JPH022082B2

JPH022082B2 -

Info

Publication number: JPH022082B2
Application number: JP58066216A
Authority: JP
Inventors: Jusuke Takagi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1983-04-13
Filing date: 1983-04-13
Publication date: 1990-01-16
Also published as: JPS59190607A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は物体形状の非接触測定装置に係り、特
に形状測定時の演算時間を短縮するのに好適な物
体形状をレーザー光等を利用した光学的変位計に
より非触で測定するようにした非接触測定装置に
関するものである。

〔発明の背景〕

近年、オプトエレクトロニクス発転に伴い、レ
ーザー光等の光学的手段により非接触で物体形状
の測定を行う装置が開発されている。従来、この
ような装置としては倣い計測装置が主流であるの
で、以下、その一例を第１図を用いて説明する。

第１図は従来の形状測定装置の側面図で、被測
定物体１の外部に駆動テーブル２を配置し、駆動
テーブル２を駆動機構３，３′にによつて３次元
的（図示のｘ，ｙ，ｚ軸方向）に駆動するように
してある。駆動テーブル２上には、レーザー光等
の光源４、半透鏡５、レンズ６，７、振動ピンホ
ール８および受光器９からなる光学系が配置して
ある。また、振動ピンポール８を振動させるため
の発振器１０、受光器９の出力を増幅する増幅器
１１、増幅器１１の出力を用いて演算を行つて駆
動機構３，３′を制御する演算制御回路１２とよ
りなる演算制御装置が設けてある。

いま、被測定物体１とレンズ６との距離ｙがレ
ンズ６の焦点距離Ａに等しいとすると、反射光は
第１図に示してあるように振動ピンホール８の振
幅の中心に焦点を結ぶので、受光器９の出力は、
第１図の場合の変化と出力との関係の説明図であ
る第２図に示すように、加振周波数の２倍の周
波数2のものとなる。また、距離ｙがＡに一致し
ない場合には、出力周波数となるとともに、距
離ｙの遠近によつて位相が同相しないい逆相とな
る。したがつて、これらの周波数と位相の検出結
果にもとづいて距離ｙがＡに等しくなるように駆
動機構３，３′の駆動制御を行えば、その駆動量
によつて被測定物体１の形状を倣い計測すること
ができる。

しかし、この方式の形状測定装置には下記のよ
うな問題点がある。

(1) 測定時間が長い。被測定物体１のｘ−ｙ断面
の形状を測定する場合には、ｘ軸方向の駆動に
あわせて、常にｙ軸方向の駆動を行う必要があ
るからである。

(2) 被測定物体１の表面の傾斜角が大きい場合に
は測定ができない。これは、被測定点における
被測定物体１の表面の法線と照射光軸とのなす
角度α（第１図参照）が大きくなると、受光器
９に向かう反射光の光量が減少するためであ
る。

〔発明の目的〕

本発明は上記に鑑みてなされたもので、その目
的とすところは、測定時間を短縮することがで
き、しかも、被測定物体の表面の傾斜が急であつ
ても形状測定を行うことができる物体形状の非接
触測定装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の第１の特徴は、被測定物体の表面に照
射した光の反射光を受光することによつて非接触
で物体形状を測定する装置において、一定の方向
に照射した光の上記被測定物体の表面からの反射
光を受光し、この反射光の上記受光器上の入射位
置の違いから上記被測定物体までの距離を検出す
る変位計と、この変位計を３次元的に駆動する３
次元駆動機構と、上記変位計の取り付け角度を変
化させる１つの角度変化機構と、上記変位計によ
る距離の測定値、上記３次元駆動機構の駆動量お
よび上記変位計の取り付け角度を入力して必要な
演算を行うとともに上記３次元駆動機構と上記角
度変化機構とを駆動制御する演算制御機構とより
なり、上記角度変化機構の回転中心軸と上記変位
計からの照射光の光軸の延長線は光交差するよう
にした構成した点にある。第２の特徴は、上記角
度変化機構を複数とし、そのうちの上記変位計に
最も近い角度変化機構の回転中心軸と上記変位計
からの射照射光の光軸の延長線とは交差するよう
に構成し、上記３次元駆動機構に最も近い角度変
化機構の回転中心軸は上記３次元駆動機構のいず
れか１つの駆動軸に平行になるように構成した点
にある。

