JP6951107B2

JP6951107B2 - 光学式外径測定装置

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Publication number: JP6951107B2
Application number: JP2017081714A
Authority: JP
Inventors: 良一今泉; 一郎谷口
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2017-04-18
Filing date: 2017-04-18
Publication date: 2021-10-20
Anticipated expiration: 2037-04-18
Also published as: JP2018179837A; US20180299257A1; US10401151B2; DE102018002788A1; CN108731605A; CN108731605B

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。

実公平３−５５０４７号公報特開昭５９−８３００７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、前記走査光の走査方向に延在しかつ前記走査光を挟んで対向する２枚のカバーを備える光路カバーと、を備え、前記光路カバーは前記２枚のカバーの上端を接続するカバーを備えておらず、前記２枚のカバーの上端は前記筐体の上面と離間してい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ってもよい。

上記光学式外径測定装置において、前記筐体よりも高い熱伝導率を有し、前記モータと熱的に接続され、前記筐体の内面まで延在する放熱板を備えていてもよい。

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）は回転ミラー側から光路カバーを見た図である。（ａ）および（ｂ）は光路カバーの他の例である。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。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。

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。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。被測定物７０は、コリメートレンズ３０と集光レンズ４０との間に配置される。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との間に光路カバーを設けることで、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）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）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、光路カバー８０が設けられている。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。

図２（ｂ）は、回転ミラー２１側から光路カバー８０を見た図である。図２（ｂ）で例示するように、本実施形態においては、一例として、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。光路カバー８０は、筐体６０ａ内に配置されている。光路カバー８０は、コリメートレンズ３０に入射する走査光Ｓの走査方向に延在しかつ走査光Ｓを挟んで対向する２枚のカバー８１，８２を備える。カバー８１，８２において、走査光Ｓと反対側の面は、筐体６０ａと離間している。カバー８１とカバー８２とは、上端がカバー８３によって接続されている。カバー８３は、走査光Ｓよりも上方に位置している。

本実施形態によれば、少なくとも一部の空気の揺らぎが光路カバー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。特に、カバー８１，８２が走査光Ｓの走査方向に延在しかつ走査光Ｓを挟んで対向しているため、走査光Ｓの光路内に侵入する空気の流量が低減する効果が得られ、走査光Ｓの光路に対する空気の揺らぎの影響が特に抑制される。ここで、カバー８３のように、走査光Ｓの走査方向に対して垂直な方向にカバーがある場合、カバーと走査光Ｓとの距離が近くなると、回転ミラー２１から発生する風が光路内に停滞し、空気の揺らぎを増加させてしまう可能性がある。そのため、走査光Ｓの走査方向に対して垂直な方向にカバーを設ける場合は、走査光Ｓとの距離を十分に確保することが好ましい。

なお、光路カバー８０の構造は、図２（ｂ）の構造に限定されるものではない。光路カバー８０は、筐体６０ａ内において、走査光Ｓの走査方向に延在しかつ走査光Ｓを挟んで対向する２枚のカバーを備えていればよい。例えば、図３（ａ）で例示するように、光路カバー８０は、図２（ｂ）の場合と比較して、カバー８３を備えていなくてもよい。例えば、カバー８１，８２の上端は、筐体６０ａの上面の内面と離間していてもよい。

または、図３（ｂ）で例示するように、光路カバー８０は、カバー８１，８２と、カバー８１，８２の上端を接続するカバー８３と、カバー８１，８２の下端を接続するカバー８４と、カバー８１〜８４を筐体６０ａ内に固定する固定部材８５とを備えていてもよい。この場合において、カバー８４は、走査光Ｓよりも下方に位置している。

空気の揺らぎを抑制するためには、走査光Ｓの走査方向におけるカバー８１，８２の延在長さは、走査光Ｓの走査幅（走査方向の長さ）よりも大きいことが好ましい。また、空気の揺らぎを抑制するためには、カバー８１，８２は、走査光Ｓに近いことが好ましい。例えば、図２（ｂ）で例示するように、カバー８１，８２と走査光Ｓとの距離Ｄは、近いほうが好ましい。ただし、使用する走査光Ｓの直径や回転ミラー２１の回転精度（振れ）などによって積み上げられる幅よりも大きいことが好ましい。一方、カバー８１，８２と走査光Ｓとの距離Ｄが小さすぎると、走査光Ｓとカバーが干渉し、受光素子まで走査光Ｓが届かないといった不具合が生じるおそれがある。そこで、カバー８１，８２と走査光Ｓとの距離Ｄは、使用する走査光Ｓの直径や回転ミラー２１の回転精度（振れ）などによって積み上げられる幅よりも大きいことが好ましい。

（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が図２（ａ）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。

（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）の光学式外径測定装置１００と異なる点は、回転ミラー２１の形状を規定した点である。回転ミラー２１が厚ければ厚いほど、回転ミラー２１の回転によって生じる風量が多くなる。そこで、回転ミラー２１の厚みは、できるだけ薄い方が好ましい。このとき、回転ミラー１２の厚みは、使用する走査光Ｓの直径や回転ミラー２１の回転精度（振れ）などによって積み上げられる幅よりも大きいことが好ましい。なお、回転ミラー２１の厚み方向は、多角柱の高さ方向のことである。

また、回転ミラー２１の径が大きいほど、回転ミラー２１の回転によって生じる風量が多くなる。そこで、回転ミラー２１の径は、小さい方が好ましい。ただし、回転ミラー２１の径は、製品に要求される走査範囲が確保できる径であることが好ましい。なお、回転ミラー２１の径は、回転ミラーの回転中心から多角形の各頂点までの距離のことである。

また、回転ミラー２１の外周の凹凸が多いほど、回転ミラー２１の回転によって生じる風量が多くなる。そこで、回転ミラー２１を構成する多角形は、できるだけ円に近いような形状であることが望ましい。ただし、回転ミラー２１の形状は、製品に要求される走査範囲が確保できる形状であることが好ましい。

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。光路カバー８０が、前記筐体内において、前記走査光の走査方向に延在しかつ前記走査光を挟んで対向する２枚のカバーを備える光路カバーの一例として機能する。

（実施例１）
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１では、図３（ｂ）で例示したように、カバー８１〜８４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。

（実施例２）
実施例２では、図２（ｂ）のようにカバー８１〜８３を設けた他は、実施例１と同様とした。

（比較例）
比較例では、図１のようにカバー８１〜８４のいずれも設けなかった他は、実施例１と同様とした。

（分析）
図６は、実施例１，２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、走査光Ｓの光路カバー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１，２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、走査光Ｓの走査方向に延在しかつ走査光Ｓを挟んで対向する２枚のカバー８１，８２を備える光路カバーを設けたことで、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。なお、実施例２では、実施例１よりもさらに測定精度が小さい値となった。これは、走査光Ｓの走査方向に対して垂直な方向のカバー８４を設けなかったことで、回転ミラー２１から発生する風が光路内に停滞することが抑制され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光路カバー
１００光学式外径測定装置

Claims

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、前記走査光の走査方向に延在しかつ前記走査光を挟んで対向する２枚のカバーを備える光路カバーと、を備え、
前記光路カバーは前記２枚のカバーの上端を接続するカバーを備えておらず、前記２枚のカバーの上端は前記筐体の上面と離間していることを特徴とする光学式外径測定装置。
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記載の光学式外径測定装置。
前記筐体よりも高い熱伝導率を有し、前記モータと熱的に接続され、前記筐体の内面まで延在する放熱板を備え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。