JP2006349606A

JP2006349606A - 反射型光ギャップセンサ

Info

Publication number: JP2006349606A
Application number: JP2005179060A
Authority: JP
Inventors: Kouji Suzuki; 嚆二鈴木; Yasushi Yoshida; 吉田　　康
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2005-06-20
Filing date: 2005-06-20
Publication date: 2006-12-28
Anticipated expiration: 2025-06-20
Also published as: JP4595697B2

Abstract

【課題】温度特性の良い反射型光ギャップセンサを実現する。
【解決手段】発光ダイオード１からの射出光は、第１格子１１で等ピッチの線状光線に変換され、反射面５を照射する。反射面５からの反射光は、第２格子１２で制限され、第３格子上１３に像を形成する。検出部６と反射面５間のギャップが変化すると像ピッチが変化する。第３格子１３を通して像ピッチの変化に伴う位相変化を検出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、対抗配置された２つの物体間の間隙を検出するギャップセンサに関し、光の回折像を利用した反射型光ギャップセンサに関する。

従来、発光ダイオードからの光を被測定面に照射し、その反射光をフォトダイオードで受光し、検出部と被測定面のギャップ変動に対する光強度の変化を検出する反射型光ギャップセンサが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
図１０は従来の反射型ギャップセンサの主要部のブロック図である。
図１０において、７２は被測定面、７３は検出部、７４は点灯部、７５は演算部である。
検出部７３は、ＬＥＤ８１と、このＬＥＤ８１から放射されて被測定面７２で反射された反射光を受光するフォトダイオード８２を備えている。
点灯部７４は、ＬＥＤ８１を所定の周波数で点滅させるための駆動電源である。
演算部７５は、フォトダイオード８２の短絡電流から検出部７３の上端と被測定面７２との間のギャップ長を算出するもので、電流増幅器９１と、バンドパスフイルタ９２と、整流回路９３と、平滑回路９４と、演算回路９５と、線形ゲイン補償回路９６とで構成されている。

次に、動作について説明する。
検出部７３と被測定面７２との間のギャップが変化すると、フォトダイオード８２の短絡電流が変化する。この短絡電流の変化を演算部７５でギャップ長に比例する電圧信号になるように演算処理し、ギャップ変化を検出する。
また、フォトダイオード８２の電極間にコンデンサ８５が接続されており、短絡電流の一部をコンデンサに流し、温度に対するコンデンサの誘電率の変化を利用して、周囲温度の変化による短絡電流の変化が検出特性に影響しないように補正している。
このように従来の反射型光ギャップセンサは、被測定面のギャップ変動に対する光強度の変化を検出することによって検出部と被測定面間のギャップを検出し、コンデンサの誘電率の変化を利用して光強度の温度変動成分を補償していた。

また、従来、インコーヒーレント光が間隙を開けて配置した２枚の回折格子を通り抜けたときに出来る像の解析が行われ、その解析結果が開示されている。（例えば、非特許文献１参照）。
図１１は像の解析に用いられたスリットの構成図である。
図１１において、Ｇ_１、Ｇ_２の２枚の格子の格子間距離と、格子のスリットピッチとの関係が、
ｐ_１＝（１＋Ｚ_１／Ｚ_２）ｐ_２／Ｎ
の関係を満たすとき、
ｐ_ｉ＝ｐ_１Ｚ_２／Ｚ_１
で示される周期ｐ_ｉの像が、像面上に形成されることが示されている。
ここで、
Ｚ_１＝格子Ｇ_１、Ｇ_２間の距離
Ｚ_２＝格子Ｇ_２と像面間の距離
ｐ_１＝格子Ｇ_１のスリットピッチ
ｐ_２＝格子Ｇ_２のスリットピッチ
である。
また、Ｎは整数で、格子Ｇ_１の周期に対応しており、例えば、Ｎ＝１の場合、Ｇ_１の（１＋Ｚ_１／Ｚ_２）ｐ_２周期成分に対する結像を示す。
特許第３１０３１５６号公報精密工学学会誌 Vol.62,No.7,1996

