JPS63179207A - 距離・傾斜角測定装置 - 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〕 本発明は、溶接トーチ等の加工具と被測定対象物の間の
相対距離間隔やその位置、形状等を非接触で検出するに
好適な光学的距離・傾斜角測定装置に関する。

〔従来の技術〕

各種加工装置と被加工物（被測定対象物）との間の相対
距離や被加工物の姿勢（傾斜角あるいは形状等）を非接
触で検出する場合の手段としては光学的に検出するもの
が代表的である。そのような手段として特公昭５９−２
７８４３号公報に記載されたものが一般に知られている
。

この従来技術は、ワーク面（被測定対象面）上に３個以
上複数個のスポット光を一定拡散角をもって照射し、そ
の像をイメージセンサの焦点面に結び、上記ワーク面と
イメージセンサとの相対位置関係の変化に対するイメー
ジセンサの焦点面におけるスポット光像の位置変化を検
出することによって、ワーク面のイメージセンサ光軸に
対する傾斜角を算出するものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来の角度検出方法は、ワーク面からの反射光に多
量の正反射成分が含まれるような場合（例えば、鉄板等
のワークにおいて正反射成分が強い場合）、ワーク面の
検出器に対する傾斜角および相対距離を正確に測定する
ことが困難となる問題がある。すなわち、ワーク面上に
複数個の光スポットを全て焦点を合わせて同一受光面上
に結像させることは幾何光学的に不可能であり、いくつ
かのスポット光像は焦点のぼけたものになる。

それと同時に、正反射成分が含まれるような場合は光ス
ポットが受光レンズ全面に一様な光量で入射しないこと
となり、その結果、スポット光像の光量的重心位置が偏
心し、距離および傾斜角の測定出力に誤差を含むことに
なるからである。

本発明は、スポット光のワーク面からの反射状態の影響
を受けることなく、受光素子上のスポット光像の光量的
重心位置が安定した高精度な距離および傾斜角の測定を
行いうる測定装置を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕 上記目的を達成するために、本発明は被測定対象面２に
スポット光を投光する光源３，４．５を有する投光系と
前記測定対象面からの反射スポット光を受光する受光素
子１５，１６．１７を有する受光系との対が３対以上そ
れぞれ分散配置されてなるセンサ部１と、 前記各受光素子の検出信号に基づいて前記各投光系と被
測定対象面上のスポット光との間の相対距離Ｉ）ｉｔ　
ｏｘ＝　ｏｓをそれぞれ算出する投光距離演算器２０と
、 前記投光距離演算器からの各距離算出値Ｄ□。

Ｄ、、　Ｄ、に基づいて前記センサ部と被測定対象面と
の相対距離りおよび被測定対象面の傾斜角θＸ。

θＹを算出する距離・傾斜角演算器２１と、を備えたこ
とを特徴とするものである。

〔作用〕

上記本発明の構成によれば、センサ部１の各投光系の光
源３，４．５から被測定対象面２に向けてスポット光が
照射され、そのスポット光は被測定対象面２上の所定分
散位置に結像される。被測定対象面２で反射されたスポ
ット光は各対応する各受光系の受光素子１５，１６，１
７に入射される。このとき、受光される各スポット光は
、各投光源に一対でで対応する単独のスポット光であり
。

したがって受光素子上の受光面における焦点ぼけを生じ
ないよう各受光素子を配置できる。その結果、被測定対
象面とセンサ部との相対距離変化に対応する受光素子上
の光スポツト位置の変化量を正確にとらえることができ
る。各受光系の受光素子から出力される検出信号は投光
距離演算器２゜にそれぞれ入力される。投光距離演算器
２０においては入力された検出信号に基づき各投光系と
被測定対象面上のスポット光像との間の相対距離Ｄ□、
Ｄ、、Ｄ３を算出して距離・傾斜角演算器２１に入力さ
れる。この距離・傾斜角演算器２１では入力された各距
離算出値Ｄ１．　Ｄ、、　Ｄ、によリセンサ部と被測定
対象面との間の相対距離りおよび被測定対象面のセンサ
部に対する傾斜角θＸ。

