JP6043623B2 - 内径測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定対象における測定孔の内径を測定する内径測定装置に関する。

種々の工業製品となる測定対象の加工孔の内径を測定するに当たっては、加工孔に傷を付けないために、非接触で測定することが行われている。
例えば、特許文献１の孔内面検査装置においては、光源から発せられた光ビームを集光レンズを介して集光し、更にリレーレンズを介して略平行光束をなす光ビームとして光学鏡筒内に導き、反射鏡と対物レンズとを介して被測定物の孔内面に照射し、その反射光を集光して光学鏡筒に導入する。そして、ビームスプリッターを介して得られる反射光からその合焦状態を受光器によって検出する。また、レンズ駆動機構によって、集光レンズ又はリレーレンズをその光軸方向に変位させ、距離計測手段によって、合焦が検出されたときの集光レンズ又はリレーレンズの変位量から対物レンズと被測定物の孔内面との距離を計測している。また、鏡筒回転機構によって光学鏡筒を回転させ、孔内面の全周に亘って上記距離の計測を行っている。これにより、対物レンズの焦点距離に依存する計測精度の低下を防ぎ、被測定物の孔部の内径や凹凸状態等を高精度に計測している。

特開２００２−３９７２４号公報

しかしながら、特許文献１の孔内面検査装置においては、光源、受光器、レンズ駆動機構等を固定したままの状態で、鏡筒回転機構によって光学鏡筒のみを回転させている。そのため、鏡筒回転機構における回転の精度を向上させることができなければ、光学鏡筒を回転させるときに光源等との間に生じる位置ずれ（偏心）誤差が、受光器によって検出する合焦状態に影響を与え、孔内面検査装置による内径の測定誤差となるおそれがある。
さらに、ドリル等の工具で切削された加工孔の内壁面は工具の切削跡が残っており、微小な凹凸形状となる。この場合、特許文献１の孔内面検査装置においては、鏡筒回転機構によって光学鏡筒のみを回転させているので、測定孔の内壁面の凹凸形状の状態によってこの内壁面で反射される反射光が不安定となる。そのため、孔内面検査装置による内径の測定誤差が一層拡大するおそれがある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、測定対象における測定孔の内径の測定精度を高めることができる内径測定装置を提供しようとして得られたものである。

本発明の一態様は、レーザー光を発する光源、該光源から発せられたレーザー光を透過させる一方、測定対象に反射して戻るレーザー光を反射させるハーフミラー、上記光源から発せられたレーザー光の集光及び焦点調整をする焦点調整レンズ、及び上記ハーフミラーによって反射されるレーザー光を受光して合焦を検出する受光器を有するレーザー変位計と、
上記焦点調整レンズを透過したレーザー光を、平行なレーザー光にして透過させるコリメートレンズと、
該コリメートレンズを透過するレーザー光を、直角に反射させる第１プリズムと、
該第１プリズムによって反射されるレーザー光を、Ｕターンさせるように直角に２回反射させる第２プリズムと、
該第２プリズムによって反射されるレーザー光を、上記コリメートレンズにおけるレーザー光の透過方向と平行になるよう直角に反射させる第３プリズムと、
該第３プリズムによって反射されるレーザー光を集光する結像レンズと、
該結像レンズによって集光されるレーザー光を、直角に反射させて上記測定対象に導く第４プリズムと、
上記レーザー変位計が取り付けられ、上記レーザー光を内部に通過させるケース本体部と、
上記第４プリズムを先端部に配置し、上記ケース本体部の内部を通過するレーザー光を内部に通過させる光学鏡筒と、
上記ケース本体部に対して、上記第３プリズム、上記結像レンズ、上記第４プリズム及び上記光学鏡筒、又は上記第２プリズム、上記第３プリズム、上記結像レンズ、上記第４プリズム及び上記光学鏡筒を、該光学鏡筒内を通過する光軸中心線に直交する方向であって上記第２プリズムと上記第１プリズム及び上記第３プリズムとが向き合う方向にスライドさせる偏心スライド機構と、
該偏心スライド機構によるスライド量に基づいて、上記ケース本体部内を通過する光軸中心線に対する、上記光学鏡筒内を通過する光軸中心線の偏心量を検出する偏心量検出手段と、
上記レーザー変位計、上記コリメートレンズ、上記第１プリズム、上記第２プリズム、上記第３プリズム、上記結像レンズ、上記第４プリズム、上記ケース本体部、上記光学鏡筒、上記偏心スライド機構及び上記偏心量検出手段を、上記ケース本体部内における上記コリメートレンズを透過した後であって上記第１プリズムによって反射される前のレーザー光の光軸中心線の回りに一体的に回転させる回転機構と、
上記光学鏡筒が上記測定対象の測定孔に配置された状態で、上記偏心量検出手段から送られる上記偏心量の情報を利用して、上記受光器によって合焦が検出されるときの、上記結像レンズから上記測定孔の内壁面までの焦点距離を測定するとともに、上記回転機構を回転させて上記測定孔の周方向の各点について行った上記焦点距離の測定結果に基づいて上記測定孔の内径を算出する演算手段と、を備えていることを特徴とする内径測定装置にある（請求項１）。

