特許 7104217 光学式測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-07-11

(45)【発行日】2022-07-20

(54)【発明の名称】光学式測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/12 20060101AFI20220712BHJP

【ＦＩ】

G01B11/12 Z

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021088485

(22)【出願日】2021-05-26

(62)【分割の表示】P 2017140131の分割

【原出願日】2017-07-19

(65)【公開番号】P2021121817

(43)【公開日】2021-08-26

【審査請求日】2021-05-27

(73)【特許権者】

【識別番号】000137694

【氏名又は名称】株式会社ミツトヨ

(74)【代理人】

【識別番号】100087480

【弁理士】

【氏名又は名称】片山 修平

(74)【代理人】

【識別番号】100134511

【弁理士】

【氏名又は名称】八田 俊之

(72)【発明者】

【氏名】今泉 良一

【審査官】山▲崎▼ 和子

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－１１０９７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１１６７６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１５７８３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００８／０１９８３８９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開平２－１９７０４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｂ １１／００－１１／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光透過性を有するとともに管形状を有して軸と直交する断面において内壁が円形を有する被測定対象に対し、前記軸に対する垂直断面内において光軸が平行に移動する走査光を照射し、前記被測定対象に対する第１の走査の際には第１の走査光を照射し、前記被測定対象に対する第２の走査の際には前記第１の走査光とは偏光方向が異なる第２の走査光を照射する照射装置と、
前記被測定対象を透過した前記走査光に対して光電変換を行う受光素子と、
前記第１の走査の際に前記受光素子が出力する電気信号の時間変化と、前記第２の走査の際に前記受光素子が出力する電気信号の時間変化との電圧差分から得られるピークに基づいて、前記被測定対象の内径を計算する演算部と、を備えることを特徴とする光学式測定装置。

【請求項2】

前記演算部は、前記電圧差分のピーク同士の距離に対応する、前記被測定対象における距離と、前記被測定対象の外径とから、前記内径を計算することを特徴とする請求項１記載の光学式測定装置。

【請求項3】

前記第１の走査光と前記第２の走査光とは、偏光方向が９０度異なることを特徴とする請求項１または２に記載の光学式測定装置。

【請求項4】

前記照射装置は、光源からの光に対し、λ／２波長板を透過させる場合と、前記λ／２波長板を透過させない場合とを切り替えることで、前記第１の走査光および前記第２の走査光を照射することを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の光学式測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本件は、光学式測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

光学式測定装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この光学式測定装置では、回転ミラーにより回転走査されたレーザビームをコリメートレンズによりコリメート光とし、コリメートレンズと集光レンズとの間に被測定対象を配置することで、被測定対象の外径を測定することができる。また、被測定対象として透明管を用いた場合に、被測定対象の外径に加えて、内径も測定する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１４－２２８２９９号公報

【文献】特開平０３－１６２６０６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、透明管の外径と内径との差が小さい場合（薄肉の場合）、高精度に内径を測定することは困難である。

【0005】

１つの側面では、本発明は、高精度に内径を測定することができる光学式測定装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

１つの態様では、本発明に係る光学式測定装置は、光透過性を有するとともに管形状を有して軸と直交する断面において内壁が円形を有する被測定対象に対し、前記軸に対する垂直断面内において光軸が平行に移動する走査光を照射し、前記被測定対象に対する第１の走査の際には第１の走査光を照射し、前記被測定対象に対する第２の走査の際には前記第１の走査光とは偏光方向が異なる第２の走査光を照射する照射装置と、前記被測定対象を透過した前記走査光に対して光電変換を行う受光素子と、前記第１の走査の際に前記受光素子が出力する電気信号の時間変化と、前記第２の走査の際に前記受光素子が出力する電気信号の時間変化との電圧差分から得られるピークに基づいて、前記被測定対象の内径を計算する演算部と、を備えることを特徴とする。

【0007】

上記光学式測定装置において、前記演算部は、前記電圧差分のピーク同士の距離に対応する、前記被測定対象における距離と、前記被測定対象の外径とから、前記内径を計算してもよい。

【0008】

上記光学式測定装置において、前記第１の走査光と前記第２の走査光とは、偏光方向が９０度異なっていてもよい。

【0009】

上記光学式測定装置において、前記照射装置は、光源からの光に対し、λ／２波長板を透過させる場合と、前記λ／２波長板を透過させない場合とを切り替えることで、前記第１の走査光および前記第２の走査光を照射してもよい。

【発明の効果】

【0010】

高精度に内径を測定することができる光学式測定装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施形態に係る光学式測定装置の斜視図である。

