JP2004125531A

JP2004125531A - 寸法測定装置

Info

Publication number: JP2004125531A
Application number: JP2002288048A
Authority: JP
Inventors: Seijiro Sakane; 坂根　誠二郎
Original assignee: Sunx Ltd
Current assignee: Panasonic Industrial Devices SUNX Co Ltd
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2004-04-22

Abstract

【課題】測定精度を向上させることができる寸法測定装置を提供する。
【解決手段】１〜ｎ番目の画素について順次受光信号レベルの差を求めた結果から、エッジの減少領域の開始となる受光信号レベルをエッジ開始レベルとして抽出し、上昇領域の終了となる受光信号レベルをエッジ終了レベルとして抽出する。そして、減少領域内でエッジ開始レベルから所定割合のレベルに閾値を設定し、減少領域内でエッジ終了レベルから所定割合のレベルに閾値を設定する。これによって、同一の被測定物ならば、光路中に配される位置に関係無く一定の測定値を得ることができる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、寸法測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の寸法測定装置として、特開平８−２４７７２９号公報に開示されているものが挙げられる。これは、光源と１次元ＣＣＤ（以下、ＣＣＤという。）との間に平行光の光路を形成する光学系を配し、その平行光の光路中に、例えば棒材等の被測定物を配して、その寸法を非接触で測定する構成とされている。
被測定物が平行光光路中に配された状態で光源から光を発すると、ＣＣＤの画素のうち、被測定物に対応する画素には遮光されることで影が現れ、逆にそれ以外の画素では、光源からの光が遮られることなく投射される。そして、各画素から受光量に応じた信号を取り出してディジタル値に変換し、予め設定されている閾値と一致するディジタル値間の信号間隔から被測定物の外形寸法を計測するのである。
【０００３】
ところで、光の強度分布は、一般には均一とはならず、外側よりも中央の方が強くなっているから、図６（Ａ）の［１１］に示すように、ＣＣＤにおける各画素の受光信号レベルは中央のものの方が端部のものよりも相対的に高くなる。また、被測定物を光路中に配して測定した場合の受光信号レベルに形成されるエッジの幅Ｗは光路中に配される被測定物の位置（光軸と直交する方向における位置のことをいう。以下、測定位置という。）に関係無く一定とされているから、これに起因して、図６（Ｂ）に示すようにＣＣＤの中心ではエッジの傾きが大きく、端部では小さくなる。従って、全ての画素について画一的に閾値Ｃを設定してしまうと、例えば光路の中央に被測定物を配した場合［１２］の測定値Ｗ１と光路の端に配した場合［１３］の測定値Ｗ２とは相違してしまう。従って、測定位置によって測定値が異なるから、正確に寸法測定を行なうことができないという欠点がある。
そこで上記構成では、図７に示すように、例えば各画素において被測定物が存在しないときの信号レベルの半分のレベルを閾値Ｃとして設定するようにしている。このようにすれば、測定位置によって測定値がばらつくということがなく、より正確に寸法測定をすることが可能とされる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−２４７７２９号公報（第３−４頁、第３図、第５図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記寸法測定装置であっても、以下に示す理由によって測定値がばらつくことは避けられない。
まず、エッジの幅Ｗは、上記したように測定位置に関係無く一定であり、さらに、エッジを構成する斜線を横軸に投影したときの幅はいずれも同じであることから、図７に示すように、エッジの立下りとされる画素Ａ（以下、画素Ａという）の所定割合（例えば、半分）のレベルを閾値として設定しなければ、測定位置に関係無く被測定物の寸法を正確に測定することはできない。
