JP3549465B2

JP3549465B2 - 表面上の対象物の位置を決定する装置

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Publication number: JP3549465B2
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、位置検出装置に関し、特に、被走査中の対象物の表面に対するスキャナの位置を決定する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
位置センサは、各種の用途において表面に対する対象物の位置を測定するために使用される。たとえば、走査装置（本明細書中では単に「スキャナ」ということもある）の中には、位置センサを用いて、被走査中の文書に対するスキャナの位置を決定するものもある。別の例では、位置センサを利用して、用紙に実際にプリントを行うプリンタ内の装置、たとえばプリントキャリッジに対して、プリント中の用紙の位置を決定するプリンタもある。
【０００３】
スキャナは、たとえば、テキストなどのページ上のイメージを、機械読み取り可能なイメージデータ（本明細書中で単に「イメージデータ」ということもある）に変換する装置である。スキャナの中には、走査対象のイメージの細い走査線をイメージデータに変換するものもある。走査対象全体のイメージを表すイメージデータを生成するために、スキャナを走査対象に対して移動する。スキャナが走査対象に対して移動すると、スキャナが走査対象のイメージの連続する走査線の集まりを表すイメージデータを生成する。このため、走査対象のイメージは、走査対象の映像表示と同様に、この走査対象の連続した走査線の集まりとして表される。
【０００４】
イメージデータは、通常、走査対象のイメージを再生または修正するために利用し得るコンピュータにより処理され、これに記憶される。たとえば、イメージデータは、走査対象のイメージを再生する別のコンピュータまたはファクシミリ機器にデータ線を介して送信される場合もある。走査対象がテキストのページである場合、テキストのイメージはコンピュータに入力され、文書処理プログラムにより編集され得る。
【０００５】
イメージデータを正確に処理するために、走査対象の表面に対してどこで走査線を生成したかをコンピュータが把握することは重要である。走査線が生成された位置から走査対象上の位置を検出することは、イメージデータを生成していく際に、走査対象に対するスキャナの位置または速度を測定することにより実現され得る。走査線を表すイメージデータには、表面に対する走査線の位置または走査線の相互の位置を電子的に標識付けしてもよい。処理工程において、コンピュータは、走査線同士を互いに正しく配置して走査対象のイメージを再生することができる。
【０００６】
走査対象の表面に対する走査線の位置を利用して、コンピュータが走査対象のイメージを再生する。走査対象のイメージを再生するための一態様には、走査対象の表面に対するスキャナの動きにより規定される寸法において対象物のサイズを決定することがある。たとえば、スキャナが１秒あたり１０００本の走査線を生成し、スキャナと走査対象との相対速度が１秒あたり２．５４ｃｍ（１インチ）である場合、コンピュータは、それぞれが走査対象のイメージの０．０２５ｍｍ（１／１０００インチ）を表す走査線に基づいてイメージデータを処理する。しかしながら、相対速度が低下し、この低下した速度がコンピュータに正確に伝達されなければ、コンピュータは、各走査線があたかも走査対象のイメージの０．０２５ｍｍ（１／１０００インチ）を表すようにイメージデータの処理を続行する。この結果、イメージデータが表す走査対象のイメージは圧縮され、走査対象は正確に表現されないことになる。一方、相対速度が増大し、この増大した速度がコンピュータに正確に伝達されなければ、イメージデータが、走査対象の拡大されたイメージを表すこととなり同様に正確ではない。
【０００７】
スキャナの中には、ローラ機構を利用して被走査中の走査対象の表面に対するスキャナの位置に関する情報を生成するものもある。この位置情報を処理することで、走査対象の表面に対し、走査線がどこで生成されたかを決定する。ローラ機構は、スキャナが走査対象に対して移動する際、走査対象と接触して回転する。スキャナは、ローラ機構の回転を測定し、走査対象に対するスキャナの位置を決定する。しかしながら、ローラ機構は、走査対象に対するスキャナの位置を直接測定することができない。むしろ、位置測定値は、ローラ機構の回転から導出されるため、位置測定値は不正確性なものとなる可能性がある。さらに、ローラ機構は、ローラ機構と走査対象の間の摩擦に依存して回転を維持する。この摩擦が何らかの理由により低下すると、ローラ機構は、回転せずに滑ってしまうため、位置測定、ひいてはイメージデータにより表されるイメージが正確でなくなる。
【０００８】
さらに、光学系を利用して走査対象に対するスキャナの位置を決定するスキャナもある。一例として、スキャナに取り付けられた光検出器は、走査対象の二次元の小さな領域を連続してイメージングし、これらの領域を表すイメージデータをコンピュータに送信する。コンピュータは、これらのイメージングされた領域内にある走査対象の識別可能な特徴を認識し、これらの光検出器に対する識別可能な特徴の位置を記憶する。これらの識別可能な特徴は、一例として、製紙工程に用いられるパルプ材によりもたらされる用紙面の変化であってもよい。スキャナが走査対象に対して移動すると、これらの識別可能な特徴は光検出器に対して移動する。コンピュータは、光検出器に対するこれらの識別可能な特徴の移動方向および移動量を特定して、走査対象に対するスキャナの位置、移動方向および速度を決定する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの光検出器を使用したスキャナでは、走査対象上の識別可能な特徴を特定し、かつ光検出器に対する識別可能な特徴の移動を決定するために相当な処理能力が必要となる。このような処理能力は、スキャナをコスト高にするとともに、より複雑にする。これらの光検出器が有する別の課題は、走査対象上の識別可能な特徴を検出するために、イメージングする走査対象の領域に光をあてる必要があることである。このさらなる光の照射により、スキャナが必要とする電力は走査対象を走査するのに通常必要な量より大きくなる。このような消費電力の増加は、携帯用電源に依存するハンドヘルドスキャナにとって不利である。さらに、光検出器を用いると、たとえば、レンズ等の光学部品をスキャナに追加して使用しなければならないことから、スキャナをコスト高にするとともにより複雑にする。
