JP3955400B2 - 寸法測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザビームを用いて光ファイバなどの外径寸法を測定する寸法測定装置に係り、特に、レーザビームモニタ部を簡素化した寸法測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、従来の寸法測定装置を示す構成図である。
光源５０のレーザビームは、所定周波数で振動する音叉偏向器５１の先端に設けられたミラー５１ａで反射し、投光レンズ５２を通し平行ビームとされる。
この平行ビームは、光ファイバ等の被測定物を挟んで対向配置された受光レンズ５４でＰＤなどの受光素子５５に集光され光電変換される。
【０００３】
音叉偏向器５１は、振動によりレーザビームの出射角度を掃引し、平行ビームは、被測定物を平行に走査する。
この走査により、受光素子５５では、被測定物で遮られたとき低レベルになる陰影のエッジが得られる。このエッジ間隔に基づき、被測定物の外径を求めることができる。
【０００４】
このような装置には、偏向部におけるビーム走査の変動状態を検知するため、モニタ部６０が設けられる。音叉偏向器５１で反射されたレーザビームは、ハーフミラー等の分岐手段６１により一部が投光レンズ６２側に分岐される。
投光レンズ６２及び受光レンズ６３間も平行ビームとされ、基準となるモニタ体（ピンゲージ）６４が配置されている。受光レンズ６３で集光されたビームは、受光素子６５で光電変換される。
【０００５】
これにより、モニタ部６０側では、ピンゲージ６４の外径が得られる。図示しない処理手段は、この基準の外径と被測定物の外径の比率の変化状態に基づき音叉偏向器５１の偏向状態（走査振幅）の変動の影響を除去して寸法出力する構成となっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のモニタ部６０は、測定系と同様な構成を有しモニタする構成であるため、以下のような問題があった。
１）レーザビームを平行ビームに変換するため、一対の投光レンズ６２，受光レンズ６３が必要となる。また、これらを所定間隔を隔ててで配置されるため、スペースが必要である。さらに、集光側それぞれにおける焦点距離のバラツキの調整が必要となる。
２）ピンゲージ６４が必要で一対の投光レンズ６２，受光レンズ６３の空間内に固定配置しなればならない。
【０００７】
このように、従来のモニタ部６０は、部品点数が多く組み立て及び調整に手間がかかるとともにコスト高であった。また、スペースが必要で装置を小型化することができなかった。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、部品点数が少なく調整が容易であり小型化及び低コスト化できる寸法測定装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の寸法測定装置は、請求項１記載のように、光源（１）のレーザビームを偏向させる偏向部（２）と、被測定物に照射された前記レーザビームの陰影を検出する受光部（４）と、前記偏向部の偏向状態をモニタするために前記レーザビームの一部を分岐させてモニタ体に照射させ陰影を検出するモニタ部（５）と、前記受光部及びモニタ部で検出された陰影の両エッジに基づき被測定物の寸法を測定する処理部（７）を備えてなる寸法測定装置において、
前記モニタ部は、前記偏向部で偏向されたレーザビームを一部分岐させる分岐手段（２０）と、
前記分岐されたレーザビームを直接受光し、該レーザビームの偏向幅に対応した受光面（２２ａ）を有する受光素子（２２）と、
