JPS62204112A - 光式変位測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、光ビームを被測定物体に照射し、その反射
光を用いて被測定物体までの距離と傾き量またはその変
位量と傾き量を測定するようにした光式変位測定装置に
関するものである。

〔従来の技術〕

第３図は、特公昭５９−７６２号公報に記載された従来
の光式変位測定装置を示す。図において、２１は光源２
２の駆動回路で、光源２２には例えば半導体レーザのよ
うなレーザ光源或いはピンホールやスリットを用いて指
向性をよくした発光ダイオード等が用いられる。２３は
照射レンズで、光源２２からの光ビームを細い照射光ビ
ーム２４にする。２５は測定面としての被測定物体面で
、基準面Ｓから照射レンズ２３に近づく側に距離ΔＪだ
け変位したときの被測定物体面２５Ａの変位量や照射レ
ンズ２３から離れる側に距離Δぷだけ変位したときの被
測定物体面２５Ｂの変位量が測定されるものである。２
６は集光レンズで、例えば被測定物体面２５ＡのＡ点か
らの散乱光を収束して集束光２６Ｒを形成する。２７は
集光レンズ２６の略集光位置に配置された例えばポジシ
ョンセンサのように受光面上の１つの光点の位置に比例
した一対の光電流を出力する位置検出素子である。この
一対の光電流は互いに逆の大きさの関係にあり、一方の
光電流が増すと他方の光電流が減る。２８は上述の符号
２２．２３．２６．２７で示される構成要素を不図示の
筺体内に収納した光式変位測定装置のヘッド、２９は位
置検出素子２７の一対の出力端に一対の入力端を各々接
続された演算器であり、入力した光電流と予め設定され
たデータとに基づき所定の式に従って演算を行なう。

次に動作について説明する。駆動回路２１によシ駆動さ
れた光源２２から出射した光ビームは照射レンズ２３で
収束されて細い照射光ビーム２４とされ、被測定物体面
２５上に真上から投射される。これによシ、被測定物体
面２５には光スポットが形成される。

ここで、例えば被測定物体面２５は基準面ＳからΔ２だ
け変位して被測定物体面２５Ａの位置にあるものとする
。その光照射により被測定物体面２５ＡのＡ点で散乱し
た光の内の一部は集光レンズ２６によシ収束光２６Ｒと
され、位置検出素子２７の受光面上の位置２７Ａに光ス
ポットの光像を形成する。位置検出素子２７は収束光２
６Ｒによシ形成される１つの光スポットの光像の位置２
７Ａに比例した一対の光電流’ｌ　ｒ　１２を出方する
。

ここで、数値的に下式が成立する。

従って、変位量Δ形の測定結果としての変位量測定信号
をＳΔｌとすると、 が成立する。但し、ここでＫは比例定数であシ、予め計
算又は実験にょシ求められ演算器２９内に設定されてい
る。

よって、位置検出素子２７から光電流ｉｌ　ｙ　ｉ２を
入力した演算器２９は（２）式の右辺に従って演算を行
ない変位量Δノを変位量測定信号ＳΔｌとして出力する
ことができる。例えば、基準面Ｓの中心点Ｏｓに照射光
ビーム２４による光スポットが位置するとき位置検出素
子２７の受光面上の位置２７Ｃ上に光スポットの光像が
形成され、この時の光電流をｊ　１　＝　１２とすれば
、ＳΔｚ＝Ｑとなる。従って、演算器２９はこのＯ８点
を中心にして測定範囲内で変位量Δ２を＋、−で被測定
物体２５の移動方向を示して変位量測定信号ＳΔノにし
て出力することができる。また、例えばＳΔｚ＝Ｑの時
の被測定物体面２５迄の距離の実測値に対応するデータ
値Ｄ／を予め演算器２９に格納しておき、演算器２９が
ＤＪ−）−８Δｌを演算することによシ被測定物体面２
５迄の距離を信号で出力することができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の光式変位測定装置は以上のように構成されている
ので、光源と被測定物体面迄の測定点と位置検出素子と
を３角形に配置する必要があるので、それらの部品を収
納したヘッドの小型化に限界があり、使用者にとってヘ
ッドが使いにくい問題点があり、又、理想的な状態では
、被測定物体面の傾きによる測定誤差は発生しないはず
であるが、しかし実際には被測定物体面の傾きによる測
定誤差が発生し、光源から測定点を介した位置検出素子
名の光路が形成する平面内における被測定物体面の傾き
による測定誤差の方がその平面と垂直平面内における測
定面の傾きによる測定誤差よりも大きくなるが、しかし
原理的に被測定物体面の傾きを測定することはできない
などの問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、ヘッドの小型化が可能で且つ被測定物体面の
傾きも測定できるようにした光式変位測定装置を得るこ
とを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る光式変位測定装置は、交互に駆動される
第１および第２の光源を有する光源手段を設け、この第
１および第２の光源からの各光源光を一対の光ファイバ
で各々導光してから細径の各照射光ビームにし被測定物
体面迄に投光して各光スポットを交互に形成する第１お
よび第２のセルフォックレンズを集光手段の光軸の片側
から各所定の角度傾けて配置し、各党スポットの光像が
集光手段によシ形成される位置に各光スポットの光像の
位置に比例した各一対の光電流を出力する位置検出素子
を配置し、この位置検出素子からの２対の光電流と予め
設定されたデータに基づき被測定物体面の傾き量と変位
量もしくはそれ迄の距離とを各所定の式に従って演算手
段により演算するようにしたものである。

