JP5330114B2

JP5330114B2 - 変位チルトセンサ

Info

Publication number: JP5330114B2
Application number: JP2009141529A
Authority: JP
Inventors: 伸一桂
Original assignee: KATSURA OPTO SYSTEMS CO., LTD.
Current assignee: KATSURA OPTO SYSTEMS CO., LTD.
Priority date: 2008-06-13
Filing date: 2009-06-12
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2029-06-12
Also published as: JP2010019836A

Description

本発明は変位チルトセンサに関し、特に鏡面物体や光沢材質物体、金属物体等のほぼ鏡面反射する表面を有する検出物体の変位及び角度を測定するための変位チルトセンサに関する。

従来より、変位測定用投光部及び変位測定用受光部から成り、検出物体の変位を検出する変位センサが知られている。

しかしながら、検出物体は、変位のみがずれるだけでなく、検出物体の傾きもずれる場合がある。その際、受光素子の受光スポットは、検出物体が変位のみだけではなく、角度が傾いている場合にも変化する。すなわち、受光素子の受光スポットは、検出物体の変位量だけではなく、検出物体の傾き量によっても変化し、また、受光素子上の受光スポットの移動量が同じであっても、検出物体に傾きがない場合と、傾きがある場合とで、また傾き量の大きさによっても、検出物体の実際の変位量は異なっていた。このため、傾いている可能性のある検出物体の変位を検出する場合には、検出物体の傾きによって変位量に測定誤差が発生し、変位センサの測定精度を低下させる原因となっていた。

そこで、例えば特許文献１に示され、図６に示すように、検出領域に向けて変位測定用光８１を出射する変位測定用光源部８２、および、検出領域で反射された変位測定用光８１を受光する変位測定用受光部８３からなる変位測定用光学系と、検出領域に向けて傾き測定用光９１を出射する傾き測定用光源部９２、および、検出領域で反射された傾き測定用光９１を受光する傾き測定用受光部８３からなる、物体の傾きを検出するための傾き測定用光学系とを備え、検出物体の変位と傾きを同時に測定し、変位量及び傾き量を別個独立に検出する変位チルトセンサが提案されている。

しかしながら、このような変位チルトセンサは、変位測定用光学系及び傾き（角度）測定用光学系の２つの光学系を有しているため、変位チルトセンサを構成する部品数も多くなり、特に、変位測定用光源部及び傾き測定用光源部の２つの光源を有していたので、装置が大型化するという問題があった。

特開平８−２４０４０８号公報

本発明は、上述したような実情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、変位測定用光学系及び角度測定用光学系の光源を兼用し、すなわち変位チルトセンサの光源を１つとしても、検出物体の位置変位、角度変位を同時に測定することができる変位チルトセンサを提供することにある。

本発明の上記目的は、検出領域に向けて測定用光を出射する投光部、および、検出領域で反射された測定用光を受光する受光部からなる光学系を備え、前記投光部は、発光ダイオード等の投光素子と、投光レンズと、前記投光素子から出射された測定用光を細くする手段とを具備し、前記受光部は、角度検出部と変位検出部とを具備し、前記角度検出部は、角度測定用受光レンズと、角度測定用受光素子とを具備し、前記変位検出部は、変位測定用受光レンズと、変位測定用受光素子とを具備し、前記角度検出部は、前記測定用光が前記角度測定用受光レンズで集光されて前記角度測定用受光素子の上で集光するように前記角度測定用受光レンズと前記角度測定用受光素子との間の距離を調整して構成し、前記角度測定用受光素子上に集光されて生じる角度測定用受光スポットの原点位置からの移動量である角度移動量に基づいて角度測定を行い、前記変位検出部は、前記測定用光が前記変位測定用受光レンズで集光されて前記変位測定用受光素子の上で結像するように前記変位測定用受光レンズと前記変位測定用受光素子との間の距離を調整して構成し、前記変位測定用受光素子上に結像されて生じる変位測定用受光スポットの原点位置からの移動量である変位移動量に基づいて変位測定を行うことを特徴とする変位チルトセンサを提供することによって達成される。

