JPH04140604A - 接触式変位センサ - 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、光位置検出器（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ　５ｅｎｓ
ｉｔｉｖｅＤｅｖ　１ｃｅ）を用いた接触式変位センサ
に関する。

［背景技術］ 従来の光学的変位センサは、三角測量を原理とした非接
触型のセンサであって、被検出物との距離を直接測定す
るものである。

第７図は、従来の光学的変位センサの一例である。この
変位センサ６１は、被検出物６２に対して垂直に検出光
６３を投射させるように発光素子６４とコリメートレン
ズ６５を配置し、光位置検出器Ｃ以下、ＰＳＤと略記す
る。）６６の受光面６７を検出光６３の光軸と垂直に配
置し、被検出物６２の表面で反射した反射光６８をＰＳ
Ｄ６６に集光させるための集光用レンズ６９を検出光６
３の光軸と平行となるように配置したものである。

しかして、発光素子６４から出射された検出光θ３は、
コリメートレンズ６Ｂによって被検出物６２に照射され
、被検出物６２で散乱された反射光６８の一部は集光用
レンズ６θによってＰＳＤ６Ｇの上に集光される。もっ
とも、この従来例では、被検出物８２の表面で反射した
反射光６８を集光用レンズ６９で集光させた焦点からな
る焦点面７ｏは、第７図に示すようにＰＳＤ６６の受光
面６７と一致していない。

第８図は、別な従来例の光学的変位センサ７１を示す概
略図である。この変位センサ７１では、被検出物７２の
表面に対して垂直に検出光７３を投射させるように発光
素子７４と投光用レンズ７５を配置し、ＰＳＤ７６の受
光面７７を検出光７３の光軸と垂直に配置し、被検出物
７２０表面で反射した反射光７８の焦点が常にＰＳＤ７
６の受光面７７に位置するように集光用レンズ７９を傾
かせである。

［発明が解決しようとする課題］ 三角測量の原理を利用した光学的変位センサは、高精度
で、小型化が可能であるという利点があるが、上記のよ
うな構造を有する従来の光学的変位センサには、次のよ
うな問題があった。

すなわち、三角測量法は、発光素子と受光素子の位置関
係を被検出物に対して異なる角度に設定し、２点間の距
＃？角度変化によって計算するものであるため、あらゆ
る角度からの光を検圧するためには、被検出物の表面で
反射される光は散乱光でなければならない。したがって
、例えば鏡のように表面が滑らかな被検出物の場合には
、反射光が正反射成分のみになってしまうため、ＰＳＤ
に受光される散乱光成分が極端に弱くなり、被検出物の
変位を正確に検出することかできなかった。

また、被検出物がガラスのような透明体の場合にも、反
射してＰＳＤへ戻ってくる光の強度が弱いため、被検出
物の変位を正確に検出することが不可能であった。

さらに、光学式の検知方式をとっているため、被検出物
とＰＳＤの間の空間から塵やほこりを排除できす、塵や
ほこりの多いような環境下における動作を苦手とし、こ
のような環境下では動作が不安定になる恐れがあった。

さらに、上記のような各光学的変位センサでは、被検出
物の変位量（例えば、第８図のａ　ｌ　Ｊ　ａ　２）と
ＰＳＤの受光面における入射点の変位量（例えば、第８
図のｂ＋、ｂｇ）とが比例せず、被検出物の変位量に対
してリニアなＰＳＤ出力を得ることができず、補正回路
等を必要としていた。

本発明は斜上の各従来例の欠点に鑑みてなされたもので
あり、その目的とするところは、被検出物の材質や表面
状態に影響されることなく被検出物の変位量を検出する
ことができ、塵の多いような環境下にも対応可能であっ
て、しかも被検出物の変位量とリニアなＰＳＤ信号出力
を得ることができる高精度で小型の変位センサを提供す
ることにある。

口課題を解決するための手段］ 本発明の接触式変位センサは、被検出物に接触して機械
的に変位する変位検出部と、変位検出部の内面に対して
ほぼ垂直に検出光を投射させるための発光素子と、変位
検出部の内面で反射された反射光を集光させるための集
光素子と、受光面が前記検出光の光軸と平行となるよう
に配置された光位置検出器とからなることを特徴として
いる。

