(57)【要約】対象（２５６）と光源（２３０）との間の距離を測定し、対象の向きを検知する方法は、複数の光源（２３０及び２４０、又は８１０）からの光を対象に当てる段階と、対象からの反射エネルギレベル（２７０）を検出する段階と、対象からの反射エネルギレベルを測定する段階と、距離較正関数を計算する段階と、距離較正関数内の最小値（３０２）及び最大値（３０４）によって示される少なくとも１つの測定範囲（３０１）を決定する段階と、変調関数の周期内の所定時間スロットでサンプリングされるエネルギレベル関係を示す角度較正関数を計算する段階と、発光時間中に複数の光源から対象に加えられる全エネルギが光放射設定関数によって表されるように、変調関数（４３５，４４５）により複数の光源の夫々を変調する段階とを有する。
2011516857.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象と光源との間の距離を測定し、前記対象の向きを検知する方法であって、
複数の光源からの光を前記対象に当てる段階と、
前記対象からの反射エネルギレベルを検出する段階と、
前記対象からの前記反射エネルギレベルを測定する段階と、
前記対象と前記光源との間の距離との関係を示す距離較正関数を計算する段階と、
前記距離較正関数内の最小値及び最大値によって示される少なくとも１つの測定範囲を決定する段階と、
変調関数の周期内の所定時間スロットでサンプリングされるエネルギレベル関係を示す角度較正関数を計算する段階と、
発光時間中に前記複数の光源から前記対象に加えられる全エネルギが光放射設定関数によって表されるように、前記変調関数により前記複数の光源の夫々を変調する段階と
を有する方法。
【請求項２】
前記対象の輪郭が計算される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記変調関数の周期の第１部分の間、前記反射エネルギレベルの第１測定を取る段階と、
前記変調関数の周期の第２部分の間、前記反射エネルギレベルの第２測定を取る段階と、
前記第１測定が前記第２測定に等しい場合、前記対象が光放射軸に対して垂直に位置付けられ、前記対象と前記光源との間の前記距離が前記距離較正関数により前記第１測定又は前記第２測定から導出される段階と
を更に有する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記変調関数の周期の第１部分の間、前記反射エネルギレベルの第１測定を取る段階と、
前記変調関数の周期の第２部分の間、前記反射エネルギレベルの第２測定を取る段階と、
前記第１測定が前記第２測定よりも大きい場合、前記対象の方位角は光放射軸に対して９０度よりも大きく、前記対象と前記光源との間の前記距離が前記距離較正関数により前記第１測定及び前記第２測定の平均から導出され、前記方位角が前記角度較正関数から導出される段階と
を更に有する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記変調関数の周期の第１部分の間、前記反射エネルギレベルの第１測定を取る段階と、
前記変調関数の周期の第２部分の間、前記反射エネルギレベルの第２測定を取る段階と、
前記第１測定が前記第２測定よりも小さい場合、前記対象の方位角は光放射軸に対して９０度よりも小さく、前記対象と前記光源との間の前記距離が前記距離較正関数により前記第１測定及び前記第２測定の平均から導出され、前記方位角が前記角度較正関数から導出される段階と
を更に有する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記光放射設定関数は一定値によって表される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記光放射設定関数は周期関数である、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記周期関数はパルス変調される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記周期関数は三角関数である、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記周期関数はスクエアサイン関数である、請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
