JPH0339563B2 - - Google Patents
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- JPH0339563B2 JPH0339563B2 JP58086378A JP8637883A JPH0339563B2 JP H0339563 B2 JPH0339563 B2 JP H0339563B2 JP 58086378 A JP58086378 A JP 58086378A JP 8637883 A JP8637883 A JP 8637883A JP H0339563 B2 JPH0339563 B2 JP H0339563B2
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- measured
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- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 11
- 238000005305 interferometry Methods 0.000 claims description 7
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- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 14
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 10
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- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 3
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/26—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes
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- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明はレーザーを用いた光ヘテロダイン干渉
法による微小角度の測定方法に関するものであ
る。
法による微小角度の測定方法に関するものであ
る。
現在精密機械産業においては、工作機械の加工
状態の精度モニター、加工物の精密測定の要求が
高まり、その一分野として微小角度の非接触高精
度測定器の実現が望まれている。
状態の精度モニター、加工物の精密測定の要求が
高まり、その一分野として微小角度の非接触高精
度測定器の実現が望まれている。
従来微小角度の測定としては、静止物体では、
オプテイカルフラツトを用いたニユートンリング
測定法、オートコリメータによる測定法などがあ
り、また動的物体においてはホログラフイ干渉法
など各種の測定法があるが、通常環境下におい
て、簡単な装置で非接触で高速に高精度に角度計
測が可能な方法というのは実用化されていないの
が実情である。
オプテイカルフラツトを用いたニユートンリング
測定法、オートコリメータによる測定法などがあ
り、また動的物体においてはホログラフイ干渉法
など各種の測定法があるが、通常環境下におい
て、簡単な装置で非接触で高速に高精度に角度計
測が可能な方法というのは実用化されていないの
が実情である。
本発明は光ヘテロダイン干渉法により、通常の
環境下で非接触で0.001゜のオーダの精度で計測が
出来る微小角度の測定方法を実現することを目的
とするものである。
環境下で非接触で0.001゜のオーダの精度で計測が
出来る微小角度の測定方法を実現することを目的
とするものである。
以下光ヘテロダイン干渉法について説明する。
光ヘテロダイン干渉は2つの異なる周波数成分
を持つ光を干渉させて、その強度を光電変換し
て、差の周波数のビート信号を得る方法である。
を持つ光を干渉させて、その強度を光電変換し
て、差の周波数のビート信号を得る方法である。
例えば周波数f1、f2の光波をE1、E2とすれば
E1(t)=A1(t)cos(2πf1+φ1(t))
E2(t)=A2(t)cos(2πf2+φ2(t))
ここで、A1、A2は振幅、φ1、φ2は位相を示す。
この2つの光波を干渉させると、その強度I(t)
は I(t)=|E1(t)+E2(t)|2となる。
