JPH03264886A - 光学式変位センサー - 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、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、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
の距離を測定するようにした光学式変位センサーに関す
るものである。

し従来の技術ｊ 第６図はこの種の光学式変位センサーの従来例を示すブ
ロック図である。発光部１からの出力光を周波数１０に
て輝度変調して、投光光学系により反射物体８へ投光す
る。そして、反射物体８からの反射光を受光光学系によ
り受光部２ａ上に入射させる。このとき、発光部１から
発光される参照光波形と受光部２ａにて受光される測距
光波形との間には、第７図に示すように、反射物体８ま
での距離ｌに応じて、位相のずれθｄを生ずる。この関
係を式で表せば、 １＝ｃθｄ／　’４　ｙｒ　ｆｏ　　　Ｃｍ’：ｌ　　
　−■ただし、１：反射物体までの距離〔ｍ〕Ｃ：光速
〔Ｉｌｌ／ｓｅｃ〕 となり、位相差θｄＣｓｅｃ）が測定されれば、反射物
体８までの距＠１を求めることができる。第６図の槽底
においては、発光部１や受光部２ａ、及び回路系の経時
変化や温度・湿度変化に対する位相変動を補正するため
に、発光部１の光の一部をハーフミラ−３２，３３を介
して受光部２ｂに参照光として取り込み、測距光に対す
る受光回路系と同一の回路系をもって信号処理を行う。

つまり、参照光と測距光の相対的な位相比較を行うこと
で、発光部１や受光部２ａ、回路系の絶対的位相変動を
打ち消すようにＩＩＩｔｊ、シている。

一方、変調周波数ｆ０は測距分解能に大きく左右される
。今、位相分解能Δθｄ＝２π／１０００において、測
距分解能Δ１＝　１０　〔１１１１）を連敗するために
は、式■より、 ｆａ＝ｃΔθｄ／４πΔｌ　　　　・・・■ｆｏ”　１
５　　　（ＭＨｚ） てなければならないことが分かる。このような高い周波
数の位相比較を精度良く行うために、第６図の構成では
、受光回路２１ａ、２１ｂにより得られた受光信号を混
合器２２ａ、２２ｂに導いて、発振器２３て発生させた
局部発振周波数と混合し、周波数変換により低い周波数
に変換してから位相比較を行っている。そして、位相比
較部４による位相比較の結果を積分器７により所定の時
定数で積分し、距離ｌに応じた電圧を出力している。ま
た、積分器７の出力を比較器９て所定の基準電圧Ｖｒと
比較して、反射物体８の有無を判定するための判別出力
を得ている。

このように、従来の光学式変位センサーにおいては、発
光部や受光部、回路系の絶対的位相変動を打ち消すため
に、参照光系の受光回路系を設けている。参照光系の受
光回路系は、測距光系の受光回路系と同一の回路素子て
構成された同一の回路としており、理想的には全く同一
の絶対位相変動を生しることが期待されるものである。

しかしながら、現実には個々の回路素子のばらつきや回
路の配線、配置等に起因する種々のばらつきが有り、そ
れに伴う相対的位相誤差が発生するという問題があった
。

そこで、第８図に示すように、ミラー３１のような光路
切換器３により発光部１からの光を反射物体にて反射さ
せて受光部２に入射させる第１の光路と、発光部１から
の光を受光部２に直接入射させる第２の光路とを時系列
的に切り換えることにより、測距光の受光回路系と参照
光の受光回路系のばらつきを解消することが提案されて
いる（特願平０１−４０５６号出ｍ参照）。これにより
、個々の回路素子や回路ブロックの絶対的な位相変動特
性にばらつきがあったとしても、安定な測距が可能とな
る。

［発明が解決しようとする課題〕 上述の従来技術にあっては、次のような問題が有る。

■測距のための変調周波数ｆ。は、数百ｋＨｚ〜数十Ｍ
　Ｈｚという高周波であるため、空間的なシールドを施
しても、その電源やアースラインから信号が漏れて、受
光回路系へ誘導ノイズが現れてしまう。これは、かなり
厳重なシールド及び電源ラインのバイパスを行っても完
全に取り除くことは困難である。この誘導ノイズは、受
光信号のレベルか小さくなると、変位測定に影響を与え
ることになる。例えば、被検知物体の反射率か低くなっ
たり、被検知物体との距離か大きくなることで、受光信
号のレベルが誘導ノイズと同程度にまで低下すると、本
来、受光信号の持っている位相情報か失われて、誘導ノ
イズの持つ位相情報が検出されてしまう。その結果、大
きな測距誤差が生しることになる。このような測距誤差
は、シールドや電源のバイパスが不完全で誘導ノイズの
レベルが大きくなればなるほど、顕著に現れることにな
る。

