JPH0650715A - 光変位計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、板状被検材の平坦度等の形状を測定
する際に用いて好適の光変位計に関し、測定面が大きく
変わるような場合でも、光変位計本体を固定したままで
且つ単純な信号処理で高精度の測定を実現することを目
的とする。 【構成】そこで、被検面１６が変位測定可能範囲外にあ
る場合、被検面が変位測定可能範囲内にある場合の所定
基準面に光ビームを照射した際の基準反射光の経路と、
変位測定可能範囲外にある被検面１６についての設定基
準面１５との交点位置Ｐ₁へ向けて光ビームが照射され
るとともに、交点位置Ｐ₁からの反射光が検出器６上の
基準反射光の入射位置Ａ₀と同一位置に入射するよう
に、第１反射鏡９の取付角度θ₁と、第２反射鏡１０の
取付角度θ₂，取付位置Ｘ，Ｙとをそれぞれ第１駆動機
構１１および第２駆動機構１２により調整することを特
徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、板状被検材の平坦度等
の形状を測定する際に用いて好適の光変位計に関する。

【０００２】

【従来の技術】光変位計を用いて三角測量法による距離
計測を行なう手段の代表的なものを図２に示す。この図
２において、１は半導体レーザ等の光源、２は光源１か
ら出射された光を集光して被検材３の被検面７もしくは
８上へ照射する投光レンズ、５は光源１から投光レンズ
２を通して被検面７もしくは８上へ照射された光の該被
検面７もしくは８からの反射光を受光する受光レンズ、
６は受光レンズ５を通して被検面７もしくは８からの反
射光を受けその入射位置を検出するＰＳＤ(位置検出素
子)からなる検出器である。

【０００３】このような光変位計を用いて被検面７の位
置を測定する際には、光源１から投光レンズ２を通し被
検面７上の点Ｏ₀に向けて光線が照射され、被検面７上
からの反射光は、受光レンズを通して検出器６上の点ａ
₀に入射・結像される。

【０００４】受光レンズ５の中心からの点ａ₀の位置を
読み取れば、受光レンズ５と検出器６との間の距離ｄは
既知であるので、点Ｏ₀と点ａ₀とを結ぶ線分の垂直線
(被検面７，８に垂直な線)に対する方位角を、容易に計
算することができる。照射光線の照射角、および、投光
レンズ２と受光レンズ５との間隔Ｄは、初期設定値であ
るので、検出器６にて得られた前記方位角に基づき、三
角測量の原理により被検面７上の点Ｏ₀までの距離Ｌを
求めることができる。

【０００５】なお、被検材３の位置が変わり、光源１か
らの光の照射点が被検面８上の点Ｏ₁になった場合に
は、検出器６上の反射光結像位置がａ₁になり、前述と
同様にして被検面８上の点Ｏ₁までの距離を求めること
ができる。

【０００６】上述のように、従来、光変位計を用いた板
状被検材の形状計測においては、光変位計投光部(光源
１，投光レンズ２)から被検材に直接投光され、被検材
表面で反射される光を光変位計受光部(受光レンズ５，
検出器６)で受光し、被検材上の反射位置を測定してい
る。この方式は非接触であり、測定のための特別なセン
サ倣い装置等を必要とせず、高速で精度の高い測定を行
なえるという特徴を有している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、一般的な光
変位計において分解能が数μｍ〜数十μｍの場合、測定
できる被検材の変位範囲は数mm〜数十mmである。板状材
料の平坦度は、材料表面(被検面)上の該当する点の位置
を測定し、定盤平面，パスライン等を基準にして、その
測定点の位置と基準の位置との差を算出し、これら変位
量の前後左右を関係付けることにより表わされる。

【０００８】ローラテーブル等で搬送されてくる一連の
材料の平坦度の連続測定において、材料間での厚さ変化
がこの光変位計の測定可能範囲を超えているような場合
には、被検材表面上の測定点の位置に厚さの影響が及ば
ないように被検材裏面側から測定がなされている。

【０００９】しかし、この場合、測定される変位量に
は、本来の変位のほかに、重力による被検材の歪みによ
る変位等が交錯しているため、これらを分離し本来の変
位のみを抽出する必要があり、そのために、信号処理機
能が強化され複雑な信号処理を実施しなければならな
い。この結果、装置コストの上昇を伴うばかりでなく、
信号処理アルゴリズムの不適切さや不完全さのために測
定結果の信頼性を損なうという課題があった。

