JPS6230903A - 光学式変位検出装置および方法 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明ｉ７１ニー彼Ｗｔｔｌ　５”ｑ物のｊり・、射率
の変化による影響を受けることシ、く変位が）！ミ出で
きる光学式変位検出装置およびこれを筒用１．た光学式
変位検出方法に関する。

〔発明の技術向背はとその問題点〕

従来、微少々変位を非接触で高精度に測定する装置とし
て光ファイバ（以下ファイバと称す）を用いたものが知
らｔｌでいる。これは複数本のファイバを東ねた投光用
ファイバ束と、同様な構成の受光用ファイバ東とを１と
めてプローブを構成し。

これの横断面、すなわち測定端面を被測定物に対向させ
て、投光用ファイバ束から測定光を投射し。

受光用ファイバ束でその反射光を取り出し、その強さを
電気何月１例ぐは電圧に変換し、被測定物から測定端面
１での間隔すなわち変位と電圧との関係を示す特性曲線
を求めてお春、測定に際しては出力される電圧により変
位を検出するようになりている。上述の測定端面は１例
えば第８図〜第１０図に示すように、各ファイバ東を構
成するファイバの分布配置により種々な形式に分かれて
いる。

すなわち笥８図に示すものは投光用ファイバ（白丸）（
１）　、・・・と受光用ファイバ（黒丸）（２＋　、・
・・とがランダムに配列されたランダム形のものである
。

第９図に示すものけ投光用ファイバ（１）、・・・を中
心に、受光用ファイバ（２）、・・・をその外周に配し
た同心形であり、第１０図のものは中心に投光用ファイ
バ（Ｉ）、・・・を配し、その外周に受光用ファイバ（
２）、・・・を同心に配し、さらにその外周に同じ開口
角をもった受光用ファイバ（２）、・・・を同心に配し
たもので。

投光用ファイバ束（５）と、同じ開口角の受光用ファイ
バ束（６）、ｆ力で構成した三重同心形である。このよ
うな光学式の変位検出装置は非接触という大きな利点が
ある反面、被測定物の反射率が変化した場合には反射光
の強度変化として検出され、変位の増減によるものか、
否め≧の判別ができないという大きな欠点がある。

これは被測定物が測定端面に対してその横方向に移動す
ることなく測定端面の方に進退変位するような場合は変
位測定部位が変わらないので余り問題にならないが、被
測定物が測定端面に対して横方向に移動して変位測定部
位が変わるような場合は反射率が一定に保たれるととけ
期待できずその影響は大である。第１Ｉ図はどれらの関
係を示すもので、横軸に変位をとり、縦軸に電圧をとっ
た線図で、特性曲線ｍは例えば反射率１の場合のもので
あり、特性曲線ｎは反射率εの場合のものである。特性
曲線については詳細な説明は省略するが１位置ｙ、に於
てピーク値Ｅｒｎｐ　、ピーク値Ｅ。、がある。詳細は
後述するが、との値は反射率に対応した値を示していて
、任意の位喚Ｉ、における出力ｅｍとｅｎとの［ヒはＥ
ｍｐとＥｎｐとの比に等しい。これを利用して反射率の
変化を補償する装置が知られている。例えば第１２図に
示すように被測定物（１つに対し、プローブｎｉ、ｕ７
）を対向させると、プローブαｅの出力は反射率１の場
合の出力ｆ（Ｄ）と反射率６との積ｆ（Ｄ）ｘεとなり
、プローブ面で反射率Ｃが出力されるとすると、演算装
！、Ｑ１により補償されたｆ（Ｄ）を得ることができる
。しかしこのような装置では２個のプローブを使用する
ので測定している部位が異っていて、必らずしも反射率
が同じとけいえない欠点がある。これを解決する方法と
して。

２個のプローブの代りに先に第１０図に示した三重同心
形のプローブを用いることが考えられる。このプローブ
を用いた場合は、たしかにプローブを２個使用しないの
で、信頼性は高くなるが、この方法では２つの受光用フ
ァイバ束は開口角が同じファイバを使用しているので、
２つの特性曲線の分離が悪く、精度よく変位を検出でき
ないという大きな不都合がある。

