JPS61286703A

JPS61286703A - 距離測定装置

Info

Publication number: JPS61286703A
Application number: JP60127158A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Moriyama; 森山　茂夫; Fumihiko Uchida; 内田　史彦
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-06-13
Filing date: 1985-06-13
Publication date: 1986-12-17
Anticipated expiration: 2010-03-29
Also published as: JPH0726806B2; DE3619923C2; DE3619923A1; US4739161A

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】〔発明の利用分野〕本発明は光の反射を利用して物体の微小変位を検出する
装置にかかわり、さらに具体的には、光ファイバを用い
て光の反射強度から物体の微小変位を検出する検出器の
改良に関するものである。

〔発明の背景〕

ミクロン・オーダの微小な変位を非接触で検出できる装
置として、光ファイバを利用するものが知られている。

これに関する参考文献として、アーオークツタ（Ｒ，Ｏ
，Ｃｏｏｋ）、シーダブリューハム（Ｃ，ｗ、　Ｈａｍ
ｍ　）による“ファイバオプチツクレバーディスプレス
メント　トランスデユーサ（Ｆｉｂｅｒ　ｏｐｔｉｃ　
１ｅｖｅｒ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｔｒａｎｓｄ
ｕｃｅｒ　）″、アプライドオプティックス、第１８巻
第１９号、１９７９　年（Ａｐｐｌｉｅｄ　０ｐｔｉｃ
ｓ、　Ｖｏｌ、　１８．　Ｎａ　１９．１９７９　）が
ある。以下、その検出原理を第１Ｏ図を用いて説明する
。図において、２本の光ファイバが、素線の端面をそろ
え互いに隣接して設けられている。２本の光ファイバの
うち、発光側光ファイノ＜１の一端に光源２からの光を
入射せしめ、他端から円すい状に広がる照明光３を出射
させる。発光側光ファイ／＜　１の出射端面４から距離
ｄだけ離れた場所に反射面５を置くと、照明光束３は反
射され、その光の一部が受光側光ファイバ６の端面に入
射する。ここで、反射面５上に照明される領域７は、図
示のごとく円形状となり、一方、受光側光ファイバ６が
受光できる領域８も同じ円形状となるため、結局、照明
光の領域７のうち反射して受光側光ファイバ６に入射す
る領域は斜線部９のみとなる。この斜線部９の照度と面
積の大きさは距離ｄに対応して変化するため、受光側光
ファイバ６に入射した光量を該光ファイバの他端側に設
けたホトディテクタ１０を用いて検出することにより、
距離ｄを知ることができる。この距離ｄと受光信号の光
強度１ｐとの特性例を第１１図に示す。図において、光
強度Ｉｐは、距離ｄの増加に伴いほぼ直線的に増大する
が、ある点で飽和し、その後は逆に減少する。光強度Ｉ
ｐが最大となる距離ｄｍは、光ファイバの半径および開
口数に依存するが、およそ光フアイバ半径の１．５倍程
度の値である。光ファイバとして直径が５０μｍ程度の
ものを用いることにより、距離ｄが０〜３０μｍ程度の
微小変位を０．１μｍ以上の分解能でほぼリニヤに検出
することができる。

しかしながら、上記の方法では、その検出原理から明ら
かなように、光源２の強度が変動したり、あるいは反射
面５の反射率が変化すると、変位（距離ｄ）に対する光
強度Ｉｐの関係は、例えば第２図中の破線のように変化
するので、検出の都度、。

変位量の検出感度を較正しなければならない。すなわち
、従来の装置では、使用直前に光源２の強度および反射
面５の反射率に関して較正を行うことは不可欠であり、
操作がきわめて煩雑であるという欠点があった。

また、従来の装置では、反射面の反射率が未知である場
合は、あらかじめ変位に対する光強度ｒｐの関係を調べ
て、反射率を既知化してから、上記の操作を行う必要が
あった。

さらに、従来の装置では、被検反射面が検出方向以外の
方向に移動し、かつ被検反射面の反射率が一様でなく少
しずつ変化する場合は、検出結果は変位量の変化と反射
率の変化の２つの要因を含んだものとなり、検出結果か
らそのまま変位量を求めると検出誤差を生じる、という
欠点もあった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記従来技術の欠点をなくし、反射面
の反射率の変化や光源の強度変動の影響を受けることな
く変位検出を行える微小変位検出器を提供することにあ
る。

