JP4312192B2 - 光学式変位センサおよび外力検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学式変位センサおよび外力検出装置に関し、詳しくは、基準体と検出体との相対位置の変位を光の受光位置のずれによって検出する光学式変位センサ、および、その光学式変位センサの出力に基づいて前記検出体に印加された外力を検出する外力検出装置に関する。

従来から、支持部すなわち基準体に対する受力部すなわち検出体の相対変位を光学式変位センサによって検出し、光学式変位センサからの信号に基づいて受力部に印加された外力を算出する、光学式６軸力センサ等の外力検出装置が知られている。

たとえば光学式６軸力センサでは、６軸方向の変位に基づいて６軸方向の力を算出するようにしており、６軸方向の変位を計測するための光学式変位センサを設けた構成としている。

この光学式６軸力センサは、６軸方向の変位を計測するために光センサユニットをベースとしたＸＹ方向の２軸方向の変位を計測することができる光学式変位センサを３つ設けて構成される。

光センサユニットは、光源となるＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ、発光ダイオード）と受光素子となるＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ、フォトダイオード）の光軸を一致させて対向配置する。ＰＤは４分割されて、その中心部にＬＥＤからの光が照射され、光学式変位センサでは、このＰＤにおける光の受光位置の変位すなわちＬＥＤが取り付けられた部品とＰＤが取り付けられた部品との相対位置の変位を検出することができるようになっている。

光学式６軸力センサでは、このような各光学式変位センサからの出力に基づいて、ＬＥＤが取り付けられた部品とＰＤが取り付けられた部品との間に印加された６軸力を算出する。

従来の光学式変位センサを用いた６軸力センサでは、上記３つの光学式変位センサのそれぞれが光源および受光素子を有する必要があったため、光学式変位センサごとに光源を設けなければならないし、光源の数が多ければそれだけ光源に供給する電流を多くしなければならず、消費電力の増大を招いてしまうという問題があった。

この光源の数の問題を解決するため特許文献１に開示された６軸力センサでは、光の入射端が１つで途中から３分岐し、出射端が３つになっている３分岐光ファイバを採用し、この３分岐光ファイバの１つの入射端によって１つの光源からの光を受け、３つの出射端のそれぞれを３つの受光素子のそれぞれに向けることによって、光源が１つで済むようにしている。

特開２００５−１５６４５６号公報

しかしながら、上述の従来の光学式変位センサおよびその光学式変位センサを用いた６軸力センサすなわち外力検出装置には以下のような問題があった。

特許文献１に記載の光学式変位センサでは、上述のように３分岐光ファイバを採用し、１つの光源からの光を３つの受光素子に向けるためにそれぞれの方向に光ファイバを湾曲させる必要があり、３分岐後の光ファイバを受光素子の方向へ９０°曲げるような構成であった。

このため、特許文献１に記載の光学式変位センサでは、３分岐光ファイバの曲げ部分からの漏れ光が大きく、光量損失が問題となっていた。この曲げ部からの光量損失を緩和するためには光ファイバを湾曲させる曲率半径を大きくする必要があるが、そのためには光学式変位センサ全体を大きくしなければならず、センサ小型化の要望に対して逆行してしまうという問題があった。

本発明は上記の点にかんがみてなされたもので、光源を１つで済ませながらも光量損失の問題を解決し、且つセンサの小型化を実現することができる光学式変位センサおよびその光学式変位センサを用いた外力検出装置を提供することを目的とする。

本発明は上記の目的を達成するために、基準体または検出体のどちらかに設けられた光源と、前記基準体および前記検出体のうち前記光源が設けられているのとは別のほうに設けられた受光手段とを有し、前記光源から出射される光を前記受光手段によって受光し、該受光結果に基づいて、前記光源から出射される光の中心軸と直交する面内の２軸方向における前記基準体に対する前記検出体の相対変位を計測する光学式変位センサにおいて、前記光源からの光を導光して前記受光手段に誘導する光ファイバをさらに備え、前記光ファイバの一端側の側面にて前記光源からの光を取込み、該光ファイバの他端を前記受光手段に向け、前記取込んだ光を該他端から前記受光手段に対して出射するようにし、前記光ファイバの一端側をコイル状に巻き回し、該コイル形状の中心軸上に前記光源がくるように配設し、該コイル状の光ファイバの内側面にて前記光源からの光を取込み、該光ファイバの他端を前記受光手段に向け、前記取込んだ光を該他端から前記受光手段に対して出射するようにしたことを特徴とする。

