JP7058869B2 - 光イメージング用プローブ及び光学式測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、略円筒形状機械部品等の内周面および外周面に、観察光を同時に照射し、被測定物の内外周面からの戻り光（反射光）を取り込んで機械部品の内外周面の形状観察および同軸度を測定するための光イメージング用プローブ及びこの光イメージング用プローブを用いた光学式測定装置に関するものである。

例えばボールベアリング内輪の内/外周面は、各面の直径と真円度の測定に加えて両面間の同軸度を高精度に保つことが要求される。また、ＤＶＤなど光ディスク装置の回転主軸部に用いられる滑り軸受は、内/外径の同軸度や軸受内周面の直径が高精度に要求される。また、これらの精度が悪い場合は、ＤＶＤなど電子機器製品の性能が得られないことがあった。

従来、これら機械部品等の加工精度の測定は、一般に真円度測定機等の接触式測定機を用いて行われていた。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要求されている。非接触式測定法で被測定物内面の形状データを取得する画像診断技術（光イメージング技術）の一例として、例えばレーザ光や白色光等を照射してその戻り光から干渉縞を捉え、その波長（周波数）または位相差データをコンピュータ解析することで形状の数値データに変換し画像を得る方法等がある。

しかしながら、これら機械部品の同軸度を非接触で高精度に計測するためには、内周面と外周面に同時に光線を照射し、これらからの戻り光を同時に捉える必要があるが、従来、このように同軸度が測定できる光プローブおよび光学式測定機が市場に提供されていなかった。

機械部品等の表面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従来の構造は、例えば、特許文献１及び特許文献２に示されている。

特許文献１には、第１照射部が第１の光線を略直角方向に照射し、第２照射部が第２の光線を先端で光線を略直角方向に放射し、か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、内周面２箇所からの戻り光を得ている光プローブが示されている。
しかしながら、この光プローブは略直角方向に２カ所の計測は行えるが、被測定物の外周面および、内外周面間の同軸度を計測することはできなかった。

特許文献２には、光ファイバー(1,2)に導かれた光線を集光レンズ(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うことで三次元データを収集する光イメージング用プローブが示されている。
しかしながらこの構成では、略直角方向の１カ所の観察しか行えず、内/外周面の同軸度を計測することができなかった。

特許第４８６４６６２号公報 特許第５９６１８９１号公報

本発明はこのような上記従来の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、観察光を略円筒形状機械部品等被測定物の内周面および外周面に同時に照射し、戻り光（反射光）を取り込んで内/外周面の寸法形状の測定、および内/外周面間の同軸度を測定することにある。

上記課題を解決するための一手段は、光イメージング用プローブ及び、この光イメージング用プローブを用いた光学式測定装置を次のように構成したものである。
光イメージング用プローブは、光線の方向を変える複数の光路変換手段と、中空円筒状で互いに径サイズの異なる内側透光性部材と外側透光性部材とを備える。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、内側透光性部材と前記外側透光性部材とは略同軸上に配置する。そして、内側透光性部材の外周面と外側透光性部材の内周面との間に被測定物を挿入し、被測定物に対して、内側透光性部材側からと外側透光性部材側からの両方向から光を照射できる。光学式測定装置は、この光イメージング用プローブにより得られた被測定物からの戻り光から、コンピュータにより被測定物の形状データを得るものである。

円筒形状の被測定物の内周面および外周面に、同時に光線を照射し、被測定物の内/外周面からの戻り光（反射光）を取り込んで、被測定物の寸法/形状観察および内/外周面間の同軸度データを得ることができる。

本発明の光イメージング用プローブ前方走査時の第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 同プローブによる同軸度測定説明図 同プローブの取得波形と透光性パイプ基準測定の説明図 同プローブによる同軸度の説明図 同プローブの軸方向スライド状態説明図 同プローブによる三次元測定説明図 同プローブによる透光性パイプ基準測定説明図 同プローブの第２の実施例断面図 本発明の光イメージング用プローブを用いた光学式測定装置の説明図

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、光線の方向を変える複数の光路変換手段と、中空円筒状で互いに径サイズの異なる内側透光性部材と外側透光性部材とを備え、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、前記内側透光性部材と前記外側透光性部材とは略同軸上に配置されており、前記内側透光性部材の外周面と前記外側透光性部材の内周面との間に被測定物を挿入し、前記被測定物に対して、前記内側透光性部材側からと前記外側透光性部材側からの両方向から光を照射できることにある。
この構成によれば、円筒形状の被測定物の内周面および外周面に対して、同時に光線を照射し、被測定物の内/外周面からの戻り光（反射光）を取り込むことができる。

