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JP3607821B2 - 面傾斜角度測定機 - Google Patents

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JP3607821B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は面傾斜角度測定機に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、物体の面傾斜角度を測定する方法は、様々なものがあるが、電子部品の小型化、細密化により、光を用いて非接触で測定することが多くなってきている。量産品の物体の面傾斜角度を効率よく測定するものとして、レーザー変位計が、小型化、低価格化により、高速かつ安価な非接触の面傾斜角度測定機として採用されている。
【0003】
図1を使用して従来の面傾斜角度測定機の説明をする。図1は従来の面傾斜角度測定機の単純な構成図である。図中の符号について説明する。1はレーザー変位計センサヘッド部、2は面傾斜角度を測定される対象物、3は対象物2をXY方向に動かすためのXYテーブル、4はレーザー変位計アンプ、5はXYテーブルコントローラ、6はレーザー変位計アンプ4とXYテーブルコントローラ5と通信し、システム全体をコントロールするコンピュータ、7はモニタである。
【0004】
前記構成による面傾斜角度測定機で具体的に対象物2の面傾斜角度の測定方法について説明する。
1.コンピュータ6がXYテーブルコントローラ5に指令を出してXYテーブル3を動作させ、載置されている対象物2を位置決めする。この点をXY1とする。2.コンピュータ6がレーザー変位計アンプ4に指令を出してレーザー変位計センサヘッド部1を動作させ、対象物2とレーザー変位計センサヘッド部1との距離を測定させ結果をメモリに取り込む。この距離をZ1とする。
3.コンピュータ6がXYテーブルコントローラ5に指令を出してXYテーブル3を移動させ、載置されている対象物2を移動する。この点をXY2とする。
4.コンピュータ6がレーザー変位計アンプ4に指令を出してレーザー変位計センサヘッド部1を動作させ、対象物2とレーザー変位計センサヘッド部1との距離を測定させ結果をメモリに取り込む。この距離をZ2とする。
5.Z1とZ2の差をhとし、XY1とXY2間の距離をlとする。
【0005】
対象物2がXY1に在る時にレーザー光1−1が被測定面2−1に入射した点と対象物2がXY2に在る時にレーザー光1−1が被測定面2−1に入射した点を結んだ線の角度θはθ=tan−1h/l(式1)で求められる。XYテーブル3の動作面とレーザー光1−1は垂直であるとする。
【0006】
次に前述のレーザー変位計の測定原理について説明する。図2は測定原理を説明するための模式図である。レーザー変位計センサヘッド部1は、ボディ10、半導体レーザー11、レンズ12、レンズ17、受光素子18により構成されている。半導体レーザー11から出射されたレーザー光はレンズ12で被測定面14−1の前後で焦点を結ぶように絞られレーザー入射光13となる。レーザー入射光13は被測定面14−1で反射し、レーザー反射光15−1となり、レンズ17で受光素子18に焦点を結ぶように絞られ、受光素子18の入射位置19に到達する。被測定面が14−2の位置に変位した時は、レーザー反射光は15−2となり、受光素子18の入射位置20に到達する。受光素子18上のレーザー光の到達位置の違いによりレーザー変位計は被測定面のレーザー入射光軸方向の変位量を知ることができる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
レーザー反射光は被測定面での乱反射光である。図3は受光素子18上のレーザー光の入射分布を示す図であり、実線はレーザー反射光15−1、点線はレーザー反射光15−2の分布である。入射位置19、入射位置20はピークの位置を示している。ここで、被測定面が乱反射しにくい表面である場合について考えてみる。レーザー変位計の構造上、受光素子に到達する光成分は少なくなり、被測定面が鏡面の場合は測定できなくなる。また、鏡面でなくとも完全に乱反射せず正反射成分の強い面の場合、被測定面が図2の紙面に垂直な軸まわりに回転してしまうと、測定結果に違いが発生する。
