光学式測定装置
【課題】測定対象に設けられた穴の傾斜角等を高精度で測定すること。
【解決手段】光源部１０６は、断面が線状で所定間隔に配置された複数の平行な光ビームから成る測定用光１５０を出力する。光検出部１１１、１１４は、測定対象１３０の穴１３２周辺領域で反射した測定用光１５０を検出する。制御部１２６は、光検出部１１１、１１４が検出した複数の光ビームと穴１３２周縁部との交点の位置座標を用いて各光ビームの垂直２等分線を求め、穴１３２と交差しない複数の光ビームと前記垂直２等分線との交点の位置座標と前記光ビームの既知の間隔とを用いて穴１３２の傾斜角を算出する。
【解決手段】光源部１０６は、断面が線状で所定間隔に配置された複数の平行な光ビームから成る測定用光１５０を出力する。光検出部１１１、１１４は、測定対象１３０の穴１３２周辺領域で反射した測定用光１５０を検出する。制御部１２６は、光検出部１１１、１１４が検出した複数の光ビームと穴１３２周縁部との交点の位置座標を用いて各光ビームの垂直２等分線を求め、穴１３２と交差しない複数の光ビームと前記垂直２等分線との交点の位置座標と前記光ビームの既知の間隔とを用いて穴１３２の傾斜角を算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
測定対象の穴の傾斜角等を光学的に測定する光学式測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半導体レーザ等の光源から発生した測定用光を測定対象に照射し、前記測定対象で反射した前記測定用光を検出することによって、三角測量法を用いて、所定位置から測定対象までの距離や前記測定対象の３次元形状等、測定対象についての長さに関する情報を光学的に測定する光学式測定装置が開発されている。光学的に測定する方式として、光源及び光検出部を各々１つ用いて光学的に測定する光学式測定装置（例えば、特許文献１参照）と、１つの光源と２つの光検出部を用いて光学的に測定する光学式装置が開発されている（例えば特許文献２参照）。
【０００３】
光学的に測定する用途は多岐にわたっており、その一つの例として、測定対象に設けられた穴の傾斜角、中心位置、穴径等を測定する方法が開発されている（例えば、特許文献３参照）。
特許文献３記載の発明では、レーザスポットを用いて測定対象の穴を相互に交差する方向に走査することにより、前記穴縁部の４点の座標を取得し、前記座標に基づいて、前記穴の傾斜角、穴の中心位置、穴径等を算出するように構成している。
【０００４】
しかしながら、特許文献３記載の発明では、レーザスポットを用いて走査することによって前記穴縁部の座標を取得するようにしているため、走査に時間がかかり、測定に長時間要するという問題がある。また、レーザスポットが交差する交点位置が前記穴の中心に近い場合は、穴縁部の４点で反射した光に基づいて穴の傾斜角等を高精度に測定することが可能であるが、前記交点位置が前記穴縁部に近い場合は高精度な測定が困難になるという問題がある。
【０００５】
また、特許文献４記載の発明のように、断面が線状の複数の光ビームを発生する光源が知られているが、特許文献４記載には単に光源としての発明が開示されているにすぎず、光学的な測定に応用することは何ら記載されていない。
仮に、特許文献４記載に記載された発明を用いて断面が十字状の光ビームを出力する光源を構成し、前記光源を光学式測定装置の光源として用いた場合でも、十字状光ビームの中心位置（２つの線状ビームの交点位置）が穴縁部に近い場合は前述したように高精度な測定が困難になるという問題がある。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３４０８５６号公報
【特許文献２】特開２００７−１９８８４１号公報
【特許文献３】特開２０００−１８９１４号公報
【特許文献４】特開平８−４３６１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、測定対象に設けられた穴の傾斜角等を高精度で測定できるようにすることを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、断面が線状で所定間隔に配置された複数の平行な光ビームから成る測定用光を出力する光源部と、測定対象の穴周辺領域で反射した前記測定用光を検出する検出手段と、前記検出手段が検出した複数の光ビームと穴周縁部との交点の位置座標を用いて前記光ビームの垂直２等分線を求め、前記穴と交差しない複数の光ビームと前記垂直２等分線との交点の位置座標と、前記光ビームの間隔とを用いて前記穴の傾斜角を算出する算出手段とを備えて成ることを特徴とする光学式測定装置が提供される。
【０００９】
光源部は、断面が線状で所定間隔に配置された複数の平行な光ビームから成る測定用光を出力する。検出手段は、測定対象の穴周辺領域で反射した前記測定用光を検出する。算出手段は、前記検出手段が検出した複数の光ビームと穴周縁部との交点の位置座標を用いて前記光ビームの垂直２等分線を求め、前記穴と交差しない複数の光ビームと前記垂直２等分線との交点の位置座標と前記光ビームの間隔とを用いて前記穴の傾斜角を算出する。
【００１０】
ここで、前記穴は円形であり、前記算出手段は、下記式に基づいて前記穴の傾斜角を算出するように構成してもよい。
θX＝ｔａｎ−１（（Ｚ6O−Ｚ1O）／（Ｙ6O−Ｙ1O））
θY＝ｔａｎ−１（（Ｚ4R−Ｚ4L）／（Ｘ4R−Ｘ4L））
但し、θXはＸ軸周りの傾斜角、θYはＹ軸周りの傾斜角であり、又、Ｙ10、Ｙ60、Ｚ10、Ｚ60は前記穴の両側に位置し前記穴と交差しない２つの光ビームと前記穴の中心を通り前記２つの光ビームに直交する線との交点のＹ座標及びＺ座標であり、又、Ｘ4R、Ｚ4R、X4L、Ｚ4Lは前記光ビームと前記穴周縁部との間の２つの交点のＸ座標、Ｚ座標である。
【００１１】
また、前記算出手段は、前記検出手段が検出した複数の光ビームと穴周縁部との交点の位置座標を用いて前記穴の中心の位置座標を算出するように構成してもよい。
また、前記算出手段は、前記検出手段が検出した複数の光ビームと穴周縁部との交点の位置座標を用いて前記穴の径を算出するように構成してもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る光学式測定装置によれば、測定対象に設けられた穴の傾斜角等を高精度で測定することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る光学式測定装置について説明する。尚、各図において同一部分には同一符号を付している。
図１は、本発明の実施の形態に係る光学式測定装置の平面図で、ケース本体の一部を省略して内部を示した図である。
また、図２は図１の光学式測定装置の正面図、図３は図１の光学式測定装置の左側面図であり、各々、ケース本体の一部を省略して内部を示した図である。
【００１４】
本実施の形態に係る光学式測定装置１００は、ケース本体１０１、ケース本体１０１の前面に配設された非透光性の前面板１０２、前面板１０２の貫通穴を覆うように取り付けられケース本体１０１内とケース本体１０１外間の光通過を可能にする円板状の第１〜第３窓部１０３〜１０５を備えている。第１〜第３窓部１０３〜１０５は長方形状等の他の形状にしてもよい。
【００１５】
第１〜第３窓部１０３〜１０５は、透光性部材によって構成され、防塵機能を有すると共に赤外線を遮断して熱を遮蔽する機能を備えている。ケース本体１０１と前面板１０２及び第１〜第３窓部１０３〜１０５により、防塵機能を有する密閉ケースが構成されている。
第１窓部１０３は第１光軸１１９と直交するように前面板１０２に取り付けられると共に第１窓部１０３の中心を光軸１１９が通る位置に取り付けられている。
【００１６】
