JPH035845Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、光学式表面変位検出回路に係り、特
に、遠隔物体の厚さや変位等を非接触で測定する
ことができる光学式表面変位検出装置に用いるの
に好適な、ビ−ム走査範囲の基準位置に対応して
配設された基準光検出素子から出力される基準信
号と、測定対象面によるビ−ム反射光のうち、ビ
−ム照射方向とは異なる設定方向の反射光のみを
受光するようにされた反射光検出素子から出力さ
れる反射信号の発生時間間隔から、測定対象面の
設定方向変位を求めるための光学式表面変位検出
回路の改良に関する。

産業界における生産の自動化、ロボツト導入等
に伴ない、計測のインプロセス化、高速度化、高
精度化が急速に優勢されており、赤熱した鉄板の
圧延工程における厚さのインプロセス測定のよう
に、遠隔物体の厚さや変位等を非接触で測定でき
る表面変位検出装置の必要性も大となつている。

このような非接触式の表面変位検出装置として
は、被測定物体に投射した光の反射光や散乱光を
変位に関する信号とする光学的変位方式を利用し
たもの、磁束変化、渦電流、容量変化等、電磁気
的場の効果を利用したもの、放射線の吸収度を利
用したもの、超音波を利用したもの等が提案され
ているが、被測定物体との設定距離を大きく取れ
るという点では、光学的方式を利用したもの（以
下、光学式表面変位検出装置と称する）が有利で
ある。

この光学式表面変位検出装置としては、種々の
方式が提案されているが、その１つに、例えば第
１図に示す如く、レ−ザビ−ム発生器２０と、該
レ−ザビ−ム発生器２０から発生されたスポツト
状のレ−ザビ−ム２１を、等角速度で回転走査す
るための回転ミラ−２２と、該回転ミラ−２２に
よつて形成された回転走査ビ−ム２３が、基準位
置を走査したことを検出するための基準光検出素
子２４と、回転走査ビ−ム２３の測定対象面１０
による反射光のうち、測定対象面１０と垂直な方
向（変位測定方向）の反射光のみを通過させるス
リツト２６と、該スリツト２６を通過した反射光
の有無を検出するための反射光検出素子２８とを
備え、変位検出回路２９により測定される、前記
基準光検出素子２４から出力される基準信号と前
記反射光検出素子２８から出力される反射信号の
発生時間間隔、即ち、回転走査ビ−ム２３の走査
角度θから、測定対象面１０の上下方向変位Ｘを
求めるようにした、いわゆる、投射ビ−ム回転走
査方式によるものがある。

又、前出第１図に示した投射ビ−ム回転走査方
式における、回転走査ビーム２３の走査角度θと
変位量Ｘの関係が光学的に非線形となり、複雑な
補正が必要となるだけでなく、回転ミラ−２２と
測定対象面１０間の距離l₁、l₂、l₃等を計算する
必要があるという問題点を解消するものとして、
出願人は既に実願昭58−139708において、第２図
に示す如く、前記回転ミラ−２２と測定対象面１
０の間に、前記回転ミラ−２２により扇状に回転
走査される回転走査ビ−ム２３を互いに平行な平
行走査ビ−ム３１とするためのコリメ−タレンズ
３０を挿入することによつて、回転走査ビ−ム２
３の走査角度θと測定対象面１０の変位量Ｘの間
に光学的な線形関係が成立するようにして、精度
の高い測定を簡単に行うことができるようにし
た、投射ビ−ム平行走査方式によるものを提案し
ている。

しかしながら、前出第１図あるいは第２図に示
した光学式表面変位検出装置のいずれにおいて
も、測定精度を高精度とするためには、変位検出
回路２９で、基準信号と反射信号の発生時間間隔
を精度良く測定する必要があり、そのためには、
前記基準信号及び反射信号のエツジ位置あるいは
中心位置を精度良く求める必要がある。

