JPS63229306A - 線形受光デバイス - 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） 本発明は溶接用ロボット、自動工作機械などの視覚セン
サに用いられる受光デバイスに関する。

第６図は本発明の線形受光デバイスが適用される三角測
量法による形状測定の原理図を示し、投光器ＢＬの点Ｏ
２より、該０１を中心として方向を揺動する信号光ビー
ムｔを射出し、被測定物体の表面Ｊ上に光の明るいパタ
ーン人を生ぜしめ１人からの乱反射″／ｌ、を受光器Ｂ
Ｒの点ＯＲに設けた対物レンズみで集光して、結像面に
設けた受光デバイスＳ上に、パターン人の像Ｒを結ばせ
る＠　ａ　（！：　ＯＲとを結ぶ線ｒｔ−受光線という
、パターン人の位置は、信号光ｔの方向θ１、受光線ｒ
の方向θ３゜６可の長さから三角法により算出される。

θ１を揺動させて１表面ＪをパターンＡで走査して継続
的に測定することにより、物体を信号光ビームで切断し
た場合の断面の形が求められる。

受光線の方向θ、は、受光デバイスＳ上の像ａの位置か
ら求められる。信号光ビームの方向ＵＲは容易に精度よ
く求められるので、測定精度をよくするには、Ｓ上の像
ａの位ｆを正確に求めることが重要な問題であり、特に
、溶接その他の作業で、前記測定を視覚センサに用いる
場合は、外部雑音の妨害を排除して、正確な測定を行な
えることが大切である０本発明の線形受光デバイスは、
このような目的に使用して有効なものである。

（従来の技術） 従来から用いられている主な受光デバイスを第７図によ
り説明する。第７図ビ）はＰ８Ｄ　（ホトセンサデバイ
ス）を示す。ＰＳＤは細長い受光面Ｂｌ、Ｂ。

全形成し、その任意の点Ｂａに信号光が入射すると、Ｂ
ｏＢ、間の抵抗が、Ｂ（Ｉ　Ｂａの抵抗とＢａ　Ｂ、の
抵抗に分利され、その抵抗比がＢａの位置によりきまる
。したがって抵抗比を測定して信号光の入射位置ヲ求め
ることができる。ＰＡＤでは雑音光が入射しても上記抵
抗比が変るので、信号光と雑音光が同時に異る点に入射
した場合は、正しい測定値が得られなくなる欠点があっ
た。

ｔた。第７図（ロ）は直線上に田に配列したホトダイオ
ードＡｏ、Ａ、、・・・＋Ｊｎ　　と、各ホトダイオー
ドの電荷を受けとうて転送するためのシフトレジスタ（
図面では省略）を組合せた受光デバイスで、シフトレジ
スタとしてＣＯＤシフトレジスタを用いたものはＣＯＤ
受光デバイスと称されている。

光の入射位置にあるホトダイオードに入射光量に比例し
た電荷が蓄積されるので、各ホトダイオードの蓄積電荷
をシフトレジスタを用いて順番に読み出して、光の入射
位置を知ることができる。この受光デバイスは蓄積形蛍
光素子を用いているので高周波変調を受けた信号光を受
光した場合、その光をそのまま電気出力＼に変換できな
いので、雑音の測定妨害を防止できないという欠点があ
る。

第７図（ハ）は複数個のホトダイオード／１０１１　＋
　＋・・・、Ａ４．・・・＋Ａｎ　　を直線上に並べて
なるＰＤアレー（ホトダイオードアレー）を示す。ホト
ダイオードΔ。＋　Ａ１　＋・・・、ＡｎＶｉ非蓄積形
受元形骨であるので高周波変調された入射光をそのまま
電気出力に変換する能力全もっている。したがって、高
周波変調された信号光に対して、　　ＰＤアレーのホト
ダイオードの出力を調べ、信号成分を出力したホトダイ
オ−トノλの番号λから信号光の入射位置を知ることが
できる。ＰＤアレーの電気出力復調過程で、雑音成分が
除去されるので、雑音光の測定妨害全防止できる利点が
あるが、ＰＤアレーの出力の処理回路および処理時間の
関係で、ホトダイオード素子数金増し、その間隔を十分
密にできないので測定精度が制限されるという欠点があ
る。

（発明が解決しようとする問題） 前記のように、従来の受光デバイスは何れも何等かの欠
点を有し１強い雑音光の存在下でバット／璽インドの溶
接を行なう場合に使用する視覚センサ用受光デバイスと
して用いるに適しない０本発明は、このような場合にも
使用可能な視覚センサの受光デバイスを提供するもので
、次の３条件を満足する受光デバイスを実現するもので
ある。

