JP5051525B2

JP5051525B2 - 変位計測システム

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Publication number: JP5051525B2
Application number: JP2007149721A
Authority: JP
Inventors: 定夫尾股; 嘉延村山
Original assignee: Nihon University
Current assignee: Nihon University
Priority date: 2007-06-05
Filing date: 2007-06-05
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2027-06-05
Also published as: JP2008304229A

Description

本発明は変位計測システムに係り、特に、光を用いて非接触的に被測定対象の変位を計測する変位計測システムに関する。

例えば、測定ステージを精密に移動させ、あるいはプローブの先端を精密に移動させる精密移動装置あるいは精密アクチュエータとして、リニアモータあるいはステッピングモータが用いられる。これらのモータの移動量、あるいは回転量を測定するものとしては、レーザ計測技術や、精密エンコーダ等が用いられる。

これらの計測は、相対的変位量の測定であるため、絶対変位量に換算するには、精密アクチュエータの移動原点位置を基準にすることが行われる。すなわち、精密アクチュエータに原点位置センサが設けられ、例えば、計測の最初、あるいはシステムに電源が投入されたとき等に、精密アクチュエータは原点位置センサによって設定される原点位置に移動し、そのときのレーザ計測値を原点とし、あるいは精密エンコーダの計測位置を原点とする。そして、実際の移動量は、この原点からの移動量として、絶対変位量を測定することになる。このように、計測の最初に精密アクチュエータを一旦原点位置に戻すことは、原点復帰と呼ばれ、そのために原点位置センサが用いられる。

例えば、特許文献１には、産業用制御器の絶対原点復帰方法として、主制御器が左右限界センサ及び中央センサにより感知される軸の位置信号に基づいて軸を中央に移動させておおよその絶対原点の位置を設定し、位置制御器が補間された短い時間間隔の位置制御周期にモータを制御し、モータから発生されるゼロパルスを検出して絶対原点を探すことが開示されている。これにより、絶対原点の位置は常に一定であり、ゼロパルスを検出する速度は主制御器に関らず位置制御器で決められるので、絶対原点復帰の時間が減る、と述べられている。

また、本発明に関連して、特許文献２には、位相シフト法を用いた光方式変位センサが開示されている。ここでは、発光素子と受光素子が、被測定対象に対向して設けられ、受光素子の出力端子に増幅器の入力端が接続され、増幅器と発光素子の入力端子との間には位相シフト回路が接続される。そして、位相シフト回路は、発光素子への入力波形と受光素子からの出力波形に位相差が生じる場合には、周波数を変化させてその位相差をゼロにシフトする機能を有する。このような構成において、発光素子−被測定対象−受光素子の光の経路を含めて、一つの閉ループ共振回路を構成するので、被測定対象が変位すると発光素子−被測定対象−受光素子の光の経路の長さに変化が生じ、これに伴って発光素子への入力波形と受光素子からの出力波形に位相差が生じ、位相シフト回路の機能により、位相差をゼロにするように周波数が変化する。このときの周波数偏差を変位量と対応させて、変位量が出力されることが述べられている。なお、位相シフト回路の詳細な内容は、特許文献３に開示されている。

特開平８−３３９２１２号公報特開２００３−１３９５６２号公報特開平９−１４５６９１号公報

上記のように、従来技術においては、精密移動機構の絶対変位量を計測するために、原点センサを用いて原点復帰が行われる。電源投入時等に一旦原点復帰が行われると、そのときの精密アクチュエータの状態が記憶され、その状態が計測の原点とされる。具体的には、例えばステッピングモータの駆動パルスの数が、原点復帰のときの状態をゼロとして設定され、移動量は、その状態からの駆動パルスの数によって計測される。

ところが、この原点復帰のときの状態は、一旦メモリに記憶されるが、電源がオフされると、その状態が消えてしまう。不揮発性のメモリを用いるにしても、原点センサの位置は、環境によって変動するので、その値を次の電源投入のときに再度用いると、移動量の計測精度が低下する。このために、精密アクチュエータにおいては、電源投入の都度、あるいは計測の都度、原点復帰が行われる。

