(57)【要約】【課題】測定対象物の形状、反射方向の変化、測定対象物との距離等にかかわらず、正確かつ高分解能で測定対象物の変位を測定する。【解決手段】光ファイバー式変位センサーは、光を発する光源と、光源が発した光を、長方形状に設けられた出射端面から測定対象物に出射する投光ファイバー束と、測定対象物で反射した反射光を、合同な長方形状に設けられた２つの入射端面において受光する受光ファイバー束と、受光ファイバー束を伝搬した反射光の受光量を検出する少なくとも１つの受光素子と、受光量に基づいて測定対象物の位置の変位を測定する演算回路とを備えている。２つの入射端面は出射端面に関して対称に配置されている。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を発する光源と、
光源が発した前記光を、長方形状に設けられた出射端面から測定対象物に出射する投光ファイバー束と、
前記測定対象物で反射した反射光を、合同な長方形状に設けられた２つの入射端面において受光する受光ファイバー束と、
受光ファイバー束を伝搬した前記反射光の受光量を検出する少なくとも１つの受光素子と、
前記受光量に基づいて前記測定対象物の位置の変位を測定する演算回路と
を備え、前記２つの入射端面が前記出射端面に関して対称に配置されている光ファイバー式変位センサー。
【請求項２】
前記２つの入射端面は前記出射端面に接し、かつ前記出射端面の対向する２辺の中線に関して対称に配置されている、請求項１に記載の光ファイバー式変位センサー。
【請求項３】
前記受光ファイバー束は、前記２つの入射端面の各々に対応する２本の受光ファイバーを含み、
前記少なくとも１つの受光素子は、前記２本の受光ファイバーの各々に対応して設けられている２つの受光素子である、請求項１または２に記載の光ファイバー式変位センサー。
【請求項４】
光を発する光源と、
光源が発した前記光を、合同な長方形状に設けられた２つの出射端面から測定対象物に出射する投光ファイバー束と、
前記測定対象物で反射した反射光を、長方形状に設けられた入射端面において受光する受光ファイバー束と、
受光ファイバー束を伝搬した前記反射光の受光量を検出する受光素子と、
前記受光量に基づいて前記測定対象物の位置の変位を測定する演算回路と
を備え、前記２つの出射端面が前記入射端面に関して対称に配置されている光ファイバー式変位センサー。
【請求項５】
前記２つの出射端面は前記入射端面に接し、かつ前記入射端面の対向する２辺の中線に関して対称に配置されている、請求項４に記載の光ファイバー式変位センサー。
【請求項６】
光を発する光源と、
光源が発した前記光を、合同な長方形状に設けられた第１、第２および第３の出射端面から測定対象物に出射する投光ファイバー束と、
前記測定対象物で反射した反射光を、合同な長方形状に設けられた第１、第２および第３の入射端面において受光する受光ファイバー束と、
受光ファイバー束を伝搬した前記反射光の受光量を検出する少なくとも１つの受光素子と、
前記受光量に基づいて前記測定対象物の位置の変位を測定する演算回路と
を備え、前記第１および第２の入射端面が前記第１の出射端面に関して対称に配置されている第１の端面と、前記第２および第３の出射端面が前記第３の入射端面に関して対称に配置されている第２の端面とが接するように並列に配置されている光ファイバー式変位センサー。
【請求項７】
光を発する光源と、
光源が発した前記光を、長方形状に設けられた出射端面から測定対象物に出射する投光ファイバー束と、
前記測定対象物で反射した反射光を、合同な長方形状に設けられた第１の入射端面および第２の入射端面において受光する受光ファイバー束と、
受光ファイバー束を伝搬した前記反射光の受光量を検出する少なくとも１つの受光素子と、
前記受光量に基づいて前記測定対象物の位置の変位を測定する演算回路と
を備え、前記第１の入射端面は前記出射端面から離れる方向に面積の変化率が負となるように構成され、前記第２の入射端面は前記出射端面から離れる方向に面積の変化率が正となるように構成されている光ファイバー式変位センサー。
【請求項８】
前記受光ファイバー束は、前記第１の入射端面および前記第２の入射端面の各々に対応する２本の受光ファイバーを含み、
前記少なくとも１つの受光素子は、前記２本の受光ファイバーの各々に対応して設けられた２つの受光素子であり、
前記演算回路は、前記２つの受光素子が検出した受光量を除算して、予め設定された前記測定対象物の変位量と除算値との反比例関係に基づいて、前記測定対象物の位置の変位を測定する、請求項７に記載の光ファイバー式変位センサー。
【請求項９】
受光ファイバー束は、前記反射光を受光する、合同な長方形状の第３の入射端面および第４の入射端面と、該第３の入射端面および該第４の入射端面の各々に対応するさらに２本の受光ファイバーを含み、かつ、前記第３の入射端面は前記出射端面から離れる方向に面積の変化率が負となるように構成され、前記第４の入射端面は前記出射端面から離れる方向に面積の変化率が正となるように構成されており、
前記少なくとも１つの受光素子は、４本の受光ファイバーの各々に対応して設けられた４つの受光素子であって、前記第１の入射端面に対応する第１の受光素子、前記第２の入射端面に対応する第２の受光素子、前記第３の入射端面に対応する第３の受光素子、および前記第４の入射端面に対応する第４の受光素子であり、
前記演算回路は、前記第１の受光素子および前記第３の受光素子が検出した受光量を加算して第１の加算値を取得し、前記第２の受光素子および前記第４の受光素子が検出した受光量を加算して第２の加算値を取得し、該第１の加算値と該第２の加算値を除算して、予め設定された前記測定対象物の変位量と除算値との反比例関係に基づいて、前記測定対象物の位置の変位を測定する、請求項７に記載の光ファイバー式変位センサー。
【請求項１０】