上記内径測定装置においては、レーザー変位計、ケース本体部、光学鏡筒、偏心スライド機構等を一体的に回転させることにより、回転に伴う位置ずれ（偏心）誤差が生じないようにして、測定対象における測定孔の内径の測定精度を高めている。
内径測定装置によって測定孔の内径を測定するに当たっては、光学鏡筒を測定対象の測定孔に配置する。このとき、光学鏡筒は、測定孔の中心に一致するように配置する。そして、光源から発されるレーザー光は、ハーフミラー、焦点調整レンズ、コリメートレンズ、第１〜第３プリズム、結像レンズ及び第４プリズムを透過して、測定孔の内壁面まで導かれる。また、測定孔の内壁面に反射されるレーザー光は、第４プリズム、結像レンズ、第１〜第３プリズム、コリメートレンズ及び焦点調整レンズを透過し、ハーフミラーによって反射されて受光器に受光される。このとき、受光器は、レーザー光の焦点が測定孔の内壁面に合焦する状態を検出し、この合焦が検出されるときの結像レンズから測定孔の内壁面までの焦点距離を測定する。この焦点距離の測定は、焦点調整レンズを光軸方向に位置調整し、この位置調整を行った焦点調整レンズの位置を検出して行うことができる。

また、測定対象における測定孔の内径の大きさに応じて、偏心スライド機構によって、第３プリズム、結像レンズ、第４プリズム及び光学鏡筒、又は第２プリズム、第３プリズム、結像レンズ、第４プリズム及び光学鏡筒を、光学鏡筒内を通過する光軸中心線に直交する方向であって第２プリズムと第１プリズム及び第３プリズムとが向き合う方向にスライドさせる。これにより、各プリズムによる光軸方向を変えない状態で、光源からケース本体部内を通過する光軸中心線に対して、光学鏡筒内を通過する光軸中心線の位置を偏心させることができる。この偏心量は、偏心量検出手段によって検出される。偏心スライド機構によって偏心量を調整することにより、内径測定装置によって測定する測定対象における測定孔の内径の大きさの測定範囲を拡大することができる。

そして、測定孔における周方向の各点について焦点距離を測定するために、回転機構によって、レーザー変位計、コリメートレンズ、第１プリズム、第２プリズム、第３プリズム、結像レンズ、第４プリズム、ケース本体部、光学鏡筒、偏心スライド機構及び偏心量検出手段を、ケース本体部内を通過する光軸中心線の回りに一体的に回転させる。このとき、ケース本体部内を通過する光軸中心線に対する、光学鏡筒内を通過する光軸中心線の偏心量を大きくするほど、内径の大きな測定孔について測定することが可能になる。そのため、内径測定装置によって測定する測定孔の内径の大きさの測定範囲を拡大することができる。

また、演算手段は、偏心量検出手段から送られる偏心量の情報を利用して焦点距離を測定し、測定孔の周方向の各点について行った焦点距離の測定結果に基づいて、測定孔の内径を算出する。
このように、上記内径測定装置においては、回転機構によって、レーザー変位計、ケース本体部、光学鏡筒、偏心スライド機構等の全体を一体的に回転させることにより、ケース本体部及び光学鏡筒の内部を通過するレーザー光の光軸に、回転に伴う位置ずれ（偏心）が生じない。そのため、測定対象における測定孔の内径の測定精度を高めることができる。また、特に、測定孔の内壁面に微笑な凹凸がある場合でも、測定孔の内径の測定精度がほとんど悪化することがない。

実施例にかかる、内径測定装置の構成を示す説明図。 実施例にかかる、内径測定装置を示す断面説明図。 実施例にかかる、内径測定装置におけるケース本体部の周辺を示す断面説明図。 実施例にかかる、内径測定装置における光学鏡筒の周辺を示す断面説明図。 実施例にかかる、レーザー変位計、回転機構等の周辺を、光軸中心線の方向から見た状態で示す説明図。 実施例にかかる、偏心スライド機構の周辺を、光軸中心線の方向から見た状態で示す説明図。