前記光源はレーザ光源である、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記光源はレーザ発光ダイオード源である、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記変調関数の前記第１部分周期及び前記第２部分周期の和は前記変調関数の周期に等しい、請求項３に記載の方法。
【請求項１４】
前記変調関数の前記第１部分周期は前記変調関数の前記第２部分周期に等しい、請求項３に記載の方法。
【請求項１５】
前記測定範囲は線形である、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面の距離及び向き（orientation）の非接触測定、より具体的には、光ファイバ変位センサによる測定のための方法及び光センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
非接触の距離測定が産業において幅広く用いられている。特定のアプリケーション必要性に依存して、様々な技術が開発されている。例えば、レーザ三角測量、共焦点（confocal）、ファイバを用いたもの、干渉計及びクロマティック（chromatic）等の技術が距離又は変位測定の分野で一般的であり、光学的方法を用いることによって実施されている。夫々の技術は、特定のアプリケーション要件に合うよう選択される。例えば、幾つかのコンピュータ・トュー・プレート（computer-to-plate（ＣＴＰ））画像形成装置は、画像形成ヘッドの焦点を合わせるためにレーザ三角測量の原理を用いる。このような検知装置の欠点の１つは、比較的高いコスト及びフォームファクタ面であり、これらは、根本の画像形成ヘッド設計に制約を課す。
【０００３】
小さなセンサ寸法を可能にする非接触変位測定に係る他の方法は、米国特許第７，０７１，４６０号明細書（Ｒｕｓｈ）（特許文献１）、米国特許第４，７３９，１６１号明細書（Ｍｏｒｉｙａｍａ等）（特許文献２）、米国特許第５，０１７，７７２号明細書（Ｈａｆｌｅ）（特許文献３）及び米国特許第４，８０１，７９９号明細書（Ｔｒｏｍｂｏｒｇ等）（特許文献４）に開示されている。これらの特許文献１乃至４は全て、媒体までの距離を測定するために２又はそれ以上の光ファイバを用いる。特許文献１乃至４は夫々、センサに対して予め定められている媒体の向きに基づく。媒体の向きが予め定められていない用途（例えば、ＣＴＰヘッド較正）に関して、このような仮定は有効ではなく、任意に方向付けされた媒体までの距離を正確に測定することは不可能である。
【０００４】
図１Ａは、特許文献４に従うセンサの機能性を示し、媒体はセンサ光軸に対して９０度角で方向付けられている。図１Ｂは、９０度以外の他の角度で方向付けられている媒体１３０を示す。いずれの場合にも、媒体１３０と光ファイバ１１０の出口との間の距離は同じである。
【０００５】
図１Ａから明らかなように、光源１００からファイバ１１０及びレンズ１２０を通ってやって来る光は、ファイバの光放射軸に対して垂直に方向付けられている媒体１３０によって反射され、レンズ１２０及びファイバ１４０を通って光センサ回路１５０に戻る。この場合に、光センサ１５０によって検出される反射光エネルギの量は、媒体とファイバ出口との間の距離の関数である（特許文献４の図４を参照されたし。）。
【０００６】
図１Ｂは、媒体１３０が傾けられている場合のセンサ機能性を示す。この場合に、光センサ１５０は、より少ない量の反射光エネルギを受けるか、又は全く反射光エネルギを受けない。図１Ｂから明らかなように、たとえ媒体１３０とファイバ出口との間の距離が変化しなくとも、媒体１３０の方位角（orientation  angle）の僅かの変化でさえ、光センサ１５０の出力信号の偏差をもたらすことがある。言い換えると、媒体１３０の方位角は、光センサ１５０の出力信号を有意に変化させて、測定エラーを増大させ又は測定を不可能にすることがある。
