JP2019032258A

JP2019032258A - 内径測定装置

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Publication number: JP2019032258A
Application number: JP2017153927A
Authority: JP
Inventors: ミティエンファン; Mi Tien Pham; 阿部　修士; Shuji Abe; 修士阿部
Original assignee: Synztec Co Ltd
Current assignee: Synztec Co Ltd
Priority date: 2017-08-09
Filing date: 2017-08-09
Publication date: 2019-02-28
Anticipated expiration: 2037-08-09
Also published as: MY196233A; CN109387153A; JP6917241B2

Abstract

【課題】設置が容易であって、且つ測定精度の高い内径測定装置を提供する。【解決手段】開口部内径ｄを測定する内径測定装置１。レーザ光を照射する照射部３１ａ〜３１ｄ、レーザ光の反射光を検出する検出部３２ａ〜３２ｄを備えた４つのレーザ変位センサ３３ａ〜３３ｄ、４つのレーザ変位センサを互いに直交する２直線である第１基準線Ｌ１及び第２基準線Ｌ２上の４つの端部３７ａ〜３７ｄに配置し、第１基準線及び第２基準線の外側開口部の内壁面にレーザ光を照射するよう保持する基板体３４、基板体を一端部に保持し基板体と交差する方向に延びるアーム部材４０、アーム部材の他端部を保持しアーム部材を長手方向に位置決め移動する位置決め移動手段５０、第１基準線の両方向外側開口部の相対向する内壁面間距離である第１距離、第２基準線の両方向外側の開口部の相対向する内壁面間距離である第２距離から開口部の内径ｄを算出するデータ処理手段を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、円形の開口部を有する管体等の内径を測定する内径測定装置に関する。

従来、管体の内径の測定を行う場合には、シリンダーゲージ等の接触式の内径測定器を用いていたが、測定した接触角度等の精度は測定者の熟練度に依存し誤差が大きいという問題が生じていた。そこで、測定精度の向上を図るために、非接触式のレーザ変位センサ（例えば特許文献１参照）や、このようなセンサを適用した内径測定装置が提案されている（例えば特許文献２参照）。

特許文献１に記載のレーザ変位センサは、光軸が同一の点を共有し、外側に向かってビーム光を照射する３つの発光素子と、被測定対象で乱反射した光の一部を受ける３つの受光素子のそれぞれを対となし、それらをセンサヘッド部に組込んだものである。特許文献１では、３対の発光素子と受光素子とが１つのセンサヘッド部に収納されたレーザ変位センサを管体に挿入し、各受光素子で検出された測定対象物の３つの位置から、三角形の正弦定理や余弦定理に基づいて、管体の内径寸法を演算する。

特許文献１のレーザ変位センサによれば、センサヘッド部を管体に挿入して任意の断面位置に設定し、センサヘッド部の中心から管体の内面までの３方向の距離を測定することで、管体の内径寸法を演算することができ、容易に内径を測定することができる。

また、特許文献２に記載の内径測定装置は、先端側が管体に挿入されるアームの基端側に、周方向の３箇所でレーザ光を管体の軸方向に管体内へ向けて発射する発光部と、管体内から戻る反射光を受光する受光部を備えたレーザ変位センサを取り付け、アームの先端側に、各レーザ変位センサと同じ周方向で、各発光部から発射されたレーザ光を、外方の管体の内径面に向けて直角に方向転換し、外方に向けられたレーザ光の管体の内径面での反射光の一部をアームの基端側へ向けて方向転換するプリズムを取り付け、各レーザ変位センサの検出値から管体の内径面でのレーザ光の反射位置を求め、求めた３点の反射位置から管体の内径を演算する演算手段を設けたものである。

特許文献２の内径測定装置によれば、３対の発光素子と受光素子とを有する変位レーザがアームの基端側に配置され、当該アームの先端側にミラーが配置されていることから、発光素子から照射されたレーザ光をミラーで管体の内面に反射させ、受光素子で反射光を受光してアームの中心から管体の内面の３方向の距離を測定し、三角形の正弦定理や余弦定理に基づいて、管体の内径を測定することができる。

実用新案登録第３０７８０７８号公報特開２０１１−１９６８９９号公報

しかしながら、特許文献１に記載のレーザ変位センサや特許文献２に記載の内径測定装置は、３つの発光素子の光軸が同一の点を共有する必要があるため、軸合わせが困難である。また、特許文献２に記載の内径測定装置は、測定対象の中心軸と測定装置の中心軸とが傾いたか測定対象が変形したかを区別ができないため、これらの中心軸が傾かないように、即ちレーザ光の光軸と管体の軸とが平行になるように調節する必要があるため、設置が容易でないといった問題がある。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて提案するものであり、設置が容易であって、且つ測定精度の高い内径測定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の第１の態様は、開口部の内径を測定する内径測定装置であって、レーザ光を照射する照射部及び前記レーザ光の反射光を検出する検出部を備えた４つのレーザ変位センサと、前記４つのレーザ変位センサを互いに直交する２直線である第１基準線及び第２基準線上の４つの端部に配置し、前記第１基準線及び前記第２基準線のそれぞれ両方向外側の前記開口部の内壁面に向かって前記レーザ光を照射するように保持する基板体と、前記基板体を一端部に保持し、前記基板体と交差する方向に延びるアーム部材と、前記アーム部材の他端部を保持し、前記アーム部材をその長手方向に位置決め移動する位置決め移動手段と、前記第１基準線の方向の両方向外側の前記開口部の相対向する内壁面間の距離である第１の距離と、前記第２基準線の方向の両方向外側の前記開口部の相対向する内壁面間の距離である第２の距離と、から前記開口部の内径を算出するデータ処理手段と、を有することを特徴とする内径測定装置にある。

