JP2928061B2

JP2928061B2 - 変位センサ

Info

Publication number: JP2928061B2
Application number: JP19261793A
Authority: JP
Inventors: 育夫西本
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 1993-08-03
Filing date: 1993-08-03
Publication date: 1999-07-28
Anticipated expiration: 2014-07-28
Also published as: JPH0750571A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、光を物体に照射し物
体までの距離を検出する装置に係り、より詳しくは設定
された距離からの変位を出力する変位センサに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】図５は従来の光位置検出素子（ＰＳＤ）
の縦断面図、図６は図５に示す光位置検出素子の特性を
説明する特性図、図７は位置検出用の変位センサの基本
的な動作を説明するために単線をもって描いた構成図、
図８は変位センサの被検出物体までの距離Ｘと受光面上
の輝点像の位置Ｙとの関係を示す特性図である。図７に
おいて、１は変位センサ、２は光学系に相当し、主とし
てレンズにより構成されるレンズ系である。３は投光部
で主として発光ダイオード等の発光素子により構成され
る。４は受光面上に配設された受光部で、主として受光
素子により構成される。５は信号処理部、６は被検出物
体、７は背景である。

【０００３】図７において投光部３からの光は投光軸を
通して被検出物体上に光を照射し、この被検出物体６上
に輝点を作る。この被検出物体において反射された光は
受光軸を通して受光部４に入射する。受光部４上は被検
出物体６までの距離に対応した受光面上の位置に輝点像
を結像させる。

【０００４】なお、被検出物体６までの距離Ｘを判定す
る目的で受光面上の輝点像位置を判定するものとして、
特公昭５８−４２４１１号公報に示されるＰＤＳすなわ
ち光位置検出素子がある。この光位置検出素子は図５に
示すような構成を有する。

【０００５】そこで、この光位置検出素子（受光エレメ
ント）１０を図７に示す光電センサ１の受光軸と投光軸
を結ぶ方向において、その受光面上に配列する。この光
位置検出素子１０のある位置に光が入射すると、図５に
示すように、光位置検出素子１０より２つの電流出力Ｉ
ａ、Ｉｂが得られ、光位置検出素子１０の有効長をＬと
すると、光位置検出素子１０の光の入射位置Ｙは次の関
係式より求められる。（Ｉａ−Ｉｂ）／（Ｉａ＋Ｉｂ）＝２Ｙ／Ｌ・・・・・・・・・・（１）関係式（１）を図に示すと図６のようになる。距離Ｘと
光の入射位置Ｙとの関係は、ＸＹ＝Ｌ２Ｌ３・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）で与えられる。但しＬ２は投受光間の光軸ピッチ、Ｌ３
は受光素子レンズ距離である。このＸ−Ｙの関係を示し
たものが図４である。このように光位置検出素子１０は
電気的に光の入射位置Ｙを求めることができ、よって距
離Ｘを求められるので基準距離との差を変位として出力
する変位センサ１に広く使用されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】一般に変位センサは変
位量が基準距離に対して微小である。ところで、この微
小変位を高精度で検出することが求められることがあ
る。この場合、積ＸＹすなわちＬ２Ｌ３を大きくし距離
測定感度を高くするが、反面センサの寸法が大きくなる
という問題だけでなく次のような問題点がある。すなわ
ち、Ｘの変化に対してＹがより大きく変化するので、受
光面の有効長Ｌが一定とすればＹの変化量はＹ以下でな
ければならないのでＸの範囲が狭くなり、基準距離の設
定を可変としても極めて狭い範囲となる。基準距離の誤
差補正等の微調整としては有効であっても、基準距離を
変更できない等の問題点があった。

