JP3215232B2 - 光電式距離センサ - Google Patents

光電式距離センサ

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  • Measurement Of Optical Distance (AREA)
  • Switches Operated By Changes In Physical Conditions (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、光を物体に照射し、
この物体までの距離を検出する光電式距離センサに係
り、より具体的には受光量により発光量を決めるセンサ
に関する。
【0002】
【従来の技術】図11は従来の受光エレメントの縦断面
図、図12は図11に示す受光エレメントの特性を説明
する特性図、図13は位置検出用の光電式距離センサの
基本的な動作を説明するために単線をもって描いた構成
図、図14は光電式距離センサの被検出物体までの距離
Xと受光面上の輝点像の位置Yとの関係を示す特性図で
ある。図13において、1は光電式距離センサ、2は光
学系で、主としてレンズにより構成される。3は投光部
で、主として発光ダイオード等の発光素子により構成さ
れる。4は受光面上に配設された受光部で、主として受
光素子により構成される。5は信号処理部、6は被検出
物体、7は背景である。
【0003】図13において、投光部3からの光は投光
軸を通して被検出物体上に光を照射し、この被検出物体
6上に輝点を作る。この被検出物体において反射された
光は受光軸を通して受光部4の入射する。受光部4上は
被検出物体6までの距離に対応した受光面上の位置に輝
点像を結像させる。被検出物体6までの距離Xを判定す
る目的で受光面上の輝点像位置を判定するために、受光
面上において、n個の光位置検出素子10を受光軸と投
光軸を結ぶ方向に配列する。
【0004】この光位置検出素子10として特公昭58
−42411号公報に示されるものがある。この光位置
検出素子10は図11に示すような構成を有し、この光
位置検出素子10のある位置に光が入射すると、同図に
示すように、その受光エレメント10から2つの電流出
力Ia、Ibがえられ、光位置検出素子10の有効長を
Lとすると、光位置検出素子10の光の入射位置Yは次
の関係式より求められる。 (Ia−Ib)/(Ia+Ib)=2Y/L・・・・・・・・・・(1) この関係式(1)を図に示すと図14のようになる。ま
た距離Xと光の入射位置Yとの関係は、 XY=L2L3・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2) で与えられる。但しL2は投受光間の光軸ピッチ、L3
は受光素子レンズ距離である。このように光位置検出素
子10は電気的に光の入射位置Yを求めることができ、
よって距離Xを求められるので広く使用されている。
【0005】一方、距離精度を変動させる要因に物体の
反射率の違いがある。すなわち、同一距離に白などの反
射率の高い物体と黒などの反射率の低い物体とでは距離
測定誤差が違うという問題点があった。
【0006】この問題点に対して、受光量を常に一定に
なるように発光強度を制御する方法がある(例えば特開
昭49−39470号公報、特公昭58−42411号
公報)。この方法によれば、受光部に入射する光量が常
に一定となるように発光量を制御しているので受光部に
入射する光は物体の反射率の影響を受けず一定となるの
で同一距離における反射率の違いにより生じていた誤差
を小さくできる優れた効果がある。これらの解決方法は
以上説明したように優れた特徴を有する半面、次のよう
な問題点を有している。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】図15は発光量が一定
の時の受光量の変化を示す特性図、図16は検出距離と
受光量の目標値との関係を示す特性図、図17は検出距
離と発光量との関係を示す特性図である。距離測定範囲
