(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造部材の動きをモニタするシステムであって、
光ビームを生成する定方向光源を含み、
第１の構造部材に取り付けられる第１の部分的に透明な光ビーム検出器を含み、前記第１の部分的に透明な光ビーム検出器によって前記光ビームの少なくとも一部が前記検出器から出ることができ、前記第１の部分的に透明な光ビーム検出器に対する前記光ビームの検出された動きが前記第１の構造部材の動きに対応し、
第２の構造部材に取り付けられ、前記第１の部分的に透明な光ビーム検出器から出た前記光ビームを捕獲する第２の光ビーム検出器を含み、前記第２の光ビーム検出器に対する前記光ビームの検出された動きが前記第２の構造部材の動きに対応する、
前記第１の部分的に透明な光ビーム検出器と前記第２の光ビーム検出器は一線上に配置され、前記光ビームが前記第１の部分的に透明な光ビーム検出器と前記第２の光ビーム検出器とに角度を付けずに送られる
モニタシステム。
【請求項２】
構造部材の動きをモニタし、制御するシステムであって、
光ビームを生成する定方向光源を含み、
第１の構造部材に取り付けられる第１の部分的に透明な光ビーム検出器を含み、前記第１の部分的に透明な光ビーム検出器によって前記光ビームの少なくとも一部が前記検出器から出ることができ、前記第１の部分的に透明な光ビーム検出器に対する前記光ビームの検出された動きが前記第１の構造部材の動きに対応し、
第２の構造部材に取り付けられ、前記第１の部分的に透明な光ビーム検出器から出た前記光ビームを捕獲する第２の光ビーム検出器を含み、前記第２の光ビーム検出器に対する前記光ビームの検出された動きが前記第２の構造部材の動きに対応し、
前記光ビームの検出された動きに応答して構造部材の動きを調節する動き制御ユニットを含み、
前記第１の部分的に透明な光ビーム検出器と前記第２の光ビーム検出器は一線上に配置され、前記光ビームは前記第１の部分的に透明な光ビーム検出器と前記第２の光ビーム検出器とに角度を付けずに送られる
モニタ及び制御システム。
【請求項３】
振動検出システムを有するプリンタシステムであって、
ドナーロールに沿って延びる電極リボンを有するプリンタを含み、
光ビームを生成する定方向光源を含み、
光ビームの位置に対応する信号を生成する複数の光ビーム検出器を含み、前記複数の光ビーム検出器は、前記電極リボンに取り付けられ、前記定方向光源からの前記光ビームが通過できるように位置される少なくとも１つの部分的に透明な光ビーム検出器を含み、前記部分的に透明な光ビーム検出器に対する前記光ビーム検出器の相対的な検出された動きが前記電極リボンの動きに対応する、
プリンタシステム。
【請求項４】
前記第１の部分的に透明な光ビーム検出器は、複数の透明層又は半透明層を有する位置感知検出器である、請求項１に記載のモニタシステム。
【請求項５】
前記第１の部分的に透明な光ビーム検出器は、複数の透明層又は半透明層を有する位置感知検出器である、請求項２に記載のモニタ及び制御システム。
【請求項６】
前記部分的に透明な光ビーム検出器は、複数の透明層又は半透明層を有する位置感知検出器である、請求項３に記載のプリンタシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、位置感知検出器を用いてプリンタ構成要素、梁、パネル、側壁、ワイヤ、又は他の構造物の動きをモニタするシステムである。より詳細には、本発明は取り付けられた部分的に透明な光ビーム検出器を用いる振動検出と光学振動又はノイズ除去のためのシステムであり、この検出器はシステムの一部を形成してプリンタ又は他の大きな構造物の振動又は機械的屈曲を減少させることができる。
【０００２】
【従来の技術】
メーター規模の寸法を有する構造物の過渡的な振動による動き、並進的な動き又はねじりによる動きの正確で低コストのモニタリングは、多くの用途に有用である。特に重要なのは、ゼログラフィック（電子写真）プリンタ、レーザプリンタ又はインクジェットプリンタを含むプリンタの振動による動きのモニタリングであり、この振動による動きの範囲は高周波数音響屈曲モード（１０〜２０ｋＨｚ）からサブＨｚ（１Ｈｚ未満）の反復又は過渡的な機械的屈曲にわたる。振動の測定は、機械の破損、機械の摩耗のモニタリング（例えば予知保全モニタリング）、又は特徴的な振動特性に基づいた故障した構成要素の識別でさえも含むことができる。ある種の用途においては、構造物の動き又は振動を測定することにより、張力、慣性又は音響ベースの振動抑制技術又はノイズ除去技術をアクティブな振動制御システムの一部として実施することができる。
【０００３】
このようなシステムに使用する振動又は過渡的な屈曲センサは一般に、信頼でき、正確であり、電力要求が少ないことが必要である。従来では、取り付けられる抵抗線ひずみゲージ又は干渉計検出システムは構造部材の低周波数又は断続的な機械的屈曲を検出するのに使用されている。あいにく、このようなシステムは一般にコストが高く、構造部材と検出器との間で信頼性のある結合を確実にするのが困難であり、高周波数の振動又は他の干渉のために測定値が信頼性のないものになりやすい。特に抵抗線ひずみゲージは、抵抗線ひずみゲージとの結合によって屈曲特性が非線形に変わりうる比較的小さな構造部材に結合された場合はとりわけ、熱及び結合の影響によって較正が困難になる可能性がある。
【０００４】
