JP2005083899A - 光学式変位センサおよび外力検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光源と受光素子とを有する光学式変位センサおよびその光学式変位センサを用いた外力検出装置において、光学式変位センサのθｚ方向の調整作業を容易に、短時間で行うことができるようにすることである。
【解決手段】 光源２と受光手段１との間に、光源２からの出射光を、変位を計測する２軸方向のいずれかの１軸方向に沿って回折して０次光と高次回折光とを出射する光回折素子３を配設し、受光手段１は、光回折素子３から出射される０次光を受光する第１の受光素子群と、第１の受光素子群を中心として、光回折素子によって光源からの出射光が回折される方向における両側に配置される第２の受光素子群とを具備し、光回折素子３によって生成される高次回折光が第２の受光素子群に入射するように構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光学式変位センサおよび外力検出装置に関し、詳しくは、基準体と検出体との相対位置の変位を光の受光位置のずれによって検出する光学式変位センサ、および、その光学式変位センサの出力に基づいて前記検出体に印加された外力を検出する外力検出装置に関する。

従来から、支持部すなわち基準体に対する受力部すなわち検出体の相対変位を光学式変位センサによって検出し、光学式変位センサからの信号に基づいて受力部に印加された外力を算出する、光学式６軸力センサ等の外力検出装置が知られている。

たとえば光学式６軸力センサでは、６軸方向の変位に基づいて６軸方向の力を算出するようにしており、６軸方向の変位を計測するための光学式変位センサを設けた構成としている。

この光学式６軸力センサは、６軸方向の変位を計測するために光センサユニットをベースとしたＸＹ方向の２軸方向の変位を計測することができる光学式変位センサを３つ設けて構成される。

光センサユニットは、光源となるＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ、発光ダイオード）と受光素子となるＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ、フォトダイオード）の光軸を一致させて対向配置する。ＰＤは４分割されて、その中心部にＬＥＤからの光が照射され、光学式変位センサでは、このＰＤにおける光の受光位置の変位すなわちＬＥＤが取り付けられた部品とＰＤが取り付けられた部品との相対位置の変位を検出することができるようになっている。

光学式６軸力センサでは、このような各光学式変位センサからの出力に基づいて、ＬＥＤが取り付けられた部品とＰＤが取り付けられた部品との間に印加された６軸力を算出する。

図９は、特許文献１に記載された従来の６軸力センサを示す平面図である。

図９に示すように、従来の６軸力センサ１０１は、円筒状の支持部１０２と、その支持部１０２の中心部に配置される受力部１０３と、これら支持部１０２と受力部１０３との間を連結するスポーク状の弾性連結部１０４を３本有して構成されるフレーム１０５とを備えて構成される。

このフレーム１０５は、アルミ合金材から切削加工および放電加工によって削り出して形成した一体のもので、弾性連結部１０４は屈曲して形成され、全方向に弾性変形しやすくされている。

支持部１０２および受力部１０３は、計測すべき力が加えられる２部材にそれぞれ固着される。これによって、６軸力センサ１０１に力が作用したとき、支持部１０２と受力部１０３との間に３軸方向の微少変位と３軸回りの微少回転とが生じる。

図９に示すように、支持部１０２には３個の光源１０９が１２０度回転対称に配置され、受力部１０３には、３個の光センサ１０８が１２０度回転対称に、３個の光源１０９のそれぞれと光軸をあわせて対向して配置されており、光センサ１０８とそれと対向する光源１０９とで光センサユニット１１０（光学式変位センサ）を構成する。

図１０は、図９に示した従来の光センサユニット（光学式変位センサ）の説明をする概略斜視図である。

図１０に示すように、光センサユニット１１０の光センサ１０８は、ｘ軸およびｙ軸の上下左右に４分割配置されたＰＤ（フォトダイオード）１０８ａから成る。

支持部１０２には各光センサ１０８に対向する位置それぞれに各光源１０９が設けられている。この光源１０９は、赤外線高輝度ＬＥＤ（発光ダイオード）の前方にピンホールを設けたものであり、そのピンホールから拡散する光が光センサ１０８に投射されるようになっている。

このようにして、支持部１０２と受力部１０３との相対位置が変化したときには、各ＰＤ１０８ａへの光量の比率が変化し、この比率を計測することによってｘ軸、ｙ軸方向の変位が計測されるようになっている。６軸力センサ１０１は、この変位に基づいて６軸方向の力を算出して出力する。

