JPH04249708A - 寸法測定装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザビーム等の光束
を走査して被測定物の寸法を測定する寸法測定装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】被測定物の外径、エッジ位置等を高精度
に測定するために、レーザビーム等の指向性の良い光束
を被測定物の置かれている空間に測定方向に沿って走査
し、被測定物によって遮られる光束を受光するように構
成した寸法測定装置が従来よりあった。

【０００３】光束を走査する偏向法には回転ミラー方式
と、音又などを利用した振動ミラー方式とが従来より用
いられており、振動ミラー方式は走査の繰返し周波数が
高くでき応答性に優れること、また往復走査が可能で、
往復の平均化により測定誤差の相殺ができるなどの特徴
をもっている。

【０００４】図１０は、この振動ミラー方式による寸法
測定装置の基本構成を示す図であり、１はレーザビーム
等を出力する光源、２は光源１からの光束を被測定物Ａ
方向に周期的に偏向させる偏向器である。

【０００５】この偏向器２のミラーはレンズ４の前焦点
に位置しており、偏向器２で反射してレンズ４を経た光
束はそのレンズ４の光軸に平行で測定方向Ｙに沿って周
期的に走査されることになる。

【０００６】ここで偏向器２が音又偏向器等の振動ミラ
ーの場合には、Ｙ方向に走査する光束の位置変化は図１
１の（ａ）に示すように時間に対してほぼ正弦関数的に
変化する。

【０００７】このため、受光器６からは、同図の（ｂ）
に示すように、被測定物Ａに遮られた部分ではＨレベル
、遮られていない部分ではＬレベルとなる受光信号が出
力される。

【０００８】７は、同図の（ｃ）に示すように、走査光
に同期した正弦波電圧信号を演算器８に出力する参照信
号発生器である。

【０００９】演算器８は、予め参照信号と走査光との振
幅比を記憶しており、受光信号の立ち上がり時の参照信
号電圧Ｖ１　から被測定物Ａの走査中心からのエッジ位
置を算出する。

【００１０】ところが、実際にこのような装置を構成し
た場合、レンズの収差やミラーの歪みにより、走査光の
位置変化は完全な正弦関数にならない場合が多い。

【００１１】このため、予め測定された測定位置固有の
補正データを補正データメモリ９に記憶しておき、算出
されたエッジ位置とこれに対応した補正データとの補正
演算を、光学補正回路１０で行うようにしている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この光
学系の歪みは、正弦関数に対する誤差の他に、測定光の
ビーム形状のばらつきも発生させ、走査方向面における
強度分布が非対称になってしまう場合があり、このため
、測定するエッジの位置が同じでも、そのエッジの向き
が走査方向の一方側を向いているときと、他方側を向い
ているときでは、測定結果に差が生じてしまうという問
題があった。

【００１３】本発明は、この課題を解決した寸法測定装
置を提供することを目的としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】所定の幅で往復走査する
測定光を受光器で受光する光学系と、測定光の一部を遮
る位置に置かれた被測定物のエッジ位置を、受光器から
の受光信号に基づいて検出するエッジ位置検出手段と、
検出したエッジ位置に対して、光学系による検出位置の
誤差を検出位置毎の補正データによって補正する光学補
正手段とを有する寸法測定装置において、測定するエッ
ジが測定光の一方の走査方向に向いているときの光学系
の補正データを予め記憶している第１の補正データ記憶
手段と、測定するエッジが測定光の他方の走査方向に向
いているときの光学系の補正データを予め記憶している
第２の補正データ記憶手段と、被測定物のエッジが、測
定光のどちらの走査方向に向いているかを検出するエッ
ジ極性検出手段と、第１、第２の補正データ記憶手段の
うち、エッジ極性検出手段で検出される被測定物のエッ
ジの向きに対応した方の補正データ記憶手段から、被測
定物のエッジ位置に対する補正データを選択する補正デ
ータ選択手段とを備えている。

【００１５】

【作用】したがって、被測定物のエッジ位置に対する光
学補正は、そのエッジの向きに対応した補正データによ
ってなされる。

【００１６】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明の一実施例を説
明する。

【００１７】図１は一実施例の寸法測定装置の全体構成
を示す図であり、前述した図１０の装置と同一の構成部
分には同一符号を付して説明を省略する。

【００１８】図１において、レンズ４からの走査光束は
ハーフミラー２５により同一振幅の測定光と参照光に分
かれ、測定光はレンズ５を介して受光器６で受光され、
参照光はレンズ２６を介して受光器２７で受光される。

【００１９】ハーフミラー２５とレンズ２６との間には
、参照光の走査方向の外径が既知な基準棒Ｒが、参照光
のほぼ走査中心に固定されている。

【００２０】ここで、参照光を受光する受光器２７から
の受光信号（以下モニタ信号と記す）は、参照光が基準
棒Ｒに遮られている間はＨレベル、参照光が受光されて
いる間はＬレベルとなる。