反対に、音響マイクロホンベースのシステムは、低周波数において感度が比較的低いため、高周波数の音響ノイズの測定では抵抗線ひずみゲージよりも適しているが、音響マイクロホンは広範囲の周波数にわたる振動測定に対する最適の解決法を提供しない。より最近になって、マイクロ機械加工か又はマイクロ製造された振動センサを振動の検出に試用している。例えば、スプリングのたわみ、圧縮又は伸長を測定可能な時間領域電気信号に変える質量及びスプリングシステムを構成するエッチングされた半導体の梁、重み付き片持梁又は動くことが可能なダイヤフラムに基づいたマイクロセンサが製造されている。結合されたピエゾ抵抗器、圧電材料を用いて電気信号を生成するか、あるいはキャパシタンスを変えることによって電気信号を変調する。あいにく、音響マイクロホンのように、このようなスプリングタイプの梁又は片持梁デバイスにおける振動の周波数帯域幅は制限されており、スプリング応答の非線形性が著しいために測定が一次共振周波数未満に制限されてしまうことがしばしばである。この問題は高振動周波数において特に顕著であり、大きな振動の周波数帯域幅を測定する際にセンサの全体的な有効性が低下してしまう。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、新規の部分的に透明な光ビーム検出器を用いて、構造部材の振動による動き、平行な動き、ねじりによる動き、屈曲した動き又は他の動きを測定する新規のシステムを提供する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
とりわけ好適である部分的に透明な光ビーム検出器は、光ビームを通すことができる複数の透明又は部分的に透明の層を含む位置感知検出器（ＰＳＤ）であり、通常はＰＳＤに入る光（即ち、測定される光強度）のうちの半分より多くがＰＳＤから出ることができる。これらの層は、エッジに取り付けられた電極を有するｐ−ｉ−ｎ検出器か又は適切にドープされたアモルファスシリコン層を含むことができるが、これらに限定されない。従来及び本明細書中に定義されるような位置感知検出器は、光ビーム位置の重心を示す２つの電気信号を生成する側方効果光センサ（lateral effect light sensor)を含む。本発明による部分的に透明なＰＳＤは、単独で又は組み合わせて、光ビームの位置に関する１、２又は３次元の情報を提供することができる。
【０００７】
あるいは、透明な光ビーム検出器は、透明な光ダイオードの密集したグループ、又は十分に透明なＣＣＤイメージングセンサを含むことができる。更に、本発明によるＰＳＤ又は他の透明な光ビーム検出器を、部分的に反射する層を有するように変更して、検出前に光ビームの一部の方向を変えることができる。透明、半反射及び従来の不透明な光ビーム検出器の組み合わせも本発明の範囲内であると考えられ、これにより、単一の光ビームを用いて光ビームの位置を測定する多様な光学構成が可能になる。
【０００８】
秒単位のタイムスケールを有する遅い動きから、高周波数の１０ｋＨｚ又はこれよりも大きな音響測定値まで、広範囲の周波数にわたった相対的な光ビームの動きを測定することができる。本発明は、レーザビームか又は高度に集束された光ビームによって提供できるような、光ビームを生成する定方向光源を含む。第１の構造部材に取り付けられる第１の部分的に透明な光ビーム検出器（例えば、透明なＰＳＤ）と交差するように光ビームを送り、第１の部分的に透明な光ビーム検出器によって光ビームの少なくとも一部が検出器から出ることができる。光ビーム検出器は第１の構造部材に取り付けられるため、第１の部分的に透明な光ビーム検出器に対する検出された光ビームの動きは第１の構造部材の動きに対応する。構造部材の動きの複数の測定を可能にするために、第２の光ビーム検出器を第２の構造部材に取り付けて第１の部分的に透明な光ビーム検出器から出た光を捕らえる。第２の光ビーム検出器に対する検出された光ビームの動きは、第２の構造部材の動きに対応する。後で理解されるように、第１及び第２の構造部材は一体的なもの（例えば、複数の検出器を支持する単一の柔軟な梁又はパネル）でもよいし、固定可能か又は動くことが可能な継手によって結合されたもの（例えば、各梁が検出器を支持するリンクされた梁構造物）でもよいし、又は互いから機械的に離れていてもよい。
【０００９】
検出された光ビームの１、２又は３次元の動きを追跡することにより、広範囲の周波数にわたる構造部材の屈曲又は振動を決定することができる。都合のよいことに、部分的に透明な光ビーム検出器を使用することによって、複数の検出器を梁、側壁又は他の構造部材に沿って一線上にスタックすることができ、全ての検出器が同一の定方向光源を使用して構造部材の動きを決定することができる。例えば、（大きな金属プレート又はドラムに似た屈曲及び音響特性を有する）大型プリンタの側壁に、線形に配列した多数の光ビーム検出器を設けることができる。単一の光源のみを用いて複数線上の検出器を動作させることを可能にする適切なビーム屈曲、スプリット及び走査技術を使用して、いずれかの線上の部分的に透明な検出器を通過するように単一のレーザビームを送り、検出器を取り付けた側壁の望ましくない振動を測定することができる。この測定された振動データを用いて、プリンタの振動及びノイズを大幅に低減するように振動又はノイズ除去技術を使用することができる。
【００１０】
都合のよいことに、本発明は、引っ張られた状態に維持される構造部材及び前述の梁、プレート又はシェルタイプの構造部材における振動のモニタリング及び補正を可能にする。例えば、いくつかのゼログラフィックプリンタシステムにおいて、望ましくない機械的振動を受けやすい電極ワイヤ又はリボンがドナーロールと潜像との間に位置されてトナーの粉末雲を形成し、潜像を現像する。本発明による光ビーム検出器システムを使用して電極ワイヤの振動モードをモニタし、適切な振動減衰制御システムに入力を供給することができる。電極ワイヤの機械的振動を除去する１つの可能な制御システムは、磁石を電極リボンに隣接して配置し、低周波数のＡＣを用いて電極ワイヤを通過させ、ＡＣと磁場の相互作用からワイヤに作用する電磁力を用いて振動を抑えることによって提供可能である。
