JP2005532566A - 光学式エンコーダ - Google Patents

Abstract

本発明は、互いに対して変位可能な２つの構成部品を有する装置、特にＸ線装置に関連する。位置視覚化ユニットは、装置の一方の構成部品に設けられ、装置の他方の構成部品には、動きにより変化する位置視覚化ユニットのセグメントを含む取得ゾーンを有する画像取得ユニットが設けられる。画像取得ユニットは、取得ゾーン中に存在するセグメントの画像を取得し、かかる画像を評価ユニットへ与え、評価ユニットは、画像から位置情報を抽出する。

Description

本発明は、装置の可動の構成部品の位置が決定されうる装置、特にＸ線装置に関連する。

特許文献１は、装置の可動に配置された構成部品がロープを介して装置の他方の構成部品に設けられたポテンショメータに接続されるＸ線検査装置を示す。装置の構成部品が変位されると、装置の構成部品の位置がポテンショメータに与えられる電気信号に基づいて決定されうるよう、ポテンショメータは動きに従って調整される。しかしながら、ポテンショメータは非常に複雑な構造であるため、この種類のシステムは非常に高価である。更に、個々の構成部品は、ポテンショメータの機械的な調整により或る程度の摩耗を受ける。
独国特許第２８３１０５８号明細書

本発明は、装置の構成部品の位置を決定するための改善された手段を有する装置、特にＸ線装置を提供することを目的とする。

この目的は、互いに対して変位可能な２つの構成部品を有する装置であって、装置の一方の構成部品又はそれに接続された部分に設けられた位置視覚化ユニットと、装置の構成部品間の相対的な運動により変化する位置視覚化ユニットのセグメントの画像を取得するよう装置の他方の構成部品又はそれに接続された部分に設けられた画像取得ユニットと、画像から位置情報を抽出する評価ユニットとを有する装置によって達成される。

装置の一方の構成部品には、装置の他方の構成部品に対する装置のこの構成部品の位置を決定しうる位置視覚化ユニットが設けられる。

或いは、位置視覚化ユニットは、装置の関連のある構成部品に接続された部分、例えば装置の近傍に配置された部分上に配置されてもよい。位置視覚化ユニットを取り付けるには多くの可能性がある。位置視覚化ユニットは、例えばネジ止め又は接着することにより独立のユニットとして装置の構成部品に取り付けられてもよい。１つの可能な代替的な例では、位置視覚化ユニットは、印刷又は塗装により装置の構成部品の表面に直接与えられてもよく、又はこれを装置の構成部品の材料に打抜き又はエッチングすることにより与えられてもよい。装置の構成部品が、モールド成型又は同様の工程で製造されるとき、位置視覚化ユニットもまた、当該の金型を適切に構成することにより装置の構成部品中に形成されうる。

この構成により、例えば、形状及び色に関して、位置視覚化ユニットは、定義されるべき位置に関する情報を可能とする。以下に幾つかの例を示す。

・位置視覚化ユニットは、絶対位置情報を定義する複数の位置マーク（例えば、数字、単語、又は、三角形や矩形といった他のグラフィックな記号）又は他の位置マークに対する相対的な位置情報（例えば、目盛り線、点、又は切欠き）から構成される。

・位置視覚化ユニットは、例えば、幾何学的な形状であってもよく、この形状の各視覚化されたセグメントに対して位置に関するはっきりとした情報が提供されるものであってもよい（例えば、所定の位置におけるその幅に基づいて、この場所の位置をはっきりと特定する細長いくさび形状）。

更に、装置の他方の構成部品には、装置の２つの構成部品の相対的な動きの間に位置視覚化ユニットが画像取得装置の取得ゾーンを通るよう、画像取得ユニットが取り付けられる。画像取得ユニットが画像を取得するとき、取得の時点に取得ゾーン内にある位置視覚化ユニットは、当該画像中に表わされる。この画像は、表わされている位置視覚化ユニットのセグメントの形状を認識しその中に含まれる位置情報を抽出する評価ユニットへ与えられる。これは、例えば、画像処理の分野で知られている対象認識又はテキスト認識法によって可能である。この種類の方法は広く知られており使用されているため、ここでは詳述しない。装置の２つの構成部品の位置は、このようにして抽出される位置情報から決定されうる。

