JP6555472B2 - 非接触内面形状測定装置 - Google Patents

Description

本発明は非接触内面形状測定装置に係り、特に円筒内面又は深穴内面の形状寸法を非接触により測定する非接触内面形状測定装置に関する。

特許文献１、２には、測定対象の孔の内面の形状又は孔の内径を非接触で測定する測定装置が開示されている。

これらの特許文献１、２の測定装置によれば、プリズム等の反射部材を測定対象の孔に挿入配置し、その反射部材を介して孔の内面にレーザ光を照射してその反射光を検出する。これによって、レーザ光が照射された測定点の位置（特定位置からの距離）が測定される。また、反射部材を所定の回転軸周りに回転させてその回転軸周りの全周方向に測定方向を変えることで、孔の内面形状や孔の内径等が測定される。

特開２０１４−１２６３９６号公報 特開２００８−３０４４０７号公報

しかしながら、特許文献１、２では、反射部材のみの回転だけでなく、他の光学部材の回転を伴うものであるため、反射部材を回転させるための回転機構が大規模であり、精度の低下を招く要因となっている。

また、従来では測定対象の孔の内面の形状や状態を視認することが難しい場合があり、測定が適正に行われない場合にその原因を知ることが容易ではなかった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、高精度な測定が可能であり、測定対象の孔の内面の形状や状態も容易に視認するができる非接触内面形状測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一の態様に係る非接触内面形状測定装置は、測定対象である測定孔に挿入される測定部から測定孔の内面である測定内面に測定光を照射することで非接触により測定内面の形状を測定する非接触内面形状測定装置であって、測定部は、測定部の測定孔への挿入方向に沿った基準軸と、基準軸に沿った方向に測定光を出射する光出射部と、基準軸に沿った方向に光軸を有する撮像手段と、光出射部及び撮像手段に対向して配置され、光出射部から出射された測定光の進行方向と撮影手段により撮影される撮影方向とを変更し、測定内面に向けて測定光を出射すると共に測定内面に撮影方向を向ける方向変更部材と、方向変更部材を基準軸周りに回転させる駆動手段と、測定内面に当接して測定部を測定孔の内部に支持するガイド部と、を備える。

本形態によれば、反射部材等の方向変更部材を駆動手段により回転させるだけで、測定光の照射方向を基準軸周りに回転させることができ、測定内面の全周方向の形状を測定することができる。したがって、方向変更部材を回転させるための回転機構の簡素化を図ることができるため、回転運動誤差が小さく、かつ、軽量なので自重による撓みが小さく、かつ、振動が少ない。これにより、測定精度の向上を図ることができる。また、高速回転も可能となり、測定時間の短縮を図ることもできる。

また、撮像手段により方向変更部材を介して測定内面を撮影することができ、測定内面の形状や状態を直接的に視認することができる。

また、測定部は、ガイド部により測定孔の内部で支持されるため、安定した姿勢で測定を行うことができ、測定精度の向上を図ることができる。

本発明の他の態様に係る非接触内面形状測定装置において、方向変更部材は、基準軸に斜めに交差する反射面を有する反射部材である態様とすることができる。

本発明の更に他の態様に係る非接触内面形状測定装置において、光出射部及び撮像手段は、方向変更部材よりも挿入方向の先端側に配置され、光出射部の測定光の照射方向及び撮像手段の撮影方向が挿入方向の基端側に向けられた態様とすることができる。

本発明の更に他の態様に係る非接触内面形状測定装置において、ガイド部は、測定部の挿入方向の先端側と基端側とに配置された態様とすることができる。

本発明の更に他の態様に係る非接触内面形状測定装置において、方向変更部材は透明円筒により基準軸周りの周囲が囲まれている態様とすることができる。

本発明の更に他の態様に係る非接触内面形状測定装置において、波長掃引光源と、波長掃引光源から出射された光を互いに異なる光路を通過する測定光と参照光とに分岐する分岐手段と、測定光を光出射部に案内する案内手段と、光出射部から方向変更部材を介して出射された測定光が照射される測定点からの戻り光であって、方向変更部材、光出射部、及び、案内手段を介して戻る戻り光と参照光との干渉光を検出する光検出手段と、駆動手段より回転する方向変更部材の各回転角度において、光検出手段により検出された干渉光に基づいて測定点の位置を検出することにより、測定内面の形状を検出する内面形状検出手段と、を備えた態様とすることができる。

本発明の更に他の態様に係る非接触内面形状測定装置において、波長掃引光源は、波長を１２００ｎｍ〜１６００ｎｍの範囲内で変化させる態様とすることができる。

本発明の更に他の態様に係る非接触内面形状測定装置において、撮像手段は、焦点を合わせる被写体までの距離を調整する焦点調整手段を有し、焦点調整手段は、測定内面の形状の測定結果に基づいて制御される態様とすることができる。

本発明によれば、高精度な測定が可能であり、測定対象の孔の内面の形状や状態も容易に視認することができる。

本発明が適用される非接触内面形状測定装置 測定装置の内部構造を示した構成図 波長掃引光源から出力されるレーザ光の波長の時間変化を例示したグラフ 光出射部に組み込まれた撮像手段を示した図 測定孔に挿入された状態における測定部を示した構成図 テーパ形状の測定孔に測定部を挿入した状態を示した図 測定部の他の実施の形態の説明に使用した図 非接触内面形状測定装置の測定手順を示すフローチャート 円筒の孔の内周面を測定して得られた測定データを示した図 内歯車を測定して得られた測定データを示した図 図１０の測定データを他の形態で示した図 測定光の戻り光の光量に大きさを示す干渉強度分布を例示した図

