JPH03238307A - 外径測定装置 - 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） 本発明は外径測定装置、特に高速走行する糸、ワイヤ等
の外径を非接触で測定する測定装置に関する。

（従来の技術） 従来、非接触で外径を測定する方式には、レーザーマイ
クロメータ式、リニアセンサー式等がある。レーザーマ
イクロメータ式はレーザー光をポリゴンミラーとＦθレ
ンズで走査集光して被測定物に照射し透過光をＦθレン
ズで集光してセンサーで受光するもので、レーザー光の
走査速度を一定として被測定物により遮光された時間か
ら外径を測定する。リニアセンサー式は投光器により被
測定物を照射し、その透過光または反射光を集光レンズ
で集光し、リニアセンサーで受光する。リニアセンサー
は等間隔に幾つものセンサーが配列されており、被測定
物の遮光または反射の像を受光したセンサ一番地から外
径を測定する。

又、特開昭５５−３７９１９号では、幅一定の平行光束
を被測定物に投射し、被測定物によって遮光される幅と
位置とを検出して被測定物の外径を測定する装置が開示
されている。

（発明が解決しようとする課題） 極細の線径を測定する場合、レーザーマイクロメータ式
はレーザーの集光スポットも微小にする必要があり、焦
点距離が短（焦点深度が短くなり被測定物を焦点深度内
に位置決めすることが必要となる。リニアセンサー式に
ついても集光レンズの焦点距離を短くする必要が生じ、
同様の問題がある。

また、被測定物が高速に走行する場合、測定も高速に行
われる必要があるが、レーザーマイクロメータ式ではレ
ーザー光の走査を行う駆動装置に速度の制約があり、リ
ニアセンサー式では配列されたセンサーの読み出し速度
の制約があり、高速に測定することは困難となる。

更に、被測定物が振動しながら高速に走行し、かつ極細
の線径を測定する場合、振動による焦点外れを防ぎ、高
速測定することは非常に困難となる。

又、平行光束の遮光量を検出する方式の装置において平
行光束としてレーザー光を用いると、良く知られている
ようにその光束断面内の光束強度分布はガウス分布をな
しており、被測定物による遮光位置によって同一外径で
ありながら遮光量に差異が生じることとなる。しかし、
高速走行する極細の線材の位置を特定させることは極め
て困難である。

本発明は前記した従来技術の欠点を解決し、極細で振動
しながら高速に走行する被測定物の線径を高速かつ高精
度に測定する外径測定装置の提供を目的とするものであ
る。

（課題を解決するための手段） 本発明は以上のような目的を達成するために、次のよう
な外径測定装置を提供するものである。

すなわち、断面外形が一定の平行光束とされたレーザー
ビームを高速走行する線状の被測定物による遮光量を検
出して外径を測定するに際し、２つ又はそれ以上の平行
光ビームを合成することによって被測定物の振動等によ
る変位方向のビーム断面内の光強度分布を一定としたこ
とを特徴とする。

更に又、レーザーの平行光を被測定物に照射し、その透
過光をセンサーにて受光し、外径を測定するに当って走
行する被測定物の透過光の時間変化を測定してその周波
数を弁別し径の値と微小欠陥を同時に測定するものであ
り、被測定物のエツジを２つの投光と受光センサーによ
り測定し、２つの受光センサーの値と受光センサーの間
隔を測定して幅の大きな被測定物を測定するものである
。

（作用） ビーム断面内の強度分布がガウス分布しているレーザー
ビームも、これを適当に中心をずらして重畳することに
よって、合成光束の断面的強度分布を一定とすることが
できる。線材に直角な方向においては、高速走行に伴う
振動等によって位置ずれが生じるので、ビーム断面内の
この方向の光強度分布を一定にしておくことによって、
振動等による測定誤差が生じることを防止することがで
きる。

これに対して、線状の被測定物の走行方向の位置、外径
はほぼ一定であるから、ビーム断面内の走行方向の光強
度分布はガウス分布のままでも問題は少な（、必要に応
じて絞りを掛ければ良い、線径の一部に外径の変化等の
微小欠陥がある場合には遮光量の変化が生じるが、走行
方向のビーム幅が小さい方がこのような微小欠陥による
遮光量の変化が検出値に鋭い変化を与えるので、その後
の信号処理に有利となるという効果も生じる。

（実施例） 本発明は図面に示す実施例に基づいて説明すると、第２
図、第３図、第４図は各実施例に共通の説明図で、第５
図及び第６図はそれぞれ第２．３実施例、第７図は第４
実施例、第８．９図はそれぞれ第５．６実施例、第１０
図は第７実施例、第１１図は第８実施例を示す。

