JP6232552B2 - 光学式内面測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、被測定物の内周面または深穴内径に、光学式測定プローブを進入させ、内面または深穴底面に光線を放射し、反射光を立体的に取り込んで内部形状の観察、寸法及び幾何学精度を測定するための光学式内面測定装置に関するものである。

例えば自動車用エンジンのシリンダーの加工仕上がり寸法や幾何学精度の良否は自動車の動力性能と燃料消費効率に大きく影響するが、これらの検査は一般には真円度測定機、表面粗さ計、リニヤスケールを用いた測長機等の接触式測定機を用いて検査されていた。しかし近年、被測定物に傷を付けない目的から光学式の非接触式測定機が登場している。

非接触で被測定物内面の傷の有無を観察および検査する手段として、画像診断技術（光イメージング技術）は、各種機械部品、装置、設備等の検査、医療などの現場において広く利用されている技術である。例えば、精密機器などの製造現場において、深穴の奥部の検査や画像診断の手法として、一般的な内視鏡によるカメラ観察に加えて、光線を照射し反射光の強弱を光センサで捉え、コンピュータで判断して自動検査する方法が採用されている。

一方、医療の分野では、人体内部の患部の観察に断層画像が観察可能なＸ線ＣＴ、核磁気共鳴、光の干渉性を利用した内視鏡によるＯＣＴ画像(光干渉断層撮影)などの方式が研究されると共に活用されている。

医療の分野で光源として使用する近赤外線光をこの測定装置に用いると、被測定物の深穴内周面の材質が金属系の場合は反射し、金属内面に樹脂皮膜層がある場合は近赤外光がその樹脂を半透過するため、内周面の三次元形状観察と同時に、皮膜樹脂の厚さ精度の測定や、樹脂面のピンホールの観察を同時に行うことができる。

機械部品の内周面に光線を照射して、内周面の観察または測定を行う技術を適用した観察装置の代表的な構造は、例えば、特許文献１から３に示す通りである。

特許文献１に示す穴形状測定方法および測定装置では、該文献中の被測定物(2）の小径穴(1)の中にスリットを通した光線を斜めから照射し、小径穴(1)の内周面から反射した光線をカメラで捉え、小径穴の形状精度を読み取っていた。
しかしながらこの構成では、被測定物の表面が例えばリングゲージのように平滑な面で有れば測定が可能であるが、一般的な機械部品の測定を行う場合には、小径穴(1)の内面の表面粗さや凹凸のキズにより反射光が発散し、正しい形状をカメラが捉えることができず、高精度な測定は不可能であった。

また、特許文献２に記載される走査型管内形状検査装置では、該文献中の図１及び図３に示されるように管内に光ビームを螺旋状に走査し、非接触で管の内径寸法と、該文献中の図１０に示されるように三次元の形状データを取り込んで表示している。
しかしながら該文献には光ビームを回転放射する機構が記載されておらず、放射ビームの回転モータが高速回転すると、回転軸に振れまたは非再現振れが生じて、採集された被測定物の内周面の断面形状データにノイズがのっていた。また、管内検査装置(10)を螺旋状に走査させるためには、長手方向にスライド動作させるためのモータや機構系の振動が発生し、このノイズが測定データに影響するため、ナノメータオーダーの高精度な測定は行えていなかった。

また、特許文献３に示す孔形状測定方法では、該文献中の被測定物孔の内周面に光学式プローブ(3)を挿入し、光学式プローブの第１の位置で３点以上の測定光を同時または遂次照射し、光学式プローブから内周面の第１の位置までの距離を計測し、続いて光学式プローブ(3)を軸線方向にスライドさせ第２の位置に移動させた後に、同様に内周面の第２の位置までの距離を計測し、被測定物の内周面と光学式プローブの平行度を求めて、この平行度のズレを補正して穴の内径寸法と真円度の幾何精度の数値を計算して求めていた。
しかしながら、この構成では、光学式プローブが第１の位置から第２の位置に向け、軸方向または長手方向に移動する間に、この移動手段になるリニアスライダーの直線性の悪さ（例えば０.０１マイクロメートル程度存在する）が平行度の計算に狂いを生じさせていた。また、光学式プローブを回転させる時に発生するサブミクロンの振動変位が、光学式プローブから内周面の各位置までの距離を狂わせるため、正しい補正計算と高精度な測定ができていなかった。

