JP2002062109A - 光学式位置検出装置 - Google Patents
光学式位置検出装置Info
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- JP2002062109A JP2002062109A JP2000250406A JP2000250406A JP2002062109A JP 2002062109 A JP2002062109 A JP 2002062109A JP 2000250406 A JP2000250406 A JP 2000250406A JP 2000250406 A JP2000250406 A JP 2000250406A JP 2002062109 A JP2002062109 A JP 2002062109A
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- Measurement Of Optical Distance (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 投光素子とPSDからなる光学式位置検出装
置の検出精度を上げる。 【構成】 投光素子11とPSD12からなる光学式位
置検出装置で、PSD12からの光電流の2出力は、電
流−電圧変換手段13a、13bによって、電圧に変換
される。投光素子駆動制御手段14は、この2つの電圧
の内いずれか高い方が一定になる様に投光素子駆動手段
15を制御する。また、2つの出力は、加算器16で2
出力の和を求め、減算器17で2出力の差を求め、除算
器18により2出力の差/和を求め、既知であるPSD
12のチップサイズを基に、入射位置を算出する。
置の検出精度を上げる。 【構成】 投光素子11とPSD12からなる光学式位
置検出装置で、PSD12からの光電流の2出力は、電
流−電圧変換手段13a、13bによって、電圧に変換
される。投光素子駆動制御手段14は、この2つの電圧
の内いずれか高い方が一定になる様に投光素子駆動手段
15を制御する。また、2つの出力は、加算器16で2
出力の和を求め、減算器17で2出力の差を求め、除算
器18により2出力の差/和を求め、既知であるPSD
12のチップサイズを基に、入射位置を算出する。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、投光素子と位置検
出素子(Position Sensitive Detector、以下PSDと
表記する。)を使用して、位置検出を行う分野全般に関
する。特に、細かい位置検出や2軸の位置検出が求めら
れる分野に有効であり、その代表的な応用分野として
は、カメラレンズ等の携帯型の機器における防振装置用
の位置検出への適用がある。
出素子(Position Sensitive Detector、以下PSDと
表記する。)を使用して、位置検出を行う分野全般に関
する。特に、細かい位置検出や2軸の位置検出が求めら
れる分野に有効であり、その代表的な応用分野として
は、カメラレンズ等の携帯型の機器における防振装置用
の位置検出への適用がある。
【0002】
【従来の技術】対向する投光素子とPSDを用いて光学
式位置検出装置として利用する技術は従来よりあった。
式位置検出装置として利用する技術は従来よりあった。
【0003】ここでPSDについて説明する。PSD
は、フォトダイオードの表面抵抗を利用して光スポット
の位置を検出するセンサである。PSDに入射した光
は、光電変換され、光電流として電極から分割出力され
る。抵抗層は全面に均一な抵抗値を持つように作られて
いるので、光電流は電極−入射光位置距離(∝抵抗値)
に逆比例して分割され、出力される。1次元のPSDは
受光チップの両端から外部への出力端子が出ている。こ
の両端、2つの出力端子からの光電力をI1、I2とす
ると、図6のような検出位置との関係になる。
は、フォトダイオードの表面抵抗を利用して光スポット
の位置を検出するセンサである。PSDに入射した光
は、光電変換され、光電流として電極から分割出力され
る。抵抗層は全面に均一な抵抗値を持つように作られて
いるので、光電流は電極−入射光位置距離(∝抵抗値)
に逆比例して分割され、出力される。1次元のPSDは
受光チップの両端から外部への出力端子が出ている。こ
の両端、2つの出力端子からの光電力をI1、I2とす
ると、図6のような検出位置との関係になる。
