JP2006030010A - 光学式測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 被測定物の有する多様な形状の穴を測定できるようにすること。
【解決手段】 光学式測定装置１０１の光送受信部１０６、１０７から出力された測定用光は、各々、反射部１０８、１０９で反射され、被測定物１０３の穴１１１〜１１３で反射された後、光送受信部１０６で検出され、被測定物１０３の穴形状などの測定が行われる。このとき、反射部１０８、１０９は、各穴１１１〜１１３に入射する測定用光が、測定する穴１１１〜１１３の入り口の形状に応じて各穴１１１〜１１３の底部まで到達しやすくなるように、測定用光の伝搬する面を変更して反射を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光源からの測定用光を被測定物に照射し、前記被測定物で反射した前記測定用光を検出し、前記検出した信号に基づいて前記被測定物の形状等を測定するようにした光学式測定装置に関する。

従来から、レーザ光源等の光源から発生したレーザ光線等の測定用光を被測定物に照射し、被測定物で反射した前記測定用光を検出することによって、前記被測定物の形状や所定位置からの前記被測定物の距離等を測定するようにした光学式測定装置が開発されている（例えば、非特許文献１参照）。

図８は、非特許文献１に記載された光学式測定装置の測定原理を示す原理図であり、三角測距方式の測定原理を示している。
図８において、８０１は所定位置から被測定物ｍまでの距離や被測定物ｍの形状等を測定するための測定用光を出力する光源としての発光素子（例えば、半導体レーザや赤外線発光ダイオード）、８０２は投光レンズ、８０３は受光レンズ、８０４は光検出部としてのＰＳＤ（Position Sensitive Detector）、８０５は投光レンズ８０２の光学軸（レンズの中心を通りレンズ面に直角な軸）、８０６は受光レンズ８０３の光学軸、ｍは被測定物である。尚、光検出部としては、ＰＳＤ８０４の代わりにＣＣＤ（Charge Coupled Device）等も使用可能であるが、以下の説明ではＰＳＤ８０４を用いた例で説明する。

発光素子８０１から出力された測定用光は、投光レンズ８０２によって所定の指向性が付与され、被測定物ｍに照射される。被測定物ｍに到達した測定用光は、被測定物ｍによって乱反射され、該反射光の一部が受光レンズ８０３によってＰＳＤ８０４上にスポット（点）として集光される。
これにより、被測定物ｍで反射された測定用光はＰＳＤ８０４によって検出される。このとき、ＰＳＤ８０４上の受光スポットは、受光レンズ８０３と被測定物ｍとの距離に応じて、その位置が変化する。したがって、ＰＳＤ８０４上の受光スポット位置を電気的に検出することにより、予め定めた所定位置から被測定物ｍまでの距離を測定することが可能になる。

これを図８を用いて説明すると、投光レンズ８０２と受光レンズ８０３の中心間距離（基線長）をＡ、受光レンズ８０３の焦点距離をｆとし、投光レンズ８０２から出力される測定用光の広がりやレンズ８０２、８０３の厚み・収差は無視し、受光レンズ８０３から距離ｆの位置にＰＳＤ８０４の受光面があるものとする。この場合、所定位置である投光レンズ８０２から被測定物ｍまでの距離ｄは、中心間距離Ａ、焦点距離ｆ及び受光スポットの位置Ｘを用いて、幾何学的に次式で求められる。
ｄ＝Ａ・ｆ／Ｘ
中心間距離Ａ及び受光レンズ８０３の焦点距離ｆは既知の値であるため、ＰＳＤ８０４における受光スポットの位置Ｘを検出することにより、所定位置から被測定物ｍまでの距離、被測定物ｍの形状、被測定物ｍの移動量等を光学的に測定することができる。

