JP6737018B2 - 光学計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学計測装置に関し、特に、産業用ネットワークに接続可能な光学計測装置に関する。

多くの生産現場で使用される機械および設備は、典型的には、プログラマブルコントローラ（Programmable Logic Controller；以下「ＰＬＣ」とも称す。）などからなる制御装置を含む制御システムによって制御される。

ＰＬＣと１または複数のリモートＩＯターミナルとの間の通信は、ＰＬＣが通信全体を管理するマスタとして機能し、ポーリング方式を用いて実現される場合もある。例えば、特開２００７−３１２０４３号公報（特許文献１）は、リモートＩＯシステムにおけるマスタ／スレーブ間通信として、一般的には、一斉同報方式とポーリング方式との２通りの通信方式を開示する。

特開２００７−３１２０４３号公報

近年では、産業用オートメーションの現場では、制御コマンドおよびデータ信号を伝達するためのネットワーク（フィールドバスとも呼ばれる）が構築されているのが一般的である。そのようなネットワークの１つとして、ＥｔｈｅｒＣＡＴ（登録商標）がある。ＥｔｈｅｒＣＡＴは同期性を強みとしたフィールドバスであり、全スレーブが１μｓ以下のジッタで同期できることを強みとしている。各スレーブは、この同期タイミングでマスタからの出力信号（制御信号）を受け取り、外部から取得した値をマスタへの入力信号（測定値や状態信号など）に反映する。

一方では、内部同期によって連続的な測定が可能な光学計測装置が存在する。このような光学計測装置をＥｔｈｅｒＣＡＴに接続した場合には、ＥｔｈｅｒＣＡＴに接続された機器の間での同期が問題となる。精度の高い計測を実現するためには、各機器からＰＬＣに入力された信号に反映されたデータが、いつ取得されたかが重要である。

しかし、一般に、光学計測装置では測定値を得るために、ある程度の時間にわたり光を受光しなければならない。すなわち測定時間には受光のための時間が含まれる。さらに、光学計測装置の内部で受光データから測定値を生成する時間も必要になる。このために、光学計測装置では、測定タイミングと測定結果を出力するタイミングとが同期していないことがある。したがって、マスタ装置は、光学計測装置から出力されたデータが、どのタイミングで測定された結果を反映しているのかを判別することが困難である。

本発明の目的は、測定結果を出力するタイミングから、測定開始のタイミングを判別できるように測定を実施する光学計測装置を提供することである。

本発明の一態様に従う光学計測装置は、マスタ装置およびスレーブ装置の間で時刻を同期させる同期機能を有する産業用ネットワークに接続可能に構成された光学計測装置である。光学計測装置は、マスタ装置から一定の通信周期で産業用ネットワークに送信された同期信号を受信するとともに、同期信号に同期して、光学計測装置による測定結果と、第１の状態および第２の状態を有する同期監視信号とを出力するように構成されたインターフェース部と、通信周期とは独立した測定周期で光学的な測定を実行して測定結果を生成するとともに、同期監視信号を生成するように構成された計測部とを備える。計測部は、測定を開始した後のインターフェース部による同期信号の受信に同期して、同期監視信号を第１の状態に設定し、測定結果がインターフェース部から出力される場合に、インターフェース部による同期信号の受信に同期して、同期監視信号を第２の状態に設定する。

上記の構成によれば、測定結果を出力するタイミングから、測定開始のタイミングを判別できるように測定を実施する光学計測装置を提供することができる。同期監視信号が第１の状態に設定される（切り換わる）タイミング、および同期監視信号が第２の状態に設定される（切り換わる）タイミングは、インターフェース部による同期信号の受信に同期する。光学計測の測定の周期が通信周期と異なる場合にも、同期監視信号の状態は通信周期に同期して変化する。たとえば、その通信周期で、マスタ装置は、光学計測装置の測定値を受けるだけでなく、同期監視信号を受ける。マスタ装置は、通信周期に基づいて、測定の開始のタイミングと、その測定の結果が出力されたタイミングを検出することができる。

好ましくは、計測部は、インターフェース部が同期信号を受信するタイミングに同期して、同期監視信号を第１の状態に設定する。

上記の構成によれば、同期監視信号がその測定の開始を示すように、計測部は同期監視信号を第１の状態に設定する。したがって、たとえばマスタ装置は、光学計測装置の測定開始のタイミングをより正確に検出することができる。同期監視信号を第１の状態に設定するタイミングは、インターフェース部が同期信号を受信するタイミングに同期していればよい。たとえば、インターフェース部が同期信号を受信するタイミングに同期して測定を開始するとともに、同期監視信号を第１の状態に設定してもよい。あるいは、測定の開始の次の、インターフェース部が同期信号を受信するタイミングに同期して同期監視信号を第１の状態に設定してもよい。

好ましくは、計測部は、インターフェース部が同期信号に同期して測定結果を出力するタイミングで、同期監視信号を第２の状態に設定する。

上記の構成によれば、計測部が同期監視信号を第２の状態に設定することによって、測定開始のタイミングと、その測定開始のタイミングで得られた測定結果とを関連付けることができる。

好ましくは、計測部は、開始のタイミングが異なる複数の前記測定を並列に実行可能なように構成され、複数の測定により、同期監視信号を第１の状態に設定するタイミングと、同期監視信号を第２の状態に設定するタイミングとが重なる場合には、同期監視信号の状態が変化するように、同期監視信号を第１の状態および第２の状態のいずれかに設定する。

