JPH0781843B2 - 管の内径等の測定装置及びその製造方法並びに測定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、透明又は半透明の管の内径を測定する目的に
て該管の内壁の位置を測定するための装置及びその方法
に関する。本発明は、又、かかる管の軸線に対して直角
でかつその内壁に向けて照準決めされたレーザービーム
の光と内壁により反射されかつ屈折された偏光との間の
関係を設定する技術に関する。

（従来の技術及びその課題） 均一な内径の透明又は半透明の管を製造するためには、
かかる管の内径が測定可能であることが重要である。特
に、かかる管の内径の測定は非常な正確さ及び精度にて
行い、管の軸線に沿って均一な内径が形成され、従っ
て、均一な内径の管が製造されるようにすることが特に
重要である。管の内径が均一であればその管の内部容積
は一層良く制御することが出来る。

米国特許第3,994,599号は管状のガラス製品の肉厚及び
同心率を測定するための方法及び装置を開示している。
この米国特許による方法及び装置は、管状のガラス製品
に向けられたコヒーレントな光ビームを利用し、該ビー
ムの一部が管の内面及び外面により反射されたとき、そ
の反射光部分は物品から離間された点に収斂し、その離
間された寸法が内壁に関係するようにしたものである。
かかる複数のビームが円周方向に離間された点に向けら
れたとき、管の外面と内面間の同心度が欠如するなら
ば、干渉縞が形成され、又、この干渉縞の各点における
間隔は異なった値となる。上記米国特許はレーザービー
ムの反射光部分を利用して、管の内径ではなく、管の肉
厚を測定するものである。肉厚の相違を測定すること
は、管の軸線に沿った一又は複数の任意の点における、
内径ではなく、同心率を測定することである。

一方、米国特許第3,307,446号は、ガラス管を引き抜く
ときにその管の肉厚を測定するために使用する光源及び
フォトピックアップを開示している。この場合にも、管
の内壁及び外壁から反射される反射光の差を測定して肉
厚を求める。この技術は、三角測量の原理に基づくもの
であり、従って、測定の分解能は、検出器アレーの空間
的分解能及び光源と検出器との間の夾角により制限され
る。この方法において受け取られた光信号は微弱な干渉
反射光だけであり、従って、干渉信号の生ずる可能性が
大きい。又、この技術は測定される管の屈折率の変化に
よる影響を避けることが出来ない。又、光源及び反射光
を利用して穴を測定することも公知であり、例えば、米
国特許第3,806,252号及び同第4,690,556号に記載されて
いる。この後者の米国特許において、内径の軸線がビー
ムの中心線に対して僅かに斜めになった状態にて該内径
沿って平行な光ビームを案内することにより、細長い略
円筒状の内径の真直度を点検するための方法が開示され
ている。該内径の壁は、光ビームの一部を反射し、内径
の端部を越える略偏心した反射光リング及び非反射光の
軸線上スポットを形成する。反射光が散乱される場合に
は、光を反射させる内径の壁が真直ではないことを意味
する。円筒状の内径を複数の位置に回転させれば、管の
全円周を点検することが出来る。

この米国特許の方法は、内径の真直度、外径及び真円度
からの偏差を点検するために利用することが出来るが、
この方法の場合、レーザービームは内径を通って軸方向
にかつその軸線に対して僅かに斜めの方向に方向決めし
なければならないため、かかる方法及び装置を利用し
て、引き抜かれる管の外径を測定することは出来ない。

透明な管の製造中、該管の外径を測定することは、科学
的目的に使用される管を引き抜く際の重要なファクタで
ある。溶融ガラスから精密なガラス管を引き抜くための
装置が米国特許第3,401,028号に開示されている。この
場合、ガラスは引き抜くために流動可能でかつ取り扱い
可能な状態にまで加熱される。冷却前、引き抜かれた成
形管の寸法は管の内径を制御する管内部の装置により影
響される。かかる装置は寸法上の誤差が0.5％以下、望
ましくは、0.1％以下に維持された均一な寸法の高精密
管を製造するために使用されている。

科学的目的用の精密内径のガラス毛管が使用可能である
適用例としては、バッフィコートの定量遠心分析装置内
における血液標本の分析がある。QBCは、米国ニュージ
ャージー州、フランクリン・レークスのベクトン・ディ
キィンソン・アンド・カンパニー（Becton Dickinson a
nd Company）により販売されている分析装置の登録商標
であり、該分析装置は切れ目のない円筒状プラスチック
フロートを収容した毛管を備えている。患者の血液は端
部がプラスチックキャップにて密封された該毛管内に吸
引され、この毛管はミクロヘマトクリット遠心機内にて
５分間高速回転される。この遠心分離中、血漿と赤血球
細胞の中間の値に相当する比重のプラスチックフロート
が赤血球細胞の頂部まで浮動し、膨張したバッフィコー
トにより囲繞される。このフロートは毛管の断面積の90
％以上を占めているため、バッフィコートは毛管の内壁
とフロートの外径間のスペース内にて10倍に膨張する。
個々のバッフィコート層は容易に測定することが出来
る。米国特許第4,567,754号及び同第4,190,328号はバッ
フィコートの定量管を開示しており、各特許の背景に
は、バッフィコートを測定するための分析方法がある。

