JP2004061402A

JP2004061402A - 傾斜検出装置

Info

Publication number: JP2004061402A
Application number: JP2002222736A
Authority: JP
Inventors: Kenji Nishibori; 西堀　賢司; Kazunori Iida; 飯田　和則
Original assignee: YUNIMEKKU KK; Daido Gakuen School
Current assignee: YUNIMEKKU KK; Daido Gakuen School
Priority date: 2002-07-31
Filing date: 2002-07-31
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2022-07-31
Also published as: JP3479914B1

Abstract

【課題】簡易な構造で煩雑な計算を要することなく被検出面の傾きを正確に検出する。
【解決手段】被検出面５ａに向けて光Ｌ１，Ｌ２を照射する発光ダイオード２Ａ，２Ｂと、被検出面５ａにより生じた発光ダイオード２Ａ，２Ｂの鏡像から発する経路を辿るように被検出面５ａで反射された光Ｌ３，Ｌ４を入射させて発光ダイオード２Ａ，２Ｂの実像を生じさせる集光レンズ３と、実像の位置を検出する位置検出器４とを具備し、検出された実像の位置から被検出面５ａの傾きを得る。上記発光ダイオード２Ａ，２Ｂは、集光レンズ３を挟んで左右の対称位置に設けられている。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は被検出面の傾きを検出するための傾斜検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の検出装置として、例えば特開２００１―６１９９公報には、レンズ体内に発光ダイオード（ＬＥＤ）とフォトダイオード（ＰＤ）を併設し、ＬＥＤから発した発散光をレンズ体で平行光に変換して被検出面に照射し、その反射光を再びレンズ体に入射させてＰＤ上に円形スポット光として集光させるようにしたものが示されている。上記ＰＤは複数の小領域に分割されており、被検出面が傾斜するとこれに伴ってＰＤ上のスポット光の位置が移動して、各小領域に入射するスポット光部分の面積が変化することから、これら小領域の出力信号の変化から上記被検出面の傾斜を知ることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の検出装置において、ＰＤの周辺部においては、被検出面の傾きに対して各小領域の出力信号が非線型に変化する。そこで、被検出面の傾きを正確に知るために、ＰＤを可能な限り多くの小領域に分割するとともに、中心部から周辺部へ配した各小領域の出力信号に対して異なる重み係数を乗じて、被検出面の傾きに対するＰＤ出力の線型化を行っている。このため、装置構造が複雑化するとともに、傾き計算が煩雑であるという問題があった。
【０００４】
そこで、本発明はこのような課題を解決するもので、簡易な構造で煩雑な計算を要することなく被検出面の傾きを正確に検出することができる傾斜検出装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本第１発明では、被検出面（５ａ）に向けて光（Ｌ１，Ｌ２）を照射する点光源（２Ａ，２Ｂ）と、被検出面（５ａ）により生じた点光源（２Ａ，２Ｂ）の鏡像（Ｉａ，Ｉｂ）から発する経路を辿るように被検出面（５ａ）にて反射された光（Ｌ３，Ｌ４）を入射させて点光源（２Ａ，２Ｂ）の実像（Ｒａ，Ｒｂ）を生じさせる集光手段（３）と、実像（Ｒａ，Ｒｂ）の位置を検出する位置検出手段（４）とを具備し、検出された実像（Ｒａ，Ｒｂ）の位置から被検出面（５ａ）の傾きを得る。なお、被検出面の傾きを得るのに演算手段を使用することができる。ここで、点光源としては発散光を発する発光ダイオード等が好適である。その理由は、レーザダイオード等の、極めて絞られた光束を出力するレーザ光源を使用すると、被検出面で反射された反射光を正確にスポット位置検出器上に入射させるためには被検出面に対するレーザ光の照射角度を精密に設定する必要があって調整が煩瑣である。また、被検出面の傾斜角に対してレーザ光の反射角は２倍で変化するため、スポット位置検出器の受光面積を大きくする必要があるという問題も生じる。さらには、被検出面に僅かな凹凸等があるとレーザ光の反射経路が乱され、絞られた反射光の光束がスポット位置検出器から容易に外れて検出不能となる。