JP3924363B2 - 寸法測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物品の寸法を光を用いて非接触に測定するための寸法測定装置において、透光性を有する筒状の被測定物の外径とともに内径をするための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
物品の外形寸法等を光学的に測定するために、従来では、図５に示す寸法測定装置が用いられている。
【０００３】
図において、投光部１１は同一平面上の所定幅の範囲を光軸が平行に移動するように走査されたビームを出射し、投光部１１に対向する位置に配置された受光部１２は、投光部１１から出射されたビームを受けて、その受光強度に比例したレベルの受光信号を出力する。
【０００４】
被測定物１は投光部１１から出射されるビームの走査範囲内に配置され、ビームが被測定物１の外側を通過している間は、受光部１２から出力される受光信号のレベルは高く、ビームが被測定物１と交わる位置にあるときには、被測定物１のビームに対する減衰、反射等によって、受光部１２から出力される受光信号のレベルが大きく（被測定物１が透光性の無い物質の場合にはほぼゼロレベルまで）低下する。したがって、投光部１１からのビームが、走査範囲内を少なくとも一方向に走査されると、受光部１２からは図６の（ａ）に示すように、高レベルから一旦低レベルに低下してから再び高レベルに戻るように変化する受光信号が出力されることになる。
【０００５】
このように受光信号のレベルが大きく変化するのは、ビームの光軸が被測定物１のエッジを通過するときであり、時間に対するビームの光軸の位置は投光部１１の偏向特性によって予め決まっているから、この受光信号のレベルが変化するタイミングを求めることで、ビームに直交する方向の被測定物１の外形寸法を求めることができる。
【０００６】
このため、従来の寸法測定装置では、受光信号のレベルの変化タイミングを正確に求めるために、図５に示しているように２値化回路１３によって受光信号を予め設定されたしきい値Ｖｓと比較することによって、図６の（ｂ）に示すようにハイレベル（明レベル）とローレベル（暗レベル）からなる２値化信号に変換して演算回路１４に出力し、演算回路１４によって２値化信号のレベル反転タイミングと時間に対するビームの光軸位置の関係とから被測定物１の外形寸法φを求めている。なお、２値化回路１３は、しきい値出力回路１５から出力されるしきい値Ｖｓによって受光信号を２値化し、しきい値出力回路１５は、ピーク検出回路１６によって検出された受光信号のピークレベルのほぼ１／２に等しいしきい値Ｖｓを出力するように構成されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年では、物品の外形寸法だけでなく、例えば円筒状で透光性のある長尺物品の外径と内径とをその物品の長手方向に沿って測定したいという要望が強くなっている。
【０００８】
しかしながら、上記のような寸法測定装置で透光性のある筒状の物品の外径および内径を測定しようとすると、その物品の透光率（減衰率）の影響を受けて物品の内径寸法を正確に測定することができないという問題がある。
【０００９】
即ち、例えばガラスのようにビームに対する減衰率が非常に低く透光性が極めて高い被測定物の場合、図７の（ａ）に示すように、走査が開始されるｔ０時からビームが被測定物１の外側のエッジに交わる直前までは受光信号は高レベルとなり、ビームが被測定物１の外側のエッジに交わると受光信号のレベルが低下してｔ１時にしきい値Ｖｓを越え、さらにビームが被測定物１の外側のエッジより内側に移動してからビームの光軸と被測定物１の外周面との角度が所定角になる直前まではビームが被測定物１の外周面で反射して受光信号のレベルは低レベル（ほぼゼロ）となる。
【００１０】
そして、ビームの光軸と被測定物１の外周面との角度が所定角になるｔ２時からビームが被測定物１の内周面に接する直前までは、投光部１１からビームが減衰の少ない状態で被測定物１を通過するので受光信号は高レベルとなり、ビームが被測定物１の内周面に接するとその内周面の反射に受光信号のレベルが低下しｔ３時にしきい値Ｖｓを越え、さらにビームが被測定物１の内側に移動してからビームの光軸と被測定物１の内周面との角度が所定角になる直前まではビームが被測定物１の内周面で反射して受光信号のレベルは低レベル（ほぼゼロ）となる。さらにビームが内側に移動してビームの光軸と被測定物１の内周面との角度が所定角になってからビームが被測定物１の中心を通るｔ４時までビームが減衰の少ない状態で被測定物を通過するので高レベルとなる。以後、ｔ０時〜ｔ４時までの波形が、ｔ４時を挟んで対称に出力される。
【００１１】
