JPS63225109A - 距離・傾斜角測定器 - 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（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５９−２７
８４３号公報に記載されたものが知られている。

この従来技術は、ワーク面（測定対象面）上に３個以上
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
のワークにおいで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ある
特定の方向への反射光が極端に強い場合が生じ光スポッ
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、１対の投受光系を回転することにより、他の
投受光系との干渉を無とした距離・傾斜角測定装置を提
供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点は、測定対象面にスポット光を投光する光源
を有する投光系と該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を備えたセンサ部と、
該センサ部を前記投光系のスポット光方向でかつ該スポ
ット光源より所定距離層れた軸を回転軸として回転させ
るセンサ部駆動部と、回転する前記センサ部との信号の
送受を行うカプラと、該カプラを介して前記投光系を制
御する発光コントローラと、前記センサ部駆動部を制御
する駆動部制御部と、前記受光系の検出信号を前記カプ
ラを介して入力し前記投光系との所定位置と前記測定対
象面上のスポット光との間の前記センサ部の少くとも３
箇所以上の所定の各回転位置における相対距離をそれぞ
れ算出する投光距離演算部と、該投光距離演算部が算出
した前記所定の各回転位置における相対距離を入力し前
記駆動部制御装置から入力する前記所定の各回転位置を
各該相対距離と対応して保持するサンプルホールド部と
、該サンプルホールド部の前記保持データに基づいて前
記センサ部の所定位置と前記測定対象面との平均相対距
離および該測定対象面と前記回転軸と直交する平面との
傾斜角を算出する距離・傾斜角演算部とを備えたことを
特徴とする距離・傾斜角測定装置によって解決される。

〔作用〕

上記本発明の構成によれば、回転するセンサ部がある回
転位置ａにおいて、測定対象面に投光系よりスポット光
を投光し、該測定対象面からの反射光を受光素子が受光
し、所定の信号にセンサ部で変換され、カプラを介して
投光距離演算部に送られ該演算部においてセンサ部の所
定位置と前記測定対象面のスポット光投光位置との相対
距離ｄａが計算され、この計算値ｄａがサンプルホール
ド部に送られ、駆動部制御部から送られてくる前記回転
位置ａと共に保持される。同様にしてセンサ部の回転位
置をｂｅｅｔと次き次ぎに回転させるセンサ部が１回転
する間に少くとも３点以上の回転位置とこれに対応した
前記相対距離ｄｂ、　ｄａのデータがとられ、これらの
データが保持されたときサンプリングホールド部より該
データ値、ｄａ、　ｄｂ、　ｄｃ・・・・・・ａ、ｂ、
ｃ・・・・・・が距離・傾斜角演算部に送られ前記測定
対象面の平均スポット位置とセンサ部の所定位置との平
均相対距離および前記測定対象面の前記回転軸と直交す
る平面との傾斜角の算出が行なわれる。

〔実施例〕

本発明にかかわる一実施例を第１図、第２図と用いて説
明する。

第１図は本発明にかかわる装置のブロック図であり、本
装置は大きく分けるとスポット光を測定対象面２に投光
してその反射光を受けそれをデータとして出力するセン
サ部１と該センサ部１を回転させるセンサ部駆動部、回
転するセンサ部１から前記データを取り出すカプラ１２
、およびセンサ部１の投光量を制御する発光コントロー
ラ１５とセンサ部駆動部の制御を行う駆動部制御部１４
および前記データからセンサ部１の所定位置と測定対象
面２との相対距離および測定対象面の傾斜を演算する演
算部１６とからなる。

センサ部１は、投光の光源となるレーザダイオード４、
該レーザダイオード４からの光を測定対象面２に投光し
て光スポットを形成する投光レンズ５、該光スポットの
反射光を受光する受光レンズ７、該受光レンズの焦点位
置に光軸に対し所定の傾斜角で配置された受光素子とし
てＰＳＤ　（半導体−次元光位置検出素子：　Ｐｏ５ｉ
ｔｉｏｎ　５ｅｎｓｉｔｉｖｅＤｅｔｅｃｔｏｒ）　８
、該ＰＳＤの出力を所定の信号に変換する信号変換器９
より構成される。

