(57)【要約】【課題】熱間材の表面形状を光学センサを使用して非接触式にて精度良く測定することができる形状測定装置を提供する。【解決手段】本発明の形状測定装置Ｋは、レーザ変位センサ１０とＬＭガイド機構２０と送風機構４０と熱遮蔽部５０とを備え、前記ＬＭガイド機構２０は、前記変位センサ１０を直交２軸方向に移動可能とされ、前記送風機構４０は、前記変位センサ１０を内部に収納する同変位センサ１０の移動に連動可能とされたセンサフード４１と、該センサフード４１内に同センサフード４１の送風開口４１ａに向けて配設された所要数のエアノズル４１ｂ，４１ｂとを有し、前記熱遮蔽部５０は、前記ＬＭガイド機構２０を走査可能に熱遮蔽するよう構成されてなるものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
変位センサと走査機構と送風機構と熱遮蔽部とを備え、
前記走査機構は、前記変位センサを直交２軸方向に移動可能とされ、
前記送風機構は、前記変位センサを内部に収納する同変位センサの移動に連動可能とされたセンサフードと、該センサフード内に同センサフードの送風開口に向けて配設された所要数のエアノズルとを有し、
前記熱遮蔽部は、前記走査機構を走査可能に熱遮蔽するよう構成されてなる
ことを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
走査機構がセンサフード支持アームを有し、該センサフード支持アームがセンサフードを防振材を介して支持してなることを特徴とする請求項１記載の形状測定装置。
【請求項３】
熱遮蔽部が横軸防熱カーテン機構と縦軸防熱カーテン機構とを有し、
前記横軸防熱カーテン機構と縦軸防熱カーテン機構とが、それぞれセンサフードと同センサフードが移動可能に接続されてなることを特徴とする請求項１記載の形状測定装置。
【請求項４】
熱遮蔽部が蛇腹機構を有し、該蛇腹機構がセンサフードと同センサフードが移動可能に接続されてなることを特徴とする請求項１記載の形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、形状測定装置に関する。さらに詳しくは、光学センサを使用して例えば熱間材の平坦度や反りなどの表面形状を測定する形状測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、金型、定盤といった金属部品、金属製品の表面形状、例えば平坦度や反りを測定する形状測定装置として、レーザ光による光学式の非接触式変位センサが用いられている。
【０００３】
このようなレーザ変位センサは、レーザビーム光源と、受光レンズおよびＰＳＤ（光位置検出素子）からなる受光部とを備え、三角測量の原理を応用してビームスポットのＰＳＤ上における結像位置の変化に基づいて、材料表面の変位を検出するものとされる。つまり、センサを材料表面と平行に移動させつつビームスポットを走査させることによって平坦度や反りを検出することが可能となる。
【０００４】
そして、このようなレーザ変位センサは一般に非接触式であることから、材料の変形、損傷を招くことなく高速、高精度の測定を可能とするものであるが、測定対象物が熱間材である場合は測定誤差が大きくなり、所望精度で表面形状を測定することが困難になるといった問題がある。すなわち、熱間材においては材料表面で空気が熱せられ光が空気中で不規則に屈折するいわゆるゆらぎが発生し、測定精度が悪化するという問題がある。
【０００５】
このため、従来、熱間材の表面形状の測定においては作業者がリニアゲージの金属製スケールを材料表面に当てるなどして、目視により材料の反りの状況等を確認するようにしている。したがって、定量的な反り量を知ることが困難であるとともに、材料があまりに高温であれば作業者が近づくことができず、例えば６００℃程度に材料が冷えるまでは測定を実施することができないといった問題がある。そのため、熱間材の形状測定装置として位相差や時間差検出（特開平８−１８９８２１号公報参照）を利用した変位センサが提案されているが、この変位センサは測定精度が低いといった問題がある。
【０００６】