【０００７】この発明は上記のような問題点を解決する
ためになされたものであり、基準距離の設定範囲を大き
くし、かつ微小変位を高感度で、しかも高精度で検出す
ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明に係る変位セン
サは、従来の光位置検出素子に代え、受光エレメントを
用いるもので、投光軸より光を照射し、被検出物体上に
輝点を作る投光部と、レンズ系を介し被検出物体上の輝
点の像を受光面上に結像させる受光部と、上記受光面上
において、被検出体の変化に伴い結像が移動する方向に
配列されたｎ（ｎ＞２）個の受光エレメント１０と、各
受光エレメント１０１、１０２、・・・、１０ｎの各光
電流Ｉ１、Ｉ２、・・・、Ｉｎを所定比率ｋ１と１−ｋ
１、ｋ２と１−ｋ２、・・・ｋｎと１−ｋｎに分割して
それぞれ第１、第２の光電流出力端に導くｎ個の分流器
と、基準距離を設定する設定部と、ｋ１＞０．５＞ｋｎ
及びｋｍ≦ｋｐ（ｐ＝ｍ−１；ｍ＝２〜ｎ）なる関係を
保ってかつ上記基準距離に位置する被検出体の結像位置
近傍の受光エレメントがｍを１〜ｎまで変化させたとき
のｋｍの変化が対応的に激しい部分の受光エレメントに
略対応するように上記基準距離に応じて所定比率ｋ１、
ｋ２、・・・ｋｎを制御する分流制御部と、第１、第２
の光電流出力を入力として基準距離からの変位を出力す
る演算部とを設けたものである。

【０００９】

【作用】この発明における変位センサは、投光軸上にお
いて、投光部より光を照射して、被検出物体上に輝点を
作る。受光部は被検出物体までの距離に対応した受光面
上の位置に輝点像を結像させる。ｎ（ｎ＞２）個の受光
エレメントは受光面上に結像された輝点像の位置に応じ
た光電流を生じる。ｎ個の分流器は上記各受光エレメン
トの各光電流を所定比率ｋ１と１−ｋ１、ｋ２と１−ｋ
２、・・・ｋｎと１−ｋｎに分割してそれぞれ第１、第
２の光電流出力端に導く。分流制御部はｋ１＞０．５＞
ｋｎ及びｋｍ≦ｋｐ（ｐ＝ｍ−１；ｍ＝２〜ｎ）なる関
係を保って上記基準距離に位置する被検出体の結像位置
近傍の受光エレメントがｍを１〜ｎまで変化させたとき
のｋｍの変化が対応的に激しい部分の受光エレメントに
略対応するように上記所定比率ｋ１、ｋ２、・・・ｋｎ
を制御するので、ｋが０．５に対応する受光面基準位置
に対しての大小関係が上記第１、第２の光電流出力端に
含まれる。演算部は上記第１、第２の光電流出力を入力
として受光面基準位置に対しての大小関係に基づき変位
信号を出力する。

【００１０】

【実施例】以下、この発明の一実施例について図面を参
照して説明する。図１はこの発明の変位センサの要部を
示すブロック図、図２は図１における分流部と分流制御
部をより具体的に示す回路図、図３は受光面上に配列さ
れる受光エレメントの配列状態を示す平面図、図４はこ
の発明の受光部の光位置検出感度を説明する特性図であ
る。図１において、４は受光部、１２は分流部、１３は
差動アンプ部、１４は分流制御部である。さらに分流制
御部１４には設定部２６が接続される。そしてこの設定
部２６の一部には操作部１５が設けられる。なおこの設
定部２６は言うまでもなく、分流制御部１４とともに、
回路的に一体に形成することも可能であるが、理解を容
易にするために分流制御部１４と分離して画かれてい
る。そして受光部４には図３に示すようなｎ個の受光エ
レメント１０が図３に示す被検出体の変化に伴い結像が
移動する方向に配列される。図１において、受光部４か
らの信号を処理し、出力信号とするまでの中で、本発明
の要部は図１に示す受光部４、分流部１２および分流制
御部１４であるのでこれについてより詳しく説明する。

【００１１】図２において、ａ点にボルツマン電圧Ｖｔ
（＝ｋＴ／ｑ）に比例した電圧αＶｔが生じ、トランジ
スタＱ１とトランジスタＱ２の大きさの比によりαが決
まることが知られている。よってｂ点の電圧は操作部１
５の抵抗Ｒｒｅｆの大きさによらずαＶｔとなる。抵抗
Ｒｐと可変抵抗ＶＲ１との合成抵抗値と抵抗Ｒｒｅｆと
の比によりｃ点に電圧が生じる。ｃ点の電圧は所定値だ
けシフトされ、ｄ点の電圧となる。この電圧を設定電圧
と呼ぶ。可変抵抗ＶＲ１の大きさを変えると設定電圧は
それに応じて連続的に変化する。