図１〜図４は従来の光学式内面測定機の光プローブを示している。図１及び図２において、回転光ファイバー１がチューブ３の内部に軸受５ａ、５ｂに支えられている。そして、この回転光ファイバー１が、プローブケース６の中でファイバー回転モータ１０とプーリー７，８及びベルト９によって回転させられる構造により、プローブ１１を構成している。回転光ファイバー１の先端には、半球レンズ付きミラー２が取り付けられ回転し、光線は回転光ファイバー１から導かれ、半球レンズ付きミラー２から放射され、透光部材を通り被検査物１００ａからの反射光を再び回転光ファイバー１に導いて真円度の測定を行うものである。
図１においては、被検査物１００の穴が傾斜することなく、放射される光線に対して直角に良好にセットされているので、図２に示すｄ１、ｄ２は正しく測定され、真円度も正しく表示される。
しかしながら、図３においては、被検査物１００の穴が傾斜してセットされているため、図４に示すようにｄｙの長さが実際より長く測定され、真円度も正しく測ることができなかった。

特開平０８−２３３５４５号公報 特開平０５−１８０６２７号公報 特開２０１０−２３６８７０号公報

本発明は上記従来事情に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、被測定物の内周面または深穴内径、または長くて屈曲するパイプの内周に、測定用プローブを進入させ内周面または深穴底面に光線を回転放射し、反射させた光線を立体的に収集してコンピュータ処理し、三次元画像データを観察、及び寸法測定及び幾何学精度を測定すること。そして更に、測定用プローブと被測定物の平行度や同軸度を合わせる必要のないセッティングフリーの測定機を構成すること。さらに、測定用プローブを軸方向にスライドさせる送り機構から発生する振動、及び、測定内周面に回転放射する回転軸の振れおよび機械振動の測定値への影響を皆無にすることで、従来機械振動が引き起こしていた画像データの歪みや、振動ノイズを解消して、正しく精密な内径及び内周面の精度測定を可能にした光学式内面測定装置を提供することである。

上記課題を解決するための一手段は、干渉光学法（光干渉法、分光干渉法等）を用いて被検査対象物内周面の観察および寸法精度を測定する光学式内面測定装置において、チューブ状の光学式測定プローブに内蔵された光ファイバーと、この光ファイバーの先端側に配置された少なくとも２つの光路変換手段と、これら光路変換手段との一方または両方を回転させるモータを有し、チューブの軸方向の送りを止め、静止した状態で光路変換手段の回転動作により光線を円周方向および軸方向に三次元的に放射する。また、モータの回転軸部の振れ量を測定する変位検出手段を備えている。この構成により、被検査物内周面から、光ファイバーを経て導き入れた反射光をコンピュータで計算して得た被検査物の内周面の形状データを、被検査物の傾斜角度のデータ、および振れ検出手段の変位量データにより補正して表示する。

本発明によれば、測定用プローブと被測定物の平行度や同軸度を合わせる必要のないセッティングフリーの測定機が実現でき、さらに、従来機械振動が引き起こしていた画像データの歪みや、振動ノイズを解消して、正しく精密な内径及び内周面の精度測定が可能である。

従来の光学式内面測定装置の構成図 従来の同光プローブの断面図 従来の同光学式内面測定装置の被測定物傾斜時の説明図 従来の同光プローブ傾斜時の断面図 本発明の実施の形態に係る光学式内面測定装置の構成図 同光学式内面測定装置の光プローブ先端部断面図 同光プローブの回転ミラー説明図 同光プローブの走査角度説明図 同光プローブの走査角度説明図 同光プローブの３次元走査範囲説明図 同光学式内面測定装置の被測定物傾斜時の動作説明図 同被測定物傾斜時の真円度補正方法説明図 同光学式内面測定装置による円筒度測定説明図 同光学式内面測定装置の回転振動検出及び補正方法説明図 同光学式内面測定装置の回転振動検出及び補正方法説明図 同光学式内面測定装置の補正計算フロー図

