JP2012073189A - 距離測定装置および距離測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象の表面状態によって生じる計測誤差を低減することができる距離測定装置および距離測定方法を提供する。
【解決手段】可動プレート５は、直動案内ユニット８によって固定プレート９に対して摺動可能となっている。可動プレート５には、投光素子および受光素子が収容されたケーシング２が固定されている。固定プレート９には、出力軸１３に偏心ローラ１４が設けられた電動モータＭが固定されている。電動モータＭが駆動して偏心ローラ１４が回転すると、伝達プレート１５によって可動プレート５およびケーシング２が往復動する。電動モータＭの駆動中に複数回、受光素子の受光結果を分析して平均値を出力する。
【選択図】図４

Description

本発明は、投光ビームを測定対象に照射するとともに、測定対象からの反射光を受光することで測定対象までの距離を測定する距離測定装置および距離測定方法に関する。

従来、例えば、特許文献１に示されるように、投光ビームを測定対象に照射する投光素子と、測定対象からの反射光を受光する受光素子とを備え、受光素子の出力に基づいて測定対象までの距離を演算する距離測定装置が広く知られている。
こうした距離測定装置は、例えば、自動車の製造ラインに設けられ、所定位置に固定された自動車のボディまでの距離を測定して、建付け精度をはじめとするボディの各精度を検出するのに用いられている。

特開平０７−３０１５１９号公報

しかしながら、上記のような距離測定装置においては、測定対象までの距離が同一であるにも関わらず、投光ビームの照射部位の表面状態によって異なる距離が測定されてしまう場合がある。具体的には、投光ビームの照射部位の粗さが異なるなど表面状態にムラがあったり、照射部位にキズがあったり、さらには、表面への照明等からの光の当たり方等により色味の違いがあったりすると、反射率が変化してしまい測定結果にバラツキが生じてしまう。
このように、従来の距離測定装置においては、測定対象の表面状態によって計測誤差が生じてしまうという問題があった。

本発明の目的は、測定対象の表面状態によって生じる計測誤差を低減することができる距離測定装置および距離測定方法を提供することである。

請求項１〜６に記載の発明は、光を発生して投光ビームを測定対象に照射する投光素子、および、前記測定対象からの反射光を受光する受光素子を有する検出手段と、前記受光素子の出力に基づいて測定対象までの距離を演算する処理手段と、を備えた距離測定装置を前提とする。
上記の構成を前提として請求項１に記載の発明は、前記検出手段が、前記測定対象に平行な方向に移動可能に設けられ、前記処理手段は、複数の異なる地点における前記測定対象までの距離を演算可能であることを特徴とする。

請求項１に記載の発明においては、検出手段が測定対象に平行な方向に移動可能な構成であればよい。したがって、可動アクチュエータによって検出手段が移動するように構成してもよいし、こうした可動アクチュエータを設けずに手動で移動可能なように構成してもよい。
また、請求項１に記載の発明においては、少なくとも検出手段が移動可能な構成であればよい。したがって、例えば、ケーシング内に検出手段を設けた場合には、ケーシング内で検出手段のみが移動可能となるようにしてもよいし、ケーシングごと検出手段を移動可能としてもよい。

さらに、請求項１に記載の発明においては、検出手段が測定対象と平行な状態を維持して移動するものであれば、その詳細な移動態様は特に限定されない。例えば、検出手段が測定対象と平行な状態を維持していれば、所定の範囲で回転運動を行うようにしてもよいし、往復直線運動を行うようにしてもよい。
また、請求項１に記載の発明においては、処理手段が、検出手段の移動範囲内の複数地点で測定対象までの距離を演算可能であればよい。したがって、検出手段の移動過程で、測定対象までの距離の演算処理が所定の間隔で自動的に行われる構成であってもよいし、作業者が検出手段を手動で移動させながら、所望のタイミングで演算処理を開始する構成であってもよい。

請求項２に記載の発明は、前記検出手段を移動させる可動アクチュエータを備えたことを特徴とする。
請求項２に記載の発明において、可動アクチュエータの具体的な構成は特に限定されず、例えば、ステッピングモータ、パルスモータあるいはギヤモータなど種々のモータや、電磁ソレノイドなどが考えられる。

