JP3914210B2

JP3914210B2 - 光学式変位センサおよび外力検出装置

Info

Publication number: JP3914210B2
Application number: JP2004049763A
Authority: JP
Inventors: 厚北村; 重之足立
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2004-02-25
Filing date: 2004-02-25
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2024-02-25
Also published as: US7289228B2; JP2005241353A; US20050185196A1

Description

本発明は、光学式変位センサおよび外力検出装置に関し、詳しくは、基準体と検出体との相対位置の変位を光の受光位置のずれによって検出する光学式変位センサ、および、その光学式変位センサの出力に基づいて前記検出体に印加された外力を検出する外力検出装置に関する。

従来から、支持部すなわち基準体に対する受力部すなわち検出体の相対変位を光学式変位センサによって検出し、光学式変位センサからの信号に基づいて受力部に印加された外力を算出する、光学式６軸力センサ等の外力検出装置が知られている。

たとえば光学式６軸力センサでは、６軸方向の変位に基づいて６軸方向の力を算出するようにしており、６軸方向の変位を計測するための光学式変位センサを設けた構成としている。

この光学式６軸力センサは、６軸方向の変位を計測するために光センサユニットをベースとしたＸＹ方向の２軸方向の変位を計測することができる光学式変位センサを３つ設けて構成される。

光センサユニットは、光源となるＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ、発光ダイオード）と受光素子となるＰＤ（ＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ、フォトダイオード）の光軸を一致させて対向配置する。ＰＤは４分割されて、その中心部にＬＥＤからの光が照射され、光学式変位センサでは、このＰＤにおける光の受光位置の変位すなわちＬＥＤが取り付けられた部品とＰＤが取り付けられた部品との相対位置の変位を検出することができるようになっている。

光学式６軸力センサでは、このような各光学式変位センサからの出力に基づいて、ＬＥＤが取り付けられた部品とＰＤが取り付けられた部品との間に印加された６軸力を算出する。

図１５は、特許文献１に記載された従来の６軸力センサを示す平面図である。

図１５に示すように、従来の６軸力センサ１０１は、円筒状の支持部１０２と、その支持部１０２の中心部に配置される受力部１０３と、これら支持部１０２と受力部１０３との間を連結するスポーク状の弾性連結部１０４を３本有して構成されるフレーム１０５とを備えて構成される。

このフレーム１０５は、アルミ合金材から切削加工および放電加工によって削り出して形成した一体のもので、弾性連結部１０４は屈曲して形成され、計測すべき力に対して所望の変位量が得られるように工夫されている。

支持部１０２および受力部１０３は、計測すべき力が加えられる２部材にそれぞれ固着される。これによって、６軸力センサ１０１に力が作用したとき、支持部１０２と受力部１０３との間に３軸方向の微少変位と３軸回りの微少回転とが生じる。

図１５に示すように、支持部１０２には３個の光源１０９が１２０度回転対称に配置され、受力部１０３には、３個の光センサ１０８が１２０度回転対称に、３個の光源１０９のそれぞれと光軸をあわせて対向して配置されており、光センサ１０８とそれと対向する光源１０９とで光センサユニット１１０（光学式変位センサ）を構成する。

図１６は、図１５に示した従来の光センサユニット（光学式変位センサ）の説明をする概略斜視図である。

図１６に示すように、光センサユニット１１０の光センサ１０８は、ｘ軸およびｙ軸の上下左右に４分割配置されたＰＤ（フォトダイオード）１０８ａから成る。

支持部１０２には各光センサ１０８に対向する位置それぞれに各光源１０９が設けられている。この光源１０９は、赤外線高輝度ＬＥＤ（発光ダイオード）の前方にピンホールを設けたものであり、そのピンホールから拡散する光が光センサ１０８に投射されるようになっている。

このようにして、支持部１０２と受力部１０３との相対位置が変化したときには、各ＰＤ１０８ａへの光量の比率が変化し、この比率を計測することによってｘ軸、ｙ軸方向の変位が計測されるようになっている。６軸力センサ１０１は、この変位に基づいて６軸方向の力を算出して出力する。

以上説明し、図１５および図１６に示したように、従来の６軸力センサ１０１は、計測しようとする力が加えられることによって変形する構造材としての弾性連結部１０４を有する弾性フレーム１０５と、その変位を検出する光センサ１０８および光源１０９から成る３個の光センサユニット１１０とを有して構成される。

