(57)【要約】【課題】被検物に幾何学構造がなくとも、非接触で物体の移動方向を判別する。【解決手段】可干渉光源１１から出射されたレーザー光束Ｌ１は、レンズ１２により略平行光束Ｌ２となり、移動物体Ｓに照射される。光束Ｌ２は移動物体Ｓで反射され散乱光Ｌ３となり、更に散乱光Ｌ３の一部の光束はビームスプリッタ１３に入射し、その光分割面で散乱光Ｌ４ａ、Ｌ４ｂに分割される。散乱光Ｌ４ａはピッチｐの周期を有し空間フィルタの役割を果たすスリット格子１４ａを透過し受光素子１５ａに入射し、散乱光Ｌ４ｂは他方のスリット格子１４ｂを透過し受光素子１５ｂに入射する。受光素子１５ａ、１５ｂで受光される光束は、それぞれ移動物体Ｓにおけるスペックルパターンの移動速度Ｖに対してＶ／ｐの周波数の交流信号Ａ、Ｂとなる。スリット格子１４ａ、１４ｂを空間的にスペックルパターンの移動方向に（１／４）ｐずらして配置することにより、１／４周期ずれるので、その位相の進み具合を判別することにより、移動方向を知ることができる。【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度の位相差を与えて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７はスピンドルモータ等の組立検査に使用される回転方向判別装置の概略図を示している。例えば、回転するスピンドルモータ１をねじ２のような幾何学構造物を螺合して組み立てた場合に、ＣＣＤカメラ３によりスピンドルモータ１が回転する際のねじ２が通過する位置を撮影し、画像としてパーソナルコンピュータ４に取り込む。パーソナルコンピュータ４によりモータ１の回転周波数に対して十分に速いサンプリング周波数で画像を解析すると、時計回転の場合には、図８（ａ）に示すような画像が得られ、反時計回転の場合には図８（ｂ）に示すような画像が得られる。
【０００３】
このように連続した画像に基づいて、ねじ２の像が何れの方向に移動しているか判別することができる。一般的にこの方向判別は、パーソナルコンピュータ４に内蔵したソフトウェアで解析して方向を表示する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述の従来例において移動方向を判別するためには、回転物体或いは移動物体に、例えばねじ２のような幾何学構造物が存在する必要がある。
【０００５】
しかし、今後の生産効率向上、コスト削減の方向性を考慮すると、組立時にねじ２等を使用して組み立てることは問題があり、将来は圧入等の組立コストの安価な方法が採用されると考えられる。その場合には、スピンドルモータ１等の回転物体上に幾何学的構造物が存在することが期待できなくなり、画像で捉えた形状の移動を判別することが困難になる虞れがある。
【０００６】
本発明の目的は、上述の問題点を解消し、幾何学的構造物がない板金、削り加工の物体等においても、非接触で移動物体の移動方向の判別が可能な移動方向判別センサを提供することにある。
【０００７】
【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度の位相差を与えて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ことを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明を図１〜図６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の実施の形態における概略構成図を示しており、測定すべき移動物体Ｓの上方の入射方向には、可干渉レーザー光を発する可干渉光源１１、コリメータレンズ１２が配列されている。また、移動物体Ｓの上方の反射方向には、ビームスプリッタ１３、スリット格子１４ａ、受光素子１５ａが順次に配列されている。そして、ビームスプリッタ１３の反射方向には、スリット格子１４ｂ、受光素子１５ｂがそれぞれ配置され、受光素子１５ａ、１５ｂの出力は信号処理回路１６に接続されている。
【０００９】
この場合に、移動物体Ｓは可干渉光源１１の発振波長よりも十分に粗い面の所謂光学散乱面を有している。可干渉光源１１から出射されたレーザー光束Ｌ１は、コリメータレンズ１２により略平行光束Ｌ２となり、移動物体Ｓに照射される。光束Ｌ２は移動物体Ｓで反射され散乱光Ｌ３となり、更に散乱光Ｌ３の内の一部の光束はビームスプリッタ１３に入射し、ビームスプリッタ１３の光分割面で散乱光Ｌ４ａ、Ｌ４ｂに分割される。
【００１０】
ビームスプリッタ１３の光分割面を透過した散乱光Ｌ４ａは、空間フィルタの役割を果たすスリット格子１４ａを透過し、受光素子１５ａに入射する。一方、ビームスプリッタ１３の光分割面で反射された散乱光Ｌ４ｂは、スリット格子１４ｂを透過し受光素子１５ｂに入射する。
【００１１】
この場合に、可干渉光から成る光束Ｌ１を移動物体Ｓの光学散乱面に照射しているため、受光素子１５ａ、１５ｂ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。このスペックルパターンＰは移動物体Ｓの移動方向と同一の方向Ｘに移動してゆく性質がある。受光素子１５ａ、１５ｂ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Ｌ３をビームスプリッタ１３で分割しているので、光分割面から同距離においては同一のスペックルパターンを生じ、その移動も同一となる。
【００１２】
ビームスプリッタ１３で分割された散乱光Ｌ４ａ、Ｌ４ｂは、櫛歯によるピッチｐの周期を有するスリット格子１４ａ、１４ｂを通過するが、それぞれが空間フィルタの役目を果たし、受光素子１５ａ、１５ｂで受光される光束は、それぞれ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。
【００１３】
スリット格子１４ａ、１４ｂを図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１５ａ、１５ｂからの光電信号は、図３に示すような１／４周期ずれた交流信号Ａ、Ｂとなる。なお、ここでスリット格子１４ａ、１４ｂのピッチｐをスペックルパターンＰの平均径の約２倍に設定することにより、効率良く周波数信号を取り出すことができる。
【００１４】
図３は信号処理回路１６のブロック回路構成図を示しており、リアルタイムで位相の進み方向を判別する。受光素子１５ａ、１５ｂ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、それぞれハイパスフィルタ２２ａ、２２ｂを通して直流及び低周波成分を除去する。
【００１５】
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Ａ又はＢ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において判別する。
【００１６】
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。
【００１７】