本発明の第２の態様は、前記アーム部材が、一端部に前記基板体が固定されると共に、他端部が前記位置決め移動手段により片持ち梁状態で保持されることを特徴とする第１の態様の内径測定装置にある。

本発明の第３の態様は、前記基板体の前記第１基準線の方向の前記第２基準線回りの傾き及び前記第２基準線の方向の前記第１基準線回りの傾きを調節する調節手段を、前記基板体と前記アーム部材との取付け部に有することを特徴とする第１の態様又は第２の態様の内径測定装置にある。

本発明の第４の態様は、前記調節手段が、前記第１基準線の方向の両方向外側の前記開口部の相対向する内壁面間の距離である前記第１の距離が最小となるように第１の傾きを調節し、前記第２基準線の方向の両方向外側の前記開口部の相対向する内壁面間の距離である前記第２の距離が最小となるように第２の傾きを調節することを特徴とする第３の態様の内径測定装置にある。

本発明の第５の態様は、前記基板体を一端部に保持し、前記基板体と交差する方向に延びる１組の補助アーム部材と、前記１組の補助アーム部材の他端部を保持し、前記１組の補助アーム部材のその長手方向への移動を補助する１組の補助移動手段と、を有し、前記１組の補助アーム部材は、一端部に前記基板体が取付け部材を介して固定されると共に、他端部が前記１組の補助移動手段により片持ち梁状態で保持され、前記１組の補助アーム部材の一端部と、前記アーム部材の一端部と、が前記取付け部材に固定され、前記１組の補助アーム部材が前記アーム部材に連動することを特徴とする第１の態様から第４の態様の何れかの内径測定装置にある。

本発明によれば、設置が容易であって、且つ測定精度の高い内径測定装置を提供することができる。

本実施形態に係る内径測定装置を示す斜視図である。本実施形態に係る内径測定装置を示す平面図である。本実施形態に係る内径測定装置を示す背面図である。本実施形態に係る測定ヘッドの位置決め移動前の状態を示す側面図である。本実施形態に係る測定ヘッドの位置決め移動後の状態を示す側面図である。本実施形態に係る測定ヘッドの位置決め移動前の補助アーム部材及び補助移動手段の状態を示す側面図である。本実施形態に係る測定ヘッドの位置決め移動後の補助アーム部材及び補助移動手段の状態を示す側面図である。本実施形態に係る測定ヘッドの調節前後の状態を示した側面図である。本実施形態に係る測定ヘッドの調節前後の状態を示した平面図である。本実施形態に係る内径測定装置の測定ヘッドに設けた４つのレーザ変位センサの管体に対する配置を模式的に示した図である。本実施形態に係る内径測定装置のデータ処理部における内径の算出方法を説明するための図である。

以下、各図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の説明は、本発明の一態様を示すものであって、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で任意に変更可能である。なお、各図面において、同じ符号を付したものは同一の部材を示しており、適宜説明が省略されている。また、Ｘ，Ｙ及びＺは、互いに直交する３つの空間軸を表している。本明細書では、これらの軸に沿った方向を、それぞれ第１の方向Ｘ（Ｘ方向）、第２の方向Ｙ（Ｙ方向）及び第３の方向Ｚ（Ｚ方向）として説明する。また、各図面の矢印の向かう方向を正（＋）方向、矢印の向かう方向の反対方向を負（−）方向として説明する。なお、各図面において示す構成要素、即ち、各部の形状や大きさ或いは厚さ、相対的な位置関係等は、本発明を説明する上で誇張して示されている場合がある。

（内径測定装置）
本発明の実施形態に係る内径測定装置は、円形の開口部を有する管体等の内径を測定するものである。より詳細には、測定ヘッドにより測定されたレーザ光の基準点から管体の内壁面までの距離に基づいて、管体の内径を算出するものである。本実施形態では、測定対象として管体の内径を測定する内径測定装置を例に挙げて説明するが、本発明はこれに限定されない。本発明を用いて、例えば管体以外の開口部等の内径を測定することも可能である。

図１は、本実施形態に係る内径測定装置を示す斜視図である。図２は、本実施形態に係る内径測定装置を示す平面図である。図３は、本実施形態に係る内径測定装置を示す背面図である。図１から図３に示すように、内径測定装置１は、１２本のフレーム部材が直方体に組み立てられてなる架台１０の上面１１に台座２０が設けられている。また、架台１０の底面１２の四隅には、４つのキャスターがそれぞれ設けられており、自在に移動できるようになっている。

台座２０上には、管体２００の内径ｄを測定する測定ヘッド３０と、測定ヘッド３０と交差する方向、即ち本実施形態では直交する方向（＋Ｘ方向）に延びるアーム部材４０と、アーム部材４０をその長手方向（±Ｘ方向）に位置決め移動する位置決め移動手段５０と、が設けられている。内径測定装置１は、測定ヘッド３０をアーム部材４０の一端部４１に保持し、アーム部材４０の他端部４２を位置決め移動手段５０により保持している。即ち、アーム部材４０は、一端部４１に測定ヘッド３０が固定されると共に、他端部４２が位置決め移動手段５０により片持ち梁状態（図４及び図５参照）で保持されている。これにより、内径測定装置１は、位置決め移動手段５０によりアーム部材４０を位置決め移動することができ、アーム部材４０に連動して測定ヘッド３０を管体２００の所定位置に配置することができる。