〔発明の目的〕

本発明は反射率の変化による影響を受けることなく変位
測定するのに適した光学式変位検出装置およびこれを使
用した光学式変位検出方法を提供することを目的とする
。

〔発明の概要〕

第１の発明は投光用ファイバ束と受光用ファイバ束をも
ったグローブを被測定物に対向させて測定光を投射し、
その反射光の強弱にょシ変位を検出する光学式変位検出
装置において、受光用ファイバ束を開口角の異った２束
の受光用ファイバ束で構成し、たことを特徴とする光学
式変位検出装置で、１個のプローブに２束の受光用ファ
イバ束をことにより十分に分離１〜た２つの特性曲線を
得て。

反射率の変化を補償するとともに測定の精度を向上させ
たものである。

また第２の発明は上記発明装置を用いて反射率の変化に
よる影響を除去した測定方法であって。

一方の受光用ファイバ束による第１の特性曲線の第１の
ピーク値および他方の受光用ファイバ束による第２の特
性曲線の第２のピーク値のうちのいずれか一方のピーク
値と、測定すべき位置における２つの出力の比とにより
変位（間隔）を検出する光学式変位検出方法である。

さらにまた第３の発明は上記第１のピーク値と。

上記第２のピーク値と、測定すべき位置における２つの
出力の差とによシ変位を得る光学式変位検出方法である
。

〔発明の実施例〕

以下、各発明の詳細を図示の実施例を参照して説明する
。

第１図は本発明装置の一実施例の全体構成を示す図で、
被測定物（２１）に対向しているプローブ（２２）は投
光用ファイバ束（２３Ｃ）と、互に開口角を異にする第
１の受光用ファイバ束（２３ａ）および第２の受光用フ
ァイバ束（２３ｂ）とを有していて、その測定端面（財
）は第２図に示すようになっている。すなわち、白丸で
示す投光用ファイバ（２５Ｃ）、・・・の一端と。

黒丸で示す第１の受光用ファイバ（２５ａ）、・・・の
一端と、斜線で示す第２の受光用ファイバ（２５ｂ）、
・・・の一端とが１例えば投光用ファイバ（２５Ｃ）を
中心に３本の第１の受光用ファイバ（２５ａ）、・・・
と３本の第２の受光用ファイバ（２５ｂ、）、・・・と
が等配に交互に囲繞して配置されていて、かつ互に同様
々位置関係になる幾何学的な均等分布に配設されており
、ランダム配役とほぼ同様々効果を奏するようになって
いる。なお、必ずしもまったくの均等配置である必要は
ない。投光用ファイバ束（２３Ｃ）のグローブ（２つ側
とは反対側の他端には光源端をもった投光体（ハ）が設
けられていて、測定光−として他端から入射する。第１
の受光用ファイバ束（２３ａ）および第２の受光用ファ
イバ束（２３ｂ）のプローブ（社）側とは反対側の他端
には、それぞれ第１光電変換器（３１ａ）　、第２光電
変換器（３１ｂ）が設けられていて。

反射光０４の強弱を電気信号に変換する。とれら第１、
第２光電変換器（ａｔａ）、　（ａｔｂ）はプリアンプ
（３３ａ）Ｉ　（３３ｂ）に接続されていて、電流の電
気信号は電圧の信号に変えられ、これらはさらにＡＤ変
換器およびインターフェースをもった接続回路（財）に
接続されて、これを介してマイクロコンピュータ０ωに
接続されている。そしてマイクロコンビ、−タ（ハ）に
よシ演算処理された結果は変位表示器（至）によって表
示される。

