JPH032611A - 距離検出装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、レーザ加工機などの精密機器に用いられる距
離検出装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、半導体装置検出器を用いて被測定物までの距離を
検出する距離検出装置が知られている。

第６図は一般的な半導体装置検出器の構成図、第７図は
これを用いた一般的な距離検出装置の構成図である。

第６図において、半導体装置検出器２５はｎ＋型型環導
体層２７、高抵抗ｎ型半導体層２８と、抵抗率が均一な
ｎ型半導体層２９とが順次に積層されて形成されている
。ｎ型半導体層２８およびｎ型半導体層２９はフォトダ
イオードを構成しており、ｎ　型半導体層２７にはフォ
トダイオードに逆バイアスの電圧を印加するための共通
電極３０が設けられている。また、ｎ型半導体層２９の
両端部には一対の電極３１．３２が設けられている。

この半導体装置検出器２５の共通電極３０に所定の電圧
を印加し、位置ＳＰのところに光点が入射したとすると
、位置ＳＰの下方のｐｎ接合部には電子−正孔ス・ｌが
生じ、これにより光点の入射エネルギーに比例した光電
流Ｉ。か共通電極３０からｐ型半導体層２９に向かって
流れる。

ところで、電極３１．３２間の距離Ｃとし、その間のｐ
Ｊ４８！半導体層２９の抵抗をＲ６とじ、さらに光点入
射位置ＳＰと電極３２との間の距離をＸとし、その間の
ｐ！８！十導体層２９の抵抗をＲとすれば、光７１Ｘ流
１゜は光点入射位置ＳＰのところで抵抗分割される。す
なわち、電極３１への電流Ｉ　および電極３２への電流
１Ｂは、それぞれ八 １　−１　　　・　［Ｒ／Ｒｏ］ 八〇ｘ へ　　　　　−１−［（Ｒ−４）／Ｒｏ　コ−Ｃ１）Ｂ
ＱＣχ のようになる。

前述のように、ｐ型半導体層２９の抵抗率は均一に分（
１１シているので、（１）式は、１　　　−１　　　−
ｘ／Ｃ Ｏ Ｊ　　　−１［（Ｃ−ｘ）／Ｃ］　　　　　　　・・・
　（２）のように表現される。

（２）式かられかるように、電流１　　、Ｉ　　をＡＢ 電１４３１．３２から取出し、所定の演算回路（図示せ
ず）において所定のアナログ演算処理を施すことで、電
極３２から光点入射位置ＳＰまでの距ｌｘを求めること
ができる。

また第７図を参照すると、距離検出装置は光を出力する
光源２２と、この光を被測定物２１に集光させる投光レ
ンズ２３と、披ａＰＩ定物２１で反射された光を集光さ
せる受光レンズ２４と、集光された反射光が光点として
入射する前述の半導体装置検出器２５とから構成されて
いる。光源２２は発光ダイオードあるいは半導体レーザ
からなっている。また、受光レンズ２４は投光レンズ２
３にχ・１して基線長Ｂだけ間隔をへたてて配置されて
おり、半導体装置検出器２５は受光レンズ２４に対して
結像距離ｆだけ間隔をへだてて配置されている。なお、
受光レンズの光軸Ａは半導体装置検出器２５の電極３２
と整合している。

このような構成の距離検出装置では、被測定物２１か投
光レンズ２３から距離りのところに位置し、このときに
受光レンズ２４からの光点が半導体装置検出器２５の位
置ＳＰに入射したとすると、距離Ｘと距離りとの関係は
、 Ｘ　＝−ｆ　−Ｂ／Ｌ　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　・・・　（３）として与えられる。

従って、（２）式の電ａｌ、Ｉ　　に所定のアへ　　Ｂ ナログ演算処理を施して求まる距ｆｉｘと、（３）式と
から、被測定物２１の距離りを検出することができる。

すなわち、アナログ演算処理として、例えば電流１　　
、Ｉ　　の差と、電流１　　、Ｉ　　の＾　　Ｂ　　　
　　　　　ＡＢ 和（すなわち光電流Ｉ。）との割算を行なうと、アナロ
グ演算Ｍ（Ｉ＾−ＩＢ）／（Ｉ＾＋ｌＢ）は、 （１−１）／　（ＩＡ＋ＩＢ） ｌｌ −２ｘ　／　Ｃ−１ −２ｆ−Ｂ／（Ｃ−Ｌ）　　−１ となり、披７ＩＰＩ定物の距ＭＬを電流ＩＡ。

