JP2019002721A - 共焦点変位計 - Google Patents

Abstract

【課題】ヘッドユニットを設置する際の作業性を向上させることができる共焦点変位計を提供する。【解決手段】共焦点光学系を有するヘッドユニット２と、投光用光源４１を有する制御装置４と、投光用光源からの光をヘッドユニットに伝送する光ファイバ３１、３２からなるファイバケーブル３とにより構成される。ヘッドユニットは、光ファイバの端面を介して出射された検出光ＤＬに軸上色収差を発生させるとともに、検出光を計測対象物Ｗに向かって収束させる光学部材２１を有し、制御装置は、検出光のうち、計測対象物上で合焦しつつ反射されることによって光ファイバの端面を通過した検出光を分光し、受光信号を生成する分光器４３と、受光信号に基づいて、計測対象物の変位を求める測定制御部４４とを有する。ヘッドユニットは、表示部を備え、測定制御部は、制御装置の動作状態、受光波形又は変位の測定値を利用して表示部の表示を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、共焦点変位計に係り、さらに詳しくは、共焦点光学系を利用して計測対象物の変位を計測する共焦点変位計の改良に関する。

共焦点変位計は、光源の像が結像する結像面からの反射光に受光する光を絞り込むという共焦点原理と、光源の像に光軸方向の色ずれが生じるという軸上色収差の現象とを利用して計測対象物の変位を計測する光学式の計測装置である。

共焦点変位計は、光源からの光を点光源として出射するピンホールと、ピンホールを介して出射された検出光に軸上色収差を発生させ、検出光を計測対象物に向かって収束させる光学部材と、計測対象物からの反射光を分光し、受光信号を生成する分光器とにより構成される。検出光には、複数の波長を有する光、例えば、白色光が用いられる。ピンホールは、光学部材を介して計測対象物に照射された検出光のうち、計測対象物上で合焦しつつ反射された波長の検出光を通過させる。

結像面の位置は、軸上色収差により波長ごとに異なるため、ピンホールを通過した検出光の波長を特定することにより、計測対象物の変位が求められる。変位は、予め定められた基準位置から計測対象物までの光軸方向の距離であり、変位を求めることにより、表面の凹凸の深さ又は高さや透明体の厚さ等を測定することができる。

共焦点変位計には、共焦点光学系を有するヘッドユニットと投光用光源及び分光器を有する制御装置とが別個の装置からなり、投光用光源の光を光ファイバからなるケーブルを介してヘッドユニットに伝送するものがある。この種の変位計は、ヘッドユニットが計測対象物の近傍に設置され、制御装置から遠く離れていることが少なくない。

上述した様な従来の共焦点変位計では、ヘッドユニットが適切に設置されているか否かをヘッドユニットの設置時に識別することが難しいという問題があった。仮に制御装置側に表示部が設けられていたとしても、設置作業中の操作者がヘッドユニットの設置箇所付近から制御装置の表示を確認するのは困難であった。このため、操作者は、表示を確認するために制御装置の設置箇所まで移動しなければならなかった。また、ヘッドユニットの設置状態が適切でなければ、ヘッドユニットの設置箇所まで移動して位置や姿勢を調整した後、再度、制御装置の設置箇所まで移動して表示を確認するという作業を繰り返さなければならなかった。

また、従来の共焦点変位計では、ヘッドユニットの設置箇所付近において、制御装置が正常に動作しているか否かを識別することが難しいという問題もあった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ヘッドユニットを設置する際の作業性を向上させることができる共焦点変位計を提供することを目的とする。特に、ヘッドユニットが適切に設置されているか否かをヘッドユニットの設置時に容易に識別することができる共焦点変位計を提供することを目的とする。また、ヘッドユニットの構成が複雑化するのを抑制しつつ、ヘッドユニット設置時の作業性を向上させることができる共焦点変位計を提供することを目的とする。また、制御装置が正常に動作しているか否かをヘッドユニットの設置箇所付近で容易に識別することができる共焦点変位計を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様による共焦点変位計は、共焦点光学系を有するヘッドユニットと、複数の波長を含む光を生成する投光用光源を有する制御装置と、前記投光用光源からの光を前記ヘッドユニットに伝送する光ファイバからなるファイバケーブルとを備える共焦点変位計であって、前記ヘッドユニットが、前記光ファイバの端面を介して出射された検出光に軸上色収差を発生させるとともに、前記検出光を計測対象物に向かって収束させる光学部材を有し、前記制御装置が、前記光学部材を介して前記計測対象物に照射された前記検出光のうち、前記計測対象物上で合焦しつつ反射されることによって前記光ファイバの前記端面を通過した検出光を分光し、受光信号を生成する分光器と、前記受光信号に基づいて、前記計測対象物の変位を求める測定制御部とを有する。前記ヘッドユニットは、表示部を備え、前記測定制御部は、前記制御装置の動作状態、波長ごとの受光強度からなる受光波形、又は、変位の測定値の少なくとも１つに基づく演算結果に基づいて、前記表示部の表示を制御する。

この共焦点変位計では、ヘッドユニット及び制御装置間で投光用の光を伝送する光ファイバの端面を共焦点光学系のピンホールとして機能させることができる。また、受光波形や変位の測定値を利用して表示部の表示が制御されるため、ヘッドユニットを設置する際に、ヘッドユニットが適切に設置されているか否かを表示部の表示によって容易に識別することができる。また、制御装置側で表示部の表示が制御されるため、ヘッドユニットの構成が複雑化するのを抑制することができる。また、制御装置の動作状態を利用して表示部の表示が制御されるため、制御装置が正常に動作しているか否かをヘッドユニットの設置箇所付近で容易に識別することができる。

本発明の第２の態様による共焦点変位計は、上記構成に加え、前記制御装置が、表示光を生成する表示用光源を有し、前記ファイバケーブルが、前記表示光を伝送する光ファイバを有し、前記表示部が、前記光ファイバを介して前記表示用光源から伝送された表示光によって表示を行うように構成される。

