JPH01232212A - 変位測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、光を用いて測定対象物体の変位または測定
対象物体までの距離を測定する非接触方式の変位測定装
置に関するものである。

［従来の技術］ 第３図は、例えば特公昭５６−１０５６１号公報に示さ
れた従来の変位測定装置を示すブロック図である。第３
図において、（１）〜（８）は光位置検出手段を構成し
、この従来例では（１）は光源駆動回路、（２）はこの
光源駆動回路（１）に接続された例えばレーザダイオー
ド、発光ダイオード等の光源、（３）は照射光Ｌ１上に
配置された投光レンズ、〈４）は照射光Ｌ１上に配置さ
れた測定対象物体、（５）はこの測定対象物体（４）に
よって反射または散乱された光（以下、反射光という、
）Ｌ２上に配置された集光レンズ、（６）は反射光Ｌ２
上に配置された位置検出素子、（７）、（８）はこの位
置検出素子（６）に接続されたＩ−Ｖ変換器、（９）、
（１１）および（１３）は加算手段を構成し、そして（
１０）、（１２）および（１４）は減算手段を楕成し、
この従来例では（９）、（１０）はそれぞれＩ−Ｖ変換
器（７）、（８）に接続された増幅器、（１１）はこれ
ら増幅器（９）および（１０）に接続された加算器、（
１２）は増幅器（９）および（１０）に接続された減算
器、（１３）、（１４）はそれぞれ加算器（１１）、減
算器（１２）に接続されたバイパスフィルタ、（１５）
、（１６）はそれぞれバイパスフィルタ（１３）、（１
４）に接続されたサンプルホールド回路、（１７）はこ
れらサンプルホールド回路（１５）、〈１６）に接続さ
れた除算器、（１８）はこの除算器（１７）に接続され
た出力端子である。

次に、上述した従来例の動作を説明する。

まず、駆動パルス信号が光源駆動回路（１）によって光
源（２）に供給され、光が光源（２）によって投光レン
ズ（３）に投射され、上記光が投光レンズ（３）によっ
て収束されて細いビームの照射光Ｌ１にされて、第３図
に示す矢印ＡφＢ方向に変位する測定対象物体（４）に
照射される。

ここで、照射光Ｌ１は、理想的な鏡面以外の一般の物体
表面では散乱現象を起こし、散乱された照射光Ｌ１は、
種々の角度から明るい光のスポットすなわち光点として
観測できる。

照射光Ｌ１と異なる方向に、測定対象物体（４）によっ
て反射または散乱された照射光Ｌ１の一部、すなわち反
射光Ｌ２が、集光レンズ（５）によって位置検出素子（
６）の受光面上に光点の像として形成される。受光面上
の光点の像の位置に依存した光電流１１．１２が、位置
検出素子（６）によってニー■変換器（７）、（８）に
供給され、これらＩ−Ｖ変換器（７）、（８）によって
光電流ｉ＋−Ｌの大きさに比例した電圧信号に変換され
た後、増幅器（９）、（１０）によって増幅される。

そして、これら増幅された電圧信号が、加算器（１１）
および減算器（１２）によってそれぞれ加算および減算
されて、（ｉ＋＋ｉｚ）および（ｉｔ　　ｉｚ）に比例
した電圧信号がバイパスフィルタ（１３）、（１４）に
供給される。これらバイパスフィルタ（１３）、（１４
）によって直流成分が除去され、すなわちＴ−Ｖ変換器
（７）、（８）、増幅器（９）、（１０）、加算器（１
１）および減算器（１２）の各々において発生した温度
ドリフトや経時ドリフトが除去され、続いてサンプルホ
ールド回路（１５）、（１６）によって直流電圧信号に
変換されて除算器（１７）に供給される。

