JPS628006A - 光学式外形測定装置 - 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】 産業上東肌里豆！ 本発明は自己走査型−次元フオドダイオードアレイ（以
下単にイメージセンサという）を用いて、光学的に線材
等の外径を測定する装置における測定値の温度補正に関
する。

従来■１孟 非接触で線材等の外径を測定する装置として、本出願人
はイメージセンサを用いたものを先に開発し既に出願し
ている（特願昭５８−１９０２９２号）。

この従来の光学式外径測定装置について説明する。

第４図及び第５図は光学式外径測定装置（１）の光学系
゛を示し、（２）は投光器で、発光源（３）、棒レンズ
（４）及びレンズ（５）からなる、（６）は受光器で、
シリンドリカルレンズ（７）及びイメージセンサ（８）
からなる。

（９）は被検出物体である線材である。

ここで発光源（３）は、例えばＬＥＤ等の固体発光素子
或いはフラッシュランプが使用され、このパルス発光は
棒レンズ（４）によって集光されて、光強度分布が均一
な線光源を形成する。この線光源はレンズ（５）によっ
て平行光化され、線材（９）越しに受光器（６）に入射
する。受光器（６）内のシリンドリカルレンズ（７）は
入射光の平行化された方向と直交する成分を集光してイ
メージセンサ（８）に入射させ、検出感度を高める。

測定は次のように行われる。

光源（３）をパルス発光させると、線材（９）の部分が
影になった光がイメージセンサ（８）に入射する。この
直後にイメージセンサ（８）にクロックパルスを与える
と、第６図に示すようにイメージセンサ内の各フォトセ
ルから、それに対応して短周期パルスが連続した形状の
出力ａが得られる。この出力波形ａを、シュミット回路
の所定のスライスレベル（Ｓ、Ｓ’）で二値化して、矩
形波すとする。この矩形波すの立ち下がりと立ち上がり
の発生時点を所定のクロックパルスで一定の基準時点か
らカウントし、その差を算出すると、この算出値Ｘは線
材（９）の外形寸法を表すことになる。

（シよ゛　　　　　占 上記光学式外径測定器（１）はイメージセンサ（８）の
高分解能のため、例えば１ビツト当たりの素子（セル）
の長さが７μｍのものを使用した場合は、原理的に約０
．０１ｇｎ＋の測定精度が得られる。

しかし実際に使用する場合、イメージセンサ（８）の温
度ドリフトによる誤差が生じるので、これを何らかの手
段で補正する必要がある。

この誤差が発生する理由について説明する。

イメージセンサ（８）の出力波形ａを見ると、第６図に
示すように被測定物体（９）のエツジに対する部分のエ
ンベロープがなだらかに変化している。この原因は発光
源からの光を完全に平行光化できないこと、及び被測定
物体（９）のエツジにおけるフラウンホーバー回折によ
る。この出力波形ａはシュミット回路の一定のスライス
レベル（Ｓ、Ｓ’）を越えたか否かによって二値化され
るのであるが、例えば周囲温度の上昇によって、イメー
ジセンサ（８）の出力波形ａが第６図中点線で示すよう
に正電圧方向に温度ドリフトすると、これを二硫化した
矩形波すの立ち下がり及び立ち上がりの発生時点が変動
する。このためクロックパルスによりカウントされる被
測定物体の影に対応する部分の長さＸ゛は基準温度のと
き測定する長さＸよりも減少し、測定誤差が生じる。

これを補正する方法として従来はイメージセンサの出力
波形ａの電圧の大きさを監視し、この変動に応じて、ス
ライスレベルを変化させる浮動スライス法、或いは測定
温度に応じてスライスレベルを補正するために温度セン
サを別設する方法があった。

しかしこれらの従来の補正方法には、次に述べるような
問題があった。

浮動スライス法は、イメージセンサの出力波形ａのピー
クレベル又はグランドレベルをサンプルホールド回路に
よって検出し、これを所定の分圧回路で分圧して、スラ
イスレベルを自動補正させるものである。しかしこの方
法はサンプルホールド回路及び分圧回路を構成する増幅
回路、アナログスイッチ、及びコンデンサ等の特性が温
度によって変化するため、補正回路の設計はこれらの特
性変動をも考慮する必要があり、調整も困難となって、
高精度の補正は不可能である。

