JPH0735518A - 貫通穴の内径測定装置 - Google Patents

貫通穴の内径測定装置

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JPH0735518A
JPH0735518A JP16120193A JP16120193A JPH0735518A JP H0735518 A JPH0735518 A JP H0735518A JP 16120193 A JP16120193 A JP 16120193A JP 16120193 A JP16120193 A JP 16120193A JP H0735518 A JPH0735518 A JP H0735518A
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一 尾坂
Michihiko Ono
道彦 小野
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克廣 五味
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 1mm程度の小径の貫通孔の内径を光学的方
法によって1μm程度の分解能で測定する。 【構成】 貫通孔を光軸に合わせて正確にセットするた
めの被検査体のセット機構Cと、前記貫通孔の内壁面に
所定パターンで配置したピンホールからの光束を入射さ
せるための投光光学系Aと、前記貫通孔の内壁面で反射
された光を受光し、前記ピンホールの結像位置を観測す
ることにより前記貫通孔の内径を測定するCCDカメラ
26等の受光光学系Bとを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は小径の貫通穴の内径寸法
を高精度に測定することができる貫通穴の内径測定装置
に関する。
【0002】
【従来の技術および解決しようとする課題】工作部品な
どでは非常に小さな貫通穴を設けた製品があるが、製品
によっては1mm程度の径の穴を1μm程度の分解能で
測定するといったきわめて高精度の測定が必要となる場
合がある。このような穴内径を測定する場合、光学的に
測定する方法として被検査体に光を照射し、穴の影を測
定することによって行う方法がある。
【0003】しかし、穴の影を用いる方法は穴の端面も
しくは偶然に影となった部分を測定することになり、正
確な穴径の測定は不可能である。また、貫通穴が長い場
合にはさらに測定が困難になるという問題点がある。本
発明者は径サイズが1mm以下といったきわめて微小な
貫通穴の内径を精度良く測定する装置として本装置を発
明したものであり、とくに内径にくらべて穴の長さが長
い貫通穴の内径を正確に測定する場合に有効に利用する
ことができる貫通穴の内径測定装置を提供することを目
的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため次の構成を備える。すなわち、貫通孔を光軸に
合わせて正確にセットするための被検査体のセット機構
と、前記貫通孔の内壁面に所定パターンで配置したピン
ホールからの光束を入射させるための投光光学系と、前
記貫通孔の内壁面で反射された光を受光し、前記ピンホ
ールの結像位置を観測することにより前記貫通孔の内径
を測定する受光光学系とを具備することを特徴とする。
また、貫通孔を光軸に合わせて正確にセットするための
被検査体のセット機構と、前記貫通孔の内壁面に所定パ
ターンで配置したピンホールからの光束を入射させるた
めの投光光学系と、前記貫通孔の内壁面で反射された光
が光軸を横切る前後の境界位置を検知して前記貫通孔の
内径を測定する受光光学系とを具備することを特徴とす
る。また、前記受光光学系に前記貫通孔の内壁面からの
反射光を受光するCCDカメラを設け、該CCDカメラ
を光軸方向に移動ガイドするリニアエンコーダ付きのリ
ニアガイドを設けたことを特徴とする。また、前記被検
査体の貫通孔の状態を観察する観察光学系を設けたこと
を特徴とする。
【0005】
【作用】被検査体のセット機構によって被検査体の貫通
孔を光軸に正確に合わせてセットし、投光光学系によっ
てピンホールからの出射光を貫通孔の内壁面に入射させ
る。貫通孔の内壁面で反射された反射光は受光光学系に
よって受光され、ピンホールの結像位置が観測される。
このピンホールの観測位置から貫通孔の内径寸法が測定
される。また、被検査体を回転させることにより多方向
の内径寸法が測定可能である。ピンホールの結像位置は
光学系によって所定の感度で得られるから、これによっ