さらに、熱処理中の材料の形状測定においては高精度の測定を実施する上で別の障害がある。すなわち、焼入れの際の冷却用送風により（２０ｍ毎秒から３０ｍ毎秒の送風により冷却するのが通常）センサが振動し、測定精度が悪化するといった問題がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑みなされたものであって、熱間材の表面形状を光学センサを使用して非接触式にて精度良く測定することができる形状測定装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の形状測定装置は、変位センサと走査機構と送風機構と熱遮蔽部とを備え、前記走査機構は、前記変位センサを直交２軸方向に移動可能とされ、前記送風機構は、前記変位センサを内部に収納する同変位センサの移動に連動可能とされたセンサフードと、該センサフード内に同センサフードの送風開口に向けて配設された所要数のエアノズルとを有し、前記熱遮蔽部は、前記走査機構を走査可能に熱遮蔽するよう構成されてなることを特徴とする。
【０００９】
本発明の形状測定装置においては、走査機構がセンサフード支持アームを有し、該センサフード支持アームがセンサフードを防振材を介して支持してなるのが好ましい。
【００１０】
また、本発明の形状測定装置においては、熱遮蔽部が横軸防熱カーテン機構と縦軸防熱カーテン機構とを有し、前記横軸防熱カーテン機構と縦軸防熱カーテン機構とが、それぞれセンサフードと同センサフードが移動可能に接続されてなるのが好ましい。
【００１１】
さらに、本発明の形状測定装置においては、熱遮蔽部が蛇腹機構を有し、該蛇腹機構がセンサフードと同センサフードが移動可能に接続されてなるのが好ましい。
【００１２】
【作用】
本発明の形状測定装置は、前記の如く構成されているので、焼入用送風がなされている状態においても熱間材の平坦度や反りなどの平面形状を精度よく測定できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではない。
【００１４】
図１に本発明の一実施形態に係る形状測定装置Ｋの概略構成を斜視図で示し、図２に側面図により示し、図３に上面図により示す。
【００１５】
装置Ｋは、図１〜図３に示すように、例えば光学式三角測量の原理を応用したレーザ変位センサからなるセンサ１０と、センサ１０を測定対象物、例えば熱間材（以下単に材料ともいう）Ｗの表面Ｎと平行に移動させるようにして表面Ｎ上で測定ポイントＰ（図４参照）を走査させるＬＭガイド機構（走査機構）２０と、ＬＭガイド機構２０を支持する架台３０と、送風機構４０と、材料ＷからＬＭガイド機構２０に向って放射される熱を遮蔽する熱遮蔽部５０とを主要構成要素として備え、材料Ｗ表面の平坦度、反りといった表面形状に関するデータを非接触式にて測定するものとされる。
【００１６】
センサ１０は、図４に示すように、ＬＭガイド機構２０により材料表面Ｎと平行な直交２軸（Ｘ軸、Ｙ軸）方向に移動され、表面Ｎ上の例えば０．１ｍｍ毎の測定ポイントＰに向ってレーザビームＱ１を発し、その反射光Ｑ２を図示しないレンズにより受光し、このレンズにより光位置検出素子（不図示である）上で結像される、測定ポイントＰの像の位置の変位により各測定ポイントＰの変位を検出し、これにより表面Ｎの形状を測定する。
【００１７】
ＬＭガイド機構２０は、図１および図２に示すように、センサ１０をＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させる２軸直動機構からなり、架台３０上に設けられＸ軸方向に配される横軸ＬＭガイド２１と、横軸ＬＭガイド２１に沿って移動する横軸ＬＭガイド移動台２２と、横軸ＬＭガイド移動台２２により支持されＹ軸方向に配される縦軸ＬＭガイド２３と、縦軸ＬＭガイド２３に沿って移動する縦軸ＬＭガイド移動台２４とを有してなるものとされる。
【００１８】
また、縦軸ＬＭガイド移動台２４には、センサ１０を支持するセンサ支持アーム２５、および後掲するセンサフード４１を支持するフード支持アーム２６、２６、…が取付けられる。
【００１９】
