JPH0224446B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

本発明は、光電式位置検出装置に係り、特に、
遠隔物体の厚さや変位等を非接触で測定する際に
用いるのに好適な、光源を含み、測定対象面にス
ポツト状の光ビームを投射するための光ビーム発
生手段と、測定対象面からの、前記光ビームの投
射方向とは異なる方向の反射光を受けて電気信号
に変換する光電変換器と、該光電変換器の出力信
号を処理して、測定対象面の前記光ビーム投射方
向の位置又は変位を求める電子回路とを備えた光
電式位置検出装置の改良に関する。

【従来の技術】

産業界における生産の自動化、ロボツト導入等
に伴ない、計測のインプロセス化、高速度化、高
精度化が急速に要請されており、赤熱した鉄板の
圧延工程における厚さのインプロセス測定のよう
に、遠隔物体の厚さや変位等を非接触で測定でき
る位置検出装置の必要性も大となつている。 このような非接触式の位置検出装置としては、
測定対象面に投射した光の反射光や散乱光を位置
に関する信号とする光学的方式を利用したもの、
磁束変化、渦電流、容量変化等、電磁気的場の効
果を利用したもの、放射線の吸収度を利用したも
の、超音波を利用したもの等が提案されている
が、測定対象面との設定距離を大きく取れるとい
う点では、光学的方式を利用したものが有利であ
る。 このような光学的方式を利用した位置検出装置
の一つに、第５図に示す如く、光源１０を含み、
測定対象面１２にスポツト状の光ビーム１０Ａを
投射するための光ビーム発生手段８と、測定対象
面１２からの、前記光ビーム１０Ａの投射方向と
は異なる方向の反射光１０Ｂを受けて電気信号に
変換する、アナログ型の光学的位置検出素子
PSDやデジタル型の電荷結合素子CCDイメージ
センサ等からなる受光素子１４と、該受光素子１
４の出力信号を処理して、反射点像の移動量（以
下、像点移動量と称する）Ｙから、三角測量法に
従つて測定対象面１２の前記光ビーム投射方向の
位置又は変位量Ｘを求める電子回路１６とを備え
た、いわゆる散乱光点のポイント計測方式のもの
がある。図において、１８は、反射点の像を受光
素子１４上に結像させるためのレンズである。 このような光電式位置検出装置は、測定対象面
１２との設定距離を大きく取れるという特徴を有
するが、ΔLOAとΔLO′A′が相似形でないため、
変位量Ｘと受光素子１４上の像点移動量Ｙが線形
関係になく、例えば特表公57−500411に示される
ような複雑な補正が必要となつている。 このような問題点を解消するべく、第６図に示
す如く、レーザビーム発生器３０と、該レーザビ
ーム発生器３０から発生されたスポツト状のレー
ザビームを等角速度で回転するための回転ミラー
３２と、該回転ミラー３２によつて形成された回
転走査ビーム３３が基準位置を走査したことを検
出するための基準光検出素子３４と、前記回転走
査ビーム３３の測定対象面１２による反射光のう
ち、測定対象面１２と垂直な方向の反射光のみを
通過させるスリツト３６と、該スリツト３６を通
過した反射光の有無を検出するための反射光検出
素子３８とを備え、前記基準光検出素子３４と反
射光検出素子３８の出力信号の発生時間間隔、即
ち、回転走査ビーム３３の走査角度θから測定対
象面１２の上下方向変位を求めるようにした、い
わゆる投射ビーム走査方式による光電式位置検出
装置も提案されている。 この方式によれば、前記散乱光点のポイント計
測方式のような、三角形の非相似による誤差を生
じることはないという特徴を有するが、回転走査
ビーム３３の走査角度θと変位量Ｘの関係が光学
的に非線形となるため、やはり複雑な補正が必要
となるだけでなく、回転ミラー３２と測定対象面
１２間の距離l₁，l₃等を計算する必要があるとい
う問題点を有していた。 このような問題点を解消するものとして、出願
人は既に実開昭60−48104で、回転走査ビームの
走査角度と測定対象面の変位量の関係を線形とす
ることができる光電式位置検出装置を提案してい
る。

