(57)【要約】【課題】被測定物測定時における受光量の変動に影響されず変位量を正確に測定する。【解決手段】被測定物の測定中に演算手段１１に入力される受光量信号のレベルが所定の閾値を越える毎に対応してゲイン初期状態で最も高いゲインが設定された増幅器１０のゲインを１段づつ段階的に下げるゲイン選択手段１２による制御と、演算手段１１に入力された受光量信号のレベルに基づいて光源駆動回路５の投光パワーを現在の段階から１段づつ下げる投光パワー選択手段２０による制御とは、いずれか一つが切替自在に、あるいはいずれも同時に実行される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物の測定面に光源の測定光を照射しその反射光を受光素子で受光して測定面の変位量を測定する非接触型の変位測定装置において、
前記被測定物に照射する測定光の投光パワーを段階的に可変自在な光源駆動回路（５）と、
ゲインが複数の段階に可変自在であって、ゲイン初期状態で最も高いゲインが設定されており、設定されたゲインにより前記受光素子の受光量信号を増幅出力する増幅器（１０）と、
前記増幅器で増幅後の受光量信号に基づき前記被測定物の変位量を演算出力する演算手段（１１）と、
前記演算手段に入力された受光量信号のレベルに基づき前記増幅器のゲインを段階的に可変制御するものであり、前記被測定物の測定中に前記受光量信号のレベルが所定の閾値を越える毎に対応して前記増幅器のゲインを１段づつ下げる制御を行うゲイン選択手段（１２）と、
前記演算手段に入力された受光量信号のレベルに基づき前記光源駆動回路の投光パワーを段階的に可変制御するものであり、前記被測定物の測定中に前記受光量信号のレベルが所定の閾値を越える毎に対応して前記光源駆動回路の投光パワーを現在の段階から１段づつ下げる制御を行う投光パワー選択手段（２０）とを具備し、
前記ゲイン選択手段による前記増幅器のゲイン可変制御と、前記投光パワー選択手段による前記光源駆動回路の投光パワー制御とのいずれか一つに切替自在に、あるいはいずれも同時に実行されることを特徴とする変位測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物の変位量を非接触で測定する変位測定装置に係り、特に、受光量の大幅な変動に対応でき測定を高精度化できる変位測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
変位測定装置は、被測定物に測定光を照射し、受光素子の受光状態に基づき被測定物の測定面の変位量を測定することができる。この変位測定装置は、例えば三角測量の原理で被測定物の測定面に測定光を照射し、ポジションセンサの受光面上で検出された反射光の受光位置に基づき被測定物の測定面の変位量を測定する。
【０００３】
このような変位測定装置においては、反射光を受光する受光素子及び後段の処理回路での検出処理に適した受光量（レベル）となるよう、処理回路の増幅率（ゲイン）が複数段階にあるいは連続的に可変設定自在である。
最近では、処理回路にＡＧＣ機能が設けられ、受光量が大きい場合には処理回路での信号飽和を防止すべくゲインを下げ、一方、受光量が小さい場合にはノイズ成分を低減化させるようゲインを上げる処理がなされる。
尚、このゲインは、手動あるいはＡＧＣ機能を用いて自動可変するいずれの場合においても、受光量が飽和することなく、また、ノイズの影響を受けないために、できるだけ高い受光量が得られるゲインに設定することが望まれている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記被測定物の測定面の変位状態に合わせた最適ゲインは、手動操作で選択しなければならない構成であり、一旦設定したゲインで測定を開始しても被測定物の測定面の状態が変化して受光量が増えた場合には信号が飽和する場合があり、この飽和時には、変位量を正確に測定できなくなる問題があった。
【０００５】
また、受光量の変化に合わせて処理回路のゲインを自動的に変えるＡＧＣ機能を用いた場合においても、受光量が短時間で大きく変化する場合（例えば受光量の変化の周波数が変調周波数に近づいたとき）には追従しきれず、受光した信号が飽和して測定できなくなる問題があった。
上記状態は、被測定物の測定面の散乱状態が大きく変化するときに生じるもので、例えば被測定物が回転して測定面の変位量を測定する場合において、この被測定物が高速回転する場合に測定できなくなる問題が生じた。
【０００６】
そこで、本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、被測定物測定時における受光量の変動に影響されず変位量を正確に測定することができる変位測定装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の請求項１に記載された変位測定装置は、被測定物の測定面に光源の測定光を照射しその反射光を受光素子で受光して測定面の変位量を測定する非接触型の変位測定装置において、
