JPH04220505A - 変位検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被検物体の変位方向の
検出、或いはその変位方向及びその変位量の両方の検出
が可能な変位検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、相対的に変位する２物体間の変位
計測においては、一方の物体に光源等を設け、他方の物
体に分割フォトダイオード等の半導体光位置センサや撮
像装置を設けていた。例えば４分割ダイオードを用いた
センサでは、一方の物体に取り付けられた光源からのス
ポット光がゼロ点から４象限のいずれかの光検出領域に
変位すると、この光検出領域から検出信号が出力される
。スポット光がゼロ点に変位するよう４分割ダイオード
を変位させるならば、２物体間の相対的変位の方向及び
量が検出される。また、撮像装置では、光源の全画像が
取り込まれ、その画像の移動を検出することによって２
物体間の相対的変位を検出していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の４分割
ダイオードを用いたセンサではスポット光を使用するた
め、スポット光の変位可能な範囲がセンサの受光領域に
限られていた。つまり、スポット光がセンサの入射光学
系の開口領域を逸脱し、或いは４分割ダイオードの検出
領域を逸脱すると、もはや変位計測が不可能になってい
た。従って、スポット光の変位範囲に合わせて４分割ダ
イオードの検出領域を拡張し、或いはセンサの入射光学
系の口径を大きくする等の必要があった。また上記の撮
像装置では、検出信号のＳ／Ｎ比、処理速度等に問題が
あった。

【０００４】そこで本発明は、検出領域が広く、処理が
簡易な変位検出装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明に係る変位検出装置にあっては、（ａ）光軸
の中心からその周辺にかけて光強度が漸減する光束を発
生する投光手段と、（ｂ）所定点を挟むように配置され
た２対の光検出領域を備えるとともに、投光手段に対向
し、投光手段からの光束を光検出領域のすべてで一時に
受光可能な光検出手段と、（ｃ）光検出手段の光検出領
域からの検出光量を各対ごとに比較し、光検出手段上に
投光された光束の中心の所定点に対する変位方向を２次
元的に検出する方向検出手段とを備えることとしている
。

【０００６】

【作用】上記の変位検出装置によれば、光検出手段の光
検出領域からの検出光量が各対ごとに比較される。した
がって、光束が所定点に入射した場合、一方の対の光検
出領域で検出される検出光量は等しいか、或いは所定の
比率になっている。また、他方の対の光検出領域で検出
される検出光量も等しいか、或いは所定の比率になって
いる。しかし、光束が所定点以外の点に入射した場合、
光検出領域の各対で検出される検出光量は等しくなくな
るか、或いは所定の比率からずれる。このようなアンバ
ランスがいずれの方向に生じたかを方向検出手段によっ
て判別すれば、光検出領域の各対が並ぶ２方向に関する
光束の変位方向を検出することができる。したがって、
光源および光検出手段を相対的に変位する２物体の各々
に固定するならば、２物体の相対的変位を検出できる。

【０００７】上記の変位検出装置において、光検出手段
を方位検出手段の検出した変位方向に移動させる駆動手
段と、駆動手段の駆動量を検出する駆動量検出手段とを
更に設けるならば、駆動量検出手段の検出する駆動量に
基づいて２物体の相対的変位量をも検出できる。

【０００８】上記の変位検出装置において、投光手段と
光検出手段との間にズームレンズその他の結像手段を更
に設けるならば、変位検出の領域と感度とを所望の値に
設定できる。

