフトクロック数）Ｃ１を加算回路３６に出力するようになっている。カウンタ値ラッチ回路３４はシフトクロックＳＣの立上りおよび立下りに応答してシフトクロックＳＣを計数して、この計数値（カウンタ値）を立下りエッジ検出回路３０からの立下りエッジ検出出力に応答してラッチし、ラッチした計数値を加算回路３６に出力する第２の記録手段として構成されている。このカウンタ値ラッチ回路３４は、例えば、図３に示すように、タイミングｔ２で立下りエッジ検出回路３０から立下りエッジ検出出力が発生したときに、タイミングｔ２における計数値（シフトクロック数）Ｃ２をラッチし、このラッチした計数値（シフトクロック数）Ｃ２を加算回路３６に出力するようになっている。
【００２６】
加算回路３６は、カウンタ値ラッチ回路３４でラッチされた計数値（シフトクロック数）Ｃ１とカウンタ値ラッチ回路３４でラッチされた計数値（シフトクロック数）Ｃ２とを加算し、加算値をビットシフト回路３８に出力するようになっている。ビットシフト回路３８においては、加算値を２で割るための演算を行い、この演算値によるデータを、リニアイメージセンサ１２上における光の照射位置に関するデータ、すなわち、光スポットの中心位置Ｐｓｎに関するデータとしてＣＰＵ２０に出力するようになっている。ＣＰＵ２０においては、ビットシフト回路３８からのデータを基に、リニアイメージセンサ１２上における光の照射位置を直線上の絶対位置として演算するようになっている。
【００２７】
具体的には、シフトクロックＳＣは、一番目の光電変換素子Ｓ１からｎ番目の光電変換素子Ｓｎに対応して順番に出力され、カウンタ値ラッチ回路３２、３４にラッチされたシフトクロック数Ｃ１、Ｃ２はそれぞれ１番目の光電変換素子Ｓ１を基準とした素子数に相当する。このため、ＣＰＵ２０は、増幅器２２の出力が判定レベル２６を超えたとき、すなわち、光スポット光量分布特性が立上るときのシフトクロック数をＣ１とし、増幅器２２の出力が判定レベル２６以下になったとき、すなわち、光スポット光量分布特性が立下がるときのシフトクロック数をＣ２とし、光電変換素子の素子間隔の寸法をＰとし、リニアイメージセンサ１２上の１番目の光電変換素子Ｓ１からの立上りエッジ位置（基準位置からの距離）Ｌ１を、Ｌ１＝Ｃ１×Ｐとして演算し、リニアイメージセンサ１２上の１番目の光電変換素子Ｓ１からの立下りエッジ位置（基準位置からの距離）Ｌ２を、Ｌ２＝Ｃ２×Ｐとして演算し、リニアイメージセンサ１２上の光の照射位置、すなわち、光スポットの中心位置Ｐｓｎを、Ｐｓｎ＝（Ｌ１＋Ｌ２）／２として演算するようになっている。
【００２８】
この場合、加算回路３６、ビットシフト回路３８、ＣＰＵ２０はシフトクロック数Ｃ１、Ｃ２を基にリニアイメージセンサ１２上における光の照射位置である光スポットの中心位置Ｐｓｎを１番目の光電変換素子Ｓ１を基準として検出する位置検出手段として構成されている。また、立上りエッジ検出回路２８、立下りエッジ検出回路３０、カウンタ値ラッチ回路３２、３４は、比較器２４の比較結果を各光電変換素子に関連付けて監視し、複数の光電変換素子Ｓ１〜Ｓｎのうちその出力が最初に判定レベル２６越えた光電変換素子と、その出力が判定レベル２６を超えた後最初に判定レベル２６以下になった光電変換素子を特定する光電変換素子特定手段を構成することになる。
【００２９】
本実施例においては、リニアイメージセンサ１２として、複数の光電変換素子が数ミクロメートルの間隔で配置されたものを用いて、各光電変換素子に向けて光源１６からの光をコリメータレンズ１７を介して照射し、リニアイメージセンサ１２から輝度に応じた電気信号を出力し、電気信号のレベルが判定レベル２６を超えるか否かを判定し、この判定結果を基に光スポットの立上りエッジ位置と立下りエッジ位置を算出し、この算出結果から光スポットの中心位置を算出するようにしたため、簡単な演算によって光スポットの中心位置をリニアイメージセンサ１２上の絶対位置として求めることができ、高速化および高分解能化に寄与することができる。
【００３０】
本実施例では、光源１６として単に光スポットを形成するものについて述べたが、光スポットの光量分布のエッジを鋭くする工夫として、コリメータレンズ１９とリニアイメージセンサ１２との間に、例えば、コリメータレンズ１９の前面に、光源１６から発生する光の光束を制限して出射する光束制限手段としてのピンホールやスリットを１または２つ以上設けることができる。例えば、図１（ｂ）に示すように、スリットＳＬ１を有するスリット板１９を設ける。この場合、リニアイメージセンサ１２から出力される電気信号のレベルが輝度の変化に対して急峻な特性を示すため、エッジの判定をより正確に行うことができ、直線上の絶対位置として精度の高いものを求めることができる。