って検出することができる。

・・・　（４） １Ｂによ 〔発明が解決しようとする課題〕 第７図に示すような距離検出装置は、被測定物２１すな
イっち加工物までの距離が一定に保たれることを必要と
するレーザ加工機などに用いることができる。このよう
なレーザ加工機では、距離検出装置によって被Ａｉ１定
物２１までの距離を検出し、この距離が一定となるよう
に制御することで被測定物２］すなわち加工物を均一に
切断するようになっている。

ところで、彼ｄＰ１定物２１の表面反射率は場所によっ
て一様ではなく、急激に変化する場合かあり、このよう
なときに距離検出を正確になしえない欠点があった。こ
れを第８図により説明する。同図においで、ｇ　は被測
定物２１における光スポラｐ トを示し、Ω　はその光学的な重心位置を示し、ハツチ
ング２１ｈは披ａｌｌ定物２１の表面において反射率の
低い部分を示す。同図（ａ）のように表面反射率が一様
のときは、従来装置で距離検出される位置は光スポット
ｇ　の中心位置すなわち重ｐ 心ｇｇの位置となり、特に問題は生じない。しかし、同
図（ｂ）、（ｃ）のように表面反射率が変化する部分で
は、従来装置で距離検出される位置は光スポットΩ　の
中心からずれた重心位置ｇｇｐ となってしまう。このため従来装置では、被測定物まで
の距離を正確かつ容易に検出することができないという
課題があった。

一方、第７図の装置において、光源２２が基線長Ｂの方
向に血かにずれていたり、あるいは光源２２が複数の発
光点を有していたりすると、発光点の位置ずれにより半
導体装置検出器２５における光点入射位置ＳＰもずれる
ことになる。すると、得られる光電流１　．１　　の値
も異なることにな＾　　Ｂ す、結局は距離検出が正確に行えなくなるという解決す
べき課題があった。

そこで本発明は、披ａｌ定物までの距離を光源の位置ず
れや被測定物の表面状態にかかわりなく、正確かつ容易
に検出することが可能な距離検出装置を提供することを
目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る距離検出装置は、少なくとも１個の発光点
を有する光源と、発光点からの光束を被測定物上に集光
する投光レンズと、被測定物からの反射光を集光するよ
うに投光レンズの光軸を中心に対称に配置された少なく
とも一対の受光レンズと、これらにより集光された被測
定物からの反射光を受光するように投光レンズの光軸を
中心に対称に配置された少なくとも一対の位置検出用受
光素子と、発光点からの光束に対応する被測定物からの
反射光による少なくとも一対の位置検出用受光素子の出
力信号にもとづき、被測定物の照射点までの距離を演算
する演算手段とを備えることを特徴とする。

〔作用〕

本発明によれば、被測定物からの反射光を同様に対称配
置された受光レンズで集光し、それぞれ対称配置された
位置検出用受光素子に光点を形成しているので、光電流
出力のずれ量が対称な位置検出用受光素子の間でキャン
セルされることになり、被測定物までの距離を正確に検
出できる。

〔実施例〕

以下、添付図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は実施例に係る距離検出装置の構成を示す図であ
る。光源１は発光点りを有している。光源１の発光点は
パルス点燈を繰り返し、その発光光束は投光レンズ２に
より被測定物３上に集光される。受光レンズ４．５は投
光レンズ２の光軸に対して軸対称な位置に配置されてお
り、被７１＄１定物３からの反射光は受光レンズ４．５
により、位置検出用受光索子６，７の受光面上に集光さ
れる。

２つの位置検出用受光素子６．７では逆バイアス電圧が
印加され、６対の電極は互いに内側（投光レンズの光軸
側）と外側とで結線されている。ここで、内側の電極か
ら取り出される光電流■８、。

