JP2015232539A - 光学式内面測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定物の内周面または深穴内径に、プローブを進入させ内面で反射させた光線を立体的に取り込んで観察、及び精度を測定するための光学式内面測定装置において、より高精度な測定を可能にする。【解決手段】チューブに内蔵された光ファイバーと、この光ファイバーの先端側に配置された光路変換手段と、この光路変換手段を回転駆動させるモータとを備える構造において、モータの回転軸部の振れ量を測定する手段を有する。被検査物からの反射光をコンピュータで計算して得た被検査物の内周面の形状データを、変位測定手段の変位量データで補正することで、モータの回転軸の振れや回転振動が与える測定誤差を解消し、高精度な測定が行える。【選択図】 図１２

Description

本発明は、被検対象物の内周面または深穴内径に、プローブを進入させ内面または深穴底面に光線を放射し、反射光を立体的に取り込んで観察、及び寸法及び幾何学精度を測定するための光学式内面測定装置に関するものである。

例えば自動車用エンジンのシリンダーの加工仕上がり寸法や幾何学精度の良否は自動車の動力性能と燃料消費効率に大きく影響するが、これらの検査は一般には真円度測定機、表面粗さ計、リニヤスケールを用いた測長機等の接触式測定機を用いて検査されていた。しかし近年、被測定物に傷を付けない目的から光学式の非接触式測定機が登場している。

非接触で被測定物内面の傷の有無を観察する手段として、画像診断技術（光イメージング技術）は、装置機械、医療などの現場において広く利用されている技術であり、例えば、精密機器などの製造現場において、深穴の奥部の検査や画像診断の手法として、一般的な内視鏡によるカメラ観察に加えて、光線を照射し反射光を光センサで捉え、光沢むらの状態をコンピュータで判断して自動検査する方法が採用されている。

一方、医療の分野では人体内部の患部の観察に断層画像が観察可能なＸ線ＣＴ、核磁気共鳴、光の干渉性を利用した内視鏡によるＯＣＴ画像(光干渉断層撮影)などの方式が研究されると共に活用されている。

医療の分野で光源として使用する近赤外線光は被測定物の深穴内周面の材質が金属系の場合は反射し、金属内面に樹脂皮膜層がある場合は近赤外光はその樹脂を半透過するため、内周面の三次元形状観察と同時に、皮膜樹脂の厚さ精度の測定や、樹脂面のピンホールの観察を同時に行うことができる。

機械装置や機械部品の内周面に光線を照射して内周面の観察または測定を行う技術を適用した観察装置の代表的な構造は、例えば、特許文献１から３に示す通りである。

特許文献１に示す光学式内視鏡プローブでは、該文献中図１に示されるモータシャフト（5）の一端に反射膜（14）を設け、光線を全周方向に回転放射している。しかし、この構成ではモータ（1）の電線または配線基板（22）、（23）が回転放射する光線を遮るため、３６０度全周の放射が行えず、画像データが取り込めない部分が生じていた。

また、特許文献２に示す内径形状計測センサでは、該文献中第１図に示すように、フレキチューブ（29）の先端側に設けられた中空モータ（26）が反射ミラー（20）を回転させ光線を放射している。また第４図に示される４枚の歪ゲージ（5）が被測定物の内径のＸＹ方向の長さ寸法（直径）を測定し、光学的測定値の曖昧さを補正し、内周面の形状寸法を正しく画面表示している。
しかし、一般に被測定物の内径形状幾何学精度は０．０５μｍ（ミクロン）程度の高精度が要求されるが、この構成では中空モータ（26）が高速回転すると、回転軸に振れ（Run Out）または非再現振れ（Non Repeatable Run Out）が内径形状計測センサに要求される精度以上に多く生じるため、採集された被測定物の内周面の断面形状データに歪みやノイズが乗ってしまい、真の測定値が得られない。

また、特許文献３に記載される管内形状検査装置では、管内に光ビームを螺旋状に走査し、非接触で管の内径寸法と、該文献中図１０に示されるように三次元の形状データを取り込んで表示している。
しかし、該文献には光ビームを回転放射する機構は示されておらず、放射ビームの回転モータが高速回転すると回転軸に振れまたは非再現振れが生じて採集された被測定物の内周面の断面形状データにノイズが乗っていたり、またはデータに歪みが生じて真の測定値が得られなかった。

特許第４４６１２１６号公報 実開平４−５５５０４号公報 特開平５−１８０６２７号公報

本発明は上記従来事情に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、次に示す点にある。すなわち、被測定物の内周面または深穴内径、または長くて屈曲するパイプの内周に、測定用プローブを進入させ内面または深穴底面に光線を回転放射し、反射させた光線を立体的に収集してコンピュータ処理し三次元画像データを観察、及び寸法測定及び幾何学精度を測定する。そして更に、内周面に回転放射する回転軸または回転部の振れまたは非再現振れが引き起こしている画像データの歪みや振動ノイズを元データから除去することで、正しく精密な内径及び内周面の精度測定を可能にした光学式内面測定装置を提供することである。

