JP2012189546A - 変位センサ - Google Patents

Abstract

【課題】分解能を維持しつつ広い計測レンジで変位を測定することが可能な変位センサを提供する。
【解決手段】センサヘッド１００は、レーザダイオード１と、フォトダイオード２と、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３と、レンズ４〜６と、ピンホール７ａが形成された絞り板７と、アーム８ａ，８ｂを有する音叉状の振動子８と、振動子８のアーム８ａに取り付けられたレンズ９（コリメートレンズ）と、振動子８のアーム８ｂに取り付けられたレンズ１０（対物レンズ）とを備える。レンズ９の焦点距離は、レンズ１０の焦点距離の２倍以下、好ましくは１倍と定められる。
【選択図】図１

Description

本発明は、非接触で計測対象物の変位を計測する変位センサに関し、特に、共焦点光学系を用いた計測装置に関する。

従来から、共焦点光学系を利用して計測対象物の変位を計測する計測装置が提案されている。たとえば特開平７−１１３６１７号公報（特許文献１）に開示された変位計は、音叉に取り付けられたレンズを光軸方向に振動させることで計測対象物へ向けて照射する光の集光位置を変化させる。当該変位計は、集光位置が計測対象物の表面と一致するときにピンホールを通って受光部で受光される反射光の受光量が最大となることを利用して変位量を計測している。

特開平７−１１３６１７号公報

変位センサの性能向上の観点から、変位の計測の分解能を維持しつつ計測レンジを広げることが求められている。このための方法として、たとえばレンズを追加することが考えられる。しかしながら単純にレンズを追加しただけでは計測の分解能が悪化する可能性がある。

一方、音叉の振幅を増大させれば、分解能を維持しながら計測レンジを拡大できると考えられる。しかしながら、音叉の振幅を大きくすることによって、たとえば計測中に音叉から発生する騒音が大きくなるといった問題、変位センサの消費電力が増大するといった問題、あるいは音叉の負荷が大きくなるために音叉の寿命が縮まるといった問題が生じ得る。

本発明の目的は、分解能を維持しつつ広い計測レンジで変位を測定することが可能な変位センサを提供することである。

本発明のある局面に係る変位センサは、光を照射する投光部と、投光部からの光を計測対象物に投射するための対物レンズと、計測対象物からの反射光を受光する受光部と、対物レンズと同一の光軸上に配置されたコリメートレンズと、コリメートレンズおよび対物レンズをそれぞれ支持する第１および第２のアームを有し、第１および第２のアームを光軸に沿って互いに逆方向に振動させる振動子とを備える。コリメートレンズの焦点距離が、対物レンズの焦点距離の２倍以下に定められる。

好ましくは、コリメートレンズの焦点距離は、対物レンズの焦点距離の１倍である。
好ましくは、変位センサは、計測対象物からの反射光の光路を、投光部から照射された光の光路から分離する光路分離部と、開口が形成され、投光部からの光の光路と計測対象物からの反射光の光路とが共通する位置に配置された遮光部材と、遮光部材の開口の位置において投光部から照射された光が焦点を結ぶように投光部から照射された光を集光する光学系とをさらに備える。受光部の位置は、投光部から発せられた光が計測対象物の表面で焦点を結ぶときに、計測対象物からの反射光が焦点を結ぶ位置に対応する。

好ましくは、変位センサは、対物レンズと計測対象物に対応する位置との間に配置されて、投光部から照射された光が計測対象物の表面において焦点を結ぶときの計測対象物の位置を対物レンズから遠ざかる方向に変位させるための光学系をさらに備える。

本発明によれば、分解能を維持しつつ広い計測レンジで変位を測定することが可能な変位センサを実現できる。

本発明の一つの実施の形態に係る変位センサの全体構成を模式的に示す図である。 図１に示した変位センサの測定原理を説明するための模式図である。 従来技術に基づく、計測レンジを広げることが可能と考えられる第１の方法を示した図である。 従来技術に基づく、計測レンジを広げることが可能と考えられる第２の方法を示した図である。 本発明の実施の形態に係る変位センサの計測方法を説明するための図である。 焦点距離ｆ１を小さくした場合における変位センサの構成を示した図である。 図１に示した構成の変形例を示した図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰返さない。