特開平３−２４５０２８号公報

ところで、このような６軸力センサ（外力検出装置）は、主として産業用ロボットにおける足首や手首等の制御において外力を検出するのに用いられるが、ロボットの動きをより高性能化するためには、手や足の指にも６軸力センサを使用するのが望ましく、これに対応するためには、６軸力センサの小型化、小径化が求められる。

ところが、従来の６軸力センサでは、上述のように３組の光学式変位センサの光軸が径方向（ラジアル方向）を向いていたことから、光源および受光素子の大きさ等による制約を受け、外力検出装置の小径化には限界が生じていた。

本発明は上記の点にかんがみてなされたもので、従来よりも装置の小径化をすることができるように、光軸方向の変位計測が可能な光学式変位センサおよびその光学式変位センサの光軸方向を、中心軸方向（アキシャル方向）と一致させて配置した６軸力センサを提供することを目的とする。

本発明は上記の目的を達成するために、基準体または検出体のどちらかに設けられた光モジュール部と、前記基準体および前記検出体のうち前記光モジュール部が設けられているのとは別のほうに設けられた反射部材とを有し、前記光モジュール部から出射され前記反射部材によって反射された光を前記光モジュール部で受光し、該受光結果に基づいて、前記基準体に対する前記検出体の相対変位を計測する光学式変位センサにおいて、前記光モジュール部は、前記光モジュール部から前記反射部材に向けて出射される光の光軸と平行な方向である第１の方向（アキシャル方向）の変位を計測する第１の光学系と、前記光モジュール部から前記反射部材に向けて出射される光の光軸と直交する面内の方向のうちの所定の方向である第２の方向（ラジアル方向と直交する方向）の変位を計測する第２の光学系とを有し、前記反射部材は、前記光モジュール部と向き合う面のうちの少なくとも一部に回折格子を有し、前記回折格子は、前記第２の方向に対して直交する方向に延び、前記第２の方向に沿って複数形成され、前記第１の光学系は第１の光源と第１のレンズと第１の受光素子とを有し、前記第１の光学系は、前記第１の光源からの光を前記第１のレンズを介して前記反射部材の該光モジュール部と向き合う面に入射させ、該入射させた光の前記反射部材による反射光を前記第１の受光素子で受光することによって、前記第１の方向の変位に対応した信号を得、前記第１のレンズは前記第１の受光素子との距離が一定になるように前記光モジュール部内で固定され、前記第２の光学系は第２の光源と第２のレンズと第２の受光素子とを有し、前記第２の光学系は、前記第２の光源からの光を前記第２のレンズを介して前記反射部材の該光モジュール部と向き合う面の前記回折格子に入射させ、該入射させた光の前記反射部材の回折格子による反射光を前記第２の受光素子で受光することによって、前記第２の方向の変位に対応した信号を得、前記第２のレンズは、該第２のレンズを通過し前記回折格子に入射する光が該回折格子上でフォーカスがとれた状態にするための可動機構を設けた上で前記光モジュール部内で前記第１の方向にのみ移動可能に固定されていることを特徴とする。

また本発明は請求項１に記載の発明において、前記第１の光源および前記第２の光源は、１個の光源と、該１個の光源からの光を２分岐させる光分岐プリズムとから構成され、前記第１の光源からの光は前記光分岐プリズムで２分岐された光の一方であり、前記第２の光源からの光は前記光分岐プリズムで２分岐された光の他方であることを特徴とする。

また本発明は請求項２に記載の発明において、前記光分岐プリズムは、平行に配置された第１および第２の半透過膜を有し、前記第１の半透過膜を透過した光を前記第２のレンズに入射させ、前記第１の半透過膜で反射した後に前記第２の半透過膜で反射した光を前記第１のレンズに入射させることを特徴とする。

また本発明は請求項３に記載の発明において、前記第２の半透過膜の、前記第１の半透過膜と向かい合う側の反対側に、非点収差発生部を設けたことを特徴とする。

また本発明の外力検出装置は、請求項１ないし４のうちのいずれか１項に記載の光学式変位センサを有し、前記第１の方向をアキシャル方向と一致させ、前記第２の方向をラジアル方向に対して直交する方向と一致させ、前記第１の方向の変位に対応した信号および前記第２の方向の変位に対応した信号に基づいて、前記基準体と検出体とに相対的に印加された外力を検出することを特徴とする。

