JP6739780B2 - 光学式内面測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、被測定物の内周面または深穴内径に、光学式測定プローブを進入させ、内面または深穴底面に光線を放射し、反射光を立体的に取り込んで内部形状の観察、及び寸法及び幾何学精度を測定するための光学式内面測定装置に関するものである。

例えば自動車用エンジンのシリンダーの加工仕上がり寸法や幾何学精度の良否は自動車の動力性能と燃料消費効率に大きく影響するが、これらの検査は一般には真円度測定機、表面粗さ計、リニヤスケールを用いた測長機等の接触式測定機を用いて検査されていた。しかし近年、被測定物に傷を付けない目的から光学式の非接触式測定機が登場している。

非接触で被測定物内面の傷の有無を観察および検査する手段として、画像診断技術（光イメージング技術）は、機械装置、医療などの現場において広く利用されている技術である。例えば、精密機器などの製造現場において、深穴の奥部の検査や画像診断の手法として、一般的な内視鏡によるカメラ観察に加えて、光線を内面に照射し反射光の強弱を光センサで捉え、コンピュータで判断して表面傷の有無を自動検査する方法が採用されている。

医療の分野では人体内部の患部の観察に断層画像が観察可能なＸ線ＣＴ、核磁気共鳴、光の干渉性を利用した内視鏡によるＯＣＴ画像(光干渉断層撮影)などの方式が研究されると共に活用されている。

機械装置の分野では、穴や精密内径を有する機械部品の内周面に光線を照射して内周面の傷の観察または寸法測定を行う技術を適用した観察装置の代表的な構造は、例えば、特許文献１から３に示す通りである。

特許文献１に示す穴形状測定方法および測定装置では、該文献中の被測定物（2）の小径穴（1）の中にスリットを通した光線を斜めから照射し、小径穴（1）の内周面から反射した光線をカメラで捉え、小径穴の形状精度を読み取っていた。
しかしながらこの構成では、被測定物の表面が例えばリングゲージのように平滑な面であれば測定が可能であるが、一般的な複雑形状の機械部品の測定を行う場合には、小径穴（1）の内面の表面粗さや凹凸のキズにより反射光が発散し、正しい形状をカメラが捉えることができず、高精度な測定は不可能であった。また、被測定物（2）が想定以上に長い場合にも反射光を捉えることが出来ず測定が行えなかった。

また、特許文献２に記載される走査型管内形状検査装置では、該文献中図１及び図３に示されるように管内に光ビームを螺旋状に走査し、非接触で管の内径寸法と、該文献中図１０に示されるように三次元の形状データを取り込んで表示している。
しかしながら該文献には光ビームを回転放射する機構が記載されておらず、放射ビームの回転モータが高速回転すると回転軸に振れまたは非再現振れが生じて採集された被測定物の内周面の断面形状データにノイズがのっていた。また、管内検査装置（10）を螺旋状に走査させるために、長手方向にスライド動作させるためのモータや機構系の振動が一般には０．０１μｍ程度以上も発生し、このノイズが測定データにのってしまい除去できないため、測定値の繰返し再現性が悪くなり、ナノメータオーダーの高精度な測定は行えていなかった。

また、特許文献３に示す孔形状測定方法では、該文献中の被測定物孔の内周面に光学式プローブ（3）を挿入し、光学式プローブの第１の位置で３点以上の測定光を同時または遂次照射し、光学式プローブから内周面の第１の位置までの距離を計測し、続いて光学式プローブ（3）を軸線方向にスライドさせ第２の位置に移動させて後に、同様に内周面の第２の位置までの距離を計測し、被測定物の内周面と光学式プローブの平行度を求めて、この平行度のズレを補正して穴の内径寸法と真円度の幾何精度の数値を計算して求めていた。
しかしながら、この構成では、光学式プローブが第１の位置から第２の位置に向け、軸方向または長手方向に移動する間に、この移動手段になるリニアスライダーの直線性の悪さ（例えば０．０１μｍ程度存在する）が平行度の計算に狂いを生じさせていた。また、光学式プローブを回転させる時に発生するサブミクロンの振動変位（例えば０．１μｍ程度以上）が光学式プローブから内周面の各位置までの距離を狂わせるため、正しい補正計算と高精度な測定ができていなかった。

