JPS59109813A - 光学的変位測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、移動物体の変位量を測定するのに、光束をプ
ローブとして用いｌこ光学的変イ５′ｌ測定装置に関す
る。更に詳しく言えば、移りＪ休と固定装置との相対運
動に比例して光学的レンシングノ（ターンが移動変化す
るのを観測し、この光学１１勺１＜ターンの変化量を積
分し、−特定パターン力くスケールオーバした時は、後
続する光学パターンｃｔ主目し、その変化量の積分値を
求め、これらの値を、Ｉｌｎ次連続的に加算することに
にって一移動体とり１１定装置との相対運動量を測定づ
るようにし！ご光学「内変位測定装置に関ηる。

従来、光を利用しＩｃ光学的変位測定装置は、−例とし
て、直線状に変位する変位測定装置を例に上けると、可
動台に固定された光学的変位スケールと、測定装置であ
る光学系とから成りたつ又いる。前記光学的変位スケー
ルは、緻密な間隔で、反射係数又は透過係数等の光学的
係数が矩形波周期状ｔこ相対移動方向に変化する格子パ
ターンを右する。一方、光学系は、光源と、該光源から
出る光を集光して光学的変位スケールの周期的光学的パ
ターンに投光づるＪ、うに調整するレンズ、該光学的パ
ターンからの反射光又は透過光を集光Ｊるレンズ、及び
該反射光等を受光する光電変換素子から成る。光電変換
素子は、単一画素から成る素子からなり、該光電変換素
子上を通過づ゛る前記光学的変位スケールからの透過光
又は反射光ににる明暗映像を捉える。そして変位量を求
める方法は、映像を、電気的パルスに変換し、これをカ
ウントして単位時間当りの物体の変位量を検出する方法
であった。

従来装置は、この様な方法を採るため、光学的変位スケ
ールのパターン周期の誤差が、そのＪ、ま測定精度に反
映す（るという欠点があった。従って、該光学的変位ス
ケールのピッチ間隔は極めて高精度に製作されなければ
ならない。ところが通常０゜１ｍｍ間隔幅でロングレン
ジに渡って、周期的な格子状の反射板又は、透過板を形
成づることは極めて困難であった。しかも可動物体の移
動Ｍが１ｍから数ｍに渡れば、これに伴い光学的変位ス
ケールも１ｍから数ｍのものを作成−りる必要がある。

しかし、光学的変位スケールを長くする稈、スケールの
歪、熱膨張あるいは熱収縮等にＪ、って、パターンピッ
チが変化する等の欠点があり、正確な測定精度をあげる
ことには、限弄があった。

そこで本発明は、このような従来の欠点を改良するため
に成されたものであり、前記の光学的変位スケールの格
子パターンのピッチ精度には無関係に変位の測定精度を
向上させることのできる光学的変位測定装置を提供する
ことを目的とづ゛る。

即ち、本発明は、光学的特質が、相対的変位方向に対し
、周期的に変動するパルス状パターンを右づる光学的変
位スケールと、 該光学的変位スケールの有する光学的パルス状パターン
を受像する少なくとも２つのイメージセンサど、前記光
学的変位スケールの光学的パルス状パターンを、前記各
イメージはフサ上に結像さけて、光学的変位スケールと
の相対移動によって、各イメージセンサ上に常時少なく
とも２つの移動づるパルス映像を得る光学的投射器とを
有する光学系と、 前記各イメージセンサ゛から、それを一定周期毎に走査
して前記パルス映像に対応したパルス信号を入力し、該
パルス映像のイメージセンサ上の位置を検出づる少なく
とも２つのパルス映像位置検出装置と、 該各パルス位置検出装置からの出力信号を走査周期毎に
処理して、可動物の変位を計測覆るデータ処１！１′！
装置とから成り、 前記データ処理装置は、走査周期毎に、パルス映像の各
イメージセンサ−上の位置関係により、少なくとも過去
１走査周期間のパルス映像の各移動量を求める得るパル
ス映像を特定づるパルス映像特定部と、前記パルス映像
特定部によって特定されたパルス映像に注目して走査周
期毎にパルス映像移動量を求める移動量算出部と、 該移動量算出部から求められた各イメージセンサに対応
する各パルス映像移動量の平均値を求める平均値算出部
と、 走査周期毎に、前記パルス映像特定部及び移動量算出部
を順序制御し、前記パルス映像移動量の平均値を梢枠丈
る移動量積算部と、 から成り、走査周期の経過に伴なうパルス映像の１１１
１敗的移動転対し、順次後続パルスに注目して、各イメ
ージセンサ上の各パルス映像移動量の平均値を累積加算
することを特徴とする光学的変位測定装置から成る。

第１図は、本発明の構成を概念的に示したブロックダイ
ヤグラムである。光学的変位スケール２０は、透過係数
又は、反射係数が相対移動方向に、周期的にかつ矩形波
パルス状に変化するパターンを有する光学的変位スク°
−ルである。光学的変位スケールのパターンは、例えば
、格子状、ドツト状等に形成できる。このパルス状パタ
ーンの周期は、一般には、０．１〜０．２ｍｍ間隔テア
ルが、これらの値には限定されない。この光学的変位ス
ケールの製作は、例えば、ガラス平板上の表面にクロム
を真空蒸着し、真空蒸着されたクロム膜をフＡ１−工ツ
ヂンクによって、上記間隔にエツチング除去して形成さ
れる。光学系／ＩＯ（ま、光学的投射器／１２と、光学
的変位スケールのパターン映像を受像する複数のイメー
ジセン４Ｊ−４，４ａ　、　４４ｂ等とから成りたって
いる。光学的投射器４２とは、光源及びレンズ、ハーフ
ミラ−、プリズム等らしくは光ファイバー等の導光路を
用いたものであり、光源の光を光学的変位スケールに投
射し、その反射光又は、透過光をイメージセンサ上に結
像し得るように構成した光学的な投射器を言う。そして
、上記の導光路は、少なくとも２系統あり、それぞれの
系統の光束が光学的変位スケールの各部を照Ｉ３４シて
いる。各系統の反射光を受光づ−るイメージセンサ４４
ａ　、４４ｂ等は、）ＡトダイＡ−ドを一次元配列に多
数並べたもの、あるいはキｔ・リヤ蓄積型のＣＯＤ、Ｂ
ＢＤ等を用いることができる。