この様な構成によれば、表示用光源が制御装置側にあるため、表示用の電気回路や配線基板をヘッドユニットに設けなくてよく、ヘッドユニットが大型化するのを抑制することができる。また、表示部の発熱が抑えられるため、光学部材、ヘッドユニットを支持する治具等の温度上昇によって測定精度が低下するのを抑制することができる。

本発明の第３の態様による共焦点変位計は、上記構成に加え、前記表示部が、前記表示光を伝送する複数の光ファイバの出射端を前記検出光の投光軸を中心とする周方向に配置することによって形成されている。この様な構成によれば、投光軸を中心とする周方向の複数の位置から表示部の表示を確認することができるため、表示部の視認性を向上させることができる。

本発明の第４の態様による共焦点変位計は、上記構成に加え、前記表示部が、前記投光用光源からの光を伝送する光ファイバの出射端よりも前記制御装置側に配置される。この様な構成によれば、表示用の光が検出光の光路内に進入して測定精度が低下するのを抑制することができる。

本発明の第５の態様による共焦点変位計は、上記構成に加え、前記表示部が、前記光学部材を構成する複数のレンズのうち、前記投光用光源からの光を伝送する光ファイバの出射端に最も近いレンズよりも前記制御装置側に配置される。この様な構成によれば、ヘッドユニットの構成が複雑化するのを抑制することができる。

本発明の第６の態様による共焦点変位計は、上記構成に加え、前記表示部が、表示用光源を有し、前記測定制御部が前記表示用光源を制御することによって表示を行うように構成される。この様な構成によれば、表示用光源がヘッドユニット側にあるため、表示用の電気回路や配線基板を制御装置に設けなくてよく、制御装置が大型化するのを抑制することができる。

本発明の第７の態様による共焦点変位計は、上記構成に加え、前記測定制御部が、波長ごとの受光強度からなる受光波形のピーク強度を特定し、前記ピーク強度に応じて、前記表示部の表示態様を異ならせるように構成される。この様な構成によれば、ヘッドユニットの設置状態が適切であるか否かを表示部の表示態様によって容易に識別することができる。

本発明の第８の態様による共焦点変位計は、上記構成に加え、前記測定制御部が、求めた変位が予め指定された範囲内にあるか否かに応じて、前記表示部の表示態様を異ならせるように構成される。この様な構成によれば、計測対象物の良否を表示部の表示態様によって容易に識別することができる。

本発明の第９の態様による共焦点変位計は、上記構成に加え、前記測定制御部が、前記受光信号に対応して、前記表示部の表示を制御する。この様な構成によれば、受光信号に応じて表示部の表示を異ならせることができる。

本発明の第１０の態様による共焦点変位計は、上記構成に加え、前記測定制御部が、前記制御装置の外部から入力される信号に基づいて、前記表示部の表示を制御する。この様な構成によれば、外部からの信号に応じて表示部の表示を異ならせることができる。

本発明の第１１の態様による共焦点変位計は、上記構成に加え、前記ファイバケーブルが、前記投光用光源からの光を伝送する測定用の光ファイバと、表示用光源からの光を伝送する表示用の光ファイバとを有し、前記制御装置側の端部が二又状に分岐して検出光用コネクタ及び表示光用コネクタがそれぞれ取り付けられ、前記検出光用コネクタ及び前記表示光用コネクタが、前記制御装置に着脱可能に接続される。この様な構成によれば、検出光用コネクタと表示光用コネクタとを個別に着脱することができる。

本発明の第１２の態様による共焦点変位計は、上記構成に加え、前記表示部には、前記変位の測定値が公差の範囲内であるか否かが表示される。この様な構成によれば、測定値が公差の範囲内であるか否かをヘッドユニットの設置箇所付近で容易に識別することができる。

本発明の第１３の態様による共焦点変位計は、上記構成に加え、前記測定制御部が、点滅の周波数又は点滅のパターンを変化させることによって前記表示部の表示を異ならせる。この様な構成によれば、表示部の表示内容を容易に識別することができる。

本発明の第１４の態様による共焦点変位計は、上記構成に加え、前記ヘッドユニットが、円筒形状の筐体からなり、前記表示部が、前記筐体の外周面に配置される。この様な構成によれば、ヘッドユニットが取付部材によって保持された状態であっても、表示部の表示を容易に確認することができる。

本発明の第１５の態様による共焦点変位計は、上記構成に加え、前記ヘッドユニットが、直方体形状の筐体からなり、前記表示部が、前記筐体の角部又は側面に配置される。この様な構成によれば、ヘッドユニットが筐体の一側面を柱などの構造物に接触させた状態で設置されていても、表示部の表示を容易に確認することができる。

本発明によれば、受光信号に基づいて表示部の表示が制御されるため、ヘッドユニットが適切に設置されているか否かをヘッドユニットの設置時に容易に識別することができる。また、制御装置側で表示部の表示が制御されるため、ヘッドユニットの構成が複雑化するのを抑制しつつ、ヘッドユニット設置時の作業性を向上させることができる。従って、ヘッドユニットを設置する際の作業性を向上させた共焦点変位計を提供することができる。

本発明の実施の形態による共焦点変位計１の一構成例を示したシステム図である。 図１のヘッドユニット２の構成例を模式的に示した断面図である。 図２の表示部２２の構成例を示した断面図である。 図２の表示部２２を示した斜視図である。 図２の表示部２２を示した断面図である。 図２の表示部２２を示した斜視図である。 図１の投光用光源４１の構成例を示した図である。 図１の分光器４３の構成例を模式的に示した説明図である。 図１の表示用光源４６の構成例を示した断面図である。 図１のヘッドユニット２、ファイバケーブル３及び制御装置４の外観を示した図である。 図１の共焦点変位計１の使用例を模式的に示した説明図である。 共焦点変位計１の他の構成例を模式的に示した説明図であり、透過型の分光器４３ａが示されている。 ヘッドユニットの他の構成例を模式的に示した説明図であり、直方体形状の筐体２０ｅを有するヘッドユニット２ｃ及び２ｄが示されている。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。本明細書では、便宜上、ヘッドユニットの光軸の方向を上下方向として説明するが、ヘッドユニットの使用時における姿勢や向きを限定するものではない。

