JP2010101689A - 円形孔の内径測定装置と測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象物に形成された円形孔の内径を測定する技術を提供する。
【解決方法】内径測定装置１０は、距離センサ１２と、回転機構３８と、コンピュータ２０を備えている。距離センサ１２は、円形孔３４の内部に配置され、円形孔３４の内壁までの距離を測定する。回転機構３８は、円形孔３４の軸３６に対して角度θを成す基準軸３２を中心に距離センサ１２と測定対象物１６を相対回転させる。コンピュータ２０は、距離センサ１２によって各方向で測定された距離データから、円形孔３４の軸３６に垂直な断面形状を特定する断面特定機能と、断面特定機能によって特定された楕円形状となる断面形状から、その短径を算出する短径算出機能を併せ持っている。内径測定装置１０は、算出された楕円形状の短径を円形孔３４の内径とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、測定対象物に形成された円形孔の内径を測定する技術に関する。

様々な分野で素材に穴を形成する加工が行われる。最近では、穴加工に要求される精度が高まっており、そのため、加工した穴の軸に垂直な断面形状の測定が行われる。特に、軸に垂直な断面形状が真円である円形孔を形成した場合は、その円形孔の内径を正確に測定する必要がある。円形孔の内径を測定するためには、円形孔の軸に垂直な断面形状を測定しなければならない。円形孔の軸に垂直な断面形状を測定する場合、円形孔の軸方向を検出する必要がある。円形孔の軸方向を検出することで、円形孔の軸に垂直な断面形状を正確に特定することが可能となり、この断面形状から円形孔の内径を正確に測定することができる。

特許文献１、２に、光学的な手法を用いて円筒等に形成された円形孔の内径を測定する技術が開示されている。特に、特許文献２には、光学的な手法を用いて円形孔の軸方向を検出し、円形孔の内径を測定する技術が開示されている。特許文献２の技術では、距離センサを円形孔の内部に配置し、基準軸を中心に距離センサを回転させることによって、基準軸に垂直な穴の断面形状、つまり距離センサから円形孔の内壁までの距離を測定する。この技術では、この測定動作を基準軸上の異なる２測定点において実施し、この２測定点における測定結果と２測定点間の距離に基づいて円形孔の軸方向を検出するとともに、円形孔の内径を測定する技術が説明されている。

特開平９−２５７４５３号公報 特開平４−１３４２０５号公報

特許文献２の技術を用いて円形孔の内径を測定する場合、基準軸上の異なる２測定点における測定結果が必要とされる。そのために、２測定点に異なる２つの距離センサを配置し、それぞれの距離センサからの測定結果を取得する必要がある。２つの距離センサを準備する必要があり、装置が複雑化してしまう問題が生じていた。そのため、円形孔の内径を測定する測定技術では、１測定点における測定結果から、円形孔の内径を正確に検出することができる技術が必要とされている。
本発明は上記の課題を解決する。本発明は、１測定点における測定結果から、円形孔の内径を正確に測定することができる技術を提供することを目的とする。

本発明は、測定対象物に形成された円形孔の内径を測定する測定装置に具現化される。この断面形状測定装置は、距離センサと、回転手段と、断面特定手段と、短径算出手段を備えている。
距離センサは、円形孔の内部に配置され、円形孔の内壁までの距離を測定する。
回転手段は、円形孔の軸に対して角度を成す基準軸を中心に、距離センサと測定対象物を相対回転させる。
断面特定手段は、距離センサによって各方向で測定された距離データから、円形孔の基準軸に垂直な断面形状を特定する。
短径算出手段は、断面特定手段によって特定された楕円形状となる断面形状から、その短径を算出する。

距離センサを円形孔の内部に配置し、基準軸を中心に距離センサと測定対象物を相対回転させると、各方向で測定された距離データから円形孔の基準軸に垂直な断面形状を特定することができる。このとき、基準軸が円形孔の軸に対して角度を成している（傾いている）と、円形孔の基準軸に垂直な断面形状は、真円となる円形孔の軸に垂直な断面形状に対して、一方方向に拡大された楕円形状となる。詳しく言えば、円形孔の基準軸に垂直な断面形状は、真円となる円形孔の軸に垂直な断面形状に対して、基準軸が傾いている方向（即ち、この方向が長径方向となる）に拡大されたものとなる。その一方において、基準軸が傾いている方向と垂直な方向（即ち、この方向が短径方向となる）では、その寸法が維持されることになる。従って、楕円形状となる円形孔の基準軸に垂直な断面形状の短径は、基準軸の傾きの大きさにかかわらず、円形孔の軸に垂直な断面形状の内径に一致する。

