JP6656905B2 - 透明管の内径測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、透明管の内径測定方法に関する。

測定対象物の外形寸法（円柱状物の外径など）を非接触で測定するために、光学式の測定装置が用いられている。例えば、レーザスキャン式マイクロメータや、イメージセンサ式マイクロメータあるいは光切断式２次元形状測定センサが利用されている。
これらは、帯状に配列された複数の平行レーザ光束あるいは同様形状でスキャンするレーザビームを用い、測定対象物で遮断された陰の区間の寸法から、測定対象物の外径などを検出している（特許文献１など参照）。

このような平行レーザ光束を用いる測定装置では、測定対象物の外径などを測定する際に、平行光束の幅方向の光量変化を検出している。
すなわち、測定対象物として円柱状物を平行レーザ光束の途中に置いた場合、円柱状物で光束の中間部分が遮られ、円柱状物の両外側を通る光束だけが受光部に到達する。つまり、受光部で検出される受光量は、円柱状物の両外側で大きく、円柱状物の陰の部分で小さくなる。従って、円柱状物の幅方向における両側２箇所の、受光量が急減する位置を検出することで、その距離から円柱状物の外径寸法を測定することができる。

さらに、前述した測定装置では、受光量が急減する位置を検出するために、受光量の検出信号と所定の閾値との比較を行っている。
すなわち、円柱状物の外側の受光量が大きい状態から、円柱状物の陰の部分に至ると、受光量が小さい状態となる。これにより、受光部では、受光信号が減少し、閾値を下回った時点で円柱状物の一方の外側位置を検出することができる。
また、円柱状物の陰の部分で受光量が小さい状態から、円柱状物の外側に至ると、受光量が大きい状態となる。これにより、受光部では、受光信号が増加し、閾値を上回った時点で円柱状物の反対側の外側位置を検出することができる。

ところで、前述した平行レーザ光束を用いる測定装置は、円柱状物の外径測定に用いられるほか、透明管の内径測定に用いることが提案されている（特許文献２参照）。
特許文献２では、透明管に照射されて透明管を透過する平行なレーザビームのうち、光軸方向が変化しない特定のビームに着目し、透明管の内径（内周面の最大外径）を幾何学的に計算する。

図４において、平行レーザ光束９０の光路上に透明管８０を置くと、透明管８０の外周面８１の接線となるビーム９１，９２より外側の領域Ｅ１，Ｅ２では、平行レーザ光束９０がそのまま透過される。一方、ビーム９１，９２より内側の領域Ｅ３では、平行レーザ光束９０が遮られ、陰が形成される。既存の測定装置では、このビーム９１，９２の位置を検出することで、透明管８０の外径Ｄｏ（外周面８１の最大外径）を測定している。
なお、平行レーザ光束９０は、その幅方向が方向ＷＤとされ、照射される光軸方向が方向ＰＤとされている。

透明管８０に照射される平行レーザ光束９０は、透明管８０の外周面８１で屈折しつつ内部に入り、内周面８２で反射され、再び外周面８１から外部に出射される。出射されるビーム９３のうち一部が、元の平行レーザ光束９０と光軸が平行な状態となる。
図５において、領域Ｅ３の陰の部分には、主に３本のビーム９４，９５，９６が観測される。このうちビーム９４は、透明管８０の中心を通るものであり、外周面８１および内周面８２を直角に透過するため屈折せず、元の光軸のまま進行するものである。

一方、ビーム９５，９６は、前述した内周面８２で反射されて外周面８１から再び外部に出射されるものであり、かつ出射光軸が元の光軸と一直線になる条件に合致したものである。このビーム９５，９６の位置（平行レーザ光束９０の幅方向の位置）を検出することで、その位置に基づく幾何学的演算により、内周面８２の両端位置を検出することができ、透明管８０の内径Ｄｉ（内周面８２の最大外径）を測定することができる。

図４および図５に例示した透明管８０の内外径測定では、透明管８０の外側を通過した平行レーザ光束９０および透明管８０を透過したビーム９５，９６の光量に基づいて、各々の幅方向位置（平行レーザ光束９０の幅方向位置）を検出している。
図６において、測定装置の受光部では、透明管８０の外側を通過した平行レーザ光束９０および透明管８０を透過したビーム９５，９６を受光し、幅方向位置Ｐごとの光量Ｌを示す検出信号Ｓとして出力する。なお、スキャン方式では、幅方向位置Ｐに代えてスキャンタイミングが用いられることがある。

