JPH0642964A

JPH0642964A - 変位センサ

Info

Publication number: JPH0642964A
Application number: JP28915092A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Matsuda; 啓史松田
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1992-05-26
Filing date: 1992-10-27
Publication date: 1994-02-18
Anticipated expiration: 2017-01-07
Also published as: JP3243300B2

Abstract

(57)【要約】【目的】演算手段に最適レベルの信号を入力することに
よって距離を正確に求めることができるようにした変位
センサを提供する。【構成】投光素子１１は物体３の表面に点状の光パター
ンを形成する。物体３の表面での反射光は受光光学系２
２を通してＰＳＤよりなる位置センサ２１に入射する。
位置センサ２１の出力信号は、増幅回路２４ａ，２４ｂ
により増幅された後、判断部２５に入力されて物体３ま
での距離が求められる。判断部２３は、入力信号のレベ
ルがほぼ所定範囲内に保たれるように、駆動部１４の出
力信号のレベルと増幅回路２４ａ，２４ｂの増幅度とを
調節する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、物体までの距離を三角
測量法を用いて光学的に計測する変位センサに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、物体までの距離を非接触で測
定できる変位センサとして、三角測量法に基づいて光学
的に距離を測定するものが、構成が比較的簡単であると
ころから実用化されている。一般にこの種の変位センサ
では、図７に示すように、投光手段１から光ビームを物
体３に照射することによって、点状の光パターンである
投光スポットを物体３の表面に形成する。投光手段１か
ら照射された光ビームの物体３の表面での反射光は受光
手段２によって検出される。受光手段２では、入射光を
受光光学系２２に通して収束させることによって、ＰＳ
Ｄなどの位置センサ２１の受光面に投光スポットの像と
しての受光スポットを形成し、受光スポットの位置を特
定することができる一対の位置信号Ｉ₁，Ｉ₂を出力す
る。すなわち、位置センサ２１は受光スポットの位置に
応じて比率が決まる電流信号である一対の位置信号
Ｉ₁，Ｉ₂を発生するから、両位置信号Ｉ₁，Ｉ₂の関
係に基づいて受光スポットの位置を検出すれば、物体３
までの距離を三角測量法に基づいて求めることができる
のである。

【０００３】さらに具体的に説明する。投光手段１は、
半導体レーザ等の発光素子１１を備え、発光素子１１か
ら出力された光は投光光学系１２に通されることによっ
て光ビームを形成する。また、発光素子１１は駆動部１
４を通して変調信号発生部１３からの所定周波数の変調
信号によって駆動され、変調信号発生部１３では発光素
子１１への通電電流を変調するための変調信号を発生す
る。

【０００４】一方、位置センサ２１から出力される一対
の位置信号Ｉ₁，Ｉ₂は、それぞれ電流−電圧変換回路
２３ａ，２３ｂを通して電圧信号に変換される。各電圧
信号は増幅手段である増幅回路２４ａ，２４ｂを通して
それぞれ増幅された後に、測距信号Ｖ₁，Ｖ₂として演
算手段である判断部２５に入力されて物体３までの距離
に対応した出力信号Ｚを発生する。

【０００５】ところで、位置センサ２１として用いるＰ
ＳＤは、ｐｉｎ構造を有して長手方向の両端に出力電極
を有する受光素子であり、ｎ層には電流源が接続され
る。受光スポットがｐ層の受光面に照射されると、絶縁
層を通して電流が流れることによって受光スポットの照
射位置に応じて高抵抗層であるｐ層が分割され、電流源
から供給される電流Ｉがｐ層の分割比に対応するように
分流されて、電流信号である位置信号Ｉ₁，Ｉ₂が各出
力電極から取り出される。すなわち、各出力電極から出
力される位置信号Ｉ₁，Ｉ₂は、出力電極の間の全抵抗
をＺｓとし、位置信号Ｉ₁を出力する出力電極と受光ス
ポットとの間の距離と、位置信号Ｉ₂を出力する出力電
極と受光スポットとの間の距離との比をＺ₁：Ｚ₂とす
れば、Ｉ₁＝（Ｚ₂／Ｚｓ）・Ｉ …(1) Ｉ₂＝（Ｚ₁／Ｚｓ）・Ｉ …(2) になる。一方、図８に示すように、受光スポットが位置
センサ２１の受光面の中央に位置しているときの投光光
学系１２の中心から物体３までの距離をＲｃとし、物体
３までの距離がΔｒだけ小さくなったとする。このと
き、受光スポットの位置は図８の下方にΔｘだけ移動す
る。位置センサ２１の受光面の有効長を２Ｌとすれば、Ｚ₁：Ｚ₂＝（Ｌ＋Δｘ）：（Ｌ−Δｘ） …(3) であるから、(1) 、(2) 式と(3) 式により、次式が得ら
れる。

【０００６】Ｉ₁／Ｉ₂＝（Ｌ−Δｘ）／（Ｌ＋Δｘ） ∴ Δｘ＝−｛（Ｉ₁−Ｉ₂）／（Ｉ₁＋Ｉ₂）｝・Ｌ …(4) になる。また、受光光学系２２の中心と位置センサ２１
との距離をｆ、投光光学系１２の光軸上で距離Ｒｃの位
置の点と位置センサ２１の中心とを結ぶ直線が投光光学
系１２の光軸となす角度をθとすれば、次の関係が得ら
れる。