上記の構成によれば、ある測定処理の実行中に次の測定が開始されても、同期監視信号を第１の状態に保つことができる。すなわち、同期監視信号の状態は、後の測定の開始による影響を受けない。したがって、たとえばマスタ装置は、先の測定の開始のタイミングを正確に把握することができる。一方、ある測定処理の結果を出力するタイミングと、別の測定の開始のタイミングとが重なる場合には、そのタイミングにおいて、計測部は、同期監視信号を第２の状態から第１の状態に切り換えるか、または、計測部は、同期監視信号を第１の状態から第２の状態に切り換えることができる。同期監視信号が第１の状態から第２の状態に切り換わる場合には、測定結果が出力されたタイミングと、その測定結果を得るための測定の開始のタイミングとを関連付けることができる。一方、同期監視信号が第２の状態から第１の状態に切り換わる場合には、別の測定の開始のタイミングを示すことができる。

好ましくは、計測部は、開始のタイミングが異なる複数の測定を並列に実行可能であるとともに、複数の測定にそれぞれ対応した複数の同期監視信号を生成可能であるように構成され、複数の測定のうちの第１の測定の開始に応じて、複数の同期監視信号のうち、第１の測定に対応する第１の同期監視信号を第１の状態に設定し、第１の同期監視信号を第２の状態に設定する前に、第１の測定の次の第２の測定を開始するとともに、複数の同期監視信号のうち、第２の測定に対応する第２の同期監視信号を第１の状態に設定する。

上記の構成によれば、それぞれの測定処理に対応した同期監視信号が第１の状態あるいは第２の状態に設定されるので、マスタ装置は、光学計測装置３の複数の測定の各々の開始のタイミングを正確に把握することができる。

上記のいずれかの光学計測装置において、通信周期は、測定周期よりも短い、または、通信周期は、測定周期よりも長く、かつ、計測部による測定処理時間を測定周期に加えた時間よりも短い。

上記の構成によれば、測定結果が出力されたタイミングと、その測定結果を得るための測定の開始のタイミングとを関連付けることの効果を高めることができる。計測部による測定処理時間を測定周期に加えた時間よりも通信周期が長い場合には、通信周期の１周期内に測定を終了させることができる。たとえば、ある通信周期内に測定を開始し、次の通信周期にその測定結果を出力した場合には、測定開始のタイミングと、その測定結果を出力するタイミングとを関連付けることが容易である。しかし、通信周期が測定周期よりも短くなると、マスタ装置がある通信周期で測定結果を受けた場合に、その測定結果を得るための測定が行なわれた時点を特定することがより難しくなる。また、通信周期が測定周期より長く、かつ、計測部による測定処理時間を測定周期に加えた時間よりも短い場合にも、マスタ装置がある通信周期で測定結果を受けた場合に、その測定結果を得るための測定が行なわれた時点を特定することが難しいという問題が生じうる。これらの場合に、同期監視信号の状態を監視することによって、測定結果が出力されたタイミングと、その測定結果を得るための測定の開始のタイミングとを関連付けることができる。

本発明によれば、測定結果を出力するタイミングから、測定開始のタイミングを判別できるように測定を実施する光学計測装置を提供することができる。

本実施の形態に係る計測システムの構成例を示す模式図である。 ＥｔｈｅｒＣＡＴによるスレーブの同期を説明するための模式的なブロック図である。 ＥｔｈｅｒＣＡＴにおける時刻同期機能を説明するための模式図である。 フィールドバスに接続された光学計測装置の測定周期と、ＥｔｈｅｒＣＡＴの通信周期とが同期していない場合の課題点を説明するためのタイミング図である。 一般的な光学式変位センサの処理フローを説明するためのタイミング図である。 光学式変位センサの処理フローの例を示した図である。 本実施の形態に係る光学計測装置による測定周期と通信周期との同期の例を模式的に示したタイミング図である。 本実施の形態に係る光学計測装置による測定周期と通信周期との同期の他の例を模式的に示したタイミング図である。 本実施の形態に係る光学計測装置３の測定時間の長さが通信周期の長さとほぼ同じである場合の例を模式的に示したタイミング図である。 本実施の形態に係る光学計測装置の詳細な構成を示したブロック図である。 本実施の形態に係る光学計測装置による、同期監視信号の出力の例を模式的に示したタイミング図である。 本発明の実施の形態に係る光学計測装置による、通信周期と同期した測定を説明するためのタイミング図である。 本実施の形態に係る光学計測装置によって実行される、同期監視信号の出力に関する一連の処理のフローチャートである。 図１に示された計測システムの応用例を示した概略図である。 ＰＬＣが光学計測装置の測定値とサーボモータからの位置データとを紐づけるときにＰＬＣにおいて対処が必要となる、時間的なずれを説明したタイミング図である。 ずれ量を補正するためのＰＬＣの構成を模式的に示した機能ブロック図である。 補正の前後に、メモリ空間に保持される、位置データおよび光学計測装置３の測定値（高さデータ）を模式的に示した図である。

本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰り返さない。

＜Ａ．制御システムの構成例＞
図１は、本実施の形態に係る計測システム１００の構成例を示す模式図である。図１を参照して、計測システム１００は、ＰＬＣ１と、フィールドバス２と、光学計測装置３と、サーボモータ４とを含む。

ＰＬＣ１、光学計測装置３、および、サーボモータ４はフィールドバス２に接続される。フィールドバス２は、ＰＬＣ１と遣り取りされる各種データを伝送する。フィールドバス２としては、各種の産業用のイーサネット（登録商標）を用いることができる。産業用のイーサネットとしては、例えば、ＥｔｈｅｒＣＡＴ、ＰＲＯＦＩＮＥＴ（登録商標）などがある。以下の説明においては、フィールドバス２としてＥｔｈｅｒＣＡＴが代表的に説明される。

