JP2000258227A - 鏡面、非鏡面物における表面の変位測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光路長を測定可能なレーザ距離計を使用す
ることにより、被測定物の測定表面が鏡面から拡散反射
面に変化しても、レーザ距離計と被測定物の測定表面の
位置を非接触状態にて合理的に測定することにある。 【解決手段】 レーザ距離計１のレーザ光を被測定物
３の測定表面に対して傾斜させた状態とし、反射板２は
平らな拡散反射面とし、被測定物３の表面が鏡面である
時に、レーザ距離計１からのレーザ光を受光できる位置
に設置し、レーザ距離計１には測定した光路長の値を被
測定物３の表面との距離に演算して変換する演算装置４
を連絡する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、溶融金属等の液面
のように、測定する対象表面の反射率が大きく変化する
鏡面、非鏡面物における表面の変位を測定する装置に関
し、さらに詳しくは、例えば溶融金属の液面等のよう
に、その表面に形成される酸化層が厚いときは、反射率
が低く、反対に、上記酸化層が全くなくなれば、正反射
面になってしまうような、表面の反射率が大きく異なる
場合において、レーザ光を光源として、光学的に安定し
て当該表面の変位を測定するための溶融金属等の表面レ
ベル測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば溶融金属等の液面のレベル
変位を測定する手段としては、レーザスポットを測定表
面に照射し、その光学像を別のＣＣＤカメラなどで撮影
することにより、上下方向の変位量を測定し、その光学
的な位置関係から実際の測定表面変位を求める三角測量
法が一般的に行なわれている。

【０００３】しかし、上記した如き測定法においては、
測定すべき表面が鏡面のときレーザ光が正反射し、測定
する対象物の表面のゆらぎ、傾きにより、受光位置が変
化するため誤測定となる。したがって、反射率の大きい
材料や、或いは、人手により行なう酸化層の処理操作な
どによって、測定表面の反射率が大きく変化し得る溶融
金属等の表面の変位測定には三角測量法の適用が困難で
あった。

【０００４】したがって、例えば亜鉛めっき浴でのレベ
ル測定等では、所謂セラミックフロートを浮かべて、そ
の変位をポテンショメータなどにより測定する接液型の
変位計に依存せざるを得なかった。しかし、溶融金属の
変位測定を用いた接液型の測定は、地金が接液部に付着
する事により、誤差が生じること、及び接液部の材料が
溶融金属内へ溶出、または剥離浮遊する事で、誤差の発
生と不純物の混入を生じるという問題点を抱えていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、光路
長を測定可能なレーザ距離計を使用することにより、被
測定物の測定表面が鏡面から拡散反射面に変化しても、
被測定物の測定表面の位置変位を非接触状態にて合理的
に測定することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、光路
長を測定し得るレーザ距離計を、被測定物の測定表面か
ら所定の距離を置いて設けると共に、該レーザ距離計か
ら照射されるレーザ光が、上記被測定物の測定表面と直
交する法線に対して所定の傾斜角度を介して被測定物の
測定表面に照射されるように設置し、且つ、上記被測定
物の測定表面から上記レーザ光の正反射方向へ向けて所
定の距離を置いた位置に、反射面が拡散反射面である反
射板を所定の角度にて設置し、上記測定表面の距離変位
を測定する際において、上記被測定物の測定表面が拡散
反射面である場合、上記レーザ距離計から照射したレー
ザ光が被測定物の測定表面で拡散反射することに基づい
て、同レーザ距離計から被測定物の反射位置までの光路
長を求め、且つ、上記被測定物の測定表面が鏡面である
場合、上記レーザ距離計から照射したレーザ光が被測定
物の測定表面で正反射して反射板の反射面に向かい、そ
の反射面にて拡散反射することに基づいて、レーザ距離
計から被測定物の反射位置までの光路長と、被測定物の
反射位置から反射板の反射位置までの光路長とを加算し
た全光路長を求め、上記した光路長若しくは全光路長に
基づいて演算装置により演算処理することにより、被測
定物の測定表面の距離変位を連続的に測定するように構
成したものである。