前記受光ファイバー束の開口数は、前記投光ファイバー束の開口数よりも大きい、請求項１〜９のいずれかに記載の光ファイバー式変位センサー。
【請求項１１】
円筒形状の測定対称物の軸位置を制御する変位制御装置であって、
請求項３に記載の光ファイバー式変位センサーと、
前記光ファイバー式変位センサーによる前記軸位置の変位の測定結果に基づいて、前記軸位置を所望の位置に移動する制御回路と
を備え、
光ファイバー式変位センサーの前記演算回路は、前記２つの受光素子が検出した前記受光量の加算値に基づいて、前記出射端面および入射端面に対して垂直な方向の前記軸位置の変位を測定し、かつ、前記２つの受光素子が検出した前記受光量の大小に基づいて、前記出射端面および前記入射端面に対して平行な方向の前記軸位置の変位を測定する、変位制御装置。
【請求項１２】
円筒形状の測定対称物の軸位置を制御する変位制御装置であって、
請求項９に記載の光ファイバー式変位センサーと、
前記光ファイバー式変位センサーによる前記軸位置の変位の測定結果に基づいて、前記軸位置を所望の位置に移動する制御回路と
を備え、
光ファイバー式変位センサーの前記演算回路は、前記第１の加算値と前記第２の加算値を除算した除算値に基づいて、前記出射端面および前記入射端面に対して垂直な方向の前記軸位置の変位を測定し、かつ、前記第１の受光素子および前記第２の受光素子が検出した受光量を加算して第３の加算値を取得し、前記第３の受光素子および前記第４の受光素子が検出した受光量を加算して第４の加算値を取得して、前記第３の加算値および前記第４の加算値に基づいて前記出射端面および入射端面に対して平行な方向の前記軸位置の変位を測定する、変位制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバーを用いて測定対象物の位置の変位を光学的に測定する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から周知の第１の光ファイバー式変位センサーは、光源と、光源からの光を導く１本以上の光ファイバーを束ねた投光ファイバー束と、測定対象物で反射した光を受け取って導く受光ファイバー束と、受光ファイバー束により導かれた光の光量を電気信号に変換する受光素子とを備えている（例えば、非特許文献１参照）。投光ファイバー束の光出射端面のまとまりと受光ファイバー束の光入射端面のまとまりは、一つにバンドルされて隣接して配置されている。これらの端面は測定対象物に相対して配設される。この光ファイバー式変位センサーの動作を説明すると、まず光が光源から出射され投光ファイバー束に誘導される。そして投光ファイバー束の光出射端面から測定対象物に照射された光は、測定対象物上で反射し、受光ファイバー束の光入射端面に入射する。光入射端面に入射する光の光量は、光入射端面と測定対象物との距離に応じて変化する。変位量と受光量は１：１で対応しているので、受光素子で受光した光量により測定対象物までの変位量を知ることができる。
【０００３】
しかし第１の変位センサーでは、測定対象物が曲面である場合には正確に変位を測定できない場合がある。測定対象物での光の反射方向が変化し受光ファイバー束に入射する光量が変化するからである。
【０００４】
この問題を解決するため、別の第２の光ファイバー式変位センサーが開発されている。第２の変位センサーは、受光ファイバー束を２つに分け、投光ファイバー束を中心に２つに分けた受光ファイバーを対称に配置している。これにより測定対象物が曲面であっても、測定対象物からの反射光が２組の受光ファイバー束に効率よく入射し、正確な変位を測定できる（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
しかし第２の変位センサーでは、測定対象物の反射率に応じて較正作業を行わなければならない煩雑さがある。測定対象物の反射率は対象物の材質や経時変化による対象物表面の変質などに依存して異なり、表面反射率に応じて受光素子に入射する光量が変化するからである。
【０００６】
この問題をさらに解決するため、さらに別の第３の光ファイバー式変位センサーが開発されている。第３の変位センサーもまた、受光ファイバー束を２つに分けている。しかし、一方の受光ファイバー束を構成するファイバー素線群と投光ファイバーを構成するファイバー素線群はランダムに束ねられて円柱状に構成されている。他方の受光ファイバー束を構成するファイバー素線群は、上述の円柱と同心円をなすように円柱の周囲に配置されている（例えば、特許文献２参照）。各受光ファイバー束に入射して誘導された反射光は、別個の受光素子で検出される。測定対象物の変位量と、各受光素子で受光する光の光量との関係をあらかじめ対応付けしておくことにより、反射率に依存しない変位量測定が可能となる。
【０００７】
【特許文献１】
特開昭６２−７１８１２号公報
【特許文献２】
特開昭６３−２５５６０７号公報
【非特許文献１】
「フォトニックセンサによる位置検出」  センサ技術  １９８２年２月号（ｖｏｌ２．  Ｎｏ．２）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述の技術には、以下に示す別の問題が存在する。まず第２の変位センサーに対しては、測定対象物が円筒形状である場合に特に問題が顕著になる。具体的には、投光ファイバーからの出射光がなす直線が、円筒の軸を含む平面上にない場合（いわゆる軸ずれが生じている場合）には、測定対象物で反射する光の方向が変化する。これでは、軸ずれが生じていない場合と比較すると受光ファイバー束へ入射する光の総量が変化し、正確な変位測定ができない。
【０００９】
一方第３の変位センサーでは、高分解能な測定ができない。その理由は、測定対象物と光ファイバー束との距離が所定値以下になると、距離にかかわらず２組の受光素子の受光量の比はほぼ一定となり、測定対象物との距離の変位量に対する感度が小さくなるからである。
【００１０】