＜共焦点変位計１＞
図１は、本発明の実施の形態による共焦点変位計１の一構成例を示したシステム図である。この共焦点変位計１は、ヘッドユニット２、ファイバケーブル３及び制御装置４により構成され、ヘッドユニット２から検出光ＤＬを出射した際の計測対象物Ｗからの反射光を受光して計測対象物Ｗの変位を計測する光学式の計測装置である。

ヘッドユニット２及び制御装置４は、ファイバケーブル３を介して互いに接続されている。ファイバケーブル３は、光を伝送する光ファイバ３１及び３２により構成される。光ファイバ３１は、投光用の光を伝送するための伝送媒体である。一方、光ファイバ３２は、表示用の光を伝送するための伝送媒体である。

光ファイバ３１と光ファイバ３２とは、同一の光ファイバによって構成される。このため、光ファイバ３１の接続部分と光ファイバ３２の接続部分とには、共通のコネクタを使用することができる。

光ファイバ３２は、例えば、複数の光ファイバが束ねられたバンドルファイバ又は多芯ファイバである。ファイバケーブル３の一端には、コネクタ３３が設けられ、制御装置４と着脱可能に接続される。

ヘッドユニット２は、検出光ＤＬを計測対象物Ｗに向けて出射し、計測対象物Ｗからの反射光が入射する光学ユニットであり、屈折レンズ２１１、回折レンズ２１２等の光学部材２１と、表示部２２とを備える。光学部材２１は、光ファイバ３１の端面を介して出射された検出光ＤＬに軸上色収差を発生させるとともに、検出光ＤＬを計測対象物Ｗに向かって収束させる。軸上色収差は、分散による光軸方向の像の色ずれである。

共焦点変位計１では、光ファイバ３１を介して投光用の光がヘッドユニット２に伝送され、ヘッドユニット２から出射された検出光ＤＬによって計測対象物Ｗ上に照射スポットが形成される。光ファイバ３１の出射端面は、検出光ＤＬを出射する点光源となるように、投光用光源４１からの光を通過させるピンホールとして機能するとともに、光学部材２１を介して計測対象物Ｗに照射された検出光ＤＬのうち、計測対象物Ｗ上で合焦しつつ反射された波長の検出光を通過させるピンホールとして機能する。

表示部２２は、ヘッドユニット２とファイバケーブル３との接続部付近に設けられ、光ファイバ３２を介して表示用光源４６から伝送された表示用の光を利用して各種情報の表示を行う。

制御装置４は、投受光を制御し、照射スポットに対応する反射光に基づいて、計測対象物Ｗの変位を求める処理ユニットであり、投光用光源４１、カプラ４２、分光器４３、測定制御部４４、メモリ４５及び表示用光源４６により構成される。例えば、受光信号に基づいて、投光用の光の強度、反射光を受光する際の露光時間、受光信号を増幅する際のゲインが制御される。投光用光源４１は、複数の波長を有する光、例えば、白色光を投光用の光として生成する光源装置である。

カプラ４２は、投光用光源４１から入力された光をヘッドユニット２に向けて出力する一方、ヘッドユニット２から入力された検出光ＤＬを分光器４３に向けて出力する方向性結合器である。このカプラ４２は、一端から２本の光ファイバ４２１及び４２２が延び、他端から１本の光ファイバ４２３が延びるＹカプラである。

投光用光源４１からの光は、光ファイバ４２１の入射端に入力され、光ファイバ４２３及びコネクタ３３を介して光ファイバ３１へ出力される。一方、計測対象物Ｗによって反射された検出光ＤＬは、光ファイバ３１及びコネクタ３３を介して光ファイバ４２３に入力され、光ファイバ４２２の出射端から分光器４３に向けて出射される。

分光器４３は、光ファイバ３１の出射端面を通過した検出光ＤＬを分光し、受光信号を生成する。測定制御部４４は、分光器４３の受光信号に基づいて、計測対象物Ｗの変位を求め、測定値として図示しない表示装置や外部機器へ出力する。

具体的には、分光器４３から波長ごとの受光強度からなる受光波形を取得し、受光波形のピーク位置を特定することにより、計測対象物Ｗの変位が算出される。ピーク位置は、受光強度が最大の画素位置であり、特定の波長に対応する。メモリ４５には、測定条件や各種の補正情報が保持される。

表示用光源４６は、表示光を生成する光源装置である。表示光は、例えば、投光用の光とは異なる色の可視光であり、光ファイバ４７の入射端に入力され、コネクタ３３を介して光ファイバ３２へ出力される。コネクタ３３は、カプラ４２からの光ファイバ４２３と表示用光源４６からの光ファイバ４７とをそれぞれ光ファイバ３１及び３２に接続する。

測定制御部４４は、分光器４３の受光信号に基づいて、表示部２２の表示を制御する。具体的には、表示用光源４６を制御することにより、受光信号に基づく各種の演算結果やヘッドユニット２又は制御装置４の動作状態が表示部２２に表示される。