さて上述の本発明装置の作用を本発明方法の実施態様と
ともに説明する。

本実施例に用いられた各ファイバ（２５０）、　（２５
ａ）。

（２５ｂ）は第３図の光ファイバの断面図に示したよう
に、コアガラス（４１）、クラッドガラス（４ワの材料
成分がそれぞれ異なシ、開ロ角αが異なった値をもって
いる。一般にコアガラス（４１）の屈折率をｎｌ＋クラ
ッドガラスのそれをｎ、とすると、コア・クラッド面で
全反射を起こす最大の角度−受光角または開口数ＮＡｊ
たは開口角α−は ＮＡ−顯α＝バ訴−Ｔ で決まり、ガラスを選択し屈折率を変化させることによ
り、開口角を調節することが知られている。

従って本発明においては、このようにして作られたファ
イバを使用する。第４図はプローブ（社）の断面の一部
と、これにより得られる第１の特性曲線Ｅ１と第２の特
性曲線Ｅ、とを示したもので、第１の受光用ファイバ（
２５ａ）、第２の受光用ファイバ（２５ｂ）および投光
用ファイバ（２５Ｃ）が等間隔に並んだ場合の図である
６図示のように各ファイバ（２５Ｃ）　。

（２５ｍ）、　（２５ｂ）のコア径をφ、ココア志の間
隔をＳ。

また、それぞれのファイバ（２５ｃ）、　（２５ａ）、
　（２５ｂ）の全開口角を２α１．２αｒ１，２αｒ、
でかつαＩ〉αｒ、＞α「１〉０のように選んである。

このようなプローブＣ擾と特性曲線Ｐ””　ｌ　馬とに
より本発明装置の作用と本発明方法とにつき説明する。

まず第４図において、投光用ファイバ（２５Ｃ）から射
出された光の一部の測定光−はこのファイ／＜　（２５
Ｃ）の全開口角が２α１であることから１図中の線分Ｌ
１．μｉの内側を前方に進む。次にこの投光用ファイバ
（２５Ｃ）より射出された測定光Ｃ！ｊのうち、第１の
受光用ファイバ（２５ａ）に受入れられる光束を考察す
る。第１の受光用ファイバ（２５ａ）の全開口角は図示
のように２αｒ、であり、従って開口縁を通って延長し
た直線’ｒ１）と１ｒ８．の内側の光でこれより小さい
角度をもった測定光−だけが受光用ファイバ（２５ａ）
に入射することになる。特に測定対象面ＯＢが鋳面状で
ある場合には正反射光のみを考えればよく、また対象面
ＯＢが焼面状で々い場合にも１反射光の主成分はやはり
正反射光である場合がほとんどであることから、鏡面状
の対象物体の場合から特性を類推することができる。す
なわち投光用ファイバ（２５Ｃ）を出て第１の受光用フ
ァイバ（２５ａ）に入る光量がピークとなる位置は線分
ｊｌｒｌ１）ｒ１）の交点Ｇ、を通る面となる。ここで
’Ｉｒｌ。

Ｌｒ１）ともに各ファイバ（２５ａ）、　（２５Ｃ）と
αｒ１の角をもっていることから、交点Ｇ１の位置をｇ
＋　（図の下部参照）とすると ２ｇ１）−Ｉ＋１αｒＩ−φ十Ｓ となる関係式を得る。また第２の受光用ファイバ（２５
ｂ）を考えると、このファイバについても全開口角２α
【、が２引より小さいことから、前述と同様な理論がな
妙たつ。すなわち ２９、ｔａｎα□＝φ＋８ が成立する。またαｒ、＜αｒ、からＦｈ　＞　Ｉｍで
、ピークの光量の光電変換値ＥＩＩｌｌ＋　Ｅ！Ｐも異
なるものとして一般化しである。（等しい場合も含む）
次に信号処理系の作用につき述べると、上述のようにし
て第１の受光用孔アイバ束（２３１）および第２の受光
用ファイバ束（２３ｂ）に入射した反射光０３は前述し
たように光電変換器（３１ａ）、　（３ｔｂ）に導かれ
電気信号に変換される。電気信号としての電流はプリア
ンプ（３３ａ）、　（３３ｂ）によシミ圧変換されて、
ぞれぞれ電圧値ｅ１＋ｅｌとなる。との電圧出力ｅと変
位ｇとの関係を示した線図が第４図において下方部分に
示した特性曲線Ｅ、、Ｅ、である。このような特性の電
圧ｅＩ　＋　％は変換装置０４）によりＡＤ変換されマ
イクロコンピュータ０５）に入力される。