本発明の目的は、測定対象物の形状、反射方向の変化、測定対象物との距離等にかかわらず、正確かつ高分解能で測定対象物の変位を測定することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光ファイバー式変位センサーは、投光ファイバー束の光出射端面を長方形状とし、投光ファイバー束を対象中心に受光ファイバー束の光入射端面を長方形状に配設したことを特徴とする。また、投光ファイバー束の光出力端面と受光ファイバー束の光入射端面配置が逆になっていてもよい。これにより、測定対象物が円筒形状で、測定対象物の軸ずれにより反射光の反射方向が変化した場合でも、受光ファイバー束への入射光量が変化せず、正確に距離測定を行うことが可能となる。
【００１２】
また、投光ファイバー束の光出力端面を対象中心に配設された受光ファイバー束の光入射端面について、長方形の対角線で光出力端面を２分割することで、それぞれの受光量の比の距離に対する感度が上がり、分解能を向上できる。
【００１３】
具体的には以下の通りである。
【００１４】
本発明による第１の光ファイバー式変位センサーは、光を発する光源と、光源が発した前記光を、長方形状に設けられた出射端面から測定対象物に出射する投光ファイバー束と、前記測定対象物で反射した反射光を、合同な長方形状に設けられた２つの入射端面において受光する受光ファイバー束と、受光ファイバー束を伝搬した前記反射光の受光量を検出する少なくとも１つの受光素子と、前記受光量に基づいて前記測定対象物の位置の変位を測定する演算回路とを備えている。そして前記２つの入射端面は前記出射端面に関して対称に配置されている。これにより上記目的が達成される。
【００１５】
前記２つの入射端面は前記出射端面に接し、かつ前記出射端面の対向する２辺の中線に関して対称に配置されていてもよい。
【００１６】
前記受光ファイバー束は、前記２つの入射端面の各々に対応する２本の受光ファイバーを含み、前記少なくとも１つの受光素子は、前記２本の受光ファイバーの各々に対応して設けられている２つの受光素子であってもよい。
【００１７】
本発明による第２の光ファイバー式変位センサーは、光を発する光源と、光源が発した前記光を、合同な長方形状に設けられた２つの出射端面から測定対象物に出射する投光ファイバー束と、前記測定対象物で反射した反射光を、長方形状に設けられた入射端面において受光する受光ファイバー束と、受光ファイバー束を伝搬した前記反射光の受光量を検出する受光素子と、前記受光量に基づいて前記測定対象物の位置の変位を測定する演算回路とを備えている。そして前記２つの出射端面は前記入射端面に関して対称に配置されている。これにより上記目的が達成される。
【００１８】
前記２つの出射端面は前記入射端面に接し、かつ前記入射端面の対向する２辺の中線に関して対称に配置されていてもよい。
【００１９】
本発明による第３の光ファイバー式変位センサーは、光を発する光源と、光源が発した前記光を、合同な長方形状に設けられた第１、第２および第３の出射端面から測定対象物に出射する投光ファイバー束と、前記測定対象物で反射した反射光を、合同な長方形状に設けられた第１、第２および第３の入射端面において受光する受光ファイバー束と、受光ファイバー束を伝搬した前記反射光の受光量を検出する少なくとも１つの受光素子と、前記受光量に基づいて前記測定対象物の位置の変位を測定する演算回路とを備えている。そして前記第１および第２の入射端面が前記第１の出射端面に関して対称に配置されている第１の端面と、前記第２および第３の出射端面が前記第３の入射端面に関して対称に配置されている第２の端面とは接するように並列に配置されている。これにより上記目的が達成される。
【００２０】
本発明による第４の光ファイバー式変位センサーは、光を発する光源と、光源が発した前記光を、長方形状に設けられた出射端面から測定対象物に出射する投光ファイバー束と、前記測定対象物で反射した反射光を、合同な長方形状に設けられた第１の入射端面および第２の入射端面において受光する受光ファイバー束と、受光ファイバー束を伝搬した前記反射光の受光量を検出する少なくとも１つの受光素子と、前記受光量に基づいて前記測定対象物の位置の変位を測定する演算回路とを備えている。そして前記第１の入射端面は前記出射端面から離れる方向に面積の変化率が負となるように構成され、前記第２の入射端面は前記出射端面から離れる方向に面積の変化率が正となるように構成されている。これにより上記目的が達成される。
【００２１】
前記受光ファイバー束は、前記第１の入射端面および前記第２の入射端面の各々に対応する２本の受光ファイバーを含み、前記少なくとも１つの受光素子は、前記２本の受光ファイバーの各々に対応して設けられた２つの受光素子である。そして前記演算回路は、前記２つの受光素子が検出した受光量を除算して、予め設定された前記測定対象物の変位量と除算値との反比例関係に基づいて、前記測定対象物の位置の変位を測定してもよい。
【００２２】
受光ファイバー束は、前記反射光を受光する、合同な長方形状の第３の入射端面および第４の入射端面と、該第３の入射端面および該第４の入射端面の各々に対応するさらに２本の受光ファイバーを含む。そして、前記第３の入射端面は前記出射端面から離れる方向に面積の変化率が負となるように構成され、前記第４の入射端面は前記出射端面から離れる方向に面積の変化率が正となるように構成されている。前記少なくとも１つの受光素子は、４本の受光ファイバーの各々に対応して設けられた４つの受光素子であって、前記第１の入射端面に対応する第１の受光素子、前記第２の入射端面に対応する第２の受光素子、前記第３の入射端面に対応する第３の受光素子、および前記第４の入射端面に対応する第４の受光素子である。前記演算回路は、前記第１の受光素子および前記第３の受光素子が検出した受光量を加算して第１の加算値を取得し、前記第２の受光素子および前記第４の受光素子が検出した受光量を加算して第２の加算値を取得し、該第１の加算値と該第２の加算値を除算して、予め設定された前記測定対象物の変位量と除算値との反比例関係に基づいて、前記測定対象物の位置の変位を測定する。