センサ部駆動部は駆動源となるパルスモータ１０、該パ
ルスモータの軸に設けられたピニオンと前記レザーダイ
オード４と前記投光レンズ５の光軸に平行で、該光軸と
ｒ離れた軸を回転軸としカプラ１２の下方の円筒部上に
設けられたギヤとから成る回転伝達ギヤ１１から構成さ
れる。

カプラ１２は前記回転軸を中心として上下に分離された
円筒状の外形をしており、下部円筒には上述のようにそ
の外面円周上にギヤが設けられ、前記回転伝達ギヤ１１
の一部を構成しており、上部円筒部は回転しない。本カ
プラは静止している上部円筒部と回転している下部円筒
部との間で信号および電力を送受できる機能を有するも
のであり、スリップリングを用いた接触式のものと電磁
的に伝送する非接触式のものがある。

発光コントローラ１５はセンサ部１の投光系を構成する
レーザダイオード４の投光量を制御する。

駆動部制御部１４はパルスモータ１ｏの回転位置の制御
を行い、さらにセンサ部１が測定対象面との相対距離を
測定する所定の回転位置の信号をサンプルホールド１８
に伝送する。

演算部１６は投光距離演算部１７、サンプルホールド部
１８、距離・傾斜角演算部１９より構成され、投光距離
演算部１７はセンサ部１が所定の回転位置にあるときの
測定対象面２の光スポラ８５位置とセンサ部１の所定位
置との相対距離を入射光と反射光とのなす角度を表わす
ＰＣＤからの信号と投光系と受光系の幾何学的関係から
算出するものであり詳細は後述する。

サンプルホールド部１８は投光距離演算部１７からセン
サ部１の所定位置における相対距離の値ｄａを入力し、
駆動部制御部１４から該所定位置のデータａ入力し、こ
れら対のデータｄａ、ａが最小３組以上蓄積されるまで
保持し、距離・傾斜角度演算部１９が測定対象面２と前
記回転軸と直交する平面との傾斜角を計算できるように
する。

距離・傾斜角演算部１９は、サンプルホールド部１８よ
り上記３組以上のデータを入力し、測定対象面２と前記
傾斜角の演算と各相対距離の平均値を計算する。

次に動作について説明する。

まずセンサ部１の静止位置から投光量により測定対象部
２に光スポット６を照射する位置を始点としく第１図の
ａの位置）、この位置において、発光コントローラ１５
によりレーザダイオード４の投光量を適切に調整して光
スポットａに投光レンズ５を通して投光する。この反射
光は受光レンズ７により受光素子ＰＳＤａ上に焦点を結
ぶように配置されている。つまりＰＳＤの受光面を受光
レンズ７の光軸に対して第１図に示すように傾斜させる
ことにより測定対象部２とセンサ１の距離が変り受光レ
ンズの焦点を結ぶ位置の変動に対応してＰＳＤ上の結像
位置も変るのでＰＳＤ上の結像の焦点はぼけない。例え
ば光スポット６が受光レンズ７に近づくと受光位置はＰ
ＳＤの右上部へ移動し受光レンズ７の結像距離の増大に
対応し、光スポット６が受光レンズ７から離れれば受光
位置はＰＳＤの左下部へ移動して受光レンズ７の結像距
離の減少に対応する。この様子を第２図に示す。ＰＳＤ
８はセンサ部１の所定位置から光スポット６までの距離
に関する信号を発生し、該信号は信号変換器９に送られ
、カプラ１２で伝達されるのに適した信号に変換される
。カプラ１２を介して入力された該信号は投光距離演算
部１７で次のようにしてセンサ部１の所定位置とスポッ
ト光６の間の相対距離が演算される。投光系と受光系と
の関係を第２図に示す。第２図において投光レンズ５の
中心点と測定対象面２上のスポット６との相対距離をＤ
とし、投光レンズ５の光軸と受光レンズ７の光軸上の中
心点との距離をＬとし、投光スポット光と反射スポット
光となす角度をθとする。いま測定対象面２が点線の位
置２′から実線の位置２に変化した場合、実線位置にお
ける光スポット６と受光レンズ７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８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８の出力信号Ｓはθの関数とし
て次のように表わされる。