【０００９】

【実施例】以下に、本発明に係る変位検出装置の実施例
について図面を参照しつつ説明する。

【００１０】図１は第１実施例の変位検出装置の構成を
示した図である。光検出装置４は相対的変位を検出すべ
き２物体の一方に固定される。この光検出装置４の表面
には、中央点４１を挟んでＸ軸方向に並ぶ１対の変位セ
ンサ素子４ａ、４ｂと、中央点４１を挟んでＹ軸方向に
並ぶ１対の変位センサ素子４ｃ、４ｄとが設けられてい
る。これら２対の変位センサ素子４ａ、４ｂ、４ｃ，４
ｄは、２対の光検出領域に対応する。投光手段である発
光ダイオード２は、相対的変位を検出すべき２物体の他
方に固定される。発光ダイオード２から発生される光束
は、光軸６からの傾き角が大きくなるにしたがって漸減
する放射パターンを有する。したがって、光検出装置４
に投影される光束の像は、中央点４１を通る光軸６から
その周辺にかけて漸減する光強度分布８を有する。

【００１１】図２は発光ダイオード２からの光束が光検
出装置４の表面上に投影された場合の光強度分布８を示
したものである。光強度分布８ａ、８ｂは、Ｘ軸および
Ｙ軸に投影した光強度分布である。図示のように、発光
ダイオード２の光出力の多くはその軸の中心近傍に局在
する。したがって、光軸を離れるに従ってその強度が減
少する。

【００１２】図３は方向検出手段である方向検出回路の
構成を示す。１対の変位センサ素子４ａ、４ｂからの信
号出力は、差動増幅器１０の入力端子に接続され、これ
らの信号出力の大小に応じた出力が出力端子ＯＵＴ１か
ら出力される。つまり、１対の変位センサ素子４ａ、４
ｂで検出される信号出力が等しくなると、差動増幅器１
０の出力ＯＵＴ１はゼロとなる。また、１対の変位セン
サ素子４ａ、４ｂからの信号出力が等しくなくなると、
差動増幅器１０の出力端子ＯＵＴ１は正又は負となる。 他の１対の変位センサ素子４ｃ、４ｄからの信号出力も
、差動増幅器１０と同様の差動増幅器１２の入力端子に
接続される。したがって、１対の変位センサ素子４ｃ、
４ｄからの信号出力の大小に応じた出力が出力端子ＯＵ
Ｔ２から出力される。

【００１３】以下に、第１実施例の変位検出装置の動作
について説明する。

【００１４】第１図のように、発光ダイオード２の光軸
６が中央点４１と一致しているときは、１対の変位セン
サ素子４ａ、４ｂで検出される信号出力が等しくなり、
差動増幅器１０の出力端子ＯＵＴ１はゼロとなる。発光
ダイオード２が変位しその光軸６が中央点４１に対して
Ｘ軸の正方向に変位すると、変位センサ素子４ｂからの
出力は増大し、変位センサ素子４ａからの出力は減少す
る。したがって、差動増幅器１０の出力端子ＯＵＴ１は
正の値となる。逆に、発光ダイオード２が変位しその光
軸６が中央点４１に対してＸ軸の負方向に変位すると、
差動増幅器１０の出力端子ＯＵＴ１は負となる。つまり
、差動増幅器１０の出力端子ＯＵＴ１は、発光ダイオー
ド２の光軸６のＸ軸方向に関する変位方向を示す。

【００１５】以上では、発光ダイオード２の光軸６がＸ
軸の正負の方向に変位する場合について述べたが、発光
ダイオード２の光軸６がＹ軸の正負の方向に変位した場
合にも同様にその変位の方向を検出することができる。 この場合、発光ダイオード２の変位する方向は差動増幅
器１２の出力ＯＵＴ２の出力の正負によって与えられる
。発光ダイオード２が変位しその光軸６が中央点４１に
対してＹ軸の正方向に変位すると、差動増幅器１２の出
力端子ＯＵＴ２は正の値となる。逆に、発光ダイオード
２が変位しその光軸６が中央点４１に対してＹ軸の負方
向に変位すると、差動増幅器１２の出力端子ＯＵＴ２は
負の値となる。したがって、差動増幅器１２の出力ＯＵ
Ｔ２は、発光ダイオード２の光軸６のＹ軸方向に関する
変位方向を示す。