本発明によれば、光軸方向およびその光軸に垂直な面内のうちの所定の方向である一軸方向の変位計測を可能とした光学式変位センサおよびその光学式変位センサを用いることにより従来よりも装置の小径化を達成した６軸力センサを提供することができる。

すなわち本発明によれば、３組の光学式変位センサの光軸が径方向（ラジアル方向）と直交するアキシャル方向となるようにしたため、装置の小径化を実現することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

なお、本実施の形態では、図１５に示したような光学式６軸力センサに適用可能な、光学式変位センサについて説明するが、本発明が適用される外力検出装置は、光学式６軸力センサすなわち６軸力を検出するものに限られないことは言うまでもない。

図１は、本発明による６軸力センサの一実施の形態の外観を示す斜視図である。

図１に示すように、本実施の形態の６軸力センサ２０は、円柱状の形状に形成され、本体２１ａの上部に円板上の上部蓋２１ｂがされて構成される。

図２は、図１に示した６軸力センサ２０から上部蓋２１ｂを外して上から見た概略平面図である。

また、図３は、図２に示した６軸力センサ２０を側面から内部が見えるようにした側面断面図である。

図２に示すように、本実施の形態の６軸力センサ２０は、円筒状の支持部２２と、その支持部２２の中心部に配置される受力部２３と、これら支持部２２と受力部２３との間を連結するスポーク状の弾性連結部２４を３本有するフレーム２５とを備えて構成される。

このフレーム２５は、アルミ合金材から切削加工および放電加工によって削り出して形成した一体のもので、弾性連結部２４は屈曲して形成され、全方向に弾性変形しやすくされている。

支持部２２および受力部２３は、計測すべき力が加えられる２部材にそれぞれ固着される。これによって、６軸力センサ２０に力が作用したとき、支持部２２と受力部２３との間に３軸方向の微少変位と３軸回りの微少回転とが生じる。

また、図２および図３に示すように、支持部２２には３個の光モジュール部１が１２０度回転対称に配置されている。

一方、受力部２３には、３個の光モジュール部１のそれぞれに１個ずつ対応付けて３個の反射部材２がやはり１２０度回転対称に配置されている。

図２に示すように、光モジュール部１のそれぞれと反射部材２のそれぞれとは６軸力センサ２０の中心軸方向（アキシャル方向）に対向して設けられ、光モジュール部１からの光が反射部材２によって反射されて光モジュール部１にて受光される。この光モジュール部１および反射部材２によって光センサユニットすなわち光学式変位センサを構成する。

図４は、図２および図３に示した光モジュール部１および反射部材２の組み合わせの構成の例を示す側面構成図である。

図４に示すように、光モジュール部１は、光源（たとえば発光ダイオード）と受光素子（たとえばフォトダイオード）とから構成される受発光素子４と、受光素子（たとえばフォトダイオード）５と、所望の方向に光を分岐、進行させるための光分岐プリズム３と、光の焦点を調節するための対物レンズ６および７とを有して構成される。

光分岐プリズム３には半透過膜１０および異屈折率部３０が設けられており、これらによって光が所望の方向に分岐、進行させられる。

異屈折率部３０は、たとえば半透過膜１０と向かい合う側に半透過膜を設け、半透過膜１０と向かい合う側の反対側に、光分岐プリズム３の基材と光の屈折率が異なる異屈折率部分を設けて構成される。

この異屈折率部分は、光分岐プリズム３の基材と光の屈折率が異なる部分であり、これは光分岐プリズム３の基材よりも小さな屈折率を有するものでもよいし、光分岐プリズム３の基材よりも大きな屈折率を有するものでもよい。この光分岐プリズム３内の異屈折率部３０の異屈折率部分が光学式変位センサにてアキシャル方向（第１の方向）の変位量を測定するための非点収差発生部となる。

反射部材２は光モジュール部１に対向する面が反射面となっており、反射部材２の反射面のうち受発光素子４と対向する位置には回折格子（回折溝）８が設けられている。反射部材２の反射面のうち受光素子５と対向する位置には回折格子が設けられていても、設けられていなくてもかまわない。回折格子８を構成する溝は、ラジアル方向に延び、ラジアル方向に対して直交する方向（第２の方向）に沿って複数形成されている。