て高精度の測定が可能になる。また、貫通孔の内壁面で
反射された光が光軸を横切る範囲を検知することによっ
ても貫通孔の内径寸法を測定することができる。貫通孔
の内壁面による反射光が光軸を横切る範囲はリニアガイ
ドによってガイド移動するCCDカメラによって正確に
測定できる。また、観測光学系によって被検査体の貫通
孔の状態を観察することのよって被検査体を光軸上で正
確にセットすることができる。
【0006】
【実施例】以下、本発明の好適な実施例を添付図面に基
づいて詳細に説明する。図1は貫通穴の内径測定装置の
一実施例の全体構成を示す。実施例の装置は貫通穴を有
する被検査体に対して光を照射するための投光光学系A
と、被検査体からの反射光を受光するための受光光学系
Bと、被検査体を姿勢制御してセットするためのセット
機構Cと、被検査体の貫通穴の状態を観察するための観
察光学系Dとを有する。なお、セット機構Cは被検査体
を回転する回転制御機構と被検査体を光軸方向に移動さ
せる移動機構を備えている。
【0007】図2は実施例装置の要部の配置をわかりや
すく示した構成図である。前記投光光学系Aは光源10
と、光源10の投光側に配置するレンズ51、レンズ5
2および絞り16からなる。実施例ではレンズ51とし
て可変焦点レンズを使用し、レンズ52として固定焦点
のものを使用した。
【0008】観察光学系Dは被検査体を照明するための
照明用光源18とプリズム20と観察用のCCDカメラ
22を有する。なお、CCDカメラ22の前段には拡大
用としてレンズ系を設けている。プリズム20にはハー
フミラーを形成しており、光軸上に配置して照明用光源
18からの光を被検査体に照射し、被検査体からの反射
光をCCDカメラ22に導いて被検査体の貫通穴の状態
を観察できるようにしている。
【0009】被検査体のセット機構Cは被検査体30の
貫通穴を正確に光軸上に配置するためのもので、被検査
体30をX、Y軸方向に移動させる移動制御機構と、貫
通穴の軸線方向の姿勢を制御する姿勢制御機構とを有す
る。こうして、セット機構Cは4軸で被検査体30の位
置と姿勢を制御してセットできる。前記回転制御機構は
セット機構上に配置され、被検査体30を光軸回りに回
転させることができる。また、セット機構Cは光軸方向
への移動機構上にあり、被検査体30の光軸方向への移
動ができる。
【0010】受光光学系Bは被検査体の後方に配置する
もので、被検査体に近い側にレンズ53を配置しその後
方にレンズ54を配置する。24はレンズ53の前方に
配置した絞りである。また、レンズ54の後方にはレン
ズ54からの出射光を受けるCCDカメラ26を配置す
る。このCCDカメラ26は光軸に対して直交する方向
に移動して位置調整可能であるとともに光軸方向に移動
可能に支持される。図1で28及び29はリニアエンコ
ーダによってCCDカメラ26を光軸方向及び光軸と直
交方向に移動制御するリニアガイドである。
【0011】実施例の貫通穴の内径測定装置は上述した
ように、被検査体の前後に投光光学系Aおよび受光光学
系Bを配置したものであるが、その光学配置を図3に示
す。図ではレンズ51、52、53、54の各位置とC
CDカメラ26の受光面を直線で示す。光源10は図の
左端にあるが、その前方にピンホールを設けたチャート
60を配置する。図4にチャート60の正面図を示す。
実施例の光学系はチャート60に設けたピンホールをC
CDカメラ26の受光面上に結像させ、その結像位置か
ら貫通穴の内径を測定するものである。そのため、チャ
ート60には図のように十字位置に4つのピンホール6
2を設けたものを使用した。実施例ではピンホール62
の径が0.1mm、ピンホール62間の距離が0.9m
mである。なお、チャート60の形式は測定内容に応じ
て適宜変更することができる。
【0012】チャート60はレンズ51に対しその焦点
距離f1 の位置に配置する。これによってピンホール6
2から出射した光は平行光束としてレンズ52に入射す
る。実施例ではレンズ51には可変焦点レンズを使用し
た。なお、レンズ51とレンズ52との間隔は適宜設定
してよい。図3で30a、30bは被検査体で、異なる
内径の被検査体をセットした様子を示している。
【0013】レンズ52、53、54、CCDカメラ2
6はレンズ52、53、54の焦点距離f2 、f3 、f
4 を基準にして図3の位置関係に従って配置する。すな
わち、レンズ52とレンズ53はf2 +f3 の間隔で配
置し、レンズ53とCCDカメラ26はともにレンズ5
4の焦点距離の位置にそれぞれ配置する。なお、レンズ
