JPH08240408A

JPH08240408A - 変位センサ

Info

Publication number: JPH08240408A
Application number: JP7080995A
Authority: JP
Inventors: Ritsugan Chiyou; 立岩張; Shinya Otsuki; 真也大槻
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1995-03-02
Filing date: 1995-03-02
Publication date: 1996-09-17

Abstract

(57)【要約】【構成】変位測定用投光素子１８から出射された変位
測定用光１５をダイクロイックミラー１７に透過させた
後、投光レンズ２０で集光させて検出物体１の表面に照
射する。検出物体１で反射した変位測定用光１５を受光
レンズ２３で集光し、ダイクロイックミラー２４に選択
的に通過させて変位測定用受光素子２１に結像させる。
傾き測定用投光素子１９から出射された傾き測定用光１
６（変位測定用光１５とは波長が異なる）をダイクロイ
ックミラー１７で反射させた後、投光レンズ２０でコリ
メートして検出物体１の表面に照射する。検出物体１で
反射した傾き測定用光１６を受光レンズ２３で集光し、
ダイクロイックミラー２４で選択的に反射させて傾き測
定用受光素子２２に集光させる。【効果】傾き測定用光学系で求めた検出物体の傾き量
βにより、変位測定用光学系で求めた変位量ｄを補正
し、変位量を正確に求めることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は変位センサに関する。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を測定するための変
位センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】図１は、この種の変位センサＡにおける
光学系の構成を示す図であって、三角測量法を用いて検
出物体１の変位量ｄを測定するものである。光源３は発
光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子４と投光レンズ５
とからなり、互いの光軸６を一致させて構成されてい
る。受光部７は受光レンズ８と位置検出素子（ＰＳＤ）
等の受光素子９とからなり、互いの光軸１０を一致させ
て構成されている。光源３と受光部７は、標準線ＳＬを
挟んでその両側に対称に配置されており、光源３の光軸
６と受光部７の光軸１０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ｄ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、光源３の光軸６と受光部７の光軸１０とは標準線Ｓ
Ｌ上の１点で交差しており、この光軸６，１０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Ｓ
Ｐ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。発光素子４と投光レンズ５の間の距離は、発
光素子４から出て投光レンズ５で集光された測定用光２
が標準点ＳＰで１点に集光するように調整してあり、ま
た、標準点ＳＰで反射した測定用光２が受光レンズ８で
集光されて受光素子９の上で集光するように受光レンズ
８と受光素子９の間の距離を調整してある。

【０００３】しかして、発光素子４から出射された測定
用光２を投光レンズ５で集光して検出物体１の表面に照
射すると、測定用光２は標準点ＳＰで１点に集光する。
このとき標準面ＳＦに検出物体１（Ａ）［以下、検出物
体１の表面の位置を検出物体１の位置という。］が位置
していると、図１に実線で示すように、検出物体１の表
面で鏡面反射した測定用光２は受光レンズ８を通して受
光素子９上で結像し、光軸１０上の点で受光スポットを
形成する。

【０００４】これに対し、標準面ＳＦから変位した検出
物体１（Ｂ）の場合には、図１に破線で示すように、測
定用光２が受光レンズ８を通して受光素子９上に集光さ
れて生じる受光スポットが移動するので、この受光スポ
ットの移動量（光軸上の点から受光強度の重心位置まで
の距離）ｘを検出することにより検出物体１の変位量ｄ
を計算することができる。すなわち、標準点ＳＰと受光
レンズ８との距離をａ、受光レンズ８と受光素子９との
距離をｂとし、受光スポットの移動量をｘとすると、標
準面ＳＦを基準とする検出物体１の変位量ｄは、三角測
量法の原理により求めることができ、次の式で表わさ
れる。

【０００５】

【数１】

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような変位センサＡにあっては、標準線ＳＬの方向に変
位し、さらに標準線ＳＬに対して傾いている検出物体１
（Ｃ）の場合には、図１に２点鎖線で示すように、受光
素子９上の受光スポットはさらに移動し、受光素子９か
らの出力が変化する。しかも、この変位量ｄと傾き量β
とを分けて独立に検出することもできなかった。

【０００７】このように受光スポットの移動量ｘは、検
出物体１の変位量ｄだけでなく、検出物体１の傾き量β
によっても変化し、受光素子９上の受光スポットの移動
量ｘが同じであっても、検出物体１に傾きがない場合
（β＝０）と傾きがある場合（β≠０）とで、また傾き
量βの大きさによっても、検出物体１の実際の変位量ｄ
は違ってくる。このため、傾いている可能性のある検出
物体１の変位を検出する場合には、検出物体１の傾きに
よって変位量ｄに測定誤差が発生し、変位センサＡの測
定精度を低下させる原因となっていた。

【０００８】本発明は叙上の従来例の欠点に鑑みてなさ
れたものであって、変位センサに傾き測定用光学系を付
与し、変位と同時に傾きを測定可能にすることを目的と
している。さらに、傾き測定用光学系により検出した検
出物体の傾きを用いて、計測した検出物体の変位量を補
正し、変位量を高精度に測定できるようにすることを目
的としている。

【０００９】

【発明の開示】本発明の請求項１に記載の変位センサ
は、検出領域に向けて変位測定用光を出射する変位測定
用光源部、および、検出領域で反射された変位測定用光
を受光する変位測定用受光部からなる変位測定用光学系
と；検出領域にある物体の傾きを検出するための傾き測
定用光学系と；を備えたことを特徴としている。

【００１０】しかして、変位測定用光源部から出射され
た変位測定用光は検出物体上に照射される。検出物体で
反射した変位測定用光は変位測定用受光部に結像され
る。従って、変位測定用受光部の結像位置より検出物体
の変位量を知ることができる。また、この変位センサは
傾き測定用光学系を備えているので、検出物体の傾き量
も同時に計測することができる。しかも、変位測定用光
学系と傾き測定用光学系とを変位センサとして一体化す
ることができるので、傾き測定用光学系を有する変位セ
ンサを小型化することができる。

【００１１】また、請求項２に記載の実施態様にあって
は、前記傾き測定用光学系からの出力情報に基づいて、
前記変位測定用光学系の出力情報を補正する補正手段を
さらに備えたことを特徴としている。