第１図において、（１）はレーザー光源で（２）のコリ
メートレンズにより平行光（４）とされる。

レーザー光源（１）はそれ自身平行光を出射するもので
も半導体レーザーのような発散光源でもよく、上記発散
光源の場合はコリメートレンズ（２）を用いて平行光（
４）とするが、このとき光軸を合わせてホルダーに固定
し、コリメートヘッド（３）を構成して、光軸合わせ等
の調整を容易とする。

前記のレーザー光源（１）は出力が一定で安定するよう
センサー（２８）でレーザー光源（１）の光出力を測定
し、ＡＰＣ回路（３０）にフィードバックして駆動され
、半導体レーザーの場合センサー（２８）は半導体レー
ザーの内部に内蔵されたものでもよい。〔第４図（ａ）
参照〕センサー（２８）はレーザー光源（１）の光出力
を測定することができ、受光面に照射された受光量を受
光量に比例した出方電流に変換し出力するもので、例え
ばフォトダイオード、ＰＩＮダイオード、フォトトラン
ジスタ、ＡＰＤその他の受光素子を用いることができる
。

ＡＰＣ回路（３０）はレーザー光源（１）の光出力設定
値と前記レーザー光源（１）の光出力が等しくなるよう
、センサー（２８）の値と光出力設定器との差を変換増
幅してレーザー光源（１）の駆動電流を自動調整するも
のである。

第２図において、前記した平行光（４）はその断面で２
次元方向の位置と光強度の分布はガウス分布をなしてお
り、ビーム中心（４７）において最大光強度（４４）に
なっており、最大光強度（４４）に対して１／ｅ”とな
る点とビーム中心（４７）との間隔を長軸ビーム半径（
４３）とする。

レーザー光源（１）が半導体レーザーの場合、コリメー
トレンズ（２）を用いて平行光（４）とするとその断面
は楕円となり、この楕円の長軸ビーム半径が（４３）で
あり、短軸ビーム半径が（４８）である。

第１図において、平行光（４°）は平行光（４）と直角
な方向からハーフプリズム（６）に直角に入射するよう
直角プリズム（５）により導かれる。該直角プリズム（
５）はコリメートヘッド（３°）をコリメートヘッド（
３）と同一方向に配置し、構成を簡素化し調整を容易と
するために用いる。

（６）はハーフプリズムで直角プリズム２個で構成しそ
の斜面（７）に光透過鋺膜を付けたもので、該斜面（７
）で入射光をその入射方向と入射方向に直角な方向に一
定の比率で分割するものである。平行光（４）はハーフ
プリズム（６）の前面に対して直角に入射し、斜面（７
）で入射方向の平行光（４１）と前記した入射方向に直
角な方向の平行光（４２）に分割され、平行光（４１）
と（４２）のビーム半径は平行光（４）の長軸ビーム半
径（４３）と短軸ビーム半径（４８）に等しくなり〔第
２図（ｄ）（ｅ）（ｆ）参照）、ハーフプリズム（６）
の分割比が１：１で入射光の最大光強度（４４）に対し
一定の比率で分割されて、平行光（４１）及び（４２）
のビーム強度は等しい、〔第２図（ｅ）（ｆ）参照〕と
ころで、前記ハーフプリズム（６）は入射平行光の偏光
に係わらず、分割比が１：１となるものが良く、斜面（
７）のコーテイング膜は金属−誘電体ハイブリッドコー
ティング等で良い、ハーフプリズム（６）は後記する合
成光の一定光強度分布の幅より大きい寸法のものとし、
かつ合成光の一定光強度分布の幅がハーフプリズム（６
）の寸法内に入るよう配置する。

また、平行光（４°）は平行光（４）と直角な方向から
ハーフプリズム（６）の側面に直角に入射し、斜面（７
）でそれぞれ平行光（４１’）及び（４２”）に分割さ
れる。平行光（４′）は平行光（４）に対しその長軸ビ
ーム半径（４３）及び短軸ビーム半径（４８）と最大強
度（４４）が等しくなるようにする。レーザー光源（１
）が半導体レーザーの場合、前記のビーム半径（４３）
を等しくするため、放射角が等しく揃ったものを選定す
る。平行光（４１”）の最大強度（４４”）はその出力
を前記のＡＰＣ回路（３ｏ）で調整し、平行光（４）の
最大光強度（４４）と等しくするので、平行光（４１°
）及び（４２’）も平行光（４１）及び（４２）と同様
に長袖ビーム半径（４３）と短軸ビーム半径（４８）で
あり、同等の長さを有する。