【００１０】そこで、被検材表面側に光変位計を配置
し、ロール直上近傍での変位を測定する手段が考えられ
るが、この場合には、測定可能な変位量範囲は広いが、
測定精度で劣る光変位計を用いるか、あるいは、数mm〜
百数十mmの被検材厚さの変動量を光変位計の測定可能な
変位量範囲でカバーすることができないので、光変位計
の取付位置を被検材の厚さに対応して、正確かつ迅速に
移動させることのできる堅牢で精密な移動装置に光変位
計を取り付ける構造が必要になる。前者の場合には、高
い測定精度が得られないという課題があるほか、後者の
場合には、精密な移動装置のために、光変位計を用いる
ことにより簡潔な装置構成できるという特徴が損なわれ
てしまうなどの課題がある。

【００１１】本発明は、このような課題を解決しようと
するもので、被検材の厚さ変化等により測定範囲を大き
く変える必要がある場合であっても、光変位計本体の取
付位置を変更することなく、簡素な構成かつ単純な信号
処理で高精度の測定を実現した光変位計を提供すること
を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の光変位計は、光源と、該光源から出射され
た光ビームを被検面上へ所定入射角で集光・照射する投
光レンズと、前記被検面から反射されてきた反射光を受
光する受光レンズと、該受光レンズにより前記反射光を
結像され該反射光の入射・結像位置を検出する検出器と
をそなえ、前記検出器の検出結果に基づき三角測量の原
理により前記被検面の変位を検出するものにおいて、前
記投光レンズの光ビーム射出側直後に配置される第１反
射鏡と、該第１反射鏡に対向しうるように前記の光ビー
ムと反射光との間に配置される第２反射鏡と、前記第１
反射鏡の取付角度を調整駆動する第１駆動機構と、前記
第２反射鏡の取付角度および取付位置を調整駆動する第
２駆動機構とをそなえ、前記被検面が前記検出器による
所定の変位測定可能範囲外にある場合には、前記被検面
が前記所定の変位測定可能範囲内にある場合の所定基準
面に前記光ビームを照射した際の前記検出器への基準反
射光の経路と、前記所定の変位測定可能範囲外にある当
該被検面についての設定基準面との交点位置へ向けて前
記光ビームが照射されるとともに、該交点位置からの反
射光が前記検出器上の前記基準反射光の入射位置と同一
位置に入射するように、前記第１反射鏡の取付角度と、
前記第２反射鏡の取付角度および取付位置とを、それぞ
れ前記の第１駆動機構および第２駆動機構により調整
し、前記光ビームを、前記の第１反射鏡および第２反射
鏡により反射して前記被検面上へ照射することを特徴と
している。

【００１３】

【作用】上述した本発明の光変位計では、被検面が検出
器による変位測定可能範囲外にある場合、被検面が変位
測定可能範囲内にある場合の所定基準面に光ビームを照
射した際の基準反射光の経路と、変位測定可能範囲外に
ある被検面についての設定基準面との交点位置へ向けて
光ビームが照射されるとともに、その交点位置からの反
射光が検出器上の基準反射光の入射位置と同一位置に入
射するように、第１反射鏡の取付角度と、第２反射鏡の
取付角度，取付位置とをそれぞれ第１駆動機構および第
２駆動機構により調整し、光ビームの経路を制御するこ
とにより、光変位計本体を被検面上方に固定することが
でき、光変位計の高い分解能を保ったままで測定面の大
幅な変化に対応できる。

【００１４】

【実施例】以下、図面により本発明の一実施例としての
光変位計について説明すると、図１はその構成およびそ
の動作を説明するための模式図であり、この図１に示す
ように、本実施例の光変位計も、基本的には従来のもの
と同様に、半導体レーザ等の光源１と、この光源１から
出射された光ビームを板材(被検材)１３の被検面１６上
へ所定入射角で集光・照射する投光レンズ２と、被検面
１３から反射されてきた反射光を受光する受光レンズ５
と、この受光レンズ５により反射光を結像されその入射
・結像位置を検出する検出器６とをそなえ、検出器６の
検出結果に基づき三角測量の原理により被検面１６の変
位(後述する所定基準面１４もしくは公称板厚面１５に
対する変位)を検出するものである。

