JP2005283248A - 変位センサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 対象物に光を照射する投光部と、所定の基準点から対象物までの距離に相関付けられた所定の部位に対象物から反射された反射光を受光する受光面をそれぞれ同一方向、且つ横並びに近接して配置されて該反射光のレベルを検出信号として出力する一対の受光素子と、これら一対の受光素子がそれぞれ出力した検出信号のいずれか一方を選択して出力する切替器が選択した前記検出信号のレベルを所定時間積算して出力する積分器と、この積分器が出力した出力値が所定の閾値に達したとき、前記切替器に選択した一方の前記検出信号を他方の検出信号に切り替える切替信号を出力する比較器と、前記比較器が前記切替器に入力する切替信号の一方の検出信号を選択する時間と他方の検出信号を選択する時間との和および差の比から前記対象物の変位を求める演算部を備える。
【選択図】 図1
Description
ちなみにこの式は、位置検出素子4の長手方向の中心を基準点として、その基準点から該位置検出素子4の受光面に到来した光の集光位置がどれだけずれて(変位して)いるのかを求める式である。
具体的に図21に示した光学系に上記した式を用いることで測定対象物Sの変位量を求めることができる。ちなみに変位センサが検出する変位量の検出手段は次のとおりである。まず、変位センサの光学系を調整して測定対象物Sから反射される反射光(スポット光)を位置検出素子4の長手方向(変位測定方向)の中央になるように予め位置付けておく。そして測定対象物Sが変位したとき、位置検出素子S上のスポット光が変位した変位量を変位センサが捉えることにより測定対象物Sの変位量を求める。
={(2・M・f/L)−Ld}/Ld=(1/L)・(2・M・f/Ld)−1
この式を変形すれば、測定対象物Sまでの距離Lは、次式で求めることができる。
L={(I1−I2)/(I1+I2)}・{(2・M・f/Ld)−1}
=k・(I1−I2)/(I1+I2)
ただし、k=(2・M・f/Ld)−1
このような原理に基づいて構成した従来の変位センサは、例えば図23に示すように構成されている。ちなみに、この図において位置検出素子(PSD)4の二つの出力端子4a,4bがそれぞれ出力する検出信号は、二つの受光素子が出力するものとして描いている。
また前記切替器、積分器および比較器は、ΔΣ変調を行う変調回路として構成される。つまり上述の変位センサは、受光素子が出力した検出信号(アナログ信号)をΔΣ変調を用いたフィードバック構成にしてディジタル信号として出力する。また、フィードバック経路に設けた積分器により混入したノイズを低減する。
このようなことから変位センサにおいて高精度が要求されるアナログ回路を極力少なくすることができ、簡易な構成であり、小型化、集積化が容易であるのみならず、精度の高い変位センサを実現することが可能となる。
図1は本発明一実施形態に係る変位センサの概略構成を示すブロック図である。尚、この図において従来の変位センサと同一機能を有する部位にあっては、同符号を付してその説明を略述する。
図1において12a,12bは、図示しない投光部から測定対象物Sに対して照射した光が、この測定対象物Sにより反射された反射光を受光する受光素子である。この受光素子12a,12bは、例えば二分割フォトダイオード(PD)や位置検出素子(PSD)が用いられる。この図にあっては、二分割フォトダイオードまたは位置検出素子に設けられて、検出信号を出力する二つの電極を、それぞれ二つの受光素子12a,12bに置き換えて描いたものである。これらの受光素子12a,12bは、それぞれの受光素子12a,12bが受光した反射光の量、具体的には受光素子12に到達した反射光が受光素子12a,12bの受光部に占める面積に比例したレベルの検出信号(電流)、または集光位置と電極までの距離に反比例したレベルの検出信号(電流)を出力する。そして受光素子12a,12bが出力した検出信号(電流値)は、次段のI/V変換器5a,5bに与えられて検出した電流値に比例した電圧値に変換されると共に、変換された電圧値を所定のレベルに増幅する増幅器6a,6bに与えられる。そして増幅器6a,6bから出力された信号は、次段のΔΣ変換部20に与えられる。
