JP6910874B2 - 光学式外径測定装置 - Google Patents

Description

本件は、光学式外径測定装置に関する。

光学式外径測定装置が開示されている（例えば、特許文献１，２参照）。この光学式外径測定装置では、回転ミラーにより回転走査されたビームをコリメートレンズによりコリメート光とし、コリメートレンズと集光レンズとの間に被測定物を配置することで、被測定物の寸法を測定することができる。

特開２００６−３８４８７号公報 特開２０１０−２４９６０４号公報

しかしながら、回転ミラーの回転によって生じた風や、回転ミラーを回転させるモータの熱、などによって空気の揺らぎが生じることがある。空気の揺らぎが生じると、光路が乱れ、測定精度が低下するおそれがある。

１つの側面では、本発明は、測定精度を向上させることができる光学式外径測定装置を提供することを目的とする。

１つの態様では、本発明に係る光学式外径測定装置は、モータの駆動によって回転することで、発光素子からの光を走査光に変換する回転装置と、前記走査光を平行走査光に変換するコリメートレンズと、被測定物を通過した前記平行走査光を集光する集光レンズと、前記集光レンズによって集光された光を受光する受光素子と、前記回転装置と前記コリメートレンズとを収容する筐体と、前記筐体内において、前記回転装置と前記コリメートレンズとの間において、前記走査光の光路に配置され、前記筐体の断面を塞ぐ光透過部材と、を備えることを特徴とする。

上記光学式外径測定装置において、前記光透過部材において、前記走査光が入射する入射面および前記走査光が出射される出射面の少なくともいずれか一方は、前記走査光に対して傾斜していてもよい。

上記光学式外径測定装置において、前記筐体において、前記光透過部材によって分離される空間のうち、前記コリメートレンズが配置される空間は、大気圧から減圧されていてもよい。

上記光学式外径測定装置において、前記回転装置は、外周が複数の平面によって形成された多角柱回転ミラーとしてもよい。

測定精度を向上させる光学式外径測定装置を提供することができる。

比較形態に係る光学式外径測定装置の概略図である。 （ａ）は第１実施形態に係る光学式外径測定装置の概略図であり、（ｂ）は上側から見た光学式外径測定装置である。 傾斜角度と戻り光との関係を例示する図である。 第２実施形態に係る光学式外径測定装置の概略図である。 第３実施形態に係る光学式外径測定装置の概略図である。 実施例および比較例の測定精度を示す図である。

（比較形態）
実施形態の説明に先立って、比較形態について説明する。図１は、比較形態に係る光学式外径測定装置２００の概略図である。図１で例示するように、光学式外径測定装置２００は、発光素子１０、走査装置２０、コリメートレンズ３０、集光レンズ４０、受光素子５０などを備える。走査装置２０は、回転ミラー２１およびモータ（電動機）２２を備える。発光素子１０、走査装置２０およびコリメートレンズ３０は、略直方体形状の筐体６０ａ内に配置されている。それにより、発光素子１０、走査装置２０およびコリメートレンズ３０に対する汚れの付着などが防止される。集光レンズ４０および受光素子５０は、略直方体形状の筐体６０ｂ内に配置されている。それにより、集光レンズ４０および受光素子５０に対する汚れの付着などが防止される。

発光素子１０は、レーザダイオードなどの発光素子である。回転ミラー２１は、発光素子１０からの光を、コリメートレンズ３０の入射面の所定範囲の一方から他方に対して繰り返し入射する。すなわち、回転ミラー２１は、コリメートレンズ３０の入射面の所定範囲に、走査光を入射する。例えば、回転ミラー２１は、外周が複数の平面によって形成された多角柱回転ミラーである。モータ２２は、回転ミラー２１の回転を制御する。

コリメートレンズ３０は、回転ミラー２１から入射する走査光を平行走査光に変換する。例えば、コリメートレンズ３０は、Ｆ−θレンズである。Ｆ−θレンズは、２枚のレンズ面の曲率を変えることにより、レンズ周辺部と中心部で走査速度が一定になるように設計されている。

平行走査光は、集光レンズ４０によって集光され、受光素子５０に入射する。平行走査光が被測定物７０によって遮られないと、受光素子５０で受光される光量が多くなる。一方、平行走査光が被測定物７０によって遮られると、受光素子５０で受光される光量が少なくなる。したがって、回転ミラー２１の回転速度と、受光素子５０で受光される光量が多い時間と、受光素子５０で受光される光量が少ない時間とから、被測定物７０の外径を測定することができる。