以下、添付図面に従って本発明の好ましい実施の形態について詳説する。

図１は、本発明が適用される非接触内面形状測定装置の全体構成図である。

同図に示すように、非接触内面形状測定装置１は、測定対象となる孔（以下、測定孔Ｐという）の内面（以下、測定内面Ｓという）の形状を求めるための測定データ（干渉信号）を取得する測定装置１０と、測定装置１０の各部の動作を制御するとともに、測定装置１０により取得された測定データに基づいて各種演算処理を行って測定内面Ｓの形状や測定孔Ｐの内径などの測定内面Ｓの形状に関連する情報を算出する制御処理装置１６とを有する。

なお、制御処理装置１６には、操作者が情報を入力する入力手段や情報を出力（表示、印刷等）する出力手段を含む。また、制御処理装置１６の全体、又は、測定に関連する機能の全体若しくは一部は、測定装置１０（下記の測定装置本体１２）に組み込まれていてもよい。

また、測定内面Ｓとして、測定孔Ｐの軸心に垂直な断面形状が円形状のものに限らず多角形や複雑な形のものも測定可能である。

測定装置１０は、測定孔Ｐの外部に配置される測定装置本体１２と、測定装置本体１２と電気ケーブル及び光ファイバを介して接続され、測定孔Ｐの内部に挿入される測定部１４とから構成される。

図２は、測定装置１０の内部構造を示した構成図である。

同図に示す測定装置１０は、波長掃引干渉型変位センサの構成を有し、測定装置本体１２において、波長掃引光源２０と、波長掃引光源２０に光ファイバ３０を介して接続されるサーキュレータ２２と、サーキュレータ２２に光ファイバ３２を介して接続される光検出器２４とが設けられる。

一方、測定部１４において、測定装置本体１２のサーキュレータ２２に光ファイバ３４を介して接続される光出射部４０と、光出射部４０に対向配置される反射部材としての直角ミラー４２と、直角ミラー４２に連結され、一体物として省略して図示されたモータ４４とロータリエンコーダ４６とが設けられる。

この測定装置１０によれば、波長掃引光源２０からは、波長を一定の波長帯の範囲で一定周期で掃引（変化）させた可干渉な光（レーザ光）が出射される。波長掃引光源２０から出射された光は、光ファイバ３０を介してサーキュレータ２２へと送波される。

図３は、波長掃引光源２０から出力されるレーザ光の波長の時間変化を例示したグラフであり、横軸が時刻（時間）を示し、縦軸が波長を示す。同図に示すように波長が約１２００ｎｍ〜約１６００ｎｍの範囲で繰り返し変化し、その変化の周波数が約１ｋＨｚ〜約１００ｋＨｚの範囲内の値となるように設定される。

ここで、約１２００ｎｍ〜約１６００ｎｍの波長帯域の使用は、高速測定、自然光ノイズの回避、及びアイセーフ（目に優しい）という点で優れる。特にアイセーフであることから測定感度の向上のために光量を２０ｍＷ以上にしても問題が生じない。

図２においてサーキュレータ２２へと送波された光は、サーキュレータ２２により光ファイバ３４のみに伝播され、光ファイバ３４を介して光出射部４０に送波される。

光出射部４０に送波された光は、光ファイバ３４と光出射部４０との接続部分における光ファイバ３４の端面３６において、一部が反射し、残りが光出射部４０へと透過する。

ここで、光ファイバ３４の端面３６は、波長掃引光源２０からの光を測定光Ｌｏｆと参照光Ｌｒとに分岐する分岐部であり、端面３６で反射した光により干渉計における参照光Ｌｒが生成され、端面３６を透過した光により干渉計における測定光Ｌｏｆが生成される。

光ファイバ３４の端面３６で反射した参照光Ｌｒは、そのまま光ファイバ３４を戻り、サーキュレータ２２へと送波される。

一方、光ファイバ３４の端面３６を透過した光は測定光Ｌｏｆとして光出射部４０から出射される。光出射部４０は、光ファイバ３４の端面３６から出射された測定光Ｌｏｆを発散光から平行光あるいは集光光に変換し、又は、測定内面Ｓで反射して戻る測定光（戻り光Ｌｏｒ）を集光して端面３６から光ファイバ３４に入射させるコリメータレンズを含む。

光出射部４０から出射された測定光Ｌｏｆは、測定部１４が有する所定の基準軸１４ａに沿って（基準軸１４ａ上を）進行した後、直角ミラー４２の反射面である斜面で反射して基準軸１４ａに垂直な方向に進行する。

なお、反射面による測定光Ｌｏｆの反射方向は基準軸１４ａに垂直な方向でなくても測定内面に向かう方向であればよく、また、直角ミラー４２と同様の作用を奏する反射面を有する反射部材であれば直角ミラー４２でなくてもよい。さらに、反射部材に限らず、光出射部４０から出射された測定光Ｌｏｆの進行方向を変更し、測定内面Ｓに向けて測定光Ｌｏｆを出射する方向変更部材であればよい。

また、測定部１４は、後述のように基準軸１４ａが図１のような測定孔Ｐの軸心と略同軸上となるように配置される。

なお、基準軸１４ａは、測定部１４を測定孔Ｐに挿入する方向（挿入方向）に沿った軸であり、測定部１４の挿入方向側を先端側、挿入方向と反対側を基端側とする。

基準軸１４ａに垂直な方向に進行した測定光Ｌｏｆは、測定内面Ｓに照射される。そして、測定内面Ｓで散乱（反射）した測定光の一部又は全部が戻り光Ｌｏｒとしてそれまで通過した光路を逆行し、直角ミラー４２及び光出射部４０を介して光ファイバ３４に入射する。

光ファイバ３４に入射した戻り光Ｌｏｒは、光ファイバ３４を介してサーキュレータ２２へと送波される。

光ファイバ３４を経由してサーキュレータ２２へと送波された上述の参照光Ｌｒ及び測定光の戻り光Ｌｏｒは、サーキュレータ２２により光ファイバ３２のみに伝播され、光ファイバ３２を介して光検出器２４に入射する。