台座２０は、位置決め移動手段５０を設置するための土台となる金属板であり、架台１０の上面１１に載置・固定されている。内径測定装置１や作業者の安全性を確保する観点から、台座２０は、架台１０の上面１１からはみ出さない程度であって、位置決め移動手段５０を載置可能なスペースが確保できるサイズであればよい。なお、台座２０の表面には、短手方向（＋Ｙ方向）に一定の間隔を置いて、且つ長手方向（−Ｘ方向）に亘って溝部２１ａ，２１ｂが凹設されている。

測定ヘッド３０は、位置決め移動手段５０により位置決め移動したアーム部材４０に連動して、管体２００内の所定位置に配置されることで、管体２００の内径ｄを測定することが可能なものである。測定ヘッド３０は、レーザ光を照射する照射部３１ａ〜３１ｄ及びレーザ光の反射光を検出する検出部３２ａ〜３２ｄを備えた４つのレーザ変位センサ３３ａ〜３３ｄと、４つのレーザ変位センサ３３ａ〜３３ｄを保持する基板体３４と、を具備している。

基板体３４は、十字形状の金属板からなり、一方側（−Ｘ方向側）の一方面３５がアーム部材４０の一端部４１に固定され、他方側（＋Ｘ方向側）の他方面３６の４つの端部３７ａ〜３７ｄに、４つのレーザ変位センサ３３ａ〜３３ｄがそれぞれ配置・固定されている。基板体３４のサイズは、測定対象である管体２００の内径ｄに応じて適宜設計されるものである。具体的には、基板体３４の最長幅が管体２００の内径ｄよりも小さくなるように構成されている。また、基板体３４の形状は、後述する内径測定装置１の測定原理に基づいた各位置に、４つのレーザ変位センサ３３ａ〜３３ｄをそれぞれ配置することができれば特に限定されず、必要に応じて適宜設計することができる。本実施形態では、基板体３４である金属板を十字状に成形したが、例えば円形状や矩形状等であってもよい。

４つのレーザ変位センサ３３ａ〜３３ｄは、変位信号（ｓｉｇｎａｌｏｆｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）や反射光強度信号（ｓｉｇｎａｌｏｆｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）等に基づいて、管体２００の内径ｄを測定する光学式変位計（ｏｐｔｉｃａｌｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｍｅｔｅｒ）である。

これらのレーザ変位センサ３３ａ〜３３ｄは、測長方向が、基板体３４の他方面３６と平行であり、互いに直交する２直線である第１基準線Ｌ_１及び第２基準線Ｌ_２に沿うように、４つの端部３７ａ〜３７ｄに配置・固定され、測長方向が第１基準線Ｌ_１及び第２基準線Ｌ_２の各方向に向くようになっている。具体的には、１対の第１レーザ変位センサであるレーザ変位センサ３３ａ，３３ｃが、第１基準線Ｌ_１上の両方向外側の管体２００の内壁面２０１に向かってレーザ光を照射することが可能となるように、第１基準線Ｌ_１上の基板体３４の端部３７ａ，３７ｃにそれぞれ配置されている。一方で、１対の第２レーザ変位センサであるレーザ変位センサ３３ｂ，３３ｄが、第２基準線Ｌ_２上の両方向外側の管体２００の内壁面２０１の位置を測定することが可能となるように、第２基準線Ｌ_２上の基板体３４の端部３７ｂ，３７ｄにそれぞれ配置されている。このような配置により、１対の第１レーザ変位センサであるレーザ変位センサ３３ａ，３３ｃの測長方向（±Ｚ方向）が第１基準線Ｌ_１に一致し、１対の第２レーザ変位センサであるレーザ変位センサ３３ｂ，３３ｄの測長方向（±Ｙ方向）が第２基準線Ｌ_２に一致する。

測定ヘッド３０は、上述した４つのレーザ変位センサ３３ａ〜３３ｄの配置により、測定ヘッド３０により測定されたレーザ光の基準点から管体２００の内壁面２０１までの距離Ｘ′_１〜Ｘ′_４（図１０参照）を測定することができる。本実施形態の内径測定装置１は、直角三角形のピタゴラスの定理（「三平方の定理」や「勾股弦の定理」ともいう。）に基づき、測定された距離Ｘ′_１〜Ｘ′_４を用いて管体２００の内径ｄを演算することができる。

なお、管体２００の内径ｄを演算するには、第１基準線Ｌ_１上及び第２基準線Ｌ_２上にそれぞれ配置される１対のレーザ変位センサ３３ａ，３３ｃ及び１対のレーザ変位センサ３３ｂ，３３ｄの位置が必要となる。この各レーザ変位センサ３３ａ〜３３ｄの位置は、第１基準線Ｌ_１及び第２基準線Ｌ_２の交点Ｏ′から各レーザ変位センサ３３ａ〜３３ｄのレーザ光の基準点までの距離に基づき決定される。即ち、管体２００の内径ｄに応じて適宜設計される基板体３４の形状やサイズ、或いは４つのレーザ変位センサ３３ａ〜３３ｄの種別等によって決定される任意の定値である。この定値は、後述する制御部１００内の図示しない記憶手段に記憶されており、管体２００の内径ｄを演算する際に用いられる。