本発明では、この関係を利用して円形孔の内径を測定する。即ち、本発明では、楕円形状となる円形孔の基準軸に垂直な断面形状から、その短径を円形孔の軸に垂直な断面形状の内径として算出する。ここで、距離センサと測定対象物を相対回転させる基準軸は、円形孔の軸に対して意図的に傾けられている。従って、円形孔の基準軸に垂直な断面形状は明確な楕円形状となり、その短径を容易かつ正確に算出することができる。本発明では、基準軸が円形孔の軸に対して傾いている大きさを特定する必要もなければ、その大きさを特定するために、基準軸上の異なる２測定点における断面形状を測定する必要もない。基準軸上の１測定点における断面形状を測定し、この断面形状のうち、円形孔の軸に垂直な断面形状である真円の形状が維持されている短径の寸法を算出することで、円形孔の内径を得ることができる。
本発明によると、１測定点における測定結果から、円形孔の内径を正確に測定することができる。

上記した断面形状測定装置において、短径算出手段は、楕円形状の長径を特定し、特定した長径を用いて短径を算出することが好ましい。
楕円形状では、短径から長径まで、その径が周方向に亘って連続的に変化する。この楕円形状の径の変化は、短径となる位置の近傍よりも、長径となる位置の近傍の方が、その変化率が大きくなる。そのことから、楕円形状からその短径を算出する場合は、短径を直接的に求めるよりも、先ずは長径を特定し、その長径を利用して短径を求める方が、短径の寸法を正確に算出することができる。

本発明は、測定対象物に形成された円形孔の内径を測定する測定方法にも具現化される。この測定方法は、少なくとも以下の４つの工程を備えている。
（１）円形孔の内壁までの距離を測定する距離センサを、円形孔の内部に配置する配置工程
（２）円形孔の軸に対して角度を成す基準軸を中心に距離センサと測定対象物を相対回転させる回転工程
（３）距離センサによって各方向で測定された距離データから、円形孔の基準軸に垂直な断面形状を特定する断面特定工程
（４）断面特定工程で特定された楕円形状となる断面形状から、その短径を算出する短径算出工程
この方法によっても、１測定点における測定結果から、円形孔の内径を正確に測定することができる。

本発明によれば、１測定点における測定結果から、円形孔の内径を正確に測定することができ、円形孔の内径を用いて円形孔の加工精度を正確に確認することができる。

以下に説明する実施例の主要な特徴を整理する。
（特徴１） 内径測定装置は、コンピュータを用いて構成されている。コンピュータのハードウエアやソフトウエアによって、各処理を実行する構成が実現されている。
（特徴２） 内径測定装置は、測定対象物に対して距離センサを相対移動させる移動機構を備えている。
（特徴３） 距離センサは、基準軸に垂直な方向における円形孔の内壁までの距離を測定する。
（特徴４） 回転工程では、円形孔の軸に対して角度を成す基準軸を中心に距離センサと測定対象物を相対回転させながら、距離センサによって各方向における円形孔の内壁までの距離を測定する。

本発明を具現化した実施例について図面を参照しながら説明する。図１は、本実施例の内径測定装置１０を示す。内径測定装置１０は、ステージ１８の窪み５０に測定対象物１６を載置し、測定対象物１６を貫通する円形孔３４の軸３６に垂直な断面形状である真円の内径を測定する装置である。

図１に示すように、内径測定装置１０は、ステージ１８と、支柱２４と、移動機構２６と、可動部２８と、回転機構３８と、連結軸３０と、角度エンコーダ４２と、測定ヘッド１４と、距離センサ１２と、コンピュータ２０を備えている。
ステージ１８の表面１８ａには、窪み５０が形成されている。窪み５０の表面５０ａはステージ１８の表面１８ａに対して角度θ傾斜している。支柱２４は、ステージ１８に固定されている。移動機構２６は、可動部２８を基準軸３２に沿って上下させるためのアクチュエータであり、支柱２４に固定されている。可動部２８には、連結軸３０を介して測定ヘッド１４が支持されている。そのため、可動部２８の上下動に伴って測定ヘッド１４が基準軸３２に沿って上下動する。

