JPS6041722B2 - 表面位置検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明は移動している連続又は不連続な表面の位置を鑑
視するための位置検出装置に関する。

説明されるべき特定の実施例はコンベアに沿つて通過す
るビスゲットの厚さの変化を検出するためのものである
。（背景技術） 表面と接触することが要求される既知の検出装置は、通
常使用される車輪、足等を含んでいるが、一方実験上使
用されている無接触装置はワイネ・ゲル（Ｗａｙｎｅｋ
ｅｒｒ）の電気容量装置、鉄鋼生産に使用されているク
レイトンーマーサー（ＣｌａｙｔｏｎＭｅｒｃｅｒ）の
エアジェット装置、およびノレーザーを用いる新しく高
価なアメリカンアンテク（ＡｍｅｒｉｃａｎＡｎｔｅｃ
ｈ）の装置を含む。

表面にある角度で光ビームを照射し高さの変化により表
面に沿つて形成される光スポットの位置の動きを観測し
それにより情報を引き出すこともク知られている。この
技術は調べる表面との接触は必要でなく、特に製造過程
中の動いているシートおよび物品に使用できる。

当然水平から垂直までの任意の位置にある表面および停
止又は動いている表面に関しても使用でき、存在するか
否か、変動するレベル又は変動する厚さを鑑視する任意
の目的に使用できる。

しかし、従来技術において、表面からの反射波を複数個
のフォトダイオードからなるフォトダイオードストリッ
プで受光する型式のものでは、フォトダイオードストリ
ップ中のどの一つのフォトダイオードが照射されたかを
検出することにより求めるべき表面位置を検出している
。従つて従来では光ビームを細く絞つたりシャープな焦
点を得るように種々の調整を行なう必要があつた。しか
も光ビームは光源の製造上のバラツキによつても変化す
るので製品ごとに調整を行なわなければならないという
問題があつた。また、従来では、例えばビスケツトのよ
うな比較的粗い表面の位置を検出する場合、光ビームを
細く絞つてあるため表面の状態により反射波が移動し易
く正確な表面位置を検出するのが難かしかつた。（発明
の要旨） 本発明はこのような従来のフォトダイオードストリップ
（アレイ）を用いた検出装置を改良したものてあり、本
発明の目的は調整が簡単で従つて安価てあり、被検出表
面が比較的粗くても検出精度の高い表面位置検出装置を
提供することてある。

本発明の一態様によれば、ある表面に垂直な方向におけ
る該表面の基準に関する位置を測定する．装置であつて
、電磁放射線のビームが一定面積のビームとして該表面
に照射され該表面から反射されるように配置されるとと
もに、一列に並んて配置された複数個のフォトダイオー
ドから成るフォトダイオードストリップを備え、該フオ
トダイオ！−ドストリツプは該垂直方向における上記表
面の位置が変化すると該フオトタイオードのうち異なる
幾つかのフォトダイオードが上記表面から反射された該
放射線を受け取るように配置されており、さらに該フォ
トダイオードストリップをくり・返し電気的に走査して
該フオトタイオードのうちのどれとどれとが照射されて
いるかを決定する装置と、該フオトタイオードからの個
々の電圧出力を基準レベルと比較して各走査に対して複
数個のフォトダイオードの走査時間に相当するパルス幅
を有する方形波形を発生する装置とを備え、該方形波形
が上記表面の位置を表わす表面位置検出装置が提供され
る。

（発明の実施態様） 本発明を添付した図面を参照しながら説明する。

本発明が関係する特定な課題はビスケツト製造での移動
している練り粉シートおよびビスケツト）の厚さの変化
であり、移動速度は秒速？までであり厚さの範囲は１〜
１０ミリメートルである。

上記の課題に関しては、一様な重さと密度のビスケツト
を製造できることは商業上の利点がある。重さと密度の
制御精度は練り粉およびビスケットが移動している間に
練り粉シート、練り粉塊およびビスケツトの厚さが測定
できれば高められうる。