【０００７】
ヘッドと媒体との間の距離の測定に係るアプリケーションで、表面の向き若しくは形状、又はヘッド−スリーブ（head  to  sleeve）間距離測定は、しばしば変化する。このような場合に、媒体の向き又は形状の変化により引き起こされるファイバセンサエラーは、測定センサの重大な欠点となる。更に、画像形成ヘッドのアラインメント偏差又はスリーブ若しくはドラム偏心の変化も、媒体−センサ間（media-to-sensor）距離測定に影響を及ぼす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第７，０７１，４６０号明細書
【特許文献２】米国特許第４，７３９，１６１号明細書
【特許文献３】米国特許第５，０１７，７７２号明細書
【特許文献４】米国特許第４，８０１，７９９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、平坦な又は非平坦の形状の表面とセンサ軸との間の角度範囲内に位置付けられている表面とセンサとの間の測定を提供可能な新しく且つ改善された光ファイバ変位センサ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
簡潔に、本発明の一側面に従って、対象と光源との間の距離を測定し、前記対象の向きを検知する方法は、複数の光源からの光を前記対象に当てる段階と、前記対象からの反射エネルギレベルを検出する段階と、前記対象からの前記反射エネルギレベルを測定する段階と、前記対象と前記光源との間の距離との関係を示す距離較正関数を計算する段階と、前記距離較正関数内の最小値及び最大値によって示される少なくとも１つの測定範囲を決定する段階と、変調関数の周期内の所定時間スロットでサンプリングされるエネルギレベル関係を示す角度較正関数を計算する段階と、発光時間中に前記複数の光源から前記対象に加えられる全エネルギが光放射設定関数（light  emission  predetermined  function）によって表されるように、前記変調関数により前記複数の光源の夫々を変調する段階とを有する。
【００１１】
変調周期Ｔ内で定期的に測定される光センサ応答信号は、媒体とファイバとの間の距離の関数であり、本発明は、媒体が光ファイバセンサの光放射軸に対して９０度以外の角度で方向付けられている場合でさえ、又は媒体が非平坦形状を有する場合でさえ、媒体とセンサとの間の距離の測定を提供する。距離は、変調周期の一定の所定時点で測定される光センサ応答によって決定され、一方、角度方向及び値は、信号の位相及び振幅によって決定される。
【００１２】
媒体が光放射軸に対して垂直に方向付けられている場合に、放射光測定の和は、媒体とファイバとの間の距離の関数である光センサ応答が変調されているか否かに関わらず、一定のままである。媒体が光放射軸に対して垂直でないよう位置付けられ、又は非平坦形状を有する場合に、測定される光センサ出力信号は変調されており、この信号の位相及び振幅は、夫々、偏角の値及び方向を指す。本発明の他の利点は、以下の記載及び図面から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１Ａ】センサ機能性を表す先行技術の概略図である。
【図１Ｂ】センサ機能性を表す先行技術の概略図である。
【図２Ａ】本発明のセンサ機能性を表す概略図である。
【図２Ｂ】本発明のセンサ機能性を表す概略図である。
【図２Ｃ】本発明のセンサ機能性を表す概略図である。
【図３】媒体−ファイバ間距離応答較正関数を表す概略図である。
【図４Ａ】様々なタイプの変調を表すタイミング図である。
【図４Ｂ】様々なタイプの変調を表すタイミング図である。
【図４Ｃ】様々なタイプの変調を表すタイミング図である。
【図５】媒体が光放射軸に対して垂直に方向付けられている場合の光センサの応答を表す図である。
【図６Ａ】媒体の向きが光放射軸に対して垂直でない場合の光センサ応答を表す図である。
