特許 7223457 光学式内面測定装置及び光学式内面測定方法

(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】2023-02-08

(45)【発行日】2023-02-16

(54)【発明の名称】光学式内面測定装置及び光学式内面測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/24 20060101AFI20230209BHJP

   G01B 11/12 20060101ALI20230209BHJP

【ＦＩ】

G01B11/24 B

G01B11/12 Z

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2021558435

(86)(22)【出願日】2020-11-19

(86)【国際出願番号】 JP2020043111

(87)【国際公開番号】W WO2021100792

(87)【国際公開日】2021-05-27

【審査請求日】2022-04-20

(31)【優先権主張番号】P 2019210166

(32)【優先日】2019-11-21

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000240477

【氏名又は名称】Ｏｒｂｒａｙ株式会社

(72)【発明者】

【氏名】山崎 大志

(72)【発明者】

【氏名】成田 憲士

(72)【発明者】

【氏名】舘山 拓也

(72)【発明者】

【氏名】森本 正人

(72)【発明者】

【氏名】淺田 隆文

【審査官】櫻井 仁

(56)【参考文献】

【文献】特開２０００－３２１０３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／１６８６２８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１５－２３２５３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０２６０５９０（ＵＳ，Ａ１）

(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】

測定対象の穴の内周面の観察、測定を行う光学式内面測定装置であって、
円形以外の異形断面を有する透明パイプの内部に、回転可能な光学測定系を配置し、
前記被測定物の測定マスターの内周面と前記透明パイプとの間の半径ギャップ（ΔＲｎ）を測定した結果から、
透明パイプの半径寸法＝〔マスターまでの半径距離〕－〔半径ギャップ（ΔＲｎ）〕の式により、前記透明パイプの絶対寸法校正値を求め、
前記絶対寸法校正値をコンピュータに保存している光学式内面測定装置。

【請求項2】

前記透明パイプは、被測定物の穴に対して、すっぽりと入り、
前記被測定物の穴の内周面と前記透明パイプとの間の半径ギャップを３ミリメートル以下になるよう、前記透明パイプの寸法を設定した請求項１記載の光学式内面測定装置。

【請求項3】

前記被測定物を固定し、前記被測定物の穴に前記透明パイプを挿入し、前記光学測定系により被測定物の内周面と透明パイプの半径ギャップ（Δｒｎ）を測定し、
被測定物までの半径距離＝〔透明パイプの絶対寸法校正値〕＋〔半径ギャップ（Δｒｎ）〕の式により、前記被測定物の内周面の形状寸法を求める請求項１または２に記載の光学式内面測定装置。

【請求項4】

光学測定系は、非回転光ファイバーの先端側に一体的に設けられた集光部材と、前記集光部材の先端側に配置され、前記透光性パイプの内部に設けられた回転自在な光路変換手段を有するものであり、
前記光路変換手段を回転駆動させるモータを備える請求項１～３何れか１項記載の光学式内面測定装置。

【請求項5】

測定対象の穴の内周面の観察、測定を行う光学式内面測定装置であって、
円形以外の異形断面を有する透明パイプの内部に、回転可能な光学測定系を配置し、
前記透明パイプは、被測定物の穴に対して、すっぽりと入り、
前記被測定物の穴の内周面と前記透明パイプとの間の半径ギャップを３ミリメートル以下になるよう、前記透明パイプの寸法を設定した光学式内面測定装置。

【請求項6】

前記被測定物を固定し、前記被測定物の穴に前記透明パイプを挿入し、前記光学測定系により被測定物の内周面と透明パイプの半径ギャップ（Δｒｎ）を測定し、
被測定物までの半径距離＝〔透明パイプの絶対寸法校正値〕＋〔半径ギャップ（Δｒｎ）〕の式により、前記被測定物の内周面の形状寸法を求める請求項５記載の光学式内面測定装置。

【請求項7】

光学測定系は、非回転光ファイバーの先端側に一体的に設けられた集光部材と、前記集光部材の先端側に配置され、前記透光性パイプの内部に設けられた回転自在な光路変換手段を有するものであり、
前記光路変換手段を回転駆動させるモータを備える請求項５または６に記載の光学式内面測定装置。