アーム部材４０は、測定ヘッド３０と交差する方向、即ち本実施形態では直交する方向（＋Ｘ方向）に延びた、所定の長さを有する金属板である。金属板（アーム部材４０）の長さは、管体２００との離間距離や位置決め移動手段５０のストローク等に応じて適宜設定することができる。

図４は、本実施形態に係る内径測定装置を用いた測定ヘッドの位置決め移動前後におけるアーム部材及び位置決め移動手段の位置決め移動前の状態を示す側面図である。図５は、本実施形態に係る内径測定装置を用いた測定ヘッドの位置決め移動前後におけるアーム部材及び位置決め移動手段の位置決め移動後の状態を示す側面図である。図４及び図５に示すように、アーム部材４０の一端部４１側（＋Ｘ方向側）には測定ヘッド３０が保持され、他端部４２側（−Ｘ方向側）が位置決め移動手段５０に連結されて片持ち梁状に固定されている。アーム部材４０が片持ち梁状に固定されることにより、アーム部材４０の撓み量はアーム部材４０の位置決め移動前後において一定となり、測定精度の高い内径測定装置１を実現することができる。

位置決め移動手段５０は、台座２０の表面に凹設された溝部２１ａ，２１ｂの間に載置・固定されている（図１等参照）。本実施形態では、内径測定装置１の測定ヘッド３０を管体２００に向かって直線的に移動する位置決め移動手段５０として、電動モータ（サーボモータ）からの回転入力を、ボールねじ機構を介して駆動軸の直線運動に変換する電動アクチュエータ（産業用ロボット）を用いた。この電動アクチュエータ（位置決め移動手段５０）は、内部に電動モータ５１やボールねじ機構（ボールねじ５２や直動ガイド５３）を配した筐体５４と、筐体５４上を直線方向（±Ｘ方向）に滑動する滑動部５５とを有している。直動ガイド５３に連結された滑動部５５は、電動モータ５１により駆動軸であるボールねじ５２が回転し、直動ガイド５３が軸方向（±Ｘ方向）に直線運動すると、それに連動して筐体５４上を滑動するように構成されている。

アーム部材４０の他端部４２側（−Ｘ方向側）は、この滑動部５５に連結されている。滑動部５５が筐体５４上を長手方向（±Ｘ方向）に滑動することで、これに連動してアーム部材４０も移動する。その結果、アーム部材４０に保持された測定ヘッド３０の移動が可能となる。ただし、位置決め移動手段５０は、アーム部材４０を介して測定ヘッド３０を所定位置に移動することができれば、上述の構成に限定されない。例えば、シリンダ機構を有する電動アクチュエータ等を適用してもよい。なお、位置決め移動手段５０の駆動態様については後述する。

図２及び図３に示すように、本実施形態の内径測定装置１は、アーム部材４０を補助する１組の補助アーム部材６０ａ，６０ｂと、１組の補助アーム部材６０ａ，６０ｂの長手方向（±Ｘ方向）への移動を補助する１組の補助移動手段７０ａ，７０ｂと、を有している。

１組の補助アーム部材６０ａ，６０ｂは、測定ヘッド３０と交差する方向、即ち本実施形態では直交する方向（＋Ｘ方向）に延びた、所定の長さを有する１組の金属フレームである。１組の金属フレーム（１組の補助アーム部材６０ａ，６０ｂ）の長さは、アーム部材４０の長さに応じて適宜設定することができる。また、１組の補助アーム部材６０ａ，６０ｂは、アーム部材４０の軸方向（±Ｘ方向）の両縁端部４３ａ，４３ｂに沿って延設されている。

図６は、本実施形態に係る内径測定装置を用いた測定ヘッドの位置決め移動前における補助アーム部材及び補助移動手段の状態を示す側面図である。図７は、本実施形態に係る内径測定装置を用いた測定ヘッドの位置決め移動後における補助アーム部材及び補助移動手段の状態を示す側面図である。図６及び図７に示すように、１組の補助アーム部材６０ａ，６０ｂの一端部６１ａ，６１ｂ側（＋Ｘ方向側）には、測定ヘッド３０が保持され、他端部６２ａ，６２ｂ側（−Ｘ方向側）が１組の補助移動手段７０ａ，７０ｂにそれぞれ連結されて片持ち梁状に固定されている。１組の補助アーム部材６０ａ，６０ｂが片持ち梁状にそれぞれ固定されることにより、１組の補助アーム部材６０ａ，６０ｂの撓み量は、アーム部材４０の位置決め移動位置が変化しても一定である。即ち、本実施形態の内径測定装置１全体の撓み量は、アーム部材４０の位置決め移動によらず一定であり、内径測定装置１に１組の補助アーム部材６０ａ，６０ｂを設けたとしても、その測定精度は低減されない。