ところで、自動車に使用されているトランスミッションには、複数の貫通穴や有底穴によって油圧回路が形成されたブロックが設けられている。前記穴は、入り口が長細い穴が多く用いられており又、前記入り口の長細穴の向きが相互に直交するように配設されているものが多い。
図８の被測定物ｍが前記トランスミッションの場合、発光素子８０１から被測定物ｍに入射する測定用光と被測定物ｍで反射してＰＳＤ８０４に戻る測定用光とは、ある範囲の角度θを有しているため、被測定物ｍの穴の入り口の形状が長細穴形状の穴の場合には、前記穴の底部の形状測定や前記穴の深さ測定が不可能になるという問題がある。

即ち、被測定物ｍが一定長以上の深さの穴を有している場合、前記穴に入射した測定用光は前記穴の壁面に当たって前記穴内で反射するため、前記穴からＰＳＤ８０４側へは出力されず、底部の形状等が測定不能になるという問題がある。
情報調査会より出版された「センサ技術」（１９９２年１０月号（Vol.12.No.11））

本発明は、被測定物の有する多様な形状の穴を測定することができるようにすることを課題としている。

本発明によれば、測定用光を出力する光源と、光検出部と、第１面内において、前記光源からの測定用光を被測定物側に反射すると共に前記被測定物で反射した前記測定用光を前記光検出部側に反射する第１光反射部と、第２面内において、前記光源からの測定用光を被測定物側に反射すると共に前記被測定物で反射した前記測定用光を前記光検出部側に反射する第２光反射部と、前記光源からの測定用光の進行方向を設定する光進行方向設定部と、前記光進行方向設定部の設定に応じて、前記光源からの測定用光を前記第１光反射部と第２光反射部のいずれかに選択的に導く導光部とを備えて成ることを特徴とする光学式測定装置が提供される。導光部は、光進行方向設定部の設定に応じて、光源からの測定用光を第１光反射部と第２光反射部のいずれかに選択的に導く。第１光反射部に導かれた測定用光は、第１面内において、前記光源からの測定用光を被測定物側に反射すると共に前記被測定物で反射した前記測定用光を前記光検出部側に反射する。第２光反射部に導かれた測定用光は、第２面内において、前記光源からの測定用光を被測定物側に反射すると共に前記被測定物で反射した前記測定用光を前記光検出部側に反射する。これにより、被測定物の形状等が測定される。

前記導光部は、前記光源からの測定用光を前記第１光反射部側に導く第１位置と、前記光源からの測定用光を前記第２光反射部側に導く第２位置をとる光反射部材であるように構成してもよい。
また、前記第１面と第２面は相互に直交する面であるように構成してもよい。

本発明の光学式測定装置によれば、被測定物の有する多様な形状の穴の深さ等を測定することが可能になる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る光学式測定装置について説明する。尚、本発明の実施の形態に係る光学式測定装置は、光源からの測定用光を被測定物に照射し、前記被測定物で反射した前記測定用光を光検出部で検出し、前記光検出部で検出した信号に基づいて算出手段により前記被測定物の形状や所定位置から前記被測定物までの距離等を測定するようにした光学式測定装置である。以下の各図において、同一部分には同一符号を付している。

図１は本発明の実施の形態に係る三角測距方式の光学式測定装置の外観斜視図、図２は図１に示した光学式測定装置の内部を示す正面図、図３は図１に示した光学式測定装置の内部を示す平面図、図４は図１に示した光学式測定装置の内部を示す左側面図で、各々、測定用光が第１面（Ｘ−Ｚ面）内を進む第１測定モードでの配置状態を示す図である。
また、図５〜図７は、測定用光が第２面（Ｘ−Ｙ面）内を進む第２測定モードでの配置を示す図で、図５は図１に示した光学式測定装置の内部を示す正面図、図６は図１に示した光学式測定装置の内部を示す平面図、図７は図１に示した光学式測定装置の内部を示す左側面図である。

