JPH1183424A - 光学式距離センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 測定対象面での正反射光の受光に基づいて当
該測定対象面までの距離を検出する構成において、大き
な測定範囲を設定する。 【解決手段】 センサヘッド１には投光用半導体レーザ
４及び受光用センサ７が所定距離離間した状態で配置さ
れている。投光用半導体レーザ４の光軸上には投光用ス
キャナ６が配置され、受光用センサ７の光軸上には受光
用スキャナ９が配置されている。投光用スキャナ６及び
受光用スキャナ９は発振器２１からの信号に応じて同期
した状態で互いに反対方向に振動する。センサヘッド１
に測定対象面１０が正対した状態でのみ、投光用半導体
レーザ４からのレーザ光は、投光用スキャナ６、測定対
象面１０、受光用スキャナ９で正反射して受光用センサ
７の中央に入光する。この場合、レーザ光が通過する光
軸がなす二等辺三角形に基づいて測定対象面１０までの
距離を求めることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、正反射光により測
定対象面までの距離を測定する光学式距離センサに関す
る。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】従来より、光学式距離
センサとして三角測量式のものが供されている。このも
のは、測定対象面に照射したスポット光を受光センサで
受光するもので、スポット光の受光位置を検出すること
により、三角測量式の原理で測定対象面までの距離を求
めるようにしている。

【０００３】ところが、三角測量式のものでは次のよう
な欠点がある。 測定対象面が鏡面の場合には、受光センサへの乱反射
光がないため、乱反射光による測定が不可能となる。 測定対象面が透明または半透明の樹脂などの場合は、
レーザ光が樹脂内部へ透過して乱反射光を得られなかっ
たり、樹脂の内部でレーザ光が乱反射してしまって樹脂
表面までの正確な距離測定ができない。

【０００４】そこで、測定対象面に光を斜めに照射し、
その正反射光を受光して距離を測定する正反射光受光タ
イプの光学式距離センサが供されている。しかしなが
ら、この種の光学式距離センサは、正反射光を例えば１
次元のラインセンサ上に集光させることにより測定対象
面までの距離を測定する構成であるので、測定範囲が数
ｍｍ以下と非常に狭いという欠点がある。

【０００５】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的は、測定対象面での正反射光の受光に基づ
いて当該測定対象面までの距離を検出する構成におい
て、大きな測定範囲を設定することができる光学式距離
センサを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、センサ本体の
前面に正対する測定対象面までの距離を測定する光学式
距離センサにおいて、上記センサ本体に、以下の要件を
備えたものである。

【０００７】Ａ．前記センサ本体の前方に向けて投光す
る投光手段、Ｂ．前記投光手段と所定距離離間して配置
され当該投光手段の光軸と平行な光軸に沿った光を受光
する受光手段、Ｃ．前記投光手段の光軸上に配置され前
記投光手段からの光を前記測定対象面に斜め方向から照
射する投光用反射手段、Ｄ．前記受光手段の光軸上に配
置され前記測定対象面で反射した光を前記受光手段側に
反射する受光用反射手段、Ｅ．前記投光手段からの光を
前記投光用反射手段で反射して前記測定対象面に照射す
ると共に、当該測定対象面で反射した前記投光手段から
の光が前記受光手段に入光するように前記投光用反射手
段及び受光用反射手段の角度を調整する制御手段、Ｆ．
前記投光用反射手段及び受光用反射手段の角度に基づい
て前記測定対象面までの距離を求める演算手段。

【０００８】このような構成によれば、投光手段がセン
サ本体の前方に向けて投光すると、その光は投光手段の
光軸上に位置する投光用反射手段で反射されて測定対象
面に斜め方向に照射されると共に、測定対象面で反射し
た光は受光用反射手段により受光手段側に反射される。

【０００９】このとき、制御手段は、測定対象面での反
射光が受光用反射手段で反射して受光手段に入光するよ
うに投光用反射手段及び受光用反射手段の角度を制御す
るので、演算手段は、受光手段の受光状態では、投光用
反射手段及び受光用反射手段の配置関係並びにそれらの
角度に基づいて測定対象面までの距離を求めることがで
きる。

【００１０】上記構成において、前記投光用反射手段及
び受光用反射手段は、前記投光手段の光軸と前記受光手
段の光軸との間の中心線に対して対称関係となるように
配置され、前記制御手段は、前記受光手段が受光するよ
うに前記投光用反射手段及び受光用反射手段を同期させ
ながら互いに反対方向に回転し、前記演算手段は、前記
制御手段による前記投光用反射手段及び受光用反射手段
に対する角度調整終了状態で前記測定対象面までの距離
を求めるようにしてもよい（請求項２）。