【０００７】上記した手段によれば、光路長を測定可能
なレーザ距離計は、例えば溶融金属等の液面等、被測定
物の測定面に向けてレーザ光を照射する。また、上記レ
ーザ光は、上記被測定物の測定表面と直交する法線に対
して所定の傾斜角度を介した状態にて同被測定物の測定
表面に向けてレーザ光を照射する。上記したレーザ距離
計から照射されたレーザ光は、被測定物の表面において
拡散反射するか若しくは正反射するかによって光路長が
測定される。例えば、被測定物の表面が拡散反射面であ
る場合、レーザ距離計から所定の傾斜角を介して照射さ
れたレーザ光が上記被測定物の表面で拡散反射され、レ
ーザ距離計から被測定物の反射位置までの光路長が求め
られる。

【０００８】一方、被測定物が鏡面の場合には、上記し
た如くレーザ距離計から測定表面に向けて照射されたレ
ーザ光は、被測定物の測定表面にて正反射して反射板に
向かい、拡散反射面である同反射板の反射面にて拡散反
射する。そして、その拡散反射光がもう一度被測定物に
て反射されることで、レーザ距離計から被測定物の測定
表面上における反射位置までの光路長と、反射位置から
反射板の反射位置までの光路長を加算した全光路長が求
められる。

【０００９】また、上記した光路長の取り得る範囲が鏡
面と拡散反射面とで異なっているため、上記レーザ光の
全光路長には被測定物の表面が鏡面であるか拡散反射面
であるかを判定する法則性がある。また、上記全光路長
を演算装置により演算処理することで、この全光路長を
被測定物の表面との距離に変換することができる。尚、
上記被測定物の測定表面が鏡面の場合で且つ鏡面が多少
傾いた状態が生じても、反射板の反射面によりレーザ光
を受光することができれば、光路長の変化によるずれの
誤差は若干生じるが、精度上に問題がなければ測定は可
能である。

【００１０】請求項２記載の鏡面、非鏡面物における表
面の変位測定装置は、上記反射板として受光位置を検出
可能な反射板を使用し、該反射板の反射面に対する受光
の有無に基づいて、被測定物の測定表面が非鏡面か鏡面
かを判断し、且つ、被測定物の測定表面が鏡面である状
態にて、その受光位置とレーザ距離計との距離を求める
ことで、同鏡面に傾きが生じ、上記反射板に照射された
レーザ光の受光位置にずれを生じ、測定光路長が変化し
た場合でも、この距離の値と、測定した光路長とに基づ
いて測定誤差を演算装置により演算し、正確な変位位置
として補正するように構成したものである。

【００１１】この場合、前記した請求項１又は２記載の
鏡面、非鏡面物における表面の変位測定装置において、
受光位置を検出可能な反射板を使用したものであるか
ら、被測定物の測定表面の状態が、鏡面か、若しくは拡
散反射面であるかの判断を、反射板による受光の有無、
または反射板による受光の有無と測定範囲を限定するこ
とで、それぞれレーザ光の光路長に基づく被測定物の変
位の測定を行なうことができる。また、被測定物の測定
表面が鏡面の場合で、且つその測定表面が傾いてしまっ
た場合、光路長の変化による、ずれの誤差が生じるが、
受光位置検出可能な反射板を使用することで、レーザ距
離計と反射板でのレーザ光の受光位置との距離を演算装
置により演算して求め、この値と測定光路長より正確な
変位測定を実現し得る。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。図１は、本発明を実施した鏡面、非鏡面物にお
ける表面の変位測定装置ａ１を示している。この装置ａ
１は、収容槽（図示せず）に収容される亜鉛メッキやア
ルミ等、溶融金属３の測定表面３ａ（液面）のレベル変
位を連続的に測定するものであり、照射したレーザ光１
ａの光路長を測定し得るレーザ距離計１を、被測定物の
測定表面となる溶融金属３の測定表面３ａの上方に所定
の距離を置いて設けてある。また、上記レーザ距離計１
は、パソコン等から成る演算装置４に連絡し、上記レー
ザ距離計１にて測定した光路長のデータに基づいて、演
算装置４が測定表面３ａの距離変位を演算するように構
成してある。

