JPH01267407A - 変位測定装置 - 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） 本発明は、測定対象の変位を光学的に高精度で広い測定
範囲にわたって測定する変位測定装置に関するものであ
る。

（従来の技術） 測定対象、例えばロール、薄板、パイプなどの変位を測
定することは、形状測定（プロフィル測定）や１寸法測
定あるいは位置検出などを行う上で重要である。

この種の変位を測定する装置としては従来よりレーザー
三角測量方式変位計が有り、広く使用されている。これ
はレーザー光を小さく絞って対象表面に照射し、斜め方
向から反射光を受光レンズで集束して光位置検出素子上
に結像させ、対象の変位に伴なう光像位置の変化を電気
信号に変換するものである。しかしながら、この変位測
定装置では光位置検出素子の分解能と精度に制限が有る
事、測定対象が変位すると対象表面上のレーザー光の径
が大幅に変化する事等により、高精度かつ広い測定範囲
を得る事は極めて困鰻である。

そこで、斯かる変位測定においては、測定精度を高める
工夫がなされており、例えばレーザー光を測定対象の変
位方向に平行に照射し、レーザー光を絞られた状態で測
定対象表面上に照射せしめるようにした装置がある（特
公昭５９−７６２号）、これによれば測定点が明確にな
り精度の向上が図られるが、測定対象が変位することに
より生じる照光側集光レンズと測定対象との距離の変化
で、測定対象表面上のレーザー光の径が変ることは否め
ない。

（発明が解決しようとする問題点） ところで、測定対象、例えばパイプ、ロール等を回転あ
るいは走行させて、プロファイルを測定する場合には、
測定対象自体のプロファイルによらない上下動、振動等
に影響されずに変位を測定しなければならない。

一般に、前記上下動や振動はプロファイルの変化よりか
なり大であるから、測定範囲の広い装置が不可欠となる
。例えばパイプの振動による変化が２■あるとき、該パ
イプの変位測定を１／１０００ｍｍの精度で要求された
場合には、光位置検出素子の分解能と精度に制限があり
、その測定限界が振動より小さいため測定不能となる。

従って斯かる測定を行なうにはオフライン的にならざる
を得す。

測定に長時間を要する。

また、ロールや薄板、例えばストリップなどの表面粗度
を測定するには、その表面の例えばμｍオーダーの微細
な凹凸の程度を測らなければならない。このような場合
には、表面の微細な凹凸に基づく変位を高い精度で測定
する必要があるが、これを光ビームを用いて測定できる
ものは見当らない。

（発明の目的） 本発明は、高精度かつ広い測定範囲を持った光学的変位
測定装置１例えばロール、パイプ、ストリップ等の測定
対象の形状測定９表面粗度測定。

寸法測定あるいは位置検出をそれらが回転あるいは走行
中に行える変位検出装置を提供することを目的とする。

（問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するために本発明においては、光ビーム
を集束レンズを介して測定対象に照射し、その反射ビー
ムを光源と異なる光軸方向から受光し変位を測定する装
置において： 集束レンズから測定対象への光軸と反射ビームの受光レ
ンズへの光軸の間に設けた固定傾斜ミラーおよび移動傾
斜対ミラー、反射ビームを受光する受光レンズの結像位
置に設けた光位置検出素子。

光位置検出素子からの信号に基づいて位置信号を出力す
る位置信号処理装置２位置信号を入力し移動傾斜対ミラ
ーの移動量を制御する装置、移動傾斜対ミラーの移動量
を検出し、移動量検出信号を出力する移動量検出装置、
および、移動量検出信号と位置信号を入力し、測定対象
の変位を出力する変位演算装置、を儲える。

以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明す
る。

（実施例） 第１図において、１は光源となる半導体レーザー。

２は変調信号発生器、３はレーザー光、４は集束レンズ
である。集束レンズ４は、レーザー光３を細いビームに
して測定対象５に照射するものである。、６は固定傾斜
ミラーであり１本実施例では２枚のミラー６ａおよび６
ｂの反射面を外側にして所定角で接合し、集束レンズ４
と測定対象５の間の光軸上に設置している。集束レンズ
４からのレーザー光３は固定傾斜ミラー６の上側ミラー
６ａで反射され、移動傾斜対ミラー７に入射される。