請求項３に記載の発明は、前記可動アクチュエータは、前記検出手段を周期的に移動させるとともに、前記処理手段は、前記検出手段が一周期移動する間に前記測定対象への前記投光ビームの照射及び前記測定対象からの反射光の受光を複数回行うことを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、前記処理手段が、前記可動アクチュエータの駆動中に測定対象までの距離を所定の間隔で複数回演算し、前記複数回の演算結果の平均値を出力することを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、前記検出手段が固定されるケーシングと、前記ケーシングを摺動自在に支持する直動案内ユニットと、を備え、前記可動アクチュエータは、前記直動案内ユニットに沿って前記ケーシングを往復直線運動させることを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、前記可動アクチュエータを構成するモータと、前記モータの出力軸に設けられた偏心ローラと、を備え、前記偏心ローラの回転変位によって前記ケーシングが直動案内ユニットに沿って移動することを特徴とする。

請求項７および８に記載の発明は、投光素子から光を発生して投光ビームを測定対象に照射する工程と、前記測定対象からの反射光を受光素子によって受光する工程と、前記受光素子の出力に基づいて測定対象までの距離を演算する工程と、を備えた距離測定方法を前提とする。
上記の方法を前提として請求項７に記載の発明は、前記投光素子および受光素子を測定対象に平行な方向に一体的に移動する工程と、前記投光素子および受光素子の移動によって変位する複数の異なる地点における前記測定対象までの距離を演算する工程と、を備えたことを特徴とする。
請求項８に記載の発明は、複数回演算された前記測定対象までの距離の平均値を出力する工程をさらに備えたことを特徴とする。

請求項７および８に記載の発明においては、投光素子と受光素子とを一体的に測定対象に平行な方向に移動させれば、これらを可動アクチュエータによって移動させてもよいし、こうした可動アクチュエータを設けずに手動で移動させてもよい。このとき、両素子が測定対象と平行な状態を維持していれば、その詳細な移動態様は特に限定されない。例えば、両素子が測定対象と平行な状態を維持していれば、所定の範囲で回転運動を行うように移動させてもよいし、往復直線運動を行うように移動させてもよい。
また、請求項７および８に記載の発明においては、両素子の移動範囲内の複数地点で測定対象までの距離を演算すればよい。したがって、両素子の移動過程で、測定対象までの距離の演算を自動的に行ってもよいし、両素子の移動および演算の双方を順番に手動で行うようにしてもよい。
なお、本発明においては、投光素子によって発生される投光ビームの態様すなわちスポット形状は特に限定されることなく、いわゆるスポットビームであってもよいしラインビームであってもよい。

請求項１および請求項７に記載の発明によれば、測定対象の複数の部位において距離が測定されるので、測定対象の表面に現れるムラ、キズまたは色見の違いによって生じる計測誤差が低減され、計測精度を向上することができる。
特に請求項２に記載の発明によれば、検出手段を自動的に移動させることができるので、測定作業を単純化することができる。
特に請求項３に記載の発明によれば、検出手段を周期的に移動させながら複数の部位における測定が自動的に行われるので、さらに測定作業を単純化することができる。
特に請求項４および請求項８に記載の発明によれば、複数の部位における測定が自動的に行われ、かつ複数回の測定結果の平均値が出力されるので、測定結果の分析が容易となる。
特に請求項５に記載の発明によれば、ケーシングを直線的に移動させるので構造を簡素化することができる。
特に請求項６に記載の発明によれば、モータを駆動するだけでケーシングが直線的に移動するので、さらに構造を簡素化することができる。

本発明の距離測定装置が適用されるボディ精度測定装置を示す図である。 ボディ精度測定装置を左側方から見た図である。 ボディ精度測定装置を上方から見た図である。 距離測定装置の平面図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）における（ｂ）矢視図、（ｃ）は（ａ）における（ｃ）矢視図である。 可動プレートを示す三面図である。 固定プレートを示す三面図である。 モータ固定ブラケットを示す三面図である。 伝達プレートを示す三面図である。 距離測定装置の処理機構を示すブロック図である。 距離測定の処理を示すフローチャートである。 距離測定装置の変形例を示す図である。

