JPH09178422A - 変位検出装置 - Google Patents
変位検出装置Info
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- JPH09178422A JPH09178422A JP34051795A JP34051795A JPH09178422A JP H09178422 A JPH09178422 A JP H09178422A JP 34051795 A JP34051795 A JP 34051795A JP 34051795 A JP34051795 A JP 34051795A JP H09178422 A JPH09178422 A JP H09178422A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 測定対象物から離れた状態でその変位やその
大きさを検出することができ、かつ、測定対象物が時系
列的に変位しているときでもその大きさをリアルタイム
で正確に測定することができる変位検出器を提供する。 【解決手段】 レンズ１２によって発光ダイオードから
の光が収束され散乱板１３上でスポット２０になると、
光は内部で散乱され、ある角度の広がりを持った光束１
６となって反対側へ射出し、スリット板１４に投射され
る。スリット板１４の下に平行に設けられた受光部１５
の表面に形成された受光素子１５ａの間隔はスリット１
４ａの間隔と等しく、かつ、各スリット１４の真下に対
応する受光素子が来るよう配置されている。各スリット
を通過した光のうち受光素子に到達するものの量は、ス
ポット２０の直下にあるものが最も多く、この受光素子
から離れるに従って減少する。各受光素子の出力は、入
射する光の量に比例する。
大きさを検出することができ、かつ、測定対象物が時系
列的に変位しているときでもその大きさをリアルタイム
で正確に測定することができる変位検出器を提供する。 【解決手段】 レンズ１２によって発光ダイオードから
の光が収束され散乱板１３上でスポット２０になると、
光は内部で散乱され、ある角度の広がりを持った光束１
６となって反対側へ射出し、スリット板１４に投射され
る。スリット板１４の下に平行に設けられた受光部１５
の表面に形成された受光素子１５ａの間隔はスリット１
４ａの間隔と等しく、かつ、各スリット１４の真下に対
応する受光素子が来るよう配置されている。各スリット
を通過した光のうち受光素子に到達するものの量は、ス
ポット２０の直下にあるものが最も多く、この受光素子
から離れるに従って減少する。各受光素子の出力は、入
射する光の量に比例する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、測定対象物の移動
や振動によって生じる空間的位置の変位を検出する変位
検出装置に関するものである。
や振動によって生じる空間的位置の変位を検出する変位
検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】正確な位置の検出は、さまざまな分野で
重要であり、種々の方法が実用化されている。位置測定
に用いられる一般的な手段としては、ノギス、マイクロ
メーター、ダイヤルゲージ、マグネスケール、レーザー
測長器、顕微鏡、光の干渉を利用した測長器などが従来
から知られている。また、正確な位置検出が必要となる
分野としては、半導体集積回路技術、工作機械の分野を
はじめとして、枚挙にいとまがない。
重要であり、種々の方法が実用化されている。位置測定
に用いられる一般的な手段としては、ノギス、マイクロ
メーター、ダイヤルゲージ、マグネスケール、レーザー
測長器、顕微鏡、光の干渉を利用した測長器などが従来
から知られている。また、正確な位置検出が必要となる
分野としては、半導体集積回路技術、工作機械の分野を
はじめとして、枚挙にいとまがない。
【０００３】例えば、半導体製造の分野では、半導体ウ
ェハ上への素子の形成から、チップのダイシング、ワイ
ヤボンディング、パッケージングに至るまで、多くの段
階で正確な位置検出が必要となる。ダイシング加工にお
ける位置合わせの方法には、パターン認識の技術が用い
られることがある。また、自動化された工作機械の場合
も、ツールと加工ワークとの間の正確な位置検出が不可
欠であり、例えばエンコーダなどからの信号から加工ワ
ークの移動量を検出し、これに基づいてツールと加工ワ
ークとの位置を数値制御するなどの方法で位置合わせを
行っている。
ェハ上への素子の形成から、チップのダイシング、ワイ
ヤボンディング、パッケージングに至るまで、多くの段
階で正確な位置検出が必要となる。ダイシング加工にお
ける位置合わせの方法には、パターン認識の技術が用い
られることがある。また、自動化された工作機械の場合
も、ツールと加工ワークとの間の正確な位置検出が不可
欠であり、例えばエンコーダなどからの信号から加工ワ
ークの移動量を検出し、これに基づいてツールと加工ワ
ークとの位置を数値制御するなどの方法で位置合わせを
行っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の位置検
出方法及び位置検出装置の多くは、測定装置本体を、測
定対象物に近づけて位置や長さを測定するものである。
また、レーザー測定器、顕微鏡や干渉を利用した測長器
などは、離れている測定対象物の変位なども測定できる
が、一般には、測定対象物が静止した状態で測定を行わ