【００１２】抵抗Ｒ１に流れる電流に比例した電流がｅ
点より流れるのでｆ点、ｇ点、ｈ点の順に電圧が小さく
なっていき、その電圧差は抵抗Ｒ１と抵抗Ｒｊの比とボ
ルツマン電圧Ｖｔとで決まる一定値である。この電圧が
参照電圧となる。この図においてＲｊとその前後の計３
つの抵抗だけしか示していないが、受光エレメント１０
の数だけこの抵抗が直列に接続される。

【００１３】図２では、図３に示す多数の受光エレメン
ト１０１、１０２、１０３・・・１０ｎのうちｊ番目と
その前後の計３つを示して残りの受光エレメントは省略
してある。また、分流部１２も同様にｊ番目の差動増幅
器１３ｊを１つの単位とする分流器１２ｊを中心にその
前後の分流器１２（ｊ＋１）、１２（ｊ−１）の計３つ
だけを示してある。各分流部は差動アンプ部１３、すな
わちエミッタをたがいに接続した、それぞれ対をなすト
ランジスタＱ３ａ、Ｑ３ｂ、Ｑ４ａ、Ｑ４ｂ、Ｑ５ａ、
Ｑ５ｂを有する。これらのトランジスタＱ３ａ、Ｑ３
ｂ、Ｑ４ａ、Ｑ４ｂ、Ｑ５ａ、Ｑ５ｂのエミッタに各受
光エレメント１０１、１０２、１０３・・・１０ｎが接
続され、各トランジスタＱ３ａ、Ｑ３ｂ、Ｑ４ａ、Ｑ４
ｂ、Ｑ５ａ、Ｑ５ｂの一方のコレクタが第１の電流出力
端ｐに接続され、各トランジスタＱ３ａ、Ｑ３ｂ、Ｑ４
ａ、Ｑ４ｂ、Ｑ５ａ、Ｑ５ｂの他方のコレクタが第２の
電流出力端ｑに接続される。これによりｎ個の受光エレ
メント１０のｎ本の光電流信号はｐ、ｑの２つの信号に
変換される。各トランジスタの一方のベースには参照電
圧を他方のベースには設定電圧が与えられる。設定電圧
は各分流器とも同一の電圧であるが、参照電圧は各分流
器で所定の電位差を持っていてその差はボルツマン電圧
Ｖｔの定数倍したものである。

【００１４】今、可変抵抗ＶＲ１の値により設定電圧が
ｊ番目の参照電圧Ｖｊに近い場合を考える。隣り合った
分流器の参照電圧の差を適当に設計することにより、１
番目からｊ−２番目までの全ての分流器の参照電圧は設
定電圧より十分小さく受光エレメント１０の光電流のほ
とんどすべてを第１の電流出力端ｐに、ｊ＋２番目から
ｎ番目までの全ての分流器の参照電圧は設定電圧より十
分大きく受光エレメント１０の光電流のほとんどすべて
を第２の電流出力端ｑに分流していると見なすことがで
きる。

【００１５】ｊ−１番目の分流器１２（ｊ−１）の参照
電圧は設定電圧より低いので受光エレメント１０の光電
流を第１の電流出力端ｐに電流の多くを分流し、ｊ＋１
番目の分流器の参照電圧は設定電圧より高いので受光エ
レメント１０の光電流を第２の電流出力端ｑに電流の多
くを分流する。ｊ番目の受光エレメント１０の光電流は
第１の電流出力端ｐと第２の電流出力端ｑに分流する。
演算部１６は、上記第１の電流出力端ｐの電流Ｉａ、第
２の電流出力端ｑの電流Ｉｂより、変位を演算し、出力
する。

【００１６】このようにすることで第１の電流出力端ｐ
の電流をＩａ、第２の電流出力端ｑの電流をＩｂとする
と、図４に示すようにｊ番目近傍の入射光の位置に対し
ては入射光位置の変化に対して敏感な出力特性が得られ
る。すなわち、ｊ番目の受光エレメント１０ｊの近傍は
受光部４の全長がＬeに小さくなった従来の光位置検出
素子（ＰＳＤ）１０の特性と等価であり、Ｌ／Ｌe倍の
感度が得られる。この敏感な特性の位置を光位置基準位
置Ｙ０とする。

【００１７】さらに可変抵抗ＶＲ１の値を操作すること
で上記ｊ番目は１番目からｎ番目までその間の任意の位
置に光位置基準位置Ｙ０を自由に設定できる。光位置基
準位置Ｙ０が基準距離Ｘ０に対応しているので、ＶＲ１
の値を変えることで基準距離Ｘ０を操作できる。