図１〜図３を用いて、本発明が適用されるボディ精度測定装置について説明する。
図１に示すボディ精度測定装置１００は、ボディの建付け精度などを測定するものであり、コ字形に配設された鉄柵によって測定空間Ｓが区画形成されている。この測定空間Ｓには、製造ラインにおいて組みつけられた自動車のボディを固定する不図示の支持台が設けられている。建付け工程を完了した自動車のボディＢは、搬送装置によって測定空間Ｓに搬送され、支持台に支持されることとなる。

上記のボディ精度測定装置１００は、測定空間Ｓを形成する鉄柵に撮像装置や本発明の距離測定装置が複数取り付けられており、これらの撮像装置や距離測定装置によって、測定対象となるボディの各精度が機械的に測定される。ここで、ボディ精度測定装置１００には、図３に示すように、支持台に支持されたボディＢの側方に位置する距離測定装置１が取り付けられている。この距離測定装置１は、測定対象であるボディＢまでの距離を測定するものであり、測定された距離によってボディＢの建付け精度が測定されることとなる。以下では、この距離測定装置１の構成について詳細に説明する。

図４に示すように、距離測定装置１は、センサや基板を有する検出手段をケーシング２内に固定している。このケーシング２内に収容される検出手段は、光を発生して投光ビームを測定対象に照射する投光素子３、および、測定対象からの反射光を受光する受光素子４を備えている。そして、ケーシング２には、投光部３ａおよび受光部４ａが形成されており、投光素子３から発生される投光ビームが投光部３ａからケーシング２の外方に出力されるとともに、測定対象からの反射光が受光部４ａからケーシング２内の受光素子４に入力するようになっている。

図４（ｂ）および図４（ｃ）からも明らかなように、ケーシング２は、平板部材からなる可動プレート５の取り付け面５ａに面接触状態で固定される。具体的には、図５に示すように、可動プレート５には対角線上に一対の取付孔６が形成されており、取付孔６を挿通する不図示のネジによって、ケーシング２が可動プレート５の取り付け面５ａに固定されている。
また、可動プレート５には、取り付け面５ａ側から裏面５ｂ側に貫通する４つのロック孔７が所定の間隔で形成されている。このロック孔７は、図４に示される直動案内ユニット８を固定するためのものである。具体的には、直動案内ユニット８には、可動プレート５のロック孔７に対応するネジ孔８ａが４つ形成されており、各ロック孔７とネジ孔８ａとを一致させた状態で、取り付け面５ａ側から不図示のネジを締結することによって、可動プレート５の裏面５ｂに直動案内ユニット８が固定されることとなる。

また、図４（ａ）に示すように、直動案内ユニット８には、一対のネジ孔８ｂが形成されている。このネジ孔８ｂは、直動案内ユニット８を固定プレート９に固定するためのもので、ネジ孔８ａ間に位置している。固定プレート９は、図６に示すように、可動プレート５よりも面積の小さい平板部材によって構成されており、その中央近傍にロック孔１０が一対形成されている。このロック孔１０は、直動案内ユニット８のネジ孔８ｂに対応しており、固定プレート９のロック孔１０と、直動案内ユニット８のネジ孔８ｂとを一致させた状態で、ネジ孔８ｂ側から不図示のネジを締結することによって、直動案内ユニット８が固定プレート９に固定されることとなる。
これにより、直動案内ユニット８は、一方の面が可動プレート５に固定され、他方の面が固定プレート９に固定されることとなる。言い換えれば、可動プレート５と固定プレート９との間に直動案内ユニット８が介在することとなり、この直動案内ユニット８によって、固定プレート９に対する可動プレート５の往復直線運動がガイドされることとなる。