【0004】チップの大きさをLとすると、チップの中
心からの入射位置は式1の様にチップの半分の大きさ
(L/2)と(I1−I2)を積算し、(I1+I2)
で除算すれば算出できる。
心からの入射位置は式1の様にチップの半分の大きさ
(L/2)と(I1−I2)を積算し、(I1+I2)
で除算すれば算出できる。
【0005】
【数1】
【0006】式1には、投光素子のパラメータが一切出
ていないが、PSDの光電力が飽和状態にならない限
り、PSDの光電力(I1、I2)は投光素子の明るさ
に比例する。暗電流等の影響を考慮すると、できる限り
投光素子の明るさを上げて、PSDの光電流を上げた方
が精度的に有利になる。これはスポット光源についての
事になるが、PSDのチップの検出方向に対して巾の狭
い平行光や、検出方向に対した対称性の高い光強度分布
を持つような入射光を与えられた場合、近似的に式1が
成り立つ。
ていないが、PSDの光電力が飽和状態にならない限
り、PSDの光電力(I1、I2)は投光素子の明るさ
に比例する。暗電流等の影響を考慮すると、できる限り
投光素子の明るさを上げて、PSDの光電流を上げた方
が精度的に有利になる。これはスポット光源についての
事になるが、PSDのチップの検出方向に対して巾の狭
い平行光や、検出方向に対した対称性の高い光強度分布
を持つような入射光を与えられた場合、近似的に式1が
成り立つ。
【0007】2次元の位置検出を2組の1次元位置検出
装置で行うことができる。移動する被検出物が各1次元
位置検出装置の検出方向のみにしか動かないような装置
にすることも可能であるが装置が大掛かりになってしま
う。一般的な方法としては、大元になる移動装置自体は
共通で、各1次元位置検出装置が必要な検出方向成分を
抽出することになる。検出方向に垂直な方向による投光
素子の光強度分布も投光光量に影響し、1次元的な動き
に比べて、検出位置毎にチップの受ける光量は大きく変
化する。しかしながら、光量や光量の総和が変化して
も、式1は、2出力の差を和で除算するので数字上は影
響は受けない。
装置で行うことができる。移動する被検出物が各1次元
位置検出装置の検出方向のみにしか動かないような装置
にすることも可能であるが装置が大掛かりになってしま
う。一般的な方法としては、大元になる移動装置自体は
共通で、各1次元位置検出装置が必要な検出方向成分を
抽出することになる。検出方向に垂直な方向による投光
素子の光強度分布も投光光量に影響し、1次元的な動き
に比べて、検出位置毎にチップの受ける光量は大きく変
化する。しかしながら、光量や光量の総和が変化して
も、式1は、2出力の差を和で除算するので数字上は影
響は受けない。
【0008】図4及び図5は従来例の投光素子とPSD
を用いた光学式位置検出装置の回路ブロック図である。
を用いた光学式位置検出装置の回路ブロック図である。
【0009】入射位置を算出するには、図4に示す光学
式位置検出装置で行うことができる。つまり、PSD1
2の2出力の光電流を電流−電圧変換手段13a、13
bで電圧に変換し、その2出力の減算器17の差の出力
を加算器16の和出力を除算器18で除算する。実際の
回路では、得られた電圧値をいずれかの段階でA/D変
換し、デジタル信号化する。投光素子11の明るさは数
字上は影響はないが、実際の回路においては、暗電流の
影響や、演算精度の関係で、できる限り投光素子11の
明るさを上げて、PSD12の光電流を上げた方が精度
的に有利になる。
式位置検出装置で行うことができる。つまり、PSD1
2の2出力の光電流を電流−電圧変換手段13a、13
bで電圧に変換し、その2出力の減算器17の差の出力
を加算器16の和出力を除算器18で除算する。実際の
回路では、得られた電圧値をいずれかの段階でA/D変
換し、デジタル信号化する。投光素子11の明るさは数
字上は影響はないが、実際の回路においては、暗電流の
影響や、演算精度の関係で、できる限り投光素子11の
明るさを上げて、PSD12の光電流を上げた方が精度
的に有利になる。
【0010】図5に示す光学式位置検出装置でも投光素
子11の光量をPSD12の総光量出力を一定にする制
御するような投光素子11の光量を制御する投光素子駆
動制御手段14を有する技術があった。図4及び図5で
示す光学式位置検出装置で、光電流が低い場合、増幅器
が必要になる。また、実際に検出位置として利用する場
合、A/D変換器や、CPUを使用する事もある。CP
UがA/D変換器やブロック図内の部品をも兼用する場
