JPH0219704A - 管の内径等の測定装置及びその製造方法並びに測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、透明又は半透明の管の内径を測定する目的に
て該管の内壁の位置を測定するための装置及びその方法
に関する。本発明は、又、かかる管の軸線に対して直角
でかつその内壁に向けて照準決めされたレーザービーム
の光と内壁により反射されかつ屈折された偏光との間の
関係を設定する技術に関する。

（従来の技術及びその課題） 均一な内径の透明又は半透明の管を製造するためには、
かかる管の内径が測定可能であることが重要である。特
に、かかる管の内径の測定は非常な正確さ及び精度にて
行い、管の軸線に沿って均一な内径が形成され、従って
、均一な内径の管が製造されるようにすることが特に重
要である。管の内径が均一であればその管の内部容積は
一層良く制御することが出来る。

米国特許第３，９９４，５９９号は管状のガラス製品の
肉厚及び同心率を測定するための方法及び装置を開示し
ている。この米国特許による方法及び装置は、管状のガ
ラス製品に向けられたコヒーレントな光ビームを利用し
、該ビームの一部が管の内面及び外面により反射された
とき、その反射光部分は物品から離間された点に収斂し
、その離間された寸法が内壁に関係するようにしたもの
である。

かかる複数のビームが円周方向に離間された点に向けら
れたとき、管の外面と内面間の同心度が欠如するならば
、干渉縞が形成され、又、この干渉縞の各点における間
隔は異なった値となる。上記米国特許はレーザービーム
の反射光部分を利用して、管の内径ではなく、管の肉厚
を測定するものである。肉厚の相違を測定することは、
管の軸線に沿ったー又は複数の任意の点における、内径
ではなく、同心率を測定することである。

一方、米国特許第３，３０７，４４６号は、ガラス管を
引き抜くときにその管の肉厚を測定するために使用する
光源及びフォトピックアップを開示している。この場合
にも、管の内壁及び外壁から反射される反射光の差を測
定して肉厚を求める。この技術は、三角測量の原理に基
づくものであり、従って、測定の分解能は、検出器アレ
ーの空間的分解能及び光源と検出器との間の夾角により
制限される。この方法において受け取られた光信号は微
弱な干渉反射光だけであり、従って、干渉信号の生ずる
可能性が大きい。又、この技術は測定される管の屈折率
の変化による影響を避けることが出来ない。又、光源及
び反射光を利用して穴を測定することも公知であり、例
えば、米国特許第３ＪＯ６゜２５２号及び同第４，６９
０，５５６号に記載されている。この後者の米国特許に
おいて、内径の軸線がビームの中心線に対して僅かに斜
めになった状態にて該内径沿って平行な光ビームを案内
することにより、細長い略円筒状の内径の真直度を点検
するための方法が開示されている。該内径の壁は、光ビ
ームの一部を反射し、内径の端部を越える略偏心した反
射光リング及び非反射光の軸線上スポットを形成する。

反射光が散乱される場合には、光を反射させる内径の壁
が真直ではないことを意味する。

円筒状の内径を複数の位置に回転させれば、管の全円周
を点検することが出来る。

この米国特許の方法は、内径の真直度、外径及び真円度
からの偏差を点検するために利用することが出来るが、
この方法の場合、レーザービームは内径を通って軸方向
にかつその軸線に対して僅かに斜めの方向に方向決めし
なければならないため、かかる方法及び装置を利用して
、引き抜かれる管の外径を測定することは出来ない。

透明な管の製造中、該管の外径を測定することは、科学
的目的に使用される管を引き抜く際の重要なファクタで
ある。溶融ガラスから精密なガラス管を引き抜くだめの
装置が米国特許第３，４０１．０２８号に開示されてい
る。この場合、ガラスは引き抜くために流動可能でかつ
取り扱い可能な状態にまで加熱される。冷却前、引き抜
かれた成形管の寸法は管の内径を制御する管内部の装置
により影響される。かかる装置は寸法上の誤差が０．５
％以下、望ましくは、０．１％以下に維持された均一な
寸法の高精密管を製造するために使用されている。

科学的目的用の精密内径のガラス毛管が使用可能である
適用例としては、バッフィコートの定量遠心分析装置内
における血液標本の分析がある。

ＱＢＣは、米国ニューシャーシー州、フランクリン・レ
ークスのベクトン・ディキインソン・アンド・カンパニ
ー（Ｂ＊ｃｔｏｎ　Ｄｉｃｋｉａｓｏｎ　ｓａｄ　Ｃｏ
ｍｐｇａｙ）により販売されている分析装置の登録商標
であり、該分析装置は切れ目のない円筒状プラスチック
７０−トを収容した毛管を備えている。患者の血液は端
部がプラスチックキャップにて密封された該毛管内に吸
引され、この毛管はミクロへマドクリット遠心機内にて
５分間高速回転される。この遠心分離中、血漿と赤血球
細胞の中間の値に相当する比重のプラスチックフロート
が赤血球細胞の頂部まで浮動し、膨張したバッフィコー
トにより囲繞される。このフロートは毛管の断面積の９
０％以上を占めているため、バッフィコートは毛管の内
壁とフロートの外径間のスペース内にて１０倍に膨張す
る。個々のバッフィコート層は容易に測定することが出
来る。米国特許第４，５６７．７５４号及び同第４゜１
９０．８８号はバッフィコートの定量管を開示しており
、各特許の背景には、バッフィコートを測定するための
分析方法がある。