【００１０】
したがって、ある対象物の、走査対象の表面に対する位置または速度を直接的に精度よく測定し、かつ電力および処理の各要件を最小限に抑えた位置センサが必要とされる。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
ある対象物がある表面に対して移動する際に、この表面に対する対象物の速度および位置を決定し得る位置検出装置が開示される。この位置検出装置は、２つの深さ測定装置（プロフィルメータ（粗面計：ｐｒｏｆｉｌｏｍｅｔｅｒ）と称することが多い）からなり、これらの深さ測定装置は、対象物と表面の間の移動方向と実質的に平行な軸上にあるように該対象物に取り付けることができる。深さ測定装置は、互いに所定の間隔をあけて配置される。深さ測定装置は、対象物が表面に対して移動する際の表面の形状（ｃｏｎｔｏｕｒ）を測定し、表面形状を表すデータをプロセッサに出力する。したがって、プロセッサは、位相がずれている２つのデータ信号を受信し、この位相ずれは、対象物と表面の間の相対速度に比例する。次にプロセッサは、データ信号を分析し、表面に対する対象物の速度を決定することができる。同様に、プロセッサは、所定の時間間隔における表面に対する対象物の変位も決定することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１〜図６は、全体として、第１軸３５０が表面３１０上にあるときの、第１軸３５０に対する対象物１００の位置を決定する位置検出装置２００を示す。位置検出装置２００は、対象物１００に取り付けられた第１のプロフィルメータ２１０と、第１のプロフィルメータ２１０から所定の間隔２３６をあけて配置された、対象物１００に取り付けられた第２のプロフィルメータ２０４とを備え、第１のプロフィルメータ２１０と第２のプロフィルメータ２０４は第２軸に沿って配置されるとともに、第１軸３５０は第２軸と実質的に平行であるよう構成される。
【００１３】
また、図１〜図６は、全体として、第１軸３５０が表面３１０上にあるときの、第１軸３５０に対する対象物１００の位置を決定する位置検出装置２００も示す。位置検出装置２００は、対象物１００に取り付けられた第１の針（ｓｔｙｌｕｓ）２５２と連動する第１の変換器２５０と、対象物１００に取り付けられた第２の針２１２と連動する第２の変換器２０６と、を備え、第１の針２５２は、第２の針２１２から所定の間隔をあけて配置されるとともに、第１の針２５２と第２の針２１２が第２軸に沿って配置され、さらに第１軸３５０は第２軸と実質的に平行であるよう構成される。
【００１４】
また、図１〜図６は、全体として、第１軸３５０が表面３１０上にあるときの、第１軸３５０に対する対象物１００の位置を決定する位置検出装置２００も示す。位置検出装置２００は、対象物１００に取り付けられた第１の光学プロフィルメータと、対象物１００に取り付けられた第２の光学プロフィルメータとを備え、第１の光学プロフィルメータは第２の光学プロフィルメータから所定の間隔２３６をあけて配置されるとともに、第１の光学プロフィルメータと第２の光学プロフィルメータは第２軸に沿って配置され、さらに第１軸３５０は第２軸と実質的に平行であるよう構成される。
【００１５】
また、図１〜図６は、全体として、第１軸３５０が表面３１０上にあるときの、第１軸３５０に対する対象物１００の速度を決定する方法も示す。この方法は、対象物１００に取り付けられた第１の深さ測定装置２１０を設け、対象物１００に取り付けられた第２の深さ測定装置２０４を設け、第２の深さ測定装置２０４は、第１の深さ測定装置２１０から第２軸に沿って所定間隔２３６をあけて配置され、第１軸３５０は、第２軸と実質的に平行であり、対象物１００と表面３１０の間で第１軸３５０に沿って相対移動を引き起こし、第１の深さ測定装置２１０および第２の深さ測定装置２０４により表面３１０の深さを測定し、第１の深さ測定装置２１０および第２の深さ測定装置２０４により測定される表面３１０の深さについて分析を行って表面３１０に対する対象物１００の速度を決定するものである。
【００１６】
位置センサ２００について概説してきたので、ここでは手短に説明する。位置センサ２００を組み込むイメージング装置１００のさらに詳細な説明については、本概要の記載に準ずる。イメージング装置１００は、本明細書では単にスキャナということもある。以下の説明において、スキャナ１００に内蔵される位置センサ２００は単に例示の目的にすぎず、表面に対する対象物の位置を決定するために位置センサ２００を他の装置に使用してもよいことが理解されるはずである。
【００１７】
図１は、テキスト３６０がプリントされている用紙３００の表面３１０を走査するスキャナ１００の上部断面図である。特に、図１は、スキャナ１００の形跡およびスキャナ１００内の２個の位置センサ２００の位置を示す。スキャナ１００は、図１において用紙３００の表面３１０である走査対象の、機械読み取り可能なイメージデータ（本明細書中では、単にイメージデータということもある）を生成する。走査対象のイメージを表すイメージデータを生成することを、走査対象を「イメージングする」または「走査する」という場合もある。本明細書に記載のスキャナ１００はハンドヘルド式スキャナであり、ユーザは走査対象を走査する際に、スキャナ１００を走査対象の表面に対して移動させる。