特許文献２の位相シフト法を用いる変位センサは、周波数偏差に基づいて変位量を求めるので、原理的に原点センサを用いて原点復帰を行わなくてもよい。しかしながら、特許文献２の変位センサは、被測定対象の変位前の状態の閉ループの共振周波数と、変位後の状態の閉ループの共振周波数との間における周波数の差である周波数偏差から、変位量を求めるものであるので、変位前後の相対的変位量のみが高精度で求められる。特許文献２において絶対的変位量を求めるには、変位前の状態を計測原点とすることになるが、その場合には、被測定対象を変位前の状態に計測のつど戻すことになり、従来技術の原点復帰と変わらなくなる。

本発明の目的は、原点復帰を要せずに、絶対的変位量の計測を可能とする変位計測システムを提供することである。また、本発明の目的は、原点復帰を要せずに、絶対的変位量をさらに高精度で計測できる変位計測システムを提供することである。以下の手段は、上記目的の少なくとも１つに貢献する。

本発明に係る変位計測システムは、被測定対象に光を入射する発光素子と、被測定対象からの反射波を検出する受光素子と、受光素子の出力端に入力端が接続された増幅器と、増幅器の出力端と発光素子の入力端との間に設けられ、発光素子と受光素子との間の空間と増幅器と共に閉ループ回路を形成し、発光素子への入力波形と受光素子からの出力波形に位相差が生じるときは、その位相差について周波数を変化させてゼロにシフトさせ、閉ループ回路の共振を持続させる位相シフト回路と、閉ループ回路について、任意に定めた共振周波数を原点用基準周波数として記憶する不揮発性メモリと、被測定対象の変位により位相シフト回路によってシフトされた周波数と、原点用基準周波数との間の周波数偏差に基づいて、被測定対象の絶対変位量を出力する出力手段と、発光素子と受光素子との間に設けられる光遮蔽部であって、発光素子と受光素子との間を遮蔽する遮蔽高さが、変位量と周波数偏差との間の変換率の関数形が線形となる条件の下で設定される光遮蔽部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る変位計測システムは、被測定対象に向かい合う先端部に設けられ被測定対象に光を照射する照光部と、照光部と共に先端部に設けられ被測定対象からの反射光を受け取る受光部と、照光部に接続されて末端部に延びる照光用導光路と、受光部に接続されて末端部に延びる受光用導光路と、を有する光プローブと、光プローブの末端部に接続され、照光用導光路に光を入射する発光素子と、光プローブの末端部に接続され、受光用導光路から反射光を受け取る受光素子と、受光素子の出力端に入力端が接続された増幅器と、増幅器の出力端と発光素子の入力端との間に設けられ、発光素子と受光素子との間の空間と増幅器と共に閉ループ回路を形成し、発光素子への入力波形と受光素子からの出力波形に位相差が生じるときは、その位相差について周波数を変化させてゼロにシフトさせ、閉ループ回路の共振を持続させる位相シフト回路と、閉ループ回路について、任意に定めた共振周波数を原点用基準周波数として記憶する不揮発性メモリと、被測定対象の変位により位相シフト回路によってシフトされた周波数と、原点用基準周波数との間の周波数偏差に基づいて、被測定対象の絶対変位量を出力する出力手段と、光プローブの先端部の照光部と受光部との間に設けられる光遮蔽部であって、照光部と受光部との間を遮蔽する遮蔽高さが、変位量と周波数偏差との間の変換率の関数形が線形となる条件の下で設定される光遮蔽部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る変位計測システムにおいて、光プローブは、２軸の光ファイバであることが好ましい。

上記構成の少なくとも１つにより、変位計測システムは、位相シフト法によって変位量を計測する際、任意に定めた共振周波数を原点用基準周波数として記憶し、被測定対象の変位により位相シフト回路によってシフトされた周波数と、原点用基準周波数との間の周波数偏差に基づいて、被測定対象の絶対変位量を求める。これによって、原点復帰を要せずに、絶対的変位量の計測を可能となる。また、位相シフト法を用いるので、変位量の変化に伴う閉ループの位相変化を、位相シフト回路によって高精度測定が可能な周波数変化に置き換えることができる。したがって、原点復帰を要せずに、絶対的変位量をさらに高精度で計測することができる。
また、発光素子と受光素子との間に光遮蔽部を有する。これによって、発光素子と受光素子との間の光の干渉を抑制できる。また、光遮蔽部は、発光素子と受光素子との間を遮蔽する遮蔽高さが、変位量と周波数偏差との間の変換率の関数形が線形となる条件の下で設定される。これにより、変位量の算出がより容易になる。

