JPS63128209A - 形状測定センサ - 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】 Ａ９発明の目的 （１）　　産業上の利用分野 本発明は、被測定物の表面に形成された凹部または凸部
の１次元の長さを測定するのに適した形状測定センサに
関する。

このような形状測定センサは、たとえば、自動車のドア
パネルに形成される把手部材取付用凹部の寸法を測定す
る際に使用される。

（２）従来の技術 従来、被測定物の形状を光学的に測定するセンサとして
は、特開昭５６−１５５８０３号公報に記載されたもの
が知られている。この公報に記載されたものは３次元形
状を光学的に検出するための装置で、精巧な走査機構を
備えた投光装置や高価なコンピュータによる画像処理シ
ステムを備えている。この装置によっても、被測定物の
表面に形成された凹部または凸部の１次元の長さを測定
することができる。

（３）発明が解決しようとする問題点 ところが、前記従来の形状検出装置は、投光装置や画像
処理システム等の複雑、高価な装置を必要としていた。

本発明は、前述の事情に鑑みてなされたもので、被測定
物表面の凹部または凸部の１次元の長さを測定するのに
適した簡素な構成で低コストの形状測定センサを提供す
ることを目的とする。

Ｂ９発明の構成 （１１問題点を解決するための手段 前記目的を達成するために、本発明の形状測定センサは
、被測定物に対向する第１棒状凸レンズと、この第１棒
状凸レンズの後方に光軸を同一に配置された第２棒状凸
レンズと、前記第１棒状凸レンズおよび第２棒状凸レン
ズ間に配設されて前記光軸に平行な平行光線を通過させ
るが非平行光線を遮蔽する遮蔽体と、前記第２棒状凸レ
ンズの後方側の焦点位置に線状に配設された受光素子と
を備えたことを特徴とする。

（２）作　用 次に、前述の構成を備えた本発明の形状測定センサによ
って、被測定物表面に形成された凹部または凸部の所定
の１次元方向の長さを測定する場合の作用について説明
する。

凹部の所定方向の長さを測定する場合について説明する
。いま、前記被測定物表面とそこに形成された凹部の底
面との距離すなわち凹部の深さをＸｏ　とする。

前記第１棒状凸レンズによってその前方側に形成された
線状焦点が前記被測定物表面に位置するように、前記形
状測定センサを配置する。そして、前記第１棒状凸レン
ズが前記被測定物表面に平行で且つ前記凹部を横切るよ
うに配置する。

次に、前記被測定物表面を均一に照射する適当な光源を
前記被測定物表面から距離Ｘの位置に配置する。前記光
源としては、たとえば線状光源を使用して、その線状光
源が前記被測定物表面に平行で且つ前記凹部を横切るよ
うに配置する。この線状光源としては、光線が進行する
につれて拡散する拡散光線または平行で拡散しない平行
光線を出射する線状光源を使用することができる。そし
て、前記線状光源は、そこから出射された光線の中心線
が前記被測定物表面上の前記線状焦点を照射するように
配置される。前記線状光源から出射された光線は、前記
被測定物表面または凹部底面から反射される。そしてそ
の反射光は、前記第１棒状凸レンズの前記被測定物表面
に対向する部分または前記凹部に対向する部分に入射す
る。そして、第１棒状凸レンズに入射した入射光の中で
、光軸に平行な入射光線のみが前記遮蔽体を通過して、
第２棒状凸レンズに入射する。この第２棒状凸レンズへ
の入射光は、第２棒状凸レンズの後方側の線状焦点の位
置に線状に配設された前記受光素子によって検出される
。

ところで、前記線状光源として前記拡散光線を出射する
光源を使用した場合、前記線状光源から出射された光が
第１棒状凸レンズに到達するまでの光路は、前記被測定
物表面で反射されて第１棒状凸レンズに入射する光の光
路の方が、前記凹部底面で反射されて第１棒状凸レンズ
に入射する光の光路よりも、約２Ｘ０　（凹部の深さＸ
ｏを往復する距離）だけ短い。また、前記線状光源とし
て前記平行光線を出射する光源を使用した場合、前記線
状光源から出射された光は、前記被測定物表面および前
記四部底面を同じ強さで照射する。そして前記平行光線
は前記被測定物表面および凹部底面で乱反射される。し
たがって、前記被測定物表面および凹部底面で反射され
た反射光は拡散光線となる。この拡散光線が第１棒状凸
レンズに到達するまでの光路は、前記被測定物表面で反
射されて第１棒状凸レンズに入射する光の光路の方が、
前記凹部底面で反射されて第１棒状凸レンズに入射する
光の光路よりも、約２　Ｘ　ｏだけ短い。ところで、光
学の原理より、拡散光線の強度は光源からの距離の２乗
に反比例する。したがって、前記線状光源として拡散光
線および平行光線のいずれを使用した場合でも、前記被
測定物表面で反射されて第１棒状凸レンズに入射する光
量の方が、前記凹部で反射されて第１棒状凸レンズに入
射する光量よりも多い。

