(57)【要約】【課題】被測定物の面の色や反射率等の影響を受けず、高精度かつ低コストで、変位の測定結果をデジタル出力することが可能な変位計を提供することである。【解決手段】被測定物に当接しレバー式に揺動して変位可能な先端球を軸部材の先端に有してなる測定子と、前記先端球の変位に連動して変位する面を有する面部材と、前記面部材の前記面の変位を測定する変位測定部と、前記変位測定部によって測定した前記面の変位に応じた前記先端球の変位量を表示する表示部と、を有する変位計であって、前記変位測定部は、光ビームを前記面に照射する光源と、前記光源によって照射された光ビームの前記面からの反射光を受光する受光部と、前記受光部によって受光した光量を用いて非点収差法により前記面の変位を算出する変位算出部と、を有する、ことを特徴とする。【選択図】図１
2019090676.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物に当接しレバー式に揺動して変位可能な先端球を軸部材の先端に有してなる測定子と、
前記先端球の変位に連動して変位する面を有する面部材と、
前記面部材の前記面の変位を測定する変位測定部と、
前記変位測定部によって測定した前記面の変位に応じた前記先端球の変位量を表示する表示部と、
を有する変位計であって、
前記変位測定部は、光ビームを前記面に照射する光源と、前記光源によって照射された光ビームの前記面からの反射光を受光する受光部と、前記受光部によって受光した光量を用いて非点収差法により前記面の変位を算出する変位算出部と、を有する、
ことを特徴とする変位計。
【請求項２】
前記変位測定部によって測定した前記面の変位に応じた前記先端球の変位量を出力する出力部を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の変位計。
【請求項３】
前記光源から前記面に至る光学系は、非点収差光学系であり、
前記受光部は、前記面からの反射光を受光する４分割光検出器であり、
前記面からの反射光の光軸が前記４分割光検出器の中心に位置し、
前記変位算出部は、前記４分割光検出器の４つに分割された光検出器のそれぞれで受光した光量の比率に基づいて前記面の変位を算出する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の変位計。
【請求項４】
前記面は、平面である平面箇所を有し、前記平面箇所の所定位置での反射率と該平面箇所の別の位置での反射率とがほぼ等しい、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の変位計。
【請求項５】
前記変位算出部は、前記受光部によって受光した光量を用いて３ビーム法により前記面の変位を算出する、
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の変位計。
【請求項６】
前記面は、あらかじめ定めたパターンの凹凸部を有する、
ことを特徴とする請求項５に記載の変位計。
【請求項７】
前記光源から前記面に至る光路において、前記光源によって照射された光ビームを、０次回折光、−１次回折光および＋１次回折光に分割する光分割部を有し、
前記受光部は、前記−１次回折光および前記＋１次回折光の前記凹凸部からの反射光のそれぞれを受光する第一の受光部および第二の受光部を有し、
前記変位算出部は、前記第一の受光部で受光した光量と前記第二の受光部で受光した光量との差に基づいて前記面の変位を算出する、
ことを特徴とする請求項６に記載の変位計。
【請求項８】
前記先端球は、梃子の力点に位置し、
前記面部材は、前記梃子の作用点に位置し、
前記梃子の力点から支点までの距離は、前記梃子の支点から作用点までの距離よりも長い、
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の変位計。
【請求項９】
前記先端球は、原点位置に対する所定の方向であるプラス方向、および前記プラス方向と前記原点位置を挟んで逆の方向であるマイナス方向に揺動可能であり、
前記先端球に外力がかからない場合に該先端球を前記原点位置に保持する付勢を行う付勢部を有し、
前記変位算出部は、前記先端球の前記プラス方向の変位に連動した前記面の変位、および前記先端球の前記マイナス方向の変位に連動した前記面の変位を算出する、
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の変位計。
【請求項１０】
前記表示部は、前記変位測定部によって測定した前記面の変位に応じた前記先端球の変位量を、バーグラフで表示するバーグラフ表示部を有する、
ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の変位計。
【請求項１１】
操作者による入力を受け付ける入力部を有し、
前記表示部は、前記入力部によって操作者による入力を受け付けたときの前記先端球の位置を、前記バーグラフの中央位置に対応付けて表示する、
ことを特徴とする請求項１０に記載の変位計。
【請求項１２】
被測定物に当接しレバー式に揺動して変位可能な先端球を軸部材の先端に有してなる測定子と、
前記先端球の変位に連動して変位する面を有する面部材と、
前記面部材の前記面の変位を測定する変位測定部と、
前記変位測定部によって測定した前記面の変位に応じた前記先端球の変位量を出力する出力部と、
を有する変位計であって、