第２光軸１２０と第３光軸１２１は、光軸に対して所定角度傾斜すると共に、光軸１１９を軸として対称に配置されている。第２、第３窓部１０４、１０５は、各々、第２、第３光軸１２０、１２１と直交するように前面板１０２に取り付けられると共に、相互に光軸１１９を軸として対称になる位置に取り付けられている。第２、第３窓部１０４、１０５は、光軸１１９に対して、逆方向に所定角度傾斜するよう取り付けられている。また、第２窓部１０４の中心を光軸１２０が通り、第３窓部１０５の中心を光軸１２１が通るように配置されている。
【００１７】
ケース本体１０１内には、断面が線状で、既知の所定間隔に配置された複数（本実施の形態では６本）の平行な光ビームから成る測定用光を出力する光源部１０６が所定位置に取り付けられている。前記複数の光ビームの中心が光軸１１９に一致するように配置されている。このように、光源部１０６及び第１窓部１０３が光軸１１９に沿って並設されている。
尚、測定対象１３０については後述するが、図１に測定対象１３０の断面図を示し、図２及び図３では測定対象１３０は省略して描いている。
【００１８】
光源部１０６は、断面が点状の光ビームを発生する発光素子１０７と前記断面点状の光ビームを測定用光（断面が線状で、既知の所定間隔に配置された複数の平行な光ビーム）に変換して出力する公知のプロジェクタ１０８を備えている。発光素子１０７は、レーザや発光ダイオード（ＬＥＤ）によって構成することができる。本実施の形態では、発光素子１０７はレーザによって構成している。光源部１０６から出力される前記複数の光ビーム（測定用光）の中心が光軸１１９に一致するように構成されている。前記測定用光は指向性を有する光であり、収束した光（光ビーム）によって構成された光である。
【００１９】
光源部１０６から出力される測定用光は、光軸１１９に沿って、第１窓部１０３を通ってケース本体１０１の外部に出力される。
また、ケース本体１０１内には、複数（本実施の形態では２つ）の光検出部１１１、１１４が所定位置に取り付けられている。
第１光検出部１１１は、測定用光を受光する受光レンズ１１２及び受光レンズ１１２が受光した測定用光を検出する光検出素子１１３を備えている。
【００２０】
受光レンズ１１２の中心及び光検出素子１１３の中心を結ぶ第２光軸１２０上に、光検出素子１１３、受光レンズ１１２、第２窓部１０４の順で、ケース本体１０１の内側から外側に向かって並設されている。光検出素子１１３としては、例えば平面状のＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型光センサやＣＣＤ（Charge Coupled Device）センサが使用できる。
【００２１】
第２光検出部１１４は、測定用光を受光する受光レンズ１１５及び受光レンズ１１５が受光した測定用光を検出する光検出素子１１６を備えている。受光レンズ１１５の中心及び光検出素子１１６の中心を結ぶ第３光軸１２１上に、光検出素子１１６、受光レンズ１１５、第３窓部１０５の順で、ケース本体１０１の内側から外側に向かって並設されている。光検出素子１１６として、光検出素子１１３と同様に、ＣＭＯＳ型光センサやＣＣＤセンサが使用できる。
【００２２】
位置合わせ部材１１８は光検出部１１１、１１４の取り付け位置を決めるための補助具である。位置合わせ部材１１８の両斜辺に光検出部１１１、１１４を当接させた状態で光検出部１１１、１１４をケース本体１０１に取り付けることにより、光検出部１１１及び光検出部１１４の相対的な位置関係を予め既知の値に設定した状態で容易に固定できるようにしている。光検出部１１１、１１４を構成する受光レンズ１１２、１１５及び光検出素子１１３、１１６の相対的な位置関係が既知の値に設定される。
【００２３】
光検出部１１１、１１４の相対的な位置関係は所定の既知の関係になるが、その一方、光源部１２５は、光検出部１１１、１１４との位置関係は規定せずに、制約のない自由な位置に取り付けられる。
光軸１２０、１２１は光軸１１９に対して対称となるように位置している。また、光軸１２０、１２１は光軸１１９に対して所定角度傾斜するように配置しており、これによって、光検出部１１１、１１４から所定距離範囲内を、高精度に測定可能な焦点領域に設定している。
【００２４】
また、ケース本体１０１内には、光源部１０６の発光動作の制御処理、第１光検出部１１１及び第２光検出部１１４の光検出動作の制御処理、第１光検出部１１１及び第２光検出部１１４が検出した測定用光に基づいて測定対象１３０についての長さに関する情報等の算出処理、第１光検出部１１１及び第２光検出部１１４が検出した測定用光データの記憶部１２７に対する書き込み及び読み出し制御処理等を行う制御部１２６が設けられている。
【００２５】
また、ケース本体１０１内には、第１光検出部１１１及び第２光検出部１１４が検出した測定用光のデータや制御部１２６が算出した測定対象１３０についての長さに関する情報等の各種データ、制御部１２６を中央処理装置（ＣＰＵ）によって構成した場合に実行されるプログラム等を記憶する記憶部１２７が設けられている。
尚、第１光検出部１１１及び第２光検出部１１４は検出手段を構成し、制御部１２６は算出手段を構成し、記憶部１２７は記憶手段を構成している。
【００２６】
検出手段は、測定対象１３０の穴周辺領域で反射した前記測定用光を検出することができる。
また、算出手段は、前記検出手段が検出した複数の光ビームと穴周縁部との交点の位置座標を用いて前記光ビームの垂直２等分線を求め、前記穴と交差しない複数の光ビームと前記垂直２等分線との交点の位置座標と、前記光ビームの間隔とを用いて前記穴の傾斜角等を算出することができる。
【００２７】
図４は、本実施の形態で測定する測定対象１３０の斜視図である。図１及び図４において、測定対象１３０は、平面である測定対象表面１３１、穴１３２、穴１３２の縁部１３３を備えている。
図４の例では、穴１３２は貫通穴であり又、円形である。縁部１３３は、貫通穴１３２の円形端部であり、又、測定対象表面１３１の円形端部でもある。
【００２８】
図５は、本発明の実施の形態に係る光学式測定装置を用いて、測定対象１３０の穴１３２の中心や半径等の測定対象１３０についての長さに関する情報を測定する場合の説明図である。
光源部１０６から出力される測定用光１５０は、断面が線状で所定間隔に配置された複数の平行な線状光（マルチライン光）を備えている。図５の例では、測定用光１５０は、相互に平行な６本の線状光Ｌ1〜Ｌ6を備えている。
【００２９】
各線状光Ｌ1〜Ｌ6の間隔は各々予め所定間隔ｄに設定されており又、各線状光Ｌ1〜Ｌ6はＸ軸と平行になるように構成されている。測定用光１５０中の複数の線状光Ｌ2〜Ｌ5は穴１３２と交差するが、複数の線状光Ｌ1、Ｌ6は穴１３２と交差しないように配置される。図５の例では、測定用光１５０の中心位置が光軸１１９に一致するように構成されている。
尚、図５には、測定用光１５０が、基軸（受光レンズ１１２と受光レンズ１１５を結ぶ線分）に平行な線状光を有する例を挙げているが、前記基軸に直交する線状光や所定角度で交差する線状光でもよい。また、線状光Ｌ1〜Ｌ6は６本でなくてもよい。
【００３０】
測定対象１３０についての長さに関する情報としては、例えば、所定位置を基準とする測定対象１３０の穴１３２の傾斜角、所定位置を基準とする穴１３２の中心座標、穴１３２の径（半径あるいは直径）、所定位置を基準とする測定対象１３０上の点の座標、所定位置から測定対象１３０上の所定点までの距離、測定対象１３０の２次元又は３次元形状、所定位置を基準とする測定対象１３０の傾きがある。
【００３１】
以下、図１〜図５を用いて、測定対象１３０の穴１３２の傾斜角等の測定対象１３０についての長さに関する情報の測定処理を説明する。
先ず、光軸１１９が穴１３２内に位置するように、光学式測定装置１００と測定対象１３０の相対的な位置関係を設定する。
この状態で、光源部１０６の発光素子１０７が断面スポット状の光ビームを発生すると、プロジェクタ１０８は、発光素子１０７からの前記光ビームを、断面が線状で所定間隔に配置されたマルチライン光から成る測定用光１５０に変換して出力する。
【００３２】
