JP4791338B2 - 光学式測定装置 - Google Patents
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光学式定装置の構成
図1に示すように、光学式測定装置10は、基台11と、同基台11に軸支されてなるアーム部12とを備えており、アーム部12は、複数(本実施形態では3つ)のアーム部材13が互いに回動自在に軸支されてなるものである。これら複数のアーム部材13のうち最も先端側に配設されたアーム部材13には、非接触式のプローブ(以下、単にプローブという)15が設けられている(図2参照)。また、光学式測定装置10は制御手段及び演算手段としてのコンピュータとコンピュータに電気的に接続されプローブ15を3次元方向に移動また軸周りに回転させる駆動手段としてのモータを備えている(いずれも図示略)。そして、このプローブ15を、シリンダブロック等の被測定物50の穴51(シリンダ)の内部において所定方向へ移動させることで、その穴の内部形状(本実施形態では、穴の傾斜角度)を測定することができる。以下、本実施形態のプローブ15について図3等に基づいて説明する。
光源としての光ファイバー21は、周囲を覆うカバー21aと同カバー21a内に収納された光ファイバー繊維21bとから構成されたユニットである。光ファイバー21の先端側側面には径方向外側に向いた窓21cが形成されており(図3)、光ファイバー繊維21bを伝送されてきた光(赤外光)はこの窓21cから収束された状態で基体16の軸線hを通りこの軸線hに直交する仮想線k上を基体16の半径方向外側に向けて照射される。以下、光ファイバー21から照射される光を「基本光α」といい、基本光αの光軸は仮想線kと一致することを前提とする。なお、図3、図4では第一測定ユニット20aを構成する光ファイバー21についてのみ仮想線kを図示している。この光ファイバー21は既存製品を用いればよく、例えばオムロン株式会社の形式名E32−T24がある。
基体16における仮想線kとの交点には貫通孔である照射孔22が形成されている。また、基体本体17のうち照射孔22よりも軸線方向先端側には長方形状に切り欠かれた反射光導入孔23が形成されている(図3、図4)。
基体本体17の先端の底部17a、および基体先端部18の底部18aには、それぞれ円孔17b、18bが形成されており、お互いの底部間に挟持される状態で円孔内に集光レンズ24が固定されている(図3、図5)。この集光レンズ24は凸レンズであり、その光軸が基体16の軸線hと平行となるように設置され、集光レンズ24の光学的な中心点24a(集光レンズ24の径方向かつ厚み方向における中心)は仮想線kを基体16の軸線hに沿って基体16の先端側に距離aだけ平行移動させた仮想線l上に位置している。なお、図5では第一測定ユニット20aを構成する集光レンズ24についてのみ仮想線lを図示している。
受光素子25は、二次元位置検出素子(Position Sensitive Detector=PSD)であり、基部25aと集光レンズ24側を向いて配置された受光面26とから構成される(図3)。受光素子25はその受光面26が基体16の軸線hと直交する面と平行になるように基体先端部18に取り付けられており、受光面26は集光レンズ24の中心点24aから軸線方向において距離b離間している。この受光素子25は、受光面26上に結像した赤外光の重心位置(受光位置)をx軸及びこれに直交するy軸上の座標(x,y)として電気信号に変換し出力することができる。この受光素子25も二次元PSDとして既存製品を用いればよく、例えば浜松ホトニクス株式会社の型式名S7848がある。
以下、本実施形態の測定ユニット20において、光ファイバー21から照射された光が穴51の内壁面52に当たり、そこで生じた散乱光が受光素子25に結像されるまでの経路について図7に基づいて説明する。なお、図7は説明の便宜上3組の測定ユニット20のうち第一測定ユニット20aのみを図示しているが、第二測定ユニット20b、第三測定ユニット20cについても同様である。