なければならず、測定対象物が振動する場合のように、
測定対象物が時系列的に変位しているときにその変位の
大きさをリアルタイムで正確に測定することは難しい。
尚、本明細書でいう「変位」には、変位の大きさも含む
ものとする。
出方法及び位置検出装置の多くは、測定装置本体を、測
定対象物に近づけて位置や長さを測定するものである。
また、レーザー測定器、顕微鏡や干渉を利用した測長器
などは、離れている測定対象物の変位なども測定できる
が、一般には、測定対象物が静止した状態で測定を行わ
なければならず、測定対象物が振動する場合のように、
測定対象物が時系列的に変位しているときにその変位の
大きさをリアルタイムで正確に測定することは難しい。
尚、本明細書でいう「変位」には、変位の大きさも含む
ものとする。
【０００５】本発明は、上記事情に基づいてなされたも
のであり、測定対象物から離れた状態でその変位を検出
することができ、かつ、測定対象物が時系列的に変位し
ているときでもその大きさをリアルタイムで正確に測定
することができる変位検出器を提供することを目的とす
るものである。
のであり、測定対象物から離れた状態でその変位を検出
することができ、かつ、測定対象物が時系列的に変位し
ているときでもその大きさをリアルタイムで正確に測定
することができる変位検出器を提供することを目的とす
るものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めの請求項１記載の発明は、被検出対象に取り付けた発
光手段と、前記発光手段から発せられた光を所定の広が
りをもった光束とする光学手段と、複数のスリットが所
定間隔で直線状に設けられ、前記光束が前記複数のスリ
ットの一部に投射されるように配置したスリット手段
と、表面に前記スリットの間隔と等しい間隔で複数の受
光素子が配列され、この配列方向において各受光素子の
位置が対応するスリットの位置と一致するように、前記
スリット手段と平行に配置した受光手段と、前記複数の
受光素子から得られる出力信号に対して演算を行う演算
手段とを有し、前記複数の受光手段の出力信号に対して
所定の演算を行うことにより、前記発光手段が前記被検
出対象の変位に従って変位したときの前記光束の移動量
を求め、この結果から前記被検出対象の変位を検出する
ことを特徴とするものである。
めの請求項１記載の発明は、被検出対象に取り付けた発
光手段と、前記発光手段から発せられた光を所定の広が
りをもった光束とする光学手段と、複数のスリットが所
定間隔で直線状に設けられ、前記光束が前記複数のスリ
ットの一部に投射されるように配置したスリット手段
と、表面に前記スリットの間隔と等しい間隔で複数の受
光素子が配列され、この配列方向において各受光素子の
位置が対応するスリットの位置と一致するように、前記
スリット手段と平行に配置した受光手段と、前記複数の
受光素子から得られる出力信号に対して演算を行う演算
手段とを有し、前記複数の受光手段の出力信号に対して
所定の演算を行うことにより、前記発光手段が前記被検
出対象の変位に従って変位したときの前記光束の移動量
を求め、この結果から前記被検出対象の変位を検出する
ことを特徴とするものである。
【０００７】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、ｐ個の前記受光素子を、１グループにｑ個
ずつ含むｒ個のグループに分け（ｐ＝ｑ×ｒ）、各グル
ープの対応する位置にある受光素子同士（ｒ個）の出力
を加算して得られるｑ個の値を周期関数化した波形に対
して所定の演算を行った結果及び同一グループに属する
受光素子同士（ｑ個）の出力を加算して得られるｒ個の
値から、前記ｐ個の受光素子の配列方向における前記被
検出対象の変位を求めることを特徴とするものである。
明において、ｐ個の前記受光素子を、１グループにｑ個
ずつ含むｒ個のグループに分け（ｐ＝ｑ×ｒ）、各グル
ープの対応する位置にある受光素子同士（ｒ個）の出力
を加算して得られるｑ個の値を周期関数化した波形に対
して所定の演算を行った結果及び同一グループに属する
受光素子同士（ｑ個）の出力を加算して得られるｒ個の
値から、前記ｐ個の受光素子の配列方向における前記被
検出対象の変位を求めることを特徴とするものである。
【０００８】請求項３記載の発明は、請求項１記載の発
明において、ｘ軸方向に配列したｐ個の前記受光素子
を、１グループにｑ個ずつ含むｒ個のグループに分け
（ｐ＝ｑ×ｒ）、各グループの対応する位置にある受光
素子同士（ｒ個）の出力を加算して得られるｑ個の値を
周期関数化した波形に対して所定の演算を行った結果及
び同一グループに属する受光素子同士（ｑ個）の出力を
加算して得られるｒ個の値から、ｘ軸方向における前記
被検出対象の変位を求めるとともに、ｘ軸方向に直交す
るｙ軸方向に配列したｓ個の前記受光素子を、１グルー
プにｔ個ずつ含むｕ個のグループに分け（ｓ＝ｔ×
ｕ）、各グループの対応する位置にある受光素子同士
（ｕ個）の出力を加算して得られるｔ個の値を周期関数
化した波形に対して所定の演算を行った結果及び同一グ
ループに属する受光素子同士（ｔ個）の出力を加算して
得られるｕ個の値から、ｙ軸方向における前記被検出対
象の変位を求め、これにより、二次元内における前記被
検出対象の変位を検出することを特徴とするものであ
る。
明において、ｘ軸方向に配列したｐ個の前記受光素子
を、１グループにｑ個ずつ含むｒ個のグループに分け
（ｐ＝ｑ×ｒ）、各グループの対応する位置にある受光
