JPH06281415A - 変位測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 三角測量方式のセンサヘッドを小さくする。 【構成】 センサヘッド胴部４の断面を投光軸と受光軸
がほぼ平行になるよう配置をした投光レンズ２と受光レ
ンズ３を収納できる最小断面とし、レーザダイオード１
からの照射光を投光レンズ２より出射し、ミラー５を介
して測定対象に照射し、その反射光をミラー６を介して
受光レンズ３に入射して、位置検出素子７へ出射する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光源よりの光で測定対
象を照射し、その反射光を位置検出素子で受光して測定
対象物の変位を測定する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】測定対象の変位を測定する方法として測
定対象へ接触して測定する接触式センサと、測定対象に
接触しない非接触式センサがある。接触式センサの場
合、測定子の接触圧で測定対象にキズが生じたり、接触
圧のため正確な測定ができないとか、測定時間がかかる
ため、応答性が悪く、高速の変化に追従できないなどに
より非接触式センサが多く使われるようになっている。
非接触式センサとしては光学的センサと静電容量センサ
がよく用いられるが、静電容量センサは作動距離が小さ
く、測定対象が導体か絶縁体かで感度が変わり、また測
定点の大きさが大きいという欠点がある。光学的センサ
は光源としてレーザを使用することにより測定点を小さ
くすることができ、上述した静電容量センサの欠点を有
していないことや、測定器の価格も下がってきたため、
積極的に使用されるようになってきた。

【０００３】次に光学的センサの例について説明する。
図９は三角測量方式と言われている光学的センサの光学
系を示す。（ａ）は測定対象に斜に光を照射するタイプ
で高い測定精度を得るのに適しており、（ｂ）は測定対
象に直角に光を照射するタイプで、（ａ）、（ｂ）いず
れの場合も、レーザダイオード１から照射された光を集
光レンズ８で集光し投光レンズ２より測定対象に照射
し、この反射光を受光レンズ３で受光し、位置検出素子
７に導光する。位置検出素子７は測定対象が矢印で示す
測定方向に変位すると、この変位に応じた電流を出力
し、図示していない演算部によりこの電流値より測定方
向の変位を演算する。

【０００４】図１０は他の光学的センサの例を示す。光
学繊維によって光伝送される一対の隣接した投光、受光
エレメントよりなり、光学繊維の開口数により定まった
投光角並びに受光角を持ち、測定対象面に対し、それぞ
れ等価の円錐状の広がりを持っている投光円錐面と受光
円錐面とが重なる斜線で示す範囲の反射光が受光エレメ
トに入射され、この反射光の受光量により両方向の矢印
で示す測定方向の変位を測定する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】装置が組立られた状態
で装置内の可動部品の動作などを測定する場合、狭い空
間に挿入でき、精度よく変位を測定できる変位測定装置
が要求される。図９で説明した三角測量方式の変位計の
場合、センサヘッドの外形は一点鎖線で示すようにな
り、かなりおおきな寸法となる。これは投光軸と受光軸
が角度θで交わる構成となっているため、図面上で左右
方向のセンサヘッドの幅が大きくなるためである。この
ため、組み立てられた装置内の狭い空間での可動部品の
動作などを測定することが困難であった。

【０００６】図１０に示した光学繊維を用いる方法はセ
ンサヘッドは一対の光学繊維で構成されるだけなので、
小さな形状となり狭い空間にも挿入が可能である。しか
し本方式は測定方向の変位を受光量の変化で測定するた
め、測定対象面が均一散乱面ではある程度の測定精度が
得られるが、金属表面のように散乱方向に指向性のある
ものでは精度が悪い。例えば、測定対象面が傾くと受光
量の変化となって表れ、測定対象が変位しないにもかか
わらず変位として誤って計測される。また、測定対象に
より直線性の感度が変化し、測定光束が大きく微小部分
の測定に適さない。

【０００７】なお、レーザ光を測定対象に照射し、測定
対象の時間的変位をドップラ効果を用いて測定するドッ
プラ方式変位計もあるが、この方式はもともと受光信号
が弱く、測定対象の表面状態による影響を受けやすく測
定精度が悪い。特に測定対象表面が黒い場合、表面での
光の吸収、散乱が多く、反射光が少なく、Ｓ／Ｎ比のよ
い信号が得られず測定精度が悪い。