【００１２】変位量測定の結果は検出物体の傾き量によ
って影響を受けるが、傾き量測定の結果は検出物体の変
位量によって影響を受けないので、傾き量は精度良く検
出することができる。従って、この実施態様により、変
位量測定と同時に測定された傾き量を用いて変位量を補
正すれば、傾きの有無やその大きさに影響されない変位
量を高精度に求めることができる。

【００１３】しかも、変位測定用光学系と傾き測定用光
学系とが一体化されているので、変位量と傾き量とを同
時に計測することができ、測定及び補正の信頼性を高め
ることができる。

【００１４】請求項３に記載の実施態様にあっては、前
記傾き測定用光学系は、傾き測定用光を出射する傾き測
定用投光素子と、傾き測定用投光素子から出射された傾
き測定用光をコリメートして検出物体に照射させる傾き
測定用投光レンズと、検出物体で反射した傾き測定用光
を集光させる傾き測定用受光レンズと、当該受光レンズ
の焦点位置に配置された傾き測定用受光素子とから構成
されている。

【００１５】しかして、傾き測定用投光素子から出射さ
れた傾き測定用光は傾き測定用投光レンズでコリメート
光に変換されて検出物体に照射され、検出物体で反射さ
れた傾き測定用光は傾き測定用受光レンズを通して傾き
測定用受光素子上に集光させられる。従って、傾き測定
用受光素子の受光位置より検出物体の傾き量を知ること
ができる。しかも、コリメート光を検出物体に照射し、
傾き測定用受光素子を傾き測定用受光レンズの焦点位置
に配置しているので、検出物体の変位に影響されること
なく、傾き量を単独で高精度に計測することができる。

【００１６】請求項４に記載の実施態様にあっては、前
記傾き測定用光学系は、傾き測定用光であるレーザ光を
検出物体に向けて出射する傾き測定用投光素子と、検出
物体で反射した傾き測定用光を屈折させる傾き測定用受
光レンズと、当該受光レンズの焦点位置に配置された傾
き測定用受光素子とから構成されている。

【００１７】しかして、傾き測定用投光素子から出射さ
れたレーザ光（傾き測定用光）は検出物体に照射され、
検出物体で反射されたレーザ光は傾き測定用受光レンズ
を通して傾き測定用受光素子上に集光させられる。従っ
て、傾き測定用受光素子の受光位置より検出物体の傾き
量を知ることができる。しかも、傾き測定用光としてレ
ーザ光を用い、傾き測定用受光素子を傾き測定用受光レ
ンズの焦点位置に配置しているので、検出物体の変位に
影響されることなく、傾き量を単独で高精度に計測する
ことができる。また、傾き測定用光としてレーザ光を用
いることにより傾き測定用投光レンズを不要にでき、傾
き測定用光学系の構成を簡略化し、変位センサの小型軽
量化と低コスト化を図ることができる。

【００１８】また、請求項５に記載の実施態様にあって
は、前記傾き測定用受光レンズが、前記変位測定用受光
部の受光レンズを兼用していることを特徴としている。

【００１９】従って、この実施態様によれば、変位測定
用光学系と傾き測定用光学系の受光レンズを兼用するこ
とによって部品点数を減らすことができ、変位センサの
コストを低減することができる。さらに、受光レンズを
兼用することにより、受光レンズの部品点数を減らすと
共に変位測定用受光素子と傾き測定用受光素子を接近さ
せて構成することができ、変位センサを非常に小型軽量
化することができる。

【００２０】また、請求項６に記載の実施態様にあって
は、前記傾き測定用投光レンズが、前記変位測定用光源
部の投光レンズを兼用していることを特徴としている。

【００２１】従って、この実施態様によれば、投光レン
ズを兼用することによって部品点数を減らすことがで
き、変位センサのコストを低減することができる。さら
に、投光レンズを兼用することにより、投光レンズの部
品点数を減らすと共に変位測定用光源と傾き測定用光源
を接近させて構成することができ、変位センサを非常に
小型軽量化することができる。

【００２２】また、請求項７に記載の実施態様にあって
は、前記変位測定用光源部が投光レンズを有し、前記変
位測定用受光部が受光レンズを有し、当該変位測定用受
光レンズの開口径が当該変位測定用投光レンズの開口径
以上の寸法を有していることを特徴としている。

【００２３】投光レンズ径が小さいほど検出物体に照射
される変位測定用光の焦点深度が深くなり、検出物体が
移動しても検出物体上のスポット径の変化が小さくな
り、変位測定用受光素子上での像（受光強度パターン）
にボケが生じにくくなる。一方、受光レンズは検出物体
に傾きがある場合などにも変位測定用光を受光できるよ
う大きい方が好ましい。従って、受光レンズ径は少なく
とも投光レンズ径と等しいか、投光レンズ径よりも大き
いことが望ましい。

【００２４】請求項８に記載の実施態様にあっては、変
位測定用光により検出物体の表面に生じる光スポット
が、傾き測定用光により検出物体の表面に生じる光スポ
ットの内部にあることを特徴としている。

【００２５】しかして、変位測定用光と傾き測定用光が
検出物体の同一箇所に照射されるので、同一箇所で変位
測定と傾き測定を行え、変位の補正精度が向上する。ま
た、小さな検出物体の場合にも変位測定と傾き測定を行
うことができる。

【００２６】また、請求項９に記載の実施態様にあって
は、前記変位測定用光と前記傾き測定用光とが互いに波
長を異にしていることを特徴としている。

【００２７】波長の異なる変位測定用光と傾き測定用光
を用いることにより、変位測定と傾き測定とを干渉させ
ることなく、精度よく行わせることができる。

【００２８】例えば、請求項１０に記載の実施態様のよ
うに、変位測定用光源部及び傾き測定用光学系の光源側
から出射された互いに波長の異なる変位測定用光及び傾
き測定用光を光合成器で重ね合わせて検出物体に照射す
れば、両測定箇所を一致させることができるので、変位
の補正精度が向上する。また、投光レンズを用いる場合
には、投光レンズの共用化を図ることができる。しか
も、両測定用光を重ね合せても波長が異なっているの
で、測定結果を別々に分離して取り出すことができる。

