JPS63108219A - 光学式変位測定装置 - 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】 （技術分野） 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、投光手段の側方に所定
距離をもって配置された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の
変位を測定するようにした三角測量方式の光学式変位測
定装置に関するものである。

（背景技術） 従来、この種の三角測量方式の光学式変位測定装置は、
第２図及び第３図に示すようになっており、被検知物体
Ｘに対して光ビームＰを投光する投光手段１は、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、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にて形成され
ており、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Ｐに成形して検知エリアに投光
するようになっている。この投光手段１から所定距離１
゜をもって側方に配設され被検知物体Ｘ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は凸レンズにて
形成されている。この受光用光学系３の集光面に配設さ
れ集光スポットＳの位置（距離ｒに対応してＭ方向に移
動する）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は、例えば１次元位置
検出素子（以下、ＰＳＤ４と称する）にて形成されてお
り、この位置信号Ｉ　Ａ、　１．は相反した電流信号と
なっている。ＰＳＤ４の出力に基づいて被検知物体Ｘま
での距１Ｉｌｉ１の変位を演算する演算手段５は、ＰＳ
Ｄ４から構成される装置信号（相反する電流信号Ｉ　Ａ
、　Ｉ　ｅ）をそれぞれ増幅して電圧信号ｖＡ、ｖＢ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、　ＩＢ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（ＩＡ　　Ｉｓ）と、加算回路２４から出力される
第２の信号（ＩＡ＋ＩＢ＞との比率を演算する除算回路
２５とで形成されており、除算回路２５から測距信号Ｌ
ａ（＝（ｌＡ　ＩＢ）／（ＩＡ＋ＩＢ））が出力される
ようにな°っている。なお、上述のＰＳＤ４に代えて、
２個のフォトダイオードをＭ方向（集光スポットＳの移
動方向）に連設したものを用いて各フォトダイオード出
力を位置信号Ｉ　Ａ、　ＩＢとしても良いことは言うま
でもない。

ここに、この測距信号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。すなわち、変位測定装置か
ら被検知物体Ｘまでの距離ｌを１＝１ｃ＋Δ１（但し、
１ｃは集光スポットＳが位置検出手段たるＰＳＤ４の中
央点に集光されるときの距離であり、Δ！は距離１ａか
らの変位距離）とし、受光用光学系３からＰＳＤ４まで
の距離をＦ、被検知物体Ｘからの反射光Ｒの集光スポッ
トＳのＰＳＤ４の中央点からの移動距離をΔＸ、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、（
Ｚｃ／ｃｏｓθ＋Δ１ｃｏｓθ）Δｘ＝（Δｌｓ’＋ｎ
θ）Ｆ、、Δｘ＝（ｔａｎθ）ＦΔ１／　（ｌｃ／　ｃ
ｏｓ”θ＋Δｌ）ここで、 ａ−＝（ｔａｎθ）Ｆ　、　ｂ＝ｅｃ／ｅｏｓ２θとお
くと、Δｘ＝ａΔ１／（ｂ＋Δ１）−（１） となり、移動距離Δ×と変位距離Δｌの関係はノンリニ
アとなっている。

ここに、ＰＳＤ４から構成される装置信号ＩＡ。

工８と移動距離Δにとの関係は、ＰＳＤ４の有効長を２
１ｐとすれば、 （Ｉ　　Ａ　　　Ｉ　　ａ）／　（Ｉ　　Ａ＋　　Ｉ　
　ｅ）＝　Δｘ／ｌｐ　　　　　・・・（２）となって
いる、したがって、（１）、（２）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り。は、変位距離
Δｌの情報を含む信号であるが、変位距離Δβ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Δｉ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、り二アリティ
補正回路６を設けて、リニアな測距信号りが得られるよ
うに補正する必要があった。

従来、このリニアリティ補正回路６としては、補正値メ
モリを用いたデジタル式の補正回路が提案されているが
、分解能を良くするためには、補正値メモリの記憶容量
を大きくする必要があり、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、コス
トが大幅に高くなって量産化されていなかった。

また、折れ線間数によって近似するアナログ式のリニア
リティ補正回路６が提案されている。第３図（ｂ）に示
されるリニアリティ補正回路６は、オペアンプＯＰ、ダ
イオードＤ、〜Ｄ１、ボリュームＶＲ，〜ＶＲ，及び抵
抗Ｒ＋　、　Ｒ２にて形成され、測距信号Ｌ０を４本の
折れ線で近似してリニアリティ補正を行うものであり、
折れ点は３点となっており、６個のボリュームＶＲ，〜
ＶＲ，の調整が必要になる。ところで、このような従来
例にあっては、折れ線近似による補正誤差を少なくする
には、折れ線数を増やせば良いことになるが、折れ線数
を増加した場合には、調整点が大幅に増加して構成が複
雑になると共に、調整作業が面倒になってコストが高く
なるという問題があった。