そして、前述のように前記第１棒状凸レンズが前記被測
定物表面に平行で且つ前記凹部を横切るように配置され
ているので、前記線状に配置された受光素子には、両端
部（凹部以外の被測定物表面に対向する部分）の受光量
の多い部分と、中央部（凹部に対向する部分）の受光量
の少ない部分とが生じる。したがって、前記受光素子の
中央部の受光量の少ない部分の長さによって、前記凹部
の長さを測定することができる。

前述の構成を備えた本発明の形状測定センサによって、
被測定物表面に形成された凸部の所定の１次元方向の長
さを測定することも可能である。

（３）実施例 以下、図面により本発明の実施例について説明する。な
お、各実施例において、同一構成要素には同一の符号を
付すことにより重複する詳細な説明は省略する。

まず、第１図〜第５図により第１実施例を説明する。被
測定物表面Ａには、凹部Ｂが形成されている。この凹部
Ｂは、底面Ｂ。を有している。そして、いま、前記被測
定物表面Ａとそこに形成された凹部Ｂの底面Ｂ。との距
離すなわち凹部Ｂの深さがＸｏに形成されている。

本発明による形状測定センサーは、被測定物表面に対向
する第１棒状凸レンズ２と、この第１棒状凸レンズ２の
後方に光軸を同一に配置された第２棒状凸レンズ３とを
備えている。なお、図中Ｆ１は前記第１棒状凸レンズ２
の前方側の線状焦点であり、Ｆ２は前記第２棒状凸レン
ズ３の後方側の線状焦点である。また、図中βは前記第
１棒状凸レンズ２および第２棒状凸レンズ３からなる光
学系の光軸面である。さらに、図中Ａ＋　は被測定物表
面Ａと前記光軸面ｌとの交線、すなわち「表面測定点」
であり、図中Ｂ０は、前記凹部Ｂの底面である。また、
Ｂ１は前記凹部Ｂの底面Ｂ０と前記光軸面ｌとの交線、
すなわち「凹部底面測定点」である。前記第１棒状凸レ
ンズ２および第２棒状凸レンズ３間には、前記光軸に平
行な平行交線を通過させるが非平行光線を遮蔽する遮蔽
体４が配設されている。この遮蔽体４は多数の格子状平
行スリットから形成されている。前記第２棒状凸レンズ
３の後方側の線状焦点Ｆ２の位置には、線状の受光素子
５が配設されている。本発明による形状測定センサ１は
、前記符号２〜５で示された要素によって構成されてい
る。

前記形状測定センサ１の上方には、前記被測定物表面Ａ
の測定部分、すなわち表面測定点Ａ、を均一に照射する
線状光源６が前記被測定物表面Ａから距離Ｘの位置に配
置されている。前記線状光源６は、線状発光部と反射部
とから構成されて拡散光線を出射する拡散光源である。

また、線状光源６は、前記被測定物表面Ａに平行で且つ
前記凹部Ｂを横切るように配置されている。

次に、前述の本発明の第１実施例の作用を説明する。

先ず、前記第１棒状凸レンズ２によってその前方（図中
、左方）に形成された線状焦点Ｆ１が前記被測定物表面
Ａ上に位置するように且つ前記線状光源６と平行となる
ように、前記形状測定センサ１を配置する。そして、前
記第１棒状凸レンズ２が前記被測定物表面Ａに平行で且
つ前記凹部Ｂを横切るように配置する。

前記線状光源６から放射された拡散光線り、は前記被測
定物表面Ａまたは凹部底面Ｂ０を照射する。前記光線り
、は、前記被測定物表面Ａまたは凹部底面Ｂ。から反射
される。そしてその反射光は、前記第１棒状凸レンズ２
の前記被測定物表面Ａに対向する部分または前記凹部底
面Ｂ０に対向する部分に入射する。そして、第１棒状凸
レンズ２に入射した入射光の中で、光軸に平行な入射光
線のみが前記遮蔽体４を通過して、第２棒状凸しンズ３
に入射する。この第２棒状凸レンズ３への入射光は、第
２棒状凸レンズ３の後方側の線状焦点Ｆ２の位置に配設
された前記受光素子５によって検出される。