以上説明し、図９および図１０に示したように、従来の６軸力センサ１０１は、計測しようとする力が加えられることによって変形する構造材としての弾性連結部１０４を有する弾性フレーム１０５と、その変位を検出する光センサ１０８および光源１０９から成る３個の光センサユニット１１０とを有して構成される。

特開平３−２４５０２８号公報

しかしながら、上述の従来の光学式変位センサおよびその光学式変位センサを用いた６軸力センサすなわち外力検出装置には以下のような問題があった。

すなわち、特許文献１に記載のような光学式変位センサでは、光源１０９のＬＥＤとＰＤ１０８との光軸合わせを行う際、上述のｘ軸、ｙ軸方向の位置の調整は容易に行うことができるが、ＰＤ１０８の、ｘ軸およびｙ軸の両方に垂直なｚ軸を中心に回転する方向であるθｚ方向の回転調整（４分割されたＰＤ１０８における十字状の分割線を、ｘ軸およびｙ軸と正確に一致させる回転調整）を行うのは非常に困難であった。

従来、これをあえて行うには、ＬＥＤとＰＤとを一旦仮に配置した後、ＬＥＤあるいはＰＤが配置された受力部をｘ、ｙ方向に変位させることにより得られるＰＤからの信号に基づいてθｚ方向のずれの有無を確認し、θｚ方向の回転調整を行うというやり方しか方法がなかった。こうなると、調整作業にかかる工数が多く、時間や手間がかかってしまうという問題があった。

上述のような方法で調整する場合、特に変位量の大きな系の場合にはその調整作業に多大な時間を要するという問題があった。

本発明は上記の点にかんがみてなされたもので、光源と受光素子とを有する光学式変位センサおよびその光学式変位センサを用いた外力検出装置において、光学式変位センサのθｚ方向の調整作業を容易に、短時間で行うことができるようにすることを目的とする。

本発明は上記の目的を達成するために、基準体または検出体のどちらかに設けられた光源と、前記基準体および前記検出体のうち前記光源が設けられているのとは別のほうに設けられた受光手段とを有し、前記光源から出射される光を前記受光手段によって受光し、該受光結果に基づいて、前記光源から出射される光の中心軸と直交する面内の２軸方向における前記基準体に対する前記検出体の相対変位を計測する光学式変位センサにおいて、前記光源と前記受光手段との間に、前記光源からの出射光を、前記変位を計測する２軸方向のいずれかの１軸方向に沿って回折して０次光と高次回折光とを出射する光回折素子を配設し、前記受光手段は、前記光回折素子から出射される前記０次光を受光する第１の受光素子群と、前記第１の受光素子群を中心として、前記光回折素子によって前記光源からの出射光が回折される方向における両側に配置される第２の受光素子群とを具備し、前記光回折素子によって生成される前記高次回折光が前記第２の受光素子群に入射するように構成されていることを特徴とする。

また本発明は、基準体または検出体のどちらかに設けられた光源と、前記基準体および前記検出体のうち前記光源が設けられているのとは別のほうに設けられた受光手段とを有し、前記光源から出射される光を前記受光手段によって受光し、該受光結果に基づいて、前記光源から出射される光の中心軸と直交する面内の２軸方向における前記基準体に対する前記検出体の相対変位を計測する光学式変位センサにおいて、前記光源から出射する光の断面出射光強度分布が２軸の軸対称中心を有した楕円であり、該軸対称の２軸が前記変位を計測する２軸方向と一致するように構成されていることを特徴とする。

また本発明は、基準体または検出体のどちらかに設けられた光源および受光手段と、前記基準体および前記検出体のうち前記光源および受光手段が設けられているのとは別のほうに設けられた反射体とを有し、前記光源から出射された光を前記反射体で反射した後に前記受光手段によって受光し、該受光結果に基づいて、前記光源から出射される光の中心軸と直交する面内の２軸方向における前記基準体に対する前記検出体の相対変位を計測する光学式変位センサにおいて、前記光源から前記反射体を介して前記受光手段に至る光路中に、前記光源からの出射光を、前記変位を計測する２軸方向のいずれかの１軸方向に沿って回折して０次光と高次回折光とを出射する光回折素子を配設し、前記受光手段は、前記光回折素子から出射される前記０次光を受光する第１の受光素子群と、前記第１の受光素子群を中心としてその両側に配置される第２の受光素子群とを具備し、前記光回折素子によって生成される前記高次回折光が前記第２の受光素子群に入射するように構成されていることを特徴とする。

