(57)【要約】【課題】移動物体の移動方向を非接触で判別する。【解決手段】可干渉光源１１から射出された光束Ｌ１は、レンズ１２により略平行光束Ｌ２となり、偏光ビームスプリッタ１３に入射し、λ／４波長板１４を通過して移動物体Ｓに照射される。光束Ｌ３は移動物体Ｓに照射された後に、散乱光Ｌ４となる。そのうちの一部の円偏光Ｌ４’は照射方向と同じ光路を戻ってλ／４波長板１４に向かい、偏光ビームスプリッタ１３で反射されてビームスプリッタ１５に入射し、その光分割面で散乱光Ｌ５ａとＬ５ｂに分割される。散乱光Ｌ５ａはピッチｐの周期を持つ空間フィルタの役目を果たすスリット格子１６ａを透過し受光素子１７ａに入射し、散乱光Ｌ５ｂは同様のスリット格子１６ｂを透過し受光素子１７ｂに入射する。スリット格子１６ａ、１６ｂを移動方向に（１／４）ｐずらしておくことにより、得られた光電信号は１／４周期ずれ、移動速度Ｖに対してＶ／ｐの周波数の交流信号Ａ、Ｂを発生するので、この位相の進みを判別して移動方向を知る。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可干渉光源からの光束を光散乱面を持つ移動物体に照射し、前記光散乱面からの反射散乱光である光束を光分割手段で分割し、それぞれの光束を略９０度の位相差空間フィルタ検出器により検出し、前記移動物体が移動する際に前記空間フィルタ検出器から得られる２つの周波数信号の位相情報に基づいて前記移動物体の移動方向を判別する移動方向判別センサにおいて、前記可干渉光源からの光束は直線偏光を有し、前記光束を偏光ビームスプリッタとλ／４波長板を通して前記光散乱面に照射し、前記光散乱面からの反射散乱光を前記λ／４波長板と前記偏光ビームスプリッタで受光して前記空間フィルタ検出器に導くことを特徴とする移動方向判別センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非接触で物体の移動方向を判別する移動方向判別センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図８は従来から一般的に行われているスピンドルモータ等の組立検査に使用されている回転方向判別方式の概略図である。回転するスピンドルモータ１には、例えばねじ２のような幾何学構造物があると、ＣＣＤカメラ３はこのスピンドルモータ１が回転する際に、ねじ２が通過する位置をモニタし画像としてパーソナルコンピュータ４に取り込む。
【０００３】
パーソナルコンピュータ４において、モータ１の回転周波数に対して十分早いサンプリング周波数で画像を解析すると、時計回転の場合は図９（ａ）に示すような連続した画像、反時計回転の場合には図９（ｂ）に示すような連続した画像が得られる。このように連続した画像に基づいて、ねじ２の像がどの方向に移動しているかを判別する。なお、この方向判別はパーソナルコンピュータ４に内蔵のソフトウェアで解析して、方向を表示することが一般的に行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述の従来例においては、幾何学構造物が回転物体或いは移動物体上に存在すれば、その移動方向を非接触で判別できる。しかし、今後の生産効率向上、コスト削減の方向性において、組立時にねじ等を使用して組み立てることはコスト的にも問題があり、将来は圧入等より組み立てコストのかからない方向に進むものと考えられる。
【０００５】
このような場合に、スピンドル等の回転物体に幾何学的構造物が存在することを期待することはできなくなり、画像で捉えた形状の移動を判別することが困難になることが予想される。
【０００６】
本発明の目的は、上述のような幾何学的構造物がない板金、削り加工の物体でも、非接触で移動方向を判別することが可能な移動方向判別センサを提供することにある。
【０００７】
