(57)【要約】【課題】センサヘッドが１つであるレーザ変位計により、試料の所望部分の厚さを安価に、かつ、精度よく計測する。【解決手段】センサヘッド３からのレーザ光により試料の厚さを計測するレーザ変位計用の治具であって、レーザ光が透過可能な開口部を備える２つの平行な平面１０（１０ａ，１０ｂ）を有し、２つの平面１０（１０ａ，１０ｂ）の間に試料を固定する第１の治具１と、２つの平面１０（１０ａ，１０ｂ）のいずれかをセンサヘッド３に対向させることができ、かつ、平面１０をセンサヘッド３に対向させた状態で第１の治具１を固定する第２の治具２とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサヘッドからのレーザ光により試料の厚さを計測するレーザ変位計用の治具であって、
前記レーザ光が透過可能な開口部を備える２つの平行な平面を有し、前記２つの平面の間に前記試料を固定する第１の治具と、
前記２つの平面のいずれかを前記センサヘッドに対向させることができ、かつ、前記平面を前記センサヘッドに対向させた状態で前記第１の治具を固定する第２の治具と、
を備えることを特徴とするレーザ変位計用の治具。
【請求項２】
前記第２の治具は、
前記第１の治具の前記２つの平面のいずれかを、前記第２の治具の有する平面に接した状態で前記第１の治具を固定する
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ変位計用の治具。
【請求項３】
センサヘッドからのレーザ光により試料の厚さを計測するレーザ変位計を用いた計測方法であって、
前記レーザ光が透過可能な開口部を備える２つの平行な平面を有する第１の治具に、前記試料を固定する試料固定ステップと、
前記２つの平面のいずれかを前記センサヘッドに対向させることができ、かつ、前記平面を前記センサヘッドに対向させた状態の前記第１の治具を第２の治具に固定する第１の治具固定ステップと、
前記第１の治具の第１の平面を前記センサヘッドに対向させることにより、前記試料の表面における各部分の所定の基準面からの高さを計測する第１の計測ステップと、
前記第１の治具を裏返し、前記第１の治具の第２の平面を前記センサヘッドに対向させることにより、前記試料の裏面における前記各部分の前記所定の基準面からの高さを計測する第２の計測ステップと、
前記所定の基準面から前記試料の裏面における前記各部分の高さの値について、前記第１の治具を裏返したときの軸に対し対照に位置する部分の高さの値を互いに入れ替える変換ステップと、
前記所定の基準面からの前記試料の表面における各部分の高さ、および、前記入れ替え後の前記所定の基準面からの前記試料の裏面における各部分の高さに基づき、前記試料の各部分の厚さを算出する厚さ算出ステップと
を含んだことを特徴とする計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ変位計用の治具、および、計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
試料の形状を計測する方法の１つに、レーザ変位計を用いる方法がある。レーザ変位計とは変位計の一種で、試料の変位、高さ、幅、厚み等の採寸が可能である。このレーザ変位計は、試料のあらゆる形状に対応可能であり、計測スポットが小さく、高精度で、高速に計測可能であるという特徴を有する。
【０００３】
レーザ変位計は、レーザ発光素子およびレーザ受光素子（センサヘッド）を搭載する。レーザ変位計を用いて、例えば、試料（固体試料）の、ある部分の厚みを計測する場合、その試料の性質に適した方法を選ぶことになる。
【０００４】
例えば、試料を２つのセンサヘッドで挟み込める場合は、試料の上面および下面に、対向させて２つのセンサヘッドを配置し、２つのセンサヘッドで同時に、試料の厚みを求めたい部分の上面と下面の位置を計測することによって、当該部分の厚みを求める。
【０００５】
しかし、レーザ変位計が１つしかセンサヘッドを搭載していない場合もある。このような場合、まず試料の厚みを求めたい部分の上面の高さ位置について計測する。その後、センサヘッドを回転させる、もしくは試料を動かす等の操作を行い、当該部分の下面にあたる部分について計測可能な範囲に位置させ、下面の高さ位置を計測する。そして、上面と下面の位置の差分により、当該部分の厚みを求める。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】梶山浩志他、「鋼板合わせ部における穴あき腐食形態解析」、材料と環境2013予稿集、B-305、179-182、2013.