前記被測定物に照射する測定光の投光パワーを段階的に可変自在な光源駆動回路５と、
ゲインが複数の段階に可変自在であって、ゲイン初期状態で最も高いゲインが設定されており、設定されたゲインにより前記受光素子の受光量信号を増幅出力する増幅器１０と、
前記増幅器で増幅後の受光量信号に基づき前記被測定物の変位量を演算出力する演算手段１１と、
前記演算手段に入力された受光量信号のレベルに基づき前記増幅器のゲインを段階的に可変制御するものであり、前記被測定物の測定中に前記受光量信号のレベルが所定の閾値を越える毎に対応して前記増幅器のゲインを１段づつ下げる制御を行うゲイン選択手段１２と、
前記演算手段に入力された受光量信号のレベルに基づき前記光源駆動回路の投光パワーを段階的に可変制御するものであり、前記被測定物の測定中に前記受光量信号のレベルが所定の閾値を越える毎に対応して前記光源駆動回路の投光パワーを現在の段階から１段づつ下げる制御を行う投光パワー選択手段２０とを具備し、
前記ゲイン選択手段による前記増幅器のゲイン可変制御と、前記投光パワー選択手段による前記光源駆動回路の投光パワー制御とのいずれか一つに切替自在に、あるいはいずれも同時に実行されることを特徴とする。
【０００８】
本発明の変位測定装置では、被測定物の反射光を受光する受光素子からの検出出力は増幅器１０で増幅され、演算手段１１で変位量が演算出力される。ゲイン選択手段１２は、被測定物の測定中に演算手段１１に入力される受光量信号のレベルが所定の閾値を越える毎に対応してゲイン初期状態で最も高いゲインが設定された増幅器のゲインを１段づつ段階的に下げる制御を行うものである。
また、投光パワー選択手段２０は、演算手段１１に入力された受光量信号のレベルに基づいて光源駆動回路５の投光パワーを現在の段階から１段づつ下げる制御を行うものである。
そして、これらゲイン選択手段１２による増幅器１０のゲイン可変制御と、投光パワー選択手段２０による光源駆動回路５の投光パワー制御とは、いずれか一つが切替自在に、あるいはいずれも同時に実行される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る変位測定装置によれば、被測定物の測定中に演算手段に入力される受光量信号のレベルが所定の閾値を越える毎に対応してゲイン初期状態で最も高いゲインが設定された増幅器のゲインを１段づつ段階的に下げるゲイン選択手段による制御と、演算手段に入力された受光量信号のレベルに基づいて光源駆動回路の投光パワーを現在の段階から１段づつ下げる投光パワー選択手段による制御とは、いずれか一つが切替自在に、あるいはいずれも同時に実行されるので、被測定物の測定中に測定面の散乱状態が大きく変化し受光量信号のレベルが大きく変動しても演算手段に対する入力が飽和することなく、変位量の演算を安定して実行することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら具体的に説明する。図１は、本発明の変位測定装置の第１実施形態を示すブロック図である。
図示の如く、変位測定装置はセンサヘッド１と、処理手段２で大略構成されている。
センサヘッド１内部には、光源（ＬＤ）４及び光源駆動回路５が設けられ被測定物Ｗに対しレーザ光等の測定光を照射するとともに、被測定物Ｗからの反射光は受光素子（例えばポジションセンサ）６で検出され、センサヘッドと被測定物Ｗとの距離に応じて受光素子６上を移動する。
この受光素子６上での光スポットの像の位置と光強度に応じた信号が得られ、増幅器７で所定の増幅率で増幅されて処理手段２に出力される。
【００１１】
処理手段２は、入力段に増幅器１０が設けられ、入力された受光量信号を所定の増幅率で増幅して演算手段１１に出力する。
増幅器１０は増幅率（ゲイン）が可変自在な構成であり、ゲインを段階的に変更できる。最も高いゲインでは増幅率は１００％であり、各段階別に異なる抵抗値を有する抵抗回路等によってゲインが各段階（例えば１００％，９０％，８０％，７０％，…（中略）…，５０％等）に切り替えられるようになっている。
【００１２】
演算手段１１は、ゲイン調整後の受光量信号に基づき、被測定物Ｗの測定面の変位量を演算し、この変位量などを外部出力する。また、変位量を含む演算結果は、図示しない記憶手段などに格納記憶させてもよい。また、この演算手段１１には、入力された受光量（レベル）を判定するための閾値が設定されており、受光量信号のレベルが閾値を越えたときにレベルオーバ信号を出力する。
この閾値は、増幅器１０が出力する受光量信号のレベルが演算手段１１の入力レベルで飽和する直前のレベル（飽和レベル＞閾値）に設定されている。
【００１３】
このゲインは、ゲイン選択手段１２により切替制御される。ゲイン選択手段１２は、測定モードが後述する半自動モードに設定されているときに機能するものであり、演算手段１１からレベルオーバー信号が入力される毎に、増幅器１０のゲイン（増幅率）を現在の段階から１段下げる切替制御を行う。