【００１１】このような構成によれば、投光用反射手段
び受光用反射手段を回転同期させながら互いに反対方向
に回転させた状態で受光手段が受光状態となったとき
は、投光用反射手段、測定対象面及び受光用反射手段は
二等辺三角形をなすので、その二等辺三角形の形状に基
づいて測定対象面までの距離を求めることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】

（第１実施例）以下、本発明の第１実施例を図１乃至図
６を参照して説明する。全体の構成を概略的に示す図１
において、このセンサヘッド１（センサ本体に相当）内
には投光手段２及び受光手段３が所定距離離間して配置
されており、それらの光軸は平行に設定されている。

【００１３】投光手段２は、投光用半導体レーザ４の光
軸上にコリメータレンズ５を配置して構成されており、
投光用半導体レーザ４からのレーザ光がコリメータレン
ズ５により平行なレーザ光に変換される。

【００１４】また、投光手段２の光軸上には投光用スキ
ャナ６（投光用反射手段に相当）が配置されている。こ
の投光用スキャナ６は、投光手段２からの平行なレーザ
光をセンサ本体１の前面に対して斜め方向に反射するも
ので、投光用スキャナ６により反射されたレーザ光は測
定範囲の中央付近でピントが合うように設定されてい
る。

【００１５】受光手段３は、受光用センサ７の光軸上に
受光レンズ８を配置して構成されており、受光レンズ８
により計測範囲内にある測定物上のレーザスポットが受
光センサ７上に結象される。この場合、受光用センサ７
は二分割センサまたは四分割センサ（図２参照）などの
光電センサであり、レーザ光の結像中心位置を検出する
ようになっている。

【００１６】受光手段３の光軸上には受光用スキャナ９
（受光用反射手段に相当）が配置されている。この受光
用スキャナ９は、計測範囲内に位置する鏡面状の測定対
象面１０で正反射した光を受光用センサ９に入光させる
ためのものである。ここで、上記投光用スキャナ６及び
受光用スキャナ９は同期した状態で互いに反対方向に振
動するようになっている。

【００１７】一方、センサヘッド１にはモニタ手段１１
が設けられている。このモニタ手段１１の光軸は、投光
手段２の光軸と受光手段３の光軸との中間に位置してそ
れらの光軸と平行に設定されている。

【００１８】モニタ手段１１において、モニタ用半導体
レーザ１２の光軸上にはコリメータレンズ１３が配置さ
れており、モニタ用半導体レーザ１２からのレーザ光は
コリメータレンズ１３により平行なレーザ光に変換され
る。

【００１９】モニタ用半導体レーザ１２の光軸上にはビ
ームスプリッタ１４が配置されている。このビームスプ
リッタ１４はハーフミラーからなり、通過する光のうち
５０％通過させると共に、残りの５０％の光を直交方向
に反射する。

【００２０】ビームスプリッタ１４の直交した光軸上に
はモニタ用受光レンズ１５及びモニタ用センサ１６が配
置されている。モニタ用受光レンズ１５は、ビームスプ
リッタ１４で反射した測定対象面１０上のモニタ用スポ
ット光をモニタ用センサ１６上に結像させる。

【００２１】モニタ用センサ１６は、二分割センサまた
は四分割センサなどの光電センサであり、モニタ用レー
ザ光の結像中心位置を検出するようになっている。尚、
上記構成のセンサヘッド１は図示しない親機により任意
の姿勢に調整可能となっている。

【００２２】次に上記センサヘッド１に接続される制御
装置について説明する。ＣＰＵ１７（制御手段、演算手
段に相当）は、ＲＯＭ１８（ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯ
Ｍ）に記憶されたプログラムに基づきスイッチ１９に対
する操作に応じて動作するもので、その動作中にワーキ
ングデータをＲＡＭ２０に記憶する。

【００２３】また、ＣＰＵ１７は、発振器２１を駆動す
る。この発振器２１は、三角波信号あるいはサイン波信
号を発生するもので、その信号に応じてスキャナドライ
バ２２が投光用スキャナ６及び受光用スキャナ９を同期
した状態で互いに反対方向に振動させる。

【００２４】また、ＣＰＵ１７は、アナログインタフェ
ース２３を通じてゼロクロスディテクタ２４，２５から
の判断結果を入力する。この場合、ゼロクロスディテク
タ２４は、受光用センサ７の中央に反射光が結像してい
るかを判断する。また、ゼロクロスディテクタ２５は、
モニタ用センサ１５の中央に反射光が結像しているかを
判断する。

【００２５】そして、ＣＰＵ１７は、ゼロクロスディテ
クタ２４，２５の判断結果に基づいて所定の演算を実行
することにより距離測定を実行して表示器２６に測定距
離などを表示する。