毛管の内径と７０−トの嵌まり状態は、この特別の適用
例において重要である。故に、精密内径の毛管を製造す
ることが主たる関心事である。従来、かかる精密毛管の
製造は、通常、仕上げ製品の毛管の内径の精度を測定す
るための各種の方法を利用しなければならなかった。製
造中、毛管の寸法及びそれと関係するフロートの寸法は
標準較正液体により点検し、毛管の内壁とフロートの外
側の間に保持された材料が所定の状態通りに拡散してい
るか否か確認する必要があった。しかし、この方法は、
面倒で時間がかかり、しかも正確に測定することは困難
である。従って、レーザにより提供されるような光源を
利用して、管の引き抜き工程中、精密内径の毛管の内径
を正確に測定することが可能であれば、非常に有用であ
る。

（課題を達成するための手段） 本発明の装置は、透明又は半透明の管の内径又はその管
の内壁の曲率半径を測定するために使用するものである
。測定しようとする材料が透明又は半透明となる波長に
おける光は、ビーム方向決め手段により管に向けてかつ
該管の縦軸線に対して直角の方向に照準決めされる。該
ビーム方向決め手段は、管の縦軸と該管をスキャンする
。光検出手段が管の内壁により反射されかつ屈折され、
さらに管の軸線に対して直角に偏光された光を受け取り
得るように位置決めされている。該光検出手段はこの受
け取った光に応答して信号を発生させる。信号処理手段
が光検出手段からの信号を処理し得るように接続され、
管の内壁から反射されたレーザ光が内壁を通じて屈折光
に変化する時点を分析することにより管の内壁の位置を
測定することが出来る。

本発明の特別の形態において、透明又は半透明の管の内
径又はその内壁の曲率半径を測定するための装置は、光
検出手段からの信号により励起される、信号処理手段内
に設けられたタイマーを備えている。このタイマーは、
ビームが管の内壁から全反射された状態から管の内壁を
通じて屈折される状態に変化する時点を記録する機能を
有する。

透明又は半透明の管の内壁の曲率半径を測定するための
装置は、さらに別の形態において、スキャン手段がレー
ザービームを管に向は照準決めするる方向決め手段の一
部を構成する。このスキャン手段により、レーザービー
ムは管の軸線に対して直角に管を横断し、反射及び屈折
光線のパターンを形成する。かかるパターンは内壁の位
相の結果、レーザ光が内壁から反射されるために測定可
能に変化させることが出来る。

好適な実施例のさらに別の形態において、信号処理手段
が、スキャン手段により発生され、検出手段により検出
されたレーザ光の扇状に重なり合った部分における干渉
縞を分析する。反射されかつ屈折されたレーザ光線の建
設的及び破壊的干渉を利用して、毛管の内壁の曲率半径
を測定することが出来る。

本発明のさらに別の実施例において、分析装置は、特定
の波長の偏光に対して透明又は半透明である材料の内壁
の軸線を中心とする曲率半径を測定するための手段を備
えている。材料が透明又は半透明となる波長にて、材料
の軸線に対して直角に偏光された光ビームは、方向決め
手段により湾曲した材料の軸線に対して直角の経路に沿
って照準決めされる。その湾曲した材料又はビーム方向
決め手段の少なくとも一方と関係する駆動手段により、
光ビームの経路は縦軸に対して直角の方向に向けて湾曲
材料と直交する。ビームが湾曲材料に対して動くことに
より、その湾曲材料の内壁から全反射される状態から該
内壁を通じて屈折される状態に変換される光に対して湾
曲材料が及ぼす光学的干渉度合が変化する。照準決めさ
れたビームが内壁の高さと略等しい高さにて湾曲材料の
外壁に当たるとき、測定可能な光学的干渉の結果、反射
光線が生じる。この光学的干渉は内壁の高さを表示する
。

本発明の別の形態は、透明又は半透明の管状部材内壁の
曲率半径を測定するための方法である。

この測定方法は光ビームを照準決めし、内壁の高さに略
等しい高さにて管状部材の外壁に当たるようにする段階
を備えている。この方法は、管状部材の軸線に対して直
角に偏光された光ビームが管状部材の内壁により全反射
される状態から該内壁を通じて屈折される状態に変換さ
れる時点を測定する段階をさらに備えている。この方法
の最後の段階は、反射光から屈折光に移行する箇所を管
状部材の内壁と関係づける段階である。

