JP5252641B2

JP5252641B2 - 孔形状測定方法

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Publication number: JP5252641B2
Application number: JP2009081895A
Authority: JP
Inventors: 賢司西堀; 政光服部; 大器前迫
Original assignee: 学校法人大同学園; リョーエイ株式会社
Priority date: 2009-03-30
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2029-03-30
Also published as: JP2010236870A

Description

本発明はアルミダイカスト成形品のように抜き勾配が形成される孔形状をも精度よく測定することができる孔形状測定方法に関するものである。

従来、孔形状の測定として、レーザ光を孔内面に照射し、孔内面からの反射光を光位置検出素子により受光し、受光した位置に基づいて孔内面と装置の基準線との間の寸法を求めるものがある（例えば、特許文献１参照）。また、プローブより被測定物の内壁面に基本光を照射し、内壁面で反射した散乱光を受光素子により受光し、受光位置に基づいて穴の内径を算出するものがある（例えば、特許文献２参照）。

しかし、特許文献１、２による孔形状の測定では孔にテーパが形成されていたり、孔の軸線と装置の軸線とがずれていたりした場合、孔形状を測定できないという問題があった。

特開平７−２６０４３９号公報特開２００８−１５７６３５号公報

本発明は孔がテーパ孔であっても、孔の軸線がずれていても、正確に孔形状を測定することができる孔形状測定方法を提供することを目的とするものである。

本発明は、成形品に形成される孔内に孔軸と軸線と一致させて光学式プローブを孔内に挿入して孔内周面に測定光を照射して孔形状を測定する孔形状測定方法において、第１の測定位置となる孔円周面の３点以上の箇所に同時または逐次測定光を照射し、孔内面からの反射光を導光部材により結像レンズに導き受光素子に導光させ、該受光素子の受光位置に基づき光学式プローブの軸線から孔内周面までの距離a、ｂ、ｃ・・を求めたうえ、光学式プローブをプローブ軸方向の第２の測定位置に移動させて前記と同様に光学式プローブの軸線から孔内周面までの距離a1、ｂ１、ｃ１・・を求め、得られた距離aとa1、距離bとｂ１、距離cとｃ１・・との各比が異なる場合、光学式プローブの軸線と孔の軸線が一致していない、あるいは平行になっていないと判定し、距離aとa1、距離ｂとｂ１、と距離cとｃ１・・間の各傾き角度を求め、各傾き角度から測定位置のずれを補正したうえ第１と第２の測定位置の中心座標から第１と第２の測定位置の孔内径を求めて孔形状を得ることを特徴とするものである。

なお、ミラーまたはプリズムよりなる導光部材により反射光を結像レンズに導いたり、ボールレンズにより測定光を孔内周面に照射したり、反射光を１つの結像レンズで結像させたりしてもよい。

本発明は、第１の測定位置となる孔円周面の３点以上の箇所に同時または逐次測定光を照射し、孔内面からの反射光を導光部材により結像レンズに導き受光素子に導光させ、該受光素子の受光位置に基づき光学式プローブの軸線から孔内周面までの距離a、ｂ、ｃ・・を求めたうえ、光学式プローブをプローブ軸方向の第２の測定位置に移動させて前記と同様に光学式プローブの軸線から孔内周面までの距離a1、ｂ１、ｃ１・・を求め、得られた距離aとa1、距離bとｂ１、距離cとｃ１・・との各比が異なる場合、光学式プローブの軸線と孔の軸線が一致していない、あるいは平行になっていないと判定し、距離aとa1、距離bとｂ１、と距離cとｃ１・・間の各傾き角度を求め、各傾き角度から測定位置のずれを補正したうえ第１と第２の測定位置の中心座標から第１と第２の測定位置の孔内径を求めて孔形状を得ることにより、測定する孔がテーパ孔であったり、孔の軸線が傾いていたりしても精確に孔形状を測定することができる。

また、請求項２のように、ミラーまたはプリズムよりなる導光部材により反射光を結像レンズに導くことにより、簡単な構造になり、組み立て構造の精度を高めることができる。

さらに、請求項３のように、ボールレンズにより測定光を孔内周面に照射することにより、孔内周面との距離により反射光像径が大きくなるという影響を少なくすることができる。

請求項４のように、反射光を１つの結像レンズで結像させることにより、構造が簡単で組み付けが容易になり精度も出しやすく、生産性も向上させることができるうえに製造コストを低減できる。