【0008】
図4を使用して説明する。図4は図2の被測定面14−1が、被測定面14−1とレーザー入射光13との交点を回転中心として時計方向に少し回転した場合の図である。被測定面は14−3となる。被測定面14−3のレーザー入射光13に対する反射の様子に変化がないため、受光素子18に向かうレーザー反射光は15−3となり、受光素子18上への入射位置は21にずれることになる。そのため、測定点の高さに変位が無いにもかかわらず、受光素子上の入射位置に違いが出て、結果としてレーザー変位計は変位量を出力してしまうことになる。
【0009】
この事は、被測定面が金属表面のように正反射し易いものである場合、被測定面の僅かな面のうねりによって変位量hが出力され式1によって計算された測定結果に誤差が出ることになる。また式1のlを小さくしたとき、レーザー変位計の精度が同じ場合、計算したθの誤差が大きくなってしまう。従来の面傾斜角度測定機は、測定面が乱反射する面である場合には有効であるが、面が仕上の良い金属表面である場合や、測定範囲lが小さい場合には誤差が大きくなる欠点を有していた。本発明は前記欠点を解消するものであり、測定範囲が小さく表面が正反射し易い被測定物でも測定誤差の少なくできる面傾斜角度測定機を提供するものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
予め設定された基準傾斜角度を有する被測定物の被測定面に所定の照射面積を有するレーザー光を照射するレーザー光源部と、前記被測定面より反射された前記レーザー光の反射光軸上に置かれたスクリーンと、該スクリーンを観察する画像処理用CCDカメラとを具備し、前記スクリーンに投射された前記レーザー反射光のパターンを前記画像処理用CCDカメラで撮影し、画像処理・演算して比較し、前記レーザー反射光の前記スクリーン上での移動量を求め、前記被測定物の面傾斜角度の変化を測定する面傾斜角度測定機とする。
【0011】
【発明の実施の形態】
図5は本発明の一実施形態を説明するためのものであり、本発明に使用するレーザー光源より出射されたレーザー光に垂直な方向より見た概略図である。22はレーザー光源であり、23はレーザー入射光である。24−1は被測定面であり、25−1は被測定面24−1によるレーザー反射光である。24−2は被測定面24−1が時計と逆方向に少し回転した時の被測定面であり、25−2は被測定面24−2によるレーザー反射光である。レーザー反射光の光路上には半透明のスクリーン26がレーザー反射光に垂直に配置されており、スクリーン26に投射されたレーザー反射光をCCDカメラ27で撮影する。CCDカメラ27はスクリーン26を垂直に見る位置に配置されている。レーザー光は平行光線に近いものであり、ビームはあまり広がることはなくスクリーン26に投射されるレーザー反射光は被測定面の正反射成分が強ければ強いほど鮮明になる。レーザー入射光23を測定したい面の形状に加工(例えば所望形状の穴を通過させる)しておいて、被測定面に入射させれば、レーザー反射光は面の形状をそのままスクリーン26に投射する。これは本発明が正反射し易い面を測定対象にしていることによる。
【0012】
被測定面24−2が被測定面24−1より反時計方向にθ1だけ回転した時にレーザー反射光25−2はレーザー反射光25−1より2θ1だけ回転する。被測定面24−1とレーザー入射光23との交点とスクリーン26とのおおよその距離をLとする。スクリーン26上での投射位置の移動量l1は
l1=L・tan2θ1で求められるので、移動量l1よりθ1は
2θ1=tan−1l1/Lで求められる。
【0013】
被測定面24−1からのレーザー反射光25−1がスクリーン26に投影されたパターンと被測定面24−2からのレーザー反射光25−2がスクリーン26に投影されたパターンをCCDカメラ27で撮影して画像処理・演算して比較し、そのスクリーン上での移動量を求め面傾斜角度の変化を推定する。本発明の面傾斜角度測定機では、レーザー入射光を法線とする平面に対する絶対角度を測定することはできないが、被測定面を基準とし、そこからどの程度面が傾斜しているかを正確に測定できるものである。