光モジュール部１と反射部材２とは相対変位可能に平行配置されている。

図５は、図４に示した、図２および図３に示した光モジュール部１および反射部材２の組み合わせの構成の例を示す構成図であり、光の進行方向の一例を示す側面図である。

図５に示す例では、図中に矢印で示すように、受発光素子４から発光された光の一部は、半透過膜１０で反射され、さらに異屈折率部３０で反射され、対物レンズ７を通過して反射部材２の反射面で反射される。反射されたこの光は、対物レンズ７を通過した後に異屈折率部３０を通過し、受光素子５に入射する。なお、対物レンズ７は、受光素子５との距離が一定になるように光モジュール部１内でたとえば光モジュール部１の筐体に固定されている。

この光学式変位センサでは、受光素子５によって受光する光によって、アキシャル方向すなわち図５に示すｙ軸方向（第１の方向）の変位を検出することができる。

このアキシャル方向の変位を検出する方法としては、従来からよく知られた、光ピックアップのフォーカス制御に適用されている、たとえば非点収差法あるいはビームサイズ法などの原理を適用することができる。非点収差法の場合には、非点収差を生じさせるために、上述の光分岐プリズム３内の異屈折率部３０のような非点収差発生部が必要となる。また、たとえば実開平５−３４５１２号公報に記載の光学式変位計や特開平９−２０３６１０号公報に記載のフォーカス検出装置のような既知の方法を採用することができる。

図６は、図４に示した、図２および図３に示した光モジュール部１および反射部材２の組み合わせの構成の例を示す構成図であり、図５とは異なる光の進行方向の一例を示す側面図である。

図６に示す例では、図中に矢印で示すように、受発光素子４から発光された光の一部は、半透過膜１０を通過し、さらに対物レンズ６を通過して反射部材２の反射面の回折格子８で反射される。反射されたこの光は、対物レンズ６を通過した後に再度半透過膜１０を通過し、受発光素子４に入射する。なお、対物レンズ６は、この対物レンズ６を通過し反射部材２の反射面に入射する光が回折格子８上でフォーカスがとれた状態にするため、後述するように、反射部材２との距離を調節可能な可動機構を設けた上で光モジュール部１内でアキシャル方向にのみ移動可能に固定されている。

この光学式変位センサでは、受発光素子４によって受光する光によって、ラジアル方向に直交する方向すなわち図６に示すｘ軸方向（第２の方向）の変位を検出することができる。

このラジアル方向に直交する方向の変位を検出する方法としては、従来からよく知られた、光ピックアップのトラッキング制御に適用されている、たとえばプッシュプル法などの原理を適用することができる。また、たとえば特開平５−１０７０４２号公報に記載の回折格子による位置検出方法のような既知の方法を採用することができる。

ところで、図４に示した例では、受発光素子４を用いる構成としたが、本発明はこれに限られるものではなく、受発光素子４の代わりに、光源（たとえば発光ダイオード）と受光素子（たとえばフォトダイオード）とが別体になったものを用いることもできる。この場合の例を図７〜図９を参照して説明する。

図７は、光モジュール部および反射部材の組み合わせの構成の、図４とは別の例を示す側面構成図である。

図７に示すように、この例では、光モジュール部１１は、光源（たとえば発光ダイオード）１４と、受光素子（たとえばフォトダイオード）１９と、受光素子（たとえばフォトダイオード）１５と、所望の方向に光を分岐、進行させるための光分岐プリズム１３と、光の焦点を調節するための対物レンズ１６および１７とを有して構成される。

光分岐プリズム１３は図７に示すように高反射膜４０を有する形状となっており、また、光分岐プリズム１３には半透過膜５０および異屈折率部６０が設けられており、これらによって光が所望の方向に分岐、進行させられる。なお、異屈折率部６０は図４に示した異屈折率部３０と同様であるので詳しい説明は省略する。

反射部材１２は光モジュール部１に対向する面が反射面となっており、反射部材１２の反射面のうち受光素子１９と対向する位置には回折格子１８が設けられている。反射部材１２の反射面のうち受光素子１５と対向する位置には回折格子が設けられていても、設けられていなくてもかまわない。

図８は、図７に示した、光モジュール部および反射部材の組み合わせの構成の例を示す構成図であり、光の進行方向の一例を示す側面図である。

図８に示す例では、図中に矢印で示すように、光源１４から発光された光は高反射膜４０で反射され、その反射された光の一部は、半透過膜５０を通過し、異屈折率部６０で反射され、対物レンズ１７を通過して反射部材１２の反射面で反射される。反射されたこの光は、対物レンズ１７を通過した後に異屈折率部６０を通過し、受光素子１５に入射する。なお、対物レンズ１７は、受光素子１５との距離が一定になるように光モジュール部１１内で固定されている。

