KR101429838B1 - 변위 센서 - Google Patents

Abstract

변위 센서(1)의 수광부(102)에 촬상 소자(12)로부터의 수광 신호를 각각 다른 배율로 처리하는 신호 처리부(C1, C2, C3)를 마련한다. 이 센서(1)에서는, 투광부(101) 및 수광부(102)에 의한 검출 처리할 때마다, 신호 처리부(C1)에 의해 생성된 수광량 데이터를 사용하여 변위량을 계측하고, 또한 다음의 검출 처리의 감도를 조정한다. 감도의 조정 처리에 있어서, 신호 처리부(C1)에 의한 수광량 데이터 중의 피크치가 0에 근사하는 경우에는, 보다 높은 배율이 적용된 신호 처리부(C2)에 의해 추출된 피크치를 사용한다. 또한 신호 처리부(C1)에 의한 수광량 데이터 중의 피크치가 포화되어 있는 경우에는, 1배의 배율이 적용된 신호 처리부(C3)에 의해 추출된 피크치를 사용한다.

Description

변위 센서{DISPLACEMENT SENSOR}

본 발명은, 광학적인 검출 처리에 의해 대상물의 변위량을 계측하는 변위 센서에 관한 것으로, 특히, 검출 처리나 계측 처리를 반복하면서 검출의 감도를 조정하는 기능을 갖는 변위 센서에 관한 것이다.

종래의 변위 센서는, 레이저 다이오드 등의 발광 소자를 포함하는 투광부와, PSD, CCD, CMOS 등의 수광 소자를 포함하는 수광부를 구비하고, 투광부로부터 검출 대상물을 향하여 광을 출사함과 함께 검출 대상물로부터의 반사광을 수광하는 처리(이 명세서에서는, 이 처리를 「검출 처리」라고 한다)와, 수광부에 의해 생성된 수광량 데이터를 사용하여 대상물의 변위량을 계측하는 처리를 반복하여 실행한다. 계측 방식으로서는, 수광 소자에 대한 반사광의 입사 위치를 사용하는 삼각 측거 방식이 많지만, 이 밖에, 투광부터 수광까지의 시간의 길이를 사용하는 TOF(Time of Flight) 방식, 투광한 광과 수광한 반사광과의 위상차를 이용하는 위상차 측거 방식, PN 부호에 의해 강도 변조를 시행한 광을 투광하고, 그 광과 반사광과의 상관 연산 결과를 사용한 계측을 행하는 PN 코드식 측거 방식 등이 있다.

또한, 종래의 변위 센서에는, 검출 대상물의 이동 경로에 배비(配備)되고, 검출 처리나 계측 처리를 반복하면서, 반사광의 수광 상태에 응하여 검출의 감도를 조정하는 기능을 갖는 것이 있다. 그 종래예를 나타내는 문헌으로서 특허문헌1을 들 수 있다.

특허문헌1에 기재된 변위 센서에는, 발광 소자로서 레이저 다이오드가, 수광 소자로서 CCD가, 각각 도입된다. CCD로부터 출력된 화상 신호는, 증폭 회로나 AD 변환 회로 등에 의해 처리되어, 계측 처리에 사용된다.

이 특허문헌1에는, 화상중에 나타난 수광량의 피크치(구체적으로는 각 수평 라인의 농도 최대치의 평균치)에 대한 당해 피크치의 최적치의 비율을 구하고, 그 비율에 의거하여 검출 처리의 감도를 정하는 파라미터(증폭 회로의 게인, 레이저 다이오드의 발광 시간 및 발광 강도, CCD의 셔터 시간)를 조정하는 것이 기재되어 있다.

또한, 특허문헌1에는, 화상의 수광량의 피크치가 포화(飽和) 레벨에 달한 경우에는, 그 피크치를 연산에 의해 추정하여, 그 피크치의 추정치에 대한 최적치의 비율을 사용하여 감도 조정 처리를 행하는 것이나, 피크치가 부족한 경우에는 감도의 설정을 초기 상태를 되돌리는 것이, 기재되어 있다.

특허문헌1 : 일본 특개2001-280951호 공보

감도 조정 기능을 갖는 종래의 변위 센서에서는, 검출 처리할 때마다, 그 처리에 의해 취득한 수광량 데이터와 최적치와의 비율을 구하고, 그 비율에 의거하여 다음회의 검출 처리의 감도를 조정하지만, 이 조정 방법은, 다음의 검출 처리에서도 수광부에 전회와 거의 같은 강도의 반사광이 입사하는 것을 전제로 하는 것이다. 검출 대상물이 교체되고 수광부에의 입사광량이 대폭적으로 변동한 경우에는, 적절한 감도 조정이 곤란해진다.

상기한 문제점을, 도 7을 사용하여 구체적으로 설명한다.

도 7의 (1)은, 복수의 부품(201)이 탑재된 기판(200)의 반송 경로의 상방에 변위 센서(300)를 배치하여, 이동중의 기판(200)에 대한 계측을 행하는 예를 도시한다. 도 7의 (2)는, 상기한 처리에 의해 얻어지는 계측치의 시간축에 따른 변화를, 그래프로서 도시한다. 그리고, 여기에 나타내는 계측치는, 센서(300)로부터 검출 대상물까지의 거리를 소정의 기준면에서 본 높이로 치환한 것으로, 그래프중의 값이 낮은 개소는 기판(200)을 대상으로 한 계측치를 나타내고, 그래프중의 값이 높은 개소는 부품(201)을 대상으로 한 계측치를 나타낸다.

이 예에서는, 기판(200)과 부품(201)의 반사율이 크게 다르기 때문에, 센서(300)의 검출 대상이 기판(200)으로부터 부품(201)으로 바뀐 때나, 검출 대상이 부품(201)으로부터 기판(200)으로 바뀐 때에, 직전에 조정된 감도가 적절하지 않은 상태가 된다.