θ７が算出される。ここで、相対距離りを求める場合の
センサ部の位置の特定は任意であり、相対距離りおよび
傾斜角θＸ、θＹの定義付けについては後述する。

このようにして、複数の各投光系と受光系が一対一で対
応した状態で分散配置して設けられているので、各検出
はそれぞれ単独で行なわれ、光スポットを正確に把える
ことが可能となる。その正確な検出信号に基づいて距離
および傾斜角を自動演算することができ、高精度な測定
が可能となる。

〔実施例〕

次に、本発明に係る距離・傾斜角測定装置の実施例を図
面に基づいて説明する。

第１図に示すように、距離・傾斜角測定装置は被測定対
象面（以下、ワーク面という。）２に光スポットを投光
し、そのワーク面２で反射したスポット光を受光して検
出信号を出力するセンサ部１と、その検出信号を受けて
センサ部１とワーク面２との間の相対距離りおよび傾斜
角θ８．θヶを演算出力するとともに、センサ部１の投
光量を制御するコントローラ部１８とから構成される。

センサ部１は投光系と受光系との対が３対以上複数対備
えて構成されている。この実施例では３対である。すな
わち、各投光系は光源３および、投光レンズ６と、光源
４および投光レンズ７と、光源５および投光レンズ８と
からなる。各受光系は受光素子１５および受光レンズ１
２と、受光素子１６および受光レンズ１３と、受光素子
１７および受光レンズ１４とからなる。このうち、光源
３の投光系と受光素子１５の受光系とが一対で対応し、
他も同様に、光源４の投光系と受光素子１６の受光系、
光源５の投光系と受光素子１７の受光系がそれぞれ対を
成している。各投光系と受光系の配置関係は、平面的に
みて第２図に示すように互に三角形をなす位置とされ、
正面的にみて実施例では第３図に示すように各光源３，
４．５が同一高さ位置であり、各受光素子１５，１６．
１７も同一高さ位置とされているが、同一高さに限定す
る必要はない。

光源としては、ＬＥＤや各種レーザ発光源を用いること
ができ、光源の数は本実施例では３個であるが、これに
限定する必要はなく、３個以上ならば複数個でよい、ま
た、各投光ビームの相互関係は平行、拡散、収束のいず
れでもよいが、説明を簡単にするため１本実施例では３
つの各投光ビ・−ムは互に平行であるものとする。

受光素子１６，１６，１７としては半導体−次元光位置
検出素子（Ｐ　Ｓ　Ｄ　：　Ｐｏ５ｉｔｉｏｎ　５ｅｎ
ｓｉｔｉｖｅＤｅｔｅｃｔｏｒ）が適当である。すなわ
ち、他の種類の受光素子と対比した場合、ＣＯＤ　（Ｃ
ｈａｒｇｅｄＣｏｕｐｌｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ）は走査時
間分だけ応答速度の遅れがあり、フォトダイオードアレ
イは光像の分解能の点で劣るからである。これらに対し
、ＰＳＤの場合は高速応答性（１０μＳ程度）を有し、
サンプリング周期の短い（例えば、５　ＫＨｚ）測定が
可能であり、ＰＳＤが適当である。

各受光素子１５，１６，１７は第１［〜第３図のそれぞ
れに示すように、反射スポット光の入射方向に対して傾
斜した状態で配置されている。これは、次の理由による
。すなわち、ワーク面２で反射された各スポット光は各
受光レンズ１２゜１３．１４のそれぞれのレンズを通っ
て各受光素子１’５，１６，１７の受光面に照射され、
ワーク面２の位置が第４図の破線に示すように変化（第
４図では上昇）した場合、受光素子１５，１６゜１７の
受光面上に結像されるスポット光像の位置が変化（第４
図では右側に変化）することになる。

