2 研究背景 研究テーマ : 将来のレーザー核融合実現のための基礎技術の開発 1) レーザ による干渉現象を利用して飛行球体の位置測定 2) レーザ による干渉現象を利用して球体の直径測定 レーザー核融合の原理 : 直径約 5mm の燃料球に MJ の大出力レーザー光を照射する 大出力レーザー光照射

レーザーによる球状物体の

直径測定方法とその測定装置

茨城大学工学部

メディア通信工学科

研究背景

研究テーマ：将来のレーザー核融合実現のための基礎技術の開発 １）レーザ―による干渉現象を利用して飛行球体の位置測定 ２）レーザ―による干渉現象を利用して球体の直径測定 大出力レーザー光照射 プラズマ噴出とその 反作用での爆縮 燃料 _燃料 高温 高密度 レーザー核融合の原理：直径約5ｍｍの燃料球にMJの大出力レーザー光を照射する 核融合反応

研究背景

材質 プラスチック 直径 数mm この中に重水素ガスを詰めて、 冷やしておく 高い真球度が要求される エンジンのように１秒間に多数 回燃焼させる。10Hz運転だと一 日に80万回以上 つまり一日に燃料球を80万個以 上製造し検査する必要がある 燃料球 重水素ガス プラスチック

研究背景

（１）100～400m/sで飛行中の燃料球の位置を計測（誤差2μm以内）し、核融合炉の中心で 大出力レーザ―光の焦点と燃料球の中心を合わせる（誤差20μm以内） ＝＞位置測定 He ガス 圧力室 燃料球供給 システム レーザー核融合炉 磁気レンズシステム 飛行経路 大出力レーザー光 冷却システム 磁石 磁石 （２）直径５mmの燃料球を毎日８０万個以上製造するので、全数の直径検査＝＞直径測定 （誤差2μm以内）を行う 将来のレーザー核融合炉システム

これらの技術を産業界に応用できないか？

直径測定の

KeyPoint１！ アラゴスポットとは

アラゴスポット 球の影 レーザー光 球にレーザー光を照射すると影の中心に輝点を生じる。これをアラゴスポット （ポアソンスポット）という。 アラゴスポット 影 アラゴスポット拡大図 球が光によって照射されると、球の外縁のすべての点が新たな点光源（波源）として振る舞 う（ホイヘンスの原理）。外縁のそれぞれの点から影の中心部分までは同じ距離なので、す べての波は強め合うように干渉する。＝＞輝点を生じる

直径測定の

KeyPoint２！ アラゴスポットの性質

アラゴスポット拡大図

アラゴスポットの大きさA

A=1.52×Lλ/D

L:球とスクリーン（実際はCCD撮像素子）までの距離

λ

_{:レーザーの波長}

_{D：球の直径}

同心円状の干渉縞の間隔B

B=Lλ/D

L:球とスクリーンまでの距離

λ

_{:レーザーの波長}

_{D：球の直径}

アラゴスポットの大きさAの数値例

A=20μm(@0.1m), A=200μm(@1m),

L:0.1m と1m

λ

:632.8nm(He-Ne)

D=5mm

直径測定の

KeyPoint３！ アラゴスポットの測定

アラゴスポット拡大図

アラゴススポットの中心位置の決定

例 重みづけ平均法

0 50 100 １50 0 500 1000 1500 2000 2500 XA XC XB Ith S Y X T C S Y X T C

Y

Y

X

I

I

Y

X

Y

X

I

I

X

, ,

)

,

(

1

)

,

(

1

S Y X T

I

X

Y

I

,

)

,

(

アラゴスポットの光強度分布

（１）平均操作を行う事でCCDの

画素の大きさ

以下の精度が得られる

（２）

発散光照射

配置により、さらに直径測定の

精度が向上する（＝＞後述）

新技術の基となる研究成果・技術１

関連論文（平行レーザー＋アラゴスポットによる球の位置測定） 別刷りあり

(1) K. Saruta and R. Tsuji: Jpn. J. Appl. Phys. Vol.46, No.9A, 2007, pp6000-6006、 “Accuracy of Position Measurement Method Using Arago Spot for Inertial Fusion Energy Target Tracking System”

