DE3825228A1

DE3825228A1 - Verfahren und vorrichtung zum messen des aussendurchmessers eines drahtstifts

Info

Publication number: DE3825228A1
Application number: DE3825228A
Authority: DE
Inventors: Toru Ueno; Youichi Fukuoka; Seiichi Baba; Kaoru Miyoshi; Kazuto Kinoshita
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-07-24
Filing date: 1988-07-25
Publication date: 1989-02-02
Also published as: DE3825228C2; US4871910A; KR920002920B1; JPS6429701A; JPH0758167B2; KR890002639A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen des Außendurchmessers eines Drahtstifts mit einem Laserstrahl, ohne daß ein Kontakt mit dem Drahtstift stattfindet. Dabei soll insbesondere der Außendurchmesser eines Stifts od. dgl. gemessen werden, der kleiner als der Durchmesser eines Laserlichtflecks ist.

Verfahren zum Messen des Außendurchmessers eines Stifts, eines Drahtstifts od. dgl. unter Anwendung eines Laser strahls sind z. B. in "Illustrations of Applications of Laser Beams" in Electronics Review, Ausgabe Januar-Juli 1980, beschrieben.

Gemäß einem der dort angegebenen bekannten Verfahren wird ein Objekt wie etwa ein Stift oder Drahtstift mit einem parallelen Laserstrahl abgetastet, und das Zeitintervall bis zur Unterbrechung des Laserstrahls durch das Objekt wird gemessen, um daraus den Außendurchmesser des Objekts zu errechnen. Gemäß einem weiteren dort angegebenen Ver fahren wird ein ein Objekt nicht abtastender Laserstrahl auf das Objekt gerichtet, und der Abstand zwischen Leucht punkten, die durch die Beugung des Laserstrahls auf einem Bildschirm entstehen, wird gemessen, um daraus den Außen durchmesser des Objekts zu errechnen.

Das erstgenannte bekannte Verfahren zum Messen des Außen durchmesser eines Drahtstifts durch Abtasten mit einem Laserstrahl wird im einzelnen unter Bezugnahme auf die Fig. 1(A), 1(B) sowie 2(A) und 2(B) erläutert, um das Verständ nis der Erfindung zu fördern.

Die Fig. 1 und 2 zeigen die Beziehung zwischen einem Laser lichtfleck 8 und einem Stift 6, dessen Außendurchmesser unbekannt ist und gemessen werden soll, und ferner die Be ziehung zwischen der Zeit und einer Ausgangsspannung eines Strahlempfangselements, wenn der Außendurchmesser des zu vermessenden Stifts 6 größer bzw. kleiner als der Durch messer des Laserlichtflecks 8 ist.

Gemäß den Fig. 1(B) und 2(A) wird der Laserlichtfleck 8 durch nicht gezeigte Mittel so eingestellt, daß er mit vorbestimmter Geschwindigkeit z. B. von links nach rechts in Fig. 1(A) bewegt wird. Ein Strahlempfangselement (nicht gezeigt) ist hinter dem Stift 6 mit einer zwischengeschal teten Optik (nicht gezeigt) positioniert und empfängt den Laserlichtfleck 8 während der Abtastung. Wenn der zur Abtastung bewegte Laserlichtfleck 8 von dem Stift 6 unter brochen wird, sinkt die Ausgangsspannung des Strahlemp fangselements, und wenn sich der Laserlichtfleck 8 vom Stift 6 wegbewegt, steigt die Ausgangsspannung des Strahl empfangselements. Wenn also der Außendurchmesser des Stifts 6 größer als der Durchmesser des Laserlichtflecks 8 ist, sinkt die Ausgangsspannung E des Strahlempfangselements stetig über die Abtastzeit des Laserlichtflecks 8, bis die Ausgangsspannung E auf ihr Null-Potential Fig. 1(B) sinkt, weil der Laserlichtfleck 8 von dem Stift 6 vollständig unterbrochen ist. Danach steigt die Ausgangsspannung E des Strahlempfangselements stetig an. Durch Messen des Zeit intervalls, in dem die Ausgangsspannung E des Strahlemp fangselements niedriger als ein vorgegebener Wert, z. B. 1/2 ihres Höchstpegels E ₀, ist, kann der Außendurchmesser des Stifts 6 auf der Grundlage des gemessenen Zeitinter valls errechnet werden.

