JPH0262903A - 孔内面測定装置 - 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〕 この発明は、非破壊非接触で孔内面の同心環状凹凸部の
径や位置を測定する孔内面測定方法及びその装置に関す
る。

〔従来の技術〕

従来、比較的小径の孔内面に設けた溝部や絞り部等の同
心環状凹凸部の径や基準面からの距離等を測定するには
、各種の機械的な測長器を孔内部に挿入し孔内面に接触
させて測定する方法がとられていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、このような従来の孔内面の測定方法及び
その装置では、測長器を孔内面に接触させなければなら
ないので、ワークが柔軟な材質の場合には孔内面を変形
させたり損傷させたりするおそれがあった。

また、孔内面と測長器との接触面を完全な線又は点にす
ることは不可能であるので、測定精度を上げることがで
きず、さらに副長器を挿入することができない小径の孔
内面を測定することはできなかった。

この発明は、このような従来の問題点を解決し、非破壊
、非接触で測定可能な孔内面測定方法及びその装置を提
供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、この発明による孔内面測定
方法は、基準位置から光軸方向に変位して常時合焦状態
に保持される合焦光学系の光軸上に、基準位置から所定
の間隔を置いて光軸と４５度の角度で反射光学系を斜設
し、この反射光学系を被測定物の孔内に挿入し、この孔
の中心線を上記光軸と一致させて反射光学系と被測定物
とを光軸方向に相対移動させ、その相対移動量及び合焦
光学系の基準位置からの変位量から、孔内面の同心環状
凹凸部の基準面からの距離及びその位置での内径を求め
るものである。

上記の測定方法において１合焦光学系の光軸に被測定物
の孔中心線を平行させて反射光学系を上記孔内に挿入し
、両者の相対移動の各移動点で反射光学系を上記光軸の
周りに例えば１２０度ずつ回転させて各回転位置におけ
る合焦光学系の基準位置からの変位量から上記孔内面の
同心環状凹凸部の内径を求めることも可能である。

また、この発明による孔内面測定装置は上記の方法を実
施するための装置であって、基準位置から光軸方向に変
位可能な合焦光学系と、この合焦。

光学系を常時合焦状態に保つように変位させる制御手段
と、被測定物の測定すべき孔内を挿通可能であり、上記
合焦光学系の光軸上に上記基準位置から所定の間隔を置
いて４５度の角度で斜交する反射光学系と、被測定物又
は反射光学系を光軸方向に移動させる移動手段とを設け
たものである。

そして、合焦光学系としては、被測定面にパターン像を
投影する投影光学系と、投影されたパターン像を結像さ
せる撮像光学系と、この撮像光学系通過光を互いに異な
る光路長を有する２光束に分割する２分割プリズムと、
上記撮像光学系の焦点面近傍に配設され上記２光束を受
光し得る一対のイメージセンサと、これらのイメージセ
ンサからの出゛力信号を演算処理する演算部と、この演
算部による演算結果を表示する表示部から構成するのが
好ましい。

〔作　用〕

上記のように構成した孔内面測定装置の反射光学系を被
測定物の孔内部に挿入し、基準位置にセットした合焦光
学系の光軸を孔の中心線に一致させた状態で合焦光学系
を作動状態にすると、制御手段が働いて合焦光学系の光
軸を通り反射光学系により直角に向きを変えて孔内面に
達するまでの距離に応じて合焦光学系が基準位置から光
軸方向に合焦位置まで変位する。

この変位量により、合焦光学系から被測定物の基準面の
孔内面までの距離を知って孔の半径を求めることができ
る。

この状態で、測定装置と被測定物とを光軸方向に相対移
動させると、孔径が基準面の孔径と等しい場合には、合
焦光学系はその位置で合焦状態に保たれているので、合
焦光学系と反射光学系との間隔は当初のままである。

次に、孔内面の同心環状凹凸部が反射光学系によって反
射された反射光軸に対向すると１合焦光学系から孔内面
までの距離が変化するので、合焦光学系は合焦位置まで
光軸方向に前後に変位し、その変位方向から凹凸の別を
、変位量から凹凸部の深さや高さをそれぞれ知ることが
でき、また測定装置と被測定物の相対変位量から凹凸部
の基準面からの距離を知ることができる。

また、この測定装置を用いて合焦光学系の光軸と被測定
物の孔中心線とを平行させた状態で反射光学系を例えば
１２０度ずつ回転させて３回孔内面までの距離を測定す
れば、３種の異なった距離を得ることができ、これらの
値から孔径を求めることもできる。