また本発明は、基準体または検出体のどちらかに設けられた光源および受光手段と、前記基準体および前記検出体のうち前記光源および受光手段が設けられているのとは別のほうに設けられた反射体とを有し、前記光源から出射された光を前記反射体で反射した後に前記受光手段によって受光し、該受光結果に基づいて、前記光源から出射される光の中心軸と直交する面内の２軸方向における前記基準体に対する前記検出体の相対変位を計測する光学式変位センサにおいて、前記光源から出射する光の断面出射光強度分布が２軸の軸対称中心を有した楕円であり、該軸対称の２軸が前記変位を計測する２軸方向と一致するように構成されていることを特徴とする。

また本発明は、請求項２または４に記載の光学式変位センサにおいて、前記光源は発光ダイオードであり、前記発光ダイオードと前記受光素子との間にシリンドリカルレンズを配置し、前記シリンドリカルレンズによって前記発光ダイオードからの出射光の断面出射光強度分布を２軸の軸対称中心を有した楕円にすることを特徴とする。

また本発明は、請求項１ないし５のうちのいずれか１項に記載の光学式変位センサにおいて、前記受光手段は、前記第１の受光素子群と前記第２の受光素子群とが一体となって前記第１の受光素子群を中心として回転自在に構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、光源と受光素子とを有する光学式変位センサにおいて、光学式変位センサのθｚ方向の調整作業を容易に、短時間で行うことができる。

また、その光学式変位センサは、光学式変位センサからの信号に基づいて外力を算出する外力検出装置に適用することができ、本発明によれば、その外力検出装置にて必要な光学式変位センサのθｚ方向の調整作業を容易に、短時間で行うことができる。

すなわち本発明によれば、請求項１に記載のようにしたので、第２の受光素子群による受光結果に基づいてθｚ方向の調整作業を行うことができ、従来のような手間がなくなるという効果がある。

また請求項２に記載の発明によれば、計測に用いる光の断面出射光強度分布を楕円状にしたので、請求項１で用いた光回折素子や第２の受光素子群が不要であるという効果がある。

また請求項３に記載の発明によれば、光源および受光手段を基準体または検出体のどちらかに設け、反射体を光源および受光手段が設けられているのとは別のほうに設けた構成においても、第２の受光素子群による受光結果に基づいてθｚ方向の調整作業を行うことができ、従来のような手間がなくなるという効果がある。

また請求項４に記載の発明によれば、光源および受光手段を基準体または検出体のどちらかに設け、反射体を光源および受光手段が設けられているのとは別のほうに設けた構成において、計測に用いる光の断面出射光強度分布を楕円状にしたので、請求項３で用いた光回折素子や第２の受光素子群が不要であるという効果がある。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

なお、本実施の形態では、図９に示したような光学式６軸力センサに適用可能な、光学式変位センサについて説明するが、本発明が適用される外力検出装置は、光学式６軸力センサすなわち６軸力を検出するものに限られないことは言うまでもない。

図１は、本発明による光学式変位センサの構成を説明する概略斜視図である。

本実施の形態の光学式変位センサは、図１に示すように、受光手段であるＰＤ（フォトダイオード）１と、光源としての発光素子であるＬＥＤ（発光ダイオード）２と、１つのビームを分光して３つのビームにするための回折素子（光回折素子、回折格子、ＧＲ、グレーティング）３と、ビームの整形、集光のためのレンズ４とを有して構成される。

この光学式変位センサにおいては、ＰＤ１は基準体または検出体のどちらかに設けられ、ＬＥＤ２は基準体および検出体のうちＰＤ１が設けられているのとは別のほうに設けられ、ＬＥＤ２から出射される光をＰＤ１によって受光し、この受光結果に基づいて、ＬＥＤ２から出射される光の中心軸と直交する面内の２軸方向における基準体に対する検出体の相対変位を計測することができる。これは、後述の図５や図８に示す実施の形態においても同じである。

ＬＥＤ２からの出射光は回折素子３によって３つに分光される。ここでは、３つに分光された光のうち中央の光を０次光と呼び、ＰＤ１の受光面に向かって右側の光を＋１次光と呼び、ＰＤ１の受光面に向かって左側の光を−１次光と呼ぶ。

この分光の際、０次光と＋１次光と−１次光とがｘ軸方向（またはｙ軸方向に）直線的に正確に配列するように、回折素子３の角度調整を予め行っておく必要がある。なお、本実施の形態では＋１次光および−１次光を用いるが、これ以外の高次回折光を用いてもよいことはいうまでもない。

