JPH02240508A - 変位測定器 - 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］ この発明は変位測定器に関１７、特に、基準位置から被
測定対象物までの距離または距離の変化に比例した出力
を発生する回路を有する変位測定器に関する。

［従来の技術］ 被測定物体に光を出射し、該物体によって反射される光
をＰＳＤ（ｐｏｓｉｔｉｏｎ　　５ｅｎｓｉｔｉｖｅ　
　ｄｅｖｉｃｅ）などの受光素子で受光し、受光した反
射光の光点の位置により、出射部（または受光部）から
被測定物体までの距離を測る方法は、三角測距法として
知られている。

第５図は、三角７１）Ｊ距法を用いた被測定物体の変位
を測定する原理を示す図である。第５図を参照して、発
光素子１０の光をコリメータレンズ１２を介して被測定
対象の物体１４へ出射すると、光は物体１４で反射され
、受光レンズ１６によって集束されて、その光点は受光
素子１８上に結像される。

今、受光素子１８がＰＳＤで構成されている場合を例に
とると、物体１４がＳ１位置にあるとき、発光素子１０
からの出射光が物体１４上の点Ｐ。

で反射し、その反射光がＰＳＤｌｇの受光面に対して垂
直に入射して受光面上の点Ｑ、で結像したとする。その
ときの受光レンズ１６の中心点Ｏから点Ｑ、までの距離
をｄとする。また、点Ｏからコリメータレンズ１２の光
軸（以下、投光軸と称する）に下ろした垂線が投光軸に
交わる点をＰ。

とじ、点Ｏから点Ｐ。までの距離を愛とする。さらに、
点Ｏと点Ｐ、と結ぶ線と、点Ｐ０と点Ｐ１とを結ぶ線と
がなす角をαとする。

ここで、投光軸上にＸ軸を設定し、Ｘ軸の原点を点Ｐ０
とすると、点Ｐ０から物体１４までの距離はＸで表わさ
れる。次に、ＰＳＤｌｇの受光面上にＰＳＤの長手方向
に沿ってｙ軸を設定し、点０から投光軸に平行に引いた
線がｙ軸と交わる点をＱ。とじ、この点Ｑ。をｙ軸の原
点とすると、点Ｑ０から受光点までの距離はｙで表わさ
れる。

今、物体１４が、点Ｐ。からＸだけ離れたＳ２の位置に
あるとすると、幾何学的考察からｙ−１１！ｄ　（１＋
ｔ　ａｎ２ａ）／　（ｘ＋Ｉｌｔ　ａｎα）が導出され
る。

ところで、ＰＳＤｌｇは第６ａ図に示すように、導電型
がたとえばＮ型である基板１８１と、基板１８１上に形
成された絶縁物からなる１層１８２と、１層１８２上に
形成され、導電型が基板とは反対のたとえばＰ型である
抵抗層１８３と、抵抗層１８３に形成された電極Ａ、　
　Ｂとから構成される。抵抗層１８３の１層１８２と接
する面の反対面が受光面である。第５図において、投光
軸に近い方（以下、投光軸側と称す）の電極を電極Ａと
する。

第６Ｂ図に示すように、この受光面に光スポット２０が
当たると、ＰＳＤｌｇに発生する光電流は抵抗層１８３
によって分流され、電極Ａ、Ｂから取出される。このと
き、光スポット２０の位置により、電極Ａ、Ｂに分割さ
れる電流の割合が変わる。電極Ａ、　　８間の抵抗をＲ
１光スポツト２０から電極Ｂまでの抵抗をｒとした場合
のＰＳＤの等価回路を第７図に示す。オームの法則から
ｒ　ＩＢ　＝　（Ｒ−ｒ）　ＩＡ　　　−（２）ここで
、ＩＡは電極Ａの出力電流、Ｉ［１は電極Ｂの出力電流
である。

第６Ｂ図に示すように、ＰＳＤｌｇの有効長を２Ｌとす
ると、単位長さあたりの抵抗はＲ／２Ｌである。また、
光スポット２０は、ＰＳＤｌｇの中心からＹだけ離れて
いるので、 ｒ−＝Ｒ／２−　（Ｒ／２Ｌ）Ｙ　　　　　・・・（３
）が得られる。