特開平０８−２３３５４５号公報 特開平０５−１８０６２７号公報 特開２０１０−２３６８７０号公報

本発明は上記従来事情に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、被測定物の内周面または深穴内径、または長くて屈曲するパイプの穴内に、測定用プローブを進入させ内周面または深穴底面に光線を回転放射し、反射光を立体的に収集してコンピュータ処理し三次元画像データを観察、及び寸法測定及び幾何学精度を測定すること。そして、測定用プローブを軸方向にスライドさせる時に生じる送り機構の精度誤差から生じる測定精度の悪化を防止するために、軸方向のスライドを行わずに光学的に三次元走査が行える構成にすること。さらに、測定内周面に回転放射する測定プローブ自身の機械振動、および回転放射用モータ回転軸に生じる軸振れの影響を完全に排除することである。これら課題解決により、従来、機械振動が引き起こしていたデータのばらつきや、振動ノイズを解消して、正しく精密な内径及び内周面の三次元精度測定を可能にする光学式内面測定装置を提供することである。

上記課題を解決するための一手段は、干渉光学法（光干渉法、分光干渉法等）を用いて被検査対象物内周面の観察および寸法精度を測定する光学式内面測定装置において、チューブに内蔵された光ファイバーと、前記光ファイバーの先端部に少なくとも２つの光路変換手段を有し、前記２つの光路変換手段を回転駆動させるモータをそれぞれ有し、前記チューブの先端部は硬質の透光性基準パイプが取り付けられ、前記透光性基準パイプの半径方向の機械的振動を検出する検出手段を有し、被検対象物の内径に光プローブの前記透光性基準パイプ部分を挿入し、前記２つの光路変換手段が前記光ファイバーから導いた光線を円周方向および軸方向に三次元的に光線を放射し、その反射光を検出するよう構成した。

本発明によれば、従来、測定装置の軸方向送り精度の誤差、測定用プローブの振動、及び光線を被測定面に回転放射するモータの軸受振れの影響が排除でき、また、光学的ゆらぎの影響についても排除でき、これにより測定データのばらつきや、ノイズを排除して、正しく精密な内径及び内周面の精度測定が可能である。

本発明の実施の形態に係る光学式内面測定装置の構成図 同光学式内面測定装置の光プローブ先端部断面図 同光プローブの回転動作説明図 同光プローブの走査角度説明図 同光プローブの走査角度説明図 同光プローブの３次元走査範囲説明図 同光学式内面測定装置の基準パイプと補正原理説明図 同光学式内面測定装置の検出波形と軸振れと光学的ゆらぎ排除原理図 同光学式内面測定機の基準パイプ位置検出第１方法説明図 同光学式内面測定機の基準パイプ振動量検出図 同光学式内面測定機の検出波形と基準パイプ振動量排除原理図 同光学式内面測定機の基準パイプ振動量排除効果説明図 同光学式内面測定機の基準パイプ位置検出第２方法説明図 同光学式内面測定機の基準パイプ押圧子説明図

本実施の干渉光学法を用いて被検対象物の観察および測定を行う光学式内面測定装置の第１の特徴は、チューブに内蔵された光ファイバーと、前記光ファイバーの先端部に少なくとも２つの光路変換手段を有し、前記２つの光路変換手段を回転駆動させるモータを有し、前記チューブの先端部は硬質の透光性基準パイプが取り付けられ、前記透光性基準パイプの半径方向の機械的振動を検出するセンサを有し、被検対象物の内径に前記透光性基準パイプを挿入し、前記２つの光路変換手段が前記光ファイバーから導いた光線を円周方向および軸方向に三次元的に光線を放射し、その反射光を検出するよう構成した。
この構成により、被検対象物内周面からの反射光を、光ファイバーを経て導き入れ、コンピュータで計算することにより得られた被検対象物の内周面の形状データを、光ファイバーの軸方向の移動を行わず、透光性基準パイプを固定した状態で三次元データの収集が可能になり、また、測定装置の軸方向送り精度の誤差、および透光性基準パイプの振動が排除でき、これにより画像データのばらつきや、ノイズを解消して、正しく精密な内径及び内周面の精度測定が可能である。