素子同士（ｒ個）の出力を加算して得られるｑ個の値を
周期関数化した波形に対して所定の演算を行った結果及
び同一グループに属する受光素子同士（ｑ個）の出力を
加算して得られるｒ個の値から、ｘ軸方向における前記
被検出対象の変位を求めるとともに、ｘ軸方向に直交す
るｙ軸方向に配列したｓ個の前記受光素子を、１グルー
プにｔ個ずつ含むｕ個のグループに分け（ｓ＝ｔ×
ｕ）、各グループの対応する位置にある受光素子同士
（ｕ個）の出力を加算して得られるｔ個の値を周期関数
化した波形に対して所定の演算を行った結果及び同一グ
ループに属する受光素子同士（ｔ個）の出力を加算して
得られるｕ個の値から、ｙ軸方向における前記被検出対
象の変位を求め、これにより、二次元内における前記被
検出対象の変位を検出することを特徴とするものであ
る。
【０００９】請求項４記載の発明は、請求項１，２又は
３記載の発明において、前記光学手段は、前記発光手段
から発せられた光をレンズによって前記スリットと平行
に配置された散乱板にスポット状に収束し、前記散乱板
を透過する際に散乱されて所定の広がりを持った光束を
前記スリットに投射するものである。
３記載の発明において、前記光学手段は、前記発光手段
から発せられた光をレンズによって前記スリットと平行
に配置された散乱板にスポット状に収束し、前記散乱板
を透過する際に散乱されて所定の広がりを持った光束を
前記スリットに投射するものである。
【００１０】
【作用】本発明は、前記の構成により、スリット手段と
受光手段を、配列方向において各受光素子の位置が対応
するスリットの位置と一致するように配置することによ
って、スリット手段に光束が投射されたときに、光束の
中心に最も近いスリットを透過する光は、その大部分が
対応する受光素子に到達する。これに対し、光束の中心
から遠いスリットを透過する光ほど、対応する受光素子
に到達する割合が小さくなる。各受光素子の出力は、こ
れに到達する光の量が多ければ大きく、少なければ小さ
い。被検出対象の変位に伴って発光手段が変位すると光
束も変位し、これに従って各受光素子の出力の大きさも
変化する。したがって、演算手段によって、これらの受
光素子の出力信号に対して所定の演算を施すことによっ
て、受光素子の配列方向における被検出対象の変位を求
めることができる。
受光手段を、配列方向において各受光素子の位置が対応
するスリットの位置と一致するように配置することによ
って、スリット手段に光束が投射されたときに、光束の
中心に最も近いスリットを透過する光は、その大部分が
対応する受光素子に到達する。これに対し、光束の中心
から遠いスリットを透過する光ほど、対応する受光素子
に到達する割合が小さくなる。各受光素子の出力は、こ
れに到達する光の量が多ければ大きく、少なければ小さ
い。被検出対象の変位に伴って発光手段が変位すると光
束も変位し、これに従って各受光素子の出力の大きさも
変化する。したがって、演算手段によって、これらの受
光素子の出力信号に対して所定の演算を施すことによっ
て、受光素子の配列方向における被検出対象の変位を求
めることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下に図面を参照して、本発明の
一例の実施形態について説明する。図１は、本実施形態
の変位検出装置の全体構成を示す概略図である。同図に
示すように、本実施形態の変位検出装置は、主として、
発光ダイオード１０、レンズ１２、散乱板１３、スリッ
ト板１４、受光部１５、及び図示しない演算手段からな
る。発光ダイオード１０は、変位を検出すべき検出対象
物に取り付けられる本発明の光源であり、レンズ１２及
び散乱板１３は、本発明の光学手段であり、スリット板
１４は本発明のスリット手段であり、受光部１５は、本
発明の受光手段である。図１に示すように、散乱板１
３、スリット板１４、受光部１５は、互いに平行に配置
されている。
一例の実施形態について説明する。図１は、本実施形態
の変位検出装置の全体構成を示す概略図である。同図に
示すように、本実施形態の変位検出装置は、主として、
発光ダイオード１０、レンズ１２、散乱板１３、スリッ
ト板１４、受光部１５、及び図示しない演算手段からな
る。発光ダイオード１０は、変位を検出すべき検出対象
物に取り付けられる本発明の光源であり、レンズ１２及
び散乱板１３は、本発明の光学手段であり、スリット板
１４は本発明のスリット手段であり、受光部１５は、本
発明の受光手段である。図１に示すように、散乱板１
３、スリット板１４、受光部１５は、互いに平行に配置
されている。
【００１２】発光ダイオード１０から発せられた光１１
は、発光ダイオード１０から離れた位置に設けられてい
るレンズ１２に入射する。レンズ１２は、この光を適当
に収束して散乱板１３の表面にスポット状の光を投射す
る。散乱板１３上でスポット状に収束された光は、散乱
板１３内部で散乱され、ある角度に広がった光束１６と
なって裏面側へ射出する。この光束１６は、スリット１
４上に投射される。
は、発光ダイオード１０から離れた位置に設けられてい
るレンズ１２に入射する。レンズ１２は、この光を適当
に収束して散乱板１３の表面にスポット状の光を投射す
る。散乱板１３上でスポット状に収束された光は、散乱
板１３内部で散乱され、ある角度に広がった光束１６と
なって裏面側へ射出する。この光束１６は、スリット１
４上に投射される。
【００１３】図２は、図１に示した散乱板１３、スリッ