また本発明は請求項１に記載の発明において、前記光ファイバの他端と前記受光手段との間に、前記光ファイバの他端からの光を前記受光手段に集光するレンズを設けたことを特徴とする。

また本発明は請求項１または２に記載の発明において、前記光ファイバがマルチモード光ファイバであることを特徴とする。

また本発明は請求項１、２または３に記載の発明において、前記コイル状に巻き回された光ファイバが円筒状の形状であることを特徴とする。

また本発明は請求項１、２または３に記載の発明において、前記コイル状に巻き回された光ファイバが中空の円錐状の形状であることを特徴とする。

また本発明は請求項１、２または３に記載の発明において、前記コイル状に巻き回された光ファイバがお椀状の形状であることを特徴とする。

また本発明は請求項１ないし６のうちのいずれか１項に記載の発明において、前記コイル状に巻き回された光ファイバの外側面に反射フィルムを巻き付けて設けたことを特徴とする。

また本発明の外力検出装置は、請求項１ないし７のうちのいずれか１項に記載の光学式変位センサを備え、前記光学式変位センサによる計測結果の信号に基づいて、前記検出体に印加された外力を検出することを特徴とする。

また本発明の外力検出装置は、請求項８に記載の発明において、請求項１ないし７のうちのいずれか１項に記載の光学式変位センサを複数備え、前記変位を検出する２軸方向が、前記複数の光学式変位センサのそれぞれで異なるとともに、前記光源は１個の共通光源からなり、前記受光手段は前記複数の光学式変位センサと同じ数だけ設けられ、前記光ファイバは前記複数の光学式変位センサと同じ数だけ設けられ、該複数の光ファイバの一端側の側面で前記共通光源からの光を取込み、該複数の光ファイバの他端のそれぞれを前記複数の受光手段のそれぞれに向け、前記取込んだ光を該他端から前記受光手段に対して出射するようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、光源を１つで済ませながらも光量損失の問題を解決し、且つセンサの小型化を実現することができる光学式変位センサおよびその光学式変位センサを用いた外力検出装置を提供することができる。

すなわち本発明によれば、請求項１に記載のようにしたので、光ファイバの側面にて光を取込むことができ、光量を損失しないで効率のよい光学式変位センサを実現することができる。

また本発明によれば、請求項２に記載のようにしたので、光ファイバのコイル状に巻き回した内側面で光を取込むことができ、光を取込む面を広くし、より効率よく光を取込むことができるとともに、光学式変位センサを小型化することができる。

また本発明によれば、請求項３に記載のようにしたので、受光手段に光を集光することができ、変位検出の精度を向上することができる。

また本発明によれば、請求項４に記載のようにしたので、光ファイバの側面にて効率よく光を取込むことができる。

また本発明によれば、請求項５に記載のようにしたので、円筒状の内側面で光を取込むことができ、光を取込む面を広くし、より効率よく光を取込むことができるとともに、光学式変位センサを小型化することができる。

また本発明によれば、請求項６に記載のようにしたので、中空の円錐状の内側面で光を取込むことができ、光を取込む面を広くし、より効率よく光を取込むことができるとともに、光学式変位センサを小型化することができる。

また本発明によれば、請求項７に記載のようにしたので、お椀状の内側面で光を取込むことができ、光を取込む面を広くし、より効率よく光を取込むことができるとともに、光学式変位センサを小型化することができる。

また本発明によれば、請求項８に記載のようにしたので、光が反射フィルムで反射され、光ファイバの外側面でも光を取込むことができ、光を取込む面を広くし、より効率よく光を取込むことができる。

