JP2019066362A - センサヘッド - Google Patents

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Abstract

【課題】設置の自由度を高めることのできるセンサヘッドを提供する。
【解決手段】センサヘッド100は、計測対象物200の変位を計測するセンサのセンサヘッドであって、入射された光に対し、光軸方向に沿って色収差を生じさせる回折レンズと、内部に少なくとも回折レンズを収容しているケース部5と、固定対象物への固定に用いられる固定部11,12と、を備え、ケース部5は、外形が円柱形状の円柱部10を有し、固定部11,12の外形は、円柱部10の中心軸方向視において、円柱部10の外形以内に収まっている。
【選択図】図1

Description

本発明は、センサヘッドに関する。
従来、非接触で計測対象物の変位を計測する装置として、共焦点光学系を利用した共焦点計測装置が用いられている。
例えば、下記特許文献1に記載の共焦点計測装置は、光源と計測対象物の間に、回折レンズを用いた共焦点光学系を有する。この共焦点計測装置では、光源からの出射光は、共焦点光学系によって、その波長に応じた焦点距離で計測対象物に照射される。そして、反射光の波長のピークを検出することで、計測対象物の変位を計測することができる。
共焦点計測装置等のセンサヘッドは、計測対象物に対して位置ずれが生じないように固定して用いられることがある。例えば、下記特許文献2には、センサヘッドを所定の位置に取り付けるための取付具が開示されている。
米国特許第5785651号明細書 特開平6−273136号公報
しかしながら、取付具を用いてセンサヘッドを固定するのでは、取付具が他の部材と干渉することがあり、センサヘッドを設置することができる箇所が制限されることがあった。
そこで、本発明は、設置の自由度を高めることのできるセンサヘッドを提供することを目的とする。
本開示の一態様に係るセンサヘッドは、計測対象物の変位を計測するセンサのセンサヘッドであって、入射された光に対し、光軸方向に沿って色収差を生じさせる回折レンズと、入射された光を計測対象物に集める対物レンズと、内部に少なくとも回折レンズ及び対物レンズを収容しているケース部と、固定対象物への固定に用いられる固定部と、を備え、ケース部は、外形が円柱形状の円柱部を有し、固定部の外形は、円柱部の中心軸方向視において、円柱部の外形以内に収まっている。
この態様によれば、ケース部が円柱部を有し、固定部の外形が、円柱部の中心軸方向視において、円柱部の外形以内に収まっていることで、固定部が他の部材と干渉することが避けられ、センサヘッドの設置の自由度を高めることができる。
前述した態様において、固定部は、円柱部の中心軸方向視において、中心軸と直交する軸と重なるように延伸していてもよい。
この態様によれば、固定部が円柱部の外形以内に収まる範囲で、固定部の幅を最も大きくすることができ、固定対象物への固定をより強固にすることができる。
前述した態様において、固定部は、円柱部の中心軸方向において、回折レンズ及び対物レンズと異なる位置に設けられてもよい。
この態様によれば、固定部の存在が回折レンズ及び対物レンズの口径を狭める要因とならないため、これらの口径をケース部の内径程度に大きくして取り込む光量を十分に多くしつつ、センサヘッドを固定するのに十分な大きさの固定部を設けることができる。
前述した態様において、固定部は、円柱部の中心軸方向における円柱部の端部に設けられてもよい。
この態様によれば、固定部の存在がケース部の口径を狭める要因とならないため、ケース部の内径を大きくして取り込む光量を十分に多くしつつ、センサヘッドを固定するのに十分な大きさの固定部を設けることができる。
前述した態様において、円柱部は、回折レンズと光学的に接続される光ファイバを挿通させる挿通口を端部に有し、固定部は、円柱部の中心軸方向において、挿通口と重なる位置に設けられてもよい。
この態様によれば、円柱部の中心軸方向において、円柱部の端部における挿通口と重ならない位置に固定部を設ける場合よりもケース部の全長が短くなり、センサヘッドを小型化することができる。