ここで、各イメージセンサ上で結像し得る映像パターン
は、少なくとも光学的変位スケール上におけるパルス状
パターンの２周期分を常に投映づるように構成しなりれ
ばならない。

複数のパルス映像位置検出装置６０ａ　１６０ｂ等は、
各イメージセンサにクロック走査パルスを与えて順次映
像信号をシリ）フルに取り出づ走査信号を送出づ−る。

そして走査信号によっＣ取り出されｌζ各イメージセセ
ン上のパルス周期パターンに対応する映像電気信号は、
それぞれ複数のパルス映像位置検出装置６０ａ　、６０
ｂ等に入力づる。

パルス映像位置検出装置６０ａ　、６０ｂは、各イメー
ジセンサの画素毎に出力されるピッ１−パルス列から、
光学的変位スクールのマク１」す各パルス状映像パター
ンを求める。そして−イメージセンサ上の前記少なくと
も２つのパルス状映像パターンの位置を検出づる。ここ
で、位置とは、Ｙメ−ジセンサ上における１次元的に配
列された画素の片端からの順序数で表現される画素番地
である。

各パルス映像位置検出装置６０　ａ　ｚ　、６０１１等
ににって、検出されたーイメージセンサ上の少なくとも
２つのパルス映像の位置データは、データ処理装置８０
に入力する。データ処理装置８０は、前記の少なくとも
２つのパルス映像の内で、走査周期簡に移動するパルス
映像の移動色を測定づるために、注目するパルスを特定
するパルス映像特定部９０と、そのパルス映像特定部９
０にＪ：って、特定されたパルスの一走査周期間隔にお
りる移動量を算出する移動ｍ粋出部９２ど、各イメージ
しンザ旬に求められた各移動（イ）の平均値を求める移
動量平均部９３及びこの平均移動量を走査周明毎に累積
加紳する平均移動量積算部９４とから成りたりている。

そして最終的な変位量は、平均移動量積算部９４の示す
数値として与えられる。

次に本発明装置を用いて、物体の移動が測定しｍる原理
について説明する。

第２図は、この原理を説明す、る概念的な原理説明図で
ある。第２図ではパルス映像伝号は、原理説明のｌ’ｃ
めに、パルス位置を示しうる様に幅の狭いパルスとして
記載し、−イメージセンサによって移動量を求める方法
を示す。又、横軸の目盛Ｓｏ　”　Ｓ　４の数値は、イ
メージセンナ上の画素位置を示す番号を現わすと同時に
イメージセンサ−から走査信号によって、取り出された
シリノフルデータの走査時間軸とも対応している。まず
、］−〇時刻において、イメージセン１すを走査して得
られるパルス映像信号は、第２図（ａ　）のようになる
、１走査時刻上（画素位置番号上）若い方の位置にある
のを、第１パルス映像１ｇ号（以下単に［パルス−１と
いう）として記号Ｐ１で示し、時間軸上遅い、画素位置
番号上大きい方の位置に現れる第２パルスをＰ２どして
表わしである。このパルスＰ１及びパルスＰ２は、パル
ス映像位置検出装置６０ａによって得られたパルス映像
の中央位置と考えることができる。次に第２走査時刻１
”　＋　Ｌこおける検出されるパルスパターン図を第２
図（ｂ）に承り。

ここではＰｌの移動用がＤｌとじて測定される。

尚、図面上の一走査周期間の移動距離は、実際の移動に
比べて極めて大きく描かれている。ここで、移動量を測
定するパルスを第１パルスＰ１と約束づれば、第２図（
Ｃ）にポリようにパルスＰ１は、図面上におけるイメー
ジセンサ上を右から左方向に移動していくことになる。

そして各走査周！ｙ３句に移動ｍ　Ｄ　＋　、ｌ）　２
　、Ｄ　３を求め、これを加ｉ−すればＩ！ｉ刻Ｔｏか
ら時刻Ｔ３までにお【プるパルス映像の移動量が測定さ
れる。パルスＰ１がイメージセン−り上に現れている間
は移動量は勿論測定り−ることが可能である。ところが
走査時刻Ｔ３から次の走査時刻Ｔ４に移った場合、第２
図（Ｃ）最左に書れているパルスＰ１は、イメージセン
サ上の左端からスケールオーバしてしまう。　ところが
、イメージセンサ−上には必ずあらゆる時刻において、
２つのパルス映像が則影されるように設計されているた
めに、右端において、パルスが現れることがわかる。そ
う覆れば、図上最左側のパルスが第１パルスと約束して
いるので第２図（Ｃ）における第２パルスＰ２は、第２
図（ｄ）においては、第１パルスＰ１とみなされること
になる。時刻Ｔ３からＴ４における間のパルス映像の移
動ｍ　Ｉ、Ｌ　。

第２図（Ｃ’）におけるＰ２パルスと第２図（ｄ　）に
おけるＰ１パルスとに注目してこれの移動量Ｄ４を測定
すれば良い。この様に、移動ｍを累算すれば結局１０時
刻から］−４時刻までの総合した移動量りが求められる
。即ち、Ｌ＝ＤＩ＋Ｄ２＋Ｄ’３＋Ｄ４となる。この操
作を繰り返して行けば、礼定したパルスがイメージセン
サ−上の左端からスケールオーバーしても、後続パルス
の移動量を求めＣその移動ｍを累算づることによつ°Ｃ
トータルの移動量を求めることができる。

パルス映像特定部９０とは、イメージセンサ上に現れる
少なくとも２つのパルスの内のどのパルスに注目するか
を特定１′る部分である。これは、主に計算機のラフ１
〜ウエアによって実現するのが最も容易である。しかし
ながら論理回路等を組むことによってバードウＪニアに
で実現することもできる。特定方法の説明をすれば、原
則として第１パルスＰ１に注目する。

