JPH0823485B2 - 変位測定器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、光を被測定対象に発射し、その反射光の
受光位置に基づいて、装置から被測定対象までの距離ま
たは距離の変化を測定する変位測定装置に関し、特に、
該距離等の算出時に、光学系に起因して生じる非直線性
を補正する回路が改良された変位測定器に関する。

［従来の技術］ 被測定物体に光を発射して、該物体によって反射され
る光をPSD（position sensitive device）などの受光素
子で受光して、受光した反射光の光点の位置により、発
射部（または受光部）から被測定物体までの距離を測る
方法は、三角測距法として知られている。

第１図は、三角測距法を用いた被測定物体の変位を測
定する原理を示す図である。第１図を参照して、発光素
子10の光をコリメータレンズ12を介して被測定対象の物
体14へ発射すると、光は物体14で反射され、受光レンズ
16によって集束されて、その光点は受光素子18の上に結
像される。

今、受光素子18がPSDで構成されている場合を例にと
ると、物体14がP1の位置にあるとき、反射光がちょうど
PSD18の左右方向中央部で結像したとすれば、そのとき
の発光素子10から位置P1における物体14までの距離は、
発光素子10とPSD18の中心点との距離および反射光軸
（結像光軸）とPSD18とのなす角度θおよび位置P1にお
ける物体14に対する発射光軸とその反射光軸との間の角
度δとによって算出することができる。

ところで、上述の場合における物体14の光点と受光レ
ンズ16との距離をAo、受光レンズ16とPSD18上の光点（P
SD18の左右方向中心点）との距離をBo、PSD18の左右方
向の長さを2L、受光レンズ16の焦点距離をｆとする。こ
のとき、物体14が位置P1から位置P2にまで発光素子10か
ら離れる方向へ距離ｘ変位すれば、PSD18上の光点は左
方へΔｘ変位する。そして、PSD18の左側および右側か
らの出力電流I1およびI2は、それぞれ、 I1＝（Ｌ＋Δｘ）/2L I2＝（Ｌ−Δｘ）/2L となる。ここに、 である。よって、 ｆ（ｘ） ＝（I1−I2）／（I1＋I2） ＝Δx/L ＝Kx/（１＋αｘ） このように、PSD18上の変位Δｘは、被測定対象物体1
4の変位ｘの一定の関係式で表わせるが、その式は、光
学系に起因して、非直線的な関係式となり、この関係式
を図示すると、第２図に実線で示すような曲線となる。

そこで、従来の変位測定装置においては、この光学系
に起因して生じる非直線性を補正し、上記関係式を直線
成分のみからなる式とするために、第３図に示すような
回路が用いられていた。すなわち、第３図を参照して、
POM20に非直線性を補正するための直線化データを予め
記憶させておき、PSD18から得られた関数ｆ（ｘ）をA/D
コンバータ22でディジタル化し、ROM20のデータによっ
て補正し、D/Aコンバータ24によってアナログ信号に戻
して出力するものである。

［発明が解決しようとする問題点］ ところが、第３図に示すような回路を付加すると、装
置のコストが非常に高くなる。また、それに加えて、上
述の回路を用いた場合は、ROM20に記憶させる直線化デ
ータは、光学系のばらつきによる誤差を低減するため
に、装置ごとに個別のデータを記憶させなければなら
ず、量産化に向かない等の欠点もあった。

それゆえに、この発明の目的は、上記従来装置におけ
る問題点を解消するとともに、従来の変位測定装置をそ
のまま利用でき、簡単な回路構成でかつ調整が容易な非
直線性補正回路を含む変位測定器を提供することであ
る。

［問題点を解決するための手段］ この発明に係る変位測定器は、測定用光を所定の方向
へ発射する測定光用発射手段と、測定光発射手段から発
射された測定用光が測定すべき被測定対象物で反射する
とき、その反射した反射光を受け得るように設けられた
受光手段とを含む。受光手段で受光された反射光の受光
位置を基に、測定器から被測定対象物までの距離または
距離の変化を測定する。変位測定器は受光手段が受光す
る反射光の受光位置の変化に基づいて受光位置の変化に
比例しない被測定対象物までの距離または距離の変化を
算出する第１算出手段と、第１算出手段の後段に設けら
れ、第１算出手段の出力に少なくとも所定の値を加算す
る第２算出手段と、第１算出手段および第２算出手段の
出力に基づいて受光位置の変化に比例した測定器から被
測定対象物までの距離または距離の変化が得られるよう
第１算出手段の出力を補正する第３演算手段とを含む。

［作用］ 受光手段が受光する反射光の受光位置の変化に基づい
てその変化量に比例しない測定器から被測定対象物まで
の距離を算出する第１算出手段の後段に第２演算手段と
第３演算手段とが加えられ、それによって受光位置の変
化と測定器から被測定対象物までの距離が比例するよう
補正される。

