(57)【要約】【課題】簡単な構成で、高速移動体の変位や振動を検出可能とする。【解決手段】相対移動する一方の部材（１０）にスリット状開口絞り板１２を取付けると共に、相対移動する他方の部材（２０）に、相対変位方向の位置に応じて反射面積が単調に変化する反射鏡（２２）を取付け、前記スリット状開口絞り板１２のスリット１２Ａ長より幅が狭い光（３６）を該スリット状開口絞り板１２に投射した時に、前記反射鏡（２２）により反射され、該スリット状開口絞り板１２を再び通過して戻ってきた光の光量の変化に基づいて、両部材（１０、２０）間の相対変位を検出する。【選択図】図１
2014013208.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対移動する一方の部材にスリット状開口絞り板を取付けると共に、
相対移動する他方の部材に、相対変位方向の位置に応じて反射面積が単調に変化する反射鏡を取付け、
前記スリット状開口絞り板のスリット長より幅が狭い光を該スリット状開口絞り板に投射した時に、前記反射鏡により反射され、該スリット状開口絞り板を再び通過して戻ってきた光の光量の変化に基づいて、両部材間の相対変位を検出することを特徴とする光学式変位検出方法。
【請求項２】
前記スリット状開口絞り板に向かう光と、該スリット状開口絞り板から戻る光を、ビームスプリッタで分離することを特徴とする請求項１に記載の光学式変位検出方法。
【請求項３】
前記スリット状開口絞り板及び反射鏡をプローブに収納し、光ファイバを介してコントローラから該プローブに光を送ると共に、該プローブから戻ってくる光を同じ光ファイバにより前記コントローラに導いて、その光量の変化を検出することを特徴とする請求項１に記載の光学式変位検出方法。
【請求項４】
前記プローブに向かう光と、該プローブから戻ってきた光を、前記コントローラ内の光ファイバカプラで分離することを特徴とする請求項３に光学式変位検出方法。
【請求項５】
相対移動する一方の部材に取付けられたスリット状開口絞り板と、
相対移動する他方の部材に取付けられた、相対変位方向の位置に応じて反射面積が単調に変化する反射鏡と、
前記スリット状開口絞り板のスリット長より幅が狭い光を該スリット状開口絞り板に投射する手段と、
前記反射鏡により反射され、前記スリット状開口絞り板を再び通過して戻ってきた光の光量の変化に基づいて、両部材間の相対変位を検出する手段と、
を備えたことを特徴とする光学式変位検出装置。
【請求項６】
前記スリット状開口絞り板に向かう光と、該スリット状開口絞り板から戻る光を分離するビームスプリッタを備えたことを特徴とする請求項５に記載の光学式変位検出装置。
【請求項７】
前記スリット状開口絞り板のスリット長より幅が狭い光を該スリット状開口絞り板に投射する手段、及び、前記反射鏡により反射され、該スリット状開口絞り板を再び通過して戻ってきた光の光量の変化に基づいて、両部材間の相対変位を検出する手段を収納するコントローラと、
前記スリット状開口絞り板及び反射鏡を収納するプローブと、
前記コントローラとプローブを接続する光ファイバとを備え、
該光ファイバを介して前記コントローラからプローブに光を送ると共に、該プローブから戻ってくる光を同じ光ファイバにより前記コントローラに導いて、その光量の変化を検出するようにされていることを特徴とする請求項５に記載の光学式変位検出装置。
【請求項８】
前記コントローラ内に、前記プローブに向かう光と、該プローブから戻ってきた光を分離する光ファイバカプラを備えたことを特徴とする請求項７に光学式変位検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学式変位検出方法及び装置に係り、特に、接触式変位計、接触式粗さ・輪郭形状測定機、地震計あるいは振動計のセンサとして用いるのに好適な、簡単な構成で、高速移動体の変位や振動を検出することが可能な光学式変位検出方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
筺体に対し移動することが可能に取り付けられた接触子を備え、測定対象物に接触子を接触させ、筐体に収容された検出器で筐体に対する接触子の相対変位を測定することにより、測定対象物の変位を測定する接触式変位計が知られている。筐体に収容される検出器としては、磁石と差動トランスとで構成される電気マイクロメータ、所定のパターンが形成されたスケールとスケール読取りのための静電容量、磁気、光等のセンサとで構成されるもの等がある。
【０００３】