そして第１パルスの左端スケールオーバは、第１パルス
位回の急激な増加ｍにＪ、って判別できる。

即ち、第１パルスは図（ｄ　）において、図（Ｃ）に比
して急激に位置を増加している。

同様にパルス映像が右側に移動する場合に右端からの第
２パルスのスケールオーバは、第１パルスの位置の急激
な減少によって検出することができる。従って、スケー
ルオーバを検出したどきの最初の移動量は、左側移動の
ときは、新第１パルスと旧第２パルスの位置差を、右側
移動のときは、新第２パルスと旧第１パルスの位置差を
、それぞれ移動量とり−れば良い。

しかし、現実のパルス映像には、大きな幅を有づるので
イメージセンサ上の端部では正確なパルス中央位置を求
められない。正確なパルス中央位置を求め、この値を使
用づ゛るには、仮想スクール端し、Ｍ＠設置ノで判定す
る。要は、イメージセンサ上の目標位置とパルス位置と
の関係において、特定のパルスが所定の位置関係を満し
た時に順次後続パルスを特定パルスとして注目づ゛る以
上述べてきた移動量の測定皿ＪＩＰは、１つの導光路と
１つのイメージセンサ−を用いたものについて説明した
。上記の測定皿］！Ｐにおいて、映像パルスは、理想的
なものとし位置のみを特定でき、幅を右さないものと仮
定してきた。どころが、現実には、第７図（ａ）に示す
様にイメージしフサ上の映像パルスは、最大でイメージ
センサの長さの１／４の幅を有している。この幅の広い
パルス映像から中心位置を求めるには、一般に、映像信
号を一定のしきい値Ｖｏで切り、第７図（１））の如き
矩形波形に整形の後、その整形された矩形波の中心位置
を算出している。又、光学的変位スケール２０に光学的
投躬器４２によって原則した光束（第３図（ａ））２５
（７）明［ハ、第３図（ｂ１７）様に、ガウス分布をし
ている。さらには、光束は、光学的スケールに対し一定
の角度で大剣しているため、その強度のガウス分布も非
対称的なものである。従って、イメージごフサ上のパル
ス映像も第３図（Ｃ）の如くなり、一様な均一波形では
ない。又、該パルス状のパターンを受光づるイメージセ
ンサも、各画素に感度の不均一性がある。さらに光学的
変位スクールの１パルス状パターンの光学的特性も理想
的なパルス波形をしていくよい。

これらの不均一性のために、光学的変位スケールの同一
のパルス状パターンから反射してイメージセンサ上に投
映された同一のパルス映像し、パルス状パターンの相対
移動即ち、イメージセンサ上のパルス映像の位置の変化
に伴って、パルス映像の形状は変動し得る。たとえば、
第３図（ｄ　）図示のパルス映像２６は、イメージセン
サ上を移動するにつれ、パルス映像２７の様に歪みを生
じる。したがって、映像パルスを一定レベルで切り矩形
波に整形後パルスの中心位置を求めると、第３図（ｅ）
に図示覆る様ｊこ中心位置は、２６ａ１２７ａの様にな
りパルスの位置の測定に誤差を与える。

この誤差を小さクツ゛るために、本発明は次の手段を採
用している。

光学的変位スケール２０上に、少なくとも２系統の投射
光を設は該反射光をそれぞれ各イメージセンサで受光し
、１走査毎にそれぞれ独立してパルス映像の移動■を求
め、該６移ｉ！ｌｌｆｆ１を平均して、現実の移動量を
求めるという構成である。これによって上述した誤差が
平均化される。たどえば、第１例として、第４図（ａ　
）に示づ様に光源をＬｌと１２と２つ設は該光源によっ
て光学的変位スケール２０上の異なる２箇所を照射し、
これらの反射光をイメージセンサ−８１と＄２で受ける
構成にすることができる。

その第２例は、望ましい実施態様どして挙げた様に、第
４図（ｂ）図示の如く、単一の光源しがら出た光束を、
光束分離手段の例えばハーフ・ミラーＭで２系統に分離
し、図示の如く、照１東分布が対称の光束を４ｑて前記
と同様イメージセンサＳ１と８２で受光し平均化するに
うに構成できる。

この場合には、単一の光源から、２系統の光束を得、そ
の照度の分布が、相互に対称形をしているためイメージ
センサＳ１と８２にＪ、って求められたパルス映像の移
動（イ）の誤差を相互に補償づ゛ることかできる。

又、第３の例は、望ましい実施態様で挙げ、第４図（Ｃ
）に図示する様に、前第２例と同様に単一の光源から２
系統の光束を得て、それらが光学的変位スケール上向−
の部位を照射し、かつそれらの照射強度の分布が、相互
に対称形になる様に光学系で構成し、それらの映像をイ
メージセンナＳ１と８２で受光し、パルス映像移動量を
平均化する様に構成したものである。この場合には、同
一の部位からの反射映像をとらえ、それらの照度が対称
形であるため、精度の良い誤差の補償が可能である。

以上、要づ−るに、この発明の測定原理は、各イメージ
センサ上に、少なくとも２つのパルス映像を結像し一方
のパルスに注目して測定し得る範囲内において、そのパ
ルスの移動量を測定し、その後、各イメージセンサ毎に
測定された移動量の平均値を求め、次の走査時刻におい
て、測定し得なくなった場合には、その後続Ｊ−る第２
パルスに注目してその第２パルスの移動量の平均値を前
の値に累積して全体の移動量を求めようとするものであ
る。従って、全移動量の精度は、第１パルス及び第２パ
ルスの周期を決定する光学的変位スケールのピッチ間隔
の精度には、依存しない。分解能はイメージセンサ上の
画素を形成する画素幅の精度及び光学的変位スケール上
のパターンをイメージセンサ上に射映する光学的投射器
の倍率によって、決定される。測定精度は、分解能と単
位移動量当りの走査回数に、にって決定される。