は I(t)=|E1(t)+E2(t)|2となる。
これを光検出器で電流i(t)に変換すると
i(t)∝A2 1+A2 2+2A1A2cos(2πΔft+Δφ)
但し Δf=f1+f2、Δφ=φ1+φ2
なる電気信号が得られる。
ここでΔfは105〜106Hzのオーダで十分に電気的
検出が可能で、このビート信号の周波数、位相の
変化を検出することにより、もとの光波が持つて
いる光の周波数領域での情報を高精度に取り出す
ことができる。
検出が可能で、このビート信号の周波数、位相の
変化を検出することにより、もとの光波が持つて
いる光の周波数領域での情報を高精度に取り出す
ことができる。
光ヘテロダイン干渉を行なわせる手段として
は、ゼーマンレーザを用いる方法、音響光学素子
を用いる方法が一般的であり、本発明による微小
角度測定装置では、音響光学素子を用いて、前記
ビート信号のうちのΔfは一定としておき、位相
の変化を電気的に検出して、その位相の変化から
角度を算出するものである。
は、ゼーマンレーザを用いる方法、音響光学素子
を用いる方法が一般的であり、本発明による微小
角度測定装置では、音響光学素子を用いて、前記
ビート信号のうちのΔfは一定としておき、位相
の変化を電気的に検出して、その位相の変化から
角度を算出するものである。
第1図に本発明による光ヘテロダイン干渉法に
よる微小角度の測定方法を示す装置のシステムブ
ロツク線図を示す。
よる微小角度の測定方法を示す装置のシステムブ
ロツク線図を示す。
He−Neレーザ管あるいは半導体レーザ等によ
るレーザ発振器100から放射された周波数f0の
光ビーム(1本)101は音響光学素子(A・
O)103に入射される。A・O103はfmな
る周波数の正弦波発振器111を入力とするA・
Oドライバー112によつて超音波進行波をその
内部に発生させ、光と超音波の相互作用により光
ヘテロダイン干渉の基礎となる周波数の異なる2
本の光ビーム(2ビーム)104及び105を発
生させる。
るレーザ発振器100から放射された周波数f0の
光ビーム(1本)101は音響光学素子(A・
O)103に入射される。A・O103はfmな
る周波数の正弦波発振器111を入力とするA・
Oドライバー112によつて超音波進行波をその
内部に発生させ、光と超音波の相互作用により光
ヘテロダイン干渉の基礎となる周波数の異なる2
本の光ビーム(2ビーム)104及び105を発
生させる。
ここでA・Oドライバー112はVCO、高周
波パワーアンプ、平衡変調器等から構成され、あ
る高周波信号の周波数faに対してAM変調を行な
い、キヤリアー周波数fa成分を抑圧して、fa−
fm及びfa+fmの周波数成分を持つサイドバンド
パクを発生させることが必要である。
波パワーアンプ、平衡変調器等から構成され、あ
る高周波信号の周波数faに対してAM変調を行な
い、キヤリアー周波数fa成分を抑圧して、fa−
fm及びfa+fmの周波数成分を持つサイドバンド
パクを発生させることが必要である。
この様にしてビーム104はfo+fa−fm、ビ
ーム105はfo+fa+fmなる周波数成分を有す
る。
ーム105はfo+fa+fmなる周波数成分を有す
る。
102は偏光ビームスプリツター及び1/4波長
板から構成される光アイソレータで、A・O素子
103と測定する物体面107の間に設置する。
板から構成される光アイソレータで、A・O素子
103と測定する物体面107の間に設置する。
2ビーム104及び105は光アイソレータ1
02で2つの方向に分割する。一方は物体面10
7に照射しない参照光104′,105′となし、
他方は集光用レンズ106を通して物体面107
に照射する。物体面107からの反射光を再び集
光用レンズ106を通して光アイソレータ102
により再び進路を曲げ物体反射光120,121
とする。122及び123は参照光104′,1
05′及び物体反射光120,121の干渉を行
なわせる光電変換部で例えばPINフオトダイオー
ド等で構成され、得られたビート電流信号の電流
−電圧変換等を行なわせる。
02で2つの方向に分割する。一方は物体面10
7に照射しない参照光104′,105′となし、
他方は集光用レンズ106を通して物体面107
に照射する。物体面107からの反射光を再び集
光用レンズ106を通して光アイソレータ102
により再び進路を曲げ物体反射光120,121
とする。122及び123は参照光104′,1
05′及び物体反射光120,121の干渉を行
なわせる光電変換部で例えばPINフオトダイオー
ド等で構成され、得られたビート電流信号の電流
−電圧変換等を行なわせる。
