JP2019191417A - 光イメージング用プローブ - Google Patents

Abstract

【課題】被測定物の穴奥部において内周面に対する底面の同軸および直角度を計測できる光イメージング用プローブを提供する。【解決手段】この光イメージング用プローブは、チューブ状のケース１０と一体の透光性部材１１と、ケース１０の内側に固定配置された非回転の光ファイバー１と、光線の方向を変える複数の光路変換手段３，６，７と、光路変換手段を回転駆動させる２つ以上のモータとを備える。複数ある光路変換手段３，６，７の少なくとも１つは、光線を複数の方向に分岐する機能を有し、光ファイバー１から放出された光線の向きが、光路変換手段３，６，７によって変換され、回転軸の軸線上２箇所以上で該軸線に対して略直角方向かう光線を透光性部材１１を透過して放出できるとともに、回転軸の軸線に対して斜め前方に向かう光線を透光性部材１１を透過して放出できるように構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、機械部品等の穴の底部に光学式センサーを挿入し、光線を照射し、被測定物からの戻り光（反射光）を三次元的に取り込んで底部の立体観察、および機械部品底部の寸法を三次元測定する光学式測定装置に用いる光イメージング用プローブ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ボアや燃料噴射ノズル内面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形状データを取得する手段として、画像診断技術（光イメージング技術）は、例えばレーザ光や白色光等を立体的に照射してその戻り光から干渉縞を捉え、その波長（周波数）および位相差データをコンピュータ解析することで立体形状の数値データに変換し、三次元形状画像を得る方法がある。

しかしながら従来、光学式の非接触測定機では、自動車用エンジンのシリンダーボアや燃料噴射ノズルの穴の奥部に光学式センサーを挿入し、光線を三次元的に放射する光イメージングプローブの機構に乏しかった。特に、穴底面の直角度が測定できる光プローブがない為これらの計測が行なえず、機械部品の精度が悪い場合は、自動車エンジンのシリンダーボアでは圧力漏れや摩擦損失の増加に影響し、また、燃料噴射ノズルでは噴射量の制御性に影響し、漏れが生じるという問題があった。

機械部品等の被測定物の内周面および底部に光線を照射して、内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に示すとおりである。

特許文献１に示す内視鏡は、ＣＣＤカメラの撮像範囲の中で、半分は前方を観察するために透過性にすると共に、ＣＣＤ撮像範囲の残り半分は側方の画像を得るよう角度を有するミラーを取付けることで、１つのＣＣＤで前方と側方の画像を半分ずつ、同時に観察できるものである。
しかしながら、この内視鏡は回転機構とスライド機構をいずれも有していないため、観察できるのは前方１点と側方の１点だけであり、内周面の内径、真円度および、穴底面の同意軸度、直角度を計測する事はできなかった。

また、特許文献２に示す光イメージング用プローブは、光ファイバー(1,2)に導かれた近赤外光線を集光レンズ(20)が前方に少しの角度を持って回転放射し、その光線を回転プリズムミラー(3)が側方に回転放射することで、側方については１点ではなく全周スキャンを行い、ＯＣＴにより三次元データを収集している。
しかしながらこの構成では、前方の観察は行えず、穴底面の同軸度と直角度を計測することができなかった。

また、特許文献３に記載される発明では、光プローブは、第１照射部が光線を２分岐し直線方向と略直角方向に照射し、第２照射部が先端で光線を略直角方向に放射し、且つミラーの角度を可変させて少しの範囲で光線の放射方向を変え立体的にデータを収集している。
しかしながら、この光プローブも略直角方向に２カ所の観察しか行えず、穴底面の同軸度と直角度を計測することはできなかった。

特開２００１−２９９６７９号公報 特許第５９６１８９１号公報 特許第４８６４６６２号公報

本発明はこのような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、被測定物の穴底部に対して、第１に内周面に複数個所に回転放射し、さらに第２に底部または斜方に１カ所以上回転放射し、計３カ所以上に観察光を回転放射し、これらからの戻り光を捉えて内周面と底部の３次元形状を取り込んで、コンピュータにより全体の立体画像を得ることを目的としている。そして、穴底部の内周面の内径と真円度、および、内周面を基準にして穴底面の同軸度および直角度を計測可能なイメージング用光プローブを供給することにある。