尚、上述した実施形態にあっては、I/V変換器5a,5bとその出力側に設けられた増幅器6a,6bとをそれぞれ別々に設けた回路構成をとっているが、I/V変換器5a,5bに入力される電流値を電圧値に変換(I/V変換)するとともに、次段のΔΣ変換部20への入力信号として相応しいレベルになるように増幅すれば、図2の変形例に示すように増幅器を省略してもよい。或いは、二つの受光素子12a,12bからそれぞれ出力される検出信号のレベルおよび信号の種類(電流値や電圧値)が次段のΔΣ変換部20の入力に相応しいものであれば、図3に示すようにI/V変換器5a,5bおよび増幅器6a,6bを省略してもかまわない。
このような特徴ある本発明の一実施形態に係る変位センサに関し、図面を参照しながらより詳細に説明する。図4は、図2に示す本発明の一実施形態に係る変位センサのブロック図からディジタルフィルタ25およびCPU26を省略した具体的実現回路の一例を示す図である。尚、この図にあっては、回路の作動を理解しやすくするため投光素子1、投光レンズ2、集光レンズ3からなる光学系も省略してある。尚、この図において上述した機能と同機能を満たす回路部位には、同符号を付してその説明を略述する。
さて、これら受光素子(フォトダイオードPD)12a,12bに流れる電流は、それぞれの受光素子12a,12bに入射した光の量に比例して増加する。また各フォトダイオード12a,12bのカソード側は、それぞれ接地される一方、アノード側は、I/V変換器5a,5bの役割を担うオペアンプ51,52の入力端子にそれぞれ接続される。
これらオペアンプ51,52は、I/V変換器として構成される。どちらも受光電流が増加することで、その電流量に応じた負側の電圧を発生させる。両オペアンプ51,52の入出力間には、増幅度を設定する抵抗器53,54がそれぞれ接続される。
この入力切替部21は、I/V変換器5a,5bから与えられた検出信号のいずれか一方を選択する役割を担っている。具体的に入力切替部21は、二つのスイッチ21a,21bから構成されている。これらスイッチ21a,21bの一方の端子は、それぞれI/V変換器5a,5bの役割を担うオペアンプ51,52の出力端子に接続されて該スイッチ21a,21bの他方の端子は共に接続され、次段のΔΣ変換部20に与えられる。このスイッチ21a,21bは互いに連動するように構成されて、一方のスイッチが導通しているときには、他方のスイッチは開放されるようになっている。そしてこのスイッチは、後述するΔΣ変換部20の比較器23の出力信号によって切り替えられるようになっている。つまりI/V変換器5a,5bのいずれか一方の出力信号は、入力切替部21により選択されてΔΣ変換部20に与えられる。
これら複数のスイッチは、例えば図4に示すように比較器23の出力yの値によらず、後述するクロック発生部24で発生される基準クロックのみで開閉状態が決定されるスイッチ27b、27dと、その基準クロックに加えて比較器23の出力yの値によって開閉状態が決定されるスイッチ27a,27cとからなり、これら四つのスイッチが連動して作動するようになっている。つまり比較器23の出力yが負の場合は、スイッチ27a,27bが導通状態になる。このとき、他の二つのスイッチ27c,27dは開放状態になる。そして、比較器23の出力yが同様に負の場合において、スイッチ27a,27bが開放状態になるときは、スイッチ27c,27dが導通状態になる。そして詳細は後述するが、これらのスイッチ群によりI/V変換器5a,5bから出力される電圧値を電荷として蓄えると共に、その蓄えた電荷を後段の積分器22に電圧値として与える入力サンプリング用コンデンサCの接続を切り替えるスイッチトキャパシタ回路27を構成する。
即ち、二相クロック[φ1]が論理[L]になる。しかしこの二相クロック[φ1]の論理[L]の状態は、遅延回路104を経由する。このため、NOR回路102の他方の入力端子には、基準クロック[φ]が論理[H]になった瞬間に、まだ二相クロック[φ1]の論理[H]状態が残っている。次いでNOR回路102には、二相クロック[φ1]が論理[L]になった後に、遅延回路104を経由して遅れた論理[L]状態が届く。これは二相クロック[φ1]が論理[L]になって十分時間が経過した後になる。二相クロック[φ2]は、この二相クロック[φ1]が論理[L]になって遅延回路104を経由した時間の後に、NOR回路102の二つの入力が、それぞれ論理[L]になるため論理[L]から論理[H]の状態へ遷移する。ちなみに遅延回路103,104は、例えば複数のインバータを多段接続し、各インバータの遅延時間を利用したり、コンデンサの充放電時間などを利用して構成すればよい。