前述したように、透明管８０の外周面８１の接線となるビーム９１，９２より外側の領域Ｅ１，Ｅ２では、平行レーザ光束９０がそのまま透過され、受光部に受光される。このため、領域Ｅ１，Ｅ２において、検出信号Ｓは、それぞれ高い光量Ｌ１，Ｌ２を示す。
一方、領域Ｅ３の陰の部分では、主に３本のビーム９４，９５，９６が元の光軸（平行レーザ光束９０）と平行に出射され、受光部に受光される。このため、領域Ｅ３においては、検出信号Ｓに、ビーム９４，９５，９６に対応するピークＳ４，Ｓ５，Ｓ６が表れる。
ピークＳ４は、透明管８０の中央を屈折せずに透過してきたビーム９４に対応するものであり、光量Ｌ１，Ｌ２に準じた高い光量Ｌ４を示す。
ピークＳ５，Ｓ６は、透明管８０の内周面８２で反射されてきたビーム９５，９６に対応するものであり、光量Ｌ１，Ｌ２よりもかなり小さな光量Ｌ５，Ｌ６となる。

前述した透明管８０の内径測定は、ビーム９５，９６に対応するピークＳ５，Ｓ６の幅方向位置を検出することにより実現できる。
具体的には、ピークＳ５，Ｓ６と交差するレベルの閾値Ｔを設定し、検出信号Ｓが閾値Ｔを超える幅方向位置Ｐ５，Ｐ６を検出し、これらの位置あるいはこれらの距離Ｄｄから幾何学的演算を行うことで、内径Ｄｉを測定することができる。

特開２００１−１０８４１３号公報 特開平３−１６２６０６号公報

しかし、前述した透明管８０の内径測定において、内径Ｄｉの計算に用いるピークＳ５，Ｓ６は、それぞれ一点ではなく幅を有し、かつ両側の立ち上がりも傾斜を有する。
このため、閾値Ｔを超える位置（Ｐ５，Ｐ６）の検知にあたって、誤差が避けられないという問題があった。

例えば、外径測定では、検出信号Ｓが光量Ｌ１から光量Ｌ３に変化する区間で、閾値との交差を検出し、この点（ビーム９１に対応）を透明管８０の外側と判定する。
内径測定にも同様な手順を採用すると、検出信号ＳがピークＳ５において光量Ｌ３から光量Ｌ５に変化する区間で、閾値Ｔとの交差を検出し、この点を位置Ｐ５（ビーム９５に対応）と判定する。
しかし、図６の円形領域に拡大して示すように、実際の位置Ｐ５はピークＳ５の中央であり、例えば閾値Ｔが閾値Ｔ１とした際に交差する点Ｐ５１とはずれており、誤差を生じることになる。
また、閾値Ｔが閾値Ｔ１であるか閾値Ｔ２であるかによって、交差する点Ｐ５１あるいは点Ｐ５２が変化し、誤差を生じることになる。
このような誤差原因は、ピークＳ６でも同様である。

このような場合、閾値Ｔが閾値Ｔ１である際の点Ｐ５１と点Ｐ６１から計算される距離Ｄｄ１は、本来の位置Ｐ５，Ｐ６から計算される正しい距離Ｄｄと一致しない。
さらに、閾値Ｔが変動し、閾値Ｔ１から閾値Ｔ２になったとすると、点Ｐ５２と点Ｐ６２から計算される距離Ｄｄ２に変動してしまう、という問題がある。
その結果、位置Ｐ５，Ｐ６あるいはその距離Ｄｄが誤差を含んだものとなるため、透明管８０の内径Ｄｉを正確に計算することができない、という問題があった。

