JPH05113314A - 変位センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 鏡面を有する被測定物の変位でも線形出力で
検出するようにする 【構成】 ＬＤ３から被検出物４の表面に対して斜めに
検出光（投射光）を投射させ、その被検出物４表面で反
射され、ピンホール１１を通過した反射光が受光面を検
出光の光軸と平行な状態で配設されたＰＳＤ７で検出さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被測定物の変位を検出
する変位センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】被測定物の変位を検出する従来の変位セ
ンサの一例の構成を図１２および図１３に示す。図１２
において、基台１上には第１の支持部材２を介して発光
手段であるレーザダイオードＬＤ３と、そのＬＤ３から
発する光を平行光として被測定物４をほぼ垂直に照射す
るフレネルレンズで構成された投光用レンズ５とが設け
られている。また基台１上には第２の支持部材６を介し
て、位置検出手段である位置検出素子（ＰＳＤ）７がそ
の受光面をＬＤ３の光軸と平行にして設けられている。

【０００３】そして被測定物４から反射された散乱光は
投光用レンズ５と一体にフレネルレンズで構成された受
光用レンズ８により集光されてＰＳＤ７の受光面に入射
するようになっている。また、前述の各部材は基台１上
に設けられたケース９内に収納されており、ケース９の
上面には入射光および反射光が透過する透明ガラス１０
が設けられている。

【０００４】このように構成された従来の変位センサに
おいて、図１３に示すように受光用レンズ８の中心をＣ
としたとき、被測定物４が記号Ｂの位置から記号Ａの位
置まで変位したとすると、反射光はＰＳＤ７上で記号ｂ
の位置から記号ａの位置に移動する。このときＬＤ３の
光軸とＰＳＤ７の受光面とは平行であるので、三角形Ａ
ＢＣと三角形ａｂｃとは相似形となる。従ってＡＢ／ａ
ｂは常に一定となり、ＰＳＤ７からの出力は被測定物４
の変位に対して線形となる。この結果、線形補正回路は
不要となる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
変位センサによると、ＬＤ３から発する光は被測定物４
に対してほぼ垂直に投光するため、被測定物４が鏡面の
場合に反射光は再びＬＤ３に戻り、ＰＳＤ７に入射せ
ず、被測定物４の変位を検出することができないという
問題がある。

【０００６】本発明はこのような状況に鑑みてなされた
のもので、鏡面を有する被測定物の変位でも線形出力で
検出するようにするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の変位セ
ンサは、被測定物４の表面に対して斜めに検出光を投射
させるための発光素子としてのＬＤ３と、被測定物４の
表面で反射された反射光を通過させるためのピンホール
１１と、受光面が前記検出光の光軸と平行となるように
配置され、ピンホール１１を通過した反射光を受光する
光位置検出器としてのＰＳＤ７とで構成したものであ
る。

【０００８】請求項２に記載の変位センサは、被測定物
４の表面に対して斜めに検出光を投射させるためのＬＤ
３と、被測定物４の表面で反射された反射光を通過させ
るためのピンホール１１と、受光面が被測定物４の表面
の法線軸と平行に配置され、ピンホール１１を通過した
反射光を受光するＰＳＤ７とで構成したものである。

【０００９】請求項３に記載の変位センサは、被測定物
４の表面に対して斜めに検出光を投射させるためのＬＤ
３と、被測定物４の表面で反射された反射光を通過させ
る集光素子としての受光用レンズ８と、被測定物４の表
面の法線軸と平行に配置され受光用レンズ８によって集
光された反射光を受光するＰＳＤ７とで構成したもので
ある。

【００１０】請求項４に記載の変位センサは、請求項３
に記載の変位センサにおいて、集光素子としての受光用
レンズ８をその光軸が検出光の光軸と垂直となるように
配設したものである。

【００１１】請求項５に記載の変位センサは、請求項１
乃至請求項４に記載した変位センサにおいて、アクチュ
エータ４２に連動する平板４１を設け、その平板４１を
ＬＤ３から投射された光を反射させる反射板とすること
を特徴とする。

【００１２】

【作用】請求項１に記載の変位センサは、ＬＤ３から被
検出物４の表面に対して斜めに検出光（投射光）を投射
させ、その被検出物４の表面で反射され、ピンホール１
１を通過した反射光が、受光面を検出光の光軸と平行な
状態で配設されたＰＳＤ７で検出される。