【図６Ｂ】媒体の向きが光放射軸に対して垂直でない場合の光センサ応答を表す図である。
【図７Ａ】媒体の向きが光放射軸に対して垂直でない場合の光センサ応答を表す図である。
【図７Ｂ】媒体の向きが光放射軸に対して垂直でない場合の光センサ応答を表す図である。
【図８】複数の光源を備えるセンサを表す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図２Ａ〜２Ｃは、本発明に従う光ファイバ変位装置（全体として、参照符号１０により表される。）の配置図である。光ファイバ変位装置１０は信号発生器２０５を有する。信号発生器２０５は、光源２３０及び光源２４０の光変調を提供するための制御信号２１５及び２２０を生成する。光ファイバ２３５及び２４５は、夫々、光源２３０及び２４０からの光を導く。レンズ２５０は光ファイバ２３５及び２４５からやって来る光ビームの焦点を媒体２５６に合わせ、光センサ２７０は、レンズ２５０及び光ファイバ２６０を通ってやって来る媒体２５６による反射光を測定する。光センサ２７０を通った反射光は、取得回路２１０によって取得されて、解析される。センサ構成は、２よりも多い光ファイバと、単一の光センサ２７０とを有する。
【００１５】
信号発生器２０５は、光源２３０及び２４０に対して、夫々、制御信号２１５及び２２０を発する。例えば、光源はレーザダイオードを利用することができる。制御信号は、光源ごとに放射されたエネルギをシミュレートする電流を伝える。光源特性の線形範囲に関連した放射光エネルギは、光源電流に比例する。要するに、各光源からの放射光は、夫々の光源電流変調関数に従って変化する。
【００１６】
光源２３０の光エネルギＥ１は、図４Ａで関数４４５（破線）によって表されるようにパルス変調される。光源２４０の光エネルギＥ２は、同じ振幅及び同じ５０％のデューティサイクルの同様のパルスによって変調されるが、図４Ａで関数４３５によって示されるように１パルスの長さ（半周期）だけシフトされる。
【００１７】
夫々の変調期間に光源２３０及び２４０の両方から放射される全光エネルギＥΣは、以下のように表すことができる。
【００１８】
【数１】
2011516857.tif 000003
そして、光放射エネルギは、夫々、次のようになる。
【００１９】
【数２】
2011516857.tif 000004
式（２）は、上記の変調信号が、媒体の表面に達する場合に一定（“const”）の光電力を与えることを示す。
【００２０】
図２Ａに表されているように媒体２５６が光放射軸に対して垂直に方向付けられている場合に、光源２３０及び光源２４０の夫々から発せられた、レンズ２５０及び光ファイバ２６０を通って光センサ２７０に戻る夫々の反射光は、システム対称性により等しい。各レーザビームの反射角及び電力損失は等しく、センサ２７０によって得られる全反射光電力も一定のままである。これは、以下の式（３）で表される。
【００２１】
【数３】
2011516857.tif 000005
ここで、ｋは反射係数を表す。言い換えると、各光源電力が変調されるという事実に関わらず、センサ２７０によって測定される反射電力は、上記の光源変調の間、一定値を示す。
【００２２】
産業界でよく知られているように、光源から発せられて光ファイバを通り、垂直に方向付けられている媒体により反射され、他の光ファイバを通って光センサに戻される一定の電力は、媒体と光源との間の距離の関数である。このような関数のグラフ表示は図３に示されている。図３では、例えば、光センサ応答は電圧信号Ｖによって導入され、媒体までの距離はＸによって導入される。実際に、Ｖ＝ｆ（Ｘ）特性の線形範囲３０１が使用されるべきである。一例として、３点、すなわち、点ａ３０２、点ｂ３０３及び点ｃ３０４が線形範囲３０１に関係している。明らかなように、距離Ｘａ、Ｘｂ及びＸｃは夫々のセンサ応答Ｖａ、Ｖｂ及びＶｃによって表され、Ｘａ及びＸｃは、夫々、線形範囲３０１内で検知可能な最小距離及び最大距離である。
【００２３】