ところで、前記拡散光線を出射する線状光源６から出射
された光線Ｌ＋が第１棒状凸レンズ２に到達するまでの
光路は、前記被測定物表面Ａで反射されて第１棒状凸レ
ンズ２に入射する光の光路の方が、前記凹部底面Ｂ。で
反射されて第１棒状凸レンズ２に入射する光の光路より
も、距離約２Ｘｏ　　（Ｘｏの往復距離）だけ短い。そ
して、光学の原理より、光の強度すなわち光量は光源か
らの距離の２乗に反比例するので、前記被測定物表面へ
で反射されて第１棒状凸レンズ２に入射する光量の方が
、前記凹部底面Ｂ０で反射されて第１棒状凸レンズ２に
入射する光量よりも多い。

また、次に説明する理由によっても、被測定物表面Ａで
反射されて第１棒状凸レンズ２に入射する光量の方が、
前記凹部底面Ｂ０で反射されて第１棒状凸レンズ２に入
射する光量よりも多くなる。

第５図を参照して、被測定物表面Ａ上の線状焦点Ｆ、で
反射されて第１棒状凸レンズ２に入射する光量と、凹部
底面Ｂ０で反射され線状焦点Ｆ１を通って第１棒状凸レ
ンズ２に入射する光量とについて考えてみる。ここで、
前記被測定物表面Ａ上の線状焦点Ｆ１で反射される光線
とは、表面測定点Ａ１から反射して第１棒状凸レンズ２
により光軸面ｌに平行となる光線であり、前記凹部底面
Ｂ。で反射され線状焦点Ｆ１を通る光線とは、第５図中
幅Ｒで示す線状部分から反射して第１棒状凸レンズ２に
より光軸面ｌに平行になる光線である。

第５図中、Ｐｌは第１棒状凸レンズ２前面の有効入射領
域下端と線状焦点Ｆ１とを結ぶ直線が凹部底面Ｂ０と交
わる点であり、Ｐｌは第１棒状凸しンズ２前面の有効入
射領域上端と線状焦点Ｆ、とを結ぶ直線が凹部底面Ｂ０
と交わる点である。いま、仮に被測定物表面Ａの各部分
での反射光特性（反射方向とその方向の反射光量の関係
）と凹部底面Ｂ０の各部分での反射光特性とが同一でし
かも前記各部分が同一光量で照射されているとすれば、
被測定物表面Ａで反射され線状焦点Ｆ、を通って第１棒
状凸レンズ２に入射する光量と、凹部底面Ｂ０で反射さ
れ線状焦点Ｆ、を通って第１棒状凸レンズ２に入射する
光量とは同一となる。この理由は、次の■および■から
明らかである。■第５図において、凹部底面Ｂ０上の参
考点Ｐ１で反射してた光線ｐが線状焦点Ｆ、を通って第
１棒状凸レンズ２に入射する光量と、前記表面測定点Ａ
Ｉで反射した光線の中で前記光線ｐと同一方向に反射し
て第１棒状凸レンズ２に入射する光線の光量とは等しく
なる。■このことは、前記幅Ｒで示す線状部分から反射
する光線全てに関して成り立つ。ところが、実際は、線
状光源６からの光線の中心線は表面測定点Ａ、を向いて
出射されるため、この表面測定点ＡＩでの反射光量は、
前記幅Ｒの線状部分のあらゆる点での反射光量よりも多
い。しかも、線状光源６が光軸面ｌの上方に位置してい
るので、第５図中、凹部底面Ｂ０の前記凹部底面測定点
Ｂ、より下方の部分からの反射光の中で線状焦点Ｆ１を
通過する光量はきわめて少なくなる。したがって、実際
には、被測定物表面Ａ上に位置する線状焦点Ｆ＋で反射
されて第１棒状凸レンズ２に入射する光量は、四部底面
Ｂ。で反射され線状焦点Ｆ、を通って第１棒状凸レンズ
２に入射する光量よりも多くなる。すなわち、前記被測
定物表面Ａで反射されて第１棒状凸レンズ２に入射する
光量の方が、前記四部底面Ｂ、で反射されて第１棒状凸
レンズ２に入射する光量よりも多くなる。

そして、前述のように前記第１棒状凸レンズ２が前記被
測定物表面Ａに平行で且つ前記凹部Ｂを横切るように配
置されているので、前記線状に配置された受光素子５に
は、両端部（被測定物表面Ａに対向する部分）の受光量
の多い部分と、中央部（凹部底面Ｂ０に対向する部分）
の受光量の少ない部分とが生じる。したがって、前記受
光素子５における両端部の受光量の多い部分の長さによ
って、前記凹部Ｂの長さを測定することができる。