本発明の他の目的は、検出用の出射光と入射光を同じ光軸として、小型化を可能にした移動方向判別センサを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係る移動方向判別センサは、可干渉光源からの光束を光散乱面を持つ移動物体に照射し、前記光散乱面からの反射散乱光である光束を光分割手段で分割し、それぞれの光束を略９０度の位相差空間フィルタ検出器により検出し、前記移動物体が移動する際に前記空間フィルタ検出器から得られる２つの周波数信号の位相情報に基づいて前記移動物体の移動方向を判別する移動方向判別センサにおいて、前記可干渉光源からの光束は直線偏光を有し、前記光束を偏光ビームスプリッタとλ／４波長板を通して前記光散乱面に照射し、前記光散乱面からの反射散乱光を前記λ／４波長板と前記偏光ビームスプリッタで受光して前記空間フィルタ検出器に導くことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明を図１〜図７に図示の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は第１の実施の形態の概略構成図である。１１はレーザーダイオード等の直線偏光光を発する可干渉光源であり、その出射方向にコリメータレンズ１２、偏光ビームスプリッタ１３、λ／４波長板１４が配列され、移動物体Ｓに至っている。偏光ビームスプリッタ１３の移動物体Ｓからの光束の反射方向には、ビームスプリッタ１５、スリット格子１６ａ、受光素子１７ａが配列され、ビームスプリッタ１５の反射方向にはスリット格子１６ｂ、受光素子１７ｂが配置されている。そして、受光素子１７ａ、１７ｂの出力は信号処理回路１８に接続されている。
【００１０】
可干渉光源１１から射出された光束Ｌ１は、コリメータレンズ１２により略平行光束Ｌ２となり、偏光ビームスプリッタ１３に入射し、λ／４波長板１４を通過して移動物体Ｓに照射される。ここで、偏光ビームスプリッタ１３は可干渉光源１１から射出された光束Ｌ２の偏光方向光を透過し、垂直な偏光方向光は通過しないようにされている。また、λ／４波長板１４は結晶軸が光束Ｌ２の偏光方向に対して４５度に配置され、直線偏光光束Ｌ２を円偏光Ｌ３に変換する。更に、λ／４波長板１４は移動物体Ｓの金属等の偏光を保持する散乱面からの散乱光Ｌ４中の円偏光Ｌ４’を、光束Ｌ２の直線偏光と垂直な直線偏光Ｌ５に変換する。
【００１１】
移動物体Ｓは可干渉光源１１の発振波長よりも十分粗い面を持つ所謂光学散乱面であり、光束Ｌ３は移動物体Ｓに照射された後に、散乱光Ｌ４となる。散乱光Ｌ４のうちの一部の円偏光Ｌ４’は照射方向と同じ光路を戻って、λ／４波長板１４に向かい、上述したように直線偏光Ｌ５に変換され、偏光ビームスプリッタ１３で反射されてビームスプリッタ１５に向かい、その光分割面で散乱光Ｌ５ａとＬ５ｂに分割される。
【００１２】
散乱光Ｌ５ａは空間フィルタの役目を果たすスリット格子１６ａを透過し受光素子１７ａに入射する。一方、散乱光Ｌ５ｂは同様のスリット格子１６ｂを透過し、受光素子１７ｂに入射する。ここで、可干渉光を移動物体Ｓの光散乱面に照射しているので、受光素子１７ａ、１７ｂ上では図２（ａ）に示すようなスペックルパターンＰが生ずる。
【００１３】
このスペックルパターンＰは移動物体Ｓの移動方向Ｘと同一の方向に移動してゆく性質がある。受光素子１７ａ、１７ｂ上で生ずるスペックルパターンは元々移動物体Ｓからの反射散乱光Ｌ４をビームスプリッタ１５で分割しているので、分割点と同距離においては、同一のスペックルパターンＰを生じ、その移動も同一になる。
【００１４】
ビームスプリッタ１５で分割後の散乱光は、ピッチｐの周期を持つスリット格子１６ａ、１６ｂを通過するが、それぞれが空間フィルタの役割を果たし、受光素子１７ａ、１７ｂで受光される光束は、スペックルパターンＰの移動速度Ｖに対してＶ／ｐの周波数の交流信号Ａ、Ｂを発生する。
【００１５】
本実施の形態では、このスリット格子１６ａ、１６ｂを配置する際に、図２（ｂ）、（ｃ）に示すように空間的にスペックルパターンＰの移動方向に（１／４）ｐずらすことにより、それぞれの受光素子１７ａ、１７ｂからの光電信号は１／４周期ずれた交流信号Ａ、Ｂとなる。なお、スリット格子１６ａ、１６ｂのピッチｐをスペックルパターンＰの平均径の約２倍に設定することで、効率良く周波数信号を取り出すことができる。
【００１６】