■第６図に示す槽底のように、距離信号を比較器９によ
って所定の基準電圧Ｖｒと比較して、ある距離内におけ
る反射物体の有無を判定する場合、受光信号のレベルが
受光回路系のノイズレベルと同程度にまで低下すると、
その位相情報は多くのノイズを含むようになり、比較器
９が誤動作して、その出力がＯＮ１０　Ｆ　Ｆを繰り返
すことになる。

この問題は比較器９に多少のヒステリシスを持たせても
、位相ノイズは最悪の場合には±３６０度にも達するの
で、簡単に解決することはてきない。

本発明はこ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、光学式変位センサーにおいて、
受光信号のレベルが低下した場合の誤動作を回避するこ
とにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係る光学式変位センサーにあっては、上記の課
題を解決するために、第１図に示すように、発光部１か
らの光を反射物体にて反射させて受光部２に入射させる
第１の光路と、発光部１がらの光を受光部２に直接入射
させる第２の光路と、発光部１からの光を受光部２に入
射させない第３の光路とを切り換える光路切換用のミラ
ー３１と、発光部１の発光位相と受光部２の受光位相と
の位相差を求める位相比較部４と、第１の光路選択時と
第２の光路選択時における位相比較部４の出力差に応し
て距離信号を発生する距離演算部５と、第３の光路選択
時における受光出力を打ち消すための位相シフト出力を
発生する自動位相シフト回路２３と、自動位相シフト回
路２３の出力を受光部２の出力に加算する加算回路２４
とを有して戒ることを特徴とするものである。

なお、第３図に示すように、発光部１の発光位相に対し
て所定の位相差を有する第２の位相シフト出力を発生す
る第２の位相シフト回路２５と、第２の位相シフト回路
２５の出力を前記自動位相シフト回路２３の出力に加算
する第２の加算回路２６とを設ければ、より好ましい。

［作用］ 本発明にあっては、このように、発光部１からの光を受
光部２に入射させない第３の光路を選択可能とし、この
第３の光路選択時における受光出力を打ち消すための位
相シフト出力を他の光路選択時における受光部２の出力
に加算するようにしたので、誘導ノイズによる誤動作を
防止することができるものである。

また、第３図に示すように、発光部１の発光位相に対し
て所定の位相差を有する第２の位相シフト出力を自動位
相シフト回路２３の出力に加算することにより、受光信
号のレベルが低い場合に、距離信号は第２の位相シフト
出力に応じた所定値に漸近することになり、測定結果か
不安定になることを防止できる。

［実施例］ 第１図は本発明の一実施例のブロック図である。

発光部１は発光ダイオードや半導体レーザーのような発
光素子よりなり、発光回路１１により供給される駆動信
号に応じて光信号を発生する。発振器１２は、発光部１
から出力される光信号の変調周波数ｆ。を発振し、発光
回路１１に供給すると共に、混合器２２には局部発振周
波数（ｆ、−ｆｃ）を供給する。局部発振周波数（ｆ、
−ｆｃ）は変調周波数ｒ。

とは僅かに周波数の異なる信号であり、ｆｃ＜ｆ、であ
る。受光部２はシリコンフォトダイオードのような受光
素子よりなり、受光された光信号の強度に応じた光電流
を発生する。受光回路２１は電流電圧変換回路を含み、
受光部２にて得られた光電流を電圧信号に変換する。受
光回路２１の出力は、加算回路２４を経て混合器２２に
て局部発振周波数（ｆｏ−ｆｃ）と周波数混合され、低
周波のビート信号に変換されて、位相比較部４に入力さ
れる。

位相比較部４は発振器１２から出力される周波数ｆｃの
信号と、混合器２２から得られた低周波のビート信号と
の位相差を比較する。自動位相シフト回路２３では、発
振器１２と混合器２２の出力に基づいて誘導ノイズ消去
用の位相シフト出力を発生し、加算回路２４に供給する
。