【００１８】
スキャナ１００は、表面３１０の細い走査線３６２を表すイメージデータを生成することができる。走査線３６２は、スキャナ１００に対して固定位置にあってもよく、図１では、参照線Ｃ−Ｃに沿って位置合わせをする。スキャナ１００は、図１において、イメージデータを生成していくのにともない表面３１０に対する方向３５０に移動するとして示される。方向３５０は、走査線３６２に実質的に直角である。スキャナ１００が移動すると、スキャナ１００は、表面３１０の走査線３６２のイメージを表すイメージデータを繰り返し生成する。これらの走査線３６２を表すイメージデータは、スキャナ１００により従来のデータ記憶装置に格納される。スキャナ１００が表面３１０上の移動を完了すると、スキャナ１００は、表面３１０の走査線３６２を複数表すイメージデータを生成し、このイメージデータをデータ記憶装置に格納する。
【００１９】
表面３１０のイメージを正確に再生する際、スキャナ１００は、イメージデータが表すこれらの走査線を配列することでイメージデータが表面３１０のイメージを再生する。したがって、スキャナ１００は、表面３１０に対してどこに表面３１０の走査線３６２が生成されたかを把握する必要がある。
【００２０】
表面３１０に対する走査線の位置を決定することは、表面３１０に対するスキャナ１００の移動がユーザが手動で行う移動により制御されることから、特に困難である。スキャナ１００と表面３１０との相対移動は、人間が介在することから一般に不安定である。このため、スキャナ１００は、表面３１０に対するスキャナ１００の移動が不安定な状態で走査線３６２が生成されていくと、表面３１０に対するその位置を決定する手段を有する必要がある。位置情報が決定されると、個々の走査線３６２を表すイメージデータには、この走査線が生成開始された位置を電子的に標識付けすることができる。次に、スキャナ１００により、周知の処理技術によって表面３１０のイメージを再生することができる。
【００２１】
本明細書中で開示されるスキャナ１００は、スキャナ１００が表面に対して移動すると、異なる位置から表面の形状を測定することにより、表面に対するその位置を決定する。さらに詳細を後述するように、形状の情報は、位相がずれている少なくとも２つの実質的に同一の信号形式である。位相ずれの大きさは、表面に対するスキャナ１００の速度に正比例する。スキャナ１００は、信号間の位相ずれを利用して、表面に対するスキャナ１００の速度、ひいては位置を決定する。
【００２２】
要するに、スキャナ１００は、スキャナ１００に取り付けられた位置センサ２００を用いて、スキャナ１００が表面に対して移動するときに２カ所の固定位置から表面の形状を測定する。位置センサ２００は、それぞれ２カ所の測定箇所から位置センサ２００に対する表面の深さを測定する。したがって、各位置センサ２００は、２つの表面の形状プロフィールを生成し、プロセッサ１４０に出力する。測定箇所において生成された形状プロフィールは、互いに位相がずれている、すなわち一方の形状プロフィールが他方に時間的に遅れている場合を除いて実質的に同一である。この時間ずれをプロセッサが利用することで、表面に対する位置センサ２００の速度、移動方向、加速度および位置が決定される。
【００２３】
図２は、スキャナ１００に内蔵される単一位置センサ２００を有するスキャナ１００の側面図を示す。位置センサ２００は、２個の深さ測定装置、すなわちセンサ、第１のセンサ２１０と第２のセンサ２０４を有してもよい。深さ測定装置およびセンサは、プロフィルメータとしてもよい。これらのセンサ２１０、２０４は、対象物がセンサ２１０、２０４に対して移動すると、ページ３００の表面３１０の形状を測定するよう構成される。各センサ２１０、２０４は、所定の時間における信号の値がそのときのセンサ２１０、２０４により測定される深さと比例する、時間依存信号を生成することができる。この信号は、互いに位相がずれている場合を除いて実質的に同一である。このとき、信号間の位相ずれは、センサ２１０、２０４の間隔２３６およびセンサ２１０、２０４と対象物との相対速度に依存している。センサ２１０、２０４の間隔２３６が一定であれば、位相ずれは、センサ２１０、２０４と表面３１０との相対速度という単一の変数に依存する。プロセッサ１４０は、これらの信号を分析して位相ずれを決定し、これにより表面３１０に対するセンサ２１０、２０４の速度および移動方向を決定することができる。速度をある時間間隔にわたって積分することで、その時間間隔における表面３１０に対するセンサ２１０、２０４の変位を得ることができる。また、速度を微分することで、表面３１０に対するセンサ２１０、２０４の加速度も得られる。
【００２４】
スキャナ１００および位置センサ２００について概説してきたが、ここでさらに詳細を説明する。図２を参照して、本明細書中に記載する位置センサ２００は、本明細書においてハンドヘルド式スキャナとして描かれるスキャナ１００に使用されるように図示される。例示の目的において、図２は、スキャナ１００の一部の側部の断面図を示しているにすぎない。図２に示すスキャナ１００は、用紙であるページ３００の表面３１０を走査する。しかしながら、スキャナ１００は、他の走査対象を走査するように適応されてもよいことが理解されるはずである。また、位置センサ２００をスキャナ１００以外の装置に使用して表面に対するこの装置の位置を決定することができることも理解されるはずである。
【００２５】
走査プロセスにおいて、スキャナ１００は、表面３１０に接触する。用紙の表面、たとえば、表面３１０は、本来山谷（凸凹）が散在した形状を形成している。これらの山谷（凸部）が散在している１つの理由は、紙製品の製造時に用いられるパルプ材に起因する。山部の例として、図２には第１の山部３４０と第２の山部３４４が２つ示されている。谷部の例として、図２には第１の谷部（凹部）３４６および第２の谷部３４８が示される。後述するように、山谷により生成される表面３１０の識別可能な特徴は、位置センサ２００により利用されてページ３００の表面３１０に対するスキャナ１００の速度、移動方向および位置を決定する。
