JP2005156456A - 光学式変位センサおよび外力検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ピンホールを用いることなく、ビーム径の調整や、出射光の光強度分布の均一化を実現することができ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６軸力センサを提供することである。
【解決手段】 光源２と受光手段１との間に光源２からの出射光を導光させる光ファイバ４を配設して、光ファイバ４を介して光源２からの出射光を受光手段１が受光するようにした。
【選択図】 図２

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、計測すべき力に対して所望の変位量が得られるように工夫されている。

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。

特許文献１に記載のような光学式変位センサでは、上述のように、ＬＥＤの前方にピンホールを設けて光源を構成し、ピンホールから拡散する光が光センサに投射されるようにしている。

このピンホールの役割としては、ビーム径の調整以外にも、出射光の光強度分布の均一化が挙げられる。通常ＬＥＤチップの光放出面には電極やワイヤが存在するため、出射光は不均一な強度分布を有するものとなってしまう。このため、従来は特許文献１のようにピンホールを設けて強度分布が均一な部分を部分的に抽出する必要があった。

ところが、このようなピンホールの加工は高い加工精度が要求されるものであった。したがって、ピンホールを用いることは、部品点数の増大とコスト上昇につながるものであるという問題があった。

また、ピンホールを用いることは、ピンホールを通過して受光側の光センサに到達する光量の低下を招くことになってしまい、受光側の光センサに到達する光量を増加させるためには、発光側のＬＥＤに供給する電流を多くしなければならず、消費電力の増大を招いてしまうという問題があった。さらに、消費電力が大きくなると発熱量も大きくなり、ＬＥＤの出射光量等に影響を及ぼして測定精度を劣化させるという問題もあった。

また、従来の光学式変位センサを用いた６軸力センサにおいては、光源を３個設けなければならず（図９の光源１０９を参照）、光源の数がそれに応じて必要であるし、上記の発光側のＬＥＤに供給する電流を多くしなければならず、消費電力の増大を招いてしまうという問題の影響が大きくなってしまう。

本発明は上記の点にかんがみてなされたもので、ピンホールを用いることなく、ビーム径の調整や、出射光の光強度分布の均一化を実現することができ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６軸力センサを提供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導光させる光ファイバを配設して、前記光ファイバを介して前記光源からの出射光を前記受光手段が受光するようにし、前記光ファイバが前記光源と一体化されていることを特徴とする。

また本発明は請求項１に記載の発明において、前記光源と前記光ファイバとの間に、前記光源からの光を前記光ファイバの入射口に集光するレンズを設けたことを特徴とする。

また本発明は請求項１または２に記載の発明において、前記光ファイバがシングルモードファイバであることを特徴とする。

また本発明は外力検出装置において、請求項１ないし３のうちのいずれか１項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。

また本発明は請求項４に記載の発明において、請求項１ないし３のうちのいずれか１項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とともに、前記光源は１個の共通光源からなり、前記光ファイバは前記共通光源から出射される光を前記複数個の受光素子に対応した数に分岐する分岐光ファイバであることを特徴とする。

本発明によれば、ピンホールを用いることなく、ビーム径の調整や、出射光の光強度分布の均一化を実現することができ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６軸力センサを提供することができる。

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、ピンホールを用いなくとも、光源からの出射光が光ファイバ内を導波する間に、光強度分布の不均一性が改善される。

また本発明によれば、請求項２に記載のようにしたので、光源からの出射光をレンズによって光ファイバの入射口に集光することができ、光源からの出射光を無駄にせず、効率よく結合させることができ、消費電力の低減に寄与することができる。

また本発明において、請求項３に記載のようにコア径の小さな光ファイバ（たとえばコア径１０μｍのシングルモードファイバ）を用いれば、たとえば面光源であるＬＥＤ光源を擬似的に点光源へ変換することができる（通常のＬＥＤ光源の発光径は３３０μｍ程度以上である。）。

また本発明によれば、光ファイバからの出射光の広がり角（たとえば１２度）がＬＥＤからの出射光の広がり角（たとえば１２０度）に比べて小さいことから、ＰＤ受光面に、微少なスポット径のビームを入射させることが可能（光ファイバ終端（出射口）から受光素子（ＰＤ受光面）までの距離は０．５ｍｍ程度に設定）となり、スポット径を小さくすることによって、変位量（受光位置の変位）に対するＰＤ出力の変化率を大きくすることができ、変位検出の精度を向上させることができる。

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６軸力センサの一実施の形態の外観を示す斜視図である。

図１に示すように、本実施の形態の６軸力センサ２０は、円柱状の形状に形成され、本体２１ａの上部に円板上の上部蓋２１ｂがされて構成される。

図２は、図１に示した６軸力センサ２０から上部蓋２１ｂを外して上から見た概略平面図である。

図２に示すように、本実施の形態の６軸力センサ２０は、円筒状の支持部２２と、その支持部２２の中心部に配置される受力部２３と、これら支持部２２と受力部２３との間を連結するスポーク状の弾性連結部２４を３本有するフレーム２５とを備えて構成される。

