JP2011215038A

JP2011215038A - 変位センサ

Info

Publication number: JP2011215038A
Application number: JP2010084486A
Authority: JP
Inventors: Yoji Nakahara; 陽司中原; 靖志 ▲榊▼原; Yasushi Sakakibara
Original assignee: Panasonic Electric Works SUNX Co Ltd
Current assignee: Panasonic Industrial Devices SUNX Co Ltd
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2011-10-27

Abstract

【課題】測定部位毎の態様が急変しても、安定して適切な測定を行うことができる変位センサを提供する。
【解決手段】フィードバック回数設定部１９及び制御部１６にて１出力周期において複数回の調整の設定がなされると、制御部１６はその最後のフィードバック調整後の測定値信号の出力を行い、受光信号が安定するまでの過渡期における測定値の排除が行われる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学的手段を用いる変位センサに関するものである。

従来、この種の変位センサとして、測定する対象物の変位や表面形状等を三角測量の原理を用いて測定するものが知られている。この種の変位センサでは、投光部から光を対象物に照射させて、その対象物からの反射光をイメージセンサ等の受光部にて受光し、その受光信号から得られる測定値信号を出力して対象物の変位や表面形状等の測定を行うものである。

ところで、このような変位センサにおいては、投光部の投光量が一定であったとしても、例えば対象物の測定部位毎での表面状態や材質等が変化することに起因する反射率の変化により受光部での受光量が大きく変動してしまい、適切な測定がなされない虞があった。

そこで、例えば特許文献１にて示されているように、受光部の受光に基づいて投光部の投光量や受光部の増幅率等をフィードバック調整し、対象物に対しても適切な測定が行われるように構成されているものがある。

特開２００６−１０３６１号公報

ところで、対象物の測定部位毎で反射率が急変するような場合では、フィードバック調整を複数回行った後でやっと受光量が安定してくるため、複数回のフィードバック調整を経ての測定が必要となる。しかしながら、単純に複数回のフィードバック調整を行う構成としただけでは、毎度の測定値信号に受光量が安定するまでの過渡期における測定値が含まれるため、正確な測定結果が得られない虞があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、測定部位毎の態様が急変しても、安定して適切な測定を行うことができる変位センサを提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、対象物に光を照射する投光手段と、その照射に基づく前記対象物からの反射光を受光し受光信号を得る受光手段と、前記受光信号に基づいて前記対象物の測定を行うとともに、その測定結果である測定値信号を出力する測定手段と、前記受光手段での受光量に基づいてフィードバック調整するフィードバック調整手段とを備え、前記測定手段での各測定毎に、測定に先立って前記フィードバック調整手段でフィードバック調整を行う変位センサであって、前記フィードバック調整手段では、前記測定手段から測定値信号を出力する１出力周期において、フィードバック調整を複数回に設定可能とされており、前記測定手段は、前記フィードバック調整が複数回に設定された際には、最後のフィードバック調整後の測定結果である測定値信号の出力を行うことをその要旨とする。

この発明では、フィードバック調整手段にて１出力周期において複数回の調整の設定がなされると、測定手段はその最後のフィードバック調整後の測定値信号の出力を行う。これにより、受光信号が安定するまでの過渡期における測定値が排除可能となるため、安定して適切な測定が可能となる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の変位センサにおいて、前記測定手段は、前記受光手段からの受光信号に基づいて所定の算出処理を経て前記測定値信号を生成するものであり、前記フィードバック調整が複数回に設定された際には最終調整前の算出処理を停止し、最終調整後のみの算出処理を経て前記測定値信号の出力を行うことをその要旨とする。

この発明では、測定手段は、受光手段からの受光信号から所定の算出処理を経て測定値信号を生成しており、フィードバック調整が複数回に設定された際には最終調整前の算出処理を停止し、最終調整後のみの算出処理を経て測定値信号の出力を行う。これにより、不要な算出処理が行われないことから、対象物の測定にかかる処理負荷が軽減され、測定の高速化に寄与できる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の変位センサにおいて、前記フィードバック調整手段は、調整回数を使用者が設定可能に構成されたことをその要旨とする。
この発明では、フィードバック調整手段は、使用者にて調整回数が設定可能に構成されるため、測定対象物等に応じてその調整回数を使用者側で任意に設定変更することで、適切な測定のより安定化か、測定の高速化かが使用者側で選択可能となる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の変位センサにおいて、前記最後のフィードバック調整後に得られる前記受光信号のレベルが想定範囲外である場合には、外部に異常として報知する報知手段を備えたことをその要旨とする。

