JPH07122564B2 - 光走査型変位センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、溶接、ばり取り等を行うロボット用の視覚セ
ンサ、或いは製品の欠陥検出や寸法測定用のセンサとし
て用いられるFA用の変位センサに関するものであり、特
に被検知物体の表面の二次元形状を光学的な三角測量方
式を用いて計測するようにした光走査型変位センサに関
するものである。

［従来の技術］ 近年、工場のFA（ファクトリー・オートメーション）化
が進んでおり、生産ラインでは、物体までの距離情報を
用いて物体の位置決め、物体の有無の認識などを行う変
位センサが要望されている。このような要望を満たし、
被検知物体までの距離の検出を非接触で行う変位センサ
として、被検知物体までの距離を光学的に測定するもの
があり、三角測量方式のものが比較的構成が簡単である
ところから実用化されている。

一般にこの種の変位センサは、第２図に示すように、半
導体レーザや発行ダイオード等を備えた投光手段１から
放射された光ビームを被検知物体２に照射し、その拡散
反射光を受光用光学系３で集光するとともに、受光用光
学系３の集光面に形成される集光スポットＳを、PSD等
よりなる位置検出手段４で受光するように構成されてい
る。位置検出手段４は集光スポットＳの位置に対応した
電気信号が得られる素子であって、この電気信号に基づ
いて被検知物体２までの距離が三角測量方式により演算
される。すなわち、第２図に示すように、被検知物体２
の位置がA,B,Cと変化して投光手段１と被検知物体２と
の距離が変化すると、位置検出手段４の受光面に形成さ
れる集光スポットＳの位置は紙面上をa,b,cと移動する
から、紙面上の位置検出が行えるような一次元の位置検
出手段４を用いることにより、被検知物体２までの距離
を検出することができるものである。

一方、第３図に示すように、被検知物体２の表面で光ビ
ームを走査させるように、投光手段１に走査ミラー等の
偏向手段７を設けることが考えられる。投光手段１は、
第４図に示すように、投光タイミングを設定するクロッ
クパルスを発生する発振回路10と、投光用発光素子12を
駆動するドライブ回路11および凸レンズよりなる投光用
光学系13を含み、投光用発光素子12から発せられる光を
投光用光学系13にて光ビームに成形して投光するように
なっている。この光ビームは走査ミラー等の偏向手段７
により、被検知物体２の上でｘ軸方向に走査される。被
検知物体２の表面で拡散反射された反射光は、受光用光
学系３にて集光される。その集光面に配された位置検出
手段４は、集光スポットＳの位置に対応した相反する位
置信号I_A,I_Bを出力する。位置検出手段４から出力され
る位置信号I_A,I_Bを、第４図に示すような演算手段５に
て演算処理することにより、ｚ軸方向についての測距信
号L₀を得ることができる。一方、走査ミラー駆動回路17
からは走査角度信号Xmが得られる。これらの測距信号L₀
と走査角度信号Xmにより、被検知物体２の表面における
走査線上の二次元形状を検出することができる。

第４図に示す演算手段５は、位置検出手段４から出力さ
れる位置信号（相反する電流信号I_A,I_B）をそれぞれ増
幅して電圧信号V_A,V_Bに変換する受光回路21a,21bと、受
光回路21a,21bの出力レベルを発振回路10の出力に基づ
いてチェック（クロックパルスに同期してレベルを判
定）するレベル検出回路22a,22bと、レベル検出回路22
a,22bの出力（位置信号I_A,I_Bのレベルに1:1に対応する
ので、以下において、I_A,I_Bと称する）の減算を行う減
算回路23と、レベル検出回路22a,22bの出力I_A,I_Bの加算
を行う加算回路24と、減算回路23から出力される第１の
信号（I_A,I_B）と、加算回路24から出力される第２の信
号（I_A＋I_B）との比率を演算する除算回路25とで構成さ
れており、除算回路25から測距信号L₀（＝（I_A−I_B）／
（I_A＋I_B））が出力されるようになっている。

