JPS6313447Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は光ビームを被測定物体の表面に照射し
てその反射光を用いて被測定物体の表面の変位を
測定する変位測定装置に関し、特に動いている物
体の変位を正確に測定できるようにした変位測定
装置に関する。

従来より、被測定物体の表面の変位を測定する
方法として第１図に示すように、被測定物体Ａの
表面に光源１からの光ビームを照射して光点Ｐを
形成させ、この光点からの反射光を集光して光点
の像Ｑを形成させると共に、被測定物体Ａの表面
の変位によつて生ずる光点の像Ｑの移動する軌跡
に受光面を一致させてポジシヨンセンサー、イメ
ージセンサーあるいは分割デイテクターなどの受
光位置の検出機能を備えた受光素子２を設置し、
この受光素子２によつて像Ｑの変位を検出するこ
とによつて被測定物体Ａの表面の変位を測定する
方法が提案されている。

しかしながら、この方法はポジシヨンセンサ
ー、イメージセンサー、分割デイテクターなどの
特殊な受光素子を使用するため装置が高価となる
欠点があつた。又、位置検出の可能な受光素子
は、一般の受光素子に比べてノイズが大きく、信
号のＳ／Ｎが落ちるため、ダイナミツクレンジが
広くとれないという問題もあつた。

このような問題を解決するために、従来、光点
の像Ｑの軌跡に沿つて一定速度で一方向に回転す
る回転スリツトを設け、像Ｑ上をスリツトが横切
るタイミングをとらえて像Ｑの位置を検出するこ
とによつて、被測定物体Ａの表面の変位を測定す
る方法が提案されている（特開昭51−7956号）。
この従来の測定装置では、スリツトを通過した光
を通常の一般的な受光素子で受光すればよく、ポ
ジシヨンセンサー、イメージセンサーあるいは分
割デイテクターなどの特殊な受光素子を用いなく
てよいので、前記問題は解決される。

しかしながら、この特開昭51−7956号の測定装
置では、前記したように一定速度で一方向に回転
するスリツトを横切るタイミングをとらえて被測
定物体Ａの表面の変位を検出しているため、被測
定物体Ａの表面の変位が高速で変化する場合に
は、この回転スリツトの回転速度と被測定物体Ａ
の表面の変位速度の差に比例した測定誤差が生じ
る問題があつた。

即ち、例えば長尺物を長手方向へ高速で移動さ
せつつ長尺物の表面の変位を測定する場合、ある
いは例えば振動板の振動（即ち振動板の表面の変
位）を測定する場合などのように、表面の変位速
度が速いと、像Ｑの移動速度と回転スリツトの速
度の比に比例した測定誤差が生じる問題があつ
た。そして、この誤差を取り除くためには、変位
周期を十分上回る周期で平均化を行なうと、変動
に対する応答性が著しく損なわれてしまうという
問題があつた。

本考案はこの問題点を改め、被測定物体が高速
で動いている場合でも、測定誤差の少ない応答性
の高い変位測定装置を提供することを目的として
いる。

以下、図面に基づいて本考案の一実施例を説明
する。

第２〜４図は本考案の一実施例を示すものであ
る。

第２図において、１１は指向性の良い光ビーム
を発光する光源であつて、この光源１１の光ビー
ムをハーフミラー１２を介して被測定物体Ａの表
面に照射して光点Ｐを形成させるための照射レン
ズ１３が設置されている。

この被測定物体Ａの表面の光点Ｐからの反射光
は照射レンズ１３による光の方向と異なる方向に
フイルター１４を介して集光レンズ１５によつて
集光されて光点Ｐの像Ｑを形成する。なお、被測
定物体Ａが照射光以外の強い光を発しているよう
な場合には光源１の波長の光のみを選択的に透過
させるためにフイルター１４を用いる。

しかして、被測定物体Ａを前記光源１１からの
光ビームに垂直な方向へ移動させつつ光ビームを
前述のように被測定物体Ａの表面に照射させる
が、被測定物体Ａの表面に変位（第２図のＸ方向
の変位）が存在すると集光レンズ１５によつて形
成される光点の像Ｑもこれに対応して変化する。
この像Ｑの軌跡（第２図のX′方向）と同一線上
にその移動方向が一致するように規則的な往復動
をする遮光手段１６が設けられている。

この遮光手段１６は、例えば第３図に示すよう
に移動方向に垂直なスリツト１７を有する遮光板
１８で構成され、例えば駆動コイル１９によつて
正弦波的に振動する音叉２０の一方の先端に固定
されている。

遮光手段１６の後方には遮光手段１６によつて
遮光されない光を受光して受光信号を出力する受
光器２１が設置されている。即ち、遮光手段１６
をスリツト１７を有する遮光板１８で構成した場
合には、スリツト１７を透過した光が受光され
る。なお、２２はスリツト１７を透過した光を集
光して受光器２１の受光面に導くための集光レン
ズである。

