JPH0670566B2 - 変位測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、測定対象の変位を光学的に高精度で広い測定
範囲にわたって測定する変位測定装置に関するものであ
る。

（従来の技術） 測定対象、例えばロール，薄板，パイプなどの変位を測
定することは、形状測定（プロフィル測定）や、寸法測
定あるいは位置検出などを行う上で重要である。

この種の変位を測定する装置としては従来よりレーザー
三角測量方式変位計が有り、広く使用されている。これ
はレーザー光を小さく絞って対象表面に照射し、斜め方
向から反射光を受光レンズで集束して光位置検出素子上
に結像させ、対象の変位に伴なう光像位置の変化を電気
信号に変換するものである。しかしながら、この変位測
定装置では光位置検出素子の分解能と精度に制限が有る
事、測定対象が変位すると対象表面上のレーザー光の径
が大幅に変化する事等により、高精度かつ広い測定範囲
を得る事は極めて困難である。

そこで、斯かる変位測定においては、測定精度を高める
工夫がなされており、例えばレーザー光を測定対象の変
位方向に平行に照射し、レーザー光を絞られた状態で測
定対象表面上に照射せしめるようにした装置がある（特
公昭59−762号）。これによれば測定点が明確になり精
度の向上が図られるが、測定対象が変位することにより
生じる照光側集光レンズと測定対象との距離の変化で、
測定対象表面上のレーザー光の径が変ることは否めな
い。

（発明が解決しようとする問題点） ところで、測定対象、例えばパイプ，ロール等を回転あ
るいは走行させて、プロファイルを測定する場合には、
測定対象自体のプロファイルによらない上下動，振動等
に影響されずに変位を測定しなければならない。

一般に、前記上下動や振動はプロファイルの変化よりか
なり大であるから、測定範囲の広い装置が不可欠とな
る。例えばパイプの振動による変化が2mmあるとき、該
パイプの変位測定を１／1000mmの精度で要求された場合
には、光位置検出素子の分解能と精度に制限があり、そ
の測定限界が振動より小さいため測定不能となる。従っ
て斯かる測定を行なうにはオフライン的にならざるを得
ず、測定に長時間を要する。

また、ロールや薄板、例えばストリップなどの表面粗度
を測定するには、その表面の例えばμｍオーダーの微細
な凹凸の程度を測らなければならない。このような場合
には、表面の微細な凹凸に基づく変位を高い精度で測定
する必要があるが、これを光ビームを用いて測定できる
ものは見当らない。

（発明の目的） 本発明は、高精度かつ広い測定範囲を持った光学的変位
測定装置、例えばロール，パイプ，ストリップ等の測定
対象の形状測定，表面粗度測定，寸法測定あるいは位置
検出をそれらが回転あるいは走行中に行える変位検出装
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） 上記目的を達成するために本発明においては、 光ビームを集束レンズを介して測定対象に照射し、その
反射ビームを光源と異なる光軸方向から受光し変位を測
定する装置において： 集束レンズから測定対象への光軸と反射ビームの受光レ
ンズへの光軸の間に設けた固定傾斜ミラーおよび移動傾
斜対ミラー，反射ビームを受光する受光レンズの結像位
置に設けた光位置検出素子，光位置検出素子からの信号
に基づいて位置信号を出力する位置信号処理装置，位置
信号を入力し移動傾斜対ミラーの移動量を制御する装
置，移動傾斜対ミラーの移動量を検出し、移動量検出信
号を出力する移動量検出装置，および、移動量検出信号
と位置信号を入力し、測定対象の変位を出力する変位演
算装置，を備える。