前述した態様において、固定部は、ケース部と一体で形成されてもよい。
この態様によれば、固定部を固定対象物に固定することによってケース部も固定されることとなり、センサヘッドが確実に固定対象物に固定される。
前述した態様において、固定部は、板状であり、互いに平行な2つの平面を有してもよい。
この態様によれば、固定対象物が平面を有する場合に、互いに平行な2つの平面を有する板状の固定部を固定対象物に面接触させるように固定することができ、センサヘッドを容易に強固に固定することができる。
前述した態様において、平面は、円柱部の中心軸に沿って延伸していてもよい。
この態様によれば、固定部を固定対象物に固定すると、回折レンズ及び対物レンズの光軸方向が固定対象物の固定対象面に沿った方向を向くこととなり、センサヘッドの方向合わせが容易となる。
前述した態様において、固定部は、貫通孔を有してもよい。
この態様によれば、ねじ等を貫通孔に通すことによって固定部を固定対象物に固定することができ、センサヘッドを容易に固定することができる。
本発明によれば、設置の自由度を高めることのできるセンサヘッドを提供することができる。
本発明の実施形態に係るセンサヘッドの斜視図である。 本実施形態に係るセンサヘッドの分解斜視図である。 本実施形態に係るセンサヘッドの上面図である。 本実施形態に係るセンサヘッドの断面図である。 本実施形態に係るセンサヘッドの背面図である。 本実施形態に係るセンサヘッドの側面図である。 従来例の複数のセンサヘッドを密集配置した場合の正面図である。 本実施形態に係る複数のセンサヘッドを密集配置した場合の正面図である。 本実施形態に係る複数のセンサヘッドを密集配置した場合の上面図である。
添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一又は同様の構成を有する。
図1は、本発明の実施形態に係るセンサヘッド100の斜視図である。本実施形態に係るセンサヘッド100は、計測対象物200の変位を計測するセンサのセンサヘッド100であり、ケース部5、第1固定部11、第2固定部12及びファイバケース40を備える。ファイバケース40には、白色光源からの光を導光する光ファイバが挿通される。
ケース部5は、外形が円柱形状の円柱部10と、計測対象物200に光を集める対物レンズ部20と、を含む。円柱部10の内部には、端面にピンホールを画成する光ファイバから出射された白色光に対し、光軸方向に沿って色収差を生じさせる回折レンズが収容されている。対物レンズ部20は、回折レンズより計測対象物200側に配置され、回折レンズで色収差を生じさせた光を計測対象物200に集める。本例では、焦点距離が比較的長い第1波長の光210と、焦点距離が比較的短い第2波長の光220を図示している。本例の場合、第1波長の光210は、計測対象物200の表面で焦点を結ぶが、第2波長の光220は、計測対象物200の手前で焦点を結ぶ。
計測対象物200の表面で反射した光は、対物レンズ部20によって集められ、回折レンズを通って、光ファイバに返送される。反射光のうち第1波長の光210は、光ファイバで焦点が合うため、そのほとんどが光ファイバに入射するが、その他の波長の光は、光ファイバで焦点が合わず、そのほとんどが光ファイバに入射しない。光ファイバに入射した光は、光ファイバに接続された分光器(不図示)に伝送される。分光器は、計測対象物200の表面で反射され、センサヘッド100により集められた光の波長のピークを検出し、検出した波長のピークに基づいて、計測対象物200の変位を計測する。
分光器は、センサヘッド100が静止状態にあれば数十nm(ナノメートル)の分解能で計測対象物200の変位を計測することができる。そのような高分解能を実現するためには、センサヘッド100が固定対象物に確実に固定されている必要がある。本実施形態に係るセンサヘッド100は、固定対象物への固定に用いられる第1固定部11及び第2固定部12を備え、第1固定部11及び第2固定部12の外形は、円柱部10の中心軸方向視において、円柱部10の外形以内に収まっている。すなわち、第1固定部11及び第2固定部12は、円柱部10の中心軸に沿う方向に円柱部10の背面を見た場合に、円柱部10の外形から突出しない形状となっている。本実施形態に係るセンサヘッド100において、円柱部10の中心軸に沿う方向に円柱部10の背面を見た場合に、第1固定部11及び第2固定部12の外形は、円柱部10の外形上、すなわち円柱部10の輪郭上にある。もっとも、円柱部10の中心軸に沿う方向に円柱部10の背面を見た場合に、第1固定部11及び第2固定部12の外形は、円柱部10の外形の内側にあってもよい。ここで、第1固定部11及び第2固定部12は、本発明の「固定部」の一例である。
