JP3222295B2 - 光学式変位センサ - Google Patents

光学式変位センサ

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、三角測距の原理を応
用して被検出物の位置を検出する光学式変位センサに関
する。
【0002】
【従来の技術】被検出物までの距離または被検出物の変
位を光学的に検出する変位センサとして、従来より図4
に示す構成を備えたものがある。図4において、半導体
レーザなどの発光素子101の光を投光レンズ102を
介して被検出物110に配光し、被検出物110におけ
る反射光を受光レンズ103を介して光位置検出素子
(以下PSDという。)104で受光する。被検出物1
10の受光レンズ103に対する距離変化は、被検出物
110における反射光の受光レンズ103に対する入射
角の変化となって現れ、受光レンズ103を挟んで被検
出物110と反対側に位置するPSD104において反
射光スポットが形成される位置は、反射光の入射角変
化、即ち、被検出物の位置変化によって変わる。例え
ば、図4において被検出物110が位置a→b→cのよ
うに変化すると、PSD104における反射光スポット
の形成位置は、a´→b´→c´のように変化する。こ
のPSD104は、長手方向における受光位置に応じた
大きさの両端電流を出力する。したがって、PSD10
4の両端電流を測定することにより反射光の入射角変化
を通じて被検出物110の位置を検出できる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
変位センサは、半導体レーザ101、投光レンズ10
2、集光レンズ103及びPSD104を、被検出物の
検出面を経由する光路中に配置する必要があり、また、
投光レンズ102及び集光レンズ103として、共に組
合せレンズが用いられていたため、更に多数の部品を適
正な位置に配置しなければならず、個々の部品の光軸合
せなどの調整作業が困難になる問題があるとともに、セ
ンサの小型化及び軽量化の要請を満足できない問題もあ
った。また、基準平面からの被検出物の複数の点の距離
を同時に測定する場合には、複数の変位センサを同一平
面上に正確に配置することが困難であった。
【0004】この発明の目的は、発光素子、投光レン
ズ、受光レンズ及びPSDの各部品の配置を容易にする
ことができるとともに、光軸合せなどの調整箇所を少な
くして部品点数の削減を図り、小型化及び軽量化を実現
できるとともに、基準平面からの複数点の距離を同時に
測定する場合であっても、複数の変位センサを容易且つ
正確に配置できる変位センサを提供することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】この発明の光学式変位セ
ンサは、単一または複数の発光素子と、発光素子から照
射した光を被検出物に配光する投光レンズ及び被検出物
における反射光を集光する受光レンズを前記発光素子と
同数ずつ同一面に形成した単一の透明平板と、受光レン
ズを介して集光された反射光スポットの位置に応じた検
出信号を出力する前記発光素子と同数の光位置検出素子
と、光位置検出素子の検出信号を処理する信号処理回路
とを設け、前記透明平板の所定位置に前記発光素子及び
光位置検出素子を固定したことを特徴とする。
【0006】
【0007】さらに、前記透明平板の透光レンズ及び受
光レンズが形成される面と同一面に、前記発光素子及び
光位置検出素子の平面方向の取付位置を示すマーカを透
光レンズ及び受光レンズと同時に形成したことを特徴と
するものである。加えて、前記投光レンズ及び受光レン
ズが、透明平板の同一表面に形成されたホログラムレン
ズであることを特徴とするものである。また、前記発光
素子、投光レンズ、受光レンズ、及び光位置検出素子は
各々少なくとも3つで構成され、それぞれ、同一直線上
に位置しないように配置したことを特徴とする。
【0008】
【作用】この発明においては、透明平板の同一面上に投
光レンズ及び受光レンズが発光素子と同数ずつ形成され
る。したがって、投光レンズと受光レンズとの間の位置
関係、及び、各レンズの光軸の向きが一義的に決まり、
これらを調整する必要がない。
【0009】また投光レンズ及び受光レンズを形成し
た透明平板に投光素子及び光位置検出素子が固定される
ため、先に述べたような投光レンズと受光レンズとの間
の位置関係だけでなく、さらに発光素子と光位置検出素
子との間の位置関係も一義的に決まる。そのため、透明
平板を適正な位置に配置するだけで変位センサを構成す
る全部品を適正な位置に配置することができる。
【0010】さらに、請求項に記載した発明において
は、透明平板に形成された投光レンズ及び受光レンズに
対する発光素子及び光位置検出素子の平面方向の適正な
取付位置を示すマーカが投光レンズ及び受光レンズと同
時に形成される。したがって、発光素子及び光位置検出
素子の取り付けに際し、透明廃盤上に形成されたマーカ
に従って発光素子及び光位置検出素子の平面方向の正確
な位置が容易に認識される。加えて、請求項に記載し
