JPH0224445B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、振動測定および形状測定等のため
の重要な測定機器である、測定対象物との距離あ
るいは変位量を光学的に非接触で測定する光学式
変位計に関し、特に温度ドリフトの影響が少なく
高精度な光学式変位計に関する。

〔従来の技術〕

この光学式変位計の受光素子には、従来から位
置検出素子のPSD（Position Sensitive
Detector）を用いている。以下、このPSDの動
作原理について説明する。第３図に示すように、
光ＢがPSD３１上に結像されると、PSD３１の
両端から結像点に対応した光電流I₁，I₂が出力さ
れる。これら光電流I₁，I₂は各々電流−電圧変換
回路３２，３３により、電圧信号V₁，V₂に変換
される。

この場合に測定対象物が変位を行い、PSD３
１の中央の結像点からΔLだけ、その結像点が同
図において下方向に移動したとすると、次の式が
成り立つ。

（Ｌ＋ΔL）I₁＝（Ｌ−ΔL）I₂ I₁＋I₂＝I₀（I₀：全光電流） また、 V₁＝−Rf・I₁ V₂＝−Rf・I₂ であるので、，より、 V₁＝−Rf／2L・（Ｌ−ΔL）I₀ V₂＝−Rf／2L・（Ｌ＋ΔL）I₀ となる。

この後、得られた電圧信号V₁，V₂を、減算回
路、加算回路および除算回路を用いて処理し、次
の信号を得る。

V₁−V₂／V₁＋V₂＝−ΔL／Ｌ したがつて、得られた信号V₁−V₂／V₁＋V₂はΔLに比 例した値となるので、この値を求めることにより
受光素子上の結像点の変位量が判明し、したがつ
て、測定対象物の変位量も測定できる。

このPSDを用いた特公昭56−10561号公報に開
示されている従来例を、次に説明する。第４図に
示すように、パルス発生回路３４により半導体レ
ーザ駆動回路３５が駆動され、半導体レーザ３６
がパルス発光する。このレーザ光は送光レンズ３
７により収束され、測定対象物３８上に光スポツ
ト３９を結像させる。レーザ光は光スポツト３９
で反射し、受光レンズ４０により収束されるとと
もに、フイルタ４１によつて外光が除去されて
PSD４２上に結像される。PSD４２は、光スポ
ツト３９の位置に対応する２つの光電流I₁，I₂を
出力し、プリアンプ４３，４４に伝達する。プリ
アンプ４３，４４は、PSD４２の出力電流I₁，I₂
を増幅するとともに電圧信号V₁，V₂に変換し、
減算回路４５および加算回路４６に伝達する。減
算回路４５の出力信号（V₁−V₂）および加算回
路４６の出力信号（V₁＋V₂）は、外光の影響を
除去し、レーザ光のみを選択透過するハイパスフ
イルタ４７，４８に伝達される。ハイパスフイル
タ４７，４８の出力信号は、前記パルス発生回路
３４からのサンプリングタイム信号４９に基づい
て、サンプルホールド回路５０，５１によつてサ
ンプルホールドされる。両サンプルホールド回路
５０，５１の出力信号は、除算回路５２により除
算され、所望の信号V₁−V₂／V₁＋V₂が得られる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところが、従来の光学式変位計には次のような
問題点がある。

まず、第１の問題点は、除算回路５２（第４図
参照）に使用する割算器として、可変相互コンダ
クタンス型のものを用いなければならないことで
ある。すなわち、除算回路４５の出力信号（V₁
−V₂）が負の値になる可能性があり、そのため、
２象限演算が可能な可変相互コンダクタンス型を
使用せざるを得ない。この割算器は分母のダイナ
ミツクレンジが狭く、かつ高価であるという欠点
を有する。

第２の問題点は、可変相互コンダクタンス型の
割算器を使用した場合、除算回路４５の出力信号
（V₁−V₂）が正の値の時には正確な調整が可能で
あるのだが、負の値の時に正確な調整が不可能に
なり正常な演算ができないということである。

第３の問題点は、除算回路５２の両入力信号に
生じる温度ドリフトが、測定値に大きな影響を付
与するということである。すなわち、除算回路５
２の分母への入力信号の温度ドリフトをα、分子
への入力信号のそれをβとすると、除算回路５２
の出力信号は、 V₁−V₂＋β／V₁＋V₂＋αとなる。したがつて、反射光
量が 小さい場合（V₁，V₂が小さい場合）に特に大き
な問題となる。