ＰＤ１の受光面は、図１に一点鎖線で囲んで示すように、受光面内で８分割されている。これの詳細について図２を参照しながら説明する。

図２は、図１に示したＰＤ１の受光面を示す概略平面図である。

図２に示すように、ＰＤ１の受光面には８分割されたＰＤ１ａ〜１ｈが設けられており、ＬＥＤ２から出射された光がこの受光面に入射する。

ＰＤ１ａ〜１ｄは第１の受光素子群を形成し、ＰＤ１ｅ〜１ｈは第２の受光素子群を形成する。

受光面に入射する光の中心軸は受光面に垂直であり、かつ、受光面に入射する０次光の中心が４分割されたＰＤ１ａ〜１ｄの中心にくるように配置し、＋１次光の中心が２分割されたＰＤ１ｅ〜１ｆの中心にくるように配置し、−１次光の中心が２分割されたＰＤ１ｇ〜１ｈの中心にくるように配置するのが望ましい。本実施の形態の光学式変位センサにおいて、ｚ軸（ＰＤ１の受光面に垂直な方向）を中心とした回転方向すなわちθｚ方向の調整作業は、このようなＰＤ１の受光面と各光（０次光、＋１次光、−１次光）との位置関係に基づいて行われる。

図３は、ＰＤ１の受光面と各光（０次光、＋１次光、−１次光）との位置関係に基づいたθｚ方向の調整について説明する図であり、（ａ）、（ｂ）および（ｃ）はＰＤ１の受光面と各光との位置関係の例を示す図であり、（ｄ）、（ｅ）および（ｆ）は（ａ）、（ｂ）および（ｃ）の各場合におけるθｚの調整方向について説明する図である。

図３（ａ）〜図３（ｃ）において、２ａは０次光を示し、２ｂは−１次光を示し、２ｃは＋１次光を示す。また、図３（ａ）〜図３（ｆ）において、ＡはＰＤ１ａによる受光強度であり、ＢはＰＤ１ｂによる受光強度であり、ＣはＰＤ１ｃによる受光強度であり、ＤはＰＤ１ｄによる受光強度であり、ＥはＰＤ１ｅによる受光強度であり、ＦはＰＤ１ｆによる受光強度であり、ＧはＰＤ１ｇによる受光強度であり、ＨはＰＤ１ｈによる受光強度である。

本実施の形態において、θｚ方向の調整作業では、受光強度Ｆ＋受光強度Ｇと受光強度Ｅ＋受光強度Ｈとの差分を取得し、その結果に基づいてＰＤ１とＬＥＤ２とのθｚ方向での位置関係を調整する。この調整のためには、受光手段すなわちＰＤ１が第１の受光素子群すなわちＰＤ１ａ〜１ｄを中心として回転自在に構成され、これを回転させることによってＰＤ１とＬＥＤ２とのθｚ方向での位置関係を調整するようにするのがよい。

図３（ａ）に示すような状態で０次光２ａ、−１次光２ｂおよび＋１次光２ｃがＰＤ１に入射している場合には、図３（ｄ）に示すように、受光強度Ｆ＋受光強度Ｇから受光強度Ｅ＋受光強度Ｈを減算した結果が＋となり、この場合には、図３（ａ）に示す−θをなくす方向にＰＤ１を回転させればよい。

図３（ｂ）に示すような状態で０次光２ａ、−１次光２ｂおよび＋１次光２ｃがＰＤ１に入射している場合には、図３（ｅ）に示すように、受光強度Ｆ＋受光強度Ｇから受光強度Ｅ＋受光強度Ｈを減算した結果が０となり、この場合には、ＰＤ１とＬＥＤ２とのθｚ方向での位置関係が正しいものであり、ＰＤ１を回転させる必要はない。

また図３（ｃ）に示すような状態で０次光２ａ、−１次光２ｂおよび＋１次光２ｃがＰＤ１に入射している場合には、図３（ｆ）に示すように、受光強度Ｆ＋受光強度Ｇから受光強度Ｅ＋受光強度Ｈを減算した結果が−となり、この場合には、図３（ｃ）に示す＋θをなくす方向にＰＤ１を回転させればよい。

なお、図２に示した例では、ＰＤ１の受光面において、ＰＤ１ａ〜１ｈを設けて８分割した受光素子でＬＥＤからの光を受光するようにしたが、本発明はこれに限られるものではなく、たとえば、図４に示すような構成にしてもよい。