【００２６】
スキャナ１００は、グライド部１１０と取り付け部１１２とを有してもよい。グライド部１１０は、ページ３００の表面３１０に接触するようにしてもよい。グライド部１１０は、一例として、スキャナ筐体の一部としてもよく、さらに低摩擦面としてもよい。取り付け部１１２は、グライド部１１０から所定の深さ１１６だけスキャナ１００の中に窪ませてもよい。取り付け部１１２は、上面１１８がスキャナ１００の内部に面していてもよい。センサユニット２０２は、取り付け部１１２の上面１１８に付属されてもよい。後述するように、センサユニット２０２は、位置センサ２００の一要素であり、スキャナ１００が表面３１０に対して移動する際、ページ３００の表面３１０の深さを測定するために使用される。
【００２７】
センサユニット２０２は、第１のセンサ２１０および第２のセンサ２０４を有する単一要素としてもよい。第１のセンサ２１０は、第１の針２５２と連動する第１の変換器２５０を有してもよい。第１の針２５２は、グライド部１１０と取り付け部１１２の間の深さ１１６の最小長だけスキャナ１００の取り付け部１１２を貫通してもよい。この第１の針２５２の長さにより、第１の針２５２は、ページ３００の表面３１０と接触できる。図２において、参照線Ｂ−Ｂは、第１の針２５２の中心にあるように図示される。第１の変換器２５０は、第１の電気端子２６０と第２の電気端子２６２とを有してもよい。端子２６０、２６２は、第１の変換器２５０内にあって第１の針２５２の位置が第１の変換器２５０に対して変化するのにともなって変化する、図示されない抵抗負荷と電気的に接続されてもよい。
【００２８】
第２のセンサ２０４は、第１のセンサ２１０と実質的に同一であり、第２の変換器２０６と、第２の針２１２と、第１の端子２２０と、第２の端子２２２とを有してもよい。図２において、参照線Ａ−Ａは、第２の針２１２の中心にあるように図示される。第２の針２１２は、距離２３６、たとえば、０．１ミリメートル第１の針２５２から離してもよい。特に、参照線Ａ−Ａは、参照線Ｂ−Ｂと距離２３６だけ離れてもよい。変換器と連動する針の例が、Ｃｒｅｗｅらの米国特許第５，８１８，６０５号「彫刻用針の移動の高解像度検出の方法および装置（ＭＥＴＨＯＤＡＮＤＡＰＰＡＲＡＴＵＳＦＯＲＨＩＧＨＲＥＳＯＬＵＴＩＯＮＳＥＮＳＩＮＧＯＦＥＮＧＲＡＶＩＮＧＳＴＹＬＵＳＭＯＶＥＭＥＮＴ）」に記載されている（この特許に開示されるすべてを引用することで本明細書の一部をなすものとする）。
【００２９】
第１の変換器２５０に対向する第１の針２５２の端部は、先端部２１６を形成してもよい。図２の参照線Ｂ−Ｂは、先端部２１６を貫通してもよい。先端部２１６は、従来方式により表面３１０と接触し、かつこれに沿って移動する構成としてもよい。図１に示す例において、針２５２は、ページ３００の表面３１０上の形状を測定するために使用されており、ここで、この形状は用紙の表面の山谷に起因する。半径が約０．００５ミリメートルの点となる先端部２１６を有することは、本用途の最適な先端形状であることがわかっている。先端部２１６は、ページ３００の表面３１０を切開するほど先鋭ではなく、また表面３１０の谷部に嵌合するほど丸みを帯びていない。第２の針２１２は、同様の先端部２１４を有してもよく、ここで図２の参照線Ａ−Ａが先端部２１４を貫通している。
【００３０】
位置センサ２００は、プロセッサ１４０と、第１の検出器１２６と、第２の検出器１２４と、第１の電源１２２と、第２の電源１２０と、をさらに備えてもよい。第１の電源１２２および第２の電源１２０は、例示の目的において別個のユニットに分離されているが、これらを単一ユニットとしてもよいことが理解されるはずである。電源１２０、１２２は、一例として、当該技術において周知の直流電源としてもよい。検出器１２４、１２６は、一例として、当該技術において周知の電流計としてもよい。
【００３１】
第１の電源１２２は、線１８７により第１の変換器２５０の第２端子２６２と電気的に接続されてもよい。また、第１の電源１２２を、線１８６により第１の検出器１２６とも電気的に接続してもよい。第１の検出器１２６は、線１８５により第１の変換器２５０の第１端子２６０と電気的に接続されてもよく、これにより第１の変換器２５０、第１の検出器１２６および第１の電源１２２を経由する回路を形成している。第１の検出器１２６は、端子２６０、２６２を通る電流を表すデータを、データ線１３２を介してプロセッサ１４０に出力してもよい。
【００３２】
第２の検出器１２４および第２の電源１２０は、第１の電源１２２および第１の検出器１２６が第１の変換器２５０およびプロセッサ１４０と連動するのと同様に、第２の変換器２０６およびプロセッサ１４０と連動されてもよい。第２の電源１２０は、線１８０により第２の変換器２０６の第２端子２２２と電気的に接続されてもよい。また、第２の電源１２０を、線１８１により第２の検出器１２４とも電気的に接続してもよい。第２の検出器１２４は、線１８２により第２の変換器２０６の第１端子２２０と電気的に接続されてもよい。第２の検出器１２４は、端子２２０、２２２を通る電流を表すデータを、データ線１３０を介してプロセッサ１４０に出力してもよい。
【００３３】
位置センサ２００をスキャナ１００に一体化する構成を説明してきたが、次に位置センサ２００の動作について説明する。以下の説明は、図３のフローチャートにより要約される。要するに、センサ２０４および２１０は、ページ３００の表面３１０に対するそれぞれの針２１２および２５２の深さを表すデータを生成する。深さデータは、位相がずれている実質的に同一の２つのアナログ信号形式である。プロセッサ１４０は、これらの２つの深さ信号を受信し、信号間の位相ずれを決定し、これより時間遅延を計算する。この時間遅延は、２つの深さ信号間の時差を表す。プロセッサ１４０は、針２１２と２５２の距離２３６をこの時差で除算して、時間ずれ時におけるページ３００の表面３１０に対するスキャナ１００の平均速度が得られる。速度を所定の時間間隔にわたって積分して、この時間間隔におけるページ３００に対するスキャナ１００の変位が得られる。