まず、コンピュータは駆動手段を駆動させてプローブ15を穴51内部の第一測定位置30へと移動させる(図9の実線にて示す位置)。測定対象となる穴51は加工用データに基づいて深さ、内径等が設定されており、穴51の形状を正確に測定するために第一測定位置30においてプローブ15の軸線方向が穴51の形成方向とほぼ平行となるようにしておく方が好ましい。なお、第一測定位置30は穴51の内部であればその深さは限定されないが、穴51の下端に近いとプローブ15がさらに移動することができなくなる。
第一測定位置30へ移動した後に穴51の形状(内径)を算出するための座標測定を行う。穴51の内径を測定する段階では穴51の中心および半径はいずれも判明していない。このため、第一測定位置30において、同位置にあるプローブ15のうち基本光αが照射される位置における軸心gを座標原点(X=0,Y=0)とした場合の、同位置における穴51の内壁面52の円周上の異なる3箇所の座標を測定する。なお、この場合の座標は受光面26の座標と同じマップを用いてもよいし、異なるマップを用いてもよい。測定対象となる3箇所の座標は第一測定ユニット20a、第二測定ユニット20b、第三測定ユニット20cを順次作動させて行う。以下、第一測定ユニット20aを用いた測定方法を例に説明する。
上記ステップ2により求めた穴51の内壁面52の3箇所の座標値に基づいて第一仮想円31の式を算出する。まず、既に求めた3つの反射位置52aの座標値(X11,Y11)(X12,Y12)(X13,Y13)のうち任意の2点の座標値(Xi,Yi)、(Xi+1,Yi+1)を、下記式(4)の円の方程式に代入する。なお、本実施形態では、穴51の断面形状を略真円と仮定する。
ステップ4において、コンピュータは駆動手段を駆動させてプローブ15を第二測定位置40(図9の二点差線で示す位置)へと移動させる。この第二測定位置40は第一測定位置30におけるプローブ15をその軸線h上に穴51の深さ方向Fへ向けて所定距離tだけ移動させた位置である。
プローブ15を第二測定位置40へ移動した後には同位置における穴51の形状を測定する。この測定方法はステップ2の測定方法と同じであり、第一測定ユニット20a、第二測定ユニット20b及び第三測定ユニット20cを順次動作させてこの第二測定位置における穴51の内壁面52の異なる3箇所の座標値(X21,Y21)(X22,Y22)(X23,Y23)を測定する。
上記ステップ5により求めた第二測定位置40における穴51の内壁面52の3箇所の座標値に基づいて第二仮想円41の式を算出する。算出方法はステップ3と同じであり、算出した第二仮想円41の式はコンピュータのRAM(図示略)に格納される。
コンピュータは、ステップ3で求めた第一仮想円31とステップ6で求めた第二仮想円41の式をRAMから読み出して穴51の傾斜角度θを演算する。すなわち、プローブ15の軸線方向に対する穴51の傾斜角度θは第一仮想円31の中心座標31aと第二仮想円41の中心座標41aとを結ぶ線により求めることができる(図10)。ここで、穴51の傾斜角度θが零で、内壁面52がプローブ15の軸線方向と一致する場合には、第一仮想円31の中心座標31aと第二仮想円41の中心座標41aは一致するはずである。一方、第一仮想円31の中心座標31aに対して第二仮想円41の中心座標41aが一致しない場合(図10に示す状態)には、プローブ15の軸線方向に対して穴51が傾いていることになるため、第一仮想円31の中心座標31aと第二仮想円41の中心座標41aとプローブ15の距離tとの関係から穴51の傾斜角度θを算出することができる。
* 本実施形態の光学式測定装置10によれば、各測定ユニット20(20a,20b,20c)から基本光αを穴51の内壁面52に対して照射することで各反射位置52aの座標値を求め、穴51の内部における任意の箇所で1つの仮想円を同定することにより穴51の内径が測定される。また、穴51の内部においてプローブ15の軸線方向の2箇所でそれぞれ仮想円を同定することにより穴51の傾斜角度θが測定される。すなわち、プローブ15を穴51の内壁面52に接触させることなく同穴51の内部が測定可能とされる。これにより、本実施形態では、穴51の内壁面52にプローブ15を接触させるための複雑な機構を必要とせず、構成の簡略化を図ることができ、ひいては装置の大型化が回避される。そして、穴51の内部にプローブ15を挿入するといった極めて簡易な操作により、所望の測定が可能となる。従って、本実施形態の光学式測定装置10によれば、被測定物50の製造現場においてその穴51の内部を短時間で容易に測定することができる。