【００２３】
前記受光ファイバー束の開口数は、前記投光ファイバー束の開口数よりも大きくてもよい。
【００２４】
円筒形状の測定対称物の軸位置を制御する本発明による第１の変位制御装置は、上述した第１の光ファイバー式変位センサーと、第１の光ファイバー式変位センサーによる前記軸位置の変位の測定結果に基づいて、前記軸位置を所望の位置に移動する制御回路とを備えている。光ファイバー式変位センサーの前記演算回路は、前記２つの受光素子が検出した前記受光量の加算値に基づいて、前記出射端面および入射端面に対して垂直な方向の前記軸位置の変位を測定し、かつ、前記２つの受光素子が検出した前記受光量の大小に基づいて、前記出射端面および前記入射端面に対して平行な方向の前記軸位置の変位を測定する。これにより上記目的が達成される。
【００２５】
円筒形状の測定対称物の軸位置を制御する本発明による第２の変位制御装置は、第４の光ファイバー式変位センサーと、第４の光ファイバー式変位センサーによる前記軸位置の変位の測定結果に基づいて、前記軸位置を所望の位置に移動する制御回路とを備えている。光ファイバー式変位センサーの前記演算回路は、前記第１の加算値と前記第２の加算値を除算した除算値に基づいて、前記出射端面および前記入射端面に対して垂直な方向の前記軸位置の変位を測定する。そして前記第１の受光素子および前記第２の受光素子が検出した受光量を加算して第３の加算値を取得し、前記第３の受光素子および前記第４の受光素子が検出した受光量を加算して第４の加算値を取得して、前記第３の加算値および前記第４の加算値に基づいて前記出射端面および前記入射端面に対して平行な方向の前記軸位置の変位を測定する。これにより上記目的が達成される。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００２７】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１の光ファイバー式変位センサー１０の構成を示す図である。光ファイバー式変位センサー１０は、投光ファイバーを介して測定対象物５８に光を照射し、その反射光を受光ファイバーに入射させる。そして受光量に応じて測定対象物５８の変位量を検出する。この動作原理は、基本的に従来から知られている光ファイバー式変位センサーと同じである。
【００２８】
光ファイバー式変位センサー１０は、光源５１と、投光ファイバー束５２と、受光ファイバー束５６と、受光素子５７と、演算回路５０とを備えている。光源５１は、例えばＬＥＤやランプ、レーザダイオード等であり、光Ｌ５１を発する。図１では光源５１は単一光源として示されているが、複数の光源を並べて配置してもよい。
【００２９】
投光ファイバー束５２は、光ファイバー素線を１本以上束ねて構成されており、光源５１から出射された光Ｌ５１を導波させる。投光ファイバー束５２の一方の端部（近端）は、光源５１に近接して配置されている。投光ファイバー束５２の他方の端部（遠端）５１０は、測定対象物５８に相対して配置され、投光ファイバー束５２中を導かれた光はここから空気中に出射される。図では、光Ｌ５２として示す。
【００３０】
一方受光ファイバー束５６は、光ファイバー素線を１本以上束ねて構成されており、測定対象物５８からの反射光Ｌ５３を導波させる。受光ファイバー束５６の端部（遠端）は測定対象物５８側において、２つに分けて設けられている。すなわち受光ファイバー束５６は遠端５９および５１１を有する。遠端５９および５１１は、投光ファイバー束５２の遠端５１０を中心にしてその両側に配置されている。受光ファイバー束５６の遠端５９および５１１は、測定対象物５８からの反射光Ｌ５３を受光する、光入射端面である。遠端５９および５１１に入射した反射光を導波する光ファイバー束は１つに束ねられ、他方の端部（近端）にいたる。上述した投光ファイバー束５２および受光ファイバー束５６を構成するファイバー素線は、例えば多成分ガラスファイバー、石英ガラスファイバー、プラスティックファイバー等である。
【００３１】
受光素子５７は、受光量を電気信号に変換する素子であり、例えば、フォトダイオード、光電セルまたは光電子増倍管である。受光素子５７は、受光ファイバー束５６の近端に近接して配置され、受光ファイバー束５６に誘導された光Ｌ５４を受光する。
【００３２】
演算回路５０は、受光量に対応する受光素子５７の出力に基づいて、測定対象物５８の変位を測定する。
【００３３】
図２は、投光ファイバー束５２の光出射端面５１０、および、受光ファイバー束５６の光入射端面５９および５１１の正面図である。光出射端面５１０は光ファイバー素線６６を長方形状に配列して構成されている。一方の光入射端面５９および５１１も同様に、光ファイバー素線６５および６７を長方形状に配列して構成されている。光入射端面５９および５１１は、合同である。受光ファイバー束５６の光入射端面５９および５１１は、投光ファイバー束５２の光出射端面５１０に関して対称となるように配置されている。より詳細には、光入射端面５９および５１１は、図２において、光出射端面５１０の短い方の２辺の中点を通る線に関して対称に配置されている。なお、ファイバー素線６５、６６および６７の断面形状は必ずしも円形である必要はない。ファイバー素線１本以上の束としての光入射端面５９、５１１および光出射端面５１０の形状が長方形状であればよい。例えば、光入射端面５９、５１１および光出射端面５１０のそれぞれが、断面が長方形である１本の光ファイバー素線から構成されていてもよい。
【００３４】