【発明が解決しようとする問題点】

しかしながら、前記いずれの方式においても、
未だ実用に価する高精度達成は困難であつた。そ
の一つの原因は、測定対象面１２の表面粗さ等表
面状態の不定性である。即ち、前出第５図に示し
たような光電式位置検出装置において、測定対象
面１２の表面粗さが大であつた場合には、照射光
の強度分布が第７図に示した如く正規分布であつ
たとしても、反射光の強度分布は同じく第７図に
示す如く乱れてしまう。この表面粗さの変動によ
る反射光の強度分布の変化状態の例を第８図乃至
第１１図に示す。図から明らかな如く、測定対象
面１２の表面粗さの状態によつては、第９図乃至
第１１図に示したように、反射光の強度分布のピ
ーク位置が照射光の強度分布のピーク位置からず
れてしまい、測定結果に誤差を生じる。 この問題は、光ビーム径や光電変換器をより小
さくして測定精度を高めようとした場合程、逆比
例して悪影響が拡大してしまう。しかも、例えば
表面粗さのみを取つてみても、反射光の光量が逐
次増減するものに統一できるのであればよいが、
その有無として二極化現象が生ずることがあり、
予めプログラム化して補正するようなことはでき
ないという問題点を有していた。

【発明の目的】

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくな
されたもので、測定対象面の表面粗さ等の表面状
態に拘わらず、高精度の測定を行うことができる
光電式位置検出装置を提供すること目的とする。

【問題点を解決するための手段】

本発明は、測定対象面からの、光源を含み、測
定対象面にスポツト状の光ビームを投射するため
の光ビーム発生手段と、前記光ビームの投射方向
とは異なる方向の反射光を受けて電気信号に変換
する光電変換器と、該光電変換器の出力信号を処
理して、測定対象面の前記光ビーム投射方向の位
置又は変位を求める電子回路とを備えた光電式位
置検出装置において、少なくとも前記光ビームと
測定対象面を、該測定対象面の面方向に往復相対
移動させる相対移動手段と、該相対移動手段が作
動しているときの前記光電変換器の出力信号の変
動を評価して、測定対象面の表面状態による誤差
を補正する補正手段とを設けることにより、前記
目的を達成したものである。 又、本発明の実施態様は、前記相対移動手段
が、前記測定対象面を往復移動するようにしたも
のである。 又、本発明の他の実施態様は、前記相対移動手
段が、前記光ビーム発生手段を含む検出ヘツドを
往復移動するようにしたものである。 又、本発明の他の実施態様は、前記相対移動手
段が、前記光ビームのみを往復移動するようにし
たものである。 又、本発明の実施態様は、前記光電変換器を、
アナログ型の光学的位置検出素子PSDとしたも
のである。 又、本発明の他の実施態様は、前記光電変換器
を、デジタル型の電荷結合素子CCDイメージセ
ンサとしたものである。

【作用】

本発明は、前記のような光電式位置検出装置に
おいて、少なくとも光ビームと測定対象面を、該
測定対象面の面方向に往復相対移動させ、そのと
きの光電変換器の出力信号の変動を評価して、測
定対象面の表面状態による誤差を補正するように
している。従つて、測定対象面の表面粗さ等の表
面状態に拘わらず、高精度の測定を行うことがで
きる。 又、相対移動手段が、前記測定対象面を往復移
動するようにした場合には、光学系を振動する必
要がなく、高精度の測定を行うことができる。 又、前記相対移動手段が、前記光ビーム発生手
段を含む検出ヘツドを往復移動するようにした場
合には、測定対象面の振動が困難である際にも、
本発明が適用できる。 又、前記相対移動手段が、前記光ビームのみを
往復移動するようにした場合には、可動部分が少
なく、構成が比較的単純である。 又、前記光電変換器を、アナログ型の光感知器
PSDとした場合には、光電変換器を安価に構成
できる。 又、前記光電変換器をデジタル型の電荷結合素
CCDイメージセンサとした場合には、高精度の
測定を行うことができる。

