JP3479914B1 - 傾斜検出装置 - Google Patents
傾斜検出装置Info
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Abstract
検出面の傾きを正確に検出する。 【解決手段】 被検出面5aに向けて光L1,L2を照
射する発光ダイオード2A,2Bと、被検出面5aによ
り生じた発光ダイオード2A,2Bの鏡像から発する経
路を辿るように被検出面5aで反射された光L3,L4
を入射させて発光ダイオード2A,2Bの実像を生じさ
せる集光レンズ3と、実像の位置を検出する位置検出器
4とを具備し、検出された実像の位置から被検出面5a
の傾きを得る。上記発光ダイオード2A,2Bは、集光
レンズ3を挟んで左右の対称位置に設けられている。
Description
出するための傾斜検出装置に関する。
001―6199公報には、レンズ体内に発光ダイオー
ド(LED)とフォトダイオード(PD)を併設し、L
EDから発した発散光をレンズ体で平行光に変換して被
検出面に照射し、その反射光を再びレンズ体に入射させ
てPD上に円形スポット光として集光させるようにした
ものが示されている。上記PDは複数の小領域に分割さ
れており、被検出面が傾斜するとこれに伴ってPD上の
スポット光の位置が移動して、各小領域に入射するスポ
ット光部分の面積が変化することから、これら小領域の
出力信号の変化から上記被検出面の傾斜を知ることがで
きる。
出装置において、PDの周辺部においては、被検出面の
傾きに対して各小領域の出力信号が非線型に変化する。
そこで、被検出面の傾きを正確に知るために、PDを可
能な限り多くの小領域に分割するとともに、中心部から
周辺部へ配した各小領域の出力信号に対して異なる重み
係数を乗じて、被検出面の傾きに対するPD出力の線型
化を行っている。このため、装置構造が複雑化するとと
もに、傾き計算が煩雑であるという問題があった。
るもので、簡易な構造で煩雑な計算を要することなく被
検出面の傾きを正確に検出することができる傾斜検出装
置を提供することを目的とする。
に、本第1発明では、被検出面(5a)に向けて発散光
(L1,L2)を照射する点光源(2A,2B)と、被
検出面(5a)により生じた点光源(2A,2B)の鏡
像(Ia,Ib)から発する経路を辿るように被検出面
(5a)にて反射された発散光(L3,L4)を入射さ
せて点光源(2A,2B)の実像(Ra,Rb)を生じ
させる集光手段(3)と、実像(Ra,Rb)の位置を
検出する位置検出手段(4)とを具備し、検出された実
像(Ra,Rb)の位置から被検出面(5a)の傾きを
得る。なお、被検出面の傾きを得るのに演算手段を使用
することができる。ここで、点光源としては発散光を発
する発光ダイオード等が好適である。その理由は、レー
ザダイオード等の、極めて絞られた光束を出力するレー
ザ光源を使用すると、被検出面で反射された反射光を正
確にスポット位置検出器上に入射させるためには被検出
面に対するレーザ光の照射角度を精密に設定する必要が
あって調整が煩瑣である。また、被検出面の傾斜角に対
してレーザ光の反射角は2倍で変化するため、スポット
位置検出器の受光面積を大きくする必要があるという問
題も生じる。さらには、被検出面に僅かな凹凸等がある
とレーザ光の反射経路が乱され、絞られた反射光の光束
がスポット位置検出器から容易に外れて検出不能とな
る。これに対して、発散光の場合には、被検出面への照
射角度がある程度ずれても、大部分の光は被検出面によ
り生じた点光源の鏡像から発する経路を辿るように被検
出面にて反射されて集光手段に入射し、確実に点光源の
実像を生じる。加えて、反射光は集光手段によって集光
させられて焦点付近に実像を生じるから、実像の位置を
検出する位置検出手段の検出面の面積は比較的小さくて
良い。さらに、被検出面に僅かな凹凸等があった場合
に、発散光のうち一部の光は点光源の鏡像から発する経
路から外れて反射されるが、大部分の光は上記経路を辿
るように反射されて集光手段によって確実に点光源の実
像を生じる。したがって、検出不能となるおそれが少な
い。
る鏡像の位置と、位置検出手段によって検出される実像
の位置は一定の幾何学的関係を有するから、実像の位置
は被検出面の傾きに応じて一義的に変化する。したがっ
て、実像の位置を検出することによって、煩雑な計算を
要することなく被検出面の傾きを正確に検出することが
できる。位置検出手段としては点光源の実像の位置を検