またこの二相クロック生成回路には、二相クロック[φ2]の出力を反転させるインバータ106を備えている。このインバータ106は、二相クロック[φ2]を反転させたクロックを生成するものである。この反転した位相の二相クロック[φ2]は、後述する比較器23の出力信号をラッチするタイミングとなるものである。
このように比較器23の出力yの状態に応じて、スイッチトキャパシタ回路27におけるスイッチの位相を制御することで、積分器22の出力を反転、非反転状態にすることができる。
ここで一方のI/V変換器5aから出力される電圧を[V1]、他方のI/V変換器5bから出力される電圧を[V2]とする。するとどちらか一方の電圧が入力切替部21により切り替えられて積分器22に与えられる。このときの平均電圧を[V0=(V1+V2)/2]とし、差電圧を[ΔV=V1−V2]とする。これらの式から、[V1=V0+(ΔV/2)]、[V2=V0−(ΔV/2)]の二つの関係式が得られる。ここで入力切替部21が[V1]を選択した時間を[t1]、[V2]を選択した時間を[t2]とし、それぞれの時間の差を[Δt=t1−t2]とする。図4の回路図に示すようにI/V変換器の出力電圧が入力サンプリング用コンデンサCによってサンプリングされる際に、クロックの位相を制御することで、入力サンプリング用コンデンサCの電荷の符号を反転することが可能になる。したがって積分器22に与えられる出力信号の極性が逆転し、回路全体として一方は反転の積分回路、他方は非反転の積分回路を形成することになる。また、比較器23の出力電圧は、前述したように基準電位のレベルを閾値として入力切替部21を切り替えている。それ故、この比較器23は、積分器22の出力電圧が比較器23の基準電位になるようにフィードバックループを形成する役割を担うことになる。換言すれば、入力切替部21、積分器22および比較器23で構成される回路は、ある一定時間[t]に亘って測定したときの積分器22に対する入力電圧が基準電位になるようフィードバック制御する回路と見なすことができる。ここに、積分器22に入力される誤差電圧を[VE]は、次式で表すことができる。
={V0+(ΔV/2)}t1−{V0−(ΔV/2)}(t−t1)
=(ΔV/2)・t+V0・Δt
この式の両辺をt・V0で割ると、次式を得る。
(ΔV/2)・t+V0・Δt=VE
{ΔV/(2V0)}+(Δt/t)=(VE/V0)(1/t)
ここで上述したように比較器23が出力する切替信号をフィードバックしていることから誤差電圧VEは、平均電圧V0より小さい正の実数となることは明らかである。したがって[t]が十分大きいとすると、上式の右辺[1/t]は[0]に近づく。よって、次式を得る。
つまり位置検出素子4から出力される光電流に関する次式を得ることができる。
(V1−V2)/(V1+V2)=(t2−t1)/(t1+t2)
尚、前述したように比較器23の出力yは、基準クロックに基づいて出力される。このため[t1]ならびに[t2]の時間は、基準クロックに同期し、二相クロック[φ1]、[φ2]からなる一定周期を基本としたその周期の選択回数となる。この周期の選択回数は、例えばカウンタによって容易に計数することができる。よって、入力切替部21が[V1]を選択した回数を[N1]、[V2]を選択した回数を[N2]とすると、次式のように表すこともできる。
具体的に図8に示すように位置検出素子4に入射する反射光の受光位置が、受光面の長手方向に対して3:1に内分する点に位置している場合、この受光位置から遠い位置検出素子4の出力端子4aから出力される電流を[I1]、受光位置に近い側の位置検出素子4の出力端子4bから出力される電流を[I2]とすれば、[I2]の方が[I1]に比べて3倍の電流が流れることになる。すなわち[I2=3・I1]で示される電流の関係式が成立する。
積分器22の入力サンプリング用コンデンサCには、二相クロック[φ1]が論理[H]のときスイッチ27a,21bを介してI/V変換器5bの出力が接続される。入力サンプリング用コンデンサCの他端は、スイッチ27bによって接地されている。そして二相クロック[φ2]が論理[H]のときスイッチトキャパシタ回路27は、入力サンプリング用コンデンサCに接続されたスイッチ27aが開き、スイッチ27cが閉じる。一方、入力サンプリング用コンデンサCの他端側では、スイッチ27bが開かれ、スイッチ27dが閉じられる。このため、入力サンプリング用コンデンサCに充電されていた電荷を放電するように、積分コンデンサ22b(Ci)に対して逆向きの電荷が発生し、積分器22の出力電圧が上昇する。このときの積分器22の時定数(ゲイン)は、基準クロックとキャパシタ比[C/Ci]で決定される。ここでは、説明を簡単にするため、二相クロック[φ1]、[φ2]からなる1周期での積分結果が、丁度[1V]上昇するものと仮定する。