第二の特徴としては、より具体的な態様として、次のように構成している。前記内側透光性部材には、略チューブ状のケースが連結されるとともに、前記外側透光性部材が外側ケースを介して一体に固定されており、前記内側透光性部材又は前記ケースの内部には、非回転状態に固定された固定側光ファイバーが配置されており、前記固定側光ファイバーの先端側には、モータユニットにより回転駆動させられる回転側光ファイバーが配置されている。そして、複数の前記光路変換手段として第１～第４の光路変換手段が有り、第１光路変換手段と第２光路変換手段は、前記回転側光ファイバーと一体に配置されており、第３光路変換手段と第４光路変換手段は、前記外側ケースと一体に配置されている。そして、前記第１光路変換手段は、光線を略直角方向と回転軸方向に分岐し、前記第２光路変換手段は、前記第１光路変換の前方であって略同一線上に位置し、前記第１光路変換手段から回転軸方向に放出された光線を略直角方向に角度を変換して、前記内側透光性部材の内周側から該内側透光性部材を通過して放出する。そして、前記第３光路変換手段は、前記第１光路変換手段から略直角方向に放出された光線を軸平行に光路変換し、前記第４光路変換手段は、前記第３光路変換手段から放出された光線を略直角方向に角度を変換して、前記外側透光性部材の外周側から該外側透光性部材を通過して放出する。そして、中空円筒形状の前記被測定物の内周面からの戻り光を前記第２光路変換手段から前記回転側光ファイバーと前記第１光路変換手段を経由して前記固定側光ファイバーに導くとともに、前記被測定物の外周面からの戻り光を前記第４光路変換手段から前記第３光路変換手段、前記第１光路変換手段を経由して前記固定側光ファイバーに導くことができる。
この構成によれば、観察光を第１から第４の複数の光路変換手段により、円筒形状の機械部品等の被測定物の内周面および外周面に、同時に光線を照射し、被測定物の内/外周面からの戻り光（反射光）を取り込むことができる。

第三の特徴としては、光線を複数の方向に分岐する機能を有する前記第１光路変換を複数枚の回転プリズムから構成した偏光ビームスプリッタとしたことにある。
この構成であれば、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。

第四の特徴としては、前記第２光路変換手段を、中心軸に対して略直角で略平面からなる回転ミラーとしたことにある。
この構成によれば、よりコンパクトな構造で、プローブから被測定物に対して観察光を側方に放射することができる。

第五の特徴としては、前記第３および第４光路変換手段は、非回転に取り付けられた略円錐状ミラーであることにある。
この構成によれば、よりコンパクトな構造で、光線を被測定物に放射できる。

他の特徴としては、少なくとも第一から第五の特徴の何れかを備える光イメージング用プローブにより得られた被測定物からの戻り光を、コンピュータで処理することにより、被測定物の形状データを得ることのできる光学式測定装置を構成したことにある。
この構成によれば、円筒形状の機械部品等の被測定物の寸法/形状観察および内/外周面間の同軸度データを得ることができる。

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及び図２は、本発明における第１の実施例の光イメージング用プローブの構造を示す断面図である。

図１に示すように光イメージング用プローブは、金属等からなる内側ケース６と、透光性部材として、石英等熱膨張が少ない材料からなる内側透光性パイプ７が連結されている。また、同様に石英等からなる外側透光性パイプ１０が、金属等からなる外側ケース１３によって連結され、一体的に設けられている。

非回転の固定側光ファイバー１は固定具１４により内側ケース６に固定され、モータユニット８は内側ケース６に内蔵固定され、モータユニット８は回転側光ファイバー２を回転させる。固定側光ファイバー１と、回転光側光ファイバー２は対向するそれぞれの端面は直角かつ平滑に加工され、微小隙間を設けて対向し、光回転ジョイント３を構成している。

回転側光ファイバー２のモータユニット８から遠い側には、例えば偏光ビームスプリッタ等、複数のプリズムや偏光板等から構成され、光線を複数の方向に分岐する機能を有する第１光路変換手段４が取り付けられている。そして、さらにその先端側には第２光路変換手段が取りつけられ、固定側光ファイバー１から導かれた光線は略直角方向に回転放出される。ここで「先端側」とは、プローブの先端により近い側を指している。軸受９は回転側光ファイバー２の回転を支持する軸受である。