【００２９】すなわち、請求項１１の実施態様のよう
に、互いに重なり合った波長の異なる変位測定用光及び
傾き測定用光を波長分離器で分離し、変位測定用光を変
位測定用受光部へ導き、傾き測定用光を傾き測定用光学
系の受光側へ導くようにすれば、変位測定用光学系と傾
き測定用光学系とを干渉させることなく、変位量と傾き
量とを精度よく測定することができる。

【００３０】また、請求項１２に記載の実施態様にあっ
ては、前記変位測定用光と前記傾き測定用光がいずれも
偏光であって、その偏光方向が互いに異なっていること
を特徴としている。

【００３１】この実施態様によれば、偏光方向の異なる
変位測定用光と傾き測定用光を用いることにより、変位
測定と傾き測定とを干渉させることなく、精度よく行わ
せることができる。

【００３２】例えば、請求項１３に記載の実施態様のよ
うに、変位測定用光源部及び傾き測定用光学系の光源側
から出射された互いに偏光方向の異なる変位測定用光及
び傾き測定用光を光合成器で重ね合わせて検出物体に照
射すれば、両測定箇所を一致させることができるので、
変位の補正精度が向上する。また、投光レンズを用いる
場合には、投光レンズの共用化を図ることができる。し
かも、両測定用光を重ね合せても偏光方向が異なってい
るので、測定結果を別々に分離して取り出すことができ
る。

【００３３】すなわち、請求項１４の実施態様のよう
に、互いに重なり合った偏光方向の異なる変位測定用光
及び傾き測定用光を偏光分離器を用いて分離し、変位測
定用光を変位測定用受光部へ導き、傾き測定用光を傾き
測定用光学系の受光側へ導くようにすれば、変位測定用
光学系と傾き測定用光学系とを干渉させることなく、変
位量と傾き量とを精度よく測定することができる。

【００３４】請求項１５に記載の実施態様にあっては、
傾き測定用投光レンズの入射側焦点位置に微小開口の開
口絞りを設けたことを特徴としている。

【００３５】しかして、この実施態様によれば、投光レ
ンズに入射させる傾き測定用光を点光源化することがで
きるので、投光レンズを通過した傾き測定用光のコリメ
ート精度を向上させることができ、傾き測定用受光素子
上の光軸上に正確に集光させることができ、傾き測定精
度を向上させることができる。

【００３６】請求項１６に記載の実施態様にあっては、
傾き測定用投光レンズの入射側に、傾き測定用光のビー
ムサイズを制限するための開口絞りを設けたことを特徴
としている。

【００３７】しかして、この実施態様によれば、開口絞
りにより傾き測定用光のビームサイズを小さくすること
ができるので、小さな検出物体を測定するのに適する。

【００３８】

【実施例】図２は本発明の一実施例による変位センサＢ
の光学系を示す図である。ここで、ＳＬ，ＳＦ，ＳＰ
は、図１と同じくそれぞれ標準線、標準面、標準点を表
わし、投光部１１の光軸１２と受光部１３の光軸１４と
は標準点ＳＰで交わり、いずれも標準線ＳＬと等しい角
度αをなしている。投光部１１は、変位測定用光源部
と、傾き測定用光源部と、両光源部から出射された変位
測定用光１５と傾き測定用光１６を光軸合わせして重ね
合せるための光合成器（１７）とから構成されている。

【００３９】変位測定用光源部は、発光ダイオード（Ｌ
ＥＤ）等の変位測定用投光素子１８と投光レンズ（２
０）とからなり、傾き測定用光源部は、発光ダイオード
（ＬＥＤ）等の傾き測定用投光素子１９と投光レンズ
（２０）とからなり、変位測定用光源部の投光レンズと
傾き測定用光源部の投光レンズは１枚の投光レンズ２０
により兼用されている。ここで、変位測定用投光素子１
８から出射される変位測定用光１５の波長と傾き測定用
投光素子１９から出射される傾き測定用光１６の波長と
は互いに異なっている。このためには、例えば変位測定
用投光素子１８と傾き測定用投光素子１９として、互い
に発光波長の異なる発光ダイオードを用いればよい。あ
るいは、変位測定用投光素子１８と光合成器（１７）の
中間と傾き測定用投光素子１９と光合成器（１７）との
中間にそれぞれ透過波長の異なるフィルタを設けても良
い。

【００４０】また、この実施例で用いている光合成器と
は、（波長の異なる）複数の光を重ね合わせて出力する
光学素子であって、この実施例ではダイクロイックミラ
ー１７を用いている。このダイクロイックミラー１７
は、変位測定用光１５の波長域の光に対して高い透過率
を示し、傾き測定用光１６の波長域の光に対して高い反
射率を示すものであって、ダイクロイックミラー１７の
一方に変位測定用投光素子１８を配置し、他方に傾き測
定用投光素子１９を配置し、変位測定用投光素子１８か
ら出射されてダイクロイックミラー１７を透過した変位
測定用光１５と傾き測定用投光素子１９から出射されて
ダイクロイックミラー１７で反射された傾き測定用光１
６とが共軸状に重ね合わされた後、投光レンズ２０を通
って検出物体１に照射されるように配置している。

【００４１】なお、ダイクロイックミラー１７として
は、変位測定用光１５の波長域の光に対して高い反射率
を示し、傾き測定用光１６の波長域の光に対して高い透
過率を示すものであってもよく、その場合には変位測定
用投光素子１８と傾き測定用投光素子１９の配置は図２
とは逆になる。また、ここでいう光合成器としてはダイ
クロイックミラーに限るものでなく、例えば、効率は低
下するが、ハーフミラー等を用いることもできる。ま
た、光通信用の各種光合波器を用いることもできる。