また、図示していないリセット機能で半自動モードをリセットしたときには、新たな被測定物Ｗの測定時に、増幅器１０を最も高いゲインで作動させ、レベルオーバー信号の入力がある都度、１段づつ増幅器１０のゲインを降下させる。
また、レベルオーバーが発生したときには、受光量信号に所定の係数αを乗算してレベルを下げる構成としてもよい（詳細は第３実施形態で後述する。）
【００１４】
モード選択手段１４は、増幅器１０のゲインを手動設定する手動設定モードと、ゲイン選択手段１２を機能させる半自動モードのいずれかを選択設定するものであり、操作者のスイッチ操作等で選択設定される。
【００１５】
図２は、測定開始時の設定画面を示す図である。図示のように、処理手段２には、ＣＲＴや液晶の表示部（図示略）が設けられ、表示画面上には被測定物Ｗを測定するに必要な各種設定の画面が表示される。
うち、上記モード選択手段１４の設定画面は、図２に示す画面上に表示されており、増幅器１０のゲインについて「半自動」あるいは「手動」のモードそれぞれの選択項目が表示され、いずれかを指定して選択できるようになっている。この選択は、処理手段２に設けられたキーボード、タッチスイッチ、あるいはマウスを用いて選択される。尚、上記ゲインは、画面上に表示された「半自動」の項目を指定選択することによりリセットされる。
なお、装置に設けられたコネクタの「半自動」モード選択用のピンに入力される信号レベルがHighかLow かで「半自動」モードを選択してもよい。
【００１６】
上記演算手段１１，ゲイン選択手段１２，モード選択手段１４は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭなどのハードウェアと、ＲＯＭ等に記憶された半自動モードの制御処理プログラムで構成することができる。
【００１７】
次に、上記構成による半自動モードの動作内容を説明する。図３は、半自動モード時における処理手段２のゲイン調整動作を示すフローチャート、図４は、処理手段２の各部の信号を示すタイミングチャートである。
処理手段２は、被測定物の測定開始時にゲインをリセットする（ＳＰ１-YES）。新たに被測定物Ｗの変位量を測定するときには、図２に示す設定画面で「半自動」の項目を指定選択することにより、増幅器１０のゲインがリセットされ（ＳＰ１-YES）、この増幅器１０はゲイン初期状態（例えば、最大の増幅率１００％）に設定される（ＳＰ２）。
【００１８】
次に、被測定物Ｗに変位量を測定し始める。センサヘッド１が被測定物Ｗに対し測定光を照射することにより、受光素子６は反射光を受光して被測定物Ｗとの間の距離に応じたレベルの受光量信号（図４（ａ）参照）を処理手段２に出力する。
そして、処理手段２の演算手段１１は、増幅器１０にてゲイン初期状態で受光量信号を増幅し、受光量信号に基づき変位量を演算出力するが、図４（ａ）中時期Ａに被測定物Ｗに対して測定光を照射している測定面からの受光量が大きく変動し、受光量信号のレベルが予め定められた閾値を越えたときには（ＳＰ３-YES）、図４（ｂ）に示すようにゲイン選択手段１２に対しレベルオーバー信号を出力して増幅器１０のゲインを現在の段階から１段下げる（ＳＰ４）。
一方、受光量信号のレベルが予め定められた閾値より小さい状態のままのときには（ＳＰ３-NO ）、被測定物Ｗの測定期間中はＳＰ１を経由してこのＳＰ３における比較処理を連続的に実行する。
【００１９】
これにより、時期Ａにて受光量信号のレベルが予め定められた閾値を越えると、増幅器１０のゲインが現在の段階から１段下げされるため、図４（ｃ）に示す如く、受光量信号のレベルが演算手段１１で処理可能（閾値以下）なレベルとなる。以降、増幅器１０のゲインはこの１段下げられた状態となるが、再び、以降の時期に受光量信号のレベルが閾値を越えたときには、レベルオーバー信号を出力して増幅器１０はさらに１段下（初期状態の段階から２段下）のゲインに設定される。
【００２０】
このように、処理手段２は、ゲイン初期状態で最も高いゲインに設定し、被測定物Ｗの測定中に受光量信号が大きくレベル変動し閾値を越える毎に増幅器１０のゲインが１段下げられる構成であるため、演算手段１１は常時演算処理を正確に行えるようになる。これは、受光量が飽和せず、また、ノイズの影響を受けずにできるだけ高い受光量を得ることができる制御であることに起因する。ところで、閾値は、飽和レベルに達する直前のレベルに設定されているため、演算手段１１に入力される受光量信号のレベルの変動が変位量の演算処理に影響を与えることはない。
【００２１】
上記実施形態では、ゲイン選択手段１２が処理手段２内部の増幅器１０のゲインを可変制御する構成について説明したが、この他、センサヘッド１内部の前段増幅器７のゲインを可変制御する構成としてもよく、また、これら増幅器７，１０のゲインをいずれも可変制御する構成としてもよい。
【００２２】