【請求項8】

非円形の内周面を有する穴に、円形以外の異形断面を有する透明パイプを挿入し、
前記透明パイプの内側に配置した回転光学測定系から前記内周面に向けて光線を回転放射し、
前記透明パイプを基準として前記内周面の形状寸法及び幾何学精度を測定する光学式内面測定方法。

【請求項9】

前記内周面の絶対値測定を行うための基準となる測定マスターを準備するステップと、
前記測定マスターを用いて前記透明パイプを校正するステップと、
前記校正後の前記透明パイプの外周面又は内周面を基準として、前記内周面までの半径ギャップを測定するステップと、を含む請求項８記載の光学式内面測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、被測定物の例えば自動車用ロータリーエンジン用ハウジングの繭型形状の内周面や、ギヤポンプの楕円形状等、円以外の断面形状を有する内周面に、光プローブを進入させ内周面に光線を放射し、反射光を取り込んで内周面形状の観察、及び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および測定方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

例えば自動車用ロータリーエンジン用ハウジングの内周面や、ギヤポンプの内周面の加工仕上がり寸法や幾何学精度の良否はそれぞれの機器の性能に大きく影響する物であるが、これら精度の検査は従来、三次元測定機等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ず、さらにナノメートルレベルの高精度な測定を行う目的から干渉光学法等の非接触式測定機が望まれている。

【0003】

機械装置や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および２に示す通りである。

【0004】

特許文献１に記載される発明では、断面が略円筒形状の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おいては、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、収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乗っていたり、またはデータに歪みが生じていたりするため、真の測定値が得られていなかった。

【0005】

特許文献２に記載される発明では、該文献中図5に示されるように、円筒パイプ状の透光部材(21)の内部に回転光学系(3)が設けられ、被測定物(9)の略断面丸穴の内周面に光線(26)を放射し、反射光から内周面の形状を走査している。
しかしながら、従来のこの測定機は、使用する光プローブは円筒状透光性パイプを用意し、その内部にミラー等の回転光学系を内蔵していた為、図19に示されるように被測定物(9)の内周面は、ほぼ円形断面、または円筒の内周面に限定されており、被測定物の内周面が楕円や多角形の場合は、パイプから半径距離が大きい部分で反射光が取得できず、測定が行えなかった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開平５－１８０６２７号公報

【文献】特開２０１５－２３２５３９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

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、例えば自動車用ロータリーエンジン用ハウジングの内周面等、円形以外の断面形状の内周面に、光プローブを進入させ内周面に光線を回転放射し、反射光を取り込んで内部形状の観察、及び寸法及び幾何学精度の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。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するための一手段は、断面形状が楕円や繭型や多角形の、円形以外の断面形状を有する被検査対象物の穴の中に入る異形断面の透明パイプを作り、この透明パイプの内部に回転光学測定ユニットを内蔵する。これにより、透明パイプと被測定物内周面の半径ギャップがほぼ一定になり、干渉光学法（各種光計測法の中でも最も高精度な光干渉法、分光干渉法等）による測定を可能となる。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、楕円や繭型や多角形の、円形以外の内周面に、光線を回転放射し、高精度な干渉光学法により反射光を立体的に取り込んで内部形状の観察、及び寸法及び幾何学精度を測定が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明実施の形態に係る光学式内面測定装置の光プローブの図

【図2】同光学式内面測定装置の光プローブ部断面図

【図3】同光学式内面測定装置を用いた測定に係る測定マスターの一例を示す図

【図4】同光学式内面測定装置の透明パイプの一例を示す図

【図5】同光学式内面測定装置のシステム構成図

【図6】同光学式内面測定装置を用いた測定方法のフロー図

【図7】同光学式内面測定装置の測定原理説明図

【図8】同光学式内面測定装置の透明パイプが無い場合の説明図

【図9】同光学式内面測定装置の透明パイプが無い場合の特性図

【図10】同光学式内面測定装置の半径ギャップ説明図

【図11】同光学式内面測定装置の繰り返し測定精度

【図12】同光学式内面測定装置の光線傾斜角説明図

【図13】同光学式内面測定装置の三角断面測定事例

【図14】同光学式内面測定装置の四角断面測定事例

【図15】同光学式内面測定装置の半径距離解析図

【図16】従来の光学式内面測定装置の光プローブ部断面図

【図17】従来の光学式内面測定装置の測定原理説明図

【発明を実施するための形態】

【0011】

本実施の形態の光学式内面測定装置及び光学式内面測定方法によれば、非接触測定方法の中でも高精度な測定が可能となる干渉光学法を用いて、被検対象物である楕円や多角形の内周面等、円形以外の内周面を高精度に観察および測定を行える。