位置視覚化ユニットは、望ましくは、動きの間に進行する経路に対して略平行に延びる。例えば、直線的に進む動きの場合、位置視覚化ユニットは動きの間は画像取得ユニットの取得ゾーンを通って動く直線に沿って配置される。

位置視覚化ユニットの形態は、位置の決定に必要な精度、並びに、画像取得ユニットによる及び評価ユニットによる認識可能性の度合いに主に依存する。従って、多くの場合、非常に経済的な位置視覚化ユニットが使用されうる。例えば、巻き尺といった予備形成された構成部品が位置視覚化ユニットとして使用されてもよく、又は、位置視覚化ユニットはグラフィックコンピュータによって設計されてもよく、装置の関連の構成部品上に印刷が与えられてもよい。画像取得ユニットの構成はまた必要とされる精度に依存し、しばしば、市販の装置によって、例えば消費者製品の分野の装置によって経済的に実現されうる。

本発明による位置決定の手段は非接触式に動作し、従って摩耗による保守作業及び機械的な構成部品の定期的な交換はなくされる。

また、更なるいくつかの利点がある。即ち、今日、コンピュータは多くのＸ線装置に組み込まれている。このコンピュータが更に評価ユニットとしても使用される場合、構成部品は節約され、利用可能な資源の最適な使用がなされうる。

ロープで操作されるポテンショメータを有する上述した位置決定システムでは、長い水平に延びるロープの場合は、ロープのたるみにより望ましくない不正確さが生ずるため、問題が生ずる。しかしながら、本発明による装置の構成は、内蔵する場所とは独立である。

位置決定システムは、位置視覚化ユニットが画像取得ユニットに対して変位する経路の種類（直線的、湾曲した、・・）とは独立である。唯一の条件は、位置視覚化ユニットのセグメントが画像取得ユニットの取得ゾーン中に存在せねばならないことである。

位置視覚化ユニットが多数の位置マークを有する場合、かかる位置マークのうちの幾つかは、取得ゾーン中に存在し、従って画像中に存在する位置視覚化ユニットのセグメント中に存在しうる。評価ユニットは、次に、どの位置マークが正しい位置を示すものであるかを決定せねばならない。これは、更に少なくとも１つの参照マークが画像中に再生されるときは特に簡単であり、かかる参照マークの位置は各画像中で同じである。これは、例えば、各画像について、評価ユニットが、画像中心を通る直線といった固定の画像点を参照マークとして使用することによって実現されうる。他の可能性は、画像取得ユニットに、参照マークを画像に挿入させ、それにより画像中の参照マークが評価ユニットに対して提示されるようにすることである。参照マークは、請求項２に従って特に簡単に画像中に形成されうる。画像取得ユニットの位置が装置の動作中に例えば衝撃といった機械的効果によって僅かに変化しても、如何なる場合も、位置視覚化ユニットのセグメント及び参照マークが画像中に再現される限り、正確な位置決定が依然として可能である。

請求項３による位置視覚化ユニットの実施は、特に簡単且つ経済的である。当該の構成と共に、市販の巻き尺が使用されうる。

装置の構成部品が互いに対して１次元的に可動である場合、請求項４に開示されるような位置視覚化ユニットの配置を用いることが意味がある。装置の構成部品の動きに応じて、位置視覚化ユニットは画像取得ユニットの取得ゾーンを通る線に沿って動かされる。装置の構成部品が回転可能であるよう支承される場合、請求項５による実施例は簡単な実施の可能性を提供する。位置視覚化ユニットは、完全に装置の１つの構成部品上に設けられる必要はない。

