JPH03264888A - 光学式変位センサー - 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］ 本発明は、投光手段から検知エリアに投光される光ビー
ムの被検知物体による反射光を、受光手段にて受光し、
受光手段出力に基づいて検知エリア内の被検知物体まで
の距離を測定するようにした光学式変位センサーに関す
るものである。

［従来の技術］ 第６図はこの種の光学式変位センサーの従来例を示すブ
ロック図である。発光部１からの出力光を周波数ｆ０に
て輝度変調して、投光光学系により反射物体８へ投光す
る。そして、反射物体８からの反射光を受光光学系によ
り受光部２ａ上に入射させる。このとき、発光部１から
発光される参照光波形と受光部２ａにて受光される測距
光波形との間には、第７図に示すように、反射物体８ま
での距Ｍ１に応じて、位相のずれθｄを生ずる。この間
係を式で表せば、 １１−ｃθｄ／　４　ｇｆｏ　　　（ｍ）　　　−■た
だし、１：反射物体までの距離（、）Ｃ：光速〔ｆｆｌ
／ｓｅｃ〕 となり、位相差θｄ（ｓｅｃ）が測定されれば、反射物
体８までの距Ｍｌを求めることができる。第６図の構成
においては、発光部１や受光部２ａ、及び回路系の経時
変化や温度・湿度変化に対する位相変動を補正するため
に、発光部１の光の一部をハーフミラ−３２，３３を介
して受光部２ｂに参照光として取り込み、測距光に対す
る受光回路系と同一の回路系をもって信号処理を行う、
つまり、参照光と測距光の相対的な位相比較を行うこと
で、発光部１や受光部２ａ、回路系の絶対的位相変動を
打ち消すように構成している。

一方、変調周波数ｆ０は測距分解能に大きく左右される
。今、位相分解能Δθｄ＝２π／１０００において、測
距分解能Δ１＝　１０　（ｍｎ＋３を達成するためには
、式■より、 ｆ、＝ｃΔθｄ／４πΔｅ　　　　・・・■ｆｏ＝１５
　　ＣＭＨｚ） でなければならないことが分かる。このような高い周波
数の位相比較を精度良く行うために、第６図の構成ては
、受光回路２１１１．２１ｂにより得られた受光信号を
混合器２２ａ、２２ｂに導いて、発振器２３で発生させ
た局部発振周波数と混合し、周波数変換により低い周波
数に変換してから位相比較を行っている。そして、位相
比較部４による位相比較の結果を積分器７により所定の
時定数で積分し、距離ｌに応じた電圧を出力している。

また、積分器７の出力を比較器９で所定の基準電圧Ｖｒ
と比較して、反射物体８の有無を判定するための判別出
力を得ている。

このように、従来の光学式変位センサーにおいては、発
光部や受光部、回路系の絶対的位相変動を打ち消すため
に、参照光系の受光回路系を設けている。参照光系の受
光回路系は、測距光系の受光回路系と同一の回路素子で
構成された同一の回路としており、理想的には全く同一
の絶対位相変動を生じることが期待されるものである。

しかしながら、現実には個々の回路素子のばらつきや回
路の配線、配置等に起因する種々のばらつきが有り、そ
れに伴う相対的位相誤差が発生するという問題があった
。

そこで、第８図に示すように、光ビームを走査するため
の光スキヤナ−３１と光ファイバー３２とを組み合わせ
た光路切換器３により発光部１からの光を反射物体にて
反射させて受光部２に入射させる第１の光路と、発光部
１からの光を受光部２に直接入射させる第２の光路とを
時系列的に切り換えることにより、測距光の受光回路系
と参照光の受光回路系のばらつきを解消することが提案
されている（特願平０１−４０５６号出願参照）。