【0012】

第１の特徴は、光学式内面測定装置について、円形以外の異形断面を有する透明パイプの内部に、回転可能な光学測定系を配置したことにある。
この構成により、測定対象の穴の中に透明パイプをすっぽりと入るように入れて、円形以外の断面形状の内周面を高精度に観察および測定を行うことができる。

【0013】

第２の特徴としては、異形断面の透明パイプについて、被測定物の測定マスターの内周面と透明パイプとの間の半径ギャップ（ΔＲｎ）を測定した結果から、透明パイプの半径寸法＝〔マスターまでの半径距離〕－〔半径ギャップ（ΔＲｎ）〕の式により、透明パイプの絶対寸法校正値を求めてコンピュータに保存したことにある。すなわち、透明パイプを第１の測定基準値を有する測定マスターの中に挿入して、回転光学ユニットにより被測定部内面と透明パイプの間の半径ギャップを測定した結果から、透明パイプの絶対寸法を求めて、これを第２の基準値としてコンピュータに保存したものである。
この構成により、被測定物の測定をこの透明パイプの半径寸法を基準に行うことができる。測定は都度、透明パイプを基準に行えるため、測定値の繰り返し再現性が極めて良好になる。

【0014】

第３の特徴としては、透明パイプは、被測定物の穴に対して、すっぽりと入り、被測定物の穴の内周面と透明パイプとの間の半径ギャップを３ミリメートル以下になるように透明パイプの寸法を設定したことにある。
この構成により、被測定部内面と透明パイプの間に十分良好な干渉縞を発生することが可能になり、安定した測定結果が得られる。

【0015】

第４の特徴としては、被測定物を固定し、被測定物の穴に透明パイプを挿入し、回転光学ユニットにより被測定物の内周面と透明パイプの半径ギャップを測定し、被測定物までの半径距離（ｒｎ）＝（コンピュータに保存した、透明パイプ半径第２の基準値：Ｒｎ）＋（半径ギャップ：Δｒｎ）の式により被測定物の内周面の形状寸法（ｒｎ）をもとめるものである
この構成によれば、円形以外の断面形状の内周面に光線を回転放射し第２の測定基準となる透明パイプを基準に毎回の測定が行える為、内周面形状の寸法及び幾何学精度を高精度に測定することができる。

【0016】

第５の特徴としては、光学式内面測定装置の光学測定系は、非回転光ファイバーの先端側に一体的に設けられた集光部材と、集光部材の先端側に配置され、透光性パイプの内部に設けられた回転自在な光路変換手段を有している。そして、光路変換手段を回転駆動させるモータを光学式内面測定装置に備えていることにある。
この構成によれば、放射される光線の回転制御を精度良く行うことができる。

【0017】

第６の特徴は、光学式内面測定方法について、非円形の内周面を有する穴に、円形以外の異形断面を有する透明パイプを挿入し、この透明パイプの内側に配置した回転光学測定系から穴の内周面に向けて光線を回転放射し、透明パイプを基準として内周面の形状寸法及び幾何学精度を測定することにある。
この構成によれば、円形以外の異形断面形状の内周面を高精度に観察および測定を行うことができる。

【0018】

第７の特徴としては、同じく光学式内面測定方法について、更に、非円形の内周面の絶対値測定を行うための基準となる測定マスターを準備するステップと、測定マスターを用いて透明パイプを校正するステップと、校正後の透明パイプの外周面又は内周面を基準として、内周面までの半径ギャップを測定するステップと、を含むことにある。
この構成によれば、繰り返し測定を行う場合に、測定値の再現性が極めて良好になる。

【0019】

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。

【実施例】

【0020】

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１～図７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。