管状部材の内壁の曲率半径を測定するより具体的な方法
は、光ビーム又は管状部材の少なくとも一方を他方に対
して軸方向に動かし、幾多の位置において、管状部材の
縦軸線に対する壁の高さを測定する段階をさらに備えて
いる。管状部材の内壁全体に亘る直径を測定するための
さらに改良された方法は、管状部材の縦軸線に対して直
角の光ビーム、あるいは光ビーム又は管状部材の少なく
とも一方を互いに直交状態に動かし、光ビームが直径方
向に対向する箇所にて管状部材に当たり、各移行箇所に
対して時間的に間隔を置いた信号が発生されるようにす
る段階を備えることが出来る。

該方法のさらに改良された方法は、移行箇所が検出され
たときに信号を発生させる段階をさらに備えている。

本方法のさらに別の形態は、操作可能でかつ流動可能な
溶融浴から管状部材を引き抜くことにより管状部材を形
成する段階と、その後に内壁の高さと同一の高さにて管
状部材の壁に当たるように光ビームを照準決めする段階
とを備えている。次に、管状部材の軸線に対して直角に
偏光された光ビームが、内壁により反射される状態から
内壁を通じて屈折される状態に変化するときを検出し、
最終的に、反射光と屈折光間の移行箇所を内−壁の高さ
に関係づける段階とを備えている。上記方法により製造
された管状部材も又、本発明の一部を構成するものであ
る。

本発明の利点により、製造中に物理的に接触することな
く、かつ毛管の通常の取り扱いを妨害せずに毛管の外径
を測定することが可能となる。管はその軸線に沿って光
学的に測定し、及び管の材料いかんに関係なく測定する
ことが可能となる。

本発明に採用された光学的効果は、強力な信号を発生さ
せるものであり、その結果、極めて正確で、堅牢かつ耐
久性のある装置が提供される。本発明によれば管状部材
の内径の同心性及び楕円率の測定、さらにかかる部材の
欠点の検出が可能となる。

（実施例） 本発明は多くの異なる形態にて具体化することが出来る
が、本発明の幾つかの好適な実施例について以下、詳細
に説明する。但し、以下の開示内容は、本発明の基本的
前えの一部を説明したものに過ぎず、本発明の範囲をこ
の実施例にのみ限定することを意図するものではない。

本発明の範囲は特許請求の範囲及びその均等物によって
判断されるべきである。

本発明のこの明細書の理論的基礎は、内半径に等しい高
さにて透明又は半透明の管に入るレーザービームは内壁
から反射される内部反射光から内壁を横断する屈折光に
変化するという現象を基にしている。さらに、この現象
は材料の屈折率及び／又は肉厚により全く左右されない
。管の外径及び管の内径が同心状でない場合、管の壁が
レンズを形成し、光学的拡大作用を提供し、ビームの高
さと内径間の関係が一定でなくなる結果となる。

同様にして、管が円形又は同軸状ではなく楕円形の断面
形状である場合、壁はレンズとして作用し、内径はその
軸心に対する管の方向如何により決まる。さらに、扁平
部分、突起又は板層部分といった凹凸が管の内側又は外
側に存在し、管に沿っである距離に亘って伸長する場合
には、内径の位置を正確に位置決めする上で影響を及ぼ
す。

しかし、管が略同軸状である比較的同心状の壁を有する
場合には、ここに開示された装置及び方法は、内径を正
確に測定することを可能にし、しかも引き抜き工程によ
り製造中の管に容易に適用することが出来る。この装置
及び方法が達成しようとする測定精度のレベルは次の通
りである。即ち、管の上述のような欠点により、測定さ
れたパラメータが直ちにかつ著しく変化し、最早、製造
上の欠点のない略同軸状の同心状の円形管の内径ではな
くなっていることを明らかにし得るレベルとする。従っ
て、装置が較正され、許容可能な値が規定されたならば
、内径の測定値が上記設定値の範囲内の値であるならば
、その内径は正確であると考えることが出来る。

本発明により、毛管の円周に沿った４つの等間隔の位置
にて内径及び外径を少なくとも４回測定することによ、
管状部材の同心率及び／又は楕円率を明らかにすること
が出来る。こうした測定値を処理することにより、内径
、外径、同心率及び楕円率の正確な測定値が得られる。

上記に鑑み、第１図には、ビームがガラス管の外壁を貫
通し、該管により反射されかつ屈折されたときにおける
、管の軸線に対して直角に照準決めされたスキャンレー
ザービームの状態が略図にて図示されている。透明及び
半透明の管は全体として符号１０で示してあり、レーザ
１１がビーム方向決めスキャナに対して、望ましくは約
Ｇ、０４ｍ５　（０，０１０インチ）の径のビームを提
供する。スキャナ１２は管１０の軸線１３に対し略直角
の方向にビーム１２ａを照準決めする。レーザービーム
の径は変化させることが出来、例えば、約０．０７６２
ｍｍ（０，００３インチ）程度の小さい径とした場合、
検出されたピーク値の鮮明度を示す解像度を増大させる
ことが出来る。レーザビームの径が約１．２７ｍ＋ａ（
０，０５インチ）程度の大きい値とした場合、測定する
管の位置は、管の内壁を測定するビームの性能に影響を
及ぼすことなく、ビームが照準決めされた方向に対して
幾分変化させることが出来る。

