JPS63228013A

JPS63228013A - 表面変位測定装置

Info

Publication number: JPS63228013A
Application number: JP7243787A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Yano; 屋野　勉; Shinichiro Ueno; 植野　進一郎; Hiroshi Fukukita; 博福喜多
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1986-10-08
Filing date: 1987-03-26
Publication date: 1988-09-22
Anticipated expiration: 2010-12-25
Also published as: JPH07122569B2

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、測定対象物の表面変位を検出する表面変位測
定装置に関するものである。

従来の技術最近、表面変位測定装置は生産ラインにおける製品の外
観検査や変位量の検出用として盛んに利用されるように
なってきた。この表面変位測定装置として、例えば、特
公昭５６−１０５６１号公報に示されているような光変
位計を用いたものが知られている。以下、第８図を参照
しながら従来の表面変位測定装置について説明する。

第８図において、１０１は光源、１０２は光源１０１の
駆動回路、１０３は投光レンズ、１０４は被測定物に投
射された光スポット、１０５は被測定物、１０６は受光
レンズ、１０７は受光器、１０８ａ　、１０８ｂは受光
器１０７の出力、１０９は変位演算部、１１０はタイミ
ング回路、１１１は演算出力、１１２は被測定物を搬送
するコンベアである。

次に上記従来例の動作について説明する。駆動回路１０
１により駆動される光源１０２から出た光は、投光レン
ズ１０３により集光されて被測定物１０５に光スポット
１０４を投射する。この光スポット１０４は被測定物１
０５により反射され、その一部分が受光レンズ１０６に
より集光され、受光器１０７上に結像される。受光器１
０７として、例えば半導体装置検出素子（以下ＰＳＤと
略す）を用いれば、この受光器１０７の両端よシ出力さ
れる電流値Ｉａ、Ｉｂは光スポット１０４の結像位置に
よって変化する。この受光器１０７上の結像点は被測定
物１０５の変位、すなわち光スポット１０４の位置の変
化によって移動する。従って被測定物１０５の基準位置
からの変位量Ｉは下記の（１）式によって求めることが
できる。

ａ−Ｉｂ・”（Ｉａ＋Ｉｂ）ｋ　・・・・・・・・・（１）（但
し、ｋはある定数）これらの演算は変位演算部１０９で行うことができる。

従って被測定物１０５を搬送するコンベア１１２の移動
速度と同期させて、演算出力１１１を検出していると被
測定物１０５の表面変位を知ることができる。

発明が解決しようとする問題点しかし、以上のような従来の構成では、被測定物１０６
を搬送するコンベア１１２が振動するので、仮に被測定
物１０５の表面が完全に平坦でも、測定結果は振動の影
響により、凹凸のある表面形状となシ、精度のよい測定
を行うことができない。

例えば、最近、密封容器に入った飲食物の密封度合を検
査するため、密封容器のキャップ表面の凹凸の測定が試
みられている。このキャップは発泡性の飲料の場合には
、キャップ表面が凸形に変形し、高温で密封した飲料の
場合には、キャップ表面が凹形に変形しているものが良
品であり、その変形が少ないものは密封度が低下してい
る不良品とされている。このようなキャップ表面の凹凸
の測定には数十μｍ程度の変位分解能が必要であり、上
記のようなコンベア１１２上の振動が大問題になる。

上記振動の影響を無くするために２個の光変位計を組合
わせ、一方でキャップの中央部までの距離を、他方でキ
ャップの端部までの距離を求め、ある瞬間の測定値の差
からキャップ端部に対する中央部の変位量を求める方式
も考えられるが、この場合、被測定物の傾きの影響を受
ける。また、最近、ｐｓ瓶と呼ばれるガラス容器がよく
用いられているが、キャップサイズが直径３３ｆｆから
２８ｎと小さくなりつつあり、従来知られている光変位
計はその厚みが約１５ｎ以上であることから、これを用
いて同時に上記のような１つの被測定物上を１０ｆｆ間
隔程度で３点以上計測することは不可能であった。

そこで、本発明は、従来技術の以上のような問題を解決
するもので、搬送される被測定物の振動や傾きに影響さ
れず、また小さい被測定物に対してもその表面変位を精
度よく測定することができるようにした表面変位測定装
置を提供しようとするものである。