毛管の内径とフロートの嵌まり状態は、この特別の適用
例において重要である。故に、精密内径の毛管を製造す
ることが主たる関心事である。従来、かかる精密毛管の
製造は、通常、仕上げ製品の毛管の内径の精度を測定す
るための各種の方法を利用しなければならなかった。製
造中、毛管の寸法及びそれと関係するフロートの寸法は
標準較正液体により点検し、毛管の内壁とフロートの外
側の間に保持された材料が所定の状態通りに拡散してい
るか否か確認する必要があった。しかし、この方法は、
面倒で時間がかかり、しかも正確に測定することは困難
である。従って、レーザにより提供されるような光源を
利用して、管の引き抜き工程中、精密内径の毛管の内径
を正確に測定することが可能であれば、非常に有用であ
る。

（課題を解決するための手段） 本発明の装置は、透明又は半透明の管の内径又はその管
の内壁の曲率半径を測定するために使用するものであ
る。測定しようとする材料が透明又は半透明となる波長
における光は、ビーム方向決め手段により管に向けてか
つ該管の縦軸線に対して直角の方向に照準決めされる。
該ビーム方向決め手段は、管の縦軸と該軸をスキャンす
る。光検出手段が管の内壁により反射されかつ屈折さ
れ、さらに管の軸線に対して直角に偏光された光を受け
取り得るように位置決めされている。該光検出手段はこ
の受け取った光に応答して信号を発生させる。信号処理
手段が光検出手段からの信号を処理し得るように接続さ
れ、管の内壁から反射されたレーザ光が内壁を通じて屈
折光に変化する時点を分析することにより管の内壁の位
置を測定することが出来る。

本発明の特別の形態において、透明又は半透明の管の内
径又はその内壁の曲率半径を測定するための装置は、光
検出手段からの信号により励起される、信号処理手段内
に設けられたタイマーを備えている。このタイマーは、
ビームが管の内壁から全反射された状態から管の内壁を
通じて屈折される状態に変化する時点を記録する機能を
有する。

透明又は半透明の管の内壁の曲率半径を測定するための
装置は、さらに別の形態において、スキャン手段がレー
ザービームを管に向け照準決めする方向決め手段の一部
を構成する。このスキャン手段により、レーザービーム
は管の軸線に対して直角に管を横断し、反射及び屈折光
線のパターンを形成する。かかるパターンは内壁の位相
の結果、レーザ光が内壁から反射されるために測定可能
に変化させることが出来る。

好適な実施例のさらに別の形態において、信号処理手段
が、スキャン手段により発生され、検出手段により検出
されたレーザ光の扇状に重なり合った部分における干渉
縞を分析する。反射されかつ屈折されたレーザ光線の建
設的及び破壊的干渉を利用して、毛管の内壁の曲率半径
を測定することが出来る。

本発明のさらに別の実施例において、分析装置は、特定
の波長の偏光に対して透明又は半透明である材料の内壁
の軸線を中心とする曲率半径を測定するための手段を備
えている。材料が透明又は半透明となる波長にて、材料
の軸線に対して直角に偏光された光ビームは、方向決め
手段により湾曲した材料の軸線に対して直角の経路に沿
って照準決めされる。その湾曲した材料又はビーム方向
決め手段の少なくとも一方と関係する駆動手段により、
光ビームの経路縦軸に対して直角の方向に向けて湾曲材
料と直交する。ビームが湾曲材料に対して動くことによ
り、その湾曲材料の内壁から全反射される状態から該内
壁を通じて屈折される状態に変換される光に対して湾曲
材料が及ぼす光学的干渉度合が変化する。照準決めされ
たビームが内壁の高さと略等しい高さにて湾曲材料の外
壁に当たるとき、測定可能な光学的干渉の結果、反射光
線が生じる。この光学的干渉は内壁の高さを表示する。

本発明の別の形態は、透明又は半透明の管状部材内壁の
曲率半径を測定するための方法である。この測定方法は
光ビームを照準決めし、内壁の高さに略等しい高さにて
管状部材の外壁に当たるようにする段階を備えている。
この方法は、管状部材の軸線に対して直角に偏光された
光ビームが管状部材の内壁により全反射される状態から
該内壁を通じて屈折される状態に変換される時点を測定
する段階をさらに備えている。この方法の最後の段階
は、反射光から屈折光に移行する箇所を管状部材の内壁
と関係づける段階である。

