JPS62245110A - 変位測定装置 - 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］ 本発明は、光ビームを被測定物体に照射し、その反射光
を用いて被測定物体までの距離又はその変位を非接触状
態で測定するようにした変位測定装置に関する。

［従来の技術］ 被測定物体までの距離又はその被測定物体の変位を被接
触で測定する変位測定装置のなかには、光ビームを被測
定物体に照射し、照射光ビームの方向とは異なる方向か
らこの被測定物体を観測したとき、被測定物体の位置変
位を光の反射点の移動として検出し、その検出された反
射点の移動から被測定物体の位置変位を算出するものが
ある。

このような光ビームを用いた変位測定装置は例えば第５
図に示すように構成されている（特公昭５９−７６２）
。すなわち、図中１はレーザ光線等の指向性のよい光ビ
ームを出力する光源であり、この光源１から出力された
光ビーム２は照射レンズ３を介して被測定物体４に照射
される。この被測定物体４は光ビーム２の照射方向と同
じく矢印方向に変位する。５は集光レンズであり、被測
定物体４の反射光６を集光させる。そして、この集光レ
ンズ５の結像面（焦点位置）にポジションセンサ７が配
設されている。このポジションセンサ７は、例えば受光
面側にＰ型半導体領域７ａが形成され、反受光面側にｎ
型半導体領域７ｂが形成されている。反受光面側の中心
位置に所定の直流電圧ＶＤが印加され、受光面側のｐ型
半導体領域７ａの両端に負荷抵抗が接続されている。そ
して、受光面上の受光位置が変化すると各負荷抵抗に流
れる各電流１１＋１２の値が変化する。そして、この電
流’Ｌ＋’２の値を用いて中心位置からの照射位置ｙを
次段の演算器８で演算する。さらに、演算器８で求めら
れたポジションセンサ７の受光面上の照射位置ｙを補正
回路９にて被測定物体４の矢印方向の変位Ｘに変換する
。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら上記のように構成された変位Ａ１１ｌ定装
置においても次のような問題があった。すなわち、この
測定装置によると、部屋の電灯等の変位測定に直接関係
のない周囲の光もポジションセンサ７の受光面で受光さ
れる。その結果、ポジションセンサ７のｐ型半導体領域
７ａの両端から取出される電流ｔｌ、ｔ２に常にこの周
囲光による電流及び暗電流が含まれることになる。その
結果、演算器８にて得られる照射位置ｙに含まれる誤差
成分が増加する。したがって、最終的にこの装置全体の
測定精度が低下する。

この問題を解消するためには、前述の特開昭５９−７６
２に提案されているように、光源１から出力される光ビ
ーム２を一定周波数で変調して、変調した光ビームを被
測定物体４へ照射する。そして、ポジションセンサ７に
て得られる前記一定周波数で変調された電流１１＋１２
を復調して直流値に戻す。このように変調光を用いるこ
とによっで測定用の光ビームを周囲光から完全に分離し
て取出すことが可能であるので、測定精度を大幅に改善
できる。

しかし、このように光ビームを一旦変調して、光ビーム
に応じて変調された検出電流を復調して直流値に戻す方
法であると、被測定物体の変位速度に対する測定の応答
速度は光ビームの変調周波数に制限されるので、被測定
物体が高速で変動する場合等においては、測定が上記変
動に追従できない問題が生じる。

