(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体表面に光線を照射して測定を行う光学式変位計により前記物体表面を走査して、前記光学式変位計に対する前記物体表面の変位データを取得する変位データ取得ステップと、
前記変位データを探索して前記物体表面に加工された溝を含む物体表面の概略範囲を検出する溝概略範囲検出ステップと、
前記概略範囲に含まれる前記溝の溝始点および溝終点を算出する溝幅算出ステップと、
前記溝始点と前記溝終点の中央位置から前記溝幅の所定割合の幅の範囲に限定した前記変位データの最小値を算出する最深位置検出ステップと、
前記最深位置検出ステップで算出された前記変位データの最小値と前記物体表面の高さとの差を前記物体表面に加工された溝の深さとして算出する溝深さ算出ステップと、
を含むことを特徴とする表面形状測定方法。
【請求項２】
前記溝幅算出ステップは、
前記概略範囲の外側近傍における前記変位データから前記物体表面の高さを算出する表面高さ算出ステップと、
前記物体表面の高さを基準にして前記物体表面に加工された溝の端部検出用閾値を設定する閾値設定ステップと、
前記溝概略範囲における前記変位データの最小値となる位置から、前記走査方向の前側および後側に探索して、前記変位データの値が前記端部検出用閾値を初めて超える位置を前記溝の溝始点および溝終点として検出する端部検出ステップと、
前記溝の溝始点および溝終点の間の距離を前記物体表面に加工された溝の幅として算出する差算出ステップと、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の表面形状測定方法。
【請求項３】
前記溝概略範囲検出ステップは、
前記変位データの走査方向より探索して前記変位データの局所的変化量が所定値を下回り始める位置を前記概略範囲の始点として検出する始点検出ステップと、
前記概略範囲の始点より続けて探索して、前記変位データの局所的変化量が所定値を上回り終わる位置を前記概略範囲の終点として検出する終点検出ステップと、
前記概略範囲の始点と前記概略範囲の終点との間の距離が所定距離以内にあるか否かを判定する第１判定ステップと、
前記概略範囲の始点と前記概略範囲の終点における前記変位データの値の差が所定範囲内であるか否かを判定する第２判定ステップと、
前記第１判定ステップと前記第２判定ステップとにおいて真判定となったときのみ前記概略範囲の始点と前記概略範囲の終点を真判定とする判別ステップと、
を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の表面形状測定方法。
【請求項４】
溝概略範囲検出ステップは、
前記変位データに第１のフィルタ処理を施した後に、前記物体表面に加工された溝を含む物体表面の概略範囲を検出することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の表面形状測定方法。
【請求項５】
前記第１のフィルタ処理は、線形フィルタ若しくはメディアンフィルタ、またはそれらの組合せであることを特徴とする請求項４に記載の表面形状測定方法。
【請求項６】
前記溝幅算出ステップおよび前記溝深さ算出ステップは、
前記変位データに第２のフィルタ処理を施した後に、前記溝の溝始点および溝終点の算出および前記溝の深さの算出を行うことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の表面形状測定方法。
【請求項７】
前記第２のフィルタ処理は、線形フィルタ若しくはメディアンフィルタ、またはそれらの組合せであることを特徴とする請求項６に記載の表面形状測定方法。
【請求項８】
物体表面に光線を照射して測定を行う光学式変位計により前記物体表面を走査して、前記光学式変位計に対する前記物体表面の変位データを取得する変位データ取得部と、
前記変位データを探索して前記物体表面に加工された溝を含む物体表面の概略範囲を検出する溝概略範囲検出部と、
前記概略範囲に含まれる前記溝の溝始点および溝終点を算出する溝幅算出部と、
前記溝始点と前記溝終点の中央位置から前記溝幅の所定割合の幅の範囲に限定した前記変位データの最小値を算出する最深位置検出手段と、
前記最深位置検出手段で算出された前記変位データの最小値と前記物体表面の高さとの差を前記物体表面に加工された溝の深さとして算出する溝深さ算出手段と、
を備えることを特徴とする表面形状測定装置。
【請求項９】
前記溝幅算出部は、
前記概略範囲の外側近傍における前記変位データから前記物体表面の高さを算出する表面高さ算出手段と、
前記物体表面の高さを基準にして前記物体表面に加工された溝の端部検出用閾値を設定する閾値設定手段と、
前記溝概略範囲における前記変位データの最小値となる位置から、前記走査方向の前側および後側に探索して、前記変位データの値が前記端部検出用閾値を初めて超える位置を前記溝の溝始点および溝終点として検出する端部検出手段と、
前記溝の溝始点および溝終点の間の距離を前記物体表面に加工された溝の幅として算出する差算出手段と、
を備えることを特徴とする請求項８に記載の表面形状測定装置。
【請求項１０】
前記溝概略範囲検出部は、
前記変位データの走査方向より探索して前記変位データの局所的変化量が所定値を下回り始める位置を前記概略範囲の始点として検出する始点検出手段と、