従来の反射型光ギャップセンサは、ギャップ変動に対する光強度の変化を検出しているので、周囲温度の影響をうけるという問題があり、上述の従来技術ではコンデンサの温度に対する誘電率の変化を利用して補正しているが、フォトダイオードやコンデンサの特性のばらつき等により、広い温度範囲で精度よく補正することは難しく、温度特性の良い反射型光ギャップセンサを得ることは困難であった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、広い温度範囲において温度特性の良い反射型光ギャップセンサを得ることを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、対向配置された２つの部材の一方に光源と受光素子と格子を備えた検出部が取り付けられ、前記光源からの射出光を、反射面を有するもう一方の部材に照射し、その反射光を前記受光素子で検出することによって両部材間のギャップを検出する反射型光ギャップセンサにおいて、前記格子は、前記射出光を制限する等ピッチの第１格子と、前記第１格子を透過した光で前記反射面を照射し、その反射光を制限する等ピッチの第２格子と、前記第１格子と前記第２格子を透過した光で生成される前記第１格子の透過光の像を検出する第３格子を備え、前記部材間のギャップ変化に対応して発生する前記像の周期の変化を検出し、前記部材間のギャップを検出するものである。
また、請求項２に記載の発明は、対向配置された２つの部材の一方に光源と受光素子と格子を備えた検出部が取り付けられ、前記光源からの射出光を、反射面を有するもう一方の部材に照射し、その反射光を前記受光素子で検出することによって両部材間のギャップを検出する反射型光ギャップセンサにおいて、前記格子は、前記射出光を制限する等ピッチの第１格子と、前記第１格子を透過した光をさらに制限する等ピッチの第２格子と、前記第１格子と前記第２格子を透過した光で前記反射面を照射し、その反射光によって生成される前記第１格子の透過光の像を検出する第３格子を備え、前記部材間のギャップ変化に対応して発生する前記像の周期の変化を検出し、前記部材間のギャップを検出するものである。
また、請求項３に記載の発明は、前記射出光の主光線が、前記第１格子乃至第３格子の格子面に対して垂直に入射するように前記第１格子乃至第３格子を配置したものである。
また、請求項４に記載の発明は、前記検出部は、前記射出光の主光線が格子面に対して垂直に入射するようプリズムを備えたものである。

請求項１または請求項２に記載の発明によると、ギャップ変化に対する像の位相変化を検出しているので、温度による光強度の変化が検出特性に影響しないので温度特性の良いギャップセンサを得ることが出来る。
請求項３に記載の発明によると、第１格子乃至第３格子の格子面に対して射出光の主光線が垂直に入射するように各格子面を配置すれば、検出信号が大きくなりノイズに強い検出ができる。
請求項４に記載の発明によると、格子に対して垂直に射出光が入射するようプリズムを備えれば、光路を短く出来るので、検出部と反射面との相対的な傾きに対して影響が小さく、安定した検出特性が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の第１実施例を示す反射型光ギャップセンサの斜視図である。
図において１はインコーヒーレントな射出光を射出する発光ダイオード、１１はこの射出光から等ピッチの線状光線を生成する第１格子、１２は等ピッチの線状光線によって照射された反射面５からの反射光を制限するための第２格子、１３は第３格子で第３格子１３上に形成される像を検出するためのものである。２は第３格子を透過した光信号を電気信号に変換するためのフォトダイオードである。３は第１格子１１、第２格子１２、第３格子１３をそれぞれパターン形成するためのガラス基板である。また、５は被測定面の反射面である。本実施例では、第１格子１１と第２格子１２を同一のガラス基板上に形成することも可能である。

図２は、本実施例の反射型光ギャップセンサの側面図である。
図２において４は検出部で、発光ダイオード１、第１格子１１、第２格子１２、第３格子１３、フォトダイオード２およびこれらを収納し固定するためのセンサケース７から構成され図示しない一方の部材に固定されている。
図２において、Ｚ_１１は第１格子１１からもう一方の部材の反射面５までの距離、Ｚ_１２は反射面５から第２格子１２までの距離である。Ｚ_１１とＺ_１２を加えたものが図１０のＺ_１に対応する。また、Ｚ_２は第２格子１２と第３格子間１３の距離で、図１０のＺ_２に対応する。