〔作　用〕

この発明における光式変位測定装置は、第１および第２
のセルフォックレンズから第１およヒ第２の光源から光
ファイバで各導光した各光源光を被測定物体面に略同方
向から斜めに交互に照射して被測定物体面迄に交互に光
スポットを形成し、集光手段を介して各党スポットの光
像を形成し、各光像の位置を位置検出素子にて検出し、
この位置検出素子からの２対の光電流と予め設定された
データとに基づき演算手段によシ被測定物体面の傾き量
とその変位量もしくはそれ迄の距離とを各所定の演算式
に従って演算して出力する。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。

第１図はこの発明の一実施例を示す装置全体の構成図で
ある。同図において、第３図と同符号の構成要素は第３
図の装置の要素と同一、又は相当部分を示す。ｌＡ、ｌ
Ｂは一対の第１及び第２の光源で、例えば半導体レーザ
のようなレーザ光源又はスリットを介して発光ダイオー
ドに指向性をもたせたもの等が挙げられる。２は第１及
び第２の光源ＩＡ、ＩＢを交互に駆動するだめの駆動回
路、３Ａ、３Ｂは第１及び第２の光源１Ａ、ｌＢからの
各出射光を各々入射して導光するための一対の光ファイ
バ、４Ａ、４Ｂは各入力端を光７アイパ３Ａ、３Ｂの出
力端に各々光結合されそれらの各出射光を各々細径の照
射光ビーム５Ａ、５Ｂにして同方向から出射するための
グレーデツトインデックス型の第１及び第２のセル７オ
ツクレンズである。第１及び第２のセルフォックレンズ
４Ａ、４Ｂは集光レンズ２６の光軸の片側から集光レン
ズ２６の光軸に対して各々傾けて設けられだ各光軸を有
するように配置されている。

ただし、第２図に示したように、この実施例においては
、第１及び第２のセルフォックレンズ４Ａ、４Ｂは併設
されそれらの光軸が集光レンズ２６の光軸に対してθの
同一角度をもつように傾斜して配置されている。

６は演算手段としての演算回路であり、一対の入力端を
位置検出素子２７の一対の出力端に各々接続され位置検
出素子２７からの光電流を入力して被測定物体面２５の
傾き量を示す後述の第１の所定の演算式及び基準面Ｓか
らのその変位量を示す後述の第２の所定の演算式に従っ
て被測定物体面２５の傾き量及び変位量を演算して出力
する。

なお、この演算回路６は駆動回路２と結線され、演算回
路６は駆動回路２から第１及び第２の光源１Ａ、ｉＢＯ
内でどの光源を駆動しているかを示す信号を入力する。

７は光源手段で、上述の符号ＩＡ、ＩＢ、２で示される
構成要素から構成されている。また、８は光式変位測定
装置のヘッドであシ、符号３Ａ。

３Ｂ　、４Ａ　、４Ｂ　、２６．２７で示されている構
成要素を不図示の筐体内に収納している。

次にこの実施例の動作について説明する。第１図におい
て、第１及び第２の光源１Ａ、ＩＢは駆動回路２によっ
て交互に、駆動される。第１及び第２の光源ｌＡ、ｌＢ
から光ファイバ３Ａ、３Ｂへの各党の入射効率は、第１
及び第２の光源１Ａ。

