JPH07122569B2

JPH07122569B2 - 表面変位測定装置

Info

Publication number: JPH07122569B2
Application number: JP62072437A
Authority: JP
Inventors: 勉屋野; 進一郎植野; 博福喜多
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1986-10-08
Filing date: 1987-03-26
Publication date: 1995-12-25
Anticipated expiration: 2010-12-25
Also published as: JPS63228013A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、測定対称物の表面変位を検出する表面変位測
定装置に関するものである。

従来の技術最近、表面変位測定装置は生産ラインにおける製品の外
観検査や変位量の検出用として盛んに利用されるように
なってきた。この表面変位測定装置として、例えば、特
公昭56−10561号公報に示されているような光変位計を
用いたものが知られている。以下、第８図を参照しなが
ら従来の表面変位測定装置について説明する。

第８図において、102は光源、101は光源102の駆動回
路、103は投光レンズ、104は被測定物に投射された光ス
ポット、105は被測定物、106は受光レンズ、107は受光
器、108a,108bは受光器107の出力、109は変位演算部、1
10はタイミング回路、111は演算出力、112は被測定物を
搬送するコンベアである。

次に上記従来例の動作について説明する。駆動回路101
により駆動される光源102から出た光は、投光レンズ103
により集光されて被測定物105に光スポット104を投射す
る。この光スポット104は被測定物105により反射され、
その一部分が受光レンズ106により集光され、受光器107
上に結像される。受光器107として、例えば半導体位置
検出素子（以下PSDと略す）を用いれば、この受光器107
の両端より出力される電流値Ia,Ibは光スポット104の結
像位置によって変化する。この受光器107上の結像点は
被測定物105の変位、すなわち光スポット104の位置の変
化によって移動する。従って被測定物105の基準位置か
らの変位量ｘは下記の（１）式によって求めることがで
きる。

（但し、ｋはある定数）これらの演算は変位演算部109で行うことができる。従
って被測定物105を搬送するコンベア112の移動速度と同
期させて、演算出力111を検出していると被測定物105の
表面変位を知ることができる。

発明が解決しようとする問題点しかし、以上のような従来の構成では、被測定物105を
搬送するコンベア112が振動するので、仮に被測定物105
の表面が完全に平坦でも、測定結果は振動の影響によ
り、凹凸のある表面形状となり、精度のよい測定を行う
ことができない。例えば、最近、密封容器に入った飲食
物の密封度合を検査するため、密封容器のキャップ表面
の凹凸の測定が試みられている。このキャップは発泡性
の飲料の場合には、キャップ表面が凸形に変形し、高温
で密封した飲料の場合には、キャップ表面が凹形に変形
しているものが良品であり、その変形が少ないものは密
封度が低下している不良品とされている。このようなキ
ャップ表面の凹凸の測定には数十μｍ程度の変位分解能
が必要であり、上記のようなコンベア112上の振動が大
問題になる。

上記振動の影響を無くするために２個の光変位計を組合
わせ、一方でキャップの中央部までの距離を、他方でキ
ャップの端部までの距離を求め、ある瞬間の測定値の差
からキャップ端部に対する中央部の変位量を求める方式
も考えられるが、この場合、被測定物の傾きの影響を受
ける。また、最近、PS瓶と呼ばれるガラス容器がよく用
いられているが、キャップサイズが直径33mmから28mmと
小さくなりつつあり、従来知られている光変位計はその
厚みが約15mm以上であることから、これを用いて同時に
上記のような１つの被測定物上を10mm間隔程度で３点以
上計測することは不可能であった。

そこで、本発明は、従来技術の以上のような問題を解決
するもので、搬送される被測定物の振動や傾きに影響さ
れず、また小さい被測定物に対してもその表面の周辺部
と中央部分の変位差を精度よく測定することができるよ
うにした表面変位測定装置を提供しようとするものであ
る。