〔発明の実施例〕

以下本発明を第３図、第４図、第７図、第１２
図、第１３図に示した実施例および第５図、第６
図、第８図〜第１１図、第１４図、第１５図を用
いて詳細に説明する。

第３図は本発明の非接触測定装置の一実施例を
示す全体構成図である。第３図において、２０は
基台、１は基台２０の上方に置かれた被測定物体
で、被測定物体１の上方には、変位計４０が２つ
の角度変化機構２１，２１′を介してクロスヘツ
ド２２に取り付けられて位置している。クロスヘ
ツド２２は、３次元駆動機構のアーム２３に滑合
させてあり、ガイド部２４、横送りネジ２５およ
びモータ２６によつて左右に駆動されるので、変
位計４０も図示のｘ軸方向に移動可能となつてい
る。また、３次元駆動機構のｙ軸方向は駆動はモ
ータ２７に結合してある縦方向送りネジ２８とア
ーム２９に滑合させてあるギヤボツクス３０とに
よつて行い、さらに、モータ３１は基台３２に載
置してある駆動機構全体をＺ軸方向に駆動する。

一方、クロスヘツド２２に取り付けてある角度
変化機構２１は、ｘ軸と平行な回転中心軸３３の
周りにアーム３４を回転させる。そして、このア
ーム３４の下端に角度変化機構２１′が取り付け
てあり、ｚ軸と平行な回転中心軸３３′の周りに
変位計４０を回動させるようにしてある。

したがつて、変位計４０はｘ、ｙ、ｚ軸の３軸
方向に移動可能であるとともに、角度変化機構２
１，２１′によつてｘ軸およびｙ軸に平行な回転
軸の周りを回転可能となつている。

第４図は第３図の変位計４０の概略構造とアー
ム３４への取り付け状況を示した図である。レー
ザー光等の光源４１から射出された光線は、照射
レンズ４２を通つて被測定物体１の表面上の測定
点Ｐを照射し、Ｐ点からの拡散反射光は、照射光
軸４５とβなる角度を有する軸線上に配置した集
光レンズ４３によつて集光され、受光器４４で検
出される。距離の測定は、被測定物体１と変位計
４０との距離Ｌが変化すると（第４図では被測定
物体１と回転中心軸３３′との距離をＬとしてあ
る。）、受光器４４の受光面上の入射位置が変化す
る原理を用いて行うようにしてある。ただし、受
光面の大きさ等の制約から、測定できる距離には
限界があり、その上、下限はL_nax、上限はL_nioと
なる。また、本実施例では、アーム３４に対して
変位計４０を回動させる角度変化機構２１′の回
転中心軸３３′が照射光軸４５と交差するように
変位計４０を取り付け部４６を介して結合してあ
る。

第５図、第６図はそれぞれ変位計４０の照射角
αの測定限度を示した図である。αの値は、被測
定物体１の表面の照射点における法線ｎと照射光
軸４５とのなす軸と定義する。第５図、第６図か
らのαの値が過大（第５図）もしくは過小（第６
図となつた場合は、受光光軸の方向の拡散反射の
光量が減少するため、受光器４４で検出できなく
なることがわかる。この照射角αの上限および下
限はそれぞれα_nax、α_nioとしてある。

第７図は本発明の非接触測定装置の演算制御機
構の一実施例を示すブロツク図である。変位計４
０から得られた被測定物体１と変位計４０との距
離Ｌに関する情報は、増幅器５０を経て演算制御
装置５１に入力される。また、ｘ、ｙ、ｚ軸方向
の駆動量を測定する磁気スケール５２からの位置
情報は、増幅器５３を経て演算制御装置５１へ入
力される。さらに、角度変化機構２１，２１′の
ロータリーエンコーダ５４からの角度情報は、増
幅器５５を経て演算制御装置５１に入力される。
演算制御装置５１では、これらの情報にもとづい
て被測定物体１上の照射点Ｐの座標（ｘ、ｙ、
ｚ）を演算するとともに、その結果を表示装置５
６に表示する。さらに、距離Ｌおよび照射角αに
関して、後述の比較演算を行い、その結果にもと
づいてｘ、ｙ、ｚ軸方向の駆動モータ２６，２
７，３１および角度変化機構２１，２１′の駆動
モータ５７，５７′（第３図、第４図には図示省
略）の駆動制御を行う。

次に、実施例の効果について説明する。まず、
変位計４０の利用による効果について説明する。
第８図は変位計４０の駆動方法を説明するための
図で、図示のように、変位計４０にに対して被測
定物体１が右下りの断面形状を有している場合
は、距離の測定可能な範囲L_nio〜L_naxが広いの
で、被測定面の傾射が緩やかな場合には、変位計
４０をｘ軸方向に駆動するだけで形状の測定値が
得られる。このため、従来例に比較してｙ軸方向
の駆動の回数減少にともなう測定時間の短縮をか
はかることができる。なお、各測定点において
は、距離の測定値ＬとL_naxおよびL_nioの比較演算
を行い、Ｌの値が測定可能範囲を逸脱しないよう
な制御を行う。