管状部材の内壁の曲率半径を測定するより具体的な方法
は、光ビーム又は管状部材の少なくとも一方を他方に対
して軸方向に動かし、幾多の位置において、管状部材の
縦軸線に対する壁の高さを測定する段階をさらに備えて
いる。管状部材の内壁全体に亘る直径を測定するための
さらに改良された方法は、管状部材の縦軸線に対して直
角の光ビーム、あるいは光ビーム又は管状部材の少なく
とも一方を互いに直交状態に動かし、光ビームが直径方
向に対向する箇所にて管状部材に当たり、各移行箇所に
対して時間的に間隔を置いた信号が発生されるようにす
る段階を備えることが出来る。該方法のさらに改良され
た方法は、移行箇所が検出されたときに信号を発生させ
る段階をさらに備えている。

本方法のさらに別の形態は、操作可能でかつ流動可能な
溶融浴から管状部材を引き抜くことにより管状部材を形
成する段階と、その後に内壁の高さと同一の高さにて管
状部材の壁に当たるように光ビームを照準決めする段階
とを備えている。次に、管状部材の軸線に対して直角に
偏光された光ビームが、内壁により反射される状態から
内壁を通じて屈折される状態に変化するときを検出し、
最終的に、反射光と屈折光間の移行箇所を内壁の高さに
関係づける段階とを備えている。上記方法により製造さ
れた管状部材も又、本発明の一部を構成するものであ
る。

本発明の利点により、製造中に物理的に接触することな
く、かつ毛管の通常の取り扱いを妨害せずに毛管の外径
を測定することが可能となる。管はその軸線に沿って光
学的に測定し、及び管の材料いかんに関係なく測定する
ことが可能となる。本発明に採用された光学的効果は、
強力な信号を発生させるものであり、その結果、極めて
正確で、堅牢かつ耐久性のある装置が提供される。本発
明によれば管状部材の内径の同心性及び楕円率の測定、
さらにかかる部材の欠点の検出が可能となる。

（実施例） 本発明は多くの異なる形態にて具体化することが出来る
が、本発明の幾つかの好適な実施例について以下、詳細
に説明する。但し、以下の開示内容は、本発明の基本的
考えの一部を説明したものに過ぎず、本発明の範囲をこ
の実施例にのみ限定することを意図するものではない。
本発明の範囲は特許請求の範囲及びその均等物によって
判断されるべきである。

本発明のこの明細書の理論的基礎は、内半径に等しい高
さにて透明又は半透明の管に入るレーザービームは内壁
から反射される内部反射光から内壁を横断する屈折光に
変化するという現象を基にしている。さらに、この現象
は材料の屈折率及び／又は肉厚により全く左右されな
い。管の外径及び管の内径が同心状でない場合、管の壁
がレンズを形成し、光学的拡大作用を提供し、ビームの
高さと内径間の関係が一定でなくなる結果となる。同様
にして、管が円形又は同軸状ではなく楕円形の断面形状
である場合、壁はレンズとして作用し、内径はその軸心
に対する管の方向如何により決まる。さらに、扁平部
分、突起又は減磨部分といった凹凸が管の内側又は外側
に存在し、管に沿ってある距離に亘って伸長する場合に
は、内径の位置を正確に位置決めする上で影響を及ぼ
す。

しかし、管が略同軸状である比較的同心状の壁を有する
場合には、ここに開示された装置及び方法は、内径を正
確に測定することを可能にし、しかも引き抜き工程によ
り製造中の管に容易に適用することが出来る。この装置
及び方法が達成しようとする測定精度のレベルは次の通
りである。即ち、管の上述のような欠点により、測定さ
れたパラメータが直ちにかつ著しく変化し、最早、製造
上の欠点のない略同軸状の同心状の円形管の内径ではな
くなっていることを明らかにし得るレベルとする。従っ
て、装置が較正され、許容可能な値が規定されたなら
ば、内径の測定値が上記設定値の範囲内の値であるなら
ば、その内径は正確であると考えることが出来る。

本発明により、毛管の円周に沿った４つの等間隔の位置
にて内径及び外径を少なくとも４回測定することによ、
管状部材の同心率及び／又は楕円率を明らかにすること
が出来る。こうした測定値を処理することにより、内
径、外径、同心率及び楕円率の正確な測定値が得られ
る。

上記に鑑み、第１図には、ビームがガラス管の外壁を貫
通し、該管により反射されかつ屈折されたときにおけ
る、管の軸線に対して直角に照準決めされたスキャンレ
ーザービームの状態が略図にて図示されている。透明及
び半透明の管は全体として符号10で示してあり、レーザ
11がビーム方向決めスキャナに対して、望ましくは約0.
254mm（0.010インチ）の径のビームを提供する。スキャ
ナ12は管10の軸線13に対し略直角の方向にビーム12aを
照準決めする。レーザービームの径は変化させることが
出来、例えば、約0.0762mm（0.003インチ）程度の小さ
い径とした場合、検出されたピーク値の鮮明度を示す解
像度を増大させることが出来る。レーザビームの径が約
1.27mm（0.05インチ）程度の大きい値とした場合、測定
する管の位置は、管の内壁を測定するビームの性能に影
響を及ぼすことなく、ビームが照準決めされた方向に対
して幾分変化させることが出来る。