測定用光１５０は、貫通穴１１７、第１窓部１０３を介して、測定対象１３０に照射される。このとき、測定用光１５０の中心が光軸１１９に一致しているため、図５に示すように、測定用光１５０の中心は穴１３２内に位置することになる。尚、測定用光１５０は測定対象１３０の測定対象表面１３１に対して垂直に照射される。
測定対象１３０に照射された測定用光１５０のうち、穴１３２に照射された測定用光１５０は穴１３２を通過し、測定対象１３０における穴１３２の周辺領域に照射された測定用光１５０は測定対象１３０で反射する。
【００３３】
測定対象１３０で反射した測定用光１５０は、第２窓部１０４、第３窓部１０５を介して、各々、第１光検出部１１１、第２光検出部１１４に入射する。
第１光検出部１１１に入射した測定用光１５０は、受光レンズ１１２を介して、光検出素子１１３によって検出される。第２光検出部１１４に入射した測定用光１５０は、受光レンズ１１５を介して、光検出素子１１６によって検出される。
制御部１２６は、光検出素子１１３、１１６によって検出された測定用光１５０に基づいて、公知の手法（例えば特許文献２記載の手法）により、穴１３２の中心座標等を算出する。
【００３４】
図５に示すように、測定対象１３０が有する穴１３２の中心Ｐ0のＸＹＺ座標を（Ｘ0，Ｙ0，Ｚ0）とする。
線状光Ｌ2が測定対象１３０の穴１３２の縁部１３３と交差する２点の中の左側の点、右側の点を各々、Ｐ2L、Ｐ2Rとする。同様に、線状光Ｌ3が測定対象１３０の穴１３２の縁部１３３と交差する２点の中の左側の点、右側の点を各々Ｐ3L、Ｐ3R、線状光Ｌ4が測定対象１３０の穴１３２の縁部１３３と交差する２点の中の左側の点、右側の点を各々Ｐ4L、Ｐ4R、線状光Ｌ5が測定対象１３０の穴１３２の縁部１３３と交差する２点の中の左側の点、右側の点を各々Ｐ5L、Ｐ5Rとする。
【００３５】
点Ｐ2L、Ｐ2RのＸＹＺ軸座標は各々、（Ｘ2L，Ｙ2L，Ｚ2L）、（Ｘ2R，Ｙ2R，Ｚ2R）で表される。同様に、点Ｐ3L、Ｐ3R、Ｐ4L、Ｐ4R、Ｐ5L、Ｐ5RのＸＹＺ軸座標は各々、（Ｘ3L，Ｙ3L，Ｚ3L）、（Ｘ3R，Ｙ3R，Ｚ3R）、（Ｘ4L，Ｙ4L，Ｚ4L）、（Ｘ4R，Ｙ4R，Ｚ4R）、（Ｘ5L，Ｙ5L，Ｚ5L）、（Ｘ5R，Ｙ5R，Ｚ5R）で表される。
点Ｐ2Lと点Ｐ2R間、点Ｐ3Lと点Ｐ3R間、点Ｐ4Lと点Ｐ4R間、点Ｐ5Lと点Ｐ5R間の距離（差し渡し）を各々、ｄ2、ｄ3、ｄ4、ｄ5とする。
【００３６】
また、点Ｐ2LとＰ2Rの中点、点Ｐ3LとＰ3Rの中点、点Ｐ4LとＰ4Rの中点、点Ｐ5LとＰ5Rの中点を各々、Ｐ2O、Ｐ3O、Ｐ4O、Ｐ5Oとして、それらを結ぶ直線をＱとする。点Ｐ2O、Ｐ3O、Ｐ4O、Ｐ5OのＸＹＺ軸座標を各々、（Ｘ20，Ｙ20，Ｚ20）、（Ｘ30，Ｙ30，Ｚ30）、（Ｘ40，Ｙ40，Ｚ40）、（Ｘ50，Ｙ50，Ｚ50）とする。直線Ｑと線状光Ｌ1の交点Ｐ10のＸＹＺ軸座標を（Ｘ10，Ｙ10，Ｚ10）、直線Ｑと線状光Ｌ6の交点P60のＸＹＺ軸座標を（Ｘ60，Ｙ60，Ｚ60）とする。
【００３７】
点ＰL2、ＰR2、ＰL3、ＰR3、ＰL4、ＰR4、ＰL5、ＰR5の各ＸＹＺ座標は、測定によって得られる値であり、光検出部１１１、１１６が検出した測定用光１５０に基づいて三角測量法によって算出される値である。この意味で、点ＰL2、ＰR2、ＰL3、ＰR3、ＰL4、ＰR4、ＰL5、ＰR5を検出点と称する。
また、点Ｐ10〜Ｐ60の座標、穴１３２の中心Ｐ0の座標、差し渡しｄ2、ｄ3、ｄ4、ｄ5は、測定した座標値を用いて、計算によって得られる値である。この意味で、点Ｐ10〜Ｐ60、中心点Ｐ0を算出点と称する。
【００３８】
Ｘ軸回りの傾斜角θXは、縁部１３３と交差しない線状光Ｌ1、Ｌ6上の点Ｐ10（Ｘ10，Ｙ10，Ｚ10）、点Ｐ60（Ｘ60，Ｙ60，Ｚ60）の座標を用いて下記式（１）のように表すことができる。
θX＝ｔａｎ−１（（Ｚ6O−Ｚ1O）／（Ｙ6O−Ｙ1O）） ・・・（１）
Ｙ軸回りの傾斜角θYは、差し渡しが最長ｄ4の線状光Ｌ4の点ＰL4（Ｘ4L，Ｙ4L，Ｚ4L）、ＰR4（Ｘ4R，Ｙ4R，Ｚ4R）の座標を用いて表すと、下記式（２）のように表すことができる。
θY＝ｔａｎ−１（（Ｚ4R−Ｚ4L）／（Ｘ4R−Ｘ4L）） ・・・（２）
【００３９】
但し、Ｙ10、Ｙ60、Ｚ10、Ｚ60は穴１３２の両側に位置し穴１３２と交差しない２つの光ビームＬ1、Ｌ6と穴１３２の中心Ｐ0を通り前記２つの光ビームＬ1、Ｌ6に直交する線との交点のＹ座標及びＺ座標であり、又、Ｘ4R、Ｚ4R、X4L、Ｚ4Lは穴１３２と交差する光ビーム（本実施の形態では差し渡しが最大の光ビームＬ4）と穴１３２周縁部１３３との間の２つの交点のＸ座標、Ｚ座標である。
【００４０】
点Ｐ10、点Ｐ60、点ＰL4、点ＰR4の座標は後述するようにして得ることができる。このように、縁部１３３（換言すれば穴１３２）と交差しない線状光Ｌ1、Ｌ6上の点Ｐ10、点P60の座標を用いて傾斜角θを得るようにしているため、穴１３２が小さい場合でも点Ｐ10とＰ60間の長い距離を用いて傾斜角θを算出することが可能になり、傾斜角θを高精度に測定することが可能になる。即ち、相互間の間隔が既知である線状光Ｌ1とＬ6との間の直線距離と、測定によって得られる線状光Ｌ1、Ｌ6上の点の直線距離とを用いて、前記両直線間の傾斜角θを測定するため、傾斜角θを高精に測定することが可能になる。また、差し渡しが最大の光ビームと穴周縁部１３２との交点の座標を用いて算出するため、高精度な測定が可能になる。
前記検出手段が検出した複数の光ビームと穴周縁部との交点の位置座標を用いて前記光ビームの垂直２等分線を求め、前記穴と交差しない複数の光ビームと前記垂直２等分線との交点の位置座標と、前記光ビームの間隔とを用いて前記穴の傾斜角を算出する算出手段とを備えて成ることを特徴とする光学式測定装置。
【００４１】
穴１３２の中心座標 Ｐ0（Ｘ0，Ｙ0，Ｚ0）は、直線Ｑの線上にある。図５の例では、右側の４点（Ｐ2R、Ｐ3R、Ｐ4R、Ｐ5R）または左側の４点（Ｐ2L、Ｐ3L、Ｐ4L、Ｐ5L）、あるいは、前記計８点から、前記選択した各点を通るような楕円の方程式を算出（楕円フィティング）することで、楕円中心すなわち傾斜した穴１３２の中心Ｐ0の座標を求めることができる。以下、その解析法を詳細に説明する。
【００４２】
中心点Ｐ0を中心とする点Ｐ2R、Ｐ2L、Ｐ3R、Ｐ3L、Ｐ4R、Ｐ4L、Ｐ5L、Ｐ5Rについての半径Ｒ2R、Ｒ2L、Ｒ3R、Ｒ3L、Ｒ4R、Ｒ4L、Ｒ5R、Ｒ5Lは、以下の式（３）の通りであり、穴１３２が理想的な円形状の場合には各半径は等しい。
Ｒ2R２＝（Ｘ2R−Ｘ0）２＋（Ｙ2R−Ｙ0）２＋（Ｚ2R−Ｚ0）２
Ｒ2L２＝（Ｘ2L−Ｘ0）２＋（Ｙ2L−Ｙ0）２＋（Ｚ2L−Ｚ0）２
Ｒ3R２＝（Ｘ3R−Ｘ0）２＋（Ｙ3R−Ｙ0）２＋（Ｚ3R−Ｚ0）２
Ｒ3L２＝（Ｘ3L−Ｘ0）２＋（Ｙ3L−Ｙ0）２＋（Ｚ3L−Ｚ0）２
Ｒ4R２＝（Ｘ4R−Ｘ0）２＋（Ｙ4R−Ｙ0）２＋（Ｚ4R−Ｚ0）２
Ｒ4L２＝（Ｘ4L−Ｘ0）２＋（Ｙ4L−Ｙ0）２＋（Ｚ4L−Ｚ0）２
Ｒ5R２＝（Ｘ5R−Ｘ0）２＋（Ｙ5R−Ｙ0）２＋（Ｚ5R−Ｚ0）２
Ｒ5L２＝（Ｘ5L−Ｘ0）２＋（Ｙ5L−Ｙ0）２＋（Ｚ5L−Ｚ0）２ ・・・（３）
【００４３】
ここで、Ｘ2R、Ｘ2L、Ｘ3R、Ｘ3L、Ｘ4R、Ｘ4L、Ｘ5R、Ｘ5L、Ｙ2R、Ｙ2L、Ｙ3R、Ｙ3L、Ｙ4R、Ｙ4L、Ｙ5R、Ｙ5L、Ｚ2R、Ｚ2L、Ｚ3R、Ｚ3L、Ｚ4R、Ｚ4L、Ｚ5R、Ｚ5Lは測定によって得られる値であり、既知となる数値である。Ｘ0、Ｙ0、Ｚ0は未知数である。
例えば、穴１３２の右側の４点（Ｐ2R、Ｐ3R、Ｐ4R、Ｐ5R）を用いて中心Ｐ0の座標を求める場合、上記８つの式（３）から穴１３２の右側の４点（Ｐ2R、Ｐ3R、Ｐ4R、Ｐ5R）の式を抽出すると下記４つの式（４）のようになる。
【００４４】
Ｒ2R２＝（Ｘ2R−Ｘ0）２＋（Ｙ2R−Ｙ0）２＋（Ｚ2R−Ｚ0）２
Ｒ3R２＝（Ｘ3R−Ｘ0）２＋（Ｙ3R−Ｙ0）２＋（Ｚ3R−Ｚ0）２
Ｒ4R２＝（Ｘ4R−Ｘ0）２＋（Ｙ4R−Ｙ0）２＋（Ｚ4R−Ｚ0）２
Ｒ5R２＝（Ｘ5R−Ｘ0）２＋（Ｙ5R−Ｙ0）２＋（Ｚ5R−Ｚ0）２ ・・・（４）