式（２）、　　（３）から Ｙ−Ｌ”（Ｉａ　　ＩＡ　）／　（ＩＡ　＋　１Ｂ）・
・・（４）となり、電流ＩＡ、Ｉａから光スポットの位
置Ｙが求まる。

第８図に示すように、ＰＳＤｌｇの中心点のｙ座標の位
置をｙ。とすると、式（４）のＹは、Ｙ−Ｖ　　Ｙｏと
変数変換され、 ｙ−ｔ、　（Ｉａ　−ＩＡ　）　／　（ＩＡ　＋　Ｉｅ
、）　＋）／。

・・・（５） となる。これを、式（１）に代入し、Ｘについて求める
と、 ｘ＝　　　　、二、、　　　［ｄ　　　（１＋ｔａｒ＋
’ａ）　　　−（ｙｓ＋Ｌ）　　　ｔａｎ　　　ａ）す
なわち、ｘｍＫｌ　＋ｃ　ＩＡ　／　（ＩＢ　＋ｋ　Ｉ
Ａ　）・・・　（７） となる。

ここで、Ｋ＋　”１１　（ｄ　（１＋ｔａｎ２ａ）−（
ｙＯ＋Ｌ）　ｔ　ａ　ｎ　α）　／　（ｙｏ　”　Ｌ）
Ｇ−２ＬＩｌｃｉ　（１＋ｔ　ａｎ”α）／　（ｙｏ　
＋Ｌ）　２ｋ　−（ｙｏ　−Ｌ）　／　Ｃ’ＩＱ　＋Ｌ
）である。

式（７）により、電流Ｉ＾およびＩＢから距離Ｘを求め
る回路として第９図に示すものが考えられる。

第９図を参照して、ＰＳＤ１８からの出力電流ｌ、をプ
リアンプ２２により電圧Ｖ＾に変換し、出力電流ｌ１１
１をプリアンプ２４によりＶａに変換する。プリアンプ
２２の出力は抵抗Ｒ＾により、ｋＶ、となり、加算器２
６の一方入力端に与えられる。プリアンプ２４の出力は
そのまま加算器２６の他方入力端に与えられる。したが
って、加算器２６の出力端からは、Ｖ３＋ｋＶＡが出力
される。この出力は、割算器２８の一方入力端に与えら
れる。割算器２８の他方入力端には、プリアンプ２２の
出力がそのまま与えられる。したがって、割算器２８の
出カバＶ＊　／　（ＶＢ　＋　ｋ　ＶＡ　）となり、式
（７）の第２項に対応する。この出力に基づいて距離Ｘ
が求められる。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の三角測距法を用いた変位測定方法では、基準位置
から被測定対象物までの距離または距離の変化に比例し
た出力を得るために、第９図に示すような上記式（７）
に対応した直線化補正回路が必要であり、直線化補正の
ために割算を行なう前に、加算あるいは減算を行なうた
めの回路が必要であった。このため、電気回路が大型か
つ複雑となり、また、コストが高いという問題点があっ
た。

それゆえに、この発明は基準位置から被測定対象物まで
の距離または距離の変化に比例した出力を得ることので
きる簡略化された回路構成を有する変位測定器を提供す
ることである。

［課題を解決するための手段］ この発明は測定光を所定の方向へ出射する測定用光出射
手段と、測定用光出射手段から出射された測定用光が測
定すべき被測定対象物で反射するとき、その反射した反
射光を受け得るように設けられ、反射光の受光位置に応
じて分流された電流を出力する第１および第２の出力端
を有する受光手段とを備え、受光手段の第１および第２
の出力端からの出力に基づいて、基準位置から被測定対
象物までの距離または距離の変化を測定する変位ｉ’ｌ
ｌ定器であり、基準位置から被測定対象物までの距離ま
たは距離の変化に比例した出力を得るために受光手段の
第１の出力端に直列接続され、所定の抵抗を或するイン
ピーダンス手段と、該インピーダンス手段を介して受光
手段の第１の出力端に接続され、電流値を電圧値に変換
するための第１の電流電圧変換手段と、受光手段の第２
の出力端に接続され、電流値を電圧値に変換するための
第２の電流電圧変換手段と、第１および第２の電流電圧
変換手段の出力に基づいて、基準位置から被測定対象物
での距離または距離の変化を演算する演算手段とを備え
て構成される。