前記変位測定部は、光ビームを前記面に照射する光源と、前記光源によって照射された光ビームの前記面からの反射光を受光する受光部と、前記受光部によって受光した光量を用いて非点収差法により前記面の変位を算出する変位算出部と、を有する、
ことを特徴とする変位計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物に当接した測定子の変位を検出する変位計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高精度な変位計として、被測定物に測定子を触れさせずに測定を行う非接触型のレーザ変位計が一般によく知られている（特許文献１参照）。このレーザ変位計においては、レーザ光が照射される被測定物の面の色や反射率等の影響を変位の測定結果が受けやすいという問題があった。最近では、被測定物の面の色や反射率等の影響を受けない工夫が検討されているが、処理が複雑になり高コストが避けられない状況であった。
【０００３】
一方、被測定物の面の色や反射率等の影響を受けない安価な変位計として、梃子式ダイヤルゲージが広く一般に用いられている（特許文献２参照）。この梃子式ダイヤルゲージでは、被測定物に測定子を接触させて測定を行う接触型であるため、変位の測定結果が被測定物の面の色や反射率等の影響を受けずに安定しており、歯車のような古典的な機械要素のみで構成されるため低コストで済むものであった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２２１４５１号公報
【特許文献２】特開平１０−８９９０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献２に記載のような従来の梃子式ダイヤルゲージでは、歯車のような古典的な機械要素のみの構成であるため、高精度化に限度があるし、変位の測定結果をデジタル出力できないため、昨今のＩｏＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ  ｏｆ  Ｔｈｉｎｇｓ）に組み込めず汎用性に欠けるという問題があった。
【０００６】
本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、被測定物の面の色や反射率等の影響を受けず、高精度かつ低コストで、変位の測定結果をデジタル出力することが可能な変位計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、被測定物に当接しレバー式に揺動して変位可能な先端球を軸部材の先端に有してなる測定子と、前記先端球の変位に連動して変位する面を有する面部材と、前記面部材の前記面の変位を測定する変位測定部と、前記変位測定部によって測定した前記面の変位に応じた前記先端球の変位量を表示する表示部と、を有する変位計であって、前記変位測定部は、光ビームを前記面に照射する光源と、前記光源によって照射された光ビームの前記面からの反射光を受光する受光部と、前記受光部によって受光した光量を用いて非点収差法により前記面の変位を算出する変位算出部と、を有する、ことを特徴とする。
本発明によれば、被測定物の面の色や反射率等の影響を受けず、高精度かつ低コストで、変位の測定結果をデジタル出力することが可能な変位計を提供することができる。
【０００８】
また本発明は、変位計であって、前記変位測定部によって測定した前記面の変位に応じた前記先端球の変位量を出力する出力部を有する、ことを特徴とする。
本発明によれば、出力部によって先端球の変位量を出力することができ、外部装置において活用することができる場合がある。
【０００９】
また本発明は、変位計であって、前記光源から前記面に至る光学系は、非点収差光学系であり、前記受光部は、前記面からの反射光を受光する４分割光検出器であり、前記面からの反射光の光軸が前記４分割光検出器の中心に位置し、前記変位算出部は、前記４分割光検出器の４つに分割された光検出器のそれぞれで受光した光量の比率に基づいて前記面の変位を算出する、ことを特徴とする。
本発明によれば、非点収差法により、先端球の変位を容易に算出することができる場合がある。
【００１０】
また本発明は、変位計であって、前記面は、平面である平面箇所を有し、前記平面箇所の所定位置での反射率と該平面箇所の別の位置での反射率とがほぼ等しい、ことを特徴とする。
本発明によれば、面の反射率が、所定位置と別の位置とでほぼ等しいことで、先端球の変位を正確に算出することができる場合がある。
【００１１】
また本発明は、変位計であって、前記変位算出部は、前記受光部によって受光した光量を用いて３ビーム法により前記面の変位を算出する、ことを特徴とする。
本発明によれば、３ビーム法により、先端球の変位を容易に算出することができる場合がある。
【００１２】
また本発明は、変位計であって、前記面は、あらかじめ定めたパターンの凹凸部を有する、ことを特徴とする。
本発明によれば、面部材の面が３ビーム法に適し、先端球の変位を正確に算出することができる場合がある。
【００１３】
また本発明は、変位計であって、前記光源から前記面に至る光路において、前記光源によって照射された光ビームを、０次回折光、−１次回折光および＋１次回折光に分割する光分割部を有し、前記受光部は、前記−１次回折光および前記＋１次回折光の前記凹凸部からの反射光のそれぞれを受光する第一の受光部および第二の受光部を有し、前記変位算出部は、前記第一の受光部で受光した光量と前記第二の受光部で受光した光量との差に基づいて前記面の変位を算出する、ことを特徴とする。