前記受光素子の受光面に面接合されるものであり、レーザビームの偏向方向に垂直な方向に延出され互いが所定間隔を隔てて平行な一対の直線状のエッジ（２４ａ，２４ｂ）を有し、該エッジ間が前記レーザビームを透過しない遮蔽部（Ｂ）とされ、他が一対の透過部（２３ａ，２３ｂ）とされた平板状のモニタ板（２３）と、
を備えたことを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２記載のように、前記モニタ板（２３）は、前記一対の平行なエッジ（２４ａ，２４ｂ）間が前記レーザビームを透過する１つの透過部（Ｃ）とされ、他が遮蔽部とされたものを用いることができる。
【００１１】
また、請求項３記載のように、前記モニタ板（２３）は、透明なガラスを基材として表面にレーザビーム遮蔽用の金属を薄厚に形成した後、前記透過部の範囲の金属を除去処理して形成されたものを用いることができる。
【００１２】
また、請求項４記載のように、請求項１の前記受光素子（２２）は、一対の透過部（２３ａ，２３ｂ）にそれぞれ面するよう一対で設けられ、各受光素子は各透過部を透過するレーザビームより少なくとも大きな受光面を有したものを用いて構成できる。
【００１３】
また、請求項５記載のように、請求項２の前記受光素子（２２）は、前記透過部（Ｃ）に面して１個設けられ該透過部を透過するレーザビームより少なくとも大きな受光面を有したものを用いて構成してもよい。
【００１４】
請求項６記載の発明は、光源（１）のレーザビームを偏向させる偏向部（２）と、被測定物に照射された前記レーザビームの陰影を検出する受光部（４）と、前記偏向部の偏向状態をモニタするために前記レーザビームの一部を分岐させてモニタ体に照射させ陰影を検出するモニタ部（５）と、前記受光部及びモニタ部で検出された陰影の両エッジに基づき被測定物の寸法を測定する処理部（７）を備えてなる寸法測定装置において、
前記モニタ部は、前記偏向部で偏向されたレーザビームを一部分岐させる分岐手段（２０）と、
前記分岐されたレーザビームの偏向方向に垂直な方向に延出され互いが所定間隔を隔てて平行な一対の直線状のエッジ（２４ａ，２４ｂ）を有し、該エッジ間が前記レーザビームを光電変換しない不感帯（Ｂ）とされ、他が前記レーザビームを直接受光する受光面（２２ａ）とされた受光器（２１）と、
を備えたことを特徴とする。
【００１５】
上記構成によれば、モニタ部５は、偏向部２で偏向されたレーザビームの一部が分岐手段２０により分岐され直接受光素子２２に入射される。
また、受光素子２２の受光面２２ａに面接合されるモニタ板２３は、一対の平行なエッジ２４ａ，２４ｂ間に遮蔽部Ｂが形成されており、従来用いられたモニタ体に相当するものであり、平板状に薄く設けることができる。これにより、レンズが不要となり部品点数の削減と小型化を図れる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の寸法測定装置の第１実施形態を示す構成図である。
装置は、大略して光源部１、偏向部２、測定部３、受光部４、モニタ部５、処理部７で構成される。
【００１７】
光源部１は、半導体レーザを有し所定波長のレーザビームを偏向部２に向けて出射する。
偏向部２は、音叉偏向器１０で構成される。音叉偏向器１０は、所定周波数で振動する音叉を有し（例えば１．５ｋＨｚにより３０００回の走査）、この音叉の先端にレーザビーム反射用のミラー１１が設けられてなる。
音叉の振動により、ミラー１１で測定部３側に反射されたレーザビームは正弦的に偏向される。
【００１８】
測定部３は、一対の投光レンズ１３，受光レンズ１４を有する。
投光レンズ１３は、音叉偏向器１０のミラー１１部分から焦点距離に対応した位置に配置され、平行な走査ビームに変換する。