空間が足りないために装置の一方の構成部品に位置視覚化ユニット全体を設けることが出来ない場合、請求項６に開示されるような実施例を用いることが有利である。位置視覚化ユニットは、そこへ動きが伝達される内蔵式の構成部品として構成される。テープ状の担体は、例えば、２つのローラ間で張力がかけられ１つの位置で装置の一方の構成部品に接続される永久ループとして構成されてもよい。請求項７による実施例は、特に大きい空間節約効果を有する。ローラは、例えば、ローラ内に螺旋バネを取り付けることによりバネ荷重がかけられる。結果として、テープ状の担体は、いかなるときも張力がかけられたままとされ、一方の動き方向でローラに巻き付けられる（wound）。動きの方向が逆にされると、テープ状の担体はローラから巻き出される（unwound）。

画像取得ユニットによる各画像取得について、この場合は位置表示ユニットのセグメントである撮像されるべき対象は、光又は他の電磁放射線を反射するか、それ自体が光又は他の電磁放射線を発しなくてはならない。位置視覚化ユニットが発光性であるように構成されていない場合、画像取得は、請求項８に従って周囲光とは独立であるようにされうる。

装置の経済的な実施を可能とするために、請求項９に記載の実施例が提案される。所望の精度に依存して、家庭用コンピュータの分野の非常に経済的なＣＣＤカメラが、インターネットを介した画像伝送のために使用されえ、即ち、いわゆるＷＥＢｃａｍである。

本発明による装置は、例えば機械又は工作機器といった多くの分野で使用されうる。特に有利な用途は、医用装置であり、特に請求項１０に開示されるようなＸ線装置である。最新のＸ線装置は、互いに対して可動であるよう配置される場合が多く、互いに対する関連のある構成部品の瞬間的な位置が関心となる複数の機械的な構成部品を有する。例えば、かかる装置内のＸ線源は、３次元で、また、回転により変位可能であるよう配置され、又は、Ｘ線検出器の高さは調整可能であるようにされうる。Ｘ線画像の取得中の検査されるべき対象の位置決めの手段、例えば台は、３次元的に調整可能である。

しかしながら、請求項１１によれば、検査室の天井に取り付けられＸ線源用のマウント部の変位を可能とする天井スタンド（３次元変位装置）が特に興味深い。更に、マウント部は軸回りに旋回されうる。Ｘ線源の位置決めようのＸ線装置のこれらの構成部品は、既にそれらの位置が互いに対して決定されるべき４つの変位可能な構成部品を含む。

本発明について、図１乃至図４を参照して以下詳述する。図１は、Ｘ線装置の一部を示す図である。天井に取り付けられたスタンド１は、Ｘ線源１４を３つの空間方向へ変位させるのに役立つ。Ｘ線源１４のマウント部１２は、台車６を介して水平変位装置に接続された伸縮自在の垂直変位装置８に取り付けられる。このために、台車６は、第１のレール系３上でローラ系（図示せず）を介して方向１５へ変位可能であるよう配置され、第１のレール系３は方向１９にローラ５を介して第２のレール系２上で変位可能であるよう配置される。第２のレール系２は、例えば、検査室の天井に取り付けられる。

第２のレール系２には、位置視覚化ユニット１６が取り付けられ、そこからカメラ１７により画像が取得されうる。第１のレール系３が方向１９に動くと、位置視覚化ユニット１６はカメラ１７を通り過ぎて動く。カメラ１７によって取得される画像は、カメラ（１７に対する（又はレール系３に対する）レール系２の位置に対応する位置視覚化ユニット１６のセグメントを示し、従って関連のある位置は画像から決定されうる。或いは、位置視覚化ユニットはまた、変位方向１９に対して平行に延びるよう天井に取り付けられても良く、その場合、カメラ７はそれに従って向きが決められるべきである。