上記課題を解決するための一手段は、光学式測定装置に用いる光イメージング用プローブにおいて、略チューブ状のケースと一体の透光性部材と、ケースの内側に固定配置された非回転の光ファイバーと、光線の方向を変える複数の光路変換手段と、光路変換手段を回転駆動させる２つ以上のモータとを備えている。そして、複数ある光路変換手段の少なくとも１つは、光線を複数の方向に分岐する機能を有し、光ファイバーから放出された光線の向きが、光路変換手段によって変換され、回転軸の軸線上２箇所以上で該軸線に対して略直角方向かう光線を透光性部材を透過して放出できるとともに、回転軸の軸線に対して斜め前方に向かう光線を透光性部材を透過して放出できるように構成している。

本発明によれば、観察光を被測定物の穴奥部において内周面の複数個所と斜め前方に分岐して放射し、その合計３カ所以上からの戻り光を捉えて３次元形状を取得し、コンピュータの解析により内周面に対する底面の同軸および直角度を計測する光イメージング用プローブを提供できる。

本発明光イメージング用プローブ前斜方走査時の第１回転角状態の断面図 同プローブの第２回転角状態の断面図 同プローブの第３回転角状態の断面図 同プローブの第４回転角状態の断面図 同プローブの被測定物への放射領域説明図 同プローブによる直角度測定説明図 同プローブの取得波形と透光性キャップ基準測定の説明図 同プローブによる内周面測定の説明図 同プローブの軸方向スライド状態説明図 同プローブによる広範囲な直角度測定説明図 同プローブ第２実施例のビーム径説明図 同第２実施例の粗さデータ取得説明図 同第２実施例の透光性基準パイプ有無説明図 本発明光イメージング用プローブを用いた測定装置説明図

本実施の形態の光イメージング用プローブの第一の特徴は、略チューブ状のケースと一体の透光性部材と、前記ケースの内側に固定配置された非回転の光ファイバーと、光線の方向を変える複数の光路変換手段と、前記光路変換手段を回転駆動させる２つ以上のモータとを備える。そして、複数ある前記光路変換手段の少なくとも１つは、光線を複数の方向に分岐する機能を有し、前記光ファイバーから放出された光線の向きが、前記光路変換手段によって変換される。そして、回転軸の軸線上２箇所以上で該軸線に対して略直角方向かう光線を前記透光性部材を透過して放出できるとともに、前記回転軸の軸線に対して斜め前方に向かう光線を前記透光性部材を透過して放出できる。
この構成により、観察光を被測定物の穴奥部において内周面と斜め前方に分岐して放射し、その戻り光を捉えて内周面複数個所と前斜方の合計３箇所以上から形状データを取り込んで、コンピュータにより全体の３次元画像と内周面に対する底面の同軸および直角度を得ることができる。

本発明の第二の特徴は、より具体的な態様として、次のように構成している。複数の前記光路変換手段として第１〜第３の光路変換手段があり、第１光路変換手段を回転駆動させる第１モータと、第２光路変換手段と第３光路変換手段とを回転駆動させる第２モータとを備える。そして、前記第１光路変換手段は、光線を複数の方向に分岐する機能を有し、前記第２光路変換手段と前記第３光路変換手段とは、前記第１光路変換手段よりも前方に位置している。そして、前記第１光路変換手段は、光線を回転軸方向に対して略直角方向と斜め前方に分岐して放射する。前記第１光路変換手段から回転軸方向に分岐された光線は、前記第２光路変換手段又は前記第３光路変換手段に導かれる。前記第２光路変換手段に導かれた光線は、回転軸方向に対して略直角方向に光路を変換される。前記第３光路変換手段に導かれた光線は、より斜め前方に光路を変換される。
前記第１光路変換手段から回転軸方向に対して略直角方向に放射された光線と、前記第２光路変換手段から放射された光線と、前記第３光路変換手段から放射された光線とを、前記透光性部材を透過して被測定物に対して照射するものであることを特徴とする請求項１記載の光イメージング用プローブ。
この構成により、光線を複数の方向に分岐する機能を有する第１光路変換手段と、第１光路変換手段よりも前方に配置した第２光路変換手段と第３光路変換手段とにより、観察光を被測定物の穴奥部において内周面と斜め前方に分岐して放射できる。そして、その戻り光を捉えて内周面複数個所と前斜方の合計３箇所以上から形状データを取り込んで、光学式測定装置のコンピュータにより全体の３次元画像と内周面に対する底面の同軸および直角度を得ることができる。