また、変調・復調するための回路が必要になり、測定装
置全体が大型、複雑化するのみならず、製造費も増大す
る。

本発明はこのような事情に基づいてなされたものであり
、その目的とするところは、光ビームが照射されていな
い時のポジションセンサの出力信号を記憶しておくこと
により、光ビーム照射時における受光位置を正確に求め
られ、被測定物体の位置変化を正確に測定できるととも
に、測定の応答速度を向上できる変位測定装置を提供す
ることにある。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、第１図に示すように、光源１１から出力され
た光ビーム１２を照射レンズ１３でもって被測定物体１
４に集光してこの被測定物体１４上に光点１５を形成さ
せ、光軸が照射レンズ１３の光軸と平行しないように配
置された集光レンズ１６でもって、被測定物体１４から
の反射光１７を集光して光点を結像し、ポジションセン
サ１８の受光面にて集光レンズ１６にて結像された光点
を受光し、さらにこのポジションセンサ１８にて被測定
物体１４の位置変化に応動して変化する受光面上におけ
る前記光点の受光位置を検出し、演算手段１９によって
ポジションセンサ１８にて検出された光点の受光位置の
変化から被測定物体の位置変化を算出するようにした変
位測定装置において、演算手段１９を、光源１１の非出
力時におけるポジションセンサ１８から出力された信号
を記憶する記憶手段２０と、光源１１の出力時における
ポジションセンサ１８から出力された受光位置から記憶
手段２０にて記憶された信号を減算する減算手段２１と
、この減算手段２１にて得られた受光位置から被測定物
体１４の位置を算出する位置算出手段２２とで構成した
ものである。

［作用］ このように構成された変位測定装置であれば、最初に光
源から光ビームを出力しない状態におけるポジションセ
ンサから出力される信号、すなわち周囲光に起因する信
号及びポジションセンサの暗電流に起因する信号は一旦
記憶される。そして、光源から正規に光ビームが出力さ
れた時にポジションセンサから出力される信号から先に
記憶された周囲光の信号が減算される。したがって、周
囲光の影響を排除した光ビームのみによる正しい受光位
置が得られる。そして、この正しい受光位置から被測定
物体の正しい位置が算出される。

［実施例コ 以下本発明の一実施例を図面を用いて説明する。

第２図は実施例の変位測定装置を示すブロック図である
。図中３１はレーザ光線の光ビームを出力するレーザ光
源であり、このレーザ光源３１から出力された光ビーム
３２は照射レンズ３３を介して被測定物体３４に照射さ
れる。被測定物体３４は光ビーム３２の照射方向と同じ
矢印方向に変位する。３５は集光レンズであり、被測定
物体３４の反射光３６を集光させる。そして、この集光
レンズ３５の結像面（焦点位置）にポジションセンサ３
７が配設されている。このポジションセンサ３７は、第
５図に示したポジションセンサと同一構成を有しており
、受光面側にＰ型半導体領域３７ａが形成され、反受光
面側にｎ型半導体領域３７ｂが形成されている。反受光
面側の中心位置に所定の直流電圧ＶＤが印加され、受光
面側のｐ型半導体領域３７ａの両端に図示しない負荷抵
抗が接続されている。そして、受光面上の受光位置が変
化すると各負荷抵抗に流れる各電流ｉ！。

１２の値が変化する。

そして、これ等各型流１１＋　　１２はそれぞれ電流電
圧変換器３８ａ、３８ｂへ入力されて電圧値Ｖｌ＋　　
ｖ２へ変換される。各電流電圧変換器３８ａ、３８ｂか
ら出力された各電圧ｖ１＋　　ｖ２は減算器３９および
加算器４０へ入力される。減算器３９の出力信号（ＶＩ
　　Ｖ２）は次段の減算器４１ａの（＋）個入力端子へ
入力されるとともに、Ａ／Ｄ変換器４２ａへ入力されて
デジタル値に変換される。さらに、このＡ／Ｄ変換器４
２ａでデジタル値に変換されたデータはＤ／Ａ変換器４
３ａで再びアナログ信号に変換されて前記減算器４１ａ
の（−）個入力端子へ入力される。

同様に加算器４０の出力信号（ｖｌ　＋Ｖ２　）は次段
の減算器４１ｂの（＋）個入力端子へ入力されるととも
に、Ａ／Ｄ変換器４２ｂへ入力されてデジタル値に変換
される。さらに、このＡ／Ｄ変換器４２ｂでデジタル値
に変換されたデータはＤ／Ａ変換器４３ｂで再びアナロ
グ信号に変換されて前記減算器４１ｂの（−）個入力端
子へ入力される。