ト板１４、受光部１５の部分を拡大して示した断面図で
ある。レンズ１２によって発光ダイオードからの光が収
束され散乱板１３の表面上でスポット光２０になると、
光は内部で散乱され、ある角度の広がりを持った光束１
６となって裏面側へ射出し、スリット板１４に投射され
る。スリット板１４には多数のスリット１４ａが形成さ
れており、投射された光のうち、スリットに入射した光
はそのまま透過し、スリットとスリットの間に当たった
光は遮られる。スリット板１４の下に、スリット板１４
と近接して平行に設けられた受光部１５の表面には、多
数の受光素子１５ａが形成されている。これらの受光素
子１５ａは、その間隔がスリット１４ａの間隔と等し
く、かつ、各スリット１５ａの真下に対応する受光素子
１５ａが来るように配置されている。
ト板１４、受光部１５の部分を拡大して示した断面図で
ある。レンズ１２によって発光ダイオードからの光が収
束され散乱板１３の表面上でスポット光２０になると、
光は内部で散乱され、ある角度の広がりを持った光束１
６となって裏面側へ射出し、スリット板１４に投射され
る。スリット板１４には多数のスリット１４ａが形成さ
れており、投射された光のうち、スリットに入射した光
はそのまま透過し、スリットとスリットの間に当たった
光は遮られる。スリット板１４の下に、スリット板１４
と近接して平行に設けられた受光部１５の表面には、多
数の受光素子１５ａが形成されている。これらの受光素
子１５ａは、その間隔がスリット１４ａの間隔と等し
く、かつ、各スリット１５ａの真下に対応する受光素子
１５ａが来るように配置されている。
【００１４】図２に示すような配置で、受光部１５の各
受光素子に入射する光の量を考えると、スポット２０の
直下にある受光素子には、対応するスリットを通過した
光の大部分が到達する。一方、スポット２０の直下にあ
る受光素子から遠い位置にある受光素子には、光の光路
が鉛直から傾いているため、対応するスリットを通過し
た光のうちのある程度の割合しか到達しない。したがっ
て、スポット２０の直下にある受光素子の出力が最も大
きく、この受光素子から遠い受光素子ほど、出力が小さ
い。そして、各受光素子の出力の大きさの分布は、スポ
ット２０の直下の受光素子を中心にしてほぼ左右対称と
なる。
受光素子に入射する光の量を考えると、スポット２０の
直下にある受光素子には、対応するスリットを通過した
光の大部分が到達する。一方、スポット２０の直下にあ
る受光素子から遠い位置にある受光素子には、光の光路
が鉛直から傾いているため、対応するスリットを通過し
た光のうちのある程度の割合しか到達しない。したがっ
て、スポット２０の直下にある受光素子の出力が最も大
きく、この受光素子から遠い受光素子ほど、出力が小さ
い。そして、各受光素子の出力の大きさの分布は、スポ
ット２０の直下の受光素子を中心にしてほぼ左右対称と
なる。
【００１５】図３は、受光素子１５ａとして、多数のフ
ォトトランジスタのセルＡ1 、Ｂ1、・・・、Ｇ8 、Ｈ
8 を直線状に配列した受光部１５を示した図である。ま
た、各セルの上に示した直線は、あるスポット光から射
出した光束が図２のスリット１４に投射されたときの各
セルの出力の大きさ、すわなち、そのセルに入射する光
の大きさを、その長さとして示している。この例では、
スポット光の中心はセルＣ2 とＤ2 の間にあることが分
かる。図３に示した各セルは、正確に、例えば１０μｍ
間隔で配置されている。これらのセルは、Ａ1 〜Ｈ1 の
８個のセルがｇ 1 グループ、Ａ2 〜Ｈ2 の８個のセルが
ｇ2 グループ、・・・、というように連続する８個のセ
ルを１つのグループとしてグループ分けがなされてい
る。
ォトトランジスタのセルＡ1 、Ｂ1、・・・、Ｇ8 、Ｈ
8 を直線状に配列した受光部１５を示した図である。ま
た、各セルの上に示した直線は、あるスポット光から射
出した光束が図２のスリット１４に投射されたときの各
セルの出力の大きさ、すわなち、そのセルに入射する光
の大きさを、その長さとして示している。この例では、
スポット光の中心はセルＣ2 とＤ2 の間にあることが分
かる。図３に示した各セルは、正確に、例えば１０μｍ
間隔で配置されている。これらのセルは、Ａ1 〜Ｈ1 の
８個のセルがｇ 1 グループ、Ａ2 〜Ｈ2 の８個のセルが
ｇ2 グループ、・・・、というように連続する８個のセ
ルを１つのグループとしてグループ分けがなされてい
る。
【００１６】図４（ａ）は、図３に示す各セルの出力を
各グループ毎にオペアンプを用いて加算する加算回路を
示し、同図（ｂ）は、同図（ａ）に示す各加算回路の出
力信号、すなわち各グループ毎に加算されて得られた値
の大きさＬ1 〜Ｌ8 を縦軸にとって示したグラフであ
る。光束１６の中心が、Ｇ２グループの範囲にある場合
は、図４（ｂ）に示すように、信号Ｌ2 の強度は、他の
信号に比べて極端に高くなる。したがって、信号Ｌ1 〜
Ｌ8 の強度を比較することによって、光束の中心の位置
がどのグループのセル範囲にあるかを簡単に知ることが
できる。
各グループ毎にオペアンプを用いて加算する加算回路を
示し、同図（ｂ）は、同図（ａ）に示す各加算回路の出
力信号、すなわち各グループ毎に加算されて得られた値
の大きさＬ1 〜Ｌ8 を縦軸にとって示したグラフであ
る。光束１６の中心が、Ｇ２グループの範囲にある場合
は、図４（ｂ）に示すように、信号Ｌ2 の強度は、他の
信号に比べて極端に高くなる。したがって、信号Ｌ1 〜
Ｌ8 の強度を比較することによって、光束の中心の位置
