KR20170003448A - 길이 계측 장치 및 물품 제조 방법 - Google Patents

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다카유키 우오즈미
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캐논 가부시끼가이샤
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Abstract

계측 영역에서 이동하는 물체에 대한 길이 계측을 행하도록 구성되는 길이 계측 장치는, 도플러 효과로 물체에 의해 변조된 광을 검출하도록 구성되는 검출기, 및 검출기로부터의 신호에 기초하여 물체의 속도의 계측값을 얻고 계측값에 기초하여 물체에 대한 길이를 얻도록 구성되는 처리기를 포함한다. 처리기는, 신호의 진폭에 기초하여 물체에 대응하는 시점을 특정하고, 시점에 의해 정해진 기간에 관하여 신호에 기초하여 계측값을 얻으며, 기간에 관하여 얻어진 계측값에 기초하여 길이를 얻도록 구성된다.

Description

길이 계측 장치 및 물품 제조 방법{LENGTH MEASURING APPARATUS, AND METHOD OF MANUFACTURING ARTICLE}
본 발명은 이동 물체의 길이 계측을 행하는 길이 계측 장치 및 물품 제조 방법에 관한 것이다.
이동 물체의 속도를 계측하는 장치로서 도플러 속도계(이하, 간단히 "속도계"라고도 칭한다)가 사용되고 있다. 레이저 도플러 속도계(Laser Doppler Velocimeter)(LDV)는 레이저광을 물체에 조사하고 도플러 효과를 이용하여 물체의 속도를 계측한다. 도플러 효과는 물체로부터의 산란광의 주파수(파장)가 물체의 이동 속도에 비례하여 시프트되는 효과이다.
일본 특허 공개 공보 제7-198849호에 개시되어 있는 레이저 도플러 속도계는, 레이저광으로부터 물체가 벗어나 있는지의 여부를 검출하는 전용 센서를 사용하며, 레이저 도플러 신호가 끊어진 상태에서 신호의 보간과 정상적인 계측 상태로의 복귀를 행한다.
또한, 일본 특허 공개 공보 제7-332938호에 개시되어 있는 레일 길이 계측 방법에서는, 레이저 도플러 센서 이외에 레일의 유격을 식별하기 위한 유격 식별 센서가 포함된다. 유격 및 레일 길이의 양자 모두는 양 센서의 출력에 기초하여 획득된다.
관련 기술에 따른 속도 계측 또는 길이 계측은, 물체로부터의 계측 광이 더 이상 계측되지 않고 계측이 더 이상 계속되지 않는 현상이 발생하는 것을 방지하기 위해서 속도 계측용 센서 이외에 제2 센서를 요구하였다.
도플러 속도 계측에 의해 얻어진 이동 물체의 속도에 기초하여 이동 물체에 대해 길이 측정이 행해지는 경우, 속도 계측을 위한 계측 광으로 이동 물체가 들어가는 시점과 계측 광으로부터 이동 물체가 탈출하는 시점을 검출하는 것이 요구된다. 그러나, 관련 기술과 같이 검출을 위해서 추가적인 센서를 제공하는 것은 추가적인 센서를 위해 추가되는 공간 또는 부품의 관점에서 불리할 수 있다.
본 발명은 이동 물체의 길이 계측의 실행에 있어서 유리한 길이 계측 장치를 제공한다.
본 발명은 계측 영역에서 이동하는 물체에 대한 길이 계측을 행하도록 구성되는 길이 계측 장치를 제공한다. 장치는, 도플러 효과로 물체에 의해 변조된 광을 검출하도록 구성되는 검출기, 및 검출기로부터의 신호에 기초하여 물체의 속도의 계측값을 얻도록 구성되는 처리기를 포함하며, 계측값에 기초하여 물체에 대한 길이를 얻는다. 처리기는, 신호의 진폭에 기초하여 물체에 대응하는 시점을 특정하고, 그 시점에 의해 정해지는 기간에 관하여 신호에 기초하여 계측값을 얻으며, 기간에 관하여 얻어진 계측값에 기초하여 길이를 얻도록 구성된다.
본 발명의 추가적인 특징은 첨부된 도면과 관련한 예시적인 실시형태에 대한 이하의 설명으로부터 명확해질 것이다.
도 1은 속도계의 헤드 유닛의 구성예를 도시한다.
도 2a 내지 도 2c는 프린지 모델을 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은 물체의 속도와 도플러 주파수 사이의 관계를 예시적으로 나타낸다.
도 4는 속도계의 구성예를 도시한다.
도 5a 내지 도 5c는 신호 처리 내용을 예시적으로 나타낸다.
도 6a 및 도 6b는 처리기에 입력되는 아날로그 신호를 예시적으로 나타낸다.
도 7은 처리기에서의 처리 흐름을 예시적으로 나타낸다.
도 8a 및 도 8b는 드롭아웃(dropout)이 발생될 때의 신호를 예시적으로 나타낸다.
도 9a 및 도 9b는 노이즈가 혼입될 때의 신호를 예시적으로 나타낸다.
도 10a 및 도 10b는 오류로서 결정된 계측값을 예시적으로 나타낸다.
도 11a 및 도 11b는 보정 전의 계측값 및 보정 후의 계측값을 예시적으로 나타낸다.
도 12a, 도 12b 및 도 12c1 내지 도 12c5는 검출기로부터의 신호의 진폭과 계측값의 신뢰도를 예시적으로 나타낸다.
도 13은 길이 계측 처리 내용을 예시적으로 나타낸다.
도 14는 길이 계측 처리의 흐름을 예시적으로 나타낸다.
도 15는 길이 계측 처리의 흐름을 예시적으로 나타낸다.
도 16은 길이 계측 처리 내용을 예시적으로 나타낸다.