上述の測距信号L₀は変位距離Δｌに対して以下のような
関係になっている。第２図に示すように、変位測定装置
から被検知物体２までの距離ｌをｌ＝lc＋Δｌ（但し、
lcは集光スポットＳが位置検出手段４の中央点に集光さ
れるときの基準距離であり、Δｌは距離lcからの変位距
離）とし、受光用光学系３から位置検出手段４までの距
離をＦ、被検知物体２からの反射光Ｒの集光スポットＳ
の位置検出手段４の中央点からの移動距離をΔｚ、投光
手段１と受光用光学系３の光軸の交差角をθとすれば、 （lc/cosθ＋Δlcosθ）Δｚ＝（Δlsinθ）Ｆ ∴Δｚ＝（tanθ）ＦΔl/（lc/cos²θ＋Δｌ） ここで、 ａ＝（tanθ）F,b＝lc/cos²θとおくと、 Δｚ＝ａΔl/（ｂ＋Δｌ） …… となり、集光スポットＳの移動距離Δｚと被検知物体２
の変位距離Δｌの関係はノンリニアとなっている。

ここに、位置検出手段４から出力される位置信号I_A,I_B
と移動距離Δｚとの関係は、位置検出手段４の有効長を
2lpとすれば、 （I_A−I_B）／（I_A＋I_B）＝Δz/lp …… となっている。，式から明らかなように演算手段５
から出力される測距信号L₀は、変位距離Δｌの情報を含
む信号であるが、変位距離Δｌに対してリニアな関係に
なっていない。したがって、変位距離Δｌの測定精度を
距離変化（変位の大小）があっても同一にするために
は、リニアリティ補正回路６を設けて、リニアな測距信
号Ｌが得られるように補正する必要があった。

次に、第３図に示すように、走査ミラー等の偏向手段７
により光ビームを走査させた場合の位置検出手段４の受
光面上の集光スポットＳの動きを検討してみる。被検知
物体２がｚ軸に垂直な平板である場合には、集光スポッ
トＳは、第５図に示すような軌跡Ｓ′を描く。第５図に
おいて、ｚ′軸は光ビームがｘ軸方向に走査されていな
いときに、被検知物体２の距離の変化に応じて集光スポ
ットＳが移動する方向の軸であり、ｘ′軸は集光面上で
ｚ′軸とは垂直な軸である。光ビームを走査させたとき
の集光スポットＳの軌跡Ｓ′は、理想的な条件下におい
ては、位置検出手段４上のｘ′軸に対して平行になるは
ずであるが、現実には位置検出手段４と光軸のねじれや
投光ビームのねじれ等、種々の誤差が含まれることによ
り、第５図に示すように、ｘ′軸に対して傾いた形とな
る。この軌跡Ｓ′は被検知物体２がｚ軸方向に移動した
場合、一定の傾きを持ったままｚ′軸方向に平行移動す
るものではなく、前記のような誤差のため、傾きが変化
しながらｚ′軸方向に移動することになる。つまり、光
ビームをｘ軸方向に走査させることにより、測距信号L₀
に誤差が生じ、この誤差はｘとｚの両方の関数となって
いる。したがって、第４図に示すように、走査角度信号
Xmをリニアリティ補正回路６へ入力して、ｘ軸方向の誤
差補正を行う必要がある。

加えて、位置検出手段４自身にもリニアリティ誤差を発
生させる要因が存在する。通常、位置検出手段４のリニ
アリティ誤差は、集光スポットＳを位置検出手段４上の
ｚ′軸上で、ｚ′軸方向へΔｚ移動させた場合、測距信
号L₀の直線からのずれで評価する。このリニアリティ誤
差特性の一例を示すと、第６図の実線のようになる。集
光スポットＳの移動軸を、位置検出手段４上のｘ′軸方
向へｘだけずらした場合のリニアリティ誤差特性は、第
６図の破線で示すようになり、位置検出手段４のｚ′軸
上で集光スポットＳが移動する場合とは異なる特性とな
る。位置検出手段４が理想特性にあれば、リニアリティ
誤差はゼロとなるはずであるが、現実には、位置検出手
段４における抵抗層の抵抗値分布が一様ではなく、それ
が測距信号L₀の誤差となって現れてくる。この不均一な
抵抗値分布は位置検出手段４のｘ′軸方向にも存在して
いるため、集光スポットＳの移動軸が異なると、リニア
リティ誤差特性も変化することになる。