上述した内径測定装置における好ましい実施の形態につき説明する。
上記内径測定装置において、上記ハーフミラーは、プリズム型、平面型等の種々のビームスプリッターとすることができる。上記焦点調整レンズは、レーザー光の集光及び焦点調整を行うことができる種々の構成とすることができる。また、上記第１〜第４プリズムは、反射鏡も含むものであり、レーザー光を直角に反射させる性質を有する、プリズム型、平面型等の種々の部材とすることができる。

また、上記レーザー変位計は、上記焦点調整レンズを通過する光軸中心線に対して直交する方向に、該焦点調整レンズを振動させる直交加振手段を有していてもよい（請求項２）。
この場合には、直交加振手段によって焦点調整レンズを振動させるときには、プリズムから測定孔の内壁面に照射されるレーザー光が、測定孔の軸方向に振れ、この軸方向の複数箇所において焦点距離の測定をすることができる。そのため、凹凸があり、表面粗さが粗い測定孔の内壁面であっても、焦点距離の測定誤差が生じにくくすることができる。

また、上記レーザー変位計は、上記焦点調整レンズを所定振幅で光軸方向に振動させる加振手段と、該加振手段によって振動する上記焦点調整レンズの位置を検出する位置検出手段とを有しており、上記受光器は、受光素子と、該受光素子の表面側に配置された絞り孔とを有しており、かつ、上記加振手段によって上記焦点調整レンズが振動する際に、上記絞り孔を通過するレーザー光の受光量が最大になるときを合焦として検出するよう構成されており、上記演算手段は、上記受光器が合焦を検出したときに、上記位置検出手段から送られる上記焦点調整レンズの位置の情報を利用して、上記焦点距離の測定を行うよう構成されていてもよい（請求項３）。
この場合には、焦点調整レンズ及び受光器の構成によって、演算手段による焦点距離の測定の精度を向上させることができる。

また、上記ケース本体部は、空気膜を形成して非接触で回転支持するエアベアリングを介して、上記回転機構におけるモータが固定された固定ベースに対して配設されており、上記モータの出力軸から上記ケース本体部には、動力伝達部材を介して動力が伝達されるよう構成されており、上記回転機構は、上記ケース本体部に軸受を介して設けられたモータベースに配設されており、該モータベースと上記固定ベースとの間には、上記回転機構におけるモータが設けられた径方向の位置に、モータベースの周方向への回転を規制する一方、径方向への位置ずれを許容する回り止め部が設けられていてもよい（請求項４）。

この場合には、回転機構におけるモータを、ケース本体部に軸受を介して設けられたモータベースに配設し、回り止め部によってモータベースが回転しないようにする。そして、回り止め部は、モータベースの径方向への位置ずれを許容することにより、回転機構におけるモータの出力軸から、動力伝達部材を介してケース本体部に加わる荷重を吸収することができる。これにより、動力伝達部材を介した荷重がエアベアリングに加わらないようにし、エアベアリングによる回転支持を安定させることができる。そのため、回転機構によって、レーザー変位計、ケース本体部、光学鏡筒、偏心スライド機構等の全体を回転させる際に、回転に伴う位置ずれを、より一層生じにくくすることができる。

以下に、内径測定装置にかかる実施例につき、図面を参照して説明する。
本例の内径測定装置１は、図１に示すごとく、レーザー変位計２及び光学鏡筒５を回転させて、測定対象８における測定孔８１の内径を測定するよう構成されている。内径測定装置１は、次のレーザー変位計２、コリメートレンズ６１、第１〜第３プリズム６２〜６４、結像レンズ６５、第４プリズム６６、ケース本体部３、光学鏡筒５、偏心スライド機構５１、偏心量検出手段５２、回転機構４及び演算手段７１を備えている。
レーザー変位計２は、レーザー光Ｘを発する光源２１と、光源２１から発せられたレーザー光Ｘを透過させる一方、測定対象８に反射して戻るレーザー光Ｘを反射させるハーフミラー２２と、光源２１から発せられたレーザー光Ｘの集光及び焦点調整をする焦点調整レンズ２３と、ハーフミラー２２によって反射されるレーザー光Ｘを受光して合焦を検出する受光器２７とを有している。

コリメートレンズ６１は、焦点調整レンズ２３を透過したレーザー光Ｘを、平行なレーザー光Ｘにして透過させるものである。第１プリズム６２は、コリメートレンズ６１によって集光されるレーザー光Ｘを、直角に反射させるものである。第２プリズム６３は、第１プリズム６２によって反射されるレーザー光Ｘを、Ｕターンさせるように直角に２回反射させるものである。第３プリズム６４は、第２プリズム６３によって反射されるレーザー光Ｘを、コリメートレンズ６１におけるレーザー光Ｘの透過方向と平行になるように、直角に反射させるものである。結像レンズ６５は、第３プリズム６４を透過するレーザー光Ｘを集光するものである。第４プリズム６６は、結像レンズ６５によって集光されるレーザー光Ｘを、直角に反射させて測定対象８に導くものである。