【非特許文献２】村越潤他、「腐食鋼部材の残存板厚計測への各種計測技術の適用性の検討」、土木学会、構造工学論文集、Vol.59A、2013年3月
【非特許文献３】KEYENCE、「レーザ変位計  用途別測定ガイド  厚み・幅  測定編」、2013年
【非特許文献４】KEYENCE、「レーザ変位計  ビギナー向け導入ガイド［基礎編］変位計とは？」、2015年
【非特許文献５】日本電産トーソク株式会社、高速3DスキャナRVL6540、［online］、［平成27年12月15日検索］、インターネット＜URL：http://www.nidec-tosok.co.jp/products/3d/pdf/catalog_150803.pdf//＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記の方法で試料の厚みを求めようとする場合、センサヘッドを回転させるための架台を新たに組むと高額になる懸念がある。また、試料に凹凸や湾曲があると、試料を裏返す操作で、上面の高さ位置の基準となる面（高さゼロの面）と、下面の高さ位置の基準となる面とが、同一の面または平行な面とならないことがある。そのため、試料の所望部分の厚みを正確に求められないことがある。なお、安価な３Ｄスキャナを用いることも考え得るが、レーザ変位計に対して計測精度が低い。そこで、本発明は、前記した問題を解決し、センサヘッドが１つであるレーザ変位計により、試料の所望部分の厚さを安価に、かつ、精度よく計測することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記した課題を解決するため、本発明は、センサヘッドからのレーザ光により試料の厚さを計測するレーザ変位計用の治具であって、前記レーザ光が透過可能な開口部を備える２つの平行な平面を有し、前記２つの平面の間に前記試料を固定する第１の治具と、前記２つの平面のいずれかを前記センサヘッドに対向させることができ、かつ、前記平面を前記センサヘッドに対向させた状態で前記第１の治具を固定する第２の治具と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、センサヘッドが１つであるレーザ変位計により、試料の所望部分の厚さを安価に、かつ、精度よく計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本実施形態のレーザ変位計用の治具の例を示す図である。
【図２】図２は、図１のレーザ変位計用の治具を用いた計測手順を説明するための図である。
【図３Ａ】図３Ａは、第１の治具の構成例を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、第１の治具の構成例の詳細を示す図である。
【図４】図４は、第１の治具における試料の固定方法を説明するための図である。
【図５Ａ】図５Ａは、第２の治具の構成例を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、第２の治具の構成例の詳細を示す図である。
【図６】図６は、第２の治具の固定方法を説明するための図である。
【図７】図７は、第１の治具上の計測領域を説明するための図である。
【図８】図８は、レーザ変位計による計測結果の例を示す図である。
【図９】図９は、試料の各部分の表面の高さの算出を説明するためのイメージ図である。
【図１０】図１０は、レーザ変位計による計測結果の反転を説明するためのイメージ図である。
【図１１】図１１は、試料の各部分の表面の厚さの算出を説明するためのイメージ図である。
【図１２】図１２は、試料の厚さの計測手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態（実施形態）について説明する。まず、図１および図２を参照しながら、本実施形態のレーザ変位計用の治具を用いた試料の計測方法の概要を説明する。なお、以下において、計測対象の試料は固体試料であるものとして説明する。
【００１２】
図１に示すように、レーザ変位計による計測対象となる試料は、第１の治具１内に固定され、第１の治具１は、レーザ変位計の架台上の第２の治具２により固定される。レーザ変位計は、センサヘッド３および制御装置４を備える。レーザ変位計は、制御装置４によりセンサヘッド３をＸ軸、Ｙ軸方向に動かし、センサヘッド３から試料の所望部分に順次レーザを照射し、当該部分の高さを計測する。そして、レーザ変位計は、制御装置４により、試料の各部分の高さの計測結果をコンピュータ１００に出力する。計測者は、上記のようなレーザ変位計を用いた試料の各部分の高さの計測を、試料の表面および裏面に対し行う。
【００１３】
例えば、図２に示すように、計測者は、第１の治具１内に試料を固定すると、第１の治具１の平面１０ａをセンサヘッド３に対向させた状態で、第２の治具２上に固定する。そして、レーザ変位計は試料の各部分の表面の高さの計測を行い、計測結果をコンピュータ１００に出力する。
【００１４】
その後、計測者は、第１の治具１を裏返す。つまり、第１の治具１の平面１０ｂをセンサヘッド３に対向させた状態で、第２の治具２上に固定する。そして、レーザ変位計は試料の各部分の裏面の高さの計測を行い、計測結果をコンピュータ１００に出力する。
【００１５】
このようにして、コンピュータ１００は、試料の各部分の表面および裏面の高さの計測結果を得ると、その計測結果に基づき、試料の各部分の厚さを算出する。なお、試料の裏面の計測時に第１の治具１を裏返しているので、試料の各部分の位置は裏返したときの軸（例えば、図１のＹ軸）に対し対照の位置となる。したがって、コンピュータ１００は、試料の裏面の各部分の計測結果について、裏返したときの軸（例えば、図１のＹ軸）に対し対照に位置する部分の計測結果の値同士を互いに入れ替えた上で、各部分の厚さを算出する。
