特許 7340322 共焦点変位計測システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-08-30

(45)【発行日】2023-09-07

(54)【発明の名称】共焦点変位計測システム

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/00 20060101AFI20230831BHJP

   G01B 11/06 20060101ALI20230831BHJP

【ＦＩ】

G01B11/00 B

G01B11/06 Z

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2017115551

(22)【出願日】2017-06-13

(65)【公開番号】P2019002719

(43)【公開日】2019-01-10

【審査請求日】2020-03-26

【審判番号】

【審判請求日】2022-08-05

(73)【特許権者】

【識別番号】000129253

【氏名又は名称】株式会社キーエンス

(74)【代理人】

【識別番号】110000062

【氏名又は名称】弁理士法人第一国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】須部 敦

(72)【発明者】

【氏名】大川 陽平

(72)【発明者】

【氏名】橋川 悟

【合議体】

【審判長】岡田 吉美

【審判官】九鬼 一慶

【審判官】濱本 禎広

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－２７７１５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１６９５４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１５９０４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－２９７６６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－１１６２６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０８５８３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０３－１１８４０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－２９５２７６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

G01B 11/00 -11/30

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

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測システムであって、
それぞれが前記計測対象物の変位の測定値を計測する２以上の測定ユニットと、
前記測定ユニットと内部バスを介して通信可能に接続され、前記測定ユニットを制御する制御ユニットとを備え、
前記測定ユニットは、複数の波長を有する光を生成する投光用光源と、
前記投光用光源からの光を通過させることによって検出光を出射するピンホールと、
前記ピンホールを介して出射された前記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と、
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ピンホールを通過した検出光を分光し、波長ごとの受光強度を表す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、前記測定値として前記制御ユニットへ出力する測定制御部と、
前記投光用光源、前記分光器及び前記測定制御部を収容する測定筐体とを有し、
前記制御ユニットは、前記測定値を取得するタイミングを前記測定ユニットに指示するための測定タイミング信号を生成するタイミング制御部と、
前記測定タイミング信号をトリガとして複数の前記測定ユニットによりそれぞれ取得された複数の測定値に基づいて、前記計測対象物の物理量を算出する物理量算出部と、
外部機器と通信し、算出された前記物理量を前記外部機器へ送信する外部通信部と、
前記内部バスが通され、前記測定筐体と着脱可能にスタッキング接続するための測定筐体連結部が設けられ、前記タイミング制御部、前記物理量算出部及び前記外部通信部を収容する制御筐体とを有し、
前記共焦点変位計測システムはさらに、
前記測定タイミング信号及び前記測定値を伝送するための通信ケーブルと、
前記通信ケーブルの一端が接続され、前記測定タイミング信号及び前記測定値の送受信を中継する増設ユニットと、
前記通信ケーブルの他端が接続され、前記測定タイミング信号及び前記測定値の送受信を中継する接続ユニットとを備え、
前記測定筐体連結部に設けられた前記内部バスは、
前記測定値が送受信されるデータ線と、
前記測定タイミング信号を送受信するための信号線であって、前記データ線とは異なる測定タイミング信号線とを備え、
前記増設ユニットは、前記制御ユニットと２以上の前記測定ユニットである第１グループの測定ユニットとの間に設けられ、前記制御ユニットから前記測定タイミング信号及び前記測定値の伝送路を分岐し、前記第１グループの測定ユニット及び前記接続ユニットに対する送受信を中継し、
前記接続ユニットは、２以上の測定ユニットである第２グループの測定ユニットが接続され、前記通信ケーブルを介して前記制御ユニットから伝送された前記測定タイミング信号及び前記測定値の、前記第２グループの測定ユニットに対する送受信を、前記内部バスを介して中継し、
前記第１グループの測定ユニット及び前記第２グループの測定ユニットの各々の前記測定制御部は、前記内部バスの前記測定タイミング信号線を介して受信した前記測定タイミング信号に基づいて、前記測定筐体内の前記分光器を制御し前記測定値を互いに同期して取得し、前記内部バスの前記データ線を介して前記制御ユニットへ送信し、
前記制御ユニットは、前記第１グループの測定ユニット及び前記第２グループの測定ユニットから受信した同期化された前記測定値に基づいて、前記計測対象物の物理量を算出することを特徴とする共焦点変位計測システム。

【請求項2】

前記タイミング制御部は、前記２以上の測定ユニットをグループ化し、同一のグループに属する測定ユニットに対し、測定値の取得を前記測定タイミング信号によって同期させることを特徴とする請求項１に記載の共焦点変位計測システム。

【請求項3】

前記測定筐体は、前記制御筐体の前記測定筐体連結部と着脱可能に連結する第１連結部と、他の測定ユニットの測定筐体と着脱可能に連結するための第２連結部とを有し、
前記第１連結部が前記測定ユニットの前記第２連結部に接続された前記他の測定ユニットの前記測定制御部は、前記第１連結部を介して受信した前記測定タイミング信号に基づいて測定値を取得し、前記第１連結部を介して前記制御ユニットへ送信することを特徴とする請求項１又は２に記載の共焦点変位計測システム。

【請求項4】

前記増設ユニットは、前記制御ユニットの前記測定筐体連結部と着脱可能に連結する第３連結部と、前記測定ユニットの測定筐体と着脱可能に連結するための第４連結部とを有し、
前記接続ユニットは、前記測定ユニットの測定筐体と着脱可能に連結するための第５連結部を有す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測システム。

【請求項5】

前記測定ユニットは、前記ピンホール及び前記光学部材を収容するヘッド筐体と、
前記投光用光源からの光を前記ヘッド筐体に伝送する光ファイバであって、端面が前記ピンホールとして機能する光ファイバからなるファイバケーブルとを有し、
前記測定筐体は、測定筐体の前面に対し、前記光ファイバが斜めに突出する状態で、前記ファイバケーブルを着脱可能に接続するファイバケーブル接続部を有することを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の共焦点変位計測システム。

【請求項6】

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を複数の波形データに分割し、測定値の送信と並行して前記制御ユニットへ送信し、
前記外部通信部は、前記測定ユニットから受信した前記複数の波形データからなる受光波形を前記外部機器へ送信することを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の共焦点変位計測システム。

