JPS6215401A - 非接触直径測定装置 - 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一点を通過する
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」によって決丑ってしまう。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
的な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なければならない。このように
、この方式では、高精度測定が困難であυ、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ｐ、
非常に細く絞った光ビームを用いるか、非常に細いスリ
ットを用いなければ々らない。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々い。

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、複雑力構成を取らざるをえ
々い。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明の目的は、以上にのべたような、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て
、簡単々構造により、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、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
には単純な演算により被測定物の直径を得る方Ｄ０を用
いることによシ、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−５＝ 光強度に比例しだ電気信号を出力する。光検出器の材質
、構造は種に考えられるが、−例としてＳｌ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り高
い寸法精度で廉価に生産できる。

前記光検出器アレイ」二に、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）に入力する。光検出器とし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外す。

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
によシ、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し、Ａ／Ｄ変換器を備えたマイクロ
コンビーータまたはそれと実質的に同等の処理を行うデ
ィジタル的ないし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、はｆｆ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単純な演算を施すこと
によシ被測定物の直径を得るものである。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Ｖ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シ構成
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、ｙｏ）＝Ｋｆｄｘ／ｄｙｆ（ｘ、
ｙ）ｈ（ｘ−ｘｏ＋ｙ−ｙｏ）　　　（］、）ここで、
ＸＯ＝　ｖｔ−”Ｉ　＋　’ｌａ＝　ＣＩ　＋Ｃ１，ｅ
２＊定数、に：比例係数 一方、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（
２）（３）式のように表して積分を実行すると、（１）
式よシ（４）Ｄ０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ッチ、Ｗ：光検出器の
幅、Ｉ、二元検出器の長さ、ｎニスリットの対数。

ｋ＝０．１，２．”・＋ｎ−１。

ここで、ａｌ、ｂＩ”対象をよぎる１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）／ＫＰ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まで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た時刻を０としである
。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秋を有している。また
、被測定物の像の中心が２ｎ個の光検出器を通過すると
きに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
のときにあられ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シから、第１．第
２．第３ピークの中心までの時間を取り、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
岬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
（ｔｌ）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（ｔｌ）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
算手段としては、Ｇ（ｔ、）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シ必要に応じ
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番目のピークでは、Ｄ＝ＩＰ−Ｗ（ｉ＝１．２．
＝・、ｋ）付近を境に微係数の正負が反転している。ま
′ｆｃ１の増加とともに出力が大きくなっている。与え
られだＤに対応するｊが得られる場合にはｉが定まれば
学制関数となるので、同様の方式で測定することができ
る。

上記の考察よシ、導かれた被測定物の直径を得るフロー
を以下に示す。

（１）　　概略値り。を得る。

■信号波形のあらかじめ設定された任意のｌ−きい値を
越える最初の立上がりと第１ピークを検出し、最初の立
上がシ時間から第１ピークまでの時間ｔ。

と振幅Ｇ（ｔ、）を測定する。

■Ｇ（ｔ、　）よシ、対象の直径の概略値り。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ｔ・決定。（ｋ番目と呼ぶこと
にする）ｋ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≦ｋ
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れれる規則的な波形を有するピ
ークを選ぶことができる。甘た、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ｋを選び得ら
れた測定値を平均する方法でも差支えない。

■速度の概略値Ｖ。を得る。

Ｖｏを得るには、例えばり。とｔｌより、下Ｄ０を用い
て算出すると良い。

２・ｔ、−Ｖｏ＝Ｄｏ＋Ｗ　　　　　（Ｄｏ＜Ｐ−Ｗの
場合）２・ｔビＶ。＝　Ｐ＋ｇ（Ｄｏ−Ｐ十Ｗ）／Ｐ　
（Ｐ−Ｗ≦Ｄｏの場合）ε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、別の手段によって測定しても差し支え
々い。

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）振幅情報による測定 ■ＤｏとＶ。より下式、すなわち第３図の関係を用いに
番目のピークの時間ｔｋを推定する。

２・ｔ、・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（ｔ、　）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カラマイクロコンピ
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。

■にとＧＯ，）から第３図の関係を用いテーブル参照な
どの手段によシ被測定物の円形像の直径を得て、さらに
既知の光学系の倍率から被測定物の直径りを得る。

これ全実行する手段は第１図のＤ演算８である。

（発明の効果） を受けにくく、高精度測定ができる。１だ、被測定物を
静止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ぜは集積化に適した構
成であり、大量生産によυ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図は規格化されたピ
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ク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　龍太部 右４−厨

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に（１≦ｋ≦２ｎ）番目のピー
   ク振幅Ｇ（ｔ＿ｋ）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直径
   測定装置。