【００１５】そして、本実施例の光変位計において、符
号１，２，５，６で示す上記構成要素(光変位計本体)の
位置は変更されるものではなく、新たに第１反射鏡９，
第２反射鏡１０，第１駆動機構１１，第２駆動機構１２
が追加されている。

【００１６】第１反射鏡９は、投光レンズ２の光ビーム
射出側直後に配置され、第２反射鏡１０は、第１反射鏡
９に対向しうるように光ビームと反射光との間に配置さ
れている。また、第１駆動機構１１は、第１反射鏡９の
取付角度θ₁を調整駆動するものであり、第２駆動機構
１２は、第２反射鏡１０の取付角度θ₂および取付位置
Ｘ，Ｙ(第１反射鏡９の中心Ｍ₁を原点とする座標系)を
調整駆動するものである。

【００１７】ただし、本実施例の光変位計により変位測
定を行なう板材１３の被検面１６が検出器６による所定
の変位測定可能範囲内にある場合には、第１反射鏡９は
投光レンズ２からの光ビームの方向に平行に配置され、
投光レンズ２からの光ビームは、第１反射鏡９により反
射されることなく被検面上へ照射されるようになってい
る。

【００１８】なお、所定基準面(被検面１６が検出器６
による所定の変位測定可能範囲内にある場合において被
検面１６の変位基準となる面)１４上の反射点Ｐ₀に対す
る光ビームの入射角(所定基準面１４に垂直な線に対す
る角度)αと、板材１３についての設定基準面(被検面１
６が検出器６による所定の変位測定可能範囲外になった
場合において、被検面１６の変位基準となる面で、前記
の所定基準面１４よりもＴだけ上方の面)１５上の反射
点Ｐ₁に対する光ビームの入射角(設定基準面１５に垂直
な線に対する角度)γと、反射点Ｐ₀での反射光の検出器
６での検出角(所定基準面１４に垂直な線に対する角度)
βとは、板材１３の表面性状，光ビームの反射・散乱状
況，光ビームの強度，必要な測定精度を考慮して、最適
になるように予め設定される値である。

【００１９】また、第１反射鏡９での光ビームの反射方
向Δα(反射光が所定基準面１４となす角度)と、所定基
準面１４から第１反射鏡９の中心点Ｍ₁までの距離Ｓと
は、変位計本体の取付スペース，板材１３の板厚範囲等
によって選ばれる値である。

【００２０】さらに、所定基準面１４から投光レンズ２
と受光レンズ５とを結ぶ線までの距離Ｌと、投光レンズ
２と受光レンズ５との水平距離Ｄと、受光レンズ５と検
出器６との距離ｄとは、光変位計により測定できる板材
１３の変位範囲および測定精度によって定まる光変位計
固有の値である。

【００２１】上述の構成により、本実施例の光変位計で
は、まず、第１反射鏡９を投光レンズ２からの光ビーム
に対して平行に配置することにより、光ビームを所定基
準面１４上の反射点Ｐ₀に直接投光・照射し、その際に
おける検出器６での反射光の入射・結像位置Ａ₀を得
て、その位置Ａ₀を以降の変位測定の基準とする。この
とき、光ビームは、光源１から投光レンズ２を通し、所
定基準面１４上の反射点Ｐ₀に対して入射角αで照射さ
れ、反射点Ｐ₀での反射光が、方位角βで受光レンズ５
を通し検出器６へ入射する。

【００２２】そして、板材１３の被検面１６が検出器６
による所定の変位測定可能範囲内にある場合には、第１
反射鏡９を投光レンズ２からの光ビームに対して平行に
配置したままで、従来通りの変位測定を行なう一方、被
検面１６が検出器６による所定の変位測定可能範囲外に
ある場合には、板材１３の公称板厚に基づき、所定基準
面１４よりもＴだけ上方に新たな該光変位計の変位基準
となる設定基準面１５が設けられる。設定基準面１５
は、その板材１３の公称板厚面(板材１３の板厚が公称
板厚通りである場合の被検面)と同一でもよいし、該光
変位計で測定される板材の全公称板厚を網羅する範囲を
適切な間隔で区分する面として設けられてもよい。