すなわち、前記受光素子５における両端部の受光量の多
い部分の電気信号出力は、中央部の受光量の少ない部分
からの電気信号出力よりも大きくなる。これらの電気信
号出力を第１図に示すように、Ａ／Ｄ変換器７を用いて
Ａ／Ｄ変換し、次にデータ処理装置８により簡単なデー
タ処理を行った後、前記中央部の受光量の少ない部分の
長さをＣＲＴのような表示装置９にデジタル表示または
アナログ表示することにより、前記凹部Ｂの長さを測定
することができる。

次に、第７図〜第８図により本発明の第２実施例を説明
する。

この第２実施例の形状測定センサ１０は、前記第１実施
例における第１棒状凸レンズ２の前面に光軸面ｌに沿っ
て細長い４５度反射鏡１１を配設した点で前記第１実施
例の形状測定センサＩと相違しており、また、前記第１
実施例で使用した線状光源６に代えて線状レーザ発生器
Ｉ２を用いた点でも相違している。そして、線状レーザ
発生器１２は、厚さがＲ８で幅が測定対象物（凹部また
は凸部）の長さよりも長いレーザ光線Ｌ２を出射するよ
うに構成されている。このレーザ光綿Ｌ２は、前記４５
度反射鏡１１で反射されて被測定物表面Ａに照射される
ようになっている。その他の構成では、この第２実施例
は、前記第１実施例と同様に構成されている。

次に、前述の構成を備えた本発明による第２実施例の形
状測定センサ１０の作用を説明する。

この第２実施例でも、前記第１実施例と同様の被測定物
表面Ａに形成された凹部Ｂの長さを測定するものとする
。したがって、前記形状測定センサ１０の第１棒状凸レ
ンズ２の、被測定物表面へに対する配置は、前記第１実
施例の場合と同様である。

したがって、前記線状レーザ発生器１２から出射したレ
ーザ光線Ｌ２の前記被測定物表面Ａまたは凹部底面Ｂ。

からの反射光は、前記第１棒状凸レンズ２の前記被測定
物表面Ａに対向する部分または前記凹部底面Ｂ。に対向
する部分に入射する。

そして、第１棒状凸レンズ２に入射した入射光の中で、
光軸に平行になる入射光線のみが前記遮蔽体４を通過し
て、第２棒状凸レンズ３に入射する。

この第２棒状凸レンズ３への入射光は、第２棒状凸レン
ズ３の後方側の線状焦点Ｆ２の位置に配設された前記受
光素子５によって検出される。

ところで、前記線状レーザ発生器１２から出射されたレ
ーザ光線Ｌ２は平行光線であるので、表面測定点Ａ１お
よび凹部底面Ｂ。を均一に照射する。そして、表面測定
点Ａ１および凹部底面Ｂ。

からのレーザ光線Ｌ２の反射光は反射面での乱反射によ
って拡散光となる。そして、この拡散反射光が第１棒状
凸レンズ２に到達するまでの光路は、前記被測定物表面
Ａで反射されて第１棒状凸レンズ２に入射する光の光路
の方が、前記四部底面Ｂ。で反射されて第１棒状凸レン
ズ２に入射する光の光路よりも、距離約２Ｘｏ　　（Ｘ
ｏ　　ｉ凹部Ｂの深さ）だけ短い。そして、光学の原理
より、光の強度は光源からの距離の２乗に反比例するの
で、前記被測定物表面Ａで反射されて第１棒状凸レンズ
２に入射する光量の方が、前記凹部底面Ｂ、で反射され
て第１棒状凸レンズ２に入射する光量よりも多い。

また、次に説明する理由によっても、被測定物表面Ａで
反射されて第１棒状凸レンズ２に入射する光量の方が、
前記凹部底面Ｂ１で反射されて第１棒状凸レンズ２に入
射する光量よりも多くなる。

第８図を参照して、被測定物表面Ａ上の線状焦点Ｆ１で
反射されて第１棒状凸レンズ２に入射する光量と、凹部
底面Ｂ。で反射され線状焦点Ｆ１を通って第１棒状凸レ
ンズ２に入射する光量とについて考えてみる。第８図に
おいて、Ｒ，はレーザ光線Ｌ２の厚さであり、Ｒ３およ
びＲ４はそれぞれ凹部底面Ｂ。を照射するレーザ光線Ｌ
２の上端点および下端点である。また、Ｒ，Ｐ、、Ｒ２
等は前記第５図と同様の意味で使用している。

