JP2991229B2 - 光走査型幅測定機を利用した寸法測定方法及び光走査型幅測定機を利用した寸法測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、走査光ビームが遮
断される時間を検出することにより被測定物の幅を測定
する光走査型幅測定機を有し、被測定物を移動又は回転
させた時に変化する測定信号から被測定物の外径等の寸
法を測定する光走査型幅測定機を利用した寸法測定装置
に関し、特に測定しようとする部分の寸法を示さない場
合の検出結果を自動的に除去する寸法測定装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】円筒状の棒等の外径（幅）等の寸法を非
接触で測定するために、レーザ等の光ビームを高速で走
査し、被測定物（ワーク）により走査光ビームが遮断さ
れた期間を検出して、その期間と光ビームの走査速度か
ら寸法を測定する非接触型の光ビーム走査型幅測定装置
が広く使用されている。以下、外径を測定する例に基づ
いて説明するが、測定できる寸法は外径に限らない。

【０００３】図５は光ビーム走査型幅測定装置の基本的
な構成例を示す図であり、図６はワークがある場合の信
号を示す図である。参照番号１００は被測定物（ワー
ク）、１０１はレーザダイオード、１０２はコリメータ
レンズ、１０３はポリゴンミラー、１０４は走査レン
ズ、１０５は集光レンズ、１０６は受光素子、１０７は
アンプ、１０８はクロック信号発生回路、１０９はＡＮ
Ｄゲート、１１０はカウンタである。非接触型寸法測定
装置では高エネルギ密度、ビームの平行度等を考慮して
レーザ光が使用される。レーザダイオード１０１から出
力されたレーザ光は、コリメータレンズ１０２で平行又
は、ワーク１００が配置されるところで集光されるよう
にされる。コリメータレンズ１０２を出たレーザ光は、
回転するポリゴンミラー１０３で反射されて一方向に順
次偏向される。偏向されたレーザ光は走査レンズ１０４
で光軸に平行に移動し、測定部で集光される走査ビーム
にされる。この走査ビームを受光器１０６で受けて電気
信号に変換し、アンプ１０７で増幅する。ここで得られ
る測定（幅）信号は、ワーク１００がなければ所定期間
ほぼ一定の強度になるが、ワーク１００が走査ビームを
遮る場合には、図６に示すようにワーク１００の寸法に
相当する時間だけ強度がほぼゼロになる。従って、この
強度がほぼゼロになる時間を測定すればワーク１００の
外径寸法が測定できることになる。

【０００４】通常、信号が一方の状態に変化してから再
びもう一方の状態に戻るまでの時間は、カウンタで高速
のクロック信号をその期間計数し、カウント数にクロッ
ク信号の周期を乗ずることにより測定する。従って、図
５のようなレーザ走査型幅測定装置でもこの方法で幅信
号強度がほぼゼロになる時間を測定しており、クロック
信号発生回路１０８で発生されるクロック信号を、一方
に反転した測定信号が入力されるＡＮＤゲート１０９に
入力し、幅信号がほぼゼロになる時間のみクロック信号
が通過するようにする。このＡＮＤゲート１０９を通過
したクロック信号をカウンタ１１０で計数すれば、幅信
号がほぼゼロになる時間、すなわちワーク１００の外径
寸法が測定できる。一般的に、このようなレーザ走査型
幅測定装置は１回の走査による測定結果はあまり精度が
よいとはいえず、通常は複数回測定してその平均値を測
定値としている。

【０００５】上記のようなレーザ走査型幅測定装置は、
レーザビームが走査される平面部分の幅が測定できるだ
けであるが、ワークを移動又は回転させることにより、
ワークの形状に応じた各種の測定が行える。例えば、図
７は、直径が段階的に変化する円筒状の段付きワーク１
００を、ワークの軸がレーザビームの走査面に垂直に配
置し、ワークの軸方向に移動させ、レーザ走査型幅測定
装置の出力の変化から各段の外径寸法及び長さを測定す
る場合を示した斜視図である。