【0014】
本発明では、被測定面の比較的大きな面積部分レーザー光線を当て、被測定面によるレーザー反射光をCCDカメラにより撮影、画像処理して面傾斜角度を測定するので、被測定面の細かいうねりや汚れ等は測定の大きな障害にはならない。
【0015】
図6は本発明の更に具体的な実施形態を説明する概略図である。への字形に成形された測定対象物30はXYテーブル34に固定された治具33に取付けられている。レーザー光源22はHeNeレーザーである。レーザー光線はコリメータレンズ31を透過し、直径2mmの平行光線束のレーザー入射光23となっている。レーザー入射光23は45度ハーフミラー32を透過し、被測定物30に照射される。本実施形態では被測定物30の基準傾斜角面がレーザー入射光に垂直になるように設定されている。すなわち、基準傾斜角面でレーザー入射光23は垂直に反射され、45度ハーフミラー32で反射されスクリーン26の原点Oに到達する。基準傾斜角面からスクリーンまでの距離はA+Bである。
【0016】
への字形の成形に誤差が生じ点線で示すように測定傾斜各面が反時計方向にθ2回転していると、レーザー反射光25−2はθ2だけ回転し、スクリーン26に到達した時は原点OからL2離れている。θ2=tan−1L/(A+B)で基準傾斜角面からの回転角度が求められる。
【0017】
本発明ではレーザー入射光に所定の面積をもたせて測定を安定化しているが、画像処理の手法により、例えば、レーザー入射光を複数にして傾斜角度を測定することも可能である。
【0018】
【発明の効果】
本発明は被測定面の高さの変化を測定して面傾斜角度を計算するのではなく、予め設定した基準傾斜面との比較による面傾斜角度の測定なので精度の高い面傾斜角度の測定ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の面傾斜角度測定機の単純な構成図
【図2】レーザー変位計の測定原理を説明するための模式図
【図3】受光素子上のレーザー光の入射分布を示す図
【図4】図2の被測定面14−1が、被測定面14−1とレーザー入射光13との交点を回転中心として時計方向に少し回転した場合の図
【図5】本発明の一実施形態を説明するためのものであり、本発明に使用するレーザー光源より出射されたレーザー光に垂直な方向より見た概略図
【図6】本発明の具体的な実施形態を説明する概略図
【符号の説明】
1 レーザー変位計センサヘッド部
2 測定される対象物
3 XYテーブル
4 レーザー変位計アンプ
5 XYテーブルコントローラ
6 コンピュータ
7 モニタ
10 ボディ
11 半導体レーザー
12 レンズ
14−1 被測定面
14−2 被測定面
14−3 被測定面
15−1 レーザー反射光
15−2 レーザー反射光
15−3 レーザー反射光
17 レンズ
18 受光素子
19 入射位置
20 入射位置
21 入射位置
22 レーザー光源
23 レーザー入射光
24−1 被測定面
24−2 被測定面
25−1 レーザー反射光
25−2 レーザー反射光
26 スクリーン
27 CCDカメラ
30 測定対象物
31 コリメータレンズ
32 45度ハーフミラー
33 治具
34 XYテーブル

Claims (1)

  1. 予め設定された基準傾斜角度を有する被測定物の被測定面に所定の照射面積を有するレーザー光を照射するレーザー光源部と、前記被測定面より反射された前記レーザー光の反射光軸上に置かれたスクリーンと、該スクリーンを観察する画像処理用CCDカメラとを具備し、前記スクリーンに投射された前記レーザー反射光のパターンを前記画像処理用CCDカメラで撮影し、画像処理・演算して比較し、前記レーザー反射光の前記スクリーン上での移動量を求め、前記被測定物の面傾斜角度の変化を測定することを特徴とする面傾斜角度測定機。
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