Wenn dagegen der zu messende Außendurchmesser des Stifts 6 kleiner als der Durchmesser des Laserlichtflecks 8 ist, wird nicht der gesamte Laserlichtfleck 8 von dem Stift 6 unterbrochen. Daher sinkt die Ausgangsspannung E des Strahlempfangselements nicht unter einen vorgegebenen Pegel. D. h., die Ausgangsspannung E sinkt nicht auf einen Pegel, der unter der oben erwähnten vorgegebenen Spannung E ₀/2 liegt, wie Fig. 2(B) zeigt. In diesem Fall kann der Außendurchmesser des Stifts 6 nicht gemessen werden.

Wie vorstehend erläutert, kann mit dem bekannten Verfahren der Außendurchmesser des Stifts innerhalb eines zulässigen Meßbereichs einer zur Messung verwendeten Optik dann ge messen werden, wenn dieser Außendurchmesser größer als der Durchmesser des Laserlichtflecks ist. Es ist jedoch bisher nicht möglich, den Stiftaußendurchmesser zu messen, wenn dieser kleiner als der Durchmesser des Laserlichtflecks ist. Ferner ist es mit diesem Verfahren nicht möglich, den Stiftaußendurchmesser mit zufriedenstellender Präzision zu messen, selbst wenn der Pegel der vorgegebenen Spannung, die mit der Ausgangsspannung des Strahlempfangselements zu vergleichen ist, so gewählt ist, daß eine Messung des Stiftaußendurchmessers möglich ist.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfah rens und einer Vorrichtung, die den Außendurchmesser eines Drahtstabs bzw. -stifts mit hoher Präzision durch Abtasten mit einem Laserlichtfleck messen kann und die einen großen Meßbereich zwischen Drahtstiften mit großem und solchen mit sehr kleinem Außendurchmesser, der mit dem bekannten Ver fahren nicht meßbar ist, umfaßt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein erster Stift mit unbekanntem zu messendem Außendurch messer und ein zweiter Stift mit bereits bekanntem Außen durchmesser, der größer als der Durchmesser eines Laser lichtflecks ist, eng nebeneinander in der Abtastrichtung des Laserlichtflecks angeordnet werden.

Wenn der zweite Stift, dessen Außendurchmesser bekannt und größer als der Durchmesser des Laserlichtflecks ist, eng neben dem ersten Stift, dessen Außendurchmesser unbekannt und zu messen ist, in der Abtastrichtung des Laserlicht flecks angeordnet ist, ist der Wert des tatsächlich gemes senen Außendurchmessers die Summe der Außendurchmesser des zweiten Stifts und des ersten Stifts. Der Außendurchmesser des zweiten Stifts ist größer als der Durchmesser des Laserlichtflecks. Daher ist ungeachtet des Werts des Außen durchmessers des ersten Stifts die Summe der Außendurch messer des zweiten und des ersten Stifts notwendigerweise größer als der Wert des Durchmessers des Laserlichtflecks, und der gemessene Wert der Summe ist hochgenau. Wenn also der Wert des bekannten Außendurchmessers des zweiten Stifts vom Meßwert der Summe subtrahiert wird, kann der unbekannte Außendurchmesser des ersten Stifts mit hoher Präzision errechnet werden.

Die Vorrichtung nach der Erfindung zum Messen des Außen durchmessers eines Drahtstifts, mit einer Laserlichtquelle, ist gekennzeichnet durch eine Abtastoptik, die einen von der Laserlichtquelle ausgehenden Laserstrahl auf einen ersten Drahtstift unbekannten Außendurchmessers richtet, so daß der erste Drahtstift abgetastet wird, durch eine Optik, die den von der Abtastoptik kommenden Laserstrahl parallel macht, durch eine Kondensoroptik, die den den ersten Draht stift kreuzenden Laserstrahl kondensiert, durch ein Strahl empfangselement, das den Laserstrahl von der Kondensoroptik empfängt und ein entsprechendes elektrisches Ausgangssignal erzeugt, durch einen zweiten Drahtstift, der in einer Laserstrahl-Abtastrichtung an den ersten Drahtstift angren zend angeordnet ist, wobei der zweite Drahtstift einen bereits bekannten Außendurchmesser hat, der größer als der Durchmesser des Laserlichtflecks ist, und durch eine Ein heit, die den Außendurchmesser des ersten Drahtstifts auf der Basis des elektrischen Ausgangssignals des Strahlemp fangselements errechnet.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A, 1B, 2A und 2B die Beziehung zwischen dem Außendurchmesser eines Drahtstifts und dem Durchmesser eines Laserlichtflecks sowie grafisch eine Ausgangs spannung eines Strahlempfangselements zur Ver anschaulichung eines bekannten Verfahrens zur Messung des Außendurchmessers des Drahtstifts;