上述のインピーダンス手段は、受光手段の温度補償を行
なうためのサーミスタであってもよい。

［作用］ この発明では、受光手段の第１の出力端からの電流は基
準位置から被測定対象物までの距離または距離の変化に
比例した出力を得るために設けられたインピーダンス手
段を介して第１の電流電圧手段に与えられて、電圧値に
変換される。また、受光手段の第２の出力端からの電流
値はそのまま第２の電流電圧変換手段に与えられて、電
圧値に変換される。演算手段は、第１の電流電圧変換手
段からの出力および第２の電流電圧変換手段からの出力
に基づいて、基準位置から被測定対象物までの距離また
は距離の変化を演算する。

［発明の実施例］ 以下には、図面を参照して、この発明の実施例について
詳細に説明する。

第１の実施例 第１図は、この発明の第１の実施例の特徴部分の回路構
成を示す図である。第１図を参照して、受光素子として
のＰＳＤ１８は２つの出力端を有する。このうち、投光
軸側の出力端（以下、Ａ出力端と称する）には、固定抵
抗Ｒ１と可変抵抗Ｒ２とが直列接続される。固定抵抗Ｒ
４と可変抵抗Ｒ２の抵抗値の合計値ＺＡは、 Ｚ＾−Ｒ（ｙｏ　／２Ｌ−１／２）　　　・・・（８）
ただし、Ｒ：ＰＳＤの電極Ａ、Ｂ間の抵抗Ｌ：ＰＳＤの
受光面の長さの半分 ｙｏ　−投光軸に平行に受光レンズの中心点を通る線か
らＰＳＤの受光面に 平行に測ったＰＳＤの中心までの 距離 に調整されているものとする。Ａ出力端は上記固定抵抗
Ｒ７および可変抵抗Ｒ２を介してプリアンプ３２に接続
される。一方、ＰＳＤ１８の他方の出力端（以下、Ｂ出
力端と称する）は、直接プリアンプ３４に接続される。

プリアンプ３２および３４の出力は割算器３６に与えら
れる。割算器３６からは基準位置から被測定対象物まで
の距離または距離の変化に比例したすなわち直線化され
た出力が得られる。次に、１１線化された出力が得られ
る原理を説明する。

第２　図ヲ参照１．　Ｔ：、ＰＳＤ１８（７）Ａ出力端
ニｚ先、Ｂ出力端にＺａなる抵抗を付加したとし、ＰＳ
Ｄ１８上の光スポットからＢ出力端までの抵抗をｒとし
、各出力端の出力電流をＩＡ、Ｉａとすると、オームの
法則から ＩＡ　（Ｒ−ｒ＋ＺＡ）−ＩＢ　　（ｒ＋Ｚａ　）・・
・　（９） が得られ、式（９）から ｒ−＋ＩＡ　　（Ｒ＋ＺＡ　）　　１８２Ｂ　）　ｌ　
／　（１、＋１６） ・・・　（１０） が得られる。

なお、第１図に示す実施例では、Ｚａ　−０であるが、
一般化のためＺａ≠０として以下の計算を行なう。

式（１０）と式（３）から Ｙ＝Ｌ（（Ｉａ−ＩＡ）＋２（Ｉａｋａ　　ＩＡｋ、ａ
　）　ｌ　／　（ＩＡ　＋　１６　）・・・　（１１） が得られる。

ここで％　ｋＡ　ｒ　　ｋＡは２＾、ＺａをＲに対する
比抵抗で表わ）−たちのである。すなわち、ｋＡ−ＺＡ
／Ｒ，に、−ｚ、、／Ｒである。

式（１１）を幾何学的配置の式（１）に代入することに
よって、ＩＡＩ　　ｘ、、ｘの関係式が得られる。なお
、Ｙはｙｍｙ−ｙｏであるから、式（１１）を変形して
、 ’１−ｙｏ　＋Ｌ　（（１Ｂ−ＩＡ　）＋２　（１ａｋ
ＢＩＡ　ｋＡ）ｌ　／　（１＾＋ＩＢ　）を得、式（１
２）を式（１）に代入し、Ｘについて求めると、 が得られる。式（１３）において、 ｙｏ　−Ｌ　−２Ｌ　ｋｘ　−０ すなわち、ｋＡ”’）’ｏ　／２Ｌ　　１／２となるに
＾を採用すると、式（１３）は ％式％（１４） ３？なる。つまり、ｋ８≠０　（ＺＢ≠０）の場合でも
６、Ｚｇの値に変わらず、ＸはＩＡ／１Ｂに比例する。