次に再び図１を参照して、本実施の形態にかかる光ファイバー式変位センサー１０（図１）の動作を詳細に説明する。光源５１からの光Ｌ５１は投光ファイバー束中を導波し、光出射端面５１０から広がり角を持った光Ｌ５２として出射する。光出射端面５１０から出射する出射光Ｌ５２は測定対象物５８に対して円錐形状に広がって進むため、光出射端面５１０と測定対象物５８との距離に応じて測定対象物５８での光スポットの大きさが変化する。測定対象物５８から反射する光のうち、光入射端面５９および５１１に入射する反射光Ｌ５３の光量は、この光スポットの大きさに応じて変化する。そこで演算回路５０は、受光量と変位量との関係を予め測定して記憶しておくことにより、受光素子５７で検出した受光量に基づいて測定対象物５８の変位量を測定できる。
【００３５】
測定対象物５８への光の照射と反射との関係をより詳しく説明する。ここでは測定対象物５８（図１）は円筒形状とする。まず測定対象物５８（図１）が軸ずれのないＡの位置にある場合の投射位置を、図２では点線領域６２として示す。また、測定対象物５８がＡの位置から軸ずれを起こし、Ｂの位置にきた場合の投射位置を、図２では実線の長円形の領域６１として示す。すなわち図２は、測定対象物からの反射光が光入射端面５９および５１１（図１）に入射する入射位置を、入射端面正面から見た図である。Ａの位置から軸ずれを起こし、Ｂの位置にきた場合には、受光ファイバー束の光入射端面５９および５１１に入射する各光量が変化する。具体的には、光入射端面５１１においては、反射光照射スポットのうち斜線領域６４へ入射していた光量が減少し、光入射端面５９においては、斜線領域６３に入射する光量が増加する。
【００３６】
円筒形状の測定対象物からの反射光が光入射端面５９および５１１への投射するスポット形状は、光出射端面５１０が長方形状であることから６１および６２に示すように長円形状となる。よって、軸ずれの発生によりスポット位置が６２から６１に移動しても、受光量の増加する領域６３と減少する領域６４の面積は等しくなる。その結果、受光素子５７に入射する光量は変化しない。以上から、測定対象物５８の軸ずれが発生した場合でも、光出射端面５１０、光入射端面５０９および５１１に垂直な方向（図１におけるｘ方向）の変位量を正確に測定できる。
【００３７】
（実施の形態２）
次に、実施の形態１の変形例である実施の形態２を説明する。図３は、実施の形態２による光ファイバー式変位センサー３０の構成を示す図である。光ファイバー式変位センサー３０の基本的な構成および動作原理は実施の形態１と同様であるため、その説明は省略する。
【００３８】
実施の形態２が実施の形態１と相違する点は、２つの端面５９および５１１（図１）を有する受光ファイバー束を１つにまとめるのではなく、端面１３６および１３７を有する別個の受光ファイバー束１３３および１３４を設け、ファイバー束１３３および１３４を導波した光をそれぞれ別個の受光素子１３９および１３１０で受光することにある。そして受光素子１３９および１３１０において受光した信号を、演算回路１３１１で加算演算する。これにより、演算結果が受光素子５７（図１）での受光量と等しくなり、実施の形態１と同様の効果が得られる。またファイバー束１３３および１３４側から見た端面は、図２と同じであるため、その説明は省略する。
【００３９】
（実施の形態３）
続いて実施の形態１のさらに別の変形例である実施の形態３を説明する。図４は、実施の形態３による光ファイバー式変位センサー４０の構成を示す図である。
【００４０】
実施の形態３が実施の形態１と相違する点は、実施の形態３では、投光ファイバー束１７６を２つに分け、受光ファイバー束１７２を分けることなく１つにしたことにある。これにより投光ファイバー束１７６は２つの光出射端面１７９および１７１１を有し、逆に受光ファイバー束１７２は１つの光入射端面１７１０を有することとなる。光入射端面１７１０は、光出射端面１７９および１７１１の間に対称中心となるように配置されている。光源１７１から照射された光Ｌ１７１は、投光ファイバー束１７６を通り、光Ｌ１７２として２つの遠端１７９および１７１１から測定対象物１７８に照射される。そして測定対象物１７８からの反射光Ｌ１７３は、光入射端面１７１０から入射して受光ファイバー束１７２内を導波され、光Ｌ１７４として受光素子１７７において受光される。なお図には、受光量に基づいて測定対象物１７８の変位を測定する演算回路を記載していないが、演算回路５０（図１）と同様の演算回路を有するとする。
【００４１】
図５は、投光ファイバー束１７６の光出射端面１７９および１７１１、および、受光ファイバー束１７２の光入射端面１７１０の正面図である。図５から理解されるように、光出射端面１７９および１７１１はそれぞれ光ファイバー素線を長方形状に配置して構成されている。一方の光入射端面１７１０も同様に光ファイバー素線を長方形状に配置して構成されている。光出射端面１７９および１７１１は、図５において、光出射端面５１０の短い方の２辺の中点を通る線に関して対称に配置されている。長円形上の点線領域７１および７３は、それぞれ光出射端面１７９および１７１１から出射された光が、測定対象物１７８（図４）の円筒軸が中心位置であるＡにある場合に測定対象物６８で反射した光がファイバ束上で投射する領域を示す。長円上の実線領域７２および７４は、測定対象物１７８（図４）がＡの位置から軸ずれを起こしてＢの位置にきた場合に、点線領域７１および７３がずれた後の位置を示す。
【００４２】
このように構成することにより、光照射スポットのうち斜線領域１７５の部分に示す入射光量が減少し、斜線領域１７５１に示す入射光量が増加することになる。ただし光入射端面１７１０、光出射端面１７９および１７１１を長方形状に形成することにより、両者の光量は実質的に等しくなる。その結果、受光素子１７７（図４）に入射する光量は変化しない。従って、測定対象物１７８（図４）の軸ずれが発生した場合でも、光入射端面１７１０、光出射端面１７９および１７１１について垂直な方向（図４におけるｘ方向）の変位量を正確に測定できる。
【００４３】
（実施の形態４）