【0021】

図１は本発明光学式内面測定装置の光プローブ１３の正面断面図である。図１において、非回転の光ファイバー１は、その先端にレンズ等の集光部材が一体的に設けられ、中空回転軸２の穴に挿通されている。中空回転軸２にはロータ磁石７が取り付けられ、第１軸受８ａおよび第２軸受８ｂにより回転支持されている。ロータ磁石７はチューブ５に内蔵され固定されモータコイル６に対向し、電線９から交番電流が供給され、中空回転軸２、モータコイル６、ロータ磁石７、軸受８ａ、８ｂでモータ１０を構成する。中空回転軸２にはミラー等からなる光路変換手段３が取り付けられ一体的に回転する。光ファイバー１の後方から送られてきた光線は光ファイバー１と、集光部材１ａを通過し、光線２１は、モータ１０により回転する光路変換手段３により、異形透明パイプ４を透過して被測定物３１の被測定穴３２の内周面の360度全周に回転放射される。被測定物で反射した光線２１は再び異形透明パイプ４、光路変換手段３、集光部材１ａを透過し光ファイバー１に戻される。

【0022】

図２は同光プローブの下方断面図である。図２において被測定物は、一例としてロータリーエンジンであり、エンジンハウジング３３に繭型穴３４が加工されている。本発明の光プローブ１３の異形透明パイプ４の断面形状は円形ではなく、繭型、三角形型、多角形等の色々な形状に設計され石英やガラス等の透光性材料により製作される。図２において繭型の異形透明パイプは、被測定物の繭型穴３４にすっぽり入る大きさに加工されている。尚、異形透明パイプ４の内周面４ａまたは外周面４ｂと繭型穴３４表面からの半径ギャップは３ミリメートル以下に設計し製作している。図２に示すミラー等からなる光路変換手段３が光線２１を回転放射し繭型穴３４の内周面までの距離を高精度に測定し360度全周の形状データを取得する。

【0023】

図３は、同光プローブを用いた異形内周面の測定に係る測定マスターの一例を示す図である。測定マスター２９にはマスター基準穴３０が形成されており、光学式内面測定装置の絶対値測定の基準として使用する。

【0024】

図４は、同光プローブの一部を構成するの透明パイプ４の一例を示す図である。透明パイプ４は、測定マスター２９のマスター基準穴３０或いは被測定物３１の被測定穴３２に光プローブを挿入するとき、マスター基準穴３０或いは被測定穴３２にすっぽりと収まるように形成されている。そのため、透明パイプ４の内周及び外周断面の輪郭は、マスター基準穴３０及び被測定穴３２の内周断面の輪郭よりも小さい略相似形状となっている。また、透明パイプ４は完全な無色透明である必要はなく、透光性があればよい。

【0025】

図５は本発明定装置のシステム構成図である。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が光ローブ１３と共に上下に移動する。被測定物３１は固定治具９０にセットされており、光プローブ１３は被測定物３１の被測定穴３２に出入りする。光プローブ１３の光ファイバーに入光した被測定物３１からの反射光は測定機本体８６の接続部８４を通過して、光干渉解析部８５に入り、コンピュータ８６で解析してモニタ８９に画像を表示する。
また、図５に示すスライダ用モータ８３が光プローブ１３を被測定穴３２の内部を軸方向に移動させることで光線２１は回転放射しつつ軸方向にスライド可能であるため、被測定穴３２全体の三次元形状の形状データを収集する事ができる。
尚、図５に示すスライド用モータ８３によりスライダ８２が移動する直線性精度は０．１マイクロメートル（μｍ）以下の精度を維持している。

【0026】

図６は同光学式内面測定装置の測定フローを示している。本発明測定装置のフローにおいては、〔１〕測定機の絶対値測定の基準となる測定マスター２９を設ける事、〔２〕異形パイプ４の寸法を測定マスター２９を用いて校正する事、〔３〕校正後は毎回の測定において常に校正した異形パイプ４を被測定物３３の穴３４に挿入し、被測定穴３４内周面までの半径ギャップを異形透明パイプ４の内周面４ａまたは外周面４ｂを基準に測定する事が特徴であり、このフローにより異形測定穴３２内周面の高精度な測定が可能になるものである。