がどのグループのセル範囲にあるかを簡単に知ることが
できる。
【００１７】図５（ａ）は、図３に示した各セルの出力
を、それぞれのグループにおける対応するセル同士（グ
ループの数だけある）についてオペアンプで加算する加
算回路を示し、同図（ｂ）は、同図（ａ）に示す各加算
回路の出力、すなわち対応するセル毎に加算されて得ら
れた信号Ａ〜Ｈの強度を縦軸にとって示したグラフであ
る。尚、実際には、オペアンプは各グループに含まれる
セルの数と同数の８個しかないが、これらを図５（ｂ）
に示すように各セルの出力Ａ〜Ｈを等間隔に並べて得ら
れる波形を連続的に繋げると、正弦波状の周期関数Ｄ
（ｘ）となる。このような周期関数が得られれば、周知
の演算回路を用いて、アナログ的に基準点Ａからそのピ
ーク値までの位相θを容易に、しかも高い精度で求める
ことができる。このθを求めることは、関数Ｄ（ｘ）の
第一次高調波の位相を求めることに対応する。
を、それぞれのグループにおける対応するセル同士（グ
ループの数だけある）についてオペアンプで加算する加
算回路を示し、同図（ｂ）は、同図（ａ）に示す各加算
回路の出力、すなわち対応するセル毎に加算されて得ら
れた信号Ａ〜Ｈの強度を縦軸にとって示したグラフであ
る。尚、実際には、オペアンプは各グループに含まれる
セルの数と同数の８個しかないが、これらを図５（ｂ）
に示すように各セルの出力Ａ〜Ｈを等間隔に並べて得ら
れる波形を連続的に繋げると、正弦波状の周期関数Ｄ
（ｘ）となる。このような周期関数が得られれば、周知
の演算回路を用いて、アナログ的に基準点Ａからそのピ
ーク値までの位相θを容易に、しかも高い精度で求める
ことができる。このθを求めることは、関数Ｄ（ｘ）の
第一次高調波の位相を求めることに対応する。
【００１８】ここで、このθの求め方を簡単に説明す
る。図５（ｂ）に示す波形Ｄ（ｘ）を Ｄ（ｘ）＝Ａcos(ｘ−θ) とする。この式で、θは、図５（ｂ）に示すように、Ｄ
（ｘ）のピーク値の位相であり、この段階ではその値は
不明である。また、Ａは定数である。ここで、Ｄ（ｘ）
に cosｘを掛けて１周期にわたって積分したものをＣと
すると、 Ｃ ＝ πＡ cosθ となる。これはフーリエ変換のリアル成分に該当する。
また、Ｄ（ｘ）に sinｘを掛けて１周期にわたって積分
したものをＳとすると、 Ｓ ＝ πＡ sinθ となる。これはフーリエ変換のイマジナリー成分に該当
する。したがって、 Ｓ／Ｃ ＝ tanθ であり、θは、 θ ＝ tan-1（Ｓ／Ｃ） によって求めることができる。
る。図５（ｂ）に示す波形Ｄ（ｘ）を Ｄ（ｘ）＝Ａcos(ｘ−θ) とする。この式で、θは、図５（ｂ）に示すように、Ｄ
（ｘ）のピーク値の位相であり、この段階ではその値は
不明である。また、Ａは定数である。ここで、Ｄ（ｘ）
に cosｘを掛けて１周期にわたって積分したものをＣと
すると、 Ｃ ＝ πＡ cosθ となる。これはフーリエ変換のリアル成分に該当する。
また、Ｄ（ｘ）に sinｘを掛けて１周期にわたって積分
したものをＳとすると、 Ｓ ＝ πＡ sinθ となる。これはフーリエ変換のイマジナリー成分に該当
する。したがって、 Ｓ／Ｃ ＝ tanθ であり、θは、 θ ＝ tan-1（Ｓ／Ｃ） によって求めることができる。
【００１９】実際には、離散的にサンプリングしたデー
タを用いて計算を行う。例えば位相角４５°間隔でサン
プリングしたデータ（１周期８サンプリング）を考え、
これを Ｄ(0) ，Ｄ(1) ，Ｄ(2) ，Ｄ(3) ，Ｄ(4) ，Ｄ(5) ，Ｄ
(6) ，Ｄ(7) とする。これに対応して、１周期の cosｘを １，ｓ，０，−ｓ，−１，−ｓ，０，ｓ とし、１周期の sinｘを ０，ｓ，１，ｓ，０，−ｓ，−１，−ｓ とする。ここで、ｓ＝ cos４５°＝ sin４５°＝０．７
０７である。このようにすると、Ｃは、 Ｃ＝Ｄ(0) ×１＋Ｄ(1) ×ｓ＋Ｄ(2) ×０＋Ｄ(3) ×
（−ｓ）＋Ｄ(4) ×（−１）＋Ｄ(5) ×（−ｓ）＋Ｄ
(6) ×０＋Ｄ(7) ×ｓ となり、Ｓは、 Ｓ＝Ｄ(0) ×０＋Ｄ(1) ×ｓ＋Ｄ(2) ×１＋Ｄ(3) ×ｓ
＋Ｄ(4) ×０＋Ｄ(5) ×（−ｓ）＋Ｄ(6) ×（−１）＋
Ｄ(7) ×（−ｓ） となる。これからθは、 θ ＝ tan-1（Ｓ／Ｃ） によって求めることができる。尚、１周期８データでサ
ンプリングした場合には、７次及び９次又は１５次及び
１７次以上（サンプリング数をＮとすると、ｎＮ±１
次。ここでｎは自然数。）の高次の合成歪みが０．１％
あると、 tan-1（０．００１）＝０．０５７° ０．０５７°／３６０°＝０．０００１６ より、１周期に対して最大で約０．０１６％の誤差が生
じる。
タを用いて計算を行う。例えば位相角４５°間隔でサン
プリングしたデータ（１周期８サンプリング）を考え、
これを Ｄ(0) ，Ｄ(1) ，Ｄ(2) ，Ｄ(3) ，Ｄ(4) ，Ｄ(5) ，Ｄ
(6) ，Ｄ(7) とする。これに対応して、１周期の cosｘを １，ｓ，０，−ｓ，−１，−ｓ，０，ｓ とし、１周期の sinｘを ０，ｓ，１，ｓ，０，−ｓ，−１，−ｓ とする。ここで、ｓ＝ cos４５°＝ sin４５°＝０．７
０７である。このようにすると、Ｃは、 Ｃ＝Ｄ(0) ×１＋Ｄ(1) ×ｓ＋Ｄ(2) ×０＋Ｄ(3) ×
（−ｓ）＋Ｄ(4) ×（−１）＋Ｄ(5) ×（−ｓ）＋Ｄ
(6) ×０＋Ｄ(7) ×ｓ となり、Ｓは、 Ｓ＝Ｄ(0) ×０＋Ｄ(1) ×ｓ＋Ｄ(2) ×１＋Ｄ(3) ×ｓ