これに対して、上記構成では、適用すべき閾値が画素Ａの信号レベルの半分のレベルとはならず、異なるレベル（図中の黒丸）が適用されてしまうから、光路の中央に被測定物を配した場合の測定値Ｗ１と光路の端に配したときの測定値Ｗ２とは相違してしまい、結局、測定位置によって測定値が相違してしまうのである。
【０００６】
本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、測定精度を向上させることができる寸法測定装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための手段として、請求項１の発明は、光を投光する投光手段と、複数の受光素子を１列に連ねて配した受光素子列を備え、前記投光手段との間に被測定物が配されることで前記受光素子列に前記被測定物の暗影が投影されるようにしたイメージセンサと、前記受光素子列のうち端部に位置するものから順にその受光量に応じて出力される受光信号列に基づいて前記被測定物の寸法を測定する測定手段とを備えた寸法測定装置であって、前記受光信号列により形成されるエッジのうち前記受光信号のレベルが減少している領域へ移行する変化点となる受光信号のレベルを第１の基準レベルとして抽出し、前記エッジのうちそのレベルが上昇している領域を離脱する変化点となる受光信号のレベルを第２基準レベルとして抽出する抽出手段と、前記第１及び第２の基準レベルに基づいて所定割合のレベルをそれぞれの領域内における閾値に設定する閾値設定手段とを設け、前記測定手段は前記それぞれの閾値に基づいて前記被測定物の外形寸法を測定するところに特徴を有する。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１に記載のものにおいて、前記被測定物が前記イメージセンサと前記投光手段との間に配されていないときの受光信号列を記憶する記憶手段を備え、前記抽出手段は、前記記憶手段に記憶された前記受光信号列と、前記被測定物が前記イメージセンサと前記投光手段との間に配されているときの前記受光信号列とを前記端部の受光素子から順次比較し、前記被測定物が前記イメージセンサと前記投光手段との間に配されているときの前記受光信号列のうち、前記被測定物が前記イメージセンサと前記投光手段との間に配されていないときの前記受光信号よりも所定レベル低いレベルの受光信号を有する受光素子から前記端部側に位置する隣の前記受光素子の受光信号のレベルを第１の基準レベルとして抽出し、前記被測定物が前記イメージセンサと前記投光手段との間に配されていないときの前記受光信号のレベルとの差が所定レベル以上の状態から所定レベル以下となったときの前記受光信号のレベルを前記第２の基準レベルとして抽出するところに特徴を有する。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載のものにおいて、前記閾値設定手段は前記第１及び第２の基準レベルの２５パーセントのレベルをそれぞれの領域内における閾値に設定するところに特徴を有する。
【００１０】
【発明の作用及び効果】
本発明では、抽出手段が受光信号列が形成するエッジのうち受光信号のレベルが減少している領域へ移行する変化点となる受光信号のレベルを第１の基準レベルとして抽出し、受光信号のレベルが上昇している領域を離脱する変化点となる受光信号のレベルを第２の基準レベルとして抽出する。そして、閾値設定手段では、第１及び第２の基準レベルに基づいて所定割合のレベルをそれぞれの領域内における閾値に設定し、例えば両閾値間の時間軸における間隔から被測定物の外形寸法を測定する。このようにすれば、各受光素子の受光量にばらつきが生じていても、両閾値間の時間軸上の距離は一定とされるから、同一の被測定物を光路中のいずれの位置に配したとしても、その測定値は一定となり、正確に被測定物の寸法を測定することができる。
さらに、閾値を第１及び第２の基準レベルの２５％のレベルに設定することにより、一層精度の高い測定を行なうこともできる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明に係る寸法測定装置の一実施形態を図１から図５を参照して説明する。