１Ｂが半導体レーザの場合で２０〜３０チが可能である
。例えば、第１及び第２の光源ｌＡ、ｌＢとして１０ｍ
Ｗの出力の半導体レーザを用いて、第１及び第２のセル
フォックレンズ４Ａ、４Ｂからの出射光のパワーを各２
ｍＷ以上にすることは容易である。また、第１及び第２
のセルフォックレンズ４Ａ、４Ｂから出射された照射光
ビーム５Ａ、５Ｂが被測定物体面２５を交互に照射して
形成する光スポツトサイズも、半導体レーザ光を用いれ
ば直径１００μｍ以下に絞ることも容易である。

上述のようにして、駆動された第１の光源１人からの光
源光は光フアイバ３入内を伝播して第１のセル７オツク
レンズ４ＡＫ入射スる。第１のセルフォックレンズ４Ａ
に入射したこの光源光は細径の照射光ビーム５ＡＫされ
て第１のセルフォックレンズ４Ａから出射し、被測定物
体面２５上を照射して光スポットを形成する。この照射
光は被測定物体面２５によシ散乱光とされ、集光し／Ｘ
２６を介して位置検出素子２７の受光面の２７Ａ１点上
に光スポットの光像を形成する。位置検出素子２７はこ
の光スポットの光像の位置２７Ａ１点に比例した一対の
光電流ｉｔｔ　ｒ　ｉ＋２を演算回路６に出力する。こ
れらの光電流ｌｉｆ　ｒ　１１２を入力した演算回路６
は後述の所定の弐は従って後述の座標値信号Ｓｔｔを演
算する。

一方、第１の光源１人を駆動していない時に駆動された
第２の光源１Ｂからの光源光は、第１の光源１人からの
光源光と同様にして光フアイバ３Ｂ→第２のセルフォッ
クレンズ　４Ｂ→被測定物体面２５→集光レンズ２６を
経由して位置検出素子２７の受光面の２７Ａ２点上に光
スポットの光像となる。位置検出素子２７はこの光スポ
ットの光像の位置２７Ａ２点に比例した一対の光電流’
２１　＊　’２２を演算回路６に出方する。これらの光
電流１２１　＋　’２２を入力した演算回路６は後述の
式に従って後述の座標値信号８２１を演算する。演算回
路６は上述の演算した座標値信号ｓｌｌと座標値信号８
２１と予め設定されたデータとから被測定物体面２５の
傾き量ｔａｎαと基準面からの変位量ΔＪとを測定した
傾き角測定信号５ｔａｎαと変位量測定信号ＳΔｌとを
各々演算して出力する。

第２図は、第１及び第２のセル７オツクレンズ４Ａ　、
４Ｂ、集光レンズ２６及び被測定物体面２５の部分の拡
大図である。同図において、集光レンズ２６の光軸に対
する第１及び第２のセルフォックレンズ４Ａ　、４Ｂの
光軸の傾き角をθとし、第１及び第２のセルフォックレ
ンズ４Ａ、４ＢＯ光軸間の距離をＬとし、これらの光軸
の作る平面と被測定物体面２５が交わる直線をｙ軸とし
、集光レンズ２６の光軸をｙ軸とし、ｙ軸とｙ軸との交
点Ｏを原点にとる。このとき、実線で示したように被測
定物体面２５の傾きが零のとき、２つの照射光ビーム５
Ａ　、５Ｂの各光スポツト点の位＃坐標ＡＯ，ＢＯを（
ｘｔｏ　、ｙｔｏ　）　、　（Ｘ２０　、ｙ　２０　）
で各々示し、破線で示したように被測定物体面２５が角
度αだけ傾いたときの各光スポツト点の位置座標Ａｒ、
Ｂｔを（ｘｔｔ、ｙｔｔ）＋（ｘ２ｔ、ｙ２ｔ）で各々
示す。また、変位量Δノは原点０から基準面Ｓ迄の距離
を示す。

被測定物体面２５の傾きがないときは、ｙｔｏ　＝　３
’２０　”　０　　　　　　・・・・・・叫・・・・・
・・・・・・（３）が成立する。ただし、ｔａｎθ、　
ｃｏｓθ及びＬは光学系の配置で決まる既知の値である
。

