DE2331575C2

DE2331575C2 - Vorrichtung zur Messung des Durchmessers eines dünnen Drahtes

Info

Publication number: DE2331575C2
Application number: DE19732331575
Authority: DE
Inventors: Kazuhiro Shinagawa Tokio Kato; Goro Oisomachi Kanagawa Kobayashi; Noboru Fuchu Tokio Murata
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1973-06-20
Filing date: 1973-06-20
Publication date: 1975-06-26
Also published as: DE2331575B1

Description

einer drehbaren Scheibe und einer festen Blende besteht. In der drehbaren Scheibe ist ein Schlitz in Form einer Spirale konstanter Steigung ausgebildet,

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Mes- 5° während in der Blende ein Radialschlitz vorgesehen

sung des Durchmessers eines dünnen Drahtes durch ist. Bei Drehung der Scheibe wird der Überdeckungs-

Bestimmung des Abstandes zwischen den Spitzen der bereich der beiden Schlitze über einen Teil des

hellen Punkte eines Fraunhoferschen Beugungsbildes, Fraunhoferschen Beugungsbiides geführt und dieses

das durch Bestrahlung des dünnen Drahtes mit par- somit punktweise abgetastet,

allelen Laserstrahlen gebildet wird. 55 Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung,

Es ist bereits eine Vorrichtung bekannt, bei der eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu das Fraunhofersche Beugungsbild mit Hilfe eines schaffen, mit deren Hilfe der Durchmesser des dünrotierenden oder schwingenden Organs und einer nen Drahtes unter Ausnutzung des Lichtsignals am fotoelektrisch arbeitenden Zelle periodisch abgetastet optischen Mittelpunkt des Fraunhoferschen Beu- und die Abtastsignalfolge differenziert wird. Die So gungsbildes mit wesentlich größerer Meßgenauigkeit Nullstellen des Differenziersignals werden entspre- bestimmt; werden kann, insbesondere durch genaue chend den Maxima und Minima der Hell- und Bestimmung des Abstandes zwischen den Spitzen-Dunkelstellen des Beugungsbiides in eine Rechteck- werten der hellen Punkte der Fraunhoferschen Beusignalfolge umgewandelt. In einem Zähler wird die gungswelle.

Dauer der aufeinanderfolgenden Impulse der Recht- 6j Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß ein optisches ecksignalfolge bestimmt. Hierbei ist es jedoch Filter den Pegel des Lichtsignals am optischen Mitschwierig, die Lage der Extremwerte im Fraunhofer- telpunkt des Fraunhoferschen Beugungsbildes dem sehen Beugungsbild genau zu bestimmen, da das Pegel des Lichtsignals, das einer bestimmten Anzahl

von Beugungen unterworfen ist, gleichmacht und daß bei Zuleitung dieser beiden Lichtsignale nacheinander ju einem fotoelektrischen Meßwejrtwandler sowie einer nachgeschalteten Impulsformerschaltung ein wellenförmiges elektrisches Ausgangssignal erzeugt wird, dessen beide Spitzen von einem Pegeldoppelbegrenzer über einen vorgegebenen Pegel in zwei Rechteckimpulse umgewandelt werden, deren Mittelpunktabstand ein an den Ausgang des Pegeldoppelbegrenzers angeschlossenes Meßgerät bestimmt

Da das optische Filter den Pegel des Lichtsignals am optischen Mittelpunkt des Fraunhoferschen Beugungsbildes dem Pegel des Lichtsignals, das einer bestimmten Anzahl von Beugungen, z. B. drei, unterworfen ist, gleichmacht, kann zur Messung des Durchmesser; des dünnen Drahtes der Abstand des gebeugten Lichtsignals vom Lichtsignal am optischen Mittelpunkt des Fraunhoferschen Beugungsbildes herangezogen werden, welcher wesentlich größer ist als der Abstand zwischen zwei Dunkelstellen oder iwei Hellstellen. Mit Hilfe der dem fotoelektrischen Meßwertwandler nachgesch&'teten Impulsformerschaltung und dem Pegeldoppelbegrenzer ist es mög-Ech, den zeitlichen Abstand der beiden Lichtsignale genau festzulegen, so daß der große Mittelpunkttbstand des Lichtsignals am optischen Mittelpunkt und des der vorgegebenen Anzahl von Beugungen unterworfenen Lichtsignals genau bestimmt werden kann. Die höhere Meßgenauigkeit wird also durch Bestimmung der Lage eines Beugungsstrahls bezüglich des Hauptstrahls und der Gleichmachung der Sigr.alpegel durch die beschriebene Signalverarbeitung erreicht. Der erste Rechteckimpuls trigger! das Meßgerät an, und der zweite Rechteckimpuls schaltet das Meßgerät ab, derart, daß während der dem Mittelpunktabstand entsprechenden Zeit im Meßgerät ein Zähler mit vorgegebener Zählfrequenz sfählt.