これにより、個々の回路素子や回路ブロックの絶対的な
位相変動特性にばらつきがあったとしても、安定な測距
が可能となる。

［発明が解決しようとする課題］ 上述の従来技術にあっては、次のような問題が有る。

■測距のための変調周波数Ｆ。は、数百ｋＨｚ〜数十Ｍ
　Ｈ２という高周波であるため、空間的なシールドを施
しても、その電源やアースラインから信号か漏れて、受
光回路系へ誘導ノイズが現れてしまう。これは、かなり
厳重なシールド及び電源ラインのバイパスを行っても完
全に取り除くことは困難である。この誘導ノイズは、受
光信号のレベルが小さくなると、変位測定に影響を与え
ることになる。例えば、被検類！ｌＩＩ体の反射率が低
くなったり、被検知物体との距離が大きくなることで、
受光信号のレベルが誘導ノイズと同程度にまで低下する
と、本来、受光信号の持っている位相情報が失われて、
誘導ノイズの持つ位相情報が検出されてしまう。その結
果、大きな測距誤差が生じることになる。このような測
距誤差は、シールドや電源のバイパスが不完全で誘導ノ
イズのレベルが大きくなればなるほど、顕著に現れるこ
とになる。

■第６図に示す構成のように、距離信号を比較器９によ
って所定の基準電圧Ｖｒと比較して、ある距離内におけ
る反射物体の有無を判定する場合、受光信号のレベルが
受光回路系のノイズレベルと同程度にまで低下すると、
その位相情報は多くのノイズを含むようになり、比較器
９が誤動作して、その出力がＯＮ１０　Ｆ　Ｆを繰り返
すことになる。

この問題は比較器９に多少のヒステリシスを持たせても
、位相ノイズは最悪の場合には±３６０度にも達するの
で、簡単に解決することはできない。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、そ
の目的とするところは、光学式変位センサーにおいて、
受光信号のレベルが低下した場合の誤動作を回避するこ
とにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係る光学式変位センサーにあっては、上記の課
題を解決するために、第１図に示すように、発光部１か
らの光を反射物体上にて走査させる光スキヤナ−３１と
、光スキヤナ−３１の第１の走査位置にて発光部１から
の光を受光部２に直接入射させる光ファイバー３２と、
光スキヤナ−３１の第２の走査位置に配された光吸収部
材３４と、発光部１の発光位相と受光部２の受光位相と
の位相差を求める位相比較部４と、発光部１からの光が
反射ｅ＋ｉで反射されて受光部２に入射するときと光フ
ァイバー３２を介して受光部２に入射するときにおける
位相比較部４の出力差に応じて距離信号を発生する距離
演算部５と、光スキヤナ−３１が第２の走査位置にある
ときの受光出力を打ち消すための位相シフト出力を発生
する自動位相シフト回路２３と、自動位相シフト回路２
３の出力を受光部２の出力に加算する加算回路２４とを
有することを特徴とするものである。

なお、第３図に示すように、発光部１の発光位相に対し
て所定の位相差を有する第２の位相シフト出力を発生す
る第２の位相シフト回！２５と、第２の位相シフト回路
２５の出力を前記自動位相シフト回路２３の出力に加算
する第２の加算回路２６とを設ければ、より好ましい。

［作用］ 本発明にあっては、光スキヤナ−３１が第１の走査位置
にあるときに、発光部１からの光は光ファイバー３２を
介して受光部２に直接入射する。したがって、測距光用
の受光系を参照光用の受光系として兼用することができ
る。また、光スキヤナ−３１が第２の走査位置にあると
きに、発光部１からの光は光吸収部材３４に入射するの
で、受光部２には入射されない、そして、このときの受
光出力を打ち消すための位相シフト出力を受光部２の出
力に加算するようにしたので、誘導ノイズによる誤動作
を防止することができるものである。

また、第３図に示すように、発光部１の発光位相に対し
て所定の位相差を有する第２の位相シフト出力を自動位
相シフト回路２３の出力に加算することにより、受光信
号のレベルが低い場合に、距離信号は第２の位相シフト
出力に応じた所定値に漸近することになり、測定結果が
不安定になることを防止できる。