【００１１】
プリンタなどのメートル又はサブメートル規模の用途の他に、メートル又は百メートル単位で測定される長さ寸法を有する、振動するか又は屈曲する大規模な構造部材を本発明に従って測定することができる。例えば、建築物又は他の大きな構造物におけるバインド線、柱又は梁を本発明に従ってモニタすることができる。必要であれば、適切に設計されたか又は変更された屈曲又は振動制御システムを使用して、望ましくない構造物の動きを抑えることができる。これにより、風や地面の動きに関連して生じうる大規模な動きによる建築物の望ましくない振動又は屈曲をモニタし、これを補正することができる。
【００１２】
本発明の別の態様は、構造部材の動きをモニタし、制御するシステムであって、光ビームを生成する定方向光源を含み、第１の構造部材に取り付けられる第１の部分的に透明な光ビーム検出器を含み、前記第１の部分的に透明な光ビーム検出器によって前記光ビームの少なくとも一部が前記検出器から出ることができ、前記第１の部分的に透明な光ビーム検出器に対する前記光ビームの検出された動きが前記第１の構造部材の動きに対応し、第２の構造部材に取り付けられ、前記第１の部分的に透明な光ビーム検出器から出た前記光ビームを捕獲する第２の光ビーム検出器を含み、前記第２の光ビーム検出器に対する前記光ビームの検出された動きが前記第２の構造部材の動きに対応し、前記光ビームの検出された動きに応答して構造部材の動きを調節する動き制御ユニットを含む。
【００１３】
本発明の更に別の態様は、振動検出システムを有するプリンタシステムであって、振動を受けやすい構造部材を有するプリンタを含み、光ビームを生成する定方向光源を含み、光ビームの位置に対応する信号を生成する複数の光ビーム検出器を含み、前記複数の光ビーム検出器は、前記振動を受けやすい構造部材に取り付けられ、前記定方向光源からの前記光ビームが通過できるように位置される少なくとも１つの部分的に透明な光ビーム検出器を含み、前記部分的に透明な光ビーム検出器に対する前記光ビーム検出器の相対的な検出された動きが前記振動を受けやすい構造部材の動きに対応する。
【００１４】
本発明の更なる機能、目的、有利な点及び特徴は、以下の好適な実施の形態の説明及び図面を考慮して明らかになるであろう。
【００１５】
【発明の実施の形態】
構造部材の動きをモニタし、必要に応じて制御するシステム１０が図１に示される。構造部材は垂直に延びる梁１２（破線の外郭線）で表される。梁１２はベースにおいて基板１４と結合しており、これは、風によって誘発される動き、地面の動き、過渡的なショック振動、機械的又は音響的に結合された振動デバイス又は機構によって誘発される振動、あるいは誘発される音響振動によって生じうるような異なるねじりによる動き又は屈曲した動きを被りやすい。梁１２の実線の外郭線は、動いた後に生じうる梁の（非常に誇張した形の）瞬時の位置を表している。理解されるように、梁１２は、これらに限定されないが、柱、片持梁、支持される梁、横木、プレート、シェル、バインド線、リボン、メッシュ、火格子、応力コンクリートを含む、張力、屈曲、振動、ショック又は圧縮を受けやすい広範囲の構造部材、又は固定可能かもしくは動くことが可能なデバイス用の他の従来の構造部材を表すものと意図される。本発明の目的のために、構造部材という用語はまた、溶接、ピン、ラミネーション、接着剤、すべり継手、ピボット継手、玉継手、又は互いに対して動くことができないかもしくは動くことができる構造部材を保持する他の従来の結束機構を組み合わせることによって維持される前述の構造部材の組み合わせまで拡張されるものとして考慮する。
【００１６】
梁の動きを検出するシステム１０は、レーザ、集束された非干渉性光源又は集束された発光ダイオードなどによって提供できるような定方向光源３０を含む。放出された光ビームは通常は光学周波数におけるものであるが、赤外線、紫外線又は他の好適な周波数における光を用いてもよい。定方向光源３０は既知の固定位置において中実（ソリッド）基板１８に取り付けられ、基板１４及び梁１２に対して相対的に動かないことが好ましい。図１にみられるように、光源３０は、垂直に延びる梁１２に隣接してこれにほぼ平行になるように光ビーム３２を垂直方向に送る。固定された定方向光源３０に対する梁１２の動きを検出するために、スタックされた光ビーム位置検出システム２０を用いる。複数の部分的に透明な光ビーム検出器２２（及び単一の終端の不透明な光ビーム検出器２４）は、垂直線上において梁１２に取り付けられる。部分的に透明な光ビーム検出器２２の各々によって光ビームのうちの少なくとも一部が検出器から出ることができ、検出器から出なかった各検出器２２内の光ビーム３２の残りは、各検出器において１、２又は３次元の光ビーム位置を表すデジタル又はアナログ信号に変換される。最良の結果を生じるために、入射光の約１／Ｎを捕らえるように検出器２２の透明度を調節することができる（ここで、Ｎはスタックされた検出器の数である）。しかし、感度が適度に高く、少数のスタックされた検出器を使用する場合では、光の５０％を捕らえる検出器を使用することができる。
【００１７】
検出器２２によって生成された信号は検出制御ユニット３４に送られ、このユニット３４は受け取った全ての信号を積分して解釈及び分析を行い、必要に応じて動き制御ユニット３８に転送することができる。検出制御ユニット３４は従来の構造が可能であり、当業者によって理解されるようにワイヤレストランシーバー、アナログ／デジタル変換器、信号処理ハードウェア、及び汎用コンピュータ又はカスタムデザインのボードを含み、検出器２２から受け取った信号を分析することができる。