【請求項7】

前記測定筐体及び前記制御筐体は、前記測定筐体連結部を介して直接に連結され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測システム。

【請求項8】

前記測定筐体及び前記制御筐体は、前記測定筐体及び前記制御筐体のうちの一方の筐体から突出する雄型連結部を他方の筐体に設けられた雌型連結部に挿入することによって互いに前記測定筐体連結部において連結され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測システム。

【請求項9】

前記測定筐体及び前記制御筐体は、前記測定筐体連結部とは異なる連結手段によって互いに固定され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測システム。

【請求項10】

前記ファイバケーブル接続部は、前記測定筐体の前面に対し、斜め下方に向けて傾斜したファイバ接続面を有することを特徴とする請求項５に記載の共焦点変位計測システム。

【請求項11】

前記ヘッド筐体には、表示部が設けられ、
前記ファイバケーブルは、測定用の光ファイバと表示用の光ファイバとにより構成され、前記測定筐体側の端部が二又状に分岐し、前記測定筐体に対して着脱可能に接続するためのコネクタがそれぞれ設けられることを特徴とする請求項５に記載の共焦点変位計測システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、共焦点変位計測システムに係り、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測システムの改良に関する。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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に基づいて、計測対象物の変位を求める測定制御部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。

【0004】

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。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

一方向に搬送中の不透明なシート材について厚さを測定する場合、シート材を挟んで対向するように２つの変位計を配置し、変位を計測するタイミングを合わせる必要がある。また、シート材表面の平坦度や反り具合を測定する場合には、シート材の表面に対向するように複数の変位計を配置して測定タイミングを一致させる。

【0006】

従来の共焦点変位計では、上述した様な物理量を測定する場合、ＰＬＣ（プログラマブルロジックコントローラ）などの外部機器を用いて複数の変位計による計測を同期させなければならなかった。このため、外部機器と変位計との間で配線の取り回しが複雑であるという問題があった。また、変位計ごとに、外部機器との通信部や通信ケーブルの接続部を設けなければならず、システム全体が大型化し、製造コストが増大するという問題もあった。

【0007】

なお、従来の共焦点変位計では、ヘッドユニットを接続するためのファイバケーブル接続部の数だけ、投光用光源や分光器をコントローラ内に設けなければならず、当該ファイバケーブル接続部の数よりも測定箇所が少ない場合に、無駄が多いという問題があった。

【0008】

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、配線の取り回しを簡素化し、システム全体が大型化するのを抑制しつつ、複数の測定箇所について変位の計測を同期させることができる共焦点変位計測システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の第１の態様による共焦点変位計測システムは、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測システムであって、それぞれが前記計測対象物の変位を計測する２以上の測定ユニットと、前記測定ユニットを制御する制御ユニットとを備える。前記測定ユニットは、複数の波長を有する光を生成する投光用光源と、前記投光用光源からの光を通過させることによって検出光を出射するピンホールと、前記ピンホールを介して出射された前記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と、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ピンホールを通過した検出光を分光し、波長ごとの受光強度を表す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、測定値として前記制御ユニットへ出力する測定制御部と、前記投光用光源、前記分光器及び前記測定制御部を収容する測定筐体とを有する。前記制御ユニットは、前記測定値を取得するタイミングを前記測定ユニットに指示するための測定タイミング信号を生成するタイミング制御部と、前記測定タイミング信号をトリガとして複数の前記測定ユニットによりそれぞれ取得された複数の測定値に基づいて、前記計測対象物の物理量を算出する物理量算出部と、外部機器と通信し、算出された前記物理量を前記外部機器へ送信する外部通信部と、前記測定筐体と着脱可能に連結するための測定筐体連結部が設けられ、前記タイミング制御部、前記物理量算出部及び前記外部通信部を収容する制御筐体とを有する。前記測定筐体が前記制御筐体に連結された測定ユニットの前記測定制御部は、前記測定筐体連結部を介して受信した前記測定タイミング信号に基づいて測定値を取得し、前記測定筐体連結部を介して前記制御ユニットへ送信する。

【0010】

この共焦点変位計測システムでは、測定タイミングを制御する機能、厚さや平坦度などの物理量を算出する機能、外部機器と通信する機能が制御ユニットに集約されるため、測定ユニットの構成を簡素化することができる。また、制御ユニットにより測定タイミングが制御されるため、ＰＬＣなどの外部機器を別途用いなくても、複数の測定箇所について変位の計測を同期させることができる。さらに、制御ユニットが測定筐体連結部を介して測定ユニットとスタッキング接続されるため、ケーブル接続と比べ、断線や誤配線を抑制することができる。

【0011】

本発明の第２の態様による共焦点変位計測システムは、上記構成に加え、前記測定値が送受信されるデータ線と、前記測定タイミング信号を送受信するための信号線であって、前記データ線とは異なる信号線とを備え、前記２以上の測定ユニットの前記測定制御部が、前記制御ユニットから送信された測定タイミング信号を前記信号線を介して受信し、取得した測定値を前記データ線を介して前記制御ユニットへ送信するように構成される。この様な構成によれば、測定値の送受信による待ち時間が生じないため、複数の測定ユニットに対し、正確に同期して測定値を取得させることができる。

【0012】

本発明の第３の態様による共焦点変位計測システムは、上記構成に加え、前記タイミング制御部が、前記２以上の測定ユニットをグループ化し、同一のグループに属する測定ユニットに対し、測定値の取得を前記測定タイミング信号によって同期させるように構成される。この様な構成によれば、グループごとに異なるタイミングで計測対象物の変位を計測することができる。

【0013】

本発明の第４の態様による共焦点変位計測システムは、上記構成に加え、前記測定筐体が、前記制御筐体の前記測定筐体連結部と着脱可能に連結する第１連結部と、他の測定ユニットの測定筐体と着脱可能に連結するための第２連結部とを有し、前記測定筐体の前記第１連結部が他の測定ユニットの第２連結部に連結された測定ユニットの前記測定制御部は、前記第１連結部を介して受信した前記測定タイミング信号に基づいて測定値を取得し、前記第１連結部を介して前記制御ユニットへ送信するように配置される。この様な構成によれば、第１連結部及び第２連結部を介して測定ユニット同士をスタッキング接続させることができる。