【００４２】この投光部１１においては、変位測定用光
源部は集光系となっており、変位測定用投光素子１８か
ら出射した変位測定用光１５はダイクロイックミラー１
７を透過した後、投光レンズ２０で集光され、標準点Ｓ
Ｐに収束するようになっている。従って、変位測定用投
光素子１８と投光レンズ２０は光軸１２を一致させて配
置されており、その間の距離（光学的路長）は投光レン
ズ２０の焦点距離よりも長くなっている。また、傾き測
定用光源部はコリメート系となっており、傾き測定用投
光素子１９から出射した傾き測定用光１６はダイクロイ
ックミラー１７で反射された後、投光レンズ２０でコリ
メートされ、コリメート光として検出物体１に照射され
るようになっている。従って、傾き測定用投光素子１９
と投光レンズ２０は光軸１２を一致させて配置されてお
り、その間の距離（光学的路長）は投光レンズ２０の焦
点距離に等しくなっている。

【００４３】変位センサＢの受光部１３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２１及び傾き測定用受光素子２２と、変位測定
用及び傾き測定用を兼ねた受光レンズ２３と、重なり合
った変位測定用光１５と傾き測定用光１６を分離するた
めの波長分離器（２４）とから構成されている。この実
施例の波長分離器とは、重なり合った波長の異なる複数
の光を分離して出力する光学素子であって、この実施例
では光合成器と同様にダイクロイックミラー２４を用い
ている。図２に示されているダイクロイックミラー２４
も、変位測定用光１５の波長域の光に対して高い透過率
を示し、傾き測定用光１６の波長域の光に対して高い反
射率を示すものであって、透過側の光軸１４上に変位測
定用投光素子１８が配置され、反射側の光軸１４上に傾
き測定用受光素子２２が配置されている。しかして、検
出物体１で反射された変位測定用光１５と傾き測定用光
１６が受光レンズ２３を通過し、互いに重なりあった状
態でダイクロイック２４に入射すると、変位測定用光１
５はダイクロイックミラー２４を透過して変位測定用受
光素子２１に入射し、傾き測定用光１６はダイクロイッ
クミラー２４で反射して傾き測定用受光素子２２に入射
する。

【００４４】なお、波長分離器のダイクロイックミラー
２４としても、変位測定用光１５の波長域の光に対して
高い反射率を示し、傾き測定用光１６の波長域の光に対
して高い透過率を示すものであってもよく、その場合に
は変位測定用受光素子２１と傾き測定用受光素子２２の
配置は図２とは逆になる。また、この波長分離器として
はダイクロイックミラーに限るものではないが、波長弁
別性のないハーフミラーを単独で用いることはできな
い。しかし、ハーフミラーと波長選択フィルタとを組合
せて用いることはできる。また、光通信用の各種光分波
器を用いることもできる。

【００４５】この受光部１３においては、変位測定用受
光素子２１と受光レンズ２３からなる変位測定用受光部
は結像系となっており、検出物体１の表面で鏡面反射さ
れた変位測定用光１５は受光レンズ２３で集光された
後、ダイクロイックミラー２４を透過して変位測定用受
光素子２１上に集光される。従って、受光レンズ２３と
変位測定用受光素子２１は光軸１４を一致させて配置さ
れており、受光レンズ２３と変位測定用受光素子２１と
の距離（光学的路長）は受光レンズ２３の焦点距離ｆよ
りも長くなっている。特に、標準点ＳＰで反射された光
は変位測定用受光素子２１の光軸１４上の点（変位測定
用受光素子２１上の座標原点）で収束するようになって
いるので、受光レンズ２３と標準点ＳＰとの距離をａ、
受光レンズ２３と変位測定用受光素子２１との距離（光
学的路長）をｂ、受光レンズ２３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。また、傾き測定用受
光部は傾き測定用受光素子２２と受光レンズ２３とから
なり、検出物体１の表面で反射された傾き測定用光（コ
リメート光）１６は受光レンズ２３で集光された後、ダ
イクロイックミラー２４で反射して傾き測定用受光素子
２２上に集光される。従って、受光レンズ２３と傾き測
定用受光素子２２は光軸１４を一致させて配置されてお
り、その間の距離（光学的路長）は受光レンズ２３の焦
点距離ｆに等しくなっており、光軸１４と平行な傾き測
定用光１６は傾き測定用受光素子２２上の受光レンズ２
３の焦点位置（傾き測定用受光素子２２の座標原点）に
集光する。

【００４６】従って、この変位センサＢにあっては、変
位測定用投光素子１８、投光レンズ２０（兼用）、受光
レンズ２３（兼用）及び変位測定用受光素子２１によっ
て変位測定用光学系が構成され、傾き測定用投光素子１
９、投光レンズ２０（兼用）、受光レンズ２３（兼用）
及び傾き測定用受光素子２２によって傾き測定用光学系
が構成されており、変位測定用光学系と傾き測定用光学
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、少ない部品点数でコンパクトに
構成されている。

【００４７】まず、この変位センサＢにより検出物体１
の傾きを測定する原理を説明する。この変位センサＢの
うち、傾き測定用光学系のみを取り出して図３に示す
（ダイクロイックミラー１７，２４による効果は省略す
る）。傾き測定用投光素子１９は投光レンズ２０の焦点
に配置されているので、傾き測定用投光素子１９から出
射された傾き測定用光１６は投光レンズ２０を通過して
コリメート光となり、検出物体１の表面に投射される。
検出物体１が傾いていない（β＝０）場合には、検出物
体１（Ａ）の表面で反射された傾き測定用光１６は光軸
１４と平行なコリメート光として受光レンズ２３に入射
する。傾き測定用光１６は受光レンズ２３の焦点に集光
するので、傾き測定用受光素子２２の原点位置（ｙ＝
０）に集光し、受光スポットを生じる。

【００４８】これに対し、検出物体１がβだけ傾くと、
検出物体１（Ｂ）の表面で反射した傾き測定用光１６は
光軸１４に対して２β傾くので、図３から分かるよう
に、焦点距離ｆの位置で集光する受光スポットは原点位
置からｙ＝ｆ・tan（２β） … だけ移動することになる。従って、傾き測定用受光素子
２２上における受光スポットの移動量ｙを検出すること
により、検出物体１（Ｂ）の傾き量βを求めることがで
きる。