この測定制御部４４は、ヘッドユニット２の設置状態が適切であるか否かを識別可能とするために、受光波形のピーク強度を特定し、ピーク強度に応じて、表示部２２の表示態様を異ならせる。具体的には、ピーク強度を予め指定された判定閾値と比較し、ピーク強度が判定閾値以上であるか否かに応じて、表示部２２の表示色を異ならせる。例えば、ピーク強度が判定閾値以上であれば、ヘッドユニット２の設置状態が適切であると判定され、表示部２２が青色に点灯する。一方、ピーク強度が判定閾値未満である場合には、ヘッドユニット２の設置状態が不適切であると判定され、表示部２２が赤色に点灯する。

なお、ピーク強度が判定閾値以上であるか否かに応じて、表示部２２の点灯パターンを異ならせてもよい。例えば、ピーク強度が判定閾値以上であれば、表示部２２が連続点灯するのに対し、ピーク強度が判定閾値未満である場合には、表示部２２が点滅する。また、ピーク強度に応じて、点灯状態又は消灯状態の時間長を異ならせ、或いは、点滅周期を一定に保ちつつ点灯状態の時間長と消灯状態の時間長との割合を異ならせてもよい。

また、測定制御部４４は、計測対象物Ｗの良否を識別可能とするために、求めた変位が予め指定された範囲内にあるか否かに応じて、表示部２２の表示態様を異ならせる。例えば、変位の測定値が範囲内にあれば、計測対象物Ｗが適切であると判定され、表示部２２が青色に点灯する。一方、変位の測定値が範囲外である場合には、計測対象物Ｗが不適切であると判定され、表示部２２が赤色に点灯する。

また、測定制御部４４は、制御装置４の動作状態に応じて、表示部２２の表示態様を異ならせる。例えば、投光用光源４１が点灯中であるか否かに応じて、表示部２２の表示色又は点灯パターンを異ならせる。また、ヘッドユニット２の設置状態が適切であるか否かを判定するための設置状態判定モードと、計測対象物Ｗの良否を判定するための良否判定モードとのいずれかの動作モードに応じて、表示部２２の表示色又は点灯パターンを異ならせる。なお、３以上の動作状態を識別可能とするために、３以上の表示色又は点灯パターンを切り替えて表示を行ってもよい。

上述した様な測定制御部４４による表示制御により、表示部２２には、運転中におけるシステムエラーの発生、計測対象物Ｗが測定範囲内にあるか否か、変位の測定値が公差の範囲内であるか否かが表示される。例えば、通信不良などの動作不良がシステムエラーとして表示される。また、制御装置４の外部から入力される信号に基づいて、表示部２２の表示が制御される。

また、変位の測定値が上限閾値を上回っている状態（High）と、変位の測定値が下限閾値を下回っている状態（Low）と、変位の測定値が下限閾値以上上限閾値以下である状態（go）とが識別可能に表示される。また、表示部２２には、ヘッドユニット２が適切に設置されたか否かが表示される。測定制御部４４は、点滅の周波数又は点滅のパターンを変化させることによって表示部２２の表示を異ならせる。

なお、カプラ４２には、Ｘカプラを用いてもよい。Ｘカプラは、Ｙカプラと比較して端面の反射を抑制し易い。この様な光ファイバカプラは、複数の光ファイバを融着した融着型カプラであるが、ビームスプリッタを用いて光を分割するタイプのカプラであってもよい。また、コネクタ３３に代えて、投光用の光ファイバ３１と表示用の光ファイバ３２とを個別に接続する独立した２つのコネクタを用いるような構成であってもよい。

＜ヘッドユニット２＞
図２は、図１のヘッドユニット２の構成例を模式的に示した断面図であり、光軸Ｊを含む平面によりヘッドユニット２を切断した場合の切断面が示されている。このヘッドユニット２は、筐体２０、光学部材２１、表示部２２及び光ファイバフェルール２３により構成される。

筐体２０は、例えば、有蓋円筒形状の鏡筒であり、中心軸が光軸Ｊとなっている。この筐体２０は、光軸Ｊに沿って径が変化しており、先端側が大径部２０ａ、根元側は、大径部２０ａよりも径が小さい小径部２０ｂとなっている。小径部２０ｂは、ヘッドユニット２を支持する治具の取付金具が取り付けられる金具取付部である。すなわち、ヘッドユニット２の小径部２０ｂは、ヘッドユニット２を製造ラインに設置する際に、取付部材によって保持される保持部である。また、小径部２０ｂとファイバケーブル３の先端との間は、接続部２０ｃとなっている。

光学部材２１は、屈折レンズ２１１、回折レンズ２１２、光学レンズ２１３及び２１４により構成される。屈折レンズ２１１は、光の屈折現象を利用して入射光を集光又は拡散させる光学レンズである。この屈折レンズ２１１は、例えば、非球面レンズである。

回折レンズ２１２は、光の回折現象を利用して入射光を集光又は拡散させる光学レンズであり、大径部２０ａの下端開口、すなわち、投光窓２０ｄを介して露出するように配置されている。この回折レンズ２１２は、レリーフ型の回折レンズであり、光ファイバフェルール２３からの検出光ＤＬが入射する回折面（上面）には、微細なレリーフ（起伏）が形成されている。レリーフは、光軸方向の深さが光の波長程度であり、光軸Ｊを中心とする複数の円環状のパターンが配置される。回折レンズ２１２の下面は、平坦面である。

光学レンズ２１３及び２１４は、いずれも光ファイバフェルール２３からの検出光ＤＬを集光させる屈折レンズである。回折レンズ２１２、屈折レンズ２１１及び光学レンズ２１４は、大径部２０ａに配置され、光学レンズ２１３は、小径部２０ｂに配置されている。

なお、屈折レンズ２１１、回折レンズ２１２、光学レンズ２１３及び２１４は、いずれも単レンズであるが、それぞれ複数の光学レンズを組み合わせた複レンズであってもよい。また、光学部材２１には、回折レンズ２１２のように低アッベ数のレンズ素子を含んでいることが好ましい。

