JPH0820218B2 - 寸法測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈本発明の産業上の利用分野〉 本発明は、レーザビーム等の光束を掃引して被測定物
の寸法を測定する寸法測定装置に関する。

〈従来技術〉（第６〜８図） 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掃引し、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。

第６図は、この種の装置の基本構成を示す図である。

図において、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方向に所定角度φの範
囲で周期的に偏向させる偏向器である。

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に沿って周期的に掃引
されることになる。

ここで偏向器２が音又偏向器や振動ミラー等の場合に
は、Ｙ方向に掃引する光束の位置変化は第７図（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。

このため、被測定物Ａに遮られてレンズ５を介して受
光器６で受光された掃引光束に対応する受光信号は、例
えば第７図（ｂ）のように被測定物Ａに遮られた部分で
は“L"レベル、遮られていない部分では“H"レベルとな
る。

したがって、受光信号の例えば立上り時の入力電圧同
士の減算を行なう演算器７に、第７図（ｃ）に示すよう
に光束の位置変化と同一位相の正弦波信号を参照信号発
生器８から入力しておけば、被測定物のＹ方向の外径Ad
に対応する減算電圧V₁−V₂が得られる。

この測定に先だって基準寸法の物体に対する電圧を記
憶しておけば、前記測定結果減算電圧から被測定物Ａの
外径Adが求まる。

しかして、このような構成の装置では、特に光束の実
際の位置変化における位相と参照信号発生器９からの参
照信号の位相が一致していないと高精度な測定を行なう
ことができない。

このため、第８図に要部を示すようにレンズ４の前に
設けたハーフミラー11で反射させた第２の掃引光束をレ
ンズ12、13で受光器14に導くように光学系を構成し、こ
の光束の掃引振幅の一部を遮る遮へい板15を設けてお
き、光束の位置変化の１周期毎に受光器14から出力され
る受光信号に同期して実際の光束の位置変化に一致した
位相の参照信号を出力するPLL構成の参照信号発生器16
を用いた寸法測定装置を本願出願人が提案している（特
公昭63−12523）。

即ち、この参照信号発生器16は、受光信号とカウンタ
20からの出力との位相を位相比較器17で比較し、位相差
に応じた直流電圧を低域フィルタ18から電圧制御発振器
19に与え、その発振パルスをＭ進のカウンタ20に入力し
て、入力パルスＭ個毎にカウンタ20から１個出力される
パルスを位相比較器17に戻すようにPLL構成されてお
り、予め参照信号１周期分に相当するＭ個の電圧データ
を記憶している記憶回路21から、カウンタ20の計数中の
計数値出力（例えば１〜Ｍ）で電圧データを順番に読み
出して演算器７に与えるように形成されている。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかしながら、第８図に示したような構成の参照信号
発生器16では、測定の分解能を上げようとすると、電圧
制御発振器19の発振周波数およびカウンタ20の分周比を
高くしなければならない。

即ち、光束の掃引周期が約２ミリ秒とし、１周期当り
２個（往復）の測定値を掃引振幅に対し1/57000の分解
能で得ようとすれば、電圧制御発振器19の発振周波数は
約110MHz以上、カウンタ20の分周比は2.2×10⁵以上とな
り、このように高速で分周比の大きい場合、良好な位相
追従性を得ることが難しい。

