(57)【要約】【課題】アンチピンホールを光路上に保持するための保持部材による隙間量の検出精度の低下を回避する。【解決手段】隙間センサは、半導体レーザ１と、コリメートレンズ２と、対物レンズ３と、前側焦点が対物レンズ３の後側焦点と一致するように配置された投影レンズ５と、投影レンズ５の前側焦点および対物レンズ３の後側焦点の位置に配置され、対物レンズ３の後側焦点に集光される０次光を遮光する遮光部材４と、投影レンズ５の後側焦点の位置に配置された受光器６と、受光器６の出力を解析して計測対象物１００の隙間量を検出する隙間検出部７とから構成される。遮光部材４は、光軸８の方向および計測対象の隙間の方向と直交する幅方向に沿って配置される。【選択図】  図１
2018044771.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平行光を発する光源と、
計測対象物を間に挟んで前記光源と対向するように配置された対物レンズと、
前記光源に近い方の前側焦点が前記対物レンズの後側焦点と一致するように配置された投影レンズと、
前記投影レンズの前側焦点および前記対物レンズの後側焦点の位置に配置され、前記光源から前記計測対象物の隙間および前記対物レンズを通って前記対物レンズの後側焦点に集光される０次光を遮光する遮光部材と、
前記投影レンズの後側焦点の位置に、受光面が前記光源の光軸と直交するように配置され、受光した光を電気信号に変換する受光器と、
この受光器の出力を解析して計測対象物の隙間量を検出する隙間検出手段とを備え、
前記遮光部材は、前記光源の光軸の方向および計測対象の隙間の方向と直交する幅方向に沿って配置されることを特徴とする隙間センサ。
【請求項２】
請求項１記載の隙間センサにおいて、
前記計測対象物は、この計測対象物の隙間を通って前記平行光が前記対物レンズに入射すると共に、前記平行光の一部を遮光し、この平行光を遮光する部分と前記隙間との境界であるエッジの位置が、前記対物レンズの前側焦点を含む、前記光軸と直交する平面の位置と一致するように配置されることを特徴とする隙間センサ。
【請求項３】
請求項１または２記載の隙間センサにおいて、
前記計測対象物は、上下２本のローラによって搬送対象の物体を搬送する搬送機構であり、前記搬送対象の物体の流れ方向が前記光軸の方向と一致し、計測対象の隙間の方向が前記光軸の方向と直交し、前記２本のローラの回転軸の方向および前記搬送対象の物体の幅方向が前記搬送対象の物体の流れ方向および計測対象の隙間の方向と直交するように配置され、
前記隙間検出手段は、前記２本のローラ間の隙間量を検出することを特徴とする隙間センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測対象物の隙間量を検出する隙間センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、フィルムやシート等の物品の縁部（エッジ）の位置を検出するエッジセンサが実用化されている（例えば、特許文献１参照）。このエッジセンサは、図４に示すように、レーザ１０００とコリメータレンズ１００１とからなる投光器１００２から物品１００５に向けて平行光を照射し、物品１００５により遮られなかった平行光を、投光器１００２と対峙させて配置したリニアイメージセンサ等からなる受光器１００３で受光し、エッジ検出部１００４が受光器１００３における平行光の受光領域と非受光領域（遮光領域）との境界を物品１００５のエッジの位置として検出するようにしたものである。
【０００３】
このようなエッジセンサを応用すれば、例えば２本のローラ間の隙間量を計測する隙間センサを実現することも可能である。また、特許文献１に開示された技術では、レーザ光等の単色平行光を用い、物品１００５のエッジにおける単色平行光のフレネル回折に着目して、例えばマイクロコンピュータからなるエッジ検出部１００４にて受光器１００３の受光面上における光強度分布から物品１００５のエッジの位置を高精度に検出するようにしている。
【０００４】
しかしながら、隙間量の検出のためにレーザ光をローラなどの厚みのある計測対象物や間隔が狭い隙間に照射すると、受光器の受光面上に生じる回折パターンがフレネル回折パターンから乖離し、測定精度が低下するという問題点があった。回折パターンがフレネル回折パターンから乖離する原因の１つは、フレネル回折が遮蔽物の厚みをゼロとしているのに対し、実際にはローラなどの計測対象物の厚みの影響で、受光面上の回折パターンがフレネル回折パターンから乖離するためと考えられる。
【０００５】
これに対して、従来、エッジ位置の不鮮明化を改善する手法としてアンチピンホール法が提案されている（例えば特許文献２、非特許文献１参照）。図５に示すように、アンチピンホール法を用いたエッジセンサでは、半導体レーザからなる光源２０００と、コリメートレンズ２００１と、対物レンズ２００２と、アンチピンホール２００３と、投影レンズ２００４と、受光器２００５とが光源２０００の光軸２００６に沿って配置される。
【０００６】