光検出器２４には、測定内面Ｓで反射した測定光（戻り光Ｌｏｒ）と、光ファイバ３４の端面３６で反射した参照光Ｌｒとの干渉光が入射し、光検出器２４により、その干渉光の強度が電気信号である干渉信号として検出される。そして、その干渉信号が制御処理装置１６へと与えられる。

制御処理装置１６では、光検出器２４から得られた干渉信号に基づいて測定内面Ｓにおいて測定光（戻り光）が照射された測定点の位置の情報、即ち、測定点の基準軸１４ａからの距離が距離情報として算出される。

また、測定部１４の直角ミラー４２は、これに連結されたモータ４４により、基準軸１４ａ周りに少なくとも３６０度（１回転）以上回転する。なお、直角ミラー４２の回転は３６０度未満の特定の角度範囲の回転であってもよいし、複数回転であってもよい。

これによって、光出射部４０から出射されて直角ミラー４２の斜面で反射した測定光Ｌｏｆの照射方向（測定方向）が基準軸１４ａ周りに回転し、測定方向が基準軸１４ａ周りの全周方向に変更される。即ち、測定内面Ｓに対して測定光Ｌｏｆがラジアル走査される。

また、直角ミラー４２のみの回転であるため、回転運動誤差が小さく、かつ、振動も少ないため、測定光をラジアル走査するための回転動作による測定精度の低下が少ない。例えば、ミクロンオーダでの高精度な測定が可能である。

更に、直角ミラー４２のみの回転であるため、直角ミラー４２を高速で回転させることができ、測定時間の短縮を図ることができる。

一方、測定部１４の直角ミラー４２の回転角度は、ロータリエンコーダ４６により検出され、その回転角度の情報が制御処理装置１６に与えられる。このロータリエンコーダ４６により検出される回転角度の情報は、測定方向の基準軸１４ａ周り方向に関する角度の情報に相当する。

これによって、制御処理装置１６では、光検出器２４からの干渉信号に基づいて検出される測定内面Ｓまでの距離の情報と、その距離が検出された際におけるロータリエンコーダ４６からの回転角度の情報（測定方向の基準軸１４ａ周り方向に関する角度の情報）とに基づいて、各測定点の位置が検出され、測定光が走査された走査面における測定内面Ｓの形状（位置）を示す測定データが得られる。

なお、直角ミラー４２を複数回転させて測定内面Ｓの同一点の位置を複数回検出し、平均化することで測定精度を向上させることができる。

以上、上記実施の形態の測定装置１０は参照光と測定光との干渉光を検出する干渉計の一形態を示したものであり、他の構成の干渉計を採用してもよい。例えば、マイケルソン干渉計として一般的に知られている構成であってもよい。

続いて、光出射部４０の近傍に設けられる図２では不図示の撮像手段１００について説明する。図４に示すように光出射部４０の近傍には測定内面Ｓを撮影して測定内面Ｓの画像を取得するための撮像手段１００が設置される。

撮像手段１００は、被写体からの光を取り込んで被写体の光像を結像する撮影レンズ１０２と、撮影レンズ１０２により結像された光像を撮像信号として電気信号に変換する固体撮像素子１０４と、撮像手段１００全体の撮影動作を制御し、また、固体撮像素子１０４からの撮像信号に所要の信号処理を施して撮像した画像を示す画像信号を生成する周辺回路１０６と、固体撮像素子１０４の受光面に対して焦点を合わせる被写体までの距離を調整する焦点調整手段１０８等を備える。

撮影レンズ１０２と固体撮像素子１０４とは、それらの光軸（撮像手段１００の光軸）が基準軸１４ａに略平行となるように配置され、かつ、その光軸の方向であって撮影レンズ１０２の対物側となる方向である撮像手段１００の撮影方向が直角ミラー４２に向くように配置される。

これによって、撮像手段１００の撮影方向は、測定方向と同様に直角ミラー４２の斜面（反射面）を介して基準軸１４ａに垂直な方向となり、測定内面Ｓに向けられる。そして、直角ミラー４２の反射面である斜面を介して測定内面Ｓが撮像手段１００により撮影され、測定内面Ｓの画像が画像信号として取得される。

また、直角ミラー４２が基準軸１４ａ周りに回転することで、測定方光と同様に撮影方向も基準軸１４ａ周りに回転し、測定内面Ｓの全周方向の画像が取得される。

撮像手段１００は、制御処理装置１６に電気的に接続され、制御処理装置１６からの指示に基づいて周辺回路１０６により撮像手段１００の撮影動作が制御されると共に、撮像手段１００により取得された画像（画像信号）が周辺回路１０６から制御処理装置１６に伝送される。

制御処理装置１６は、操作者による入力手段からの入力に基づき、撮像手段１００による測定内面Ｓの撮影を行うことが指示された場合に、撮像手段１００による撮影を実施する。

このとき、測定内面Ｓの形状の測定時と同様に直角ミラー４２を回転させながら、撮像手段１００により所定の回転角度ごとに撮影を行うことで基準軸１４ａ周りの全周（３６０度）の範囲にわたって測定内面Ｓを撮影する。

また、制御処理装置１６は、事前に測定した測定内面Ｓの形状データに基づいて、撮影方向ごとに焦点調整手段１０８を制御して測定内面Ｓに焦点が合うように撮像手段１００の焦点調整を行う。