【００１８】
図１に示すように、動き制御ユニット３８は梁の動きを示す検出制御ユニット３４から信号を受け取ることができる。これに応答して、動き制御ユニット３８は梁１２に取り付けられた複数の動きコントローラ３９に信号を送り、選択された力を付与して望ましくない動きを中和するか、減衰するか又は他の方法で最小にする（そしてもちろん、必要であれば動きを選択的に強める）ことができる。動きコントローラ３９は、これらに限定されないが、質量を変える慣性コントローラ、スプリングもしくは張力コントローラ、収縮ワイヤ、ファイバーもしくはストリップ、電磁石もしくは静電コントローラ、又は動きを抑えるかもしくは動きを強める力を梁１２にアクティブに付与する当業者に既知のあらゆる他の適切な機構もしくはアクチュエータを含むことができる。
【００１９】
都合のよいことに、システム１０により、単一の参照光ビーム３２のみを用いて、部分的に透明な光ビーム検出器の各々に対する光ビーム３２の見かけの検出された動きを、梁１２に隣接して取り付けられた部分の対応する実際の動きと関連させることができる。光ビームの絶対的又は実際の位置は少なくとも１又は２次元において既知であり、測定された光ビームの動きと梁１２の実際の動きとの間の関係はほぼ線形であるため、各検出器の取り付け位置における梁の絶対的な動きを当業者に既知の従来の手順によって容易に決定することができる。理解されるように、高光透過率の検出器（例えば、通常９０〜９５％の光透過率）と共に十分に強力な光源を使用することにより、単一の光ビームの動きを測定する多数のスタックされた検出器を用いて梁の動きの測定値の精度を高めることができる。
【００２０】
構造部材の動きを検出し、必要に応じて制御する本発明の１つの例示的な実施が図２に示されている。図２は、複数の振動誘発構成要素を有するプリンタシステム４０を部分的に切り取った斜視図で示している。プリンタシステムのベルト、ローラ、ラチェット機構、往復動アーム又は他の従来の動き構成要素の動きによって振動を誘発する場合がある。本発明の実施の形態に示されるプリンタシステム４０は、例えば、ゼロックス社（Xerox Corp.)に譲渡され、開示内容が本文中に援用されて本発明の一部とする米国特許第５，３２１，４７４号に開示されるゼログラフィックプリンタを変更したものである。しかし、理解されるように、これらに限定されないが、サーマルインクジェットプリンタ、連続式インクジェットプリンタ、ラスタ出力走査レーザプリンタ、又はオフセットもしくはリソグラフィックプリンタを含む広範囲のプリントシステムにおいて本発明を使用することができる。
【００２１】
図２に示されるように、プリンタシステム４０は、パネル５１の内部（破線５２で示される）に取り付けられる振動検出及び抑制ユニット５０を有する。ユニット５０はレーザ光ビーム源５８を含み、これはパネルに沿って分布する多数の部分的に透明な光ビーム検出器５４を通過するように光ビーム５９を方向づける。示される実施の形態では、ビームスプリッタ５５及びミラー５７を用いて、レーザ光ビーム源５８の直線上にない検出器５４に光ビーム５９を再び方向づける。しかし、当業者によって理解されるように、光スキャナー、ポリゴンスキャナー、ファイバー光学系又はプリズムを含む他の光ビーム再配向又は屈曲システムを使用してもよい。いくつかの用途では、光を屈折させ、ビームを再び方向づけて通過させることができる検出器のデザインが考慮される（例えば、プリズム検出器）。（例えば、１次元検出器に関連して）光スポット位置ではなく光エッジ位置に関する情報が適切である場合は、様々な光ディフューザ又はスプレッダを使用することもできる。
【００２２】
各検出器５４は、パネルの振動を減衰するのに用いることができる動きコントローラ５６に結合している。コントローラ５６及び検出器５４は検出及び制御ユニット４４に接続されており、これは検出器５４から受け取った信号を積分してパネル５１内の振動を減衰する制御ストラテジーを決定し、これを実施する。図２に示されるように、検出器５４及びコントローラ５６を検出及び制御ユニット４４に配線接続することができる。あるいは、例えばニアフィールド（near field）の無線又は赤外線伝送によって可能であるようなワイヤレス機構によって、検出器からの信号取得又はコントローラへの信号分配を行うことができる。バスベースの電気システム、光学ファイバーベースのシステム、音響伝送システム又はあらゆる他の従来のデータ転送スキームを含む他の伝送システムも使用することができる。集中化した検出及び制御ユニットが図２に示されているが、様々な分散化又は階層型検出及び制御スキームも本発明の範囲内に入ると考えられる。
【００２３】
また、図２及び図３は、図２のパネル６１の後ろに位置される他の振動減衰システム６０を示している。図３の略平面図にみられるシステム６０はドナーロール６２を含み、これに沿って電極リボン６４が延びている。開示内容が本文中に援用されて本発明の一部とする米国特許第５，３２１，４７４号に述べられるように、引っ張られた状態に維持される電極リボン又はワイヤはプリンタの振動に応答して振動する傾向があり、これはプリンタの現像においてばらつきを生じる。前述の米国特許第５，３２１，４７４号に述べられるような適切な電磁石制御によってこのような振動を減衰することができるが、最も優れた振動の減衰を生じるには高品質の振動検出システムが必要である。本発明に従って、及び図３に関連して最も良く理解されるように、本発明は振動検出システム７０を提供し、これは、各々が半反射コーティング７７を有する半反射光ビーム検出器７６と、リボン６４に取り付けられた部分的に透明な光ビーム検出器７５とを含む。検出器７５及び７６に接続された検出器コントローラ７８はリボン６４に接続された動き制御ユニット６８に接続されており、これはリボンの動きを変えることができる電気信号を生成する。