第１１図において、スキャンビームｔ２ａの個々のビー
ム位置は、「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」、「ＤＪ、及び「Ｅ
」として図示されている。

これら各ビーム位置「Ａ」乃至「Ｅ」の中心線に対して
示した水平方向の矢印はそれぞれの位置におけるスキャ
ンレーザービームの軸線を示す。

第１図の点線は矢印Ｃ上に中心法めされたレーザビーム
の寸法を示す。「ａ」乃至「ｅ」は出力光線を示し、対
応する各光線は入力ビームと同一の符号にて示されてい
る。従って、例えば経路「Ａ」に沿った入力ビームの結
果、第１図に示した出力ビームｒａＪが得られる。第１
図の略図において、好適なレーザビームの径は０．２５
４＋ｕ＋　（０，０１０インチ）であり、ビーム「Ａ」
及び「Ｅ」の丁度内側に位置決めされ、光線ｒａＪ及び
「ｅ」と略同−の経路に沿った位置にある。

全内部反射された光及び管１０の内壁１４を通じて屈折
された光により、スキャンレーザビーム「Ａ」乃至「Ｅ
」の出力光線ｒａＪ乃至「ｅ」は重なり合った円弧を描
く。スキャンビームがこの円弧状のパターンを描くこと
は管ｌＯの内壁１４を位置決めする上で重要である。光
線ｒａＪ及びｒｂＪは内壁から全内部反射された光を示
す一方、光線「ｃ」は臨界的角度にて内壁から反射する
光を示す。又、ｒｄＪ及び「ｅ」は内壁から反射されず
、管の内径を通じて屈折される光を示す。従って、反射
光線「ａ」乃至「ｃ」の掃引パターンは屈折光「ｃ」乃
至「ｅ」と重なり合い、重なり合った円弧を形成する。

公知の内径の管を較正手段として使用し、入力光線の高
さが内壁１４の高さと正確に等しい場合に得られる出力
光線「ｃ」の角度位置に関係づけることが出来る。望む
ならば、光電子増倍管等の形態による検出器手段を光線
「ｃ」の全体的な位置にて、レンズ及び／又はフィルタ
に沿って位置決めすることにより、内壁１４ａの位置を
測定することが出来る。検出器手段の位置は、傾斜角度
が光線「ｃ」よりも大きくならない１つの至端、及び検
出器手段からの出力が信号処理手段を満足させなければ
ならない他方の至端に制限される。

この位置決め公差の制限は測定される管の位置決め公差
にも当て嵌まる。

レーザ１１からの光は、管ｌＯの軸線に対して直角に偏
光させ、及び管１０の材料が透明又は半透明となる波長
に設定しなければならない。光方向決め手段１２は、管
１０の軸線１３に対して直角の全方向に対し、及びレー
ザビームの高さが管１０の高さに等しい位置を包囲する
少なくとも領域内にて管の壁を光学的にスキャンするこ
とが出来なければならない。

第２図には、管１０の内壁により反射／屈折された光を
受け取り得るように位置決めされた検出器と関係し得る
スキャンレーザ装置の略図が図示されている。第２図に
おいて、レーザ１１及び光方向決め手段１２は第１図に
ついて説明したものと略凹−である。ビーム方向決め手
段１２は管１０を完全に横断し、該管１０の最高の外径
の上方の領域から最低の外径より下方の領域まで一連の
ビームを形成する。第２図に関して説明した方向は垂直
、即ち上下であり、上方、下方及びスキャンビームは水
平方向である。これは本発明の適用と、必要な事項では
ない。レーザ１１及び方向決め手段１２は、管１０に当
たるレーザ１１からのビーム１２ａが管１０の軸線１３
に対して直角である限り、任意の方向から管１０に照準
決めすることが出来る。

従来のレーザマイクロメータは、レーザ１１と、ビーム
方向決め手段１２と及び管１０の外径（この外径値は偏
心率及び楕円率を測定するのに必要とされる）を測定す
るためのレーザビーム集光装置１５とを備えている。管
１０に直交するビームの結果、第１図に図示するように
出力光線は管１０を通じて反射／屈折される。

光検出機構１６が設けられて管ｌＯから反射され及び屈
折された光線束１７を受け取る。この光検出機構１６の
中心線はレーザ方向決め手段のスキャンビームの水平方
向に対して約６０’の角度に配設されている。しかし、
本発明は、第２図に全体として符号１８で図示されたこ
の６０’の角度に限定されるものではない。光線束１７
は最初、光検出機構１６内のレンズ１９により集められ
、集光されて偏光フィルタ２０を通過する。集光された
光線束１７は全体として符号２１で示されており、縮小
されて検出器２２上に位置する偏光スポットとなる。偏
光フィルタ２０はレーザ光線が管１０の軸線に対して最
初に直角に偏光されない場合に限り必要とされる。レン
ズ１９は検出器の領域が小さく、従って、集光が必要で
ある場合に限り必要とされる。偏光フルタ２０を使用す
ることにより、スキャンビーム及び集光手段１５を有す
るレーザマイクロメータゲージを使用して管ｌＯの外径
を測定し得るという利点が得られる。同心率及び楕円率
を求める上で外径を測定することが必要である。レーザ
マイクロメータの測定が不要である場合、レーザ１１は
偏光させることが出来、従って、フィルタは一切不要と
なる。

