JP3639673B2 - 距離測定方法及びその装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、送信機及び受信機を有する測定装置と物体との間の距離を検出する方法に関する。この方法においては、光信号などの変調信号が送信機によって発せられ、この信号が物体によって反射され、反射された信号が受信機によって受信されて測定装置内で評価される。受信された信号は、測定路における光通過時間に応じて送られた信号に対する位相変化を受けているものである。
【０００２】
さらに、本発明は、上記方法を実行する装置及びその好ましい用途に関する。
【０００３】
【従来の技術】
距離を測定する周知の方法及び装置において、送信信号と受信信号との位相変化が、検出すべき距離を算出するために使用される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
故に、生じた移相の絶対値を測定する必要があり、この測定を実行する方法や装置は、比較的複雑で高価であった。
本発明の目的は、低価格で簡単に行うことのできる距離測定方法及びその装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、少なくとも送信機、測定路、受信機、移相のあるフィルタ素子が、発振回路を形成し、発振回路の発振周波数が、測定路における信号通過時間の関数となって、送信される変調信号に印加され、検出する距離は発振回路の周波数や周期から判明する測定装置を開示する。
【０００６】
本発明の方法を実行する際、発振回路に、測定装置の送信機に印加される共振周波数が供給され、故に、変調光信号などの変調信号の送信が開始され、変調信号の変調周波数は、発振回路の共振周波数と同一になる。測定路における信号走行時間や光走行時間により生じた送信信号に対する位相のズレを有する受信信号が、本発明により用いられてフィルタ素子に入力される。このように、発振回路の共振周波数が、生じた移相に依存して変化することになる。この関係から、発振回路の共振周波数は距離の測定値を表す。
【０００７】
本発明により、送信機と測定路と受信機とフィルタ素子とは、フィードバックする閉じたシステムを形成し、このシステムの発振周波数は、測定路の長さや測定すべき距離に依存して変化する。
従って、本発明により、距離を、周波数や周期の簡単な測定により低価格で測定することができ、この周波数や周期の簡単な測定は、従来の位相測定法や装置と比較すると、かなり低価格で、且つ構成が簡単になっている。本発明の方法を利用して、距離測定が、従来よりもかなり低価格且つ簡単に行うことができる。
【０００８】
フィルタ素子は、システムに関係する信号通過時間や光通過時間に対して線形測定範囲や線形位相特性を示すように動作することが好ましい。この場合、発振回路の共振周波数と、測定すべき距離や測定路の長さとは、正比例する。
また、基準測定によって目的の間隙に対する発振周波数の関数を測定することと、この関数を記憶してこの関数によって発振周波数から距離や間隙を算出することも可能になる。
【０００９】
フィルタ素子は、急勾配の位相特性を有することが好ましい。なぜならば、位相特性の勾配が増加すると、距離測定における精度も増大するからである。この関係から、例えば４次から８次のフィルタとして（as a filter of the fourth to eight order）フィルタ素子を設計することに気付く。
本発明の方法の好ましい実施例において、発振回路の周波数は、ミキシングによって減らされて、次に発振回路の周波数や周期を測定する。このように、減らされた周波数は、発振回路の実際の周波数よりも簡単な手段で測定することができる。共振周波数の低下ミキシングは、この場合、送信機と測定路と受信機とフィルタ素子とからなるクローズシステムの外側に配置された素子によって行われ、低下ミキシングの手順は、閉回路、すなわちクローズシステムに存在する信号に何等影響しない。
【００１０】
距離測定の測定プロセスを行う前に、基準測定が通常行われる。この基準測定において、全システムは、例えば測定範囲の２分の１に相当する距離で較正される。このように、測定結果を歪める不要な温度や経時変化の影響を除去することができる。