これは、同一分解能で測定範囲（掃引振幅）を拡大す
る場合についても同様である。

本発明はこのような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。

〈課題を解決するための手段〉 前記課題を解決するために、本発明の寸法測定装置
は、 所定方向に往復掃引する掃引光束を、被測定物を横切
る第１の掃引光と、基準物を横切る第２の掃引光に分け
てそれぞれを第１、第２の受光手段で受光し、前記第２
の受光手段から出力される第２の受光信号に基づいて前
記第１の掃引光の位置変化に同期して変化するデータ信
号を生成し、前記第１の受光手段からの第１の受光信号
の状態変化時のデータ信号から被測定物の寸法を測定す
る寸法測定装置において、 前記第２の受光信号の状態変化を検出してエッジパルス
を出力するエッジ検出手段と、 所定のクロックパルスの計数を、該クロックパルスが設
定値数入力される毎に繰返して行ない、計数中の計数値
を前記第１の掃引光の位置変化に同期して変化するデー
タ信号として出力する計数回路と、 前記エッジパルスを受ける毎に前記計数回路の計数値を
一時記憶する計数値記憶手段と、 前記計数値記憶手段に一時記憶される計数値を順次受け
て、前記掃引光の掃引周期とその掃引位相が所定位相に
なるタイミングとを求め、該タイミングに前記計数回路
の計数出力を初期化するとともに、求めた掃引周期に対
応する設定値を前記計数回路に設定して、前記計数回路
の計数繰返し周期を前記掃引光の位置変化に同期させる
引き込み手段と、 前記引き込み手段によって前記計数回路の計数繰返し周
期が前記掃引光の位置変化に同期した以後の前記計数値
記憶手段に一時記憶される計数値に基づいて、前記計数
回路の計数繰返し周期と前記掃引光の位置変化との位相
ずれを求め、該位相ずれに対応した補正データを前記計
数回路に設定して、前記計数回路の計数繰返し周期と前
記掃引光の位置変化との同期を維持させる補正手段とを
備えている。

〈作用〉 このように構成したため、本発明の寸法測定装置で
は、エッジ検出手段から第２の受光器の受光信号の状態
変化に対応するエッジパルスが出力される毎に、計数回
路の計数値が一時記憶され、その一時記憶された計数値
から掃引光の掃引周期とその掃引位相が所定位相になる
タイミングとが求められ、そのタイミングに計数回路の
計数出力が初期化されるとともに、求めらえた掃引周期
に対応する設定値が計数回路に設定され、計数回路の計
数繰返し周期が掃引光の位置変化に同期される。それ以
後の計数値記憶手段に一時記憶される計数値に基づい
て、計数回路の計数繰返し周期と掃引光の位置変化との
位相ずれが求められ、この位相ずれに対応した補正デー
タが計数回路に設定され、計数回路の計数繰返し周期と
掃引光の位置変化との同期が維持される。

〈本発明の実施例〉（第１〜４図） 以下、図面に基づいて本発明の一実施例を説明する。

第１図は一実施例の同期データ出力回路30の構成を示
すブロック図、第２図は、一実施例の全体構成を示す図
であり、前述した従来装置（第６、８図）と同一構成部
分には同一符号を付しその説明を省略する。

第２図において、ハーフミラー11とレンズ12の間に
は、基準寸法の基準物Ｒが第２の掃引光に横切られるよ
うに置かれている。

第２の受光手段としての受光器14からの受光信号は、
同期データ出力回路30に入力されている。

同期データ出力回路30は、この受光信号に基づいて、
掃引光と同期した同期データを出力するように第１図に
示すように構成されている。

第１図において、31は受光器14からの受光信号を受け
てその状態変化時（立上りおよび立下がり時）にエッジ
パルスを出力するエッジ検出回路である。

32は所定のクロックパルスを４分周する分周器、33は
分周器32の分周パルスとクロックパルスとを切換えるス
イッチ回路である。

34はスイッチ回路33からのパルスを計数する計数回路
であり、周期レジスタ35に設定された設定値とカウンタ
36の計数出力とを第１の比較器37で比較して、両者が一
致したとき、位相レジスタ38に設定されている設定値
を、ロードパルスによりカウンタ36の初期計数値として
プリセットするように構成されている。

39は、エッジ検出回路31からの最初のエッジパルスを
受けてスイッチ33を分周パルス側に切換えるとともにカ
ウンタ36を１度“0"にリセットする初期化回路である。