このように、ケース部5が円柱部10を有し、第1固定部11及び第2固定部12の外形が、円柱部10の中心軸方向視において、円柱部10の外形以内に収まっていることで、第1固定部11及び第2固定部12が他の部材と干渉することが避けられ、センサヘッド100の設置の自由度を高めることができる。
複数のセンサヘッド100を並べて計測対象物200の複数の箇所の変位を同時に計測する場合に、本実施形態に係るセンサヘッド100であれば、複数のセンサヘッド100を密集させて配置しても第1固定部11及び第2固定部12が干渉することがないため、複数のセンサヘッド100間の距離をより短くして密集して固定することができる。
[構成例]
次に、図2から図5を参照しつつ、本実施形態に係るセンサヘッド100の構成の一例について説明する。図2は、本実施形態に係るセンサヘッド100の分解斜視図である。図3は、本実施形態に係るセンサヘッド100の上面図である。図4は、本実施形態に係るセンサヘッド100の断面図である。図3では、円柱部10の中心軸10aを図示しており、中心軸10aは、図4に示すセンサヘッド100の断面図の図示方向を表すIV−IV線と一致している。また、図5は、本実施形態に係るセンサヘッド100の背面図である。
<対物レンズ部>
ケース部5のうち対物レンズ部20は、計測対象物200(図1参照)側から順に、第1レンズ21、第1スペーサ22、第2レンズ23、第2スペーサ24、第3レンズ25、第3スペーサ26、第4レンズ27及び第1レンズ押さえ28を収容している。第1レンズ21、第2レンズ23、第3レンズ25及び第4レンズ27は、光を計測対象物200に集める対物レンズ群であり、波面収差を生じさせないように組み合わされたレンズ群である。対物レンズ群21,23,25,27は、その光軸が、回折レンズ16の光軸16aと一致するように対物レンズ部20の内部に固定される。なお、本例では対物レンズ部20に4枚のレンズが収容される場合を示しているが、対物レンズ部20に収容されるレンズの枚数及び種類は任意である。
なお、回折レンズ16が、光軸16a方向に沿って色収差を生じさせつつ、計測対象物200に光を集めるレンズであれば、対物レンズ群21,23,25,27の一部又は全部を省略することとしてもよい。
<円柱部>
ケース部5のうち円柱部10は、コリメートレンズ15及び回折レンズ16を収容している。回折レンズ16は、入射された光に対し、光軸16a方向に沿って色収差を生じさせる。回折レンズ16は、焦点距離が光の波長に反比例するレンズであってよい。回折レンズ16は、外側におねじが切られたリング状の第2レンズ押さえ17によって計測対象物200側から押さえられて、円柱部10の内部に固定される。また、アダプタ18は、外側におねじが切られたリング状の部材であり、円柱部10と対物レンズ部20を接続する継手である。コリメートレンズ15は、フェルール42から出射される光を集めて、回折レンズ16に入射される。また、コリメートレンズ15は、対物レンズ群21,23,25,27及び回折レンズ16を通って入射する光をフェルール42に集める。
なお、ケース部5は、対物レンズ部20と円柱部10以外の構成を含んでもよい。例えば、ケース部5は、対物レンズ部20と円柱部10の間に、内部が空洞で、外形がL字型の屈曲部を含んでもよい。屈曲部は、内部に少なくともミラーを有し、ミラーは、回折レンズ16から入射する光を対物レンズに反射したり、対物レンズから入射する光を回折レンズ16に反射したりする。ケース部5が屈曲部を含む場合であっても、第1固定部11及び第2固定部12の外形が、円柱部10の中心軸10a方向視において、円柱部10の外形以内に収まっていることで、第1固定部11及び第2固定部12が他の部材と干渉することが避けられ、センサヘッド100の設置の自由度を高めることができる。
