光学式測定装置及び光学式測定方法
【課題】非接触式のプローブを具備することで、穴の内部を短時間で容易に測定することができる光学式測定装置を提供する。
【解決手段】プローブ１５の基体１６の内部には、３組の測定ユニット２０が配置されている。各測定ユニット２０は光源としての光ファイバー２１、照射孔２２、透過部としての反射光導入孔２３、集光レンズ２４および受光素子（二次元ＰＳＤ）２５とから構成される。そして、プローブ１５を被加工物の穴の内部に挿入した状態で光源から光を照射すると、光は穴の内壁面にて乱反射され、散乱光のうち一部の光（反射光）がプローブ１５内部に透過されて受光素子２５の受光面２６上に結像する。この結像点の座標に基づいて穴の内壁面を周面とする仮想円を求めることで、穴の内径を算出する。
【解決手段】プローブ１５の基体１６の内部には、３組の測定ユニット２０が配置されている。各測定ユニット２０は光源としての光ファイバー２１、照射孔２２、透過部としての反射光導入孔２３、集光レンズ２４および受光素子（二次元ＰＳＤ）２５とから構成される。そして、プローブ１５を被加工物の穴の内部に挿入した状態で光源から光を照射すると、光は穴の内壁面にて乱反射され、散乱光のうち一部の光（反射光）がプローブ１５内部に透過されて受光素子２５の受光面２６上に結像する。この結像点の座標に基づいて穴の内壁面を周面とする仮想円を求めることで、穴の内径を算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、シリンダブロック等の鋳物類や、種々の機械加工品等に設けられた穴の内部を測定する光学式測定装置及び光学式測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、例えば、鋳物類等の被測定物に形成された穴の内部形状（例えば、内径、真円度、表面粗さ等）を測定する装置としては、以下に示すものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に開示された測定装置は、被測定物を所定の方向に移動可能とする種々のテーブル、被測定物の穴の位置を撮像するＣＣＤカメラ、同ＣＣＤカメラの出力が入力されるコンピュータ、被測定物の穴の内部に挿入されるマイクロプローブ等を備えている。マイクロプローブは、その先端部に一対の接触子を有している。この測定装置によれば、マイクロプローブ（接触子）を被測定物の穴の内壁面に接触させることで、穴の内部形状に関する所望の測定が可能となる。
【０００３】
例えば、上記穴の内径を測定する場合には、以下のステップにより行われる。すなわち、テーブル上に載置された被測定物の穴の内壁面に向かってプローブを移動させて一方の接触子を上記穴の内壁面に接触させる第１ステップと、一方の接触子が上記穴の内壁面に接触したときの接触点の位置を検出手段の検出結果に基づいて特定する第２ステップとを備えている。次に、前記第１ステップとは逆方向へプローブを移動させて他方の接触子を上記穴の内壁面に接触させる第３ステップと、この他方の接触子が上記穴の内壁面に接触したときの接触点の位置を検出手段の検出結果に基づいて特定する第４ステップとを備えている。更に、第２ステップ及び第４ステップによりそれぞれ特定した二つの接触点の位置に基づいて接触点間の距離、すなわち穴の内径を算出する第５ステップを備えている。
【特許文献１】特開２００４−５３４１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記従来の測定装置においては、マイクロプローブを穴の内壁面に接触させる操作を複数回繰り返すことが必要となる。そうした操作は作業者にとって煩雑なものであり、時間を要するものとなっていた。また、マイクロプローブを穴の内壁面に接触させるステップ（第１ステップ及び第３ステップ）においては、マイクロプローブ（接触子）を穴の内壁面に接触させるべくテーブルを移動させて、同マイクロプローブ（接触子）が穴の内壁面に接触したときの抵抗変化の信号をトリガとしてテーブルを停止させる等の複雑な機構が必要となる。このため、測定装置の複雑化、ひいては大型化を招くこととなり、被測定物の製造現場において短時間で所望の測定をするのは困難であった。
【０００５】
この発明は、こうした従来の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、非接触式のプローブを具備することで、穴の内部を短時間で容易に測定することができる光学式測定装置及び光学式測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明の光学式測定装置は、被測定物に設けられた穴の内部を測定する光学式測定装置であって、前記被測定物の穴の内壁面に向けて基本光を照射する光源と、前記内壁面で反射された任意の散乱光を透過させるための透過部と、当該透過部を透過した前記任意の散乱光を受光する受光素子とを備えてなる非接触式のプローブと、前記プローブが前記穴の内部に挿入された状態で、前記受光素子上における前記任意の散乱光の受光位置に基づき仮想円径および中心座標を求めることにより、前記穴の内径を算出する演算手段とを備えてなることを要旨とする。
【０００７】
上記構成によれば、内壁面で反射された散乱光の一部が透過部を介して受光素子によって受光される。そして、この受光素子上における前記散乱光の受光位置に基づき、穴の内壁面上における基本光の反射位置とプローブとの間の間隔が算出され、基本光の反射位置の座標値が決定される。その結果、そうした反射位置の座標値に基づいて仮想円径および中心座標が求められる。そして、反射位置の座標値と、仮想円の中心座標値により、穴の内径が算出される。このように、本構成では、穴の内壁面にプローブを接触させる必要はなく、同プローブを穴の内部に挿入するといった極めて単純な操作により、穴の内部形状に関する所望の測定、すなわち穴の内径の測定が可能となる。従って、装置構造の複雑化を招くことがなく、穴の内部を短時間で容易に測定することができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明の光学式測定装置は、被測定物に設けられた穴の内部を測定する光学式測定装置であって、前記被測定物の穴の内壁面に向けて基本光を照射する光源と、前記内壁面で反射された任意の散乱光を透過させるための透過部と、当該透過部を透過した前記任意の散乱光を受光する受光素子とを備えてなる非接触式のプローブと、前記プローブが前記穴の内部に挿入された状態で、当該穴の深さ方向に沿う少なくとも２箇所において前記受光素子上における前記任意の散乱光の受光位置に基づきそれぞれ仮想円径および中心座標を求めることで、前記穴の傾斜角度を算出する演算手段とを備えてなることを要旨とする。
【０００９】
上記構成によれば、内壁面で反射された散乱光の一部が透過部を介して受光素子によって受光される。そして、この受光素子上における前記散乱光の受光位置に基づき、穴の内壁面上における基本光の反射位置とプローブとの間の間隔が算出され、基本光の反射位置の座標値が決定される。その結果、そうした反射位置の座標値に基づいて１つの仮想円径および中心座標が求められる。続いて、穴の深さ方向に沿う別の箇所においても、上記と同様に、受光素子上における前記散乱光の受光位置に基づいて別の仮想円径および中心座標を求める。これにより、穴の深さ方向に沿う２箇所において別途仮想円径および中心座標が同定され、それぞれの中心座標に基づいて穴の傾斜角度が算出される。
【００１０】
このように、本構成では、穴の内壁面にプローブを接触させる必要はなく、同プローブを穴の内部に挿入するといった極めて単純な操作により、穴の内部形状に関する所望の測定、すなわち穴の傾斜角度の測定が可能となる。よって、装置構造の複雑化を招くことがなく、穴の内部を短時間で容易に測定することができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明の光学式測定装置は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記光源は、前記プローブの軸線上に中心を有する同一円周上において複数設けられてなることを要旨とする。上記構成によれば、一度の測定により反射位置の座標値が２つ以上求められることから、穴の傾斜角度を測定するに際して必要となる仮想円を同定しやすくなる。すなわち、穴の内部を容易に測定することができる。
【００１２】
請求項４に記載の光学式測定装置は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の発明において、前記受光素子は二次元位置検出素子であり、該二次元位置検出素子の受光面は前記プローブの軸線と直交する平面上に配置されていることを要旨とする。これによれば、複数の光源を用いる場合であっても受光素子を共用することができる。
【００１３】
請求項５に記載の光学式測定方法は、被測定物に設けられた穴の内部を測定する光学式測定方法であって、前記被測定物の穴の内壁面の少なくとも異なる３箇所に向けて基本光を照射して各箇所の座標を特定する工程と、前記工程で求めた内壁面の少なくとも異なる３箇所の座標に基づいて仮想円を求めることにより、前記穴の内径を算出する工程からなることを要旨とする。これによれば、穴の内壁面にプローブを接触させる必要はなく、同プローブを穴の内部に挿入するといった極めて単純な操作により、穴の内部形状に関する所望の測定、すなわち穴の内径の測定が可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の光学式測定装置及び同方法によれば、非接触式のプローブを具備することで、穴の内部を短時間で容易に測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の光学式測定装置及び同装置を用いた穴内部の測定方法を具体化した一実施形態（第１の実施形態）を図面に基づいて説明する。
光学式定装置の構成
図１に示すように、光学式測定装置１０は、基台１１と、同基台１１に軸支されてなるアーム部１２とを備えており、アーム部１２は、複数（本実施形態では３つ）のアーム部材１３が互いに回動自在に軸支されてなるものである。これら複数のアーム部材１３のうち最も先端側に配設されたアーム部材１３には、非接触式のプローブ（以下、単にプローブという）１５が設けられている（図２参照）。また、光学式測定装置１０は制御手段及び演算手段としてのコンピュータとコンピュータに電気的に接続されプローブ１５を３次元方向に移動また軸周りに回転させる駆動手段としてのモータを備えている（いずれも図示略）。そして、このプローブ１５を、シリンダブロック等の被測定物５０の穴５１（シリンダ）の内部において所定方向へ移動させることで、その穴の内部形状（本実施形態では、穴の傾斜角度）を測定することができる。以下、本実施形態のプローブ１５について図３等に基づいて説明する。
【００１６】
プローブ１５は、金属材料より形成されて中空円筒状をなす基体１６を備えている。基体１６は、先端に底部１７ａを有する有底筒状に形成された基体本体１７とこの基体本体１７と同径であって基端に底部１８ａを有する有底筒状に形成された基体先端部１８とから構成される（図３）。この基体本体１７と基体先端部１８とは互いの底部１７ａ，１８ａを重ね合わせた状態で図示しない締結部材にて相対移動しないように固定されている。なお、基体１６は横断面が真円として形成されており基体１６の横断面における中心を軸心ｇ（図４参照）、この軸心ｇを通り基体１６の軸方向に延びる仮想線を軸線ｈ、軸線ｈの延びる方向（基体１６の延伸方向）を軸線方向という。また、プローブ１５の軸心ｇ、軸線ｈ及び軸線方向は基体１６のそれらと一致するためプローブ１５についても同義で用いる。
【００１７】