即ち、測定孔Ｐの軸心に沿った方向（基準軸１４ａ方向）に関する所定の位置において測定内面Ｓの形状の測定を実施した後に、その位置において測定内面Ｓの撮影を行う場合には、測定内面Ｓの形状の測定結果を用いて撮像手段１００の焦点調整を行うことができる。また、測定内面Ｓの形状の測定を行っていない場合であっても、所定の撮影方向の測定内面Ｓの撮影を行う前に、その撮影方向を測定方向として測定内面Ｓまでの距離を測定光Ｌｏｆを照射して測定することにより、その測定結果を用いて撮像手段１００の焦点調整を行うことができる。ただし、任意の測距手段により撮影方向の測定内面Ｓまでの距離を測距して焦点調整を行ってもよいし、山登り法などの所望の合焦手段により焦点調整を行ってもよい。

撮像手段１００により得られた画像は、画像信号として制御処理装置１６に伝送され、その画像が取得されたときのロータリエンコーダ４６からの回転角度の情報に対応付けられて撮影データとして記憶手段に記憶され、また、モニタ等の出力手段に出力される。

これによって、操作者は、測定内面Ｓの形状や状態を視認することができる。そして、例えば、形状の測定が適正に行えない部分の測定内面Ｓの状態を容易に把握することができる。

なお、撮像手段１００の撮影方向は、基準軸１４ａ周りの全周の範囲にわたる所定角度ごとの方向としてもよいし、操作者が指定するものとしてもよい。操作者による撮影方向の指定は、所望の角度方向を撮影方向として指定する方法や、所定角度ごとに撮影方向を変更するものとしてその変更する撮影方向の角度範囲を指定する方法などを採用できる。撮影方向を所定角度ごとに変更する際のその角度も操作者が指定できるようにしてもよい。

また、撮像手段１００による撮影は、静止画としての撮影であってもよいし、動画としての撮影であってもよい。

また、所定の角度範囲を撮影方向として撮影を行う場合に、その角度範囲の画像をパノラマ撮影により１枚の画像として取得するようにしてもよい。

また、撮像手段１００は照明光を出射する照明手段を有していてもよいし、測定光Ｌｏｆを撮像手段１００による撮影のための照明光として利用してもよい。

次に、測定部１４の具体的な構成について説明する。図５は、測定孔Ｐに挿入された状態における測定部１４を示した構成図である。尚、上述のように測定部１４の測定孔Ｐへの挿入方向側を先端側、挿入方向と反対側を基端側とする。

同図に示すように測定部１４は、上記光出射部４０が支持された第１支持部５０と、第１支持部５０よりも基端側に配置された第２支持部５２であって、上記直角ミラー４２が回転可能に支持されると共に上記モータ４４及び上記ロータリエンコーダ４６が支持された第２支持部５２と、第１支持部５０と第２支持部５２との間に配置されて第１支持部５０と第２支持部５２とを一体的に連結する透明円筒５４と、第１支持部５０の先端側と第２支持部５２の基端側とに設けられ、測定部１４を測定孔Ｐに案内する第１ガイド部５６及び第２ガイド部５８と、第２ガイド部５８の基端側に連設され、測定孔Ｐに対して測定部１４を押し引き操作して挿入量を調整する挿入パイプ６０と、を備える。

第１支持部５０は、外径が円柱状の円柱部材７０であって、軸心が測定部１４の基準軸１４ａと略同軸上に配置された円柱部材７０を有する。その円柱部材７０の軸心に沿った中央部分において光出射部４０が支持される。

また、光ファイバ３４が接続される光出射部４０の基端側は、円柱部材７０の内部に収容保持されると共に、測定光Ｌｏｆが出射される光出射部４０の先端側は円柱部材７０の基端面よりも基端側（測定部１４における基端側）に突出して配置される。なお、光出射部４０の先端側は光出射部４０から測定光Ｌｏｆが出射される端面側を示し、光出射部４０の先端部分には例えばコリメータレンズが配置されている。

これによって、光ファイバ３４から光出射部４０に送波された測定光Ｌｏｆは、測定部１４の先端側から基端側に向かって光出射部４０から出射されると共に、基準軸１４ａと略同軸上を進行する。なお、図２と図５とでは光出射部４０の向きは反転しており、これに伴い、直角ミラー４２の向きも反転している。

また、光出射部４０の近傍には光出射部４０の先端側に撮影方向を向けた上記撮像手段１００が設けられており、基準軸１４ａに平行に撮像手段１００の撮影レンズ１０２及び固体撮像素子１０４（図４参照）の光軸が配置される。

第２支持部５２は、第１支持部５０と同様に外径が円柱状の円柱部材７２であって、軸心が測定部１４の基準軸１４ａと略同軸上に配置された円柱部材７２を有する。

円柱部材７２の内部には、モータ４４が収容保持され、モータ４４の回転軸４４ａには、円柱部材７２の軸心に沿って円柱部材７２に回転自在に軸支された回転軸部材７４が連結される。そして、その回転軸部材７４の先端部に直角ミラー４２が固定される。

直角ミラー４２は、円柱部材７２の先端面よりも先端側（測定部１４における先端側）において、光出射部４０の先端（測定光が出射される端面）に対向する位置に配置されると共に、反射面である斜面が基準軸１４ａと交差する位置であって、斜面が基準軸１４ａと斜め（略４５度）に交差するように配置される。

これによって、モータ４４の回転軸４４ａの回転によって直角ミラー４２が基準軸１４ａ周りに回転する。そして、光出射部４０から出射された測定光Ｌｏｆが直角ミラー４２の斜面により反射されて基準軸１４ａに垂直な方向に照射されると共に、その照射方向が測定方向として基準軸１４ａ周りに回転する。

また、撮像手段１００の撮影方向も直角ミラー４２の斜面を介して基準軸１４ａに垂直な方向に向けられると共に、その撮影方向が基準軸１４ａ周りに回転する。

なお、測定光Ｌｏｆの照射方向及び撮像手段１００の撮影方向は基準軸１４に垂直な成分を含む方向であれば、必ずしも基準軸１４に垂直な方向でなくてもよい。

また、円柱部材７２の内部には、ロータリエンコーダ４６が収容保持され、回転軸部材７４に連結される。これによって、回転軸部材７４を介して直角ミラー４２の回転角度の情報が測定方向及び撮影方向の基準軸１４ａ周り方向に関する角度を示す情報としてロータリエンコーダ４６により検出される。