また本発明によれば、請求項９に記載のようにしたので、光量を損失しないで効率のよい光学式変位センサにて外力検出装置を実現することができる。

また本発明によれば、請求項１０に記載のようにしたので、１個の共通光源を設ければよく、外力検出装置の小型化を実現することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

なお、本実施の形態では、光学式６軸力センサに適用可能な光学式変位センサについて説明するが、本発明が適用される外力検出装置は、光学式６軸力センサすなわち６軸力を検出するものに限られないことは言うまでもない。

図１は、本発明による６軸力センサの第１の実施の形態の外観を示す斜視図である。

図１に示すように、本実施の形態の６軸力センサ２０は、円柱状の形状に形成され、本体２１ａの上部に円板上の上部蓋２１ｂがされて構成される。

図２は、図１に示した６軸力センサ２０から上部蓋２１ｂを外して上から見た概略斜視図である。

また図３は、図１に示した６軸力センサ２０から上部蓋２１ｂを外して上から見た概略平面図である。

図２および図３に示すように、本実施の形態の６軸力センサ２０は、円筒状の支持部２２と、その支持部２２の中心部に配置される受力部２３と、これら支持部２２と受力部２３との間を連結するスポーク状の弾性連結部２４を３本有するフレーム２５とを備えて構成される。

なお、本実施の形態では、外枠を支持部２２すなわち基準体とし、中心部を受力部２３すなわち検出体としたが、本発明はこれに限られるものではなく、外枠を基準体とし、中心部を検出体としてもかまわないことは言うまでもない。

フレーム２５は、アルミ合金材から切削加工および放電加工によって削り出して形成した一体のもので、弾性連結部２４は屈曲して形成され、全方向に弾性変形しやすくされている。

支持部２２および受力部２３は、計測すべき力が加えられる２部材にそれぞれ固着される。これによって、６軸力センサ２０に力が作用したとき、支持部２２と受力部２３との間に３軸方向の微少変位と３軸回りの微少回転とが生じる。

また、図２および図３に示すように、支持部２２には、３個の光センサ１（受光素子（たとえばＰＤ））が１２０度回転対称に配置されている。

一方、受力部２３には、中央上部に１個の光源２（たとえばＬＥＤ）が配置され、この光源２の下方周囲には３本の光ファイバ４の一端側をコイル状に（全体として一つのコイルを構成するように）巻き回して配置してある。３本の光ファイバ４の他端は、支持部２２の３個の光センサ１のそれぞれに１つずつ対応付けて向けられ、やはり１２０度回転対称に配置されている。この３個の光センサ１に向けられた３つの光ファイバ４の他端のそれぞれにはレンズ３が設けられている。レンズ３としては非球面樹脂レンズ等を用いることができる。なお光ファイバ４とレンズ３とは一体化されていることが望ましい。光ファイバ４としては、コア径が１０μｍ以上のマルチモードの光ファイバを用いるのが望ましい。

図２および図３に示すように、３本の光ファイバ４の上記他端の先端のそれぞれと、３個の光センサ１のそれぞれとは対向して設けられている。光源２からの光は、３本の光ファイバ４の一端側のコイル状に巻き回された部分の側面にて光ファイバ４内に取込まれ、この取込まれた光は光ファイバ４の他端からレンズ３を介して出射され、光センサ１の受光面の中央に照射される。レンズ３は、光ファイバ４の他端からの光を、光センサ１の受光面の中央に集光する役割を果たす。これら、光センサ１、光源２、レンズ３および光ファイバ４によって、光センサユニット２９すなわち光学式変位センサを構成する。

図４は、本実施の形態の光学式変位センサの構成を説明する図であり、（ａ）は光学式変位センサの概略斜視図であり、（ｂ）は光学式変位センサの概略側面図であり、（ｃ）は（ａ）や（ｂ）に示したＰＤ１の受光面を示す概略平面図である。