【０００８】本発明は上述の問題点に鑑みてなされたも
ので、測定精度のよい三角測量方式のセンサヘッドの先
端形状を小さくし、狭い空間にも挿入出来るようにした
変位測定装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の変位測定装置は、光源と、内部に設けられ
たその投光軸と受光軸がほぼ平行となるように配置され
た投光レンズと受光レンズによってほぼ決まる断面を有
する導光部と、該投光レンズを通過した光を測定対象へ
導光する第１光路変向体と、該測定対象からの反射光を
前記受光レンズへ導光する第２光路変向体と、該受光レ
ンズよりの反射光を受光する位置検出素子とを備えたも
のである。

【００１０】また、光源と、内部に設けられた投受光レ
ンズによってほぼ決まる断面を有し前記光源よりの光を
該投受光レンズに導光するとともに該投受光レンズに測
定対象側から入射した光を光源側に導光する導光部と、
該投受光レンズを通過した光を測定対象へ導光する第１
光路変向体と、該測定対象からの反射光を前記投受光レ
ンズへ導光する第２光路変向体と、該投受光レンズより
の反射光を前記導光部を介して受光する位置検出素子と
を備えたものである。

【００１１】

【作用】導光部の断面は投光レンズと受光レンズの形
状、大きさ、配置によって決まる断面とほぼ同じであ
る。両レンズの光軸をほぼ平行になるように配置するこ
とにより、導光部中で光源よりの光を投光レンズへ導く
投光軸と受光レンズよりの光を位置検出素子へ導く受光
軸をほぼ平行にすることが可能となり、図９に示した投
光軸と受光軸が交差する場合に比べ、センサヘッドを小
さく構成することが出来る。また投光レンズからの光を
第１光路変向体で測定対象へ導光し、測定対象からの反
射光を第２光路変向体で受光レンズへ導光しているの
で、センサヘッドをその軸方向に挿入し、その軸方向と
直角方向にある測定対象の測定が可能となる。

【００１２】投光レンズと受光レンズを１つのレンズで
構成した投受光レンズを用い、導光部の断面を投受光レ
ンズを設置できる最小断面とほぼ同じ断面とする。光源
よりの照射光を導光部を通して投受光レンズに入射し、
この出射光の方向を第１光路変向体により変向して測定
対象に照射し、その反射光を第２光路変向体により光路
を変向して投受光レンズに入射し、この反射光を導光部
を介して位置検出素子へ導光する。これによりセンサヘ
ッドの形状を導光部断面の形状とすることができ、セン
サヘッドを小さくすることができる。さらに第１光路変
向体、第２光路変向体により測定対象へ投受光の方向を
変向しているので、センサヘッドをその軸方向に挿入
し、その軸方向と直角方向にある測定対象の測定が可能
となる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図１は本発明の実施例の光学系を示す図である。
なお、図９と同一符号は同一部品を表す。（ａ）はセン
サヘッドの正面図であり、（ｂ）はＸ−Ｘ方向から見た
側面図、（ｃ）は測定対象とミラーの関係を示す斜視図
である。（ａ）において投光レンズ２と受光レンズ３を
その光軸がほぼ平行になるよう、かつ両レンズ２，３を
できるだけ近づけて配置する。センサヘッド胴部４は両
レンズ２，３にできるだけ接近させた断面形状とする。

【００１４】次に光学系について説明する。レーザダイ
オード１より照射された光は集光レンズ８で集光され、
投光レンズ２に出射され、投光レンズ２よりの照射光は
ミラー５によって光路を変向して測定対象に照射され
る。ミラー５は（ｂ），（ｃ）に示すように照射光を直
角に、かつ測定対象に導光する。なお、ミラー５は照射
光を直角に変向するとしたが、必ずしも直角でなくても
よく、測定対象に応じた角度とする。図８（ａ），
（ｂ）に第５、第６実施例としてその光学系を示す。測
定対象からの反射光はミラー６によって受光レンズ３に
導光され、受光レンズ３より位置検出素子７へに導光さ
れる。レーザダイオード１と投光レンズ２の間の投光
軸、受光レンズ３と位置検出素子７間の受光軸はほぼ平
行になっており、これによりセンサヘッド胴部４の寸法
を細くすることが可能となる。また、ミラー５，６によ
り測定対象へ導光しているのでセンサヘッドの測定対象
への設定が容易となる。