［作用］ 本発明の接触式変位センサにあっては、変位検出部を被
検出物に接触させて被検圧物と共に変位させ、変位検出
部の変位量を光位置検出器等の光学系によって検出する
ことにより被検出物の変位量を測定する。したがって、
被検出物の材質や表面状態等に影響されることなく正確
に被検出物の変位量を検出することができる。

また、変位検出部と発光素子やＰＳＤ等の変位検出用光
学系との間の空間を覆って防塵構造とすることが可能で
あるので、耐環境性が向上し、塵やほこりの多い環境下
でも安定した検出動作を確保することができる。

しかも、本発明にあっては、ＰＳＤの受光面を検出光の
光軸と平行に配置したので、被検出物の変位量に対して
リニアなＰＳＤ信号出力を得ることができる。この結果
、ＰＳＤ信号出力を補正回路等によって処理する必要が
なくなり、高精度で小型の変位センサを製作できる。

［実施例コ 第１図に示すものは、本発明の第一実施例の接触式変位
センサ１７である。この接触式変位センサ１７は、変位
検出用の光学系部分４１と機械的変位部分４２とから構
成されている。

光学系部分４１では、半導体レーザや発光ダイオード等
の発光素子３を搭載されたヒートシンクブロック２の前
方に縦に長い透明なレンズ基板３０を配置し、レンズ基
板３０の前面に発光素子３と対向させて投光用フレネル
レンズ４を一体に設け、レンズ基板３０の前面の投光用
フレネルレンズ４の下方には、集光用フレネルレンズ３
１が一体に設けられている。さらに、ヒートシンクブロ
ック２の下面側のＰＳＤ取付台９の上面にはＰＳＤＩＯ
が搭載されており、ＰＳＤＩＯの受光面１１は上方に向
けられている。したがって、この実施例では、ＰＳＤＩ
Ｏの受光面１１は投光用フレネルレンズ４の光軸６と平
行となっており、集光用フレネルレンズ３１の光軸も投
光用フレネルレンズ４の光軸６と平行になっている。な
お、２３はステム、２５は光学系を覆っているキャップ
、２６はキャップ２５の窓を塞いでいるガラス板である
。

また、機械的変位部分４２は、接着や溶接等の方法によ
ってステム２３の外周に固着された環状をしたベース４
３から前方へ筒状のケーシング４４を突出させ、ケーシ
ング４４内に略板状をした変位検出部７を摺動自在に収
納させ、変位検出部７とベース４３との間に挿入された
スプリング４５によって変位検出部７を前方へ弾性的に
突出付勢し、ケーシング４４の前端に設けた抜は止め部
４６を変位検出部７の鍔部４７に係止させることによっ
て変位検出部７がケーシング４４から抜は落ちるのを防
止している。この変位検出部７の内面は、不透明でかつ
正反射を生じにくいよう粗面に形成されており、外面は
ケーシング４４の前端よりも前方へ突出している。しか
して、変位検出部７は、外力によって押されると、スプ
リング４５の弾性力に抗してケーシング４４内に引っ込
む。

また、変位検出部７の鍔部４７とケーシング４４の内周
面とは摺接しているので、変位検出部７とケーシング４
４との間は防塵構造となっている。

この接触式変位センサ１７は、無負荷状態で、あるいは
変位検出部７を少し押し込むようにして、変位検出部７
を被検出物４８に接触させる。変位検出部７は、被検出
物４８と一緒に変位（平行移動）するので、変位検出部
７の変位量を検出することにより、被検出物４８の変位
量を知ることができる。発光素子３から出射された検出
光１５は、投光用フレネルレンズ４でコリメートされ、
変位検出部７の内面に照射される。変位検出部７で反射
された反射光１６は、集光用フレネルレンズ３１で集光
され、ＰＳＤＩＯの受光面１１に入射する。集光用フレ
ネルレンズ３１の光軸は、検出光１５の光軸内と垂直で
なく、平行となっているので、変位検出部７の位置に拘
らず常に受光面１１の上に焦点を結ぶということはない
が、ＰＳＤＩＯの受光面１１が検出光１５の光軸６と平
行になっているので、ＰＳＤ信号出力は被検出物４８及
び変位検出部７の変位量に対してリニアとなる。

すなわち、各反射光１６の中心光線（集光用フレネルレ
ンズ３１の中心を通過した光線ニー点鎖線で示す。）に
着目すると、反射光１６の中心光線と受光面１１との交
点の変位量は、変位検出部７の変位量と比例するためで
ある。したがって、光学系部分４１で変位検出部７の変
位量を検出することにより間接的に被検出物４８の変位
量を検出することができる。

