JPS6222084B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、輪郭計測装置に係り、特にタービン
エンジンに用いられるブレード及びベーンの如き
試験片の表面をその輪郭形成プロセス中に観察す
る為に用いられる光学装置に係る。

順次一連の横断面を取ることによつて複雑な表
面の計測を行なうことは、一般に「コントワリン
グ」として知られている。複雑な表面の正確な形
状を知ることは、該表面が流体と作用し合う場合
に特に重要であり、従つて正確なコントワリング
はタービンエンジンに用いられるブレード及びベ
ーンの優れた設計にとつて必要な前提条件であ
る。かかる光学装置の一つが1976年12月17日付に
て出願され本件出願人と同一の譲受人に譲渡され
た米国特許出願第715557号に開示されている。そ
の第２図に示す実施例に於ては、第一及び第二の
鏡が集光軸線の周りに隔置されており、この軸線
はまたタービンブレードの移動面と一致してい
る。前記第一及び第二の鏡の間には前記集光軸線
に沿つて集光レンズが配置されている。レーザ装
置からの光線がブレードの表面へ導かれる。数対
の平面鏡がタービンブレードの表面上の照射点か
ら散乱した光を集め、レンズによつて集光した後
ダイオードアレー上に一つの結像点を呈する。試
験片の上面及び下面の両者からの結像点がダイオ
ードアレーに与えられる。タービンブレードの厚
みの変化によつてタービンブレードの両側に於る
光照射点の対応する垂直方向移動が生じ、これに
よつて線型ダイオードアレー上の結像点の比例す
る変位が生ずる。ブレード断面を横切る光線の移
動の各ステツプに対しダイオードアレーの増分要
素を電気的に審問することにより、該断面の輪郭
を示す電気信号が取出される。

1976年12月17日付にて出願され本件出願人と同
一の譲受人に譲渡された米国特許出願第751558号
には他の一つの光学的検査装置が開示されてい
る。この特許出願に記載されている光学的検査装
置は、一対の平行な鏡とタービンブレードの表面
上に投射される光線を二つの異なる方向から見る
為に用いられる光線分割器を用いている。この光
線分割器は異なる通路からの光を光学的に結合
し、試験片の取付け直しを要することなくタービ
ンブレードのシユラウド近くの輪郭を計測するこ
とを可能にするものである。

1974年１月１日付にてT.Neesonの出願に対し
与えられた米国特許第3782827号には他の一つの
輪郭測定装置が開示されている。この装置に於て
は、試験片が光線の下を移動され、反射された映
像は光線分割器、対物レンズ及びピンホール開口
に通される。

1975年９月30日付にて出願され本件出願人と同
一の者に譲渡されたJ.Watersの米国特許第
3909131号は表面の時効効果に対する少し異なる
概念を開示している。視準された光線が試験片上
に集光され、これより乱射された光線がレンズを
経て集められ、折畳み鏡を経て観察者に呈示され
る。

複雑な表面の輪郭を測定するその他の技術及び
装置は1965年３月28日付にてK.Rantschに与えら
れた米国特許第3174392号、1976年８月17日付に
てA.Rosenfeltに与えられた米国特許第3975102
号、1975年７月15日付にてT.Higgensに与えられ
た米国特許第3894802号、1975年11月11日付にて
G.Fosterに与えられた米国特許第3918816号、
1975年８月５日付にてK.Wiklundに与えられた米
国特許第3898007号及び1975年８月５日付にてD.
Shueyに与えられた米国特許第3898583号に開示
されている。

上述の先行技術をなす装置の多くはレーザの如
き可干渉性の光源を用いるものであり、これは
「スペツクル」として知られる状態を呈し、試験
片上に照射される光線の断面に関して強度のばら
つきを生ずるものである。その結果、ダイオード
アレー上に照射光線が投射されると、かかる強度
のばらつきが予期できない結果を生じ、ダイオー
ドアレーの各要素が電気的に審問される時、各点
についての解の精度を低減させる。

従来の光学的検査装置のあるものは試験片の移
動面に配置されたレンズその他の光学要素を有し
ている。このことは試験片がヘリコプタの主ロー
タブレードの如く非常に長い場合には特に問題と
なる。何故ならば、かかる軸線に沿つた光学要素
は試験片のうちの輪郭測定ができる部分の長さを
制限するからである。

更に他の従来の装置のあるものは通常の低価格
の球面レンズを用い、かかるレンズを光照射点よ
り散乱された光線を集める為に軸線上或いは軸線
より離れて配置している。かかる装置に用いられ
た従来の低価格球面レンズは、ほとんどの場合あ
る固有の収差を呈するものである。かかる収差は
計測装置に光学的誤差を導入し、その精度に制限
を加えるものである。