また、本発明の上記目的は、前記測定用光を細くする手段は、ピンホール、ビームエキスパンダー、あるいは小径レンズのいずれかであることを特徴とする変位チルトセンサを提供することによって、効果的に達成される。

さらにまた、本発明の上記目的は、前記角度測定用受光レンズ及び前記変位測定用受光レンズを、１枚の受光レンズで兼用したことを特徴とする変位チルトセンサを提供することにより、より効果的に達成される。

本発明に係る変位チルトセンサによれば、検出領域に向けて測定用光を出射する投光部、および、検出領域で反射された測定用光を受光する受光部からなる光学系を備え、投光部は発光ダイオード等の投光素子と、投光レンズと、投光素子から出射された測定用光を細くする手段とを具備させ、また、受光部は角度検出部と変位検出部とを具備し、角度検出部は、角度測定用受光レンズと、角度測定用受光素子とを具備し、変位検出部は、変位測定用受光レンズと、変位測定用受光素子とを具備させた。このように、投光部に測定用光を細くする手段を設けたので、測定用光の径を細くすることができる。従って、変位測定用投光部及び角度測定用投光部とを兼用し、一つの光源及び一つの投光レンズを設ければ良いので、変位チルトセンサをより小型化することができ、またコストを抑えることもできる。さらに、測定用光の径を細くし、点光源化することができるので、測定用光１１のどの場所でも測定することができるようになり、小さな検出物体であっても、変位量及び傾き量を精度良く検出することができる。

また、変位測定用光学系と角度測定用光学系とを変位チルトセンサとして一体化することができるので、変位チルトセンサを小型軽量化することができる。

また、角度測定用受光レンズ及び変位測定用受光レンズを、１枚の受光レンズで兼用することにより、変位チルトセンサを構成する部品数を減らすことができるので、変位チルトセンサを軽量化することができると共に、変位チルトセンサの製造コストを低減することができる。加えて、変位測定用受光素子と角度測定用受光素子とを接近させて構成することができるので、変位チルトセンサを軽量化することができる。

本発明の一実施例に係る変位チルトセンサの光学系の構成を示す図である。図１に示す変位チルトセンサの角度検出原理を説明するための構成図である。図１に示す変位チルトセンサの変位検出原理を説明するための構成図である。本発明の他の実施例に係る変位チルトセンサの光学系の構成を示す図である。本発明の他の実施例に係る変位チルトセンサの光学系の概略を示す図である。従来の変位チルトセンサの光学系の構成を示す図である。

図１は本発明の一実施例に係る変位チルトセンサＡ（以下、「本変位チルトセンサＡ」と言う。）の光学系の構成を示す図であって、検出物体１の傾き量β及び変位量γを測定するものである。すなわち、本発明に係る変位チルトセンサＡは、検出領域に向けて測定用光を出射する投光部２、および、検出領域で反射された測定用光を受光する受光部３からなる光学系を備えている。

また、投光部２は、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の投光素子２１と、投光レンズ２２と、投光素子２１から出射された測定用光１１を細くする手段２３とを具備し、投光素子２１及び投光レンズ２２の互いの光軸を一致させて構成されている。そして、投光素子２１から出射された測定用光１１は、投光レンズ２２でコリメートされた後、細くする手段２３で細くされ、平行光である測定用光として検出物体１に照射されるようになっている。

なお、投光素子２１として、上記発光ダイオードの他、レーザ光を用いることもできる。また、このようなレーザ光の投光素子２１としては、ヘリウム−ネオン（Ｈｅ−Ｎｅ）レーザ、半導体レーザ素子（ＬＤ）等のレーザ発振器や、レーザ発振器から出力されたレーザ光を導く光ファイバ等の光導管などを用いることができる。

