(57)【要約】【課題】被検物体に幾何学構造がなくとも、光学的に非接触で物体の移動方向を判別を可能にする。【解決手段】レーザー光を移動物体に照射し、散乱光を２分割し、それぞれの光束を略９０度の位相差を持たせた空間フィルタを通して受光して２つの信号Ａ、Ｂを得て、これらの信号をハイパスフィルタ２２ａ、２２ｂで低周波成分を除去してコンパレータ２３ａ、２３ｂで二値化した後に、コンパレータ２３ａ、２３ｂからの二値化信号Ｄａ、Ｄｂの位相の進み又は遅れを判別してパルスを発生する２個のＤ−フリップフロップ２４ａ、２４ｂから成る位相方向判別回路２４の出力パルスを時間平均し、この値により移動方向を判別する。【選択図】        図３
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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、該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度の位相差で検出する空間フィルタ検出器を配置し、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装置において、前記周波数信号の低周波成分を除去するハイパスフィルタ又はバンドパスフィルタと、二値化するコンパレータと、該コンパレータからの二値化信号の位相の進み又は遅れを判別し、パルスを発生する２個の位相判別回路と、これらの２つの位相判別回路からのパルスをそれぞれ時間平均する平均回路とを有し、該平均回路の出力により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装置。
【請求項２】
前記平均回路は抵抗、コンデンサ、ダイオードから成る積分回路であり、前記２つの位相判別回路からのパルスを前記抵抗と前記ダイオードを介して前記コンデンサを充電し、同時に別の抵抗で放電して時間平均し、所定のレベルを超えることにより、方向を認識することを特徴とする請求項１に記載の移動方向判別装置。
【請求項３】
前記平均回路は前記２つの位相判別回路からのパルスを計数するカウンタから成り、所定の時間間隔の計数値により方向を判別することを特徴とする請求項１に記載の移動方向判別装置。
【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装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１０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１１（ａ）に示すような画像が得られ、反時計回転の場合には図１１（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を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装置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装置は、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、該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度の位相差で検出する空間フィルタ検出器を配置し、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装置において、前記周波数信号の低周波成分を除去するハイパスフィルタ又はバンドパスフィルタと、二値化するコンパレータと、該コンパレータからの二値化信号の位相の進み又は遅れを判別し、パルスを発生する２個の位相判別回路と、これらの２つの位相判別回路からのパルスをそれぞれ時間平均する平均回路とを有し、該平均回路の出力により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９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Ｄａ、Ｄｂに変換される。この二値化信号Ｄａ、Ｄｂを用いて、何れの二値化信号Ｄａ、Ｄｂの位相が略９０度進んでいるか、或いは遅れているかを位相方向判別回路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Ｄａ、Ｄｂ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Ｄａ、Ｄｂ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Ｄａの位相がＤｂ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Ｄａ、Ｄｂ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、二値化信号Ｄａ、Ｄｂが連続した理想的な波形として説明したが、実際には図５に示すように、ＤＣ成分を持った信号Ａはバイパスフィルタ２２ａにより低周波成分が除去され、波形サンプルはバイパスフィルタ２２ａの出力のようなＡＣ信号となるが、信号の振幅が殆どなくなったり、又は波形が崩れたりする。
【００１８】
この原因は移動物体Ｓの移動によりスペックルパターンも移動するが、スペックルパターンの形も変化していくためと考えられる。そのため、ときどき位相を間違って検出することがあり、この例の場合に、主にＤ−フリップフロップ２４ａのＱａパルス出力が現れるが、Ｄ−フリップフロップ２４ｂのＱｂにも数％のパルスが出てくる。
【００１９】
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。
【００２０】
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、移動速度が大きく異なる移動物体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。
【００２１】
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り、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。
【００２２】
図６は第２の実施の形態の概略構成図であり、第１の実施の形態と同一の符号は同一の部材を示している。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、その間に偏光ビームスプリッタ３１、λ／４波長板３２が配置されている。
【００２３】