【0027】

以下に測定フローを詳細に説明する。

【0028】

〔１〕異形測定マスターの準備
被測定物２９の異形被測定穴３０の形状と寸法を、例えば三次元形状測定機等の従来の測定機で測定しコンピュータに保存し、この被測定物をマスター３０と認定し保管する。従来の測定機の測定精度は１マイクロメートル程度しかなく本発明の０．０１マイクロメートル以下が測れる精密な測定機にとっては明らかに不十分である為、従来の測定機を用いる場合は複数回、例えば１０回程度繰り返し測定を行い、その平均値を求めて０．１マイクロメートル以下の数値を表示し、これをマスター２９の基準寸法値と定義しコンピュータに「第１マスター数値」として保存する。

【0029】

〔２〕異形測定用光プローブの準備
図１および図２において、被測定物３１の異形被測定穴３２に挿入可能であり、被測定穴３２の内周面との半径ギャップは ３．０ｍｍ以下の透明パイプ４を製作し、その内部に回ミラー等からなる光路変換手段３を内蔵する。

【0030】

〔３〕異形測定マスターと光プローブのセッティング
異形測定マスター２９のマスター基準穴３０に異形透明パイプ４を有する光プローブ１３を挿入し、測定マスター２９と光プローブ１３の間をX-Y-Z方向に移動および振れが生じないようにする。

【0031】

〔４〕測定マスターのデータ取得
異形測定マスター２９の基準穴３０の内表面と異形透明パイプ４の半径ギャップ寸法（図２中、ΔR1～ΔR8）を光プローブ１３で360°全周測定する。

【0032】

〔５〕異形パイプの校正
異形パイプ内周面４ａまでの半径距離（Ｒｎ）＝（コンピュータに保存した測定マスター基準穴３０表面までの半径（ｒ））－（今測定した半径ギャップ（ΔＲｎ））である。
360°全周の異形透明パイプ４の半径距離を求め、コンピュータに「第２マスター数値」として記憶させる。この手順は手法こそ従来と異なるが、一般に光プローブの校正と呼ばれる作業である。

【0033】

〔６〕被測定物のセッティング
図５に示す本発明測定機に異形穴を有する被測定物３１をセットする。

【0034】

〔７〕光プローブのセッティング
図２に示すように被測定物３１の異形の被測定穴３２に光プローブ１３の異形透明パイプ４を挿入する。この際、異形透明パイプ４と被測定穴３２は接触していない必要がある。接触した場合は異形透明パイプの外周面にキズや汚れができて反射光が減衰して測定できない場合がある。

【0035】

〔８〕ギャップ測定
光プローブ１３の光路変換手段３を回転し、異形透明パイプ４と被測定物３１の異形の被測定穴３２表面のギャップ（半径距離）を360度に渡り測定する。

【0036】

〔９〕被測定穴までの半径距離計算
被測定物３１の異形穴３２内面までの半径距離（ｒｎ）＝（測定したギャップ半径（ΔＲｎ））+（透明パイプ４校正値、即ち「第２マスター保存値（Ｒｎ）」）であり、360°全周にわたり半径距離（ｒn）を計算し、断面寸法デジタルデータとし、「実測数値」としてコンピュータに保存する。

【0037】

〔１０〕実測値の表示
取得した360度各位置での「実測数値（半径）」の断面デジタルデータから必要な測定値（内周面曲線形状線図、内径、真円度、等）をコンピュータで算出し表示する。

【0038】

また、図５に示すスライダ８２をスライダ用モータ８３により、例えばピッチ高さが100マイクロメートルで間欠的に上下にスライドさせながら、光プローブ１３で被測定穴３２の断面を全体に測定することで、被測定穴３２内周面の三次元形状データが収集でき、円筒度、真直度等の数値を算出することができる。

【0039】

このように図６の測定フローに基づき、測定マスター３２と光プローブ１３の異形透明パイプ４を用いて、非測定穴３２内周面の測定を行うことにより、断面形状が円以外の異形断面の内周面の寸法と形状が高精度に数ナノメートル（ｎｍ）の繰り返し再現性で高精度に測定することができる。