上記課題を解決するための一手段は、干渉光学法（光干渉法、分光干渉法等）を用いて被検対象物の観察および寸法精度を測定する光学式内面測定装置において、チューブに内蔵された光ファイバーと、この光ファイバーの先端側に配置された少なくとも１つの光路変換手段と、光ファイバーと光路変換手段との一方又は両方を回転駆動させるモータと、
モータの回転軸部の振れ量を測定する変位検出手段とを備える構成としている。この構成により、被検査物から、光ファイバーを経て導き入れた反射光をコンピュータで計算して得た被検対象物の内周面の形状データを、振れ検出手段の変位量データで補正する。

本発明によれば、光線を回転放射するモータの回転軸の振れまたは非再現振れが、収集した元画像データに与えた、画像の歪みや振動を除去して、正しく精密な内周面の三次元観察と、内径及び内周面の高精度での測定が可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る光学式内面測定装置の図 同光学式内面測定装置の被測定物の内径形状立体図 同光学式内面測定装置の表面粗さ説明図 同光学式内面測定装置の幾何精度説明図 同光学式内面測定装置のプローブ部構成図 同光学式内面測定装置のプローブ部断面図 同光学式内面測定装置の走査範囲説明図 同光学式内面測定装置の表面粗さ補正方法説明図 同光学式内面測定装置の真円度補正方法説明図 同光学式内面測定装置の角度ピッチ補正方法説明図 同光学式内面測定装置の動圧軸受断面図 本発明の第２の実施の形態に係る光学式内面測定装置のプローブ部断面図 同光学式内面測定装置の三次元走査方法説明図 同光学式内面測定装置の走査角度説明図 同光学式内面測定装置の走査角度説明図 同光学式内面測定装置の三次元走査範囲説明図 本発明の第３の実施の形態に係る光学式内面測定装置のプローブ部断面図 同光学式内面測定装置の三次元走査範囲説明図 本発明の第１の実施の形態に係る光学式内面測定装置の断面図 同光学式内面測定装置の断面図

本実施の形態の干渉光学法を用いて被検対象物の観察および測定を行う光学式内面測定装置の第１の特徴は、チューブに内蔵された光ファイバーと、光ファイバーの先端側に配置された少なくとも１つの光路変換手段と、光ファイバーと光路変換手段との一方又は両方を回転駆動させるモータと、モータの回転軸部の振れ量を測定する変位検出手段とを備えることである。
この構成により、振れ検出手段の変位量データを用いて、回転部の振れに伴う測定誤差を補正することができるので、高精度での観察及び測定が可能である。

第２の特徴としては、モータの回転軸部の振れ量を測定する変位検出手段を、モータの回転軸部の外周面に対向させて、すくなくとも１個の振れ検出センサを配置した。
この構成により、振れ検出センサが、回転軸部の振れ量のデータを収集し、波形データの補正を行えることで、正しく精密な内径及び内周面の精度測定が可能である。

第３の特徴としては、光ファイバーを経て得た被検対象物からの反射光を、コンピュータで計算して得た被検査物の内周面の形状データと変位検出手段の変位量データとを基にして補正することにある。
この構成によれば、回転軸部の振れや振動により生じた画像の歪みや振動を元波形データから除去し、より正しく精密な内径及び内周面の精度測定が可能である。

第４の特徴としては、変位検出手段が、チューブの内周の基準形状データと、回転軸の回転中に得られるチューブ内周面の測定データの差異を振れ量として検出することにある。
この構成により、被検査物の内周面の形状データに与えた画像の歪みや振動を収集した波形データから除去し、正しく精密は内径及び内周面の精度測定が可能である。

第５の特徴としては、モータの回転軸を支える軸受は動圧溝付きの動圧軸受で構成している。
この構成によれば、モータの回転軸の振れ量、特に非再現振れが減少し、回転軸の振れが形状データに与える画像の歪みや振動が減少するので、より精密な内径及び内周面の精度測定が可能である。

第６の特徴としては、モータの回転軸部を中空形状とし、光路変換手段は回転軸部と一体的に回転可能に配置し、光ファイバーは、回転軸部と相対的に回転自在に、回転駆動軸の中空穴に挿通される構造とした。
この構成によれば、チューブに内蔵された光ファイバーの先端側であって、光路変換手段の近傍に、回転駆動源が配置されるかたちとなるので、回転軸の振れ量、特に、非再現振れが減少し、回転軸の振れが形状データに与える画像の歪みや振動が減少するので、より精密な内径及び内周面の精度測定が可能である。

第７の特徴としては、モータは、第１モータと、この第１モータの後方側に配置された第２モータとがあり、光路変換手段としては、第１モータにより動作する第１光路変換手段と、第２モータにより動作する第２光路変換手段とがある。そして、光ファイバーは、第２モータの後方側で、固定具を介してチューブに回転不能に配置された固定側光ファイバーと、第１モータ又は第２モータの回転軸部と一体的に回転する回転側光ファイバーとで構成されている。そして、第１モータ及び第２モータの回転軸部は、各々が中空形状をしている。そして、回転側光ファイバーは、先端側の少なくとも一部が第１モータの回転軸部の中空穴に挿通されるとともに、後方側の少なくとも一部が第２モータの回転軸部の中空穴に固定されている。そして、第１光路変換手段は、第２光路変換手段の先端側で、第１モータの回転軸部と一体的に回転可能に配置されており、第２光路変換手段は、回転側光ファイバーの先端に備わる構造とした。
この構成によれば、三次元的に光線を放射して走査する範囲内に、第１及び第２のモータの電線が存在しないため、光線に陰ができず、収集データに欠落がない高精度な測定が可能である。

