JPS63233305A - 変位センサ - 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】 〈産業上の利用分野〉 この発明は、例えばフィゾー型光干渉計応用の光フアイ
バセンサに関連する技術であって、可動物体の直線方向
の変位量を測定するための変位センサに関する。

〈従来の技術〉 例えば光フアイバ変位センサは、光ファイバの一端より
光を導入し、この伝播光の一部を光ファイバの他端で反
射させて参照光を得ると共に、伝播光の残りを光ファイ
バの他端より出射させて検出光となすものである。この
検出光は被測定物体に連動する反射鏡面で反射して信号
光となり、この信号光は再び前記他端より光ファイバに
戻ることになる。前記参照光と信号光とは光フアイバ内
で相互に干渉し、この干渉光はこれら光の位相差に応じ
た光強度をもつ、この干渉光を光ファイバの一端より取
り出して光電変換し、その強度変化を計数することで被
測定物体の変位量を測定する。

このような光フアイバ変位センサに関して、出願人はす
でにいくつかの提案を行っている。

例えば特開昭６１−２５６２０３号は、光ファイバにお
ける検出光の出射端と反射鏡面との間にコリメート・レ
ンズを設けたものであり、これにより光ファイバに戻る
信号光の光量を確保すると共に、被測定物体の変位量に
かかわらず信号光のピーク強度をほぼ一定に保ち、もっ
て測定可能な変位量を増大させている。

また特開昭６１−２５６２０４号は、上記のコリメート
・レンズの焦点を光ファイバにおける検出光の出射端か
ら軸方向へずらしてコリメート・レンズを配置したもの
であり、これにより被測定物体の変位量を測定するだけ
でなく、変位方向の判別も可能としている。

〈発明が解決しようとする問題点〉 ところが上記光フアイバセンサの場合、被測定物体（反
射鏡面）に対する検出光の照射や信号光の受光を開放さ
れた空間領域で行っているため、空気や温度のゆらぎの
影響を受は易く、また反射鏡面にゴミや汚れが付着して
、測定誤差が発生するという問題がある。

この発明は、このような問題点に着目してなされたもの
で、反射鏡面への検出光の照射や信号光の受光を密閉さ
れた空間内で行うことにより、空気や温度のゆらぎの影
響を受けず、また反射鏡面へのゴミなどの付着を防止し
た新規な変位センサを提供することを目的とする。

く問題点を解決するための手段〉 上記目的を達成するため、この発明では、゛　投受光系
と、この投受光系で発せられた検出光を被測定物体と連
動する反射鏡面へ導きかつその反射鏡面での反射光を投
受光系へ導（ための案内部と、前記投受光系による反射
光の受光信号信号に基づき被測定物体の変位量を算出す
すための演算処理部とで変位センサを構成している。

そしてこの変位センサにおける案内部は、一端部に前記
投受光系が接続された密閉構造の筒状ガイドと、この筒
状ガイドの内部に往復動自在に配備される可動体とを備
えており、前記可動体には投受光系と対向する端面に前
記反射鏡面を設けると共に、その他端面には検出軸の一
端を接続して、この検出軸の他端を筒状ガイドの他端部
より外部へ突出させている。

く作用〉 被測定物体が変位すると、その変位量に応じて可動体（
反射鏡面）が筒状ガイド内を移動する。よって反射鏡面
への検出光の照射や信号光の受光は筒状ガイド内の密閉
空間内で行われることになるから、空気や温度のゆらぎ
の影響を受けず、また反射鏡面へのゴミや汚れの付着が
完全に防止される。

〈実施例〉 第３図〜第６図は、この発明が実施される光フアイバ変
位センサの基本原理を示している。

第３図において、光源１は波長λが０．６３３〔μｍ〕
のＨｅ−Ｎｅレーザであって、そのレーザ光はアイソレ
ータ２およびビームスプリッタ３を経てレンズ４により
シングル・モードの偏波面保存光ファイバ（シングル・
ボラリゼーシツン・ファイバ）５にその一端（以下、「
入射端」という）より入射する。なおアイソレータ２は
反射光が光源ｌに戻らないようにするためのものである
。

前記光源１は、直線偏光のレーザ光の偏波面が偏波面保
存光ファイバ５のＸ軸およびｙ軸（第５図参照）に対し
て４５°の角度で入射するようにその配置などを定めで
ある。従って光フアイバ５内を伝播する光はその基本モ
ードの相互に直交する成分Ｅ、、Ｅ、の大きさが等しく
なる。この偏波面保存光ファイバ５は、第５図に示す如
く中心のコア５ａのＸ軸方向の上下位置に応力発生用の
ガラス・ファイバ５ｂがそのサポート内に挿入されて成
るもので、上記の２成分Ｅ、、Ｅ、はその偏波面を一方
向に保存して伝播される。