本発明の目的は、平行レーザ光束を用いて透明管の内径を正確に測定できる透明管の内径測定方法を提供することにある。

本発明の発明者は、円柱状物の外径測定では、受光量の検出信号と閾値との交差が両側各１箇所であるのに対し、透明管の内径測定では、内径に相当する検出信号のピークと閾値との交差がピークの両側各２箇所になる、との知見に基づいて、本発明に至ったものである。
本発明では、各側の２点の閾値との交差位置を検出し、その中点の位置を求めることで、内周面に対応した光束の位置を正確に測定し、これにより内径を正確に測定できるようにする。
具体的に、本発明は以下の構成を備えたものである。

本発明は、平行レーザ光束を用いて透明管の内径を測定する透明管の内径測定方法であって、前記平行レーザ光束を形成する投光部と、前記投光部からの前記平行レーザ光束を受光する受光部とを設置し、前記投光部と前記受光部との間に前記透明管を配置し、前記平行レーザ光束の幅方向位置に応じた受光量を示す検出信号を前記受光部から取得し、前記検出信号のうち、前記透明管の内周面で反射されて前記受光部に入射される光束により形成されるピークを検出し、前記ピークが所定の閾値と交差する２つの交点の幅方向位置を検出し、前記２つの交点の平均値から前記透明管の内周面で反射された光束の幅方向位置を計算し、前記光束の幅方向位置から幾何学的演算を行って前記透明管の内径を測定することを特徴とする。

このような本発明では、透明管の内周面で反射された光束により形成される検出信号のピークが閾値と交差する２つの交点の平均値をとることで、ピークの中心位置を検出することができる。この中心位置は、透明管の内周面で反射された光束の中心位置に相当するので、透明管の内周面の位置に正確に対応したものとなる。従って、この中心位置に基づいて内周面の両側位置を計算することで、正確な内径を得ることができる。
さらに、本発明によれば、閾値が変動し、検出信号との交点の位置が変動した場合でも、中点の位置を検出することで変動の影響を回避でき、この点でも正確な内径を得ることができる。

本発明の測定方法において、前記内周面の幅方向位置の計算を、前記透明管の両側について行い、両側の前記内周面の幅方向位置から前記透明管の内径を計算することが望ましい。
このような本発明では、内周面の両側の位置から内径を計算するので、正確な内径を測定することができる。
なお、透明管の中心位置が正確に得られていれば、内周面の片側の位置からでも、内径を測定することができる。ただし、透明管の両側についてそれぞれ測定することで、正確な内径を測定することができる。

本発明によれば、透明管の内径を、平行レーザ光束を用いて、正確に測定することができる。

本発明の一実施形態を示す測定装置の模式図。 前記実施形態の測定状態を示す模式図。 前記実施形態の測定における演算処理を示す模式図。 平行レーザ光束に透明管を置いた際の光束を示す模式図。 透明管を透過する特定の光束を示す模式図。 従来の内径測定を示す模式図。

図１ないし図３に基づき、本発明の一実施形態について説明する。
図１において、測定装置１は、平行レーザ光束を利用して測定対象物である透明管５０の外形寸法を測定する装置である。
本実施形態では、測定装置１として、レーザスキャン式マイクロメータを用いている。
測定装置１は、投光部１０および受光部２０を有する。受光部２０には制御装置３０が接続されている。

投光部１０は、レーザ光源１１、ポリゴンミラー１２およびコリメータレンズ１３を有する。
投光部１０においては、レーザ光源１１からのビーム状のレーザ光１４が、ポリゴンミラー１２で反射される。反射光１５は、コリメータレンズ１３を通して出射され、測定光束１６を形成する。
ポリゴンミラー１２は、図示省略した回転駆動機構で回転駆動される。これにより、ポリゴンミラー１２で反射された反射光１５のビームは扇形に振られ、コリメータレンズ１３を通して出射された平行な測定光束１６により、帯状の平行レーザ光束４０が形成される。
なお、平行レーザ光束４０は、その幅方向が方向ＷＤとされ、照射される光軸方向が方向ＰＤとされている。

受光部２０は、測定光束１６の光路上に配置されたコリメータレンズ２１と、その焦点位置に配置された光センサ２２とを有する。
受光部２０には、投光部１０からの平行レーザ光束４０が入射される。入射された平行レーザ光束４０は、コリメータレンズ２１で収束され、収束光２３が光センサ２２に入射される。光センサ２２は、受光した収束光２３の光強度を検出し、平行レーザ光束４０の幅方向に応じた検出信号Ｓ（図２参照）として、外部の制御装置３０に出力する。