Ｉ　の和をＩ　Ｂ　　（−１Ｂ１＋　ＩＢ２）とし、外
側の電極から取り出される光電流１　　、Ｉ　　の和を
ＩＡ＾Ｉ　　　　　Ａ２ （−１ＡＩ　＋Ｉ　Ａ２）とする。

本実施例は上記のように構成されているため、被測定物
３の表面反射率に左右されることなく距離検出ができる
。すなわち、第１図において被ｎ１定物３の表面反射率
が、第８図（ｂ）、（Ｃ）の如く光スポツト位置におい
て変化し、このため光学的重心ｐ　がｇ　　になったと
する。すると、２ｇ 反射光は見掛は上で第１図の点線のようになり、位置検
出用受光素子６．７における光点入射位置が見掛は上で
ずれることになる。ここにおいて、本実施例においては
光電流’Ｂ２が増加すると■Ｂｌがその分だけ減少し、
光電流’Ａ２が減少するとＩＡＩが増加するので、互い
にキャンセルされて表面反射率によらずに安定した光電
流の和ｌＡ。

１Ｂが得られ、従って正確な距離検出が可能になる。

本実施例によれば、第２図に示すような特別の作用もあ
る。図示の通り、光源が２個あり、従って発光点Ｎ　　
、Ｎ、が距離ｔだけ離れているとする。この場合には、
距離りは次のようにして求められる。まず、位置検出用
受光素子６．７の出力をｘ　　、ｘ　　とすると、 Ｘ　１−Ｘ　Ｏ＋　Ａ　Ｘ　ｔ Ｘ　２−Ｘ　ｏ　−ΔＸ２ ΔＸ１　″Δｘ２ となる。従って、 ｘｌ　＋ｘ２１！Ｉ２ｘ。

となるので、距ＭＬは Ｌ−ｆ・ｘ　ｏ　／　Ｂ ＝　ｆ　・（ｘ　　＋　Ｘ　２　）　／　２　Ｂとなる
。すなわち、発光点Ｎ　　、ｉｔ、のずれ：ｔに拘りな
く、距ｉ１Ｌを求めることができる。

第３図は光源１の発光点ｇがパルス点燈した時の距離検
出の原理を示す図である。ここで、距離検出器から彼ａ
？Ｉ定物３までの距離をり。とじ、被７１１１１定物が
二点鎖線３′にて示す位置に移動した時の距離をＬＮと
し、投光レンズ２の光軸と一対の受光レンズ４，５の光
軸との間隔をＢとし、受光レンズ４，５から位置検出用
受光素子６，７までの間隔をｆとし、受光レンズ４，５
の光軸から距離り。の披４−１定物３における反射光の
集光位置までの距離をＸとし、また被ｒｌＰＩ定物３が
ＬｏからＬＮに移動した時のスポット光の移動量を、そ
れぞれΔＸ　、ΔＸ２とする時には、以下の関係式％式
％ 従って、位置検出用受光素子６．７より得られる光電流
値からＸ、ΔＸ　、ΔＸ２の値を求めることにより、逆
に披ａｌｌｌ定物３まての距ＭＬ、ＬＮ を求めることができる。被測定物３が距ＭＬ。にある時
の集光位置と、一対の位置検出用受光素子の電気的中心
位置（１−ＩＢ）とが一致するように調整しておくと、
被測定物３がり。より近距離に存在する場合には位置検
出用受光素子６，７の集光位置は電気的中心位置より外
側（投光レンズ２の光軸方向と反対）になり、逆にり。

より遠距離に存在する場合には内側になる。そこで、こ
こではスポット光の移動方向が外側に向かう時をプラス
（＋）、内側に向かう時をマイナス（−）と定義するこ
とにする。

次に、実施例に適用される信号処理回路の構成および動
作を、第４図および第５図により説明する。

第４図の回路において、光源の発光点ｇには発光ダイオ
ードＬＥＤが用いられ、これらはＬＥＤ駆動回路Ｕ１３
からの駆動信号りで点燈される。すなわち、タイミング
コントローラＵ１２からＬＥＤ駆動回路Ｕ１３に点燈指
令が送られ、これによりＬＥＤ駆動回路Ｕ１３は第５図
のタイミングチャートに示すＤのパルス波形でＬＥＤを
パルス点燈させる。この発光光束は投光レンズ２により
披Δ―ｊ定物３上に照射され、その反射光の一部は２つ
の受光レンズ４．５で受けられ、２つの位置検出用受光
索子６，７上に集光される。