前記のハーフプリズム（６）から同一方向に出射した平
行光（４１）及び（４１’）は合成光（８）となる。前
記の平行光（４１）及び（４１’）の光軸が平行となる
よう平行光（４）及び（４゛）はハーフプリズム（６）
への入射角を調整され、合成光（８）もその光軸方向（
２１）に平行光となる。また、平行光（４１）及び（４
１’）のビーム中心（４７）及び（４７’）のビーム間
隔（４６）をビーム半径（４３）にほぼ等しく配置すれ
ば、第２図（ａ）のように合成光（８）は合成方向（２
２）のビーム間隔（４６）において最大光強度が（６０
）のようになり、その強度分布を一定とすることができ
る。前記のように長袖ビーム半径（４３）を合成方向（
２２）にして合成すると、ビーム間隔（４６）を広くと
れ有利である。平行光（４１）及び（４１°）の短軸ビ
ーム半径（４８）は第２図（ｂ）で図示しているように
合成方向（２２）と直角な移動方向（２３）に向き、こ
の方向にはガウス分布をしている。そして、最大光強度
が（４５）のようになり、その頂点では強度分布がスリ
ット幅（２６）の範囲で一定になっている。

第１図における（９）はレーザー光の吸収体でハーフプ
リズム（６）から出射する平行光（４２）及び（４２’
）を吸収し散乱しないようにするものである。

（１０）は光学ヘッドでコリメートヘッド（３）及び（
３′）、直角プリズム（５）、ハーフプリズム（６）、
スリット（１３）及び（１４）　、センサー（１６）　
、フィルター（１７）を各々光軸を合わせ固定し一体化
するものである。該光学ヘッド（１０）の出射口（１１
）から前記合成光（８）を被測定物（２０）に投光照射
し、被測定物（２０）の断面で遮光された光を入射口（
１２）で受け、スリット（１４）を通過した透過光（１
５）をセンサー（１６）で受光し、その受光量から被測
定物（２０）の投影面積や外径を測定する測定ヘッドで
ある。

以上のような装置によりレーザーの平行光を被測定物に
照射し、その透過光をセンサーに受光して被測定物の外
径を測定することができるもので、２つの平行光を合成
し照射光のビーム光強度分布を一定とすることにより測
定範囲を拡大すると共に、被測定物は線材で高速走行に
よりその位置がブしても測定誤差が生じないようにする
ことができるものである。

次に、スリットによって検出感度を高めることができる
点について述べる。

スリット（１３）は出射口（１１）に取り付はスリット
長とスリット幅の開口部を合成光（８）が通過するもの
で、被測定物（２０）による散乱光と外乱光がＡＰＣ回
路のセンサー（２８）に入射しないようにするものであ
る。出射口（１１）をスリット（１３）のようにつくれ
ばスリット（１３）は省略できる。

スリット（１４）は入射口（１２）と測定用センサー（
１６）の間に取り付け、開口部を透過光（１５）が通過
するもので、被測定物（２０）による散乱光と外乱光が
測定用のセンサー（１６）に入射しないようにすると共
にセンサー（１６）が受光する透過光（１５）の光強度
分布が一定範囲を通過するものである。入射口（１２）
をスリット（１４）のようにつくればスリット（１４）
は省略できるが、センサー（１６）に洩れ込む散乱光と
外乱光を極力減少させるためには、前記実施例のように
入射口とスリットを別個に配置するのが望ましい。

何れにしても出射口（１１）と入射口（１２）とは、本
来内部保護のためのハウジングと光を通すための窓であ
るが、出射口（１１）をスリット（１３）と同一寸法に
、また入射口（１２）をスリット（１４）と同一寸法に
つくればスリットが２個づつあることになり、洩れ散乱
光を防止することができるし、スリット１個づつでよい
場合に出射口（１１）　、入射口（１２）をスリットの
寸法にすればスリン）　（１３）（１４）を省略できる
。

しかして、前記のスリット（１４）のスリット長（２５
）をビーム間隔（４６）以下とし、スリット幅（２６）
をビーム半径（４日）より十分短（する〔第２図（ａ）
（ｂ）参照〕。前記の合成光（８）の被測定物の移動方
向（２３）でビーム中心（４７）とスリット幅（２６）
の中心を合わせスリット長（２５）をビーム間隔（４６
）以内に入るようスリット（１４）を配置すれば、スリ
ット長（２５）を通過する透過光（１５）は第２図（ａ
）の最大光強度（６０）のように一定の強度分布となり
、スリット幅（２６）を通過する透過光（１５）は、第
２図（ｂ）のようにビーム中心（４７）付近のガウス分
布が最大光強度（４５）に対して変化が小さくほぼ一定
で最大光強度（４５）とみなせ、スリン）　（１４）を
通過する透過光（１５）は一定の強度分布となる。