試験片の両側から同時に光を集め荷電連結型の
単一のダイオードアレーに映像点を与える型の装
置には他の一つの問題が生ずる。それはタービン
ブレードの前縁或いは後縁の近くの如き試験片の
薄い部分を計測するとき前記映像点が互いに近づ
くことによつて生ずるものである。電荷が溢れる
結果、近接するダイオードエレメントは結像点よ
り光を受けている如く誤つて見られ、ダイオード
アレーのエレメントの電気的審問によつてその点
に於る試験片の厚さに関し誤つたデータが得られ
る。

従来の装置のあるものに於ては、一つのタービ
ンブレードの全輪郭を測定する為に照明用の光学
装置或いは観察用の光学装置或いはその両者を照
射軸及び集光軸が常に試験片の表面に於て交わる
如く試験片に対し相対的に移動させることが必要
であつた。この場合、当然のことながら、光学要
素を移動させることは両軸線の交点の変化する位
置を読取ることのできる非常に正確な機械部品を
必要とする。そのような装置は高価であり、作動
速度が遅く、また一般に固定式の光学要素を有す
る装置に比して一般にその精度が低いものであ
る。

本発明の主たる目的は、試験片の輪郭測定に用
いられる光学的検査装置であつて、前述のスペツ
クルの問題が最小限に低減された改良された装置
を提供することである。

本発明によれば、１対１の倍率を有する球面鏡
が試験片の表面に照射された光線より散乱した光
を線型検出アレーへ導く為に用いられる。光線照
射点と球面鏡の間に集光軸線に沿つて光線分割器
が配置され、集光された光を該球面鏡の中央に設
けられた穴を経て該球面鏡の後ろに配置された検
出アレーへ導くようになつている。

本発明による光学的測定装置はヘリコプタのメ
インロータの如き細長い試験片の表面の輪郭を測
定するのに特に適している。

本発明による光学的測定装置に於ては、その光
学的ピツクアツプ要素は、１対１の倍率にて作動
する球面鏡の開口が高い集光性を有することによ
つて、電磁放射の如き光源につきもののスペツク
ルを最小限に低減すべく可干渉性の光源に用いら
れるに適している。この場合、スペツクルは滑ら
かにされ或いは平均化され、検出アレーに与えら
れる光のスポツトはその直径方向に於る強度がか
なり一様になる。

本発明によれば、試験片の各側に関してその表
面の輪郭を計測するに適した二つの別個の独立に
作動するピツクアツプチヤンネルを有する光学検
査装置が提案される。これによつて試験片をジグ
に於て逆向きにする必要なく、二重のシユラウド
を有するタービンブレードの如く両端部に壁を有
する試験片について横断面を測定することができ
る。

更に本発明によれば、輪郭測定プロセス中に光
学的エレメント或いは検出アレーを移動させるこ
とを要しない光学的検査装置が提供される。従つ
て従来の剛固な取付け技術を光学的ピツクアツプ
要素及び線型検出アレーの取付けに用いることが
でき、これによつて精度を高めることができる。

本発明の上述の如き特徴及びその他の特徴、目
的及び利点は以下に添付の図を参照して行なわれ
る本発明の実施例についての説明より明らかとな
るであろう。

本発明による光学的検査装置の主要な構成成分
が第１図に示されている。この図に於ては図示の
構成部分を取付ける為の取付けブラケツトの多く
は図を簡単にする為に省略されている。しかしこ
れらのブラケツトの構造的詳細は当業者にとつて
は明らかなはずである。

第１図に於て、ベース部材１０がこの光学的検
査装置の主たる構造的支持要素を構成しており、
これに固定されたジグ１２がタービンブレード１
４の一端をその顎部１３にて掴んでいる。顎部１
３は輪郭測定プロセス中にモータによつて駆動さ
れる伸縮装置１５及び１６によつて一つの水平面
に沿つて二つの方向に機械的に駆動されるように
構成されている。この検査装置は上面と下面の輪
郭を測定する装置を含んでおり、その各々は別個
に且つ独立に作動するように構成されており、こ
れによつてタービンブレードの両面が同時に輪郭
を測定されるようになつている。各輪郭測定装置
はレーザ装置２０の如き電磁放射線源を含んでお
り、これはベース部材１０に固定され垂直より僅
かに傾斜した一つの軸線に沿つてタービンブレー
ド１４へ向けて光線を照射するようになつてい
る。この整合の重要性については以下に詳細に説
明する。光学的モジユレータ２２がベース部材１
０に固定されており、これはレーザ装置２０より
光線を受けるようになつている。光学的モジユレ
ータ２２より各装置に於る光線が空間的フイルタ
２４へ供給される。光学上の空間的フイルタは一
般に公知の物であり、その本発明に於る実施例は
第一のレンズ２６、開口２８及び第二のレンズ３
０を含んでおり、これらは全て投射光軸に沿つて
ベース部材１０に固定されている。