【００２６】次に上記構成の作用について説明する。ス
イッチ１９内のスタートスイッチをオンすると、モニタ
用半導体レーザ１２からレーザ光が照射される。このレ
ーザ光はコリメータレンズ１３で平行なレーザ光に変換
されてから、測定用対象面１０に照射される。このと
き、測定用対象面１０は鏡面であることから、測定対象
面１０に照射されたレーザ光は正反射される。

【００２７】従って、図４に示すようにセンサヘッド１
に対して測定対象面１０が傾いている場合は、測定対象
面１０で反射したレーザ光は投光軸上を戻らず、モニタ
用センサ１６の中央で受光されることはない。

【００２８】ここで、ゼロクロスディテクタ２５はモニ
タ用センサ１６による受光位置が中央か否かを検出して
おり、その検出結果をアナログインタフェース２３を通
じてＣＰＵ１７に出力する。従って、ＣＰＵ１７は、ゼ
ロクロスディテクタ２５による検出結果に基づいて図示
しない親機によりセンサヘッド１が測定対象面１０に正
対するようにその姿勢を制御する。

【００２９】そして、親機によるセンサヘッド１に対す
る姿勢制御により、図５に示すようにセンサヘッド１に
測定対象面１０が正対すると、測定対象面１０で反射し
たレーザ光がモニタ用半導体レーザ１２の投光軸上を戻
り、ビームスプリッタ１４で反射することによりモニタ
用センサ１６の中央で結像するようになる。

【００３０】すると、ゼロクロスディテクタ２５がその
ことを検出してＣＰＵ１７に知らせるので、そのことに
基づいてＣＰＵ１７は親機に対する制御をストップす
る。以上の動作の結果、センサヘッド１に測定対象面１
０が正対する関係が成立する。

【００３１】続いて、ＣＰＵ１７は、測定用レーザ半導
体４を駆動した状態で発振器２１を駆動する。これによ
り、発振器２１から出力される三角波信号またはサイン
波信号に応じてスキャナドライバ２２を介して投光用ス
キャナ６及び受光用スキャナ９は同期した状態で互いに
反対方向に振動する。

【００３２】ここで、投光用半導体レーザ４からのレー
ザ光が投光用スキャナ６、測定対象面１０及び受光用ス
キャナ９で順に反射して最終的に受光用センサ７の中央
に結像する条件としては、投光用半導体レーザ４から投
光用スキャナ６で正反射して測定対象面１０に到達する
光軸と、当該測定対象面１０で正反射した光が受光用ス
キャナ９で正反射して受光用センサ７に到達する光軸と
がモニタ用半導体レーザ１２の光軸を中心線とする光学
的対象関係が成立する必要がある。つまり、図５及び図
６に示すように、投光用スキャナ６による反射光がモニ
タ用半導体レーザ１２の光軸と測定対象面１０との交点
に照射される関係となったときに光学的対象関係が成立
する。

【００３３】この光学的対象関係が成立した状態では、
ｄ＝ｒ・tan θが成立する。この場合、ｄは測定対象距
離であり、厳密には、図５及び図６に示す二等辺三角形
（投光用スキャナ６、測定対象面１０、受光用スキャナ
９を結んで形成される）の高さ寸法に相当し、θは二等
辺三角形の内角に相当する。従って、ＣＰＵ１７は、上
述の演算式に基づいて測定対象面１０までの距離を測定
することができるので、その距離を表示器２６に表示す
る。

【００３４】上記構成のものによれば、モニタ手段１１
による検出結果に基づいてセンサヘッド１に測定対象面
１０が正対していることを検出した状態で、受光用セン
サ７が受光したタイミングにおける投光用スキャナ６ま
たは受光用スキャナ７の回転角度に基づいて測定対象面
１０までの距離を測定するようにしたので、投光用スキ
ャナ６及び受光用スキャナ７の協調動作により広い角度
にわたって測定対象面１０で反射したレーザ光を受光セ
ンサ７により受光することができる。従って、測定対象
面１０による正反射光を一次元のラインセンサで検出す
る従来構成のものと違って、大きな測定可能範囲を設定
することができる。

【００３５】また、センサヘッド１に測定対象面１０が
正対しているかをモニタする機能をセンサヘッド１に一
体に設けたので、センサヘッド１のセッティングを簡単
に行うことができる。

【００３６】さらに、測定対象面１０においてセンサヘ
ッド１に対向したことを判定するためのモニタ位置と距
離を測定するための測定位置とを一致させるようにした
ので、測定対象面１０が平面でない場合であっても当該
測定対象物１０までの距離を確実に測定することができ
る。

【００３７】（第２実施例）図７は本発明の第２実施例
を示しており、第１実施例と同一部分には同一符号を付
して説明を省略する。この第２実施例は、投光手段２に
モニタ手段１１の機能を兼用したことに特徴を有する。