次に、角度変化機構２１，２１′を設けたこと
による効果と第９図を用いて説明する。図中Ａの
場合は、照射点Ｐにおける法線ｎと照射光軸４５
とのなす角αは、変位計４０の角度の測定可能範
囲α_nio〜α_nax内にあるが、破線で示すＢの場合
は、上記範囲を外れてしまう。この場合は、Ｃに
示すように、角度変化機構２１あるいは２１′
（第３図参照）を用いて変位計４０を回動させ、
αの値が上記範囲内になるようにする。したがつ
て、各測定点におけるαの測定値とα_nioおよび
α_naxとを比較演算し、αが測定可能範囲を逸脱す
る傾向を示したら、その都度角度変化機構２０あ
るいは２０′を作動させる。これにより任意形状
の断面の被測定物体１の形状測定を行うことがで
きる。

次に、変位計４０側の回転駆動機構２１′の回
転中心軸３３′と照射光軸４５の延長線とを交差
させることによる効果について説明する。なお、
簡単のため、ここでは回転中心軸３３′がｚ軸に
平行な場合について議論する。第１０図はこの場
合の説明図で、被測物体１上の照射点Ｐの座標
（ｘ、ｙ、ｚ）は、照射光軸４５の延長線と回転
中心軸３３′との交点Ｑの座標（x₁、y₁、z₁）を
用いれば、下式で表わされる。

ｘ＝x₁＋Lcosθ_d …(1) ｙ＝y₁＋Lsinθ_d …(2) ｚ＝z₁ …(3) ここに、Ｌ；線分の長さ θ_d；照射光軸４５とｘ軸とのなす角一方、第１１図は回転中心軸３３′と照射光軸
４５の延長線とが交差していない場合の説明図
で、この場合は、照射光軸４５と回転中心軸３
３′との距離をｈとし、照射光軸４５を含みｚ軸
に垂直な平面と回転中心軸３３′との交点Ｑの座
標を（x₁、y₁、z₁）とすれば、Ｐ点の座標（ｘ、
ｙ、ｚ）は下式で示される。

ｘ＝x₁＋Lcosθ_d＋hsinθ_d …(4) ｙ＝y₁＋Lsinθ_d−hcosθ_d …(5) ｚ＝z₁ …(6) (1)式と(4)式、(2)式と(5)式を比較すれば明らかな
ように、本発明の実施例のように、回転中心軸３
３′と照射光軸４５の延長線とを交差させた場合
には、照射点Ｐの座標の計算式が簡単になる。し
たがつて、演算制御装置５１内での計算時間が減
少し、形状測定に要する時間を短縮することがで
きる。

次に、３次元駆動機構側の角度変化機構２０の
回転中心軸３３を３次元駆動機構のいずれか１つ
の駆動軸と平行にした場合の効果について説明す
る。第１２図、番１３図は第３図の角度変化機構
２１，２１′の詳細構造図で、第１２図は正面図、
第１３図は側面図である。角度変化機構２１の回
転中心軸３３と３次元駆動機構への取り付けアー
ム５８の中心線との交点Ｒの座標（x₂、y₂、z₂）
は、前述のＱ点の座標（x₁、y₁、z₁）を用いて次
式で表わすことができる。

x₁＝x₂−l₁ …(7) y₁＝y₂−l₂cosQ_R＋l₃sinθ_R …(8) z₁＝z₂＋l₂sinθ_d＋l₃cosθ_R …(9) ここに、 l₁，l₂，l₃；図示の各アームの長さ、 Q_R；角度変化機構２１の回転角一方、第１４図はそれぞれ回転中心軸３３がｘ
軸と角度θ_sをなす場合の第１２図、第１３図に相
当する図で、この場合のＱ点とＲ点の座標の間に
は次の関係式が成立する。

x₁＝x₂−l₁cosθ_s−l₂siθ_s …(10) y₁＝y₂＋l₁sinθ_s−（l₂cosθ_R −l₃sinθ_R）cosθ_s …(11) z₁＝z₂＋l₂sinθ_R＋l₃cosθ_R …(12) (7)式と(10)式、(8)式と(11)式、(9)式と(12)式を比
較す
れば、第１２図、第１３図に示す本発明の実施例
のように、３次元駆動機構の角度変化機構２１の
回転中心軸３３を３次元駆動機構の１つの軸と平
行になるように配設した場合には、座標の計算式
が非常に簡単になることがわかる。したがつて、
この場合も演算制御装置５１での計算時間が減少
し、形状測定に要する時間を短縮することができ
る。

以上述べたように、本発明の実施例によれば距
離の測定可能範囲が広い変位計４０を用いている
ので、駆動制御の回数減少に加えて、演算制御装
置５１における計算時間の短縮が期待され、形状
計測時間を大幅に短縮できる。また、角度変化機
構２１，２１′を介して変位計４０を３次元駆動
機構に結合してあるので、被測定物体１の形状に
急激な変化があつても、変位計４０の取付角を変
えることなく、形状測定を行うことができる。さ
らに、角度変化機構２１′の回転中心軸３３′が変
位計４０の照射光軸４５の延長線と交差するよう
にしてあるので、これによつても演算時間の短縮
をはかることができる。