一方、光学式測定機器におけるエツジ検出装置
としては、出願人が既に特開昭58−173408、特願
昭58−102477、実願昭58−87424等において、
種々の方法を提案しているが、特開昭58−173408
で提案したような、測定対象物との相対移動時に
生ずる明暗に基づき、少なくとも２組の位相ずれ
信号を発生するよう移動面と略平行な面内に配設
された４個の受光素子からなるセンサと、前記各
組の位相ずれ信号の差を演算する第１及び第２の
演算手段と、これら第１及び第２の演算手段の出
力信号の差を演算する第３の演算手段及び和を演
算する第４の演算手段と、この第４の演算手段の
出力信号が所定レベルにある間に生じる、前記第
３の演算手段の出力信号と基準レベルのクロス信
号を出力する検知手段と、を含むエツジ検出装置
は、投影機には適しているものの、そのまま光学
式表面変位検出装置に用いるには、構成が非常に
複雑である。又、特願昭58−102477で提案したよ
うな、受光器を、被測定物の映像が進む方向に二
分割された２つの受光要素から形成すると共に、
これらの受光要素の出力信号を各々微分する微分
回路と、これら微分回路の出力信号の差を演算す
る差動回路と、この差動回路からの出力信号を参
照信号と比較して、被測定物のエツジとなる一点
を判別する判定回路と、を含むエツジ検出装置
は、２つの出力信号の波形がほぼ同じである高速
度走査型レ−ザ測長機には適しているものの、一
般に、散乱光の関係で見掛上の反射光径が異なる
ため、基準信号と反射信号の波形が大幅に異な
り、特に反射信号が非対称波形になり易い光学式
表面変位検出装置にそのまま用いるのには適して
いない。更に、実願昭58−87424で提案したよう
な、光線ビ−ムの一部を被測定物の直前で検知し
て、その光量変動を電気信号に変換して出力する
光量検知手段を設けると共に、この光量検知手段
を、その出力装置が判定装置における基準信号又
は受光器出力信号の補正信号となるように光量検
知手段に接続したエツジ検出装置も、やはり、光
学式表面変位検出装置にそのまま用いるのには適
していないという問題点を有していた。

又、基準信号と反射信号の波形の違いを克服す
るべく、各出力信号の中間点を直接捉え、それら
の間隔から時間間隔を決定することが考えられる
が、各出力信号の中間点を検出するに際して、例
えば２階微分を用いる方法は、回路が複雑になる
だけでなく、正確な中間点を求めるのが困難であ
るという問題点を有していた。

本考案は、前記従来の問題点を解消するべくな
されたもので、基準信号や反射信号の中間点を直
接求めることなく、基準信号と反射信号の発生時
間間隔を、極めて簡単な回路で精度良く求めるこ
とができる光学式表面変位検出回路を提供するこ
とを目的とする。

本考案は、ビ−ム走査範囲の基準位置に対応し
て配設された基準光検出素子から出力される基準
信号と、測定対象面によるビ−ム反射光のうち、
ビ−ム照射方向とは異なる設定方向の反射光のみ
を受光するようにされた反射光検出素子から出力
される反射信号の発生時間間隔から、測定対象面
の設定方向変位を求めるための光学式表面変位検
出回路において、前記基準光検出素子の前方に配
置されたエツジ部材と、前記基準信号と交差する
第１閾値を発生する第１設定器と、前記反射信号
と２つの位置で交差する第２閾値を発生する第２
設定器と、前記基準信号と第１閾値の、前記エツ
ジ部材のエツジ位置に対応する交差位置を検出す
る第１検出器と、前記反射信号と第２閾値の２つ
の交差位置を検出する第２検出器と、前記第１検
出器で検出されるエツジ交差位置と前記第２検出
器で検出される前記反射信号と第２閾値の一方の
交差位置間に発生したクロツクパルス数を計数す
る第１カウンタと、前記エツジ交差位置と前記第
２検出器で検出される前記反射信号と第２閾値の
他方の交差位置間に発生したクロツクパルス数を
計数する第２カウンタと、両カウンタで計数され
た両パルス数を演算して、前記基準信号と反射信
号の発生時間間隔を求もる演算器と、を備えるこ
とにより、前記目的を達成したものである。