また、回折レンズ16は、対物レンズ群21,23,25,27よりも計測対象物200側に配置されてもよい。
<ファイバケース>
ファイバケース40は、内部に光ファイバを収容し、薄板ばね41を介して円柱部10に固定される。薄板ばね41は、第1ねじ31によって円柱部10の上部にねじ止めされるとともに、第3ねじ43によって円柱部10の端部にねじ止めされる。
ケース部5の円柱部10は、回折レンズ16と光学的に接続される光ファイバを挿通させる挿通口19を端部に有する。挿通口19は、円柱部10のうち、対物レンズ部20が接続される端部と反対側の端部に設けられる。挿通口19には、先端にフェルール42が装着された光ファイバが挿通される。なお、図4ではフェルール42のみを図示し、光ファイバの図示を省略している。
<固定部>
図5に示すように、第1固定部11及び第2固定部12は、円柱部10の中心軸方向視において、円柱部10の中心軸と直交する軸と重なるように延伸して設けられる。図5では、円柱部10の中心軸と直交する複数の軸として、鉛直中心線10bと、水平中心線10cとを図示している。第1固定部11及び第2固定部12は、水平中心線10cと同じ方向に延伸して、水平中心線10cと重なるように設けられる。これにより、第1固定部11及び第2固定部12が円柱部10の外形以内に収まる範囲で、第1固定部11及び第2固定部12の幅を最も大きくすることができ、固定対象物への固定をより強固にすることができる。
また、第1固定部11及び第2固定部12は、板状であり、互いに平行な2つの平面を有する。すなわち、第1固定部11は、上部第1平面11aと、下部第1平面11bとを有する板形状であり、第2固定部12は、上部第2平面12aと、下部第2平面12bとを有する板形状である。このように、第1固定部11及び第2固定部12が板状であり、互いに平行な2つの平面を有することで、固定対象物が平面を有する場合に、第1固定部11及び第2固定部12を固定対象物に面接触させるように固定することができ、センサヘッド100を容易に強固に固定することができる。
ここで、上部第1平面11a、下部第1平面11b、上部第2平面12a及び下部第2平面12bは、それぞれ円柱部10の中心軸に沿って延伸している。すなわち、第1固定部11及び第2固定部12は、円柱部10の中心軸に沿って延伸している。円柱部10の中心軸方向は、回折レンズ16及び対物レンズの光軸方向とほぼ一致している。そのため、第1固定部11及び第2固定部12を固定対象物に固定すると、回折レンズ16及び対物レンズの光軸方向が固定対象物の固定対象面に沿った方向を向くこととなり、センサヘッド100の方向合わせが容易となる。
図2から図4に示すように、第1固定部11及び第2固定部12は、円柱部10の中心軸方向において、回折レンズ16、対物レンズ群21,23,25,27、コリメートレンズ15と異なる位置に設けられる。より具体的には、回折レンズ16及びコリメートレンズ15は円柱部10の内部に設けられ、対物レンズ群21,23,25,27は対物レンズ部20の内部に設けられるのに対して、第1固定部11及び第2固定部12は、円柱部10の中心軸方向における円柱部10の端部に設けられる。このように、第1固定部11及び第2固定部12を回折レンズ16及び対物レンズと干渉しない位置に設けることで、第1固定部11及び第2固定部12の存在が回折レンズ16及び対物レンズの口径を狭める要因とならないため、回折レンズ16及び対物レンズの口径をケース部5の内径程度に大きくして取り込む光量を十分に多くしつつ、センサヘッド100を固定するのに十分な大きさの第1固定部11及び第2固定部12を設けることができる。また、第1固定部11及び第2固定部12を、円柱部10の中心軸方向における円柱部10の端部に設けることで、第1固定部11及び第2固定部12の存在がケース部5の口径を狭める要因とならないため、ケース部5の内径を大きくして取り込む光量を十分に多くしつつ、センサヘッド100を固定するのに十分な大きさの第1固定部11及び第2固定部12を設けることができる。