【００２１】このモニタ信号は、周期測定回路３０、タ
イミング検出回路３１および第１の位相角算出回路３２
に入力されている。

【００２２】周期測定回路３０は、図２の（ａ）に示す
参照光を受光する受光器２７から、同図の（ｂ）に示す
モニタ信号を受け、交互に連続する遮光時間と受光時間
とをそれぞれ２期間ずつ加えた時間Ｔ０　を走査光の周
期として測定する。

【００２３】タイミング検出回路３１は、１周期Ｔ０　
内の受光時間Ｔ１　の中間タイミングからＴ０　／４時
間経過したタイミングを、参照光のゼロ位相タイミング
として検出してこのタイミングに同期したタイミングパ
ルスを同図の（ｃ）に示すように出力するとともに、各
受光時間の中間タイミング毎にレベルが反転して参照光
の走査方向をそのレベルで示す走査方向信号を出力する
。

【００２４】第１の位相角検出回路３２は、このタイミ
ングパルスとモニタ信号とを受け、モニタ信号の立上り
からゼロ位相タイミングまでの時間Ｔａ　と、ゼロ位相
タイミングからモニタ信号の立下りまでの時間Ｔｂ　と
を検出し、この検出時間を、ゼロ位相タイミングに対す
る位相角ａ＝−２πＴａ　／Ｔ０　，ｂ＝２πＴｂ　／
Ｔ０　に変換して出力する。

【００２５】３３は、位相角毎の正弦値を予め記憶して
いる正弦変換回路であり、第１の位相角検出回路３２か
らの位相角ａ、ｂに対して、Ｓｉｎａ，Ｓｉｎｂをメモ
リ回路３４に記憶する。

【００２６】メモリ回路３４に記憶された正弦値は、減
算回路３５で減算され、参照光の走査中心からの振幅が
１に規格化された場合の基準棒の外径値ｒが算出される
。

【００２７】３６は、参照光の振幅値（測定光も同一）
を算出する振幅算出回路であり、減算回路３５からの算
出値ｒで基準棒Ｒの真の外径値Ｄを除算して、走査中心
からの振幅値Ｅ（＝Ｄ／ｒ）を算出する。

【００２８】４０は、図３の（ａ）に示すように被測定
物Ｂに遮られる測定光を受光する受光器６から、同図の
（ｂ）に示すように出力される受光信号と、タイミング
検出回路３１からのタイミングパルス（同図の（ｃ））
を受け、測定光が被測定物Ｂのエッジを横切るまでの時
間Ｔｃ　を測定し、このＴｃを位相角ｃ（＝２πＴｃ　
／Ｔ０　）に変換して出力する第２の位相角検出回路で
ある。

【００２９】４１は、前述した第１の正弦変換回路３３
と同一の第２の正弦変換回路であり、第２の位相角検出
回路４０からの位相角ｃに対応する正弦値Ｋ（＝Ｓｉｎ
ｃ）を出力する。

【００３０】４２は、第２の正弦波変換回路４１からの
出力に振幅値Ｅを乗算して、測定光の走査中心に対する
被測定物Ｂのエッジ位置を算出するエッジ位置算出手段
である。

【００３３】４３は、各レンズの収差やミラーの歪によ
るエッジ位置の誤差を、予め測定された補正データによ
って加算補正する補正演算回路である。

【００３４】４４は、受光器６からの受光信号と走査方
向信号とを受け、測定光の走査範囲内にある被測定物Ｂ
のエッジの向きが走査方向の一方側に向いているか、他
方側に向いているかを検出するエッジ極性検出回路であ
る。

【００３５】このエッジ極性検出回路４４は、例えば図
４に示すように、走査方向信号の立ち上がり時および立
ち下がり時の受光信号のレベルをインバータ４５と、フ
リップフロップ４６、４７で検出し、この検出レベルか
らエッジの向きを極性判定器４８で判定する。即ち、図
５に示すように、一方のフリップフロップ４６の出力Ｑ
ａ　がＬレベルで、他方のフリップフロップ４７の出力
ＱｂがＨレベルの場合は、被測定物Ｂのエッジの向きが
、図３に示したように上向きであると判定する。

【００３６】また、逆に、出力Ｑａ　がＨレベルで、Ｑ
ｂ　がＬレベルの場合は、エッジの向きが下向きである
と判定する。また、両方の出力がＬレベルの場合は、被
測定物全体が、測定光の走査範囲内にあり、上向きと下
向きの２つのエッジがあると判定する。

【００３７】５０、５１は、第１、第２の補正データメ
モリであり、第１の補正データメモリ５０には、図６に
示すように、予め測定光に対して上向きのエッジを持つ
基準ゲージ６０を移動させ、実際の移動量と、エッジ位
置算出回路４２からの出力値との差が、その出力値をア
ドレスにして記憶されている。

【００３８】また、第２の補正データメモリ５１には、
基準ゲージ６０を反対向きにして測定光中を移動させた
ときの実際の移動量とエッジ位置算出回路４２からの出
力値との差が、その出力値をアドレスにして記憶されて
いる。

【００３９】５２は、第１または第２の補正データメモ
リ５０、５１のうち、エッジ極性検出回路４４で検出さ
れたエッジの向きに応じたメモリからの補正データを補
正演算回路４３に出力する補正データ選択スイッチであ
る。