예를 들면, 기판(200)보다 부품(201)의 쪽이 반사율이 높은 것으로 하면, 기판(200)에 맞추어서 감도를 높게 설정하고 있는 상태하에서 검출 대상이 부품(201)으로 바뀐 경우에는, 대폭적으로 증가한 반사광이 높은 감도로 검출되기 때문에, 수광량 데이터가 포화될 우려가 있다. 또한, 부품(201)에 맞추어서 감도를 낮게 설정하고 있는 상태하에서 검출 대상이 기판(200)으로 바뀌면, 수광량 데이터의 값이 매우 낮아져서, 반사광의 입사의 유무를 인식하는 것이 곤란해진다.

이와 같이 수광량 데이터에 포화나 부족이 생기면, 수광량 데이터와 최적치와의 비율을 올바르게 구할 수가 없기 때문에, 감도의 조정이 곤란해진다. 이 때문에, 복수 사이클에 걸치는 감도 조정이 필요해지고, 그 사이의 계측이 불안정하게 되거나, 계측 에러가 생기거나 할 가능성이 있다.

도 7의 (2)의 그래프에서는, 감도가 적절하게 조정된 상태에서 얻어진 계측 데이터를 극태 실선으로 나타냄과 함께, 감도의 조정이 불충분하기 때문에 계측이 불안정 또는 계측 에러가 되는 기간(a, b, c, d, e, f)에서, 이론상 얻어져야 할 계측치를 점선에 의해 나타내고 있다. 이들 2종류의 선에 의해 나타나는 바와 같이, 검출 대상이 바뀐 직후에는, 감도가 적절하지 않기 때문에 계측이 불안정하게 되는 일이 있기 때문에, 이 계측이 불안정한 기간(a 내지 e)이 길어지면, 물체의 표면 형상의 변화를 올바르게 인식하는 것이 곤란해진다. 또한, 물체가 고속으로 이동하는 경우나 미소한 물체를 계측 대상으로 하는 경우에는, 감도가 조정되는 동안에 물체가 센서(300)의 검출 에어리어로부터 나와 버려서, 완전한 계측 누락이 생길 우려가 있다.

특허문헌1에 기재된 발명에서는, 수광량이 포화되어 있는 경우에는, 그 수광량을 추정하여 감도를 조정하는데, 추정의 결과는 반드시 올바르다고는 할 수가 없고, 감도를 신속하게 조정할 수가 없을 가능성이 있다. 또한 수광량이 부족한 경우에 초기의 감도로 되돌려도, 계측에 적합한 수광량이 얻어진다고는 생각하기 어렵다. 따라서 특허문헌1에 기재된 발명으로도, 상기한 문제를 완전히 해결하기 까지는 이르지 않는다.

본 발명은 상기한 문제점에 착안하여, 검출 대상이 전환되는 등으로, 계측 처리에 사용되는 수광량 데이터에 포화나 부족이 생긴 경우에도, 수광량 데이터가 신속하게 적절한 상태로 복귀하는 감도 조정을 행하는 것을, 과제로 한다.

본 발명에 의한 변위 센서는, 검출용의 광을 투광하는 투광부와, 투광부로부터의 광에 대한 대상물로부터의 반사광을 수광하여, 그 수광 상태를 나타내는 수광량 데이터를 생성하는 수광부와, 투광부 및 수광부에 의한 검출 처리를 반복하면서, 매회의 검출 처리에 의해 얻은 수광량 데이터를 사용하여 대상물의 변위량을 계측하는 계측 수단과, 검출 처리에서의 감도를 조정하는 감도 조정 수단을 구비한다.

수광부에는, 수광 소자와, 이 수광 소자로부터 출력되는 수광량 신호에 각각 다른 배율을 적용하여 수광량 데이터를 생성하는 복수의 신호 처리부가 포함된다. 계측 수단은, 이들 복수의 신호 처리부중의 특정한 신호 처리부에 의해 생성된 수광량 데이터를 사용하여 변위량의 계측 처리를 실행한다.

감도 조정 수단은, 검출 처리에 응하여 복수의 신호 처리부에 의해 생성된 수광량 데이터 중의 하나를 소정의 룰에 의거하여 선택한다. 그리고, 특정한 신호 처리부에 적용된 배율에 대한 상기 선택된 수광량 데이터를 생성한 신호 처리부에 적용된 배율의 비율과 당해 선택된 수광량 데이터에 의거하여, 특정한 신호 처리부에 의해 생성된 수광량 데이터의 값과 미리 정해진 적정치와의 상대 관계를 구하고, 이 상대 관계에 의거하여 이후의 검출 처리에서의 감도를 조정한다. 그리고, 상대 관계로서는, 수광량 데이터와 적정치와의 비율 또는 양자의 차(差)를 구할 수 있다.

상기한 구성에 의하면, 수광 소자로부터 출력된 수광량 신호를 복수의 신호 처리부에 의해 처리함에 의해, 각각 다른 배율이 적용된 복수의 수광량 데이터가 생성된다. 계측 처리에는 특정한 신호 처리부에 의한 수광량 데이터가 사용되기 때문에, 매회의 계측 결과를 정합(整合)시킬 수 있고, 수광량 데이터가 포화되거나, 크게 저하되는 일이 없는 한, 안정된 계측이 가능해진다.

한편, 감도의 조정 처리에서는, 특정한 신호 처리부 이외의 신호 처리부에 의해 생성된 수광량 데이터를 선택하여, 특정한 신호 처리부에 적용된 배율에 대한 선택된 신호 처리부에 적용된 배율의 비율과 당해 선택된 수광량 데이터에 의거하여, 특정한 신호 처리부에 의한 수광량 데이터의 값과 적정치와의 상대 관계를 구하고, 이 관계에 의거하여 다음의 검출 처리에서의 감도를 조정할 수 있다. 따라서 특정한 신호 처리부에 의한 수광량 데이터에 포화나 부족이 생기고 있는 경우에도, 수광 소자에 입사한 반사광이 적절한 값으로 나타나 있는 수광량 데이터를 선택함에 의해, 이후의 검출 처리에서의 감도를 적절하게 조정할 수 있다.