本実施の干渉光学法を用いて被検対象物の観察および測定を行う光学式内面測定装置の第１の特徴は、干渉光学法を用いて被検対象物の観察および測定を行う光学式内面測定装置において、チューブに内蔵された光ファイバーと、前記光ファイバーの先端部に配置された少なくとも２つの光路変換手段を有し、前記２つの光路変換手段の一方または両方を回転駆動させるモータを有し、被検査物の内径に前記光ファイバーの先端部を挿入し、前記２つの光路変換手段が前記光ファイバーから導いた光線を円周方向および軸方向に三次元的に放射するよう構成した。
この構成により、被検査物内周面から、光ファイバーを経て導き入れた反射光をコンピュータで計算することにより得られた被検査物の内周面の形状データを、光ファイバーの軸方向の移動を行わず、静止した状態で三次元データの収集が可能になり、内周面の高精度な測定がおこなえる。

第２の特徴としては、前記２つの光路変換手段が三次元的に放射した光線は前記光ファイバーを通して光干渉解析部に導かれ、コンピュータが被検査物の傾斜角度を計算して内径の真円度を計算するようにした。
この構成により被検査物が傾いていても、コンピュータが傾斜角度に合わせて補正を加え、正確な真円度の測定が行えるため、被検査物の位置のセットがフリーになり高精度な測定が熟練しない作業者でも容易に行える。

第３の特徴としては、回転する前記光路変換手段の回転振れ量を測定する変位検出手段を備えた。
この構成により、変位検出手段が、回転軸部の振れ量のデータを収集し、波形データの補正を行うことで、正確な内径および内周面の精度測定が可能である

第４の特徴としては、前記変位検出手段は、回転する前記光路変換手段の外周面に対向させて、すくなくとも1個の検出センサを配置して構成した。
この構成により、振れ検出センサが、回転軸部の振れ量のデータを収集し、波形データの補正を行うことで、より正確な内径および内周面の精度測定が可能である

第５の特徴としては、前記光ファイバーを経て得られた被検対象物からの反射光を、コンピュータで計算して得られた被検査物の内周面の形状データと変位検出手段の変位量データとを基にして補正して求めるようにした。
この構成によれば、回転軸部の振れや振動により生じた画像の歪みや振動を元波形データから除去し、より正しく精密な内径および内周面の精度測定が可能である。

第６の特徴としては、前記変位検出手段は、前記チューブの内周の基準形状データと、回転軸の回転中に同時に得られるチューブ内周面または外周面の測定データの差異を振れ量として検出するように構成した。
この構成により、被検査物の内周面の形状データに与えた画像の歪みや振動を、振れセンサーを設けなくても光プローブで収集した波形データから除去し、正しく精密な内径および内周面の精度測定が可能である。

第７の特徴としては、前記モータは、回転軸部は中空形状であり、前記光路変換手段は、前記回転軸部と一体的に回転可能に配置されており、前記光ファイバーは、前記回転軸部と相対的に回転自在に、回転駆動軸の中空穴に挿通されるよう構成した。
この構成によれば、光路変換手段の近傍に、回転駆動源が配置されるかたちとなるので。回転軸の振れ量、特に、非再現振れが減少し、回転軸の振れが形状データに与える画像の歪や振動が減少するので、より精密な内径および内周面の精度測定が可能である。

第８の特徴としては、前記モータは、第１モータと、前記第１モータの後方側に配置された第２モータとがあり、前記光路変換手段は、前記第１モータにより動作する第１光路変換手段と、前記第２モータにより動作する第２光路変換手段とがあり、前記光ファイバーは、前記第２モータの後方側で、固定具を介して前記チューブに回転不能に配置された固定側光ファイバーと、前記第１モータまたは前記第２モータの回転軸部と一体的に回転する回転側光ファイバーとで構成されており、前記第１モータおよび前記第２モータの前記回転軸部は、各々が中空形状をしており、前記回転側光ファイバーは、先端側の少なくとも一部が前記第１モータの回転軸部の中空穴に挿通されるとともに、後方側の少なくとも一部が前記第２モータの回転軸部の中空穴に固定されており、前記第１光路変換手段は、前記第２光路変換手段の先端側で、前記第１モータの回転軸部と一体的の回転可能に配置されており、前記第２光路変換手段は、前記回転側光ファイバーの先端に備わる構成とした。
この構成によれば、三次元的に光線を放射して走査する範囲内に、第１および第２のモータの電線が存在しないため、光線に陰ができず、収集データの欠落がない高精度な測定が可能である。

