(57)【要約】静止したまたは可動の物体（Ｓ）の位置、物体（Ｓ）の曲がり、物体（Ｓ）に印加されるトルクおよび物体の回転速度を光学的に測定する、非接触で精密な光学的距離および角度の測定方法およびシステム。本発明は、静止したまたは可動の物体（Ｓ）の周囲または近傍に配置され、物体（Ｓ）の表面（３５）に光信号を送信し、予め定められたマーカーまたは反射領域（３３ｎ）が検出されると光信号を受信する、複数の光センサ（１１１、１１ｎ）または代案として区分されたセンサアセンブリ（図８、９、１１）を含む。受信された光信号は、マーカーまたは反射領域（３３ｎ）の反射性材料と同一の反射性材料に対する、センサの反応の事前の特徴付けを通して備えられた、数学的計算を用いて処理される。
2005534033.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光センサアセンブリ（５００）と相対的な物体の絶対距離と平面角を測定する方法であって、該方法は：
該物体（Ｓ）に隣接して構造（２１）を取り付けるステップと；
該取り付ける構造（２１）に、複数のセンサ（１０８、１０９、１１０、１１１、１１２、５０３、５０４、５０５、５０６、５０７）を含む光センサアセンブリ（５００）を配置するステップと；
光信号を送信する送信器（５０１）を準備するステップと；
該物体（Ｓ）の表面部（３５）上に少なくとも１つのターゲット（３３ｎ）を配置するステップと；
通信バス（４３）により、該送信器（５０１）と光センサアセンブリ（５００）の各々のセンサ（１０８、１０９、１１０、１１１、１１２、５０３、５０４、５０５、５０６、５０７）とを通信するために制御電子機器（４１）を用いるステップであって、各々のセンサ（１０８、１０９、１１０、１１１、１１２、５０３、５０４、５０５、５０６、５０７）が、該少なくとも１つのターゲット（３３ｎ）が該光センサアセンブリ（５００）を通過するとき、該少なくとも１つのターゲット（３３ｎ）から光信号を受信するものであるステップと；
該制御電子機器（４１）にロードされ記憶された信号処理ソフトウェア手段（５１）により、該光センサアセンブリ（５００）の各々のセンサ（１０８、１０９、１１０、１１１、１１２、５０３、５０４、５０５、５０６、５０７）からの光センサ情報を処理するステップと；および
絶対距離と平面角を計算するステップとを含む方法。
【請求項２】
該送信器（３３ｎ）を用意するステップは、該光センサアセンブリ内に該送信器（５０１）を用意することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
該光センサアセンブリは、区分されたセンサアセンブリを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
該少なくとも１つのターゲット（３３ｎ）は、反射性の表面を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
該少なくとも１つのターゲット（３３ｎ）への該光信号の予め定められた領域を分離するために、かつ該少なくとも１つのターゲット（３３ｎ）から光信号を検出するために、該送信器（５０１）による該光信号を、該光センサアセンブリ（５００）に光学的に接続された複数の鏡面（５０８、５０９、５１０、５１１、５１２）へ導くステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
光学センサアセンブリ（５００）の複数のセンサ（１０８、１０９、１１０、１１１、１１２、５０３、５０４、５０５、５０６、５０７）と相対的な物体（Ｓ）の絶対光学距離と平面角を測定するシステムであって、該システムが：
該物体（Ｓ）に隣接して添えられた取り付け構造（２１）と；
該取り付け構造（２１）に備えられた前記光センサアセンブリ（５００）と；
光信号を送信する送信器（５０１）と；
該送信された光信号を反射するための該物体（Ｓ）の表面部上に備えられた少なくとも１つのターゲット（３３ｎ）と；
通信バス（４３）により、該送信器（５０１）と光センサアセンブリ（５００）の各々のセンサ（１０８、１０９、１１０、１１１、１１２、５０３、５０４、５０５、５０６、５０７）とを通信する制御電子機器（４１）であって、前記各々のセンサ（１０８、１０９、１１０、１１１、１１２、５０３、５０４、５０５、５０６、５０７）が、該少なくとも１つのターゲット（３３ｎ）が該光センサアセンブリ（５００）を通過するとき、該少なくとも１つのターゲット（３３ｎ）から光信号を受信するものである制御電子機器と；および