これに対して、発散光の場合には、被検出面への照射角度がある程度ずれても、大部分の光は被検出面により生じた点光源の鏡像から発する経路を辿るように被検出面にて反射されて集光手段に入射し、確実に点光源の実像を生じる。加えて、反射光は集光手段によって集光させられて焦点付近に実像を生じるから、実像の位置を検出する位置検出手段の検出面の面積は比較的小さくて良い。さらに、被検出面に僅かな凹凸等があった場合に、発散光のうち一部の光は点光源の鏡像から発する経路から外れて反射されるが、大部分の光は上記経路を辿るように反射されて集光手段によって確実に点光源の実像を生じる。したがって、検出不能となるおそれが少ない。
【０００６】
本第１発明において、被検出面により生じる鏡像の位置と、位置検出手段によって検出される実像の位置は一定の幾何学的関係を有するから、実像の位置は被検出面の傾きに応じて一義的に変化する。したがって、実像の位置を検出することによって、煩雑な計算を要することなく被検出面の傾きを正確に検出することができる。位置検出手段としては点光源の実像の位置を検出するのに適した例えば単一の位置検出器（ＰＳＤ；Ｐｏｓｉｔｉｏｎ　Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）を使用することができるから、装置構造を簡易なものにできる。
【０００７】
本第２発明では、上記点光源（２Ａ，２Ｂ）を、集光手段（３）を挟んで左右の対称位置に設けて、上記位置検出手段（４）により検出された各点光源（２Ａ，２Ｂ）の実像の位置から被検出面（５ａ）の傾きを知るようにする。
【０００８】
本第２発明においては、集光手段を挟んで左右の対称位置に設けた各点光源の実像について、これら実像位置に対する重心位置を算出することによって、点光源や集光手段から被検出面までの距離を考慮する必要がない簡易な計算によって被検出面の角度を算出することができる。
【０００９】
本第３発明では、上記位置検出手段は、点光源（２Ａ，２Ｂ）の実像（Ｒａ，Ｒｂ）の位置に応じた出力信号を発する位置検出器（４）であって、点光源（２Ａ，２Ｂ）、集光手段（３）、位置検出器（４）を装置基体（１２，１３）に一体に設ける。
【００１０】
本第４発明では、装置基体（１２，１３）の中心に開口（１２１）を設けて当該開口（１２１）内に上記集光手段としての集光レンズ（３）を設けるとともに、集光レンズ（３）の後方焦点付近において集光レンズ（３）の光軸（Ａｘ）に中心を一致させて位置検出器（４）を設け、かつ、集光レンズ（３）の設置面とほぼ同一面内で集光レンズ（３）周囲の装置基体（１２）上に点光源（２Ａ，２Ｂ）を設ける。
【００１１】
本第５発明では、集光レンズ（３）周囲の装置基体（１２，１３）上で集光レンズ（３）を挟んで直交する方向の対称位置にそれぞれ点光源（２Ａ，２Ｂ）と（２Ｃ，２Ｄ）を設ける。本第５発明においては、被検出面の二次元方向の傾斜を正確に検出することができる。
【００１２】
なお、上記カッコ内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１には傾斜検出装置の縦断面図を示し、図２には傾斜検出装置の横断面図を示す。傾斜検出装置１は金属製の筒状カバー１１を備え、その一端開口はこれに覆着された支持板１２によって閉鎖されている。支持板１２には中心に円形開口１２１が形成されるとともに、外周部の板面には周方向へ９０度間隔で４箇所に（図２）、赤色発光ダイオード（ＬＥＤ）２Ａ〜２Ｄが先端を筒内に露出させて埋設されている。赤色としたのは、自然光の外乱による影響を受け難いからである。上記開口１２１内には集光用の集光レンズ３が配設されて、その外周部が、背後（図１の下方）から当接する筒状スペーサ１３の開口段付き部によって支持板１２の開口段付き部との間に挟持されている。上記支持板１２と筒状スペーサ１３は装置基体を構成している。
【００１４】
筒状スペーサ１３の下端開口には、上記集光レンズ３の光軸Ａｘに受光部４１の中心を一致させて位置検出器（ＰＳＤ；Ｐｏｓｉｔｉｏｎ　Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）４が配設されており、ＰＳＤ４は下方から覆着された蓋体１４によって筒状スペーサ１３との間に保持されている。ＰＳＤ４の出力信号は本体下面から蓋体１４を貫通して下方へ延びる端子ピン１５によって装置外へ取り出されている。
【００１５】