図２は、図１の位置視覚化ユニット１６として使用されるのに適した位置視覚化ユニットの３つの例を示す図である。位置視覚化ユニットは、テープの形とされ、市販の巻き尺又は折り尺上に設けられるのと同様の目盛りに従って構成され配置される位置マークから構成される。位置視覚化ユニットＰ１は、図示のセグメント中で「１０３」から「１１３」まで計数できる連続した数字の長さ単位を有する。数字に加えて、各長さ単位に対して長い目盛り線が与えられる。各長さ単位は、夫々の短い目盛り線によって表わされる１０個の下位単位へと細分化される。長さ単位の半分の目盛り線は、短い目盛り線の長さよりも僅かに長い。図示の長さ単位は、システムに必要な精度に依存し、例えば、ミリメートル、センチメートル、又はデシメートルでありうる。長さ単位がセンチメートルであれば、２つの長さ単位間の距離は１ｃｍとなり、２つの下位単位の間の距離は１ｍｍとなる。この種類の位置視覚化ユニットを用いて、少なくとも１ｍｍの精度が達成されうる。位置視覚化ユニットＰ２は、位置視覚化ユニットＰ１と非常に似ている。しかしながら、長さ単位の計数は、１０ずつのブロック間に当該の数字の最後の桁しか示されない点で異なる。

位置視覚化ユニットＰ３では、各長さ単位は長い目盛り線で示され、各下位単位は短い目盛り線で示される。しかしながら、数字はもはやアラビア数字ではなくバーコードによる符号化された形式で表わされ、従って画像中の認識、及び、評価ユニットによる長さ単位の評価を簡単化する。評価ユニット中の画像評価の更なる簡単化のため、位置視覚化ユニットの位置マークは、異なった形状だけでなく異なった色を有しうる。上方の位置視覚化ユニットＰ４は、バーコードによる数字の他の表現を構成し、各短い目盛り線は同じであり、各短い目盛り線の上にバーコードが設けられている。

図３は、図１に示すような位置視覚化ユニット１６とカメラ１７の協働をより詳細に表わす図である。テープ状の位置視覚化ユニット１６に向けられたカメラ１７は、位置視覚化ユニット１６の一部の画像を取得し、この画像はカメラ１７の取得ゾーン５１によって表わされる。位置視覚化ユニットの近傍に設けられたポインタ５２もまた、取得ゾーン５１中に参照マークとして存在する。或いは、ポインタは、位置視覚化ユニットへと投影されても良く、取得ゾーン５１全体を横切ってもよい。更に、ポインタ５２はカメラ１７につながれ、ポインタ５２が常に取得ゾーン５１中で同じ位置に位置決めされるようにされる。ポインタ５２は、例えば本願明細書の冒頭で既に説明したような対応する参照マークが、異なる方法で画像中に挿入される場合、例えばカメラ１７又は評価ユニットが画像中に「仮想」参照マークを挿入する場合は、省かれてもよい。かかる仮想参照マークは、この場合は、ポインタ５２に対して平行に又は位置視覚化ユニット１６の目盛り線に対して略平行に延びる直線、従って画像を略垂直に通る直線によって形成されうる。

更に、照明ユニット５７は、カメラ１７中に一体化され、この照明ユニットは、ポインタ５２、及び取得ゾーンにそれぞれに存在している位置視覚化ユニット５０を照明する。或いは、照明ユニット５７もまた、例えばカメラ１７に隣接して配置される内蔵型の構成部品として作られてもよい。