図１は、本発明の一つの実施の形態に係る変位センサの全体構成を模式的に示す図である。図１を参照して、本発明の実施の形態に係る変位センサは、センサヘッド１００と、当該センサヘッド１００を制御するコントローラ２００とを備える。

センサヘッド１００は、レーザダイオード１と、フォトダイオード２と、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３と、レンズ４〜６と、ピンホール７ａが形成された絞り板７と、アーム８ａ，８ｂを有する音叉状の振動子８と、振動子８のアーム８ａに取り付けられたレンズ９（コリメートレンズ）と、振動子８のアーム８ｂに取り付けられたレンズ１０（対物レンズ）と、振動子８のアーム８ａ，８ｂを振動させるための駆動部１１と、アーム８ａ，８ｂの位置を検出するための位置検出部１２と、これらの要素を収容する筐体５０とを備える。

レーザダイオード１はコントローラ２００から電流が供給されることによって一定の強度の光を発生させる。レーザダイオード１の発光点１ａから発せられた光はレンズ４によってコリメートされる。偏光ビームスプリッタ３は、レンズ４によってコリメートされた光を透過させる。偏光ビームスプリッタ３を透過した光はレンズ５によって、絞り板７に設けられたピンホール７ａに向けて集光される。

ピンホール７ａを通過した光は、レンズ９，１０によって計測対象物９０の表面上に集光される。レンズ９，１０は、それぞれ振動子８のアーム８ａ，８ｂに支持される。

振動子８の近傍には、振動子８を駆動するための駆動部１１が設けられる。図１に示していないが、駆動部１１はコイルおよびそのコイルに通電するための駆動回路を有する。コイルへの電流の供給とコイルへの電流の供給の停止とが一定の周期で繰返される。これにより振動子８のアーム８ａ，８ｂが振動する。

レンズ９，１０は、アーム８ａ，８ｂが光軸Ｘに沿って互いに逆方向に振動することにより、計測対象物９０に接近する方向および遠ざかる方向に移動する。なお、レンズ９，１０は、光軸Ｘに沿って互いに逆方向に振動する。位置検出部１２は、レーザダイオード１の照射光の光軸Ｘの方向に沿ったレンズ９，１０の位置を検出する。この光軸Ｘは、レンズ９の光軸およびレンズ１０の光軸にも一致する。

レーザダイオード１から計測対象物９０へ向けて照射された光は、当該計測対象物９０によって反射される。計測対象物９０からの反射光は、レンズ９，１０によって絞り板７に設けられたピンホール７ａに向けて集光される。ピンホール７ａを通過した光は、レンズ５によってコリメートされて偏光ビームスプリッタ３に入射する。

偏光ビームスプリッタ３は、レンズ５からの光の光路、すなわち計測対象物９０からの反射光の光路を、レーザダイオード１から発せられる光の光路から分離する。具体的には、偏光ビームスプリッタ３は、レンズ５からの光を反射させる。偏光ビームスプリッタ３によって反射した光はレンズ６によって集光されてフォトダイオード２の受光面２ａに入射する。フォトダイオード２から出力された受光信号は、コントローラ２００に入力される。なお、偏光ビームスプリッタ３に代わり、ハーフミラー（必要に応じて、偏光板をさらに追加してもよい）を用いることも可能である。フォトダイオード２の受光面２ａの位置は、レーザダイオード１から発せられた光が計測対象物９０の表面で焦点を結ぶときに、計測対象物９０からの反射光が焦点を結ぶ位置に対応する。

コントローラ２００は、駆動部１１に信号を送り、駆動部１１の動作を制御する。さらに、コントローラ２００は、位置検出部１２からの信号およびフォトダイオード２からの受光信号に基づいて、アーム８ａ，８ｂの変位量と受光信号の強度とを対応付ける。これにより、コントローラ２００は、受光信号の強度が最大値であるときのアーム８ａ，８ｂの変位量を検出して、その変位量に基づいて計測対象物９０の表面の変位を測定する。