第２の特徴としては透光性基準パイプの形状寸法（半径：Ｓ）を予め測定しこのデータをコンピュータに記憶しておき、前記被測定内周面（Ｌ１）と前記透光性基準パイプ間の距離データ（Ｌ１−Ｌ２）を、前記検出した反射光からコンピュータで計測し、前記透光性基準パイプの寸法形状データ（Ｓ）に被測定内周面と前記透光性基準パイプ間の距離データを加えて被測定内周面の半径寸法＝（Ｓ＋（Ｌ１−Ｌ２））を求めるよう構成した。
この構成により、干渉光学系のゆらぎ変動の影響、及び光線を被測定面に回転放射するモータの軸受振れの影響が排除でき、正しく精密な内径および内周面の幾何学精度測定が可能である。

第３の特徴としては前記被検対象物の内周面輪郭と、前記透光性基準パイプ間の相対位置変化量（±Ｒ３）をカメラで検出し、前記透光性基準パイプの寸法形状データ（半径：Ｓ）に被測定内周面と前記透光性基準パイプ間の距離データを加えた被測定内周面の半径寸法＝Ｓ＋（Ｌ１−Ｌ２）に、前記透光性基準パイプ間の関係位置寸法（±Ｒ３）を加えて測定結果を補正するようにした。
この構成と方法により、前記透光性基準パイプが、内蔵モータの回転部分の遠心力による振れや振動を発生しても、この振動変位量を測定し相殺することが可能であり、正確な内径および内周面の精度測定が可能である。

第４の特徴としては前記被検対象物の内周面輪郭と、前記透光性基準パイプ間の相対関置変化量（±Ｒ３）を被検対象物が固定されたベースに取り付けた距離センサで検出するようにした。
この構成により、前記透光性基準パイプが、内蔵モータの回転部分の遠心力による振動を発生しても、この振動変位量を相殺し、正確な内径および内周面の精度測定が可能である。

第５の特長としては、被検対象物１００ａの穴の片方から前記透光性基準パイプ２２の先端を挿入し、穴の他方から基準パイプ押圧子５３を挿入し前記透光性基準パイプ２２の先端に当接させた状態で、光線を円周方向および軸方向に三次元的に放射し、反射光を検出するよう構成した。
この構成によれば、前記透光性基準パイプ２２の先端の微振動量を基準パイプ押圧子５３が減少させるため、より正しく精密な内径および内周面の精度測定が可能である。

第６の特徴としては、前記モータは、第１モータと、前記第１モータの後方側に配置された第２モータとがあり、前記光路変換手段は、前記第１モータにより動作する第１光路変換手段と、前記第２モータにより動作する第２光路変換手段とがある。そして、前記光ファイバーは、前記第２モータの後方側で、固定具を介して前記チューブに回転不能に配置された固定側光ファイバーと、前記第１モータまたは前記第２モータの回転軸部と一体的に回転する回転側光ファイバーとで構成されている。そして、前記第１モータおよび前記第２モータの前記回転軸部は、各々が中空形状をしており、前記回転側光ファイバーは、先端側の少なくとも一部が前記第１モータの回転軸部の中空穴に挿通されるとともに、後方側の少なくとも一部が前記第２モータの回転軸部の中空穴に固定されている。そして、前記第１光路変換手段は、前記第２光路変換手段の先端側で、前記第１モータの回転軸部と一体的の回転可能に配置されており、前記第２光路変換手段は、前記回転側光ファイバーの先端に備わる構成とした。
この構成によれば、透光性基準パイプ２２およびチューブ６をＺ軸方向（長手方向）に移動せずに一定範囲内の三次元測定が行えるため、測定装置の軸方向送り精度の誤差を完全に排除することができ、高精度な測定が可能である。

次に本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。

本発明に関わる光学式内面測定装置の実施形態について説明する。
図１〜図１２は本発明に係る光学式内面測定装置の実施形態を示している。

図１は本発明の実施の形態に係る光学式内面測定装置の構成図である。ベース８０ａにスタンド８１が固定され、スライダ用モータ８３によりスライダ８２が光プローブ２４と共に上下に移動する。被検査物１００ａはベース８０ａ上にセットされており、光プローブ２４は被検査物１００ａの深穴に出入りするよう構成されている。固定側光ファイバー１に入光した光線はチューブ６内を通過し、さらに測定機本体８５の接続部８４を通過して、光干渉解析部８８に入り、コンピュータ８９で解析してモニタ９０に画像もしくは測定数値を表示する。

この光学式内面測定装置は、直径測定機能、真円度測定機能、またこの真円度データを長手方向に複数個所収集しこれらを結合し、三次元的に表示して得る円筒度測定機能を有している。

