JPS6358109A - 非接触型変位測定装置 - 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】 この発明は製造工程中のワークの位置、形状、または道
路の凹凸等を非接触のままで測定する非接触型変位測定
装置に関し、さらに詳細には、被測定物体により反射さ
れたレーザ光を光電交換して電子的に検出し、デジタル
的に演算、処理することにより物体の種々の基準位置に
対してその変位量を容易に測定することが可能な非接触
型変位測定装置に関する。

従来の非接触型変位測定装置は、例えば、次のように構
成されている。すなわち、第１図に示すように、筐体１
０にレーザ光源１２）集光レンズ１４、位置検出センサ
（例えば、浜松ポトニクス（株）製造の半導体装置検出
素子）１６が固定され、レーザ光りは被測定物Ａにより
反則され、集光レンズ１４を経て位置検出素子１６の受
光面１８に入射する。位置検出素子１６においては、入
射したレーザ光の受光面１８上の光点の位置に対応して
その出力端より電流、あるいは電圧が検出出力として取
り出される構造となっている。

従来の非接触型変位測定装置においては、第１図に示さ
れるように、物体Ａが基準位置検出素子Ａ０よりΔＤの
距離を移動してＡ１の位置に達すると、それに伴って物
体Ａから反射されたレーザ光線の位置検出センサの受光
面１７上の位置は、基準位置Ｓ。からΔｄの距離を移動
してＳ、に達し、位置検出センサの検出出力は距離Δｄ
に直線的に比例して変化する。

然しなから、第１図において、レンズ１４の中心Ｏを頂
点として幾何学的に形成される三角形０−Ａｏ−Ａと三
角形０−３ｏ−３＋　とは相僚形ではないため、物体Ａ
の移動距離ΔＤと、光点Ｓの移動距離Δｄは直線的に比
例しない。従って、位置検出センサ１６の出力により物
体への移動距離ΔＤを測定するためには、光学的、機械
的あるいは電子的補正が必要である。しかも、これ等の
補正は基準測定距離に対して固定的にのみ行うことが可
能であるため、種々の基準測定距離に対する変位量を測
定するためには、夫々の測定距離に対応する測定器を用
意するか、あるいは測定装置に大幅な変更を行うことが
必要であり、使用者の経済的負担が大きくなる欠点が存
在していた。

また、特定の光学系に対して、予め、正しい変位量に対
するセンサ出力を測定して、センサ出力対変位量のテー
ブルをＲＯＭメモリーヒに書込んでおき、測定時には測
定されたセンサ出力に対する正しい変位量をテーブルか
ら引き出すＲＯＭリニアライズという高精度な方法があ
るが、この場合でも光学系を変更した場合、その都度上
記テーブルを作り直さなければならない欠点があった。

本発明において、物体Ａの変位量ΔＤと、位置検出セン
サ受光面の光点変位量Δｄとがレンズ中心と放射レーザ
光線との距離Ｉ］、基準測定力ｋをパラメータとして幾
何光学的に表現されることに注目し、位置検出センサの
出力をデジタル計算処理することにより物体Ａの移動距
離を測定する。従って、本発明によれば種々の基準測定
距離に対してレンズ中心と放射レーザ光線との距離、ま
たはレンズ主軸とレーザ光線との角度を変更することに
より、種々の基準測定距離に対する物体Ａの移動量を容
易に測定することが出来る。

また、従来技術のＲＯＭリニアライズ技術を応用して、
ＲＯＭメモリ中の特定の基準測定距離に対する測定した
物体への変位量ΔＤと、センサ出力の関係から演算して
求めたセンサ上の光点変位量Δｄと、センサ出力の関係
の補正値に対して上述の任意のパラメータを用いて物体
への変位量ΔＤとセンサ出力の関係をデジタル演算し、
その結果をＲＡＭメモリに記憶させることによってフレ
キシビリティのある高精度なＲＡＭリニアライザーを構
築することが出来る。

第２図は本発明の非接触型変位測定装置の幾何光学的原
理を示す図で、図中、０はレンズ中心、Ｐはレンズ中心
からレーザ光線に下ろした垂線、Ａｏば物体の基準位置
、Ｓｏは反ルル−ザ光の位置検出素子受光面１８−１−
の基４！−光点位置、Ａｌは物体移動後の位置、５ｉｌ
ｌ：物体移動後の光点位置を示し、点Ｑは物体基準位置
Ａ。とレンズ中心を通り基準光点位置とを結ぶ直線に対
して物体移動後の位置Ａ、から下ろした重線の位置を示
す作図との点である。計算の便利のため夫々の長さを ０３ｏ＝ａ＋　　０Ａ６＝ｂ、Ａ６Ｑ＝Ｃ，Ａ＋Ｑ＝ｄ
ＰＡｏ＝に、　　ＡｏＡ＋−ΔＤ、ｓｏｓ、−Δｄ、　
　Ｏｌ）　−１−（とじて表す。