アラゴスポットを利用して球の位置を0.2μmの誤差で測定した。

関連論文（発散レーザ―光＋アラゴスポットによる球の位置測定） 別刷りあり

(2) K. Saruta and R. Tsuji: Jpn. J. Appl. Phys. Vol.47, No.3, 2008, pp1742-1744、 “Position Mesurement Method Using a Divergent Laser Beam and Argo Spot for Tracking of an Inertial Fusion Energy Target”

発散ビームのレーザによるアラゴスポットを利用して球の位置を_{0.2μmの誤差で測定した。}

dX=dh dh dX=((L+s)/s)dh dh s s+L 平行レーザー光 発散レーザー光 Arago Spotの 移動量 Arago Spotの 移動量 L 問題点（論文１）：平行光だと距離が大き くなるつれて（１）アラゴスポットも大きくな り誤差が増える（２）回折光（光の回り込 み）がアラゴスポットにかぶさる（影が消 える）のでスクリーンまでの距離は０．１ ～１ｍが限界 発散光（論文２）にすると影も大きくなり、 移動量も大きくなり、遠距離（１０ｍ）から でも精度よく（１μ）測れる

新技術の基となる研究成果・技術２

新技術の基となる研究成果・技術３

1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 0 5 10 15 20 25 30 experimental value theoretical value 関連論文（発散レーザ―光＋アラゴによる球の位置測定＋光学的画像圧縮） 無料閲覧可

(3) H. Sakauchi and R. Tsuji: Plasma and Fusion Research 4、2009, Special, S1012 “Compression of Arago Spot Images for Rapid Position Measurement of Inertial Fusion Energy Targets”

発散ビームのレーザによるアラゴスポット像を１次元に圧縮して球の位置を0.2μmの誤差で 計測した。遠距離からの測定が可能。画像データ量は約1/1000に減少。＝＞高速処理可能 鋼球 対物 レンズ 減光フィルター 空間フィ ルター F He-Neレーザー カメラ μm 円柱 レンズ p ix el ガラス板

1 2

直径測定の新技術の紹介

レーザー光をレンズ

_{Lでいったん焦点Fに集束させると、発散レー}

ザー光が得られる。これを平面と透明板の２点で係止されている

球に照射すると、スクリーン上（実際は、

_{CCDなどの撮像素子上}

）

では

アラゴスポットが観測される。

（焦点

_{F-中心C-アラゴスポットPは一直線上にある）}

F

レーザー光 L

B

平面

透明板

P

C：球の中心

スクリーン

測定システム図

新技術による直径測定の原理

直径が小さい球（実線）の代わりに、直径が大きい球（破線）を置くと

FとC１を結んだ延長線上のアラゴスポットP1は、FとC２を結んだ延長線上P２

に移動する。

アラゴスポットの位置測定から球の直径測定が行える

F

平面

透明板

P1

C1：球の中心

C2：球の中心

P2

スクリーン

直径測定の実験結果

実験１

鋼球（直径

_{3, 4, 5, 6, 8, 10mm）を基準として、ルビーボールレ}

ンズ（直径

3.175, 4.762, 5.556, 6.350, 9.525mm）の直径を計測した

結果 直径測定の最大誤差

2.4μm、平均誤差1.2μm

（注：ルビーボールレンズの直径公差 ±

_2.54μm）

実験２

直径

6.350mmでゲージの異なる鋼球（+2.2μmと+4.4μm ）

の直径の差を計測した

結果 ゲージ差

_{2.2μmに対し実験値平均は1.4μm、平均誤差0.8μm}

（注：鋼球（

G２８)の直径の誤差0.7μm ）

ミクロンの精度での直径測定が出来た

従来技術とその問題点

合格

不合格

（直径大）

不合格

（直径小）

(a)