なお、直角ミラー４２よりも先端側に光出射部４０を配置しているため、基準軸１４ａ周りに回転する直角ミラー４２により反射して照射された測定光Ｌｏｆが走査される走査面（測定領域）を光ファイバ３４や撮像手段１０００の信号線（不図示）が横切る。

しかしながら、光ファイバ３４は極めて細く（測定光のビーム径よりも細く）することが可能であり、光ファイバ３４の測定への影響を略生じさせないものとすることができる。また、撮像手段１００の信号線もできるだけ細くすることで測定への影響を軽減することができ、また、撮像手段１００と制御処理装置１６との間の信号のやり取りを無線で行う構成とし、信号線の数を減らすことで、測定への影響を略生じさせないようにすることもできる。

透明円筒５４は、測定光Ｌｏｆの波長を透過する透明部材により円筒状に形成され、透明円筒５４の先端は、第１支持部５０の円柱部材７０の基端面の周縁に固着され、透明円筒５４の基端は、第２支持部５２の円柱部材７２の前端面の周縁に固着される。

これにより、第１支持部５０の円柱部材７０と第２支持部５２の円柱部材７２とが透明円筒５４を介して一体的に連結される。

また、直角ミラー４２は基準軸１４ａ周りの周囲が透明円筒５４により囲まれるが、透明円筒５４は測定光の波長を透過する特性を有するため、光出射部４０から直角ミラー４２を介して出射された測定光Ｌｏｆが透明円筒５４により遮断されることなく測定内面Ｓに照射される。そして、測定内面Ｓで反射した測定光（戻り光Ｌｏｒ）も透明円筒５４により遮断されることなく透明円筒５４を通過し直角ミラー４２を介して光出射部４０に入射する。

なお、透明円筒５４は、測定光Ｌｏｆの波長に対して透過性が高い材料で形成されたものであれば良く、本実施の形態における測定光Ｌｏｆの波長である約１２００ｎｍ〜約１６００ｎｍの光を透過する部材、例えばプラスティック（アクリル）やガラス材で表面と裏面が研磨された部材を用いることができる。

また、透明円筒５４の代わりに複数の細径の棒状部材等で第１支持部５０の円柱部材７０と第２支持部５２の円柱部材７２とを連結してもよい。

第１ガイド部５６と第２ガイド部５８は、互いに同様の構成を有し、基準軸１４ａと同軸上に配置された固定軸部材８０と、固定軸部材８０の先端に固定された連結部材８２と、固定軸部材８０（基準軸１４ａ）に対して対称となる位置に設けられた一対のガイドローラ８４を有する。

また、第１ガイド部５６は、その固定軸部材８０の基端が第１支持部５０の円柱部材７０の先端面に固定されることで、第１支持部５０の先端側に連設され、第２ガイド部５８は、その連結部材８２の先端面が第２支持部５２の基端面に固定されることで、第２支持部５２の基端側に連設される。

各ガイドローラ８４は同一構造を有し、円板状のローラ部材８６を備える。第１ガイド部５６の一方のガイドローラ８４のみに符号を付して説明すると、ガイドローラ８４は、ローラ部材８６と、ローラ部材８６を回転自在に支持するアーム部材８８と、連結部材８２に固定され、アーム部材８８を回転自在に支持する支持部材９０と、を有する。

ローラ部材８６の回転軸及びアーム部材８８の回転軸は、いずれも基準軸１４ａを含む同一の平面に対して垂直な方向を有する。

また、アーム部材８８は、不図示の付勢部材によりローラ部材８６が基準軸１４ａから離間する方向に付勢される。

これらの第１ガイド部５６及び第２ガイド部５８により、測定部１４を測定孔Ｐに挿入した際に、各ローラ部材８６が測定内面Ｓに圧接（押圧）される。そして、測定部１４の基準軸１４ａが測定孔Ｐの軸心と略同軸上に配置される。

なお、第１ガイド部５６と第２ガイド部５８のガイドローラ８４は、基準軸１４ａ周り方向の２箇所だけなく、例えば等間隔の３箇所以上に設けて、測定内面Ｓに３つ以上のローラ部８６が圧接されるようにしてもよい。

また、本実施の形態では、第１ガイド部５６及び第２ガイド部５８のようなガイド部が測定部１４の先端側と基端側とに設けられているが、ガイド部の配置はこれに限らない。

挿入パイプ６０は、第２ガイド部５８の固定軸部材８０の基端に連設され、その軸心が基準軸１４ａと略同軸上に配置される。

操作者がこの挿入パイプ６０を把持することで、測定孔Ｐに対して測定部１４の先端側から挿入することができ、挿入パイプ６０を押し引き操作することで、測定孔Ｐに対する測定部１４の挿入量を調整することができる。即ち、測定内面Ｓに対して測定光が照射（走査）される走査面の位置（測定位置）であって、測定孔Ｐの軸心に沿った方向に関する走査面の位置を挿入パイプ６０の押し引き操作により調整することができる。

また、挿入パイプ６０と挿入パイプ６０が連設される固定軸部材８０とは内部が中空となっており、それらの内部にはモータ４４及びロータリエンコーダ４６に接続される信号線（電線）が挿通配置される。そして、それらの信号線を外装により被覆したケーブルが挿入パイプ６０の基端から延出され、そのケーブルが制御処理装置１６に接続される。

これによって、モータ４４を駆動する駆動信号（電力）が制御処理装置１６から供給され、ロータリエンコーダ４６により検出される回転角度情報が制御処理装置１６に与えられる。

