JPH01295109A - 光学式変位測定装置 - 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］ この発明は、光源及び位置検出素子（ＰＳＤ）を用いて
被測定物までの変位（距離）を検出する光学式変位測定
装置に関し、特に被測定物の傾きによる検出誤差を除去
できる光学式変位測定装置に関するものである。

［従来の技術］ 第５図は、例えば、雑誌「オー・フリス・イー（ＯＰｌ
ｕｓ　Ｅ）Ｊ（第８２号４９８６年９月）の［レーザ距
離センシング」に記載された１、従来の光学式変位測定
装置を示すフロック構成図である。

図において、変位測定用のヘッド（１）は、光源（１１
）と、光源（１１）を駆動する光源駆動回路（１２）と
、光源（１２）からの光ビームＬを被測定物（図示せず
）に集光させる投光レンス（１３）と、被測定物がら正
反射又は散乱された光を集光する受光レンズ（１４）と
、受光された正反射光又は散乱光を二系統の電流信号■
１及びＩ２に変換するＰ　Ｓ　Ｄ　（１５）と、電流信
号Ｉ＋、Ｉ２を電圧信号■１、■２に変換して増幅する
プリアンプ（１６）及び（１７）とを備えている。

アナログスイッチ（２）は、二系統の電圧信号■。

及び■２を一系統にし、バッファアンプ（３）は一系統
の電圧信号■０、Ｖ２を増幅している。

演算回路（４）は、バッファアンプ（３）を介した電圧
信号Ｖ１及び■２を保持するサンプルホールド（４１）
と、サンプルホールド（４１）からの電圧信号■１、■
、をデジタル信号Ｄ＋、Ｄ２に変換するＡＤコンバータ
（４２）と、デジタル信号Ｄ１及びＤ２に基づいて被測
定物の変位値Ｐを出力するＣ　Ｐ　Ｕ　（４３）とを備
えている。

ＣＰＵ（４３）に接続された変位値変換テーブルメモリ
（５）は、デジタル信号り、及びＤ２に基づいて演算さ
れた変位信号Ｓに対応する変位値Ｐを格納している。

次に、第５図に示した従来の光学式変位測定装置の動作
について説明する。

ＣＰ　Ｕ　（４３）から光源点灯指令が発生ずると、光
源駆動回路（１２）は、ＬＤ（レーザタイオート）又は
ＬＥＤ（発光ダイオード）からなる光源（１）を駆動す
る。光源（１）から放射された光ビームＬは、投光レン
ズ（１３）を介して被測定物に照射され、被測定物上で
正反射（又は散乱）される。この正反Ｑ＝１光（又は散
乱光）は、受光レンズ（１４）を介して小さい光ビーム
となり、被測定物の変位（距離）に対応した位置のＰ　
Ｓ　Ｄ　（１５）Ｊ：の−点に結像される。

Ｐ　Ｓ　Ｄ　（１５）は、結像された光ビームを位置及
び強度に応じた二系統の電流信号１１及びＩ２に変換し
、Ｐ　Ｓ　Ｄ　（１５）の両端から出力する。ここて、
受光される光ビームの全強度に相当する電流信号を■と
すれは、 Ｉ　””　Ｉ　＋　＋　Ｉ　２ となる。これら電流信号■１及びＩ２は、プリアンプ（
１６）及び（１７）により電圧信号Ｖ１及びＶ２に変換
されて増幅され、更に、アナログスイッチ（２）により
時分割で一系統化され、バッファアンプく３）で増幅さ
れて演算回路（４）に入力される。

電圧信号■１及び■２は、サンプルホールド（４１）に
保持された後、ＡＤコンバータ（４２）によりデジタル
信号り、及びＤ２に変換され、ＣＰ　Ｕ　（４３）に取
り込まれる。ＣＰ　Ｕ　（４３）は、デジタル信号Ｄ１
及びＤ２に基づいて、 ｓ　＝　（Ｄ　、−Ｄ　２）／（Ｄ　、＋　Ｄ　２）　
　　・・・■で与えられる変位信号５（−１≦Ｓ≦１）
を演算し、変位信号Ｓに対応する変位値Ｐを変位値変換
テーブルメモリ（５）から求めて出力する。又、変位値
変換テーブルメモリ（５）を用いない場合は、変位信号
Ｓに係数を乗算して補正演算することにより変位値Ｐを
求めている。