【００２４】
図３にみることができるように、（ドナーロール６２に沿って位置される）電極リボン６４は振動して矢印６６で示される位置６５に動く場合があり、これは望ましいものではない。振動の検出を助けるために、反射スポット７９か又は直交に取り付けられた部分的に透明な検出器７５を支持するようにリボン６５を変更することができる。光源７２からの光ビーム７４がスポット７９から反射し、スポット７９のアレイと半反射検出器７６との間をはね返るように光ビーム７４を方向づけることができ、検出された光ビームの動きはリボン６４の動きに対応する。あるいは、光源７３からの光ビーム７１が、リボン６４から垂直に延びるように取り付けられた一連の部分的に透明な光ビーム検出器７５を通過するように光ビーム７１を方向づけることができ、検出された光ビームの動きはリボン６４の動きに対応する。検出されたリボンの動きに応答して、検出器コントローラ７８からの信号を動き制御ユニット６８に送り、リボンの動きを減衰することができる。
【００２５】
前述のような振動減衰が必要でない場合は、本発明に従って半透明検出器を用いた振動診断もまた有用である。例えば、振動の減衰又は制御を試みずに、音響振動又は低周波数の物理的な動きを簡単に検出することができる。振動の検出後に振動周波数のスペクトルを得ることができ、検出及び制御ユニット４４に接続された診断コンピュータ４２によって、問題を生じそうな既知の振動周波数のスペクトルとこのスペクトルを比較する。診断コンピュータ４２により、自動か又はユーザ依頼のサービス及び保守に結合された、今後生じそうな又は実際の故障モードを自動的に決定することができる。理解されるように、ＴＣＰ／ＩＰ（インターネット）プロトコル又は他の適切な通信システムを介するプリンタサービス組織の診断コンピュータへの遠隔接続を用いてもよい。このような遠隔接続により、サービス要員は、問題があることにカスタマが気付く前にプリンタ内で生じそうな故障に気付くことができる。双方の診断サービスを提供し、フィードバック制御をサポートする好適な診断コンピュータシステムは、ゼロックス社に譲渡され、開示内容が本文中に援用されて本発明の一部とするスミスら（Smith et al.) の米国特許第５，４９０，０８９号に述べられている。
【００２６】
建築物、タワー、橋、ダム又は他の大きな構造物における振動検出及び／又は制御もまた、本発明に従って考慮される。例えば、電力線を支持するか又はマイクロ波無線リンクを取り付けるのに使用できるようなタワー８０が図４に示される。タワー８０は、垂直の構造梁要素８１及び８２と、支持ワイヤ８４とを含む。動き検出及び制御システムは、構造梁要素８１及び８２ならびに支持ワイヤ８４に沿って分布する複数の部分的に透明な検出器９５を含む。動作において、構造梁要素８１及び８２の動きを測定するためにレーザ源９２は光ビーム９３をビームスプリッタ９８及び角度づけされた反射器９９に送る一方で、同様にワイヤの動きを測定するためにレーザ９６はビーム９７をワイヤ８４に沿って送る。動き検出及び制御ユニット９４を使用して各検出器９５から受け取ったワイヤレス信号８５を検出し、ワイヤ８４の張力を調節してタワー８０の動きをリアルタイムで動的に制御することができる。
【００２７】
単一のレーザ源と、部分的に透明か、半反射か又は不透明な検出器とを用いたオブジェクトの動き又は絶対的なオブジェクトの位置のリアルタイム検出は、前述の光学素子の様々な組み合わせによって可能である。例えば、図５は、２つの従来の不透明な光ビーム検出器１０６及び１０８、ならびに部分的に透明で半反射の光ビーム検出器１０４を有する光ビーム動き検出システム１００の使用を示している。また、システム１００は光ビーム１０３を検出器１０４、１０６及び１０８に送る光源１０２を含む。検出器１０４及び１０６は動くことができる構造部材１０１の上で互いにしっかりと取り付けられており、検出器１０８は光源１０２にしっかりと固定されている。検出器が少なくとも１次元の測定が可能である場合、光源１０２に対する構造部材１０１の動きのモニタリングは、図６を参照して後述するように進められる。
【００２８】
図６にみられるように、ベースフレームＢ（Ｂｘ及びＢｙ）は検出器１０８の中点に位置する参照（基準）フレームに関連して定義され、目標フレームＴ（Ｔｘ及びＴｙ）は構造部材１０１への検出器１０４の取り付けに関連して定義される。フレームＢは検出器１０８の中点に一致するように取り付けられ、Ｘ軸（Ｂｘ）は検出器１０４の測定軸と一直線であり、Ｙ軸（Ｙｘ）は平面上にある。目標フレームＴは検出器１０４の中点に一致するように取り付けられ、Ｘ軸（Ｔｘ）は検出器１０４の測定軸と一直線であり、Ｙ軸（Ｔｘ）は平面上にある。光源１０２は、ＢのＹ軸に平行であり、Ｂｙ軸から距離Ｇだけオフセットしたビーム１０３を放出する。ビーム１０３が検出器１０４の測定軸に突き当たると、ビームは検出器１０４の中点から交差点まで距離Ｄ１だけ戻る（即ち、中点は原点である）。同様に、検出器１０６はＤ２だけ戻り、検出器１０８はＤ３だけ戻る。検出器１０４及び１０６は平行であり、Ｔｙ軸に沿って距離Ｆだけオフセットされている。
【００２９】
ＢからＴへの変換は、平行な動き（Ｘ、Ｙ）及び回転（Θ）に関係する。
【外１】
0004068206.tif 000002
【００３０】