尚、式（４）において、Ｘ0が既知の場合には、４番目の式は不要である。
【００４５】
各点の半径は等しいため、式（４）を用いて、Ｒ2R２＝Ｒ3R２、Ｒ3R２＝Ｒ4R２、Ｒ4R２＝Ｒ5R２、Ｒ5R２＝Ｒ2R２とすると、下記４つの式（５）が成立する。
（Ｘ2R−Ｘ0）２＋（Ｙ2R−Ｙ0）２＋（Ｚ2R−Ｚ0）２＝（Ｘ3R−Ｘ0）２＋（Ｙ3R−Ｙ0）２＋（Ｚ3R−Ｚ0）２
（Ｘ3R−Ｘ0）２＋（Ｙ3R−Ｙ0）２＋（Ｚ3R−Ｚ0）２＝（Ｘ4R−Ｘ0）２＋（Ｙ4R−Ｙ0）２＋（Ｚ4R−Ｚ0）２
（Ｘ4R−Ｘ0）２＋（Ｙ4R−Ｙ0）２＋（Ｚ4R−Ｚ0）２＝（Ｘ5R−Ｘ0）２＋（Ｙ5R−Ｙ0）２＋（Ｚ5R−Ｚ0）２
（Ｘ5R−Ｘ0）２＋（Ｙ5R−Ｙ0）２＋（Ｚ5R−Ｚ0）２＝（Ｘ2R−Ｘ0）２＋（Ｙ2R−Ｙ0）２＋（Ｚ2R−Ｚ0）２
・・・（５）
【００４６】
ここで、既知の係数をつぎのように置く。
Ａ23＝２（Ｘ2R−Ｘ3R）
Ｂ23＝２（Ｙ2R−Ｙ3R）
Ｃ23＝２（Ｚ2R−Ｚ3R）
Ｄ23＝（Ｘ2R２−Ｘ3R２）＋（Ｙ2R２−Ｙ3R２）＋（Ｚ2R２−Ｚ3R２）
【００４７】
同様に Ａ34、Ｂ34、Ｃ34、Ｄ34 および Ａ45、Ｂ45、Ｃ45、Ｄ45 を置き、Ｘ0、Ｙ0、Ｚ0で記述すると、下記４つの式（６）が得られる。
Ａ23・Ｘ0＋Ｂ23・Ｙ0＋Ｃ23・Ｚ0＝Ｄ23
Ａ34・Ｘ0＋Ｂ34・Ｙ0＋Ｃ34・Ｚ0＝Ｄ34
Ａ45・Ｘ0＋Ｂ45・Ｙ0＋Ｃ45・Ｚ0＝Ｄ45 ・・・（６）
穴１３２の中心Ｐ0の座標（Ｘ0、Ｙ0、Ｚ0）は、下記３つの式（７）で表される。
【００４８】
【数１】
・・・（７）
穴１３２の半径Ｒは式（６）のＸ0、Ｙ0、Ｚ0を式（４）に代入することで求められる。穴１３２の直径は、それぞれの半径（Ｒ2R〜Ｒ5R）を２倍して、またはそれらの平均値を２倍して求めることができる。
【００４９】
以上述べたように、本実施の形態に係る光学式測定装置においては、光源部１０６は、断面が線状で所定間隔に配置された複数の平行な光ビームL１〜L6から成る測定用光１５０を出力する。光検出部１１１、１１４は、測定対象１３０の穴１３２周辺領域で反射した測定用光１５０を検出する。制御部１２６は、光検出部１１１、１１４が検出した複数の光ビームＬ2〜Ｌ5と穴１３２周縁部１３３との交点の位置座標を用いて各光ビームの垂直２等分線を求め、穴１３２と交差しない複数の光ビームＬ1、Ｌ6と前記垂直２等分線との交点Ｐ10、Ｐ60の位置座標と前記光ビームＬ1〜Ｌ6の既知の間隔とを用いて穴１３２の傾斜角を算出する。
【００５０】
このように、相互に間隔が既知の複数の線状光Ｌ1〜L6より成る測定用光１５０を用いて、測定対象１３０の穴１３２の傾斜角θ等、測定対象１３０についての長さに関する情報を正確に測定することが可能になる。
特に、穴１３２と交差しない線状光Ｌ1、Ｌ6を用いて傾斜角θを正確に測定することが可能になる。
【００５１】
また、穴１３２が円形状の場合、前記式（１）、（２）に基づいて穴１３２の傾斜角θを算出することができる。
また、複数の光ビームと穴周縁部１３３との交点の位置座標を用いて穴１３２の中心Ｐ0の位置座標を算出することができる。
また、複数の光ビームと穴周縁部１３３との交点の位置座標を用いて穴１３２の径を算出することができる。
【００５２】
また、工業製品の穴周縁部の形状は、面取り形状（一般には４５度）やアール形状が多いため、穴周縁部を正確に検出することが困難な場合があり、その一方、穴周縁部が理想的なエッジの場合には穴側とフランジ面（測定対象表面）側に照射点がふらつくことがあり、安定したデータが取得できないことが多い。本実施の形態では、直接穴縁上の照射点を使わなくてもよく、安定したデータが取得できる。
【００５３】
また、穿孔が機械加工の場合はエッジ部には“バリ”が構成され、鍛造やプレスによる穿孔の穴ではアール部分表面は延ばされて梨地状（ポーラス状）となり、不適切な反射光を呈することがあり取得データが不安定な場合があるが、本実施の形態では、直接穴縁上の照射点を使わなくてもよいため、安定したデータが取得できる。
また、鍛造工程のように赤色化した高温穿孔の場合でも、物性的、形状的にも安定したフランジ面上のラインレーザを用いることが可能になる。
また、本発明の実施の形態に係る光学式測定装置は前記効果を奏するため、加工後の検査や計測ではなく、製造工程の中で全数検査することが可能、すなわちインライン計測が可能になる。
【００５４】
尚、前記実施の形態では、２つの光検出部１１１、１１４を用いた光学式測定装置１００を用いて三角測量法によって測定するように構成しているため、光源部１０６を、光検出部１１１、１１４とは位置関係が自由な位置に設置できるという効果を奏するが、１つの光源部及び１つの光検出部を用いて三角測量法によって測定するように構成してもよい。この場合も、前記同様にして測定対象１３０の穴１３２の傾斜角θを正確に測定することが可能になり又、各種の測定対象１３０についての長さに関する情報を測定することができる。
【００５５】
また、前記実施の形態では、穴の例として貫通穴１３２の例で説明したが、有底穴にも適用可能である。
また、穴の形状は必ずしも円形に限られない。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
少なくとも測定対象に形成された穴の傾斜角測定を測定する光学式測定装置に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施の形態に係る光学式測定装置の平面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る光学式測定装置の正面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る光学式測定装置の左側面図である。
【図４】本発明の実施の形態における測定対象の斜視図である。
【図５】本発明の実施の形態における測定動作の説明図である。
【符号の説明】
【００５８】
１００・・・光学式測定装置
１０１・・・ケース本体
１０２・・・前面板
１０３〜１０５・・・窓部
１０６・・・光源部
１０７・・・発光素子
１０８・・・プロジェクタ
１１９〜１２１・・・光軸
１１１、１１４・・・光検出部
１１２、１１５・・・受光レンズ
１１３、１１６・・・光検出素子
１１８・・・位置合わせ部材
１１９・・・光軸
１２６・・・制御部
１２７・・・記憶部
１３０・・・測定対象
１３１・・・測定対象表面
１３２・・・穴
１３３・・・縁部
１５０・・・測定用光
【技術分野】
【０００１】
測定対象の穴の傾斜角等を光学的に測定する光学式測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半導体レーザ等の光源から発生した測定用光を測定対象に照射し、前記測定対象で反射した前記測定用光を検出することによって、三角測量法を用いて、所定位置から測定対象までの距離や前記測定対象の３次元形状等、測定対象についての長さに関する情報を光学的に測定する光学式測定装置が開発されている。光学的に測定する方式として、光源及び光検出部を各々１つ用いて光学的に測定する光学式測定装置（例えば、特許文献１参照）と、１つの光源と２つの光検出部を用いて光学的に測定する光学式装置が開発されている（例えば特許文献２参照）。
【０００３】
光学的に測定する用途は多岐にわたっており、その一つの例として、測定対象に設けられた穴の傾斜角、中心位置、穴径等を測定する方法が開発されている（例えば、特許文献３参照）。
特許文献３記載の発明では、レーザスポットを用いて測定対象の穴を相互に交差する方向に走査することにより、前記穴縁部の４点の座標を取得し、前記座標に基づいて、前記穴の傾斜角、穴の中心位置、穴径等を算出するように構成している。
【０００４】
しかしながら、特許文献３記載の発明では、レーザスポットを用いて走査することによって前記穴縁部の座標を取得するようにしているため、走査に時間がかかり、測定に長時間要するという問題がある。また、レーザスポットが交差する交点位置が前記穴の中心に近い場合は、穴縁部の４点で反射した光に基づいて穴の傾斜角等を高精度に測定することが可能であるが、前記交点位置が前記穴縁部に近い場合は高精度な測定が困難になるという問題がある。
