JPH052807Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （従来の技術） 被測定物の僅かな変位の光学的な検出器として
第６図、第７図に示されているようなものが知ら
れている。第６図のものは日本機械学会論文52巻
477号No.85−0780Bに記載されており、第７図の
ものは日本機械学会誌87巻791号1187ページに三
次元変位計測システムとして記載されている。

第６図記載のものは、プローブスタンド６２に
プローブ７２を保持したＸ−Ｙステージ６８を設
け、パルスゼネレータ６６からのパスルによりパ
ルスモータ６４を回転させてプローブ７２をＸ−
Ｙステージ６８ごと上下動させるようにし、プロ
ーブ７２から被測定物７０の被測定面７０１に光
を照射し、被測定面７０１からの反射光をプロー
ブ７２で検出し、センサコントローラ７４を介し
て記録計７６及びＸ−Ｙレコーダ７８に入力する
ようになつている。これは、プローブ７２から被
測定面７０１に向けて照射した散乱光が被測定面
７０１で反射されてプローブ７２に入射すると
き、入射光量が変化することから、この変化量を
Ｘ−Ｙ座標上で記録しようとするものである。

第７図記載のものは、被測定物８０の像を３軸
移動台８６上に保持した変位計８８で撮像し、こ
の撮像信号を、偏向ヨークやこれを駆動するパル
スゼネレータや位相復調回路等を含む検出部９０
で処理することにより、変位計８８の出力と上記
ゼネレータの信号との位相関係から被測定物８０
の上下方向の変位信号を検出し、これをアナロ
グ・デジタル変換器９２でデジタル信号に変換
し、これをパソコンを含む演算部９４で演算処理
することによつて被測定物８０の上下方向の変位
量を知ることができるようにしたものであり、ま
た、被測定物８０に対しては光源８２から光学系
８４を介して光を斜め方向から照射すると共に、
光学系８４に含まれるナイフエツジによつて照射
光の上部をカツトし、被測定物８０が光軸方向に
変位すると、被測定物８０に照射される光スポツ
ト位置が被測定物８０上において上下方向に移動
することを利用し、これを変位計８８でとらえ、
この光スポツト位置信号を検出部９０を介して検
出し、これをアナログ・デジタル変換器９０でデ
ジタル信号に変換したあと演算部９４で演算処理
することにより、検出光学系の光軸方向への被測
定物８０の変位を知ることができるようにしたも
のである。

（考案が解決しようとする問題点） 第６図に示されるような変位検出器によれば、
被測定物に対して焦点を結ばせるのではなく、散
乱光を照射するため、光軸に対して被測定面の角
度が僅かでも変化すると反射光量が大幅に変化
し、変位測定値の誤差が大きくなるという問題が
ある。

また、第６図及び第７図に示した何れの変位検
出器の場合も、装置の構成が大掛りなものであ
り、各種の多くの部品が入り組んだ被測定物に対
してはプローブや変位計をセツトすることが困難
であり、小回りもきかず、コストも高くなるとい
う問題がある。

本考案は、かかる従来の光学式変位検出器の問
題点を解消すべくなされたもので、被測定物の反
射面の角度変化による測定精度の低下を防止する
と共に、被測定物の形態に応じた形状に変更する
ことが容易であり小回りがきき、各種の多くの部
品が入り組んだ被測定物であつても容易にセツト
することができ、コストも安い光学式変位検出器
を提供することを目的とする。

（問題点を解決するための手段） 本考案は、半導体レーザーと、この半導体レー
ザーからの射出光を平行光束に修正するコリメー
トレンズと、このコリメートレンズを通つた光束
を被測定物の被測定面上に集光する集光レンズ
と、上記被測定面からの反射光を上記射出光と分
離するビームスプリツタと、上記反射光を電気信
号に変換する４分割光検知器と、上記ビームスプ
リツタと４分割光検知器との間に配備され上記４
分割光検知器への入射光に非点収差を生じさせる
非点収差発生手段と、上記半導体レーザー、コリ
メートレンズ、ビームスプリツタ、４分割光検知
器、非点収差発生手段を保持した保持体と、上記
集光レンズを保持すると共に、上記保持体に対し
て光軸方向に伸縮自在に取付けられた移動体とを
具備することを特徴とする。

