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技術 光学式外径測定装置

出願人 株式会社ミツトヨ
発明者 今泉良一谷口一郎
出願日 2017年7月21日 (1年8ヶ月経過) 出願番号 2017-141752
公開日 2019年2月7日 (2ヶ月経過) 公開番号 2019-020357
状態 未査定
技術分野 光学的手段による測長装置 機械的光走査系
主要キーワード 繰返し精度 比較形態 全走査範囲 外径測定装置 外径測定 光透過部材 透過部材 受光強度
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2019年2月7日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (7)

課題

測定精度を向上させることができる光学式外径測定装置を提供する。

解決手段

光学式外径測定装置は、モータの駆動によって回転することで、発光素子からの光を走査光に変換する回転装置と、前記走査光を平行走査光に変換するコリメートレンズと、被測定物を通過した前記平行走査光を集光する集光レンズと、前記集光レンズによって集光された光を受光する受光素子と、前記回転装置と前記コリメートレンズとを収容する筐体と、前記筐体内において、前記回転装置と前記コリメートレンズとの間において、前記走査光の光路に配置された光透過部材と、を備える。

概要

背景

光学式外径測定装置が開示されている(例えば、特許文献1,2参照)。この光学式外径測定装置では、回転ミラーにより回転走査されたビーム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物を配置することで、被測定物の寸法を測定することができる。

概要

測定精度を向上させることができる光学式外径測定装置を提供する。 光学式外径測定装置は、モータの駆動によって回転することで、発光素子からの光を走査光に変換する回転装置と、前記走査光を平行走査光に変換するコリメートレンズと、被測定物を通過した前記平行走査光を集光する集光レンズと、前記集光レンズによって集光された光を受光する受光素子と、前記回転装置と前記コリメートレンズとを収容する筐体と、前記筐体内において、前記回転装置と前記コリメートレンズとの間において、前記走査光の光路に配置された光透過部材と、を備える。

目的

本発明は、測定精度を向上させることができる光学式外径測定装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

モータの駆動によって回転することで、発光素子からの光を走査光に変換する回転装置と、前記走査光を平行走査光に変換するコリメートレンズと、被測定物を通過した前記平行走査光を集光する集光レンズと、前記集光レンズによって集光された光を受光する受光素子と、前記回転装置と前記コリメートレンズとを収容する筐体と、前記筐体内において、前記回転装置と前記コリメートレンズとの間において、前記走査光の光路に配置された光透過部材と、を備えることを特徴とする光学式外径測定装置

請求項2

前記光透過部材において、前記走査光が入射する入射面および前記走査光が出射される出射面の少なくともいずれか一方は、前記走査光に対して傾斜していることを特徴とする請求項1記載の光学式外径測定装置。

請求項3

前記光透過部材は、前記筐体の断面を塞ぐことを特徴とする請求項1または2に記載の光学式外径測定装置。

請求項4

前記筐体において、前記光透過部材によって分離される空間のうち、前記コリメートレンズが配置される空間は、大気圧から減圧されていることを特徴とする請求項3記載の光学式外径測定装置。

請求項5

前記回転装置は、外周が複数の平面によって形成された多角柱回転ミラーであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の光学式外径測定装置。

技術分野

0001

本件は、光学式外径測定装置に関する。

背景技術

0002

光学式外径測定装置が開示されている(例えば、特許文献1,2参照)。この光学式外径測定装置では、回転ミラーにより回転走査されたビーム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物を配置することで、被測定物の寸法を測定することができる。

先行技術

0003

特開2006−38487号公報
特開2010−249604号公報

発明が解決しようとする課題

0004

しかしながら、回転ミラーの回転によって生じた風や、回転ミラーを回転させるモータの熱、などによって空気の揺らぎが生じることがある。空気の揺らぎが生じると、光路乱れ測定精度が低下するおそれがある。

0005

1つの側面では、本発明は、測定精度を向上させることができる光学式外径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外径測定装置は、モータの駆動によって回転することで、発光素子からの光を走査光に変換する回転装置と、前記走査光を平行走査光に変換するコリメートレンズと、被測定物を通過した前記平行走査光を集光する集光レンズと、前記集光レンズによって集光された光を受光する受光素子と、前記回転装置と前記コリメートレンズとを収容する筐体と、前記筐体内において、前記回転装置と前記コリメートレンズとの間において、前記走査光の光路に配置された光透過部材と、を備えることを特徴とする。

0007

上記光学式外径測定装置において、前記光透過部材において、前記走査光が入射する入射面および前記走査光が出射される出射面の少なくともいずれか一方は、前記走査光に対して傾斜していてもよい。

0008

上記光学式外径測定装置において、前記光透過部材は、前記筐体の断面を塞いでいてもよい。

0009

上記光学式外径測定装置において、前記筐体において、前記光透過部材によって分離される空間のうち、前記コリメートレンズが配置される空間は、大気圧から減圧されていてもよい。