次に本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。

本発明に関わる光学式内面測定装置の実施形態について説明する。
図５〜図１６は本発明に係る光学式内面測定装置の実施形態を示している。

図５は本発明の第１の実施の形態に係る光学式内面測定装置の構成図である。ベース８０にスタンド８１が固定され、スライダ用モータ８３によりスライダ８２がプローブ３６と共に上下に移動する。被検査物１００はベース８０上にセットされており、プローブ３６は被検査物１００の深穴に出入りする。固定側光ファイバー３１に入光した光線はチューブ３６内を通過し、さらに測定機本体８５の接続部８４を通過して、光干渉解析部８８に入り、コンピュータ８９で解析してモニタ９０に画像を表示する。

この光学式内面測定装置は、複数の例えば６種類の機能を有しており、それらは、以下のとおりである。
〔１〕被検査物１００の内周面の三次元形状の表示を行う機能、及び、バリ、キズ等の外観検査機能
〔２〕内周面に樹脂等の表面皮膜６１ｂが施されている場合は、その皮膜厚さの測定、及びピンホール不良や突起発生不良の検査機能
〔３〕表面粗さ測定機能
〔４〕直径測定機能
〔５〕真円度測定機能
〔６〕真円度測定データを長手方向に連続的にデータ収集し、三次元的に表示して得る円筒度測定機能

図６は本発明の実施形態に係る光学式内面測定装置の光プローブ５９の構成図である。
光プローブ５９の後端側から先端側に光線を導く固定側光ファイバー３１は、十分に長いチューブ３６の内部に挿通され、光ファイバー固定具３４により固定されている。

固定側光ファイバー３１の先端側には、回転側光ファイバー３２が回転自在に設けられている。回転側光ファイバー３２の先端側には、略平面状のミラー等からなる第１光路変換手段３３ａ、３３ｂが第１モータ４２により回転側光ファイバー３２とは独立して回転自在に取り付けられ、回転する事で光線を全周方向に放射するよう構成している。

回転側光ファイバー３２と固定側光ファイバー３１は、５マイクロメートル程度の微小距離を隔てて対向し、回転する遮光板３５、光ファイバー固定具３４を含めて回転光コネクター５２を構成し、回転側光ファイバー３２と固定側光ファイバー３１の間は高い透過率が維持でき、ほとんど損失なく光学的に接続されている。

また、回転側光ファイバー３２の先端には固定側光ファイバー３１と回転光コネクター５２を透過してきた光線を集光して回転しながら先端方向に少々の角度を付けて第１光路変換手段３３ａ、３３ｂに向けて放射する第２光路変換手段５０が取り付けられている。

第１モータ４２は、モータケース３８にモータコイル３７、第１軸受３９ｂ、３９ａが固定され、ロータ磁石４１が取り付けられた第１中空回転軸４０が回転する。モータコイル３７には電線２３から電圧が印加され、第１中空回転軸４０には第１光路変換手段３３が取り付けられている。

第２モータ４９は、第１モータ４２と同様に、モータケース３８に第２軸受４８ａ、４８ｂが取り付けられ第２回転軸４３を回転自在に支えている。

可振子４４の外周には電歪素子または圧電素子４５が貼り付けられ、これら素子４５には電極４６が形成されている。これらそれぞれの電極は電線４７により配線されており電圧が印加されている。

図６の第１モータ４２には図５の第１モータドライバ回路８６から電力が供給されて回転駆動され、第２モータ４９は第２モータドライバ回路８７から電圧が印加されて回転駆動される。

光線が放射される第１光路変換手段３３の外周近傍には光線が透過可能な透光部５１がチューブ３６に取り付けられている。透光部５１の内周面または外周の表面には必要に応じて表面反射を減らし、光線の透過率を高めるためのコーティング等がなされている。

第１光路変換手段３３は、回転可能なミラー又はプリズムで構成されており、反射効率が高く光学的損失を減らして高精度な精度測定が可能である。

第２光路変換手段５０は、先端に傾斜する略平面を有するプリズム等で構成しており、光線の集光性が高く、光学的損失を減らして高精度な精度測定が可能である。また第２光路変換手段５０のプリズム以外の構成としては、微細な集光レンズとプリズムを組み合わせて光路を形成することも可能である。