本発明の方法は、自動焦点機能が一体化されたコードリーダにおいて特に有効に使用することができる。なぜならば、この場合、コードが付された物体から反射されて受信機によって受信された信号は、フィルタ素子に入力されるとともに、コード識別にも用いることができるからである。この場合、従来のコードリーダに、周波数測定用に、わずか数個の部品、実質的にはフィルタ素子のみを追加すれば良い。これは、コードリーダの送信機及び受信機が、本発明の方法のために使用される場合、上記の２つの機能を果たすことができるので、コードリーダによって送信され受信された信号は、フィルタ素子に入力されるとともにコードの識別に対しても用いられるのである。
【００１１】
コードリーダにおいて本発明の方法を使用する際、受信された光信号を、２つの成分、すなわちコードを測定するために使用される成分と、距離を測定するための成分とに分ける必要がある。これらの２つの信号成分は、周波数帯域が異なるので、信号成分の分離は、適宜のフィルタ素子によって行われる。
【００１２】
【実施例】
本発明を、好ましい実施例に基づき説明する。
図１に示す回路は、制御回路１によって動作される半導体レーザ２などの送信機を有する。半導体レーザ２は、測定路３に変調光ビームを送る。光ビームは、測定路３の端部に配置された物体４によって反射されて、測定路３を介して、受光機５などの受信機に達する。
【００１３】
物体４には、半導体レーザ２から発せられた光ビームによってスキャンされるコードが付けられている。
受光機５によって生成された信号は、受光回路７に供給される。受光回路７の出力信号は、検知すべきコード６を測定する回路８に供給されるとともに、複数の素子グループからなる回路に供給されて、半導体レーザ２または受光機５と物体４との距離を検出する。
【００１４】
受光回路７によって出力された信号は、例えば、バンドパスフィルタに相当するものを設けることによって、２つの異なる信号、すなわちコード測定用の信号と距離測定用の信号とに分けられる。一般に、コード測定に適した信号成分の周波数は低周波数帯域にあり、距離測定に適した信号成分は例えば高周波数帯域にある。フィルタに相当するものを設けることによって、上記２つの信号成分は、受光回路７の出力信号から簡単に抽出することができる。
【００１５】
図１に示す実施例において、距離測定に適した信号を抽出するバンドパスフィルタ９に、受光回路７の出力信号が入力される。
バンドパスフィルタ９によって出力された信号は、位相訂正回路１０に供給される。位相訂正回路１０は、全回路の各部品の帯域制限や位相シフトの影響を補償するために設けられている。さらに、位相訂正回路１０の出力部に現れる信号は、測定路３における光通過時間によってもたらされる位相のズレ、すなわち移相を有し、この位相のズレは測定する距離に固有である。
【００１６】
さらに、測定範囲の２分の１に相当する距離に対する距離測定装置の較正は、訂正回路１０を介して、この回路の簡単な調整によって製造プロセスにおいて実行される。
位相訂正回路１０の出力部は増幅器１１に接続され、増幅器１１の出力は、移相特性や周波数特性を有するフィルタ素子１２に入力される。
【００１７】
フィルタ素子１２の出力信号は、非線形増幅器１３に供給される。この増幅器は、半導体レーザ２の制御のために制御回路１に供給される限定された振幅の出力信号を利用できるようにする対数関数的な特性を有する。このように、半導体レーザ２を制御する信号の振幅は、受光機５によっ出力される信号の振幅とは互いに独立であることを保証している。
【００１８】
なお、２つの増幅器１１，１３は、閉回路において他の場所に配置することもでき、または、増幅器１１，１３の増幅機能を組み合わせて単一の増幅素子にすることもできる。
訂正回路網、すなわち訂正ネットワーク１４は、非線形増幅器１３と制御回路１との間に接続されるのが好ましく、訂正回路網１４は、非線形増幅器１３によって供給される信号に正弦波波形を印加して、制御回路１の正確な位相制御を保証している。
【００１９】