【0014】

本発明の第５の態様による共焦点変位計測システムは、上記構成に加え、前記測定タイミング信号及び前記測定値を伝送するための通信ケーブルと、前記通信ケーブルの一端が接続され、前記測定タイミング信号及び前記測定値の送受信を中継する増設ユニットと、前記通信ケーブルの他端が接続され、前記測定タイミング信号及び前記測定値の送受信を中継する接続ユニットとを備え、前記増設ユニットが、前記制御ユニットの前記測定筐体連結部と着脱可能に連結する第３連結部と、前記測定ユニットの測定筐体と着脱可能に連結するための第４連結部とを有し、前記接続ユニットが、前記測定ユニットの測定筐体と着脱可能に連結するための第５連結部を有するように構成される。

【0015】

この様な構成によれば、通信線を通信ケーブル用に分岐させ、通信ケーブルを着脱させる機能が増設ユニット及び接続ユニットに集約されるため、制御ユニット及び測定ユニットの構成を簡素化することができる。

【0016】

本発明の第６の態様による共焦点変位計測システムは、上記構成に加え、前記測定ユニットが、前記ピンホール及び前記光学部材を収容するヘッド筐体と、前記投光用光源からの光を前記ヘッド筐体に伝送する光ファイバであって、端面が前記ピンホールとして機能する光ファイバからなるファイバケーブルとを有し、前記測定筐体が、測定筐体の前面に対し、前記光ファイバが斜めに突出する状態で、前記ファイバケーブルを着脱可能に接続するファイバケーブル接続部を有するように構成される。この様な構成によれば、光ファイバが測定筐体の前面に対して垂直に突出する場合と比べ、ファイバケーブルを取り回す際に、測定筐体の前方の空間を省スペース化することができる。

【0017】

本発明の第７の態様による共焦点変位計測システムは、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を複数の波形データに分割し、測定値の送信と並行して前記制御ユニットへ送信し、前記外部通信部が、前記測定ユニットから受信した前記複数の波形データからなる受光波形を前記外部機器へ送信するように構成される。

【0018】

この様な構成によれば、受光波形の送受信によって測定値の送受信に待ち時間が生じるのを抑制しつつ、外部機器において測定ユニットの受光状態を受光波形によって確認することができる。

【0019】

本発明の第８の態様による共焦点変位計測システムは、上記構成に加え、前記測定筐体及び前記制御筐体が、直接に連結される。制御ユニットと測定ユニットとは、筐体同士が直接に連結されるため、ユニット間の配線を簡素化することができる。

【0020】

本発明の第９の態様による共焦点変位計測システムは、上記構成に加え、前記測定筐体及び前記制御筐体が、前記測定筐体及び前記制御筐体のうちの一方の筐体から突出する雄型連結部を他方の筐体に設けられた雌型連結部に挿入することによって互いに連結される。この様な構成によれば、雄型連結部と雌型連結部との係合によって筐体同士が連結されるため、誤連結を防止することができる。

【0021】

本発明の第１０の態様による共焦点変位計測システムは、上記構成に加え、前記測定筐体及び前記制御筐体が、通信用コネクタとは異なる連結手段によって互いに固定される。この様な構成によれば、通信用コネクタに対する負荷を増大させることなく、両筐体を連結することができる。

【0022】

本発明の第１１の態様による共焦点変位計測システムは、上記構成に加え、前記ファイバケーブル接続部が、前記測定筐体の前面に対し、斜め下方に向けて傾斜したファイバ接続面を有する。この様な構成によれば、ファイバケーブルを取り回す際に、測定筐体の前方の空間を省スペース化することができる。

【0023】

本発明の第１２の態様による共焦点変位計測システムは、上記構成に加え、前記ヘッド筐体には、表示部が設けられ、前記ファイバケーブルが、測定用の光ファイバと表示用の光ファイバとにより構成され、前記測定筐体側の端部が二又状に分岐し、前記測定筐体に対して着脱可能に接続するためのコネクタがそれぞれ設けられる。この様な構成によれば、測定筐体に対し、測定用の光ファイバと表示用の光ファイバとを個別に着脱することができる。

【発明の効果】

【0024】

本発明によれば、制御ユニットにより測定タイミングが制御され、制御ユニットが測定筐体連結部を介して測定ユニットとスタッキング接続されるため、配線の取り回しを簡素化し、システム全体が大型化するのを抑制しつつ、複数の測定箇所について変位の計測を同期させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】本発明の実施の形態による共焦点変位計測システム１の一構成例を示したシステム図である。

【図2】共焦点変位計測システム１における各ユニットの接続関係を示した図である。

【図3】図１の制御ユニット２の構成例を示したブロック図である。

【図4】図３の制御ユニット２の外観図である。

【図5】図１の測定ユニット３の構成例を示した図である。

【図6】図５のアンプ部３０の斜視図である。

【図7】図５のアンプ部３０の外観図である。

【図8】図５の投光用光源３０１の構成例を示した図である。

【図9】図５の分光器３０５の構成例を模式的に示した説明図である。

【図10】図１の増設ユニット４の構成例を示したブロック図である。

【図11】図１０の増設ユニット４の外観図である。

【図12】図１の接続ユニット５の外観図である。

【図13】図１の拡張ユニット６の構成例を示したブロック図である。

【図14】図１３の拡張ユニット６の外観図である。

【図15】図１の共焦点変位計測システム１の運用時におけるヘッド部３１の配置の一例を模式的に示した説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

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、ヘッド部の光軸の方向を上下方向として説明するが、ヘッド部の使用時における姿勢や向きを限定するものではない。

【0027】

＜共焦点変位計測システム１＞
図１は、本発明の実施の形態による共焦点変位計測システム１の一構成例を示したシステム図である。共焦点変位計測システム１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とともに、複数の測定箇所について変位の計測を同期させ、得られた複数の測定値から厚さや平坦度などの物理量を算出する複数点同期計測システムである。

【0028】

この共焦点変位計測システム１は、制御ユニット２、測定ユニット３、増設ユニット４、接続ユニット５、拡張ユニット６、表示パネルＤＰ、情報処理端末ＰＣ及びＰＬＣにより構成される。この例では、１台の制御ユニット２に対し、増設ユニット４を介して２台の測定ユニット３が直列に連結されている。また、制御ユニット２には、情報処理端末ＰＣ及びＰＬＣがそれぞれ通信ケーブルを介して接続されている。また、１台の増設ユニット４に対し、２台の接続ユニット５がそれぞれ通信ケーブル９を介して接続され、各接続ユニット５に対し、２台の測定ユニット３が直列に連結されている。