た発明においては、透明平板の同一表面に投光レンズ及
び受光レンズとしてホログラムレンズが形成される。し
たがって、透明平板の表面に対して投光レンズ及び受光
レンズを容易に形成できる。また、請求項4に記載した
発明においては、少なくとも3つの発光素子、投光レン
ズ、受光レンズ、及び光位置検出素子が同一直線上に位
置しないように配置されるから、同一基準面(透明平板
の上面)から測定対象物上の3箇所までの距離を同時に
測ることができる。このことは、オートコリメータのよ
うな使い方を可能にする。すなわち、複数の測定点まで
の距離が等しくなるように測定対象物をセッティングす
ることにより、変位センサの基準面と測定対象物の測定
面とを並行にすることができる。
【0011】
【実施例】図1は、この発明の実施例である光学式変位
センサの構成を示す側面図及び平面図である。透明平板
5の上面には、ホログラムコリメートレンズ2及びホロ
グラム集光レンズ3が形成されている。また、透明平板
5の下面には半導体レーザ1及びPSD4が取り付けら
れている。半導体レーザ1は図外の駆動回路により駆動
され、発散光を上方に照射する。半導体レーザ1から照
射された光は透明平板5に入射し、ホログラムコリメー
トレンズ2により平行光に変換され、被検出物10に配
光される。被検出物10において反射した光の一部は、
ホログラム集光レンズ3により集束光に変換され、透明
平板5内に入射してPSD4の受光面上に反射光スポッ
トを形成する。PSD4は、受光面における反射光スポ
ットの集光位置に応じた電流をその両端において出力す
る。
【0012】上記の構成において被検出物10が図1
(A)に示す位置a→b→cと変位すると、被検出物1
0における反射光の受光レンズ3に対する入射角が変化
し、PSD4の受光面における反射光スポットの形成位
置もa´→b´→c´のように変化する。これにともな
ってPSD4の両端電流の値が変化する。したがって、
PSD4の両端電流を図外の信号処理回路において測定
することにより、被検出物10までの距離を測定するこ
とができる。
【0013】図2は、この発明の別の実施例に係る光学
式変位センサの平面図である。同図に示すように、透明
平板15の上面にはそれぞれ3個のホログラムコリメー
トレンズ2及びホログラム集光レンズ3が形成されてお
り、下面にはそれぞれ3個の半導体レーザ1及びPSD
4が取り付けられている。
【0014】以上のように構成された変位センサを用い
ることにより、例えば透明平板15の上面を基準面とし
て被検出物における3ヵ所との間の距離を同時に測定す
ることができる。したがって、単一の被検出物における
各測定距離が等しくなるように被検出物を水平に配置す
るオートコリメータに適用することができる。また、同
様の測定を複数の被検出物について行うことにより、こ
れら複数の被検出物を相互に平行になるように配置する
こともできる。更に、被検出物の表面形状を測定する表
面段差計にも適用することができる。
【0015】なお、透明平板15に形成及び取り付ける
ホログラムコリメートレンズ2、ホログラム集光レンズ
3、半導体レーザ1及びPSD4の個数は3個に限るも
のではない。
【0016】図3は、上記光学式変位センサの作成方法
を示す図である。まず、ガラス(BK7等)または樹脂
(PMMA等)製の透明平板5の上面に全面に亘ってレ
ジスト材料31塗布し(図3(A))、その上面に露光
用マスク32を載置して露光光を照射する(同図
(B))。このようにして同図(C)に示すようにレジ
スト膜33が形成された透明平板5に対して反応性イオ
ンエッチングを施すことにより、透明平板5の上面にホ
ログラムコリメートレンズ2及びホログラム集光レンズ
3が形成される(同図(D))。この透明平板5の下面
に半導体レーザ1及びPSD4を位置合わせを行い取り
付ける(同図(E))。この位置合わせの前に、予め紫
外線硬化樹脂を塗布しておき、位置合わせ後に紫外線を
照射することにより、透明平板5の下面に半導体レーザ
1及びPSD4を接着固定する。
【0017】上記露光用マスク32において、ホログラ
ムコリメートレンズ2及びホログラム集光レンズ3のレ
ンズパターンを正確に位置決めして作成するとともに、
PSD4の取付位置の基準となるマーカ35を2種類の
ホログラムレンズパターンに対する正確な位置に形成す
る。これによって反応性イオンエッチングが施された透
明平板5の上面には、ホログラムコリメートレンズ2及
びホログラム集光レンズ3とともにマーカ6がホログラ
ム集光レンズ3に対する適正な位置に形成される。PS
D4を透明平板5の下面に取り付ける際には、このマー
カ6によってPSD4を取り付けるべき位置を目視確認
することができ、PSD4を正確な位置に容易に固定で
きる。
【0018】なお、本実施例では半導体レーザ1はホロ
グラムコリメートレンズ2の垂直下方に位置しているた
め、半導体レーザ1の取り付けに際してはホログラムコ
リメートレンズ2の一部をマーカとして取付位置を決定
することができる。この場合には、ホログラムコリメー
