JPH03115912A - 光学式管内径測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、人間が入って検査することができない小径の
パイプあるいは鋼管の内径を測定し、その内壁状態の検
査に用いる光学式管内径測定装置に関する。

都市の地下あるいは建築物の内部には、ガス、水、電気
を送ったり、あるいは通信に供される多数の配管が施さ
れている。これらの配管は一旦敷設が完了すると、何ら
かの障害がない限りその内部状況の検査を行わないのが
通例であった。これは、検査方法がなかったこと、また
検査自体がコスト的に引き合わないことがその理由であ
り、障害が発生した時点でその原因の究明や修理の可否
判断のために管内検査が実施されていた。

本発明の光学式管内径測定装置は、例えば敷設管の寿命
データベース構築などの用途に利用されるものである。

〔従来の技術〕

従来の管内検査装置は小型テレビカメラを用いた構成で
あり、それを管内に挿入し、画像として捉えた管内壁面
の状態を検査員が観察する方法をとっていた。これは、
得られる画像データがイメージ情報であり、その情報量
が膨大になるためであった。すなわち、そのデータ処理
により障害の有無を見つけるには、処理装置が大掛かり
になるとともに処理時間も長くなることから、検査員が
直接モニタ画面を監視しつつ、その都度欠陥の種別、修
理の必要度および可能性などを判断して適切な処置をと
る方が容易なためであった。

〔発明が解決しようとする課題〕

一方、平面物体を対象としてレーザ光を照射し、その反
射光を用いて距離を計測する方法は従来よりあったが、
光源およびその検出系は配線上の理由により固定せざる
を得なかった。したがって、自ら回転して管の内側から
内径を測定するものとしては適していなかった。

また、光ディスクに使用されている光ヘッドは高精度の
自己焦点検出制御機構を有しているが、レンズ自体を焦
点位置変動量と同一量移動させる構成である。これは、
レーザ光を一旦平行光に変換し、対物レンズで絞り込む
方式であったために、焦点位置決め性能はマイクロメー
タオーダの領域に達している一方で、比較的広い領域を
カバーする性能を持つことができなかった。すなわち、
この自己焦点検出制御機構は、焦点位置検出能力は優れ
ているがその検出範囲は高々数ｍｍであった。

一方、地下あるいは建築物内の敷設管の管内を検査する
ためには、管内径の変動量が数ｃｍに達する場合でも検
出が可能であり、かつ作業性の高い管内径測定機構が要
求されている。光ヘッドの自己焦点検出制御機構では、
管内の大幅な内径変動量に追随させることは不可能であ
った。

本発明は、簡単かつ手軽に管内の検査を可能とし、有効
に管内径の測定を行うことができる光学式管内径測定装
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〕

本発明は、半導体レーザから出力されるレーザ光をビー
ム整形し、円偏光の平行光ビームとして出射する光源部
と、平行光ビームを広がりをもつ光ビームに変換し、駆
動手段で設定される焦点位置の対物レンズを介して出射
される光ビームを回転する反射ミラーで反射させて管の
内壁を走査する光ビーム走査部と、管の内壁で反射した
光ビームを取り込み、シリンドリカルレンズを介して受
光される光ビームの形状に応じて焦点位置を検出し、駆
動手段の制御量を求めるとともに管の内径の変化量とし
て検出する焦点位置検出部とを備えて構成する。

〔作　用〕

本発明は、光ビーム走査部で平行光ビームを広がりをも
つ光ビームに変換し、駆動手段で設定される焦点位置に
ある対物レンズおよび反射ミラーを介して、管の内壁に
光ビームを集光させる。したがって、管の内径の変動に
伴って対物レンズの焦点位置を変動させる場合には、広
がりをもつ光ビームを用いているために、管の内径の変
動量に対して対物レンズの移動量を小さくすることがで
きる。すなわち、焦点位置の検出範囲を大幅に拡大する
ことが容易である。

なお、焦点位置の検出範囲の拡大に伴って焦点位置決め
精度の低下は避けられないが、管の内部検査の目的では
０．１ｍｍ程度の測定精度があれば十分であり、本発明
構成においても容易に実現可能である。

さらに、本発明の焦点位置検出部では、シリンドリカル
レンズを介して受光される光ビームの形状に応じて、対
物レンズの焦点位置を検出してフィードバック制御を行
う構成であり、その対物レンズの移動量が管の内径の変
動量に対応していることを利用して管の内径測定が行わ
れる。