図３は信号処理回路１８のブロック回路構成図を示し、リアルタイムで位相の進み方向を判別する回路である。受光素子１７ａ、１７ｂはシリコンホトダイオードから成り、前置増幅器２１ａ、２１ｂで電圧信号に変換される。この電圧信号（生信号）は、Ｖ／ｐの周波数の交流信号以外に、直流電圧（オフセット電圧）や移動物体Ｓの反射むらの電圧変化等が含まれるため、ハイパスフィルタ２２ａ、２２ｂをそれぞれ通して直流及び低周波成分が除去される。
【００１７】
次に、これら信号はコンパレータ２３ａ、２３ｂでそれぞれ二値化信号Ａ、Ｂに変換される。この二値化信号Ａ、Ｂを用いて、何れの二値化信号の位相が略９０度進んでいるか、或いは遅れているかを出方向判別デジタル回路２４で判別する。
【００１８】
即ち、図４にも示すように、２つの二値化信号Ａ、ＢのＮＡＮＤによりＤ−フリップフロップ２４ａ、２４ｂをリセットし、次に二値化信号Ａ、Ｂの立ち上がりが早くきた方のＤ−フリップフロップがセットされることで、位相の進み方向を判別することができる。例えば、二値化信号Ａの位相が二値化信号Ｂの位相よりも進んでいると、Ｄ−フリップフロップ２４ａがセットされ、次の２つの二値化信号Ａ、ＢのＮＡＮＤでリセットされパルス信号となる。
【００１９】
以上の説明では、信号Ａ、Ｂが連続した理想的な波形として説明したが、実際は振幅が殆どなくなったり、また時には位相を間違って検出することがある。積分回路２５は信号Ａ、Ｂに対しそれぞれ抵抗、コンデンサ、ダイオードから成る回路であり、上記例のように信号Ａの位相が進んでいれば、Ｄ−フリップフロップ２４ａの出力パルスが多く、積分した電圧が高くなり、シュミットインバータ２６ａの入力は”Ｈ”の閾値レベルを超えて、ＬＥＤ２７ａを点灯し、出力Ａを”Ｌ”にする、一方、Ｄ−フリップフロップ２４ｂの出力パルスは少なく、積分した電圧は低いままで、シュミットインバータ２６ａの出力は”Ｈ”を保持する。
【００２０】
図３は簡便な信号処理回路１８の一例を説明したが、移動物体Ｓの移動速度が大きく異なる場合には、ハイパスフィルタ２２ａ、２２ｂ（又はバンドパスフィルタ）の帯域を変更する必要がある。そのため、ハイパスフィルタ２２ａ、２２ｂ（又はバンドパスフィルタ）を手動可変、又は周波数を追跡しバンドパスフィルタを合わせる自動可変フィルタとすることは有効である。或いは、上記回路に代えて、信号Ａ、ＢをＡ／Ｄ変換してＣＰＵに取り込み、相互相関等の演算から位相の進み、遅れを算出することもできる。
【００２１】
周波数信号を得るために必要な移動物体Ｓの表面状態の条件は、受光素子１７ａ、１７ｂ上でスペックルパターンを生ずることであり、例えば板金、金属挽き目などの偏光面を保持する光散乱面であることである。つまり、回転物体Ｓ上にねじなどの幾何学的構造物が存在する必要がなく、スペックルパターンを生じない鏡面を除けば、機械加工面も信号出力が可能である。将来的に、スピンドルモータ等が低コスト化、生産効率化により表面にねじ等の構造物がなくなっても、本発明によるスピンドルモータの回転方向を非接触で判別できる移動方向判別センサが得られる。
【００２２】
図５は第２の実施の形態の概略構成図である。第１の実施の形態と比べて次の点を除いてほぼ同一である。つまり、コリメータレンズ１２から移動物体Ｓに照射される光束Ｌ２は集束光とされていると共に、偏光ビームスプリッタ１３の反射方向には反射プリズム２１が設けられ、更に反射プリズム２１の反射方向にはアパーチャ２２、グレイティングビームスプリッタ２３、スリット２４、２分割光センサ２５が設けられている。
【００２３】
図６は受光光学系を図５と直交する方向から見た断面図であり、スリット２４はスリット格子１６ａ、１６ｂから成り、その背後に２分割センサ２５の受光素子１７ａ、１７ｂが配置されている。スリット板２４は図７に示すように、１枚の板に第１の実施の形態と同様にスペックルパターンの移動の１／４周期位相をずらしてスリット格子１６ａ、１６ｂが配置されている。
【００２４】
移動物体Ｓからの散乱光Ｌ４のうちの円偏光Ｌ１４’は、λ／４波長板１４で直線偏光Ｌ５に変換され、偏光ビームスプリッタ１３で反射されて、プリズム２１で上方に反射され、アパーチャ２２を通過した光束が、グレイティングビームスプリッタ２３で±１次光に分割され、それぞれ散乱光Ｌ５ａ、Ｌ５ｂとなり、第１の実施の形態と同様に空間フィルタの役目を果たすスリット板２４のスリット格子１６ａ、１６ｂに入射し、それぞれ２分割光センサ２５の受光素子１７ａ、１７ｂに入射する。