そして、合焦光学系として、被測定面にパターン像を投
影し、その投影像を光軸方向に位置をずらせて配設した
一対のイメージセンサ上に結像させ、これらのイメージ
センサからの出力信号を演算処理して被測定面までの距
離を測定する装置を用いるようにすれば、極めて高精度
の測定が可能になる。

〔実施例〕

以下、添付図面を参照してこの発明の詳細な説明する。

第１図はこの発明の一実施例を示すものである。

コの字状の移動台１の下腕１ａに微動台２を例えばアリ
とアリ溝等により上下に摺動自在に装着し、この微動台
２にラック歯２ａを形成し、このラック歯２ａを下腕１
ａに回動自在に装着したピニオン３に歯合させ、ピニオ
ン３をステップモータ４によって回動させることにより
微動台２を上下に微動させるようにし、この微動台２に
合焦光学装置５を光軸Ｑを垂直にして固設している。

移動台１の上腕１ｂにはプローブ６を移動台１の内部に
設けたステップモータ（図示しない）により回動自在に
装着し、その回転軸を合焦光学系５の光軸Ｑに一致させ
、プローブ６の下面に反射光学系７を固設してその反射
面７ａを光軸悲に対して４５度傾斜させ、この反射面７
ａにより垂直な光軸Ωを水平な反射光軸Ｑ′に９０度折
曲げている。

そして、このように構成した移動台１をＬ字状の固定台
８に上下に摺動自在に装着し、移動台１の側面に形成し
たラック歯１ｃを固定台８に回動自在に装着したピニオ
ン９に歯合させ、ピニオン９をステップモータ１０によ
って回動させることにより移動台１を上下に移動させる
ようにしている。

なお、図中１１は合焦光学系５の出力信号を演算する演
算部、１２は演算部１１の演算結果を表示する表示部、
１３は演算部１１の出力信号に応じてステップモータ４
の回動を制御する制御部である。

ここで用いる合焦光学系５はいかなる形式のものでも差
し支えないが、測定しようとする孔内面が滑らかな曲面
である点を考慮すると、パターン投影形のものが望まし
い。

第２図（ａ）はこのような合焦光学系の光路を示すもの
であり、５１は光源、５２はコンデンサレンズ、５５は
パターン板、５４は投影レンズ。

５５はハーフミラ−２５６は投影兼撮像レンズ。

５７は撮像レンズ、５８は２分割プリズム、５９は撮像
光学系の焦点面近傍に配設されたラインセンサ等のイメ
ージセンサである。

光源５１から発する光線はコンデサレンズ５２で平行光
となってパターン板５３を照射する。パターン板５３に
形成されているパターンは投影レンズ５４を通り、ハー
フミラ−５５で９０度光路を変え投影兼撮像レンズ５６
を通って被測定面Ｓに拡大投影される。

被測定面Ｓの投影像は、投影兼撮像レンズ５６゜ハーフ
ミラ−５５，撮像レンズ５７を通って２分割プリズム５
８のハーフミラ−而５８ａで２分割され、一部はそのま
ま直進してイメージセンサ５９の図で左半部５９ａに達
し、残部はハーフミラ−面５８ａ及びプリズム面５８ｂ
で９０度すっ折曲げられた後イメージセンサ５９の図で
右半部５９ｂに達する。

した・かって、イメージセンサ５９の左半部５９ａ、右
半部５９ｂの像を比較することにより前ピン、後ピン及
び合焦の各状態を知ることができる。

再び第１図に戻って、このような合焦光学系５を有する
測定装置のプローブ６を台板１４上に固定した被測定物
２０の測定しようとする孔２１の内部に挿入し得る位置
とし、ステップモータ１０により移動台１を垂直方向に
能動して、反射光学系７の反射面７ａによって９０度折
曲げられた反射光軸Ｑ′が被測定物２０の基準面２０ａ
と同一高さになるようにする（第３図（ａ）参照）。

この状態における移動台１の固定台８に対する関係位置
を移動台１の起動位置とし１反射光軸Ｑ′が孔中径部２
１ａの点Ｓ１で交わるようにして合焦光学系５を作動状
態にする。

これにより中経部２１ａに第２図に示すパターン板５３
のパターンが投影光学系により投影され、その投影像が
撮像光学系及び２分割プリズム５８によりイメージセン
サ５９の左半部５９ａ及び右半部５９ｂに撮像される。

ここで、イメージセンサ５９の左半部５９ａ及び右半部
５９ｂを一対のラインセンサとすると、左半部５９ａと
右半部５９ｂに達する撮像光線は２分割プリズム５日の
基線長ｄだけ光路長が異なっているので、パターン板５
３のパターンが例えばピンホールであると仮定すると、
第２図（ｂ）に示すようにその結像点Ａ、Ｂは一般にイ
メージセンサ５９の面５９ｃの前後に位置する。

