JPH0518712A - 微小変位、傾き角同時測定装置 - Google Patents
微小変位、傾き角同時測定装置Info
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- JPH0518712A JPH0518712A JP20005391A JP20005391A JPH0518712A JP H0518712 A JPH0518712 A JP H0518712A JP 20005391 A JP20005391 A JP 20005391A JP 20005391 A JP20005391 A JP 20005391A JP H0518712 A JPH0518712 A JP H0518712A
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- tilt angle
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 一本のレーザ光および一個の２次元光位置セ
ンサ等から、変位と傾き角とを同時に測定できるように
し、また装置全体を小型に形成し、さらに装置を容易に
セットできるようにした。 【構成】 レーザ発生器１からの光レーザを、可変光量
フィルタ３、第１シリンドリカルレンズ４を介して測定
面に当て、その反射レーザを第２シリンドリカルレンズ
５、金属フイルタ６を介して光位置センサ７に受光させ
るようにした。
ンサ等から、変位と傾き角とを同時に測定できるように
し、また装置全体を小型に形成し、さらに装置を容易に
セットできるようにした。 【構成】 レーザ発生器１からの光レーザを、可変光量
フィルタ３、第１シリンドリカルレンズ４を介して測定
面に当て、その反射レーザを第２シリンドリカルレンズ
５、金属フイルタ６を介して光位置センサ７に受光させ
るようにした。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光てこの原理を応用
し、レーザ発生器、光位置センサなどから成る光学系機
器を用いて、微小変位や傾き角を同時に測定する装置に
関する。
し、レーザ発生器、光位置センサなどから成る光学系機
器を用いて、微小変位や傾き角を同時に測定する装置に
関する。
【０００２】
【従来の技術】ハードディスク装置中の磁気ヘッドスラ
イダの浮上特性及び起動停止時のスベリ挙動把握のた
め、光てこの原理を応用し、レーザ発生器、光位置セン
サなどから成る測定装置が知られており、その測定装置
では面の変位や傾角を非接触で測定できる。それら測定
装置では、焦点距離の短い凸レンズを用いて測定面上の
レーザ輝点の拡大像を遠方の光位置センサ上に作ること
により変位測定をし、傾角測定は測定面の傾きによって
変位したレーザ反射光を遠方の光位置センサ上に受ける
ことによって行っている。
イダの浮上特性及び起動停止時のスベリ挙動把握のた
め、光てこの原理を応用し、レーザ発生器、光位置セン
サなどから成る測定装置が知られており、その測定装置
では面の変位や傾角を非接触で測定できる。それら測定
装置では、焦点距離の短い凸レンズを用いて測定面上の
レーザ輝点の拡大像を遠方の光位置センサ上に作ること
により変位測定をし、傾角測定は測定面の傾きによって
変位したレーザ反射光を遠方の光位置センサ上に受ける
ことによって行っている。
【０００３】また測定面の変位と傾角を同時に測定する
場合には、図１に示すように、ディスク２１の半径方向
にレーザ光を入射するようにした変位測定装置２２と、
ディスク２１の回転方向にレーザ光を入射するようにし
た傾角測定装置２３とを使用している。変位測定装置２
２は、レーザ発生器２４からレーザを発し、レーザを可
変光量フィルタ２５、レンズ２６を介して測定面（磁気
ヘッドスライダ）２７で反射させ、反射光をレンズ２
８、金属フィルタ２９を介して光位置センサ３０に受光
させている。また傾角測定装置は、レーザ発生器３１か
らレーザを発し、レーザを可変光量フィルタ３２、集光
レンズ３３を介して測定面２７で反射させ、反射光を金
属フィルタ３４を介して光位置センサ３５に受光させて
いる。
場合には、図１に示すように、ディスク２１の半径方向
にレーザ光を入射するようにした変位測定装置２２と、
ディスク２１の回転方向にレーザ光を入射するようにし
た傾角測定装置２３とを使用している。変位測定装置２
２は、レーザ発生器２４からレーザを発し、レーザを可
変光量フィルタ２５、レンズ２６を介して測定面（磁気
ヘッドスライダ）２７で反射させ、反射光をレンズ２
８、金属フィルタ２９を介して光位置センサ３０に受光
させている。また傾角測定装置は、レーザ発生器３１か
らレーザを発し、レーザを可変光量フィルタ３２、集光
レンズ３３を介して測定面２７で反射させ、反射光を金
属フィルタ３４を介して光位置センサ３５に受光させて
いる。
【０００４】従来の変位測定装置の原理を図２により説
明する。レーザ光を入射角φで測定面２７に入射し、焦
点距離ｆ’のレンズ２８で測定面上に集光する。反射光
は焦点距離ｆの拡大レンズ２８を通過し、光位置センサ
３０に至る。測定面２７の変位ｈにより測定面上の光点
