JPS63200011A

JPS63200011A - 光電式位置検出装置

Info

Publication number: JPS63200011A
Application number: JP3266987A
Authority: JP
Inventors: Yuuji Yuzunaka; 柚中　裕士; Yoshiharu Kuwabara; 義治桑原; Osamu Nara; 奈良　治
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 1987-02-16
Filing date: 1987-02-16
Publication date: 1988-08-18
Also published as: JPH0449048B2

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、光電式位置検出装置に係り、特に、遠隔物体
のＪゾさや変位等を三角測量方式により非接触で測定す
る際に用いるのに好適な、測定対象物に光ビームを照射
する照明系と、測定対象物からの前記光ビームの反射光
を集めて結像する対物レンズと、結像された像の光量分
布に対応した検出信号を生成する光電センサと、該検出
信号から前記光量分布の重心位置に対応した重心信号を
生成する処理回路とを含み、該重心信号の変化から測定
対象物の位ｄ又は変位を求める光電式位置検出装置の改
良に関する。

【従来の技術】

産業・界における生産の自動化、ロボット導入等に伴い
、計測のインプロセス化、高速度化、高精度化が急速に
要請されており、赤熱した鉄板の圧延工程における厚さ
のインプロセス測定のように、遠隔物体の厚さや変位等
を非接触で測定できる位置検出装置の必要性も大となっ
ている。このような非接触の位置検出装置の有力な例として、第
７図に示す如く、測定対象物１０にレーザビーム１４等
の光ビームを照射して、三角側壁方式で位置や変位を検
出する光電式変位検出装置が知られている。第７図の位置検出装置は、測定対象物１０にレーザビー
ム１４を照射する照明系１２と、測定対象物１０からの
レーザビームの反射光を集めて結像面上に結像する対物
レンズ１６と、結像された像の光量分布に対応した検出
信号す、ｃを生成する光電センサとしての半導体装置検
出器（ＰＳＤ）１８と、前記検出信号す、ｃから前記光
量分布の重心位置０′又はＡ′に対応した重心信号ｄを
生成する処理回路２０とを含んで構成されている。二二で測定対象物１０をＸ方向に相対変位させると、レ
ーザビーム１４の照射点は点０から点Ａに変化し、それ
に伴って対物レンズ１６による結像位置の重心を点Ｏ′
から点Ａ′に移動して、重心信号ｄが対応して変化する
。従って、測定対象物１０をＸ方向に相対変位させながら
重心信号ｄを記録することにより、測定対象物１０の形
状測定が可能である。又、Ｘ方向への相対変位がない場
合でも、測定対象物１０がＺ方向に変位する場合には、
その変位置又はＺ方向の位置を、同様にして重心信号ｄ
から求めることができる。

【発明が解決しようとする問題点】

しかしながら、このような光電式位置検出装置において
は、測定対象物１０の測定面の表面粗さ等の表面性状に
よって、重心信号ｄに一種のノイズ信号が！ｒｃ畳され
て、検出精度が悪化するという問題点があった。即ち、′第８図に示す如く、測定対象物１０の測定面１
０Ｓは、微視的には不規則な凹凸が形成されており、結
像面上の光量分布もそれに応じて不規則な分布となって
いる。従って、測定対象物１０をＸ方向に移動させると
、測定対象物１０のＺ方向への変位が平均として無視で
きるような場合でも、光量分布はａ又はｂの如く変化し
て、重心信号ｄには一種のノイズ信号が混入するため、
不要な変位信号が出力され測定精度が悪化してしまう。これを解決するため、レーザビーム１４の径φを大きく
することも考えられるがＸ方向の分解能が低下しなり、
結像面上での像に歪みが生ずる等の問題点がある。

【発明の目的】

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたも
ので、測定対数物の測定面の表面粗さ等による影響を受
は難い光電式位置検出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】

本発明は、測定対象物に光ビームを照射する照明系と、
測定対象物からの前記光ビームの反射光を集めて結像す
る対物レンズと、結像された像の光量分布に対応した検
出信号を生成する光電センサと、該検出信号から前記光
量分布の重心位置に対応した重心信号を生成する処理回
路とを含み、該重心信号の変化から測定対象物の位置又
は変位を求める光電式位置検出装置において、前記照明
系に、前記光ビームの方向を変える振動ミラーと該振動
ミラーを往復回動する加振器とを備えて、前記光ビーム
を測定対象物上で微少振動させるとともに、前記処理回
路に、前記加振器の往復回動に同期して加振器が中立領
域にある時のみ前記重心信号を精分する積分回路を設け
、該積分回路の積分信号をもって測定対象物の位置又は
変位の信号とすることにより、前記目的を達成したもの
である。又、本発明の実施態様は、前記照明系に前記光ビームを
集束する照明レンズを設け、該照明レンズの焦点近傍に
前記振動ミラーを配設したものである。