説明する練り粉シート又はビスケツトの厚さ測定の方法
は始めて次の利点を同時に持つと思われる。（ａ）無接
触である、すなわち装置の部分が練り粉シート又はビス
ケツトに触れる必要がない、（ｂ）動く部分がない、（
ｃ）極度に速い厚さの変化に応答できる、（ｄ）本発明
の利点を持たない現存する従来の無接触方法より安価て
ある。

（ｅ）練り粉シート又はビスケツトのように表面が比較
的粗くても精度良く厚さ測定が行なえる。

まず第１図を参照すると、Ａ−Ｎは厚さを測定したい練
り粉シート又は練り粉シートの不透明でてこぼこの上部
表面を表わしている。他の表面Ｂ−Ｂ″は固定された平
面Ｃ−Ｃ″上にある。鋭くふちどられた光ビームＤが光
学装置Ｆによつて角度Ｅで表面Ａ−Ｎに照射される。表
面Ａ−Ａ″の部分Ｇ−Ｇ″は光ビームＤにより照射され
た面積の一部を少くとも含み、第２の光学装置Ｈによつ
て連続的又は非常に頻繁に測定される。

Ｇ−Ｇ″からＨまでの光径路は測定されている表面に関
して角度１の傾きがある。厚さの変化はＡ−ＮからＪ−
Ｊ″まて調べられている照射領域の垂直の動きを結果と
して生じる。

これはビームＤが表面に入射される位置の長手方向の移
動をもたらし、又装置Ｈにより測定されている表面の領
域の位置を変えそれにより装置Ｈは異なる結果を生じる
。装置Ｈはそれからの結果の差異が厚さの変化の測定と
してはつきりと評価できるよう構成される。

さらに装置Ｈによる測定の結果は練り粉シート又はビス
ケツトの所定の厚さにいつも対応し、したがつて装置Ｈ
の結果は厚さの測定として解釈てきる。第２図に示され
たより詳細な配列において、第１図の光学装置Ｆはラン
プフィラメントＬと測定すべきビスケツトの表面にラン
プフィラメントＬの像を形成するために用いられたレン
ズＫを包含する。

ランプフィラメントは測定すべき表面と４５０の角度を
なすレンズＫの光軸に対して直角にある。フィラメント
の像の一部を含む表面の一部分の像は平面Ｎ上において
適当な倍率の第２のレンズＭにより形成される。倍率１
と４がこれまでに使用された。レンズＭとレンズＫの光
軸は垂直な共通平面内にあり、この平面は測定すべき表
面に垂直であり、２つのレンズの光軸は測定すべき表面
でまたその近傍で合致するように配置される。フォトダ
イオードの配列は水平面Ｎと２つの光軸を含む上記垂直
平面とが交わる線上に置かれ、それにより全部ではない
がいくつかのフォトダイオードが測定すべき表面上の輝
点スポットの像（ランプフィラメントの像である）によ
ソー時的に照射される。５０および１２８個のフォトダ
イオードから成るストリップが商業上利用でき使用され
うる。

１２８個のフォトダイオードアレイは１．２７センチの
長さにすぎず、電子走査装置０（ドーセツト、ドーチエ
スターのインテグレーデツド、ホトメトリック社から市
販されているＣｌ７２？カメラ装置）の部品である。

そのようなストリップは１秒につき数万の調整可能な速
度でダイオードアレイを走査てきる。各走査は第３図の
電圧波形Ｐを与え、それは各ダイオードの測定の瞬間的
な結果を含み、そのアレイにおいて最初に照射されたダ
イオードの平均位置を連続した走査にわたつて例えば電
圧により見い出すよう分析するため特別に作られた電気
回路Ｑに移る。この平均位置はメーターに連続して表示
され荷電記録計により記録されうるが他の所望の方法が
用いられてもよい。メーターと記録計はミリメートル単
位で目盛りししうる。目盛りづけは既知の厚さのビスケ
ツトによつて与えられる読みに注意することによつて行
なわれる。第３図は走査回路０により作られた３つの連
続した走査波形Ｐを示しており、各波形はフォトダイオ
ードについての電圧レベルを含む。