【００３１】
本実施例においては、光源１６からコリメータレンズ１９を介してリニアイメージセンサ１２に向けて単一の光スポットを照射するものについて述べたが、光源１６とリニアイメージセンサ１２との間に、光源１６からの光を複数の光に分岐させて出射する光分岐手段として、例えば、図１（ｃ）に示すように、光源１６からの光をコリメータレンズ１９を介して取り込んで、光電変換素子の配列方向に沿って２つの光に分岐させるスリット板２１を配置し、リニアイメージセンサ１２上に２つの光スポットを形成する構成を採用することもできる。
【００３２】
この場合、２つの光がリニアイメージセンサ１２上に照射されることに伴って、リニアイメージセンサ１２からはスリット板２１のスリットＳＬ１、ＳＬ２の間隔に対応して２つのパルス（第１のパルスと第２のパルス）が出力されるため、各パルスの立上りおよび立下りに応答してシフトクロック数をラッチするカウンタ値ラッチ回路として、それぞれ第１のパルスの立上りエッジおよび立下りエッジに応答してシフトクロック数をラッチするラッチ回路を設けるとともに、第２のパルスの立上りエッジおよび立下りエッジに応答してシフトクロック数をラッチするラッチ回路を設け、第１のパルスから得られた光スポットの中心位置と第２のパルスから得られた光スポットの中心位置とから両者の平均値を求めることで、全体の光スポットの中心位置を求めることができる。
【００３３】
具体的には、ＣＰＵ２０は、増幅器２２の出力（第１のパルス）が最初に判定レベル２６を超えたとき（光スポット光量分布特性が最初に立上るとき）のシフトクロック数をＣ１とし、その後、増幅器２２の出力が判定レベル２６以下になったとき（光スポット光量分布特性が立下がるとき）のシフトクロック数をＣ２とし、次に、増幅器２２の出力（第２のパルス）が２番目に判定レベル２６を超えたとき（光スポット光量分布特性が２番目に立上るとき）のシフトクロック数をＣ３とし、その後、増幅器２２の出力が判定レベル２６以下になったとき（光スポット光量分布特性が２番目に立下がるとき）のシフトクロック数をＣ４とし、光電変換素子の素子間隔の寸法をＰとし、リニアイメージセンサ１２上の１番目の光電変換素子Ｓ１からの第１の立上りエッジ位置（基準位置からの距離）Ｌ１を、Ｌ１＝Ｃ１×Ｐとして演算し、リニアイメージセンサ１２上の１番目の光電変換素子Ｓ１からの第１の立下りエッジ位置（基準位置からの距離）Ｌ２を、Ｌ２＝Ｃ２×Ｐとして演算し、リニアイメージセンサ１２上の１番目の光電変換素子Ｓ１からの第２の立上りエッジ位置（基準位置からの距離）Ｌ３を、Ｌ３＝Ｃ３×Ｐとして演算し、リニアイメージセンサ１２上の１番目の光電変換素子Ｓ１からの第２の立下りエッジ位置（基準位置からの距離）Ｌ４を、Ｌ４＝Ｃ４×Ｐとして演算し、リニアイメージセンサ１２上の光の照射位置、すなわち、全体としての光スポットの中心位置Ｐｓｎを、Ｐｓｎ＝{（Ｌ１＋Ｌ２）／２＋（Ｌ３＋Ｌ４）／２}／２＝（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４）／４として演算するようになっている。
【００３４】
この場合、２つのパルスによって、光スポットの中心位置を求めているため、単一のパルスから光スポットの中心位置を求めるときよりも、より精度の高い絶対位置を求めることができる。また、検出値に異常が生じたとき、例えば、一方のパルスによる光スポットの中心位置が求められないときには、光源１６とリニアイメージセンサ１２との間にゴミなどが存在しているという、エラーの検出を行なうこともできる。
【００３５】
また、本実施例においては、カウンタ値ラッチ回路３２、３４、加算回路３６、ビットシフト回路３８をハードウエアで構成したものについて述べたが、これらを外部クロックのカウンタ機能を有するマイクロコンピュータで構成することもできる。
【００３６】