投光レンズ１３と受光レンズ１４の間は、装置筐体の外部に表出しており、この部分に被測定物が配置される。被測定物は、この平行ビームの一部を遮るよう配置され、例えば２ｍｍの光ファイバの外径寸法が測定できる。この被測定物は、平行ビームの走査幅に対応して所定の測定可能領域内に配置する。
受光レンズ１４は、平行ビームを再度集光して受光部４の受光素子１６上に集光する。
【００１９】
受光部４の受光素子１６としてはＰＤが用いられ、検出したレーザビームを光電変換しオブジェクト信号として処理部７に出力する。
受光素子１６は、レーザビームが被測定物で遮られている期間中は低レベルを検出する。
【００２０】
モニタ部５は、偏向部２のミラー１１で反射されたビーム走査の変動状態を検知する。レーザビームの光軸上にはハーフミラー等の分岐手段２０が設けられる。分岐手段２０で分岐されたレーザビームは、受光器２１に入射される。
受光器２１は、ＰＤからなる受光素子２２と、受光素子２２の受光面２２ａ上に設けられたモニタ板２３から構成されている。
これら受光素子２２とモニタ板２３の接合体からなる受光器２１は、図示せぬ基板上に搭載され、モニタ板２３の外周部に嵌まる固定板によって一体的に基板方向に押圧固定される。
【００２１】
図２は、受光器２１を示す平面図である。モニタ板２３は、ガラスを基材とする平面略四角状に形成されている（例えば１５〜２０ｍｍの略正方形状）。このモニタ板２３の外径は、偏向部２で偏向されたレーザビームの偏向幅Ｌ１より広い幅Ｌ２を有している。
このモニタ板２３の上面、あるいは裏面には、金属を薄厚に蒸着形成した後、エッチング処理で２つの透過部２３ａ，２３ｂが形成されている。金属が蒸着された面はレーザービームを透過せず、透過部２３ａ，２３ｂのみ透過させることができる。また、蒸着に限らず、メッキ処理で形成することもできる。
【００２２】
透過部２３ａ，２３ｂは、それぞれレーザビームの偏向方向に対し垂直な方向に延びる直線状のエッジ２４ａ，２４ｂを有している。この透過部２３ａ，２３ｂは、図示の例では近設する両エッジ２４ａ，２４ｂからそれぞれ相対する方向に向けて略４角状に形成されている。
そして、これらエッジ２４ａ，２４ｂは、所定の間隔Ｌ３を有し互いが平行に設けられている。この間隔Ｌ３は例えば、３〜１０ｍｍに設定されており、従来用いられていたピンゲージ６４に代えて基準となる所定幅のエッジを検出するための遮蔽部Ｂを形成している。即ち、遮蔽部Ｂの外縁がこれらエッジ２４ａ，２４ｂとなっており、遮蔽部Ｂはレーザビームを透過しない。
【００２３】
受光素子２２は、この実施形態では、各透過部２３ａ，２３ｂの位置に対応してそれぞれ４角状のものが設けられている。この受光素子２２は、偏向されたレーザービーム全体を受光できるよう受光面２２ａが少なくとも、透過部２３ａ，２３ｂの開口径よりも大きく形成されている。
このように、モニタ部５は、分岐手段２０により分岐され拡散するレーザビームを直接受光する。なお、２個の受光素子２２の出力は加算されたモニタ信号として処理部７に出力される。
このモニタ部５においても、受光素子２２は、レーザービームが遮蔽部Ｂ（エッジ２４ａとエッジ２４ｂの間）を走査している期間は低レベルを検出する。
【００２４】
図３は、検出信号と走査ビームとの関係を示す波形図である。
走査ビームの位置は、横軸に時間、縦軸に走査空間の検出方向をとると、図示のように、所定の振幅Ａを有する正弦波形で表すことができる。
オブジェクト信号は、レーザビームが被測定物の両端のエッジ位置Ｅ１とＥ２の間を走査している期間中、レベルが低レベルとなる。
同様に、モニタ信号は、レーザビームが遮蔽部Ｂのエッジ２４ａ（Ｅｍ１），２４ｂ（Ｅｍ２）間を走査している期間はレベルが低レベルとなる。
【００２５】
処理部７は、これらのエッジ検出タイミングを、クロックカウンタを用いて数値データに変換してＣＰＵに取り込み、被測定物のエッジ位置をモニタ部５の遮蔽部Ｂのエッジとの関係から算出する。