【００４９】一方、検出物体１が一定の傾き量βを保っ
たままで平行移動した場合には、検出物体１で反射され
た傾き測定用光１６の光軸１４に対する角度２βは変化
しないので、傾き測定用受光素子２２上の受光スポット
の位置［ｙ＝ｆ・tan（２β）］は変化しない。すなわ
ち、傾き測定用光学系は検出物体１の変位量ｄに影響さ
れることなく、傾き量βだけを精度良く検出することが
できる。

【００５０】次に、この変位センサＢにより検出物体１
の変位を測定する原理を説明する。この変位センサＢの
うち、変位測定用光学系のみを取り出して図４に示す
（ダイクロイックミラー１７，２４による効果は省略す
る）。変位測定用投光素子１８から出射された変位測定
用光１５は投光レンズ２０により集光されて標準点ＳＰ
に収束するので、検出物体１が標準面ＳＦにあれば、検
出物体１の表面で反射された変位測定用光１５は受光レ
ンズ２３で集光され、変位測定用受光素子２１上の原点
（ｘ＝０）に受光スポットを生じる。また、検出物体１
がｄだけ変位すると、標準点ＳＰから２ｄの位置に標準
点ＳＰの鏡像を生じるので、図４に示すように変位測定
用受光素子２１上の受光スポットはｘだけ移動する。こ
の変位測定用受光素子２１上での受光スポットの移動量
ｘを検出すれば、結像の関係から検出物体１の変位量ｄ
を求めることができる。しかし、変位測定用光学系の場
合には、従来例でも説明したように、検出物体１の傾き
量βによっても受光スポットの移動量ｘが影響を受け
る。

【００５１】上記のように、変位測定用光学系による変
位量の測定結果、つまり移動量ｘの値は検出物体１の変
位量ｄ及び傾き量βの関数となっているが、傾き量βは
傾き測定用光学系によって正確、かつ独立に求めること
ができる。従って、傾き測定用受光素子２２上での受光
スポットの移動量ｙから傾き量βを求めれば、変位測定
用受光素子２１上での受光スポットの移動量ｘと傾き量
βとから正確に変位量ｄを求めることができる。

【００５２】図５は検出物体１が標準軸ＳＬ上でｄだけ
変位し、しかもβだけ傾いたときの様子を示している。
このときβだけ傾いた検出物体１による標準点ＳＰの鏡
像が変位測定用受光素子２１上の原点からｘの位置に結
像する。この鏡像と受光レンズ２３との距離はａ＋２ｄ
cosβcos（α＋β）、鏡像と光軸１４との距離は２ｄco
sβsin（α＋β）であるから、結像の関係より、移動量
ｘは次の式で表わされる。

【００５３】

【数２】

【００５４】ここで、移動量ｄは標準点ＳＰと受光レン
ズ２３との距離ａに較べて十分に小さく、２ｄ<<ａであ
るとすると、上記式は次の式のように簡単になる。

【００５５】

【数３】

【００５６】従って、検出物体１の変位量ｄは移動量ｘ
に比例し、次の式より求めることができる。

【００５７】

【数４】

【００５８】図６は変位センサＢの信号処理回路の一例
を示すブロック図であって、移動量演算回路２７は傾き
測定用受光素子２２の出力から、受光スポットの移動量
ｙを求める。ついで、傾き量演算回路２８は、例えば上
記式に基づき、移動量演算回路２７で求めた移動量ｙ
から検出物体１の傾き量βを求める。求めた傾き量βは
変位量演算部２６及び外部へ出力される。また、移動量
演算回路２５は変位測定用受光素子２１の出力から、受
光スポットの移動量ｘを求める。ついで、変位量演算回
路２６は、例えば上記式に基づき、移動量演算回路２
５で求めた移動量ｘと傾き量演算回路２８で求めた傾き
量βから検出物体１の変位量ｄを求める。求めた変位量
ｄは出力される。この結果、変位センサＢからは、高精
度に求めた変位量ｄと傾き量βとを出力することができ
る。

【００５９】図７は変位測定用光学系における検出物体
１上のスポット径の変化と変位測定用受光素子２１上で
の受光強度分布を示す図である。すなわち、２９ａ，２
９ｂ，２９ｃは、検出物体１がｄ＝−Ｄ，０，＋Ｄの位
置にあるときの検出物体１上でのスポット径を示し、３
０ａ，３０ｂ，３０ｃは、検出物体１がｄ＝−Ｄ，０，
＋Ｄの位置にあるときの変位測定用受光素子２１上での
受光強度分布を示している。投光レンズ２０の開口数Ｎ
Ａが小さければ、投光スポット径２９ａ，２９ｂ，２９
ｃが大きくなるが、焦点深度は小さくなり、変位測定範
囲以内でスポット径２９ａ，２９ｂ，２９ｃの変化が大
きくなる。このため図７の２９ａ，２９ｂ，２９ｃのよ
うに検出物体１が変位したときのスポット径の変化が大
きくなり、図７の３０ａ，３０ｂ，３０ｃのように変位
測定用受光素子２１上の像にボケが生じ、変位測定の誤
差の一つの原因となる。従って、できる限り変位測定範
囲内で投光スポット径の変化がないように、あるいは、
投光スポット径の変化を小さくなるようにする必要があ
る。そのため、投光レンズ２０はその開口径を小さく
（開口数ＮＡを大きく）すれば、変位測定用受光素子２
１上での像のボケを防ぐ効果が得られる。一方、変位測
定用受光部では、検出物体１の傾きがあっても、その変
位を検出できるようにするため、受光レンズ２３の開口
径は大きくする必要がある。従って、受光レンズ２３の
開口径は少なくとも投光レンズ２０の開口径と等しい
か、あるいは投光レンズ２０の開口径よりも大きくする
ことが望ましい。

【００６０】図８は本発明の別な実施例による変位セン
サＣを示す概略図である。この変位センサＣでは、ダイ
クロイックミラー１７を用いて変位測定用光１５と傾き
測定用光１６を重ね合せ、測定範囲を変位測定用光１５
が広がって傾き測定用光１６よりも外へ広がらない範囲
に制限し、常に変位測定用光１５が傾き測定用光１６の
内部にあるようにしている。従って、検出物体１の変位
測定箇所と傾き測定箇所とを一致させることができ、変
位量ｄを傾き量βで正確に補正することができる。特
に、小さな検出物体１の場合にも確実に傾き量βを測定
して変位量ｄを補正することができ、測定結果の信頼性
が向上する。さらに、この変位センサＣでは、傾き測定
用投光素子１９及び傾き測定用受光素子２２が変位測定
用投光素子１８及び変位測定用受光素子２１よりも中心
寄り（標準軸ＳＬ側）に配置し、変位センサＢの外形寸
法を小さくしている。