また、上記構成の少なくとも１つによって、変位計測システムは、被測定対象に向かい合って照光部と受光部とを有し、照光部から照光用導光路が末端に延び、受光部から受光用導光路が末端に延びる光プローブを用いる。この光プローブの末端における照光用導光路には発光素子が、受光用導光路には受光素子がそれぞれ接続される。このような構成において位相シフト法によって変位量を計測する際、任意に定めた共振周波数を原点用基準周波数として記憶し、被測定対象の変位により位相シフト回路によってシフトされた周波数と、原点用基準周波数との間の周波数偏差に基づいて、被測定対象の絶対変位量を求める。これによって、原点復帰を要せずに、絶対的変位量の計測を可能となる。
また、光プローブは、先端に設けられる照光部と受光部との間に光遮蔽部を有する。これによって、照光部と受光部との間の光の干渉を抑制できる。また、光遮蔽部は、照光部と受光部との間を遮蔽する遮蔽高さが、変位量と周波数偏差との間の変換率の関数形が線形となる条件の下で設定される。これにより、変位量の算出がより容易になる。

また、位相シフト法を用いるので、変位の変化に伴う閉ループの位相変化を、位相シフト回路によって高精度測定が可能な周波数変化に置き換えることができる。したがって、原点復帰を要せずに、絶対的変位量をさらに高精度で計測することができる。

また、上記構成の光プローブを用いることで、被測定対象と変位量の演算部との間の配置の自由度が向上する。また、例えば、変位量の演算部には光プローブが接続されるのみであるので、例えば、計測システムにステッピングモータ等のアクチュエータを組み合わせる場合でも、変位量の演算部に対するアクチュエータからの磁界、電界等のノイズの影響を抑制することができ、絶対的変位量をさらに高精度で計測することができる。

また、変位計測システムにおいて、光プローブは、２軸の光ファイバであるので、実績のある要素を用いて、より高精度の変位量の計測ができる。

以下に本発明に係る実施の形態につき、図面を用いて詳細に説明する。以下では、被測定対象として、精密移動するマイクロプローブを説明するが、これは精密に移動する被測定対象の例であって、これ以外の一般的な移動する物体を被測定対象とすることができる。また、以下で説明する数値等は、説明のための例示であって、変位計測システムの仕様等に応じ適宜変更することができる。

図１は、変位計測システム１０の構成を説明する図である。ここでは、変位計測の被測定対象として、精密リニアモータ６の移動軸７に取り付けられ、軸方向に精密に移動制御可能なマイクロプローブ９に設けられた測定アーム８が示されている。マイクロプローブ９の移動方向は図１に双方向矢印で示されており、測定アーム８はマイクロプローブ９と一体となって移動する。したがって、測定アーム８の変位を計測することで、マイクロプローブ９の変位を検出することができ、その結果を精密リニアモータ６の制御部に戻して、フィードバック制御等を行うことができる。

変位計測システム１０は、測定アーム８に先端部が向かい合う光プローブ６０と、光プローブ６０の末端部に接続される本体部５０を含んで構成される。

光プローブ６０は、測定アーム８と本体部５０との間で、光を導く機能を有する２軸の光ファイバである。２軸のうち、１軸は本体部５０から光を測定アーム８に導く照光導光路６２であり、もう一方の１軸は測定アーム８から本体部５０に光を導く受光導光路６４である。照光導光路６２と受光導光路６４とは、被覆チューブ等で一体化され、導光性を損なわない範囲で適当に撓ませることができ、適当な固定台に固定される。例えば、精密リニアモータ６の筐体に固定することができる。照光導光路６２と受光導光路６４とは、それぞれの先端部が測定アーム８に向かい合うように配置される。なお、先端部は、測定アーム８に非接触の状態で配置される。

本体部５０は、光プローブ６０を介して、測定アーム８に光を照射し、測定アーム８からの反射光を受け取る受発光機能と、光を照射するための発光素子１２と反射光を検出するための受光素子１６とを用いて、位相シフト法によって測定アーム８の変位を算出し表示する演算機能とを有する。