【０００５】
また、特許文献４記載の発明のように、断面が線状の複数の光ビームを発生する光源が知られているが、特許文献４記載には単に光源としての発明が開示されているにすぎず、光学的な測定に応用することは何ら記載されていない。
仮に、特許文献４記載に記載された発明を用いて断面が十字状の光ビームを出力する光源を構成し、前記光源を光学式測定装置の光源として用いた場合でも、十字状光ビームの中心位置（２つの線状ビームの交点位置）が穴縁部に近い場合は前述したように高精度な測定が困難になるという問題がある。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３４０８５６号公報
【特許文献２】特開２００７−１９８８４１号公報
【特許文献３】特開２０００−１８９１４号公報
【特許文献４】特開平８−４３６１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、測定対象に設けられた穴の傾斜角等を高精度で測定できるようにすることを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、断面が線状で所定間隔に配置された複数の平行な光ビームから成る測定用光を出力する光源部と、測定対象の穴周辺領域で反射した前記測定用光を検出する検出手段と、前記検出手段が検出した複数の光ビームと穴周縁部との交点の位置座標を用いて前記光ビームの垂直２等分線を求め、前記穴と交差しない複数の光ビームと前記垂直２等分線との交点の位置座標と、前記光ビームの間隔とを用いて前記穴の傾斜角を算出する算出手段とを備えて成ることを特徴とする光学式測定装置が提供される。
【０００９】
光源部は、断面が線状で所定間隔に配置された複数の平行な光ビームから成る測定用光を出力する。検出手段は、測定対象の穴周辺領域で反射した前記測定用光を検出する。算出手段は、前記検出手段が検出した複数の光ビームと穴周縁部との交点の位置座標を用いて前記光ビームの垂直２等分線を求め、前記穴と交差しない複数の光ビームと前記垂直２等分線との交点の位置座標と前記光ビームの間隔とを用いて前記穴の傾斜角を算出する。
【００１０】
ここで、前記穴は円形であり、前記算出手段は、下記式に基づいて前記穴の傾斜角を算出するように構成してもよい。
θX＝ｔａｎ−１（（Ｚ6O−Ｚ1O）／（Ｙ6O−Ｙ1O））
θY＝ｔａｎ−１（（Ｚ4R−Ｚ4L）／（Ｘ4R−Ｘ4L））
但し、θXはＸ軸周りの傾斜角、θYはＹ軸周りの傾斜角であり、又、Ｙ10、Ｙ60、Ｚ10、Ｚ60は前記穴の両側に位置し前記穴と交差しない２つの光ビームと前記穴の中心を通り前記２つの光ビームに直交する線との交点のＹ座標及びＺ座標であり、又、Ｘ4R、Ｚ4R、X4L、Ｚ4Lは前記光ビームと前記穴周縁部との間の２つの交点のＸ座標、Ｚ座標である。
【００１１】
また、前記算出手段は、前記検出手段が検出した複数の光ビームと穴周縁部との交点の位置座標を用いて前記穴の中心の位置座標を算出するように構成してもよい。
また、前記算出手段は、前記検出手段が検出した複数の光ビームと穴周縁部との交点の位置座標を用いて前記穴の径を算出するように構成してもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る光学式測定装置によれば、測定対象に設けられた穴の傾斜角等を高精度で測定することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る光学式測定装置について説明する。尚、各図において同一部分には同一符号を付している。
図１は、本発明の実施の形態に係る光学式測定装置の平面図で、ケース本体の一部を省略して内部を示した図である。
また、図２は図１の光学式測定装置の正面図、図３は図１の光学式測定装置の左側面図であり、各々、ケース本体の一部を省略して内部を示した図である。
【００１４】
本実施の形態に係る光学式測定装置１００は、ケース本体１０１、ケース本体１０１の前面に配設された非透光性の前面板１０２、前面板１０２の貫通穴を覆うように取り付けられケース本体１０１内とケース本体１０１外間の光通過を可能にする円板状の第１〜第３窓部１０３〜１０５を備えている。第１〜第３窓部１０３〜１０５は長方形状等の他の形状にしてもよい。
【００１５】
第１〜第３窓部１０３〜１０５は、透光性部材によって構成され、防塵機能を有すると共に赤外線を遮断して熱を遮蔽する機能を備えている。ケース本体１０１と前面板１０２及び第１〜第３窓部１０３〜１０５により、防塵機能を有する密閉ケースが構成されている。
第１窓部１０３は第１光軸１１９と直交するように前面板１０２に取り付けられると共に第１窓部１０３の中心を光軸１１９が通る位置に取り付けられている。
【００１６】
第２光軸１２０と第３光軸１２１は、光軸に対して所定角度傾斜すると共に、光軸１１９を軸として対称に配置されている。第２、第３窓部１０４、１０５は、各々、第２、第３光軸１２０、１２１と直交するように前面板１０２に取り付けられると共に、相互に光軸１１９を軸として対称になる位置に取り付けられている。第２、第３窓部１０４、１０５は、光軸１１９に対して、逆方向に所定角度傾斜するよう取り付けられている。また、第２窓部１０４の中心を光軸１２０が通り、第３窓部１０５の中心を光軸１２１が通るように配置されている。
【００１７】
ケース本体１０１内には、断面が線状で、既知の所定間隔に配置された複数（本実施の形態では６本）の平行な光ビームから成る測定用光を出力する光源部１０６が所定位置に取り付けられている。前記複数の光ビームの中心が光軸１１９に一致するように配置されている。このように、光源部１０６及び第１窓部１０３が光軸１１９に沿って並設されている。
尚、測定対象１３０については後述するが、図１に測定対象１３０の断面図を示し、図２及び図３では測定対象１３０は省略して描いている。
【００１８】
光源部１０６は、断面が点状の光ビームを発生する発光素子１０７と前記断面点状の光ビームを測定用光（断面が線状で、既知の所定間隔に配置された複数の平行な光ビーム）に変換して出力する公知のプロジェクタ１０８を備えている。発光素子１０７は、レーザや発光ダイオード（ＬＥＤ）によって構成することができる。本実施の形態では、発光素子１０７はレーザによって構成している。光源部１０６から出力される前記複数の光ビーム（測定用光）の中心が光軸１１９に一致するように構成されている。前記測定用光は指向性を有する光であり、収束した光（光ビーム）によって構成された光である。
【００１９】
光源部１０６から出力される測定用光は、光軸１１９に沿って、第１窓部１０３を通ってケース本体１０１の外部に出力される。
また、ケース本体１０１内には、複数（本実施の形態では２つ）の光検出部１１１、１１４が所定位置に取り付けられている。
第１光検出部１１１は、測定用光を受光する受光レンズ１１２及び受光レンズ１１２が受光した測定用光を検出する光検出素子１１３を備えている。
【００２０】
受光レンズ１１２の中心及び光検出素子１１３の中心を結ぶ第２光軸１２０上に、光検出素子１１３、受光レンズ１１２、第２窓部１０４の順で、ケース本体１０１の内側から外側に向かって並設されている。光検出素子１１３としては、例えば平面状のＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型光センサやＣＣＤ（Charge Coupled Device）センサが使用できる。
【００２１】
第２光検出部１１４は、測定用光を受光する受光レンズ１１５及び受光レンズ１１５が受光した測定用光を検出する光検出素子１１６を備えている。受光レンズ１１５の中心及び光検出素子１１６の中心を結ぶ第３光軸１２１上に、光検出素子１１６、受光レンズ１１５、第３窓部１０５の順で、ケース本体１０１の内側から外側に向かって並設されている。光検出素子１１６として、光検出素子１１３と同様に、ＣＭＯＳ型光センサやＣＣＤセンサが使用できる。