53、レンズ54の間隔はf4 を基準とするが、測定内
径に応じて任意の間隔W4 で配置することができる。実
施例の測定装置は被検査体30a、30bの貫通孔の内
壁面に光ビームを照射し、内壁面からの反射光をCCD
カメラ26の受光面で受けることを特徴とする。このた
め、レンズ52の前方には光ビームを絞って貫通孔の内
壁面に入射させるための絞り16を設けている。貫通孔
は内径寸法にくらべて長さが長いから光ビームは非常に
浅い角度で貫通孔内に入射するようにしている。
【0014】本実施例の光学系配置によると、レンズ5
2とレンズ53とはf2 +f3 の間隔で配置しているか
ら、レンズ53からの出射光は平行光束となり、レンズ
54によってCCDカメラ26の受光面上にチャート6
0のピンホール62が結像する。図3に示すように被検
査体30a、30bの内径の相違はCCDカメラ26の
受光面上でのピンホールの結像位置の相違として一定の
倍率で拡大されて表れる。このCCDカメラ26の受光
面上でのピンホール位置は受光面での中心からの距離を
Rとすると、チャート60上での中心からピンホール6
2までの距離をh、被検査体の貫通孔の半径をrとして
次式で与えられる。 R=(f4 /f3){2r−(f2 h/f1)} または、 R=(W4 /f3){2r−(f2 h/f1)}
【0015】被検査体の貫通孔の内径をr1 、r2 とし
た場合、CCDカメラ26の受光面で観測されるピンホ
ール位置R1 、R2 の差ΔRは次式で与えられる。 ΔR=R2 −R1 =(2f4 /f3)(r2 −r1 ) ま
たは、 ΔR=R2 −R1 =(2W4 /f3)(r2 −r1 ) したがって、被検査体の貫通孔の半径の差はCCDカメ
ラ26の受光面上で K=2f4 /f3 または、 K=2W4 /f3 の倍率で検出されることになる。この感度係数Kはレン
ズ53とレンズ54との配置位置によって決まるから、
4 /f3 または、W4 /f3 を大きな値になるように
選択することによって高精度で測定することが可能であ
る。実施例ではレンズ51として64mm〜640mm
のズームレンズを使用し、レンズ52、53、54には
それぞれ焦点距離70mm、70mm、135mmのレ
ンズを使用した。
【0016】CCDカメラ26の受光面上でのピンホー
ル位置は適宜方法で計測すればよいが、CCDカメラ2
6の受光面での1素子をスケール単位として測定する方
法、あるいは、CCDカメラ26を光軸に対し直交する
方向に移動させるリニアガイドを設け、このリニアガイ
ドのリニアエンコーダを読み取って計測する等が利用で
きる。
【0017】なお、光学系をセットする場合は各々のレ
ンズの焦点距離に従って正確にレンズをセットする必要
がある。実際にはレンズには製作誤差があるから、セッ
ティングする際には標準試料を用いて正確な位置に校正
する。被検査体の貫通孔の内径を測定する場合は、観察
光学系Dによって貫通孔位置を観察しつつセット機構C
によって貫通孔を正確に光軸に位置合わせした後、CC
Dカメラ26でピンホール位置を検出することによって
貫通孔の内径を測定する。実施例の装置によれば1mm
径の貫通孔に対して数μmの精度で内径寸法を測定する
ことができ、きわめて精度の良い測定が可能になった。
また、この実施例の装置によれば内径が0.1mm程度
の貫通孔程度まで測定可能であり、とくに貫通孔の長さ
が数十mmといった長い貫通孔を対象として測定できる
という特徴がある。
【0018】図5および図6は貫通孔の内径測定装置の
他の実施例についての構成を示す。この実施例では前記
実施例で被検査体30の後方に配置したレンズ53、5
4を使用せず、CCDカメラ26を光軸上で前後動させ
被検査体30の貫通孔の内壁面で反射した光が光軸と交
差する位置を検出することによって測定する。レンズ5
3、54を除く他の構成は前記実施例と共通である。
【0019】この実施例でチャート60、レンズ51、
52のセット位置については図6に示すように前記実施
例と同様である。レンズ52から出射する光は絞り16
で細く絞られ被検査体30a、30bの内壁面内に投射
される。貫通孔内に投射された光は貫通孔の内壁面で反
射され後方に出射するが、その出射光のビーム幅は被検
査体30a、30bの内径寸法によって変動する。CC
Dカメラ26は貫通孔で反射された光が光軸を横切る境
界位置を検出することによって貫通孔の内径を測定す
る。
【0020】図6で被検査体30aについてはP1 およ
びQ1 点が貫通孔で反射された光が光軸と交差する境界