（作用） 被測定物が光軸方向に変位すると、非点収差発
生手段により４分割光検知器上に入射する光の断
面形状が変化するため、４分割光検知器の分割線
の交点に関し点対称的に対向する一対の受光部と
他の一対の受光部に入射する光量が変化し、上記
一対の受光部と他の一対の受光部の出力差が変化
する。この出力差信号から被測定物の変位量を知
ることができる。コリメートレンズから集光レン
ズに入射する光束は平行光束であり、集光レンズ
が取付けられた移動体は光軸方向に自由に伸縮さ
せることができるため、被測定物の測定位置の変
化や、被測定物の大きさ、姿勢などに応じ、移動
体を伸縮させて容易に適応することができる。

（実施例） 第１図において、検出器本体３０は基部の筒３
２とこの筒３２に結合された筒３４とこの筒３４
に対し中心軸線方向に伸縮自在かつ中心軸線の周
りに回動自在に嵌められた筒３６ａからなる。上
記筒３２には半導体レーザー１０とビームスプリ
ツタ１２が設けられると共に、シリンドリカルレ
ンズ等でなる非点収差発生手段１８と４分割光検
知器２０が設けられている。筒３４にはコリメー
トレンズ１４が設けられている。筒３６ａにはそ
の先端部にプリズム３８が設けられその側方に集
光レンズ１６が設けられている。

一体に結合された上記筒３２と筒３４とで、半
導体レーザー１０、コリメートレンズ１４、ビー
ムスプリツタ１２、４分割光検知器２０、非点収
差発生手段１８を保持した保持体を構成してい
る。また、集光レンズ１６を保持した筒３６ａ
は、上記筒３２と筒３４とでなる保持体に対する
移動体を構成している。

半導体レーザー１０からの射出光はビームスプ
リツタ１２を透過したあとコリメートレンズ１４
で平行光束に修正され、この平行光束はプリズム
３８で直角に曲げられたあと集光レンズ１６によ
つて図示されない被測定物の被測定面上に集光さ
れる。上記被測定面からの反射光は集光レンズ１
６、プリズム３８、コリメートレンズ１４の順に
戻り、ビームスプリツタ１２で半導体レーザー１
０からの射出光と分離されて直角方向に反射さ
れ、非点収差発生手段１８を通つて４分割光検知
器２０に入射する。この光検知器２０への入射光
は非点収差発生手段１８により非点収差を生じて
いる。

第２図は上記のような光学式変位検出器の使用
態様の一例を示しており、検知器本体３０は３軸
ステージ４２に取りつけられ、検知器本体３０の
集光レンズ１６によりレーザービームが被測定物
５０の被測定面５０１上に集光するようになつて
いる。検知器本体３０に設けられた４分割光検知
器２０の出力は変位演算手段４０により演算され
て変位信号が得られるようになつている。