【００１３】請求項２に記載の変位センサは、ＬＤ３か
ら被検出物４の表面に対して斜めに検出光を投射させ、
その被検出物４の表面で反射されピンホール１１を通過
した反射光が、受光面を被測定物４の表面の法線軸と平
行に配設されたＰＳＤ７で検出される。

【００１４】請求項３に記載の変位センサは、ＬＤ３か
ら被検出物４の表面に対して斜めに検出光を投射させ、
その被検出物４の表面で反射され受光用レンズ８を通過
した反射光が、受光面を被測定物４の表面の法線軸と平
行に配設されたＰＳＤ７で検出される。

【００１５】請求項４に記載の変位センサは、ＬＤ３か
ら被検出物４の表面に対して斜めに検出光を投射させ、
その被検出物４の表面で反射されその光軸が検出光の光
軸と垂直となるように配設された受光用レンズ８を通過
した反射光が、受光面を被測定物４の表面の法線軸と平
行に配設されたＰＳＤ７で検出される。

【００１６】請求項５に記載の変位センサは、請求項１
乃至請求項４に記載した変位センサにおいて、アクチュ
エータ４２に連動する平板４１で反射された反射光がセ
ンサ３７で検出され、スイッチ４４を駆動する。

【００１７】

【実施例】図１は本発明の変位センサの一実施例の構成
を示す側面図である。図１において、従来例の部分と対
応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適
宜省略する。本実施例の特徴は、ＬＤ３の光軸に対して
被測定物４を傾斜させ、かつＰＳＤ７の受光面に対向し
て反射光のビーム形を制限するビーム径制限手段である
ピンホール１１を設けたことである。

【００１８】次に図１及び図２を参照して本実施例の作
用を説明する。被測定物４はその変位によって表面が記
号Ｌ，Ｍ，Ｎで示す位置に平行移動するとものとする。
ＬＤ３から発する光は投光用レンズ５により投光ビーム
２１、２２で表されるような異なる角度で被測定物４を
照射し、記号Ｍの位置にある被測定物４の表面４Ｍ上に
合焦する。そして投光ビーム２１、２２がそれぞれ被測
定物４が変位したとき、被測定物４の表面４Ｌ，４Ｍ，
４Ｎで反射し、反射ビーム２１Ｌ，２１Ｍ，２１Ｎおよ
び、２２Ｌ，２２Ｍ，２２Ｎとなる。

【００１９】ここで、斜線で示す反射ビーム２１Ｌと２
２Ｎとで囲まれた部分は、被測定物４がＬ，Ｍ，Ｎのど
の位置にあっても反射光が存在する領域である。この領
域内にピンホール１１が設けてあり、ピンホール１１を
介して反射光は細いビームとなってＰＳＤ７に入射す
る。

【００２０】ＰＳＤ７は入射ビームの重心を測定するの
で、ビームがある程度広がっていても高精度に入射ビー
ムの位置を検出することができる。従って受光用レンズ
を必要とせず、適当な大きさのピンホール１１を設ける
だけでよい。なお、ＰＳＤ７の受光面はＬＤ３の光軸と
平行なので、図１２、図１３に示す従来例の場合と同様
に線形補正回路なしで線形出力が可能となる。

【００２１】本実施例の変位センサによれば、被測定物
４の表面がＬＤ３の光軸に対して傾斜しているので、被
測定物４の表面が鏡面であっても反射光をＰＳＤ７に入
射することができ、しかも検出光の光軸とＰＳＤ７の受
光面がほぼ平行であるので、被測定部の変位を線形出力
で検出することができる。また、従来必要であった受光
用レンズが不要となるので、部品点数を削減し、アライ
メントを不要とすることができるためコストの低減をは
かることができる。

【００２２】図３に本発明の変位センサの第２の実施例
の構成を示す。図３において、図１に示す実施例の部分
と対応する部分には同記号を付してあり、その説明は適
宜省略する。本実施例はＬＤ３の発光面に設けられた投
光用のレンズ５の前面にマスク３１を設け、マスク３１
の中心でＬＤ３の光軸上に位置する部分にピンホール３
２を形成したものである。またＰＳＤ７の受光面に対向
する位置におけるケース９には、被測定物４からの反射
光が入射する開口部３３が設けられている。

【００２３】次に本実施例の作用を図３及び図４を参照
して説明する。ＰＤ３から発する光はピンホール３２に
よってビーム径の小さい平行光の投光ビーム３４となっ
て被測定物４を照射する。このとき被測定物４がＬ，
Ｍ，Ｎで示す位置に変位するとそれぞれの反射ビームは
３４Ｌ，３４Ｍ，３４Ｎで示す位置に反射される。これ
らのビーム位置をＰＳＤ７で検出する。