位置視覚化ユニット１６が、取得ゾーン５１内を方向１９（テープの方向に平行）で動くとき、ポインタ５２の先端は、位置視覚化ユニット１６の各異なった位置マークを指す。カメラ１７は、取得ゾーン５１中に存在する位置視覚化ユニット１６のセグメントの画像を取得し、これらの画像を導線５４を介して評価ユニット５５へ与える。評価ユニット５５は、検査ゾーン５１中で画像化された位置視覚化ユニット１６のセグメントに関する情報、並びに、位置視覚化ユニット１６のどの位置マークがポインタ５２の近傍にあるかに関する情報を抽出する。カメラ１７と評価ユニット１５の間のデータ伝送は、或いはワイヤレスに行われてもよい。図３に示す例では、評価ユニット５５は、ポインタ５２が、数字１０８を伴う長さ単位の目盛り線の右側に約９個の下位の目盛り線のところに配置されることを認識する。長さ単位がセンチメートルを表わすとき、ポインタは１０８．９ｃｍを指す。ポインタ５２が２つの下位目盛り線の間に表わされるとき、評価ユニットは、位置決定マークを、ポインタ５２からの距離が最小である下位目盛り線として定義する。このようにして抽出される情報は、本例では導線５６といった適切なデータ伝送手段により、評価ユニット５５からシステムの更なる構成部品へ与えられる。

図１中、位置視覚化ユニット及びカメラから構成されるこの種類のシステムはまた、台車６上及び第１のレール系３上にも存在しうる。このために、カメラ２０は台車６上に取り付けられ、更なるテープ状の位置視覚化ユニット（本例では図示されていない）は、カメラ２０がその画像を取得しうるようレール系３の下側に取り付けられている。台車６が方向１５に動くと、台車６の位置に対して第１のレール系３に対応する位置視覚化ユニットのセグメントは、カメラ２０の取得ゾーン中にあり、評価ユニット（本例では図示せず）は対応する位置を画像から抽出しうる。

更に、バネ式ローラ４が台車６に取り付けられ、柔軟な材料のテープ９が位置視覚化ユニットとしてローラに巻き付けられている。テープ９は、例えば、図２に示すように構成され、バネの力に対抗してローラから巻き出されうる。テープ９の外側端は、Ｘ線源１４のマウント部１２に取り付けられる。マウント部１２が垂直変位装置８によって上方位置から下向きに動かされると、テープ９はローラ４から巻き出される。マウント部１２が再び上向きに動かされると、テープ９はバネの力によって再びローラ４に巻き付けられる。ローラ４の近傍には、（やはり台車６に取り付けられて）カメラ７があり、テープ９のセグメントがその取得ゾーン中に存在する。位置視覚化ユニット及びカメラから構成されるこの第３の系は、マウント部１２の位置、従って台車６に対するＸ線源１４の位置が決定されることを可能とする。

更なるカメラ１１は、マウント１２に取り付けられる。環状位置視覚化ユニット１０は、マウント１２内で回転可能であるよう支承されたＸ線源１４に取り付けられ、この位置視覚化ユニットのセグメントはカメラ１１の取得ゾーン中に存在する。取得ゾーン中に存在する位置視覚化ゾーン１０のセグメントは、Ｘ線源を方向１３に回転させることによって変更される。マウント部１２に対するＸ線源１４の回転位置は、カメラ１１によって取得される画像に基づいて決定されうる。位置視覚化ユニット及びカメラ（本例では図示せず）によって形成される更なる系は、マウント部１２を垂直変位装置８の回りで方向１８に回転させている間に位置を導出するよう、マウント部１２に対する垂直変位装置８の付属品に取り付けられ得る。

図１に示す全てのカメラは、例えば台車６中に収容される共通の評価ユニットに結合されうる。結合は、ワイヤレスであってもよく、又は導線によって実現されてもよい。或いは、評価ユニットはまた、図示のシステム構成部品に隣接した独立のユニットとして、又は既存のシステム構成部品に一体化されてもよい。複雑なＸ線検査システムは一般的にはプログラマブルなデータ処理ユニットを有するため、評価ユニットは、プログラムコードを拡張し、外部接続を僅かに変更することによって、その中に比較的簡単に一体化されうる。更なる他の変形例は、評価ユニットをカメラと一緒に筐体に収容するものであり、それにより関連のある位置情報は結合されたカメラ／評価ユニットから直接導出されうる。