【００３４】
位置センサ２００の動作を概説してきたが、次にスキャナ１００内部の動作をさらに詳細に説明する。位置センサ２００を組み込むスキャナ１００の動作は、ページ３００に対する方向３５０に移動するとして、本明細書中で説明される。スキャナ１００は、グライド部１１０が表面３１０に接触するようにページ３００の表面３１０に載置される。方向３５２の力が針２１２、２５２に僅かに作用して表面３１０を押圧することができる。針２１２および２５２は、グライド部１１０を越えて十分に延在することが可能であるため、ページ３００の表面３１０の谷部に接触し得る。針２１２、２５２がどの谷部にも接触できるように十分に延在することは重要ではないが、位置センサ２００の精度は、針２１２、２５２が接触し得ない谷部の数と比例して低下する。この精度の低下は、変換器２０６、２５０が、これらの接触し得ない谷部の深さについての不正確なデータを出力することに起因する。
【００３５】
図２に示す例において、第１の針２５２は、ページ３００の表面３１０と点３１４で交差する距離２４０だけ延在し、第２の針２１２は、表面３１０と点３１２で交差する距離２３０だけ延在する。第１の針２５２は、山部３４０を越え、谷部３４６を経由して、山部３４４を越え、谷部３４８に向かっている。したがって、第１の針２５２は、第１の変換器２５０から表面３１０に向かって延在して谷部３４８に接触しようとするところである。第２の針２１２は、山部３４０を越え、谷部３４６を経由して、山部３４４に向かっている。したがって、第２の針２１２は、表面３１０から第２の変換器２０６に向かって後退して山部３４４に接触しようとするところである。変換器２０６、２５０に対する針２１２、２５２の位置は、後述するが、位置センサ２００により利用され、ページ３００の表面３１０に対するスキャナ１００の速度および位置を決定する。
【００３６】
針２１２、２５２が表面３１０の形状を辿っていくと、変換器２０６、２５０は、変換器２０６、２５０に対する針２１２、２５２の位置を測定する。前述したように、本明細書に記載される変換器２０６、２５０は、変換器２０６、２５０に対する針２１２、２５２の位置に比例して変化する抵抗負荷を有する。第１の変換器２５０を参照して、第１の電源１２２は、線１８５、１８６および１８７を介して端子２６０から２６２まで電位を供給する。第１の検出器１２６は、本明細書では電流計として図示され、そこには大幅な電圧降下はない。端子２６０、２６２を介して第１の変換器２５０を流れる電流は、第１の変換器２５０内にある抵抗負荷の値に依存し、第１の変換器２５０に対する第１の針２５２の位置に依存する。第１の検出器１２６は、第１の変換器２５０を流れる電流を測定し、この電流を表すデータをデータ線１３２を介してプロセッサ１４０に出力する。したがって、第１の変換器２５０に対する表面３１０の深さは、第１の変換器２５０を流れる電流量により測定される。
【００３７】
第２の変換器２０６を参照して、第２の電源１２０は、線１８０、１８１および１８２を介して端子２２０から２２２まで電位を供給する。第２の検出器１２４は、本明細書では電流計として図示され、そこには大幅な電圧降下はない。端子２２０、２２２を介して第２の変換器２０６を流れる電流は、第２の変換器２０６内にある抵抗負荷の値に依存し、第２の変換器２０６に対する第２の針２１２の位置に依存する。第２の検出器１２４は、第２の変換器２０６を流れる電流を測定し、この電流を表すデータをデータ線１３０を介してプロセッサ１４０に出力する。したがって、第１の変換器２５０に対する表面３１０の深さは、第１の変換器２５０を流れる電流量により測定される。
【００３８】
検出器１２４、１２６からプロセッサ１４０に出力されたデータは、アナログ信号またはアナログ信号のディジタル表現形式とすることができる。さらに詳細を後述するように、検出器１２４、１２６により出力される信号の振幅は実質的に同一であるが、第２の検出器１２４により出力される信号は、第１の検出器１２６により出力される信号と位相ずれしている。スキャナ１００が表面３１０に対して方向３５０に移動していることから、第１の検出器１２６からの出力は、第２の検出器１２４からの出力を導くが、これは、第１の針２５２が第２の針２１２をページ３００の表面３１０の形状に沿って導くことによる。この位相ずれは、第２の検出器１２４により出力される信号が第１の検出器１２６により出力される信号に対する遅延という信号間の時差を表す。スキャナ１００が方向３５０と反対方向に移動しようとすれば、第２の検出器１２４により出力される信号が、第１の検出器１２６により出力される信号を導く。
【００３９】
図４は、図２の変換器２０６、２５０を流れる電流を時間関数として示すグラフである。波形４５０は、第１の変換器２５０を介して流れる電流を表す。波形４５０の実線部分は、第１の針２５２が通過した後の、図２の表面３１０の形状を表す。波形４５０の点線部分は、スキャナ１００が表面３１０に対する方向３５０に移動し続けたときの第１の針２５２が通過する予定の、図２の表面３１０の形状を表す。実線部分と点線部分との接合点４５６は、図２において、表面３１０の点３１４における第１の針２５２の現行位置を表す。波形４５０は、図２において、ページ３００の表面３１０上の山部３４０を表す山４５２を有する。波形４５０は、図２の表面３１０上の谷部３４６を表す谷４５４を有する。また、波形４５０は、図２の表面３１０上の山部３４４を表す別の山４６０も有する。
【００４０】
