JPH09287924A - 外径測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大型化することなく走査領域が広くかつ走査
光線ビームの平行度の高い外径測定装置を提供すること
である。 【解決手段】 ｆθレンズ１５、回転多面鏡１４および
回転多面鏡１に入射するビーム１２を、同一平面上に配
置して平行走査光線ビーム発生手段１１の薄型化を図
る。加えて、平行走査光線ビームの平行度を向上させる
ために、ｆθレンズ１５の光軸を平行走査光線ビームの
光軸に対して傾斜させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、平行走査光線ビー
ムにより被測定物の外径を測定する外径測定装置に関
し、詳細には平行走査光線ビームを発生するための光学
部材の配置に関するものである。なお、ここで用いる
「光線ビームの光軸」とは光線ビームの中心を通る軸の
ことである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、平行走査光線ビームを出射す
る平行走査光線ビーム発生手段と、平行走査光線ビーム
発生手段から出射された平行走査光線ビームを受光する
受光手段とを対峙させ、平行走査光線ビームの走査領域
に被測定物を配置し、受光手段が受光する平行走査光線
ビームの時間から被測定物の走査方向に対する外径を測
定する外径測定装置がある。

【０００３】このような外径測定装置の構成を図２に示
す。この外径測定装置は、平行走査光線ビーム発生部１
と受光部２および本体部３とで構成され、平行走査光線
ビーム発生部１は、レーザビーム１２を固定ミラー１３
に向けて照射するレーザ光源１１と、この固定ミラー１
３により反射されたレーザビーム１２を回転走査光線ビ
ーム１２ａに変換する回転多面鏡１４と、この回転走査
光線ビーム１２ａを平行走査光線ビーム１２ｂに変換す
るｆθレンズ１５と、窓１ａから外部に出射する平行走
査光線ビーム１２ｂの平行走査の開始又は平行走査の終
了を検出するフォトダイオードの受光素子１６とにより
構成されている。さらにｆθレンズはその光軸が平行走
査光線ビームの光軸に対して平行走査光線ビームになる
ように配置されている。

【０００４】受光部２は、平行走査光線ビーム発生部１
から出射された平行走査光線ビーム１２ｂを集光する集
光レンズ２１と、集光レンズ２１の焦点位置に配置され
集光レンズ２１で集光された光線ビームを受光するフォ
トダイオードの受光素子２２とにより構成されている。
なお、２３はビームスプリッタ、２４は受光素子で、平
行走査光線ビーム発生部１と受光部２とを対向させる場
合に両者の光軸合わせを容易にするために設けられたも
のである。

【０００５】本体部３は、平行走査光線ビーム発生部１
の受光素子１６の出力信号を２値化する２値化回路３４
を有する。更に、クロック信号を発生するクロック発振
器３３と、波形処理回路３１の出力パルスａ幅をクロッ
ク発振器３３のクロックパルスＣＰでカウントするカウ
ンタ３２とにより構成されている。カウンタ３２は、２
値化回路３４の出力タイミングでカウント値がリセット
される。

【０００６】なお、３５は受光部２の受光素子２４の出
力を入力し、受光部２と平行走査光線ビーム発生部１と
の光軸の一致性の表示等を図る光軸信号処理回路で、受
光部２で受光する走査光線ビームが受光素子２４の所定
の位置に受光されることにより光軸の一致性を判別す
る。

【０００７】このように構成された外径測定装置は、平
行走査光線ビーム発生部１と受光部２との間に被測定物
４を配置し、平行走査光線ビーム発生部１で、レーザ光
源１１からレーザビーム１２を固定ミラー１３に向けて
照射し、この固定ミラー１３により反射されたレーザビ
ーム１２を回転多面鏡１４の回転によって回転走査光線
ビーム１２ａに変換し、この回転走査光線ビーム１２ａ
をｆθレンズ１５によって平行走査光線ビーム１２ｂに
変換し、この平行走査光線ビーム１２ｂを窓１ａから出
射し、被測定物４を高速走査する。この走査は、回転多
面鏡１４の１つの鏡面で１回の走査がされる。つまり８
面鏡であれば１回転で８回走査される。