【００２２】
位置合わせ部材１１８は光検出部１１１、１１４の取り付け位置を決めるための補助具である。位置合わせ部材１１８の両斜辺に光検出部１１１、１１４を当接させた状態で光検出部１１１、１１４をケース本体１０１に取り付けることにより、光検出部１１１及び光検出部１１４の相対的な位置関係を予め既知の値に設定した状態で容易に固定できるようにしている。光検出部１１１、１１４を構成する受光レンズ１１２、１１５及び光検出素子１１３、１１６の相対的な位置関係が既知の値に設定される。
【００２３】
光検出部１１１、１１４の相対的な位置関係は所定の既知の関係になるが、その一方、光源部１２５は、光検出部１１１、１１４との位置関係は規定せずに、制約のない自由な位置に取り付けられる。
光軸１２０、１２１は光軸１１９に対して対称となるように位置している。また、光軸１２０、１２１は光軸１１９に対して所定角度傾斜するように配置しており、これによって、光検出部１１１、１１４から所定距離範囲内を、高精度に測定可能な焦点領域に設定している。
【００２４】
また、ケース本体１０１内には、光源部１０６の発光動作の制御処理、第１光検出部１１１及び第２光検出部１１４の光検出動作の制御処理、第１光検出部１１１及び第２光検出部１１４が検出した測定用光に基づいて測定対象１３０についての長さに関する情報等の算出処理、第１光検出部１１１及び第２光検出部１１４が検出した測定用光データの記憶部１２７に対する書き込み及び読み出し制御処理等を行う制御部１２６が設けられている。
【００２５】
また、ケース本体１０１内には、第１光検出部１１１及び第２光検出部１１４が検出した測定用光のデータや制御部１２６が算出した測定対象１３０についての長さに関する情報等の各種データ、制御部１２６を中央処理装置（ＣＰＵ）によって構成した場合に実行されるプログラム等を記憶する記憶部１２７が設けられている。
尚、第１光検出部１１１及び第２光検出部１１４は検出手段を構成し、制御部１２６は算出手段を構成し、記憶部１２７は記憶手段を構成している。
【００２６】
検出手段は、測定対象１３０の穴周辺領域で反射した前記測定用光を検出することができる。
また、算出手段は、前記検出手段が検出した複数の光ビームと穴周縁部との交点の位置座標を用いて前記光ビームの垂直２等分線を求め、前記穴と交差しない複数の光ビームと前記垂直２等分線との交点の位置座標と、前記光ビームの間隔とを用いて前記穴の傾斜角等を算出することができる。
【００２７】
図４は、本実施の形態で測定する測定対象１３０の斜視図である。図１及び図４において、測定対象１３０は、平面である測定対象表面１３１、穴１３２、穴１３２の縁部１３３を備えている。
図４の例では、穴１３２は貫通穴であり又、円形である。縁部１３３は、貫通穴１３２の円形端部であり、又、測定対象表面１３１の円形端部でもある。
【００２８】
図５は、本発明の実施の形態に係る光学式測定装置を用いて、測定対象１３０の穴１３２の中心や半径等の測定対象１３０についての長さに関する情報を測定する場合の説明図である。
光源部１０６から出力される測定用光１５０は、断面が線状で所定間隔に配置された複数の平行な線状光（マルチライン光）を備えている。図５の例では、測定用光１５０は、相互に平行な６本の線状光Ｌ1〜Ｌ6を備えている。
【００２９】
各線状光Ｌ1〜Ｌ6の間隔は各々予め所定間隔ｄに設定されており又、各線状光Ｌ1〜Ｌ6はＸ軸と平行になるように構成されている。測定用光１５０中の複数の線状光Ｌ2〜Ｌ5は穴１３２と交差するが、複数の線状光Ｌ1、Ｌ6は穴１３２と交差しないように配置される。図５の例では、測定用光１５０の中心位置が光軸１１９に一致するように構成されている。
尚、図５には、測定用光１５０が、基軸（受光レンズ１１２と受光レンズ１１５を結ぶ線分）に平行な線状光を有する例を挙げているが、前記基軸に直交する線状光や所定角度で交差する線状光でもよい。また、線状光Ｌ1〜Ｌ6は６本でなくてもよい。
【００３０】
測定対象１３０についての長さに関する情報としては、例えば、所定位置を基準とする測定対象１３０の穴１３２の傾斜角、所定位置を基準とする穴１３２の中心座標、穴１３２の径（半径あるいは直径）、所定位置を基準とする測定対象１３０上の点の座標、所定位置から測定対象１３０上の所定点までの距離、測定対象１３０の２次元又は３次元形状、所定位置を基準とする測定対象１３０の傾きがある。
【００３１】
以下、図１〜図５を用いて、測定対象１３０の穴１３２の傾斜角等の測定対象１３０についての長さに関する情報の測定処理を説明する。
先ず、光軸１１９が穴１３２内に位置するように、光学式測定装置１００と測定対象１３０の相対的な位置関係を設定する。
この状態で、光源部１０６の発光素子１０７が断面スポット状の光ビームを発生すると、プロジェクタ１０８は、発光素子１０７からの前記光ビームを、断面が線状で所定間隔に配置されたマルチライン光から成る測定用光１５０に変換して出力する。
【００３２】
測定用光１５０は、貫通穴１１７、第１窓部１０３を介して、測定対象１３０に照射される。このとき、測定用光１５０の中心が光軸１１９に一致しているため、図５に示すように、測定用光１５０の中心は穴１３２内に位置することになる。尚、測定用光１５０は測定対象１３０の測定対象表面１３１に対して垂直に照射される。
測定対象１３０に照射された測定用光１５０のうち、穴１３２に照射された測定用光１５０は穴１３２を通過し、測定対象１３０における穴１３２の周辺領域に照射された測定用光１５０は測定対象１３０で反射する。
【００３３】
測定対象１３０で反射した測定用光１５０は、第２窓部１０４、第３窓部１０５を介して、各々、第１光検出部１１１、第２光検出部１１４に入射する。
第１光検出部１１１に入射した測定用光１５０は、受光レンズ１１２を介して、光検出素子１１３によって検出される。第２光検出部１１４に入射した測定用光１５０は、受光レンズ１１５を介して、光検出素子１１６によって検出される。
制御部１２６は、光検出素子１１３、１１６によって検出された測定用光１５０に基づいて、公知の手法（例えば特許文献２記載の手法）により、穴１３２の中心座標等を算出する。
【００３４】
図５に示すように、測定対象１３０が有する穴１３２の中心Ｐ0のＸＹＺ座標を（Ｘ0，Ｙ0，Ｚ0）とする。
線状光Ｌ2が測定対象１３０の穴１３２の縁部１３３と交差する２点の中の左側の点、右側の点を各々、Ｐ2L、Ｐ2Rとする。同様に、線状光Ｌ3が測定対象１３０の穴１３２の縁部１３３と交差する２点の中の左側の点、右側の点を各々Ｐ3L、Ｐ3R、線状光Ｌ4が測定対象１３０の穴１３２の縁部１３３と交差する２点の中の左側の点、右側の点を各々Ｐ4L、Ｐ4R、線状光Ｌ5が測定対象１３０の穴１３２の縁部１３３と交差する２点の中の左側の点、右側の点を各々Ｐ5L、Ｐ5Rとする。
【００３５】
点Ｐ2L、Ｐ2RのＸＹＺ軸座標は各々、（Ｘ2L，Ｙ2L，Ｚ2L）、（Ｘ2R，Ｙ2R，Ｚ2R）で表される。同様に、点Ｐ3L、Ｐ3R、Ｐ4L、Ｐ4R、Ｐ5L、Ｐ5RのＸＹＺ軸座標は各々、（Ｘ3L，Ｙ3L，Ｚ3L）、（Ｘ3R，Ｙ3R，Ｚ3R）、（Ｘ4L，Ｙ4L，Ｚ4L）、（Ｘ4R，Ｙ4R，Ｚ4R）、（Ｘ5L，Ｙ5L，Ｚ5L）、（Ｘ5R，Ｙ5R，Ｚ5R）で表される。
点Ｐ2Lと点Ｐ2R間、点Ｐ3Lと点Ｐ3R間、点Ｐ4Lと点Ｐ4R間、点Ｐ5Lと点Ｐ5R間の距離（差し渡し）を各々、ｄ2、ｄ3、ｄ4、ｄ5とする。
【００３６】
また、点Ｐ2LとＰ2Rの中点、点Ｐ3LとＰ3Rの中点、点Ｐ4LとＰ4Rの中点、点Ｐ5LとＰ5Rの中点を各々、Ｐ2O、Ｐ3O、Ｐ4O、Ｐ5Oとして、それらを結ぶ直線をＱとする。点Ｐ2O、Ｐ3O、Ｐ4O、Ｐ5OのＸＹＺ軸座標を各々、（Ｘ20，Ｙ20，Ｚ20）、（Ｘ30，Ｙ30，Ｚ30）、（Ｘ40，Ｙ40，Ｚ40）、（Ｘ50，Ｙ50，Ｚ50）とする。直線Ｑと線状光Ｌ1の交点Ｐ10のＸＹＺ軸座標を（Ｘ10，Ｙ10，Ｚ10）、直線Ｑと線状光Ｌ6の交点P60のＸＹＺ軸座標を（Ｘ60，Ｙ60，Ｚ60）とする。