又、本考案の実施態様は、前記第１設定器及び
第２設定器が、前記基準光検出素子出力又は反射
光検出素子出力の最大値を保持し、該保持信号を
分圧して前記第１閾値又は第２閾値を発生するも
のとして、散乱光や電源変動等により基準信号や
反射信号の波高値が変動した場合であつても、エ
ツジ交差位置又は反射信号と第２閾値の２つの交
差位置を精度良く求めることができるようにした
ものである。

更に、本発明の他の実施様態は、前記第２検出
器を、前記反射信号と第２閾値を比較する比較器
と、該比較器出力の矩形波信号をデジタル処理し
て２つの交差位置に対応するパルス信号を発生す
るデジタル微分回路とから構成して、前記反射信
号と第２閾値の２つの交差位置を容易に検出でき
るようにしたものである。

本発明においては、基準光検出素子の前方にエ
ツジ部材を配置し、基準信号と第１閾値の前記エ
ツジ部材のエツジ位置に対応する交差位置と、反
射信号と第２閾値の一方の交差位置間に発生した
クロツクパルス数と、前記エツジ交差位置と、反
射信号と第２閾値の他方の交差位置間に発生した
クロツクパルス数を計数し、両パルス数を演算し
て、基準信号と反射信号の発生時間間隔を求める
ようにしたので、基準信号や反射信号の中間点を
直接求めることなく、従つて極めて簡単な回路に
より、基準信号と反射信号の発生時間間隔を精度
良く求めることができる。

以下面を参照して、本考案の実施例を詳細に説
明する。

本実施例は、第３図に示す如く、前出第２図に
示した従来例と同様の、レ−ザビ−ム発生器２０
と、回転ミラ−２２と、例えばフオトダイオ−ド
からなる基準光検出素子２４と、スリツト２６
と、例えばフオトダイオ−ドからなる反射光検出
素子２８と、変位検出回路29と、コリメ−タレン
ズ３０とを有する光学式表面変位検出装置におい
て、平行走査ビ−ム３１中の基準位置にミラ−４
０を設け、該ミラー４０により前記基準検出素子
２８にナイフエツジ４２及びレンズ４３を介して
レ−ザビ−ムを入射するように構成すると共に、
前記変位検出回路２９を、前記基準光検出素子２
４出力の基準信号S₁及び前記反射光検出素子２８
出力の反射信号S₂を各々増幅するアンプ４６、４
８と、前記基準信号S₁と交差する第１閾値Vref₁
を発生する第１設定器５０と、前記反射信号S₂と
２つの位置で交差する第２閾値Vref₂を発生する
第２設定器５２と、前記基準信号S₁と第１閾値
Vref₁の、前記ナイフエツジ４２のエツジ位置に
対応する交差位置P₁を検出する第１検出器５４
と、前記反射信号S₂と第２閾値Vref₂の２つの交
差位置P₂₁，P₂₂を検出する第２検出器５６と、各
検出器５４、５６で検出される交差位置のうち、
エツジ交差位置P₁及び反射信号S₂と第２閾値
Vref₂の２つの交差位置P₂₁，P₂₂を選択するため
のシフトレジスタ５８と、クロツクパルス発生器
６０と、第１検出器５４で検出されるエツジ交差
位置P₁と第２検出器５６で検出される反射信号
S₂と第２閾値Vref₂の一方の交差位置P₂₁間に発生
したクロツクパルス数Ａを計数する第１カウンタ
６２と、第１検出器５４で検出されるエツジ交差
位置P₁と第２検出器５６で検出される反射信号
S₂と第２閾値Vref₂の他方の交差位置P₂₂間に発生
したクロツクパルス数Ｂを計数する第２カウンタ
６４と、両カウンタ６２，６４で計数された両パ
ルス数を演算して、前記基準信号S₁と反射信号S₂
の発生時間間隔を求める演算器６６と、発生時間
間隔と変位量ｘを関係づける設定値を入力するさ
めの第３設定器６８と、該第３設定器６８の設定
値を利用して前記演算器６６出力の発生時間間隔
を変位に換算するための変位換算器７０と、該変
位換算器７０出力を表示するための表示器７２
と、から構成したものである。第３図において４
４は、反射光検出素子２８に入射される反射光を
集光するためのレンズである。