【０００６】図７に示すように、レーザビームの走査は
高速に行われるので、段付きワークを軸方向に一定速度
で移動させると、測定される幅、すなわち段付きワーク
１００の外径寸法は図８のように変化する。これによ
り、段付きワークの各段での外径寸法が測定でき、幅信
号が各段の外径寸法を示す時間と段付きワークの移動速
度を乗ずれば各段の長さが測定できる。ワークがテーパ
状である場合もワークの移動に伴って幅信号が変化し、
テーパの具合が測定できる。

【０００７】また、ワークが円筒状の場合には、ワーク
を回転させて幅信号の変化を検出すれば、真円度、偏心
具合等を測定することができる。更に、キー溝付きの円
筒状の軸の場合、キー溝の部分を測定した時に幅信号が
一時的に低下するが、その部分以外の部分の幅信号から
外径寸法が測定できる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】図７に示した段付きワ
ークの外径寸法を測定する場合、ワークを軸方向に移動
しながら幅信号を検出するが、図９に示すように、通常
ワークは面取り部分や、Ｒ面、溝などがあるのが一般的
であり、外径寸法を測定する場合にはそのような部分を
避けて測定しなければならない。このような部分を測定
から除外するため、従来の１つの方法では、あらかじめ
測定するワークに応じて測定範囲を決めておき、測定す
る部分がレーザビームで走査される位置にくるようにワ
ークを移動させ、位置決めしてから測定していた。しか
し、この方法では、正確な送り位置決め装置が必要であ
り、装置が高価になるという問題と共に、オペレータが
ワークに応じて移動量等を設定する必要があり、煩雑で
あるという問題があった。

【０００９】また、別の従来方法では、図９に示すよう
に、しきい値レベルを決めておき、しきい値を越えた場
合にタイマを起動させ、しきい値を越えた時点から所定
時間幅信号を無視することが行われている。しかし、こ
の方法でもワーク毎にしきい値及びタイマ期間を決定す
る必要があり、煩雑であるという問題があった。また、
段付きワークの各段の外径寸法が段々に増加する場合は
よいが、逆の方向に変化する場合や、最後の段の面取り
部分は除外できないという問題があった。

【００１０】以上のように、幅信号の不要な部分を除く
従来の方法は、オペレータの操作が煩雑であるという問
題や高価な装置が必要であるという問題があった。その
ため、操作が簡単で低コストで実現できる幅信号の不要
な部分を除く方法及びそのような機能を有する寸法測定
装置が要望されていた。本発明は、上記のような問題を
解決するためのものであり、簡単な操作で幅信号の不要
な部分を除ける寸法測定方法及び寸法測定装置の実現を
目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の寸法測定方法
は、光ビームを走査して遮光される時間から被測定物の
幅を測定する光走査型幅測定機を利用し、被測定物を移
動又は回転させた時に変化する測定信号から被測定物の
寸法を測定する光走査型幅測定機を利用した寸法測定方
法であって、光走査型幅測定機から出力される測定信号
を記憶する工程と、測定信号をあらかじめ設定された位
相シフト量だけ遅延させる工程と、遅延された前記測定
信号に、あらかじめ設定された上レベルシフト量を加算
して上シフト信号を生成する工程と、遅延された測定信
号から、あらかじめ設定された下レベルシフト量を減算
して下シフト信号を生成する工程と、測定信号を時間軸
に対して表示した時の上シフト信号と測定信号の近接す
る２つの上交点を算出し、この２つの上交点の時間的に
前側の交点を上中心点、もう一方の交点を上第２点と
し、上中心点から上交点間の時間の所定割合分前の上第
１点を算出する工程と、測定信号を時間軸に対して表示
した時の下シフト信号と測定信号の近接する２つの下交
点を算出し、この２つの下交点の時間的に前側の交点を
下中心点、もう一方の下交点を下第２点とし、下中心点
から下交点間の時間の所定割合分前の下第１点を算出す
る工程と、上第１点と上第２点間、及び下第１点と下第
２点間を除去期間とし、除去期間を除いた前記測定信号
で寸法を算出することを特徴とする。