第11図において、スキャンビーム12aの個々のビーム位
置は、「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」、「Ｄ」、及び「Ｅ」と
して図示されている。

これら各ビーム位置「Ａ」乃至「Ｅ」の中心線に対して
示した水平方向の矢印はそれぞれの位置におけるスキャ
ンレーザービームの軸線を示す。第１図の点線は矢印Ｃ
上に中心決めされたレーザビームの寸法を示す。「ａ」
乃至「ｅ」は出力光線を示し、対応する各光線は入力ビ
ームと同一の符号にて示されている。従って、例えば経
路「Ａ」に沿った入力ビームの結果、第１図に示した出
力ビーム「ａ」が得られる。第１図の略図において、好
適なレーザビームの径は0.254mm（0.010インチ）であ
り、ビーム「Ａ」及び「Ｅ」の丁度内側に位置決めさ
れ、光線「ａ」及び「ｅ」と略同一の経路に沿った位置
にある。

全内部反射された光及び管10の内壁14を通じて屈折され
た光により、スキャンレーザビーム「Ａ」乃至「Ｅ」の
出力光線「ａ」乃至「ｅ」は重なり合った円弧を描く。
スキャンビームがこの円弧状のパターンを描くことは管
10の内壁14を位置決めする上で重要である。光線「ａ」
及び「ｂ」は内壁から全内部反射された光を示す一方、
光線「ｃ」は臨界的角度にて内壁から反射する光を示
す。又、「ｄ」及び「ｅ」は内壁から反射されず、管の
内径を通じて屈折される光を示す。従って、反射光線
「ａ」乃至「ｃ」の掃引パターンは屈折光「ｃ」乃至
「ｅ」と重なり合い、重なり合った円弧を形成する。

公知の内径の管を較正手段として使用し、入力光線の高
さが内壁14の高さと正確に等しい場合に得られる出力光
線「ｃ」の角度位置に関係づけることが出来る。望むな
らば、光電子増倍管等の形態による検出器手段を光線
「ｃ」の全体的な位置にて、レンズ及び／又はフィルタ
に沿って位置決めすることにより、内壁14aの位置を測
定することが出来る。検出器手段の位置は、傾斜角度が
光線「ｃ」よりも大きくならない１つの至端、及び検出
手段からの出力が信号処理手段を満足させなければなら
ない他方の至端に制限される。この位置決め公差の制限
は測定される管の位置決め公差にも当て嵌まる。

レーザ11からの光は、管10の軸線に対して直角に偏光さ
せ、及び管10の材料が透明又は半透明となる波長に設定
しなければならない。光方向決め手段12は、管10の軸線
13に対して直角の全方向に対し、及びレーザビームの高
さが管10の高さに等しい位置を包囲する少なくとも領域
内にて管の壁を光学的にスキャンすることが出来なけれ
ばならない。

第２図には、管10の内壁により反射／屈折された光を受
け取り得るように位置決めされた検出器と関係し得るス
キャンレーザ装置の略図が図示されている。第２図にお
いて、レーザ11及び光方向決め手段12は第１図について
説明したものと略同一である。ビーム方向決め手段12は
管10を完全に横断し、該管10の最高の外径の上方の領域
から最低の外径より下方の領域まで一連のビームを形成
する。第２図に関して説明した方法は垂直、即ち上下で
あり、上方、下方及びスキャンビームは水平方向であ
る。これは本発明の適用上、必要な事項ではない。レー
ザ11及び方向決め手段12は、管10に当たるレーザ11から
のビーム12aが管10の軸線13に対して直角である限り、
任意の方向から管10に照準決めすることが出来る。

従来のレーザマイクロメータは、レーザ11と、ビーム方
向決め手段12と及び管10の外径（この外径値は偏心率及
び楕円率を測定するのに必要とされる）を測定するため
のレーザビーム集光装置15とを備えている。管10に直交
するビームの結果、第１図に図示するように出力光線は
管10を通じて反射／屈折される。

光検出機構16が設けられて管10から反射され及び屈折さ
れた光線束17を受け取る。この光検出機構16の中心線は
レーザ方向決め手段のスキャンビームの水平方向に対し
て約60゜の角度に配設されている。しかし、本発明は、
第２図に全体として符号18で図示されたこの60゜の角度
に限定されるものではない。光線束17は最初、光検出機
構16内のレンズ19により集められ、集光されて偏光フィ
ルタ20を通過する。集光された光線束17は全体として符
号21で示されており、縮小されて検出器22上に位置する
偏光スポットとなる。偏光フィルタ20はレーザ光線が管
10の軸線に対して最初に直角に変更されない場合に限り
必要とされる。レンズ19は検出器の領域が小さく、従っ
て、集光が必要である場合に限り必要とされる。偏光フ
ルタ20を使用することにより、スキャンビーム及び集光
手段15を有するレーザマイクロメータゲージを使用して
管10の外径を測定し得るという利点が得られる。同心率
及び楕円率を求める上で外径を測定することが必要であ
る。レーザマイクロメータの測定が不要である場合、レ
ーザ11は偏光させることが出来、従って、フィルタは一
切不要となる。