図５は、全放射電力が一定であり且つ媒体が光放射軸２５４に対して垂直に方向付けられている（図２Ａ）場合に、距離Ｘａ、Ｘｂ及びＸｃに関連する信号Ｖに対する光センサ２７０の応答についてのタイミング図を示す。実線５１０は、媒体が距離測定範囲の中間Ｘｂに位置付けられている場合の光センサ応答時間依存Ｖｂを示す。点線５２０及び破線５３０は、夫々、媒体がＸａ及びＸｃに位置付けられている場合の光センサ２７０の応答Ｖａ及びＶｃを示す。明らかなように、如何なる時点ｔｎについても、媒体と光ファイバセンサとの間の距離は、その時点ｔｎで測定される光センサ２７０の応答信号によって決定され得る。
【００２４】
媒体２５６が、図２Ｂ及び図２Ｃで表されているように、垂直軸２５５に対して角度θで方向付けられている場合、媒体２５６からの反射光は同じ角度θだけ反射の方向が変化する（破線）。図２Ｂは、正方向（＋θ）での媒体偏位を示し、図２Ｃは、負方向（−θ）での媒体偏位を示す。媒体表面の向きが傾けられると、光源２３０及び光源２４０の夫々から発せられて光センサ２７０によって受け取られる夫々の反射光の不均衡を引き起こす。図２Ｂに示されるように、光源２３０から発せられて光センサ２７０へと反射される光は、光源２４０から発せられて光センサ２７０へと反射される光よりも多い。結果として、光源２３０から発せられた光の反射は、光源２４０から発せられた光の反射よりも光センサ２７０に作用し、制御信号２１５の周波数及び位相により変調される光センサ応答信号を生じさせる。
【００２５】
図６Ａ及び６Ｂは、光制御信号２１５及び２２０が図４Ａによって記載及び図示されるように変調され、一方、媒体２５６が（＋θ）の角度だけ垂直位置２５５から傾けられる場合の光センサ２７０の応答の挙動を示す。取得回路２１０は、変調周波数と同調して光センサ２７０の出力信号を測定する。媒体が図２Ｂに従って方向付けられ、距離Ｘｂの範囲内に整列される場合に、測定は、実線５１０によって図６Ａ及び６Ｂに表されるように、ｔ１，ｔ２，．．．ｔｎによって表される指定された時間スロットとして実行される。
【００２６】
時間スロットｔ１，．．．ｔ２ｎ＋１（奇数スロット）で読み出される測定は、光源２３０からの反射の測定に関し、一方、時間スロットｔ２，．．．ｔ２ｎ（偶数スロット）で読み出される測定は、光源２４０からの反射の測定に関し、夫々、光センサ２７０に入る光の不均衡な反射部分に起因して、異なった読出を示す。
【００２７】
媒体が位置Ｘａにシフトされる（同じ角度を有して動かされる）場合、媒体の偏角＋θは変更されないという事実のために、光源２３０から光センサ２７０に入る光のうち、媒体により反射された光は、依然として、光源２４０からの反射光に対して優位である。しかし、位置Ｘａは光ファイバセンサ２０２に近いので、いずれの反射部分も比例的に増大し、光センサ２７０の応答はより高くなる（点線５２０）。他方、媒体が位置Ｘｃにシフトされている間に測定される光センサ２７０の応答（破線５３０）は、中間範囲Ｘｂで測定されるもの（実線５１０）よりも低い。
【００２８】
図２Ｃに示されるように媒体の偏角が（−θ）である場合、光源２４０から発せられて光センサ２７０へと反射された反射光は、光源２３０から発せられて光センサ２７０へと反射された反射光よりも多くなる。結果として、光源２４０からの光の反射は、光源２３０からの光の反射よりも光センサ２７０に作用する。このようにして、光センサ２７０は、制御信号２２０の周波数及び位相により変調されるより高い信号部分を受け取る。図６Ｂの実線５１０は、媒体が光ファイバセンサ２０２から中間範囲Ｘｂの距離で位置付けられる場合に、角度（−θ）だけ傾けられて測定される光センサ応答を示す。示されるように、＋θから−θまでの角度方向の変化は、応答信号の位相変化をもたらす（媒体が偏角＋θにある間、奇数時間スロットは偶数時間スロットよりも大きく、一方、媒体が偏角−θにある間、奇数時間スロットは偶数時間スロットよりも小さい。）。
【００２９】
上述されるように、位置Ｘａ及びＸｃについての−θによる媒体の傾けは、中間範囲距離応答曲線（図６ｂの実線５１０）に対する応答曲線の上昇（図６Ｂの点線５２０）又は下降（図６Ｂの破線５３０）を生じさせる。これは、光センサ２７０の同じ同期時間スロット測定が、媒体の傾きにかかわらず、距離決定のために使用されてよいことを意味する。加えて、奇数及び偶数時間スロット測定の間の差又はそれらの相対関係は、偏角の値を決定する。