【００２３】設定基準面が公称板厚面と同一な場合につ
いて説明すると、所定基準面１４の反射点Ｐ₀に光ビー
ムを照射した際の基準反射光の経路と公称板厚面１５と
の交点位置Ｐ₁へ向けて光ビームが照射されるととも
に、交点位置Ｐ₁からの反射光が検出器６上の基準反射
光の入射・結像位置Ａ₀と同一位置に入射するように、
第１反射鏡９の取付角度θ₁と、第２反射鏡１０の取付
角度θ₂，取付位置Ｘ，Ｙとをそれぞれ第１駆動機構１
１および第２駆動機構１２により調整する。

【００２４】上述のような条件を満たす第１反射鏡９の
取付角度θ₁と、第２反射鏡１０の取付角度θ₂，取付位
置Ｘ，Ｙとは、次のようにして求められる。第１反射鏡
９の中心Ｍ₁は、投光レンズ２中心と所定基準面１４上
の反射点Ｐ₀とを結ぶ線上で所定基準面１４の上方Ｓの
距離に配置されており、その所定基準面１４に対する取
付角度θ₁は、次式(1)により、投光レンズ２からの光ビ
ームが第１反射鏡９の中心Ｍ₁で所定基準面１４と角度
Δαをなす方向に反射するように設定され、第１反射鏡
９は、取付角度θ₁に第１駆動機構１１により調整配置
される。

【００２５】 θ₁＝(９０°−α−Δα)／２ (1) ここで、Δαは、前述の通り、第１反射鏡９で反射され
る光ビームと第１反射鏡９の中心Ｍ₁を通り所定基準面
１４に平行に引いた線とのなす角度であり、この平行線
について投光レンズ２側に反射させる場合を“＋”、所
定基準面１４側に反射させる場合を“−”とする。

【００２６】一方、第２反射鏡１０は、第２駆動機構１
２により、その中心Ｍ₂まわりに所定基準面１４に対す
る取付角度θ₂を調整できるとともに、第１反射鏡９の
中心Ｍ₁に対する中心Ｍ₂の取付位置Ｘ，Ｙを調整できる
ように配置されており、第２反射鏡１０による光ビーム
の反射光が、公称板厚面１５上の反射点Ｐ₁に所定入射
角γで入射し、前述の条件を満たす経路を通るための、
取付角度θ₂および取付位置Ｘ，Ｙは次式(2)〜(4)によ
り設定される。

【００２７】

【数１】

【００２８】ただし、所定基準面１４よりも上方に距離
Ｔにある板材１３の公称板厚面１５に対する第２反射鏡
１０での反射光の入射角γを所定基準面１４からの板材
１３の公称板厚面１５との距離Ｔに応じて変える必要の
ない場合には、第２反射鏡１０の角度θ₂は固定とする
ことができる。

【００２９】ところで、ローラテーブル等で搬送されて
くるその公称板厚面１５が所定基準面１４よりもＴだけ
上方にある板材１３の平坦度を連続測定する場合には、
上述のごとく第１反射鏡９の取付角度θ₁と第２反射鏡
１０の取付角度θ₂および取付位置Ｘ，Ｙとを設定した
状態で、板材１３を搬送しつつ所定サンプリング周期で
連続的に被検面１６からの反射光の検出器６上での入射
・結像位置Ａ₁を検出し、距離Δａ(＝Ａ₀−Ａ₁)を逐次
演算して取り込む。この距離Δａに基づいて、板材１３
の被検面１６の公称板厚面１５に対する変位ΔＴは、次
式(5)を用いて求めることができる。

【００３０】

【数２】

【００３１】ここで、Δａは、前述の通り、板材１３の
公称板厚面１５上での光ビームの反射点Ｐ₁の検出器６
上での入射・結像点Ａ₀(所定基準面１４上の反射点Ｐ₀
からの反射光の入射・結像点でもある)から、板材１３
の被検面１６上での反射点Ｐ₂からの反射光の入射・結
像点Ａ₁までの距離であり、板材１３の被検面１６上の
反射点Ｐ₂の結像点Ａ₁が板材１３の公称板厚面１５の反
射点Ｐ₁の結像点Ａ₀の右にある時は“＋”、左にある時
は“−”とする。