この光学式変位センサでは、受光素子１５によって受光する光によって、アキシャル方向すなわち図８に示すｙ軸方向の変位を検出することができる。このアキシャル方向の変位を検出する方法については図５に示した例と同様である。

図９は、図７に示した、光モジュール部および反射部材の組み合わせの構成の例を示す構成図であり、図８とは異なる光の進行方向の一例を示す側面図である。

図９に示す例では、図中に矢印で示すように、光源１４から発光された光は高反射膜４０で反射され、その反射された光の一部は、半透過膜５０で反射され、対物レンズ１６を通過して反射部材１２の反射面の回折格子１８で反射される。反射されたこの光は、対物レンズ１６を通過した後に半透過膜５０を通過し、受光素子１９に入射する。なお、対物レンズ１６は、この対物レンズ１６を通過し反射部材１２の反射面に入射する光が回折格子１８上でフォーカスがとれた状態にするため、後述するように、受光素子１９との距離を調節可能な可動機構を設けた上で光モジュール部１１内で固定されている。

この光学式変位センサでは、受光素子１９によって受光する光によって、ラジアル方向に直交する方向すなわち図９に示すｘ軸方向の変位を検出することができる。このラジアル方向に直交する方向の変位を検出する方法については図６に示した例と同様である。

次に、光モジュール部内での対物レンズの固定の仕方の例について説明する。

図１０は、光モジュール部内での対物レンズの固定の仕方の例を示す側面図である。

図１０において、光モジュール部３１は図４の光モジュール部１に相当し、受発光素子３４は図４の受発光素子４に相当し、受光素子３５は図４の受光素子５に相当し、光分岐プリズム３３は図４の光分岐プリズム３に相当し、半透過膜７０は図４の半透過膜１０に相当し、異屈折率部８０は図４の異屈折率部３０に相当し、対物レンズ３６は図４の対物レンズ６に相当し、対物レンズ３７は図４の対物レンズ７に相当し、反射部材３２は図４の反射部材２に相当し、回折格子３８は図４の回折格子８に相当し、図５および図６を参照して説明したのと同様の動作を行う。

この例では、図１０に示すように、光分岐プリズム３３の上部に対物レンズ３７を固定している。これによって、対物レンズ３７と受光素子３５との距離を一定に保つことができる。

また、対物レンズ３６については、図１０に示すような可動機構をもって取り付けられている。

図１０の可動機構は、対物レンズ３６の枠に磁石４３および４４を設け、反射部材３２のうち磁石４３および４４と対向する位置に磁石４５および４６を設け、磁石４３と磁石４５とを同じ極性にし、磁石４４と磁石４６とを同じ極性にし、反射部材３２と対物レンズ３６とが反発し合うようにしてある。また、この可動機構では、対物レンズ３６の枠と光分岐プリズムとの間にバネ４１および４２を設けている。このバネ４１および４２の反発力によって対物レンズ３６と光分岐プリズム３３とが反発し合うようにしてある。このとき対物レンズ３６は光分岐プリズム３３に対してラジアル方向に対して直交する方向には動かないようにしてある。

このようにすることによって、磁石の反発力とバネの反発力との釣り合いにより、反射部材３２と光モジュール部３１との位置関係が変化した場合にも、対物レンズ３７と受発光素子３４との距離が所望の距離になるように自動的に調整することができる。

なお、この例では磁石およびバネの反発力によって対物レンズの位置調整を行う可動機構について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、いかなる可動機構によって対物レンズの位置調整を行うものであってもかまわない。

次に、反射部材に設けた回折格子の向きと、光モジュール部内の受発光素子や受光素子の受光面の形状について説明する。

図１１は、図１０に示した反射部材３２を、図１０に示したＸＩの方向から見た底面図である。

また、図１２は、図１０に示した光モジュール部３１の受発光素子３４および受光素子３５の受光面を、図１０に示したＸＩＩの方向から見た平面図である。

図１１に示すように、回折格子３８を構成する溝は、上記回折格子８と同様にラジアル方向に延び、ラジアル方向に対して直交する方向に沿って複数形成されている。

また、図１２に示すように、受発光素子３４の受光面は、ラジアル方向に対して直交する方向の変位を検出可能なように、ラジアル方向に延びる分割部によって２分割された受光素子を備え、この光学式変位センサはこの２分割された受光素子の出力に基づいてラジアル方向に対して直交する方向の変位を検出する。