センサー（工６）は受光面に照射された受光量を受光量
に比例した出力電流（３１）に変換し出力するもので、
例えばフォトダイオード、ＰＩＮダイオード、フォトト
ランジスタ、ＡＰＤその他の受光素子を用いることがで
きる。高速に測定をする場合、ＰＩＮダイオード、ＡＰ
Ｄ等の応答性の良いものを用いる。

センサー（１６）は測定精度を良くするため、受光面の
各部分において受光量に対する出力電流（３１）が一定
であるものが良い。第４図（ｂ）においてセンサー（１
６）の出力電流（３１）はプリアンプ（３２）で変換増
幅して出力電流（３１）に比例した電圧信号（３３）と
する、前記のようにして電圧信号（３３）を測定して受
光量を求めることができる。前記合成光（８）を被測定
物（２０）に投光照射し被測定物（２０）の断面で遮光
された光をセンサー（１６）で受光するとき、遮光され
た面積の遮光量を電圧信号（３３）の変化値（２９）　
　（第３図（ｄ）参照〕で指示計（３４）に指示すれば
、遮光量及び被測定物（２０）の外径を求めることがで
きる。

前記の第１図に示すフィルター（１７）は光学ヘッド（
１０）の出射口（１１）及び入射口（１２）に取り付け
、レーザー光源（１）の波長以外を遮光するもので、外
乱光を遮光してＡＰＣ回路のセンサー（２８）及び測定
用センサー（１６）に入射しないようにしている。

被測定物（２０）は電線、糸、ワイヤ等の線状をなした
もので、その軸方向に高速で移動しかつ振動を伴っても
良い、被測定物（２０）は各図に図示しである光学ヘッ
ド（１０）の移動方向（２３）に移動するよう配置する
。

このとき光学ヘッド（１０）が正確に測定できる測定範
囲は、光軸方向（２１）では合成光（８）が平行光なの
で出射口（１１）から入射口（１２）間で測定可能であ
り、合成方向（２２）ではスリット長（２５）　、被測
定物の移動方向（２３）ではスリット幅（２６）で囲ま
れた範囲となり、被測定物（２０）の投影面がスリット
長（２５）とスリット幅（２６）の範囲内にあれば良く
、被測定物（２０）の振動も許容できる。

第３図（ａ）において、前記のハーフプリズム（６）を
取り除き合成光（８）のかわりに平行光（４）を用いて
、該平行光（４）を出射口（１１）より投光照射し被測
定物（２０）の外径を測定する場合、スリット（１４）
のスリット幅（２６）の中心がビーム中心（４７）付近
に配置し、スリット長（２５）の方向に平行光（４）の
長袖ビーム半径（４３）を配置する。

そして、スリット長（２５）の方向に被測定物を移動す
ると移動した位置センサー（１６）の受光量の関係は第
３図（ｂ）のようにビーム半径（４３）と電圧信号の変
化値（２９）として表わすことができる。しかして、平
行光（４）を被測定物（２０）に投光照射すると被測定
物（２０）で遮光した像はセンサー（１６）上に結ぶが
、このとき前記センサー（１６）上の像は被測定物（２
０）の遮光した遮光面積と等しい大きさとなる。しかし
、被測定物（２０）の移動する位置によって遮光するガ
ウス分布の光強度が変化し、透過光（１５）の遮光量は
光強度を遮光面積で積分したものとなる。被測定物（２
０）の外径が長軸ビーム半径（４３）に対して十分率さ
い場合には、センサー（１６）の受光量が最小なる遮光
量を測定して外径を測定することが可能である〔第３図
（ｂ）参照］。すなわち、遮光面積はスリット幅（２６
）と外径の積とみなしスリット幅（２６）が一定なので
、遮光面積は外径に比例する。また、長軸ビーム半径（
４３）に対して外径は十分小さいので、ビーム中心（４
７）付近のガウス分布は最大光速度強度（４４）に対し
て変化が小さく、はぼ一定で最大光強度（４４）とみな
せば、外径と最大光強度（４４）に比例した遮光量とな
る〔第３図（ａ）の上段左図参照〕。故に、最大遮光量
は外径と比例の関係となる。この方法では、ビーム中心
（４７）付近でガウス分布がほぼ一定な範囲で測定する
必要があり、被測定物（２０）の位置決めまたは走査等
の手段を要する。

そこで、第３図（Ｃ）においては、前述のように平行光
（４）及び（４゛）をハーフプリズム（６）で合成光（
８）とし被測定物（２０）に投光照射して、前記したス
リン）　（１４）で合成光（８）の−走光強度分布の範
囲のみをセンサー（１６）で受光すれば合成光（８）が
平行光であるからしてセンサー（１６）上の遮光像は被
測定物（２０）の遮光した遮光面積と等しい大きさとな
り、スリット（１４）の開口部は一定光強度分布であり
、被測定物（２０）が合成方向（２２）に位置ずれして
も透過光（１５）の遮光量及びセンサー（１６）の受光
量を一定とすることができる。