次に上述した図６の３次元走査型の光イメージング用プローブを用いた光学式内面測定装置について、その特徴的な作用効果を詳細に説明する。

図５および図６において、測定機本体８５内の光源から発光された近赤外またはレーザ等の光線は、チューブ３６に内蔵された固定側光ファイバー３１の中を通過して進む。

図６において電線２３から電力が供給され、第１モータ４２と第２モータ４９が約１８００〜２万ｒｐｍの範囲の同一回転数で回転すると、導かれた光線は回転光コネクター５２と回転側光ファイバー３２を通過し、第２光路変換手段５０ａから放出され、第１光路変換手段３３ａの略平面部で反射し一定の角度方向（図６においてはθ１の角度）に方向を変えて回転放射され、この時の放射範囲は図８の様に角度θ１の傘状の範囲になる。

光線はさらに透光部材５１を通過し、被検査物１００の内周面から反射した光線を上記と同じ光路を逆方向に透光部材５１⇒第１光路変換手段３３a⇒第２光路変換手段５０a⇒回転側光ファイバー３２⇒回転光コネクター５２⇒固定側光ファイバー３１を通過して光干渉解析部８８に導いている。

次に、第１モータ４２と第２モータ４９の回転数が、例えば第１モータ４２の回転数が３６００ｒｐｍ一定で、一方第２モータ４９の回転数は３５７０ｒｐｍ一定で回転させ、このように２個のモータ回転数に若干の差を与える回転状態に切り換える。この状態では、図７に示すように第１光路変換手段３３と第２光路変換手段が５０ｂの位置に回転角度位相が徐々に変化していき、１８０度の位相差ができた時には，光線は回転する第１光路変換手段３３ｂで反射し光線の進路は一定角度変化し図９に示すようにθ２に変わる。すなわち、この瞬間の光線の放射範囲は図９に示すような傾斜した範囲に変わっている。

この回転位相角度は、第１モータ４２が１分間に３６００回転する間に第２モータ４９の回転数との差分だけ、即ち３０回転ずれるので、即ち２秒毎に３６０度の回転位相差が生じる。

引き続き第１光路変換手段３３と第２光路変換手段５０の回転位相差がゆっくりと２秒に１回転ずつ生じ続ける。この動作により、光線の放射方向が図１０に示すように、θ１〜θ２の範囲で連続的に変化し、光線の放射範囲はθ１＋２θの範囲で三次元的に繰り返し照射し、走査範囲内に信号線や電線２３，４７が存在しないため、欠落のない鮮明な三次元画像データを得ることができる。

図１０において、第１光路変換手段３３と第２光路変換手段５０の作用により、チューブ３６は長手軸方向にスライドさせなくても光線は全周方向及び長手軸方向に三次元的に放射され、図５のスライダ用モータ８３を止めて機械振動を抑えた状態で三次元の走査が行える。

図６において、振れ検出センサ５３ａが第１光路変換手段３３または、第１中空回転軸４０の外周振れを検出し、光干渉解析部８８で求めた元波形データに補正を加えている。または、第１モータ４２の回転軸部の振れ量を測定する他の変位検出手段として、事前にメモリしておいたチューブ３６の内周の基準形状データと、第１モータの回転中に得られるチューブ内周面の測定データの差異とを、振れ量として検出して、同様に元波形データに対して補正を加えることによって、正しい数値を得る。

既に説明した本発明光学式内面測定装置が有する６種類の測定方法とその動作について以下に順に説明する。

〔１〕三次元形状の表示とキズ等の外観検査方法
図１１に示す被測定物１００の内周面からの反射光を図５に示す光干渉解析部８８に取り込み、コンピュータ８９により計算し、内周面形状の画像を表示する。外観検査時には、スライダ用モータ８３が必要に応じてプローブ３６を軸方向にスライドさせつつ反射光を三次元的に取り組むので、モニタ９０に三次元画像を表示することができる。外観検査に必要とされる測定精度は、５マイクロメートル程度であり、他の幾何学精度の測定に０．０２マイクロメートルもの高精度が要求されるのに比べて、十分に許容度があるため、スライド部の振動が発生しても無視することができる。
また、バリ、キズが無い被測定物の基準データを別途事前にメモリしておき、取り込んだ被検査物１００の表面状態と比較する事により外観不良品を検出する事が可能である。