プローブ１５は測定ユニット２０を３組備えており、各測定ユニット２０は光源としての光ファイバー２１、照射孔２２、透過部としての反射光導入孔２３、集光レンズ２４および受光素子２５とから構成される。これらの構成のうち光ファイバー２１、照射孔２２、反射光導入孔２３、集光レンズ２４は各測定ユニット２０が個別に有する構成であるが、受光素子２５のみは全測定ユニット２０にて共用している。これら３組の測定ユニット２０は、基体１６の軸線ｈを中心とする同一円周上に等間隔（１２０度間隔）で設けられている（図４及び図５参照）。説明の便宜上、３組の測定ユニット２０のうち図３及び図４中上部に図示されているものを第一測定ユニット２０ａ、また、図４中の第一測定ユニット２０ａから時計回りにそれぞれ第二測定ユニット２０ｂ、第三測定ユニット２０ｃが配置されているものとする。以下、測定ユニット２０及び各部材の構成や作用等の説明は第一測定ユニット２０ａについて構成等を説明するが第二測定ユニット２０ｂ、第三測定ユニット２０ｃは位置が異なるのみで第一測定ユニット２０ａ同一構成であるため、説明を省略する。
【００１８】
光ファイバー２１について
光源としての光ファイバー２１は、周囲を覆うカバー２１ａと同カバー２１ａ内に収納された光ファイバー繊維２１ｂとから構成されたユニットである。光ファイバー２１の先端側側面には径方向外側に向いた窓２１ｃが形成されており（図３）、光ファイバー繊維２１ｂを伝送されてきた光（赤外光）はこの窓２１ｃから収束された状態で基体１６の軸線ｈを通りこの軸線ｈに直交する仮想線ｋ上を基体１６の半径方向外側に向けて照射される。以下、光ファイバー２１から照射される光を「基本光α」といい、基本光αの光軸は仮想線ｋと一致することを前提とする。なお、図３、図４では第一測定ユニット２０ａを構成する光ファイバー２１についてのみ仮想線ｋを図示している。この光ファイバー２１は既存製品を用いればよく、例えばオムロン株式会社の形式名Ｅ３２−Ｔ２４がある。
【００１９】
照射孔２２および反射光導入孔２３について
基体１６における仮想線ｋとの交点には貫通孔である照射孔２２が形成されている。また、基体本体１７のうち照射孔２２よりも軸線方向先端側には長方形状に切り欠かれた反射光導入孔２３が形成されている（図３、図４）。
【００２０】
集光レンズ２４について
基体本体１７の先端の底部１７ａ、および基体先端部１８の底部１８ａには、それぞれ円孔１７ｂ、１８ｂが形成されており、お互いの底部間に挟持される状態で円孔内に集光レンズ２４が固定されている（図３、図５）。この集光レンズ２４は凸レンズであり、その光軸が基体１６の軸線ｈと平行となるように設置され、集光レンズ２４の光学的な中心点２４ａ（集光レンズ２４の径方向かつ厚み方向における中心）は仮想線ｋを基体１６の軸線ｈに沿って基体１６の先端側に距離ａだけ平行移動させた仮想線ｌ上に位置している。なお、図５では第一測定ユニット２０ａを構成する集光レンズ２４についてのみ仮想線ｌを図示している。
【００２１】
受光素子２５について
受光素子２５は、二次元位置検出素子（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ＝ＰＳＤ）であり、基部２５ａと集光レンズ２４側を向いて配置された受光面２６とから構成される（図３）。受光素子２５はその受光面２６が基体１６の軸線ｈと直交する面と平行になるように基体先端部１８に取り付けられており、受光面２６は集光レンズ２４の中心点２４ａから軸線方向において距離ｂ離間している。この受光素子２５は、受光面２６上に結像した赤外光の重心位置（受光位置）をｘ軸及びこれに直交するｙ軸上の座標（ｘ，ｙ）として電気信号に変換し出力することができる。この受光素子２５も二次元ＰＳＤとして既存製品を用いればよく、例えば浜松ホトニクス株式会社の型式名Ｓ７８４８がある。
【００２２】
また、受光面２６上の座標の原点（ｘ０，ｙ０）２６ａは基体１６の軸線ｈ上に設定されており、受光面２６のｙ軸は仮想線ｋ、仮想線ｌと平行に設定してある（図６）。受光素子２５から出力された電気信号は端子ピン（図示略）を経てコンピュータに入力され原点２６ａから受光位置までの距離ｓが算出される。なお、この距離ｓは受光面２６の原点２６ａを中心として集光レンズ２４側にて結像される場合には正の値（＋）として算出され、集光レンズ２４の反対側にて結像される場合には負の値（−）として算出される。
【００２３】
このように受光素子２５は、受光面２６上にて結像した光の重心位置の座標を電気信号として出力するものであるため、拡散した光として結像されると座標の特定に誤差が生じやすくなる。したがって、受光素子２５上に結像される光はその面積が小さいことが好ましく、そのためには集光レンズ２４として受光素子２５上に焦点が合わせられている焦点距離を有するものを用いることが好ましい。
【００２４】
具体的には、焦点距離ｆは、１／ｆ＝１／ａ＋１／ｂ（ａは軸線方向における仮想線ｋから集光レンズ２４の中心点２４ａ（仮想線ｌ）までの距離、ｂは軸線方向における集光レンズ２４の中心点２４ａ（仮想線ｌ）から受光面２６までの距離）として特定することができるため、ａ及びｂの値に基づいて焦点距離ｆを定めることができる。
【００２５】
測定ユニット２０から照射された光の経路について
以下、本実施形態の測定ユニット２０において、光ファイバー２１から照射された光が穴５１の内壁面５２に当たり、そこで生じた散乱光が受光素子２５に結像されるまでの経路について図７に基づいて説明する。なお、図７は説明の便宜上３組の測定ユニット２０のうち第一測定ユニット２０ａのみを図示しているが、第二測定ユニット２０ｂ、第三測定ユニット２０ｃについても同様である。
【００２６】
光ファイバー２１内を伝送されてきた光は光ファイバー２１の先端の窓２１ｃから外部に向かって照射される。光ファイバー２１から出た基本光αは仮想線ｋに沿って照射孔２２を通過してプローブ１５の外へ出た後、穴５１の内壁面５２に到達する。なお、基本光αが穴５１の内壁面５２に当たって反射される箇所も仮想線ｋ上にあり、この箇所を反射位置５２ａという。ここで、反射位置５２ａを含めた穴５１の内壁面５２は中ぐり加工等により形成されたものであり、その表面は肉眼では平坦に見えるものの微視的には細かな凹凸が形成されている。したがって、基本光αは反射位置５２ａにて乱反射され散乱光となる。この散乱光のうち、特定の方向に向かった光（この光を「反射光β」という。）は反射光導入孔２３を透過してプローブ１５内部に導入され、さらにその一部は集光レンズ２４を通って受光面２６上に結像される。反射光βが集光レンズ２４にて集光され受光面２６上に結像される受光位置を結像点２６ｂという。
【００２７】
図７に図示している反射光βは、理解の便宜のため反射位置５２ａで反射された散乱光のうち特に集光レンズ２４の中心点２４ａを通るもののみを表しており、反射位置５２ａから結像点２６ｂまでは直線で結ばれる。つまり、結像点２６ｂは反射位置５２ａと集光レンズ２４の中心点２４ａと結んで得られる線の延長上に形成されることとなる。
【００２８】
反射位置５２ａと集光レンズ２４の中心点２４ａとは軸線ｈを通り互いに平行な仮想線ｋと仮想線ｌ上にそれぞれ形成されているから、結像点２６ｂも軸線ｈを通りこれら仮想線ｋおよび仮想線ｌと平行な仮想線ｍ上の何れか一点に形成される。すなわち、第一測定ユニット２０ａにあっては、プローブ１５と反射位置５２ａとの距離を異ならせた場合に受光面２６上に形成される結像点２６ｂの軌跡（以下、単に「結像点２６ｂの軌跡」という。）は受光面２６のｙ軸（ｘ＝０）と一致する。図６では、第一測定ユニット２０ａを用いた場合の結像点２６ｂの軌跡を一点鎖線にて示している。
【００２９】
一方、図７に示す反射位置５２ａにより受光面２６上に形成される結像点２６ｂのおおよその位置を図６に示しているが、仮に、反射位置５２ａが図７に示した位置よりもプローブ１５から離間した位置とすると反射光βの光軸は軸線ｈに対してより大きな角度差を持って集光レンズ２４を通ることとなる。このため、その場合の結像点２６ｂは図７に示す結像点２６ｂよりもｙ座標値が小さい箇所にて形成される（図９に二点差線にて示したプローブ１５の結像点２６ｂを参照）。
【００３０】
次に上記実施形態に係る光学式測定装置１０を用いた穴５１の傾斜角度（プローブ１５の軸線方向に対する傾斜角度）θの測定手順について説明する。測定手順の概要は図８のフローチャートに示しており、コンピュータはこのフローチャートの各ステップを実行するためのデータが格納されたＲＯＭを備えている（図示略）。以下、図８のフローチャート及び図９に従って説明する。なお、穴５１の内部の測定は特定位置（プローブ１５のうち基本光αが照射される位置）における穴５１の内壁面５２を円周とする仮想円の方程式を得ることにより行う。
【００３１】
ステップ１（Ｓ１）
まず、コンピュータは駆動手段を駆動させてプローブ１５を穴５１内部の第一測定位置３０へと移動させる（図９の実線にて示す位置）。測定対象となる穴５１は加工用データに基づいて深さ、内径等が設定されており、穴５１の形状を正確に測定するために第一測定位置３０においてプローブ１５の軸線方向が穴５１の形成方向とほぼ平行となるようにしておく方が好ましい。なお、第一測定位置３０は穴５１の内部であればその深さは限定されないが、穴５１の下端に近いとプローブ１５がさらに移動することができなくなる。
【００３２】
ステップ２（Ｓ２）
第一測定位置３０へ移動した後に穴５１の形状（内径）を算出するための座標測定を行う。穴５１の内径を測定する段階では穴５１の中心および半径はいずれも判明していない。このため、第一測定位置３０において、同位置にあるプローブ１５のうち基本光αが照射される位置における軸心ｇを座標原点（Ｘ＝０，Ｙ＝０）とした場合の、同位置における穴５１の内壁面５２の円周上の異なる３箇所の座標を測定する。なお、この場合の座標は受光面２６の座標と同じマップを用いてもよいし、異なるマップを用いてもよい。測定対象となる３箇所の座標は第一測定ユニット２０ａ、第二測定ユニット２０ｂ、第三測定ユニット２０ｃを順次作動させて行う。以下、第一測定ユニット２０ａを用いた測定方法を例に説明する。
【００３３】
まず、集光レンズ２４の中心点２４ａを通り、基体１６の軸線ｈに平行な仮想線ｎを想定する（図７）。仮想線ｋと仮想線ｌはともに基体１６の軸線ｈに直交することから、仮想線ｋと仮想線ｌは仮想線ｎに対しても直交する関係にある。穴５１の内壁面５２に到達した基本光αは反射位置５２ａにおいて散乱光として乱反射し、その散乱光の一部は反射光βとして集光レンズ２４を通って受光面２６上に結像する。この反射光βのうち集光レンズ２４の中心点２４ａを通る光軸を仮想線ｐとする。
【００３４】
ここで、図７において仮想線ｋと仮想線ｎとの交点を点Ｏとし仮想線ｎと受光面２６上の仮想線ｍとの交点を点Ｄとする。また基本光αの反射位置５２ａを点Ａ、集光レンズ２４の中心点２４ａを点Ｂとし、反射光βの受光面２６上の結像点２６ｂを点Ｃとすると、同一平面上に三角形ＯＡＢと三角形ＤＢＣの２つの直角三角形を形成することができる。
【００３５】
この三角形ＯＡＢと三角形ＤＢＣのそれぞれ点Ｂを頂点とする内角は対角であるため同じ角度であり、また点Ｏ、点Ｄをそれぞれ頂点とする内角はいずれも直角であるため、二組の角が等しい三角形となり、三角形ＯＡＢと三角形ＤＢＣは相似である。また、辺ＯＢは距離ａ、辺ＤＢは距離ｂに設定されているため、相似条件により辺ＯＡの距離：辺ＣＤの距離＝距離ａ：距離ｂの関係が成立する。
【００３６】
一方、辺ＯＡは仮想線ｋの一部であるから、基体１６の表面から反射位置５２ａ（点Ａ）までの距離をＬ、軸線ｈから基体１６表面までの距離（基体の半径）を距離ｒ、軸線ｈから集光レンズ２４の中心点２４ａ（点Ｂ）までの距離を距離ｃとすると、辺ＯＡの距離はＬ＋ｒ−ｃにて表すことができる。このうち、距離ｒ及び距離ｃは予め距離が特定されている。他方、辺ＤＣは、仮想線ｋと平行な仮想線ｍ上の一部であり、受光面２６上の軸線ｈから点Ｄまでの距離は軸線ｈから集光レンズ２４の中心点２４ａまでの距離（＝距離ｃ）に等しい。また、辺ＤＣの距離は、軸線ｈから集光レンズ２４の中心点２４ａまでの距離ｃから、軸線ｈから点Ｃまでの距離ｓを除したものであるから、辺ＤＣの距離＝距離ｃ−距離ｓにて表すことができる。
【００３７】