ビ）雑音光の測定妨害を除去すること （ロ）入射信号光（信号光のパターン（家ａ）の強度変
化の影響を受けないこと （ハ）信号光の入射点（パターンの像ａの位置）の変化
に追随して、高精度の測定ができること （問題を解決するための手段） 前記の３条件を満足させるために、本発明の線形受光デ
バイスでは、欠の手段を用いた。

＠）受光面として、入射光に対し非蓄積形の光電変換特
性をもつ受光面を採用し、雑音光の測定妨害除去のため
に用いる高周波変調信号光が入射した場合、それを電気
端子にそのまま出力するようにした。したがって、この
出力を復調することにより雑音成分を除去し。

イイ号成分を検出できる。

（ロ）細長い受光面を採用し、その長さｔ−Ｌ、　一端
から受光面上の任意の点までの距離ｆ、ｘとし１点Ｘに
おける受光面の巾’ｋ　ｈ　（Ｘ）としたとき、ｈ（ｘ
）＝Ｈｘ／Ｌ　　なる関係を満足するようにした。ここ
に、Ｈは受光面の他端、すなわちｘ　＝　Ｌにおける受
光面の巾である。ｔた、パターン人の像ａは、Ｘ方向に
受光面を走査し。

その形は走査方向に垂直に細長い形をもっているように
する。

（ハ）前記（イ）、（ロ）の手段を施された受光面と近
接平行して、細長い一定巾の受光面あるいは一定巾を実
現できる受光面を設ける。なお、該受光面は前記（ロ）
の受光面と同等の性質をもつようにつくられている。

に）信号光が入射した場合、前記（ロ）の受光面からの
電気出力と、（ハ）の受光面からの比をとって、信号光
の入射位ｔｘ’を求めるようにし、入射信号光の強度Ｉ
の変動が入射位置測定に影響しないようにした。

上記（イ）、（ロ）、（ハ）、に）の手段を用いること
により、雑音光の影４１ｉ［ｔ−受けることなく高精度
の測定を可能ならしめる線形受光デバイスが得られた。

（実施例／） 第１図は本発明の一実施例にかかる受光デバイスの平面
図を示し、長さＬ、巾Ｈなる細長い受光面を微小間隙Ｇ
により対角線に分割し、２個のホトダイオードＰＤ、お
よびＰＤ、を設ける。Ｅ’Ｄ、およびＰＤ、の受光面は
同じ非蓄積形の光電変換特性をもっている。この受光デ
バイス上に図のような細長い形のパターン人の像ａが結
ばれるものとし、かつ、ａの長さは受光面に比して充分
長く、巾δは微小で、ａは矩形の巾方向に平行であるも
のとする。このようにすれば、ホトダイオードＰ　Ｄｌ
　＋　Ｐ　Ｄ！の出力電流右、λ、はそれぞれ欠により
与えられる。

ノ、＝＝にδ靜■−α王　ノ、＝θ■１（／−五）Ｉ−
α（／−倉）・・・（１）Ｌ　　　Ｌ、　　　　　　　
Ｈ ここに、■は入射信号光ａの強度、には比例定数、α＝
にδＨＩ　である、上式より すなわちｓ　　ＰＤｌ＋　ＰＤｔの電気出力１．ｌ＊　
Ｌ□より、信号光ａの入射位置が求められる。

第１図の矩形に形成された受光デバイスの両側に設けた
点状ホトダイオードｔ６　＋　ｔ（＋　ｔｌ・・・・。

ｔ６・　ｔＬｔｊ・・・は微小ホトダイオードで、例え
ば１０１≦＋１１？１’＋・・・　を対乞なして対称に
設ければ。

その出力をパターン人のイ家ａの、したがってパターン
人の向きが正しいかどうか、ｉｔ　ａの入射強度が均一
であるかどうか、パターン人の走査が正しく行なわれて
いるかどうかなどの検査に用いることができる。

また、受光面を第２図（イ）あるいは（ロ）に示すよう
にＰＤ宜あるいはＰＤｌをＰＤＩＩ　ＰＤＨ＋　ＰＤＩ
Ｉ　ＰＤＩＩにそれぞｎ分割し１図ピ）では　ｈ、＝Ｈ
ｊ。

ｈ７．＋　ｈｌｌ　＝ｎ　ｃ　／−Ｕ　）　　としてＰ
Ｄ、、とＰＤ、、を並列接続して用い１図（ロ）では　
ｈｌｌ　＋　ｈｌｔ　”’　Ｈｇ　、ｈｕｔ　＋　ｈ＊
ｔ＝　Ｈ（／　−Ｈ）として、ＰＤ、、とＰＤｔ！、Ｅ
’Ｄ、、とＰＤｔｔ　’ｔそれぞれ並列接続して用いて
も差支えない、このように分割することにより、パター
ン人の像ａは、ぞの長さ方向の入射光強度の不均一によ
る誤差を減少することができる。受光面の分割数をさら
に増加する場合も同様である。