さらに得られた電圧信号の直流カツトをすれば
得られる交流電圧信号124及び125は各々 A1cos(2π・2fmt+θ1) A2cos(2π・2fmt+θ2)で表わされる。
得られる交流電圧信号124及び125は各々 A1cos(2π・2fmt+θ1) A2cos(2π・2fmt+θ2)で表わされる。
θ1は参照信号の初期位相で一定量であり、θ2はビ
ーム104及び105が照射されたときの物体面
107の角度状態に起因する幾何学的形状によつ
て起こる2ビーム間の光路差によつて生じる位相
差で状態によつて変化する量である。このθ1、θ2
の差を位相比較器114によつて検出し、得られ
た位相差データをマイクロプロセツサー等を用い
たデータ処理部126によつて角度に換算する。
ーム104及び105が照射されたときの物体面
107の角度状態に起因する幾何学的形状によつ
て起こる2ビーム間の光路差によつて生じる位相
差で状態によつて変化する量である。このθ1、θ2
の差を位相比較器114によつて検出し、得られ
た位相差データをマイクロプロセツサー等を用い
たデータ処理部126によつて角度に換算する。
電気的に得られた位相データを角度データに変
換する光ヘテロダイン干渉を行なわせる光学系に
依存する。
換する光ヘテロダイン干渉を行なわせる光学系に
依存する。
第2図は本発明による微小角度を測定するため
の測定装置に用いる光学系の一実施例を示す模式
図であり、130及び134はシリンドリカルレ
ンズで各々の焦点距離はl1とする。131及び1
32は平凸レンズで各々の焦点距離はl2とする。
133は偏光ビームスプリツター、135は1/4
波長板、106はレーザ集光レンズで焦点距離は
l0とする。
の測定装置に用いる光学系の一実施例を示す模式
図であり、130及び134はシリンドリカルレ
ンズで各々の焦点距離はl1とする。131及び1
32は平凸レンズで各々の焦点距離はl2とする。
133は偏光ビームスプリツター、135は1/4
波長板、106はレーザ集光レンズで焦点距離は
l0とする。
一般にA・O103は光と超音波の相互作用に
より、光波の変調を行なうもので、A・O103
に入射する光のビーム幅は広いのが好ましいた
め、シリンドリカルレンズ130と平凸レンズ1
31の組み合せで幅の広いだ円ビームを発生させ
る。
より、光波の変調を行なうもので、A・O103
に入射する光のビーム幅は広いのが好ましいた
め、シリンドリカルレンズ130と平凸レンズ1
31の組み合せで幅の広いだ円ビームを発生させ
る。
さらに直線偏光レーザを用いることにより、偏
光ビームスプリツター133と1/4波長板135
の組み合せから参照光と物体光の分離を行なう。
光ビームスプリツター133と1/4波長板135
の組み合せから参照光と物体光の分離を行なう。
ビート信号124と125は一般に振幅が異な
り、位相比較器114にはできるだけ振幅が近い
状態の電気信号を入力するのが好ましいため、照
射する物体の反射率に応じて、例えばレーザ管を
回転させ直線偏光の軸を調整すればよい。あるい
は偏光板を回転させて直線偏光軸を回転してもよ
い。
り、位相比較器114にはできるだけ振幅が近い
状態の電気信号を入力するのが好ましいため、照
射する物体の反射率に応じて、例えばレーザ管を
回転させ直線偏光の軸を調整すればよい。あるい
は偏光板を回転させて直線偏光軸を回転してもよ
い。
さらにビート信号のS/N比を良くするため、
偏光ビームスプリツター133は干渉光がだ円ビ
ームとなる場所に設置するのが好ましい。
偏光ビームスプリツター133は干渉光がだ円ビ
ームとなる場所に設置するのが好ましい。
第2図の実施例では、A・O103によつて分
離された2ビームは図示しないが、実際には非常
に接近した2ビームに分離している。
離された2ビームは図示しないが、実際には非常
に接近した2ビームに分離している。
この2ビーム分離を与える周波数をfmとした
とき、物体面107上での2ビームの分離距離d
は d=2l2・l0λfm/l1・V で与えられる。
とき、物体面107上での2ビームの分離距離d
は d=2l2・l0λfm/l1・V で与えられる。
但しVはA・O103を伝わる超音波の速度で
ある。
ある。
VはA・O103の媒質で決まる。λはレーザ
の波長でHe−Neレーザの場合は0.6328ミクロン
メートルである。例えばV=3.8Km/sec、f1=15
mm、f2=500mm、f0=7mmとすれば、fm=100kHz
で、d=7μmである。
の波長でHe−Neレーザの場合は0.6328ミクロン
メートルである。例えばV=3.8Km/sec、f1=15