位置、被検査体30bについてはP2 およびQ2 点が光
軸と交差する境界位置である。これら境界位置P1 、Q
1 、P2 、Q2 はCCDカメラ26を光軸上で前後動さ
せることによって検知することができる。すなわち、境
界位置PではCCDカメラ26の受光面上のスポットが
複数から一つになり境界位置Qではスポットが一つから
複数に分離するからCCDカメラ26を前後動させて境
界位置を検知することができる。CCDカメラ26はリ
ニアガイド28によって前後動されリニアエンコーダに
よってその前後位置を正確に検知することができる。
【0021】本実施例の光学系配置によれば、P1 とQ
1 の中点位置をa、P2 とQ2 の中点位置をbとする
と、感度係数Kとしてa、bと被検査体の貫通孔の内径
をr1、r2 とは次の関係式で与えられる。 b−a=K(r2 −r1 ) K=(2f1 2 2h)/(f2h+f1s)(f2h- f1s) なお、s はレンズ52においた光束を絞るためのピンホ
ールの半径である。したがって、本実施例の装置の場合
も、上式にしたがって貫通孔の内径寸法を高感度で測定
することができる。
【0022】図7は貫通孔の内径測定装置のさらに他の
実施例を示す。この実施例では図5、6に示す実施例で
さらにレンズ52を除いた光学系によって構成したもの
である。すなわち、図7に示すように光源10からの光
はレンズ51で平行光束になって出射され、被検査体3
0a、30bの前方に置いたピンホール板17に設けた
ピンホールによって絞られて貫通孔内に入射する。貫通
孔内に入射した光束は貫通孔の内壁面で反射されるが、
上記実施例と同様にCCDカメラ26を前後動させ光軸
上でビームが交差する境界位置を検出する。
【0023】本実施例の場合は貫通孔内に平行光束で入
射するから反射光も平行光束になる。被検査体30a、
30bによる反射光と光軸との交差位置P1 、Q1 とP
2 、Q2 の中点位置を各々a、b、感度係数Kとする
と、 b−a=K(r2 −r1 ) K=2f1 /h となる。感度係数Kはf1 とhによって決まるから、f
1 の値をhにくらべて大きく設定することによって上記
各実施例と同様な精密測定が可能になる。
【0024】上記各実施例の貫通孔の内径測定装置は被
検査体の貫通孔の内壁面に光束を入射させ、貫通孔の内
壁面の反射光を検知して測定するものであり、光束をし
ぼって貫通孔内に入射させ貫通孔に対してきわめて浅い
角度で入射させることによって貫通孔の内径が0.1m
mといった従来方法では正確に計測することが非常に困
難な微小径の貫通孔についても正確に測定することが可
能になる。とくに、上記のような光学的配置を採用する
ことによって内径寸法にくらべて非常に長い貫通孔を測
定する場合でも容易に測定ができるという特徴がある。
また、測定の際の感度係数Kを大きくとることによって
1mmの内径の貫通孔で1μm程度の分解能での測定が
可能になった。
【0025】
【発明の効果】本発明に係る貫通孔の内径測定装置によ
れば、上述したように、非接触方法により貫通孔の内径
を高精度で測定することが可能になり、従来方法では測
定が非常に困難であった微小径の貫通孔についても正確
な測定を行うことができる。また、ピンホールの結像位
置を観測して測定する場合には精度のよい測定が可能で
あり、反射光が光軸を横切る範囲から測定する場合には
光学系配置が簡易な構成で精度の良い測定が可能になる
等の著効を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】貫通孔の内径測定装置の一実施例の外観図であ
る。
【図2】貫通孔の内径測定装置の要部構成を示す説明図
である。
【図3】貫通孔の内径測定装置の一実施例の光学配置を
示す説明図である。
【図4】チャートの正面図である。
【図5】貫通孔の内径測定装置の他の実施例の要部構成
を示す説明図である。
【図6】他の実施例の光学配置を示す説明図である。
【図7】貫通孔の内径測定装置のさらに他の実施例の光
学配置を示す説明図である。
【符号の説明】
10 光源 16、24 絞り 17 ピンホール板 18 照明用光源 20 プリズム 22、26 CCDカメラ 30、30a、30b 被検査体 51、52、53、54 レンズ 60 チャート 62 ピンホール
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成6年8月30日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0013
【補正方法】変更
【補正内容】