なお、モータ４４及びロータリエンコーダ４６に接続される信号線の配線経路は、本態様に限らず任意の態様とすることができ、固定軸部材８０の内部を挿通するものでなくてもよいし、挿入パイプ６０の内部を挿通するものでなくてもよい。

また、光出射部４０に接続される光ファイバ３４は、第１支持部５０の円柱部材７０の内部において光出射部４０に接続される一方の端部に対して、他方の端部が、円柱部材７０の内部から外部に延出されて測定装置本体１２に接続される。

また、撮像手段１００の信号線も円柱部材７０の内部から外部に延出されて制御処理装置１６に接続される。

このとき、光ファイバ３４及び撮像手段１００の信号線の配線経路は、第２支持部５２の円柱部材７２、第２ガイド部５８の固定軸部材８０、及び、挿入パイプ６０のうちの少なくとも１つの内部を挿通するものであってもよいし、また、モータ４４の信号線と共に１本のケーブルに纏められて制御処理装置１６又は測定装置本体１２に接続される形態とすることもできる。

以上、図５は、内径が略一定の測定孔Ｐに測定部１４を挿入した状態を示したが、測定内面Ｓがテーパ形状の測定孔Ｐに測定部１４を挿入した状態を図６に示す。同図に示すように測定部１４の第１ガイド部５６及び第２ガイド部５８の各ガイドローラ８４によりローラ部材８６がテーパ形状の測定内面Ｓに圧接する位置まで移動する。これにより、測定部１４の基準軸１４ａが測定孔Ｐの軸心と略同軸上に配置される。

なお、光出射部４０から直角ミラー４２を介して基準軸１４ａに垂直な方向に出射された測定光は測定内面Ｓに対して斜めに照射されるが、測定内面Ｓで散乱した光が戻り光として直角ミラー４２を介して光出射部４０に入射するため測定が可能である。

以上の測定部１４において、測定光Ｌｏｆの走査面と交差する部分を含む光ファイバ３４の一部分をケーブルレスで光学的に接続し、光出射部４０から出射された測定光Ｌｏｆが光ファイバ３４に照射されないようにしてもよい。

例えば、図７のように光ファイバ３４が２つの光ファイバ３４ａ、３４ｂに分断され、その間に光が大気中を伝播するケーブルレス部３４ｃが設けられる。ケーブルレス部３４ｃは透明円筒５４の外周部周辺となるように配置され、光ファイバ３４ａの端部３５ａと光ファイバ３４ｂの端部３５ｂとが各々、第２支持部５２の円柱部材７２と第１支持部５０の円柱部材７０に固定される。端部３５ａ、３５ｂの各々には、光ファイバ３４ａ、３４ｂからケーブルレス部３４ｃに出射される光を平行光にし、また、ケーブルレス部３４ｃから入射する光を集光して光ファイバ３４ａ、３４ｂに進入させるコリメータレンズが配置される。

なお、ケーブルレス部３４ｃは、透明円筒５４の内側に配置されるようにしてもよい。

次に、非接触内面形状測定装置１の測定手順を図８のフローチャートを用いて説明する。

まず、ステップＳ１０では、操作者は、挿入パイプ６０を把持して測定孔Ｐに対して測定部１４を先端側から挿入する。そして、挿入パイプ６０を押し引き操作して測定孔Ｐの軸心に沿った方向に関する測定位置を調整し設定する。そして、ステップＳ１２に移行する。

ステップＳ１２では、制御処理装置１６は、測定装置本体１２の波長掃引光源２０をオンにして測定部１４の光出射部４０から測定光Ｌｏｆを出射させる。また、モータ４４を駆動して直角ミラー４２を回転させる。そして、光検出器２４からの干渉信号を取得して、干渉信号に基づいて測定光Ｌｏｆが照射された測定内面Ｐ上の測定点までの距離の情報を取得（算出）する。この後、ステップＳ１４に移行する。

ステップＳ１４では、制御処理装置１６は、測定部１４のロータリエンコーダ４６から回転角度の情報を取得し、その回転角度（測定方向の基準軸１４ａ周り方向に関する角度）とステップＳ１２において取得した測定点までの距離とを対応付ける。そして、ステップＳ１６に移行する。

ステップＳ１６では、制御処理装置１６は、モータ４４により直角ミラー４２を１回転させたか否か、即ち、測定方向を基準軸１４ａ周りに１回転させたか否かを判定する。ＹＥＳであれば、ステップＳ２０に移行し、ＮＯであれば、ステップＳ１２に戻り、ステップＳ１２〜ステップＳ１６の処理を繰り返す。

なお、ステップＳ１６において、直角ミラー４２を１回転させたか否かではく、予め決められた角度範囲分を回転させたか否かを判定するようにしてもよい。

また、制御処理装置１６は、たとえば、直角ミラー４２が予め決められた角度Δθ分だけ回転するごとに測定点までの距離情報することで、角度Δθは、例えば測定点の数をＸとした場合には、３６０度を角度Δθで割った数の測定点に対する測定データを得る。

一方、ステップＳ１６でＹＥＳと判定した場合のステップＳ２０では、ステップＳ１４において対応付けた各回転角度での距離の情報に基づいて、測定光の走査面における測定内面Ｓの形状情報（位置情報）を取得し、保存する。また、モニタ等の出力手段にその測定内面Ｓの形状情報を表示する。そして、ステップＳ３０に移行する。

ステップＳ３０では、制御処理装置１６は、撮像手段１００による測定内面Ｓの撮影を行うことを撮影者により指示されたか否かを判定する。ＹＥＳであれば、ステップＳ３２に移行し、ＮＯであれば、ステップＳ５０に移行する。