以下、本発明をさらに具体的に実施例を用いて説明する
ことにする。第５図は、本発明にかかる光学的変位測定
装置の一具体的な実施例を示した構成図である。光学的
変位スケール２０８は、カラス基板上にクロムを真空蒸
着してクロム薄膜を作成し、フＡトエツヂングによって
、０．１ｍｍ間隔に、２２の部分をエッチしてクロムを
除去し、２１の部分をクロム薄膜として構成する格子状
をしたパルスパターンを長尺状に設けたものである。

そして光学的変位スケール２０ａは、可動台に固定され
ている。

一方、光学系４０ａは、固定台４１の上に固定されてお
り、光学的変位スケールの光学パターンに投光覆る２つ
の光源４２１ａ、４’２１１１及びこれらを平行光線と
して照射する光学レンズ４２２ａ、４２２ｂ及び光学的
パターンから反射してくる光をイメージセンサ４．４ａ
、４４ｂ上に集光し、拡大するレンズ４２３ａ　、４２
３ｂとから成りたっている。各イメージセンサの出力は
、後述づるパルス映像位置検出装置６０ａ、６０ｂに入
ノｊし、その信号は、後述するソフトウェアにしたがっ
て処理づる計弾機シスデムで構成されたデータ処理装置
８０へ入力覆る。データ処３！ｌ！装同８０は、一般に
知られているにうにインタフェイス８８ａを介して中火
処理装置８２に接続され、所定のブ［１グラム及びデー
タを格納するメモリー８４と結合し、演算結果をインタ
フェイス８８ｂを介してＣＲＴディスプレー８６に出ツ
ノし１０するＪ：うに構成されている。

瑳Ｉ６図は、パルス映像位置検出装置６０ａの具体的な
構成を示したブロックダイヤグラムである。

イメージセンサ／１４ａを構成するＣＣＤ４４ａの出力
は、増幅器６０２を通しコンパレータ６０４の反転入力
に入ツノしている。コンパレーク６０４の非反転入力は
、抵抗分割により、基準電圧Ｖ。

が印加されている。そしてコンパレータ６０４の出力は
サンプルホールド回路６０６に入力している。

ここで増幅器６０２の出力電圧Ｖ１を第７図（ａ　＞に
示す。破線でかいた包絡１ｊｌ　＋、Ｕ　、ビッヂ幅０
．１ｍｍをＣＯＤに映像した明暗パターンを示している
。そして縦線は、ＣＣＤ４４ａの一画素信号に対応した
パルス波形を概念的に示したしのである。ＣＯＤは現実
には、２０４８画素から構成されているために、１パル
ス映（Ｃ口こついて、５１２パルスで構成されているこ
とになる。コンパレータ６０４では、ノイズマージンレ
ベルＶｏを基準レベルとし、該レベルにりも高レベルに
なった信号のみを通過させるにうにしでいる。即ら、コ
ンパレータ６０４を通過した電圧Ｖ２は第７図（ｂ）の
にうな波形になる。更に、この多数のパルス列でできた
方形波状の包結線をサンプルホールド回路６０６を用い
て取りだす。即ち、タイミング発生回路６１２によるＣ
ＯＤ／Ｉ４ａ駆動のためのクロックパルスと同期し、か
つ１画素信号のパルス幅の中心部に同期するように遅延
回路６１４を通して、画素信号のピーク値でサンプルホ
ールドする。その結果、出力電圧Ｖ３は、第７図（Ｃ）
のような方形波が２つ得られることになる。

ここで横軸は、走査時刻で、かつＣＣＤ上の画素単位で
の位置とも対応している。

タイミング発生回路６１２は、スター１〜伯号Ａ１をＣ
Ｃｆ）駆動装置６１０に入力してＣＯＤの走査のスター
トを与えている。そして、スターミル信号に後続づる４
Ｍ、Ｈｚのクロック信号に同期してパルス列がＣＯＤか
ら走査される。

一方、サンプルホールド回路６０６の出力電圧■３はフ
リップフロップ回路ＦＦ１　（以下、フリップフロップ
回路をｒＦＦＪと言う）の周期信号入力端（Ｃｐ端子）
に入力づると、ともにＦＦ２（６２２）のＣｐ端子に極
性反転して人力づる。

かつＦＦ３　（６２３）のＣＩ）端子にＶ３をそのまま
入力し、ＦＦ４　（６２４）のｃｐ端子に反転して入力
する。各ＦＦはＤ型の１：「回路であり、Ｆ［１のＤ入
力には、常時正電位が印加されている。

又ＦＦ１〜ＦＦ４のブリセラｌ−仮端子にはスタート信
号Ａ１が入力されるようになっている。そして１：Ｆ２
−ＦＦ４は、それぞれ前段のＱ端子出力が次段のＤ入力
にそれぞれ入力するＪ：うに接続されている。さらに各
「［：回路ｄ出力端は、それぞれＮＡＮＤ回路６３１，
６３２，６３３，６３４の一端子に接続されしている。

又それぞれのＮＡＮＤ回路の他の端子は、タイミング発
生回路６１２の４ＭＨ２のクロックパルスが入力されて
いる。

各ＮＡＮＤ回路の出力は、カウンタＣ１（６４１）〜カ
ウンタＣ４（６４４）に、それぞれ入力し、ＮＡＮＤ回
路から出力されてくるパルス列の数をノＪウン１〜ゴる
。各カウンタＣ１〜Ｃ４は、カラン１へされた２進並列
信号を転送量１！ｌ］仇号Ａ２によって、それぞれ、バ
ッファレジスタＲ１〜Ｒ４に転送され記憶される。そし
て各バッファレジスタＲ１〜Ｒ４は、インタフェイス８
８ａを介してコンピュータによって読み取れるように構
成されている。