【００３７】
点ＰL2、ＰR2、ＰL3、ＰR3、ＰL4、ＰR4、ＰL5、ＰR5の各ＸＹＺ座標は、測定によって得られる値であり、光検出部１１１、１１６が検出した測定用光１５０に基づいて三角測量法によって算出される値である。この意味で、点ＰL2、ＰR2、ＰL3、ＰR3、ＰL4、ＰR4、ＰL5、ＰR5を検出点と称する。
また、点Ｐ10〜Ｐ60の座標、穴１３２の中心Ｐ0の座標、差し渡しｄ2、ｄ3、ｄ4、ｄ5は、測定した座標値を用いて、計算によって得られる値である。この意味で、点Ｐ10〜Ｐ60、中心点Ｐ0を算出点と称する。
【００３８】
Ｘ軸回りの傾斜角θXは、縁部１３３と交差しない線状光Ｌ1、Ｌ6上の点Ｐ10（Ｘ10，Ｙ10，Ｚ10）、点Ｐ60（Ｘ60，Ｙ60，Ｚ60）の座標を用いて下記式（１）のように表すことができる。
θX＝ｔａｎ−１（（Ｚ6O−Ｚ1O）／（Ｙ6O−Ｙ1O）） ・・・（１）
Ｙ軸回りの傾斜角θYは、差し渡しが最長ｄ4の線状光Ｌ4の点ＰL4（Ｘ4L，Ｙ4L，Ｚ4L）、ＰR4（Ｘ4R，Ｙ4R，Ｚ4R）の座標を用いて表すと、下記式（２）のように表すことができる。
θY＝ｔａｎ−１（（Ｚ4R−Ｚ4L）／（Ｘ4R−Ｘ4L）） ・・・（２）
【００３９】
但し、Ｙ10、Ｙ60、Ｚ10、Ｚ60は穴１３２の両側に位置し穴１３２と交差しない２つの光ビームＬ1、Ｌ6と穴１３２の中心Ｐ0を通り前記２つの光ビームＬ1、Ｌ6に直交する線との交点のＹ座標及びＺ座標であり、又、Ｘ4R、Ｚ4R、X4L、Ｚ4Lは穴１３２と交差する光ビーム（本実施の形態では差し渡しが最大の光ビームＬ4）と穴１３２周縁部１３３との間の２つの交点のＸ座標、Ｚ座標である。
【００４０】
点Ｐ10、点Ｐ60、点ＰL4、点ＰR4の座標は後述するようにして得ることができる。このように、縁部１３３（換言すれば穴１３２）と交差しない線状光Ｌ1、Ｌ6上の点Ｐ10、点P60の座標を用いて傾斜角θを得るようにしているため、穴１３２が小さい場合でも点Ｐ10とＰ60間の長い距離を用いて傾斜角θを算出することが可能になり、傾斜角θを高精度に測定することが可能になる。即ち、相互間の間隔が既知である線状光Ｌ1とＬ6との間の直線距離と、測定によって得られる線状光Ｌ1、Ｌ6上の点の直線距離とを用いて、前記両直線間の傾斜角θを測定するため、傾斜角θを高精に測定することが可能になる。また、差し渡しが最大の光ビームと穴周縁部１３２との交点の座標を用いて算出するため、高精度な測定が可能になる。
前記検出手段が検出した複数の光ビームと穴周縁部との交点の位置座標を用いて前記光ビームの垂直２等分線を求め、前記穴と交差しない複数の光ビームと前記垂直２等分線との交点の位置座標と、前記光ビームの間隔とを用いて前記穴の傾斜角を算出する算出手段とを備えて成ることを特徴とする光学式測定装置。
【００４１】
穴１３２の中心座標 Ｐ0（Ｘ0，Ｙ0，Ｚ0）は、直線Ｑの線上にある。図５の例では、右側の４点（Ｐ2R、Ｐ3R、Ｐ4R、Ｐ5R）または左側の４点（Ｐ2L、Ｐ3L、Ｐ4L、Ｐ5L）、あるいは、前記計８点から、前記選択した各点を通るような楕円の方程式を算出（楕円フィティング）することで、楕円中心すなわち傾斜した穴１３２の中心Ｐ0の座標を求めることができる。以下、その解析法を詳細に説明する。
【００４２】
中心点Ｐ0を中心とする点Ｐ2R、Ｐ2L、Ｐ3R、Ｐ3L、Ｐ4R、Ｐ4L、Ｐ5L、Ｐ5Rについての半径Ｒ2R、Ｒ2L、Ｒ3R、Ｒ3L、Ｒ4R、Ｒ4L、Ｒ5R、Ｒ5Lは、以下の式（３）の通りであり、穴１３２が理想的な円形状の場合には各半径は等しい。
Ｒ2R２＝（Ｘ2R−Ｘ0）２＋（Ｙ2R−Ｙ0）２＋（Ｚ2R−Ｚ0）２
Ｒ2L２＝（Ｘ2L−Ｘ0）２＋（Ｙ2L−Ｙ0）２＋（Ｚ2L−Ｚ0）２
Ｒ3R２＝（Ｘ3R−Ｘ0）２＋（Ｙ3R−Ｙ0）２＋（Ｚ3R−Ｚ0）２
Ｒ3L２＝（Ｘ3L−Ｘ0）２＋（Ｙ3L−Ｙ0）２＋（Ｚ3L−Ｚ0）２
Ｒ4R２＝（Ｘ4R−Ｘ0）２＋（Ｙ4R−Ｙ0）２＋（Ｚ4R−Ｚ0）２
Ｒ4L２＝（Ｘ4L−Ｘ0）２＋（Ｙ4L−Ｙ0）２＋（Ｚ4L−Ｚ0）２
Ｒ5R２＝（Ｘ5R−Ｘ0）２＋（Ｙ5R−Ｙ0）２＋（Ｚ5R−Ｚ0）２
Ｒ5L２＝（Ｘ5L−Ｘ0）２＋（Ｙ5L−Ｙ0）２＋（Ｚ5L−Ｚ0）２ ・・・（３）
【００４３】
ここで、Ｘ2R、Ｘ2L、Ｘ3R、Ｘ3L、Ｘ4R、Ｘ4L、Ｘ5R、Ｘ5L、Ｙ2R、Ｙ2L、Ｙ3R、Ｙ3L、Ｙ4R、Ｙ4L、Ｙ5R、Ｙ5L、Ｚ2R、Ｚ2L、Ｚ3R、Ｚ3L、Ｚ4R、Ｚ4L、Ｚ5R、Ｚ5Lは測定によって得られる値であり、既知となる数値である。Ｘ0、Ｙ0、Ｚ0は未知数である。
例えば、穴１３２の右側の４点（Ｐ2R、Ｐ3R、Ｐ4R、Ｐ5R）を用いて中心Ｐ0の座標を求める場合、上記８つの式（３）から穴１３２の右側の４点（Ｐ2R、Ｐ3R、Ｐ4R、Ｐ5R）の式を抽出すると下記４つの式（４）のようになる。
【００４４】
Ｒ2R２＝（Ｘ2R−Ｘ0）２＋（Ｙ2R−Ｙ0）２＋（Ｚ2R−Ｚ0）２
Ｒ3R２＝（Ｘ3R−Ｘ0）２＋（Ｙ3R−Ｙ0）２＋（Ｚ3R−Ｚ0）２
Ｒ4R２＝（Ｘ4R−Ｘ0）２＋（Ｙ4R−Ｙ0）２＋（Ｚ4R−Ｚ0）２
Ｒ5R２＝（Ｘ5R−Ｘ0）２＋（Ｙ5R−Ｙ0）２＋（Ｚ5R−Ｚ0）２ ・・・（４）
尚、式（４）において、Ｘ0が既知の場合には、４番目の式は不要である。
【００４５】
各点の半径は等しいため、式（４）を用いて、Ｒ2R２＝Ｒ3R２、Ｒ3R２＝Ｒ4R２、Ｒ4R２＝Ｒ5R２、Ｒ5R２＝Ｒ2R２とすると、下記４つの式（５）が成立する。
（Ｘ2R−Ｘ0）２＋（Ｙ2R−Ｙ0）２＋（Ｚ2R−Ｚ0）２＝（Ｘ3R−Ｘ0）２＋（Ｙ3R−Ｙ0）２＋（Ｚ3R−Ｚ0）２
（Ｘ3R−Ｘ0）２＋（Ｙ3R−Ｙ0）２＋（Ｚ3R−Ｚ0）２＝（Ｘ4R−Ｘ0）２＋（Ｙ4R−Ｙ0）２＋（Ｚ4R−Ｚ0）２
（Ｘ4R−Ｘ0）２＋（Ｙ4R−Ｙ0）２＋（Ｚ4R−Ｚ0）２＝（Ｘ5R−Ｘ0）２＋（Ｙ5R−Ｙ0）２＋（Ｚ5R−Ｚ0）２
（Ｘ5R−Ｘ0）２＋（Ｙ5R−Ｙ0）２＋（Ｚ5R−Ｚ0）２＝（Ｘ2R−Ｘ0）２＋（Ｙ2R−Ｙ0）２＋（Ｚ2R−Ｚ0）２
・・・（５）
【００４６】
ここで、既知の係数をつぎのように置く。
Ａ23＝２（Ｘ2R−Ｘ3R）
Ｂ23＝２（Ｙ2R−Ｙ3R）
Ｃ23＝２（Ｚ2R−Ｚ3R）
Ｄ23＝（Ｘ2R２−Ｘ3R２）＋（Ｙ2R２−Ｙ3R２）＋（Ｚ2R２−Ｚ3R２）
【００４７】
同様に Ａ34、Ｂ34、Ｃ34、Ｄ34 および Ａ45、Ｂ45、Ｃ45、Ｄ45 を置き、Ｘ0、Ｙ0、Ｚ0で記述すると、下記４つの式（６）が得られる。
Ａ23・Ｘ0＋Ｂ23・Ｙ0＋Ｃ23・Ｚ0＝Ｄ23
Ａ34・Ｘ0＋Ｂ34・Ｙ0＋Ｃ34・Ｚ0＝Ｄ34
Ａ45・Ｘ0＋Ｂ45・Ｙ0＋Ｃ45・Ｚ0＝Ｄ45 ・・・（６）
穴１３２の中心Ｐ0の座標（Ｘ0、Ｙ0、Ｚ0）は、下記３つの式（７）で表される。
【００４８】
【数１】
・・・（７）
穴１３２の半径Ｒは式（６）のＸ0、Ｙ0、Ｚ0を式（４）に代入することで求められる。穴１３２の直径は、それぞれの半径（Ｒ2R〜Ｒ5R）を２倍して、またはそれらの平均値を２倍して求めることができる。
【００４９】
以上述べたように、本実施の形態に係る光学式測定装置においては、光源部１０６は、断面が線状で所定間隔に配置された複数の平行な光ビームL１〜L6から成る測定用光１５０を出力する。光検出部１１１、１１４は、測定対象１３０の穴１３２周辺領域で反射した測定用光１５０を検出する。制御部１２６は、光検出部１１１、１１４が検出した複数の光ビームＬ2〜Ｌ5と穴１３２周縁部１３３との交点の位置座標を用いて各光ビームの垂直２等分線を求め、穴１３２と交差しない複数の光ビームＬ1、Ｌ6と前記垂直２等分線との交点Ｐ10、Ｐ60の位置座標と前記光ビームＬ1〜Ｌ6の既知の間隔とを用いて穴１３２の傾斜角を算出する。
【００５０】
このように、相互に間隔が既知の複数の線状光Ｌ1〜L6より成る測定用光１５０を用いて、測定対象１３０の穴１３２の傾斜角θ等、測定対象１３０についての長さに関する情報を正確に測定することが可能になる。
特に、穴１３２と交差しない線状光Ｌ1、Ｌ6を用いて傾斜角θを正確に測定することが可能になる。