第１図において、Δ０１）Ａ、とΔΔ、　Ｑ　Ａ　。

Δ○ＳｏＳ、とΔＯＱＡは夫々相似形であるため次の式
が成立する。

Δｄ　　　　ａ ΔＤ −−−−−−−−−−−　　　　　　　　　　　　　　
　　・・・（２）ｋ　　　　　　　　１） ΔＤｋ −−−−−−□−−−−　　　　　　　　　　　　　・
・・（２）゛ｂ　　−（１）２＋　ｋ２）−２・・・（
４）式（１）に式（２）”、（３１’を代入すればｂ　
　　　　　　　ｂ ・・・（７） 但し すなわち、ａはレンズ中心と位置検出素子の受光面との
間の距離、Ｈはレンズ中心とレージ２光線との間の距離
、またｋは）ｌ　ｉｇ測定距離で測定装置の構造および
測定条イ′１として予め設定される値であり、従って、
Ｉ’ｒｌ、ｎも固定値となり、△ＤはΔｄの関数となる
。なお、レンズ中心がらレーザ光線に対してＦろした垂
線とレンズ中心を通る反射レーザ光線とのなす角度をθ
とすると、式（８）は ｋ（ｔａｎ２θ＋１）・Δｄ −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−・・・（９
）ａ−４，ａｎθ−Δｄ となり、距離ａ、角度θが固定値であれば、ΔＤはΔｄ
のみの関数となることは明らかである。

本発明による装置においては、式（７）に示されるよう
に、変位量ΔＤはΔｄのみの関数として表され、且つｍ
、ｎの値はレンズの高さＨ（あるいはレンズの角度θ）
、基準測定距離におよびレンズ、センサ間の距離によっ
て決定される固定値であるので、任意の光学系の構成に
応じてそれらのパラメータを設定すれば、Δｄのみを測
定することによってΔＤを知ることが出来る。

また、ＲＯＭリニアライザの補正値に対して同様の演算
を施−ｌば、任意の光学系に対してＲＡＭリニアライズ
することが出来る。

第３図４−１本発明のＪ１接触型変位測定装置の一実施
例を示すブロック図で、筺体１０にはレーザ光′ｒＸ１
２）演算部（図示−ｌず）等が内臓され、表示部２０、
ｋブリセフト部２２）Ｈプリセット部２３等が外面に取
りイ４けられている。検知部３０にはレンズ１４および
位置検出センサ１６がその受光面をレンズ１４の主軸に
直角に保って配置され、また、支柱４０は検知部３０を
筐体１０に対して上下移動および角度変更可能に保持し
ている。レーザ光源１２から放射されたレーザ光源Ｉ、
は基準位置にある測定物体Ａの表面で反射され、レンズ
１４を介して位置検出センサ１６の受光面の中心Ｓ。

に光点を結ぶ。被測定物体Ａが基準位置Ａ。から距離Δ
Ｄ移動した時、光点の受光面上の移動距離Δｄとの関係
は前記式（７）で表される。位置検出センサ１６は、第
３図に等価的に示されるように、両端に電極Ｔ　＋　、
Ｔ　ｚを有し、その間は−様な抵抗値を有する。従って
、レーザ光源によって励起された光電流は光点から電極
までの距離に逆比例するように分割され電極Ｔ、、Ｔ２
から取り出される。従って、全光電流をＩとすると、 Ｌ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｌ
Ｌ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｌ出
力抵抗をＲとすれば、出力電圧Ｖ、　、Ｖ、はし 一−Δｄ Ｖ、＝ｌＲ・□。

一＋Δｄ Ｖ２＝ｉＲ・□ ＶＩ　Ｌ　−（−−Δｄ）−１）１゜ Ｖ２　Ｌ　−（−＋Δｄ）−１−Ｒ。

従って、 ２　　　　Ｖ、十Ｖ２ 削代（７）より ｖ１＋ν２　　２　　　　　　　ＶＨ２−Ｖ２すなわち
、ｍおよびｎ”の値は基準測定距離を設定すれば、ａお
よびＨの値は装置の構造上設定されるので位置検出セン
サの出力Ｖ、、Ｖ２をバラメークとしてマイクロコンピ
ュータ５５により演算し、その結果を表示部に表示する
ことにより移動距離ΔＤを直読することが出来る。実際
には予め、ａｓｌ−の値、および外部人力により設定さ
れたｋＸＨの値をマイクロコンピュータ５５のメモリに
書き込み、マイクロコンピュータ５５はそれらの値を用
いて、（Ｖ２　　Ｌ）／（Ｖ＋＋ＶＺ）の値に対するΔ
Ｄの値を演算して、その結果をデータテーブルとしてマ
イクロコンピュータ５５のＲＡＭメモリに書き込んでお
く。