移動物件Ｓの反射散乱光Ｌ３のうち、λ／４波長板３２、偏光ビームスプリッタ３１に戻った光は、偏光ビームスプリッタ３１により側方に反射され、その反射方向には、プリズムミラー３３、アパーチャ３４、グレイティングビームスプリッタ３５、スリット板３６、受光素子３７が順次に配列されている。
【００２４】
スリット板３６、受光素子３７は図７のＹ−Ｙ断面図にも示すように、それぞれ２個ずつの格子３６ａ、３６ｂ、素子３７ａ、３７ｂが配列されている。そして、素子３７ａ、３７ｂの出力は信号処理回路３８に接続されている。スリット板３６は図８に示すように、格子３６ａ、３６ｂが１枚の板状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配置されている。
【００２５】
そして、素子３７ａ、３７ｂの出力は信号Ａ、Ｂとして信号処理回路３８に接続されている。
【００２６】
可干渉光源１から射出された光束Ｌは、コリメータレンズ１２により稍々集束された光束Ｌ２となり、偏光ビームスプリッタ２１とλ／４波長板３２を通して移動物体Ｓに照射される。ここで、偏光ビームスプリッタ２１は光束Ｌ１の偏光方向光は透過させ、これと垂直な偏光方向光は反射するように配置されていて、λ／４波長板３２は結晶軸が光束Ｌ１の偏光方向に対して４５度に配置され、直線偏光光束Ｌ１を円偏光に変換し、また後述する移動物体Ｓからの反射散乱光Ｌ３の円偏光を光束Ｌ１の直線偏光と垂直な直線偏光に変換する。
【００２７】
移動物体Ｓは光源１１の発振波長より十分粗い面を持つ所謂光学散乱面であり、照射光束は移動物体Ｓに照射された後に散乱光Ｌ３となる。散乱光Ｌ３のうち一部の光Ｌ３’はλ／４波長板３２に向かい、上述したように光束Ｌ１の偏光方向と垂直な直線偏光Ｌ４に変換され、更に偏光ビームスプリッタ２１で反射され、プリズムミラー３３で上方に反射される。プリズムミラー３３で反射されアパーチャ３４を通過した光束Ｌ４は、グレイティングビームスプリッタ３５で±１次光に分割され、それぞれ散乱光Ｌ５ａ、Ｌ５ｂとなる。その後に、散乱光Ｌ５ａ、Ｌ５ｂは同一のスリット板３６を通過する際に、光束上に存在するスリット板３６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Ｌ５ａ、Ｌ５ｂを素子３７ａ、３７ｂ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。
【００２８】
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３７で受光する光量が増大し、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。このような構成とすることにより、第１の実施の形態と同様の効果を有し、小型に部品を配置することができる。
【００２９】
図９は処理回路３８における方向判別回路をデジタル化した一例を示し、図３と同じ符号は同じ回路を示している。位相判別回路２４のＤ−フリップフロップ２４ａ、２４ｂのＱａ、Ｑｂパルス出力は、それぞれカウンタ４１ａ、４１ｂに接続され、カウンタ４１ａ、４１ｂの出力はフリップフロップ４２ａ、４２ｂ、フリップフロップ４３ａ、４３ｂを介して、それぞれＬＥＤ２７ａ、２７ｂに接続されている。そして、タイマ４４の出力がカウンタ４１ａ、４１ｂ、フリップフロップ４２ａ、４２ｂ、フリップフロップ４３ａ、４３ｂ、ＬＥＤ２７ａ、２７ｂに接続されている。
【００３０】
タイマ４４によって一定間隔でリセットされるカウンタ４１ａとカウンタ４１ｂを計数アップし、キャリヤＣＯが発生すると、タイマ４４によってカウンタ４１ａ、４１ｂと同様にリセットされるフリップフロップ４２ａ又は４２ｂをセットし、続くタイマ４４のパルスによって方向保持のフリップフロップ４３ａ、４３ｂに転送され、ＬＥＤ２７ａ又は２７ｂを点灯し、出力Ａ、Ｂを出力する。
【００３１】
ここでカウンタ４１ａ、４１ｂは例えば１６進のカウンタで、タイマ４４のクロック周期が、信号Ａが信号Ｂより位相が進んでいる場合に、Ｄ−フリップフロップ２４ａのＱａのパルスが１６個より大きく、Ｄ−フリップフロップ２４ｂのＱｂのパルスが１６個より小さくなるよう設定することで、方向を判別できる。
【００３２】
このような簡単なデジタル回路により、ＱａとＱｂのパルスを時間平均化する回路を示したが、更に移動物体Ｓの速度範囲が多き場合に対応するために、カウンタ４１ａとカウンタ４１ｂの計数値を大きくし、これらの計数値をＣＰＵに取り込んで比較するなど、ＱａとＱｂのパルス密度を比較して方向判別する方法も有用である。
【００３３】
この第２の実施の形態では、照射光と反射光とを同じ光軸にして小型化を可能にし、また処理の実施の形態は、二値化信号をそれぞれ位相判別回路２４からのパルスを計数する２個のカウンタ４１ａ、４１ｂから成るデジタル回路のみで構成でき、ＰＬＤ等により容易にワンチップ化を可能とするものである。
【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装置は、板金、金属挽き目などの機械加工面を持つ移動物体に対し、非接触でその移動方向を判別することができる。
【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】移動方向処理回路の構成図である。
【図４】処理回路の信号処理の説明図である。
【図５】信号波形の説明図である。
【図６】第２の実施の形態の概略構成図である。
【図７】図６のＹ−Ｙ線断面図である。
【図８】スリット板の平面図である。
【図９】移動方向処理回路の構成図である。
【図１０】従来方法の移動方向判別装置の概略構成図である。
【図１１】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、１６ａ、３７  受光素子
１６、３８  信号処理回路
２２ａ、２２ｂ  ハイパスフィルタ
２３ａ、２３ｂ  コンパレータ
２４  位相判別回路
２４ａ、２４ｂ、４２ａ、４２ｂ、４３ａ、４３ｂ  フリップフロップ
２５  積分回路
２７ａ、２７ｂ  ＬＥＤ
３１  偏光ビームスプリッタ
３２  λ／４波長板
３３  プリズムミラー
３５  グレイティングビームスプリッタ
３６  スリット板
４１ａ、４１ｂ  カウンタ
４４  タイマ
Ｓ  被検物体
【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】
2005017104.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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