Fig. 3 eine bei einer Ausführungsform der Erfindung verwendete Optik;

Fig. 4A und 4B die Beziehung zwischen dem Außendurchmesser eines Drahtstifts und dem Durchmesser eines Laserlichtflecks bzw. eine Grafik der Aus gangsspannung eines Strahlempfangselements bei der Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 3;

Fig. 5A und 5B eine weitere Ausführungsform des Verfahrens zur Messung des Außendurchmessers eines Draht stifts; und

Fig. 6 noch eine weitere Ausführungsform der Erfin dung zur Messung des Außendurchmessers mehre rer Drahtstifte mit unbekanntem Außendurch messer.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Messung des Außendurchmessers eines Stifts unter Abtastung mit einem Laserstrahl erläutert.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform des Verfahrens. Fig. 4(A) zeigt die Beziehung zwischen einem Laserlichtfleck, einem ersten Stift mit zu messendem unbekanntem Außendurchmesser und einem angrenzenden zweiten Stift, dessen Außendurch messer bereits bekannt und größer als der Durchmesser des Laserlichtflecks ist. Fig. 4(B) zeigt die Beziehung zwi schen der Zeit und einer Ausgangsspannung eines Strahl empfangselements.

Gemäß Fig. 3 umfaßt eine Vorrichtung zur Implementierung einer Ausführungsform des Meßverfahrens eine Laserlicht quelle 1, einen Drehspiegel 2, der in eine durch den Pfeil bezeichnete Richtung umläuft, eine konvexe Linse 3 zur Strahlprojektion, eine den Strahl kondensierende konvexe Linse 4 und ein Strahlempfangselement 5, z. B. ein Ladungs speicherelement bzw. CCD. Ein erster Stift 6, dessen Außen durchmesser unbekannt und zu messen ist, und ein zweiter Stift 7, dessen Außendurchmesser bereits bekannt und größer als der Durchmesser eines Laserlichtflecks 8 ist, sind in Kontakt miteinander in gleicher Richtung wie die Abtast richtung S des Laserlichtflecks 8 angeordnet. Das Strahl empfangselement 5 ist ausgangsseitig über einen Verstärker mit einem Rechenwerk 10 verbunden, das seinerseits mit einer Anzeigeeinheit 11 verbunden ist.

Bei der so aufgebauten Vorrichtung wird der von der Laser lichtquelle 1 ausgehende Laserlichtfleck 8 vom Drehspiegel 2 reflektiert und auf die strahlprojizierende konvexe Linse 3 gerichtet und bewegt sich während der Rotation des Dreh spiegels 2 auf einer Bahn, die vom Rand der Linse 3 durch die Mitte der konvexen Projektionslinse Linse 3 geht. Der Laserlichtfleck 8, der die konvexe Projektionslinse 3 durchsetzt hat, führt eine Parallelbewegung zwischen der konvexen Projektionslinse 3 und der Kondensorlinse 4 aus und wird nach Durchsetzen der konvexen Kondensorlinse 4 vom Strahlempfangselement 5 empfangen. Der erste Stift 6 mit unbekanntem Außendurchmesser und der zweite Stift 7 mit bereits bekanntem Außendurchmesser sind eng nebeneinander zwischen den beiden konvexen Linsen 3 und 4 in der gleichen Richtung wie die Abtastrichtung des Laserlichtflecks 8 angeordnet. Wenn daher der Abtast-Laserlichtfleck 8 die Positionen, an denen sich die beiden Stifte 6 und 7 befin den, kreuzt, wird er von diesen Stiften 6 und 7 unterbro chen. In diesem Fall ist die Bewegungsgeschwindigkeit des Laserlichtflecks 8, der sich zwischen der konvexen Projek tionslinse 3 und der konvexen Kondensorlinse 4 bewegt, fixiert, und der Laserlichtfleck 8 tastet den ersten und den zweiten Stift 6 und 7 von links nach rechts in Fig. 4(A) ab.