光ファイバフェルール２３は、ファイバケーブル３を構成する光ファイバ３１を保持する保持部材であり、光ファイバ３１の出射端が樹脂部材によって保持されている。この光ファイバフェルール２３は、筐体２０の天蓋部から下側に突出させて配置されている。

光ファイバ３１は、コア及びクラッドにより構成され、コアの端面がピンホールとして機能する。つまり、光ファイバ３１のコアの端面は、光ファイバ３１の出射端が配置される空間に比べて径が十分に小さく、光学部材２１を介して入射する光を選択的に通過させることができる。屈折レンズ２１１、光学レンズ２１４及び２１３は、光ファイバフェルール２３と回折レンズ２１２との間に配置されている。光ファイバ３１の出射端面と光学部材２１とは、共焦点光学系を構成している。

この共焦点光学系は、共焦点原理を利用して受光する光を絞り込むとともに、検出光ＤＬに軸上色収差を生じさせる。このため、光ファイバ３１の出射端面から出射し、光学部材２１を透過した検出光ＤＬは、波長に応じて上下方向の異なる位置に結像する。検出光ＤＬに含まれる波長成分のうち、計測対象物Ｗ上に結像した特定の波長成分は、計測対象物Ｗにより反射され、その反射光が光学部材２１を透過して光ファイバ３１の出射端面上に結像する。一方、特定の波長成分以外の波長成分に対応する反射光は、光ファイバ３１の出射端面上に結像せず、遮断される。

この共焦点変位計１では、光ファイバ３１の出射端面で反射した光の影響によって測定精度が低下するのを抑制するために、光ファイバフェルール２３の出射端面２３ａが斜めに加工されている。すなわち、出射端面２３ａは、光ファイバフェルール２３の中心軸に垂直な平面に対して傾斜した傾斜面となっている。出射端面２３ａの傾斜は、例えば、研磨加工によって形成される。また、検出光ＤＬが光ファイバ３１の出射端面を通過する際の屈折を考慮して、光ファイバフェルール２３は、その中心軸を光軸Ｊに対して傾斜させて配置されている。

ヘッドユニット２から計測対象物Ｗまでの距離は、例えば、１０ｍｍ〜７０ｍｍ程度であり、測定範囲ＭＲは、１ｍｍ〜２０ｍｍ程度である。この測定範囲ＭＲは、検出光ＤＬの帯域幅に対応し、広い測定範囲ＭＲを確保するために、広帯域の検出光ＤＬが用いられる。検出光ＤＬは、例えば、５００ｎｍ〜７００ｎｍの波長成分を含む。

表示部２２は、筐体２０の接続部２０ｃに設けられ、光ファイバ３２の出射端、拡散窓２２１及び反射部材２２２により構成される。反射部材２２２は、光ファイバ３２の出射端面３２ａを介して出射された表示光を拡散窓２２１に向けて反射させるための光学部材である。拡散窓２２１は、表示光を拡散させる光学部材からなり、接続部２０ｃの外周面から露出している。

光ファイバ３２の出射端面を介して表示光を出射し、拡散窓２２１を介して拡散させることによって表示が行われるため、ヘッドユニット２には、表示用の電気回路や配線基板がない。このため、ヘッドユニット２が大型化するのを抑制することができる。また、表示部２２の発熱が抑えられるため、光学部材２１、ヘッドユニット２を支持する治具の温度上昇によって測定精度が低下するのを抑制することができる。

この表示部２２では、光ファイバ３２の出射端が出射端面３２ａを下方に向けて配置され、反射部材２２２が出射端面３２ａを介して出射された表示光を光軸Ｊを中心とする径方向の外側に向けて反射させる。拡散窓２２１は、光軸Ｊを中心とする周方向に延び、周方向の広い視野角を有している。また、表示部２２は、表示光が検出光ＤＬの光路内に進入して測定精度が低下するのを抑制するために、光ファイバ３１の出射端よりも制御装置４側に配置されている。

また、表示部２２は、光学部材２１を構成する複数のレンズのうち、光ファイバ３１の出射端に最も近い光学レンズ２１３よりも制御装置側に配置される。この様な構成によれば、光学レンズ２１３を跨いで光ファイバ３２を配置する必要がないため、ヘッドユニット２の構成が複雑化するのを抑制することができる。

＜表示部２２＞
図３は、図２の表示部２２の構成例を示した断面図であり、表示部２２をＡ−Ａ切断線により切断した場合の切断面が示されている。図４は、図２の表示部２２を示した斜視図であり、斜め下方から表示部２２を見た場合が示されている。図５は、図２の表示部２２を示した断面図であり、光軸Ｊを含む平面による切断面が示されている。図６は、図２の表示部２２を示した斜視図であり、筐体２０の接続部２０ｃが示されている。この表示部２２は、光ファイバ３２を構成する複数の光ファイバの出射端を検出光ＤＬの投光軸、すなわち、光軸Ｊを中心とする周方向に配置することによって形成されている。

光ファイバ３２は、例えば、多数の光ファイバ３２ｂがシースによって束ねられたバンドルファイバ又は多芯ファイバであり、シースから露出させた光ファイバ３２ｂの出射端は、周方向に間隔を空けずに互いに隣接させて配列されている。光ファイバ３２ｂの各出射端は、光軸Ｊを中心とする中心角が１８０°程度の範囲内において、接続部２０ｃの外周面に沿って一列に配置され、１８０°以上の視野角が確保されている。

この様な構成を採用することにより、光軸Ｊを中心とする周方向の複数の位置から表示部２２の表示を確認することができるため、表示部２２の視認性を向上させることができる。

＜投光用光源４１＞
図７は、図１の投光用光源４１の構成例を示した図であり、（ａ）には、投光用光源４１の側面が示され、（ｂ）には、投光用光源４１をＢ−Ｂ切断線により切断した場合の切断面が示されている。この投光用光源４１は、レーザ光を蛍光体に照射して白色光を発生させる光源装置であり、発光素子４１１、配線基板４１２、素子ホルダ４１３、集光レンズ４１４、レンズホルダ４１５、フェルール４１６、フェルール押え４１７、蛍光体５０、枠体５１及びフィルタ素子５２により構成される。