【００６１】図９は本発明のさらに別な実施例による変
位センサＤを示す図である。この変位センサＤにあって
は、傾き測定用投光素子１９の光出射口に、つまり投光
レンズ２０の焦点位置に開口絞り３１を設けている。し
かして、傾き測定用光１６を開口絞り３１のピンホール
３２を通して出射させることにより傾き測定用投光素子
１９を点光源とみなすことができ、傾き測定用光１６の
コリメート性を向上させ、傾きがないときの検出物体１
からの反射光を受光レンズ２３の焦点に、つまり傾き測
定用受光素子２２の原点の小さな領域に集中させること
ができる。つまり、受光スポットのボケを小さくでき
る。

【００６２】図１０は本発明のさらに別な実施例による
変位センサＥを示す図である。この変位センサＥにあっ
ては、傾き測定用投光素子１９とダイクロイックミラー
１７の中間において傾き測定用投光素子１９から一定距
離離れた位置に開口絞り３３を設けている。開口絞り３
３の開口３４を通して傾き測定用光１６を出射すること
により投光レンズ２０の入射瞳を小さくすることがで
き、傾き測定用光１６のビームサイズを投光レンズ２０
の開口径より小さくできる。従って、この変位センサＥ
は、小さい検出物体１を検出する用途に適している。

【００６３】図１１に示すものは本発明のさらに別な実
施例による変位センサＦを示す図である。この実施例に
あっては、傾き測定用光源部において、一端でピンホー
ル状に小さくなった円錐状の開口３６を有する開口絞り
３５を用いている。しかして、この開口絞り３５によれ
ば、受光スポットのボケを小さくすると共に変位測定用
光１５のビームサイズを小さくできる。

【００６４】図１２に示すものは本発明のさらに別な実
施例による変位センサＧを示す図であって、ダイクロイ
ックミラー１７，２４のような光合成器や波長分離器に
かえて偏光ビームスプリッタのような光合成器と偏光分
離器を用いたものである。この変位センサＧにおいて
は、変位測定用投光素子１８と傾き測定用投光素子１９
とからはいずれも直線偏光の変位測定用光１５と傾き測
定用光１６とが出射されており、変位測定用光１５と傾
き測定用光１６の偏光方向は互いに直交している。ある
いは、変位測定用投光素子１８と傾き測定用投光素子１
９の光出射口付近にそれぞれ偏光方向を直交させて偏光
子を設けることにより、変位測定用光１５と傾き測定用
光１６を偏光させてもよい。

【００６５】この変位センサＧの投光部１１では、偏光
方向の異なる変位測定用光１５と傾き測定用光１６とを
重ね合せるために光合成器（３８）を用いている。ここ
でいう光合成器とは、複数の光（偏光）を重ね合わせて
出力する光学素子であって、この実施例では偏光ビーム
スプリッタ（ＰＢＳ）３８を用いている。この偏光ビー
ムスプリッタ３８は、ある方向の偏光を透過させ、直交
する別な方向の偏光を反射させる光学素子であって、図
１２では変位測定用光１５を透過させ、傾き測定用光１
６を反射させるようにしている。従って、変位測定用投
光素子１８から出射された変位測定用光１５は偏光ビー
ムスプリッタ３８を透過し、傾き測定用投光素子１９か
ら出射された傾き測定用光１６は偏光ビームスプリッタ
３８で反射され、変位測定用光１５と傾き測定用光１６
は共軸状に重ね合わされ、検出物体１の表面に照射され
る。もちろん、変位測定用投光素子１８と傾き測定用投
光素子１９は逆の配置になっていても差し支えない。

【００６６】また、受光部１３では、検出物体１で反射
された変位測定用光１５及び傾き測定用光１６を偏光分
離器（３９）に入射させている。偏光分離器とは、偏光
方向の直交した偏光のうち、一方の偏光方向の光を反射
させ、他方の偏光方向の光を透過させるものであって、
ここでは偏光ビームスプリッタ３９が用いられている。
従って、重なり合った変位測定用光１５及び傾き測定用
光１６を偏光ビームスプリッタ３９で分離し、変位測定
用光１５を透過させて変位測定用受光素子２１に入射さ
せ、傾き測定用光１６を反射させて傾き測定用受光素子
２２に入射させ、変位量ｄと傾き量βを分離して測定で
きるようにしている。

【００６７】なお、この光合成器としてもハーフミラー
等を用いることもできる。また、この偏光分離器として
もハーフミラー単独では用いることはできないが、ハー
フミラーと検光子を組合せて用いることはできる。

【００６８】上記のように偏光ビームスプリッタ３８，
３９のような光合成器や偏光分離器を用いた変位センサ
においても、ダイクロイックミラー１７，２４のような
光合成器や波長分離器を用いた変位センサと同様な種々
の実施例が可能である。例えば、図１３に示す変位セン
サＨは、図１０の光センサＥと同様、開口絞り３３によ
って傾き測定用光源部の開口絞りを小さくし、傾き測定
用光１６のビームサイズを小さくしたものである。ま
た、図１４に示す変位センサＩは、図１１の光センサＦ
と同様、開口絞り３５によって傾き測定用投光素子１９
を点光源化すると共に傾き測定用光１６のビームサイズ
を小さくしたものである。

