JP6946659B2

JP6946659B2 - 光学式変位センサおよびそれを備えるシステム

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Publication number: JP6946659B2
Application number: JP2017031303A
Authority: JP
Inventors: 智則近藤
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2017-02-22
Filing date: 2017-02-22
Publication date: 2021-10-06
Anticipated expiration: 2037-02-22
Also published as: CN108458660B; US10168422B2; TWI630369B; CN108458660A; TW201831859A; US20180239003A1; JP2018136218A; KR20180097118A; KR102124099B1

Description

本発明は、光学式変位センサ、および、その光学式変位センサを含むシステムに関する。

目的とする変位（移動量あるいは寸法など）を光学的に測定する光学式変位センサが知られている。たとえば特開２００１−２８０９５１号公報（特許文献１）は、投光手段と受光手段と、演算手段とを備えた光学式変位センサを開示する。

特開２００１−２８０９５１号公報

特開２００１−２８０９５１号公報（特許文献１）に記載された光学式変位センサは、フリーランで計測を実行する。ユーザの用途に応じて、計測のための露光の最適なタイミングが存在すると考えられる。しかし、上記のセンサでは、ユーザの用途に応じた適切なタイミングで計測対象物を露光することができない。

本発明の目的は、ユーザの用途に応じて最適な露光タイミングを設定可能な光学式変位センサ、および、そのような光学式変位センサを含むシステムを提供することである。

本発明のある局面に係る光学式変位センサは、計測対象物に投光する投光部と、計測対象物からの反射光を受光して受光データを生成する受光部と、受光データに基づいて計測対象物の変位量を算出する処理部と、タイミング同期信号を受信する入力部と、処理部によって算出された変位量を出力する出力部とを備える。処理部は、入力部により受信されたタイミング同期信号に応答して、投光部が計測対象物に投光する時間と受光部が反射光を受光する時間との重なりによって定まる露光時間を制御する。

好ましくは、処理部は、露光時間の開始のタイミングを、変位量の測定周期の開始のタイミングに一致させる。

好ましくは、処理部は、露光時間の終了のタイミングを、変位量の測定周期の終了のタイミングに一致させる。

好ましくは、処理部は、露光時間の中心のタイミングを、変位量の測定周期の中心のタイミングに一致させる。

好ましくは、入力部は、露光時間の制御に関するユーザの設定を受け付ける。処理部は、設定に基づいて、露光時間の開始のタイミングを、変位量の測定周期の開始のタイミングに一致させる第１の制御、露光時間の終了のタイミングを、測定周期の終了のタイミングに一致させる第２の制御、または、露光時間の中心のタイミングを、測定周期の中心のタイミングに一致させる第３の制御のうち少なくとも２つを含む複数の制御のうちの１つの制御を選択する。

本発明のある局面に係るシステムは、上述のいずれかに記載された、少なくとも１つの光学式変位センサと、タイミング同期信号を発生させる制御機器とを備える。

好ましくは、少なくとも１つの光学式変位センサは、第１の光学式変位センサと、第２の光学式変位センサとを含む。第１の光学式変位センサの投光部および受光部は、第２の光学式変位センサの投光部および受光部と、計測対象物を挟んで対向配置される。第１の光学式変位センサおよび第２の光学式変位センサの各々の処理部は、露光時間の中心のタイミングを、変位量の測定周期の中心のタイミングに一致させる。

本発明によれば、ユーザの用途に応じた最適な露光タイミングを設定可能な光学式変位センサおよびシステムを提供することができる。

本発明の実施の形態に係る光学式変位センサを含むシステムの構成を示した図である。図１に示す光学式変位センサの構成を説明するブロック図である。本発明の実施の形態に係る露光制御を説明する波形図である。本発明の実施の形態による露光制御の応用例を説明するための図である。本発明の実施の形態による露光制御の別の応用例を説明するための図である。図５に示したシステムの２つの光学式変位センサが露光タイミングを同期しない場合における、２つの光学式変位センサの各々の露光タイミングを示した図である。本発明の実施の形態に従う露光制御を図５に記載のシステムに適用した場合の露光タイミングを示した図である。２つの光学式変位センサによるワークの厚みの測定の際に生じる誤差を説明するための図である。ワーク位置の変動を考慮した場合における、本発明の実施の形態に従う露光制御の露光タイミングを示した図である。

本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰り返さない。

図１は、本発明の実施の形態に係る光学式変位センサを含むシステムの構成を示した図である。図１に示すように、システム１００は、制御機器１と、通信線２と、光学式変位センサ３とを含む。制御機器１は、たとえばＰＬＣ（Programmable Logic Controller）により実現可能である。