上述の素子、すなわち、半導体レーザ２、測定路３、受光機５、受光回路７、バンドパスフィルタ９、位相訂正回路１０、増幅器１１、フィルタ素子１２、非線形増幅器１３、訂正回路網１４、制御回路１は、閉じたフィードバック結合システム（closed feedback-coupled system）、すなわち発振回路を構成する。この回路において、測定路３における光通過時間が異なると、受光機５によって出力される信号の位相が変化し、この位相の変化が、発振回路において変換されて周波数の変化になる。
【００２０】
この周波数の変化は、適宜の評価回路１５によって低価格で簡単な構成の電子工学素子で測定することができる。評価回路１５の入力部に、非線形増幅器１３の出力信号が供給される。評価回路１５は、上記閉じたシステムには含まれないが、供給された入力信号の周波数測定、または周期の測定に用いることができる。
【００２１】
前述のフィルタ素子１２は、位相特性の線形領域で動作することが好ましいので、周波数変化への移相の正比例変換が起こる。位相のズレ、すなわち移相は、測定する距離や測定路における光通過時間の測定値を表しているので、測定する距離は、発振回路の周波数や周期から簡単に導き出すことができる。
非線形増幅器１３の出力信号の周波数の混合、すなわちミキシングを減らす回路を、非線形増幅器１３と評価回路１５との間で、且つクローズシステム、すなわち閉じたシステムの外側に設けることもできる。この場合、見いだすべき周波数も、簡単且つ低価格の装置や方法で測定することができる。
【００２２】
評価回路１５によって測定された周波数や周期は、次の演算回路１６に供給される。演算回路１６は、周波数または周期から、半導体レーザ２または受光機５と物体４との間の距離を算出する。
図１に示すコードリーダは、制御回路１、半導体レーザ２、受光機５、受光回路７によって、コード測定に必要な信号を生成するとともに距離測定に必要な信号を生成することの両機能を、従来のコードリーダのように倍の部品を備えることなく果たすことを効果として有する。
【００２３】
測定範囲の２分の１に相当する距離での上記基準測定は、各測定プロセスが行われる前に行うことが好ましいが、例えば、回転自在なミラーホイールによって、発せられた光ビームがＶ字形の読み取り場所内部に現れる基準マークを検知するなどの方法によって、コードリーダによって行うこともできる。コードリーダの内部に設けられた基準マークは、基準距離を定義して、外部の目的の間隙を算出する基礎となる。このようにして、温度や経時変化の影響を排除することができる。
【００２４】
このように、本発明を、好ましい実施例に基づき記載したが、当業者においては、本発明の請求項から逸脱せずに本発明の形態や詳細を変形せしめることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】コードリーダに自動焦点機能が一体化された本発明の方法を実行する装置の構成図を示す。
【符号の説明】
１ 制御回路
２ 半導体レーザ
３ 測定路
４ 物体
５ 受光機
６ コード
７ 受信回路
８ コード認識回路
９ バンドパスフィルタ
１０ 位相訂正回路
１１ 増幅器
１２ フィルタ素子
１３ 非線形増幅器
１４ 訂正回路網
１５ 評価回路
１６ 演算回路

Claims (18)

1. 送信機（２）及び受信回路（７）を備えた受信機（５）を有する測定装置と物体（４）との間の距離を検出する距離検出装置であって、
   光信号を含む変調信号が前記送信機（２）によって送信され、
   前記変調信号が前記物体（４）によって反射されて生ずる反射信号を前記受信機（５）によって受信して、測定路（３）における信号通過時間に応じて送信された前記変調信号に対して位相変化を受けている受信信号を前記測定装置において評価し、
   少なくとも前記送信機（２）と前記測定路（３）と前記受信機（５）と移相シフト特性を有するフィルタ素子（１２）とは、発振回路を構成し、
   前記発振回路の周波数は前記測定路における前記信号通過時間に応じており伝送された前記変調信号に印加されており、
   前記発振回路の周波数及び周期の少なくとも一方から前記距離を測定する装置であり、
   前記装置はコード（６）の判定回路（８）を備えた自動焦点機能を有するコードリーダを含み、前記物体（４）に反射され前記受信機（５）で受信されて前記コード（６）を担持する信号が、前記フィルタ素子（１２）及び前記判定回路（８）の両方に作用して前記距離の測定に加えて前記コードの認識をなすことを特徴とする距離検出装置。