以上が本発明装置の作用説明であるが、この装置を用い
て反射率に関係なく変位を検出する方法である第２の発
明の実施例につき述べる。

第５図は横軸に変位９をとり、縦軸に出力（電圧）ｅを
とった線図で、第４図と同様に曲線Ｅ１は投光用ファイ
バ束（２５ｃ）と第１の受光用ファイバ束（２５ａ）と
からなる第１検出系（２６ａ）による反射率１の場合の
特性曲線で１曲線−は投光用ファイバ束（２５ｅ）と第
２の受光用ファイバ束（２５ｂ）とからなる第２検出系
（２６ｂ）による反射率１の場合の特性曲線である。な
お１反射率は必ずしも既知のものでなくてもよいが、測
定面内では均一であることが望ましい。そして位Ｗ１ｇ
＋にピーク値Ｅ、ｐがあり１位置９冨にピーク値Ｅ！ｐ
がある。また曲１Ｂ　””ｔ　、　Ｂ’！は反射率が１
ではなく１例えば未知のｅ（−膜化した表現）である場
合の第１測定系（２６ａ）　、第２の測定系（２６ｂ）
の変位対出力曲線であって、それらのピーク値踏＄１　
＋　””ＩＧｌはｇＥｌｐ、瀘Ｅ、ｐでありＪｉ’＋　
、　ｇｘ上にある。

さて第２の発明によれば先ず第１検出系（２６ａ）。

第２の検出系（２６ｂ）により出力ｅＩ、ｅｔを得、こ
れに上記ｅＩ　ｔ　ｅｌの値を代入しコンピュータｃ３
Ｑにより演算されて変位ｇｘが得られる。

ま九変位＆、が変位り近傍であることが判っていると１
式 に上記Ｊｅ’！の値を代入し変位ｆｉｘを得る。

次に上述の式（１）、（２）を誘導し、このようにして
得られた変位９ｘ＋が被測定物の表面状態−反射率の変
化−によらず得られ１本発明の目的に合致したものであ
ることを説明する。

先ず同一変位における両特性曲線Ｅ、、Ｂ、の出力の比
の関数を新に定義する。すなわち変位ｇｘが変今反射率
１の場合に光電変換器（３ｘａ）、　（ａｌｂ）から得
られる出力電圧ｅが、その特性のピーク値Ｊｉｌ＊Ｅ１
ｐを用いて。

ａｔ　＝　Ｆ’ｔｐ　ｆ＋（ｊ’） ｅｌ　＝　Ｂｔｐ　’ｔ　（ｆ） と表わせるとする。’＋　（７）およびｆｔ（ｊｌ）は
第６図に示すようにピーク値Ｅ１□ｌ’ｉｉｐをそれぞ
れ１とした場合の正規化された出力電圧である。次に被
測定物０１）の反射率が一様でｇ（ｇ（１）の場合には
、出力電圧ｅＳ　ｓ　ｅＩＬは ｅ、　＝ｇｅ、　＝　ｇ　Ｂ、ｐ　ｆ、（７）ａ、　＝
　ｇｅ、　＝　ｇｅｌ！ｐｆ、（リ　　　　　　　とな
る。

今プローブ（２″４の測定端面（財）と被測定物との間
隔（変位）ｇが変位ｇ、付近であることが予め判ってい
る場合には。

ｅｔ＝ｇＥ１ｐ　ｆｌ（ｐ）申ｇ　Ｐｉ　１　ｐｅ、＝
εＥ、、ｆ倉（ｆ）−８−εＥ□（Ａｐ十Ｂ）としてよ
い。すなわちとの式は’ｓ　（ｇ）、　ｆｔ　（ｐ）関
数を変位＆−ｆｈ上の点Ｐｔａ＋　ｐｌｂ　（第６図参
照）で直線近似したものとなっている。