以上のような種々のリニアリティ誤差を補正する手段と
して、従来、第７図に示すようなリニアリティ補正回路
６が用いられていた。測距信号L₀及び走査角度信号Xmは
それぞれA/D変換部61,62にてデジタル信号に変換され、
CPU63に入力される。CPU63では、入力された測距信号L₀
及び走査角度信号Xmに応じた補正値データをメモリ64か
ら読み出す。メモリ64には、測距信号L₀をリニアリティ
補正するための補正値データ及び走査角度信号Xmによっ
てｘ軸方向についてのリニアリティ誤差を補正するため
の補正値データが、測距信号L₀及び走査角度信号Xmのそ
れぞれの値に対応してマトリクス状に予め記憶されてい
る。CPU63は、メモリ64から読み出した補正値データに
より、入力データを補正してD/A変換部65に送る。D/A変
換部65では、CPU63から出力されたデジタル信号をアナ
ログ信号に変換して、リニアリティ補正後の測距信号Ｌ
として出力する。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上述の従来例の場合、分解能を高くする
ためには、メモリ64の記憶容量を大きくする必要があ
る。例えば、ｚ軸方向にフルスケールの1/4000の分解
能、ｘ軸方向にフルスケールの1/1000の分解能を得るた
めには、4,000,000個の補正値データをメモリ64に記憶
させなければならない。また、部品のばらつきに応じて
個別に最適な補正値を設定する必要があるので、個々の
装置につき、その分解能に応じた個数の補正値データを
調整時に作成しなければならず、調整コストが著しく高
くなり、調整時間もかかるため、量産には適さなかっ
た。

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、リニアリティ補正のための補正
値データの記憶容量が少なくて済み、また調整作業を容
易に行い得るようにした光走査型変位センサを提供する
ことにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係る光走査型変位センサは、上記の課題を解決
するために、第１図乃至第４図に示すように、被検知物
体２の表面に光ビームＰを投光する投光手段１と、前記
光ビームＰを被検知物体２の表面で走査させる偏向手段
７と、被検知物体２による光ビームＰの反射光Ｒを集光
する受光用光学系３と、受光用光学系３の集光面に配設
され被検知物体２までの距離に応じて集光面内で移動す
る集光スポットＳの位置に対応した相反する一対の位置
信号I_A,I_Bを出力する位置検出手段４と、位置検出手段
４の出力に基づいて集光スポットＳの位置変化に比例す
る第１の測距信号L₀を算出する演算手段５と、被検知物
体２までの距離の変位Δｌを変数として第１の測距信号
L₀を算出する関数L₀（Δｌ）の逆関数Δｌ（L₀）の値を
第１の測距信号L₀から算出し、この逆関数Δｌ（L₀）の
値に定数値ｂを加えて得た信号を、第１の測距信号L₀に
乗じて被検知物体２までの距離の変位Δｌに比例する第
２の測距信号Ｌを算出するリニアリティ補正手段６とを
有して成ることを特徴とするものである。

［作 用］ 以下、本発明の原理を数式を用いて説明する。

，式より、測距信号L₀は、 で表せる。つまり、測距信号L₀は、Δｌの関数L₀（Δ
ｌ）である。この式をΔｌについて解くと、 となり、ΔｌはL₀の関数となる。この関数Δｌ（L₀）
は、式で示される関数L₀（Δｌ）の逆関数である。さ
らに、このΔｌ（L₀）に定数ｂを加算して、 α（L₀）＝Δｌ（L₀）＋ｂ …… という補正値を求める。この補正値α（L₀）は、測距信
号L₀の値から理論的に求めることができる。式を式
に乗算すると、 式に示すように、測距信号L₀はリニアライズされて、
Δｌに比例する測距信号Ｌが得られる。つまり、測距信
号L₀より式と式の演算を行い、補正値α（L₀）を求
めて、これを測距信号L₀に乗算することにより、リニア
ライズが行われる。各装置の部品にばらつきがなく、定
数a,bが設計値通りであれば、これだけで完全なリニア
ライズが行われる。

次に、部品のばらつきや組立誤差が存在する場合のリニ
アライズ方式について説明する。まず、ｚ軸方向のリニ
アリティ誤差について検討する。式より、部品のばら
つきや組立誤差は、定数a,bに関係することが分かる。
そこで、ばらついた状態での定数をａ′,b′とすると、
式は次のようになる。

今、定数ｂの補正値をβ、定数ａの補正値をγとし、各
々を次式の通り定義する。

β＝ｂ′−ｂ γ＝a/a′ …… ここで、式の両辺に次のようにα，β，γを掛ける
と、 となり、式に示すように、測距信号L₀はリニアライズ
される。つまり、測距信号L₀より式と式の演算を行
い、理論的な補正値α（L₀）を求めて、この補正値α
（L₀）に、個々の装置のばらつきにより決定される補正
値β，γを付け加え、式のような演算を行うことによ
り、ｚ軸方向のリニアリティ誤差が補正されるわけであ
る。