＋Ｄ(4) ×０＋Ｄ(5) ×（−ｓ）＋Ｄ(6) ×（−１）＋
Ｄ(7) ×（−ｓ） となる。これからθは、 θ ＝ tan-1（Ｓ／Ｃ） によって求めることができる。尚、１周期８データでサ
ンプリングした場合には、７次及び９次又は１５次及び
１７次以上（サンプリング数をＮとすると、ｎＮ±１
次。ここでｎは自然数。）の高次の合成歪みが０．１％
あると、 tan-1（０．００１）＝０．０５７° ０．０５７°／３６０°＝０．０００１６ より、１周期に対して最大で約０．０１６％の誤差が生
じる。
【００２０】一例として、図３に示す各セルの間隔を１
０μｍ、各グループの長さを８０μｍとすると、図５
（ｂ）に示す波形Ｄ（ｘ）の１周期ｌは、８０μｍに対
応する。すなわち、角度３６０°が、実際の長さ８０μ
ｍに相当する。したがって、図３の左端のセルＡ1 から
光束の中心までの距離Ｌは、 Ｌ ＝ ８０μｍ×（ｇ−１） ＋ ８０μｍ × θ
／３６０ によって求めることができる。ここで、ｇは、図４
（ｂ）によって求められた、スポットの中心が属するグ
ループの番号である。上記の例では、スポットの中心は
ｇ2 グループの範囲に属するので、ｇ＝２である。例え
ば、図５（ｂ）の信号波形から求められたθの値が１５
３．２５°だとすれば、セルＡ1 からＬＥＤの中心まで
の距離Ｌは、上記の式から、 Ｌ ＝ １１４．０６μｍ と求まり、誤差は０．０１３μｍ程度となる。
０μｍ、各グループの長さを８０μｍとすると、図５
（ｂ）に示す波形Ｄ（ｘ）の１周期ｌは、８０μｍに対
応する。すなわち、角度３６０°が、実際の長さ８０μ
ｍに相当する。したがって、図３の左端のセルＡ1 から
光束の中心までの距離Ｌは、 Ｌ ＝ ８０μｍ×（ｇ−１） ＋ ８０μｍ × θ
／３６０ によって求めることができる。ここで、ｇは、図４
（ｂ）によって求められた、スポットの中心が属するグ
ループの番号である。上記の例では、スポットの中心は
ｇ2 グループの範囲に属するので、ｇ＝２である。例え
ば、図５（ｂ）の信号波形から求められたθの値が１５
３．２５°だとすれば、セルＡ1 からＬＥＤの中心まで
の距離Ｌは、上記の式から、 Ｌ ＝ １１４．０６μｍ と求まり、誤差は０．０１３μｍ程度となる。
【００２１】上記の説明では、距離Ｌは、セルＡ1 を原
点とし、この原点からの距離として求めたが、当然、任
意の二点間の距離を求めることも可能である。また、図
１に示したレンズ１２、散乱板１３、スリット板１４、
受光部１５を、ｘ軸方向用とｙ軸方向用に、二つ一組で
設けることによって、光源１０の二次元的な変位を検出
することが可能となる。
点とし、この原点からの距離として求めたが、当然、任
意の二点間の距離を求めることも可能である。また、図
１に示したレンズ１２、散乱板１３、スリット板１４、
受光部１５を、ｘ軸方向用とｙ軸方向用に、二つ一組で
設けることによって、光源１０の二次元的な変位を検出
することが可能となる。
【００２２】上記の説明では、発光素子を取り付けた変
位検出手段の一次元又は二次元的な位置を正確に求める
ことを主目的とする場合について説明したが、上記の方
法は、非常に高速で、かつ正確な結果が得られるため、
これを振動する物体の振動波形の検出に応用することが
できる。すなわち、被測定物の振動に影響を与えない程
度の小型の発光手段を、被測定物に取り付け、発光手段
の変位の様子を時系列的に観測すると、その変位が、そ
のまま振動波形となる。具体的な被測定物としては、オ
ーディオスピーカや、自動車のエンジンなどが考えられ
る。
位検出手段の一次元又は二次元的な位置を正確に求める
ことを主目的とする場合について説明したが、上記の方
法は、非常に高速で、かつ正確な結果が得られるため、
これを振動する物体の振動波形の検出に応用することが
できる。すなわち、被測定物の振動に影響を与えない程
度の小型の発光手段を、被測定物に取り付け、発光手段
の変位の様子を時系列的に観測すると、その変位が、そ
のまま振動波形となる。具体的な被測定物としては、オ
ーディオスピーカや、自動車のエンジンなどが考えられ
る。
【００２３】オーディオスピーカの振動板の振動波形が
捉えられれば、それはそのままそのスピーカーから発せ
られる音声の波形そのものを示すことになる。したがっ
て、オーディオスピーカーに供給された音声信号の波形
と、検出された波形とを比較すれば、元々の音声信号が
そのオーディオ装置及びスピーカーを通ることによって
どのように変化し、歪んだかなどを高い精度で調べるこ
とができる。また、発光手段を自動車のエンジンに取り
付けることによって、簡単、正確、迅速にエンジンの振
動波形を得ることができる。したがって、回転数その他
のパラメータによって、振動がどのように変化するかな
どを解析する必要がある場合に、本装置を利用すること
ができる。
捉えられれば、それはそのままそのスピーカーから発せ
られる音声の波形そのものを示すことになる。したがっ
て、オーディオスピーカーに供給された音声信号の波形
と、検出された波形とを比較すれば、元々の音声信号が
そのオーディオ装置及びスピーカーを通ることによって
どのように変化し、歪んだかなどを高い精度で調べるこ
とができる。また、発光手段を自動車のエンジンに取り
付けることによって、簡単、正確、迅速にエンジンの振
動波形を得ることができる。したがって、回転数その他
のパラメータによって、振動がどのように変化するかな
どを解析する必要がある場合に、本装置を利用すること
ができる。