第２図において、上方内壁１４の位置を示す反射／屈折
光線束１７及び管ｌＯの下方内壁１４の位置を示す別の
光線束１７がそれぞれ図示されている。従って、これら
反射／屈折光線束のそれぞれを受け取り得るための符号
２２で示した２つの検出器がある。これら各検出器２２
はスキャンビームの高さが内壁の高さに等しい場合に生
じる移行光線からの光りを受け取り得るように位置決め
されている。各検出器２２は、方向決め手段１２に起因
するスキャン周波数を各検出器２゛２からの信号タイミ
ングに関係づけ得る構成とした信号処理回路２３に接続
されている。

特に、レーザ入力ビーム１２ａが管１０の上部をスキャ
ンし、内壁１４に達するとき、反射／屈折光束１７は検
出器２２上に光スポットを形成する。レーザ光線１２ａ
の中心が壁１４の高さと等しい高さにあるときに発生さ
れるピーク信号は識別可能である。検出器２２はピーク
電圧の形態による信号を発生させる。このピーク電圧の
時間は信号処理回路２３内部に格納される。同様にして
、入力ビーム１２ａが管ｌＯの下方内壁１４に達すると
き、別の屈折／反射光束１７が他の検出器２２に伝達さ
れ、別の、ピーク電気信号を発生させ、この信号は同様
にして信号処理回路２３内部に格納される。第１又は上
方ピーク信号及び第２又は下方ピーク信号間の時間的間
隔はオシロスコープトレース２４により内径ＩＤとして
表示される。この時間間隔中の信号を示す対のピーク信
号は各検出器２２からのそれぞれの回路２３により受け
取られ、分析することにより管１０の内径は正確に測定
することがことが出来る。

この装置は公知の内径の管を使用して較正することが出
来、また引き抜かれる管の許容範囲の内径の予想される
公差を予め選択することが出来る。

適当なフィードバック機構及び信号発生装置を回路２３
に組み込み、管の引き抜き装置と関係させて、引き抜き
装置のパラメータを変化させることにより、管の内径を
制御し得る装置を提供することが出来る。

第３図には、第２図の１つの検出器２２により発生され
た一連の出力信号が図示されており、これらの信号は反
射／屈折光線束１７の検出された光に起因するものであ
り、検出器の位置を関数として得られた信号の変化を示
す。第１図において、光線ｒａＪ乃至ｒｅＪはスキャン
ビーム「Ａ」乃至ｒＥＪに起因する反射／屈折光線の重
なり合った円弧を示す。検出器の信号に対する第３図の
グラフは検出器２２を位置決めする上で重要であり、管
ｌＯをスキャン方向決め手段１２に対して位置決めする
のに有意義である。この検出器１２及び管ｌＯの相対的
位置及び位置決め公差は、スキャンビームの中心が内壁
の頂部の位置と等しい高さにあるときを検出器からの出
力によりどの程度正確に測定し得るかの性能によっての
み制限される。

これが第３図のグラフとにいかに関係しているかを理解
するためには、各検出器の位置における現象を理解する
ことが必要である。先ず、光線「ａ」の中心と整合され
た検出器の位置を考える。所定の寸法のビームが管１０
を通じてスキャンされる場合、内壁１４からの全内部反
射光に起因して扇状ビームが水平方向から垂直方向に掃
引する。故に、信号を発生し始める検出器の第一の位置
は光線ｒａＪである。これは、第３図のグラフにて出力
信号の底部に示されている。入力ビームがそのスキャン
を続行するに伴い、光線ｒｂ４及び最後に光線ｒｃＪと
整合された検出器は、各々、信号を発生し始める。しか
し、スキャンビームが内径の頂部の高さより下方に動き
始めると、壁において全反射光から屈折光に変化し、扇
状ビームは急激に方向を変え、水平方向に戻り始める。

故に、検出器が信号の発生を停止する第１位置は、光線
ｒｃＪと整合した位置となり次の位置は光線ｒｂＪと整
合し、最後の位置は光線「Ｃ」と整合する。

スキャンビームは一定の寸法を有し、光検出機構１６は
一定の空間的孔を有している。検出器の位置が水平方向
に動くと、出力信号は中心が反転し、２つの分離したパ
ルスが目で見えるようになるまで出力信号は広がり統け
る。光線ｒａＪ及びｒｂＪと整合した検出器の位置にお
ける２つの分離したパルスを示す第３図を参照のこと。