制御機器１は、所定の測定タイミングで、タイミング同期信号を光学式変位センサ３に送る。光学式変位センサ３は、通信線２を介して、タイミング同期信号を受信して、ステージ５の上に置かれたワーク（計測対象物）５１を撮像する。光学式変位センサ３は、撮像により得られた受光データから、ワーク５１の変位を算出して、その算出された変位量を制御機器１に送る。制御機器１は、通信線２を介して変位量を取得して、その変位量から、ワーク５１の厚みあるいは段差等の測定値を算出する。

光学式変位センサ３は、センサコントローラ１１と、センサヘッド１２と、ケーブル１３とを含む。センサヘッド１２は、ケーブル１３によってセンサコントローラ１１に接続される。

センサコントローラ１１は、インターフェース部３１と、処理部３２とを含む。インターフェース部３１は、通信線２に接続される。インターフェース部３１は、入力部３５と、出力部３６とを含む。入力部３５は、タイミング同期信号を、通信線２を介して制御機器１から受信する。出力部３６は、光学式変位センサ３において算出された変位量を、通信線２を介して制御機器１に出力する。

処理部３２は、たとえばＣＰＵ（Central Processing Unit）あるいはＦＰＧＡ(Field Programmable Gate Array）等の半導体集積回路によって実現可能である。処理部３２は、露光制御部４１と、演算部４２とを含む。

露光制御部４１は、タイミング同期信号に応答して、センサヘッド１２の露光タイミングを制御するための制御信号を生成するとともに、その制御信号を、ケーブル１３を介してセンサヘッド１２に送信する。露光制御の詳細については後に詳細に説明される。

演算部４２は、センサヘッド１２から送られた受光データを受けて、その受光データから、ワーク５１の現在の変位量（測定値）を算出する。その算出された変位量は、演算部４２から出力部３６に送られる。

センサヘッド１２は、投光部３３および受光部３４を有する。投光部３３は、制御信号に応じて、ワーク５１に投光する。受光部３４は、制御信号に応じて、ワーク５１からの反射光を受光して、その受光量を表す受光データを出力する。

図２は、図１に示す光学式変位センサの構成を説明するブロック図である。図２に示すように、投光部３３は、光源としての発光素子４３、および投光回路４４を含む。受光部３４は、受光素子４５と、アンプ４６と、Ａ／Ｄコンバータ４７とを含む。受光素子４５は、たとえばＣＣＤイメージセンサ、ＣＭＯＳイメージセンサなどの撮像素子であり、シャッタ機能を有する。

図２を参照しながら、本発明の実施の形態に係る露光制御方法について説明する。処理部３２は、ユーザの設定により、露光制御方法を切り替える。処理部３２は、タイミング同期信号を受け付けて、露光制御を実行する。露光制御とは、具体的には、発光素子４３の発光制御と受光素子４５のシャッタの制御である。投光回路４４は、処理部３２の発光制御により、発光素子４３を点灯させる。具体的には、投光部３３は、同期タイミング信号を基準として、ユーザが指定したタイミングで投光する。

さらに、処理部３２は、受光素子４５のシャッタを制御する。規定の露光周期の開始時に受光素子４５のシャッタが開けられて、その露光周期の終了時に受光素子４５のシャッタが閉じられる。なお、本実施の形態では、受光素子４５のシャッタ開放時間は投光部３３の投光時間よりも長い。したがって、受光素子４５は、投光部３３がワークに投光する間にワークから反射した光を受光する。これにより、受光素子４５に電荷が蓄積される。

露光が終了すると、受光素子４５に蓄積された電荷が受光信号として受光素子４５から出力され、受光信号はアンプ４６に入力される。アンプ４６は、受光素子４５から出力された受光信号を増幅する。Ａ／Ｄコンバータ４７は、アンプ４６の出力信号をデジタル信号に変換して受光データを生成する。受光データは受光部３４から出力されて処理部３２に入力される。処理部３２は受光データから変位量を算出する。

この実施の形態では、センサヘッド１２とセンサコントローラ１１とが分離されている。しかし、本発明の実施の形態では、投光部および受光部がセンサコントローラ１１に統合されていてもよい。

図３は、本発明の実施の形態に係る露光制御を説明する波形図である。図３に示されるように、たとえばタイミング同期信号の立下りが測定周期の開始のタイミングを示す。タイミング同期信号の立上がりが測定周期の開始のタイミングを示してもよい。

露光時間は、受光素子４５（図２参照）のシャッタの開放時間と、発光素子４３（図２参照）の投光時間との重なりの時間に相当する。したがって露光時間の間、受光素子４５はワークからの反射光を受光して、電荷を蓄積する。

本発明の実施の形態では、光学式変位センサ３は、以下に説明する露光制御パターン（Ａ）〜（Ｃ）の中から１つの露光制御パターンを選択することができる。処理部３２は、入力部３５を介してユーザの設定を受け付けることにより、露光制御パターンを切り替えることができる。したがって本発明の実施の形態によればユーザの用途に応じた最適な露光方法を選択することができる。