【００１２】また、本発明の寸法測定装置は、光ビーム
を走査して遮光される時間から被測定物の幅を測定する
光走査型幅測定機を備え、被測定物を移動又は回転させ
た時に変化する測定信号から被測定物の寸法を測定する
光走査型幅測定機を利用した寸法測定装置であって、光
走査型幅測定機から出力される測定信号を記憶する記憶
手段と、測定信号を、あらかじめ設定された位相シフト
量だけ遅延させる位相シフト手段と、遅延された測定信
号に、あらかじめ設定された上レベルシフト量を加算し
て上シフト信号を生成する上レベルシフト手段と、遅延
された測定信号から、あらかじめ設定された下レベルシ
フト量を減算して下シフト信号を生成する下レベルシフ
ト手段と、測定信号を時間軸に対して表示した時の上シ
フト信号と測定信号の近接する２つの上交点を算出し、
この２つの上交点の時間的に前側の交点を上中心点、も
う一方の交点を上第２点とし、上中心点から上交点間の
時間分前の上第１点を算出し、この上第１点と上第２点
の間を上除去範囲とする上除去範囲算出手段と、測定信
号を時間軸に対して表示した時の下シフト信号と測定信
号の近接する２つの下交点を算出し、この２つの下交点
の時間的に前側の交点を下中心点、もう一方の交点を下
第２点とし、下中心点から下交点間の時間分前の下第１
点を算出し、この下第１点と下第２点の間を下除去範囲
とする下除去範囲算出手段と、上除去範囲と下除去範囲
を除いた測定信号で寸法を算出する補正寸法算出手段と
を備えることを特徴とする。

【００１３】位相シフト量、上及び下レベルシフト量
は、外部から設定できることが望ましく、そのために、
寸法測定装置は、外部から設定された位相シフト量及び
上及び下レベルシフト量を記憶し、位相シフト手段、上
レベルシフト手段、及び下レベルシフト手段に記憶した
位相シフト量及びレベルシフト量を出力する位相シフト
量設定手段とレベルシフト量設定手段とを備える。

【００１４】本発明の寸法測定方法及び装置では、幅信
号自体に基づいて処理を行うことにより、測定しようと
する寸法に関係しない信号部分を除去する。図１は、本
発明における除去範囲を算出する基本原理を説明する図
である。図１は、段付きワークを測定した場合の幅信号
の変化を例を示している。寸法部分の信号は変化が比較
的小さく、測定しようとする寸法に関係しない部分の信
号は変化が大きい。これは、キー溝有する円筒物の場合
も同様であり、キー溝部分の信号は変化が大きいが、測
定しようとする外径寸法部分の信号は変化が小さい。そ
こで、本発明では、信号の変化の大きな部分の前後の範
囲を外径寸法に関係しない部分として除去する。信号の
変化の大きな部分を算出する方法として、１次微分又は
２次微分を行い、その結果が所定値以上の範囲を除くこ
とも考えられるが、幅信号には寸法部分でも細かい変動
があり、その１次微分値又は２次微分値で判定したので
は寸法部分にも除去範囲が生じて良好な結果を得ること
ができなかった。そこで、本発明では、図１に示すよう
に、光走査型幅測定機からの測定信号をあらかじめ設定
された位相シフト量だけ遅延させ、更にあらかじめ設定
された上及び下レベルシフト量だけ加算又は減算して上
シフト信号と下シフト信号を生成し、測定信号との交点
を求める。測定信号が増加する方向に変化する場合に
は、測定信号と上シフト信号で２つの交点Ａ，Ｂが生
じ、測定信号が減少する方向に変化する場合には、測定
信号と下シフト信号で２つの交点Ｃ，Ｄが生じる。測定
信号と上シフト信号の近接する２つの交点Ａ，Ｂを上交
点とし、２つの上交点の時間的に前側の交点Ａを上中心
点、もう一方の交点Ｂを上第２点Ｂし、上中心点Ａから
上交点間の時間の所定割合分前の点を上第１点Ｅとす
る。同様に、測定信号と下シフト信号の近接する２つの
交点Ｃ，Ｄを下交点とし、２つの下交点の時間的に前側
の交点Ｃを下中心点、もう一方の交点Ｄを下第２点と
し、下中心点から下交点間の時間の所定割合分前の点を
下第１点Ｆとする。そして、ＥとＢの間及びＦとＤの間
を除去期間として測定信号から除去する。残りの部分
は、測定しようとする寸法部分の測定信号であるから、
それから寸法値を算出する。