【図2】光学式測定装置の構成を例示する概略図である。

【図3】透明管の被測定対象を透過する平行走査光の軌道変化を例示する図である。

【図4】（ａ）および（ｂ）は同じ外径に対して内径が異なる場合に受光素子から出力される電気信号のイメージ図である。

【図5】実施形態に係る内径測定を例示する図である。

【図6】実施形態に係る内径測定を例示する図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

【0013】

図１は、実施形態に係る光学式測定装置１００の斜視図である。図２は、光学式測定装置１００の構成を例示する概略図である。光学式測定装置１００は、レーザ光を一次元走査して被測定対象の寸法を測定するレーザ・スキャン・マイクロメータ（ＬＳＭ）であり、例えば、電子部品や機械部品の寸法測定、金属丸棒や光ファイバーの寸法測定などに利用される。以下の説明において、被測定対象Ｗに対するレーザ光の出射方向をＺ方向とし、被測定対象Ｗの軸方向をＸ方向とし、Ｚ方向及びＸ方向に直交する方向をＹ方向とする。Ｙ方向は、レーザ光の走査方向と一致する。図１および図２で例示するように、光学式測定装置１００は、発光部１０、走査部２０、直線偏光板３０、受光部４０、演算部５０などを備える。

【0014】

発光部１０は、レーザ光源１１、レーザ制御回路１２、偏光装置１３等を備えている。レーザ光源１１は、半導体レーザ素子等により構成され、波長が例えば６５０ｎｍで、断面形状がほぼ円形若しくは楕円形の光束（レーザ光）を射出する。レーザ光源１１は、レーザ制御回路１２によって制御され、高速（例えば数ＭＨｚ～数十ＭＨｚ）でオンオフされる。偏光装置１３は、レーザ光源１１が射出したレーザ光を９０°偏光させる装置である。例えば、偏光装置１３は、レーザ制御回路１２の指示に従って、レーザ光にλ／２波長板を通過させない場合と、レーザ光にλ／２波長板を通過させる場合と、を切り替える。

【0015】

走査部２０は、反射ミラー２１、回転ミラー２２、モータ２３、モータ駆動回路２４、Ｆ－θレンズ２５、同期用受光素子２６等を備えている。反射ミラー２１は、レーザ光源１１から射出されたレーザ光を反射して回転ミラー２２に入射する。回転ミラー２２は、回転ミラー２２と同軸に配置されたモータ２３により回転し、反射ミラー２１を介して入射されたレーザ光を回転走査光に変換してＦ－θレンズ２５に入射する。具体的には、回転ミラー２２は、多角柱（図２では８角柱）の各側面がそれぞれ反射面を構成する回転多面鏡であり、モータ２３によって例えば５０００～２００００回転／分の速度で回転駆動される。回転ミラー２２は、自身の回転によって反射面に入射するレーザ光の反射角度を変化させ、これによりレーザ光を主走査方向（スキャン方向）に偏向走査させる。

【0016】

モータ駆動回路２４は、後述するモータ同期回路５４の出力に基づきモータ２３に対して電力を供給する。Ｆ－θレンズ２５は、回転ミラー２２で変換された回転走査光を等速度の平行走査光に変換する。具体的には、Ｆ－θレンズ２５は、２枚のレンズ面の曲率を変えることにより、レンズ周辺部と中心部で走査速度が一定になるように設計されている。したがって、Ｆ－θレンズ２５を用いて、被測定対象Ｗを透過する平行走査光の透過強度の時間変化を測定することで、被測定対象Ｗの寸法を求めることができる。Ｆ－θレンズ２５により平行走査光に変換されたレーザ光は、回転ミラー２２の回転に伴い被測定対象Ｗを含む測定領域を走査するように照射されることになる。

【0017】

同期用受光素子２６は、Ｆ－θレンズ２５の外側であって、レーザ光がＦ－θレンズ２５を通過する範囲の１回の走査が開始される前、または終了した後に、レーザ光を受光する位置に配置されている。同期用受光素子２６は、レーザ光による１走査の開始または終了を検出してパルス状のタイミング基準信号（以下、基準信号と称する）を出力する。したがって、レーザ光の１回の走査が開始される毎に、または終了する毎に基準信号が１回出力されることとなる。

【0018】

直線偏光板（偏光板）３０は、偏光子の向きが、レーザ光の出射方向（Ｚ方向）および被測定対象Ｗの軸方向（Ｘ方向）に直交する方向、即ち、被測定対象Ｗの反射面（ＸＺ平面）に対して垂直方向（Ｙ方向）となるように形成されている。即ち、Ｆ－θレンズ２５により平行走査光に変換されたレーザ光は、直線偏光板１を通過する際、被測定対象Ｗの反射面に対して水平方向（Ｘ方向）の振動成分が遮断され、反射面に対して垂直方向（Ｙ方向）の成分のみが通過することとなる。被測定対象Ｗは円筒形状を有しているため、回転ミラー２２の回転に伴い、直線偏光板３０を通過する平行走査光は、被測定対象Ｗの円筒形状の軸に対する垂直断面内において光軸が平行に移動する。