〔２〕次に、被検査物１００の内周面に樹脂等の表面皮膜コーティングが施されている場合は、その表面層の厚さの測定、及びピンホール不良や突起発生不良は、近赤外光またはレーザ光が樹脂を半透過するため、皮膜を含む高分解能な三次元画像を得て、被膜厚さを検査する事ができる。

〔３〕表面粗さ測定方法は、サンプリング長さ範囲(例えば１００マイクロメートルの範囲について)の被検査物１００内周表面の元波形データを収集し、これと同時に第１中空回転軸４０の外周振れを振れ検出手段（図６においてはセンサ２２ａ、２２ｂ）が取込んだシャフト振れ波形データを収集し、図１４に示すように、元波形データからシャフト振れデータを差し引きした補正後データ（図中上側の細実線波形）を得ることができる。この補正後データの最大値と最小値の幅が真の最大表面粗さ値になる。このように中空回転軸１０の外周振れデータを得て補正する事により、例えば０．０１マイクロメートルの高精度に表面粗さの測定が行える。

〔４〕直径測定方法は次のとおりである。図１５の外周に破線で示す波形は、第１光路変換手段３３から全周に放出された光線の反射光をコンピュータ８９で計算して求めた被検査物１００の内周面の形状を示す元波形であり、図中の内周の太実線波形に示す振れ検出手段（図６ではセンサ５３ａ）から得たシャフト振れ変位量データを差し引きし、同図外径側の細実線に示す補正後データを得て、この補正後データから必要な内径寸法を得ることができる。なお、実際の測定に際しては内径精度が保証されているリングゲージを使って本発明の内面測定機の校正をすませておき、この認定されたリングゲージとの比較測定により直径値が求められ表示される。

〔５〕真円度測定方法は、図６に示すように、２つの光路変換手段を回転駆動させる第１モータ４２、第２モータ４９を有し、被検査物１００の内径に光プローブ５９の先端部を挿入し、２つの光路変換手段３３，５０が光ファイバー３２から導いた光線を円周方向および軸方向に３次元的に放射する。先に説明した図１５の外径側に示す細実線が補正後データは、図１２において光線が三次元的に放射することにより得られた複数の円形データからコンピュータ８９が被測定物１００の傾斜角度を計算し、角度を補正した円形データを表示しており、この補正された図１５のデータに対する内接円と外接円を計算で求め、これら２つの円の半径差を真円度と定義できるものであり、この数値がモニター９０に表示される。
この構成により、被検査物１００の内周面から、光ファイバー３２を経て導き入れた反射光をコンピュータ８９で計算して得た被検査物の内周面の形状データを、光ファイバーの軸方向の移動を行わずに行い、チューブ３６の摺動振動やスライダ用モータ８３の振動（これら摺動による振動は検出と補正が困難であるため動作を止めて測定を行う。）を発生させずに測定を行い、さらに被測定物１００の傾斜角度と第１および第２モータ４２，４９の機械振動を検出及び補正することで正しい内周面の真円度の測定がおこなえている。

〔６〕円筒度の測定方法は、図５に示すスライド用モータ８３を停止させ、図１３に示すように、モータ振動が出ない状態で図中δＺ１の範囲の三次元データを取り込み、図５のスライダ８２と共にプローブ２８を図中δＺの距離ずつ間欠的に送りを与える。得られたデータをコンピュータ８９が繋ぎ合せて円筒全体のデータにし、円筒の三次元画像の内接円筒と、外接円筒の半径差とを円筒度として計算し表示する。この測定においてもスライダ用モータ８３の回転を止めた状態でデータを取込むので振動やノイズが発生せず、高精度に測定が行える。

図１６は光学式内面測定装置の補正計算フロー図である。いままで説明したように、図中（Ｄ)に示す被検査物１００の傾斜量データにより（２）補正した真円度を求めることができ、（Ｅ）回転振動データを検出することで、さらに精度が高い（３）機械振動補正後の真円度、および表面粗さ、円筒度の測定値を求めることができる。