また、本実施例においては、光源１６を移動させるものについて述べたが、光源１６を固定し、リニアイメージセンサ１２を光電変換素子の配列方向に沿って往復動させる構成を採用することもできる。すなわち、光源１６とリニアイメージセンサ１２を相対移動させることで、光スポットの中心位置をリニアイメージセンサ１２上の絶対位置として求めることができる。
【００３７】
次に、本発明に係る絶対位置検出装置を測量機、例えば、電子レベルのオートフォーカス機構に適用したときの実施例について説明する。図４は、電子レベルのオートフォーカス機構の縦断面図、図５は、電子レベルのブロック構成図である。
【００３８】
これらの図において、電子レベル５０は、絶対位置検出装置が搭載された測量機として、望遠鏡５２を備えており、円筒状に形成された望遠鏡鏡筒５４内には対物レンズ５６、合焦レンズ５８、自動補正機構６０、ビームスプリッタ６２、焦点板６４、接眼レンズ６６、オートフォーカス検出用受光センサ６８が収納されており、対物レンズ５６、合焦レンズ５８、自動補正機構６０、ビームスプリッタ６２、焦点板６４は光軸Ｌに沿って直線状に配置されている。対物レンズ５６に入射した光は合焦レンズ５８、自動補正機構６０を介してビームスプリッタ６２に入射し、入射した光が焦点板６４と受光センサ６８に分岐されるようになっている。焦点板６４上には望遠鏡５２で視準した対象物の像が結像するようになっており、対象物の像を接眼レンズ６６を介して確認できるようになっている。すなわち、合焦レンズ５８が合焦する位置に配置されているときには、合焦したときの対象物の画像が焦点板６４に結像するようになっている。そして、焦点板６４と共役の位置に受光センサ６８が配置されており、対象物に関する画像が受光センサ６８によって検出され、検出された画像を基に測距などが行なわれるようになっている。
【００３９】
合焦レンズ５８は光軸Ｌに沿って所定の範囲に亘って往復動自在に配置されており、この合焦レンズ５８は合焦レンズ枠７０に固定されている。合焦レンズ枠７０には、合焦レンズ駆動伝達機構としてのラック７２が固定されており、このラック７２にはピニオン（図示せず）が連結されている。ピニオンはシャフト７４を介して手動合焦操作つまみ７６に連結されており、シャフト７４は軸受７８に回転自在に軸支されている。シャフト７４の周囲にはクラッチ機構８０が設けられており、このクラッチ機構８０は減速ギア機構８２を介して駆動モータ８４に連結されている。減速ギア機構８２は望遠鏡枠５４に固定されており、駆動モータ８４の回転駆動による駆動力が減速ギア機構８２、クラッチ機構８０を介してシャフト７４に伝達されるようになっている。すなわち、シャフト７４とクラッチ機構８０とは摩擦力によって接触するようになっており、駆動モータ８４が正転また逆転駆動されると、駆動モータ８４の回転駆動に伴う駆動力に従ってシャフト７４が正転または逆転し、シャフト７４の回転運動がピニオン７９を介してラック７２に伝達されると、ラック７２が光軸Ｌに沿って直線運動するようになっている。このため、駆動モータ８４を回転駆動することによって、合焦レンズ５８を光軸Ｌに沿って移動させることができる。なお、手動合焦操作つまみ７６を回転操作したときに、この操作力がシャフト７４とクラッチ機構８０との間に作用する摩擦力よりも大きいときには、手動合焦操作つまみ７６の回転操作によって合焦レンズ５８を光軸Ｌに沿って移動させることができる。また、駆動モータ８４の回転数は、例えば、インクリメンタルエンコーダで構成された回転数検出器８６によって検出されるようになっている。
【００４０】
一方、合焦レンズ５８と望遠鏡鏡筒５４との相対的な位置関係を絶対量として検出するために、望遠鏡鏡筒５４には合焦レンズ５８の移動量に相当する長さの長穴８８が形成されており、長穴８８内には合焦レンズ枠７０に連結されたロッド９０が挿入されている。ロッド９０の軸方向端部はケース９２に固定されており、ケース９２内には、光源１６が固定されている。光源１６としては、例えば、発光ダイオードが用いられている。ケース９２の前面にはスリット９４が形成されており、光源１６から出射された光はスリット９４を介してリニアイメージセンサ１２上に照射されるようになっている。すなわち、光源１６は、移動体としての合焦レンズ５８に連結され、合焦レンズ５８の移動に伴って光軸Ｌに沿って往復移動するようになっている。そして、リニアイメージセンサ１２上には合焦レンズ５８の位置に伴って光が順次照射されるようになっている。リニアイメージセンサ１２はケース９６に固定されており、ケース９６は、長穴８８の周囲を囲むように配置されて望遠鏡鏡筒５４に固定されている。この場合、リニアイメージセンサ１２上の光電変換素子の有効な長さは、光源１６の移動範囲、すなわち、合焦レンズ５８の合焦範囲をカバーできる長さに設定されている。