［実施例］ 以下には、図面を参照して、この発明の実施例につい
て詳細に説明をする。

第１の実施例 第４図は、この発明の第１の実施例の特徴部分の回路
構成を示す図である。第４図を参照して、受光素子とし
てのPSD18から出力される電流11および12は第１の演算
手段26に与えられ、当該第１の演算手段26によってPSD1
8上の反射光の受光位置（光点）の変化Δｘと、被測定
対象の物体14の変位ｘとの関係を表わす第１の関係式ｆ
（ｘ）＝Kx/（１＋αｘ）を算出し、出力する。第１の
演算手段26の出力は、直接除算回路28に与えられるとと
もに、減衰率βの減衰回路30で減衰されて差動増幅回路
32の−側入力端子に与えられる。差動増幅回路32の＋側
入力端子には基準電圧源34から基準電圧Ｇが印加されて
いる。したがって、差動増幅回路32の出力は Ｇ−βｆ（ｘ） となり、その出力は除算回路28へ与えられる。除算回路
28は、第１の演算手段26の出力を差動増幅回路32の出力
で除算し、次のような出力を導出する。

ｆ（ｘ）／｛Ｇ−βｆ（ｘ）｝ ＝Kx/｛Ｇ＋（Ｇα−Ｋβ）ｘ｝ ここで、除算回路28の出力において、 Ｇα−Ｋβ＝０ となるように、基準電圧Ｇおよび減衰率βを調整すれ
ば、除算回路28の出力は Kx/G となり、非直線成分が完全に除去された出力となる。こ
のように、第１の実施例によれば、除算回路28、減衰回
路30および差動増幅回路32という比較的簡単な回路によ
って、第１の演算手段26の出力の直線性の改善が可能で
ある。

なお、第１の実施例では、減衰率βの減衰回路30を用
いたのは、通常、係数αが小さな値をとるので、基準電
圧Ｇが大きくなり過ぎないようにするためである。しか
しながら、減衰回路30を用いず、Ｇα＝Ｋの条件を満足
するように基準電圧Ｇを設定してもよい。

なお、差動増幅回路32の増幅率は任意の割合であれば
よく、得られる直線化出力には全く影響はない。

なお、上記実施例では、受光素子としてPSD18を用い
た場合を説明したが、受光素子としては、たとえばCCD
等を用いてもよい。また、発光素子としては、具体的に
は、LEDやレーザ等を用いることができる。

第２実施例 第５図に、この発明の第２の実施例の特徴となる部分
の回路構成を示す。

第５図を参照して、第１の演算手段26は、第１の実施
例と同様に、受光素子としてのPSD18の出力電流I1およ
びI2に基づいて、出力ｆ（ｘ）＝Kx/（１＋αｘ）を出
力する。第１の演算手段26の出力は、直接第３の演算手
段の一例の乗算回路36へ与えられる。また、第１の演算
手段26の出力は、減衰率βの減衰回路38で減衰され、差
動増幅回路40の＋側入力端子に与えられる。差動増幅回
路40の−側入力端子には、基準電圧源42から基準電圧Ｇ
が印加される。したがって、差動増幅回路40の出力は βｆ（ｘ）＋Ｇ であり、この出力は乗算回路36へ与えられる。乗算回路
36では、２つの入力を乗算し、その出力は ｆ（ｘ）｛βｆ（ｘ）＋Ｇ｝ ＝Gf（ｘ）＋β｛ｆ（ｘ）｝^２ となる。ところでこの出力は、次のように近似的に詳解
できる。

ここで、αは通常α＜＜１のため、 （１＋αｘ）^２≒１＋２αｘ となる。よって となる。よって、α＝βK/Gとなるように基準電圧Ｇお
よび減衰率βを調整すれば、乗算回路36の出力は、被測
定対象の変位ｘに関し、次式のとおり、１次式となる。

ｆ（ｘ）｛βｆ（ｘ）＋Ｇ｝≒KGx よって、乗算回路36の出力に基づいて、簡単に被測定
対象の変位ｘを求めることができる。

このように、第２の実施例によれば、乗算回路36、減
衰回路38および差動増幅回路40を用いた比較的簡単な回
路構成により、変位測定装置の出力の直線性の改善が可
能である。

