專利名稱：光學(xué)位移傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過(guò)投射光和在反射后接收這種光，以檢測(cè)要檢測(cè)距離的目標(biāo)的位移的一種光學(xué)位移傳感器。
背景技術(shù)：
通常，已經(jīng)提出了能夠通過(guò)投射光和在反射后接收這種光，以檢測(cè)要測(cè)量距離的目標(biāo)的位移的三角網(wǎng)式位移傳感器(例如，參見(jiàn)日本專利申請(qǐng)公報(bào)Kokai H4-174923號(hào)(1992)和日本專利申請(qǐng)公報(bào)Kokai H5-87526號(hào)(1993))。
圖5表示在日本專利申請(qǐng)公報(bào)KoKai H4-174923號(hào)(1992)中所述的位移傳感器。
這個(gè)位移傳感器由光發(fā)射元件103，放置在光發(fā)射元件103前面的光投射Fresnel透鏡104，用于收集從距離測(cè)量目標(biāo)107反射出來(lái)的光的光收集Fresnel透鏡113，和用于檢測(cè)由光收集Fresnel透鏡113收集的光的光學(xué)位置傳感檢測(cè)器(PSD)110組成。該光發(fā)射元件103可使用于檢測(cè)的光或多或少地與距離測(cè)量目標(biāo)107垂直地投射。光收集Fresnel透鏡113的光學(xué)軸線在與PSD 110的光接收表面和光投射Fresnel透鏡104的光學(xué)軸線垂直的方向上。
另外，圖6表示在日本專利申請(qǐng)公報(bào)Kokai H5-87526號(hào)(1993)中所述的位移傳感器。
這個(gè)位移傳感器由使用于檢測(cè)的光或多或少地與距離測(cè)量目標(biāo)117垂直地投射的光發(fā)射元件120，放置在光發(fā)射元件120前面的光收集透鏡(凸透鏡)121，允許從距離測(cè)量目標(biāo)117反射出來(lái)的光通過(guò)的銷孔124，和用于檢測(cè)通過(guò)銷孔124的光的光學(xué)位置傳感檢測(cè)器(PSD)122組成。PSD 122放置成使其光接收表面與檢測(cè)用光的光學(xué)軸線O平行。
上述日本專利申請(qǐng)公報(bào)Kokai H4-174923號(hào)(1992)中所述的位移傳感器，在當(dāng)光投射在距離測(cè)量目標(biāo)107上時(shí)，利用光收集Fresnel透鏡113收集從發(fā)光元件103發(fā)出的光。另外，在參考專利No2中所述的位移傳感器，利用光收集透鏡(凸透鏡)121收集從光發(fā)射元件120發(fā)出的光。
當(dāng)使用光收集Fresnel透鏡113，光收集透鏡(凸透鏡)121或其他這種光收集元件時(shí)，有一個(gè)問(wèn)題，即必需將光收集元件和光接收元件之間的距離設(shè)定為規(guī)定的距離；另外，光收集元件也需要規(guī)定的尺寸，這就使得整個(gè)位移傳感器的尺寸增大。
另外，在日本專利申請(qǐng)公報(bào)Kokai H4-174923號(hào)(1992)中所述的位移傳感器的情況下，利用光收集Fresnel透鏡113作為將從距離測(cè)量目標(biāo)107反射出來(lái)的光引導(dǎo)至PSD 110的裝置，這也會(huì)使位移傳感器的尺寸增大。
另外，在日本專利申請(qǐng)公報(bào)Kokai H5-87526號(hào)(1993)所述的位移傳感器的情況下，利用銷孔124作為將從距離測(cè)量目標(biāo)117反射出來(lái)的光引導(dǎo)至PSD 122的裝置。現(xiàn)在還必需使由銷孔124引導(dǎo)的反射光入射在PSD 122的光接收表面上，以檢測(cè)該光。但該光束的狹窄必需要增加PSD 122放置的精度或增加PSD 122的光接收表面的尺寸。另外，根據(jù)使用這種位移傳感器的環(huán)境不同，灰塵可能積存在銷孔124上，或可從銷孔124侵入傳感器內(nèi)部。在這種條件下，有時(shí)從距離測(cè)量目標(biāo)117反射出來(lái)的光，在銷孔124處或傳感器內(nèi)部被阻斷，這會(huì)損害位移傳感器的檢測(cè)能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在解決這些問(wèn)題，其目的是要提供一種薄和小的光學(xué)位移傳感器。本發(fā)明的另一個(gè)目的是要提供一種檢測(cè)能力不會(huì)被灰塵等損害的光學(xué)位移傳感器。