前述の第５図に関する説明で明らかなように、凹部底面
Ｂ０の幅Ｒの部分が表面測定点Ａ１と同一の反射特性を
有し、同一の光量で照射されるならば、凹部底面Ｂ０で
反射され線状焦点Ｆ、を通って第１棒状凸レンズ２に入
射する光量と、被測定物表面Ａ上の線状焦点Ｆ、（表面
測定点ＡＩ）で反射されて第１棒状凸レンズ２に入射す
る光量とは同一である。

しかしながら、レーザ光線Ｌ２の厚さＲ８は前記幅Ｒよ
りも小さい。したがって、第８図中、点Ｐ１と点Ｐ３と
の間および点Ｐ２と点Ｐ４との間の部分はレーザ光線Ｌ
２によって照射されていない。このため、前記点Ｐ１と
点Ｐ、との間および点Ｐ２と点Ｐ４との間の部分から第
１棒状凸レンズ２に入射する反射光は全く生じない。

したがって、実際には、被測定物表面Ａ上に位置する線
状焦点Ｆ位置で反射されて第１棒状凸しンズ２に入射す
る光量は、凹部底面Ｂ。で反射され線状焦点Ｆ、を通っ
て第１棒状凸レンズ２に入射する光量よりも多くなる。

すなわち、前記被測定物表面Ａで反射されて第１棒状凸
レンス２に入射する光量の方が、前記四部底面Ｂ１で反
射されて第１棒状凸レンズ２に入射する光量よりも多く
なる。

そして、前述のように前記第１棒状凸レンズ２が前記被
測定物表面Ａに平行で且つ前記凹部Ｂを横切るように配
置されているので、前記線状に配置された受光素子５に
は、両端部の受光量の多い部分と、中央部の受光量の少
ない部分とが生じる。

したがって、前記受光素子５における両端部の受光量の
多い部分、の長さによって、前記凹部Ｂの長さを測定す
ることができる。

すなわち、前記受光素子５における両端部の受光量の多
い部分の電気信号出力は、中央部の受光量の少ない部分
からの電気信号出力よりも大きくなる。これらの電気信
号出力を前記第１実施例と同様に、Ａ／Ｄ変換器７を用
いてＡ／Ｄ変換し、次に、データ処理装置８により簡単
なデータ処理を行った後、前記中央部の受光量の少ない
部分の長さをＣＲＴのような表示装置９にデジタル表示
またはアナログ表示することにより、前記凹部Ｂの長さ
を測定することができる。

以上の本発明による形状測定センサの実施例を詳説した
が、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、
特許請求の範囲に記載された本発明を逸脱することなく
、種々の設計変更を行うことが可能である。たとえば、
被測定物表面に形成される凸部の所定の１次元方向の長
さを測定することも可能である。また、線状光源６を用
いる代わりに他の適当な面光源または複数光源を用いて
被測定物表面Ａを均一に照射することも可能であす、ま
た、格子状平行スリットによって形成された遮蔽体４を
用いる代わりに外周側面を光吸収部材で被覆したグラス
ファイバーの束を用いること等も可能である。

Ｃ１発明の効果 前述のように、本発明の形状測定センサによれば、簡素
な構成で、被測定物表面の凹部または凸部の１次元の長
さを測定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１〜第５図は本発明センサの第１実施例を示すもので
、第１図はその全体斜視図、第２図はその平面図、第３
図は、第２図のｔｎ−ｍ線矢視図で、被測定物表面で反
射する光線を示す側面図、第４図は、第２図のＩＶ−Ｉ
Ｖ線矢視図で、凹部底面で反射する光線を示す側面図、
第５図は、第４図の矢■で示した部分の拡大図、第６〜
第８図は本発明センサの第２実施例を示すもので、第６
図はその全体斜視図、第７図は、第６図の■−■線矢視
図で、凹部底面及び被測定物表面で反射する光線を示す
側面図、第８図は、第７図の矢■で示した部分の拡大図
である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 被測定物に対向する第１棒状凸レンズ（２）と、この第
   １棒状凸レンズ（２）の後方に光軸を同一に配置された
   第２棒状凸レンズ（３）と、前記第１棒状凸レンズ（２
   ）および第２棒状凸レンズ（３）間に配設されて前記光
   軸に平行な平行光線を通過させるが非平行光線を遮蔽す
   る遮蔽体（４）と、前記第２棒状凸レンズ（３）の後方
   側の焦点位置に線状に配設された受光素子（５）とを備
   えた形状測定センサ。