該光センサアセンブリ（５００）の前記各々のセンサ（１０８、１０９、１１０、１１１、１１２、５０３、５０４、５０５、５０６、５０７）からの光センサ情報を処理し、絶対距離と平面角を計算する、該制御電子機器（４１）にロードされ記憶された信号処理ソフトウェア手段（５１）とを含むことを特徴とするシステム。
【請求項７】
前記複数のセンサが区分されたセンサアセンブリを含む、請求項６に記載の発明。
【請求項８】
該区分された光センサアセンブリが、予め定められた領域を伴う等しく区切られた部分を含む複数の受信部分を含む、請求項７に記載の発明。
【請求項９】
該複数の部分の各々の部分が光ファイバーを含む、請求項７に記載の発明。
【請求項１０】
前記物体（Ｓ）が静止した物体を含む、請求項６に記載の発明。
【請求項１１】
前記物体（Ｓ）が可動物体を含む、請求項６に記載の発明。
【請求項１２】
前記少なくとも１つのターゲット（３３ｎ）が物体の予め定められた領域を含む、請求項６に記載の発明。
【請求項１３】
前記少なくとも１つのターゲット（３３ｎ）が反射性の表面を含む、請求項６に記載の発明。
【請求項１４】
該送信器（５０１）からの光の予め定められた領域を分離し、かつ該少なくとも１つのターゲット（３３ｎ）から光信号を検出する、該光センサアセンブリ（５００）に光学的に接続された複数の鏡面（５０８、５０９、５１０、５１１、５１２）をさらに含む、請求項６に記載の発明。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、１９９９年１２月３０日に出願された、「距離および角度の光学的測定方法およびシステム」と題され、以下に参考のため全文が添付された、米国特許出願第０９／４７６，３９２号の一部継続出願である。
【０００２】
本発明は一般的にセンサの分野に関し、特には空間的距離、可動物体の速度と相対的な角度変化を決定するためのファイバー光センサの使用に関する。
【背景技術】
【０００３】
商業用産業や防衛産業では、製品寿命、簡便化した動作と維持を増進し安全性と信頼性を向上する、統合化を提供する技術の統合をユーザは求め続けている。しかしながら提供される技術は、明瞭かつ定量的な費用対効果の分析を同時に支持しなければならない。
【０００４】
ファイバー光センサは、数十年間相対的な位置の測定に使われてきたが、本発明以前にはそれらの効用は自己較正で精密な絶対位置測定システムには至っていなかった。ファイバー光センサを用いた在来のシステムが相対的な測定の能力のみを提供する一方で、測定される表面の角度と、測定される表面とセンサとの距離に敏感なので、使用の間での頻繁な較正を一般的に必要とする。特に、精密絶対位置測定システムはファイバー光センサでは達成できないと、何人かの当業者は信じている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般的なセンサの予知システムは、そのための現在のセンサ技術が存在しない、統計的確率を決定する途方もない量の処理能力を要し、また物理的特性の精密な測定を要する。例えば、可動なシャフト（航空機用エンジンまたは同様な車両のエンジンで見られるような）の予知測定においては、安全な航空機の運用を保証するために、シャフトの動作特性が知られていなければならない。必要とされる動作特性のいくつかはシャフトの横方向変位、シャフトの配置ずれ、シャフト速度およびトルクの観察を含むが、これらすべてが現在の非接触センサ技術では得ることが困難または不可能な特性である。これらの特性は、タービン発電機、発電所、船舶、潜水艦および地上走行装置等の用途での決定に必要である。
【０００６】
ドライブシャフトの配置の測定の必要は、ずっと続いてきた。柔軟なまたは比較的硬質な構造では、可動なシャフト（例えば回転しているシャフト）は配置からずれたり、ストレス限界を超えて曲がったりまたは設定された軸からずれたりして、構成、エンジンまたはシステムの損傷に帰着する。例えば航空機の安全性は、トルクのような可動部品の動作特性が他のエンジンの部品に送信されることの決定に、部分的に依存する。さらに、シャフトの姿勢および曲げ特性はシャフトの回転速度やトルクと同様に、非接触で測定される必要がある。シャフトの姿勢または曲がりによる動きは０．０１インチ（即ち１０ミル）以下で測定される必要があり、毎分回転数およびトルクはさらにモニターされる必要がある。