サーボモータ４は、ステージ５を移動させる。図示しないが、サーボモータ４は、エンコーダを含む。エンコーダの値は、ステージ５の位置を表す位置データに相当する。位置データは、フィールドバス２を介してＰＬＣ１に入力される。

光学計測装置３は、ステージ５の上に置かれた計測対象物５１の変位を計測する。光学計測装置３は、センサコントローラ１１と、センサヘッド１２と、ケーブル１３とを含む。センサヘッド１２は、ケーブル１３によってセンサコントローラ１１に接続される。

センサコントローラ１１からの制御信号はケーブル１３を通じてセンサヘッド１２に送られる。後述するように、センサヘッド１２は、投光部および受光部を有する。投光部は、ステージ５に向けて光を照射し、受光部は、ステージ５からの反射光を受光する。受光部から信号が出力されて、その信号は、ケーブル１３を通じてセンサコントローラ１１に送られる。センサコントローラ１１は、センサヘッド１２からの信号に基づいて測定値を算出する。センサコントローラ１１は、フィールドバス２を介してＰＬＣ１に測定値を送る。さらに、センサコントローラ１１は、測定の開始のタイミングと、その測定の結果（測定値）の出力のタイミングとを示す同期監視信号を出力する。ＰＬＣ１は、同期監視信号により、その測定値を得るための測定が開始されたタイミングを把握することができる。なお、この実施の形態では、投光部および受光部がセンサヘッド１２に設けられているが、投光部および受光部はセンサコントローラ１１に設けられていてもよい。

サーボモータ４によってステージ５が移動することにより、光学計測装置３に対して、計測対象物５１の表面が走査される。したがって光学計測装置３は、ステージ５の移動方向に沿って、センサヘッド１２から計測対象物５１の表面までの変位を測定することができる。この結果、光学計測装置３は、ステージ５の移動方向に沿った、計測対象物５１の表面の形状を測定することができる。図１では、ステージ５は一次元方向に動くように示されているが、ステージ５は二次元方向（ＸＹ方向）に可動であってもよい（図１４を参照）。

この実施の形態では、サーボモータ４からＰＬＣ１に入力される位置データ（エンコーダ値）と、光学計測装置３からＰＬＣ１に入力される測定値との間の同期性を担保することができる。したがって、位置情報と測定値（変位情報）を正確に関連付けることが可能になるので、計測対象物５１の表面の形状に関する、より精度の高い情報を得ることができる。

＜Ｂ．フィールドバス＞
図２は、ＥｔｈｅｒＣＡＴによるスレーブの同期を説明するための模式的なブロック図である。図２を参照して、制御システムＳＹＳは、マスタ装置１ａと、スレーブ装置３−１〜３−３と、マスタ装置１ａおよびスレーブ装置３−１〜３−３を接続するフィールドバス２によって構成される。

マスタ装置１ａは、スレーブ装置３−１〜３−３の制御を司る。スレーブ装置３−１〜３−３の各々は、ＩＥＥＥ ８０２．３標準Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）フレームを高速で伝送する。図２に示されるように、フレーム２１は、マスタ装置１ａから送出され、スレーブ装置３−１〜３−３を順番に通過する。フレーム２１は、スレーブ装置３−３において折り返されて、マスタ装置１ａに戻る。フレーム２１は、制御コマンドおよびデータを含むことができる。

ＥｔｈｅｒＣＡＴでは、マスタ装置１ａからフレーム２１が送出された時点からフレーム２１がマスタ装置１ａに戻るまでを１サイクルとする。各スレーブ装置は、フレーム２１が通過する際に、オンザフライで入出力処理を実行する。したがって、１サイクルの間にすべての入出力処理が完了する。

図３は、ＥｔｈｅｒＣＡＴにおける時刻同期機能を説明するための模式図である。図３を参照して、マスタ装置１ａおよびスレーブ装置３−１，３−２，３−３，３−４は、それぞれ時計を有する。この時計は、各装置での処理の実行タイミングなどを定める基準となる。より具体的には、マスタ装置１ａおよびスレーブ装置３−１，３−２，３−３，３−４の各々は、時計として、同期の基準となる時刻情報を周期的に生成するタイマを有している。マスタ装置１ａの時計が基準となり、スレーブ装置３−１〜３−４は、マスタ装置１ａの時計に同期する。より具体的には、スレーブ装置３−１〜３−３の各々は、フィールドバス２上を周期的に伝搬するフレーム（図２を参照）に基づいて、各々が有するタイマに生じている時間的なずれを都度補正する。これによって、すべてのスレーブ装置のジッタのずれを１μｓ以内に抑えることができる。

＜Ｃ．測定周期と通信周期とが同期していない場合の課題＞
図４は、フィールドバスに接続された光学計測装置の測定周期と、ＥｔｈｅｒＣＡＴの通信周期とが同期していない場合の課題点を説明するためのタイミング図である。図４を参照して、一般的に光学計測装置（たとえば光学式変位センサ）では、光学計測装置自体の測定周期にしたがって撮像を行う。光学計測装置は、通信周期記の１サイクルごとに測定値を出力する。

図５は、一般的な光学式変位センサの処理フローを説明するためのタイミング図である。図５を参照して、まず、照明が点灯されるとともに撮像処理が実行される。次に、受光位置を検出する処理が実行される。たとえば受光位置を検出するために、撮像素子において受光強度が最大である位置が特定される（最大の受光強度の位置に対応する撮像素子の画素が特定される）。続いて、たとえばフィルタリング、平均値算出等、測定値を算出する処理が実行される。測定値の算出後に、測定結果として測定値が出力される。