同図に示すごとく、ケース本体部３は、レーザー光Ｘを内部に通過させるよう構成されており、ケース本体部３には、レーザー変位計２が取り付けられている。光学鏡筒５は、ケース本体部３の内部を通過するレーザー光Ｘを内部に通過させる筒形状を有しており、第４プリズム６６を先端部内に配置させている。
偏心スライド機構５１は、ケース本体部３に対して、第３プリズム６４、結像レンズ６５、第４プリズム６６及び光学鏡筒５を、光学鏡筒５内を通過する光軸中心線Ｃ２に直交する横方向であって第２プリズム６３と第１プリズム６２及び第３プリズム６４とが向き合う方向にスライドさせるよう構成されている。

偏心量検出手段５２は、偏心スライド機構５１によるスライド量に基づいて、ケース本体部３内を通過する光軸中心線Ｃ１に対する、光学鏡筒５内を通過する光軸中心線Ｃ２の偏心量Ｒを検出するよう構成されている。回転機構４は、レーザー変位計２、コリメートレンズ６１、第１プリズム６２、第２プリズム６３、第３プリズム６４、結像レンズ６５、第４プリズム６６、ケース本体部３、光学鏡筒５、偏心スライド機構５１及び偏心量検出手段５２を、ケース本体部３内を通過する光軸中心線Ｃ１の回りに一体的に回転させるよう構成されている。

演算手段７１は、光学鏡筒５が測定対象８の測定孔８１に配置された状態で、偏心量検出手段５２から送られる偏心量Ｒの情報を利用して、受光器２７によって合焦が検出されるときの、結像レンズ６５から測定孔８１の内壁面までの焦点距離を測定するとともに、回転機構４を回転させて測定孔８１の周方向の各点について行った焦点距離の測定結果に基づいて測定孔８１の内径を算出するよう構成されている。

以下に、本例の内径測定装置１につき、図１〜図６を参照して詳説する。
本例の内径測定装置１は、図１に示すごとく、測定対象８である金属部品に形成された加工孔を測定孔８１として、その内径を測定するよう構成されている。内径測定装置１は、光学鏡筒５を、測定対象８における種々の箇所に形成された測定孔８１に挿入するために、ロボット等の移動装置によって移動可能に構成されている。
レーザー変位計２において、光源２１は、円錐状に広がるレーザー光Ｘを発する半導体レーザーによって構成されている。ハーフミラー２２は、レーザー光Ｘの光軸方向に対して４５°に傾斜して配置されており、光源２１からのレーザー光Ｘの透過と、受光器２７へのレーザー光Ｘの反射とを行うよう構成されている。

焦点調整レンズ２３は、光源２１から発せられるレーザー光Ｘを平行にして透過させるリレーレンズ２３１の光軸方向下流側に配置されている。レーザー変位計２は、焦点調整レンズ２３を所定振幅で光軸方向に振動させる加振手段２４と、加振手段２４によって振動する焦点調整レンズ２３の位置を検出する位置検出手段２５とを有している。また、レーザー変位計２は、測定精度を高めるために、焦点調整レンズ２３を光軸方向に直交する方向に振動させる直交加振手段２６も有している。
直交加振手段２６によって焦点調整レンズ２３を振動させるときには、第４プリズム６６から測定孔８１の内壁面に照射されるレーザー光Ｘが、測定孔８１の軸方向に振れ、この軸方向の複数箇所において焦点距離の測定をすることができる。そのため、凹凸があり、表面粗さが粗い測定孔８１の内壁面であっても、焦点距離の測定誤差が生じにくくすることができる。

図１に示すごとく、受光器２７は、受光素子２７１と、受光素子２７１の表面側に配置された絞り孔２７２（ピンホール）とを有している。絞り孔２７２は、ハーフミラー２２から照射されるレーザー光Ｘが小さく集光するときに通過できるよう形成されている。受光器２７は、加振手段２４によって焦点調整レンズ２３が振動する際に、アンプ２８によって、絞り孔２７２を通過するレーザー光Ｘの受光量が最大になるときを合焦として検出するよう構成されている。