１組の補助移動手段７０ａ，７０ｂは、台座２０の表面に凹設された溝部２１ａ，２１ｂ上に載置・固定されている（図１等参照）。本実施形態では、アーム部材４０（図１等参照）に連動する１組の補助アーム部材６０ａ，６０ｂを補助する１組の補助移動手段７０ａ，７０ｂとして、直動ガイド装置が用いられている。本実施形態では、直動ガイド装置（１組の補助移動手段７０ａ，７０ｂ）として、１組の案内レール部７１ａ，７１ｂと、１組のガイド部７２ａ，７２ｂと、１組の滑動部７３ａ，７３ｂと、を備えたものを適用した。１組の補助移動手段７０ａ，７０ｂは、１組のガイド部７２ａ，７２ｂ上に１組の滑動部７３ａ，７３ｂが配置（対向配置）され、１組の滑動部７３ａ，７３ｂが１組の案内レール部７１ａ，７１ｂに対して直線運動する（±Ｘ方向に滑動する）ことができるように、両者は噛合して構成されている。

１組の補助アーム部材６０ａ，６０ｂの他端部６２ａ，６２ｂ側（−Ｘ方向側）は、この１組の滑動部７３ａ，７３ｂにそれぞれ連結されている。詳細は後述するが、１組の補助アーム部材６０ａ，６０ｂはアーム部材４０に連動するため、アーム部材４０の直線運動により、１組の補助アーム部材６０ａ，６０ｂに連動して１組の滑動部７３ａ，７３ｂが１組の案内レール部７１ａ，７１ｂ上を直線方向（±Ｘ方向）に移動する。即ち、１組の補助移動手段７０ａ，７０ｂは、アーム部材４０に連動する１組の補助アーム部材６０ａ，６０ｂの動きをスムーズにして補助することが可能となる。ただし、１組の補助移動手段７０ａ，７０ｂは、補助アーム部材６０ａ，６０ｂの動きを補助することができれば、上述の構成に限定されない。例えば、複数の転動体（ボール）を有するボールリテーナ付きの直動ガイド装置等を適用してもよい。なお、１組の補助アーム部材６０ａ，６０ｂ及び１組の補助移動手段７０ａ，７０ｂの駆動態様については後述する。

図４及び図６に示すように、測定ヘッド３０を管体２００の開口部２０２に配置して測定ヘッド３０の管体２００に対する傾斜を調節し、図５及び図７に示すように、測定ヘッド３０を管体２００内に挿入して管体２００の内径ｄを測定する際には、位置決め移動手段５０の筐体５４に内蔵された電動モータ５１により滑動部５５を駆動し、滑動部５５に固定されたアーム部材４０が管体２００の方向（＋Ｘ方向）に移動する。このとき、１組の補助アーム部材６０ａ，６０ｂは、アーム部材４０に連動して管体２００の方向（＋Ｘ方向）に移動する。

図４から図７に示すように、アーム部材４０と補助アーム部材６０ａ，６０ｂは、１つの取付け部材８０に固定されている。取付け部材８０は、所定長さを有する金属板であり、アーム部材４０及び１組の補助アーム部材６０ａ，６０ｂに測定ヘッド３０を取り付けることができると共に、これらを連動させることが可能な取付け治具である。取付け部材８０の測定ヘッド３０の反対側（−Ｘ方向側）の一方面８１には、長手方向（＋Ｙ方向）に亘って補助アーム部材６０ａ，６０ｂの間にアーム部材４０が配置され（図１等参照）、これらの一端部４１，６１ａ，６１ｂ側（＋Ｘ方向側）が固定されている。これにより、位置決め移動手段５０を用いてアーム部材４０が管体２００の軸方向（±Ｘ方向）に移動した際には、これに連動して補助アーム部材６０ａ，６０ｂも管体２００の軸方向（±Ｘ方向）に移動することができる。

図８及び図９は、本実施形態に係る内径測定装置の調節手段による測定ヘッドの調節前後の状態を示した側面図及び平面図である。図８及び図９に示すように、取付け部材８０の測定ヘッド３０側（＋Ｘ方向側）の他方面８２には、その中央部に、測定ヘッド３０の管体２００に対する傾斜を調整する調節手段９０が配置・固定されている。調節手段９０は、測定ヘッド３０と取付け部材８０の取付け部に配置されており、２つの傾斜ステージ９１，９２を組み合わせて構成されている。傾斜ステージ９１，９２は、それぞれステージ面上の空中に回転中心を持ち、これを中心にした円弧に沿ってステージ上面を駆動させる１軸の傾斜ステージである。

傾斜ステージ９１，９２は共に１軸の傾斜ステージであるが、本実施形態では、傾斜ステージ９１がＹ軸上に回転中心を持ち、傾斜ステージ９２がＺ軸上に回転中心を持つように、それぞれ配置した。傾斜ステージ９１の回転中心であるＹ軸は、互いに直交する２直線である第１基準線Ｌ_１及び第２基準線Ｌ_２のうち、第２基準線Ｌ_２に一致している。また、傾斜ステージ９２の回転中心であるＺ軸は、第１基準線Ｌ_１に一致している。即ち、測定ヘッド３０の管体２００に対する傾斜は、Ｚ軸（第１基準線Ｌ_１）に対して固定されたＹ軸（第２基準線Ｌ_２）を中心に回転して傾斜する傾斜ステージ９１に連動すると共に、Ｙ軸（第２基準線Ｌ_２）に対して固定されたＺ軸（第１基準線Ｌ_１）を中心に回転して傾斜する傾斜ステージ９２に連動することにより、Ｙ軸及びＺ軸に対する傾きを変更することで調整される。傾斜ステージ９１，９２の傾斜を変更する際には傾斜ハンドル９３，９４を回し、傾斜を固定する際にはクランプねじ９５，９６を閉める。