〔実施例〕

以下、図面に基づいて本発明の実施例について詳細に説
明する。

第１図は、本発明一実施例の要部構成を示すブロック図
である。

図において、参照番号１０は管の一部断面を示す。半導
体レーザ１１から出射されたレーザ光は、ビーム整形用
プリズム１３でビーム形状が楕円から円形に整形され、
コリメータレンズ１５で平行光となり、偏光ビームスプ
リッタ１７を介して１／４波長板１９に入射される。１
／４波長板１９では、ビーム整形され平行光となったレ
ーザ光を直線偏光から円偏光に変換する。その出射光は
集光レンズ２１で集光され、さらに対物レンズ２３を介
して反射ミラー２５で反射されて管１０内の壁面に集光
する。

なお、反射ミラー２５は、回転用のモータ２７の回転軸
に保持されて回転する構造であり、その反射光は管１０
の内周に沿って照射される。したがって、１／４波長板
１９を用いてレーザ光を円偏光に変換することにより、
管１０の内周に沿って照射される光ビームの光量をその
円周方向に対して一定にすることができ、方位に依存し
たデータ補正を不要にすることができる。

管１０の壁面で反射した光は、再び反射ミラー２５、対
物レンズ２３および集光レンズ２１を介して１／４波長
板１９に入射される。１／４波長板１９は、円偏光の状
態で戻ってきた光を直線偏光に変換し、その出射光は偏
光ビームスプリッタ１７で反射されて受光系２９に達す
る。

受光系２９は、シリンドリカルレンズ３】、集光レンズ
３３および４分割光検出素子３５から構成される。４分
割光検出素子３５の各検出素子には対物レンズ２３の焦
点位置に応じた光強度が検出され、各検出出力が焦点位
置ずれ量検出部３７に送出される。焦点位置ずれ量検出
部３７は、４方向の各光強度の差から対物レンズ２３の
焦点位置のずれ量を検出し、対応する制御信号を対物レ
ンズ２３の駆動系３９にフィードバックし、対物レンズ
２３を対応する焦点位置に移動させる。駆動系３９は、
磁気コイル４１、磁石４３および対物レンズ２３を保持
するバネ４５により構成される。

第２図は、４分割光検出素子３５において、４方向の各
光強度の差から対物レンズ２３の焦点位置のずれ量を検
出する原理を説明する図である。

管１０の壁面で反射した光がシリンドリカルレンズ３１
を介して受光されることにより、そのＸ。

ｙ方向のそれぞれに応じて対物レンズ２３の焦点位置が
変化する。４分割光検出素子３５に検出される光ビーム
の形状は、各方向に応じたそれぞれの焦点位置で長袖方
向が互いに９０度異なる楕円形（第２図（１）、（３）
）となり、各焦点位置の中心（以下、「自動制御焦点位
置」という。）で円形（第２図（２））となる。

ここで、第２図に示すように４分割光検出素子３５の設
置位置を４５度傾斜させることにより、円形のビーム形
状が得られる自動制御焦点位置に対する対物レンズ２３
のずれ量が検出できる。すなわち、４分割光検出素子３
５の各検出素子を第２図に示すようにＡ、Ｂ、Ｃ，Ｄと
し、それぞれ検出される光強度をａ、ｂ、ｃ、ｄとする
と、ｓ＝　（ａ＋ｃ）−（ｂ十ｄ） で定義される差信号Ｓは、対物レンズ２３の位置が自動
制御焦点位置にある場合にはゼロとなるので、楕円形の
ビーム形状が得られる場合の差信号Ｓが自動制御焦点位
置に対するずれ量（焦点位置ずれ量）を示す値となる。

なお、第２図（ａ）の場合にはｓ＞０であり、対物レン
ズ２３の位置が自動制御焦点位置に対して管１０側（近
接）にあるといえる。また、第２図（Ｃ）の場合にはｓ
＜Ｏであり、対物レンズ２３の位置が自動制御焦点位置
に対して管１０と反対側（遠方）にあるといえる。

第３図は、対物レンズ２３の位置に対する差信号Ｓの測
定結果を示す図である。横軸は対物レンズ２３の位置を
示し、縦軸は差信号Ｓを示す。

差信号Ｓの各ピークに対応する対物レンズ２３の位置は
、それぞれシリンドリカルレンズ３１のｘ、ｙ方向に応
じた各焦点位置であり、その中心に差信号Ｓがゼロとな
る自動制御焦点位置Ｍがある。

焦点位置ずれ量検出部３７は、４分割光検出素子３５の
各検出素子の光強度の差（差信号Ｓ）をＯ 検出し、差信号Ｓがゼロになる自動制御焦点位置Ｍまで
の対物レンズ２３の移動量を求め、その値に応じた制御
信号を駆動系３９にフィードバックする。

なお、差信号Ｓと対物レンズ２３の位置との間には全体
として線形関係はないが、自動制御焦点位置Ｍを挾む微
小区間内では、第３図に示すようにほぼ線形とみること
が可能である。したがって、受光系２９、焦点位置ずれ
量検出部３７および駆動系３９で構成されるサーボ機構
にはまったく影響はない。