本体部５０の受発光機能は、発光素子１２と、発光素子１２の駆動回路１４と、受光素子１６と、受光素子の駆動回路１８とを含む構成によって実現される。

発光素子１２は、電気信号によって発光する装置で、例えば、ＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｓｓｉｏｎＤｅｖｉｃｅ）等の発光半導体デバイスを用いることができる。発光素子１２は、光プローブ６０の照光導光路６２の末端部と光学的に接続され、発光素子１２から放射された光は照光導光路６２の末端部から内部に入り、先端部から放射されて、測定アーム８に光が照射される。

受光素子１６は、光に照射されることで電気信号を出力する装置で、例えばフォトダイオードあるいはフォトトランジスタ等の受光半導体デバイスを用いることができる。受光素子１６は、光プローブ６０の照光導光路６２と光学的に接続される。この場合には、測定アーム８から反射された光が受光導光路６４の先端部から内部に入り、末端部から放射されて、受光素子１６に光が照射される。

発光素子１２の駆動回路１４は、発光素子１２に適当な入力信号を印加して、発光素子１２を発光させるための回路である。受光素子１６の駆動回路１８は、光が照射されたときの受光素子１６から出力信号を取り出すための回路で、例えば適当な抵抗素子等を含む。

本体部５０の演算機能は、位相シフト法を用いる変位演算部２０と、変位演算部２０によって演算された変位量を表示する表示部５２を含む構成で実現される。

図２は、位相シフト法を用いる変位演算部２０に関する構成を説明する図である。ここでは、位相シフト法における閉ループを説明するため、被測定対象である測定アーム８、発光素子１２、発光素子１２の駆動回路１４、受光素子１６、受光素子１６の駆動回路１８が示されている。

なお、ここでは、図１で説明した光プローブ６０を省略してある。光プローブ６０は、発光素子１２、受光素子１６と測定アーム８との間で光を導くものであるので、変位計測上は、光プローブ６０の長さは関係なくなるためである。したがって、図１において光プローブ６０の先端と測定アーム８との間の変位、すなわち距離をＤとして示したが、図２では、発光素子１２、受光素子１６と、測定アーム８との間の距離がＤとして示してある。

図２に示される変位演算部２０は、受光素子１６からの出力信号を受け取る端子２２と、発光素子１２への入力信号を出す端子２４と、算出された変位量のデータを出力する端子２６とを有する。変位演算部２０の内部は、次のように構成される。

受光素子１６に接続される端子２２は、適当なＤＣカットコンデンサ３０を介して増幅器３２に接続され、増幅器３２の出力は、位相シフト回路３４に入力され、位相シフト回路３４の出力は、端子２４を介して発光素子１２に接続される。このようにして発光素子１２−（距離Ｄの空間）−被測定対象である測定アーム８−（距離Ｄの空間）−受光素子１６−増幅器３２−位相シフト回路３４−発光素子１２の閉ループが構成される。

そして、位相シフト回路３４から出力される閉ループの共振周波数は周波数偏差算出部３８に入力される。周波数偏差算出部３８は、不揮発性メモリに記憶された原点用基準周波数３６を用いて、位相シフト回路３４から入力された周波数と原点用基準周波数３６との間の周波数偏差を算出し、変位出力部４０に入力し、変位出力部４０は予め求めておいた相関関係に基づき周波数偏差を変位量に変換して、端子２６に出力する。端子２６は図１の表示部５２に接続され、表示部５２は、変位量を表示する。

増幅器３２は、受光素子１６によって検出された信号を適当に増幅する電子回路で、周知の増幅回路を用いることができる。なお、端子２２は、受光素子１６の駆動回路１８において、受光素子１６の出力信号が出力される端子と接続される。

上記のように、増幅器３２の出力は位相シフト回路３４に入力され、位相シフト回路３４の出力は、端子２４を介して発光素子１２に接続されるが、ここで、端子２４は、発光素子１２の駆動回路１４において、発光量を制御する信号が入力される端子と接続される。