Die erfipdungsgemäße Anordnung ermöglicht es, den Durchmesser eines dünnen Drahtes mit einem Fehler zu messen, der bei einem Durchmesser von 100 μ kleiner ist als 0,5 μ. Außerdem ist durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Vorrichtung gewährleistet, daß die Meßgenauigkeit nicht durch eine Änderung der Ausgangsleistung des Lasers beeinflußt wird. Damit eignet sich die Vorrichtung zur laufenden Messung des Durchmessers di ner Drähte, wie z. B. Drähte für die Speicher elektu nischer Rechenanlagen, Emaildrähte und Polyurethandrähte, während ihrer Fertigung.

Vorzugsweise tastet eine Drehscheibenmaske das Lichtsigna! am optischen Mittelpunkt des Fraunhoferschen Beugungsbildes und die Lage des Lichtsignals, das einer bestimmten Anzahl von Beugungen unterworfen ist, ab und deckt eine feststehende Lichtabdeckmaske andere einer Beugung unterworfene Lichtsignale ab. Während sich bei Änderung der Drahtdicke die Lage des Lichtsignals am optischen Mittelpunkt des Fraunhoferschen Beugungsbildes nicht ändert, verschiebt sich die Lage des der vorgegebenen Anzahl von Beugungen unterworfenen Lichtsignals relativ zu dem Lichtsignal am optischen Mittelpunkt bei Änderung der Drahtdicke. Während sich also die durch die Drehzahl der Drehscheibenmaske bestimmte Abtastperiode nicht ändert, ändert sich der zeitliche Abstand des Beugungssignals vom Hauptsignal, was ein Maß für den Drahtdurchmesser ist. Damit die Auswerteschaltung nicht von den anderen einer Beugung unterworfenen Lichtsignalen betätigt wird, ist die Lichtabdeckmaske vorgesehen, die nur den Hauptstrahl und den zu erfassenden Beugungsstrahl durchläßt.

Der Mittelpunktabstand zwischen den beiden Mittelpunkten der beiden Rechteckimpulse am Scbaltungsausgang wird vorzugsweise dadurch bestimmt, daß das Meßgerät jeweils die halbe Breite des rechteckigen Lichtsignals des optischen Mittelpunktes und des rechteckigen Lichtsignals, das einer bestimmten

ίο Anzahl von Beugungen unterworfen ist, erfaßt und zum Abstand zwischen den beiden Rechtecksignalen addiert.

Die Erfindung soll nun in einer Ausführungsform an Hand der Zeichnungen genauer beschrieben wer-

den. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung de r Vorrichtung und

F i g. 2 eine perspektivische Darstellung eines Teils der Anordnung gemäß Fig. 1.

ao Die aus einem Laser 1 austretenden Lichtstrahlen werden mit Hilfe eines Fernrohrs 2 in ineinander parallele Lichtstrahlen umgesetzt, die auf einen sich quer zur Strahlenrichtung erstreckenden dünneu Draht 3 auftreffen und an ihm gebeugt werden. Der

as dünne Draht wird in dem einen Brennpunkt einer Sammellinse 4 angeordnet, so daß sich das Fraunhofersche Beugungsbild 5 in der anderen Brennebene aufbaut. Wenn die Wellenlänge des Laserstrahls mit Ä, die Brennweite der Sammellinse 4 mit L und der Abstand zwischen benachbarten Beugungsmaxima im Beugungsbild S mit d bezeichnet wird, kann der Durchmesser φ des dünnen Dirahtes 3 durch die folgende Gleichung angegeben werden:

0 =

XL d

Hinter der Sammellinse 4 und vor der Brennebene der Linse ist ein optisches Filter 6 im Hauptstrahl

♦o angeordnet, das den Pegel des Lichtsignals am optischen Mittelpunkt des Fraunhoferschen Beugungsbildes 5 im wesentlichen gleich dem Pegel des Lichtsignals machen soll, das einer bestimmten Anzahl von Beugungen unterworfen ist. Auf der dem optisehen Filter abgewandten Seite der Brennebene der Sammellinse 4 ist eine Drehscheibenmaske 7 mit einem Radialschlitz T angeordnet, um die Lage der Beugungsmaxima des Fraunhoferschen Beugungsbildes 5 abzutasten. Hinter der Drehscheibenmaske ist eine Lichtabdeckmaske 8 mit einer Maskenöffnung 8fl für das Lichtsignal am optischen Mittelpunkt des Fraunhoferschen Beugungsbildes und mit einer Maskenöffnung 86 für das Licht, das einer bestimmten Anzahl von Beugungen unterworfen ist, vorgesehen.