例えば特許文献１には、接触子が設けられたスピンドルを移動させ、基準位置となる原点に対する相対位置を受光素子であるフォトダイオードにより検出する光学式変位測長器が記載され、特許文献２には、イメージセンサにより読み取られた相対位置に基づいて、温度平衡状態での伸縮量相当量を抽出し、相対位置の補正を行なうようにした接触式変位計が記載されている。
【０００４】
又、特許文献３には、接触式振動計及びこれを備えた表面性状測定装置が記載され、特許文献４には、光ファイバを用いた振動計が記載されている。
【０００５】
更に、特許文献５には、スリットを通過した光とＰＳＤを用いた位置検出装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２９４４８９号公報
【特許文献２】特開２００９−２３６５００号公報
【特許文献３】特開２００９−１８０６６７号公報
【特許文献４】特開２０１１−１４１２４６号公報
【特許文献５】特開平６−９４４１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、リニアな変位出力を得るまでに複雑な信号処理が必要であったり、高速応答性を持たせることが難しい等の問題点を有していた。
【０００８】
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、簡単な構成で、高速移動体の変位や振動を検出可能とすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、相対移動する一方の部材にスリット状開口絞り板を取付けると共に、相対移動する他方の部材に、相対変位方向の位置に応じて反射面積が単調に変化する反射鏡を取付け、前記スリット状開口絞り板のスリット長より幅が狭い光を該スリット状開口絞り板に投射した時に、前記反射鏡により反射され、該スリット状開口絞り板を再び通過して戻ってきた光の光量の変化に基づいて、両部材間の相対変位を検出することを特徴とする光学式変位検出方法により、前記課題を解決したものである。
【００１０】
ここで、前記スリット状開口絞り板に向かう光と、該スリット状開口絞り板から戻る光を、ビームスプリッタで分離することができる。
【００１１】
又、前記スリット状開口絞り板及び反射鏡をプローブに収納し、光ファイバを介してコントローラから該プローブに光を送ると共に、該プローブから戻ってくる光を同じ光ファイバにより前記コントローラに導いて、その光量の変化を検出することができる。
【００１２】
又、前記プローブに向かう光と、該プローブから戻ってきた光を、前記コントローラ内の光ファイバカプラで分離することができる。
【００１３】
本発明は、又、相対移動する一方の部材に取付けられたスリット状開口絞り板と、相対移動する他方の部材に取付けられた、相対変位方向の位置に応じて反射面積が単調に変化する反射鏡と、前記スリット状開口絞り板のスリット長より幅が狭い光を該スリット状開口絞り板に投射する手段と、前記反射鏡により反射され、前記スリット状開口絞り板を再び通過して戻ってきた光の光量の変化に基づいて、両部材間の相対変位を検出する手段と、を備えたことを特徴とする光学式変位検出装置を提供するものである。
【００１４】
ここで、前記スリット状開口絞り板に向かう光と、該スリット状開口絞り板から戻る光を分離するビームスプリッタを備えることができる。
【００１５】
又、前記スリット状開口絞り板のスリット長より幅が狭い光を該スリット状開口絞り板に投射する手段、及び、前記反射鏡により反射され、該スリット状開口絞り板を再び通過して戻ってきた光の光量の変化に基づいて、両部材間の相対変位を検出する手段を収納するコントローラと、前記スリット状開口絞り板及び反射鏡を収納するプローブと、前記コントローラとプローブを接続する光ファイバとを備え、該光ファイバを介して前記コントローラからプローブに光を送ると共に、該プローブから戻ってくる光を同じ光ファイバにより前記コントローラに導いて、その光量の変化を検出するようにすることができる。
【００１６】
又、前記コントローラ内に、前記プローブに向かう光と、該プローブから戻ってきた光を分離する光ファイバカプラを備えることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、スリット状開口絞り板のスリット長より幅が狭い光を該スリット状開口絞り板に投射した時に、相対変位方向の位置に応じて反射面積が単調に変化するようにした反射鏡により反射され、前記スリット状開口絞り板を再び通過して戻って来た光の光量変化に基づいて、両部材間の相対変位を検出するようにしたので、簡単な構成で、高速移動体の変位や振動を検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態の全体構成を示す、一部斜視図及びブロック図を含む光路図