【００１５】位相シフト量と上及び下レベルシフト量
は、測定対象のワークに応じて決定する必要があり、オ
ペレータが外部から設定できるようにする。例えば、図
１のような段付きワークであれば、上及び下レベルシフ
ト量は、測定信号の各段の段差、すなわち最大値と最小
値の差である最小径差を越えない範囲で決定し、通常は
最小径差の１／２程度に設定する。位相シフト量は、各
段の長さ（最大値と最小値の中間にしきい値を定め、そ
の間を各段の長さとする。）の１／１０とする等であ
る。いずれにしろ、ワークの形状、ワークの回転速度等
に応じて、位相シフト量、上及び下レベルシフト量を設
定する必要がある。上レベルシフト量は、小さな外径か
ら大きな外径への寸法変化部分の除去範囲を決定し、下
レベルシフト量は、大きな外径から小さな外径への寸法
変化部分の除去範囲を決定する。従って独立に設定でき
ることが望ましい。

【００１６】更に、上記の点Ｅは、上中心点Ａから、点
ＡとＢの間の時間の所定割合分前の点であり、その割合
は適宜設定される。Ｆについても同様である。本発明と
微分法による方法を比較した場合、微分法の結果は信号
の変化率に基づいたものであるのに対して、本発明の結
果は位相シフトとレベルシフトの相乗効果で決定される
点に特徴がある。例えば、非常に緩く変化する長いテー
パ部分を除去する場合、その変化率が小さいため微分法
では測定信号の雑音による変化と識別することが難しい
が、本発明では、位相シフト量を大きく、レベルシフト
量を小さく設定することにより、除去範囲を正確に決定
することが可能である。

【００１７】また、上記のように光走査型幅測定機の１
走査での測定結果は精度が十分とはいえず、複数回の平
均値を測定値としており、実際には得られた測定値に対
してスムージング処理や、高周波成分の除去処理を行っ
て外径を算出している。本発明では、このような処理を
行う前の信号で対象となる範囲を特定することが可能で
あり、範囲を特定した上でこのような処理を適用すれば
よく、処理の効率が改善されるという利点もある。

【００１８】

【発明の実施の形態】図２は、本発明の実施例の構成を
示すブロック図である。図２において、参照番号１１は
レーザ走査型幅測定機であり、図５及び図７に示すよう
な構成を有し、更に、ワーク１００を一定速度で移動又
は回転させる装置が付属しているが、これらは従来技術
であり、ここでは省略する。レーザ走査型幅測定機１１
が出力するのはワークの幅に対応するカウンタ１１０の
出力であり、ディジタル信号であり、以下のすべての処
理はディジタル処理で行われる。１２はレーザ走査型幅
測定機１１の出力する幅信号を記憶する記憶部である。
１３は位相シフト部であり、位相シフト量設定部１９に
記憶された位相シフト量だけ幅信号を遅延させる。１４
は上レベルシフト部であり、位相シフト部１３が出力す
る遅延された幅信号を、レベルシフト量設定部２０に記
憶された上レベルシフト量だけ上方向にシフトさせて上
シフト信号を生成する。１５は下レベルシフト部であ
り、位相シフト部１３が出力する遅延された幅信号を、
レベルシフト量設定部２０に記憶された下レベルシフト
量だけ下方向にシフトさせて下シフト信号を生成する。
１６は上除去範囲算出部であり、上シフト信号と記憶部
１２に記憶された幅信号から、測定信号が増加する方向
に変化する場合の除去範囲を算出する。１７は下除去範
囲算出部であり、下シフト信号と記憶部１２に記憶され
た幅信号から、測定信号が減少する方向に変化する場合
の除去範囲を算出する。上除去範囲算出部１６と下除去
範囲算出部１７における除去範囲の算出は、ワークの種
類に応じて変更できるようになっている。これについて
は、後述する。１８は、記憶部１２に記憶された幅信号
から上除去範囲算出部１６と下除去範囲算出部１７で算
出された除去範囲を除いた残りの部分から所望部分の寸
法を算出する補正寸法算出部である。

