(57)【要約】【課題】未知の温度特性を有する変位センサを複数個組み合わせた計測系を設計する場合において、計測結果の不確かさが最小となるような変位センサの支持機構を得るにある。 【解決手段】計測対象の中立面が複数の変位センサの測定範囲の略中央となるように変位センサの支持位置を定め、これらの変位センサ相互の位置・姿勢を支持する冶具は、温度変動の影響による熱変位の影響を管理できるか、または無視できるような材質と構造を用い、前記変位センサ支持位置において支持を行う。【選択図】図２
2005241317.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いの相対位置・姿勢の情報を得る複数の変位センサを用いて計測対象物の表面形状を測定する位置計測において、前記変位センサは前記表面形状で定まる中立面の位置にほぼ一致するような支持冶具の支持位置に支持されることを特徴とする熱的外乱に強靭なマルチチャンネルセンサの支持機構。
【請求項２】
前記支持冶具は対象とする位置計測において無視しうる程度に小さい線熱膨張係数の材料で構成されることを特徴とする請求項１記載の熱的外乱に強靭なマルチチャンネルセンサの支持機構。
【請求項３】
前記支持冶具の線熱膨張係数が既知であり、前記変位センサとは別の温度センサの温度検出信号により熱膨張による補償が行われることを特徴とする請求項１記載の熱的外乱に強靭なマルチチャンネルセンサの支持機構。
【請求項４】
前記温度センサの検出信号と前記変位センサの検出信号とを用いて、回帰的に支持冶具の実効的な線膨張係数を推定し、位置計測結果を補償することを特徴とする請求項３記載の熱的外乱に強靭なマルチチャンネルセンサの支持機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は被測定物の寸法などの位置計測に関し、特に変位などの複数の変位センサを用いて被測定物の表面形状などを測定する位置計測に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば複数の変位センサを用いてふたつの被測定面間の情報を求める測定に際しては、ひとつの変位情報を検出する複数の変位センサを用い、これらの変位センサの位置や姿勢を互いに拘束する冶具を用いて希望する機能や自由度をもつセンサシステムを構築する。
ところで、このような位置計測では、変位センサ自体の熱変動に対するふらつきと、冶具のふらつきの相互作用により、予期しない温度ドリフトなどの誤差要因が発生する問題がある。即ち、このような位置計測の場合、温度変動に対する挙動の制御された変位センサを入手することや温度変動の影響の少ない冶具の設計構造を採用することが必要である。
【０００３】
現実には、温度変動に対する変位センサのふるまいはブラックボックス化されている場合が多く、この温度補償を事後に行う範囲は限られており、また、冶具については、線膨張係数が管理された材質での設計か、または熱伝導率の高い材質を選択するなどの対策が行われる。
しかしながら、変位センサの温度に対する振るまいが未知のままでは、仮に冶具の温度に対する振るまいを管理しても、測定系全体としては、温度変動に対しての期待できる性能をえることはできなかった。
【特許文献１】特開２００３−１２１１３１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、未知の温度特性を有する変位センサを複数個組み合わせた計測系を設計する場合において、計測結果の不確かさが最小となるような変位センサの支持機構を得るにある。
ここに、本明細書で言う「中立面」とは、計測対象面を理想化して１平面とみなす場合の仮想的な面を定義し、数学的には例えば最小２乗平面で定義される面を呼ぶことにする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この目的を達成するため、本発明においては、計測対象の中立面が複数の変位センサの測定範囲の略中央となるように変位センサの支持位置を定め、これらの変位センサ相互の位置・姿勢を支持する冶具は、温度変動の影響による熱変位の影響を管理できるか、または無視できるような材質と構造を用い、前記変位センサ支持位置において支持を行うことを提案するものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、変位センサが未知の挙動を示す場合であっても、複数の変位センサを組み合わせた測定系全体の温度変動に対する挙動は、冶具自体の温度変動により決定されることになり、測定系全体の計測の不確かさを最小化することができる。
また、仮に変位センサの温度変動に対する挙動が既知であり、温度変動に対する何らかの補償などが可能な場合であっても、本発明のこの効果は損なわれるものではなく、計測の不確かさの低減に寄与できる。つまり、仮に変位センサの温度変動に対する精度補償が行われる場合であっても、ＩＳＯの不確かさ算定のガイドラインにしたがえば、補償の残渣に起因する計測の不確かさを参入する必要性から逃れることはできない。具体的には、計測の不確かさの算定においては、同じ装置、アルゴリズムなどが採用されるとき、精度補償すべき量が小さいほどに補償の残渣に起因する不確かさの寄与は小さくなり、結果として計測の不確かさは最小化される。言い換えると、本発明によれば、変位センサの温度特性が未知か既知かにかかわらず、その温度変動に対する中立位置において支持する機構を採用すると、測定系全体としての計測の不確かさは最小化され、冶具設計において温度変動の寄与が管理されて予測可能であるか、またはその寄与が材料力学的に最小化された機構を採用すれば、一層の計測の不確かさの低減が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