0010

上記光学式外径測定装置において、前記回転装置は、外周が複数の平面によって形成された多角柱回転ミラーとしてもよい。

発明の効果

0011

測定精度を向上させる光学式外径測定装置を提供することができる。

図面の簡単な説明

0012

比較形態に係る光学式外径測定装置の概略図である。
(a)は第1実施形態に係る光学式外径測定装置の概略図であり、(b)は上側から見た光学式外径測定装置である。
傾斜角度戻り光との関係を例示する図である。
第2実施形態に係る光学式外径測定装置の概略図である。
第3実施形態に係る光学式外径測定装置の概略図である。
実施例および比較例の測定精度を示す図である。

0013

(比較形態)
実施形態の説明に先立って、比較形態について説明する。図1は、比較形態に係る光学式外径測定装置200の概略図である。図1で例示するように、光学式外径測定装置200は、発光素子10、走査装置20、コリメートレンズ30、集光レンズ40、受光素子50などを備える。走査装置20は、回転ミラー21およびモータ(電動機)22を備える。発光素子10、走査装置20およびコリメートレンズ30は、略直方体形状の筐体60a内に配置されている。それにより、発光素子10、走査装置20およびコリメートレンズ30に対する汚れの付着などが防止される。集光レンズ40および受光素子50は、略直方体形状の筐体60b内に配置されている。それにより、集光レンズ40および受光素子50に対する汚れの付着などが防止される。

0014

発光素子10は、レーザダイオードなどの発光素子である。回転ミラー21は、発光素子10からの光を、コリメートレンズ30の入射面の所定範囲の一方から他方に対して繰り返し入射する。すなわち、回転ミラー21は、コリメートレンズ30の入射面の所定範囲に、走査光を入射する。例えば、回転ミラー21は、外周が複数の平面によって形成された多角柱回転ミラーである。モータ22は、回転ミラー21の回転を制御する。

0015

コリメートレンズ30は、回転ミラー21から入射する走査光を平行走査光に変換する。例えば、コリメートレンズ30は、F−θレンズである。F−θレンズは、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。

0016

平行走査光は、集光レンズ40によって集光され、受光素子50に入射する。平行走査光が被測定物70によって遮られないと、受光素子50で受光される光量が多くなる。一方、平行走査光が被測定物70によって遮られると、受光素子50で受光される光量が少なくなる。したがって、回転ミラー21の回転速度と、受光素子50で受光される光量が多い時間と、受光素子50で受光される光量が少ない時間とから、被測定物70の外径を測定することができる。

0017

しかしながら、回転ミラー21の回転によって生じる風などの気圧の変化によって、空気の揺らぎが生じる。また、モータ22の熱によって生じる温度分布によっても、空気の揺らぎが生じる。このように、所定の理由により、空気の揺らぎが生じる。空気の揺らぎが光路に生じると、光の波長や当該光路の屈折率に影響が生じる。それにより、被測定物70に対する測定誤差が生じる。特に、走査装置20が筐体60a内に配置されているため、走査装置20に起因する空気の揺らぎは、走査装置20とコリメートレンズ30との間に及ぼす影響が大きくなる。

0018

そこで、以下の実施形態に係る光学式外径測定装置においては、回転ミラー21とコリメートレンズ30との間に光透過部材を設けることで、測定精度を向上させる。以下、詳細について説明する。

0019

(第1実施形態)
図2(a)および図2(b)は、第1実施形態に係る光学式外径測定装置100の概略図である。図2(a)は、上側から光学式外径測定装置100を見た図である。図2(b)は、側面側から光学式外径測定装置100を見た図である。図2(a)および図2(b)で例示するように、光学式外径測定装置100においては、回転ミラー21とコリメートレンズ30との間に、光透過部材80が設けられている。回転ミラー21からコリメートレンズ30に入射する走査光Sは、上下に走査方向を有する。光透過部材80は、当該走査光Sの全走査範囲が透過するような面積を有している。図1の光学式外径測定装置200と同じ構成については、同じ符号を付すことで説明を省略する。

0020

この構成によれば、走査装置20側から発生する空気の揺らぎの少なくとも一部が光透過部材80によって遮断されることから、走査光Sの光路に対する空気の揺らぎの影響が抑制される。それにより、光学式外径測定装置100の測定精度を向上させることができる。なお、光透過部材80は走査光Sを透過することから、被測定物70の外径測定を行うことができる。

0021

空気の揺らぎの影響を抑制する観点から、光透過部材80は、筐体60a内において、走査装置20が配置される空間と、コリメートレンズ30が配置される空間とを分離することが好ましい。そこで、光透過部材80は、走査装置20とコリメートレンズ30との間において、筐体60aの断面を塞ぐような形状を有していることが好ましい。例えば、図2(a)および図2(b)で例示するように、光透過部材80は、筐体60a内の高さ方向および幅方向の全体を塞ぐように配置されていることが好ましい。

0022

図2(a)および図2(b)で例示するように、光透過部材80は、例えば、互いに平行に対向する2面を備える。当該2面のうち、走査装置20側の面を入射面81と称し、コリメートレンズ30側の面を出射面82と称する。入射面81が走査光Sに対して垂直をなしていると、入射面81による反射によって、反射光が回転ミラー21に戻り、さらに発光素子10に戻るおそれがある(戻り光の発生)。この場合、発光素子10の出力が乱れ、測定精度が低下するおそれがある。そこで、入射面81は、走査光Sに対して傾斜していることが好ましい。