露光制御パターン（Ａ）が選択された場合、露光終了のタイミングが測定周期の終了のタイミングに一致するように、露光が制御される。露光制御パターン（Ｂ）が選択された場合、露光開始のタイミングが測定周期の開始のタイミングに一致するように、露光が制御される。露光制御パターン（Ｃ）が選択された場合、露光時間の中心が測定周期の中心に一致するように、露光が制御される。

本発明の実施の形態では、複数の露光制御パターンは、露光制御パターン（Ａ）〜（Ｃ）のいずれか２つであってもよい。あるいは複数の露光制御パターンは、露光制御パターン（Ａ）〜（Ｃ）に加えて、他の露光制御パターンを含んでもよい。たとえば測定周期の開始から遅延時間Ｔｄ（露光制御パターン（Ｃ）の波形を参照）が経過したときに露光が開始されるように、露光が制御されてもよい。遅延時間Ｔｄは、固定された時間であってもよく、ユーザが設定可能であってもよい。

また、本発明の別の実施の形態では、光学式変位センサ３の処理部３２は、図３に示す露光制御パターン（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）のうちのいずれか１つの露光制御パターンのみ有していてもよい。露光制御パターンの数は複数であると限定されるものではない。

図４は、本発明の実施の形態による露光制御の応用例を説明するための図である。図４では、３Ｄマッピングのためのワーク５１（図１を参照）の変位計測の例が示される。

タイミング同期信号の光学式変位センサ３への入力により、測定周期が開始される。測定周期ごとにワーク５１が撮像されて、光学式変位センサ３は変位量（測定値）を算出する。光学式変位センサ３は、その測定値を外部に出力する。

たとえば、露光制御パターン（Ａ）の場合、光学式変位センサ３は、測定周期の終了を基準として、必要な時間だけワーク５１を露光する。しかし、ワーク５１が光学式変位センサ３のセンサヘッド１２に対して相対的に移動するので、露光開始時（撮像開始時）のワーク５１の位置は、測定したいワーク５１の位置に対してずれる。

複数の光学式変位センサ３によりワーク５１を撮像する場合には、測定値は露光時間内のワーク５１の位置の平均に近い値になる。しかし、複数のセンサの間での露光時間がばらついた場合には、測定値に誤差が生じやすい。

この応用例では、露光時間の開始のタイミングを測定周期の開始のタイミングに一致させる制御（図３に示す露光制御パターン（Ｂ））が適する。露光制御パターン（Ｂ）を選択することにより、測定したいワークの位置に対する撮像時のワークの位置のずれを小さくすることができる。

図５は、本発明の実施の形態による露光制御の別の応用例を説明するための図である。図５では、ワーク５１（図１を参照）の厚みを変位量として計測するシステムの構成例が示される。システム１０１は、制御機器１と、通信線２と、光学式変位センサ３Ａ，３Ｂとを含む。光学式変位センサ３Ａ，３Ｂの各々の構成は、光学式変位センサ３の構成（図１を参照）と同じであるので以後の説明は繰り返さない。光学式変位センサ３Ａのセンサヘッド１２と、光学式変位センサ３Ｂのセンサヘッド１２とは対向して配置される。すなわち光学式変位センサ３Ａの投光部および受光部は、光学式変位センサ３Ｂの投光部および受光部と、ワーク５１を挟んで対向配置される。

図６は、図５に示したシステムの２つの光学式変位センサが露光タイミングを同期しない場合における、２つの光学式変位センサの各々の露光タイミングを示した図である。図６を参照して、「センサ（１）」は光学式変位センサ３Ａを表し、「センサ（２）」は光学式変位センサ３Ｂを表す（以下の図においても同様）。光学式変位センサ３Ａ，３Ｂの各々は、それぞれの露光タイミングに従って、ワーク５１を露光する。このため、光学式変位センサ３Ａ，３Ｂの間では露光タイミングのずれが大きくなりやすい。露光タイミングのずれが大きいほど測定誤差が大きくなりやすい。

図７は、本発明の実施の形態に従う露光制御を図５に記載のシステムに適用した場合の露光タイミングを示した図である。図７に示されるように、タイミング同期信号を基準として、露光タイミングが決定される。光学式変位センサ３Ａ，３Ｂの各々の処理部３２（露光制御部４１）は、タイミング同期信号に同期して露光を開始する。具体的には、光学式変位センサ３Ａ，３Ｂの各々の露光制御部４１は、露光開始のタイミングを測定周期の開始に一致させる。

このような制御によれば、光学式変位センサ３Ａ，３Ｂの間で露光開始のタイミングを揃えることができる。露光タイミングのずれを小さくすることができるので、目的の位置と、ワーク５１の変位を測定する位置との間のずれを小さくすることができる。したがって図５に示したシステム１０１において、ワーク５１の厚みの測定の誤差を低減することができる。