なお、本発明は上記した実施例のみに限定され
るものでなく、変位計４０、角度変化機構２１，
２１′および３次元駆動機構の構成、配置には種
種の変形側が考えらる。例えば、第３図の実施例
では、角度変化機構が２１，２１′の２つの場合
を示しているが、角度変化機構は２１′１つだけ
であつてもよい。また、変位計４０の取付角度は
第３図以外に、照射光軸４５の周りに任意角度回
転させた酌付角度であつてもよく、これらいよつ
ても上記とほぼ同一の効果が期待できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、測定時
間を短縮することができ、しかも、被測定物体の
表面の傾斜が急であつても形状測定を行うことが
できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の形状測定装置の側面図、第２図
は第１図の形状測定装置を用いた場合の変位と出
力との関係の説明図、第３図は本発明の物体形状
の非接触測定装置の一実施例を示す全体構成図、
第４図は第３図の変位計の概略構造とアームへの
取り付け状況を示した図、第５図、第６図はそれ
ぞれ変位計の照射角の測定限度を説明するための
図、第７図は本発明の非接触測定装置の演算制御
機構の一実施例を示すブロツク図、第８図、第９
図はそれぞれ変位計の駆動方法を説明するための
図、第１０図、第１１図、第１４図、第１５図は
それぞれ本発明の効果を説明するための説明図、
第１２図は第３図の角度変化機構の詳細構造を示
す正面図、第１３図は第１２図の側面図である。１……被測定物体、２０……基台、２１，２
１′……角度変化機構、２２……クロスヘツド、
２３……アーム、２４……ガイド部、２５……ネ
ジ、２６，２７，３１，５７，５７′……モータ、
２８……ネジ、２９……アーム、３０……ギアボ
ツクス、３２……基台、３３，３３′……回転中
心軸、３４……アーム、４０……変位計、４１…
…光源、４２……照射レンズ、４３……焦光レン
ズ、４４……受光器、４５……照射光軸、６４…
…変位計取付部、５１……演算制御装置、５２…
…磁気スケール、５４……ロータリーエンコー
ダ、５６……表示装置。

【特許請求の範囲】

１送出し部１０のボビン１４から、固定プーリ
ー４２と移動プーリー４４との間に線条体１２を
巻きかけて形成した貯線装置４０を経て、加工部
２０に線条体１２を供給し、ボビン１４が空にな
つたら線条体１２をクランプ装置１６で押え、満
巻のボビン１８の線条体１２を上記線条体１２と
接続し、接続が終つたらクランプ装置１６を開放
して線条体１２を連続的に供給する線条体の製造
設備において、送出し部１０と貯線装置４０との間に設けた計
尺パルス発信装置５０と、貯線装置４０と加工部
２０との間に設けた計尺パルス発信装置５４と、
接続部１９が加工部２０の入口２１に到達したこ
とを検出する検出器５８と、初期貯線長演算部６
４と、加減算部７６とを備え、前記初期貯線長演算部６４は、計尺パルス発信
装置５０からのパルス６０を連続して送りこま
れ、クランプ装置１６が開いたときに発する開放
信号６６により初期貯線長演算部６４をゼロリセ
ツトするとともにパルス６０の計数を開始し、検
出器５８が接続部１９を検出したときに発するパ
ルス７２によつて計数を停止し、それまでの計数
値を加減算部７６に初期貯線長L₀として送りこ

Claims

物体までの距離を検出する変位計と、該変位計を
３次元的に駆動する３次元駆動機構と、前記変位
計の取り付け角度を変化させる複数の角度変化機
構と、前記変位計による距離の測定値、前記３次
元駆動機構の駆動量および前記各変位計の取り付
け角度を入力して必要な演算を行うとともに前記
３次元駆動機構と前記各角度変化機構とを駆動制
御する演算制御機構とよりなり、前記各角度変化
機構のうち前記変位計に最も近い角度変化機構の
回転中心軸と前記変位計からの照射光の光軸の延
長線とは交差するように構成し、前記３次元駆動
機構に最も近い角度変化機構の回転中心軸は前記
３次元駆動機構のいずれか１つの駆動軸に平行に
なるように構成してあることを特徴とする物体形
状の非接触測定装置。４前記変位計に最も近い角度変化機構の回転中
心軸と照射光の光軸の延長線とは、照射光線の太
さの範囲内で交差するように構成してある特許請
求の範囲第３項記載の物体形状の非接触測定装
置。