本発明によれば、３ビーム法に適し、先端球の変位を正確に算出することができる場合がある。
【００１４】
また本発明は、変位計であって、前記先端球は、梃子の力点に位置し、前記面部材は、前記梃子の作用点に位置し、前記梃子の力点から支点までの距離は、前記梃子の支点から作用点までの距離よりも長い、ことを特徴とする。
本発明によれば、先端球の変位を、梃子によって、光ビームを用いた変位測定部で測定可能な範囲にすることができ、先端球の変位を正確に算出することができる場合がある。
【００１５】
また本発明は、変位計であって、前記先端球は、原点位置に対する所定の方向であるプラス方向、および前記プラス方向と前記原点位置を挟んで逆の方向であるマイナス方向に揺動可能であり、前記先端球に外力がかからない場合に該先端球を前記原点位置に保持する付勢を行う付勢部を有し、前記変位算出部は、前記先端球の前記プラス方向の変位に連動した前記面の変位、および前記先端球の前記マイナス方向の変位に連動した前記面の変位を算出する、ことを特徴とする。
本発明によれば、付勢部により先端球が原点位置に保持されるので、その都度の先端球の変位を正確に算出することができる場合がある。
【００１６】
また本発明は、変位計であって、前記表示部は、前記変位測定部によって測定した前記面の変位に応じた前記先端球の変位量を、バーグラフで表示するバーグラフ表示部を有する、ことを特徴とする。
本発明によれば、バーグラフ表示部により先端球の変位量がバーグラフで表示されるので、操作者が見やすく使い勝手のよい変位計を提供できる場合がある。
【００１７】
また本発明は、変位計であって、操作者による入力を受け付ける入力部を有し、前記表示部は、前記入力部によって操作者による入力を受け付けたときの前記先端球の位置を、前記バーグラフの中央位置に対応付けて表示する、ことを特徴とする。
本発明によれば、操作者による操作を入力部で受け付けたときに、現在の先端球の位置をバーグラフの中央位置に対応付けて表示することで、先端球の現在の位置からの変位を測定したいときなどに有効で、操作者が見やすく使い勝手の良い変位計を提供できる場合がある。
【００１８】
また本発明は、被測定物に当接しレバー式に揺動して変位可能な先端球を軸部材の先端に有してなる測定子と、前記先端球の変位に連動して変位する面を有する面部材と、前記面部材の前記面の変位を測定する変位測定部と、前記変位測定部によって測定した前記面の変位に応じた前記先端球の変位量を出力する出力部と、を有する変位計であって、前記変位測定部は、光ビームを前記面に照射する光源と、前記光源によって照射された光ビームの前記面からの反射光を受光する受光部と、前記受光部によって受光した光量を用いて非点収差法により前記面の変位を算出する変位算出部と、を有する、ことを特徴とする。
本発明によれば、被測定物の面の色や反射率等の影響を受けず、高精度かつ低コストで、変位の測定結果をデジタル出力することが可能な変位計を提供することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、被測定物の面の色や反射率等の影響を受けず、高精度かつ低コストで、変位の測定結果をデジタル出力することが可能な変位計を提供することができる。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施例１に係る変位計を示す斜視図である。
【図２】図１に示したケース１１の上面部１２に設けられたボタン１３および表示部１４を拡大して示す図である。
【図３】図１に示した変位計１０の測位に係る構成の概略を示す図である。
【図４】図３に示した軸部材２２と軸部材２４の関係を示す図であって、図３とは別の例を示す図であり、（ａ）は、先端球２１が原点位置にある場合を示す図であり、図４（ｂ）は、先端球２１が原点位置から下にδだけ変位した場合を示す図である。
【図５】非点収差法について説明する図であって、（ａ）は、シリンドリカルレンズ３２１を通過したレーザ光の、受光位置による断面形状の違いを示す図であり、（ｂ）は受光位置が焦点位置よりもシリンドリカルレンズ３２１に近い位置である場合を示す図であり、（ｃ）は受光位置が焦点位置である場合を示す図であり、（ｄ）は受光位置が焦点位置よりもシリンドリカルレンズ３２１から遠い位置である場合を示す図である。
【図６】実施例１における面部材２５の面のうち、光学系５０に対向する面の構造の一例を示す斜視図である。
【図７】図６に示した面部材２５の面からの反射光を用いた場合の３ビーム法について説明する図であって、（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、図６に示した面部材２５の面でレーザ光が反射する様子を示す平面図であり、（ｄ）は、（ａ）の状態で面部材２５の面からの反射光の受光量を示す図であり、（ｅ）は、（ｂ）の状態で面部材２５の面からの反射光の受光量を示す図であり、（ｆ）は、（ｃ）の状態で面部材２５の面からの反射光の受光量を示す図である。
【図８】実施例１における電装に係る構成を示すブロック図である。
【図９】図８に示した電装に係る構成における変位測定に係る信号の流れを示す図である。
【図１０】実施例２における変位計の測位に係る構成の概略を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明に係る変位計について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【実施例１】