前記遮光手段１６の規則的な振動はハーフミラ
ー１２で分けられた光束を利用し基準信号発生回
路２３によつてモニターされ、この基準信号発生
回路２３からは遮光手段１６の往復移動による変
位（即ち、音叉２０の振動によるスリツト１７の
変位）の位相に対応した信号（これを以下、基準
信号と称す）が出力される。この遮光手段１６の
振動をモニターする一例として、第２，３図に示
すように音叉２０の他方の先端に反射ミラー２４
を設け、前記ハーフミラー１２によつて取り出し
た光源１からの光を反射ミラー２５を介して反射
ミラー２４に投射し、音叉２０の振動に対応した
反射ミラー２４の反射光の方向を検知して行なつ
てもよい。

第４図は受光器２１の受光信号及び基準信号発
生回路２３の基準信号とを処理して被測定物体Ａ
の表面の変位を測定する処理回路の構成を示して
いる。

基準信号発生回路２３からは遮光手段１６の振
動が音叉２０の如く正弦波的に行なわれる場合に
は、第５図のａで示すように遮光手段１６の振動
Ｓ＝S₀Sinωtによるスリツト１７の振幅の位相に
対応した正弦波の基準信号Ｖ＝V₀Sinωtが出力さ
れる。

一方、受光器２１の受光信号はサンプリングパ
ルス発生回路２６に入力し、サンプリングパルス
発生回路２６は受光信号の変化時にサンプリング
パルスを出力する。即ち、遮光手段１６が前述の
ようにスリツト１７を備えた遮光板１８である場
合には、光点の像Ｑの位置をスリツト１７が通る
ときのみ受光器２１は受光し、受光信号は第５図
のｂのように変化する。

サンプリングパルス発生回路２６はこの受光信
号のレベルが最大になる時t₁に第５図のｃのよう
に方形波のサンプリングパルスを出力する。サン
プリングホールド回路２７はこのサンプリングパ
ルスに従つて前記基準信号をサンプリングホール
ドして第５図のｄのように瞬時値出力V₁＝
V₀Sinωt₁を取り出す。

前述したように基準信号はスリツト１７の往復
移動による変位を表わしているから、スリツト１
７を光点の像Ｑの光が透過した時にサンプリング
ホールドした瞬時値は光点の像Ｑの変位を表わす
ことになる。

即ち、 V₁＝V₀Sinωt₁ ＝V₀Sinω（１／ωSin^-1S₁／S₀） ＝V₀／S₀・S₁ となり、振幅比V₀／S₀を一定に保てば、瞬時値
は変位S₁に比例する。

投射光軸に沿つて振動する面の変位を検出する
場合、一方向回転スリツトと本考案の往復振動ス
リツトとの差異について述べる。

走査方向と物体の像が移動する方向とが一致す
る場合には、物体の変位は小さく測定され、走査
方向と物体の像が移動する方向とが逆の場合に
は、物体の変位は大きく測定される。即ち、動い
ている物体を測定する場合には、従来の一方向に
一定速度でスリツトが回転する回転スリツト方式
によると測定値に一定偏差が生ずるが、往復振動
スリツトの場合には、往きと復りで測定値の影響
の受け方が逆となり、物体の動いていることによ
り測定誤差が相殺される。

誤差の値は、物体表面の光軸方向（変位測定方
向）の速度をυ、スリツトの速度をＶ、像Ｑの径
をｄとすると、一方向回転スリツトの場合は、速
度υに起因する誤差はυとＶが同じ方向のときを
ε₁とすると ε₁＝υ・ｄ／Ｖ−υ＝υ／Ｖ−υ・ｄ となる。υ／Ｖ＜１の範囲で考えると、 ε₁＝｛υ／Ｖ＋（υ／Ｖ）²＋……｝ｄ である。同じようにして、υとＶが反対方向の場
合をε₂とすると ε₂ ＝｛−υ／Ｖ＋（υ／Ｖ）²−（υ／Ｖ）³＋……｝ｄ である。

したがつて、往復走査の場合にはε₁とε₂が交互
に表われる。これを往復で平均すると ₁＋₂＝１／２（ε₁＋ε₂） ＝｛（υ／Ｖ）²＋（υ／Ｖ）⁴＋……｝ｄ となり、誤差の一次項が消去される。