【０００７】（Ｒｃ−Δｒ）／cos θ：ｆ／cos θ＝Δｒ・tan θ：Δｘ Δｘ＝ｆ・tan θ・Δｒ／（Ｒｃ−Δｒ）＝ａ・Δｒ／（ｂ−Δｒ） ∴ Δｒ＝ｂ・Δｘ／（ａ＋Δｘ） …(5) ただし、ａ＝ｆ・tan θ、ｂ＝Ｒｃである。すなわち、
Δｘを求めれば(5) 式によって物体３の変位した距離Δ
ｒを求めることができるのである。

【０００８】一方、位置信号Ｉ₁，Ｉ₂を増幅回路２４
ａ，２４ｂに通して得られる測距信号Ｖ₁，Ｖ₂は、位
置信号Ｉ₁，Ｉ₂の信号値に比例するから、電流−電圧
変換の変換比や、各増幅回路２４ａ，２４ｂの増幅度な
どを含めた各位置信号Ｉ₁，Ｉ₂に対する係数をそれぞ
れＡ′・Ａ，Ａと置けば、次式のようになる。Ｖ₁＝Ａ′・Ａ・Ｉ₁ …(6) Ｖ₂＝Ａ・Ｉ₂ …(7) また、(6) 、(7) 式により(4) 式から位置信号Ｉ₁，Ｉ
₂を消去すると、次式を得ることができる。 Δｘ＝−｛（Ｖ₁／Ａ′）−Ｖ₂）／（Ｖ₁／Ａ′）＋Ｖ₂）｝・Ｌ …(8) したがって、(8) 式を(5) 式に代入して変形すれば、次
式が得られる。

【０００９】 Δｒ＝｛Ｂ・Ｖ₁／（κ・Ｖ₁＋Ｖ₂）｝＋Ｃ …(9) ただし、κ＝｛（ａ−Ｌ）／（ａ＋Ｌ）｝（１／
Ａ′）、Ｂ＝｛２ａｂＬ／（ａ＋Ｌ）²｝（１／
Ａ′）、Ｃ＝−ｂＬ／（ａ＋Ｌ）である。判断部２５で
の演算に際しては、(9) 式に対して補正を施すようにな
っており、補正の際には、距離の実測値と出力信号Ｚと
のスケールを合わせるように（実測寸法が１だけ変化し
たときに出力信号Ｚの信号値も１だけ変化するように）
定数Ｄを(9) 式に乗じ、さらに、距離の実測値と出力信
号Ｚとが一致するように定数Ｅを(9) 式に加算する。す
なわち、(9) 式は次のように変形される。

【００１０】Ｚ＝Ｄ・Δｒ＋Ｅ＝Ｄ〔｛Ｂ・Ｖ₁／（κ・Ｖ₁＋Ｖ₂）｝＋Ｃ〕＋Ｅ＝ｇ・Ｖ₁／（κ・Ｖ₁＋Ｖ₂）＋offset …(10) ただし、ｇ＝Ｄ・Ｂ、offset＝Ｄ・Ｃ＋Ｅである。結
局、物体３までの距離を実測する際には、測距信号
Ｖ₁，Ｖ₂に対して、３個の補正パラメータκ、ｇ、of
fsetを決定すればよい。(10)式は、Ｖ₁／（κ・Ｖ₁＋
Ｖ₂）の１次式であり、１次式の傾きである補正パラメ
ータｇは物体３の距離の単位寸法と出力信号Ｚの信号値
の単位とを一致させるための係数、１次式の切片である
補正パラメータoffsetは物体３までの実測距離と出力信
号Ｚの信号値とを一致させるためのオフセット値にな
る。また、補正パラメータκは受光光学系２２の収差や
位置の誤差や増幅回路２４ａ，２４ｂの増幅度の誤差な
どの要因による誤差を補正する係数になる。

【００１１】上述した３個の補正パラメータκ、ｇ、of
fsetは、判断部２５での演算による距離の測定の前に、
距離の実測値と出力信号Ｚの信号値とを比較することに
よって決定される。ここに補正パラメータκ、ｇ、offs
etは３個であるから、物体３までの距離を３段階に設定
し、各距離の実測値と得られた測距信号Ｖ₁，Ｖ₂とに
基づいて得られる連立３元方程式を解けば補正パラメー
タκ、ｇ、offsetを決定することができる。

【００１２】ところで、距離を測定する対象となる物体
３には、金属のように表面に光沢を有したものや表面が
黒いものなどがあり、物体３の種類によって拡散反射率
が大きく異なるものであるから、位置センサ２１に入射
する受光光量が物体３の種類によって大幅に変化するこ
とになる。すなわち、電流−電圧変換回路２３ａ，２３
ｂ、増幅回路２４ａ，２４ｂ、判断部２５などには大き
なダイナミックレンジが要求されることになる。しかし
ながら、十分に満足できるだけのダイナミックレンジを
確保するように設計するとすれば、製造コストが非常に
高くなるものであるから、ダイナミックレンジを実用的
な水準に抑えているのが現状である。

