(57)【要約】【課題】  軸ずれの影響を受けにくく、軸ずれによる誤差の少ない正確な変位量の測定を行う光ファイバー式変位センサーを得る。【解決手段】  光源２が発した光を長方形状の光出射端面１４から測定対象物１に出射する投光ファイバー束１１と、測定対象物１で反射した反射光を光出射端面１４の両側に配置された合同な長方形状の光入射端面１２，１３の各々から受光する２本の受光ファイバー束９，１０と、２本の受光ファイバー束９，１０の各々を伝搬した反射光の受光量を検出する２つの受光素子３，４と、２つの受光素子３，４の受光量に対応した補正テーブルをあらかじめ記憶させた記憶部８と、２つの受光素子３，４の受光量の和に基づいて測定対象物１の位置の変位を測定し、この受光量の和と記憶部８に記憶された補正テーブルとに基づいて測定対象物１の変位を補正し、測定対象物１の位置を判定する位置判定部７とを備える。【選択図】  図１
2007024682.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源が発した光を長方形状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前記出射端面の両側に配置された合同な長方形状の入射端面の各々から受光する２本の受光ファイバー束と、
前記受光ファイバー束の各々を伝搬した前記反射光の受光量を検出する２つの受光素子とを備えた光ファイバー式変位センサーであって、
前記２つの受光素子の受光量に対応した補正テーブルを記憶した記憶部と、
前記２つの受光素子の受光量の和に基づいて前記測定対象物の位置の変位を測定し、前記補正テーブルに基づいて前記変位を補正し、前記位置を判定する位置判定部とを備えたことを特徴とする光ファイバー式変位センサー。
【請求項２】
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１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位置信号に基づいて、前記軸位置を所望の位置に移動する位置制御部とを備えたことを特徴とする変位制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、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光ファイバー式変位センサーおよびそれを用いた変位制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の光ファイバー式変位センサーでは、出射端面に関して対称に配置された２つの入射端面を有し、これらの入射端面は合同な長方形状としている。測定対象物の変位測定は、２つの入射端面において受光した受光量の和に基づいて行う（例えば特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開平２００４−２２６２５０（第７−８頁、図１−２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の光ファイバー式変位センサーでは、測定対象物が円筒形状であってその軸ずれ量が小さい場合には、軸ずれ前の投射光のスポットの形状と軸ずれ後の投射光のスポットの形状とがほぼ合同であるので、軸ずれによる２つの受光ファイバー束への総受光量の変化は少ない。ところが、投射光のスポットの強度分布は均一ではなくガウシアン分布であるので、実際には軸ずれによって受光素子の総受光量が変化し、軸ずれ誤差が残るという問題があった。
【０００５】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、測定対象物の軸ずれの影響を受けにくく、軸ずれによる誤差の少ない正確な変位量の測定を行う光ファイバー式変位センサーを得るものである。また、この光ファイバー式変位センサーの変位信号を用いた軸位置制御装置を構成することで、軸ずれの影響を受けにくい変位制御装置を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る光ファイバー式変位センサーは、光源が発した光を長方形状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、測定対象物で反射した反射光を出射端面の両側に配置された合同な長方形状の入射端面の各々から受光する２本の受光ファイバー束と、受光ファイバー束の各々を伝搬した反射光の受光量を検出する２つの受光素子とを備えた光ファイバー式変位センサーであって、２つの受