この発明では、最後のフィードバック調整後に得られる受光信号のレベルが想定範囲外である場合に、報知手段にて外部への異常の報知が行われる。これにより、測定に何らかの異常が生じている等を使用者に認識させることができ、迅速な対処が可能となる。また、使用者にてフィードバック調整回数を設定可能な場合では、その回数が不適であることも使用者に認識させることができ、再設定を促すことが可能となる。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の変位センサにおいて、前記最後のフィードバック調整後に得られる前記受光信号のレベルが想定範囲外である場合には、前記測定手段は、前記測定値信号の出力を停止することをその要旨とする。

この発明では、最後のフィードバック調整後に得られる受光信号のレベルが想定範囲外である場合に、測定手段は測定値信号の出力を停止する。これにより、異常な測定値がより確実に排除できるため、より安定した適切な測定が可能となる。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の変位センサにおいて、前記最後のフィードバック調整後に得られる前記受光信号のレベルが想定範囲外である場合には、前記フィードバック調整手段は、現状の調整回数から増加させることをその要旨とする。

この発明では、最後のフィードバック調整後に得られる受光信号のレベルが想定範囲外である場合に、フィードバック調整手段は現状の調整回数から増加させる。つまり、フィードバック調整が不十分であるとしてその調整回数が自動的に増加されることで、より安定した適切な測定が可能となる。また、その調整回数が自動的に変更されるため、使用者の煩雑な操作は生じない。

本発明によれば、測定部位毎の態様が急変しても、安定して適切な測定を行うことができる変位センサを提供することができる。

本実施形態における変位センサの電気的構成を示すブロック図である。変位センサの一部を示す概略構成図である。変位センサの一部を示す斜視図である。（ａ）（ｂ）は測定処理を示すフローチャートである。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１〜図３に示すように、本実施形態の変位センサ１０は、レーザ光源１１及び二次元ＣＣＤ１４を備えている。この変位センサ１０は、レーザ光源１１から出射された光を挿通板１２のスリット１２Ａを通過させて線状にし、その線状の光を対象物Ｗの表面に照射させ、その対象物Ｗからの反射光を二次元ＣＣＤ１４の撮像面１４Ａ上にて受光する。このとき、撮像面１４Ａ上に形成される受光像（受光中心位置）は、変位センサ１０と対象物の表面（被照射面）までの距離に応じて変化するため、対象物Ｗの表面の形状に応じて変化する。例えば対象物Ｗの表面が平坦である場合には、撮像面１４Ａ上に形成される受光像は上記スリット１２Ａの開口形状と同じ形状（例えば直線状）になる。また、その表面が基準面よりも変位している場合には、受光中心位置からオフセットした位置に受光像が現れる。このため、撮像面１４Ａ上に形成される受光像（受光中心位置）に基づいて対象物Ｗの変位や表面形状等を測定することができる。

なお、本実施形態の対象物Ｗは、反射率が互いに異なる複数の部分を有し、反射率が不均一なものである。具体的には、対象物Ｗは、高反射率の材料（例えばアルミなどの金属）からなる部位ＷＡと、低反射率の材料（例えば黒色樹脂）からなる部位ＷＢとを有する。

次に、変位センサ１０の電気的構成を図１に従って説明する。
図１に示すように、変位センサ１０は、レーザ光源１１と、挿通板１２と、レーザ駆動回路１３と、二次元ＣＣＤ１４と、ＣＣＤ駆動回路１５と、当該変位センサ１０全体を制御する制御部１６と、データ処理部１７と、メモリ１８と、フィードバック回数設定部１９とを備える。