40は、カウンタ36の計数出力をエッジパルスを受ける
毎に一時記憶するラッチ回路である。

41は、この実施例の引き込み手段および補正手段を形
成する同期演算部であり、ラッチ回路40でラッチされた
計数値に基づいて、掃引光の半周期当りの周期データと
位相補正データとを算出し、それぞれを周期レジスタ35
および位相レジスタ38に設定する。

同期演算部41は、ラッチされた計数値から周期データ
を算出する周期演算手段42と、同じく計数値から位相補
正データを算出する位相演算手段43と、同じく計数値か
ら掃引光の掃引方向を検出する方向検知手段44と、エッ
ジパルスとロードパルスとによって同期はずれを検出す
る同期はずれ検出手段45とから構成されている。

周期演算手段42は、カウンタ36がリセットされてから
分周パルスの計数を開始している間に連続してラッチさ
れた４つの計数値C1〜C4に基づいて得られた掃引光の半
周期分および1/4周期分に相当する同期データから、同
期開始時に相当する引込みデータを算出して、周期レジ
スタ35に設定する引込みモードと、同期開始時に初期化
回路39に対して同期モード信号を送ってスイッチ33をク
ロックパルス側に切換え（カウンタ36のリセットはされ
ない）、同期開始以後ラッチ回路40でラッチされた計数
値を所定数受ける毎に、掃引光の半周期分および1/4周
期分の周期データを順次算出して、周期レジスタ35に設
定する同期モードを有している。

また、位相演算手段43は、周囲演算手段42が引込みモ
ード中には位相レジスタ38に“0"を設定して、同期モー
ド中には、ラッチされた計数値から、掃引光の折返し点
とカウンタ36の計数の繰返し点との位相差を算出して、
この位相差に相当する位相補正データを位相レジスタ38
に設定する。

方向検知手段44は、エッジパルスの間隔あるいは計数
値の大小で掃引光の位相とほぼ同相に変化する方向デー
タを出力する。

同期はずれ検出手段45は、第１の比較器37からのロー
ドパルスを２回受ける間に４個を越えるかあるいは４個
未満のエッジパルスが入力されたとき、同期はずれ信号
を周期演算手段42に送出して引込みモードに移行させ
る。

46は、方向検知手段44からの方向データを記憶する方
向レジスタであり、この方向データは、フリップフロッ
プ47より第１の比較器37からのロードパルスと同期した
方向信号として出力される。

48は、周期レジスタ35に半周期分の同期データととも
に順次記憶される1/4周期分の周期データとカウンタ36
の計数出力とが一致したとき一致パルスを出力する第２
の比較器である。

また、フリップフロップ49は第２の比較器40からの一
致パルスに同期して方向信号のレベルを記憶し、この記
憶レベルを位置信号として出力する。

以上のように構成された同期データ出力回路30からの
カウンタ36出力は、第２図に示すように第１の受光手段
である受光器６の受光信号の立上りを検出する立上り検
出器50からの検出パルスが入力する毎にラッチ回路51で
ラッチされ、そのラッチされた計数値は、受光器６で受
光される掃引光（第２の掃引光）の掃引方向に沿った位
置変化に対応する電圧データの例えば半周期分を予め記
憶している参照データ記憶器52に対する読出しデータと
して出力される。

参照データ記憶器52から読出された参照データは測定
演算部60に入力され、掃引光が被測定物のエッジを通っ
た時の参照データと、その掃引光の走査方向および位置
に対応した方向信号および位置信号に基づいて、被測定
物の例えば外径等が演算される。

〈前記実施例の動作〉 次に前記構成の寸法測定装置の動作について、同期デ
ータ出力回路30の動作を中心に説明する。

レンズ12を介して出力され、受光器14で受光される第
２の掃引光が第３図（ａ）に示すように掃引され、基準
物Ｒによってその掃引幅の一部が遮光されていると、そ
の受光信号は第３図（ｂ）のように基準物Ｒが掃引光に
当たる位置では“L"レベルに変化する。