このように投光部２に測定用光１１を細くする手段２３を設けることにより、測定用光１１を点光源化することができ、コリメート性を向上させて、後述する角度測定用受光スポット及び変位測定用受光スポットのボケを小さくすることができるので、本変位チルトセンサＡは、光源である投光素子２１を１つとすることができ、本変位チルトセンサＡを小型軽量化することができる。また、このように細くする手段２３を設けることにより、測定用光１１は点光源化された平行光となるので、測定用光１１は遠くまで届く。従って、拡散光よりも、測定可能な場所を多くすることができる。なお、このように測定用光１１を細くする手段２３としては、ピンホール、ビームエキスパンダー、あるいは小径レンズを用いることができる。

また、受光部３は、測定用光１１を受光し、検出物体１の傾き角度である傾き量βを検出する角度検出部４と、測定用光１１を受光し、検出物体１の変位量γを検出する変位検出部５とを備え、また検出物体１の表面で反射した測定用光１１を、角度測定用光と変位測定用光とに分離するための半透明鏡６を具備して構成されている。また、角度測定用光を受光する角度検出部４は、位置検出素子（ＰＳＤ）や電荷結合素子（ＣＣＤ）等の角度測定用受光素子４１と、角度測定用受光レンズ４２とを具備して構成され、また変位検出部５は、位置検出素子（ＰＳＤ）や電荷結合素子（ＣＣＤ）等の変位測定用受光素子５１と、変位測定用受光レンズ５２とを具備して構成されている。

投光部２と受光部３とは、標準線ＳＬを挟んでその両側に対称に配置されており、投光部２の光軸２４と受光部３の光軸３１とはいずれも標準線ＳＬに対して等しい角度αをなしている。ここで、標準線ＳＬとは、検出物体１の変位量γを測定するための基準となる位置を示すものであって、検出物体１の変位量γとは、この標準線ＳＬ上における変位距離であると定義される。また、投光部２の光軸２４と受光部３の光軸３１とは標準線ＳＬ上の１点で交差しており、この光軸２４，３１が交差している標準軸ＳＬ上の点を標準点ＳＰと呼び、標準点ＳＰを通り標準線ＳＬと垂直な平面を標準面ＳＦと呼ぶことにする。

また、標準面ＳＦにおいて、投光素子２１及び投光レンズ２２の光軸２４が標準点ＳＰに集光するように、投光素子２１及び投光レンズ２２との間の距離を調整して投光部２を構成する。また、標準点ＳＰで反射したコリメート光である測定用光１１が角度測定用受光レンズ４２で集光されて角度測定用受光素子４１の上で集光するように角度測定用受光レンズ４２と角度測定用受光素子４１との間の距離を調整して角度検出部４を構成し、さらに、標準点ＳＰで反射し、半透明鏡を通過した測定用光１１が変位測定用受光レンズ５２で集光されて変位測定用受光素子５１の上で結像するように変位測定用受光レンズ５２と変位測定用受光素子５１との間の距離を調整して変位検出部５を構成する。

これにより、図１に実線で示すように、検出物体１が標準面ＳＦに位置している場合には、投光素子２１から出射された測定用光１１が検出物体１の表面に照射されると、測定用光１１は標準点ＳＰで１点に集光し、検出物体１の表面で鏡面反射した測定用光１１は、角度測定用受光レンズ４２及び変位測定用受光レンズ５２を通して、角度測定用受光素子４１及び変位測定用受光素子５１上で結像し、それぞれ光軸上の点で角度測定用受光スポット４３及び変位測定用受光スポット５３を形成する。以下、この傾き量β＝０の場合に生じる角度測定用受光スポット４３の位置を角度測定用の原点位置４４と言い、変位量γ＝０の場合に生じる変位測定用受光スポット５３の位置を変位測定用の原点位置５４という。