レーザ光源１１は、制御部１６によって駆動制御されるレーザ駆動回路１３から供給される駆動電流に基づいて、レーザ光を対象物Ｗに投光（照射）する。この投光に基づく対象物Ｗからの反射光は、複数の画素を有する二次元ＣＣＤ１４の撮像面１４Ａ上に入射される。二次元ＣＣＤ１４は、撮像面１４Ａの各画素に入射（受光）された光を、その受光量に応じたレベルの電気信号（受光信号）に変換してＣＣＤ駆動回路１５に出力する。このＣＣＤ駆動回路１５は、撮像面１４Ａ上に形成される線状の受光像に沿った走査線Ｌ（図３参照）毎に上記受光信号を順次読み取り、その受光信号を制御部１６に出力する。これにより、制御部１６は、一次元の受光量分布に相当する時系列の受光信号（受光波形）を走査線Ｌ毎に得る。

制御部１６は、ＣＣＤ駆動回路１５からの受光信号に基づいて、走査線Ｌ毎に受光中心位置を検出して対象物Ｗの表面形状を測定し、測定値信号を生成する。詳述すると、上記二次元ＣＣＤ１４の撮像面１４Ａにおける反射光の受光中心位置は変位センサ１０から対象物Ｗの表面までの距離に応じて変化し、これに伴って上記受光中心位置に対応する受光波形の重心位置も変化する。そこで、制御部１６は、走査線Ｌ毎に読み取られた受光信号に基づいて受光波形における重心位置を算出し、その算出した重心位置を走査線Ｌの受光中心位置として検出する。そして、制御部１６は、上述の各走査線Ｌ上における受光中心位置を検出する処理を各走査線Ｌについてそれぞれ行う。これにより、対象物に対する受光像を得ることができ、光が照射された部位の表面形状や高低差（変位）等を測定することができる。さらに、制御部１６は、当該変位センサ１０と対象物Ｗとを相対的に移動させつつ同様の表面形状測定を各部位に対して行うことにより、対象物Ｗ全体の表面形状についても測定することが可能である。

なお、データ処理部１７は、有線又は無線により当該変位センサ１０に接続される外部機器との間でデータの双方向通信が可能になっており、例えば制御部１６にて生成した測定値信号を表示装置（図示略）に出力してその測定結果の表示等が行われる。また、メモリ１８は、制御部１６の各種の処理動作を行う際の各種の情報等を保持するために用いられるものである。

また、制御部１６は、二次元ＣＣＤ１４からの受光信号に基づいて、レーザ光源１１の投光量（投光出力、投光時間）、二次元ＣＣＤ１４の露光時間や受光信号の増幅率等のフィードバック調整を行う機能を有している。即ち、対象物Ｗの測定部分が高反射率の部位ＷＡから低反射率の部位ＷＢにその反射率が急変する最初の測定等において、受光量レベルが過大となる場合があり、正確な測定結果が得られない虞がある。そこで、フィードバック調整を行う機能が備えられる。また、反射率が大きく異なる例えば部位ＷＡ，ＷＢを連続して測定するような場合、そのフィードバック調整により正確な測定結果に近づくには複数回調整を行うことが望ましいことから、本実施形態ではフィードバック回数設定部１９が備えられ、１出力周期におけるフィードバック調整の回数が使用者にて設定できるように構成されている。

次に、当該変位センサ１０における制御部１６の測定処理を図４（ａ）（ｂ）に従って説明する。
ステップＳ１において、使用者の設定操作に基づくフィードバック回数設定部１９での１出力周期におけるフィードバック調整回数の設定に基づいて、そのフィードバック調整回数が読み取られる（ＦＢ回数読取）。

ステップＳ２では、制御部１６は、レーザ駆動回路１３を通じて駆動電流をレーザ光源１１に供給し、そのレーザ光源１１からレーザ光を対象物Ｗに向けて照射させる。
ステップＳ３では、その照射に基づく対象物Ｗからの反射光が二次元ＣＣＤ１４の撮像面１４Ａ上に受光され、その撮像面１４Ａ上に線状の受光像が形成される。制御部１６は、ＣＣＤ駆動回路１５を介して二次元ＣＣＤ１４から受光信号が入力される。