図４は、受光手段であるＰＤの図２とは別の例を示す図であり、ＰＤの受光面を示す概略平面図である。

図４に示す例では、図２のＰＤ１の代わりとなるＰＤ１０が、第１の受光素子群として図２のＰＤ１ａ〜１ｄの代わりとなるＰＤ１０ａ〜１０ｄを有し、さらに、第２の受光素子群のうちの一方であるＰＤ１ｅ〜１ｆの代わりとなるＰＤ１１ａ〜１１ｄを有し、さらに、第２の受光素子群のうちの他方であるＰＤ１ｇ〜１ｈの代わりとなるＰＤ１２ａ〜１２ｄを有する。すなわち本発明においては第２の受光素子群の分割数は、第１の受光素子群の両側のそれぞれが複数であればいくつであってもよい。

この例においてＰＤ１０とＬＥＤ２とのθｚ方向での位置関係を調整する方法は、図３（ａ）〜（ｆ）を参照して説明した方法と同様であるので詳しい説明は省略する。

次に、本発明による、図１とは別の実施の形態について説明する。

図５は、本発明による光学式変位センサの、図１とは別の実施の形態の構成を説明する概略斜視図である。

本実施の形態の光学式変位センサは、図５に示すように、受光手段であるＰＤ１５と、光源としての発光素子であるレーザ光源１６とを有して構成される。

レーザ光源１６からの出射光はその断面出射光強度分布が２軸の軸対称中心を有した楕円であり、本実施の形態ではこの光の断面の形状を利用している。

本実施の形態においては、ＰＤ１５の受光面は、従来と同様に、受光面内で４分割されている。これの詳細について図６を参照しながら説明する。

図６は、図５に示したＰＤ１５の受光面を示す概略平面図である。

図６に示すように、ＰＤ１５の受光面には４分割されたＰＤ１５ａ〜１５ｄが設けられており、レーザ光源１６から出射された光１６ａがこの受光面に入射する。

受光面に入射する光１６ａの中心軸は受光面に垂直であり、かつ、受光面に入射する光１６ａの中心が４分割されたＰＤ１５ａ〜１５ｄの中心にくるように配置し、４分割されたＰＤ１５ａ〜１５ｄのそれぞれにおける受光強度が等しいように配置するのが望ましい。本実施の形態の光学式変位センサにおいて、ｚ軸（ＰＤ１５の受光面に垂直な方向）を中心とした回転方向すなわちθｚ方向の調整作業は、このようなＰＤ１５の受光面と光１６ａとの位置関係に基づいて行われる。

図７は、図６に示した、ＰＤ１５の受光面と光１６ａとの位置関係に基づいたθｚ方向の調整について説明する図であり、（ａ）、（ｂ）および（ｃ）はＰＤ１５の受光面と光１６ａとの位置関係の例を示す図であり、（ｄ）、（ｅ）および（ｆ）は（ａ）、（ｂ）および（ｃ）の各場合におけるθｚの調整方向について説明する図である。

図７（ａ）〜図７（ｆ）において、ＡはＰＤ１５ａによる受光強度であり、ＢはＰＤ１５ｂによる受光強度であり、ＣはＰＤ１５ｃによる受光強度であり、ＤはＰＤ１５ｄによる受光強度である。

本実施の形態において、θｚ方向の調整作業では、受光強度Ａ＋受光強度Ｃと受光強度Ｂ＋受光強度Ｄとの差分を取得し、その結果に基づいてＰＤ１５とレーザ光源１６とのθｚ方向での位置関係を調整する。この調整のためには、受光手段すなわちＰＤ１５が第１の受光素子群すなわちＰＤ１５ａ〜１５ｄを中心として回転自在に構成され、これを回転させることによってＰＤ１５とレーザ光源１６とのθｚ方向での位置関係を調整するようにするのがよい。

図７（ａ）に示すような状態で光１６ａがＰＤ１５に入射している場合には、図７（ｄ）に示すように、受光強度Ａ＋受光強度Ｃから受光強度Ｂ＋受光強度Ｄを減算した結果が＋となり、この場合には、図７（ａ）に示す−θをなくす方向にＰＤ１５を回転させればよい。

図７（ｂ）に示すような状態で光１６ａがＰＤ１５に入射している場合には、図７（ｅ）に示すように、受光強度Ａ＋受光強度Ｃから受光強度Ｂ＋受光強度Ｄを減算した結果が０となり、この場合には、ＰＤ１５とレーザ光源１６とのθｚ方向での位置関係が正しいものであり、ＰＤ１５を回転させる必要はない。

また図７（ｃ）に示すような状態で光１６ａＰＤ１５に入射している場合には、図７（ｆ）に示すように、受光強度Ａ＋受光強度Ｃから受光強度Ｂ＋受光強度Ｄを減算した結果が−となり、この場合には、図７（ｃ）に示す＋θをなくす方向にＰＤ１５を回転させればよい。