光源２０００からの光はコリメートレンズ２００１によって平行光に変換される。計測対象物２００７は、そのエッジの位置が、対物レンズ２００２の前側焦点を含む、光軸２００６と直交する面と一致するように配置される。投影レンズ２００４の前側焦点は、対物レンズ２００２の後側焦点と一致している。この投影レンズ２００４の前側焦点および対物レンズ２００２の後側焦点の位置には、対物レンズ２００２を通って対物レンズ２００２の後側焦点に集光された透過光（０次光）２００８を遮光するフィルタ機能をもったアンチピンホール２００３が配置されている。投影レンズ２００４の後側焦点は、受光器２００５の受光面と一致している。
【０００７】
このような光学系の構成とすることにより、平行光が計測対象物２００７のエッジに照射されると、このエッジからは様々な次数の回折光２００９が発生する。また、計測対象物２００７のエッジから離れた箇所を通過する０次光成分の透過光２００８は、平行光として対物レンズ２００２に入射する。計測対象物２００７のエッジは、対物レンズ２００２の前側焦点の位置にあるので、エッジの周辺を通る透過光２００８や回折光２００９は、対物レンズ２００２のフーリエ変換作用により、対物レンズ２００２の後側焦点で、空間周波数に分解される。すなわち透過光２００８は集光されるが、回折光２００９は集光されない。
【０００８】
対物レンズ２００２の後側焦点の位置に、０次光成分のみを遮るフィルタ機能をするアンチピンホール２００３が設置されているので、集光された透過光２００８は完全に遮断される。一方、高周波成分の回折光２００９は、投影レンズ２００４の逆フーリエ変換作用によって、投影レンズ２００４の後側焦点の位置に配置された受光器２００５の受光面上に結像する。このとき、計測対象物２００７のエッジにより生じた同心円状の干渉像のうち、アンチピンホール２００３により、干渉像の１次回折光すなわちエッジの形状を与えるエッジ像のみが抽出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−１７７３３５号公報
【特許文献２】特開２００９−１５０８６５号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】大坪 樹，“三角測量式変位計による三次元機上計測に関する研究”，２０１５年長崎大学博士論文，ｐ８１−８８，２０１５年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
アンチピンホール法を用いたエッジセンサでは、受光器の受光面上に計測対象物の鮮明なエッジ像が得られ、高精度なエッジ位置検出が可能になるとしている。しかし、実際には、アンチピンホールを光路上に保持するための透明な保持部材が必要であり、この保持部材での光の拡散反射によって受光面上の計測対象物のエッジ像のコントラストが低下し、エッジ位置検出精度が低下してしまうという問題点があった。このため、アンチピンホール法を用いたエッジセンサを応用して隙間センサを実現する際にも、同様の問題が発生する。
【００１２】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、アンチピンホール法を用いた隙間センサにおいて、アンチピンホールを光路上に保持するための保持部材による隙間量の検出精度の低下を回避することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の隙間センサは、平行光を発する光源と、計測対象物を間に挟んで前記光源と対向するように配置された対物レンズと、前記光源に近い方の前側焦点が前記対物レンズの後側焦点と一致するように配置された投影レンズと、前記投影レンズの前側焦点および前記対物レンズの後側焦点の位置に配置され、前記光源から前記計測対象物の隙間および前記対物レンズを通って前記対物レンズの後側焦点に集光される０次光を遮光する遮光部材と、前記投影レンズの後側焦点の位置に、受光面が前記光源の光軸と直交するように配置され、受光した光を電気信号に変換する受光器と、この受光器の出力を解析して計測対象物の隙間量を検出する隙間検出手段とを備え、前記遮光部材は、前記光源の光軸の方向および計測対象の隙間の方向と直交する幅方向に沿って配置されることを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明の隙間センサの１構成例において、前記計測対象物は、この計測対象物の隙間を通って前記平行光が前記対物レンズに入射すると共に、前記平行光の一部を遮光し、この平行光を遮光する部分と前記隙間との境界であるエッジの位置が、前記対物レンズの前側焦点を含む、前記光軸と直交する平面の位置と一致するように配置されることを特徴とするものである。