このフレーム２５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２４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２２および受力部２３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２０に力が作用したとき、支持部２２と受力部２３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。

また、図２に示すように、支持部２２には、３個の光源２が１２０度回転対称に配置され、さらに、３個の光源２（たとえばＬＥＤ）のそれぞれに１個ずつ対応付けて３個のレンズ３および光ファイバ４がやはり１２０度回転対称に配置されている。レンズ３としては非球面樹脂レンズ等を用いることができる。なお光ファイバ４と光源（光源２やレンズ３）とは一体化されていることが望ましい。

一方、受力部２３には、３個の光ファイバ４のそれぞれに１個ずつ対応付けて３個の光センサ（受光素子（たとえばＰＤ））１がやはり１２０度回転対称に配置されている。

図２に示すように、光ファイバ４のそれぞれと、光センサ１のそれぞれとは対向して設けられ、光源２からの光がレンズ３によって集光されて光ファイバ４に入射し、この光は光ファイバ４から出射され、光センサ１の受光面の中央に照射される。これら、光センサ１、光源２、レンズ３および光ファイバ４によって、光センサユニット２９すなわち光学式変位センサを構成する。

図３は、本実施の形態の光学式変位センサの構成を説明する概略斜視図である。

本実施の形態の光センサユニット２９すなわち光学式変位センサは、図３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、ＬＥＤ２からの光を集光するレンズ３と、レンズ３によって集光された光が入射されてＰＤ１の受光面の中央に向けて光ビーム５を出射する光ファイバ４とを有して構成される。なお、光ファイバ４の出射口とＰＤ１の受光面との距離はたとえば０．５ｍｍ程度に設定される。

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、上述のようにＬＥＤ２から出射される光をレンズ３および光ファイバ４を介してＰＤ１によって受光し、この受光結果に基づいて、光ファイバ４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６、図７および図８に示す実施の形態においても同じである。

ＰＤ１の受光面は、図３に示すように、受光面内で４分割されている。これの詳細について図４を参照しながら説明する。

図４は、図３に示したＰＤ１の受光面を示す概略平面図である。

図４に示すように、ＰＤ１の受光面には４分割されたＰＤ１ａ〜１ｄが設けられており、ＬＥＤ２から出射されレンズ３および光ファイバ４を介した光５がこの受光面に入射する。このＰＤ１ａ〜１ｄは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、受光面に入射する光５の中心が４分割されたＰＤ１ａ〜１ｄの中心にくるように配置するのが望ましい。

ここで、ＬＥＤ２から出射されレンズ３および光ファイバ４を介した光５のビーム径と、ＰＤ１ａ〜１ｄの出力の変化との関係を、図５を参照して説明する。

図５は、ＰＤ受光面でのビーム径を様々に変えた条件下で、ＰＤ受光面での光ビームの位置の変化（ビーム移動量）とＰＤによる出力の変化の割合（出力変化率）との関係を測定し、グラフに表した図である。図５において、横軸がビーム移動量であり、縦軸が出力変化率である。

なお、ここでは、ＰＤ１ａによる光強度検出値をＡとし、ＰＤ１ｂによる光強度検出値をＢとし、ＰＤ１ｃによる光強度検出値をＣとし、ＰＤ１ｄによる光強度検出値をＤとしたとき、縦軸の出力変化率＝｛（Ａ＋Ｄ）−（Ｂ＋Ｃ）｝／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）×１００％とし、横軸のビーム移動量は図４に示した４分割の受光面において水平方向に光が移動した量を示すものである。

図５では、光５のビーム径を、φ６００μｍとした場合、φ４００μｍとした場合、φ２００μｍとした場合、φ１００μｍとした場合およびφ５０μｍとした場合の４つの条件の下で測定を行っている。

図５を参照してわかるように、本実施の形態の光センサユニット２９すなわち光学式変位センサは、受光面でのビーム径が小さい場合の方が、わずかなビーム移動量すなわち受光位置の変化（図５の横軸）であっても大きな出力変化率（図５の縦軸）を得ることができ、ビーム径を小さくすることの効果が明白である。

本実施の形態によれば、光ファイバ４としてコア径の小さな光ファイバ（たとえばコア径１０μｍのシングルモードファイバ）を用いることができ、たとえば面光源であるＬＥＤ光源を擬似的に点光源へ変換することができ、ビーム径を小さくすることができる。

また本実施の形態によれば、光ファイバ４からの出射光の広がり角（たとえば１２度）がＬＥＤ２からの出射光の広がり角（たとえば１２０度）に比べて小さいことから、ＰＤ１の受光面に、微少なスポット径のビームを入射させることが可能（光ファイバ終端（出射口）から受光素子（ＰＤ受光面）までの距離は０．５ｍｍ程度に設定）となる。