【作用】

本発明は、前記のような三角測量方式の光電式位置検出
装置において、照明系に、光ビームの方向を変える振動
ミラーと該振動ミラーを往復回動する加振器を備え、前
記光ビームを測定対象物上で微少振動させるようにして
いるので、測定対象物の測定面の粗さの影響を減少させ
ることができる。又、処理回路に、前記加振器の往復回
動に同期して加振器が中立位置にある時のみ前記重心信
号を閉会する積分回路を設け、該積分回路の積分信号を
もって測定対象物の位置又は変位の信号としているので
、振動ミラーの往復回動が不安定な領域の重心信号が除
かれ、高精度で位置又は変位の検出が可能となる。又、前記照明系に前記光ビームを集束する照明レンズを
設け、該照明レンズの焦点近傍に前記振動ミラーを配設
した場合には、光ビームが測定対象物上で平行に微少振
動するので、より正確な重心信号が得られる。

【実施例】

以下図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する
。本実施例は、第１図に示す如く、測定対象物１０に光ビ
ームとしてのレーザビーム１４を照射するための、レー
ザダイオード３２、コリメータレンズ３４、振動ミラー
３６、加振器３８及び照明レンズ４０からなる照明系３
０と、測定対象物１０からの前記レーザビーム１４の反
射光を集めて結像する、従来と同様の対物レンズ１６と
、結像された像の光量分布に対応した検出信号す、ｃを
生成する、従来と同様の光電センサとしてのＰＳＤ１８
と、該検出信号す、ｃから前記光量分布の重心位置に対
応した重心信号ｄを生成する処理回路４２とを含んで構
成されている０図において、４４はフレームである。前記照明系３０において、レーザダイオード３２はコリ
メータレンズ３４の焦点近傍に設けられ、ｆｉｉ％）ｌ
ミラー３６は、照明レンズ４０の焦点近傍に配設されて
いる。従って、加振器３８によって振動ミラー３６がθ
方向に＠！（往復回動）すると、レーザビーム１４は、
測定対象物１０の表面に対して平行なＸ方向に微少振動
する。この場合、レーザビーム１４は、照明レンズ４０の振動
ミラー３６とは反対側の焦点近傍で集光することになる
が、照明レンズ４０に入射するレーザビーム１４の径は
それほど大きくないなめ、その焦点を含む前後の広い区
間がＺ方向の測定範囲となる。前記加振器３８としては、例えば第２図に示す如く、磁
性体フレーム３８Ａと、永久磁石３８Ｂと、コイル３８
Ｃと、鉄片を含む回動軸３８Ｄとを含んで構成され、該
回動軸３８Ｄに振動ミラー３６が固定された、ガルバノ
メータ方式の加振器を用いることができる。このガルバ
ノメータ方式の加振器においては、コイル３８Ｃに加振
信号ａとして正弦波状の交流電流を流すと、回動軸３８
Ｄがθ方向に往復回動する。又、前記加振器３８として、第３図に示す如く、コイル
３８Ｅと鉄製のＵ字型振動板３８Ｆとを含んで構成され
、該Ｕ字型振動板３８Ｆに振動ミラー３６が固定された
、固有振動方式の加振器を用いることもできる。この固
有振動方式の加振器においても、コイル３８Ｅに加振信
号ａとして正弦波状の交流電流を流すと、Ｕ字型ｆｉｉ
動板３８Ｆがその固有振動数で振動するので、振動ミラ
ー３６がθ方向に往復回動する。第２図及び第３図に示した加振器は、いずれも公知の構
成であるが、加振器３８はこの他の構成でもよく、要は
θ方向に往復回動できるものであればよい。前記処理回路４２は、第４図に詳細に示す如く、前記Ｐ
ＳＤ１８から出力される検出信号す、ｃを電圧に変換す
る電流電圧変換器４２Ａと、該電流電圧変換器４２Ａの
出力の差及び和をそれぞれ演算する減算器４２Ｂ及び加
算器４２Ｃと、これらの出力から光量分布の重心位置に
対応する重心信号ｄを生成する除算器４２Ｄとを含んで
いる。該重心信号ｄは、係数ｋを用いて次式で表わされ
、光量が全体として小さくなっても正確な重心位置に対
応するようにされている。ｄ＝ｋ　　（ｂ−ｃ）／（ｂ＋ｃ）　　・・・（１）こ
の重心信号ｄは、アナログスイッチ４２Ｅがオフの間に
積分回Ｆ＆４２Ｆで積分されて積分信号ｅとなり、この
積分信号ｅは、アナログスイッチ４２Ｇがオフとなると
、サンプル／ホールド（Ｓ／Ｈ）回路４２Ｈに保持され
る。Ｓ／Ｈ回路４２Ｈに保持された信号は、アナログ／
デジタル（Ａ／Ｄ）変換器４２Ｉを介してマイクロプロ
セッサ、　　　（ＣＰＵ）４２Ｊに取込まれ、平均化等
の処理が施された後、デジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変