本発明の第１図に示す形状の受光デバイスＳに高周波変
調された信号光ビームの輝点像ａが結像する場合、結像
位置ｘ／Ｌ　を測定する回路を第３図により説明する０
図において、ＡＭＰは増巾器。

ＤｇＭは復調器で、イ（＋１１＋χｔの３系統で同じ特
性を持つように設計する。ＳＵＭは、復調されて得られ
た信号成分μえ７．μ又、の和を求める回路、ＲＡＴは
μｉｌとμ（ｊｔ　＋ｌｔ　）　　の比を求める回路で
ある。　　ＲＡＴの出力がノ、／（石＋、１−ｔ）　に
なることは明らかである。また、受光素子ＰＤｌ・ＰＤ
、の出力は復調器を通ることにより、雑音成分が除去さ
れる。前に説明したよりに”ｔ／Ｃｉｔ＋ス、）＝ｘ／
Ｌにより、信号光すなわちパターン像ａの受光デバイス
Ｓ上の位置が求められ、さらにθＲが求められる０図の
微小ホトダイオードの復調出力μ毛１ｊは測定器の較正
に用いることができる。

（実施例２） 本発明の受光デバイスの第一の実施例を第参図により説
明する０図においてＰＤ、は実施例１のＰＤ、と同じホ
トダイオードであり、これに平行に長さｔ、巾ηＨなる
ホトダイオードＰＤ、を設ける。パターン人の像ａは、
巾δで受光デバイスの巾全体にまたがり、かつ一様な光
強度をもつものとすると、ホトダイオードＰＤ、および
ＰＤ、　　より得られる出力電流はそれぞれ次により与
えられる。

、ｊ＋　＝／ＣａＨ’Ａｘ＝ａｘ−，（’、＝）Ｃａη
Ｈｘ＝ａｙｙ　　−−−−・・（８）Ｌ　　　Ｌ。

ここに、α＝ルδＨＩ したがって・ パターン人の像ａの位置はｌ　＋　／ｉ　ｔとηの積で
４見られる。この測定回路は、第３図と同様な方法で実
現できるので説明を省略する。ここに、ホトダイオード
ＰＤ、ＩＰＤＲの受光面は実施例１の場合と同様である
。

式（２）と式（４）との比較から明らかなように、実施
例／では一定巾Ｈの受光面を用い、実施例コではその代
りに、ＰＤ、とＰＤ、の受光回申の和を用いてお夛、測
定上の原理は実施例１と実施例コとは等価とみなせる。

（実施例３） 第を図に示す物体の形状測定において、パターン人の走
査長が長くなると、線形受光素子の受光面の長さを大き
くする必要がある。実施例１および２に述べた例では、
第１図、第２図、第４図の受光面の長さＬが大きくなり
、それにともなって巾Ｈも大きくなり、巾方向の測定精
度が低下する。

この欠点を救済するために、受光面の形を第３図に示す
ように、第７図、第２図、第≠図の受光面をそれぞれ必
要数だけ長さ方向に接続して用いる。

第３図（イ）は第４図の受光面を３個接続した線形受光
面、第１図（ロ）は第１図の受光面を３個接続、第１図
（ハ）は第２図（イ）の受光面を３個接続した線形受光
面を示す、これらは受光面３個を接続した例であるが、
接続個数は、受光面に必要な全長と、許容巾Ｈとの関連
からきめられる。第１図の場合。

パターン人の像ａが受光面の長さＬ上を走査すると、図
（イ）の場合、区間Ｌ’、　Ｌ’、　Ｌ”でそれぞれ実
施例−と同様にして測定が行なわれる。各区間の継目で
は１式（４）のη（ｔｔ４ｔ　）　　が不連続に変化す
るので区間の移行を知ることができる。あるいは、図に
示すように区間の継目に微小ＰＤ　（ホトダイオード）
　ｔ、　　ｔ’、　ｔ’ｓ　ｔ”　　を設けて、その電
気出力をパターン人の像ａが区間の継目通過の信号とし
て用いることができる。第３図（ロ）、（ハ）の場合で
も上記と全く同様である。