ステップＳ４では、ステップＳ１で読み取ったフィードバック調整回数がゼロより大きいかが判定される。フィードバック調整回数がゼロより大、即ちその設定回数分のフィードバック調整が行われていない場合は、ステップＳ５に進み、入力した受光信号に基づいて、次のレーザ光源１１の投光態様や二次元ＣＣＤ１４の受光態様の調整のための係数が設定される（ＦＢ係数設定）。そして、ステップＳ６では、フィードバック調整回数の減算が行われ、ステップＳ２に戻る。

つまり、ステップＳ２〜Ｓ６は、設定された回数分のフィードバック調整が行われるまでループし、設定回数分のフィードバック調整が行われると、ステップＳ４からステップＳ７に移行する。

ステップＳ７では、制御部１６は、所定回数のフィードバック調整が行われた後に入力された受光信号に基づいて変位等の測定のための算出を行い（変位算出）、ステップＳ８では、その算出結果を測定値信号として出力する。

因みに、１出力周期においてフィードバック調整回数が２回に設定された場合での測定処理を図４（ｂ）にて示す。
この処理フローからわかるように、フィードバック調整回数が２回行われた後の最終的な受光信号に基づいて測定値信号の生成・出力が行われ、その前の受光後の測定値信号の生成・出力は行わない。従って、受光信号が安定するまでの過渡期における測定値の排除がなされるため、変位センサ１０から出力される測定値信号は信頼性の高いものであり、安定して適切な測定ができるようになっている。

なお、変位センサ１０には、音声や表示等で外部に報知する報知部２０が備えられている。報知部２０は、制御部１６にて最後のフィードバック調整後に得られる受光信号のレベルが想定範囲外（予め設定した所定範囲外）であると判定した場合に、外部（使用者）に異常として報知するように動作する。またこの場合、制御部１６は、測定値信号が適切でないとしてその信号の出力を停止するようになっている。

次に、本実施形態の特徴的な作用効果を記載する。
（１）本実施形態では、フィードバック回数設定部１９及び制御部１６にて１出力周期において複数回の調整の設定がなされると、制御部１６はその最後のフィードバック調整後の測定値信号の出力を行うようにしている。これにより、制御部１６に入力される受光信号が安定するまでの過渡期における測定値が排除可能となるため、安定して適切な測定を行うことができる。

（２）本実施形態では、制御部１６は、二次元ＣＣＤ１４からの受光信号から所定の算出処理を経て測定値信号を生成しており、フィードバック調整が複数回に設定された際には最終調整前の算出処理を停止し、最終調整後のみの算出処理を経て測定値信号の出力を行うようにしている。これにより、不要な算出処理が行われないことから、対象物Ｗの測定にかかる処理負荷を軽減でき、測定の高速化に寄与することができる。

（３）本実施形態では、フィードバック回数設定部１９は、使用者にて調整回数が設定可能に構成されている。そのため、測定対象物Ｗ等に応じてその調整回数を使用者側で任意に設定変更することで、適切な測定のより安定化か、測定の高速化かが使用者側で選択することができる。

（４）本実施形態では、制御部１６にて最後のフィードバック調整後に得られる受光信号のレベルが想定範囲外である判定がなされた場合に、報知部２０は外部への異常の報知を行うようにしている。これにより、測定に何らかの異常が生じている等を使用者に認識させることができ、迅速な対処が可能となる。また、使用者にてフィードバック調整回数を設定可能な本実施形態のような場合では、その回数が不適であることも使用者に認識させることができ、再設定を促すことができる。

（５）本実施形態では、制御部１６にて最後のフィードバック調整後に得られる受光信号のレベルが想定範囲外である判定がなされた場合に、該制御部１６は測定値信号の出力を停止するようにしている。これにより、異常な測定値がより確実に排除できるため、より安定した適切な測定を行うことができる。

なお、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、投光手段としてレーザ光源１１を用いたが、他の投光手段を用いてもよい。また、挿通板１２のスリット１２Ａを介して線状の光を生じさせたが、スポット光を生じる投光手段を測定対象物Ｗと相対移動させて線状の光を生じさせてもよい。また、線状の光以外で測定を行ってもよい。