또한, 상기한 감도의 조정은, 매회의 검출 처리에 응하여 실행되는 것이 바람직하지만, 특정한 신호 처리부에 의한 수광량 데이터가 적정치를 포함하는 소정의 수치 범위에 포함되는 동안은, 실질적인 감도 조정 처리를 스킵하여도 좋다.

상기한 변위 센서의 바람직한 한 실시 양태로는, 감도 조정 수단은, 특정한 신호 처리부에 의한 수광량 데이터의 값이 소정의 허용치로부터 포화 레벨까지의 범위에 있는 경우에는 당해 수광량 데이터를 선택한다. 한편, 특정한 신호 처리부에 의한 수광량 데이터의 값이 허용치를 하회하는 경우에는 특정한 신호 처리부보다도 높은 배율이 설정된 신호 처리부에 의한 수광량 데이터를 선택한다. 또한 특정한 신호 처리부에 의한 수광량 데이터가 포화 레벨에 달하고 있는 경우에는, 특정한 신호 처리부보다도 낮은 배율이 적용된 신호 처리부에 의한 수광량 데이터를 선택한다.

상기한 구성에 의하면, 계측 처리에 사용되는 수광량 데이터의 값을 올바르게 취득할 수 있는 경우에는, 당해 수광량 데이터를 선택하여 감도 조정을 행함에 의해, 수광량 데이터를 적절한 상태로 유지할 수 있다. 한편, 계측 처리에 사용되는 수광량 데이터가 허용치를 하회하거나, 포화되였기 때문에, 수광량 데이터의 올바른 값을 얻는 것이 곤란한 경우에는, 특정한 신호 처리부와는 다른 배율에 의한 신호 처리에 의해 적절한 값이 얻어져 있는 수광량 데이터를 사용함에 의해, 적절한 감도 조정을 행할 수가 있다.

다른 바람직한 실시 양태로는, 감도 조정 수단은, 복수의 신호 처리부에 의해 생성된 수광량 데이터 중, 적정치에 가장 가까운 수광량 데이터를 선택한다. 이와 같이 하면, 복수의 수광량 데이터 중에서 감도 조정에 가장 적합한 데이터를 선택하여, 확도(確度)가 높은 감도 조정을 행하는 것이 가능해진다.

다른 바람직한 실시 양태에 의한 변위 센서에서는, 수광 소자로서 복수의 화소를 갖는 촬상 소자가 마련된다. 또한, 특정한 신호 처리부에서 촬상 소자의 전 화소의 수광량을 나타내는 수광량 데이터가 생성됨과 함께, 그 밖의 신호 처리부에서 촬상 소자의 각 화소의 수광량중의 적어도 피크치를 나타내는 수광량 데이터가 생성된다.

감도 조정 수단은, 선택된 수광량 데이터의 피크치와, 특정한 신호 처리부에 적용된 배율에 대한 상기 선택된 수광량 데이터를 생성한 신호 처리부에 적용된 배율과의 비율에 의거하여, 특정한 신호 처리부에 의한 수광량 데이터의 피크치와 적정치와의 상대 관계를 구한다. 또한, 계측 수단은, 특정한 신호 처리부에 의한 수광량 데이터를 사용하여 촬상 소자에서 수광량의 피크치가 얻어진 위치를 특정하고, 이 특정된 위치에 의거하여 변위량을 계측한다.

상기한 구성에 의하면, 복수의 수광량 데이터 중 수광량의 피크치가 적절한 강도를 나타내고 있는 것을 선택하여 감도의 조정 처리를 행함에 의해, 특정한 신호 처리부에 의한 수광량 데이터에서의 피크치를 충분한 크기로 조정할 수 있다. 따라서, 촬상 소자에서 이 피크치에 대응하는 위치를 정밀도 좋게 특정하고, 고정밀도의 변위량 계측을 행하는 것이 가능해진다.

본 발명에서는, 수광 소자에서 출력되는 수광량 신호로부터 각각 다른 배율이 적용된 복수의 수광량 데이터를 생성하고, 이들의 수광량 데이터 중에서 감도의 조정에 적합한 것을 선택하여 조정 처리를 행할 수가 있다. 따라서, 검출 대상물이 교체되는 등으로 직전에 조정된 감도로는 계측에 적합한 수광량 데이터를 얻을 가수 없게 된 경우에도, 신속하게 감도를 변경하고, 수광량 데이터를 적절한 상태로 복귀시킬 수 있다. 따라서, 고속으로 이동하는 물체나 미소한 물체를 검출 대상으로 하는 경우에도, 계측 처리를 지장없이 행하는 것이 가능해진다.

도 1은 변위 센서의 외관 및 사용 상태를 도시하는 사시도.
도 2는 제 1 실시예에 관한 센서의 회로 구성을 도시하는 블록도.
도 3은 센서의 동작 순서를 도시하는 플로 차트.
도 4는 제 1 실시예의 감도 조정 처리의 순서를 도시하는 플로 차트.
도 5는 제 2 실시예에 관한 센서의 회로 구성을 도시하는 블록도.
도 6은 제 2 실시예의 감도 조정 처리의 순서를 도시하는 플로 차트.
도 7은 종래의 감도 조정 기능을 갖는 변위 센서의 사용예를 도시하는 도면, 및 이 센서에 의한 계측에 생기는 문제점을 도시하는 그래프.

도 1은, 본 발명이 적용되는 변위 센서의 외관 및 사용 상태를 도시한다.

이 실시예의 변위 센서(1)는, 검출 대상의 워크(W)에 대해 레이저 빔(L1)을 투광함과 함께 이 레이저 빔(L1)에 대한 워크(W)로부터의 반사광(L2)을 수광하고, 삼각 측거의 원리에 의거하여, 센서(1)로부터 워크(W)의 표면까지의 거리를 변위량으로서 계측한다. 이 처리를 위해, 센서(1)의 몸체(10)의 내부에는, 도 2에 도시하는 발광 소자(11) 및 촬상 소자(12)나, 처리 회로가 탑재된 제어 기판 등이 마련된다.