【００１３】上記レーザ距離計１は、溶融金属３の測定
表面３ａと直交する（この場合測定表面から垂直に立ち
上がる）法線Ｌに対して、所定の傾斜角度θを介して設
置し、照射部１ｂから照射されたレーザ光１ａが、水平
な測定表面３ａに対して上記傾斜角度θを介して照射さ
れるように構成してある（図１）。また、装置ａ１は、
溶融金属３の測定表面３ａからレーザ光１ａの正反射方
向へ向けて所定の距離を置いた位置に、反射面２ａを拡
散反射面として構成した反射板２を所定の角度、この場
合水平に設置してある。また、上記反射板２は、レーザ
距離計１と同じ高さで、且つ、測定表面３ａにて正反射
するレーザ光１ａを上記反射面２ａの範囲内にて受光で
きる位置に設置してある。

【００１４】尚、測定物となる溶融金属３は、収容槽
（図示せず）内に収容される。そして、上記収容槽内に
収容された溶融金属３は、同溶融金属３の補充と排出を
行なうことにより、その液面となる測定表面３ａのレベ
ルが上下に変位する。

【００１５】上記したように、図１にて示す鏡面、非鏡
面物における表面の変位測定装置ａ１は、光路長を測定
可能なレーザ距離計１を、垂直な法線Ｌに対して傾斜角
θを介して設置すると共に、反射板２を、溶融金属３の
測定表面３ａと平行で、且つ、同測定表面３ａで正反射
したレーザ光１ａを受光し得る位置に設置してある。

【００１６】よって、上記した装置ａにおいては、被測
定物となる溶融金属３の測定表面３ａが、鏡面である
か、若しくは拡散反射面であるの判別のために、拡散反
射面状態における最大測定光路長Ｌｍａｘの１／２より
も大きい値をＬmin：最小測定光路長とすると、測定光
路長Ｘは・・・ 拡散反射面のとき Ｌｍａｘ／２ ＜ Ｘ ≦ Ｌｍａ
ｘ 鏡面のとき Ｌｍａｘ ＜ Ｘ ≦ ２Ｌｍａｘ ただし Ｘ：測定光路長 Ｌｍａｘ：拡散反射面のときの最大測定光路長 であり、Ｌｍａｘを基準にしたときの測定光路長Ｘの値
の大小により測定表面３ａとなる溶融金属の液面が鏡面
か、若しくは拡散反射面かを判断する。そして、それぞ
れの場合における測定表面３ａとの距離Ｙは・・・ 拡散反射面のとき Ｙ ＝ Ｘｃｏｓθ 鏡面のとき Ｙ ＝ （Ｘｃｏｓθ）／２ となる。 尚、測定光路長Ｘより被測定物となる溶融金属３の測定
表面３ａとの距離Ｙを求める演算処理は、パソコン等か
ら成る演算装置４を使用して連続的に行ない、上記距離
Ｙの変位を常時出力する。これにより、測定表面３の距
離変位を常時把握することができる。

【００１７】図２にて示した、鏡面、非鏡面物における
表面の変位測定装置ａ２は、前記した図１にて示す装置
ａ１と同様に構成してあるが、反射板２の反射面２ａ
（拡散反射面）を、溶融金属３の測定表面３ａと平行
で、且つレーザ距離計１と比べて２倍より高い位置にて
設置してある。また、上記反射板２ａの反射面は、拡散
反射面とし、上記測定表面３ａにて正反射したレーザ光
１ａを受光できる位置に設置してある。

【００１８】よって、上記した如く構成した装置ａ２に
おいて、測定光路長Ｘは・・・ 拡散反射面のとき ０ ≦ Ｘ ≦ Ｌｍａｘ 鏡面のとき α ≦ Ｘ ≦ ２Ｌｍａｘ ＋ α ただし Ｘ：測定光路長 Ｌｍａｘ：拡散反射面のときの最大測定光路長 α：鏡面のときの最小測定光路長（α ＞ Ｌｍａｘ） であり、Ｌｍａｘを基準にしたときの測定光路長Ｘの値
の大小により鏡面、拡散反射面を判断する。そして、そ
れぞれの場合の被測定物の表面との距離Ｙは・・・ 拡散反射面のとき Ｙ ＝ Ｘｃｏｓθ 鏡面のとき Ｙ ＝ （（Ｘ − α）ｃｏｓθ）／２
となる。 尚、測定光路長Ｘより被測定物となる溶融金属３の測定
表面３ａとの距離Ｙを連続的に求める演算処理は、パソ
コン等から成る演算装置４を使用して連続的に行なう。