問題点を解決するための手段そして上記問題点を解決するための本発明の技術的な手
段は、光源、この光源から出た光を投光する投光レン
ズ、この投光レンズから出た光ビームの被測定物上にお
ける光スポットからの反射光を受光する受光レンズ、こ
の受光レンズの結像面に配置し、光スポットの位置に対
応して変化する結像点の位置情報を電気信号として送出
する受光器からなり、前記光スポットが被測定物上の中
央部に位置するように設けられた第１の光学ヘッド部
と、光源、この光源から出た光を投光する投光レンズ、
この投光レンズから出た光ビームの被測定物上における
光スポットからの反射光を受光する受光レンズ、この受
光レンズの結像面に配置し、光スポットの位置に対応し
て変化する結像点の位置情報を電気信号として送出する
受光器を有し、前記光スポットが被測定物上の中心を通
る直線上の当該中心から等距離にある対向する周辺部の
２点に位置するように設けられた第２、第３の光学ヘッ
ド部と、被測定物が所定の位置に到達したことを検出す
る位置検出センサと、この位置検出センサの出力により
同期信号を発生させる同期信号発生器と、前記受光器の
出力から被測定物と前記第１、第２、第３の光学ヘッド
部までの距離情報d1,d2,d3を求める距離測定部と、前記
同期信号により前記距離情報d1,d2,d3から被測定物の周
辺部と中央部分の変位差を求める測定処理部とを備え、
前記測定処理部は前記第２、第３の光学ヘッド部の出力
から求めた距離測定部の出力d2、d3を加算平均する加算
平均部と、この加算平均値と前記第１の光学ヘッド部の
出力から求めた距離測定部の出力d1との差を求める減算
部とを有するものである。

作用上記技術的手段による作用は次のようになる。

すなわち、位置検出センサによって所定の位置に到達し
た被測定物が検出され、この検出信号により同期信号発
生器により同期信号が発生し、これにより光学ヘッド部
と距離測定部で被測定物上の各点の変位に対応する信号
を同時に得、これらの信号から測定処理部において、被
測定物上の周辺部に対応する２つの距離情報を加算平均
し、この加算平均値と被測定物上の中央部に対応する距
離情報との差を求めることにより、被測定物の真の変位
量を瞬時に計測することができる。

実施例以下、図面を参照しながら本発明の実施例について説明
する。

まず、本発明の第１実施例について説明する。

第１図は本発明の第１実施例における表面変位測定装置
の構成図である。第１図において、20は被測定物、例え
ば瓶容器の口部に被せられたキャップである。21は被測
定物を搬送するコンベア、22a,22b,22cは光変位計であ
り、第２図に示すように光学ヘッド部34と、被測定物ま
での距離情報を得る変位演算部35とで構成され、被測定
物20の中心を通るように移動方向に等間隔に配列され、
厚み10.5mm以下に形成され、基準位置が等しくなってい
る。23は３個の光変位計22a,22b,22cの設置状態を変え
る機構部、24a,24b,24cは光変位計22a,22b,22cから被測
定物20に投光された光スポット、25a,25b,25cは光変位
計22a,22b,22cからのそれぞれの出力である。26は光変
位計22a,22b,22cからのそれぞれの出力25a,25b,25cから
被測定物20の表面変位を求める測定処理部であり、両端
の光変位計22aと22cの出力の加算器27、加算器27の出力
を半分にする分圧器28、これは加算器27を平均加算器と
して一体化してもよく、分圧器28の出力と中央の光変位
計22bの出力の差を求める減算器29、比較器30より構成
されている。31は基準電圧発生器のような操作部、32a,
32bは被測定物20の位置を検出する位置検出センサ、33
は同期信号発生器である。

第２図は第１図に示した各光変位計22a,22b,22cの詳細
を示す構成図である。第２図において光変位計22aは光
学ヘッド部34と変位演算部35で構成され、光学ヘッド部
34では36は筐体、37は例えば、ベースの直径が9mm以下
の半導体レーザ等よりなる光源、38は光源37の駆動回
路、39はレンズ直径6mmの投光レンズ、24は被測定物20
に投射された光スポット、40はレンズ直径6mmの受光レ
ンズ、41は例えば、高さ5mmのPSDのような受光器、42a,
42bはその出力、43はタイミング信号、25は演算出力、4
4は機構部23へ装着するための筐体結合部である。な
お、駆動回路38、変位演算部35は筐体36の外に設けても
よい。