次に、各格子の格子パターンについて説明する。
図１において、矢印で示した方向をそれぞれｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向とすると、各格子とも、ｘ軸方向にスリットを持つｙ軸方向に等ピッチの格子パターンとなっている。
格子のスリットピッチは検出するギャップや検出部の大きさを考慮して決定するが、非特許文献１に示されているように、結像する条件として第１格子１１のスリットピッチｐ_１と第２格子１２のスリットピッチｐ_２間にはｐ_２＝ｐ_１Ｎ／（１＋Ｚ_１／Ｚ_２）の関係が必要であり、この関係を満足するように形成してある。なお、Ｚ１はギャップ長によって変化するため、測定の中心となるギャップ長におけるＺ_１を適用してｐ_２を設定した。
第３格子１３のスリットピッチｐ_３は、第３格子上に生成される像周期ｐ_ｉと等しいピッチになるように形成されている。像周期ｐ_ｉはｐ_ｉ＝ｐ_１Ｚ_２／Ｚ_１で与えられ、Ｚ_１はギャップ長によって変化するが、測定の中心となるギャップ長におけるＺ_１を適用してｐ_３を設定した。

図３は、第３格子の構成を示す平面図である。
第１格子１１と第２格子１２はそれぞれ１つのスリット郡のみから構成されるが、第３格子１３はａ_１１、ａ_１２、ｂ_１１、ｂ_１２の４つのスリット郡と、ａ_２１、ａ_２２、ｂ_２１、ｂ_２２の４つのスリット郡から構成され、第３格子面上の主光線との交点ｘ_０を通るｘ軸中心線の左右にそれぞれ配置されている。
スリット郡ａ_１１とａ_１２、ｂ_１１とｂ_１２、ａ_２１とａ_２２、ｂ_２１とｂ_２２はそれぞれお互いに電気的に１８０度の位相差を持つように構成され、スリット郡ａ_１１とｂ_１１、ａ_１２とｂ_１２、ａ_２１とｂ_２１、ａ_２２とｂ_２２はそれぞれお互いに電気的に９０度の位相差を持つように構成されている。

次に、本実施例のギャップ検出動作について説明する。
図４はギャップが変化したときの像周期の変化を示す模式図である。第３格子１３上のａ_１１スリット郡上の像について示す。他の第３格子１３上のスリット郡についても同様である。
図４において、四角で示した範囲はａ_１１スリット郡による検出範囲を示す。正弦波状の波形は像強度分布を示している。実線は、あるギャップにおける像強度分布を示し、点線はギャップが変化したときの像強度分布を示す。ギャップ変化によって像ピッチがｐ_ｉからｐ_ｉ’に変化し、ａ_１１スリット郡内では平均θの位相変化が発生する。

図５は検出回路の回路図である。
スリット郡ａ_１１、ａ_１２、ｂ_１１、ｂ_１２からの検出についてのみ示し、スリット郡ａ_２１、ａ_２２、ｂ_２１、ｂ_２２からの検出については同様であるので省略する。
図５において２１、２２、２３、２４はそれぞれスリット郡ａ_１１、ａ_１２、ｂ_１１、ｂ_１２の背後に配置されたフォトダイオードである。６１はアンプでフォトダイオード２１、２２、２３、２４の出力をそれぞれ電圧信号ｖa_１１、ｖａ_１２、ｖｂ_１１、ｖｂ_１２に変換する。６２は差動アンプで、ｖa_１１とｖａ_１２の差動信号であるｖa_１とｖｂ_１１とｖｂ_１２の差動信号であるｖｂ_１を得る。６３は位相演算部でｔａｎ^−１（ｖa_１／ｖｂ_１）の演算を行い位相信号θ_１を得る。
同様にスリット郡ａ_２１、ａ_２２、ｂ_２１、ｂ_２２を通して検出したフォトダイオードの信号からθ_２を得る。６４は位相差演算部で位相信号θ_１と、位相信号θ_２との差（θ_１−θ_２）を演算する。（θ_１−θ_２）とギャップとは一定の関係をもつことからギャップを検出することができる。

図６は、本発明の第２実施例を示す反射型光ギャップセンサの斜視図である。
また、図７は、本実施例の反射型光ギャップセンサの側面図である。
本実施例が第１実施例と異なる点は、第１実施例では第１格子１１を透過した光で反射面５を照射していたが、本実施例では第1格子１１と第２格子１２を透過した光で反射面５を照射している点である。
図７においてＺ_１は第１格子１１、第２格子１２間の距離で、図１０に示したスリット構成図のＺ_１に対応する。また、Ｚ_２１は第２格子１２から反射面５までの距離、Ｚ_２２は反射面５から第３格子１３までの距離で、両者を加えたものが図１０に示したスリット構成図のＺ_２に対応する。
実施例１では、Ｚ_１の変化に伴う第３格子１３上の像の位相変化を検出していたが、本実施例では、Ｚ_２の変化に伴う第３格子１３上の像の位相変化を検出する。
位相検出動作については第１実施例と同じであるので省略する。
なお、本実施例では、第２格子１２と第３格子１３を同一のガラス基板上に形成することが可能である。