第２図のビームＤの前縁が対向しているダイオードでの
レベルに鋭い増加があることがわかる。第１図の練り粉
表面Ａ−Ａ″が上昇したり下降する時、ビームの前縁は
それぞれ左右に動き、常にこのビームの前縁が向いてい
るフォトダイオードを識別することによりこの動きが判
り、このことが回路０による検出操作の基礎になつてい
る。第２図の分析回路Ｑは一定の振幅を有し各走査にお
いて第３図の基準レベルの位置に依存して可変なマーク
／スペースの比を持つ第３図の連続方形波ＳＷを作るよ
うに製作された連続作動レベル検出器を含む。

各走査て基準レベルに達したとき方形波の前縁ＬＥを形
成し、これが走査の最後まで続き、後縁花で終る。レベ
ル検出器からの方形波出力は平滑回路に移り、そこでコ
ンデンサーは方形波の１マークョおよび５スペースョの
周期の間にそれぞれ交互に充電および放電され、平均パ
ルス持続時間に比例し前縁の電流平均位置を反映する第
３図の電圧出力ＶＯを作る。

平滑回路は１サンプルホ・−ルドョ手段を持ち、それに
より方形波入力がない間電圧出力は固定されるがこれは
間隔があいたビスケツトの列を処理している時であり例
えば装置がビスケツトそのものに注目しておりそれらの
間の間隔を問題にしな易い時である。

急激な変化に追従するようにしたい時は、サンプルホー
ルド手段は除去されマークおよびスペース条件に応答し
たコンデンサーの充電および放電の速度が加速される。

当然電圧出力は装置か使用される要求に依存した任意の
所望の様式で与えらる読み取り値として解釈される。上
記の目的に適した方形波発振器および平滑回路はよく知
られておりこ発明の詳細な説明は必要）でない。

多くの他の電子技術を本発明の範囲内第３図のダイオー
ド走査を解釈するために用いることができ、位置検出装
置か広く種々の目的に用いられる。

記述した実施例は１２ボルト２０ワットのタングステン
ハロゲンランプを使用しておりそのフィラメントＬは第
２図に示されている。

他の可能なものに以下のものがある。

（ａ）従来のタングステンランプのフィラメント。

（ｂ）レーザーを含めて明確な輪部を持つ任意の他の光
源。（ｃ）背後から照射される、スリット又はまつすぐ
なエッヂないしは任意の他の明確な輪部。第２図のレン
ズＫは焦点距離７５ミリで基準表面Ａ−Ｎに対し４５は
の光軸を持つ高性能光学レンズである。

他の可能なものに以下のものがある。（ａ）表面に対し
異なる角度をなす光軸を持つ同様の装置（検査装置の光
軸が表面に垂直のために垂直にできない場合を除く）（
ｂ）試料表面に光源の像を作るためにレンズと鏡の任意
の組み合せを用いた同様の装置。

表面Ａ−Ｎ上の光スポット位置はフォトダイオード配列
上に表面の関連部分の拡大像を作るように４倍の倍率の
高性能光学装置によ観測される。

光軸は試料表面に垂直であるが、第１図の角度ＥとＩを
適当に変えて異なる角度にもし得る。他の可能性として
は光学装置は異なる大きさの倍率のものでもよ．い・ビ
スケツト製造ではビスケツトは通常の製造工程で移動ベ
ルトの上を水平に運ばれる。

測定の点でベルトは測定装置にしつかりと結合された平
面により支えられる。（移動ベルトの厚さは変化しない
ものとする。）他の可能性は（ａ）試料は移動ベルトか
ら取り除くことができ、試料が測定ヘッドを通過する点
で（水平又は傾斜した）固定板を横切つて推進される。

（１））試料は測定の時に測定装置に関連した固定位置
にその下部表面があるような点に運ばれる。

（Ｃ）２つの測定装置が試料の両面を同時に測定するた
めにその両面が露出される製造工程のある点において用
いられ得る。そのとき全体の厚さは２つの装置による測
定の和である。（ｄ）試料の両面が露出される製造工程
の位置で、１つの測定装置は適当な光学配置で鏡とレン
ズを用いることにより急速に変化する列の両面の位置を
測定できる。