［実施例］ 第１図は本発明の一実施例のブロック図である。

発光部１は発光ダイオードや半導体レーザーのような発
光素子よりなり、発光回路１１により供給される駆動信
号に応じて光信号を発生する０発振器１２は、発光部１
から出力される光信号の変調周波数ｆ、を発振し、発光
回路１１に供給すると共に、混合器２２には局部発振周
波数（「。−ｒｅ）を供給する。局部発振周波数（「。

−ｆｃ）は変調周波数ｆ。

とは僕かに周波数の異なる信号であり、ｆ　ｃ　Ｃｆ、
である。受光部２はシリコンフォトダイオードのような
受光素子よりなり、受光された光信号の強度に応じた光
電流を発生する。受光口＃ｒ２１は電流電圧変換回路を
含み、受光部２にて得られた光電流を電圧信号に変換す
る。受光回路２１の出力は、加算回路２４を経て混合器
２２にて局部発振周波数（ｆ、−ｆｃ）と周波数混合さ
れ、低周波のビート信号に変換されて、位相比較部４に
入力される。

位相比較部４は発振器１２から出力される周波数ｆｃの
信号と、混合器２２から得られた低周波のビート信号と
の位相差を比較する。自動位相シフト回路２３ては、発
振器１２と混合器２２の出力に基づいて誘導ノイズ消去
用の位相シフト出力を発生し、加算回路２４に供給する
。

本発明にあっては、発光部１の前方に光路切換器３とし
て、光スキヤナ−３１を配している。この光スキヤナ−
３１は駆動回路３３の制御下にて回動制御され、反射物
体の距離と方向を測定可能としている。光スキヤナ−３
１が第１の走査位置に設定されると、発光部１からの光
は光ファイバー３２を介して受光部２に直接入射する。

また、光スキヤナ−３１が第２の走査位置に設定される
と、発光部１からの光は光吸収部材３４に入射されるの
で、受光部２には入射されない、光スキヤナ−３１がそ
の他の走査位置にあるときには、発光部１からの光は反
射物体へ投光される６反射物体からの反射光は、受光部
２に入射される。このように、本実施例の光学式変位セ
ンサーでは、発光部１からの光をそのまま反射物体へ投
光して、その反射光を受光部２に受光させる第１の光路
と、発光部１からの光を外部へは出さずに全てを参照光
として反射して受光部２へ直接受光させる第２の光路を
選択することができる。これによって、時系列的に測距
光と参照光を同一の受光部２に受光させることができる
わけである。タイミング回路６の出力ｆＫは、距離演算
部５にも入力されており、距離演算部５は位相比較部４
の出力が測距光によるものか、参照光によるものかを区
別することがてき、測距光受光時と参照光受光時の位相
比較部４の出力の差分に応じて距離信号を出力する。

このように構成することによって、従来、２系統必要で
あった受光部と受光回路を１系統化することができ、絶
対位相変動特性のばらつきによる測距誤差を回避するこ
とができる。

次に、時系列的に入射される測距光と参照光の信号処理
について説明する。光スキヤナ−３１が第１の走査位置
に設定されているときには、タイミング回路６の出力ｆ
には“Ｈｉｇｈ”レベルとなり、光スキヤナ−３１が第
２の走査位置に設定されているときには、タイミング回
路６の出力ｆＫＣがＨｉｇｈ”レベルとなる。光スキヤ
ナ−３１が第１の走査位置にあるとき、受光部２は参照
光を取り込むことになる。また、光スキヤナ−３１が第
２の走査位置にあるとき、受光部２は発光部１がらの光
を入射されない６一方、位相比較部４は混合器２２から
得られる受光信号と発振器１２からの低周波信号ｆｃの
位相差を絶えず比較出力している。受光部２が測距光を
受光しているときの電圧をＶｃ、参照光を受光している
ときの電圧をＶｒとすると、これらの出力は距離演算部
５に時系列的に入力される。距離演算部５は、タイミン
グ回ｌｅｔ　６からの信号ｆ、に同期して位相比較部４
の出力をサンプリングすることにより、電圧Ｖｃと電圧
Ｖｒを取り込み、その差分として距離信号Ｖ１＝Ｖｃ−
Ｖｒを出力する。この距離信号Ｖ１は、個々の回路素子
や回路ブロックの絶対的位相変動を絶えず測定し、記憶
しなから測距値補正を行っていることになるので、位相
変動が生じている場合においても、距離信号Ｖｌは安定
した出力となる。なお、参照光受光時の位相比較部４の
出力電圧Ｖｒは、タイミング回路６からの出力ｆにの周
期毎に順次更新されているので、位相変動に対してタイ
ミング回路６の出力ｆにの周期は十分に小さく設定する
必要があることは言うまでもない。