図１〜図７において、光学式測定装置１０１は、本体部１０２、複数の光送受信部１０６、１０７、複数の反射部１０８、１０９を備えている。
本体部１０２は、コ字型に形成されており、その両側には複数の脚部１０４、１０５が設けられている。本体部１０２の上部には、複数の光送受信部１０６、１０７が所定位置に固定的に取り付けられている。また、脚部１０４、１０５には、複数の反射部１０８、１０９が上下方向（Ｚ方向）に移動可能な状態で配設されている。光送受信部１０６、１０７は、各々、反射部１０８、１０９に対応付けられている。脚部１０４、１０５間には、被測定物（例えば、油圧回路が形成されたトランスミッションのブロック）１０３がＹ方向に移動可能なように配設される。

被測定物１０３は、入り口の長さ方向が相互に異なる複数の有底穴１１０、１１１、１１２、１１３を有している。穴１１１、１１２は入り口がＺ方向に長くＹ方向に短い直方体状の穴であり、穴１１０、１１３は穴１１１、１１２とは入り口が直交するような形状（入り口がＹ方向に長くＺ方向に短い形状）の直方体状の穴であり、各々、深さがＸ方向の穴である。尚、被測定物１０３は、図示しない制御部及び駆動部により、所定速度でＹ方向に移動可能に保持されている。これにより、被測定物１０３のＹ方向への移動にともなって、被測定物１０３の長さ方向（Ｙ方向）の形状等を測定できるように構成されている。

光送受信部１０６、１０７は、各々、半導体レーザあるいはＬＥＤ等の光源としての発光素子２０１、２０３及び光検出部としての光センサ（例えば、ＰＳＤ（Position Sensitive Detector）あるいはＣＣＤ（Charge Coupled Device）等）２０２、２０４を有している。発光素子２０１、２０３は各々、測定用光を出力する。また、光センサ２０２、２０４は、被測定物１０３で反射して戻ってきた測定用光を検出する。光センサ２０２、２０４で検出した信号に基づいて、算出手段（図示せず）によって所定の算出処理（例えば、三角測距方式の測定原理を用いた算出処理）を行い、穴１１０、１１１、１１２、１１３の形状、被測定物１０３の形状等を算出して、被測定物１０３の光学的な測定を行う。

反射部１０８は、貫通穴２１３を有する支持部２１１、光反射面２０５ａを有する第１反射部としての反射ミラー２０５、光反射面２０７ａを有し測定用光が伝搬する面を変更するための導光部及び光反射部材としての反射ミラー２０７、光反射面２０９ａを有し第２面内で測定用光を伝搬させるための第２光反射部としての反射ミラー２０９、反射ミラー２０７を所定位置に移動させるための光進行方向設定部としての操作部３０１を備えている。

反射ミラー２０５、２０９は支持部２１１に固定して取り付けられている。反射ミラー２０７には操作部３０１が一体的に取り付けられている。反射ミラー２０７は、操作部３０１の操作に応じて２つの位置をとるように、支持部２１１に対してＹ方向及び反Ｙ方向（矢印Ｋ方向）に摺動可能な状態で、支持部２１１に保持されている。支持部２１１は、図示しない制御部及び駆動部により、支持部材としての支持板２１５に沿って光学式測定装置１０１の高さ方向（Ｚ方）に摺動可能に保持されている。これにより、支持部２１１のＺ方向への移動に伴って反射ミラー２０５、２０７、２０９がＺ方向に移動して、被測定物１０３の高さ方向（Ｚ方向）の形状等を測定できるように構成されている。

また、反射部１０９は、貫通穴２１４を有する支持部２１２、光反射面２０６ａを有する第１反射部としての反射ミラー２０６、光反射面２０８ａを有し測定用光が伝搬する面を変更するための導光部及び光反射部材としての反射ミラー２０８、光反射面２１０ａを有し第２面内で測定用光を伝搬させるための第２光反射部としての反射ミラー２１０、反射ミラー２０８を所定位置に移動させるための光進行方向設定部としての操作部３０２を備えている。