【実施例】

以下図面を参照して、本発明に係る光電式位置
検出装置の実施例を詳細に説明する。 本発明の第１実施例は、第１図に示す如く、前
出第５図に示した従来例と同様の、光源１０を含
む光ビーム発生手段８、結像レンズ１８、受光素
子１４及び電子回路１６を備えた光電式位置検出
装置において、前記測定対象面１２を、その面方
向に往復相対移動させる振動装置４０を設けると
共に、前記電子回路１６内に、該振動装置４０が
作動しているときの受光素子１４の出力信号の重
合わせのピーク位置から測定対象面１２の変位量
を求める機能を付加したものである。他の点につ
いては、前記従来例と同様であるので説明は省略
する。 このようにして、測定対象面１２をその面方向
に振動させ、そのときに得られる反射光の重合わ
せのピークから反射光の像点の位置を検出するこ
とで、測定対象面１２の表面粗さ等の表面状態に
よる影響を除くことができる。 この第１実施例においては、測定対象面１２を
振動させるようにしているので、光学系を振動す
る必要がなく、高精度の測定を行うことができ
る。 次に、本発明の第２実施例を詳細に説明する。 この第２実施例は、第２図に示す如く、前出第
５図に示した従来例と同様の光電式位置検出装置
において、光ビーム発生手段８、結像レンズ１
８、受光素子１４を含む検出ヘツド４２を、前記
測定対象面１２の面と平行な方向に振動させる振
動装置４０を設けたものである。他の点について
は、前記第１実施例と同様であるので説明は省略
する。 この第２実施例によれば、測定対象面１２が大
きく、その振動が困難である場合にも、本発明を
適用することができる。 次に、本発明の第３実施例を詳細に説明する。 この第３実施例は、第３図に示す如く、前出第
５図に示した従来例と同様の光電式位置検出装置
において、光ビーム発生手段８、結像レンズ１
８、受光素子１４を含む検出ヘツド４２を、その
支点４２Ａを中心として回動走査させるようにし
たものである。他の点については、前記第１実施
例と同様であるので説明は省略する。 この第３実施例によれば、光学系を比較的容易
に且つ安定して振動させることができる。 次に、本発明の第４実施例を詳細に説明する。 この第４実施例は、第４図に示す如く、前出第
５図に示した従来例と同様の光電式位置検出装置
において、光源１０から照射される光ビーム１０
Ａのみを測定対象面１２の面方向に往復走査して
振動させるようにし、次式に示す如く、測定位置
における反射点N₁，N₂…N₅の重心位置を像点
の位置としたものである。 ＝（N₁＋N₂＋N₃＋N₄＋N₅）／５ …(1) 他の点については、前記第１実施例と同様であ
るので説明は省略する。 この第４実施例によれば、光ビーム１０Ａのみ
を振動させればよいので、可動部分が少なく、構
成が比較的単純である。 なお、受光素子１４をPSDとした場合には、
光電変換器の出力信号の積分値を平均化するよう
にすれば、上記演算手段を用いなくても、アナロ
グ回路で直接的に像点の位置を求めることができ
る。

【発明の効果】

以上説明した通り、本発明によれば、測定対象
面の表面粗さ等の表面状態に拘わらず、高精度の
測定を行うことができる。又、PSDやCCDイメ
ージセンサ等の受光素子の特性のばらつきも吸収
できる等の優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る光電式位置検出装置の
第１実施例の構成を示す断面図、第２図は、同じ
く第２実施例の構成を示す断面図、第３図は、同
じく第３実施例の構成を示す断面図、第４図は、
同じく第４実施例の要部構成を示す断面図、第５
図は、従来の光電式位置検出装置の構成及び測定
原理を説明するための断面図、第６図は、同じく
従来の光電式位置検出装置の他の例の構成及び測
定原理を説明するための線図、第７図は、第５図
に示した従来例における表面粗さの影響による反
射光の強度分布の乱れを示す線図、第８図乃至第
１１図は、表面粗さの状態と照射光及び反射光の
強度分布の関係の例を示す線図である。 ８……光ビーム発生手段、１０……光源、１０
Ａ……光ビーム、１０Ｂ……反射光、１２……測
定対象面、１４……受光素子、１６……電子回
路、Ｘ……変位量、４０……振動装置、４２……
検出ヘツド。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光源を含み、測定対象面にスポツト状の光ビ
   ームを投射するための光ビーム発生手段と、測定
   対象面からの、前記光ビームの投射方向とは異な
   る方向の反射光を受けて電気信号に変換する光電
   変換器と、該光電変換器の出力信号を処理して、
   測定対象面の前記光ビーム投射方向の位置又は変
   位を求める電子回路とを備えた光電式位置検出装
   置において、 少なくとも前記光ビームと測定対象面を、該測
   定対象面の面方向に往復相対移動させる相対移動
   手段と、 該相対移動手段が作動しているときの前記光電
   変換器の出力信号の変動を評価して、測定対象面
   の表面状態による誤差を補正する補正手段と、 を設けたことを特徴とする光電式位置検出装置。 ２ 前記相対移動手段が、前記測定対象面を往復
   移動するようにされている特許請求の範囲第１項
   記載の光電式位置検出装置。 ３ 前記相対移動手段が、前記光ビーム発生手段
   を含む検出ヘツドを往復移動するようにされてい
   る特許請求の範囲第１項記載の光電式位置検出装
   置。 ４ 前記相対移動手段が、前記光ビームのみを往
   復移動するようにされている特許請求の範囲第１
   項記載の光電式位置検出装置。 ５ 前記光電変換器が、アナログ型の光学的位置
   検出素子PSDとされている特許請求の範囲第１
   項記載の光電式位置検出装置。 ６ 前記光電変換器が、デジタル型の電荷結合素
   子CCDイメージセンサとされている特許請求の
   範囲第１項記載の光電式位置検出装置。