第４図は上記変位検知器の光学系の構成及び演
算手段の具体例を示す。第４図に示されているよ
うに、４分割光検知器２０は互いに直交する方向
の分割線により受光面が４つの受光部２０Ａ，２
０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄに４分割され、それぞれの
受光部からそれぞれ出力Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄが出力さ
れ、変位演算手段４０に入力されるようになつて
いる。上記４つの受光部２０Ａ，２０Ｂ，２０
Ｃ，２０Ｄのうち受光部２０Ａと２０Ｃが前記分
割線の交点ｑに関し点対称的に対向し、また、受
光部２０Ｂと２０Ｄが上記交点ｑに関し点対称的
に対向している。対をなす受光部２０Ａと２０Ｃ
の出力ＡとＣは加え合わせられて出力和（Ａ＋
Ｂ）となり、他の対をなす受光部２０Ｂと２０Ｄ
の出力ＢとＤは加え合わせられて出力和（Ｂ＋
Ｄ）となる。これら出力和（Ａ＋Ｃ）と（Ｂ＋
Ｄ）は一方において減算回路２４に入力され、他
方において加算回路２６に入力される。減算回路
２４の出力（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）、及び加算回路
２６の出力（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）は除算回路２８に
入力され、同除算回路２８は入力（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ
＋Ｄ）を入力（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）で割る演算を実
行し、｛（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）｝／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋
Ｄ）を変位信号として出力する。

いま、被測定物５０の被測定面５０１が基準位
置にあれば、照射光は被測定面５０１上に集光し
４つの受光部２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄは
等量の光を受光する。被測定面５０１の位置が基
準位置からずれると、非点収差発生手段１８によ
り非点収差のため、４分割光検知器２０上の光束
断面の形状が縦長又は横長の楕円形状となつて
（Ａ＋Ｃ）≠（Ｂ＋Ｄ）となる。ここで、減算回路
２４の出力は第５図ａに実線で示されているよう
な曲線となるが、被測定面５０１のねじれ、傾き
等によつて被測定面５０１の反射光量が減少する
と同図に破線で示されているような曲線となり、
計測誤差Δxが生ずる。また、加算回路２６の出
力（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）は、第５図ｂに実線で示さ
れているような曲線となるが、被測定面５０１の
反射光量が減少すると同図の破線のようになる。
しかるに、変位信号｛（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）｝／
（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）においては、被測定面５０１
の反射光量が変化しても、その変化は分子、分母
ともに同じように生ずるため、割算の過程で相殺
され、第５図Ｃに示されているように、被測定面
の反射光量の変動に影響されない。従つて、精度
の良い変位検出が可能となる。

なお、変位演算手段４０は第４図に示されてい
るようなものに限られるものではなく、減算回路
２４のみを用いて得られる（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）
の信号を変位検出信号として用いてもよい。

以上述べた実施例によれば、レーザー光をコリ
メートレンズ１４により平行光束にしたあと集光
レンズ１６によつて被測定面５０１上に集光させ
るようにしているため、第１図に示されているよ
うにプリズム３８を用いて半導体レーザー１０か
らの出射光を直角に曲げて被測定面５０１上に集
光させることがでるし、被測定物の姿勢に応じ筒
３６ａを筒３４に対し任意に伸縮させることがで
き、かつ、筒３６ａを中心軸線の周りに回動させ
ることもできるため、あらゆる形態の被測定物の
変位検出に用いることがてきる。さらに、変位検
出器本体の構成は簡単な光学部品でコンパクトに
まとめることができるため、各種の多くの部品が
入り組んだ被測定物に対しても、この被測定物の
被測定面近傍の上方又は下方に挿入して計測する
ことができる。もちろん、検出器本体３０を第２
図のように縦位置にセツトすれば、被測定物５０
の側方に挿入して計測することもできる。

また、コリメートレンズ１４を用いて平行光束
を形成することにより、筒３４に取りつけるべき
筒を、第３図に示されているように、先端に集光
レンズ１６のみを有し、プリズムを持たない筒３
６ｂに交換することができる。この場合、半導体
レーザー１０からのレーザー光はコリメートレン
ズ１４で平行光束とされたあと直進して集光レン
ズ１６により被測定物５０の被測定面５０１上に
集光し、その反射光は逆向きに直進してビームス
プリツタ１２で半導体レーザー１０からの射出光
と分離されかつ反射され、４分割光検知器２０に
入射し、第４図について説明したのと同じ原理に
よつて被測定物５０の変位が検出される。この実
施例の場合も、筒３４に対し筒３６ａが中心軸線
方向に伸縮自在に設けられていて、被測定物５０
の大きさや位置に応じて最適位置に自由にセツト
することができる。筒３６ａは、筒３２と筒３４
とでなる保持体に対する移動体を構成している。