本実施の形態の光センサユニット２９すなわち光学式変位センサは、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、光センサすなわち受光手段であるＰＤ（フォトダイオード）１と、光源としての発光素子であるＬＥＤ（発光ダイオード）２と、巻き回された側面にてＬＥＤ２からの光を取込むとともに、他端からレンズ３を介してＰＤ１の受光面の中央に向けて光ビーム５を出射する光ファイバ４とを有して構成される。なお、光ファイバ４の出射口とＰＤ１の受光面との距離はたとえば０．５ｍｍ程度に設定される。

なお、本実施の形態では、図４（ａ）や図４（ｂ）に示すように、巻き回された光ファイバ４は、円筒状の形状である。このとき、巻き回された光ファイバ４を搭載する受力部３は、反射板としての役割を果たすことになる。

ところで、この光学式変位センサ２９においては、ＰＤ１はたとえば基準体に設けられ、ＬＥＤ２は図示していない保持部材により検出体と一体に設けられ、上述のようにＬＥＤ２から出射される光を光ファイバ４の側面にて取込み、他端からレンズ３を介してＰＤ１に対して光ビーム５として出射し、ＰＤ１はこれを受光し、この受光結果に基づいて、光ファイバ４から出射される光の中心軸と直交する面内の２軸方向における基準体に対する検出体の相対変位を計測することができる。

図４（ｃ）に示すように、ＰＤ１の受光面には４分割されたＰＤ１ａ〜１ｄが設けられており、ＬＥＤ２から出射され光ファイバ４およびレンズ３を介した光ビーム５がこの受光面に入射する。このＰＤ１ａ〜１ｄは受光素子群を形成する。

ＰＤ１の受光面に入射する光の中心軸は受光面に垂直であり、かつ、受光面に入射する光ビーム５の中心が４分割されたＰＤ１ａ〜１ｄの中心にくるように配置するのが望ましい。基準体に対する検出体の相対変位は、ＰＤ１ａ〜１ｄのそれぞれによる受光量の変化に基づいて求められる。

ここで、光源２からの光を、光ファイバ４の側面にて取込む原理について説明する。

図５は、光ファイバ４の側面での光の取込みについて説明する図であり、（ａ）は光ファイバ４の曲率半径を示す図であり、（ｂ）は光ファイバ４の曲率半径に対する光取込み効率特性をグラフにして示す図である。

光ファイバが曲げられると、コア内に導光される光の一部がその曲げ部から外部に漏れやすくなるのと同様に、外部の光はその曲げ部からファイバ４内に取込まれやすくなる。この外部の光の取込みやすさすなわち光取込み効率の特性は、光ファイバの曲げ部の曲率半径との間に図５（ｂ）に示すような関係がある。この図５（ｂ）では、曲率半径が小さいほど光取込み効率が高いことを示している。

そこで、本実施の形態の光ファイバ４では、図５（ａ）に示すように、その一端側をコイル状に巻き回した部分の曲率半径をｒとし、コイル状に巻き回した部分からその他端を光センサ１に向けられる部分の曲率半径をＲとしたとき、上記曲率半径ｒをたとえば１０ｍｍ以下とすることによって、光取込み効率を高め、光源２からの光を光ファイバ４内に取込めるようにし、一方、光センサ１に向けられる部分では、上記曲率半径Ｒをたとえば２０ｍｍ以上にすることによって、光ファイバ４内から外部への漏れ光を小さくすることができる。

図６は、本発明による６軸力センサの第２の実施の形態を示す図であり、（ａ）は第２の実施の形態の６軸力センサの概略斜視図であり、（ｂ）は第２の実施の形態の６軸力センサで用いる光学式変位センサの概略斜視図である。

図６（ａ）に示すように、本実施の形態の６軸力センサ１２１は、光ファイバ４の一端側をコイル状に巻き回した曲げ部の外側に、反射フィルム６ａ、６ｂおよび６ｃを巻き付けて構成されている。この反射フィルム６ａ、６ｂおよび６ｃは、少なくとも光ファイバ４の側の面が光反射特性を有するものである。本実施の形態において、他の構成は図２に示した第１の実施の形態と同様であるので詳しい説明は省略する。