【００２２】
図１は、本発明の実施例１に係る変位計を示す斜視図である。変位計１０は、図３を参照して後述する光学系５０を含む構成を収容するケース１１と、軸部材２２の一端である先端に先端球２１を有してなる測定子２０と、を有して構成され、先端球２１の変位を光学系５０によって測定しデジタル出力を可能にしている。先端球２１は、例えばルビー球で構成されてもよいし、鉄球で構成されてもよい。先端球２１は、被測定物に機械的に接触し、被測定物の凹凸等によって先端球２１は変位する。変位計１０は先端球２１の変位を測定することで被測定物の凹凸等を検出することができる。
【００２３】
ケース１１は中空の筐体であり、その前側に、ケース１１内の中空に通じる開口である開口部１６を有する。測定子２０はケース１１の開口部１６から外部に延びている。測定子２０の軸部材２２は、その他端（先端球２１と逆の端）に軸支部２３を有している。軸支部２３には回転軸１５が貫通しており、軸部材２２は回転軸１５を回転軸として回動可能に設けられている。開口部１６は、軸部材２２の回動方向において、軸部材２２の回動可能範囲よりも大きく開口している。
【００２４】
測定子２０は、不図示の弾性部材（例えば、線ばね）によって付勢されており、この付勢力によって、外力がかからない場合には測定子２０の先端球２１は原点位置に位置する。先端球２１は、この原点位置から時計回りおよび反時計回りの両方向に回動可能である。ここでは、原点位置から時計回りの方向を、原点位置に対する所定の方向であるプラス方向とし、原点位置から反時計回りの方向を、プラス方向と原点位置を挟んで逆の方向であるマイナス方向とし、先端球２１はプラス方向およびマイナス方向の両方向に揺動可能である。
【００２５】
ケース１１の上面部１２にはボタン１３および表示部１４が設けられている。図２は、図１に示したケース１１の上面部１２に設けられたボタン１３および表示部１４を拡大して示す図である。
【００２６】
ボタン１３は、操作者が操作するスイッチであり、電源スイッチとして用いられるとともにゼロセットボタンとして用いられる。ボタン１３は、例えば、長押し操作（一定時間以上押し続ける操作）があった場合には、変位計１０の電源のオン／オフの指示入力用ボタンとして用いられ、通常操作（一定時間未満の押し操作）があった場合には、ゼロセットの指示入力用ボタンとして用いられる。ここで、ゼロセットとは、詳しくは後述するが、表示部１４における表示位置をゼロ位置（後述のバーグラフ表示の中央位置）にセットする動作である。
【００２７】
表示部１４は、ランプ１４ａ〜１４ｍの１３個のランプを有してなり、これらのランプ１４ａ〜１４ｍによってバーグラフ表示を行う。ランプ１４ａ〜１４ｍのそれぞれは、例えばＬＥＤによって構成される。変位計１０による先端球２１の変位の測定結果は、１３個のランプ１４ａ〜１４ｍのうちのいずれか一つが点灯することで表示される。ランプ１４ａは青色で点灯するランプであり、ランプ１４ｂ、１４ｃ、１４ｈおよび１４ｉは緑色で点灯するランプであり、ランプ１４ｄ、１４ｅ、１４ｆ、１４ｊ、１４ｋおよび１４ｌは黄色で点灯するランプであり、ランプ１４ｇおよび１４ｍは赤色で点灯するランプである。
【００２８】
また、ランプ１４ａはバーグラフの中央位置に配置され、先端球２１のプラス方向への変位に対応して、ランプ１４ａから離れる方向に順にランプ１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｆ、１４ｇが配置され、先端球２１のマイナス方向への変位に対応して、ランプ１４ｂ側とは逆でランプ１４ａから離れる方向に順にランプ１４ｈ、１４ｉ、１４ｊ、１４ｋ、１４ｌ、１４ｍが配置されている。
【００２９】
操作者がボタン１３の長押し操作をすると、変位計１０の電源がオンされ、バーグラフの中央位置のランプ１４ａが点灯する。先端球２１がプラス方向に変位していくと、変位量に応じて点灯するランプがランプ１４ａから、順にランプ１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｆ、１４ｇへと変化する。先端球２１がマイナス方向に変位していくと、変位量に応じて点灯するランプがランプ１４ａから、順にランプ１４ｈ、１４ｉ、１４ｊ、１４ｋ、１４ｌ、１４ｍへと変化する。
【００３０】
先端球２１が原点位置からプラス方向またはマイナス方向に変位し、現在の先端球２１の位置に対応したランプが点灯した状態（ここでは、ランプ１４ｃが点灯しているとする）で、操作者がボタン１３の通常操作を行うと、今まで点灯していたランプ１４ｃが消灯し、バーグラフの中央位置のランプ１４ａが点灯し、現在の先端球２１の位置がバーグラフの中央位置に対応付けられる。この動作をゼロセットという、この後は、先端球２１が現在の位置からプラス方向に変位していくと、変位量に応じて点灯するランプがランプ１４ａから、順にランプ１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｆ、１４ｇへと変化し、先端球２１が現在の位置からマイナス方向に変位していくと、変位量に応じて点灯するランプがランプ１４ａから、順にランプ１４ｈ、１４ｉ、１４ｊ、１４ｋ、１４ｌ、１４ｍへと変化する。
【００３１】
図３は、図１に示した変位計１０の測位に係る構成の概略を示す図である。変位計１０の測定子２０は、軸部材２２の先端に先端球２１を有してなる。軸部材２２の後端には軸支部２３が設けられている。また、軸部材２４の先端には軸支部２３が設けられ、軸部材２４の後端には面部材２５が設けられている。