本実施形態の寸法測定装置は、図１に示すように、間隔を隔てて配された投光装置１（請求項に記載の「投光手段」に相当）及び受光装置２（請求項に記載の「受光手段」に相当）と、両者１，２を制御する制御装置３とからなり、投光装置１とＣＣＤ２との間に被測定物Ｗが置かれる。
投光装置１には、例えばレーザダイオードからなる光源１１とコリメータレンズ１２が備えられ、光源１１から発せられた光がコリメータレンズ１２により平行光されてＣＣＤ２に投射される。
受光装置２には、ｎ個の画素が１列に配されて構成された１次元ＣＣＤ２（以下、ＣＣＤ２１という。）が備えられており、後述するＣＣＤ駆動回路３３から出力される駆動パルスＳｏを受けると、各画素に蓄積されている電荷に応じた受光信号を端の画素（１番目の画素）から順次出力するようになっている。
【００１２】
制御装置３はＣＰＵ３１（請求項に記載の「測定手段」、「抽出手段」、「閾値設定手段」に相当）、メモリ３２及びＣＣＤ駆動回路３３とから構成されている。ＣＰＵ３１は光源１１に対して常時駆動信号Ｐｏを送出する投光動作を行なうとともに、ＣＣＤ駆動回路３３に対しては所定の周期で制御パルスＰｉを送出し、これによってＣＣＤ２から出力された受光信号を受け取りＡ／Ｄ変換する受光動作を行なう。また、ＣＰＵ３１には、切替スイッチ（図示せず）が接続されており、その切り替えによりＣＰＵ３１の動作モードを「サンプル」モード又は「測定」モードの２つのモードのうちいずれかに切り替えられるようになっている。
メモリ３２は、ＣＰＵ３１によりＡ／Ｄ変換された１走査分の受光信号を記憶する領域を有しており、また、ＣＣＤ駆動回路３２はＣＰＵ３１からの制御パルスＰｉを受けると、ＣＣＤ２の各画素から受光信号を出力させるための駆動パルスＳｏを出力するようになっている。
【００１３】
本実施形態の構成は以上であり、その動作について図２から図５をも参照して説明する。
＜サンプルモード＞
まず、切り替えスイッチを切り替えて、「サンプル」モードとすると、図２に示すように、ＣＰＵ３１が投光動作及び受光動作を行なって（ステップＳ１０１）、取り入れた受光信号レベルをメモリ３２に書き込む（ステップＳ１０２）。尚、このモードが設定されたときには、投光装置１とＣＣＤ２との間に被測定物Ｗを配置しない。図４の実線［１］は、１〜ｎ番目の各画素（横軸）における受光信号レベル（縦軸）のグラフを示しており、そのグラフは山形形状とされている。これは、光の強度は一般には均一とはならず、外側よりも中央の方が強くなっており、中央の画素の受光量が端部側の画素の受光量よりも多くなっているからである。
【００１４】
＜測定モード＞
切り替えスイッチを切り替えて、「測定」モードとすると、図３に示すようにＣＰＵ３１は投光動作及び受光動作を行ない（ステップＳ２０１）、ＣＣＤ２の１走査分の受光信号を取り入れる（ステップＳ２０２）。図４の破線［２］は実線［１］と同様に、各画素における受光信号レベルのグラフを示しており、被測定物Ｗにより光源１１からの光が遮られて暗影とされた画素の受光信号レベルは、光源１１からの光が投射された画素の受光信号レベルよりも低くなってエッジ（稜線）が形成されている。
【００１５】
そして、１〜ｎ番目の画素について、上述の受光信号レベル［２］と「サンプル」モードにおいてメモリ３２に記憶された受光信号レベル［１］とのレベル差を１番目の画素から順番に計算する（ステップＳ２０３〜Ｓ２０５、Ｓ２０７、Ｓ２０８、）。図４において左側に傾いた斜線（請求項に記載の「エッジのうち前記受光信号のレベルが減少している領域」に相当、以下、減少領域という。）の上端部分（請求項に記載の「エッジのうち前記受光信号のレベルが上昇している領域へ移行する変化点」に相当。）の受光信号レベルを有する画素については、受光信号レベルの差が所定差となるから（ステップＳ２０６でＹｅｓ）、現在、受光信号レベルの比較をしている画素（例えば、ｍ番目の画素）の１つ前（（ｍ−１）番目）の画素の受光信号レベルを第１エッジ開始レベルＬ１ａ（請求項に記載の「第１の基準レベル」に相当）として抽出する（ステップＳ２０６）。この後も順次各画素の受光信号レベルの差を計算し（ステップＳ２０９、Ｓ２１０、Ｓ２１２、Ｓ２１３）、図面右側に傾いた斜線（請求項に記載の「エッジのうち前記受光信号のレベルが上昇している領域」に相当。以下、上昇領域という。）の上端（請求項に記載の「エッジのうち前記受光信号のレベルが上昇している領域を離脱する変化点」に相当）の受光信号レベルを有する画素については、その差が所定差となるから（ステップＳ２１０でＹｅｓ）、現在、受光信号レベルの比較をしている画素（例えば、ｐ番目の画素）の受光信号レベルをエッジ終了レベルＬ２ａ（請求項に記載の「第２の基準レベル」に相当）として抽出する（ステップＳ２１１）。