도 17a 및 도 17b는 속도의 외삽을 예시적으로 나타낸다.
도 18은 길이 계측 처리 내용을 예시적으로 나타낸다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 일반적인 규칙으로서(달리 언급되지 않는 한) 실시형태를 설명하기 위한 전체 도면을 통해서 동일한 부재에는 동일한 참조 번호가 적용되고 반복적인 설명은 생략한다.
제1 실시형태
도 1은 속도계의 헤드 유닛 구성예를 도시한다. 검출기로서의 역할을 하는 헤드 유닛(100)은, 물체(계측 대상물)(10)에 광을 조사하고, 물체(10)로부터 광을 수광하도록 구성되는 광학계를 포함하고, 레이저 도플러 속도계의 헤드 유닛을 구성한다. 레이저 다이오드를 포함할 수 있는 광원(1)으로부터 출사된 광속(9)은 콜리메이터 렌즈(2)에 의해 콜리메이트되고, 회절 격자(회절 소자)(3)에 입사된다. 회절 격자(3)에 입사된 광속(9)은 ±1차 회절 광속(회절각은 θ)으로 분할된다. ±1차 회전 광속은 각각 렌즈(4)에 의해 집광 광속이 된다. 집광 광속은 각각 EO 소자(5a 및 5b)를 투과한다. 2개의 투과된 광속은 렌즈(6a 및 6b)에 의해 콜리메이트되고, 회절각(θ)과 실질적으로 동등한 각도로 서로 상이한 조사 방향으로부터 물체(10)를 조사한다. 조사된 광속은 물체(10)의 표면(일반적으로, 조면)에서 확산 및 반사된다. 확산 및 반사된 광속은, 렌즈(6a 및 6b) 및 집광 렌즈(7)를 통해 집광되고, 포토다이오드를 포함할 수 있는 수광 소자(8)에 입사한다. 수광 소자(8)에서의 광전 변환에 의해 얻어진 신호는, 물체(10)의 속도(V)에 대응하는 주파수(F)를 갖고 변조된 강도를 갖는 아날로그 신호로서, 처리기(후술함)에 입력된다. 주파수 F를 도플러 주파수라 칭하고 이하와 같이 식 (1)로 표현된다:
F=2V/P+F_EO ... (1)
식에서, P는 회절 격자(3)의 격자 피치를 나타내고, F_EO는 EO 소자(5a 및 5b)의 구동 주파수를 나타낸다. 도플러 효과를 이용하는 레이저 도플러 속도계의 동작 원리를 설명하는 모델로서, 프린지(간섭 줄무늬) 모델이 알려져 있다. 도 2a 내지 도 2c는 프린지 모델을 설명하기 위한 개략도이다. 물체(10)를 조사하는 2개의 광속이 물체(10)의 표면 상에서 서로 교차함으로써, 교차 영역(계측 영역)에는 도 2a에 도시된 바와 같은 프린지(11)가 형성된다. 이 프린지(11)의 프린지 피치 이하의 크기를 갖는 입자(12)가 속도 V에서 프린지(11)(의 명부 및 암부)를 통과함으로써, 도 2b에 도시된 바와 같은 주파수 F를 갖고 변조된 강도를 갖는 확산 광이 발생한다. 이 경우의 주파수 F는 이하와 같은 식 (2)로 표현된다:
F=V/P_i ... (2)
식에서, P_i는 프린지 피치를 나타낸다. 회절각(θ)은 관계식 sinθ=λ/P로부터 유도되고, λ은 광원(1)으로부터 출사되는 광속(9)의 파장이다. 또한, 물체(10) 상에서의 광속의 입사각이 회절각(θ)과 동등해지도록 구성이 이루어지는 경우, 프린지 피치(P_i)는 P_i=λ/2sin(θ)=P/2로서 표현될 수 있다. 이 관계식과 식 (2)를 이용함으로써, 식 (1)의 우변의 제1 항이 유도된다. 또한, 도 2b의 저주파 성분(포락선 성분)은, 광원(1)으로부터 출사되는 광속(9)의 강도 분포를 반영하고, 전형적으로는 가우스 분포를 반영할 수 있다. 물체(10)의 표면은, 랜덤한 표면 조도를 갖고, 복수의 임의적인 특성을 갖는 입자(12)의 집합으로서 간주될 수 있다. 따라서, 복수의 임의적인 위상 및 진폭을 갖는 도 2b에 도시된 바와 같은 신호의 총합을 얻음으로써, 도 2c에 도시된 바와 같은 신호가 얻어진다. 도 6a 및 도 6b는 처리기(101)(후술됨)에 입력되는 아날로그 신호를 예시적으로 나타낸다. 프린지 모델에 따라서 얻어진 도 2c의 신호가 도 6a 및 도 6b의 실제 신호와 유사하기 때문에, 레이저 도플러 속도계의 동작 원리를 프린지 모델이 설명할 수 있다는 것을 안다.