【００３２】
先端球２１と軸部材２２と軸支部２３と軸部材２４とは一体化しており、軸支部２３が、図１に示した回転軸１５を軸支することで、一体化した先端球２１、軸部材２２、軸支部２３および軸部材２４は、回転軸１５を中心にして揺動可能である。先端球２１と軸部材２２と軸支部２３と軸部材２４とは、それぞれが別々の部品であってこれを固定したものであってもよいし、一体成型した一つの部品であってもよい。本実施例では、先端球２１は梃子の力点に位置し、軸支部２３が梃子の支点に位置し、面部材２５は梃子の作用点に位置する。
【００３３】
光学系５０で検出可能な変位は高々数百μｍ未満のため、本実施例では、梃子式のアーム（軸部材２２、軸支部２３および軸部材２４）を用いて、先端球２１の変位を機械的に縮小する。具体的には、先端球２１の変位（実際の測定範囲、数ｍｍ程度）が、光学系５０で検出可能な面部材２５の変位（数百μｍ未満）に縮小できるような位置関係、例えば、先端球２１から軸支部２３までの距離を１０としたとき、軸支部２３から面部材２５までの距離を１とし、梃子の力点から支点までの距離を、梃子の支点から作用点までの距離よりも長くしている。
【００３４】
なお、図３では、軸部材２２と軸部材２４とが直線上に配置された場合の梃子について図示したが、本発明はこれに限られるものではない。軸部材２２と軸部材２４とが直線上に配置されない場合の梃子について、以下に、図４を参照して説明する。
【００３５】
図４は、図３に示した軸部材２２と軸部材２４の関係を示す図であって、図３とは別の例を示す図である。図４（ａ）は、先端球２１が原点位置にある場合を示す図であり、図４（ｂ）は、先端球２１が原点位置から下にδだけ変位した場合を示す図である。ここで、先端球２１から軸支部２３までの距離（軸部材２２の長さ）をＬとし、軸支部２３から面部材２５までの距離（軸部材２４の長さ）をｒとする。また、先端球２１が原点位置にある場合の軸部材２２と、先端球２１が原点位置から下にδだけ変位した場合の軸部材２２と、が成す角度をθとし、先端球２１が原点位置から下にδだけ変位した場合の面部材２５の変位をρとする。
【００３６】
このとき、先端球２１の変位δは数１であらわすことができる。
【数１】
2019090676.tif 000003
ただし、θが十分小さければ、数２であらわされる。
【数２】
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【００３７】
また、このとき、面部材２５の変位ρは数３であらわすことができる。
【数３】
2019090676.tif 000005
ただし、θが十分小さければ、数４であらわされる。
【数４】
2019090676.tif 000006
【００３８】
図４に示した軸部材２２と軸部材２４の構造によれば、数４を参照してわかるように、梃子比は、Ｌ：ｒとなる。
【００３９】
図３の説明に戻り、軸部材２４の後端には面部材２５が固定されている。面部材２５の一方の面（図３では上に向いている面であり、光学系５０に対向する面）が向く側には光学系５０が設けられている。先端球２１が変位すると、その変位に連動して面部材２５の面のうち光学系５０に対向する面も変位する。以下、光学系５０による面部材２５の変位の検出について詳しく説明する。
【００４０】
光学系５０は、光路順に、レーザ光を出射する光源と面部材２５からの反射光である戻り光を受光する受光素子とが一体に形成された受発光一体型素子３１と、この受発光一体型素子３１から出射された出射光を分割し、面部材２５からの戻り光を出射光と分離する複合光学素子３２と、受発光一体型素子３１から出射され複合光学素子３２を透過した出射光を所定の開口数に絞る開口絞り３３と、この開口絞り３３によって絞られた出射光を面部材２５の面のうち光学系５０に対向する面に集光させる対物レンズ３４と、を有している。
【００４１】
面部材２５の面のうち光学系５０に対向する面は、図６を参照して後述するように、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ  Ｄｉｓｃ）フォーマットやＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｃ）フォーマットなどの光ディスクと同性状の構造の凹凸が形成されている。光学系５０は、ＣＤフォーマットやＤＶＤフォーマットのデータを読み取る光ピックアップの構造を有しており、受発光一体型素子３１で受光した、面部材２５の面のうち光学系５０に対向する面からの戻り光に基づいて、面部材２５の変位を測定する。
【００４２】
複合光学素子３２は、例えば樹脂材料を射出成型することでブロック状に形成されており、受発光一体型素子３１に、対向するとともにこの受発光一体型素子３１から出射される出射光の光軸に直交する第一の面４１と、この第一の面４１と平行な裏面である第二の面４２と、を有している。第一の面４１には、受発光一体型素子３１から出射された出射光を、０次回折光、−１次回折光および＋１次回折光からなる３ビームに分割する第一の回折格子４５が設けられている。光学系５０は、いわゆる３ビーム法を用いており、第一の回折格子４５により分割され面部材２５で反射された±１次回折光を受発光一体型素子３１で受光し±１次回折光の各出力の差分を検出することによって、光軸と垂直な方向の面部材２５の変位を測定する。
【００４３】