出するのに適した例えば単一の位置検出器(PSD;Pos
ition Sensitive Detector)を使用することができるか
ら、装置構造を簡易なものにできる。
B)を、集光手段(3)を挟んで左右の対称位置に設け
て、上記位置検出手段(4)により検出された各点光源
(2A,2B)の実像の位置から被検出面(5a)の傾
きを知るようにする。
左右の対称位置に設けた各点光源の実像について、これ
ら実像位置に対する重心位置を算出することによって、
点光源や集光手段から被検出面までの距離を考慮する必
要がない簡易な計算によって被検出面の角度を算出する
ことができる。
光源(2A,2B)の実像(Ra,Rb)の位置に応じ
た出力信号を発する位置検出器(4)であって、点光源
(2A,2B)、集光手段(3)、位置検出器(4)を
装置基体(12,13)に一体に設ける。
の中心に開口(121)を設けて当該開口(121)内
に上記集光手段としての集光レンズ(3)を設けるとと
もに、集光レンズ(3)の後方焦点付近において集光レ
ンズ(3)の光軸(Ax)に中心を一致させて位置検出
器(4)を設け、かつ、集光レンズ(3)の設置面とほ
ぼ同一面内で集光レンズ(3)周囲の装置基体(12)
上に点光源(2A,2B)を設ける。
装置基体(12,13)上で集光レンズ(3)を挟んで
直交する方向の対称位置にそれぞれ点光源(2A,2
B)と(2C,2D)を設ける。本第5発明において
は、被検出面の二次元方向の傾斜を正確に検出すること
ができる。
施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであ
る。
を示し、図2には傾斜検出装置の横断面図を示す。傾斜
検出装置1は金属製の筒状カバー11を備え、その一端
開口はこれに覆着された支持板12によって閉鎖されて
いる。支持板12には中心に円形開口121が形成され
るとともに、外周部の板面には周方向へ90度間隔で4
箇所に(図2)、赤色発光ダイオード(LED)2A〜
2Dが先端を筒内に露出させて埋設されている。赤色と
したのは、自然光の外乱による影響を受け難いからであ
る。上記開口121内には集光用の集光レンズ3が配設
されて、その外周部が、背後(図1の下方)から当接す
る筒状スペーサ13の開口段付き部によって支持板12
の開口段付き部との間に挟持されている。上記支持板1
2と筒状スペーサ13は装置基体を構成している。
光レンズ3の光軸Axに受光部41の中心を一致させて
位置検出器(PSD;Position Sensitive Detector)4
が配設されており、PSD4は下方から覆着された蓋体
14によって筒状スペーサ13との間に保持されてい
る。PSD4の出力信号は本体下面から蓋体14を貫通
して下方へ延びる端子ピン15によって装置外へ取り出
されている。
タ板16によって覆われており、フィルタ板16は外周
部が開口121の周縁に固定されている。径方向の対称
位置に設けられたLED2A,2Bから発した光L1,
L2は、検出装置1の前方に置かれた対象物5の被検出
面5aに投射され、その反射光L3,L4が集光レンズ
3を経てPSD4上に至る。なお、光L1,L2は、L
ED2A,2Bから発せられる発散光のうち、後述する
LED2A,2Bの鏡像Ia,Ib(図3参照)と実像
Ra,Rbを結ぶ線に沿う反射光L3,L4を生じる光
のみを示したものである。また、図1は紙面に沿うX軸
方向で集光レンズ3を挟んで対称位置に位置するLED
2A,2Bからの光路を示すが、紙面に垂直なY軸方向
に位置するLED2C,2D(図2参照)からの光路も
上記と同様である。
す。各LED2A,2Bから出力された発散光L1は対
象物の被検出面5aで反射されるが、反射光L3,L4
は、被検出面5aにより生じる各LED2A,2Bの鏡
像Ia,Ibから発せられる光経路を辿るように反射さ
せられて、傾斜検出装置1の集光レンズ3に入射する。
そして、集光レンズ3によってその後方に位置するPS
D4上に集光され、ここにLED2A,2Bの実像R
a,Rbを生じる。PSD4からはLED2A,2Bの
実像Ra,Rbの各位置に応じた出力信号が出力され、
この出力信号は端子ピン15(図1)を経て装置外のコ
ンピュータ等に入力されて、後述する数式によって被検
出面5aの傾斜角θが算出される。
方向にある各LED2A,2Bまでの距離がS、ほぼ同
一線上に位置する左右のLED2A,2Bおよび集光レ
ンズ3から被検出面5aまでの距離がL、集光レンズ3