図６は、光学式変位センサの処理フローの例を示した図である。図６を参照して、撮像処理が、ある測定周期Ｔで繰り返し実行される。図６に示した例では、ある測定の開始（撮像の開始）から、その測定の結果を出力するまでに要する時間（以下「測定時間」と呼ぶ）は、測定周期Ｔ＋計測処理時間（３×Ｔ）＝４×Ｔとなる。

図４に戻り、撮像タイミングは測定周期に従う。しかし撮像されたタイミングと、測定値が出力される（測定結果を更新する）タイミングとが異なりうる。光学式変位センサに限らず、光学計測装置の場合には、このように、撮像されたタイミングと、測定値が出力される（測定結果を更新する）タイミングとが異なることが起こる。フィールドバスの通信周期と測定周期とが同期していない場合、ＰＬＣ１では、光学計測装置から送られた測定値が、どのタイミングで測定された結果であるのかを判別することができない。

＜Ｄ．測定周期と通信周期との同期＞
本実施の形態では、光学計測装置は、測定のタイミングをフィールドバスの通信周期に同期させる。これにより、測定のタイミングがフィールドバスの通信周期に関連付けられる。

図７は、本実施の形態に係る光学計測装置３による測定周期と通信周期との同期の例を模式的に示したタイミング図である。図７に示されるように、光学計測装置３は、ＰＬＣ１からのＳＹＮＣ信号の受信に応答して、測定のための割込み処理を発生させる。図７および以後の図において、ＳＹＮＣ信号の受信は「ＳＹＮＣ割込み」と表記される。

図７に示された例では、測定時間（４×Ｔ）が通信周期よりも短い。測定のタイミングをフィールドバスの通信周期に同期させることによって、測定は、次の通信周期の開始よりも早く終了する。したがって、次の通信周期の開始のトリガに応じて、光学計測装置３は、ＰＬＣ１に測定結果を送信することができる。すなわち、光学計測装置３は、ある通信周期内での測定結果を、その次の通信周期内に出力することができる。

図８は、本実施の形態に係る光学計測装置３による測定周期と通信周期との同期の他の例を模式的に示したタイミング図である。図８に示されるように、光学計測装置３は、他のスレーブ機器の入力タイミングと測定開始のタイミングとを同期させるために、ＳＹＮＣ割込みの発生からオフセット時間が経過した後の時点において測定を開始してもよい。オフセットの長さと測定時間との和が通信周期よりも短いので、次の通信周期の開始よりも早く測定が終了する。光学計測装置３は、ある通信周期内での測定結果を、その次の通信周期内に出力することができる。

図７および図８に示された例では、測定時間（またはオフセットと測定時間との和）が通信周期よりも短いため、ＰＬＣ１は測定結果を受信したタイミングに基づいて、その測定結果を得るための測定が実行された通信周期を把握することができる。しかしながら通信周期は、計測システム１００の環境に依存する。一方で、測定周期は、計測対象物５１の反射率、光学計測装置３の仕様、光学計測装置３の個体差といった要因によって決定されるため、通信周期とは独立した長さとなる。必ずしも測定時間が通信周期よりも短くなるように計測システム１００が構築されるとは限らない。

たとえば、計測対象物５１の反射率に依存して、露光時間が長くなることが考えられる。このような場合には、測定時間が通信周期と同じになる可能性、あるいは通信周期より長くなる可能性がある。

図９は、本実施の形態に係る光学計測装置３が測定時間の長さが通信周期の長さとほぼ同じである場合の例を模式的に示したタイミング図である。図９に示されるように、通信周期Ｔ１の開始に同期して、測定が開始される。測定時間ＴＡの長さは、通信周期Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３の各々の長さにほぼ等しい。したがって、測定結果を更新するタイミングが、通信周期Ｔ１の次の通信周期Ｔ２、あるいは、通信周期Ｔ２の次の通信周期Ｔ３でありえる。

測定結果を更新するタイミングが計測システム１００の環境に依存する場合、ユーザが、たとえばユーザマニュアルの記載に基づいて、測定結果の更新タイミングを自分自身で計算することが考えられる。しかし、そのような場合には、ユーザが計測システム構築するための難易度が高くなる。さらに、計算によって求められた更新タイミングが正しいかどうかを確認することも難しい。計算によって求められた更新タイミングが仮に正しいとしても、たとえば光学計測装置３の個体差に依存して、測定結果の更新のタイミングは計算によって求められたタイミングからずれる可能性がある。しかし、そのようなタイミングのずれを検出することは難しい。

本発明の実施の形態では、光学計測装置３が、同期監視信号を出力する。同期監視信号は、通信周期に同期して、第１の状態と第２の状態との間で変化する。第１の状態への変化は、測定の開始を表し、第２の状態への変化は、その測定の結果の出力（すなわち測定の終了）を表す。ＰＬＣ１は、同期監視信号をモニタすることにより、光学計測装置３の測定周期の始まりと終わりとを検出することができる。これにより安定した計測システムを構築することができる。本発明の実施の形態に係る光学計測装置３について、以下に、より詳細に説明する。

＜Ｅ．光学計測装置の構成＞
図１０は、本実施の形態に係る光学計測装置の詳細な構成を示したブロック図である。図１０を参照して、センサコントローラ１１は、インターフェース部３１と、計測部３２と、クロック３３とを含む。計測部３２は、投受光制御部４１と、センサ制御部４２と、演算部４３と、信号生成部４４とを含む。

インターフェース部３１は、フィールドバス２に対する入力／出力を担う。インターフェース部３１は、フィールドバス２において伝送されるフレーム２１（図２を参照）を通じて、ＰＬＣ１からＳＹＮＣ信号を受信する。ＳＹＮＣ信号は、通信周期ごとに発生する信号である。一方、インターフェース部３１は、測定値および同期監視信号を、フィールドバス２を介してＰＬＣ１に送信する。