遮光面積はスリット幅（２６）と被測定物（２０）の外
径の積とみなしスリット幅（２６）が一定なので、遮光
面積は外径に比例する。センサー（１６）上の遮光量は
光強度分布を遮光面積で積分したものであるが、光強度
分布が一定なので遮光面積に比例する。遮光量は外径に
比例し遮光量を測定して被測定物（２０）の外径を測定
できる。前記のようにスリット（１４）の開口部は一定
光強度分布であり、被測定物（２０）が合成方向（２２
）に位置ずれしてもスリット長（２５）の範囲では測定
値を一定とすることができる。

この様に、被測定物（２０）がスリット長（２５）とス
リット幅（２６）の範囲内にあれば良く、また光軸方向
（２１）では合成光（８）が平行光であるからして被測
定物（２０）の光軸方向（２１）、合成方向（２２）の
振動も許容できる。

前述した被測定物（２０）の外径はスリット幅（２６）
における平均の外径を与えるが、スリット幅（２６）を
短くすれば、小さな外径の変化を測定することが可能と
なりうる。また、前述したように被測定物（２０）に投
光照射する合成光（８）が平行光なので、センサー（１
６）上の遮光像は被測定物（２０）の遮光した遮光面積
と等しい大きさでかつ微小の外径でも遮光像は鮮明とな
り、微小の外径でも測定が可能である。

何れにしても、センサー出力＝（投光強度分布）×（遮
光面積）×（センサー感度分布）であって、投光強度分
布とセンサー感度分布は一定であるので、センサー出力
は遮光面積Ｓに比例する。

一方、被測定物の平均外径をｌとするとＸ−（遮光面積
Ｓ）＋（スリット幅） でスリット幅は一定であるので、外径ｌは遮光面積に比
例することになる。

したがって、外径！に対してスリット幅が十分小さけれ
ば最大、最小が求まる。

次に、線状をなした被測定物（２０）の外径をその軸方
向に移動させて連続的に測定する場合、光学ヘッド（１
０）の移動方向（２３）に被測定物（２０）を移動させ
るが、被測定物（２０）に第４図（Ｃ）の如く大形欠陥
（１８）があれば電圧信号（３３）の変化は大きく、微
小欠陥（１９）があれば、電圧信号（３３）の変化は小
さい。このとき、被測定物（２０）の線径の変化の大き
さは、電圧信号（３３）の変化の大きさより測定でき、
第３図（ｂ）（ｄ）の如く変化値（２９）を指示計（３
４）で指示すれば被測定物（２０）の外径を測定し、第
４図（ｂ）に示す電圧比較器（３５）を用いれば設定値
以上の径の変動に対して良否判定をでき、電圧信号（３
３）の最小値をもとめるボトムホルダー（３６）を用い
て第４図（ｅ）に示す最大外径（５３）を求め、また変
化値（２９）を積分器（３７）で平均化して平均外径（
５４）かえられる。

また、被測定物（２０）の軸方向の線径の変化の大きさ
は、電圧信号（３３）の時間（５０）の変化である周波
数を測定すれば軸方向線径の変化の大きさが求められる
。電圧信号（３３）を第４図（ｂ）に示すフィルター（
３８）で低周波数信号（５１）として大きい変化のみを
取り前記電圧比較器（３５）で判定すれば、軸方向、径
方向共に大きな大形欠陥（１８）のみ判定して良否の結
果かえられる。

前述した被測定物（２０）が糸の場合、単糸と呼ぶ数乃
至数十ミクロンの極細糸が幾本もより合わされて数百ミ
クロンの糸を構成している。

高速に糸の軸方向に移動する際に糸の線径変化と単糸が
糸の径の外にはみ出した毛羽の本数を、測定するにはメ
ガヘルツオーダーの高周波数で測定する必要がある０本
実施例のセンサー（１６）はこの速度に十分応答できる
ものでかつスリット幅（２６）を小さくして極細の単糸
を十分測定できる分解能をもち、電圧信号（３３）の周
波数変化をフィルター（３８）用いて毛羽と糸の径の変
化量に分離する。糸の径の変化量を示す低周波信号（５
１）についてはボトムホルダー（３６）で糸の最大外径
（５３）を、積分器（３７）により平均外径（５４）を
求めることができる。また、電圧比較器（３５）により
糸の径の判定をすることができる。毛羽を示す高周波信
号（５２）は微分器（３９）とゼロクロスの電圧比較器
（３５）を用いて毛羽の本数をカウンター（４ｏ）でカ
ウントして一定ピッチの糸の長毎に記録する。