第８の特徴としては、特に第７の特徴で示した構成における第１光路変換手段を回転可能なミラー又はプリズムとした。
この構成によれば、反射効率が高く光学的損失を減らして高精度な精度測定が可能である。

第９の特徴としては、特に第７の特徴で示した構成における第２光路変換手段は先端に傾斜する略平面を有するプリズムとした。
この構成によれば、光線の集光性が高く、光学的損失を減らして高精度な精度測定が可能である。

第１０の特徴としては、モータの回転軸部を中空形状とし、回転軸の中空穴には光ファイバーを、該回転軸に対して相対回転自在に挿通した。そして、モータは後方側に伸びる中空の摺動軸部を有し、この摺動軸部を出力軸とする直動アクチュエータを備える。そして、摺動軸部の中空穴に光ファイバーを固定している。この構造において、直動アクチュエータの出力軸が光ファイバーを押し引きすると同時に、光路変換手段とモータと先端側近傍の光ファイバーとを軸方向にスライドさせる構成とした。
この構成によれば、モータと直動モータの動作により光線を三次元的に放射し、三次元的に形状データが収集でき、光線を放射して走査する範囲内に、第１及び直動モータの電線が存在しないため、光線に陰ができず、収集データに欠落がない高精度な測定が可能である。

次に本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。

本発明に関わる光学式内面測定装置の第１の実施形態について説明する。
図１〜図１０は本発明に係る光学式内面測定装置の実施形態を示している。

図１は本発明の第１の実施の形態に係る光学式内面測定装置である。ベース８０にスタンド８１が固定され、スライダ用モータ８３によりスライダ８２がプローブ２８と共に上下に移動する。被測定物６１はベース８０上にセットされており、プローブ２８、５８は図２に示す被測定物６１の深穴６１aに出入りする。プローブ２８，５９に入光した光線はチューブ６内を通過し、さらに測定機本体８５の接続部８４を通過して、光干渉解析部８８に入り、コンピュータ８９で解析してモニタ９０に画像を表示する。

この光学式内面測定装置は、複数の例えば８種類の機能を有しており、それらは、以下のとおりである。
〔Ａ〕 図２に示す深穴６１aの内面の三次元形状の表示を行う機能、及び、バリ、キズ等の外観検査機能
〔Ｂ〕 深穴６１aの内周面に樹脂等の表面皮膜６１bが施されている場合は、その皮膜厚さの測定、及びピンホール不良や突起発生不良の検査機能
〔Ｃ〕 図３に示す表面粗さ測定機能
〔Ｄ〕 図４の(１)に示す直径測定機能
〔Ｅ〕 図４の(２)に示す真円度測定機能
〔Ｆ〕 図４(２)の真円度測定データを長手方向に連続的にデータ収集し、三次元的に表示して得る円筒度測定機能
〔Ｇ〕 図４の(３)に示す内周面の凹凸高さ測定機能
〔Ｈ〕 図４の(４)に示す角度ピッチ測定機能

図５は本発明の第１の実施の形態に係る光学式内面測定装置のプローブ部２８の構成図である。チューブ６の内部に先端側と後方側をつなぎ、光ファイバー固定具４に固定された光ファイバー１とその先端側に例えばボールレンズ等の集光レンズ２４を一体に有し、固定側光ファイバー１の先端近傍に略同軸上に中空回転軸１０を有するモータ１２を有する。

中空回転軸１０の中に固定側光ファイバー１が相対回転自在に貫通され、中空回転軸１０の先端側に伸びるホルダー部１０aには、集光レンズ２４より先端側に例えばミラーやプリズムからなる第１光路変換手段３を取付け回転させている。

固定側光ファイバー１の後方から送られて、集光レンズ２４を経た光線２６，２７を軸中心線から角度を与えて反射させ、透光部２１を通過して被測定物６１の深穴６１a内に照射する。このとき光線２６，２７は図７のように３６０度全周範囲に放射される。図中Ｄ１は投光部材２１の外径寸法であり、光線２６，２７は図中Ｄ２に示す半径２ｍｍ〜１０ｍｍ（ミリメートル）の範囲に放射しその反射光を収集することができる。

また、図１に示すスライダ用モータ８３がプローブ２８を深穴６１aの軸方向に動いて光線２６は回転放射しつつ軸方向にスライドするので、図２に示す深穴６１aの全体に光線を放射し三次元形状の形状データを収集する事ができる。

図５に示す第１の実施形態においては、光線２６の軸方向への移動は、プローブ２８には内蔵しておらず、図１に示す外部に設けたスライド用モータ８３が行うので、スライダ８２が移動する直進精度は０．１μｍ（ミクロン）以下の高精度に構成している。

モータ１２は、モータケース８、軸受９a、９b、モータコイル７、中空回転軸１０に固定されたロータ磁石１１からなり、電線２３から電力が供給され回転する。モータ１２へは第１モータドライバ回路８６から電力が供給され、モニタ９０には、コンピュータ８９で解析して作られた三次元画像が表示される。