問題点を解決するための手段そして上記問題点を解決するための本発明の技術的な手
段は、光源、この光源から出た光を投光する投光レンズ
、この投光レンズから出た光ビームの被測定物上におけ
る光スポットからの反射光を受光する受光レンズ、この
受光レンズの結像面に配置し、光スポットの位置に対応
して変化する結像点の位置情報を電気信号として送出す
る受光器からなる少なくとも３個の光学ヘッド部と被測
宝物と光学ヘッド部までの距離の変化量を求める変位演
算部と、変位演算部の出力から被測定物の中央部分の変
位量を求める測定処理部と、被測定物が所定の位置に到
達したことを検出する位置検出センサと、この位置検出
センサの出力により上記光学ヘッド部、変位演算部と測
定処理部に対する同期信号を発生させる同期信号発生器
とを備えたものである。

作　　用上記技術的手段による作用は次のようになる。

すなわち、位置検出センサによって所定の位置に到達し
た被測定物が検出され、この検出信号により同期信号発
生器よシ同期信号が発生し、これにより光学ヘッド部と
変位演算部で被測定物上の各点の変位に対応する信号を
得、これらの信号から測定処理部において被測定物の真
の変位量を瞬時に計測することができる。

実施例以下、図面を参照しながら本発明の実施例について説明
する。

まず、本発明の第１実施例について説明する。

第１図は本発明の第１実施例における表面変位測定装置
の構成図である。第１図において、２゜は被測定物、例
えば瓶容器の口部に被せられたキャップである。２１は
被測定物を搬送するコンベア、２２ａ　、２２ｂ、２２
ｃは光変位計であシ、第２図に示すように光学ヘッド部
３４と変位演算部３６で構成され、被測定物２０の中心
を通るように移動方向に等間隔に配列され、厚み１０．
５ｆｆ以下に形成され、基準位置が等しくなっている。

２３は３個の光変位計２２ａ、２２ｂ、２２ｃの設置状
態を変える機構部、２４ａ　、２４ｂ、２４ｃは光変位
計２２ａ、２２ｂ、２２ｃから被測定物２゜に投光され
た光スポット、２５ａ、２５ｂ、２５ｃは光変位計２２
ａ　、２２ｂ、２２ｃからのそれぞれの出力である。２
６は光変位計２２ａ　、２２ｂ。

２２ｃからのそれぞれの出力２５ａ　、２５ｂ、２５ｃ
から被測定物２０の表面変位を求める測定処理部であシ
、両端の光変位計２２＆と２２ａの出力の加算器２７、
加算器２７の出力を半分にする分圧器２８、これは加算
器２７を平均加算器として一体化してもよく、分圧器２
８の出力と中央の光変位計２２ｂの出力の差を求める減
算器２９、比較器３０よシ構成されている。３１は基準
電圧発生器のような操作部、３２ａ、３２ｂは被測定物
２０の位置を検出する位置検出センサ、３３は同期信号
発生器である。

第２図は第１図に示した各光変位計２２ａ、２２ｂ。

２２ｃの詳細を示す構成図である。第２図において光変
位計２２ａは光学ヘッド部３４と変位演算部３５で構成
され、光学ヘッド部３４では３６は筐体、３７は例えば
、ベースの直径が９ｆｆ以下の半導体レーザ等よりなる
光源、３Ｂは光源３７の駆動回路、３９はレンズ直径６
ｆｆの投光レンズ、２４は被測定物２０に投射された光
スポット、４０はレンズ直径６ｆｆの受光レンズ、４１
は例えば、高さ５ｆｆのＰＳＤのような受光器、４２ａ
、４２ｂはその出力、４３はタイミング信号、２５は演
算出力、４４は機構部２３へ装着するだめの筐体結合部
である。なお、駆動回路３８、変位演算Ｑ５は筐体３６
の外に設けてもよい。

以下、上記実施例の動作について説明する。

まず、コンベア２１で搬送されてきた被測定物２０は位
置検出センサ３２ａ　、３２ｂによって所定の位置に到
達したことが検出される。この検出信号は同期信号発生
器３ａに大刀され、光変位計２２ａ、２２ｂ、２２ｃの
タイミング信号４３や測定処理部２６の同期信号となる
。等間隔に配列された光変位計２２ａ　、２２ｂ、２２
ｃではタイミング信号４３による駆動回路３８の働きに
ょシ光源３７である半導体レーザが駆動され、これから
照射された光ビーム列は、投光レンズ３９により被測定
物２１に向って平行に照射し、光スポット２４ａ　、２
４ｂ、２４ｃを被測定物２ｏ上に作る。

この反射光は再び光変位計２２ａ、２２ｂ、２２ｃ内の
受光レンズ４０によってＰＳＤのような受光器４１上に
結像される。この受光器４１の出力４２ａ、４２ｂは変
位演算部３５で被測定物２゜と光変位計２２ａ　、２２
ｂ、２２ｃの間の距離に関係した出力２５ａ　、２５ｂ
、２５ｃとして取り出される。これらの出力２５ａ　、
２５ｂ、２５ｃは同期信号発生器３３からの同期信号に
よって測定処理部２６に入力されるが、この出力２５ａ
　、　２５ｂ　。

