JP2003240509A

JP2003240509A - 変位センサ

Info

Publication number: JP2003240509A
Application number: JP2002038593A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Uno; 徹也宇野; Hiroaki Takimasa; 宏章滝政; Takahiro Suga; 孝博菅
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2002-02-15
Filing date: 2002-02-15
Publication date: 2003-08-27
Anticipated expiration: 2022-02-15
Also published as: CN1448692A; CN2622674Y; DE10305645A1; US6995849B2; DE10305645B4; US20030179387A1; TW200401098A; CN1249403C; JP3809803B2; TW583388B

Abstract

(57)【要約】【課題】反射強度むらの影響を殆ど受けない高精度な
変位計測が可能で、かつ、計測に要する時間が短縮化す
る。【解決手段】投光部１と、遮光マスク９０１ａ及び受
光素子９０２ａを有する受光部９と、投光部１からの光
束を計測対象物体８に集光する第１の集光素子３，５，
７と、反射光束を受光部へ集光する第２の集光素子３，
５，７と、投光光軸及び受光光軸を計測対象物体側で同
軸にする第１の光路制御素子２と、投光部から計測対象
物体への光路長及び計測対象物体から受光部への光路長
を連続的に変化させる光路長掃引機構６とを備え、遮光
マスクは、第２の集光素子から受光素子への光路中に配
置され、第２の集光素子で反射光束を集光する位置が光
路長掃引機構で変化すると、反射光束の一部を遮光する
割合を変化し、受光素子は、遮光マスクを通過した光束
を受光し、光路長掃引機構で変化した受光素子の出力信
号に基づいて計測対象物体までの距離情報を取得する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、非接触で計測対
象物体の変位を計測する変位センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】ＦＡ（ファクトリーオートメーション）
等の技術分野においては、製品の製造に用いる製造装置
の位置制御や製造装置に対する製品の位置制御、あるい
は製品の検査等に変位センサが多く用いられている。こ
の変位センサには三角測量方式が一般に用いられてい
る。これは、計測対象物体へ光を照射し、計測対象物体
により反射された光を位置検出素子等で検出するもので
あり、計測対象物体の変位に伴なって変化する位置検出
素子上の受光スポットの重心位置変化に基づいて変位量
を計測するものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この三角測量方式の変
位センサによれば、計測対象物体上に照射された光のス
ポットサイズを回折限界のような微小なスポットサイズ
に保つことはできない。図４８に示すように、たとえ光
源にレーザ１００１などのコヒーレント光を使用しレン
ズ１００２によって集光しても、実線で示すように回折
限界のスポットサイズが得られるのは１００６で示した
一点だけであり、他のほとんどの位置でスポットサイズ
は広がる。計測対象物体１００５上で広がった照射光に
よる反射光を位置検出素子１００４上にレンズ１００３
により集光したとしても破線で示すように広がりを持っ
た受光スポットとなる。

【０００４】一方、完全な鏡面でない限りほとんどの計
測対象物体には、表面上の微小な凹凸や色むらにより反
射強度むらが存在する。その結果、計測対象物体上で反
射された光のスポット内にも輝度むらが生じ、それは位
置検出素子上での受光スポットの重心位置変化となる。
すなわち、計測対象物体の変位量が０でも計測対象物体
表面上での位置が異なれば反射強度むらのために位置検
出素子上での受光スポットの重心位置が異なり、その結
果、測定結果である変位計測値は異なったものとなる。
これが計測誤差となり、高精度な計測の妨げとなる。

【０００５】この計測誤差を抑える変位センサとして、
特開平７−１１３６１７号公報に記載のものが従来から
知られている。この公報記載の技術にあっては、三角測
量方式とは異なり、レンズを変位計測方向に掃引するこ
とで照射光束の集光位置を変化させ、照射光束の集光位
置が計測対象物体上と一致するときに反射光の受光スポ
ットの大きさが最小となることに基づいて変位量を計測
している。この方法によれば反射光の受光スポットの重
心位置を利用しないため、反射強度むらの影響をほとん
ど受けない変位計測が可能である。

【０００６】しかしながら、このような変位センサで
は、レンズを音叉に取付けて掃引する構造であることか
ら、掃引周波数を高くするには限界がある。なぜならば
レンズは受光量の確保のため、および回折限界によって
定まるスポット径を微小化するために一定の大きさが必
要であり小型化ができない。そのために固有振動数が低
くなってしまい、掃引周波数を高くすることは困難であ
る。掃引周波数が低ければ１点の変位量を計測するため
に必要な時間が長くなる。複数点を計測する場合や、同
一点において測定値を平均化処理してさらに高精度な計
測を行う場合、総合計の計測時間は計測点数あるいは平
均化処理回数に比例して長くなる。

【０００７】一方、この変位センサは物体形状の高精度
な計測に用いられることが多く、その場合計測点は膨大
な数となり、さらに高精度計測のために平均化処理が求
められることが多い。アプリケーションにもよるが通
常、計測対象物体の形状を精度良く計測しようとすると
総合計の計測時間は秒から分オーダーとなることが多
く、生産数量を制約する工程となってしまう。総合計の
計測時間を短くするために、検査を間引きすれば不良品
を見過ごすおそれが生じ、測定値の平均化処理回数を減
らせば計測精度を落とすことになる。

【０００８】また、レンズと音叉一体で固有振動周波数
が定まり、この固有振動周波数により実質的に掃引周波
数が決まってしまうことから、レンズを交換することに
よって簡単に検出距離や変位計測範囲を変更することは
できない。なぜならレンズの交換は掃引周波数の変更を
必要とし、処理回路や音叉駆動用のコイル等の変更が必
要となるからである。掃引周波数を変えずに検出距離や
変位計測範囲の変更を行うためには、音叉と一体になっ
たレンズはそのままにして、これとは別に多数のレンズ
を光路中に付加することにより等価的にレンズの光学特
性を変化させるか、あるいは、掃引されるレンズを変更
した上で掃引周波数が同じになるように光学系全体を設
計し直す必要がある。多数のレンズを追加すると、外形
が大きくなり、コストが高くなってしまう。計測対象物
体や装置形状に応じた検出距離、変位計測範囲に対応す
るために都度、センサを再設計、製作する場合は、開発
等の費用が生じるため、やはりコストが高くなってしま
う。

【０００９】この発明は、このような従来の問題点に着
目してなされたものであり、その目的とするところは、
反射強度むらの影響をほとんど受けない高精度な変位計
測が可能で、かつ、計測に要する時間が短い変位センサ
を提供することである。

【００１０】また、この発明の他の目的とする所は、レ
ンズの交換が可能な構造とする事により、検出距離や変
位計測範囲を容易に変更できる変位センサを実現し、様
々な個別のアプリケーションにも対応できる上記変位セ
ンサを提供することである。

【００１１】また、この発明の他の目的とする所は、製
造時における異種レンズの選択的採用が容易な構造とす
る事により、検出距離や変位計測範囲の幅広い組合せの
中から選択された組合せに適合させて、低コストで製造
することが容易な、上記変位センサを提供することであ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】理解を容易にするために
実施態様の２つの例である図１および図２の符号を参照
しながら本発明を説明する。図１と図２とで符号が異な
る場合は「／」の前に図１の符号を、後に図２の符号を
示す。本発明の変位センサは、投光部（１）と、遮光マ
スク（９０１ａ）と受光素子（９０２ａ）とを有する受
光部（９）と、投光部（１）から出射された光束を計測
対象物体（８）に集光する第１の集光素子（３，５，７
／１４）と、計測対象物体（８）からの反射光束を受光
部（９）へ集光する第２の集光素子（７，５，３／１
５）と、投光部（１）から計測対象物体（８）に至る投
光光路中、かつ、計測対象物体（８）から受光部（９）
に至る受光光路中に配置され、第１の集光素子（３，
５，７／１４）と投光部（１）により規定される投光光
軸および第２の集光素子（７，５，３／１５）と受光部
（９）により規定される受光光軸を計測対象物体（８）
側で同軸にする第１の光路制御素子（２）と、投光光軸
と受光光軸とが同軸となった光路中であり、かつ、投光
光路および受光光路中の光束が非平行である箇所に配置
された、投光部から計測対象物体に至る光路長および計
測対象物体から受光部に至る光路長を連続的に変化させ
る光路長掃引機構（６）とを具備する。遮光マスク（９
０１ａ）は、第２の集光素子（７，５，３／１５）から
受光素子（９０２ａ）へ至る光路中に配置され、計測対
象物体（８）からの反射光束が第２の集光素子（７，
５，３／１５）により集光される位置が光路長掃引機構
（６）の作動によって変化するときに、その反射光束の
一部が遮光マスク（９０１ａ）によって遮光される割合
を変化させるものである。受光素子（９０２ａ）は、遮
光マスク（９０１ａ）を通過した光束を受光するもので
ある。本発明の変位センサは以上の構成により、光路長
掃引機構（６）の作動により変化する受光素子（９０２
ａ）の出力信号をもとに、計測対象物体（８）までの距
離についての情報を取得するものである。

【００１３】本発明の変位センサの動作原理は以下に示
す通りである。投光部から出射された光束は、第１の集
光素子を経て、計測対象物体上に集光され、その反射光
束が第２の集光素子により、受光部の遮光マスク上に集
光される。遮光マスクの形状は様々なものが可能である
が、例えばピンホールを設けたマスクとした場合には、
遮光マスク上における反射光束のスポットサイズが変化
する過程で、スポットサイズが最も小さくなって反射光
束の最も多くの部分がピンホールを通過するときに受光
部の受光量が最大となる。

【００１４】光路長掃引機構の作動によって計測対象物
体へ照射される光束の集光位置は変化する。ここでいう
光路長とは、投光部から計測対象物体に至るまで、およ
び計測対象物体から受光部に至るまでの光路長を意味し
ている。例えば、光路張掃引機構が中立的な状態のとき
投光部から出射された光束が集光するような位置に計測
対象物体があるとすれば、光路長掃引機構が光路長を短
くする状態（図３）になったとき、照射光束はまだ集光
していない（計測対象物体がないとすればそれがあった
位置より遠方で集光する）状態となる。

【００１５】ここで、計測対象物体が鏡面物体である場
合、計測対象物体からの反射光束は図４に示すように遮
光マスク上では集光しきれず、遮光マスク上における光
束のスポットサイズが相対的に大きいことから受光部の
受光量は小さくなる。