図４は、第２の変換器２０６を流れる電流を時間関数として表す波形４１０を示す。波形４１０の実線部分は、第２の針２１２が点３１２と接触する前に接触した、図２のページ３００の表面３１０の形状を表す。波形４１０の点線部分は、スキャナ１００が方向３５０に移動し続けたときに第２の変換器２０６により測定される、図２の表面３１０の形状を表す。実線部分と点線部分とが接合する点４１６は、図２の第２の針２１２が表面３１０の点３１２にある状態を表す。波形４１０は、図２の第２の針２１２がページ３００の表面３１０の山部３４０を通過したときに、第２の変換器２０６を流れる電流を表す山４１２を有する。波形４１０は、図２の第２の針２１２が谷部３４６を通過したときに、第２の変換器２０６を流れる電流を表す谷４１４を有する。
【００４１】
波形４１０の振幅は、波形４５０の振幅と実質的に同一であるが、互いに位相がずれている。この位相ずれは、波形４１０が波形４５０に遅れるという、図４の時間領域図における時間遅延を表す。この遅延は、図２において、表面３１０の形状を測定する際に第２の針２１２が第１の針２５２に遅れることに起因する。波形４１０の山４１２および波形４５０の山４５２は、本例において、時間遅延を示すための参照として使用される。山４１２および４５２は、図２の表面３１０の山部３４０を表す。山４５２は時間ｔ_１で測定されたものであり、山４１２は時間ｔ_２で測定されたものである。ｔ_１とｔ_２との時差はΔｔである。時差Δｔは、従来の方法で測定可能である。Δｔを測定する際に相関を使用する例を以下に示す。時間間隔ｔ_１とｔ_２におけるページ３００の表面３１０に対するスキャナ１００の平均速度は、以下の式を適用することにより測定可能である。
【００４２】
【数１】

（式中、Ｖ（Δｔ）は、図２において、時間間隔Δｔにわたる表面３１０に対するスキャナ１００の平均速度であり、Ｄは、図２の第１の針２５２と第２の針２１２の間の距離２３６であり、Δｔは、ｔ_１とｔ_２との時差である）
【００４３】
図２のプロセッサ１４０は、ページ３００の表面３１０に対するスキャナ１００の平均速度を連続的に決定し得る。経時的に算出されるこれらの平均速度は、表面３１０に対するスキャナ１００の速度を時間関数として与える。時間関数としての速度は、所定の時間間隔にわたって積分されて、その時間間隔にわたる表面３１０に対するスキャナ１００の変位を求める。また、選択された点における瞬間的速度および変位も周知の技術によりデータから容易に計算できる。同様に、加速度も、速度の一次の導関数を計算することにより得られる。
【００４４】
図２を簡単に参照して、表面３１０に対するスキャナ１００の移動方向は、第１の検出器１２６と第２の検出器１２４の出力間の位相ずれを分析することにより決定できる。第１の検出器１２６の出力が第２の検出器１２４の出力を導いていれば、スキャナ１００は、表面３１０に対する方向３５０に移動している。第２の検出器１２６の出力が第２の検出器１２４の出力に遅れるのであれば、スキャナは、表面３１０に対する方向３５０と反対に移動している。
【００４５】
再び図４を参照して、波形４１０、４５０間の位相ずれおよび対応する時間遅延を決定する多数の異なる方法が利用できる。１つの方法は、波形４１０、４５０をサンプリングし、これらをディジタル信号に変換し、該ディジタル信号を図２のプロセッサ１４０により処理することによる。プロセッサ１４０は、一例として、相関関数をディジタル信号に当てはめることで波形４１０、４５０間の時差を決定することができる。図４に示す例において、波形４１０、４５０を期間ｔ_ｓでサンプリングしてもよい。したがって、サンプリング頻度ｆ_ｓは１／ｔ_ｓに等しい。以下の相関関数を波形４１０、４５０に当てはめて相関関数係数Ｃを導く。
【００４６】
【数２】

（式中、Ｃは相関関数係数であり、ｍはサンプリング回数であり、ｎは最大サンプリング回数であり、Ｓ_Ａは波形４５０であり、Ｓ_Ｓは波形４１０である）
【００４７】
この時点で、Ｃの最小値を算出するｍの値である、ｍ_ｍｉｎの値が計算される。時間遅延（Δｔまたはｔ_２−ｔ_１）がｍ_ｍｉｎｔ_Ｓと等しいことが、相関関数式から得られる。時間遅延が計算されると、ｔ_２とｔ_１間の平均速度が以下のように計算される。
【００４８】
【数３】

（式中、Ｄは、図２の距離２３６であり、ｍ_ｍｉｎはＣの最小値を導き、ｔ_Ｓはサンプリング期間である）
【００４９】
再び図２を参照して、スキャナが所定の時間間隔にわたって表面３１０に対して移動した距離を、この所定の時間間隔にわたって表面３１０に対するスキャナ１００の速度を積分することにより計算することができる。同様に、表面に対するスキャナ１００の加速度は、この速度の導関数を計算することにより計算可能である。
【００５０】
位置センサ２００に関する式を説明してきたが、次にこの式を利用する例を説明する。位置センサ２００が使用されると予測される用途によって、変数ｎが選ばれる。たとえば、高加速度または高速を要する用途では、誤差を最小限に抑えるために変数ｎを最小にすることが必要とされる。ハンドヘルドスキャナの場合、スキャナの最大加速度は、通常、約３８．０ｃｍ（９６．５インチ）／秒^２である。スキャナの予測最大速度が４．７ｃｍ（１２インチ）／秒であり、かつ許容誤差が期間ｎｔ_ｓにわたって２．５４ｃｍ（１インチ）の１／３００であれば、０．１ミリ秒のサンプリング期間ｔ_ｓおよびｎの値は許容誤差を満たすのに十分となることがわかっている。
【００５１】
本明細書に記載の位置センサ２００は、たとえばスキャナ１００といった対象物の速度および１つの軸に沿った変位を決定する機能を果たす。後述するように、スキャナ１００の移動がこの軸を外れると、スキャナの予め計算された速度および変位に対して修正を行う必要がある場合もある。図５は、図示しない先端部２１４、２１６に対する図示しないスキャナの方向３５０を示す概略図である。先端部２１４、２１６は、図５の参照線Ａ−Ａにより図示される軸上にある。理想的な状態では、方向３５０が参照線Ａ−Ａと平行であり、計算された速度および変位には修正を行う必要がない。
【００５２】