そして、固定プレート９の一側辺近傍には、一対のモータ固定孔１１が形成されている。このモータ固定孔１１は、図７に示すモータ固定ブラケット１２を固定するためのものであり、モータ固定ブラケット１２の取り付け孔１２ａとモータ固定孔１１とを一致させた状態で、不図示のネジによって両者が固定されることとなる。
このモータ固定ブラケット１２は、取り付け孔１２ａが形成される固定部１２ｂと、この固定部１２ｂに連続形成される突出部１２ｃとを有しており、この突出部１２ｃの先端には、当該突出部１２ｃから９０度屈曲するモータ保持部１２ｄが設けられている。
そして、図４（ａ）に示すように、モータ固定ブラケット１２は、固定プレート９に固定された状態において、当該固定プレート９、可動プレート５およびケーシング２のそれぞれの対向面よりも外方に突出部１２ｃおよびモータ保持部１２ｄを位置させることとなる。

上記のモータ保持部１２ｄには、本発明の可動アクチュエータを構成する電動モータＭが固定される。図４（ａ）からも明らかなように、電動モータＭは、本体をケーシング２、可動プレート５および固定プレート９の側辺に沿わせた状態でモータ保持部１２ｄに保持されている。
なお、モータ保持部１２ｄには貫通孔１２ｅが形成されており、電動モータＭがモータ保持部１２ｄに保持されたときに、電動モータＭの出力軸１３が貫通孔１２ｅを貫通するようになっている。

そして、この電動モータＭの出力軸１３も、ケーシング２、可動プレート５および固定プレート９の側辺と平行な状態を維持しているが、この出力軸１３の先端には偏心ローラ１４が設けられている。なお、この偏心ローラ１４は、その中心点を出力軸１３の軸心から１ｍｍ〜２ｍｍ程度ずらして設けられている。
また、この偏心ローラ１４の外周には伝達プレート１５が嵌合されている。この伝達プレート１５は、図８に示すように、断面コ字形に形成された嵌合部１５ａと、この嵌合部１５ａに連続する固定部１５ｂとを備えている。

図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、嵌合部１５ａには偏心ローラ１４の外周が密着状態で嵌合しており、また、固定部１５ｂは、可動プレート５の裏面５ｂに締結部材１６によって固定されている。
したがって、偏心ローラ１４が回転すると、伝達プレート１５が往復直線運動を行うとともに、この伝達プレート１５と一体となって可動プレート５が固定プレート９に対して往復直線運動を行うこととなる。そして、可動プレート５には、投光素子３および受光素子４が収容されたケーシング２が固定されているため、電動モータＭを駆動することによって、投光素子３および受光素子４が一体的に往復直線運動を行うこととなる。

上記の構成からなる距離測定装置１を上記のボディ精度測定装置１００に用いる場合には、投光部３ａおよび受光部４ａをボディＢの測定部位に臨ませるとともに、投光部３ａおよび受光部４ａが、ボディＢの測定部位に対して平行に移動するように取り付ける。そして、電動モータＭを駆動してケーシング２すなわち投光素子３および受光素子４を、測定部位に対して平行に往復動させた状態で距離の測定を行うこととなる。以下では、距離の測定を行う際の処理について詳細に説明する。

図９は、距離の測定を行う制御装置のブロック図である。本発明の処理手段となる制御装置５０は、ＣＰＵやＲＯＭに記憶される各種のプログラム等によって構成される演算部と、ＲＡＭによって構成される記憶部とを有している。
この制御装置５０の入力側には受光素子４が接続されており、受光素子４から制御装置５０に検出信号が入力するようになっている。また、制御装置５０の入力側には入力部５１が接続されている。入力部５１は、例えば、オペレータが操作可能なスイッチによって構成されており、距離の測定を開始する際に、測定開始信号が制御装置５０に入力するようになっている。

また、制御装置５０の出力側には、電動モータＭ、投光素子３および出力部５２が接続されている。制御装置５０は、入力部５１から測定開始信号が入力すると、電動モータＭを駆動したり、投光素子３から投光ビームを投光したりする。また、出力部５２は、受光素子４から入力する検出信号の分析・演算結果を出力するものであり、画面上や紙面上に分析・演算結果を表示したり、あるいは音声を出力したりするものである。
なお、制御装置５０は、投光素子３および受光素子４を有する検出手段とともにケーシング２内に設けてもよいし、ケーシング２の外方に設けるとともにケーブルを介して検出手段と接続するようにしてもよい。