【００１６】一方，計測対象物体が拡散反射物体である
場合、計測対象物体上での光束が広がっている（図５）
上、その反射光束は遮光マスク上に結像しない（遮光マ
スクよりも受光素子側で結像する）ことからやはり受光
部の受光量は小さくなる。

【００１７】逆に、光路長掃引機構が光路長を長くする
状態のときは、照射光束および計測対象物体からの反射
光束の集光位置は、光路長掃引機構が中立的な状態のと
きの反射光束の集光位置に対してそれぞれ上述の位置と
は逆の側に移動することになり、光路長が短い場合と同
様に遮光マスク上で光束は相対的に大きく、受光量が小
さくなる。

【００１８】以上のことから遮光マスクにピンホールが
設けられている場合は、計測対象物体が鏡面物体であっ
ても拡散反射物体であっても、光路長掃引機構の作動に
より照射光束の集光位置が計測対象物体上となるとき
に、受光量が最大となり、受光部からの出力信号が最大
となる。

【００１９】上記出力信号から以下に示すような方法で
変位を求めることができる。図６は光路光掃引機構の作
動に伴う光路長の変化と受光部の出力信号の変化とを示
したものである。出力信号の極大値は、光路長掃引機構
が光路長の掃引を行い、計測対象物体上で照射光束を集
光させるような状態となったときに得られる。図６では
このときの光路長の変化量がＸ１である。計測対象物体
への照射光束の集光位置は、光路長の変化量と１対１対
応になることから、あらかじめ掃引による光路長の変化
量から集光位置の変位量に換算する式さえ求めておけ
ば、光路長の変化量を何らかのセンサ等で直接あるいは
間接的に常時測定することで、受光部の出力信号が最大
となったときの光路長の変化量から計測対象物体の変位
量を求めることができる。

【００２０】遮光マスクは、ピンホールを設けたものに
限らず、ナイフエッジにより構成し、受光素子に２分割
フォトダイオード（２つのフォトダイオードが隣接して
配置された素子）を用いても変位の計測は可能である。
以下にその場合の原理も示しておく。

【００２１】図７は計測対象物体上で照射光束が集光さ
れた前述の図１の状態に対応するものである。ナイフエ
ッジの先端が反射光束の集光位置と一致するように配置
され、このとき、受光素子である２分割フォトダイオー
ドは、２つのフォトダイオードの受光量が等しくなるよ
うに設置されている。光路長の掃引により光路長が短く
なった状態、すなわち前述の図４に対応するものが図８
であり、左側のフォトダイオードに向かう光束がナイフ
エッジにより遮蔽されている。逆に光路長が長くなった
状態を示したものが図９であり、右側のフォトダイオー
ドに向かう光束がナイフエッジにより遮蔽されている。
これらの図からわかるように、計測対象物体上で照射光
束が集光したときに２分割フォトダイオードの２つのフ
ォトダイオードの出力が等しくなり、集光していないと
きは片方のフォトダイオードの出力が大きくなる。従っ
て、出力信号を用いて変位を求めるためには、前述の方
法において受光素子の出力がピークとなる時点を、２分
割フォトダイオードの２つのフォトダイオードの出力が
等しくなる時点で置き換えて考えることにより同様に変
位計測が可能である。

【００２２】この発明によると、計測対象物体上で照射
光束が微小なスポットとなったときの光路長に基づいて
計測を行うことから、計測対象物体の反射強度むらに影
響されない変位計測が可能である。また、形状、質量が
大きなレンズを掃引するような、投光部から計測対象物
体までの光路長を一定に保ったまま照射光束の集光位置
を変化させる方法とは異なり、集光機能は動くことのな
い集光素子によって行い、それとは別にそれ自体は集光
機能を持たずに光路長を変化させる機能を有する光路長
掃引機構を設けたので、この光路長掃引機構を小型かつ
軽量で実現することが可能となる。従って、掃引周波数
を高くすることができ、１点の計測に必要な時間は短く
なる。応答時間は計測を開始してから計測結果を出力す
るまでの時間であるが、本センサにおいては平均化処理
も含めて計測点数の多少にかかわらず計測時間に対して
出力に要する時間はごく僅かであり、応答時間の大部分
が計測時間によって占められるので、本態様によって計
測に要する時間を短くすることにより、応答時間の短い
計測が実現できる。また、一定の応答時間内であれば、
平均化回数を増やすことでより測定誤差が小さい高精度
な計測が実現できる。

【００２３】投光部は、光源の発光面積が大きい場合
は、光源から出た光を１度ピンホールを通過させるなど
して実質的な発光面積を小さくすることが望ましい。な
ぜなら、発光面積が大きいと光路長掃引機構によって光
路長の掃引を行ったとき計測対象物体上における光束の
最小スポットサイズも大きくなってしまい、計測対象物
体の反射強度むらの影響を受けやすくなるからである。
『第1の集光素子と投光部により規定される投光光軸』
における投光部とは、光源の発光位置を意味し、発光位
置として代表的には発光面の中心や重心の位置を採用す
ることができる。前述のようにピンホールを使用する場
合はピンホールの中心の位置を採用することができる。

【００２４】遮光マスクが、ピンホールを設けたマスク
の場合、受光素子はピンホールを通過した光束を受光す
ればよいのでフォトダイオードなどの光の強度を電流や
電圧に変換する素子を用いれば良い。この場合、『第２
の集光素子と受光部とにより規定される受光光軸』と
は、具体的には第２の集光素子とピンホールの中心とで
規定される受光光軸を意味する。

【００２５】一方、遮光マスクがナイフエッジにより構
成されたマスクである場合、受光素子には入射した光の
位置の変化に伴って出力が変化する2分割フォトダイオ
ードやさらに分割数を多くしたフォトダイオードアレ
イ、位置検出素子（ＰＳＤ）、ＣＣＤなどを用い、ナイ
フエッジを通過した光束の位置の変化を出力の変化とし
て得ることができる。ナイフエッジの場合、『第２の集
光素子と受光部とにより規定される受光光軸』において
受光光軸を規定する「受光部」は、前述のピンホールの
ようにあらかじめ特定された１点ではなく、ナイフエッ
ジの縁線上のいずれか1点（厳密にはナイフエッジから
わずかに離れた点）となる。光学系の調整が完了した状
態においては、計測対象物体からの反射光束の中心位置
がナイフエッジの縁線上のいずれか1点と一致してるは
ずであり、このとき投光光軸と受光光軸とは第１の光路
制御素子により計測対象物体側で同軸になっている。光
学系が十分に調整されていないなどにより、計測対象物
体からの反射光束の中心位置がナイフエッジの縁線上の
いずれか１点と一致していないときは、ナイフエッジの
縁線上において反射光束の中心位置に最も近い点が受光
光軸を規定していると考えることができる。

【００２６】集光素子はレンズ、凹面鏡、ホログラム等
の集光機能を有する光学素子である。

【００２７】『投光部から出射された光束を計測対象物
体に集光する第1の集光素子』における「集光する」と
は常に計測対象物体上で集光している状態を意味するも
のではない。これは、投光部と計測対象物体との間には
光路長掃引機構があり、集光位置は掃引によって時間的
に変化するためで、掃引中は、ある瞬間に計測対象物体
上で集光するという状態を指す。

【００２８】光路制御素子は、ハーフミラーや偏光ビー
ムスプリッタや、回折を利用して一部の光束を異なる方
向に分岐させるグレーティングやホログラム、あるい
は、複屈折を利用することで偏光方向に応じて出射光束
の方向を異ならせたウォラストンプリズム等の、入射し
た光束を一定の割合である方向に出射すると同時に一定
の割合で他の方向に出射させる機能を有する光学素子で
ある。

【００２９】光路長掃引機構は、光源から計測対象物体
に至る光路長および計測対象物体から受光部に至る光路
長を連続的に時間的に変化させる。この光路長掃引機構
としては、音叉や片持ち梁に反射面を設けて振動させる
もの、ボイスコイルモータや圧電素子を用いて反射面を
その面と垂直方向に往復運動させるもの、電気光学結晶
に外部電圧を印加して媒質の屈折率を変化させるもの、
などを利用することができる。

【００３０】この発明の一実施態様においては、その一
例である図１０の符号を参照して、第１の集光素子であ
り、かつ、第２の集光素子である第６の集光素子（１
３）を備えており、第１の光路制御素子（２）は、第６
の集光素子（１３）と投光部（１）および受光部（９）
との間に配置されている。

【００３１】図１に示す光学系もこの実施態様の一例で
あり、集光素子３、５、７は第６の集光素子の一例であ
る。

【００３２】第1の集光素子と第2の集光素子とを兼用
（共通化）することで、部品点数を減らすことができ、
低コスト化が可能となる。同時に、小型化も達成するこ
とができる。

【００３３】また、例えば遮光マスクにピンホールを用
いる場合、スポットサイズおよびそれに伴ってピンホー
ルのサイズを極めて小さなものにしたときは温度変化な
どによりピンホールと発光点の光学的な位置関係がずれ
て正しく動作しなくなるおそれがあるが、第１の集光素
子と第２の集光素子を兼用（共通化）することで、ピン
ホールと光源の光学的な位置を定めている光学部品の点
数を少なくするとともに、第１の光路制御素子と投光部
との間の距離および第１の光路制御素子とピンホールと
の間の距離を短くすることができ、温度等による投光
部、ピンホール、第１の光路制御素子の相対的な位置ず
れの量を小さく抑えることができる。すなわち温度変化
に対して安定な検出が可能となる。

【００３４】光路長掃引機構は、図１０の場合のように
第６の集光素子（１３）と計測対象物体（８）との間に
あってもよいし、図１１に示すように第６の集光素子
（１３）と第１の光路制御素子（２）との間にあっても
よい。

【００３５】この発明の好ましい一実施態様において
は、その一例である図１２の符号を参照して、光路長掃
引機構（６）は、光軸に対して垂直に配置され、投光光
軸と受光光軸とが同軸とされた光軸方向に沿って変位す
る反射面（６）を有し、投光部（１）から出射された光
束をその反射面に導くとともに、その反射面（６）で反
射された光束を計測対象物体（８）へと導き、かつ、計
測対象物体（８）からの反射光束を前述の計測対象物体
（８）へ光束を導いた光路と同一の光路上を逆方向に導
く第２の光路制御素子（４ａ）をさらに備えている。