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、実際に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の位相の方が進んでいれば、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への入力は”Ｈ”閾値レベルを超え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。
【００１８】
図３においては、一例として簡便な信号処理回路１６を説明したが、移動速度が大きく違う移動物体Ｓを測定する場合は、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。また、上記の回路に変えて、信号Ａ、ＢをＡ／Ｄ変換し、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。
【００１９】
上述の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１５ａ、１５ｂにおいてスペックルパターンを生ずることであり、つまり板金、金属挽き目などの光散乱面であることである。即ち、移動物体Ｓ上にねじなどの幾何学的構造物が存在する必要はなく、スペックルパターンを生じない鏡面を除けば、機械加工面を用いて信号を得ることが可能である。将来的に、スピンドルモータ等が低コスト化によって生産効率が向上し、表面にねじ等の構造物がなくなっても、そのスピンドルモータの回転方向を非接触で判別することができる。
【００２０】
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、次の点が異なる以外は、信号処理も含めほぼ同一である。即ち、コリメータレンズ１２から移動物体Ｓに投光される光束Ｌ２は略集光光束とされ、移動物体Ｓの反射方向に、ビームスプリッタ１３の代りにグレイティングビームスプリッタ３１が介在され、スリット格子１４ａ、１４ｂ、受光素子１５ａ、１５ｂは並列して配置されている。
【００２１】
移動物体Ｓからの散乱光Ｌ３は、グレイティングビームスプリッタ３１で±１次光に分割され、それぞれ散乱光Ｌ４ａ、Ｌ４ｂとなり、第１の実施の形態と同様に空間フィルタの役割を果たすスリット格子１４ａ、１４ｂに入射し、透過光がそれぞれ受光素子１５ａ、１５ｂに入射する。
【００２２】
スリット格子１４ａ、１４ｂは第１の実施の形態と同様に、光軸に対して空間的に（１／４）ｐだけ位相をずらして配置されており、第１の実施の形態と同様に１／４周期ずれた交流信号Ａ、Ｂを受光素子１５ａ、１５ｂから発生する。
【００２３】
このような構成により、第１の実施の形態に比べて小型の部品で同様の効果が得られる。また本実施の形態では、照射光束Ｌ２を略集光光束にしていることにより、移動物体Ｓによる反射光量は直接反射の方向により多く反射されるので、平行光で照射した場合と比較すると、受光素子１５ａ、１５ｂで受光する光量が増大する。つまり、よりＳ／Ｎの良い信号を取り出すことができることになる。
【００２４】
図６は第３の実施の形態の概略構成図を示している。第２の実施の形態と比較すると、スリット格子１４ａ、１４ｂ、受光素子１５ａ、１５ｂの構成が異なっている。即ち、２個のスリット格子１４ａ、１４ｂの代りに１個のスリット板３２とし、受光素子１５ａ、１５ｂの代りに２分割光センサ３３ａ、３３ｂが用いられている。そして、グレイティングビームスプリッタ３１とスリット板３２間の距離は調整可能とされている。
【００２５】
移動物体Ｓからの散乱光Ｌ３は、グレイティングビームスプリッタ３１で±１次光に分割され、それぞれ散乱光Ｌ４ａ、Ｌ４ｂとなる。その後に、散乱光Ｌ４ａ、Ｌ４ｂは同一のスリット板３２を通過するが、このときスリット板３２をグレイティングビームスプリッタ３１に対する距離を光軸方向Ｙに相対的に調整することで、散乱光Ｌ４ａ、Ｌ４ｂがスリット板３２を通過する際に、光束上に存在するスリット板３２の位相をそれぞれずらすことが可能となる。これらの散乱光Ｌ４ａ、Ｌ４ｂを２分割光センサ３３ａ、３３ｂで検出することにより、第１の実施の形態と同様な１／４周期ずれた交流信号Ａ、Ｂを得ることができる。
【００２６】
この第３の実施の形態では、第１、第２の実施の形態と比較し、更に部品構成も少なく、より小型化が可能であり集積化ができる。
【００２７】
本発明の実施の形態の幾つかを、次に列挙する。
【００２８】
［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度の位相差を与えて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ことを特徴とする移動方向判別センサ。
【００２９】
［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倍とした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３］  前記光分割手段はビームスプリッタとした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４］  前記光分割手段はグレイティングとした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５］  前記可干渉光源からの光束は略集光光とした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に配置し周期的に光を遮光する２つのスリット格子から成り、これらのスリット格子の位相を略１／４ピッチずらして配置した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。
【００３４】
［実施の形態７］  前記空間フィルタ検出器は櫛歯状センサであり、櫛歯の位相を略１／４ピッチずらして配置した実施の形態１に記載の移動方向判別センサ。
【００３５】
［実施の形態８］  前記受光素子は２分割光センサとし、該２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格子を配置した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。
【００３６】
【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い移動物体であっても、非接触でその移動方向を容易に判別す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】移動方向の出力信号の説明図である。
【図５】第２の実施の形態の概略構成図である。
【図６】第３の実施の形態の概略構成図である。
【図７】従来の移動方向判別装置の概略説明図である。
【図８】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  ビームスプリッタ
１４ａ、１４ｂ  スリット格子
１５ａ、１５ｂ  受光素子
１６  信号処理回路
３１  グレイティングビームスプリッタ
３２  スリット板
３３ａ、３３ｂ  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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