計測部３２は、光学計測装置３を統括的に制御することにより、測定周期に従って計測対象物５１の変位を光学的に測定する。さらに計測部３２は、その測定の開始および終了を表すための同期監視信号を生成する。

投受光制御部４１は、ＳＹＮＣ信号に応答して、測定を開始するための制御信号を発行する。応じて、センサ制御部４２および演算部４３は測定処理を実行する。演算部４３は、光学計測装置３による変位の測定の結果を示す値を表す測定値を生成する。信号生成部４４は、同期監視信号を生成する。

クロック３３は、光学計測装置３において実行される処理のタイミングなどを定めるためのクロック信号を発生させる。このクロック信号に基づいて測定周期が決定される。ただし、クロック信号は、センサコントローラ１１の内部で発生するものと限定されない。クロック信号は、センサコントローラ１１の外部から供給されてもよい。

センサヘッド１２は、センサ制御部４２からの制御信号を、ケーブル１３を介して受信する。センサヘッド１２は、投光部３４と、受光部３５とを含む。

投光部３４は、制御信号に応じて、ステージ５に向けて光を投射する。受光部３５は、ステージ５または計測対象物５１によって反射された光を受ける。図示しないが、受光部３５は、撮像素子を含んでもよい。受光部３５は、制御信号に応じて、受光部３５が受けた光の量を表す受光信号を出力する。受光信号は、ケーブル１３を介して計測部３２に送られる。演算部４３は、受光信号によって表される受光量に基づいて、測定値を算出する。

光学計測装置３が光学式変位センサである場合、変位の測定の方式は特に限定されない。変位の測定の方式は、たとえば白色共焦点方式であってもよく、三角測量方式であってもよい。

＜Ｆ．光学計測装置の出力＞
図１１は、本実施の形態に係る光学計測装置３による、同期監視信号の出力の例を模式的に示したタイミング図である。図１０および図１１を参照して、時刻ｔ_Ａにおいて、光学計測装置３は、通信周期に同期して測定を開始するとともに、同期監視信号をオフ状態からオン状態に変化させる。したがって時刻ｔ_Ａにおいて、同期監視信号は、第１の状態であるオン状態に設定される。

光学計測装置３は、その測定の結果を出力するタイミングで、同期監視信号をオン状態からオフ状態に変化させる。たとえば、通信周期Ｔ２の開始に同期して光学計測装置３が測定結果を出力する場合、光学計測装置３は、通信周期Ｔ２の開始時刻ｔ_Ｂにおいて、同期監視信号をオン状態からオフ状態に変化させる。したがって時刻ｔ_Ｂにおいて、同期監視信号は、第２の状態であるオフ状態に設定される。通信周期Ｔ３の開始に同期して光学計測装置３が測定結果を出力する場合、光学計測装置３は、通信周期Ｔ３の開始時刻ｔ_Ｂにおいて、同期監視信号をオン状態からオフ状態に変化させてもよい。

同期監視信号の状態がオフ状態からオン状態に変化したタイミングを検出することにより、光学計測装置３による測定の開始を検出することができる。同期監視信号のオン状態は、光学計測装置３が測定中であること、言い換えると、その測定の結果を出力するための処理を実行中であることを表す。同期監視信号の状態がオン状態からオフ状態に変化したタイミングを検出することにより、光学計測装置３から測定結果が出力されたことを検出することができる。

ＰＬＣ１は、同期監視信号の状態をモニタすることによって、光学計測装置３による測定の開始のタイミングと、その測定の結果の出力のタイミングとを検出できる。したがって、ＰＬＣ１は、測定結果が出力されるタイミングと、その測定が開始されるタイミングとを関連付けることができる。

本実施の形態では、同期監視信号の第１の状態はオン状態であり、同期監視信号の第２の状態はオフ状態である。しかしながら、このように限定されるものではない。同期監視信号の第１の状態がオフ状態であり、同期監視信号の第２の状態がオン状態であってもよい。

図１２は、本発明の実施の形態に係る光学計測装置による、通信周期と同期した測定を説明するためのタイミング図である。図１２を参照して、ＰＬＣ１は、ＳＹＮＣ信号を、一定の通信周期Ｔｃで出力する。したがって、光学計測装置３のインターフェース部３１（図１０を参照）は、ＳＹＮＣ信号を、通信周期Ｔｃごとに受信する。

時刻ｔ１において、光学計測装置３は、ＳＹＮＣ信号を受信する。ＳＹＮＣ信号の受信に応じて、光学計測装置３は、時刻ｔ１１において露光および撮像を開始する。時刻ｔ１から時刻ｔ１１までの間の長さは、計測システム１００の環境に依存し得る。

時刻ｔ２において、光学計測装置３は、露光および撮像を終了する。以後、光学計測装置３は、測定結果を出力するための処理を実行する。たとえば時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間の長さは一定である。したがって、時刻ｔ１から時刻ｔ１１までの間の長さを変更することによって、露光時間が変更される。

時刻ｔ３において、光学計測装置３は、次のＳＹＮＣ信号を受信する。時刻ｔ３においては、光学計測装置３は、測定中の状態である。光学計測装置３は、ＳＹＮＣ信号の受信に同期して、同期監視信号の状態をオフ状態からオン状態へと変化させる。