【００３６】図１に示す光学系もこの実施態様の一例で
ある。

【００３７】この態様によれば、光路長掃引機構の作動
によっても計測対象物体上の変位計測点が計測対象物体
表面上を移動することなく計測を行うことが可能となり
（スポットサイズは変化するがスポットの中心は動かな
い）、常に安定して特定点の変位計測をすることが可能
となる。このため微小な物体や、微小な部分の変位計測
が可能となる。

【００３８】ここで『光軸に対して垂直』とは計測上問
題とならない程度の垂直からのずれがある場合も含む意
味で使用している。たとえば、光路長掃引機構を片持ち
梁などにより構成した場合、掃引することで多少反射面
の角度も変動することになるが、この程度の垂直からの
角度ずれがあってもここでいう垂直に含まれる。

【００３９】前述の光軸に対して垂直に配置された反射
面（６）は、第２の光路制御素子を透過した位置に配置
しても良い（図１２）し、反射した位置に配置しても良
い（図１３）。

【００４０】また、この構成においては、第1の集光素
子と第2の集光素子とを兼用（共通化）した第６の集光
素子（１３）を用いても良い（図１４、図１５）。この
ようにすれば、集光素子の個数を減らすことができ、さ
らに、投光部と第１の光路制御素子との間の距離および
遮光マスクと第１の光路制御素子との間の距離を短くす
ることなどにより温度変化等に対して安定な検出が可能
となるのは前述と同様である。

【００４１】この発明の好ましい態様においては、その
例である図１６、図１７の符号を参照して、第２の光路
制御素子（４ａ）は第１の光路制御素子（２）と上述の
反射面（６）との間に配置されており、第１の集光素子
は第３の集光素子（１６）と第４の集光素子（１７）と
からなり、第２の集光素子は第３の集光素子（１６）と
第５の集光素子（１８）とからなっている。さらに、第
４の集光素子（１７）は投光部（１）から反射面（６）
に至る光路中に集中または分散して配置された単一また
は複数のレンズであって、そのうちの少なくとも１つの
レンズは投光部（１）から第２の光路制御素子（４ａ）
に至る光路中に配置され、かつ投光部（１）から出射さ
れた光束を反射面（６）付近に集光しており、第３の集
光素子（１６）は反射面（６）と計測対象物体（８）と
の間に集中又は分散されて配置された単一または複数の
レンズであって、そのうちの少なくとも１つのレンズは
第２の光路制御素子（４ａ）と計測対象物体（８）との
間に配置され、かつ反射面（６）で反射された光束を計
測対象物体（８）へ集光するとともに計測対象物体
（８）からの反射光束を反射面（６）付近に集光し、ま
た、第５の集光素子（１８）は反射面（６）から受光部
（９）に至る光路中に集中または分散して配置された単
一または複数のレンズであって、そのうちの少なくとも
１つのレンズは第２の光路制御素子（４ａ）から受光部
（９）に至る光路中に配置され、かつ計測対象物体
（８）で反射された後に反射面（６）で反射された光束
を受光部（９）へと集光する。

【００４２】図１に示す光学系もこの実施態様の一例で
あり、ここで集光素子５、７は第３の集光素子の一例で
あり、集光素子３、５は第４の集光素子と第５の集光素
子とを兼用（共通化）したものである。集光素子５は第
３、第４および第５の集光素子に共通して含まれる部分
となっている。

【００４３】この態様によれば、投光部から出射された
光を光路長掃引機構の反射面付近で集光させていること
から、反射面の面積を極めて小さなものにすることが可
能となる。その結果、光路長掃引機構に片持ち梁や音叉
などを使用する場合にも、小型、軽量化が可能となり、
固有振動数を高くすることができる。これにより、掃引
周波数を高くすることが可能となり、より応答時間の短
い計測が実現できる。また、一定の応答時間内であれ
ば、平均化回数を増やすことでより測定誤差が小さい高
精度な計測が実現できる。

【００４４】ここでいう『反射面付近に集光』は、反射
面が光軸方向に往復運動する範囲の中に集光点が存在す
る場合を含むが、それだけに限らずその範囲の周辺で集
光する場合であっても、反射面上でのスポットサイズが
十分小さく、反射面を小型化できることにより前述の効
果を有する場合については、含まれる。さらに、投光素
子（１）から出射された光束が第３の集光素子に入射す
るまでに一旦集光されるような構成であれば上記の効果
が生じることから『反射面付近に集光』すると言える。

【００４５】『単一または複数のレンズ』における『単
一』とは、レンズ機能単位での個数を指し、組レンズの
ように複数のレンズを一体に組み合わせて凸レンズや凹
レンズのような単一のレンズとしての機能を有するもの
を含む。また、『複数』とは、上記の『単一』のレンズ
が複数存在することを意味する。

【００４６】さらに、この実施態様の変形として、その
例である図１８、図１９の符号を参照して、第４の集光
素子と第５の集光素子とを兼用（共通化）して第７の集
光素子（１９）とし、第１の光路制御素子（２）と第２
の光路制御素子（４ａ）との間に配置した構成とするこ
とも可能である。

【００４７】この態様によれば、さらに集光素子の共通
化がはかられ、部品点数を減らすことができることから
低コスト化、小型化が可能となる。

【００４８】また、他の実施態様として、その例である
図２０、図２１の符号を参照して、第３の集光素子と第
４の集光素子と第５の集光素子とを兼用（共通化）して
第８集光素子（２０）とし、第２の光路制御素子（４
ａ）と反射面（６）との間に配置することも可能であ
る。

【００４９】この態様によれば、集光素子が１つとなる
ので、さらに低コスト化、小型化が可能となる。

【００５０】この発明の好ましい一実施態様において
は、投光部と受光部とが前記第１の光路制御素子の作用
に関して互いに鏡像となる位置関係に配置されている。

【００５１】『鏡像となる位置関係』は、光学的な作用
に関する位置関係を意味しており、単に投光部と受光部
の外形的な形状を意味するものではない。従ってここで
は、投光部は光源の発光点を意味し、受光部では遮光マ
スクにピンホールが設けられた場合はピンホールを意味
し、遮光マスクがナイフエッジにより構成された場合は
ナイフエッジの縁線上のいずれか1点であって受光光軸
を規定する点を意味する。

【００５２】遮光マスクにピンホールが設けられた場
合、ピンホールと投光部の光源の発光点が第１の光路制
御素子の作用に関して互いに鏡像となる位置関係である
と、光路長が中立状態以外にあるときに照射光が計測対
象物体上に集光されるような位置に計測対象物体がある
ときを含めて、計測対象物体が鏡面物体であるか拡散反
射物体であるかを問わず同一の変位計測値を得ることが
できる。遮光マスクがナイフエッジにより構成された場
合は、ナイフエッジの縁線上の受光光軸を規定する点と
投光部の光源の発光点とが第１の光路制御素子の作用に
関して互いに鏡像となる位置関係であれば同様に計測対
象物体が鏡面物体でも拡散反射物体でも同一の変位計測
値を得ることができる。

【００５３】この発明の好ましい一実施態様において
は、その２つの例である図２２と図２３の符号を参照
し、反射面が光軸方向に沿って変位する領域（２１）
が、投光部（１）から出射された光束が第４の集光素子
（３，５）によって集光される位置（２２）を含まない
ようにしている。

【００５４】『第４の集光素子によって集光される位
置』とは、反射面が存在しないと考えた場合に第４の集
光素子によって集光される位置を意味している。

【００５５】第2の光路制御素子には前述のようにハー
フミラーや偏光ビームスプリッタ等が用いられるが、反
射面で反射された光束を計測対象物体へ導く際に、光束
の全光量を計測対象物体へ導くのは現実には不可能であ
る。程度の大小はあっても、必ず計測対象物体以外の方
向、すなわち投光部および受光部の方向に戻り光が生じ
ることになる。反射面上で投光部から出射された光束を
集光するような構成とした場合、この戻り光は受光部に
おいて集光し、大部分が受光素子で受光されてしまう。
従って、計測対象物体からの反射光束による出力信号と
比べて無視できない強度となり、検出の妨げとなってし
まう。

【００５６】この態様によれば、反射面が光軸方向に沿
って変位する領域の近傍ではあるが、反射面上では投光
部から出射された光束が集光しない構成としたので、受
光素子上でも戻り光は集光することがない。従って戻り
光の強度は受光素子の出力信号上では問題とならない程
度にまで下げることが可能であり、計測対象物体からの
反射光束による受光素子の出力信号を確実に検出するこ
とができる。

【００５７】また、別の実施態様によれば、その一例で
ある図２４の符号を参照して、反射面が光軸方向に沿っ
て変位する領域（２１）が、投光部（１）から出射され
た光束が第４の集光素子（３，５）によって集光される
位置（２２）を含むようにされ、さらに、計測対象物体
が有効計測領域（２３）内にあるときに、計測対象物体
からの反射光束が第３の集光素子（７，５）によって集
光しうる領域（２５）が、投光部（１）から出射された
光束が第４の集光素子（３，５）によって集光される位
置（２２）を含まないようにされる。

【００５８】本態様における作用の理解を容易にするた
めに本態様の一例である図２４の構成およびそれに対応
した受光素子の出力信号を示した図２５を参照して説明
する。図中、２１で示した領域は反射面が光軸方向に沿
って変位する領域、６ｄは光路長掃引機構が光路長を最
短にする状態のときの反射面、６ｅは光路長掃引機構が
光路長を最長にする状態のときの反射面、２３は有効計
測領域、８ｂは有効計測領域内で最も対物レンズ７から
遠い位置にある場合の計測対象物体、８ｃは有効計測領
域内で最も対物レンズ７から近い位置にある場合の計測
対象物体を示し、２４ｂは有効計測領域内で最も対物レ
ンズ７から遠い位置にある計測対象物体８ｂからの反射
光束が第３の集光素子によって集光される点、２４ｃは
有効計測領域内で最も対物レンズ７から近い位置にある
計測対象物体８ｃからの反射光束が第３の集光素子によ
って集光される点を示している。２５は有効計測領域２
３内にある計測対象物体８からの反射光束が第３の集光
素子によって集光し得る領域を示している。これに対応
して図２５では、前述の図６と同様に光路長の変化量が
Ｘ１のときに図２４には図示していない計測対象物体か
ら反射光束が受光素子に入射し、出力信号２７が得られ
る。光路長の変化量がＸ２のときに投光部から出射され
た光束が第４の集光素子によって反射面上で集光し、そ
のときに戻り光が生じて受光素子に受光され、受光信号
２６が発生する。光路長の変化量Ｘ３、Ｘ４はそれぞれ
図２４で反射面が２４ｂ、２４ｃにある場合に対応して
おり、斜線で示した領域２８が有効計測領域内で計測対
象物体からの反射光束を受光し得る時間領域を表す。

