JPS63225108A

JPS63225108A - 距離・傾斜角測定器

Info

Publication number: JPS63225108A
Application number: JP6048787A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Suzuki; 信幸鈴木; Yoshito Kato; 加藤　由人; Yasuo Ishiguro; 石黒　恭生
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1987-03-16
Filing date: 1987-03-16
Publication date: 1988-09-20

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。

本発明の目的は、各投光系および対となる受光系を順次
所定期間作動させ各対となっている投光系・受光系が他
の対の干渉を受けることなく距離・傾斜角を算出する装
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と、該受光素子の検
出信号に基づいて前記各投光系の所定位置と測定対象面
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、前記各対の投光量を制御し、前記各投
光系を所定期間順次発光させ、前記投光距離演算器に対
し該発光した発光系と対になっている受光系の前記検出
信号のみに基づき前記相対距離の演算をするよう指示す
る発光コントロール部と、前記相対距離の各算出値に基
づいて前記センサ部の所定平面と前記測定対象面との平
均相対距離および斜傾角とを算出する距離・傾斜角演算
器とを備えた距離・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、まず１対の投受光系の投光
系よりスポット光が所定期間測定対象面に投光され、該
投光系と対になっている受光系の検出信号に基づき該対
のセンサ部所定位置と測定対象面上の前記スポット光と
の相対距離が投光距離演算器により計算され、この値が
距離・傾斜角演算器に送られる。その後順次同様にして
残りの対の受光系から前記相対距離の値が送られ、全対
の該相対距離の値が入力された後、距離・傾斜角演算器
によって各対の該相対距離の平均値および各対のセンサ
部前記所定位置によって規定される所定平面と測定対象
面との傾斜角が算出される。

〔実施例〕

本発明にかかわる一実施例を第１図〜第５図を用いて説
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１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
９，１０，１１としてその反射光を受は検出信号として
出力するセンサ部１と、コントローラ部１８より構成さ
れ、該コントローラ部１８は、センサ部１を制御する発
光コントロール部１９と前記検出値に基づき各投光系の
センサ部１所定位置（本実施例では投光レンズ６．７゜
８の中心位置）と測定対象面上のスポット光９゜１０．
１１との相対距離を算出する投光距離演算器と、各投光
系の該相対距離を入力し、該相対距離の平均値および各
投光系のセンサ部１前記所定位置によって規定される平
面（本実施例では各投光レンズ６．７．８の中心点を含
む平面）と測定対象面２との傾斜角を算出する距離・傾
斜角演算器よりなる。

センサ部１は投光系と受光系との対を３対以上備えて構
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１２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１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
つの各投光ビームは互に平行であるものとする。

受光素子１５，１６．１７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、ＣＣＤ　（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、５ＫＨｚ）：ｌｌ！
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図〜第４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１５．１６．１７の受光面に照射され、ワ
ーク面２の位置が第４図の破線で示した位置から実線で
示すように変化（第４図では降下）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図では左側に変化）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、光スポット９，１０．
１１が受光レンズ１２，１３，１４から離れると結像位
置は受光レンズに近づくため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１５．１
７についても同様であり、説明は省略する。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。）Ｄよ、Ｄ
２．Ｄ、を算出するものである。ここで、投光距離Ｄ１
．Ｄ、、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Ｄ３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
点との間の距離をり、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θ、とする。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。このときの受光素子１７の出力
信号Ｓ３は角θ、の関数として表わされ。

Ｓ、＝ｆ　（θ、）角θ３は、°・θ５＝ｆ−１（ｓｉ）　　　　　　　・・・・・
・・・・　（１）となる。そして、投光距離Ｄｓはで表わされる。

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Ｄ□
ｔ　Ｄ２についても同様である。

次に、発光コントローラ部１９について説明する。

発光コントローラ部は投光系の各光源３，４゜５の投光
量を受光素子１５，１６，１７が適切な検出信号を出力
するよう制御し、各光源３，４゜５を、対となっている
各受光素子１５，１６，１７が検出信号を投光距離演算
部２０へ出力するのに適切な期間発光させ、該出力に基
づき各投光レンズ６．７．８とこれに対応する光スポッ
ト９゜１０．１１の各相対距離を算出する投光距離演算
部２０に対して発光した光源と対になった受光素子の出
力のみに基づき前記相対距離を算出するよう指示する。

これは例えば、光源３の発光スポット９を他の対の受光
素子１６が受光して出力した検出信号によって誤った相
対距離を投光距離演算部２０が算出するのを防止するた
めであり、また３個の光源を同時に発光させて対となる
各受光素子も同時に受光する場合、各光スポット９，１
０゜１１は干渉しあい同一の受光素子上に同時に結像さ
れることによって各相対距離の算出値の精度が劣化する
が、これを防ぐためである。

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Ｄ□、Ｄ２．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の所定平面に対するワーク面２の傾斜
角を算出するものである。算出方法を説明する。

ここで、センサ部１の所定平面とは、各投光レンズ６．
７．８の中心位置を通る平面であり、実施例の場合、各
投光レンズ６．７．８は同一高さ位置にあり各投光軸は
平行なので、各投光レンズ６．７．８の中心を通り投光
軸に直交する平面である。

第５図を参照して、センサ部１に第１直交座標系ｏ−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Ｏ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２軸
とする。この場合。

光源３，４，５は光源３，５間を結ぶ長さａを底辺とす
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
。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　Ｌとり、の平均距離）Ｏ
ｘをＸ′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。

Ｄ　ｔ　＋　Ｄ　３Ｄ＝□　　　　　　　　　・・・・・・・・・　（３）
＄３＜＝ｔａｎ−１（Ｄ−Ｄ’）＝ｔａｎ−’（””’
　””）　−（４）ｂ　　　　　　　　　　　　　２ｂまた、平均相対距離り、は次式となる。

ＤＭ＝−（Ｄ１＋Ｄ、＋Ｄ、）　　　　−−−−−−−
・・　（６）すなわち、距離・傾斜角演算器２１は上記
（３）〜（６）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、各対づつ順次投光し、かつ
投光系と対になった受光系の検出信号にのみ基づいて投
光距離演算器２ｏは、該対の投光系の所定位置と該投光
系による測定対象面２上のスポット光９，１０．１１と
の相対距離を計算するので、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
とがなり、シたがって受光素子の受光面上の光スポツト
像の光景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１点検の面においても、各１対の投受
光系単位で部品交換が可能となる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、各投光系と各受光系はそれぞれ対をな
し、受光系の受光素子上への結像も各対独立に調整でき
、各対を所定期間順次作動させることにより、鮮明な結
像を他の対の光源と干渉することなく受光子上に得られ
るので、センサ部の所定平面と測定対象面との相対距離
および傾斜角を精度よく測定できる。

【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・・・測定対象面、３．４，５・
・・光源、６，７．８・・・投光レンズ、９．１０．１
１・・・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・・・発光コントロール部、２０・・・投光距離演算器、２１・・・距離・傾斜角演算器。

Claims

【特許請求の範囲】

（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と、該受光素子の検出信号に
基づいて前記各投光系の所定位置と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、前記各対の投光量を制御し、前記各投光系を所
定期間順次発光させ、前記投光距離演算器に対し該発光
した発光系と対になっている受光系の前記検出信号のみ
に基づき前記相対距離の演算をするよう指示する発光コ
ントロール部と、前記相対距離の各算出値に基づいて前
記センサ部の所定平面と前記測定対象面との平均相対距
離および斜傾角とを算出する距離・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。