投光部１０と受光部２０との間には、測定対象物である透明管５０が配置されている。
透明管５０は、透明な材質で形成され、外周面５１の外径Ｄｏ、内周面５２の内径Ｄｉとされている。
本実施形態では、平行レーザ光束４０を用いて、内周面５２の内径Ｄｉの正確な測定を行う。

図２において、平行レーザ光束４０の光路上に透明管５０を置くと、透明管５０の外周面５１の接線となるビーム４１，４２より外側の領域Ｅ１，Ｅ２では、平行レーザ光束４０がそのまま透過される。一方、ビーム４１，４２より内側の領域Ｅ３では、平行レーザ光束４０が遮られ、陰が形成される。このビーム４１，４２の位置を検出することで、透明管５０の外径Ｄｏを測定することができる。

透明管５０に照射される平行レーザ光束４０は、透明管５０の外周面５１で屈折しつつ内部に入り、内周面５２で反射され、再び外周面５１から外部に出射される。出射されるビーム４３のうち一部が、元の平行レーザ光束４０と光軸が平行な状態となる。
領域Ｅ３の陰の部分には、元の平行レーザ光束４０と光軸が平行なビーム４３として、主に３本のビーム４４，４５，４６が観測される。このうちビーム４４は、透明管５０の中心を通るものであり、外周面５１および内周面５２を直角に透過するため屈折せず、元の光軸のまま進行するものである。

一方、ビーム４５，４６は、前述した内周面５２で反射されて外周面５１から再び外部に出射されるものであり、かつ出射光軸が元の光軸と一直線になる条件に合致したものである。このビーム４５，４６の位置（平行レーザ光束４０の幅方向の位置）を検出することで、その位置に基づく幾何学的演算により、内周面５２の両端位置を検出することができ、透明管５０の内径Ｄｉ（内周面５２の最大外径）を測定することができる。

これらの測定処理は、制御装置３０において実行される。
制御装置３０は、透明管５０の外側を通過した平行レーザ光束４０および透明管５０を透過したビーム４５，４６の光量に基づいて、各々の幅方向位置（平行レーザ光束４０の幅方向位置）を検出する。
受光部２０において、透明管５０の外側を通過した平行レーザ光束４０および透明管５０を透過したビーム４５，４６を受光し、幅方向位置Ｐごとの光量Ｌを示す検出信号Ｓとして出力する。
本実施形態では、測定装置１がスキャン方式であり、投光部１０では平行レーザ光束４０の幅方向に一本のレーザビームを振ってスキャンする。従って、平行レーザ光束４０の幅方向位置Ｐは、投光部１０におけるスキャンタイミングが用いられる。

前述したように、透明管５０の外周面５１の接線となるビーム４１，４２より外側の領域Ｅ１，Ｅ２では、平行レーザ光束４０がそのまま透過され、受光部２０に受光される。このため、領域Ｅ１，Ｅ２において、検出信号Ｓは、それぞれ高い光量Ｌ１，Ｌ２を示す。
一方、領域Ｅ３の陰の部分では、主に３本のビーム４４，４５，４６が元の光軸（平行レーザ光束４０）と平行に出射され、受光部２０に受光される。このため、領域Ｅ３においては、検出信号Ｓに、ビーム４４，４５，４６に対応するピークＳ４，Ｓ５，Ｓ６が表れる。
ピークＳ４は、透明管５０の中央を屈折せずに透過してきたビーム４４に対応するものであり、光量Ｌ１，Ｌ２に準じた高い光量Ｌ４を示す。
ピークＳ５，Ｓ６は、透明管５０の内周面５２で反射されてきたビーム４５，４６に対応するものであり、光量Ｌ１，Ｌ２よりもかなり小さな光量Ｌ５，Ｌ６となる。

前述した透明管５０の内径測定は、ビーム４５，４６に対応するピークＳ５，Ｓ６の幅方向位置を検出することにより実現できる。
具体的には、ピークＳ５，Ｓ６と交差するレベルの閾値Ｔを設定し、検出信号Ｓが閾値Ｔを超える幅方向位置Ｐ５，Ｐ６を検出し、これらの距離Ｄｄを測定することができる。