また、本発明の隙間センサの１構成例において、前記計測対象物は、上下２本のローラによって搬送対象の物体を搬送する搬送機構であり、前記搬送対象の物体の流れ方向が前記光軸の方向と一致し、計測対象の隙間の方向が前記光軸の方向と直交し、前記２本のローラの回転軸の方向および前記搬送対象の物体の幅方向が前記搬送対象の物体の流れ方向および計測対象の隙間の方向と直交するように配置され、前記隙間検出手段は、前記２本のローラ間の隙間量を検出することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、遮光部材を、光源の光軸の方向および計測対象の隙間の方向と直交する幅方向に沿って配置することにより、この遮光部材の端部を保持する保持部材を、０次光および回折光が通る光路から遠ざけることができるので、保持部材での光の拡散反射による受光器の受光面上のエッジ像のコントラスト低下を抑えることができ、隙間量の検出精度の低下を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態に係る隙間センサの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る隙間センサの光学系の斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る隙間センサにおいて受光器の受光面上に結像するエッジ像を模式的に示す図である。
【図４】従来のエッジセンサの構成を示すブロック図である。
【図５】従来のエッジセンサの別の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態に係る隙間センサの構成を示すブロック図である。本実施の形態の隙間センサは、半導体レーザ１と、半導体レーザ１からの光を平行光に変換するコリメートレンズ２と、計測対象物１００を間に挟んでコリメートレンズ２と対向するように配置された対物レンズ３と、計測対象物１００の隙間および対物レンズ３を通って対物レンズ３の後側焦点に集光される０次光を遮光する遮光部材４と、前側焦点が対物レンズ３の後側焦点と一致するように配置された投影レンズ５と、受光した光を電気信号に変換する例えばＣＣＤ（Charge-Coupled Device）センサからなる受光器６と、受光器６の出力を解析して計測対象物１００の隙間量を検出する隙間検出部７とから構成される。
【００１８】
半導体レーザ１とコリメートレンズ２とは、光源を構成している。対物レンズ３と投影レンズ５と受光器６とは、その軸心が光源の光軸８と一致するように、光軸８に沿って配置される。
【００１９】
本実施の形態の計測対象物１００は、例えばフィルムなどの物体（不図示）を搬送する搬送機構であり、上下２本のローラ１０１，１０２で物体を挟持して、ローラ１０１，１０２の回転により物体を送り出す機構である。図１の例では、左方向から右方向へ物体を搬送することになる。この２本のローラ１０１，１０２間の隙間量ｄを適切に設定することは搬送機構にとって重要である。なお、図１では、ローラ１０１，１０２のエッジ部分のみを記載している。
【００２０】
図２は本実施の形態の隙間センサの光学系の斜視図である。従来のアンチピンホール法と同様に、計測対象物１００は、そのエッジの位置が、対物レンズ３の前側焦点を含む、光軸８と直交する平面９の位置と一致するように配置される。ただし、本実施の形態では、上記のように２本のローラ１０１，１０２からなる計測対象物１００を想定しているため、コリメートレンズ２からの平行光が２本のローラ１０１，１０２間の隙間を通って対物レンズ３に入射すると共に、平行光の一部がローラ１０１，１０２によって遮光されるように、隙間センサの光学系を配置する必要がある。
【００２１】
また、計測対象物１００によって搬送されるフィルムなどの搬送対象の物体１０の流れ方向（図２のＭＤ：Machine Direction）が、光軸８の方向と一致し、計測対象の隙間の方向（図２のＴＤ：Transverse Direction）が、光軸８の方向と直交し、ローラ１０１，１０２の回転軸１０３，１０４の方向および搬送対象の物体１０の幅方向（図２のＣＤ：Crcss Machine Direction）が、搬送対象の物体１０の流れ方向ＭＤおよび計測対象の隙間の方向ＴＤと直交するように配置する必要がある。
【００２２】
本実施の形態の特徴である遮光部材４は、従来のアンチピンホール法で使用される点状の部材ではなく、搬送対象の物体１０の流れ方向ＭＤ（光軸８の方向）および計測対象の隙間の方向ＴＤと直交する幅方向ＣＤに沿って配置される例えば円柱状の部材である。遮光部材４は、その表面での乱反射を減らすため、反射率の低い材料からなることが望ましい。あるいは、樹脂や金属などの材料の表面に反射防止コーティングや反射防止塗装を施したものであってもよい。
【００２３】
遮光部材４のＭＤ方向およびＴＤ方向の寸法は、後述のように透過光１１を遮光し、かつ回折光１２を遮光しない寸法であればよい。遮光部材４のＣＤ方向の寸法は、この遮光部材４のＣＤ方向の両端部のうち少なくとも一方の端部を保持部材（不図示）によって固定する際に、透過光１１および回折光１２が保持部材に入射しない程度の長さであることが望ましい。ただし、本実施の形態の隙間センサを２本のローラ１０１，１０２を含む搬送機構に常時設置する場合、搬送対象の物体１０と干渉しないように遮光部材４の位置およびＣＤ方向の寸法を設定する必要があることは言うまでもない。
【００２４】
