JP2009150699A

JP2009150699A - 測定対象物の位置測定システム

Info

Publication number: JP2009150699A
Application number: JP2007327256A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Kasai; 宏之河西
Original assignee: Seiko NPC Corp
Current assignee: Seiko NPC Corp
Priority date: 2007-12-19
Filing date: 2007-12-19
Publication date: 2009-07-09

Abstract

【課題】検知できる測定対象物の投影幅を小さくすることが可能であり、測定対象物サイズの選択自由度を向上させた測定対象物の位置測定システムを提供する。
【解決手段】測定対象物と光センサと光学系とを有する光熱エネルギー検出による測定対象物の位置測定システムにおいて、光センサは、複数の光検出素子の行又は列の配列方向が、測定対象物の一方向に対して４５度傾斜されるよう測定対象物と対向して配置されて、光センサと測定対象物との相対的な位置関係が変化することによる、光センサの検出エリア内での測定対象物の一方向の輪郭を、周辺との温度差を追従することで検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、赤外線センサを使った測定対象物の位置測定システムに関する。

対象物の温度測定などを目的としたセンサとして熱型赤外線センサが一般的に知られている。該熱型赤外線センサは、測定対象物から放出される赤外線の放射エネルギーを吸収し、その赤外線のもつ熱効果によって赤外線検知素子が暖められ、赤外線検知素子の温度の上昇によって生じる電気的性質の変化を検出するものである。

そして、このような赤外線検知素子を使った対象物測定システムの一例として、特許文献１のシステムがあり、同文献の図５には、撮像対象物と、該撮像対象物と正対し配置された熱型赤外線センサと、両者の間に位置し撮像対象物の全体をセンサの検出エリア内に投影されるよう集光するレンズとを有するシステムが記載されている。

また、このようなシステムに用いられる赤外線検知素子の一例としてサーモパイルがあり、このサーモパイル単一素子の構造は、例えば特許文献２に記載されている。更に、このようなサーモパイル素子を行列状の二次元に複数配列した赤外線センサは、例えば特許文献３に記載され知られている。

特開平６−１０２０９１号公報特開平５−０９０６４６号公報特開２００１−３０４６５５号公報

しかし、このようなサーモパイル素子の二次元配列構造を有する赤外線センサを単純に使ったシステムでは、対象物の形状や大きさに依存し、検知が困難な状況が存在する。つまり、各々のサーモパイル素子には、受光した光に対して有効な反応領域（赤外線吸収膜が形成された温接点領域）と、非反応領域（冷接点領域およびその周囲の領域）が存在し、サーモパイル素子を二次元に配列した場合にも該領域はそのまま残る。この課題について図を用いて詳細に説明する。

図４は、サーモパイル素子を行列状の二次元に複数配列した赤外線センサの平面図である。各々のサーモパイル素子は反応領域１６および非反応領域１７を有し、それが行列状の二次元に複数配置されて赤外線センサを構成している。そして、測定対象物を固定状態と仮定し、前述の赤外線センサにより図示のＸまたはＹ方向でスキャン動作させたとする。

その場合、各々のサーモパイル素子は非反応領域１７を有するため、隣接するサーモパイル素子間では、２つの非反応領域１７の幅が足し合わされ、２倍の幅を有する非反応領域が形成されることになる。この非反応領域の２倍の幅を有する領域を、赤外線センサの不感領域１８と称する。

そして、不感領域１８の幅以下の幅を有する細長い測定対象物を該幅方向でスキャンする場合、対象物の存在が特定できたり出来なかったりと不安定な状態になる。また、同幅の対象物が不感領域と一致した状態で、長さ方向にスキャンした場合には、測定対象物が存在するにも係わらず赤外線センサの出力としては無いものと認識される。

したがって上述の従来システムでは、不感領域１８の存在を考慮し、検出可能な最小サイズ「Ａ」（測定対象物の投影幅）は、単一サーモパイル素子の反応領域幅と不感領域の幅（非反応領域幅の２倍）との合計以上でなければならないという制約がある。この場合には、赤外線センサ上でどこに対象物が位置しても、対象物の幅半分以上はどこかの単一サーモパイル素子の反応領域に架かる。また、安定的な測定を考慮した測定対象物の投影幅の最小サイズ「ａ」は、単一サーモパイル素子の反応領域幅の２倍と不感領域の幅（非反応領域幅の２倍）との合計以上でなければならないという制約がある。この場合、どこに対象物が位置しても、対象物の幅全体がどこかの単一サーモパイル素子の反応領域全体に架かる。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、従来よりも検知できる測定対象物の投影幅（レンズが固定されている場合は、測定対象物自体の幅）を小さくすることが可能であり、測定対象物サイズの選択自由度を向上させた測定対象物の位置測定システムを提供することを目的とする。