合もある。
子11の光量をPSD12の総光量出力を一定にする制
御するような投光素子11の光量を制御する投光素子駆
動制御手段14を有する技術があった。図4及び図5で
示す光学式位置検出装置で、光電流が低い場合、増幅器
が必要になる。また、実際に検出位置として利用する場
合、A/D変換器や、CPUを使用する事もある。CP
UがA/D変換器やブロック図内の部品をも兼用する場
合もある。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】投光素子とPSDから
なる従来例で示す光学式位置検出装置の検出精度を上げ
るには使用部品点数を増やしたり、精度の高い部品を使
うなどの大きな変更をしなければならなかった。
なる従来例で示す光学式位置検出装置の検出精度を上げ
るには使用部品点数を増やしたり、精度の高い部品を使
うなどの大きな変更をしなければならなかった。
【0012】
【課題を解決するための手段】投光素子とPSDからな
る光学式位置検出装置において、PSDからの2つの出
力で、高出力側が常に一定となるように投光素子の光量
を制御する制御手段を設けることで検出精度を高くし
た。また、投光素子とPSDからなる光学式位置検出装
置において、PSDからの出力により投光素子の光量の
制御を行う際に、投光素子の制御を間欠制御で行うこと
でPSDから出力される光出力を可能な限り高く制御す
ることにより、少ない部品で光学式位置検出装置の検出
精度を上げる。
る光学式位置検出装置において、PSDからの2つの出
力で、高出力側が常に一定となるように投光素子の光量
を制御する制御手段を設けることで検出精度を高くし
た。また、投光素子とPSDからなる光学式位置検出装
置において、PSDからの出力により投光素子の光量の
制御を行う際に、投光素子の制御を間欠制御で行うこと
でPSDから出力される光出力を可能な限り高く制御す
ることにより、少ない部品で光学式位置検出装置の検出
精度を上げる。
【0013】
【発明の実施の形態】図1は実施例1の光学式位置検出
装置の回路ブロック図である。図において、11が投光
素子、12がPSDである。PSD12は電流−電圧変
換手段13a、13bに接続されている。
装置の回路ブロック図である。図において、11が投光
素子、12がPSDである。PSD12は電流−電圧変
換手段13a、13bに接続されている。
【0014】投光素子とPSDからなる光学式位置検出
装置においては、投光素子11の明るさが一定であって
も、投光素子11からの総受光量は必ずしも一定とは限
らない。例えば、その要因として、投光素子11投光部
の指向性が角度によって異なったり、2次元的な動きを
する位置検出対象物の検出成分方向のみを検出するが、
検出成分方向以外の影響により、総受光量が変化してし
まったりすること等が要因になる。これを対策するため
に従来技術として図4で示した光学式位置検出装置の回
路ブロック図でも総受光量(2つの光出力の和)を一定
にすることで、図6に示すような関係ができる。
装置においては、投光素子11の明るさが一定であって
も、投光素子11からの総受光量は必ずしも一定とは限
らない。例えば、その要因として、投光素子11投光部
の指向性が角度によって異なったり、2次元的な動きを
する位置検出対象物の検出成分方向のみを検出するが、
検出成分方向以外の影響により、総受光量が変化してし
まったりすること等が要因になる。これを対策するため
に従来技術として図4で示した光学式位置検出装置の回
路ブロック図でも総受光量(2つの光出力の和)を一定
にすることで、図6に示すような関係ができる。
【0015】一般的に位置検出をするにあたり、計測さ
れる数値に対してどの程度の割合の分解能があるかとい
うのが位置検出の精度になる。
れる数値に対してどの程度の割合の分解能があるかとい
うのが位置検出の精度になる。
【0016】例えば、10μmの計測に対しての1μm
の分解能が必要でも1mmの計測に対しての100μm
の分解能で十分になる場合が多い。総受光量を一定にす
る制御は、式1で示されるPSDの位置検出の分母(2
出力の和)を一定にするので、分解能は位置によらず、
一定になる。
の分解能が必要でも1mmの計測に対しての100μm
の分解能で十分になる場合が多い。総受光量を一定にす
る制御は、式1で示されるPSDの位置検出の分母(2
出力の和)を一定にするので、分解能は位置によらず、
一定になる。
【0017】
【数2】