為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種三角網(wǎng)式光學(xué)位移傳感器，它具有一個(gè)或多個(gè)光發(fā)射元件，用于將光投射至要測(cè)量一個(gè)或多個(gè)距離的一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)上；另外它還具有一個(gè)或多個(gè)光接收元件；該光接收元件中的至少一個(gè)接收從距離測(cè)量目標(biāo)中的至少一個(gè)反射出來(lái)的光的至少一部分，并且，光接收元件的至少一個(gè)光接收表面基本上與投射光的至少一部分的至少一個(gè)光學(xué)軸線垂直；該傳感器包括一個(gè)或多個(gè)隙縫；該隙縫使投射至距離測(cè)量目標(biāo)中的至少一個(gè)的一個(gè)或多個(gè)光束變窄；并且一個(gè)或多個(gè)隙縫使從距離測(cè)量目標(biāo)中的至少一個(gè)反射出來(lái)的光的至少一部分變窄。即本發(fā)明可以使用投射光和反射光都被隙縫變窄的結(jié)構(gòu)。特別是，使從距離測(cè)量目標(biāo)反射出來(lái)的光變窄的隙縫位置，可根據(jù)三角網(wǎng)原理設(shè)定。由于光發(fā)射元件和使投射至距離測(cè)量目標(biāo)上的光束變窄的隙縫之間的距離，在一定程度上可自由選擇，因此可以制造一個(gè)薄的位移傳感器。又因?yàn)橄犊p本身小，因此可制造小的位移傳感器。
一個(gè)或多個(gè)過(guò)濾器安裝在使投射至至少是一個(gè)距離測(cè)量目標(biāo)的一個(gè)或多個(gè)光束變窄的至少一個(gè)隙縫的出口側(cè)；并且，一個(gè)或多個(gè)過(guò)濾器安裝在使從至少一個(gè)距離測(cè)量目標(biāo)反射出來(lái)的光的至少一部分變窄的至少一個(gè)隙縫的入射側(cè)上。由于有這種過(guò)濾器，因此當(dāng)灰塵聚集在隙縫附近時(shí)，可以容易地去除灰塵，并可防止灰塵從隙縫侵入的傳感器內(nèi)部。因此，可以防止灰塵損害位移傳感器的檢測(cè)能力。
另外，本發(fā)明提供了一種三角網(wǎng)式光學(xué)位移傳感器，它具有一個(gè)或多個(gè)光發(fā)射元件，用于將光投射至要測(cè)量一個(gè)或多個(gè)距離的一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)上；另外它還具有一個(gè)或多個(gè)光接收元件；該光接收元件中的至少一個(gè)接收從距離測(cè)量目標(biāo)中的至少一個(gè)反射出來(lái)的光的至少一部分，并且，光接收元件的至少一個(gè)光接收表面基本上與投射光的至少一部分的至少一個(gè)光學(xué)軸線垂直；該傳感器包括一個(gè)或多個(gè)隙縫；該隙縫使投射至距離測(cè)量目標(biāo)中的至少一個(gè)的一個(gè)或多個(gè)光束變窄；并且一個(gè)或多個(gè)光收集元件收集從距離測(cè)量目標(biāo)中的至少一個(gè)反射出來(lái)的光的至少一部分。至少一個(gè)光收集元件為圓柱形透鏡。即本發(fā)明可以采用反射的光被隙縫變窄的結(jié)構(gòu)。使從距離測(cè)量目標(biāo)反射出來(lái)的光變窄的隙縫位置，可根據(jù)三角網(wǎng)原理設(shè)定。由于光發(fā)射元件和光收集元件之間的距離可以在一定程度上自由選擇，因此可以制造薄的位移傳感器。又由于隙縫小，因此可以制造小的位稱傳感器。
另外，一個(gè)或多個(gè)過(guò)濾器安裝在使投射至至少一個(gè)距離測(cè)量目標(biāo)的一個(gè)或多個(gè)光束變窄的至少一個(gè)隙縫的出口側(cè)。由于有這些過(guò)濾器，因此當(dāng)灰塵聚集在隙縫附近時(shí)，可以容易地去除灰塵，并可防止灰塵從隙縫侵入傳感器內(nèi)部。還可防止灰塵損害位移傳感器的檢測(cè)能力。


圖1為表示本發(fā)明的光學(xué)位移傳感器的實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2為表示本發(fā)明的光學(xué)位移傳感器的實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)的示意圖；