以下、実施の形態１または３の変形例である実施の形態４を説明する。図６は、実施の形態４による光ファイバー式変位センサー６０の構成を示す図である。光ファイバー式変位センサー６０もまた、投光ファイバー束８２および受光ファイバー束８９の構成に特徴を有する。より具体的には、光ファイバー式変位センサー６０では、投光ファイバー束８２は複数に分けられ、その数に応じた光出射端面８３、８７、８８を有する。同時に、受光ファイバー束８９もまた複数に分けられ、その数に応じた光入射端面８４、８５、８６を有する。そして投光ファイバー束８２の光出射端面８３を対称中心に受光ファイバー束８９の光入射端面８４および８５を配設し、受光ファイバー束８９の光入射端面８６が対称中心となるように投光ファイバー束８２の光出射端面８７および８８を配設している。そして端面８４と８７、端面８３と８６、端面８５と８８がそれぞれ隣接するように配置している。換言すれば、図２と同じ構成の端面８３〜８５の組と、図５と同じ構成の端面８６〜８８の組とが接するように並列に配置している。これらを除く構成および動作原理については実施の形態１および実施の形態３に準ずる。
【００４４】
以上のように構成した場合でも、測定対象物の軸ずれの有無にかかわらず、測定対象物の変位量を正確に測定できる。なお、実施の形態２と同様に、受光ファイバー束８９を１つに束ねることなく、各入射端面で受光する光をそれぞれ別の受光素子で受光し、それぞれの信号を演算回路を用いて加算演算してもよい。
【００４５】
（実施の形態５）
次に、実施の形態１の変形例である実施の形態５を説明する。図７は、実施の形態５による光ファイバー式変位センサー７０の構成を示す図である。光ファイバー式変位センサー７０は、測定対称物９１３からの反射光を受光する２つの光入射端面９５および９６を有している。光ファイバー式変位センサー７０の主要な特徴は、光入射端面９５が光出射端面９４から離れる方向に光入射端面の面積の変化率が負となるように構成され、光入射端面９５が光出射端面９４から離れる方向に光入射端面の面積の変化率が正となるように構成されていることである。
【００４６】
より具体的には、光ファイバー式変位センサー７０では、複数の受光ファイバー束９７および９８が設けられ、受光ファイバー束９７および９８はそれぞれ、長方形の一対角線で区切られた直角三角形状の光入射端面９５、９６を有する。光入射端面９５は、光出射端面９４から離れる方向に直角三角形の面積が小さくなる。すなわち光出射端面９４から離れる方向に、光入射端面９５の面積の変化率は負となる。一方光入射端面９６は、光出射端面９４から離れる方向に直角三角形の面積が大きくなる。すなわち光出射端面９４から離れる方向に、光入射端面９６の面積の変化率は正となる。
【００４７】
基本的な構成および動作原理は実施の形態１に準ずるが、本実施の形態の例に即して説明すると、まず光入射端面９５における各ファイバー素線（斜線付きの○印）は受光ファイバー束９７を構成する。一方光入射端面９６における各ファイバー素線（斜線付きの△印）は受光ファイバー束９８を構成する。光源９１から照射された光Ｌ９１は投光ファイバー束９３を通って光出射端面９４から出射される。光Ｌ９１は測定対象物９１３において反射し、反射したその光は、光入射端面９５、９６から受光ファイバー束９７、９８に導波され、逆側の端面９９および９１０から光Ｌ９３、Ｌ９２として受光素子９１１、９１２において検出される。演算処理回路９１４は、受光素子９１１、９１２からの信号を取り込みこれらの加算演算を行う。なお、○印、△印等は、受光ファイバー束における各光ファイバー素線の光入射部と光出射部を対応付けるための記号であり、光ファイバー素線の断面形状をこれらの形に限定するものではない。
【００４８】
実施の形態１で述べたように、ファイバー素線１本以上の束としての光出射端面９４が長方形状で、光入射端面９５および９６が長方形を２分割した形状であればよい。例えば、光出射端面９４が長方形状の断面を持つ１本の光ファイバー素線であり、光入射端面９５および９６の各々が長方形を２分割した形状の断面を持つ１本の光ファイバー素線であってもよい。
【００４９】
以上のような構成によれば、受光素子９１１および９１２での受光量は測定対象物９１３（図７）と光ファイバー束との距離に応じて変化する。図８は、受光素子の受光量と、測定対象物９１３（図７）の変位量との関係を示すグラフである。受光素子９１１の受光量は曲線Ａで示し、受光素子９１２（図７）の受光量は曲線Ｂで示すように変化する。グラフから理解されるように、受光素子９１１の受光量に対応する曲線Ａは、測定対象物９１３との距離が増加するにつれて受光量の増加率が減少する。また、受光素子９１２に対応する曲線Ｂは、距離対象物９１３との距離が増大するにつれて受光量の増加率が増加する。ここで、曲線Ａの値をＢの値で除算すると、曲線Ｃが得られる。曲線Ｃのような、測定対象物の変位量に反比例した曲線を描き予め除算値と測定対象物の変位量とを対応づけておくことにより、変位量を測定できる。従って、両者の比が測定対象物との変位量に依存せずほぼ一定値となる光ファイバー式変位センサー（例えば、特許文献２等）と比較すると、測定対象物の反射率に依存することなく、変位量に対する感度が高い（すなわち分解能の高い）変位量測定が可能になる。
【００５０】
（実施の形態６）
続いて、実施の形態５の変形例である実施の形態６を説明する。図９は、実施の形態６による光ファイバー式変位センサー９０の構成を示す図である。実施の形態６が実施の形態５と相違する点は、光出射端面および光入射端面の構成にある。具体的には、受光ファイバー束１１９は、光ファイバー素線を束ねた、長方形の一対角線で区切られた直角三角形状の光入射端面１１５と１１６を有する。また受光ファイバー束１１１０は、光ファイバー素線を束ねた、長方形の一対角線で区切られた直角三角形状の光入射端面１１７および１１８を有する。光入射端面１１６および１１７は、光出射端面１１４を中心に光入射端面１１５および１１８とそれぞれ対称に配設されている。