第２図において、上方内壁14の位置を示す反射／屈折光
線束17及び管10の下方内壁14の位置を示す別の光線束17
がそれぞれ図示されている。従って、これら反射／屈折
光線束のそれぞれを受け取り得るための符号22で示した
２つの検出器がある。これら各検出器22はスキャンビー
ムの高さが内壁の高さに等しい場合に生じる移行光線か
らの光りを受け取り得るように位置決めされている。各
検出器22は、方向決め手段12に起因するスキャン周波数
を各検出器22からの信号タイミングに関係づけ得る構成
とした信号処理回路23に接続されている。

特に、レーザ入力ビーム12aが管10の上部をスキャン
し、内壁14に達するとき、反射／屈折光束17は検出器22
上に光スポットを形成する。レーザ光線12aの中心が壁1
4の高さと等しい高さにあるときに発生されるピーク信
号は識別可能である。検出器22はピーク電圧の形態によ
る信号を発生させる。このピーク電圧の時間は信号処理
回路23内部に格納される。同様にして、入力ビーム12a
が管10の下方内壁14に達するとき、別の屈折／反射光束
17が他の検出器22に伝達され、別のピーク電気信号を発
生させ、この信号は同様にして信号処理回路23内部に格
納される。第１又は上方ピーク信号及び第２又は下方ピ
ーク信号間の時間的間隔はオシロスコープトレース24に
より内径IDとして表示される。この時間間隔中の信号を
示す対のピーク信号は各検出器22からのそれぞれの回路
23により受け取られ、分析することが出来る。

この装置は公知の内径の管を使用して較正することが出
来、また引き抜かれる管の許容範囲の内径の予想される
公差を予め選択することが出来る。適当なフィードバッ
ク機構及び信号発生装置を回路23に組み込み、管の引き
抜き装置と関係させて、引き抜き装置のパラメータを変
化させることにより、管の内径を制御し得る装置を提供
することが出来る。

第３図には、第２図の１つの検出器22により発生された
一連の出力信号が図示されており、これらの信号は反射
／屈折光線束17の検出された光に起因するものであり、
検出器の位置を関数として得られた信号の変化を示す。
第１図において、光線「ａ」乃至「ｅ」はスキャンビー
ム「Ａ」乃至「Ｅ」に起因する反射／屈折光線の重なり
合った円弧を示す。検出器の信号に対する第３図のグラ
フは検出器22を位置決めする上で重要であり、管10をス
キャン方向決め手段12に対して位置決めするのに有意義
である。この検出器12及び管10の相対的位置及び位置決
め公差は、スキャンビームの中心が内壁の頂部の位置と
等しい高さにあるときを検出器からの出力によりどの程
度正確に測定し得るかの性能によってのみ制限される。
これが第３図のグラフにいかに関係しているかを理解す
るためには、各検出器の位置における現象を理解するこ
とが必要である。先ず、光線「ａ」の中心と整合された
検出器の位置を考える。所定の寸法のビームが管10を通
じてスキャされる場合、内壁14からの全内部反射光に起
因して扇状ビームが水平方向から垂直方向に掃引する。
故に、信号を発生し始める検出器の第一の位置は光線
「ａ」である。これは、第３図のグラフにて出力信号の
底部に示されている。入力ビームがそのスキャンを続行
するに伴い、光線「ｂ」及び最後に光線「ｃ」と整合さ
れた検出器は、各々、信号を発生し始める。しかし、ス
キャンビームが内径の頂部の高さより下方に動き始める
と、壁において全反射光から屈折光に変化し、扇状ビー
ムは急激に方向を変え、水平方向に戻り始める。故に、
検出器が信号の発生を停止する第１位置は、光線「ｃ」
と整合した位置となり次の位置は光線「ｂ」と整合し、
最後の位置は光線「ｃ」と整合する。スキャンビームは
一定の寸法を有し、光検出機構16は一定の空間的孔を有
している。検出器の位置が水平方向に動くと、出力信号
は中心が反転し、２つの分離したパルスが目で見えるよ
うになるまで出力信号は広がり続ける。光線「ａ」及び
「ｂ」と整合した検出器の位置における２つの分離した
パルスを示す第３図を参照のこと。上方に掃引する扇状
ビームからの第１信号パルスは全反射光に起因する一
方、下方に掃引する扇状ビームからの第２信号パルスは
内径を通じる屈折率に起因する。入力ビームが小さくな
ればなる程、出力パルスは検出器のより垂直な位置にお
いて二重パルスとなる。光線「ｃ」と整合させた検出器
の出力信号の単一パルスのピークはスキャンビームの中
心が管10の内壁14の頂部と等しい高さになる点に対応す
る。検出器の出力信号から上記時点を正確に判断し得る
能力の有無により本発明の測定精度が決まる。出力信号
のスパイクが急峻であればある程、上記測定は一層容易
となる。しかし、検出器が上記３つの位置の何れにある
場合であっても測定は可能である。信号処理回路23はか
かる出力信号を取り扱い可能であるように構成すること
が出来る。