【0018】この場合の位置は、中心部からのずれで示
す。これは図5に示す光学式位置検出装置のブロック図
で示すものである。
す。これは図5に示す光学式位置検出装置のブロック図
で示すものである。
【0019】本発明ではPSD12の2出力である電流
−電圧変換手段13a、13bの出力の内、大きくなる
側を光学素子駆動制御手段により一定にしている。
−電圧変換手段13a、13bの出力の内、大きくなる
側を光学素子駆動制御手段により一定にしている。
【0020】従来例であるPSDの入射位置と光電力I
1、I2を示す図6によると、PSDの中心部は、丁度
半分のレベルまでしか使用していない。しかし、本発明
を適応したPSDの入射位置と光電力I1、I2を示す
図2の中心部を見ると、光電流のレベルが図6の2倍に
なっている事が分かる。中心部の精度は2倍になる。
1、I2を示す図6によると、PSDの中心部は、丁度
半分のレベルまでしか使用していない。しかし、本発明
を適応したPSDの入射位置と光電力I1、I2を示す
図2の中心部を見ると、光電流のレベルが図6の2倍に
なっている事が分かる。中心部の精度は2倍になる。
【0021】PSD12からの光電流の2出力は、電流
−電圧変換手段13a、13bによって、電圧に変換さ
れる。投光素子駆動制御手段14は、この2つの電圧の
内いずれか高い方が一定になる様に投光素子駆動手段1
5を制御する。また、2つの出力は、加算器16で2出
力の和を求め、減算器17で2出力の差を求め、除算器
18により2出力の差/和を求め、既知であるPSD1
2のチップサイズを基に、式1の位置を算出する。
−電圧変換手段13a、13bによって、電圧に変換さ
れる。投光素子駆動制御手段14は、この2つの電圧の
内いずれか高い方が一定になる様に投光素子駆動手段1
5を制御する。また、2つの出力は、加算器16で2出
力の和を求め、減算器17で2出力の差を求め、除算器
18により2出力の差/和を求め、既知であるPSD1
2のチップサイズを基に、式1の位置を算出する。
【0022】本説明、及び、ブロック図は、極一般的な
モデルについて記したが、光電流が低い場合、増幅器が
必要になったり、除算器や、投光素子駆動制御手段に、
CPU等を使用する事もある。また、PSDの光電流の
2出力を電圧に変換した後に投光素子駆動制御手段へ入
力しているが、電流のまま入力する制御方法もある。
モデルについて記したが、光電流が低い場合、増幅器が
必要になったり、除算器や、投光素子駆動制御手段に、
CPU等を使用する事もある。また、PSDの光電流の
2出力を電圧に変換した後に投光素子駆動制御手段へ入
力しているが、電流のまま入力する制御方法もある。
【0023】また、式1において、電流(図1における
電流−電圧変換手段13a、13bの出力では電圧)の
2つの変数の内一つが正確に制御できると、残りの変数
は一つなので演算という手段でなく、テーブル的に入射
位置を得られるというメリットもある。
電流−電圧変換手段13a、13bの出力では電圧)の
2つの変数の内一つが正確に制御できると、残りの変数
は一つなので演算という手段でなく、テーブル的に入射
位置を得られるというメリットもある。
【0024】次に別の実施例について説明する。
【0025】図3は実施例2の光学式位置検出装置の回
路ブロック図である。図において、11が投光素子、1
2がPSDである。PSD12は電流−電圧変換手段1
3a、13bに接続されている。
路ブロック図である。図において、11が投光素子、1
2がPSDである。PSD12は電流−電圧変換手段1
3a、13bに接続されている。
【0026】投光素子11とPSD12からなる光学式
位置検出装置において、PSD12からの出力により投
光素子11の光量の制御を行うとは、投光素子11の明
るさを制御することになる。電流制御や、電圧制御等が
あるが、実際に生産するにあたって、携帯タイプへのそ
の方式を導入するには部品数等が大掛かりになる。間欠
制御で投光素子駆動手段を制御する場合、トランジスタ
ー等のスイッチング素子と、電流制限用の抵抗等で極め
て簡単な部品で実現することができる。また、投光素子
駆動手段制御側も簡単な部品で実現できる。しかしなが
ら、投光部の間欠制御を行った場合、投光部は、そのO
N・OFF時のduty比に比例した明るさで連続的に
発光し続ける訳でない。また、逆に、応答性良く投光部
が点滅し、PSD12もそれに極めて俊敏に対応する訳
でない。投光素子11とPSD12の応答速度によって