図５及び図６において、回転する中空回転軸１０の外周面の振れ量と振れの角度方向を２つの振れ検出センサ２２a、２２bが検出している。振れ検出センサは中空回転軸１０の振れにより生じる静電容量や反射光の変化を検出し変位量に変換してデータとして取り込んでいる。

既に説明した本発明の光学式内面測定装置が有する８種類の測定方法とその動作について以下に順に説明する。
〔Ａ〕 三次元形状の表示とキズ等の外観検査方法
図１に示す被測定物６１の深穴６１aからの反射光を光干渉解析部８８に取り込み、コンピュータ８９により計算し、図２に示す形状と同様の画像を表示するが、スライダ用モータ８３がプローブ２８を軸方向にスライドさせつつ反射光を三次元的に取り組むので、モニタ９０に三次元画像を表示することができる。本発明では従来のＣＣＤカメラや超音波センサ方式では得られなかった、高分解能で鮮明な内周面の立体画像を観察することができる。
また、バリ、キズが無い被測定物の基準データを別途事前にメモリしておき、取り込んだ被測定物６１の表面状態と比較する事により外観不良品を検出する事が可能である。
〔Ｂ〕 次に、深穴６１aの内周面に樹脂等の表面皮膜コーティングが施されている場合は、その表面層６１ｂの厚さの測定、及びピンホール不良や突起発生不良は、近赤外光またはレーザ光が樹脂を半透過するため、皮膜を含む高分解能な三次元画像を得て、被膜厚さを検査する事ができる。
〔Ｃ〕 表面粗さ測定方法は、図８に示す様にサンプリング長さ範囲〔例えば１００μｍ（ミクロン）〕の被測定物６１内周面の表面の元波形データ(図中上側の破線波形)を収集し、これと同時に中空回転軸１０の外周振れを振れ検出手段（図５においてはセンサ２２a、２２b）が取込んだシャフト振れ波形データ(図中下側の波形)を収集し、元波形データからシャフト振れデータを差し引きした補正後データ（図中上側の細実線波形）を得ることができる。この補正後データの最大値と最小値の幅が真の最大表面粗さ値になる。このように中空回転軸１０の外周振れデータを得て補正する事により高精度は表面粗さの測定が行える。
〔Ｄ〕 直径測定方法は次のとおりである。図９の外周に破線で示す波形は第１光路変換手段３から全周に放出された光線の反射光をコンピュータ８９で計算して求めた被測定物６１の内周面の形状を示す元波形であり、図中の内周の太実線波形に示す振れ検出手段（図５ではセンサ２２a、２２b）から得たシャフト振れ変位量データを差し引きし、同図外径側の細実線に示す補正後データを得て、この補正後データから必要な内径寸法を得ることができる。
〔Ｅ〕 真円度測定方法は、先に説明した同図外径側に示す細実線が補正後データであり、これに対する内接円と外接円を計算で求め、これら２つの円の半径差を真円度と定義できるものである。
〔Ｆ〕円筒度の測定方法は、スライド用モータ８３がスライダ８２と共にプローブ２８を直線性精度が０．１μｍ（ミクロン）以下の高精度に摺動させ、真円度測定データを長手方向に連続的にデータ収集して得る円筒の三次元画像の、内接円筒と外接円筒の半径差を円筒度と定義できる。
〔Ｇ〕 内周面の凹凸高さの測定は、例えば動圧軸受内周面に加工された動圧溝の深さなどの測定が該当するが、この測定方法は先に説明した表面粗さの測定方法と同じである。
〔Ｈ〕角度ピッチ測定方法は、第１モータ１２が第１光路変換手段３を回転させるときに、第１モータ１２の回転速度ムラ(ジッターまたはワウフラッターと呼ばれている)が生じているため、図１０に示す真の角度θの角度が、最大θｐmaxから最小θｐminの範囲で測定ばらつきが生じる課題を解決する必要があり、その対処方法として、この測定を十分な回数だけ繰り返し測定し、コンピュータで平均化して真値をもとめる事ができる。

図５において、回転する中空回転軸１０の外周面の振れは通常１μｍ（ミクロン）程度生じており、その振れは１回転に１回の周期振れ(Repeatable Run Out)と、周波数が定まらず低周波から高周波まで広域に生じる非再現振れ(Non-Repeatable Run Out)に分離できる。

第１軸受９aにはいくつかの設計の方式と種類があるが、例えばボールベアリング式を採用した場合はボールの転がり振動が多くの非再現振れを発生する。また他方で、第１軸受に焼結含油軸受方式を採用した場合は、振れ周り振動や接触面からの振動による非再現振れが多く発生する問題が生じている。

本実施例においては、図１１に示す様に、軸受の内周面に動圧発生溝９cを加工して設けた動圧軸受９aを示している。動圧軸受９aは回転と同時にオイル等の潤滑流体に動圧発生溝９cがポンプ力を与え、回転軸は浮上して高精度に非接触回転する軸受である。

そのため、従来のボールベアリングの有していたころがり振動や、焼結含油軸受のような振れ周りや擦れが無いため、非再現振れは極めて少ない。その効果により、図８及び図９に示す元データをシャフト振れデータを差し引きして補正する場合に、シャフト振れデータが滑らかな波形であることで精度良く補正されるので、より一層測定精度が高くなる。