図２、図３に示すごとく、ケース本体部３は、空気膜を形成して非接触で回転支持するエアベアリング３４を介して、回転機構４におけるモータ４１が固定された固定ベース１１に対して配設されている。固定ベース１１は、内径測定装置１を測定対象８における種々の測定孔８１へと移動させる移動装置に固定されている。ケース本体部３は、レーザー変位計２が取り付けられた基端側取付部分３１と、エアベアリング３４の内周側に配置された回転部分３２と、偏心スライド機構５１が取り付けられた先端側取付部分３３とを有している。基端側取付部分３１、回転部分３２及び先端側取付部分３３には、レーザー光Ｘが通過するための通過穴３０が形成されている。
図４に示すごとく、ケース本体部３の通過穴３０及び光学鏡筒５内等のレーザー光Ｘが通過する部分には、レーザー光Ｘ以外の光が入って拡散・反射することを防ぐための塗装等の処理がなされている。また、光学鏡筒５の先端部付近の外周には、第４プリズム６６によって直角に反射されたレーザー光Ｘを、光学鏡筒５の外部へ通過させるための窓５１２が形成されている。

図３に示すごとく、モータ４１の出力軸４１１からケース本体部３には、動力伝達部材４２を介して動力が伝達されるよう構成されている。本例の動力伝達部材４２は、モータ４１の出力軸４１１と基端側取付部分３１の中心部とにそれぞれ取り付けられたプーリ４２１，４２２と、各プーリ４２１，４２２に掛け渡されたベルト４２３とによって構成されている。モータ４１の出力軸４１１から動力伝達部材４２を介してケース本体部３に加わる荷重を、エアベアリング３４で受けることによって、回転機構４によって回転させるレーザー変位計２、光学鏡筒５等に不要な荷重がほとんど加わらないようにしている。
なお、動力伝達部材４２は、互いに噛合するギヤを用いたもの、スプロケットとチェーンを用いたもの等、種々の構成とすることができる。

また、本例においては、エアベアリング３４による滑らかな回転を実現するために、回転機構４の周辺に次の工夫をしている。
図５に示すごとく、回転機構４は、ケース本体部３に軸受３５１を介して設けられたモータベース３５に配設されている。モータベース３５と固定ベース１１との間には、回転機構４におけるモータ４１が設けられた径方向の位置に、モータベース３５の周方向への回転を規制する一方、径方向への位置ずれを許容する回り止め部３６が設けられている。また、モータベース３５において、回転機構４が設けられた径方向位置とは反対側の径方向位置には、偏心荷重が作用することを防止するために、回転機構４の質量とほぼ同じ質量であるバランスウェイト４３が設けられている。

回り止め部３６は、モータベース３５においてモータ４１が設けられた径方向の位置に形成されたガイド穴（又はガイド溝）３６１と、固定ベース１１に設けられ、ガイド穴３６１に配置されるガイド突起部３６２とによって構成されている。ガイド突起部３６２は、カムフォロア（ローラ）等を用いて構成することができる。ガイド突起部３６２は、ガイド穴３６１の周方向に対して接触する一方、ガイド穴３６１の径方向に対して隙間を形成している。

本例においては、回転機構４におけるモータ４１を、ケース本体部３に軸受３５１を介して設けられたモータベース３５に配設し、回り止め部３６によってモータベース３５が回転しないようにしている。そして、回り止め部３６は、モータベース３５の径方向への位置ずれを許容することにより、回転機構４におけるモータ４１の出力軸４１１から、動力伝達部材４２を介してケース本体部３に加わる荷重を吸収することができる。これにより、動力伝達部材４２を介した荷重がエアベアリング３４に加わらないようにし、エアベアリング３４による回転支持を安定させることができる。そのため、回転機構４によって、レーザー変位計２、ケース本体部３、光学鏡筒５、偏心スライド機構５１等の全体を回転させる際に、回転に伴う位置ずれを、より一層生じにくくすることができる。

図３に示すごとく、第１プリズム６２及び第２プリズム６３は、ケース本体部３の先端側取付部分３３に設けられている。第２プリズム６３は、第１プリズム６２と第３プリズム６４とに対向する大きさに形成されており、第１プリズム６２から入射するレーザー光Ｘを、第３プリズム６４に向けて折り返すように構成されている。
第３プリズム６４、結像レンズ６５、第４プリズム６６及び光学鏡筒５は、偏心スライド機構５１によってスライドするスライドブロック５３に設けられている。
なお、偏心スライド機構５１は、スライドブロック５３に、第２プリズム６３、第３プリズム６４、結像レンズ６５、第４プリズム６６及び光学鏡筒５を設けて、第１プリズム６２に対する第２プリズム６３の位置を変化させるよう構成することもできる。

偏心スライド機構５１は、モータ５１１によって回転するネジにナットを螺合させ、ネジの回転を受けて回り止めを行ったナットを進退させる構造を有している。スライドブロック５３は、ナットに連結されており、ガイドレールによってガイドされてスライド可能になっている。
偏心スライド機構５１によってスライドブロック５３がスライドする際には、第２プリズム６３に対する第３プリズム６４の位置が変化し、ケース本体部３における光軸中心線Ｃ１に対して光学鏡筒５における光軸中心線Ｃ２が平行になる状態を維持して、ケース本体部３における光軸中心線Ｃ１に対する光学鏡筒５における光軸中心線Ｃ２の偏心量Ｒを変化させることができる。