以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明す
る。

（実施例） 第１図において、１は光源となる半導体レーザー,2は変
調信号発生器,3はレーザー光,4は集束レンズである。集
束レンズ４は、レーザー光３を細いビームにして測定対
象５に照射するものである。６は固定傾斜ミラーであ
り、本実施例では２枚のミラー6aおよび6bの反射面を外
側にして所定角で接合し、集束レンズ４と測定対象５の
間の光軸上に設置している。集束レンズ４からのレーザ
ー光３は固定傾斜ミラー６の上側ミラー6aで反射され、
移動傾斜対ミラー７に入射される。本実施例では、２枚
のミラー7aおよび7bの反射面を内側にして所定角で接合
して移動傾斜対ミラー７を構成し、各反射面と傾斜ミラ
ー６の各反射面とを対向させている。この移動傾斜対ミ
ラー７は矢印Ａ方向に移動自在であり、測定対象５の測
定初期位置あるいは測定基準位置からの変位による集束
レンズ４と測定対象５の間と測定対象５と受光レンズ15
の間の光路長の変化を吸収する。つまり、後述するが、
固定傾斜ミラー６と移動傾斜対ミラー７を設けて、集束
レンズ4,測定対象５および受光レンズ15の間の光路長を
測定対象５の変位に因らずに一定とするところに本実施
例装置の大きな特徴がある。

ところで、固定傾斜ミラー６の上側ミラー6aから移動傾
斜対ミラー７の上側ミラー7aに反射されたレーザー光３
は、さらに上側ミラー7aの反射点8,下側ミラー7bの反射
点9,固定傾斜ミラー６の下側ミラー6bの反射点10でそれ
ぞれ反射されて測定対象５に微小なスポット光として照
射される。

測定対象５では、乱射したレーザー光の一部が固定傾斜
ミラー６の下側ミラー6bの反射点11,移動傾斜対ミラー
７の下側ミラー7bの反射点12,上側ミラー7aの反射点13,
固定傾斜ミラー６の上側ミラー6aの反射点14でそれぞれ
反射されて受光レンズ15に導びかれる。

16は光位置検出素子である。

17は測定対象５が第１図に実線で示した基準位置にある
時の光位置検出素子16上の受光光点位置、18は測定対象
５が第１図に破線で示した位置に変位した時の受光光点
位置である。

20はリニアモータを含む移動装置であり、移動傾斜対ミ
ラー７を矢印Ａ方向に往復駆動する。

21は移動量検出装置であり、移動傾斜対ミラー７の移動
量を検出する。

22は位置信号処理装置であり、光位置検出素子16からの
出力信号と変調信号発生器２のタイミング信号とから光
位置検出素子16上の光点位置に対応した位置信号を出力
する。

23は移動制御装置であり、位置信号処理装置22からの位
置信号が入力され、移動装置20に移動指令信号を出力す
る（移動制御装置23に移動量検出装置21からの移動量信
号をさらに入力して移動指令を行なってもよい）。

24は変位演算装置であり、位置信号処理装置22からの位
置信号と移動量検出装置21からの移動量信号から測定対
象５の変位量を演算し出力するものである。

次に実施例装置の動作説明する。半導体レーザー１のレ
ーザー光３は集束レンズ４を通った後、固定傾斜ミラー
６及び移動傾斜対ミラー７で反射されて、測定対象５の
表面に微小スポット光として照射される。この時、固定
傾斜ミラー６と移動傾斜対ミラー７による反射の様子を
第２図と第１図を参照して詳述する。

レーザー光３は、固定傾斜ミラー６で直角に折曲げられ
た後、移動傾斜対ミラー７で折返され、再び固定傾斜ミ
ラー６で直角に折曲げられて測定対象５表面に照射され
る。測定対象５で乱反射したレーザー光の一部は固定傾
斜ミラー６及び移動傾斜対ミラー７で反射され、受光レ
ンズ15により、その結像位置に置かれた光位置検出素子
16上に微小スポット光として結像される。この場合、測
定対象５及び移動傾斜対ミラー７が第２図に実線で示し
た基準位置にある時に、光位置検出素子16上の微小スポ
ット光が光位置検出素子16の中央の受光点17に来るよう
に調整しておく。今、測定対象５が基準位置から第２図
の破線で示す位置に変位すると、光位置検出素子16上の
スポット光の照射位置は受光点17から受光点18に変位す
るとともにその光径も大きくなる。この変位の位置信号
が光位置検出素子16の中央に近づき、かつ、その光径を
小さくし測定精度を高めるべく移動制御装置23で移動装
置20を付勢して移動傾斜対７ミラーを駆動する。移動傾
斜対ミラー７をこの様に移動させると、第２図において
移動傾斜対ミラー７が例えば破線の位置に移動し、レー
ザー光及び受光系の光路が、反射点25,26,27,28から反
射点25,29,30,28に変位し、測定対象５の基準位置から
の変位を吸収して反射点25から見た光路長を一定に保
つ。