しかし、第６図のように、被測定物（１０）の表面が光
ビームＬに対して垂直でなく角度θだけ傾いていたとす
ると、光ビームＬにより被測定物（１０）の表面に形成
される光スポットが径を有−しているため、正反射光（
又は散乱光）が微妙に乱される。

従って、電流信号１１及びＩ２に基づく変位信号Ｓに誤
差が含まれ、結局、出力される変位値Ｐに誤差が含まれ
ることになる。第７図は、変位値Ｐと誤差Ｈとの関係を
実験的に求めた特性図であり、傾斜角度θ及び変位値Ｐ
が大きくなる程、誤差１−１が大きくなることを示して
いる。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の光学式変位測定装置は以」二のように、変位信号
Ｓに基づく変位値Ｐをそのまま出力しているので、被測
定物（１０）の表面がヘッド（１）の光軸に対して傾い
た場合に、Ｐ　Ｓ　Ｄ　（１５）からの電流信号ＴＩ及
びＩ２が変化して誤差を含むようになり、被測定物（１
０）の変位値Ｐが見かけ」１変化するという問題点があ
った。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、被測定物がヘッドに対して傾いても、常に正
確な変位値を出力できる光学式変位測定装置を得ること
を目的とする。

「課題を解決するための手段］ この発明に係る光学式変位測定装置は、変位信号に対応
した変位値を格納する変位値変換テーブルメモリの他に
、被測定物の傾斜角度を表わす角度信号に対応した補正
係数を格納する角度補正変換テーブルメモリを設け、更
に、ヘッドを被測定物に沿って相対的に移動させるだめ
のヘッド走査部と、このヘッド走査部を駆動すると共に
、被測定物上の複数の点に対する変位値に基づいて角度
信号を演算し、この角度信号に対応する補正係数に基づ
いて変位値を補正して出力する演算回路とを備えたもの
である、 ［作用］ この発明においては、被測定物の傾斜角度に応じて各点
の変位値を補正し、被測定物の表面状態によらず常に正
確な変位値を出力する。

［実施例］ 以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図はこの発明の一実施例を示すブロック構成図であり、
各符号（１）、（３）、（５）及び（１０）は前述と同
様のものを示している。又、演算回路（４Ａ）は、第５
図の演算回路（４）に相当し、電圧信号Ｖ、及び■２に
対応した複数のサンプルホール１へ（４１）及びＡＤコ
ンバータ（４２）、並びにＣＰ　Ｕ　（４３）を備えて
おり、ＣＰ　Ｕ　（４３）内のプログラムが前述と異な
っている。

ヘッド走査部（６）は、演算回路（４Δ）からの走査信
号Ｊに基づいてヘッド（１）を走査移動するようになっ
ている。このヘッド走査部（６）は、ヘッド（１）を被
測定物（１０）に沿って相対的に移動させるものである
から、被測定物＜１０）を走査移動させてもよい。

演算回路（４八）に接続された角度補正変換テーブルメ
モリ（７）は、被測定物（１０）の傾斜角度θを表わず
角度信号Ｔに対応した補正係数Ｋを格納している。

次に、変位値変換テーブルメモリ（５）を示す第２図並
びに角度補正変換テーブルメモリ（７）の内容を示す第
３図を参照しながら、第１図に示したこの発明の一実施
例の動作について説明する。

まず、演算回路（４Δ）からの一定の走査信号、■によ
り、ヘッド走査部（６）は、ヘッド（１）を被測定ＤＪ
（１０）に沿って一定速度で矢印Ｍ方向に移動して走査
させる。