さらに、図１２に示すように、受光素子３５の受光面は、アキシャル方向の変位を検出可能なように、ラジアル方向およびラジアル方向に対して直交する方向で４分割された受光素子を備え、この光学式変位センサはこの４分割された受光素子の出力に基づいてアキシャル方向の変位を検出する。

図１３は、図１０に示した光学式変位センサによるアキシャル方向変位の検出の際の受光素子３５による出力の例を示す図であり、（ａ）はアキシャル方向変位の検出の際の光路の例を示す概略側面図であり、（ｂ）は受光素子３５の出力の例を示す図である。

図１３（ａ）に示す光路は図５で説明した光路と同様である。このような構成において、反射部材３２と光モジュール部３１との位置関係にアキシャル方向すなわちｙ軸方向の変位が生じると、受光素子３５の出力は図１３（ｂ）に示すように変化する。

この出力の変化には図１３（ｂ）に示すように直線領域が存在し、この領域を利用することによって、受光素子３５の出力からアキシャル方向の変位を求めることが可能となる。

図１４は、図１０に示した光学式変位センサによるラジアル方向に対して直交する方向変位の検出の際の受発光素子３４の受光素子による出力の例を示す図であり、（ａ）はラジアル方向に対して直交する方向変位の検出の際の光路の例を示す概略側面図であり、（ｂ）は受発光素子３４の受光素子の出力の例を示す図である。

図１４（ａ）に示す光路は図６で説明した光路と同様である。このような構成において、反射部材３２と光モジュール部３１との位置関係にラジアル方向に対して直交する方向すなわちｘ軸方向の変位が生じると、受発光素子３４の受光素子の出力は図１４（ｂ）に示すように変化する。

この出力の変化には図１４（ｂ）に示すように直線領域が存在し、この領域を利用することによって、受発光素子３４の受光素子の出力からラジアル方向に対して直交する方向の変位を求めることが可能となる。

なお、上述の実施の形態では、光学式変位センサのそれぞれにおいて、光源を１つとしたが、本発明はこれに限られるものではなく、ラジアル方向に対して直交する方向の変位検出とアキシャル方向の変位検出とでそれぞれ別の光源からの光を用いた検出を行う構成としてもかまわない。

また、上述の実施の形態では、アキシャル方向と直交する面内の変位計測方向を、従来の光学式６軸力センサとの整合をとるためにラジアル方向に対して直交する方向としたが、本発明による光学式変位センサを用いる場合には、任意の方向に設定が可能であり、外力検出装置の仕様によっては、ラジアル方向と一致させるように構成してもかまわない。

本発明による光学式変位センサは、すでに説明したように６軸力センサなどの外力検出装置にも適用することができるが、そのほか、変位に基づいて検出することができる様々な物理量の計測に用いることができる。

本発明による６軸力センサの一実施の形態の外観を示す斜視図である。図１に示した６軸力センサから上部蓋を外して上から見た概略平面図である。図２に示した６軸力センサを側面から内部が見えるようにした側面断面図である。図２および図３に示した光モジュール部および反射部材の組み合わせの構成の例を示す側面構成図である。図４に示した、図２および図３に示した光モジュール部および反射部材の組み合わせの構成の例を示す構成図であり、光の進行方向の一例を示す側面図である。図４に示した、図２および図３に示した光モジュール部および反射部材の組み合わせの構成の例を示す構成図であり、図５とは異なる光の進行方向の一例を示す側面図である。光モジュール部および反射部材の組み合わせの構成の、図４とは別の例を示す側面構成図である。図７に示した、光モジュール部および反射部材の組み合わせの構成の例を示す構成図であり、光の進行方向の一例を示す側面図である。図７に示した、光モジュール部および反射部材の組み合わせの構成の例を示す構成図であり、図８とは異なる光の進行方向の一例を示す側面図である。光モジュール部内での対物レンズの固定の仕方の例を示す側面図である。図１０に示した反射部材を、図１０に示したＸＩの方向から見た底面図である。図１０に示した光モジュール部の受発光素子および受光素子の受光面を、図１０に示したＸＩＩの方向から見た平面図である。図１０に示した光学式変位センサによるアキシャル方向変位の検出の際の受光素子による出力の例を示す図であり、（ａ）はアキシャル方向変位の検出の際の光路の例を示す概略側面図であり、（ｂ）は受光素子の出力の例を示す図である。図１０に示した光学式変位センサによるラジアル方向に対して直交する方向変位の検出の際の受発光素子の受光素子による出力の例を示す図であり、（ａ）はラジアル方向に対して直交する方向変位の検出の際の光路の例を示す概略側面図であり、（ｂ）は受発光素子の受光素子の出力の例を示す図である。特許文献１に記載された従来の６軸力センサを示す平面図である。図１５に示した従来の光センサユニット（光学式変位センサ）の説明をする概略斜視図である。