第1固定部11及び第2固定部12は、円柱部10の中心軸方向において、挿通口19と重なる位置に設けられる。言い換えると、第1固定部11及び第2固定部12は、円柱部10の側面視において、挿通口19と重畳する。これにより、円柱部10の中心軸方向において、円柱部10の端部における挿通口19と重ならない位置に第1固定部11及び第2固定部12を設ける場合よりもケース部5の全長が短くなり、センサヘッド100を小型化することができる。また、第1固定部11及び第2固定部12が、円柱部10の中心軸方向において、挿通口19と重なる位置に設けられることで、センサヘッド100の固定箇所をセンサヘッド100の重心に近い箇所とすることができ、より安定した固定が可能となる。
第1固定部11及び第2固定部12は、ケース部5と一体で形成される。より詳しくは、第1固定部11及び第2固定部12は、円柱部10と一体で形成され、第1固定部11及び第2固定部12それぞれは、円柱部10と連続して形成される。これにより、第1固定部11及び第2固定部12を固定対象物に固定することによってケース部5も固定されることとなり、センサヘッド100が固定対象物に確実に固定される。
[使用例]
次に、図6から図8を参照しつつ、本実施形態に係るセンサヘッド100の使用の一例について説明する。図6は、本実施形態に係るセンサヘッド100の側面図である。図6では、固定対象物300と、第1固定部11を固定対象物300にねじ止めするための第1固定ねじ50a及び第2固定ねじ50bを図示している。
第1固定部11は、第1貫通孔11c及び第2貫通孔11dを有する。第2固定部12は、第1固定部11と同様に、第1貫通孔及び第2貫通孔(不図示)を有する。第1固定部11の第1貫通孔11cには、第1固定ねじ50aが通され、第2貫通孔11dには、第2固定ねじ50bが通されて、固定対象物300にねじ止めされて固定される。なお、図6では図示を省略しているが、第2固定部12の2つの貫通孔にも、それぞれ固定ねじが通されて、固定対象物300にねじ止めされて固定される。第1固定部11及び第2固定部12に設けられた貫通孔は、その内側が平滑な穴であってもよいし、その内側にねじ山が切られたねじ穴であってもよい。第1固定部11及び第2固定部12が貫通孔を有することで、第1固定部11及び第2固定部12をねじによって固定対象物300に固定することができ、センサヘッド100を容易に固定することができる。
図7は、従来例の複数のセンサヘッドを密集配置した場合の正面図である。同図では、従来例の対物レンズ81を収容した、従来例の対物レンズ部80の正面図を示している。従来例の対物レンズ81の直径はdであり、従来例の対物レンズ部80は、四隅にねじ穴82を有するために、従来例の対物レンズ81の直径dよりも大きい幅及び高さを有する。
従来例の複数のセンサヘッドは、固定対象物に固定する場合に、少なくともhだけ互いに距離を空けて固定する必要がある。このように、従来例の複数のセンサヘッドは、対物レンズ81の直径dに対して対物レンズ部80の幅及び高さが大きいことと、センサヘッド間の距離を少なくともhだけ空けて固定しなければならないことによって、密集して配置する場合の密度が十分に高くならなかった。
図8は、本実施形態に係る複数のセンサヘッド100を密集配置した場合の正面図である。同図では、本実施形態に係るセンサヘッド100の対物レンズ部20と、対物レンズ部20に収容された対物レンズ群の一部を示している。本実施形態に係るセンサヘッド100に収容される対物レンズの直径は、従来例の対物レンズ81の直径と同じdである。また、本実施形態に係るセンサヘッド100の対物レンズ部20は、第1レンズ21の直径dよりも僅かに大きい直径を有する。
図9は、本実施形態に係る複数のセンサヘッド100を密集配置した場合の上面図である。同図では、センサヘッド100を、板状の固定対象物300の表側と裏側にそれぞれ複数固定した例を示している。同図に示すように、第1固定部11及び第2固定部12は、固定対象物300にねじ止めされている。板状の固定対象物300の厚さは、固定対象物300の表側に固定されるセンサヘッド100と、固定対象物300の裏側に固定されるセンサヘッド100とが接触するような厚さであってよい。