評価ユニットによって決定される位置情報は、様々な方法で使用されうる。例えば、装置の関連のある構成部品の位置は、モニタ（図示せず）上にユーザのために表示される。位置情報はまた、自動変位装置によって使用されうる。図１中の可動の構成部品は、変位されえ、即ちモータによって、選択可能な位置へ変位されうる。制御ユニットは、変位を制御しうるよう、変位中、評価ユニットから装置の当該の構成部品の瞬間的な位置を受信する。

図４は、カメラ（図示せず）の取得ゾーン７２を通って方向７５へ動くことが可能な第１のテープ状の位置視覚化ユニット７０と、取得ゾーン７２を通って方向７６へ動くことが可能な第２のテープ状の位置視覚化ユニット７１とを示す。また、位置視覚化ユニット７０に関連する第１のポインタ７４と、位置視覚化ユニット７１に関連する第２のポインタ７３とが示される。この配置は、取得ゾーン７２を通って異なる方向に動く２つの位置視覚化ユニットの画像を単一のカメラによって同時に取得することを可能とする。かかる配置は、例えば、図１に示すシステムでは、カメラ２０が、カメラの取得ゾーンがローラ４上のテープ９と第１のレール系３の下側に取り付けられた（本例では図示せず）位置視覚化ユニットとを含むよう台車６上に配置される場合に、使用されうる。仮想参照マークは、本例でも、ポインタ７３及び７４の代わりに使用されうる。

図１は、Ｘ線装置の一部を示すものにすぎないことに留意すべきである。図示しない変位可能な構成部品の位置、例えば、Ｘ線検出器又は検査台の位置もまた、本発明によって決定されうる。

Ｘ線装置の一部を示す図である。 様々な巻き尺の形の位置視覚化ユニットを示す図である。 本発明による装置の構成原理を示す図である。 取得ゾーン中の複数の巻き尺を示す図である。

Claims (11)

1. 互いに対して変位可能な２つの構成部品を有する装置であって、
   前記装置の一方の構成部品又はそれに接続された部分に設けられた位置視覚化ユニットと、前記装置の構成部品間の相対的な運動により変化する前記位置視覚化ユニットのセグメントの画像を取得するよう前記装置の他方の構成部品又はそれに接続された部分に設けられた画像取得ユニットと、前記画像から位置情報を抽出する評価ユニットとを有する、装置。
2. 前記画像中で可視であり、前記画像取得ユニットに取り付けられた参照マークを有する、請求項１記載の装置。
3. 巻き尺の形に作られた位置視覚化ユニットを有する、請求項１記載の装置。
4. 略直線に沿って延びる相対的な運動が生じ、前記直線と平行に配置された位置視覚化ユニットを有する、請求項１記載の装置。
5. 円形の線に沿って配置された位置視覚化ユニットを有し、前記装置の一方の構成部品は回転可能であるよう支承される、請求項１記載の装置。
6. テープ状の担体上の位置視覚化ユニットを有する、請求項１記載の装置。
7. 一方の側では前記装置の一方の構成部品に接続され、他方の側では前記装置の他方の構成部品に取り付けられたローラに接続されたテープ状の担体を有し、前記担体は、相対的な動きの結果として前記ローラへ巻き付けられ、又は、前記ローラから巻き出される、請求項６記載の装置。
8. 前記取得ゾーンを照明する照明手段を有する、請求項１記載の装置。
9. ＣＣＤカメラの形の画像取得ユニットを有する、請求項１記載の装置。
10. 互いに対して変位可能な２つの構成部品を有するＸ線装置であって、
    前記装置の１つの構成部品又はそれに接続された部分に設けられた位置視覚化ユニットと、前記装置の構成部品間の相対的な運動により変化する前記位置視覚化ユニットのセグメントの画像を取得するよう前記装置の第２の構成部品又はそれに接続された部分に設けられた画像取得ユニットと、前記画像から位置情報を抽出する評価ユニットとを有する、Ｘ線装置。
11. Ｘ線源は、前記装置の前記一方の構成部品又は前記他方の構成部品に取り付けられることを特徴とする、請求項１０記載のＸ線装置。

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