位置はｐからｑへ移動する。光点移動量は２sin φｂｈ
／ａとなる。φ＝４５°のとき光位置センサ３０の光点
移動量は２1/2 ・ｂ・ｈ／ａに拡大される。なお、この
測定原理は、光点像の位置変化を検出しているため、測
定面の傾きは影響を受けないという特徴を持っている。
明する。レーザ光を入射角φで測定面２７に入射し、焦
点距離ｆ’のレンズ２８で測定面上に集光する。反射光
は焦点距離ｆの拡大レンズ２８を通過し、光位置センサ
３０に至る。測定面２７の変位ｈにより測定面上の光点
位置はｐからｑへ移動する。光点移動量は２sin φｂｈ
／ａとなる。φ＝４５°のとき光位置センサ３０の光点
移動量は２1/2 ・ｂ・ｈ／ａに拡大される。なお、この
測定原理は、光点像の位置変化を検出しているため、測
定面の傾きは影響を受けないという特徴を持っている。
【０００５】次に、従来の傾角測定装置の原理を図３に
より説明する。レーザ光を長焦点距離のレンズを通して
測定面上に集光する。測定面２７で反射した反射光を光
位置センサ３５で受け、測定面の傾角θによる光点位置
のずれ２θl が傾角の検出値となる。
より説明する。レーザ光を長焦点距離のレンズを通して
測定面上に集光する。測定面２７で反射した反射光を光
位置センサ３５で受け、測定面の傾角θによる光点位置
のずれ２θl が傾角の検出値となる。
【０００６】また、面の傾斜、距離検出装置として、投
光源から投射される光ビームを円筒形状とし、被測定物
体面上での散乱光を閉曲線像として撮像し、撮像された
閉曲線像の変形の度合いにより面の傾斜、距離を求める
ようにしたものが特開昭６４−６９９０８号公報に記載
されている。なお、この場合、撮像された閉曲線像の変
形の度合いにより面の傾斜、距離を求めてなる処理装置
を有しているために、被測定面上に傷や汚れなどによ
り、像の一部が途切れたり、ノイズが生じたとしても被
測定面の傾き、距離を高精度に検出できる。
光源から投射される光ビームを円筒形状とし、被測定物
体面上での散乱光を閉曲線像として撮像し、撮像された
閉曲線像の変形の度合いにより面の傾斜、距離を求める
ようにしたものが特開昭６４−６９９０８号公報に記載
されている。なお、この場合、撮像された閉曲線像の変
形の度合いにより面の傾斜、距離を求めてなる処理装置
を有しているために、被測定面上に傷や汚れなどによ
り、像の一部が途切れたり、ノイズが生じたとしても被
測定面の傾き、距離を高精度に検出できる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上記従来の変位測定装
置と傾角測定装置とでは、レーザ発生器は、光位置セン
サ、フィルタをそれぞれ用いる点では同じであるが、拡
大用凸レンズの有無の点で異なるため、スライダの変位
と傾角を同時に測定するためには両測定装置を同時にセ
ットする必要があり、狭い測定空間でこれを行うのが困
難であって多大の時間を要するという問題があった。そ
こで本発明は、変位と傾角の測定系を統合し、一本のレ
ーザ光および一個の２次元光位置センサ等から変位、傾
角同時測定装置を構成することにより、装置を小型化
し、かつ測定のための装置を容易にセットできる様にす
ることを目的とする。
置と傾角測定装置とでは、レーザ発生器は、光位置セン
サ、フィルタをそれぞれ用いる点では同じであるが、拡
大用凸レンズの有無の点で異なるため、スライダの変位
と傾角を同時に測定するためには両測定装置を同時にセ
ットする必要があり、狭い測定空間でこれを行うのが困
難であって多大の時間を要するという問題があった。そ
こで本発明は、変位と傾角の測定系を統合し、一本のレ
ーザ光および一個の２次元光位置センサ等から変位、傾
角同時測定装置を構成することにより、装置を小型化
し、かつ測定のための装置を容易にセットできる様にす
ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明者らは上記目的を
達成するため変位測定と、傾角測定の原理を以下の通り
検討した。変位による光点移動方向は、前記従来技術の
変位測定の原理により、光位置センサ上のＹｐ方向（鉛
直方向）のみである。また、ヘッドのピッチングによる
光点移動方向も、前記従来の技術の傾角測定原理から、
光位置センサのＹｐ方向である。ここで図１における変
位測定装置と傾角測定装置の配置をそれぞれ入れ換えて
みる。この場合、変位による光点移動方向は光位置セン
サのＹｐ方向のままであるが、傾角測定装置の光位置セ
ンサのＹｐ方向には、ローリングによる光点移動が現わ
れる。このため、ヘッドの変位とピッチングを一個の光
位置センサで測定することは、光点移動方向が同一のた
め不可能である。このことから、ピッチングによる光点
移動方向が、光位置センサのＸｐ方向（水平方向）とな
る新たな傾角測定原理を検討し、これを変位測定原理と
組合せることにより、変位、傾角同時測定を行うことに
した。
達成するため変位測定と、傾角測定の原理を以下の通り
検討した。変位による光点移動方向は、前記従来技術の
変位測定の原理により、光位置センサ上のＹｐ方向（鉛
直方向）のみである。また、ヘッドのピッチングによる