可動部２８は、回転機構３８を備えている。連結軸３０は、回転機構３８によって可動部２８に対して回転可能に支持されている。距離センサ１２は、基準軸３２に垂直な方向における円形孔３４の内壁までの距離を非接触で測定する光学式の距離センサであり、測定ヘッド１４に固定されている。そのため、連結軸３０の回転に伴って距離センサ１２が基準軸３２を中心に回転する。回転機構３８は角度エンコーダ４２を備えており、角度エンコーダ４２は連結軸３０の回転に伴って距離センサ１２が回転した角度を測定する。
本発明の内径測定装置１０は、コンピュータ２０を備えている。コンピュータ２０はケーブル２２を通して可動部２８に接続されているとともに、図示されていないケーブルを通して距離センサ１２と角度エンコーダ４２に接続されている。ケーブル２２を通して、距離センサ１２と角度エンコーダ４２の測定値がコンピュータ２０に入力される。

次に、内径測定装置１０の動作について説明する。
図１は、可動部２８が上限位置Ａ１に停止しており、測定ヘッド１４が測定対象物１６の外部に位置する状態の内径測定装置１０を示す。測定対象物１６は、ステージ１８の窪み５０上に載置されている。円形孔３４の軸３６は測定対象物１６の底面１６ｂに垂直であり、基準軸３２はステージ１８の表面１８ａに垂直である。そのため、窪み５０の表面５０ａのステージ１８の表面１８ａに対する傾斜角θに対応して、測定ヘッド１４の基準軸３２は円形孔３４の軸３６に対して角度θ傾斜している。上記のように測定対象物１６を載置し、可動部２８を下降させると測定ヘッド１４が測定対象物１６に形成された円形孔３４に挿入される。本実施例では、測定ヘッド１４が円形孔３４に挿入される際に、測定ヘッド１４と測定対象物１６が干渉しない位置関係で、ステージ１８に窪み５０が形成されている。

本実施例の内径測定装置１０では、測定を開始すると移動機構２６が可動部２８を下降させる。図２に示すように、測定ヘッド１４は円形孔３４の内部に挿入され、可動部２８が下限位置Ａ２に位置したときに下降を停止する。次に、回転機構３８が矢印４０に示すように測定ヘッド１４を、基準軸３２を中心に回転させる。距離センサ１２は、単位角度毎に距離センサ１２と円形孔３４の内壁との間の距離ｒを測定する。角度エンコーダ４２は、距離センサ１２が初期角度から回転した角度φを測定する。距離センサ１２と角度エンコーダ４２によって、距離センサ１２と円形孔３４の内壁との間の距離ｒが距離センサ１２の回転角φに対応付けて測定される。距離センサ１２が基準軸３２を中心に一周することで、下限位置Ａ２における基準軸３２に垂直な円形孔３４の断面形状が特定される。特定された断面形状は、ケーブル２２を通してコンピュータ２０に格納される。コンピュータ２０は、回転角φに対応付けて測定された距離ｒの極座標データ（ｒ，φ）を、変換式ｘ＝ｒ・cosφ、ｙ＝ｒ・sinφを用いて、直交座標データ（ｘ，ｙ）に変換する。これにより、特定された円形孔３４の断面形状は、下限位置Ａ２を原点とするｘｙ直交座標系で表現される。

図３に示すように、基準軸３２が円形孔３４の軸３６に対して角度θ傾いていると、距離センサ１２によって測定された断面形状Ｆ１は、円形孔３４の軸３６に垂直な断面形状Ｆ２に対して、基準軸３２が傾いている方向（図３では、紙面左右方向）に拡大される。その一方、基準軸３２が傾いている方向に垂直な方向（図３では、紙面前後方向）では、断面形状Ｆ１は断面形状Ｆ２に対してその寸法が維持される。即ち、図４に示すように、断面形状Ｆ１は真円である断面形状Ｆ２を基準軸３２が傾いている方向に拡大した楕円形状となる。図４では、楕円形状の長径方向Ｄ１が、基準軸３２が傾いている方向に相当する。また、短径方向Ｄ２が、基準軸３２が傾いている方向に垂直な方向に相当する。長径方向Ｄ１と短径方向Ｄ２は直交する。断面形状Ｆ１は、円形孔３４の軸３６に垂直な断面形状Ｆ２に対して、基準軸３２が傾いている方向（即ち、長径方向Ｄ１）に１／cosθ倍に拡大されている。なお、図３では、説明の便宜上、基準軸３２の傾きを誇張して示してある。