【００３８】即ち、投光用半導体レーザ４の光軸上には
ビームスプリッタ２７が配置されている。このビームス
プリッタ２７は投光用半導体レーザ４からのレーザ光を
５０％透過すると共に５０％を直交方向に反射する。

【００３９】ビームスプリッタ２７の直交方向の光軸上
にはミラー２８が配置されている。このミラー２８はビ
ームスプリッタ２７により直交方向に反射されたレーザ
光をビームスプリッタ１４を介してセンサヘッド１の前
方に照射する。

【００４０】ここで、投光用半導体レーザ４からのレー
ザ光は投光用スキャナ６により反射される一方で、ビー
ムスプリッタ２７により直交方向に反射されてからミラ
ー２８により直交方向に反射されることにより測定対象
面１０に照射される。

【００４１】この場合、センサヘッド１に測定対象面１
０が正対したときのみ測定対象面１０で反射したレーザ
光がモニタ用センサ１６の中央に結像するので、投光用
半導体レーザ４からのレーザ光をモニタ用レーザ光とし
て兼用することができる。

【００４２】この第２実施例の場合、投光用半導体レー
ザ４を本来の測定用として使用するのに加えてモニタ用
としても使用するようにしたので、第１実施例と同様な
作用効果を奏しながら、全体構成の簡単化を図ることが
できる。

【００４３】本発明は、上記実施例にのみ限定されるも
のではなく、次のように変形または拡張できる。ビーム
スプリッタ１４の代わりに、偏向ビームスプリッタを設
けると共に、当該偏向ビームスプリッタの前面に１／４
波長板を設けるようにしてもよい。この場合、測定対象
面１０で正反射したレーザ光の大部分を偏向ビームスプ
リッタにより直交方向に反射することができるので、モ
ニタ手段１１の受光精度を高めることができる。モニタ
用半導体レーザ１２の配置位置としては、投光用半導体
レーザ４及び受光用センサ７の中間位置に設定する必要
はない。

【００４４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の光学式距離センサによれば、投光手段から照射されて
測定対象面で反射した光を受光手段が受光した際の反射
手段の角度に基づいて測定対象面までの距離を測定する
ようにしたので、大きな測定範囲を得ることができると
いう優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例における全体構成を示す概
略図

【図２】スポット光の受光状態で示す受光用センサの模
式図

【図３】制御装置の動作を示すフローチャート

【図４】測定対象面が正対しない状態で示すセンサヘッ
ドの概略図

【図５】近接した測定対象面の測定状態を示すセンサヘ
ッドの概略図

【図６】離れた測定対象面の測定状態を示すセンサヘッ
ドの概略図

【図７】本発明の第２実施例を示す図１相当図

【符号の説明】

１はセンサヘッド（センサ本体）、２は投光手段、３は
受光手段、４は投光用半導体レーザ、６は投光用スキャ
ナ（投光用反射手段）、７は受光用センサ、９は受光用
スキャナ（受光用反射手段）、１０は測定対象面、１１
はモニタ手段、１２はモニタ用半導体レーザ、１６はモ
ニタ用センサ、１７はＣＰＵ（制御手段、演算手段）で
ある。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 センサ本体の前面に正対する測定対象面
   までの距離を測定する光学式距離センサにおいて、上記
   センサ本体に、以下の要件を備えたことを特徴とする光
   学式距離センサ。 Ａ．前記センサ本体の前方に向けて投光する投光手段 Ｂ．前記投光手段と所定距離離間して配置され当該投光
   手段の光軸と平行な光軸に沿った光を受光する受光手段 Ｃ．前記投光手段の光軸上に配置され前記投光手段から
   の光を前記測定対象面に斜め方向から照射する投光用反
   射手段 Ｄ．前記受光手段の光軸上に配置され前記測定対象面で
   反射した光を前記受光手段側に反射する受光用反射手段 Ｅ．前記投光手段からの光を前記投光用反射手段で反射
   して前記測定対象面に照射すると共に、当該測定対象面
   で反射した前記投光手段からの光が前記受光手段に入光
   するように前記投光用反射手段及び受光用反射手段の角
   度を調整する制御手段 Ｆ．前記投光用反射手段及び受光用反射手段の角度に基
   づいて前記測定対象面までの距離を求める演算手段
2. 【請求項２】 前記投光用反射手段及び受光用反射手段
   は、前記投光手段の光軸と前記受光手段の光軸との間の
   中心線に対して対称関係となるように配置され、 前記制御手段は、前記受光手段が受光するように前記投
   光用反射手段及び受光用反射手段を同期させながら互い
   に反対方向に回転し、 前記演算手段は、前記制御手段による前記投光用反射手
   段及び受光用反射手段に対する角度調整終了状態で前記
   測定対象面までの距離を求めることを特徴とする請求項
   １記載の光学式距離センサ。