そして、前記の三角形の相似条件から、Ｌ＋ｒ−ｃ：ｃ−ｓ＝ａ：ｂの関係が成り立つ。この式を展開すると、以下の式（１）となる。
【００３８】
【数１】
【００３９】
この式の右辺において距離ａ，距離ｂ，距離ｃ，距離ｒはいずれも距離が判明しており、距離ｓのみが変化する値である。したがって、距離ｓを求めることにより上記式を用いて距離Ｌを求めることができる。ここで、距離Ｌと距離ｓとの関係は上記式（１）にて示したように１次の直線となるから、式（１）を距離ｓで微分して得られる距離ｓの微小変化ｄｓに対する距離Ｌの微小変化ｄＬの割合、すなわち受光素子２５における検出感度は、ｄＬ／ｄｓ＝−ａ／ｂと一定となり、距離Ｌ、距離ｓに依存しない。
【００４０】
距離ｓは受光面２６上の原点２６ａから結像点２６ｂ（点Ｃ）までの距離（ただし、ｙ座標が負の時は距離ｓは負の値）であり、結像点２６ｂ（点Ｃ）は座標（０，ｙ１）にて特定されるため、ｓ＝ｙ１として特定することができる。これにより求めたｓの値を上記式に代入することにより、プローブ１５表面から穴５１の内壁面５２である反射位置５２ａまでの距離Ｌ、さらには反射位置５２ａの座標値（Ｘ１１，Ｙ１１）を測定することができる。第一測定ユニット２０ａによる測定にて求められた反射位置５２ａの座標（Ｘ１１，Ｙ１１）は、コンピュータのＲＡＭ（図示略）に格納される。
【００４１】
第一測定位置３０における仮想円である第一仮想円３１の式を求めるには異なる３箇所の座標が必要であるため、同様の手順にて第二測定ユニット２０ｂ、第三測定ユニット２０ｃを作動させて異なる二つの反射位置の座標値（Ｘ１２，Ｙ１２）（Ｘ１３，Ｙ１３）を求める。このうち、第二測定ユニット２０ｂは、第一測定ユニット２０ａに対して軸線ｈを中心として図３中時計回りに１２０度回転させた位置に配置されている。このため、第二測定ユニット２０ｂによる受光面２６上の結像点２６ｂの軌跡は原点２６ａを通りｙ軸に対して時計回りに１２０度傾いた直線（ｙ＝−１／√３ｘ）上に形成される（図６にて二点鎖線で示す）。
【００４２】
また、第三測定ユニット２０ｃは、第一測定ユニット２０ａに対して軸線ｈを中心として図４中反時計回りに１２０度回転させた位置に配置されていることから、第三測定ユニット２０ｃによる受光面２６上の結像点２６ｂの軌跡は原点２６ａを通りｙ軸に対して反時計回りに１２０度傾いた直線（ｙ＝１／√３ｘ）上に形成される（図６にて破線で示す）。そして、第二測定ユニット２０ｂ及び第三測定ユニット２０ｃを用いてそれぞれ測定した受光面２６上の結像点２６ｂ（点Ｃ）の座標値（ｘ１２，ｙ１２）、（ｘ１３，ｙ１３）は、いずれも反射位置５２ａがプローブ１５に近い場合にはそのｙ座標値が小さく反射位置が離れるにしたがってｙ座標値が大きくなる。
【００４３】
したがって、第二測定ユニット２０ｂ並びに第三測定ユニット２０ｃの結像点２６ｂ（点Ｃ）の座標値に基づくそれぞれの距離ｓは、以下の式（２）又は式（３）にて求めることができる。
【００４４】
【数２】
【００４５】
上記の式により求められた距離ｓを式（１）に代入することにより、第二測定ユニット２０ｂ及び第三測定ユニット２０ｃにおける基体１６の表面から各反射位置５２ａまでの距離Ｌをそれぞれ求めることができ、更には各反射位置の座標値（Ｘ１２，Ｙ１２）（Ｘ１３，Ｙ１３）を求めることができる。この座標値もコンピュータのＲＡＭ（図示略）に格納される。
【００４６】
ステップ３（Ｓ３）
上記ステップ２により求めた穴５１の内壁面５２の３箇所の座標値に基づいて第一仮想円３１の式を算出する。まず、既に求めた３つの反射位置５２ａの座標値（Ｘ１１，Ｙ１１）（Ｘ１２，Ｙ１２）（Ｘ１３，Ｙ１３）のうち任意の２点の座標値（Ｘｉ，Ｙｉ）、（Ｘｉ＋１，Ｙｉ＋１）を、下記式（４）の円の方程式に代入する。なお、本実施形態では、穴５１の断面形状を略真円と仮定する。
【００４７】
【数３】
【００４８】
そして、各座標値をそれぞれ代入した後に得られた双方の式を減算し、Ｃｘ,Ｃｙについて整理すると、下記式（５）が得られる。なお、ｎ点（本実施形態では３点）の測定結果においては、式（５）が(ｎ−１)個得られる。
【００４９】
【数４】
【００５０】
ここで、式（５）を下記の式（６）〜（８）のようにおくと、
【００５１】
【数５】
【００５２】
上記式（５）は、下記の式（９）のように表される。
【００５３】
【数６】
【００５４】
なお、ｎ点（本実施形態では３点）の測定結果からは、(ｎ−１)個の式（９）が得られる。この結果から、最小二乗法を用いてＣｘ,Ｃｙを求めると、下記の式（１０）及び式（１１）が得られる。
【００５５】
【数７】
【００５６】
【数８】
【００５７】
但し、Σの範囲は１≦ｉ≦ｎ−１である。これにより、第一仮想円３１の中心座標３１ａが求められる。そして、この中心座標３１ａを決定した後、下記式（１２）により各反射位置の座標値に対応したＲｉを求め、その平均値を仮想円の半径の測定値Ｒとする。
【００５８】
【数９】
【００５９】
但し、Σの範囲は１≦ｉ≦ｎである。このようにして仮想円の半径を求めることで、穴の内径（仮想円の直径）が算出される。したがって、円周上の３箇所の異なる座標を得ることができれば上記円の方程式の３つの定数を算出することができる。算出した第一仮想円３１の式はコンピュータのＲＡＭに格納される。
【００６０】
ステップ４（Ｓ４）
ステップ４において、コンピュータは駆動手段を駆動させてプローブ１５を第二測定位置４０（図９の二点差線で示す位置）へと移動させる。この第二測定位置４０は第一測定位置３０におけるプローブ１５をその軸線ｈ上に穴５１の深さ方向Ｆへ向けて所定距離ｔだけ移動させた位置である。
【００６１】
ステップ５（Ｓ５）
プローブ１５を第二測定位置４０へ移動した後には同位置における穴５１の形状を測定する。この測定方法はステップ２の測定方法と同じであり、第一測定ユニット２０ａ、第二測定ユニット２０ｂ及び第三測定ユニット２０ｃを順次動作させてこの第二測定位置における穴５１の内壁面５２の異なる３箇所の座標値（Ｘ２１，Ｙ２１）（Ｘ２２，Ｙ２２）（Ｘ２３，Ｙ２３）を測定する。
【００６２】
ステップ６（Ｓ６）
上記ステップ５により求めた第二測定位置４０における穴５１の内壁面５２の３箇所の座標値に基づいて第二仮想円４１の式を算出する。算出方法はステップ３と同じであり、算出した第二仮想円４１の式はコンピュータのＲＡＭ（図示略）に格納される。
【００６３】
ステップ７（Ｓ７）
コンピュータは、ステップ３で求めた第一仮想円３１とステップ６で求めた第二仮想円４１の式をＲＡＭから読み出して穴５１の傾斜角度θを演算する。すなわち、プローブ１５の軸線方向に対する穴５１の傾斜角度θは第一仮想円３１の中心座標３１ａと第二仮想円４１の中心座標４１ａとを結ぶ線により求めることができる（図１０）。ここで、穴５１の傾斜角度θが零で、内壁面５２がプローブ１５の軸線方向と一致する場合には、第一仮想円３１の中心座標３１ａと第二仮想円４１の中心座標４１ａは一致するはずである。一方、第一仮想円３１の中心座標３１ａに対して第二仮想円４１の中心座標４１ａが一致しない場合（図１０に示す状態）には、プローブ１５の軸線方向に対して穴５１が傾いていることになるため、第一仮想円３１の中心座標３１ａと第二仮想円４１の中心座標４１ａとプローブ１５の距離ｔとの関係から穴５１の傾斜角度θを算出することができる。
【００６４】
上記実施形態の光学式測定装置１０によれば、以下のような効果を得ることができる。
＊ 本実施形態の光学式測定装置１０によれば、各測定ユニット２０（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ）から基本光αを穴５１の内壁面５２に対して照射することで各反射位置５２ａの座標値を求め、穴５１の内部における任意の箇所で１つの仮想円を同定することにより穴５１の内径が測定される。また、穴５１の内部においてプローブ１５の軸線方向の２箇所でそれぞれ仮想円を同定することにより穴５１の傾斜角度θが測定される。すなわち、プローブ１５を穴５１の内壁面５２に接触させることなく同穴５１の内部が測定可能とされる。これにより、本実施形態では、穴５１の内壁面５２にプローブ１５を接触させるための複雑な機構を必要とせず、構成の簡略化を図ることができ、ひいては装置の大型化が回避される。そして、穴５１の内部にプローブ１５を挿入するといった極めて簡易な操作により、所望の測定が可能となる。従って、本実施形態の光学式測定装置１０によれば、被測定物５０の製造現場においてその穴５１の内部を短時間で容易に測定することができる。
【００６５】
＊ 本実施形態では、内壁面５２の反射位置５２ａにおいて散乱された散乱光のうちの任意の光を反射光βとして受光素子２５上に結像させて結像点２６ｂの座標を測定している。このため、本実施形態では、反射光βを正確に受光素子２５上に結像させるべく光の角度や、基体１６の内部における受光素子２５の設置箇所等を厳密に調整する必要がない。従って、本実施形態の光学式測定装置１０によれば、構造の簡易化を図ることができる。
【００６６】
＊ 本実施形態の光学式測定装置１０には、光源としての光ファイバー２１がユニットとして周方向において３つ設けられている。ここで、上記仮想円を同定する際には最低限３つの座標値が必要となる。本実施形態によれば、そうした３つの座標値が一度の測定において瞬時に算出可能とされる。これにより、仮想円径および中心座標の同定を容易に行うことができる。また、各光ファイバー２１は、周方向において等間隔に設けられている。すなわち、周方向において等間隔に反射位置５２ａの座標値が求められることとなる。これにより、穴５１の内部形状を高い精度で反映する仮想円を同定することが可能となるため、穴５１の内壁面５２の傾斜角度や穴５１の内径を正確に測定することができる。
【００６７】
＊ 光源として光ファイバー２１を用いることにより、穴５１の内壁面５２の所定箇所に対して基本光αを確実に照射させることができる。
＊ 穴５１の内壁面５２の座標値は、受光面２６の原点２６ａからの反射光βの受光面２６上への結像点２６ｂまでの距離ｓを求めることによって算出している。したがって穴５１の内壁面５２の座標値を容易に測定することができる。
【００６８】
＊ 受光手段として受光素子（二次元ＰＳＤ）２５をその受光面２６が軸線ｈに直交する平面上となるように配置して各測定ユニット２０にて共用している。このため、受光手段を測定ユニット２０の数に応じて準備する必要がない。
【００６９】
＊ 反射光βを集光レンズ２４によって集光させて受光面２６上に結像させている。このため、受光面２６上の結像点２６ｂのスポット面積が小さくなり、光の重心位置を求めるＰＳＤの測定誤差が小さくなる。
【００７０】
＊ 集光レンズ２４によって反射光βを集光させて受光素子２５上に結像させるため、受光素子２５上の結像点２６ｂの光量も増加することとなり検出感度が良好となる。
＊ 距離Ｌと距離ｓとの関係は１次の直線（式（１））となるから、受光素子２５における検出感度は、ｄＬ／ｄｓ＝−ａ／ｂと一定となり、距離Ｌ、距離ｓに依存することなく安定した感度を得ることができる。
【００７１】
なお、上記実施形態は以下のように変更、応用してもよい。
○ 受光素子（二次元ＰＳＤ）２５に、測定に用いた波長の光のみを通過させるフィルタを備えたものを用いると、外乱光等のノイズを更に減少させることができる。
【００７２】
○ 上記実施形態にて配置されている集光レンズ２４を用いることなく、集光レンズ２４を配置していた位置に細孔を形成することにより、同細孔をピンホールとして機能させて反射光βを受光面２６上に結像又は照射させてもよい。この場合、細孔を通過した反射光βのみにて受光面２６上に結像（照射）点２６ｂを形成することから、集光レンズ２４を用いる場合に比して結像（照射）点２６ｂの光量が不十分になる可能性がある。このため、集光レンズ２４を使用しなくても反射光βが受光素子２５にて検出可能な程度の光量が得られる光を基本光αとする必要がある。
【００７３】
