JPH06265319A

JPH06265319A - 外形測定装置及びその被測定物配置方法

Info

Publication number: JPH06265319A
Application number: JP5086093A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Sakao; 博章坂尾; Katsushi Goto; 克志後藤
Original assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Current assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Priority date: 1993-03-11
Filing date: 1993-03-11
Publication date: 1994-09-20
Anticipated expiration: 2015-09-04
Also published as: JP3085341B2

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は光ビームを走査して光ビームが遮断
された期間を検出する外形測定装置に関し、被測定物が
適切に走査面付近に配置されているかが容易に確認でき
る外形測定装置の実現を目的とする。【構成】走査面Ａ上に集束する光ビーム１０を走査す
る光ビーム走査手段１と、光ビーム１０を集光する集光
手段２と、光ビーム１０を受光して電気信号を出力する
受光手段３と、電気信号から遮断期間を導出し被測定物
１００の光ビーム１０に対する幅を算出する処理手段４
とを備える外形測定装置において、電気信号の変化率を
検出する変化率検出手段５を備えるように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ビームを走査して被
測定物により光ビームが遮断された期間を検出すること
により被測定物の外形を測定する外形測定装置に関し、
特に走査される光ビームが集束される走査面付近に被測
定物を配置すれば検出精度が向上するが、このような配
置が容易に確認できる外形測定装置及びその装置におけ
る被測定物配置方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】円筒物の外径や板状物の長さを非接触で
測定するため、平行に走査される光ビーム内に被測定物
を配置し、遮断された光ビームの幅で長さを測定する外
形測定装置が広く利用されている。図７は従来の外形測
定装置の基本構成を示す図である。

【０００３】図７において、７１１は平行な光ビームを
発生する光ビーム発生器であり、半導体レーザ（レーザ
ダイオード）とコリメータレンズを組み合わせたものが
一般的であるが、Ｈｅ−Ｎｅレーザが使用されることも
ある。７１２はポリゴンミラーであり、精密な多面鏡が
等速回転して光ビームを等角速度で偏向する。７１３は
ｆθレンズであり、偏向された光ビームを軸に平行にな
るように方向を変化させ、軸に垂直な方向に等速で移動
させる。これにより光ビームは走査されることになる。
７２は集光レンズであり、走査された光ビームを集光す
る。７３はフォトセンサであり、集光レンズ６２で集光
された光ビームを受光して電気信号に変換する。７４は
電気信号を処理して光ビームが遮断された幅を算出す
る。

【０００４】図７において、７００は被測定物であり、
被測定物７００を走査ビーム中に配置することにより走
査光ビームが被測定物７００の部分を走査している期間
だけ走査光ビームが遮断され、フォトセンサ７３からの
電気信号の強度もこれに応じて変化する。従って電気信
号が強度が低下する期間を検出すれば、走査ビームの走
査速度を乗じることにより光ビームが遮断された幅が求
まる。図７ではこの幅が被測定物７００の外径に相当す
る。

【０００５】平行な光ビームは光の回折現象により広が
り、しかも光ビームの径が小さい程広がり角が大きくな
る。そのためｆθレンズ７１３から射出される光ビーム
は平行ビームでなく、被測定物を配置する付近で集束さ
れるようになっている。図８はその集束状態を示した図
である。図８において、７１３はｆθレンズであり、７
２は集光レンズである。ｆθレンズ７１３を含む光ビー
ム走査装置は、ｆθレンズ７１３を射出した光ビーム７
０がＢで示した線上に集束するように設計されている。
Ｂを走査線と称し、走査線Ｂを含む紙面に垂直な空間内
の仮想面を走査面と称している。ここではこの走査面も
Ｂで示すこととする。走査面Ｂでの光ビームの径が小さ
い程分解能が高くなるが、走査面Ｂでの光ビームの径を
小さくするにはｆθレンズ７１３から射出される光ビー
ムの径を大きくする必要がある。そのため走査面Ｂから
光軸方向に移動するに従って光ビームの径は大きくな
る。従って被測定物は走査面Ｂ付近に配置するのが望ま
しい。

【０００６】板状の被測定物７００をＸ，Ｙ，Ｚで示し
た位置に配置した時に被測定物７００の縁を通過する光
ビームの状態を図８の下側に示す。図示のように、走査
面Ｂ付近の点Ｙに被測定物を配置した時には光ビームは
完全に遮断されるか完全に通過し、その中間の一部のみ
遮断される光ビームはほとんどない。これに対して点Ｘ
とＺに配置された被測定物の縁では、光ビーム７０の一
部が遮断される状態が広い範囲にわたって生じる。