図５に示すように方向３５０が参照線Ａ−Ａと平行でない場合、スキャナ１００の予め計算された位置および速度に修正を加えなければならないこともある。これらに修正を加える必要があり得ることは、予め計算された速度が、図２の先端部２１４、２１６間の距離２３６を表面３１０に対する走査装置１００の移動３５０と同一軸上で測定していることに基づいていることによる。図５において、参照線Ａ−Ａは、方向３５０に対する、３８０の符号で示される角θである。角（θ）３８０が増大すると、速度を計算する際の誤差がコサインθの関数として増大する。たとえば、角３８０が１５度であると、スキャナの方向３５０に沿った実際の速度は、予め計算された速度の９７％（１００×ｃｏｓ（１５））に等しくなる。
【００５３】
製造時に上記の誤差を補正することが可能である。たとえば、図２および図５を参照して、位置センサ２００が付属されたスキャナ１００または他の装置が所定の距離にわたって方向３５０で表面上を移動しているとき、位置センサ２００は、移動した距離を決定することができる。位置センサ２００により測定される距離を、上記所定の距離と比較することで、位置センサ２００の誤差を求めることができる。次にスケーリング係数をプロセッサ１４０に入力することで、測定された距離を増減させて上記の位置決定誤差を修正することができる。位置センサ２００により測定される距離をスケーリング係数で乗算することで、位置センサ２００が移動した距離を求めることができる。
【００５４】
位置センサ２００を使用する実施形態は、複数軸に沿った対象の位置および速度が要求される場合に存在し得る。図６は、参照線Ｂ−Ｂおよび参照線Ｃ−Ｃに沿ってスキャナの位置および速度を決定する際に使用される２つの位置センサ２００および５００を有するスキャナの上部断面図を示す。図６の位置センサ２００、５００は、図２の位置センサ２００と同一機能を奏する。位置センサ２００は、参照線Ｂ−Ｂに沿って速度を決定するために使用され、位置センサ５００は、参照線Ｃ−Ｃに沿って速度を決定するために使用される。位置センサ２００では、２個の針先端部２１４および２１６が参照線Ｂ−Ｂに沿って配設されている。位置センサ５００では、２個の針先端部５１０および５１２が参照線Ｃ−Ｃに沿った配設されている。したがって、位置センサ２００を用いて、参照線Ｂ−Ｂに沿った速度および位置を決定し、位置センサ５００を用いて、参照線Ｃ−Ｃに沿った速度を決定する。任意の数の位置センサを対象物に付属させて、任意の数の方向で対象物の速度および位置を決定し得ることが理解されるはずである。
【００５５】
図１を参照して、スキャナ１００にいくつかの位置センサ２００を付属させることで、スキャナ１００の回転運動を決定することができる。図１において、スキャナ１００には、２個の同一位置センサ２００が取り付けられた。位置センサ２００は、互いに平行な参照線Ｄ−ＤおよびＥ−Ｅに沿って位置決めされる。スキャナが方向３５４に回転する場合、位置センサ２００の速度は異なり、スキャナ１００が回転経路を辿ることを示す。スキャナ１００は、位置センサ２００の速度の相違に基づいて回転量および回転方向を容易に決定し得る。
【００５６】
図２を参照して、先端部２１４、２１６の距離２３６は、ナイキスト基準（Ｎｙｑｕｉｓｔｃｒｉｔｅｒｉａ）を満たす必要がある場合もある。たとえば、表面３１０の形状が反復され、反復ごとに所定距離を有する場合、距離２３６は、この所定距離の１／２を下回らねばならない。そうしなければ、エイリアシング（ａｌｉａｓｉｎｇ）が発生し、プロセッサ１４０により測定される、第１の検出器１２６により出力される信号と第２の検出器１２４により出力される信号間に引き起こされる時差が実際の時差を下回る可能性がある。これは、次に、表面３１０に対するスキャナ１００の移動が実際の移動より高速であることをプロセッサに表示させる。
【００５７】
たとえば、位置センサ２００がスキャナ１００に使用されて用紙上のテキストをイメージングする場合、用紙は、さらに一例として、１ミリメートルあたり２ないし４個の山を有する場合がある。この場合、距離２３６が０．１ミリメートルに等しいければ、位置センサ２００はプロセッサ１４０がエイリアシングの問題に直面することなく表面のプロフィールを精度よく決定することができる。
【００５８】
位置センサ２００の他の実施形態を様々な用途に適用し得る。たとえば、再び図２を参照して、位置センサ２０４、２１０を変換器２０６、２５０と連動する針２１２、２５２として本明細書中で説明してきた。位置センサ２０４、２１０には、適当な深さ測定機構（プロフィルメータということが多い）のいずれかを使用してもよい。たとえば、位置センサ２０４、２１０は、当該技術において周知の光学プロフィルメータとしてもよい。
【００５９】
別の実施形態において、位置センサ２００は、複数の測定装置を所定の軸に沿って取り付けたものを使用してもよい。位置センサ２００により使用される深さ測定装置の数が増えるほど、深さ測定にともなう誤差が減少する。
【００６０】
上述した位置センサ２００は、スキャナ１００に内蔵されていた。しかしながら、位置センサ２００を他の装置に内蔵してもよいことが理解されるはずである。たとえば、位置センサ２００は、プリントキャリッジ等を有するプリンタに使用することで、プリント中の用紙に対するプリントキャリッジの速度を決定することもできる。
【００６１】
本明細書では、本発明の例示的かつ現行で好ましい実施形態を詳細に説明してきたが、発明の概念を別の形態で様々に具体化して採用してもよく、また、特許請求の範囲は、従来技術により制限されない限りかかる変形を包含すると解釈されることを意図していることが理解されるはずである。
【図面の簡単な説明】
【図１】文書と連携されるスキャナの上部断面略図である。
【図２】文書と連携される位置センサを示す、図１のスキャナの側部断面図である。
【図３】図１の文書に対する位置センサの位置および速度を決定する方法を示すフローチャートである。
【図４】図１の位置センサの測定を示すグラフである。
【図５】位置センサの位置に対する、図１のスキャナの移動を示す概略図である。
【図６】対象物に付属可能な複数の位置センサの位置を示す概略図である。
【符号の説明】
１００対象物／スキャナ
２０４第２のプロフィルメータ／第２の深さ測定装置／第２のセンサ