図２は本発明の実施形態に係る光学式内面測定装置の光プローブ２４の先端部断面図である。光プローブ２４の後端側から先端側に光線を導く固定側光ファイバー１は十分に長いチューブ６の内部に挿通され、光ファイバー固定具４により固定されている。

固定側光ファイバー１の先端側には回転側光ファイバー２が回転自在に配置されている。回転側光ファイバー２のさらに先端側には略平面状のミラー等からなる第１光路変換手段３ａ、３ｂが第１モータ１２により回転側光ファイバー２とは独立して略同軸上に設けられ、回転自在に取り付けられ、回転する事で光線を３６０度の全周方向に放射するよう構成されている。

回転側光ファイバー２と固定側光ファイバー１のそれぞれの端面は５μｍ程度の微小距離を隔てて対向し、回転する遮光板５、光ファイバー固定具４を含めて回転光コネクター２０を構成し、回転側光ファイバー２と固定側光ファイバー１の間は高い透過率が維持でき、ほとんど損失なく光学的に接続されている。

また、回転側光ファイバー２の先端には固定側光ファイバー１と回転光コネクター２０を透過してきた光線を集光して回転しながら先端方向に少々の角度を付けて第１光路変換手段３ａ，３ｂに向けて放射する第２光路変換手段２１が取り付けられている。

第１モータ１２は、モータケース８に第１モータコイル７、第１軸受９ｂ，９ａが固定され、第１ロータ磁石１１が取り付けられた第１中空回転軸１０が回転する。第１モータコイル７には第１電線１８から電圧が印加され、回転する第１中空回転軸１０にはミラー等からなる第１光路変換手段３が取り付けられている。

第２モータ１７は、第１モータ１２と同様に、モータケース８に第２軸受１６ａ、１６ｂと、第２モータコイル１５が取り付けられ、第２軸受１６ａ、１６ｂは第２ロータ磁石１４を有する第２中空回転軸１３を回転自在に支持し、第２電線１９から電圧が印加され、回転する第２中空回転軸１３の穴１３ａには回転側光ファイバー２が挿通固定され、その先端にはプリズム等からなる第２光路変換手段２１が取り付けられている。

図２の第１モータ１２には図１に示す第１モータドライバ回路８６から電力が供給されて回転駆動され、第２モータ１７は第２モータドライバ回路８７から電圧が印加されて回転駆動される。

光線が放射される第１光路変換手段３の外周近傍には光線が透過可能な透光性基準パイプ２２がチューブ６及びモータケース８と一体的に取り付けられている。透光性基準パイプ２２の内周面または外周の表面には必要に応じて表面反射を減らし、光線の透過率を高めるためのコーティング等がなされている。また、第１光路変換手段３は回転可能なミラー又はプリズムで構成されており、反射効率が高く光学的損失を減らして高精度な精度測定が可能である。

第２光路変換手段２１は先端に傾斜する略平面を有するプリズム等で構成しており、光線の集光性が高く、光学的損失を減らして高精度な精度測定が可能である。

次に上述した図２の三次元走査型の光プローブを用いた図１の光学式内面測定装置について、その特徴的な作用効果を詳細に説明する。

図１および図２において測定機本体８５内から発光された近赤外またはレーザ等の光線はチューブ６に内蔵された固定側光ファイバー１の中を通過して進む。

第１電線１８から電力が供給され、第１モータ１２と第２モータ１７の２個のモータが約９００〜２万ｒｐｍの範囲の同一回転数で同期回転すると、導かれた光線は回転光コネクター２０と回転側光ファイバー２を通過し、第２光路変換手段２１から放出され、第１光路変換手段３ａの略平面部で反射し一定の角度方向（図２においてはθ１の角度）に方向を変えて３６０度方向に回転放射され、この時の放射範囲は図４の様に角度θ１の傘状の範囲になる。

光線はさらに透光性基準パイプ２２を通過し、被検査物１００ａの内周面から反射した光線を上記と同じ光路を逆方向に透光性基準パイプ２２⇒第１光路変換手段３⇒第２光路変換手段２１⇒回転側光ファイバー２⇒回転光コネクター２０⇒固定側光ファイバー１を通過して光干渉解析部８８に導かれる。