次に、ｘ軸方向のリニアリティ誤差について検討する。
第５図に位置検出手段４の受光面における集光スポット
Ｓの軌跡Ｓ′を示したが、このように光ビームを走査し
た場合、集光スポットＳがｚ軸上を通過するときの測距
値は、式の演算を行うことによって、リニアライズさ
れる。今、位置検出手段４のｚ′軸上における集光スポ
ットＳが位置検出手段４の中央を通る場合において、集
光スポットＳがｘ′軸方向にｘだけ移動した場合のｚ′
軸方向のずれをAc（ｘ）とおき、ｘ′＝ｘにおける式
の定数a,bの値をａ″,b″とすると、式は次のように
なる。

ここで、定数ｂの補正値をβ（ｘ）、定数ａの補正値を
γ（ｘ）とし、 β（ｘ）＝ｂ″−ｂ γ（ｘ）＝a/a″ …… と定義する。ここで、式の両辺に次のようにα
（L₀），β（ｘ），γ（ｘ）,Ac（ｘ）をかけると、 となり、式に示すように、測距信号L₀′はリニアライ
ズされる。つまり、測距信号L₀′とそのときの走査角度
信号Xmから、測距信号L₀＝L₀′−Ac（ｘ）を求め、この
測距信号L₀から理論的な補正値α（L₀）を求め、その補
正値α（L₀）に、個々の装置のばらつきにより決定され
る補正値β（ｘ），γ（ｘ）を付け加え、式のような
演算を行うことにより、ｘ軸方向も含めたｚ軸方向のリ
ニアライズが行われるわけである。

［実施例］ 以下、実施例について説明する。実施例におけるリニア
リティ補正回路６のハードウェアの構成は、第７図の従
来例とほぼ同じであるが、上述のように、その処理のア
ルゴリズムが異なり、また、メモリ64の使い方が全く異
なる。つまり、実施例においては、第８図に示すよう
に、式の演算を行うために必要な定数、つまり、a/l
p、ｂ、β（ｘ），γ（ｘ）,Ac（ｘ）のみをメモリ64に
記憶させておく。このうち、a/lp及びｂは、設計値によ
り計算で求まる定数であり、β（ｘ），γ（ｘ）及びAc
（ｘ）は個々の装置に特有の補正定数である。これらの
定数を用いて第１図に示すようなフローに従って計算を
行えば、リニアライズされた測距信号Ｌを求めることが
できる。

メモリ64に記憶されるこれらの定数は、測距信号の分解
能とは無関係である。つまり、分解能をどんなに高くし
ても、補正に必要な定数の個数に変化はない。したがっ
て、従来のように分解能に応じた何百万個という数の補
正値データを持つ必要がない。もちろん、補正値β
（ｘ），γ（ｘ）,Ac（ｘ）は走査角度信号Xmに応じた
定数であるので、走査角度信号Xmの分解能に応じた個数
の定数がそれぞれ必要であるが、通常、ｘ軸方向の走査
による誤差はそれほど大きくないので、設計と組み立て
の誤差を考慮し、走査角度信号Xmの適当な区間毎の定数
とすれば、メモリ空間を圧縮することが可能となる。例
えば、走査角度信号Xmの1/1000の分解能に対して、走査
角度信号Xmを100区間に分割し、それぞれ100個の補正定
数を記憶すれば、メモリ空間は大幅に圧縮できる。

さらに、各装置に固有の補正値β（ｘ），γ（ｘ）,Ac
（ｘ）の調整作業も大幅に省力化できる。第９図に示す
ように、基準距離lcに対して、遠距離側の変位をΔl_F、
近距離側の変位をΔl_Nとしたときに、 Δl_F＝Δl_N …… が成り立つ位置、つまり、遠近等距離の位置に被検知物
体２を置いた場合の測距信号L_F,L_Nの大きさは、但しく
リニアライズされたときには次式のように等しくなる。

|L_F|＝|L_N| ここで、L_F＞0,L_N＜０であるので、上式は次のように表
せる。

L_F＝−L_N …… この性質を利用して調整を行うと、調整作業を容易に行
うことができる。各測距信号L_F,L_Nは、それぞれ式の
演算式を用いて、 L_F＝｛L_0F′−Ac（ｘ）｝｛α_Ｆ＋β（ｘ）｝γ（ｘ） L_N＝｛L_0N′−Ac（ｘ）｝｛α_Ｎ＋β（ｘ）｝γ（ｘ） …… と表せる。式と式に代入して、γ（ｘ）を消去し、
β（ｘ）を求める。