【０００７】
従来のシャフトを測定してモニターする、２つの技術的アプローチは不成功であった。例えばルーセントテクノロジー社はエディカレントセンサを用いようとしたが、しかしながらエディカレントの検出に基づく測定はこれらおよび同様の用途が必要とする、精度、環境の許容性、堅牢性を提供しなかった。他方は、トルクカプラーに埋め込まれた磁気スラグを必要とする設計思想を試みた。しかしながらこの方法も、同様に不成功であることを証明した。
【０００８】
こうして、例えば航空機用のエンジン内部のような限られたスペースで、大きなドライブシャフトまたはトルクカプラーの動きを光学的に測定する、大がかりでないシステムの必要性があった。このセンサシステムは、エンジン内部に流入する空気の流れに干渉してはならず、（例えば高振動、衝撃および高温の条件のような）種々の環境条件に適応しなければならない。望ましくは、スペースの制限からセンサは、ドライブシャフトまたはカプラーアセンブリの表面から１５０ミルから５００ミルの間に配置されなければならない。センサシステムはまた、較正なしでシャフトの動きの絶対測定を捕らえられなければならない。さらにセンサシステムで得られた測定データは、シャフトが毎分９０００回（ＲＰＭ）まで回転している用途において、１０ミルまたはそれ以下の動きを決定できる能力がなければならない。システムはまた、トルクを計算するために可動シャフトの捻れと同様に、望ましくは９０００ＲＰＭ以上のシャフトの回転を測定できるべきである。システムはまた、その表面がセンサから軸方向のみならずセンサに対して複雑な角度で距離を変化させることが知られている、トルクカプラーから各々のセンサまでの絶対距離を測定できるべきである。相対運動に対する絶対運動、高感度のシャフトのズレおよび運動しているシャフトの捻れを大がかりでなく測定する能力は、本発明以前には達成されなかった。
【０００９】
本発明により開示されるような、自己較正の精密絶対位置測定システムは同様に防衛産業により支持されている。陸軍、海軍および空軍の長官達は皆、新規の調達品は承認により資金提供するに先だってシステムの健全性の診断および予知システムを組み込んでいなければならないと、政策により指示している。これは、陸軍用のクルーセイダー、海兵隊用の先進水陸両用攻撃車両および空軍・海軍共同利用の共用戦闘攻撃機（ＪＳＦ）を含む、新規開発プログラムでも強調されてきた。しかしながら、この必要とこの必要に適合できる技術との間には本発明の開示まではギャップがあった。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
以下の本発明の概要は、本発明に独特なあるいくつかの革新的な特徴の理解を促進するために提供されるもので、全部の記述を意図したものではない。本発明の様々な態様の完全な理解は、全体としての明細書、請求項、図面および要約全部を考慮することによってのみ得ることができる。
【００１１】
本発明は、可動物体（エンジンのシャフトのような）の位置、可動物体の曲がり、物体に印加されるトルクおよび物体の回転速度を光学的に測定する、非接触で精密な光学的距離および角度の測定システムを含む。本発明は、物体の周囲または近傍に配置され、物体の表面上のターゲットマーカー手段ファイバー光束を経由して光信号を送信し、ターゲットマーカー手段が検出されると光信号を受信する、複数の光センサを含む。受信された光信号は、所望の情報を得るために当業者に既知の非線形推定技術により処理される。本発明は乗り物のエンジン（商用または軍用の飛行機で見られるような）を意図しているが、例えばタンク、発電機、船舶用機関および他の可動機械を必要とする用途のような、他の用途にも適用可能である。
【００１２】
本発明の新規な特徴は、以下の本発明の詳細な記述の調査により当業者に自明になるか、または本発明の実施により学習されうる。
本発明の精神と範囲内での種々の変形と改変が、発明の詳細な記述と特許請求の範囲から当業者には自明となるので、発明の詳細な記述および示された特定の例は本発明のある実施形態を表すが、しかしながらそれらは例示の目的にのみ提供されていることが理解されるべきである。
【００１３】