本実施の形態では、光センサ１、光源２、レンズ３、光ファイバ４および反射フィルム６ａ、６ｂ、６ｃによって、光センサユニット１２９すなわち光学式変位センサを構成する。

光ファイバ４の一端側をコイル状に巻き回した曲げ部の外側に巻き付ける反射フィルムは、反射フィルム６ａ、６ｂおよび６ｃのように３片に分かれたものを用いてもよいし、１片のものでもよい。また、材質は銀フィルムやアルミフィルム等の薄手のものでよい。

本実施の形態によれば、光ファイバ４の一端側をコイル状に巻き回した曲げ部の外側に反射フィルムを巻き付けることによって、光源２からの光のうち、光ファイバ４の曲げ部内側の側面で取込みきれなかった分を、反射フィルム６ａ、６ｂおよび６ｃで反射させ、光ファイバ４の曲げ部外側の側面で取込むことができ、光取込み効率をより向上させることができる。

図７は、本発明による６軸力センサの第３の実施の形態を示す図であり、（ａ）は第３の実施の形態の６軸力センサで用いる光学式変位センサの概略斜視図であり、（ｂ）は第３の実施の形態の６軸力センサで用いる光学式変位センサの概略側面図である。

図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、本実施の形態の６軸力センサで用いる光学式変位センサ２２９は、光ファイバ２０４の一端側を中空の円錐状に巻き回して構成されている。本実施の形態において、他の構成は図２に示した第１の実施の形態と同様であるので詳しい説明は省略する。

本実施の形態では、光センサ１、光源２、レンズ３および光ファイバ２０４によって、光センサユニット２２９すなわち光学式変位センサを構成する。

本実施の形態のように、光ファイバ２０４の巻き回し方を円錐状にすれば、光源２からの光を効率よく取込むことができる。なお、本実施の形態においても、第２の実施の形態と同様に、巻き回された光ファイバ２０４の外側に反射フィルムを配置する構成としてもよい。

図８は、本発明による６軸力センサの第４の実施の形態を示す図であり、（ａ）は第４の実施の形態の６軸力センサで用いる光学式変位センサの概略斜視図であり、（ｂ）は第４の実施の形態の６軸力センサで用いる光学式変位センサの概略側面図である。

図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、本実施の形態の６軸力センサで用いる光学式変位センサ３２９は、光ファイバ３０４の一端側をお椀状に巻き回して構成されている。本実施の形態において、他の構成は図２に示した第１の実施の形態と同様であるので詳しい説明は省略する。

本実施の形態では、光センサ１、光源２、レンズ３および光ファイバ３０４によって、光センサユニット３２９すなわち光学式変位センサを構成する。

本実施の形態のように、光ファイバ３０４の巻き回し方をお椀状にすれば、光源２からの光を効率よく取込むことができる。なお、本実施の形態においても、第２の実施の形態と同様に、巻き回された光ファイバ３０４の外側に反射フィルムを配置する構成としてもよい。

本発明による光学式変位センサは、すでに説明したように６軸力センサなどの外力検出装置にも適用することができるが、そのほか、変位に基づいて検出することができる様々な物理量の計測に用いることができる。

本発明による６軸力センサの第１の実施の形態の外観を示す斜視図である。 図１に示した６軸力センサ２０から上部蓋２１ｂを外して上から見た概略斜視図である。 図１に示した６軸力センサ２０から上部蓋２１ｂを外して上から見た概略平面図である。 本実施の形態の光学式変位センサの構成を説明する図であり、（ａ）は光学式変位センサの概略斜視図であり、（ｂ）は光学式変位センサの概略側面図であり、（ｃ）は（ａ）や（ｂ）に示したＰＤ１の受光面を示す概略平面図である。 光ファイバ４の側面での光の取込みについて説明する図であり、（ａ）は光ファイバ４の曲率半径を示す図であり、（ｂ）は光ファイバ４の曲率半径に対する光取込み効率特性をグラフにして示す図である。 本発明による６軸力センサの第２の実施の形態を示す図であり、（ａ）は第２の実施の形態の６軸力センサの概略斜視図であり、（ｂ）は第２の実施の形態の６軸力センサで用いる光学式変位センサの概略斜視図である。 本発明による６軸力センサの第３の実施の形態を示す図であり、（ａ）は第３の実施の形態の６軸力センサで用いる光学式変位センサの概略斜視図であり、（ｂ）は第３の実施の形態の６軸力センサで用いる光学式変位センサの概略側面図である。 本発明による６軸力センサの第４の実施の形態を示す図であり、（ａ）は第４の実施の形態の６軸力センサで用いる光学式変位センサの概略斜視図であり、（ｂ）は第４の実施の形態の６軸力センサで用いる光学式変位センサの概略側面図である。