次に、図１０を用いて、制御装置５０が実行する距離測定処理について説明する。この図１０に示す距離測定処理は、入力部５１から測定開始信号が入力したことを契機として開始される。

（ステップＳ１）
測定開始信号が入力すると、制御装置５０は、電動モータＭを通電して駆動する。これにより、ケーシング２がボディＢの測定部位に対して平行に往復動を開始することとなる。

（ステップＳ２）
次に、制御装置５０は、投光素子３から光を発生させて、測定対象であるボディＢの測定部位に投光ビームを照射させる。

（ステップＳ３）
次に、制御装置５０は、受光素子４に入力する反射光を分析するとともに、分析結果を記憶部に記憶する。

（ステップＳ４）
次に、制御装置５０は、記憶部に記憶されている分析回数（Ｎ）に「１」を加えた値を新たな分析回数（Ｎ）として記憶する。なお、測定開始時点では，記憶部に分析回数（Ｎ）=０と記憶されており、分析回数（Ｎ）が「１００」になるまで繰り返し分析が行われることとなる。

（ステップＳ５）
次に、制御装置５０は、記憶部に記憶された分析回数（Ｎ）が「１００」であるかを判定する。その結果、分析回数（Ｎ）＝１００であると判定した場合にはステップＳ８に処理を移し、分析回数（Ｎ）は「１００」ではないと判定した場合にはステップＳ６に処理を移す。

（ステップＳ６）
上記ステップＳ５において、分析回数（Ｎ）は「１００」ではないと判定した場合には、制御装置５０は、タイマカウンタにＴ時間（例えば０．０１秒）に対応するカウンタ値をセットする。なお、ここでセットするＴ時間は、受光結果をＮ回分析する際のインターバル時間である。つまり、ここでは、受光結果の分析がＴ時間おきに合計Ｎ回行われることとなる。

（ステップＳ７）
次に、制御装置５０は、上記ステップＳ６においてタイマカウンタにセットされたカウンタ値が「０」になったかを判定する。タイマカウンタにセットされたカウンタ値は減算されていき、カウンタ値が「０」になるまで当該処理を繰り返して待機するとともに、カウンタ値＝０となった場合には、受光結果の分析を再度行うべくステップＳ３に処理を移す。これにより、ステップＳ３〜ステップＳ７の処理がＴ時間おきに繰り返して行われるとともに、受光結果の分析が１００回行われたところで、ステップＳ８に処理が移されることとなる。

（ステップＳ８）
受光結果の分析が１００回行われて、上記ステップＳ５で分析回数（Ｎ）＝１００であると判定された場合には、制御装置５０は、記憶部に記憶された分析回数（Ｎ）をリセットする。

（ステップＳ９）
次に、制御装置５０の演算部は、記憶部に記憶された１００回の分析結果の平均値を算出する。

（ステップＳ１０）
次に、制御装置５０は、上記ステップＳ９の演算結果を出力部５２に出力する。なお、予め規定範囲を設定しておき、演算結果が規定範囲外であった場合には、出力部５２においてエラーを報知することが望ましい。

（ステップＳ１１）
次に、制御装置５０は、電動モータＭの通電を停止して駆動を停止させる。

（ステップＳ１２）
次に、制御装置５０は、投光素子３からの投光を停止して、当該処理を終了する。

上記の処理によれば、投光素子３および受光素子４が測定対象であるボディＢに対して平行に移動している過程で、複数回の受光結果が取得される。したがって、複数の異なる測定部位に対して測定が行われるとともに、その平均値によって距離が測定されるので、測定対象の表面に現れるムラやキズによって生じる計測誤差が低減され、計測精度を向上することができる。
なお、上記実施形態においては、制御装置５０がＴ時間おきに自動で分析を行うようにしたが、例えば、電動モータＭの駆動中に、入力部５１から操作信号が入力したときに受光結果を分析・記憶するようにしても構わない。

また、上記実施形態における距離測定装置１の構造は一例に過ぎず、本発明の目的を実現可能な範囲で適宜設計変更が可能である。例えば、図１１に示す変形例のように、さらなる構成を備えるようにしてもよい。
すなわち、この変形例の距離測定装置は、上記実施形態の距離測定装置１に、シートヒーターからなる温度調整手段６０、断熱手段６１および温度センサからなる温度検知手段６２がさらに取り付けられている。