センサ支持アーム２５は、センサフード４１内部にセンサ１０を位置させ支持するようＸ軸方向およびＹ軸方向と直交する方向に配される棒状部材とされる。フード支持アーム２６、２６、…は、センサフード４１をセンサ１０と連動して移動させるようセンサフード４１を防振材２７、２７、…を介して支持するＬ字形の棒状部材とされる。
【００２０】
送風機構４０は、図５に示すように、センサ１０から照射されるレーザ光Ｑ１および測定ポイントＰにおいて反射しセンサ１０に戻るレーザ光Ｑ２の光路における、材料Ｗにより空気が熱せられることにより発生するゆらぎの影響を除去するように、レーザ光Ｑ１、Ｑ２の光路に沿って所定風速により材料表面Ｎに向って送風する送風機構とされる。
【００２１】
具体的には、送風機構４０は、図１〜図３に示すように、後掲する熱遮蔽部５０よりも前側（材料Ｗ側）で材料表面Ｎに向って空気を吹付ける送風開口４１ａを有し、かつセンサ１０を内部に囲う筒状のセンサフード４１を備えてなるものとされる。すなわち、送風機構４０のセンサフード４１は、ゆらぎを除去するためのセンサ光路に沿った送風通路を形成すると同時に、焼入れのための冷却用送風によるセンサ１０の振動を防止する機能を有するものとされる。
【００２２】
センサフード４１は、より具体的には例えば角錐の頂部側を軸と垂直に切り落したメガフォン形状とされ、図５に示すように、角錐の底部側（以下根本側ともいう）に設けられるエアノズル４１ｂ、４１ｂ…を介して図示しないファンにより送り込まれる空気を、切口端面に相当する送風開口４１ａから材料表面Ｎに向って送風する。
【００２３】
熱遮蔽部５０は、図６に示すように、センサフード４１の左右（Ｘ軸方向両側）に配される、例えば、耐熱性素材からなる横軸防熱カーテン５１、５１を有する横軸防熱カーテン機構と、センサフード４１の上下（Ｙ軸方向両側）に配される同様の素材の縦軸防熱カーテン５２，５２を有する縦軸防熱カーテン機構とから構成される。
【００２４】
横軸防熱カーテン５１、５１は、先端がセンサフード４１根本部分の左右両側にセンサフード４１の上下動を妨げないようにしてそれぞれ接続され、センサ１０およびセンサフード４１のＸ軸方向の移動と連動して横軸防熱カーテンリール５１ａ、５１ａにより巻き出しおよび巻取りがなされ、これにより常に張られた状態が保たれる。なお、その接続の具体的な構成については特に限定はなく、公知の各種構成を好適に用いることができる。
【００２５】
縦軸防熱カーテン５２、５２は、先端がセンサフード４１根本部分の上下両側にそれぞれ接続され、センサ１０およびセンサフード４１のＹ軸方向の移動と連動して縦軸防熱カーテンリール５２ａ、５２ａにより巻き出しおよび巻取りがなされ、これにより常に張られた状態が保たれるとともに、センサ１０およびセンサフード４１のＸ軸方向の移動と連動して縦軸防熱カーテンリール５２ａとともにＸ軸方向に移動するものとされる。なお、その接続の具体的な構成については特に限定はなく、公知の各種構成を好適に用いることができる。
【００２６】
横軸防熱カーテンリール５１ａ、５１ａは、図２および図３に示すように、防振材３１、３１、…を介して架台３０に取付けられる、長方形形状の前枠３２の左右両側でそれぞれ支持され、縦軸防熱カーテンリール５２ａ、５２ａは前枠３２の上下両側においてＸ軸方向の移動が可能なように支持される。また、前枠３２は、防振材３１、３１、…を介して架台３０に取付けられる概略Ｌ字形の支持部材３３、３３、…により姿勢を保持するよう支持されている（図１参照）。
【００２７】
しかして、かかる構成の測定装置Ｋは、送風機構４０によりセンサ１０の光路に沿うようにして所定の風速で表面Ｎに向って送風しつつ表面Ｎの形状を測定するものとされる。したがって、熱間材を対象とする表面形状の測定においてゆらぎの影響を除去し、高精度に測定することが可能となる。
【００２８】
また、材料Ｗに焼入れを行うための冷却用送風の影響を排除するように、センサ１０をセンサフード４１内部に囲うようにして設けるものとされる。したがって、熱処理の実施中においても材料表面の形状を精確に測定することが可能となる。このように、１つのセンサフード４１が光学センサによる熱間材の形状測定精度を悪化させる２大要因を同時に除去するよう用いられているので、コンパクトな構成でありながら測定精度を顕著に向上させることが可能となる。
【００２９】