【0019】

受光部４０は、集光レンズ４１、受光素子４２、アンプ４３、等を備えている。集光レンズ４１は、被測定対象Ｗを通過した平行走査光を集光して受光素子４２に入射する。受光素子４２は、集光レンズ４１により集光された平行走査光に対して光電変換を行う。具体的には、受光素子４２は、受光強度に応じた電圧を有する電気信号を出力する。受光素子４２は、受光強度が大きいほど電圧が大きい電気信号を出力し、受光強度が小さいほど電圧が小さい電気信号を出力する。電気信号の電圧の強弱を測定することで、被測定対象Ｗの走査面内における走査方向の寸法を測定することができる。なお、こうした寸法算出処理は、演算部５０にて行われる。アンプ４３は、受光素子４２より出力された電気信号を増幅し、演算部５０に出力する。

【0020】

演算部５０は、電圧検出回路５１、差分検出回路５２、クロック回路５３、モータ同期回路５４、入出力回路５５、キーボード５６、ＣＰＵ（中央演算装置）５７、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）５８、記憶部５９、等を備えている。電圧検出回路５１は、アンプ４３から出力された電気信号の電圧値の時間変化を検出する。それにより、受光素子４２で受光される走査光の受光強度の時間変化を検出することができる。差分検出回路５２は、電圧検出回路５１が検出する電圧値の時間変化の、走査ごとの差分を検出する。

【0021】

モータ同期回路５４は、クロック回路５３から入力されたクロック信号に同期した駆動信号をモータ駆動回路２４に対して出力する。なお、モータ駆動回路２４は、モータ同期回路５４の出力に基づいてモータ２３に電力を供給する。したがって、回転ミラー２２は、クロック信号に対して所定の関係を持った速度で回転することとなる。

【0022】

入出力回路５５は、算出された値（被測定対象Ｗの寸法）等を表示装置や印刷装置などの外部出力装置（図示省略）に出力する。キーボード５６は、各種の操作キー群を備えて構成されている。ユーザによりキーボード５６の所定のキーの押下操作が行われると、この押下操作に応じた操作信号がＣＰＵ５７に出力される。ＣＰＵ５７は、例えば、記憶部５９に記憶されている各種処理プログラムに従って、各種の制御処理を行う。

【0023】

ＲＡＭ５８は、ＣＰＵ５７により演算処理されたデータを格納するワークメモリエリアを形成している。記憶部５９は、例えば、ＣＰＵ５７によって実行可能なシステムプログラムや、そのシステムプログラムで実行可能な各種処理プログラム、これら各種処理プログラムを実行する際に使用されるデータ、ＣＰＵ５７によって演算処理された各種処理結果のデータなどを記憶する。なお、プログラムは、コンピュータが読み取り可能なプログラムコードの形で記憶部５９に記憶されている。

【0024】

ＣＰＵ５７は、電圧検出回路５１が検出した電圧の時間変化および差分検出回路５２が検出した電圧差分を用いて、被測定対象Ｗの内径を計算する。以下、被測定対象Ｗの内径の測定の詳細について説明する。

【0025】

図３は、透明管（例えば、屈折率が１．５のガラス）の被測定対象Ｗを透過する平行走査光の軌道変化を例示する図である。図３で例示するように、Ｙ方向における被測定対象Ｗの端点４よりも外側および端点５よりも外側においては、平行走査光が被測定対象Ｗにより遮られないため、受光素子４２における受光強度が第１閾値以上となる。

【0026】

次に、被測定対象Ｗを透過する平行走査光の軌道は、被測定対象Ｗとの反射・屈折により様々な軌道に変化する。被測定対象Ｗの透過によって軌道が変化すると、受光素子４２における受光強度が低下するため、受光素子４２から出力される電気信号の電圧が小さくなる。一方、被測定対象Ｗを透過した場合に軌道が変化しなければ、受光素子４２における受光強度が大きくなる。それにより、受光素子４２から出力される電気信号の電圧が大きくなる。被測定対象Ｗを透過した場合に軌道が変化せずに十分な受光強度が得られる（電気信号の電圧値が第１閾値未満で第２閾値（＜第１閾値）以上となる）入射位置は３箇所存在する。当該３箇所に入射した平行走査光は、被測定対象Ｗを透過した後に十分な光強度を有しつつＺ方向に進む。