次に、第２図の破線で示したように被測定物体面２５が
原点０を中心にして基準面Ｓに対して角度αの傾きをも
つ場合について考える。この場合、点Ａｌ（Ｘｔｔ　ｒ
　ｙｔｔ　）について次の式が成立する。

ｙｔｔ　”　ｘｔｔ　ｔａｎα＝−Δ　　ｔａｎ　（Ｊ
　　””””’　（”）すなわち、 である。

一方、もう一つの点Ｂｌ　（Ｘ２１　ｙ　Ｋ２１　）に
ついて、次の式が成立する。

すなわち、 である。

また、第（６ン式と第（８）式とから、が導かれる。

第１図に示した位置検出素子２７の受光面上に形成され
る光スポットの光像の位置は被測定物体面２５上の光ス
ポットの位置座標に依存する。すなわち、被測定物体面
２５上の光スポットの位置座標と集光レンズ２６の中心
位置とを結んだ線と位置検出素子２７の受光面との交点
が光スポットの光像の位置となる。ここで、傾き角αが
小さい場合には、ＩＸｔ＋ｌ　）ｌｙｔｌｌ　ｌ　１Ｘ
２１＋　＞　Ｉｙ２ｔｌであり、座標値ｌｙ目１とＩＹ
２１＋は座標値１ｘｔｔｌと１ｘ２ｔｌに対してほとん
ど無視することができるから、座標値Ｘｌｌ、Ｘ２１を
測定値として得られるものと見なしてよい。すなわち、
Ｘ座標値ｘ１１゜Ｘ２１は変位量Δぷに対して比例関係
とな）、Ｘ座標１１１　ｘＩＬｔ　Ｋ２１の大きさに応
じた量だけｙ軸との交点位置から離れた位置に光スポッ
トの光像が位置検出素子２７の受光面上に形成される。

従って、第（２）式の定数Ｋを適当に決めることにょう
座標値ｘｔｔおよび同Ｘ２１に各々対応する座標値信号
ＳＬ！。

８２１を演算によシ出すことは可能である。

故に、第（２）式から次式が各々成立する。

ただし、Ｋ１　＋　Ｋ２は適当な定数であり、予め計算
又は実験から求められ演算回路６の中に予め設定されて
いる。

上述したように、第１の光源１人の駆動によｐ光電流’
１１　＋　ｉ１２を入力した演算回路６は第Ｕυ式の右
辺に従って座標値信号ｓｉｔを演算する。また、一方、
第２の光源１Ｂの駆動により光電流１２１゜ｉ２２を入
力した演算回路６は第αｚ式の右辺に従って座標値信号
８２１を演算する。

さらに、座標値信号８１１は座標値ｘｔｔに対応し、座
標値信号Ｓ２１は座標値Ｘ２１に対応しているので、第
（９）式および第Ｕ［相］式から傾き量ｔａｎαの測定
結果の傾き角測定信号８ｔａｎαと変位量Δ２の測定結
果の変位量測定信号ＳΔｌは、 となる。

演算回路６は先に演算した座標値信号Ｓ１１　＋　８２
１と予め設定されたｓｉｎθ、　ｃｏｓθ及びＬのデー
タ値とから第峙式と第Ｈ式の右辺の演算式に従って演算
して傾き角測定信号５ｔａｎαと変位量測定信号ＳΔｌ
を各々演算して各々出力する。

なお、被測定物体面２５の傾き角αが零の場合には、第
（４）式を用いて同様く変位ｉ測定信号ＳΔｌを間単に
演算して出力することができる。また、演算回路６は従
来列と同様にして変位量の代シに被測定物体面２５迄の
距離を演算して出力することも可能である。

以上の実施例の説明においては、説明を理解し易くする
ために第１及び第２のセルフォックレンズの光軸を同一
角度に傾けたが、それらは異なる角度に傾けても上記実
施例と同様の効果を奏するものである。

なお、上記実施例において１、駆動回路２が第１の光源
１人と第２の光源１Ｂとを比較的に高い周波数で交互に
駆動した場合、演算回路６は駆動回路２の駆動信号に同
期して、光電流ｉｎと同ｉｔ２との組と光電流ｉ２ｔと
同ｉ２２との組とを交互に位置検出素子２７の出力から
内蔵せるサンプリング回路でサンプリングし、サンプリ
ングした２対の各光電流は交流なので予め組込んである
整流回路を通して直流に変換し上述のように演算して変
位量及び傾き量を測定する。