圖3為表示本發(fā)明的光學(xué)位移傳感器的實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖4為表示本發(fā)明的光學(xué)位移傳感器的實(shí)施例4的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖5為表示通常的位移傳感器的結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子的示意圖；圖6為表示通常的位移傳感器的結(jié)構(gòu)的另一個(gè)例子的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面，參照附圖來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例。
(實(shí)施例1)圖1為表示根據(jù)本實(shí)施例1的光學(xué)位移傳感器(以后簡(jiǎn)稱“位移傳感器”)的光學(xué)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的圖。
沿著規(guī)定的參考線S，配備有光發(fā)射元件11和光接收元件12的這個(gè)位移傳感器10的距離測(cè)量范圍為L(zhǎng)。
在本實(shí)施例1中，光發(fā)射元件11為發(fā)光二極管或其它這種光源。從發(fā)光元件11出來(lái)的光束R1被隙縫13變窄，該隙縫包括一個(gè)在光學(xué)通道中，在光束R1出來(lái)的區(qū)域前面的小孔。該光束R1投射至距離測(cè)量目標(biāo)17上。
在本發(fā)明實(shí)施例1中，光接收元件12為PSD(半導(dǎo)體位置傳感檢測(cè)器)。光被距離測(cè)量目標(biāo)17擴(kuò)散反射，然后被隙縫14變窄，被引導(dǎo)至光接收表面12a。該隙縫14包括放置在光接收平面12a前面的一個(gè)小孔。
從光發(fā)射元件11出來(lái)的光束R1通過(guò)隙縫13，投射在距離測(cè)量目標(biāo)17上。一部分被距離測(cè)量目標(biāo)17擴(kuò)散反射的光通過(guò)隙縫14，光被變窄，然后入射在光接收表面12a上。
入射光入射在光接收表面12a上的位置隨著距離測(cè)量目標(biāo)17和光接收元件12之間的距離變化而變化。當(dāng)這個(gè)入射光入射在光接收表面12a上的位置相對(duì)于參考位置改變時(shí)，從光接收元件12的任何一端取出的輸出信號(hào)電流的相對(duì)強(qiáng)度，與這種改變的量相適應(yīng)地改變。利用控制器信號(hào)處理電路(沒(méi)有示出)來(lái)檢測(cè)這種相對(duì)強(qiáng)度的改變，可以檢測(cè)距離測(cè)量目標(biāo)17和光接收元件12之間的距離。
使從光發(fā)射元件11出來(lái)的光束R1變窄的隙縫13的位置，和相對(duì)于開(kāi)口的間隔，可以根據(jù)由投射在距離測(cè)量目標(biāo)17上的光束形成的斑點(diǎn)的規(guī)定尺寸來(lái)設(shè)定。
另外，根據(jù)三角網(wǎng)原理，將一部分被距離測(cè)量目標(biāo)17擴(kuò)散地反射的光引導(dǎo)至光接收表面12a的隙縫14的位置，可以根據(jù)下面的式(1)設(shè)定。
X＝(A·f)/L .........(1)式中X表示光接收元件12的光接收表面12a上的光點(diǎn)運(yùn)動(dòng)量；A表示在參考線S方向上的光發(fā)射元件11和隙縫14之間的距離；f表示在與參考線S垂直的方向上，光接收元件12和隙縫14之間的距離；L表示測(cè)量距離的范圍。
由于可以在一定程度上自由選擇隙縫13和光發(fā)射元件11之間的距離，因此可以制造薄的位移傳感器。又由于隙縫13本身小，因此可以制造小的位移傳感器。
另外，因?yàn)橄犊p14具有一個(gè)在與光接收元件12的長(zhǎng)方向(參考線S的方向)垂直的方向(與紙平面垂直的方向-圖1)上的長(zhǎng)的開(kāi)口，因此，在與光接收元件12的長(zhǎng)方向(參考線S的方向)垂直的方向(與紙平面垂直的方向-圖1)上形成在光接收表面12a上的反射光的斑點(diǎn)。這可使光接收元件12的定位較容易完成，并且可減小光接收表面12a的寬度(即在與光點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向垂直和與紙平面垂直(圖1)的尺寸)。
(實(shí)施例2)圖2為表示根據(jù)本實(shí)施例2的位移傳感器20的光學(xué)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的圖。
沿著規(guī)定的參考線S，配備有光發(fā)射元件21和光接收元件22的位移傳感器20的距離測(cè)量范圍為L(zhǎng)。