第２図は、光スキヤナ−３１が第２の走査位置に設定さ
れ、光吸収部材３４を走査している場合の各部の１言号
波形を示している。このとき、発光部１からの光は測距
光としても参照光としても受光部２には入射されない。

図において、受光出力は誘導ノイズ波形の位相とレベル
を示しているが、この位相と逆相で同一レベルとなる信
号を、発振器１２からの変調周波数ｆ。に同期して自動
位相シフト回路２３により作成する。この自動位相シフ
ト回路２３の出力と、誘導ノイズとを加算回路２４によ
って加算することにより、誘導ノイズは打ち消される。

この自動位相シフト回路２３における一連の動作はタイ
ミング回路６によって制御され、光スキヤナ−３１が第
２の走査位置にある場合において、その位相シフト量と
レベルとが記憶される。そして、通常は、光スキヤナ−
３１が第２の走査位置以外にあるときに測距を行い、周
囲環境の変化や回路の経時変化等によって誘導ノイズが
変動する頃を見極めて、あるいは光ビーム走査の一周期
毎に光スキヤナ−３１を第２の走査位置に走査して、そ
の位相シフト量とレベルの更新を行う、このように、基
準信号ｆ。を用いて誘導ノイズを打ち消せば、被検知物
体が無い場合（受光信号が極小の場合）における位相情
報は常にランダムとなり、ある特定の位相（つまり誘導
ノイズの位相）に漸近する問題は解決される。また、製
造時における位相シフト回路の調整も不要となる。

第３図は本発明の他の実施例のブロック図である６本実
施例にあっては、第２の位相シフト回路２５と第２の加
算回路２６が追加されている。第２の位相シフト回路２
５は、受光信号のレベルが低下した場合に、どの程度の
レベルからどの位相に引き込まれるかを決定するための
第２の位相シフト出力を発生する。そして、第２の加算
回路２６は、自動位相シフト回路２３の出力のと、第２
の位相シフト回路２５の出力■とを加算する。この加算
回路２６の出力は、加算回路２４により受光回路２１の
出力と加算されて、加算出力■となる。

本実施例において、光スキヤナ−３１が第２の走査位置
に設定され、光吸収部材３４を走査している場合の各部
の信号波形そ第４図に示す、このとき、発光部１からの
光は測距光としても参照光としても受光部２には入射さ
れない６図において、受光出力は誘導ノイズ波形の位相
とレベルを示しているが、この位相と逆相で同一レベル
となる信号を、発振器１２からの変調周波数ｆ。に同期
して自動位相シフト回路２３により作成する。この自動
位相シフト回路２３の出力のと、誘導ノイズとを加算回
路２４．２６によって加算することにより、上述の実施
例と同様に、誘導ノイズは打ち消される。この状態で第
２の位相シフト回路２５の出力■を加算回路２４．２６
により受光回路系に注入すると、加算回路２４の出力■
は、第２の位相シフト回路２５の出力■と同一となり、
受光信号のレベルが低下した場合に、この出力■の位相
に漸近することになる。つまり、第２の位相シフト回路
２５を用いて、受光信号のレベルが低下したときに漸近
する受光レベルと位相を任意に設定することができる。