2. 前記フィルタ素子（１２）は、位相特性の線形領域で動作し、このとき前記発振回路の共振周波数と測定すべき距離や測定路の長さとの間に正比例の関係があることを用いて前記距離の測定を行うか、または、目的の間隙に対する前記発振回路の発振周波数の関数が、１回の基準測定によって決められ、得られた関数を各測定プロセスに対して使用して前記距離の測定を行うことを特徴とする請求項１記載の距離検出装置。
3. 前記送信機（２）に入力される前記信号は、非線形増幅器（１３）を含む増幅手段によって予め増幅されていることを特徴とする請求項１記載の距離検出装置。
4. 前記信号が正弦波とされて前記送信機（２）に入力されることを特徴とする請求項１記載の距離検出装置。
5. 前記受信信号は、前記受信機（５）と前記フィルタ素子（１２）との間で位相訂正を受けることを特徴とする請求項１記載の距離検出装置。
6. 基準測定は、測定範囲の２分の１に相当する距離で始められて測定プロセスに移行することを特徴とする請求項１記載の距離検出装置。
7. 前記発振回路の前記周波数及び前記周期の少なくとも一方を測定する前に、前記発振回路の前記周波数はミキシングによって減らされることを特徴とする請求項１記載の距離検出装置。
8. 前記受信回路（７）からの出力信号が２つの異なる信号素子へ分かれ、２つの得られる前記信号素子の前記周波数が異なる周波数帯域にあって、一方の素子がコード決定に用いられる下方の帯域にあり、もう一方が距離測定に用いられる上方の帯域にあることを特徴とする請求項１記載の距離検出装置。
9. 変調信号を物体（４）の方向に送信する送信機（２）と物体（４）から反射された信号を受信して受信回路（７）へ送信する受信機（５）とで測定装置と物体（４）との間隙を検出する測定装置であって、
   少なくとも前記送信機（２）と測定路（３）と前記受信機（５）と移相シフト特性を有するフィルタ素子（１２）とによって発振回路を形成し、
   前記送信機（２）は前記発振回路と一体化されて、その変調周波数は前記測定路における信号通過時間に依存する前記発振回路の前記周波数に相当し、
   評価回路（１５，１６）が設けられて前記発振回路の前記周波数及び周期の少なくとも一方から距離を測定し、
   前記送信機（２）及び前記受信機（５）が検知されるべき前記コード（６）の判定回路（８）を備えたコードリーダに含まれ、前記コード（６）を担持する前記物体（４）によって反射された前記信号が前記フィルタ素子（１２）と前記判定回路（８）とに印加されることを特徴とする測定装置。
10. 前記フィルタ素子（１２）は、線形位相特性を少なくとも部分的に有することを特徴とする請求項９記載の測定装置。
11. 前記フィルタ素子（１２）は、位相特性が急勾配で延在していることを特徴とする請求項９記載の測定装置。
12. 前記フィルタ素子（１２）は、４次から８次のフィルタとして形成されていることを特徴とする請求項９記載の測定装置。
13. 前記非線形特性及び対数関数的特性の少なくとも一方を備えた増幅器が前記受信機（５）と前記フィルタ素子（１２）との間に設けられていることを特徴とする請求項９記載の測定装置。
14. 前記非線形特性及び前記対数関数的特性の少なくとも一方を備えた増幅器が前記フィルタ素子（１２）と前記送信機（２）との間に設けられていることを特徴とする請求項９記載の測定装置。
15. 正弦波を生成する訂正回路網（１４）が、前記フィルタ素子（１２）と前記送信機（２）との間、及び前記増幅器（１３）と前記送信機（２）との間、の一方に設けられていることを特徴とする請求項９記載の測定装置。
16. 位相訂正フィルタ（１０）が前記受信機（５）と前記フィルタ素子（１２）との間に設けられていることを特徴とする請求項９記載の測定装置。
17. 前記評価回路（１５，１６）は、前記発振回路の前記周波数のミキシングを減らす周波数のミキシング段を有することを特徴とする請求項９記載の測定装置。
18. 前記受信回路（７）の信号出力が２つのバンドパスフィルタに印加され、前記バンドパスフィルタの一方が前記距離測定回路に接続され、もう一方が前記コードリーダに接続されていることを特徴とする請求項１記載の装置。

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