また、駆動回路２が第１の光源１人を交流的に駆動し、
その後筒２の光源１Ｂを交流的に駆動する時系列、的交
流駆動の場合にも演算回路６は交直変換を行なう１つの
整流回路を内蔵しておく必要がある。

さらに、上記実施例において演算回路としては、アナロ
グ信号処理でもデジタル信号処理のいずれの回路であっ
てもよい。

また、さらに、上記実施例において、演算回路は光電流
を用いて演算したが４つの光電流’１１　＋Ｆ２　＋”
２１　ｔ　’２２を電流−電圧変換器で４つの電圧ｖ１
１　＋　ｖ１２ｒ　ｖ２１　＋　ｖ２２に変換し・光電
流ｉｌｔ　ｐｉ１２　ｗ　ｉ２１　ｐ　ｉ２２の代りに
演算に用いて変位量および傾き量等を演算して出力して
もよい。

上記実施例においては、２個の光源を用いて交互に駆動
したが、１個の光源と周知の光スィッチとを組合せて光
スィッチをスイッチングすることにより光源光を光スィ
ッチを介して一対の光ファイバに交互に入射せしめるよ
うにしても上記実施例と同様の効果を奏する。

〔発明の効果〕

以上のように１この発明によれば一対の光源を交互に発
光させ、集光手段の所定の光軸の片側からその光軸に対
して傾いた各光軸を有するように配置された一対のセル
フォックレンズで第１及び第２の光源から光ファイバで
導光した２ａ類の光源光を絞って被測定物体面迄に光ス
ポットを交互に形成し、交互に形成される光スポットの
光像を集光手段によシ位置検出素子の受光面上に形成し
、各光スポットの光像当り位置検出素子から出力される
各一対の光電流と予め設定されたデータとに基づき演算
手段によシ各所定の式に従って演算して被測定物体面の
傾き量とその変位量もしくはそれ迄の距離とを測定する
ように構成したので、変位量もしくは距離と共に傾き量
も同時に測定することができ、しかもヘッドを小型化し
たものが得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す構成図、第２図は第
１図に示したヘッド先端部の拡大図、第３図は従来の光
式変位測定装置を示す構成図である。 同図において、１人は第１の光源、１Ｂは第２の光源、
２は駆動回路、３Ａ、３Ｂは光ファイバ、４Ａは第１の
セルフォックレンズ、４Ｂは第２のセルフォックレンズ
、６は演算手段、７は光源手段、２５は被測定物体面、
２６は集光手段、２７は位置検出素子。 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。 特許出願人　　三菱電機株式会社 第１図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）交互に駆動される第１及び第２の光源を有する光
   源手段と、前記第１及び第２の光源からの各光源光を入
   射して各々導光する一対の光ファイバ及びこれらの光フ
   ァイバの各出力端に各入力端を各々光結合され所定の光
   軸の片側からこの所定の光軸に対して各々傾けて設けら
   れた各光軸を有するように配設された第１及び第２のセ
   ルフォックレンズから成る投光手段と、前記所定の光軸
   を有しこの所定の光軸上にある前記被測定物体面上に前
   記投光手段の投光々により形成される光スポットを光像
   にして結像する集光手段と、前記光スポットの光像が前
   記集光手段により形成される位置に配設された受光面を
   有し前記光スポットの光像の前記受光面上の位置に比例
   した一対の光電流を出力する位置検出素子と、前記第１
   の光源の駆動時に前記位置検出素子から出力される一対
   の光電流、前記第２の光源の駆動時に前記位置検出素子
   から出力される一対の光電流及び予め設定された演算用
   のデータに基づき前記被測定物体面の傾き量を示す第１
   の所定の演算式および前記被測定物体面迄の距離又は前
   記被測定物体面の変位量を示す第２の所定の演算式に従
   つて前記傾き量と前記距離又は前記傾き量と前記変位量
   を各々演算して出力する演算手段とを備えたことを特徴
   とする光式変位測定装置。
2. （２）前記光源手段は、前記第１および第２の光源とし
   て単一の共通光源を用い、この共通光源からの光を光ス
   イッチにより交互に切替えて前記投光手段に入射させる
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光式変位
   測定装置。