更に本発明に係る変位センサに用いる比較器23は、一般にラッチ付きコンパレータを用いればよい。つまり比較器23からは、二値のディジタル信号が出力される。このため工場内等のようにノイズが多い環境下で比較器23の信号線を引き回す場合があったとしてもノイズに強いディジタル信号故、十分使用に耐えることができる。
また本発明に係る変位センサにあっては、受光素子12そのものをΔΣ変換部20のフィードバック制御ループ内で制御してもよい。この場合、比較器23までのアナログ回路は、高精度が要求される部品点数が少なくて済む。つまり、本発明の変位センサは、高精度が要求される部品を多く用いることなく対象物の位置検出を行うことが可能である。更には一対の受光素子12a、12bがそれぞれ検出した出力信号の比は、比較器23から出力されるディジタル信号である。このため出力されるディジタル信号を用いれば、例えばパソコン等でデータ処理を行うことができ、高度な変位センサに適用することがAD変換器を用いてアナログ信号をディジタル信号に変換することなく可能である。
この図に示すようにI/V変換器5aから出力される信号は、入力切替部21を介して二相クロック[φ2]が論理[H]のときだけ入力切替部21のスイッチ21aを介して入力サンプリング用コンデンサCに与えられる。一方、I/V変換器5bから出力される信号は、二相クロック[φ1]が論理[H]のときだけ入力切替部21のスイッチ21bを介して入力サンプリング用コンデンサCに与えられる。これらのことから、スイッチ21aを閉じる条件を比較器23の出力yの条件に加えてクロックの位相が[φ2]のときのみ閉じるようにする。この図に示す回路は、スイッチ21bに対しても、比較器23の出力yの状態に加えて、二相クロック[φ2]が論理[H]のときのみ閉じるように変更したものである。このようにすることで、スイッチトキャパシタ回路27の中のスイッチ27aを省略できる。また、この回路においてスイッチ27cを閉じるときには、入力切替部21のスイッチ21a,21bが開放されるため、I/V変換器5a,5bの出力端子が切り離されることになる。このためI/V変換器5a,5bの出力は、短絡されない。
次に本発明の別の実施形態に係る変位センサについて図面を参照しながら説明する。この別の実施形態が上述した実施形態と異なるところは、受光素子12が検出した出力信号に対して連続時間の積分器を用いるところであり、離散化(ディジタル化)を比較器23の前段で行う点にある。
この図において、入力切替部21により選択されたI/V変換器5a,5bの出力電圧は、抵抗器Rを介して積分器22を構成するオペアンプ22aおよび積分器22のコンデンサ22bに与えられて、その積算値が比較器23に与えられる。つまり積分器22から出力される積算信号は、アナログ信号である。そして積分器22から出力されたI/V変換器5から出力された電圧は、基準値[0V]と比較する比較器23に与えられる。この比較器23は、所定の周波数のクロック信号を出力するクロック発生部24のクロック信号により比較動作が制御されている。具体的に比較器23は、クロック発生部24が出力するクロック信号の立ち上がりまたは立ち下がりエッジで積分器22が出力した出力電圧を基準値[0V]と比較する。このとき、上述したように積分器22が出力した電圧が基準値[0V]を上回っているとき、あるいは下回っているとき積分器22の出力が、基準値[0V]になるように切り替える。
或いは上述した方形の受光素子12に限らず例えば特開昭62−123784号公報に開示される受光素子(クサビ型受光素子:図18)を本発明に係る変位センサに適用してもよい。この場合、受光素子12の受光面に照射されるスポット光は、円形であっても(図18(a))、反射光をスリットを介して受光素子12の受光面に照射(図18(b))してもよい。このクサビ型受光素子は、いずれの形のスポット光であっても受光素子12の長手方向に対してこのスポット光を移動(変位)させたとき、各受光素子から出力される検出信号(電流値)の線形変化が大きくなることが知られている。したがって、上述したくさび形受光素子を用いて本発明に係る変位センサを構成した場合、ΔΣ変換部20から出力される信号をフィルタ25で平均化処理を行った後、CPU26によって演算処理を行えば、受光素子12の受光位置と受光素子12から出力される電流値の非線形性を補正することができ、変位計測に極めて有用である。