図５は、コンピュータ２０で行われる演算の流れを示すフローチャートである。コンピュータ２０は、図４に示した断面形状Ｆ１の中心点Ｏを検出するとともに、検出した中心点Ｏを用いて短径の寸法Ｓを算出し、この短径の寸法Ｓを円形孔３４として出力する。以下、図５を用いて、コンピュータ２０で行われる演算処理を詳細に説明する。

ステップＳ１０では、断面形状Ｆ１から中心点Ｏを検出する（図４参照）。
断面形状Ｆ１の中心点Ｏを検出する際には、断面形状Ｆ１の直交座標データ（ｘ，ｙ）を楕円の方程式に当てはめることによって中心点Ｏを検出してもよい。あるいは、測定された断面形状Ｆ１から画像処理技術を用いて中心点Ｏを検出してもよい。さらには、下記に説明する方法によって中心点Ｏを検出してもよい。

図６と図７を参照し、ステップＳ１０において断面形状Ｆ１の中心点Ｏを検出する一手段を説明する。
図６に示すように、お互いに等しい傾きを持つ２本の直線Ｐ１、Ｐ２を設定する。直線Ｐ１、Ｐ２は、断面形状Ｆ１と交わる。断面形状Ｆ１と直線Ｐ１との交点をｐ１１、ｐ１２とし、その中間点をｐ１３とする。断面形状Ｆ１と直線Ｐ２との交点をｐ２１、ｐ２２とし、その中間点をｐ２３とする。すると、図６に示すように、中間点ｐ１３、ｐ２３を結ぶ直線Ｍ１は断面形状Ｆ１の中心点Ｏを通る。
図７に示すように、直線Ｐ１、Ｐ２と異なる傾きを持ち、かつお互いに傾きが等しい２本の直線Ｑ１、Ｑ２を設定する。直線Ｑ１、Ｑ２も、断面形状Ｆ１と交わる。断面形状Ｆ１と直線Ｑ１との交点をｑ１１、ｑ１２とし、その中間点をｑ１３とする。断面形状Ｆ１と直線Ｑ２との交点をｑ２１、ｑ２２とし、その中間点をｑ２３とする。すると、中間点ｐ１３、ｐ２３の場合と同様に、中間点ｑ１３、ｑ２３を結ぶ直線Ｍ２も断面形状Ｆ１の中心点Ｏを通る。
そのため、中間点ｐ１３、ｐ２３と、中間点ｑ１３、ｑ２３を求め、直線Ｍ１と直線Ｍ２の交わる交点を求めることで断面形状Ｆ１の中心点Ｏを求めることができる。

次に、ステップＳ２０では、図４に示す断面形状Ｆ１の長径方向Ｄ１を特定する。
本実施例では、測定ヘッド１４の基準軸３２を円形孔３４の軸３６に対して角度θ傾斜しており、断面形状Ｆ１は、円形孔３４の軸３６に垂直な断面形状Ｆ２（真円）に対して長径方向Ｄ１に１／cosθ倍に拡大している。その一方、短径方向Ｄ２には断面形状Ｆ２（真円）の寸法が維持されている。つまり、断面形状Ｆ１では、長径の寸法Ｌが、短径の寸法Ｓに対して１／cosθ倍に拡大した楕円形状となっている。断面形状Ｆ１の中心点Ｏを通る径は、短径から長径まで周方向において連続的に変化している。
このステップＳ２０では、先のステップＳ１０で検出された中心点Ｏを用い、断面形状Ｆ１の中心点Ｏを通る径を全周に亘って算出していく。そして、算出した径が最大となった方向を、断面形状Ｆ１の長径方向Ｄ１として特定する。また、その最大となった径を、断面形状Ｆ１の長径の寸法Ｌとして特定する。

次に、ステップＳ３０では、ステップＳ１０で検出した中心点ＯとステップＳ２０で特定した長径方向Ｄ１を用いて、図４に示す断面形状Ｆ１の短径の寸法Ｓを算出する。楕円形状である断面形状Ｆ１の長径方向Ｄ１と短径方向Ｄ２は直交する。そのため、中心点Ｏから長径方向Ｄ１と直交する方向であり、中心点Ｏを通る断面形状Ｆ１の直径の寸法を計算することで、短径の寸法Ｓを算出することができる。
次に、ステップＳ４０では、ステップＳ３０で検出した短径の寸法Ｓを、円形孔３４の内径として出力する。これによって、円形孔３４の内径を得ることができる。