この発明は、２象限演算の割算器を使用するこ
となく除算回路を構成でき、かつ、温度ドリフト
の影響が少ない光学式変位計を提供することを目
的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点を解決し、この目的を達成するため
の具体的手段は、測定対象物に光ビームを投射
し、この反射光を結像手段により受光素子上に結
像し、この受光素子の出力によつて測定対象物と
の距離あるいは変位量を測定する光学式変位計に
おいて、前記反射光の結像点に対応する２つの信
号を出力する前記受光素子と、この２つの出力信
号を加算する加算回路と、前記２つの出力信号を
各々この加算回路の出力信号により除算し、それ
ぞれの除算信号を出力する除算回路と、この除算
回路の２つの出力信号の一方から他方を減算する
減算回路を具備するようにしたことである。

〔作用〕

この発明は前述のような手段を採つたので、次
のような作用がもたらされる。

電圧に変換された受光素子の２つの出力信号を
V₁，V₂とすると、これら信号は加算回路に伝達
され、加算回路は（V₁＋V₂）信号を出力する。
除算回路はこの信号により、前記２つの信号V₁，
V₂を除算し、 V₁／V₁＋V₂，V₂／V₁＋V₂信号を出力する。

減算回路はこの２つの信号を入力・減算し、 V₁／V₁＋V₂−V₂／V₁＋V₂信号を出力する。

したがつて、除算回路の分子への入力は、V₁，
V₂という正の信号であり、また、分母への入力
も（V₁＋V₂）という正の信号となり、１象限の
演算のみで処理できる。

次に、除算回路の分母への入力信号の温度ドリ
フトをα、分子への入力信号のそれをβとすると
除算回路の出力信号は、 V₁＋β／V₁＋V₂＋α，V₂＋β／V₁＋V₂＋αとなる。

したがつて、減算回路の出力信号は、 V₁＋β／V₁＋V₂＋α−V₂＋β／V₁＋V₂＋α ＝V₁−V₂／V₁＋V₂＋α となり、除算回路の分子への入力信号の温度ドリ
フトβは除去できる。

〔実施例〕

この発明を、以下実施例に基づいて詳細に説明
する。なお、従来例と同一部分は説明を簡略化し
ている。

第１図に示すように、投光部１からの光ビーム
Ｂが送光レンズ２を透過して測定対象物３に反射
し、受光レンズ４を透過して受光素子である
PSD５に結像される。PSD５から出力された光
電流I₁，I₂は、電流−電圧変換回路６，７により
電圧信号V₁，V₂に変換される。これら電圧信号
V₁，V₂は加算回路８で加算され、（V₁＋V₂）信
号となる。また、電圧信号V₁，V₂はそれぞれス
イツチS₁，S₂を経由して、除算回路９の分子側に
入力される。一方、除算回路９の分母側には、加
算回路８の出力信号（V₁＋V₂）が入力される。

除算回路９に使用されている割算器は、対数変
換型のものである。この割算器は通常、１象限演
算しか行えないが、この発明の除算回路９の両入
力は正の値であるので何等問題はない。そして、
この割算器は分母のダイナミツクレンジが極めて
広く、精密な測定が可能であるという長所があ
る。

除算回路９の出力信号ａは、減算回路１０の負
端子に常時入力されるとともに、スイツチS₃およ
びサンプルホールド回路１１を経由して信号ｂと
なり、減算回路１０の正端子に入力される。な
お、サンプルホールド回路１１にはコンデンサ
C₁が接続されている。減算回路１０の出力信号
ｃはスイツチS₄およびサンプルホールド回路１２
を経由して信号ｄとなり、外部にこの信号ｄを出
力する端子１３に伝達される。なお、サンプルホ
ールド回路１２にはコンデンサC₂が接続されて
いる。

このような構成を有する実施例の動作につい
て、第１図を参照しながら、各スイツチのタイム
チヤートおよび各信号の波形図である第２図に基
づいて説明する。なお、同図のアルフアベツト
は、第１図のスイツチおよび信号のアルフアベツ
トに対応している。