【００１９】図３にて示した、鏡面、非鏡面物における
表面の変位測定装置ａ３は、前記した図１にて示す装置
ａ１と同様に構成してあるが、反射板２を所定の角度に
て傾斜させた状態で設置してある。即ち、図３にて示す
鏡面、非鏡面物における表面の変位測定装置ａ３は、光
路長が測定可能なレーザ距離計１を、溶融金属３の測定
表面３ａに対して、垂直な法線Ｌを規準として所定の傾
斜角度θだけ傾けて設置してある。一方、反射板２は反
射面２ａを乱射面として構成し、該反射面２ａが上記レ
ーザ距離計１から測定表面３ａに向けて傾斜角度θを介
して照射されるレーザ光１ａと平行するように傾斜させ
て設置してある。また、上記反射板２は、測定表面３ａ
の反射位置と、上記反射板２の反射面２ａにおける反射
位置との間の光路長が、レーザ距離計１と測定表面３ａ
の反射位置との間の光路長より大きくなる位置で、且
つ、正反射するレーザ光１ａを受光し得る位置に設置し
てある。

【００２０】即ち、上記した配置によれば、被測定物と
なる溶融金属３の測定表面３ａの反射位置と、上記反射
板２の反射位置との光路長βが、測定表面３ａの距離が
変位しても常に一定となり、且つ、レーザ距離計１と測
定表面３ａの反射位置との光路長より大きくなるため、
測定光路長Ｘは・・・ 拡散反射面のとき ０ ≦ Ｘ ≦ Ｌｍａｘ 鏡面のとき β ≦ Ｘ ≦ Ｌｍａｘ ＋ β ただし Ｘ：測定光路長 Ｌｍａｘ：拡散反射面のときの最大測定光路長 β：鏡面状態の被測定物の反射位置と反射板の反射位置
との光路長（β ＞ Ｌｍａｘ）であり、Ｌｍａｘを基
準にしたときの測定光路長Ｘの値の大小により溶融金属
３表面３ａが鏡面であるか、拡散反射面であるかを判断
する。それぞれの場合における溶融金属３の測定表面３
ａとの距離Ｙは 拡散反射面のとき Ｙ ＝ Ｘｃｏｓθ 鏡面のとき Ｙ ＝ （Ｘ − β）ｃｏｓθ となる。 尚、測定光路長Ｘより被測定物となる溶融金属３の測定
表面３ａとの距離Ｙを連続的に求める演算処理は、パソ
コン等から成る演算装置４を使用して連続的に行なう。

【００２１】図４にて示した、鏡面、非鏡面物における
表面の変位測定装置ａ４は、光路長を測定し得るレーザ
距離計１を被測定物となる溶融金属３の測定表面３ａに
対して垂直に設置してある。一方、反射板２は、拡散反
射面として構成した反射面２ａを、測定表面３ａと平行
となるように設置してある。また、上記反射板２は、上
記レーザ距離計１の照射部１ｂと同等の高さとし、さら
にその照射部１ｂの周辺を囲むように設置してある。

【００２２】よって、上記した如く構成した装置ａ４
は、溶融金属３の測定表面３ａが、鏡面であっても、若
しくは、拡散反射面であっても、レーザ距離計１を垂直
に設置してあるため、測定表面３ａに対して垂直に照射
されるレーザ光１ａを捕らえることができ、さらに、そ
の光路長の測定値が、直接、溶融金属３の測定表面３ａ
との距離となる。また測定表面３ａが鏡面であり、さら
に、この反射面が混入物等の影響により多少傾いた場合
でも、レーザ距離計１の照射部１ｂの周囲に設けた反射
板２がレーザ光１ａ’を受光できれば、ずれによる誤差
は多少生じるが精度的に問題なければ、図１にて示した
ものと同様の方法で測定可能である。ちなみに、レーザ
光１ａ’のずれにより生じる誤差の例として、基準距離
が５０００ｍｍ、ずれが１００ｍｍのとき、距離の測定
値は５００１．００ｍｍであり、測定面３ａまでの距離
の誤差は約１．００ｍｍとなる。