内の最も長い距離における反射率が最も低い物体の時の
受光量より受光量の目標値は大きくできない。距離測定
範囲が広いと受光量目標値が小さな値となる。すなわ
ち、発光量が一定の時の受光量は図15に示すように大
きく変わる。この図において、領域Aは距離測定範囲、
領域Bは至近域、領域Cは遠距離測定外域とする。例え
ば、距離測定範囲である領域Aでは受光量が距離の2乗
に反比例するとみなせるものとする。よって、受光量の
目標値は長距離に反射率の最も低い物体があるときに得
られる受光量より大きくできない。
【0008】この問題は距離測定範囲が広くなればなる
ほど深刻な問題となる。距離測定範囲が例えば3倍であ
るとすると、投光量が一定の時の受光量の変化は1/9
となる。これに加えて、被検出物体の表面の反射率の違
いがある。例えば、白と黒では反射率は10倍程度異る
ので、最も近い距離に白い物体があるときに得られる受
光量と比べ、最も遠い距離に黒い物体があるときに得ら
れる受光量は1/90となる。よってこの値より受光量
目標値を大きくできないので、最も近い所に白い物体が
あるときの発光量は1/90と小さくなる。これを図示
したものが図16および図17である。すなわち距離測
定範囲が広い光電式距離センサは狭い光電式距離センサ
に比べ、同一距離の同一物体を測定してもその測定精度
が悪くなる。以上の問題は設定距離からの変位を出力す
る変位センサについても本質的に全く同様のことが言え
る。
【0009】
【課題を解決するための手段】この発明に係る光電式距
離センサにおいて、請求項1の発明は、投光部と、受光
部と、受光部の位置信号から被検出物体までの距離を演
算し、距離信号を出力する距離演算部と、上記距離信号
を受けて距離が近くなるほど大きくなるように受光量目
標値を演算し出力する目標受光量演算部と、上記投光部
からの光の強度を、上記受光部が上記目標受光量演算部
からの受光目標値となるように制御する投光制御部とを
備えたものである。
【0010】また請求項2の発明に係る変位センサは、
投光部と、受光部と、基準距離に応じた演算係数と基準
距離に応じた受光目標値を出力する設定部と、受光部の
位置信号と設定部からの演算係数に応じた変位信号を出
力する演算部と、投光部からの光の強度を、受光部から
の受光量が基準距離に応じた受光目標値となるように制
御する投光制御部とを備えたものである。
【0011】
【作用】請求項1の発明における光電式距離センサは、
投光部から被検出物体対して光を照射し、この被検出物
体上に輝点を作り、一方受光部によりレンズ系を介し上
記被検出物体上の輝点の像を受光面上に結像させ、輝点
像位置に応じた位置信号と受光量とを出力し、演算部に
より被検出物体までの距離を光検出部の位置信号から演
算し、距離信号を出力するとともに、この距離信号に応
じた受光目標値を演算して出力し、発光制御部により受
光量が上記演算部からの受光目標値となるように投光部
の光の強度を制御するものである。
【0012】請求項2の発明における変位センサは、投
光部から被検出物体対して光を照射し、この被検出物体
上に輝点を作り、一方受光部はレンズ系を介し、上記被
検出物体上の輝点の像を受光面上に結像させて輝点像位
置を検出し、また設定部は基準距離X0を与える係数と
ともに基準距離X0に応じた受光量目標値を出力し、演
算部は受光部からの輝点像位置信号と基準距離X0を与
える係数を入力とし距離と基準距離X0との差異に応じ
た変位信号を出力し、投光制御部は受光量が上記設定部
の受光目標値となるように投光部の光の強度を制御する
ものである。
【0013】ところで、出願人は、特願平4−1540
14で、n(n>2)個の受光エレメント(S)を所
定の方向に配列し、各受光エレメント101、102、
・・・、10nの各光電流I1、I2、・・・、Inを
所定比率k1と1−k1、k2と1−k2、・・・kn
と1−knに分割してそれぞれ第1、第2の光電流出力
端に導き、k1>0.5>kn及びkm≦kp(p=m
−1;m=2〜n)なる関係を保って上記所定比率を制
御する発明を出願した。
【0014】図5は特願平4−154014号の発明の