上述の如く、本発明による光学的検査装置はタ
ービンブレードの上面及び下面の両者の輪郭測定
を同時に行なう為の二つの別個の装置を含んでい
る。更に互いに等しい構成を有するこれら装置の
各々は、タービンブレードの表面を観察し光を照
射された点より散乱された光を異なる方向から見
る為の二つのピツクアツプチヤンネルを有してい
る。各ピツクアツプチヤンネルは別個の集光軸を
有し、これによつて光を照射された点はタービン
ブレード１４の移動平面上に立てられた垂直軸線
の両側から観察されるようになつている。次に第
２図を合わせて参照すると、ここには四つの同型
の光学的ピツクアツプチヤンネルの一つが示され
ている。各ピツクアツプチヤンネルはタービンブ
レードの移動平面に対しある角度にて傾斜した
「軸線外れ」の光を受けるように構成されてい
る。このことは本発明の装置によつて任意の長さ
のタービンブレードの輪郭測定を行なうことを可
能にするものである。即ち、本発明に於ては、タ
ービンブレードの移動平面に沿つては何らのレン
ズ或いはその他の光学的部材が配置されていない
ものであり、もしタービンブレードの移動平面に
沿つて何らかの部材が配置されている時には、長
いタービンブレードの場合に、その縦方向の移動
が制限される如き欠点を回避しているものであ
る。各光学的ピツクアツプチヤンネルは集光軸線
に沿う位置の順に集光軸線に対し45度にて取付け
られた平面鏡３１、集光軸線に対し垂直に装着さ
れた光線分割器３２、集光軸線に対し垂直に装着
された第一の球面鏡３４、及び検出アレー３６を
有している。第一の球面鏡３４はその軸線に沿つ
てそれを貫通する開口３８を有しており、検出ア
レー３６は前記開口に整列して光線分割器３２の
裏面にて反射された光線を受けるようになつてい
る。

本発明によるピツクアツプチヤンネルに用いら
れる光学的要素は、タービンブレードの表面輪郭
に於る変化を解析するに充分な高い光学的精度を
有するものである。このことは、部分的には、集
光軸線に沿つて配置された球面鏡を用い、その拡
大率を１対１にすることによつて達成される。従
つてタービンブレード１４の表面に於る光照射点
から球面鏡３４までの光学的距離は、第一の球面
鏡３４から線型検出アレー３６までの光学的距離
にほぼ等しくされる。更に球面鏡３４は高い開口
率（即ち該球面鏡の光学的直径に対する焦点距離
の比）を有する形状とされ、可干渉性光源からの
光の散乱によるスペツクルの問題が最小限度に低
減されるようになつている。

再び第１図を主に参照すると、測定にあたつて
はタービンブレード１４はまずアクチユエータ１
５によつて縦方向に移動され、弦測定或いは横断
面測定が行なわれるべきその表面上の点が光源の
投射軸線に一致する位置にもたらされる。通常試
験片の一方の側にある一個のピツクアツプチヤン
ネルのみがある特定の位置に於て弦の曲りを特定
する作動状態にもたらされる。従つて検査を行な
うべき断面位置がタービンブレード１４の左手の
端部にある時には、右手側のピツクアツプチヤン
ネルが弦の測定に用いられるのがよく、またこれ
と逆の場合も同様である。次いでタービンブレー
ド１４はアクチユエータ１６によつて横方向にス
テツプ状に移動され、各ステツプに於て検出アレ
ーが審問される。ある限界内に於ては、球面鏡３
４の拡大率が１対１であることから、検出アレー
３６上に於る映像点の変位はタービンブレードの
表面に於る光照射点の変位にほぼ等しい。線型検
出アレー３６は積重ね構造に配置された多数の光
応答要素から構成されているので、光の投射を受
けた特定の要素は当該特定点に於るタービンブレ
ードの垂直方向深さ或いは厚みを示す。もちろん
球面鏡３４の曲率及び位置によつてもはや１対１
の拡大率が得られない場合には検出アレー３６上
の照射点の移動はある特定の倍率に比例すること
は明らかであろう。