【００５１】
また、穴１３２が円形状の場合、前記式（１）、（２）に基づいて穴１３２の傾斜角θを算出することができる。
また、複数の光ビームと穴周縁部１３３との交点の位置座標を用いて穴１３２の中心Ｐ0の位置座標を算出することができる。
また、複数の光ビームと穴周縁部１３３との交点の位置座標を用いて穴１３２の径を算出することができる。
【００５２】
また、工業製品の穴周縁部の形状は、面取り形状（一般には４５度）やアール形状が多いため、穴周縁部を正確に検出することが困難な場合があり、その一方、穴周縁部が理想的なエッジの場合には穴側とフランジ面（測定対象表面）側に照射点がふらつくことがあり、安定したデータが取得できないことが多い。本実施の形態では、直接穴縁上の照射点を使わなくてもよく、安定したデータが取得できる。
【００５３】
また、穿孔が機械加工の場合はエッジ部には“バリ”が構成され、鍛造やプレスによる穿孔の穴ではアール部分表面は延ばされて梨地状（ポーラス状）となり、不適切な反射光を呈することがあり取得データが不安定な場合があるが、本実施の形態では、直接穴縁上の照射点を使わなくてもよいため、安定したデータが取得できる。
また、鍛造工程のように赤色化した高温穿孔の場合でも、物性的、形状的にも安定したフランジ面上のラインレーザを用いることが可能になる。
また、本発明の実施の形態に係る光学式測定装置は前記効果を奏するため、加工後の検査や計測ではなく、製造工程の中で全数検査することが可能、すなわちインライン計測が可能になる。
【００５４】
尚、前記実施の形態では、２つの光検出部１１１、１１４を用いた光学式測定装置１００を用いて三角測量法によって測定するように構成しているため、光源部１０６を、光検出部１１１、１１４とは位置関係が自由な位置に設置できるという効果を奏するが、１つの光源部及び１つの光検出部を用いて三角測量法によって測定するように構成してもよい。この場合も、前記同様にして測定対象１３０の穴１３２の傾斜角θを正確に測定することが可能になり又、各種の測定対象１３０についての長さに関する情報を測定することができる。
【００５５】
また、前記実施の形態では、穴の例として貫通穴１３２の例で説明したが、有底穴にも適用可能である。
また、穴の形状は必ずしも円形に限られない。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
少なくとも測定対象に形成された穴の傾斜角測定を測定する光学式測定装置に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施の形態に係る光学式測定装置の平面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る光学式測定装置の正面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る光学式測定装置の左側面図である。
【図４】本発明の実施の形態における測定対象の斜視図である。
【図５】本発明の実施の形態における測定動作の説明図である。
【符号の説明】
【００５８】
１００・・・光学式測定装置
１０１・・・ケース本体
１０２・・・前面板
１０３〜１０５・・・窓部
１０６・・・光源部
１０７・・・発光素子
１０８・・・プロジェクタ
１１９〜１２１・・・光軸
１１１、１１４・・・光検出部
１１２、１１５・・・受光レンズ
１１３、１１６・・・光検出素子
１１８・・・位置合わせ部材
１１９・・・光軸
１２６・・・制御部
１２７・・・記憶部
１３０・・・測定対象
１３１・・・測定対象表面
１３２・・・穴
１３３・・・縁部
１５０・・・測定用光
【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面が線状で所定間隔に配置された複数の平行な光ビームから成る測定用光を出力する光源部と、
測定対象の穴周辺領域で反射した前記測定用光を検出する検出手段と、
前記検出手段が検出した複数の光ビームと穴周縁部との交点の位置座標を用いて前記光ビームの垂直２等分線を求め、前記穴と交差しない複数の光ビームと前記垂直２等分線との交点の位置座標と、前記光ビームの間隔とを用いて前記穴の傾斜角を算出する算出手段とを備えて成ることを特徴とする光学式測定装置。
【請求項２】
前記穴は円形であり、前記算出手段は、下記式に基づいて前記穴の傾斜角を算出することを特徴とする請求項１記載の光学式測定装置。
θX＝ｔａｎ−１（（Ｚ6O−Ｚ1O）／（Ｙ6O−Ｙ1O））
θY＝ｔａｎ−１（（Ｚ4R−Ｚ4L）／（Ｘ4R−Ｘ4L））
但し、θXはＸ軸周りの傾斜角、θYはＹ軸周りの傾斜角であり、又、Ｙ10、Ｙ60、Ｚ10、Ｚ60は前記穴の両側に位置し前記穴と交差しない２つの光ビームと前記穴の中心を通り前記２つの光ビームに直交する線との交点のＹ座標及びＺ座標であり、又、Ｘ4R、Ｚ4R、X4L、Ｚ4Lは前記光ビームと前記穴周縁部との間の２つの交点のＸ座標、Ｚ座標である。
【請求項３】
前記算出手段は、前記検出手段が検出した複数の光ビームと穴周縁部との交点の位置座標を用いて前記穴の中心の位置座標を算出することを特徴とする請求項１又は２記載の光学式測定装置。
【請求項４】
前記算出手段は、前記検出手段が検出した複数の光ビームと穴周縁部との交点の位置座標を用いて前記穴の径を算出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の光学式測定装置。
【請求項１】
断面が線状で所定間隔に配置された複数の平行な光ビームから成る測定用光を出力する光源部と、
測定対象の穴周辺領域で反射した前記測定用光を検出する検出手段と、
前記検出手段が検出した複数の光ビームと穴周縁部との交点の位置座標を用いて前記光ビームの垂直２等分線を求め、前記穴と交差しない複数の光ビームと前記垂直２等分線との交点の位置座標と、前記光ビームの間隔とを用いて前記穴の傾斜角を算出する算出手段とを備えて成ることを特徴とする光学式測定装置。
【請求項２】
前記穴は円形であり、前記算出手段は、下記式に基づいて前記穴の傾斜角を算出することを特徴とする請求項１記載の光学式測定装置。
θX＝ｔａｎ−１（（Ｚ6O−Ｚ1O）／（Ｙ6O−Ｙ1O））
θY＝ｔａｎ−１（（Ｚ4R−Ｚ4L）／（Ｘ4R−Ｘ4L））
但し、θXはＸ軸周りの傾斜角、θYはＹ軸周りの傾斜角であり、又、Ｙ10、Ｙ60、Ｚ10、Ｚ60は前記穴の両側に位置し前記穴と交差しない２つの光ビームと前記穴の中心を通り前記２つの光ビームに直交する線との交点のＹ座標及びＺ座標であり、又、Ｘ4R、Ｚ4R、X4L、Ｚ4Lは前記光ビームと前記穴周縁部との間の２つの交点のＸ座標、Ｚ座標である。
【請求項３】
前記算出手段は、前記検出手段が検出した複数の光ビームと穴周縁部との交点の位置座標を用いて前記穴の中心の位置座標を算出することを特徴とする請求項１又は２記載の光学式測定装置。
【請求項４】
前記算出手段は、前記検出手段が検出した複数の光ビームと穴周縁部との交点の位置座標を用いて前記穴の径を算出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の光学式測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−１４５１０１（Ｐ２０１０−１４５１０１Ａ）
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３１９３３６（Ｐ２００８−３１９３３６）
【出願日】平成２０年１２月１６日（２００８．１２．１６）
【出願人】（３９１０３００７７）株式会社ソアテック (30)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月１６日（２００８．１２．１６）
【出願人】（３９１０３００７７）株式会社ソアテック (30)
【Ｆターム（参考）】
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