この明細書では「変位」とはレーザダイオード１の照射光の光軸方向における位置の変化を意味する。したがって、「変位」とは高さ方向の変化に限定されるものではない。たとえばレーザダイオード１の光軸方向が水平方向となるように光学系が構成されている場合には、「変位」とは水平方向の変化に対応する。

図２は、図１に示した変位センサの測定原理を説明するための模式図である。図２を参照して、測定原理を分かりやすく説明するため、レンズ９のみが振動子８によって変位し、レンズ１０は固定された位置に設けられているものとする。

図示しないレーザダイオードから投射された光は、絞り板７のピンホール７ａを通り、レンズ９，１０によって集められ、計測対象物９０の表面に照射される。計測対象物９０の表面で反射した光は、レンズ９，１０によって集められ、絞り板７の位置に到達する。ピンホール７ａを通過する反射光の光量は、レンズ９の変位量に依存する。

（ａ）は、レーザダイオードから投射された光が、計測対象物９０の手前で焦点を結ぶ場合を示している。この場合には、計測対象物９０の表面で反射した光が、レンズ９，１０によって集められるが、ピンホール７ａの手前で焦点を結ぶ。このため、ピンホール７ａの位置ではピンホール７ａの径よりも光スポットの径が大きくなり、ピンホール７ａを通過する光の量が小さくなる。したがって受光信号の強度が小さくなる。

（ｂ）は、レーザダイオードから投射された光が、計測対象物９０の表面で焦点を結ぶ場合を示している。この場合には、計測対象物９０の表面で反射した光は、レンズ９，１０によって集められ、ピンホール７ａの位置で焦点を結ぶ。このため、ピンホール７ａを通過する光の量が最大となるので、受光信号の強度も最大となる。なお、この場合にはレーザダイオードから投射された光の光路と計測対象物９０の表面で反射した光の光路とは一致する。ただし図２では、計測対象物９０に照射される光と計測対象物９０で反射した光とを分かりやすく示すために、これらの光路をわずかにずらして示している。

（ｃ）は、レーザダイオードから投射された光が、計測対象物９０の表面よりも内部の位置で焦点を結ぶ場合を示している。この場合にも、計測対象物９０の表面からの反射光がピンホール７ａの位置で形成するスポットは、ピンホール７ａより大きくなる。したがってピンホール７ａを通過する光の量が小さくなる。

（ａ）〜（ｃ）より、受光信号の強度は、レーザダイオードから投射された光の焦点位置が計測対象物９０の表面に一致するときに最大となり、焦点位置が計測対象物９０の表面と異なる場合には、最大値に比べて著しく小さくなることが分かる。図２の上半分に示したレンズ９の変位と受光信号の強度との関係は、上記の関係を表わしている。レンズ９の変位と計測対象物の変位との関係は予め求められている。したがって、受光信号の強度が最大になるときのレンズ９の変位から、計測対象物９０の変位を求めることができる。

焦点位置の計測対象物９０の表面からのずれに対して受光信号の強度が大きく変化するほど、計測対象物９０の変位を精度よく求めることができる。すなわち、図２の上半分に示した変位と受光信号の強度との関係において、受光信号波形の幅が細いほど変位の計測の分解能が高い。また、グラフの横軸の範囲すなわち変位が大きいほど、計測レンジが大きくなる。ただし計測レンジを広げても、受光信号波形の幅ができるだけ広がらないことが好ましい。

このため本発明の実施の形態では、音叉状の振動子８の２つのアーム（８ａ，８ｂ）にレンズ（９，１０）を取り付ける。さらに、計測対象物９０に遠い側のレンズ９（コリメートレンズ）の焦点距離を、計測対象物９０に近い側のレンズ１０（対物レンズ）の焦点距離の２倍以下、好ましくは、レンズ１０の焦点距離の１倍とする。これによって、計測の分解能の低下を抑えながら計測レンジを広げることができる。

以下、本発明の実施の形態による効果について詳細に説明する。以下では、まず、従来技術に基づいて本発明者らが検討した、計測レンジを広げるための２つの方法を説明し、次に本発明の実施の形態に係る変位センサについて説明する。