２５ｃ　の内、両端の光変位計２２ａ、２２ｃからの出
力２５ａ　、２５ｃを加算器２７で加算し、これを分圧
器２８により１／２に分圧する。この出力と中央部の光
変位計２２ｂの出力２５ｂの差を減算器２９で求める。

そして比較器３０は例えば、被測定物２０の形状が所定
の変位内に入っているか否かを、操作部３１から送られ
てくる基準信号と比較することによって判定し、それを
出力する。

第３図は上記動作を更に詳しく示したものである。第３
図に示すように光変位計２２ａ　、２２ｂ。

２２Ｃから出た光は、被測定物２０上にそれぞれ光スポ
ット２４ａ　、２４ｂ　、２４ｃを作る。４６は基準位
置であシ、この基準位置４６と各光ヌポツ）２４ａ、２
４ｂ、２４ｃの変位量をそれぞれｘｌ。

ｘ２．ｘ３とする。一方、被測定物２０の測定時の水平
状態からの傾き角をθとする。本実施例で求められる中
央部の両端部に対する変位量（この場合ばへこみ量）△
Ｘは下記の（２）式となる。

△ｘ　＝　（ｘｌ＋　Ｘ３　）　／　２　＝　ｘ２　−
−−（２）一方、両端部に対する真の中央部の変位量Ｘ
。は光変位計２２ａと２２ｂ及び２２ｂと２２ｃの間隔
をＬ／２とすると、下記の（３）式となる。

Ｘｏ＝（ｘｌ−，２＋　（Ｌ／２）ｔａｎθ）　Ｃｏ１
ｔθ−−−−・−（３）一方、ｘ３はｘ３＝　ｘ１＋　
Ｌ　ｔａｎθであり、これより上記（２）式の△Ｘは下
記の（４）式となる。

△ｘ　＝ｘ１＋　”−ｔａｎθ−ｘ２　・・・・・・・
・・・・・・（４）被測定物２０が瓶容器の開口部に被
せられたキャップ表面であシ、例えば、Ｌ＝２１．ｆｆ
、ＸＱ＝０．７ｆｆ、θ＝５°であるとすると、本実施
例による誤差１１ＣＯ−△Ｘ１は下記のようになる。

ｘｏｌ　１−１１０ｏｓθｌ＝ｏ、３Ｘ３８Ｘ　１０３
＝１．１４Ｐ一方、２個の光変位計２２ａと２２ｂだけ
で変位量を求めると測定値はｘ、Ｘ２となる。これは上
記（３）式より下記のようになる。

従ってほぼＨｔａｎθ＝０．９１　ｎの誤差となシ、真
の変位０．３ｆｆの約３倍の誤差が生じることになる。

以上の説明から明らかなように本実施例によれば、光変
位計２２ａ、２２ｂ、２２ｃは極めて小さい光学部品を
用いているため、厚さ１０．５ｆｆにすることができ、
これらを等間隔に配列し、それらの出力２５ａ　、２５
ｂ、２５ｃの内、両端の信号を加算した後に、１／２に
分圧し、その出力と中央部の光変位計２２ｂの出力２５
ｂの差を求めることにより、被測定物２０の振動や傾き
の影響を受けず、被測定物２０の両端に対する中央部の
変位を求めることができる。

なお、光変位計２２ａ　、２２ｂ、　２．ｇｃの厚みを
１２ｆｌ以下にすると、ＰＳ瓶と呼ばれるガラス容器の
キャップ表面の変位をも十分測定できる。

次に本発明の第２実施例について説明する。

第４図は本発明の第２実施例における表面変位測定装置
の構成図である。第４図において、第１図の構成と異な
る点は光変位計２２ａ　、２２ｂ。

２２ｃの出力から表面形状を求める測定処理部２６に光
変位計２２ａ、２２ｂ、２２ｃの出力２５ａ。

２５ｂ、２５ｃの非直線性を補正するだめのＡ／Ｄ変換
器５０ａ　、５０ｂ、５０ｃ　、メモリ（ＲＯＭ）５１
ａ、５１ｂ、５１ｃ　、平均化処理を行うだめの加算器
５２ａ；５２ｂ、５２ｃ　及び直接変位量を演算するた
めのメモＩＪ（ＲＯＭ）５３及び操作部３１に入力部５
４とメモリ（ＲＯＭ）５５を設けたことである。