換器４２Ｋを介して変位信号ｆとして外部に出力される
。前記アナログスイッチ４２Ｅ、４２Ｇのオンオフの制御
回路は、発振器４２Ｌ、ウィンドウコンパレータ４２Ｍ
及び反転器４２Ｎから構成されている。前記発振器４２
Ｌからは加振器３８に対する加振信号ａのために正弦波
状の交流信号が発生され、その一部は、参照信号がＶｒ
ｅｆ中、Ｖｒｅｆ−のウィンドウコンパレータ４２Ｍに
入力される。このウィンドウコンパレータ４２Ｍでは、加振信号ａが
参照信号Ｖｒｅｆ”及びＶｒｅｆ″″の中間レベルにあ
るときは高レベルで、他の場合は低レベルである信号・
ｈが出力される。以下、実施例の作用を説明する。第５図は、本実施例で得られる重心信号ｄを示したもの
であり、まず第１図の状態では、重心信号ｄがレーザビ
ーム１４の振動に対応して、第５図の区間Ｔ１のように
平均値ｄ１で正弦波状に変化するが、表面粗さ等の影響
によるノイズが重なっている０次いで測定対象物１０が
Ｘ方向に変位して段差を越えると、第５図に示した区間
Ｔ２のように重心信号ｄがＴ１からΔｄ変化した平均値
ｄ２で正弦波状の振動を繰返す、従って、平均値ｄｌ等
を求めればよいわけであるが、単純なローパスフィルタ
を用いたのでは誤差が生じる恐れがある。即ち、第６図（Ｃ）に示した重心信号ｄの拡大図から明
らかなように、重心信号ｄは凸部（領域Ｑ）と四部（領
域Ｒ）では、ノイズ成分を除いた信号が理想的な正弦波
（ｒ＆線）から外れていることが実験により判明しな、
即ち、領域Ｑ、Ｒは、第１図の振動ミラー３６が往復回
動の中立点から最も大きく変位している領域を含むこと
になり、加振信号ａは、第６図（Ａ）で示したように、
これらの領域Ｑ、Ｒ″１″最大又は最小となっている。従って、１１１ｉｉ動ミラー３６が振動の折返し点近傍
では動作が不安定となるため、重心信号ｄも不安定にな
るものと考えられる。そこで本発明では、実施例のように参照信号ｖｒｅｆ　
令、Ｖｒｅｆ−を有するウィンドウコンパレータ４２Ｍ
を用いている。このウィンドウコンパレータ４２Ｍの出
力りは、第６図（Ｂ）に示す如くとなり、出力りが窩レ
ベルのときだけ重心信号ｄを積分することによって、重
心信号ｄが正弦波で近似できる中立領域にあるときの信
号のみを抽出するようにしている。又、この部分は、正
弦波がｖＬ線でも近似できる領域であり、実質的には重
心信号ｄが直線近似できる部分のみを抽出して積分して
いると考えることもできる。具体的には、積分するのは第６図（Ｃ）の領域Ｐ１、Ｐ
２であり、加振器３８から見れば第６図（Ａ）に示した
如く、加振器３８が中立領域Ｐにある範囲でのみ重心信
号ｄが積分されることになる。なお積分信号ｅは、第６
図（Ｄ）のように、最大値がｅ２→ｅ１→ｅ２・・・と
変化するが、この値はＳ／Ｈ回路４２Ｈを介してＣＰＵ
４２Ｊに取込まれる。ＣＰＵ４２Ｊの演算としては、最大値ｅ２、ｅｌの平均
を取る、予め配位しである係数を乗する等が考えられる
。これらの値は、いずれにしても表面粗さ等の影響が平
均化され除去されており、第５図の平均値６重又はｚｌ
に対応するもので、変位信号ｆとして外部に出力される
。ここで、第６図（Ｃ）の重心信号ｄの理想的正弦波か
らの偏差は常に一定したものではなく、時に変化する場
合があるため、領域Ｐ１、Ｐ２を抽出して処理しない従
来の装置では、平時は一定誤差で補正も可能であるが、
時として大きな糾差が生じてしまう恐れがあった。本実′施例においては、加振信号ａが直ちに積分のタイ
ミングを定める信号りを生成していたので、信号りが比
較的容易に得られる。なお、積分のタイミングを定める
信号を生成する方法はこれに限定されず、例えば加振器
３８の動きをフィードバックして得られた信号を加振信
号ａの代わりにウィンドウコンパレータ４２Ｍに入力す
ることによって、より高精度なタイミングを得ることも
可能である。これは、特に加振器が固有振動方式の場合
に有効である。又、本実施例においては、照明系３０に照明レンズ４０
が付加されていたので、レーザビーム１４を測定対象物
１０上で平行に振動させることができ、高精度の測定を
行うことができる。なお照明レンズ４０を省略すること
も可能である。この場合には、レーザビームが扇型に振
動されることになるが、ｆｉ動量が少なければ誤差は無
視できる程度になる。なお、前記実施例においては、光電センサとしてＰＳＤ
１８が用いられていたが、光電センサの種類はこれに限
定されず、２分割のフォトダイオードなども使用可能で
ある。