後述する本発明の好ましい実施例においては、
1） 互いの相対位置・姿勢の情報を得る複数の変位センサを用いて計測対象物の表面形状を測定する位置計測において、前記変位センサは前記表面形状で定まる中立面の位置にほぼ一致するような支持冶具の支持位置に支持される熱的外乱に強靭なマルチチャンネルセンサの支持機構、
2） 前記支持冶具は対象とする位置計測において無視しうる程度に小さい線熱膨張係数の材料で構成される熱的外乱に強靭なマルチチャンネルセンサの支持機構、
3） 前記支持冶具の線熱膨張係数が既知であり、前記変位センサとは別の温度センサの温度検出信号により熱膨張による補償が行われる熱的外乱に強靭なマルチチャンネルセンサの支持機構
4） 前記温度センサの検出信号と前記変位センサの検出信号とを用いて、回帰的に支持冶具の実効的な線膨張係数を推定し、位置計測結果を補償する熱的外乱に強靭なマルチチャンネルセンサの支持機構
が説明される。
【実施例１】
【０００８】
図１は２個の接触式変位計を用いて略平行２平面間の間隙の測定を行う従来の測定系を示している。被測定面１，２の間に設置された接触式変位系３，４（変位センサ）を対向するように設置し、それぞれの測定子５，６が測定面に接触式変位計３，４の略中立位置で接触するように装置が設定される。変位センサである接触式変位計３，４を支持する支持冶具７は別途設計された走査機構（図示せず）に接続され、これにより検出位置を変化させて（図では上下方向に移動して）被測定面全体にわたる間隙に情報が得られる。一般的には変位センサの温度変動に対する振舞いはブラックボックスである場合が多く、仮にそれが事前に掌握できたとしても、図１の構成では、熱的外乱による計測の不確かさは最大の誤差要因となる。これに対して何らかの方法によって変位センサの温度補償を行ったとしても、補償すべき量自身が最大の不確かさ要因程度の大きさを有する場合には、その補償残渣に起因する不確かさを算入する必要があり、結果として測定系の計測の不確かさを悪化させていることは明らかである。
【０００９】
図２は本発明によるマルチチャンネルセンサの支持機構であり、この実施例においても、図１の場合と同様に、略平行２平面間の間隙の測定を行う。即ち、非接触式変位計３，４（変位センサ）が背合わせの状態で被測定面１，２の間に設置され、これらの測定面が対応する各被測定面に対向状態におかれる。
また、非接触式変位計３，４の測定範囲の略中央付近が各被測定面の中立面と一致するように、支持冶具７に固定された支持ブロック５，６に固定される。
【００１０】
支持ブロック５，６の熱的振舞いは、間隙の計測値に直交する走査方向の不確かさに主に寄与する要因であるから、熱的な変位については、管理しても、しなくとも測定系の不確かさに大きな寄与は与えない。支持冶具７は別途設計された走査機構（図示せず）に接続され、これにより検出位置を変化させて被測定面全体にわたる間隙の情報を得ることは図１の場合と同様である。
この支持冶具７は線膨張係数が充分に小さいか、あるいは線膨張係数が既知かつ熱伝導率の良好な部材で設計することができる。つまり、線膨張係数の小さな材料は温度変動に起因する熱変位そのものを最小化する方策であり、線膨張係数が既知でかつ熱伝導率の良好な部材によると、熱変位は発生するけれども、その量を精密に予測して補償することができる。
【００１１】
線膨張係数が既知でかつ熱伝導率の良好な支持冶具７の場合、補償の残渣による不確かさの寄与の問題については、内部に複数の部材や複雑な機構を有する変位センサのそれと比較して、格段に小さくすることが可能である。具体的にいえば、支持冶具７自体を略ブロック状に設計できるから、したがって均一で単一な材質、単純で２次元的な断面形状を採用できることを意味するから、このような断面形状の略ブロック状部材では、比較的高精度に熱変位を予測できることは、幾何計測の標準器として長い間に広く用いられているブロックゲージの計測で周知のところである。
【００１２】
熱変位の補償は、予め求めた支持冶具７の線膨張係数と、予め支持冶具７に取付けた温度センサにより行うことができ、またその情報を用いた精度補償のプロセスはＩＳＯのガイドラインにしたがった不確かさ算定に耐えうるものでもある。
線膨張係数が無視し得る材質を採用して支持冶具を構成した場合、熱変位の補償を行う必要のないことは勿論である。
【００１３】
また、図２に示す本発明の実施例においては、測定しようとする対象によって定義される中立位置に略相当する位置において変位センサを支持することになるので、変位センサ自身の温度変動による誤差要因についても最小化されている。
【産業上の利用可能性】
【００１４】
支持冶具７の線膨張係数が未知の場合、一般的には支持冶具７の線膨張による誤差の補償を行うことはできないとされてきたが、別に取付けた温度センサの信号と、図２に示す複数の変位センサの信号とを用い、回帰的に支持冶具の実効的な線膨張係数を推定し、補償する方法を採用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】２つの接触式変位計を用いて略平行２平面間の間隙測定を行う場合の従来の測定系のモデルである。
【図２】本発明によるふたつの非接触式変位センサを用いた測定系のモデルである。
【符号の説明】
【００１６】
１，２        被測定面
３，４        非接触式変位計（変位センサ）
５，６        支持ブロック
７            支持冶具
【図１】
2005241317.tif 000003
【図２】
2005241317.tif 000004