そこで、従来、測距信号りがＬ＝（ＩＡ　Ｉａ）／（Ｉ
Ａ＋ｋＴａ）となるように、演算手段５を形成し、補正
定数ｋを変化させることによりリニアリティ補正を行う
ことが提案されている。この場合、測距信号りは であり、 ａΔｌ 上式にΔ×＝□を代入すると、 ｂ＋Δｌ この式がリニアになる条件は、 （１＋ｋ）ｉｐ　　（１−ｋ） −＋　−＝　０ ２ａ　　　　　２ であるから、これを解くと、 になる、したがって、ｋがこの値になるように調整して
やれば、リニアリティ補正の補正誤゛差を理論的には０
にすることができることになる。この場合、リニアリテ
ィ補正における調整箇所は１箇所になり、構成が簡単に
なる上、調整作業も簡単になって量産が容易にでき、コ
ストを安くすることができる。

しかしながら、この従来例にあっては、補正定数にの値
を調整することによって理論的には測定装置のリニアリ
ティを完全に補正することが可能なはずであるが、実際
には、光学系や回路系の歪みが存在することによって完
全なリニアリティを得ることはできない、特に問題とな
るのは、１次元位置検出素子（ＰＳＤ４）のリニアリテ
ィ特性である。第４図はＰＳＤ４のリニアリティ特性の
代表値を理論値と共に示す図である。第４図において、
横軸はＰＳＤＪ上の集光スポットＳの位置を示し、縦軸
はリニアリティ誤差（直線からのずれ）を示す、このよ
うに、検出素子そのもののリニアリティ特性が理論値と
は異なっているため、理論的に最適な補正定数にの値で
リニアリティ補正をかけても測距信号を完全にリニアー
にすることは出来ず、検出素子のリニアリティ誤差が装
置全体のリニアリティ誤差として現れるという問題があ
った。

（発明の目的） 本発明は上述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、受光光学系における集光スポ
ットの位置を検出するための位置検出手段等のりニアリ
ティ誤差をも補正することが可能な光学式変位測定装置
を提供するにある。

（発明の開示） 扱」（ 本発明に係る光学式変位測定装置にあっては、光ビーム
を検知エリアに投光する投光手段と、投光手段の側方に
所定距離をもって配設され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、位置検出手段出力
に基づいて被検知物体までの距離の変位を演算する演算
手段とより成る光学式変位測定装置において、上記一対
の位置信号を加減算した第１の信号と、一方の位置信号
あるいは一対の位置信号を加減算した第２の信号との比
率を演算して被検知物体までの距離の変位に対応する測
距信号を得るように演算手段を形成し、第１あるいは第
２の信号中に含まれる一方の位置信号に、被検知物体ま
での距離の関数を乗じることにより変位距離に対する測
距信号のリニアリティを補正する手段を設けたものであ
り、受光光学系における集光スポットの位置を検出する
ための位置検出手段等のリニアリティ誤差をも補正でき
るようにしたものである。

尺ＩＬＬ 第１図は本発明の一実施例を示すもので、第２図及び第
３図に示す従来例と同様の光学式変位測定装置において
、関数発生補正加算回路７を設けて、この回路に測距信
号りを与え、距離に応じて任意にｋの値を変化させ得る
ようにしている。つまり、従来例の補正定数ｋを距離の
関数ｋ（Ｌ）にするわけであり、その他の構成及び動作
については上述の従来例と同様である。第５図は関数ｋ
（Ｌ）の関数型を様々に変化させた場合のリニアリティ
誤差の変化を示す説明図であり、このグラフに示すよう
に、ｋ（Ｌ）の関数型を変化させることにより任意の形
のリニアリティ特性を得ることができる。したがって、
この回路を用いれば、例えば第４［２Ｉに示すような位
置検出素子の非線形特性をも容易に補正することができ
、装置全体としてリニアリティ誤差な解消することがで
きるものである。