【発明の効果】

以上説明した通り、本発明によれば、測定対象物の測定
面の表面粗さ等による影響を受は難く、且つ、高精度の
測定を行うことが可能となるという優れた効果を有する
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る光電式位置検出装置の実施例の
全体構成を示す断面図、第２図は、前記実施例で用いら
れている加振器の一例の構成を示す断面図、第３図は、
同じく加振器の他の例の構成を示す正面図、第４図は、
前記実施例で用いられている処理回路の構成を示すブロ
ック線図、第５図は、前記実施例における重心信号ｄの
変化状態の例を示す線図、第６図は、前記実施例におけ
る各部信号波形の例を示す線図、第７図は、従来の光電
式位置検出装置の一例の構成を示す断面図、第８図は、
前記従来技術の表面粗さなどによる問題点を説明するた
めの拡大断面図である。１０・・・測定対象物、　　　１４・・・レーザビーム
、１６・・・対物レンズ、１８・・・ＰＳＤ　（光電センサ）、ｂ、ｃ・・・検出信号、　　Ｏ’　、Ａ’・・・重心位
置、３０・・・照明系、３２・・・レーザダイオード、３６・・・振動ミラー、　　３８・・・加振器、ａ・・
・加振信号、　　　　４０・・・照明レンズ、４２・・
・処理回路、　　　ｄ・・・重心信号、４２Ｅ、４２Ｇ
・・・アナログスイッチ、４２Ｆ・・・積分回路、　　
ｅ・・・積分信号、ｆ・・・変位信号、　　　　４２Ｌ
・・・発振器、４２Ｍ・・・ウィンドウコンパレータ、
４２Ｎ・・・反転器、Ｐｌ、Ｐ２・・・積分領域、ｐ・・・中立領域。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）測定対象物に光ビームを照射する照明系と、測定
対象物からの前記光ビームの反射光を集めて結像する対
物レンズと、結像された像の光量分布に対応した検出信
号を生成する光電センサと、該検出信号から前記光量分
布の重心位置に対応した重心信号を生成する処理回路と
を含み、該重心信号の変化から測定対象物の位置又は変
位を求める光電式位置検出装置において、前記照明系に、前記光ビームの方向を変える振動ミラー
と該振動ミラーを往復回動する加振器とを備えて、前記
光ビームを測定対象物上で微少振動させるとともに、前記処理回路に、前記加振器の往復回動に同期して加振
器が中立領域にある時のみ前記重心信号を積分する積分
回路を設け、該積分回路の積分信号をもって測定対象物の位置又は変
位の信号とすることを特徴とする光電式位置検出装置。
（２）前記照明系に前記光ビームを集束する照明レンズ
が設けられ、該照明レンズの焦点近傍に前記振動ミラー
が配設されている特許請求の範囲第１項記載の光電式位
置検出装置。