光素子の受光量に対応した補正テーブルを記憶した記憶部と、２つの受光素子の受光量の和に基づいて測定対象物の位置の変位を測定し、補正テーブルに基づいて変位を補正し、位置を判定する位置判定部とを備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明に係る光ファイバー式変位センサーは、光源が発した光を長方形状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、測定対象物で反射した反射光を出射端面の両側に配置された合同な長方形状の入射端面の各々から受光する２本の受光ファイバー束と、受光ファイバー束の各々を伝搬した反射光の受光量を検出する２つの受光素子とを備えた光ファイバー式変位センサーであって、２つの受光素子の受光量に対応した補正テーブルを記憶した記憶部と、２つの受光素子の受光量の和に基づいて測定対象物の位置の変位を測定し、補正テーブルに基づいて変位を補正し、位置を判定する位置判定部とを備えたので、軸ずれの影響を受けにくく、軸ずれによる誤差の少ない正確な変位量の測定を行う光ファイバー式変位センサーを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１における光ファイバー式変位センサーの模式図を示すものである。本実施の形態における光ファイバー式変位センサー２１は、光を発する光源２と、光源２が発した光を長方形状の出射端面である光出射端面１４から測定対象物１に出射する投光ファイバー束１１と、測定対象物１で反射した反射光を光出射端面１４の両側に配置された合同な長方形状の入射端面である第１の光入射端面１２および第２の光入射端面１３の各々から受光する２本の受光ファイバー束である第１の受光ファイバー束９および第２の受光ファイバー束１０と、第１の受光ファイバー束９および第２の受光ファイバー束１０の各々を伝搬した反射光の受光量を検出する２つの受光素子である第１の受光部３および第２の受光部４とによって構成されている。
【０００９】
第１の光入射端面１２と第２の光入射端面１３とは光出射端面１４に対して対称に配置されている。第１の光入射端面１２、第２の光入射端面１３および光出射端面１４は、センサヘッド端面１５に形成されている。
【００１０】
光源２は、ＬＥＤ、ランプ、レーザダイオードなどを用いることができる。図１において、単一の光源の例を示しているが、複数の光源を並べて配置してもよい。投光ファイバー束１１は１本以上の光ファイバー素線を束ねて構成されており、片側の端面（近端）は光源２に近接して配置されている。他方の端面（遠端）は測定対象物１に相対して光出射端面１４として配置される。投光ファイバー束１１を伝搬した光は光出射端面１４から空気中に出射される。
【００１１】
第１の受光ファイバー束９および第２の受光ファイバー束１０は、１本以上の光ファイバー素線を束ねて構成されており、それぞれの片側の端面（近端）は第１の受光部３および第２の受光部４に近接して配置されている。他方の端面（遠端）は測定対象物１に相対し、それぞれ第１の光入射面１２および第２の光入射面１３として配置され、測定対象物１で反射した光を受光する。投光ファイバー束１１、第１の受光ファイバー束９および第２の受光ファイバー束１０のファイバー素線としては、プラスチックファイバーやガラスファイバーなどを用いることができる。
【００１２】
第１の受光部３および第２の受光部４は、第１の受光ファイバー束９および第２の受光ファイバー束１０で伝搬した光を各々受光し、受光量に応じた電気信号に変換する。第１の受光部３および第２の受光部４としては、フォトダイオード、光電子増倍管、光電セルなどを用いることができる。
【００１３】
本実施の形態における光ファイバー式変位センサー２１は、光源２の駆動を行う駆動回路６と、第１の受光部３および第２の受光部４からの電気信号を雑音除去し、増幅するアンプ回路５と、第１の受光部３の受光量と第２の受光部４の受光量とに対応した補正テーブルをあらかじめ記憶させた記憶部８と、測定対象物１の位置を判定する位置判定部７とを備えている。
【００１４】
位置判定部７は、第１の受光部３の受光量と第２の受光部４の受光量との和に基づいて測定対象物１の位置の変位を測定し、記憶部８に記憶された補正テーブルに基づいて測定対象物１の変位を補正し、測定対象物１の位置を判定する。補正テーブルは、第１の受光部３の受光量と第２の受光部４の受光量との比と、この比に対応する変位の補正値とによって構成してもよいし、第１の受光部３の受光量と第２の受光部４の受光量と、これらの受光量に対応する変位の補正値とによって構成してもよい。