なお、本実施形態では、傾斜ステージ９１，９２の傾斜の調整を手動で行うように構成したが、例えば、制御部１００（図１等参照）に電気的に接続するように構成し、自動で傾斜の調整を行うようにしてもよい。また、調節手段９０として、２つの１軸の傾斜ステージ（傾斜ステージ９１，９２）を組み合わせて用いたが、その構成に限定されず、例えば、それぞれ異なる回転中心を持つ２軸の傾斜ステージを適用してもよい。更に、測定ヘッド３０から取付け部材８０の方向（−Ｘ方向）に向かって、傾斜ステージ９１及び傾斜ステージ９２の順に配置したが、本発明の要旨を逸脱しない範囲で測定ヘッド３０の傾斜を調整することができれば、特に配置は限定されない。例えば、傾斜ステージ９１及び傾斜ステージ９２の配置を逆にしてもよく、必要に応じて適宜設計することができる。

図１から図３に示すように、１２本のフレーム部材が直方体に組み立てられてなる架台１０内には、制御部１００が設けられている。図示しないが、制御部１００は、測定ヘッド３０及び位置決め移動手段５０と電気的に接続されている。制御部１００の一方側（−Ｙ方向側）の一方側面１０１には、測定ヘッド３０及び位置決め移動手段５０を制御するための指示を入出力する制御盤（表示・指示入出力装置：タッチパネル等）１０２が設けられている。これにより、測定ヘッド３０及び位置決め移動手段５０を制御して、管体２００の内径ｄを測定することができる。

制御部１００内には、図示しないが、測定ヘッド３０により測定されたレーザ光の基準点から管体２００の内壁面２０１までの距離Ｘ′_１〜Ｘ′_４（図１０参照）に基づいて管体２００の内径ｄを算出するデータ処理手段や、互いに直交する第１基準線Ｌ_１及び第２基準線Ｌ_２の交点Ｏ′から基準点までの距離（任意の定値）を記憶する記憶手段等を有している。

なお、制御部１００のデータ処理手段で行われる演算処理において、管体２００の内径ｄの演算方式は特に限定されないが、例えば、Ｐｈａｓｅ−Ｓｈｉｆｔ法、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ−ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ）法、ＦＭＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｍｏｄｕｌａｔｅｄＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−ｗａｖｅ）法等を用いることができる。

本実施形態の内径測定装置１は、上述の通りに構成することで、位置決め移動手段５０を用いて測定ヘッド３０を測定対象である管体２００の開口部２０２に移動して（図４及び図６参照）、この管体２００に対する軸方向（±Ｘ方向）の位置決めを、容易且つ確実に行うことができる。また、測定ヘッド３０を管体２００内に挿入する前に（図４及び図６参照）、調節手段９０を用いて位置決めした測定ヘッド３０の管体２００に対する傾斜を微調整し（図８及び図９参照）、後述する本実施形態の測定原理に基づいて、管体２００の開口部２０２の内径ｄを測定することで、測定精度を高めることができる。このような内径測定装置１は、簡易な構成であるので、装置の省スペース化及び低コスト化を実現することもできる。

（内径の測定方法）
次に、上述の内径測定装置１を用いて管体２００の内径ｄを測定する方法について説明する。

まず、測定対象である管体２００の開口部２０２に測定ヘッド３０を対峙させて内径測定装置１を設置し、位置決め移動手段５０を駆動させてアーム部材４０を管体２００に向かって移動させて、アーム部材４０の一端部４１側（＋Ｘ方向側）に設けられた測定ヘッド３０を管体２００の開口部２０２に配置する（図４及び図６参照）。次に、調節手段９０を用いて、管体２００の開口部２０２に配置した測定ヘッド３０の、管体２００に対する傾斜を調節する（図８及び図９参照）。具体的な調節方法は後述の通りである。

図１０は、本実施形態に係る内径測定装置の測定ヘッドに設けた４つのレーザ変位センサの管体に対する配置を模式的に示した図である。位置決め移動手段５０を用いて測定ヘッド３０を測定対象である管体２００の開口部２０２に配置した後（図４及び図６参照）、図１０に示すように、４つのレーザ変位センサ３３ａ〜３３ｄから管体２００の内壁面２０１に向かってレーザ光を照射して、レーザ光の基準点から管体２００の内壁面２０１までの距離Ｘ′_１〜Ｘ′_４を測定する。

次に、図示しない記憶手段から、互いに直交する２直線である第１基準線Ｌ_１及び第２基準線Ｌ_２の交点Ｏ′から基準点までの距離（任意の定値）を読み出し、図示しないデータ処理手段において、測定した距離Ｘ′_１〜Ｘ′_４及び上記任意の定値から、第１基準線Ｌ_１の方向の両方向（±Ｚ方向）外側の管体２００の開口部２０２の相対向する内壁面２０１間の距離である第１の距離Ｘａと、第２基準線Ｌ_２の方向の両方向（±Ｙ方向）外側の管体２００の開口部２０２の相対向する内壁面２０１間の距離である第２の距離Ｘｂと、を演算処理により算出する。

次に、得られた第１の距離Ｘａと第２の距離Ｘｂが最小値をとるように、基板体３４の第１基準線Ｌ_１の方向の第２基準線Ｌ_２回りの傾き及び第２基準線Ｌ_２の方向の第１基準線Ｌ_１回りの傾きを調整することにより測定ヘッド３０の傾斜を調節し、この状態でクランプねじ９５，９６を閉めて傾斜ステージ９１，９２の傾斜を固定する（図８及び図９参照）。