○ 上記実施形態では、測定ユニット２０を周方向に等間隔に３組備えているが、測定ユニット２０は１組或いは２組でもよい。測定ユニット２０が１組の場合にはプローブ１５が軸線ｈを中心として回転可能としておき、穴５１の内壁面５２の座標を１箇所測定する毎に所定角度回転し、異なる３箇所における穴５１の内壁面５２の座標を測定することにより穴５１の形状を測定することができる。また、２組の場合には少なくとも異なる３箇所における穴５１の内壁面５２の座標を測定することができればよい。
【００７４】
○ 受光手段を上記実施形態の二次元ＰＳＤ２５に変えて、色を識別することができるカラーＣＣＤとしてもよい。この場合、３組の測定ユニット２０の光源の光色をそれぞれ異ならせる（例えば、グリーン、ブルー、レッド）ことにより、受光手段にて複数の測定ユニット２０からの反射光を順次受光しても色ごと、つまり各測定ユニット２０の反射位置５２ａからの反射光β毎に各結像点２６ｂの座標を特定することができる。
【００７５】
○ 上記実施形態では光源として光ファイバー２１を用いたが、これに変えてＬＥＤやレーザダイオード等の他の光源に変更してもよい。
○ 本実施形態では、３つの光ファイバー２１を周方向において等間隔毎に設けたが、隣接する光ファイバー２１同士の間隔はそれぞれ相違するものであってもよい。
【００７６】
○ 本実施形態のプローブ１５における測定ユニット２０を、同プローブ１５の先端側にさらに１組ずつ設ける構成でもよい。すなわち、プローブ１５には、３組×２段の測定ユニット２０が設けられることとなる。このように構成した場合には、穴５１の内部において軸線方向にプローブ１５を動かさずとも、穴５１の深さ方向において異なる箇所にて第一仮想円と第二仮想円とを測定することが可能となる。従って、この構成によれば、穴５１の内部において第一測定位置３０から第二測定位置４０へとプローブ１５を移動させる操作が不要となるため、穴５１の内部の測定が一層容易なものとなる。
【００７７】
○ 本実施形態では、穴５１の内部の深さ方向における２箇所（第一測定位置３０及び第二測定位置４０）においてそれぞれ仮想円を同定し、その仮想円の半径から個々に穴の内径を求めたが、穴５１の内部において３箇所以上でそれぞれ仮想円を同定し、各仮想円の直径の平均値を穴の内径としてもよい。
【００７８】
○ 本実施形態では、穴５１の断面形状を略真円と仮定したが、その断面形状が仮に楕円であるときには、上記円の方程式の代わりに楕円の公式を採用する。この場合、上記と同様に仮想円を求める際には、穴５１の内壁面上における反射位置の座標値が少なくとも４つ必要となる。こうしたときには、測定の簡易化及び迅速化を図るべく、基体１６の軸線ｈ上に中心を有する同一円周上において４つ以上の測定ユニット２０を設ける構成が好ましい。
【００７９】
○ 本実施形態では、穴５１の内部において第一仮想円３１と第二仮想円４１を求めることで穴５１の内壁面５２の傾斜角度θを測定したが、これを以下の方法に変更してもよい。すなわち、穴５１の内部の２箇所において本実施形態と同様の方法で第一測定位置３０での距離（Ｌ）Ｌ１と第二測定位置４０での距離（Ｌ）Ｌ２を算出した後、下記式（１３）により傾斜角度θｉを求める。
【００８０】
【数１０】
【００８１】
この式（１３）により傾斜角度θｉをそれぞれ求め、その平均値を内壁面の傾斜角度θの測定値とする。
○ 本実施形態では、光ファイバー２１よりも基体１６の先端側に位置する箇所に受光素子２５を配設したが、同受光素子２５の配設箇所はこれに限定されるものではない。すなわち、光ファイバー２１よりも基体１６の基端側に位置する箇所に受光素子２５を配設してもよい。このような構成とした場合においても、穴５１の内壁面５２で反射した散乱光のうち任意の光が受光素子２５上に結像されることから、穴５１の内部形状に関する所望の測定が可能となる。
【００８２】
○ 本実施形態では、第一仮想円３１を同定した後にプローブ１５を穴５１の深さ方向Ｆの底部側に移動させて第二仮想円４１を同定したが、これとは逆方向（穴の開口部側）へプローブ１５を移動させて上記第二仮想円４１を同定する方法を採用してもよい。
【００８３】
○ 本実施形態では、第一仮想円３１を同定し、続いて第二仮想円４１を同定することにより穴の傾きを求めるという流れである。これに限られず、第一測定位置３０における穴５１の内壁面５２の座標を所定数測定し、続いて第二測定位置４０における穴５１の内壁面５２の座標を所定数測定し、その後に第一仮想円３１の同定及び第二仮想円４１を同定して穴５１の傾きを求めるという工程を採用してもよい。
【００８４】
次に、本発明の光学式測定装置について、既に示した実施形態（第１の実施形態）とは別の実施形態（第２の実施形態）を示す。この実施形態では第１の実施形態と比して集光レンズ１２４を傾斜させて配置した点に特徴があり、第１の実施形態と同様の構成については説明を省略し、また、説明を行う場合であっても第１の実施形態と同様の構成については同じ符号を用いる。
【００８５】
図１１に示すように、プローブ１５の基体１６を構成する基体本体１１７の先端には底部は形成されておらず開口されている一方、基体先端部１１８の底部１１８ａは外周部１１８ｂに対して中央部１１８ｃが基体本体１１７側に突き出た断面凸状に形成されている。外周部１１８ｂと中央部１１８ｃとの間は傾斜部１１８ｄが形成されており、外周部１１８ｂと中央部１１８ｃとの間にまたがるように底部１１８ａを貫通する円孔が形成されている。この円孔の内側周囲には図示しない保持枠が形成されており、この保持枠内に集光レンズ１２４が固定されている。
【００８６】
図１２にて集光レンズ１２４の位置関係を詳細に示す。集光レンズ１２４の光学的な中心点１２４ａは仮想線ｋを基体１６の軸線ｈに沿って基体１６の先端側に距離ａだけ平行移動させた仮想線ｌ上に位置している。一方、集光レンズ１２４は、その光軸が受光面２６の原点２６ａと集光レンズ１２４の中心点１２４ａとを結ぶ線ｑと一致するように配置されている。なお、この実施形態でも測定ユニットを３組備えており、他の測定ユニットを構成する集光レンズも各測定ユニット内にて同様に傾斜して配置されていることは第１の実施形態と同様である。また、この第２の実施形態に係る光学式測定装置１０を用いた穴内部の測定方法は第１の実施形態と同じであるため説明を省略する。この第２の実施形態の光学式測定装置１０によれば、第１の実施形態に加えて以下のような効果を得ることができる。
【００８７】
すなわち、第１の実施形態においては集光レンズ２４の光軸はプローブの軸線ｈと平行であり、穴５１の内壁面５２の反射位置５２ａにて反射して集光レンズ２４を通過する反射光βは穴５１の反射位置５２ａと集光レンズ２４の中心点２４ａとを結ぶことから、この反射光βと集光レンズ２４の光軸との間には必ずある程度の角度差が存在する。このような角度差がある場合、受光面２６上に形成される結像点の形状は楕円形状、さらに詳しくいえば尾を引いた彗星のような形状となる。この現象をコマ収差現象といい、集光レンズ２４に対する反射光βの角度差が大きくなるにしたがって顕著となり、尾が長くなる。受光素子である二次元ＰＳＤ２５は受光面２６上の結像点の重心を求めるものであるため、上記現象による結像点２６ｂの形状の変形に伴い、受光素子２５によって求められる重心位置がずれてしまい検出誤差が生ずる可能性もある。
【００８８】
これに対して、第２の実施形態のように予め集光レンズ１２４の光軸を反射光βに対応して傾斜させて配置させることにより、上記コマ収差現象による受光素子２５による検出誤差を減少させることができる。この場合、反射光βと集光レンズ１２４の光軸との角度差をなくすることは困難であるため、受光面２６上において反射光βを受光可能な範囲（図６参照）の中間位置である原点２６ａに集光レンズ１２４の光軸を合わせることにより、極端な検出誤差の発生を抑制することができる。
【００８９】
また、集光レンズ１２４の光軸を傾斜させて配置する場合の角度は上記実施形態に示すものには限られず、少なくとも集光レンズ１２４の光軸がプローブ１５の先端方向に向かってプローブ１５の軸線ｈ側に傾斜していればよい。具体的な角度は受光素子２５の検出有効範囲や想定する穴の径等に応じて設定することができる。
【００９０】
上記した実施形態から把握することのできる技術的思想を下に示す。
（１）プローブには、透過部を透過した任意の散乱光を集光させて受光素子に受光させるための集光レンズが配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学式測定装置。
（２）前記集光レンズは、その光軸がプローブの先端方向に向かってプローブの軸線側に傾斜して配置されていることを特徴とする技術的思想１に記載の光学式測定装置。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本実施形態（第１の実施形態）の光学式測定装置を示す概略図。
【図２】同光学式測定装置を示す部分拡大概略図。
【図３】本実施形態のプローブの内部の断面図。
【図４】図３のＡ−Ａ線端面図。
【図５】図３のＢ−Ｂ線端面図。
【図６】受光面上の結像点の軌跡を示す模式図。
【図７】穴内部の測定方法を示す概略図。
【図８】穴内部の測定方法を示すフロー図。
【図９】穴内部の測定方法を示す説明図。
【図１０】穴内部の測定方法を示す説明模式図。
【図１１】第２の実施形態のプローブの内部の断面図。
【図１２】第２の実施形態の集光レンズの光軸を示す説明図。
【符号の説明】
【００９２】
α…基本光、θ，θｉ…傾斜角度、Ｆ…深さ方向、ｈ…軸線、１０…光学式測定装置、１５…プローブ、２０（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ）…測定ユニット、２１…光ファイバー、２３…透過部としての反射光導入孔、２４、１２４…集光レンズ、２５…受光素子（二次元ＰＳＤ）、２６…受光面、３０…第一測定位置、３１…第一仮想円、４０…第二測定位置、４１…第二仮想円、５０…被測定物、５１…穴、５２…内壁面、５２ａ…反射位置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、シリンダブロック等の鋳物類や、種々の機械加工品等に設けられた穴の内部を測定する光学式測定装置及び光学式測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、例えば、鋳物類等の被測定物に形成された穴の内部形状（例えば、内径、真円度、表面粗さ等）を測定する装置としては、以下に示すものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に開示された測定装置は、被測定物を所定の方向に移動可能とする種々のテーブル、被測定物の穴の位置を撮像するＣＣＤカメラ、同ＣＣＤカメラの出力が入力されるコンピュータ、被測定物の穴の内部に挿入されるマイクロプローブ等を備えている。マイクロプローブは、その先端部に一対の接触子を有している。この測定装置によれば、マイクロプローブ（接触子）を被測定物の穴の内壁面に接触させることで、穴の内部形状に関する所望の測定が可能となる。
【０００３】
例えば、上記穴の内径を測定する場合には、以下のステップにより行われる。すなわち、テーブル上に載置された被測定物の穴の内壁面に向かってプローブを移動させて一方の接触子を上記穴の内壁面に接触させる第１ステップと、一方の接触子が上記穴の内壁面に接触したときの接触点の位置を検出手段の検出結果に基づいて特定する第２ステップとを備えている。次に、前記第１ステップとは逆方向へプローブを移動させて他方の接触子を上記穴の内壁面に接触させる第３ステップと、この他方の接触子が上記穴の内壁面に接触したときの接触点の位置を検出手段の検出結果に基づいて特定する第４ステップとを備えている。更に、第２ステップ及び第４ステップによりそれぞれ特定した二つの接触点の位置に基づいて接触点間の距離、すなわち穴の内径を算出する第５ステップを備えている。