この場合に、ワーク面２の位置変化に対応して常に受光
素子１５，１６，１７の各受光面上に焦点の合ったスポ
ット光像が結ばれるためには、図示するように傾けて配
置することが適当である。その傾きの程度としては、例
えば受光素子１７についていえば、受光レンズ１４面延
在方向線と受光素子１７の延在方向線との交点が投光レ
ンズ８のレンズ中心を通る投光スポット光の光軸上に位
置するように設定する。このことは他の受光素子１５．
１７についても同様であり、説明は省略する。

コントローラ部１８は各光源の光量等を制御する発光コ
ントローラ１９．投光距離演算器２０および距離・傾斜
角演算器２１を備えて構成される。

投光距離演算器２０は、各受光素子１５，１６゜１７か
ら出力される検出信号に基づいて各光スポット９，１０
．１１についての各投光系（投光レンズ中心位置）と各
光スポットとの間の相対距離（以下、投光距離という−
）　Ｄｚ−Ｄｘ−Ｄｓを算出するものである。ここで、
投光距離Ｄ１．Ｄｔ。

Ｄ３の算出方法を説明する。なお、説明を簡単にするた
め、第３図との対応において光源５と光スポット１１と
の間の投光距離り、についてのみ説明する。

第４図において、投光レンズ８のレンズ中心点とワーク
面２上の光スポット１１との相対距離をり、とし、投光
レンズ８のレンズ中心点と受光レンズ１４のレンズ中心
点との間の距離をＬ３一定とし、投光スポット光と反射
スポット光とのなす角を０３とする。いま、ワーク面２
の高さ位置が実線位置から点線位置に変化した場合、点
線位置における光スポット１１′と受光レンズ１４のレ
ンズ中心とを結ぶ直線（すなわち、反射ビーム）は点線
のごとく変化し、受光素子１７の受光面におけるスポッ
ト光像の位置が変化する。このときの受光素子１７の出
力信号Ｓ３は角θ３の関数として表わされ、 Ｓ、＝ｆ　（θ、） 角θ３は 、°、θ、＝ｆ−１（Ｓ３）　　　　　　　・・・・・
・・・・（１）となる、そして、投光距離り、は ｔａｎθ３ で表わされる。

したがって、投光距離演算器２０は上記（２）式により
投光距離Ｄ３を算出することになる。他の投光距離Ｄ１
．Ｄ、についても同様である。

次に、距離・傾斜角演算器２１は、上述のようにして求
められた各投光距離算出値り、、Ｄ、、Ｄ。

に基づいてセンサ部１の位置とワーク面２との相対距離
およびセンサ部１に対するワーク面１の傾斜角を算出す
るものである。ここで、算出方法を説明する。

第５図を参照して、センサ部１に第１直交座標系０−Ｘ
ＹＺを設定する。光源３，５間の中心に第１座標系の原
点Ｏを置き、この原点０から光源４の方向をＸ軸、光源
５の方向をＹ軸、これらＸ軸とＹ軸に直角な方向をＺ軸
とする。この場合。

光源３，４．５は光源３，５間を結ぶ線を長さａの底辺
とする高さｂの２等辺３角形の各頂点に位置するものと
する０次に、Ｚ軸の負の方向においてワーク面２（ここ
で、ワーク面は光スポット９゜１０．１１を通る平面と
仮定する。）と交わる（突当る）点を原点Ｏ′とし、こ
の原点Ｏ′を通りＸ軸、Ｙ軸に平行な軸をそれぞれＸ′
軸、Ｙ′軸とし、Ｚ軸上にあるＺ′軸をもって第２直交
座標系ｏ’−ｘ’ｙ’ｚ’を設定する。

ここに、 Ｄを原点Ｏ−０′間距離（Ｄ、とＤ２の平均距離であり
、センサ部１とワーク面２との相対距離に対応する） θｘｔｅＸ’軸と原点０′−光スポツト１０間を結ぶ直
線とのなす角 θＹをＹ′軸と原点０′−光スポツト１１間を結ぶ直線
とのなす角 と定義する。