【００１５】次に本変位測定装置の動作原理について図
２を用いて説明する。レーザダイオード１から放射され
た光は投光レンズ２を通り、細かく絞られ、Ｌの位置に
ある測定対象に照射され、測定対象のｂ１の位置に光ス
ポットを形成する。測定対象の表面で反射、散乱した光
の一部を受光レンズ３でとらえ、光スポットの像を位置
検出素子７の受光面上に投影すると光スポットの像がｃ
１に形成される。受光レンズ３で作られた反射点の像は
測定対象が矢印で示す測定方向に移動するとそれに応じ
て位置検出素子７上を移動する。測定対象がＬ′の位置
に移動すると光スポットがｂ２の位置に移り、それに応
じて受光レンズ３で作られた光スポットの像が位置検出
素子７上でｃ２に移動する。また光スポットがｂ３の位
置に移ると、位置検出素子７上の光スポットはｃ３に移
動する。

【００１６】位置検出素子７の両側の端子からは光スポ
ットの像の光量と位置に依存した電流を発生する。図３
は位置検出素子７の出力電流より測定対象の変位を得る
ブロック図を示す。センサヘッドにおいては位置検出素
子７の出力電流ｉ１，ｉ２を電圧Ｖ１，Ｖ２に変換す
る。センサ処理部ではＶ１，Ｖ２の和Ｖ１＋Ｖ２と差Ｖ
１−Ｖ２の信号を作り、除算（Ｖ１−Ｖ２）／（Ｖ１＋
Ｖ２）する。この除算値は像の光量変化の影響を除き、
像の位置のみによって決まる出力となる。

【００１７】このようにして得られた出力は測定対象の
変位に対してリニアではない。図４にしめすように測定
対象がｂ１よりｂ２へ距離Ｌ移動すると位置検出素子７
上で光スポットはｃ１よりｃ２へ移動し、この距離は倍
率ｍ＝ｂ／ａに比例する。次にｂ１よりｂ３へ距離Ｌ移
動すると光スポットはｃ１よりｃ３へ移動し、この距離
は倍率ｍ′＝ｂ′／ａ′に比例する。ｂ′＝ｂ，ａ′＞
ａなのでレーザダイオード１に測定対象が近づくと倍率
は大きくなり、遠ざかると倍率は小さくなる。そこで除
算値に対し、この倍率の変動を考慮した補正を行うこと
により、測定対象の正しい変位出力を得ることが出来
る。

【００１８】次に第２実施例を説明する。図５は第２実
施例の光学系を示す図であり、図１と同一符号は同一部
品を示す。本実施例は図１に示す第１実施例の光源側と
位置検出素子側の光学系を改善したものである。レーザ
ダイオード１より照射された光を集光レンズ８で集光
し、ミラー10で光路を変向して投光レンズ２に導光す
る。また、受光レンズ３からの反射光をミラー11で光路
を変向して受光レンズ９に導光し、位置検出素子７に入
射する。これによりセンサヘッド胴部４の形状を変更す
ることなく、光源側と位置検出素子側の光学系を自由に
設計することが可能となる。

【００１９】次に第３実施例を説明する。図６は第３実
施例の光学系を説明する図であり、図１と同一符号は同
一部品を表す。本実施例は図１で示した第１実施例の投
光レンズ２と受光レンズ３を１つの投受光レンズ12と
し、センサヘッド胴部４内の光路をミラーで反射させて
変向することにより、第１，２実施例で示した投光軸と
受光軸を平行にする場合と同じ効果をもたせたものであ
る。センサヘッド胴部４の断面はこの投受光レンズ12を
収納できる最小形状とする。またセンサヘッド胴部４の
内面にはミラー13を設置する。

【００２０】レーザダイオード１を出射した光は集光レ
ンズ８で集光されミラー13で反射されて投受光レンズ12
に入射し、ミラー５を介して測定対象に照射され、その
反射光がミラー６を介して投受光レンズ12に入射され
る。投受光レンズ12よりの反射光はミラー13で反射され
て位置検出素子７に入射する。このようにセンサヘッド
胴部４の内面にミラー13を設けることによりセンサヘッ
ド胴部４の断面を投受光レンズ12を収納できる最小寸法
とすることが可能となる。またミラー５，６によって測
定対象の方向に投受光を変向するようにしたので、測定
時センサヘッドの設定が容易となる。