次に、第１モータ１２と第２モータ１７の回転数が例えば、第１モータ１２の回転数が３６００ｒｐｍ一定で、一方第２モータ１７の回転数は３５７０ｒｐｍ一定で回転させ、これら２個のモータ回転数に若干の差を与える回転状態に切り換える。この状態では、図３に示すように第１光路変換手段３が回転すると同時に、第２光路変換手段２１との相対回転角度位相が徐々に変化していき、やがて光線は回転する第１光路変換手段３で反射し光線は３６０度に全周方向に放射されつつ、長手方向の放射角度が徐々に変化し図５の図中θ２に示すように変わる。すなわち、この瞬間の光線の放射範囲は図５に示すような傾斜した傘状の範囲に変わっている。

この回転角度位相差は、第１モータ１２が１分間に３６００回転する間に第２モータ１７の回転数との差分である３０回転（即ち、３６００−３５７０＝３０回転／分）ずれるので、即ち１分間あたり３０回（即ち３０往復）、回転角度位相差が生じ、引き続き第１光路変換手段３と第２光路変換手段２１の回転位相差がゆっくりと１分間に３０回ずつ生じ続ける。この動作により、光線の放射方向が図６に示すように、θ１〜θ２の範囲で連続的に変化し、光線の放射範囲はθ１＋θ２の範囲で三次元的に繰り返し照射される。この構成では、光線の放射範囲内に信号線や電線１８，１９が存在しないため、陰や欠落のない三次元画像データを得ることができる。

図２において、回転速度センサ２３ａが第１光路変換手段３または、第１中空回転軸１０の１回転当り１回のパルスを発生し、このパルス信号は図１の第１モータドライバ回路に送られ、第１モータ１２の回転速度を調整し、また、コンピュータ８９に送られ、三次元ディジタル画像を１フレーム毎に描写するためのトリガー信号に使用される。

本発明の光学式内面測定装置において、被検査物１００の内径測定を行う手順は次のとおりである。

まず、測定を行う前の準備としてキャリブレーション（校正）を行う。図７に示すように内径寸法（Ｄ１）が既知のリングゲージ１００の穴部に光プローブ２４の透光性基準パイプ２２を挿入し、透光性基準パイプ２２の外径からリングゲージ１００内面までの半径差（Ｌ１−Ｌ２）と（Ｌ１’−Ｌ２’）求めモニタ９０に表示し、透光性基準パイプ２２の直径数値（Ｄ２＝２×Ｓ＝（Ｌ１―（Ｌ１−Ｌ２））＋（Ｌ１’―（Ｌ１’−Ｌ２’））を求め、このＳの数値を基準径として、コンピュータ８９に記憶させ準備を完了する。このキャリブレーション（校正）は１ケ月に１回程度定期的に行うものである。

キャリブレーション（校正）が終わると次に測定を開始する。別の被検査物１００ａに光プローブ２４の透光性基準パイプ２２部分を挿入し、第１モータ１２及び第２モータ１７を回転させ、光線を放射して図中、Ｌ１（プローブの基準から被検査物１００ａ内面までの距離）、Ｌ２（プローブの基準から透光性基準パイプ２２までの距離）を求める。図８はその測定値の時間変化のグラフを示しており、これらＬ１とＬ２の測定値は共に、測定機本体８５が温度変動、装置のスイッチＯＮから安定化までの不安定性および、ゆらぎ変動の影響を受けて大きく時間変化する状態を示している。しかしながら、透光性基準パイプ２２から被検査物１００ａまでの距離はこれらの影響を全く受けず、図８の（Ｌ１−Ｌ２）のグラフのように一定の値を示している。従ってコンピュータ８９は、真の半径測定値＝（Ｓ＋（Ｌ１−Ｌ２））を計算し表示するようにプログラムしている。

また、円筒度の測定方法は、図１に示すスライド用モータ８３を停止させ振動が出ない状態で、図７に示すように、ΔＺの範囲の三次元データを取り込み、得られたデータをコンピュータ８９が自動的に傾斜角度を補正して、内接円筒と外接円筒の２つの立体画像間の半径差を求め、これを円筒度としてモニタ９０に表示する。