【０００８】受光部２は、平行走査光線ビーム発生部１
から出射された平行走査光線ビーム１２ｂを集光レンズ
２１の焦点位置にある受光素子２２で受光するようにさ
れており、平行走査光線ビーム１２ｂが被測定物４によ
り遮られない場合にはハイレベル（又はローレベル）、
平行走査光線ビーム１２ｂが被測定物４より遮られない
場合にはローレベル（又はハイレベル）の出力電圧が出
力される。

【０００９】図示状態では、平行走査光線ビーム発生部
１の窓１ａの上枠を基準にして被測定物４までの走査方
向（平行走査光線ビーム１２ｂと直角方向）の距離（寸
法）Ｌを測定する場合で、受光素子２２の出力は、走査
開始から平行走査光線ビーム１２ｂが被測定物４により
遮られるまでの間は平行走査光線ビーム１２ｂを受光し
ハイレベルであり、被測定物４により遮られて次の走査
が開始するまでの間は平行走査光線ビーム１２ｂを受光
しないのでローレベルとなっている。

【００１０】一方、平行走査光線ビーム発生部１の受光
素子１６は、窓１ａの上枠あるいは上枠に形成されたマ
ークで反射される窓１ａから出射される寸前の走査光線
ビームを受光し、その信号、即ち走査開始を示す信号
（走査同期信号とする）を本体部３の２値化回路３４に
送る。２値化回路３４で２値化された信号ｂは波形処理
回路３１に送られる。

【００１１】波形処理回路３１は、被測定物４により遮
られるまでの間の波形を矩形状の波形ａ（ｔは寸法Ｌに
対応する）に成形してカウンタ３２に送り、カウンタ３
２は矩形状の波形ａの継続をクロック発振器３３のクロ
ックパルスＣＰでカウントし測定値を求める。なお、本
体部３の信号処理は周知であるのでその説明は省略す
る。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図２に示す外
径測定装置では、レーザ光源１１と回転多面鏡１４とｆ
θレンズ１５が略同一平面状に配置されているため、固
定ミラー１３で反射されて回転多面鏡１４に向かうビー
ム１２の光軸と平行走査光線ビーム１２ｂの光軸がなす
角度を０にすることができない。この角度が０でない場
合は図３に示すように、回転多面鏡１４が回転するにつ
れて固定ミラー１３から回転多面鏡１４までの距離が変
化する（図３の１４ａ、１４ｂ）。この距離が変化する
と図４に示すように回転多面鏡１４での反射位置６０が
変化するので、回転走査光線ビーム１２ａがｆθレンズ
１５の光軸に対して対称に入射されなくなる。

【００１３】ここで「レンズの光軸」とは、図５に示す
ように、レンズの２つの球面のそれぞれの半径Ｒ１およ
びＲ２の中心ｆ１およびｆ２を結んだ仮想の線５０をい
う。

【００１４】このため平行走査光線ビーム１２ｂは平行
にはならず、ｆθレンズ１５と回転多面鏡１４の距離に
より広がり角を有する走査光線ビーム１２ｂ’となって
しまう（図６）。この広がり角度は、回転多面鏡１４と
ｆθレンズとの距離、即ち焦点距離を調整することによ
り平行に近づけることができるが、ｆθレンズの光軸に
対して走査光線ビームが対称でないため、広がり角度を
０にすることができない。

【００１５】走査光線ビーム１２ｂ’が平行でない場合
は、被測定物を平行走査光線ビーム発生手段１と受光部
２の間のどの位置に配置して測定するかにより測定値が
変化する。即ち、平行走査光線ビーム発生手段１１に近
い位置に被測定物４が配置された場合は平行走査光線ビ
ーム１２ｂを遮る時間が長くなるので測定値は大きくな
り、受光部２に近い位置に配置された場合は平行走査光
線ビーム１２ｂを遮る時間が短くなるので測定値は小さ
くなる。

【００１６】この非対称性は、図７に示すようにハーフ
ミラー４１を用いて、ｆθレンズ１５の光軸と一致させ
た状態で回転多面鏡１４にビーム１２を入射させるよう
に構成することにより解決され、ｆθレンズ１５の光軸
に対して対称な平行走査光線ビーム１２ｂを得ることが
できるが、この場合はハーフミラーを用いるためコスト
が高くなり、さらにはハーフミラーにより非点収差が生
じビームの大きさを小さくすることができなくなり、結
果として測定精度が低下するという問題点がある。