この除算器（１７）によって次の計算が行なわれる。

Ｖ　＝　（ｉＩＬ）／　（Ｌ　＋　ｉ２）こうして、こ
の電圧信号■が出力端子（１８）から出力される。

電圧信号■は、位置検出素子（６）の受光面に入射され
る反射光Ｌ２の光量には依存せず、位置検出素子（６）
の受光面上の光点の像の位置によって決定される。従っ
て、電圧信号■の値（大きさ）により位置検出素子（６
）の受光面上の光点の座標の変位、すなわち測定対象物
体の変位が測定できる。

［発明が解決しようとする課題］ 上述したような従来の変位測定装置では、専用の除算回
路ＩＣや演算増幅器を用いて構成した除算器を有してい
るが、この除算器には次のような問題点を有している。

まず、第１に演算精度が１％程度であること、第２に分
母の入力レベルが変化した場合に演算精度が悪くなるこ
と、すなわち反射光の変動により加算器（１１）の出力
ｉ１＋ｉ２に比例した電圧信号のレベルが低下すると演
算誤差が増大すること、第３に温度ドリフトや経時ドリ
フトの補償が困難であること、すなわち除算器（１７）
の入力信号がサンプルホールド回路（１５）、（１６）
によって直流化されるために除算器（１７）で発生する
温度ドリフト等が補償できないこと、第４に周波数特性
があまり速くないこと等である。

また、上述した欠点を改善するために高性能の除算器を
使用すると、装置の価格が上昇してしまうという問題点
があった。

この発明は、上述した問題点を解決するためになされた
もので、温度ドリフト等の補償がされて精度が高くでき
、かつ安価に製造できる変位測定装置を得ることを目的
とする。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る変位測定装置は、光を測定対象物体に熊
射しこの測定対象物体で反射または散乱された光を検出
して受光面における上記反射または散乱された光の位置
に依存した電圧信号を出力する光位置検出手段、上記電
圧信号を加算し加算電圧信号を出力する加算手段、上記
電圧信号を減算し減算電圧信号を出力する減算手段、上
記加算電圧信号と上記減算電圧信号との比をパルス信号
のパルス幅に変換するパルス幅変換手段、および上記パ
ルス信号を電圧信号に変換するパルス−電圧変換手段を
備えたものである。

［作用］ この発明においては、パルス幅変換手段およびパルス−
電圧変換手段によって、温度ドリフト等が補償されて、
演算精度が高くなる。

［実施例］ 第１図は、この発明の一実施例を示すブロック図であり
、（１）〜（１４）は上記従来装置のものと全く同一で
ある。第１図において、（２０）〜（２２）はパルス幅
変換手段を構成し、この実施例ではパルス幅変換器（３
０）であって、（２０）はバイパスフィルタ（１３）に
接続された第１の積分回路、（２１）はこの第１の積分
回路（２０）に並列接続されたアナログスイッチ、（２
２）は第１の積分回路（２０）およびバイパスフィルタ
（１４）に接続された電圧コンパレータ、（２３）〜（
２５）はパルス−電圧変換手段を構成し、この実施例で
はパルス−電圧変換器（３１）であって、（２３〉は電
圧コンパレータ（２２）に接続された第２の積分回路、
（２４）はこの第２の積分回路（２３）に並列接続さ（
２３）に接続されたサンプルホールド回路、（２６）は
このサンプルホールド回路（２５）に接続された出力端
子である。

次に、上述した実施例の動作を第２図を参照しながら説
明する。第２図は実施例の各部における信号波形を示す
タイミングチャート図である。

第２図（Ａ）〜（ｉ）において、横軸は時間、縦軸は各
信号のレベルを示している。

まず、第２図６）に示すような駆動パルス信号Ｔ１が、
光源駆動回路（１）によって光源（２）に供給される。

なお、駆動パルス信号Ｔ１は、装置の基本タイミングで
ある。

光源駆動回路（１）からバイパスフィルタ（１３）、（
１４）までの動作は、従来例と同一であるので省略する
。

つづいて、加算（ｉｌ＋ｉｚ＞および減算（ｉｔ　　；
ｚ）された光電流に比例した、第２図（ｂ）および（ｅ
）に示すような電圧信号Ｖ＋およびｖ２が、バイパスフ
ィルタ（１３）および（１４）によってそれぞれ第１の
積分回路（２０）および電圧コンパレータ（２２）に供
給される。