なお、集光レンズ３の上方は赤色のフィルタ板１６によって覆われており、フィルタ板１６は外周部が開口１２１の周縁に固定されている。径方向の対称位置に設けられたＬＥＤ２Ａ，２Ｂから発した光Ｌ１，Ｌ２は、検出装置１の前方に置かれた対象物５の被検出面５ａに投射され、その反射光Ｌ３，Ｌ４が集光レンズ３を経てＰＳＤ４上に至る。なお、光Ｌ１，Ｌ２は、ＬＥＤ２Ａ，２Ｂから発せられる発散光のうち、後述するＬＥＤ２Ａ，２Ｂの鏡像Ｉａ，Ｉｂ（図３参照）と実像Ｒａ，Ｒｂを結ぶ線に沿う反射光Ｌ３，Ｌ４を生じる光のみを示したものである。また、図１は紙面に沿うＸ軸方向で集光レンズ３を挟んで対称位置に位置するＬＥＤ２Ａ，２Ｂからの光路を示すが、紙面に垂直なＹ軸方向に位置するＬＥＤ２Ｃ，２Ｄ（図２参照）からの光路も上記と同様である。
【００１６】
図３には傾斜検出装置の検出原理図を示す。各ＬＥＤ２Ａ，２Ｂから出力された発散光Ｌ１は対象物の被検出面５ａで反射されるが、反射光Ｌ３，Ｌ４は、被検出面５ａにより生じる各ＬＥＤ２Ａ，２Ｂの鏡像Ｉａ，Ｉｂから発せられる光経路を辿るように反射させられて、傾斜検出装置１の集光レンズ３に入射する。そして、集光レンズ３によってその後方に位置するＰＳＤ４上に集光され、ここにＬＥＤ２Ａ，２Ｂの実像Ｒａ，Ｒｂを生じる。ＰＳＤ４からはＬＥＤ２Ａ，２Ｂの実像Ｒａ，Ｒｂの各位置に応じた出力信号が出力され、この出力信号は端子ピン１５（図１）を経て装置外のコンピュータ等に入力されて、後述する数式によって被検出面５ａの傾斜角θが算出される。
【００１７】
図３においては、ＰＳＤ４の中心からＸ軸方向にある各ＬＥＤ２Ａ，２Ｂまでの距離がＳ、ほぼ同一線上に位置する左右のＬＥＤ２Ａ，２Ｂおよび集光レンズ３から被検出面５ａまでの距離がＬ、集光レンズ３の焦点距離がｆであり、ＰＳＤ４の受光部４１の中心Ｏを原点として各ＬＥＤ２Ａ，２Ｂの実像Ｒａ，Ｒｂがそれぞれ位置Ｘａ，Ｘｂに生じているものとする。なお、距離Ｌは距離ｆに比して十分大きい。また、座標位置Ｘａ，Ｘｂは原点Ｏに対して図３の右方を正値とする。
【００１８】
被検出面５ａが左右のＬＥＤ２Ａ，２Ｂを結ぶ線と平行に位置する図３の状態で、被検出面５ａは集光レンズ３の光軸Ａｘに対して直交しており、ＬＥＤ２Ａ，２Ｂの鏡像Ｉａ，Ｉｂは光軸Ａｘに対して対称位置に生じる。この状態で、鏡像Ｉａ，Ｉｂの位置を頂点とする三角形Ｔ１，Ｔ３と実像Ｒａ，Ｒｂの位置を頂点とする三角形Ｔ２，Ｔ４の相似より、式（１）、式（２）が得られ、式（３）で座標位置Ｘａ，Ｘｂに対する重心位置Ｘを算出すると、その値は０となる。
【００１９】
Ｘａ／ｆ＝Ｓ／２Ｌ…（１）
Ｘｂ／ｆ＝−Ｓ／２Ｌ…（２）
Ｘ＝（Ｘａ＋Ｘｂ）／２＝０…（３）
【００２０】
これに対して、図４に示すように被検出面５ａが角度θだけ傾くと、同じく三角形Ｔ１，Ｔ３とＴ２，Ｔ４の相似より、式（４）、式（５）が得られ、式（６）で座標位置Ｘａ，Ｘｂに対する重心位置Ｘを算出すると、重心位置Ｘは距離Ｌに無関係にθの正接値にのみ比例する。ＰＳＤ４の出力信号からは、和と差と除算の簡単な演算によって座標位置Ｘａ，Ｘｂに対する重心位置Ｘを得ることができるから、これより被検出面５ａの正確な傾斜角θを知ることができる。
【００２１】
Ｘａ／ｆ＝（Ｓ＋２Ｌｔａｎθ）／２Ｌ…（４）
Ｘｂ／ｆ＝−（Ｓ−２Ｌｔａｎθ）／２Ｌ…（５）
Ｘ＝（Ｘａ＋Ｘｂ）／２＝ｆｔａｎθ…（６）
【００２２】
なお、Ｙ軸方向についても、ＰＳＤ４上に生じるＬＥＤ２Ｃ，２Ｄ（図２）の実像の位置より、上式を使用してＹ軸方向における被検出面５ａの傾斜角を得ることができる。なお、上記実施形態において、一次元方向での被検出面の傾斜を検出するだけで良い場合には、Ｘ軸方向あるいはＹ軸方向のいずれかに一対のＬＥＤを設けるのみで良い。また、集光レンズ３から被検出面５ａまでの距離Ｌを正確に測定できる場合には、集光レンズ３を挟んで一対のＬＥＤ２Ａ，２Ｃを設ける必要はなく、いずれか一方のみ設ければ良い。
【００２３】
【発明の効果】
以上のように、本発明の傾斜検出装置によれば、簡易な構造で煩雑な計算を要することなく被検出面の傾きを正確に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す傾斜検出装置の縦断面図である。
【図２】傾斜検出装置の横断面図である。
【図３】傾斜検出装置の検出原理を示す図である。
【図４】傾斜検出装置の検出原理を示す図である。
【符号の説明】
１…傾斜検出装置、１２…支持板、１２１…開口、１３…筒状スペーサ、２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ…発光ダイオード、３…集光レンズ、４…位置検出器、５ａ…被検出面、Ｉａ，Ｉｂ…鏡像、Ｌ１，Ｌ２…出力光、Ｌ３，Ｌ４…反射光、Ｒａ，Ｒｂ…実像。