0023

なお、入射面81と出射面82とが平行でない場合には、入射面81および出射面82の少なくともいずれか一方が、走査光Sに対して傾斜していることが好ましい。戻り光をより抑制するためには、入射面81および出射面82の両方が走査光Sに対して傾斜していることが好ましい。

0024

図3は、光に対する入射面の角度と、戻り光との関係を例示する図である。戻り光が発生すると、発光素子10の出力が乱れて測定値誤差が生じる。図3縦軸は、この誤差を補正するための補正値の差を表している。したがって、縦軸の値が大きくなると、戻り光が発生していることになる。図3で例示するように、走査光Sのガラスに対する入射角度θ(傾斜角度)が−0.3deg〜+0.3degでは、補正値の差が大きくなっていることから、戻り光が発生していることがわかる。このように、傾斜角度が小さいと、戻り光が発生するおそれがある。そこで、入射面81および出射面82の傾斜角度は、戻り光が発生しない程度に大きいことが好ましい。なお、戻り光が発生する傾斜角度は、発光素子10の出力光ビーム径光路長などによって異なる。図3の例では、一例として、θ<−0.4deg,+0.4deg<θでは戻り光が発生していない。

0025

なお、受光素子50における受光強度が低減しないように、光透明部材80は、高い透過度を有していることが好ましい。そこで、光透明部材80は、例えば、石英ガラスなどであることが好ましい。

0026

(第2実施形態)
図4は、第2実施形態に係る光学式外径測定装置100aの概略図である。図4で例示するように、光学式外径測定装置100aにおいては、光透過部材80が、走査装置20とコリメートレンズ30との間において筐体60aの断面を塞いでいる。さらに、筐体60a内において光透過部材80によって分離された空間のうち、コリメートレンズ30が配置されている空間Aが大気圧から減圧されている。

0027

この構成によれば、空間Aにおいて、空気揺らぎの原因となる空気量が少なくなることから、空気揺らぎがさらに抑制される。また、空間A内に熱を伝導する媒体量が少なくなることになり、空気揺らぎの発生自体が抑制される。

0028

(第3実施形態)
図5は、第3実施形態に係る光学式外径測定装置100bの概略図である。図5で例示するように、光学式外径測定装置100bが図2(a)および図2(b)の光学式外径測定装置100と異なる点は、放熱部材90をさらに備える点である。放熱部材90は、筐体60aよりも熱伝導率の高い材料によって構成されている。本実施形態においては、モータ22は、放熱部材90と熱的に接続されている。例えば、モータ22は、放熱部材90に接触している、または放熱部材90上に実装されている。それにより、モータ22によって生じる熱が放熱部材90に伝導しやすくなっている。さらに、放熱部材90は、筐体60aのいずれかの内面に接しているか、当該内面を貫通している。それにより、モータ22によって生じる熱を筐体60aの外部に放出することができる。その結果、モータ22によって生じる熱に起因する空気の揺らぎを抑制することができる。

0029

上記各実施形態において、回転ミラー21が、モータの駆動によって回転することで、発光素子からの光を走査光に変換する回転装置の一例として機能する。コリメートレンズ30が、前記走査光を平行走査光に変換するコリメートレンズの一例として機能する。集光レンズ40が、被測定物を通過した前記平行走査光を集光する集光レンズの一例として機能する。受光素子50が、前記集光レンズによって集光された光を受光する受光素子の一例として機能する。筐体60aが、前記回転装置と前記コリメートレンズとを収容する筐体の一例として機能する。光透過部材80が、前記筐体内において、前記回転装置と前記コリメートレンズとの間において、前記走査光の光路に配置された透過部材の一例として機能する。

0030

(実施例)
上記実施形態に従って、被測定物70の外径測定を行った場合の測定精度を調べた。被測定物70として、φ30mmの円筒ゲージを用いた。実施例では、図2(a)および図2(b)で例示したように、筐体60aの断面を塞ぐ光透過部材80を設け、測定精度(繰返し精度:測定時間0.32秒(1024回平均)とした場合の±2σの値(σは標準偏差))を測定した。

0031

(比較例)
比較例では、図1のように光透過部材80を設けなかった他は、実施例と同様とした。

0032

分析
図6は、実施例および比較例の測定精度を示す。図6に示すように、比較例では、測定精度が大きい値となった。すなわち、測定値のバラツキが大きくなった。これは、光透過部材80を設けなかったことで、走査光Sの光路における空気の揺らぎを抑制できなかったからであると考えられる。これに対して、実施例では、測定精度が小さい値となった。すなわち、測定値のバラツキが小さくなった。これは、回転ミラー21とコリメートレンズ30との間に光透過部材80を配置したことで、走査光Sの光路における空気の揺らぎを抑制できたからであると考えられる。

実施例

0033

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例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。

0034

10発光素子
20走査装置
21回転ミラー
22モータ
30コリメートレンズ
40集光レンズ
50受光素子50
60a,60b筐体
70被測定物
80光透過部材
100光学式外径測定装置

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