図３は、従来技術に基づく、計測レンジを広げることが可能と考えられる第１の方法を示した図である。図３を参照して、（ａ）は、変位センサの基本的構成を模式的に示し、（ｂ）は（ａ）の構成にレンズ１５，１６を追加した構成を示している。（ａ），（ｂ）に示した構成ではレンズ１０のみが振動子８のアーム８ｂによって変位し、レンズ９の位置は固定されているものとする。（ａ），（ｂ）ともにレンズ１０の変位量は±ｄである。

なお、（ａ）および（ｂ）の構成では絞り板７がフォトダイオード２の手前に設けられているが、図１に示したように絞り板７が配置されていても以下の説明が成り立つ。

レンズ９の焦点距離をｆ１とし、レンズ１０の焦点距離をｆ２とし、レンズ１５の焦点距離をｆ３とし、レンズ１６の焦点距離をｆ４とする。（ａ）の場合、計測レンジは±ｄとなるのに対して（ｂ）の場合には計測レンジが±ｄ×（ｆ４／ｆ３）²となる。ここでｆ４＞ｆ３であるので、（ｂ）の場合の計測レンジは（ａ）の場合の計測レンジに比べて大きくなる。すなわち、（ｂ）の構成では、（ａ）の構成にレンズ１５，１６が追加されることにより、その計測レンジが縦倍率（＝（ｆ４／ｆ３）²）の割合で拡大する。なお「縦倍率」とは、結像光学系における光軸方向の結像倍率を意味する。

ピンホール７ａのサイズが回折限界とほぼ同じ場合、ピンホールを通過する光の焦点深度はλ／２ＮＡ²（λ：光の波長、ＮＡ：開口数）と表わされる。（ａ），（ｂ）の場合ともに、焦点深度はレンズ９の焦点距離ｆ１の二乗に比例する量となる（＝Ａ・（ｆ１）²：Ａは定数）。

しかしながら、被写界深度についてみると、（ａ）の場合には、被写界深度がＡ・（ｆ１）²×（ｆ２／ｆ１）²＝Ａ・（ｆ２）²であるのに対して、（ｂ）の場合には、被写界深度がＡ・（ｆ１）²×（ｆ２／ｆ１）²×（ｆ４／ｆ３）²＝Ａ・（ｆ２）²×（ｆ４／ｆ３）²となる。すなわち（ｂ）の場合の被写界深度は（ａ）の場合の被写界深度に対して縦倍率の割合で拡大する。

被写界深度は、変位センサの分解能と関連する。被写界深度が大きくなるということは焦点位置の計測対象物９０の表面からのずれに対して受光信号の強度が変化しにくくなることを示しており、変位センサの分解能が低下することを意味する。すなわち（ｂ）の構成によれば、（ａ）の構成に比べて計測レンジを拡大することができるものの分解能が低下する。

図４は、従来技術に基づく、計測レンジを広げることが可能と考えられる第２の方法を示した図である。図４を参照して（ａ）の構成および（ｂ）の構成は互いに同一であり、さらに両方の構成は図３（ａ）の構成とも同一である。（ａ）の場合には、レンズ１０の変位量が±ｄであるのに対して（ｂ）の場合にはレンズ１０の変位量が±２ｄである。したがって計測レンジは単純にレンズの変位量に依存する。（ｃ）に示されるように、（ｂ）の場合の計測レンジは（ａ）の場合の計測レンジの２倍となる。（ａ）の構成と（ｂ）の構成とは互いに同一であるため、焦点深度および被写界深度は（ａ），（ｂ）間で同じとなる。

図４に示すように、振動子８の振幅を大きくすれば、分解能を維持したまま計測レンジを大きくすることができる。しかしながら、振動子８のアームの振幅を大きくすることにより、振動子から生じる騒音が大きくなる。また、振動子８を駆動するための電力が大きくなるので変位センサの消費電力が増大する。さらに振動子８の負荷が大きくなるため振動子８の寿命が縮まるという問題も生じうる。

図５は、本発明の実施の形態に係る変位センサの計測方法を説明するための図である。図５を参照して、（ａ）は図３（ａ）と同様に変位センサの基本的構成を模式的に示す。（ｂ）は本発明の実施の形態に係る変位センサの構成を模式的に示す。上述のように、本発明の実施の形態では、レンズ９，１０は、音叉状の振動子８のアーム８ａ，８ｂにそれぞれ取り付けられる。アーム８ａ，８ｂの各々の振幅はｄである。なお、アーム８ａ，８ｂは互いに逆方向に振動する。