符号の説明

２０、１２１ ６軸力センサ
２１ａ 本体
２１ｂ 上部蓋
２２ 支持部
２３ 受力部
２４ 弾性連結部
２５ フレーム
１、 光センサ
２ 光源
３ レンズ
４、２０４、３０４ 光ファイバ
５ 光ビーム
６ａ、６ｂ、６ｃ 反射フィルム
２９、１２９、２２９、３２９ 光センサユニット

Claims (9)

1. 基準体または検出体のどちらかに設けられた光源と、前記基準体および前記検出体のうち前記光源が設けられているのとは別のほうに設けられた受光手段とを有し、前記光源から出射される光を前記受光手段によって受光し、該受光結果に基づいて、前記光源から出射される光の中心軸と直交する面内の２軸方向における前記基準体に対する前記検出体の相対変位を計測する光学式変位センサにおいて、
   前記光源からの光を導光して前記受光手段に誘導する光ファイバをさらに備え、
   前記光ファイバの一端側の側面にて前記光源からの光を取込み、該光ファイバの他端を前記受光手段に向け、前記取込んだ光を該他端から前記受光手段に対して出射するようにし、
   前記光ファイバの一端側をコイル状に巻き回し、該コイル形状の中心軸上に前記光源がくるように配設し、該コイル状の光ファイバの内側面にて前記光源からの光を取込み、該光ファイバの他端を前記受光手段に向け、前記取込んだ光を該他端から前記受光手段に対して出射するようにした
   ことを特徴とする光学式変位センサ。
2. 前記光ファイバの他端と前記受光手段との間に、前記光ファイバの他端からの光を前記受光手段に集光するレンズを設けたことを特徴とする請求項１に記載の光学式変位センサ。
3. 前記光ファイバがマルチモード光ファイバであることを特徴とする請求項１または２に記載の光学式変位センサ。
4. 前記コイル状に巻き回された光ファイバが円筒状の形状であることを特徴とする請求項１、２または３に記載の光学式変位センサ。
5. 前記コイル状に巻き回された光ファイバが中空の円錐状の形状であることを特徴とする請求項１、２または３に記載の光学式変位センサ。
6. 前記コイル状に巻き回された光ファイバがお椀状の形状であることを特徴とする請求項１、２または３に記載の光学式変位センサ。
7. 前記コイル状に巻き回された光ファイバの外側面に反射フィルムを巻き付けて設けたことを特徴とする請求項１ないし６のうちのいずれか１項に記載の光学式変位センサ。
8. 請求項１ないし７のうちのいずれか１項に記載の光学式変位センサを備え、前記光学式変位センサによる計測結果の信号に基づいて、前記検出体に印加された外力を検出することを特徴とする外力検出装置。
9. 請求項１ないし７のうちのいずれか１項に記載の光学式変位センサを複数備え、前記変位を検出する２軸方向が、前記複数の光学式変位センサのそれぞれで異なるとともに、
   前記光源は１個の共通光源からなり、
   前記受光手段は前記複数の光学式変位センサと同じ数だけ設けられ、
   前記光ファイバは前記複数の光学式変位センサと同じ数だけ設けられ、該複数の光ファイバの一端側の側面で前記共通光源からの光を取込み、該複数の光ファイバの他端のそれぞれを前記複数の受光手段のそれぞれに向け、前記取込んだ光を該他端から前記受光手段に対して出射するようにした
   ことを特徴とする請求項８に記載の外力検出装置。

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