【００２４】上記実施例によっても図１に示す実施例と
同様の効果を得ることができる。なお、ピンホール１
１、３２の形状は特に限定されない。

【００２５】図６に本発明の変位センサの第３の実施例
の構成を示す。本実施例はＬＤ３が被測定物４を斜めに
照射しその反射光が受光用レンズ８を介して法線３５と
平行に配設されたＰＳＤ７に受光されるようになってい
る。

【００２６】図５に示すように、投射光ビームは記号２
１、２２で示す有限の大きさを持っており記号Ｍで示す
基準位置に焦点を結び、被測定物４が記号ＬあるいはＮ
の位置に変位したときでも反射光は点線で示す法線３５
上の記号ａ，ｂで示す位置で交差している。図からわか
るように被測定物４の位置は法線軸上で変位していると
見なすことができる。

【００２７】したがって、図６（ａ）に示すようにＰＳ
Ｄ７の受光面を法線３５と平行にすれば△ＡＢＯと△ａ
ｂｏとは相似になり、線形補正回路なしに線形出力が可
能になる。

【００２８】図６（ｂ）は他の実施例であり、レンズの
位置を（ａ）のように水平ではなく垂直にしたものであ
り、図６（ｃ）は受光用レンズ８をピンホール１１に変
えたものであり、被測定物４の距離が近い場合は受光用
レンズ８の代わりにピンホール１１でも同等の性能を得
ることができる。

【００２９】以上のものはＬＤ３等によって集光あるい
はコリメートした光を被測定物４に投光し、その反射光
をＰＳＤ７によって検出しているが、前述したようにＰ
ＳＤ７は入射光ビームの重心を測定するので、投射光ビ
ームに強度分布があるとその影響を受け、感度特性の直
線性が悪くなる。

【００３０】これを解決するには図７に示すように、透
明樹脂板の表面を荒らす等した拡散板３６を介してＬＤ
３から発し、投光用レンズ５を通過した投射光を拡散す
ればよい。このようにすれば拡散板３６によって投射光
のビーム強度分布は均等になり、ビームの重心を測定し
ても安定した感度特性が得られる。図８（ａ）は拡散板
３５を使用しない場合であり、記号Ａで示す部分は波打
っており、線形領域は狭くなっているが、拡散板３６を
使用した例では（ｂ）に示すように波打った部分がな
く、線形領域が広くなっている。

【００３１】以上の例は被測定物４に斜めに投射光を照
射するためＬＤ３の取り付け位置を工夫していた。この
ことによって被測定物４の表面が鏡面であっても位置測
定が可能になった。しかし、鏡面用のセンサと拡散面用
のセンサの双方を用意することは経済性がよくない。そ
こで図９に示すものは拡散面用のセンサをそのまま鏡面
用に流用できるように工夫したものである。このため拡
散面用のセンサ３７にアダプタ３８を取り付け、そのア
ダプタ３８の上面が測定基準面となるように取り付ける
ものである。このアダプタ３８はＬＤ３用の穴３８ａと
ピンホール１１用の穴３８ｂが穿設されており、投射光
および反射光はそれらの穴を通過するようなっている。

【００３２】図９（ｃ）はこのようにして鏡面であるシ
リコンウェーハの位置変位を測定したものであり、良好
な線形信号が得られている。

【００３３】図１０は更に他の実施例であり、検出光で
ある投射光３９の光軸に対して受光用レンズ８の光軸４
０を垂直に配置したものである。このように構成するこ
とによって、被測定物４からの反射光が常にそのＰＳＤ
７の受光面で焦点を結ばせるようにそのＰＳＤの配設位
置を決めることができ、ＰＳＤ７の分解能が向上し、高
精度を得ることができる。

【００３４】図１１は以上の構造の変位センサを応用し
たもので、例えばドリル、バイト等の刃先摩耗検測に用
いられるものである。これは拡散面を有する平板４１の
取り付けられたアクチュエータ４２が図示しないドリル
あるいはバイト等の検出対象に直接触れることで太く記
載した矢印のように変位し、その結果アクチュエータ４
２がバネ４３の力に抗して可動するものである。