測定の解像度と検出器の位置決め条件とは互いに相反す
る関係にある。即ち小さい径のスキャンビームの場合、
鋭角なスパイクの出力信号が発生し、これにより精密な
測定が可能となる。一方、管10を検出器の中心軸に対し
て位置決めする場合、広い範囲の公差を容易にするため
には、大きい径のスキャンビームを使用し、光線「ａ」
及び「ｅ」と整合させた検出器の位置にて図示した反転
ピークの発生を回避すると共に、それ程鋭角でないスパ
イン信号を受け入れ得るようにする必要がある。現在利
用可能な電子技術を利用すると、本発明を使用する技術
は0.00001″の測定精度を可能とする。

受け取られた検出器の出力信号は、強力であり、極めて
大きい信号対雑音比を備えかつ極めて正確である。第２
図に図示されたように２つの信号を得ることにより、こ
れら２つの信号間の時間的間隔から管の内径を知ること
が出来る。特に、スキャンビームが内壁14と同一の高さ
にあるときに１つの信号が発生される一方、スキャンビ
ームが内壁14と同一の深さにあるときに別の信号が発生
される。信号処理回路23内のタイマーを使用して、管10
の上方内壁及び下方内壁14から生じる１対の出力信号ピ
ーク値間の時間的間隔を定期的に測定することが出来
る。

第４図には、レーザビーム「ｃ」の管10の内壁に対する
関係が線図にて示されている。管の内壁を通じる全反射
光と屈折光間の移行点は肉厚とは別に内壁の位置を示す
ということを証明するために必要とされるパラメータが
図示されている。N₁は管10の壁の材料の屈折率である一
方、N₂は管10周囲及び管10内部の空気の屈折率である。
又、第４図には、管10の壁によるビーム「ｃ」の屈折光
の角度関係が図示されている。第１図に図示するよう
に、入射ビーム「ｃ」の下方のビームは内壁４を通じて
屈折され、管10のキャビティ内に入る。第４図におい
て、入射ビーム「ｃ」上方にて該入射ビームに平行に入
る全てのビームは内壁14により全内部反射され、入射す
るビーム「Ｃ」より下方のビームは、該内壁14を通じて
屈折され、管10のキヤビティ内な入る。第４図には、入
射ビーム「Ｃ」がその上方箇所14aにて内壁14と同一の
高さでかつ該内壁に水平に入る左方向から入る状態が図
示されている。ビーム「ｃ」は管の軸線13からの半径に
対して角度Ｇにて管10により屈折され、管10の外側の箇
所25に達し、この箇所25にてビーム「ｃ」は入る。入射
ビーム「ｃ」と箇所25を通る半径の延長部分との間の角
度は鋭角Ｆにて図示されている。屈折ビーム「ｃ」は管
10の外壁を通って内壁14上の箇所26まで進む。軸線13か
ら箇所26までの半径と屈折ビーム「ｃ」との間の鈍角は
角度Ｊにて図示されている。この鈍角Ｊの補角は、第４
図に図示するように角度Ｈである。

こうした角度は反射光「Ｃ」と移行箇所14aとの関係は
屈折率、肉厚及び外径とは無関係であることを数学的に
証明するために必要である。

入力光線の高さが内径IDに等しい箇所においては次の関
係式が成立する。

入射角と屈折角のサイン比率は一定であるというスネル
の法則を適用すると、 となる。

三角形恒等式を利用して、 となる。

等式２のSIN Gを等式３に代入すると、 COS 180゜＝１、SIN 90゜＝１、COS 90゜＝０及びSIN 1
80゜＝０を代入して簡略化すると、 従って、臨界角の必要条件は、 となり、 故に、Ｈ＝臨界角となる。

上記証明により、内壁からの全反射と管10の内壁の内壁
14を通じての屈折光間の移行箇所14aは、内径の半径に
等しい管10の軸線より上方の位置となることが数学的に
立証される。第４図に示すように、この関係が重要であ
ることは、測定の精度が外径、肉厚、及び屈折率それぞ
れの変化とは関係ないように考えられることである。そ
の結果、物理的に管に接触することなく、迅速、正確、
かつ精密に内径を測定することが出来る。