図６は、本発明による６軸力センサの、図１とは別の実施の形態の外観を示す斜視図である。

図６に示すように、本実施の形態の６軸力センサ３０は、円柱状の形状に形成され、本体３１ａの上部に円板上の上部蓋３１ｂがされて構成される。

図７は、図６に示した６軸力センサ３０から上部蓋３１ｂを外して上から見た概略平面図である。

図７に示すように、本実施の形態の６軸力センサ３０は、円筒状の支持部３２と、その支持部３２の中心部に配置される受力部３３と、これら支持部３２と受力部３３との間を連結するスポーク状の弾性連結部３４を３本有するフレーム３５とを備えて構成される。

このフレーム３５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３４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３２および受力部３３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３０に力が作用したとき、支持部３２と受力部３３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。

また、図７に示すように、支持部３２には、１個の光源（共通光源）２が任意の位置に配置され、さらに、この１個の光源２（たとえばＬＥＤ）に対応付けて１個のレンズ３および光ファイバ６が配置されている。レンズ３としては非球面樹脂レンズ等を用いることができる。

光ファイバ６は３分岐光ファイバであり、１つの入射口と分岐後に３つの出射口とを有する。レンズ３によって集光された光は光ファイバ６の入射口に入射され、光ファイバ６の３つの出射口のそれぞれから出射される。この３つの出射口は、図７に示すように、１２０度回転対称に配置される。

一方、受力部３３には、光ファイバ６の３つの出射口のそれぞれに１個ずつ対応付けて３個の光センサ（受光素子（たとえばＰＤ））１５、１６および１７がやはり１２０度回転対称に配置されている。

図７に示すように、光ファイバ６の３つの出射口のそれぞれと、光センサ１５、１６および１７とは対向して設けられ、光源２からの光がレンズ３によって集光されて光ファイバ６に入射し、この光は光ファイバ６の３つの出射口のそれぞれから出射され、光センサ１５、１６および１７のそれぞれの受光面の中央に照射される。これら、光センサ１５、１６および１７、光源２、レンズ３および光ファイバ６によって、光センサユニット３９すなわち光学式変位センサを構成する。

図８は、図６および図７に示した実施の形態の光学式変位センサの構成を説明する概略斜視図である。

本実施の形態の光センサユニット３９すなわち光学式変位センサは、図８に示すように、受光手段であるＰＤ（フォトダイオード）１５、１６および１７と、光源としての発光素子であるＬＥＤ（発光ダイオード）２と、ＬＥＤ２からの光を集光するレンズ３と、レンズ３によって集光された光が入射されてＰＤ１５、１６および１７のそれぞれの受光面の中央に向けて光ビーム７、８および９を出射する光ファイバ６とを有して構成される。なお、光ファイバ６の３つの出射口とＰＤ１５、１６および１７のそれぞれの受光面との距離はたとえば０．５ｍｍ程度に設定される。

本実施の形態によれば、図１〜図３に示した実施の形態では３個必要であったＬＥＤ光源を１個で済ませることが可能であるという効果がある。

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６軸力センサの一実施の形態の外観を示す斜視図である。 図１に示した６軸力センサから上部蓋を外して上から見た概略平面図である。 本実施の形態の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３に示したＰＤの受光面を示す概略平面図である。 ＰＤ受光面でのビーム径を様々に変えた条件下で、ＰＤ受光面での光ビームの位置の変化（ビーム移動量）とＰＤによる出力の変化の割合（出力変化率）との関係を測定し、グラフに表した図である。 本発明による６軸力センサの、図１とは別の実施の形態の外観を示す斜視図である。 図６に示した６軸力センサから上部蓋を外して上から見た概略平面図である。 図６および図７に示した実施の形態の光学式変位センサ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

２０、３０ ６軸力センサ
２１ａ、３１ａ 本体
２１ｂ、３１ｂ 上部蓋
２２、３２ 支持部
２３、３３ 受力部
２４、３４ 弾性連結部
２５、３５ フレーム
１、１５、１６、１７ 光センサ
２ 光源
３ レンズ
４、６ 光ファイバ
５、７、８、９ 光
２９、３９ 光センサユニット

Claims (5)

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導光させる光ファイバを配設して、前記光ファイバを介して前記光源からの出射光を前記受光手段が受光するようにし、前記光ファイバが前記光源と一体化されていることを特徴とする光学式変位センサ。
2. 前記光源と前記光ファイバとの間に、前記光源からの光を前記光ファイバの入射口に集光するレンズを設けたことを特徴とする請求項１に記載の光学式変位センサ。
3. 前記光ファイバがシングルモードファイバであることを特徴とする請求項１または２に記載の光学式変位センサ。
4. 請求項１ないし３のうちのいずれか１項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。
5. 請求項１ないし３のうちのいずれか１項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とともに、
   前記光源は１個の共通光源からなり、
   前記光ファイバは前記共通光源から出射される光を前記複数個の受光素子に対応した数に分岐する分岐光ファイバである
   ことを特徴とする請求項４に記載の外力検出装置。

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