【0029】

測定ユニット３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計測装置であり、ファイバケーブル３２を介してヘッド部３１が接続される。制御ユニット２は、２以上の測定ユニット３を制御するコントローラである。増設ユニット４は、通信ケーブル９を用いて測定ユニット３を増設するための中継装置であり、制御ユニット２に直接に連結される。接続ユニット５は、通信ケーブル９を用いて測定ユニット３を増設するための中継装置であり、測定ユニット３が直接に連結される。

【0030】

情報処理端末ＰＣは、受光波形などの各種情報を画面表示し、測定条件などの設定を行う。ＰＬＣは、各種制御を行うプログラマブルロジックコントローラである。表示パネルＤＰは、測定ユニット用の表示装置であり、測定ユニット３の筐体前面に装着することができる。表示パネルＤＰには、測定値、交差判定値、統計処理値などが表示される。また、測定条件などの設定時には、設定項目などが表示される。この表示パネルＤＰには、操作ボタンが設けられており、測定ユニット３に対して操作入力が可能である。また、表示パネルＤＰには、表示灯が設けられており、測定ユニット３の動作状態やヘッド部３１の状態が表示される。

【0031】

図２は、共焦点変位計測システム１における各ユニットの接続関係を示した図である。この共焦点変位計測システム１は、制御ユニット２、測定ユニット３、増設ユニット４、接続ユニット５及び拡張ユニット６により構成される。

【0032】

測定ユニット３は、制御ユニット２、他の測定ユニット３、増設ユニット４及び接続ユニット５とそれぞれスタッキング接続８することができる。スタッキング接続８は、２つのユニットの筐体にそれぞれ設けられた連結部によって筐体同士を直接に連結し、連結部を介して両ユニットを電気的に接続する接続方法である。つまり、測定ユニット３は、通信ケーブルを用いることなく、制御ユニット２、他の測定ユニット３、増設ユニット４又は接続ユニット５と電気的に接続することができる。

【0033】

制御ユニット２は、内部バス１０を利用して各測定ユニット３に測定条件や測定タイミングを指示し、変位の測定値を各測定ユニット３から取得して所定の物理量を算出する。また、制御ユニット２は、内部バス１１を利用して拡張ユニット６と各種情報を送受信する。制御ユニット２には、商用電源７から電力が入力され、電源ライン１２を介して測定ユニット３、増設ユニット４、接続ユニット５及び拡張ユニット６に供給される。

【0034】

制御ユニット２は、測定ユニット３、増設ユニット４及び拡張ユニット６とそれぞれスタッキング接続８することができる。つまり、制御ユニット２は、通信ケーブルを用いることなく、測定ユニット３、増設ユニット４又は拡張ユニット６と電気的に接続することができる。

【0035】

増設ユニット４及び接続ユニット５は、通信ケーブル９を介して測定ユニット３を制御ユニット２に接続するための中継装置であり、通信ケーブル９の一端が増設ユニット４に接続され、他端が接続ユニットに接続されている。通信ケーブル９は、内部バス１０の構成と同様であり、測定条件、測定タイミング及び測定値を伝送するための通信線からなる。

【0036】

増設ユニット４は、内部バス１０及び電源ライン１２をそれぞれスタッキング接続用とケーブル接続用とに分岐し、測定条件、測定タイミング及び測定値の送受信を中継する装置であり、制御ユニット２及び測定ユニット３とそれぞれスタッキング接続８することができる。この増設ユニット４には、２つの通信ケーブル９を介して２つの接続ユニット５が接続されている。

【0037】

接続ユニット５は、測定条件、測定タイミング及び測定値の送受信を中継する装置であり、測定ユニット３とスタッキング接続８することができる。この接続ユニット５は、通信ケーブル９を介して受信した各種情報を内部バス１０を介して測定ユニット３へ送信し、内部バス１０を介して受信した測定値を通信ケーブル９を介して増設ユニット４へ送信する。

【0038】

拡張ユニット６は、外部ＩＦ（インターフェース）又は各種機能を拡張するための付加装置であり、制御ユニット２とスタッキング接続８することができる。拡張ユニット６は、例えば、エンコーダ又はネットワーク機器と通信し、これらの外部機器から受信した各種指令を内部バス１１を介して制御ユニット２へ送信する。また、拡張ユニット６は、複数の測定箇所について得られた複数の測定値や制御ユニット２によって算出された物理量を用いて制御ユニット２ではできないような複雑な演算処理を行い、演算処理の結果を内部バス１１を介して制御ユニット２へ送信する。

【0039】

図１に示した共焦点変位計測システム１では、１つの制御ユニット２と、１つの増設ユニット４と、２つの測定ユニット３と、２つの拡張ユニット６とが直列にスタッキング接続８されている。また、各接続ユニット５に対し、２つの測定ユニット３が直列にスタッキング接続８されており、６つの測定箇所の変位を同時に計測することができる。

【0040】

測定ユニット３は、増設ユニット４を用いることなく、直接に制御ユニット２にスタッキング接続８することができる。また、制御ユニット２又は接続ユニット５に対し、スタッキング接続８によって同時に連結可能な測定ユニット３の上限は、例えば、２台であるが、３台以上の測定ユニット３がスタッキング接続８によって連結可能であってもよい。

【0041】

＜制御ユニット２＞
図３は、図１の制御ユニット２の構成例を示したブロック図である。図４は、図３の制御ユニット２の外観図であり、制御筐体２０の前面が示されている。この制御ユニット２は、制御部２１、外部ＩＦ部２２、保護回路２３及び内部電源部２４により構成され、測定ユニット３間で測定タイミングを一致させる同期処理を行う。外部ＩＦ部２２は、ＰＬＣ、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）、表示装置などの外部機器が接続される入出力部であり、デジタル又はアナログの入出力回路又は通信回路からなる。