測定時には、マイクロコンピュータ５５は測定された（
ｖｚ−ｖ＋）　／（Ｖｌ　　＋Ｖ２）　ニ対応するΔＤ
の値を該テーブルから引き出す。

第５図は位置検出センサの二つの出力Ｖ３、■２から移
動距離ΔＤを演算する過程を示すフローチャートで、ま
た第６図は演算部のブロック回路図である。

先ず、初期設定時にａ−、Ｌを入力部を介してマイクロ
コンピュータ５５のメモリに書き込み、外部入力により
、夫々の設定部を介してに、Ｈが設定されたら、マイク
ロコンピュータ５５はｋ、Ｈを読み込んでメモリに書き
込み、且つａｓＬ、ｋ、Ｈにより　（ｖｚ−１／（ν１
　＋ν２）に対応するΔＤを計算した補正データテーブ
ルをＲＡＭメモリに作製し準備を完了する。位置測定の
場合は位置測定センサ１６の２つの端了作′１゛１　、
′ｒ２よりの出力Ｖｌ、ＶＺを大々増幅器５１．５２．
５１’　、５２’　により増幅した後、電子スイッチ５
３により交互に切り換えてＡ　／　ＩＩ）変換器を経て
マイクロコンピュータ５５に入力する。各■１、ＶＺの
値から（ｖ２−ｖＩ）／（ｖｌｌ−ｖ２）を計算し、Ｒ
ＡＭの補正テーブルから対応するΔＤの値を求めて表示
器等に出力する。既に、ｋ、Ｈが設定されＲＡＭに補正
テーブルが作製されている場合は第５図のＮｏの分岐を
通る。

第７図は、ＲＡＭリニアライザ方式を用いた他の実施例
のフ１）−ヂャートであり、この場合のブ１］ツク回路
図は第５図と同一である。

最初に被測定物体の移動路に沿って基？ｆ測定距離より
の移動量ΔＤに対応する位置検出素子の出力Ｖ＋　、Ｖ
Ｚより　（ＶＺ−ν＋）　／（ｖｔ　４−１ｈ）と、さ
らに、式（７）によりΔｄのイ直をコンピュータ５５に
より計算し、　（シ２−シ＋）　／（Ｖ＋　　＋Ｖ２）
　　とΔｄとの関係を示すデータテーブルを補正デー夕
としてＲＯＭ　（ＲＯＭリニアライザ）に記録する。次
に、ｋい■］によって前記ＲＯＭテーブルから引き出し
たΔｄに対し０式（７）の計算を施し、（ｖ２−ｖ、）
　／（ｖｔ　十ｖ２）対Δ１）（７）チー−７’）しを
ＲＡＭ（ＲＡＭリニアライザ）に作り直す。

ａｌＦｌ、ｋ、Ｈをメモリに記録し、測定の際は測定位
置にお４Ｊる被測定物体よりの反射レーザ光線による位
置検出素子の出力Ｖ　＋　、Ｖ　ｚをデジタル化して（
Ｖｚｌ＋）　／（ｖｔ　　＋Ｖ２）を演算し、得られた
値によって前記ＲＡＭデータテーブルからΔＤを引き出
して表示器等に出力する。

本発明においては、前述のように、幾何光学的相似関係
より物体移動距離ΔＦ〕と受光面上の光点移動距離との
関係を、構造−１−および測定条件−１−子め設定可能
な受光面の長さ、レンズ中心と受光面の距離、レンズ中
心の高さ、あるいはレンズ主軸の角度、基準測定距離等
の既知値をパラメータとする関係式として把握すること
により、マイクロコンピュータにより演算して移動距離
をデジタル的に直読することを可能とじている。この結
果、移動距離の測定を極めて容易にしたばかりでなく、
基準測定距離の変更もレンズ中心の高さ、あるいはレン
ズを軸角度の調整と、設定部の簡易な設定変更により行
うことが出来、従来のように光学的構造の変更を必要と
しないため単一の装置で種々の基準測定距離よりの移動
を測定することが出来る。また、上記の効果をＲＯＭリ
ニアライザに組み合わせることにより、」二記と同様の
簡便性、フレキシブリイティを保持しつつ極めて高精度
なＲＡＭリニアライザを構成することが出来る効果が得
られる。