도 2는, 상기한 변위 센서(1)의 주요한 회로 구성을 도시한다.

이 변위 센서(1)의 투광부(101)는, 발광 소자(11)로서 레이저 다이오드를 사용한다. 투광부(101)에는, 이 밖에, 도시하지 않은 투광용의 렌즈나 발광 소자(11)의 구동 회로가 포함된다. 수광부(102)에는, 수광용의 렌즈(도시 생략), 2차원의 촬상 소자(12)(CMOS 또는 CCD를 사용한다.), 및 촬상 소자(12)로부터 출력되는 화상 신호(반사광의 수광량을 나타내는 화상으로 되기 때문에, 이하에서는 「수광량 신호」라고 한다)를 처리하는 수광 회로(13)가 포함된다.

수광 회로(13)는, 전술한 제어 기판에 탑재된다. 제어 기판에는, 이 밖에, CPU(14)(메모리와 함께 원칩화 된 것), FPGA(Field Programmable Gate Aray)(15), 입출력 인터페이스(16) 등이 탑재된다.

수광 회로(13)에는, 3개의 신호 처리부(C1, C2, C3)가 포함된다.

촬상 소자(12)로부터의 출력 라인은 2개로 나뉘여지고, 한쪽의 라인은 신호 처리부(C1)에 접속되고, 다른쪽의 라인은 신호 처리부(C3)에 접속된다.

신호 처리부(C1)에는, 앰프(21, 23)와 AD 변환 회로(41)가 포함된다. 앰프(21)의 게인은 약 10배로 설정되어 있다. 앰프(23)는 가변 게인 앰프로서, 1배부터 100배까지의 범위에서 게인(g)을 변경할 수 있다. 촬상 소자(12)의 각 화소로부터 출력되는 수광량 신호는, 이들의 앰프(21, 23)에 의해 증폭된 후에 AD 변환 회로(41)에 유도되어, 디지털 변환된다. 이에 의해, 촬상 소자(12)의 전 화소에서의 수광 상태를 나타내는 화상이 생성된다. 이 화상은 FPGA(15)에 입력된다.

가변 게인 앰프(23)로부터 AD 변환 회로(41)에의 출력 라인은 분기되어지고 있고, 그 분기 라인에 신호 처리부(C2)가 접속된다.

신호 처리부(C2)에는, 앰프(22)와 피크 홀드 회로(32)와 AD 변환 회로(42)가 포함된다. 앰프(22)의 게인은 약 100배로 설정된다. 신호 처리부(C1)의 앰프(21, 23)에 의해 증폭된 수광량 신호는, 이 앰프(22)에 의해 더울 증폭되어, 피크 홀드 회로(32)에 입력된다. 피크 홀드 회로(32)에서 홀드된 최대 레벨의 수광량 신호는 AD 변환 회로(42)에 의해 디지털 변환된다. 이 변환 처리에 의해 추출된 피크치는 CPU(14)에 입력된다.

신호 처리부(C3)에는, 피크 홀드 회로(33)와 AD 변환 회로(43)가 포함된다. 피크 홀드 회로(33)에는, 촬상 소자(12)의 각 화소로부터 출력된 수광량 신호가 증폭되지 않고 입력된다. 피크 홀드 회로(33)에서 홀드된 최대 레벨의 수광량 신호는 AD 변환 회로(43)에 의해 디지털 변환된다. 이 변환 처리에 의해 추출된 피크치도 CPU(14)에 입력된다.

또한, 신호 처리부(C2, C3)의 AD 변환 회로(42, 43)는, CPU(14)와 같은 칩에 일체화하는 것도 가능하다.

상기한 구성에 의하면, 신호 처리부(C1)의 처리에 의해 생성되어 FPGA(15)에 입력된 화상이 나타내는 값은 원래의 값(촬상 소자(12)으로부터 출력된 수광량)의 (10×g)배가 된다. 또한, 신호 처리부(C2)에 의해 추출된 피크치는 원래의 값의 (1000×g)배가 된다. 한편, 신호 처리부(C3)에 의해 추출된 피크치는, 원래의 값을 그대로 나타내는 것이 된다. 즉 배율은 1배이다.

CPU(14)는, 발광 소자(11) 및 촬상 소자(12)의 동작을 제어함과 함께, 가변 게인 앰프(23)의 게인(g)을 변경하는 처리를 행한다. 또한, CPU(14)는, 입출력 인터페이스(16)를 통하여 외부에 대한 입출력 처리를 실행한다.

FPGA(15)는, 신호 처리부(C1)의 AD 변환 회로(41)로부터 입력된 화상을 처리하여, 당해 화상에서 수광량의 피크치가 발생하고 있는 위치의 좌표를 특정하고, 그 좌표에 의거하여 워크(W)의 변위량을 계측한다. 피크치의 위치를 특정하는 처리로는, 예를 들면, 화상중의 반사광의 입사 위치의 변동이 생기는 방향에 따른 라인마다, 그 라인에서의 수광량의 피크 위치의 좌표를 추출하고, 이들 좌표의 평균치를 구한다. 또한, 피크치에 관해서는, 라인마다의 피크치의 평균치 또는 최대치를 구할 수 있다.

FPGA(15)에 의한 계측 결과는 CPU(14)에 출력되고, 또한 CPU(14)로부터 입출력 인터페이스(16)를 통하여 도시하지 않은 외부 장치나 표시부 등에 출력된다.

상기 구성의 변위 센서(1)에서는, 수광 회로(13) 내의 가변 게인 앰프(23)의 게인(g) 외에, 발광 소자(11)의 발광 강도(q)나, 검출 처리의 노광 시간(t)을 감도 조정의 파라미터로 하고 있다. 또한, 이 실시예에서는, 발광 소자(11)를 발광시키는 기간과 촬상 소자(12)의 노광의 기간을 동기시켜서, 이들 기간의 길이를 노광 시간(t)으로 한다.

도 3은, 상기한 변위 센서(1)에서의 동작의 흐름을 도시한다.