このように、被検出物４８に接触させた変位検出部７の
変位量を変位検出用の光学系によって検出しているので
、例えば被検出物４８が透明体で反射光強度が弱かった
り、被検出物４８の表面が平滑で検出光を正反射してし
まうような場合でも、被検出物４８の材質や表面状態等
に影響されることなく、常に正確に被検出物４８の変位
量を検出することができる。

また、検出光１５及び反射光１θの伝播する空間は、ケ
ーシング４４と変位検出部７により覆われて防塵構造と
なっているので、塵やほこりの多い環境下でも、塵やほ
こりに影響されることなく安定した動作を行なう。

しかも、この接触式変位センサ１７は、リニアなＰＳＤ
信号出力を持つ高精度がっ小型の光学系部分４１によっ
て変位検出部７の変位量を検出しているので、同じよう
に高精度で小型の接触式変位センサを構成することがで
きる。

なお、ステム２３とベース４３は一体化して−部材とし
てもよく、またキャップ２Ｓ及びガラス板２６は省略し
てもよい。すなわち、第１図の実施例では、ケースが二
重構造となっているが、これを−重構造に簡単化しても
よい。

第２図に示すものは、本発明の第二実施例の接触式変位
センサ１８である。この実施例では、光学系部分４１は
、第一実施例と同じ構造のものが用いられている。機械
的変位部分４９は、光学系部分４１のステム２３の外周
に固着されたベース４３から板バネ保持部５０を突出さ
せ、板バネ保持部５０の先端に不透明な粗面の板バネ５
１の両端を固定し、この板バネ５１を変位検出部７とし
たものである。

しかして、この変位検出部７である板バネ５１を被検出
物に接触させておき、被検出物の変位によって生じた板
バネ５１の弾性変形量を光学系部分４１で検出すること
により、被検出物の変位量を間接的に検出することがで
きる。

本発明の実施例としては、上記実施例以外にも種々の構
造のものが考えられる。例えば、機械的変位部分として
は、上記構造以外にも、光学系部分を覆うように配置さ
れた筒状のケーシングを配置し、ケーシングの前面開口
にゴム膜等の不透明弾性体を張って変位検出部としたも
のも考えられる。また、光学系部分をベローズによって
覆い、ベローズの前端に一体に変位検出部を設け、スプ
リングによって変位検出部及びベローズを前方へ付勢し
、完全な密閉構造とすることも考えられる。

また、機械的変位部分の構造として、これら以外にも公
知の種々の構造を用いることが可能である。

また、これらの機械的変位部分と組み合わせる光学系部
分としては、上記構造以外にも、以下に説明するような
構造のものを用いることができる。

第３図に示すものは、本発明の第三実施例の接触式変位
センサ１９である。この接触式変位センサ１９の光学系
部分５２にあっては、ヒートシンクブロック２の前方に
配置された縦長の透明なレンズ基板３０の上下に光軸が
平行となるように投光用フレネルレンズ４と集光用フレ
ネルレンズ８１を設けてあり、ヒートシンクブロック２
の下面にＰＳＤＩＯを取り付け、下面側を向けたＰＳＤ
ｌｏの受光面１１が検出光１５の光軸６と平行となるよ
うにしである。さらに、ヒートシンクブロック２の下方
に受光面１１と平行となるようにして反射板３３？設け
である。

しかして、変位検出部７の内面で反射された反射光１６
は、集光用フレネルレンズ３１で集光され、反射板３３
の上面で上方へ反射させられ、ＰＳＤＩＯの受光面１１
に入射させられる。この実施例におし２）でも、検出光
１５の光軸６と受光面１１とが平行となっているので、
ＰＳＤ信号出力は変位検圧部７及び被検出物の変位量に
対してリニアとなる。

第４図に示すものは、本発明の第四実施例の接触式変位
センサ２０である。この接触式変位センサ２０の光学系
部分５３においては、ヒートシンクブロック２の上面に
半導体レーザや発光ダイオード等の発光素子３が搭載さ
れており、ヒートシンクブロック２の前面には投光用フ
レネルレンズ４を設けられたレンズ基板５が取り付けら
れている。この発光素子３ば、投光用フレネルレンズ４
の光軸６上に配置されており、発光素子３から放射され
た光は投光用フレネルレンズ４で収束させられ、変位検
出部７に向けて垂直に出射される。