本発明の第三の特徴は、前記第１モータは中空回転軸を有し、前記中空回転軸には前記光ファイバーが相対的に回転自在に挿通されており、前記光ファイバーは先端側に集光レンズを有していることにある。
この構成により、小型化が図れるとともに、光ファイバーから放出される光線を第１光路変換手段に対して安定して照射できる。

本発明の第四の特徴は、前記第１光路変換手段は、複数枚の回転プリズムまたは偏光板から構成した偏光ビームスプリッタとしたことにある。
この構成により、光線を直角方向と前斜方向に安定して分岐することができ、また、軽量であるためモータユニットの回転負荷を小さく抑えることができる。

本発明の第五の特徴は、前記第１光路変換手段で２つに分岐された光線のビームスポット径に大小の差を与えたことにある。
この構成により、分岐された一方の内ビームスポット径が大きい方の光線で内径並びに真円度等の形状測定を行うと共に、小さい方の光線で表面粗さの測定が行える。

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。

図１〜図４は本発明に係る光イメージング用プローブの実施形態を示している。

図１は本発明の実施の形態に係る光学式内周面測定機に用いる光イメージング用プローブの断面図である。略チューブ状のケース１０の略中心位置には非回転の光ファイバー１が位置し、光ファイバー１はケース１０に一体的に取り付けられた光ファイバー固定具１２により固定される。該光ファイバー１の先端側に例えば球状の集光レンズ２を有している。光ファイバー固定具１２と集光レンズ２の間には第１モータユニットが、また光ファイバー固定具１２と第１モータユニットの間には第２モータユニットを配置している。第１モータの回転軸５ｂは中空であり、この中空穴に光ファイバー１が相対的に回転自在に挿通される。

集光レンズ２の前方には複数枚のプリズムや偏光板等で構成され、光線を複数の方向に分岐する機能を有する第１光路変換３が、第１中空軸５ｂに第１回転ブラケット４により取り付けられ回転駆動させられる。ここで「前方」は、プローブの先端側に向かう方向を指している。第１光路変換３は、光線を回転中心に対して略軸直角方向と、斜め前方に分岐して放射する。光線の分岐にはハーフミラーや偏光板を用いた、一般に偏光ビームスプリッタと呼ばれる光学部品等が使われている。

第２モータ９は前記ケースに内蔵されるか少なくとも一体的に取り付けられている。第１光路変換３の前方にはミラーからなる第２光路変換手段６と第３光路変換手段７を回転自在有し、これら第２および第３光路変換手段は第２モータユニット９の第２回転軸９ｂに取り付けられ回転する。第２回転軸９ｂも中空穴を有しており、この中空穴に第１モータ５の第１回転軸５ｂが相対的に回転自在に挿通されている。

本実施例の動作について以下に説明する。図９に示す測定装置の光学ユニット本体８５から放出された近赤外光等の光線１００は、光ファイバー１を経由して集光レンズ２に導かれ、中心軸の前方に放射される。光線１００は第１光路変換３に導かれ、そして分岐され、光線の一部は中心軸に対して略直角方向に放出し、残りの光線は中心軸に対し少し傾斜角をなして略前方であり、光線は第２光路変換手段６または、第３光路変換手段７のいずれかに向かって放出される。