位相シフト回路３４は、増幅器３２の出力端と発光素子１２の入力端との間に設けられ、発光素子１２と受光素子１６との間の距離Ｄの空間と増幅器３２と共に閉ループ回路を形成し、発光素子１２への入力波形と受光素子１６からの出力波形に位相差が生じるときは、その位相差について周波数を変化させてゼロにシフトさせ、閉ループ回路の共振を持続させる機能を有する。かかる位相シフト回路の詳細は、上記特許文献３に述べられている。

ここで、閉ループの動作と、位相シフト回路３４の作用について説明する。位相シフト回路３４の機能の１つは、増幅器３２と共に、距離Ｄの計測に適するように閉ループの共振を持続させることである。もう１つの機能は、距離Ｄの変化に応じて変化する閉ループの位相差を周波数差に変換することである。さらに、位相差から周波数差に変換する変換係数を任意に設定できる機能を有する。

最初に閉ループの発振について説明する。上記のように、各要素が接続されることで、発光素子１２−（距離Ｄの空間）−被測定対象である測定アーム８−（距離Ｄの空間）−受光素子１６−増幅器３２−位相シフト回路３４−発光素子１２の閉ループが構成される。この閉ループにおける信号の流れは以下の通りである。すなわち、発光素子１２に任意の入力信号が与えられると発光し、その光が距離Ｄの空間を通って測定アーム８に照射され、測定アーム８で反射され、反射された光が受光素子１６で検出されて、検出された光に応じた出力信号を出力する。この出力信号は増幅器３２と位相シフト回路３４を経て、再び発光素子に入力信号として与えられる。

したがって、発光素子１２と測定アーム８との間における距離Ｄの空間は、発光素子１２の入力電圧に応じた強度の光信号が伝送され、測定アーム８と受光素子１６との間における距離Ｄの空間は、反射後の強度の光強度が伝達される。このように、閉ループの中を光強度に対応する信号が伝送されるので、増幅器３２と位相シフト回路３４の条件を適当に設定することで、この光強度に関する信号について発振させることができる。

例えば、距離Ｄを伝送された光強度に対応する受光素子１６からの出力信号の位相を、発光素子１２への入力信号の位相と合わせるように、増幅器３２と位相シフト回路３４の条件を適当に設定することで、閉ループは設定された発振条件のもとで、例えばノイズをトリガとして発振する。このように、位相シフト回路３４の機能の１つは、増幅器３２とともに、閉ループにおいて、距離Ｄの計測に適した発振を持続させることである。

次に、閉ループの発振について、距離Ｄと位相差との関係を説明する。上記のように閉ループを構成して発振を持続させるように条件を設定しても、距離Ｄの変化に対する周波数変化はあまり多くない。しかし、周波数変化に比べると位相はかなり大きく変化する。距離Ｄの変化に対する位相の変化は次のようにして生じる。

一般的に、閉ループによって持続されている発振は、距離Ｄの大きさに応じてその共振周波数と位相が変化する。その変化は、次のようにして生じる。すなわち、発光素子１２から、ある強度の光が放射されると、距離Ｄの空間を通過して測定アーム８に到達する。測定アーム８の表面の光の強度は、距離Ｄの大きさに依存する。すなわち、距離Ｄが大きいほど、発光素子１２からの光放射体積が広がるので、測定アーム８の表面に到達する光エネルギの量が少なくなる。

測定アーム８の表面から反射された光は、距離Ｄの空間を通過して、受光素子１６に到達する。なお、測定アーム８の反射面はできるだけ滑らかとし、反射状態を良好にして、測定アーム８の表面状態等の物性の影響を抑制することが望ましい。例えば、測定アーム８に反射鏡を取り付けてもよい。

受光素子１６の表面に到達した光の強度は、距離Ｄの大きさに依存する。すなわち、距離Ｄが大きいほど、測定アーム８からの反射光の光放射体積が広がるので、受光素子１６に到達する光エネルギの量が少なくなる。すなわち、受光素子１６の出力信号が小さくなる。