【００４１】
望遠鏡鏡筒５４に連結された駆動モータ８４は駆動モータ制御回路９８を介してＣＰＵ２０に接続され、回転数検出器８６はＣＰＵ２０に接続され、望遠鏡鏡筒５４内の受光センサ６８はドライブ回路１００に接続されているとともに、増幅器１０２、Ａ／Ｄコンバータ１０４を介してＣＰＵ２０に接続されている。ＣＰＵ２０には、光源ドライブ回路１０６を介して光源１６が接続されているとともに、メモリとしてＲＡＭ１０８、ＲＯＭ１１０が接続されている。また、ＣＰＵ２０には、表示装置１１２が接続されているとともに、オートフォーカス開始／停止に関する指示を入力するための入力キー１１４が接続されている。
【００４２】
ＣＰＵ２０は、受光センサ６８の受光による画像データを基に、対象物を視準したときの測距演算を行い、演算結果を表示装置１１２の画面上に表示させるとともに、回転数検出器８６に検出出力に基づいて駆動モータ制御回路９８を介して駆動モータ８４の駆動量と駆動速度を制御し、また、光源ドライブ回路１０６を介して光源１６の駆動を制御するようになっている。さらに、ＣＰＵ２０は、クロックドライバ１８から発生するシフトパルスＳＰに応答してビットシフト回路３８からのデータを１フレーム毎に演算し、合焦レンズ５８の光軸Ｌ上における現在位置を算出するようになっている。なお、受光センサ６８の受光による画像データや各種計算変数に関すデータはＲＡＭ１０８に格納され、オートフォーカス制御に必要な各種定数やプログラムなどはＲＯＭ１１０に格納されている。
【００４３】
次に、電子レベルのオートフォーカス動作を図６のフローチャートに従って説明する。まず、概略電子レベルを測定対象物のバーコード標尺に望遠鏡５２を向ける。入力キー１１４の操作によりオートフォーカス動作の開始が指示されると、ＣＰＵ２０による演算処理が開始されるとともに、クロックドライバ１８からシフトパルスＳＰとシフトクロックＳＣが出力され、光源１６からリニアイメージセンサ１２に向けて光が照射される。これにより、ＣＰＵ２０は、ビットシフト回路３８からのデータを基に合焦レンズ５８の現在位置を取得する（ステップＳ１）。次に、ＣＰＵ２０において、合焦レンズ５８の現在位置と所定の設定条件を基に合焦レンズ５８の移動方向と駆動モータ８４の速度が設定され（ステップＳ２）、この設定に従って駆動モータ８４の駆動が開始される（ステップＳ３）。駆動モータ８４が正転または逆転駆動されると、この回転駆動に伴って合焦レンズ５８が光軸Ｌに沿って移動する。このとき合焦レンズ５８の位置に応じた画像データが受光センサ６８によって取得され（ステップＳ４）、取得された画像データを基に対象物に対する測量が行なわれる（ステップＳ５）。例えば、対象物として、白地の表面に黒色のマークが複数個上下方向に等ピッチで印刷されている標尺を視準したときには、複数のマークで形成される標尺上のパターンのピッチから標尺までの距離をスタジア測量方法により求める。この後、測距の結果から測距が完了したか否かを判定し（ステップＳ６）、測距が完了していないとき、すなわち、測距結果から合焦レンズ５８が合焦位置にないと判定したときには、合焦レンズ５８の現在位置を取得し（ステップＳ７）、合焦レンズ５８の現在位置からサーチ範囲を終了したか否かの判定を行なう（ステップＳ８）。すなわち、合焦レンズ５８の現在位置を求め、合焦レンズ５８をさらに移動させる必要があるか否かの判定を行なう。サーチ範囲を終了していないときには、合焦レンズ５８の現在位置を求め、合焦レンズ５８の移動方向と駆動モータ８４の速度を設定し（ステップＳ９）、この設定にしたがって駆動モータ８４を駆動して（ステップＳ１０）、ステップＳ４の処理に戻り、引き続き次の画像データを取得するための処理に移行する。
【００４４】
一方、ステップＳ８でサーチ範囲を終了したと判定したときには、合焦レンズ５８が移動範囲内を全て動いたとして、合焦レンズ５８の駆動を停止するために、駆動モータ８４の駆動を停止する（ステップＳ１１）。このとき、合焦レンズ５８は合焦位置にない、すなわち、合焦未完了として、このルーチンでの処理を終了する。
【００４５】