前述の幾何学的計算に対する適切な変更を用いて、他の検出器構成を用いた位置の決定も可能である。例えば、図８は、構造部材１１１に取り付けられた単一の半反射の不透明な検出器１１４を用いたシステム１１０を示している。半透明の検出器１１６及び不透明な検出器１１８が光源１１２に取り付けられている。図５〜図７に関連して述べたものに類似する計算及び情報を用いて、ビーム１１３の見かけの動きをモニタし、構造部材１１１の相対的又は絶対的な動きに関する情報に変換することができる。
【００３１】
当業者によって理解されるように、検出器１０４、１０６及び１０８（又は１１４、１１６及び１１８）が２次元である（測定される第２の次元が平面に対して垂直である）場合、２次元の光ビーム位置が測定可能になるため、より多くの位置情報が利用可能になる。その場合、これらに限定されないが、図５〜図８に示される構成を含む様々な検出器構成を用いてオブジェクトの６次元の位置及び配向を決定することができる。しかし、１次元又は２次元検出器を用いて、例えば機械部品の小さな動き／振動を測定するのに必要な迅速で精密な測定が可能になる。都合のよいことに、振動及び純粋に相対的な動き（速度の測定）に関しては、較正及びアラインメントは測定の精度にとって重大ではない。
【００３２】
本発明において、様々な半透明又は半反射光ビーム検出器を使用することができる。例えば、断面図（図９）及び平面図（図１０）で示される本発明の１つの実施の形態において、複数の透明層又は半透明層から構成される側方効果位置感知検出器１３０（ＰＳＤ１３０）を使用することができる。光の捕獲を最大にするために通常不透明である従来のＰＳＤと比較して、本発明に従ったＰＳＤは、全ての層を透明か又は半透明にして光ビームが出入りできるように構成されなくてはならない。図９及び図１０にみられるように、ＰＳＤ１３０は、透明基板１３２、ＰＳＤ１３０の２つのエッジに沿って位置される一対の底部電極１４７及び１４８、ならびに電極１４７及び１４８の上に重なる箇所を除いて基板１３２と直接接触する底部透明抵抗層１３７を含む。抵抗層１３７の上にある層は、ｎドープされた層１３５、真性層１３４及びｐドープされた層１３３を有する従来のｐ−ｉ−ｎ光検出器である。ＰＳＤ１３０は、上部透明抵抗層１３６、一対の上部電極１４５及び１４６、ならびにパッシベ−ション誘電層１３９によって完全になる。選択される光波長（光学、赤外線又は紫外線）に対して適用された材料が透明、半透明又はほぼ透明であれば、従来の材料及び方法を用いてＰＳＤ１３０を構成することができる。例えば、光学的に透明なガラス又は半透明なサファイアから基板１３２を構成することができる。アモルファスシリコンで真性層１３４を構成することができ、適切にドープされたアモルファスシリコンでｐ層１３３及びｎ層１３５を構成することができる。透明なポリマー、又はより一般的には酸化インジウム錫（ＩＴＯ）層からパッシベーション誘電層１３９を構成することができる。電極１４５、１４６、１４７及び１４８は必要に応じて透明が可能であるが、ＰＳＤ１３０のエッジに沿って横方向に位置されているため、付着されたアルミニウムのような従来の金属接点を用いることもできる。
【００３３】
図９及び図１０にみられるように、ＰＳＤ１３０は少なくとも部分的に透明であるため、動作において光ビーム１４０はＰＳＤ１３０を通過することができ、光ビームの一部は真性層１３４において電流に変換され、これはエッジに位置される電極１４５、１４６、１４７及び１４８に横方向に移動する。電極の対（即ち、１４５−１４６及び１４７−１４８）の間に流れる検出された電流に基づいて、光ビーム１４０の重心１４１を非常に正確に決定することができる。上部電極１４５と１４６との間の水平位置「ｈ」は、次の式によって与えられる。
ｈ＝（Ｉ１−Ｉ２）／（Ｉ１＋Ｉ２）Ｌ
底部電極１４７と１４８との間の垂直位置は、次の式によって与えられる。
ｖ＝（Ｉ３−Ｉ４）／（Ｉ３＋Ｉ４）Ｌ
式中、Ｉ１は電極１４５において測定される電流、Ｉ２は電極１４６において測定される電流、Ｉ３は電極１４７において測定される電流、Ｉ４は電極１４８において測定される電流、及びＬは電極の各対間の距離の半分であり、この距離はＰＳＤ１３０の中心に関連して測定される。本発明の図１に関連して前述したような好適な検出器エレクトロニクスを用いて、（矢印１４２で示される）光ビーム１４０のわずかな２次元の動きでさえも相対的又は絶対的な位置の変化に確実に変換される。
【００３４】
他の透明なＰＳＤ構成技術を本発明において使用することができる。断面図（図１１）及び平面図（図１２）で示されるように、検出器の透過性を高めるように上部及び底部抵抗層をもたずに構成される側方効果位置感知検出器１５０（ＰＳＤ１５０）を使用することができる。ＰＳＤ１３０のように、新規の非常に透明なＰＳＤ１５０によって光ビームの出入りが容易に可能になる。図１１及び図１２にみられるように、ＰＳＤ１５０は透明基板１５２と、ＰＳＤ１５０の２つのエッジに沿って位置される一対の底部電極１６７及び１６８とを含む。基板１５２の上の層は、ｎドープされた層１５５、真性層１５４及びｐドープされた層１５３を有する従来のｐ−ｉ−ｎ光検出器である。一対の上部電極１６５及び１６６とパッシベーション誘電層１５９によってＰＳＤ１５０は完全になる。ＰＳＤ１３０のように、選択される光波長（光学、赤外線又は紫外線）に対して適用された材料が透明、半透明又はほぼ透明であれば、従来の材料及び方法を用いてＰＳＤ１５０を構成することができる。ほぼ好適な広がりシート抵抗（spreading sheet resistance) のため、アモルファスシリコンで真性層１５４を構成することができ、適切にドープされたアモルファスシリコンでｐ層１５３及びｎ層１５５を構成することができる。透明なポリマー、又はより一般的には酸化インジウム錫（ＩＴＯ）層からパッシベーション誘電層１５９を構成することができる。電極１６５、１６６、１６７及び１６８は必要に応じて透明が可能であるが、ＰＳＤ１５０のエッジに沿って横方向に位置されているため、付着されたアルミニウムのような従来の金属接点を用いることもできる。ＰＳＤ１５０の動作は、図９及び図１０のＰＳＤ１３０に関して前述したものとほぼ同一である。