上記のように、受光素子１６の出力信号は、増幅器３２、位相シフト回路３４を経て、発光素子１２の入力信号として戻される。したがって、このままでは発光素子１２の発光強度が低くなり、この低くなった発光強度をそのままにすると、再び受光素子１６の出力がさらに小さくなり、これを繰り返すと、ついには発光素子１２が発光しなくなることになる。閉ループの帰還は、発振を持続するように働くので、このようにはならず、受光素子１６の出力が低くなると、これを補償するように、発光素子１２の入力信号を大きくして、発振を持続させる。逆に距離Ｄが小さいときには、受光素子１６の出力信号が大きくなるが、発光素子１２の入力信号を小さくして、発振を持続するように働く。

このようにして、閉ループを構成することで、受光素子１６の出力信号と発光素子１２の入力信号とをバランスさせるようにして発振が持続する。このバランスは、発光素子への入力波形と受光素子からの出力波形との間の位相差をゼロにすることで行われるが、この位相差は、距離Ｄによって異なる。一般的には、距離Ｄが大きいほど、受光素子１６の出力信号と発光素子１２の入力信号との間の乖離が大きく、したがって位相差が大きくなる。このように、発光素子への入力波形と受光素子からの出力波形との間の位相差は、距離Ｄに依存して変化する。

位相シフト回路３４は、この位相の変化を周波数変化に変換する機能を有する。すなわち、位相シフト回路３４は、発光素子１２への入力波形と受光素子１６からの出力波形に位相差が生じるときは、その位相差について周波数を変化させてゼロにシフトさせる機能を有する。位相差をゼロにすることで、閉ループの発振が持続されることになる。

このように、位相シフト回路３４は、距離Ｄの変化によって生じる位相差を周波数変化に変換する機能を有する。ここで、位相差を周波数変化に変換する変換係数は、位相シフト回路３４の回路定数の設定によって適当に設定することが可能である。つまり、位相シフト回路３４の回路定数の設定によって、距離Ｄの変化に対する周波数変化量の感度を適当に設定することが可能である。このように、位相シフト回路３４は、距離Ｄの変化に対する周波数変化量の感度を任意に設定できる機能も有する。

以上で位相シフト回路３４の作用について説明したので、再び図２に戻る。図２において、周波数偏差算出部３８は、位相シフト回路３４の機能によって２つの変位状態における位相差をゼロとする周波数の変化の大きさを求める機能を有する。

ここで、周波数偏差算出部３８においては、予め記憶されている原点用基準周波数３６を用いて周波数偏差を求める。原点用基準周波数３６は、図２の構成の閉ループの共振周波数であれば、任意の距離Ｄのものでよい。原点用基準周波数３６は、不揮発性メモリに記憶され、変位計測システム１０の電源がオフされてもその値は消去されない。

このように、不揮発性メモリに記憶された原点用基準周波数３６を用いることで、周波数偏差算出部３８の計算がリアルタイムで簡単に実行できる。すなわち、被測定対象の測定アーム８が移動すると、その移動に応じて距離Ｄが変化し、位相シフト回路３４の機能により閉ループの共振周波数が変化する。その時々刻々の共振周波数を、原点用基準周波数３６と比較することで、周波数偏差がリアルタイムで算出できる。

従来技術では、移動前後の２つの共振周波数の間の偏差を求めており、また、不揮発性メモリに基準周波数を記憶していないので、システムの電源をオフすると、再び移動前後の２つの共振周波数の間の偏差を求める処理を行う必要がある。例えば、電源をオンしたときの最初は、測定アーム８を移動させ、移動前後の周波数から周波数偏差を算出した。つまり、一種の原点復帰を行っている。

上記のように、原点用基準周波数３６を不揮発性メモリに記憶することで、変位計測システム１０の電源をオフしても、その値は消去されず、再び電源をオンしたときに、その原点用基準周波数３６をそのまま用いることができる。すなわち、図２において、変位計測システム１０の電源をオンすると、そのときの測定アーム８の変位の状態、すなわち距離Ｄに対応する共振周波数が原点用基準周波数３６と比較されて、周波数偏差が求められる。このように、原点用基準周波数３６を用いることで、従来技術のような測定アーム８の移動は不要となる。つまり、原点復帰を要せず、そのまま、現在の状態について、原点用基準周波数に対する周波数偏差を求めることができる。