【００５１】
受光ファイバー束１１９は、測定対象物１１１５から反射した光を導波し、逆側の端面１１１１に近接して配設された受光素子１１１３へと光Ｌ１１２を導く。また、光入射端面１１６および１１７も同様に、各ファイバー素線は受光ファイバー束１１１２として一つに束ねられ、測定対象物１１１５から反射した光を導波し、逆側の端面１１１２に近接して配設された受光素子１１１４へと光Ｌ１１３を導く。受光素子１１１３および１１１４において受光した信号を、演算回路１１１６で加算演算する。
【００５２】
演算処理回路１１１６は、受光素子１１１３および１１１４からの信号を取り込みこれらの演算を行う。具体的には演算回路１１１６は、受光素子１１１３で検出した受光量から受光素子１１１４で検出した受光量を除算し、この商と変位量を対応づけ変位量を検出する。
【００５３】
以上のような構成によれば、光入射端面が光出射端面に対して対称に配置されているので、測定対象物が円筒形状で円筒軸の軸ずれが発生したときでも正確に距離を測定できる。また実施の形態５で述べたように測定対象物の反射率の変動がある場合でも、較正作業なく分解能の高い変位量測定が可能となる。
【００５４】
（実施の形態７）
次に、実施の形態６の変形例である実施の形態７を説明する。図１０は、実施の形態７による光ファイバー式変位センサー１００の構成を示す図である。光ファイバー式変位センサー１００は、実質的には光ファイバー式変位センサー９０（図９）と配置が同じ光出射端面１４７および光入射端面１４８、１４９、１４１０、１４１１を有する。相違する点は、光ファイバー式変位センサー１００では光入射端面１４８、１４９、１４１０、１４１１の各端面に対応して、受光ファイバー束１４３、１４４、１４５、１４６を有することである。そして受光ファイバー束１４３、１４４、１４５、１４６にさらに対応して、受光素子１４１２、１４１３、１４１４、１４１５がそれぞれ配設されている。
【００５５】
以上のような構成によれば、各受光素子１４１２、１４１３、１４１４および１４１５での受光量をそれぞれα、β、γ、δとしたとき、演算回路１４１６が（α＋δ）／（β＋γ）を演算することにより、曲線Ｃのグラフ（図８）と同じ結果が得られる。よって実施の形態６と同様の効果が得られる。
【００５６】
（実施の形態８）
実施の形態８は、これまでの実施の形態１〜７に適用可能なファイバー束の構成に関する。図１１は、実施の形態８による投光ファイバー束１２１の開口部および受光ファイバー束１２０および１２２の構成を示す図である。基本的な構成および動作原理は実施の形態１〜７に準ずる。実施の形態８の主要な特徴は、受光ファイバー束１２０および１２２の開口数（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  Ａｐｅｒｔｕｒｅ；  ＮＡ）が投光ファイバー束１２１の開口数ＮＡよりも大きいことである。なお開口数ＮＡは、光ファイバのコアから出射（又はコア内へ入射）される最大円すい状光線の頂点の角度を２θとし、光ファイバが存在する媒質の屈折率をｎとするとき、ｎ・ｓｉｎθの値として得られる。
【００５７】
以上のように構成することにより、受光ファイバー束１２１の開口数で決定される投射光の広がり角の範囲（図中点線ａの範囲）よりも大きい開口数をもつ受光ファイバー束１２０、１２２を用いることで、受光可能な反射光の角の範囲（図中点線ｂの範囲）が大きくなる。よって、測定対象物１２４からの反射光を多く受光でき、測定対象物１２４の変位量に対する感度を高くできる。
【００５８】
（実施の形態９）
実施の形態９は、１体の変位センサーを用いて円筒軸の２方向の軸ずれを解消する変位制御装置に関する。図１２は、実施の形態９による変位制御装置１２０の構成を示す図である。変位制御装置１２０は、モータ軸や放電加工機の加工軸などで利用される円筒軸１５１の軸ずれを変位センサーを用いて検出し、軸の位置を制御し、正常な位置に戻す。
【００５９】
変位制御装置１２０は、光ファイバー式変位センサー３０（図３）に基づいて形成されている。よって光ファイバー式変位センサー３０（図３）と同じ構成要素には同じ符号を付し、その説明は省略する。変位制御装置１２０の光ファイバー式変位センサー３０（図３）は、演算回路１３１１（図３）に代えて信号処理回路１５２を有すること、および、制御回路１５３を有することである。信号処理回路１５２は、受光素子１３９および１３１０の信号を取り込み、円筒軸１５１の軸ずれを検出する。制御回路１５３は、円筒軸の軸中心を制御する。なお円筒軸の軸受け部に関しては図から省略した。
【００６０】
以下、変位制御装置１２０の動作原理を説明する。変位制御装置１２０は、円筒軸１５１のｘ方向およびｙ方向の軸ずれを変位センサーにて検出し、制御回路１５３によりフィードバック制御を行い円筒軸１５１を正常な位置に戻す。
【００６１】
具体的には変位制御装置１２０は、変位センサーを用いて実施の形態２で説明した変位測定を行い、所定位置からのｘ軸方向のずれ量を取得する。所定位置とは、軸が本来位置すべき正常な位置であり、予め定められている。変位測定の際には、信号処理回路１５２は、演算回路１３１１（図３）と同様の演算、すなわち受光素子１３９および１３１０における受光量を加算演算する。ｘ軸方向のずれ量を取得すると、制御回路１５３は軸の位置を制御してそのずれ量を０にする。その過程においては、軸の位置が正常か否かは適宜フィードバック制御を行えばよい。
【００６２】
一方変位制御装置１２０は、変位センサーの検出結果に基づいて、図１２のｙ軸方向への軸ずれを検出する。ｙ軸方向の軸ずれの検出は、受光素子１３９および１３１０の受光量の差に基づいて行えばよい。ｙ軸方向の軸ずれが生じると、円筒軸１５１からの反射光の方向が変化して、受光量に差が生じるからである。信号処理回路１５２が受光素子１３９および１３１０の受光量差を検出すると、制御回路１５３はその差に基づいて、ｙ軸方向の軸の位置を制御して両者の受光量差を０にする。その過程でも、軸の位置が正常か否かは適宜フィードバック制御を行えばよい。このような動作によりｙ方向の軸ずれを解消できる。