〔発明の概要〕

本発明は、従来の受光側光ファイバにより反射光を受光
し検出する検出系のほかに、従来の発光側光ファイバま
たは別に設けた受光用の光ファイバのいずれかにより反
射光を受光して、その受光光の強度を検出する検出系を
具備することを特徴とするものであり、後者の検出系に
よる検出信号を角い、実施例において後述するような種
々な信号処理を行うことによって、上記目的を達成でき
るように図ったものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。

実施例１本実施例は、発光側光ファイバで反射光を受光する検出
系を具備する例である。

第１図において、照明用の光源２の光は平行光とされ、
発光側光ファイバｌの入射端面１２に対して斜めに入射
する。この入射光の傾き角は、発光側光ファイバ１の開
口角よりも小さい範囲に設定する必要がある。発光側光
ファイバ１から出射される光束３は反射面５で反射され
、その反射光の一部は、第１０図に示した従来装置と同
様に、受光側光ファイバ６に入射し、ホトディテクタ１
０によって距離ｄに対応した信号Ｓｌに変換される。

他方、光束３の反射光のうち、一部は発光側光ファイバ
１に再び入射し、入射端面１２側に設けたホトディテク
タ１１によって信号Ｓ２に変換される。

また、光源２からの平行光のうち、発光側光ファイバｌ
の入射端面で反射されたわずかな光は、ホトディテクタ
１３により信号Ｓ３に変換される。なお、この信号Ｓ３
は、光源２の光強度に比例した信号である。

第２図に、これらの信号ｓ、、　ｓ２．　ｓ３の強度Ｉ
ｐと　　１検出距離ｄとの関係を示す。信号Ｓｌは、従
来装置のものと同様に、検出距離ｄが小さいうちはｔｐ
がｄにほぼ比例した信号である。信号Ｓ２は、検出距離
ｄが０のときに最大値を示し、ｄの増加とともにほぼ直
線的に小さくなる。しかしながら、検出距離ｄが無限大
となっても、一般的には０とはならず、発光側光ファイ
バｌの出射側端面で反射して戻ってくる光に相当する強
度分の信号が残量する。信号Ｓ！は、光源２の強度にの
み依存する信号で、検出距離ｄによらず一定である。

光源２の強度を■、反射面５の反射率をｒとすれば、検
出距離ｄが十分小さい範囲では、上記３つの信号Ｓｔ、
　Ｓ２．　Ｓｓは、下記のように表わすことができる。

Ｓ、　＝　Ｃ，−Ｉ　−ｒ　−ｄ　　　　　　　　　　
−（１）Ｓ、　＝　Ｃ，・Ｉ　・ｒ　（ｄ６−ｄ）＋Ｃ
’ｚ・Ｉ　　　　−・−・−（２１Ｓｓ　＝　Ｃｓ・Ｉ
　　　　　　　　　　　　・・・・・・（３）。

ここで、ＣＩ、　（：、、　Ｃ／、およびＣ３は定数で
あり、また信号Ｓ２中のＣ２・■・ｒ−ｄ’、項は検出
距離ｄが０のときの強度を表わす。

上式（２）の信号Ｓ２には、前記残留信号成分Ｃ４・Ｉ
が含まれているか、信号Ｓ３に係数に、　＝　Ｃ′２／
　Ｃ，を掛けたものを差し引くことにより、反射率に比
例した信号Ｓ’＊＝Ｃｔ・Ｉ−ｒ（ｄＩ２ｄ）　　　　　　　−−
（４）を作り出すことができる。

この信号Ｓｔ、に係数に、　＝　Ｃ，／Ｃ，を掛け、こ
れに信号ＳＬを加えた信号Ｓｒを作り出ｉば、これはＳ
ｒ　＝　Ｓｌ　＋　ｋ、ｓ４＝　Ｃ，−Ｉ　−ｒ　−ｄ４　　　　　　　　　・・・
・・・（５１となり、第３図に示すとと（検出距離ｄに
依存せず、光源２の強度■と反射率ｒにのみ比例した信
号となる。ここで、光源２の強度■は信号Ｓ３から得ら
れるから、信号Ｓｒを信号Ｓ３で除算するか、あるいは
光源２の強度Ｉの大きさを知れば、反射率ｒの値を求め
ることができる。

上記のように、本実施例においては、特別な反射率検出
用の光ファイバを用いることなく、距離検出用の光ファ
イバを用いながら、検出距離とは無関係に被検反射面の
反射率を検出することが可能であり、きわめて容易に検
出感度を補正することができる。また、自動調整回路を
付属させることにより、反射率の変化を自動的に補正し
、常に一定な距離検出感度が得られるようにすることも
できる。