本発明の測定対象物の位置測定システムは、測定対象物と、各々が矩形形状の光検出領域を有し、該矩形形状の互いに交差する２辺にそれぞれ平行な方向を行および列とする、行列格子状に複数配列された光検出素子群とを含む光センサと、前記測定対象物と前記光センサとの間に配置され、前記測定対象物の一方向の輪郭が前記光センサの検出エリア内に位置するよう集光させる光学系と、を有する光熱エネルギー検出による測定対象物の位置測定システムにおいて、前記光センサは、前記複数の光検出素子の行又は列の配列方向が、前記測定対象物の前記一方向に対して４５度傾斜されるよう前記測定対象物と対向して配置されており、前記光センサと前記測定対象物との相対的な位置関係が変化することによる、前記光センサの検出エリア内での前記測定対象物の前記一方向の輪郭を、周辺との温度差を追従することで検出することを特徴とする。

また、前記光センサ上に投影される前記測定対象物の幅を、前記光検出領域ひとつの対角線長さ以下にすることにより、投影された前記測定対象物が、ある連続した光検出領域群内に納まる確度を上げ、測定温度の信頼性を高めることを特徴とする。

本発明の測定対象物の位置測定システムによれば、光センサ内での複数の光検出素子の行又は列の配列方向が、測定対象物の一方向（幅W）に対して４５度傾斜されるよう測定対象物と対向して配置して、測定対象物との相対的な位置関係の変化を測定するため、ＸまたはＹ方向（測定対象物の幅に対する水平または垂直方向）及び回転方向の位置変化に関しては不感領域は無くなり、検知できる測定対象物の投影幅を小さくすることが可能になり、測定対象物サイズの選択自由度を向上させることが出来る。

以下、本発明の好適な実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態に係わる測定対象物の位置測定システムを示す概略的な構成図であり、図２は、図１に示した赤外線センサの概略的な構造およびレイアウトを示す平面図である。

測定対象物の位置測定システム１０は、測定対象物１と、光センサ２と、測定対象物１と光センサ２との間に配置され、測定対象物の一方向の輪郭が光センサの検出エリア内に位置するよう集光させる光学レンズ３（集光ミラーへの代替も可）とを有する。光センサ２と光学レンズ３とは同じ筐体４内に配置されている。

図１中で測定対象物の位置測定システム１０の右側に番号２ａとして示した図は、測定対象物側から見た光センサ２の正面図であり、光センサ内での複数の光検出素子の行又は列の配列方向が、測定対象物の一方向（幅Ｗ）に対して４５度傾斜されるよう対面している。また、配置方向の理解を容易にするために測定対象物1 のみ斜視図として表しているが、これは測定対象物1 の右側の面1 ａが、光学レンズ３及び光センサ２と対面する面であり、測定対象物1 の右側の面１ａが光センサの面２ａ対面していることを表している。図中、Ｘ方向は測定対象物1の幅Ｗ方向を表し、Ｙ方向は測定対象物1の長さ方向を表している。

ここで使われる光センサ２は、一例として、光検出素子５としてサーモパイル素子からなる赤外線センサであり、各々のサーモパイル素子は、前述の特許文献２に示されたような一般的な構造を有し、受光した赤外線に対して有効な反応領域６（赤外線吸収膜が形成された温接点領域）と非反応領域７（冷接点領域およびその周囲の領域）を有する。尚、光検出素子としては、ボロメーター、フォトダイオード、焦電センサなどでも可能である。

光検出素子５（サーモパイル素子）は、図２に示される平面図の通りの形状およびレイアウトを有しており、各々が矩形形状の光検出素子５を有し、該矩形形状の互いに交差する２辺にそれぞれ平行な方向を行および列とする行列格子状に複数配列され、光検出素子群を構成する。また、図２で示されたＸ方向及びＹ方向は、図１中のＸ方向及びＹ方向に対応している。

そして、測定においては、光センサ２及び光学レンズ３が配置された筐体４が、固定された測定対象物１に対して光センサのＸ方向と同方向にスキャン動作し、光センサの検出エリア内での測定対象物１の一方向（幅Ｗ方向）の輪郭を、周辺との温度差を追従することで検出する。