이어서, 식 (1)의 우변의 제2 항에 대해서 설명한다. 도 2c의 신호는, 물체(10)의 속도를 반영하는 고주파 성분과 물체(10)의 표면 특성을 반영하는 저주파 성분을 갖는다. 따라서, 속도 V가 0에 다가감에 따라, 신호로부터 속도를 얻는 것이 더 어려워질 수 있다. 또한, 속도 V의 방향을 검출할 수 없다. 이로 인해, 도 1에서 EO 소자가 제공된다. EO 소자(5a 및 5b)는, 예를 들어 전기광학 결정(예를 들어, LiNbO3 결정을 포함한다)을 포함할 수 있고 각각 전기광학적 위상 변조 소자일 수 있다. 이러한 소자가 포함되기 때문에, 물체가 정지되어 있을 때에도 물체의 속도가 얻어지고, 속도의 방향이 얻어진다. EO 소자(5a 및 5b)는 인가된 전압에 의해 그것을 투과하는 광속의 위상을 변화시킬 수 있다. EO 소자(5a 및 5b)가, 그것들을 각각 투과하는 2개의 광속을, 일정한 주파수(F_EO)에서 서로 역방향으로 위상이 변화되도록 변조하면, 프린지(11)가 각각 1 피치씩 주파수(F_EO)에서 이동하게 된다. 예를 들어, EO 소자(5a, 5b)에의 인가 전압을 톱니 형상으로 변화시킴으로써, 외관적인 위상 변화가 일정해질 수 있다. 이와 같이, 프린지(11)가 주파수(F_EO)에서 이동하고 있는 중에 정지한 입자(12)가 놓이는 경우, 주파수(F_EO)에서 강도 변조된 확산 및 반사 광이 발생한다. 이는 소정 방향으로 속도가 오프셋되는 경우와 동등하다. 따라서, 상술한 바와 같이 EO 소자(5a 및 5b)를 포함하는 레이저 도플러 속도계를 구성함으로써, 정지 상태(0 속도) 및 속도의 방향이 검출될 수 있다. 예를 들어, 회절 격자(3)의 격자 피치 P=5[㎛] 및 F_EO=200[kHz]인 경우의 속도(V)와 도플러 주파수(F) 사이의 관계를 도 3에 도시했다. 도 3은 물체의 속도와 도플러 주파수 사이의 관계를 예시적으로 도시한다. 처리기에 의해 처리될 수 있는 신호의 주파수에 대해 하한을 100[kHz]로 하고 상한을 4.2[MHz]로 하면, 계측가능한 속도 범위는 -250 [mm/s] 내지 10[m/s]의 범위가 된다. 격자 피치(P), 위상 변조 주파수(F_EO)의 값은 레이저 도플러 속도계의 사양에 따라 적절히 선택될 수 있다. 여기서는, EO 소자에서 위상 변조를 행하는 예를 나타냈지만, 음향 광학 소자와 같은 다른 소자에서 위상 변조를 행할 수 있다.
도 4는 속도계의 구성예를 도시한다. 헤드 유닛(100)에 의해 얻어진 주파수(F)를 갖는 강도 변조 신호는 상술한 바와 같이 처리기(101)에 입력된다. 입력 단자(401)를 통해 처리기에 입력된 아날로그 신호는, 게인 증폭기(402)에 의해 증폭된 후, 대역 통과 필터(BPF)(403)에 의해 필터링되고, 비교기(404)에 의해 2치화된다. 2치화에 의해 얻어진 신호에 기초하여, 연산기(405)에 의해 속도(에 대한 정보)가 얻어지고, 얻어진 속도(에 대한 정보)가 출력 단자(406)로부터 출력된다.
도 5a 내지 도 5c는 신호 처리 내용을 예시적으로 도시한다. 도 5a는 입력 신호를 나타내고, 도 5b는 물체(10)의 속도 V=9500 [mm/s] 및 도플러 주파수 F=4 [MHz]의 경우에, 비교기에 의한 2치화에 의해 얻어진 신호를 나타낸다. 도 5c는 처리기(101)에서의 (기준) 클록(clock) 신호를 나타낸다. 클록 신호를 부여하는 기준 클록(도시되지 않음)은 처리기의 내부 또는 외부에 위치될 수 있다. 이 경우, 기준 클록 주파수는 40[MHz]이다. 본 실시형태에서, 2치화에 의해 얻어진 신호에서의 연속하는 N개분 상승 간격을 기준 클록에서 계시(clock)(계수)한다. 1개분 상승 간격은, 2개의 인접하는 펄스에서의 2개의 상승 시각(시각은 시간이라고도 칭한다)의 사이의 시간 간격이다. 계시에 의해 얻어진 시간(기간 D)에 기초하여 도플러 주파수 F를 얻고, 식 (1)에 기초하여 물체(10)의 속도 V(에 대한 정보)를 얻는다. 이 경우, N=4라 가정한다. 도 5b 및 도 5c의 경우에, 2치화에 의해 얻어진 신호에서의 4개분 상승 간격의 계수값은 40(카운트)이다. 기준 클록의 주파수가 알려져 있기 때문에, 계수값(계시값)으로부터 도플러 주파수(F)를 얻을 수 있다. 속도 V는, 식 (1)에 기초한 계산에 의해 얻어질 수 있거나, 계수값(계시값)과 속도 사이의 관계를 나타내는 미리 준비한 테이블을 참조하여 얻을 수 있다. 기준 클록의 주파수는 이 경우에는 40 MHz이지만, 기준 클록의 주파수는 요구된 도플러 주파수에 따라 적절하게 선택될 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 상술한 바와 같이 처리기(101)에 입력되는 아날로그 신호를 예시적으로 나타낸다. 도 6b는 도 6a의 일부를 확대하여 나타낸다. 상술한 바와 같이, 헤드 유닛(100)으로부터 출력되는 신호는, 도플러 신호에서 원리적으로 발생하는 진폭의 변화가 큰 신호이다. 또한, 전기 회로에서 발생하는 노이즈(예를 들어, 전원의 스위칭 노이즈, EO 소자의 구동에 수반하는 노이즈)가 광원(1)을 구동하는 전류에 중첩된다. 그러나, 도플러 신호 외에 저주파 노이즈 및 고주파 노이즈가 헤드 유닛(100)으로부터 출력되는 신호에 혼입된다. 도 6b에서 화살표로 나타낸 신호의 상태는 저주파 성분의 진폭이 작은 상태이다. 비교기에 의한 2치화의 임계치를 하회하는 상태(부분)에서는, 2치화에 의해 얻어진 신호는 0이 된다(결여된다). 이러한 상태는 드롭아웃이라고도 칭한다. 또한, 고주파 노이즈 성분에 의해 임계치보다 높은 상태(부분)에서는, 2치화에 의해 얻어지는 신호에 도플러 신호와 상이한 신호가 포함될 수 있다.