第４図は、光フアイバ変位センサのセンサ部１２の構成
を拡大して示しである０図中、８はミラーなどの反射鏡
面であって、被測定物体に連動する。この反射鏡面８と
光ファイバ５との間にはロッドレンズ６が配置してあり
、このロッドレンズ６の焦点面は光ファイバ５の他端（
以下、「出射端」という）５ｃに位置決めされる。この
ロッド・レンズ６と反射鏡面８との間にはＳｉＯ□結晶
のような複屈折率をもつ結晶体（以下、「複屈折率結晶
」という）７が配置され、さらに前記ロッド・レンズ６
の複屈折率結晶７側の面にはハーフミラ−として作用す
る金属薄膜６ａが蒸着などの方法で形成しである。

なおこの金属薄膜６ａはロッド・レンズ６の他の面や光
ファイバ５の出射端面に形成してもよい。これらロッド
・レンズ６や複屈折率結晶７は光ファイバ５の出射端５
Ｃに対し適当な手段をもって固定される。

光フアイバ５内を伝播してくる光は出射端５ｃより出射
し、ロッド・レンズ６でコリメートされて平行光となる
。この平行光の一部は金属薄膜６ａで反射し、ロッド・
レンズ６により集光されて前記出射端５Ｃより光フアイ
バ５内へ参照光として入射し、光フアイバ５内を逆方向
に伝播してゆく。前記平行光の残りはロッド・レンズ６
より出射し、検出光として複屈折率結晶７を経て反射鏡
面８へ向かう。この検出光は反射鏡面８で反射し、再び
複屈折率結晶７およびロッド・レンズ６を通過して集光
され、前記出射端５ｃより光フアイバ５内に信号光とし
て入射する。

ところで前記複屈折率結晶７は、Ｓｉｎ、結晶の場合、
第５図に示す如くそのＺ軸方向の屈折率ｎ、およびＹ軸
方向の屈折率ｎ０はそれぞれｎａ　＃１．４８．　　ｎ
ｏ″−１，５２（λ＃０．６μｍ）である。ロッド・レ
ンズ６からの出射光が平行平板のＳｉＯ□結晶の面に垂
直に入射し、この光の成分ＥＸ、Ｅ、にそれぞれ上記の
屈折率ｎ、、ｎ。

が作用したとすると、これら互いに直交する成分Ｅ、、
Ｅ、は異なる位相速度でＳｉ０ｇ結晶内を伝播し、結晶
をその厚さｄ方向に通過したときには両者の間につぎの
位相差Δが生じる。

Δ＝（２πｄ／λ）（ｎｏ−ｎ、） 直交する２成分Ｅ、、Ｅｙの位相差はＳｉｎ、結晶の厚
さｄによって定まり、ｄ　＋　＝　１５．８２５μｍで
１波長分の位相差が生じる。従って複屈折率結晶７の厚
さｄを次式で設定したとき１／Ｎ波長分の位相差が生じ
ることになる（１／Ｎ波長板）。

ｄ　＝　ｍ−ｄ　Ｉ＋　（ｄ　ｔ　／　Ｎ）　　（ただ
しｍは正の整数） 前記検出光は複屈折率結晶７を通過し、反射鏡面８で反
射した後、信号光として再び複屈折率結晶７を通過する
。従って成分ＥつとＥ、との位相差は２／Ｎ波長分（（
２／Ｎ）２π〕となる。一方、金属薄膜６ａで反射する
参照光の２成分Ｅ、、Ｅ、には位相差は生じない。

一方の成分Ｅｘにつき考えると、金属薄膜６ａで反射し
た参照光の成分Ｅ、と反射鏡面８で反射した信号光の成
分Ｅ８とは光フアイバ５内を逆方向に伝播するときに相
互に干渉し、この干渉光にはこれら２つの光の光路差に
応じた光強度変化が生じる。他方の成分Ｅｙについても
その参照光と信号光とが同様に干渉するもので、これら
各成分についての干渉光は、偏波面保存光ファイバ５内
を直交する２つの偏波光として入射端の方へ伝播してゆ
（。しかも信号光の２成分の間には前記したとおり２／
Ｎ波長分の位相差があるから、成分Ｅ８の干渉光と成分
Ｅ、の干渉光との間にも２／Ｎ波長分の位相差が生じる
ことになる。