光学計測装置３が測定処理を完了した直後の時刻ｔ４において、光学計測装置３は、ＳＹＮＣ信号を受信する。光学計測装置３は、ＳＹＮＣ信号の受信に同期して、測定を開始する。時刻ｔ４では、時刻ｔ１１に始まった測定の結果は未だ出力されていない。したがって、時刻ｔ４から時刻ｔ５までの間に測定が開始されるものの、同期監視信号はオン状態のままである。時刻ｔ４でのＳＹＮＣ信号の受信により、光学計測装置３は、時刻ｔ１２において露光および撮像を開始する。

時刻ｔ５において、光学計測装置３は、ＳＹＮＣ信号を受信する。光学計測装置３は、ＳＹＮＣ信号の受信に同期して、時刻ｔ１１に始まった測定の結果を出力するとともに、同期監視信号の状態をオン状態からオフ状態へと変化させる。時刻ｔ１１から開始された測定は、時刻ｔ５において終了する。時刻ｔ１１から時刻ｔ５までの長さが測定時間ＴＡである。通信周期Ｔｃは測定周期よりも短い。

時刻ｔ６の直前において、光学計測装置３は、ｔ１２において始まった測定処理を完了する。時刻ｔ６においてＳＹＮＣ信号を受信すると、光学計測装置３は、時刻ｔ１３において露光および撮像を開始する。

時刻ｔ７において、光学計測装置３は、ＳＹＮＣ信号を受信する。光学計測装置３は、ＳＹＮＣ信号の受信に応じて、時刻ｔ１２に始まった測定の結果を出力する。さらに、光学計測装置３は、同期監視信号の状態をオン状態からオフ状態へと変化させる。同期監視信号の状態の変化は、時刻ｔ１３における測定の開始を表す。

時刻ｔ３から時刻ｔ５までの同期監視信号の変化によって示されるように、光学計測装置３は、測定の開始により、同期監視信号を一旦オンすると、その測定の結果を出力するまでの間、同期監視信号をオン状態に維持する。たとえば時刻ｔ１１から開始された測定処理の実行中に、時刻ｔ１２において次の測定処理が開始される。時刻ｔ１２においては、同期監視信号はオン状態である。つまり、同期監視信号の状態は、後の測定の開始による影響を受けない。測定結果を出力するタイミングで、光学計測装置３は同期監視信号をオフする。これにより、測定結果が出力されるタイミングと、その測定が開始されるタイミングとを関連付けることができるので、ＰＬＣ１は、測定値に対応する測定の開始のタイミングを正確に把握することができる。

時刻ｔ５は、時刻ｔ１１において開始された測定処理の結果が光学計測装置３から出力されることを示すように同期監視信号がオフするタイミングであるとともに、時刻ｔ１２から別の測定が開始されたことを示すタイミングでもある。時刻ｔ５以前において、同期監視信号がオン状態であるので、計測部３２は、時刻ｔ５において同期監視信号をオフする。これにより、時刻ｔ５において光学計測装置３から出力される測定結果（測定値）と、その測定値を得るための測定の開始のタイミングとを関連付けることができる。

時刻ｔ７は、時刻ｔ１３において開始された測定処理の結果が出力されることを示すように同期監視信号がオンするタイミングであるとともに、時刻ｔ１２において開始された測定の結果が光学計測装置３から出力されることを示すタイミングでもある。時刻ｔ７以前において、同期監視信号がオフ状態であるので、計測部３２は、時刻ｔ７において同期監視信号をオンする。これにより、同期監視信号は、時刻ｔ７の直前の通信周期において測定が開始されたことを開始されたことを示す。時刻ｔ７以前において、同期監視信号がオフ状態であるということは、時刻ｔ１２において測定が開始されたということを示すように同期監視信号が変化してはいないということである。したがって、測定結果が出力されるタイミングと、その測定が開始されるタイミングとが確実に関連付けられる。

＜Ｇ．同期監視信号の出力のフロー＞
図１３は、本実施の形態に係る光学計測装置３によって実行される、同期監視信号の出力に関する一連の処理のフローチャートである。図１０および図１３を参照して、ＳＹＮＣ割込みの発生により、処理が開始されるとともに、ＳＹＮＣ割込みのたびに図１３に示された一連の処理が繰り返して実行される。

ステップＳ１において、光学計測装置３（たとえば計測部３２）は、ＳＹＮＣ割込みが生じた時点において測定が既に開始されているかどうかを判定する。たとえば、露光および撮像が完了した場合には、測定が既に開始したと判定することができる。この場合（ステップＳ１においてＹＥＳ）、処理はステップＳ２に進む。

ステップＳ２において、光学計測装置３（たとえば信号生成部４４）は、同期監視信号の状態をオフ状態からオン状態に切換える。すなわち、光学計測装置３は、ＳＹＮＣ割込みに応じて、測定開始を示すように同期監視信号の状態を変化させる。

一方、ＳＹＮＣ割込みが生じたタイミングが、測定の開始を示すタイミングとは異なる場合（ステップＳ１においてＮＯ）、処理はステップＳ３に進む。この場合、光学計測装置３（たとえば計測部３２）は、ＳＹＮＣ割込みが生じたタイミングが、測定結果を出力するタイミングであるかどうかを判定する。ＳＹＮＣ割込みが生じたタイミングが、測定結果を出力するタイミングである場合（ステップＳ３においてＹＥＳ）、光学計測装置３（たとえば信号生成部４４）は、同期監視信号の状態をオン状態からオフ状態に切換える。すなわち、光学計測装置３は、ＳＹＮＣ割込みに応じて、測定結果の出力を示すように同期監視信号の状態を変化させる。