上方に掃引する扇状ビームからの第１信号パルスは全反
射光に起因する一方、下方に掃引する扇状ビームからの
第２信号パルスは内径を通じる屈折光に起因する。入力
ビームが小さくなればなる程、出力パルスは検出器のよ
り垂直な位置において二重パルスとなる。光線「Ｃ」と
整合させた検出器の出力信号の単一パルスのピークはス
キャンビームの中心が管ｌＯの内壁１４の頂部と等しい
高さになる時点に対応する。検出器の出力信号から上記
時点を正確に判断し得る能力の有無により本発明の測定
精度が決まる。出力信号のスパイクが急峻であればある
程、上記測定は一層容易となる。しかし、検出器が上記
３つの位置の何れにある場合であっても測定は可能であ
る。信号処理回路２３はかかる出力信号を取り扱い可能
であるように構成することが出来る。

測定の解像度と検出器の位置決め条件とは互いに相反す
る関係にある。即ち小さい径のスキャンビームの場合、
鋭角なスパイクの出力信号が発生し、これにより精密な
測定が可能となる。一方、管１０を検出器の中心軸に対
して位置決めする場合、広い範囲の公差を許容するため
には、大さい径のスキャンビームを使用し、光線ｒａＪ
及びｒｅＪと整合させた検出器の位置にて図示した反転
ピークの発生を回避すると共に、それ程鋭角でないスパ
イン信号を受け入れ得るようにする必要がある。現在利
用可能な電子技術を利用すると、本発明を使用する技術
は０．００００１　”の測定精度を可能とする。

受け取られた検出器の出力信号は、強力であり、極めて
大きい信号対雑音比を備えかつ極めて正確である。第２
図に図示されたように２つの信号を得ることにより、こ
れら２つの信号間の時間的間隔から管の内径を知ること
が出来る。特に、スキャンビームが内壁１４と同一の高
さにあるときに１つの信号が発生される一方、スキャン
ビームが内壁１４と同一の深さにあるときに別の信号が
発生される。信号処理回路２３内のタイマーを使用して
、管１０の上方内壁及び下方内壁１４から生じる１対の
出力信号ピーク値間の時間的間隔を定期的に測定するこ
とが出来る。

第４図には、レーザビームｒｃＪの管１０の内壁に対す
る関係が線図にて図示されている。管の内壁を通じる全
反射光と屈折光間の移行点は肉厚とは別に内壁の位置を
示すということを証明するために必要とされるパラメー
タが図示されている。

Ｎ１は管１０の壁の材料の屈折率である一方、Ｎ２は管
１０周囲及び管１０内部の空気の屈折率である。又、第
４図には、管ｌＯの壁によるビームｒｃＪの屈折光の角
度関係が図示されている。第１図に図示するように、入
射ビームｒｃＪの下方のビームは内壁４を通じて屈折さ
れ、管１０のキャビティ内に入る。第４図において、入
射ビームｒｃＪ上方にて該入射ビームに平行に入る全て
のビームは内壁１４により全内部反射され、入射するビ
ーム「Ｃ」より下方のビームは、該内壁１４を通じて屈
折され、管１０のキャビティ内な入る。

第４図には、入射ビーム「Ｃ」がその上方箇所１４ａに
て内壁１４と同一の高さでかつ該内壁に水平に入る左方
向から入る状態が図示されている。

ビーム「ｃ」は管の軸線１３からの半径に対して角度Ｇ
にて管ｌＯにより屈折され、管１０の外側の箇所２５に
達し、この箇所２５にてビーム「ｃ」は入る。入射ビー
ムｒｃＪと箇所２５を通る半径の延長部分との間の角度
は鋭角Ｆにて図示されている。屈折ビームｒｃＪは管ｌ
Ｏの外壁を通って内壁１４上の箇所２６まで進む。軸線
１３から箇所２６までの半径と屈折ビームｒｃＪとの間
の鈍角は角度Ｊにて図示されている。この鈍角Ｊの補角
は、第４図に図示するように角度Ｈである。

こうした角度は反射光「Ｃ」と移行箇所１４ａとの関係
は屈折率、肉厚及び外径とは無関係であることを数学的
に証明するために必要である。

入力光線の高さが内径ＩＤに等しい箇所においては次の
関係が成立する。

入射角と屈折角のサイン比率は一定であるというスネル
の往側を適用すると、 三角形恒等式を利用して、 等式２のＳＩＮ　Ｇを等式３に代入すると、ＳＩＮ　１
８０°ＣＯ５１１−ＣＯ５Ｈｅ°５ＩＮＩｌｌ＝ＣＯ５
１８Ｇ’・１、ＳＩＮ　９１１’・１、ＣＯ５９０’・
０及びＳＩＮ　１８０’・Ｏを代入して簡略化すると、
従って、臨界角の必要条件は、 故に、■−臨界角となる。

上記証明により、内壁からの全反射と管１０の内壁１４
を通じての屈折光間の移行箇所１４ａは、内径の半径に
等しい管ｌＯの軸線より上方の位置となることが数学的
に立証される。第４図に示すように、この関係が重要で
あることは、測定の精度が外径、肉厚、及び屈折率それ
ぞれの変化とは関係ないように考えられることである。