の焦点距離がfであり、PSD4の受光部41の中心O
を原点として各LED2A,2Bの実像Ra,Rbがそ
れぞれ位置Xa,Xbに生じているものとする。なお、
距離Lは距離fに比して十分大きい。また、座標位置X
a,Xbは原点Oに対して図3の右方を正値とする。
結ぶ線と平行に位置する図3の状態で、被検出面5aは
集光レンズ3の光軸Axに対して直交しており、LED
2A,2Bの鏡像Ia,Ibは光軸Axに対して対称位
置に生じる。この状態で、鏡像Ia,Ibの位置を頂点
とする三角形T1,T3と実像Ra,Rbの位置を頂点と
する三角形T2,T4の相似より、式(1)、式(2)が
得られ、式(3)で座標位置Xa,Xbに対する重心位
置Xを算出すると、その値は0となる。
5aが角度θだけ傾くと、同じく三角形T1,T3とT
2,T4の相似より、式(4)、式(5)が得られ、式
(6)で座標位置Xa,Xbに対する重心位置Xを算出
すると、重心位置Xは距離Lに無関係にθの正接値にの
み比例する。PSD4の出力信号からは、和と差と除算
の簡単な演算によって座標位置Xa,Xbに対する重心
位置Xを得ることができるから、これより被検出面5a
の正確な傾斜角θを知ることができる。
生じるLED2C,2D(図2)の実像の位置より、上
式を使用してY軸方向における被検出面5aの傾斜角を
得ることができる。なお、上記実施形態において、一次
元方向での被検出面の傾斜を検出するだけで良い場合に
は、X軸方向あるいはY軸方向のいずれかに一対のLE
Dを設けるのみで良い。また、集光レンズ3から被検出
面5aまでの距離Lを正確に測定できる場合には、集光
レンズ3を挟んで一対のLED2A,2Cを設ける必要
はなく、いずれか一方のみ設ければ良い。
よれば、簡易な構造で煩雑な計算を要することなく被検
出面の傾きを正確に検出することができる。
面図である。
…筒状スペーサ、2A,2B,2C,2D…発光ダイオ
ード、3…集光レンズ、4…位置検出器、5a…被検出
面、Ia,Ib…鏡像、L1,L2…出力光、L3,L
4…反射光、Ra,Rb…実像。
Claims (5)
- 【請求項1】 被検出面に向けて発散光を照射する点光
源と、前記被検出面により生じた前記点光源の鏡像から
発する経路を辿るように前記被検出面で反射された前記
発散光を入射させて前記点光源の実像を生じさせる集光
手段と、前記実像の位置を検出する位置検出手段とを具
備し、検出された前記実像の位置から前記被検出面の傾
きを得ることを特徴とする傾斜検出装置。 - 【請求項2】 前記点光源を、前記集光手段を挟んで左
右の対称位置に設けて、前記位置検出手段により検出さ
れた前記各点光源の実像の位置から前記被検出面の傾き
を得るようにした請求項1に記載の傾斜検出装置。 - 【請求項3】 前記位置検出手段は、前記点光源の実像
の位置に応じた出力信号を発する位置検出器であって、
前記点光源、集光手段、位置検出器を装置基体に一体に
設けた請求項1又は2に記載の傾斜検出装置。 - 【請求項4】 前記装置基体の中心に開口を設けて当該
開口内に前記集光手段としての集光レンズを設けるとと
もに、前記集光レンズの後方焦点付近において前記集光
レンズの光軸に中心を一致させて前記位置検出器を設
け、かつ、前記集光レンズの設置面とほぼ同一面内で前
記集光レンズ周囲の前記装置基体上に前記点光源を設け
た請求項3に記載の傾斜検出装置。 - 【請求項5】 前記集光レンズ周囲の前記装置基体上で
前記集光レンズを挟んで直交する方向の対称位置にそれ
ぞれ前記点光源を設けた請求項4に記載の傾斜検出装
置。
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Families Citing this family (2)
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CN109152473B (zh) * | 2016-05-24 | 2021-08-27 | 皇家飞利浦有限公司 | 用于光学感测牙刷中的力的方法和系统 |
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2002
- 2002-07-31 JP JP2002222736A patent/JP3479914B1/ja not_active Expired - Fee Related
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