具体的には、ケーシング２には、その所定面に温度調整手段６０が設けられるとともに、他の面の外周を断熱手段６１によって被覆している。また、温度調整手段６０の熱が直接影響しないように、当該温度調整手段６０が設けられる面と異なる面に温度検知手段６２が設けられている。
そして、温度調整手段６０および温度検知手段６２を上記の制御装置５０に電気的に接続するとともに、制御装置５０が、温度調整手段６０を制御して温度検知手段６２によって検知される温度を一定に維持するようにする。

この変形例によれば、表面状態の違いによる計測誤差を低減するための制御と、温度変化による計測誤差を低減するための制御とが、一つの制御装置５０によって実現されるので、低コストでありながらも距離測定の精度を向上することが可能となる。
なお、上記実施形態においては、投光素子３および受光素子４が一体的に往復直線運動を行う例を示したが、投光素子３および受光素子４が一体的に測定対象であるボディＢに対して略平行状態を維持したまま移動してその移動中に距離測定のための投光ビームの照射および反射光の受光を複数回行うことができればよく、また、その移動形態は往復直線運動に限らず、測定対象における目的部位周辺の複数箇所を連続的に測定できれば振り子状の往復運動、円運動、８の字状の運動の様な周期的な連続運動であってもよい。
また、上記実施形態においては、本発明を自動車のボディ精度測定装置に採用した場合について説明したが、本発明が適用可能な装置や測定対象はこれに限らず、距離を測定する際に広く適用が可能である。

１ 距離測定装置
２ ケーシング
３ 投光素子
４ 受光素子
８ 直動案内ユニット
１３ 出力軸
１４ 偏心ローラ
５０ 制御装置
Ｍ 電動モータ

Claims (8)

1. 光を発生して投光ビームを測定対象に照射する投光素子、および、前記測定対象からの反射光を受光する受光素子を有する検出手段と、
   前記受光素子の出力に基づいて測定対象までの距離を演算する処理手段と、を備えた距離測定装置において、
   前記検出手段は、前記測定対象に平行な方向に移動可能に設けられ、
   前記処理手段は、複数の異なる地点における前記測定対象までの距離を演算可能であることを特徴とする距離測定装置。
2. 前記検出手段を移動させる可動アクチュエータを備えたことを特徴とする請求項１記載の距離測定装置。
3. 前記可動アクチュエータは、前記検出手段を周期的に移動させるとともに、
   前記処理手段は、前記検出手段が一周期移動する間に前記測定対象への前記投光ビームの照射及び前記測定対象からの反射光の受光を複数回行うことを特徴とする請求項２記載の距離測定装置。
4. 前記処理手段は、前記可動アクチュエータの駆動中に測定対象までの距離を所定の間隔で複数回演算し、前記複数回の演算結果の平均値を出力することを特徴とする請求項３記載の距離測定装置。
5. 前記検出手段が固定されるケーシングと、
   前記ケーシングを摺動自在に支持する直動案内ユニットと、を備え、
   前記可動アクチュエータは、前記直動案内ユニットに沿って前記ケーシングを往復直線運動させることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の距離測定装置。
6. 前記可動アクチュエータを構成するモータと、
   前記モータの出力軸に設けられた偏心ローラと、を備え、
   前記偏心ローラの回転変位によって前記ケーシングが直動案内ユニットに沿って移動することを特徴とする請求項５記載の距離測定装置。
7. 投光素子から光を発生して投光ビームを測定対象に照射する工程と、
   前記測定対象からの反射光を受光素子によって受光する工程と、
   前記受光素子の出力に基づいて測定対象までの距離を演算する工程と、を備えた距離測定方法において、
   前記投光素子および受光素子を測定対象に平行な方向に一体的に移動する工程と、
   前記投光素子および受光素子の移動によって変位する複数の異なる地点における前記測定対象までの距離を演算する工程と、を備えたことを特徴とする距離測定方法。
8. 複数回演算された前記測定対象までの距離の平均値を出力する工程をさらに備えたことを特徴とする請求項７記載の距離測定方法。

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