ここで、実施例に基づいてｚＢ　−ｏとすると、式（１
４）から ・・・　（１５） が得られる。式（１５）を簡略化すると、となり、ＩＡ
／Ｉａの割算またはＩＢを一定にするような帰還をかけ
てＩＡを出力すると、Ｘに比例したすなわち直線補正さ
れた出力が得られる。

したがって、従来必要とした加減算回路は不要である。

第２の実施例 第３図はこの発明の他の実施例の特徴部分の回路構成を
示す図である。第３図を参照して、この実施例では、第
１図に示す固定抵抗Ｒ７および可変抵抗Ｒ２の代わりに
、サーミスタ３８が設けられる。サーミスタ３８として
、ＰＳＤ１８の温度に対する抵抗値の変化にその抵抗値
が追随するものが用いられる。ＰＳＤ１８の温度による
抵抗値変化の一例を第４図に示す。サーミスタ３８を適
用することにより、上記直線補正とともに、ＰＳＤの温
度補償を行なうことができるので、雰囲気温度の変化す
る場所でも当該変位測定器を使用することができる。し
たがって、使用可能範囲が広く、かつ測定精度の高い変
位測定器が得られる。

［発明の効果］ 以上のようにして、この発明によれば、受光手段の一方
出力端にインピーダンス手段を直列に接続することによ
り、基準位置から被測定対象物までの距離または距離の
変化に比例した出力を得ることができるので、小型化か
つ簡略化された変位測定器を安価に提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１の実施例の特徴部分の回７８構
成を示す図である。第２図は第１の実施例におけるＰＳ
Ｄの等価回路を示す図である。第３図はこの発明の第２
の実施例の特徴部分の回路構成を示す図である。第４図
は第３図に示すＰＳＤの温度に対する抵抗変化を示すグ
ラフである。第５図は三角測距法を用いた被測定対象物
の変位を測定する原理を示す図である。第６Ａ図はＰＳ
Ｄの概略構成を示す断面図である。第６Ｂ図はその平面
図である。第７図は従来の変位測定器におけるＰＳＤの
等価回路を示す図である。第８図はＰＳＤとｙ座標との
関係を説明するための図である。 第９図は従来の変位測定器における距離または距離の変
化を演算するための回路を示す図である。 図において、１８はＰＳＤ、３２．３４はプリアンプ、
３６は割算器、Ｒ３は固定抵抗、Ｒ２は可変抵抗、２＾
はＰＳＤの投光軸側に付加される抵抗を示す。 案１図 勇３コ ３６◆＋’ｌ器 も２図 鳥４必 １度− も５図 蔓９日 夷６Ｂ図 手 続 補 正 書 ６、 補正の対象 明細書の発明の詳細な説明の欄およびｌ市平成１年１０
月５日 ７、 補正の内容 明細書第１３頁第１２行の第１３式 ２、発明の名称 変位別淀器 を、 ３、補正をする者 （Ｖｅ　−Ｌ−２ＬｋＡ）　ＩＡ　”　（ｙｅ　＋Ｌ＋
２Ｌｋｍ　）　Ｉｓ」 事件との関係

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）測定用光を所定の方向へ出射する測定用光出射手
   段と、 前記測定用光出射手段から出射された測定用光が測定す
   べき被測定対象物で反射するとき、その反射した反射光
   を受け得るように設けられ、反射光の受光位置に応じて
   分流された電流を出力する第１および第２の出力端を有
   する受光手段とを備え、前記受光手段の前記第１および
   第２の出力端からの出力に基づいて、基準位置から被測
   定対象物までの距離または距離の変化を測定する変位測
   定器であって、 前記基準位置から前記被測定対象物までの距離または距
   離の変化に比例した出力を得るために前記受光手段の前
   記第１の出力端に直列接続され、所定の抵抗を有するイ
   ンピーダンス手段と、前記インピーダンス手段を介して
   前記受光手段の前記第１の出力端に接続され、電流値を
   電圧値に変換するための第１の電流電圧変換手段と、前
   記受光手段の前記第２の出力端に接続され、電流値を電
   圧値に変換するための第２の電流電圧変換手段と、 前記第１および第２の電流電圧変換手段の出力に基づい
   て、前記基準位置から前記被測定対象物での距離または
   距離の変化を演算する演算手段とを備えた、変位測定器
   。
2. （２）前記インピーダンス手段は、前記受光手段の温度
   補償を行なうためのサーミスタである、特許請求の範囲
   第１項記載の変位測定器。