次に、位置決め移動手段５０を用いて傾斜を調節した測定ヘッド３０を管体２００内に挿入し（図５及び図７参照）、第１基準線Ｌ_１及び第２基準線Ｌ_２の交点Ｏ′から管体２００の内壁面２０１までの４点の距離Ｘ′_１〜Ｘ′_４を測定する。その後、図示しないデータ処理手段により、後述する直角三角形のピタゴラスの定理に基づいて、管体２００の内径ｄを演算する。これにより、管体２００の開口部２０２の内径ｄが得られる。

次に、内径測定装置１を用いて管体２００の内径ｄを測定する際の測定原理について説明する。

図１１は、本実施形態に係る内径測定装置のデータ処理部における内径の算出方法を説明するための図である。図１０及び図１１に示すように、管体２００の開口部２０２を円とし、管体２００の内径ｄを当該円の直径２Ｒ（半径Ｒ）とし、当該円の中心をＯとし、当該円内にあって互いに直交する第１基準線Ｌ_１及び第２基準線Ｌ_２の交点をＯ′とし、交点Ｏ′から内壁面２０１までの距離をＸ_１〜Ｘ_４（線分ＡＯ′〜ＤＯ′）とし、円の中心Ｏから線分ＢＤに対して垂線を引いたときの交点をＥ、円の中心Ｏから線分ＡＣに対して垂線を引いたときの交点をＦとする。

ここで、交点Ｏ′から内壁面２０１までの距離Ｘ_１〜Ｘ_４は、４つのレーザ変位センサ３３ａ〜３３ｄのレーザ光の基準点から管体２００の内壁面２０１までの４点の距離Ｘ′_１〜Ｘ′_４と、図示しない記憶手段に記憶された交点Ｏ′からレーザ光の基準点までの距離（任意の定値）との合計値である。従って、上述の通り４点の距離Ｘ′_１〜Ｘ′_４を、適正な位置に配置された測定ヘッド３０によりそれぞれ測定することができれば、図示しないデータ処理手段により交点Ｏ′から内壁面２０１までの距離Ｘ_１〜Ｘ_４を算出することができる。本実施形態では、この交点Ｏ′から内壁面２０１までの距離Ｘ_１〜Ｘ_４を用いて、後述する測定原理に基づき管体２００の内径ｄが得られる。具体的な測定原理は後述の通りである。

△ＡＦＯについて、直角三角形のピタゴラスの定理より、下記式（１）が得られる。
Ｒ^２＝（ＡＦ）^２＋（ＦＯ）^２・・・（１）
△ＡＦＯをなす３辺のうちの２辺ＡＦ及びＦＯは、下記式（２）及び（３）のようにそれぞれ表される。
ＡＦ＝（ＡＣ）／２＝（Ｘ_１＋Ｘ_３）／２・・・（２）
ＦＯ＝ＥＯ′＝ＤＥ−ＤＯ′＝｛（ＤＢ）／２｝−ＤＯ′＝｛（Ｘ_２＋Ｘ_４）／２｝−Ｘ_４＝（Ｘ_２−Ｘ_４）／２・・・（３）
上記式（１）に上記式（２）及び（３）を代入することにより、Ｒ^２は下記式（４）のように表される。
Ｒ^２＝（Ｘ_１ ^２＋Ｘ_２ ^２＋Ｘ_３ ^２＋Ｘ_４ ^２＋２Ｘ_１Ｘ_３−２Ｘ_２Ｘ_４）／４・・・（４）

同様に、△ＢＥＯについて、直角三角形のピタゴラスの定理より、下記式（５）が得られる。
Ｒ^２＝（ＢＥ）^２＋（ＥＯ）^２・・・（５）
△ＢＥＯをなす３辺のうちの２辺ＢＥ及びＥＯは、下記式（６）及び（７）のようにそれぞれ表される。
ＢＥ＝（ＢＤ）／２＝（Ｘ_２＋Ｘ_４）／２・・・（６）
ＥＯ＝ＦＯ′＝ＡＦ−ＡＯ′＝｛（ＡＣ）／２｝−ＡＯ′＝｛（Ｘ_１＋Ｘ_３）／２｝−Ｘ_１＝（Ｘ_３−Ｘ_１）／２・・・（７）
上記式（５）に上記式（６）及び（７）を代入することにより、Ｒ^２は下記式（８）のように表される。
Ｒ^２＝（Ｘ_１ ^２＋Ｘ_２ ^２＋Ｘ_３ ^２＋Ｘ_４ ^２−２Ｘ_１Ｘ_３＋２Ｘ_２Ｘ_４）／４・・・（８）

上記式（４）及び（８）より、下記式（９）が得られる。
（Ｘ_１ ^２＋Ｘ_２ ^２＋Ｘ_３ ^２＋Ｘ_４ ^２＋２Ｘ_１Ｘ_３−２Ｘ_２Ｘ_４）／４＝（Ｘ_１ ^２＋Ｘ_２ ^２＋Ｘ_３ ^２＋Ｘ_４ ^２−２Ｘ_１Ｘ_３＋２Ｘ_２Ｘ_４）／４
∴−２Ｘ_１Ｘ_３＋２Ｘ_２Ｘ_４＝０・・・（９）
上記式（１）及び（９）より、Ｒ^２は下記式（１０）のように表される。
Ｒ^２＝（Ｘ_１ ^２＋Ｘ_２ ^２＋Ｘ_３ ^２＋Ｘ_４ ^２）／４・・・（１０）