本実施例では、２枚のミラー７ａおよび７ｂの反射面を
内側にして所定角で接合して移動傾斜対ミラー７を構成
し、各反射面と傾斜ミラー６の各反射面とを対向させて
いる。この移動傾斜対ミラー７は矢印入方向に移動自在
であり、測定対象５の測定初期位置あるいは測定基準位
置からの変位による集束レンズ４と測定対象５の間と測
定対象５と受光レンズ１５の間の光路長の変化を吸収す
る。

つまり、後述するが、固定傾斜ミラー６と移動傾斜射ミ
ラー７を設けて、集束レンズ４．測定対象５および受光
レンズ１５の間の光路長を測定対象５の変位に因らずに
一定とするとミろに本実施例装置の大きな特徴がある。

ところで、固定傾斜ミラー６の上側ミラー６ａから移動
傾斜対ミラー７の上側ミラー７ａに反射されたレーザー
光３は、さらに上側ミラー７ａの反射点８．下側ミラー
７ｂの反射点９．固定傾斜ミラー６の下側ミラー６ｂの
反射点１０でそれぞれ反射されて測定対象５に微小なス
ポット光として照射される。

測定対象５では、乱射したレーザー光の一部が固定傾斜
ミラー６の下側ミラー６ｂの反射点１１゜移動傾斜対ミ
ラー７の下側ミラー７ｂの反射点１２、上側ミラー７ａ
の反射点１３．固定傾斜ミラー６の上側ミラー６ａの反
射点１４でそれぞれ反射されて受光レンズ１５に導びか
れる。

１６は光位置検出素子である。

１７は測定対象５が第１図に実線で示した基準位置にあ
る時の光位置検出素子１６上の受光光点位置、１８は測
定対象５が第１図に破線で示した位置に変位した時の受
光光点位置である。

２０はリニアモータを含む移動装置であり、移動傾斜対
ミラー７を矢印Ａ方向に往復駆動する。

２１は移動量検出装置であり、移動傾斜対ミラー７の移
動量を検出する。

２２は位置信号処理装置であり、光位置検出素子１６か
らの出力信号と変調信号発生器２のタイミング信号とか
ら光位置検出素子１６上の光点位置に対応した位置信号
を出力する。

２３は移動制御装置であり、位置信号処理装置２２から
の位置信号が入力され、移動装置２０に移動指令信号を
出力する（移動制御装置２３に移動量検出装置２１から
の移動量信号をさらに入力して移動指令を行なってもよ
い）。

２４は変位演算装置であり、位置信号処理装置２２から
の位置信号と移動量検出装置２１からの移動量信号から
測定対象５の変位量を演算し出力するものである。

次に実施例装置の動作説明する。半導体レーザー１のレ
ーザー光３は集束レンズ４を通った後、固定傾斜ミラー
６及び移動傾斜対ミラー７で反射されて、測定対象５の
表面に微小スポット光として照射される。この時、固定
傾斜ミラー６と移動傾斜対ミラー７による反射の様子を
第２図と第１図を参照して詳述する。

レーザー光３は、固定傾斜ミラー６で直角に折曲げられ
た後、移動傾斜対ミラー７で折返され。

再び固定傾斜ミラー６で直角に折曲げられて測定対象５
表面に照射される。測定対象５で乱反射したレーザー光
の一部は固定傾斜ミラー６及び移動傾斜対ミラー７で反
射され、受光レンズ１５により、その結像位置に置かれ
た光位置検出素子１６上に微小スポット光として結像さ
れる。この場合。

測定対象５及び移動傾斜対ミラー７が第２図に実線で示
した基準位置にある時に、光位置検出素子１６上の微小
スポット光が光位置検出素子１６の中央の受光点１７に
来るように調整しておく。今、測定対象５が基準位置か
ら第２図の破線で示す位置に変位すると、光位置検出素
子１６上のスポット光の照射位置は受光点１７から受光
点１８に変位するとともにその光径も大きくなる。この
変位の位置信号が光位置検出素子１６の中央に近づき、
かつ、その光径を小さくし測定精度を高めるべく移動制
御装置２３で移動量！！２０を付勢して移動傾斜対７ミ
ラーを駆動する。移動傾斜対ミラー７をこの様に移動さ
せると、第２図において移動傾斜対ミラー７が例えば破
線の位置に移動し、レーザー光及び受光系の光路が、反
射点２５，２６゜２７．２８から反射点２５，２９，３
０，２８に変位し、測定対象５の基準位置からの変位を
吸収して反射点２５から見た光路長を一定に保つ。