【００１９】次に、図２のような構成の寸法測定装置
で、ワークの外径を測定する例について説明する。図３
の（１）は、測定対象の段付きワークを示す斜視図であ
り、（２）はそれを測定した場合の幅信号と、その処理
を示す図である。測定対象の段付きワークは、図３の
（１）に示すように、３段の円筒であり、１段目と２段
目は同じ長さであり、３段目はそれより若干長い。外径
は、１段目がもっとも小さく、３段目、２段目の順に大
きくなる。これを図７のようにして測定すると、幅信号
は図３の（２）のようになる。ここで、位相シフト量を
１段目と２段目の長さの１／１０とし、レベルシフト量
を３段目の外径の１／１０として、上シフト信号と下シ
フト信号を算出すると、図の破線と一点鎖線で示した曲
線になり、除去範囲は図示のようになる。なお、ここで
は、図１のＥとＦの点は、上中心点Ａと下中心点Ｃか
ら、ＡとＢの間の時間及びＣとＤの間の時間分前である
ように設定した。従って、これらの除去範囲外の部分の
幅信号から算出すれば、各段の外径が正確に求まる。

【００２０】図４の（１）は、測定対象のキー溝付きワ
ークを示す斜視図であり、（２）はそれを測定した時の
幅信号を示す。キー溝の部分では他の部分より幅信号が
小さくなるが、その低下量は非常に小さくなだらかに変
化する信号になる。そのため、レベルシフト量を小さ
く、位相シフト量は比較的大きくする必要がある。例え
ば、レベルシフト量は信号の変化幅（溝の深さではな
い）の１／４程度、位相シフト量は溝幅に相当する時間
の１／４程度にする。更に、測定するのはワークの外径
であり、キー溝の部分全体を除く必要があるから、Ｆか
らＢの範囲全体を除去範囲とする。

【００２１】ワークがエンドミルや歯車で、その外径を
測定する場合、測定対象部分に相当する信号の範囲は狭
く、そのような部分が周期的に現れる。図１０は、歯車
又はエンドミルの外径測定に本発明を適用した例を示す
図であり、形状及び範囲が異なるワークに対して、同一
の上及び下レベルシフト量と位相シフト量で本発明を適
用した例を、示している。

【００２２】図示のように、測定対象部分の幅が異なる
ワークで同一の上及び下レベルシフト量と位相シフト量
にしても、所望の測定範囲が得られる。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
簡単な操作で幅信号の不要な部分を除くことが可能にな
り、外径の測定が容易に行えるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本原理を説明する図である。

【図２】本発明の実施例の外径測定装置の構成を示すブ
ロック図である。

【図３】実施例での処理例を示す図である。

【図４】実施例での他の処理例を示す図である。

【図５】レーザ走査型幅測定装置の基本的な構成を示す
図である。

【図６】レーザ走査型幅測定装置の出力信号の例を示す
図である。

【図７】レーザ走査型幅測定装置の測定に対して、被測
定物を移動させて形状を測定する構成を示す斜視図であ
る。

【図８】図７の構成で、段付き円筒状物を被測定物とし
た時の幅信号の変化を示す図である。

【図９】図７の構成で、段付き円筒状物を測定した時の
問題点を説明する図である。

【図１０】本発明を、歯車とエンドミルの測定信号に適
用した時の処理を説明する図である。

【符号の説明】

１１…レーザ走査型幅測定機 １２…記憶部 １３…位相シフト部 １４…上レベルシフト部 １５…下レベルシフト部 １６…上除去範囲算出部 １７…下除去範囲算出部 １８…補正外径算出部 １９…位相シフト量設定部 ２０…レベルシフト量設定部 １０１…レーザ １０２…コリメータレンズ １０３…ポリゴンミラー １０４…走査レンズ １０５…集光レンズ １０６…受光器 １０７…アンプ １０８…クロック信号発生回路 １１０…カウンタ