以下、上記実施例の動作について説明する。

まず、コンベア21で搬送されてきた被測定物20は位置検
出センサ32a,32bによって所定の位置に到達したことが
検出される。この検出信号は同期信号発生器33に入力さ
れ、光変位計22a,22b,22cのタイミング信号43や測定処
理部26の同期信号となる。等間隔に配列された光変位計
22a,22b,22cではタイミング信号43による駆動回路38の
働きにより光源37である半導体レーザが駆動され、これ
から照射された光ビーム列は、投光レンズ39により被測
定物21に向って平行に照射し、光スポット24a,24b,24c
を被測定物20上に作る。この反射光は再び光変位計22a,
22b,22c内の受光レンズ40によってPSDのような受光器41
上に結像される。この受光器41の出力42a,42bは変位演
算部35で被測定物20と光変位計22a,22b,22cの間の距離
に関係した出力25a,25b,25cとして取り出される。これ
らの出力25a,25b,25cは同期信号発生器33からの同期信
号によって測定処理部26に入力されるが、この出力25a,
25b,25cの内、両端の光変位計22a,22cからの出力25a,25
cを加算器27で加算し、これを分圧器28により1/2に分圧
する。この出力と中央部の光変位計22bの出力25bの差を
減算器29で求める。そして比較器30は例えば、被測定物
20の形状が所定の変位内に入っているか否かを、操作部
31から送られてくる基準信号と減算器29の出力を比較す
ることによって判定し、それを出力する。

第３図は上記動作を更に詳しく示したものである。第３
図に示すように光変位計22a,22b,22cから出た光は、被
測定物20上にそれぞれ光スポット24a,24b,24cを作る。4
6は基準位置であり、この基準位置46と各光スポット24
a,24b,24cの変位量をそれぞれx₁,x₂,x₃とする。一方、
被測定物20の測定時の水平状態からの傾き角をθとす
る。本実施例で求められる中央部の両端部に体する変位
量（この場合はへこみ量）△ｘは下記の（２）式とな
る。

Δｘ＝（x₁＋x₃）/2−x₂ ……（２）一方、両端部に対する真の中央部の変位量x₀は光変位計
22aと22b及び22bと22cの間隔をL/2とすると、下記の
（３）式となる。

x₀＝（x₁−x₂＋（L/2）tanθ）cosθ ……（３）一方、x₃はx₃＝x₁＋L tanθであり、これより上記
（２）式の△ｘは下記の（４）式となる。

被測定物20が瓶容器の開口部に被せられたキャップ表面
であり、例えば、Ｌ＝21mm、x₀＝0.7mm、θ＝５゜であ
るとすると、本実施例による誤差|x₀−△x|は下記のよ
うになる。

x₀|1−1/cosθ｜＝0.3×3.8×10^-3＝1.14μｍ一方、２個の光変位計22aと22bだけで変位量を求めると
測定値はx₁−x₂となる。これは上記（３）式より下記の
ようになる。

従ってほぼの誤差となり、真の変位0.3mmの約３倍の誤差が生じる
ことになる。

以上の説明から明らかなように本実施例によれば、光変
位計22a,22b,22cは極めて小さい光学部品を用いている
ため、厚さ10.5mmにすることができ、これらを等間隔に
配列し、それらの出力25a,25b,25cの内、両端の信号を
加算した後に、1/2に分圧し、その出力と中央部の光変
位計22bの出力25bの差を求めることにより、被測定物20
の振動や傾きの影響を受けず、被測定物20の両端に対す
る中央部の変位を求めることができる。

なお、光変位計22a,22b,22cの厚みを12mm以下にする
と、PS瓶と呼ばれるガラス容器のキャップ表面の変位を
も十分測定できる。

次に本発明の第２実施例について説明する。

第４図は本発明の第２実施例における表面変位測定装置
の構成図である。第４図において、第１図の構成と異な
る点は光変位計22a,22b,22cの出力から表面形状を求め
る測定処理部26に光変位計22a,22b,22cの出力25a,25b,2
5cの非直線性を補正するためのA/D変換器50a,50b,50c、
メモリ（ROM）51a,51b,51c、平均化処理を行うための加
算器52a,52b,52c及び直接変位量を演算するためのメモ
リ（ROM）53及び操作部31に入力部54とメモリ（ROM）55
を設けたことである。