【００１６】上記実施例の変位検出装置によるならば、
発光ダイオード２からの光束をスポット状にする必要が
ないので、検出領域を広くすることができる。つまり、
発光ダイオード２の光軸６が光検出装置４から外れても
、２対の変位センサ素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄのいず
れかで発光ダイオード２からの光が検出される限り、発
光ダイオード２の光軸６の変位の方向を検出できるから
である。

【００１７】上記実施例において、変位方向のみならず
変位量を検出してもよい。図４は発光ダイオード２の光
軸６の変位量と出力端子ＯＵＴ１、ＯＵＴ２の出力との
関係を示す。Ｘ軸およびＹ軸の各方向の変位量が少なく
、変位量と出力との間の直線性がよい場合、出力端子Ｏ
ＵＴ１、ＯＵＴ２の出力の比を考えるならば、Ｘ軸およ
びＹ軸の各方向の変位量を独立変数と考えることができ
る。したがって、発光ダイオード２の光軸６が中央点４
１に対してＸ軸方向に変位しかつＹ軸方向に変位しても
、出力端子ＯＵＴ１、ＯＵＴ２からの出力比に基づいて
、発光ダイオード２の光軸６の各方向に関する変位量を
算出できる。

【００１８】発光ダイオードとしては、円錐形その他の
様々な光放射パターンを有するものの使用が可能である
。図５は発光ダイオード（浜松ホトニクスＬ１９１５（
商品名））の光放射パターンの一例を示したものである
。図５（ａ）は発光ダイオードの窓を樹脂窓とした場合
の光放射パターンを示したものであり、図５（ｂ）は発
光ダイオードの窓をガラスレンズ窓とした場合の光放射
パターンを示したものであり、図５（ｃ）は発光ダイオ
ードの窓をガラス窓とした場合の光放射パターンを示し
たものである。なお、周囲の角度は光軸からの傾き角を
示し、パーセント表示は相対光出力分布を示す。これら
すべての発光ダイオードを投光手段として使用すること
ができる。ただし、図５（ｂ）および図５（ｃ）の発光
ダイオードの場合、光軸からの傾き角が所定値を超えて
増加すると発光ダイオードからの光出力が増加に転ずる
ので、この傾き角を超えて使用することはできない。

【００１９】さらに、発光ダイオードにかえてガスレー
ザ、半導体レーザ等を使用することもできる。これらの
投光手段は、一般に光軸を中心としたガウス分布型の放
射パターンを有するからである。

【００２０】さらに、発光ダイオード２の光軸６と中央
点４１とが一致している場合に、２対の変位センサ素子
で検出される信号出力が一定の比になるようにしてもよ
い。この場合、各変位センサ素子につながれた負荷抵抗
の値を適当な比に調節すればよい。

【００２１】さらに、光検出装置４を方向検出回路の検
出した変位方向に移動させるＸ−Ｙステージ上に配置し
てもよい。この場合、Ｘ−Ｙステージの各方向の駆動量
を検出するならば、この駆動量に基づいて２物体の相対
的変位量を検出することができる。

【００２２】さらに、上記の変位検出装置において、投
光手段と光検出手段との間にズームレンズその他の結像
手段を更に設けるならば、変位検出の領域と感度とを所
望の値に設定できる。