なお、図５に示した実施の形態では、断面出射光強度分布が２軸の軸対称中心を有した楕円である光を得るために、光源としてレーザ光源１６を用いたが、本発明はこれに限られるものではなく、図８に示すような手段を採用することもできる。

図８は、本発明による光学式変位センサの、図１や図５とは別の実施の形態の構成を説明する概略斜視図である。

本実施の形態の光学式変位センサは、図８に示すように、受光手段であるＰＤ１５と、光源としての発光素子であるＬＥＤ２とを有し、ＰＤ１５とＬＥＤ２との間にシリンドリカルレンズ１７をさらに設けて構成されている。

ＬＥＤ２からの出射光はその断面形状は楕円となっていないが、これをシリンドリカルレンズ１７を通過させることによって、断面出射光強度分布が２軸の軸対称中心を有した楕円の光とすることができる。ＰＤ１５では、このシリンドリカルレンズ１７を通過した光を受光し、後の説明については、図５、図６および図７（ａ）〜（ｆ）で説明したものと同様であるので省略する。

なお、上述の各実施の形態においては、受光手段が基準体または検出体のどちらかに設けられ、光源が基準体および検出体のうち受光手段が設けられているのとは別のほうに設けられている構成に本発明を適用した例について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、たとえば本出願人が先に出願した、特願２００３−１４１４２１を基礎とした優先権を主張した出願である特願２００３−２９９８２７の構成にも本発明は適用することができる。

特願２００３−２９９８２７では、受光手段および光源の両方が基準体または検出体のどちらかに設けられ、反射体が基準体および検出体のうち受光手段および光源が設けられているのとは別のほうに設けられている構成を採用し、光源から出射された光を前記反射体の２つの反射面または３つの反射面で反射した後に前記受光手段によって受光し、この受光結果に基づいて、光源から出射される光の中心軸と直交する面内の２軸方向における基準体に対する検出体の相対変位を計測する光学式変位センサについて記載している。

本明細書で述べた上述の各実施の形態で示した、θｚ方向の調整を行う本発明は、この特願２００３−２９９８２７の構成にも適用することができることはいうまでもなく、すなわち、本発明は、受光手段と光源との間にいかなる構成が介在したとしても適用することができる。

また、特願２００３−２９９８２７の第１の実施の形態では、特願２００３−２９９８２７の図５に示して説明したように、光センサユニット（光学式変位センサ）によって変位を検出する２軸（ｘ軸およびｙ軸）と反射体の２つの反射面が向かい合う方向とで角度的なずれを設けており、すなわち、反射体の２つの反射面が向かい合う方向を、この光センサユニットによって変位を検出する２軸（ｘ軸およびｙ軸）の中間方向（ｘ軸およびｙ軸の両方共と４５度をなす方向）と一致させている。このようにすることにより、この光センサユニットによって２軸方向（ｘ軸方向およびｙ軸方向）の変位を検出することができる旨を記載している。

そこで、たとえば本発明の図５や図８に示した、光源から出射する光の断面出射光強度分布が２軸の軸対称中心を有した楕円である実施の形態を、特願２００３−２９９８２７の第１の実施の形態すなわち２つの反射面を有する反射体を用いた構成に適用する際には、この軸対称の２軸が、光学式変位センサによって変位を計測する２軸方向と４５度をなすように構成するのが望ましい。なお、特願２００３−２９９８２７の第２の実施の形態すなわち３つの反射面を有する反射体を用いた構成に本発明を適用する際には、特願２００３−２９９８２７の図１１を参照してわかるように、このような必要はない。

本発明による光学式変位センサは、すでに説明したように６軸力センサなどの外力検出装置にも適用することができるが、そのほか、変位に基づいて検出することができる様々な物理量の計測に用いることができる。