ブロック図、図6は図5における分流部と分流制御部を
より具体的に示す回路図、図7は受光部に配列される受
光エレメントの配列を示す平面図、図8は受光部の光位
置検出感度を説明する特性図である。図5において受光
部4の出力端には分流部12が接続され、さらにこの分
流部の出力端には差動アンプ部13が接続される。また
分流部12にはこの分流部を制御するための分流制御部
14が接続される。さらに分流制御部14には設定部2
6が接続される。そしてこの設定部26の一部には操作
部15が設けられる。なおこの設定部26は言うまでも
なく、分流制御部14とともに、回路的に一体に形成す
ることも可能であるが、理解を容易にするために分流制
御部14と分離して画かれている。そして受光部4の受
光エレメントは例えば、図7に示されるように多数の受
光エレメント10すなわち101、102、103・・
・10nを特定方向に配列して構成される。各受光エレ
メントからの光電流は分流部により所定の比率k1
(j)とk2(j)とk3(j)とk4(j)に分けら
れ、第1、第2、第3、第4の光電流出力端に接続され
る。すなわち、多数の受光エレメント101、102、
103・・・10nからの多数の光電流は4つの光電流
信号It1、It2、It3、It4に変換される。こ
れ以後の信号処理は例えば、光電流信号It1、It2
を用い距離の演算などを行なう。図6において、a点に
ボルツマン電圧Vt(=kT/q)に比例した電圧αV
tが生じ、トランジスタQ1とトランジスタQ2の大き
さの比によりαが決まることが知られている。よってb
点の電圧は抵抗Rrefの大きさによらずαVtとな
る。抵抗Rpと可変抵抗VR1との合成抵抗値と抵抗R
refとの比によりc点に電圧が生じる。c点の電圧は
所定値だけシフトされd点の電圧となる。この電圧を設
定電圧と呼ぶ。可変抵抗VR1の大きさを変えると設定
電圧はそれに応じて連続的に変化する。抵抗R1に流れ
る電流に比例した電流がe点より流れるのでf点、g
点、h点の順に電圧が小さくなっていき、その電圧差は
抵抗R1と抵抗Rjの比とボルツマン電圧Vtとで決ま
る一定値である。この電圧が参照電圧となる。この図に
おいてRjとその前後の計3つの抵抗だけしか示してい
ないが、受光エレメント10の数だけこの抵抗が直列に
接続される。多数の受光エレメント101、102、1
03・・・10nのうちj番目とその前後の計3つを示
して残りの受光エレメントは省略してある。また、分流
部12も同様にj番目の差動増幅器13jを1つの単位
とする分流器12jを中心にその前後の12(j+
1)、12(j−1)の計3つだけを示してある。各分
流器はエミッタをたがいに接続した一対のトランジスタ
を有する。このエミッタに各受光エレメントが接続さ
れ、各トランジスタの一方のコレクタが第1の電流出力
端pに接続され、各トランジスタの他方のコレクタが第
2の電流出力端qに接続される。これによりn個の受光
エレメントのn本の光電流信号はp、qの2つの信号に
変換される。各トランジスタの一方のベースには参照電
圧を他方のベースには設定電圧が与えられる。設定電圧
は各分流器とも同一の電圧であるが、参照電圧は各分流
器で所定の電位差を持っていてその差はボルツマン電圧
Vtの定数倍したものである。
【0015】今、可変抵抗VR1の値により設定電圧が
j番目の参照電圧Vjに近い場合を考える。隣り合った
分流器12(j+1)、12(j−1)の参照電圧の差
を適当に設計することにより、1番目からj−2番目ま
での全ての分流器の参照電圧Vjは設定電圧より十分小
さく受光エレメントの光電流のほとんどすべてを第1の
電流出力端pに、j+2番目からn番目までの全ての分
流器の参照電圧は設定電圧より十分大きく受光エレメン
ト10の光電流のほとんどすべてを第2の電流出力端q
に分流していると見なすことができる。j−1番目の分
流器12(j−1)の参照電圧Vj−1は設定電圧より
低いので受光エレメントの光電流を第1の電流出力端p
に電流の多くを分流し、j+1番目の分流器12(j+