また、ヒートシンクブロック２の下方において、ヒート
シンクブロック２を設けられているベースプレート８か
ら突設されたＰＳＤ取付台９の上面には、ＰＳＤＩＯが
取り付けられており、ＰＳＤｌｏの受光面１１は投光用
フレネルレンズ４の光軸６と平行となるように配置され
ている。さらに、ヒートシンクブロック２の下面にはガ
ラスもしくは光学樹脂製の透明なレンズ基板１２が取り
付けられており、レンズ基板のヒートシンクブロック２
前面よりも前方へ突出した部分の下面には、透過型の集
光用フレネルレンズ１３が設けられている。この実施例
では、集光用フレネルレンズ１３の光軸１４は、投光用
フレネルレンズ４の光軸６及びＰＳＤＩＯの受光面１１
と垂直な方向を向いており、ＰＳＤＩＯと集光用フレネ
ルレンズ１３を結ぶ方向と投光用フレネルレンズ４の光
軸６とが交差する辺りがほぼ変位検出部７の変位する範
囲となるようにしである。更に、投光用フレネルレンズ
４の光軸６上から出た光線は、集光用フレネルレンズ１
３で集光され、ＰＳＤＩＯの受光面１１に焦点を結ぶよ
うに配置しである（すなわち、光軸６上の点光源は、受
光面１１上に結像される）。

なお、第４図では、ステムやキャップ等のケース部分は
、図示を省略している。

しかして、発光素子３から放射された検出光１５は、投
光用フレネルレンズ４で収束させられて変位検出部７の
内面に照射される。変位検出部７の内面で反射された反
射光１６は、集光用フレネルレンズ１３で集光され、Ｐ
ＳＤＩＯの受光面１１の上に焦点を結び、ＰＳＤＩＯに
よって反射光１６の焦点位置（入射位置）が検出され、
変位検出部７の変位量（したがって、変位検出部７が接
触している被検出物の変位量）が検圧される。例えば、
Ａ、Ｂ及びＣの位置にある変位検出部７の内面で反射さ
れた反射光１６は、それぞれ受光面１１のａ、ｂ及びＣ
の位置に焦点を結び、このａ位置とｂ位置の距離ΔＱ、
ｂ位置とＣ位置の距離ΔＱ２によって変位検出部７の変
位量ΔＬｌｌ△Ｌ２が求められる。

ここで、本実施例にあっては、検出光１５の光軸（投光
用フレネルレンズ４の光軸〕６とＰＳＤｌｏの受光面１
１とが平行になっているので、変位検出部７の変位量Δ
Ｌ　ｌ　ｒΔＬ２と受光面１１における焦点位置のずれ
ΔＱｌ＋ΔＱ２は比例しており、 ΔＱｌ：　△Ｑ２−△Ｌ、ｚ　△Ｌ２ となっている。すなわち、変位検出部７で反射した反射
光１６のうち集光用フレネルレンズ１３を通過する光束
の中心光線（集光用フレネルレンズ１３の中心を通過す
る光線；−点鎖線で示しである。）は集光用フレネルレ
ンズ１３を直進するから、第４図から明らかなように変
位検出部７及び被検出物の変位量と受光面１１における
焦点位置の変位量とは比例する。したがって、本実施例
にあっては、ＰＳＤ信号出力と検出距離とのリニアリテ
ィが良好となり、高精度の接触式変位センサを製作する
ことができる。

しかも、この実施例では、集光用フレネルレンズ１３の
光軸が、投光用フレネルレンズ４の光軸６及び受光面１
１と垂直な方向を向いているので、変位検出部７からの
反射光１６を常に受光面１１で焦点を結ばせるようにＰ
ＳＤＩＯを配置することかでき、ＰＳＤＩＯの分解能も
向上し、高精度の変位センサを得ることができる。

第５図は１本発明の第五実施例の接触式変位センサ２１
を示す断面図である。この接触式変位センサ２１の光学
系部分５４においては、ステム２３の前面に設けられた
ヒートシンクブロック２の上面に発光素子３が設けられ
、ヒートシンクブロック２の前面には、投光用フレネル
レンズ４が設けられたレンズ基板５が取り付けられてい
る。また、ヒートシンクブロック２の下面には、受光面
１１を下にしてＰＳＤＩ　Ｏが取り付けられており、Ｐ
ＳＤＩＯの受光面１１は検出光１５の光軸と平行となる
ように配置されている。さらに、ヒートシンクブロック
２の下方では、ＰＳＤＩＯと対向させるようにして透明
なレンズ基板１２が設けられており、レンズ基板１２の
上面に集光用フレネルレンズ１３が設けられており、集
光用フレネルレンズ１３の光軸は投光用フレネルレンズ
４の光軸６と垂直に配置され、レンズ基板１２の下面に
は集光用フレネルレンズ１３と平行に対向させて反射面
２４が形成されている。