実際問題としては、各横断面の計測に於て、線
型アクチユエータ１６によつてタービンブレード
は各ステツプに於て停止される必要はない。何故
ならば、線型検出アレー３６は高速にて電気的に
審問され得るので、タービンブレードは審問期間
中に実質的に停止しているように見えるからであ
る。実際には、一連の輪郭測定シーケンスを通し
てタービンブレード１４を移動させ、また線型検
出アレー３６に於て審問を行ないまた読取り値を
記録する全プロセスは、検査作業を完全に自動化
するマイクロプロセツサ或いは同様の物の制御の
下に行なわれることが考えられる。但し最初にタ
ービンブレードを取付ける作業だけは別である。

本発明による光学装置の特に利点とする所は、
各ピツクアツプ装置が輪郭測定に用いられる軸線
と同じ集光軸線に沿つてかなり多量の散乱された
電磁エネルギを集め、このエネルギをタービンブ
レード１４の表面に投射された光点の有効強度を
調整する自動ゲイン制御回路へ供給することであ
る。これは検出アレーに投射される光点の強さを
ある定められた限界内に維持する作用をなすもの
である。第２図について見ると、各光学的ピツク
アツプ装置は平面鏡３１の後方に配置され集光軸
線に対し垂直に向けられた第二の球面鏡４０を含
んでいるのが好ましい。この球面鏡４０は球面鏡
３４に対する軸線と同じ軸線に沿つてタービンブ
レード１４の表面上に於る光照射点からの光を集
める。但しこの場合、それが集める光は鏡３１に
投射されなかつた光のみである。この光は鏡３１
の裏面によつて折曲げられた通路に沿つてフオト
ダイオード４２へ向けて集中されている。フオト
ダイオード４２は周知の電気回路（図示せず）と
共に光学的モジユレータ２２へ供給された制御信
号を変化させてタービンブレード１４の表面に投
射される光線の有効強さを調節する。球面鏡４０
は好ましくは２対１の拡大率にて作動するように
タービンブレード１４及びフオトダイオード４２
に対しその寸法を調節され且つ位置決めされてい
る。しかしこのように光を集めそれを光応答要素
へ供給する装置としては、１対１以外の任意の拡
大率が採用されてもよいものである。またもちろ
ん鏡３１の代わりに光線分割器が用いられてもよ
く、その場合にはそれ相当の光効率の低下が生ず
る。もし鏡３１の代わりに光線分割器が用いられ
る時には、球面鏡４０は任意の倍率にて作動して
よい。

第３図は本発明による電磁放射線源の一つの好
ましい実施例を示す拡大図である。図示の如く照
射軸線５０はタービンブレード１４上に照射され
た光のスポツトがブレード表面を円形パターンに
て照すように実質的に垂直に配置されている。レ
ーザ装置２０は投射軸線５０に対し僅かに傾けら
れており（図に於ては図示の目的で誇張して示さ
れている）、空間フイルタ２４と共働して光軸調
整信号がない時に光が空間フイルタ２４を通つて
タービンブレードの表面まで達しないようにし、
光のスポツトがタービンブレードの表面に達する
ことを阻止するようになつている。光学的モジユ
レータ２２は音響―光学型のものであるのが好ま
しく、この場合音響的駆動装置（図示せず）がレ
ーザ装置２０からの可干渉性の光線を分散させる
波端面を形成する。調整信号が存在する場合に
は、モジユレータ２２は視準された光線を投射軸
線５０に沿つて第一のレンズ２６及び開口２８へ
導く、開口２８の大きさは視準された電磁ビーム
から不必要なノイズその他の干渉的波形を除去
し、実質的にきれいな光線のみを第二のレンズ３
０へ供給し、タービンブレードの表面にそれを集
中せしめる如き寸法に定められている。

