JPS6285812A - 光学式変位計 - 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、振動測定および形杖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　５ｅｎｓｉｔｉｖｅ
　Ｄｅｔｅｃｔ−ｏｒ）を用いている。以下、このＰＳ
Ｄ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Ｐ−３Ｄ３１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１＋、Ｉｚが出力される
。これら光電流１．．＋２は各々電流−電圧変換回路３
２゜３３により、電圧信号Ｖ＋　、Ｖ’ｚに変換される
。

この場合に測定対象物が変位を行い、ＰＳＤ３１の中央
の結像点からΔしたけ、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。

また、 Ｖ２＝−Ｒｆ　　−１２ であるので、■、■より、 となる。

この後、得られた電圧信号Ｖ、、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
。

ｖｌ−ｖ２　　　ΔＬ Ｖ　、　＋　Ｖ２Ｌ 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、したがって、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５６−１．０５６１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３７により収束され、測定
対象物３８上に光スポット３９を結像させる。レーザ光
は光スポット３９で反射し、受光レンズ４０により収束
されるとともに、フィルタ４１によって外光が除去され
てＰＳＤ４２上に結像される。

ＰＳｒ１４２は、光スポット３９の位置に対応する２つ
の光電流１．．＋２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！＋、［ｚを増幅するとともに電圧信号Ｖ、、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（Ｖｌ　　　Ｖｚ）および加算
回路４６の出力信号（Ｖｌ＋Ｖ２）は、外光の影響を除
去し、レーザ光のみを選択透過するバイパスフィルタ４
７．４８に伝達される。バイパスフィルタ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５
０．５１によっ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〔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、減算
回路４５の出力信号（Ｖｌ　−Ｖｚ）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
母のダイナミックレンジが狭く、かつ高価であるという
欠点ををする。

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、減算回路４５の出力信号（Ｖｌ−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の肉入力信号に生しる温
度ドリフ］・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５２の分母への入力信
号の温度ドリフトをα、分子への人力信号のそれをβと
すると、除算回路５２の出力信号は、 Ｖ、＋Ｖ２＋α 鼠が小さい場合（Ｖｌ、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
力によっ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ったので、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Ｖ、、Ｖ
２とすると、これら信号は加算回路に伝達され、加算回
路は（Ｖｌ　　＋ＶＺ　＞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Ｖ、、Ｖ、を除算し、 減算回路はこの２つの信号を入力・減算し、Ｖ　＋　＋
　Ｖ　ｚ　　　　　　Ｖ　ｒ　十Ｖ　２したがって、除
３１回路の分子への入力は、■。

、■２という正の信号であり、また、分母への入力も（
ＶＩ＋Ｖ２）という正の信号となり、１象限の／ｊ２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、 Ｖｌ＋ＶＺ＋α　　　　Ｖｌ（Ｖｚ＋−αしたがって、
減算回路の出力信号は、 ■１＋β　　　　　　■２＋β Ｖ、−Ｖ２ 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ｉ３Ｊして受光素子であるＰＳＤ５に結像される。

ＰＳＤ　５から出力された光電流Ｉ。

、＋２は、電流−電圧変換回路６．７により電圧信号Ｖ
、、Ｖ２に変換される。これら電圧信号■。

、Ｖ２　は加算回路８で加算され、（Ｖ＋＋ＶＺ）信号
となる。また、電圧信号Ｖ、、Ｖ２はそれぞれスイッチ
Ｓ、、Ｓ２を経由して、除算回路９の分子側に人力され
る。一方、除算回路９の分母側には、加算回路８の出力
信号（ｖ＋＋Ｖｚ）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、■象限演算しか行えない
が、この発明の除算回路９の両人力は正の値であるので
同等問題はない。そして、この割算器は分母のグイナミ
ソクレンジが極めて広＜、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、スイッチＳ３およびサンプルホ
ールド回路１１を経由して信号すとなり、減算回路ＩＯ
の正端子に入力される。なお、サンプルホールド回路１
１にはコンデンサＣ１が接続されている。減算回路ｌＯ
の出力信号Ｃはスイッチ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、各スイッチのタイムチャートおよび各
信号の波形図である第２図に基づいて説明する。なお、
同図のアルファヘットは、第１図のスイッチおよび信号
のアルファヘットに対応している。

第２図（＋）に示すように、スイッチＳ、、Ｓ。

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、ＩＩ　Ｉ　Ｇ　１ルベル
の時が導通している状態であり、ＬＯ−レヘルの時が遮
断している状態である。したがって、除算回路９の出力
信号ａは、同図（ｎ）に示すように、スイッチＳ、の導
通時に ■１ □を出力し、スイッチＳ２の導通時に Ｖ、＋Ｖ。

□を出力する。

Ｖ、＋Ｖ。

スイッチＳ３は、同図（１）に示すように、スイッチＳ
ｔ　の導通中に導通を開始し、スイッチ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はスイッチＳ３の導通時（ｔｌ）に除算回路
９の出力信号ａをサンプルホールドし、信号すとして減
算回路１０の正端子に伝達する。一方、減算回路ＩＯの
負端子には常時除算回路９の出力信号ａが人力されてい
るので、減算回路１０は同図（ＩＩ）に示すような信号
ＣをスイッチＳ４に伝達する。スイッチＳ４はスイッチ
Ｓ２の導通中に導通を開始し、スイッチＳ２の導１ｆｆ
ｌ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、スイッチＳ、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の変位量に出願済
の特願昭５９−２３５４７５号において開示してＶ、＋
に、Ｖ２ ■を含む任意の定数）を１３″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。■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っ
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って測定対
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つの出カイ３号の一方か
ら他方を減算する０Ｊｉ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。よって、
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
回路の分子への人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実施例の筒
略化された回路図、 第２図（１）はこの回路の各スイッチの動作のタイムチ
ャート、 第２図（１１）はこの回路の各信号の波形図、第３図は
位置検出素子（ＰＳＤ）の動作説明図、第４図は従来例
のブロック図である。 ■・・・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・・・光ビーム特許出願人　　リード電機
株式会社 手続補正書（方式） １．事件の表示 昭和６０年特許願第２２４５１８号 ２、発明の名称 光学式変位計 −３，補正をする者 事件との関係　　特許出願人 住　　　所　　　８５６９ ！！　　０７２６　　（８４）１１１１５、補正の対象
　　　　　　　　、＜６丁−〜′１ゝＬ 明細書の図面の簡単な説明ｄ欄７”ｔ−Ｃ１：Ｅ○）−
一 ６、補正の内容 明細書第１４頁第９行目ないし第１１行目「第２図（＋
）はこの回路の各スイッチの動作のタイムチャート、第
２図（■）はこの回路の各信号の波形図、」を「第２図
はこの回路の各スイッチの動作のタイムチャートおよび
各信号の波形図、」と訂正する。 以上

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （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
   によっ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。