次に上記実施例の動作について説明する。

光変位計22a,22b,22cの動作は第１の実施例と同じであ
り、それらの出力25a,25b,25cは同期信号発生器33から
の同期信号によってA/D変換器50a,50b,50cでデジタル値
に変換される。一般に光変位計22a,22b,22cの出力と変
位の関係は完全な比例関係ではなく、非直線性がある。
また、３個の光変位計22a,22b,22cの特性も完全に同じ
ではない。従って予め各光変位計22a,22b,22cの出力と
変位の関係をメモリ51a,51b,51cに記憶しておく。A/D変
換器50a,50b,50cの出力はこのメモリ51a,51b,51cによっ
て補正される。次の加算器52a,52b,52cは、100KHz程度
の繰返し周波数で得た10個程度のデータを加算平均する
ためのものであり、測定精度を高めることができる。こ
の後、両端の光変位計の22a,22cの出力25a,25cを加算器
27により加算し、分圧器28により分圧した平均値と、中
央の光変位計22bの出力25bの差を減算器29で求めること
により上記第１実施例と同様に高精度の変位量を求める
ことができる。

なお、メモリ53は減算器29の出力を変位量に換算するた
めに用い、操作部31のメモリ55は非測定物20の正常な変
位量を記憶し、入力部54からの入力値によって比較器30
の基準値を出力する。

以上の説明から明らかなように本実施例によれば、各光
変位計22a,22b,22cの出力の非線形性や出力のバラツキ
を予め測定し、蓄積していた各光変位計22a,22b,22cの
特性値と対応することによって補正できると共に、平均
加算によって更に高精度の変位量測定が可能となる。

次に本発明の第３実施例について説明する。

第５図は本発明の第３実施例における表面変位測定装置
の構成図である。第５図において、第４図の構成と異な
る点は光変位計を構成している光学ヘッド部34と、変位
演算部35を分離し、３個の光学ヘッド部34a,34b,34cの
それぞれの出力60a,60a′,60b,60b′,60c,60c′を切換
えるための切換器61と、切換器61に接続された１個の変
位演算部35と、変位演算部35の出力から時系列処理を行
うための１系統のA/D変換器50,ROM51、加算器52、メモ
リ62を設けたことである。

次に上記実施例の動作について説明する。

光学ヘッド部34a,34b,34cの動作は第１の実施例と同じ
であり、受光器からの２系統の出力60a,60a′,60b,60
b′,60c,60c′は切換器61の端子に接続される。切換器6
1は同期信号発生器33からの同期信号によって切換え動
作を受け、３個の受光器の１組の出力を順次、変位演算
部35に入力させる。変位演算部35では第１の実施例と同
様、変位量を演算する。この演算出力はA/D変換器50で
デジタル値に変換され、第２の実施例の場合と同様、各
光学ヘッド部の特性のバラツキはメモリ51で補正され
る。補正を受けた測定値は次の加算器52で精度を高める
ための加算平均操作を受ける。この後、それぞれの光学
ヘッド部の変位量測定値の加算平均値は、メモリ62にそ
れぞれ蓄積される。この後、両端の光学ヘッド部の測定
値は加算器27、分圧器28を通って加算平均され、減算器
29において中央の光学ヘッド部の測定値との差が求めら
れ、被測定物20の周辺部と中央部の変位量が測定でき
る。

この方法によると、測定値の温度変化などの変動は、変
位演算部35以後は共通であるため、光学ヘッド部の影響
だけに限定され、より高精度にすることが可能である。

なお、実施例1,2,3において変位演算部35は、第６図に
示すように、アナログ加算器63と、アナログ減算器64、
及びアナログ除算器65で第１式に示した変位量を求める
方法と、第７図に示すように、切換器66で受光器41の出
力を切替えた後、A/D変換器67でデジタル値に変換し、
それらをRAM68a,68bにそれぞれ一度記憶させ、その後、
デジタル演算器69でディジタル的に加算、減算し、割算
して、変位量を求める方法も可能である。このデジタル
方式の場合には第３の実施例で示した切換器61と、A/D
変換器50は切換器66、A/D変換器67に置き換えられる。