これら干渉光の強度は、第６図に示すように光路差の変
化に対してλ（光の波長）の周期で正弦的に変化する０
図中、Ｎｏ、１の変化曲線は成分Ｅ、の干渉光の強度変
化を示し、Ｎｏ、２　　の変化曲線は成分Ｅ、の干渉光
の強度変化を示している。信号光は光ファイバ５の出射
端５ｃと反射鏡面８との間を往復するので光路差は反射
鏡面８の変位量の２倍に等しい、すなわち干渉光の一周
期は光路差λに等しいが、これは反射鏡面８の変位量で
表すとλ／２となる。

第３図に戻って、光ファイバ５を戻ってきた各成分Ｅｘ
、Ｅ、の干渉光は、ビームスプリッタ３で反射された後
、偏光ビームスプリッタ９で分離され、一方の成分Ｅ、
の干渉光は受光素子１０Ａで、他方の成分Ｅ、の干渉光
は受光素子１０Ｂで、それぞれ受光される。

各受光信号は受光素子１０Ａ、１０Ｂでそれぞれ電気信
号に変換された後、適当なスレシホールド・レベルをも
つ２値化回路１１Ａ、ＩＩＢでレベル弁別されて２値化
される。

第６図に、上記スレシホールド・レベルＴＨと各成分Ｅ
、、Ｅ、の干渉光についての２値化　　′信号とを対応
させて示しである。

この２値化信号の立上りまたは立下り、或いはその両方
をカウンタで計数することにより、反射鏡面８の変位量
を測定できる。従って反射鏡面８の変位量はλ／２また
はλ／４単位で測定されることになり、例えばλ／４の
場合は約０．１６μｍの分解能で変位量を測定できる。

なお第６図に示すＮｏ、１またはＮｏ、２の光信号のい
ずれか一方のみを用いて変位量が測定できることはいう
までもない。

上記２つの２値化信号は微分回路を用いてその立上りま
たは立下り、或いはその両方を検出し、これら微分され
た信号に基づき反射鏡面８の変位方向を判別する。すな
わち反射鏡面８が光ファイバ５の出射端５Ｃから遠ざか
る方向へ変位するときは、一方の２値化回路１１Ａの出
力信号の立上り（立下り）が他方の２値化回路１１Ｂの
出力信号の立上り（立下り）よりも先に現れ、また反射
鏡面８が逆方向に変位するときは、これら２°つの信号
の変化の順序が逆になる。従って微分された信号の変化
が現れる順序をチェックすることにより、反射鏡面８の
変位方向を判別できる。

なお第６図に示す２つの干渉光信号（Ｎｏ、１とＮｏ、
２）の位相差はｇ／８．ｘ／４．ｎ／２程度が好ましい
が、π、２π以外であればいかなる値でもよい。

またロッド・レンズ６の出射端における光の反射率と透
過率は金属薄膜６ａの膜厚によって定まる。従って金属
薄膜６ａの厚さを制御することにより参照光と信号光の
強度の比を任意に定めることができ、例えばこれをｌ：
ｌとすることもできる。

かくして上記構成の光フアイバ変位センサの場合、光フ
ァイバ５の出射光はロフト・レンズ６により平行化され
るから、反射鏡面８が変位してロッド・レンズ６と反射
鏡面８との距離が変動しても、検出光や信号光は平行光
となって拡散することはない、また信号光はロッド・レ
ンズ６で集光されて光ファイバ５へ入射するから、反射
鏡面８の位置に殆ど関係な（光ファイバ５に戻る反射光
強度をほぼ一定に保持できる。

よって反射鏡面８の変位に対して信号光強度がほぼ一定
となり、正確な変位測定が可能となると共に、変位の測
定可能範囲が広くなる。

第１図は、上記光フアイバ変位センサを基本構成とする
この発明の一実施例を示すもので、投受光系２０．案内
部２１．干渉波形検出器２２、演算処理部２３および、
出力部２４をその構成として含んでいる。

投受光部２０は、前記の参照光や検出光を生成して出力
すると共に信号光を取り込んで干渉光を生成するための
もので、レーザ光を出力する光源２５．入出力光をコリ
メートするためのコリメート光学系２６．干渉光を生成
するための干渉光学系２７を含んでいる。これらコリメ
ート光学系２６や干渉光学系２７は、前記光ファイバ５
．ロッド・レンズ６、複屈性率結晶７などの各光学部材
を組み合わせて構成される。