以」二、本発明について好適な実施例を挙げて説明した
が、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、本
発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の改良並びに
設計の変更が可能なことは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の非接触型変位測定装置のブＵソク図、 第２図は本発明の原理の概要を示すブロック図、 第３図は本発明の一実施例を示すブロック図、第４図は
位置検出センサの等価回路の一例を示す図、 第５図は本発明の一実施例のフローチャート、第６図は
本発明の一実施例の演算部のブロック図、 第７図は本発明の他の実施例のフローチャートである。 １２・・・レーザ光源、　　　　１４・・・Ｌ／ンズ１
６・・・位置検出センサ　　　Ａ・・・被測定物体】　
８ ＦＩＧ、２ ＦＩＧ、３ ＦＩＧ、５ スタート 初期設定（ａ、Ｌ書込み） ｋ、　　Ｈ設定？ＮＯ ＥＳ ｋ、Ｈ読み込み 演算◆ＲＡＭ補正テーブル Ｖｌ　Ａ／Ｄ（ａ読取り 手続補正書（自発） １．事件の表示　　昭和６１年特許願第２００９９０号
２）発明の名称　　非接触型変位測定装置３、補正をす
る者 事件との関係　　特許出願人 ４、代理人 ６、補正の対象　　（１）明細書の「発明の詳細な説明
」の欄補　　　　　正　　　　書 （１）　　明細書の「発明の詳細な説明」の欄中、第５
頁第１９行目の 「力ｋを・・・」とあるを 「距離ｋを・・・」と補正します。 （２）同第８頁第４行目の ｒｂ　＝（ｌ（”＋ｋ”）−”Ｊとあるをｒｂ　＝（ｌ
（”＋ｋ”）”２Ｊと補正します。 （３）同第８頁第６行目の ［Δｄ　　　　　　　ａ 「　Δｄ ｂ　　　　　　　　　ｂＪと補正します。 （４）同第９頁第１）行目の 「ると、式（８）は−１とあるを 「ると、式（７）は」と補正しまず。 （５）同第１３頁第１行目の ２　　　Ｖｌ−１−Ｖ２ 」 とあるを削除しまず。 （６）同第１３頁第３行目の ｒ　　　　　　Ｖ２−Ｖ、　　　Ｉ、　　　　　Ｖ２−
　Ｖｌ」 とあるを ［Ｖｚ　　Ｖｌ　　　　Ｉ−Ｖ２　　Ｖｌｖ１＋ν２２
　　　　　　　　　　Ｖｌ＋Ｖ２Ｊと補正します。 （７）同第１６頁第１行目の 「・・・ＲＯＭ　（ＲＯＭリニアライザ）・・・」とあ
るを 「・・・ＲＯＭ　（ＲＯＭ補正テーブル）・・・」と補
正します。 （８）同第１６頁第５行目の ［・・・ＲＡＭ　（ＲＡＭリニアライザ）・・・」とあ
るを 「・・・ＲＡＭ　（ＲＡＭ補正テーブル）・・・」と補
正しまず。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザ光源と、レンズと、位置検出素子を備え、
   被測定物表面からの反射レーザ光線を位置検出素子の受
   光面に集光して被測定物体の変位量を測定する非接触型
   変位測定装置において、基準測定距離および光学的定数
   をパラメータとして、幾何学的な変位量と受光面の光点
   移動距離との関係より、光点位置に対応する位置検出素
   子の出力を変位距離にデジタル的に演算して移動距離を
   表示装置、出力端末等に出力するよう構成することを特
   徴とする非接触型変位測定装置。
2. （２）特許請求の範囲第１項記載の装置において、光学
   的定数を基準位置におけるレンズ中心から放射レーザ光
   に下ろした垂線の足と測定物との距離、レンズ中心と放
   射レーザ光との距離としてなる非接触型変位測定装置。
3. （３）特許請求の範囲第１項記載の装置において、光学
   的定数を基準位置におけるレンズ中心から放射レーザ光
   に下ろした垂線の足と測定物との距離、レンズ主軸と放
   射レーザ光との間の角度としてなる非接触型変位測定装
   置。
4. （４）特許請求の範囲第１項記載の装置において、光学
   的定数を基準位置におけるレンズ中心と放射レーザ光と
   の距離、レンズ主軸と放射レーザ光との間の角度として
   なる非接触型変位測定装置。
5. （５）特許請求の範囲第１項記載の装置において、特定
   の光学的定数に対して、予め、測定した変位量と位置検
   出素子出力との関係から演算して求めた位置検出素子上
   の光点移動距離と位置検出素子出力の関係を記憶するＲ
   ＯＭリニアライザーによる補正テーブルを作成し、該テ
   ーブルを任意に設定された光学的定数によって変位量と
   位置検出素子出力の関係として演算、補正するＲＡＭリ
   ニアライザーを構築してなる非接触型変位測定装置。