【００１５】
次に、本実施の形態における光ファイバー式変位センサー２１の動作原理について説明する。光源２からの光を、投光ファイバー束１１を介して測定対象物１に照射する。測定対象物１からの反射光は、第１の受光ファイバー束９および第２の受光ファイバー束１０を介してそれぞれ第１の受光部３および第２の受光部４に入射する。第１の受光部３の受光量と第２の受光部４の受光量との和は、測定対象物１の変位量に応じて一意に決まるので、位置判定部７において第１の受光部３の受光量と第２の受光部４の受光量との和を計算し、その計算結果から測定対象物１の変位量を測定することができる。
【００１６】
図２は実施の形態１におけるセンサヘッド端面１５の中央の正面図を示すものである。図２において、図１と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することである。また、明細書全文に表れている構成要素の形容は、あくまで例示であってこれらの記載に限定されるものではない。図２において、センサヘッド端面１５の中央に設けられた第１の光入射端面１２、第２の光入射端面１３および光出射端面１４の配置を示している。第１の光入射端面１２、第２の光入射端面１３および光出射端面１４は、複数のファイバー素線１６を束ねることで構成されている。Ｌ１はセンサヘッド端面１５の中心線である。
【００１７】
図２によって、測定対象物１がＹ軸方向に軸ずれした場合について説明する。測定対象物１の軸ずれがない場合には、測定対象物１から反射した光は、破線で外形を示した光のスポットＳ１としてセンサヘッド端面１５に投射される。測定対象物１の軸ずれがある場合には、測定対象物１から反射した光は、実線で外形を示した光のスポットＳ２にシフトして投射される。
【００１８】
測定対象物１の軸ずれがある場合には、光のスポットＳ１が光のスポットＳ２に移動するので、第１の受光部３の受光量と第２の受光部４の受光量との和は、斜線で示す領域Ａ１で受光する光量が減少し、別の斜線で示す領域Ａ２で受光する光量が増大する。円筒形状の測定対象物１からの反射光がセンサヘッド端面１５へ投射する光のスポットＳ１および光のスポットＳ２の形状は、光出射端面１４が長方形状であることから長円形状となるので、領域Ａ１と領域Ａ２との面積はほぼ等しくなる。つまり、第１の受光部３の受光量の減少分と第２の受光部４の受光量の増大分とがほぼ等しいので、第１の受光部３の受光量と第２の受光部４の受光量との和は、軸ずれなしの場合でも軸ずれありの場合でも、ほぼ同一である。このことから、位置判定部７において、第１の受光部３の受光量と第２の受光部４の受光量との和によって、測定対象物１のおおよその変位量を測定することができる。
【００１９】
図３は実施の形態１における測定対象物１がＹ軸方向にシフトした場合の光のスポットの強度分布である。光のスポットＳ１および光のスポットＳ２の強度分布は一様ではなく、実際にはガウシアン分布になっていると考えられる。図３において、Ｄ１はセンサヘッド端面１５の中心線Ｌ１での光のスポットＳ１の強度分布、Ｄ２はセンサヘッド端面１５の中心線Ｌ１での光のスポットＳ２の強度分布である。第１の光入射端面１２は第１の入射領域Ａ３に相当し、第２の光入射端面１３は第２の入射領域Ａ４に相当する。
【００２０】
軸ずれによって光のスポットＳ１から光のスポットＳ２へシフトし、強度分布Ｄ１から強度分布Ｄ２へシフトした場合には、第１の入射領域Ａ３においてハッチングで示した領域Ａ６の面積に相当する受光量が減少し、第２の入射領域Ａ４においてハッチングで示した領域Ａ８の面積に相当する受光量が増加する。領域Ａ６と領域Ａ８との面積は異なるので、軸ずれによって、第１の受光部３の受光量と第２の受光部４の受光量との和が変化することになる。そこで、受光量の和から測定する変位量に対して補正を行う必要がある。
【００２１】
図４は実施の形態１における測定対象物１がＸ軸方向にシフトした場合の光のスポットの強度分布である。ここで、測定対象物１の軸ずれがある場合の変位量の補正方法を説明する。図４において、測定対象物１の軸ずれ量は、センサヘッド端面１５と測定対象物１とが対向する方向である図１に示したＸ軸方向にのみ変位し、光のスポットＳ２の強度分布Ｄ２は強度分布Ｄ３へシフトする。この場合には、第１の入射領域Ａ３において、斜線で示した領域Ａ９の面積に相当する受光量からハッチングで示した領域Ａ１０の面積に相当する受光量が増大する。同様に、第２の入射領域Ａ４において、斜線で示した領域Ａ１１の面積に相当する受光量からハッチングで示した領域Ａ１２の面積に相当する受光量が増大する。