第２図に示すように、スイツチS₁，S₂は一方
が導通している時に、他方は遮断されている関係
にある。なお、同図において、HIGHレベルの時
が導通している状態であり、LOWレベルの時が
遮断している状態である。したがつて、除算回路
９の出力信号ａは、同図に示すように、スイツ
チS₁の導通時に V₁／V₁＋V₂を出力し、スイツチS₂の導通時に V₂／V₁＋V₂を出力する。

スイツチS₃は、同図に示すように、スイツチ
S₁の導通中に導通を開始し、スイツチS₁の導通終
了時に同様に導通を終了する。それゆえ、サンプ
ルホールド回路１１はスイツチS₃の導通時t₁に除
算回路９の出力信号ａをサンプルホールドし、信
号ｂとして減算回路１０の正端子に伝達する。一
方、減算回路１０の負端子には常時除算回路９の
出力信号ａが入力されているので、減算回路１０
は同図に示すような信号ｃをスイツチS₄に伝達
する。スイツチS₄はスイツチS₂の導通中に導通を
開始し、スイツチS₂の導通終了時に同様に導通を
終了する。それゆえ、サンプルホールド回路１２
は、スイツチS₄の導通時t₂に減算回路１０の出力
信号ｃをサンプルホールドし、測定対象物３の変
位信号ｄとして外部に出力する端子１３に伝達す
る。

この実施例においては、測定対象物３の変位信
号ｄとしてV₁−V₂／V₁＋V₂を得たが、本出願人が既に出 願済の特願昭59−235475号において開示している
ように、変位信号ｄとしてV₁−V₂／V₁＋k₁V₂、あるい は、V₁−k₂V₂／V₁＋k₃V₂（k₁，k₂，k₃は、１を含む任意
の 定数）を得るように構成しても構わない。

また、この実施例においては対数変換型の割算
器を除算回路９に使用したが、可変相互コンダク
タンス型の割算器を使用しても別に構わない。１
象限演算しか行わないので調整が容易になり、可
変相互コンダクタンス型が有している問題点がさ
ほど露呈しない。

さらに、この実施例においては光ビームＢが直
流光の場合について説明したが、従来例と同様な
パルス光であつてもサンプルホールド回路の付加
により、この発明を簡単に実施できることは言う
までもない。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、この発明は、
測定対象物に光ビームを投射し、この反射光を結
像手段により受光素子上に結像し、この受光素子
の出力によつて測定対象物との距離あるいは変位
量を測定する光学式変位計において、前記反射光
の結像点に対応する２つの信号を出力する前記受
光素子と、この２つの出力信号を加算する加算回
路と、前記２つの出力信号を各々この加算回路の
出力信号により除算し、それぞれの除算信号を出
力する除算回路と、この除算回路の２つの出力信
号の一方から他方を減算する減算回路を具備する
ようにしたので、除算回路を構成する割算器に１
象限演算のみが可能な対数変換型のものを使用す
ることができる。よつて、安価で高精度な光学式
変位計を提供できる。

また、除算回路の後に減算回路を設けているの
で、除算回路の分子への入力信号の温度ドリフト
の影響を減算回路で除去でき、温度変化が著しい
測定環境でも正確な測定が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明にかかる光学式変位計の１実
施例の簡略化された回路図、第２図はこの回路の
各スイツチの動作のタイムチヤートおよび各信号
の波形図、第３図は位置検出素子PSDの動作説
明図、第４図は従来例のブロツク図である。 １……投光部、３……測定対象物、４……受光
レンズ、５……PSD（受光素子）、８……加算回
路、９……除算回路、１０……減算回路、Ｂ……
光ビーム。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 測定対象物に光ビームを投射し、この反射光
   を結像手段により受光素子上に結像し、この受光
   素子の出力によつて測定対象物との距離あるいは
   変位量を測定する光学式変位計において、 前記反射光の結像点に対応する２つの信号を出
   力する前記受光素子と、 この２つの出力信号を加算する加算回路と、 前記２つの出力信号を各々この加算回路の出力
   信号により除算し、それぞれの除算信号を出力す
   る除算回路と、 この除算回路の２つの出力信号の一方から他方
   を減算する減算回路を有することを特徴とする光
   学式変位計。