1)の参照電圧Vj+1は設定電圧より高いので受光エ
レメントの光電流を第2の電流出力端qに電流の多くを
分流する。j番目の受光エレメントの光電流は第1の電
流出力端pと第2の電流出力端qに分流し、その比率は
VR1の値により連続的に設定することができる。この
ようにすることで第1の電流出力端pの電流をIa、第
2の電流出力端qの電流をIbとすると、図8に示すよ
うにj番目近傍の入射光の位置に対しては入射光位置の
変化に対して敏感な出力特性が得られる。すなわち、j
番目近傍は受光部全長がLe に小さくなった光位置検出
素子の特性と等価であり、L/Le倍の感度が得られ
る。
【0016】このように特願平4−154014号で
は、n(n>2)個の受光エレメントからの光電流は第
1の光電流出力端と第2の光電流出力端に分流される
が、k1>0.5であるので1番目の受光エレメントか
らの光電流の多くは第1の光電流出力端に流れ、0.5
>knであるのでn番目の受光エレメントからの光電流
の多くは第2の光電流出力端に流れる。km≦kp(p
=m−1;m=2〜n)であるので1番目とn番目の途
中の位置で第1の光電流出力端より第2の光電流出力端
へ分流する比率が多くなるところがあり、この位置で受
光部を2つに分割し、一方が第1の光電流出力端に光電
流を、他方が第2の光電流出力端に光電流を与える2分
割の受光エレメントと等価となる。分流制御部14で決
まる比率kj(j=1〜n;0≦kj≦1)により等価
的な分割位置が決められるものである。これは全体とし
て光を受けて第1の電流出力端pと第2の電流出力端q
からの2つの出力を有する受光素子と等価であり、所定
の位置の光位置検出感度が図7および図8からL/Le
倍になり高感度となる位置sを設定器で所望の位置に設
定できる。
【0017】
【実施例】以下、特願平4−154014号の関連にお
いて、この発明の一実施例について、図を参照して説明
する。図1はこの発明における光電式距離センサの全体
ブロック図、図2はこの発明の光電式距離センサの投光
制御部をより具体的に示したブロック図である。図1を
例にして光電式距離センサの説明をする。図において、
16は演算部、17は投光制御部で、受光部4からの出
力を受け、投光部3を制御する。18は距離演算部で、
受光部4からの信号を受けて被検出物体6までの距離を
演算する。19は目標受光量演算部で、距離演算部18
からの出力を受けて、目標受光量演算部19を制御す
る。そして距離演算部18および目標受光量演算部19
により演算部16が構成される。20は出力部で、投光
制御部17と距離演算部18から出力信号を出力する。
【0018】投光部3は被検出物体6に光を照射し、被
検出物体6上に輝点を作る。受光部4は被検出物体6上
の輝点よりの光を検出し、光の位置に対する信号と受光
量の信号とを出力する。距離演算部18は受光部4上の
光の位置に対する信号から距離を演算し、距離信号を出
力する。また目標受光量演算部19は距離信号を基に受
光目標値を出力する。受光量目標値は距離が近くなるほ
ど大きくなるようにする。投光制御部17は受光部4か
らの受光量の信号と目標受光量演算部19からの受光目
標値とを比較し、この差に基づき出力制御信号を出力す
るとともに、この差に基づき投光部3の投光量を制御す
る。出力部20は投光制御部17からの出力制御信号に
基づき、受光量が受光目標値に充分近い時距離演算部1
8からの距離信号を出力する。
【0019】図1において投光部から発せられる光はパ
ルス状であるとしたときの投光制御部17のより具体的
な例を示すと図2のようになる。この図において、21
は積分器、22は保持器、23はリセット器、24は誤
差判定器、25は計算器である。
【0020】図2において、パルス状の受光信号は積分
器21において積分され、その値が保持器22により保
持される。リセット器23は保持器22に積分値が保持
されたら、次のパルスが発光されるまで積分器21をリ
セットする。保持器22の出力と受光量目標値が計算器
25により比較演算され、次回パルスの発光強度が求め