図１に示すごとく、本例の偏心量検出手段５２は、偏心スライド機構５１におけるモータ５１１の回転量に基づいて、スライドブロック５３のスライド量を算出し、ケース本体部３内を通過する光軸中心線Ｃ１に対する、光学鏡筒５内を通過する光軸中心線Ｃ２の偏心量Ｒを検出する。本例の内径測定装置１は、光学鏡筒５の光軸中心線Ｃ２が、ケース本体部３の光軸中心線Ｃ１と一致する状態から偏心させることにより、偏心スライド機構５１によるスライド可能量の範囲内で、大きな測定孔８１の内径も測定することができる。
ケース本体部３の先端側取付部分３３において、偏心スライド機構５１が設けられた径方向位置とは反対側の径方向位置には、内径測定装置１に偏心荷重が作用することを防止するために、偏心スライド機構５１の質量とほぼ同じ質量であるバランスウェイト５６が設けられている。

本例の演算手段７１は、受光器２７が合焦を検出したときに、偏心量検出手段５２から送られる光学鏡筒５の偏心量Ｒの情報と、焦点調整レンズ２３の位置検出手段２５から送られる焦点調整レンズ２３の位置の情報とを用いて、焦点距離の測定を行うよう構成されている。また、測定する測定孔８１の内径に合わせて偏心スライド機構５１によって光学鏡筒５の偏心量Ｒを調整した後、焦点調整レンズ２３の位置を調整して、受光器２７における合焦を検出することにより、焦点距離を測定することができる。

図１に示すごとく、回転機構４のモータ４１及び偏心スライド機構５１のモータ５１１は、内径測定装置１の制御装置７によって動作する。焦点調整レンズ２３の位置検出手段２５、レーザー変位計２における受光器２７のアンプ２８、及び偏心スライド機構５１の偏心量検出手段５２は、制御装置７に接続されている。演算手段７１は、制御装置７内のコンピュータによって構成されており、位置検出手段２５、アンプ２８及び偏心量検出手段５２から送られるデータに基づいて、結像レンズ６５の焦点距離を求める。
演算手段７１は、基準となる大きさの基準孔が形成されたマスターリングを用いてキャリブレーションを行い、測定孔８１の内径を算出するよう構成されている。演算手段７１は、測定孔８１の内径を算出する際には、マスターリングの基準孔の内径を測定したデータと照合することにより、測定孔８１の内径の絶対値を検知することができる。

次に、本例の内径測定装置１の動作及び作用効果につき説明する。
測定対象８における測定孔８１の内径を測定するに当たっては、まず、偏心スライド機構５１によって、測定する測定孔８１の内径の大きさに応じて予め結像レンズ６５の位置を調整しておく。そして、移動装置によって内径測定装置１を移動させ、光学鏡筒５を測定孔８１内に挿入し、ケース本体部３の光軸中心線Ｃ１を測定孔８１の中心に合わせる。このとき、この中心位置合わせを行うために、レーザー変位計２の光源２１からレーザー光Ｘを出射させ、内径測定装置１によって測定孔８１の周方向の複数の点、例えば８点について焦点距離を求める。
ここで、ケース本体部３の光軸中心線Ｃ１と測定孔８１の中心とが大きくずれていると、焦点調整レンズ２３の調整範囲を超えてしまい、測定ができない。このときには、測定した焦点距離のデータに基づいて内径測定装置１の位置調整をし、ケース本体部３の光軸中心線Ｃ１の位置を測定孔８１の中心に合わせることができる。

こうして、偏心スライド機構５１によって光学鏡筒５を移動させ、測定する測定孔８１の内径の大きさに応じて、光学鏡筒５内の結像レンズ６５の焦点が測定孔８１の内壁面に合うようにする。
より具体的には、測定対象８における測定孔８１の内径の大きさに応じて、偏心スライド機構５１によって、第３プリズム６４、結像レンズ６５、第４プリズム６６及び光学鏡筒５を、光学鏡筒５内を通過する光軸中心線Ｃ２に直交する方向であって第２プリズム６３と第１プリズム６２及び第３プリズム６４とが向き合う方向にスライドさせる。これにより、各プリズム６２〜６４による光軸方向を変えない状態で、光源２１からケース本体部３内を通過する光軸中心線Ｃ１に対して、光学鏡筒５内を通過する光軸中心線Ｃ２の位置を偏心させることができる。この偏心量Ｒは、偏心量検出手段５２によって検出される。偏心スライド機構５１によって偏心量Ｒを調整することにより、内径測定装置１によって測定する測定対象８における測定孔８１の内径の大きさの測定範囲を拡大することができる。