添付の図面では、同様の参照番号は異なる図面でも同一または機能的に類似の要素を示す。図面は明細書に組み込まれかつその一部を構成し、さらに本発明を図示して、発明の詳細な説明と共に本発明の原理を説明するために供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明は、複数のセンサアセンブリ手段により、可動のトルクカプラーまたは同様の構成上の予め定められたの表面に光信号を送信し、光信号の反射を測定して、信号処理ソフトウェアにより、センサおよびターゲットのモデルを考慮して、シャフトの動作特性に関連する所望の情報を処理する、精密非接触光学的距離および角度測定システムである。
【００１５】
図１を参照すると、本発明は、可動シャフトＳと組み合わせられて取り囲む、トルクカプラー３１に近接する少なくとも１つの取り付け構造２１に配置された、複数の光センサアセンブリ手段１１１−１１ｎと；望ましくはトルクカプラー３１の表面３５にまた代替案としてシャフトＳに直接取り付けられた、ステップになった少なくとも１つのターゲットマーカー手段３３ｎと；通信バス４３を経由して、各々の光センサアセンブリ手段１１ｎと通信する制御電子機器４１と；制御電子機器４１にロードされ記憶された信号処理ソフトウェア５１とを含む。図１に示されるシステムの第２の実施形態は、図８および９に示される区分されたセンサを含み、それにより研磨された均一な表面のような、ステップのないまたは多面化されていないターゲットマーカーの使用を可能にする。多面化されないターゲットの使用は、回転しない機械にターゲットが取り付けられる環境での動作を可能にする。
【００１６】
図１に見られるように、可動シャフトＳに取り付けられたトルクカプラー３１に近接する、従来型のデザインの取付構造２１に、各々のセンサアセンブリ手段１１ｎは取り付けられている。各々のセンサアセンブリ手段１１ｎは、望ましくは取付構造２１上に等距離に、かつそのため可動シャフトＳを取り囲んで配置される。望ましい実施形態では、３つのセンサアセンブリ手段１１１、１１２、１１ｎが図１に見られるように、シャフトＳの周りに均一に配置されているが、しかしながら本発明により述べられる結果を達成するために、最少では２つのセンサアセンブリ手段を用い得ることを、当業者は知るであろう。各々のセンサアセンブリ手段１１１−１１ｎは、可動のトルクカプラー３１の表面３５から望ましくは０．１５〜０．４インチの間に配置される。各々のセンサアセンブリ手段１１１−１１ｎはまた望ましくは、１センサあたりに多重の光ファイバー束を有する、従来の光ファイバー同軸リング型センサであり、特にトルクカプラー３１の表面３５に光信号を送信し、表面３５に形成または取り付けられたターゲットマーカー手段３３ｎから光信号を受信し、信号処理ソフトウェア手段５１により処理するためのシャフト情報に対応する電圧を制御電子機器４１に送信する、光ファイバーである。図９のファイバー光センサは、刻みや多面のあるターゲットを必要とすることなくシャフト情報が誘導されることを可能にする付加部が追加された、同軸リングセンサの変動を表す。この実施形態では、同軸リング部１０８は４つの受信ファイバー部１０９、１１０、１１１、１１２により取り囲まれている。これらは望ましいファイバー光センサの実施形態であるが、本発明の精神に留まりつつ他のセンサ（例えば限定でない例として、他のコヒーレント光センサ、ノンコヒーレント光センサ、白熱センサ、広帯域センサ、多重波長センサまたは他のファイバー光センサのような）を用いることができることを、当業者は知るであろう。各々のターゲットマーカー３３ｎが回転して各々のセンサアセンブリ１１１−１１ｎを通過するに連れて、送信された信号がターゲットマーカー手段３３ｎのいずれかに反射した時に、反射された送信光信号の強度に基づいて、各々のセンサアセンブリ１１１−１１ｎは連続的かつリアルタイムに可動な表面３５からの反射光を測定する。こうして望ましい実施形態では、それによってある固定された基準座標系と相対的に測定される表面３５（および即ちカプラーの座標面）の姿勢を推定することができる、測定面３５への３つの正確な距離を得ることができ、各々のセンサアセンブリ手段１１ｎと相対的な各々のセンサアセンブリ１１１からのシャフトＳの座標角度変位と距離を直接の測定を可能にする。
【００１７】
