JPH10160418A - 測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型化を可能にするとともに製造コストを低
減する。 【解決手段】 固定磁石４４、励磁コイル４５および軸
４７を備えた固定部３８と、磁石５０を有し軸４７によ
って揺動自在に保持された可動部３９とでアクチュエー
タ３３を構成する。可動部３９に反射鏡３１を固定す
る。励磁コイル４５に交流電流を流して励磁と、可動部
３９が揺動し、反射鏡３１がレーザー光３を走査して点
状光に変換する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザー光を用い
て被測定物の長さ、位置等を測定する測定装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、帯状光の光路中に被測定物を設置
するとそれによって帯状光の一部が遮られる現象を利用
して、被測定物の寸法または位置を測定するレーザー光
を用いた測定装置が知られている。この測定装置は、光
源から放射されたレーザー光を回転ポリゴンミラーによ
って走査することにより帯状光を得ていた。帯状光を得
る方法としては、図７に示すように２つのポリゴンミラ
ー１，２を同期させて回転させ、レーザー光源からのレ
ーザー光３を走査することにより帯状光４を得る方法
（ａ）と、１つのポリゴンミラー１と反射鏡５を用いて
レーザー光３を走査することにより帯状光４を得る方法
（ｂ）がある。ここで、本発明における帯状光とは、瞬
間的には点状光だが、時間積分すると帯状に見えるとい
う意味の光である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ポリゴ
ンミラーを用いた従来の測定装置にあっては、ポリゴン
ミラーを回転させるための駆動モータと、その設置スペ
ースを確保する必要であり、ポリゴンミラー自体も小型
化するには限度があることから、装置全体の形状が大き
くなるという問題があった。また、駆動モータに高精度
な非接触軸受を使用したり、板状の反射鏡に比べて高価
なポリゴンミラーを用いるため、装置自体の価格も高価
になるという問題もあった。

【０００４】本発明は上記した従来の問題を解決するた
めになされたもので、その目的とするところは、小型化
を可能にするとともに安価なレーザー光を用いた測定装
置を提供することにある。また、本発明は、被測定物の
寸法のみならず、位置情報が得られる測定装置を提供す
ることにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、レーザー光源と、このレーザー光源からの
レーザー光を反射し被測定物に導く反射鏡と、この反射
鏡を揺動させ前記レーザー光を走査するアクチュエータ
と、前記被測定物を照射したレーザー光を受光する受光
素子と、この受光素子の出力信号から被測定物の走査方
向の寸法または位置を算出する信号処理部とを備えた測
定装置において、前記アクチュエータを、励磁コイルを
備えた固定部と、磁石を有し前記固定部に揺動自在に配
設された可動部とで構成し、この可動部に前記反射鏡を
固定し、前記励磁コイルに交流電流を流して励磁するこ
とにより、前記反射鏡を可動部とともに揺動させること
を特徴とする。

【０００６】本発明において、反射鏡は可動部とともに
揺動され、レーザー光源からのレーザー光を走査するこ
とにより帯状光に変換する。アクチュエータは、励磁コ
イルを有する固定部と、磁石を有し反射鏡が固定された
可動部とからなり、励磁コイルに交流電流を通電して励
磁することにより、可動部を揺動させる。したがって、
駆動モータを必要としない。また、反射鏡は板状のもの
でよい。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に示す実施の
形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る測
定装置の一実施の形態を示す概略構成図、図２（ａ）、
（ｂ）は、同測定装置の正面図および断面図である。先
ず、測定装置の概略構成を説明する。測定装置１０は、
投光部１１を構成するレーザー光源１２および第１光学
系１３と、受光部１４を構成する第２光学系１５および
受光素子１６と、受光素子１６の出力信号から測定空間
Ｓに設置された被測定物１７の走査方向の寸法または位
置を算出する信号処理部１９等からなり、投光部１１と
受光部１４の間の空間が被測定物１７の測定空間Ｓを形
成している。