案内部２１は、投受光系２０より照射された検出光を被
測定物体２８と連動する反射鏡面２９へ珈きかつその反
射鏡面２９で反射した信号光を投受光系２０へ導くため
のものであり、第１図および第２図に示すように筒状ガ
イド３０の中空内部に反射鏡面２９を備えた円筒形状を
なす可動体３１を往復動自在に配備した構造のものであ
る。

前記筒状ガイド３０は、一端部に前記投受光系２０が接
続され、また他端部はブツシュ３２により密閉された構
造であり、これにより中空内部を外気や温度のゆらぎの
影響から遮断し、また前記反射鏡面２９へのゴミや汚れ
の付着を防止している。前記反射鏡面２９にはミラーや
再帰性及財物などが用いられ、可動体３１の投受光系２
０と対向する端面に配置しである。可動体３１の反対側
端面には検出軸３３の一端が接続され、この検出軸３３
の他端を前記ブツシュ３２を突き抜けて外部へ突出させ
、その先端を被測定物体２８に当接させる。従って被測
定物体２８が軸方向に変位すると、検出軸３３がこれと
連動するため、可動体３１が筒状ガイド３０内で変位量
に応じて移動する。

第７図および第８図は、上記案内部２１の具体構成例を
示している。

図示例のものは、長尺かつ密閉構造の筒状ガイド３０の
内部に反射鏡面２９を備えた可動体３１を往復摺動自在
に配備すると共に、この可動体３１を圧縮バネ３５によ
り検出軸３１の突出方向へ常時付勢している。前記可動
体３１は潤滑性処理の施された摺動部３４．３４を備え
ており、また検出軸３３はその先端に先細の接触子３６
が形成しである。なお第７図中、３７゜３８は圧縮バネ
３５の端部を支えるバネ受けである。

第１図に戻って、干渉波形検出器２２は投受光系２０で
得た干渉光を前記各成分ＥＸ、Ｅ。

についての干渉光に分離して受光し、゛それぞれ光電変
換を行って各成分Ｅｘ、Ｅ、の干渉光信号を生成するた
めのもので、前記偏光ビームスプリッタ９．受光素子Ｉ
ＯＡ、１０Ｂなどの各構成がこれに相当する。

演算処理部２３は、干渉波形検出器２２で得た各成分Ｅ
ＸＩＥ、の干渉光信号に基づき被測定物体２８の変位方
向とその変位量を算出するためのもので、第９図にこの
演算処理部２３の具体回路構成が、また第１０図にその
回路各部の信号波形が、−例として示しである。

第９図中、一対の干渉波形検出器２２Ａ。

２２Ｂは各成分ＥＸ＋Ｅ、についての干渉光信号Ａ、　
Ｂ　（第１０図（１）参照）を生成するためのもので、
一方の干渉光信号Ａは２個の２値化回路４１．４２に、
他方の干渉光信号Ｂは他の２個の２値化回路４３．４４
に、それぞれ与えられる。

なお第１０図の例では、被測定物体２日の変位方向は図
中Ｐで示す点で正の方向から負の方向へ変化している。

上記４個の２値化回路のうち、２値化回路４１．４３は
第１０図（１）中Ｔ　Ｈｒで示すスレシホールド・レベ
ルをもち、また他の２値化回路４２．４４は同図中ＴＨ
，で示すスレシホールド・レベルをもっており、前記干
渉光信号Ａ。

Ｂは各２値化回路４１〜４４でそれぞれレベル弁別され
て第１０図（２）　（３１で示すような２値化体号Ｃ−
Ｆが生成される。

２値化体号Ｃ，Ｄは論理和回路４５および制御信号生成
回路４６に与えられ、他の２値化体号Ｅ、Ｆは他の制御
信号生成回路４７へ与えられる。前記論理和回路４５は
カウンタ４８の計数人力Ｇ（第１０図（７）参照）を与
えるためのもので、カウンタ４８は後記する計数制御信
号にの制御下でアップ・ダウンカウントを行って被測定
物体２８の変位量を計数する。

各制御信号生成回路４６．４７は被測定物体２８の変位
方向を示す制御信号Ｈ，Ｉ　　（第１０図（４１（５１
参照）を生成するもので、制御信号生成回路４６は一方
の２値化信号りを他方の２値化信号Ｃの立上りでラッチ
することにより制御信号Ｈを得、また制御信号生成回路
４７は一方の２値化信号Ｆを他方２値化信号Ｅの立上り
でラッチすることにより制御信号ｌを得ている。これら
制御信号Ｈ，Ｉは論理和回路４９に与えられて、第１０
図（６）に示す計数制御信号Ｋが生成される。この計数
制御信号には前記のカウンタ４８の計数動作を制御する
ためのもので、カウンタ４８は計数制御信号Ｋが“ＬＯ
Ｗ　”のレベルのときアップカウントし、“旧Ｇｌｉ″
のレベルのときダウンカウントする。