【特許文献１】特開２００４−５３４１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記従来の測定装置においては、マイクロプローブを穴の内壁面に接触させる操作を複数回繰り返すことが必要となる。そうした操作は作業者にとって煩雑なものであり、時間を要するものとなっていた。また、マイクロプローブを穴の内壁面に接触させるステップ（第１ステップ及び第３ステップ）においては、マイクロプローブ（接触子）を穴の内壁面に接触させるべくテーブルを移動させて、同マイクロプローブ（接触子）が穴の内壁面に接触したときの抵抗変化の信号をトリガとしてテーブルを停止させる等の複雑な機構が必要となる。このため、測定装置の複雑化、ひいては大型化を招くこととなり、被測定物の製造現場において短時間で所望の測定をするのは困難であった。
【０００５】
この発明は、こうした従来の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、非接触式のプローブを具備することで、穴の内部を短時間で容易に測定することができる光学式測定装置及び光学式測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明の光学式測定装置は、被測定物に設けられた穴の内部を測定する光学式測定装置であって、前記被測定物の穴の内壁面に向けて基本光を照射する光源と、前記内壁面で反射された任意の散乱光を透過させるための透過部と、当該透過部を透過した前記任意の散乱光を受光する受光素子とを備えてなる非接触式のプローブと、前記プローブが前記穴の内部に挿入された状態で、前記受光素子上における前記任意の散乱光の受光位置に基づき仮想円径および中心座標を求めることにより、前記穴の内径を算出する演算手段とを備えてなることを要旨とする。
【０００７】
上記構成によれば、内壁面で反射された散乱光の一部が透過部を介して受光素子によって受光される。そして、この受光素子上における前記散乱光の受光位置に基づき、穴の内壁面上における基本光の反射位置とプローブとの間の間隔が算出され、基本光の反射位置の座標値が決定される。その結果、そうした反射位置の座標値に基づいて仮想円径および中心座標が求められる。そして、反射位置の座標値と、仮想円の中心座標値により、穴の内径が算出される。このように、本構成では、穴の内壁面にプローブを接触させる必要はなく、同プローブを穴の内部に挿入するといった極めて単純な操作により、穴の内部形状に関する所望の測定、すなわち穴の内径の測定が可能となる。従って、装置構造の複雑化を招くことがなく、穴の内部を短時間で容易に測定することができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明の光学式測定装置は、被測定物に設けられた穴の内部を測定する光学式測定装置であって、前記被測定物の穴の内壁面に向けて基本光を照射する光源と、前記内壁面で反射された任意の散乱光を透過させるための透過部と、当該透過部を透過した前記任意の散乱光を受光する受光素子とを備えてなる非接触式のプローブと、前記プローブが前記穴の内部に挿入された状態で、当該穴の深さ方向に沿う少なくとも２箇所において前記受光素子上における前記任意の散乱光の受光位置に基づきそれぞれ仮想円径および中心座標を求めることで、前記穴の傾斜角度を算出する演算手段とを備えてなることを要旨とする。
【０００９】
上記構成によれば、内壁面で反射された散乱光の一部が透過部を介して受光素子によって受光される。そして、この受光素子上における前記散乱光の受光位置に基づき、穴の内壁面上における基本光の反射位置とプローブとの間の間隔が算出され、基本光の反射位置の座標値が決定される。その結果、そうした反射位置の座標値に基づいて１つの仮想円径および中心座標が求められる。続いて、穴の深さ方向に沿う別の箇所においても、上記と同様に、受光素子上における前記散乱光の受光位置に基づいて別の仮想円径および中心座標を求める。これにより、穴の深さ方向に沿う２箇所において別途仮想円径および中心座標が同定され、それぞれの中心座標に基づいて穴の傾斜角度が算出される。
【００１０】
このように、本構成では、穴の内壁面にプローブを接触させる必要はなく、同プローブを穴の内部に挿入するといった極めて単純な操作により、穴の内部形状に関する所望の測定、すなわち穴の傾斜角度の測定が可能となる。よって、装置構造の複雑化を招くことがなく、穴の内部を短時間で容易に測定することができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明の光学式測定装置は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記光源は、前記プローブの軸線上に中心を有する同一円周上において複数設けられてなることを要旨とする。上記構成によれば、一度の測定により反射位置の座標値が２つ以上求められることから、穴の傾斜角度を測定するに際して必要となる仮想円を同定しやすくなる。すなわち、穴の内部を容易に測定することができる。
【００１２】
請求項４に記載の光学式測定装置は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の発明において、前記受光素子は二次元位置検出素子であり、該二次元位置検出素子の受光面は前記プローブの軸線と直交する平面上に配置されていることを要旨とする。これによれば、複数の光源を用いる場合であっても受光素子を共用することができる。
【００１３】
請求項５に記載の光学式測定方法は、被測定物に設けられた穴の内部を測定する光学式測定方法であって、前記被測定物の穴の内壁面の少なくとも異なる３箇所に向けて基本光を照射して各箇所の座標を特定する工程と、前記工程で求めた内壁面の少なくとも異なる３箇所の座標に基づいて仮想円を求めることにより、前記穴の内径を算出する工程からなることを要旨とする。これによれば、穴の内壁面にプローブを接触させる必要はなく、同プローブを穴の内部に挿入するといった極めて単純な操作により、穴の内部形状に関する所望の測定、すなわち穴の内径の測定が可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の光学式測定装置及び同方法によれば、非接触式のプローブを具備することで、穴の内部を短時間で容易に測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の光学式測定装置及び同装置を用いた穴内部の測定方法を具体化した一実施形態（第１の実施形態）を図面に基づいて説明する。
光学式定装置の構成
図１に示すように、光学式測定装置１０は、基台１１と、同基台１１に軸支されてなるアーム部１２とを備えており、アーム部１２は、複数（本実施形態では３つ）のアーム部材１３が互いに回動自在に軸支されてなるものである。これら複数のアーム部材１３のうち最も先端側に配設されたアーム部材１３には、非接触式のプローブ（以下、単にプローブという）１５が設けられている（図２参照）。また、光学式測定装置１０は制御手段及び演算手段としてのコンピュータとコンピュータに電気的に接続されプローブ１５を３次元方向に移動また軸周りに回転させる駆動手段としてのモータを備えている（いずれも図示略）。そして、このプローブ１５を、シリンダブロック等の被測定物５０の穴５１（シリンダ）の内部において所定方向へ移動させることで、その穴の内部形状（本実施形態では、穴の傾斜角度）を測定することができる。以下、本実施形態のプローブ１５について図３等に基づいて説明する。
【００１６】
プローブ１５は、金属材料より形成されて中空円筒状をなす基体１６を備えている。基体１６は、先端に底部１７ａを有する有底筒状に形成された基体本体１７とこの基体本体１７と同径であって基端に底部１８ａを有する有底筒状に形成された基体先端部１８とから構成される（図３）。この基体本体１７と基体先端部１８とは互いの底部１７ａ，１８ａを重ね合わせた状態で図示しない締結部材にて相対移動しないように固定されている。なお、基体１６は横断面が真円として形成されており基体１６の横断面における中心を軸心ｇ（図４参照）、この軸心ｇを通り基体１６の軸方向に延びる仮想線を軸線ｈ、軸線ｈの延びる方向（基体１６の延伸方向）を軸線方向という。また、プローブ１５の軸心ｇ、軸線ｈ及び軸線方向は基体１６のそれらと一致するためプローブ１５についても同義で用いる。
【００１７】
プローブ１５は測定ユニット２０を３組備えており、各測定ユニット２０は光源としての光ファイバー２１、照射孔２２、透過部としての反射光導入孔２３、集光レンズ２４および受光素子２５とから構成される。これらの構成のうち光ファイバー２１、照射孔２２、反射光導入孔２３、集光レンズ２４は各測定ユニット２０が個別に有する構成であるが、受光素子２５のみは全測定ユニット２０にて共用している。これら３組の測定ユニット２０は、基体１６の軸線ｈを中心とする同一円周上に等間隔（１２０度間隔）で設けられている（図４及び図５参照）。説明の便宜上、３組の測定ユニット２０のうち図３及び図４中上部に図示されているものを第一測定ユニット２０ａ、また、図４中の第一測定ユニット２０ａから時計回りにそれぞれ第二測定ユニット２０ｂ、第三測定ユニット２０ｃが配置されているものとする。以下、測定ユニット２０及び各部材の構成や作用等の説明は第一測定ユニット２０ａについて構成等を説明するが第二測定ユニット２０ｂ、第三測定ユニット２０ｃは位置が異なるのみで第一測定ユニット２０ａ同一構成であるため、説明を省略する。
【００１８】
光ファイバー２１について
光源としての光ファイバー２１は、周囲を覆うカバー２１ａと同カバー２１ａ内に収納された光ファイバー繊維２１ｂとから構成されたユニットである。光ファイバー２１の先端側側面には径方向外側に向いた窓２１ｃが形成されており（図３）、光ファイバー繊維２１ｂを伝送されてきた光（赤外光）はこの窓２１ｃから収束された状態で基体１６の軸線ｈを通りこの軸線ｈに直交する仮想線ｋ上を基体１６の半径方向外側に向けて照射される。以下、光ファイバー２１から照射される光を「基本光α」といい、基本光αの光軸は仮想線ｋと一致することを前提とする。なお、図３、図４では第一測定ユニット２０ａを構成する光ファイバー２１についてのみ仮想線ｋを図示している。この光ファイバー２１は既存製品を用いればよく、例えばオムロン株式会社の形式名Ｅ３２−Ｔ２４がある。
【００１９】
照射孔２２および反射光導入孔２３について
基体１６における仮想線ｋとの交点には貫通孔である照射孔２２が形成されている。また、基体本体１７のうち照射孔２２よりも軸線方向先端側には長方形状に切り欠かれた反射光導入孔２３が形成されている（図３、図４）。
【００２０】
集光レンズ２４について
基体本体１７の先端の底部１７ａ、および基体先端部１８の底部１８ａには、それぞれ円孔１７ｂ、１８ｂが形成されており、お互いの底部間に挟持される状態で円孔内に集光レンズ２４が固定されている（図３、図５）。この集光レンズ２４は凸レンズであり、その光軸が基体１６の軸線ｈと平行となるように設置され、集光レンズ２４の光学的な中心点２４ａ（集光レンズ２４の径方向かつ厚み方向における中心）は仮想線ｋを基体１６の軸線ｈに沿って基体１６の先端側に距離ａだけ平行移動させた仮想線ｌ上に位置している。なお、図５では第一測定ユニット２０ａを構成する集光レンズ２４についてのみ仮想線ｌを図示している。
【００２１】
受光素子２５について
受光素子２５は、二次元位置検出素子（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ＝ＰＳＤ）であり、基部２５ａと集光レンズ２４側を向いて配置された受光面２６とから構成される（図３）。受光素子２５はその受光面２６が基体１６の軸線ｈと直交する面と平行になるように基体先端部１８に取り付けられており、受光面２６は集光レンズ２４の中心点２４ａから軸線方向において距離ｂ離間している。この受光素子２５は、受光面２６上に結像した赤外光の重心位置（受光位置）をｘ軸及びこれに直交するｙ軸上の座標（ｘ，ｙ）として電気信号に変換し出力することができる。この受光素子２５も二次元ＰＳＤとして既存製品を用いればよく、例えば浜松ホトニクス株式会社の型式名Ｓ７８４８がある。