【０００８】このような測定装置１０は、図２に示すよ
うに前記投光部１１、受光部１４、信号処理部１９等を
収容するハウジング２１を備えている。このハウジング
２１は、アルミニウム等によって上方に開放する正面視
コ字状に形成されることにより、上面に一体に突設され
た互いに対向する２つの支柱部２１Ａ，２１Ｂを有し、
これら支柱部２１Ａ，２１Ｂ間の上方側空間が前記被測
定物１７の測定空間Ｓを形成している。また、各支柱部
２１Ａ，２１Ｂの上端部で互いに対向する内側面側に
は、開口２２，２３が同一高さ位置に形成されている。
ハウジング２１の内部には、前記投光部１１が水平方向
に配置され、一方の支柱部２１Ａの内部には前記第２光
学系１５が垂直方向に配置され、他方の支柱部２１Ｂの
内部上方には前記受光素子１６がそれぞれ配置されてい
る。第１光学系１３は、レーザー光源１２から出射した
レーザー光３を走査することにより帯状光４に変換す
る。この帯状光４は、第２光学系１４によって一方の支
柱部２１Ａの内部上方に導かれ、ミラー２４によって９
０°方向転換されることにより前記開口２２からスリッ
ト２５を通ってハウジング２１の外部に出て被測定物１
７を照射した後、前記開口２３から同じくスリット２６
を通って他方の支柱部２１Ｂ内に進入し前記受光素子１
６によって受光される。すなわち、この測定装置１０の
光路は、コ字状の光路を呈するものである。なお、スリ
ット２５，２６は、帯状光４の幅を規制するものであ
る。

【０００９】次に、測定装置１０の詳細な構成等につい
て説明する。レーザー光源１２としては、図１に示すよ
うに半導体レーザー（例：レーザーダイオード）３０が
用いられ、レーザー駆動装置２７と発振器２８を備えて
いる。

【００１０】第１光学系１３は、半導体レーザー３０か
らのレーザー光３を反射する板状の反射鏡３１と、この
反射鏡３１にレーザー光３を導くレンズ３２（図２
（ｂ））と、反射鏡３１を揺動させるアクチュエータ３
３と、反射鏡３１で反射した反射光を反射し被測定物１
７に導く前記ミラー２４等で構成され、半導体レーザー
３０からのレーザー光３を反射鏡３１によって走査する
ことにより帯状光４に変換する。

【００１１】図３（ａ）、（ｂ）に反射鏡３１を揺動さ
せるアクチュエータ３３の構成を示し、（ａ）は一部を
破断して示す斜視図、（ｂ）は断面図である。このアク
チュエータ３３は、固定部３８と、この固定部３８の中
央に揺動自在に設けられた可動部３９と、アクチュエー
タ駆動装置４０とで構成されている。固定部３８は、断
面形状がコ字状の矩形枠状体に形成されたボビン４２
と、このボビン４２の環状溝４３内にそれぞれ配設され
た２つの固定磁石４４、励磁コイル４５およびヨーク４
６とで構成されている。可動部３９は、ボビン４２の中
央開口部４２ａ内に設けられた軸４７により軸受４８を
介して揺動自在に軸支され、内部に前記軸４７を挟んで
配置された２つの磁石５０を有し、表面側には前記反射
鏡３１が固着されている。２つの固定磁石４４は、磁石
５０を挟んで対向するようにボビン４２に設けられてい
る。また、固定磁石４４は板厚方向に着磁され、磁石５
０と異極同士が対向するように配置されている。磁石５
０は径方向に着磁されている。ヨーク４６は軟鉄等によ
って形成され、励磁コイル４５を保護するとともに固定
磁石４４からの磁束を導く磁路を形成している。なお、
ボビン４２には、励磁コイル４５に通電する図示しない
電力供給端子が設けられ、この端子が前記アクチュエー
タ駆動装置４０に接続されている。また、固定磁石４４
と磁石５０とは、これら両磁石間の吸引力により可動部
３９を中点位置に復帰させるようにしているが、固定磁
石４４を用いずに、固定部３８と可動部３９の間にばね
を設けて中点位置への復帰力を付与するようにしてもよ
い。例えば、軸４７の代わりにねじりばねを用いればよ
い。