さらに、冷却用送風の影響を受けるセンサフード４１は、センサフード支持アーム２６，２６，…に防振材２７を介して接続されるものとされる。そのため、センサフード４１の振動が、センサ１０を支持するＬＭガイド機構２０に伝播するのを遮断ないしは緩和し、これによりさらに測定精度を向上させることができる。
【００３０】
その上、伸縮自在の横軸防熱カーテン５１、５１および縦軸防熱カーテン５２，５２から熱遮蔽部５０を構成し、これによりセンサ１０およびセンサフード４１を自由に移動させつつ常にＬＭガイド機構２０の直接の受熱を回避するものとされる。したがって、ＬＭガイド機構２０の熱膨張による影響を抑えることが可能となる。
【００３１】
実施形態２
図７に本発明の実施形態２に係る形状測定装置Ｋ１を示す。実施形態２の形状測定装置Ｋ１は実施形態１の形状測定装置Ｋの熱遮蔽部５０を改変し熱遮蔽部６０としてなるものであり、その他の構成は実施形態１と同様とされる。したがって、以下においては熱遮蔽部６０のみについて詳細に説明する。
【００３２】
形状測定装置（以下装置という）Ｋ１の熱遮蔽部６０は、センサフード４１の取付部分をＸ軸方向およびＹ軸方向に移動自在とするよう蛇腹構造が形成された方形板材から構成される。すなわち、熱遮蔽部６０を構成する方形板材の周縁部分は前枠３２に取付けられこれにより熱遮蔽部６０が支持され、蛇腹構造の中央部に、図には表れていないが、センサ１０を通す透孔が設けられ、これを囲うようにセンサフード４１が取付けられる。また、センサフード４１の取付部分の上下左右にセンサフード支持アーム２６、２６、…が防振材２７、２７、…を介して接続される。これにより、センサ１０およびセンサフード４１をＸ軸およびＹ軸方向に自由に移動させつつ材料ＷからＬＭガイド機構２０に向って放射される熱を遮蔽することができる。
【００３３】
しかして、かかる構成の装置Ｋ１においては、熱遮蔽部６０が実施形態１の熱遮蔽部５０よりも簡素化されるのでコストダウンが図れる。
【００３４】
【実施例】
以下、より具体的な実施例により本発明をより具体的に説明する。
【００３５】
実施例１および比較例１
測定対象面が平坦とされた基準材をその表面温度を７５０℃として焼入用冷却空気の送風のない状態において、実施形態の装置によりゆらぎ除去用の送風をしながら０．１ｍｍ毎に測定ポイントＰの変位を測定した。その結果を図８に実施例１として示す。また、比較のために表面温度を６４１℃に下げかつゆらぎ除去用の送風をしないで、同一基準材の表面形状を実施形態の装置により測定した。その結果を図９に比較例１として示す。
【００３６】
ここで、図８および図９のグラフは、４９個分の測定データを移動平均処理して基準材表面の凹凸などに起因するノイズを除去して得られたものである。
【００３７】
なお、以下の各例においても測定データは、同様の移動平均処理がなされている。
【００３８】
図８および図９のグラフより、実施例１における測定値の最大値と最小値の差（以下最大バラツキという）は０．０６ｍｍであるのに対し、比較例１における最大バラツキは１．２ｍｍであるのがわかる。また、実施例１における測定値の変動が小さいのに対し、比較例１における測定値の変動が大きいのがわかる。つまり、実施例１における最大バラツキは、基準材の表面温度が高いにもかかわらず、比較例１の最大バラツキの５％でありしかもその測定値が安定しているので、実施例１における測定精度が比較例１における測定精度に比して格段に向上しているといえる。したがって、実施形態の装置は熱間材の形状測定に好適に用いることができると言い得る。
【００３９】
実施例２および比較例２
測定対象面中央に、図１０に示すような幅Ｈが１００ｍｍで深さＤが１ｍｍの加工溝Ｖを有する長さ６００ｍｍの基準材をその表面温度を７８１℃として、焼入用冷却送風（風速：３７ｍ／ｓｅｃ）のある状態において、実施形態の装置によりゆらぎ除去用の送風をしながら０．１ｍｍ毎に測定ポイントＰの変位を測定した。その結果を図１１に実施例２として示す。
【００４０】
測定対象面が平坦とされた長さ６００ｍｍの基準材をその表面温度を８１０℃として、焼入用冷却送風（風速：３７ｍ／ｓｅｃ）のある状態において、実施形態の装置からセンサフードおよび熱遮蔽部を除去した装置により０．１ｍｍ毎に測定ポイントＰの変位を測定した。その結果を図１２に比較例２として示す。