このように、ビームが被測定物１の内周面に接する前後のレベルの変化量が、外周に接する前後のレベルの変化量とほぼ等しい場合には、受光信号をしきい値Ｖｓで２値化することにより、図７の（ｂ）に示すように、被測定物１の外周面および内周面にビームの光軸が接する位置にきたタイミングｔ１、ｔ３、ｔ５、ｔ７でほぼ正確にレベルが反転する２値化信号を得ることができ、この２値化信号から外径および内径を算出することができる。
【００１２】
ところが、例えば半透明や白濁した樹脂等のように透光性が低い被測定物の場合には、図８の（ａ）に示すように、被測定物内を通過するビームの減衰量が大きくなり、ｔ２からｔ６までの間の受光信号のレベルが低下する。
【００１３】
このため、この受光信号をしきい値Ｖｓで２値化した場合、図８の（ｂ）に示すように、ビームの光軸が被測定物１の内周面に接するタイミングからΔｔずれたタイミングにレベルが反転する２値化信号しか得られず、被測定物の内径を正確に測定することができない。
【００１４】
本発明は、この問題を解決し、透光性が低い被測定物であってもその外径と内径の寸法を正確に測定できる寸法測定装置を提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の寸法測定装置は、
同一平面上で所定幅の範囲を光軸が平行に移動するように走査されたビームを出射する投光部（２１）と、
前記投光部から出射されたビームを受け、該ビームの強度に応じてレベルが変化する受光信号を出力する受光部（２５）と、
前記受光信号のピークレベルを検出する第１のピーク検出回路（３０）と、
前記第１のピーク検出回路によって検出されたピークレベルに対応する第１のしきい値を出力する第１のしきい値出力回路（３１）と、
前記受光信号を前記第１のしきい値と比較することによって２値化信号に変換する第１の２値化回路（３２）と、
前記第１の２値化回路から出力された２値化信号のレベル反転タイミングに基づいて前記ビームの走査範囲内に配置された筒状で被測定物の外径寸法を算出する外径演算回路（３３）と、
前記第１の２値化回路から出力された２値化信号に基づいて前記ビームが前記被測定物の外径範囲の内側を移動している暗期間を検出する暗期間検出回路（３６）と、
前記暗期間検出回路によって検出された暗期間中の受光信号のピークレベルを検出する第２のピーク検出回路（３５）と、
前記第２のピーク検出回路によって検出されたピークレベルに対応する第２のしきい値を出力する第２のしきい値出力回路（３７）と、
前記受光信号を前記第２のしきい値と比較することによって２値化信号に変換する第２の２値化回路（３８）と、
前記第２の２値化回路から出力された２値化信号のレベル反転タイミングに基づいて前記筒状の被測定物の内径寸法を算出する内径演算回路（３９）とを備えている。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の一実施形態を説明する。図１は、本発明の実施形態の寸法測定装置の構成を示す図である。
【００１７】
図１において、投光部２１は、光源２２から出射されるレーザビームを例えばミラー振動型の偏向装置２３によって一定の角度範囲内を往復偏向し、さらにレンズ２４によって所定幅の範囲を光軸が平行に移動するように走査されたビームに変えて受光部２５に向かって出射する。
【００１８】
受光部２５は、投光部２１から出射されたビームをレンズ２６で受けて、受光器２７の受光面に集光して、受けたビームの強度に応じてレベルが変化する受光信号を受光器２７から出力させる。なお、投光部２１と受光部２５とは互いに相対位置が変化しないように一体化されている。
【００１９】
第１のピーク検出回路３０は、受光部２５から出力される受光信号を受けて、そのピークレベルＬｐ１（受光部２５が受けた光の最大強度に対応するレベル）を検出する。
【００２０】
第１のしきい値出力回路３１は、第１のピーク検出回路３０が検出したピークレベルＬｐ１のほぼ１／２に等しい第１のしきい値Ｖｓ１を第１の２値化回路３２に出力する。
【００２１】
第１の２値化回路３２は、受光部２５から出力される受光信号を第１のしきい値出力回路３１から出力される第１のしきい値Ｖｓ１によって２値化し、受光信号のレベルが第１のしきい値Ｖｓ１を越えているときにはハイレベル（明レベル）、受光信号のレベルが第１のしきい値Ｖｓ１を越えていないときにはローレベル（暗レベル）となる２値化信号を出力する。
【００２２】
第１の２値化回路３２から出力される２値化信号は、外径演算回路３３に入力される。外径演算回路３３は、第１の２値化回路３２から出力される２値化信号が明レベルから暗レベルに反転するタイミングおよび暗レベルから明レベルに反転するタイミングを検出し、この検出したタイミングと投光部２１から出射されるビームの光軸位置と時間との関係とから、ビームの走査範囲内に位置する被測定物１の外径φ１を算出する。