つまり、式で求まるようなβ（ｘ）を用いて、式の
演算式を行えば、測距信号L₀′はリニアライズされる。
また、距離Δl_Fにおける正しい測距信号をL_FTとする
と、傾きの補正値γ（ｘ）は走査角度信号Xmに応じて、 で求めることができる。こうして求められたγ（ｘ）を
用いて傾きを補正すれば、リニアライズされた測距信号
Ｌが得られる。

したがって、調整時においては、基準距離lcに光軸に垂
直に平板を置いて原点を決め、光ビームを走査した場合
の補正値Ac（ｘ）をまず求め、そこから遠近両側等距離
Δl_F＝Δl_Nに平板を平行移動させた場合のそれぞれの走
査角度信号Xmに対する測距信号L_0F′,L_0N′から式を
用いて補正値β（ｘ）を求め、さらに式を用いて補正
値γ（ｘ）を求めれば良い。

このように、各装置に固有の補正値β（ｘ），γ（ｘ）
及びAc（ｘ）を求めるのに、対象物体２を２回移動さ
せ、走査角度信号Xmに対するデータL_0N′、L_0F′、Ac
（ｘ）を取り、後は，式を用いてβ（ｘ），γ
（ｘ）を計算すれば良いので、従来例において数百万の
データを取る必要があったことに比較すると、調整時間
・コストの削減が可能となるものである。

［発明の効果］ 本発明は上述のように、被検知物体までの距離の変位を
変数として第１の測距信号を算出する関数の逆関数の値
を第１の測距信号から算出し、この逆関数の値に定数値
を加えて得た信号を、第１の測距信号に乗じて被検知物
体までの距離の変位に比例する第２の測距信号を算出す
るようにしたので、リニアリティ補正を行うには、第１
の測距信号から理論的な補正値を算出するための定数値
を記憶しておくだけで良く、従来のように分解能に1:1
に対応した膨大な数の補正値を記憶する必要はないか
ら、メモリ容量の大幅な削減が可能になるという効果が
ある。

また、第１の測距信号に加算する第１の補正値と、逆関
数に乗算する第２の補正値と、定数値に加算する第３の
補正値を、偏向手段の各走査角度毎に設定すれば、個々
の装置のばらつきを少数の補正値のみで補正することが
でき、簡単な測定を行うだけで、後は計算により第１乃
至第３の補正値を求めることができるので、従来のよう
に分解能に1:1に対応する補正値データを調整時に全て
求める必要がないから、調整コストの大幅な削減が可能
になるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に用いるリニアリティ補正手段の処理の
流れを示す流れ図、第２図は従来例の測距光学系の概略
構成図、第３図は従来例の全体構成を示す斜視図、第４
図は従来例に用いる信号処理回路のブロック回路図、第
５図は同上の動作説明図、第６図は同上のリニアリティ
誤差特性を示す図、第７図は同上に用いるリニアリティ
補正回路のブロック回路図、第８図は本発明に用いるメ
モリの記憶内容を示す説明図、第９図は本発明の動作説
明図である。 １は投光手段、２は被検知物体、３は受光用光学系、４
は位置検出手段、５は演算手段、６はリニアリティ補正
回路、７は偏向手段である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐竹 禎 大阪府門真市大字門真1048番地 松下電工 株式会社内 (72)発明者 石黒 恭生 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 加藤 由人 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 鈴木 信幸 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被検知物体の表面に光ビームを投光する投
   光手段と、前記光ビームを被検知物体の表面で走査させ
   る偏向手段と、被検知物体による光ビームの反射光を集
   光する受光用光学系と、受光用光学系の集光面に配設さ
   れ被検知物体までの距離に応じて集光面内で移動する集
   光スポットの位置に対応した相反する一対の位置信号を
   出力する位置検出手段と、位置検出手段の出力に基づい
   て集光スポットの位置変化に比例する第１の測距信号を
   算出する演算手段と、被検知物体までの距離の変位を変
   数として第１の測距信号を算出する関数の逆関数の値を
   第１の測距信号から算出し、この逆関数の値に定数値を
   加えて得た信号を、第１の測距信号に乗じて被検知物体
   までの距離の変位に比例する第２の測距信号を算出する
   リニアリティ補正手段とを有して成ることを特徴とする
   光走査型変位センサ。
2. 【請求項２】第１の測距信号に加算する第１の補正値
   と、逆関数に乗算する第２の補正値と、定数値に加算す
   る第３の補正値を偏向手段の各走査角度毎に設定したこ
   とを特徴とする請求項１記載の光走査型変位センサ。