【００１７】また、図８に示すようにして回転多面鏡１
４の下方からビーム１２を入射させることにより図７と
同様にｆθレンズ１２の光軸に対称な平行走査光線ビー
ム１２ｂを得ることができるが、回転多面鏡１４を傾斜
させて配置したり、ビームを回転多面鏡の下方から入射
させなければならないため、平行走査光線ビーム発生手
段１が厚み方向に大型化する。

【００１８】一方で、このような外径測定装置において
は、より大きい被測定物の外径を測定できるようｆθレ
ンズ１５を大型化し走査領域を広くすることが要求され
ている。ところが走査領域を広くしようとするとｆθレ
ンズ１５が大きくなるだけでなく、回転多面鏡１４に入
射するビームのｆθレンズ１５の光軸に対する角度を大
きくせざるを得なくなる。この角度が大きくなりすぎる
と走査光線ビーム１２ｂ’の平行度が悪化してもはや所
望の測定精度を達せられなくなるため、走査領域の広い
外径測定装置を図２のような配置では構成することがで
きない。

【００１９】本発明は、より平行度の高い平行走査光線
ビームを、より小型で薄型な平行走査光線ビーム発生手
段により構成し、併せてより外径の大きい被測定物を測
定できる外径測定装置を提供することを目的とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段および発明の効果】第１の
発明は、ビーム発生手段から発生したビームを反射して
回転走査光線ビームとする回転多面鏡と、前記回転走査
光線ビームを平行走査光線ビームに変換するｆθレンズ
とを含む平行走査光線ビーム発生手段と、前記平行走査
光線ビームを受光する受光手段とを有し、前記平行走査
光線ビーム発生手段と前記受光手段との間の平行走査光
線ビームの走査領域内に被測定物を配置し、前記被測定
物による平行走査光線ビームの遮り時間から前記被測定
物の外径を測定する外径測定装置において、前記ビーム
発生手段から発生したビームは、前記走査領域を含む平
面に含まれ、かつ前記平行走査光線ビームに変換される
回転走査光線ビームの領域外から前記回転多面鏡に入射
し、前記ｆθレンズの光軸は、前記平行走査光線ビーム
の光軸に対して傾斜して配置されている外径測定装置で
ある。

【００２１】この外径測定装置はｆθレンズ、回転多面
鏡およびビーム発生手段が同一平面上に配置されている
ため平行走査光線ビーム発生手段は厚み方向に大型化す
ることがない。さらに、ｆθレンズの光軸は平行走査光
線ビームの光軸に対して傾斜して配置されているので、
走査光線ビームの平行度を高めることができる。従っ
て、より広い走査領域を有する外径測定装置を小型に構
成することができる。

【００２２】第２の発明は、ビーム発生手段から発生し
たビームを反射して回転走査光線ビームとする多角形回
転鏡と、前記回転走査光線ビームを平行走査光線ビーム
に変換するｆθレンズとを含む平行走査光線ビーム発生
手段と、前記平行走査光線ビームを受光する受光手段と
を有し、前記平行走査光線ビーム発生手段と前記受光手
段との間の平行走査光線ビームの走査領域内に被測定物
を配置し、前記被測定物による平行走査光線ビームの遮
り時間から前記被測定物の外径を測定する外径測定装置
において、前記回転多面鏡に入射して反射されるビーム
が、前記走査領域を含む平面に含まれ、かつ前記平行走
査光線ビームに変換される回転走査光線ビームの領域外
であるようにビーム発生手段が配置され、前記ｆθレン
ズの光軸は、前記平行走査光線ビームの光軸に対して傾
斜して配置されている外径測定装置である。

【００２３】この外径測定装置はｆθレンズ、および回
転多面鏡が同一平面上に配置され、さらに回転多面鏡に
入射するビームの光軸も同一平面上であるため平行走査
光線ビーム発生手段は厚み方向に大型化することがな
い。さらに、ｆθレンズの光軸は平行走査光線ビームの
光軸に対して傾斜して配置されているので、走査光線ビ
ームの平行度を高めることができる。従って、より広い
走査領域を有する外径測定装置を小型に構成することが
できる。

【００２４】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の１実施例におけ
る外径測定装置の構成を示すである。ｆθレンズの光軸
が平行走査光線ビームの光軸に対して傾斜している以外
は、図２と同一であるので各部の動作についてはその説
明を省略する。