【００２４】尚、本発明は、上記実施形態に限定される
ことはなく、その要旨の範囲内で種々の変更が可能であ
る。例えば、上記の説明では、受光素子としてフォトト
ランジスタを用いたが、これ以外に、フォトダイオード
やＣＣＤなどを用いることも可能である。ＣＣＤセンサ
を用いる場合は、ＣＣＤセンサからの信号をＡ／Ｄ変換
したあと、各アドレスがＣＣＤセンサの各セルと１対１
に対応したメモリに移し、ディジタル的に、周期関数に
基づいてピーク値までの位相及び基準点からの距離を求
める演算処理を行う。また、上記各実施例では、位置や
長さを測定する場合について説明したが、これを応用し
て、位置や長さ以外の物理量の測定にも本発明を適用す
ることができる。例えば、天秤やバネ秤のように、質量
によって指針が指し示す位置が変化する測定方法におい
て、この位置の測定を本発明を適用して正確に測定する
ことによって、質量を正確に測定することが可能とな
る。あるいは、振動する二つの物体の距離を正確に求め
たい場合には、それぞれの物体について本発明を適用し
て正確な位置を測定し、その差分を求めることによって
目的を達することができる。
ことはなく、その要旨の範囲内で種々の変更が可能であ
る。例えば、上記の説明では、受光素子としてフォトト
ランジスタを用いたが、これ以外に、フォトダイオード
やＣＣＤなどを用いることも可能である。ＣＣＤセンサ
を用いる場合は、ＣＣＤセンサからの信号をＡ／Ｄ変換
したあと、各アドレスがＣＣＤセンサの各セルと１対１
に対応したメモリに移し、ディジタル的に、周期関数に
基づいてピーク値までの位相及び基準点からの距離を求
める演算処理を行う。また、上記各実施例では、位置や
長さを測定する場合について説明したが、これを応用し
て、位置や長さ以外の物理量の測定にも本発明を適用す
ることができる。例えば、天秤やバネ秤のように、質量
によって指針が指し示す位置が変化する測定方法におい
て、この位置の測定を本発明を適用して正確に測定する
ことによって、質量を正確に測定することが可能とな
る。あるいは、振動する二つの物体の距離を正確に求め
たい場合には、それぞれの物体について本発明を適用し
て正確な位置を測定し、その差分を求めることによって
目的を達することができる。
【００２５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
被検査対象物に取り付けた発光素子からの光に基づいて
被検査対象物の変位を検出するので、測定対象物と離れ
た状態でその変位を検出することができる。また、受光
素子の出力信号に対して演算手段が所定の演算を行って
被検査対象物の変位を自動的に検出するので、測定対象
物が、例えばオーディスピーカやエンジンのように、振
動によってその空間的位置が連続的に変位するものにつ
いても、その振動の大きさや振動波形をリアルタイムで
捉えることができる変位検出装置を提供することができ
る。
被検査対象物に取り付けた発光素子からの光に基づいて
被検査対象物の変位を検出するので、測定対象物と離れ
た状態でその変位を検出することができる。また、受光
素子の出力信号に対して演算手段が所定の演算を行って
被検査対象物の変位を自動的に検出するので、測定対象
物が、例えばオーディスピーカやエンジンのように、振
動によってその空間的位置が連続的に変位するものにつ
いても、その振動の大きさや振動波形をリアルタイムで
捉えることができる変位検出装置を提供することができ
る。
【図１】本実施形態の変位検出装置の全体構成を示す概
略図である。
略図である。
【図２】図１に示した散乱板、スリット板、受光部の部
分を拡大して示した断面図である。
分を拡大して示した断面図である。
【図３】多数のフォトトランジスタのセルを直線状に配
置した受光部を拡大して示すとともに、各セルに入射す
る光の大きさを各セルの上部に直線の長さとして示した
図である。
置した受光部を拡大して示すとともに、各セルに入射す
る光の大きさを各セルの上部に直線の長さとして示した
図である。
【図４】（ａ）は、図３に示す各セルの出力を各グルー
プ毎にオペアンプを用いて加算する加算回路を示し、
（ｂ）は、同図（ａ）に示す各加算回路の出力信号、す
なわち各グループ毎に加算されて得られた値の大きさを
縦軸にとって示したグラフである。
プ毎にオペアンプを用いて加算する加算回路を示し、
（ｂ）は、同図（ａ）に示す各加算回路の出力信号、す
なわち各グループ毎に加算されて得られた値の大きさを
縦軸にとって示したグラフである。
【図５】（ａ）は、図３に示した各セルの出力を、それ
ぞれのグループにおける対応するセル同士についてオペ
アンプで加算する加算回路を示し、（ｂ）は、（ａ）に
示す各加算回路の出力、すなわち対応するセル毎に加算
されて得られた信号の強度を縦軸にとって示したグラフ
である。
ぞれのグループにおける対応するセル同士についてオペ
アンプで加算する加算回路を示し、（ｂ）は、（ａ）に
示す各加算回路の出力、すなわち対応するセル毎に加算
されて得られた信号の強度を縦軸にとって示したグラフ
である。
【符号の説明】 １０ 発光ダイオード １２ レンズ １３ 散乱板 １４ スリット板 １４ａ スリット １５ 受光部 １５ａ 受光素子 １６ 光束 ２０ スポット Ａ1 、Ｂ1 、・・・、Ｇ8 、Ｈ8 フォトトランジス
タのセル
タのセル
Claims (4)
- 【請求項１】 被検出対象に取り付けた発光手段と、 前記発光手段から発せられた光を所定の広がりをもった