発光素子４１１は、レーザーダイオード（ＬＤ）等の半導体発光素子であり、単一波長のレーザ光を生成する。この発光素子４１１は、発光部を水平方向の前方に向けた状態で配線基板４１２に配設されている。例えば、発光素子４１１は、波長が４５０ｎｍ以下の青色光又は紫外光を生成する。素子ホルダ４１３は、配線基板４１２を保持する部材であり、レンズホルダ４１５に背面側から挿入されている。

集光レンズ４１４は、発光素子４１１から出射されたレーザ光を光ファイバ４２１の入射端に集光させる光学部材であり、発光素子４１１に対向させて配置されている。レンズホルダ４１５は、集光レンズ４１４を保持する鏡筒であり、集光レンズ４１４の前方において縮径している。フェルール４１６は、光ファイバ４２１の入射端が組み込まれ、前後方向に延びる円筒状の接続部材である。フェルール押え４１７は、レンズホルダ４１５の縮径部に前面側から挿入されたフェルール４１６を固定するための有底円筒形状の部材であり、円筒部を上記縮径部の外周面に被せた状態でレンズホルダ４１５に取り付けられている。

蛍光体５０は、発光素子４１１からのレーザ光によって励起され、レーザ光とは異なる波長の蛍光を発生する発光体である。この蛍光体５０は、その外周面が枠体５１によって保持され、光ファイバ４２１の入射端面に接触させた状態でレンズホルダ４１５内に配置されている。例えば、蛍光体５０は、青色のレーザ光の照射によって黄色の蛍光を発生する。なお、蛍光体５０は、２以上の種類の蛍光材料から形成されるものであっても良い。例えば、蛍光体５０は、青色のレーザ光の照射により、緑色の蛍光を発生する蛍光材料と、赤色の蛍光を発生する蛍光材料とにより形成される。

フィルタ素子５２は、発光素子４１１からのレーザ光を透過し、蛍光体５０からの光を反射する光学部材であり、枠体５１の発光素子側の面を覆うように配置されている。光ファイバ４２１の入射端には、発光素子４１１からのレーザ光と、蛍光体５０からの蛍光とが混合した複数の波長を有する光が入射される。

投光用光源４１は、光ファイバ４２１の入射端に、発光素子４１１からのレーザ光と蛍光体５０からの蛍光とが混合した光を直接に入射させる構成である。この様なファイバ型光源を用いることにより、ヘッドユニット２及び制御装置４間のファイバケーブル３との接続を簡素化することができる。

なお、投光用光源４１には、広帯域な光を発生する光源、例えば、ハロゲンランプ、スーパーコンティニウム（ＳＣ）光を発生するＳＣ光源、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）を用いても良い。また、通常の白色ＬＥＤ光でもよい。ＳＣ光源は、パルスレーザによる非線形光学効果により、連続かつ広帯域なレーザ光を生成する。

＜分光器４３＞
図８は、図１の分光器４３の構成例を模式的に示した説明図であり、反射型の分光器４３が示されている。この分光器４３は、コリメータレンズ４３１、回折格子４３２、結像レンズ４３３及びイメージセンサ４３４により構成され、カプラ４２の光ファイバ４２２の出射端から出射された検出光ＤＬを分光する。

光ファイバ４２２の出射端、回折格子４３２及びイメージセンサ４３４は、例えば、水平方向に向けて配置される。コリメータレンズ４３１は、平行光を得るための光学レンズであり、光ファイバ４２２の出射端面に対向するように配置される。

回折格子４３２は、波長に応じて異なる角度で検出光ＤＬを反射させる反射型の色分散素子であり、平板形状からなる。結像レンズ４３３は、回折格子４３２により分光された検出光ＤＬをイメージセンサ４３４上に結像させる。なお、コリメータレンズ４３１及び結像レンズ４３３は、いずれも単レンズであるが、それぞれ複数の光学レンズを組み合わせた複レンズであってもよい。

イメージセンサ４３４は、例えば、水平方向に延びる一次元のラインイメージセンサであり、多数の受光素子が直線状に配列される。各受光素子の受光信号によって受光波形が形成される。なお、イメージセンサ４３４には、多数の受光素子が二次元的に配列された撮像素子を用いてもよい。

回折格子４３２は、イメージセンサ４３４に入射した光が受光面で正反射し、回折格子４３２により反射されて再度受光されるのを防ぐために、イメージセンサ４３４の受光面に正対する状態から僅かに傾けて配置される。なお、プリズムを用いて検出光ＤＬを分光させてもよい。

＜表示用光源４６＞
図９は、図１の表示用光源４６の構成例を示した断面図であり、光ファイバ４７の入射端の中心軸を含む平面により表示用光源４６を切断した場合の切断面が示されている。この表示用光源４６は、表示光を生成するための光源装置であり、発光素子４６１、配線基板４６２、フェルール４６３及び素子ホルダ４６４により構成される。

発光素子４６１は、例えば、発光色が異なる複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）からなり、発光部を水平方向に向けた状態で配線基板４６２上に配設されている。素子ホルダ４６４は、配線基板４６２及びフェルール４６３を保持するための保持部材である。フェルール４６３は、光ファイバ４７の入射端が組み込まれ、前後方向に延びる円筒状の接続部材である。表示用光源４６は、光ファイバ４７の入射端に対し、発光素子４６１からの表示光を直接に入射させるファイバ型光源であるため、ファイバケーブル３との接続を簡素化することができる。