【００５９】この態様によれば、戻り光による受光素子
出力信号２６は必ず有効計測領域内にある計測対象物体
からの反射光束を受光し得る領域２８の外で得られた
め、戻り光によって有効検出領域内にある計測対象物体
からの反射光による受光素子出力信号２７の正確な検出
が妨げられることはない。一方、戻り光による受光素子
の出力信号２６は計測対象物体の位置によらず常に反射
面の変位量がＸ２となるときに発生する。計測対象物体
の変位を計測するためには光路長の変化量を何らかのセ
ンサ等で測定し、光路長の変化量から計測対象物体の変
位量へ換算すればよいが、換算を行う際にこの信号２６
が発生するときの変位量によって光路長の変化量の測定
値を校正すれば、前述のセンサ等がもつ温度ドリフトの
影響による光路長の変化量測定誤差を抑えることがで
き、より安定した変位計測が可能となる。

【００６０】この発明のさらに好ましい実施態様におい
ては、光軸方向に沿って変位する前記反射面の変位を周
期的な振動とし，前記反射面の位置と前記投光部から出
射された光束が前記第４の集光素子によって集光される
位置とが一致するときに生じる前記受光素子の出力信号
から前記反射面の変位が往路中であるときの出力信号も
しくは復路中であるときの出力信号のうち任意に定めた
一方を選択して取得する手段と、前記投光部から出射さ
れた光束が前記計測対象物体上に集光するときにその反
射光束によって発生する前記受光素子の出力信号が得ら
れるまでの時間を計測する手段と、前記計測された時間
をもとに計測対象物体までの距離についての情報を得る
手段とを備えることができる。

【００６１】反射面の変位が周期的な振動であるとは、
反射面の変位が周期的であり、投光部から出射された光
束を有効計測領域内にある計測対象物体上に集光しうる
ような反射面の位置（前述の２５の領域と同じ）に反射
面が存在するときには、反射面が単調増加または単調減
少的に変位するものである。これにより、振動の往路中
または復路中では、少なくとも有効計測領域内にある計
測対象物体上に照射光を集光するときの反射面の変位量
は時間に対して一意的に定めることができる。

【００６２】この構成では、光路長の変化量を何らかの
センサ等で計測することは行わず、光路長の変化が時間
的に周期的な変化をするもの、例えば正弦波状の振動等
とみなして、光路長の変化量が既知である特定の点から
の経過時間を計測することによって計測対象物体の変位
を計測している。この光路長の変化量が既知である特定
の点として前述の戻り光による受光素子出力信号２６を
用いている。

【００６３】この構成によれば、光路長の変化量を計測
するセンサ等が不要となる。

【００６４】この発明のさらに好ましい実施態様におい
ては、その例である図２６、図２７の符号を参照して、
第４の集光素子がコリメートレンズ（１１）と中間レン
ズ（５）とからなり、コリメートレンズ（１１）は投光
部（１）と第２の光路制御素子（４ａ）との間に配置さ
れて投光部（１）から出射された光束をほぼ平行とし、
中間レンズ（５）は第２の光路制御素子（４ａ）と反射
面（６）との間に配置されて前述のほぼ平行となった光
束を反射面（６）付近に集光する。さらに、第５の集光
素子が中間レンズ（５）と受光レンズ（１２）とからな
り、受光レンズは受光部（９）と第２の光路制御素子
（４ａ）との間に配置されて計測対象物体（８）からの
反射光束を受光部（９）に集光するものである。『反射
面付近に集光』は先に用いた意味と同様である。

【００６５】この変位センサが使用される状況を考える
と、計測対象物体の形状、大きさ、そしてそれらのばら
つきの程度によって望ましい検出距離と変位計測範囲が
異なる。様々な用途に対応するためには、異なる検出距
離、異なる変位計測範囲をもつ別の機種が実際上必要と
なる。投光部から計測対象物体までの間および計測対象
物体から受光部までの間をそれぞれ単一のレンズによっ
て構成した場合、所望の検出距離と変位計測範囲を得る
ためには、レンズと光路長掃引機構の変更が必要とな
り、結局はセンサ全体を最初から設計して製造する必要
がある。本態様によれば、中間レンズと対物レンズの焦
点距離と位置を変更するだけで所望の検出距離、変位計
測範囲を得ることができる。具体的には、対物レンズの
作動距離によって検出距離が定まり、中間レンズと対物
レンズの焦点距離および位置によって決まる合成された
レンズ系（以下合成レンズという）の倍率と、反射面の
変位量とから変位計測領域の大きさが定まる。この構成
によればレンズの交換が可能な構造となり、様々なアプ
リケーションに対応する機種を提供することができる。
また、製造時における異種レンズの選択的採用が容易な
構造とすることにより、検出距離や変位計測範囲の幅広
い組合せの中から選択された組合せに適合させて、レン
ズ以外の部品を共通化した低コストな変位センサを製造
することができる。

【００６６】また、本検出原理においては計測対象物体
上の最小スポットサイズを小さくするとより反射強度む
らに強くなるため、レンズの収差を十分に抑えた光学系
とすることが望ましい。中間レンズと対物レンズの間の
光束が集束光束または発散光束である場合、レンズの変
更によって光束は集束あるいは発散の状態が変化するこ
ととなるが、中間レンズと対物レンズの間には光路制御
素子が存在するためそれによって生じる収差の量も変化
する。

【００６７】従って、計測対象物体上で小さなスポット
サイズを得るためには、全体の光学系の中で用いたとき
に収差が最小となるよう特別に作った非球面レンズや組
レンズを用いる必要があり、非常に高価なものとなる。
本態様によれば、中間レンズと対物レンズの間の光束は
（光学系の構成上コリメートレンズと中間レンズおよび
中間レンズと受光レンズの間の光束も）ほぼ平行なの
で、無限光学系用の一般的な仕様のレンズを使用するこ
とができ、計測対象物体上で小さなスポットサイズを得
る変位センサを低コストで実現できる。『ほぼ平行』と
したのは、上記の効果が得られる程度の平行光束に近い
状態を意味しており、厳密な平行光束に限るものではな
いからである。

【００６８】さらに好ましい実施態様においては、その
例である図２８（光学配置は図１と同じである）および
図２９の符号を参照して、コリメートレンズと受光レン
ズは共通のレンズ（３）であり、第１の光路制御素子
（２）と第２の光路制御素子（４ａ）の間に配置されて
いる。コリメートレンズと受光レンズを兼用（共通化）
することにより、部品点数を減らすことができ、低コス
ト化、小型化が可能である。さらに前述のものと同様、
投光部と第１の光路制御素子との間の距離、遮光マスク
と第１の光路制御素子との間の距離を短くすることなど
により温度変化に対して安定な検出を可能としている。

【００６９】さらに好ましい実施態様においては、その
一例である図３０の符号を参照して、投光部（１）は直
線偏光を出射し、第２の光路制御素子はその直線偏光が
入射面に対し垂直または平行となるように配置された偏
光ビームスプリッタ（４ｂ）であり、偏光ビームスプリ
ッタ（４ｂ）から出射した光束が前記中間レンズ（５）
へ至る光路中、かつ、前記反射面で反射された後に中間
レンズ（５）から出射した光束が偏光ビームスプリッタ
（４ｂ）へ至る両方の光路中に配置された、投光部
（１）が出射する光の波長に対する１／４波長板（２
９）を具備する。

【００７０】この構成によれば、投光部から出射された
直線偏光は第２の光路制御素子によってそのほとんどが
反射もしくは透過され、中間レンズ、１／４波長板を経
て反射面で反射されされた後、再度、１／４波長板、中
間レンズを経て偏光ビームスプリッタへ入射する。この
際、１／４波長板を往復して透過することから直線偏光
は90度回転しており、偏光ビームスプリッタでそのほと
んどを最初に反射させる光学系として構成した場合は、
今度はほとんどが透過し、逆に最初に透過させる光学系
として構成した場合は反射することとなる。第2の光路
制御素子にハーフミラーを利用した場合に比べ、計測対
象物体へ照射する光束の光量を４倍程度に増やすことが
できる。従って、受光素子の出力信号も同様に増え、Ｓ
／Ｎの向上により、さらに高精度な変位計測や応答時間
の短い計測などが可能となる。

【００７１】さらに好ましい実施態様においては、その
一例である図３１の符号を参照して、反射面（６）に対
して光束を反射面（６）に対して垂直な方向以外から出
射する反射面用投光部（３０）と、反射面用投光部（３
０）から出射されて反射面（６）で反射された光束を受
光する位置検出素子（３３）が設けられ、位置検出素子
（３３）の出力信号と、受光部（９）の出力信号をもと
に計測対象物体（８）までの距離についての情報を取得
するものとすることができる。

【００７２】このような構成とすれば、位置検出素子の
出力信号をもとに光路長の変化量に対応する反射面の位
置を知ることができる。図３６に位置検出素子の出力信
号から求まる位置検出素子出力演算結果の例を示してい
る。これは図６における光路長の変化量に対応するもの
である。演算としては位置検出素子上に入射する光束の
位置に対応して一意的に演算結果が決まるものであれば
良く、位置検出素子の２つの出力をＡ、Ｂとした場合、
Ａ／（Ａ＋Ｂ）や（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）などが一般的
によく用いられる。簡単にＡやＢあるいはＡ−Ｂでも可
能である。先に図６を用いて説明したとおり、反射面の
位置は計測対象物体への照射光束の集光位置と１対１に
対応し、あらかじめ計測対象物体の変位量へ換算する式
を求めておくことで、受光部の出力信号が最大となった
ときに対応する位置検出素子の出力から計測対象物体の
変位量を求めることができる。また、反射面の裏面を反
射面の位置を知るための上記光学系の反射面として利用
することもできるが、図６のように計測対象物体へ照射
する光束などを反射する側の面そのものを利用する構成
では、反射面用投光部と位置検出素子は反射面に対して
計測対象物体の側に配置されることとなり、反射面の裏
面側には、光路長掃引機構を形状等の制限無く自由に配
置することができ、簡単な構造の掃引機構を採用するこ
とができる。