上記のようにパターン人の像ａの走査区間長りの分割に
より、巾方向の精度を低下させることなく測定を行なう
ことができる。

（発明の効果） 以上説明し次ように１本発明の線形受光デバイスは入射
光に対して非蓄積形の光電変換特性を有する受光面を備
えたホトダイオードの素子であって、かつ素子の巾が面
の一端からの距離に比例して変化することを用いること
により、雑音光の測定妨害を除去する手段の適用を可能
とし、また受光出力が受光面の長さ方向に、Ｘの１次線
形になる受光面と、受光出力が一定になる受光面とを備
え１両者の出力比を求めて、受光位置（パターン人の像
ａの位置）を高精度で算出できるようにしたものである
。したがって１本発明の線形受光デバイスは溶接用ロボ
ットあるいは自動工作機械の視覚センサに有力なもので
ある。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の一実施例にかかる受光デバイスの平面
図、第２図は第１図の受光デバイスのホトダイオードを
分割した平面図、第３図は本発明の受光デバイスに関連
する測定回路図、第４図及び第１図は夫々本発明の別の
実施例にかがる受光デバイスの平面図、第を図は信号光
ビームを用いた物体の形状測定の原理図、第７図は従来
技術による受光デバイスを示す図で１図（イ）はＰＳＤ
　　（ホトセンサデバイス）、図（ロ）ｉ−ｊ　ＯＯＤ
受光デバイス、図（ハ）はｌ’Ｄアレー（ホトダイオー
ドアレー）を示す図である。 ＢＬは投光器、ｔは信号光、ＯＬは信号光ビームｔの回
転中心、人はパターン、Ｊは物体表面、１３Ｒは受光器
、乙は対物レンズ、ＯＲは、４−の中心、Ｓは受光デバ
イス、ａはパターン人の像、γは受光線、Ｕｆ、は信号
光の方向を示す角、ＯＲは受光線の方向を示す角、Ｂｏ
Ｂ、は受光デバイスの受光部分の両端、　　Ｂａは信号
光の入射位置、／！０．７（１゜・・・＋　Ａ４　＋　
・・２ｎ　　は受光素子のホトダイオード、ＰＳＤ　ｉ
ホトセンサデバイス、　　ＣＯＤは受光デバイス、　Ｐ
Ｄｌ＋　ＰＤ４　＋　ＰＤＩＩ　＋　ＰＤＩ！　＋　）
’Ｄ！ｌ　＋　ＰＤｔ２　　等はホトダイオード、Ｌは
受光部分の長さ、Ｈは巾、Ｇは間隙、ｈｌ　＋　ｂｔ！
　ｈｌｌ　＋　ｈ１１＋　ｈ！ｌ　＋　ｈ！！　　は像
ａの各ダイオードに相当する長さ、δは像ａの巾、χ１
゜乏、はそれぞれＰ　ＤＩ　＋　Ｐ　ＤＨの出力電流、
心は比例定数、■は信号光の強度＊　　ｘ−ＢｏＢａ　
ｔα＝δＨＩ。 ηは定数、　　ＡＭＰは増巾器、　　ＤｇＭは復調器、
ＳＵＭは和回路、ＲＡＴは和回路、μは回路によりきま
る定数＋　　ｔｏ＋　１′ｏｒ　ｊｌ＋　ｊ’ｌ・・・
は微小ホトダイオード。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）入射光に対して非蓄積形の光電変換特性を有し、
   全体として細長く、かつ巾が面の一端からの距離に比例
   して変化するように受光面を形成したことを特徴とする
   線形受光デバイス。
2. （２）前記特許請求の範囲第１項の線形受光デバイスの
   受光面と、該受光面と同じ長さの、細長い矩形の非蓄積
   形の光電変換特性を有する受光面とを、長さ方向を一致
   させ、平行・近接して設けたことを特徴とする線形受光
   デバイス。
3. （３）入射光に対して非蓄積形の光電変換特性を有する
   細長い矩形の受光面を、頂点が矩形の短辺上にある三角
   形で、任意の数に分割し、該分割で得られた三角形受光
   面素片を、分割線を共有する受光面素片が同じグループ
   に属することのないようにして、２グループに分け、各
   グループの受光面素片を電気的に並列接続してなること
   を特徴とする線形受光デバイス。
4. （４）前記特許請求の範囲の第２項、あるいは第３項の
   線形受光デバイスを長さ方向に必要数、縦続配置したこ
   とを特徴とする線形受光デバイス。