Die Drehscheibenmaske 7 wird durch einem Elektromotor 9 angetrieben, und das Licht, das durch die Drehscheibenmaske 7 und die Lichtabdeckmaske 8 fällt, gelangt durch eine Sammellinse 10 hindurch auf einen fotoelektrischen Meßwertwandler 11.

Dem fotoelektrischen Meßwertwandler 11 ist ein Verstärker 12 nachgeschaltet, dessen Ausgang mit dem Eingang einer Impulsformerschaitung 13 verbunden ist, die inrerseits ausgangsseitig mit einem Pegeldoppelbegrenzer 14 verbunden ist, der als Ausgangssignale Rechtecksignale abgeben kann. Der Ausgang des Doppelbegrenzers ist mit einem Meßgerät 15 verbunden, das einen Zählimpulsgenerator und einen Zähler enthält.

Die Vorrichtumg arbeitet wie folgt. Wenn der auszumessende dünne Draht 3 mit parallelen Laserstrahlen bestrahlt wird, dann entsteht das Fraunhofersche Beugungsbild S mit der in der F i g. 1 gezeigten Intensitätsverteilung 5', solange das optische Filter 6 nicht eingesetzt ist. Das optische Filter 6 sorgt dafür, daß das im optischen Mittelpunkt entsprechende Lichtsignal dem Pegel des Lichtsignals angepaßt wird, das bei der gezeigten Ausführungsform dem zweiten Beugungsmaximum entspricht. Bei Drehung der Drehscheibenmaske 7 überdeckt der Maskenschlitz 7' zunächst die Maskenöffnung 8 a, so daß das Lichtsignal am optischen Mittelpunkt des Fraunhoferschen Beugungsbildes 5 auf den fotoelektrischen Meßwertwandler 11 fällt. Bei weiterer Drehung der Drehscheibenmaske 7 überdeckt der Schlitz T die Maskenöffnung Sb, so daß dann das gebeugte Lichtsignal von dem fotoelektrischen Meßwertwandler 11 erfaßt wird. Am Ausgang des fotoelektrischen Meßwertwandlers erscheint daher das in der Fig. 1 mit 11'bezeichnete Ausgangssignal. Dieses Ausgangssignal wird durch die Impulsformerschaltung 13 in das in der Fig. 1 gezeigte wellenförmige elektrische Ausgangssignal 13' umgewandelt. Die beiden Spitzen des Ausgangssignals 13' werden von dem Pegeldoppeibegrenzer 14 über einen vorgegebenen Pegel 14', der ebenfalls in der Fig. 1 dargestellt ist, in eine Wellenform 14" mit zwei Rechteckimpulsen A und C umgesetzt. Bezeichnet man den zeitlichen Abstand zwischen den beiden Rechteckimpulsen A und C mit B, so bestimmt sich der Mittelpunktabstand der beiden Rechteckimpulse D zu:

Da sich die Lage des Lichtsignals am optischen Mittelpunkt des Fraunhoferschen Beugungsbildes 5

ίο nicht in Abhängigkeit von dem Durchmesser des auszumessenden Drahtes ändert und da eine Dickenänderung des Drahtes zu einer Änderung des Abstandes des ausgewählten Beugungsmaximums zum Hauptstrahl führt, ändert sich der zeitliche Abstand

is zwischen den beiden Rechtecksignalen A und C in Abhängigkeit von der Änderung des Durchmessers. In dem Meßgerät 15 wird bei Einlaufen des Rechtecksignals A der eine vorgegebene Zählfrequenz zählende Zähler gestartet und beim Einlaufen des zwei-

ao ten Rechtecksignals C angehalten, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß der Zähler die Zählfrequenz jeweils für die halbe Breite des rechteckigen Lichtsignals A des optischen Mittelpunktes und des rechteckigen Lichtsignals C des ausgewählten Beugungsmaximums und während des zeitlichen Abstandes B zwischen den beiden Rechtecksignalen zählt. Dei Zählerstand nach dem Abschalten ist dann ein MaG für den Abstand D zwischen den beiden Mittelpunkten der Rechtecksignale A und C.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

) Beugungsbild keine exakte Sinuswelle darstellt, so Patentansprüche: daß die Maxima eine bestimmte Breite aufweisen, wodurch eine genaue Festlegung der Nullstellen m