【００３５】アクチュエータ４２が可動する事によって
前述の構造を有するセンサ３７から図１１（ｂ）に示す
特性の信号が得られる。変位量と出力信号は図１１
（ｂ）に示すように線形関係にあるので、ある出力信号
に対する変位量は一定になり、この出力信号のある値、
例えばＶ０を決めると、決まった変位量ｄ０となり、こ
の値によってスイッチ４４をオン／オフすることができ
る。図１１（ｃ）は変位センサの検出方向を示す模式図
である。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に記載の
変位センサによれば、発光手段の光軸を被測定物の表面
に対して傾斜させ、反射光をピンホールを介して受光
し、また受光面を検出光の光軸と平行に配置したので、
簡単な構成で被測定物の表面が鏡面であってもその変位
を線形出力で検出することができる。

【００３７】請求項２に記載の変位センサは、発光手段
の光軸を被測定物の表面に対して傾斜させ、反射光をピ
ンホールを介して受光し、また受光面を被検出物の表面
の法線と平行に配置したので、簡単な構成で被測定物の
表面が鏡面であってもその変位を線形出力で、位置精度
よく検出することができる。

【００３８】請求項３に記載の変位センサは、発光手段
の光軸を被測定物の表面に対して傾斜させ、反射光を集
光する集光素子を介して受光し、また受光面を被検出物
の表面の法線と平行に配置したので、検出感度がよくな
り、また被測定物の表面が鏡面であってもその変位を線
形出力で検出することができ、位置精度もよい検出が行
える。

【００３９】請求項４に記載の変位センサは、請求項３
に記載の集光素子を検出光の光軸と垂直になるように配
設したので、被測定物からの反射光が常に受光素子上に
集光され、かつ線形な出力が得られる。

【００４０】請求項５に記載の変位センサは、アクチュ
エータに連動する平板によって発光素子から投射された
光を反射させるようにしたので、アクチュエータの移動
量を検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の変位センサの一実施例の構成を示す図

【図２】図１に示す変位センサのビームを示す図

【図３】本発明の第２の実施例の構成を示す図

【図４】図３に示す変位センサのビームを示す図

【図５】図１に示す装置の問題点を示す図

【図６】本発明の第３の実施例の構成を示す図

【図７】本発明の第４の実施例の構成を示す図

【図８】図７の装置の特性を示す図

【図９】本発明の第５の実施例の構成を示す図

【図１０】本発明の第６の実施例の構成を示す図

【図１１】本発明の第７の実施例の構成を説明する図

【図１２】従来の変位センサの一例を示す図

【図１３】図１１に示す装置の動作を説明するための図

【符号の説明】

１ 基台 ２、６ 指示部材 ３ ＬＤ（レーザダイオード） ４ 被測定物 ５ 投光用レンズ ７ ＰＳＤ（位置検出素子） ８ 受光用レンズ ９ ケース １０ 透明ガラス １１、３２ ピンホール ２１、２２ 投光ビーム ３１ マスク ３３ 開口部 ３５ 法線 ３６ 拡散板 ３７ センサ ３８ アダプタ ３９ 投射光 ４０ 光軸 ４１ 平板 ４２ アクチュエータ ４３ バネ ４４ スイッチ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 検出対象物の表面に対して斜めに検出光
   を投射させるための発光素子と、 検出対象物の表面で反射された反射光を通過させるため
   のピンホールと、 受光面が前記検出光の光軸と平行となるように配置さ
   れ、前記ピンホールを通過した前記反射光を受光する光
   位置検出器とからなる変位センサ。
2. 【請求項２】 検出対象物の表面に対して斜めに検出光
   を投射させるための発光素子と、 検出対象物の表面で反射された反射光を通過させるため
   のピンホールと、 受光面が前記検出対象物の表面の法線軸と平行に配置さ
   れ、前記ピンホールを通過した前記反射光を受光する光
   位置検出器とからなる変位センサ。
3. 【請求項３】 検出対象物の表面に対して斜めに検出光
   を投射させるための発光素子と、 検出対象物の表面で反射された反射光を集光させるため
   の集光素子と、 受光面が前記検出対象物の表面の法線軸と平行に配置さ
   れ、前記集光素子によって集光された前記反射光を受光
   する光位置検出器とからなる変位センサ。
4. 【請求項４】 請求項３において、前記集光素子をその
   光軸が前記検出光の光軸と垂直となるように配置したこ
   とを特徴とする変位センサ。
5. 【請求項５】 請求項１乃至請求項４において、アクチ
   ュエータに連動する平板を設け、前記平板を前記発光素
   子から投射された光を反射させる反射板とすることを特
   徴とする変位センサ。