前記概略範囲の始点より続けて探索して、前記変位データの局所的変化量が所定値を上回り終わる位置を前記概略範囲の終点として検出する終点検出手段と、
前記概略範囲の始点と前記概略範囲の終点との間の距離が所定距離以内にあるか否かを判定する第１判定手段と、
前記概略範囲の始点と前記概略範囲の終点における前記変位データの値の差が所定範囲内であるか否かを判定する第２判定手段と、
前記第１判定手段と前記第２判定手段とにおいて真判定となったときのみ前記概略範囲の始点と前記概略範囲の終点を真判定とする判別手段と、
を備えることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の表面形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体の表面に加工された溝の寸法を測定する表面形状測定方法および表面形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
物体の表面に凹凸パターンの加工を施し、この凹凸パターンにより物体が持つ機能を向上させる技法が数多く存在する。例えば、電磁鋼板では、表面に微小な溝加工を行うことにより、その電磁鋼板を低鉄損化する技法が知られている。このような物体が持つ機能を向上させるために行う物体の表面加工では、表面に加工される凹凸パターンの形状がその物体の品質に直接的に影響する。このため、表面に加工される凹凸パターンの形状を精度よく測定することは、製造工程の管理および製品品質の保証を行う際に非常に重要となっている。
【０００３】
例えば特許文献１には、製造ライン上で物体表面の凹凸形状を連続的に測定する表面形状測定方法が記載されている。この表面形状測定方法は、物体に対して相対的に移動するように配置された変位計により、変位計と物体との間の変位量を測定して断面形状を取得し、このように取得した断面形状から凹凸の深さ（または高さ）および幅を算出するものである。
【０００４】
また、特許文献２には、光学式変位計（レーザ変位計）を用いる表面形状測定方法において、変位信号に加えて反射光強度信号に基いて溝の深さおよび幅の測定を行う技術が記載されている。特許文献２に記載の技術は、溝の傾斜部にて検出される変位信号の異常値を反射光強度信号に基いて排除し、溝の深さおよび幅の測定を行う技術である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−８９９３９号公報
【特許文献２】特開２０１１−９９７２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献２に記載の表面形状測定方法は、光学式変位計から得る情報として変位信号の他に反射光強度信号をも必要とする。そのため、特許文献２に記載の表面形状測定方法は、反射光強度信号の出力がない光学式変位計や、照射光の強度や受光ゲインを調整して十分な反射光強度を得るようにした機能を持つタイプの光学式変位計には適用され得ない。
【０００７】
また、微小な溝の形状を三角測距式の光学式変位計で測定する場合、溝の傾斜部では受光量が不足して測定値が不安定になりやすいという問題に加え、照射光や受光ゲインの調整を行うタイプの変位計では、受光量不足にはなり難い代わりに、溝の傾斜部への照射光が溝の内部で多重反射した２次的な反射光も受光することにより、溝傾斜部の形状が誤認識される現象が発生する。このような誤認識が発生した場合、実際の溝の深さよりも深い異常な変位が観測されることが多く、特許文献１に記載の表面形状測定方法では、直接的に溝の深さの誤測定となってしまう問題があった。
【０００８】
また、鋼板の表面を光学式変位計で測定した場合、表面に加工された溝の寸法に対して比較的大きなノイズが生じることがある。その場合、特許文献１に記載の表面形状測定方法では、溝形状（凹形状）とは逆の凸方向に生じるノイズによって溝の位置の検出を誤りやすい問題がある。
【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、変位計で測定した物体表面の変位データのみを用いて、この変位データ中の外乱を排除し、物体表面に加工された溝の寸法を精度良く測定することができる表面形状測定方法および表面形状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】
【００１０】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の表面形状測定方法は、物体表面に光線を照射して測定を行う光学式変位計により前記物体表面を走査して、前記光学式変位計に対する前記物体表面の変位データを取得する変位データ取得ステップと、前記変位データを探索して前記物体表面に加工された溝を含む物体表面の概略範囲を検出する溝概略範囲検出ステップと、前記概略範囲に含まれる前記溝の溝始点および溝終点を算出する溝幅算出ステップと、前記溝始点と前記溝終点の中央位置から前記溝幅の所定割合の幅の範囲に限定した前記変位データの最小値を算出する最深位置検出ステップと、前記最深位置検出ステップで算出された前記変位データの最小値と前記物体表面の高さとの差を前記物体表面に加工された溝の深さとして算出する溝深さ算出ステップとを含むことを特徴とする。