【００２３】図５にて示す鏡面、非鏡面物における表面
の変位測定装置ａ５は、光路長が測定可能なレーザ距離
計１を具備している。上記レーザ距離計１は、照射部１
ｂから照射するレーザ光１ａが、上記溶融金属３の測定
表面３ａと直交する法線Ｌに対して、傾斜角度θを介し
て設置し、上記照射部１ｂから照射されたレーザ光１ａ
が、水平な測定表面３ａに対して傾斜角度θを介して照
射されるように設置してある。一方、溶融金属３の測定
表面３ａから上記レーザ光１ａの正反射方向へ向けて所
定の距離を置いた位置には、受光位置を検出することが
できる反射板２’を、上記測定表面と並行するように設
けてある。また、上記反射板２’は、反射面２ａ’がレ
ーザ距離計１と略同じ高さで、且つ、測定表面３ａにて
正反射されたレーザ光１ａ’を受光できる位置に設置し
てある。尚、上記反射板２’の反射面２ａ’は拡散反射
面として構成してある。

【００２４】また、溶融金属３の測定表面３ａが鏡面で
ある場合で、その測定表面３ａが混入物等の影響により
傾いてしまった場合、光路長の変化による、測定誤差が
生じる。しかし、上記したように受光位置が検出可能な
反射板２’を利用し、レーザ距離計１と、上記反射板
２’におけるレーザ光１ａ’の受光位置との距離と測定
光路長より正確な変位測定を実現することができる。

【００２５】上記溶融金属３の測定表面３ａが鏡面か、
若しくは拡散反射面であるかを判断するには、受光位置
検出可能な反射板２’の受光の有無で行い、それぞれの
場合の被測定物の測定表面との距離Ｙは・・・ 拡散反射面のとき Ｙ ＝ Ｘ１ｃｏｓθ ただし Ｘ：測定光路長 Ｚ：レーザ距離計と反射板でのレーザ光の受光位置との
距離 尚、測定光路長Ｘと、レーザ距離計と反射板でのレーザ
光の受光位置との距離Ｚから被測定物となる溶融金属３
の測定表面３ａとの距離Ｙを連続的に求める演算処理
は、パソコン等から成る演算装置４を使用して行なう。
ちなみに、本発明の鏡面、非鏡面物における表面の変位
測定装置は、溶融金属や液体の他に、固体金属板など、
異なる反射率を有する材料が入れ替わる場合の表面変位
についても、同様に適用し得るものである。

【００２６】

【発明の効果】本発明は以上説明したように、光路長を
測定可能なレーザ距離計から被測定物の測定表面へ向け
て照射されるレーザ光の光路長の値と、既知の反射板の
位置情報からレーザ距離計と被測定物との距離求め、上
記レーザ光の光路長若しくは全光路長に基づいて演算処
理を行なうことにより、被測定物の測定表面が鏡面、拡
散反射面に関わらず、被測定物の測定表面までの距離の
変位を、上記光路長の測定値に基づいて簡単な演算を行
なうことで、安定した光学的変位測定を非接触状態にて
実行することができる。特に、測定距離が１ｍ程度にも
及ぶような長距離変位測定において、被測定物の測定表
面が鏡面である場合には、測定表面の微少な変化で、被
測定物の測定表面からの反射光がずれて誤測定や測定不
能となることが多くなり、安定した測定が難しいが、そ
の反射光を拡散反射面の反射板で受光することで少ない
誤差、もしくは誤差無く安定して連続的に測定し得る。