前記第１設定器５０及び第２設定器５２は、そ
れぞれ、前記アンンプ４６を介して入力される基
準光検出素子２４出力又は前記アンプ４８を介し
て入力される反射光検出素子２８出力の最大値を
保持するためのコンデンサ５０Ａ又は５２Ａと、
該コンデンサ５０Ａ又は５２Ａによる保持電圧
を、例えば1/2に分圧して前記第１閾値Vref₁又
は第２閾値Vref₂を発生する可変型の分圧抵抗５
０Ｂ又は５２Ｂと、から構成されている。

又、前記第１検出器５４は、前記アンプ４６を
介して入力される基準光検出素子２４出力と前記
第１閾値Vref₁を比較する比較器５４Ａと、該比
較器５４Ａ出力の矩形波信号Sp₁を微分して、基
準信号S₁の立上がり、即ちエツジ交差位置に対応
するパルス信号P₁を発生する微分回路５４Ｂと、
から構成されている。

更に、前記第２検出器５６は、前記アンプ４８
を介して入力される反射光検出素子２８出力と前
記第２閾値Vref₂を比較する比較器５６Ａと、第
４図に示す如く、該比較器５６Ａ出力の矩形波信
号Sp₂を微分し、一方を反転して論理和を取るこ
とによつて、又は、第５図に示す如く、矩形波信
号Sp₂を微小時間だけ遅延して、元の信号との排
他的論理和を取ることによつて、反射信号S₂の立
上り及び立下り、即ち、２つの交差位置に対応す
るパルス信号P₂₁，P₂₂を発生するデジタル微分回
路５６Ｂと、から構成されている。

本実施例における各部信号波形の例を第６図に
示す。図から明らかな如く、エツジ交差位置P₁
と反射信号S₂の立上りP₂₁の時間間隔を計数した
パルス数Ａ及びエツジ交差位置P₁と反射信号S₂
の立下りP₂₂の時間間隔を計数したパルス数Ｂを
加算して、２で割ることによつて、エツジ交差位
置P₁と反射信号S₂の中間点に対応するパルス数
（Ａ＋Ｂ）／２を、精度良く求めることができる。

本実施例においては、第１閾値Vref₁及び第２
閾値Vref₂を、いずれも、基準信号S₁の最大値又
は反射信号S₂の最大値に応じて変動させるように
しているので、散乱光や電源変動等による出力信
号の波高値変動に拘らず、精度の良い測定を行う
ことができる。又、非対称波形である場合の中間
点を狙うことも容易である。なお、分圧抵抗５０
Ｂ、５２Ｂによる分圧比は１／２に限定されず、
又、第１閾値Vref₁及び第２閾値Vref₂を定電圧
設定とすることも可能である。

又、本実施例においては、第１カウンタ６２と
第２カウンタ６４の計数値の和（Ａ＋Ｂ）を２で
割ることによつて、クロツクパルス数と変位量を
従来と同様に対比させていたが、例えば、クロツ
クパルス数を従来の１／２とすることによつて、
２で割る演算を省略することも可能である。

なお、前記実施例においては、ナイフエツジ４
２を平行走査ビ−ム３１の走査方向上流側に配設
し、基準光検出素子２４で検出される基準信号の
立上りからエツジ交差位置を検出するようにして
いたが、エツジ交差位置を検出する方法はこれに
限定されず、例えば、ナイフエツジ４２を平行走
査ビ−ム３１の走査方向下流側に配設して、基準
信号の立下りからエツジ交差位置を検出するよう
に構成することも可能である。

本考案は、実施例で示したような投射ビ−ム平
行走査方式の光学式表面変位検出装置に用いるの
に特に好適なものであるが、本考案の適用範囲は
これに限定されず、前出第１図に示したような投
射ビ−ム回転走査方式の光学式表面変位検出装置
や、他の方式の光学式表面変位検出装置、更に
は、一般の光学式測定機器にも同様に適用できる
ことは明らかである。