光点移動方向も、前記従来の技術の傾角測定原理から、
光位置センサのＹｐ方向である。ここで図１における変
位測定装置と傾角測定装置の配置をそれぞれ入れ換えて
みる。この場合、変位による光点移動方向は光位置セン
サのＹｐ方向のままであるが、傾角測定装置の光位置セ
ンサのＹｐ方向には、ローリングによる光点移動が現わ
れる。このため、ヘッドの変位とピッチングを一個の光
位置センサで測定することは、光点移動方向が同一のた
め不可能である。このことから、ピッチングによる光点
移動方向が、光位置センサのＸｐ方向（水平方向）とな
る新たな傾角測定原理を検討し、これを変位測定原理と
組合せることにより、変位、傾角同時測定を行うことに
した。
【０００９】前記の傾角測定原理と変位測定原理のとの
違いは、拡大レンズの有無である。このため、変位によ
る反射光の変化に対しては、レンズとして作用し、傾角
による反射光の変化に対しては影響を及ぼさないものと
して、本測定装置ではシリンドリカルレンズを採用し
た。ヘッドの変位とピッチングの測定に際しては図４に
示す様にディスク２１の半径方向にレーザ光を入射す
る。変位による反射光の変化分は、図５に示すように、
シリンドリカルレンズのレンズ作用により拡大され、光
位置センサのＹｐ方向の光点移動として検出される。一
方、傾角による反射光の変化は、図６のように、シリン
ドリカルレンズ３６の影響を受けずに光位置センサのＸ
ｐ方向の光点移動として検出される。
違いは、拡大レンズの有無である。このため、変位によ
る反射光の変化に対しては、レンズとして作用し、傾角
による反射光の変化に対しては影響を及ぼさないものと
して、本測定装置ではシリンドリカルレンズを採用し
た。ヘッドの変位とピッチングの測定に際しては図４に
示す様にディスク２１の半径方向にレーザ光を入射す
る。変位による反射光の変化分は、図５に示すように、
シリンドリカルレンズのレンズ作用により拡大され、光
位置センサのＹｐ方向の光点移動として検出される。一
方、傾角による反射光の変化は、図６のように、シリン
ドリカルレンズ３６の影響を受けずに光位置センサのＸ
ｐ方向の光点移動として検出される。
【００１０】新たな傾角測定原理では、傾角は図７にお
けるｙ軸周りの回転角θの測定を目的としている。ここ
では、傾角の変化による光位置センサ上の光点移動量の
計算式を導出する。なお、記号は図７に示す通りであ
り、傾角θの方向は図７に示す向きを正とする。レーザ
光は座標軸の原点で反射するものとする。レーザ光の入
射角φは、測定面がｘｙ平面に一致している時、つまり
測定面の方向余弦が（０、０、１）のとき、ｚ軸からレ
ーザ光までの角度とする。このとき、入射面はｙｚ平面
に一致している。
けるｙ軸周りの回転角θの測定を目的としている。ここ
では、傾角の変化による光位置センサ上の光点移動量の
計算式を導出する。なお、記号は図７に示す通りであ
り、傾角θの方向は図７に示す向きを正とする。レーザ
光は座標軸の原点で反射するものとする。レーザ光の入
射角φは、測定面がｘｙ平面に一致している時、つまり
測定面の方向余弦が（０、０、１）のとき、ｚ軸からレ
ーザ光までの角度とする。このとき、入射面はｙｚ平面
に一致している。
【００１１】反射光の方向余弦は、次のようになる。 入射光の方向余弦 （α0 、β0 、γ0 ） 反射光の方向余弦 （α1 、β1 、γ1 ） 測定面の法線の方向余弦 （λ0 、μ0 、ν0 ） ただし図８の原点０は光線の反射点とし、紙面は入射面
と一致しているとしており、座標軸はほかの図のものと
は無関係である。まず０を中心に半径１の円を描く、そ
の円と入射光線の延長線および反射光線の交点をそれぞ
れＰ、Ｑとし、ベクトルＯＰ、ＯＱ、ＰＱを考える。そ
れぞれのベクトルの大きさと方向余弦は、次のようにな
る。
と一致しているとしており、座標軸はほかの図のものと
は無関係である。まず０を中心に半径１の円を描く、そ
の円と入射光線の延長線および反射光線の交点をそれぞ
れＰ、Ｑとし、ベクトルＯＰ、ＯＱ、ＰＱを考える。そ
れぞれのベクトルの大きさと方向余弦は、次のようにな
る。
【００１２】ベクトルＯＰ、ＯＱ、ＰＱの関係は、 ＯＱ＝ＯＰ＋ＰＱ ［数式１］ したがって各成分について α1 ＝α0 ＋２λ0 cosφ ［数式２ａ］ β1 ＝β0 ＋２μ0 cosφ ［数式２ｂ］ γ1 ＝γ0 ＋２ν0 cosφ ［数式２ｃ］ が成り立つ。
【００１３】ここで、ＯＰ、ＰＱの内積をとれば、 （ＯＰ，ＰＱ）＝２cos φ（α0 λ0 ＋β0 μ0 ＋γ0 ν0 ） ＝−２cos2φ ∴ cosφ＝−（α0 λ0 ＋β0 μ0 ＋γ0 ν0 ） ［数式３］ 上記数式３を数式２ａ、２ｂ、２ｃに代入し、反射光の
方向余弦を得る。 α1 ＝α0 −２λ0 （α0 λ0 ＋β0 μ0 ＋γ0 ν0 ） ［数式４ａ］ β1 ＝β0 −２μ0 （α0 λ0 ＋β0 μ0 ＋γ0 ν0 ） ［数式４ｂ］ γ1 ＝γ0 −２ν0 （α0 λ0 ＋β0 μ0 ＋γ0 ν0 ） ［数式４ｃ］ この数式により、入射光と測定面の法線の方向余弦から
反射光の方向余弦を得ることができる。