【００１２】このようなアクチュエータ３３において、
アクチュエータ駆動装置４０によって励磁コイル４５に
交流電流を通電して励磁コイル４５を励磁すると、磁界
の方向が時間的に変化するため、可動部３９は軸４７を
中心として揺動し、反射鏡３１がレーザー光３を走査す
ることで帯状光４に変換する。交流電流としては、方形
波や正弦波が適し、本実施の形態においては、３３０Ｈ
ｚの矩形波を用いている。図４（ａ）に反射鏡３１が右
から左に揺動したときの揺動角度の変化を示す。縦軸は
揺動角、横軸は時間である。

【００１３】第２光学系１５は、受光素子１６の種類に
よって構成が異なり、集光レンズまたはフィルタと、前
記ミラー２４、スリット２５等が用いられる。すなわ
ち、受光素子１６としては、光量センサ（ＣｄＳやシリ
コンフォトダイオードなど）、ＣＣＤラインセンサ（電
荷結合素子）、シリコンフォトダイオードを応用したＰ
ＳＤセンサ（半導体位置検出器）等の使用が可能である
が、光量センサを用いた場合には、帯状光４を集光して
光量センサに導くための集光レンズ５５が用いられる。
一方、受光素子１６としてＣＣＤラインセンサやＰＳＤ
センサといった位置情報が得られるセンサを用いた場合
には、帯状光のままセンサに導く。したがって、これら
のセンサにおいては前記集光レンズ５５を必要としな
い。単波長透過フィルタを用いれば、レーザー光源１２
以外からの光を遮断し、誤動作を防止することができ
る。なお、第１、第２の光学系１３，１５に適当な形状
のレンズを用いることにより、平行光の移動速度を等速
にすることが可能である。特に、受光素子１６として光
量センサを用いた場合には等速平行移動光線（帯状光）
とすることが望ましい。

【００１４】図５に信号処理部の電気回路を示す。同図
において、実線５７で囲まれた領域内の各構成要素は受
光素子１６として光量センサを用いた場合の信号処理部
を構成している。すなわち、光量センサを用いた場合の
信号処理部１９は、加算増幅器６０、最大値検出器６
１、最小値検出器６２、平均化回路６３、比較器６４、
演算装置６５および表示装置６６等で構成されている。
一方、実線５８で囲まれた領域内の各構成要素は受光素
子１６としてＰＳＤセンサを用いた場合の信号処理部を
構成している。すなわち、ＰＳＤセンサを用いた場合の
信号処理部１９は、前記加算増幅器６０、最大値検出器
６１、最小値検出器６２、平均化回路６３、比較器６
４、演算装置６５および表示装置６６に加えて対数増幅
器６８，６９、差動演算器７０および演算部７１を備え
ている。演算装置６５と表示装置６６は、受光素子１６
として光量センサとＰＳＣセンサを用いた場合の双方に
共通に使用される。

【００１５】先ず、受光素子１６として光量センサを用
いた場合の信号処理部１９による被測定物の測定につい
て説明する。この場合、加算増幅器６０は不要で、受光
素子１６の出力を直接最大値検出器６１と最小値検出器
６２へ入力する。レーザー光が被測定物１７を照射して
いるとき、光量センサ１６にレーザー光が到達しないの
で、光量は０になる。ただし、被測定物１７が透光性を
有する場合は減少する。

【００１６】最大値検出器６１と最小値検出器６２は、
光量Ｘ1 の最大値および最小値を検出する。平均化回路
６３は、最大値検出器６１と最小値検出器６２によって
検出された光量Ｘ1 の最大値と最小値との平均値ｒｅｆ
を演算し、この平均値ｒｅｆと光量Ｘ1 を比較器６４に
よって比較し、その交点ｇ1 を求める。このように加算
増幅器６０によって積分した光量Ｘ1 と平均値ｒｅｆと
の交点ｇ1 を求めるのは、被測定物１７が透明体や半透
明体であったときの配慮である。すなわち、透明体の場
合は被測定物１７をレーザー光の一部が透過してしまう
ため、図４（ｂ）に示すように光量センサ１６の出力が
０にならないから、被測定物１７のエッジ位置を何らか
のしきい値で判断する必要があり、そのしきい値として
平均値ｒｅｆを用いたものである。したがって、透光体
を測定しない場合には、最大値検出器６１、最小値検出
器６２および平均化回路６３を用いないでもよい。図４
（ｃ）に比較器６４の出力信号ｇ1 を示し、時刻ｔ2 と
ｔ3 の期間で被測定物１７を照射したことを示す。横軸
は時間、縦軸被測定物の有無で、１は測定物有り、０は
被測定物なしを表す。