第４図に、上記自動調整回路の一例を示す。この回路は
、前述の手法により３つの信号Ｓ、、Ｓ、。

Ｓ３から反射率に比例した信号Ｓｒを作り出し、これを
基準となる信号５ｒｅｆと比較演算し、演算結果を積分
器１４で積分し、積分値に応じて光源２の強度を制御す
るように構成したものである。この構成は閉ループ制御
系となるため、信号Ｓｒの値が信号５ｒｅｆの値と常に
一致するように作動する。すなわち、反射面の反射率の
変化に応じて光源の強度が変化し、常に一定の反射光強
度が得られることになり、その結果、信号Ｓｌとして得
られる距離検出信号は、常に一定な感度を有することに
なる。

自動調整回路としては、上述のように光源の強度を制御
する代りに、第５図に示すごと（，２つの掛算器を用い
て検出回路のゲインを調整してもよい。すなわち、第４
図に示した例と同じく、信号Ｓｒを基準信号５ｒｅｆと
比較演算し、その差を積分器１４を用いて積分する。こ
の積分値ｋｃは２つの掛算器１５．１６に与えられ、信
号Ｓｒと信号ｓ１をそれぞれｋｃ倍する。積分器１４は
、掛算器１５の出力ｋｃ−３ｒが基準信号５ｒｅｆに一
致するように積分動作を行う。上記積分値ｋｃは反射率
ｒに関係する　　　　□値であり、ｋｃ−ｒは常に一定
となる。そこで、掛算器１６から信号Ｓ１をｋｃ倍した
信号Ｓｏを取り出せば、これは反射率の変化が補正され
た距離検出信号となる。

これまで述べた説明では、光源２の強度が変動するもの
として、信号Ｓ３を含めて反射率信号Ｓｒを算出してい
るが、光源２の強度が安定している場合は、信号Ｓ３を
適当な一定値に固定してもよい。

実施例２本実施例は、第１０図に示した従来装置に加えて第２の
受光側光ファイバを設け、この光ファイバで反射光を受
光する検出系を具備する例である。

第６図において、第２の受光側光ファイバ２１は、その
端面２２が第１の受光側光ファイバ６の端面４から距離
ｄ０だけ上方または下方にずれた位置にあるように設け
られている。そのため、例えば上方にずれている場合に
は、変位量ｄに対するホトディテクタ２３の信号は、第
７図に示すＳ４のような特性となる。また、図中の８１
は第１の受光ファイバ６からの検出信号である。すなわ
ち、信号Ｓ４の特性は信号Ｓ１の特性を距離ｄｏ分だけ
平行移動したものとなっている。そこで、検出距離ｄに
対して受光強度Ｉｐが直線的な関係を有している微小な
検出範囲（ｄ（（ｄｍ、　ｄｍはＳｌの受光強度Ｉｐが
最大となる距離）においては、次式の関係が成立する。

ここで、ｄｘは未知の距離であり、式（６）から、ｄｘ
は。

ｒｐｌｄｘ＝□・ｄｏ　　　　　　　　　・・・・・・（７）
Ｉｐｚ　　ｈｐ。

で与えられることになる。ここで、信号Ｓ１と５４の大
きさは、光源２の強度の変動および反射面５ハば酊中爪
亦ルＩ２柵嘗て　二柄Ｉ引目−の様勅ルもって変化する
から、信号ＳＬと８４の大きさによらず式（７）の関係
は成立する。

上記関係式に基づいて距離ｄｘを検出するための信号処
理回路の一例を第８図に示す。図において、まず減算器
２４を用いて信号Ｉｐ２　　Ｉｐ＋を作り出し、さらに
割算器２５を用いて演算信号ｒｐ＋／Ｉｐ２　　ｒｐｌ
を作り出す。この信号に定距離ｄｏに相当する信号レベ
ルを与える係数ｋｄを掛けることにより、未知の距離ｄ
ｘに相当する検出信号２６を得ることができる。

また、信号処理回路の他の例として、第９図に示すよう
に、定距離ｄ、に相当する信号Ｉｒ）ｚ　　Ｉｐ＋を減
算器２７を用いて作り出し、この信号の大きさを基準と
なる値Ｉｄ、と比較し、その結果を積分器２８を用いて
積分する。積分器２８の出力は、係数にとして掛算器３
８．３９に入力され、検出信号Ｉｐ、　。