従って、レーザー光の焦点及び受光系の焦点位置は変化
せず光学的な検出精度が低下しないため、移動傾斜対ミ
ラー７の移動量を移動量検出装置２１で検出し、測定対
象５の変位量を高精度に測定する事ができる。この時、
測定対象５の変位測定範囲は光位置検出素子１６の検出
範囲に制限される事が無く、移動傾斜対ミラー７の移動
範囲の２倍となり、測定範囲が大幅に拡大された事にな
る。更に、移動傾斜対ミラー７は光位置検出素子１６上
の受光位置がその中央位置１７になるまで移動させる必
要は無く、スポット児位置が光位置検出素子１６の検出
範囲内に有れば良く、位置信号と移動傾斜対ミラー７の
移動量信号から変位演算装置２４で測定対象の変位信号
３１を演算する事ができる。

また、前記実施例では固定傾斜ミラー６と移動傾斜対ミ
ラー７は２枚のミラーを鋭角に組合せて構成しているが
、これに限らず、第３図に示すように固定傾斜ミラー６
は上側ミラー６ａと下側ミラー６ｂに分け、移動傾斜対
ミラー７も上側ミラー７ａと下側ミラー７ｂに分けたも
のでも同様な効果が得られる。

さらに第４図に示すように、固定傾斜ミラー６は上側ミ
ラー６ａだけとしてもよく、要するに固定傾斜ミラー６
と移動傾斜対ミラー７の組合せ反射により、測定対象５
の変位による光路長の変化を吸収し一定とする組合せで
あればよい。

また、実施例で用いた半導体レーザーに限らず、ＬＥＤ
など他の光源を使用する変形や、移動装置に公知の駆動
機構を用いる変形があるがここでの説明は省略する。

なお光源を変調して外乱光の影響を除去したり、パルス
変調によって高速で変位する対象の測定も可能である。

（発明の効果） 以上の様な構成及び作動により１本発明によれば、測定
対象の変位を高精度かつ広い範囲で測定する事が可能と
なり、例えばロール、パイプ、ストリップあるいはネジ
部のプロファイル測定１表面粗度測定、また、ストリッ
プなどの薄ものの板厚測定がオンラインで行なえる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示すブロック図である。 第２図は本発明の第１実施例の動作を説明するための説
明図である。 第３図は本発明の第２実施例における固定傾斜ミラーと
移動傾斜対ミラーの構成を示す側面図である。 第４図は本発明の第ｉ実施例における固定傾斜ミラーと
移動傾斜対ミラーの構成図を示す側面図である。 に半導体レーザー　　２：変調信号発生器３：レーザー
光（光ビーム） ４：集束レンズ　　　　５：ｍ定対象 ６：固定傾斜ミラー　　７：移動傾斜対ミラー１５：受
光レンズ １６：検出素子（光位置検出素子） ２０；移動装置　　　　　２１；移動量検出装置２２：
位置信号処理装置 ２３：移動量制御装置（移動量を制御する装置）２４：
変位演算装置　　　３１：変位信号声２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 光ビームを集束レンズを介して測定対象に照射し、その
   反射ビームを光源と異なる光軸方向から受光し変位を測
   定する装置において： 集束レンズから測定対象への光軸と反射ビームの受光レ
   ンズへの光軸の間に設けた固定傾斜ミラーおよび移動傾
   斜対ミラー； 反射ビームを受光する受光レンズの結像位置に設けた光
   位置検出素子； 光位置検出素子からの信号に基づいて位置信号を出力す
   る位置信号処理装置； 位置信号を入力し移動傾斜対ミラーの移動量を制御する
   装置； 移動傾斜対ミラーの移動量を検出し、移動量検出信号を
   出力する移動量検出装置；および、移動量検出信号と位
   置信号を入力し、測定対象の変位を出力する変位演算装
   置； を備える変位測定装置。