JPS6215403A - 非接触式の直径測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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
検出器上に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だめのもので、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式の
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である−・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式には、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すいているた
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」によって決壕ってしまう。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だめの完全に並列
的々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々ければならない３、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である一点を通
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
ットを用いガければならない。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１つだ方向に移動させる
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
的手段を伺加せざるを得す、複雑々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で
、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式の直径
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１〜、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シ、しかも波形の処
理には単純々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、−例
としてｓｉ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８１ホトダイオードのアレイを同一基板上に作製す
ることは容易であシ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）に人力する。光検出器と（−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１〜、Ａ／Ｄ変換器を備えたマイク
ロコンビ、−夕ｔｉｉ：それと実質的に同等の処理を行
うディジタル的々いし７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部純な演算を施すことに
より被測定物の直径’（Ｉ−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■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（ｘｏ、ｙｇ）＝に／ｄｘｆｄｙｆ（ｘ、
ｙ）ｈ（ｘ−ｘｏ、ｙ−ｙ１））　　（１）ここで−Ｘ
Ｏ：■ｔ＋ＣＩ　＋　５’、”　Ｃ４＋　ＣＩ　＋０２
”定数。

Ｋ：比例係数 −・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アレイ
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、Ｄ：被測定物の像の直径 ここで、Ｐ：光検出器アレイのピ、／チ、　Ｗ　：　−
ｊ（、検出器の幅、１．：光検出器の長さ、ｎニスリッ
トの対数、　ｋ＝０．１．．２．−・・、ｎ−１゜＝　
ｇｏ−１／２（Ｄ／２）２Ｋ　Σ　［５ｉｎ２０　−　
２．］ａｒｃｃｏｓ　　ｂ、　　　　（４１１ａｒｃｃ
ｏｓ　　ａｌ ここで、ＩＩ　ｌ　、ｂ、　：対象をよぎるｉ番目の光
検出器の左右端のＸ座標＋ｇｏ：対象がない時の出力値
。

規格化した振幅Ｇ（ｔ）　−（ｇ（ｔ）　−ｇｏ　）／
Ｉ（Ｐ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
物の像の直径りをパラメータとしてＤ＝０．ＩＸＰから
Ｄ＝２．４ＸＰ捷で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の前端に到達し７た時刻を０
としである４、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
シ、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シ、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、ｋＰ−Ｗ＜Ｄでは２ＰＴ呻Ｐ（
ｋ−１）となっている。

振幅特性として、第１．第２．第３ピークの振幅を取シ
、Ｄ／Ｐとの関係を゛第４図に示す。第１ピークの振幅
Ｇ（ｔｋ）の絶対値は被測定物の直径りに応じて直線的
な関係ではないが単調に増大しているので、Ｇ（ｔｋ）
の測定から被測定物の直径りを演算することができる。

演算手段としでは、Ｇ（ｔｋ）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番目のヒ”−りでは、Ｄ＝ｉＰ−Ｗ（ｉ＝１．
２．・・・、ｋ）伺近を境に微係数の正負が反転してい
る。捷だｉの増加とともに出力が太きくなっている。与
えられ′ｋＤに対応するｌが得られる場合には１が定祉
れは単調関数と々るので、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イ１〃
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ピーク寸での時間ｔ１と振幅Ｃ（
ｔｋ）を測定する。

■Ｇ（ｔｋ）よシ、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） ｌ（の決定法は、例えばＰを光検出器ピッチ、Ｗを光検
出器幅として（ｋ−１）Ｐ−Ｗ＜Ｄｏ≦］＜Ｐ−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をり。に
依存せず選んでも、また複数の１（を選び得られた測定
値を平均する方法でも差支え々い。

■速度の概略値Ｖ。を得る。

ｖｏを得るには、例えばり。とｔｌよシ、下式を用いて
算出すると良い。

２・ｔｋ　・Ｖｏ＝Ｄｏ＋Ｗ　　　　　　　　（Ｄｏ＜
Ｐ−Ｗの場合）２・ｔｋ−Ｖｏ＝Ｐ＋ε（Ｄ−Ｐｏ＋’
Ｗ）／Ｐ　（Ｐ−Ｗ≦Ｄｏの場合）ｌ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、別の中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図のり。演算７である
。

（２）時間情報による測定 ■ＤｏとＶ。よシ下式すなわち第３図の関係を用いに番
目のピークの時間ｔｋを推定。

２−ｔｋ−Ｖｏ＝Ｄｏ＋Ｗ＋Ｐ（ｋ−１）■推定時間付
近を調べてに番目のピークを検出し、その時間ｔｋと振
幅Ｇ（ｔｈ）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ｔ５ともいよジ下式を用いて
速度Ｖを得る。

２・ｔｋｔ−ｖ−Ｄ＋Ｗ＋Ｐ・（ｋ−１）■ｔｋと■。

（またはＶ）よυ下式を用いてに番目のピークの前また
は後のゼロクロス点の時間ｔｋ１推定する。

２・ｔ　−Ｖ＝２・ｔｋ−Ｖ：ｆ：０．５・Ｐ■推定時
間付近を調べてゼロクロス点を検出し、ｔｋを測定する
。推定値と比較して、時間測定の誤差（または速度■の
値）の補正に用いる。

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） を受けに＜＜、高精度測定ができる。また、被測定物を
静ｔｈ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
構成であシ、大量生産に＝１４− よシ廉価に製造できる。

【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（１，ｌ：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＝り振幅と規格化
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
形像の概略直径り、を演算する手段、８は円形被測定物
の直径りを演算する手段を示す。 特許出願人　　　安立電気株式会社 代理人　　弁理士　小　池　１■太部 情　へ ′１１開昭６２−１５４０３　（６） Ｄ／／′ １−　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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第ｋ（１≦ｋ≦２ｎ）番目のピー
   ク出現時間ｔ＿ｋとそのピークの前または後のゼロクロ
   ス点出現時間ｔ＿ｚから該円形像の移動速度Ｖを演算し
   、その移動速度Ｖと該ピーク出現時間ｔ＿ｋと該ゼロク
   ロス点出現時間ｔ＿ｚとから該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
   式の直径測定装置。