本発明による光学式変位センサの構成を説明する概略斜視図である。 図１に示したＰＤ１の受光面を示す概略平面図である。 ＰＤの受光面と各光（０次光、＋１次光、−１次光）との位置関係に基づいたθｚ方向の調整について説明する図であり、（ａ）、（ｂ）および（ｃ）はＰＤの受光面と各光との位置関係の例を示す図であり、（ｄ）、（ｅ）および（ｆ）は（ａ）、（ｂ）および（ｃ）の各場合におけるθｚの調整方向について説明する図である。 受光手段であるＰＤの図２とは別の例を示す図であり、ＰＤの受光面を示す概略平面図である。 本発明による光学式変位センサの、図１とは別の実施の形態の構成を説明する概略斜視図である。 図５に示したＰＤの受光面を示す概略平面図である。 図６に示した、ＰＤの受光面と光との位置関係に基づいたθｚ方向の調整について説明する図であり、（ａ）、（ｂ）および（ｃ）はＰＤの受光面と光との位置関係の例を示す図であり、（ｄ）、（ｅ）および（ｆ）は（ａ）、（ｂ）および（ｃ）の各場合におけるθｚの調整方向について説明する図である。 本発明による光学式変位センサの、図１や図５とは別の実施の形態の構成を説明する概略斜視図である。 特許文献１に記載された従来の６軸力センサを示す平面図である。 図９に示した従来の光センサユニット（光学式変位センサ）の説明をする概略斜視図である。

符号の説明

１ ＰＤ
２ ＬＥＤ
３ 回折素子
４ レンズ
１７ シリンドリカルレンズ

Claims (12)