ステップＳ３０でＹＥＳと判定した場合のステップＳ３２では、制御処理装置１６は、モータ４４による直角ミラー４２の回転を停止させた状態で撮像手段１００による測定内面Ｓの撮影を実施する。そして、ステップＳ３４に移行する。なお、この撮影の際に制御処理装置１６は、現在の撮影方向と同じ測定方向において得られた測定点までの距離の情報を参照して撮像手段１００における焦点調整手段１０８により焦点調整を行い、撮影方向における測定内面Ｓにピントを合わせる。

ステップＳ３４では、ステップＳ３２で撮影された画像を画像信号として撮像手段１００から取得し、そのときの測定部１４のロータリエンコーダ４６からの回転角度（撮影方向の基準軸１４ａ周り方向に関する角度）に対応付けて保存する。そして、ステップＳ３６に移行する。

ステップＳ３６では、制御処理装置１６は、モータ４４により直角ミラー４２を１回転させたか否か、即ち、撮影方向を基準軸１４ａ周りに１回転させたか否かを判定する。ＹＥＳであれば、ステップＳ５０に移行し、ＮＯであれば、ステップＳ３８に移行する。

ステップＳ３６においてＮＯと判定した場合のステップＳ３８では、制御処理装置１６は、測定部１４のロータリエンコーダ４６からの回転角度の情報を取得しながら、モータ４４により直角ミラー４２を予め決められた角度分だけ回転させる。そして、ステップＳ３２に移行し、ステップＳ３２からの処理を繰り返す。

一方、ステップＳ３６においてＹＥＳと判定した場合又はステップＳ３０においてＮＯと判定した場合のステップＳ５０では、操作者は、異なる測定位置での測定を行うか否かを判断する。そして、ＹＥＳと判定した場合にはステップＳ１０に戻り、挿入パイプ６０の押し引き操作による測定位置の調整から開始する。ＮＯと判定した場合には測定を終了する。

以上の非接触内面形状測定装置１により得られた測定データ（及びモニタ等への出力画面）を例示する。

図９の測定データは、内径が約９８ｍｍの円筒の孔を測定孔Ｐとし、その内周面を測定内面Ｓとして測定したときに実測された測定内面Ｓの形状データを示す。

同図に示すように測定データは極座標グラフにおいて多数の測定点ｘとしてプロットされており、グラフの中心Ｏが基準軸１４ａの位置に相当し、各測定点ｘの角度の座標及び径方向の座標が、測定内面Ｓにおいて測定光が照射された各測定点の基準軸１４ａ周りの角度及び基準軸１４ａからの距離を示す。

また、図９のような測定データに基づいて、測定孔Ｐの内径を実測値として求めることができ、同図には、測定孔Ｐの内径の測定値が、９７．９９１ｍｍ±０．００５５ｍｍであることが示されている。

図１０の測定データは、内歯車が形成された孔を測定孔Ｐとし、その内歯車を測定内面Ｓとして測定したときに実測された測定内面Ｓの形状データを示す。

図９と同様に測定データは極座標グラフにおいて多数の測定点ｘとしてプロットされており、歯車の凹凸が精度良く測定されていることが同図の測定データからわかる。

また、図１０のような測定データに基づいて、歯先円と歯底円の直径を実測値として求めることができ、同図には、歯先円と歯底円の直径の測定値が、各々、１１５．９９８ｍｍ±０．０１７ｍｍ、１２４．９７５ｍｍ±０．０４４ｍｍであることが示されている。

また、図１１のように、図１０における角度の座標と径方向の座標（半径）とを横軸と縦軸にして測定データの全体又は一部を表示することもできる。

なお、測定装置１０の光検出器２４により検出された干渉信号を解析すると、図１２のように基準軸１４ａからの距離に対して測定光の戻り光の光量に大きさを示す干渉強度分布が得られる。そして、測定内面Ｓにおいて測定光が照射された測定点は、その干渉強度分布において極大点ａを形成し、その極大点ａが示す距離が測定点ｘまでの距離を示す。

一方、透明円筒５４の内面と外面でも戻り光が発生する場合には、干渉強度分布において、測定内面Ｓの測定点が形成する極大点ａ以外に、透明円筒５４の内面と外面とにおいて測定光が通過した通過点が形成する極大点ｂ、ｃも存在し、各々の極大点ｂ、ｃが示す距離が透明円筒５４の内面と外面の各々の通過点までの距離を示す。

これによれば、図１２の干渉強度分布から直接的に導かれる透明円筒５４の内面の通過点と外面の通過点との距離の差（透明円筒５４の厚み）は、透明円筒５４の厚みを大気中における光路長で表した値であり、透明円筒５４の実空間での実際の厚みと相違する。そのため、図１２の干渉強度分布から直接的に導かれる測定点までの距離も透明円筒５４による誤差を含む。

一方、図１２の干渉強度分布から直接的に導かれる透明円筒５４の厚みを、透明円筒５４の屈折率と大気の屈折率とに基づいて、実空間での実際の厚みに補正することで、測定点までの距離をより高精度に測定することができる。

また、図１２の干渉強度分布から導かれる透明円筒５４の厚みが、透明円筒５４の既知の厚みと既知の屈折率とに基づいて算出される大気中における光路長で表した透明円筒５４の厚みと一致するように干渉強度分布の各点に対する距離を補正するようにしてもよい。

以上、上記実施の形態の測定部１４では、光出射部４０が直角ミラー４２よりも先端側に配置された構成としたが、これに限らず、光出射部４０が直角ミラー４２よりも基端側に配置された構成としてもよい。

また、上記実施の形態の非接触内面形状測定装置１は、波長掃引干渉型変位センサの測定原理に基づくものであるが、この測定原理と異なるものであっても、測定孔Ｐに挿入される測定部から測定内面Ｓに測定光を照射することで非接触により測定内面Ｓの形状を測定する装置であれば本発明を適用できる。