外側ケース１３の内側には、円周上に傾斜を持つ反射面からなるミラー等からなる第３光路変換手段１１と第４光路変換手段が取付けられている。第１光路変換手段４で分岐され、直角方向に放射された光線は、第３光路変換手段１１により回転軸と略平行に光路変換されて、さらに、第４光路変換手段で再度光路は変換され、固定側光ファイバー１から導かれた光線は外側透光性パイプ１０の外周面から、このパイプ１０を透過して回転軸方向に放射される。

図２はこの光イメージング用プローブのモータユニット８が回転して図１とは180度反対側に光線が放射されている状態を示している。

本発明光イメージング用プローブの動作について図３から図８を用いて以下に説明する。

図３は、略円筒形状の被測定物１６の内/外周面に本発明光イメージング用プローブを挿入した状態を示している。図１０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は、固定側光ファイバー１を経て光イメージング用プローブに導かれる。光線は、光回転ジョイント３を通過して回転側光ファイバー２、第１光路変換手段４に導かれ、分岐された光線の内、前方に導かれた分は第２光路変換手段５から内側透光性パイプ７を透過して被測定物１６の内周面１６iに放射される。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。被測定物１６の内周面からの戻り光は、内側透光性パイプ７、第２光路変換手段５、第１光路変換手段４、回転側光ファイバー２を経由して、固定側光ファイバー１から光学ユニット８５に戻され、コンピュータ８９により解析され、解析結果がモニタ９０に表示される。８４は偏光器、８８は光干渉解析部、８６はモータドライブ回路である。

また、第１光路変換手段４から回転軸に対し略直角に分岐し放射された光線は、第３光路変換手段１１と第４光路変換手段１２で反射され、外側透光性パイプ１０を透過して被測定物１６の外周面１６ｏに放射される。外周面１６ｏからの戻り光は、外側透光性パイプ１０、第４、第３光路変換手段１２，１１、第１光路変換および分岐手段４と回転側光ファイバー２と固定側光ファイバー１を経て、光学ユニット本体８５に戻される。

図４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、縦軸は半径距離を示し、横軸は回転放射の回転角度を示している。図４中に６本の半径距離データが示されているが、データ(a)は内側透光性パイプの内周面の半径、(b)は同外周面の半径、(c)は被測定物１６の内周面１６ｉの半径である。続いてデータ(d)は外側透光性パイプ１０の外周面の半径、(e)は同内周面の半径、(f)は被測定物１６の外周面１６ｏの半径を示すデータである。

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)内側透光性パイプの内周面の半径と(d)外側透光性パイプ１０の外周面の半径は、予め、数値が保証されたリングゲージとのとの比較測定を行って透光性パイプの真の半径（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、さらに中空形状のピンゲージの外径を測定することで、外側透光性パイプ１０の外周面の真の半径（図中、Rp2-Outer）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４の(a)から(f)の各データは光イメージング用プローブのモータユニット８および軸受９の半径方向の１～３マイクロメートル程度の軸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４において、被測定物１６の内/外周面の毎回の測定は、内周面１６ｉから内側透光性パイプ７の内周面までの距離（図中、R-inとRp1-inまでの半径距離）に予め校正で求めておいた内側透光性パイプ７の真の半径（図中、Rp1-in）を加えて求めている。
同様に、外周面１６ｏの正しい半径測定値は、外周面１６ｏから外側透光性パイプ１０の内周面までの距離（図中、R-outerとRp2-outerまでの半径距離）に予め校正で求めておいた外側透光性パイプ７の真の外半径（図中、Rp2-outer）を加えて求めている。

図５はこのようにして得られた被測定物１６の内/外径測定データの一例である。

図６に示すように、光イメージング用プローブは、図１０の測定機の図８３に示すZ軸昇降モータにより軸方向にスライドさせることで図７の内周面１６ｉと外周面１６ｏは三次元的に形状と寸法データが取得できる。図８は測定値の一事例である。

本発明によれば、被測定物１６の内/外周面の直径は、内/外透光性パイプ７、１０を基準に行うことで、モータユニット８と軸受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光イメージング用プローブと測定機を得ることが可能になる。

図９は光イメージング用プローブの第２の実施例の断面図である。
第２の実施例においては、固定側光ファイバー２１はモータユニット２８の回転シャフトの中空穴の中に相対的に回転自在に挿入され、その先端には集光レンズ２２ａが一体的に構成されている。集光レンズ２２ａから放出された光線は第１光路変換および分光手段２４に向けて放出され、光線は略直角方向と回転軸前方方向に分岐される。