この時、それぞれのイメージセンサ５９ａ。

５９ｂの各モジュールＡｉ、Ｂｉの受光量は例えば第４
図に示すようになり、その合計光量は同じである。

いま、隣接する各モジュールＡｉ、Ａｘ＋　１　　；Ｂ
ｉ、Ｂｉ＋１の出力をそれぞれＰａｉ、Ｐａ１１　　；
ｐｂｉ、Ｐｂｉ＋１　とし、これらの総和をＰＡ、ＰＢ
とすると、 ＰＡ＝Σ　Ｐａ１−Ｐａｉ４−１ ｐＢ＝Σ１Ｐｂｉ−Ｐｂｉ＋１ となり、ＰＡ−ＰＢが合焦度を示す値となる。

ここで、 ＰＡ−ＰＢ＝Ｏ合焦 Ｐ　Ａ　−Ｐ　Ｂ　＞　Ｏ前ピン ＰＡ−ＰＢ＜Ｏ後ピン の状態をそれぞれ示しているので、この値（ＰＡ−ＰＢ
）を演算部１１で演算し、その結果に応じて非合焦時に
は制御部１３を通じてステップモータ４を所要方向に所
要角度回動させてＰＡ−ＰＢ＝Ｏになるまで合焦光学装
置５を変位させる。

合焦光学系５の基準位置からの変位量により。

合焦光学系５の所定位置から反射光学系７を経て孔内面
２１の点Ｓ１までの距離が演算部１１で演算され、この
値から光軸Ｑから孔内面２１ａの点Ｓｌまでの距離Ｄ１
が求められる。

ここで、例えばプローブ６の外径を孔２１の内径にほぼ
等しくしてプローブ６を孔２１内に嵌入可能として孔２
１の中心線を合焦光学系５の光軸Ｑに一致させるように
すれば、この距離Ｄ１が孔内面２１　、ａの半径ｒ１と
なり、その値が表示部１２に表示される。

しかしながら、プローブ６を孔径に合わせて交換するの
は実際的でないので、被測定物２０の孔２１の中心線を
合焦光学系５の光軸Ｑに平行にし、反射光学系７を備え
たプローブ６を光軸Ｑの周りに１２０度ずつ回転させて
その停止位置でそれぞれ光軸Ｑから孔内面までの距離を
求めるようにすれば、公知の演算方法により孔内面２１
ａの半径ｒ１を求めることができ、このようにして求め
られた半径ｒ１が表示部１２に表示される。

次に、ステップモータ１０により移動台１を下方に移動
させても反射光軸Ｑ′が孔内面２ｉａ内にあるときはＰ
Ａ−ＰＢ＝Ｏであって合焦光学系５と反射光学系７との
相対移動は生じない。

移動台１が第３図（ｂ）に示す位置になると、反射光軸
Ｑが円周溝２１ｂの内面Ｓ２に達するので、ＰＡ−ＰＢ
の値が正又は負の方向に変化し、これに対応してステッ
プモータ４が所要方向に所要角度回動し、合焦位置にま
で変位させる。

この変位量から同様にして光軸０から点Ｓ２までの距離
Ｄ２を求めることができ、この場合もプローブ６を１２
０度ずつ回転させて孔内面２１ｂまでの距離を３回測定
することによりその半径ｒ２を求めることができる。

そして、ＰＡ−ＰＢの値が０から変化する点における移
動台１の起動位置からの移動量から円周溝２１ｂの軸方
向の深さｚｌを求めることができ、その深さＺｌが孔２
１ｂの半径ｒ２と共に表示部１２に表示される。

また、ステップモータ１０により移動台１を下方に移動
させて第３図（ｃ）に示す位置になると円周溝２１ｂの
他の壁面までの深さｚｌを求めることができる。

さらに、移動台１を第３図（ｄ）、（ｅ）に示す位置に
すると、絞り部２１ｃ、の半径ｒ３及び基準面からの深
さＺ３　、Ｚ４をそれぞれ求めることができる。

このように反射光学系７は合焦光学系５の光軸を９０度
折曲げるだけでよく、その大きさは極めて小さくてすむ
ので、例えば孔径５〜２０ｍ、深さ５０ｎｎのように測
長器を挿入し得ない孔内面の測定も可能である。

実施例では合焦光学系５の投影拡大率β＝２０とすると
測定精度Ｅ＝±２μｍ、β＝５０とするとε〈±１μｍ
を得ることができる。

なお、上記実施例においては、移動台１の移動方向を垂
直方向としたが、これを水平方向にすることも可能であ
る。

また、反射光学系７を移動させる代りに、第５側に模型
的に示すように反射光学系７を固定台６０に固定して被
測定物２０を光軸方向に移動させるようにしてもよく、
このようにすれば移動装置を簡略化することができる。