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光ビームを走査して遮光される時間から
   被測定物の幅を測定する光走査型幅測定機を利用し、被
   測定物を移動又は回転させた時に変化する測定信号から
   被測定物の寸法を測定する光走査型幅測定機を利用した
   寸法測定方法であって、 前記光走査型幅測定機から出力される測定信号を記憶す
   る工程と、 該測定信号をあらかじめ設定された位相シフト量だけ遅
   延させる工程と、 遅延された前記測定信号に、あらかじめ設定された上レ
   ベルシフト量を加算して上シフト信号を生成する工程
   と、 遅延された前記測定信号から、あらかじめ設定された下
   レベルシフト量を減算して下シフト信号を生成する工程
   と、 前記測定信号を時間軸に対して表示した時の前記上シフ
   ト信号と前記測定信号の近接する２つの上交点を算出
   し、該２つの上交点の時間的に前側の交点を上中心点、
   もう一方の交点を上第２点とし、前記上中心点から前記
   上交点間の時間の所定割合分前の上第１点を算出する工
   程と、 前記測定信号を時間軸に対して表示した時の前記下シフ
   ト信号と前記測定信号の近接する２つの下交点を算出
   し、該２つの下交点の時間的に前側の交点を下中心点、
   もう一方の下交点を下第２点とし、前記下中心点から前
   記下交点間の時間の所定割合分前の下第１点を算出する
   工程と、 前記上第１点と上第２点間、及び前記下第１点と下第２
   点間を除去期間とし、該除去期間を除いた前記測定信号
   で寸法を算出することを特徴とする光走査型幅測定機を
   利用した寸法測定方法。
2. 【請求項２】 光ビームを走査して遮光される時間から
   被測定物の幅を測定する光走査型幅測定機を備え、被測
   定物を移動又は回転させた時に変化する測定信号から被
   測定物の寸法を測定する光走査型幅測定機を利用した寸
   法測定装置であって、 前記光走査型幅測定機から出力される測定信号を記憶す
   る記憶手段と、 前記測定信号を、あらかじめ設定された位相シフト量だ
   け遅延させる位相シフト手段と、 遅延された前記測定信号に、あらかじめ設定された上レ
   ベルシフト量を加算して上シフト信号を生成する上レベ
   ルシフト手段と、 遅延された前記測定信号から、あらかじめ設定された下
   レベルシフト量を減算して下シフト信号を生成する下レ
   ベルシフト手段と、 前記測定信号を時間軸に対して表示した時の前記上シフ
   ト信号と前記測定信号の近接する２つの上交点を算出
   し、該２つの上交点の時間的に前側の交点を上中心点、
   もう一方の交点を上第２点とし、前記上中心点から前記
   上交点間の時間の所定割合分前の上第１点を算出し、該
   上第１点と前記上第２点の間を上除去範囲とする上除去
   範囲算出手段と、 前記測定信号を時間軸に対して表示した時の前記下シフ
   ト信号と前記測定信号の近接する２つの下交点を算出
   し、該２つの下交点の時間的に前側の交点を下中心点、
   もう一方の交点を下第２点とし、前記下中心点から前記
   下交点間の時間の所定割合分前の下第１点を算出し、該
   下第１点と前記下第２点の間を下除去範囲とする下除去
   範囲算出手段と、 前記上除去範囲と前記下除去範囲を除いた前記測定信号
   で寸法を算出する補正寸法算出手段とを備えることを特
   徴とする光走査型幅測定機を利用した寸法測定装置。
3. 【請求項３】 前記位相シフト量及び前記上及び下レベ
   ルシフト量は、該寸法測定装置の外部から設定可能であ
   り、外部から設定された前記位相シフト量及び前記上及
   び下レベルシフト量を記憶し、前記位相シフト手段、前
   記上レベルシフト手段、及び前記下レベルシフト手段に
   記憶した前記位相シフト量及び前記上及び下レベルシフ
   ト量を出力する位相シフト量設定手段とレベルシフト量
   設定手段とを備える請求項３に記載の光走査型幅測定機
   を利用した寸法測定装置。