Fig. 4(B) zeigt die Ausgangsspannung E des Strahlempfangs elements 5, das den eine solche Abtastung durchführenden Laserlichtfleck 8 empfängt. Da der Außendurchmesser des zweiten Stifts 7 größer als der Durchmesser des Laserlicht flecks 8 ist, sinkt die Ausgangsspannung E des Strahlemp fangselements 5 zwangsläufig auf ihr Nullpotential (Fig. 4(B)). Das heißt, die Ausgangsspannung E des Strahlemp fangselements 5 fällt zwangsläufig auf einen Pegel, der unter einem Schwellenwert liegt, der der halben maximalen Ausgangsspannung E ₀ entspricht. Daher kann der Wert der Summe der Außendurchmesser der beiden Stifte 6 und 7 gemes sen werden, wenn das Zeitintervall, in dem die Ausgangs spannung E des Strahlempfangselements 5 niedriger als der Schwellenwert E ₀/2 ist, von dem Rechenwerk 10 errechnet wird. Wenn dann der Wert des bekannten Außendurchmessers des zweiten Stifts 7 in dem Rechenwerk 10 von dem Meßwert der Summe der Außendurchmesser subtrahiert wird, kann der unbekannte Außendurchmesser des ersten Stifts 6 errechnet werden. Somit kann gemäß dieser Ausführungsform der Außen durchmesser des ersten Stifts 6 auch dann gemessen werden, wenn er kleiner als der Durchmesser des Laserlichtflecks 8 ist. Ferner kann der unbekannte Außendurchmesser des ersten Stifts 6 auch ohne Anwendung des zweiten Stifts 7 in ähn licher Weise wie beim Stand der Technik entsprechend Fig. 1 gemessen werden, wenn er größer als der Durchmesser des Laserlichtflecks 8 ist. In diesem Fall ist die meßbare Grenze des Außendurchmessers des Stifts 6 nahezu die glei che wie diejenige des Durchmessers der Projektions- und der Kondensorlinsen 3 und 4. Das Ausgangssignal des Rechenwerks 10 wird der Anzeigeeinheit 11, z. B. einer Kathodenstrahl röhre, zugeführt, die den Außendurchmesser des ersten Stifts 6 zur Anzeige bringt. Das Rechenwerk 10 kann ein elektronischer Rechner oder irgendeine andere geeignete Rechenschaltung sein.

Bei der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform ist der erste Stift 6, dessen Außendurchmesser nicht bekannt ist, eng benachbart dem zweiten Stift 7 angeordnet, dessen Außendurchmesser bereits vorher genau gemessen wurde.

Die Fig. 5(A) und 5(B) zeigen eine Abwandlung der ersten Ausführungsform, wobei der erste Draht oder Stift 6 und der zweite Draht oder Stift 7 in Vorwärtsbewegungsrichtung X des Laserlichtflecks voneinander beabstandet sind. In Fig. 5(A) weisen diese Stifte 6 und 7 einen Mittenabstand L voneinander auf.

Bei einer solchen Anordnung der Stifte wird der unbekannte Außendurchmesser d des ersten Stifts 6 auf der Grundlage des bekannten Außendurchmessers D des zweiten Stifts 7 mit dem nachstehend erläuterten Verfahren gemessen.

Zuerst werden gemäß Fig. 5(A) der erste und der zweite Stift 6 und 7 in einer solchen gegenseitigen Beziehung angeordnet, daß sie einander in der Abtastrichtung S, die zu der Vorwärtsbewegung X des Laserlichtflecks im wesent lichen orthogonal ist, überlappen, und eine Dimension A einer solchen Stiftanordnung wird gemessen. Diese Dimension A kann errechnet werden durch Multiplikation der Abtast geschwindigkeit des Laserlichtflecks mit der Periode Δ T, in der die Ausgangsspannung E des Strahlempfangselements den Pegel E ₀/2 gemäß Fig. 4(B) hat. Dann wird gemäß Fig. 5(S) eine Dimension B gemessen, nachdem der zweite Stift 7 nur um den gleichen Betrag wie sein Außendurchmesser D in eine der Abtastrichtung S entgegengesetzte Richtung verschoben wurde. Auf der Basis der Meßwerte A und B wird der unbe kannte Außendurchmesser d des ersten Stifts 6 gemäß der folgenden Rechenformel errechnet:

[d = A+B-2D.]