反射ミラー２０６、２１０は支持部２１２に固定して取り付けられている。反射ミラー２０８には操作部３０２が一体的に取り付けられている。反射ミラー２０８は、操作部３０２の操作に応じて２つの位置をとるように、支持部２１２に対してＹ方向及び反Ｙ方向（矢印Ｋ方向）に摺動可能な状態で、支持部２１２に保持されている。支持部２１２は、図示しない制御部及び駆動部により、支持部材としての支持板２１６に沿って光学式測定装置１０１の高さ方向（Ｚ方）に摺動可能に保持されている。これにより、支持部２１２のＺ方向への移動に伴って反射ミラー２０６、２０８、２１０がＺ方向に移動して、被測定物１０３の高さ方向（Ｚ方向）の形状等を測定できるように構成されている。

このように図示しない制御部及び駆動部により、被測定物１０３を所定速度でＹ方向に移動させると共に、これに連動して支持部２１１、２１２をＺ方向に移動させながら、複数の方向（本実施の形態では２方向）から、被測定物１０３の形状等を光学的に測定するように構成されている。尚、必ずしも複数の方向から測定できるように構成する必要はなく、一方向から測定するように構成してもよい。この場合、光送受信部１０６及び反射部１０８のみを使用し、光送受信部１０７及び反射部１０９を省略するように構成することができる。

以上のように構成された光学式測定装置１０１の動作を詳細に説明する。
先ず、測定用光が第１面内を伝搬する第１測定モードで、被測定物１０３の穴１１１、１１２の深さや形状を測定する際の動作を、図１〜図４を参照して説明する。
この場合、先ず、反射ミラー２０７、２０８は、図２〜図４に示すように、測定用光の光路外の位置である第１位置に位置して、測定用光の進行を反射せずに導くよう配設されている。

この状態で、発光素子２０１、２０３が測定用光を発生する。発光素子２０１から出力された測定用光は、支持部２１１の貫通穴２１３を介して反射ミラー２０５に到達する。前記測定用光は反射ミラー２０５の光反射面２０５ａで被測定物１０３側に反射されて、被測定物１０３の穴１１１に入射する。穴１１１に入射した測定用光は穴１１１で反射された後、反射ミラー２０５の光反射面２０５ａで再び反射される。

反射ミラー２０５で反射された前記測定用光は支持部２１１の穴２１３を介して、光センサ２０２で検出される。発光素子２０１から出力された後に被測定物１０３で反射されて光センサ２０２に戻るまでの測定用光の光路は第１面内を通る。したがって、測定用光は、その入り口形状が前記第１面方向に長く且つ前記第１面に直交する第２面方向に短い穴１１１の深部まで進入した後に、反射して、光センサ２０２側に戻ってくることが可能である。よって、穴１１１の深部の形状などの測定が可能になる。

一方、発光素子２０３から出力された測定用光は、支持部２１２の貫通穴２１４を介して反射ミラー２０６に到達する。前記測定用光は反射ミラー２０６の光反射面２０６ａで被測定物１０３側に反射されて、被測定物１０３の穴１１２に入射する。穴１１２に入射した測定用光は穴１１２で反射された後、反射ミラー２０６の光反射面２０６ａで再び反射される。
反射ミラー２０６で反射された前記測定用光は支持部２１２の穴２１４を介して、光センサ２０４で検出される。この場合も前記同様に、発光素子２０３から出力された後に被測定物１０３で反射されて光センサ２０４に戻るまでの測定用光の光路は第１面内を通る。したがって、前記測定用光は、入り口形状が前記第１面方向に長く且つ前記第１面に直交する第２面方向に短い穴１１２の深部まで進入した後に、反射して光センサ２０４側に戻ってくることが可能である。よって、穴１１２の深部の形状などの測定が可能になる。

次に、測定用光が第２面内を伝搬する第２測定モードで、被測定物１０３の穴１１０、１１３の深さや形状を測定する際の動作を、図１、図５〜図７を参照して説明する。
この場合、操作者が操作部３０１、３０２を反Ｙ方向に押圧操作することによって、反射ミラー２０７、２０８を、図５〜図７に示すように、測定用光の光路内の位置である第２位置に移動させて、反射ミラー２０７、２０８が測定用光の進行を反射によって導くようにする。