２０６第２の変換器
２１０第１のプロフィルメータ／第１の深さ測定装置／第１のセンサ
２１２第２の針
２１４先端部
２１６先端部
２３６間隔
２５０第１の変換器
２５２第１の針
３１０表面
３５０第１軸
４１０第２の信号（波形）
４５０第１の信号（波形）

Claims

表面にある第１軸および該第１軸に垂直な軸に沿った対象物の位置を決定する位置検出装置であって、
前記対象物に取り付けられた第１のプロフィルメータと、前記対象物に前記第１のプロフィルメータから所定の間隔で取り付けられた第２のプロフィルメータと、前記対象物に取り付けられた第３のプロフィルメータと、前記対象物に前記第３のプロフィルメータから所定の間隔で取り付けられた第４のプロフィルメータとを備えてなり、
前記第１のプロフィルメータおよび前記第２のプロフィルメータが第２軸に沿った位置に配置され、前記第３のプロフィルメータおよび前記第４のプロフィルメータが第２軸に垂直な軸に沿った位置に配置され、前記第１軸が前記第２軸に実質的に平行であり、
前記第１のプロファイルメータおよび前記第２のプロファイルメータによって前記第１軸についての前記対象物の第１の速度を定め、
前記第３のプロファイルメータおよび前記第４のプロファイルメータによって前記第１軸に垂直な軸についての前記対象物の第２の速度を定めるものである、位置検出装置。
表面に対する対象物の回転運動を決定する位置検出装置であって、
前記対象物に取り付けられた第１のプロフィルメータと、前記対象物に前記第１のプロフィルメータから所定の間隔で取り付けられた第２のプロフィルメータと、前記対象物に取り付けられた第３のプロフィルメータと、前記対象物に前記第３のプロフィルメータから所定の間隔で取り付けられた第４のプロフィルメータとを備えてなり、
前記第１のプロフィルメータおよび前記第２のプロフィルメータがある軸に沿った位置に配置され、前記第３のプロフィルメータおよび前記第４のプロフィルメータが該軸に平行な別の軸に沿った位置に配置され、
前記第１のプロファイルメータおよび前記第２のプロファイルメータによって前記対象物の第１の速度を定め、
前記第３のプロファイルメータおよび前記第４のプロファイルメータによって前記対象物の第２の速度を定め、
該第１の速度と該第２の速度の相異に基づいて回転速度および回転方向を決定するものである、位置検出装置。
前記プロフィルメータの少なくとも１個は、変換器と連動する針を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の位置検出装置。
前記プロフィルメータの少なくとも１個は光学プロフィルメータであることを特徴とする請求項１または２に記載の位置検出装置。
前記第２軸に沿って配置されるプロフィルメータを３個以上備えることを特徴とする請求項１または２に記載の位置検出装置。
表面にある第１軸および該第１軸に垂直な軸に対する対象物の位置を決定する位置検出装置であって、
前記対象物に取り付けられた第１の針と連動する第１の変換器と、
前記対象物に取り付けられた第２の針と連動する第２の変換器であって、前記第１の針が前記第２の針から所定の距離を離れて配置される第２の変換器と、
前記対象物に取り付けられた第３の針と連動する第３の変換器と、
前記対象物に取り付けられた第４の針と連動する第４の変換器であって、前記第３の針が前記第４の針から所定の距離を離れて配置される第４の変換器と
を備えてなり、
前記第１の針および前記第２の針が第２軸に沿って配置されて前記表面についての第１の速度を定めるために用いられ、前記第３の針および前記第４の針が第２軸に垂直な軸に沿って配置されて前記表面についての第２の速度を定めるために用いられ、前記第１軸が前記第２軸に実質的に平行である、位置検出装置。
表面に対する対象物の回転運動を決定する位置検出装置であって、
前記対象物に取り付けられた第１の針と連動する第１の変換器と、
前記対象物に取り付けられた第２の針と連動する第２の変換器であって、前記第１の針が前記第２の針から所定の距離を離れて配置される第２の変換器と、
前記対象物に取り付けられた第３の針と連動する第３の変換器と、
前記対象物に取り付けられた第４の針と連動する第４の変換器であって、前記第３の針が前記第４の針から所定の距離を離れて配置される第４の変換器と
を備えてなり、
前記第１の針および前記第２の針がある軸に沿って配置されて前記表面についての第１の速度を定めるために用いられ、前記第３の針および前記第４の針が該軸に平行な他の軸に沿って配置されて前記表面についての第２の速度を定めるために用いられ、該第１の速度と該第２の速度の相異に基づいて回転速度および回転方向を決定するものである、位置検出装置。
前記第１の針は、第１部分および第２部分を有する細長い部材であり、前記第１部分が前記第１の変換器と連動され、前記第２部分が先端部を形成することを特徴とする請求項６または７に記載の位置検出装置。
前記第１の変換器および前記第２の変換器と連動し、前記第３の変換器および前記第４の変換器と連動するプロセッサをさらに備えることを特徴とする請求項６または７に記載の位置検出装置。
前記プロセッサが、前記第１の変換器から第１の信号を受信し、前記第２の変換器から前記第１の信号に対して時間がずれた第２の信号を受信して、第１の時間ずれを得るようになっており、前記第３の変換器から第３の信号を受信し、前記第４の変換器から前記第３の信号に対して時間がずれた第４の信号を受信して、第２の時間ずれを得るようになっており、前記第１の信号および前記第２の信号間の前記第１の時間ずれと、前記第３の信号および前記第４の信号間の前記第２の時間ずれとを決定するようになっており、前記第１の針と前記第２の針との前記所定の距離を前記第１の時間ずれで計算して、前記表面に対する前記対象物の前記第１の速度を決定し、前記第３の針と前記第４の針との前記所定の距離を前記第２の時間ずれで計算して、前記表面に対する前記対象物の前記第２の速度を決定するようになっていることを特徴とする請求項９記載の位置検出装置。