【００１１】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の表面形状測定装置は、物体表面に光線を照射して測定を行う光学式変位計により前記物体表面を走査して、前記光学式変位計に対する前記物体表面の変位データを取得する変位データ取得部と、前記変位データを探索して前記物体表面に加工された溝を含む物体表面の概略範囲を検出する溝概略範囲検出部と、前記概略範囲に含まれる前記溝の溝始点および溝終点を算出する溝幅算出部と、前記溝始点と前記溝終点の中央位置から前記溝幅の所定割合の幅の範囲に限定した前記変位データの最小値を算出する最深位置検出手段と、前記最深位置検出手段で算出された前記変位データの最小値と前記物体表面の高さとの差を前記物体表面に加工された溝の深さとして算出する溝深さ算出手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明にかかる表面形状測定方法および表面形状測定装置は、変位計で測定した物体表面の変位データのみを用いて、この変位データ中の外乱を排除し、物体表面に加工された溝の寸法を精度良く測定することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定装置の構成例を示す概略図である。
【図２】図２は、鋼板上に加工された溝の傾斜部へ照射されたレーザ光の反射の様子を表現した模式図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態にかかる信号処理装置の内部処理を示す機能ブロック図である。
【図４】図４は、溝概略範囲抽出部が抽出する溝概略範囲における変位データを示すグラフである。
【図５】図５は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法の全体の流れを示すフローチャートである。
【図６】図６は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝概略範囲検出の方法を示すフローチャートである。
【図７】図７は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝概略範囲検出の様子を示す概念図である。
【図８】図８は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝幅算出の方法を示すフローチャートである。
【図９】図９は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝幅算出の様子を示す概念図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝深さ算出の方法を示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝深さ算出の様子を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法および表面形状測定装置について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態により本発明が限定されるものではない。
【００１５】
［表面形状測定装置］
図１は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定装置１の構成例を示す概略図である。本発明の実施形態にかかる表面形状測定装置１は、製造ライン上を搬送される鋼板Ｓの表面に加工された溝の形状を測定する装置である。図１に示されるように、本発明の実施形態にかかる表面形状測定装置１は、変位計ヘッド２と、変位計コントローラ３と、信号処理装置４と、ローラエンコーダ５と、表示装置６とを備える。
【００１６】
変位計ヘッド２は、内部にレーザ光源２１と、集光レンズ２２と、光ポジションセンサ２３と、結像レンズ２４とを備えた三角測距式の変位計である。レーザ光源２１から射出されたレーザ光２５は、集光レンズ２２を介してスポット光もしくはスリット光として鋼板Ｓの表面に照射され、鋼板Ｓからの反射光２６は、結像レンズ２４を介して光ポジションセンサ２３の受光面に結像される。
【００１７】
図１に示されるように、変位計ヘッド２は、レーザ光源２１から射出されたレーザ光２５を鋼板Ｓに対して垂直に照射し、光ポジションセンサ２３にて反射光２６を一定の角度をなして検出する構成である。この構成の場合、鋼板Ｓの表面と変位計ヘッド２との間の距離が変化すると、光ポジションセンサ２３に結像される反射光２６の受光位置が変化する。すなわち、図１に示される表面形状測定装置１は、光ポジションセンサ２３における反射光２６の受光位置を読み取ることにより、鋼板Ｓの表面と変位計ヘッド２との間の距離を測定する構成である。
【００１８】
変位計コントローラ３は、変位計ヘッド２への電源供給とヘッド内部の構成部品への制御信号出力とを行いながら、光ポジションセンサ２３の出力信号を読み取り、鋼板Ｓの表面と変位計ヘッド２との間の距離を算出する。その後、変位計コントローラ３は、算出された鋼板Ｓの表面と変位計ヘッド２との間の距離を変位信号として信号処理装置４へ出力する。
【００１９】