図１０は、図１のヘッドユニット２、ファイバケーブル３及び制御装置４の外観を示した図であり、制御装置４の筐体前面にヘッドユニット２から延びるファイバケーブル３の一端が着脱可能に接続される場合が示されている。ヘッドユニット２から延びるファイバケーブル３は、測定用の光ファイバ３１と表示用の光ファイバ３２とを内包する１本のケーブルであり、制御装置側の端部が二又状に分岐し、２つの分岐ケーブルの先端には、コネクタ３３ａ及び３３ｂがそれぞれ取り付けられている。

コネクタ３３ａは、表示用の光ファイバ３２を制御装置４に設けられた表示光用の接続口に着脱可能に接続するための表示光用の接続部材である。一方、コネクタ３３ｂは、測定用の光ファイバ３１を制御装置４に設けられた検出光用の接続口に着脱可能に接続するための検出光用の接続部材である。コネクタ３３ａ及び３３ｂは、制御装置４の接続口に個別に着脱することができる。

図１１は、図１の共焦点変位計１の使用例を模式的に示した説明図であり、２つのヘッドユニット２を互いに対向するように配置して不透明な計測対象物Ｗの厚さを計測する様子が示されている。図中の（ａ）には、計測対象物Ｗを挟んで対向する上側ヘッド２ａの光軸Ｊａと下側ヘッド２ｂの光軸Ｊｂとが略一致している場合が示されている。

計測対象物Ｗは、水平方向に延びるシート状の長尺物であり、左右の一方向に搬送中における厚さが所定のタイミングで計測される。上側ヘッド２ａ及び下側ヘッド２ｂは、いずれもヘッドユニット２であり、それぞれ投光窓２０ｄが計測対象物Ｗの表面に正対するように配置される。

また、計測対象物Ｗの厚さを正確に計測するには、上側ヘッド２ａの光軸Ｊａと下側ヘッド２ｂの光軸Ｊｂとを一致させる必要がある。光軸Ｊａ及びＪｂが水平方向にずれ、或いは、光軸Ｊａ及びＪｂが平行でなければ、反りや撓みによって計測対象物Ｗが傾斜した際の誤差が大きくなるため、計測対象物Ｗの厚さを正しく計測することができない。

図中の（ｂ）には、下側ヘッド２ｂに対し、上側ヘッド２ａの光軸Ｊａが水平方向にずれている場合が示されている。この様に光軸Ｊａ及びＪｂにずれがあると、厚さを計測する際の誤差が増大してしまう。

計測対象物Ｗの厚さは、上側ヘッド２ａによって計測された変位と下側ヘッド２ｂによって計測された変位とから所定の演算によって算出される。計測対象物Ｗの良否判定は、算出された厚さの測定値を良否判定閾値と比較した比較結果に基づいて行われる。

なお、搬送中の計測対象物Ｗの厚さを正確に計測するには、上側ヘッド２ａ及び下側ヘッド２ｂ間で変位を計測するタイミングを一致させる必要がある。このタイミングにずれがあると、光軸Ｊａ及びＪｂが一致していたとしても、振動やぶれの影響によって厚さを計測する際の誤差が増大してしまう。

２つのヘッドユニット２の光軸Ｊを互いに一致させるための光軸調整は、ヘッドユニット２の設置状態が適切であるか否かの適否判定の結果を表示部２２の表示によって確認しながら行われる。この適否判定は、上側ヘッド２ａ又は下側ヘッド２ｂによって計測された受光波形のピーク強度を適否判定閾値と比較した比較結果に基づいて行われる。

本実施の形態によれば、受光波形や変位の測定値を利用して表示部２２の表示が制御されるため、ヘッドユニット２を設置する際に、ヘッドユニット２が適切に設置されているか否かを表示部２２の表示によって容易に識別することができる。また、制御装置４側で表示部２２の表示が制御されるため、ヘッドユニット２の構成が複雑化するのを抑制することができる。また、制御装置４の動作状態を利用して表示部２２の表示が制御されるため、制御装置４が正常に動作しているか否かをヘッドユニット２の設置箇所付近で容易に識別することができる。

また、表示用光源４６が制御装置４側にあるため、表示用の電気回路や配線基板をヘッドユニット２に設けなくてよく、ヘッドユニット２が大型化するのを抑制することができる。さらに、表示部２２の発熱が抑えられるため、光学部材２１、ヘッドユニット２を支持する治具等の温度上昇によって測定精度が低下するのを抑制することができる。

なお、本実施の形態では、反射型の分光器４３の例について説明したが、本発明は、分光器の構成をこれに限定するものではない。例えば、透過角度に応じて異なる波長成分に入射光を分光する透過型の分光器を用いてもよい。

図１２は、共焦点変位計１の他の構成例を模式的に示した説明図であり、透過型の分光器４３ａが示されている。この分光器４３ａは、図８の分光器４３と比較すれば、回折格子４３５が透過型である点で異なる。回折格子４３５は、透過角度に応じて異なる波長成分に入射光を分光する色分散素子である。

光ファイバ４２２の出射端から出射された検出光ＤＬは、コリメータレンズ４３１を介して回折格子４３５に入射する。回折格子４３５を透過した検出光ＤＬは、結像レンズ４３３を介してイメージセンサ４３４に入射する。

また、本実施の形態では、表示用光源４６が制御装置４側に設けられる場合の例について説明したが、本発明は、表示用光源をヘッドユニット２側に設けるものにも適用することができる。例えば、ヘッドユニット２の表示部２２は、表示用光源を有し、制御装置４の測定制御部４４が上記表示用光源を制御することによって表示を行うような構成であってもよい。この様な構成によれば、表示用光源がヘッドユニット２側にあるため、表示用の電気回路や配線基板を制御装置４に設けなくてよく、制御装置４が大型化するのを抑制することができる。

また、本実施の形態では、ヘッドユニット２が円筒形状の筐体２０からなる場合の例について説明したが、本発明は、ヘッドユニットの形状をこれに限定するものではない。例えば、ヘッドユニットは、直方体形状の筐体からなり、表示部２２が筐体側面に配置されるような構成であってもよい。