その結果、物理的に管に接触することなく、迅速、正確
、かつ精密に内径を測定することが出来る。

図示した好適な実施例は、レーザ計測技術に基づくもの
であるが、干渉技術を利用して内壁１４からの反射光及
び屈折光に起因する干渉パターンを分析することも出来
る。換言すれば、内壁からの一方の反射光及び内径を通
じての他方の屈折光という２つの扇状のビームはスペー
ス内にて重なり合い、干渉パターンを形成し、このパタ
ーンを分析して内壁の曲率半径を測定することが出来る
。

第２図の光線束１７は干渉測定に使用し得るが、ビーム
は２つの重なり合う扇状のビームを同時に発生させるた
めには約１．２７ｍｍ　（０，０５インチ）の直径を有
することが必要である。光線束１７は反射波面及び屈折
波面（これは参照波面と考えられる）を有するために、
内壁１４の曲率半径の測定が可能となる。これらの光線
は重なり合って建設的及び破壊的な直線状の干渉縞の測
定可能な光パターンを形成する。レーザ干渉技術におい
て、管１０の片側のみを検査するだけで良い。

第５図には、レーザ干渉法に使用される第１図及び第２
図に関して説明したと時開−の装置の略図が図示されて
いる。これを行うための構成は、レンズ１９及びフィル
タ２０が取り外される点において、第２図の実施例とは
異なっている。その代わりに、光線束１７の経路には視
認スクリーン２７が設けられるであろう。線形の検出器
アレーカメラ管又は同様の検出装置を使用することが出
来る。

典型的な干渉縞パターンが第６図に図示されている。視
認スクリーン２７上の干渉縞３０は直線的な干渉パター
ンであり、各々干渉縞３０内における直線部分から黒色
線への変化は、反射扇状ビーム及び千渉廟状ビームの光
路の長さにおける波長の１／２の変化に対応する。視認
スクリーン２７に代えて、線形又はマトリックスアレー
検出器を使用して光及び暗色の干渉縞の相対的間隔を感
知し、信号処理回路２３にデータを提供しても良い。

これにより、管に沿った任意の箇所にて曲率半径を測定
することが可能になろう。その測定値を２倍すれば、そ
の位置における内径が得られる。

本発明が達成した目的は物理的に接触することなく、又
その軸線に沿って管の内部を光学的に検査することなく
、さらに材料の屈折率を問題とすることなく、管を測定
することが出来るようにすることである。さらに、管の
同心率、楕円率又は均一性が測定データの分析において
考慮され、定量的に測定することが出来る。本発明は、
製造工程及び引き抜き装置から管が出るときに該管の内
径の測定を可能にするものである。さらに、本発明によ
り測定されたデータに従って、管の引き抜き装置を調節
することが出来る。管の寸法及び製造工程を正確に制御
することにより精密な内径の毛管の容積が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はレーザビームの光路に対して直角の縦軸心を有
する透明管のレーザビームスキャンの略図（内壁により
反射された反射光の光線の軌跡及びレーザビームが管の
内壁を通るときに全内部反射光から屈折光に移行するこ
とによる反射光線の軌跡の変化を示す）、第２図はレー
ザビームの高さが内壁の高さに等しい場合の直径方向に
対応する箇所の管内壁から反射／屈折されたレーザ光線
を受け取り得るように検出器が位置決めされたスキャン
レーザビームの略側面図、第３図は検出された反射／屈
折された光線の結果、３つの図示した位置に位置決めさ
れた検出器が発生させた一連の出力信号の図、第４図は
管の内径に等しい高さにてレーザビームが管に入る管の
拡大断面図、第５図は反射／屈折された光線の建設的及
び破壊的パターンが形成される状態を示す装置の略図、
第６図は第５図の装置からの光のパターンが視認スクリ
ーン上に表される状態を示す説明図である。 ｌＯ：管　　　　１１：レーザ １２：光方向決め手段 １３：管の軸線　１４：内壁 １５：集光器　　１６：光検出機構 １７：光線束　　１９：レンズ ２０：フィルタ　２２：検出器 ２３：信号処理回路