도 7은 처리기에서의 연산기에 의한 처리의 흐름을 예시적으로 나타낸다. 도 4의 처리기(101)에서, 비교기에 의한 2치화에 의해 얻어진 신호는 연산기(405)에 입력된다. 먼저, 단계 S701에서, 연산기(405)는, 2치화에 의해 얻어진 신호에서의 연속하는 (일련의) N개분 상승 간격(펄스 간격)의 시간(미리결정된 수의 펄스에 걸치는 기간)을 도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같은 기준 클록을 사용하여 계시(계수)한다. 후속하는 단계 S702에서, 기간(계시값)에 관한 지표의 변화가 임계치를 초과하는지의 여부를 결정한다. 지표는, 기간(D), 기간(D)에 대응하는 도플러 주파수(F), 도플러 주파수(F)에 대응하는 물체(10)의 속도(V), 또는 이들 값에 상관 있는 다른 값일 수 있다. 도 8a 및 도 8b는 드롭아웃이 발생될 때의 신호를 예시적으로 나타낸다. 도 8a에 도시된 바와 같이, 시각 100 μsec 근처에서 도플러 신호를 포함하는 아날로그 신호에서 드롭아웃이 발생하는 경우, 도 8b에 도시된 바와 같이 2치화에 의해 얻어진 신호에서 펄스가 결여된다. 또한, 도 9a 및 도 9b는, 노이즈가 혼입되는 때의 신호를 예시적으로 나타낸다. 노이즈가 도 9a에 나타낸 바와 같이 시각 3 μsec 근처에서 도플러 신호를 포함하는 아날로그 신호에 혼입되는 경우, 도 9b에 도시된 바와 같이 2치화에 의해 얻어진 신호에서 펄스가 분할된다.
도 10a 및 도 10b는 오류로서 결정된 계측값을 예시적으로 나타낸다. 도 10a는, 도 8b에 도시된 바와 같은 드롭아웃이 존재하는 경우에 얻어지는 속도(계측값)를 예시적으로 나타낸다. N=4개 마다의 상승 간격이 계시되면, 드롭아웃에 의해 펄스가 결여된 결과로서 기준 클록의 계수값은 50 카운트일 수 있다. 이러한 계시값에 기초하여 속도가 얻어지면, 속도는 도 10a의 우측의 그래프처럼 된다. 드롭아웃에 의한 펄스 결여의 수가 증가하면, 계측값의 오류의 수 또한 증가한다. 도 10b는 도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같은 노이즈가 혼입되는 경우에 얻어지는 속도(계측값)를 예시적으로 나타낸다. 이 경우에도, N=4개 마다의 상승 간격이 계시되면, 노이즈 혼입에 의한 펄스 분할의 결과로서 기준 클록의 계수값은 30 카운트가 될 수 있다. 이 계시값에 기초하여 속도가 얻어지면, 속도는 도 10b의 우측의 그래프처럼 된다. 노이즈 혼입에 의한 펄스 분할의 수가 증가하면, 계측값의 오류의 수도 증가한다.
시계열로 연속해서 취득되는 계수값의 변화는, 미리결정된 시간 내에 물체(10)의 속도의 변화와 관련하여 미리결정된 범위 내에 있는 것으로 생각할 수 있다. 예를 들어, 물체(10)의 속도 V가 현재 9.5 [m/s]이며, 10 [m/s2]의 가속도에서 변화하는 경우, N=4개 마다의 기간(D)에서의 속도 변화는 단지 10 [㎛/s]이다. 속도 변화의 속도에 대한 비율과 관련하여, 이 비율은 속도에 반비례하지만, V=0.1 [m/s]인 경우에도, 속도 변화는 약 0.17 [mm/s]이고 충분히 작다(비율은 약 0.17%). 그러므로, 지표의 변화가 미리 얻어진 지표의 L [%]를 초과하는 경우, 드롭아웃 또는 노이즈의 혼입이 발생했다고 결정할 수 있다. L은 이하와 같이 식 (3)으로 표현된다.
L= ((N+1)/N-1)×100 ... (3)
따라서, 도 7의 단계 S702에서의 임계치는 (미리 얻어진) 지표의 L [%]로서 얻어질 수 있다. 그리고, 지표의 변화가 임계치(지표의 L [%]) 이하인 경우, 단계 S703에서, 계시값에 기초하여 속도(계측값)를 얻는다. 이에 반해, 지표의 변화가 임계치(지표의 L [%])를 초과하는 경우, 단계 S704에서, 이에 대응하는 속도는 오류로서 결정되고, 미리 얻어진 속도가 계측값으로 사용된다. 후속하는 단계 S705에서, 처리기(101)는, 속도에 대한 정보를 필요로 하는 다른 장치에 속도(계측값)을 출력한다. 대안적으로, 임계치는 지표의 a×L [%]일 수 있다(계수 a는 0<a <1를 만족하는 실수이다).
도 11a 및 도 11b는 보정 전의 계측값과 보정 후의 계측값을 예시적으로 도시한다. 도 11a 및 도 11b는, 물체(10)가 속도 V
Figure pat00001
9.5 [m /s]에서 이동하는 경우의 속도 계측 결과를 나타내고 있다. 도 11a는, 본 실시형태에 따른 보정(단계 S702 내지 단계 S704)이 행해지지 않을 경우의 계측 결과를 나타낸다. 도 11b는 보정이 행해지는 경우의 계측 결과를 나타낸다. 도 11a 및 도 11b를 참고하면, 도 11b에 도시된 바와 같은 고정밀도(높은 재현성)를 갖는 계측 결과가 본 실시형태에 따라 얻어질 수 있다는 것을 안다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에서는, 드롭아웃 및 노이즈의 혼입에 대하여 강건한 계측을 행할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 계측 저밀도의 관점에서의 속도계 장점이 제공될 수 있다.