光ポジションセンサ２３には、例えばＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）、ＣＣＤ、ＣＭＯＳなどの受光素子が用いられる。光ポジションセンサ２３としてＰＳＤを用いた場合、反射光２６を受光した受光素子の両端から２つの電流Ｉ１およびＩ２が出力される。変位計コントローラ３は、この２つの電流Ｉ１およびＩ２を用いて（Ｉ１−Ｉ２）／（Ｉ１＋Ｉ２）を算出し、この値から反射光２６を受光した重心位置を求める。また、光ポジションセンサ２３としてＣＣＤまたはＣＭＯＳを用いた場合、これらの受光素子は小さなフォトダイオードのアレイであるので、受光素子上の受光強度分布が得られる。その場合、変位計コントローラ３は、受光強度分布の重心位置またはピーク位置等により鋼板Ｓの表面と変位計ヘッド２との間の距離を算出する。
【００２０】
信号処理装置４は、変位計コントローラ３から出力された変位信号と、鋼板Ｓを搬送するローラに設けられたローラエンコーダ５から出力されたパルス信号とから、鋼板Ｓ全体における鋼板Ｓの変位データを復元し、この変位データから鋼板Ｓの表面に加工された溝の形状を算出する装置である。ここで言う鋼板Ｓの変位データとは、鋼板Ｓの表面における垂直方向の変位量に関するデータである。つまり、鋼板Ｓの変位データは、鋼板Ｓの表面と変位計ヘッド２との間の距離を、ある基準となる距離からの差を算出することにより求められるデータである。
【００２１】
なお、図１に示される表面形状測定装置１は、紙面の都合上、単一の変位計ヘッド２のみを備えるものとして図示されているが、複数の変位計ヘッド２を鋼板Ｓの幅方向（図中Ｚ方向）に配列すれば、信号処理装置４は、鋼板Ｓ全体における変位データを復元することができる。また、単一の変位計ヘッド２を鋼板Ｓの幅方向（図中Ｚ方向）に走査可能に構成することによっても、信号処理装置４は、鋼板Ｓ全体における変位データを復元することができる。
【００２２】
表示装置６は、信号処理装置４が算出した鋼板Ｓの表面に加工された溝の形状（特に溝幅および溝深さ）を表示する装置である。例えば、表示装置６は、ＣＲＴ画面表示装置であり、オペレータが鋼板Ｓの上に加工された溝の形状が規定どおりであるか否かを判別するのに用いられる。
【００２３】
ここで、図２を参照しながら、鋼板Ｓ上に加工された溝１１に照射されたレーザ光２５が反射する際の様子を説明する。
【００２４】
図２は、鋼板Ｓ上に加工された溝の傾斜部へ照射されたレーザ光２５の反射の様子を表現した模式図である。図２（ａ）は、鋼板Ｓ上に加工された溝の傾斜部へ照射されたレーザ光２５の多重反射による反射光２６の軌跡を表現した模式図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の矢印Ｖの方向から見た図であり、多重反射による反射光２６が、光ポジションセンサ２３に溝の深さを誤認識させる仕組みを示した模式図である。
【００２５】
図２（ａ）に示されるように、鋼板Ｓ上に加工された溝の傾斜部へ照射されたレーザ光２５は、溝１１の傾斜部（図中位置Ｐ１）でのみ反射して光ポジションセンサ２３へ入射する反射光２６ａと、溝１１の傾斜部（図中位置Ｐ１）で反射した後に底部（図中位置Ｐ３）でさらに反射して光ポジションセンサ２３へ入射する反射光２６ｂとがある。そして、図２（ａ）に示されるように、傾斜部（図中位置Ｐ１）で反射した反射光２６ａの光ポジションセンサ２３における受光位置（図中位置Ｐ２）と、底部（図中位置Ｐ３）で反射した反射光２６ｂの光ポジションセンサ２３における受光位置（図中位置Ｐ４）とでは、光ポジションセンサ２３上の位置が異なっている。
【００２６】
その結果、図２（ｂ）に示されるように、従来の表面形状測定装置では、鋼板Ｓ上に加工された溝１１の深さを誤認識することがある。図２（ｂ）に示されるように、三角測距法では、光ポジションセンサ２３における受光位置が図中位置Ｐ２である場合、鋼板Ｓの高さ（または深さ）の位置が図中位置Ｐ１であると認識し、光ポジションセンサ２３における受光位置が図中位置Ｐ４である場合、鋼板Ｓの高さ（または深さ）の位置が図中位置Ｐ５であると認識される。その結果、三角測距法では、多重反射が発生してしまうと、本来の鋼板Ｓの高さ（または深さ）の位置が図中位置Ｐ１であるにも拘らず、鋼板Ｓの高さ（または深さ）の位置が図中位置Ｐ５であると誤認識してしまうのである。
【００２７】
そこで、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法および表面形状測定装置では、信号処理装置４における信号処理方法に工夫をすることにより、多重反射による誤認識を排除する。
【００２８】
［信号処理装置］
図３は、本発明の実施形態にかかる信号処理装置４の内部処理を示す機能ブロック図である。図３に示されるように、本発明の実施形態にかかる信号処理装置４は、変位データ取得部４１と、第１フィルタ処理部４２と、溝概略範囲検出部４３と、溝概略範囲抽出部４４と、第２フィルタ処理部４５と、溝幅算出部４６と、溝深さ算出部４７とを備える。
【００２９】