図２における変位出力部４０は、予め周波数偏差の大きさと距離Ｄの大きさの関係、すなわち周波数偏差の大きさと変位量の大きさとの間の関係を求めておき、これを周波数偏差から変位量への変換関係とし、この変換関係に基づいて、測定アーム８と、発光素子１２及び受光素子１６との間の距離である変位量を出力する機能を有する。変換関係は、予め実験等で求めておき、これを適当な記憶装置に記憶し、必要に応じ読み出すものとできる。

つぎに、実験によって求めた周波数偏差Δｆと距離Ｄとの関係の例を、図３と図４を用いて以下に説明する。以下では図１、図２の要素と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。また、以下では、図１、図２の符号を用いて説明する。

光を用いる閉ループにおいては、被測定対象である測定アーム８に対する光の照射状態、測定アーム８からの光の受光状態で、閉ループの共振周波数と距離Ｄの関係が影響を受ける。図３は、光プローブ６０の先端部において、照光導光路６２と受光導光路６４との間に光遮蔽部６６を設けた様子を示す図である。光遮蔽部６６は、適当な光吸収材あるいは光反射材を用いることができる。この光遮蔽部６６を設けることで、測定アーム８に対する照射光と、測定アーム８からの反射光の干渉を抑制することができる。その干渉の抑制特性は、光遮蔽部６６の高さＨによって異なることになる。

図４は、周波数偏差Δｆと距離Ｄの関係を実験で求めた１例を示す図である。ここで横軸は距離Ｄ、すなわち、図１において、光プローブ６０の先端部と測定アーム８の表面までの距離を示す。縦軸は、位相シフト回路３４を用いて位相差をゼロとするようにしたときの原点用基準周波数３６からの周波数偏差Δｆである。ここで、光遮蔽部６６を設けない場合の特性を、Ｈ＝０ｍｍとして破線で示し、光遮蔽部６６の高さをＨ＝０．３ｍｍとした場合の特性を実線で示してある。光遮蔽部６６の高さＨは、光プローブ６０の先端部から軸方向に沿った長さで示してある。

図４に示されるように、光遮蔽部６６を設けない場合は、距離Ｄが増加するにつれ、周波数偏差Δｆがなだらかに減少する。図４の例では直線領域はあまりない。これに対し、光遮蔽部６６を設けると、周波数偏差Δｆは、距離Ｄが小さい領域において距離Ｄが増加するにつれて減少し、一旦極小値になった後、距離Ｄが増加するにつれ、増加する傾向を示す。光遮蔽部６６の高さＨをさらに変化させてみると、高さＨを大きくするにつれ、破線で示した右下がり特性領域が距離Ｄの小さい領域に移動し、これに伴って、周波数偏差Δｆの極小値を示す距離Ｄも、高さＨを大きくすると、小さい距離側に移動することが分かっている。例えば、図４に示されるように、Ｈ＝０．３ｍｍでは周波数偏差Δｆが極小となる距離Ｄは、約０．３ｍｍであるが、Ｈ＝０．１ｍｍとすると、周波数偏差Δｆが極小となる距離Ｄが約１．２ｍｍとなり、Ｈ＝０．２ｍｍでは、周波数偏差Δｆが極小となる距離Ｄが約０．８ｍｍとなることが確かめられている。

このように、光遮蔽部６６の高さＨによって、周波数偏差Δｆと距離Ｄの相関関係は影響を受ける。変位計測においては、変位量、すなわち距離Ｄと周波数偏差Δｆとの間の変換率の関数形が線形となる範囲が広い方が好ましい。上記の例では、光遮蔽部６６を全く設けないときは直線領域が狭いが、Ｈ＝０．３ｍｍの場合は、直線領域を距離Ｄと周波数偏差Δｆとの間の変換率の関数形が直線となる領域をかなり広く取れる。したがって、図４の例では、光遮蔽部６６の高さＨ＝０．３ｍｍとすれば、距離Ｄが約０．５ｍｍから約１．１ｍｍの範囲で、直線形の変換率を用いることができ、変位量の算出が格段に容易になる。勿論、光遮蔽部６６を全く設けない場合でも、きれいな線形関数形であるので、この関数形を記憶することで変位量を算出することができる。