次に、図１に検出物体１（Ｂ）で示すように、検出物体１が標準線ＳＬに対してβだけ傾いている場合に、本変位チルトセンサＡにより検出物体１の傾き量βを測定する原理を説明する。この変位チルトセンサＡのうち、傾き量βを測定して検出する角度測定用光学系のみを取り出して図２に示す（ただし、半透明鏡は省略する。）。

図２に示すように、投光素子２１から出射された測定用光１１は投光レンズ２２を通過してコリメート光となり、ピンホール等の光を細くする手段２３を通過して細くされ、検出物体１の表面に照射される。このとき、検出物体１が標準線ＳＬに対してβだけ傾くと、検出物体１（Ｂ）の表面で反射した測定用光１１も光軸２４に対して傾くので、図１及び図２に破線で示すように、検出領域で反射した測定用光１１が角度測定用受光レンズ４２を通して角度測定用受光素子４１上に集光されて生じる角度測定用受光スポット４３は、角度測定用の原点位置４４から移動する。この角度測定用受光スポット４３の原点位置４４からの移動量（原点位置４４から受光強度の重心位置までの距離）を角度移動量Ｄとする。

従って、この角度測定用受光スポット４３の角度移動量Ｄを検出することにより、検出物体１の傾きｚを計算することができる。すなわち、標準点ＳＰと角度測定用受光レンズ４２との間の距離をｆ_１、角度測定用受光スポット４４の角度移動量（位置変位）をＤとすると、標準線ＳＬを基準とする検出物体の傾きｚは、下記の（数１）で表される。
（数１）
２ｆ_１ｚ＝Ｄ
この傾きｚを求めることにより、検出物体１の傾き量βが分かる。

次に、図１に検出物体１（Ｃ）で示すように、検出物体１が、標準面ＳＦからγだけ変位した場合において、本変位チルトセンサＡにより検出物体１の変位量γを測定する原理を説明する。この本変位チルトセンサＡのうち、変位量γを測定して検出する変位測定用光学系のみを取り出して図３に示す（ただし、半透明鏡は省略する。）。

図３に示すように、検出物体１が標準面ＳＦに対してγだけ変位すると、標準点ＳＰが標準点ＳＰ´の位置となる。従って、図１及び図３に二点鎖線で示すように、測定用光１１は、検出領域の標準点ＳＰ´で反射した測定用光１１が変位測定用受光レンズ５２を通って変位測定用受光素子５１上に結像されて生じる変位測定用受光スポット５３は、変位測定用の原点位置５４から移動する。この変位測定用受光スポット５３の原点位置５４からの移動量（原点位置５４から受光強度の重心位置までの距離）を変位移動量ｄとする。

従って、この変位測定用受光スポット５３の変位移動量ｄを検出することで、結像の関係から検出物体１の変位量γを計算することができる。すなわち、検出物体１の変位量をγ、変位測定用受光スポット５３の変位移動量をｄ、標準点ＳＰと標準点ＳＰ´との間の距離をｘとすると、ｘは下記の（数２）で表される。
（数２）
ｘ＝γ／ｃｏｓα
また、変位移動量ｄはｘを用いると下記の（数３）で表される。
（数３）
ｄ＝ｘ・ｓｉｎ２α
従って、上記（数２）及び（数３）から、変位移動量ｄは下記の（数４）で表される。
（数４）
ｄ＝γ・２ｓｉｎα
従って、本変位チルトセンサＡにおいて、標準点ＳＰ´と角度測定用受光レンズ４２との間の距離をｆ_２、変位測定用受光レンズ５２と変位測定用受光素子５１との間の距離をｆ_３とし、変位測定用受光スポット５３の変位移動量をｄとすると、検出物体１の変位量γは次の（数５）で表わされる。
（数５）
ｄ＝２γ（ｆ_３／ｆ_２）ｓｉｎα
このように、本変位チルトセンサＡによれば、傾き量β及び変位量γを同時に検出し、かつ独立に検出することができる。