図１３は、ヘッドユニットの他の構成例を模式的に示した説明図であり、直方体形状の筐体２０ｅからなるヘッドユニット２ｃ及び２ｄが示されている。図中の（ａ）には、表示部２２が筐体２０ｅの角部に配置されたヘッドユニット２ｃが示されている。ヘッドユニット２ｃは、上下方向に長い直方体形状の筐体２０ｅからなり、例えば、筐体２０ｅの一側面を柱や壁などの構造物Ｋに接触させた状態で設置される。

表示部２２は、構造物Ｋに接触させる筐体２０ｅの一側面を取付面と呼べば、この取付面以外の側面のうち、隣接する２つの側面からなる角部に配置される。この様に配置することにより、表示部２２の視認性を向上させることができる。

図中の（ｂ）には、表示部２２が筐体２０ｅの非取付面に配置されたヘッドユニット２ｄが示されている。表示部２２は、筐体２０ｅの取付面以外の一側面に配置される。この様に配置することにより、ヘッドユニット２ｄが構造物Ｋに設置された状態であっても、表示部２２を良好に視認することができる。

１ 共焦点変位計
２ ヘッドユニット
２０ 筐体
２０ａ 大径部
２０ｂ 小径部
２０ｃ 接続部
２１ 光学部材
２１１ 屈折レンズ
２１２ 回折レンズ
２１３，２１４ 光学レンズ
２２ 表示部
２２１ 拡散窓
２２２ 反射部材
２３ 光ファイバフェルール
３ ファイバケーブル
３１，３２ 光ファイバ
３３ コネクタ
４ 制御装置
４１ 投光用光源
４２ カプラ
４３ 分光器
４３２ 回折格子
４３４ イメージセンサ
４４ 測定制御部
４５ メモリ
４６ 表示用光源
４６１ 発光素子
４６２ 配線基板
４６３ フェルール
４７ 光ファイバ

Claims (15)

1. 共焦点光学系を有するヘッドユニットと、複数の波長を含む光を生成する投光用光源を有する制御装置と、前記投光用光源からの光を前記ヘッドユニットに伝送する光ファイバからなるファイバケーブルとを備える共焦点変位計であって、
   前記ヘッドユニットが、前記光ファイバの端面を介して出射された検出光に軸上色収差を発生させるとともに、前記検出光を計測対象物に向かって収束させる光学部材を有し、
   前記制御装置が、前記光学部材を介して前記計測対象物に照射された前記検出光のうち、前記計測対象物上で合焦しつつ反射されることによって前記光ファイバの前記端面を通過した検出光を分光し、受光信号を生成する分光器と、前記受光信号に基づいて、前記計測対象物の変位を求める測定制御部とを有する共焦点変位計において、
   前記ヘッドユニットは、表示部を備え、
   前記測定制御部は、前記制御装置の動作状態、波長ごとの受光強度からなる受光波形、又は、変位の測定値の少なくとも１つに基づく演算結果に基づいて、前記表示部の表示を制御することを特徴とする共焦点変位計。
2. 前記制御装置は、表示光を生成する表示用光源を有し、
   前記ファイバケーブルは、前記表示光を伝送する光ファイバを有し、
   前記表示部は、前記光ファイバを介して前記表示用光源から伝送された表示光によって表示を行うことを特徴とする請求項１に記載の共焦点変位計。
3. 前記表示部は、前記表示光を伝送する複数の光ファイバの出射端を前記検出光の投光軸を中心とする周方向に配置することによって形成されていることを特徴とする請求項２に記載の共焦点変位計。
4. 前記表示部は、前記投光用光源からの光を伝送する光ファイバの出射端よりも前記制御装置側に配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の共焦点変位計。
5. 前記表示部は、前記光学部材を構成する複数のレンズのうち、前記投光用光源からの光を伝送する光ファイバの出射端に最も近いレンズよりも前記制御装置側に配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の共焦点変位計。
6. 前記表示部は、表示用光源を有し、前記測定制御部が前記表示用光源を制御することによって表示を行うことを特徴とする請求項１に記載の共焦点変位計。
7. 前記測定制御部は、波長ごとの受光強度からなる受光波形のピーク強度を特定し、前記ピーク強度に応じて、前記表示部の表示態様を異ならせることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の共焦点変位計。
8. 前記測定制御部は、求めた変位が予め指定された範囲内にあるか否かに応じて、前記表示部の表示態様を異ならせることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の共焦点変位計。
9. 前記測定制御部は、前記受光信号に対応して、前記表示部の表示を制御することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の共焦点変位計。
10. 前記測定制御部は、前記制御装置の外部から入力される信号に基づいて、前記表示部の表示を制御することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の共焦点変位計。
11. 前記ファイバケーブルは、前記投光用光源からの光を伝送する測定用の光ファイバと、表示用光源からの光を伝送する表示用の光ファイバとを有し、前記制御装置側の端部が二又状に分岐して検出光用コネクタ及び表示光用コネクタがそれぞれ取り付けられ、前記検出光用コネクタ及び前記表示光用コネクタが、前記制御装置に着脱可能に接続されることを特徴とする請求項２に記載の共焦点変位計。
12. 前記表示部には、前記変位の測定値が公差の範囲内であるか否かが表示されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の共焦点変位計。
13. 前記測定制御部は、点滅の周波数又は点滅のパターンを変化させることによって前記表示部の表示を異ならせることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の共焦点変位計。
14. 前記ヘッドユニットは、円筒形状の筐体からなり、
    前記表示部は、前記筐体の外周面に配置されることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の共焦点変位計。
15. 前記ヘッドユニットは、直方体形状の筐体からなり、
    前記表示部は、前記筐体の角部又は側面に配置されることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の共焦点変位計。

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