典型的な同軸リングファイバー光センサ（本発明で望ましいような型式の）は、光検出器と接続された検出ファイバーの同軸のリングにより取り囲まれた発光送信ファイバーの中心束を利用している。同軸リングファイバー光センサはまた、図８、９のセンサの構成に具体化されているように、円形断面、図９の１０９、に共に配置された送信および受信ファイバーが均一に配置されて構成されることもできる。反射表面に相対的に離間した同軸リングセンサの非接触の動きは、図２に示されたと同様の検出反応曲線特性を提供する。この型式の特性曲線を示す商業的に入手可能なセンサを用いる用途は、図２に示されたこの反応曲線のピークのどちらかの側に近い線形部分のみを用いており、一般的な商用ファイバー光センサの線形部分は約１００ミルである。しかしながらこの曲線の線形部分の動作特性の使用は、センサアセンブリ手段の動作範囲を厳しく限定し、さらにセンサの絶対較正の手段を与えない。本発明は対称的に信号処理ソフトウェア手段５１によるデータ処理のために、この曲線の非線形動作特性部分を用いる。
【００１８】
図３を参照すると、本発明において望ましい型式の同軸リングファイバー光センサの反応の３次元プロットを、図３は示す。示されているように、この型式のセンサは角度変化に対し非常に敏感で、それ故そのようなセンサの反応特性への小角度変化の効果は、所望の精度のレベルを達成するためにモデル化されなければならない。この反応特性はまた、反射表面材料の関数でもある。こうしてこれらの型式のセンサを用いる際には、最初に各々のセンサの３次元反応（またはマップ）を把握してモデル化しておくことが望ましい。これは例えば、各々のセンサを自動化された高精度取付容器に配置し、自動化特性システムが特性対象面に対するセンサの距離と２つの直交する角度とを変化させつつ、既知の対象材料からの各々のセンサの反応を得ることで達成される。結果のマップ化された情報は、引き続く計算のために信号処理ソフトウェア手段５１に記憶されることができ、または図８および９のファイバー光センサの実施形態については、マップ化処理の距離および平面角度の動作範囲にわたるそのセンサの反応を表す、非線形方程式を誘導するために用いられることができる。
【００１９】
少なくとも１つの多面ターゲットマーカー手段３３ｎが従来技術の方法によりカプラー３１の測定面３５に取り付けられ、表面３５の面の決定を可能にするために表面３５上に空間的に上手く割り当てられるが、これは代わりにシャフトＳの角度の幾何学的な決定を可能にする。図８および９の他のファイバー光センサの実施形態では、センサ１０８、１０９、１１０、１１１、１１２の多数の部分が絶対距離と角度の測定を可能にするので、ターゲットマーカーは多面ではないが、これは望ましい実施形態では多面のターゲット手段３３により可能にされている。望ましくは、各々のターゲットマーカー手段３３ｎは表面３５上の他と互いに１２０度隔てられて配置されている。各々のターゲットマーカー手段３３ｎは光反射性で、各々のセンサ１１ｎにより送信される光信号を反射することができる。望ましい実施形態では、各々のターゲットマーカー手段３３ｎは任意の中心点Ｃから所定の高さにあり、高度に反射性の互換性のある材料（例えばニッケルメッキをしたアルミニウムのような）で作成されており、図４ａに見られるように５つの多面３７１−３７ｎを含む。センサアセンブリ手段１１ｎの能力をモデル化したシミュレーションを用いて、５つの多面がある解に急速に収束する循環的なセンサ推定器（図６に見られるような）を最適に可能にすることが決定された。第１の３つの多面３７１−３７３は、固定された精密なズレの変化を生成する。第４の多面３７４は、カプラー３１の回転の軸の固定された精密な角度の変化を生成する。第５の多面３７５は、カプラー３１の回転に垂直な軸の固定された精密な角度の変化を生成する。図８および９のファイバー光センサの代替案の実施形態では、多数に区分されたセンサヘッドは多面化されたターゲットにより提供されるのされるのと同等の能力を提供し、それによりセンサアセンブリ１０１は、ターゲットマーカーに埋め込まれた、または測定すべき表面の研磨された領域の、均一な反射面からの光を送信したり受信したりすることのみが必要である。多くの反射性材料が、本発明のターゲットマーカー手段の望ましい実施形態（例えばニッケル、アルミニウム、ステンレススチール、チタンおよびガラスの鏡の第１または第２の面のような）と、本発明の精神と範囲に留まったまま代替可能であることを当業者は理解するであろう。