第２および第３光路変換手段は回転中心線に対して直角な面を想定したとき、その面内において、回転中心に対して角度を分割する位置に配置され、第１光路変換３から斜め前方に分岐して放射された光線は、第２光路手段６に照射した時は中心軸に対して略直角方向に放射され、一方、第３光路変換手段７に照射された時は、光線は中心軸に対し斜めに放射される。光線１００はこのようにして３カ所以上に放出される。

また、図１において、第１モータユニット５の回転角度は例えば光スリット円盤などからなる回転センサー５ｃで、第２モータユニット９の回転角度は回転センサー９ｃでその回転位置が検出されている。第１モータユニットの回転角度は５ｃ第１モータユニット５と第２モータユニット９の２個のモータユニットは同期回転しており、図９の第１モータドライブ回路８６と第２モータドライブ回路８７により第１中空軸５ｂと第２中空軸９ｂの回転角度位相は自在に調整可能であるため、第１光路変換３と第２および第３光路変換手段との間の回転位相差を回転制御可能であり、光線は第２または第３光路変換手段に選択的に向かわせることができる。
図１においては、第１モータユニット５の回転角度（θ１）は0度、第２モータユニット９の回転角度（θ２）は0度の位置にあり、この場合、第１光路変換３から光線の一部は僅かに斜め下方に放出され、第３光路変換手段により光路は図１のα１に示すように大きく斜め下方に放出され、透光性部材である透光性キャップ１１を透過して被測定物に照射される。

図２においては、第１モータユニット５の回転角度（θ１）は45度、第２モータユニット９の回転角度（θ２）は0度の位置にある。この場合、第１光路変換３から光線の一部は僅かに斜め下方に放出され、第３光路変換手段により光路は図中α２に示すように大きく斜め下方に放出され、透光性キャップ１１を透過して被測定物に照射される。

このように光線１００の一部は、光ファイバー１を経由して⇒集光レンズ⇒第１光路変換３から直角方向に放出され⇒透光性キャップ⇒被測定物の内周円筒面に放射される。また残りの光線は、光ファイバー１を経由して⇒集光レンズ⇒第１光路変換３から回転中心に僅か角度をつけて略前方に放出し⇒第３光路変換手段⇒透光性キャップ１１⇒被測定物の底面に放射される。

被測定物の内周面と底面に放射された近赤外光等の光線１００の戻り光は、透光性キャップ１１を透過して先程とは逆の順序で最終的に光ファイバー１を経て、図１４に示す測定装置の本体８５に戻される。

図３においては、第１モータユニット５の回転角度（θ１）は135度〜225度の範囲、第２モータユニット９の回転角度（θ２）は0度の位置にある。この場合、第１光路変換３から光線の一部は僅かに斜め上方に放出され、第２光路変換手段６により光路は図中略直角方向に放出され、透光性キャップ１１を透過して被測定物に照射される。

図４においては、第１モータユニット５の回転角度（θ１）は180度、第２モータユニット９の回転角度（θ２）は180度の位置にある。この場合、第１光路変換３から光線の一部は僅かに斜め上方に放出され、第３光路変換手段７により光路は図中α１に示すように大きく斜め下方に放出され、透光性キャップ１１を透過して被測定物に照射される。

このように図５および図６において、観察光１００を被測定物１６の穴奥部において内周面１６iと、底面１６ｂの方向又は斜め前方に分岐して放射し、その戻り光を捉えて内周面と前斜方の３次元形状を取り込み、コンピュータにより全体の立体画像と内周面に対する底面の同軸および直角度を得ることができる。