また、上記実施の形態では、測定内面Ｓの形状の測定と、測定内面Ｓの撮影（画像の取得）とを行うことができる非接触内面形状測定装置１について説明したが、測定内面Ｓの撮影のみを行う内面情報取得装置としてもよく、図５の測定部１４において、光出射部４０が配置されないものとし、第１支持部５０には直角ミラー４２に対向して撮像手段１００のみが配置された構成としてもよい。

１…非接触内面形状測定装置、１０…測定装置、１２…測定装置本体、１４…測定部、１４ａ…基準軸、１６…制御処理装置、２０…波長掃引光源、２２…サーキュレータ、２４…光検出器、３０、３２、３４…光ファイバ、４０…光出射部、４２…直角ミラー、４４…モータ、４６…ロータリエンコーダ、５０…第１支持部、５２…第２支持部、５４…透明円筒、５６…第１ガイド部、５８…第２ガイド部、６０…挿入パイプ、７０、７２…円柱部材、８４…ガイドローラ、８６…ローラ部材、１００…撮像手段、１０２…撮影レンズ、１０４…固体撮像素子、１０６…周辺回路、１０８…焦点調整手段、Ｐ…測定孔、Ｓ…測定内面

Claims (9)

1. 測定対象である測定孔に挿入される測定部から前記測定孔の内面である測定内面に測定光を照射することで非接触により前記測定内面の形状を測定する非接触内面形状測定装置であって、
   前記測定部は、
   前記測定部の前記測定孔への挿入方向に沿った基準軸と、
   前記基準軸に沿った方向に測定光を出射する光出射部と、
   前記基準軸に沿った方向に光軸を有する撮像手段と、
   前記光出射部及び前記撮像手段の双方に対向する共通の反射面を有し、前記光出射部から出射された測定光の進行方向と前記撮像手段により撮影される撮影方向とを前記共通の反射面により変更し、前記測定内面に向けて前記測定光を出射すると共に前記測定内面に前記撮影方向を向ける方向変更部材と、
   前記方向変更部材を前記基準軸周りに回転させる駆動手段と、
   前記測定内面に当接して前記測定部を前記測定孔の内部に支持するガイド部と、
   を備え、
   前記撮像手段が、前記測定内面の撮像画像を取得する非接触内面形状測定装置。
2. 波長掃引光源と、
   前記波長掃引光源から出射された光を互いに異なる光路を通過する測定光と参照光とに分岐する分岐手段と、
   前記測定光を前記光出射部に案内する案内手段と、
   前記光出射部から前記方向変更部材を介して出射された測定光が照射される測定点からの戻り光であって、前記方向変更部材、前記光出射部、及び、前記案内手段を介して戻る戻り光と前記参照光との干渉光を検出する光検出手段と、
   前記駆動手段より回転する前記方向変更部材の各回転角度において、前記光検出手段により検出された干渉光に基づいて前記測定点の位置を検出することにより、前記測定内面の形状を検出する内面形状検出手段と、
   を備えた請求項１に記載の非接触内面形状測定装置。
3. 測定対象である測定孔に挿入される測定部から前記測定孔の内面である測定内面に測定光を照射することで非接触により前記測定内面の形状を測定する非接触内面形状測定装置であって、
   前記測定部は、
   前記測定部の前記測定孔への挿入方向に沿った基準軸と、
   前記基準軸に沿った方向に測定光を出射する光出射部と、
   前記基準軸に沿った方向に光軸を有する撮像手段と、
   前記光出射部及び前記撮像手段に対向して配置され、前記光出射部から出射された測定光の進行方向と前記撮像手段により撮影される撮影方向とを変更し、前記測定内面に向けて前記測定光を出射すると共に前記測定内面に前記撮影方向を向ける方向変更部材と、
   前記方向変更部材を前記基準軸周りに回転させる駆動手段と、
   前記測定内面に当接して前記測定部を前記測定孔の内部に支持するガイド部と、
   波長掃引光源と、
   前記波長掃引光源から出射された光を互いに異なる光路を通過する測定光と参照光とに分岐する分岐手段と、
   前記測定光を前記光出射部に案内する案内手段と、
   前記光出射部から前記方向変更部材を介して出射された測定光が照射される測定点からの戻り光であって、前記方向変更部材、前記光出射部、及び、前記案内手段を介して戻る戻り光と前記参照光との干渉光を検出する光検出手段と、
   前記駆動手段より回転する前記方向変更部材の各回転角度において、前記光検出手段により検出された干渉光に基づいて前記測定点の位置を検出することにより、前記測定内面の形状を検出する内面形状検出手段と、
   を備えた非接触内面形状測定装置。
4. 前記波長掃引光源は、波長を１２００ｎｍ〜１６００ｎｍの範囲内で変化させる請求項２又は３に記載の非接触内面形状測定装置。
5. 前記方向変更部材は、前記基準軸に斜めに交差する反射面を有する反射部材である請求項１から４のいずれか１項に記載の非接触内面形状測定装置。
6. 前記光出射部及び前記撮像手段は、前記方向変更部材よりも前記挿入方向の先端側に配置され、前記光出射部の前記測定光の照射方向及び前記撮像手段の撮影方向が前記挿入方向の基端側に向けられた請求項１から５のいずれか１項に記載の非接触内面形状測定装置。
7. 前記ガイド部は、前記測定部の前記挿入方向の先端側と基端側とに配置された請求項１から６のいずれか１項に記載の非接触内面形状測定装置。
8. 前記方向変更部材は透明円筒により前記基準軸周りの周囲が囲まれている請求項１から７のいずれか１項に記載の非接触内面形状測定装置。
9. 前記撮像手段は、焦点を合わせる被写体までの距離を調整する焦点調整手段を有し、
   前記焦点調整手段は、前記測定内面の形状の測定結果に基づいて制御される請求項１から８のいずれか１項に記載の非接触内面形状測定装置。
   

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