【００１７】演算装置６５はパーソナルコンピュータ等
からなり、比較器６４からの出力信号（ｇ1 ）が入力さ
れ、この信号に対して次のような演算処理を行なうこと
により、被測定物１７の長さを算出する。すなわち、被
測定物１７の長さは帯状光４が被測定物１７を照射して
いる時間に比例するため、先ず図４（ｃ）に示すように
被測定物１７の照射によって光量Ｘ1 が減少ときの時刻
ｔ2 と、再び増加するときの時刻ｔ3 を求める。なお、
当然のことながら、反射鏡３１が右から左へ揺動したと
きの時刻ｔ1 ，ｔ4 における点状光の位置関係は設計に
よって予め決まっている（ｔ1 からｔ4 の間の距離を１
００％とする）。 被測定物の第１のエッジ位置＝(t2 ーt1 )×100/(t4 -t1
)〔％〕 被測定物の第２のエッジ位置＝(t3 ーt1 )×100/(t4 -t1
)〔％〕 被測定物の寸法＝第２のエッジ位置−第１のエッジ位置
〔％〕 そして、このようにして算出された被測定物１７の位置
および寸法（長さ）を表示装置６６によって表示させ
る。

【００１８】以上は光学系補正によりレーザー光が等速
平行移動している場合を想定して説明したが、光学系で
補正せずに演算部７１または演算装置６５に図４（ａ）
のデータを予め記憶させておき、演算処理時に補正する
ことも可能である。

【００１９】次に、受光素子１６としてＰＳＤセンサを
用いた場合の信号処理部１９による被測定物の測定につ
いて説明する。ＰＳＤセンサの場合は、通常図６に示す
ように加算、減算および除算による２次元位置検出方式
「(I1 - I2 )/(I1 + I2)」によって位置検出を行なう。

【００２０】加算増幅器６０は、ＰＳＤセンサ１６から
の位置出力信号Ｉ1 ，Ｉ2 を加算して光量Ｘ1 を得る。
すなわち、ＰＳＤセンサ１６がレーザー光を受光してい
るときは、所定値（Ｉ1 ＋Ｉ2 ）が得られ、受光しない
ときはＩ1 ＋Ｉ2 ＝０となる。最小値検出器６２は、光
量Ｘ1 の最大値および最小値を検出する。平均化回路６
３は、最大値検出器６１と最小値検出器６２によって検
出された光量Ｘ1 の最大値と最小値との平均値ｒｅｆを
演算し、この平均値ｒｅｆと光量Ｘ1 を比較器６４によ
って比較し、その交点ｇ1 を求める。この交点ｇ1 は、
ＰＳＤセンサ１６を用いた場合、演算部７１に入力され
る。

【００２１】一方、対数増幅器６８，６９および作動増
幅器７０は、ＰＳＤセンサ１６からの出力信号を演算す
ることにより、走査している点状光の位置Ｘ2 を算出
し、演算部７１に入力する。このような対数増幅器６
８，６９と作動増幅器７０による演算処理は、加算器、
減算器および除算器を用いたＰＳＤセンサ１６による上
記の２次元位置検出方式「(I1 - I2 )/(I1 + I2)」と同
等の演算処理である。

【００２２】演算部７１は、比較器６４より入力される
信号（ｇ1 )が点状光のどの位置Ｘ2に相当するかを算出
する。すなわち、点状光の位置Ｘ2 は、図４（ｄ）に示
すように反射鏡３１の揺動角によって変化するため、被
測定物１７の照射によって光量Ｘ1 が減少している時刻
ｔ2 ，ｔ3 が判ると、各時刻ｔ2 ，ｔ3 における点状光
の位置（レベル）Ｐ1 ，Ｐ2 が判る。そして、演算部７
１は、これらの位置Ｐ1 ，Ｐ2 と長さ（レベル）の信号
を演算装置６５に出力する。演算装置６５は、演算部７
１からの出力信号を演算処理することにより被測定物１
７の長さおよびまたは位置を表示データとして算出し、
表示装置６６に表示させる。