これにより、距離信号をレベル判定するような回路構成
を採用した場合でも、受光信号のレベル低下時に位相ノ
イズ増加による誤動作を防止することができる。

第５図は同一距離からの位相信号の受光信号量が減少し
た場合の距離信号と判定レベルの関係を示している。第
５図（、）は従来例の動作を示しており、図中、Ａは判
定レベル、Ｂは受光信号が支配的な範囲、Ｃは受光回路
系の位相ノイズが支配的な範囲である。この場合、受光
回路系の位相ノイズが支配的な範囲Ｃでは、距離信号が
判定レベルＡを越えて、誤動作を起こす。第５図（ｂ）
は本実施例の動作を示しており、図中、Ａは判定レベル
、Ｂは受光信号が支配的な範囲、Ｄは位相シフト回路２
５の出力■が支配的な範囲である。この場合、位相シフ
ト回路２５の出力■が支配的な範囲りでは、距離信号を
判定レベルＡよりも小さい状態で安定させることができ
る。範囲Ｂと範囲りが切替わるときの受光信号量は、位
相シフト回路２５の出力■の振幅で決定される。また、
範囲りての距ｌＷ（３号が漸近して行く値は、位相シフ
ト回路２５の出力■の位相で決定される。

［発明の効果］ 本発明にあっては、上述のように、光スキャナーと光フ
ァイバーにより参照光と測距光を時系列的に同一の受光
部に導くようにしたので、測距光の受光回路系と参照光
の受光回路系のばらつきを解消することができ、安定な
測距が可能となり、測距精度も改善されるという効果が
ある。また、受光部や受光回路が１系統化されると共に
、光ビームを走査するための光スキャナーを利用してい
るので、大幅な部品点数の削減と、低コスト化が可能に
なるという効果がある。さらに、発光部からの光を受光
部に入射させない場合における受光出力を打ち消すため
の位相シフト出力を発生させ、これを他の光路選択時に
おける受光部の出力に加算することにより、誘導ノイズ
による測定誤差を防止することができるという効果があ
る。

また、請求項２記載の発明のように、発光部の発光位相
に対して所定の位相差を有する第２の位相シフト出力を
自動位相シフト回路の出力に加算するように構成すれば
、受光光量が少ない場合でも異常な測定結果が得られる
ことを防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のブロック図、第２図は同上
の動作波形図、第３図は本発明の他の実施例のブロック
図、第４図は同上の動作波形図、第５図は同上の動作説
明図、第６図は従来例のブロック図、第７図は同上の動
作波形図、第８図は他の従来例のブロック図である。 １は発光部、２は受光部、３は光路切換器、４は位相比
較部、５は距離演算部、２３は自動位相シフト回路、２
４は加算回路、２５は位相シフト回路、２６は加算回路
、３１は光ビーム走査用のミラー、３２は光ファイバー
である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）発光部からの光を反射物体上にて走査させる光ス
   キャナーと、光スキャナーの第１の走査位置にて発光部
   からの光を受光部に直接入射させる光ファイバーと、光
   スキャナーの第２の走査位置に配された光吸収部材と、
   発光部の発光位相と受光部の受光位相との位相差を求め
   る位相比較部と、発光部からの光が反射物体で反射され
   て受光部に入射するときと光ファイバーを介して受光部
   に入射するときにおける位相比較部の出力差に応じて距
   離信号を発生する距離演算部と、光スキャナーが第２の
   走査位置にあるときの受光出力を打ち消すための位相シ
   フト出力を発生する自動位相シフト回路と、自動位相シ
   フト回路の出力を受光部の出力に加算する加算回路とを
   有することを特徴とする光学式変位センサー。
2. （２）発光部の発光位相に対して所定の位相差を有する
   第２の位相シフト出力を発生する第２の位相シフト回路
   と、第２の位相シフト回路の出力を前記自動位相シフト
   回路の出力に加算する第２の加算回路とを有することを
   特徴とする請求項１記載の光学式変位センサー。