図７と図８は、同プローブによる透光性キャップ１１を基準とした測定の説明図である。
図７は戻り光のコンピュータ８９による解析データの一例を示す図であり、縦軸は距離を示し、横軸は回転放射の回転角度を示している。図７中に３本の半径距離データが示されているが、データ(a)は内側透光性キャップ１１の内面までの距離、(b)は同外面までの距離、(c)は被測定物１６の内面１６ｉまたは１６ｂまでの距離である。
実際の測定においては、測定開始前に校正を行うが、この測定機においては、(a)透光性キャップ１１の内面までの距離は、予め、数値が保証されたリングゲージやブロックゲージとの比較測定を行って透光性キャップ１１の真の距離（図中、Rp1-in）を求めてコンピュータ８９にデータを予め記憶させている。
ここで、図７の(a)から(c)の各データは光イメージング用プローブの２個のモータユニット５、９の１〜３マイクロメートル程度の振れの影響を受けて再現性が非常に乏しいものであり、そのままでは高精度な測定に使うことができない。そこで、図７にいて、被測定物１６の内/底面の毎回の測定は、内面１６ｉ、１６ｂから内側透光性キャップ１１の内面までの距離（図中、R-inとRp1-inまでの距離差）に、予め校正で求めておいた透光性キャップ７の真の距離（図中、Rp1-in）を加えて求める事で高精度な測定を達成している。図８はこのようにして得られた被測定物１６の内径測定データの一例である。

図９および図１０において、本発明光イメージング用プローブは被測定物１６の奥底部において、図１４に示す軸昇降モータ８３で上下させることにより、図８に示すように奥底部の広範囲にわたり測定することができる。

図１１から図１３は第２の実施例を示すデータである。実施例２の構成は図１から図１０の実施例１と同じである。

図１１は被測定物表面に照射される光線１００のビームスポット径を示しており、一方のビーム径１０１ａは小さく、約０．５μｍから５μｍ（マイクロメートル）の大きさである。一方１０１ｂの直径は大きく、１０μｍから５０μｍの大きさになるよう集光させている。本発明の第２の実施例においては、第１光路変換および分岐手段３により分岐さえた２つの光線１００のビームスポット径に大小差を設け、小さい方の光線で被測定物１６の表面粗さを計測し、一方、大きい方の光線で被測定物１６の直径、真円度の形状精度計測を行なっている。これにより分岐された一方の光線で内径、真円度等の形状測定を行うと共に、他方の光線で表面粗さの測定を１本のプローブを使って同時に行うことができる。

図１２は光イメージングプローブを２個のモータユニット５，９で回転させた時、または、図１４に示すＺ軸昇降モータでスライドさせた時に、被測定物１６の表面から取り込んだ表面データの一例である。小さいビーム１０１ａで取込んだデータは表面粗さを忠実に表示しており、一方大きいビーム１０１ｂで取込んだデータはこれら表面粗さの影響を受け難く、表面の大きなうねりを正確に取り込んでいる。

図１３は小さいビーム１０１ａで表面粗さデータを取込む際に、図１〜図４に示すように透光性キャップ１１を有する場合の取込み波形データ（Cap Based）と、比較としてこの透光性キャップ１１を取り外して被測定物１６までの距離を計測したデータ（Without Cap）を取得した実験データである。図１３から明らかなように、透光性キャップ１１が無い場合には、第１モータユニット５および第２モータユニット９の回転振れや振動ガタによって取込んだ波形にうねりやノイズが乗ってしまい、正しい計測にはノイズが支障になっていた。一方、本発明の構成のように透光性キャップ１１を設け、これの表面を基準にして被測定物１６までの距離を求める測定方法を採用することによって、ノイズを排除した正しい表面粗さの測定が可能である。

なお、透光性キャップ１１は、線膨張係数が小さく、かつ透過性が良好なガラス、石英、サファイヤ等の材料からなり、また、必要に応じて表面反射を減らし、光線の全反射を最小に押さえ透過率を高めるためのコーティング等が施されている。

本発明によれば、観察光を被測定物の穴奥部において内周面の複数個所と斜め前方に分岐して放射し、その３カ所以上からの戻り光を捉えて３次元形状を取得し、コンピュータの解析により内周面に対する底面の同軸および直角度を計測できる、また、表面粗さを同時に計測することができる。また、被測定物１６の内/底面の精度は、透光性キャップ１１を基準に行うことで、モータユニット５，９の振れの影響を完全に除外し、ナノメートルオーダーで、繰返し再現性が良好な測定を行うことが可能な光イメージング用プローブを提供できる。