mm、f2=500mm、f0=7mmとすれば、fm=100kHz
で、d=7μmである。
また物体照射面でのビームスポツト径は集光レ
ンズ106に入射されるビームの径(このときは
円形ガウスビームに変換されている)とレンズ1
06の焦点距離l0に関係するが、小さいビーム径
及び2ビームの間かくdをより小さくするには、
シリンドリカルレンズ134と集光レンズ136
の間にビームエクスパンダーを入れればよい。
ンズ106に入射されるビームの径(このときは
円形ガウスビームに変換されている)とレンズ1
06の焦点距離l0に関係するが、小さいビーム径
及び2ビームの間かくdをより小さくするには、
シリンドリカルレンズ134と集光レンズ136
の間にビームエクスパンダーを入れればよい。
以上説明した光学系を用いて角度測定を行なう
実施例を以下に説明する。
実施例を以下に説明する。
第3図は微小角度φだけ傾斜の付いた斜面角の
計測例を示す模式図である。31に示す平面を基
準状態面、32に示す平面を測定状態面とする。
計測例を示す模式図である。31に示す平面を基
準状態面、32に示す平面を測定状態面とする。
第1図での説明で明らかな如く、参照信号と物
体反射信号の各々の位相θ1、θ2の絶対値は意味を
持たず、従つてその差θ1−θ2だけも意味を持た
ず、意味があるのは(θ1−θ2)の状態変化による
変化量である。斜面角φを求めるのに、まず基準
となる状態面31の平面に2ビームを照射してそ
のときの位相角を測定する。前述の如く位相差
(θ1−θ2)は任意量であるため、 θ1−θ2=0とするのがよい。θ1−θ2=0とするに
は参照信号の位相を調整すればよく、第2図で説
明した光学系において、偏光ビームスプリツター
133により進路を曲げられた参照光のだ円ビー
ムに対して光電変換受光器122の位置を移動さ
せて位置調整さすことができる。位相は光電検出
器122の移動に対して直線的に変化する。
体反射信号の各々の位相θ1、θ2の絶対値は意味を
持たず、従つてその差θ1−θ2だけも意味を持た
ず、意味があるのは(θ1−θ2)の状態変化による
変化量である。斜面角φを求めるのに、まず基準
となる状態面31の平面に2ビームを照射してそ
のときの位相角を測定する。前述の如く位相差
(θ1−θ2)は任意量であるため、 θ1−θ2=0とするのがよい。θ1−θ2=0とするに
は参照信号の位相を調整すればよく、第2図で説
明した光学系において、偏光ビームスプリツター
133により進路を曲げられた参照光のだ円ビー
ムに対して光電変換受光器122の位置を移動さ
せて位置調整さすことができる。位相は光電検出
器122の移動に対して直線的に変化する。
次に測定状態面32に2ビームを照射してその
ときの位相角を測定する。
ときの位相角を測定する。
このときは明らかに角度φによる段差があるた
め、2ビーム間に光路差が生じて位相に変化が起
こる。
め、2ビーム間に光路差が生じて位相に変化が起
こる。
今、2ビーム間にZなる段差があれば、Zは
Z=λ・θ/4πで表わされる。
λはレーザ光源の波長、θは位相差である。
レーザとしてHe−Neレーザを用いれば−
0.158Z0.158ミクロンメートルが一度に測る
ことができる限界である。位相差θ=1゜当りのZ
は、8.8オングストロームであり、電気的に1゜の
位相測定は十分に可能である。
0.158Z0.158ミクロンメートルが一度に測る
ことができる限界である。位相差θ=1゜当りのZ
は、8.8オングストロームであり、電気的に1゜の
位相測定は十分に可能である。
位相差θによりZが求められるため、角度φは
第4図の模式図により、φ=tan-1Z/dで求めら
れる。
第4図の模式図により、φ=tan-1Z/dで求めら
れる。
dは2ビーム間の距離で前述の如く発振周波数
fm及び使用するレンズの焦点距離から求められ
る。
fm及び使用するレンズの焦点距離から求められ
る。
基準面31及び斜面32が鏡面でなく粗面の場
合は、Zとして各々の表面の微小粗さをふくむた
め、各々の面について何回かの測定を行ない統計
的処理での表面粗さを取り除くようにする必要が
ある。
合は、Zとして各々の表面の微小粗さをふくむた
め、各々の面について何回かの測定を行ない統計
的処理での表面粗さを取り除くようにする必要が
ある。
第3図の場合ではd=7μmの場合に測定でき
る最大角度は±1.3゜である。
る最大角度は±1.3゜である。
例えば0.5゜程度の微小角度測定においては、測
定精度は位相角1゜の誤差につき0.007゜である。こ
の様に非常に高精度計測が可能である。
定精度は位相角1゜の誤差につき0.007゜である。こ