【図２】第１実施形態における変位と出力の関係の例を示す図
【図３】本発明の第２実施形態の構成を示す、一部斜視図及びブロック図を含む光路図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２０】
本発明の第１実施形態は、図１に示す如く、相対移動する一方の部材であるスピンドル１０に取り付けられたスリット状開口絞り板１２と、相対移動する他方の部材である筐体２０に収容された、相対変位方向（図の上下方向）の位置に応じて反射面積が単調に変化する、図では上すぼまりの三角形状の平面ミラー２２と、同じく筺体２０に収容された、前記スリット状開口絞り板１２のスリット１２Ａの長さより幅が狭い平行光３６を該スリット状開口絞り板１２に投射する手段である、発光回路３０、例えばレーザダイオードＬＤ又は発光ダイオードＬＥＤ等でなる光源３２及びコリメートレンズ３４と、同じく筺体２０に収容された、前記スリット状開口絞り板１２に向かう光と、該スリット状開口絞り板１２から戻る光を分離するためのビームスプリッタ４０と、同じく筐体２０に収容された、前記平面ミラー２２により反射され、前記スリット状開口絞り板１２を再び通過して戻ってきた光の光量の変化に基づいて、両部材（１０、２０）間の相対変位を検出する手段である、フォトダイオード等の受光素子５０、光電流を電圧に変換するＩ／Ｖ変換アンプ５２及びゲイン・ゼロ点調整用アンプ５４と、を備える。
【００２１】
図において、１０Ａは、スピンドル１０の先端に配設された接触子である。
【００２２】
ここで、前記スリット状開口絞り板１２が可動部側であるスピンドル１０に取り付けられ、他の構成部品が固定部側である筐体２０に取り付けられている。
【００２３】
以下、作用を説明する。
【００２４】
発光回路３０により光源３２を発光させ、コリメートレンズ３４により平行光３６にする。
【００２５】
ついで、ビームスプリッタ４０を通過した平行光３６を、スピンドル１０と共に図の上下方向（変位検出方向）に移動するスリット状開口絞り板１２により部分遮光する。ここで、スリット状開口絞り板１２のスリット１２Ａの長さは、平行光３６の直径に比べて十分に長くされている。
【００２６】
スリット状開口絞り板１２を通過した往路光は、その幅より狭い平面ミラー２２で垂直反射される。ここで、該平面ミラー２２の形状は、変位検出方向の位置により、ミラー幅が変わるように設計されている。図では、上方位置ほどミラー幅が狭くなるようにされている。ミラー幅方向に平面ミラー２２からはみ出た光は捨てられ、この量をミラー幅によって決めることで、ミラー反射光量はスリット状開口絞り板１２の変位に比例するように設計できる。
【００２７】
平面ミラー２２で反射された復路光は、再びスリット１２Ａを通って、コリメートレンズ３４側に戻り、ビームスプリッタ４０により受光素子５０側へ分岐される。
【００２８】
受光素子５０がフォトダイオードのような電流出力型である場合は、Ｉ／Ｖ変換アンプ５２により光電流Ｉを電圧Ｖに変換する。なお、受光素子５０が電圧出力型である場合は、このＩ／Ｖ変換アンプ５２は不要である。
【００２９】
次いで、ゲイン・ゼロ点調整用アンプ５４により、図２に例示するような、変位に比例するアナログ電圧出力を生成するよう、スケールファクタ及びゼロ点を調整する。
【００３０】
なお、第１実施形態では、ビームスプリッタ４０をコリメートレンズ３４の後段に配置しているが、コリメータレンズ３４の前段に配置しても良い。
【００３１】
第１実施形態では、スピンドル１０以外の部品を筐体２０内に収容しており、全体構成がコンパクトである。
【００３２】
なお、測定状態によっては、センサを組み込んだプローブと、人が操作するコントローラを離して配置する必要がある場合がある。その際、プローブや信号伝送部に電気信号を用いると、過酷な電磁環境では、プローブへの電磁ノイズの混入による信号劣化や放射能によりＩＣの誤動作等が生じる場合がある。又、電磁ノイズに弱い環境へプローブを持ち込むことにより、プローブが出す電磁ノイズが環境に悪影響を与えてしまうことがある。更に、構成部品の使用温度範囲の限界により、極端な高温／低温環境での使用が難しい等の測定環境の制限がある場合がある。又、ケーブル長を長くすると、電気信号では、信号レベルの低下や応答性の低下を伴うため、ケーブル長を数十ｍ程度までの長さに制限する必要がある。このために、多チャンネルコントローラを用いてマルチポイントの変位測定を行なう際には、測定点が狭い範囲に制限される。又、人が近づけない危険環境（放射能、真空、高温、低温）に設置したプローブに対し、人が操作するコントローラとの距離を十分確保することができない場合がある。