また、ステップＳ６において、測距完了と判定したときには、合焦レンズ５８の駆動（移動）を停止するために、駆動モータ８４の駆動を停止し（ステップＳ１３）、測距結果から合焦状態となる合焦レンズ５８の合焦点レンズ位置を計算し（ステップＳ１４）、計算された位置に合焦レンズ５８を位置決めするための処理を行ない（ステップＳ１５）、合焦動作を完了する（ステップＳ１６）。すなわち、望遠鏡５２の光学系から決定される合焦点レンズ位置と対象物までの距離との関係を示す計算式が設定されているので、測距が完了したら、測距値を前記計算式に代入することで、測距値から合焦レンズ５８の合焦点レンズ位置を算出することができる。そして、算出された合焦点レンズ位置と合焦レンズ５８の現在位置との差が０になるように、駆動モータ８４を回転駆動することで、合焦レンズ５８を合焦位置に位置決めすることができる。
【００４６】
具体的には、合焦レンズ５８を合焦点レンズ位置に位置決めするに際しては、図７に示すように、合焦レンズ５８の現在位置を取得し（ステップＳ２１）、合焦レンズ５８の現在位置と合焦点レンズ位置との差を計算し（ステップＳ２２）、この差が０か否かの判定を行い（ステップＳ２３）、差が０でないときには、差を０にするために、差を駆動モータ８４の回転量（駆動量）に変換し（ステップＳ２４）、変換された回転量に従って駆動モータ８４を駆動し（ステップＳ２５）、ステップＳ２１の処理に戻る。これらの処理を繰り返すことで、合焦レンズ５８を合焦点レンズ位置に位置決めすることができる。
【００４７】
この際、減速ギア機構８２やクラッチ機構８０には機械的なクリアランスが存在するため、指定の回転量に従って駆動モータ８４を駆動しても、駆動モータ８４の回転量と合焦レンズ５８が実際に移動したときの移動量とが必ずしも一致しない現象が発生することもあるが、合焦レンズ５８の絶対位置は常に瞬時に、すなわち、１フレーム毎に検出することが可能であるため、合焦レンズ５８に対する位置決め処理を迅速にかつ確実に行なうことが可能になる。
【００４８】
本実施例においては、合焦レンズ５８の光軸Ｌにおける絶対位置を迅速に求めて、合焦レンズ５８を合焦点レンズ位置に位置決めすることができ、合焦レンズ５８に対するオートフォーカス動作を迅速にかつ正確に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】（ａ）は、本発明の一実施例を示す絶対位置検出装置の概略構成図、（ｂ）は、１個のスリットを有するスリット板を光源とリニアイメージセンサとの間に配置したときの側面図、（ｃ）は、２個のスリットを有するスリット板を光源とリニアイメージセンサとの間に配置したときの側面図である。
【図２】本発明の一実施例を示す絶対位置検出装置のブロック構成図である。
【図３】図２に示す絶対位置検出装置の動作を説明すための波形図である。
【図４】電子レベルのオートフォーカス機構と望遠鏡の縦断面図である。
【図５】電子レベルのブロック構成図である。
【図６】電子レベルのオートフォーカス動作を説明するためのフローチャートである。
【図７】合焦レンズの位置決め制御を説明するためのフローチャートである。
【図８】従来のアブソリュート型リニアエンコーダのブロック構成図である。
【符号の説明】
【００５０】
１２  リニアイメージセンサ
１４  移動体
１６  光源
１７  コリメータレンズ
１８  クロックドライバ
２０  ＣＰＵ
２１  スリット板
２２  比較器
２８  立上りエッジ検出回路
３０  立下りエッジ検出回路
３２、３４  カウンタ値ラッチ回路
３６  加算回路
３８  ビットシフト回路
５２  望遠鏡
５６  対物レンズ
５８  合焦レンズ
６２  ビームスプリッタ
６４  焦点鏡
６６  接眼レンズ
６８  受光センサ
８０  クラッチ機構
８２  減速ギア機構
８４  駆動モータ
【図１】
2006162531.tif 000003
【図２】
2006162531.tif 000004
【図３】
2006162531.tif 000005
【図４】
2006162531.tif 000006
【図５】
2006162531.tif 000007
【図６】
2006162531.tif 000008
【図７】
2006162531.tif 000009
【図８】
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