第二の面４２には、面部材２５の面のうち光学系５０に対向する面からの戻り光のうち第一の回折格子４５で分割された０次回折光および±１次回折光を回折させて、それぞれをさらに０次回折光および±１次回折光に分割して、例えば、この＋１次回折光を戻り光として出射光の光路と分離する第二の回折格子４６が設けられている。
【００４４】
また、第一の面４１には、第二の回折格子４６によって分離された戻り光の光路上に位置して、この戻り光を回折させて、さらに０次回折光および±１次回折光に分割して、例えばこの−１次回折光を受発光一体型素子３１に導く第三の回折格子４７が設けられている。この第三の回折格子４７は、第一の回折格子４５に対して同一面内で一方側に隣接して配設されている。
【００４５】
また、複合光学素子３２は、第二の回折格子４６で分離された戻り光が通過することによって、第三の回折格子４７に入射される戻り光に非点収差を所定量だけ付与する。光学系５０は、いわゆる非点収差法を用いており、受発光一体型素子３１のうち４分割された受光素子（４分割受光素子については図５を参照して後述する）のそれぞれでの受光量を検出することによって、光軸と並行な方向の面部材２５の変位を測定する。
【００４６】
図５は、非点収差法について説明する図である。図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）において、シリンドリカルレンズ３２１は、複合光学素子３２のうちの、戻り光に非点収差を付与する構成に相当するレンズである。また、図５（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）において、受光素子３１１、３１２、３１３および３１４のそれぞれは、受発光一体型素子３１のうちの４分割受光素子のそれぞれに相当する受光素子である。図５（ａ）は、シリンドリカルレンズ３２１を通過したレーザ光の、受光位置による断面形状の違いを示す図であり、図５（ｂ）は受光位置が焦点位置よりもシリンドリカルレンズ３２１に近い位置である場合を示す図であり、図５（ｃ）は受光位置が焦点位置である場合を示す図であり、図５（ｄ）は受光位置が焦点位置よりもシリンドリカルレンズ３２１から遠い位置である場合を示す図である。図５（ａ）における（ｂ）は、図５（ｂ）の受光位置でのレーザ光の断面形状を示し、図５（ａ）における（ｃ）は、図５（ｃ）の受光位置でのレーザ光の断面形状を示し、図５（ａ）における（ｄ）は、図５（ｄ）の受光位置でのレーザ光の断面形状を示す。
【００４７】
図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、受光位置が焦点位置よりもシリンドリカルレンズ３２１に近い位置である場合には、その受光位置でのレーザ光の断面形状は縦長楕円になる。また、図５（ａ）および図５（ｃ）に示すように、受光位置が焦点位置である場合には、その受光位置でのレーザ光の断面形状は円になる。また、図５（ａ）および図５（ｄ）に示すように、受光位置が焦点位置よりもシリンドリカルレンズ３２１から遠い位置である場合には、その受光位置でのレーザ光の断面形状は横長楕円になる。
【００４８】
４分割受光素子である受光素子３１１、３１２、３１３および３１４の中心が、戻り光の光軸と一致するように受光素子３１１、３１２、３１３および３１４を配置したとき、フォーカスエラー信号ＦＥは、受光素子３１１、３１２、３１３および３１４それぞれによる受光量で表すことができる。すなわち、受光素子３１１による受光量をＡとし、受光素子３１２による受光量をＢとし、受光素子３１３による受光量をＣとし、受光素子３１４による受光量をＤとすると、フォーカスエラー信号ＦＥは、（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）となる。このフォーカスエラー信号ＦＥがゼロよりも大きければ、図５（ｂ）のように、受光位置が焦点位置よりもシリンドリカルレンズ３２１に近い位置であることが分かり、フォーカスエラー信号ＦＥがゼロであれば、図５（ｃ）のように、受光位置が焦点位置であることが分かり、フォーカスエラー信号ＦＥがゼロよりも小さければ、図５（ｄ）のように、受光位置が焦点位置よりもシリンドリカルレンズ３２１から遠い位置であることが分かる。
【００４９】
本実施例では、図５を参照して説明した非点収差法を用いて、受発光一体型素子３１のうちの４分割受光素子による受光量に基づいて、光軸と並行な方向の面部材２５の変位を測定する。
【００５０】
図６は、実施例１における面部材２５の面のうち、光学系５０に対向する面の構造の一例を示す斜視図である。図６に示す、面部材２５の面のうち光学系５０に対向する面は、ランド２５ａおよびピット２５ｂを有する光ディスクと同性状の面となっている。図６の例では、ピット長は０．８７μｍ〜３．１８μｍであり、ピット間は０．８７μｍ〜３．１８μｍであり、トラック間隔は１．６μｍである。ランド２５ａは、例えばミラー面であり、反射率が高い。一方、ピット２５ｂは、ランド２５ａよりも反射率が低い。ランド２５ａの所定位置とランド２５ａの別の位置とでは、反射率がほぼ等しい。ピット２５ｂの所定位置とピット２５ｂの別の位置とでは、反射率がほぼ等しい。実施例１では、面部材２５の面のうち光学系５０に対向する面が、図６に示す光ディスクと同性状の面になっていることで、３ビーム法を用いて、光軸と垂直な方向の面部材２５の変位を測定することができる。
【００５１】