【００１６】
そして、エッジ開始レベルＬ１ａの２５％の受光信号レベルＬ１ｂを上昇領域における閾値として設定し、エッジ終了レベルＬ２ａの２５％の受光信号レベルＬ２ｂを上昇領域における閾値として設定する（請求項に記載の「第１及び第２の基準レベルに基づいて所定割合のレベルをそれぞれの領域内における閾値に設定する」に相当）（ステップＳ２１４）。
この後、設定された閾値Ｌ１ｂ，Ｌ２ｂ間の間隔ｄ１を算出することで、被測定物Ｗの外形寸法を測定する（ステップＳ２１５）。
なお、被測定物Ｗが配されていない等の原因によってエッジ開始レベルＬ１ａとエッジ終了レベルＬ２ａとの双方が抽出されない場合には、測定されずに処理が終了する（ステップＳ２０８及びＳ２１３でＹｅｓ）。
【００１７】
以下、光路中に配される被測定物Ｗの位置の違いによる測定値の相違について説明する。
図５（Ａ）には、光路の中央に被測定物Ｗを配した場合の受光信号レベルのグラフ［２］と、光路の端に被測定物を配した場合の受光信号レベルのグラフ［３］を示しており、それぞれの場合において上記の手順により外形寸法の測定を行なったときの閾値間の間隔を同図（Ｂ）に示している。尚、前提として、形成されるエッジの間隔ｄは光路中のいずれの位置に配しても同じであり、さらに、エッジを形成する２本の斜線は、所定の画素数により形成されるということが明らかとされている。
【００１８】
斜線ＡＣから構成される直角三角形（以下、Δと示す）ＡＢＣと斜線ＧＩから構成されるΔＧＨＩとを比較する。まず、ΔＡＢＣの線分ＡＢ上の任意の点Ｍから垂線を引き、その垂線と線分ＡＣとの交点Ｎから線分ＢＣに対して垂線を下ろし、それらの交点Ｏを記したとき、線分ＡＭ：線分ＭＢ＝線分ＢＯ：線分ＯＣの関係が成り立つことは明らかである。ΔＧＨＩについても同様に、線分ＧＨ上の任意の点Ｐから垂線を引き、その垂線と線分ＧＩとの交点Ｑから線分ＨＩに対して垂線を下ろし、それらの交点Ｒを記したとき、線分ＧＰ：線分ＰＨ＝線分ＨＲ：線分ＲＩの関係が成り立つことは明らかである。さらに、ΔＤＥＦ、ΔＪＫＬについても同様である。
また、線分ＢＣを構成する画素数と線分ＨＩを構成する画素数は同数であるから、線分ＢＣと線分ＨＩとは同じ長さであり、ΔＤＥＦとΔＪＫＬに関しても同様に、線分ＥＦと線分ＫＬとは同じ長さである。
【００１９】
ここで、それぞれの直角三角形のうち縦軸に平行な線分において、その線分を二分する点（点Ｍ，Ｑ，Ｓ，Ｖ）をそれぞれの線分で均一の比により二分するようにすれば、同図（Ｂ）に示すように、両受光信号レベル［２］，［３］のエッジを重ね合わせた場合、交点Ｎ，Ｐが同一位置となり、交点Ｐ，Ｔも同一の位置となる。これによって、交点ＯＳ間の間隔と交点ＭＱ間の間隔とが同じｄ１となる。従って、受光信号レベルのグラフで減少領域におけるエッジ開始レベル（点Ａ，Ｇ）及び上昇領域におけるエッジ終了レベル（点Ｄ，Ｊ）からそれぞれ同一の割合（点Ｍ，Ｓ，Ｐ，Ｖ）の受光信号レベルに閾値を設定すれば、常に一定の測定値が得られる。
【００２０】
このように本実施形態の寸法測定装置によれば、エッジ開始レベル及びエッジ終了レベルの所定割合のレベルに閾値を設定しているから、たとえ、光路中に配される被測定物がどの位置であったとしても、一定の測定値を得ることができ、測定精度を高めることができる。また、エッジ開始レベル及びエッジ終了レベルの２５％のレベルにそれぞれ閾値を設定しているから、測定精度が最も高くなる。
【００２１】
＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
（１）被測定物が光路中に配されていない時の受光信号レベルと、被測定物が光路に配されたときの受光信号レベルとを比較することでエッジ開始レベルＬ１ａ及びエッジ終了レベルＬ２ａを抽出していたが、例えば、被測定物が光路中に配されている時の受光信号レベルの変化から両レベルＬ１ａ，Ｌ２ａを抽出するようにしてもよい。
【００２２】