次に上記実施例の動作について説明する。

光変位計２２ａ　、２２ｂ　、２２ｃの動作は第１の実
施例と同じであシ、それらの出力２５ａ、２５ｂ。

２５ｃは同期信号発生器３ａからの同期信号によってＡ
／Ｄ変換器５０ａ　、５０ｂ、５０ｃでデジタル値に変
換される。一般に光変位計２２ａ、２２ｂ。

２２ｃの出力と変位の関係は完全な比例関係ではなく、
非直線性がある。また、３個の光変位計２２ａ、２２ｂ
、２２ｃ　の特性も完全に同じではない。従って予め各
光変位計２２ａ、２２ｂ、２２ｃの出力と変位の関係を
メモ’）　５１　ａ　、５１ｂ、５１ｃに記憶しておく
。Ａ／Ｄ変換器５０ａ　、５０ｂ。

５０ｃの出力はこのメモリ５１　ａ、５１ｂ、５１ｃに
よって補正される。次の加算器５２ａ、５２ｂ。

５２ｃば、１００ＫＨｚ程度の繰返し周波数で得た１０
個程度のデータを加算平均するだめのものであシ、測定
精度を高めることができる。この後、両端の光変位計の
２２ａ、２２ｃの出力２５ａ。

２５ｃを加算器２７により加算し、分圧器２８により分
圧しだ平均値と、中央の光変位計２２ｂの出力２５ｂの
差を減算器２９で求めることにより上記第１実施例と同
様に高精度の変位量を求めることができる。

なお、メモリ５３は減算器２９の出力を変位量に換算す
るために用い、操作部３１のメモリ５５は被測定物２０
の正常な変位量を記憶し、入力部５４からの入力値によ
って比較器３０の基準値を出力する。

以上の説明から明らかなように本実施例によれば、各光
変位計２２ａ、２２ｂ、２２ｃの出力の非線形性や出力
のバラツキを予め測定し、蓄積していた各光変位計２２
ａ、２２ｂ、２２ｃの特性値と対応することによって補
正できると共に、平均加算によって更に高精度の変位量
測定が可能となる。

次に本発明の第３実施例について説明する。

第５図は本発明の第３実施例における表面変位測定装置
の構成図である。第５図において、第４図の構成と異な
る点は光変位計を構成している光学ヘッド部３４と、変
位演算部３５を分離し、３個の光学ヘッド部３４ａ　、
３４ｂ　、３４ｃのそれぞれの出力Ｂｏａ　　、６０ａ
’、６０ｂ　、Ｓｏｂ’、６０ｃ。

６０ｃ′を切換えるための切換器６１と、切換器６１に
接続された１個の変位演算部３５と、変位演算部３５の
出力から時系列処理を行うための１系統のＡ／Ｄ変換器
５０　、ＲＯＭ５１　、加算器５２、メモリ６２を設け
たことである。

次に上記実施例の動作について説明する。

光学ヘッド部３４ａ　、３４ｂ　、３４ｅの動作は第１
の実施例と同じであシ、受光器からの２系統の出力６０
ａ　、６０ａ’、Ｓｏｂ　、６０ｂ’、６０ｃ。

６０　ｃ’は切換Ｍ８１の端子に接続される。切換器６
１は同期信号発生器３３からの同期信号によって切換え
動作を受け、３個の受光器の１組の出力を順次、変位演
算部ａ５に入力させる。変位演算部ａ５では第１の実施
例と同様、変位量を演算する。この演算出力はＡ／Ｄ変
換器５０でデジタル値に変換され、第２の実施例の場合
と同様、各光学ヘッド部の特性のバラツキはメモリ５１
で補正される。補正を受けた測定値は次の加算器５２で
精度を高めるだめの加算平均操作を受ける。この後、そ
れぞれの光学ヘッド部の変位量測定値の加算平均値は、
メモリ６２にそれぞれ蓄積される。

この後、両端の光学ヘッド部の測定値は加算器２７、分
配器２８を通って加算平均され、減算器２９において中
央の光学ヘッド部の測定値との差が求められ、被測定物
２０の周辺部と中央部の変位量が測定できる。

この方法によると、測定値の温度変化などの変動は、変
位演算部３５以後は共通であるため、光学ヘッド部の影
響だけに限定され、より高精度にすることが可能である
。

なお、実施例１．２．３において変位演算部３６は、第
６図に示すように、アナログ加算器６３と、アナログ減
算器６４、及びアナログ除算器６５で第１式に示した変
位量を求める方法と１、第７図に示すように、切換器６
６で受光器４１の出力を切替えた後、Ａ／Ｄ変換器６７
でデジタル値に変換し、それらをＲＡＭ６８ａ　、６８
ｂにそれぞれ一度記憶させ、その後、デジタル演算器６
９でディジタル的に加算、減算し、割算して、変位量を
求める方法も可能である。このデジタル方式の場合には
第３の実施例で示した切換器６１と、Ａ／Ｄ変換器５０
は切換器６６、Ａ／Ｄ変換器６７に置き換えられる。