【0040】

尚、異形透明パイプ４の材質は石英、ガラス等であるが、石英が線膨張係数の小ささ、表面硬度の高さ等の点で有利である。

【0041】

また、前記測定フローの〔４〕測定マスターのデータ取得において、異形透光性パイプ４の内周面１１ａと外周面１１ｂのどちらを測定基準面に選ぶかは、測定機の使用環境によって選ぶ事ができる。例えば外周面４ｂにキズや汚れが生じやすい使用環境では内周面４ａを測定基準面に選び、その他の場合は、透明パイプ４の表面加工が容易で表面粗さが小さく加工できるパイプ外周面４ｂを測定基準面に選ぶものである。

【0042】

尚、図１に示す固定側光ファイバー１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（ｍｍ）程度のものを使っている。

【0043】

図１に示される第１光路変換手段３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。

【0044】

また、異形パイプの内周面４ａ又は外周面４ｂの表面は、必要に応じて表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、表面からの収集波形の輪郭をより確実に検出するよう設計することができる。

【0045】

また、光路変換手段３は回転ミラー、回転プリズム、回転レンズ等が適宜使われる。

【0046】

図７は本発明光学式内面測定装置の測定原理説明図である。図７において横軸は回転角（度）、縦軸は半径距離（ミリメートル）を示している。図２に示す繭型穴３４の測定事例では、透明パイプ内周面１１ａのコンピュータに保存された図中「第２マスター数値」が略正弦波上であり、この時測定した「ギャップ」は光線の放射回転角度が０度から360度までほぼ一定数値である。被測定物の半径は と「ワーク」は、被測定物３１の異形穴３２内面までの半径距離（ｒｎ）＝（測定したギャップ半径：ΔＲｎ）+（透明パイプ４の校正値、即ち「第２マスター保存値：Ｒｎ」）であり、被測定物の半径線図も略正弦波形状になっている。

【0047】

図８は、光学式内面測定装置において仮に異形透明パイプ４が無い場合を仮定した場合の説明図、図９は光学式内面測定装置において仮に異形透明パイプ４が無い場合を仮定した場合の特性図である。図８では、光線２１はミラー等の変換手段から放射され異形透明パイプを介さないで被測定穴３２に回転照射し半径距離の測定を行う。従ってこの場合、測定基準となる異形透明パイプが無いために、光路変換手段３の回転振れ量が温度や振動の影響で変化する。

【0048】

図９において、異形透明パイプ４が無い場合取得できるデータは、図中ワーク内周面半径線図（原波形）に示すように、半径距離データにばらつきが大きいものであり、例え平均化しても真の値とは異なる物になる場合がある。

【0049】

一方、図１に示す本発明においては、毎回の想定を異形透明パイプ４の「第２マスター数値」を基準に、被測定穴３２内周面までのギャップ半径の測定を行うため、光プローブ１３の光路変換手段３の回転振れの影響が完全に排除され、測定精度に全く影響しない事が特徴であり、高精度な測定が行える。また、同時に、光干渉解析部８６に内蔵される光源の光量や波長のゆらぎの影響も、本発明による測定法では完全に排除され、高精度な測定が可能である。

【0050】

図１０は本発明光学式内面測定装置の半径ギャップ説明図であり、横軸は図２において被測定穴３２の内周面と異形透明パイプまでの半径ギャップ（ミリメートル）、縦軸は図５に示す光干渉解析部８５に得られる光出力（％）である。図１０により、本発明の光干渉式測定機は被測定穴３２の内周面と異形透明パイプまでの半径ギャップが３ミリメートルまでは高精度に測定できるが、それ以上では出力が低下し測定精度が悪化することがわかった。

【0051】

本発明測定機は図５の光干渉解析部８５に入光した光をコンピュータ部８６で解析すると図１５に示すような半径距離解析図が得られる。図１５において３箇所の出力ポイントがそれぞれ左から、透明パイプ内面出力、透明パイプ外周面出力、右が被測定物内周面出力である。本発明に示す異形透明パイプ４と被測定穴３２の間の半径ギャップ距離とは、図中Ａ又はＢのいずれかの距離である。

【0052】

図１６と図１７は光学式内面測定装置の特徴をより明らかにするため、従来例について補足したものであり、図１６は従来の光学式内面測定装置の光プローブ部断面図、図１７は、従来の光学式内面測定装置の測定原理説明図である。