【0042】

制御部２１は、内部バス１１及び外部ＩＦ部２２を介して各種指令を受信し、内部バス１０を介して測定条件及び測定タイミングを測定ユニット３に指示する。また、制御部２１は、内部バス１０を介して変位の測定値を受信し、複数の測定値から厚さ、平坦度などの物理量を算出して外部ＩＦ部２２を介して外部機器へ送信する。また、制御部は、算出した物理量を予め指定された判定閾値と比較することにより、計測対象物の良否判定を行い、その判定結果を外部ＩＦ部２２を介して外部機器へ送信する。

【0043】

例えば、ＰＣを制御ユニット２に接続することにより、複数の測定ユニット３を用いた計測対象物の測定方法、測定周期、露光条件などを測定設定として指定することができる。制御部２１は、この測定設定に基づいて、各測定ユニット３に対し、測定条件を指示する。

【0044】

この制御部２１は、タイミング制御部２１１、物理量算出部２１２及び外部通信部２１３により構成される。タイミング制御部２１１は、測定値を取得するタイミングを測定ユニット３に指示するための測定タイミング信号を生成し、内部バス１０を介して各測定ユニット３へ送信する。測定タイミング信号は、例えば、内部バス１１又は外部ＩＦ部２２を介して外部機器から受信する測定指令に基づいて、生成される。

【0045】

また、タイミング制御部２１１は、制御ユニット２に接続されている２以上の測定ユニット３をグループ化し、同一のグループに属する測定ユニット３に対し、測定値の取得を測定タイミング信号によって同期させる。スタッキング接続８又は通信ケーブル９を介して制御ユニット２に接続された複数の測定ユニット３に対し、任意にグループ化することができる。

【0046】

例えば、厚さ測定のために対向配置される２つの測定ユニット３を同一のグループとして測定タイミングが同期化される。また、平坦度や反り具合の測定のための３以上の測定ユニット３を同一のグループとして測定タイミングが同期化される。グループ間で測定タイミングをずらすことにとり、他の測定ユニット３から出射された検出光が誤って受光され、測定精度が低下するのを抑制することができる。

【0047】

内部バス１０は、測定タイミング信号を送受信するための信号線１０ａと、変位の測定値が送受信されるデータ線１０ｂとにより構成される。信号線１０ａは、データ線１０ｂとは異なる通信線である。測定値の送受信は、例えば、デイジーチェーン方式で行われるのに対し、測定タイミング信号の送受信は、マルチドロップ方式で行われる。

【0048】

信号線１０ａは、例えば、グループを識別するための識別信号を伝送する信号線と、測定タイミング信号を伝送する信号線とにより構成される。制御部２１は、同一グループに属する複数の測定ユニット３により同期して取得された複数の測定値を共通の識別情報、例えば、グループ名及び測定時刻に対応づけることによって同期化する。

【0049】

物理量算出部２１２は、測定タイミング信号をトリガとして複数の測定ユニット３によりそれぞれ取得された複数の測定値に基づいて、計測対象物の物理量を算出する。複数の測定値は、データ線１０ｂを介して各測定ユニット３から取得される。また、物理量は、同期化された複数の測定値に基づいて算出される。外部通信部２１３は、外部ＩＦ部２２を介して外部機器と通信し、物理量算出部２１２により算出された物理量を外部機器へ送信する。

【0050】

保護回路２３は、商用電源７が接続され、商用電源７から入力された電力を電源ライン１２に供給する際に、電源ライン１２を逆接、過電流、ノイズから保護する。内部電源部２４は、保護回路２３を介して入力された交流電力を直流電力に変換し、制御部２１へ供給する。

【0051】

商用電源７の配線が制御ユニット２のみであるため、システムとして省配線化することができる。また、保護回路２３の機能を制御ユニット２に集約することにより、測定ユニット３や拡張ユニット６などの他のユニットの構成を簡素化し、サイズや製造コストを削減することができる。

【0052】

制御筐体２０は、内部に制御部２１、保護回路２３及び内部電源部２４を収容するハウジング部材である。制御ユニット２、測定ユニット３、増設ユニット４、接続ユニット５及び拡張ユニット６は、例えば、制御盤内に設置される。制御筐体２０の前面は、ユーザが容易にアクセスすることができる操作面であり、外部ＩＦ部２２が配置されている。この外部ＩＦ部２２は、通信ケーブルを着脱可能に接続するための各種の接続端子部２２１～２２７からなり、ＰＬＣやＰＣが接続される。

【0053】

＜測定ユニット３＞
図５は、図１の測定ユニット３の構成例を示した図である。この測定ユニット３は、アンプ部３０、ヘッド部３１及びファイバケーブル３２により構成され、ヘッド部３１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。

【0054】

ヘッド部３１及びアンプ部３０は、ファイバケーブル３２を介して互いに接続されている。ファイバケーブル３２は、投光用の光を伝送する光ファイバ３２１と、表示用の光を伝送する光ファイバ３２２とにより構成される。ファイバケーブル３２の一端には、コネクタ３２３が設けられ、アンプ部３０のコネクタ３０３と着脱可能に接続される。

【0055】

ヘッド部３１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３１２、回折レンズ３１３等の光学部材３１１と、表示部３１４とを備える。光学部材３１１は、光ファイバ３２１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。

【0056】

屈折レンズ３１２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り、光ファイバ３２１の出射端面を介して出射された検出光ＤＬを屈折させる。回折レンズ３１３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素子であり、光ファイバ３２１の出射端面を介して出射された検出光ＤＬを回折させる。この回折レンズ３１３は、レリーフ型の回折レンズであり、上側のレンズ面に微細なレリーフ（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。

【0057】

光ファイバ３２１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３２１のコアの端面は、光ファイバ３２１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３１１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３１２は、光ファイバ３２１の出射端と回折レンズ３１３との間に配置されている。光ファイバ３２１の出射端面と光学部材３１１とは、共焦点光学系を構成している。

【0058】

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３２１の出射端面から出射し、光学部材３１１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３１１を透過して光ファイバ３２１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３２１の出射端面上に結像せず、遮断される。

【0059】

ヘッド部３１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。

【0060】

測定ユニット３では、光ファイバ３２１を介して投光用の光がヘッド部３１に伝送され、ヘッド部３１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３２１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３０１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３１１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。