上述した測定装置は５０又は１２８個のフォトダイオー
ドの一直線上のアレイとライン走査カメラ装置を用いる
。

他の任意のライン走査装置、光学像分析器、電子機器そ
の他を用いることができる。数秒間にわたり試料の平均
の厚さに比例した連続的に変化する電圧を実際に与える
（試料間のギャップは無視するように作られた）電気回
路は次のものでおきかえられる。ブラウン管又は対応す
る厚さを示すために適当なマークを備えたライン走査装
置からの出力を表フ示する陰極線管又は他の形式の表示
装置、又は適当な手段による試料表面の光学像の分析結
果を表示する任意の形式の表示装置、又は一連の演算操
作により波形Ｐを分析するためのディジタル計算機ある
いはマイクロプロセッサー７（ＭｉｃｒＯｐｒＯｃｅｓ
ｓＯｒ）。

使用する光パターン・フォトダイオードストリップ上の
基準点およびストリップ上の光パターン像、およびそこ
から引き出された波形を分析する方法を個々にあるいは
まとめて変形することがで）きる。

光パターンは製作された装置ての像の位置の変化を考慮
したストリップの長さとの関係が変化できるようにその
幅を変化できる。

像の所定端は装置が使用されている時はストリップの両
端の間にいつもあるべきで、その結果幅の広い像はスト
リップの一方の終端に重なりがちであるが狭い像はいつ
も全体がストリップの長さ内に含まれる。パターン像そ
のものはストリップの長さに関係して連続又は不連続に
なりうる。ストリップに関係し変化するパターン像から
波形を引き出す際に、ストリップそのものに関係して固
定された基準点および像の現在位置に関係して決定され
た参照点がそれぞれ用いられ、それらの各々は精度の条
件や特殊な応用の条件や、結果を示したり使用する様式
にしたがつて任意に決めることができる。

第４図は光パターンの異なる型の３つの例と、パターン
像に関する参照点を引き出す方法を示している。

第４図の（ａ）に示したように、 マークＩはフォトダイオードストリップの後端に焦点が
あつた幅の広い連続パターン像を使用している。

マーク■は全体がストリップの長さ内に含まれる狭い線
の光を用いており、それはストリップの走査限度内に存
在する。

マーク■は狭い間隔を有する不連続な２つの光のストリ
ップからなる。

マーク■と■に示された光パターンは第４図ａに示され
た形の光源たとえばタングステンフィラメントを用いる
ことにより都合良く作れる。

すべての例において、フォトダイオードストリップに用
いるように選択された基準点は走査方向の後端てある。
第４図のｂは各例でパターン像と共にフォトダイオード
ストリップを示している。

第４図のｃはストリップに重なつた像が第４図のｂに示
されているような時ストリップの複数のフォトダイオー
ドの走査から得られた電圧を示す。

第４図のｄは基準電圧と第４図のｃに示された電圧との
比較の結果を示しており、比較結果の後縁はストリップ
の後縁に対応し、それ故マークＩでのように像がストリ
ップにずれて重なる場合パルスの後縁はストリップの後
端になつている。

すべての場合、像の前端はＴＡである。マークＩでは１
つのパルスの後端はＴ，、マーク■では１つのパルスの
後端はＴＢであるが、マーク■では１番目のパルスはＴ
Ｂ−ＴＡで２番目のパルスはＴＤ−Ｔｃであり、一方す
べての場合Ｔ，は走査が終るところでありフォトダイオ
ードストリップの終端に対応する。したがつてｄは各々
の場合にフォトダイオードストリップの走査から引き出
した方形波形を示している。

像が狭くなつたり広がつたりしてもよく、ぼんやりした
縁を持つて焦点があわなくてもよいので、それらの変化
に依存しないで表面の位置を与える像参照点を選ぶこと
が重要である。特にこの像参照点をストリップ上の光分
布の中心すなわちｄの方形波形の中心に選ぶと良いこと
がわかつた。第４図のｅおよびｅ１〜Ｅ，は第４図ｄの
比較結果を、走査中に所定事象に遭遇すると１セツトョ
され走査の終了で１リセツトョされるフリップフリップ
回路等に入力した場合の出力波形を夫々示している。