【００２２】
また、受光面２６上の座標の原点（ｘ０，ｙ０）２６ａは基体１６の軸線ｈ上に設定されており、受光面２６のｙ軸は仮想線ｋ、仮想線ｌと平行に設定してある（図６）。受光素子２５から出力された電気信号は端子ピン（図示略）を経てコンピュータに入力され原点２６ａから受光位置までの距離ｓが算出される。なお、この距離ｓは受光面２６の原点２６ａを中心として集光レンズ２４側にて結像される場合には正の値（＋）として算出され、集光レンズ２４の反対側にて結像される場合には負の値（−）として算出される。
【００２３】
このように受光素子２５は、受光面２６上にて結像した光の重心位置の座標を電気信号として出力するものであるため、拡散した光として結像されると座標の特定に誤差が生じやすくなる。したがって、受光素子２５上に結像される光はその面積が小さいことが好ましく、そのためには集光レンズ２４として受光素子２５上に焦点が合わせられている焦点距離を有するものを用いることが好ましい。
【００２４】
具体的には、焦点距離ｆは、１／ｆ＝１／ａ＋１／ｂ（ａは軸線方向における仮想線ｋから集光レンズ２４の中心点２４ａ（仮想線ｌ）までの距離、ｂは軸線方向における集光レンズ２４の中心点２４ａ（仮想線ｌ）から受光面２６までの距離）として特定することができるため、ａ及びｂの値に基づいて焦点距離ｆを定めることができる。
【００２５】
測定ユニット２０から照射された光の経路について
以下、本実施形態の測定ユニット２０において、光ファイバー２１から照射された光が穴５１の内壁面５２に当たり、そこで生じた散乱光が受光素子２５に結像されるまでの経路について図７に基づいて説明する。なお、図７は説明の便宜上３組の測定ユニット２０のうち第一測定ユニット２０ａのみを図示しているが、第二測定ユニット２０ｂ、第三測定ユニット２０ｃについても同様である。
【００２６】
光ファイバー２１内を伝送されてきた光は光ファイバー２１の先端の窓２１ｃから外部に向かって照射される。光ファイバー２１から出た基本光αは仮想線ｋに沿って照射孔２２を通過してプローブ１５の外へ出た後、穴５１の内壁面５２に到達する。なお、基本光αが穴５１の内壁面５２に当たって反射される箇所も仮想線ｋ上にあり、この箇所を反射位置５２ａという。ここで、反射位置５２ａを含めた穴５１の内壁面５２は中ぐり加工等により形成されたものであり、その表面は肉眼では平坦に見えるものの微視的には細かな凹凸が形成されている。したがって、基本光αは反射位置５２ａにて乱反射され散乱光となる。この散乱光のうち、特定の方向に向かった光（この光を「反射光β」という。）は反射光導入孔２３を透過してプローブ１５内部に導入され、さらにその一部は集光レンズ２４を通って受光面２６上に結像される。反射光βが集光レンズ２４にて集光され受光面２６上に結像される受光位置を結像点２６ｂという。
【００２７】
図７に図示している反射光βは、理解の便宜のため反射位置５２ａで反射された散乱光のうち特に集光レンズ２４の中心点２４ａを通るもののみを表しており、反射位置５２ａから結像点２６ｂまでは直線で結ばれる。つまり、結像点２６ｂは反射位置５２ａと集光レンズ２４の中心点２４ａと結んで得られる線の延長上に形成されることとなる。
【００２８】
反射位置５２ａと集光レンズ２４の中心点２４ａとは軸線ｈを通り互いに平行な仮想線ｋと仮想線ｌ上にそれぞれ形成されているから、結像点２６ｂも軸線ｈを通りこれら仮想線ｋおよび仮想線ｌと平行な仮想線ｍ上の何れか一点に形成される。すなわち、第一測定ユニット２０ａにあっては、プローブ１５と反射位置５２ａとの距離を異ならせた場合に受光面２６上に形成される結像点２６ｂの軌跡（以下、単に「結像点２６ｂの軌跡」という。）は受光面２６のｙ軸（ｘ＝０）と一致する。図６では、第一測定ユニット２０ａを用いた場合の結像点２６ｂの軌跡を一点鎖線にて示している。
【００２９】
一方、図７に示す反射位置５２ａにより受光面２６上に形成される結像点２６ｂのおおよその位置を図６に示しているが、仮に、反射位置５２ａが図７に示した位置よりもプローブ１５から離間した位置とすると反射光βの光軸は軸線ｈに対してより大きな角度差を持って集光レンズ２４を通ることとなる。このため、その場合の結像点２６ｂは図７に示す結像点２６ｂよりもｙ座標値が小さい箇所にて形成される（図９に二点差線にて示したプローブ１５の結像点２６ｂを参照）。
【００３０】
次に上記実施形態に係る光学式測定装置１０を用いた穴５１の傾斜角度（プローブ１５の軸線方向に対する傾斜角度）θの測定手順について説明する。測定手順の概要は図８のフローチャートに示しており、コンピュータはこのフローチャートの各ステップを実行するためのデータが格納されたＲＯＭを備えている（図示略）。以下、図８のフローチャート及び図９に従って説明する。なお、穴５１の内部の測定は特定位置（プローブ１５のうち基本光αが照射される位置）における穴５１の内壁面５２を円周とする仮想円の方程式を得ることにより行う。
【００３１】
ステップ１（Ｓ１）
まず、コンピュータは駆動手段を駆動させてプローブ１５を穴５１内部の第一測定位置３０へと移動させる（図９の実線にて示す位置）。測定対象となる穴５１は加工用データに基づいて深さ、内径等が設定されており、穴５１の形状を正確に測定するために第一測定位置３０においてプローブ１５の軸線方向が穴５１の形成方向とほぼ平行となるようにしておく方が好ましい。なお、第一測定位置３０は穴５１の内部であればその深さは限定されないが、穴５１の下端に近いとプローブ１５がさらに移動することができなくなる。
【００３２】
ステップ２（Ｓ２）
第一測定位置３０へ移動した後に穴５１の形状（内径）を算出するための座標測定を行う。穴５１の内径を測定する段階では穴５１の中心および半径はいずれも判明していない。このため、第一測定位置３０において、同位置にあるプローブ１５のうち基本光αが照射される位置における軸心ｇを座標原点（Ｘ＝０，Ｙ＝０）とした場合の、同位置における穴５１の内壁面５２の円周上の異なる３箇所の座標を測定する。なお、この場合の座標は受光面２６の座標と同じマップを用いてもよいし、異なるマップを用いてもよい。測定対象となる３箇所の座標は第一測定ユニット２０ａ、第二測定ユニット２０ｂ、第三測定ユニット２０ｃを順次作動させて行う。以下、第一測定ユニット２０ａを用いた測定方法を例に説明する。
【００３３】
まず、集光レンズ２４の中心点２４ａを通り、基体１６の軸線ｈに平行な仮想線ｎを想定する（図７）。仮想線ｋと仮想線ｌはともに基体１６の軸線ｈに直交することから、仮想線ｋと仮想線ｌは仮想線ｎに対しても直交する関係にある。穴５１の内壁面５２に到達した基本光αは反射位置５２ａにおいて散乱光として乱反射し、その散乱光の一部は反射光βとして集光レンズ２４を通って受光面２６上に結像する。この反射光βのうち集光レンズ２４の中心点２４ａを通る光軸を仮想線ｐとする。
【００３４】
ここで、図７において仮想線ｋと仮想線ｎとの交点を点Ｏとし仮想線ｎと受光面２６上の仮想線ｍとの交点を点Ｄとする。また基本光αの反射位置５２ａを点Ａ、集光レンズ２４の中心点２４ａを点Ｂとし、反射光βの受光面２６上の結像点２６ｂを点Ｃとすると、同一平面上に三角形ＯＡＢと三角形ＤＢＣの２つの直角三角形を形成することができる。
【００３５】
この三角形ＯＡＢと三角形ＤＢＣのそれぞれ点Ｂを頂点とする内角は対角であるため同じ角度であり、また点Ｏ、点Ｄをそれぞれ頂点とする内角はいずれも直角であるため、二組の角が等しい三角形となり、三角形ＯＡＢと三角形ＤＢＣは相似である。また、辺ＯＢは距離ａ、辺ＤＢは距離ｂに設定されているため、相似条件により辺ＯＡの距離：辺ＣＤの距離＝距離ａ：距離ｂの関係が成立する。
【００３６】
一方、辺ＯＡは仮想線ｋの一部であるから、基体１６の表面から反射位置５２ａ（点Ａ）までの距離をＬ、軸線ｈから基体１６表面までの距離（基体の半径）を距離ｒ、軸線ｈから集光レンズ２４の中心点２４ａ（点Ｂ）までの距離を距離ｃとすると、辺ＯＡの距離はＬ＋ｒ−ｃにて表すことができる。このうち、距離ｒ及び距離ｃは予め距離が特定されている。他方、辺ＤＣは、仮想線ｋと平行な仮想線ｍ上の一部であり、受光面２６上の軸線ｈから点Ｄまでの距離は軸線ｈから集光レンズ２４の中心点２４ａまでの距離（＝距離ｃ）に等しい。また、辺ＤＣの距離は、軸線ｈから集光レンズ２４の中心点２４ａまでの距離ｃから、軸線ｈから点Ｃまでの距離ｓを除したものであるから、辺ＤＣの距離＝距離ｃ−距離ｓにて表すことができる。
【００３７】
そして、前記の三角形の相似条件から、Ｌ＋ｒ−ｃ：ｃ−ｓ＝ａ：ｂの関係が成り立つ。この式を展開すると、以下の式（１）となる。
【００３８】
【数１】
【００３９】
この式の右辺において距離ａ，距離ｂ，距離ｃ，距離ｒはいずれも距離が判明しており、距離ｓのみが変化する値である。したがって、距離ｓを求めることにより上記式を用いて距離Ｌを求めることができる。ここで、距離Ｌと距離ｓとの関係は上記式（１）にて示したように１次の直線となるから、式（１）を距離ｓで微分して得られる距離ｓの微小変化ｄｓに対する距離Ｌの微小変化ｄＬの割合、すなわち受光素子２５における検出感度は、ｄＬ／ｄｓ＝−ａ／ｂと一定となり、距離Ｌ、距離ｓに依存しない。
【００４０】
距離ｓは受光面２６上の原点２６ａから結像点２６ｂ（点Ｃ）までの距離（ただし、ｙ座標が負の時は距離ｓは負の値）であり、結像点２６ｂ（点Ｃ）は座標（０，ｙ１）にて特定されるため、ｓ＝ｙ１として特定することができる。これにより求めたｓの値を上記式に代入することにより、プローブ１５表面から穴５１の内壁面５２である反射位置５２ａまでの距離Ｌ、さらには反射位置５２ａの座標値（Ｘ１１，Ｙ１１）を測定することができる。第一測定ユニット２０ａによる測定にて求められた反射位置５２ａの座標（Ｘ１１，Ｙ１１）は、コンピュータのＲＡＭ（図示略）に格納される。
【００４１】
第一測定位置３０における仮想円である第一仮想円３１の式を求めるには異なる３箇所の座標が必要であるため、同様の手順にて第二測定ユニット２０ｂ、第三測定ユニット２０ｃを作動させて異なる二つの反射位置の座標値（Ｘ１２，Ｙ１２）（Ｘ１３，Ｙ１３）を求める。このうち、第二測定ユニット２０ｂは、第一測定ユニット２０ａに対して軸線ｈを中心として図３中時計回りに１２０度回転させた位置に配置されている。このため、第二測定ユニット２０ｂによる受光面２６上の結像点２６ｂの軌跡は原点２６ａを通りｙ軸に対して時計回りに１２０度傾いた直線（ｙ＝−１／√３ｘ）上に形成される（図６にて二点鎖線で示す）。
【００４２】
また、第三測定ユニット２０ｃは、第一測定ユニット２０ａに対して軸線ｈを中心として図４中反時計回りに１２０度回転させた位置に配置されていることから、第三測定ユニット２０ｃによる受光面２６上の結像点２６ｂの軌跡は原点２６ａを通りｙ軸に対して反時計回りに１２０度傾いた直線（ｙ＝１／√３ｘ）上に形成される（図６にて破線で示す）。そして、第二測定ユニット２０ｂ及び第三測定ユニット２０ｃを用いてそれぞれ測定した受光面２６上の結像点２６ｂ（点Ｃ）の座標値（ｘ１２，ｙ１２）、（ｘ１３，ｙ１３）は、いずれも反射位置５２ａがプローブ１５に近い場合にはそのｙ座標値が小さく反射位置が離れるにしたがってｙ座標値が大きくなる。
【００４３】
したがって、第二測定ユニット２０ｂ並びに第三測定ユニット２０ｃの結像点２６ｂ（点Ｃ）の座標値に基づくそれぞれの距離ｓは、以下の式（２）又は式（３）にて求めることができる。
【００４４】
【数２】
【００４５】
上記の式により求められた距離ｓを式（１）に代入することにより、第二測定ユニット２０ｂ及び第三測定ユニット２０ｃにおける基体１６の表面から各反射位置５２ａまでの距離Ｌをそれぞれ求めることができ、更には各反射位置の座標値（Ｘ１２，Ｙ１２）（Ｘ１３，Ｙ１３）を求めることができる。この座標値もコンピュータのＲＡＭ（図示略）に格納される。
【００４６】
ステップ３（Ｓ３）