本発明にあっては、発光部１の前方に光路切換器３とし
て、光路切換ミラー３１を配している。

この光路切換ミラー３１はタイミング回路６の制御下に
て回動制御される。光路切換ミラー３１が発光部１から
の光と略平行な矢印ａに示す方向に設定されると、発光
部■からの光は反射物体へ投光される０反射物体からの
反射光は、ハーフミラ−３２を通過して受光部２に入射
する。また、光路切換ミラー３１が発光部１がらの光に
対して約４５度の角度をなす矢印しに示す方向に設定さ
れると、発光部１からの光は光路切換ミラー３１にて反
射され、ハーフミラ−３２にて再度反射されて、受光部
２に入射する。このように、本実施例の光学式変位セン
サーでは、発光部ｌからの光をそのまま反射物体へ投光
して、その反射光を受光部２に受光させる第１の光路と
、発光部１からの光を外部へは出さずに全てを参照光と
して反射して受光部２へ直接受光させる第２の光路を選
択することができる。これによって、時系列的に測距光
と参照光を同一の受光部２に受光させることができるわ
けである。タイミング回Ｂ６の出力ｆＫは、距離演算部
５にも入力されており、距離演算部５は位相比較部４の
出力が測距光によるものか、参照光によるものかを区別
することができ、測距光受光時と参照光受光時の位相比
較部４の出力の差分に応じて距離信号を出力する。この
ように構成することによって、従来、２系統必要であっ
た受光部と受光回路を１系統化することができ、絶対位
相変動特性のばらつきによる測距誤差を回避することか
できる。

次に、時系列的に入射される測距光と参照光の信号処理
について説明する。光路切換ミラー３１をコントロール
するタイミング回路６の出力ｆＫは、ある一定の周期で
“Ｈｉｇｈ”レベルとなり、このときに、第２の光路を
選択するように光路切換ミラー３１を切り換えて、受光
部２に参照光を取り込むように動作する。一方、位相比
較部４は温き器２２から得られる受光信号と発振器１２
からの低周波信号ｆＣの位相差を絶えず比較出力してい
る。

光路切換ミラー３１が第１の光路を選択しているとき、
つまり測距光が入射しているときの電圧をＶｃ、第２の
光路を選択しているとき、つまり参照光が入射している
ときの電圧をＶｒとすると、これらの出力は距離演算部
５に時系列的に入力される。距離演算部５は、タイミン
グ回路６からの信号ｆ、に同期して位相比較部４の出力
をサンプリングすることにより、電圧Ｖｅと電圧Ｖｒを
取り込み、その差分として距離信号Ｖ　１　＝　Ｖ　ｃ
　−Ｖ　ｒを出力する。この距離信号Ｖｌは、個々の回
路素子や回路ブロックの絶対的位相変動を絶えず測定し
、記憶しながら測距値補正を行っていることになるので
、位相変動が生じている場合においても、距離信号Ｖｌ
は安定した出力となる。なお、参照光受光時の位相比較
部４の出力電圧Ｖｒは、タイミング回路６からの出力ｆ
Ｋの周期毎に順次更新されているので、位相変動に対し
てタイミング回路６の出力ｆＫの周期は十分に小さく設
定する必要があることは言うまでもない。

第２図は、光路切換用のミラー３１が矢印Ｃに示す方向
である場合の各部の信号波形を示している。このとき、
発光部１からの光は測距光としても参照光としても受光
部２には入射されない。図において、受光出力は誘導ノ
イズ波形の位相とレベルを示しているが、この位相と逆
相で同一レベルとなる信号を、発振器１２からの変調周
波数ｆ。

に同期して自動位相シフト回路２３により作成する。こ
の自動位相シフト回路２３の出力と、誘導ノイズとを加
算回路２４によって加算することにより、誘導ノイズは
打ち消される。この自動位相シフト回路２３における一
連の動作はタイミング回路６によって制御され、光路切
換用のミラー３１か矢印Ｃに示す方向である場合におい
て、その位相シフト量とレベルとが記憶される。そして
、通常は、光路切換用のミラー３１が矢印ａに示す方向
であるときに測距を行い、周囲環境の変化や回路の経時
変化等によって誘導ノイズが変動する頃を見極めて、光
路切換用のミラー３１を矢印Ｃに示す方向に切り替えて
、その位相シフト量とレベルの更新を行う。このように
、基準値チｆ。を用いて誘導ノイズを打ち消せば、被検
知物体か無い場合（受光信号が極小の場合）における位
相情報は常にランダムとなり、ある特定の位相（つまり
誘導ノイズの位相）に漸近する問題は解決される。

また、製造時における位相シフト回路の調整も不要とな
る。

第３図は本発明の他の実施例のブロック図である。本実
施例にあっては、第２の位相シフト回路２５と第２の加
算回路２６が追加されている。第２の位相シフト回路２
５は、受光信号のレベルが低下した場合に、との程度の
レベルからどの位相に引き込まれるかを決定するための
第２の位相シフト出力を発生する。そして、第２の加算
回路２６は、自動位相シフト回路２３の出力のと、第２
の位相シフト回路２５の出力■とを加算する。この加算
回路２６の出力は、加算回路２４により受光回路２１の
出力と加算されて、加算出力■となる。