以下、本実施の形態の隙間センサの動作について説明する。半導体レーザ１からの光はコリメートレンズ２によって平行光に変換される。投影レンズ５の前側焦点は、対物レンズ３の後側焦点と一致している。この投影レンズ５の前側焦点および対物レンズ３の後側焦点の位置には、対物レンズ３を通って対物レンズ３の後側焦点に集光された透過光（０次光）１１を遮光する上記の遮光部材４が配置されている。受光器６は、投影レンズ５の後側焦点の位置に、受光面が光源の光軸８と直交するように配置される。
【００２５】
このような光学系の構成とすることにより、平行光が計測対象物１００のエッジ（ローラ１０１の下端のエッジとローラ１０２の上端のエッジ）に照射されると、このエッジからは様々な次数の回折光１２が発生する。また、計測対象物１００のエッジから離れた箇所を通過する０次光成分の透過光１１は、平行光として対物レンズ３に入射する。計測対象物１００のエッジは、対物レンズ３の前側焦点の位置にあるので、エッジの周辺を通る透過光１１や回折光１２は、対物レンズ３のフーリエ変換作用により、対物レンズ３の後側焦点で、空間周波数に分解される。すなわち透過光１１は集光されるが、回折光１２は集光されない。
【００２６】
対物レンズ３の後側焦点の位置に、０次光成分のみを遮るフィルタ機能をする遮光部材４が設置されているので、集光された透過光１１は完全に遮断される。一方、高周波成分の回折光１２は、投影レンズ５の逆フーリエ変換作用によって、投影レンズ５の後側焦点の位置に配置された受光器６の受光面上に結像する。このとき、計測対象物１００のエッジにより生じた干渉像のうち、遮光部材４により、干渉像の１次回折光すなわちエッジの形状を与えるエッジ像のみが抽出される。
【００２７】
なお、対物レンズ３の焦点距離をｆ1、投影レンズ５の焦点距離をｆ2としたとき、図１の例では、ｆ1＞ｆ2で記載しているが、ｆ1＜ｆ2としてもよい。焦点距離ｆ2の方を長くした方が、受光器６の受光面上に結像するエッジの画像が光学的に拡大されるため、エッジの検出がより正確にできる。
【００２８】
本実施の形態の隙間センサは、エッジセンサの技術を応用して、ローラ１０１，１０２間の隙間量ｄを検出する。受光器６は、受光素子がマトリクス状に配置され、受光した光を電気信号に変換する。図３は受光器６の受光面上に結像するエッジ像を模式的に示す図である。受光器６の受光面６０上には、ローラ１０２の上端のエッジからの回折光による線状の高輝度領域６１，６２と、高輝度領域６１，６２の間の線状の低輝度領域６３（ローラ１０２の上端のエッジ近傍を通過した０次光が遮光部材４によって遮光されることによる領域）とが現れる。さらに、受光面６０上には、ローラ１０１の下端のエッジからの回折光による線状の高輝度領域６４，６５と、高輝度領域６４，６５の間の線状の低輝度領域６６（ローラ１０１の下端のエッジ近傍を通過した０次光が遮光部材４によって遮光されることによる領域）とが現れる。
【００２９】
すなわち、低輝度領域６３がローラ１０２の上端のエッジの位置を表し、低輝度領域６６がローラ１０１の下端のエッジの位置を表している。
したがって、隙間検出部７は、受光器６の出力を解析することにより、ローラ１０１の下端のエッジ位置とローラ１０２の上端のエッジ位置とを検出することができる。そして、隙間検出部７は、これらのエッジ位置の間隔に基づいて隙間量ｄを算出することが可能である。
【００３０】
隙間検出部７は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置およびインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。ＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従ってエッジ位置検出処理と隙間量算出処理とを行う。なお、エッジ位置検出処理はエッジセンサにおいて周知の技術であり、またエッジ位置の間隔を実際の隙間量ｄに換算することは容易であるので、詳細な説明は省略する。
【００３１】
本実施の形態では、搬送対象の物体１０の流れ方向ＭＤ（光軸８の方向）および計測対象の隙間の方向ＴＤと直交する幅方向ＣＤに沿って遮光部材４を配置することにより、この遮光部材４の端部を保持する保持部材（不図示）を、透過光１１および回折光１２が通る光路から遠ざけることができるので、保持部材での光の拡散反射による受光器６の受光面上のエッジ像のコントラスト低下を抑えることができ、隙間量ｄの検出精度の低下を回避することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、隙間センサに適用することができる。
【符号の説明】
【００３３】
１…半導体レーザ、２…コリメートレンズ、３…対物レンズ、４…遮光部材、５…投影レンズ、６…受光器、７…隙間検出部、８…光軸、１０…搬送対象の物体、１１…透過光、１２…回折光、１００…計測対象物、１０１，１０２…ローラ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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