이 처리는, 센서(1)에 전원이 투입되어, CPU(14) 및 FPGA(15)가 기동함에 의해 시작된다. 우선, 최초의 스텝 A에서는, CPU(14)에 의해 감도 조정에 관한 각 파라미터(g, q, t)가 초기 설정된다. 그 후는, CPU(14)와 FPGA(15)와의 협동에 의해, 스텝 B, C, D에 의한 무한 루프를 반복한다.

스텝 B에서는, 파라미터(q 및 t)에 의거하여 발광 소자(11) 및 촬상 소자(12)의 동작을 제어하여 검출 처리(투광 및 수광)를 행한다. 이에 응하여, 수광 회로(13)의 각 신호 처리부(C1, C2, C3)가 작동하여, FPGA(15)에 화상 데이터가 입력됨과 함께, CPU(14)에 2종류의 피크치가 입력된다.

스텝 C에서는, 상기한 스텝 B에서 생성된 화상으로부터 피크치를 추출하고, 그 피크치의 좌표를 사용하여 변위량을 계측한다. 또한, 이 계측 처리에는, CPU(14)에 의한 계측 결과의 출력 처리도 포함된다.

스텝 D에서는, 다음의 검출 처리에서의 감도를 조정한다. 구체적으로는, 직전의 스텝 C의 계측 처리에 사용된 피크치가 미리 정한 적정 범위로부터 일탈하고 있는 경우에, 그 피크치에 대한 최적치(R)의 비율(V)을 구한다. 그리고, 다음회의 검출 처리에서 FPGA(15)에 입력되는 화상의 강도가 비율(V)에 대응하는 양만큼 증가 또는 감소하도록, 각 파라미터(g, q, t)를 조정한다. 또한, 이 조정 처리를 위해, CPU(14)의 내부 메모리에는, 감도 조정을 위한 비율(V)(이하, 「감도 조정치(V)」라고 한다)의 값을 복수의 수치 범위로 나누어, 각각의 범위마다 각 파라미터(g, q, t)의 구체적인 조정치를 대응시킨 테이블이 마련된다.

상기한 감도 조정치(V)는, 원칙으로서, 계측 처리에 사용된 피크치(신호 처리부(C1)에서 FPGA(15)에 입력된 화상으로부터 추출된 것)를 사용하여 산출된다. 그러나, 검출 대상물이 교체된 직후 등에 반사광의 강도가 급격하게 변화하면, 그때까지의 감도 설정에서는, AD 변환 회로(41)에 입력되는 피크 레벨이 0에 가까운 값이 되거나, 그 반대로 AD 변환의 최대치를 초과하는(포화) 상태가 되어, 감도 조정치(V)를 구한 것이 곤란해지는 일이 있다. 그래서, 이 실시예에서는, 신호 처리부(C1)에 의해 생성된 계측용의 화상으로부터 추출된 피크치 외에, 신호 처리부(C2)에 의해 추출된 고배율의 피크치와, 신호 처리부(C3)에 의해 추출된 저배율의 피크치를 사용하여, 감도 조정치(V)를 산출하도록 하고 있다.

여기서, 신호 처리부(C1)에 의해 생성된 화상으로부터 추출되는 피크치를 기준치(P1)(이하, 「기준 피크치(P1)」라고 한다)로 하고, 신호 처리부(C2)에 의해 추출된 피크치를 P2라고 하면, 도 2에 도시한 회로 구성에 의하면, 피크치(P2)는 기준 피크치(P1)의 약 100배가 된다. 따라서, 기준 피크치(P1)가 0에 가까운 값이 되어도, 피크치(P2)는 어느 정도의 높이의 값을 나타내기 때문에, 이 피크치(P2)를 사용하여 감도 조정치(V)를 산출할 수 있다.

또한, 신호 처리부(C3)에 의해 추출된 피크치를 P3이라고 하면, 이 피크치(P3)는, 증폭 전의 수광량 신호에서의 피크치에 상당한다. 따라서, 신호 처리부(C1)에 의한 화상중의 기준 피크치(P1)가 포화되여도, 증폭 전의 수광량의 피크치(P3)가 포화 레벨에 달하지 않는 경우에는, 이 피크치(P3)를 사용하여 감도 조정치를 산출할 수 있다.

도 4는, 감도 조정 처리(스텝 D)의 상세한 순서를 도시한다.

이 실시예의 CPU(14)의 내부 메모리에는, 감도의 조정 처리를 위해, 기준 피크치(P1)의 적정 범위를 나타내는 수치 범위(최적치(R)를 포함한다.)가 등록되어 있다. 스텝 D1에서는 직전의 계측 처리에 사용된 기준 피크치(P1)를 이 적정

범위와 대조하고, P1이 적정 범위를 일탈하고 있는 경우에, 감도의 조정 처리를 행하도록 하고 있다.

기준 피크치(P1)의 값이 적정 범위를 하회하고 있는 경우에는, 다음회의 검출 처리에서의 감도를 올리는(AD 변환 회로(41)에 입력되는 신호 레벨을 올리는) 조정이 필요해진다. 이 경우에, 기준 피크치(P1)가 0에 근사한 값이 아니면(예를 들면 P1≥1), 스텝 D2로부터 스텝 D4로 진행한다.

스텝 D4에서는, 기준 피크치(P1)에 대한 최적치(R)의 비율(R/P1)을 구하고, 이것을 감도 조정치(V)로 한다. 이 후는 스텝 D7로 진행하여, 감도 조정치(V)의 값에 의거하여, 가변 게인(g), 발광 강도(q), 및 노광 시간(t)의 각 파라미터를 조정한다.

한편, 기준 피크치(P1)가 0에 근사하는 경우에는, 스텝 D2로부터 스텝 D5로 진행한다. 이 스텝 D5에서는, 최적치(R)를 피크치(P2)의 레벨에 응한 값(R×100)으로 변환하고, 이 변환 후의 최적치의 피크치(P2)에 대한 비율을 구함에 의해, 감도 조정치(V)를 산출한다.