【００１３】そこで、判断部２５の入力ダイナミックレ
ンジを抑制して最適なレベルの測距信号Ｖ₁，Ｖ₂を入
力することができるように、増幅回路２４ａ，２４ｂの
増幅度を複数段階に設定することができる増幅度調節手
段を設けることが考えられている。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のよう
に増幅回路２４ａ，２４ｂの増幅度を調節する場合に
は、設定可能な各増幅度について上述した補正パラメー
タκ、ｇ、offsetを決定することが必要になる。すなわ
ち、補正パラメータκ、ｇ、offsetを含む(10)式の導出
過程により明らかなように、補正パラメータκ、ｇは２
個の増幅回路２４ａ，２４ｂの増幅度の比Ａ′を含み、
補正パラメータoffsetの値は、補正パラメータκ、ｇの
影響を受けるから、すべての補正パラメータκ、ｇ、of
fsetは増幅回路２４ａ、２４ｂの増幅度の比Ａ′に応じ
て変化することがわかる。また、すべての補正パラメー
タκ、ｇ、offsetは光学的な特性にも関連するから（す
なわち、(5) 式で定義したａ，ｂを含むから) 、光学的
な特性の影響を受けることになる。すなわち、増幅回路
２４ａ，２４ｂの増幅度を調節すると、増幅度の比Ａ′
が変化する可能性があるから、増幅度調節手段によって
設定可能な増幅度の各段階ごとに補正パラメータκ、
ｇ、offsetを決定する必要がある。

【００１５】しかしながら、標準となる拡散反射率を有
した物体３を用い、距離を実測することによって各増幅
度に対する補正パラメータκ、ｇ、offsetを求めようと
すれば、設定された増幅度によっては補正パラメータ
κ、ｇ、offsetを正確に求めることができないという問
題が生じる。たとえば、補正パラメータκ、ｇ、offset
を求めるのに最適な増幅度よりも小さい増幅度に設定さ
れているときには、測距信号Ｖ₁，Ｖ₂と雑音とのレベ
ル差が小さくなって距離を正確に求めることができなく
なるという問題が生じる。逆に、最適な増幅度よりも大
きい増幅度に設定されているときには、増幅回路２４
ａ，２４ｂの出力が飽和して補正パラメータκ、ｇ、of
fsetを正確に求めることができないという問題が生じ
る。

【００１６】このような問題を解決するために、補正パ
ラメータκ、ｇ、offsetを求める際に用いる標準の物体
３を増幅回路２４ａ，２４ｂの増幅度に応じて変えた
り、透過率の異なる複数種類の減光フィルタ１５を用い
て位置センサ２１の受光光量を増幅度に応じて調節する
ことが考えられる。しかしながら、標準の物体３を交換
すると物体３までの距離にずれが生じて増幅度ごとに基
準となる距離にばらつきが生じることがあり、また、減
光フィルタ１５を交換した場合にも光の反射や屈折によ
り実質的に物体３までの距離が変化したことになって基
準となる距離にばらつきが生じることになる。したがっ
て、補正パラメータκ、ｇ、offsetを正確に求めること
ができず、同じ物体３であっても増幅度を変えるだけで
測定値が変化してしまうという不都合が生じることがあ
る。さらに、標準となる物体３や減光フィルタ１５を交
換すると、補正パラメータκ、ｇ、offsetの決定に手間
がかかるという問題もある。

【００１７】また、物体３までの距離を測定するとき
に、投光手段１の光ビームの出力レベルを拡散反射率の
大きい物体３に適合するように設定しているとすれば、
拡散反射率が非常に小さい物体３について距離を求める
際には位置センサ２１での受光光量が非常に少なくなる
から、増幅回路２４ａ，２４ｂの増幅度を調節しても増
幅回路２４ａ，２４ｂの内部雑音のレベルと信号レベル
との差を十分に大きくとることができず、結果的に補正
パラメータκ、ｇ、offsetを正確に求めることができな
いという問題が生じる。

【００１８】本発明は上記問題点の解決を目的とするも
のであり、演算手段に最適レベルの信号を入力すること
によって距離を正確に求めることができるようにした変
位センサを提供しようとするものである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明では、上
記目的を達成するために、点状の光パターンである投光
スポットを物体の表面に照射する投光手段と、投光手段
から物体に照射された光の反射光を受光し投光スポット
の像として形成された受光スポットの位置に応じて出力
レベルの比率が変化しかつ受光光量に応じて出力レベル
の総和が変化する一対の位置信号を出力する受光手段
と、各位置信号をそれぞれ増幅する増幅手段と、増幅手
段の出力に基づいて物体までの距離を演算する演算手段
とを備えた変位センサにおいて、増幅手段の増幅度を調
節する増幅度調節手段と、投光スポットの照射強度を調
節する強度調節手段とを設けているのである。

【００２０】請求項２の発明では、演算手段は、増幅手
段の出力の信号値に対して所定の補正パラメータを適用
した補正演算を施すことによって物体までの距離を求め
る補正手段と、物体までの距離の実測値と演算手段によ
る演算値とを用いて補正パラメータを決定するパラメー
タ設定手段とを備え、増幅度調節手段と強度調節手段と
は、それぞれ増幅度と照射強度とを複数段階に設定でき
るように構成され、補正パラメータ設定手段は、標準の
物体を用いて増幅度と照射強度との積が一定になる複数
の組み合わせで積を２段階に設定して各組み合わせに対
する増幅手段の出力の信号値を求め、求めた増幅手段の
出力の信号値に基づいて測定していない増幅度と照射強
度との組み合わせに対する増幅手段の出力の信号値を推
定し、推定結果に基づいて照射強度を一定とし増幅度を
調節して距離を測定する際の補正パラメータを求めるの
である。