本パルス位置検出装置６０の各カウンタＣ１へ・Ｃ４の
カウント値は、第７図＜Ｃ＞における、Ｌ１時刻、ｔ２
２時刻ｔ３３時刻ｔ４１Ｍ刻をそれぞれ４　Ｍ　ｉ−Ｉ
　Ｚのクロックでカラン］〜した値である。。

次に各ノＪウンタに１１時されるまでの作動について、
第８図を参照して説明づる。タイミング発生回路からは
、時刻ｔｏに第８図（ｂ　）に示１゛スター１へ信号が
各ＦＦのに端子に与えられ、該スタート信号によって、
全てのＦＦはリレン１〜される。

又スタート信号は、各カウンタの仮端子にも入力し、同
様にスター１へ信号パルスにＪ二ってリレン１〜される
。続いてリセット後にＦＦ１にＶ３がＣｐ端子に入力さ
れると、電圧■３はＦＦ１に対してタイミング信号にな
るために■３の第１パルスＰ１の立ち上り時刻１１に８
３いてセラ１〜状態に変化する。従って、ＦＦＩのＱ端
子出力は、第８図ＣＧ　）のようになる。即ちｔｏ時刻
においてリレン１へされ、１１時刻においてセラＩへさ
れる波形が得られる。そして、このＦＦ１の０１端子出
力は、次段のＦＦ２のＤ端子に人ツノし、かつｖ３の反
転入力がＣｐｔｓ子に入力づるために、［２時刻が同期
時刻を示し、Ｄ入力の変化が、ｔ２２時刻で遅延し、Ｆ
Ｆ２の０２端子出力は、第８図（ｅ　）の様に１２２時
刻セット状態になる。以下、各「「は、前段のＱ端子出
力が、次段のＤ入力となるため、それぞれのタイミング
信号に同期するまてＱ出力端のけツ１へが遅延づる。従
って、［［３の０３端子出力は、第８図（０）に示すよ
うに、第２パルスＰ２の立ち上り時刻ｔ３において、セ
ラｉ〜される信号となる。ＦＦ４のＱ端子出力は、ｔ４
にＪ′３いてセットされる出力となる。したがって、こ
れらのＦＦ回路のｄ端子出力は、これらを反転し、ｌζ
ものであり、それぞれ第８図（ｄ　）（ｆ　）（ｈ）（
ｊ）のようになる。これらの各信号は、それぞれ各ＮＡ
ＮＤ回路の一端子に人力される。

ＮＡＮＤ回路６３１は、従って、ｔｏ〜ｔ　１時刻まで
一端子が高レベルにあるために、他の端子入力のクロッ
クパルスを通過させる作用を覆る。イしてその間＝１−
　Ｍ　ＨＺのクロックがカウンタＣ１（６４１）ににっ
でカウントされる。以下、同様にＮＡＮＯ回路６３２に
おいては、イの一端子入力が第８図（ｆ）に示すように
ｔｏ〜（２時刻までハイレベル信号である−にめに、こ
の間のクロックパルスを通過し、）ＪウンタＣ２は、そ
の間８１時１ることになる。同様にしてＮＡＮＤ回路６
３３は、［０〜【３時刻までのクロックパルスを通過さ
せてカウンタＣ３はその間のクロックパルスをカラン１
〜し、ＮＡＮＤ回路６３４はｔｏ−ｔ４４時刻でのクロ
ックパルスを通過さけて、カウンタＣ４はその間のクロ
ックパルスをカウントづ−ることになる。この結果バッ
フ７レジスタＲ１〜Ｒ４は、それぞれ第ｑ図（ａ　）に
示すＶ３電圧のｔ１時刻、ｔ２２時刻ｔ３３時刻ｔ４４
時刻示ｔ　°ｂのかえられる。別の系統のイメージセン
サ４４１）から得られた信号波形を処理するパルス映像
位置検出装置６０ｂも同様な構成である。

次にデータ処理装置８０のコンピュータが処理する内容
について第９図及び第１０図を参照して説明する。第９
図は、コンピュータソフトウェアのフローチャー１〜を
示したものである。以下主に、第１系統のイメージセン
サによって検出されるパルス映像の移動量の算定につい
て述べる。まづ、パルス映像は第１０図上左方向に等速
度で移動しているものと仮定する。データ処理装置８０
がスタートされると、所定のプログラムが実行され、ス
テップ１００において、本プログラムで使われる諸パラ
メータをそれぞれＯにイニシＡ・ライズづる。ここで１
はイメージレンリーの走査回数を示づカウンタである。

Ｐｌ、Ｐ２はそれぞれ前記第１及び第２映像パルスの中
心位置を記憶するアドレスである。Ｘｌ、Ｘ２は、それ
ぞれ走査によって得られたパルスの位置を１回走査前の
値として記憶し、保持するためのメモリーである。Ｑは
、１回前の走査によるパルスの位置が有効ゾーンにある
か禁止ゾーンにあるかを判定しその情報をを記憶する部
分であり、Ｒは、現走査によるパルス位置情報を示ずパ
ラメータを記憶づ゛るメモリである。

Ｄは特定された映像パルスの一走査問隔に１Ｊ３４ノる
変位量であり、［ｐは累積平均変位量即ち、物体の移動
量に比例した数量である。■は単位時間当りの移動速度
即ち、走査問隔毎に計紳される移動速度を記憶するメモ
リーである。