方向余弦を得る。 α1 ＝α0 −２λ0 （α0 λ0 ＋β0 μ0 ＋γ0 ν0 ） ［数式４ａ］ β1 ＝β0 −２μ0 （α0 λ0 ＋β0 μ0 ＋γ0 ν0 ） ［数式４ｂ］ γ1 ＝γ0 −２ν0 （α0 λ0 ＋β0 μ0 ＋γ0 ν0 ） ［数式４ｃ］ この数式により、入射光と測定面の法線の方向余弦から
反射光の方向余弦を得ることができる。
【００１４】反射光の方程式では、方向余弦（α1 、β
1 、γ1 ）を持ち、点（ｘ0 、ｙ0、ｚ0 ）を通る直線の
方程式は数式５である。 （ｘ−ｘ0 ）／α1 ＝（ｙ−ｙ0 ）／β1 ＝（ｚ−ｚ0 ）／γ1 ［数式５］ ここで点（ｘ0 ，ｙ0 ，ｚ0 ）＝（Ｏ，Ｏ，Ｏ）、すな
わち原点であれば方程式は数式６となる。 ｘ／α1 ＝ｙ／β1 ＝ｚ／γ1 ［数式６］ 光位置センサ受光面の方向余弦を求めるため、測定面の
変位ｈおよび傾角θが０の時を初期状態と呼ぶことにす
る。光位置センサの受光面は、このとき反射光に対して
垂直になるようにして調整しておく。したがって測定時
の受光面の法線の方向余弦（λ1 、μ1 、ν1 ）は、初
期状態の反射光の方向余弦に一致している。
1 、γ1 ）を持ち、点（ｘ0 、ｙ0、ｚ0 ）を通る直線の
方程式は数式５である。 （ｘ−ｘ0 ）／α1 ＝（ｙ−ｙ0 ）／β1 ＝（ｚ−ｚ0 ）／γ1 ［数式５］ ここで点（ｘ0 ，ｙ0 ，ｚ0 ）＝（Ｏ，Ｏ，Ｏ）、すな
わち原点であれば方程式は数式６となる。 ｘ／α1 ＝ｙ／β1 ＝ｚ／γ1 ［数式６］ 光位置センサ受光面の方向余弦を求めるため、測定面の
変位ｈおよび傾角θが０の時を初期状態と呼ぶことにす
る。光位置センサの受光面は、このとき反射光に対して
垂直になるようにして調整しておく。したがって測定時
の受光面の法線の方向余弦（λ1 、μ1 、ν1 ）は、初
期状態の反射光の方向余弦に一致している。
【００１５】光位置センサ受光面の方程式は次のように
なる。初期状態の反射光と、原点から距離Ｌにある初期
状態の反射光に垂直な平面（光位置センサ受光面）上の
点Ｑの座標は、 Ｑ（Ｌλ1 ，Ｌμ1 ，Ｌν1 ） である。したがってベクトルＯＱは ＯＱ＝（Ｌλ1 ，Ｌμ1 ，Ｌν1 ） ［数式７］ である。光位置センサ受光面上の点Ｓ（ｘ，ｙ，ｚ）を
考えると ＱＳ＝（ｘ−Ｌλ1 ，ｙ−Ｌμ1 ，ｚ−Ｌν1 ） ［数式８］ したがって受光面の方程式は、 （ＯＱ，ＱＳ）＝Ｏ ［数式９］ より λ1 （ｘ−Ｌλ1 ）＋μ1 （ｙ−Ｌμ1 ）＋ν1 （ｚ−Ｌν1 ）＝Ｏ ［数式１０］ である。
なる。初期状態の反射光と、原点から距離Ｌにある初期
状態の反射光に垂直な平面（光位置センサ受光面）上の
点Ｑの座標は、 Ｑ（Ｌλ1 ，Ｌμ1 ，Ｌν1 ） である。したがってベクトルＯＱは ＯＱ＝（Ｌλ1 ，Ｌμ1 ，Ｌν1 ） ［数式７］ である。光位置センサ受光面上の点Ｓ（ｘ，ｙ，ｚ）を
考えると ＱＳ＝（ｘ−Ｌλ1 ，ｙ−Ｌμ1 ，ｚ−Ｌν1 ） ［数式８］ したがって受光面の方程式は、 （ＯＱ，ＱＳ）＝Ｏ ［数式９］ より λ1 （ｘ−Ｌλ1 ）＋μ1 （ｙ−Ｌμ1 ）＋ν1 （ｚ−Ｌν1 ）＝Ｏ ［数式１０］ である。
【００１６】反射光と受光面上の光点を次のように求め
た。数式６、数式１０より受光面と変位した反射光の光
点を求める。数式６より ｙ＝（β1 ／α1 ）ｘ［数式１１］ ｚ＝（γ1 ／α1 ）ｘ［数式１２］ これを数式１０に代入して、 ｘ＝Ｌ／〔λ1 ＋μ1 （β1 ／α1 ）＋ν1 （γ1 ／α1 ）〕 ［数式１３］ 同様に ｘ＝（α1 ／β1 ）ｙ ［数式１４］ ｚ＝（γ1 ／β1 ）ｙ ［数式１５］ これを数式１０に代入して、 ｙ＝Ｌ／〔μ1 ＋ν1 （γ1 ／β1 ）＋λ1 （α1 ／β1 ）〕 ［数式１６］ 同様に ｘ＝（α1 ／γ1 ）ｚ ［数式１７］ ｙ＝（β1 ／γ1 ）ｚ ［数式１８］ これを数式１０に代入して、 ｚ＝Ｌ／〔ν1 ＋λ1 （α1 ／γ1 ）＋μ1 （β1 ／γ1 ）〕 ［数式１９］ したがって、入射光の方向余弦（α0 ，β0 ，γ0）、
測定面の法線の方向余弦（λ0 ，μ0 ，ν0 ）および受
光面の法線の方向余弦（λ1 ，μ1 ，ν1 ）から反射光
点の受光面上の座標を求めることができる。
た。数式６、数式１０より受光面と変位した反射光の光
点を求める。数式６より ｙ＝（β1 ／α1 ）ｘ［数式１１］ ｚ＝（γ1 ／α1 ）ｘ［数式１２］ これを数式１０に代入して、 ｘ＝Ｌ／〔λ1 ＋μ1 （β1 ／α1 ）＋ν1 （γ1 ／α1 ）〕 ［数式１３］ 同様に ｘ＝（α1 ／β1 ）ｙ ［数式１４］ ｚ＝（γ1 ／β1 ）ｙ ［数式１５］ これを数式１０に代入して、 ｙ＝Ｌ／〔μ1 ＋ν1 （γ1 ／β1 ）＋λ1 （α1 ／β1 ）〕 ［数式１６］ 同様に ｘ＝（α1 ／γ1 ）ｚ ［数式１７］ ｙ＝（β1 ／γ1 ）ｚ ［数式１８］ これを数式１０に代入して、 ｚ＝Ｌ／〔ν1 ＋λ1 （α1 ／γ1 ）＋μ1 （β1 ／γ1 ）〕 ［数式１９］ したがって、入射光の方向余弦（α0 ，β0 ，γ0）、
測定面の法線の方向余弦（λ0 ，μ0 ，ν0 ）および受
光面の法線の方向余弦（λ1 ，μ1 ，ν1 ）から反射光
点の受光面上の座標を求めることができる。