このカウンタ４Ｂの計数データＪは変位量演算器５０へ
出力され、この変位量演算器５０にて計数データＪが被
測定物体２Ｂの変位量に換算されて入出力装置５１へ出
力される。

なお図中リセット回路５２は、カウンタ３１の計数値を
リセットするためのもので、これにより可動体３１の原
点が位置設定される。

第１１図は上記変位センサの使用例を示しており、テー
ブル６０の上方位置に変位センサの案内部２１が検出軸
３３を下方に向けて配備されている。この案内部２１は
検出軸３３先端の接触子３６がテーブル上面と接触する
ようにその高さが位置決めされており、テーブル６０が
移動して被測定物体２８ａ、２８ｂが前記接触子３６の
下方を通過するとき、検出軸３３が押し上げられ、筒状
ガイド３０内の可動体３１が変位することになる。

この可動体の変位量ΔＸは、上記構成の光フアイバ変位
センサによって測定されるもので、この変位センサは第
１２図に示す如く、変位量ΔＸに比例する測定出力を出
力する。

従って第１３図に示すように、テーブル６０の移動量ｙ
に対する検出軸３３の変位量ΔＸを求めることにより、
各被測定物体２８ａ。

２８ｂのプロファイルが求められ、これにより各被測定
物体がいずれの物体であるかを認識で゛きる。

〈発明の効果〉 この発明は上記の如く、反射鏡面への検出光の照射や信
号光の受光を密閉された筒状ガイド内で行うようにした
から、空気や温度のゆらぎの影響を受けず、また反射鏡
面にゴミや汚れが付着して測定誤差が生ずるなどの虞れ
がない。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例にかかる変位センサの概略
構成を示す説明図、第２図は案内部の内部構造を示す斜
面図、第３図は光フアイバ変位センサの基本構成を示す
説明図、第４図はセンサ部を拡大して示す側面図、第５
図は光ファイバの軸方向と複屈折率結晶の軸方向との関
係を示す説明図、第６図は干渉光信号および２値化信号
の波形図、第７図は案内部の具体例を示す断面図、第８
図は案内部の内部構造を示す斜面図、第９図は演算処理
部の回路構成例を示すブロック図、第１θ図は回路各部
の信号波形を示す波形図、第１１図はこの発明の変位セ
ンサの使用例を示す正面図、第１２図は変位置に対する
変位センサの測定出力を示す説明図、第１３図は被測定
物体のプロファイルを示す説明図である。 ２０・・・・投受光系　　２１・、・・案内部２３・・
・・演算処理部　２９・・・・反射鏡面３０・・・・筒
状ガイド　３１・・・・可動体３３・・・・検出軸 特許出願人　　立石電機株式会社 →イ）３＋”ｌ　　　光ファイへ傭ヒイｉｔンサめ」１
オきす１ノにを元Ｉ免ｅ月１２÷＋ムＪｆｆｌ　　　セ
ン４ｊ酔ｔホ（人して元４イ貝・１６丁ａ、２ （ご）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）投受光系と、 この投受光系で発せられた検出光を被測定物体と連動す
   る反射鏡面へ導きかつその反射鏡面での反射光を投受光
   系へ導くための案内部と、前記投受光系による反射光の
   受光信号に基づき被測定物体の変位量を算出するための
   演算処理部とから構成され、 前記案内部は、 一端部に前記投受光系が接続された密閉構造の筒状ガイ
   ドと、 この筒状ガイドの内部に往復動自在に配備される可動体
   とを備え、 前記可動体には投受光系と対向する端面に前記反射鏡面
   を設けると共に、その他端面には検出軸の一端を接続し
   て、この検出軸の他端を筒状ガイドの他端部より外部へ
   突出させて成る変位センサ。
2. （２）前記投受光系は、レーザ光を出力する光源と、入
   出力光をコリメートするためのコリメート光学系と、干
   渉光を生成するための干渉光学系とを含んでいる特許請
   求の範囲第１項記載の変位センサ。
3. （３）前記演算処理部は、被測定物体の変位量を検出す
   るための変位量検出回路部と、被測定物体の変位方向を
   検出するための変位方向検出回路部とを含んでいる特許
   請求の範囲第１項記載の変位センサ。
4. （４）前記案内部の筒状カイドは、その内部に可動体を
   検出軸の方向へ常時付勢するためのバネが配設されてい
   る特許請求の範囲第１項記載の変位センサ。