このように本実施例の外径測定装置は線径を高分解能で
測定し大形欠陥（１８）と微小欠陥（１９）を同時に測
定し、かつ高速に測定でき被測定物（２０）の振動を許
容する外径測定装置である。

被測定物（２０）の外径を精度良く測定するには外乱と
なるレーザー光源（１）の出力変動、被測定物（２０）
による散乱光や外乱光を小さくしセンサー（１６）の受
光量の精度を高め、センサー（１６）を含めた測定回路
のノイズを小さくし、測定値の精度を高める。このため
前記した光学ヘッド（１０）の出射口（１１）にフィル
ター（１７）とスリット（１３）を付け、入射口（１２
）にフィルター（１７）とスリット（１４）を付ける。

このようにして被測定物（８）による散乱光や外乱光が
ＡＰＣ回路のセンサー（２８）及び測定用センサー（１
６）に入射しないようにして、レーザー光源（１）の出
力変動を防止し、測定値の精度を高めるよう構成する。

何れにしても以上の方法によれば、走行する被測定物の
透過光の時間変化を測定してその周波数を分別し、径の
値と微小欠陥を同時に測定することが可能である。

合成光（８）を作る手段としてハーフプリズム（６）は
偏光ビームスプリッタ（５６）でも良く、偏光ビームス
プリッタ（５６）は入射光の偏光方向が斜面（５７）に
垂直なとき透過し反射せず、水平なとき反射し透過しな
いもので、直角プリズムを貼り合わせたもので良い。

第５図において、レーザー光源（１）、（１”）がＨｅ
　−Ｎｅレーザーのような偏光がランダムでビーム断面
が円形の平行光（４）、（４゛）を出射する場合、偏光
ビームスプリッタ（５６）を出射する平行光（４１）、
（４１’）の偏光方向は互いに直交していて平行光（４
１）の偏光方向（５８）と平行光（４１’）の偏光方向
（５９’）となる、このとき、偏光ビームスプリッタ（
５６）の偏光方向に対する反射、透過の比率が等しく、
かつレーザー光源（１）、（１゛）のビーム半径と出力
が等しければ、合成光（８）は前記ハーフプリズム（６
）で合成する場合と同様に均一強度分布を得ることがで
き、平行光（４２）の偏光方向（５８’）と平行光（４
２”）の偏光方向（５９）となるが合成光（８）同様に
合成光（８°）も合成できる。

第６図において、レーザー光源（１）、（１”）が半導
体レーザーのように直線偏光して楕円ビームの場合、第
６（ｂ）図のように平行光（４）、（４”）の偏光方向
が偏光ビームスプリッタ（５６）の斜面（５７）に４５
１の角度で入射し、出射する平行光（４１）、（４１°
）のビーム長径が同じ方向となるようにする。平行光（
４）、（４”）は斜面（５７）で通過、反射が１：１と
なり均一強度分布の合成光（８）、（８”）をえる。こ
のとき、合成光（８）、（８゛）の合成方向（２２）が
４５゜ず頃斜するので、被測定物（２０）の移動方向（
２３）が合成方向（２２）と直交するように配置する。

被測定物（２０）が大きく測定範囲を太き（する場合、
特に合成方向（２２）の測定可能範囲を大きくする必要
がある。この場合、第７図、第８図、第９図に示すよう
に、合成光（８）、（８゛）の−電光強度分布の幅を大
きくして測定範囲を広げることができる。

第７図について説明すると、（５５）はプリズムベアで
、一方向の入射光のビーム径を拡大するものであり、入
射光のビーム径はプリズム厚みの差のある方向のみ拡大
され、厚みの等しい方向ではビーム径は等しく、入射光
が平行光であれば出射光も平行光となるものである。２
枚のプリズムのうち入射側で拡大された平行光はその光
軸が拡大方向に曲がるが、出射側のプリズムを適当に配
置すれば、出射側でも拡大されかつ入射光の光軸と出射
光の光軸は平行となり、プリズム厚みの等しい方向では
光軸は一直線となる。

前記の平行光（４）、（４゛）をプリズムベア（５５）
、（５５’）に入射し長径ビーム半径を拡大するように
配置すると出射光の長径ブーム半径は拡大され平行光（
４ａ）、（４ａ’）となる。前記したハーフプリズム（
６）で平行光（４ａ）、（４ａ’）の拡大された長径ビ
ーム半径を合成すれば、合成光（８）の−電光強度分布
の幅が拡大できて測定範囲を広げることができる。プリ
ズムベア（５５）による拡大率は２乃至６倍とれ、大形
コリメータレンズやビームエキスパンターによるビーム
半径の拡大する手段より、光出力の利用率や小型化の点
で有利である。