ここでＩ中Ｉ、としてδ（ｅ、）を求めると。

となシ被測定物の反射率８によらず、変位ｙのみによシ
決定される関数δ（ｅｌ）を得る。この式を変形して前
述した式（１） また変位１　：　ｇｘ付近については上剥と同様にして と々す、これより を得てマイクロコンピヱータにより変位Ｉを算出する。

次に第３の発明につき、その夾施例によシ説明おいてΔ
ｅ＝ｅｌ、−ｅ２なる差分関数を考えるとａ　＝ｅ、−
ｅ２＝ｓＦｉ、ｐｆ、（７）　−１）３＊ｐｆｔ（＃）
−ｇ　（Ｂｔｐ　’ｔ　（ｆ）　　Ｂｔｐ　ｆｔ（ＩＩ
）　）となる。ここでΔｅ′−〇を満す条件はＥ＋ｐ　
ｆｓ　（ｇｍ）　−Ｅ２ｐ　’（７ｍ）となり、この値
はεとは無関係であることが判る。

すなわち、２つの特性曲線Ｅｌ　＋　Ｅｌは反射率に無
関係に変位、！７　＝　、ｊｉ’ｍでｅ、〜ｅ２−０と
なる。第７図は横軸に変位を縦軸に差分をとったもので
１曲線ｅはΔｅ　＝　６．−　ｅ、を１曲ｌｉｅはΔｅ
’　＝　ｅ′１−６−　　をとツタものである。従って
変位＆＝９゜付近を用いれば反射率によらずに零位法に
よる測定が可能と寿る。

すなわち光電変換器（３１ａ）、　（３１ｂ）により得
られた電気信号ｅ、とｅ８とが等しくなる位置が所定の
変位ｆ１ｍである。

なお上述の実施例においては、信号処理装置はＡＤ変換
、インターフェイスをもった接続回路０４）。

マイクロコンピュータ（ハ）とそのソフトウェア−によ
シ実現する装置であるが、光電変換器（３ｔａ）　。

（３１ｂ）から得られる電気信号を直接ハードウェアに
よυ演算を行い、変位ｇを得るようにしてもよいことは
もちろんである。

またプローブ１２つの測定端面０．１）も本実施例に限
定さ！Ｌず、三重同心杉でもよい。

〔発明の効果〕

以上詳述したように第１の発明装置は開口角の異乃・る
２つの受光用ファイバ束と投光用ファイバ束でプローブ
ン構成したので、２つのプローブによる場合と同様に十
分に分離１７た２つの特性曲線を得ることができるので
１反射率に影響されずに変位の検出ができる。またプロ
ーブは１個なので被測定物の不均一な反射率に対Ｉ〜で
もほとんどその影響を受け々い。

さらに１だ第２のイと、明方法は第１および第２の検出
系の出力の比を用いて２つの毛・性曲線を利用するよう
にしたので、全く反射率をｎｊ１）定する必仲なしに変
位を求めることができるため、プローブに対して横方向
に移動する被測定物に対しても反射率の不同と関係なく
高精度な検出ができる。