PSD12の出力が鈍り、また、実際の回路において
は、電圧値をデジタル値にする際のA/D変換の電圧サ
ンプリング時間等によっても鈍る。また、式1に示す様
な関係なので、複数回のA/D変換のサンプリングタイ
ミングを一定にする事により、duty制御によるPS
D12のバラツキの影響を相殺させる。この際の制御対
象であるが、実施例1のPSD12の出力の高い側ばか
りでなく、総受光量でも良い。
位置検出装置において、PSD12からの出力により投
光素子11の光量の制御を行うとは、投光素子11の明
るさを制御することになる。電流制御や、電圧制御等が
あるが、実際に生産するにあたって、携帯タイプへのそ
の方式を導入するには部品数等が大掛かりになる。間欠
制御で投光素子駆動手段を制御する場合、トランジスタ
ー等のスイッチング素子と、電流制限用の抵抗等で極め
て簡単な部品で実現することができる。また、投光素子
駆動手段制御側も簡単な部品で実現できる。しかしなが
ら、投光部の間欠制御を行った場合、投光部は、そのO
N・OFF時のduty比に比例した明るさで連続的に
発光し続ける訳でない。また、逆に、応答性良く投光部
が点滅し、PSD12もそれに極めて俊敏に対応する訳
でない。投光素子11とPSD12の応答速度によって
PSD12の出力が鈍り、また、実際の回路において
は、電圧値をデジタル値にする際のA/D変換の電圧サ
ンプリング時間等によっても鈍る。また、式1に示す様
な関係なので、複数回のA/D変換のサンプリングタイ
ミングを一定にする事により、duty制御によるPS
D12のバラツキの影響を相殺させる。この際の制御対
象であるが、実施例1のPSD12の出力の高い側ばか
りでなく、総受光量でも良い。
【0027】PSD12からの光電流の2出力は、電流
−電圧変換手段13a、13bによって、電圧に変換さ
れる。投光素子駆動制御手段14aは、この2つの電圧
の内いずれか高い方が一定になる様に投光素子駆動手段
15を制御する。この投光素子駆動手段15は、間欠制
御により、投光素子11を制御し、複数回のA/D変換
を行って位置を算出したり、繰り返し位置算出を行いそ
の精度の高める等の必要がある場合、同期回路も用い投
光素子のON若しくは、OFFのタイミングにA/D変
換の開始等と同期をとらせる。また、2つに出力は、加
算器16で2出力の和を求め、減算器17で2出力の差
を求め、除算器18により2出力の差/和を求め、既知
であるPSD12のチップサイズを基に、式1の位置を
算出する。本説明、及び、ブロック図は、応用例1のP
SDからの光電流の2出力の高い方を一定にする様な制
御方法について記しているが、総受光量を一定にする様
な制御方法も考え得る。また、極一般的なモデルについ
て記したが、光電流が低い場合、増幅器が必要になった
り、除算器や、投光素子駆動制御手段に、CPU等を使
用する事もある。また、PSDの光電流の2出力を電圧
に変換した後に投光素子駆動制御手段へ入力している
が、電流のまま入力する制御方法もある。
−電圧変換手段13a、13bによって、電圧に変換さ
れる。投光素子駆動制御手段14aは、この2つの電圧
の内いずれか高い方が一定になる様に投光素子駆動手段
15を制御する。この投光素子駆動手段15は、間欠制
御により、投光素子11を制御し、複数回のA/D変換
を行って位置を算出したり、繰り返し位置算出を行いそ
の精度の高める等の必要がある場合、同期回路も用い投
光素子のON若しくは、OFFのタイミングにA/D変
換の開始等と同期をとらせる。また、2つに出力は、加
算器16で2出力の和を求め、減算器17で2出力の差
を求め、除算器18により2出力の差/和を求め、既知
であるPSD12のチップサイズを基に、式1の位置を
算出する。本説明、及び、ブロック図は、応用例1のP
SDからの光電流の2出力の高い方を一定にする様な制
御方法について記しているが、総受光量を一定にする様
な制御方法も考え得る。また、極一般的なモデルについ
て記したが、光電流が低い場合、増幅器が必要になった
り、除算器や、投光素子駆動制御手段に、CPU等を使
用する事もある。また、PSDの光電流の2出力を電圧
に変換した後に投光素子駆動制御手段へ入力している
が、電流のまま入力する制御方法もある。
【0028】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
投光素子とPSDからなる光学式位置検出装置におい
て、検出精度を上げることができる。
