JPS6234009A - 光学式変位計 - 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〕 この発明は光ビームを測定対象物に投射し、その反射光
により測定対象物との距離あるいはその変位量を測定す
る光学式変位計に関する。

〔従来の技術〕

従来における光学式変位計としては次のようなものが用
いられている。第８図に示すように、投光素子１および
投光レンズ２によって測定対象物３に光点を形成し、こ
の光点を受光レンズ４を用いて受光素子５上に受光点と
して結像させる。この受光点は、測定対象物３が同図に
おいて位置を変えｓ−４ｔ−＋　ｕと移動すると、それ
に応じて受光素子５上をｓ’　−＜ｔ’　−ｈｕ’　と
移動する。すなわち、測定対象物３との距離は受光量の
変化によるのではなく、受光素子５上の受光点の位置を
知ることにより明らかになる。

この受光素子５には、−次元の位置検出素子であるＰ　
Ｓ　Ｄ　（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ　５ｅｎｓｉｔｉｖｅ　Ｄ
ｅｖｉｃｅ）が一般によく使用される。そして、２種類
の出力電流１１．１２がこの受光素子５から出力され、
これらは各々減算器１４および加算器１５に入力され、
（ｖ。

−１／、）、　　（ｖ、＋ｖ２）出力に変換される。こ
の後に割算器１６により　（■ｌ　　　Ｖ２　）　／　
（’／Ｉ　　＋Ｖ２）出力に変換されることによって、
受光量に関係なく測定対象物３との距離に応じた電圧値
を得ることができる。

この割算器１６の出力電圧と測定対象物３との距離の関
係は、第９図に示すような比例関係となる。

測定対象物３との距離ｓ、ｔ、ｕは、割算器１６の出力
Ｓ”、ｔ″、Ｕ”に対応して求められる。したがって、
この割算器１６の後に比較器１７（第８図参照）を設け
ることによって、ある設定距離Ｘより測定対象物３が近
いか、あるいは遠いかの判別が可能である。すなわち、
同図において、しきい値設定回路１８（第８図参照）に
よりしきい値ｙを設定すれば、設定距離Ｘを基準にして
測定対象物３の遠近を判別できる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところが、割算器１６を使用した場合の従来の光学式変
位計において、次に述べるような問題点があった。割算
器１６は、温度特性が悪い、グイナミソクレンジが狭い
、応答速度が遅い、並びに直線性が悪い等のさまざまな
欠点がある。したがって、割算器１６の使用は距離測定
精度に多大な影響を与え、割算器１６で得られる精度以
上の測定精度を光学式変位計全体として得ることができ
ないという問題点があった。

この発明は前記問題点に鑑みてなされたものであり、割
算器を使用せずに測定対象物との距離あるいは測定対象
物の変位量を測定できる光学式変位計を提供することを
目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点を解決するための具体的手段は、測定対象物
に光ビームを投射し、この反射光を結像手段により受光
素子上に結像し、この受光素子の出力によって測定対象
物との距離あるいは変位量を測定する光学式変位計にお
いて、タイミング信号を出力するタイミング信号発生回
路と、前記受光素子の一方の出力を増幅する第１の増幅
回路と、この第１の増幅回路の出力を積分し前記タイミ
ング信号発生回路のタイミング信号によって放電する積
分回路と、前記受光素子の他方の出力を増幅する第２の
増幅回路と、前記積分回路と前記第２の増幅回路の両出
力を入力する比較回路とを具備し、かつ、この比較回路
の出力に基づいて前記測定を行うようにしたことである
。

〔作　　用〕

この発明は前述のような手段を採ったので、受光素子に
生じた２つの電流のうち、一方の電流が第１の増幅回路
により電圧に変換されるとともに増幅された後、積分回
路によって積分される。この場合に、タイミング信号発
生回路から放電信号であるタイミング信号が積分回路に
入力され、この信号に基づいて積分コンデンサは充放電
を繰り返す。また、他方の電流は第２の増幅回路にょっ
て電圧に変換された後増幅される。この増幅された電圧
値と前記積分値を比較し、ＩＩＩＧ）Ｉ　（以下“Ｈ′
と記す）またはＬＯＷ　（以下“Ｌ”と記す）の出力信
号を比較回路が出力する。