及九匠ｉ 第６図は本発明の他の実施例の要部回路図である。本実
施例は、関数発生補正加算回路７の実施例を示している
。この関数発生補正加算回路７は、オペアンプＯＰＩを
含む補正加算回路と、オペアンプＯＰ２．ＯＰ３を含む
関数発生回路８とを備えている０位置信号Ｉ　Ａ、　Ｉ
　Ｂはそれぞれ抵抗Ｒ及びボリュームＶＲＩを介してオ
ペアンプＯＰＩに入力され、位置信号ｒｓには関数発生
回路８から出力される関数電圧が乗算され、その乗算結
果が位置信号ＩＡと加算されて、補正加算出力信号（Ｉ
Ａ＋　ｋ（Ｌ　）　Ｉ　Ｂ）が得られる。関数発生回路
８においては、オペアンプＯＰＩからの補正加算出力信
号（Ｉ　Ａｆｋ（Ｌ）　Ｉ　Ｂ）をボリュームＶＲ２で
分圧してスレショルド電圧Ｖｃを作成する。ボリューム
■Ｒ２の分圧定数をαとすると、スレショルド電圧Ｖｃ
は、 Ｖｅ＝（Ｉ　Ａｆｋ（Ｌ）Ｉ　Ｂ）ａ で表される。

第７図に距離の変化に対する位置信号Ｉ　Ａ、　Ｉ　Ｂ
のレベル変化を示す、オペアンプＯＰ２は位置信号ＩＢ
とスレショルド電圧Ｖｃとを入力されており、その入出
力特性は第８図に示すようになる。第８図において、横
軸は位置信号１日のレベルを示し、縦軸はオペアンプＣ
）Ｐ２の出力電圧Ｖｏ２を示しており、スレショルド電
圧Ｖｃの値によって折れ点の位置が変化している。オペ
アンプＯＰ２の出力電圧Ｖ　ｏ　２は、位置信号ＩＢの
レベルとスレショルド電圧Ｖｃの値とを比較して場合分
けすると、１ＩＢｌ＞２Ｖｃの場合、Ｖ０２＝　　（Ｉ
　Ｂ＋　２　Ｖｃ）ｌＩａｌ＜２Ｖｅの場合、Ｖｏ２＝
Ｑ ＩＩＢｌ＝２Ｖｃの場合を考えると、 ＩＢ＝２Ｖｅ＝（ＩＡ＋ｋ（Ｌ）Ｉｓ）（２Ｉ日 ＩＡ＋ｋ（ＬＳＩｓ となる。つまり、ボリュームＶＲ２の分圧定数αは測距
値を意味しており、ボリュームＶＲ２の分圧定数αを調
整することにより、オペアンプＯＰ２の出力が変化する
距離Δ１ｋを自由に設定することができる（第９図参照
）。

ボリュームＶＲ３には、オペアンプＯＰ２の出力と、そ
の極性をオペアンプ○Ｐ３にて反転した電圧とが印加さ
れており、ボリュームＶＲ３が中央位置に設定されてい
る場合には、関数発生回路８からは何の出力電圧も発生
しない、したがって、この場合には、オペアンプＯＰ１
よりなる補正加算回路は従来の補正定数にで働いている
。

また、１Ｉｅｌ＞２Ｖｅの場合には、ボリュームＶＲ３
の分圧定数βを変化させることでｋの値を変えることが
できる（第９図参照）。以上をまとめると、オペアンプ
ＯＰ１による補正加算出力Ｖｏｌは、 ｌ　ＩＢｌ　＜＝２Ｖｃの場き、 １ＩＢｌ＞２Ｖｅの場合、 ＝ＩＡ＋（ｋ±βＨａ ＝　Ｉ　Ａｆｋ’　Ｉ　ｅ となる。つまり、第９図に示すように、ボリュームＶＲ
２の分圧定数αで折れ点Δｆｋの位置を調整し、ボリュ
ームＶＲ３の分圧定数βでしくＡｆｋにおけるに°の値
を調整できるわけである。

及１旺ｌ 第１０図及び第１１図は本発明のさらに他の実施例の動
作説明図である０本実施例にあっては、実施例２におけ
るオペアンプＯＰ２に接続されたダイオードの極性を反
対にして関数発生回路８を組むことにより、その入出力
特性が第１０図に示すようになり、したがって、第１１
図に示すように、基準距離Δ１によりも遠方の領域にお
けるりニアリティ調整が可能となる。この実施例におい
ても、基準距離Δ１にはボリュームＶＲ２にて調整可能
であり、基準距離へ〇によりも遠方の領域におけるリニ
アリティ誤差は、ボリュームＶＲ３にて調整可能である
。

Ｋ１匠先 第１２図は本発明の別の実施例の要部回路図であり、関
数発生回路８１，８２．８３．・・・、８ｎが複数個設
けられている点を除いては、第６図回路と同様の構成を
有している０本実施例にあっては、実施例２．３におい
て説明した関数発生回路８　＋　、　８　ｘ　。