위 설명에서는, 지표의 변화가 임계치를 초과하는지 아닌지의 여부는 연산기(405)(단계 S702에서)에 의해 미리(예비적으로) 얻어진 지표에 기초하여 결정된다. 그러나, 임계치는, 미리(예비적으로) 얻어진 M개의 지표(예를 들어, 이들의 평균값)에 기초하는 임계치일 수 있다. 또한, 평균값은, 단순한 평균값이 아닐 수 있고, 가중 평균값, 상승 평균값 또는 다른 평균값일 수 있다. 또한, 이상의 설명에서는, 단계 S704에서, 얻어진 속도가 오류라는 가정에 기초하여 미리 얻어진 속도가 계측값으로서 사용된다. 그러나, 이 대신에, 복수의 미리 얻어진 계측값(예를 들어, 이들의 평균값)에 기초한 속도가 계측값으로서 사용될 수 있다. 또한, 평균값은, 단순한 평균값이 아닐 수 있고, 가중 평균값, 상승 평균값 또는 다른 평균값일 수 있다. 예를 들어, 물체(10)의 속도 변동이 작다는 것을 미리 인식하고 있으며, M의 값을 증가시킴으로써 안정된 계측이 실행될 수 있다. 또한, 속도 변동의 크기가 대략 미리 예측되는 경우, 그 크기에 기초하여 M의 값은 가능한 감소된다. 따라서, 오류 결정에 대한 임계치의 추종성(타당성)을 개선할 수 있다. 발명자들의 검토에 의하면, 물체(10)의 가속도가 약 1 [G]인 경우, M=16 이하로 함으로써 추종성이 개선된다는 것을 안다.
도 12a, 도 12b 및 도 12c1 내지 도 12c5는 검출기로부터의 신호의 진폭 및 계측값의 신뢰도를 예시적으로 나타낸다. 도 12a는, 속도 V에서 이동하는 물체(10)가 광속(9)에 들어갈 때로부터 물체(10)가 광속(9)으로부터 탈출할 때까지 검출기로부터 얻어진 신호의 진폭을 개략적으로 나타낸다. 진폭은 (단시간에) 국소적으로 변할 수 있고, 상술한 바와 같이 드롭아웃이 발생할 수 있다. 그러나, 어느 정도의 범위(시간) 동안 평균(이동 평균)이 얻어지면, 도 12b에 도시된 바와 같이 원활하게 변화하는 안정적인 값을 얻을 수 있다. 또한, 도 12c1 내지 도 12c5는, 물체(10)가 광속(9)에 들어가기 전의 상태(C1)로부터 물체(10)가 광속(9)으로부터 탈출할 때까지의 상태(C5)까지의 각각의 상태를 나타낸다.
도 12c1에 대응하는 도 12a의 상태 C1은, 물체(10)가 광속(9)에 들어가기 전이다. 따라서, 도플러 신호는 검출될 수 없다(진폭은 임계치 이하이다). 즉, 비교기로부터 펄스의 열은 얻을 수 없고, 속도를 얻을 수 없다. 물체(10)가 광속(9)에 들어가는 시간(시각이라고도 말한다)(A)에서는, 진폭은 증가를 개시한다(도 12c2에 대응하는 도 12a의 상태(C2)). 물체(10)가 광속(9)을 통과하는 시간(B)에서는, 신호는 안정된다(도 12c3에 대응하는 도 12a의 상태(C3)). 물체(10)가 광속(9)으로부터 탈출하기 시작하는 시간에서는, 신호의 진폭은 감소를 개시한다(도 12c4에 대응하는 도 12a의 상태(C4)). 물체(10)가 광속(9)으로부터 탈출한 시간에서는, 상태는 도플러 신호를 검출할 수 없는 상태에 복귀된다(도 12c5에 대응하는 도 12a의 상태(C5)). 시간 A에서는, 상술한 보정을 행하기 위해 필요한 미리 얻어진 계측값(속도)이 없기 때문에, 계측에서 오류가 발생하는 경우에도 적절한 보정이 행해질 수 없고, 오류를 포함하는 계측값이 출력될 수 있다. 또한, 오류를 포함하는 계측값이 채용되기 때문에, 시간 A에서의 측정값의 신뢰도는 낮고, 측정값의 신뢰도는 시간(B)을 향해 증가한다. 시간(C)에서는, 신호가 안정되고, 계측값의 신뢰도는 포화된다. 도 12b는 이 신뢰도를 나타낸다. 신뢰도와 관련하여, 예를 들어 시간 A 또는 시간 A 직후의 시점에서는, 신호의 진폭이 작기 때문에 드롭아웃이 발생하기 쉽고, 신뢰도가 보정에 의존하게 된다. 따라서, 신뢰도는 매우 낮다. 그 후, 시간이 경과하고 진폭이 증가함에 따라서, 드롭아웃이 발생하기 어려워진다. 따라서, 신뢰도가 증가한다. 시간 C에서는, 신호가 안정되고 진폭이 포화되기 때문에, 계측값의 신뢰도 또한 포화된다. 탈출의 시점(상태 C4의 시점)에서는, 진폭이 극도로 낮지는 않고 신뢰도가 높은 계측값(속도)이 미리 얻어지기 때문에, 적절한 보정이 실행될 수 있고, 따라서 신뢰도가 저하되지 않는다. 그 후, 탈출이 완료된 후에 진폭이 급격하게 저하된다. 신뢰도는 급격하게 저하되고 시간 A 직전의 신뢰도와 유사해진다.