第１図に示す位置検出用受光素子６．７から得られる光
電流の和［（−１Ａよ＋ＩＡ２）及び１　　　（−１８
、＋ＩＢ□）は、第４図に示す電流−電正変換用抵抗ｒ
　　、ｒ　　で電圧信号に変換され、コンデンサＣ，Ｃ
２によりＤ−Ｃ（直流）成分がカットされ、Ａ−Ｃ（交
流）成分のみが増幅回路Ｕ、Ｕ２に送られて増幅される
。次に、コン■ デンサＣ、Ｃにより、増幅回路Ｕ、Ｕ２のオフセツトや
温度ドリフトによるＤ−Ｃ的な電位のズレ量がカットさ
れ、増幅されたＡ−Ｃ成分のみが減算回路Ｕ　および加
算回路Ｕ４に送られ、それぞれｖ　−Ｖ　とＶ　十ＶＢ
の演算が実行さＡ［３Ａ れる。

２つの演算信号はサンプルアンドホールド回路Ｕ５〜Ｕ
８に送られ、タイミングコントローラＵ　より与えられ
るサンプリング信号Ｓ　、５２でサンプリングされ、信
号レベルがホールドされる。すなわち、サンプリング信
号Ｓ１により発光点がパルス点燈する直前の電位がサン
プリングされ、サンプルアンドホールド回路Ｕ　、Ｕ　
に記録される。これに対して、サンプリング信号Ｓ２に
より発光点がパルス点燈している状態の電位がサンプリ
ングされ、サンプルアンドホールド回路Ｕ６．Ｕｌ、：
記録される。減算回路Ｕ、Ｕ１ｏては、それぞれサンプ
ルアンドホールド回路Ｕ６の出力値から回路Ｕ５の出力
値が減算され、回路Ｕ　の出力値から回路Ｕ７の出力値
が減算される。

これにより、光源がパルス点燈した時の信号成分のみが
抜き取られることになる。

アナログ割算器Ｕ　では（Ｖ＾−ＶＢ）／（■い＋Ｖ、
）の信号演算が実行され、これによって、発光点ｇから
の光束が被８１１定物上に照射されている位置までの距
離に対応した電圧値ＯＵＴが出力されることになる。

〔発明の効果〕

以上、詳細に説明したように本発明の距離検出装置によ
れば、被測定物までの距離が簡単に検出できる。特に、
肢ａ？ｌ定物の表面反射率にばらつきがあるときでも、
このような被測定物の状態に影響されない距離検出が可
能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る距離検出装置の構成図、
第２図は実施例の特別の作用の説明図、第３図は距ｉ！
ｉｔ＠出の手法を示す図、第４図は実施例の距離検出装
置に適用される信号処理回路の回路図、第５図は信号処
理回路の各部の信号波形図、第６図は一般的な半導体装
置検出器を示す図、第７図は従来の一般的な距離検出装
置の構成図、第８図は従来技術の問題点を説明する図で
ある。 １・・・光源、２・・・投光レンズ、３・・・被測定物
、４．５・・・受光レンズ、６．７・・・半導体装置検
出素子、ｇ・・・発光点。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 少なくとも１個の発光点を有する光源と、前記発光点か
   らの光束を被測定物上に集光する投光レンズと、前記被
   測定物からの反射光を集光するように、前記投光レンズ
   の光軸を中心に対称に配置された少なくとも一対の受光
   レンズと、この少なくとも一対の受光レンズにより集光
   された前記被測定物からの反射光を受光するように、前
   記投光レンズの光軸を中心に対称に配置された少なくと
   も一対の位置検出用受光素子と、前記発光点からの光束
   に対応する前記被測定物からの反射光による前記少なく
   とも一対の位置検出用受光素子の出力信号にもとづき、
   前記被測定物の照射点までの距離を演算する演算手段と
   を備えることを特徴とする距離検出装置。