具体的には、図19に示すように本発明に係る変位センサ二組がそれぞれ備える受光素子の検出方向を互いに直行するように配置すれば、互いの変位センサがそれぞれ検出した変位量から測定対象物の変位を二次元で捉えることが可能である。図19において、二つの受光素子12a,12bとを電気的に結合させたものを第1の受光素子とみなし、更に別の二つの受光素子12c,12dとを電気的に結合させたものを第2の受光素子としてみなす。このようにすることで、こららの受光素子にスポット光が照射されたことによって発生する電流のうち、第1の受光素子12a,12bがそれぞれ発生する受光電流と、第2の受光素子12c,12dがそれぞれ発生する受光電流の大小を、上述した回路のよって比較すればY軸方向の位置を検出することができる。また、同様に第1の受光素子および第2の受光素子のそれぞれ一方の受光素子12a,12cと、それぞれ他方の受光素子12b,12dが出力した受光電流を用いることでX軸方向の位置を検出することができる。あるいは、図20に示すように本発明に係る変位センサ三組が等しく円弧を持つような扇型の形状であっても互いに隣り合う受光素子が出力する受光信号の比較を行うことで、スポット光がどの半径方向、角度方向に傾いているかの情報を得ることができる。これにより必要に応じて曲座標からXY座標への変換を施すことで、または曲座標のままであっても、物体の二次元上の位置情報として変位を検出できる。これらのように位置検出素子を平面上に配置するのではなく、特に図示しないが立体的に配置することで、測定対象物の変位を三次元的に検出することもできる等、実用上多大なる効果を奏する。
6a,6b 増幅器
20 ΔΣ変換部
21 入力切替部
22 積分器
23 比較器
24 クロック発生部
25 ディジタルフィルタ
26 CPU
Claims (4)
- 対象物に光を照射する投光部と、
所定の基準点から前記対象物までの距離に相関付けられた所定の部位に該対象物から反射された反射光を導く光学系と、
この光学系により導かれた前記反射光を受光する受光面をそれぞれ同一方向、且つ横並びに近接して配置されて該反射光のレベルを検出信号として出力する一対の受光素子と、
これら一対の受光素子がそれぞれ出力した前記検出信号のいずれか一方を選択して出力する切替器と、
この切替器が選択した前記検出信号を所定時間積算して出力する積分器と、
この積分器が出力した出力値が所定の閾値に達したとき、前記切替器に選択した一方の前記検出信号を他方の検出信号に切り替える切替信号を出力する比較器と、
前記比較器が前記切替器に入力する切替信号の一方の検出信号を選択する時間と他方の検出信号を選択する時間との和および差の比から前記対象物の変位を求める演算部を備えることを特徴とする変位センサ。 - 対象物に光を照射する投光部と、
所定の基準点から前記対象物までの距離に相関付けられた所定の部位に該対象物から反射された反射光を導く光学系と、
この光学系により導かれた前記反射光を受光する受光面をそれぞれ同一方向、且つ横並びに近接して配置されて該反射光のレベルを検出信号として出力する一対の受光素子と、
これら一対の受光素子がそれぞれ出力した前記検出信号のいずれか一方を選択して出力する切替器と、
この切替器が選択した前記検出信を積算して出力する積分器と、
この積分器の出力レベルを予め定めた時間毎に所定の基準値と比較し、該出力レベルが所定の閾値に達したとき、前記切替器に選択した一方の前記検出信号を他方の検出信号に切り替える切替信号を出力する比較器と、
前記比較器が前記切替器に入力する切替信号の一方の検出信号を選択する時間と他方の検出信号を選択する時間との和および差の比から前記対象物の変位を求める演算部を備えることを特徴とする変位センサ。 - 請求項1または2に記載の変位センサであって、
更に前記比較器が出力する切替信号の平均レベルを求めるフィルタを備え、
前記演算部は、前記フィルタを介して出力される切替信号の平均レベルから前記対象物の変位を求めるものである変位センサ。 - 前記切替器、積分器および比較器は、ΔΣ変調を行う変調回路であることを特徴とする請求項1または2に記載の変位センサ。
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