（ｂ）に示した構成によれば、計測レンジは±ｄ（１＋（ｆ２／ｆ１）²）となり、（ａ）に示した構成での計測レンジに対して±ｄ×（ｆ２／ｆ１）²だけ増大する。一方、（ｂ）の構成での焦点深度は、Ａ・（ｆ１）²であり、（ａ）の構成での焦点深度と同じである。さらに、（ｂ）の構成での被写界深度はＡ・（ｆ２）²となり、（ａ）の構成での被写界深度と同じである。このことは、計測の分解能が維持されていることを示している。

このように本発明の実施の形態では、音叉状の振動子が有する２つのアームの両方にレンズを取り付けることによって、振動子の振幅を増大させることなく計測レンジを広げることができる。さらに、本発明の実施の形態では、計測レンジが広がっても分解能を維持することができる。

上記のように、本発明の実施の形態では、レンズ９，１０の焦点距離の比（＝ｆ２／ｆ１）が計測レンジにとって重要となる。ｆ１＝ｆ２の場合には、計測レンジは±２ｄとなり、図５（ａ）の構成での計測レンジの２倍となる。焦点距離ｆ１を焦点距離ｆ２よりも大きくするほど、計測レンジを拡大させる効果が小さくなる。さらにレーザダイオード１（およびフォトダイオード２）とレンズ９との間の距離が焦点距離ｆ１に等しいため、焦点距離ｆ１を長くなるほど、センサヘッドを大型化させる必要が生じる。

このような観点から、本発明の実施の形態では、焦点距離ｆ１の上限値を焦点距離ｆ２の２倍とする。ｆ１＝２×ｆ２の場合、計測レンジは±１．２５ｄとなり、計測レンジを拡大させる効果を十分に発現させることができる。

図６は、焦点距離ｆ１を小さくした場合における変位センサの構成を示した図である。図６を参照して、焦点距離ｆ１を焦点距離ｆ２よりも小さくするほど（ｆ２／ｆ１）が大きくなる。これにより計測レンジを拡大させることができる。ただし、レーザダイオード１（およびフォトダイオード２）とレンズ９との間の距離が縮まるので、レンズ９，１０を配置することが難しくなる可能性がある。たとえば偏光ビームスプリッタ３とレンズ９とが干渉する可能性が考えられる。

さらにレーザダイオード１から発生された光はある角度で広がる。焦点距離ｆ１を小さくした場合にはレンズ９の外径を小さくする必要があると考えられる。しかしながら外径の小さいレンズをレンズ９として用いた場合には、より高い精度での位置合わせが必要であるといった課題が発生する。このため、たとえば変位センサを組み立てるためのコストが増大するといった課題が発生する。

このような観点から、本発明の実施の形態では、焦点距離ｆ１を焦点距離ｆ２の１倍以上２倍以下とする。これにより、分解能の低下を防ぎつつ計測レンジを拡大させる効果を十分に発現させることができる。

好ましくは、焦点距離ｆ１を焦点距離ｆ２に等しくする。これによりレンズ９，１０に同一種類のレンズを用いることができるので、センサヘッドのコストダウンを図ることができる。さらにレンズ９，１０に同一種類のレンズを用いることで、振動子８のアーム８ａ，８ｂの間で重量のバランスをとることができる。これにより２つのアームを効率的に振動させることができる。

なお、図１の構成では、レーザダイオード１から計測対象物９０に投射される光と、計測対象物９０により反射された光とが共通のピンホール（ピンホール７ａ）を通過する。すなわちピンホール７ａは、実質的な光源となり、また、計測対象物９０での反射光に対する絞りとなっている。

これにより、光源と絞りとが同一のもので構成されるため、両者の位置ずれに起因する計測誤差の発生を抑制することができる。さらに、レーザダイオード１から発せられる光の広がり角度が大きいので、コリメートレンズ（レンズ９）の焦点距離が短くなったとしても、当該コリメートレンズの外径を大きくすることができる。これによりセンサヘッドの組立ておよび光学素子の配置の調整などを容易に行なうことができる。