本実施例において、光路切換用のミラー３１が矢印Ｃに
示す方向である場合の各部の信号波形を第４図に示す。

このとき、発光部１からの光は測距光としても参照光と
しても受光部２には入射されない。図において、受光出
力は誘導ノイズ波形の位相とレベルを示しているが、こ
の位相と逆相で同一レベルとなる信号を、発振器１２か
らの変調周波数ｆ。に同期して自動位相シフト回路２３
により作成する。この自動位相シフト回路２３の出力■
と、誘導ノイズとを加算回路２４．２６によって加算す
ることにより、上述の実施例と同様に、誘導ノイズは打
ち消される。この状態で第２の位相シフト回路２５の出
力■を加算回路２４．２６により受光回路系に注入する
と、加算回路２４の出力■は、第２の位相シフト回路２
５の出力■と同一となり、受光信号のレベルが低下した
場合に、この出力■の位相に漸近することになる。つま
り、第２の位相シフト回路２５を用いて、受光信号のレ
ベルが低下したときに漸近する受光レベルと位相を任意
に設定することができる。これにより、距離信号をレベ
ル判定するような回路構成を採用した場合でも、受光信
号のレベル低下時に位相ノイズ増加による誤動作を防止
することができる。

第５図は同一距離からの位相信号の受光信号量が減少し
た場合の距離信号と判定レベルの関係を示している。第
５図（ａ）は従来例の動作を示しており、図中、Ａは判
定レベル、Ｂは受光信号が支配的な範囲、Ｃは受光回路
系の位相ノイズが支配的な範囲である。この場合、受光
回路系の位相ノイズが支配的な範囲Ｃでは、距離信号が
判定レベルＡを越えて、誤動作を起こす。第５図（ｂ）
は本実施例の動作を示しており、図中　Ａは判定レベル
、Ｂは受光信号が支配的な範囲、Ｄは位相シフト回路２
５の出力■が支配的な範囲である。この場合、位相シフ
ト回路２５の出力■が支配的な範囲りては、距離信号を
判定レベルＡよりも小さい状態て安定させることかでき
る。範囲Ｂと範囲りが切替わるときの受光信号量は、位
相シフト回路２５の出力■の振幅で決定される。また、
範囲りでの距離信号が漸近して行く値は、位相シフト回
路２５の出力■の位相で決定される。

［発明の効果］ 本発明にあっては、上述のように、光路切換用のミラー
により参照光と測距光を時系列的に同一の受光部に導く
ようにしたので、測距光の受光回路系と参照先の受光回
路系のばらつきを解消することかでき、安定な測距が可
能となり、測距精度も改善されるという効果がある。ま
た、受光部や受光回路が１系統化されるのて、大幅な部
品点数の削減と、低コスト化が可能になるという効果が
ある。さらに、発光部からの光を受光部に入射させない
場合における受光出力を打ち消すための位相シフト出力
を発生させ、これを他の光路選択時における受光部の出
力に加算することにより、誘導ノイズによる測定誤差を
防止することができるという効果かある。

また、請求項２記載の発明のように、発光部の発光位相
に対して所定の位相差を有する第２の位相シフト出力を
自動位相シフト回路の出力に加算するように構成すれば
、受光光量が少ない場合でも異常な測定結果が得られる
ことを防止することができる。

【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図、第２図は同上
の動作波形図、第３図は本発明の他の実施例のブロック
図、第４図は同上の動作波形図、第５図は同上の動作説
明図、第６図は従来例のブロック図、第７図は同上の動
作波形図、第８図は他の従来例のブロック図である。 １は発光部、２は受光部、３は光路切換器、４は位相比
較部、５は距離演算部、２３は自動位相シフト回路、２
４は加算回路、２５は位相シフト回路、 ２６は加算回路、 １は光路切換用のミラー である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）発光部からの光を反射物体にて反射させて受光部
   に入射させる第１の光路と、発光部からの光を受光部に
   直接入射させる第２の光路と、発光部からの光を受光部
   に入射させない第３の光路とを切り換える光路切換用の
   ミラーと、発光部の発光位相と受光部の受光位相との位
   相差を求める位相比較部と、第１の光路選択時と第２の
   光路選択時における位相比較部の出力差に応じて距離信
   号を発生する距離演算部と、第３の光路選択時における
   受光出力を打ち消すための位相シフト出力を発生する自
   動位相シフト回路と、自動位相シフト回路の出力を受光
   部の出力に加算する加算回路とを有することを特徴とす
   る光学式変位センサー。
2. （２）発光部の発光位相に対して所定の位相差を有する
   第２の位相シフト出力を発生する第２の位相シフト回路
   と、第２の位相シフト回路の出力を前記自動位相シフト
   回路の出力に加算する第２の加算回路とを有することを
   特徴とする請求項１記載の光学式変位センサー。