数値例として、Y₀Sinωtで振動する面の測定に
ついて考え、Y₀＝２mm、ω＝2π、＝100Hz、
とすると最大速度はυ＝２×100×2πmm／sec＝
1.2ｍ／secとなる。像点位置の測定範囲を約10mm
とした場合、回転スリツトで得られるスリツトの
速度は半径を10mm、回転数を現在可能な24000r.
p.m.とすると V_R＝10×2π×24000／60＝25ｍ／sec であり、誤差はスポツト径に対し1.2／25×100＝
4.8％となる。一方、音叉を用いた場合では＝
500Hz、振幅を６mmとすると、 V_T＝６×500×2πmm／sec ＝18.8ｍ／sec であり、誤差はスポツト径に対し、（1.2／18.8）²× 100＝0.4％となり、誤差量は一桁小さくなる。

すなわち、応答性を損なわずに振動の影響を小
さくすることができる。

しかして、被測定物体Ａの表面の変位Ｘと光点
の像Ｑの変位X′とは正確には比例していない。
従つて測定領域を広くとる場合には前記の瞬時値
出力と被測定物体Ａの表面の変位との間の非直線
性が大きくなるのでリニア補正回路２８で補正
し、この変位出力を計測器２９で表示あるいは記
録する。

なお基準信号発生回路２３の基準信号は制御回
路３０に受領され、制御回路３０はこの基準信号
に変動がないかどうかを判定して音叉２０の振動
を常に一定になるように駆動コイル１９へ制御信
号を出力するように構成されている。

このように本実施例では、動いている被測定物
体Ａの表面の変位を、光点の像Ｑを透過する際の
スリツト１７の変位として、即ち、光点の像Ｑの
変位として検出することによつて測定できるよう
にしたものである。

なお上記の実施例では、遮光手段１６としてス
リツト１７を有する遮光板１８を用いた場合を例
示したが、これとは逆に１本の細い線状の遮光棒
を用いることもできる。この遮光棒を用いた場合
には光点の像Ｑを往復振動する遮光棒が通る時に
遮光して受光器２１に受光されなくなるので受光
信号は第６図ａのように第５図ｂ（スリツト１７
の場合）とは逆の関係となる。この場合にはサン
プリングパルス発生回路２６は遮光時にサンプリ
ングパルスを第６図ｂのように出力するようにす
る。

また遮光手段１６としてナイフエツジを用いる
こともできる。この場合には光点の像Ｑの位置を
ナイフエツジが往路で通つた後、復路で再び通る
まで遮光するので受光信号は第７図ａのようにな
る。この場合はサンプリングパルス発生回路２６
は第７図ｂのようにこの受光信号の立上り及び立
下り時にサンプリングパルスを出力するようにす
る。このように遮光手段１６によつて光点の像Ｑ
の変位が検出される。

本考案の動いている物体の変位測定装置は以上
説明したように、光ビームを被測定物体の表面に
照射し、規則的な往復移動をする遮光手段によつ
て、前記光ビームから分割した光ビームを基準に
して被測定物体の変位に伴なう像の変位を検出す
ることで、被測定物体の表面の変位を測定できる
ようにしたものであるから、動いている物体の変
位を測定する場合に、従来のような測定対象の速
度と遮光手段の速度比に比例する誤差を生ずるこ
とがなく、その分誤差を小さくすることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の変位測定装置の構成略図、第２
図は本考案の一実施例の光学系の構成略図、第３
図はその要部の斜視図、第４図は処理回路のブロ
ツク図、第５図は第４図の動作説明のための信号
波形図である。第６，７図は他の遮光手段の場合
の信号波形図である。 １１……光源、１３……照射レンズ、１５……
集光レンズ、１６……遮光手段、１７……スリツ
ト、１８……遮光板、２０……音叉、２１……受
光器、２３……基準信号発生回路、２６……サン
プリングパルス発生回路、２７……サンプリング
ホールド回路、２８……補正回路、２９……計測
器、３０……制御回路。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 光ビームを発光する光源と、 前記光ビームを照射して動いている被測定物体
   表面に光点を形成させる照射レンズと、 照射レンズの光軸と異なる方向に前記光点から
   の反射光を集光して前記光点の像を形成させる集
   光レンズと、 前記被測定物体の表面の変位によつて生ずる前
   記集光レンズによる光点の像の軌跡と同一線上に
   沿つて規則的に往復移動する遮光手段と、 この遮光手段で遮光されない前記集光レンズか
   らの光を受光して受光信号を出力する受光器と、 この受光器の前記受光信号を受けて受光信号の
   変化時にサンプリングパルスを出力するサンプリ
   ングパルス発生回路と、 前記光源と被測定物体との間で前記光ビームを
   分割する手段と、 前記遮光手段の往復移動による変位と同一の往
   復移動をする前記分割された光ビームを反射する
   手段と、 分割された光ビームを受けて基準信号を出力す
   る基準信号発生回路と、 前記サンプリングパルスに従つて前記基準信号
   の瞬時値を取り出すサンプリングホールド回路と
   を具備する動いている物体の変位測定装置。