本実施形態においては、幅方向位置Ｐ５，Ｐ６の検出にあたって、それぞれのピークＳ５，Ｓ６に対し、閾値Ｔと交差する２つの交点の幅方向位置を検出する。
ピークＳ５については、その両側の立ち上がり部分において、例えば閾値Ｔ１と交差する交点Ｐ５１１および交点Ｐ５１２を検出する。そして、各々の平均値を計算することで、各交点Ｐ５１１，Ｐ５１２の中点にあたる幅方向位置Ｐ５を検出する。
ピークＳ６については、同様に閾値Ｔ１と交差する交点Ｐ６１１および交点Ｐ６１２を検出し、各々の平均値から各々の中点にあたる幅方向位置Ｐ６を計算する。

これらの幅方向位置Ｐ５，Ｐ６は、それぞれピークＳ５，Ｓ６の中心位置となり、ピークＳ５，Ｓ６の正確な幅方向位置を示すものとなる。
ここで、閾値Ｔ１が閾値Ｔ２に変動したとすると、ピークＳ５の閾値Ｔ２との交点Ｐ５２１および交点Ｐ５２２は変動するが、その平均値としての幅方向位置Ｐ５は変動しない。また、ピークＳ６の閾値Ｔ２との交点Ｐ６２１および交点Ｐ６２２は変動するが、その平均値としての幅方向位置Ｐ６は変動しない。
従って、閾値Ｔが変動したとしても、幅方向位置Ｐ５，Ｐ６は変動せず、それぞれ常にピークＳ５，Ｓ６の正確な幅方向位置を示すことになる。

ピークＳ５，Ｓ６の正確な幅方向位置Ｐ５，Ｐ６およびその距離Ｄｄが検出できたら、幾何学的演算により、内周面５２の両端の幅方向位置を計算する。
図３において、ビーム４５，４６の入射位置を通る外周面５１の法線Ｌｉとして、検出した距離Ｄｄと、透明管５０の外径Ｄｏとから、外周面５１の法線Ｌｉに対するビーム４５，４６の入射角度Ａｉ＝ｓｉｎ^−１（Ｄｄ／ｄｏ）が求まる。
また、入射角度Ａｉと透明管５０の材質の屈折率ｎから、透明管５０に入射したビーム４５，４６の法線Ｌｉに対する屈折角度ｒ＝ｓｉｎ^−１（ｓｉｎＡｉ／ｎ）が求まる。
次に、法線Ｌｉと平行レーザ光束４０の光軸と交差する軸線Ｌｏとの角度αと、屈折角度ｒとから、透明管５０に入射したビーム４５，４６の軸線Ｌｏに対する角度βが求まる。
これらの角度ｒ，βが得られれば、正弦定理に基づきＤｉ／ｓｉｎｒ＝Ｄｏ／ｓｉｎβとなり、内径Ｄｉ＝Ｄｏ（ｓｉｎｒ／ｓｉｎβ）が得られる。

なお、上述の演算では、幅方向位置Ｐ５，Ｐ６の距離Ｄｄを用いたが、距離Ｄｄを用いず、幅方向位置Ｐ５，Ｐ６それ自体の透明管５０の中心Ｏからの距離を用いて計算を行ってもよく、図３に示す幾何学的関係から内径Ｄｉを確定できればよい。
この場合、幅方向位置Ｐ５，Ｐ６のいずれかと、透明管５０の中心Ｏが解っていればよい。透明管５０の中心Ｏの、平行レーザ光束４０の幅方向位置は、例えばビーム４４の中心位置を検出することで行える。その際、幅方向位置Ｐ５，Ｐ６の検出と同様に、検出信号Ｓにおけるビーム４４に対応したピークの両側で閾値が公差する２つの点を求め、ビーム４４の中心位置を正確に求めることが望ましい。