図４の例で、光遮蔽部６６の高さをＨ＝０．３ｍｍとするとき、直線部分は、距離Ｄが約０．５ｍｍから約１．１ｍｍの範囲で、周波数偏差Δｆが約１８０ｋＨｚから約２３０ｋＨｚである。したがって、この領域の変換率は、Ｄ／Δｆ＝０．６ｍｍ／５０ｋＨｚ＝１２ｎｍ／Ｈｚとなる。周波数カウンタで１Ｈｚの計測は高精度で容易に行うことが可能である。したがって、この例では、１２ｎｍの変位計測が、約０．６ｍｍの計測範囲で可能となる。

このように、上記構成によれば、原点復帰を要せずに、高精度の変位測定を広い計測範囲で行うことが可能となる。

本発明に係る実施の形態において、変位計測システムの構成を説明する図である。本発明に係る実施の形態において、位相シフト法を用いる変位演算部に関する構成を説明する図である。本発明に係る実施の形態において、光プローブの先端部の照光用導光路と受光用導光路部との間に光遮蔽部を設けた様子を示す図である。本発明に係る実施の形態において、周波数偏差と距離の関係を実験で求めた１例を示す図である。

符号の説明

６精密リニアモータ、７移動軸、８測定アーム、９マイクロプローブ、１０変位計測システム、１２発光素子、１４，１８駆動回路、１６受光素子、２０変位演算部、２２，２４，２６端子、３０ＤＣカットコンデンサ、３２増幅器、３４位相シフト回路、３６原点用基準周波数、３８周波数偏差算出部、４０変位出力部、５０本体部、５２表示部、６０光プローブ、６２照光導光路、６４受光導光路、６６光遮蔽部。

Claims

被測定対象に光を入射する発光素子と、
被測定対象からの反射波を検出する受光素子と、
受光素子の出力端に入力端が接続された増幅器と、
増幅器の出力端と発光素子の入力端との間に設けられ、発光素子と受光素子との間の空間と増幅器と共に閉ループ回路を形成し、発光素子への入力波形と受光素子からの出力波形に位相差が生じるときは、その位相差について周波数を変化させてゼロにシフトさせ、閉ループ回路の共振を持続させる位相シフト回路と、
閉ループ回路について、任意に定めた共振周波数を原点用基準周波数として記憶する不揮発性メモリと、
被測定対象の変位により位相シフト回路によってシフトされた周波数と、原点用基準周波数との間の周波数偏差に基づいて、被測定対象の絶対変位量を出力する出力手段と、
発光素子と受光素子との間に設けられる光遮蔽部であって、発光素子と受光素子との間を遮蔽する遮蔽高さが、変位量と周波数偏差との間の変換率の関数形が線形となる条件の下で設定される光遮蔽部と、
を備えることを特徴とする変位計測システム。
被測定対象に向かい合う先端部に設けられ被測定対象に光を照射する照光部と、照光部と共に先端部に設けられ被測定対象からの反射光を受け取る受光部と、照光部に接続されて末端部に延びる照光用導光路と、受光部に接続されて末端部に延びる受光用導光路と、を有する光プローブと、
光プローブの末端部に接続され、照光用導光路に光を入射する発光素子と、
光プローブの末端部に接続され、受光用導光路から反射光を受け取る受光素子と、
受光素子の出力端に入力端が接続された増幅器と、
増幅器の出力端と発光素子の入力端との間に設けられ、発光素子と受光素子との間の空間と増幅器と共に閉ループ回路を形成し、発光素子への入力波形と受光素子からの出力波形に位相差が生じるときは、その位相差について周波数を変化させてゼロにシフトさせ、閉ループ回路の共振を持続させる位相シフト回路と、
閉ループ回路について、任意に定めた共振周波数を原点用基準周波数として記憶する不揮発性メモリと、
被測定対象の変位により位相シフト回路によってシフトされた周波数と、原点用基準周波数との間の周波数偏差に基づいて、被測定対象の絶対変位量を出力する出力手段と、
光プローブの先端部の照光部と受光部との間に設けられる光遮蔽部であって、照光部と受光部との間を遮蔽する遮蔽高さが、変位量と周波数偏差との間の変換率の関数形が線形となる条件の下で設定される光遮蔽部と、
を備えることを特徴とする変位計測システム。
請求項２に記載の変位計測システムにおいて、光プローブは、２軸の光ファイバであることを特徴とする変位計測システム。