【0061】

表示部３１４は、ヘッド部３１とファイバケーブル３２との接続部付近に設けられ、光ファイバ３２２を介して表示用光源３０４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。ヘッド筐体３１０は、内部に光学部材３１１及び表示部３１４を収容する鏡筒部材である。ヘッド筐体３１０は、例えば、中心軸を光軸Ｊとする円筒形状からなる。

【0062】

アンプ部３０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３０１、カプラ３０２、コネクタ３０３、表示用光源３０４、分光器３０５、測定制御部３０６及び内部電源部３０７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３０１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。

【0063】

カプラ３０２は、投光用光源３０１から入力された光をヘッド部３１に向けて出力する一方、ヘッド部３１から入力された検出光ＤＬを分光器３０５に向けて出力する方向性結合器である。このカプラ３０２は、一端から２本の光ファイバが延び、他端から１本の光ファイバが延びるＹカプラである。

【0064】

投光用光源３０１からの光は、カプラ３０２、コネクタ３０３及び３２３を介して光ファイバ３２１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３２１、コネクタ３２３、３０３及びカプラ３０２を介して分光器４３に向けて出射される。

【0065】

分光器３０５は、回折格子や撮像素子により構成され、光ファイバ３２１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３０６は、上位ユニットから内部バス１０を介して受信した測定条件や測定タイミングに基づいて動作し、内部バス１０を介して測定条件や測定タイミングを下位ユニットへ送信する。また、測定制御部３０６は、下位ユニットから内部バス１０を介して受信した測定値と、自ユニットで取得した測定値とを内部バス１０を介して上位ユニットへ送信する。測定条件には、測定方法、測定周期、露光条件などがある。また、測定制御部３０６は、露光状態などの測定状況を示す測定ステータス情報を内部バス１０を介して上位ユニットへ送信する。

【0066】

この測定制御部３０６は、分光器３０５の受光信号に基づいて、撮像素子を制御し、反射光を受光する際のシャッタースピード、露光時間、受光信号を増幅する際のゲインなどを調整する。

【0067】

また、測定制御部３０６は、分光器３０５の受光信号に基づいて、計測対象物Ｗの変位を求め、データ線１０ｂを介して測定値を制御ユニット２へ送信する。具体的には、分光器３０５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。変位の測定値は、信号線１０ａを介して受信した測定タイミング信号に基づいて取得され、データ線１０ｂを介して制御ユニット２へ送信される。

【0068】

また、測定制御部３０６は、ＰＣにおいて受光状態を確認するために、波長ごとの受光強度からなる受光波形を測定値の送信と並行して制御ユニット２へ送信する。受光波形は、データ線１０ｂのトラフィックが混雑するのを抑制するために、複数の波形データに分割して送信される。また、受光波形は、測定値の取得間隔よりも長い周期で送信される。制御ユニット２の外部通信部２１３では、測定ユニット３から受信した複数の波形データからなる受光波形が外部ＩＦ部２２を介して外部機器へ送信される。制御ユニット２に接続されたＰＣや表示装置では、各測定ユニット３の受光波形を確認することができる。

【0069】

表示用光源３０４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、コネクタ３０３及び３２３を介して光ファイバ３２２へ出力される。内部電源部３０７は、電源ライン１２を介して入力された交流電力を直流電力に変換し、投光用光源３０１、表示用光源３０７、分光器３０５及び測定制御部３０６へ供給する。

【0070】

測定ユニット３では、変位の測定値や受光波形が求められ、制御ユニット２へ出力される。制御ユニット２では、測定タイミング信号が各測定ユニット３へ出力され、各測定ユニット３から取得した測定値を利用して平坦度などの物理量が算出される。測定ユニット３は、例えば、制御ユニット２から測定タイミング信号によるトリガ入力を受けて内部トリガを補正し、変位の測定値を取得する。

【0071】

なお、カプラ３０２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。

【0072】

＜測定筐体３００＞
図６は、図５のアンプ部３０の斜視図であり、（ａ）には、測定筐体３００の右側面が示され、（ｂ）には、測定筐体３００の左側面が示されている。図７は、図５のアンプ部３０の外観図であり、（ａ）には、測定筐体３００の前面が示され、（ｂ）には、測定筐体３００の右側面が示されている。

【0073】

測定筐体３００は、アンプ部３０のハウジング部材であり、内部に投光用光源３０１、カプラ３０２、表示用光源３０４、分光器３０５、測定制御部３０６及び内部電源部３０７を収容する。測定筐体３００の右側面には、他の測定ユニット３の測定筐体３００と着脱可能に連結するための連結部３３と、４つの取付部３４とが設けられている。

【0074】

この連結部３３は、雄型の連結部と係合する雌型コネクタであり、測定筐体３００に形成された凹部から露出する接続端子部からなる。取付部３４は、他の測定ユニット３の測定筐体３００を固定するための固定用金具からなる。

【0075】

測定筐体３００の左側面には、制御ユニット２、増設ユニット４、接続ユニット５又は他の測定ユニット３と着脱可能に連結するための連結部３５と、４つの取付部３６とが設けられている。

【0076】

この連結部３５は、雌型の連結部と係合する雄型コネクタであり、測定筐体３００から突出する接続端子部からなる。取付部３６は、他のユニットの筐体を固定するための固定用金具からなる。取付部３６は、例えば、他の測定ユニット３の取付部３４と係合する。連結部３３及び３５は、接続端子部を介して内部バス１０と電源ライン１２とを他のユニットと接続する。

【0077】

測定筐体３００の前面には、ファイバケーブル３２ａ及び３２ｂを着脱可能に接続するためのファイバケーブル接続部３７ａ及び３７ｂが設けられている。測定筐体３００の背面には、制御盤内の設置用レールにアンプ部３０を取り付けるための係合用凹部３８が設けられている。

【0078】

ファイバケーブル接続部３７ａ及び３７ｂは、測定筐体３００の前面に対し、光ファイバが斜めに突出する状態でファイバケーブル３２ａ及び３２ｂをそれぞれ着脱可能に接続するコネクタ３０３である。ファイバケーブル３２ａは、投光用の光を伝送する光ファイバ３２１からなり、ファイバケーブル３２ａは、表示用の光を伝送する光ファイバ３２２からなる。ファイバケーブル３２ａ及び３２ｂは、一端がヘッド部３１のヘッド筐体３１０に接続され、他端が測定筐体３００に接続される。