そして、得られた被測定物の両エッジ位置の間隔に基づき被測定物の外径値（寸法）が求められ外部出力される。
ここで、被測定物の外径値は、走査振幅に依存して変化するが、モニタ部５で基準として得られた遮蔽部Ｂの両エッジ２４ａ，２４ｂ間の幅で除算することにより、偏向部２での偏向状態（走査振幅）の変動の影響を除去できるようになっている。
【００２６】
上記第１実施形態では、受光素子２２を２個用いる構成としたが、応答性の良好なものであれば、これら２個分の受光面を有する１個の受光素子を用いてもよい。一般的にＰＤ等の受光素子２２は、大型になるほど容量成分が多くなり応答性が低下する特性を有し、かつコスト高であるため、第１実施形態では、各透過部２３ａ，２３ｂ部分にそれぞれ受光素子２２を配置する構成とした。
【００２７】
図４は、上記モニタ部５の変形例（第２実施形態）を示す平面図である。
図示のように、モニタ部５のモニタ板２３は、上述した遮蔽部Ｂ部分を、逆に透過部Ｃとして形成したものである。この透過部Ｃは、前記同様のエッチング処理で容易に形成できる。また、受光素子２２は、図示の如く受光面２２ａが透過部Ｃの面積より広いものを１個用いる。
【００２８】
この構成の場合、透過部Ｃの両エッジ２４ａ，２４ｂ間をレーザービームが偏向している期間は、そのままレーザビームが受光素子２２に入射され高レベルを検出する。
対応してモニタ信号は、図３に記載した波形が逆転した形で現れることとなるが、反転素子等で波形逆転処理するれば同様な信号処理が行える。
【００２９】
上記実施形態で説明したモニタ板２３は、ガラス板の厚さが薄いほど内部でのレーザービームの不要な屈曲が防止できるようになる。また、図５の拡大側面図に示すように、ガラス板上の金属の厚さが薄いほど、偏向により角度をもって入射するレーザビームが、エッジ２４ａ（２４ｂ）部分でこの金属の厚さ分に対応してカットされる量が少なくなり、その分エッジ検出精度を向上できるようになる。
【００３０】
また、上記実施形態では、受光器２１として、受光素子２２とモニタ板２３を接合させて用いる構成としたが、これらを一体化したものを用いることもでき、この場合、接合状態を保持し一体的に固定するための上記固定板は不要となり、受光器２１を基板に配置するだけでよい。
【００３１】
また、上記第１実施形態における他の一体の構造としては、一対の受光面２２ａ，２２ａの間に一対のエッジ２４ａ，２４ｂが間隔Ｌ３で設けられた不感帯Ｂを有する受光素子２２を用いる構成としてもよい。この不感帯Ｂは、上記遮蔽部Ｂに相当するものであり、レーザービームが照射されても光電変換しない部分である。
また、一対の受光面２２ａ，２２ａのエッジが、それぞれ上記エッジ２４ａ，２４ｂの配置位置に正確に配置できる場合には、一対の受光素子２２，２２だけで受光器２１を構成できる。この場合、上記モニタ板２３を不要にできる。
同様に第２実施形態においても、受光面２２ａの両エッジが、上記エッジ２４ａ，２４ｂの配置位置に位置決めできれば、１個の受光素子２２だけで受光器２１を構成できる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の寸法測定装置によれば、モニタ部は、分岐手段で一部分岐されたレーザビームをモニタ板を介して直接受光素子で検出する構成であるため、部品点数が少なく低コストで小型化できる。
特に、従来モニタ部に用いられていたモニタ体及び投受光レンズが不要となるため、組み立て及び保守作業を容易化できる。また、モニタ板及び受光素子は面接合された板状であるため、薄く軽量化できる。このモニタ板は、ガラスの表面にレーザビーム遮蔽用の金属を薄厚に形成し、透過部の範囲の金属を除去するだけで簡単に形成することができる。