前記Ａ／Ｄ変換器４２ａ、４２ｂは遅延回路４４を介し
て操作部４５からデータの記憶指令信号４６が入力され
ると、それぞれ減算器３９および加算器４０から入力さ
れている電圧（ｖｌ−ｖ２　）　、　　（Ｖｌ　＋Ｖ２
　）をデジタル値に変換して各Ｄ／Ａ変換器４３ａ、４
３ｂへ出力する。その後、新たに記憶指令信号４６が入
力するまでその出力値を保持する。したがって、上記Ａ
／Ｄ変換器４２ａ、４２ｂはポジションセンサ３７から
出力された受光位置を記憶する記憶手段を構成する。

前記操作部４５から出力された記憶指令信号４６は遅延
回路４４を介して各Ａ／Ｄ変換器４２ａ、４２ｂへ入力
されるとともにレーザ光源３１を駆動するレーザ駆動回
路４７へ入力される。さらに、操作部４５からレーザ駆
動回路４７へ測定指令信号４８を出力する。レーザ駆動
回路４７は記憶指令信号４６が入力されるとレーザ光源
３１からの光ビーム３２出力を停止し、測定指令信号４
８が入力するとレーザ光源３１から光ビーム３２を出力
させる。

前記各減算器４１ａ、４１ｂから出力されたアナログ信
号は除算器４９へ入力される。除算器４９は減算器４１
ａの出力信号を他方の減算器４１ｂの出力信号で除算し
て、その商に所定の定数に１を除算して、ポジションセ
ンサ３７の受光面上の反射光３６の受光位置ｙを算出す
る。除算器４９で算出された受光位置ｙは次段の補正回
路５０にて被測定物体３４の位置変位Ｘに変換される。

しかして、除算器４９および補正回路５０は位置算出手
段を構成する。

このように構成された変位測定装置において、操作部４
５から記憶指令信号４６を出力するとレーザ光源３１か
ら光ビーム３２が出力されていた場合、光ビーム３２は
直ちに出力停止される。そして、記憶指令信号４６が出
力されてから遅延回路４４で所定時間Δｔだけ遅延され
た後、各Ａ／Ｄ変換器４２ａ、４２ｂが動作する。この
遅延時間Δｔは、レーザ光源３１を消灯し、光ビーム３
２が完全に消滅したのち、ポジションセンサ３７および
電流電圧変換器３８ａ、３８ｂから先の光ビーム３２の
残像による影響が完全に消えるまでの時間に設定されて
いる。

レーザ光源３１が消灯して前記遅延時間Δｔが経過した
時点で、ポジションセンサ３７のｐ型半導体領域３７ａ
の受光面には、測定には同等関与しない周囲光による像
が形成される。そして、この周囲光を受光したことによ
る電流ｔ、、ｔｚ、すなわち暗電流が電流電圧変換回路
３８ａ、３８ｂに人力されて、対応する電圧値Ｖ１．Ｖ
２へ変換される。そして、減算器３９および加算器４０
にて電圧値（Ｖｔ　−ｖ２　）　、　　（ＶＬ　＋Ｖ２
　）が算出されて、それぞれＡ／Ｄ変換器４２ａ、４２
ｂへ人力“される。

したがって、この時点でＡ／Ｄ変換器４２ａ。

４２ｂに記憶指令信号４６が入力すると、光ビーム３２
が出力されていない場合の、ポジションセンサ３７にお
ける受光位置を示す情報の電圧値（Ｖｌ−Ｖ２　）、（
ｖ１＋ｖ２　）がデジタル値に変換されて記憶される。

このデジタル値（ＶＩ　　Ｖ２）ｌ　　（Ｖｌ　＋Ｖ２
）はそれぞれＤ／Ａ変換器４３ａ、４３ｂにて元のアナ
ログ値に変換されて減算器４１ａ、４１ｂの（−）個入
力端子へ入力されるが、この状態においては、（＋）個
入力端子に入力されている値と（−）個入力端子へ入力
されている値が等しいので、各減算器４１ａ、４１ｂの
出力値は零である。