このような測定対象物の位置測定システムによれば、光センサ２内での複数の光検出素子５の行又は列の配列方向が、測定対象物の一方向（幅）に対して４５度傾斜されるよう測定対象物と対向して配置されているため、測定対象物の幅に対する水平方向のスキャン動作（位置変化）に対して不感領域は無くなる。すなわち、幅方向（Ｘ方向）で光検出素子５の配列を見た場合、例えば、光検出素子５Ａと光検出素子５Ｂは間隔がなく隣接している。これにより、検知できる測定対象物の投影幅を小さくすることが可能になり、測定対象物サイズの選択自由度を向上させることが出来る。

また、検出可能な最小サイズ（光センサ上でどこに対象物が位置しても、対象物の幅半分以上はどこかの単一光検出素子５の反応領域６に架かる測定対象物の投影幅）と、安定的な測定の最小サイズ（どこに対象物が位置しても、対象物の幅輪郭全体がどこかの単一光検出素子の反応領域６全体に架かる測定対象物の投影幅）とを、図２中でそれぞれＢ、ｂとして示した。このＢ、ｂは、図４に示す従来技術におけるＡ、ａと比較し小さくなっている。

更に、従来技術で知られている矩形形状の外形を有する光センサを４５度傾斜させて本願発明のシステムに適用した場合には、幅方向（Ｘ方向）での検出可能範囲すなわち画角が広がるという効果も有している。

上述の実施の形態においては、対象物測定のためのスキャン動作をＸ方向で行うことで説明したが、Ｙ方向または回転方向で行うことも可能である。すなわち、対象物が細長い形状であり、その長さ方向（Ｙ方向）にスキャンした場合であっても、４５度傾斜させて配置された光センサには、Ｙ方向でも不感領域は存在しないため、測定は可能である。

そして、本発明は光センサをスキャン動作させること自体は必須ではなく、測定対象物と光センサとの相対的な位置関係が変化することが重要である。したがって、光センサが固定された状態であって、測定対象物が動く場合にも発明は適用可能である。

更に、半導体チップ上で光検出素子５のレイアウトは、図２に示された実施の形態のレイアウトに限られるものではなく、正方形の半導体チップに対してメッシュ状にエリア化して配置するものであってもよい。光検出素子をメッシュ状にレイアウトした光センサの平面図を図３に示す。このように、矩形形状の光検出素子５の互いに交差する２辺にそれぞれ平行な行方向又は列方向が、対象物の幅方向に対して４５度傾斜させて配置されれば上述と同様の効果を達成することが出来る。

本発明の実施の形態に係わる測定対象物の位置測定システムの概略的な構成図である。図１に示した赤外線センサの概略的な構造およびレイアウトを示す平面図である。本発明に係わる光検出素子をメッシュ状にレイアウトした光センサの平面図である。サーモパイル素子を行列状の二次元に複数配列した赤外線センサの平面図である。

符号の説明

１測定対象物
２光センサ
３光学レンズ
４筐体
５光検出素子
６、１６反応領域
７、１７非反応領域
１０位置測定システム
１８不感領域

Claims

測定対象物と、
各々が矩形形状の光検出領域を有し、該矩形形状の互いに交差する２辺にそれぞれ平行な方向を行および列とする、行列格子状に複数配列された光検出素子群とを含む光センサと、
前記測定対象物と前記光センサとの間に配置され、前記測定対象物の一方向の輪郭が前記光センサの検出エリア内に位置するよう集光させる光学系と、を有する光熱エネルギー検出による測定対象物の位置測定システムにおいて、
前記光センサは、前記複数の光検出素子の行又は列の配列方向が、前記測定対象物の前記一方向に対して４５度傾斜されるよう前記測定対象物と対向して配置されており、前記光センサと前記測定対象物との相対的な位置関係が変化することによる、前記光センサの検出エリア内での前記測定対象物の前記一方向の輪郭を、周辺との温度差を追従することで検出する測定対象物の位置測定システム。
前記光センサ上に投影される前記測定対象物の幅を、前記光検出領域ひとつの対角線長さ以下にすることにより、投影された前記測定対象物が、ある連続した光検出領域群内に納まる確度を上げ、測定温度の信頼性を高めることを特徴とする測定対象物の位置測定システム。