【0027】

１箇所目の入射位置は、被測定対象Ｗの軸を通過する入射位置１である。入射位置１は、被測定対象Ｗの外周に対する法線方向に平行走査光が入射される位置である。入射位置１を含む極小範囲に平行走査光が入射する期間においては、受光素子４２から出力される電気信号の電圧が大きくなる。当該極小範囲外では、受光素子４２から出力される電気信号の電圧が小さくなる。したがって、当該極小範囲において、受光素子４２が出力する電気信号の電圧に、第１閾値未満で第２閾値以上のピークが現れる。

【0028】

２箇所目および３箇所目の入射位置は、端点４付近の入射位置２、および端点５付近の入射位置３である。入射位置２および入射位置３においては、平行走査光は、被測定対象Ｗの外周と大気との境界で反射して被測定対象Ｗの内方に進み、被測定対象Ｗの軸を通るＹ方向と被測定対象Ｗの内周との交点において被測定対象Ｗの内周と大気との境界で反射して被測定対象Ｗの外方に進み、被測定対象Ｗの外周と大気との境界で反射してＺ方向に進む。したがって、見かけ上、入射位置２，３に入射した平行走査光の軌道は変化しない。入射位置２，３を含む極小範囲に平行走査光が入射する期間においては、受光素子４２から出力される電気信号の電圧が大きくなる。当該極小範囲外では、受光素子４２から出力される電気信号の電圧が小さくなる。したがって、当該極小範囲において、受光素子４２が出力する電気信号の電圧に、第１閾値未満で第２閾値以上のピークが現れる。

【0029】

以上のことから、入射１～３のそれぞれに対応する３つのピークが現れる。入射位置２，３に対応する２つのピークは、入射位置１に対応する１つのピークを挟む。

【0030】

特許文献２によれば、Ｙ方向上側の入射位置２とＹ方向下側の入射位置３との距離Ｄを測定することができれば、被測定対象Ｗの外径と屈折率とから、被測定対象Ｗの内径を幾何学的に算出することができる。しかしながら、被測定対象Ｗの肉厚によっては、距離Ｄの測定精度が低下する。

【0031】

図４（ａ）および図４（ｂ）は、同じ外径に対して内径が異なる場合の、受光素子４２から出力される電気信号のイメージ図である。図４（ａ）は、外径に対して内径の比率が小さい（厚肉）の被測定対象Ｗを測定した場合である。図４（ｂ）は、外径に対して内径の比率が大きい（薄肉）の被測定対象Ｗを測定した場合である。

【0032】

図４（ａ）のように、被測定対象Ｗが肉厚の場合、Ｙ方向における入射位置２と被測定対象Ｗの端点４との距離ｄが大きくなる。この場合、入射位置２に対応する電気信号のピークと、端点４よりも外側で被測定対象Ｗに遮られずに直進する平行走査光に対する電気信号とが十分に離れる。この場合においては、入射位置２の検出精度が高くなる。それにより、距離Ｄの測定精度が高くなる。

【0033】

一方、図４（ｂ）のように、被測定対象Ｗが薄肉の場合、Ｙ方向における入射位置２と被測定対象Ｗの端点４との距離ｄが小さくなる。この場合、入射位置２に対応する電気信号のピークが、端点４よりも外側で被測定対象Ｗに遮られずに直進する平行走査光に対する電気信号に埋もれてしまう。この場合においては、入射位置２の検出精度が低くなる。それにより、距離Ｄの測定精度が低くなる。

【0034】

そこで、本実施形態においては、図５で例示するように、レーザ光の偏光方向による反射率の違いに着目する。まず、第１の走査において、ある偏光方向（例えばＰ偏光）を有するレーザ光を用いて、被測定対象Ｗを透過する平行走査光に対して受光素子４２が出力した電気信号の時間変化を得る。次に、第２の走査において、レーザの偏光方向を９０°変えてＳ偏光とし、同様に電気信号の時間変化を得る。偏光方向を変えるときは、偏光装置１３を用いる。このとき、偏光方向に対する反射率の違いから、入射位置２，３に対応する電気信号の電圧に差異が発生する。

【0035】

なお、平行走査光が被測定対象Ｗにおいて反射しない場合には、偏光方向が９０°変化しても、反射率の影響を受けない。したがって、入射位置１や、端点４，５よりも外側では、受光素子４２が出力する電気信号の電圧に差異が生じない。