【００２１】請求項３の発明では、演算手段は、増幅手
段の出力の信号値に対して所定の補正パラメータを適用
した補正演算を施すことによって物体までの距離を求め
る補正手段と、物体までの距離の実測値と演算手段によ
る演算値とを用いて補正パラメータを決定するパラメー
タ設定手段とを備え、増幅度調節手段と強度調節手段と
は、それぞれ増幅度と照射強度とを複数段階に設定でき
るように構成され、補正パラメータ設定手段は、標準の
物体を用いて増幅度と照射強度との積が一定になる複数
の組み合わせで積を２段階に設定して各組み合わせに対
する増幅手段の出力の信号値を求め、求めた増幅手段の
出力の信号値に基づいて測定していない増幅度と照射強
度との組み合わせに対する増幅手段の出力の信号値を推
定し、推定結果に基づいて増幅度を一定とし照射強度を
調節して距離を測定する際の補正パラメータを求めるの
である。

【００２２】

【作用】請求項１の構成では、増幅手段の増幅度を調節
する増幅度調節手段と、投光スポットの照射強度を調節
する強度調節手段とを設けているのであって、たとえ
ば、標準となる物体に比較して拡散反射率が大きく受光
手段での受光光量が多すぎるときには、増幅度調節手段
によって増幅度を小さくしたり、強度調節手段によって
投光スポットの照射強度を低減させることによって対応
することが可能になる。逆に、標準となる物体に比較し
て拡散反射率が小さく受光手段での受光光量が少なすぎ
るときには、増幅度調節手段によって増幅度を大きくし
たり、強度調節手段によって投光スポットの照射強度を
高めることによって対応することが可能になる。とく
に、受光光量が少ないと増幅手段の内部雑音により受光
手段からの出力信号を識別できなくなることがあるが、
強度調節手段によって投光スポットの照射強度を大きく
すれば、受光手段での受光光量を増加させることができ
るから、増幅手段の内部雑音と受光手段からの位置信号
とが識別できなくなることを回避することができ、距離
を正確に求めることができるのである。また、投光スポ
ットの照射強度と増幅度とを調節して物体の拡散反射率
の相違に対応するので、増幅度のみを調節して対応する
場合に比較すれば、増幅度の調節範囲を小さくすること
ができ、結果的に増幅手段のダイナミックレンジを低減
することができ、増幅手段の設計が容易になるのであ
る。

【００２３】また、補正係数を求める際に、標準になる
物体や減光フィルタを交換する必要がないから、実質的
な条件変化がなく補正係数を正確に求めることができ
る。とくに、投光スポットの照射強度と増幅度との積が
一定になる関係に保ちながら、各増幅度に対する補正係
数を決定するようにすれば、標準となる物体を一つだけ
用いて各増幅度について演算手段に入力される信号レベ
ルを一定に保つことができ、各増幅度ごとの補正係数を
より一層正確に求めることができるのである。ここに、
補正係数は受光光学系と増幅手段とにより生じる誤差に
対する補正を行うものであるから、投光スポットの照射
強度によっては変化することはない。しかも、物体や減
光フィルタの交換の手間がかからないのである。

【００２４】請求項２および請求項３の構成では、物体
までの距離の測定値を補正する補正パラメータを設定す
る際に、標準の物体では測定することができないような
照射強度と増幅度との組み合わせに対応する補正パラメ
ータを、測定可能な組み合わせでの増幅手段の出力の信
号値から推定した信号値に基づいて設定するのであっ
て、標準の物体を用いるだけで照射強度と増幅度とのあ
らゆる組み合わせに対する補正パラメータを設定するこ
とが可能になる。ここで、推定した信号値に基づく補正
パラメータとしては、照射強度を一定とし増幅度を調節
して距離を測定する際の補正パラメータと、増幅度を一
定とし照射強度を調節して距離を測定する際の補正パラ
メータとを設定することができる。

【００２５】

【実施例】

（実施例１）本実施例の基本的な構成は図７に示した構
成と同様であるが、図１に示すように、駆動部１４にお
いて発光素子１１への供給エネルギを調節可能としてい
る点が相違する。すなわち、駆動部１４は、図２に示す
ように、演算増幅器ＯＰ₁と、駆動部１４の増幅度を決
定する抵抗Ｒ₀，Ｒ₁，……，Ｒｎと、演算増幅器ＯＰ
₁の出力端と反転入力端との間に接続する抵抗Ｒ₁，…
…，Ｒｎを選択することによって駆動部１４の増幅度を
設定するように各抵抗Ｒ₁，……，Ｒｎにそれぞれ直列
接続されたスイッチ要素Ｓ₁，……，Ｓｎとにより構成
される。ここに、抵抗Ｒ₀の抵抗値をＲとするときに、
抵抗Ｒ₁はＲ、抵抗Ｒ₂，……，ＲｎはそれぞれＲ／α
・（ｎ−１）になるように設定される。ただし、αは自
然数の定数である。また、スイッチ要素Ｓ₁，……，Ｓ
ｎにはアナログスイッチなどが用いられる。したがっ
て、駆動部１４に入力される変調信号の振幅をＰとすれ
ば、スイッチ要素Ｓ₁がオンであるときにはＰの振幅を
有する信号が発光素子１１に入力され、スイッチ要素Ｓ
ｉ（ｉ＝２，……，ｎ）がオンであるときには、Ｐ／α
・（ｉ−１）の振幅を有する信号が発光素子１１に入力
されることになる。このように駆動部１４は強度調節手
段として機能する。