次に、操作部４５から測定指令信号４８を出力すると、
レーザ光源３１が点灯して、光ビーム３２が出力される
。そして、この光ビーム３２は照射レンズ３３によって
被測定物体３４上で光点に結像する。被測定物体３４の
反射光３６は集光レンズ３５によって、ポジションセン
サ３７の受光面上に集光される。すなわち、被測定物体
３４上の光ビーム３２にて形成された光点の像がポジシ
ョンセンサ３７上に結像される。

したがって、ポジションセンサ３７上における光点の受
光位置に対応した電流’ｌ＋１２が検出され、電流電圧
変換回路３８ａ、３８ｂで電圧値Ｖｌ、Ｖ２へ変換され
る。そして、前述と同様に減算器３９および加算器４０
にて電圧値（ｖｌ−Ｖ２　）＋　　（ｖ１＋ｖ２　）へ
変換される。これ等の値は各減算器４１ａ、４１ｂの（
＋）個入力端子へ入力される。なお、上記多値はＡ／Ｄ
変換器４２　ａ、　　４２　ｂへも入力されるが、新た
な記憶指令信号４６が入力されていないので、これ等の
値がＡ／Ｄ変換されることはない。各減算器４１ａ２４
１ｂの（−）個入力端子には光ビーム３２消灯時におけ
る周囲光における多値が入力されているので、光ビーム
３２照射時における値から周囲光による値を減算するこ
とによって、周囲光による影響を除去できる。したがっ
て、各減算器４１ａ。

４１ｂから被測定物体３４の位置変位に起因する各電圧
値（ｖｔ　　Ｖ２　）＋　　（ｖ、＋ｖ２　）が出力さ
れ、除算器４９にてポジションセンサ３７上の受光位置
ｙが次式で算出される。

Ｙ−Ｋｘ　　（ＶＩ　　Ｖ２　）／　（Ｍｌ　＋Ｖ２　
）そして、次段の補正回路５０にて、求められた受光位
置ｙは被測定物体３４の位置変位Ｘに変換される。

このように構成された変位測定装置であれば、一旦操作
部４５から記憶指令信号４６を出力すると、光ビーム３
２消灯時における周囲光によるポジションセンサ３７上
の受光位置の情報は記憶手段としてのＡ／Ｄ変換器４２
ａ、４２ｂへ一旦記憶される。そして、光ビーム３２を
照射して正規の測定時におけるポジションセンサ３７の
受光位置の情報から減算される。したがって、周囲光の
影響を除去でき、被測定物体３４の変位測定の精度を向
上できる。

さらに、周囲光による受光位置の情報は常時Ａ／Ｄ変換
器４２ａ、４２ｂから各減算器４１ａ。

４１ｂの（−）入力端子へ入力されているので、測定の
応答特性はポジションセンサ３７の応答特性等のみに影
響されれ、従来装置のように変調・復調に起因する制限
を受けることはない。したがって、高い測定精度を維持
したまま被測定物体３４の高速変化に応答できる。

また、光ビームの変調や信号の復調等の複雑な回路構成
を用いる必要ない。したがって、装置全体の製造費を低
減できる。

さらに、操作部４５から一定時間おきに記憶指令信号４
６を送出することによって、電流電圧変換器３２ａ、３
２ｂ、減算器３９および加算器４０の零点変動による測
定誤差を最小限に抑制できる。

第３図は本発明の他の実施例に係わる変位測定装置を示
すブロック図である。第２図と同一部分には同一符号を
付しである。この実施例においては、光ビーム３２消灯
時における周囲光による各電流電圧変換器３８　ａ、　
　３８　ｂの出力電圧ｖ１　＋ｖ２が電圧記憶手段とし
ての各Ａ／Ｄ変換器５１ａ、５１ｂへ入力され、各Ａ／
Ｄ変換器５１ａ。

５１ｂでデジタル値へ変換されて記憶保持される。

そして、Ｄ／Ａ変換器５２ａ、５２ｂを介して各減算器
５３ａ、５３ｂの（−）個入力端子へ入力される。各減
算器５３ａ、５３ｂの（＋）個入力端子には光ビーム３
１照射時における各電流電圧変換器３８ａ、３８ｂから
出力された測定時におけ各電圧値Ｖｌ、Ｖ２が入力され
る。そして各減算器５３ａ、５３ｂの後段に第２図に示
した減算器３０．加算器４０が接続されている。