【００７３】反射面用投光部から出射される光束は、位
置検出素子の受光面上で微小なスポットサイズに集光す
るようにすれば位置検出素子の分解能が向上するので望
ましい。またこの光束は、反射面が変位しても常に反射
面内に収まるよう照射すれば位置検出素子上でスポット
の重心位置が不規則に変化することを避けることができ
るので例外処理や補正が不要となり望ましい。

【００７４】参照便宜のため、集光素子の名称相互の関
係を再度示すと次の通りである。

【００７５】第６の集光素子（１３）は、第１の集光素
子（３，５，７／１４）と第２の集光素子（７，５，３
／１５）の機能を兼ね備えたものである。ここでは
「／」の前に図１の符号、後に図２の符号を示してい
る。

【００７６】第７の集光素子（１９）は、第４の集光素
子（１７）と第５の集光素子（１８）の機能を兼ね備え
たものである。

【００７７】第８の集光素子（２０）は、第３の集光素
子（１６）と第４の集光素子（１７）と第５の集光素子
（１８）の機能を兼ね備えたものである。

【００７８】第１の集光素子は、第３の集光素子と第４
の集光素子とで構成することができる。

【００７９】第２の集光素子は、第３の集光素子と第５
の集光素子とで構成することができる。

【００８０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の変位センサの実施
の形態について図面を参照しながらさらに詳細に説明す
る。

【００８１】図３１は本変位センサの光学系の配置を表
す図である。本センサの光学系は、投光部として赤色半
導体レーザ３４、「第１の光路制御素子」としてキュー
ブハーフミラー２、コリメートレンズと受光レンズを共
通としたレンズ３、中間レンズ５、「第３の集光素子」
として対物レンズ７、「第２の光路制御素子」として偏
光ビームスプリッタ４ｂ、赤色半導体レーザ３４が出射
する光の波長に対する１／４波長板２９、光路長掃引機
構として片持ち梁３６と電磁石３８、受光部の遮光マス
クとしてピンホール９０１ａ、受光部の受光素子として
フォトダイオード９０２ａ、バンドパスフィルタ９０３
を備える。

【００８２】ここで、レンズ３と中間レンズ５と対物レ
ンズ７とは「第１の集光素子」であると同時に「第２の
集光素子」である。投光部から出射された光束を計測対
象物体８に集光する「第１の集光素子」にはコリメート
レンズ（本実施例ではレンズ３）と中間レンズ５と対物
レンズ７が該当し計測対象物体８からの反射光束受光部
へ集光する「第２の集光素子」には対物レンズ７と中間
レンズ５と受光レンズ（本実施例ではレンズ３）が該当
するが本実施形態では、レンズ３によってコリメートレ
ンズと受光レンズが共通化されているので上記の対応関
係となる。

【００８３】本変位センサは、さらに反射面の変位量測
定用の投光部３０を構成する赤外半導体レーザ３５と集
光素子３２、位置検出素子３３を備える。計測対象物体
８も併せて示している。片持ち梁３６は図３２に示すよ
うに振動子３６０１と反射面としてのミラー３６０２か
らなっている。

【００８４】赤色半導体レーザ３４とレンズ３によって
規定される投光光軸と、ピンホール９０１ａの中心とレ
ンズ３とで規定される受光光軸とは計測対象物体８側で
キューブハーフミラー２によって計測対象物体８側で同
軸となっている。ピンホール９０１ａと赤色半導体レー
ザ３４の発光点とはキューブハーフミラー２の作用に関
して互いに鏡像となる位置関係に配置されている。

【００８５】赤色半導体レーザ３４からは直線偏光の光
束が出射され、キューブハーフミラー２を透過し、レン
ズ３によって平行な光束にされる。この直線偏光の平行
光束の大部分が反射されるような向きで第２の光路制御
素子である偏光ビームスプリッタ４ｂが配置されてい
る。偏光ビームスプリッタ４ｂで反射された平行光束は
１／４波長板２９、中間レンズ５を経てミラー３６０２
付近に集光されるとともにミラー３６０２によって反射
面に対してほぼ垂直に反射される。ただし、反射面であ
るミラー３６０２が３７を支点とする片持ち梁の振動と
して変位するので、垂直から多少の角度変化が生じる。
ミラー３６０２で反射された光束は再度中間レンズ５、
１／４波長板２９と経て偏光ビームスプリッタ４ｂに入
射する。この光束は赤色１／４波長板を透過する前のミ
ラー３６０２に向かう光束の偏光方向に対して９０度の
直線偏光をもち、平行もしくはほぼ平行な光束となって
いる。この光束が対物レンズ７によって計測対象物体８
に照射される。計測対象物体８からの反射光束は対物レ
ンズ７で受光され以後、計測対象物体８への照射経路と
は逆の経路をたどる。計測対象物体８が鏡面物体の場合
は反射光束の偏光方向は維持されるため、照射したとき
と同様に１／４波長板の往復透過によって９０度偏光が
回転し、赤色半導体レーザ３４が出射した光の偏光方向
と同じ偏光方向でキューブハーフミラー２に入射する。
一方、計測対象物体８が拡散反射物体の場合は反射光束
の偏光方向は様々な方向を含むことになるが、計測対象
物体へ照射したときと同じ偏光方向の成分のみがキュー
ブハーフミラー２まで到達することになる。計測対象物
体８からの反射光束のうち、キューブハーフミラー２で
反射した光がピンホール９０１ａ付近で集光し、ピンホ
ール９０１ａを透過した光束がフォトダイオード９０２
ａによって受光される。ピンホール９０１ａの前には赤
色半導体レーザ３４の波長のみを透過するバンドパスフ
ィルタが挿入され、計測対象物体８からの反射光束以外
の迷光を除去している。

【００８６】半導体レーザが赤色であると計測対象物体
８上でスポットが目で見ることができるのでセンサを使
用する上で非常に便利である。色は赤色に限らず可視光
であれば便利である。赤外光等の非可視光を使用するこ
ともできる。

【００８７】キューブハーフミラー２、偏光ビームスプ
リッタ４ｂともにプレート形状ではなくキューブ形状の
ものを使用したのはプレート形状では透過光に非点隔差
が発生し、計測対象物体上およびピンホールを設けたマ
スク上で最小スポットサイズが広がってしまうからであ
る。プレート形状のハーフミラー、偏光ビームスプリッ
タを使用し、これらとは異なった方向に傾けた板状の透
過性の媒質（例えば透明板ガラス）を光路中に挿入して
この非点隔差を補正することも可能である。また、キュ
ーブハーフミラー２および偏光ビームスプリッタ４ｂの
向きは、それぞれの入射光束と反射光束が図３１では同
一平面内となるようにしているが、これに限るものでは
ない。

【００８８】また、偏光を利用することから、光束を透
過させる光学部品にはガラスのように複屈折をほとんど
もたない媒質を使用することが好ましい。

【００８９】赤外半導体レーザ３５から出射された光束
は集光素子３２によって位置検出素子３３の受光面上に
集光される。途中、この出射された光束がミラー３６０
２の変位によっても常に全ての光束が反射し、かつ、位
置検出素子３３に入射するよう光束の幅とミラー３６０
２への入射角度およびミラー３６０２の大きさとの関係
を定めている。ミラー３６０２は小さいほうが振動させ
る際の周波数を高くすることができるので望ましい。位
置検出素子の受光面上のスポットサイズは位置検出素子
の出力の分解能に影響するため小さいほど望ましい。本
構成では分解能を優先するため位置検出素子上で光束を
集光させているが、掃引周波数の高さを優先するのであ
ればミラー３６０２上で光束を集光させてもよい。赤外
半導体レーザ３５を用いたのは、光学部品で散乱された
光などの迷光がフォトダイオード９０２ａに入射し、赤
色半導体レーザ３４の光による計測対象物体８からの微
弱な反射光のＳ／Ｎ比を低下させることを防止するため
である。従って赤外半導体レーザ３５の波長は赤外には
限らずバンドパスフィルタ９０３が透過しない波長であ
れば同様の効果が得られる。

【００９０】次に、図３３は本センサのセンサヘッドの
内部構成を示す図を、図３４はセンサヘッドに接続され
るコントローラ部の内部構成を示す図を表している。図
３５はセンサヘッドとコントローラからなる本変位セン
サの全体を表した図である。

【００９１】センサヘッド３９は、上述の図３１で説明
した光学系に加え、赤色半導体レーザ３４用のＡＰＣ回
路４１、赤外半導体レーザ３５用のＡＰＣ回路４２、フ
ォトダイオード９０２ａ用のＩ／Ｖ回路４３、位置検出
素子ようのＩ／Ｖ回路４４ならびに振動子駆動回路４５
を備えている。

【００９２】ＡＰＣ回路４１、４２は駆動する半導体レ
ーザの出力を一定に保って駆動するための回路であり、
特にＡＰＣ回路４１はコントローラからの投光パワ制御
信号に応じて半導体レーザ３５の出力の大きさを制御す
る機能も有する。Ｉ／Ｖ回路４３はフォトダイオード９
０２ａの出力電流を電圧に変換して受光素子出力信号を
コントローラへ出力するための回路、Ｉ／Ｖ回路４４は
位置検出素子３３の２つの出力電流をそれぞれ電圧に変
換して位置検出素子出力信号Ａ、Ｂをコントローラへ出
力するための回路である。振動子駆動回路４５は電磁石
３８を駆動する電流をコントローラからの振動子駆動パ
ルスに応じて供給するするための回路である。光路長掃
引機構は、振動子３６０１にミラー３６０２を付けた片
持ち梁３６を電磁石３８により駆動する構造としている
ので振動子３６０１には磁性体を用いている。図３２で
は振動子３６０１にミラー３６０２を接着しているが振
動子の表面を研磨して鏡面としても良いし、研磨面に蒸
着を行って鏡面を形成しても良い。