이 후는 스텝 D7로 진행하여, 감도 조정치(V)의 값에 의거하여, 각 파라미터(g, q, t)를 조정한다.

다음에, 기준 피크치(P1)의 값이 적정 범위를 상회하고 있는 경우에는, 다음회의 검출 처리에서의 감도를 내리는(AD 변환 회로(41)에 입력된 신호 레벨을 내리는) 조정이 필요해진다. 기준 피크치(P1)가 포화되지 않은 경우에는, 스텝 D3부터 스텝 D4로 진행하여, 앞에서 기술한 연산식 : V=R/P1에 의해 감도 조정치(V)를 산출한다. 그리고 나서 스텝 D7로 진행하여, 각 파라미터(g, q, t)를 조정한다.

한편, 기준 피크치(P1)가 포화되어 있는 경우에는, 스텝 D3부터 스텝 D6로 진행한다. 이 스텝 D6에서는, 최적치(R)를 피크치(P3)의 레벨에 응한 값(R/(10×g))으로 변환하고, 당해 최적치의 피크치(P3)에 대한 비율을 구하는 연산에 의해, 감도 조정치(V)를 산출한다. 이 후는 스텝 D7로 진행하여, 감도 조정치(V)의 값에 의거하여, 각 파라미터(g, q, t)를 조정한다.

상기한 처리에 의하면, 기준 피크치(P1)가 포화 또는 0에 근사하기 때문에 올바른 값을 취득할 수가 없는 경우에도, 다른 피크치(P2, P3)가 기준 피크치(P1)에 대응하는 값을 적절하게 나타내고 있는 경우에는, 스텝 D5 또는 스텝 D6에 의해, 감도 조정치(V)를 정밀도 좋게 구할 수 있다. 따라서, 이 감도 조정치(V)에 의거하여 조정된 파라미터(g, q, t)를 사용하여 다음의 검출 처리가 행하여진 때에, FPGA(15)에 입력되는 화상에서의 기준 피크를 적정 범위에 넣는 것이 가능해진다.

상기한 변위 센서(1)에 의하면, 예를 들면, 반사율이 다른 복수종의 워크가 고속으로 반송되는 현장에서도, 검출 대상의 워크가 바뀐 것에 응하여 신속하게 감도를 변경하고, 계측에 적합한 화상을 FPGA(15)에 입력할 수 있다. 따라서, 워크(W)의 이동에 추종하여 정밀도가 좋은 계측 처리를 행할 수가 있다. 또한, 도 7에 도시한 기판(200) 및 부품(201)과 같이, 일체물이지만, 반사율이 다른 복수의 부위를 갖는 워크를 계측 대상으로 하는 경우에도, 마찬가지로, 검출 대상의 부위의 반사율이 변한 것에 응하여 신속하게 감도를 변경할 수 있기 때문에, 표면 형상의 인식에 적합한 계측 데이터를 얻을 수 있다. 또한, 미소한 물체로서 이동하는 것을 검출 대상으로 하는 경우에도, 그 물체가 검출 대상이 되었을 때에 신속하게 감도를 조정할 수가 있어서, 계측의 놓침을 없앨 수 있다.

또한, 도 3의 순서에 의하면, 이 실시예의 변위 센서(1)에서는, 검출 처리(스텝 B) 및 계측 처리(스텝 C)를 실행하고 나서 감도의 조정 처리(스텝 D)를 행하고 있지만, 감도의 조정 처리를 계측 처리보다 전(前)에 행하도록 하여도 좋다. 또는, FPGA(15)가 계측 처리를 담당하고, CPU(14)가 감도의 조정 처리를 담당하도록 하여, 각 처리를 병렬로 실시하여도 좋다.

또한, 상기한 실시예의 변위 센서(1)에서는, 변위량을 정밀도 좋게 계측하기 위해, 전 화소의 수광량 데이터를 FPGA(15)에 입력하여, 기준 피크치(P1) 및 그 좌표를 추출하는 한편, 그 밖의 피크치(P2, P3)를 피크 홀드 회로(32, 33)를 사용하여 추출하고 있지만, 이것은 CPU(14)가 FPGA(15)보다 처리 속도가 느린 것을 고려하였기 때문이다. 이에 대신하여, 신호 처리부(C2, C3)에서도 각각 전 화소를 대상으로 한 AD 변환 처리를 실행하고, 생성된 화상을 FPGA(15)에 유도하고, 피크치(P2, P3)를 추출하도록 하여도 좋다.

도 5는, 본 발명이 적용되는 제 2의 변위 센서(1A)의 회로 구성을 도시한다.

이 실시예의 센서(1A)에도, 도 2의 예와 마찬가지로, 발광 소자(11)를 포함하는 투광부(101), 촬상 소자(12)를 포함하는 수광부(102), CPU(14), FPGA(15), 및 입출력 인터페이스(16)가 포함된다. 단, 수광부(102)에는, 앞서의 실시예와는 다른 구성의 수광 회로(13A)가 마련된다.

구체적으로, 이 실시예의 수광 회로(13A)에는, 촬상 소자(12)로부터의 출력을 받는 가변 게인 앰프(30)와, 가변 게인 앰프(30)와 FPGA(15)와의 사이에 병렬상태로 개장(介裝)된 5개의 신호 처리부(E1, E2, E3, E4, E5)가 포함된다.

각 신호 처리부(E1 내지 E5)는, 각각 앰프(51 내지 55)와 AD 변환 회로(61 내지 65)에 의해 구성된다. 각 앰프(51 내지 55)의 게인(k1, k2, k3, k4, k5)은 고정되어 있지만, 앰프(1)의 게인(k1)이 가장 작고, 이하, k2, k3, k4, k5의 순서로 커진다.

CPU(14)는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 발광 소자(11) 및 촬상 소자(12)의 동작을 제어한다. 또한, 가변 게인 앰프(30)의 게인(g)을 변경하거나, 입출력 인터페이스(16)를 통하여 외부와의 입출력 처리를 행한다.