したがって、エッジ検出回路31からは第３図（ｃ）に
示すようなエッジパルスが順次出力されることになる。

第１番目のエッジパルスe0が初期化回路39に入力され
ると、カウンタ36はリセットされ、第３図（ｄ）のよう
にカウンタ36に対して分周パルスが入力される。

この時（t0）からカウンタの計数値は第３図（ｅ）に
示すように増加してゆく。

この計数中にラッチ回路40で連続してラッチされた４つ
の計数値C1〜C4を受けた周期演算手段42は、掃引光の半
周期分のクロックパルスに対する周期データD1を２・C4
から算出し、掃引光の折返し時点（同期開始時）の分周
パルスに対する引込みデータを次式 ｛（C3＋C4）/2｝＋C4/2 ＝C4＋C3/2＝D0 で算出し、この引込み計数データD0を周期レジスタ35
にセットする。

したがって、分周パルスを計数しているカウンタの計
数値がD0に一致したt1時に第１の比較器37からロードパ
ルスが出力され、位相レジスタ38に設定されている初期
値“0"がカウンタ36にプリセットされるとともに、スイ
ッチ33がクロックパルス側に切換えられる。

これによって、カウンタ36はスロックパルスの計数を
初期値“0"から開始するとになる。

なお、周期演算手段42で算出された最初の周期データ
D1は、このカウンタ36がクロックパルスの計数を開始し
た直後に周期レジスタ35にセットされる。

このため、カウンタ36はクロックパルスがD1個入力す
るまで計数を続ける。

一方、方向検知手段44は、最初にラッチされた４つの
計数値C1〜C4に基づき、（C4−C3）と（C2−C1）との大
小を比較し、第３図のように（C4−C3）の方が大きいと
きはt1時に“L"レベルで、それ以後２つのエッジパルス
が入力される毎に反転する方向データをフリップフロッ
プ47に出力する。

このため、方向信号は第３図（ｆ）のようにカウンタ
36の計数サイクルに同期して反転することになる。ま
た、フリップフロップ49からは方向信号とほぼ90度位相
の異なる位置信号が出力される（第３図（ｇ））。

この同期モード中に、周期演算手段42は、カウンタ36
のクロックパルスに対する計数サイクルが例えば３サイ
クル目に入って、エッジパルスe10が入力された時点t3
で、１サイクル目のt2時にラッチされた計数値C6と３サ
イクル目の計数値C10との差を調べ、その差が０なら周
期データは変えず、その差が０でないときには、その差
分に相当する補正値Ｈで前の周期データD1を補正して新
たな周期データD2を周期レジスタ35にセットする。

また、位相演算手段43は、同期モード中の計数の折返
し点をはさむ２つのラッチされた計数より、その時間差
を計算しており、掃引光と計数サイクルとの位相が第４
図のＡに示すように時間にして（td−td′）/2だけずれ
ると、相当する位相補正データTdを位相レジスタ38に記
憶させ、対の計数サイクルのカウンタ36の計数初期値を
０からTdに変えることにより、Ｂのように折返し点の位
相追従を行なわせる。

このようにして第２の掃引光に同期して変化するカウ
ンタ36の計数値は、立上り検出器50からのパルスでラッ
チされ、このラッチされた計数値に対応する参照データ
同士の演算によって例えばその幅が算出される。

なお、この同期モード中のカウンタ36の２回の計数サ
イクル中に４つのエッジパルスを受けなかった場合は、
同期はずれ検出手段45からの信号によって引込みモード
の動作（第３図のt0〜t1時の動作）にはいる。

〈本発明の他の実施例〉 なお、前記実施例では、引込み動作中にクロックパル
スを1/4分周した分周パルスをカウンタ36へ入力して、
掃引光の周期と位相とを算出するための所定個数の計数
データを受けるようにしていたが、カウンタ36の桁数
（ビット数）が十分に大きいときはクロックパルスのま
まで引込み動作を行なうようにしてもよいし、分周パル
スを使用する場合、1/4分周に限定されず任意の分周比
を用いることができる。