図９〜図１２は本発明に係る光学式内面測定装置の透光性基準パイプ２２位置検出第１の方法を示している。

図９の構成は図７と同様であるが、カメラ５１が被検査物１００ｂとの相対位置が変わらないよう、ベース８０に固定されている。図１０はこのカメラによる検出画像であり、被検査物１００ｂの内面の輪郭１００ｘと、透光性基準パイプ２２の中心を示しているが、この透光性基準パイプ２２の中心位置は常に微振動を起こしており、図中±Ｒ３（具体的には０．０１μｍ程度）に示すようにその振動量が捉えられている。この微振動は主に、図２に示す第１モータ１２及び第２モータ１７の回転により生じるアンバランス振動によるものであり、これら２個のモータの動的アンバランス量を減らすことで振動量は減少するが、より高精度な測定を行うためには透光性基準パイプ２２の振れ振動を検出することが大変有効である。

図１１は検出波形と基準パイプ振動量排除原理説明図であり、図中±Ｒ３のグラフは検出した透光性基準パイプ２２の振動量の時間変化を示し、Ｌ１、Ｌ２、（Ｌ１−Ｌ２）の３本のグラフは図８と同じである。コンピュータ８９が被検査物１００ｂの内径寸法を測定する場合は、先に説明した半径測定値＝（Ｓ＋（Ｌ１−Ｌ２））にさらに±Ｒ３を加えて算出する。
即ち、真の半径測定値＝Ｓ＋（Ｌ１−Ｌ２）±Ｒ３ であり、
これが求める高精度な真の測定値である。

我々の実験によれば、図１２に示すように、
（I）透光性基準パイプを使わない測定では光学系のゆらぎ変動と、回転モータの振れ振動の影響により測定ばらつきが多く、その標準偏差（σ）は１８．５μｍと大変悪かった。
（II）しかし、図７に示すように透光性基準パイプ２２から被検査物１００ａの内周面までの距離を測る方法ではその標準偏差（σ）は０．０５μｍに大幅に改善され、
（III）また、図９に示すように、透光性基準パイプ２２自身の振れ振動をカメラ５１で捉えてこれを加味した場合には、その標準偏差（σ）は０．０２μｍまで改善が進み、測定ばらつきの無い、大変高精度な測定が行えた。

この構成により、被検査物１００ａ内周面から、光ファイバー１を経て導き入れた反射光をコンピュータ８９で計算することにより、透光性基準パイプを基準に測定が行え、スライダ８２が静止した状態で三次元データの収集が可能になり、また、透光性基準パイプの振動を検出しこれを用いて補正を行うため、干渉光学系の温度等による変動またはゆらぎ変動、及び光線を被測定面に回転放射するータの軸受振れの影響が完全に排除でき、測定装置の軸方向送り精度の誤差が排除でき、ばらつきなく高精度に測定が可能になる。

図１３は本発明に係る光学式面測定装置の第２の実施形態を示している。
図１３の構成は図９とほぼ同様であるが、距離センサ５２ａ、５２ｂが、被検査物１００Ｃと透光性基準パイプ２２の相対位置関係を２方向から測定し、被検査物１００に対する透光性基準パイプ２２の中心位置の変化（±Ｒ３）を検出している

図９と同様にコンピュータ８９は、被検査物１００Ｃの内径寸法を測定する場合は、先に説明した半径測定値＝（Ｓ＋（Ｌ１−Ｌ２））にさらに±Ｒ３を加えて算出する。その結果、その測定値の標準偏差（σ）は図９と同様に図１２のＣに示すように、０．０２μｍまで改善が進み、測定ばらつきの無い大変高精度な測定が行えた。

図１４は本発明に係る光学式面測定装置の第３の実施形態を示している。
図１４の構成は図７とほぼ同じであるが、被検対象物１００ｄの穴の一方側から透光性基準パイプ２２の先端を挿入し、穴の他方から基準パイプ押圧子５３を挿入し透光性基準パイプ２２の先端に当接させることで透光性基準パイプの揺れを防止した状態で、光線を三次元的に放射し、その反射光を検出するよう構成している。

この構成によれば、透光性基準パイプ２２が内蔵される第１モータ１２及び第２モータ１７の回転部分が振動を減少させる効果が得られる。この方法ではカメラ５１や距離センサ５２が検出を苦手とする高周波領域の振動を大幅に削減できるので、より高精度な測定が可能である。

尚、チューブ６はその直径は約２ｍｍ以下程度であり、その内部に貫通する固定側光ファイバー１は、屈曲自在なグラスファイバーであり直径は０．８５〜０．４ｍｍ程度のものを使っている。