(b)

移動

回転

回転

接触

接触

平面

従来技術とその問題点

(a)は回転している２本の平行からややずれた棒上に球を回転

させながらゆっくり移動させ、ある範囲で落下した球を合格とす

る直径計測法であるが

棒の加工精度や回転軸の精度、棒の摩耗の問題がある。

(b)は測定端子を球に接触させて直径計測を行う方法であるが

計測に時間がかかる

機械的な接触による、摩耗、消耗、故障等が生じる

(c)球影や球縁を撮影し画像処理で直径を計算する方法は、

影、縁の境界がぼやけてミクロンの精度が出ない

などの問題点がある

新技術の特徴

• システムの構成が簡単である（主要構成要素はレーザ―、

平板、透明板、被測定球体、撮像素子、画像処理用パソコン、

その他、連続送り機構）

• 測定原理が簡単である（影中のアラゴスポットを観測すれば

よい）

• 高精度（ミクロン以下）の測定、高速処理が可能

従来技術との比較

• アラゴスポット測定部と球体は機械的接触がないので、ガタ

つき、摩耗、加工精度、故障、更正など

機械的接触に起因す

る問題をさける事ができる。

• 従来技術では直径測定には時間がかかるので、大量生産品

の場合サンプル検査しかできなかったが、新技術は原理的

にアラゴスポットを画像処理するだけで直径測定ができ

検査

時間が短縮

できたため、

全数検査

を行う事が可能となる。

• 従来の画像処理による技術と比べると、アラゴスポットを画

像処理する方法は、球影の一部のみを拡大観察すればいい

ので

高精度の直径測定

が可能

想定される用途

• 基本的に球であれば、素材を選ばない（鋼球、ボールレンズ

で実績あり）ので、球（状の部品）を製造して直径測定をする

ときには、本技術が適用できる

• 本技術の適用により、大量生産品の全数検査が容易に行え

るため、従来のように不合格の製造ロットを全部廃棄する事

なく、不合格品のみ廃棄すればよく、品質の向上、製造コスト、

検査コストの削減が期待される。

想定される業界

利用者・対象

ボールベアリング製造メーカー

球状部品・製品（ボールレンズ等）製造メーカー

市場規模

工場数：一般機械器具製造業６万、金属製品製造業６万、

非鉄金属製造業５千、精密機械製造業７千、プラスチック

製品製造業２万 （平成１７年工業統計調査より）

導入費用：１台100万～200万円（部品代のみ）と想定

→ 国内で ～１０００億円（以下）の市場規模？

実用化に向けた課題

• 現在、球状物体（鋼球、ルビー球）の直径測定について測定

誤差１μ

_{m以内が可能なところまで開発済み。しかし、大量}

連続測定の課題（連続送り機構、連続計測機構）が未解決で

ある（がそんなに困難とは思わない）。

• 今後、球からずれた物体や表面が粗い球について実験デー

タを蓄積し、これらの場合に対し新技術による直径計測が適

用可能な範囲を明らかにする。

• さらに直径計測の精度を0.1μmまで向上できるよう技術を

確立したい。

企業への期待

•

未解決の自動連続測定については、画像処理とメ

カトロニクスの技術により克服できると考えている。

•

上記技術を持つ、企業との共同研究を希望。

•

また、球状部品を製造している企業、使用している

企業が、その製品や納入部品の検査には、本技術

の導入が有効と思われる。＝＞使ってみて下さい

本技術に関する知的財産権

• 発明の名称 ：球体の球径寸法測定方法

及びその測定装置

• 出願番号

：特願

2011-50094

• 出願人

：国立大学法人茨城大学

• 発明者

：辻龍介

お問い合わせ先

茨城大学

産学官連携イノベーション創成機構

知的財産部門

ＴＥＬ：０２９４－３８－７２８１

ＦＡＸ：０２９４－３８－５２４０

e-mail：

[email protected]