なおまた、この発明により測定し得る孔の径や長さは上
記の範囲に限るものでないことはいうまでもない。

〔発明の効果〕

以上述べたように、この発明による孔内面測定方法は、
合焦光学系の光軸上に間隔を置いて反射光学系を斜設し
、この反射光学系を被測定物の孔内に上記光軸と中心線
とを一致させて挿入し、両者を光軸方向に相対移動させ
、その相対移動量及び合焦光学系の変位量から孔内の凹
凸部の位置及び内径を測定するものであるので、非破壊
、非接触の測定方法で機械的な測定方法では達し４５な
い極めて高精度の測定が可能になる。

上記の測定方法において、被測定物の孔中心線を合焦光
学系の光軸に平行させるようにすれば、両者の軸線を一
致させる必要がなくなるので、測定時の被測定物のセツ
ティングが著しく容易になる。

また、この発明による孔内面測定装置は、常時合焦状態
に保たれる合焦光学系の光軸上に、間隔を置いて測定す
べき孔内を挿通可能な反射光学系を設け、この反射光学
系又は被測定物を光軸方向に移動させる移動手段を設け
るようにしたので。

その構成を著しく簡略化することができる。

さらに、その反射光学系は極めて小さくてよいので、機
械的な測長器が挿入し得ない小径の孔内面の測定が可能
になる。

そして、合焦光学系に被測定面にパターン像を投影し得
る投影光学系を設けるようにすれば、滑らかな曲面から
なる孔内面の測定を著しく容易にすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す説明図、第２図（ａ
）、（ｂ）はその合焦光学系の一例を示す光路図及びそ
の一部拡大図、 第３図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）はその
ホク定過程を示す説明図、 第４図はイメージセンサの受光状態を例示する説明図、 第５図はこの発明の他の実施例を示す概略図である。 １・・・移動台　　　　　　２・・・微動台５・・・合
焦光学系　　　　６・・・プローブ７・・・反射光学系
　　　　８・・・固定台１１・・・演算部　　　　　１
２・・・表示部１３・・・制御部　　　　　２０・・・
被測定物２１・・・孔　　　　　　　５３・・・パター
ン板５８・・・２分割プリズム ５９・・・イメージセンサ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　基準位置から光軸方向に変位して常時合焦状態に保
   持される合焦光学系の光軸上に、上記基準位置から所定
   の間隔を置いて光軸と４５度の角度で反射光学系を斜設
   し、該反射光学系を被測定物の孔内に挿入し、該孔の中
   心線を上記光軸と一致させて上記合焦光学系と上記被測
   定物とを上記光軸方向に相対移動させ、その相対移動量
   及び上記合焦光学系の上記基準位置からの変位量から、
   上記孔内面の同心環状凹凸部の基準面からの距離及びそ
   の位置での内径を求めることを特徴とする孔内面測定方
   法。 ２　基準位置から光軸方向に変位して常時合焦状態に保
   持される合焦光学系の光軸上に、上記基準位置から所定
   の間隔を置いて光軸と４５度の角度で反射光学系を斜設
   し、該反射光学系を被測定物の孔内に挿入し、該孔の中
   心線を上記光軸に平行させて上記合焦光学系と上記被測
   定物とを上記光軸方向に相対移動させ、各移動位置で上
   記反射光学系を上記光軸の周りを回転させて各回転位置
   における上記合焦光学系の上記基準位置からの変位量か
   ら、上記孔内面の同心環状凹凸部の内径を求めることを
   特徴とする孔内面測定方法。 ３　基準位置から光軸方向に変位可能な合焦光学系と、
   該合焦光学系を常時合焦状態に保つように変位させる制
   御手段と、被測定物の測定すべき孔内を挿通可能であり
   、上記合焦光学系の光軸上に上記基準位置から所定の間
   隔を置いて４５度の角度で斜交する反射光学系と、上記
   被測定物又は上記反射光学系を光軸方向に移動させる移
   動手段とを設けたことを特徴とする孔内面測定装置。 ４　合焦光学系が、被測定面にパターン像を投影する投
   影光学系と、投影されたパターン像を結像させる撮像光
   学系と、該撮像光学系通過光を互いに異なる光路長を有
   する２光束に分割する２分割プリズムと、上記撮像光学
   系の焦点面近傍に配設され上記２光束を受光し得る一対
   のイメージセンサと、これらのイメージセンサからの出
   力信号を演算処理する演算部と、該演算部による演算結
   果を表示する表示部とからなる請求項３記載の孔内面測
   定装置。