촬상 소자(12)의 각 화소로부터 출력된 수광량 신호는, 가변 게인 앰프(30)를 통하여 각 신호 처리부(E1 내지 E5)에 입력되고, 각각의 앰프(51 내지 55) 및 AD 변환 회로(61 내지 65)에 의해 처리된다. 이에 의해 FPGA(15)에는, 수광량의 파형의 진폭이 다른 5장의 화상이 입력되게 된다.

FPGA(15)에서는, 상기 5장의 입력 화상중, 중간 위치의 게인(k3)이 적용된 신호 처리부(E3)로부터의 화상을 사용하여 변위량의 계측 처리를 실행한다. 이 계측 결과는 CPU(14)에 출력되고, 또한 CPU(14)로부터 입출력 인터페이스(16)를 통하여 외부 장치 등에 출력된다.

FPGA(15)는, 그 밖의 신호 처리부(E1, E2, E4, E5)로부터의 화상에 대해서도, 각각 피크치를 추출한다. 또한, CPU(14)와 FPGA(15)가 협동하여, 도 6에 도시하는 바와 같은 순서로 감도 조정 처리를 실행한다.

이 처리의 최초의 스텝 D11에서는, 각 신호 처리부(E1 내지 E5)에 의한 화상으로부터 추출된 피크중에서, 계측용의 피크치의 최적치(R)에 가장 가까운 피크(Pi)(i는 1, 2, 3, 4, 5중의 어느 하나)를 선택한다.

다음의 스텝 D12에서는, 선택된 피크치(Pi) 및 최적치(R)와, 피크치(Pi)에 대응하는 신호 처리부(Ei)에 적용된 배율(ki)과, 피크치(P3)에 대응하는 신호 처리부에 적용된 배율(k3)을 사용하여, 연산식 : V=R×(ki/k3)×(1/Pi)을 실행한다.

이 실시예에서, 최적치(R)는 계측에 사용된 피크(P3)에 있어서의 최적치이다. 상기한 연산식은, 최적치(R)를 피크치(Pi)에 대응하는 레벨에 변환하고 나서, 변환 후의 최적치의 Pi에 대한 비율을 산출하는 것이다. 따라서, 직전의 계측 처리에 사용된 피크치(P3)가 포화 또는 0에 가깝기 때문에, 그 값을 올바르게 특정하는 것이 곤란한 경우에도, 상기한 연산에 의해, 현재의 수광 상태를 적절한 수광 상태로 하는데 적합한 감도 조정치(V)를 얻을 수 있다.

스텝 S103에서는, 이 감도 조정치(V)에 의거하여, 가변 게인 앰프(30)의 게인(g), 발광 소자(11)의 발광 강도(q), 및 노광 시간(t)의 각 파라미터를 조정한다. 이에 의해 다음회의 검출 처리에서는, 신호 처리부(E3)로부터의 화상에서의 피크치(P3)를 최적치(R)에 가까운 상태로 할 수 있다.

또한, 도 6의 순서에서는, 피크치(P3)가 적정 범위 내인지의 여부에 관계없이, 항상 스텝 D12 및 D13을 실행하고 있지만, 이 경우에도, 우선 피크치(P3)가 적정 범위 내에 있는지의 여부를 체크하고, P3이 적정 범위 내라면, 스텝 D12 및 D13을 스킵하여도 좋다.

또한, 피크치(P3)를 적정 범위와 대조하지 않는 경우에도, 피크치(P3)가 최적치(R) 부근에 있는 경우에는, 스텝 D11에서 피크치(P3)가 선택되어, 스텝 D12에서 구하여지는 감도 조정치(V)가 1에 가까운 값이 된다. 따라서 값 1에 대한 감도 조정치(V)의 차가 소정의 허용치 이내가 된 것을 갖고서, 스텝 D13을 스킵하여도 좋다.

또한, 도 5의 회로 구성에서는, 수광 회로(13A)의 신호 처리부를 5개로 하였지만, 신호 처리부의 수는 이것으로 한하지 않고, 3 이상의 임의의 수의 신호 처리부를 마련하고, 그중의 중간 위치에서 게인이 설정되어 있는 신호 처리부를 계측에 사용하면서, 상기와 마찬가지 방법으로 감도 조정을 행할 수가 있다. 또한, 상기한 실시예에서는, 모든 신호 처리부(E1 내지 E5)를, 각 화소의 수광량 신호를 증폭하고 나서 AD 변환하는 구성으로 하였지만, 촬상 소자(12)로부터의 수광량 신호를 직접 입력하고, 이것을 증폭하지 않고 디지털 변환하는 구성의 신호 처리부(배율 1배가 적용되어 있는 신호 처리부)를 마련하여도 좋다.

또한, 상기한 2개의 실시예의 변위 센서(1, 1A)는, 수광량의 피크치가 나타난 위치를 사용하여 삼각 측거의 원리에 의거한 계측을 행하고 있지만, 이와는 다른 원리로 변위량을 계측하는 센서에서도 마찬가지로, 수광 소자로부터 출력된 수광량 신호를 각각 다른 배율이 적용된 복수의 신호 처리부에 의해 처리하고, 각 신호 처리부에 의해 생성된 수광량 데이터 중의 특정한 데이터를 계측에 사용함과 함께, 적절한 수광량을 나타내는 수광량 데이터를 선택하여, 감도 조정치를 구하는 연산을 행할 수가 있다. 이와 같이 하면, 검출 대상이 바뀐 직후에 적절한 수광량을 얻을 수가 없어서 계측에 실패하였는다고 하여도, 그 계측에 사용된 수광량 데이터 이외의 수광량 데이터를 사용하여 다음의 검출 처리에서의 감도를 적절하게 조정할 수 있기 때문에, 신속하게 계측이 가능한 상태로 복귀할 수 있다. 따라서, 대상물이 고속으로 이동하는 경우나 미소한 대상물을 계측하는 경우에도, 각 대상물에 응한 감도를 신속하게 설정하여, 계측을 행하는 것이 가능해진다.