また、前記実施例では、計数回路34の計数サイクルが
掃引光の半周期分に相当していたが、これは本発明を限
定するものでなく、参照データの記憶状態に対応させて
1/4周期分や１周期分に相当する計数サイクルであって
もよい。また、前記実施例のように、掃引光の折返し毎
に計数回路34をセットしないで、第５図に示すように折
返し毎に計数回路34の計数方向を反転させるようにして
もよい。

また、前記実施例では、計数回路34に対して周期デー
タと位相データの２を変えながら、同期データを得るよ
うにしていたが、いずれか一方を固定して他方側の設定
のみで周期と位相の補正を行なうようにしてもよい。こ
の場合、第１の比較器37を省いたり、プリセット機能の
ないカウンタを用いたりすることもできる。

〈本発明の効果〉 本発明の寸法測定装置は、前記説明のように、基準物
を横切る第２の掃引光の受光信号のエッジパルスに同期
して記憶させた計数回路の計数値に基づいて、掃引光の
周期および位相を算出し、算出された新たな設定データ
を計数回路に順次設定するようにして、掃引光の位置変
化に同期して変化するデータ信号を得るようにしている
ため、多段の分周器を用いてPLLを構成することなく高
速化が容易に行なえ、測定の分解能を格段に上げること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の要部の構成を示すブロック
図、第２図は一実施例の全体構成を示す図、第３図は一
実施例の動作を説明するためのタイミング図である。 第４図は、要部動作を説明するための図、第５図は本発
明の他の実施例の要部動作を示す図である。 第６図は、従来装置の基本構成を示す図、第７図（ａ）
から（ｃ）は従来装置の測定原理を示す図、第８図は、
従来装置の要部構成を示す図である。 30……同期データ出力回路、31……エッジ検出回路、34
……計数回路、40……ラッチ回路、41……同期演算部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定方向に往復掃引する掃引光束を、被測
   定物を横切る第１の掃引光と、基準物を横切る第２の掃
   引光に分けてそれぞれを第１、第２の受光手段で受光
   し、前記第２の受光手段から出力される第２の受光信号
   に基づいて前記第１の掃引光の位置変化に同期して変化
   するデータ信号を生成し、前記第１の受光手段からの第
   １の受光信号の状態変化時のデータ信号から被測定物の
   寸法を測定する寸法測定装置において、 前記第２の受光信号の状態変化を検出してエッジパルス
   を出力するエッジ検出手段と、 所定のクロックパルスの計数を、該クロックパルスが設
   定値数入力される毎に繰返して行ない、計数中の計数値
   を前記第１の掃引光の位置変化に同期して変化するデー
   タ信号として出力する計数回路と、 前記エッジパルスを受ける毎に前記計数回路の計数値を
   一時記憶する計数値記憶手段と、 前記計数値記憶手段に一時記憶される計数値を順次受け
   て、前記掃引光の掃引周期とその掃引位相が所定位相に
   なるタイミングとを求め、該タイミングに前記計数回路
   の計数出力を初期化するとともに、求めた掃引周期に対
   応する設定値を前記計数回路に設定して、前記計数回路
   の計数繰返し周期を前記掃引光の位置変化に同期させる
   引き込み手段と、 前記引き込み手段によって前記計数回路の計数繰返し周
   期が前記掃引光の位置変化に同期した以後の前記計数値
   記憶手段に一時記憶される計数値に基づいて、前記計数
   回路の計数繰返し周期と前記掃引光の位置変化との位相
   ずれを求め、該位相ずれに対応した補正データを前記計
   数回路に設定して、前記計数回路の計数繰返し周期と前
   記掃引光の位置変化との同期を維持させる補正手段とを
   備えたことを特徴とする寸法測定装置。