【００９３】コントローラ４０はアンプ４６、４７、Ａ
／Ｄ変換回路４８、４９、５０、ピーク検出回路５１、
ＡＧＣ（自動利得制御）回路５２、投光パワ制御回路５
３、ＣＰＵ５４、発振回路５５、振動子駆動パルス生成
回路５６、メモリ５７、外部Ｉ／Ｏインターフェース５
８、変位量表示部駆動回路５９、表示部６０を有する。

【００９４】センサヘッドからの位置検出素子出力信号
Ａ、Ｂはそれぞれアンプ４６、４７によって増幅され、
Ａ／Ｄ変換回路４８、４９によってデジタル信号に変化
されＣＰＵに入力される。センサヘッドからの受光素子
出力信号はまずピーク検出回路５１によって受光量が計
測される。その大きさに応じて投光パワ制御回路５３が
赤色半導体レーザ３４の発光パワを最適とする投光パワ
制御信号をセンサヘッド３９のＡＰＣ回路４１に送り、
フィードバック制御が行なわれる。次に受光素子出力信
号はＡＧＣ回路を経て増幅あるいは減衰され、Ａ／Ｄ変
換回路によってデジタル信号に変換されＣＰＵ５４に入
力される。

【００９５】発振回路５５はＣＰＵ５４と振動子駆動パ
ルス生成回路５６の基準クロックとして用いられてい
る。振動子駆動パルス生成回路５６は振動子駆動回路４
５に振動子駆動パルスを与える。振動子駆動パルスによ
って、振動子３６０１を駆動するために電磁石３８に流
す電流のパルス幅、周期が決定される。メモリ５７は得
られた計測値や変位量への換算式を記憶したりＣＰＵ５
４の変位量計算過程で必要なデータの記憶を行う。得ら
れた変位量は外部Ｉ／Ｏインターフェースを通じて出力
される。このコントローラ４０は表示部６０を有してお
り、変位量表示部駆動回路５９を通じて表示部６０に変
位量が表示される。ＣＰＵ５４は受光素子出力信号をＡ
／Ｄ変換回路５０を通じて検出し、受光素子出力信号が
生じたタイミングで位置検出素子出力信号ＡとＢ（Ａ／
Ｄ変換回路４８、４９によってデジタル信号に変換され
たもの）を取得し、光路長の変化量と相関を持つ位置検
出素子出力演算結果Ｙ＝Ａ／（Ａ＋Ｂ）が得られるよう
演算を行う。この位置検出素子出力演算結果Ｙに対応す
る計測対象物体の変位量をメモリ５７の内容を参照して
求める。また、求めた計測対象物体の変位量を外部Ｉ／
Ｏインターフェース５８と変位量表示部駆動回路５９へ
と出力する。

【００９６】図３６は本実施形態によって得られる受光
素子の出力信号等を示した図である。ミラー３６０２の
変位に伴って位置検出素子出力信号Ａ、Ｂが正弦波状に
変化し、計測対象物体８上で照射光束が集光する時に対
応して受光素子出力信号がパルス状に得られる。本実施
形態では光軸方向に沿ってミラー３６０２の変位する領
域が、赤色半導体レーザ３４から出射された光束が中間
レンズ５によって集光される位置を含まないようにした
場合を示しており、ミラー３６０２からの戻り光は受光
素子の出力信号に入らない。受光素子出力信号のパルス
のピークとなる時点の位置検出素子出力信号Ａ、Ｂから
得られる位置検出素子出力演算結果Ｙ＝Ａ／（Ａ＋Ｂ）
をＹ１、Ｙ２、Ｙ３、Ｙ４として示している。一方、位
置検出素子出力演算結果Ｙから計測対象物体８の変位量
への換算式があらかじめメモリ５７に記憶されており、
対応する変位量が計算されることになる。

【００９７】例えば計測対象物体８の変位量ΔＸはレン
ズの結像の関係をもとに次のような換算式により計算さ
れる。

【００９８】ΔＸ＝Ｌ２−Ｌ０Ｌ２＝１／｛１／Ｆ−１／Ｌ１｝Ｌ１＝Ｄ＋Ｈ・Ａ／（Ａ＋Ｂ）ここで、Ｆは中間レンズ５と対物レンズ７の合成レンズ
（以下、合成レンズ）の焦点距離、Ｌ０は計測対象物体
の基準位置と合成レンズの計測対象物体側主点との距
離、Ｌ１は半導体レーザ３４から出射された光束がミラ
ー３６０２付近で集光する点と合成レンズのミラー３６
０２側主点との光学的な距離、Ｌ２は計測対象物体８
（合成レンズによるミラー３６０２の像と一致）と合成
レンズの計測対象物体側主点との距離、ＤおよびＨは定
数である。定数Ｄ、Ｈは実際に計測対象物体を既知量変
位させることで求めることが可能である。

【００９９】また、この方法によらず、実際に計測対象
物体を既知量変位させ、それに対応した位置検出素子出
力演算結果Ｙの一覧をデータとして保持し、補間処理を
加えるなどして変位量を算出しても良いし、位置検出素
子出力演算結果Ｙの一覧データから適当な近似式によっ
て換算式を導出し、その式によって変位量を算出しても
良い。

【０１００】図３７は上述の処理をフローチャートにし
たものである。ＳＴ１からＳＴ５の処理がＣＰＵにより
実行される。計測開始後、ＳＴ１ではＡ／Ｄ変換回路５
０より得られる受光素子出力信号のピークを検出する。
ＳＴ２ではＳＴ１で検出した受光素子出力信号のピーク
のタイミングにあたる位置検出素子出力信号Ａ、ＢをＡ
／Ｄ変換回路４８、４９を通じて取得する。ＳＴ３では
ＳＴ２で得られた位置検出素子出力信号Ａ、Ｂを演算
し、位置検出素子出力演算結果Ｙ＝Ａ／（Ａ＋Ｂ）を得
る。ＳＴ４では得られた演算結果Ｙとメモリ５７にあら
かじめ格納されている換算式をもとに計測対象物体の変
位量に換算を行う。換算が終わると再度ＳＴ１に戻ると
ともに並列してＳＴ５の処理を行う。ＳＴ５の平均化処
理とは変位量の測定精度を向上させるための処理であ
り、設定により回数を定めることができる。設定した回
数平均化処理を行ったのち計測対象物体の変位量の出力
を行う。

【０１０１】他の実施態様として、ミラー３６０２が光
軸方向に沿って変位する領域が、赤色半導体レーザ３４
から出射された光束が中間レンズ５によって集光される
位置を含み、計測対象物体８が有効計測領域にあるとき
に、計測対象物体８からの反射光束が中間レンズ５によ
って集光しうる領域が、赤色半導体レーザ３４から出射
された光束が中間レンズ５によって集光される位置を含
まないようにした場合を以下に示す。この実施態様で
は、ミラー３６０２の変位量を投光部３０や位置検出素
子３２を用いて測定することは行わず、光路長の変化が
時間的に周期的な変化をする正弦波状の振動とみなし
て、戻り光が生じる時点からの経過時間を計測すること
によってそのときの光路長の変化を求める。すなわち、
光学系の配置は図３８に示すとおりであり、これは図３
１の構成から反射面の変位量測定用の投光部３０（赤外
半導体レーザ３５と反射面の変位量測定用の集光素子３
２）および位置検出素子３３を省いたものである。セン
サヘッドの内部構成としては図３９、コントローラの内
部構成は図４０のとおりであり、位置検出素子の出力信
号を処理するアンプとＡ／Ｄ変換回路は省かれている。

【０１０２】この実施態様による受光素子の出力信号を
関連する波形とともに図４１に示す。計測対象物体８上
で照射光束が集光する時に対応してパルス状の受光素子
出力信号２７が得られ、赤色半導体レーザ３４から出射
された光束が中間レンズ５によってミラー３６０２上で
集光される時に対応して戻り光がパルス状の受光素子出
力信号２６として得られる。正弦波状の光路長の変化量
（ミラー３６０２が正弦波状に振動すると光路長の変化
も正弦波状となる）も参考のために示している。Ｘ１は
計測対象物体８上で照射光束が集光するときの光路長の
変化量、Ｘ２は赤色半導体レーザ３４から出射された光
束が中間レンズ５によってミラー３６０２上に集光され
るとき（戻り光が生じるとき）の光路長の変化量、Ｘ３
は有効計測領域内で最も対物レンズ７から遠い位置に照
射光束が集光するときの光路長の変化量、Ｘ４は有効計
測領域内で最も対物レンズ７から近い位置に照射光束が
集光するときの光路長の変化量を示している。

【０１０３】図４１の受光素子出力信号からわかるよう
にミラー３６０２が正弦波状に振動すると往路中と復路
中でそれぞれ戻り光と計測対象物体による出力信号が得
られる。戻り光による出力信号を基準とする場合、往路
中か復路中の一方の戻り光による出力信号のみを選択し
て基準とする必要があるのでその方法の一例を以下に示
す。図４１にはミラー３６０２を正弦波状に振動させる
ための振動子駆動パルスの例も示しているが、この振動
子駆動パルスを参照するだけでは必ずしも戻り光２６の
一方を選択することはできない。そこで、図のように戻
り光が生じるＸ２に近い方において振動子の反転するタ
イミングが振動子駆動パルスの立下りエッジのタイミン
グにやや遅れているとすると、この振動子駆動パルスの
立下りエッジをトリガとしてワンショットパルスを発生
させ、このワンショットパルスを反転させて計測対象物
体上での集光による出力信号２７を間に挟まない往路と
復路の２つの戻り光２６の間で立ち上がる信号を作り出
しリセット信号としている。このリセット信号により受
光素子出力信号の取得を開始すれば必ず最初のパルスが
戻り光２６で基準パルスとなり、その次の２つのパルス
が計測対象物体からの出力信号２７となる。そこで、そ
れぞれの基準パルスからの経過時間ｔ１とｔ２を計測
し，光路長の変化が時間的に周期的な変化をする正弦波
状であることを用いてｔ１、ｔ２に対応した光路長の変
化量を求めることができる。これにより、計測対象物体
８の変位量ΔＸ（ｔ）は例えば次のような換算式により
計算される。