図４は、本発明の変更例に係る変位チルトセンサＢを示す概略図である。この変位チルトセンサＢでは、受光部３の角度検出部４における角度測定用受光レンズ４２、及び変位検出部５における変位測定用受光レンズ５２の代わりに、角度測定用受光レンズ４２と変位測定用受光レンズ５２とを兼用した受光レンズ７を設けている。このように、角度測定用受光レンズ４２と、変位測定用受光レンズ５２とを兼用し、１つの受光レンズ７とすることで、角度測定用光学系と変位測定用光学系とは、光学的には分離されて互いに独立しているが、構造的には一体化され、少ない部品数となるため、本発明に係る変位チルトセンサをより小型軽量化することができる。

なお、この変位チルトセンサＢの場合の検出物体１の傾き量βの検出方法は、上述した変位チルトセンサＡと同様であるので省略するが、変位量γの検出方法は以下の通りである。

すなわち、受光レンズ７と標準点ＳＰとの距離をａ、受光レンズ７と変位測定用受光素子５１との距離（光学的路長）をｂ、受光レンズ７の焦点距離をｆとすると、これらの間にはレンズ公式による（１／ａ）＋（１／ｂ）＝（１／ｆ）の関係がある。

従って、本変位チルトセンサＢにおいて、変位量γは、γ＝（ｂ／ａ）・ｄｃｏｓαｓｉｎ２αで表わされる。

以上に詳述したように、本発明に係る変位チルトセンサによれば、構成部品数を減らすことができるので、変位チルトセンサをより小型軽量化することができる。

次に、基準面ＳＦから変位して、さらに標準線ＳＬとは別の線に対して傾いている検出物体１の傾き量βの補正方法について説明する。図５は、本発明の他の変更例に係る変位チルトセンサＣを示す概略図である。図５に示すように、検出物体１が標準面ＳＦからγだけ変位して、かつ標準線ＳＬとは別の線である基準線ＳＬ´に対してβだけ傾いている場合の、本変位チルトセンサＣにより検出物体１の傾き量β及び変位量γ´を測定し、変位量γ´を補正する原理を説明する。ここで、基準線ＳＬ´とは、傾き量がβである検出物体１と投光素子２１から出射された測定用光１１との交点をＯとしたとき、標準面ＳＦに垂直で、交点Ｏと交わる線である。

なお、この変位チルトセンサＣの構成は、上述した変位チルトセンサＡ，Ｂと同様であるので、同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略し、また分かり易さのため、図５には光路等の概略のみを示し、殆どの構成要素は省略する。また、本変位チルトセンサＣの検出物体１の傾き量βの検出方法は、上述した変位チルトセンサＡと同様であるので、その説明もまた省略し、以下では、検出物体１が基準線ＳＬ´に対してβ傾いている場合の実際の変位量を測定し、補正する方法について説明する。

図５に示すように、検出物体１が標準面ＳＦに対してγだけ変位すると、標準点ＳＰがＳＰ´の位置になる。変位量γである検出物体１が、さらに基準線ＳＬ´に対してβだけ傾くと、図５に示すように、検出物体１と標準線ＳＬとの交点がＳＰ´からＳＰ´´に移動するため、検出物体１の実際の変位量はγ´であることが分かる。以下では実際の変位量γ´を計算する方法について説明する。なお、図中の符号８は像面を示す。

図５に示すように、変位量がγで傾き量がβである検出物体１と投光素子２１から出射された測定用光１１との交点をＯとし、交点ＯからＳＰ´までの長さをＸとすると、Ｘは次の（数６）で表される。
（数６）
Ｘ＝γ・ｔａｎθ
なお、θは投光素子２１から出射された測定用光１１の入射角である。

次に、ＳＰ´からＳＰ´´までの長さをＹとすると、Ｙは次の（数７）で表される。
（数７）
Ｙ＝Ｘ・ｔａｎβ
＝γ・ｔａｎθ・ｔａｎβ
なお、βは上述したように角度測定用受光素子４１で測定された傾き量である。