本発明の光イメージング用プローブは、光学式深穴形状精密測定機において、深穴を有する自動車エンジン用噴射ノズルや、小径穴を有する滑り軸受内面及び奥部に光線を照射し、内周面と底面の両方の３次元の形状観察画像を同時に得て観察すると共に、内周面と奥底部の直角度等の幾何精度の精密測定が可能であり、工業用および医療用の測定装置や検査装置への活用が期待される。

１ 光ファイバー
２ 集光レンズ
３ 第１光路変換（プリズム等）
４ 第１回転ブラケット
５ 第１モータユニット
５ａ 電線
５ｂ 第１中空軸
５ｃ 回転センサー
６ 第２光路変換手段
７ 第３光路変換手段
８ 第２回転ブラケット
９ 第２モータユニット
９ａ 電線
９ｂ 第２中空軸
９ｃ 回転センサー
１０ ケ−ス
１１ 透光性キャップ（透光性部材）
１２ 光ファイバー固定具
１６ 被測定物
１６ｉ 穴内周部
１６ｏ 穴底部
８０ 測定台
８１ Ｚ軸スライダー
８２ 取付部
８３ Ｚ軸昇降モータ
８４ 接続部
８５ 光学ユニット本体
８６ 第１モータドライブ回路
８７ 第２モータドライブ回路
８８ 光干渉解析部
８９ コンピュータ
９０ モニタ
１００ 光線
１０１ａ、１０１ｂ ビームスポット

Claims (5)

1. 光学式測定装置に用いる光イメージング用プローブにおいて、
   略チューブ状のケースと一体の透光性部材と、
   前記ケースの内側に固定配置された非回転の光ファイバーと、
   光線の方向を変える複数の光路変換手段と、
   前記光路変換手段を回転駆動させる２つ以上のモータとを備え、
   複数ある前記光路変換手段の少なくとも１つは、光線を複数の方向に分岐する機能を有し、
   前記光ファイバーから放出された光線の向きが、前記光路変換手段によって変換され、
   回転軸の軸線上２箇所以上で該軸線に対して略直角方向かう光線を前記透光性部材を透過して放出できるとともに、前記回転軸の軸線に対して斜め前方に向かう光線を前記透光性部材を透過して放出できることを特徴とする光イメージング用プローブ。
   
2. 複数の前記光路変換手段として第１〜第３の光路変換手段があり、
   第１光路変換手段を回転駆動させる第１モータと、
   第２光路変換手段と第３光路変換手段とを回転駆動させる第２モータとを備え、
   前記第１光路変換手段は、光線を複数の方向に分岐する機能を有し、
   前記第２光路変換手段と前記第３光路変換手段とは、前記第１光路変換手段よりも前方に位置し、
   前記第１光路変換手段は、光線を回転軸方向に対して略直角方向と斜め前方に分岐して放射し、
   前記第１光路変換手段から回転軸方向に分岐された光線は、前記第２光路変換手段又は前記第３光路変換手段に導かれ、
   前記第２光路変換手段に導かれた光線は、回転軸方向に対して略直角方向に光路を変換され、
   前記第３光路変換手段に導かれた光線は、より斜め前方に光路を変換され、
   前記第１光路変換手段から回転軸方向に対して略直角方向に放射された光線と、前記第２光路変換手段から放射された光線と、前記第３光路変換手段から放射された光線とを、前記透光性部材を透過して被測定物に対して照射するものであることを特徴とする請求項１記載の光イメージング用プローブ。
   
3. 前記第１モータは中空回転軸を有し、前記中空回転軸には前記光ファイバーが相対的に回転自在に挿通されており、前記光ファイバーは先端側に集光レンズを有していることを特徴とする請求項２記載の光イメージング用プローブ。
   
4. 前記第１光路変換手段は、複数枚の回転プリズムまたは偏光板から構成した偏光ビームスプリッタであることを特徴とする請求項２又は３に記載の光イメージング用プローブ。
   
5. 前記第１光路変換手段で２つに分岐された光線のビームスポット径に大小の差を与えることを特徴とする請求項２〜４何れか１項に記載光イメージング用プローブ。

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