図５及び図６では、第１モータの回転軸部の振れ量を測定する変位検出手段は、第１中空回転軸の外周面に複数の振れ検出センサ２２a、２２bを対向させているが、この変位検出手段は他にもある。

例えば、第１モータ１２の回転軸部の振れ量を測定する他の変位検出手段は、チューブ６の内周の事前にメモリしておいた基準形状データと、第１モータの回転中に得られるチューブ内周面の測定データの差異を振れ量として検出する事ができる。この場合、図９において内周の太実線データがチューブ内周面の基準形状データと、第１モータ回転中に得られる測定データの差異から求めた振れ量のデータである。この構成と検出方法によっても、被検査物の内周面の形状データに与えた画像の歪みや振動を収集した波形データから除去し、正しく精密は内径及び内周面の精度測定が可能である。また、チューブ６はガラスや透明な樹脂からなり、必要に応じて内周面に数ナノメートル厚さの透光性がある金属コーティングを施しておき、内周面からの収集波形の輪郭をより確実に検出することもできる。

図１９および図２０は本発明の第１の実施の形態に係る光学式内面測定装置の断面図である。第1光路変換手段３（回転するミラー）から放出された光線は、透明部材２１の内周面２１aと透明部材外周面２１ｂ、および被測定物６１から反射光が放射され、それらの反射光が第１光路変換手段を経て固定側光ファイバー1に返される。
このとき、透明部材内周面２１aまたは、透明部材外周面２１ｂのいずれかから取り込んだ、３６０度全周の形状データが図９の二重の形状データの内、内周側に示す第1光路変換手段３振れ量に相当し、この測定により被検査物の内周面の形状データに与えた画像の歪みや振動を収集した波形データから除去または補正することができる。
図１９と図２０では、被測定物の内部で透明部材２１を含むプローブ２８の位置がずれているが、第１光路変換手段は回転しながら全周の形状データを取込むのでもいずれの場合も問題なく内径形状の測定を行うことができる。

尚、チューブ６はその直径は約２ｍｍ（ミリメートル）程度でありその内部に貫通する固定側光ファイバー１は、屈曲自在なグラスファイバーであり直径は０．１ｍｍ〜０．４ｍｍ（ミリメートル）程度のものを使っている。

図１に示される第１光路変換手段３は平滑な反射面を有するミラーかプリズムからなり、反射率を高めるため、その表面粗さと平面度は一般の光学部品と同等以上の精度に磨きあげられている。

図１に示される第１中空回転軸１０は、金属またはセラミックスからなり、溶融金属のダイによる引き抜き加工か、または焼成前のセラミックスのダイによる押し出し加工で中空に成形され、硬化処理後に研磨加工法等により仕上げ加工される。

図１において、第１中空回転軸１０の穴は直径が０．２ｍｍ〜０．５ｍｍ（ミリメートル）あり、光ファイバー１の直径より十分大きくしているため、固定具４で固定された固定側光ファイバー１が第１中空回転軸１０に接触することはなく、仮に軽く接触しても摩耗粉が発生するほどではない。また、回転摩擦トルクが変動する問題もない。

図１２〜図１６は本発明に係る光学式内面測定装置の実施形態２を示している。
図１２は本発明の第２の実施の形態に係る光学式内面測定装置の断面図である。プローブ５９の後端側から先端側に光線を導く固定側光ファイバー３１は十分に長いチューブ３６の穴の中に挿通され、光ファイバー固定具３４により固定されている。

固定側光ファイバー３１の先端側には回転側光ファイバー３２が回転自在に設けられている。回転側光ファイバー３２の先端には略平面状のミラー等からなる第１光路変換手段３３a、３３bが第１モータ４２により回転側光ファイバー３２とは独立して回転自在に取り付けられ、回転する事で光線を全周方向に放射するよう構成している。

また、回転側光ファイバー３２の先端には固定側光ファイバー１を透過してきた光線を集光して回転しながら先端方向に少々の角度を付けて第１光路変換手段３３a、３３bに向けて放射する第２光路変換手段５０が取り付けられている。

回転側光ファイバー３２と固定側光ファイバー３１は５μｍ（ミクロン）程度の微小距離を隔てて対向し、回転する遮光板３５，光ファイバー固定具３４を含めて回転光コネクター５２を構成し、回転側光ファイバー３２と固定側光ファイバー３１の間は高い透過率が維持でき、ほとんど損失なく光学的に接続されている。

第１モータ４２は、モータケース３８にモータコイル３７、第１軸受３９b、３９aが固定され、ロータ磁石４１が取り付けられた第１中空回転軸４０が回転する。モータコイル３７には電線２３から電圧が印加され、第１中空回転軸４０には第１光路変換手段３３を取り付けられている。

第２モータ４９は、第１モータ４２と同様に、モータケース３８に第２軸受４８a、４８bが取り付けられ第２回転軸４３を回転自在に支障している。第１２図において、第２回転軸４３は可振子４４の略中心に開けられた穴４４aに軽圧入されるが、可振子４４と第２回転軸４３の間には可振子４４のバネ性により安定した摩擦力が発生している。

可振子４４の外周には電歪素子または圧電素子４５が貼り付けられ、これら素子には電極４６が形成されている。これらそれぞれの電極は図１２に示す電線４７により配線されており電圧が印加されている。可振子４４は第２軸受４８a、４８bに対して回り止めがなされており、簡単には電線４７が回り止めの機能を果たす場合もある。