【００２６】一方、増幅回路２４ａ，２４ｂは、図３に
示すように、演算増幅器ＯＰ₂と、増幅回路２４ａ，２
４ｂの増幅度を決定する抵抗ｒ₀，ｒ₁，……，ｒｊ
と、演算増幅器ＯＰ₂の出力端と反転入力端との間に接
続する抵抗ｒ₁，……，ｒｊを選択することによって増
幅回路２４ａ，２４ｂの増幅度を設定するように各抵抗
ｒ₁，……，ｒｊにそれぞれ直列接続されたスイッチ要
素Ｔ₁，……，Ｔｊとにより構成される。ここに、抵抗
ｒ₁の抵抗値をｒとするときに、抵抗ｒ₂，……，ｒｎ
はそれぞれｒ・α・（ｊ−１）になるように設定され
る。ただし、αは自然数の定数である。また、抵抗ｒ₀
の抵抗値はｒ／Ａに設定される。ただし、Ａは定数であ
る。スイッチ要素Ｔ₁，……，Ｔｊにはアナログスイッ
チなどが用いられる。したがって、スイッチ要素Ｔ₁が
オンであるときには、増幅回路２４ａ，２４ｂの増幅度
はＡになり、スイッチ要素Ｔｉ（ｉ＝２，……，ｊ）が
オンであるときには、増幅回路２４ａ，２４ｂの増幅度
はＡ・α・（ｉ−１）になるのである。すなわち、増幅
回路２４ａ，２４ｂは増幅度調節手段として機能するの
である。ここにおいて、駆動部１４のスイッチ要素
Ｓ₁，……，Ｓｎと、増幅回路２４ａ，２４ｂのスイッ
チ要素Ｔ₁，……，Ｔｊとは判断部２５によりオン・オ
フが制御される。また、一般にはｎ＝ｊに設定される。

【００２７】まず、補正パラメータκ，ｇ，offsetを求
める場合について説明する。このとき、判断部２５は、
駆動部１４のスイッチ要素Ｓ₁，……，Ｓｎと、増幅回
路２４ａ，２４ｂのスイッチ要素Ｔ₁，……，Ｔｊとに
ついて添字が同じであるものを選択する。すなわち、ス
イッチ要素Ｓ₁がオンであれば、スイッチ要素Ｔ₁がオ
ンになる。このように選択すれば、駆動部１４の出力振
幅と増幅回路２４ａ，２４ｂの増幅度との積は、｛Ｐ／
α・（ｉ−１）｝×Ａ・α・（ｉ−１）＝Ｐ・Ａにな
り、増幅度にかかわらず一定になる。したがって、補正
パラメータκ，ｇ，offsetを求めるために基準の位置
（受光スポットが位置センサ１１の受光面の中央に形成
される位置）に標準の物体３を置いておけば、増幅度を
切り換えても増幅回路２４ａ，２４ｂの出力レベルが変
化しないことになり、実質的に一定条件で各増幅度に対
するデータを得ることができる。同様にして、物体３の
位置を変えて各増幅度に対するデータを求め、３箇所の
データを求めれば、各増幅度に対する補正パラメータ
κ，ｇ，offsetを決定することができるのである。

【００２８】補正パラメータκ，ｇ，offsetを決定した
後に、物体３の距離を測定する際には、もっとも多く測
定する物体３を標準の物体３とし、標準の物体３につい
て、変調信号発生部１３から出力される変調信号の振幅
Ｐと、増幅回路２４ａ，２４ｂの基本の増幅度Ａとを調
整しておく。実際に測定を行う物体３の拡散反射率が標
準の物体３よりも大きい場合には、判断部２５に入力さ
れる信号レベルが大きくなるから、判断部２５では入力
信号のレベルが所定レベルだけ大きいことを検出する
と、発光素子１１への入力信号の振幅を小さくするよう
に駆動部１４のスイッチ要素Ｓ₁，……，Ｓｎを順次切
り換える。このとき、増幅回路２４ａ，２４ｂの増幅度
は最小に設定されている。すなわち、拡散反射率が大き
い物体３に対しては駆動部１４の出力レベルを低減し、
投光スポットの照射強度を低減することによって対応す
るのである。一方、標準の物体３よりも拡散反射率の小
さい物体３に対しては、判断部２５への入力信号のレベ
ルに基づいて増幅回路２４ａ，２４ｂの増幅度が大きく
なるようにスイッチ要素Ｔ₁，……，Ｔｊを順次切り換
える。このとき、駆動部１４の出力レベルは最大に設定
される。

【００２９】以上のようにして、拡散反射率の大きい物
体３に対しては、増幅回路２４ａ，２４ｂの増幅度を最
小にしておいて投光スポットの照射強度を低減すること
によって増幅回路２４ａ，２４ｂの出力の飽和を防止
し、拡散反射率の小さい物体３に対しては、投光スポッ
トの照射強度を最大にしておいて増幅回路２４ａ，２４
ｂの増幅度を上昇させることによって雑音の影響を受け
ないようにしているのであって、判断部２５に対して常
に最適なレベルの信号を入力して距離を正確に測定する
ことが可能になるのである。