図８は、本発明の第３実施例を示す反射型光ギャップセンサの側面図である。
本実施例が第２実施例と異なる点は、発光ダイオード１からの射出光の主光線ａが、第１格子１１、第２格子１２及び第３格子１３の各格子面に対して垂直に入射するように各格子を配置した点である。
本実施例では、主光線が各格子面に対して垂直に入射するので、検出信号が大きくなりノイズに強いギャップセンサを得ることが出来る。

図９は、本発明の第４実施例を示す反射型光ギャップセンサの側面図である。
図９において、１４はプリズムである。発光ダイオード１からの射出光の主光線ａが各格子面及び反射面５に対して垂直に入射するようにプリズム１４を設置している。また、本実施例では第１格子１１は、第２格子１２を兼ねた構成となる。
本実施例では各格子面及び反射面に対して主光線ａが垂直に入射するので、光路を短く出来、検出部と反射面との相対的な傾きに対して各格子への照射位置の変動を小さく出来るので、安定した検出ができる。

このように本発明では、検出部と反射面間のギャップが変化による結像する像のピッチが変化から像の位相変化を求め、ギャップを検出しているので、温度による光強度の変化に影響されず、温度特性の良いギャップセンサを得ることが出来る。

本発明の第１実施例を示す反射型光ギャップセンサの斜視図本発明の第１実施例を示す反射型光ギャップセンサの側面図本発明の第３格子の構成を示す平面図本発明の像周期の変化を示す模式図本発明の検出回路の回路図本発明の第２実施例を示す反射型光ギャップセンサの斜視図本発明の第２実施例を示す反射型光ギャップセンサの側面図本発明の第３実施例を示す反射型光ギャップセンサの側面図本発明の第４実施例を示す反射型光ギャップセンサの側面図従来の反射型ギャップセンサの主要部のブロック図回折像の解析を示すスリットの構成図

符号の説明

１発光ダイオード
１１第１格子
１２第２格子
１３第３格子
１４プリズム
２、２１、２２、２３、２４フォトダイオード
３ガラス基板
４検出部
５反射面
６１アンプ
６２差動アンプ
６３位相演算部
６４位相差演算部
７ケース

Claims

対向配置された２つの部材の一方に光源と受光素子と格子を備えた検出部が取り付けられ、前記光源からの射出光を、反射面を有するもう一方の部材に照射し、その反射光を前記受光素子で検出することによって両部材間のギャップを検出する反射型光ギャップセンサにおいて、
前記格子は、
前記射出光を制限する等ピッチの第１格子と、
前記第１格子を透過した光で前記反射面を照射し、その反射光を制限する等ピッチの第２格子と、
前記第１格子と前記第２格子を透過した光で生成される前記第１格子の透過光の像を検出する第３格子を備え、
前記部材間のギャップ変化に対応して発生する前記像の周期の変化を検出し、前記部材間のギャップを検出することを特徴とする反射型光ギャップセンサ。
対向配置された２つの部材の一方に光源と受光素子と格子を備えた検出部が取り付けられ、前記光源からの射出光を、反射面を有するもう一方の部材に照射し、その反射光を前記受光素子で検出することによって両部材間のギャップを検出する反射型光ギャップセンサにおいて、
前記格子は、
前記射出光を制限する等ピッチの第１格子と、
前記第１格子を透過した光をさらに制限する等ピッチの第２格子と、
前記第１格子と前記第２格子を透過した光で前記反射面を照射し、その反射光によって生成される前記第１格子の透過光の像を検出する第３格子を備え、
前記部材間のギャップ変化に対応して発生する前記像の周期の変化を検出し、前記部材間のギャップを検出することを特徴とする反射型光ギャップセンサ。
前記射出光の主光線が、前記第１格子乃至第３格子の格子面に対して垂直に入射するように前記第１格子乃至第３格子を配置したことを特徴とする請求項１又は２記載の反射型光ギャップセンサ。
前記検出部は、前記射出光の主光線が格子面に対して垂直に入射するようプリズムを備えたことを特徴とする請求項１記載の反射型光ギャップセンサ。