光学式変位センサ３Ａ，３Ｂは、各々にとって必要な時間だけ露光する。したがって、光学式変位センサ３Ａ，３Ｂの間で露光時間の長さが異なり得る。図５に示したシステムにおいてワーク５１の厚みを測定する際に、ワーク５１のばたつき、振動などにより、測定誤差が生じる可能性がある。

図８は、２つの光学式変位センサによるワークの厚みの測定の際に生じる誤差を説明するための図である。図８に示されるように、測定値は露光時間内のワーク位置の平均付近となる。光学式変位センサ３Ａ，３Ｂの間では露光時間の長さが異なる。このため、測定周期の終了を基準として光学式変位センサ３Ａ，３Ｂの各々の露光タイミングを決定した場合には、測定値が光学式変位センサ３Ａ，３Ｂの間で異なり得る。このため、測定誤差が大きくなりやすい。

図９は、ワーク位置の変動を考慮した場合における、本発明の実施の形態に従う露光制御の露光タイミングを示した図である。図９に示されるように、測定周期の中心と露光時間の中心とが一致するように、光学式変位センサ３Ａ，３Ｂの各々の露光制御部４１は、光学式変位センサ３Ａ，３Ｂの各々の露光タイミングを設定する。これにより、光学式変位センサ３Ａ，３Ｂの各々の間で露光時間が異なる場合も、測定誤差を小さくすることができる。

上記の通り、露光時間は、投光素子の投光タイミングと、受光素子のシャッタのタイミングとによって決定される。本発明の実施の形態では、光学式変位センサの外部から入力されるタイミング同期信号に応じて露光時間を制御する。これにより、任意のタイミングで露光することができる。この結果、より正確な変位の測定が可能になる。

本発明の実施形態は、撮像素子のシャッタ時間または光源の点灯時間により露光時間を制御する光学式変位センサに広く適用可能である。したがって、変位を計測するための方式は特に限定されず、たとえば三角測距方式の変位センサ、同軸共焦点方式の変位センサ等に本発明は適用可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１制御機器、２通信線、３，３Ａ，３Ｂ光学式変位センサ、５ステージ、１１センサコントローラ、１２センサヘッド、１３ケーブル、３１インターフェース部、３２処理部、３３投光部、３４受光部、３５入力部、３６出力部、４１露光制御部、４２演算部、４３発光素子、４４投光回路、４５受光素子、４６アンプ、４７Ａ／Ｄコンバータ、５１ワーク、１００，１０１システム。

Claims

計測対象物に投光する投光部と、
前記計測対象物からの反射光を受光して受光データを生成する受光部と、
前記受光データに基づいて前記計測対象物の変位量を算出する処理部と、
タイミング同期信号を受信する入力部と、
前記処理部によって算出された前記変位量を出力する出力部とを備え、
前記入力部は、露光時間の制御に関するユーザの設定を受け付け、
前記処理部は、前記入力部により受信された前記タイミング同期信号に応答して、前記ユーザの前記設定に従って、前記投光部が前記計測対象物に投光する時間と前記受光部が前記反射光を受光する時間との重なりによって定まる前記露光時間を制御し、
前記処理部は、前記設定に基づいて、
前記露光時間の開始のタイミングを、前記変位量の測定周期の開始のタイミングに一致させる第１の制御、
前記露光時間の終了のタイミングを、前記測定周期の終了のタイミングに一致させる第２の制御、または、
前記露光時間の中心のタイミングを、前記測定周期の中心のタイミングに一致させる第３の制御、
のうち少なくとも２つを含む複数の制御のうちの１つの制御を選択する、光学式変位センサ。
前記処理部は、前記露光時間の開始のタイミングを、前記変位量の測定周期の開始のタイミングに一致させる、請求項１に記載の光学式変位センサ。
前記処理部は、前記露光時間の終了のタイミングを、前記変位量の測定周期の終了のタイミングに一致させる、請求項１に記載の光学式変位センサ。
前記処理部は、前記露光時間の中心のタイミングを、前記変位量の測定周期の中心のタイミングに一致させる、請求項１に記載の光学式変位センサ。
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載された、少なくとも１つの前記光学式変位センサと、
前記タイミング同期信号を発生させる制御機器とを備える、システム。
前記少なくとも１つの前記光学式変位センサは、第１の光学式変位センサと、第２の光学式変位センサとを含み、
前記第１の光学式変位センサの前記投光部および前記受光部は、前記第２の光学式変位センサの前記投光部および前記受光部と、前記計測対象物を挟んで対向配置され、
前記第１の光学式変位センサおよび前記第２の光学式変位センサの各々の前記処理部は、前記露光時間の中心のタイミングを、前記変位量の測定周期の中心のタイミングに一致させる、請求項５に記載のシステム。