Claims

被検出面に向けて光を照射する点光源と、前記被検出面により生じた前記点光源の鏡像から発する経路を辿るように前記被検出面で反射された前記光を入射させて前記点光源の実像を生じさせる集光手段と、前記実像の位置を検出する位置検出手段とを具備し、検出された前記実像の位置から前記被検出面の傾きを得ることを特徴とする傾斜検出装置。
前記点光源を、前記集光手段を挟んで左右の対称位置に設けて、前記位置検出手段により検出された前記各点光源の実像の位置から前記被検出面の傾きを得るようにした請求項１に記載の傾斜検出装置。
前記位置検出手段は、前記点光源の実像の位置に応じた出力信号を発する位置検出器であって、前記点光源、集光手段、位置検出器を装置基体に一体に設けた請求項１又は２に記載の傾斜検出装置。
前記装置基体の中心に開口を設けて当該開口内に前記集光手段としての集光レンズを設けるとともに、前記集光レンズの後方焦点付近において前記集光レンズの光軸に中心を一致させて前記位置検出器を設け、かつ、前記集光レンズの設置面とほぼ同一面内で前記集光レンズ周囲の前記装置基体上に前記点光源を設けた請求項３に記載の傾斜検出装置。
前記集光レンズ周囲の前記装置基体上で前記集光レンズを挟んで直交する方向の対称位置にそれぞれ前記点光源を設けた請求項４に記載の傾斜検出装置。