いま、ある時点で、ヘッド（１）が破線位置にあり、被
測定物（１０）の点Ａの変位値ｐＡを測定したとする。

このとき、ヘッド（１）からの電圧信号ＶＡ１及びＶＡ
２は、演算回路（４Δ）に入力されて、前述と同様にデ
ジタル信号ＤＡＩ及びＤＡ２に変換される。

そして、■式に基づいて、 Ｓ　Ａ−（Ｄ　Ａｔ　　　Ｄ　Ａ２）／　（Ｄ八、＋Ｄ
Ａ２）を演算して点Ａの変位信号ｓＡを求め、変位値変
換テーブルメモリ（５）を参照することにより、変位信
号ＳＡに対応する点Ａの変位値ｐＡを求める。

続いて、ヘッド（１）が矢印Ｍ方向に距離βたけ移動し
く実線位置）、点Ｂの変位値ｐｅを測定した場合、演算
回路（４Δ）は、電圧信号ＶＢ＋及びＶＢ２に基づくデ
ジタル信号ＤＢ＋及びＤＢ２に基づいて、５Ｂ−（ＤＢ
Ｉ−ＤＢ２）／（Ｄｅｌ＋ＤＢ２）を演算して点Ｂの変
位信号ｓＢを求め、変位値変換テーブルメモリ（５）に
より、点Ｂの変位値ＰＢを求る。

このとき、被測定物（１０）の傾き角度θにより、変位
値ＰＢは、誤差Ｈ（第７図参照）を含んでいるため補正
する必要がある。従って、演算回路（４八）は、被測定
物（１０）の傾斜角度θの正接ｔａｎθ（角度信号Ｔ）
を、 ｔａｎθ−（Ｐ　Ｂ　−Ｐ　Ａ）／　１　　　　・＝■
から求め、これに対応する補正係数Ｋを角度補正変換テ
ーブルメモリ（７）から求める（第３図参照）。

ここでは、第７図の誤差Ｈのデータを、傾斜角度θ毎に
・変位値Ｐを変数としたｎ（−３）次の近似式、Ｈ＝ａ
Ｐ３＋ｂＰ２＋ｃＰ−１−ｄ　　　−■で表わした場合
を示しており、補正係数には、各項の係数ａ〜ｄに対し
て、ａｌ、ｂｌ、ｃｌ及びｄ、で与えられる。

従って、０式より、点Ｂの変位値ＰＢに含まれる誤差Ｈ
Ｂは、 ＨＢ＝ａｌＰＢ３＋ｂ１ＰＢ２＋ｃｌＰＢ＋ｄｌで求め
られ、点Ｂの真の変位値ＰＢＴは、ＰＢＴ＝ＰＢ−ＨＢ
　　　　・・・■ となる。ここで、点Ａが測定開始点でなければ、変位値
ＰＡは既に誤差補正されているのて、傾斜角度θは更に
正確に求められる。こうして、被測定物け０）上の複数
の点の変位値ＰＴが、距離ｐの間隔で順次正確に測定さ
れ、演算回路（４八）から出力される。

尚、上記実施例では、傾斜角度θを表わす角度信号Ｔを
得るため、例えば点Ａ及びＢを測定し、１点ずつのサン
プル点のデータに基づいて演算したが、複数のサンプル
点の変位値Ｐの平均値を用いて演算してもよい。

この場合、第４図のように被測定物（１０）の性状く形
状及び材質等）により表面の影響を受け、各変位値Ｐの
誤差Ｈが大きくなっても、傾斜角度θを正しく表現した
角度信号Ｔを求めることができる。