1. Vorrichtung zur Messung des Durchmessers der DifiEerenzierspannung unmögüch gemacht wird, eines dünnen Drahtes durch Bestimmung des 5 Darüber mnaus wird be« der bekaanten Vorrichtung Abstandes zwischen den Spitzen der hellen ™r der Abstand zwischen zwei Lichtsignalen bePunkte eines Fraunhoferschen Beugungsbiides, stimmt, die einer bestimmten Anzahl von Beugungen das durch Bestrahlung des dünnen Drahtes mit bzw. der um eins erhöhten Anzahl von Beugungen parallelen Laserstrahlen gebüdet wird, da- entsprechen Das Hauptmaximum dessen Intensität durch gekennzeichnet, daß ein opti- » ™ Fraunhoferschen Beugungsbild un Vergleich zu sches Filter (6) den Pegel des Lichtsignals am den Nebenmaxima sehr groß ist, wird nicht erfaßt optischen Mittelpunkt des Fraunhoferschen Weiterhin ist eine Vorrichtung zur^Messung des Beugungsbildes (5, SQ dem Pegel des Lichtsignals, Durchmessers^eines dünnen Drahtes durch Besümdas ehTer bestimmten Anzahl von Beugingen mung des Abstandes zwischen den Extremwerten unterworfen ist, gleichmacht und daß bei Zu- * emes Fraunhoferschen Beugungsbiides bekannt, bei leitung dieser beiden Lichtsignale nacheinander der das Fraunhofersche Beugungsbild ebenfalls penzu einem fotoelektrischen M^ßwertwandler (11) «disch abgetastet wird und die so erzeugten zeitsowie einer nachgeschalteten Impulsformerschal- »chen Abstande der Dunkelstellen des Beugungstung (IS) ein wellenförmiges elektrisches Aus- bildes mit einer gegebenen Zahlimpulsfolge verghgangssignal (130 erzeugt wird, dessen beide *> <*<* werden. Auch bei dieser Anordnung wird das Spillen von einem Pegeldoppelbegrenzer (14) Lichtsignal am optischen Mittelpunkt des Fraunüber einen vorgegebenen Pegel (14') in zwei hoferschen Beugungsbiides nicht fur die Messung Rechteckimpulse (A, C) umgewandelt werden, ausgenutzt, sondern es wird allem zur Messung des deren Mittelpunktsabstand (D) ein an den Aus- Durchmesse« des dünnen Drahtes der zeitliche Abgang des Pegeldoppelbegrenzers (14) angeschlos- «5 stand zweier Beugungsmmima herangezogen. Das senes Meßgerät (150 bestimmt. Beugungsbild wird mit Hilfe emes reflektierenden

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- Drehorgans abgetastet, das das Beugun^bild uberkennzeichnet, daß eine Drehscheibenmaske (7) ^{streicht und} den einzelnen Abtastbereich nachdas Lichtsignal am optischen Mittelpunkt des einander auf eine Fotozelle gibt
Fraunhoferschen Beugungsbiides (5, 5') und die 3<» ^A"^{ch ist} eine Vorrichtung zur Messung des DurchLage des Lichtsignals, das einer bestimmten An- messers eines dünnen Drahtes mit Laserlicht bekannt, zahl von Beugungen unterworfen ist, abtastet und bei der mehrere fotoelektnsche Meßwertwandler das eine feststehende Lichtabdeckmaske (8) andere Fraunhofersche Beugungsbild derart abtasten, daß einer Beugung unterworfene Lichtsignaie abdeckt. der Hauptstrahl nicht erfaßt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da- as Schließlich ist noch eine Vorrichtung zur Mesdurch gekennzeichnet, daß das Meßgerät (IS) sung des Drahtdurchmessers bekannt, bei der ebenjeweils die halbe Breite des rechteckigen Licht- falls das Fraunhofersche Beugungsbild mittels eines signals (A) des optischen Mittelpunkts und des Fotovervielfachers und eines vorgeschalteten Spalts rechteckigen Lichtsignals (C), das einer bestimm- im Bereich höherer Beugungsordnungen abgetastet ten Anzahl von Beugungen unterworfen ist, erfaßt 4° wird, um aus dem Abstand zweier aufeinanderfolgen- und zum Abstand (B) zwischen den beiden Recht- der IntensitäJsminima den Drahtdurchmesser zu beecksignalen (A, C) addiert und dadurch den Ab- stimmen. Während bei dieser Anordnung der Fotostand (D) zwischen den Mittelpunkten der beiden multiplier und der Spalt auf einer Mikrometer-Rechteckimpulse am Schaltungsausgang bestimmt, schraube angeordnet sind, d. h. longitudinal verts schiebbar sind, ist bei der eingangs genannten Vorrichtung eine Abtastanordnung vorgesehen, die aus