・上記実施形態では、撮像素子として二次元ＣＣＤ１４を用いたが、他の撮像素子に変更してもよい。例えば撮像素子として二次元ＣＭＯＳを用いてもよい。また、これら撮像素子以外の受光素子を用いてもよい。

・上記実施形態では、フィードバック回数設定部１９は、使用者にてフィードバック調整回数が設定可能に構成されているが、予め調整回数が設定された例えば出荷時に固定の回数が設定されていてもよい。

・上記実施形態では、フィードバック調整が複数回に設定された際に最終調整前の算出処理を停止し、最終調整後のみ算出処理を行うようにしたが、最終調整前も算出処理を行って単に測定値信号の出力を停止するようにしてもよい。

・上記実施形態では、最後のフィードバック調整後に得られる受光信号のレベルが想定範囲外である場合に、報知部２０にて音声や表示等の報知を行うとともに、測定値信号の出力を停止する態様としたが、そのいずれか一方のみを行う態様としてもよい。また、両方を行わなくてもよい。報知部２０が不要であれば、省略してもよい。

また、最後のフィードバック調整後に得られる受光信号のレベルが想定範囲外である場合に、制御部１６にて自動的に現状のフィードバック調整回数から増加させるようにしてもよい。つまり、フィードバック調整が不十分であるとしてその調整回数が自動的に増加されることで、より安定した適切な測定が可能となる。また、その調整回数が自動的に変更されるため、使用者の煩雑な操作は生じない。

・上記実施形態の制御部１６での測定にかかる算出処理は一例であるため、他の算出処理を用いるものに適用してもよい。
・上記実施形態の処理フローは一例であるため、その構成を適宜変更してもよい。

１０…変位センサ、１１…レーザ光源（投光手段）、１４…二次元ＣＣＤ（受光手段）、１６…制御部（測定手段、フィードバック調整手段）、１９…フィードバック回数設定部（フィードバック調整手段）、２０…報知部（報知手段）、Ｗ…対象物。

Claims

対象物に光を照射する投光手段と、
その照射に基づく前記対象物からの反射光を受光し受光信号を得る受光手段と、
前記受光信号に基づいて前記対象物の測定を行うとともに、その測定結果である測定値信号を出力する測定手段と、
前記受光手段での受光量に基づいてフィードバック調整するフィードバック調整手段とを備え、
前記測定手段での各測定毎に、測定に先立って前記フィードバック調整手段で前記フィードバック調整を行う変位センサであって、
前記フィードバック調整手段では、前記測定手段から測定値信号を出力する１出力周期において、フィードバック調整を複数回に設定可能とされており、
前記測定手段は、前記フィードバック調整が複数回に設定された際には、最後のフィードバック調整後の測定結果である測定値信号の出力を行うことを特徴とする変位センサ。
請求項１に記載の変位センサにおいて、
前記測定手段は、前記受光手段からの受光信号に基づいて所定の算出処理を経て前記測定値信号を生成するものであり、前記フィードバック調整が複数回に設定された際には最終調整前の算出処理を停止し、最終調整後のみの算出処理を経て前記測定値信号の出力を行うことを特徴とする変位センサ。
請求項１又は２に記載の変位センサにおいて、
前記フィードバック調整手段は、調整回数を使用者が設定可能に構成されたことを特徴とする変位センサ。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の変位センサにおいて、
前記最後のフィードバック調整後に得られる前記受光信号のレベルが想定範囲外である場合には、外部に異常として報知する報知手段を備えたことを特徴とする変位センサ。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の変位センサにおいて、
前記最後のフィードバック調整後に得られる前記受光信号のレベルが想定範囲外である場合には、前記測定手段は、前記測定値信号の出力を停止することを特徴とする変位センサ。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の変位センサにおいて、
前記最後のフィードバック調整後に得られる前記受光信号のレベルが想定範囲外である場合には、前記フィードバック調整手段は、現状の調整回数から増加させることを特徴とする変位センサ。