このような構成により、管１０の内径の変化に応じて対
物レンズ２３の位置が自動制御焦点位置Ｍに調整される
。すなわち、管１０の本来の内径に合わせた自動制御焦
点位置（第３図Ｎ点）に対物レンズ２３の位置をあらか
じめ設定しておくと、内径の変化（減少）が差信号Ｓ、
として検出され、差信号ＳＩをゼロにする自動制御焦点
位置Ｍまでの対物レンズ２３の移動量Δｄが求まり、そ
れに応じて駆動系３９にフィードバックがかかる。

本発明は、この対物レンズ２３の移動量Δｄが内径の変
化量に対応していることを利用し、焦点位置ずれ量検出
部３７から駆動系３９にフィードバックされる制御信号
を用いて、管１０の本来の内径に対する変形量を検出す
る。

なお、管１０の内径の測定は、本測定装置を管内に挿入
し、モータ２７を駆動して反射ミラー２５を回転させ、
出射される光ビームを管１０の内壁に沿ってスキャンす
ることにより行う。すなわち、対物レンズ２３は自動制
御焦点位置に自動的に移動するが、上ｊ１ｅしたように
その移動量から対物レンズ２３の位置がわかり、反射ミ
ラー２５の位置が一定であるので、その回転軸から焦点
を結ぶ内壁の距離が計算され、管ＩＯの内径を求めるこ
とができる。

第４図は、本発明装置により管１０の内径を実測した結
果を示す図である。

細線は管ＩＯの本来の内径を示し、太線は管１０の測定
された内径を示す。

また、本発明装置は、管内を自走可能なロボットその他
に搭載されるか、その挿入動作によって、管の長手方向
の内径変化を順次（螺旋状に）検出することができ、さ
らにその長手方向の移動と管内のスキャン周期との同期
をとることにより、腐食その他によって変形を起こした
壁面の位置を容易に得ることができる。

また、本発明装置は小電力で動作可能であるので電池な
どの電力で十分である。

なお、管内径に関する情報は、電波あるいは光を用いた
空間伝搬を利用して送信し、管の所定位置（例えばマン
ホール）に設置された受信機に受信し、受信機に接続さ
れたマイクロコンピュータその他を用いてその情報処理
を行うことにより、可視情報としてデイスプレィ上に表
示させることもできる。

〔発明の効果〕

上述したように、本発明は、管の内径の変動量に比べて
焦点位置変動量、すなわち対物レンズの移動量を小さく
することができるので、管の内壁に対して光ビームの高
速スキャンが可能となり、対物レンズの移動量に対応し
て測定される管の内径データを効率よく収集することが
できる。さらに、対物レンズの軽量化を図ることによっ
て動的追随性を高めることができる。

また、本発明装置は、小型化および軽量化が容易であり
、さらに操作性に優れているために、簡単かつ手軽に高
精度の管内径の測定を行うことができる。

なお、本発明装置を例えば管内修理ロボットの先端部に
設置することにより、補修を行う方法および時間その他
の判断が容易になり、効果的かつ計画的な修理作業を実
現させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明一実施例の要部構成を示すブロック図。 第２図は対物レンズの焦点位置ずれ量を検出する原理を
説明する図。 第３図は対物レンズの位置に対する差信号Ｓの４ 測定結果を示す図。 第４図は本発明装置により管の内径を実測した結果を示
す図。 １０・・・管、１１・・・半導体レーザ、１３・・・ビ
ーム整形用プリズム、１５・・・コリメータレンズ、１
７・・・偏光ビームスプリッタ、１９・・・１／４波長
板、２１・・・集光レンズ、２３・・・対物レンズ、２
５・・・反射ミラー、２７・・・モータ、２９・・・受
光系、３１・・・シリンドリカルレンズ、３３・・・集
光レンズ、３５・・・４分割光検出素子、３７・・・焦
点位置ずれ量検出部、３９・・・駆動系、４１・・・磁
気コイル、４３・・・磁石、４５・・・バネ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体レーザから出力されるレーザ光をビーム整
   形し、円偏光の平行光ビームとして出射する光源部と、 前記平行光ビームを広がりをもつ光ビームに変換し、駆
   動手段で設定される焦点位置の対物レンズを介して出射
   される光ビームを回転する反射ミラーで反射させて管の
   内壁を走査する光ビーム走査部と、 前記管の内壁で反射した光ビームを取り込み、シリンド
   リカルレンズを介して受光される光ビームの形状に応じ
   て前記焦点位置を検出し、前記駆動手段の制御量を求め
   るとともに前記管の内径の変化量として検出する焦点位
   置検出部とを備えたことを特徴とする光学式管内径測定
   装置。