【００１７】次に実際の反射光点の受光面上の座標を次
のように求めた。実際の入射光の方向余弦、測定面法線
の方向余弦及び受光面の法線の方向余弦から、光位置セ
ンサ上の光点位置を計算する。図７より入射光の方向余
弦は、 （α0 ，β0 ，γ0 ）＝（Ｏ，sin φ,-cos φ） ［数式２０］ 測定面の法線の方向余弦は、 （λ0 ，μ0 ，ν0 ）＝（sin θ, Ｏ，cos θ） ［数式２１］ これより反射光の方向余弦は、 α1 ＝２sin θcos θcos φ ［数式２２ａ］ β1 ＝sin φ ［数式２２ｂ］ γ1 ＝cos φ（２cos2θ−１） ［数式２２ｃ］
のように求めた。実際の入射光の方向余弦、測定面法線
の方向余弦及び受光面の法線の方向余弦から、光位置セ
ンサ上の光点位置を計算する。図７より入射光の方向余
弦は、 （α0 ，β0 ，γ0 ）＝（Ｏ，sin φ,-cos φ） ［数式２０］ 測定面の法線の方向余弦は、 （λ0 ，μ0 ，ν0 ）＝（sin θ, Ｏ，cos θ） ［数式２１］ これより反射光の方向余弦は、 α1 ＝２sin θcos θcos φ ［数式２２ａ］ β1 ＝sin φ ［数式２２ｂ］ γ1 ＝cos φ（２cos2θ−１） ［数式２２ｃ］
【００１８】測定時の受光面の法線の方向余弦（λ1 、
μ1 、ν1 ）はθ＝Ｏのときの反射光の方向余弦に一致
している。したがって数式２２ａ、２２ｂ、２２ｃにθ
＝０を代入して、 （λ1 、μ1 、ν1 ）＝（０、sin φ、cos φ） ［数式２３］ 数式２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、数式２３を数式１３、１
９に代入することにより次式を得る。 ｘ＝（Ｌsin ２θcos φ）／（sin2φ−cos2φ＋２cos2φcos2θ）［数式２４］ ｚ＝〔Ｌcos φ( ２cos2θ−１）φ〕／〔sin2φ−cos2φ＋（２cos2θ−１）〕 ［数式２５］ ここで、θが微小であるとすると数式２４、２５は、そ
れぞれ数式２６、２７となる。
μ1 、ν1 ）はθ＝Ｏのときの反射光の方向余弦に一致
している。したがって数式２２ａ、２２ｂ、２２ｃにθ
＝０を代入して、 （λ1 、μ1 、ν1 ）＝（０、sin φ、cos φ） ［数式２３］ 数式２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、数式２３を数式１３、１
９に代入することにより次式を得る。 ｘ＝（Ｌsin ２θcos φ）／（sin2φ−cos2φ＋２cos2φcos2θ）［数式２４］ ｚ＝〔Ｌcos φ( ２cos2θ−１）φ〕／〔sin2φ−cos2φ＋（２cos2θ−１）〕 ［数式２５］ ここで、θが微小であるとすると数式２４、２５は、そ
れぞれ数式２６、２７となる。
【００１９】ｘ＝２Ｌθcos φ ［数式２６］ ｚ＝Ｌcos φ＝ｃｏｎｓｔ． ［数式２７］ したがって、傾角θによる反射光の移動はＸ軸方向のみ
である。これより傾角θが生じた時の光位置センサ上の
光点位置（ｘ，ｙ）について、 ｘ＝２Ｌθcos φ ［数式２８］ ｙ＝ｃｏｎｓｔ． ［数式２９］ の結果を得る。
である。これより傾角θが生じた時の光位置センサ上の
光点位置（ｘ，ｙ）について、 ｘ＝２Ｌθcos φ ［数式２８］ ｙ＝ｃｏｎｓｔ． ［数式２９］ の結果を得る。
【００２０】以上より、θが微小な場合、光点の反射面
の傾角による光位置センサ上の光点移動は、光位置セン
サ受光面上のＸｐ方向のみに限られることがわかる。上
記に基づき本発明では、レーザ発生器からの光レーザ
を、可変光量フィルタ、第１シリンドリカルレンズを介
して測定面に当て、その反射レーザを第２シリンドリカ
ルレンズ、金属フィルタを介して光位置センサに受光さ
せるように微小変位、傾き角同時測定装置を構成した。
の傾角による光位置センサ上の光点移動は、光位置セン
サ受光面上のＸｐ方向のみに限られることがわかる。上
記に基づき本発明では、レーザ発生器からの光レーザ
を、可変光量フィルタ、第１シリンドリカルレンズを介
して測定面に当て、その反射レーザを第２シリンドリカ
ルレンズ、金属フィルタを介して光位置センサに受光さ
せるように微小変位、傾き角同時測定装置を構成した。
【００２１】
【作用】上記の微小変位、傾き角同時測定装置では、そ
れに使用されるシリンドリカルレンズは、一本のレーザ
光を使用した変位測定に対して凸レンズとして作用し、
傾角測定に対してはレンズ無しとして作用し、一本のレ
ーザ光で変位と傾角を同時に測定することができる。こ
の場合、変位測定原理は従来技術で説明した内容と同一
である。しかし傾角測定に関しては、レーザ反射光の面
外変位を位置センサ上の水平方向変位Ｘとして検出する
ため、測定面へのレーザ入射角φの影響を考慮する必要
がある。理論解析から、光路長をＬ、微小傾角をθとす
ると、Ｘ＝２θＬcos φなるφの補正が必要である。
れに使用されるシリンドリカルレンズは、一本のレーザ
光を使用した変位測定に対して凸レンズとして作用し、
傾角測定に対してはレンズ無しとして作用し、一本のレ
ーザ光で変位と傾角を同時に測定することができる。こ