次にステップ１０２において前述のパルス映像位置検出
装置６０のバッファレジスタＲ１〜Ｒ４までのレジスタ
にデータが入力されてレディ状態になったか否かを検出
するルーチンである。データが入力されてない場合には
レディビットは立っておらずプログラムはレディになる
までウェイ］−覆る。そして工１０レディになった場合
には、ステップ１０４において各カウンタの数値が記憶
されているバッファレジスタＲ１〜Ｒ４までの内容をそ
れぞれメモリー０１〜Ｃ４のアドレスへ８売み込む。次
にステップ１０６において、パルスの中火部を計鋒する
ために、Ｐｌ　＝　（Ｃ１＋０２）／２、 Ｐ２＝　（Ｃ３十０４　）／２という計算式を用いて第
１パルス及び第２パルスの中央位置を計障し、それをＰ
ｌ、Ｐ２に記憶する。ぞして次のステン１１０８におい
て、ＰｌがＬより大きいか小さいかを判定づる。ここで
しは予め設定されｌζ値であり、第１０図（ａ）に示す
ようにイメージレン１すの左端、即ち、若い方の画素番
地から一定の距離りに設定された禁止ゾーンの長さＣ′
ある。ここで、図上しの区間を禁止ゾーンといい残りの
８１〜＄４までの区間を有効ゾーンと言う。ステップ１
０８では、第１パルスの位置が禁止ゾーンにあるか有効
ゾーンにあるか判定づる。禁止ゾーンにある場合には、
ステップ１１０に移りパラメータＲを１に設定する。即
ち、パラメータＲが１と言うことは、禁止ゾーンに第１
パルスが存在するということを意味する。禁止ゾーンに
ない場合には、ステップ１１２にＪ：すＲには２の値が
設定される。

即ち、１での値が２のときは、第１パルスが有効ゾーン
に存在することを意味する。次にステップ１１４に移り
、■がＯか否かを判定Ｊ−る１、０の場合には、第１走
査即ち、最初のデータ読み取りルーチンであることを示
し一〇いるから、その場合（こはステップ１１６に移行
し、今読み取った第１バルス及び第２パルスの位置をメ
モリー×１及び×２に移動して記憶させる。又、第１パ
ルスの位置状態をＱに記憶する。そしてステップ１１８
においＴ走査回数パラメータ■をインクリメン１−スる
。

次に、ステップ１１９において、系統の変更処理を行な
う。

即ち、第２のイメージセンサ４４ｂから１ｑられるデー
タを同様に処理する。同図においては、分り易くする１
こめに、同一の文字変数を使用しているが、実際は、記
憶されるアドレスが、第１系統と第２系統の２系列に別
れている。以下の処理も第１系統と第２系統で交互にく
り返される。

第２走査によってイメージセンサから読み取られた信号
は、それぞれステップ１０４〜１１４まで同様な処理が
なされる。そこでステップ１１４では、第２回目の読み
取りに当るから■の値はＯでなく次のステップ１２０へ
移行する。ステップ１２０ではＱの値とＲの値を比較し
ている。即ちＲは今回測定した第１パルスの位置を示で
パラメータであり、Ｑは第１パルスの前回測定した位置
状態を示すパラメータである。従ってＱが２、Ｐが２の
場合には、前回の走査と今回の走査において第１パルス
は共に有効ゾーンに存在することがわかる。そこで第１
パルスが有効ゾーンに存在している場合には第１パルス
を特定パルスとして前回の位置と今回の位置との偏差を
取り、ステップ１２２において、その値をＤの値に記憶
する。今ｔｏ時刻に対してｔ　１時刻において走査し得
られた第１パルスが図面上左部ちイメージはフサ上アド
レス番号の若い方向に移動したとずれは、Ｄの値は負の
値を示している。又Ｐ１が図面上右方向に移動したとす
ればＤの値は正の値を示す。

次にステップ１２３２において、今求めた移動ｆｆ１−
　Ｄが、第１系統による場合には、ステップ１２３４に
おいてＤｌとしＣ移動量を記憶づる。次にステップ１１
６．１１８．１１９を介してステップ１０２にもどり、
第２系統による移動りを同様に求める。ステップ１２３
２まで同様に求めらね、ステップ１２３６において、第
２系統にＪ、る移動量がＤ２として記憶される。次にス
テップ１２３８に移行し、第１系統と、第２系統で求め
られた移動ｆｆ１Ｄ１とＤ２の平均値を平均移動量とし
てＤに記憶する。

次にステップ１２４にｃ１５いＴ、全移１ｒＩＩＩｆｆ
ｌ−Ｌｌ）全算出する計算を行う。即ち、走査周期毎に
得られる平均移動ｆｆ１Ｄを８！ｉ算する。次にステッ
プ１２６において、平均移動ｆｉｔＤを走査間隔時間に
で割って、変位速度を求める。そしてステップ１２８に
おいて現時刻までの移動量Ｌｐと、現時刻での移動速度
Ｖを表示してステップ１１６に戻る。１１６では現在の
パルス位置をそれぞれＸｌ、Ｘ２に記憶し、又第１パル
スの現在の位置状態情報をＱに記憶してステップ１１８
でＩをインクリメン１〜してステップ１０２に戻る。

第３回目走査において同様にして計算を実行（）、今度
は、ステップ１３０に移ったと゛する即ち、Ｔｉ走査時
刻においては、第１パルスは、Ｑが２であったから有効
ゾーンに存在していたが、今回の１−２時ではＲが１と
なり禁止ゾーンに、入ったことを意味覆る。第１０図（
Ｃ）に示すようなパルスの位置関係になる。この場合に
は、ステップ１３２に移行し、前回の×１と現時点での
第１パルスのＰｌを引算し、この値が所定の値ＭＪ：り
も小さい時には、通常の走査間隔による左に移動しうる
範囲内ど見なずことができる。従って、ステップ１３２
の判断はノーとなり、第１パルスは、第１０図１左移動
をしていることが判定できる。ステップ１４４において
、第１パルスは禁止ゾーンにはいった為に、ここで第２
パルスを特定パルスに切り替える。即ち、第２パルスの
移動色をここで求める。即ちＤはＰＩ−Ｘ２である。こ
の関係を第１０図（Ｃ）に示しである。そして同様に第
２系統についても計算を行なった後ステップ１２３８で
平均移動量を求めた後ステップ１２４により前回の絶対
移動量Ｌ　１１に累積加算覆る。以下前回と同様な処理
を施す。そして先頭に戻り第４回目の走査をおこなう。