【0079】

このファイバケーブル接続部３７ａ及び３７ｂは、ファイバケーブル３２ａ及び３２ｂが斜め下方に突出するように配置されている。ファイバケーブル接続部３７ａ及び３７ｂには、例えば、測定筐体３００の前面に対し、斜め下方に向けて傾斜したファイバ接続面が設けられる。
ファイバケーブル３２（３２ａ，３２ｂ）が測定筐体３００の前面に対して垂直に突出する場合と比べ、ファイバケーブル３２を取り回す際に、測定筐体３００の前方の空間を省スペース化することができる。

【0080】

制御ユニット２の制御筐体２０にも測定筐体３００と同様の連結部が設けられる。すなわち、制御筐体２０の右側面には、増設ユニット４又は測定ユニット３と着脱可能に連結するための連結部が設けられる。また、制御筐体２０の左側面には、拡張ユニット６と着脱可能に連結するための連結部が設けられる。これらの連結部は、雄型の連結部と係合する雌型コネクタである。

【0081】

この様に測定筐体３００と制御筐体２０とは、直接に連結される。また、測定筐体３００及び制御筐体２０は、雄型の連結部を雌型の連結部に挿入することによって互いに連結される。さらに、測定筐体３００及び制御筐体２０は、通信用コネクタ（連結部３５など）とは異なる連結手段（取付部３６など）によって互いに固定される。

【0082】

測定筐体３００が制御筐体２０に連結された測定ユニット３の測定制御部３０６は、制御筐体２０の連結部及び測定筐体３００の連結部３５を介して受信した測定タイミング信号に基づいて測定値を取得し、これらの連結部を介して制御ユニット２へ送信する。

【0083】

また、測定筐体３００の連結部３５が他の測定ユニット３の連結部３３に接続された測定ユニット３の測定制御部３０６は、連結部３５を介して受信した測定タイミング信号に基づいて測定値を取得し、連結部３５を介して制御ユニット２へ送信する。

【0084】

ヘッド部３１から延びるファイバケーブル３２は、測定用の光ファイバと表示用の光ファイバとを内包する１本のケーブルであり、測定ユニット側の端部が二又状に分岐し、２つの分岐ケーブル（ファイバケーブル３２ａ及び３２ｂ）の先端には、コネクタがそれぞれ取り付けられている。

【0085】

＜投光用光源３０１＞
図８は、図５の投光用光源３０１の構成例を示した図であり、（ａ）には、投光用光源３０１の側面が示され、（ｂ）には、投光用光源３０１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。この投光用光源３０１は、レーザ光を蛍光体８０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７１、配線基板７２、素子ホルダ７３、集光レンズ７４、レンズホルダ７５、フェルール７６、フェルール押え７７、蛍光体８０、枠体８１及びフィルタ素子８２により構成される。

【0086】

発光素子７１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７１は、発光部を水平方向の前方に向けた状態で配線基板７２に配設されている。例えば、発光素子７１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７３は、配線基板７２を保持する部材であり、レンズホルダ７５に背面側から挿入されている。

【0087】

集光レンズ７４は、発光素子７１から出射されたレーザ光をカプラ３０２から延びる光ファイバ７０の入射端に集光させる光学部材であり、発光素子７１に対向させて配置されている。レンズホルダ７５は、集光レンズ７４を保持する鏡筒であり、集光レンズ７４の前方において縮径している。フェルール７６は、光ファイバ７１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７７は、レンズホルダ７５の縮径部に前面側から挿入されたフェルール７６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７５に取り付けられている。

【0088】

蛍光体８０は、発光素子７１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８０は、その外周面が枠体８１によって保持され、光ファイバ７０の入射端面に接触させた状態でレンズホルダ７５内に配置されている。例えば、蛍光体８０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８０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８０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。

【0089】

フィルタ素子８２は、発光素子７１からのレーザ光を透過し、蛍光体８０からの光を反射する光学部材であり、枠体８１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７０の入射端には、発光素子７１からのレーザ光と、蛍光体８０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。

【0090】

投光用光源３０１は、光ファイバ７０の入射端に、発光素子７１からのレーザ光と蛍光体８０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、ヘッド部３１及びアンプ部３０間のファイバケーブル３２との接続を簡素化することができる。

【0091】

なお、投光用光源３０１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。

【0092】

＜分光器３０５＞
図９は、図５の分光器３０５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３０５が示されている。この分光器３０５は、コリメータレンズ９１、回折格子９２、結像レンズ９３及びイメージセンサ９４により構成され、カプラ３０２から延びる光ファイバ９０の出射端から出射された検出光ＤＬを分光する。

【0093】

光ファイバ９０の出射端、回折格子９２及びイメージセンサ９４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９１は、平行光を得るための光学レンズであり、光ファイバ９０の出射端面に対向するように配置される。

【0094】

回折格子９２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９３は、回折格子９２により分光された検出光ＤＬをイメージセンサ９４上に結像させる。なお、コリメータレンズ９１及び結像レンズ９３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。

【0095】

イメージセンサ９４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９４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。

【0096】

回折格子９２は、イメージセンサ９４に入射した光が受光面で正反射し、回折格子９２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９４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。また、分光器３０５は、透過型の回折格子を用いるものであってもよい。

【0097】

＜増設ユニット４＞
図１０は、図１の増設ユニット４の構成例を示したブロック図である。図１１は、図１０の増設ユニット４の外観図であり、ユニット筐体４０の前面が示されている。この増設ユニット４は、分岐回路４１、ＩＦ部４２及び４３により構成される。ＩＦ部４２及び４３は、２つの通信ケーブル９がそれぞれ接続される入出力部であり、送信バッファや接続端子部４２ａ及び４３ａからなる。

【0098】

分岐回路４１は、内部バス１０をスタッキング接続用とケーブル接続用とに分岐する。ＩＦ部４２及び４３には、分岐回路４１から分岐された内部バス１０がそれぞれ接続され、電源ライン１２を介して入力される電力を通信ケーブル９を介して接続ユニット５へ供給する。

【0099】

ユニット筐体４０は、内部に分岐回路４１を収容するハウジング部材であり、前面には、接続端子部４２ａ，４３ａ及び４４が設けられている。接続端子部４２ａ及び４３ａには、通信ケーブル９がそれぞれ着脱可能に接続される。