Die vorgenannten Ausführungsformen betreffen die Messung des Außendurchmessers eines einzelnen Drahtstifts mit Kreisquerschnitt. Es ist aber ersichtlich, daß die Erfin dung in gleicher Weise für einen Drahtstift oder -stab mit Viereckquerschnitt anwendbar ist.

Ferner kann die Erfindung mit einer Anordnung aus mehreren Stiften angewandt werden, wie sie z. B. auf Steckverbindern mit Anschlußstiftmatrix und Sockeln für integrierte Schalt kreise vorgesehen sind. Wenn also mehrere Stifte 6 auf einem Sockel gemäß Fig. 6 (der sechs Stifte aufweist) an geordnet sind, kann nicht nur der Außendurchmesser der Stifte 6 gemessen werden, sondern es kann auch festgestellt werden, ob diese Stifte 6 exakt auf einer Geraden L ausge richtet sind. Wenn ein Verbiegen eines der vom Sockel hoch stehenden Stifte erfaßt wird, gilt der Sockel als Ausschuß.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform dienen der Drehspiegel und die beiden konvexen Linsen als Optik zur Abtastung mit dem Laserlichtfleck. Die Erfindung umfaßt aber auch eine Modifikation, bei der diese die Optik bil denden beiden Linsen durch zwei Parabolspiegel ersetzt sind.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß mit dem Verfahren und der Vorrichtung nach der Erfindung unter Anwendung eines zur Abtastung dienenden Laserstrahls ein großer Bereich von Stiftaußendurchmessern, die zwischen einem großen Außendurchmesser, der eine zulässige Meßgrenze einer Optik ist, und sehr kleinen Außendurchmessern, die kleiner als der Durchmesser des Laserlichtflecks sind, liegen, mit hoher Genauigkeit meßbar ist, ohne daß ein Meßkontakt mit den Stiften stattfindet.

Claims

1. Vorrichtung zum Messen des Außendurchmessers eines Drahtstifts, mit einer Laserlichtquelle (1), gekennzeichnet durch
eine Abtastoptik (2), die einen von der Laserlichtquelle ausgehenden Laserstrahl auf einen ersten Drahtstift (6) unbekannten Außendurchmessers richtet, so daß der erste Drahtstift abgetastet wird;
eine Optik (3), die den von der Abtastoptik kommenden Laserstrahl parallel macht;
eine Kondensoroptik (4), die den den ersten Drahtstift kreuzenden Laserstrahl kondensiert;
ein Strahlempfangselement (5), das den Laserstrahl von der Kondensoroptik empfängt und ein entsprechendes elektrisches Ausgangssignal (E) erzeugt;
einen zweiten Drahtstift (7), der in einer Laserstrahl- Abtastrichtung (S) an den ersten Drahtstift angrenzend angeordnet ist, wobei der zweite Drahtstift einen bereits bekannten Außendurchmesser hat, der größer als der Durch messer des Laserlichtflecks ist; und
eine Einheit (10), die den Außendurchmesser des ersten Drahtstifts (6) auf der Basis des elektrischen Ausgangs signals (E) des Strahlempfangselements (5) errechnet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Drahtstift (6 und 7) in Kon takt miteinander in der Abtastrichtung (S) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Drahtstift (6 und 7) in einer Richtung, die zur Abtastrichtung (S) im wesentlichen ortho gonal ist, voneinander beabstandet sind.

4. Verfahren zum Messen des Außendurchmessers eines Draht stifts, gekennzeichnet durch
Umformen (2, 3) eines von einer Laserlichtquelle (1) aus gehenden Laserlichtstrahls in einen parallelen Abtast strahl;
Anordnen eines ersten Drahtstifts (6) mit unbekanntem Außendurchmesser und eines zweiten Drahtstifts (7) mit bereits bekanntem Außendurchmesser, der größer als der Durchmesser des Laserlichtflecks ist, nebeneinander in einer Laserstrahl-Abtastrichtung (S);
Erfassen (5) des den ersten und den zweiten Drahtstift (6, 7) kreuzenden Laserstrahls unter Erzeugung eines entspre chenden elektrischen Ausgangssignals (E); und
Errechnen (10) des Außendurchmessers des ersten Drahtstifts (6) auf der Basis des elektrischen Ausgangssignals (E).

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Drahtstift (6 und 7) in der Abtastrichtung (S) in Kontakt miteinander angeordnet sind.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Drahtstift (6 und 7) in einer zur Abtastrichtung (S) im wesentlichen orthogonalen Rich tung voneinander beabstandet sind.