さらにまた第３の発明方法は第１および第２の検出系の
出力の差分がＯの位置を用いて変位検出を行なうように
したので全く反射率に関係なく変位検出が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の一実施例の構成図、第２図は同じ
くファイバ配役図、第３図は同じくファイバを説明する
要部断面図、第４図は同じく作用説明図、第５図は本発
明装置および第１の本発明方法および泥２の本発明方法
の実施［〈１）を特とする特性曲線図、第６図は同じく
特性曲線を正規化した線図、第７図は第３の発明方法の
一笑り＆例を説明する出力の差分曲線図、第８１ン１〜
ｔ４１０図は従来におけるプローブ測定端面のファイバ
配設図、第１）図は従来例を説明する特性曲線図、第１
２図は従来例の構成図である。 Ｅｌ、Ｊ・・・特性曲線、　　　　　ゾ・・・変　位。 α・・・開口角、　　　　　　０υ・・・被測定物。 （２）・・・プローブ、　　　　　　　（２３ａ）・・
・第１の受光用ファイノー（２３ｂ）・・・第２の受光
用ファイバ束、　　（２３Ｃ）・・・投光用ファイバ束
、１２４）・・・測定端面、　　　　　、　　（２６ａ
）・・・第１の検出系。 （２６ｂ）・・・第２の検出系、　　　　翰・・・測定
光。 ０３・・・反射光。 ＠２ＥＩ 第　３　図 ９２ｇ１　　変位グ　　　　・ 第４図 第５ｍ ！！Ｉ　７　図 第１Ｏ図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）投光用ファイバ束と受光用ファイバ束とをもった
   プローブを有し 上記投光用ファイバ束か ら上記被測定物に測定光を投射しその反射光を上記受光
   用ファイバ束で受光してその強度に対応した電気信号を
   得てこれにより上記被測定物と上記測定端面との相対変
   位を測定する光学式変位検出装置において、上記プロー
   ブは互に開口角の異った２束の受光用ファイバ束を有す
   ることを特徴とする光学式変位検出装置。
2. （２）プローブの測定端面は投光用ファイバ束を形成す
   る投光用ファイバの端面と２束の受光用ファイバ束を形
   成する各受光用ファイバの端面とほぼ均等分布に配置さ
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   光学式変位検出装置。
3. （３）被測定物に測定光を投射する投光用ファイバ束と
   上記測定光の反射光を受光する受光用ファイバ束とをも
   ったプローブの測定端面を上記被測定物に対向させ上記
   反射光の強さを電気信号に変換し、この電気信号と上記
   被測定物および上記測定端面間の相対変位との関係の特
   性曲線を求めこれにより上記変位を検出する光学式変位
   検出方法において、上記受光用ファイバ束を互に開口角
   を異にする第１の受光用ファイバ束と第２の受光用ファ
   イバ束とで構成したプローブを使用し上記投光用ファイ
   バ束と上記第１の受光用ファイバ束とからなる第１の検
   出系による第１の特性曲線のピーク値Ｅ＿１＿ｐおよび
   上記投光用ファイバ束と上記第２の受光用ファイバ束と
   からなる第２の検出系による第２の特性曲線のピーク値
   Ｅ＿２＿ｐを求めかつ変位を検出すべき位置における上
   記第１の受光用ファイバ束の電気信号ｅ′＿１および上
   記第２の受光用ファイバ束の電気信号ｅ′＿２を求め、
   上記電気信号ｅ′＿１、ｅ′＿２の比と上記ピーク値Ｅ
   ＿１＿ｐまたは上記ピーク値Ｅ＿２＿ｐとにより上記変
   位を求めることを特徴とする光学式変位検出方法。
4. （４）被測定物に測定光を投射する投光用ファイバ束と
   上記測定光の反射光を受光する受光用ファイバ束とをも
   ったプローブの測定端面を上記被測定物に対向させ上記
   反射光の強さを電気信号に変換し、この電気信号と、上
   記被測定物および上記測定端面間の変位との関係の特性
   曲線を求めこれにより上記変位を検出する光学式変位検
   出方法において、上記受光用ファイバ束を互に開口角を
   異にする第１の受光用ファイバ束と第２の受光用ファイ
   バ束とで構成したプローブを使用し上記投光用ファイバ
   束と上記第１の受光用ファイバ束とからなる第１の検出
   系による第１の特性曲線のピーク値Ｅ＿１＿ｐおよび上
   記投光用ファイバ束と上記第２の受光用ファイバ束とか
   らなる第２の検出系による第２の特性曲線のピーク値Ｅ
   ＿２＿ｐを求めかつ変位を検出すべき位置における上記
   第１の受光用ファイバ束の電気信号ｅ′＿１および上記
   第２の受光用ファイバ束の電気信号ｅ′＿２を求め、上
   記電気信号ｅ′＿１、ｅ′＿２の差と、上記ピーク値Ｅ
   ＿１＿ｐと、上記ピーク値Ｅ＿２＿ｐとにより上記変位
   を求めることを特徴とする光学式変位検出方法。