【0013】レンズ52、53、54、CCDカメラ2
6はレンズ52、53、54の焦点距離f2 、f3 、f
4 を基準にして図3の位置関係に従って配置する。すな
わち、レンズ52とレンズ53はf2 +f3 の間隔で配
置し、レンズ53とCCDカメラ26はともにレンズ5
4の焦点距離の位置にそれぞれ配置する。なお、レンズ
53、レンズ54の間隔はf4 を基準とするが、任意の
間隔W4 で配置することができる。実施例の測定装置は
被検査体30a、30bの貫通孔の内壁面に光ビームを
照射し、内壁面からの反射光をCCDカメラ26の受光
面で受けることを特徴とする。このため、レンズ52の
前方には光ビームを絞って貫通孔の内壁面に入射させる
ための絞り16を設けている。貫通孔は内径寸法にくら
べて長さが長いから光ビームは非常に浅い角度で貫通孔
内に入射するようにしている。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0014
【補正方法】変更
【補正内容】
【0014】本実施例の光学系配置によると、レンズ5
2とレンズ53とはf2 +f3 の間隔で配置しているか
ら、レンズ53からの出射光は平行光束となり、レンズ
54によってCCDカメラ26の受光面上にチャート6
0のピンホール62が結像する。図3に示すように被検
査体30a、30bの内径の相違はCCDカメラ26の
受光面上でのピンホールの結像位置の相違として一定の
倍率で拡大されて表れる。このCCDカメラ26の受光
面上でのピンホール位置は受光面での中心からの距離を
Rとすると、チャート60上での中心からピンホール6
2までの距離をh、被検査体の貫通孔の半径をrとして
次式で与えられる。 R=(f4 /f3){2r−(f2 h/f1)
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0015
【補正方法】変更
【補正内容】
【0015】被検査体の貫通孔の内径をr1 、r2 とし
た場合、CCDカメラ26の受光面で観測されるピンホ
ール位置R1 、R2 の差ΔRは次式で与えられる。 ΔR=R2 −R1 =(2f4 /f3)(r2 −r1 したがって、被検査体の貫通孔の半径の差はCCDカメ
ラ26の受光面上で K=2f4 /f 3 の倍率で検出されることになる。この感度係数Kはレン
ズ53とレンズ54との配置位置によって決まるから、
4 3 大きな値になるように選択することによっ
て高精度で測定することが可能である。実施例ではレン
ズ51として64mm〜640mmのズームレンズを使
用し、レンズ52、53、54にはそれぞれ焦点距離7
0mm、70mm、135mmのレンズを使用した。
フロントページの続き (72)発明者 小野 道彦 長野県松本市野溝西1丁目7番7号 長野 県情報技術試験場内 (72)発明者 五味 克廣 長野県諏訪郡下諏訪町中央通り245番地 株式会社五味工業内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 貫通孔を光軸に合わせて正確にセットす
    るための被検査体のセット機構と、 前記貫通孔の内壁面に所定パターンで配置したピンホー
    ルからの光束を入射させるための投光光学系と、 前記貫通孔の内壁面で反射された光を受光し、前記ピン
    ホールの結像位置を観測することにより前記貫通孔の内
    径を測定する受光光学系とを具備することを特徴とする
    貫通孔の内径測定装置。
  2. 【請求項2】 貫通孔を光軸に合わせて正確にセットす
    るための被検査体のセット機構と、 前記貫通孔の内壁面に所定パターンで配置したピンホー
    ルからの光束を入射させるための投光光学系と、 前記貫通孔の内壁面で反射された光が光軸を横切る前後
    の境界位置を検知して前記貫通孔の内径を測定する受光
    光学系とを具備することを特徴とする貫通孔の内径測定
    装置。
  3. 【請求項3】 受光光学系に前記貫通孔の内壁面からの
    反射光を受光するCCDカメラを設け、該CCDカメラ
    を光軸方向に移動ガイドするリニアエンコーダ付きのリ
    ニアガイドを設けたことを特徴とする請求項2記載の貫
    通孔の内径測定装置。
  4. 【請求項4】 被検査体の貫通孔の状態を観察する観察
    光学系を設けたことを特徴とする請求項1、2または3
    記載の貫通孔の内径測定装置。
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