図２に示される第１光路変換手段３は平滑な反射面を有するミラーかプリズムからなり、反射率を高めるため、その表面粗さと平面度は一般の光学部品と同等以上の精度に磨きあげられている。

図２に示される第１中空回転軸１０は、金属またはセラミックスからなり、溶融金属のダイによる引き抜き加工か、または焼成前のセラミックスのダイによる押し出し加工で中空に成形され、硬化処理後に研磨加工法等により仕上げ加工される。

図２において、第１中空回転軸１０の穴は直径が０．１５〜０．５ｍｍあり、光ファイバー１の直径より十分大きくしているため、光ファイバー固定具４で固定された固定側光ファイバー１が第１中空回転軸１０に接触することはなく、仮に軽く接触しても摩耗粉が発生するほどではない。また、この部分で回転摩擦トルクが変動する問題もない。

本発明によれば、従来、測定装置の軸方向送り精度の誤差、測定用透光性基準パイプの振動、及び光線を被測定面に回転放射するモータの軸受振れ、及ぶ光学系の熱変動やゆらぎの影響が完全に排除でき、これにより画像データのばらつきや、ノイズを解消して、正しく精密な内径及び内周面の精度測定が可能であり、被測定物内周面形状の高精度な測定をおこなうことが可能である。

本発明の干渉光学法を用いて被検対象物の観察と測定を行う光学式内径測定装置は、工業用診断装置にも適用して高精度な測定を行えるとともに、例えば深穴の三次元観察を行うことができる。また、医療現場での微細な病巣の寸法の数値的な診断や治療への活用が期待される。

１ 固定側光ファイバー
２ 回転側光ファイバー
３ａ、３ｂ 第１光路変換手段（ミラー）
４ 光ファイバー固定具
５ 遮蔽板
６ チューブ
７ 第１モータコイル
８ モータケース
９ａ、９ｂ 第１軸受
１０ 第１中空回転軸
１１ 第１ロータ磁石
１２ 第１モータ
１３ 第２中空回転軸
１３ａ 穴
１４ 第２ロータ磁石
１５ 第２モータコイル
１６ａ、１６ｂ 第２軸受
１７ 第２モータ
１８ 第１電線
１９ 第２電線
２０ 回転光コネクター
２１ 第２光路変換手段（プリズム等）
２２ 透光性基準パイプ
２３ａ 回転速度センサ
２４ 光プローブ
５１ カメラ（相対位置検出手段）
５２ａ、５２ｂ 距離センサ
５３ 基準パイプ押圧子
５５ 走査範囲
８０、８０ａ、８０ｂ、８０ｃ ベース
８１ スタンド
８２ スライダ
８３ スライダ用モータ
８４ 接続部
８５ 測定機本体
８６ 第１モータドライバ回路
８７ 第２モータドライバ回路
８８ 光干渉解析部
８９ コンピュータ
９０ モニタ
１００ 内径リングゲージ
１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ 被検査物
１００ｘ 内周面輪郭

Claims (5)