一方、ＳＹＮＣ割込みが生じたタイミングが、測定の開始を示すタイミング、および測定結果を出力するタイミングのいずれとも異なる場合（ステップＳ３においてＮＯ）、処理はステップＳ５に進む。この場合には、光学計測装置３（たとえば信号生成部４４）は、同期監視信号の状態をオン状態またはオフ状態に保つ。すなわち同期監視信号の状態は変化しない。ステップＳ２，Ｓ４，Ｓ５のいずれかの処理の実行後には、このフローは、ＳＹＮＣ割り込みによる開始を待つ状態に戻される。

＜Ｈ．応用例＞
図１４は、図１に示された計測システム１００の応用例を示した概略図である。図１および図１４を参照して、計測対象物５１は、ステージ５（図１参照）を駆動するサーボモータ４によって、二次元方向（Ｘ方向およびＹ方向）に走査される。センサヘッド１２は、センサヘッド１２から計測対象物５１までの距離（Ｚ方向の変位）を測定する。位置データと、光学計測装置３の測定値とが、ＰＬＣ１に送られて、ＰＬＣ１は、その内部で実行されるプログラムによって、位置データと光学計測装置３の測定値とを紐づける。図１および図１４に示された構成によれば、ステージ５の加減速の影響を受けにくい変位の計測を実現できる。したがって正確な測定が可能な３次元形状測定システムを実現することができる。

ＰＬＣ１の内部で実行されるプログラムでは、光学計測装置３の測定値と位置データとを紐づけるときには、ＰＬＣ１が光学計測装置３の測定値を受け取るタイミングと、サーボモータ４の位置データを受け取るタイミングとの間のずれを考慮する必要がある。ステージ５の移動速度は常に等速ではないため、時間方向のずれ量が大きいほど計測対象物５１の形状の測定が不正確になるためである。

図１５は、ＰＬＣ１が光学計測装置３の測定値とサーボモータ４からの位置データとを紐づけるときにＰＬＣ１において対処が必要となる、時間的なずれを説明したタイミング図である。図１５において、４種類のタイミングのずれが示される。第１のずれＴ２１は、起点となるタイミングから光学計測装置３が測定を開始するタイミングまでの間のずれである。第２のずれＴ２２は、起点となるタイミングからＰＬＣ１が測定結果を受け取るタイミングまでの間のずれである。第３のずれＴ２３は、起点となるタイミングから、サーボモータ４がステージ５の位置を保持するタイミングまでの間のずれである。第４のずれＴ２４は、起点となるタイミングから、ＰＬＣ１が位置データを受け取るタイミングまでの間のずれである。

第２のずれＴ２２および第４のずれＴ２４は、通信周期Ｔｃを単位とした（通信周期の整数倍の長さを持つ）ずれである。より詳細には、第２のずれＴ２２は、通信周期Ｔｃと測定時間ＴＡ（図１２参照）との組み合わせにより、通信周期Ｔｃを単位として変動する。さらに、光学計測装置３の個体差によっても第２のずれＴ２２は、通信周期Ｔｃを単位として変動しうる。ＰＬＣ１は、同期監視信号がオン状態である時間（たとえば図１２に示された、時刻ｔ３から時刻ｔ５までの間の時間）を測定することにより、第２のずれＴ２２の長さを把握することができる。

光学計測装置３の運用中に第２のずれＴ２２が変動しないという条件が成立する場合、ＰＬＣ１は、光学計測装置３の運用開始時に１度のみ、第２のずれＴ２２の長さを把握すればよい。ＰＬＣ１は、その長さに基づいて、ずれ量を補正することができる。一方、光学計測装置３の運用中に第２のずれＴ２２が変動しうるのであれば、ＰＬＣ１は、同期監視信号のオン状態の時間の長さを常に計測して、その計測された長さに基づいて、ずれ量を補正することができる。

一方、第４のずれＴ２４の長さは、ほぼ一定とみなすことができる。その理由として、ステージ５の位置の保持に必要な処理時間は十分に小さいこと、処理時間の変動がわずかであることが挙げられる。したがって、ＰＬＣ１は、予め確定された（たとえば仕様により確定された）ずれ量の値を用いて位置データを補正することができる。

図１６は、ずれ量を補正するためのＰＬＣ１の構成を模式的に示した機能ブロック図である。図１６を参照して、ＰＬＣ１は、メモリ６１と、補正処理部６２とを含む。メモリ６１は、光学計測装置３からの測定値、およびサーボモータ４からの位置データを格納するためのメモリ空間を構成する。補正処理部６２は、メモリ６１に格納された測定値と位置データとを用いて、ずれ量を補正するための処理を実行する。これにより、光学計測装置３からの測定値と、位置データとを正確に紐づけることができるので、計測対象物５１の形状について正確な測定値を得ることができる。

図１７は、補正の前後に、メモリ空間に保持される、位置データおよび光学計測装置３の測定値（高さデータ）を模式的に示した図である。図１７に示されるように、たとえば、補正前には、位置データと高さデータとが、（位置＿１，高さ＿１）、（位置＿２，高さ＿２），（位置＿３，高さ＿３），（位置＿４，高さ＿４）のように紐づけられる。ずれ量が補正されたことにより、位置データと高さデータとが、（位置＿２，高さ＿１）、（位置＿３，高さ＿２），（位置＿４，高さ＿３），（位置＿５，高さ＿４）のように紐づけられる。

図１５に示されたタイミング図において、第１のずれＴ２１が明確である場合には、第３のずれＴ２３を第１のずれＴ２１に一致させることによって、通信周期からのずれ量を一致させることができる。逆に第３のずれＴ２３が明確である場合には、第１のずれＴ２１を第３のずれＴ２３に一致させてもよい。この場合にも、通信周期からのずれ量を一致させることができる。