また、モータユニット２８の回転シャフトと回転側光ファイバー２２は、回転側ファイバー接続具２３により連結され一体的に回転する。
これ以降の構成と動作は図１～図８に示した第１実施例と同じである。

このように、本発明の第２実施例によれば、光路中の減衰が少なく、より一層高精度な測定が行うことができる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、複数の光路変換手段により観察光を機械部品等の略円筒形状被被測定物の内周面および外周面に、同時に光線を照射し、被測定物の内/外周面からの戻り光（反射光）を取り込んで機械部品の寸法/形状観察および内/外周面間の同軸度データが得られる光イメージング用プローブを提供でき、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、２１ 固定側光ファイバー
２、２２ 回転側光ファイバー
３ 光回転ジョイント
４、２４ 第１光路変換手段（プリズム等）
５、２５ 第２光路変換手段（プリズム等）
６、２６ 内側ケース
７、２７ 内側透光性パイプ（キャップ）
８、２８ モータユニット
９、２９ 軸受
１０、３０ 外側透光性パイプ
１１、３１ 第３光路変換手段
１２、３２ 第４光路変換手段
１３、３３ 外側ケース
１４、３４ 固定側光ファイバー固定具
１６ 被測定物
２２ａ 集光レンズ
２３ 回転側ファイバー接続具
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 偏光器
８５ 光学ユニット本体
８６ 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

Claims (6)

1. 光線の方向を変える複数の光路変換手段と、
   中空円筒状で互いに径サイズの異なる内側透光性部材と外側透光性部材とを備え、
   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、
   前記内側透光性部材と前記外側透光性部材とは略同軸上に配置されており、
   前記内側透光性部材の外周面と前記外側透光性部材の内周面との間に被測定物を挿入し、
   前記被測定物に対して、前記内側透光性部材側からと前記外側透光性部材側からの両方向から光を照射できることを特徴とする光イメージング用プローブ。
2. 前記内側透光性部材には、略チューブ状のケースが連結されるとともに、前記外側透光性部材が外側ケースを介して一体に固定されており、
   前記内側透光性部材又は前記ケースの内部には、非回転状態に固定された固定側光ファイバーが配置されており、
   前記固定側光ファイバーの先端側には、モータユニットにより回転駆動させられる回転側光ファイバーが配置されており、
   複数の前記光路変換手段として第１～第４の光路変換手段が有り、
   第１光路変換手段と第２光路変換手段は、前記回転側光ファイバーと一体に配置されており、
   第３光路変換手段と第４光路変換手段は、前記外側ケースと一体に配置されており、
   前記第１光路変換手段は、光線を略直角方向と回転軸方向に分岐し、
   前記第２光路変換手段は、前記第１光路変換手段の前方であって略同一線上に位置し、前記第１光路変換手段から回転軸方向に放出された光線を略直角方向に角度を変換して、前記内側透光性部材の内周側から該内側透光性部材を通過して放出し、
   前記第３光路変換手段は、前記第１光路変換手段から略直角方向に放出された光線を軸平行に光路変換し、
   前記第４光路変換手段は、前記第３光路変換手段から放出された光線を略直角方向に角度を変換して、前記外側透光性部材の外周側から該外側透光性部材を通過して放出し、
   中空円筒形状の前記被測定物の内周面からの戻り光を前記第２光路変換手段から前記回転側光ファイバーと前記第１光路変換手段を経由して前記固定側光ファイバーに導くとともに、前記被測定物の外周面からの戻り光を前記第４光路変換手段から前記第３光路変換手段、前記第１光路変換手段を経由して前記固定側光ファイバーに導く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に記載の光イメージング用プローブ。
4. 前記第２光路変換手段を、中心軸に対して略直角で略平面からなる回転ミラーであり、中心軸を含む直角な投影面の少なくとも一部分は光線が当接しないように切欠いた形状としたことを特徴とする請求項２に記載の光イメージング用プローブ。
5. 前記第３光路変換手段および前記第４光路変換手段は、略円錐状であり、非回転に取り付けられたミラーであることを特徴とする請求項２に記載の光イメージング用プローブ。
6. 請求項１～５何れか１項に記載の光イメージング用プローブにより得られた、前記被測定物からの戻り光からコンピュータにより被測定物の形状データを得ることを特徴とする光学式測定装置。

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