【0036】

本実施形態においては、差分検出回路５２は、第１の走査の際に受光素子４２が出力する電気信号の時間変化と、第２の走査の際に前記受光素子が出力する電気信号の時間変化との電圧差分を検出する。ＣＰＵ５７は、検出された電圧差分に基づいて、被測定対象Ｗの内径を計算する。

【0037】

まず、図６で例示するように、ＣＰＵ５７は、差分検出回路５２が検出した電圧差分のピーク位置から入射位置２および入射位置３を検出することで、入射位置２と入射位置３との距離Ｄを計算する。なお、図６では、被測定対象Ｗの軸よりも端点５側の半分について図示してある。次に、ＣＰＵ５７は、入射位置２，３における被測定対象Ｗの外周面の法線をＬとし、検出した距離Ｄと、被測定対象Ｗの外径ＯＤとから、入射位置２，３における法線Ｌに対する平行走査光の入射角度ｉ＝ｓｉｎ^－１（Ｄ／ＯＤ）を計算する。なお、外径ＯＤは、図３で説明した第１閾値を用いて、受光素子４２が出力する電気信号の電圧値が第１閾値未満から第１閾値以上となる立ち上がりエッジと、第１閾値以上から第１閾値未満となる立ち下がりエッジとから計算することができる。次に、ＣＰＵ５７は、入射角度ｉと、被測定対象Ｗの屈折率ｎとから、入射位置２，３に入射した光の法線Ｌに対する屈折角度ｒ＝ｓｉｎ^－１（ｓｉｎｉ／ｎ）を計算する。次に、ＣＰＵ５７は、被測定対象Ｗの軸線に垂直で端点４と端点５とを結ぶ線と、入射位置２，３に入射した光の屈折光の進む方向とが成す角度βを計算する。ＣＰＵ５７は、これらの屈折角度ｒおよび角度βから、正弦定理に基づき内径ＩＤ＝ＯＤ（ｓｉｎｒ／ｓｉｎβ）を計算する。

【0038】

本実施形態によれば、光透過性の円筒形状の被測定対象Ｗに対し、円筒形状の軸に対する垂直断面内において光軸が平行に移動する平行走査光が照射され、被測定対象Ｗに対する第１の走査の際には第１の走査光が照射され、被測定対象Ｗに対する第２の走査の際には第１の走査光とは偏光方向が９０°異なる第２の走査光が照射される。第１の走査の際に受光素子４２が出力する電気信号の時間変化と、第２の走査の際に受光素子４２が出力する電気信号の時間変化との電圧差分を検出することで、入射位置２，３に対応する電気信号以外の電気信号は相殺される。それにより、高精度に入射位置２，３に対応する電気信号の電圧差分を検出することができる。この電圧差分のピークから被測定対象Ｗの内径を計算することで、高精度に被測定対象Ｗの内径を測定することができる。この手法では、外径に対して内径の比率が大きい（薄肉の）場合でも、高精度に被測定対象Ｗの内径を測定することができる。

【0039】

なお、上記実施形態では、第１の走査光と第２の走査光とは、偏光方向が９０°異なっているが、それに限られない。第１走査光と第２の走査光との偏光方向が異なっていれば、反射率に差が生じるため、入射位置２，３に対応する電気信号の電圧に差異を生じさせることができる。ただし、偏光方向が９０°異なっていれば、電圧差分が最大になるため、電圧差分のピークの検出精度が向上する。

【0040】

なお、受光素子４２が出力する電気信号の時間変化の電圧差分にノイズなどが重畳する場合には、閾値以上の電圧差分を検出するようにすれば、高精度に入射位置２，３に対応する電気信号の電圧差分を検出することができる。

【0041】

上記実施形態において、発光部１０および走査部２０が、光透過性の円筒形状の被測定対象に対し、前記円筒形状の軸に対する垂直断面内において光軸が平行に移動する走査光を照射し、前記被測定対象に対する第１の走査の際には第１の走査光を照射し、前記被測定対象に対する第２の走査の際には前記第１の走査光とは偏光方向が異なる第２の走査光を照射する照射装置の一例である。受光素子４２が、前記被測定対象を透過した前記走査光に対して光電変換を行う受光素子の一例である。演算部５０が、前記第１の走査の際に前記受光素子が出力する電気信号の時間変化と、前記第２の走査の際に前記受光素子が出力する電気信号の時間変化との電圧差分から得られるピークに基づいて、前記被測定対象の内径を計算する演算部の一例である。

【0042】

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

【符号の説明】

【0043】

１０ 発光部
１１ レーザ光源
１３ 偏光装置
２２ 回転ミラー
５１ 電圧検出回路
５２ 差分検出回路
２０ 走査部
４０ 受光部
５０ 演算部
１００ 光学式測定装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】