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、透明又は半透明の管の内径、内壁の高さ、及び／又
   は内壁の曲率半径を測定するための装置であって、 測定しようとする材料が透明又は半透明である波長の光
   ビームを提供するレーザと、 前記レーザビームを管の縦軸に対して直角にかつ管の位
   置の方向に照準決めし、該照準決めされたビームを動か
   して該管をスキャンする方向決めする手段と、 管の内壁により反射又は屈折されたレーザビームから管
   の軸線に対して直角に偏光されたレーザ光線を受け取り
   得るように位置決めされた光検出手段であって、該受け
   取った光に応答して信号を発生させることの出来る前記
   光検出手段と、前記反射され又は屈折された光からの信
   号が管の内壁によって反射される状態から内壁を通って
   屈折される状態に変化するときを分析することにより、
   前記光検出手段と関係し、信号を処理して管の内壁の位
   置を測定する信号処理手段と、を備えることを特徴とす
   る管の口径等の測定装置。 ２、前記信号処理手段が前記光検出手段からの信号によ
   り励起され得るように接続されたタイマーを備え、前記
   レーザビームが管の内壁から全反射される状態から管の
   内壁を通じて屈折される状態に変化するときに、前記タ
   イマーが作動されることを特徴とする請求項１記載の測
   定装置。 ３、前記方向決めする手段がスキャン手段を有し、この
   スキャン手段は、管の軸線に対して直交する方向に管を
   通って該管の上方から管の下方まで伸長するスキャン領
   域を横断するように作動可能であるとともに、前記レー
   ザビームが管の壁を通つて外側から内側に通過するとき
   光のパターンを発生し、前記パターンは管の内壁からの
   レーザ光線の反射又は該内壁によるレーザ光線の屈折に
   起因することを特徴とする請求項１記載の測定装置。 ４、前記信号処理手段が、前記光検出手段から受け取っ
   た前記レーザ光線の重なり合った扇状の干渉縞を分析し
   、管の内壁の形状の変化を示すレーザ光又は光線の建設
   的及び破壊的干渉の間隔を測定し及び管の内壁の位相の
   変化を示す光線を測定することを特徴とする請求項３記
   載の測定装置。 ５、偏光されたレーザ光線の特定の波長に対して透明又
   は半透明である軸線を中心として湾曲した材料の内壁の
   曲率半径を測定するための装置であって、 前記材料が透明又は半透明である波長において、湾曲材
   料の軸線に対して直角に偏光された光ビームを提供する
   レーザと、 湾曲材料の軸線に対して直角の経路に沿って前記レーザ
   ビームを照準決めするレーザビーム方向決め手段と、及
   び 湾曲材料又は前記レーザビーム照準決め手段の少なくと
   も一方と関係し、湾曲材料と直交するように前記レーザ
   ビームの経路を方向決めし、湾曲材料の内壁から全反射
   される状態から該湾曲材料の内壁にて屈折される状態に
   変化する前記レーザ光線ビームに対して湾曲材料が及ぼ
   す光学的影響を変化させる駆動手段であって、内壁の高
   さと略等しい高さにて、湾曲材料の外壁に当たり、湾曲
   材料の内壁の曲率半径に対応した反射光又は屈折光に測
   定可能な変化を生じさせる前記駆動手段と、を備えるこ
   とを特徴とする測定装置。 ６、レーザ光線の特定の波長に対して透明又は半透明で
   ある管状部材の内壁の曲率半径を測定するための方法で
   あって、 レーザ光線ビームを照準決めし、該照準決めされたビー
   ムにより、外壁及び内壁を有する管状部材をスキャンす
   る間に該照準決めされたレーザ光線を管状部材の軸線に
   対して直角に方向決めする段階と、 内壁の高さに略等しい高さでかつ管状部材の軸線に対し
   て直角に該管状部材の外壁と直交させる段階と、 管状部材の軸線に対して直角に偏光されたレーザ光線が
   管状部材の内壁により全反射されるときを検出する段階
   と、 管状部材の軸線に対して直角に偏光されたレーザ光線が
   管状部材の内壁により屈折されるときを検出する段階と
   、及び 反射光と屈折光の移行箇所を管状部材の内壁の位置に関
   係づける段階と、を備えることを特徴とする測定方法。 ７、光線ビーム又は管状部材の少なくとも一方を他方に
   対して軸方向に動かし、該管状部材の軸線に沿った幾多
   の位置にて内壁の曲率半径を測定する段階と、 前記移行箇所が検出されたときに信号を発生させる段階
   とを、さらに備えることを特徴とする請求項６記載の測
   定方法。 ８、光線ビーム又は管状部材の少なくとも一方を他方に
   対して直角に動かし、光線ビームが直径方向に対向した
   箇所において、管状部材に直交するようにする段階と、
   及び 時間的に間隔を置いて、信号を発生させ、前記直径方向
   に対向した箇所の各端における前記移行箇所を測定する
   段階とを備えることを特徴とする請求項６記載の測定方
   法。 ９、レーザ光線の特定の波長に対して透明又は半透明で
   ある管状部材を形成する方法であって、溶融した操作可
   能でかつ流動可能な状態に加熱されたガラスから外壁及
   び内壁を有する管状部材を引き抜く段階と、 前記引き抜かれた管状部材の軸線に対して直角に方向決
   めされるように、レーザ光線ビームを照準決めする段階
   と、 前記照準決めされたビームにより管状部材をスキャンす
   る段階と、 内壁の高さと略等しい高さにてかつ管状部材の軸線に対
   して直角にビーム光線を該管状部材の外壁に直交させる
   段階と、 管状部材の軸線に対して直角に偏光されたレーザ光線が
   管状部材の内壁により全反射されたときを検出する段階
   と、 管状部材の軸線に対して直角に偏光されたレーザ光線が
   管状部材の内壁を通じて屈折されたときを検出する段階
   と、及び 反射光と屈折光間の移行箇所を管状部材の内壁の位置に
   関係づける段階と、を備えるこを特徴とする管状部材を
   形成する方法。 １０、前記管状部材の円周に沿って多数回の測定を行い
   、前記測定値を利用して同心率及び／又は楕円率を測定
   する段階を備えることを特徴とする請求項９記載の方法
   。