在本實(shí)施例2中，光發(fā)射元件21為發(fā)光二極管或其它這種光源。從發(fā)光元件21出來(lái)的光束R2被隙縫23變窄，該隙縫包括一個(gè)在光學(xué)通道中，在光束R2出來(lái)的區(qū)域前面的小孔。該光束R2投射至距離測(cè)量目標(biāo)27上。
在本發(fā)明實(shí)施例2中，光接收元件22為PSD(半導(dǎo)體位置傳感檢測(cè)器)。光被距離測(cè)量目標(biāo)27擴(kuò)散反射，然后被光收集元件24變窄，被引導(dǎo)至光接收表面22a。該隙縫24包括放置在光接收平面22a前面的一個(gè)小孔。
這樣構(gòu)成的位移傳感器20的工作與上述實(shí)施例1的相同，因此省略其工作的說(shuō)明。
根據(jù)三角網(wǎng)原理(triangulation principles)，將由距離測(cè)量目標(biāo)27擴(kuò)散地反射的一部分光引導(dǎo)至光接收表面22a上的光收集元件24的位置，可根據(jù)式(1)設(shè)定。
光收集元件24可以為一個(gè)光學(xué)元件(例如圓柱形透鏡)。在這種情況下，該光收集元件在光接收表面22a的長(zhǎng)方向上應(yīng)具有聚光能力。
(實(shí)施例3)圖3為表示根據(jù)本實(shí)施例3的位移傳感器30的光學(xué)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)的圖。
沿著規(guī)定的參考線S，配備光發(fā)射元件31和光接收元件32的位移傳感器30的距離測(cè)量范圍為L(zhǎng)。
在本實(shí)施例3中，光發(fā)射元件31為發(fā)光二極管或其它這種光源。從發(fā)光元件31出來(lái)的光束R3被隙縫33變窄，該隙縫包括一個(gè)在光學(xué)通道中，在光束R3出來(lái)的區(qū)域前面的小孔。光束R3通過(guò)放在隙縫33出口側(cè)的過(guò)濾器35，該光束R3投射至距離測(cè)量目標(biāo)37上。
在本發(fā)明實(shí)施例3中，光接收元件32為PSD(半導(dǎo)體位置傳感檢測(cè)器)。通過(guò)位于隙縫34的入射側(cè)的過(guò)濾器37的光被距離測(cè)量目標(biāo)37擴(kuò)散反射，然后被隙縫34變窄，被引導(dǎo)至光接收表面32a。該隙縫34包括放置在光接收平面32a前面的一個(gè)小孔。
這種結(jié)構(gòu)的位移傳感器30的工作與實(shí)施例1的相同，省略其工作的說(shuō)明。
由于將過(guò)濾器35、36固定在二個(gè)隙縫33、34上，因此當(dāng)在隙縫33、34附近積集灰塵時(shí)，通過(guò)以后的規(guī)定過(guò)程，可將灰塵除去，因此可以防止灰塵從隙縫33、34侵入傳感器內(nèi)部。這樣，可防止位移傳感器30的檢測(cè)能量被灰塵損害。只要過(guò)濾器35、36可除去灰塵，和可以防止灰塵侵入傳感器內(nèi)部，過(guò)濾器的形狀不是僅限于圖3所示的形狀。
(實(shí)施例4)圖4為表示根據(jù)本實(shí)施例4的位移傳感器40的光學(xué)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)的圖。
沿著規(guī)定的參考線S，配備光發(fā)射元件41和光接收元件42的位移傳感器40的距離測(cè)量范圍為L(zhǎng)。
在本實(shí)施例4中，光發(fā)射元件41為發(fā)光二極管或其它這種光源。從發(fā)光元件41出來(lái)的光束R4被隙縫43變窄，該隙縫包括一個(gè)在光學(xué)通道中，在光束R4出來(lái)的區(qū)域前面的小孔。光束R4通過(guò)放置在隙縫43出口側(cè)的過(guò)濾器45，該光束R4投射至距離測(cè)量目標(biāo)47上。
在本發(fā)明實(shí)施例4中，光接收元件42為PSD(半導(dǎo)體位置傳感檢測(cè)器)。光被距離測(cè)量目標(biāo)47擴(kuò)散反射，然后被放置在光接收表面42前面的光收集元件44變窄，被引導(dǎo)至光接收表面42a。該隙縫44包括放置在光接收表面42a前面的一個(gè)小孔。
這樣構(gòu)成的位移傳感器40的工作與實(shí)施例1的相同，因此省略其工作的說(shuō)明。
根據(jù)三角網(wǎng)原理，將由距離測(cè)量目標(biāo)47擴(kuò)散地反射的一部分光引導(dǎo)至光接收表面42a上的光收集元件44的位置，可根據(jù)式(1)設(shè)定。