【００２２】
強度分布Ｄ２および強度分布Ｄ３は、測定対象物１のＸ軸方向の変位に対し相似的に変化するので、軸ずれ量が同等であれば、第１の入射領域Ａ３における受光量と第２の入射領域Ａ４における受光量との比ｒは常に一定であり、軸ずれ量のみに依存する。領域Ａ９、Ａ１０、Ａ１１、Ａ１２の面積を、それぞれＳ９、Ｓ１０、Ｓ１１、Ｓ１２と定義すると、受光量の比ｒは式１または式２から求めることができる。
ｒ＝Ｓ９／Ｓ１１  …（１）
ｒ＝（Ｓ９＋Ｓ１０）／（Ｓ１１＋Ｓ１２）  …（２）
【００２３】
受光量の比ｒとそれに対応した補正値Δとの関係を補正テーブルとしてあらかじめ記憶部８に記憶させておき、位置判定部７で測定した変位量に対し補正を行い、新たな変位量とすることで、より正確な変位量を測定できる。
【００２４】
図５は実施の形態１における変位量と受光量との関係を示すグラフである。図５において、横軸はセンサヘッド端面１５に対する測定対象物１の変位量であり、縦軸は第１の受光部３の受光量と第２の受光部４の受光量との和である。軸ずれがない場合（ｒ＝１）および軸ずれがある場合（ｒ＝a、a≠１）の、変位量と受光量との関係を示している。ここで、補正値Δの適用方法を説明する。受光量がｐ１であり、軸ずれがない場合には、変位量はＸ１として位置判定部７で測定される。受光量がｐ１であり、軸ずれがある場合には、位置判定部７で測定される測定値ｘ１に対して、記憶部８から得られる補正値Δを加えたＸを補正後の変位量として得る。このような補正によって、軸ずれがある場合でも正確な変位量の測定が可能となる。
【００２５】
以上のように、２つの受光素子の受光量に対応した補正テーブルを記憶した記憶部８と、２つの受光素子の受光量の和に基づいて測定対象物の位置の変位を測定し、補正テーブルに基づいて変位を補正し、位置を判定する位置判定部７とを備えたので、軸ずれの影響を受けにくく、軸ずれによる誤差の少ない正確な変位量の測定を行う光ファイバー式変位センサー２１を得ることができる。
【００２６】
実施の形態２．
図６は、この発明を実施するための実施の形態２における変位制御装置の構成図を示すものである。本実施の形態における変位制御装置は、円筒形状の測定対称物１の軸位置を制御する変位制御装置であって、実施の形態１で示した光ファイバー式変位センサー２１と、光ファイバー式変位センサー２１による軸位置の位置信号に基づいて、軸位置を所望の位置に移動する位置制御部１７とによって構成されている。
【００２７】
位置制御部１７は、位置判定部７によって測定された位置信号を受け取り、この位置信号を基づいて測定対象物１の軸を所望の位置に移動させるものである。このような構成によって、軸ずれの影響を受けにくい、正確な軸の位置制御が可能な位置制御装置を得ることができる。
【００２８】
以上のように、光ファイバー式変位センサー２１による軸位置の位置信号に基づいて、軸位置を所望の位置に移動する位置制御部１７を備えたので、軸ずれの影響を受けにくい変位制御装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】この発明の実施の形態１を示す光ファイバー式変位センサーの模式図である。
【図２】この発明の実施の形態１におけるセンサヘッド端面の中央の正面図である。
【図３】この発明の実施の形態１における測定対象物がＹ軸方向にシフトした場合の光のスポットの強度分布である。
【図４】この発明の実施の形態１における測定対象物がＸ軸方向にシフトした場合の光のスポットの強度分布である。
【図５】この発明の実施の形態１における変位量と受光量との関係を示すグラフである。
【図６】この発明の実施の形態２を示す位置制御装置の構成図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  測定対象物、２  光源、３  第１の受光部、４  第２の受光部、５  アンプ回路、６  駆動回路、７  位置判定部、８  記憶部、９  第１の受光ファイバー束、１０  第２の受光ファイバー束、１１  投光ファイバー束、１２  第１の光入射端面、１３  第２の光入射端面、１４  光出射端面、１５  センサヘッド端面、１６  ファイバー素線、１７  位置制御部、２１  光ファイバー式変位センサー。
【図１】
2007024682.tif 000003
【図２】
2007024682.tif 000004
【図３】
2007024682.tif 000005
【図４】
2007024682.tif 000006
【図５】
2007024682.tif 000007
【図６】
2007024682.tif 000008