しかしながら、回転ミラー２１の回転によって生じる風などの気圧の変化によって、空気の揺らぎが生じる。また、モータ２２の熱によって生じる温度分布によっても、空気の揺らぎが生じる。このように、所定の理由により、空気の揺らぎが生じる。空気の揺らぎが光路に生じると、光の波長や当該光路の屈折率に影響が生じる。それにより、被測定物７０に対する測定誤差が生じる。特に、走査装置２０が筐体６０ａ内に配置されているため、走査装置２０に起因する空気の揺らぎは、走査装置２０とコリメートレンズ３０との間に及ぼす影響が大きくなる。

そこで、以下の実施形態に係る光学式外径測定装置においては、回転ミラー２１とコリメートレンズ３０との間に光透過部材を設けることで、測定精度を向上させる。以下、詳細について説明する。

（第１実施形態）
図２（ａ）および図２（ｂ）は、第１実施形態に係る光学式外径測定装置１００の概略図である。図２（ａ）は、上側から光学式外径測定装置１００を見た図である。図２（ｂ）は、側面側から光学式外径測定装置１００を見た図である。図２（ａ）および図２（ｂ）で例示するように、光学式外径測定装置１００においては、回転ミラー２１とコリメートレンズ３０との間に、光透過部材８０が設けられている。回転ミラー２１からコリメートレンズ３０に入射する走査光Ｓは、上下に走査方向を有する。光透過部材８０は、当該走査光Ｓの全走査範囲が透過するような面積を有している。図１の光学式外径測定装置２００と同じ構成については、同じ符号を付すことで説明を省略する。

この構成によれば、走査装置２０側から発生する空気の揺らぎの少なくとも一部が光透過部材８０によって遮断されることから、走査光Ｓの光路に対する空気の揺らぎの影響が抑制される。それにより、光学式外径測定装置１００の測定精度を向上させることができる。なお、光透過部材８０は走査光Ｓを透過することから、被測定物７０の外径測定を行うことができる。

空気の揺らぎの影響を抑制する観点から、光透過部材８０は、筐体６０ａ内において、走査装置２０が配置される空間と、コリメートレンズ３０が配置される空間とを分離することが好ましい。そこで、光透過部材８０は、走査装置２０とコリメートレンズ３０との間において、筐体６０ａの断面を塞ぐような形状を有していることが好ましい。例えば、図２（ａ）および図２（ｂ）で例示するように、光透過部材８０は、筐体６０ａ内の高さ方向および幅方向の全体を塞ぐように配置されていることが好ましい。

図２（ａ）および図２（ｂ）で例示するように、光透過部材８０は、例えば、互いに平行に対向する２面を備える。当該２面のうち、走査装置２０側の面を入射面８１と称し、コリメートレンズ３０側の面を出射面８２と称する。入射面８１が走査光Ｓに対して垂直をなしていると、入射面８１による反射によって、反射光が回転ミラー２１に戻り、さらに発光素子１０に戻るおそれがある（戻り光の発生）。この場合、発光素子１０の出力が乱れ、測定精度が低下するおそれがある。そこで、入射面８１は、走査光Ｓに対して傾斜していることが好ましい。

なお、入射面８１と出射面８２とが平行でない場合には、入射面８１および出射面８２の少なくともいずれか一方が、走査光Ｓに対して傾斜していることが好ましい。戻り光をより抑制するためには、入射面８１および出射面８２の両方が走査光Ｓに対して傾斜していることが好ましい。

図３は、光に対する入射面の角度と、戻り光との関係を例示する図である。戻り光が発生すると、発光素子１０の出力が乱れて測定値に誤差が生じる。図３の縦軸は、この誤差を補正するための補正値の差を表している。したがって、縦軸の値が大きくなると、戻り光が発生していることになる。図３で例示するように、走査光Ｓのガラスに対する入射角度θ（傾斜角度）が−０．３ｄｅｇ〜＋０．３ｄｅｇでは、補正値の差が大きくなっていることから、戻り光が発生していることがわかる。このように、傾斜角度が小さいと、戻り光が発生するおそれがある。そこで、入射面８１および出射面８２の傾斜角度は、戻り光が発生しない程度に大きいことが好ましい。なお、戻り光が発生する傾斜角度は、発光素子１０の出力光のビーム径、光路長などによって異なる。図３の例では、一例として、θ＜−０．４ｄｅｇ，＋０．４ｄｅｇ＜θでは戻り光が発生していない。

なお、受光素子５０における受光強度が低減しないように、光透明部材８０は、高い透過度を有していることが好ましい。そこで、光透明部材８０は、例えば、石英ガラスなどであることが好ましい。

