JPH067046B2 - 非接触の直径測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、ほぼ一定の速度で移動し、球、円盤など光
検出器上の円形の像を結ぶような形状を有する移動円形
物体の直径を非接触で測定するためのもので、光学系
と、光検出器アレイと、差動増幅回路とで構成された差
動構成の空間フィルタと、演算装置とからなる非接触の
直径測定装置に関するものである。

（従来の技術） 従来より、非接触で物体の寸法を測定する手段は、様々
なものが考案されて来た。原理的には、多数の検出器に
よって静止した被測定物の像をとらえて寸法を得るも
の、被測定物を一定速度で移動させてある一点を通過す
る時間を測るものが多い。

前者の、多数の検出器によって静止した被測定物の像を
とらえて寸法を得る方法には、次に述べるような問題点
がある。すなわち、被測定物の像が投影される光検出器
の数が被測定物の寸法に比例する事実に基づいているた
め、測定の分解能は本質的に「検出器の最大測定範囲÷
検出器の数」によって決まってしまう。従って、高精度
を得るためには多くの検出器とそれに伴なう複雑な信号
処理回路を要する。また物体が移動する場合は、全ての
光検出器の出力信号を同時に処理するための完全に並列
的な信号処理回路を用いるか、被測定物の移動速度が無
視できる速さで個々の検出器の出力信号を走査して処理
する信号処理回路を用いなければならない。このよう
に、この方式では、高精度測定が困難であり、また移動
物体の寸法測定には適さないと考えられる。

後者の、被測定物を一定速度で移動させてある一点を通
過する時間を測る方式の場合は、次に述べるような誤差
要因がある。すなわち、高い精度を得るためには被測定
物の前端と後端をとらえる際の誤差を除く必要があり、
非常に細く絞った光ビームを用いるか、非常に細いスリ
ットを用いなければならない。また、被測定物の移動速
度と移動方向の変動が直接測定値の誤差を生じるので、
被測定物を正確に一定速度で定まった方向に移動させる
装置または被測定物の移動速度と移動方向を高精度で測
定する手段を併用せざるを得ない。このように、この方
式でも、高精度を得るためには補助的手段を付加せざる
を得ず、複雑な構成を取らざるをえない。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明の目的は、以上に述べたような、従来の非接触寸
法測定装置では測定しにくかった移動物体を対象とし
て、簡単な構造により、しかも被測定物の移動速度変動
の影響を受けにくく、高精度測定ができる非接触の直径
測定装置を提供することにある。

（発明の要旨） この目的を達成するために、本発明では、球、円盤など
の形状を有し、ほぼ一定の速度で移動する移動円形物体
たる被測定物の円形像を、光学系と、矩形状の光検出器
アレイと、差動増幅回路とで構成された差動構成の空間
フィルタ上に投影し、前記空間フィルタの出力信号の被
測定物の直径に依存する特徴的ピークを有する波形を後
段の演算装置にて処理する構成を取り、しかも波形の処
理には単純な演算により被測定物の直径を得る方式を用
いることにより、簡潔な構成で高精度の測定を実現して
いる。

（発明の構成） つぎに、図面に示した実施例について、本発明を具体的
に説明する。第１図は、本発明の一実施例における構成
を示す。図中１は、等間隔で配列された2n個の同寸法の
矩形状の光検出器アレイである。各光検出器は光の照射
された部分の面積と光強度に比例した電気信号を出力す
る。光検出器の材質、構造は種々考えられるが、一例と
してS_iのpn接合を用いたホトダイオードによる構成につ
いて述べる。ホトリソグラフィ技術により、同寸法のSi
ホトダイオードのアレイを同一基板上に作製することは
容易であり高い寸法精度で廉価に生産できる。

前記光検出器アレイ上に、図中２の光学系にて円形被測
定物(3)の円形像(4)を投影する。図ではレンズ系による
構成となっているが、平行光束によって円形被測定物の
像を光検出器アレイ上に投影する方式であっても差し支
えない。

前記光検出器アレイの奇数番目の出力をすべて合計し、
偶数番目の出力をすべて合計し、この２本を差動増幅回
路(5)に入力する。光検出器としてホトダイオードを用
いた場合、その出力電流が受光光量と比例関係にあるた
め、差動増幅回路は電流増幅形とする。このように構成
された光学系と光検出器アレイと差動増幅器とは差動構
成の空間フィルタ（スリット対のアレイ）をなす。

差動増幅器の出力は、演算装置(6)に接続されている。
演算装置は後記する動作原理で述べるような信号処理に
より、差動増幅回路の出力信号の被測定物の直径に依存
する特徴的ピークを有する波形を処理し、被測定物の直
径を得る機能を有し、A/D変換器を備えたマイクロコン
ピュータまたはそれと実質的に同等の処理を行うディジ
タル的ないしはアナログ的電気回路で構成される。