図１２において、光線が放射される第１光路変換手段３３の外周近傍には光線が透過可能な透光部５１がチューブ３６に取り付けられている。透光部５１の内周面または外周の表面には必要に応じて表面反射を減らし、光線の透過率を高めるためのコーティング等がなされている。

図１２の第１モータ４２には図１の第１モータドライバ回路８６から電力が供給されて回転駆動され、第２モータ４９は第２モータドライバ回路８７から電圧が印加されて回転駆動される。

第１光路変換手段３３は回転可能なミラー又はプリズムで構成されており、反射効率が高く光学的損失を減らして高精度な精度測定が可能である。

第２光路変換手段５０は先端に傾斜する略平面を有するプリズムで構成しており、光線の集光性が高く、光学的損失を減らして高精度な精度測定が可能である。

次に上述した図１２〜図１６の三次元走査型の光イメージング用プローブについて、その特徴的な作用効果を詳細に説明する。

図１において測定機本体８５内の光源から発光された近赤外またはレーザ等の光線はチューブ３６に内蔵された固定側光ファイバー３１の中を通過して進む。

図１２において電線２３から電力が供給され、第１モータ４２と第２モータ４９が約１８００〜２万ｒｐｍの範囲の同一回転数で回転すると、導かれた光線は回転光コネクター５２と回転側光ファイバー３２を通過し，第２光路変換手段５０aから放出され、第１光路変換手段３３aの略平面部で反射し一定の角度方向（図１２においてはθ１の角度）に方向を変えて回転放射され、この時の放射範囲は図１４の様に角度θ１の傘状の範囲になる。

近赤外線等の光線はさらに透光部材５１を通過し，被測定物６１から反射した光線を上記と同じ光路を逆方向に透光部材５１⇒第１光路変換手段３３a⇒第２光路変換手段５０a⇒回転側光ファイバー３２⇒回転光コネクター５２⇒固定側光ファイバー３１を通過して光干渉解析部８８に導いている。

次に、第１モータ４２と第２モータ４９の回転数が例えば第１モータ４２の回転数が３６００ｒｐｍ一定で、一方第２モータ４９の回転数は３５７０ｒｐｍ一定で回転させ、このように２個のモータ回転数に若干の差を与える回転状態に切り換える。この状態では、図１３に示すように第１光路変換手段３３と第２光路変換手段が５０ｂの位置に回転角度位相が徐々に変化していき、１８０度の位相差ができた時には，光線は回転する第１光路変換手段３３ｂで反射し光線の進路は一定角度変化し図中θ２に変わる。この瞬間の光線の放射範囲は図１５に示すような傾斜した範囲に変わっている。

この回転位相角度は、第１モータ４２が１分間に３６００回転する間に第２モータ４９の回転数との差分だけ、即ち３０回転ずれるので、即ち２秒毎に３６０度の回転位相差が生じる。

振れ検出センサ５３aが第１中空回転軸の外周振れを検出しており、図５の実施例１と同様に、収集した元波形データに補正を加えている。または、第１モータ４２の回転軸部の振れ量を測定する他の変位検出手段は、チューブ６の内周の事前にメモリしておいた基準形状データと、第１モータの回転中に得られるチューブ内周面の測定データの差異を振れ量として検出する事で行っている。

引き続き第１光路変換手段３３と第２光路変換手段５０の回転位相差がゆっくりと２秒に１回転ずつ生じ続ける、この動作により、光線の放射方向がθ１〜θ２の範囲で連続的に変化し、光線の放射範囲は図１６に示すようにθ１＋θ２の範囲で三次元的に繰り返し照射し、走査範囲内に信号線や電線２３，４７が存在しないため、欠落のない鮮明な三次元画像データを得ることができる。

図１７〜図１８は本発明に係る光学式内面測定装置の第３の実施形態を示している。
図１７は本発明の実施の形態に係る光学式内面測定装置の断面図である。プローブ５９の先端側（透光部材２１の方向側）と後方側との間で光を伝える固定側光ファイバー１はチューブ３６に内蔵されると共に、固定側光ファイバー１の先端側に例えばボールレンズ等からなる集光レンズ２４を備えている。

集光レンズ２４の先端側には傾斜角を有する回転ミラー等からなる第１光路変換手段３３を有し、電線２３から電圧が印加されることにより第１モータ１２により回転する。

第１モータ１２は、チューブ６の内周面に固定されたスライドガイド２０に支持された摺動可能なモータケース８の内部に、モータコイル７が組込まれ、軸受９a、９bにより支えられた第１中空回転軸１０を有している。
第１中空回転軸１０には、ロータ磁石１１が固定されると共に、第１光路変換手段３３が一体的に取り付けられている。

摺動モータケース８の後方側にはスライド第２軸５７が略中心軸上に一体的に設けられており、またこのスライド第２軸５７は中空軸であり、この穴に固定側光ファイバー１が貫通し接着固定されている。

直動モータ６２は、チューブ３６内に設けられたモータケース６８にスライド第２軸５７を支える摺動軸受５８a、５８bが設けられ、スライド第２軸５７の外周には略多角柱状の可振子５４の中心穴に軽圧入され、可振子５４の少なくとも外周面にパターン電極５６を有する圧電素子５５が貼り付けられている。