変位データ取得部４１は、変位計コントローラ３から変位信号を受信してＡ／Ｄ変換などを行うと同時に、ローラエンコーダ５からは鋼板Ｓが一定距離進む毎に発生するパルス信号を受信して鋼板Ｓの走行速度あるいは走行位置を解析する。その結果、変位データ取得部４１は、変位計コントローラ３から受信した変位信号から鋼板Ｓ上の変位データＹ０（Ｘ）を復元する。ここで、Ｘは鋼板Ｓ上の搬送方向の位置座標を意味し、Ｙは鋼板Ｓの高さ方向の位置座標を意味する（図１参照）。なお、鋼板Ｓには、幅方向の位置座標Ｚも存在するが、以下の説明では、幅方向の位置座標Ｚを一点に固定して説明を行う。
【００３０】
変位データＹ０（Ｘ）における鋼板Ｓ上のサンプル点間隔ΔＸは、Ａ／Ｄ変換の一定の時間間隔とローラエンコーダ５が発生するパルス信号の時間間隔とにより定まる。ローラエンコーダ５が発生するパルス信号の間隔は、その時間間隔中に鋼板Ｓが進む距離を意味し、Ａ／Ｄ変換の時間間隔は、変位データＹ０（Ｘ）のサンプル点が生成される間隔を意味する。よって、Ａ／Ｄ変換の時間間隔の間に含まれるパルス信号の頻度により、鋼板Ｓ上のサンプル点間隔ΔＸが定まる。なお、ローラエンコーダ５からのパルス信号の時間間隔が十分に短い間隔であれば、変位データ取得部４１は、このパルス信号に同期してＡ／Ｄ変換を行うことにより、鋼板Ｓ上のサンプル点間隔ΔＸを定めることもできる。
【００３１】
第１フィルタ処理部４２は、変位データ取得部４１で取得した変位データＹ０（Ｘ）に対して、必要に応じてフィルタ処理を行って第１フィルタ後の変位データＹ１（Ｘ）を生成する。変位データＹ０（Ｘ）には、鋼板Ｓ表面の粗さ等に起因する測定ノイズが含まれるので、こういったノイズ除去の目的で、移動平均フィルタなどの線形ローパスフィルタ、あるいはメディアンフィルタを適用する。さらには、複数のフィルタを組み合わせても良い。
【００３２】
また、変位データ取得部４１で取得した変位データＹ０（Ｘ）は、溝断面形状に比べて比較的長周期の振動成分も含むことが多い。この比較的長周期の振動成分は、鋼板Ｓのパスライン変動や測定系の機械振動により発生する。この比較的長周期の振動成分を除去するため、第１フィルタ処理部４２にハイパスフィルタをさらに組み合わせることも可能である。なお、フィルタ次数（移動平均フィルタでは平均値を計算する範囲、メディアンフィルタでは中央値を計算する範囲）は、鋼板Ｓ上での影響範囲が一定となるように決定される（つまり、サンプリング間隔ΔＸに反比例させる）。このようにフィルタ次数を決定することにより、サンプリング間隔ΔＸが異なる場合でもフィルタの効果を同じに保つことが可能となる。
【００３３】
溝概略範囲検出部４３は、第１フィルタ処理部４２にてフィルタ処理した変位データＹ１（Ｘ）より溝の概略範囲を検出する手段である。溝の概略範囲とは、溝の凹形状の立下り始める位置（立下り点：Ｘｄ）から立上りが完了する位置（立上り点：Ｘｕ）までの区間であり、同区間中には単一の溝断面形状が含まる。溝概略範囲検出部４３が行う溝の概略範囲を検出する方法は、第１フィルタ処理部４２にてフィルタ処理した変位Ｙ１（Ｘ）の局所的変化量を分析することにより実行される。この変位Ｙ１（Ｘ）の局所的変化量を分析する方法は、図６および図７を参照しながら、後に詳述するものとする。
【００３４】
溝概略範囲検出部４３にて溝概略範囲（すなわち立下り点Ｘｄから立上り点Ｘｕまでの範囲）が検出された後、溝概略範囲抽出部４４が、溝概略範囲を含む所定の範囲を変位データＹ０（Ｘ）から抽出する。具体的には、溝概略範囲抽出部４４は、溝概略範囲の始点を概略始点Ｘｓおよび終点を概略終点Ｘｅとした場合、Ｘｓ＝Ｘｄ−ＤｓｕｒｆからＸｅ＝Ｘｕ＋Ｄｓｕｒｆまでの範囲を抽出する。ただし、Ｄｓｕｒｆ（＞０）は所定の値である。図４は、溝概略範囲抽出部４４が抽出する溝概略範囲における変位データＹ０（Ｘ）を示すグラフである。図４に示されるように、変位データＹ０（Ｘ）における概略始点Ｘｓから立下り点Ｘｄおよび立上り点Ｘｕから概略終点Ｘｅの範囲は、溝（立下り点Ｘｄから立上り点Ｘｕ）前後における、本来の鋼板Ｓの表面の高さを示している。
【００３５】
溝概略範囲抽出部４４により溝概略範囲が抽出された変位データＹ０（Ｘ）は、（必要に応じて）第２フィルタ処理部４５により第２のフィルタ処理が施され、第２フィルタ後の変位データＹ２（Ｘ）が生成される。
【００３６】
溝概略範囲が抽出された変位データＹ０（Ｘ）に施されるフィルタは、以降の処理において検出した溝の溝幅および溝深さを算出するためのノイズ除去を目的とするものである。したがって、第２フィルタ処理部４５には、溝のエッジ部において形状が保存されやすい（形状の鈍りが少ない）メディアンフィルタが最も好適である。レーザ変位計の特性によっては、第２フィルタ処理部４５に移動平均フィルタ等の線形のローパスフィルタなどを用いることも好適である。
【００３７】
次に、第２フィルタ処理部４５においてノイズ除去された変位データＹ２（Ｘ）は溝幅算出部４６へ送られて、溝幅算出部４６が溝の概略範囲に含まれる溝の溝幅を算出する。溝幅算出部４６が溝の溝幅を算出する方法は、後に図８および図９を参照しながら説明する。
【００３８】
一方、第２フィルタ処理部４５においてノイズ除去された変位データＹ２（Ｘ）は溝深さ算出部４７へ送られて、溝深さ算出部４７が溝の概略範囲に含まれる溝の深さを算出する。この際、溝深さ算出部４７が溝の概略範囲に含まれる溝の深さを算出するために、概略範囲に含まれる溝の始点Ｘｍｓおよび終点Ｘｍｅの情報が必要となる。そこで、溝深さ算出部４７は、溝幅算出部４６が算出した溝の始点Ｘｍｓおよび終点Ｘｍｅの情報を取得する。