光收集元件44可以為一個(gè)光學(xué)元件(例如圓柱形透鏡)。在這種情況下，該光收集元件在光接收表面42a的長(zhǎng)方向上應(yīng)具有聚光能力。
由于過(guò)濾器45固定在隙縫43上，因此當(dāng)灰塵聚集在隙縫43附近時(shí)，可通過(guò)以后的規(guī)定過(guò)程除去灰塵，還可以防止灰塵從隙縫43侵入傳感器內(nèi)部。因此，可以防止位移傳感器40的檢測(cè)能力受到灰塵的損害。只要過(guò)濾器45可以除去灰塵，并可防止灰塵侵入傳感器內(nèi)部，過(guò)濾器形狀不是僅限于圖4所示的形狀。
如上所述，本發(fā)明的光學(xué)位移傳感器又薄又小，可以減小安裝在設(shè)備中時(shí)所占據(jù)的定間。
另外，本申請(qǐng)對(duì)以前的日本專利申請(qǐng)2002-280877號(hào)有優(yōu)先權(quán)，這里全部引入該專利申請(qǐng)供參考。另外，本說(shuō)明書所引用的所有參考文獻(xiàn)都是專門供參考用的。
權(quán)利要求
1.一種三角網(wǎng)式光學(xué)位移傳感器，它具有一個(gè)或多個(gè)光發(fā)射元件，用于將光投射至要測(cè)量一個(gè)或多個(gè)距離的一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)上；另外它還具有一個(gè)或多個(gè)光接收元件；該光接收元件中的至少一個(gè)接收從距離測(cè)量目標(biāo)中的至少一個(gè)反射出來(lái)的光的至少一部分，并且，光接收元件的至少一個(gè)光接收表面基本上與投射光的至少一部分的至少一個(gè)光學(xué)軸線垂直；該傳感器包括一個(gè)或多個(gè)隙縫；該隙縫使投射至距離測(cè)量目標(biāo)中的至少一個(gè)的一個(gè)或多個(gè)光束變窄；并且一個(gè)或多個(gè)隙縫使從距離測(cè)量目標(biāo)中的至少一個(gè)反射出來(lái)的光的至少一部分變窄。
2.一種三角網(wǎng)式光學(xué)位移傳感器，它具有一個(gè)或多個(gè)光發(fā)射元件，用于將光投射至要測(cè)量一個(gè)或多個(gè)距離的一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)上；另外它還具有一個(gè)或多個(gè)光接收元件；該光接收元件中的至少一個(gè)接收從距離測(cè)量目標(biāo)中的至少一個(gè)反射出來(lái)的光的至少一部分，并且，光接收元件的至少一個(gè)光接收表面基本上與投射光的至少一部分的至少一個(gè)光學(xué)軸線垂直；該傳感器包括一個(gè)或多個(gè)隙縫；該隙縫使投射至距離測(cè)量目標(biāo)中的至少一個(gè)的一個(gè)或多個(gè)光束變窄；并且一個(gè)或多個(gè)光收集元件收集從距離測(cè)量目標(biāo)中的至少一個(gè)反射出來(lái)的光的至少一部分。
3.如權(quán)利要求2所述的光學(xué)位移傳感器，其特征為，至少一個(gè)光收集元件為圓柱形透鏡。
4.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)位移傳感器，其特征為，一個(gè)或多個(gè)過(guò)濾器安裝在使投射至至少是一個(gè)距離測(cè)量目標(biāo)的一個(gè)或多個(gè)光束變窄的至少一個(gè)隙縫的出口側(cè)；并且，一個(gè)或多個(gè)過(guò)濾器安裝在使從至少一個(gè)距離測(cè)量目標(biāo)反射出來(lái)的光的至少一部分變窄的至少一個(gè)隙縫的入射側(cè)上。
5.如權(quán)利要求2或3所述的光學(xué)位移傳感器，其特征為，一個(gè)或多個(gè)過(guò)濾器安裝在使投射至至少一個(gè)距離測(cè)量目標(biāo)的一個(gè)或多個(gè)光束變窄的至少一個(gè)隙縫的出口側(cè)。
全文摘要
光學(xué)位移傳感器(10)具有用于將光投射在距離測(cè)量目標(biāo)(17)上的光發(fā)射元件(11)，和可以接收從距離測(cè)量目標(biāo)(17)反射出來(lái)的光的光接收元件(12)。該光接收元件的光接收表面(12a)與投射光的光軸線(R
文檔編號(hào)G01B11/00GK1493845SQ03156658
公開(kāi)日2004年5月5日 申請(qǐng)日期2003年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月26日
發(fā)明者中野貴彥 申請(qǐng)人:夏普株式會(huì)社