ここで、管体２００の内径ｄは円の直径２Ｒ（ｄ＝２Ｒ）であるから、上記式（１０）を用いて、内径ｄは下記式（１１）のように表される。
ｄ＝√（Ｘ_１ ^２＋Ｘ_２ ^２＋Ｘ_３ ^２＋Ｘ_４ ^２）・・・（１１）

従って、交点Ｏ′から内壁面２０１までの距離Ｘ_１〜Ｘ_４を測定することで、この距離Ｘ_１〜Ｘ_４を用いて、測定原理である上記式（１１）に基づき管体２００の内径ｄを算出することができる。

（内径測定装置の変形例）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の基本的構成は上述した実施形態に限定されるものではない。

本発明の内径測定装置は、手動により調節手段を用いて測定ヘッドの管体に対する傾斜を調節したが、かかる構成に限定されず、例えば、調節手段を制御部で制御し自動で測定ヘッドの傾斜を調整してもよい。

また、本発明の内径測定装置は、管体の設置状態に応じて台座を昇降する昇降手段等、例えばリフト機構を設けてもよい。これにより、内径測定装置の上下方向の位置を調節することができる。

更に、本発明の内径測定装置は、管体の内径を測定する用途に限らず、例えば、測定ヘッドを回転する回転機構を設けて細かく管体の内径を測定し、管体の内壁面の形状を測定することも可能である。

本発明は、円形の開口部を有する管体等の内径を測定する内径測定装置に適用することができ、特に、遠心成型機のドラム測定、大径Ｏリング金型内径測定、大径管体製作時の内径検査等に用いられる内径測定装置に好適である。

１内径測定装置
１０架台
１１上面
１２底面
２０台座
２１ａ，２１ｂ溝部
３０測定ヘッド
３１ａ〜３１ｄ照射部
３２ａ〜３２ｄ検出部
３３ａ〜３３ｄレーザ変位センサ
３４基板体
３５一方面
３６他方面
３７ａ〜３７ｄ端部
４０アーム部材
４１一端部
４２他端部
４３ａ，４３ｂ縁端部
５０位置決め移動手段
５１電動モータ
５２ボールねじ
５３直動ガイド
５４筐体
５５滑動部
６０ａ，６０ｂ補助アーム部材
６１ａ，６１ｂ一端部
６２ａ，６２ｂ他端部
７０ａ，７０ｂ補助移動手段
７１ａ，７１ｂ案内レール部
７２ａ，７２ｂガイド部
７３ａ，７３ｂ滑動部
８０取付け部材
８１一方面
８２他方面
９０調節手段
９１，９２傾斜ステージ
９３，９４傾斜ハンドル
９５，９６クランプねじ
１００制御部
１０１一方側面
１０２制御盤
２００管体
２０１内壁面
２０２開口部

Claims

開口部の内径を測定する内径測定装置であって、
レーザ光を照射する照射部及び前記レーザ光の反射光を検出する検出部を備えた４つのレーザ変位センサと、
前記４つのレーザ変位センサを互いに直交する２直線である第１基準線及び第２基準線上の４つの端部に配置し、前記第１基準線及び前記第２基準線のそれぞれ両方向外側の前記開口部の内壁面に向かって前記レーザ光を照射するように保持する基板体と、
前記基板体を一端部に保持し、前記基板体と交差する方向に延びるアーム部材と、
前記アーム部材の他端部を保持し、前記アーム部材をその長手方向に位置決め移動する位置決め移動手段と、
前記第１基準線の方向の両方向外側の前記開口部の相対向する内壁面間の距離である第１の距離と、前記第２基準線の方向の両方向外側の前記開口部の相対向する内壁面間の距離である第２の距離と、から前記開口部の内径を算出するデータ処理手段と、を有することを特徴とする内径測定装置。
前記アーム部材は、一端部に前記基板体が固定されると共に、他端部が前記位置決め移動手段により片持ち梁状態で保持されることを特徴とする請求項１に記載の内径測定装置。
前記基板体の前記第１基準線の方向の前記第２基準線回りの傾き及び前記第２基準線の方向の前記第１基準線回りの傾きを調節する調節手段を、前記基板体と前記アーム部材との取付け部に有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内径測定装置。
前記調節手段は、前記第１基準線の方向の両方向外側の前記開口部の相対向する内壁面間の距離である前記第１の距離が最小となるように第１の傾きを調節し、前記第２基準線の方向の両方向外側の前記開口部の相対向する内壁面間の距離である前記第２の距離が最小となるように第２の傾きを調節することを特徴とする請求項３に記載の内径測定装置。
前記基板体を一端部に保持し、前記基板体と交差する方向に延びる１組の補助アーム部材と、
前記１組の補助アーム部材の他端部を保持し、前記１組の補助アーム部材のその長手方向への移動を補助する１組の補助移動手段と、を有し、
前記１組の補助アーム部材は、一端部に前記基板体が取付け部材を介して固定されると共に、他端部が前記１組の補助移動手段により片持ち梁状態で保持され、
前記１組の補助アーム部材の一端部と、前記アーム部材の一端部と、が前記取付け部材に固定され、前記１組の補助アーム部材が前記アーム部材に連動することを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の内径測定装置。