본 실시형태에 따른 길이 계측 장치는, 계측 방향(물체의 이동 방향)에서 계측 영역을 이동하는 물체의 길이 계측을 실행하는 길이 계측 장치이다. 길이 계측 장치는, 도 12a에서의 진폭 A와 진폭 B 사이의 임계치에 기초하여 길이 계측을 위한 개시 시점(제1 시점 또는 제1 트리거)과 종료 시점(제2 시점 또는 제2 트리거)을 특정한다. 그리고, 제1 시점부터 제2 시점까지의 계측값(속도)에 기초하여 물체(10)에 대해 길이 측정을 행한다. 도 13은 길이 계측 처리 내용을 예시적으로 나타낸다. 신호의 진폭이 임계치를 초과하는 시점이 제1 시점(물체(10)의 일단부에 대응)이고, 그 후 신호가 임계치 이하가 된 시점이 제2 시점(물체(10)의 타단부에 대응)이면, 제1 시점과 제2 시점의 사이의 기간이 길이 계측 대상이 된다. 임계치는, 예를 들어 이하와 같은 식 (4)에 의해 적절하게 설정될 수 있다:
임계치= (진폭 A + 진폭 B)/2 ... (4)
도 14는 길이 계측 처리의 흐름을 예시적으로 나타낸다. 처리는 처리기(101)에 의해 행해진다. 먼저, 단계 S1401에서, 검출기(100)로부터 얻어진 신호의 진폭이 임계치를 초과하는지의 여부를 결정한다. 결정 결과가 아니오인 경우, 이 결정은 반복된다. 결정 결과가 예인 경우, 제1 시점이 특정된다(단계 S1402). 그리고, 속도(계측값)의 취득(단계 S1403) 및 길이의 취득(단계 S1404)이 행해진다. 길이는, 취득된 속도와 속도에 대응하는 시간과의 곱을 누적(이전의 누적값에 가산)함으로써 얻어진다. 후속하는 단계 S1405에서, 검출기(100)로부터 새롭게 얻어진 신호의 진폭이 임계치를 초과하는지의 여부를 결정한다. 결정 결과가 예이면, 단계 S1403으로부터 단계 S1405까지의 처리가 반복된다. 결정 결과가 아니오이면, 제2 시점이 특정된다(단계 S1406). 그리고, 후속하는 단계 S1407에서, 상기 누적에 의해 얻어진 길이 계측값(길이)이 물체(10)의 길이로서 취득된다. 길이가 처리기(101)의 메모리(도시되지 않음)에 저장되거나 다른 장치에 출력된다. 그 후, 처리가 종료된다.
상술한 바와 같이, 시간 A로부터 시간 C까지는 계측값(속도)의 신뢰도가 충분하지 않기 때문에, 제1 시점으로부터 시간 C까지의 기간(지연 시간 또는 지연 기간이라고도 칭한다)에서는, 오차를 포함한 계측값에 기초하여 길이가 산출(누적)될 수 있다. 이 길이 계측 오차는 계측 오차를 무시할 수 있는 용도의 경우에는 문제가 되지 않을 수 있다. 그러나, 길이 계측 오차를 무시할 수 없는 경우에는, 이러한 길이 계측 오차를 감소시키기 위해서, 지연 기간의 오차를 포함하는 속도의 실제 계측값을 사용하는 대신에, 지연 기간의 속도는 외삽에 의해 얻어지는 것이 바람직하다. 이 경우의 외삽은, 지연 기간 동안 및 그 후의 기간에서의 신뢰도가 높은 계측값(속도)에 기초한다. 도 15는 외삽의 경우의 길이 계측 처리의 흐름을 예시적으로 나타낸다. 도 14에서의 것과 동일한 처리에는 동일한 부호를 부여하고, 그 설명은 생략한다. 외삽을 행하는 경우, 제2 시점을 특정하기 전에, 단계 S1501에서, 지연 시간(지연 기간)이 경과했는지의 여부를 결정한다. 지연 기간이 경과한 시점으로서, 계측값의 신뢰도가 충분히 높아지는 시점을 설정함으로써, 충분히 정확한 길이 계측을 행할 수 있다. 결정 결과가 아니오인 경우, 단계 S1403으로부터 단계 S1501까지의 처리가 반복된다. 결정 결과가 예인 경우, 단계 S1403 및 단계 S1404의 처리가 이 경우에도 행해진다. 단계 S1406에서의 제2 시점의 특정 후, 단계 S1502에서 지연 기간에서의 길이가 취득된다. 지연 기간에서의 계측값(속도)은 상술한 바와 같이 오차를 포함한다. 따라서, 시간 C로부터 제2 시점까지의 기간에서의 평균 속도가 얻어지고, 지연 기간에서의 (물체의 부분의) 길이가 다음과 같은 식 (5)에 의해 얻어진다:
지연 기간에서의 길이= 평균 속도 × 지연 시간 ... (5)
후속하는 단계 S1503에서, 지연 기간에서의 길이와, 지연 기간 경과 후의 누적에 의해 얻어진 길이와의 합에 의해 물체(10)의 길이가 취득된다. 즉, 물체(10)의 길이는 다음과 같은 식 (6)에 의해 얻을 수 있다:
물체(10)의 길이= 지연 기간에서의 길이 + 지연 기간 경과 후의 누적에 의해 얻어진 길이 ... (6)
길이는, 처리기(101)의 메모리(도시되지 않음)에 저장되거나 다른 장치에 출력된다. 그 후, 처리가 종료된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에서는, 종래기술과 같은 추가적인(전용의) 센서 없이 이동 물체에 대한 길이 계측을 행하는데도 유리한 길이 계측 장치를 제공할 수 있다.