【００２３】
一方、第２のピーク検出回路３５は、後述する暗期間検出回路３６からの暗期間信号を受けている間だけ受光信号のピークレベルを検出する。
【００２４】
暗期間検出回路３６は、投光部２１から出射されるビームが被測定物の外径範囲の内側を移動している期間を暗期間として検出するために、第１、第２のタイマ回路３６ａ、３６ｂによって構成されている。
【００２５】
第１のタイマ回路３６ａのタイマ時間Ｔａは、受光信号のレベルが第１のしきい値Ｖｓ１まで低下したときから最も低いレベルまで低下するのに要する時間より僅かに長く設定されており、ビームの１回の走査が開始されてから第１の２値化回路３２から出力される２値化信号が最初にハイレベル（明レベル）からローレベル（暗レベル）に反転するタイミングに起動して、Ｔａ時間ローレベル信号を出力する。なお、第２のタイマ回路３６ｂの出力がローレベルにある間は受光信号がレベル反転しても起動しない。
【００２６】
第２のタイマ回路３６ｂのタイマ時間Ｔｂは、受光信号が最初に低いレベルまで完全に低下したときからビームが被測定物の外周面に接する位置に達して受光信号のレベルが高くなり始めるまでの期間より僅かに短く設定されており、第１のタイマ回路３６ａのタイマ動作が終了したタイミングに起動してＴｂ時間のローレベル信号を暗期間を示す信号として第２のピーク検出回路３５に出力する。なお、第１のタイマ回路３６ａ、第２のタイマ回路３６ｂのタイマ時間は、測定対象の被測定物の公称寸法とビームの走査速度等に基づいて予め設定されている。
【００２７】
第２のしきい値出力回路３７は、第２のピーク検出回路３５によって検出されたピークレベルＬｐ２のほぼ１／２に等しい第２のしきい値Ｖｓ２を第２の２値化回路３８に出力する。
【００２８】
第２の２値化回路３８は、受光信号を第２のしきい値Ｖｓ２で２値化した２値信号を出力する。
【００２９】
内径演算回路３９は、第２の２値化回路３８から出力される２値化信号のレベル反転タイミングを検出し、この検出したタイミングと投光部２１から出射されるビームの光軸位置と時間との関係とから、ビームの走査範囲内に位置する被測定物１の内径φ２を算出する。
【００３０】
次に、この寸法測定装置の動作を図２に基づいて説明する。
透光性の低い円筒状の被測定物１が、投光部２１と受光部２５の間のビームの走査範囲内にビームと交差するように配置されている状態で投光部２１のビームが走査されると、受光器２７からは図２の（ａ）に示す受光信号が繰り返し出力され、その受光信号のピークレベルＬｐ１が第１のピーク検出回路３０によって検出され、第１のしきい値出力回路３１からピークレベルＬｐ１のほぼ１／２に等しい第１のしきい値Ｖｓ１が第１の２値化回路３２に出力される。
【００３１】
このため、第１の２値化回路３２からは、図２の（ｂ）に示す２値化信号が出力される。
【００３２】
外径演算回路３３は、この２値化信号が明レベルから暗レベルに反転するタイミングと暗レベルから明レベルに反転するタイミングを検出し、投光部２１から出射されるビームの時間に対する光軸位置の関係から被測定物１の外径φ１を算出する。
【００３３】
例えば、ビームの走査中心から光軸までの距離がＡcos ωt の関係を満たす場合、走査スタート時点ｔ０から２値化信号が明レベルから暗レベルに反転するまでの時間Ｔ１と、暗レベルから明レベルに反転するまでの時間Ｔ２を求め、次の演算を行なうことで被測定物の外径φ１を算出する。
φ１＝Ａ｜cos ωＴ１−cos ωＴ２｜
【００３４】
そして、この２値化信号が明レベルから暗レベルに反転するタイミングに図２の（ｃ）のように暗期間検出回路３６の第１のタイマ回路３６ａが起動してＴａ時間作動し、このタイマがタイムアップするタイミングには図２の（ｄ）に示すように第２のタイマ回路３６ｂが起動してＴｂ時間幅のローレベルの暗期間信号が第２のピーク検出回路３５に入力される。
【００３５】
このため、ビームが被測定物１の外径範囲の内側を移動している期間中に受光部２５から出力される受光信号のピークレベルＬｐ２が検出され、第２のしきい値出力回路３７からピークレベルＬｐ２のほぼ１／２に等しい第２のしきい値Ｖｓ２が第２の２値化回路３８に出力される。
【００３６】
このため、第２の２値化回路３３からは、図２の（ｅ）に示す２値化信号が出力される。
【００３７】
内径演算回路３９は、第２の２値化回路３３からの２値化信号が、走査のスタート時点ｔ０から２回目に明レベルから暗レベルに反転するまでの時間Ｔ３と、走査のスタート時点ｔ０から２値化信号のレベルが３回目に暗レベルから明レベルに反転するまでの時間Ｔ４を検出し、外径演算と同様に次の演算を行なうことで被測定物の内径φ２を算出する。
φ２＝Ａ｜cos ωＴ３−cos ωＴ４｜
【００３８】