そして、第２図（ｅ）に示すような三角波信号Ｓが、第
１の積分回路によって電圧コンパレータ（２２）に供給
される。この第１の積分回路（２０）はアナログスイッ
チ（２１）により制御され、第２図（ｄ）に示すような
タイミング信号Ｔ２がハイレベルの時、アナログスイッ
チ（２１）が閉じられて（ＯＮ）、第１の積分回路（２
０）内のコンデンサが短絡され積分動作を停止し、タイ
ミング信号Ｔ２がローレベルの時、アナログスイッチ（
２１）が開かれて（ＯＦＦ）、通常の積分動作を行う、
従って、タイミング信号Ｔ２に同期した三角波信号Ｓが
、第１の積分回路（２０）によって出力される。このと
き、三角波信号Ｓの傾きは、電圧信号Ｖ、のレベル（大
きさ）に比例する。

さらに、第２図（ｆ）に示すようなパルス信号Ｐが、電
圧コンパレータ（２２）によって第２の積分回路（２３
）に供給される。この電圧コンパレータ（２２）は、電
圧信号ｖ２の絶対値が、三角波信号Ｓの絶対値より大き
い時にハイレベルのパルス信号Ｐを出力する。

ここで、電圧信号Ｖ、の電圧値を■１、電圧信号Ｖ２の
電圧値を■２、パルス信号Ｐのパルス幅をＷとすれば、 Ｗ（Ｘ：１／Ｖ、　　かつ　ＷｃｃＶ２、’、　　Ｗ　
＝　ｋ＋　・Ｖ　２／　Ｖ　＋　　−０式の関係が成立
している。（ｋ＋は、比例定数）こうして、第１の積分
回路（２０）、アナログスイッチ（２１）および電圧コ
ンパレータ（２２）からなるパルス幅変換器（３０）は
、電圧信号Ｖ、とｖ２との比をパルス信号Ｐのパルス幅
Ｗに変換している。

つづいて、第２図（ｇ＞に示すような電圧信号Ｖ。

が、第２の積分回路（２３）によってサンプルホールド
回路（２５）に供給される。この第２の積分回路（２０
）はアナログスイッチ（２４）により制御され、第２図
（ｄ）に示すようなタイミング信号Ｔ２がハイレベルの
時、アナログスイッチ（２４）が閉じられて（ＯＮ）、
第２の積分回路（２３）内のコンデンサが短絡され精分
動作を停止し、タイミング信号Ｔ２がローレベルの時、
アナログスイッチ（２４）が開かれて（ＯＦＦ）、通常
の積分動作を行う、従って、タイミング信号Ｔ２に同期
し、パルス信号Ｐの電圧値を一定とすれば、パルス幅Ｗ
に比例した電圧値■、の電圧信号ｖ３が、第２の積分回
路（２３）によって出力される。

さらに、第２図（ｉ）に示すような電圧信号Ｖ、が、サ
ンプルホールド回路（２５）によって出力端子（２６）
に出力される。このサンプルホールド回路（２５）は、
第２図（ｈ）に示すようなタイミング信号Ｔ、がハイレ
ベルの時、電圧信号Ｖ、をサンプルホールドして電圧信
号ｖ４を出力する。

こうして、第２の積分回路（２３）、アナログスイッチ
（２４）およびサンプルホールド回路（２５）からなる
パルス−電圧変換器（３１）は、パルス信号Ｐのパルス
幅Ｗを電圧値■、の電圧信号ｖ４に変換している。