上記ステップ２により求めた穴５１の内壁面５２の３箇所の座標値に基づいて第一仮想円３１の式を算出する。まず、既に求めた３つの反射位置５２ａの座標値（Ｘ１１，Ｙ１１）（Ｘ１２，Ｙ１２）（Ｘ１３，Ｙ１３）のうち任意の２点の座標値（Ｘｉ，Ｙｉ）、（Ｘｉ＋１，Ｙｉ＋１）を、下記式（４）の円の方程式に代入する。なお、本実施形態では、穴５１の断面形状を略真円と仮定する。
【００４７】
【数３】
【００４８】
そして、各座標値をそれぞれ代入した後に得られた双方の式を減算し、Ｃｘ,Ｃｙについて整理すると、下記式（５）が得られる。なお、ｎ点（本実施形態では３点）の測定結果においては、式（５）が(ｎ−１)個得られる。
【００４９】
【数４】
【００５０】
ここで、式（５）を下記の式（６）〜（８）のようにおくと、
【００５１】
【数５】
【００５２】
上記式（５）は、下記の式（９）のように表される。
【００５３】
【数６】
【００５４】
なお、ｎ点（本実施形態では３点）の測定結果からは、(ｎ−１)個の式（９）が得られる。この結果から、最小二乗法を用いてＣｘ,Ｃｙを求めると、下記の式（１０）及び式（１１）が得られる。
【００５５】
【数７】
【００５６】
【数８】
【００５７】
但し、Σの範囲は１≦ｉ≦ｎ−１である。これにより、第一仮想円３１の中心座標３１ａが求められる。そして、この中心座標３１ａを決定した後、下記式（１２）により各反射位置の座標値に対応したＲｉを求め、その平均値を仮想円の半径の測定値Ｒとする。
【００５８】
【数９】
【００５９】
但し、Σの範囲は１≦ｉ≦ｎである。このようにして仮想円の半径を求めることで、穴の内径（仮想円の直径）が算出される。したがって、円周上の３箇所の異なる座標を得ることができれば上記円の方程式の３つの定数を算出することができる。算出した第一仮想円３１の式はコンピュータのＲＡＭに格納される。
【００６０】
ステップ４（Ｓ４）
ステップ４において、コンピュータは駆動手段を駆動させてプローブ１５を第二測定位置４０（図９の二点差線で示す位置）へと移動させる。この第二測定位置４０は第一測定位置３０におけるプローブ１５をその軸線ｈ上に穴５１の深さ方向Ｆへ向けて所定距離ｔだけ移動させた位置である。
【００６１】
ステップ５（Ｓ５）
プローブ１５を第二測定位置４０へ移動した後には同位置における穴５１の形状を測定する。この測定方法はステップ２の測定方法と同じであり、第一測定ユニット２０ａ、第二測定ユニット２０ｂ及び第三測定ユニット２０ｃを順次動作させてこの第二測定位置における穴５１の内壁面５２の異なる３箇所の座標値（Ｘ２１，Ｙ２１）（Ｘ２２，Ｙ２２）（Ｘ２３，Ｙ２３）を測定する。
【００６２】
ステップ６（Ｓ６）
上記ステップ５により求めた第二測定位置４０における穴５１の内壁面５２の３箇所の座標値に基づいて第二仮想円４１の式を算出する。算出方法はステップ３と同じであり、算出した第二仮想円４１の式はコンピュータのＲＡＭ（図示略）に格納される。
【００６３】
ステップ７（Ｓ７）
コンピュータは、ステップ３で求めた第一仮想円３１とステップ６で求めた第二仮想円４１の式をＲＡＭから読み出して穴５１の傾斜角度θを演算する。すなわち、プローブ１５の軸線方向に対する穴５１の傾斜角度θは第一仮想円３１の中心座標３１ａと第二仮想円４１の中心座標４１ａとを結ぶ線により求めることができる（図１０）。ここで、穴５１の傾斜角度θが零で、内壁面５２がプローブ１５の軸線方向と一致する場合には、第一仮想円３１の中心座標３１ａと第二仮想円４１の中心座標４１ａは一致するはずである。一方、第一仮想円３１の中心座標３１ａに対して第二仮想円４１の中心座標４１ａが一致しない場合（図１０に示す状態）には、プローブ１５の軸線方向に対して穴５１が傾いていることになるため、第一仮想円３１の中心座標３１ａと第二仮想円４１の中心座標４１ａとプローブ１５の距離ｔとの関係から穴５１の傾斜角度θを算出することができる。
【００６４】
上記実施形態の光学式測定装置１０によれば、以下のような効果を得ることができる。
＊ 本実施形態の光学式測定装置１０によれば、各測定ユニット２０（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ）から基本光αを穴５１の内壁面５２に対して照射することで各反射位置５２ａの座標値を求め、穴５１の内部における任意の箇所で１つの仮想円を同定することにより穴５１の内径が測定される。また、穴５１の内部においてプローブ１５の軸線方向の２箇所でそれぞれ仮想円を同定することにより穴５１の傾斜角度θが測定される。すなわち、プローブ１５を穴５１の内壁面５２に接触させることなく同穴５１の内部が測定可能とされる。これにより、本実施形態では、穴５１の内壁面５２にプローブ１５を接触させるための複雑な機構を必要とせず、構成の簡略化を図ることができ、ひいては装置の大型化が回避される。そして、穴５１の内部にプローブ１５を挿入するといった極めて簡易な操作により、所望の測定が可能となる。従って、本実施形態の光学式測定装置１０によれば、被測定物５０の製造現場においてその穴５１の内部を短時間で容易に測定することができる。
【００６５】
＊ 本実施形態では、内壁面５２の反射位置５２ａにおいて散乱された散乱光のうちの任意の光を反射光βとして受光素子２５上に結像させて結像点２６ｂの座標を測定している。このため、本実施形態では、反射光βを正確に受光素子２５上に結像させるべく光の角度や、基体１６の内部における受光素子２５の設置箇所等を厳密に調整する必要がない。従って、本実施形態の光学式測定装置１０によれば、構造の簡易化を図ることができる。
【００６６】
＊ 本実施形態の光学式測定装置１０には、光源としての光ファイバー２１がユニットとして周方向において３つ設けられている。ここで、上記仮想円を同定する際には最低限３つの座標値が必要となる。本実施形態によれば、そうした３つの座標値が一度の測定において瞬時に算出可能とされる。これにより、仮想円径および中心座標の同定を容易に行うことができる。また、各光ファイバー２１は、周方向において等間隔に設けられている。すなわち、周方向において等間隔に反射位置５２ａの座標値が求められることとなる。これにより、穴５１の内部形状を高い精度で反映する仮想円を同定することが可能となるため、穴５１の内壁面５２の傾斜角度や穴５１の内径を正確に測定することができる。
【００６７】
＊ 光源として光ファイバー２１を用いることにより、穴５１の内壁面５２の所定箇所に対して基本光αを確実に照射させることができる。
＊ 穴５１の内壁面５２の座標値は、受光面２６の原点２６ａからの反射光βの受光面２６上への結像点２６ｂまでの距離ｓを求めることによって算出している。したがって穴５１の内壁面５２の座標値を容易に測定することができる。
【００６８】
＊ 受光手段として受光素子（二次元ＰＳＤ）２５をその受光面２６が軸線ｈに直交する平面上となるように配置して各測定ユニット２０にて共用している。このため、受光手段を測定ユニット２０の数に応じて準備する必要がない。
【００６９】
＊ 反射光βを集光レンズ２４によって集光させて受光面２６上に結像させている。このため、受光面２６上の結像点２６ｂのスポット面積が小さくなり、光の重心位置を求めるＰＳＤの測定誤差が小さくなる。
【００７０】
＊ 集光レンズ２４によって反射光βを集光させて受光素子２５上に結像させるため、受光素子２５上の結像点２６ｂの光量も増加することとなり検出感度が良好となる。
＊ 距離Ｌと距離ｓとの関係は１次の直線（式（１））となるから、受光素子２５における検出感度は、ｄＬ／ｄｓ＝−ａ／ｂと一定となり、距離Ｌ、距離ｓに依存することなく安定した感度を得ることができる。
【００７１】
なお、上記実施形態は以下のように変更、応用してもよい。
○ 受光素子（二次元ＰＳＤ）２５に、測定に用いた波長の光のみを通過させるフィルタを備えたものを用いると、外乱光等のノイズを更に減少させることができる。
【００７２】
○ 上記実施形態にて配置されている集光レンズ２４を用いることなく、集光レンズ２４を配置していた位置に細孔を形成することにより、同細孔をピンホールとして機能させて反射光βを受光面２６上に結像又は照射させてもよい。この場合、細孔を通過した反射光βのみにて受光面２６上に結像（照射）点２６ｂを形成することから、集光レンズ２４を用いる場合に比して結像（照射）点２６ｂの光量が不十分になる可能性がある。このため、集光レンズ２４を使用しなくても反射光βが受光素子２５にて検出可能な程度の光量が得られる光を基本光αとする必要がある。
【００７３】
○ 上記実施形態では、測定ユニット２０を周方向に等間隔に３組備えているが、測定ユニット２０は１組或いは２組でもよい。測定ユニット２０が１組の場合にはプローブ１５が軸線ｈを中心として回転可能としておき、穴５１の内壁面５２の座標を１箇所測定する毎に所定角度回転し、異なる３箇所における穴５１の内壁面５２の座標を測定することにより穴５１の形状を測定することができる。また、２組の場合には少なくとも異なる３箇所における穴５１の内壁面５２の座標を測定することができればよい。
【００７４】
○ 受光手段を上記実施形態の二次元ＰＳＤ２５に変えて、色を識別することができるカラーＣＣＤとしてもよい。この場合、３組の測定ユニット２０の光源の光色をそれぞれ異ならせる（例えば、グリーン、ブルー、レッド）ことにより、受光手段にて複数の測定ユニット２０からの反射光を順次受光しても色ごと、つまり各測定ユニット２０の反射位置５２ａからの反射光β毎に各結像点２６ｂの座標を特定することができる。
【００７５】
○ 上記実施形態では光源として光ファイバー２１を用いたが、これに変えてＬＥＤやレーザダイオード等の他の光源に変更してもよい。
○ 本実施形態では、３つの光ファイバー２１を周方向において等間隔毎に設けたが、隣接する光ファイバー２１同士の間隔はそれぞれ相違するものであってもよい。
【００７６】
○ 本実施形態のプローブ１５における測定ユニット２０を、同プローブ１５の先端側にさらに１組ずつ設ける構成でもよい。すなわち、プローブ１５には、３組×２段の測定ユニット２０が設けられることとなる。このように構成した場合には、穴５１の内部において軸線方向にプローブ１５を動かさずとも、穴５１の深さ方向において異なる箇所にて第一仮想円と第二仮想円とを測定することが可能となる。従って、この構成によれば、穴５１の内部において第一測定位置３０から第二測定位置４０へとプローブ１５を移動させる操作が不要となるため、穴５１の内部の測定が一層容易なものとなる。
【００７７】
○ 本実施形態では、穴５１の内部の深さ方向における２箇所（第一測定位置３０及び第二測定位置４０）においてそれぞれ仮想円を同定し、その仮想円の半径から個々に穴の内径を求めたが、穴５１の内部において３箇所以上でそれぞれ仮想円を同定し、各仮想円の直径の平均値を穴の内径としてもよい。
【００７８】
○ 本実施形態では、穴５１の断面形状を略真円と仮定したが、その断面形状が仮に楕円であるときには、上記円の方程式の代わりに楕円の公式を採用する。この場合、上記と同様に仮想円を求める際には、穴５１の内壁面上における反射位置の座標値が少なくとも４つ必要となる。こうしたときには、測定の簡易化及び迅速化を図るべく、基体１６の軸線ｈ上に中心を有する同一円周上において４つ以上の測定ユニット２０を設ける構成が好ましい。
【００７９】
○ 本実施形態では、穴５１の内部において第一仮想円３１と第二仮想円４１を求めることで穴５１の内壁面５２の傾斜角度θを測定したが、これを以下の方法に変更してもよい。すなわち、穴５１の内部の２箇所において本実施形態と同様の方法で第一測定位置３０での距離（Ｌ）Ｌ１と第二測定位置４０での距離（Ｌ）Ｌ２を算出した後、下記式（１３）により傾斜角度θｉを求める。
【００８０】
【数１０】
【００８１】
この式（１３）により傾斜角度θｉをそれぞれ求め、その平均値を内壁面の傾斜角度θの測定値とする。
○ 本実施形態では、光ファイバー２１よりも基体１６の先端側に位置する箇所に受光素子２５を配設したが、同受光素子２５の配設箇所はこれに限定されるものではない。すなわち、光ファイバー２１よりも基体１６の基端側に位置する箇所に受光素子２５を配設してもよい。このような構成とした場合においても、穴５１の内壁面５２で反射した散乱光のうち任意の光が受光素子２５上に結像されることから、穴５１の内部形状に関する所望の測定が可能となる。