マーク■とーク■のパターンを考えた場合、像の中心点
からフォトダイオードストリップの終端までのそれぞれ
の距離は（Ｔｓ−ＴＡ）−１１２（ＴＢ一ＴＡ）と（Ｔ
，−ＴＡ）＋（Ｔ，−ＴＢ）＋（Ｔ，一ＴＯ）＋（Ｔ，
−ＴＤ）とで表わされるのて、電気回路でこれらの項の
各々のアナログ量を引き出すことが必要である。

これらは第４図のＤ．（５ｅの波形を適当に組合せるこ
とにより作ることができる。マーク■を参照すると、す
なわち第４図の波形ｅ（５ｄは（Ｔ，−ＴＡ）−１１２
（ＴＢ−ＴＡ）に必要とされる２つの項のアナログ電圧
をそれぞれ与えるので、その結果第４図のｄのパルスを
２て割り第４図のｅのパルスからそれを差し引くような
回路を加えるだけで良い。

それをするために必要とされる電気回路は安価て簡単な
ものである。マーク■に関しては、たとえばある別の目
的のために複雑な光パターンがすてにあり、付加的な光
投光器を設けるより特別な電気プロセッサーを作る方が
より経済的である場合有効である。（Ｔ３−ＴＡ）＋（
Ｔｓ−ＴＢ）＋（Ｔｓ−ＴＯ）＋（Ｔ，−Ｔ。

）のそれぞれの項に比例するアナログ電圧は上述した像
基準点の決定のために必要とされ、これらは安価な論理
および他の部品で第４図のｄおよびｅ１〜Ｅ４の波形を
用いて容易に得られる。ただこれらの電圧を一緒に加え
るための回路が必要なだけである。この像参照点を選択
する結果として、表面から反射される光像をフォトダイ
オードストリップで受光する場合に、複数個のフォトダ
イオードからの電圧出力によつて構成される方形波形を
表面位置情報として用いるから焦点のぼけた光像が許さ
れるだけでなく床のほこりの存在による光の損失も調節
されるという効果がある。

ビスケツト表面の光パターンから反射された充分な光が
各サイクルの部分において比較器をトリガするためにフ
ォトダイオードストリップに到達すればよい。電気回路
は像の中心点の位置に応答するので、像は広くても又焦
点がぼけていてもよいという効果がある。さらに電磁放
射線（例えば光）のビームが一定面積のビームとして被
検出表面に照射されるの・で、表面が比較的粗くても精
度良く表面位置が検出できるという効果がある。マーク
Ｉの場合、像参照点はパルスの先端であるＴＡで、特に
簡単なパターンを使つており、焦点のぼけは問題ではな
い。

【図面の簡単な説明】

第１図と第２図は表面の高さの変化を検出する際に使う
原理を概略して示している。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ある表面に垂直な方向における該表面の基準に関す
   る位置を測定する装置であつて、電磁放射線のビーが一
   定面積のビームとして該表面に照射され該表面から反射
   されるように配置されるとともに、一列に並んで配置さ
   れた複数個のフォトダイオードから成るフォトダイオー
   ドストリップを備え、該フォトダイオードストリップは
   該垂直方向における上記表面の位置が変化すると該フォ
   トダイオードのうち異なる幾つかのフォトダイオードが
   上記表面から反射された該放射線を受け取るように配置
   されており、さらに該フォトダイオードストリップをく
   り返し電気的に走査して該フォトダイオードのうちのど
   れとどれとが照射されているかを決定する装置と、該フ
   ォトダイオードからの個々の電圧出力を基準レベルと比
   較して各走査に対して複数個のフォトダイオードの走査
   時間に相当するパルス幅を有する方形波形を発生する装
   置とを備え、該方形波形が上記表面の位置を表わすこと
   を特徴とする表面位置検出装置。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の検出装置において、上
   記方形波形から上記反射放射線の上記フォトダイオード
   ストリップ上での分布の実質的な中心位置が決定される
   ことを特徴とする表面位置検出装置。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の検出装置において、上
   記方形波形は閾値を越えて照射された最初のフォトダイ
   オードの電圧出力によつて始まり、上記フォトダイオー
   ドストリップの走査の終了によつて終了することを特徴
   とする表面位置検出装置。