この比較回路からの“Ｈ”の出力信号のパルス幅Ｔは、
積分回路の時定数をＣＲ１受光素子がら生じる２つの電
流をｉｌ＋　　ｉｔ、第１の増幅回路の利得をＡ、第２
の増幅回路の利得をＫＡ　（Ｋ＞１）とすると、 Ｔ＝ＣＲ（ＫＡ　ｉｚ　／Ａ　ｉ　　１）＝ＣＲＫ　（
ｉｚ　／ｉｔ　　　１／Ｋ）となり、積分回路の時定数
ＣＲを一定にすれば受光素子の２つの電流４１．ｉｚＯ
比から一定値を減算したものに比例する。したがって、
この比較回路からの“Ｈ”の出力信号のパルス幅Ｔを計
測することによって、測定対象物との距離あるいは測定
対象物の変位量が判明する。ただし、この場合に比較回
路からの“Ｈ”の出力信号のパルス幅Ｔが負にならない
ように、受光素子の受光範囲および利得Ｋを選定するこ
とが必要である。

〔実　施　例〕

この発明にかかる光学式変位計を、以下２つの実施例に
基づいて詳細に説明する。なお、従来技術と同一部分は
同一記号を付している。まず、第１の実施例について説
明する。

第２図に示すように、投光素子１から発光される光ビー
ムが、投光レンズ２によって測定対象物３上に投射され
光点を形成する。この光点を受光レンズ４を用いて、受
光素子５上に受光点として結像させる。この受光点は、
測定対象物３が同図においてＳ→ｔ→Ｕと移動すると、
それに応じてＳ″−ｔ”−Ｕ゛　と移動する。この受光
素子５にはＰＳＤを用いている。

第１図に示すように、測定対象物３がＳの位置にある場
合（第２図参照）に、その受光点Ｓ°は図においてＰＳ
Ｄ５の上側部位に位置する。前述したように、測定対象
物３が前記位置からこの光学式変位計に接近して来ると
、それに応じて受光点はＰＳＤＳ上を同図において下方
向に移動する。

この場合において、測定対象物３がＳの位置にある際に
、ＰＳＤ５から出力される電流ｉ、、ｉ２　（１１はＰ
ＳＤ５の図において上端部から出力される電流、１２は
下端部から出力される電流）は、ＰＳＤ５の図において
下端部から受光点Ｓ′までの距離を１８、上端部から受
光点Ｓ°までの距離を１２とすると、 ｔ、：１２＝＝１．：ｌ□ の関係になる。したがって、前述したように、この２つ
の電流の比が判別できれば測定対象物との距離およびそ
の変位量の測定ができる。

ＰＳＤ５の出力電流ｉ、は、第１の増幅回路Ａ１で増幅
されるとともに電圧に変換され、出力信号ａとなる。一
方、ＰＳＤ５の出力電流１２は第２の増幅回路Ａ２で増
幅されるとともに電圧に変換され、出力信号すとなる。

なお、第１の増幅回路Ａ＋の利得をＡとすると、第２の
増幅回路Ａ２の利得はＫＡ　（Ｋ＞１）である。前記信
号ａは積分回路６に入力される。この積分回路６は第３
図に示すような回路構成をしている。信号ａはＯＰアン
プ６１の正端子に入力され、負端子は抵抗Ｒ３を介して
接地されている。このＯＰアンプ６１はコンデンサＣＩ
によって負帰還されている。コンデンサＣＩの両端には
、タイミング信号発生回路７からの第２タイミング信号
Ｔ２を受けて、開閉を行うスイッチ６２が接続されてい
る。すなわち、スイッチ６２は第２タイミング信号Ｔ２
により導通し、コンデンサＣ１の放電を行う。

積分回路６の出力信号Ｃ（第１図参照）は比較回路８の
負端子に入力される。正端子には前記信号すが入力され
る。比較回路８は再入力を比較し“Ｈ”または“Ｌ”の
信号を出力する。この比較回路８の出力信号ｄは、ＡＮ
Ｄゲート９に入力される。ＡＮＤゲート９は、他方入力
がタイミング信号発生回路７からの第１タイミング信号
Ｔ１であるので、比較回路８の出力信号ｄが“Ｈ”の場
合に“Ｈ”の信号ｅ　（“Ｈ”の第１タイミング信号Ｔ
、）を出力する。