【００６９】図１５は本発明のさらに別な実施例による
変位センサＪの光学系を示す概略構成図である。この変
位センサＪにあっては、変位測定用光学系と傾き測定用
光学系とを分離している。すなわち、変位測定用投光レ
ンズ２０ａと傾き測定用投光レンズ２０ｂを兼用させる
ことなく別個とし、変位測定用受光レンズ２３ａと傾き
測定用投光レンズ２３ｂも兼用させることなく別個と
し、変位測定用光１５と傾き測定用光１６を異なる角度
から検出物体１に照射させるようにしている。なお、こ
の実施例では、変位測定用光１５と傾き測定用光１６と
して異なる波長の光を用い、変位測定用受光素子２１の
前面には変位測定用光１５だけを透過させる波長選択フ
ィルタ４０を置き、傾き測定用受光素子２２の前面には
傾き測定用光１６のみを透過させる波長選択フィルタ４
１を配置し、変位測定用光学系と傾き測定用光学系を光
学的に分離している。

【００７０】さらに、図１６（ａ）は本発明のさらに別
な実施例による変位センサＫの光学系を示す概略平面
図、図１６（ｂ）は図１６（ａ）のＸ−Ｘ線断面図、図
１６（ｃ）は図１６（ａ）のＹ−Ｙ線断面図である。こ
の変位センサＫにあっては、図１５の変位センサＪと同
じく変位測定用光学系と傾き測定用光学系とを別個と
し、さらに変位測定用光学系と傾き測定用光学系を互い
に略９０度異なる方向に構成している。

【００７１】また、変位測定用光や傾き測定用光として
は、レーザ光を用いてもよい。図１７に示す変位センサ
Ｌは、傾き測定用光１６ａとしてレーザ光を用いた実施
例である。レーザ光を出射するための傾き測定用投光素
子１９ａ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。変位測定用投光
レンズ２０ａよりも検出領域に近い側には、変位測定用
光１５を透過し傾き測定用光１６ａを反射するダイクロ
イックミラー１７が配置されている。また、受光レンズ
２３と変位測定用受光素子２１との間には、変位測定用
光１５を透過し傾き測定用光１６ａを反射するダイクロ
イックミラー２４が配置されており、傾き測定用受光素
子２２は受光レンズ２３から焦点距離ｆの位置に設けら
れている。しかして、傾き測定用投光素子１９ａから出
射された傾き測定用光（レーザ光）１６ａはダイクロイ
ックミラー１７で反射され、変位測定用投光レンズ２０
ａで集光されてダイクロイックミラー１７を透過した変
位測定用光１５と重ね合わされて検出物体１に照射さ
れ、検出物体１により反射される。波長の異なる変位測
定用光１５と傾き測定用光１６ａのうち、変位測定用光
１５は受光レンズ２３を通過した後、ダイクロイックミ
ラー２４を通過して変位測定用受光素子２１に受光され
る。一方、傾き測定用光１６ａは受光レンズ２３を通過
した後、ダイクロイックミラー２４で反射され、傾き測
定用受光素子２２に受光される。この傾き測定用光学系
においても、傾き測定用受光素子２２は受光レンズ２３
から焦点距離ｆの位置に配置されており、検出物体１の
変位（平行移動）によっては受光スポットの位置は変化
せず、検出物体１の傾きのみによって受光スポットの位
置が変化するので、傾き量βを変位量ｄから分離して単
独で計測することができる。また、傾き測定用光１６ａ
としてレーザ光を用いることにより、傾き測定用光学系
においては受光レンズを不要にすることができる。

【００７２】図１８は本発明のさらに別な実施例による
変位センサＭを示す図であって、変位測定用光１５ａと
してレーザ光を用いた実施例である。レーザ光を出射す
るための変位測定用投光素子１８ａとしても、ヘリウム
−ネオン（Ｈｅ−Ｎｅ）レーザ、半導体レーザ素子（Ｌ
Ｄ）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。この実施例にあっては、傾き測定用投光レン
ズ２０ｂの焦点に傾き測定用投光素子１９を配置し、傾
き測定用投光レンズ２０ｂよりも検出領域に近い側にダ
イクロイックミラー１７を配置している。ダイクロイッ
クミラー１７は、傾き測定用光１６を透過し変位測定用
光１５ａを反射するものである。また、傾き測定用受光
レンズ２３ｂの焦点には傾き測定用受光素子２２が配置
されており、傾き測定用受光レンズ２３ｂよりも検出領
域に近い側には傾き測定用光１６を透過させ変位測定用
光１５ａを反射するダイクロイックミラー２４が配置さ
れている。しかして、変位測定用投光素子１８ａから出
射された変位測定用光１５ａ（レーザ光）はダイクロイ
ックミラー１７で反射され、傾き測定用投光レンズ２０
ｂでコリメートされてダイクロイックミラー１７を透過
した傾き測定用光１６と重ね合わされて検出物体１に照
射され、検出物体１により反射される。波長の異なる変
位測定用光１５ａと傾き測定用光１６のうち、傾き測定
用光１６はダイクロイックミラー２４を透過した後、傾
き測定用受光レンズ２３ｂを通過して傾き測定用受光素
子２２に受光される。一方、変位測定用光１５ａはダイ
クロイックミラー２４で反射されて変位測定用受光素子
２１に受光される。検出物体１が変位すると、検出物体
１で反射した変位測定用光１５ａは平行移動して受光ス
ポットの位置が変化するので、変位量ｄを測定すること
ができる。また、変位測定用光１５ａとしてレーザ光を
用いることにより、変位測定用光学系においては投光レ
ンズ及び受光レンズを不要にすることができる。

【００７３】図１９に示すものは変位測定用光１５ａ及
び傾き測定用光１６ａとしてレーザ光を用いた変位セン
サＮであって、レンズ系としては傾き測定用受光レンズ
２３ｂのみとすることができ、光学系を簡単にすること
ができる。

【００７４】なお、図１７、図１８及び図１９の実施例
では変位測定用光及び傾き測定用光として波長の異なる
光を用い、その合成・分離にはダイクロイックミラー１
７，２４を用いたが、変位測定用光及び傾き測定用光と
して偏光方向の異なる直線偏光を用い、その合成・分離
に偏光ビームスプリッタ３８，３９を用いてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の変位センサにおける光学系の構成を示す
図である。