【００３３】
次に、このような問題点を解決し、幅広い測定環境への対応を可能とした本発明の第２実施形態を詳細に説明する。
【００３４】
本実施形態は、図３に示す如く、第１実施形態と同様の構成において、発光回路３０、光源３２、受光素子５０、Ｉ／Ｖ変換アンプ５２、ゲイン・ゼロ点調整用アンプ５４等をコントローラ６０に収容すると共に、コリメートレンズ３４、スリット状開口絞り板１２及び平面ミラー２２をプローブ７０に収容し、前記コントローラ６０とプローブ７０を光ファイバ８０で接続するようにしたものである。
【００３５】
図において、５６は、必要に応じてコントローラ６０内に設けられる、測定結果を表示するためのアナログメータ、８２は、同じくコントローラ６０内に設けられる、プローブ７０に向かう光と、該プローブ７０から戻ってきた光を分離するための光ファイバカプラである。
【００３６】
前記光ファイバ８０としては、例えばマルチモードファイバを用いることができる。
【００３７】
以下作用を説明する。
【００３８】
まずコントローラ６０内の光源３２を発光させ、その光を光ファイバ８０内に入れる。
【００３９】
光ファイバ８０の途中には光ファイバカプラ８２が入っており、プローブ７０までの１本の光ファイバ８０を光源３２側と受光素子５０側に分岐させている。
【００４０】
光ファイバカプラ８２を通過した光は光ファイバ８０内を進み、プローブ７０内へ到達し、光ファイバ８０端面から光ファイバ８０外への発散光として出射される。発散光は、断面が円形で光量分布がガウス分布をしている。
【００４１】
この発散光は、プローブ７０内に固定されたコリメートレンズ３４により平行光３６になる。
【００４２】
スピンドル１０と共に移動するスリット状開口絞り板１２は、コリメートレンズ３４から出射される平行光３６を部分遮光する。ここで、スリット状開口絞り板１２のスリット１２Ａの長さは、平行光３６の直径に比べて十分に長くされている。
【００４３】
スリット１２Ａを通過した往路光は、その幅より狭い平面ミラー２２で垂直反射される。
【００４４】
第１実施形態と同様の平面ミラー２２で反射された復路光は、再びスリット１２Ａ及びコリメートレンズ３４を通り、光ファイバ８０内へ戻る。
【００４５】
光ファイバ８０を通って戻った光は、光ファイバカプラ８２で分離され、受光素子５０で受光される。
【００４６】
他の点については、前記第１実施形態と同様であるので説明は省略する。
【００４７】
本実施形態によれば、幅広い測定環境への対応が可能となり、ケーブル長の制限からも解放され、ｋｍオーダーの遠隔測定や、広範囲のマルチポイント測定が可能となる。
【００４８】
なお、第２実施形態を、接触式変位計や接触式粗さ・輪郭形状測定機のプローブ内に用いる場合は、スリット状開口絞り板１２を、プローブ７０の外に出た、スタイラスの動きが伝わる可動部側に取り付け、コリメートレンズ３４及び平面ミラー２２は固定部側に取付けることで、スタイラスの変位を検出することが可能となる。
【００４９】
又、地震計あるいは振動計のプローブ内に用いる場合には、スリット状開口絞り板１２を振り子部分（可動部側）に取り付け、コリメートレンズ３４及び平面ミラー２２を固定部側に取付けることで、振り子部分の変位を検出することが可能となる。
【００５０】
なお、前記実施形態においては、いずれも反射鏡として三角形状の平面ミラー２２が用いられていたが、反射鏡の構成はこれに限定されず、相対変位方向の位置に応じて反射面積が単調に変化するものであれば、他の形状の反射鏡を用いることも可能である。又、必要な出力変化に合わせて、反射面積の変化量を変えることで、変位に対してリニアでない出力を得ることもできる。
【００５１】
又、受光素子５０の出力から変位出力を得る方法も、ゲイン・ゼロ点調整用アンプ５４を用いる方法に限定されない。
【００５２】
更に、往路光と復路光を分岐する手段も、ビームスプリッタ４０や光ファイバカプラ８２に限定されない。
【符号の説明】
【００５３】
１０…スピンドル
１０Ａ…接触子
１２…スリット状開口絞り板
１２Ａ…スリット
２０…筐体
３０…発光回路
３２…光源
３４…コリメートレンズ
３６…平行光
４０…ビームスプリッタ
５０…受光素子
５２…Ｉ／Ｖ変換アンプ
５４…ゲイン・ゼロ点調整用アンプ
５６…アナログメータ
６０…コントローラ
７０…プローブ
８０…光ファイバ
８２…光ファイバカプラ
【図２】
2014013208.tif 000003
【図１】
2014013208.tif 000004
【図３】
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