次いで、レーザー変位計２の光源２１からレーザー光Ｘを出射させる。そして、光源２１から発されるレーザー光Ｘは、ハーフミラー２２、焦点調整レンズ２３、コリメートレンズ６１、第１〜第３プリズム６２〜６４、結像レンズ６５及び第４プリズム６６を透過して、測定孔８１の内壁面まで導かれる。また、測定孔８１の内壁面に反射されるレーザー光Ｘは、第４プリズム６６、結像レンズ６５、第１〜第３プリズム６２〜６４、コリメートレンズ６１及び焦点調整レンズ２３を透過し、ハーフミラー２２によって反射されて受光器２７に受光される。このとき、焦点調整レンズ２３は、加振手段２４によって光軸方向に振動され、直交加振手段２６によって光軸方向に直交する方向に振動される。

直交加振手段２６によって焦点調整レンズ２３が光軸方向に直交する方向に振動されるときには、光軸方向における焦点距離は変化せず、第４プリズム６６から測定孔８１の内壁面に照射されるレーザー光Ｘは、測定孔８１の内壁面上で焦点を結ぶことができる。そして、表面粗さが粗い測定孔８１の内壁面を測定する場合であっても、焦点距離の測定誤差が生じにくくすることができる。

加振手段２４によって焦点調整レンズ２３が振動する際に、結像レンズ６５から測定孔８１の内壁面に照射されるレーザー光Ｘの焦点が合うときには、ハーフミラー２２によって受光器２７に反射されるレーザー光Ｘのほとんどが受光器２７の絞り孔２７２を通過する。そして、受光器２７におけるレーザー光Ｘの受光量が最大になり、結像レンズ６５から測定孔８１の内壁面への合焦が検出される。
こうして、演算手段７１においては、受光器２７が合焦を検出したときに、偏心量検出手段５２から送られる、光学鏡筒５の偏心量Ｒの情報と、焦点調整レンズ２３の位置検出手段２５から送られる焦点調整レンズ２３の位置の情報とを用いて、結像レンズ６５から測定孔８１の内壁面までの焦点距離の測定を行う。

そして、測定孔８１における周方向の各点について焦点距離を測定するために、回転機構４によって、レーザー変位計２、コリメートレンズ６１、第１プリズム６２、第２プリズム６３、第３プリズム６４、結像レンズ６５、第４プリズム６６、ケース本体部３、光学鏡筒５及び偏心スライド機構５１を、ケース本体部３内を通過する光軸中心線Ｃ１の回りに一体的に回転させる。このとき、ケース本体部３内を通過する光軸中心線Ｃ１に対する、光学鏡筒５内を通過する光軸中心線Ｃ２の偏心量Ｒを大きくするほど、内径の大きな測定孔８１について測定することが可能になる。そのため、内径測定装置１によって測定する測定孔８１の内径の大きさの測定範囲を拡大することができる。

また、演算手段７１は、測定孔８１の周方向の各点について行った焦点距離の測定結果に基づいて、測定孔８１の内径を算出する。
このように、本例の内径測定装置１においては、回転機構４によって、レーザー変位計２、ケース本体部３、光学鏡筒５、偏心スライド機構５１等の全体を一体的に回転させることにより、ケース本体部３及び光学鏡筒５の内部を通過するレーザー光Ｘの光軸に、回転に伴う位置ずれ（偏心）が生じない。そのため、測定対象８における測定孔８１の内径の測定精度を高めることができる。また、特に、測定孔８１の内壁面に微笑な凹凸がある場合でも、測定孔８１の内径の測定精度がほとんど悪化することがない。

１ 内径測定装置
１１ 固定ベース
２ レーザー変位計
２１ 光源
２２ ハーフミラー
２３ 焦点調整レンズ
２４ 加振手段
２５ 位置検出手段
２６ 直交加振手段
２７ 受光器
３ ケース本体部
３０ 通過穴
３４ エアベアリング
３５ モータベース
３６ 回り止め部
４ 回転機構
４２ 動力伝達部材
５ 光学鏡筒
５１ 偏心スライド機構
５２ 偏心量検出手段
５３ スライドブロック
６１ コリメートレンズ
６２ 第１プリズム
６３ 第２プリズム
６４ 第３プリズム
６５ 結像レンズ
６６ 第４プリズム
７ 制御装置
７１ 演算手段
８ 測定対象
８１ 測定孔
Ｃ１，Ｃ２ 光軸中心線
Ｘ レーザー光
Ｒ 偏心量