【０１０４】ΔＸ（ｔ１）＝Ｌ２（ｔ１）−Ｌ０ ΔＸ（ｔ２）＝Ｌ２（ｔ２）−Ｌ０Ｌ２（ｔ２）＝１／｛１／Ｆ−１／Ｌ１（ｔ２）｝Ｌ２（ｔ１）＝１／｛１／Ｆ−１／Ｌ１（ｔ１）｝Ｌ１（ｔ１）＝Ｄ＋Ｋｃｏｓ（ωｔ１＋φ０）Ｌ１（ｔ２）＝Ｄ＋Ｋｃｏｓ（ωｔ２＋φ０）ここでＦは合成レンズの焦点距離、Ｌ０は計測対象物体
の基準位置と合成レンズの計測対象物体側主点との距
離、Ｌ１半導体レーザ３４から出射された光束がミラー
３６０２付近で集光する点と合成レンズのミラー３６０
２側主点との光学的な距離、Ｌ２は計測対象物体８（合
成レンズによるミラー３６０２の像と一致）と合成レン
ズの計測対象物体側主点との距離、Ｄ、Ｋ、ωおよびφ
0は定数である。ωは振動子駆動パルスの周期から求
め、φ０はｃｏｓ（ωｔ１＋φ０）＝ｃｏｓ（ωｔ２＋
φ０）となることから求め、定数Ｄ、Ｋは実際に計測対
象物体を既知量変位させることで求めることが可能であ
る。

【０１０５】Ｌ１から計測対象物体８の変位量ΔＸへの
換算は、前述の方法と同様に、この方法に限らず、実際
に計測対象物体を既知量変位させ、それに対応した位置
検出素子出力演算結果Ｙの一覧をデータとして保持し、
補間処理を加えるなどして変位量を算出しても良いし、
位置検出素子出力演算結果Ｙの一覧データから適当な近
似式によって換算式を導出し、その式によって変位量を
算出しても良い。

【０１０６】本実施形態での変位量計測のフローチャー
トを図４２に示す。ＳＴ１からＳＴ１０の処理がＣＰＵ
により実行される。計測開始後、ＳＴ１ではまずリセッ
ト信号が入力されるのを待つ。ＳＴ２ではリセット信号
が入力されてからＡ／Ｄ変換回路５０より得られる受光
素子出力信号の１つめのピークを検出する。ＳＴ３では
このピークの検出とともに時間の計測を開始する。ＳＴ
４では２つめの受光素子出力信号の２つめのピークを検
出し、ＳＴ５では、ＳＴ３で検出した受光素子出力信号
の最初のピークから２つめのピークが得られるまでの経
過時間ｔ１をメモリ５７に記憶させる。ＳＴ６ではさら
に受光素子出力信号の３つめのピークを検出し、ＳＴ７
では、ＳＴ３で検出した受光素子出力信号の最初のピー
クから３つめのピークが得られるまでの経過時間ｔ２を
メモリ５７に記憶させる。ＳＴ８では、受光素子出力信
号の３つめのピークが得られた後、メモリ５７からｔ
１、ｔ２および計測対象物体の変位量へ換算するための
換算式を読み出し、ｔ１とｔ２それぞれに対応する計測
対象物体の変位量に換算を行う。ＳＴ９では換算された
２つの計測対象物体の変位量を平均している。ＳＴ１０
での平均化処理は図３７の場合と同様、変位量の測定精
度を向上させるための処理であり、設定等により任意に
回数を定めればよい。

【０１０７】より具体的なセンサヘッドの構造の斜視図
を図４３に示す。ここではセンサヘッド側に搭載される
回路４１から４５の基板を図中の６２で示している。こ
の図に対応した正面図を図４４に、側面図を図４５に示
す。ただし、光学系の構成が良く分かるように図４４で
は一部の部材や基板等を省略し、図４５では光学系のみ
を図示している。光学系の構成は図３１に示した実施形
態と同等のものであり、符号も図３１と同じである。た
だし、キューブハーフミラー２とレンズ３との間にミラ
ー６１を光学系小型化のために挿入している。

【０１０８】光学系の構成が異なる他の実施形態とし
て、これまでに示したものの他にも図４６に示すよう
に、反射面（６）上で投光部（１）から出射された光束
を集光し、第２の光路制御素子（２）を投光部（１）と
第１の集光素子（１４）との間に配置したものも可能で
ある。この構成では第１の集光素子（１４）が投光部
（１）から出射された光束を反射面（６）上に集光する
とともに、反射面（６）によって反射された光束を計測
対象物体（８）へ集光している。また、同様な構成とし
て図４７に示すような、反射面（６）上で投光部（１）
から出射された光束を集光し、第２の光路制御素子
（２）を受光部（９）と第２の集光素子（１５）との間
に配置したものも可能である。この構成では第２の集光
素子（１５）が反射面（６）で反射された光束を計測対
象物体（８）上に集光するとともに、反射面（６）によ
って反射された計測対象物体（８）からの反射光束を受
光部（９）へ集光している。

【０１０９】

【発明の効果】この発明によれば、計測対象物体上で照
射光束が微小なスポットとなったときの光路長に基づい
て計測を行うことから、計測対象物体の反射強度むらに
影響されない変位計測が可能である。また、集光機能は
動くことのない集光素子によって行い、それとは別にそ
れ自体は集光機能を持たずに光路長を変化させる機能を
有する光路長掃引機構を設けたので、この光路長掃引機
構を小型かつ軽量で実現が可能となる。従って、掃引周
波数を高くすることができ、計測時間の短い、高精度な
計測が可能な変位センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態の光学系構成を示した図であ
る。

【図２】本発明の他の実施形態の光学系構成を示した図
である。

【図３】図１の実施形態の光学系構成において、光路長
掃引機構が光路長を短くする状態での照射光束を示した
図である。

【図４】図１の実施形態の光学系構成において、計測対
象物体が鏡面物体である場合の光路長掃引機構が光路長
を短くする状態での反射光束を示した図である。

【図５】図１の実施形態の光学系構成において、計測対
象物体が拡散反射物体である場合の光路長掃引機構が光
路長を短くする状態での反射光束を示した図である。

【図６】光路光掃引機構の作動に伴う光路長の変化と受
光部の出力信号の時間的な変化を示した図である。

【図７】遮光マスクにナイフエッジ、受光素子に２分割
フォトダイオードを用いた実施形態の光学系構成を示し
た図である。

【図８】遮光マスクにナイフエッジ、受光素子に２分割
フォトダイオードを用いた実施形態の光学系構成におい
て、光路長掃引機構が光路長を短くする状態での反射光
束を示した図である。

【図９】遮光マスクにナイフエッジ、受光素子に２分割
フォトダイオードを用いた実施形態の光学系構成におい
て、光路長掃引機構が光路長を長くする状態での反射光
束を示した図