以上説明したように、本考案によれば、基準信
号の中間点を求めることなく、又、反射信号の中
間点を直接求めることなく、基準信号と反射信号
の発生時間間隔を、極めて簡単な回路で精度良く
求めることができるという優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の投射ビ−ム回転走査方式によ
る光学式表面変位検出装置の一例の構成を示すブ
ロツク線図、第２図は、出願人が既に提案した、
投射ビ−ム平行走査方式による光学式表面変位検
出装置の構成を示すブロツク線図、第３図は、本
考案に係る光学式表面変位検出回路の実施例が採
用された、光学式表面変位検出装置の構成を示す
ブロツク線図、第４図は、前記実施例で用いられ
ているデジタル微分回路の作用の一例を示す線
図、第５図は、同じくデジタル微分回路の作用の
他の例を示す線図、第６図は、前記実施例の各部
動作波形を示す線図である。 １０……測定対象面、２０……レ−ザビ−ム発
生器、２２……回転ミラ−、２４……基準光検出
素子、２６……スリツト、２８……反射光検出素
子、４２……ナイフエツジ、５０，５２……設定
器、５０Ａ，５２Ａ……コンデンサ、５０Ｂ，５
２Ｂ……分圧抵抗、５４，５６……検出器、５４
Ａ，５６Ａ……比較器、５４Ｂ……微分回路、５
６Ｂ……デジタル微分回路、５８……シフトレジ
スタ、６０……クロツクパルス発生器、６２，６
４……カウンタ、６６……演算器、S₁……基準信
号、S₂……反射信号、Vref₁，Vref₂……閾値、
P₁……エツジ交差位置、P₂₁，P₂₂……交差位置、
Ａ，Ｂ……クロツクパルス数。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (1) ビ−ム走査範囲の基準位置に対応して配設さ
   れた基準光検出素子から出力される基準信号
   と、測定対象面によるビ−ム反射光のうち、ビ
   −ム照射方向とは異なる設定方向の反射光のみ
   を受光するようにされた反射光検出素子から出
   力される反射信号の発生時間間隔から、測定対
   象面の設定方向変位を求めるための光学式表面
   変位検出回路において、 前記基準光検出素子の前方に配置されたエツ
   ジ部材と、 前記基準信号と交差する第１閾値を発生する
   第１設定器と、 前記反射信号と２つの位置で交差する第２閾
   値を発生する第２設定器と、 前記基準信号と第１閾値の、前記エツジ部材
   のエツジ位置に対応する交差位置を検出する第
   １検出器と、 前記反射信号と第２閾値の２つの交差位置を
   検出する第２検出器と、 前記第１検出器で検出されるエツジ交差位置
   と前記第２検出器で検出される前記反射信号と
   第２閾値の一方の交差位置間に発生したクロツ
   クパルス数を計数する第１カウンタと、 前記エツジ交差位置と前記第２検出器で検出
   される前記反射信号と第２閾値の他方の交差位
   置間に発生したクロツクパルス数を計数する第
   ２カウンタと、 両カウンタで計数された両パルス数を演算し
   て、前記基準信号と反射信号の発生時間間隔を
   求める演算器と、 を備えたことを特徴とする光学式表面変位検出
   回路。 (2) 前記第１設定器及び第２設定器が、前記基準
   光検出素子出力又は反射光検出素子出力の最大
   値を保持し、該保持信号を分圧して前記第１閾
   値又は第２閾値を発生するものとされている実
   用新案登録請求の範囲第１項記載の光学式表面
   変位検出回路。 (3) 前記第２検出器が、前記反射信号と第２閾値
   を比較する比較器と、該比較器出力の矩形波信
   号をデジタル処理して２つの交差位置に対応す
   るパルス信号を発生するデジタル微分回路とか
   ら構成されている実用新案登録請求の範囲第１
   項記載の光学式表面変位検出回路。