次に、図５は、本発明の変位測定装置の第２実施形態を示すブロック図である。同実施形態において前記第１実施形態と同一の構成部には同一符号を附して説明を省略する。
前記実施形態では、受光素子６の出力を増幅する増幅器１０のゲインを可変する構成について説明したが、本実施形態ではセンサヘッド１の光源４の測定光の投光パワーを可変制御する。また、増幅器１０のゲインは固定されている。
【００２３】
上記構成においては、演算手段１１は、入力される受光量信号のレベルが予め定められた閾値を越えたときに投光パワー選択手段２０に対しレベルオーバー信号を出力し、投光パワー選択手段２０は光源駆動回路５に対し投光パワーを現在の段階から１段下げる制御を行う。
このように、前述のゲイン選択手段１２に代えて投光パワー選択手段２０を設け、光源４の投光パワーを段階的に下げていく制御を行う構成においても、第１実施形態同様に受光レベルが飽和することなく演算手段１１で常時安定した変位量の演算処理を行えるようになる。
【００２４】
次に、上記実施形態で説明したゲイン、投光パワーの可変制御のみならず、増幅器１０の出力に閾値を定めて演算手段１１に入力される受光量信号のレベルを可変制御する構成としてもよい。
図６は、この第３実施形態における演算手段１１の内部構成を示すブロック図である。
同図において、増幅器１０のゲインは固定されている。この増幅器１０から出力される増幅後の受光量信号は、Ａ／Ｄ変換器３０でＡ／Ｄ変換された後、乗算器３１で係数αで乗算される。この後、一対の受光量信号は、加算手段３２で和が求められ、減算手段３３で差分が求められる。加算手段３２の出力では受光量に相当する信号が得られ、減算手段３３の出力では受光量と光スポットの位置に相当する相当する信号が得られる。変位量演算手段３４は、これら出力に基づき被測定物Ｗの変位量を求める。
【００２５】
また、閾値設定手段３５には、所定の受光量を示す閾値が設定される。入力レベル可変手段３６は、前記加算手段３２の出力（受光量のレベル）と、閾値設定手段３５に設定された閾値とに基づき、（閾値／和出力）を演算して係数αを算出する。この係数αは、乗算器３１に設定される。
これにより、増幅器１０から出力される受光量信号のレベルは、乗算器３１で設定された係数αで調整出力される。
上記構成においても、図３記載のフローチャートに基づきＳＰ３の閾値比較処理で閾値より受光量信号のレベルが高いときに、乗算器３１に設定されるαが１以下に設定されてこの受光量信号のレベルを可変する。
この受光量信号の可変時の段階は、係数αの値に対応する段階となり、係数αの値を細かく算出するに従い段階的ではなく連続的に可変できるようになる。
【００２６】
ところで、上記第１実施形態で説明した増幅器１０のゲイン可変と、第２実施形態で説明した光源４の投光パワー可変と、第３実施形態での受光量信号のレベル可変のいずれかに切り替えて制御する、あるいは組合わせて制御する構成にできることは言うまでもない。
また、上記各実施形態では、ゲイン選択手段１２あるいは投光パワー選択手段２０は、受光量信号のレベルが閾値を越えたときに図４（ｂ）に示すレベルオーバー信号を単パルス出力し増幅器１０、光源４がこの単パルスの入力でゲイン、投光パワーを可変する構成としたが、これに限らず、例えば、増幅器１０のゲインあるいは光源駆動回路５の投光パワーを直接所定の段に変更させる制御信号を出力し、この制御信号に基づき増幅器１０のゲイン、光源４の投光パワーを変更する構成としてもよい。
【００２７】
被測定物Ｗが高速回転する場合には、受光量信号のレベルが短時間で大幅に変動するが、上記構成によればレベルオーバーが出たときのみゲインあるいは投光パワーを１段下げる制御を行うため、変位量を常時安定して求めることができるようになる。本発明はこのような高速回転に限らず、測定面からの受光量が大きく変わる被測定物Ｗに用いて同様の作用効果を得ることができることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の変位測定装置の第１実施形態を示すブロック図。
【図２】測定開始時の設定画面を示す図。
【図３】半自動モード時における処理手段のゲイン調整動作を示すフローチャート。
【図４】処理手段の各部の信号を示すタイミングチャート。
【図５】本発明の変位測定装置の第２実施形態を示すブロック図。
【図６】本発明の第３実施形態における演算手段の内部構成を示すブロック図。
【符号の説明】
【００２９】
１  センサヘッド
２  処理手段
４  光源
５  光源駆動回路
６  受光素子
７  増幅器
１０  増幅器
１１  演算手段
１２  ゲイン選択手段
１４  モード選択手段
２０  投光パワー選択手段
３６  入力レベル可変手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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