（動作原理） 本発明は、差動構成の空間フィルタに球、円盤などの形
状を有し、ほぼ一定の速度で移動する移動円形物体たる
被測定物の円形像を投影する時、その出力信号の波形が
被測定物の直径に依存する特徴的ピークを有する事実に
着目し、前記出力信号の波形に単純な演算を施すことに
より被測定物の直径を得るものである。以下に、差動構
成の空間フィルタの出力信号の波形の特徴と本発明の信
号処理方式について説明する。

第１図のように一定速度Ｖで移動する円形物体の像ｆ
(x,y)を、レンズまたは平行光束によって空間的荷重関
数ｈ(x,y)で表される光検出器アレイにより構成された
空間フィルタに投影すると、出力信号の瞬時値g(t)は次
式で与えられる。

g(t)＝g(x₀,y₀)＝Ｋ∫dx∫dyf(x,y)h(x-x₀,y-y₀) (1) ここで、 x₀＝Vt+c₁，yσ＝c₂，c₁,c₂：定数， Ｋ：比例係数 一方、ｆ(x,y)を白色の背景に黒色の円形像とし、h(x,
y)を2n個の同寸法の光検出器を交互に差動形に接続した
構成の荷重関数として、以下の(2)(3)式のように表し
て、積分を実行すると、(1)式より(4)式を得る。

ここで、Ｐ：スリット対のピッチ，Ｗ：光検出器の幅，
Ｌ：光検出器の長さ，ｎ：スリット対の数，ｋ＝0,1,2,
・・・,n-1。

ここで、a_i,b_i：対象をよぎるｉ番目の光検出器の左右
端のｘ座標，g₀：対象がない時の出力値。

規格化した振幅Ｇ(t)＝(g(t)-g₀)/KPと規格化した時間
Ｔ=t・V/Pの関係を計算機によってシミュレートした結果
を第２図に示す。被測定物の像の直径Ｄをパラメータと
してＤ＝0.1×ＰからＤ=2.4×Ｐまで24本の波形をプロ
ットした。時間ｔは対象の中心がスリット対のアレイの
前端に到達した時刻を０としてある。この波形は、零点
の位置は不変であるが、波形の立ち上がり、ピークの位
相（時間方向の変位）および振幅は対象の寸法に応じて
変化することを示している。

波形のピークの特徴に着目すると、第１のピークの振幅
の絶対値は、被測定物の直径に応じて単調に増大してお
り、第２以降のピークと異なる形状を有している。ま
た、被測定物の像の中心が2n個の光検出器を通過する時
に2n個の大きなピークを形成し、時として大きなピーク
の間に小ピークを有している。以下ではピークとは大き
なピークを意味するものとする。移動している円形像の
前後両端が前記光検出器アレイ中に投影された状態のと
きにあらわれるピークは同形の規則的な波形を有してい
る。これらの特徴に着目すると波形から被測定物の直径
の情報を得ることができる。

時間情報として、出力波形の立ち上がりから、第１，第
２，第３ピークの中心までの時間を取り、規格化した直
径D/Pとの関係を第３図に示す。ｋ番目のピークでは、
Ｄ≦kP−Ｗで直線的関係、2PT＝(D+W+P(k-1))があり、k
P-W<Dでは2PT≒Ｐ（2k−１）となっている。

振幅特性として、第１，第２，第３ピークの振幅を取
り、D/Pとの関係を第４図に示す。第１ピークの振幅G(t
₁)の絶対値は被測定物の直径Ｄに応じて直線的な関係で
はないが単調に増大しているので、Ｇ(t₁)の測定から被
測定物の直径Ｄを演算することができる。演算手段とし
ては、Ｇ(t₁)とＤの関係をあらかじめ演算装置内のメモ
リに記憶しておくことにより必要に応じてテーブル参照
するなどの方式が考えられる。これに対し、ｋ番目のピ
ークでは、Ｄ=iP-Ｗ(i=1,2,・・・,k)付近を境に徴係数の
正負が反転している。またｉの増加とともに出力が大き
くなっている。与えられたＤに対応するｉが得られる場
合にはｉが定まれば単調関数となるので、同様の方式で
測定することができる。

上記の考察より、導かれた被測定物の直径を得るフロー
を以下に示す。

(1) 概略値Ｄ₀を得る。

信号波形のあらかじめ設定された任意のしきい値を越
える最初の立上がりと第１ピークを検出し、最初の立上
がり時間から第１ピークまでの時間t₁と振幅Ｇ(t₁)を測
定する。

Ｇ(t₁)より、対象の直径の概略値Ｄ₀を得る。第４図
のピーク１の関係を利用し、テーブル参照などの手段に
よる。

何番目のピークを測るか決定。（ｋ番目と呼ぶことに
する） ｋの決定法は、例えばＰを光検出器対のピッチ、Ｗを光
検出器幅として（k-１）Ｐ−Ｗ＜Ｄ₀≦kP−Ｗとなるよ
う選ぶと良い。このように選ぶと移動している円形像の
前後両端が前記光検出器アレイ中に投影された状態のと
きにあらわれる規則的な波形を有するピークを選ぶこと
ができる。また、簡略化のため、特定のｋをD₀に依存せ
ず選んでも、また複数のｋを選び得られた測定値を平均
する方法でも差支えない。