の場合、変位測定原理は従来技術で説明した内容と同一
である。しかし傾角測定に関しては、レーザ反射光の面
外変位を位置センサ上の水平方向変位Ｘとして検出する
ため、測定面へのレーザ入射角φの影響を考慮する必要
がある。理論解析から、光路長をＬ、微小傾角をθとす
ると、Ｘ＝２θＬcos φなるφの補正が必要である。
【００２２】
【実施例】本発明の実施例を図９、１０により説明す
る。Ｈｅ−Ｎｅレーザを発生するレーザ発生器１から測
定面の反射鏡２に向かってレーザが入射されるようにな
っており、それら両者間に可変光量フィルタ３と第１シ
リンドリカルレンズ４が配置される。また反射鏡２によ
る反射光は第２シリンドリカルレンズ５、金属フィルタ
６を介して２次元光位置センサ７に入射されるように配
置される。可変光量フィルタ３は光位置センサ７への入
射光量の調節機能を有し、金属フィルタ６はレーザ光線
の波長を選択して通す機能を有し、レーザ光以外の外来
光の影響を軽減できるようになっている。なお、図９に
おいて、光点のｘ、ｙ方向移動量は、ｙ＝２sin φ（ｂ
／ａ）ｈ、ｘ＝２sin Ｌcos φであり、反射鏡と光位置
センサとの距離Ｌは、Ｌ＝ａ＋ｂである。また１ｇはゴ
ニオメータ９の回転中心からマイクロメータまでの距離
１０１．２mm、１ｒはゴニオメータ９の回転中心から反
射点までの距離である。
る。Ｈｅ−Ｎｅレーザを発生するレーザ発生器１から測
定面の反射鏡２に向かってレーザが入射されるようにな
っており、それら両者間に可変光量フィルタ３と第１シ
リンドリカルレンズ４が配置される。また反射鏡２によ
る反射光は第２シリンドリカルレンズ５、金属フィルタ
６を介して２次元光位置センサ７に入射されるように配
置される。可変光量フィルタ３は光位置センサ７への入
射光量の調節機能を有し、金属フィルタ６はレーザ光線
の波長を選択して通す機能を有し、レーザ光以外の外来
光の影響を軽減できるようになっている。なお、図９に
おいて、光点のｘ、ｙ方向移動量は、ｙ＝２sin φ（ｂ
／ａ）ｈ、ｘ＝２sin Ｌcos φであり、反射鏡と光位置
センサとの距離Ｌは、Ｌ＝ａ＋ｂである。また１ｇはゴ
ニオメータ９の回転中心からマイクロメータまでの距離
１０１．２mm、１ｒはゴニオメータ９の回転中心から反
射点までの距離である。
【００２３】また２枚のシリンドリカルレンズ４、５
は、図１０に示す形状のホルダ８で保持されて、所定の
レーザ光の進路に固定され、後記する測定面の変位によ
る反射光の変化に対してはレンズとして作用し、測定面
の傾角の変位による反射光の変化に対しては影響を及ぼ
さないようになっている。本実施例では測定面をゴニオ
メータ９で形成し、その上面に反射鏡２を設けて変位と
傾角を同時に発生できるようにした。測定面の変位と傾
角は、反射鏡２の位置を１ｒずらすとともにゴニオメー
タ９の回転軸９ａを支点にして測定面を揺動するととも
に、ダイヤルゲージ１０を操作する事により同時に変化
させられるようになっている。また光位置センサ７の出
力信号は、シグナルプロセッサで直接観測するか、デー
タレコーダに記録した後にコンピュータに取り込まれる
ようにした。
は、図１０に示す形状のホルダ８で保持されて、所定の
レーザ光の進路に固定され、後記する測定面の変位によ
る反射光の変化に対してはレンズとして作用し、測定面
の傾角の変位による反射光の変化に対しては影響を及ぼ
さないようになっている。本実施例では測定面をゴニオ
メータ９で形成し、その上面に反射鏡２を設けて変位と
傾角を同時に発生できるようにした。測定面の変位と傾
角は、反射鏡２の位置を１ｒずらすとともにゴニオメー
タ９の回転軸９ａを支点にして測定面を揺動するととも
に、ダイヤルゲージ１０を操作する事により同時に変化
させられるようになっている。また光位置センサ７の出
力信号は、シグナルプロセッサで直接観測するか、デー
タレコーダに記録した後にコンピュータに取り込まれる
ようにした。
【００２４】ゴニオメータ９を使って変位と傾角を同時
に発生させる時は、ダイヤルゲージ１０の位置はゴニオ
メータ９の回転中心から１ｇ離れさせている。レーザの
反射点はゴニオメータ９の回転中心から１ｒ離れさせて
いる。この場合、ダイヤルゲージ１０の変位δによるレ
ーザ反射点の傾角θと変位ｈは次式になる。 θ＝δ／１ｇ ［数式３０］ ｈ＝（１ｒ／１ｇ）δ ［数式３１］
に発生させる時は、ダイヤルゲージ１０の位置はゴニオ
メータ９の回転中心から１ｇ離れさせている。レーザの
反射点はゴニオメータ９の回転中心から１ｒ離れさせて
いる。この場合、ダイヤルゲージ１０の変位δによるレ
ーザ反射点の傾角θと変位ｈは次式になる。 θ＝δ／１ｇ ［数式３０］ ｈ＝（１ｒ／１ｇ）δ ［数式３１］
【００２５】上記の変位、傾角同時測定装置において、
変位の測定原理は従来と変わらないが、シリンドリカル
レンズ４、５を使用した場合の確認を行った。結果を図
１１と、表１に示す。なお、変位の生成の際、測定面が
傾斜しないようにゴニオメータ９の代わりにＸＹＺテー
ブルを使用した。また、最小目盛りが１μｍのダイヤル
ゲージを取付ける事によって、変位の刻み幅を１μｍと
した。測定の結果、変位を計算値に対して最大誤差５％