この状態では、発光素子２０１から出力された測定用光は、反射ミラー２０７の反射面２０７ａで反射され、反射ミラー２０９の反射面２０９ａで反射された後、被測定物１０３の穴１１０に入射する。穴１１０に入射した測定用光は穴１１０で反射された後、反射ミラー２０９の光反射面２０９ａ及び反射ミラー２０７の光反射面２０７ａで再び反射される。反射ミラー２０７で反射された前記測定用光は光センサ２０２で検出される。
発光素子２０１から出力された後に被測定物１０３で反射されて光センサ２０２に戻るまでの測定用光の光路は第２面内を通る。したがって、測定用光は、その入り口形状が前記第２面方向に長く且つ前記第２面に直交する第１面方向に短い穴１１０の深部まで進入した後に、反射して光センサ２０２側に戻ってくることが可能である。よって、穴１１０の深部の形状などの測定が可能になる。

一方、発光素子２０３から出力された測定用光は、反射ミラー２０８の反射面２０８ａで反射され、反射ミラー２１０の反射面２１０ａで反射された後、被測定物１０３の穴１１３に入射する。穴１１３に入射した測定用光は穴１１３で反射された後、反射ミラー２１０の光反射面２１０ａ及び反射ミラー２０８の光反射面２０８ａで再び反射される。反射ミラー２０８で反射された前記測定用光は光センサ２０４で検出される。
発光素子２０３から出力された後に被測定物１０３で反射されて光センサ２０４に戻るまでの測定用光の光路は第２面内を通る。したがって、測定用光は、入り口形状が前記第２面方向に長く且つ前記第２面に直交する第１面方向に短い穴１１３の深部まで進入した後に、反射して光センサ２０４側に戻ってくることが可能である。よって、穴１１３の深部の形状などの測定が可能になる。

前記記のような第１測定モード及び第２測定モードでの測定の制御を、反射部１０８、１０９のＺ方向への移動と被測定物１０３の反Ｙ方向への移動とを所定タイミングで同期させながら行うことにより、被測定物１０３全体、あるいは、必要な部位のみの形状等の測定を行う。即ち、前記記のような第１測定モード及び第２測定モードでの測定を、反射部１０８、１０９のＺ方向への移動と被測定物１０３の反Ｙ方向への移動とを所定タイミングで同期させながら駆動部（図示せず）が行うように制御部（図示せず）が制御することによって、被測定物１０３全体、あるいは、必要な部位のみの測定を行う。
このようにして、光センサ２０２、２０３で検出した信号に基づいて、図示しない算出手段によって所定の算出処理を行い、穴１１０、１１１、１１２、１１３の形状、被測定物１０３の形状等を算出する。これにより、被測定物１０３の光学的な測定が終了する。

以上述べたように、本実施の形態に係る三角測距方式の光学式測定装置は、測定用光を出力する光源としての発光素子２０１、２０３と、光検出部として光センサ２０２、２０４と、第１面内において、発光素子２０１、２０３からの測定用光を被測定物１０３側に反射すると共に被測定物１０３で反射した前記測定用光を光センサ２０２、２０４側に反射する反射ミラー２０５、２０６と、第２面内において、発光素子２０１、２０３からの測定用光を被測定物１０３側に反射すると共に被測定物１０３で反射した前記測定用光を光センサ２０２、２０４側に反射する反射ミラー２０９、２１０と、発光素子２０１、２０３からの測定用光の進行方向を設定する操作部３０１、３０２と、操作部３０１、３０２の設定に応じて、発光素子２０１、２０３からの光を、反射ミラー２０５、２０６と、反射ミラー２０９、２１０のいずれかに選択的に導く導光部２０７、２０８とを備えて成ることを特徴としている。

即ち、反射部１０８、１０９は、各穴１１０〜１１３に入射する測定用光が、測定する穴１１０〜１１３の入り口の形状に応じて各穴１１０〜１１３の底部まで到達しやすくなるように、測定用光の伝搬する面を決定して反射を行うように構成している。
したがって、被測定物の有する種々の形状の穴の深さ等を測定することが可能になる。特に、三角測距方式の光学式測定装置には好適である。