【００３９】
さらに、溝深さ算出部４７が溝の概略範囲に含まれる溝の深さを算出するために、鋼板Ｓの表面の高さの情報も必要となる。溝深さ算出部４７は、溝幅算出部４６が算出した鋼板Ｓの表面の高さの情報を取得することもできるし、変位データＹ２（Ｘ）から直接算出することもできる。なお、溝深さ算出部４７は、溝幅算出部４６が算出した溝の始点Ｘｍｓおよび終点Ｘｍｅの情報を取得するのではなく、溝概略範囲検出部４３が検出した溝概略範囲の始点Ｘｄおよび終点Ｘｕの情報を取得することでも同様の機能を果たすことができる。溝深さ算出部４７が溝の深さを算出する方法は、後に図１０および図１１を参照しながら説明する。
【００４０】
溝幅算出部４６および溝深さ算出部４７によって鋼板Ｓの溝の溝幅Ｗおよび溝深さＤが算出された後、この溝幅Ｗおよび溝深さＤは、表示装置６によって表示される。
【００４１】
［表面形状測定方法］
次に、図５から図１１を参照しながら、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法について説明する。
【００４２】
図５は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法の全体の流れを示すフローチャートである。図５に示されるように、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法は、大きく分けて、変位データ取得ステップ（ステップＳＴＰ１）と、溝概略範囲検出ステップ（ステップＳＴＰ２）と、溝幅算出ステップ（ステップＳＴＰ３）と、溝深さ算出ステップ（ステップＳＴＰ４）とを有する。変位データ取得ステップ（ステップＳＴＰ１）は表面形状測定方法の前提となる通常の処理であるので、以下では、溝概略範囲検出ステップ（ステップＳＴＰ２）と、溝幅算出ステップ（ステップＳＴＰ３）と、溝深さ算出ステップ（ステップＳＴＰ４）とに分けて、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法について説明する。
【００４３】
図６は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝概略範囲検出の方法を示すフローチャートであり、図７は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝概略範囲検出の様子を示す概念図である。図８は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝幅算出の方法を示すフローチャートであり、図９は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝幅算出の様子を示す概念図である。図１０は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝深さ算出の方法を示すフローチャートであり、図１１は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝深さ算出の様子を示す概念図である。
【００４４】
以下、溝概略範囲検出ステップ（ステップＳＴＰ２）についての説明を行う。図６に示されるように、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝概略範囲検出の方法では、溝概略範囲検出部４３が立下り点の探索を行い（ステップＳ１）、さらに立上がり点の探索を行う（ステップＳ２）。ステップＳ１およびステップＳ２にて、溝概略範囲を示す形状の立下り点および立上り点は変位データＹ１（Ｘ）の局所的変化量により、以下のように決定される。
【００４５】
すなわち、図７（ａ）に示されるように、溝概略範囲検出部４３は、変位データＹ１（Ｘ）の一方（例えば鋼板Ｓの搬送方向）より立下り点の探索を行う場合、現在の探索位置（Ｘ）と一定距離（Ｄｄｉｆｆ（ただしＤｄｉｆｆ＞０））だけ進んだ位置の変位データＹ１の差が所定値（−Ｙｄｉｆｆ（ただしＹｄｉｆｆ＞０））以下となる位置を立下り点Ｘｄと定める（図中位置Ｐ６）。
【００４６】
上記立下り点Ｘｄを数式で表現した場合、下記（数式１）を満たす初めての点Ｘが立下り点Ｘｄである。なお、（数式１）の左辺は変位の局所的変化量を示している。
Ｙ１（Ｘ＋Ｄｄｉｆｆ）−Ｙ１（Ｘ）≦−Ｙｄｉｆｆ  （数式１）
【００４７】
さらに、図７（ａ）に示されるように、溝概略範囲検出部４３は、立下り点を検出した位置から立上り点の探索を開始する。溝概略範囲検出部４３は、一定距離Ｄｄｉｆｆだけ離れた２点を比較しながら探索し、下記（数式２）を満たすＸ（図中位置Ｐ７）を経過した後、下記（数式３）を満たすＸ（図中位置Ｐ７）を検出し、そして位置Ｘｕ＝Ｘ＋Ｄｄｉｆｆを立上り点と定める（図中位置Ｐ９）。
Ｙ１（Ｘ＋Ｄｄｉｆｆ）−Ｙ１（Ｘ）≧Ｙｄｉｆｆ  （数式２）
Ｙ１（Ｘ＋Ｄｄｉｆｆ）−Ｙ１（Ｘ）＜Ｙｄｉｆｆ  （数式３）
【００４８】
次に、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝概略範囲検出の方法では、溝概略範囲検出部４３が、上述のように探索された立下り点Ｘｄおよび立上り点Ｘｕが単一の溝の両側を示すか否かを２段階の判定条件により判定する。