られ、発光予定値として投光部3に出力される。誤差判
定器24は保持器22の出力と受光目標値を入力し、受
光量と受光目標値との誤差を判定し、出力制御信号を出
す。
【0021】次に変位センサについて説明する。図3は
この発明における変位センサの全体ブロック図、図4は
この発明の変位センサの設定部の具体例を含む全体ブロ
ック図である。図3において、26は設定部である。こ
の設定部26、投光制御部17、演算部19および出力
部20により信号処理部5が構成される。
【0022】図3において、投光部3より被検出物体に
光を照射し、その反射光を受光部4により検出する。設
定部26は基準距離X0を設定しX0に応じて係数を出
力する。演算部16は受光部4よりの信号と設定部26
からの係数により距離に関わる信号を出力する。出力部
20は演算部16からの信号に応じて出力を出す。投光
制御部17は設定部26の係数と受光部4の信号に応じ
て投光部3の投光量を制御する。
【0023】図3における設定部26の例を図4に示
す。この図において設定部26は係数設定部27と操作
部15を有する。なお、28は電流源である。また操作
部15においてRrefは参照抵抗、Rpは並列抵抗、
VR1は可変抵抗、Rtr1は並列抵抗、Rtr2は直
列抵抗である。係数設定部27は点bに流れる電流と同
様の電流が点cに流れるような動作をする。この時の点
cの電圧は操作部の可変抵抗VR1に応じた電圧が生じ
る。基準距離X0が操作部の可変抵抗VR1の操作量h
で与えられる。可変抵抗VR1には並列抵抗Rpが接続
されている。可変抵抗VR1の値がゼロからRpに近く
なるまでは点cの電流の多くは可変抵抗VR1に流れる
ので、可変抵抗VR1が変わると点cの電圧も大きく変
わるが、可変抵抗VR1の値がRpより大きくなると点
cの電流の多くはRpに流れるので、可変抵抗VR1が
変わっても点cの電圧の変動は少なくなる。可変抵抗V
R1が小さいとき、これはX0が小さいときに対応し、
可変抵抗VR2が大きいとき、これはX0が大きいとき
に対応する。点cの電圧が基準距離X0に対応した受光
面上の光位置に対応する演算係数を決める。このように
可変抵抗VR1との並列抵抗Rpを有することで合成抵
抗値と可変抵抗の位置との関係に非線形性を与え、その
非線形の度合いは並列抵抗Rpの大きさにより自由に設
定でき、この非線形によりX−Y変換の非線形性を補正
する。
【0024】点sの電圧により受光目標値が決まる。電
流源28により点sに所定の電流が流れるので点sの電
圧は可変抵抗VR1の値により変動する。X0が小さい
時すなわち可変抵抗VR1の値が小さいときは点sの電
圧は大きくなり、受光目標値が大きくなる。X0が大き
い時は同様に受光目標値が小さくなる。並列抵抗Rtr
1、Rtr2の値を選ぶことで基準距離X0に対するs
点の電圧の非線形と最小電位、最大電位を自由に変更で
きる。この例では操作部15以外が集積されてもX−Y
非線形性と受光目標値に求められる非線形性とが集積回
路の外付部品だけで自由に変更できる。この発明におけ
る光電式距離センサの距離範囲と受光目標値との関係を
示すと図9のようになる。この図において、受光量の目
標値は距離に応じて変化することが判る。またこの発明
における光電式距離センサの距離範囲と発光量との関係
を示すと図10のようになる。この図から距離に対する
発光量がそれぞれの反射率において、ほぼ一定であるこ
とが判る。
【0025】
【発明の効果】以上述べたように、請求項1の発明の光
電式距離センサによれば、被検出物体までの距離Xに応
じた受光量目標値となるように光量が制御されるの
で、被検出物体表面の反射率の違いの影響が除去され、
かつ距離計測範囲を広くしても狭帯域の光電式距離セン
サで同一距離の物体を計測したときと同様の高精度が得
られる。また受光部を構成する受光素子の種類が限定さ
れないという効果がある。
【0026】また請求項2の発明の光電式距離センサに
よれば、基準距離X0に応じた受光量目標値となるよう
に発光量が制御されるので、被検出物体表面の反射率の
違いの影響が除去され、かつ基準距離X0の設定範囲を