【００２５】図９に、平行光線を傾斜させたレンズを用
いて集光させた場合の様子を示す。この図からわかるよ
うに光線は１点で集光せず、コマ収差と呼ばれる収差を
生じる。

【００２６】図１０に図９のコマ収差を詳細に記載した
光線の様子を示す。この光線の様子は、図３および図４
に示した回転多面鏡１４の回転多面鏡による反射の非対
称性を示す光線と同様の光路をたどる。即ち、回転多面
鏡１４でビーム１２が反射される部分は、コマ収差の状
態を示している。従って図９のようにレンズを傾斜させ
ることにより、非対称になっている走査光線ビームを逆
平行走査光線ビームに補正することができ、平行度が向
上するのである。

【００２７】なお、レンズの傾き角度については、ビー
ム１２と平行走査光線ビームの光軸のなす角度、および
回転走査角度に基づき、更にｆθレンズの曲率等のレン
ズデータに基づいて決定される。

【００２８】また、図１の実施例においては固定ミラー
１３によりレーザ光源１１を反射させて、回転多面鏡１
４にビーム１２を入射させているが、固定ミラー１３を
省略してレーザ光源１１からビーム１２を直接回転多面
鏡１４に入射させてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の外径測定装置の概略構成図で
ある。

【図２】従来の外径測定装置の概略構成図である。

【図３】外径測定装置において、回転多面鏡の回転につ
れて反射する位置が変化する様子を説明する図である。

【図４】外径測定装置の回転走査光線ビームの非対称性
を説明する図である。

【図５】レンズの光軸を説明する図である。

【図６】走査光線ビームが非対称かつ広がる様子を示す
図である。

【図７】走査光線ビームの非対称性を改善するための光
学部品の配置の１例である。

【図８】走査光線ビームの非対称性を改善するための光
学部品の配置の他の例である。

【図９】レンズを傾けてコマ収差が発生する状態を説明
するための図である。

【図１０】図９における光線を詳細に記載した図であ
る。

【符号の説明】

１ 平行走査光線ビーム発生手段 ２ 受光部 ３ 本体部 ４ 被測定対象物 １１ レーザ光源 １２ ビーム １２ａ 回転走査光線ビーム １２ｂ 平行走査光線ビーム １２ｂ’ 走査光線ビーム １３ 固定ミラー １４ 回転多面鏡 １５ ｆθレンズ ５０ 光軸

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ビーム発生手段から発生したビームを反射
   して回転走査光線ビームとする回転多面鏡と、前記回転
   走査光線ビームを平行走査光線ビームに変換するｆθレ
   ンズとを含む平行走査光線ビーム発生手段と、 前記平行走査光線ビームを受光する受光手段とを有し、 前記平行走査光線ビーム発生手段と前記受光手段との間
   の平行走査光線ビームの走査領域内に被測定物を配置
   し、 前記被測定物による平行走査光線ビームの遮り時間から
   前記被測定物の外径を測定する外径測定装置において、 前記ビーム発生手段から発生したビームは前記走査領域
   を含む平面に含まれ、かつ前記平行走査光線ビームに変
   換される回転走査光線ビームの領域外から前記回転多面
   鏡に入射し、 前記ｆθレンズの光軸は、前記平行走査光線ビームの光
   軸に対して傾斜して配置されている、 ことを特徴とする外径測定装置
2. 【請求項２】ビーム発生手段から発生したビームを反射
   して回転走査光線ビームとする回転多面鏡と、前記回転
   走査光線ビームを平行走査光線ビームに変換するｆθレ
   ンズとを含む平行走査光線ビーム発生手段と、 前記平行走査光線ビームを受光する受光手段とを有し、 前記平行走査光線ビーム発生手段と前記受光手段との間
   の平行走査光線ビームの走査領域内に被測定物を配置
   し、 前記被測定物による平行走査光線ビームの遮り時間から
   前記被測定物の外径を測定する外径測定装置において、 前記回転多面鏡に入射して反射されるビームが、前記走
   査領域を含む平面に含まれ、かつ前記平行走査光線ビー
   ムに変換される回転走査光線ビームの領域外であるよう
   にビーム発生手段が配置され、 前記ｆθレンズの光軸は、前記平行走査光線ビームの光
   軸に対して傾斜して配置されている、 ことを特徴とする外径測定装置