図６では、第１モータの回転軸部の振れ量を測定する変位検出手段は、第１中空回転軸４０の外周面に振れ検出センサ５３aを対向させているが、この変位検出手段は他にもある。例えば、第１モータ４２の回転軸部４０の振れ量を測定する他の変位検出手段は、チューブ３６の内周の事前にメモリしておいた基準形状データと、第１モータ４２の回転中に得られる透光部５１又はチューブ３６の内周面の測定データの差異を振れ量として検出する事ができる。この場合、図１５において内周の太実線データがチューブ内周面の基準形状データと、第１モータ回転中に得られる測定データの差異から求めた振れ量のデータである。この構成と検出方法によっても、被検査物１００の内周面の形状データに与えた画像の歪みや振動を収集した波形データから除去し、正しく精密は内径及び内周面の精度測定が可能である。この場合、透光部５１はガラスや透明の樹脂で形成されており、必要に応じて内周面に数ナノメートル厚さの透光性がある金属コーティングを施しておき、内周面からの収集波形の輪郭をより確実に検出することもできる。

尚、チューブ３６はその直径は約２ミリメートル程度であり、その内部に貫通する固定側光ファイバー３１は、屈曲自在なグラスファイバーであり直径は０．１〜０．４ミリメートル程度のものを使っている。

図６に示される第１光路変換手段３３は、平滑な反射面を有するミラーかプリズムからなり、反射率を高めるため、その表面粗さと平面度は一般の光学部品と同等以上の精度に磨きあげられている。

図６に示される第１中空回転軸４０は、金属またはセラミックスで形成され、溶融金属のダイによる引き抜き加工か、または焼成前のセラミックスのダイによる押し出し加工で中空に成形されて、硬化処理後に研磨加工法等により仕上げ加工される。

図６において、第１中空回転軸４０の穴は直径が０．２〜０．５ミリメートルあり、光ファイバー３１の直径より十分大きくしているため、固定具３４で固定された固定側光ファイバー１が第１中空回転軸４０に接触することはなく、仮に軽く接触しても摩耗粉が発生するほどではない。また、回転摩擦トルクが変動する問題もない。

この種の三次元走査内面観察および検査装置の要求性能の一つに空間分解能を高める事があるが、空間分解能を達成するための要因には、第１モータ４２の回転速度ムラ、第１中空回転軸４０の振れ及び非再現振れ精度、第１光路変換素子３３の加工精度等がある。

この中でモータ４２の回転速度ムラに対しては、本発明においては、プローブ５９の先端部に第モータ４２を内蔵した本方式はチューブ３６の内部で固定側光ファイバー３１が回転しないので摩擦力が発生して回転速度むらが生じて収集データに歪やノイズを与える心配が無く、高い３次元の空間分解能を安定して得ている。

また、第１中空回転軸４０の振れ及び非再現振れ精度に対しては、本発明においては振れ検出センサ５３ａが振れを検出して相殺して正しい内径データを測定している。この場合、図６に示す第１モータ４２、第２モータ４９、回転光コネクター５２は、チューブ３６の必ずしも先端に内蔵する必要はなく、図１１のチューブ３６の装置側（図の上方）に構成し、回転側光ファイバー３２を十分長く構成しても問題ない。

本発明によれば、本発明の光学式内面測定装置は、光プローブ５９を長手軸方向にスライドさせず静止した状態で、２つの光路変換手段が光ファイバーから導いた光線を円周方向および軸方向に三次元的に放射することで、被検査物１００の傾きを計算し補正して真円度を求めることができる。また、第１モータ４２の回転軸部の振れ量を検出する手段を設け、この変位量データで補正することで、被測定物１００の内周面形状データに与えるあらゆる測定誤差を解消し高精度な測定をおこなうことが可能である。

本発明の干渉光学法を用いて被検対象物の観察と測定を行う光学式内径測定装置は、工業用診断装置にも適用して高精度な測定を行えるとともに、例えば深穴の三次元観察をおこなうことができる。また、医療現場での微細な病巣の寸法の数値的な診断や治療への活用が期待される。