【００２３】さらに、変位センサ素子としては、フォト
ダイオード等の固体受光装置その他の光電変換装置を使
用することができる。

【００２４】さらに、発光ダイオード２の移動方向では
なく、回転方向を変位方向として検出してもよい。

【００２５】図６は第２実施例の変位検出装置の構成を
示した図である。光検出装置４は相対的変位を検出すべ
き２物体の一方に固定される。この光検出装置４の表面
には、９個の変位センサ素子１４ａ〜１４ｉがマトリッ
クス状に並ぶ。この場合、隣接する２対の変位センサ素
子が一単位となって変位検出装置を構成するとともに、
９個の変位センサ素子全体でも変位検出装置を構成する
。投光手段である発光ダイオード２は、相対的変位を検
出すべき２物体の他方に固定される。また、発光ダイオ
ード２側にはレンズ１２が設けられている。図示の場合
、発光ダイオード２の光軸６が光検出装置４の中心を通
る法線１６と一致していない。したがって、発光ダイオ
ード２からの光束は、レンズ１２によって集光されて光
検出装置４上の点線で示した位置に光像１８として入射
する。この光像１８は光軸６が通る点からその周辺にか
けて漸減する光強度分布を有する。

【００２６】変位検出装置の各変位センサ素子１４ａ〜
１４ｉからの信号出力に基づいて発光ダイオード２の変
位を検出するための回路は、図３に示す方向検出回路と
同様のものを使用する。ただし、この場合隣接する２対
の変位センサ素子が一単位となっているので、各単位ご
とに図３の方向検出回路が接続される。具体的には、例
えば変位センサ素子１４ａ、１４ｂ、１４ｄ、１４ｅを
一単位として、これらの変位センサ素子に図３の方向検
出回路が接続される。したがって、中央の光検出領域１
４ｅは、４つの差動増幅器に接続されることとなる。

【００２７】隣接する２対の変位センサ素子を一単位と
する変位検出の動作は、第１実施例の場合と同様である
。したがって、隣接する変位センサ素子ごとに変位の方
向の検出が可能になる。

【００２８】この場合、隣接する２対の変位センサ素子
で得られた信号出力の強度差から変位量を算出してもよ
い。

【００２９】また、全変位センサ素子１４ａ〜１４ｉか
ら得られた信号出力を比較して、最大のものから４番目
までの変位センサ素子を選択し、これらの値の強度差か
ら変位の方向および量を検出してもよい。

【００３０】

【発明の効果】本発明の変位検出装置によれば、２対の
光検出領域で検出される検出光量のアンバランスを判別
し、光検出領域の各対が並ぶ２方向に関する光源から投
光される光束の変位方向を簡易に検出することができる
。また、光軸から周辺かけて漸減する光束を２対の光検
出領域のいずれか１つが検出する限り光束の変位を検出
することができるので、光検出領域を広くすることなく
その検出領域若しくは測定可能領域を広くすることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る変位検出装置の斜視
図である。

【図２】図１の投光手段の放射パターンである。

【図３】図１の変位検出装置の変位検出回路である。

【図４】図３の変位検出回路の出力特性である。

【図５】投光手段である別の発光ダイオードの放射パタ
ーンである。

【図６】本発明の第２実施例に係る変位検出装置の斜視
図である。

【符号の説明】

２…投光手段 ４…光検出手段 ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ…光検出手段 ６…投光手段の光軸

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　光軸の中心からその周辺にかけて光強
   度が漸減する光束を発生する投光手段と、所定点を挟む
   ように配置された２対の光検出領域を備えるとともに、
   前記投光手段に対向し、該投光手段からの光束を前記光
   検出領域のすべてで一時に受光可能な光検出手段と、前
   記光検出手段の前記光検出領域からの検出光量を各対ご
   とに比較し、前記光検出手段上に投光された前記光束の
   中心の前記所定点に対する変位方向を２次元的に検出す
   る方向検出手段と、を備える変位検出装置。
2. 【請求項２】　　前記光検出手段を前記方位検出手段の
   検出した変位方向に移動させる駆動手段と、該駆動手段
   の駆動量に基づいて駆動量を検出する駆動量検出手段と
   を更に備えることを特徴とする請求項１記載の変位検出
   装置。
3. 【請求項３】　　前記投光手段と光検出手段との間に結
   像手段を更に設けたことを特徴とする請求項１記載の変
   位検出装置。
4. 【請求項４】　　前記結像手段はズームレンズであるこ
   とを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。