光束とする光学手段と、 複数のスリットが所定間隔で直線状に設けられ、前記光
束が前記複数のスリットの一部に投射されるように配置
したスリット手段と、 表面に前記スリットの間隔と等しい間隔で複数の受光素
子が配列され、この配列方向において各受光素子の位置
が対応するスリットの位置と一致するように、前記スリ
ット手段と平行に配置した受光手段と、 前記複数の受光素子から得られる出力信号に対して演算
を行う演算手段とを有し、 前記複数の受光手段の出力信号に対して所定の演算を行
うことにより、前記発光手段が前記被検出対象の変位に
従って変位したときの前記光束の移動量を求め、この結
果から前記被検出対象の変位を検出することを特徴とす
る変位検出装置。 - 【請求項２】 ｐ個の前記受光素子を、１グループにｑ
個ずつ含むｒ個のグループに分け（ｐ＝ｑ×ｒ）、各グ
ループの対応する位置にある受光素子同士（ｒ個）の出
力を加算して得られるｑ個の値を周期関数化した波形に
対して所定の演算を行った結果及び同一グループに属す
る受光素子同士（ｑ個）の出力を加算して得られるｒ個
の値から、前記ｐ個の受光素子の配列方向における前記
被検出対象の変位を求めることを特徴とする請求項１記
載の変位検出装置。 - 【請求項３】 ｘ軸方向に配列したｐ個の前記受光素子
を、１グループにｑ個ずつ含むｒ個のグループに分け
（ｐ＝ｑ×ｒ）、各グループの対応する位置にある受光
素子同士（ｒ個）の出力を加算して得られるｑ個の値を
周期関数化した波形に対して所定の演算を行った結果及
び同一グループに属する受光素子同士（ｑ個）の出力を
加算して得られるｒ個の値から、ｘ軸方向における前記
被検出対象の変位を求めるとともに、ｘ軸方向に直交す
るｙ軸方向に配列したｓ個の前記受光素子を、１グルー
プにｔ個ずつ含むｕ個のグループに分け（ｓ＝ｔ×
ｕ）、各グループの対応する位置にある受光素子同士
（ｕ個）の出力を加算して得られるｔ個の値を周期関数
化した波形に対して所定の演算を行った結果及び同一グ
ループに属する受光素子同士（ｔ個）の出力を加算して
得られるｕ個の値から、ｙ軸方向における前記被検出対
象の変位を求め、これにより、二次元内における前記被
検出対象の変位を検出することを特徴とする請求項１記
載の変位検出装置。 - 【請求項４】 前記光学手段は、前記発光手段から発せ
られた光をレンズによって前記スリットと平行に配置さ
れた散乱板にスポット状に収束し、前記散乱板を透過す
る際に散乱されて所定の広がりを持った光束を前記スリ
ットに投射するものである請求項１，２又は３記載の変
位検出装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34051795A JPH09178422A (ja) | 1995-12-27 | 1995-12-27 | 変位検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34051795A JPH09178422A (ja) | 1995-12-27 | 1995-12-27 | 変位検出装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09178422A true JPH09178422A (ja) | 1997-07-11 |
Family
ID=18337742
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP34051795A Pending JPH09178422A (ja) | 1995-12-27 | 1995-12-27 | 変位検出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09178422A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012518800A (ja) * | 2009-02-24 | 2012-08-16 | レオナルド インターナショナル ゼットアールティー． | 光センサ |
| WO2019069527A1 (ja) * | 2017-10-04 | 2019-04-11 | 株式会社島津製作所 | 示差屈折率検出器 |
-
1995
- 1995-12-27 JP JP34051795A patent/JPH09178422A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012518800A (ja) * | 2009-02-24 | 2012-08-16 | レオナルド インターナショナル ゼットアールティー． | 光センサ |
| WO2019069527A1 (ja) * | 2017-10-04 | 2019-04-11 | 株式会社島津製作所 | 示差屈折率検出器 |
| CN111094946A (zh) * | 2017-10-04 | 2020-05-01 | 株式会社岛津制作所 | 差示折光检测器 |
| JPWO2019069527A1 (ja) * | 2017-10-04 | 2020-10-15 | 株式会社島津製作所 | 示差屈折率検出器 |
| CN111094946B (zh) * | 2017-10-04 | 2022-07-12 | 株式会社岛津制作所 | 差示折光检测器 |
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