【００６３】
以上のように、本実施の形態によれば１体の変位センサーを用いて円筒軸の２方向の軸ずれを解消できる。
【００６４】
（実施の形態１０）
実施の形態１０もまた、１体の変位センサーを用いて円筒軸の２方向の軸ずれを解消する変位制御装置に関する。図１３は、実施の形態１０による変位制御装置１３０の構成を示す図である。変位制御装置１３０は、モータ軸や放電加工機の加工軸などで利用される円筒軸１６１の軸ずれを変位センサーを用いて検出し、軸の位置を制御し、正常な位置に戻す。
【００６５】
変位制御装置１３０が変位制御装置１２０（図１２）と相違する点は、変位センサーとして光ファイバー式変位センサ１００（図１０）を採用したことである。図１３では、光ファイバー式変位センサ１００（図１０）と同じ構成要素には同じ符号を付し、その説明は省略する。変位制御装置１３０の光ファイバー式変位センサー３０（図３）は、演算回路１４１６（図１０）に代えて信号処理回路１６２を有し、さらに制御回路１６３を有している。信号処理回路１６２は、受光素子１４１２、１４１３、１４１４および１４１５の信号を取り込み円筒軸１６１の軸ずれを検知する。制御回路１５３は、円筒軸１６１の軸中心を制御する。なお円筒軸の軸受け部に関しては図から省略した。
【００６６】
以下、変位制御装置１３０の動作原理を説明する。変位制御装置１３０もまた、円筒軸１６１のｘ方向およびｙ方向の軸ずれを変位センサーにて検出し、制御回路１６３によりフィードバック制御を行い円筒軸１６１を正常な位置に戻す。
【００６７】
具体的には変位制御装置１３０は、変位センサーを用いて実施の形態７で説明した変位測定を行い、所定位置からのｘ軸方向のずれ量を取得する。具体的には円筒軸１６１のｘ方向の軸ずれに対しては、各受光素子１４１２、１４１３、１４１４および１４１５のそれぞれの受光量α、β、γおよびδとすると、演算回路１６２にて（α＋δ）／（β＋γ）の演算を行うことで軸ずれ量を検出できる。制御回路１６３はこの結果に基づいて円筒軸１６１の位置を制御し、そのずれ量を０にする。
【００６８】
一方変位制御装置１３０は、変位センサーの検出結果に基づいて、図１３のｙ軸方向への軸ずれを検出する。ｙ軸方向の軸ずれの検出は、受光量（α＋β）と（γ＋δ）の差に基づいて行えばよい。ｙ軸方向の軸ずれが生じると、円筒軸１６１からの反射方向が変化して（α＋β）と（γ＋δ）に差が生じるからである。信号処理回路１５２が（α＋β）と（γ＋δ）の差を検出すると、制御回路１５３はその差に基づいて、ｙ軸方向の軸の位置を制御して両者の受光量差を０にする。
【００６９】
以上により、本実施の形態によっても１対の変位センサーを用いて円筒軸の２方向の軸ずれを解消できる。そして円筒軸の反射率が変化した場合でも較正作業は不要である。
【００７０】
【発明の効果】
２つの光入射端面を合同な長方形状に設け、かつ光出射端面も長方形状に設けるとともに、２つの光入射端面が光出射端面に関して対称に配置した。これにより、測定対象物が円筒形状であっても、また円筒軸の軸ずれが発生した場合でも、正確に変位測定を行うことができる。
【００７１】
第１の入射端面は前記出射端面から離れる方向に面積の変化率が負となるように構成され、前記第２の入射端面は前記出射端面から離れる方向に面積の変化率が正となるように構成した。これにより測定対象物の反射率が変動しても高分解能な距離の測定を行うことができる。
【００７２】
光ファイバー式変位センサーの演算回路が、受光素子の受光量に基づいて、出射端面および入射端面に対して垂直および平行な方向の変位を測定する。そして制御回路がその測定結果に基づいて、円筒形状の測定対称物の軸位置を所望の位置に移動する。これにより、一つのファイバー式変位センサーにより２方向の軸ずれを制御できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１の光ファイバー式変位センサーの構成を示す図である。
【図２】投光ファイバー束の光出射端面、および、受光ファイバー束の光入射端面の正面図である。
【図３】実施の形態２による光ファイバー式変位センサーの構成を示す図である。
【図４】実施の形態３による光ファイバー式変位センサーの構成を示す図である。
【図５】投光ファイバー束の光出射端面、受光ファイバー束の光入射端面の正面図である。
【図６】実施の形態４による光ファイバー式変位センサーの構成を示す図である。
【図７】実施の形態５による光ファイバー式変位センサーの構成を示す図である。
【図８】受光素子の受光量と、測定対象物変位量との関係を示すグラフである。
【図９】実施の形態６による光ファイバー式変位センサーの構成を示す図である。
【図１０】実施の形態７による光ファイバー式変位センサーの構成を示す図である。
【図１１】実施の形態８による投光ファイバー束の開口部および受光ファイバー束の構成を示す図である。
【図１２】実施の形態９による変位制御装置の構成を示す図である。
【図１３】実施の形態１０による変位制御装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１０  光ファイバー式変位センサ、５０  演算回路、５１  光源、５２  投光ファイバー束、５６  受光ファイバー束、５７  受光素子、５８  測定対象物、５９  光入射端面、５１０  光出射端面、５１１  光入射端面
【図１】
2004226250.tif 000003
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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