【００２７】請求項２記載の発明は、上記した請求項１
記載の鏡面、非鏡面物における表面の変位測定装置にお
いて、受光位置を検出し得る反射板を使用したものであ
るから、被測定物の測定表面の状態が、鏡面か、若しく
は拡散反射面であるかの判断を、反射板による受光の有
無、及び反射板による受光の有無と測定範囲を限定する
ことで行ない、それぞれレーザ光の光路長に基づく被測
定物の変位測定を簡単且つ安定して行なうことができ
る。また、例えば溶融金属の液面に混入物が付着した場
合等では、被測定物の測定表面が鏡面で、且つその測定
表面が傾いてしまう場合もある。この場合、光路長の変
化による、測定の誤差が生じるが、受光位置検出可能な
反射板を使用することで、レーザ距離計と反射板におけ
るレーザ光の受光位置との距離を演算して求め、この値
と測定光路長より正確な変位測定を実現し得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明を実施した鏡面、非鏡面物における
表面の変位測定装置であり、同装置の被測定物の測定表
面が鏡面，拡散反射面状態である状態を示す構成図。

【図２】 本発明を実施した装置であって、レーザ距
離計を設置した高さの２倍の高さに反射板を設置した実
施例を示す構成図。

【図３】 本発明を実施した装置であって、レーザ距
離計から測定表面へ向けて照射されるレーザ光の傾斜角
度と並行になるように反射板を傾斜させて設置した実施
例を示す構成図。

【図４】 本発明を実施した装置であって、レーザ距
離計を被測定物の測定表面に対して垂直に設置した実施
例を示す構成図。

【図５】 本発明を実施した装置であって、受光位置
が検出可能な反射板を設置した実施例を示す構成図。

【符号の説明】

ａ１〜ａ５・・・鏡面、非鏡面物における表面の変位測
定装置 １・・・レーザ距離計 １ａ・・・レーザ光 ２，２’・・・反射板 ２ａ・・・反射面 ３・・・溶融金属（被測定物） ３ａ・・・測定表面 ４・・・演算装置 Ｌmin・・・最小測定光路長（Ｌmax／2＜Ｌmin＜Ｌma
x）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 生野 逸夫 広島県広島市中区光南３丁目２−24 新川 電機株式会社広島テクニカルセンター Ｆターム(参考） 2F014 AC06 FA01 2F065 AA09 BB25 BB26 FF11 FF44 GG04 HH04 HH12 JJ02 JJ05 JJ07 JJ14 JJ16 JJ25 KK01 PP22 QQ27 2F112 AA05 CA13 DA25

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光路長を測定し得るレーザ距離計を、
   被測定物の測定表面から所定の距離を置いて設けると共
   に、該レーザ距離計から照射されるレーザ光が、上記被
   測定物の測定表面と直交する法線に対して所定の傾斜角
   度を介して被測定物の測定表面に照射されるように設置
   し、且つ、上記被測定物の測定表面から上記レーザ光の
   正反射方向へ向けて所定の距離を置いた位置に、反射面
   が拡散反射面である反射板を所定の角度にて設置し、上
   記測定表面の距離変位を測定する際において、上記被測
   定物の測定表面が拡散反射面である場合、上記レーザ距
   離計から照射したレーザ光が被測定物の測定表面で拡散
   反射することに基づいて、同レーザ距離計から被測定物
   の反射位置までの光路長を求め、且つ、上記被測定物の
   測定表面が鏡面である場合、上記レーザ距離計から照射
   したレーザ光が被測定物の測定表面で正反射して反射板
   の反射面に向かい、その反射面にて拡散反射することに
   基づいて、レーザ距離計から被測定物の反射位置までの
   光路長と、被測定物の反射位置から反射板の反射位置ま
   での光路長とを加算した全光路長を求め、上記した光路
   長若しくは全光路長に基づいて演算装置により演算処理
   することにより、被測定物の測定表面の距離変位を連続
   的に測定するように構成した鏡面、非鏡面物における表
   面の変位測定装置。
2. 【請求項２】上記反射板として受光位置を検出可能な反
   射板を使用し、該反射板の反射面に対する受光の有無に
   基づいて、被測定物の測定表面が拡散反射面か鏡面かを
   判断し、且つ、被測定物の測定表面が鏡面である状態に
   て、同鏡面に傾きが生じ、上記反射板に照射されたレー
   ザ光の受光位置にずれを生じた場合でも、その受光位置
   とレーザ距離計との距離を求めることで、この距離の値
   と、測定した光路長とに基づいて測定誤差を演算装置に
   より演算し、正確な変位位置として補正するように構成
   した請求項１記載の鏡面、非鏡面物における表面の変位
   測定装置。