第８図について説明すると、３台のコリメートヘッドを
用いて、平行光（４）、（４゛）、（４”）を合成して
測定範囲を広げる実施例である。前記のように、平行光
（４）、（４゛）をハーフプリズム（６゛）で合成光（
８）を合成する。

次に、合成光（８）と平行光（４”）とをハーフプリズ
ム（６゛）で合成する。このとき、平行光（４”）のビ
ーム半径は前記のように平行光（４）、（４゛）と等し
くし、出力は合成光（８）を構成する平行光（４１）、
（４１’）と等しくし、ハーフプリズム（６′）への入
射位置と角度を調整して、合成光（８ａ）及び合成光（
８ａ’）は３つの平行光（４）、（４゛）、（４”）で
構成され、−電光強度分布の幅は２倍に拡大することが
できる。

第９図について説明すると、２個のハーフプリズム（６
）、（６゛）と２個の直角プリズム（５）（５）を用い
て３倍に測定範囲を広げる実施例である。平行光（４）
、（４°）をハーフプリズム（６）で合成して合成光（
８）及び（８°）とする、該合成光（８′）を直角プリ
ズム（５）（５）により偏向してハーフプリズム（６”
）に導き、ハーフプリズム（６゛）の隣接して、後述す
る合成光（８ａ’）と直交する面に合成光（８）を導き
、斜面（７゛）で合成して合成光（８ａ）及び（８ａ’
）とする。このとき、合成光（８）及び（８゛）のビー
ム半径、光軸及び出力を前記のように調整しておけば、
−電光強度分布の幅を３倍に拡大することができる。

以上の如く２つ以上の平行光を合成し、投光の光強度分
布を一定とすることにより測定範囲を拡大することがで
きる。

次に、幅の大きな被測定物を測定する場合について第１
０図に基づいて説明する。

第１０図は振動しながら高速に走行する幅の大きな被測
定物の外径を高精度に高速測定する場合を示しており、
平行光（４）、（４”）をハーフプリズム（６）で合成
光（８）、（８′）に合成する。

合成光（８゛）を直角プリズム（５）で偏向して合成光
（８）と平行とし、被測定物（２０）の両方エツジ部に
各々合成光（８）、（８゛）を投光し、測定範囲内に入
るように配置する。合成光（８）、（８゛）と光軸を合
わせてスリット（１４）、（１４’）及びセンサー（１
６）、（１６”）を配置し、スリット（１４）、（１４
”）の間隔をマイクロメータ等の方法で測定する。

センサー（１６）、（１６’）の電圧信号（３３）、（
３３“）を加算器（６５）で加算すれば、被測定物（２
０）の両方のエツジ部の寸法変化を測定でき、その値に
前記スリット（１４）、（１４’）の間隔を加算すれば
、両方のエツジ間の寸法を測定でき、被測定物（２０）
の振動は加算器（６５）で相殺されて影響はない。

また、光学ヘッド（１０）、（１０’）の２台を用いて
前記のように被測定物（２０）のエツジに合成光（８）
、（８”）を投光し測定しても良い。

第１１図は被測定物（２０）が更に多くの測定対称部分
を有する場合に用いられる実施例である。

ハーフプリズム（６）、（６゛）、（６”）を用いて合
成光を分割すれば多数の合成光を作ることができる。合
成光（８）はハーフプリズム（６゛）の斜面（７”）で
分割され、合成光（８ａ）、（８ｂ）となり、合成光（
８ａ）を直角プリズム（５）で偏向する０合成光（８゛
）は直角プリズム（５）でハーフプリズム（６″）に導
き、斜面（７”）で分割され合成光（８ｃ）、（８ｄ）
となり、合成光（８ｄ）を直角プリズム（５）で偏向す
る。合成光（８ａ）、（８ｂ）１、合成光（８ｃ）、（
８ｄ）は平行になるよう配置し、被測定物（２０）に投
光され光軸を合わせたスリット（１４ａ）、（１４ｂ）
、（１４ｃ）、（１４ｄ）、センサー（１６ａ）、（１
６ｂ）、（１６ｃ）、（１６ｄ）に受光され測定が行わ
れる。被測定物（２０）が幾つかの穴や溝を持つ場合に
は、同時に穴や溝の径を測定することが可能となる。

（発明の効果） 本発明に係る外径測定装置は、レーザーの平行光を被測
定物に照射し、その透過光をセンサーにて受光して、被
測定物の面積や外径を測定することができる。

レーザー光を一定の強度分布とする手段とスリットによ
り測定範囲を制限することで、被測定物の位置ずれや振
動が許容でき極細の線径も測定可能となる。

また、センサーの高速応答性が良く高速で走行する被測
定物の微小変化も測定可能でセンサー出力の信号を周波
数弁別する手段により被測定物の微小変化と大きな外径
変化を同時に測定することができる。