なお、第２の実施例においても、減衰回路38を適宜省
略することができる。

また、第２の実施例においても、受光素子18として、
PSDに代え、CCD等を用いてもよい。

［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば、従来の変位測定器
を構成する測定器から被測定対象物までの距離を演算す
る演算手段に比較的簡単な回路構成を加えるだけで変位
測定器における光学系に起因する非直線成分を補正する
ことができる。その結果、従来の変位測定器をそのまま
利用して簡単な回路構成でかつ調整が容易な非直線性補
正回路を含む変位測定器が提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、三角測距法により被測定対象物までの距離ま
たはその変位を求める場合の原理を示す図である。第２
図は、変位測定器における被測定対象物の変位ｘと検出
出力Δｘとの関係を表わす図である。第３図は、変位測
定器における従来の非直線性の補正回路の一例を示す図
である。第４図は、この発明の第１の実施例の特徴とな
る回路構成を示す図である。第５図は、この発明の第２
の実施例の特徴となる回路構成を示す図である。 図において、10は発光素子、14は被測定対象物体、18は
受光素子の一例のPSD、26は第１の演算手段、28は第３
の演算手段の一例の除算回路、30,38は減衰回路、32,40
は第２の演算回路の一例の差動増幅回路、36は乗算回路
を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加藤 由人 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 堀井 孝佳 京都府京都市右京区花園土堂町10番地 立 石電機株式会社内 (72)発明者 山梨 正之 京都府京都市右京区花園土堂町10番地 立 石電機株式会社内 (72)発明者 安田 博彦 京都府京都市右京区花園土堂町10番地 立 石電機株式会社内 (72)発明者 築山 則之 京都府京都市右京区花園土堂町10番地 立 石電機株式会社内 (56)参考文献 特開 昭61−84580（ＪＰ，Ａ)

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】測定用光を所定の方向へ発射する測定用光
   発射手段と、前記測定用光発射手段から発射された測定
   用光が、測定すべき被測定対象物で反射するとき、その
   反射した反射光を受け得るように設けられた受光手段と
   を含み、前記受光手段で受光された反射光の受光位置を
   もとに、前記被測定対象物までの距離を測定する変位測
   定器であって、 前記受光手段が受光する反射光の受光位置の変化に基づ
   いて、その変化に比例しない前記距離に対応する値を算
   出する第１の演算手段と、 前記第１の演算手段の後段に設けられ、前記第１演算手
   段の出力に少なくとも所定の値を加算する第２の演算手
   段と、 前記第１の演算手段の後段に設けられ、前記第１の演算
   手段の出力と前記第２の演算手段の出力とに基づいて前
   記受光位置の変化と前記被測定対象物までの距離を示す
   信号が比例するよう前記距離に対応する値を補正する第
   ３演算手段とを含む、変位測定器。
2. 【請求項２】前記第２の演算手段は、前記第１の演算手
   段の出力を所定の大きさに減衰するための減衰手段を含
   む、特許請求の範囲第１項に記載の変位測定器。
3. 【請求項３】前記第３の演算手段は、前記第１の演算手
   段の出力を前記第２の演算手段の出力で除算する除算手
   段を含む、特許請求の範囲第２項に記載の変位測定器。
4. 【請求項４】前記第３の演算手段は、前記第１の演算手
   段の出力と前記第２の演算手段の出力とを乗算する乗算
   手段とを含む、特許請求の範囲第２項に記載の変位測定
   器。
5. 【請求項５】前記第１、第２および第３の演算手段はそ
   れぞれ第１、第２および第３の関係式に基づいて演算を
   行ない、 前記第１の関係式は、 Δｘ＝ｆ（ｘ）＝Kx/（１＋αｘ） ただし、K,αは、所定の定数であり、 前記第２の関係式は、 ｆ′（ｘ）＝Ｇ−βｆ（ｘ） ただし、Ｇは加算する定数、βは減衰率であり、 前記第３の関係式は、 ｆ（ｘ）/f′（ｘ）＝Kx/｛Ｇ＋（Ｇα−Ｋβ）ｘ｝ であり、 前記K,α,Gおよびβは、 Ｇα＝Ｋβになるように、Ｇおよびβの値が選ばれてい
   る、特許請求の範囲第３項に記載の変位測定器。
6. 【請求項６】前記第１、第２および第３の演算手段はそ
   れぞれ、第１、第２および第３の関係式に基づいて演算
   を行ない、 前記第１の関係式は、 Δｘ＝ｆ（ｘ）＝Kx/（１＋αｘ） ただし、K,αは所定の定数，α＜＜１であり、 前記第２の関係式は、 ｆ′（ｘ）＝βｆ（ｘ）＋Ｇ ただし、Ｇは加算する定数，βは減衰率であり、 前記第３の関係式は、 ｆ（ｘ）ｆ′（ｘ）＝Gf（ｘ）＋β（ｆ（ｘ）｝^２ ≒｛１＋（α＋βK/G）ｘ｝・KGx/（１＋２αｘ） であり、この第３の関係式がｆ（ｘ）ｆ′（ｘ）＝KGx
   となるように、βおよびＧはβK/G＝αを満足する値に
   選ばれている、特許請求の範囲第４項に記載の変位測定
   器。