また温度センサを設ける方法は、温度センサの出力電圧
によって直接アナログ的にスライスレベルを補正する方
法と、外径測定装置のイメージセンサ毎に、予め温度ド
リフト特性を測定し、温度と補正値の対応表をデジタル
値で作成してマイ′クロコンピユータのＲＯＭ内に記憶
させてお（方法がある。

しかし前者アナログ的に補正する方法は、各イメージセ
ンサの特性に合うように温度センサを選定使用するので
、低い精度の補正しかできず、また後者のデジタル的に
補正する方法は、一つ一つのイメージセンサごとに表を
作るので高精度の補正ができる反面、製作に大変な時間
と手間を必要とし、量産に不適当な問題があった。

占　　“　るた　の 本発明は上記問題点に鑑みて提案されたもので、上記問
題点を解決するための手段は、平行光を被測定物体に照
射して、その影をイメージセンサに投影させ、イメージ
センサの出力をシュミット回路の所定のスライスレベル
で二値化することによって得られる矩形波の立ち下がり
と立ち上がりの位置を所定のクロックパルスによってカ
ウントすることにより測定し、その測定値の差によって
被測定物体の外形寸法を測定する装置において、イメー
ジセンサ前方の測定範囲を挟む位置に光遮蔽体を配置し
、基準温度のときに光遮蔽体のエツジによって発生する
矩形波の立ち下がり及び立ち上がりの位置を測定した値
と、実測時温度のときにそれらを測定した値との差を、
それぞれ算出し、これらの算出値によって、被測定物体
のエツジによって発生する矩形波の立ち下がり及び立ち
上がりの位置の測定値を補正するようにしたことを特徴
とするものである。

皿 上記手段によれば、被検出物体のエツジの測定値の温度
ドリフトによる変動が、それと同一条件で測定される光
遮蔽体のエツジの測定値の基準温度から実測時温度への
変動値によって補正されるので、実測温度が大きな幅で
変動していても、基準温度下で、被検出物体を測定した
場合の測定値が得られる。

皇胤皿 本発明の一実施例を図面を参照しながら以下説明する。

第１図及び第２図に本発明の光学式外形測定装置（１０
）の光学系を示す、この光学系の第４図及び第５図に示
した従来のもの（１）との違いは、イメージセンサ（８
）の前方に、その測定範囲を両側から挟むように光遮蔽
体（１１）（１１）を配置したことである。その他の構
成部分に同一であるので、同一符号を付して、説明を省
略する。

この光ｊ！！蔽体（１１）　　（１１）は、そのエツジ
によって、イメージセンサ（８）に、被検出物体（９）
のエツジと同様な光の影を投影させるものであればよく
、その形状及びその設置位置は適宜に選ぶことができる
。

上記光学系において、発光源（３）をパルス発光させる
と、イメージセンサ（８）には被検出物体（９）及び光
遮蔽体（１１）　　（１１）が影となった平行光が入射
する。この直後にクロックパルスを与えると、イメージ
センサ（８）から第３図に示すような波形の出力Ａが得
られる。

ここで本発明は、以下に述べる方法によって、イメージ
センサ（８）の温度ドリフトを補正している。

第３図中に実線で示す波形は基準温度（例えば２０℃）
のとき得られたものであり、点線で示す波形は、それよ
りも高い実測時温度のとき得られたものである０点線で
示す波形は実線で示す波形に比べると、イメージセンサ
（８）の温度ドリフトにより、ピークレベルもグランド
レベルも共に上昇している。

従って、点線で示す実測時の出力波形をシュミット回路
の所定のスライスレベルで二値化して得た矩形波Ｂにお
いて、その被検出物体（９）の影に対応する部分の長さ
Ｘ゛は、基準温度のときの長さＸに比べて減少している
。

而して第３図において、光遮蔽体（１１）　　（１１）
のエツジによって発生する出力波形Ａの立ち下がりと立
ち上がりを測定した値の温度ドリフトによるずれの大き
さｄ、ｕと、被検出物体（９）のエツジによって発生す
る出力波形の立ち下がりと立ち上がりを測定した値の温
度ドリフトによるずれの大きさｄ゛、Ｕｏは夫々等しい
。

この理由は、光遮蔽体（１１）　　（１１）のエツジの
形状及び設置位置を、前述したように調整しているため
、イメージセンサの出力波形Ａの立ち上がりと立ち下が
りのエンベロープの形状が、光遮蔽体（１１）　　（１
１）のものと被測定物体（９）のものとで、夫々同一で
あること、並びにリンギング防止のためヒステリシス特
性を与えたシュミット回路は、立ち上がり検出のスライ
スレベルＳと、立ち下がり検出のスライスレベルＳ°と
が温度が変化しても夫々一定であることによる。