【００２３】図４（ｂ）においては、反射鏡３１が右か
ら左へ揺動した場合のみの光量Ｘ1を示している。実際
にはこれに続いて反射鏡３１が左から右へ揺動するとき
の信号も出力される。その場合の信号は、縦軸に対して
対称な信号となる。したがって、反射鏡３１が何れの方
向に揺動したときの出力であるかを判別する必要があ
る。そのため、図５に示すようにアクチュエータ駆動装
置３０から駆動電圧波形の位相情報を演算部７１へ入力
している。なお、アクチュエータ駆動装置３０の駆動電
圧と反射鏡３１の位置との位相関係は、駆動周波数によ
って様々である（例えば、共振周波数で駆動した場合に
は９０°ずれる）から、予め確認して演算処理に反映さ
せるようにしている。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る測定装
置は、レーザー光源と、このレーザー光源からのレーザ
ー光を反射し被測定物に導く反射鏡と、この反射鏡を揺
動させ前記レーザー光を走査するアクチュエータと、前
記被測定物を照射したレーザー光を受光する受光素子
と、この受光素子の出力信号から被測定物の走査方向の
寸法または位置を算出する信号処理部とを備えた測定装
置において、前記アクチュエータを、励磁コイルを備え
た固定部と、磁石を有し前記固定部に揺動自在に配設さ
れた可動部とで構成し、この可動部に前記反射鏡を固定
し、前記励磁コイルに交流電流を流して励磁することに
より、前記反射鏡を可動部とともに揺動させるようにし
たので、反射鏡を板状のミラーで構成することができ
る。したがって、高価なポリゴンミラーを必要とせず、
小型軽量化とコスト低減を実現することができる。ま
た、反射鏡のアクチュエータは、励磁コイルに交流電流
を通電して励磁することにより、可動部を揺動させるも
のであるため、駆動モータを必要とせず、装置の小型化
を可能にするとともに、設置スペースを小さくすること
ができる。また、被測定物の寸法のみならず位置情報も
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る測定装置の一実施の形態を示す
概略構成図である。

【図２】 （ａ）、（ｂ）は同測定装置の正面図および
断面図である。

【図３】 （ａ）はアクチュエータの一部を破断して示
す斜視図、（ｂ）は断面図である。

【図４】 （ａ）は反射鏡の揺動角の変化を示す図、
（ｂ）は受光素子によって受光される光量を示す図、
（ｃ）は光量Ｘ1 と平均値ｒｅｆの交点を示す図、
（ｄ）はスポット位置を示す図である。

【図５】 信号処理部の電気回路図である。

【図６】 ＰＳＤセンサによる２次元位置計測方式を示
す図である。

【図７】 （ａ）、（ｂ）はそれぞれポリゴンミラーを
用いて帯状光を得る従来方法を示す図である。

【符号の説明】

１０…測定装置、１１…投光部、１２…レーザー光源、
１３…第１光学系、１４…受光部、１５…第２光学系、
１６…受光素子、１７…被測定物、１９…信号処理部、
３１…反射鏡、３３…アクチュエータ、３８…固定部、
３９…可動部、４４…固定磁石、４５…励磁コイル、４
７…軸、５０…磁石。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザー光源と、このレーザー光源から
   のレーザー光を反射し被測定物に導く反射鏡と、この反
   射鏡を揺動させ前記レーザー光を走査するアクチュエー
   タと、前記被測定物を照射したレーザー光を受光する受
   光素子と、この受光素子の出力信号から被測定物の走査
   方向の寸法または位置を算出する信号処理部とを備えた
   測定装置において、 前記アクチュエータを、励磁コイルを備えた固定部と、
   磁石を有し前記固定部に揺動自在に配設された可動部と
   で構成し、この可動部に前記反射鏡を固定し、前記励磁
   コイルに交流電流を流して励磁することにより、前記反
   射鏡を可動部とともに揺動させることを特徴とする測定
   装置。