【００４１】
図１１より実施形態の装置によれば、加工溝Ｖが的確に検出できるとともに、平坦部における測定データが直線状となって平坦部も精度よく測定できるのがわかる。一方、図１２により実施形態の装置からセンサフードおよび熱遮蔽部を除去した装置によれば、測定データが直線状とならず、しかも凹凸の激しい曲線となっているのがわかる。したがって、センサフードおよび熱遮蔽部を備えた実施形態の装置によれば、７００度以上の高温でしかも焼入用冷却送風がなされている状態でも、その影響を排除して高精度で測定できるのがわかる。
【００４２】
実施例３〜実施例５
図１０に示す加工溝を有する基準材を１５０℃〜８００℃の温度範囲において、実施形態の装置により焼入用冷却空気の風速を変化させてその基準差、つまり、加工溝深さＤ（１ｍｍ）を基準値とし、各温度での深さを測定した。その結果を図１３に実施例３〜実施例５として示す。ここで、実施例３は風速が０ｍ／秒とされつまり焼入用冷却空気の送風がない状態とされ、実施例４は風速が    ２６ｍ／秒とされ、実施例５は風速が３７ｍ／秒とされる。
【００４３】
図１３より実施例３〜実施例５のいずれにおいても、基準差が０．１ｍｍ以内に収まっているのがわかる。したがって、実施形態の装置によれば焼入用冷却空気の送風がなされ、しかも８００℃の高温状態でも被測定材の形状を精度よく測定できる。
【００４４】
以上、本発明を実施形態および実施例により説明してきたが、本発明はかかる実施形態および実施例に限定されるものではなく種々改変が可能である。
【００４５】
例えば、実施形態の装置Ｋ、Ｋ１においてはセンサ１０としてレーザ変位センサを使用するものとしたが、本発明は種々の光学センサを用いた形状測定装置への適用が可能である。
【００４６】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の形状測定装置によれば、焼入用送風がなされている状態においても熱間材の平坦度や反りなどの平面形状を精度よく測定できるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係る形状測定装置の外観を示す斜視図である。
【図２】同装置の概略構成を示す側面図である。
【図３】同装置の概略構成を示す上面図である。
【図４】同装置に使用されるレーザ変位センサの測定原理を示す斜視図である。
【図５】同装置の送風機構の詳細を示す斜視図である。
【図６】同装置の熱遮蔽部の詳細を示す斜視図である。
【図７】本発明の実施形態２に係る形状測定装置の外観を示す斜視図である。
【図８】実施例１の測定結果のグラフ図である。
【図９】比較例１の測定結果のグラフ図である。
【図１０】実施例２の測定に用いられた基準材の概略図である。
【図１１】実施例２の測定結果のグラフ図である。
【図１２】比較例２の測定結果のグラフ図である。
【図１３】実施例３〜実施例５の測定結果のグラフ図である。
【符号の説明】
Ｋ、Ｋ１    形状測定装置
Ｗ          測定対象材料
１０        センサ
２０        ＬＭガイド機構（走査機構）
２７、３１  防振材
３０        架台
４０        送風機構
４１        センサフード
５０、６０  熱遮蔽部
【図１】
2004219223.tif 000003
【図２】
2004219223.tif 000004
【図３】
2004219223.tif 000005
【図４】
2004219223.tif 000006
【図５】
2004219223.tif 000007
【図６】
2004219223.tif 000008
【図７】
2004219223.tif 000009
【図８】
2004219223.tif 000010
【図９】
2004219223.tif 000011
【図１０】
2004219223.tif 000012
【図１１】
2004219223.tif 000013
【図１２】
2004219223.tif 000014
【図１３】
2004219223.tif 000015