本実施の形態に係る計測システム１００において、以上の補正処理を含むプログラムをＰＬＣ１が実行する。この際に、ＰＬＣ１は、同期監視信号がオンおよびオフするタイミングおよび、同期監視信号のオン時間の長さを監視する。これにより、意図しない補正ずれが発生した場合にも、その発生を検出することができるので、補正のずれを修正することができる。したがって、計測対象物５１の形状を正確に計測することができる。

本発明の実施の形態に係る光学計測装置３において、計測部３２は、複数の測定にそれぞれ対応した複数の同期監視信号を生成してもよい。この場合、計測部３２は、複数の測定のうちの第１の測定の開始に応じて、複数の同期監視信号のうち、第１の測定に対応する第１の同期監視信号をオン状態に設定することができる。さらに計測部３２は、第１の同期監視信号をオフ状態に設定する前に、第１の測定の次の第２の測定を開始するとともに、複数の同期監視信号のうち、第２の測定に対応する第２の同期監視信号をオン状態に設定することができる。この場合にも、各々の同期監視信号によって、マスタ装置は、光学計測装置３の複数の測定の各々の開始のタイミングを正確に把握することができる。

また、図１２のタイミング図においては、通信周期は、測定周期よりも長く、かつ、計測部による測定処理時間を測定周期に加えた時間（測定時間）よりも短い例を示した。しかし通信周期が、測定周期よりも短い場合にも本発明の実施の形態に係る光学計測装置３によって、測定結果が出力されたタイミングと、その測定結果を得るための測定の開始のタイミングとを関連付けることができる。

計測システム１００において、本発明の実施の形態に係る光学計測装置３の数は複数であってもよい。その場合、複数の光学計測装置３は、露光終了タイミングを互いに同期させてもよい。同期監視信号がオフ状態からオン状態に変わるタイミング（図１２の時刻ｔ７に対応）は、ＳＹＮＣ信号を受信したすべての光学計測装置３が測定を開始した次のＳＹＮＣ信号の受信タイミングとすることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ａ マスタ装置、２ フィールドバス（産業用ネットワーク）、３−１〜３−４ スレーブ装置、３ 光学計測装置、４ サーボモータ、５ ステージ、１１ センサコントローラ、１２ センサヘッド、１３ ケーブル、２１ フレーム、３１ インターフェース部、３２ 計測部、３３ クロック、３４ 投光部、３５ 受光部、４１ 投受光制御部、４２ センサ制御部、４３ 演算部、４４ 信号生成部、５１ 計測対象物、６１ メモリ、６２ 補正処理部、１００ 計測システム、Ｓ１〜Ｓ５ ステップ、ＳＹＳ 制御システム、Ｔ 測定周期、ＴＡ 測定時間、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔｃ 通信周期、ｔ１〜ｔ７，ｔ１１〜ｔ１３，ｔＡ，ｔＢ 時刻、Ｔ２１ 第１のずれ、Ｔ２２ 第２のずれ、Ｔ２３ 第３のずれ、Ｔ２４ 第４のずれ。

Claims (6)

1. マスタ装置およびスレーブ装置の間で時刻を同期させる同期機能を有する産業用ネットワークに接続可能に構成された光学計測装置であって、
   前記マスタ装置から一定の通信周期で前記産業用ネットワークに送信された同期信号を受信するとともに、前記同期信号に同期して、前記光学計測装置による測定結果と、第１の状態および第２の状態を有する同期監視信号とを出力するように構成されたインターフェース部と、
   前記通信周期とは独立した測定周期で光学的な測定を実行して前記測定結果を生成するとともに、前記同期監視信号を生成するように構成された計測部とを備え、
   前記計測部は、前記測定を開始した後の前記インターフェース部による前記同期信号の受信に同期して、前記同期監視信号を前記第１の状態に設定し、前記測定結果が前記インターフェース部から出力される場合に、前記インターフェース部による前記同期信号の受信に同期して、前記同期監視信号を前記第２の状態に設定する、光学計測装置。
2. 前記計測部は、前記インターフェース部が前記同期信号を受信するタイミングに同期して、前記同期監視信号を前記第１の状態に設定する、請求項１に記載の光学計測装置。
3. 前記計測部は、前記インターフェース部が前記同期信号に同期して前記測定結果を出力するタイミングで、前記同期監視信号を前記第２の状態に設定する、請求項２に記載の光学計測装置。
4. 前記計測部は、開始のタイミングが異なる複数の前記測定を並列に実行可能なように構成され、前記複数の前記測定により、前記同期監視信号を前記第１の状態に設定するタイミングと、前記同期監視信号を前記第２の状態に設定するタイミングとが重なる場合には、前記同期監視信号の状態が変化するように、前記同期監視信号を前記第１の状態および前記第２の状態のいずれかに設定する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光学計測装置。
5. 前記計測部は、開始のタイミングが異なる複数の前記測定を並列に実行可能であるとともに、前記複数の前記測定にそれぞれ対応した複数の前記同期監視信号を生成可能であるように構成され、前記複数の前記測定のうちの第１の測定の開始に応じて、前記複数の前記同期監視信号のうち、前記第１の測定に対応する第１の同期監視信号を前記第１の状態に設定し、前記第１の同期監視信号を前記第２の状態に設定する前に、前記第１の測定の次の第２の測定を開始するとともに、前記複数の前記同期監視信号のうち、前記第２の測定に対応する第２の同期監視信号を前記第１の状態に設定する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光学計測装置。
6. 前記通信周期は前記測定周期よりも短い、または、前記通信周期は、前記測定周期よりも長く、かつ、前記計測部による測定処理時間を前記測定周期に加えた時間よりも短い、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の光学計測装置。

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