例えば、変位値Ｐを４回の移動平均で求める場合、点り
の平均変位値ＰＤ′は、点りの変位値に前回の３点Ａ〜
Ｃの各変位値ｐＡ〜Ｐｃを加えた平均値て与えられ、 Ｐ　Ｄ’−（Ｐ　Ａ＋　Ｐ　Ｂ＋　Ｐ　ｃ＋　Ｐ　Ｄ）
／　４となる。同様に、点Ｅ及びＦの平均変位値ＰＥ′
及びＰＰ’は、 Ｐ　Ｂ’−（Ｐ　Ｂ＋　Ｐ　ｃ＋　Ｐ　Ｄ＋　Ｐ　Ｅ）
／　４Ｐ　ｐ′−（Ｐ　ｃ＋　Ｐ　Ｄ−１−Ｐ　Ｂ＋　
Ｐ　ｐ）／　４となる。これにより、例えは点ＤＬ間の
傾斜角度θを表わずｔａｎθは、平均平均値ＰＤ′及び
ＰＰ、′に基づいて演算され、被測定物（１０）の性状
による影響は除去される。又、平均化処理によりＰ　Ｓ
　Ｄ　（１５）を含む電子回路のノイスの影響も軽減す
ることができる。

又、角度補正するための角度信号Ｔとして正接ｔａｎθ
を用いたが、例えは点ＡＢ間傾斜角度θを、θ−ｔａｎ
−’［（Ｐ　Ｂ　　Ｐ　Ａ）／　ｆ］から演算し、この
傾斜角度θに基ついて補正係数■くを求めてもよい。

更に、演算回路（４八）において、電圧信号■１及び■
２をデジタル信号Ｄ１及びＤ２に変換した後、変位信号
Ｓを演算しなか、アナログ信号のまま演算してもよい。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明によれば、変位値変換テーブルメ
モリの他に、被測定物の傾斜角度を表わす角度信号に対
応した補正係数を格納する角度補正変換テーブルメモリ
を設け、更に、ヘッドを被測定物に沿って相対的に移動
させるためのヘッド走査部と、このヘッド走査部を駆動
すると共に、複数の点に対する変位値に基づいて角度信
号を演算し、この角度信号に対応する補正係数に基づい
て変位値を補正して出力する演算回路とを設けたので、
被測定物の傾斜角度に応じて各点の変位値を補正でき、
被測定物の表面状態によらず常に正確な変位値を出力す
ることのできる光学式変位測定装置が得られる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示すブロック構成図、第
２図は変位値変換テーブルメモリの内容を示す説明図、
第３図は角度補正変換テーブルメモリの内容を示す説明
図、第４図はこの発明の他の実施例を示す説明図、第５
図は従来の光学式変位測定装置を示すブロック構成図、
第６図は被測定物の傾斜角度を示す説明図、第７図は変
位値の誤差を示す特性図である。 （１）・・・ヘッド　　　　　（４＾）・・・演算回路
（５）・・・変位値変換テーブルメモリ（６）・・・ヘ
ッド走査部 （７）・・・角度補正変換テーブルメモリ（１０）、、
、被測定物　　　　（１５）、、、　Ｐ　Ｓ　ＤＬ・・
・光ビーム　　　　　■１、■２・・・電圧信号Ｐ・・
・変位値　　　　　　Ｓ・・・変位信号θ・・・傾斜角
度　　　　　１゛・・・角度信号Ｋ・・・補正係数　　
　　　Ａ−Ｆ・・複数の点ｐＴ・・・真の変位値 尚、図中、同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ＰＳＤを有するヘッドから被測定物に向けて光ビームを
   照射し、前記被測定物からの正反射光又は散乱光を前記
   ＰＳＤにより受光して得られる２系統の電圧信号に基づ
   いて、前記ヘッドから前記被測定物までの変位値を求め
   る光学式変位測定装置において、 前記電圧信号に基づく変位信号に対応した変位値を格納
   する変位値変換テーブルメモリと、前記被測定物の傾斜
   角度を表わす角度信号に対応した補正係数を格納する角
   度補正変換テーブルメモリと、 前記ヘッドを前記被測定物に沿って相対的に移動させる
   ためのヘッド走査部と、 このヘッド走査部を駆動すると共に、前記電圧信号に基
   づいて前記変位信号を演算し、且つ前記被測定物上の複
   数の点に対する前記変位値に基づいて前記角度信号を演
   算し、この角度信号に対応する前記補正係数に基づいて
   前記変位値を補正して出力する演算回路と、 を備えたことを特徴とする光学式変位測定装置。