Ｔｐ２の大きさをそれぞれに倍する。この回路は閉ルー
プとなっているため、信号２９すなわちｋ（ｒｐｚ　　
Ｉｐ＋）がＩｄｏと一致するまで作動して定常状態とな
る。これは、光源２の強度の変動分や反一本面５の反射
率の変化分を補正して、定距離ｄ・に相当する信号強度
が常に一定となるように検出器の感度を自動調整してい
ることになる。そこで、未知の距離ｄｘに相当する信号
３０すなわちｋ・■ｐｌをとり出せば、上記のように光
源の強度変動や反射面の反射率変化に影響されることな
く、常に正しい値を検出することができる。

なお、第９図に示した補正方法においては、上記のよう
に掛算器３８．３９を用いて検出系の感度を調整する代
りに、光源２の発光強度を調整しても同じ効果が得られ
る。

以上述べた実施例１．２の説明では、発光側光ファイバ
、第１および第２の受光側光ファイバとも１本ずつの素
線として説明したが、公知のごとく複数本ずつ束ねて用
いても、なんら支障なく本発明を実施することができる
。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、反射面の反射率
の変化や照明光源の強度の変動の影響を受けることなく
高精度の微小変位を検出することができる。また、本発
明による検出器は、上記のように反射面の反射率の影響
を受けないことから、。

反射面の反射率が未知な場合、および被検反射面が検出
方向以外に移動し、かつ被検反射面の反射率が少しずつ
変化する場合も、作業性よく高信頼性で微小変位の検出
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による微小変位検出器の一実施例の検出
原理説明図、第２図は該実施例での３つの検出信号の特
性を示す特性図、第３図は該実施例における反射率信号
の特性を示す特性図、第４図および第５図はそれぞれ該
実施例で自動的に反射率調整を行う回路例を示す回路図
、第６図は本発明による微小変位検出器の他の実施例の
検出原理説明図、第７図は該実施例での検出特性を示す
特性図、第８図および第９図はそれぞれ該実施例に用い
る信号処理回路の例を示す回路図、第１０図は従来の微
小変位検出器の検出原理説明図、第１１図は該検出器の
変位検出特性を示す特性図である。符号の説明 −１・・・発光側光ファイバ２・・・光源５・・・反射面６・・・受光側光ファイバ２１・・・受光側光ファイバ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）互いに隣接した第１および第２の光ファイバの一
方の端面をそろえて反射面と対向させて設け、第１の光
ファイバの一端から照明光を入射せしめ、該光ファイバ
の他端から出射される光を前記反射面に照射し、その反
射光を第２の光ファイバを用いて受光し、該受光光の強
度変化から第１、第２両光ファイバ端面に対する前記反
射面の変位量を検出する微小変位検出器であって、前記
反射面からの反射光を前記第１の光ファイバまたは別に
設けた第３の光ファイバのいずれかにより受光して、そ
の受光光の強度を検出し電気信号に変換する検出系を具
備することを特徴とする微小変位検出器。
（２）第１の光ファイバに戻る反射光の強度による電気
信号と、第２の光ファイバに入る反射光の強度による電
気信号とを加算する加算回路を付属させたことを特徴と
する特許請求の範囲第１項に記載の微小変位検出器。
（３）加算回路の出力信号に基づき、第１の光ファイバ
に入射する照明光の強度を制御する回路を付属させたこ
とを特徴とする特許請求の範囲第２項に記載の微小変位
検出器。
（４）加算回路の出力信号に基づき、第２の光ファイバ
から得られる反射光強度の電気信号のゲイン調整を行う
回路を付属させたことを特徴とする特許請求の範囲第２
項に記載の微小変位検出器。
（５）第２の光ファイバにより受光する検出系と、第３
の光ファイバにより受光する検出系とから得られる２つ
の検出信号の大きさから、反射面の反射率変化を補正す
る信号処理回路を設けたことを特徴とする特許請求の範
囲第１項に記載の微小変位検出器。
（６）第２の光ファイバの反射面と対向する端面と、第
３の光ファイバの反射面と対向する端面とが、互いに異
なる平面内にあるように設定したことを特徴とする特許
請求の範囲第５項に記載の微小変位検出器。
（７）信号処理回路が、第２の光ファイバによる検出系
からの検出信号を、第２の光ファイバによる検出系およ
び第３の光ファイバによる検出系からの２つの検出信号
の差で除算するように構成したものであることを特徴と
する特許請求の範囲第５項または第６項に記載の微小変
位検出器。
（８）信号処理回路が、第２の光ファイバによる検出系
および第３の光ファイバによる検出系それぞれからの検
出信号の差が、あらかじめ定めた大きさに一致するよう
に、両検出系回路のゲインあるいは照明光源の強度を調
整するように構成したものであることを特徴とする特許
請求の範囲第５項または第６項に記載の微小変位検出器
。