今回の走査で得られる映像パターンは第１０図（Ｃ）と
類似のものであり、Ｔ２２時刻お（プるパルス位置を更
にＤだ【シ左に移動させたものが得られる。従って前回
と同様なル−ヂンを通る。次に第５回目の走査によれば
前回の第１パルスＰ１は、左側ヘスケールオーバしてい
る。したがって、Ｔ３時刻において、第２パルスであっ
たものがＴ４時刻においては、第１パルスとして検出さ
れることになる。よってＴ４時の走査においては、第１
パルスの状態メモリー〇は１であり、Ｒは２である。従
って、前記と同ルーチンを通ってステップ１４０まで至
る。ステップ１４０にＪ３いてイエスと判定される。ス
テップ１４３では、））　１−　Ｘ　１が計算され、所
定の値Ｍより大きい。これは、第１パルスが左端力日ら
スケールオーバしたことを示す。よって、ステップ１４
１に移行して現第１パルスの位置Ｐ１から前第２パルス
の位置×２を引いた値が移動量として計算される。次の
第６回目の走査時刻であるＴ５時においては、第１０図
（ａ　）図と同様な状態図を示すために、第１０図（ａ
　）図で説明したルーチンを通る。したがって、イメー
ジレンザを映像パルスが左方向に連続して移動する場合
の全移動風が第１系統と第２系統によって独自に得られ
た移動量の平均移＠量を求める上述の繰り返し操作によ
って求まることになる。

次にパルス映像がイメージセンザ上右方向即ち、第１１
図におりる図上右方向に等速度で移動した場合を考察す
る。まりＴ　ｏ時刻において、第１１図（ａ）の位置関
係にあったとする。この場合においても、やはり注目す
べきパルス映像は有効ゾーンに存在する第１パルスとし
ている。従って時刻Ｔｏにおける走査では、状態メモリ
ーの（「ｉは、Ｒ＝２となり、第２回目の走査にＪ３い
ては第１１図（ｂ）のようなパルス配列どなる。この場
合には、禁止ゾーンに第１パルスＰ１が現れることにな
るために変位量を算出覆るのに注目Ｊべきパルスは第２
パルスＰ２でなりればならない。従って、この場合、状
態表示メモリーはＱ＝２、Ｒ＝１を現している。従って
、ステップ１３０においてイエスと判定され、ステップ
１３２に移る。ここでは、この場合、ｘｉ−ｐｉがｇ１
紳されこの値は、予め定められた最大移動ｆｆ１Ｍより
も大ぎいことがわかる。即ち、第１１図＜ａ　）から（
ｂ　）において第１パルスＰ１は実は次の計数パルスで
あることを示している。したがって、このような場合に
は映像は右移動であると判定し得る。Ｊ、ってステップ
１３２においてイエスと判定されステップ１３／Ｉに移
行する。丁１時刻において特定すべきパルスはＰ２であ
り、ＴＯにおいて、特定づべきパルスはＰｌであったた
めに変位ＭＤはＰ２−Ｘｌとして計痒しなければならな
い。

次の走査時刻Ｔ３においては、第１パルス１〕１は第１
１図（Ｃ）に示すのにうに禁止領域にはいっているため
に（ｂ）図と状態に変化はなくＱ−１、Ｒ＝１を示して
いることになる。従ってステップ１３６においてイエス
と判定され、ステップ１３８に移り第２パルスを特定す
べきパルスとして計算する。従って第２パルスの変位Ｉ
Ｔｈ　Ｉ）　２−Ｘ２を変位量として耐算覆る。

次の走査時刻Ｔ３においては、第１１図（ｄ　）のよう
なパルスの位置関係が得られる。これによれば第１パル
スは禁止ゾーンから有効ゾーンへ移行しているためにＱ
−１、Ｒ＝２である。しだがつてステップ１４０におい
てイエスと判定され、ステップ１４３に移行する。ステ
ップ１４３では、現在の第１パルスの位置と前走査時に
お（）るパルスの位置との差即ちＰｌ−Ｘｉが所定の値
Ｍより大きいが小さいかを判定する。大きい場合にはパ
ルスは左移動であり、小さい場合はパルスが右移動であ
ることを示しているためにステップ１３８に移る。即ち
、ステップ１３８では、第２パルスに注目して偏差を求
める。次の走査時刻Ｔ４にａ３いては、第１１図（ｅ）
に示づようなパルス配置になる。この場合には、第１パ
ルスは、前走査時において有効ゾーンにあり、今回の走
査時においても又有効ゾーンにある。従ってＱ＝２、Ｒ
＝２となり、ステップ１２０にｉＪ’３いてイエスと判
定されてステップ１２２において、第１パルスに注目し
てその偏差が計算される。そしＣスミツブ１２４におい
て累積加算されることになる。

以上のようにして左方向の移動及び右方向の移動及びこ
れらを総合した左右混存した移動についても同様に測定
できることになる。

第１０図及び第１１図の図式は、模式的に大ぎく移動量
を書いているが実際には微小な移動量である。以」二の
実施例においては、各イメージセンυに１つの有効ゾー
ン及び１つの禁止ゾーンを定めているが変位を検出する
ための特定パルスを選定する手段は決して該方法には限
定されるものではない。

イメージセンサの１次元配列方向を、光学的スケールの
格子模様に対して鋭角配置さぜることにずれば０．１ｍ
ｍ間隔で配設されている光学的パターンの内で２つのパ
ターンだリイメージヒンυ゛上に配列されることもでき
る。又レンズを使って拡大づることによってイメージセ
ンサ上に２つ配列することも可能である。又本実施例で
は直線上に変位する変位量測定を用いたがこれを円周上
にパルスパターンを配設し、これを回転させて同じよう
な方法により回転変位および回転速度を検出することも
可能である。要は本発明は少なくとも２つのパルス映像
を同時に射像させることが必要であり、複数系統で求め
た各移動量の平均値を求めこの平均移動Ｍを累算して行
き、それができなくなったときに後続する第２のパルス
に注目してそのパルスの平均移動量をさらに累積加算す
るようにしたものである。