このように、上記実施形態の寸法測定装置は、第１の２値化回路３２から出力される２値化信号に基づいてビームが被測定物１の外径範囲の内側を移動している暗期間を検出し、この暗期間中に受光部から出力される受光信号のピーレベルを第２のピーク検出回路３５によって検出し、そのピークレベルに応じた第２のしきい値によって受光信号を２値化して内径を算出しているため、ビームの光軸が被測定物の内周面に接するタイミングを正確に検出することができ、透光性の低い筒状の被測定物の外径寸法および内径寸法を高い精度で測定することができる。
【００３９】
【他の実施の形態】
なお、前記実施形態では、被測定物を通過する光の受光信号のピークレベルＬｐ２が、第１のしきい値Ｖｓ１より低い場合について説明したが、図３の（ａ）に示すように、ピークレベルＬｐ２が第１のしきい値Ｖｓ１より高い場合には、図３の（ｂ）に示すように、第１の２値化回路３２から１回の走査期間内に３つあるいは４つのローレベルパルスが出力されることになり、ピークレベルＬｐ２と第１のしきい値Ｖｓ１とが近い場合には、被測定物の減衰量のバラツキや外乱等によって内側のパルスが出たり出なかったりして、外径演算に支障を来す恐れがある。
【００４０】
このような場合には、図４に示すように、第１の２値化回路３２から２値化信号（図３の（ｂ））と暗期間検出回路３６の第２のタイマ回路３６ｂの出力信号（図３の（ｃ））とをアンド回路４０に入力して論理積をとることで、図３の（ｄ）に示すように外径演算に不要なパルスを消去した２値化信号を得ることができ、この２値化信号を外径演算回路３３に入力すれば、前記同様に被測定物の外径を算出することができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の寸法測定装置は、ビームが被測定物の外径範囲の内側を移動している期間の受光信号のピークレベルを検出し、そのピークレベルに応じた第２のしきい値によって受光信号を２値化して被測定物の内径を算出するように構成されているため、透光性が低い被測定物であってもビームの光軸が被測定物の内周面に接するタイミングを正確に検出することができ、筒状の被測定物の外径および内径を高い精度で測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の構成を示す図
【図２】一実施形態の動作を説明するための信号図
【図３】他の実施形態の動作を説明するための信号図
【図４】他の実施形態の要部を示すブロック図
【図５】従来装置の構成を示す図
【図６】従来装置の動作を説明するための信号図
【図７】従来装置によって透光性の高い筒状物を測定したときの信号図
【図８】従来装置によって透光性の低い筒状物を測定したときの信号図
【符号の説明】
２１ 投光部
２５ 受光部
３０ 第１のピーク検出回路
３１ 第１のしきい値出力回路
３２ 第１の２値化回路
３３ 外径演算回路
３５ 第２のピーク検出回路
３６ 暗期間検出回路
３７ 第２のしきい値出力回路
３８ 第２の２値化回路
３９ 内径演算回路

Claims (1)

1. 同一平面上で所定幅の範囲を光軸が平行に移動するように走査されたビームを出射する投光部（２１）と、
   前記投光部から出射されたビームを受け、該ビームの強度に応じてレベルが変化する受光信号を出力する受光部（２５）と、
   前記受光信号のピークレベルを検出する第１のピーク検出回路（３０）と、
   前記第１のピーク検出回路によって検出されたピークレベルに対応する第１のしきい値を出力する第１のしきい値出力回路（３１）と、
   前記受光信号を前記第１のしきい値と比較することによって２値化信号に変換する第１の２値化回路（３２）と、
   前記第１の２値化回路から出力された２値化信号のレベル反転タイミングに基づいて前記ビームの走査範囲内に配置された筒状の被測定物の外径寸法を算出する外径演算回路（３３）と、
   前記第１の２値化回路から出力された２値化信号に基づいて前記ビームが前記被測定物の外径範囲の内側を移動している暗期間を検出する暗期間検出回路（３６）と、
   前記暗期間検出回路によって検出された暗期間中の受光信号のピークレベルを検出する第２のピーク検出回路（３５）と、
   前記第２のピーク検出回路によって検出されたピークレベルに対応する第２のしきい値を出力する第２のしきい値出力回路（３７）と、
   前記受光信号を前記第２のしきい値と比較することによって２値化信号に変換する第２の２値化回路（３８）と、
   前記第２の２値化回路から出力された２値化信号のレベル反転タイミングに基づいて前記筒状の被測定物の内径寸法を算出する内径演算回路（３９）とを備えた寸法測定装置。

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