図示した好適な実施例は、レーザ計測技術に基づくもの
であるが、干渉技術を利用して内壁14からの反射光及び
屈折光に起因する干渉パターンを分析することも出来
る。換言すれば、内壁からの一方の反射光及び内径を通
じての他方の屈折光という２つの扇状のビームはスペー
ス内にて重なり合い、干渉パターンを形成し、このパタ
ーンを分析して内壁の曲率半径を測定することが出来
る。第２図の光線束17は干渉測定に使用し得るが、ビー
ムは２つの重なり合う扇状のビームを同時に発生させる
ためには約1.27mm（0.05インチ）の直径を有することが
必要である。光線束17は反射波面及び屈折波面（これは
参照波面と考えられる）を有するために、内壁14の曲率
半径の測定が可能となる。これらの光線は重なり合って
建設的及び破壊的な直線状の干渉縞の測定可能な光パタ
ーンを形成する。レーザ干渉技術において、管10の片側
のみを検査するだけで良い。

第５図には、レーザ干渉法に使用される第１図及び第２
図に関して説明したと略同一の装置の略図が図示されて
いる。これを行うための構成は、レンズ19及びフィルタ
20が取り外される点において、第２図の実施例とは異な
っている。その代わりに、光線束17の経路には視認スク
リーン27が設けられるであろう。線形の検出器アレー、
カメラ管又は同様の検出装置を使用することが出来る。

典型的な干渉縞パターンが第６図に図示されている。視
認スクリーン27上の干渉縞30は直線的な干渉パターンで
あり、各々干渉縞30内における直線部分から黒色線への
変化は、反射扇状ビーム及び干渉扇状ビームの光路の長
さにおける波長の1/2の変化に対応する。視認スクリー
ン27に代えて、線形又はマトリックスアレー検出器を使
用して光及び暗色の干渉縞の相対的間隔を感知し、信号
処理回路23にデータを提供しても良い。これにより、管
に沿った任意の箇所にて曲率半径を測定することが可能
になろう。その測定値を２倍すれば、その位置における
内径が得られる。

本発明が達成した目的は物理的に接触することなく、又
その軸線に沿って管の内部を光学的に検査することな
く、さらに材料の屈折率を問題とすることなく、管を測
定することが出来るようにすることである。さらに、管
の同心率、楕円率又は均一性が測定データの分析におい
て考慮され、定量的に測定することができる。本発明
は、製造工程及び引き抜き装置から管が出るときに該管
の内径の測定を可能にするものである。さらに、本発明
により測定されたデータに従って、管の引き抜き装置を
調節することが出来る。管の寸法及び製造工程を正確に
制御することにより精密な内径の毛管の容積が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はレーザビームの光路に対して直角の縦軸心を有
する透明管のレーザビームスキャンの略図（内壁により
反射された反射光の光線の軌跡及びレーザビームが管の
内壁を通るときに全内部反射光から屈折光に移行するこ
とによる反射光線の軌跡の変化を示す）、第２図はレー
ザビームの高さが内壁の高さに等しい場合の直径方向に
対応する箇所の管内壁から反射／屈折されたレーザ光線
を受け取り得るように検出器が位置決めされたスキャン
レーザビームの略側面図、第３図は検出された反射／屈
折された光線の結果、３つの図示した位置に位置決めさ
れた検出器が発生させた一連の出力信号の図、第４図は
管の内径に等しい高さにてレーザビームが管に入る管の
拡大断面図、第５図は反射／屈折された光線の建設的及
び破壊的パターンが形成される状態を示す装置の略図、
第６図は第５図の装置からの光のパターンが視認スクリ
ーン上に表される状態を示す説明図である。 10:管、11:レーザ 12:光方向決め手段 13:管の軸線、14:内壁 15:集光器、16:光検出機構 17:光線束、19:レンズ 20:フィルタ、22:検出器 23:信号処理回路