このＡＮＤゲート９の出力信号ｅは計数回路１０のＣＫ
　（クロック）端子に入力される。計数回路１０のＲＥ
Ｓ　（リセット）端子には、タイミング信号発生回路７
から第２タイミング信号Ｔ２が入力される。

この第２タイミング信号Ｔ２は前記積分回路６への放電
信号と同一のものである。計数回路１０の計数信号はＤ
−Ａコンバータ１１に入力され、アナログ信号に変換さ
れる。このアナログ信号はサンプルホールド回路１２に
入力される。サンプルホールド回路１２は、タイミング
信号発生回路７の第３タイミング信号Ｔ３によりサンプ
リングし、前記アナログ信号の値をホールドする。

次に、このような回路構成の光学式変位計の動作につい
て、波形図に基づいて説明する。なお、波形図に用いら
れているアルファベットは、第１図の各部の信号のアル
ファベットに対応させてい・る。第４図に示すように、
利得Ａである第１の増幅器Ａ、の出力信号ａはＡｉ、Ｖ
である。また、利得ＫＡである第２の増幅器Ａ２の出力
信号すはＫＡｉ、Ｖである。一方、タイミング信号発生
回路７の第１タイミング信号Ｔ、は連続したパルス信号
であり、第２タイミング信号Ｔ２は第１タイミング信号
Ｔ１の７パルス毎にパルスが出力される。第３タイミン
グ信号Ｔ３は第２タイミング信号Ｔ２と同一周期で、か
つ２パルス前に出力される。

積分回路６は出力信号ａを入力すると、積分コンデンサ
ＣＩ　　（第３図参照）が充電を行う。そして、第４図
（Ｃ）に示すように、積分回路６の出力信号Ｃは、タイ
ミング信号発生回路７の第２タイミング信号Ｔ２により
積分コンデンサＣ８の放電を行う。比較回路８の出力信
号ｄは、同図（ｄｌに示すように、積分回路６の出力信
号Ｃが放電によりＫＡｉ２Ｖを下回った時に立ち上がる
。そして、積分コンデンサＣ１の充電が進み、積分回路
６の出力信号ＣがＫＡｉｚＶを越えた時に、出力信号ｄ
は立ち下がる。ＡＮＤゲート９はこの出力信号ｄが“Ｈ
”の状態の時に、タイミング信号発生回路７の第１タイ
ミング信号Ｔ、を入力しそのまま出力する。計数回路１
０はこの第１タイミング信号Ｔ１のパルスを計数し、Ｄ
−Ａコンバータ１１に入力する。Ｄ−Ａコンバータ１１
はこの入力をアナログ信号に変換し、サンプルホールド
回路１２に入力する。

サンプルホールド回路１２は、タイミング信号発生回路
７の第３タイミング信号Ｔ３のパルス出力時に、その電
圧値をサンプリングしホールドする。

この電圧値は、ＰＳＤ５の２つの電流の比１＋／１２か
ら一定値を減算した数値に比例したものとなる。したが
って、この電圧値によりｉ、／ｉ２が判明し、測定対象
物との距離あるいは測定対象物の変位量が求められる。

すなわち、第１図において、ＰＳＤ５の上端部に近い部
位に受光点がある場合（測定対象物との距離が遠い場合
）には、ＰＳＤ５の上端部からの電流ｉ、は大きくなり
、一方電流１２は小さくなる。それゆえ、第５図に示す
ように、積分回路６の積分コンデンサＣ，（第３図参照
）は短時間で充電される。これにより比較回路８の出力
信号ｄのパルス幅は短くなる。よって、へＮＤゲート９
の出力信号ｅは数少ないパルスしか出力しない。この数
少ない出力パルスにより、サンプルホールド回路１２の
出力は、１１／ｉｚが非常に大きく、したがって、測定
対象物が遠い位置にあることを示す。

反対に、第１図において、ＰＳＤ５の下端部に近い部位
に受光点がある場合（測定対象物との距離が近い場合）
には、ＰＳＤ５の上端部からの電流１１は小さくなり、
一方電流１２は大きくなる。