【００４９】
まず第１判定として、溝概略範囲検出部４３は、立下り点Ｘｄと立上り点Ｘｕが所定距離以内にあるかを判定する（ステップＳ３）。すなわち、溝概略範囲検出部４３は、所定距離をＤｗとした場合、下記（数式４）が成立することを判定する。
Ｘｕ−Ｘｄ≦Ｄｗ  （数式４）
【００５０】
上記（数式４）の条件を満たさない場合（ステップＳ３：Ｎｏ）、溝概略範囲検出部４３は、探索位置を立上り点Ｘｕより所定距離ＤＷだけ戻し（すなわち、探索位置をＸｕ−Ｄｗとする）、再度ステップＳ１の立下り点の探索からやり直す（ステップＳ４）。
【００５１】
図７（ｂ）は、第１判定によって立下り点の検出位置が修正される例である。図７（ｂ）に示されるように変位データＹ１（Ｘ）において凸形状が観測される場合がある。凸形状の発生原因としては、鋼板Ｓの表面に微小なゴミや溝以外の凹凸が存在する場合や、レーザ変位計の変位信号へのノイズ混入等が考えられる。このような凸形状が変位データＹ１（Ｘ）に存在すると、図中位置Ｐ１０のように凸形状部において立下り点が検出されてしまう。その後、溝概略範囲検出部４３が立上り点を探索した場合、図中位置Ｐ１０に対応する立ち上がり点として、図中位置Ｐ１１を検出することになってしまう。
【００５２】
そこで第１判定では、図７（ｂ）に示されるように変位データＹ１（Ｘ）が凸形状を有する場合の誤判定を排除するために、以下の処理が行われる。すなわち、第１判定では、検出された立下り点Ｘｄと立上り点Ｘｕとの間の距離が所定値Ｄｗより小さいか否かを判定する。なお、この所定値Ｄｗは、鋼板Ｓに加工された溝の幅から設定される設定値である。
【００５３】
例えば、図７（ｂ）に示される変位データＹ１（Ｘ）では、立下り点Ｘｄ（図中位置Ｐ１０）と立上り点Ｘｕ（図中位置Ｐ１１）との間の距離は、所定値Ｄｗよりも大きい。したがって、図中位置Ｐ１０が誤検出であると判定され、溝概略範囲検出部４３は、立上り点Ｘｕ（図中位置Ｐ１１）より所定値Ｄｗだけ戻った図中位置Ｐ１２より、立下り点を再探索する。すると、立上り点Ｘｕ（図中位置Ｐ１１）と対をなす本来検出されるべき図中位置Ｐ１３が立ち下り点として検出される。
【００５４】
一方、上述（数式４）の条件を満たす場合（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、溝概略範囲検出部４３は、第２判定として、立下り点Ｘｄと立上り点Ｘｕでの変位量の差が所定値以内にあるかを判定する（ステップＳ５）。すなわち、溝概略範囲検出部４３は、許容される変位差をＹａとして、下記（数式５）の条件を満たすか否かを判定する。
｜Ｙ１（Ｘｕ）−Ｙ１（Ｘｄ）｜＜Ｙａ  （数式５）
【００５５】
上記（数式５）の条件を満たさない場合（ステップＳ５：Ｎｏ）、溝概略範囲検出部４３は、立上り点を検出した位置Ｘ（＝Ｘｕ−Ｄｄｉｆｆ）の次の位置より、再度ステップＳ２の立上り点の探索をやり直す。
【００５６】
図７（ｃ）は第２判定によって立上り点の検出位置が修正される例である。図７（ｃ）では図２に示したような溝の傾斜面でのレーザ光２５の２次的な反射現象によって、溝の底部よりも深い異常形状が変位データＹ１（Ｘ）に観測されている。このような変位データＹ１（Ｘ）においては、立下り点が図中位置Ｐ１４で検出されたのち、異常形状のために立上り点が異常形状部直後の図中位置Ｐ１５で誤検出される。
【００５７】
そこで、溝概略範囲検出部４３は、第２判定により、立下り点と立上り点での変位データＹ１（Ｘ）の値の差と許容値Ｙａとを比較し、立上り点が誤検出であるか否かを判定する。すると、図７（ｃ）の例では、立下り点と立上り点での変位データＹ１（Ｘ）の値の差は、図中Ｄ１であるので、立上り点であると検出された図中位置Ｐ１５が誤検出であることが判定される。よって、溝概略範囲検出部４３は、図中位置Ｐ１６（Ｘｕ−Ｄｄｉｆｆ）より再度立上り点を探索を再開し、立下り点である図中位置Ｐ１４と対応する立上り点として図中位置Ｐ１７を検出することができる。
【００５８】
一方、上記（数式５）の条件を満たす場合、溝概略範囲検出部４３は、溝の概略範囲として、立下り点Ｘｄと立上り点Ｘｕを溝概略範囲抽出部４４へ出力する。
【００５９】
以上のように、溝概略範囲検出ステップ（ステップＳＴＰ２）は、２段階の判定条件によって、立上り点と立下り点が単一の溝の概略存在範囲を正しく示すことを保証することが可能である。
【００６０】
以下、溝幅算出ステップ（ステップＳＴＰ３）についての説明を行う。図８に示されるように、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝幅算出の方法では、初めに溝幅算出部４６が、溝近傍の表面高さＹｓｕｒｆを算出する（ステップＳ７）。ここで言う溝近傍とは、概略始点Ｘｓから立下り点Ｘｄおよび立上り点Ｘｕから概略終点Ｘｅの範囲のことであり、溝幅算出部４６は、第２フィルタ後変位データＹ２（Ｘ）についてこれらの範囲の平均値を算出して鋼板Ｓの表面高さＹｓｕｒｆを求める。
【００６１】
次に、溝幅算出部４６は、鋼板Ｓの表面高さＹｓｕｒｆを基準にして溝のエッジを検出するためのエッジ検出用閾値Ｙｔｈｒを算出する（ステップＳ８）。すなわち、溝幅算出部４６は、表面高さＹｓｕｒｆから深さが所定量になった位置を溝始点および溝終点として判定するためのエッジ検出用閾値Ｙｔｈｒを算出する。エッジ検出用閾値Ｙｔｈｒは、表面高さＹｓｕｒｆより所定値Ｌｔｈｒ（≧０）だけ低い値、すなわち、Ｙｔｈｒ＝Ｙｓｕｒｆ−Ｌｔｈｒにより算出される。