【００３５】
他の光ビーム検出器システムも本発明における使用に好適である。例えば、透明又は半透明の検出器層及び基板を有するように変えられた光ダイオードの複数アレイを使用して、通過する光ビームの位置を追跡することができる。これは、断面図（図１３）及び平面図（図１４）に最も良く示されており、ここで、４つの検出器１８５、１８６、１８７及び１８８からなる検出器アレイ１７０は、共通の透明基板１７２に付着された複数のセグメント化された透明又は半透明の層から構成される。各検出器１８５、１８６、１８７及び１８８は透明な底部接点１７７を含み、この上の層はｎドープされた層１７５、真性層１７４及びｐドープされた層１７３を有する従来のｐ−ｉ−ｎ光検出器である。各検出器１８５、１８６、１８７及び１８８は、上部接点１７６及びパッシベーション誘電層１７９によって完全になる。ＰＳＤ１３０に関連して述べたものと同様の従来の材料及び方法を用いて光ダイオード光検出器アレイ１７０を構成することができる。
【００３６】
動作において、各検出器１８５、１８６、１８７及び１８８は検出器にあたる全積分光（total integrated light) を表す電気信号を提供する。各検出器に重なる光ビームが通過すると、光ビームの一部は各検出器において電流に変換される。各検出器１８５、１８６、１８７及び１８８から検出された電流に基づいて、光ビームの重心を非常に正確に決定することができる。水平位置「ｈ」は、次の式によって与えられる。
ｈ＝２Ｌ［（Ｉ１＋Ｉ３）−（Ｉ２＋Ｉ４）］／ΣＩ
垂直位置は、次の式によって与えられる。
ｖ＝２Ｌ［（Ｉ１＋Ｉ２）−（Ｉ３＋Ｉ４）］／ΣＩ
式中、Ｉ１は検出器１８５において測定される電流、Ｉ２は検出器１８６において測定される電流、Ｉ３は検出器１８７において測定される電流、Ｉ４は検出器１８８において測定される電流、ΣＩ＝Ｉ１＋Ｉ２＋Ｉ３＋Ｉ４、及びＬは検出器１７０を形成する検出器１８５、１８６、１８７及び１８８の集まりの直線幅の半分である。ＰＳＤ１３０に関しては、光ビームのわずかな２次元の動きでさえも検出器からの電流に変化を生じ、図１に関連して前述したような適切な検出器エレクトロニクスを用いてこの変化を相対的又は絶対的位置の変化に置き換えることができる。
【００３７】
本発明に関連して有用である更に別の可能な検出器構造は、透明又は半透明のＣＣＤイメージングセンサアレイである。これは、断面図（図１５）及び平面図（図１６）において最も良く示されており、ここで、検出器エレメント２０４（ピクセルエレメント）の大きな２次元アレイからなるＣＣＤイメージアレイ２００は、共通の基板２０２に付着された複数のセグメント化された透明又は半透明の層から構成される。基板２０２は、サファイア、又は軍事及びスペースベースの用途のための放射硬化電子デバイスを製造するのに用いるような透明な絶縁体基板が可能である。アレイ２００のデータを読み取り、これを圧縮されたデジタル位置読み取り値に変換する電子回路２０６（必要に応じてエッジ検出回路及びデジタル圧縮を有する）を同一のシリコン基板上に含むことができる。都合のよいことに、このようなアレイ２００はノイズに対する免疫が非常に大きいデジタル信号を生成する。ピクセルエレメント毎に感知し、光ビーム２１０の捕獲された光スポット２１１のエッジを追跡するエッジ検出回路を設けることにより、周囲の光源への影響と、構造部材上で近くに取り付けられる他のセンサによって分散される可能性のあるレーザ光への影響に対する免疫を、ＣＣＤアレイ２００を使用してより大きくすることができる。
【００３８】
オンボード電子回路２０６を用いたこのデジタル圧縮／エッジ検出の動作の例は以下の通りである。典型的なＣＣＤは、アレイの各ピクセルの強度に対応するデータのシリアルストリームを生成する。このシリアル信号にしきい値フィルタリングを行い、「エッジクロッシング（edge-crossings) 」、例えば明から暗又は暗から明の遷移のシリアルストリームを生成する。このエッジクロッシングのシリアルストリームを必要に応じて電子回路２０６によってフィルタリングし、エッジクロッシング同士の間の距離を検出して、各明るいスポットの幅がレーザ光の予測幅に対応するか否かを決定することができる（明るいスポットは２つのエッジクロッシングからなる）。下の表１にみられるように、このフィルタリング処理の出力は、エッジクロッシングのシーケンスか、又は単に各明るいスポットの中心の位置を反映するマーカのシーケンスでありうる。
0004068206.tif 000003
データストリーム内の明るいスポットの位置に対応する位置読み取り値（この場合では「４８」）を生成することにより、スポットの中心のストリームを計算して結果をまとめることができる。所望の解像度に依存して、この結果をそのままか又は（光ビームが検出される象限内に集約される２ビットの数として）集約した形で送信することができる。必要であれば、電圧がＣＣＤアレイ２００の始めに対する位置に対応するアナログ信号にデジタル「位置」の結果を変えることができ、これによって梁に取り付けられる線形電位差計を効率的に刺激することができる。
【００３９】