1, 1A : 변위 센서 11 : 발광 소자
12 : 촬상 소자 13, 13A : 수광 회로
14 : CPU 15 : FPGA
101 : 투광부 102 : 수광부
C1 내지 C3, E1 내지 E5 : 신호 처리부

Claims (4)

1. 검출용의 광을 투광하는 투광부와, 투광부로부터의 광에 대한 대상물로부터의 반사광을 수광하여, 그 수광 상태를 나타내는 수광량 데이터를 생성하는 수광부와, 상기 투광부 및 수광부에 의한 검출 처리를 반복하면서, 매회의 검출 처리에 의해 얻은 수광량 데이터를 사용하여 대상물의 변위량을 계측하는 계측 수단과, 상기 검출 처리에서의 감도를 조정하는 감도 조정 수단을 구비한 변위 센서로서,
   상기 수광부에는, 수광 소자와, 이 수광 소자로부터 출력되는 수광량 신호에 각각 다른 배율을 적용하여 상기 수광량 데이터를 생성하는 복수의 신호 처리부가 포함되어 있고,
   상기 계측 수단은, 상기 복수의 신호 처리부중의 특정한 신호 처리부에 의해 생성된 수광량 데이터를 사용하여 상기 변위량의 계측 처리를 실행하고,
   상기 감도 조정 수단은, 상기 검출 처리에 응하여 상기 복수의 신호 처리부에 의해 생성된 수광량 데이터 중에서 소정의 허용치보다 높고, 또한 포화되지 않는 수광량 데이터를 1개 선택하여, 상기 특정한 신호 처리부에 적용된 배율에 대한 상기 선택된 수광량 데이터를 생성한 신호 처리부에 적용된 배율의 비율과 당해 선택된 수광량 데이터에 의거하여, 상기 특정한 신호 처리부에 의해 생성된 수광량 데이터의 값과 미리 정해진 적정치와의 상대 관계를 구하고, 이 상대 관계에 의거하여 이후의 검출 처리에서의 감도를 조정하고,
   상기 감도 조정 수단은, 상기 특정한 신호 처리부에 의한 수광량 데이터의 값이 상기 허용치로부터 포화 레벨까지의 범위에 있는 경우에는 당해 수광량 데이터를 선택하고, 상기 특정한 신호 처리부에 의한 수광량 데이터의 값이 상기 허용치를 하회하는 경우에는 특정한 신호 처리부보다도 높은 배율이 적용된 신호 처리부에 의한 수광량 데이터를 선택하고, 상기 특정한 신호 처리부에 의한 수광량 데이터가 상기 포화 레벨에 달하고 있는 경우에는 특정한 신호 처리부보다도 낮은 배율이 적용된 신호 처리부에 의한 수광량 데이터를 선택하는 것을 특징으로 하는 변위 센서.
2. 삭제
3. 검출용의 광을 투광하는 투광부와, 투광부로부터의 광에 대한 대상물로부터의 반사광을 수광하여, 그 수광 상태를 나타내는 수광량 데이터를 생성하는 수광부와, 상기 투광부 및 수광부에 의한 검출 처리를 반복하면서, 매회의 검출 처리에 의해 얻은 수광량 데이터를 사용하여 대상물의 변위량을 계측하는 계측 수단과, 상기 검출 처리에서의 감도를 조정하는 감도 조정 수단을 구비한 변위 센서로서,
   상기 수광부에는, 수광 소자와, 이 수광 소자로부터 출력되는 수광량 신호에 각각 다른 배율을 적용하여 상기 수광량 데이터를 생성하는 복수의 신호 처리부가 포함되어 있고,
   상기 계측 수단은, 상기 복수의 신호 처리부중의 특정한 신호 처리부에 의해 생성된 수광량 데이터를 사용하여 상기 변위량의 계측 처리를 실행하고,
   상기 감도 조정 수단은, 상기 검출 처리에 응하여 상기 복수의 신호 처리부에 의해 생성된 수광량 데이터 중에서 소정의 허용치보다 높고, 또한 포화되지 않는 수광량 데이터를 1개 선택하여, 상기 특정한 신호 처리부에 적용된 배율에 대한 상기 선택된 수광량 데이터를 생성한 신호 처리부에 적용된 배율의 비율과 당해 선택된 수광량 데이터에 의거하여, 상기 특정한 신호 처리부에 의해 생성된 수광량 데이터의 값과 미리 정해진 적정치와의 상대 관계를 구하고, 이 상대 관계에 의거하여 이후의 검출 처리에서의 감도를 조정하고,
   상기 감도 조정 수단은, 상기 복수의 신호 처리부에 의해 생성된 수광량 데이터 중, 상기 적정치에 가장 가까운 수광량 데이터를 선택하는 것을 특징으로 하는 변위 센서.
4. 제 1항 또는 제 3항에 기재된 변위 센서로서,
   상기 수광 소자로서 복수의 화소를 갖는 촬상 소자가 마련되고,
   상기 특정한 신호 처리부에서 상기 촬상 소자의 전 화소의 수광량을 나타내는 수광량 데이터가 생성됨과 함께, 그 밖의 신호 처리부에서 상기 촬상 소자의 각 화소의 수광량중의 적어도 피크치를 나타내는 수광량 데이터가 생성되고,
   상기 감도 조정 수단은, 선택된 수광량 데이터의 피크치와, 상기 특정한 신호 처리부에 적용된 배율에 대한 상기 선택된 수광량 데이터를 생성한 신호 처리부에 적용된 배율의 비율에 의거하여, 상기 특정한 신호 처리부에 의한 수광량 데이터의 피크치와 상기 적정치와의 상대 관계를 구하고,
   상기 계측 수단은, 상기 특정한 신호 처리부에 의한 수광량 데이터를 사용하여 상기 촬상 소자에서 수광량의 피크치가 얻어진 위치를 특정하고, 이 특정된 위치에 의거하여 상기 변위량을 계측하는 것을 특징으로 하는 변위 센서.

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