５＝ｆ（θ） 角度θは 、”、０　＝　ｆ−”（Ｓ）　　　　　　　　　　　・
・・・・・・・・（１）となる、そして、投光距離りは Ｄ＝− ｔａｎθ と表わされる。

したがって投光距離演算部１７は上記（２）式により光
スポット６がａの位置における相対距離ｄａを算出する
ことになる。

次に上記相対距離データｄａはサンプルホールド部１８
に送られ、ここで駆動部制御部１４から送られてくる光
スポツト位置データａと対応した成層で保持される。次
にパルスモータを駆動して光スポットをす、ｃ、ｄの位
置に移動し、それぞれの位置における相対距離ｄｂ、ｄ
ｃ、ｄｄを同様にして算出し位置す、ｃ、ｄとそれぞれ
対応させてサンプルホールド部１８で保持し、　ｄａ、
　ａ　：ｄｂ、　ｂ　：　ｄｃｔ　ｃ　：　ｄａ、　ｄ
の４組が集った時点′でこれらのデータは、距離・傾斜
角演算部１９に入力される。

次に第３図を用いて測定対象部２と回転軸と直交する平
面との傾斜角の算出法を説明する。

三角測量の原理によれば上記傾斜角を算出するには上記
相対距離と該相対距離を求める光スポット６の位置のデ
ータは３組あればよいが１本実施例は理解を容易にする
ため４組のデータを用いる場合について説明する。光ス
ポットの位置はａを０度とし反時計回りに９０度づつ回
った点をそれぞれす、ｃ、ｄとする。それ数直線ａａと
直線ｂｄは直交する。

センサ部１に第１直交座標系ｏ−ｘｙｚを第３図に示す
ように設定する。このときＺ軸はセンサ部１の回転軸に
一致する。次にＺ軸の負方向で測定対象面２と交叉する
点を０′とし、直交座標系ｏ’−ｘ’ｙ’ｚ’軸を設定
する６なおＸ′。

Ｙ′軸はＸ、Ｙ軸とそれぞれ平行としＺ′軸とＺ軸は同
一軸上で原点が異っている。

ここで、 θＸをＸ′軸と測定対象面２のｚ’−ｘ’平面上の０′
点を通る接線となす角 θヶをＹ′軸と測定対象面２のｚ’−ｙ’平面上のＯ′
点を通る接線となす角 と定義する。

光スポット６の位置ａ、ａをｏ’−ｘ’輪軸上とり１位
置す、ｄをＯ’−Ｙ　’軸上にとるとθＸ、θＹは次の
ように表わされる。

ｄａ−ｄｃ＝２　ｒｔａｎθ× ・・・・・・（３） ｄｂ−ｄｄ＝２ｒｔａｎθ、 ここにｒは第１図に示す光源（レーザダイオード４）と
回転軸との距離である。

（３）式より ｒ ｒ センサ部１と測定対象面２との相対距離りとするとＤは
位ｆｉｌ　ａｖ　ｂ　ｔ　ｃ　ｖ　ｄにおける相対距離
の値の平均値として得られる。

Ｄ＝二（ｄａ＋　ｄｂ＋　ｄｃ＋　ｄｄ）　　　−−（
５）距離・傾斜角演算部１９は（４）、　（５）式を計
算することによりセンサ部１の所定位置と測定対象面２
との距離りおよびセンサ部１の回転軸と直交する平面と
測定対象面２の傾斜角θＸ、θＹを算出する。

なお、パルスモータ４の代りにモータ回転角検出器を付
加した通常用いられる電動モータとし、これに対応した
駆動部制御部１４とすることにより上記と同様に距離Ｄ
、および傾斜角θ×、θＹが得られる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、投受光系を１組とし、これを所定回転
軸のまわりに回転して１回転円上の任意の最少３組以上
の投受光データを得ることにより測定対象面とセンサ部
の所定位置との距離および前記回転軸と直交する平面と
測定対象面との傾斜角が得られるので、３組以上の投受
系をセンサ部に設ける必要がないため構造の簡易化、小
型化が可能となり、複数組の投受光系の場合のように、
各粗間の器機特性のバラツキや各組の投光の干渉が発生
しないので測定精度が向上し、さらに、測定対象面上の
測定個所が円型光となり、測定所望個所をその円型光の
中心に合せればよいので測定目標を定めやすいという効
果もある。

