JPS6215404A - 非接触方式の直径測定装置 - 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ためのもので、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、演算装置よシなる非接触方式の
直径測定装置に関するものである。

（従来の技術） 従来よシ、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。す々わち、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ずいているた
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１って（〜寸う。従って、高精
度を斜るためには多くの検出器とそれに伴なう複雑力信
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
列的外信湯処理回路を用いるか、被チ１１１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はなら人い。こ
のように、この方式では、高精度測定が困かＩＬであり
、才だ移動物体の寸法測定には適さ々いと考えられる。

稜者の、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方式の場合は、次に述べるよう々誤
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
リットを用いなければならない。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まった方向に移動させ
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
的手段を付加せざるを得す、複雑な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て
、簡単な構造によシ、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方式の直
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だめに、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ｐ被測定物の直径を得る方式を用い
ることにより、簡潔々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１７て８１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Ｓｔ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わ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なす。

差動増幅器の出力は、演算装ｗ（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し、Ａ／Ｄ変換器を備えたマイクロ
コンビーータまだ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、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単純な演算を施すことに
より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り
構成された空間フィルタに投影すると、出力係号の瞬時
値ｇ（ｔ）は次式で与えられる。

ｇ（ｔ）＝ｇ（ｘｏ、ｙｏ）−Ｋｆｄｘｆｄｙｆ（ｘ、
ｙ）ｈ（ｘ−ｘｏ＋ｙ−ｙｏ）　　ｆｉ）ここで、Ｘｏ
−■ｔ＋ｃ１．ｙ、二Ｃ６＋　ｃ、、ｃ、、　：定数に
＝比例係数 一方、ｆ（ｘ、ｙ）　？：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）式よシ（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ッチ、ｗ：光検出器の
幅、Ｌ：光検出器の長さ、ｎニスリットの対数、　ｋ　
＝　０．１，２．−・、ｎ−１゜ここで、ａ、、ｂ、　
：対象をよぎる１番目の光検出器の左右端のＸ座標１ｇ
ｏ二対象がない時の出力値。

規格化した振幅Ｇ（ｔ）　＝　（ｇ（ｔ）　−ｇ１）　
）／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．］ＸＰ
からＤ＝２．４×Ｐまで２４本の波形をプロｙ　）　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Ｏ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９、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
り、第２以降のピークと異方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鹿波形を有して
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））があシ、ｋＰ−Ｗ＜Ｄでは２ＰＴ岑
Ｐ（１（−１）となっている。

振幅特性として、第１．第２．第３ピークの振幅を取り
、Ｄ／Ｐとの関係を第４図に示す。第１ピークの振幅Ｇ
（ｔｚ）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（ｔｚ）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（ｔｚ）とＤの関係をあらかじめ演
算装置内のメモリに記憶１〜でおくことにより必要に応
じてテーブル参照する々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＝ｌＰ−Ｗ（＋＝１．２
．・・・、ｋ）付近を境に微係数の正負が反転している
。また１の増加とともに出力が大きくなっている。力見
られたＤに対応するｉが得られる場合には１が定まれば
単調関数となるので、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仕置のしきい値を越
える最初の立」二がシと第一ピークを検出し、最初の立
上がり時間から第１ピークまでの時間ｔ。

と振＠ｃ（ｔｚ）を測定する。

■Ｇ（ｔｌ）よｐ、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１．（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−ＷＥＤｏ≦ｋＰ−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ｐ、下式を用いて
算出すると良い。

２・ｔｚ　・Ｖｏ＝Ｄｏ＋Ｗ　　　　　　　（Ｄｏ＜Ｐ
−Ｗの場合）２・ｔｚ・Ｖｏ＝Ｐ＋ε（Ｄｏ−Ｐ＋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
ない。

以」二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。よシ下式、すなわち第３図の関係を用いｌ
ｃ番目のピークの時間ｔｋを推定する。

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（ｔｋ）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ラマイクロコンビーー
タでピークを捜しても良いｌ〜、推定時間付近で実時間
でピークを検出し７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Ｇ（ｔｚ　）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Ｄ１を得る
。

これを実行する手段は第１図のＤ１演算８である。

（３）時間情報による測定 ■上記の測定によって得たｔｋとｔｌより下式を用いて
速度Ｖを得る。

２・ｔｋ・Ｖ＝Ｄ２＋Ｗ＋　Ｐ・（ｋ−１，）■ｔｋと
■。（または■）より下式を用いてｌ（番目のピークの
前または後のゼロクロス点の時間ｔｚを推定する。

２−　ｔ・Ｖ＝２＝　ｔｋ−ｖ±０．５−Ｐ■推定時間
付近を調べてゼロクロス点を検出し、ｔｚ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Ｖの値
）の補正に用いる。

これを実行する手段は第１図のＤ２演算８である。

（４）直径の測定値を得る。

■（２）で得られたＤｌと、（３）で得られたＤ２の平
均をもって測定値とする。

さらに、時間測定や速度の変動が大きい状況ではＤ２を
捨ててＤｌを選び、光学系の非一様性による誤差が大き
い状況ではＤｌを捨ててＤ２を選ぶより、切り換え可能
とする機能を備えても良い。

これを実行する手段は第１図のＤ演算１０でちる。

（発明の効果） 本発明は、以上に述べたような構成であるので、簡単な
構造により、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。被測定物を静１１−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
で特に迅速々測定が出来る。

また、光検出器アレイと演算装置の組み合わせは集積化
に適した構成であり、大量生産により廉価に製造できる
。

【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、９は円形被測定物の直径り
を演算する手段、１０は円形被測定物の真の直径りを演
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 ＜　　　　　　　　Ｑ 第３　訂 拓４−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
   ク振幅Ｇ（ｔ＿ｋ）から該円形被測定物の直径Ｄ＿１を
   演算する手段（８）と；（３）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＿２を演算す
   る手段（９）と； （４）前記演算した被測定物の直径ＤおよびＤを平均化
   すると共に前記演算した移動速度Ｖにより速度誤差を補
   正して被測定物の真の直径Ｄを演算する手段（１０）と
   からなることを特徴とする非接触方式の直径測定装置。