【図２】本発明の一実施例による変位センサの光学系の
構成を示す図である。

【図３】同上の傾き測定原理を説明するための光線図で
ある。

【図４】同上の変位測定原理を説明するための光線図で
ある。

【図５】検出物体が変位及び傾きを有している場合の変
位測定用受光素子の受光スポットの移動量を求めるため
の説明図である。

【図６】同上の変位センサの信号処理回路の一例を示す
ブロック図である。

【図７】同上の変位センサにおける投光レンズと受光レ
ンズの寸法効果を説明する図である。

【図８】本発明の別な実施例による変位センサの光学系
の構成を示す図である。

【図９】本発明のさらに別な実施例による変位センサの
光学系の構成を示す図である。

【図１０】本発明のさらに別な実施例による変位センサ
の光学系の構成を示す図である。

【図１１】本発明のさらに別な実施例による変位センサ
の光学系の構成を示す図である。

【図１２】本発明のさらに別な実施例であって、偏光方
向の異なる変位測定用光と傾き測定用光を用いた変位セ
ンサの光学系の構成を示す図である。

【図１３】本発明のさらに別な実施例による変位センサ
の光学系の構成を示す図である。

【図１４】本発明のさらに別な実施例による変位センサ
の光学系の構成を示す図である。

【図１５】本発明のさらに別な実施例による変位センサ
の光学系の構成を示す図である。

【図１６】（ａ）は本発明のさらに別な実施例による変
位センサの光学系の構成を示す平面図、（ｂ）は（ａ）
のＸ−Ｘ線断面図、（ｃ）は（ａ）のＹ−Ｙ線断面図で
ある。

【図１７】本発明のさらに別な実施例による変位センサ
の光学系の構成を示す図である。

【図１８】本発明のさらに別な実施例による変位センサ
の光学系の構成を示す図である。

【図１９】本発明のさらに別な実施例による変位センサ
の光学系の構成を示す図である。

【符号の説明】

１検出物体１５変位測定用光１６傾き測定用光１７，２４ダイクロイックミラー１８変位測定用投光素子１９傾き測定用投光素子２０投光レンズ２１変位測定用受光素子２２傾き測定用受光素子２３受光レンズ３１，３３，３５開口絞り３８，３９偏光ビームスプリッタｄ検出物体の変位量 β 検出物体の傾き量

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】検出領域に向けて変位測定用光を出射す
る変位測定用光源部、および、検出領域で反射された変
位測定用光を受光する変位測定用受光部からなる変位測
定用光学系と；検出領域にある物体の傾きを検出するた
めの傾き測定用光学系と；を備えていることを特徴とす
る変位センサ。
【請求項２】前記傾き測定用光学系からの出力情報に
基づいて、前記変位測定用光学系の出力情報を補正する
補正手段をさらに備えたことを特徴とする、請求項１に
記載の変位センサ。
【請求項３】前記傾き測定用光学系は、傾き測定用光
を出射する傾き測定用投光素子と、傾き測定用投光素子
から出射された傾き測定用光をコリメートして検出物体
に照射させる傾き測定用投光レンズと、検出物体で反射
した傾き測定用光を集光させる傾き測定用受光レンズ
と、当該受光レンズの焦点位置に配置された傾き測定用
受光素子とからなることを特徴とする、請求項１又は２
に記載の変位センサ。
【請求項４】前記傾き測定用光学系は、傾き測定用光
であるレーザ光を検出物体に向けて出射する傾き測定用
投光素子と、検出物体で反射した傾き測定用光を屈折さ
せる傾き測定用受光レンズと、当該受光レンズの焦点位
置に配置された傾き測定用受光素子とからなることを特
徴とする、請求項１又は２に記載の変位センサ。
【請求項５】前記傾き測定用受光レンズが、前記変位
測定用受光部の受光レンズを兼用していることを特徴と
する、請求項３又は４に記載の変位センサ。
【請求項６】前記傾き測定用投光レンズが、前記変位測
定用光源部の投光レンズを兼用していることを特徴とす
る、請求項３に記載の変位センサ。
【請求項７】前記変位測定用光源部が投光レンズを有
し、前記変位測定用受光部が受光レンズを有し、当該変
位測定用受光レンズの開口径が当該変位測定用投光レン
ズの開口径以上の寸法を有していることを特徴とする、
請求項１又は２に記載の変位センサ。
【請求項８】変位測定用光により検出物体の表面に生
じる光スポットが、傾き測定用光により検出物体の表面
に生じる光スポットの内部にあることを特徴とする、請
求項１又は２に記載の変位センサ。
【請求項９】前記変位測定用光と前記傾き測定用光と
が互いに波長を異にしていることを特徴とする、請求項
１又は２に記載の変位センサ。
【請求項１０】変位測定用光源部及び傾き測定用光学
系の光源側から出射された互いに波長の異なる変位測定
用光及び傾き測定用光を光合成器で重ね合わせて検出物
体に照射することを特徴とする、請求項９に記載の変位
センサ。
【請求項１１】互いに重なり合った波長の異なる変位
測定用光及び傾き測定用光を波長分離器で分離し、変位
測定用光を変位測定用受光部へ導き、傾き測定用光を傾
き測定用光学系の受光側へ導くようにしたことを特徴と
する、請求項９又は１０に記載の変位センサ。
【請求項１２】前記変位測定用光と前記傾き測定用光
がいずれも偏光であって、その偏光方向が互いに異なっ
ていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の変位
センサ。
【請求項１３】変位測定用光源部及び傾き測定用光学
系の光源側から出射された互いに偏光方向の異なる変位
測定用光及び傾き測定用光を光合成器で重ね合わせて検
出物体に照射することを特徴とする、請求項１２に記載
の変位センサ。
【請求項１４】互いに重なり合った偏光方向の異なる
変位測定用光及び傾き測定用光を偏光分離器を用いて分
離し、変位測定用光を変位測定用受光部へ導き、傾き測
定用光を傾き測定用光学系の受光側へ導くようにしたこ
とを特徴とする、請求項１２又は１３に記載の変位セン
サ。
【請求項１５】傾き測定用投光レンズの入射側焦点位
置に微小開口の開口絞りを設けたことを特徴とする、請
求項３に記載の変位センサ。
【請求項１６】傾き測定用投光レンズの入射側に、傾
き測定用光のビームサイズを制限するための開口絞りを
設けたことを特徴とする、請求項３に記載の変位セン
サ。