ただし本発明の実施形態に係るセンサヘッドを構成する光学系は、共焦点光学系であればよく、図１の構成に限定されるものではない。たとえば図５（ｂ）に示したように、絞り板７をフォトダイオード２の手前に置いて、レーザダイオード１から計測対象物９０に投射される光の光路上には開口がなく、計測対象物９０からの反射光の光路にのみ開口が設けられていてもよい。

さらに、図１に示した構成に、光学素子を適宜追加してもよい。図７は、図１に示した構成の変形例を示した図である。図１および図７を参照して、センサヘッド１００の筐体５０には、レンズユニット２０が接続される。レンズユニット２０は、筐体５０に着脱可能である。

レンズユニット２０は、レンズ１７，１８を備える。レーザダイオード１からの光は、レンズ１０から出た後にレンズユニット２０に入射する。レンズ１０から出た光はレンズ１７，１８によって、計測対象物９０の表面において焦点を結ぶ。計測対象物９０の表面で反射した光は、レンズ１８，１７を通り、レンズ１０に入射する。なお、図７に示したセンサヘッド１００の他の部分の構成および機能は、図１に示したセンサヘッドの対応する部分の構成および機能と同一であるので以後の説明は繰返さない。

図７に示した構成では、レンズユニット２０を筐体５０に着脱することによって、センサヘッド１００と計測対象物９０との間の距離、言い換えればワーキングディスタンスを変えることができる。具体的には、レンズユニット２０は、レーザダイオード１から照射された光が計測対象物９０の表面において焦点を結ぶときの計測対象物９０の位置をレンズ１０から遠ざかる方向に変位させる。これによりワーキングディスタンスを長くすることができる。

なお、焦点距離の異なる複数のレンズユニット２０を準備すれば、筐体５０に接続されるレンズユニットをそれら複数のレンズユニット２０の中から適宜選択することができる。これにより計測対象物９０とセンサヘッド１００との間のワーキングディスタンスを、より広い範囲で変更することが可能になる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ レーザダイオード、１ａ 発光点、２ フォトダイオード、２ａ 受光面、３ 偏光ビームスプリッタ、４〜６，９，１０，１５〜１８ レンズ、７ 絞り板、７ａ ピンホール、８ 振動子、８ａ，８ｂ アーム、１１ 駆動部、１２ 位置検出部、２０ レンズユニット、５０ 筐体、９０ 計測対象物、１００ センサヘッド、２００ コントローラ、Ｘ 光軸。

Claims (4)

1. 光を照射する投光部と、
   前記投光部からの光を計測対象物に投射するための対物レンズと、
   前記計測対象物からの反射光を受光する受光部と、
   前記対物レンズと同一の光軸上に配置されたコリメートレンズと、
   前記コリメートレンズおよび前記対物レンズをそれぞれ支持する第１および第２のアームを有し、前記第１および第２のアームを前記光軸に沿って互いに逆方向に振動させる振動子とを備え、
   前記コリメートレンズの焦点距離が、前記対物レンズの焦点距離の２倍以下に定められる、変位センサ。
2. 前記コリメートレンズの焦点距離は、前記対物レンズの焦点距離の１倍である、請求項１に記載の変位センサ。
3. 前記計測対象物からの前記反射光の光路を、前記投光部から照射された光の光路から分離する光路分離部と、
   開口が形成され、前記投光部からの光の光路と前記計測対象物からの前記反射光の光路とが共通する位置に配置された遮光部材と、
   前記遮光部材の前記開口の位置において前記投光部から照射された光が焦点を結ぶように前記投光部から照射された光を集光する光学系とをさらに備え、
   前記受光部の位置は、前記投光部から発せられた光が前記計測対象物の表面で焦点を結ぶときに、前記計測対象物からの反射光が焦点を結ぶ位置に対応する、請求項１または２に記載の変位センサ。
4. 前記対物レンズと前記計測対象物に対応する位置との間に配置されて、前記投光部から照射された光が前記計測対象物の表面において焦点を結ぶときの前記計測対象物の位置を前記対物レンズから遠ざかる方向に変位させるための光学系をさらに備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の変位センサ。

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