本発明の第１の実施例を示す断面図である。孔の軸線とプローブの軸線が一致した状態を示す説明図である。孔の軸線とプローブの軸線が平行であるが一致しない状態を示す説明図である。テーパ孔の軸線とプローブの軸線が一致した状態を示す説明図である。テーパ孔の軸線とプローブの軸線が平行であるが一致しない状態を示す説明図である。孔の軸線がプローブの軸線に対して傾いた状態を示す説明図である。テーパ孔の軸線がプローブの軸線に対して傾いた状態を示す説明図である。テーパ孔の軸線がプローブの軸線に対して傾いた際の測定方法を示す説明図である。測定位置のずれの補正方法を示す説明図である。テーパ角度を求める方法を示す説明図である。第１の測定位置と第２の測定位置における３点間が等しい距離に測定された場合を示す説明図である。第１の測定位置と第２の測定位置における３点間が異なる距離に測定された場合を示す説明図である。本発明の第２の実施例を示す断面図である。本発明の第３の実施例を示す断面図である。

次に、本発明の第１の実施例を図１に基づいて詳細に説明する。
図中１は本発明の光学式プローブであり、該光学式プローブ１は成形品の孔内周面外に配置されるヘッド２と、孔内に遊挿される鏡筒部３とからなる。

前記ヘッド２には位置検出センサ、ＣＣＤ素子等の受光素子２０、反射光を拡大あるいは縮小、あるいは等倍して受光素子２０に入射させるリレーレンズ２１、レーザーダイオード、発光ダイオード等の光源２２、光源光を光ファイバー２４に向けて集光させるコンデンサレンズ２３、孔内に測定光を導く３本の光ファイバー２４等が設けられている。位置検出センサの場合、測定光は逐次照射されて受光するものとし、ＣＣＤ素子の場合、３色別の測定光を照射して同時に受光することができる。なお、リレーレンズ２１の焦点距離の比を変えることにより、投影倍率の変更が可能となり、受光素子２０のサイズに合わせることができる。

前記鏡筒部３の先方部周縁には測定光を孔内周面に向けて反射させるミラー３０が１２０°間隔で３箇所配置されている。前記各光ファイバー２４の先端はミラー３０の斜面に臨ませてある。なお、ミラー３０を配置する代わりに光ファイバー２４の先端面を斜めにカットして測定光がカット面で反射して孔内周面に照射されるようにしてもよく、要は、光ファイバー２４からの測定光が斜めから孔内周面に照射されればよい。

また、前記鏡筒部３の先端には結像レンズ３１に臨ませた導光部材３２としてのミラー３２aが取り付けられており、孔内周面からの反射光を結像レンズ３1に導光させている。また、ミラー３２a後方には光線絞り３３、結像レンズ３１、フィールドレンズ３４、ロッドレンズ３５またはイメージコンジットが光学軸上に順次配列されている。なお、ミラー３２ａは具体的にはコーンミラーや角錐ミラー等を用いる。

このように構成されたものは、成形品に形成される孔内に孔の軸線とプローブの軸線を一致させて光学式プローブ１を孔内に挿入し、光ファイバー２４から照射される測定光はミラー３０を介して孔内周面に斜めから孔内壁面に照射されることとなる。

測定光の照射は少なくとも３点１２０°間隔で同時または逐次に行われる。同時に照射する場合は３色の異なる色をＣＣＤ素子に受光させることにより、３点を同時に検出できる。また、位置検出センサのように同時に受光させることができない場合は、逐次、測定光を点滅させたり、シャッタにより測定光をオンオフさせたりして３点ごとに行なう。

孔内周面に照射された測定光は反射されてミラー３２aに入射されて反射し、光線絞り３３を介して結像レンズ３１に導光される。そして、フィールドレンズ３４、ロッドレンズ３５あるいは、イメージコンジット、リレーレンズ２１を介して受光素子２０に受光される。

受光素子２０に受光された反射光は、例えば、図１１に示されるように、第１の測定位置で距離a、ｂ、ｃが測定される。

次いで、光学式プローブ1を一定距離移動させて第２の測定位置において、前記と同様の測定を行い、図１１に示されるように、距離a1 、ｂ1、ｃ1を得る。このとき距離a、ｂ、ｃと距離a1 、ｂ1、ｃ1とが同じ比なら、図２、３、４に示されるように、光学式プローブ1の軸線と孔の軸線とが一致、あるいはプローブの軸線と孔の軸線が平行になっているので、第１の測定位置の距離a、ｂ、ｃに基づいて孔の中心座標を求めたうえ、孔の内径を求める。なお、光学式プローブ１の軸線と孔の軸線とが一致、あるいは、光学式プローブ１の軸線と孔の軸線とが平行になっていることが分かっている場合には、１回の測定で孔の内径を求めることができる。なお、図２、３、４においては、測定位置を２点表して説明を分かりやすくしている。