このような本実施形態では、検出信号Ｓにおいて、透明管５０の内周面５２で反射されたビーム４５，４６によりピークＳ５，Ｓ６が形成される。この際、それぞれのピークＳ５，Ｓ６において、閾値Ｔと交差する２つの交点を検出し、この２つの平均値をとることで、ピークＳ５，Ｓ６の中心の幅方向位置Ｐ５，Ｐ６を正確に検出することができる。
この幅方向位置Ｐ５，Ｐ６は、透明管５０の内周面５２で反射されたビーム４５，４６の中心位置に相当するので、内周面５２の位置に正確に反映したものとなる。従って、これらの幅方向位置Ｐ５，Ｐ６に基づいて内周面５２の両側位置を計算することで、正確な内径Ｄｉを得ることができる。

さらに、本発明によれば、閾値Ｔが変動し、検出信号Ｓとの交点の位置が変動した場合でも、中点にあたる幅方向位置Ｐ５，Ｐ６を検出することで変動の影響を回避でき、この点でも正確な内径Ｄｉを得ることができる。
そして、本実施形態では、内周面５２の両側で幅方向位置Ｐ５，Ｐ６を計算し、幅方向位置Ｐ５，Ｐ６の距離Ｄｄを用いて内径Ｄｉを計算するようにしたので、透明管８０の中心Ｏを用いることなく、正確な内径Ｄｉを測定することができる。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形などは本発明に含まれる。
前述した実施形態では、平行レーザ光束４０を形成する測定装置１としてレーザスキャン式マイクロメータを用いたが、イメージセンサ式マイクロメータあるいは光切断式２次元形状測定センサを利用してもよい。
また、実施形態の説明中でも述べた通り、透明管５０の全幅にわたって平行レーザ光束４０で測定するのではなく、中心Ｏから一方の側までの半分だけを平行レーザ光束４０で測定してもよく、幅方向位置Ｐ５，Ｐ６のいずれか一方と中心Ｏとから内径Ｄｉを測定することができる。

本発明は、透明管の内径測定に利用でき、平行レーザ光束を用いた高精度の内径測定に利用することができる。

１…測定装置、１０…投光部、１１…レーザ光源、１２…ポリゴンミラー、１３…コリメータレンズ、１４…レーザ光、１５…反射光、１６…測定光束、２…測定対象物、２０…受光部、２１…コリメータレンズ、２２…光センサ、２３…収束光、３０…制御装置、４０…平行レーザ光束、４１，４２，４３，４４，４５，４６…ビーム、５０…透明管、５１…外周面、５２…内周面、Ａｉ…入射角度、Ｄｄ，Ｄｄ１，Ｄｄ２…距離、Ｄｉ…内径、Ｄｏ…外径、Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３…領域、Ｌ，Ｌ１，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６…光量、Ｌｉ…法線、Ｌｏ…軸線、Ｏ…中心、Ｐ５，Ｐ６…幅方向位置、Ｐ５１，Ｐ５１１，Ｐ５１２，Ｐ５２，Ｐ５２１，Ｐ５２２…交点、Ｐ６１，Ｐ６１１，Ｐ６１２，Ｐ６２，Ｐ６２１，Ｐ６２２…交点、ｒ…屈折角度、Ｓ…検出信号、Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６…ピーク、Ｔ，Ｔ１，Ｔ２…閾値、α，β…角度。

Claims (2)

1. 平行レーザ光束を用いて透明管の内径を測定する透明管の内径測定方法であって、
   前記平行レーザ光束を形成する投光部と、前記投光部からの前記平行レーザ光束を受光する受光部とを設置し、前記投光部と前記受光部との間に前記透明管を配置し、
   前記透明管の全幅または前記透明管の中心から一方の側までの半分において、前記平行レーザ光束の幅方向位置に応じた受光量を示す検出信号を前記受光部から取得し、前記検出信号のうち、前記透明管の内周面で反射されて前記受光部に入射される光束により形成されるピークを検出し、
   前記ピークが所定の閾値と交差する２つの交点の幅方向位置を検出し、前記２つの交点の平均値から前記透明管の内周面で反射された光束の幅方向位置を計算し、
   前記光束の幅方向位置から幾何学的演算を行って前記透明管の内径を測定することを特徴とする透明管の内径測定方法。
2. 請求項１に記載した透明管の内径測定方法において、
   前記内周面の幅方向位置の計算を、前記透明管の両側について行い、両側の前記内周面の幅方向位置から前記透明管の内径を計算することを特徴とする透明管の内径測定方法。