尚、前記実施の形態では、反射ミラー２０７、２０８を直線状に２つの位置をとるように移動させることにより、測定用光が相互に直交する第１面、第２面内を伝搬するように構成したが、反射ミラー２０７、２０８を所定角度単位で回転させるように構成する等ことにより、種々の角度の面内を測定用光が伝搬するように構成することが可能になる。これにより、多様な方向に向いた貫通穴や有底穴等の穴をはじめとする多様な形状の穴を有する被測定物を測定することが可能になる。

また、反射ミラー２０５、２０６、２０７、２０８、２０９、２１０は、それらの目的に応じて、反射プリズム等の光の反射や導光を行う部材に置き換えることが可能である。
また、三角測距方式以外の光学式測定装置であっても、往路及び復路が所定の面を形成するような光学式測定装置であれば適用可能である。
また、前記実施の形態ではレンズ系等は省略して説明しているが、測定精度向上等のために、投光レンズや受光レンズなどのレンズ系を使用することが好ましい。

自動車用トランスミッション等をはじめとして、各種の油圧回路が形成されたブロックなど、多様な形状の穴が形成された被測定物や、狭い間隙の形状等の測定を行う光学式測定装置に適用可能である。
また、三角測距方式の光学式測定装置でなくても、往路及び復路が所定の面を形成するような光学式測定装置に適用可能である。

本発明の実施の形態に係る光学式測定装置の概略斜視図である。 本発明の実施の形態に係る光学式測定装置の内部を示す正面である。 本発明の実施の形態に係る光学式測定装置の内部を示す平面図である。 本発明の実施の形態に係る光学式測定装置の内部を示す左側面図である。 本発明の実施の形態に係る光学式測定装置の動作を説明するための内部を示す正面である。 本発明の実施の形態に係る光学式測定装置の動作を説明するための内部を示す平面図である。 本発明の実施の形態に係る光学式測定装置の動作を説明するための内部を示す左側面図である。 一般的な光学式測定の原理を説明するための説明図である。

符号の説明

１０１・・・光学式測定装置
１０２・・・光学式測定装置本体部
１０３、ｍ・・・被測定物
１０４、１０５・・・脚
１０６、１０７・・・光送受信部
１０８、１０９・・・反射部
２０１、２０３、８０１・・・光源としての発光素子
２０２、２０４・・・光検出部としての光センサ
２０５、２０６・・・第１光反射部としての反射ミラー
２０７、２０８・・・導光部及び光反射部材としての反射ミラー
２０９、２１０・・・第２光反射部としての反射ミラー
３０１、３０２・・・光進行方向設定部としての操作部
２０５ａ〜２１０ａ・・・光反射面
２１１、２１２・・・支持部
２１５、２１６・・・支持部材としての支持板
８０２・・・投光レンズ
８０３・・・受光レンズ
８０４・・・ＰＳＤ

Claims (3)

1. 測定用光を出力する光源と、
   光検出部と、
   第１面内において、前記光源からの測定用光を被測定物側に反射すると共に前記被測定物で反射した前記測定用光を前記光検出部側に反射する第１光反射部と、
   第２面内において、前記光源からの測定用光を被測定物側に反射すると共に前記被測定物で反射した前記測定用光を前記光検出部側に反射する第２光反射部と、
   前記光源からの測定用光の進行方向を設定する光進行方向設定部と、
   前記光進行方向設定部の設定に応じて、前記光源からの測定用光を前記第１光反射部と第２光反射部のいずれかに選択的に導く導光部とを備えて成ることを特徴とする光学式測定装置。
2. 前記導光部は、前記光源からの測定用光を前記第１光反射部側に導く第１位置と、前記光源からの測定用光を前記第２光反射部側に導く第２位置をとる光反射部材であることを特徴とする請求項１記載の光学式測定装置。
3. 前記第１面と第２面は相互に直交する面であることを特徴とする請求項１又は２記載の光学式測定装置。

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