で測定できた。これより、変位測定の際、シリンドリカ
ルレンズ４、５を使用してもよい事が確認できた。
変位の測定原理は従来と変わらないが、シリンドリカル
レンズ４、５を使用した場合の確認を行った。結果を図
１１と、表１に示す。なお、変位の生成の際、測定面が
傾斜しないようにゴニオメータ９の代わりにＸＹＺテー
ブルを使用した。また、最小目盛りが１μｍのダイヤル
ゲージを取付ける事によって、変位の刻み幅を１μｍと
した。測定の結果、変位を計算値に対して最大誤差５％
で測定できた。これより、変位測定の際、シリンドリカ
ルレンズ４、５を使用してもよい事が確認できた。
【００２６】
【表１】
【００２７】図９の測定装置を使用して変位と傾角の同
時測定を行った。この場合、変位及び傾角はゴニオメー
タ９とダイヤルゲージ１０を組合せて発生させた。変位
ｈと傾角θの最小刻み量は数式３０、３１において、１
ｇ＝１０２ｍｍ、１ｒ＝５．０ｍｍ、ダイヤルゲージの
変化量δ＝１μｍとして計算すると、ｈmin ＝０．０４
９μｍ、θmin ＝９．８×１０-6ｒａｄである。
時測定を行った。この場合、変位及び傾角はゴニオメー
タ９とダイヤルゲージ１０を組合せて発生させた。変位
ｈと傾角θの最小刻み量は数式３０、３１において、１
ｇ＝１０２ｍｍ、１ｒ＝５．０ｍｍ、ダイヤルゲージの
変化量δ＝１μｍとして計算すると、ｈmin ＝０．０４
９μｍ、θmin ＝９．８×１０-6ｒａｄである。
【００２８】測定結果は、図１２、表２ａ、２ｂに示す
ようになった。測定結果から以下の事が云える。傾角の
みの測定結果では、ゴニオメータ最小傾角θmin ＝９．
８×１０-6ｒａｄの傾角を計算値に対して誤差３％で測
定することができた。この測定値は高精度であり、シリ
ンドリカルレンズによる測定上の影響はないものと考え
る。変位測定においてδ＝３μｍとした時に、すでに計
算値に対する測定値の誤差が２０％に達してしまった。
δ＝４μｍとすれば誤差が５％となったため、変位と傾
角の同時測定との観点から、測定精度を変位０．２μ
ｍ、傾角４×１０-5ｒａｄとした。
ようになった。測定結果から以下の事が云える。傾角の
みの測定結果では、ゴニオメータ最小傾角θmin ＝９．
８×１０-6ｒａｄの傾角を計算値に対して誤差３％で測
定することができた。この測定値は高精度であり、シリ
ンドリカルレンズによる測定上の影響はないものと考え
る。変位測定においてδ＝３μｍとした時に、すでに計
算値に対する測定値の誤差が２０％に達してしまった。
δ＝４μｍとすれば誤差が５％となったため、変位と傾
角の同時測定との観点から、測定精度を変位０．２μ
ｍ、傾角４×１０-5ｒａｄとした。
【００２９】図１３にゴニオメータを固定したままで出
力された傾角の出力を示す。変位の出力もほぼ同じ大き
さである。この出力は一旦データレコーダで記録後、Ｗ
ａｖｅ Ｍａｓｔｅｒ（カノープス電子；ＡＤ変換プロ
グラム）によってパーソナルコンピュータに取り込ん
だ。
力された傾角の出力を示す。変位の出力もほぼ同じ大き
さである。この出力は一旦データレコーダで記録後、Ｗ
ａｖｅ Ｍａｓｔｅｒ（カノープス電子；ＡＤ変換プロ
グラム）によってパーソナルコンピュータに取り込ん
だ。
【００３０】
【表２ａ】
【００３１】
【表２ｂ】
【００３２】この出力は測定装置全体の総合的な雑音で
あると考えられる。出力の最大値と最小値の差は約１５
ｍＶである。この値を傾角または変位に換算するとそれ
ぞれ４．７×１０-6ｒａｄ、０．０９μｍに相当する。
この値は、変位については同時測定結果における精度
０．２μｍの約半分に当たり、傾角については、傾角測
定結果における精度９．８×１０-6ｒａｄの約半分に当
たる。これらの事から、試作した変位、傾き角同時測定
装置の精度の限界はこの辺りだと考えられる。
あると考えられる。出力の最大値と最小値の差は約１５
ｍＶである。この値を傾角または変位に換算するとそれ
ぞれ４．７×１０-6ｒａｄ、０．０９μｍに相当する。
この値は、変位については同時測定結果における精度
０．２μｍの約半分に当たり、傾角については、傾角測
定結果における精度９．８×１０-6ｒａｄの約半分に当
たる。これらの事から、試作した変位、傾き角同時測定
装置の精度の限界はこの辺りだと考えられる。
【００３３】
【発明の効果】本発明の微小変位、傾き角同時測定装置
では、シリンドリカルレンズを用いているので一本のレ
ーザ光と一個の光位置センサを使用して変位と傾角を同
時に測定できる。よって、変位、傾角を同時測定する場
合、装置の構成要素が従来の装置に比較して約半分にな
り、セッティングが簡単である。また測定対象に特別の
加工が不要であり、実機を対象に測定でき、種々の測定
対象への応用範囲が広い。さらに測定対象のある一点の
変位、傾角の測定が可能であり、測定対象が剛体とみな
し得ない場合の測定に有利である。
では、シリンドリカルレンズを用いているので一本のレ
ーザ光と一個の光位置センサを使用して変位と傾角を同
時に測定できる。よって、変位、傾角を同時測定する場
合、装置の構成要素が従来の装置に比較して約半分にな
り、セッティングが簡単である。また測定対象に特別の
加工が不要であり、実機を対象に測定でき、種々の測定