当業者によって理解されるように、ＣＣＤアレイ自体と同一か又は別個のシリコン基板に共に配置されるプログラマブルデジタルコンピュータ又はマイクロプロセッサを介して前述のフィルタリングスキームにおける変形を実施することができ、より精巧なエッジクロッシング及び（ガウス空間平均などの）ノイズ低減アルゴリズムによって強化することができる。
【００４０】
図２及び図３、ならびに図５〜図８に関連して述べられるような本発明のいくつかの実施の形態において、半反射検出器は光ビームの再配向又はスプリッティングに有用である。このような検出器の１つの例が断面図（図１７）及び平面図（図１８）に示されており、これは、図９及び図１０に関連して述べられたものに類似するが半反射層２４９を更に有する側方効果位置感知検出器２３０（ＰＳＤ２３０）である。半反射層２４９は、入射する光ビーム２４０の一部を別の検出器（図示せず）に向かって反射させる一方で、光ビームの一部がＰＳＤ２３０に出入りすることを更に可能にする。図１７及び図１８にみられるように、ＰＳＤ２３０は透明基板２３２（又は、スタックされた検出器の所与の構造にとってこれを通る光の通過が必要でない場合は必要に応じて不透明の基板）、ＰＳＤ２３０の２つのエッジに沿って位置される一対の底部電極２４７及び２４８、ならびに電極２４７及び２４８に重なる箇所を除いて基板２３２に直接接触する底部の透明な抵抗層２３７を含む。抵抗層２３７の上の層は、ｎドープされた層２３５、真性層２３４及びｐドープされた層２３３を有する従来のｐ−ｉ−ｎ光検出器である。ＰＳＤ２３０は、上部の透明な抵抗層２３６、一対の上部電極２４５及び２４６、及び上部半反射層２４９によって覆われない検出器の部分を覆うパッシベーション誘電層２３９によって完全になる。検出器２３０の材料、構成及び動作は、図９及び図１０に関連して前述したものに類似する。
【００４１】
本発明を特定の実施の形態に関連して説明してきたが、多くの代替物、変更物及び変形物が当業者に明白であることは明らかである。従って、本文中に説明した様々な実施の形態を例示的なものとして考慮すべきであり、請求の範囲において定められる本発明の範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】部分的に透明な光ビーム検出器を用いて動きがモニタされる、屈曲又は湾曲を受けやすい構造部材の略図である。
【図２】振動を誘発するノイズを受けやすいゼログラフィックプリンタパネルの略図であり、スタック状の複数の部分的に透明な光ビーム検出器及び振動制御ユニットがパネルに取り付けられている。
【図３】図２のゼログラフィックプリンタの現像装置のより詳細な略図であり、部分的に反射する振動検出用の複数の光ビーム検出器と、引っ張られた状態に維持される電極リボンの振動を減衰するアクティブ制御ユニットとが示されている。
【図４】部分的に透明な光ビーム検出器を用いた複数の屈曲検出及び制御システムを有するタワー構造物の略図である。
【図５】動き検出器の可能な選択及び幾何学的配置を示す略図である。
【図６】動き検出器の可能な選択及び幾何学的配置を示す略図である。
【図７】更なる動き検出器の配置を示す他の略図である。
【図８】更なる動き検出器の配置を示す他の略図である。
【図９】透明なｐ−ｉ−ｎ層及び透明な基板を組み込んだ位置感知検出器の断面図である。
【図１０】透明なｐ−ｉ−ｎ層及び透明な基板を組み込んだ位置感知検出器の平面図である。
【図１１】透明なドープされたアモルファスシリコン及び透明な基板を組み込んだ位置感知検出器の断面図である。
【図１２】透明なドープされたアモルファスシリコン及び透明な基板を組み込んだ位置感知検出器の平面図である。
【図１３】透明な基板に取り付けられた複数の透明な光ダイオードの断面図である。
【図１４】透明な基板に取り付けられた複数の透明な光ダイオードの平面図である。
【図１５】透明な基板に取り付けられた透明なＣＣＤイメージングセンサの断面図である。
【図１６】透明な基板に取り付けられた透明なＣＣＤイメージングセンサの平面図である。
【図１７】部分的に反射する最上層を有する位置感知検出器の断面図である。
【図１８】部分的に反射する最上層を有する位置感知検出器の平面図である。
【符号の説明】
１０    検出及び制御システム
１２    梁
１４、１８    基板
２０    光ビーム位置検出システム
２２    検出器
２４    不透明な検出器
３０    定方向光源
３２    光ビーム
３４    検出制御ユニット
３８    動き制御ユニット
３９    動きコントローラ
【図１】
0004068206.tif 000004
【図２】
0004068206.tif 000005
【図３】
0004068206.tif 000006
【図４】
0004068206.tif 000007
【図５】
0004068206.tif 000008
【図６】
0004068206.tif 000009
【図７】
0004068206.tif 000010
【図８】
0004068206.tif 000011
【図９】
0004068206.tif 000012
【図１０】
0004068206.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
0004068206.tif 000015
【図１３】
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【図１４】
0004068206.tif 000017
【図１５】
0004068206.tif 000018
【図１６】
0004068206.tif 000019
【図１７】
0004068206.tif 000020
【図１８】
0004068206.tif 000021