Ｄ、θＸ、θ７は次の（３）〜（５）式により算出され
る。

すなわち、距離・傾斜角演算器２１は上記（３）〜（５
）式の演算を実行する。

このように、複数組の各投光系と受光系とがそれぞれ単
独に対をなして設けられているため、複数のスポット光
を１つの受光素子で受けるようなことなく複数の各スポ
ット光のそれぞれを各受光素子の受光面に焦点が合った
状態で結像させることができる。このことにより、スポ
ット光のワーク面からの反射状態（正反射等）の影響を
受けることがなく、シたがって受光素子の受光面上の光
スポツト像の光量的重心位置を安定させることができ、
高精度な距離の測定および傾斜角の測定を行うことがで
きる。

また、投受光系が独立して分散配置されるので、センサ
部１を例えば溶接トーチ等の加工具のまわりに振り分け
て配置することができ、コンパクトで重量的にもバラン
スのよい測定器を構成することができる。

さらに、投受光系が独立していることにより、各光学系
の調整を各投受光系ごとに単独調整によって、焦点合わ
せ等を正確に行うことができるので高精度化に有効であ
る。加えて、保守、点検の面においても、各一対の投受
光系単位で部品交換が可能となる。

なお、ある投光系からのスポット光が他の受光系に外乱
として入射してしまう場合（すなわち、干渉が生ずる場
合）には各一対の投受光系相互間で異なる変調周波数の
光ビームを用いることにより非干渉系を構成することが
できる。

〔発明の効果〕

以上に述べたように、本発明によれば、ワーク面（被測
定対象面）からのスポット光の反射状態の影響を受ける
ことなく、受光素子の受光面上における光スポツト像の
光量的重心位置の安定した高精度な距離および傾斜角の
測定を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示すブロック図、第２図はセ
ンサ部における投受光系の各要素の配置関係を示す平面
図、第３図はその立面図、第４図は投光距離の算出方法
の説明図、第５図は距離・傾斜角の算出方法の説明図で
ある。 １・・・センサ部、　　　２・・・ワーク面、３．４．
５・・・光源、　　６，７．８・・・投光レンズ、９．
１０，１１・・・光スポット、 １２．１３．１４・・・受光レンズ、 １５．１６．１７・・・受光素子、 １８・・・コントローラ部、 １９・・・発光コントローラ、 ２０・・・投光距離演算部。 ２１・・・距離・傾斜角演算器、 Ｄ、、Ｄ、、Ｄ、・・・投光距離、 Ｄ・・・センサ部とワーク面との相対距離、θＸ、θ７
・・・傾斜角。 代理人　弁理士　鵜　沼　辰　之 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 手続補正書 昭和６２年４り／Ｚ日 １、事件の表示 昭和６２年特許願第１０４２８号 ２、発明の名称 距離・傾斜角測定装置 ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 名　称　（３２０）トヨタ自動車株式会社４、代理人 自　　　発 −ｇ込 ６、補正の対象 （１）明細書中の発明の詳細な説明の欄（２）　　図面 ７、補正の内容 （１）明細書第１０頁第１５行〜第２０行のｒいま、・
・・・・・変化する。」を次のように補正する。 「いま、ワーク面２の高さ位置が点線位置から実線位置
に変化した場合、実線位置における光スポット１１と受
光レンズ１４のレンズ中心とを結ぶ直線（すなわち、反
射ビーム）は実線のごとく変化し、受光素子１７の受光
面におけるスポット光像の位置が変化する。」 （２）明細書第１１頁第８行の（２）式を次のように補
正する。 （３）明細書第１３頁第８行の（５）式を次のように補
正する。 （４）第４図を別添の図面のように補正する。 以上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、被測定対象面にスポット光を投光する光源を有する
   投光系と、前記測定対象面からの反射スポット光を受光
   する受光素子を有する受光系との対が３対以上複数対そ
   れぞれ分散配置されてなるセンサ部と、 前記各受光素子の検出信号に基づいて前記各投光系と被
   測定対象面上のスポット光との間の相対距離をそれぞれ
   算出する投光距離演算器と、前記投光距離演算器からの
   各距離算出値に基づいて前記センサ部と被測定対象面と
   の相対距離および被測定対象面の傾斜角を算出する距離
   ・傾斜角演算器と、 を備えたことを特徴とする距離・傾斜角測定装置。