従って、実際の変位移動量γ´は、次の（数８）で表される。
（数８）
γ´＝γ−Ｙ
＝γ−γ・ｔａｎθ・ｔａｎβ
＝γ（１−ｔａｎθ・ｔａｎβ）
次にγを求める。図５に示すＷは位置信号として測定されるため、Ｗは次の（数９）で表される。

（数９）
Ｗ＝Ｚ＋Ｕ
＝２γ・ｓｉｎθ＋（γ・ｃｏｓ２θ・ｔａｎ２β）／ｃｏｓθ
なお、Ｚは、投光素子２１から出射された測定用光１１と基準線ＳＬ´がなす角度と等しい角度をなす線と像面８との交点をＰとした場合の、基準点ＳＰから交点Ｐまでの距離である。また、Ｕは、投光素子２１から出射された測定用光１１が、変位量がγで傾き量がβである検出物体１の表面で反射した反射光と像面８との交点をＱとしたとき、交点Ｐから交点Ｑまでの距離である。

ここで、ｓｉｎθ＝Ｃ_１，ｃｏｓ２θ／ｃｏｓθ＝Ｃ_２，ｔａｎ２β＝Ｃ_３とすると、上記（数９）は、次の（数１０）で表される。
（数１０）
Ｗ＝２γＣ_１＋γＣ_２・Ｃ_３
γ＝Ｗ／（２Ｃ_１＋Ｃ_２・Ｃ_３）

（数１０）を（数８）に代入することにより、実際の変位量γ´を検出することができ、補正することができる。

このように、本発明に係る変位チルトセンサによれば、変位チルトセンサの構成部品を減らしても、基準線ＳＬ´に対してβだけ傾いた検出物体１の傾き量β及び実際の変位量γ´も正確に検出することができる。

１検出物体
１１測定用光
２投光部
２１投光素子
２２投光レンズ
２３測定用光を細くする手段
３受光部
４角度検出部
４１角度測定用受光素子
４２角度測定用受光レンズ
５変位検出部
５１変位測定用受光素子
５２変位測定用受光レンズ
６半透明鏡
７受光レンズ
Ａ，Ｂ，Ｃ変位チルトセンサ
β 傾き量
γ 変位量

Claims

検出領域に向けて測定用光を出射する投光部、および、検出領域で反射された測定用光を受光する受光部からなる光学系を備え、
前記投光部は、発光ダイオード等の投光素子と、投光レンズと、前記投光素子から出射された測定用光を細くする手段とを具備し、
前記受光部は、角度検出部と変位検出部とを具備し、
前記角度検出部は、角度測定用受光レンズと、角度測定用受光素子とを具備し、
前記変位検出部は、変位測定用受光レンズと、変位測定用受光素子とを具備し、
前記角度検出部は、前記測定用光が前記角度測定用受光レンズで集光されて前記角度測定用受光素子の上で集光するように前記角度測定用受光レンズと前記角度測定用受光素子との間の距離を調整して構成し、前記角度測定用受光素子上に集光されて生じる角度測定用受光スポットの原点位置からの移動量である角度移動量に基づいて角度測定を行い、
前記変位検出部は、前記測定用光が前記変位測定用受光レンズで集光されて前記変位測定用受光素子の上で結像するように前記変位測定用受光レンズと前記変位測定用受光素子との間の距離を調整して構成し、前記変位測定用受光素子上に結像されて生じる変位測定用受光スポットの原点位置からの移動量である変位移動量に基づいて変位測定を行うことを特徴とする変位チルトセンサ。
前記測定用光を細くする手段は、ピンホール、ビームエキスパンダー、あるいは小径レンズのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の変位チルトセンサ。
前記角度測定用受光レンズ及び前記変位測定用受光レンズを、１枚の受光レンズで兼用したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の変位チルトセンサ。