【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図は投
光距離の算出方法の説明図、第３図は投光距離および傾
斜角の算出方法の説明図である。 １・・・センサ部、　　　　　２・・・測定対象面、４
・・・レーザダイオード、　５・・・投光レンズ、６・
・・光スポット、　　　　７・・・受光レンズ。 ８・・・ＰＳＤ、　　　　　　１０・・・パルスモータ
、１１・・・回転伝達ギヤ、　　１２・・・カプラ、１
４・・・駆動部制御部、１５・・・発光コントローラ、
１７・・・投光距離演算部、 １８・・・サンプルホールド部、 １９・・・距離・傾斜角演算部。 代理人　弁理士　鵜　沼　辰　之 第１図 ９−−−　イ七　３５１士９５器 １０−−−パルスモーク　　　　　　　　　　　ＩＩ−
ｍ−回転Ｑ４ス正〜“イ１２−−一力７′り　　　　　
　　　　　　１４−−−、ｈｌ令１７部’ＩＮＩ御卵１
５−−−ぞ素〕′−トローラ　　　　　　ｒ６−−−Ｑ
葺顛１７−１ＬｔＷ巨葵１！＞１罫卸　　　　　旧−−
−サンプルホー１ド節１９−−−９勉傾斜訃望育部 ビ′、・１ 手続補正帯 昭和６２年４月７θ日 １、事件の表示 昭和６２年特許願第６０４８８号 ２、発明の名称 距離・傾斜角測定器 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 ６、補正により増加する発明の数 ７、補正の対象 明細書中の特許請求の範囲の欄 ８、補正の内容 （１）特許請求の範囲を別紙のとおり改める。 特許請求の範囲 （１）　　ｍ定対象面にスポット光を投光する光源を有
する投光系と該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を備えたセンサ部と、該セ
ンサ部を前記投光系のスポット光方向で７！？１つ該ス
ポット光源より所定距離離れた軸を回転軸として回転さ
せるセンサ部駆動部と１回転する前記センサ部との信号
の送受を行うカプラと、該カプラを介して前記投光系を
制御する発光コントローラと、前記センサ部駆動部を制
御する駆動部制御部と、前記受光系の検出信号を前記カ
プラを介して入力し前記投光系の所定位置と前記測定対
象面上のスポット光との間の前記センサ部の少くとも３
箇所以上の所定の各回転位置におけ置における　・　　
を入力し前記駆動部制御部装置から入力する前記所定の
各回転位置を各該相対距離と対応して保持するサンプル
ホールド部と、該サンプルホールド部の前記保持データ
に基づいて前記センサ部の所定位置と前記測定対象面と
の平均相対距離および該測定対象面と前記回転軸に直交
する平面との傾斜角を算出する距離・傾斜角演算部とを
備えたことを特徴とする距離・傾斜角測定装置。 （２）　　前記センサ部駆動部の駆動源としてパルスモ
ータを用いることを特徴とする特許請求の範囲第１ｇ記
載の装置。 （３）前記カプラが非接触電送装置であることを特徴と
する特許請求の範囲第１項または第２項記載の装置。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）測定対象面にスポット光を投光する光源を有する
   投光系と該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を備えたセンサ部と、該センサ
   部を前記投光系のスポット光方向でかつ該スポット光源
   より所定距離離れた軸を回転軸として回転させるセンサ
   部駆動部と、回転する前記センサ部との信号の送受を行
   うカプラと、該カプラを介して前記投光系を制御する発
   光コントローラと、前記センサ部駆動部を制御する駆動
   部制御部と、前記受光系の検出信号を前記カプラを介し
   て入力し前記投光系の所定位置と前記測定対象面上のス
   ポット光との間の前記センサ部の少くとも３箇所以上の
   所定の各回転位置における相対距離を入力し前記駆動部
   制御部装置から入力する前記所定の各回転位置を各該相
   対距離と対応して保持するサンプルホールド部と、該サ
   ンプルホールド部の前記保持データに基づいて前記セン
   サ部の所定位置と前記測定対象面との平均相対距離およ
   び該測定対象面と前記回転軸に直交する平面との傾斜角
   を算出する距離・傾斜角演算部とを備えたことを特徴と
   する距離・傾斜角測定装置。
2. （２）前記センサ部駆動部の駆動源としてパルスモータ
   を用いることを特徴とする特許請求の範囲第１図記載の
   装置。
3. （３）前記カプラが非接触電送装置であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項または第２項記載の装置。