上述したように、電圧値■、がパルス幅Ｗに比例するか
ら、 Ｖ、（Ｘ：Ｗ 、’、　　Ｖ　３　＝　ｋ　２・Ｗ の関係が成立し、■式より、 Ｖ　）　−に２・　ｋｌ−■２／Ｖｌ ■ＩＬ：ｘ：（１１＋１２）、Ｖ　２ＣＣ（＋　＋　　
ｉ　２）であるから５、’−Ｖ　３　＝　ｋ　）・（ｉ
ｌ−ｉｚ）／（ｉ＋＋ｉ２）　　・・・　０式の関係が
成立している。（ｋ２、ｋ、は、比例定数）なお、既に
説明したように、温度ドリフト等は時間的にゆっくりと
しか変化しないため、短時間でみれば直流成分と見なせ
るので、温度ドリフト等（直流成分）がバイパスフィル
タ（１３）、（１４）によって除去される。また、第１
の積分回路（２０）および電圧コンパレータ（２２）で
温度ドリフＩ・等が発生するが、正極性と負極性の信号
を利用しているため、温度ドリフト等が除去されている
。

上述した実施例では、第１の積分回路（２０）および第
２の積分回路（２３）は、それぞれ１個のオペアンプで
実現でき、電圧コンパレータ（２２）は３個のオペアン
プで実現できる。また、サンプルホールド回路（２５）
は１個になるために、全体として安価な装置となる。さ
らに、大部分の温度ドリフト等が除去されるので、高精
度の装置が実現できる。

なお、上記実施例ではパルス信号Ｐを直接第２の積分回
路（２３）の入力としたが、更に高精度を実現するため
に、リファレンス電圧を別途用意して、パルス信号Ｐの
パルス幅Ｗの期間、リファレンス電圧を第２の積分回路
（２３）で積分するように構成しても同様の動作を期待
できる。

［発明の効果］ この発明は、以上説明したとおり、光を測定対象物体に
照射しこの測定対象物体で反射または散乱された光を検
出して受光面における上記反射または散乱された光の位
置に依存した電圧信号を出力する光位置検出手段、上記
電圧信号を加算し加算電圧信号を出力する加算手段、上
記電圧信号を減算し減算電圧信号を出力する減算手段、
上記加算電圧信号と上記減算電圧信号との比をパルス信
号のパルス幅に変換するパルス幅変換手段、および上記
パルス信号を電圧信号に変換するパルス−電圧変換手段
を備えたので、温度ドリフト等の補償がされて精度が高
くでき、かつ安価に製造できるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示すブロック図、第２図
は実施例の各部の信号波形を示すタイミングチアート図
、第３図は従来の変位測定装置を示すブロック図である
。 図において、（１）・・、・　　光源駆動回路、（２）
・・・　光源、 （３）・・・　投光レンズ、 （５〉　・・・　集光レンズ、 （６）・・・　位置検出素子、 （７）、（８）　・・・　Ｉ−Ｖ変換器、（９）、（１
０）・・・　増幅器、 （１１）　　・・・　加算器、 （１２）・・・　減算器、 （１３）　　（１４）　　・・・　バイパスフィルタ、
（２０）・・・　第１の積分回路、 （２１）　　・・・　アナログスイッチ、（２２）　　
・・・　電圧コンパレータ、（２３）・・・　第２の積
分回路。 （２４）・・・　アナログスイッチ、 （２５）　　・・・　サンプルホールド回路、（３０）
・・・　パルス幅変換器、 （３１）・・・　パルス−電圧変換器である。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を第　２　
図 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 光を測定対象物体に照射しこの測定対象物体で反射また
   は散乱された光を検出して受光面における上記反射また
   は散乱された光の位置に依存した電圧信号を出力する光
   位置検出手段、上記電圧信号を加算し加算電圧信号を出
   力する加算手段、上記電圧信号を減算し減算電圧信号を
   出力する減算手段、上記加算電圧信号と上記減算電圧信
   号との比をパルス信号のパルス幅に変換するパルス幅変
   換手段、および上記パルス信号を電圧信号に変換するパ
   ルス−電圧変換手段を備えたことを特徴とする変位測定
   装置。