本実施形態に係るセンサヘッド100は、それぞれのセンサヘッド100が備える第1固定部11及び第2固定部12がケース部5から突出せず、ケース部5の外形が円柱状であるため、センサヘッド100を複数並べて配置した場合に、第1レンズ21等のレンズ間の距離を比較的短くして固定することができる。そして、図8及び図9に示すように、複数の対物レンズ部20を密着させるように複数のセンサヘッド100を並べて配置することができ、複数のセンサヘッド100間の距離を従来よりも短くして密集させて固定することができる。
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。
[附記]
計測対象物(200)の変位を計測するセンサのセンサヘッドであって、
入射された光に対し、光軸方向に沿って色収差を生じさせる回折レンズ(16)と、
内部に少なくとも前記回折レンズ(16)を収容しているケース部(5)と、
固定対象物(300)への固定に用いられる固定部(11,12)と、を備え、
前記ケース部(5)は、外形が円柱形状の円柱部(10)を有し、
前記固定部(11,12)の外形は、前記円柱部(10)の中心軸方向視において、前記円柱部(10)の外形以内に収まっている、
センサヘッド。
5…ケース部、10…円柱部、10a…中心軸、10b…鉛直中心線、10c…水平中心線、11…第1固定部、11a…上部第1平面、11b…下部第1平面、11c…第1貫通孔、11d…第2貫通孔、12…第2固定部、12a…上部第2平面、12b…下部第2平面、15…コリメートレンズ、16…回折レンズ、16a…光軸、17…第2レンズ押さえ、18…アダプタ、19…挿通口、20…対物レンズ部、21…第1レンズ、22…第1スペーサ、23…第2レンズ、24…第2スペーサ、25…第3レンズ、26…第3スペーサ、27…第4レンズ、28…第1レンズ押さえ、40…ファイバケース、41…薄板ばね、42…フェルール、43…第3ねじ、50a…第1固定ねじ、50b…第2固定ねじ、80…従来例の対物レンズ部、81…従来例の対物レンズ、82…ねじ穴、100…センサヘッド、200…計測対象物、210…第1波長の光、220…第2波長の光、300…固定対象物

Claims (9)

  1. 計測対象物の変位を計測するセンサのセンサヘッドであって、
    入射された光に対し、光軸方向に沿って色収差を生じさせる回折レンズと、
    内部に少なくとも前記回折レンズを収容しているケース部と、
    固定対象物への固定に用いられる固定部と、を備え、
    前記ケース部は、外形が円柱形状の円柱部を有し、
    前記固定部の外形は、前記円柱部の中心軸方向視において、前記円柱部の外形以内に収まっている、
    センサヘッド。
  2. 前記固定部は、前記円柱部の中心軸方向視において、前記中心軸と直交する軸と重なるように延伸している、
    請求項1に記載のセンサヘッド。
  3. 前記固定部は、前記円柱部の中心軸方向において、前記回折レンズと異なる位置に設けられる、
    請求項1又は2に記載のセンサヘッド。
  4. 前記固定部は、前記円柱部の中心軸方向における前記円柱部の端部に設けられる、
    請求項3に記載のセンサヘッド。
  5. 前記円柱部は、前記回折レンズと光学的に接続される光ファイバを挿通させる挿通口を前記端部に有し、
    前記固定部は、前記円柱部の中心軸方向において、前記挿通口と重なる位置に設けられる、
    請求項4に記載のセンサヘッド。
  6. 前記固定部は、前記ケース部と一体で形成される、
    請求項1から5のいずれか一項に記載のセンサヘッド。
  7. 前記固定部は、板状であり、互いに平行な2つの平面を有する、
    請求項1から6のいずれか一項に記載のセンサヘッド。
  8. 前記平面は、前記円柱部の中心軸に沿って延伸している、
    請求項7に記載のセンサヘッド。
  9. 前記固定部は、貫通孔を有する、
    請求項1から8のいずれか一項に記載のセンサヘッド。
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