表面３５上の各々の多面３７ｎの空間的および時間的位置の追跡により、各々のセンサ１１ｎからのカプラー３１の推定された絶対距離および各々のセンサ１１ｎとの各々のターゲットマーカー手段３３ｎとの相対角度を計算するために、（表面との距離および表面の角度に比例する）測定電圧と、（制御電子機器４１に記憶されている）推定距離および角度のセンサの反応のモデルとの間の比較がなされる。図８、９の代替案のセンサの実施形態では、絶対距離および角度の計算に用いられる一組の信号は、センサの各々の区分１０８、１０９、１１０、１１１、１１２の受信ファイバーにより集められる光から得られる。この実施形態は、各々の多面からの測定値を得ることと対称をなしている。
【００２０】
各々のセンサアセンブリ手段１１ｎから得られた信号の反射に対応する情報は、制御電子機器４１により通信バス４３（例えば、ファイバー光データバスまたは束）を経由して、信号処理ソフトウェア手段５１に送信される。第２のセンサアセンブリ手段の実施形態の場合には、信号光は送信インターフェース１０２を通して送信ファイバーと組み合わせられ、代わりにヘッド１００から出力される；各々の区分１０８、１０９、１１０、１１１、１１２の受信ファイバーにより集められた反射光は、次に受信束１０３、１０４、１０５、１０６、１０７にインターフェースされた光デバイスにより電気信号に変換される。結果の電圧は各々の区分に集められた光に比例し、第１の実施形態と同様の方法で信号処理手段５１に送信されることができる。ここで信号処理ソフトウェア手段５１は、可動シャフトＳが１０ミルから４５０ミルまでおよび０．１度から２．５度までの範囲のどの面にあるかを決定するために従来技術の方法でプログラムされている。同時に信号処理ソフトウェア手段５１は、毎分９０００回までのシャフトＳの回転速度をモニターしている。
【００２１】
本発明の望ましい実施形態では、信号処理ソフトウェア手段５１は、図５に示されているように対象認識および毎分回転数推定器６１、用いられている各々のセンサアセンブリ手段１１ｎに対応する複数のセンサ推定器６３ｎ、捻れカプラー面推定器６５を含む。
【００２２】
動作中各々のセンサアセンブリ手段１１ｎは、カプラー３１の回転につれてカプラー３１のリムからの反射により得られた、連続信号を生成する。本発明の望ましい実施形態では、カプラー３１のリム上の各々のターゲットマーカー手段３３ｎの間のスペース（または領域）は、一般的には非反射性の材料で暗くされている。したがって各々のターゲットマーカー手段３３ｎは、それが各々のセンサを回転して通過する際に、かなり高い戻り（または反射）信号を得る。反射性材料の小片（図示せず）が、カプラーのリム上の基準マークを提供するために、カプラーのリムの予め定められた位置に、付加的に配置される。この小片は、カプラーの回転角度の決定用の基準点を提供する。小片が各々のセンサアセンブリ手段１１ｎにより検出される場合、これはセンサアセンブリ手段１１ｎにより検出される次のターゲットマーク手段３３ｎがターゲットマーカー手段３３１であることの予兆となる。これは、ターゲットマーカー手段３３２、３３３から３３ｎまで引き継がれる。対象認識および毎分回転数推定器６１は、計算のために基準マーカーの位置を定め、各々のターゲットマーカー手段の位置を定め、各々のターゲットマーカー手段の各々の区分の位置を定め、センサ推定器６３にデータを送信するために各々のターゲットマーカー手段３３ｎの各々の区分３７ｎのセンサ反応を得て、各々のセンサアセンブリ手段１１ｎのサンプリングレートを用いて、回転ごとの基準マーカーの通過に対応する情報により、シャフトの回転速度を決定する。
【００２３】
図６を参照すると、各々のセンサ推定器６３ｎは用いられる各々のセンサアセンブリ手段１１ｎと相互に関連し、各々のターゲットマーカー手段３３ｎの５つの多面３７１−３７５からの電圧に基づいて、推定した距離と２つの直交する角度を計算のために生成する。さらに、本発明に用いられる光回路および電子回路のすべての利得の変化を取り入れるために、各々のセンサ推定器６３ｎには減衰パラメーターが用いられる。用いられる各々のセンサの特性反応のモデル（例えばそれらは予め定められたターゲットマーカー手段３３ｎにいかに反応するか）は、これらのパラメーターを再帰的に推定するために必要であり、信号処理ソフトウェア手段５１内に記憶される。そのようなモデルは、用いられる各々のセンサアセンブリ手段１１ｎのオフライン特性から、既知の方法により導出される。