しかして、発光素子３から出射された検出光１５を変位
検出部７に照射させると、変位検出部７の内面で反射さ
れた反射光１Ｇは集光用フレネルレンズ１３で集光され
、ついで反射面２４で上方へ反射され、ＰＳＤｌｏの受
光面１１に焦点が結ばれる。この実施例でも、変位検出
部７で反射された反射光１６は、変位検出部７の変位量
によらず、ＰＳＤＩＯの受光面１１に焦点が結ばれる。

また、ＰＳＤＩＯの受光面１１上の焦点の変位量は、変
位検出部７の変位量と比例するので、ＰＳＤ信号出力の
りニアリティにも優れている。

第６図は、本発明の第六実施例の接触式変位センサ２２
を示す断面図である。この接触式変位センサ２２の光学
系部分５５においては、ステム２３の前面に設けられた
ヒートシンクブロック２の上面に発光素子３が設けられ
、ヒートシンクブロック２の前面に投光用フレネルレン
ズ４が設けられたレンズ基板５が取り付けられている。

また、ヒートシンクブロック２の下面には、受光面１１
を下にしてＰＳＤＩＯが取り付けられており、ＰＳＤＩ
Ｏの受光面１１は投光用フレネルレンズ４の光軸６と平
行となるように配置されている。さらに、ヒートシンク
ブロック２の下方には、ＰＳＤＩＯと対向させるように
して透明なレンズ基板１２が配設されている。レンズ基
板１２の下面には、反射型フレネルレンズ２８が設けら
れており、反射型フレネルレンズ２８の光軸は投光用フ
レネルレンズ４の光軸６と垂直な方向を向いている。

しかして、変位検出部７の内面で反射された反射光１θ
は反射型フレネルレンズ２８によって上方へ反射させら
れると同時に集光され、ＰＳＤＩＯの受光面１１に焦点
を結ばれる。

［発明の効果］ 本発明の接触式変位センサでは、被検出物に接触させた
変位検出部の変位量を変位検出用の光学系によって検出
しているので、例えば被検出物が透明体で反射光強度が
弱かったり、被検出物の表面が平滑で検出光を正反射し
てしまうような場合でも、このような被検出物の材質や
表面状態等に影響されることなく、常に正確に被検出物
の変位量を検出することができる。

また、検出光及び反射光の伝播する空間を防塵構造や密
閉構造にすることが可能になるので、耐環境性が向上し
、塵やほこりの多い環境下でも、塵やほこりに影響され
ることなく安定した動作を行わせることができる。

しかも、この変位センサの光学系においては、ＰＳＤの
受光面を検出光の光軸と平行に配置しているので、被検
出物の変位量に対してリニアなＰＳＤ信号出力を持つ高
精度で、かつ小型の接触式変位センサを製作することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一の実施例を示す断面図、第２図は
本発明の第二の実施例を示す断面図、第３図は本発明の
第三の実施例を示す一部省略した断面図、第４図は本発
明の第四の実施例を示す一部省略した断面図、第５図は
本発明の第五の実施例を示す一部省略した断面図、第６
図は本発明の第六の実施例を示す一部省略した断面図、
第７図は従来例の構成を示す図、第８図はさらに別な従
来例の構成を示す図である。 ３・・・発光素子 ７・・・変位検出部 １０・・・光位置検出器（Ｐ　Ｓ　Ｄ）１１・・・受光
面 １３．３１・・・集光用フレネルレンズ１５・・・検出
光 １６・・・反射光 ２８・・・反射型フレネルレンズ 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）被検出物に接触して機械的に変位する変位検出部
   と、 変位検出部の内面に対してほぼ垂直に検出光を投射させ
   るための発光素子と、 変位検出部の内面で反射された反射光を集光させるため
   の集光素子と、 受光面が前記検出光の光軸と平行となるように配置され
   た光位置検出器とからなる接触式変位センサ。