広くしても基準距離X0の設定範囲が狭い光電式距離セ
ンサで同一距離の物体を計測したときと同様の高精度が
得られる。また受光部を構成する受光素子の種類が限定
されないという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明における光電式距離センサの一実施例
を示すブロック図である。
【図2】図1に示す光電式距離センサの投光制御部をよ
り具体的に示したブロック図である。
【図3】この発明における光電式距離センサを変位セン
サとして構成したときのブロック図である。
【図4】図3における変位センサの設定部の具体例を含
むブロック図である。
【図5】この発明の関連出願である特願平4−1540
14号の光電変換装置の一実施例を示すブロック図であ
る。
【図6】図5における分流部と分流制御部をより具体的
に示す回路図である。
【図7】この発明の光電式距離センサにおける受光部に
配列される受光エレメントの配列を示す平面図である。
【図8】この発明の光電式距離センサにおける受光部の
光位置検出感度を説明する特性図である。
【図9】この発明の光電式距離センサにおける距離範囲
と受光目標値との関係を説明する特性図である。
【図10】この発明における光電式距離センサの距離範
囲と発光量との関係を説明する特性図である。
【図11】従来の受光エレメントの動作を説明する断面
図である。
【図12】従来の受光エレメントの特性を説明する特性
図である。
【図13】位置検出用の光電式距離センサの基本的な動
作を説明するために単線をもって描いた構成図である。
【図14】投光量が一定の時の距離と受光量の関係を示
す特性図である。
【図15】光電式距離センサの被検出物体までの距離X
と受光面上の輝点像の位置Yとの関係を示す特性図であ
る。
【図16】従来光電式距離センサの距離範囲と受光目標
値との関係を説明する説明図である。
【図17】従来の光電式距離センサの距離範囲と発光量
との関係を説明する説明図である。
【符号の説明】
2 レンズ系 3 投光部 4 受光部 6 被検出物体 10 受光エレメント 12 分流部 14 分流制御部 15 操作部 19 演算部 17 投光制御部 20 出力部 26 設定部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01C 3/06 A G01B 11/00 H01H 35/00 L

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 被検出物体に対して光を照射し、この被
    検出物体上に輝点を作る投光部と、レンズ系を介して上
    記被検出物体上の輝点の像を受光面上に結像させ、上記
    輝点像位置に応じた位置信号と受光量とを出力する受光
    部と、この受光部の位置信号から上記被検出物体までの
    距離を演算し、距離信号を出力する距離演算部と、上記
    距離信号を受けて距離が近くなるほど大きくなるように
    受光量目標値を演算し出力する目標受光量演算部と、
    記投光部からの光の強度を、上記受光部が上記目標受光
    量演算部からの受光目標値となるように制御する投光制
    御部とを備えた光電式距離センサ。
  2. 【請求項2】 被検出物体に対して光を照射し、この被
    検出物体上に輝点を作る投光部と、レンズ系を介して上
    記被検出物体上の輝点の像を受光面上に結像させ、上記
    輝点像位置に応じた位置信号と受光量とを出力する受光
    部と、基準距離に応じた演算係数と基準距離に応じた受
    光目標値を出力する設定部と、受光部の位置信号と上記
    設定部からの演算係数に応じた変位信号を出力する演算
    部と、投光部からの光の強度を、上記受光部からの受光
    量が上記基準距離に応じた受光目標値となるように制御
    する投光制御部とを備えた光電式距離センサ。
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