更に、ビーム半径の拡大手段により測定範囲を拡大する
ことができるのみならず、被測定物のエツジに対する投
光操作如何により幅の大きな被測定物を測定することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）（ｂ）は第１実施例の平面図と正面図、 第２図（ａ）（ｂ）は合成光の平面図と正面図、同図（
Ｃ）は同図（ａ）のハーフプリズム（６）への平行光の
入射状態を示す説明図、同図（ｄ）（ｅ）（ｆ）は各平
行光の光強度分布を示す説明図、 第３図（ａ）（ｂ）はそれぞれ平行光を用いて、被測定
物に照射した場合の光強度分布説明図とその検出信号の
グラフ、同図（ｃ）（ｄ）は合成光を用いた場合の光強
度分布説明図とその検出信号のグラフ、 〔なお、第２図（Ｃ）〜（ｆ）、第３図（ａ）（ｃ）に
おいて（ｉ）は平行光又は合成光の断面図、（ｉｉ）（
ｉｆ）はそれぞれ長軸ビーム半径、短軸ビーム半径の光
強度分布図である。〕第４４図ａ）乃至（ｆ）は検出回
路のブロック図と検出の信号の説明図、 第５図（ａ）（ｂ）は偏光ビームスプリッタを用いた第
２実施例の平面図と側面図、 第６図（ａ）（ｂ）は偏光ビームスプリッタを用いた第
３実施例の平面図と側面図、 第７図（ａ）（ｂ）はプリズムペアで合成光を拡大する
第４実施例の平面図と側面図、第８図は３つの平行光で
合成光を拡大する第５実施例図の平面図、 第９図は２個のプリズムペアで合成光を拡大する第６実
施例の平面図、 第１０図は第７実施例の説明図、 第１１図は第８実施例の説明図である。 （１）・・・・・レーザー光源 （２）・・・・・コリメートレンズ （３） （４） （５） （６） （７） （８） （９） （１０） （１１） （１２） （１３） （１４） （１５） （１６） （１７） （１日） （１９） （２０） （２１） （２２） ・・・コリメートヘッド ・・・平行光 ・・・直角プリズム ・・・ハーフプリズム ・・・斜面 ・・・合成光 ・・・吸収体 ・・・光学ヘッド ・・・出射口 ・・・入射口 ・　・　・スリント ・　・・スリント ・・・透過光 ・・・センサー ・　・　・フィルター ・・・微小欠陥 ・・・大形欠陥 ・・・被測定物 ・・・光軸方向 ・・・合成方向 （２３） （２５） （２６） （２７） （２８） （２９） （３０） （３１） （３２） （３３） （３４） （３５） （３６） （３７） （３８） （３９） （４０） （４１） （４２） （４３） ・移動方向 ・スリット長 ・スリット幅 ・測定範囲 ・センサー ・変化値 ・ＡＰＣ回路 ・出力電流 ・プリアンプ ・電圧信号 ・指示計 ・電圧比較器 ・ボトムホルダー ・積分器 ・フィルター ・微分器 ・カウンター ・平行光 ・平行光 ・長軸ビーム半径 （４４） （４５） （４６） （４７） （４８） （４９） （５０） （５１） （５２） （５３） （５４） （５５） （５６） （５７） （５８） （５９） ・最大強度 ・最大強度 ・ビーム間隔 ・ビーム中心 ・短軸ビーム半径 ・電圧値 ・時間 ・低周波信号 ・高周波信号 ・最大外径 ・平均外径 ・プリズムペア ・偏光ビームスプリッタ ・斜面 ・偏光方向 ・偏光方向 ４９電圧値 第４図 第 ５ 図 （ａ） （ｂ） 第 図 （ａ） （ｂ） ８“ ４７−

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）断面外形が一定な平行光束とされたレーザービー
   ムを高速走行する線状の被測定物に照射し、被測定物に
   よる遮光量を検出して外径を測定するに際し、複数のビ
   ームを合成することによってビーム断面内の光強度分布
   を一定としたことを特徴とする外径測定装置。
2. （２）センサー前部にスリットを配置し検出感度を高め
   極細の線径を測定可能としたことを特徴とする請求項（
   １）に記載の外径測定装置。
3. （３）走行する被測定物の透過光の時間変化を測定して
   その周波数を分別し径の値と微小欠陥を同時に測定する
   ことを特徴とする請求項（１）又は（２）に記載の外径
   測定装置。（４）被測定物のエッジを２つの投光を受光
   センサーにより測定し、２つの受光センサーの値と受光
   センサーの間隔を測定して幅の大きな被測定物を測定す
   ることを特徴とする請求項（１）又は（２）に記載の外
   径測定装置。