* 穴51の内壁面52の座標値は、受光面26の原点26aからの反射光βの受光面26上への結像点26bまでの距離sを求めることによって算出している。したがって穴51の内壁面52の座標値を容易に測定することができる。
* 距離Lと距離sとの関係は1次の直線(式(1))となるから、受光素子25における検出感度は、dL/ds=−a/bと一定となり、距離L、距離sに依存することなく安定した感度を得ることができる。
○ 受光素子(二次元PSD)25に、測定に用いた波長の光のみを通過させるフィルタを備えたものを用いると、外乱光等のノイズを更に減少させることができる。
○ 本実施形態では、3つの光ファイバー21を周方向において等間隔毎に設けたが、隣接する光ファイバー21同士の間隔はそれぞれ相違するものであってもよい。
○ 本実施形態では、光ファイバー21よりも基体16の先端側に位置する箇所に受光素子25を配設したが、同受光素子25の配設箇所はこれに限定されるものではない。すなわち、光ファイバー21よりも基体16の基端側に位置する箇所に受光素子25を配設してもよい。このような構成とした場合においても、穴51の内壁面52で反射した散乱光のうち任意の光が受光素子25上に結像されることから、穴51の内部形状に関する所望の測定が可能となる。
(1)プローブには、透過部を透過した任意の散乱光を集光させて受光素子に受光させるための集光レンズが配置されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の光学式測定装置。
(2)前記集光レンズは、その光軸がプローブの先端方向に向かってプローブの軸線側に傾斜して配置されていることを特徴とする技術的思想1に記載の光学式測定装置。
Claims (4)
- 被測定物に設けられた穴の内部を測定する光学式測定装置であって、
前記光学式測定装置は、
基本光を照射する光源と、前記被測定物の穴の内壁面に向けて前記基本光を通過させる照射孔と、前記内壁面で反射された任意の散乱光を透過させるための透過部と、当該透過部を透過した前記任意の散乱光を集光する集光レンズと、前記集光レンズで集光された散乱光を受光する受光素子とを備えた測定ユニットを有する非接触式のプローブと、
前記プローブが前記穴の内部に挿入された状態で、前記受光素子上における前記任意の散乱光の受光位置に基づき仮想円径および中心座標を求めることにより、前記穴の内径を算出する演算手段とを備えてなり、
前記プローブは、前記測定ユニットを複数備えており、
前記複数の測定ユニットは、前記光源と、前記照射孔と、前記透過部と、前記集光レンズとをそれぞれ個別に有するとともに、前記受光素子を全測定ユニットで共有していることを特徴とする光学式測定装置。 - 被測定物に設けられた穴の内部を測定する光学式測定装置であって、
前記光学式測定装置は、
基本光を照射する光源と、前記被測定物の穴の内壁面に向けて前記基本光を通過させる照射孔と、前記内壁面で反射された任意の散乱光を透過させるための透過部と、当該透過部を透過した前記任意の散乱光を集光する集光レンズと、前記集光レンズで集光された散乱光を受光する受光素子とを備えた測定ユニットを有する非接触式のプローブと、
前記プローブが前記穴の内部に挿入された状態で、当該穴の深さ方向に沿う少なくとも2箇所において前記受光素子上における前記任意の散乱光の受光位置に基づきそれぞれ仮想円径および中心座標を求めることで、前記穴の傾斜角度を算出する演算手段とを備えてなり、
前記プローブは、前記測定ユニットを複数備えており、
前記複数の測定ユニットは、前記光源と、前記照射孔と、前記透過部と、前記集光レンズとをそれぞれ個別に有するとともに、前記受光素子を全測定ユニットで共有していることを特徴とする光学式測定装置。 - 請求項1又は請求項2に記載の光学式測定装置であって、
前記複数の測定ユニットは、前記プローブの軸線上に中心を有する同一円周上に設けられてなることを特徴とする光学式測定装置。 - 請求項1〜3のいずれか一項に記載の光学式測定装置であって、
前記受光素子は二次元位置検出素子であり、該二次元位置検出素子の受光面は前記プローブの軸線と直交する平面上に配置されていることを特徴とする光学式測定装置。
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