トレンズ2が半導体レーザ1の取付位置を示すマーカと
なるが、半導体レーザ1の適正な取付位置がホログラム
コリメートレンズ2の垂直下方に位置しない場合には、
上記マーカ6と同様のマーカを反応性イオンエッチング
により作成することができる。
【0019】以上のようにして透明平板5の上面に形成
されるホログラムレンズは、入射した光線を任意の光線
に変換する機能を有するため、図4に示した従来例のよ
うに組合せレンズを用いる必要がなく、レンズの光軸に
対して大きく傾斜して入射する光も良好に集光すること
ができるため、透明平板5の同一面上に半導体レーザ1
及びPSD4を配置することができ、装置の小型化が実
現できる。また、被検出物10からの反射光の入射角変
化をPSD4の受光面上における反射光スポットの変化
として検出する場合には、反射光スポットの変位方向に
ついてのPSD4の取付位置を正確に決定する必要があ
るが、透明平板5におけるレンズの作成時にPSD4の
取付位置を示すマーカを同時に形成することにより、P
SD4の位置決めを正確且つ容易に行うことができる。
【0020】
【発明の効果】この発明によれば、透明平板の同一面上
の正確な位置に投光レンズ及び受光レンズを形成するこ
とができ、投光レンズ及び受光レンズの相対的な位置関
係を調整する必要がないとともに、装置の小型化を実現
できる利点がある。
【0021】また、透明平板の所定位置に発光素子及び
光位置検出素子を取り付けることにより、投光レンズ及
び受光レンズに対する発光素子及び光位置検出素子の相
対的な位置関係が一義的に固定されるため、これらの位
置関係を調整する必要が全くなく、変位センサの組立作
業を極めて容易にすることができる。
【0022】更に、透明平板の上面に発光素子及び光位
置検出素子の取付位置を表すマーカを形成することによ
り、発光素子及び光位置検出素子を適正な位置に正確且
つ容易に取り付けることができる。加えて、透明平板の
同一表面に投光レンズ及び受光レンズとしてホログラム
レンズを形成することにより、透明平板の表面に対して
投光レンズ及び受光レンズを容易に形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施例である光学式変位センサの側
面図及び平面図である。
【図2】この発明の別の実施例に係る光学式変位センサ
の平面図である。
【図3】この発明の実施例である光学式変位センサの作
成方法を示す図である。
【図4】従来の光学式変位センサの構成を示す側面図で
ある。
【符号の説明】
1−半導体レーザ(発光素子) 2−ホログラムコリメートレンズ(投光レンズ) 3−ホログラム集光レンズ(受光レンズ) 4−PSD 5−透明平板 6−マーカ 10−被検出物
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石原 武尚 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (56)参考文献 特開 平4−52619(JP,A) 特開 平5−93626(JP,A) 特開 昭63−193210(JP,A) 特開 平1−125823(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01C 3/06 G01B 11/00

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】単一または複数の発光素子と、発光素子か
    ら照射した光を被検出物に配光する投光レンズ及び被検
    出物における反射光を集光する受光レンズを前記発光素
    子と同数ずつ同一面に形成した単一の透明平板と、受光
    レンズを介して集光された反射光スポットの位置に応じ
    た検出信号を出力する前記発光素子と同数の光位置検出
    素子と、光位置検出素子の検出信号を処理する信号処理
    回路と、を設け、前記透明平板の所定位置に前記発光素
    子及び光位置検出素子を固定したことを特徴とする光学
    式変位センサ。
  2. 【請求項2】前記透明平板の透光レンズ及び受光レンズ
    が形成される面と同一面に、前記発光素子及び光位置検
    出素子の平面方向の取付位置を示すマーカを透光レンズ
    及び受光レンズと同時に形成した請求項1に記載の光学
    式変位センサ。
  3. 【請求項3】前記投光レンズ及び受光レンズが、透明平
    板の同一表面に形成されたホログラムレンズである請求
    項1または2に記載の光学式変位センサ。
  4. 【請求項4】前記発光素子、投光レンズ、受光レンズ、
    及び光位置検出素子は各々少なくとも3つで構成され、
    それぞれ、同一直線上に位置しないように配置したこと
    を特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載の光学式
    変位センサ。
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