２３、４７ 電線
２６、２７ 光線
３１ 固定側光ファイバー
３２ 回転側光ファイバー
３３ａ、３３ｂ 第１光路変換手段（ミラー）
３４ 光ファイバー固定具
３５ 遮蔽板
３６ チューブ
３７ モータコイル
３８ モータケース
３９ａ、３９ｂ、４８ａ、４８ｂ 軸受
４０ 第１中空回転軸
４１ ロータ磁石
４２ 第１モータ
４３ 第２回転軸
４４ 可振子
４３ａ 穴
４５ 電歪素子
４６ パターン電極
４９ 第２モータ
５０、５０ａ、５０ｂ 第２光路変換手段（プリズム等）
５１ 透光部材
５２ 回転光コネクター（光ロータリコネクター）
５３ａ 振れ検出センサ
５５、５５ａ、５５ｂ 走査範囲
５９ 光プローブ
８０ ベース
８１ スタンド
８２ スライダ
８３ スライダ用モータ
８４ 接続部
８５ 測定機本体
８６ 第１モータドライバ回路
８７ 第２モータドライバ回路
８８ 光干渉解析部
８９ コンピュータ
９０ モニタ
１００ａ、１００ｂ 被検査物

Claims (7)

1. 干渉光学法を用いて被検対象物の観察および測定を行う光学式内面測定装置において、
   チューブに内蔵された光ファイバーと、
   前記光ファイバーの先端部に配置された少なくとも２つの光路変換手段を有し、
   前記２つの光路変換手段の一方または両方を回転駆動させるモータを有し、
   被検査物の内径に前記光ファイバーの先端部を挿入し、
   前記２つの光路変換手段が前記光ファイバーから導いた光線を円周方向および軸方向に三次元的に放射し、
   回転する前記光路変換手段の回転振れ量を測定する変位検出手段を備えることを特徴とする光学式内面測定装置。
2. 前記２つの光路変換手段が三次元的に放射した光線は前記光ファイバーを通して光干渉解析部に導かれ、
   コンピュータが被検査物の傾斜角度を計算して内径の真円度を計算することを特徴とする請求項１記載の光学式内面測定装置。
3. 前記変位検出手段は、回転する前記光路変換手段の外周面に対向させて、少なくとも１個の検出センサを配置したものであることを特徴とする請求項１または２記載の光学式内面測定装置。
4. 前記光ファイバーを経て得た被検対象物からの反射光をコンピュータで計算して得た被検査物の内周面の形状データを、変位検出手段の変位量データにより補正することを特徴とする請求項１〜３何れか１項記載の光学式内面測定装置。
5. 前記変位検出手段は、前記チューブ又はチューブに一体的に設けられた透光部の内周の基準形状データと、回転軸の回転中に同時に得られるチューブ内周面の測定データの差異を振れ量として検出することを特徴とする請求項１〜４何れか１項記載の光学式内面測定装置。
6. 前記モータは前記光ファイバーの先端部に設けられ、回転軸部は中空形状であり、
   記光路変換手段は、前記回転軸部と一体的に回転可能に配置されており、
   前記光ファイバーは、前記回転軸部と相対的に回転自在に、回転駆動軸の中空穴に挿通されることを特徴とする請求項１から５何れか１項記載の光学式内面測定装置。
7. 前記モータは、第１モータと、前記第１モータの後方側に配置された第２モータとがあり、
   前記光路変換手段は、前記第１モータにより動作する第１光路変換手段と、前記第２モータにより動作する第２光路変換手段とがあり、
   前記光ファイバーは、前記第２モータの後方側で、固定具を介して前記チューブに回転不能に配置された固定側光ファイバーと、前記第１モータまたは前記第２モータの回転軸部と一体的に回転する回転側光ファイバーとで構成されており、
   前記第１モータおよび前記第２モータの前記回転軸部は、各々が中空形状をしており、
   前記回転側光ファイバーは、先端側の少なくとも一部が前記第１モータの回転軸部の中空穴に挿通されるとともに、後方側の少なくとも一部が前記第２モータの回転軸部の中空穴に固定されており、
   前記第１光路変換手段は、前記第２光路変換手段の先端側で、前記第１モータの回転軸部と一体的の回転可能に配置されており、
   前記第２光路変換手段は、前記回転側光ファイバーの先端に備わることを特徴とする請求項１から６何れか１項記載の光学式内面測定装置。

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