【００８２】
○ 本実施形態では、第一仮想円３１を同定した後にプローブ１５を穴５１の深さ方向Ｆの底部側に移動させて第二仮想円４１を同定したが、これとは逆方向（穴の開口部側）へプローブ１５を移動させて上記第二仮想円４１を同定する方法を採用してもよい。
【００８３】
○ 本実施形態では、第一仮想円３１を同定し、続いて第二仮想円４１を同定することにより穴の傾きを求めるという流れである。これに限られず、第一測定位置３０における穴５１の内壁面５２の座標を所定数測定し、続いて第二測定位置４０における穴５１の内壁面５２の座標を所定数測定し、その後に第一仮想円３１の同定及び第二仮想円４１を同定して穴５１の傾きを求めるという工程を採用してもよい。
【００８４】
次に、本発明の光学式測定装置について、既に示した実施形態（第１の実施形態）とは別の実施形態（第２の実施形態）を示す。この実施形態では第１の実施形態と比して集光レンズ１２４を傾斜させて配置した点に特徴があり、第１の実施形態と同様の構成については説明を省略し、また、説明を行う場合であっても第１の実施形態と同様の構成については同じ符号を用いる。
【００８５】
図１１に示すように、プローブ１５の基体１６を構成する基体本体１１７の先端には底部は形成されておらず開口されている一方、基体先端部１１８の底部１１８ａは外周部１１８ｂに対して中央部１１８ｃが基体本体１１７側に突き出た断面凸状に形成されている。外周部１１８ｂと中央部１１８ｃとの間は傾斜部１１８ｄが形成されており、外周部１１８ｂと中央部１１８ｃとの間にまたがるように底部１１８ａを貫通する円孔が形成されている。この円孔の内側周囲には図示しない保持枠が形成されており、この保持枠内に集光レンズ１２４が固定されている。
【００８６】
図１２にて集光レンズ１２４の位置関係を詳細に示す。集光レンズ１２４の光学的な中心点１２４ａは仮想線ｋを基体１６の軸線ｈに沿って基体１６の先端側に距離ａだけ平行移動させた仮想線ｌ上に位置している。一方、集光レンズ１２４は、その光軸が受光面２６の原点２６ａと集光レンズ１２４の中心点１２４ａとを結ぶ線ｑと一致するように配置されている。なお、この実施形態でも測定ユニットを３組備えており、他の測定ユニットを構成する集光レンズも各測定ユニット内にて同様に傾斜して配置されていることは第１の実施形態と同様である。また、この第２の実施形態に係る光学式測定装置１０を用いた穴内部の測定方法は第１の実施形態と同じであるため説明を省略する。この第２の実施形態の光学式測定装置１０によれば、第１の実施形態に加えて以下のような効果を得ることができる。
【００８７】
すなわち、第１の実施形態においては集光レンズ２４の光軸はプローブの軸線ｈと平行であり、穴５１の内壁面５２の反射位置５２ａにて反射して集光レンズ２４を通過する反射光βは穴５１の反射位置５２ａと集光レンズ２４の中心点２４ａとを結ぶことから、この反射光βと集光レンズ２４の光軸との間には必ずある程度の角度差が存在する。このような角度差がある場合、受光面２６上に形成される結像点の形状は楕円形状、さらに詳しくいえば尾を引いた彗星のような形状となる。この現象をコマ収差現象といい、集光レンズ２４に対する反射光βの角度差が大きくなるにしたがって顕著となり、尾が長くなる。受光素子である二次元ＰＳＤ２５は受光面２６上の結像点の重心を求めるものであるため、上記現象による結像点２６ｂの形状の変形に伴い、受光素子２５によって求められる重心位置がずれてしまい検出誤差が生ずる可能性もある。
【００８８】
これに対して、第２の実施形態のように予め集光レンズ１２４の光軸を反射光βに対応して傾斜させて配置させることにより、上記コマ収差現象による受光素子２５による検出誤差を減少させることができる。この場合、反射光βと集光レンズ１２４の光軸との角度差をなくすることは困難であるため、受光面２６上において反射光βを受光可能な範囲（図６参照）の中間位置である原点２６ａに集光レンズ１２４の光軸を合わせることにより、極端な検出誤差の発生を抑制することができる。
【００８９】
また、集光レンズ１２４の光軸を傾斜させて配置する場合の角度は上記実施形態に示すものには限られず、少なくとも集光レンズ１２４の光軸がプローブ１５の先端方向に向かってプローブ１５の軸線ｈ側に傾斜していればよい。具体的な角度は受光素子２５の検出有効範囲や想定する穴の径等に応じて設定することができる。
【００９０】
上記した実施形態から把握することのできる技術的思想を下に示す。
（１）プローブには、透過部を透過した任意の散乱光を集光させて受光素子に受光させるための集光レンズが配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学式測定装置。
（２）前記集光レンズは、その光軸がプローブの先端方向に向かってプローブの軸線側に傾斜して配置されていることを特徴とする技術的思想１に記載の光学式測定装置。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本実施形態（第１の実施形態）の光学式測定装置を示す概略図。
【図２】同光学式測定装置を示す部分拡大概略図。
【図３】本実施形態のプローブの内部の断面図。
【図４】図３のＡ−Ａ線端面図。
【図５】図３のＢ−Ｂ線端面図。
【図６】受光面上の結像点の軌跡を示す模式図。
【図７】穴内部の測定方法を示す概略図。
【図８】穴内部の測定方法を示すフロー図。
【図９】穴内部の測定方法を示す説明図。
【図１０】穴内部の測定方法を示す説明模式図。
【図１１】第２の実施形態のプローブの内部の断面図。
【図１２】第２の実施形態の集光レンズの光軸を示す説明図。
【符号の説明】
【００９２】
α…基本光、θ，θｉ…傾斜角度、Ｆ…深さ方向、ｈ…軸線、１０…光学式測定装置、１５…プローブ、２０（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ）…測定ユニット、２１…光ファイバー、２３…透過部としての反射光導入孔、２４、１２４…集光レンズ、２５…受光素子（二次元ＰＳＤ）、２６…受光面、３０…第一測定位置、３１…第一仮想円、４０…第二測定位置、４１…第二仮想円、５０…被測定物、５１…穴、５２…内壁面、５２ａ…反射位置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物に設けられた穴の内部を測定する光学式測定装置であって、
前記被測定物の穴の内壁面に向けて基本光を照射する光源と、前記内壁面で反射された任意の散乱光を透過させるための透過部と、当該透過部を透過した前記任意の散乱光を受光する受光素子とを備えてなる非接触式のプローブと、
前記プローブが前記穴の内部に挿入された状態で、前記受光素子上における前記任意の散乱光の受光位置に基づき仮想円径および中心座標を求めることにより、前記穴の内径を算出する演算手段とを備えてなることを特徴とする光学式測定装置。
【請求項２】
被測定物に設けられた穴の内部を測定する光学式測定装置であって、
前記被測定物の穴の内壁面に向けて基本光を照射する光源と、前記内壁面で反射された任意の散乱光を透過させるための透過部と、当該透過部を透過した前記任意の散乱光を受光する受光素子とを備えてなる非接触式のプローブと、
前記プローブが前記穴の内部に挿入された状態で、当該穴の深さ方向に沿う少なくとも２箇所において前記受光素子上における前記任意の散乱光の受光位置に基づきそれぞれ仮想円径および中心座標を求めることで、前記穴の傾斜角度を算出する演算手段とを備えてなることを特徴とする光学式測定装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の光学式測定装置であって、
前記光源は、前記プローブの軸線上に中心を有する同一円周上において複数設けられてなることを特徴とする光学式測定装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学式測定装置であって、
前記受光素子は二次元位置検出素子であり、該二次元位置検出素子の受光面は前記プローブの軸線と直交する平面上に配置されていることを特徴とする光学式測定装置。
【請求項５】
被測定物に設けられた穴の内部を測定する光学式測定方法であって、
前記被測定物の穴の内壁面の少なくとも異なる３箇所に向けて基本光を照射して各箇所の座標を特定する工程と、
前記工程で求めた内壁面の少なくとも異なる３箇所の座標に基づいて仮想円を求めることにより、前記穴の内径を算出する工程からなることを特徴とする光学式測定方法。
【請求項１】
被測定物に設けられた穴の内部を測定する光学式測定装置であって、
前記被測定物の穴の内壁面に向けて基本光を照射する光源と、前記内壁面で反射された任意の散乱光を透過させるための透過部と、当該透過部を透過した前記任意の散乱光を受光する受光素子とを備えてなる非接触式のプローブと、
前記プローブが前記穴の内部に挿入された状態で、前記受光素子上における前記任意の散乱光の受光位置に基づき仮想円径および中心座標を求めることにより、前記穴の内径を算出する演算手段とを備えてなることを特徴とする光学式測定装置。
【請求項２】
被測定物に設けられた穴の内部を測定する光学式測定装置であって、
前記被測定物の穴の内壁面に向けて基本光を照射する光源と、前記内壁面で反射された任意の散乱光を透過させるための透過部と、当該透過部を透過した前記任意の散乱光を受光する受光素子とを備えてなる非接触式のプローブと、
前記プローブが前記穴の内部に挿入された状態で、当該穴の深さ方向に沿う少なくとも２箇所において前記受光素子上における前記任意の散乱光の受光位置に基づきそれぞれ仮想円径および中心座標を求めることで、前記穴の傾斜角度を算出する演算手段とを備えてなることを特徴とする光学式測定装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の光学式測定装置であって、
前記光源は、前記プローブの軸線上に中心を有する同一円周上において複数設けられてなることを特徴とする光学式測定装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学式測定装置であって、
前記受光素子は二次元位置検出素子であり、該二次元位置検出素子の受光面は前記プローブの軸線と直交する平面上に配置されていることを特徴とする光学式測定装置。
【請求項５】
被測定物に設けられた穴の内部を測定する光学式測定方法であって、
前記被測定物の穴の内壁面の少なくとも異なる３箇所に向けて基本光を照射して各箇所の座標を特定する工程と、
前記工程で求めた内壁面の少なくとも異なる３箇所の座標に基づいて仮想円を求めることにより、前記穴の内径を算出する工程からなることを特徴とする光学式測定方法。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００８−１５７６３５（Ｐ２００８−１５７６３５Ａ）
【公開日】平成２０年７月１０日（２００８．７．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３４３３４０（Ｐ２００６−３４３３４０）
【出願日】平成１８年１２月２０日（２００６．１２．２０）
【出願人】（３９１００２４８７）学校法人大同学園 (23)
【出願人】（３９３０１１０３８）菱栄エンジニアリング株式会社 (59)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月１０日（２００８．７．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月２０日（２００６．１２．２０）
【出願人】（３９１００２４８７）学校法人大同学園 (23)
【出願人】（３９３０１１０３８）菱栄エンジニアリング株式会社 (59)
【Ｆターム（参考）】
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