【0100】

このユニット筐体４０には、測定筐体３００と同様の連結部が設けられる。すなわち、ユニット筐体４０の右側面には、測定ユニット３の測定筐体３００と着脱可能に連結するための連結部が設けられる。この連結部は、雄型の連結部と係合する雌型コネクタである。一方、ユニット筐体４０の左側面には、制御ユニット２の制御筐体２０と着脱可能に連結するための連結部４５と、複数の取付部４６とが設けられている。この連結部４５は、雌型の連結部と係合する雄型コネクタである。一方、取付部４６は、他のユニットを固定するための固定用金具からなる。

【0101】

図１２は、図１の接続ユニット５の外観図である。接続ユニット５のユニット筐体５０についても、通信ケーブル９が着脱可能に接続される接続端子部５１と、測定筐体３００と同様の連結部とが設けられる。すなわち、ユニット筐体５０の右側面には、測定ユニット３の測定筐体３００と着脱可能に連結するための連結部が設けられる。この連結部は、雄型の連結部と係合する雌型コネクタである。

【0102】

この様な構成により、通信線（内部バス１０）を通信ケーブル用に分岐させ、通信ケーブル９を着脱させる機能が増設ユニット４及び接続ユニット５に集約されるため、制御ユニット２及び測定ユニット３の構成を簡素化することができる。なお、増設ユニット４の機能は、制御ユニット２に内包させてもよい。

【0103】

＜拡張ユニット６＞
図１３は、図１の拡張ユニット６の構成例を示したブロック図である。図１４は、図１３の拡張ユニット６の外観図であり、ユニット筐体６０の前面が示されている。この拡張ユニット６は、制御部６１、内部電源部６２及び外部ＩＦ部６３により構成される。外部ＩＦ部６３は、エンコーダ、ネットワーク機器などの外部機器が接続される入出力部であり、デジタル又はアナログの入出力回路又は通信回路と、接続端子部６４とからなる。

【0104】

制御部６１は、内部バス１１及び外部ＩＦ部６３を介して他の拡張ユニット６又は外部機器から各種指令を受信し、内部バス１１を介して制御ユニット２へ送信する。また、制御部６１は、内部バス１１を介して制御ユニット２から測定データを受信して演算処理し、処理結果を内部バス１１を介して制御ユニット２へ送信する。内部電源部６２は、電源ライン１２を介して入力された交流電力を直流電力に変換し、制御部６１へ供給する。

【0105】

ユニット筐体６０は、内部に制御部６１及び内部電源部６２を収容するハウジング部材であり、前面には、外部機器を接続するための接続端子部６４が設けられている。このユニット筐体６０には、測定筐体３００と同様の連結部が設けられる。すなわち、ユニット筐体６０の右側面には、制御ユニット２の制御筐体２０と着脱可能に連結するための連結部６５と複数の取付部６６とが設けられている。この連結部６５は、雌型の連結部と係合する雄型コネクタである。取付部６６は、制御ユニット２の制御筐体２０を固定するための固定用金具からなる。一方、ユニット筐体６０の左側面には、他の拡張ユニット６のユニット筐体６０と着脱可能に連結するための連結部が設けられている。この連結部は、雄型の連結部と係合する雌型コネクタである。

【0106】

図１５は、図１の共焦点変位計測システム１の運用時におけるヘッド部３１の配置の一例を模式的に示した説明図である。計測対象物Ｗは、一方向に搬送中の不透明なシート材である。この様な測定対象物Ｗの厚さを測定する場合、シート材を挟んで対向するように２つのヘッド部３１が配置される。また、シート材の幅方向における複数の測定箇所について、厚さを測定するには、幅方向の位置を異ならせて複数のヘッド部３１が配置され、これらのヘッド部３１について、変位を計測するタイミングを同期させる必要がある。

【0107】

本実施の形態によれば、測定タイミングを制御する機能、厚さや平坦度などの物理量を算出する機能、外部機器と通信する機能が制御ユニット２に集約されるため、測定ユニット３の構成を簡素化することができる。また、制御ユニット２により測定タイミングが制御されるため、ＰＬＣなどの外部機器を別途用いなくても、複数の測定箇所について変位の計測を同期させることができる。さらに、制御ユニット２が連結部を介して測定ユニット３とスタッキング接続８されるため、ケーブル接続と比べ、断線や誤配線を抑制することができる。

【0108】

制御ユニット２に対し、複数の測定ユニット３が横方向に連結されるため、ユニット間の配線を簡素化することができる。また、制御盤などの設置スペースに応じて各ユニットの配置レイアウトを変更することができる。

【0109】

また、測定タイミング信号は、データ線１０ｂとは異なる信号線１０ａを介して測定ユニット３に伝送されるため、測定値の送受信による待ち時間が生じないため、複数の測定ユニット３に対し、正確に同期して測定値を取得させることができる。

【0110】

なお、本実施の形態では、投光用の光をヘッド部３１に伝送する光ファイバ３２１の端面を共焦点光学系のピンホールとして機能させる場合の例について説明したが、本発明は、光ファイバを用いることなく、投光用の光がピンホールに誘導され、計測対象物Ｗによって反射され、ピンホールを通過した検出光が分光器３０５に誘導されるものにも適用することができる。

【符号の説明】

【0111】

１ 共焦点変位計測システム
２ 制御ユニット
２０ 制御筐体
２１ 制御部
２１１ タイミング制御部
２１２ 物理量算出部
２１３ 外部通信部
２２ 外部ＩＦ部
２３ 保護回路
２４ 内部電源部
３ 測定ユニット
３０ アンプ部
３００ 測定筐体
３０１ 投光用光源
３０４ 表示用光源
３０５ 分光器
３０６ 測定制御部
３０７ 内部電源部
３１ ヘッド部
３１０ ヘッド筐体
３１１ 光学部材
３１４ 表示部
３２，３２ａ，３２ｂ ファイバケーブル
３７ａ，３７ｂ ファイバケーブル接続部
３３，３５ 連結部
４ 増設ユニット
５ 接続ユニット
６ 拡張ユニット
７ 商用電源
８ スタッキング接続
９ 通信ケーブル
１０，１１ 内部バス
１０ａ 信号線
１０ｂ データ線
１２ 電源ライン

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】