従って本発明装置によれば測定粘度は、パルス周期間隔
の精度には全く依存しない。イメージはレザ上のパルス
映像の位置を４　Ｍ　ｌ−ｌ　ｚのクロックで検出して
いるために極めて正確な精度の測定が可能である。イメ
ージセンサは、おおむね１画素が１０数ミクロンの単位
でできているために分解能は１０数ミクロン割る倍率と
言う結果になる。

この結果、分解能はＯ９数ミクロン程度であると考察す
ることができる。又、パルス映像の測定系を複数段り、
移動量の平均をとるため、光源の照度の不均一性、イメ
ージセンサの画素感度の不均一性、光学的変位スケール
の１パルスパターンの光学的特質の不均一性のために、
パルス映像の移動に伴って、パルス映像が歪むことにに
る測定誤差が緩和され精度の高い測定が可能である。特
に前述した様に実施態様であげた手法は、その誤差の補
（Ｒ効果が大きい。この様に本発明装置によれば光学的
スケールのピッチ間隔には問題なく極めて精密な変位あ
るいは速度の測定が可能である。

従って光学的スケールの製造が容易になるという特質を
有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる光学的変位検出装置の発明概念
を説明したブロックダイアグラムである。 第２図は、本発明装置の変位測定原理を説明した原理説
明図である。第３図は、イメージセンＩ犬上のパルス映
像の不均一性を示す説明図である。第４図は、本発明装
置の光学系の構成を示づ説明図である。第５図は本発明
にかかる具体的１実施例の光学的変位検出装置の構成を
示したものである。 第６図は同実施例の内パルス映像位置検出装置の詳細な
構成を示したブロックダイ１７グラムである。 第７図は、同第４図にお【ブる作動を説明覆る１ζめの
信号波形である。第８図は同じく第６図図示の装置のＶ
「動を示すためのタイミングヂャー１へである。第９図
は、同実施例において使用されるデータ処理装置の処理
フローを示したフローヂャートである。第１０図は、左
移動の処理の概念を説明覆る概念説明図である。同１１
図は同じく右方向移動の処理を示す概念説明図である。 ２０・・・・・・光学的変位スケール ４０・・・・・・光学系 ４２・・・・・・光学的投射器 ４４ａ、、４．４ｂ・・・・・・イメージセン（〕−６
０ａ　、６０ｂ・・・・・・パルス映像位置検出装置８
０・・・・・・データ処理装置 ９０・・・・・・パルス映像特定部 ９２・・・・・・移勤め鋒出部 ９３・・・・・・移動ｍ平均部 ９４・・・・・・平均移動邑積算部 特Ｒ′Ｆ出願人　　豊田工機株式会社 代理人　　弁理士　　大川　宏 同　　　弁理士　　藤谷　修 同　　　弁理士　　丸山明夫 第１０図 第１１図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）光学的特質が、相対的変位方向に対し、周期的に
   変動するパルス状パターンを有する光学的変位スケール
   と、 該光学的変位スケールの有する光学的パルス状パターン
   を受像する少なくとも２つのイメージセンサと、前記光
   学的変位スケールの光学的パルス状パターンを、前記各
   イメージセンサ上に結像させて、光学的変位スケールと
   の相対移動によって、各イメージセンサ上に常時少なく
   とも２つの移動Ｊるパルス映像を得る光学的投射器とを
   右する光学系と、 前記各イメージセンサから、それを一定周期毎に走査し
   て前記パルス映像に対応したパルス信号を入力し、該パ
   ルス映像のイメージセンＶ上の位置を検出する少なくと
   も２つのパルス映像位置検出装置と、 該各パルス位置検出装置かうの出力信号を走査周期毎に
   処理して、可動物の変位を計測するデータ処理装置とか
   ら成り、 前記データ処理装置は、走査円１１］毎に、パルス映像
   の各イメージセンサ上の位置関係により、少なくとも過
   去１走査周期間のパルス映像の各移動量を求める得るパ
   ルス映像を特定づるパルス映像特定部と、前記パルス映
   像特定部によって特定されたパルス映像に注目して走査
   周期毎にパルス映像移動量を求める移動■算出部と、 該移動吊輝出部から求められた各イメージはンサに対応
   する各パルス映像移動量の平均値を求める平均値鋒出部
   ′と、 走査周期毎に、前記パルス映像特定部及び移動量算出部
   を順序制御し、前記パルス映像移動量の平均値を積算す
   る移動量積算部と、 から成り、走査周期の経過に伴なうパルス映像の１ｉｌ
   ｌｌ散的移動に対し、順次後続パルスに注目しで、各イ
   メージセンサ上の各パルス映像移動量の平均値を累積加
   算することを特徴と覆る光学的変位側。 定装置。
2. （２）前記光学的変位スケールは、直線方向に移動覆る
   移動台に固定された長尺状の光学的変位スケールである
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光学的変
   位測定装置。
3. （３）前記光学的変位スケールは円盤円周上に配設され
   たラブイモル円形スケールであり、該光学的変位スケー
   ルの回転と、回転体の回転とが同期回転するように、該
   光学的変位スケールを回転体と連系し回転体の回°転変
   位を測定覆ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の光学的変位測定装置。
4. （４）前記光学的投躬器は、 単一の光源と、該光源からの単一の光束を２系統に分離
   する光束分離手段と、該２系統に分量１された光束を前
   記光学的スケールに照射し、かつその照射強度分布を、
   相対移動方向に対して対称と覆る光学的レンズ系とから
   成り、 該照射パターンを２つのイメージセンサによって対称的
   に受光づることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至
   第３項記載の光学１白変位１１１１１定装置。
5. （５）前記、相対移動方向に対して、２つの対杓−な強
   度分布を有する光束の光学的スケールへのｊｌ、％ｊ射
   部位は、前記光学的スケール上の同一８１（（Ｑで・あ
   り、その２系統の光束の照射角を異にづ−ること（こよ
   って、それに対応づ−る反剣角の異なる２系統の光束を
   ２つのイメージセンサで受光することを特徴とする特許
   請求の範囲第４項記載の光学１内変Ｂｔ測定装置。。