なお、非点収差発生手段としては、シリンドリ
カルレンズや、光軸に対して傾けたガラス板等を
用いることができるが、第４図ではシリンドリカ
ルレンズを用いた例が示されている。

また、実際の変位検出には、第５図ｃに示され
ているような変位信号の中央部のほぼリニアに変
化する部分を用いる。

第４図に示されている４分割光検知器２０の各
受光部２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄからの出
力Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄをデジタル信号に変換し、この
デジタル信号を用いて必要な演算をコンピユータ
で行い、変位信号を得るようにしてもよい。

（考案の効果） 本考案によれば、半導体レーザーの射出光がコ
リメートレンズにより平行光束に修正されるた
め、コリメートレンズと集光レンズとの間の距離
を任意に調節できると共に、プリズムを用いて集
光レンズ光軸を射出光に対し直角方向に配設する
こともできる。よつて、被測定物の位置や形態や
被測定物の周囲の装置の配置等に合わせて検出器
の形状を変更することができ、しかも、光学系の
構成が簡単で小型化することが可能なため、セツ
テイングが容易であり、かつ、多種多様な被測定
物の変位検出が可能となる。

また、被測定面上で焦点を結ぶ構成になつてい
るため、反射角度にる反射光量の変動が少なくな
り、測定誤差が少なくなるという効果を奏する。

コリメートレンズから集光レンズに入射する光
束は平行光束であるから、半導体レーザー、コリ
メートレンズ、ビームスプリツタ、４分割光検知
器、非点収差発生手段を保持した保持体に対し
て、集光レンズが取付けられた移動体を光軸方向
に自由に伸縮させることができ、これによつて、
非測定物の測定位置の変化や、非測定物の大き
さ、姿勢などに応じ、移動体を伸縮させて容易に
適応させることができるし、移動する被検出体で
あつてもその変位を連続的に検出することができ
る。また、移動体と共に集光レンズが移動する範
囲では光束が平行光束になつているため、集光レ
ンズが移動しても検出特性が劣化することはな
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案に係る光学式変位検出器の一実
施例を示す断面図、第２図は同上実施例に係る光
学式変位検出器の使用態様の例を示す斜視図、第
３図は本考案に係る光学式変位検出器の別の実施
例を示す断面図、第４図は本考案に用いることが
できる光学配置及び信号演算処理回路の例を示す
ブロツク図、第５図は同上演算処理回路の動作を
説明するための線図、第６図は従来の光学式変位
検出器の一例を示すブロツク図、第７図は従来の
光学式変位検出器の別の例を示すブロツク図であ
る。 １０……半導体レーザー、１２……ビームスプ
リツタ、１４……コリメートレンズ、１６……集
光レンズ、１８……非点収差発生手段、２０……
４分割光検知器、５０……被測定物、５０１……
被測定面。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 半導体レーザーと、 この半導体レーザーからの射出光を平行光束に
   修正するコリメートレンズと、 このコリメートレンズを通つた光束を被測定物
   の被測定面上に集光する集光レンズと、 上記被測定面からの反射光を上記射出光と分離
   するビームスプリツタと、 上記反射光を電気信号に変換する４分割光検知
   器と、 上記ビームスプリツタと４分割光検知器との間
   に配備され上記４分割光検知器への入射光に非点
   収差を生じさせる非点収差発生手段と、 上記半導体レーザー、コリメートレンズ、ビー
   ムスプリツタ、４分割光検知器、非点収差発生手
   段を保持した保持体と、 上記集光レンズを保持すると共に、上記保持体
   に対して光軸方向に伸縮自在に取付けられた移動
   体とを具備してなる光学式変位検出器。