【００２４】
図６に示されているように、各々の多面３７ｎからの反射光に応じて得られた各々のセンサアセンブリ手段１１ｎからの電圧反応を、各々のセンサ推定器６３ｎは推定した電圧測定値（センサとターゲットのモデルから予め導出されている）と比較し、それらの差を利得行列で乗算する。利得行列（予め導出されている）は、ノイズ、ターゲットおよびセンサに固有のくせを最少にするように考慮するべきである。その結果は状態の過去の推定値に適用され、新しい推定値が生成される。距離、角度および減衰のこの新しい推定値は、非線形のセンサモデルに適用され、したがって次の測定の推定値を生成するターゲットモデルに適用される。
【００２５】
捻れカプラー面推定器６５は、センサ推定器６３ｎから３つの精密な距離を得て、センサ推定器と形式が類似である再帰カマン推定器を通して、カプラー３１の姿勢を決定するためにこれらの距離を用いる。この方法を達成するいくつもの方法があることを当業者は認識しているだろうが、再帰カマン推定器は連続的に生成されるカプラー平面を読むことができるので、この方法が望ましい。
【００２６】
望ましい実施形態では、当業者には周知の方法によりマトラブおよびマスマティカで所望の情報を得るために、信号処理ソフトウェア手段はプログラムされている。これらのプログラム言語はプロトタイプで便宜的に用いられたが、（例えば予めプログラムされたＡＳＩＣＳのようなハードウェア手段により、またはマイクロコントローラにソフトウェアを実装することにより）他の方法が採用可能であることを当業者は知るであろう。各々のターゲットマーカー手段３３ｎが可動カプラーと組み合わせられているので、本発明の非接触、光学距離および角度測定システムは、可動シャフトＳの精密な姿勢、速度およびトルクを計算するための、１回転あたり多数の測定値の収集を可能にする。ここまでで当業者には知れたように、測定される表面または面が完全には平らでない用途には、多数の測定値を得ることが特に有用であり、多数回の測定は不均一な表面を理想化されたカプラー面に写像化するために役立つ。
【００２７】
さらに、周囲環境の条件にかかわらず、シャフトＳの絶対変位およびシャフトＳの角度変位の非線形な推定により、ターゲットマーカー手段３３ｎからの反射光に基づいて、自動的にシャフトの特性を決定するために、信号処理ソフトウェア手段５１はプログラムされる。例えば、反射光強度の勾配は、大気の質、湿度、温度、予期せざる障害物（塵埃粒子を含む）、ターゲット面の反射性、光源の強度および動作特性、ターゲットへの入射角等の多くの因子に影響される。こうして、本発明の望ましい実施形態では、光路中の変動を吸収し、電子回路またはファイバー束の変動を検出するために、適応利得を提供する信号処理手段を信号処理手段５１はさらに含む。
【００２８】
図８および９の代替のセンサアセンブリの実施形態では、反射性で多面化されていないターゲットマーカーまたは表面の研磨領域により反射される光を、センサはシャフトの表面部に対して発信する。３つのセンサの区分１０８、１０９、１１０、１１１、１１２のファイバーにより集められた光から得られた電圧は、処理ソフトウェア手段１１３に入力される。次に、区分からの５つの電圧は各々のセンサに対する３つの比の測定値を得るために、１１４、１１５、１１６、１１７、１１８、１１９、１２０、１２１、１２２で処理される。距離と角度の関数として、既知の反射性材料に対するセンサの反応に対応する比を表す多項式は、第１の実施形態について述べたようなセンサの特性化を通して得られる。次にこれらの比は、逆多項式推定器１２３、１２４、１２５、１２６、１２７、１２８、１２９、１３０、１３１により、さらに処理される。これらの計算結果は、絶対距離および角度の測定値であり、第１の実施形態で得られるものと同様である。
【００２９】