上記各実施例では、光変位計22a,22b,22cや光学ヘッド
部34a,34b,34cは等間隔に直線上に配列しているが、被
測定物20が球面を有する場合には、この被測定物20の球
面の中心を共有する円周上に配列してもよい。また被測
定物20の測定範囲が広い場合には、機構部23と光変位計
22a,22b,22cの結合部44の組合せで間隔を広げることも
可能である。

発明の効果以上述べたように本発明によれば、光源、投光レンズ、
受光レンズ、受光器、演算回路を有する第１、第２、第
３の光変位計と、これらの光変位計のうちの被測定物上
の周辺部に対応する２つの出力から求めた距離測定部の
出力を加算平均する加算平均部、この加算平均値と被測
定物上の中央部に対応する光変位計の出力から求めた距
離測定部の出力との差を求める減算部を有する測定処理
部と、被測定物の位置を検出する位置検出センサ及び同
期信号発生器を組合せることにより、キャップ表面の凹
凸のような両端に対する中央部の変位を被測定物の傾き
や振動の影響を受けることなく、また小さい被測定物に
対してもその表面変位を高精度に測定することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図は本発明の第１実施例における表面変
位測定装置を示し、第１図は全体の構成図、第２図は光
変位計の構成図、第３図は測定動作説明図、第４図は本
発明の第２実施例における表面変位測定装置の構成図、
第５図は本発明の第３実施例における表面変位測定装置
の構成図、第６図は第１〜３の実施例における変位演算
部の具体構成図、第７図は同じく変位演算部の他の具体
構成図、第８図は従来の表面変位測定装置の構成図であ
る。 20……被測定物、21……コンベア、22a,22b,22c……光
変位計、24a,24b,24c……光スポット、26……測定処理
部、27……加算器、28……分圧器、29……減算器、30…
…比較器、31……操作部、32a,32b……位置検出セン
サ、33……同期信号発生器、34……光学ヘッド部、35…
…変位演算部、37……光源、38……駆動回路、39……投
光レンズ、40……受光レンズ、41……受光器、50……A/
D変換器、61……切換器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源、この光源から出た光を投光する投光
レンズ、この投光レンズから出た光ビームの被測定物上
における光スポットからの反射光を受光する受光レン
ズ、この受光レンズの結像面に配置し、光スポットの位
置に対応して変化する結像点の位置情報を電気信号とし
て送出する受光器を有し、前記光スポットが被測定物上
の中央部に位置するように設けられた第１の光学ヘッド
部と、光源、この光源から出た光を投光する投光レン
ズ、この投光レンズから出た光ビームの被測定物上にお
ける光スポットからの反射光を受光する受光レンズ、こ
の受光レンズの結像面に配置し、光スポットの位置に対
応して変化する結像点の位置情報を電気信号として送出
する受光器を有し、前記光スポットが被測定物上の中心
を通る直線上の当該中心から等距離にある対向する周辺
部の２点に位置するように設けられた第２、第３の光学
ヘッド部と、被測定物が所定の位置に到達したことを検
出する位置検出センサと、この位置検出センサの出力に
より同期信号を発生させる同期信号発生器と、前記受光
器の出力から被測定物と前記第１、第２、第３の光学ヘ
ッド部までの距離情報d1,d2,d3を求める距離測定部と、
前記同期信号により前記距離情報d1,d2,d3から被測定物
の周辺部と中央部分の変位差を求める測定処理部とを備
え、前記測定処理部は前記第２、第３の光学ヘッド部の
出力から求めた距離測定部の出力d2、d3を加算平均する
加算平均部と、この加算平均値と前記第１の光学ヘッド
部の出力から求めた距離測定部の出力d1との差を求める
減算部とを有することを特徴とする表面変位測定装置。
【請求項２】第１、第２、第３の光学ヘッド部は、それ
ぞれの基準位置が等しく投光レンズから出た光ビームを
等間隔に、かつ平行に被測定物に照射するように３個組
合わされている特許請求の範囲第１項記載の表面変位測
定装置。
【請求項３】第１、第２、第３の光学ヘッド部のいずれ
か１つは直径6mm以下の投光レンズと受光レンズを用
い、厚みが12mm以下である特許請求の範囲第１項記載の
表面変位測定装置。