以上に於ては本発明を一つの実施例について詳
細に説明したが、本発明がかかる実施例にのみ限
られるものではなく、本発明の範囲内にて種々の
修正が可能であることは当業者にとつて明らかで
あろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による検査装置の主たる構成部
分を簡単化して示す斜視図、第２図は本発明によ
る光学的検査装置の一つのピツクアツプチヤンネ
ルを示す平面図、第３図はタービンブレードへ細
い光線を導く為に用いられる第１図に示す光源の
一つを拡大して示す図である。 １０〜ベース部材、１２〜ジグ、１３〜顎、１
４〜タービンブレード、１５，１６〜伸縮装置、
２０〜レーザ、２２〜モジユレータ、２４〜空間
フイルタ、２６〜第一のレンズ、２８〜開口、３
０〜第二のレンズ、３１〜平面鏡、３２〜光線分
割器、３４〜第一の球面鏡、３６〜検出アレー、
３８〜開口、４０〜第二の球面鏡、４２〜フオト
ダイオード、５０〜投射軸線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 試験片を一つの平面内にて移動させるジグ装
   置１２と、光線を発生する光源装置２０と、前記
   光源装置からの光線を試験片の表面へ向けて一つ
   の入射軸線に沿つて導く空間フイルタ装置２４と
   を有する試験片の表面の輪郭測定を行う装置に用
   いられる光学的検査装置にして、少なくとも試験
   片の表面に近接する領域に於て前記平面に対し傾
   斜した集光軸線を横切つて配置されたビーム分割
   器３２と、中央開口３８を有し前記ビーム分割器
   の後方に於て前記集光軸線を横切つて配置され前
   記ビーム分割器を通過して来た光線を一つの焦点
   へ向けて集光すべく前記ビーム分割器へ向けて反
   射する球面鏡３４とを有し、前記ビーム分割器は
   前記球面鏡より照射された光線を前記球面鏡の中
   央開口を経て前記焦点へ向けて反射するようにな
   つており、更に前記焦点の周りには該焦点の変位
   を検出する検出アレー３６が設けられており、前
   記球面鏡による光集光の拡大率は実質的に１対１
   であることを特徴とする光学的検査装置。 ２ 特許請求の範囲第１項の光学的検査装置にし
   て、当該光学的検査装置は同一の構成のものが試
   験片の両側の検査のために二つ配置されているこ
   とを特徴とする光学的検査装置。 ３ 特許請求の範囲第１項又は第２項の光学的検
   査装置にして、当該光学的検査装置は試験片の一
   方の表面に対し該表面に立てた垂線の両側に二つ
   配置されていることを特徴とする光学的検査装
   置。 ４ 試験片を一つの平面内にて移動させるジグ装
   置１２と、光線を発生する光源装置２０と、前記
   光源装置からの光線を試験片の表面へ向けて一つ
   の入射軸線に沿つて導く空間フイルタ装置２４と
   を有する試験片の表面の輪郭測定を行う装置に用
   いられる光学的検査装置にして、少なくとも試験
   片の表面に近接する領域に於て前記平面に対し傾
   斜した集光軸線を横切つて配置された第一のビー
   ム分割器３２と、中央開口３８を有し前記ビーム
   分割器の後方に於て前記集光軸線を横切つて配置
   され前記ビーム分割器を通過して来た光線を一つ
   の焦点へ向けて集光すべく前記ビーム分割器へ向
   けて反射する球面鏡３４とを有し、前記ビーム分
   割器は前記球面鏡より照射された光線を前記球面
   鏡の中央開口を経て前記焦点へ向けて反射するよ
   うになつており、更に前記焦点の周りには該焦点
   の変位を検出する検出アレー３６が設けられてお
   り、前記球面鏡による光集光の拡大率は実質的に
   １対１であり、更に前記集光軸線に沿つて進行す
   る光線の一部を検出することにより該光線の強さ
   に応じて前記光源装置が発生する光線の強さを制
   御する自動制御手段４０，３１，４２を有するこ
   とを特徴とする光学的検査装置。 ５ 特許請求の範囲第４項の光学的検査装置にし
   て、前記自動制御手段は前記集光軸線を横切つて
   配置され該集光軸線に沿つて進行する光線を第一
   の部分と第二の部分とに分割する第二のビーム分
   割手段３１，４０を有し、前記第一の光線部分は
   前記第一のビーム分割器３２へ向けて導かれ、前
   記第二の光線部分は前記自動制御手段へ向けて導
   かれることを特徴とする光学的検査装置。 ６ 特許請求の範囲第５項の光学的検査装置にし
   て、前記第二のビーム分割手段は前記集光軸線を
   横切つてこれに傾斜して設けられその前面に照射
   された光線を前記第一のビーム分割器３２へ向け
   て反射する平面鏡３１と、前記平面鏡の周りを通
   過した光線を前記平面鏡の裏面へ向けて反射する
   第二の球面鏡４０とを含んでいることを特徴とす
   る光学的検査装置。 ７ 特許請求の範囲第５項又は第６項の光学的検
   査装置にして、前記自動制御手段はフオトダイオ
   ード４２を含み、前記第二のビーム分割手段は前
   記第二の光線部分を前記フオトダイオードへ向け
   て集光するよう構成されていることを特徴とする
   光学的検査装置。