【００２１】次に第４実施例を説明する。図７は第４実
施例の光学系を示す図であり、図１，図６と同一符号は
同一部品を表す。本実施例は、図６に示した第３実施例
が投受光レンズ12の光をセンサヘッド胴部４内側に設け
たミラー13で導光したのに対し、プリズム14を用いて投
光軸と受光軸をほぼ平行にしたものである。

【００２２】レーザダイオード１より出射した光は集光
レンズ８により集光され、プリズム14に入射し、プリズ
ム14により光路を変えて投受光レンズ12に入射する。投
受光レンズ12を出射した光はミラー５によって光路を変
えて測定対象へ照射され、その反射光がミラー６を介し
て投受光レンズ12に入射し、プリズム14で光路を、集光
レンズ８よりの投光軸とほぼ平行となるよう変向して受
光レンズ９を通り、位置検出素子７に入射する。これに
よりセンサヘッド胴部４の断面を投受光レンズ12を収納
できる最小寸法とすることが可能となる。またミラー
５，６によって測定対象の方向に投受光を変向するよう
にしたので、測定時、センサヘッドの設定が容易にな
る。なお、光源側、位置検出素子側の光路を図５に示し
たようにしてもよい。

【００２３】以上により三角測量方式の変位測定装置に
対し、第１〜第４実施例で説明した光学系を用いること
によりセンサヘッドを小さくすることができ、またセン
サヘッドからの出射光、入射光の方向を測定対象に向け
て変向するようにしているので、狭い空間へセンサヘッ
ドをその軸方向に挿入し、この軸方向と直角方向にある
測定対象の測定が可能となる。このため、装置組立後狭
い空間しか残されていない部品の動作確認なども容易に
なる。この一例として、センサヘッドをその軸方向にし
か挿入できず、その軸方向と直角方向にあるヘッド近傍
におけるビディオテープの浮きを計測するといった困難
な計測も可能となる。

【００２４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
は投光レンズと受光レンズまたは投受光レンズによって
ほぼ決まる断面を有する導光部により光路の広がりを防
止してセンサヘッドの形状を小さくすることを可能とす
る。さらに投光レンズと受光レンズまたは投受光レンズ
と測定対象間の光路を測定対象に向けて変向することに
より、狭い空間における変位計測を精度よく実施するこ
とを可能とする。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の光学系を示す図である。

【図２】三角測量方式の作動原理を説明する図である。

【図３】位置検出素子の出力より変位出力を得るブロッ
ク図である。

【図４】リニア補正の必要性を説明する図である。

【図５】第２実施例の光学系を示す図である。

【図６】第３実施例の光学系を示す図である。

【図７】第４実施例の光学系を示す図である。

【図８】（ａ）は第５実施例、（ｂ）は第６実施例の光
学系を示す図である。

【図９】従来の三角測量方式の変位測定装置の光学系を
示す図である。

【図１０】一対の光学繊維を用いたセンサヘッドを示す
図である。

【符号の説明】

１ レーザダイオード ２ 投光レンズ ３ 受光レンズ ４ センサヘッド胴部 ５，６，13 ミラー ７ 位置検出素子 12 投受光レンズ 14 プリズム

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源（１）と、内部に設けられたその投
   光軸と受光軸がほぼ平行となるように配置された投光レ
   ンズ（２）と受光レンズ（３）によってほぼ決まる断面
   を有する導光部（４）と、該投光レンズを通過した光を
   測定対象へ導光する第１光路変向体（５）と、該測定対
   象からの反射光を前記受光レンズへ導光する第２光路変
   向体（６）と、該受光レンズよりの反射光を受光する位
   置検出素子（７）とを備えたことを特徴とする変位測定
   装置。
2. 【請求項２】 光源（１）と、内部に設けられた投受光
   レンズ（12）によってほぼ決まる断面を有し前記光源よ
   りの光を該投受光レンズに導光するとともに該投受光レ
   ンズに測定対象側から入射した光を光源側に導光する導
   光部（４）と、該投受光レンズを通過した光を測定対象
   へ導光する第１光路変向体（５）と、該測定対象からの
   反射光を前記投受光レンズへ導光する第２光路変向体
   （６）と、該投受光レンズよりの反射光を前記導光部を
   介して受光する位置検出素子（７）とを備えたことを特
   徴とする変位測定装置。