【００３０】（実施例２）実施例１では、駆動部１４の
出力振幅と増幅回路２４ａ，２４ｂの増幅度との積が、
Ｐ・Ａとなる条件で補正パラメータκ，ｇ，offsetを設
定する例を示したが、駆動部１４の出力振幅と増幅回路
２４ａ，２４ｂの増幅度との組み合わせは、積がＰ・Ａ
となる場合以外の組み合わせもある。すなわち、駆動部
１４の出力振幅と増幅回路２４ａ，２４ｂの増幅度との
組み合わせは表１のようになる。ただし、表１では振幅
Ｐ_jと増幅度Ａ_kとの積をＱ_mで表している。ただし、
ｊ，ｋは整数であり、ｊの値が１つ大きくなると振幅Ｐ
_jは１／α倍になり、ｋの値が１つ大きくなると増幅度
Ａ_kはα倍になるものとする。また、ｍ＝ｋ−ｊとして
いる。

【００３１】

【表１】

【００３２】ここで、物体３について増幅回路２４ａ，
２４ｂの出力が飽和しない範囲の積の最大値がＱ₀であ
るとすれば、積がＱ₁，Ｑ₂，Ｑ₃，Ｑ₄になる組み合
わせについては、物体３について補正パラメータκ，
ｇ，offsetを設定できないことになる。すなわち、補正
パラメータκ，ｇ，offsetの設定条件は、実際の測定条
件に合わせるのが望ましいのであるが、標準の物体３に
ついて、駆動部１４の出力振幅と増幅回路２４ａ，２４
ｂの増幅度との組み合わせには、設定するのが不都合な
組み合わせがあるから、そのような組み合わせでは、望
ましい補正パラメータκ，ｇ，offsetを設定することが
できない場合がある。

【００３３】本実施例では、組み合わせることができな
い組み合わせについて、組み合わせることができる範囲
の測定結果から推定する。本実施例では、図４に示すよ
うに、増幅回路２４ａ，２４ｂから出力された測距信号
Ｖ₁，Ｖ₂をＡ／Ｄ変換部２６ａ，２６ｂによってディ
ジタル信号に変換し、判断部２５において補正パラメー
タκ，ｇ，offsetを設定するパラメータ設定手段では、
ディジタル値の測距信号Ｖ₁，Ｖ₂を用いて以下のよう
な演算を行うことで、設定できない組み合わせでの測距
信号Ｖ₁，Ｖ₂の値を推定し、推定した測距信号Ｖ₁，
Ｖ₂を用いて補正パラメータκ，ｇ，offsetを求めるの
である。ここにおいて、測定時には図５に示すように、
増幅回路２４ａ，２４ｂの増幅度についてのみ制御し、
駆動部１４の出力振幅については制御しないものとす
る。すなわち、表１の横１行の範囲で制御されることに
なる。

【００３４】補正パラメータκ，ｇ，offsetの設定に際
しては、まず初めに、物体３について増幅回路２４ａ，
２４ｂの出力が飽和しない範囲の最大の積Ｑ₀が得られ
る振幅Ｐ_jと増幅度Ａ_kとの組み合わせと、積Ｑ₀より
も１段階小さい積Ｑ_-1が得られるように積Ｑ₀を求めた
振幅Ｐ_jと増幅度Ａ_kとの組み合わせに対して各増幅度
Ａ_kに対する振幅Ｐ_jのみを１段階下げた組み合わせと
に対して、それぞれ測距信号Ｖ_1jk，Ｖ_2jkを求める。
表１ではｊ＝ｋになる組み合わせと、ｊ≧２の範囲でｊ
−ｋ＝１になる組み合わせとについて、測距信号
Ｖ_1jk，Ｖ_2jkを求めるのである。積がＱ₀になる組み
合わせでの測距信号が（Ｖ₁₁₁，Ｖ₂₁₁），（Ｖ₁₂₂，
Ｖ₂₂₂），…，（Ｖ_1nn，Ｖ_2nn）であり、積がＱ_-1に
なる組み合わせでの測距信号が（Ｖ₁₂₁，Ｖ₂₂₁），
（Ｖ₁₃₂，Ｖ₂₃₂），…，（Ｖ_1(n+1)n，Ｖ_2(n+1)n）
であるとすると、積がＱ₀になる測距信号（Ｖ_1LL，Ｖ
_2LL）と積がＱ_-1になる測距信号（Ｖ_1(L+1)L，Ｖ
_2(L+1)L）とは、振幅をＰ_LとＰ_L+1とに変化させ増幅
度Ａ_Lを固定した測定結果により得られたものであっ
て、増幅度がＡ_L+1である場合にも振幅をＰ_LとＰ_L+1
とに変化させると同じ比率で測距信号が変化するとみな
すことができる。すなわち、積がＱ₁になる測距信号
（Ｖ_1L _(L+1)，Ｖ_2L(L+1)）について、次式が成立する
と推定される。

【００３５】Ｖ_1L(L+1)＝Ｖ_1(L+1)(L+1)・（Ｖ_1LL／Ｖ_1(L+1)L）Ｖ_2L(L+1)＝Ｖ_2(L+1)(L+1)・（Ｖ_2LL／Ｖ_2(L+1)L）同様にして、積がＱ₂になる測距信号（Ｖ_1L(L+2)，Ｖ
_2L(L+2)）では、次式が成立する。Ｖ_1L(L+2)＝Ｖ_1(L+2)(L+2)・（Ｖ_1L(L+1)／Ｖ_1(L+2)(L+1)）＝Ｖ_1(L+2)(L+2)・（Ｖ_1(L+1)(L+1)／Ｖ_1(L+2)(L+1)）・（Ｖ_1LL／Ｖ_1(L+1)L）Ｖ_2L(L+2)＝Ｖ_2(L+2)(L+2)・（Ｖ_2L(L+1)／Ｖ_2(L+2)(L+1)）＝Ｖ_2(L+2)(L+2)・（Ｖ_2(L+1)(L+1)／Ｖ_2(L+2)(L+1)）・（Ｖ_2LL／Ｖ_2(L+1)L）上述した考え方を適用すれば、振幅Ｐ_jと増幅度Ａ_kと
の積が任意の値になる測距信号（Ｖ_1jk，Ｖ_2jk）につ
いて、次の数１が成立すると推定される。