【０００７】図９は上記のＸ，Ｙ，Ｚの各点に被測定物
を配置した時に受光素子から出力される電気信号を模式
的に示した図である。（ａ），（ｂ），（ｃ）がそれぞ
れＸ点、Ｙ点、Ｚ点に配置した時を示している。中央の
信号強度が低下している部分が光ビームが遮断された範
囲に対応する。Ｙ点における中央部の信号強度の変化は
急激であるが、Ｘ点とＺ点における変化は緩いことがわ
かる。これは図７に示したように、Ｘ点とＺ点では被測
定物の縁で光ビームの一部が遮断される状態が広い範囲
で生じるためである。

【０００８】光ビームの遮断幅の検出は、図９のように
閾値を設定し、中央の部分でこの閾値以下になる信号の
期間を検出することにより行う。そのため信号の強度レ
ベルが変化した時には、検出した幅に誤差が生じるが、
Ｘ点とＺ点に配置した時の方が信号の変化が緩いためＹ
点に配置した時に比べて誤差が大きくなるという問題が
ある。そのためにも被測定物は走査面の近くに配置する
必要がある。

【０００９】しかし走査面は仮想面であり、実際にはこ
れを識別することはできない。そこで外形装置を製作す
る段階で走査面に光ビームが集束されるように設定し、
その走査面の位置を示す目印を光ビームが通過する部分
の周囲に設けている。使用者はこの目印に沿って被測定
物を設置して測定を行う。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし目印に沿って行
う被測定物の配置は目視で行われ、実際の配置位置が適
当であるかを確認することはできないのが現状である。
特に被測定物の形状から上記の目印が確認できない場合
があり、そのような場合は測定の信頼性がまったく確認
できないという問題がある。

【００１１】また走査面付近に被測定物を配置する必要
があるだけでなく、走査される光ビームに対して被測定
物を垂直に配置することも重要である。図１０は板状の
被測定物９００を光ビームに対して傾斜して配置した時
の検出誤差の発生を説明するための図である。図示のよ
うに幅ｄの被測定物を光ビームに対してθだけ傾斜して
配置した時には、その幅はdcosθとして検出される。光
ビームに対して垂直に配置されているかについてもこれ
までは上記の目印に沿って目視で配置するだけで、傾斜
を確認できなかったという問題がある。

【００１２】本発明は上記問題点に鑑みてなされたもの
であり、外形測定装置において被測定物の位置及び傾き
が確認できるようにすることを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の外形測定
装置の基本構成を示す図である。図１に示すように、本
発明の外形測定装置は、光ビーム走査手段１と、集光手
段２と、受光手段３と処理手段４とを備えているが、上
記目的を達成するため、変化率検出手段５を備える。

【００１４】光ビーム走査手段１は、空間の所定面を走
査面Ａとして光ビーム１０を走査し、光ビーム１０は走
査面Ａ上を走査されると共に走査面Ａに集束される。集
光手段２は走査面Ａを通過した光ビーム１０を集光す
る。受光手段３は集光された光ビーム１０を受光し、光
ビーム１０の強度に対応した電気信号を出力する。処理
手段４は走査される光ビーム１０の途中に被測定物１０
０を配置した時の電気信号から光ビーム１０の遮断期間
を導出し、光ビーム走査手段１の走査速度と遮断期間に
基づいて被測定物１００の走査される光ビームに対する
幅を算出する。変化率検出手段５は受光手段３から出力
される電気信号の変化率を検出する。

【００１５】また別の態様では上記の電気信号の変化を
表示する表示手段を設ける。

【００１６】

【作用】図８に示したように、被測定物１００を配置す
る位置に応じて受光手段３から出力される電気信号の変
化率が異なる。従ってこの変化率を検出すれば光ビーム
を遮断する被測定物の縁が走査面からずれているかが判
定できる。上記の変化率は、例えば、図１の下部に示す
ように電気信号の変化部分の傾斜等で表わせるが、他に
も電気信号の微分波形をとることによって算出できる。
図２は変化率を求めるため受光手段３から出力される電
気信号の処理例を示す図であり、被測定物が走査面上に
ある時と走査面以外にある時の２つの電気信号を対比さ
せて示してある。

【００１７】（ａ）は電気信号そのものであり、中央部
の強度の低下部分が被測定物で光ビームが遮断される。
遮断部分の前後の強度変化は、走査面上にある時は急激
であるが、走査面以外では緩やかになり、走査面から離
れる程より緩やかになる。走査範囲の周辺部ではレンズ
枠等によって光ビームが遮断されるため信号強度が変化
するが、この分はあらかじめ判っているので除くことが
できる。