の様に非常に高精度計測が可能である。
本例の場合は測定対象物の2ビーム照射位置を
変えて測定する必要があるが、A・O103に可
変直流電圧を印加してA・O103の偏向角を変
えて位置を変えることもでき、またXYステージ
の移動によつて位置を変えてもよい。
変えて測定する必要があるが、A・O103に可
変直流電圧を印加してA・O103の偏向角を変
えて位置を変えることもでき、またXYステージ
の移動によつて位置を変えてもよい。
第5図は第2の角度計測例を示す模式図であ
り、基準面51が回転して面状態52となつたと
きの角度差φを求めるもので、例えば工作機械の
加工ヘツドの運動状態を検出する場合である。
り、基準面51が回転して面状態52となつたと
きの角度差φを求めるもので、例えば工作機械の
加工ヘツドの運動状態を検出する場合である。
本計測例の場合も基準となす状態の基準面51
の位相差を測定しておき、次に角度φだけ回転し
たときに生じる光路差による位相変化を測定すれ
ば、第3図の計測例で説明した様な演算をすれば
角度φが求められる。
の位相差を測定しておき、次に角度φだけ回転し
たときに生じる光路差による位相変化を測定すれ
ば、第3図の計測例で説明した様な演算をすれば
角度φが求められる。
第6図は第3の計測例を示す模式図であり、物
体の変形量計測の場合で、変形前の基準面61の
各部分についての位相を計測し、変形後の状態面
62の位相を計測して、変形角から変形量の計測
が可能である。
体の変形量計測の場合で、変形前の基準面61の
各部分についての位相を計測し、変形後の状態面
62の位相を計測して、変形角から変形量の計測
が可能である。
以上述べた如く、本発明による微小角度の測定
方法では、その精度が位相角1゜の誤差につき、
10-2〜10-3のオーダーでの測定が可能で、大変高
精度な計測を行なうことができるばかりでなく、
非接触で且つ高速な計測も可能で、光ヘテロダイ
ン干渉法の利点を生かし通常境環下で使用される
ために、オンライン・オフライン共に計測できる
方法で効果が大きい。
方法では、その精度が位相角1゜の誤差につき、
10-2〜10-3のオーダーでの測定が可能で、大変高
精度な計測を行なうことができるばかりでなく、
非接触で且つ高速な計測も可能で、光ヘテロダイ
ン干渉法の利点を生かし通常境環下で使用される
ために、オンライン・オフライン共に計測できる
方法で効果が大きい。
第1図は本発明の実施例による微小角度の測定
方法を用いた装置のブロツク線図、第2図は第1
図の微小角度測定装置に用いられる光ヘテロダイ
ン干渉法の光学系の説明用の模式図、第3図、第
5図及び第6図はそれぞれ本発明の微小角度測定
方法を用いた装置による各角度計測例を示す各模
式図、第4図は角度算出説明用の模式図。 100……レーザ発振部、103……音響光学
素子、102……光アイソレータ、107……物
体面、114……位相比較器、122,123…
…光電変換部、126……データ処理部、133
……偏光ビームスプリツター、135……1/4波
長板。
方法を用いた装置のブロツク線図、第2図は第1
図の微小角度測定装置に用いられる光ヘテロダイ
ン干渉法の光学系の説明用の模式図、第3図、第
5図及び第6図はそれぞれ本発明の微小角度測定
方法を用いた装置による各角度計測例を示す各模
式図、第4図は角度算出説明用の模式図。 100……レーザ発振部、103……音響光学
素子、102……光アイソレータ、107……物
体面、114……位相比較器、122,123…
…光電変換部、126……データ処理部、133
……偏光ビームスプリツター、135……1/4波
長板。
Claims (1)
- 1 レーザ発振部から放射されるレーザ光を、少
なくとも周波数fmの交流信号で駆動される音響
光学素子により周波数が異なり且つ異なる方向へ
進行する2ビーム光を発生せしめ、該2ビーム光
を光アイソレータにより2つの方向に分割し、一
方の方向に進行する2ビーム光を第1の受光器で
検出して参照光信号を形成し、他方の方向に進行
する2ビーム光を対物レンズにより前記周波数
fmに応じた距離だけ離れて互いに平行に進行す
る2ビーム光に変換して角度が測定されるべき被
測定物面上に照射せしめ、該被測定物からの反射
光を第2の受光器で検出して物体反射光信号と成
し、該物体反射光信号と前記参照信号との間の位
相差を検出する位相差検出器を設けて前記被測定
物に照射された2ビーム光の間の光路差を検出し
て、該光路差と前記被測定物に照射した2ビーム
光の距離の関係により前記被測定物の角度を計測
することを特徴とする光ヘテロダイン干渉法によ