【００６２】
続けて、溝幅算出部４６は、Ｙ２（Ｘ）における立下り点Ｘｄと立上り点Ｘｕの間で最深位置（最小値）を探索した後（ステップＳ９）、その最深位置より両側に溝始点Ｘｍｓおよび終点Ｘｍｅを探索する（ステップＳ１０）。すなわち、溝幅算出部４６は、最深位置から立下り点方向へ探索して初めて閾値Ｙｔｈｒを超える位置として溝始点Ｘｍｓを検出する（図９参照）。同様に、溝幅算出部４６は、最深位置から立上り点方向へ探索して初めて閾値Ｙｔｈｒを超える位置として溝終点Ｘｍｅを検出する（図９参照）。
【００６３】
最後に、溝幅算出部４６は、溝始点Ｘｍｓと溝終点Ｘｍｅとの間隔を溝幅Ｗとして算出する（ステップＳ１１）。すなわち、溝幅算出部４６は、Ｗ＝Ｘｍｅ−Ｘｍｓを計算する。
【００６４】
以下、溝深さ算出ステップ（ステップＳＴＰ４）についての説明を行う。図１０に示されるように、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝深さ算出の方法では、溝深さ算出部４７が、溝始点Ｘｍｓと溝終点Ｘｍｅとから溝の中央部ＷＲを算出する（ステップＳ１２）。具体的には、溝深さ算出部４７は、溝始点Ｘｍｓと溝終点Ｘｍｅとの中央位置を算出し、この中央位置から溝幅Ｗに対する所定割合Ｒの幅の範囲（つまりＷ×Ｒ）を溝の中央部ＷＲとして算出する。
【００６５】
その後、溝深さ算出部４７は、第２フィルタ後変位データＹ２（Ｘ）を上述の溝の中央部ＷＲの範囲に限定する（ステップＳ１３）。そして、溝深さ算出部４７は、この限定された範囲内における第２フィルタ後変位データＹ２（Ｘ）の最小値を算出する（ステップＳ１４）。
【００６６】
一方、溝深さ算出部４７は、溝近傍の表面高さＹｓｕｒｆを算出する（ステップＳ１５）。しかし、溝幅算出部４６がすでに溝近傍の表面高さＹｓｕｒｆを算出しているので、溝深さ算出部４７は、この溝近傍の表面高さＹｓｕｒｆを流用することができる。
【００６７】
最終的に、溝深さ算出部４７は、溝近傍の表面高さＹｓｕｒｆから、ステップＳ１４で算出した限定された範囲内における第２フィルタ後変位データＹ２（Ｘ）の最小値までの距離を算出することにより、溝の深さＤを算出する（ステップＳ１６）。
【００６８】
上述のように、溝深さ算出部４７が溝の深さＤを算出することにより、図１１（ａ）のように変位データに異常がない場合に限らず、図１１（ｂ）のような溝の傾斜部において異常値が発生している場合においても、その影響を受けず溝深さを正確に測定することが可能となっている。なお、探索区間幅の溝幅Ｗに対する割合は、溝傾斜部での異常値を回避可能な大きさに設定すればよい。例えば、溝幅Ｗに対し、３０％から１０％程度とすることが好ましい。
【００６９】
電磁鋼鈑に溝加工をするような例では、一定間隔で溝が連続的に加工されるので、変位データには通常複数の溝断面形状が含まれる。このような例に本発明の実施形態に係る表面形状測定方法を適用する場合、検出した溝の立上り点Ｘｕあるいは溝終点Ｘｍｓなどから、さらに次の溝形状部を検出・測定する一連のステップを繰り返し適用することで、変位データ中に含まれる多数の溝形状を連続的に測定することが可能である。
【００７０】
以上より、本発明の実施形態に係る表面形状測定方法は、鋼板Ｓに光線を照射して三角測距を行う変位計ヘッド２により鋼板Ｓの表面を走査して、変位計ヘッド２に対する鋼板Ｓの表面の変位データを取得する変位データ取得ステップと、変位データを探索して前記鋼板Ｓの表面に加工された溝を含む鋼板Ｓの表面の概略範囲を検出する溝概略範囲検出ステップと、概略範囲に含まれる溝の溝始点および溝終点を算出する溝幅算出ステップと、溝始点と溝終点の中央位置から溝幅の所定割合の幅の範囲に限定した変位データの最小値を算出する最深位置検出ステップと、最深位置検出ステップで算出された変位データの最小値と前記物体表面の高さとの差を物体表面に加工された溝の深さとして算出する溝深さ算出ステップとを含むので、変位計ヘッド２で測定した物体表面の変位データのみを用いて、この変位データ中の外乱を排除し、鋼板Ｓの表面に加工された溝の寸法を精度良く測定することができる。
【符号の説明】
【００７１】
１  表面形状測定装置
２  変位計ヘッド
３  変位計コントローラ
４  信号処理装置
５  ローラエンコーダ
６  表示装置
１１  溝
２１  レーザ光源
２２  集光レンズ
２３  光ポジションセンサ
２４  結像レンズ
２５  レーザ光
２６  反射光
４１  変位データ取得部
４２  第１フィルタ処理部
４３  溝概略範囲検出部
４４  溝概略範囲抽出部
４５  第２フィルタ処理部
４６  溝幅算出部
４７  溝深さ算出部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0005365727.tif 000009
【図９】
0005365727.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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