【００１８】（ｂ）は電気信号（ａ）を微分した微分電
気信号であり、変化率が大きい程大きな値になるが、変
化の方向によって正負逆の値になる。（ｃ）は微分電気
信号（ｂ）の絶対値をとった微分絶対値信号である。微
分信号の絶対値は変化の大きさをそのまま示しているの
で、その最大値を比較すれば変化率が大きいかどうかが
判定できる。（ｄ）はそのためのピークホールド信号で
あり、一回の走査の間に最大値を順次更新した信号であ
る。走査が終了した時点でこのピークホールド信号
（ｄ）の出力値は最大の変化率を示すので、走査毎にこ
の値を検出すれば変化率が求まる。

【００１９】（ｅ）は微分絶対値信号（ｃ）を図中の閾
値レベルより大きいかどうかを比較したコンパレート信
号である。走査面上にある時には微分信号の絶対値は大
きくなるが、閾値レベル以上である期間の長さは走査面
以外にある時に比べて短くなる。もちろんこれは閾値レ
ベルによるが、閾値レベルを低く設定すればこのような
ことが生じる。図においてはｔ１とｔ２はｔ３とｔ４よ
り短い。従ってこの期間の長さは変化率を示すといえ
る。

【００２０】ピークホールド信号（ｄ）とコンパレート
信号（ｅ）を微分信号（ｂ）に対して正負別々に導出す
れば、上記と同様に変化率を示す信号が求まる。更にこ
の場合は、負の信号が前側の縁での変化を示し、正の信
号が後側の縁での変化を示すため、それぞれの縁の配置
が適正であるかを判断できる。もし２つの信号の値が異
なる場合には、被測定物が光ビームに対して傾斜して配
置されていると判断できる。またたとえ変化率が同じで
あっても、位置変化させた時の変化率の変化方向が逆で
あれば、走査面に対して両縁が対称になるように傾斜し
て配置されていると考えられる。

【００２１】

【実施例】まず図２に示したフォトセンサから出力され
る電気信号から変化率を導出するための回路の実施例を
説明する。図３は電気信号から微分電気信号を導出する
ための微分回路の実施例を示す図である。この回路は、
オペアンプとコンデンサ、及び抵抗で構成される一般的
な微分回路であり、詳しい説明は省略する。

【００２２】図４は微分電気信号から絶対値信号を導出
する絶対値回路と、その出力から最大値を導出するピー
クホールド回路の実施例を示す図である。図において４
１が絶対値回路であり、４２がピークホールド回路であ
る。ピークホールド回路の出力はＡ／Ｄ変換器４３によ
ってディジタル信号に変換される。このディジタル信号
を走査毎に読み取って数値表示する。ピークホールド回
路４２は、走査終了後にリセットされる。

【００２３】図５は微分電気信号を正と負の所定値と比
較する２個のコンパレータ回路と、その出力のパルス幅
を計数するパルス長検出回路の実施例を示す図である。
図において、５１と５２はコンパレータであり、微分電
気信号を基準電圧ｒ１, ｒ２と比較し、ｒ１以上又はｒ
２以下の期間のパルス幅を有する信号を出力する。５３
は計数用のクロック信号を発生する発振器であり、カウ
ンタ５４，５５で上記のパルス幅の期間中クロック信号
を計数してパルス幅の長さを検出する。ラッチ５６と５
７はパルスの立ち下がり時にカウンタ５４，５５の値を
ラッチする。その出力はデータバスを介してマイクロコ
ンピュータ等に読み取られ、表示される。表示は例えば
バーグラフのようなグラフィック表示を行う。

【００２４】図３から図５は電気信号を処理して変化率
を導出するための回路であるが、各回路部分を組み合わ
せることにより変化率を示す各種の信号が得られる。例
えば、図４のピークホールド回路４２をそれぞれ正と負
の２種類の最大値を保持する２つの回路とし、図３の微
分回路の出力を入力させることにより正と負の最大値が
それぞれ検出できる。

【００２５】図６は変化率を表示する表示装置を備えた
外形測定装置を示している。この装置は、図１の基本構
成に電気信号の変化を表示する表示装置６６と、検出し
た被測定物の幅を数値表示する数値数示部６７を加えた
ものである。フォトセンサ６３から出力される電気信号
は、図２の（ａ）に示すような変化を示すので、オシロ
スコープ等でその変化を示せば、使用者はその表示を見
て電気信号の変化具合いが判定できる。

【００２６】またこれまで説明した変化率検出回路６５
を設け、その検出結果を表示してもよい。もし数値表示
するならば、表示装置６７として数値表示装置を用いる
ことができる。使用者は、表示を見ながらもっとも変化
率が大きくなるように位置調整し、更に両側で同じ変化
率になるように傾きを調整した後測定を行う。

【００２７】

【発明の効果】本発明により、外形測定装置において被
測定物が適切に配置されているかが確認できるようにな
り、測定の信頼性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の外形測定装置の基本構成を示す図であ
る。