上記各実施例では、光変位計２２ａ　、２２ｂ　。

２２ｃや光学ヘッド部３４ａ　、３４ｂ　、３４ｃは等
間隔に直線上に配列しているが、被測定物２０が球面を
有する場合には、この被測定物２ｏの球面の中心を共有
する円周上に配列してもよい。また被測定物２０の測定
範囲が広い場合には、機構部２３と光変位計２２ａ　、
２２ｂ　、２２ｃの結合部４４の組合せで間隔を広げる
ことも可能である。

発明の効果以上述べたように本発明によれば、光源、投光レンズ、
受光レンズ、受光器、演算回路を有する少なくとも３個
の光変位計と、これらの光変位計の出力から被測定物の
中央部分の変位量を求める測定処理部と被測定物の位置
を検出する位置検出センサ及び同期信号発生器を組合せ
ることにより、キャップ表面の凹凸のような両端に対す
る中央部の変位を被測定物の傾きや振動の影響を受ける
ことなく、まだ小さい被測定物に対してもその表面変位
を高精度に測定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図は本発明の第１実施例における表面変
位測定装置を示し、第１図は全体の構成図、第２図は光
変位計の構成図、第３図は測定動作説明図、第４図は本
発明の第２実施例における表面変位測定装置の構成図、
第５図は本発明の第３実施例における表面変位測定装置
の構成図、第６図は第１〜ａの実施例における変位演算
部の具体構成図、第７図は同じく変位演算部の他の具体
構成図、第８図は従来の表面変位測定装置の構成図であ
る。２０　−被４１１１定物、２１−、−：Ｉ　：／ベア、
２２ａ。２２ｂ　、２２ｃｍ光変位計重２４ａ、２４ｂ。２４ｃ　　・・光ヌポソト、２６・・・・・測定処理部
、２７　・・・加算器、２８・・・・分圧器、２９・・
・・減算器、３０・・・・・・比較器、３１・・・・・
・操作部、３２ａ。３２ｂ・・・・・位置検出センサ、３３・・・・・・同
期信号発生器、３４　・・・・光学ヘッド部、３５・・
・・・変位演算部、３７　・・・光源、３８・・・・・
・駆動回路、３９・・・・投光レンズ、４０・・・・・
受光レンズ、４１　・・受光器、５０・・・・・Ａ／Ｄ
変換器、６１　・・・・切換器。代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名−実開塚　　　　　　　　　　　　　　　　　　　」メ第　２
　図第３図憤　ヘリぐ　　　　　砿　　　　　厭傳　６　図更丸呑 Δ１．３乙警似！釘

Claims

【特許請求の範囲】

（１）光源、この光源から出た光を投光する投光レンズ
、この投光レンズから出た光ビームの被測定物上におけ
る光スポットからの反射光を受光する受光レンズ、この
受光レンズの結像面に配置し、光スポットの位置に対応
して変化する結像点の位置情報を電気信号として送出す
る受光器を有する少なくとも３個の光学ヘッド部と、前
記受光器からの出力から被測定物と光学ヘッド部までの
それぞれの距離の変化量を求める変位演算部と、前記変
位演算部の出力から被測定物の周辺部と中央部分の変位
差を求める測定処理部と、被測定物が所定の位置に到達
したことを検出する位置検出センサと、この位置検出セ
ンサの出力により同期信号を発生させる同期信号発生器
とを備えたことを特徴とする表面変位測定装置。
（２）光学ヘッド部は、それぞれの基準位置が等しく、
投光レンズから出た光ビームを等間隔に、かつ平行に被
測定物に照射するように３個組合わされている特許請求
の範囲第１項記載の表面変位測定装置。
（３）測定処理部は両端の２つの光学ヘッド部の出力か
ら求めた変位演算部の出力を加算平均する加算器と、こ
の加算平均値と中央の光学ヘッド部の出力から求めた変
位演算部の出力の差を求める減算器とを備えている特許
請求の範囲第１項記載の表面変位測定装置。
（４）光学ヘッド部は直径６ｍｍ以下の投光レンズと受
光レンズを用い、厚みが１２ｍｍ以下である特許請求の
範囲第１項記載の表面変位測定装置。