る微小角度測定方法。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8637883A JPS59211810A (ja) | 1983-05-17 | 1983-05-17 | 光ヘテロダイン干渉法による微小角度測定方法 |
US06/608,744 US4650330A (en) | 1983-05-13 | 1984-05-10 | Surface condition measurement apparatus |
GB08412312A GB2146116B (en) | 1983-05-13 | 1984-05-14 | Surface condition measurement apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP8637883A JPS59211810A (ja) | 1983-05-17 | 1983-05-17 | 光ヘテロダイン干渉法による微小角度測定方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPS59211810A JPS59211810A (ja) | 1984-11-30 |
JPH0339563B2 true JPH0339563B2 (ja) | 1991-06-14 |
Family
ID=13885211
Family Applications (1)
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JP8637883A Granted JPS59211810A (ja) | 1983-05-13 | 1983-05-17 | 光ヘテロダイン干渉法による微小角度測定方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JPS59211810A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015178982A (ja) * | 2014-03-19 | 2015-10-08 | アイシン精機株式会社 | 形状測定装置及び形状測定方法 |
Families Citing this family (3)
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CN1306245C (zh) * | 2005-02-08 | 2007-03-21 | 王治平 | 激光数字式角度测量方法及其装置 |
JP6014449B2 (ja) * | 2012-10-02 | 2016-10-25 | アストロデザイン株式会社 | レーザー走査顕微鏡装置 |
CN110006367B (zh) * | 2019-04-17 | 2021-08-13 | 北京信息科技大学 | 偏摆角、俯仰角测量方法和装置 |
Citations (1)
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JPS5536922A (en) * | 1978-09-04 | 1980-03-14 | Hitachi Metals Ltd | Manufacturing of ferrite |
-
1983
- 1983-05-17 JP JP8637883A patent/JPS59211810A/ja active Granted
Patent Citations (1)
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JPS5536922A (en) * | 1978-09-04 | 1980-03-14 | Hitachi Metals Ltd | Manufacturing of ferrite |
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JP2015178982A (ja) * | 2014-03-19 | 2015-10-08 | アイシン精機株式会社 | 形状測定装置及び形状測定方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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JPS59211810A (ja) | 1984-11-30 |
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