すると、第６図に示すように、積分回路６の積分コンデ
ンサＣ＋（第３図参照）は長時間で充電される。これに
より比較回路８の出力信号ｄのパルス幅は長くなる。よ
って、ＡＮＤゲート９の出力信号ｅは数多いパルスを出
力する。この数多い出力パルスにより、サンプルホール
ド回路１２の出力は、１１　／　１２が非常に小さく、
したがって、測定対象物が近い位置にあることを示す。

次に、第２の実施例について説明する。この実施例は、
前述した第１の実施例において、測定対象物３（第２図
参照）との距離あるいは変位量と、受光素子５の受光点
の位置の相関関係がリニアでないので、比較回路８の出
力信号ｄのパルス幅が測定対象物３との距離あるいは変
位量とリニアな関係にならないため、得られた測定値か
ら前記距離あるいは変位量を求めることの困難さを解消
することを目的としている。

第７図に示すように、第１の実施例のブロック図との差
異は受光素子（ＰＳＤ）５と第２の増幅回路Ａ２の間に
第３の増幅回路Ａ３の入力側を接続し、かつ、第１の増
幅回路Ａ、と積分回路６の間に加算器１３を増設すると
ともに前記第３の増幅回路Ａ３の出力側をこの加算器１
３に接続した点である。このように構成したので、第３
の増幅回路Ａ、の増幅率を、測定対象物３と受光素子５
上の受光点の相関関係がリニアになるように選択するこ
とにより、上記目的を達成できる。

これらの実施例においては、受光素子５にＰＳＤを用い
たが別にこれに限定されるものではなく、例えば２分割
フォトダイオードを代わりに用いても同様の効果が得ら
れる。

また、これらの実施例においては、Ｄ−Ａコンバータ１
１の後にサンプルボールド回路１２を設置し測定対象物
３との距離等を測定したが、サンプルホールド回路１２
の代わりに、デジタル値を記憶するラッチ回路を計数回
路１０とＤ−Ａコンバータ１１の間に設置しても同等の
効果が得られる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、この発明は、光学式変
位計を割算器を使用することなく構成したので、測定対
象物までの距離あるいは測定対象物の変位量の測定を、
光学式変位計の温度特性および直線性を損なうことなく
、また広いダイナミックレンジで、かつ応答速度も速く
検出できる。

しかも、回路構成が簡単なので部品点数が少なく、それ
ゆえ、製造工程が簡素化でき低価格であるという効果も
得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明にかかる光学式変位計の第１の実施例
のブロック図、第２図はこの光学式変位計の原理説明図
、第３図はこの光学式変位計の積分回路の１実施例の回
路図、第４図はこの光学式変位計の各部の動作波形図、
第５図および第６図は測定対象物が遠近の位置にある際
のこの光学式変位計の各部の動作波形図、第７図はこの
発明にかかる光学式変位計の第２の実施例のブロック図
、第８図は従来の光学式変位計のブロック図、第９図は
この光学式変位計の測定対象物との距離と割算器出力の
相関図である。 １・・・投光素子　２・・・投光レンズ　３・・・測定
対象物　４・・・受光レンズ　５・・・受光素子　６・
・・積分回路　７・・・タイミング信号発生回路　８・
・・比較回路ＡＩ・・・第１の増幅回路　Ａ２・・・第
２の増幅回路Ｔｒ　、Ｔｚ　、Ｔｚ・・・タイミング信
号特許出願人　　リード電機株式会社 第８図 第９図 勧算器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）測定対象物に光ビームを投射し、この反射光を結
   像手段により受光素子上に結像し、この受光素子の出力
   によって測定対象物との距離あるいは変位量を測定する
   光学式変位計において、タイミング信号を出力するタイ
   ミング信号発生回路と、 前記受光素子の一方の出力を増幅する第１の増幅回路と
   、 この第１の増幅回路の出力を積分し前記タイミング信号
   発生回路のタイミング信号によって放電する積分回路と
   、 前記受光素子の他方の出力を増幅する第２の増幅回路と
   、 前記積分回路と前記第２の増幅回路の両出力を入力する
   比較回路とを具備し、 かつ、この比較回路の出力に基づいて前記測定を行うこ
   とを特徴とする光学式変位計。
2. （２）受光素子が一次元の位置検出素子である特許請求
   の範囲第１項記載の距離設定用光電スイッチ。