【００３０】
図４Ａは、変調信号の他の変調を示す。図４Ｂには三角変調（triangular  modulation）が表されており、図４Ｃには曲線変調（curved  modulation）が表されている。実線４３５は光源２３０の変調に関し、破線４４５は光源２４０の変調に関する。図４Ａ〜４Ｃに表されている全ての変調信号の共通の特徴は、以下の数式によって表すことができる。
【００３１】
【数４】
2011516857.tif 000006
ここで、ｉは特定の光源のインデックスを表し、ｎは光源の総数を表す。パラメータωは、変調関数が周期的であることを示す角周波数である。
【００３２】
図７Ａ及び７Ｂは、＋θの角度だけ傾けられた媒体が位置Ｘａ、Ｘｂ及びＸｃに位置付けられ、且つ、光源制御信号２１５及び２２０が図４Ｂ及び図４Ｃの変調方式に従って生成される場合に測定される光センサ２７０の応答曲線を示す。このような変調方式のいずれもが式（４）により満足される。
【００３３】
図８は、本発明の他のセンサ実施形態の正面図を示す。この実施形態は、変調に使用される２よりも多いファイバを表す。この例は、夫々光源からの光を導き且つ３つの面で光を発する３つの光ファイバ対８１０、８２０及び８３０を記載する。加えて、単一の光ファイバ８４０は、光センサ２７０へ反射光の媒体反射を導くよう構成される。信号発生器は、光源の夫々に制御信号を適用して、対８１０、８２０及び８３０の各ファイバに光変調を与える。同時に、制御信号は、全ての光ファイバ対からの全発光エネルギが一定であるような変調を提供する。式４を参照する。この場合に、取得回路は、上述されるように各対を測定して、媒体の距離及び角度を提供する。媒体の向きは、最終的に、夫々の面測定の重ね合わせによって確定される。
【符号の説明】
【００３４】
１０    光ファイバ変位装置
１００  光源
１１０  ファイバ
１２０  レンズ
１３０  媒体（対象）
１４０  ファイバ
１５０  光センサ
２０２  光ファイバセンサ
２０５  信号発生器
２１０  取得回路
２１５  制御信号
２２０  制御信号
２３０  光源
２３５  光ファイバ
２４０  光源
２４５  光ファイバ
２５０  レンズ
２５４  光放射軸
２５５  垂直軸
２５６  媒体（対象）
２６０  光ファイバ
２７０  光センサ
３０１  線形範囲
３０２  点ａ（線形範囲の最小点）
３０３  点ｂ（線形範囲内）
３０４  点ｃ（線形範囲の最大点）
４３５  第２光源についての変調関数
４４５  第１光源についての変調関数
５１０  中間距離点についての光応答
５２０  最大距離点についての光応答
５３０  最小距離点についての光応答
８１０  光ファイバ対
８２０  光ファイバ対
８３０  光ファイバ対
８４０  単一光ファイバ
【図１Ａ】
2011516857.tif 000007
【図１Ｂ】
2011516857.tif 000008
【図２Ａ】
2011516857.tif 000009
【図２Ｂ】
2011516857.tif 000010
【図２Ｃ】
2011516857.tif 000011
【図３】
2011516857.tif 000012
【図４Ａ】
2011516857.tif 000013
【図４Ｂ】
2011516857.tif 000014
【図４Ｃ】
2011516857.tif 000015
【図５】
2011516857.tif 000016
【図６Ａ】
2011516857.tif 000017
【図６Ｂ】
2011516857.tif 000018
【図７Ａ】
2011516857.tif 000019
【図７Ｂ】
2011516857.tif 000020
【図８】
2011516857.tif 000021
【国際調査報告】
2011516857.tif 000022
2011516857.tif 000023
2011516857.tif 000024