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態に係る光学式外径測定装置１００ａの概略図である。図４で例示するように、光学式外径測定装置１００ａにおいては、光透過部材８０が、走査装置２０とコリメートレンズ３０との間において筐体６０ａの断面を塞いでいる。さらに、筐体６０ａ内において光透過部材８０によって分離された空間のうち、コリメートレンズ３０が配置されている空間Ａが大気圧から減圧されている。

この構成によれば、空間Ａにおいて、空気揺らぎの原因となる空気量が少なくなることから、空気揺らぎがさらに抑制される。また、空間Ａ内に熱を伝導する媒体量が少なくなることになり、空気揺らぎの発生自体が抑制される。

（第３実施形態）
図５は、第３実施形態に係る光学式外径測定装置１００ｂの概略図である。図５で例示するように、光学式外径測定装置１００ｂが図２（ａ）および図２（ｂ）の光学式外径測定装置１００と異なる点は、放熱部材９０をさらに備える点である。放熱部材９０は、筐体６０ａよりも熱伝導率の高い材料によって構成されている。本実施形態においては、モータ２２は、放熱部材９０と熱的に接続されている。例えば、モータ２２は、放熱部材９０に接触している、または放熱部材９０上に実装されている。それにより、モータ２２によって生じる熱が放熱部材９０に伝導しやすくなっている。さらに、放熱部材９０は、筐体６０ａのいずれかの内面に接しているか、当該内面を貫通している。それにより、モータ２２によって生じる熱を筐体６０ａの外部に放出することができる。その結果、モータ２２によって生じる熱に起因する空気の揺らぎを抑制することができる。

上記各実施形態において、回転ミラー２１が、モータの駆動によって回転することで、発光素子からの光を走査光に変換する回転装置の一例として機能する。コリメートレンズ３０が、前記走査光を平行走査光に変換するコリメートレンズの一例として機能する。集光レンズ４０が、被測定物を通過した前記平行走査光を集光する集光レンズの一例として機能する。受光素子５０が、前記集光レンズによって集光された光を受光する受光素子の一例として機能する。筐体６０ａが、前記回転装置と前記コリメートレンズとを収容する筐体の一例として機能する。光透過部材８０が、前記筐体内において、前記回転装置と前記コリメートレンズとの間において、前記走査光の光路に配置された透過部材の一例として機能する。

（実施例）
上記実施形態に従って、被測定物７０の外径測定を行った場合の測定精度を調べた。被測定物７０として、φ３０ｍｍの円筒ゲージを用いた。実施例では、図２（ａ）および図２（ｂ）で例示したように、筐体６０ａの断面を塞ぐ光透過部材８０を設け、測定精度（繰返し精度：測定時間０．３２秒（１０２４回平均）とした場合の±２σの値（σは標準偏差））を測定した。

（比較例）
比較例では、図１のように光透過部材８０を設けなかった他は、実施例と同様とした。

（分析）
図６は、実施例および比較例の測定精度を示す。図６に示すように、比較例では、測定精度が大きい値となった。すなわち、測定値のバラツキが大きくなった。これは、光透過部材８０を設けなかったことで、走査光Ｓの光路における空気の揺らぎを抑制できなかったからであると考えられる。これに対して、実施例では、測定精度が小さい値となった。すなわち、測定値のバラツキが小さくなった。これは、回転ミラー２１とコリメートレンズ３０との間に光透過部材８０を配置したことで、走査光Ｓの光路における空気の揺らぎを抑制できたからであると考えられる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 発光素子
２０ 走査装置
２１ 回転ミラー
２２ モータ
３０ コリメートレンズ
４０ 集光レンズ
５０ 受光素子５０
６０ａ，６０ｂ 筐体
７０ 被測定物
８０ 光透過部材
１００ 光学式外径測定装置

Claims (4)

1. モータの駆動によって回転することで、発光素子からの光を走査光に変換する回転装置と、
   前記走査光を平行走査光に変換するコリメートレンズと、
   被測定物を通過した前記平行走査光を集光する集光レンズと、
   前記集光レンズによって集光された光を受光する受光素子と、
   前記回転装置と前記コリメートレンズとを収容する筐体と、
   前記筐体内において、前記回転装置と前記コリメートレンズとの間において、前記走査光の光路に配置され、前記筐体の断面を塞ぐ光透過部材と、を備えることを特徴とする光学式外径測定装置。
2. 前記光透過部材において、前記走査光が入射する入射面および前記走査光が出射される出射面の少なくともいずれか一方は、前記走査光に対して傾斜していることを特徴とする請求項１記載の光学式外径測定装置。
3. 前記筐体において、前記光透過部材によって分離される空間のうち、前記コリメートレンズが配置される空間は、大気圧から減圧されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光学式外径測定装置。
4. 前記回転装置は、外周が複数の平面によって形成された多角柱回転ミラーであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学式外径測定装置。

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