そこで、本発明装置においては、固定配置された光遮薇
体（１１）　　（１１）のエツジによって発生した矩形
波Ｂの立ち下がりと立ち上がりを基準温度（例えば２０
℃）で測定した値ｍ、ｎを予め記憶しておき、被検出物
体（９）の実測時に、この光Ｍ蔽体（１１）　　（１１
）のエツジによって発生する矩形波の立ち下がり及び立
ち上がりあ渕定値蒙°、ｎｏと、上記記憶値−゛、ｎｏ
との差により、立ち下がり測定値のずれの大きさｄ＝ｍ
　−ｓ’と、立ち上がり測定値のずれの大きさｕ””ｎ
　−ｆｉ’とを補正値として夫々求め、次にこれらの補
正値ｄ、ｕを被測定物体（９）のエツジによって発生す
る矩形波の立ち下がり測定値Ｏ及び立ち上がり測定値ｐ
に、夫々加算する。

このように補正された測定値（０＝ｏ＋ｄ）（ｐ＝ｐ＋
ｕ）の差１Ｏ−ＰＩを算出すれば、この算出値１Ｏ−Ｐ
ｌは基準温度において被検出物体（９）の外形寸法を測
定した値Ｘと同一にな°る。

発１ＲＢ九展 本発明によれば、被測定物体と同一条件で、測定値が変
動する光ｉＩ！ｍ体をイメージセンサの前方に設置する
ことにより、イメージセンサの温度ドリフトによって生
じる測定誤差を高精度に補正することができる。すなわ
ち本発明は、補正のために新たな温度特性変動の原因と
なる電子部品を付加せず、使用しているイメージセン号
自体の特性そのものにより、温度補正するから、製造コ
ストを高くすることなく、高精度の温度補正ができる。

因に本発明装置によって測定した測定データは、−１０
℃〜５０℃の範囲において、誤差が±１ビット内におさ
まり、実測値で±０．０１ｌＩＩＩ以下の測定精度が得
られた。これは、全く温度補正をしない場合の誤差が−
１０”０〜５０℃の範囲において±７ビツトであり、浮
動スライス法又は、温度センサを用いたアナログ方式の
補正方法での誤差が０〜４０℃の範囲で±２ビットであ
ることに比較すると、極めて高精度に補正がされている
ことがわかる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図は本発明の一実施例を示し、第１図及
び第２図は光学系の正面図及び平面図、第３図はイメー
ジセンサの出力波形Ａとそれを二値化して得られる矩形
波Ｂの対応関係図である。第４図乃至第６図は従来例を
示し、第４図及び第５図は光学等の正面図及び平面図、
第６図はイメージセンサの出力波形ａとそれを二値化し
て得られる矩形波すの対応関係図である。 （２）・−投光器、（６）・−・受光器、（８）−・−
イメージセンサ、（９）−・被検出物体、（１ｏ）−・
光学式外形測定装置、（１：１１）　開光遮蔽体、（Ａ
）・・−・イメージセンサの出力波形、（Ｂ）−・矩形
波、（ｄ）・−・立ち下がり検出位置のずれ、（ｕ　）
　−・立ち上がり検出位置のずれ。 く　　　　　　　　ω ＜３　　　　　　　　　や

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）平行光を被測定物体に照射して、その影をイメー
   ジセンサに投影させ、イメージセンサの出力をシュミッ
   ト回路の所定のスライスレベルで二値化することによっ
   て得られる矩形波の立ち下がりと立ち上がりの位置を所
   定のクロックパルスによってカウントすることにより測
   定し、その測定値の差によって被測定物体の外形寸法を
   測定する装置において、イメージセンサ前方の測定範囲
   を挟む位置に光遮蔽体を配置し、基準温度のときに光遮
   蔽体のエッジによって発生する矩形波の立ち下がり及び
   立ち上がりの位置を測定した値と、実測時温度のときに
   それらを測定した値との差を、それぞれ算出し、これら
   の算出値によって、被測定物体のエッジによって発生す
   る矩形波の立ち下がり及び立ち上がりの位置の測定値を
   補正するようにしたことを特徴とする光学式外形測定装
   置。