【図２】電気信号を処理して変化率を導出する例の説明
図である。

【図３】微分回路の実施例を示す図である。

【図４】絶対値回路とピークホールド回路の実施例を示
す図である。

【図５】コンパレータ回路とパルス長検出回路の実施例
を示す図である。

【図６】受光信号の変化を表示することのできる外形測
定装置の構成例を示す図である。

【図７】従来の外形測定装置の構成を示す図である。

【図８】走査面上に集束される光ビームの状態と被測定
物の配置関係を示す図である。

【図９】受光素子の信号波形を示す図である。

【図１０】被測定物を傾斜して配置した時の誤差発生の
説明図である。

【符号の説明】

１…光ビーム走査手段２…集光手段３…受光手段４…処理手段５…変化率検出手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】空間の所定面を走査面（Ａ）として光ビ
ーム（１０）を走査し、該光ビーム（１０）は前記走査
面（Ａ）上を走査されると共に前記走査面（Ａ）に集束
される光ビーム走査手段（１）と、前記走査面（Ａ）を通過した前記光ビーム（１０）を集
光する集光手段（２）と、集光された前記光ビーム（１０）を受光し、前記光ビー
ム（１０）の強度に対応した電気信号を出力する受光手
段（３）と、走査される前記光ビーム（１０）の途中に被測定物（１
００）を配置した時の前記電気信号から前記光ビーム
（１０）の遮断期間を導出し、前記光ビーム走査手段
（１）の走査速度と前記遮断期間に基づいて前記被測定
物（１００）の走査される前記光ビームに対する幅を算
出する処理手段（４）とを備える外形測定装置におい
て、前記電気信号の変化率を検出する変化率検出手段（５）
を備えることを特徴とする外形測定装置。
【請求項２】前記変化率検出手段（５）は、前記電気
信号を微分し、微分電気信号を出力する微分回路を備え
ることを特徴とする請求項１に記載の外形測定装置。
【請求項３】前記変化率検出手段（５）は、前記微分
電気信号の絶対値信号を出力する絶対値出力回路を備え
ることを特徴とする請求項２に記載の外形測定装置。
【請求項４】前記変化率検出手段（５）は、前記絶対
値信号のピーク値を検出するピークホールド回路を備
え、前記ピーク値を変化率として出力することを特徴と
する請求項３に記載の外形測定装置。
【請求項５】前記変化率検出手段（５）は、前記絶対
値信号を所定値と比較するコンパレータ回路と、前記絶
対値信号が所定値以上であるパルス長を検出するパルス
長検出回路とを備え、前記パルス長を変化率として出力
することを特徴とする請求項３に記載の外形測定装置。
【請求項６】前記変化率検出手段（５）は、前記微分
電気信号の正と負のピーク値をそれぞれ検出する正と負
のピークホールド回路を備え、正と負の前記ピーク値を
変化率として出力することを特徴とする請求項２に記載
の外形測定装置。
【請求項７】前記変化率検出手段（５）は、前記微分
電気信号を正と負の所定値と比較する正と負のコンパレ
ータ回路と、前記微分電気信号が正の所定値以上又は負
の所定値以下であるパルス長を検出する２個のパルス長
検出回路とを備え、前記正と負のパルス長を変化率とし
て出力することを特徴とする請求項２に記載の外形測定
装置。
【請求項８】前記変化率を表示する変化率表示手段を
備えることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれ
か１項に記載の外形測定装置。
【請求項９】空間の所定面を走査面（Ａ）として光ビ
ーム（１０）を走査し、該光ビーム（１０）は前記走査
面（Ａ）上を走査されると共に集束される光ビーム走査
手段（１）と、前記走査面（Ａ）を通過した前記光ビーム（１０）を集
束する集束手段（２）と、集束された前記光ビーム（１０）を受光し、前記光ビー
ム（１０）の強度に対応した電気信号に変換する受光手
段（３）と、前記走査面（Ａ）付近に被測定物（１００）を配置した
時の前記電気信号から前記光ビーム（１０）の遮断期間
を導出し、前記走査手段（１）の走査速度と前記遮断期
間に基づいて前記被測定物（１００）の外形を算出する
処理手段（４）とを備える外形測定装置において、前記電気信号の強度変化を表示する表示手段を備えるこ
とを特徴とする外形測定装置。
【請求項１０】請求項１から請求項９のいずれか１項
に記載の外形測定装置における被測定物の配置方法であ
って、前記被測定物の縁に対応する前記電気信号の変化部分の
変化率が最大になるように前記被測定物を配置すること
を特徴とする外形測定装置における被測定物配置方法。
【請求項１１】前記被測定物の両方の縁に対応する前
記電気信号の変化率が略同一になるように前記被測定物
を配置することを特徴とする外形測定装置における被測
定配置方法。