投光素子とPSDからなる光学式位置検出装置におい
て、検出精度を上げることができる。
【図1】実施例1の光学式位置検出装置の回路ブロック
図である。
図である。
【図2】SDの入射位置と光電力I1、I2を示す図で
ある。
ある。
【図3】実施例2の光学式位置検出装置の回路ブロック
図である。
図である。
【図4】従来例の投光素子とPSDを用いた光学式位置
検出装置の回路ブロック図である。
検出装置の回路ブロック図である。
【図5】従来例の投光素子とPSDを用いた光学式位置
検出装置の回路ブロック図である。
検出装置の回路ブロック図である。
【図6】SDの入射位置と光電力I1、I2を示す図で
ある。
ある。
11 投光素子 12 PSD 13a 電流−電圧変換手段 13b 電流−電圧変換手段 14 投光素子駆動制御手段 14a 投光素子駆動制御手段 14b 同期回路 15 投光素子駆動手段 16 加算器 17 減算器 18 除算器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2F065 AA06 BB05 DD02 DD04 FF09 JJ03 JJ09 JJ16 NN02 NN17 PP22 RR07 UU01 UU02 2F112 AA02 BA06 BA11 CA12 DA28 EA09 5J084 AA04 AC08 AD06 BA33 CA45 DA07 DA09 EA04 FA03
Claims (2)
- 【請求項1】 投光素子と位置検出素子(PSD)から
なる光学式位置検出装置において、位置検出素子からの
2つの出力を、高出力側が常に一定となるように投光素
子の光量を制御する投光素子駆動制御手段を設けたこと
を特徴とする光学式位置検出装置。 - 【請求項2】 投光素子と位置検出素子(PSD)から
なる光学式位置検出装置において、位置検出素子からの
出力により投光素子の光量の制御を行う際に、投光素子
の制御を間欠制御で行うことを特徴とする光学式位置検
出装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000250406A JP2002062109A (ja) | 2000-08-22 | 2000-08-22 | 光学式位置検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000250406A JP2002062109A (ja) | 2000-08-22 | 2000-08-22 | 光学式位置検出装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2002062109A true JP2002062109A (ja) | 2002-02-28 |
Family
ID=18739977
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2000250406A Pending JP2002062109A (ja) | 2000-08-22 | 2000-08-22 | 光学式位置検出装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2002062109A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2518533C1 (ru) * | 2013-04-02 | 2014-06-10 | Александр Абрамович Часовской | Оптико-локационное устройство |
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2000
- 2000-08-22 JP JP2000250406A patent/JP2002062109A/ja active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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RU2518533C1 (ru) * | 2013-04-02 | 2014-06-10 | Александр Абрамович Часовской | Оптико-локационное устройство |
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