さらに、第２の測定位置の距離a1 、ｂ1、ｃ1に基づいて孔の中心座標を求めたうえ、孔の内径を求め、図１０に示されるように、第１、第２の内径に基づいて孔のテーパ角度θ_２次式により求めるθ_２＝tan^-1｛(D₂-D₁)/2p}を求め、平行孔、テーパ孔の孔形状孔を測定する。

また、図５、６、７に示されるように、光学式プローブ1の軸線とテーパ孔の軸線とが平行だが一致しない場合や、テーパ孔や平行孔の軸線とプローブの軸線とが傾いている場合、第１の測定位置の距離a、ｂ、ｃと、光学式プローブ１をプローブ軸方向に一定距離移動させた第２の測定位置の距離a1 、ｂ1、ｃ1との比は異なるので、図８に示されるように、３点毎の傾き角度θ_１を次式により求めるθ_１＝tan^-1｛(L₂-L₁)/ (p−ｚ_１＋ｚ_２) }。なお、図５、６、７においても、測定位置を２点表して説明を分かりやすくしている。

次いで、図９に示されるように、測定位置のずれを式L₁ ^‘= L₁- z₁tanθ_１および式L_２ ^‘= L_２- z_２tanθ_１から求める。このようにしてずれを補正したうえ、孔の中心座標を求め、孔の内径を求める。次いで、前記と同様、孔のテーパ角度θ_２次式により求めるθ_２＝tan^-1｛(D₂-D₁)/2p} を求め、平行孔、テーパ孔の孔形状孔を測定する。なお、図９において、説明を分かりやすくするために、孔を大きく傾斜させたものとしている。

また、図１３は本発明の第２の実施例を示すもので、第１の実施例と相違する点は、プリズム３６を介して測定光を孔内壁面に照射している点と、ミラー３２ａの代わりにプリズム３２ｂを導光部材３２として用い反射光を結像レンズ３１に導光させている点と、測定光をボールレンズ３８を介して孔内壁面に照射している点であり、ボールレンズ３８を用いることにより測定光の光強度を高めて検出精度を高めるとともに、プリズム３２ｂを用いることにより組み付け精度を向上させている以外は、第１の実施例と構成及び作用効果は同じであるので説明を省略する。なお、プリズム３２ｂは具体的にはコーンプリズムや角錐プリズム等を用いる。

図１４は本発明の第３の実施例を示すもので、半球レンズ３９を介して測定光を孔内壁面に照射している点と、２つの半球レンズ３９を合わせたボールレンズを結像レンズ３１として結像させる点が相違し、２つの半球レンズ３９を重ねたボールレンズを用いて照射と結像を行なうことによりレンズ数を低減させる以外は、第１の実施例と構成及び作用効果は同じであるので説明を省略する。

１光学式プローブ
２ヘッド
20 受光素子
21 リレーレンズ
22 光源
23 コンデンサレンズ
24 光ファイバー
３鏡筒部
30 ミラー
31 結像レンズ
32 導光部材
32a ミラー
32b プリズム
33 光線絞り
34 フィールドレンズ
35 ロッドレンズ（イメージコンジット）
36 プリズム
38 ボールレンズ
39 半球レンズ

Claims

成形品に形成される孔内に孔軸と軸線と一致させて光学式プローブを孔内に挿入して孔内周面に測定光を照射して孔形状を測定する孔形状測定方法において、第１の測定位置となる孔円周面の３点以上の箇所に同時または逐次測定光を照射し、孔内面からの反射光を導光部材により結像レンズに導き受光素子に導光させ、該受光素子の受光位置に基づき光学式プローブの軸線から孔内周面までの距離a、ｂ、ｃ・・を求めたうえ、光学式プローブをプローブ軸方向の第２の測定位置に移動させて前記と同様に光学式プローブの軸線から孔内周面までの距離a1、ｂ１、ｃ１・・を求め、得られた距離aとa1、距離bとｂ１、距離cとｃ１・・との各比が異なる場合、光学式プローブの軸線と孔の軸線が一致していない、あるいは平行になっていないと判定し、距離aとa1、距離bとｂ１、と距離cとｃ１・・間の各傾き角度を求め、各傾き角度から測定位置のずれを補正したうえ第１と第２の測定位置の中心座標から第１と第２の測定位置の孔内径を求めて孔形状を得ることを特徴とする孔形状測定方法。
ミラーまたはプリズムよりなる導光部材により反射光を結像レンズに導くことを特徴とする請求項１に記載の孔形状測定方法。
ボールレンズにより測定光を孔内周面に照射することを特徴とする請求項１または２に記載の孔形状測定方法。
反射光を１つの結像レンズで結像させることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の孔形状測定方法。