【００４０】以上のように構成された寸法測定装置では
、図３に示したように、被測定物のエッジが上向きの場
合は、エッジ位置算出手段４２で算出されたエッジ位置
に対する補正データが、第１の補正データメモリ５０か
ら選択され、光学系による誤差の補正がなされる。

【００４１】逆に、図７に示すように、被測定物Ｃのエ
ッジの向きが下向きの場合は、エッジ位置算出回路４２
で算出されたエッジ位置に対する補正データが、第２の
補正データメモリ５１から選択され、光学系による誤差
の補正がなされる。

【００４２】また、図８に示すように、被測定物Ｄが測
定光の走査範囲内に位置している場合は、その２つのエ
ッジ位置に対する補正データが、第１、第２の補正デー
タメモリ５０、５１から交互に選択され、２つのエッジ
に対する光学補正がなされる。

【００４３】このため、測定光の走査方向面のビーム形
状が図９のように非対称であっても、測定誤差は発生せ
ず、高精度な位置測定を行うことができる。

【００４４】なお、この説明では、被測定物のエッジ位
置を検出する場合について説明したが、この補正された
位置出力同士の演算により、外径値や、内径値の測定も
高精度に行うことができる。

【００４５】

【他の実施例】前記実施例では、参照光の受光信号（モ
ニタ信号）に基づいて、その走査周期、ゼロ位相のタイ
ミングパルスおよび走査方向信号を出力するようにして
いたが、偏向器２を駆動している信号に基づいてこれら
の信号を出力するようにしてもよい。

【００４６】また、前記実施例では、モニタ信号から参
照光の振幅を算出し、この振幅を測定光の振幅としてい
たが、予め、測定光の振幅を実際に測定しておいてもよ
いし、参照光と測定光との振幅比を測定しておき、この
振幅比により被測定物のエッジ位置の演算を行うように
してもよい。

【００４７】また、前記実施例では、受光器６、２７の
受光信号に基づいて算出した各算出値の平均化について
の説明を省略していたが、複数回の走査による平均化や
、走査の往復による平均化を行なえばより高精度な測定
が行なえる。

【００４８】

【発明の効果】本発明の寸法測定装置は、測定光の走査
方向の一方側にエッジが向いているときの光学補正デー
タと、測定光の走査方向の他方側にエッジが向いている
ときの光学補正データとを予め記憶しておき、被測定物
のエッジの向きに対応した光学補正データを選択して、
光学系による誤差を補正するようにしているため、測定
光のビーム形状のばらつきに起因する測定誤差を発生す
ることがなく、高精度な寸法測定を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構成を示す図である。

【図２】一実施例の動作を説明するためのタイミング図
である。

【図３】一実施例の動作を説明するためのタイミング図
である。

【図４】一実施例の要部の構成を示すブロック図である
。

【図５】一実施例の要部の動作を説明するための対応図
である。

【図６】補正データを記憶するための動作を説明するた
めの図である。

【図７】一実施例の動作を説明するための図である。

【図８】一実施例の動作を説明するための図である。

【図９】測定光の強度分布の例を示す図である。

【図１０】従来装置の基本構成を示す図である。

【図１１】従来装置の動作を説明するためのタイミング
図である。

【符号の説明】

１　　　　光源 ２　　　　偏向器 ６　　　　受光器 ２５　　ハーフミラー ２７　　受光器 ３２　　第１の位相角検出回路 ３３　　第１の正弦変換回路 ３５　　減算回路 ３６　　振幅算出回路 ４０　　第２の位相角検出回路 ４１　　第２の正弦変換回路 ４２　　エッジ位置算出回路 ４３　　補正演算回路 ４４　　エッジ極性検出回路 ５０　　第１の補正データメモリ ５１　　第２の補正データメモリ ５２　　補正データ選択スイッチ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　所定の幅で往復走査する測定光を受光
   器で受光する光学系と、前記測定光の一部を遮る位置に
   置かれた被測定物のエッジ位置を前記受光器からの受光
   信号に基づいて検出するエッジ位置検出手段と、検出し
   たエッジ位置に対して、前記光学系による検出位置の誤
   差を該検出位置毎の補正データによって補正する光学補
   正手段とを有する寸法測定装置において、測定するエッ
   ジが前記測定光の一方の走査方向に向いているときの前
   記光学系の補正データを予め記憶している第１の補正デ
   ータ記憶手段と、測定するエッジが前記測定光の他方の
   走査方向に向いているときの前記光学系の補正データを
   予め記憶している第２の補正データ記憶手段と、前記被
   測定物のエッジが、前記測定光のどちらの走査方向に向
   いているかを検出するエッジ極性検出手段と、前記第１
   、第２の補正データ記憶手段のうち、前記エッジ極性検
   出手段で検出される被測定物のエッジの向きに対応した
   方の補正データ記憶手段から、前記被測定物のエッジ位
   置に対する補正データを選択する補正データ選択手段と
   を備えたことを特徴とする寸法測定装置。