速度の概略値Ｖ₀を得る。

Ｖ₀を得るには、例えばＤ₀とｔ₁より、下式を用いて算
出すると良い。

２・t₁・V₀＝D₀+W (Ｄ₀＜P-Wの場合） ２・t₁・V₀=P＋ε(D₀-P+W)/P（P-W≦Ｄ₀の場合） εは定数 また、簡略化のためあらかじめ推定した速度の概略値を
用いても良いし、別の手段によって測定しても差し支え
ない。

以上を実行するための手段は第１図のD₀演算７である。

(2) 時間情報による測定 Ｄ₀とＶ₀より下式すなわち第３図の関係を用いｋ番目
のピークの時間t_kを推定。

２・t_k・V₀＝D₀＋Ｗ＋Ｐ（ｋ−１） 推定時間付近を調べてｋ番目のピークを検出し、その
時間t_kと振幅Ｇ(t_k)を測定する。検出の手段は、あらか
じめ波形をすべてメモリなどに記憶してからマイクロコ
ンピュータでピークを捜しても良いし、推定時間付近で
実時間でピークを検出しても良い。推定時間が得られて
いるので該当ピークを見失うことはない。

上記の測定によって得たｔ_kとｔ₁より下式を用いて速
度Ｖを得る。

２・(t_k-t₁)・V=P・(k-1) ｔ_ｋとＶより下式を用いて被測定物の円形像の直径
Ｄ′を得て、さらに既知の光学系の倍率から被測定物の
直径Ｄを得る。

２・t_k・V＝Ｄ′＋Ｗ＋Ｐ・（ｋ−１） これを実行する手段は第１図のＤ演算８である。

（発明の効果） 本発明は、以上に述べたような構成であるので、簡単な
構造にもかかわらず、被測定物の移動速度変動の影響を
受けにくく、高精度測定ができる。また、被測定物を静
止させずに測定するので、多数の被測定物を連続して測
定する用途で特に迅速な測定が出来る。さらに、光検出
器アレイと演算装置の組み合わせは集積化に適した構成
であり、大量生産により廉価に製造できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す図、第２図は差動増幅回
路の出力信号の波形を示す図、第３図は規格化されたピ
ーク時間と規格化された被測定物の直径の関係を示す
図、第４図は規格化されたピーク振幅と規格化された被
測定物の直径の関係を示す図である。 １は光検出器アレイ、２は光学系、３は円形被測定物、
４は円形像、５は差動増幅回路、６は演算装置、７は円
形像の概略直径Ｄ_σを演算する手段、８は円形被測定物
の直径Ｄを演算する手段を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小林 彬 神奈川県藤沢市大庭3874番地 湘南ライフ タウン藤沢西部団地１―１―1103 (72)発明者 山浦 富雄 東京都大田区南千束３丁目17番５号 初音 荘 (56)参考文献 特開 昭57−141560（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−213204（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】等間隔で配列された2n個の同寸法の矩形状
   の光検出器でなる光検出器アレイ（１）と、 ほぼ定速度で移動する円形被測定物（３）の円形像
   （４）を前記光検出器アレイに投影する光学系（２）
   と、 前記光検出器アレイの奇数番目の光検出器同志の出力の
   和と偶数番目の光検出器同志の出力の和とを受領し、前
   記円形像が前記光検出器アレイを前記光検出器の配列方
   向に通過するとき2n個のピークをもつ信号を出力する差
   動増幅回路（５）と、前記差動増幅回路の出力信号の波
   形から前記円形被測定物の直径を演算する演算装置
   （６）とを備え、 前記演算装置は、 (1) 前記差動増幅回路からの出力信号の波形のあらか
   じめ設定された任意のしきい値を越える最初の立上がり
   時間から該出力信号の波形の第１ピークまでの時間ｔ_１
   と該第１ピークの振幅Ｇ（ｔ_１）を測定し、該第１ピー
   クの振幅Ｇ（ｔ_１）に対応する円形像の概略直径Ｄ_０を
   演算する手段（７）と、 (2) 移動している円形像の前後両端が前記光検出器ア
   レイ中に投影された状態のときにあらわれるｋ（１≦ｋ
   ≦2n）番目のピーク出願時間ｔ_ｋと前記時間ｔ_１とから
   前記円形像の移動速度Ｖを演算し、該移動速度Ｖと前記
   ピーク出現時間ｔ_ｋとから前記円形被測定物の直径Ｄを
   演算する手段（８）とからなることを特徴とする非接触
   の直径測定装置。