このように構成された変位測定装置であっても、各減算
器５３　ａ、　　５３　ｂにて周囲光及びポジションセ
ンサの暗電流による影響は除去され、次段の減算器３９
および加算器４０からは周囲光及びポジションセンサの
暗電流の影響を除去した正しい電圧値（Ｖ＋　−Ｖ２　
）、（ｖｌ　＋Ｖ２　）が得られる。したがって前述の
実施例とほぼ同様の効果を得ることが可能である。

第４図は本発明のさらに別の実施例に係わる変位測定装
置を示すブロック図である。第２図の実施例と同一部分
には同一符号が付しである。この実施例においては、記
憶手段としてサンプルホールド回路６１ａ、６１ｂを減
算器３９および加算器４０に接続している。すなわち、
制御部４５から記憶指令信号４６が入力されると、各サ
ンプルホールド回路６１ａ、６１ｂは周囲光による減算
器３９および加算器４０から出力されるアナログの電圧
値（ｖｌ　−Ｖ２　）　、　　（Ｖｔ　＋ｖ２　）を保
持する。そして、この多値は各減算器４１ａ、４１ｂの
（−）個入力端子へ入力される。

このように構成された変位測定装置であっても、周囲光
及びポジションセンサの暗電流による影響は各減算器４
１ａ、４１ｂで除去されるので、第２図の実施例とほぼ
同様の効果を得ることが可能である。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、光ビームが照射さ
れていない時の周囲光及びポジションセンサの暗電流に
よる信号を記憶しておき、この信号の値を光ビーム照射
時の値から減算するようにしている。したがって、光ビ
ーム照射時における受光位置を正確に求められ、被測定
物体の位置変化を正確に測定できるとともに、測定の応
答速度を向上できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の変位測定装置を示す図、第２図は本発
明の一実施例の変位測定装置を示すブロック図、第３図
は本発明の他の実施例の変位測定装置を示すブロック図
、第４図は本発明のさらに別の実施例の変位測定装置を
示すブロック図、第５図は従来の変位測定装置を示すブ
ロック図である。 ３１・・・レーザ光源、３２・・・光ビーム、３３・・
・照射レンズ、３４・・・被測定物体、３５・・・集光
レンズ、３７・・・ポジションセンサ、３８ａ、３８ｂ
・・・電流電圧変換器、３９・・・減算器、４０・・・
加算器、４１ａ、４１ｂ、５３ａ、５３ｂ−−−減算器
、４２ａ。 ４２　ｂ、　　５１　ａ、　　５　ｌ　ｂ・Ａ／Ｄ変換
器、４３ａ。 ４３　ｂ、　　５２　ａ、　　５２　ｂ−Ｄ／Ａ変換器
、４４　・・・遅延回路、４５・・・操作部、４９・・
・除算器、５ｏ・・・補正回路、６１ａ、６１ｂ・・・
サンプルホールド回路。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 光ビームを照射する光源と、この光ビームを被測定物体
   に投射してこの被測定物体上に光点を形成させる照射レ
   ンズと、光軸が前記照射レンズの光軸と平行しないよう
   に配置され、前記被測定物体からの反射光を集光して前
   記光点像を形成する集光レンズと、受光面にて前記集光
   レンズにて結像された光点を受光し、前記被測定物体の
   位置変化に応動して変化する前記受光面上における前記
   光点の受光位置を検出するポジションセンサと、このポ
   ジションセンサにて検出された前記光点の受光位置の変
   化から前記被測定物体の位置変化を算出する演算手段と
   を備えた変位測定装置において、前記演算手段は、前記
   光源の非出力時における前記ポジションセンサから出力
   された信号を記憶する記憶手段と、前記光源の出力時に
   おける前記ポジションセンサから出力された信号から前
   記記憶手段にて記憶された信号を減算する減算手段と、
   この減算手段にて得られた受光位置から前記被測定物体
   の位置を算出する位置算出手段とを備えたことを特徴と
   する変位測定装置。