【0053】

図１６において透明パイプは円形透明パイプ３９である。この場合、円形透明パイプ３９と被測定穴３２の間の半径ギャップ距離は図中ΔＲ１からΔＲ８に示されるように、大きい部分では３ミリメートルを超える場合が多く生じる。図１７に、図中ギャップ半径大（ΔＲ＝３ｍｍ以上）の場合の被測定内周面半径線図を破線に示している。この破線部分では十分な干渉光が得られていないため、測定結果は高精度なものではない。

【0054】

図１１は本発明の光学式内面測定装置の繰り返し測定精度を示している。本発明の光学式内面測定装置においては０．０１マイクロメートル以下の数値を得ている。一方、図１６に示すように、被測定穴が円形以外の異形の場合に、透明パイプに円形３９を使用した場合は０．５０マイクロメートル程度の繰り返し再現性しか得られない。

【0055】

図１２は本発明光学式内面測定装置の光線傾斜角説明図であり、図１３は、同光学式内面測定装置の三角断面測定事例である。図１３においてはポンプハウジング３５に被測定穴に該当する三角穴３６が加工されている。３６ａは半径大部、３６ｂは半径小部である。三角透明パイプ１１の内部にミラー等からなる光路変換手段３が設けられている。

【0056】

図１３においては、図中θ１に示すように、光線２１が、被測定物３１の内周面に対してθ１の角度だけ傾斜して照射される為、十分な戻り光が検出されない場合が生じる。
図１２図の横軸は光線２１が、被測定物３１の内周面に対して傾斜して照射される場合の傾斜角θ（deg）を示し、縦軸は図５に示す光干渉解析部８５に得られる光出力（％）である。図１２から光線２１の傾斜角（θ）は２０度までは適正な出力が得られるが、これを超えると十分な戻り光が検出できず、高精度な測定が行えない場合が生じることが分かった。

【0057】

図１４は同光学式内面測定装置の四角断面測定事例である。金型ハウジング３７に四角穴３８が加工され、内部に回転ミラー等からなる光路変換手段３が内蔵された四角形透明パイプ１２が挿入される。その他の動作は図１３の三角断面測定事例と同じである。

【0058】

本発明によれば、断面形状が楕円や多角形の穴に、その中にすっぽり入る異形断面の透明パイプを設け、この内部に回転光学測定径を内蔵し、被測定物内面と透明パイプ間の半径ギャップを干渉光学法で測定し、被測定物までの半径距離＝（透明パイプの半径寸法＋半径ギャップ）の式により被測定物の内周面の形状寸法をコンピュータで計算する為、光プローブ１３の光路変換手段３の回転振れの影響が完全に排除され、また、光干渉解析部８６に内蔵される光源の光量や波長のゆらぎの影響も完全に排除された高精度な測定が、断面が円形以外の異形断面の被測定物においても行える。

【産業上の利用可能性】

【0059】

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、異形断面形状の穴を有する多くの工業用製品の内周面を高精度に測定できるとともに、従来は不可能であった深穴の三次元観察をおこなうこともでき、広い活用が期待される。

【符号の説明】

【0060】

１ 光ファイバー（非回転）
１ａ 集光部材（レンズ）
２ 中空回転軸
３ 光路変換手段（ミラー）
４ 異形透明パイプ
４ａ 透明パイプ内周面
４ｂ 透明パイプ外周面
５ チューブ
６ モータコイル
７ ロータ磁石
８ａ 第１軸受
８ｂ 第２軸受
９ 電線
１０ モータ
１１ 三角形透明パイプ
１１ａ 透明パイプ内周面
１２ 四角形透明パイプ
１２ａ 透明パイプ内周面
１３ 光プローブ
２１ 光線
２９ 測定マスター（マスターゲージ）
３０ 測定マスター基準穴
３１ 被測定物
３２ 被測定穴
３３ エンジンハウジング
３４ 繭型穴
３４ａ 半径大部
３４ｂ 半径小部
３５ ポンプハウジング
３６ 三角穴
３６ａ 半径大部
３６ｂ 半径小部
３７ 金型ハウジング
３８ 四角穴
３８ａ 半径大部
３８ｂ 半径小部
３９ 円形透明パイプ
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 光干渉解析部
８６ コンピュータ路
８７ モータドライバ回路
８８ 測定機本体
８９ モニタ
９０ 固定治具

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】