図７は、図６に示した面部材２５の面からの反射光を用いた場合の３ビーム法について説明する図である。図７（ａ）、（ｂ）および（ｃ）において、ピット２５ｂ１、２５ｂ２および２５ｂ３は、図６に示したピット２５ｂであり、レーザ光ｂ１は第一の回折格子４５で回折された＋１次回折光であり、レーザ光ｂ２は第一の回折格子４５で回折された０次回折光であり、レーザ光ｂ３は第一の回折格子４５で回折された−１次回折光である。また、図７（ｄ）、（ｅ）および（ｆ）において、受光素子３１５、３１６および３１７は、受発光一体型素子３１を構成する受光素子であって、受光素子３１５はレーザ光ｂ１の面部材２５の面からの反射光を受光する受光素子であり、受光素子３１６はレーザ光ｂ２の面部材２５の面からの反射光を受光する受光素子であり、受光素子３１７はレーザ光ｂ３の面部材２５の面からの反射光を受光する受光素子である。
【００５２】
図７（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、図６に示した面部材２５の面でレーザ光が反射する様子を示す平面図であり、図７（ａ）は、レーザ光ｂ２がピット２５ｂ２の図中での上側にずれている場合を示し、図７（ｂ）は、レーザ光ｂ２がピット２５ｂ２の図中での上下方向中央に位置している場合を示し、図７（ｃ）は、レーザ光ｂ２がピット２５ｂ２の図中での下側にずれている場合を示す。図７（ｄ）は、図７（ａ）の状態で面部材２５の面からの反射光の受光量を示す図であり、図７（ｅ）は、図７（ｂ）の状態で面部材２５の面からの反射光の受光量を示す図であり、図７（ｆ）は、図７（ｃ）の状態で面部材２５の面からの反射光の受光量を示す図である。
【００５３】
上述のようにピット２５ｂ１、２５ｂ２および２５ｂ３は反射率が低く、ランド２５ａは反射率が高いので、受光素子３１７による受光量をＳ１とし、受光素子３１５による受光量をＳ２とすると、図７（ｄ）ではＳ１＜Ｓ２であり、図７（ｅ）ではＳ１＝Ｓ２であり、図７（ｆ）ではＳ１＞Ｓ２である。トラッキングエラー信号ＴＥは、Ｓ１−Ｓ２で表され、このトラッキングエラー信号ＴＥがゼロよりも大きければ、図７（ｃ）のように、面部材２５が図中での下方向にずれていることが分かり、トラッキングエラー信号ＴＥがゼロであれば、図７（ｂ）のように、面部材２５が図中での中央位置に位置していることが分かり、トラッキングエラー信号ＴＥがゼロよりも小さければ、図７（ａ）のように、面部材２５が図中での上方向にずれていることが分かる。
【００５４】
なお、面部材２５の面のうち光学系５０に対向する面の構造は、単純にピットとランドで構成される面であれば何でもよい。一般の光ディスクのように情報を記録する必要はないので、トラックに凹凸をつける必要はなく、単純に１つのピット（くぼみ）がトラック（溝）として形成されているだけでよい。また、トラックは１トラックあれば原理的には面部材２５の変位の測定が可能であるが、複数トラックあった方が焦点位置にピットを配置する調整が容易である（トラックが１つしかない場合、レーザ光をそのピットに合わせる作業が煩雑になる）。このため、本実施例においては、ランド（ミラー面）に複数のトラック（溝）が形成された面を用いるのが望ましい。
【００５５】
以上、説明した本実施例によれば、光学系５０が、常に面部材２５の変位を測定し、常に安定した測定結果が得られ、被測定物の凹凸等は、先端球２１で機械的に接触して測定するため、被測定物の色や反射率の影響を受けることがない。
【００５６】
また、本実施例によれば、先端球２１の変位（実際の測定範囲）は、軸支部２３の位置による梃子比（例えば１０：１）で面部材２５の変位が小変位に変換されるため、検出範囲の狭い光学系５０を用いた場合にも、その測定可能な変位量に収めることができる。
【００５７】
図８は、実施例１における電装に係る構成を示すブロック図である。変位計１０は、その電装に係る構成として、変位計１０を動作させるソフトウェアプログラムを実行するマイコン（ＭＣＵ）６０と、各構成を駆動する電源であるバッテリー６１と、変位計１０の動作に必要なソフトウェアプログラムや各種データを記憶する不揮発性メモリであるＲＯＭ６２と、変位計１０の動作に必要な各種データを記憶するメモリであるＲＡＭ６３と、マイコン６０からのデジタルデータをアナログ変換してＬＤ６７に出力するＤ／Ａ変換器６４と、ＰＤ６８からのアナログデータをデジタル変換してマイコン６０に出力するＡ／Ｄ変換器６５と、外部との入出力に係るインターフェースであるデジタルインターフェース６６と、発光素子であるＬＤ（レーザダイオード）６７と、受光素子であるＰＤ（フォトダイオード）６８と、ＬＥＤ（発光ダイオード）６９と、スイッチ（ＳＷ）７０と、を有して構成される。
【００５８】
ＬＤ６７は図３に示した受発光一体型素子３１の発光素子であり、ＰＤ６８は受発光一体型素子３１の受光素子である。マイコン６０は、小型で低価格、低消費電力なマイコンであり、受発光一体型素子３１のＬＤ６７を駆動したり（発光素子駆動処理）、受発光一体型素子３１のＰＤ６８による受光信号を検出したり（受光信号検出処理）、検出した受光信号を変位に換算する処理（変位換算処理、上述の３ビーム法および非点収差法を含む処理）を実行してその結果を出力したりする。図３に示した光学系５０、並びにマイコン６０による発光素子駆動処理および受光信号検出処理が、面部材２５の面の変位を測定する変位測定部に相当する。また、マイコン６０による変位換算処理が、面部材２５の面の変位を算出する変位算出部に相当する。
【００５９】