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】透明又は半透明の管の内径、内壁の高さ、
   及び／又は内壁の曲率半径を測定するための装置であっ
   て、 測定しようとする材料が透明又は半透明である波長の光
   ビームを提供するレーザと、 前記レーザビームを管の縦軸に対して直角にかつ管の位
   置の方向に照準決めし、該照準決めされたビームを動か
   して該管をスキャンする方向決めする手段と、 管の内壁により反射又は屈折されたレーザビームから管
   の軸線に対して直角に偏光されたレーザ光線を受け取り
   得るように位置決めされた光検出手段であって、該受け
   取った光に応答して信号を発生させることの出来る前記
   光検出手段と、 前記反射され又は屈折された光からの信号が管の内壁に
   よって反射される状態から内壁を通って屈折される状態
   に変化するときを分析することにより、前記光検出手段
   と関係し、信号を処理して管の内壁の位置を測定する信
   号処理手段と、を備えることを特徴とする管の口径等の
   測定装置。
2. 【請求項２】前記信号処理手段が前記光検出手段からの
   信号により励起され得るように接続されたタイマーを備
   え、前記レーザビームが管の内壁から全反射される状態
   から管の内壁を通じて屈折される状態に変化するとき
   に、前記タイマーが作動されることを特徴とする請求項
   １記載の測定装置。
3. 【請求項３】前記方向決めする手段がスキャン手段を有
   し、このスキャン手段は、管の軸線に対して直交する方
   向に管を通って該管の上方から管の下方まで伸長するス
   キャン領域を横断するように作動可能であるとともに、
   前記レーザビームが管の壁を通って外側から内側に通過
   するとき光のパターンを発生し、前記パターンは管の内
   壁からのレーザ光線の反射又は該内壁によるレーザ光線
   の屈折に起因することを特徴とする請求項１記載の測定
   装置。
4. 【請求項４】前記信号処理手段が、前記光検出手段から
   受け取った前記レーザ光線の重なり合った扇状の干渉縞
   を分析し、管の内壁の形状の変化を示すレーザ光又は光
   線の建設的及び破壊的干渉の間隔を測定し及び管の内壁
   の位相の変化を示す光線を測定することを特徴とする請
   求項３記載の測定装置。
5. 【請求項５】偏光されたレーザ光線の特定の波長に対し
   て透明又は半透明である軸線を中心として湾曲した材料
   の内壁の曲率半径を測定するための装置であって、 前記材料が透明又は半透明である波長において、湾曲材
   料の軸線に対して直角に偏光された光ビームを提供する
   レーザと、 湾曲材料の軸線に対して直角の経路に沿って前記レーザ
   ビームを照準決めするレーザビーム方向決め手段と、及
   び 湾曲材料又は前記レーザビーム照準決め手段の少なくと
   も一方と関係し、湾曲材料と直交するように前記レーザ
   ビームの経路を方向決めし、湾曲材料の内壁から全反射
   される状態から該湾曲材料の内壁にて屈折される状態に
   変化する前記レーザ光線ビームに対して湾曲材料が及ぼ
   す光学的影響を変化させる駆動手段であって、内壁の高
   さと略等しい高さにて、湾曲材料の外壁に当たり、湾曲
   材料の内壁の曲率半径に対応した反射光又は屈折光に測
   定可能な変化を生じさせる前記駆動手段と、を備えるこ
   とを特徴とする測定装置。
6. 【請求項６】レーザ光線の特定の波長に対して透明又は
   半透明である管状部材の内壁の曲率半径を測定するため
   の方法であって、 レーザ光線ビームを照準決めし、該照準決めされたビー
   ムにより、外壁及び内壁を有する管状部材をスキャンす
   る間に該照準決めされたレーザ光線を管状部材の軸線に
   対して直角に方向決めする段階と、 内壁の高さに略等しい高さでかつ管状部材の軸線に対し
   て直角に該管状部材の外壁と直交させる段階と、 管状部材の軸線に対して直角に偏光されたレーザ光線が
   管状部材の内壁により全反射されるときを検出する段階
   と、 管状部材の軸線に対して直角に偏光されたレーザ光線が
   管状部材の内壁により屈折されるときを検出する段階
   と、及び 反射光と屈折光の移行箇所を管状部材の内壁の位置に関
   係づける段階と、を備えることを特徴とする測定方法。
7. 【請求項７】光線ビーム又は管状部材の少なくとも一方
   を他方に対して軸方向に動かし、該管状部材の軸線に沿
   った幾多の位置にて内壁の曲率半径を測定する段階と、 前記移行箇所が検出されたときに信号を発生させる段階
   とを、さらに備えることを特徴とする請求項６記載の測
   定方法。
8. 【請求項８】光線ビーム又は管状部材の少なくとも一方
   を他方に対して直角に動かし、光線ビームが直径方向に
   対向した箇所において、管状部材に直交するようにする
   段階と、及び 時間的に間隔を置いて、信号を発生させ、前記直径方向
   に対向した箇所の各端における前記移行箇所を測定する
   段階とを備えることを特徴とする請求項６記載の測定方
   法。
9. 【請求項９】レーザ光線の特定の波長に対して透明又は
   半透明である管状部材を形成する方法であって、 溶融した操作可能でかつ流動可能な状態に加熱されたガ
   ラスから外壁及び内壁を有する管状部材を引き抜く段階
   と、 前記引き抜かれた管状部材の軸線に対して直角に方向決
   めされるように、レーザ光線ビームを照準決めする段階
   と、 前記照準決めされたビームにより管状部材をスキャンす
   る段階と、 内壁の高さと略等しい高さにてかつ管状部材の軸線に対
   して直角にビーム光線を該管状部材の外壁に直交させる
   段階と、 管状部材の軸線に対して直角に偏光されたレーザ光線が
   管状部材の内壁により全反射されたときを検出する段階
   と、 管状部材の軸線に対して直角に偏光されたレーザ光線が
   管状部材の内壁を通じて屈折されたときを検出する段階
   と、及び 反射光と屈折光間の移行箇所を管状部材の内壁の位置に
   関係づける段階と、を備えることを特徴とする管状部材
   を形成する方法。
10. 【請求項１０】前記管状部材の円周に沿って多数回の測
    定を行い、前記測定値を利用して同心率及び／又は楕円
    率を測定する段階を備えることを特徴とする請求項９記
    載の方法。