図１１ａ−１１ｆの代替のセンサアセンブリの実施形態では、光ファイバー送信ケーブルの必要性を除去するため、センサアセンブリ５００はセンサターゲットのごく近くに配置されている。この代替のセンサアセンブリでは、しかしながら、図９に示されたと同等な光ビームを送信し、同等な光の領域を分割する手段は、代替のセンサアセンブリ５００を通して促進される。ここで、図１１ｂに示される反射率２０％の鏡面を通して送信され、図１１ｃに示される反射率１００％の鏡面５０９で反射され、前に述べられた光学鏡面ターゲットへ向かって光学ウィンドウ５１４から出力される、光を光送信器５０１は生成する。ターゲットの距離と角度により変化させられた光は、反射されて光学ウィンドウ５１４を通って光学ブロック５１３に戻るが、光学ブロック５１３はミラー５０８〜５１２および検出器５０３〜５０７を含み、図９〜１０に示された前に述べた方法と同様の方法で戻りの光を分離して検出する。検出器のアセンブリ５０２〜５０７は望ましくは一般的に入手可能なダイオード検出器および関連するコリメータと絞り制御素子を含む。ミラー５０８〜５１２は、数％の反射率と図１１ｂ〜１１ｆに示した反射パターンを有する、一般的には第１表面ミラーである。保護ミラー５１４は、反射防止膜と一般的に行われている光学帯域幅選択性を有する一方で、引っ掻き抵抗性を提供する要素と光学ブロックアセンブリ５１３への他の保護手段とを含む。図９に示されたと同様の方法で、ハードウェアおよび／またはソフトウェアにおいて、光学的に合焦されたＣＣＤアレイとアレイ出力の分割を用いたイメージング方法と同様に、カスタムダイオードアレイアセンブリを含む、同様の測定電圧を得る電子光学アセンブリの代替品が多くあることを、当業者は早急に理解するであろう。
【００３０】
本発明の他の変形と改変が当業者には自明であり、そのような変形と改変を包含することが添付の請求項の目的である。以上に議論した特定の値および構成は変化させることができ、本発明の特定の実施形態を示すために引用されているが、発明の範囲を限定することは意図されていない。
【００３１】
本発明の使用は、非接触精密光学的距離角度測定システムが特許請求の範囲に従う限り、異なる特性を有する構成要素を伴うことが可能であると企図される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】トルクカプラーが取り付けられた可動シャフトを部分的に取り囲む取付構造を備える、本発明の一実施形態の側面斜視図である。
【図２】商業的に入手可能な光ファイバー同軸リング型センサのグラフで示す、反応曲線である。
【図３】同軸リングファイバー光センサの反応の３次元プロットである。これは、距離と角度を変数としたセンサの感度を示し、これらの変数に対するセンサの非線形特性を示す。
【図４】図４ａは、トルクカプラーが移動してセンサアセンブリ手段の前面を通過する時に処理用の信号を提供する、多面ターゲットマーカー図が取り付けられた、トルクカプラーの端面図である。
【００３３】
図４ｂは、図４ａに示す多面ターゲットマーカーの図である。
【図５】各々のターゲットマーカーが各々のセンサアセンブリ手段を通過するにつれて、センサアセンブリにより検出される電圧からカプラーの姿勢情報を誘導するために必要とされる、信号処理機能のブロック図である。
【図６】図５に示す望ましいセンサ推定器を描いた、システム図である。
【図７】図５に示す望ましいトーションカプラー面推定器を描いた、システム図である。
【図８】絶対距離および平面角度を測定するための手段として用いられた、ファイバー光センサの他の実施形態の図である。
【図９】複数（４）の受信用ファイバー部により取り囲まれた、センター送信／受信用ファイバー部からなる、図８のセンサの実施形態用のセンサヘッドの特有の構成を示す図である。
【図１０】図８および９の実施形態のセンサにより得られる信号から所望の距離および角度の測定値を計算するために必要とされる処理ソフトウェアを示す図である。
【図１１ａ】センサアセンブリがターゲットの近傍に配置できた時に有用な、所望の測定電圧を収集する第３のセンサアセンブリを示す図である。
【図１１ｂ】図１１ａに示すセンサアセンブリの代替案で必要とされる５つのミラーの構成を示す図である。
【図１１ｃ】図１１ａに示すセンサアセンブリの代替案で必要とされる５つのミラーの構成を示す図である。
【図１１ｄ】図１１ａに示すセンサアセンブリの代替案で必要とされる５つのミラーの構成を示す図である。
【図１１ｅ】図１１ａに示すセンサアセンブリの代替案で必要とされる５つのミラーの構成を示す図である。
【図１１ｆ】図１１ａに示すセンサアセンブリの代替案で必要とされる５つのミラーの構成を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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