【００２５】
このような構成により、第１の実施の形態に比べて同様の作用を有し、小型に部品を配置できる。また、本実施の形態では照射光束を略集光光束にしているので、２分割光センサ２５で受光する光は散乱光であるが、光量は入射した方向により多く反射されるので、平行光で照射した場合に比較し、２分割光センサ２５における光量が増大する。つまり、Ｓ／Ｎの良い判別信号を取り出すことができることになる。
【００２６】
本発明の実施の形態の幾つかを、次に列挙する。
【００２７】
［実施の形態１］  可干渉光源からの光束を光散乱面を持つ移動物体に照射し、前記光散乱面からの反射散乱光である光束を光分割手段で分割し、それぞれの光束を略９０度の位相差空間フィルタ検出器により検出し、前記移動物体が移動する際に前記空間フィルタ検出器から得られる２つの周波数信号の位相情報に基づいて前記移動物体の移動方向を判別する移動方向判別センサにおいて、前記可干渉光源からの光束は直線偏光を有し、前記光束を偏光ビームスプリッタとλ／４波長板を通して前記光散乱面に照射し、前記光散乱面からの反射散乱光を前記λ／４波長板と前記偏光ビームスプリッタで受光して前記空間フィルタ検出器に導くことを特徴とする移動方向判別センサ。
【００２８】
［実施の形態２］  前記空間フィルタ検出器のピッチは前記空間フィルタ検出器上で生ずるスペックルパターンの平均径の約２倍であることを特徴とする実施の形態１に記載の移動方向判別センサ。
【００２９】
［実施の形態３］  前記光分割手段はビームスプリッタであることを特徴とする実施の形態１に記載の移動方向判別センサ。
【００３０】
［実施の形態４］  前記光分割手段はグレイティングであることを特徴とする実施の形態１に記載の移動方向判別センサ。
【００３１】
［実施の形態５］  前記可干渉光源からの光束は略集光光であることを特徴とする実施の形態１に記載の移動方向判別センサ。
【００３２】
［実施の形態６］  前記空間フィルタ検出器はそれぞれの光束を受光する２つの受光素子と、これらの受光素子の前段で周期的に光を遮光するスリットとから成り、該スリットの位相を略１／４ピッチずらして配置し、前記２つの受光素子から周波数信号を得ることを特徴とする実施の形態１に記載の移動方向判別センサ。
【００３３】
［実施の形態７］  前記受光素子は２分割光センサとし、該分割光センサの前段に該２分割光センサを覆うスリットを配置することを特徴する実施の形態６に記載の移動方向判別センサ。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る移動方向判別センサは、ねじ等の幾何学的構造物が存在しなくとも、板金、金属挽き目などの機械加工面を持っていれば、非接触で移動方向を判別することができる。また、検出用の出射光と入射光を同じ光軸にして小型化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態の概略構成図である。
【図２】スペックルパターンの移動と空間フィルタの説明図である。
【図３】信号処理回路のブロック回路構成図である。
【図４】処理回路の信号処理の説明図である。
【図５】第２の実施の形態の概略構成図である。
【図６】受光光学系の断面図である。
【図７】スリット板の正面図である。
【図８】従来の移動方向判別装置の概略説明図である。
【図９】移動方向判別のための画像処理の説明図である。
【符号の説明】
１１  光源
１２  コリメータレンズ
１３  偏光ビームスプリッタ
１４  λ／４波長板
１５  ビームスプリッタ
１６ａ、１６ｂ  スリット格子
１７ａ、１７ｂ  受光素子
１８  信号処理回路
２１  反射プリズム
２２  アパーチャ
２３  グレイティングビームスプリッタ
２４  スリット板
２５  ２分割光センサ
Ｓ  移動物体
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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