ＳＷ７０は図２に示したボタン１３である。ＬＥＤ６９は図２に示した表示部１４である。デジタルインターフェース６６は、ＳＷ７０の操作状況をマイコン６０に伝えるためのインターフェースとなり、マイコン６０からの表示指示（点灯指示）をＬＥＤ６９に伝えるためのインターフェースとなる。
【００６０】
また、デジタルインターフェース６６は、不図示の外部装置とのインターフェースともなりうる。この外部装置としては、ＳＷ７０と同様の変位計１０に対する操作入力を行う入力装置であってもよい。また、この外部装置としては、ＬＥＤ６９と同様の変位計１０による測定結果（例えば、先端球２１の変位や、変位計１０のエラーなどの状態）を表示する表示装置であってもよいし、変位計１０による測定結果を記憶する記憶装置であってもよい。この場合、デジタルインターフェース６６は、変位計１０による測定結果を出力する出力部に相当する。外部装置としてはパソコンなどを用いることができる。デジタルインターフェース６６は、ＵＳＢ（ユニバーサル・シリアル・バス）などの有線のインターフェースを含むものであってもよいし、Ｗｉ−ＦｉやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）といった無線のインターフェースを含むものであってもよい。
【００６１】
バッテリー６１は外部から充電可能な蓄電池である。バッテリー６１の充電は、無線式であってもよいし、有線式であってもよい。例えばデジタルインターフェース６６がＵＳＢを含む場合、このＵＳＢを用いてバッテリー６１の充電を行うものであってもよい。
【００６２】
図９は、図８に示した電装に係る構成における変位測定に係る信号の流れを示す図である。ＰＤ６８、すなわち受発光一体型素子３１では受光量を電圧値に変換する。Ａ／Ｄ変換器６５では、ＰＤ６８からのアナログの電圧値をデジタル変換する。マイコン６０は、Ａ／Ｄ変換器６５から入力された電圧値に基づき上述の変位換算処理を実行して先端球２１の変位を求め、その求めた結果を、デジタルインターフェース６６を介して、表示部１４に表示、または外部装置に出力する。
【００６３】
なお、本実施例では、変位計１０が、変位計１０による測定結果である先端球２１の変位を出力する出力部（デジタルインターフェース６６）、および変位計１０による測定結果である先端球２１の変位を表示する表示部（表示部１４、ＬＥＤ６９）の両方を備える構成を説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、変位計１０が、出力部および表示部のうち出力部のみを備えるものであってもよいし、出力部および表示部のうち表示部のみを備えるものであってもよい。
【００６４】
ところで、本実施例の変位計１０においては、図３に示した光学系５０に代えて、既存の光ピックアップを用いる構成としてもよい。ＣＤやＤＶＤ等の光ディスクに記録されたデータを読み取る既存の光ピックアップの構成では、サーボ機構により、測定結果に基づいてフォーカス駆動およびトラッキング駆動を行う。そこで、このフォーカス駆動およびトラッキング駆動の駆動信号を例えば図８に示したマイコン６０が得て、マイコン６０において、この駆動量を換算し、既存の光ピックアップの集光レンズ（対物レンズ）と面部材２５との相対位置の原点位置からの変位、すなわち、面部材２５の変位を得ることができる。この構成によれば、既存の構成である光ピックアップを利用することで、より簡単に低コストで変位計を実現することができる。
【実施例２】
【００６５】
図１０は、実施例２における変位計の測位に係る構成の概略を示す図である。図１０に示す実施例２の構成では、図３に示した実施例１の光学系５０に代えて、光軸と平行な方向の変位は測定せず、光軸方向の変位のみを測定する構成を有する。
【００６６】
本実施例では、発光素子９０と、発光素子９０からのレーザ光を面部材２５に向けて反射するとともに面部材２５で反射された戻り光を通過させるビームスプリッタ９１と、ビームスプリッタ９１からのレーザ光に非点収差を所定量だけ付与するシリンドリカルレンズ９２と、面部材２５で反射され、シリンドリカルレンズ９２およびビームスプリッタ９１を通過した戻り光を受光する４分割受光素子９３と、を有する。
【００６７】
図１０に示す面部材２５は、図３に示した面部材２５と同様の構造である。なお、本実施例では、面部材２５の面はレーザ光を反射するだけでよいので、図６に示した光ディスクと同性状の構造である必要はなく、単にミラー面であればよい。このミラー面の所定位置とミラー面の別の位置とでは、反射率がほぼ等しい。
【００６８】
本実施例では、図５を参照して説明した非点収差法を用いて、光軸と平行な方向の面部材２５の変位を測定することができ、実施例１よりも低コストで変位計を実現することができる。
【００６９】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００７０】
１０…変位計、１１…ケース、１２…上面部、１３…ボタン、１４…表示部、１５…回転軸、１６…開口部、２０…測定子、２１…先端球、２２…軸部材、２３…軸支部、２４…軸部材、２５…面部材、３１…受発光一体型素子、３２…複合光学素子、３３…開口絞り、３４…対物レンズ、４１…第一の面、４２…第二の面、４５…第一の回折格子、４６…第二の回折格子、４７…第三の回折格子、５０…光学系。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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