（２）本実施形態では、「サンプリング」モード及び「測定」モードにてＣＣＤ２１の一走査分の受光信号レベルをメモリに書き込むようにしていたが、例えば、複数回スキャンして、その平均のレベルをメモリに記憶するようにしても良い。
【００２３】
（３）また、エッジ開始レベルＬ１ａ及びエッジ終了レベルＬ２ａからそれぞれ閾値Ｌ１ｂ，Ｌ２ｂを設定する構成としていたが、例えば、図４に示すように、エッジのうち図面左側に傾いた斜線における閾値を設定する際には、斜線上端（エッジ開始レベルＬ１ａ）と斜線下端の受光信号レベルとの中間のレベルに閾値を設定し、図面右側に傾いた斜線においても同様に斜線の上端（エッジ終了レベルＬ２ａ）と斜線下端の受光信号レベルとの中間のレベルに閾値を設定するようにしても良い。
【００２４】
（４）また、被測定物が光路中に配されていないときの各画素の受光信号レベルからそれぞれ仮閾値を設定し、光路中に被測定物Ｗを配したときの受光信号レベルを仮閾値と比較することで、仮閾値と一致する受光信号レベルを抽出し、その受光信号レベルを有する画素から所定画素離れた画素の受光信号レベルの信号間隔から被測定物の外形寸法を測定する構成としても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の寸法測定装置の構成を示す図
【図２】サンプリングモードの制御内容を示すフローチャート
【図３】測定モードの制御内容を示すフローチャート
【図４】受光信号レベルのグラフ
【図５】（Ａ）閾値設定の手順を併せて示した受光信号レベルのグラフ
（Ｂ）受光信号レベルの模式図
【図６】（Ａ）従来の寸法測定装置の閾値設定方法を併せて示した受光信号レベルのグラフ
（Ｂ）受光信号レベルの模式図
【図７】（Ａ）従来の寸法測定装置の閾値設定方法を併せて示した受光信号レベルのグラフ
（Ｂ）受光信号レベルの模式図
【符号の説明】
１…投光装置
２…ＣＣＤ
３１…ＣＰＵ
Ｌ１ａ…エッジ開始レベル
Ｌ１ｂ、Ｌ２ｂ…閾値
Ｌ２ａ…エッジ終了レベル

Claims

光を投光する投光手段と、
複数の受光素子を１列に連ねて配した受光素子列を備え、前記投光手段との間に被測定物が配されることで前記受光素子列に前記被測定物の暗影が投影されるようにしたイメージセンサと、
前記受光素子列のうち端部に位置するものから順にその受光量に応じて出力される受光信号列に基づいて前記被測定物の寸法を測定する測定手段とを備えた寸法測定装置であって、
前記受光信号列により形成されるエッジのうち前記受光信号のレベルが減少している領域へ移行する変化点となる受光信号のレベルを第１の基準レベルとして抽出し、前記エッジのうち前記受光信号のレベルが上昇している領域を離脱する変化点となる受光信号のレベルを第２基準レベルとして抽出する抽出手段と、
前記第１及び第２の基準レベルに基づいて所定割合のレベルをそれぞれの領域内における閾値に設定する閾値設定手段とを設け、
前記測定手段は前記それぞれの閾値に基づいて前記被測定物の外形寸法を測定することを特徴とする寸法測定装置。
前記被測定物が前記イメージセンサと前記投光手段との間に配されていないときの受光信号列を記憶する記憶手段を備え、
前記抽出手段は、前記記憶手段に記憶された前記受光信号列と、前記被測定物が前記イメージセンサと前記投光手段との間に配されているときの前記受光信号列とを前記端部の受光素子から順次比較し、
前記被測定物が前記イメージセンサと前記投光手段との間に配されているときの前記受光信号列のうち、前記被測定物が前記イメージセンサと前記投光手段との間に配されていないときの前記受光信号よりも所定レベル低いレベルの受光信号を有する受光素子から前記端部側に位置する隣の前記受光素子の受光信号のレベルを第１の基準レベルとして抽出し、
前記被測定物が前記イメージセンサと前記投光手段との間に配されていないときの前記受光信号のレベルとの差が所定レベル以上の状態から所定レベル以下となったときの前記受光信号のレベルを前記第２の基準レベルとして抽出することを特徴とする請求項１に記載の寸法測定装置。
前記閾値設定手段は前記第１及び第２の基準レベルの２５パーセントのレベルをそれぞれの領域内における閾値に設定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の寸法測定装置。