Claims (4)

1. レーザー光を発する光源、該光源から発せられたレーザー光を透過させる一方、測定対象に反射して戻るレーザー光を反射させるハーフミラー、上記光源から発せられたレーザー光の集光及び焦点調整をする焦点調整レンズ、及び上記ハーフミラーによって反射されるレーザー光を受光して合焦を検出する受光器を有するレーザー変位計と、
   上記焦点調整レンズを透過したレーザー光を、平行なレーザー光にして透過させるコリメートレンズと、
   該コリメートレンズを透過するレーザー光を、直角に反射させる第１プリズムと、
   該第１プリズムによって反射されるレーザー光を、Ｕターンさせるように直角に２回反射させる第２プリズムと、
   該第２プリズムによって反射されるレーザー光を、上記コリメートレンズにおけるレーザー光の透過方向と平行になるよう直角に反射させる第３プリズムと、
   該第３プリズムによって反射されるレーザー光を集光する結像レンズと、
   該結像レンズによって集光されるレーザー光を、直角に反射させて上記測定対象に導く第４プリズムと、
   上記レーザー変位計が取り付けられ、上記レーザー光を内部に通過させるケース本体部と、
   上記第４プリズムを先端部に配置し、上記ケース本体部の内部を通過するレーザー光を内部に通過させる光学鏡筒と、
   上記ケース本体部に対して、上記第３プリズム、上記結像レンズ、上記第４プリズム及び上記光学鏡筒、又は上記第２プリズム、上記第３プリズム、上記結像レンズ、上記第４プリズム及び上記光学鏡筒を、該光学鏡筒内を通過する光軸中心線に直交する方向であって上記第２プリズムと上記第１プリズム及び上記第３プリズムとが向き合う方向にスライドさせる偏心スライド機構と、
   該偏心スライド機構によるスライド量に基づいて、上記ケース本体部内を通過する光軸中心線に対する、上記光学鏡筒内を通過する光軸中心線の偏心量を検出する偏心量検出手段と、
   上記レーザー変位計、上記コリメートレンズ、上記第１プリズム、上記第２プリズム、上記第３プリズム、上記結像レンズ、上記第４プリズム、上記ケース本体部、上記光学鏡筒、上記偏心スライド機構及び上記偏心量検出手段を、上記ケース本体部内における上記コリメートレンズを透過した後であって上記第１プリズムによって反射される前のレーザー光の光軸中心線の回りに一体的に回転させる回転機構と、
   上記光学鏡筒が上記測定対象の測定孔に配置された状態で、上記偏心量検出手段から送られる上記偏心量の情報を利用して、上記受光器によって合焦が検出されるときの、上記結像レンズから上記測定孔の内壁面までの焦点距離を測定するとともに、上記回転機構を回転させて上記測定孔の周方向の各点について行った上記焦点距離の測定結果に基づいて上記測定孔の内径を算出する演算手段と、を備えていることを特徴とする内径測定装置。
2. 請求項１に記載の内径測定装置において、上記レーザー変位計は、上記焦点調整レンズを通過する光軸中心線に対して直交する方向に、該焦点調整レンズを振動させる直交加振手段を有していることを特徴とする内径測定装置。
3. 請求項１又は２に記載の内径測定装置において、上記レーザー変位計は、上記焦点調整レンズを所定振幅で光軸方向に振動させる加振手段と、該加振手段によって振動する上記焦点調整レンズの位置を検出する位置検出手段とを有しており、
   上記受光器は、受光素子と、該受光素子の表面側に配置された絞り孔とを有しており、かつ、上記加振手段によって上記焦点調整レンズが振動する際に、上記絞り孔を通過するレーザー光の受光量が最大になるときを合焦として検出するよう構成されており、
   上記演算手段は、上記受光器が合焦を検出したときに、上記位置検出手段から送られる上記焦点調整レンズの位置の情報を利用して、上記焦点距離の測定を行うよう構成されていることを特徴とする内径測定機器。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の内径測定装置において、上記ケース本体部は、空気膜を形成して非接触で回転支持するエアベアリングを介して、上記回転機構におけるモータが固定された固定ベースに対して配設されており、
   上記モータの出力軸から上記ケース本体部には、動力伝達部材を介して動力が伝達されるよう構成されており、
   上記回転機構は、上記ケース本体部に軸受を介して設けられたモータベースに配設されており、
   該モータベースと上記固定ベースとの間には、上記回転機構におけるモータが設けられた径方向の位置に、モータベースの周方向への回転を規制する一方、径方向への位置ずれを許容する回り止め部が設けられていることを特徴とする内径測定装置。

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