【００３６】

【数１】

【００３７】数１を用いれば、測定可能な範囲の測距信
号（Ｖ_1jk，Ｖ_2jk）を用いて測定できない範囲の測距
信号（Ｖ_1jk，Ｖ_2jk）の信号値を推定することがで
き、推定した信号値を用いれば補正パラメータκ，ｇ，
offsetを求めることができるのである。振幅Ｐ_jと増幅
度Ａ_kとの積がＱ₀よりも小さい範囲については、実際
に測定した測距信号（Ｖ_1jk，Ｖ_2jk）を用いて補正パ
ラメータκ，ｇ，offsetを求めるのはいうまでもない。
上述のような方法で、補正パラメータκ，ｇ，offsetを
求めるから、振幅Ｐ_jの設定段数と増幅度Ａ_kとの設定
段数とについては、必ずしも同じである必要はない。

【００３８】上述のようにして補正パラメータκ，ｇ，
offsetを決定した後には、図５のように駆動部１４の出
力振幅は固定して、増幅回路２４ａ，２４ｂの増幅度の
みを調節し、判定部２５における補正手段では、補正パ
ラメータκ，ｇ，offsetを用いて測定した距離を補正す
るのである。（実施例３）本実施例では、図６に示すように、測定時
において増幅回路２４ａ，２４ｂの増幅度Ａ_kについて
は制御せず、駆動部１４の振幅Ｐ_jのみを制御する場合
であって、補正パラメータκ，ｇ，offsetを求める測距
信号（Ｖ_1jk，Ｖ_2jk）を直接得ることができない範囲
の測距信号（Ｖ_1jk，Ｖ_2jk）を、実測した測距信号
（Ｖ_1jk，Ｖ_2jk）から推定する例について説明する。

【００３９】すなわち、補正パラメータκ，ｇ，offset
の設定に際しては、まず初めに、物体３について増幅回
路２４ａ，２４ｂの出力が飽和しない範囲の最大の積Ｑ
₀が得られる振幅Ｐ_jと増幅度Ａ_kとの組み合わせと、
積Ｑ₀よりも１段階小さい積Ｑ_-1が得られるように積Ｑ
₀を求めた振幅Ｐ_jと増幅度Ａ_kとの組み合わせに対し
て各振幅Ｐ_jに対する増幅度Ａ_kのみを１段階下げた組
み合わせとについて、それぞれ測距信号Ｖ_1jk，Ｖ_2jk
を求める。つまり、補正パラメータκ，ｇ，offsetの設
定時に、実施例２では１段階の増幅度Ａ_kについて振幅
Ｐ_jを変えた場合の測距信号Ｖ_1jk，Ｖ_2jkを求めてい
るが、本実施例では１段階の振幅Ｐ_jについて増幅度Ａ
_kを変えた場合の測距信号Ｖ_1jk，Ｖ_2jkを求めている
点が相違する。ここに、本実施例では振幅Ｐ_jはｊの値
が大きいほど大きくなり、逆に増幅度Ａ_kはｋの値が大
きいほど小さくなるように設定しているものとする。す
なわち、実施例２の関係とは逆になっている。

【００４０】ここにおいて、積がＱ₀になる組み合わせ
での測距信号が（Ｖ₁₁₁，Ｖ₂₁₁），（Ｖ₁₂₂，
Ｖ₂₂₂），…，（Ｖ_1nn，Ｖ_2nn）であり、積がＱ_-1に
なる組み合わせでの測距信号が（Ｖ₁₁₂，Ｖ₂₁₂），
（Ｖ₁₂₃，Ｖ₂₂₃），…，（Ｖ_1(n-1) _n，Ｖ_2(n-1)n）
であるとすると、積がＱ₀になる測距信号（Ｖ_1LL，Ｖ
_2LL）と積がＱ_-1になる測距信号（Ｖ_1L(L+1)，Ｖ
_2L(L+1)）とは、振幅をＰ_Lを固定し増幅度をＡ_LとＡ
_L+1とに変化させた測定結果により得られたものであっ
て、振幅がＰ_L+1である場合にも増幅度をＡ_LとＡ_L+1
とに変化させると同じ比率で測距信号が変化するとみな
せる。すなわち、積がＱ₁になる測距信号
（Ｖ_1(L+1) _L，Ｖ_2(L+1)L）について、次式が成立する
と推定される。

【００４１】Ｖ_1(L+1)L＝Ｖ_1(L+1)(L+1)・（Ｖ_1LL／Ｖ_1L(L+1)）Ｖ_2(L+1)L＝Ｖ_2(L+1)(L+1)・（Ｖ_2LL／Ｖ_2L(L+1)）したがって、実施例２と同様にして、振幅Ｐ_jと増幅度
Ａ_kとの積が任意の値になる測距信号（Ｖ_1jk，
Ｖ_2jk）について、次の数２が成立すると推定される。