제2 실시형태
본 발명의 제2 실시형태를 설명한다. 제1 실시형태에서는, 임계치가 미리 설정되지만, 임계치는 계측의 개시 후에 설정될 수 있다. 즉, 계측에 의해 알려지는 진폭 A 및 진폭 B에 기초하여, 식 (4)로부터 임계치를 얻을 수 있다. 그리고, 임계치에 기초하여, 제1 시점, 제2 시점 및 지연 기간이 특정된다. 따라서, 물체(10)의 길이를 식 (6)으로부터 얻을 수 있다.
제3 실시형태
본 발명의 제3 실시형태를 설명한다. 제1 실시형태에서, 지연 시간이 미리 설정되지만, 지연 시간(지연 기간)이 경과했는지의 여부에 대한 결정은 계측 동안 이루어질 수 있다. 즉, 계측에 의해, 계측값의 신뢰도가 충분해지는(허용 조건을 만족하는) 시간(C)이 알려지기 때문에, 물체(10)의 길이를 식 (6)으로부터 얻을 수 있다.
제4 실시형태
본 발명의 제4 실시형태를 설명한다. 상기 각 실시형태에서는, 진폭 B가 진폭 A보다 크다. 그러나, 물체(10)가 광속(9)에 들어가기 전에 광속(9)이 물체(10)의 반사율보다 높은 반사율을 갖는 물체(예를 들어, 경면)를 조사하는 경우, 진폭 A와 진폭 B 사이의 크기 관계가 역전된다. 도 16은, 진폭 A와 진폭 B 사이의 크기 관계가 역전되는 경우의 길이 계측 처리 내용을 예시적으로 도시한다. 상술한 실시형태와 상이한 점은, 진폭이 임계치보다 작아지는 시점이 제1 시점에 설정되고, 진폭이 임계치 이상이 되는 지점이 제2 시점에 설정된다는 점이다. 이 실시형태는 이러한 상이한 점을 제외하고 상술한 실시형태들과 유사하다.
제5 실시형태
본 발명의 제5 실시형태를 설명한다. 제1 실시형태에서, 식 (5)에 도시된 바와 같이, 지연 기간 중의 속도는, 지연 기간 후의 속도의 평균값(평균 속도)으로서 외삽된다. 도 17a 및 도 17b는 속도의 외삽을 예시적으로 나타낸다. 도 17a는, 물체(10)의 속도(V)가 일정하다고 상정될 때의 계측값(속도)의 변화를 나타낸다. 속도(V)가 일정한 것으로 상정되기 때문에, 시간 C로부터 제2 시점까지의 평균 속도에서의 외삽이면 충분하다. 그러나, 도 17b에 도시된 바와 같이 물체(10)의 속도(V)가 미리결정된 가속도로 변화하는 경우, 시간 C로부 제2 시점까지의 기간에서의 평균 속도에서의 외삽에 의해 지연 기간 중의 속도를 얻는 것은 적절하지 않다(오차가 크다). 이 경우, 예를 들어 시간 C로부터 제2 시점까지의 기간의 속도를 사용하여, 다음과 같은 식 (7)에 의해 속도(V)를 외삽하는 것이 바람직하다(도 17b 참조).
속도 V= 가속도 A × 시간 + V0 ... (7)
그리고, 지연 기간의 길이는 다음과 같이 식 (8)에 의해 획득될 수 있다:
지연 기간에서의 길이= (가속도 A × 제1 시점 + 가속도 A × 시간 C + V0 × 2) × 지연 시간/2 ... 식(8)
제6 실시형태
본 발명의 제6 실시형태를 설명한다. 본 실시형태에서는, 신호의 진폭이 안정되지 않기 때문에, 계측 영역에 대한 물체(10)의 계측 방향에서의 위치와 관계없이 진폭이 임계치를 초과하거나 임계치 이하가 되는 경우에도, 그 진폭을 사용함으로써 제1 시점 또는 제2 시점이 잘못 인식되는 것이 방지된다. 도 18은 길이 계측 처리 내용을 예시적으로 도시한다. 도 18에서, 진폭이 임계치를 초과하는 시점이 제1 시점으로서 간주되는 동안 계측값(속도)의 취득이 개시되지만, 물체가 통과하는 중임에도 불구하고 시간 D에서 진폭이 임계치 이하가 된다. 이 경우, 적어도 제2 시점이 오인식될 수 있다. 따라서, 시간 A로부터 시간 C까지의 진폭에 기초하여 제1 시점이 특정된다. 이 경우, 시간 D 후에 다시 진폭이 증가하기 때문에, 시간 D이 제2 시점으로서 오인식되지 않는다. 제2 시점도, 진폭 B로부터 진폭 A로의 이행 동안의 진폭에 기초하여 특정될 수 있다.
물품 제조 방법에 따른 실시형태
상술한 실시형태에 따른 길이 계측 장치는 물품 제조 방법에서 사용될 수 있다. 물품 제조 방법은, 길이 계측 장치를 사용하여 물체의 길이 계측을 행하는 단계, 및 앞 단계에서 길이 측정이 행해진 물체를 처리하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 처리는 기계가공, 절단, 검사, 조립 및 선별 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로는, 압출 성형 장치에 의해 획득된 성형 부품에 대해 길이 측정이 행해질 수 있고, 성형된 부품의 기계가공, 절단, 검사, 조립, 및 선별 중 적어도 하나가 실행될 수 있다. 또한, 반송계에 의해 반송된 (긴) 물체의 길이 계측이 행해질 수 있고, 물체는 길이 계측에 기초하여 목표 길이를 갖도록 절단(잘라냄)될 수 있다. 이 경우, 당해 길이 계측 장치를 사용할 수 있고, 물체의 단부(첨단부 또는 후단부)에 대응하는 시점이 특정될 수 있고, 그 시점에 의해 정해진 기간에서의 속도에 기초하여 길이 계측이 행해질 수 있고, 계측값이 목표값을 만족하는 시점이 특정될 수 있으며, 물체는 그 시점에 대응하는 부분(위치)에서 절단될 수 있다. 따라서, 길이 계측 장치에서, 물체에 양 단부에 대응하는 시점이 반드시 특정될 필요는 없다(하나의 단부만이 특정될 수 있다). 본 실시형태에 따른 물품 제조 방법은 상술한 바와 같이 이동 물체에 대한 길이 계측을 행하는데 유리한 길이 계측 장치를 사용한다. 종래기술의 방법에 비해, 상기 방법은 성능, 품질, 생산성, 및 제조 비용 중 적어도 하나에서 유리하다.