1. 干渉光学法を用いて被検対象物の観察および測定を行う光学式内面測定装置において、
   チューブに内蔵された光ファイバーと、
   前記光ファイバーの先端部に少なくとも２つの光路変換手段を有し、
   前記２つの光路変換手段を回転駆動させるモータを有し、
   前記チューブの先端部は硬質の透光性基準パイプが取り付けられ、
   前記透光性基準パイプの半径方向の機械的振動を検出するセンサを有し、
   被検対象物の内径に前記透光性基準パイプを挿入し、
   前記２つの光路変換手段が前記光ファイバーから導いた光線を円周方向および軸方向に三次元的に光線を放射し、その反射光を検出するものであって、
   前記透光性基準パイプの形状寸法（Ｓ）を予め測定しこのデータをコンピュータに記憶しておき、
   被測定内周面（Ｌ１）と前記透光性基準パイプ間の距離データ（Ｌ１−Ｌ２）を、前記検出した反射光からコンピュータで計測し、
   前記透光性基準パイプの寸法形状データ（Ｓ）に前記被測定内周面と前記透光性基準パイプ間の距離データを加えて前記被測定内周面の半径寸法＝Ｓ＋（Ｌ１−Ｌ２）を求めることを特徴とする光学式内面測定装置。
2. 干渉光学法を用いて被検対象物の観察および測定を行う光学式内面測定装置において、
   チューブに内蔵された光ファイバーと、
   前記光ファイバーの先端部に少なくとも２つの光路変換手段を有し、
   前記２つの光路変換手段を回転駆動させるモータを有し、
   前記チューブの先端部は硬質の透光性基準パイプが取り付けられ、
   前記透光性基準パイプの半径方向の機械的振動を検出するセンサを有し、
   被検対象物の内径に前記透光性基準パイプを挿入し、
   前記２つの光路変換手段が前記光ファイバーから導いた光線を円周方向および軸方向に三次元的に光線を放射し、その反射光を検出するものであって、
   前記被検対象物の内周面輪郭と、前記透光性基準パイプ間の相対位置変化量（±Ｒ３）をカメラで検出し、
   前記透光性基準パイプの寸法形状データ（Ｓ）に前記被測定内周面と前記透光性基準パイプ間の距離データを加えた前記被測定内周面の半径寸法＝Ｓ＋（Ｌ１−Ｌ２）に、前記透光性基準パイプ間の関係位置寸法（±Ｒ３）を加えて補正し、前記被測定内周面の半径寸法＝Ｓ＋（Ｌ１−Ｌ２）±Ｒ３ を求めて表示することを特徴とする光学式内面測定装置。
3. 干渉光学法を用いて被検対象物の観察および測定を行う光学式内面測定装置において、
   チューブに内蔵された光ファイバーと、
   前記光ファイバーの先端部に少なくとも２つの光路変換手段を有し、
   前記２つの光路変換手段を回転駆動させるモータを有し、
   前記チューブの先端部は硬質の透光性基準パイプが取り付けられ、
   前記透光性基準パイプの半径方向の機械的振動を検出するセンサを有し、
   被検対象物の内径に前記透光性基準パイプを挿入し、
   前記２つの光路変換手段が前記光ファイバーから導いた光線を円周方向および軸方向に三次元的に光線を放射し、その反射光を検出するものであって、
   前記被検対象物の前記内周面輪郭と、前記透光性基準パイプ間の相対関置変化量（±Ｒ３）を被検対象物を固定しているベースに取り付けた距離センサで検出することを特徴とする光学式内面測定装置。
   
4. 干渉光学法を用いて被検対象物の観察および測定を行う光学式内面測定装置において、
   チューブに内蔵された光ファイバーと、
   前記光ファイバーの先端部に少なくとも２つの光路変換手段を有し、
   前記２つの光路変換手段を回転駆動させるモータを有し、
   前記チューブの先端部は硬質の透光性基準パイプが取り付けられ、
   前記透光性基準パイプの半径方向の機械的振動を検出するセンサを有し、
   被検対象物の内径に前記透光性基準パイプを挿入し、
   前記２つの光路変換手段が前記光ファイバーから導いた光線を円周方向および軸方向に三次元的に光線を放射し、その反射光を検出するものであって、
   前記被検対象物の穴の片方から前記透光性基準パイプの先端を挿入し、
   他方から基準パイプ押圧子を挿入し前記透光性基準パイプの先端に当接させた状態で、光線を円周方向および軸方向に三次元的に光線を放射し、反射光を検出するよう構成したことを特徴とする光学式内面測定装置。
   
5. 前記モータは、第１モータと、前記第１モータの後方側に配置された第２モータとがあり、前記光路変換手段は、前記第１モータにより動作する第１光路変換手段と、前記第２モータにより動作する第２光路変換手段とがあり、前記光ファイバーは、前記第２モータの後方側で、固定具を介して前記チューブに回転不能に配置された固定側光ファイバーと、前記第１モータまたは前記第２モータの回転軸部と一体的に回転する回転側光ファイバーとで構成されており、前記第１モータおよび前記第２モータの前記回転軸部は、各々が中空形状をしており、前記回転側光ファイバーは、先端側の少なくとも一部が前記第１モータの回転軸部の中空穴に挿通されるとともに、後方側の少なくとも一部が前記第２モータの回転軸部の中空穴に固定されており、前記第１光路変換手段は、前記第２光路変換手段の先端側で、前記第１モータの回転軸部と一体的の回転可能に配置されており、前記第２光路変換手段は、前記回転側光ファイバーの先端に備わる構成としたことを特徴とする請求項１〜４何れか１項記載の光学式内面測定装置。

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