また、受光素子とモニタ板を一体化した構造にすることもでき、同様の作用効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の寸法測定装置の実施の形態を示す構成図。
【図２】モニタ部を示す平面図。
【図３】検出信号と走査ビームとの関係を示す波形図。
【図４】モニタ部の変形例を示す平面図。
【図５】モニタ板の拡大側断面図。
【図６】従来の寸法測定装置の構成図。
【符号の説明】
１…光源部、２…偏向部、３…測定部、４…受光部、５…モニタ部、７…処理部、１０…音叉偏向器、１１…ミラー、１３…投光レンズ、１５…受光レンズ、１６，２２…受光素子、２０…分岐手段、２１…受光器、２２ａ…受光面、２３…モニタ板、２３ａ，２３ｂ，Ｃ…透過部、Ｂ…遮蔽部、２４ａ，２４ｂ…エッジ。

Claims (6)

1. 光源（１）のレーザビームを偏向させる偏向部（２）と、被測定物に照射された前記レーザビームの陰影を検出する受光部（４）と、前記偏向部の偏向状態をモニタするために前記レーザビームの一部を分岐させてモニタ体に照射させ陰影を検出するモニタ部（５）と、前記受光部及びモニタ部で検出された陰影の両エッジに基づき被測定物の寸法を測定する処理部（７）を備えてなる寸法測定装置において、
   前記モニタ部は、前記偏向部で偏向されたレーザビームを一部分岐させる分岐手段（２０）と、
   前記分岐されたレーザビームを直接受光し、該レーザビームの偏向幅に対応した受光面（２２ａ）を有する受光素子（２２）と、
   前記受光素子の受光面に面接合されるものであり、レーザビームの偏向方向に垂直な方向に延出され互いが所定間隔を隔てて平行な一対の直線状のエッジ（２４ａ，２４ｂ）を有し、該エッジ間が前記レーザビームを透過しない遮蔽部（Ｂ）とされ、他が一対の透過部（２３ａ，２３ｂ）とされた平板状のモニタ板（２３）と、
   を備えたことを特徴とする寸法測定装置。
2. 前記モニタ板（２３）は、前記一対の平行なエッジ（２４ａ，２４ｂ）間が前記レーザビームを透過する１つの透過部（Ｃ）とされ、他が遮蔽部とされた請求項１記載の寸法測定装置。
3. 前記モニタ板（２３）は、透明なガラスを基材として表面にレーザビーム遮蔽用の金属を薄厚に形成した後、前記透過部の範囲の金属を除去処理して形成されている請求項１又は２のいずれかに記載の寸法測定装置。
4. 前記受光素子（２２）は、一対の透過部（２３ａ，２３ｂ）にそれぞれ面するよう一対で設けられ、各受光素子は各透過部を透過するレーザビームより少なくとも大きな受光面を有している請求項１記載の寸法測定装置。
5. 前記受光素子（２２）は、前記透過部（Ｃ）に面して１個設けられ該透過部を透過するレーザビームより少なくとも大きな受光面を有している請求項２記載の寸法測定装置。
6. 光源（１）のレーザビームを偏向させる偏向部（２）と、被測定物に照射された前記レーザビームの陰影を検出する受光部（４）と、前記偏向部の偏向状態をモニタするために前記レーザビームの一部を分岐させてモニタ体に照射させ陰影を検出するモニタ部（５）と、前記受光部及びモニタ部で検出された陰影の両エッジに基づき被測定物の寸法を測定する処理部（７）を備えてなる寸法測定装置において、
   前記モニタ部は、前記偏向部で偏向されたレーザビームを一部分岐させる分岐手段（２０）と、
   前記分岐されたレーザビームの偏向方向に垂直な方向に延出され互いが所定間隔を隔てて平行な一対の直線状のエッジ（２４ａ，２４ｂ）を有し、該エッジ間が前記レーザビームを光電変換しない不感帯（Ｂ）とされ、他が前記レーザビームを直接受光する受光面（２２ａ）とされた受光器（２１）と、
   を備えたことを特徴とする寸法測定装置。

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