符号の説明

２０６軸力センサ
２１ａ本体
２１ｂ上部蓋
２２支持部
２３受力部
２４弾性連結部
２５フレーム
１光モジュール部
２反射部材
３光分岐プリズム
４受発光素子
５受光素子
６、７対物レンズ
８回折格子
１０半透過膜
３０異屈折率部

Claims

基準体または検出体のどちらかに設けられた光モジュール部と、前記基準体および前記検出体のうち前記光モジュール部が設けられているのとは別のほうに設けられた反射部材とを有し、前記光モジュール部から出射され前記反射部材によって反射された光を前記光モジュール部で受光し、該受光結果に基づいて、前記基準体に対する前記検出体の相対変位を計測する光学式変位センサにおいて、
前記光モジュール部は、前記光モジュール部から前記反射部材に向けて出射される光の光軸と平行な方向である第１の方向の変位を計測する第１の光学系と、前記光モジュール部から前記反射部材に向けて出射される光の光軸と直交する面内の方向のうちの所定の方向である第２の方向の変位を計測する第２の光学系とを有し、
前記反射部材は、前記光モジュール部と向き合う面のうちの少なくとも一部に回折格子を有し、
前記回折格子は、前記第２の方向に対して直交する方向に延び、前記第２の方向に沿って複数形成され、
前記第１の光学系は第１の光源と第１のレンズと第１の受光素子とを有し、
前記第１の光学系は、前記第１の光源からの光を前記第１のレンズを介して前記反射部材の該光モジュール部と向き合う面に入射させ、該入射させた光の前記反射部材による反射光を前記第１の受光素子で受光することによって、前記第１の方向の変位に対応した信号を得、
前記第１のレンズは前記第１の受光素子との距離が一定になるように前記光モジュール部内で固定され、
前記第２の光学系は第２の光源と第２のレンズと第２の受光素子とを有し、
前記第２の光学系は、前記第２の光源からの光を前記第２のレンズを介して前記反射部材の該光モジュール部と向き合う面の前記回折格子に入射させ、該入射させた光の前記反射部材の回折格子による反射光を前記第２の受光素子で受光することによって、前記第２の方向の変位に対応した信号を得、
前記第２のレンズは、該第２のレンズを通過し前記回折格子に入射する光が該回折格子上でフォーカスがとれた状態にするための可動機構を設けた上で前記光モジュール部内で前記第１の方向にのみ移動可能に固定されている
ことを特徴とする光学式変位センサ。
前記第１の光源および前記第２の光源は、１個の光源と、該１個の光源からの光を２分岐させる光分岐プリズムとから構成され、前記第１の光源からの光は前記光分岐プリズムで２分岐された光の一方であり、前記第２の光源からの光は前記光分岐プリズムで２分岐された光の他方であることを特徴とする請求項１に記載の光学式変位センサ。
前記光分岐プリズムは、平行に配置された第１および第２の半透過膜を有し、前記第１の半透過膜を透過した光を前記第２のレンズに入射させ、前記第１の半透過膜で反射した後に前記第２の半透過膜で反射した光を前記第１のレンズに入射させることを特徴とする請求項２に記載の光学式変位センサ。
前記第２の半透過膜の、前記第１の半透過膜と向かい合う側の反対側に、非点収差発生部を設けたことを特徴とする請求項３に記載の光学式変位センサ。
請求項１ないし４のうちのいずれか１項に記載の光学式変位センサを有し、前記第１の方向をアキシャル方向と一致させ、前記第２の方向をラジアル方向に対して直交する方向と一致させ、前記第１の方向の変位に対応した信号および前記第２の方向の変位に対応した信号に基づいて、前記基準体と検出体とに相対的に印加された外力を検出することを特徴とする外力検出装置。