1. 基準体または検出体のどちらかに設けられた光源と、前記基準体および前記検出体のうち前記光源が設けられているのとは別のほうに設けられた受光手段とを有し、前記光源から出射される光を前記受光手段によって受光し、該受光結果に基づいて、前記光源から出射される光の中心軸と直交する面内の２軸方向における前記基準体に対する前記検出体の相対変位を計測する光学式変位センサにおいて、
   前記光源と前記受光手段との間に、前記光源からの出射光を、前記変位を計測する２軸方向のいずれかの１軸方向に沿って回折して０次光と高次回折光とを出射する光回折素子を配設し、
   前記受光手段は、前記光回折素子から出射される前記０次光を受光する第１の受光素子群と、前記第１の受光素子群を中心として、前記光回折素子によって前記光源からの出射光が回折される方向における両側に配置される第２の受光素子群とを具備し、
   前記光回折素子によって生成される前記高次回折光が前記第２の受光素子群に入射するように構成されている
   ことを特徴とする光学式変位センサ。
2. 基準体または検出体のどちらかに設けられた光源と、前記基準体および前記検出体のうち前記光源が設けられているのとは別のほうに設けられた受光手段とを有し、前記光源から出射される光を前記受光手段によって受光し、該受光結果に基づいて、前記光源から出射される光の中心軸と直交する面内の２軸方向における前記基準体に対する前記検出体の相対変位を計測する光学式変位センサにおいて、
   前記光源から出射する光の断面出射光強度分布が２軸の軸対称中心を有した楕円であり、該軸対称の２軸が前記変位を計測する２軸方向と一致するように構成されている
   ことを特徴とする光学式変位センサ。
3. 基準体または検出体のどちらかに設けられた光源および受光手段と、前記基準体および前記検出体のうち前記光源および受光手段が設けられているのとは別のほうに設けられた反射体とを有し、前記光源から出射された光を前記反射体で反射した後に前記受光手段によって受光し、該受光結果に基づいて、前記光源から出射される光の中心軸と直交する面内の２軸方向における前記基準体に対する前記検出体の相対変位を計測する光学式変位センサにおいて、
   前記光源から前記反射体を介して前記受光手段に至る光路中に、前記光源からの出射光を、前記変位を計測する２軸方向のいずれかの１軸方向に沿って回折して０次光と高次回折光とを出射する光回折素子を配設し、
   前記受光手段は、前記光回折素子から出射される前記０次光を受光する第１の受光素子群と、前記第１の受光素子群を中心としてその両側に配置される第２の受光素子群とを具備し、
   前記光回折素子によって生成される前記高次回折光が前記第２の受光素子群に入射するように構成されている
   ことを特徴とする光学式変位センサ。
4. 基準体または検出体のどちらかに設けられた光源および受光手段と、前記基準体および前記検出体のうち前記光源および受光手段が設けられているのとは別のほうに設けられた反射体とを有し、前記光源から出射された光を前記反射体で反射した後に前記受光手段によって受光し、該受光結果に基づいて、前記光源から出射される光の中心軸と直交する面内の２軸方向における前記基準体に対する前記検出体の相対変位を計測する光学式変位センサにおいて、
   前記光源から出射する光の断面出射光強度分布が２軸の軸対称中心を有した楕円であり、該軸対称の２軸が前記変位を計測する２軸方向と一致するように構成されている
   ことを特徴とする光学式変位センサ。
5. 前記光源は発光ダイオードであり、前記発光ダイオードと前記受光素子との間にシリンドリカルレンズを配置し、前記シリンドリカルレンズによって前記発光ダイオードからの出射光の断面出射光強度分布を２軸の軸対称中心を有した楕円にすることを特徴とする請求項２または４に記載の光学式変位センサ。
6. 前記受光手段は、前記第１の受光素子群と前記第２の受光素子群とが一体となって前記第１の受光素子群を中心として回転自在に構成されていることを特徴とする請求項１ないし５のうちのいずれか１項に記載の光学式変位センサ。
7. 基準体または検出体のどちらかに設けられた光源と、前記基準体および前記検出体のうち前記光源が設けられているのとは別のほうに設けられた受光手段とを有し、前記光源から出射される光を前記受光手段によって受光し、該受光結果に基づいて、前記光源から出射される光の中心軸と直交する面内の２軸方向における前記基準体に対する前記検出体の相対変位を計測する光学式変位センサの調整方法において、
   前記光源と前記受光手段との間に、前記光源からの出射光を、前記変位を計測する２軸方向のいずれかの１軸方向に沿って回折して０次光と高次回折光とを出射する光回折素子を配設し、
   前記受光手段は、前記光回折素子から出射される前記０次光を受光する第１の受光素子群と、前記光回折素子によって生成される前記高次回折光を受光する第２の受光素子群とを具備し、
   少なくとも前記第２の受光素子群による受光結果に基づいて、前記受光手段の前記光源から出射される光の中心軸を中心とした回転方向の位置調整を行うことを特徴とした光学式変位センサの調整方法。
8. 基準体または検出体のどちらかに設けられた光源と、前記基準体および前記検出体のうち前記光源が設けられているのとは別のほうに設けられた受光手段とを有し、前記光源から出射される光を前記受光手段によって受光し、該受光結果に基づいて、前記光源から出射される光の中心軸と直交する面内の２軸方向における前記基準体に対する前記検出体の相対変位を計測する光学式変位センサの調整方法において、
   前記光源から出射する光の断面出射光強度分布が２軸の軸対称中心を有した楕円であり、
   前記受光手段よる受光結果に基づいて、前記受光手段の前記光源から出射される光の中心軸を中心とした回転方向の位置調整を行うことを特徴とした光学式変位センサの調整方法。
9. 基準体または検出体のどちらかに設けられた光源および受光手段と、前記基準体および前記検出体のうち前記光源および受光手段が設けられているのとは別のほうに設けられた反射体とを有し、前記光源から出射された光を前記反射体で反射した後に前記受光手段によって受光し、該受光結果に基づいて、前記光源から出射される光の中心軸と直交する面内の２軸方向における前記基準体に対する前記検出体の相対変位を計測する光学式変位センサの調整方法において、
   前記光源から前記反射体を介して前記受光手段に至る光路中に、前記光源からの出射光を、前記変位を計測する２軸方向のいずれかの１軸方向に沿って回折して０次光と高次回折光とを出射する光回折素子を配設し、
   前記受光手段は、前記光回折素子から出射される前記０次光を受光する第１の受光素子群と、前記光回折素子によって生成される前記高次回折光を受光する第２の受光素子群とを具備し、
   少なくとも前記第２の受光素子群による受光結果に基づいて、前記受光手段の前記光源から出射される光の中心軸を中心とした回転方向の位置調整を行うことを特徴とした光学式変位センサの調整方法。
10. 基準体または検出体のどちらかに設けられた光源および受光手段と、前記基準体および前記検出体のうち前記光源および受光手段が設けられているのとは別のほうに設けられた反射体とを有し、前記光源から出射された光を前記反射体で反射した後に前記受光手段によって受光し、該受光結果に基づいて、前記光源から出射される光の中心軸と直交する面内の２軸方向における前記基準体に対する前記検出体の相対変位を計測する光学式変位センサの調整方法において、
    前記光源から出射する光の断面出射光強度分布が２軸の軸対称中心を有した楕円であり、
    前記受光手段よる受光結果に基づいて、前記受光手段の前記光源から出射される光の中心軸を中心とした回転方向の位置調整を行うことを特徴とした光学式変位センサの調整方法。
11. 請求項１ないし６のいずれかに記載の光学式変位センサを備え、前記光学式変位センサによる計測結果の信号に基づいて、前記検出体に印加された外力を検出することを特徴とする外力検出装置。
12. 請求項１ないし６のいずれかに記載の光学式変位センサを複数備え、前記変位を検出する２軸方向が、前記複数の光学式変位センサのそれぞれで異なることを特徴とする請求項１１に記載の外力検出装置。

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