本実施例の内径測定装置１０は、基準軸３２上の１点における基準軸３２の回りの断面形状Ｆ１を特定することで、円形孔３４の内径を正しく測定することができる。複数の距離センサ１２を用いる必要もなければ、基準軸３２と円形孔３４の軸３６の傾斜角θを算出する必要もない。円形孔３４の内径の測定が容易となる。また、本実施例によれば、内径測定装置１０の基準軸３２を円形孔３４の軸３６に対して意図的に傾斜させ、特定される基準軸３２に垂直な断面形状Ｆ１を明確な楕円形状とすることで、円形孔３４の内径を容易に、かつ正確に算出することができる。これによって、測定時間を短縮することができるとともに、測定精度を向上させることができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、距離センサ１２と測定対象物１６を基準軸３２を中心に相対回転させる場合には、測定対象物１６を固定して距離センサ１２を基準軸３２を中心に回転させてもよければ、距離センサ１２を固定して測定対象物１６を基準軸３２を中心に回転させてもよければ、測定対象物１６と距離センサ１２をお互いに基準軸３２を中心に回転させることによって、測定対象物１６に対して距離センサ１２を相対回転させてもよい。
同様に、距離センサ１２を上限位置から下限位置Ａ２に相対移動させる場合には、測定対象物１６を固定して距離センサ１２を移動させてもよければ、距離センサ１２を固定して測定対象物１６を移動させてもよければ、測定対象物１６に対して距離センサ１２をお互いに移動させることによって、測定対象物１６に対して距離センサ１２を相対移動させてもよい。

また、「下限位置Ａ２」は測定対象物１６の円形孔３４の内部に限定されない。基準軸３２の回りの円形孔３４の断面形状Ｆ１を測定することができれば、円形孔３４の外部に設定されても構わない。また、「距離センサ１２」も特に限定されない。光学式の距離センサを用いてもよければ、接触式の距離センサを用いてもよい。

また、楕円形状である断面形状Ｆ１の短径の寸法Ｓを求める際に、中心点Ｏや長径方向Ｄ１を必ずしも算出する必要がない。コンピュータ２０は、断面形状Ｆ１の直交座標データ（ｘ，ｙ）を楕円の方程式に当てはめる等の処理を用いて短径の寸法Ｓを直接的に算出するようにプログラムされていても構わない。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

内径測定装置１０を示す図である。 内径測定装置１０を示す図である。 断面形状Ｆ１と断面形状Ｆ２の関係を説明する図である。 断面形状Ｆ１を示す図である。 コンピュータ２０で行われる演算のフローチャートを示す。 中心点Ｏを検出する処理の一例を説明する図である。 中心点Ｏを検出する処理の一例を説明する図である。

符号の説明

１０：内径測定装置
１２：距離センサ
１４：測定ヘッド
１６：測定対象物
１８：ステージ
２０：コンピュータ
２４：支柱
２６：移動機構
２８：可動部
３０：連結軸
３２：基準軸
３４：円形孔
３６：円形孔３４の軸
３８：回転機構
４２：角度エンコーダ
５０：窪み
Ａ１：上限位置
Ａ２：下限位置
Ｆ１：断面形状
Ｆ２：断面形状
Ｄ１：長径方向
Ｄ２：短径方向
Ｌ：長径の寸法
Ｓ：短径の寸法
Ｏ：中心点

Claims (3)

1. 測定対象物に形成された円形孔の内径を測定する測定装置であって、
   前記円形孔の内部に配置され、前記円形孔の内壁までの距離を測定する距離センサと、
   前記円形孔の軸に対して角度を成す基準軸を中心に前記距離センサと前記測定対象物を相対回転させる回転手段と、
   前記距離センサによって各方向で測定された距離データから、前記円形孔の前記基準軸に垂直な断面形状を特定する断面特定手段と、
   断面特定手段によって特定された楕円形状となる断面形状から、その短径を算出する短径算出手段と、
   を備える測定装置。
2. 前記短径算出手段は、前記楕円形状となる断面形状の長径を特定し、特定した前記長径を用いて前記短径を算出することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
3. 測定対象物に形成された円形孔の内径を測定する測定方法であって、
   前記円形孔の内壁までの距離を測定する距離センサを、前記円形孔の内部に配置する配置工程と、
   前記円形孔の軸に対して角度を成す基準軸を中心に前記距離センサと前記測定対象物を相対回転させる回転工程と、
   前記距離センサによって各方向で測定された距離データから、前記円形孔の前記基準軸に垂直な断面形状を特定する断面特定工程と、
   前記断面特定工程で特定された楕円形状となる断面形状から、その短径を算出する短径算出工程と、
   を備える測定方法。

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