본 발명의 실시형태를 위에서 설명하였지만, 본 발명은 이러한 실시형태로 한정되지 않으며 본 발명의 범위 내에서 다양한 방식으로 변경 또는 변형될 수 있다.
본 발명은 예를 들어 이동 물체의 길이 계측을 행하는데 유리한 길이 계측 장치를 제공할 수 있다.
본 발명을 예시적인 실시형태를 참고하여 설명하였지만, 본 발명은 개시된 예시적인 실시형태로 한정되지 않음을 이해해야 한다. 이하의 청구항의 범위는 이러한 모든 변형과 동등한 구조 및 기능을 포함하도록 최광의로 해석되어야 한다.

Claims (11)

  1. 계측 영역에서 이동하는 물체에 대한 길이 계측을 행하도록 구성되는 길이 계측 장치이며,
    도플러 효과로 상기 물체에 의해 변조된 광을 검출하도록 구성되는 검출기, 및
    상기 검출기로부터의 신호에 기초하여 상기 물체의 속도의 계측값을 얻고, 상기 계측값에 기초하여 상기 물체의 길이를 얻도록 구성되는 처리기를 포함하고,
    상기 처리기는, 상기 신호의 진폭에 기초하여 상기 물체에 대응하는 시점을 특정하고, 상기 시점에 의해 정해진 기간에 관하여 상기 신호에 기초하여 상기 계측값을 얻으며, 상기 기간에 관하여 얻어진 상기 계측값에 기초하여 상기 길이를 얻도록 구성되는, 길이 계측 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 처리기는, 상기 진폭에 기초하여 상기 물체의 일단부와 타단부에 각각 대응하는 제1 시점과 제2 시점을 특정하고, 상기 제1 시점과 상기 제2 시점 사이의 기간에 관하여 상기 신호에 기초하여 상기 계측값을 얻으며, 상기 기간에 관하여 얻어진 상기 계측값에 기초하여 상기 길이를 얻도록 구성되는, 길이 계측 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 처리기는 상기 진폭에 대한 임계치에 기초하여 상기 시점을 특정하도록 구성되는, 길이 계측 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 처리기는, 상기 시점으로부터의 지연 시간을 설정하며, 상기 시점으로부터 상기 지연 시간이 경과한 후의 상기 속도에 기초하여 상기 시점으로부터 상기 지연 시간이 경과할 때까지의 속도를 얻도록 구성되는, 길이 계측 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 처리기는, 상기 시점으로부터의 지연 시간을 설정하며, 상기 시점으로부터 상기 지연 시간이 경과한 후의 상기 속도에 기초하여 상기 시점으로부터 상기 지연 시간이 경과할 때까지의 상기 속도를 외삽하도록 구성되는, 길이 계측 장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 처리기는, 상기 시점으로부터 상기 진폭이 안정될 때까지의 시간을 상기 지연 시간으로서 설정하도록 구성되는, 길이 계측 장치.
  7. 제3항에 있어서, 상기 처리기는, 상기 계측 영역에 상기 물체가 존재하지 않을 경우의 상기 진폭으로서의 제1 진폭과, 계측 방향으로 상기 계측 영역에 걸쳐 상기 물체가 존재하는 경우의 상기 진폭으로서의 제2 진폭에 기초하여, 상기 임계치를 설정하도록 구성되는, 길이 계측 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 처리기는 상기 제1 진폭과 상기 제2 진폭 사이의 평균값으로서 상기 임계치를 설정하도록 구성되는, 길이 계측 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 처리기는, 상기 진폭이 안정적인 경우의 상기 진폭에 기초하여 상기 시점을 특정하도록 구성되는, 길이 계측 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 처리기는, 상기 진폭이 안정되었음을 상기 계측값의 신뢰도에 기초하여 결정하도록 구성되는, 길이 계측 장치.
  11. 물품 제조 방법이며,
    길이 계측 장치를 사용하여 물체에 대한 길이 계측을 행하는 단계, 및
    상기 길이 계측이 행해진 상기 물체에 대하여 처리를 행하는 단계를 포함하고,
    계측 영역에서 이동하는 상기 물체에 대하여 상기 길이 계측을 행하는 상기 길이 계측 장치는,
    도플러 효과에 의해 상기 물체에 의해 변조된 광을 검출하도록 구성되는 검출기, 및
    상기 검출기로부터의 신호에 기초하여 상기 물체의 속도의 계측값을 얻고 상기 계측값에 기초하여 상기 물체의 길이를 얻도록 구성되는 처리기를 포함하고,
    상기 처리기는, 상기 신호의 진폭에 기초하여 상기 물체에 대응하는 시점을 특정하고, 상기 시점에 의해 정해진 기간에 관하여 상기 신호에 기초하여 상기 계측값을 얻으며, 상기 기간에 관하여 얻어진 상기 계측값에 기초하여 상기 길이를 얻도록 구성되는, 물품 제조 방법.
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