【図１０】本発明の他の実施形態の光学系構成を示した
図である。

【図１１】図１０の実施形態の他の光学系構成を示した
図である。

【図１２】本発明の他の実施形態の光学系構成を示した
図である。

【図１３】図１２の実施形態の他の光学系構成を示した
図である。

【図１４】図１２の実施形態において第６の集光素子を
用いた光学系構成を示した図である。

【図１５】図１２の実施形態において第６の集光素子を
用いた他の光学系構成を示した図である。

【図１６】本発明の他の実施形態の光学系構成を示した
図である。

【図１７】図１６の実施形態の他の光学系構成を示した
図である。

【図１８】本発明の他の実施形態の光学系構成を示した
図である。

【図１９】図１８の実施形態の他の光学系構成を示した
図である。

【図２０】本発明の他の実施形態の光学系構成を示した
図である。

【図２１】図２０の実施形態の他の光学系構成を示した
図である。

【図２２】本発明の他の実施形態における光学系構成と
投光部から出射された光束との関係を示した図である。

【図２３】図２２の実施形態における他の光学系構成と
投光部から出射された光束との関係を示した図である。

【図２４】本発明の他の実施形態における光学系構成と
光束との関係を示した図である。

【図２５】図２４の実施形態における受光素子の出力信
号を示した図である。

【図２６】本発明の他の実施形態の光学系構成を示した
図である。

【図２７】図２６の実施形態の他の光学系構成を示した
図である。

【図２８】本発明の他の実施形態の光学系構成を示した
図である。

【図２９】図２８の実施形態の他の光学系構成を示した
図である。

【図３０】本発明の他の実施形態の光学系構成を示した
図である。

【図３１】本発明の他の実施形態の光学系構成を示した
図である。

【図３２】光路長掃引機構の片持ち梁の構成例を示した
図である。

【図３３】本発明の実施形態によるセンサヘッドの内部
構成を示す図である。

【図３４】本発明の実施形態によるセンサヘッドに接続
されるコントローラ部の内部構成を示す図である。

【図３５】本発明による変位センサの全体を示す図であ
る。

【図３６】本発明の第１３実施形態の受光素子、位置検
出素子の出力信号と位置検出素子出力の演算結果を示し
た図である。

【図３７】本発明の実施形態による変位量計測の流れを
示すフローチャートである。

【図３８】本発明の他の実施形態の光学系の構成を示す
図である。

【図３９】本発明の他の実施形態によるセンサヘッドの
内部構成を示す図である。

【図４０】本発明の他の実施形態によるセンサヘッドに
接続されるコントローラ部の内部構成を示す図である。

【図４１】本発明の他の実施形態の受光素子の出力信号
と関連する波形を示した図である。

【図４２】本発明の他の実施形態による変位量計測の流
れを示すフローチャートである。

【図４３】本発明の実施形態によるセンサヘッドの斜視
図図である。

【図４４】本発明の実施形態によるセンサヘッドの正面
図である。

【図４５】本発明の実施形態によるセンサヘッドにおけ
る光学系の側面図である。

【図４６】本発明の他の光学系構成による実施形態を示
した図である。

【図４７】本発明の他の光学系構成による実施形態を示
した図である。

【図４８】従来の三角測量法による変位計測の光学系を
示す図である。

【符号の説明】

１投光部２キューブハーフミラー３コリメートレンズと受光レンズを
兼用（共通化）したレンズ４ａキューブハーフミラー４ｂ偏光ビームスプリッタ５中間レンズ６反射面６ａ光路長掃引機構が中立的な状態の
ときの反射面６ｂ光路長掃引機構が光路長を短くす
る状態のときの反射面６ｃ光路長掃引機構が光路長を長くす
る状態のときの反射面６ｄ光路長掃引機構が光路長を最短に
する状態のときの反射面６ｅ光路長掃引機構が光路長を最長に
する状態のときの反射面７対物レンズ８計測対象物体８ｂ有効計測領域内で最も遠い位置に
ある場合の計測対象物体８ｃ有効計測領域内で最も近い位置に
ある場合の計測対象物体９受光部９０１ａピンホール９０１ｂナイフエッジ９０２ａフォトダイオード９０２ｂ２分割フォトダイオード９０３バンドパスフィルタ１１コリメートレンズ１２受光レンズ１３第６の集光レンズ１４第１の集光レンズ１５第２の集光レンズ１６第３の集光レンズ１７第４の集光レンズ１８第５の集光レンズ１９第７の集光レンズ２０第８集光レンズ２１反射面が光軸方向に沿って変位す
る領域２２投光部から出射された光束がコリ
メートレンズと中間レンズにより集光される点２３有効計測領域２４ｂ有効計測領域内で最も遠い位置に
ある計測対象物体からの反射光束がコリメートレンズと
中間レンズによって集光される点２４ｃ有効計測領域内で最も近い位置に
ある計測対象物体からの反射光束がコリメートレンズと
中間レンズによって集光される点２５計測対象物体が有効計測領域内に
あるときにその反射光束が対物レンズと中間レンズによ
って集光されうる領域２６戻り光による受光素子出力信号２７有効検出領域内にある計測対象物
体からの受光素子出力信号２８有効計測領域内にある計測対象物
体からの反射光束を受光し得る領域２９１／４波長板３０反射面の変位量測定用の投光部３１反射面の変位量測定用のレーザ３２反射面の変位量測定用の集光素子３３位置検出素子３４赤色半導体レーザ３５赤外半導体レーザ３６片持ち梁３６０１振動子３６０２ミラー３７片持ち梁の支点３８電磁石３９センサヘッド４０コントローラ４１，４２ＡＰＣ回路４３，４４Ｉ／Ｖ回路４５振動子駆動回路４６，４７アンプ４８，４９，５０Ａ／Ｄ変換回路５１ピーク検出回路５２ＡＧＣ回路５３投光パワ制御回路５４ＣＰＵ５５発振回路５６振動子駆動パルス生成回路５７メモリ５８外部Ｉ／Ｏインターフェース５９変位量表示部駆動回路６０表示部６１ミラー６２センサヘッド側に搭載される回路
４１から４５の基板１００１レーザ１００２，１００３レンズ１００４位置検出素子１００５計測対象物体１００６回折限界スポットサイズが得られ
る点

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者菅孝博京都府京都市下京区塩小路通堀川東入南不動堂町801番地オムロン株式会社内Ｆターム(参考） 2F065 AA02 AA06 BB15 DD02 DD06 DD11 FF01 FF10 FF49 GG06 JJ01 JJ02 JJ05 JJ16 JJ18 JJ25 KK01 LL04 LL13 LL19 LL28 LL30 LL37 LL46 LL51 LL62 MM16 PP22 QQ02 QQ29 QQ33 SS03 SS12 UU05 UU06 UU07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】投光部と、遮光マスクと受光素子とを有する受光部と、前記投光部から出射された光束を計測対象物体に集光す
る第１の集光素子と、前記計測対象物体からの反射光束を受光部へ集光する第
２の集光素子と、前記投光部から前記計測対象物体に至る投光光路中、か
つ、前記計測対象物体から前記受光部に至る受光光路中
に配置され、前記第１の集光素子と前記投光部により規
定される投光光軸と、前記第２の集光素子と前記受光部
により規定される受光光軸とを計測対象物体側で同軸に
する第１の光路制御素子と、前記投光光軸と前記受光光軸とが同軸となった光路中で
あり、かつ、前記投光光路および受光光路中の光束が非
平行である箇所に配置された、投光部から計測対象物体
に至る光路長および計測対象物体から受光部に至る光路
長を連続的に変化させる光路長掃引機構と、を具備し、前記遮光マスクは、前記第２の集光素子から前記受光素
子へ至る光路中に配置され、前記計測対象物体からの反
射光束が第２の集光素子により集光される位置が前記光
路長掃引機構の作動によって変化するときに、その反射
光束の一部が前記遮光マスクによって遮光される割合を
変化させるものであり、前記受光素子は、前記遮光マスクを通過した光束を受光
するものであり、それにより、前記光路長掃引機構の作動により変化する
受光素子の出力信号をもとに、計測対象物体までの距離
についての情報を取得する変位センサ。
【請求項２】前記第１の集光素子であり、かつ、第２
の集光素子である第６の集光素子を備え、前記第１の光路制御素子は、前記第６の集光素子と前記
投光部および前記受光部との間に配置されている請求項
１に記載の変位センサ。
【請求項３】前記光路長掃引機構は、光軸に対して垂
直に配置され、前記同軸とされた光軸方向に沿って変位
する反射面を有し、投光部から出射された光束を前記反射面へと導くととも
に、前記反射面で反射された光束を計測対象物体へと導
き、かつ、計測対象物体からの反射光束を、前記計測対
象物体へ光束を導いた光路と同一の光路上を逆方向に導
く第２の光路制御素子をさらに備えた請求項１または２
に記載の変位センサ。
【請求項４】前記第２の光路制御素子は、前記第１の
光路制御素子と前記反射面との間に配置され、前記第１の集光素子は、第３の集光素子と第４の集光素
子とからなり、前記第２の集光素子は、前記第３の集光素子と第５の集
光素子とからなり、前記第４の集光素子は、前記投光部から前記反射面に至
る光路中に集中または分散して配置された単一または複
数のレンズであって、そのうちの少なくとも1つのレン
ズは前記投光部から前記第２の光路制御素子に至る光路
中に配置され、前記投光部から出射された光束を前記反
射面付近に集光し、前記第３の集光素子は、前記反射面と前記計測対象物体
との間に集中または分散して配置された単一または複数
のレンズであって、そのうちの少なくとも１つのレンズ
は前記第２の光路制御素子と前記計測対象物体との間に
配置され、前記反射面で反射された光束を前記計測対象
物体へ集光するとともに、前記計測対象物体からの反射
光束を前記反射面付近に集光し、前記第５の集光素子は、前記反射面から前記受光部に至
る光路中に集中または分散して配置された単一または複
数のレンズであって、そのうちの少なくとも１つのレン
ズは前記第２の光路制御素子から前記受光部に至る光路
中に配置され、前記計測対象物体で反射された後に前記
反射面で反射された光束を前記受光部へ集光する請求項
３に記載の変位センサ。
【請求項５】前記第４の集光素子であり、かつ、前記
第５の集光素子である第７の集光素子を備え、前記第７
の集光素子は前記第１の光路制御素子と前記第２の光路
制御素子の間に配置された請求項４に記載の変位セン
サ。
【請求項６】前記第３の集光素子であり、かつ、前記
第４の集光素子であり、かつ、前記第５の集光素子であ
る第８集光素子を備え、前記第８集光素子は前記第２の
光路制御素子と前記反射面との間に配置された請求項４
に記載の変位センサ。
【請求項７】前記投光部と前記受光部とが前記第１の
光路制御素子の作用に関して互いに鏡像となる位置関係
に配置された請求項４から６いずれかに記載の変位セン
サ。
【請求項８】前記反射面が光軸方向に沿って変位する
領域が、前記投光部から出射された光束が前記第４の集
光素子によって集光される位置を含まないようにされた
請求項７に記載の変位センサ。
【請求項９】前記反射面が光軸方向に沿って変位する
領域が、前記投光部から出射された光束が前記第４の集
光素子によって集光される位置を含むようにされ、前記計測対象物体が有効計測領域内にあるときに、前記
計測対象物体からの反射光束が前記第３の集光素子によ
って集光しうる領域が、前記投光部から出射された光束
が前記第４の集光素子よって集光される位置を含まない
ようにされた請求項７に記載の変位センサ。
【請求項１０】光軸方向に沿って変位する前記反射面
の変位は周期的な振動であり，前記反射面の位置と前記
投光部から出射された光束が前記第４の集光素子によっ
て集光される位置とが一致するときに生じる前記受光素
子の出力信号から、前記反射面の変位が往路中であると
きの出力信号もしくは復路中であるときの出力信号のう
ち任意に定めた一方を選択して取得する手段と、前記選択して取得された出力信号を基準として、前記投
光部から出射された光束が前記計測対象物体上に集光す
るときにその反射光束によって発生する前記受光素子の
出力信号が得られるまでの時間を計測する手段と、前記計測された時間をもとに計測対象物体までの距離に
ついての情報を得る手段とを備えた請求項９に記載の変
位センサ。
【請求項１１】前記第４の集光素子は、コリメートレ
ンズと中間レンズとからなり、前記コリメートレンズは
投光部と第２の光路制御素子との間に配置され、投光部
から出射された光束をほぼ平行とし、前記中間レンズは
前記第２の光路制御素子と前記反射面との間に配置さ
れ、ほぼ平行となった光束を前記反射面付近に集光し、前記第５の集光素子は、前記中間レンズと受光レンズと
からなり、前記受光レンズは前記受光部と前記第２の光
路制御素子との間に配置され、計測対象物体からの反射
光束を受光部に集光する請求項４から１０いずれかに記
載の変位センサ。
【請求項１２】前記コリメートレンズと前記受光レン
ズは、共通のレンズであり、前記第１の光路制御素子と
前記第２の光路制御素子の間に配置された請求項１１に
記載の変位センサ。
【請求項１３】前記投光部は直線偏光を出射し、前記第２の光路制御素子は、前記直線偏光が入射面に対
し垂直または平行となるよう配置された偏光ビームスプ
リッタであり、前記偏光ビームスプリッタから出射した
光束が前記中間レンズへ至る光路中、かつ、前記反射面
で反射された後に前記中間レンズから出射した光束が前
記偏光ビームスプリッタへ至る光路中に配置された、前
記投光部が出射する光の波長に対する１／４波長板を具
備する請求項１１または１２に記載の変位センサ。
【請求項１４】前記反射面の反射面に対して光束を反
射面に垂直な方向以外から出射する反射面用投光部と、前記反射面で反射された、反射面用投光部から出射され
た光束を受光する位置検出素子とを具備し、前記位置検出素子の出力信号と、前記受光部の出力信号
をもとに計測対象物体までの距離についての情報を取得
する請求項３から９もしくは１１から１３のいずれかに
記載の変位センサ。