対象への応用範囲が広い。さらに測定対象のある一点の
変位、傾角の測定が可能であり、測定対象が剛体とみな
し得ない場合の測定に有利である。
【図１】従来の変位測定装置と傾角測定装置を組合せた
測定装置の説明図である。
測定装置の説明図である。
【図２】変位測定原理の説明図である。
【図３】傾角測定原理の説明図である。
【図４】本発明の微小変位、傾き角同時測定の原理説明
図である。
図である。
【図５】変位による光点移動方向を示す説明図である。
【図６】傾角による光点移動方向を示す説明図である。
【図７】新たな傾角測定原理の説明図である。
【図８】反射光の方向余弦を示す説明図である。
【図９】本発明の微小変位、傾き角同時測定装置の斜視
図である。
図である。
【図１０】レンズホルダの説明図である。
【図１１】光点移動量と測定面変位の関係図である。
【図１２】光点移動量とマイクロメータ変位との関係図
である。
である。
【図１３】ゴニオメータを固定したままで出力された傾
角の出力（測定装置の雑音）を示す測定図である。
角の出力（測定装置の雑音）を示す測定図である。
１ レーザ発生器 ２ 反射鏡 ３ 可変光量フィルタ ４ 第１シリンドリカルレンズ ５ 第２シリンドリカルレンズ ６ 金属フィルタ ７ 光位置センサ ９ ゴニオメータ １０ ダイヤルゲージ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 元通 埼玉県熊谷市三ケ尻5200番地日立金属株式 会社磁性材料研究所内 (72)発明者 篠原 肇 埼玉県熊谷市三ケ尻5200番地日立金属株式 会社磁性材料研究所内
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項１】 レーザ光発生器と、レーザ光発生器から
のレーザ光の通過光量を調節する可変光量フィルタと、
測定面の変位による反射光の変化に対してはレンズとし
て作用するとともに、測定面の傾角の変位による反射光
の変化に対しては影響を及ぼさない一対のシリンドリカ
ルレンズと、一対のシリンドリカルレンズからの光の波
長を選択して通す金属フィルタと、金属フィルタからの
レーザ光の受光位置を検出する２次元光位置センサとを
有することを特徴とする微小変位、傾き角同時測定装
置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20005391A JPH0518712A (ja) | 1991-07-15 | 1991-07-15 | 微小変位、傾き角同時測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20005391A JPH0518712A (ja) | 1991-07-15 | 1991-07-15 | 微小変位、傾き角同時測定装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0518712A true JPH0518712A (ja) | 1993-01-26 |
Family
ID=16418050
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP20005391A Pending JPH0518712A (ja) | 1991-07-15 | 1991-07-15 | 微小変位、傾き角同時測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0518712A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003535319A (ja) * | 2000-05-30 | 2003-11-25 | カール ツァイス イエナ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング | 距離測定用および／または面傾斜度測定用の光センサ |
| JP2011514969A (ja) * | 2008-03-10 | 2011-05-12 | ハイデルベルク・インストルメンツ・ミクロテヒニツク・ゲー・エム・ベー・ハー | 変位のための方法および装置 |
-
1991
- 1991-07-15 JP JP20005391A patent/JPH0518712A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003535319A (ja) * | 2000-05-30 | 2003-11-25 | カール ツァイス イエナ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング | 距離測定用および／または面傾斜度測定用の光センサ |
| JP2011514969A (ja) * | 2008-03-10 | 2011-05-12 | ハイデルベルク・インストルメンツ・ミクロテヒニツク・ゲー・エム・ベー・ハー | 変位のための方法および装置 |
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