８３、・・・、８ｎを複数個組み合わせることにより、
複雑な特性の位置検出素子についても完全にリニアリテ
ィ補正することを可能としたものである。

Ｋ１鮭ｉ 第１３図は本発明のさらに別の実施例のブロック回路図
である０本実施例にあっては、信号（ＩＡＩａ）と信号
（Ｉ　Ａ＋ｋ（Ｌ）Ｉ　ａ）との比率を求めるために、
除算回路２５を用いないで、光量フィードバック回路９
により比率を求めるようにしている。すなわち、レベル
検出回路２２ｍ、２２ｂからの出力信号ＩＡ＋ＩＢを関
数発生補正加算回路７に入力し、一方の信号■Ｂに補正
関数ｋ（Ｌ）を乗じて他方の信号ＩＡと加算し、信号（
Ｉ＾十ｋ（Ｌ）Ｉｓ）を作成し、全受光量が（Ｉ　Ａ＋
　ｋ（Ｌ　）　Ｉ　ｅ）となるように、投光用発光素子
１２の発光量をフィードバック制御している。関数発生
補正加算回路７の出力は、光量フィードバック回路９に
おける差動回路１６に入力されて、基準電圧Ｖｒｅｆと
比較され、その差に応じた電圧が積分回路１５に入力さ
れる。

積分回路１５の出力は、変調回路１４を介して投光用発
光素子１２のドライブ回路１１に入力される。変調回路
１４は、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の発振出力に同期して、積分回路１
５の出力をチョッピングしてドライブ回路１１に伝達し
ている。なお、関数発生補正加算回路７については、第
６図回路と同様のものを用いることができる。

Ｋ１鮭り 他の実施例として、測距信号りが となるように関数発生補正加算回路７を形成し、補正関
数ｋ（Ｌ）を適当に設定することによりりニアリティ補
正を行うようにしたものがあり、その他、以下のいずれ
かの演算式を用いる実施例がある。

これらのいずれの測距演算式を用いた場合においても、
補正関数ｋ（Ｌ）を適当に設定することによって、位置
検出素子等のリニアリティ誤差をも含めて装置全体のリ
ニアリティ誤差を解消することができる。

（発明の効果） 本発明は上述のように、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、投光手段
の側方に所定距離をもって配置された受光手段にて受光
し、受光手段出力に基づいて検知エリア内の被検知物体
までの距離の変位を測定するようにした三角測量方式の
光学式変位測定装置において、一対の位置信号を加減算
した第１の信号と、一方の位置信号あるいは一対の位置
信号を加減算した第２の信号との比率を演算して被検知
物体までの距離の変位に対応する測距信号を得るように
演算手段を形成し、第１あるいは第２の信号中に含まれ
る一方の位置信号に、被検知物体までの距離の関数を乗
じることにより変位距離′に対する測距信号のリニアリ
ティを補正する手段を設けたものであり、受光光学系に
おける集光スポットの位置を検出するための位置検出手
段等のりニアリティ誤差をも含めて装置全体のリニアリ
ティ誤差を補正することが可能であるという効果がある
。

【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回路図、第２図（
、）は従来例の要部概略構成を示す図、同１１］　（ｂ
）は同上の要部断面図、第３図（ａ）は同上の要部ブロ
ック回路図、同図（ｂ）は同上の要部回路図、第４図は
同上の動作説明図、第５図は本発明の動作説明図、第６
図は本発明の他の実施例の要部回路図、第７図乃至第９
図は同上の動作説明図、第１０図及び第１１図は本発明
のさらに他の実施例の動作説明図、第１２図は本発明の
別の実施例の要部回路図、第１３図は本発明のさらに別
の実施例のブロック回路図である。 １は投光手段、３は受光用光学系、４は位置検出手段、
５は演算手段、７は関数発生補正加算回路である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）光ビームを検知エリアに投光する投光手段と、投
   光手段の側方に所定距離をもって配設され被検知物体に
   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
   置検出手段出力に基づいて被検知物体までの距離の変位
   を演算する演算手段とより成る光学式変位測定装置にお
   いて、上記一対の位置信号を加減算した第１の信号と、
   一方の位置信号あるいは一対の位置信号を加減算した第
   ２の信号との比率を演算して被検知物体までの距離の変
   位に対応する測距信号を得るように演算手段を形成し、
   第１あるいは第２の信号中に含まれる一方の位置信号に
   、被検知物体までの距離の関数を乗じることにより変位
   距離に対する測距信号のリニアリティを補正する手段を
   設けたことを特徴とする光学式変位測定装置。