電線４７からパターン電極５６に電圧が印加されると圧電素子５５が振動を始め、可振子５４に波状または三角波状の進行波を発生させ、これによりスライド第２軸５７は直動モータ６２、固定側光ファイバー１、集光レンズ２４、第１光路変換手段３３を図中Ｌｓに示す様に軸方向に例えば５〜３０ｍｍ（ミリメートル）の範囲でスライドさせる。

図１７において、チューブ３６内に内蔵される固定側光ファイバー１の長さは、チューブ３６の長さより少なくともＬｓミリメートル（ｍｍ）以上長く、チューブ３６内に湾曲させ、長さに余裕を持たせて収納している。そのため、図１７において直動モータ６２が動作してスライド第２軸５７と第１モータ１２をチューブ３６内において先端側に移動させる場合、固定側光ファイバー１を押し引きする動作が十分小さい力で、スムーズに摺動できる。

次に上述した図１７〜図１８の光学式内面測定装置について、その特徴的な作用効果を詳細に説明する。

図１７において、電線２３に通電されると、第１モータ１２のモータコイル７は回転磁界を発生し、ロータ磁石１１に回転力を与え、第１中空回転軸１１は第１光路変換手段３３を例えば１８００ｒｐｍ〜１万ｒｐｍの範囲において一定速度で回転する。

第１光路変換手段３３は、その回転位置により３３a、その角度から１８０度回転した位置の光路変換手段を３３bに示している。

図１の測定機本体８５から発光された例えば近赤外光線またはレーザ光線は、固定側光ファイバー１に導光され、集光レンズ２４から前方に放出され、さらに第１光路変換手段３３から略直角方向に放射され、被測定物６１からの反射光は、再び固定側光ファイバー１を通して、測定機本体８５に戻され、装置本体８５は画像を表示することができる。
ここで図１のプローブ２８は、図１７ではプローブ５９が対応している。また、図１のチューブ６は図１７ではチューブ３６が対応している。

図１７において、電線４７を通してパターン電極５６に通電が行われると、圧電素子５５は進行波を発生しスライド第２軸５７には先端側に向かって摺動する力が与えられる。そして、スライド第２軸５７は第１モータ１２、第１光路変換手段３３、固定側光ファイバー１、集光レンズ２４を一体的に先端側に移動を始め、光線は図中略直角またはθ１に示す方向に３６０全周に放射されると同時に、軸方向に摺動できるので、図１８に示す様に立体的に放射することで図１に測定機本体８５では、三次元の画像データの収集と蓄積が行なわれる。

図１７及び図１８においてスライド第２軸５７が図中Ｌｓの距離だけ移動すると、移動側センサ６４ｃが固定側センサ６４aに近接し、摺動動作の完了を示す信号を発生し、電線２３からパターン電極５６に印加される電圧は停止される。または印加方法が変化し、スライド第２軸５７は逆方向に移動を始める。

振れ検出センサ６３aが第１中空回転軸の外周振れを検出しており、図５の実施例１と同様に、収集した元波形データに補正を加えている。または、第１モータ１２の回転軸部の振れ量を測定する他の変位検出手段は、チューブ６の内周の事前にメモリしておいた基準形状データと、第１モータの回転中に得られるチューブ内周面の測定データの差異を振れ量として検出している。

なお、集光レンズ２４はボールレンズが使われているが、円錐状の集光レンズを用いても同じである。

この種の三次元走査内面観察および検査装置の要求性能の一つに空間分解能を高める事があるが、空間分解能を達成するための要因には、第モータ１２の回転速度ムラ、第１中空回転軸１０の振れ及び非再現振れ精度、第１光路変換素子３３の精度、集光レンズ２４の表面精度等がある。

この中で影響度が大きいのはモータ１２の回転速度ムラであるが、プローブ５９の先端部に第モータ１２を内蔵した本方式はたとえば１μｍ（ミクロン）以下の高い三次元の空間分解能を安定して達成できる。また、直動アクチュエータ２２の軸方向への摺動動作により、光線を軸方向に一定範囲で放射でき、高分解能な三次元の観察画像を得ることができる。

以上において説明したように、本発明の光学式内面測定装置は、モータの回転軸部の振れ量を検出する手段を設けている。そして被検査物から光ファイバーを経て得た反射光をコンピュータで計算して得た被検査物の内周面の形状データを、変位センサの変位量データで補正することで、光線を走査するモータの回転軸の振れや回転振動が、採集された被測定物の内周面形状データに与える測定誤差を解消し高精度な測定を可能である。

本発明の干渉光学法を用いて被検対象物の観察と測定を行う光学式内径測定装置は、工業用診断装置にも適用して高精度な測定を行えるとともに、例えば深穴の底の三次元観察を行うことができる。また、医療現場での微細な病巣の寸法変化の数値的診断や治療への活用が期待される。