従って、レーザー光の焦点及び受光系の焦点位置は変化
せず光学的な検出精度が低下しないため、移動傾斜対ミ
ラー７の移動量を移動量検出装置21で検出し、測定対象
５の変位量を高精度に測定する事ができる。この時、測
定対象５の変位測定範囲は光位置検出素子16の検出範囲
に制限される事が無く、移動傾斜対ミラー７の移動範囲
の２倍となり、測定範囲が大幅に拡大された事になる。
更に、移動傾斜対ミラー７は光位置検出素子16上の受光
位置がその中央位置17になるまで移動させる必要は無
く、スポット光位置が光位置検出素子16の検出範囲内に
有れば良く、位置信号と移動傾斜対ミラー７の移動量信
号から変位演算装置24で測定対象の変位信号31を演算す
る事ができる。

また、前記実施例では固定傾斜ミラー６と移動傾斜対ミ
ラー７は２枚のミラーを鋭角に組合せて構成している
が、これに限らず、第３図に示すように固定傾斜ミラー
６は上側ミラー6aと下側ミラー6bに分け、移動傾斜対ミ
ラー７も上側ミラー7aと下側ミラー7bに分けたものでも
同様な効果が得られる。

さらに第４図に示すように、固定傾斜ミラー６は上側ミ
ラー6aだけとしてもよく、要するに固定傾斜ミラー６と
移動傾斜対ミラー７の組合せ反射により、測定対象５の
変位による光路長の変化を吸収し一定とする組合せであ
ればよい。

また、実施例で用いた半導体レーザーに限らず、LEDな
ど他の光源を使用する変形や、移動装置に公知の駆動機
構を用いる変形があるがここでの説明は省略する。

なお光源を変調して外乱光の影響を除去したり、パルス
変調によって高速で変位する対象の測定も可能である。

（発明の効果） 以上の様な構成及び作動により、本発明によれば、測定
対象の変位を高精度かつ広い範囲で測定する事が可能と
なり、例えばロール，パイプ，ストリップあるいはネジ
部のプロファイル測定，表面粗度測定、また、ストリッ
プなどの薄ものの板厚測定がオンラインで行なえる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示すブロック図である。 第２図は本発明の第１実施例の動作を説明するための説
明図である。 第３図は本発明の第２実施例における固定傾斜ミラーと
移動傾斜対ミラーの構成を示す側面図である。 第４図は本発明の第３実施例における固定傾斜ミラーと
移動傾斜対ミラーの構成図を示す側面図である。 1:半導体レーザー、2:変調信号発生器 3:レーザー光（光ビーム） 4:集束レンズ、5:測定対象 6:固定傾斜ミラー、7:移動傾斜対ミラー 15:受光レンズ 16:検出素子（光位置検出素子） 20:移動装置、21:移動量検出装置 22:位置信号処理装置 23:移動量制御装置（移動量を制御する装置） 24:変位演算装置、31:変位信号

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小南 秀隆 福岡県北九州市八幡東区枝光１―１―１ 新日本製鐵株式會社八幡製鐵所内 (72)発明者 山本 孝則 福岡県北九州市八幡東区枝光１―１―１ 新日本製鐵株式會社八幡製鐵所内 (56)参考文献 特開 昭60−95306（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−95307（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−93208（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光ビームを集束レンズを介して測定対象に
   照射し、その反射ビームを光源と異なる光軸方向から受
   光し変位を測定する装置において： 集束レンズから測定対象への光軸と反射ビームの受光レ
   ンズへの光軸の間に設けた固定傾斜ミラーおよび移動傾
   斜対ミラー； 反射ビームを受光する受光レンズの結像位置に設けた光
   位置検出素子； 光位置検出素子からの信号に基づいて位置信号を出力す
   る位置信号処理装置； 位置信号を入力し移動傾斜対ミラーの移動量を制御する
   装置； 移動傾斜対ミラーの移動量を検出し、移動量検出信号を
   出力する移動量検出装置；および、 移動量検出信号と位置信号を入力し、測定対象の変位を
   出力する変位演算装置； を備える変位測定装置。