【００３２】そして、所定サンプリング周期で連続的に
得られた変位ΔＴについて、隣合う最大のΔＴmaxと、
最小のΔＴminとを抽出し、その最大値ΔＴmaxを得た位
置から、最小値ΔＴminを含む次の最大値ΔＴmaxを得る
位置までの板材１３の距離Ｒを搬送速度から求め、次式
(6)により、板材１３の被検面１６の平坦度(急峻度)λ
を算出する。

【００３３】 λ＝(ΔＴmax−ΔＴmin)／Ｒ (6) このように、本実施例の光変位計によれば、一般的な光
変位計に簡便な構造の２つの反射鏡９，１０を追加しそ
の取付角度θ₁，θ₂および取付位置Ｘ，Ｙを調整するこ
とにより、光変位計本体を固定したままで、光変位計を
用いて被検面１６が大きく変わるような場合でも、板材
１３の材内変動を高い精度で測定することが可能とな
る。その結果、板材１３の重力による変位や搬送に伴う
振動等の板材１３の変位に関する外乱要因の影響の最も
少ない測定点を選んで、光変位計を板材１３上方に容易
に設置することが可能となるほか、検出器６による測定
値の補正も幾何学的に行なえばよいので、単純な信号処
理で正確な測定結果を得ることができる。

【００３４】従って、本実施例の光変位計を用いること
により、ローラテーブル等で搬送されて来る板材１３被
検材の平坦度等の形状測定を、簡潔な装置構成で高い測
定精度で行なえる利点がある。

【００３５】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の光変位計
によれば、一般的な光変位計に簡便な構造の２つの反射
鏡を追加しその取付角度および取付位置を調整すること
により、被検材の厚さ変化等により測定範囲を大きく変
える必要がある場合であっても、光変位計本体の取付位
置を変更することなく、簡素な構成かつ単純な信号処理
で高精度の測定を実現できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例としての光変位計の構成およ
びその動作を説明するための模式図である。

【図２】従来の光変位計の構成およびその動作を説明す
るための模式図である。

【符号の説明】

１ 光源 ２ 投光レンズ ５ 受光レンズ ６ 検出器 ９ 第１反射鏡 １０ 第２反射鏡 １１ 第１駆動機構 １２ 第２駆動機構 １３ 板材(被検材) １４ 所定基準面 １５ 公称板厚面(設定基準面) １６ 被検面

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源と、該光源から出射された光ビーム
   を被検面上へ所定入射角で集光・照射する投光レンズ
   と、前記被検面から反射されてきた反射光を受光する受
   光レンズと、該受光レンズにより前記反射光を結像され
   該反射光の入射・結像位置を検出する検出器とをそな
   え、前記検出器の検出結果に基づき三角測量の原理によ
   り前記被検面の変位を検出する光変位計において、 前記投光レンズの光ビーム射出側直後に配置される第１
   反射鏡と、該第１反射鏡に対向しうるように前記の光ビ
   ームと反射光との間に配置される第２反射鏡と、前記第
   １反射鏡の取付角度を調整駆動する第１駆動機構と、前
   記第２反射鏡の取付角度および取付位置を調整駆動する
   第２駆動機構とがそなえられ、 前記被検面が前記検出器による所定の変位測定可能範囲
   外にある場合には、前記被検面が前記所定の変位測定可
   能範囲内にある場合の所定基準面に前記光ビームを照射
   した際の前記検出器への基準反射光の経路と、前記所定
   の変位測定可能範囲外にある当該被検面についての設定
   基準面との交点位置へ向けて前記光ビームが照射される
   とともに、該交点位置からの反射光が前記検出器上の前
   記基準反射光の入射位置と同一位置に入射するように、
   前記第１反射鏡の取付角度と、前記第２反射鏡の取付角
   度および取付位置とが、それぞれ前記の第１駆動機構お
   よび第２駆動機構により調整され、前記光ビームが、前
   記の第１反射鏡および第２反射鏡により反射されて前記
   被検面上へ照射されることを特徴とする光変位計。