【００１８】なお、図２に示すように分流器に光電流と
並列に直流バイアス電流源９９を設けてもよい。これに
より、分流器の電流の最小値が保証されるので応答速度
が低下することを防止できる。

【００１９】また受光部４、分流部１２、分流制御部１
４等をすべて１つの基板上に集積することもでき、この
方法は、工業的に有効である。

【００２０】図２において、可変抵抗ＶＲ１に固定抵抗
Ｒｐが並列に接続されているが、これにより光位置基準
位置Ｙ０と基準距離Ｘ０との関係の非線形性を補正して
いる。すなわち、距離Ｘと受光面上の位置Ｙとは反比例
の関係である。そこで、可変抵抗ＶＲ１に並列に固定抵
抗Ｒｐをつなぐことでその合成抵抗値と可変抵抗ＶＲ１
の操作量との非線形を作る。これにより距離Ｘと受光面
上の位置Ｙとの非線形を補正する。

【００２１】以上、操作部１５の可変抵抗ＶＲ１に基づ
き分流比率が設定される場合について説明したが、例え
ば図２において可変抵抗ＶＲ１を操作する代わりにｃ点
に電圧を外部から入力するようにしてもよい。この場合
も全く同様の光位置判定感度が得られえることは明らか
であるから、例えば変位センサからの外部入力により基
準距離Ｘ０を設定、変更できる変位センサが可能であ
る。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明における変
位センサによれば、請求項１の発明は、投光軸より光を
照射する投光部と、レンズ系を有する受光部と、受光面
上において、被検出体の変化に伴い結像が移動する方向
に配列されたｎ（ｎ＞２）個の受光エレメントと、ｎ個
の分流器と、分流制御部および演算部とを設けているの
で、受光面上の特定の位置の入射光位置（上記光位置基
準位置Ｙ０）の感度を従来の光位置検出素子（ＰＳＤ）
に比べて高感度にすることができ、それだけ小さな光学
系で動作させることができ、基準距離Ｘ０を自由に設定
でき、また同様の光学系を用いればより長距離まで距離
判定が可能となり上記基準距離Ｘ０の設定範囲を広範囲
とでき、また受光部、分流部、分流制御部の全てをシリ
コン基板上に集積することが容易なのでより小型高性能
な変位センサが可能となるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の変位センサの要部を示すブロック図
である。

【図２】図１における分流部と分流制御部の一実施例を
より具体的に示す回路図である。

【図３】この発明の受光部に配列される受光エレメント
の配列を示す平面図である。

【図４】この発明の受光部の光位置検出感度を説明する
特性図である。

【図５】従来の光位置検出素子の構成と動作を説明する
縦断面図である。

【図６】従来の従来の光位置検出素子の特性を説明する
特性図である。

【図７】位置検出用の変位センサの基本的な動作を説明
するために単線をもって描いた構成図である。

【図８】変位センサの被検出物体までの距離Ｘと受光面
上の輝点像の位置Ｙとの関係を示す特性図である。

【符号の説明】

２レンズ系３投光部４受光部６被検出物体１０受光エレメント１２分流部１６演算部２６設定部

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】投光軸より光を照射し被検出物体上に輝
点を作る投光部と、レンズ系を介し、上記被検出物体上
の輝点の像を受光面上に結像させる受光部と、上記受光
面上において、被検出体の変化に伴い結像が移動する方
向に配列されたｎ（ｎ＞２）個の受光エレメントと、上
記各受光エレメントの各光電流を所定比率ｋ１と１−ｋ
１、ｋ２と１−ｋ２、・・・ｋｎと１−ｋｎに分割して
それぞれ第１、第２の光電流出力端に導くｎ個の分流器
を有する分流部と、基準距離を設定する設定部と、ｋ１
＞０．５＞ｋｎ及びｋｍ≦ｋｐ（ｐ＝ｍ−１；ｍ＝２〜
ｎ）なる関係を保ってかつ上記基準距離に位置する被検
出体の結像位置近傍の受光エレメントがｍを１〜ｎまで
変化させたときのｋｍの変化が対応的に激しい部分の受
光エレメントに略対応するように上記基準距離に応じて
上記所定比率ｋ１、ｋ２、・・・ｋｎを制御する分流制
御部と、上記第１、第２の光電流出力を入力として基準
距離からの変位を出力する演算部とを備えた変位セン
サ。