【００４２】

【数２】

【００４３】数２を用いれば、測定できない範囲の測距
信号Ｖ_1jk，Ｖ_2jkの推定値を求めることができ、この
推定値に基づいて補正パラメータ κ，ｇ，offsetを設
定することができるのである。他の構成は実施例２と同
様である。

【００４４】

【発明の効果】本発明は上述のように、増幅手段の増幅
度を調節する増幅度調節手段と、投光スポットの照射強
度を調節する強度調節手段とを設けているのであって、
たとえば、標準となる物体に比較して拡散反射率が大き
く受光手段での受光光量が多すぎるときには、増幅度調
節手段によって増幅度を小さくしたり、強度調節手段に
よって投光スポットの照射強度を低減させることによっ
て対応することが可能になる。逆に、標準となる物体に
比較して拡散反射率が小さく受光手段での受光光量が少
なすぎるときには、増幅度調節手段によって増幅度を大
きくしたり、強度調節手段によって投光スポットの照射
強度を高めることによって対応することが可能になる。
その結果、演算手段への入力信号レベルを最適レベルに
保つことが可能になり、距離を正確に測定できるという
利点を有するのである。

【００４５】また、補正係数を求める際に、標準になる
物体や減光フィルタを交換する必要がないから、実質的
な条件変化がなく補正係数を正確に求めることができる
という利点を有する。しかも、物体や減光フィルタの交
換の手間がかからないのである。さらに、物体までの距
離の測定値を補正する補正パラメータを設定する際に、
標準の物体では測定することができないような照射強度
と増幅度との組み合わせに対応する補正パラメータを、
測定可能な組み合わせでの増幅手段の出力の信号値から
推定した信号値に基づいて設定するようにした場合に
は、標準の物体を用いるだけで照射強度と増幅度とのあ
らゆる組み合わせに対する補正パラメータを設定するこ
とが可能になるという利点がある。また、推定した信号
値に基づく補正パラメータとしては、照射強度を一定と
し増幅度を調節して距離を測定する際の補正パラメータ
と、増幅度を一定とし照射強度を調節して距離を測定す
る際の補正パラメータとをそれぞれ設定することができ
るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１を示すブロック回路図である。

【図２】実施例１に用いる駆動部の回路図である。

【図３】実施例１に用いる増幅回路の回路図である。

【図４】実施例２および実施例３での補正パラメータの
設定時の状態を示すブロック回路図である。

【図５】実施例２での物体までの距離の測定時の状態を
示すブロック回路図である。

【図６】実施例３での物体までの距離の測定時の状態を
示すブロック回路図である。

【図７】従来例を示すブロック回路図である。

【図８】本発明に係る変位センサの動作原理を示す説明
図である。

【符号の説明】

１投光手段２受光手段１１投光素子１２投光光学系１３変調信号発生部１４駆動部２１位置センサ２２受光光学系２３ａ電流−電圧変換回路２３ｂ電流−電圧変換回路２４ａ増幅回路２４ｂ増幅回路２５判断部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】点状の光パターンである投光スポットを
物体の表面に照射する投光手段と、投光手段から物体に
照射された光の反射光を受光し投光スポットの像として
形成された受光スポットの位置に応じて出力レベルの比
率が変化しかつ受光光量に応じて出力レベルの総和が変
化する一対の位置信号を出力する受光手段と、各位置信
号をそれぞれ増幅する増幅手段と、増幅手段の出力に基
づいて物体までの距離を演算する演算手段とを備えた変
位センサにおいて、増幅手段の増幅度を調節する増幅度
調節手段と、投光スポットの照射強度を調節する強度調
節手段とを設けて成ることを特徴とする変位センサ。
【請求項２】演算手段は、増幅手段の出力の信号値に
対して所定の補正パラメータを適用した補正演算を施す
ことによって物体までの距離を求める補正手段と、物体
までの距離の実測値と演算手段による演算値とを用いて
補正パラメータを決定するパラメータ設定手段とを備
え、増幅度調節手段と強度調節手段とは、それぞれ増幅
度と照射強度とを複数段階に設定できるように構成さ
れ、補正パラメータ設定手段は、標準の物体を用いて増
幅度と照射強度との積が一定になる複数の組み合わせで
積を２段階に設定して各組み合わせに対する増幅手段の
出力の信号値を求め、求めた増幅手段の出力の信号値に
基づいて測定していない増幅度と照射強度との組み合わ
せに対する増幅手段の出力の信号値を推定し、推定結果
に基づいて照射強度を一定とし増幅度を調節して距離を
測定する際の補正パラメータを求めることを特徴とする
請求項１記載の変位センサ。
【請求項３】演算手段は、増幅手段の出力の信号値に
対して所定の補正パラメータを適用した補正演算を施す
ことによって物体までの距離を求める補正手段と、物体
までの距離の実測値と演算手段による演算値とを用いて
補正パラメータを決定するパラメータ設定手段とを備
え、増幅度調節手段と強度調節手段とは、それぞれ増幅
度と照射強度とを複数段階に設定できるように構成さ
れ、補正パラメータ設定手段は、標準の物体を用いて増
幅度と照射強度との積が一定になる複数の組み合わせで
積を２段階に設定して各組み合わせに対する増幅手段の
出力の信号値を求め、求めた増幅手段の出力の信号値に
基づいて測定していない増幅度と照射強度との組み合わ
せに対する増幅手段の出力の信号値を推定し、推定結果
に基づいて増幅度を一定とし照射強度を調節して距離を
測定する際の補正パラメータを求めることを特徴とする
請求項１記載の変位センサ。