１、３１ 固定側光ファイバー
３２ 回転側光ファイバー
３、３３a、３３b 第１光路変換手段（ミラー）
３４ 光ファイバー固定具
３５ 遮蔽板
６、３６ チューブ
７、３７ モータコイル
８、３８、６８ モータケース
９a、９b、３９a、３９b 第１軸受
９c 動圧発生溝
１０、４０ 第１中空回転軸
１０a ホルダー部
１１、４１ ロータ磁石
１２、４２ 第１モータ
２０ スライドガイド
２１、５１ 透光部材
２１ａ 透明部材内周面
２１ｂ 透明部材外周面
２２a、２２b、５３a、６３a 振れ検出センサ
２３、４７ 電線
２４ 集光レンズ
２５、５５ 走査範囲
２６ 光線
２８、５９ プローブ
４３ 第２回転軸
４４、５４ 可振子
４４a 穴
４５、５５ 電歪素子
４６、５６ パターン電極
４８a、４８b、５８a、５８b 第２軸受
４９ 第２モータ
５０、５０a、５０b 第２光路変換手段（プリズム等）
５２ 回転光コネクター（光ロータリコネクター）
５７ スライド第２軸
６１ 被測定物
６１a 深穴
６１b 表面層
６２ 直動モータ
６４a、６４b、６４c Ｚ軸位置センサ
７０a、７０ｂ チューブ内周面反射光
７１a、７１ｂ チューブ外周面反射光
７２a、７２ｂ、７２Ｃ 被測定物反射光
８０ ベース
８１ スタンド
８２ スライダ
８３ スライダ用モータ
８４ 接続部
８５ 測定機本体
８６ 第１モータドライバ回路
８７ 第２モータドライバ回路
８８ 光干渉解析部
８９ コンピュータ
９０ モニタ

Claims (10)

1. 干渉光学法を用いて被検対象物の観察および測定を行う光学式内面測定装置において、
   チューブに内蔵された光ファイバーと、
   前記光ファイバーの先端側に配置された少なくとも１つの光路変換手段と、
   前記光ファイバーと前記光路変換手段との一方又は両方を回転駆動させるモータと、
   前記モータの回転軸部の振れ量を測定する変位検出手段とを備えることを特徴とする光学式内面測定装置。
   
2. 前記変位検出手段は、前記回転軸部の外周面に対向させて、すくなくとも1個の検出センサを配置したものであることを特徴とする請求項１記載の光学式内面測定装置。
   
3. 前記光ファイバーを経て得た被検対象物からの反射光を、コンピュータで計算して得た被検査物の内周面の形状データと前記変位検出手段の変位量データとを基にして補正することを特徴とする請求項１または２記載の光学式内面測定装置。
   
4. 前記変位検出手段は、前記チューブの内周の基準形状データと、前記回転軸の回転中に得られる前記チューブ内周面または外周面の測定データの差異を前記振れ量として検出することを特徴とする請求項１から３何れか１項記載の光学式内面測定装置。
   
5. 前記回転軸部を支える軸受は動圧溝付きの動圧軸受であることを特徴とする請求項１から４何れか１項記載の光学式内面測定装置。
   
6. 前記モータの前記回転軸部は中空形状であり、
   前記光路変換手段は 前記回転軸部と一体的に回転可能に配置されており、
   前記光ファイバーは、前記回転軸部と相対的に回転自在に、前記回転駆動軸の中空穴に挿通されていることを特徴とする請求項１から５何れか１項記載の光学式内面測定装置。
   
7. 前記モータは、第１モータと、前記第１モータの後方側に配置された第２モータとがあり、
   前記光路変換手段は、前記第１モータにより動作する第１光路変換手段と、前記第２モータにより動作する第２光路変換手段とがあり、
   前記光ファイバーは、前記第２モータの後方側で、固定具を介して前記チューブ内に回転不能に配置された固定側光ファイバーと、前記第１モータ又は前記第２モータの前記回転軸部と一体的に回転する回転側光ファイバーとで構成されており、
   前記第１モータ及び前記第２モータの前記回転軸部は、各々が中空形状をしており、
   前記回転側光ファイバーは、先端側の少なくとも一部が前記第１モータの回転軸部の中空穴に挿通されるとともに、後方側の少なくとも一部が前記第２モータの回転軸部の中空穴に固定されており、
   前記第１光路変換手段は、前記第２光路変換手段の先端側で、前記第１モータの回転軸部と一体的に回転可能に配置されており、
   前記第２光路変換手段は、前記回転側光ファイバーの先端に備わることを特徴とする請求項１から５何れか１項記載の光学式内面測定装置。
   
8. 前記第１光路変換手段は回転可能なミラー又はプリズムであることを特徴とする請求項７記載の光学式内面測定装置。
   
9. 前記第２光路変換手段は先端に傾斜する略平面を有するプリズムであることを特徴とする請求項７記載の光学式内面測定装置。
   
10. 前記モータの前記回転軸部は中空形状であり、
    前記回転軸の中空穴には前記光ファイバーが、該回転軸に対して相対回転自在に挿通され、
    前記モータは後方側に伸びる中空の摺動軸部を有し、
    前記摺動軸部を出力軸とする直動アクチュエータを備え、
    前記摺動軸部の中空穴に前記光ファイバーを固定し、
    前記直動アクチュエータの前記出力軸が前記光ファイバーを押し引きすると同時に、前記光路変換手段と前記モータと先端側近傍の前記光ファイバーとを軸方向にスライドさせることを特徴とする請求項１から５何れか１項記載の光学式内面測定装置。

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