【００１６】
このようにレーザ変位計による試料の各部分の厚さ（形状）の計測にあたり、試料を第１の治具１および第２の治具２を用いて固定する。これにより、計測のため試料を裏返す場合において、試料に凹凸や湾曲があるときでも、試料の表面の高さ位置の基準になる面と、裏面の高さ位置の基準になる面とを、同一の面または平行な面とすることができる。その結果、試料の各部分の厚さ（形状）を精度よく算出することができる。
【００１７】
（第１の治具）
次に、図３Ａ，３Ｂおよび図４を参照しながら、第１の治具１の例を説明する。第１の治具１は、２つの平行な平面１０（１０ａ，１０ｂ）を有する。この平面１０（１０ａ，１０ｂ）はそれぞれ大きさであり、平面１０（１０ａ，１０ｂ）をＸＹ平面としたときの同じ座標位置に開口部１１（１１ａ，１１ｂ）を備える。つまり、平面１０ａ，１０ｂ上で開口部１１ａ，１１ｂのエッジのＸＹ座標は一致する。この開口部１１の形状は、図３Ａに示すような矩形でもよいし、その他の形状であってもよい。
【００１８】
また、第１の治具１は、平面１０（１０ａ，１０ｂ）の間に試料を固定する。例えば、第１の治具１の側面には、複数のネジ穴４０が設けられ、このネジ穴４０にネジ４１を差し込むことにより、開口部２１から挿入された試料を平面１０（１０ａ，１０ｂ）の間に固定する（図４参照）。
【００１９】
例えば、計測者は、図４に示すように、第１の治具１の側面に設けられた開口部２１から第１の治具１内に試料を挿入し、その後、ネジ穴４０からネジ４１を刺して試料を固定する。なお、第１の治具１内に試料を固定する際、試料とネジ４１との間に板３０等を挟むことが好ましい。このようにすることで、各ネジ４１の力が試料に均等にかかるようにすることができる。また、板３０の両面のうち少なくとも試料側にゴム等の柔らかい素材を挟んでもよい。このようにすることで、各ネジ４１の力が試料により均等にかけられ、かつ、試料も傷つきにくくなる。
【００２０】
このように試料を第１の治具１で固定することにより、計測のため試料を裏返す場合において、試料に凹凸や湾曲があるときでも、試料の表面の高さ位置の基準になる面と、裏面の高さ位置の基準になる面とを、同一の面または平行な面とすることができる。これにより、コンピュータ１００は、試料の各部分の表面および裏面の高さを精度よく求めることができるので、試料の各部分の厚さについても精度よく求めることができる。
【００２１】
なお、第１の治具１の素材は問わないが、例えば、真鍮等を用いる。例えば、真鍮ブロックを切削することにより、図３Ｂに示すサイズの第１の治具１を作成する。
【００２２】
（第２の治具）
次に、図５Ａ，５Ｂおよび図６を参照しながら、第２の治具２の例を説明する。第２の治具２は、第１の治具１の２つの平面１０ａ，１０ｂのいずれの面もセンサヘッド３に対向させることができる。また、第２の治具２は、２つの平面１０ａ，１０ｂのいずれの面がセンサヘッド３と対向した場合でも、センサヘッド３に対する第１の治具１の位置が変わらないよう、第１の治具１を固定する。具体的には、第１の治具１の平面１０ａおよび平面１０ｂを、センサヘッド３からのレーザ光の光軸に直交する平面（ＸＹ平面）となるよう固定する。これにより、平面１０ａおよび平面１０ｂのＸＹ座標を一致させることができる。
【００２３】
第２の治具２は、例えば、図５Ａに示すように、第１の治具１の平面１０ａまたは平面１０ｂが、第２の治具２の平面２２に接した状態で第１の治具１を固定する。第２の治具２は第２の治具２の上部を、第１の治具１の平面１０（１０ａ，１０ｂ）のＸ軸方向、Ｙ軸方向のサイズで切り取った形状とする。
【００２４】
例えば、図５Ａに示すように第１の治具１の平面１０（１０ａ，１０ｂ）のＸ軸方向のサイズ×Ｙ軸方向のサイズがＡｍｍ×Ｂｍｍの場合、第２の治具２の上部を、所定の深さで切り取った平面２２の形状を平面１０（１０ａ，１０ｂ）と同じＡｍｍ×Ｂｍｍとする。これにより、第２の治具２は、第１の治具１をＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向で固定できる。
【００２５】
なお、第２の治具２の素材は問わないが、例えば、真鍮等を用いる。例えば、真鍮ブロックの上面を、第１の治具１（図３Ｂ参照）がぴったりと収まるように加工して図５Ｂに示すサイズの第２の治具２を作成する。
【００２６】
第２の治具２は、図１に示すように、センサヘッド３の可動範囲内に設置され、架台等に固定される。そして、この第２の治具２の上に、第１の治具１が設置される。第２の治具２の固定は、例えば、第２の治具２を架台にネジ留めしてもよいし、図６に示すように、架台の第２の治具２の周りに磁石や重りを置くことで固定してもよい。
【００２７】
計測者は、上記の第１の治具１を第２の治具２の上に設置した後、レーザ変位計を用いて、第１の治具１内の試料の各部分の形状（センサヘッド３からの距離）の計測を行う。このレーザ変位計による計測領域の形状や大きさについては限定しないが、例えば、図７に示すように、第１の治具１の平面１０上の開口部１１を包含する領域であることが好ましい。これにより、コンピュータ１００が試料の計測結果を解析する際に、第１の治具１の平面１０（上面）を、試料のＸＹＺ座標の基準面として利用することができる。
【００２８】
さらに、レーザ変位計用の治具を、第１の治具１および第２の治具２の２つの治具に分けることで、以下のような効果が得られる。例えば、試料の長さが第１の治具１の長さ（例えば、Ｘ方向の長さ）を超える場合や、第１の治具１のネジ４１で留められないような柔らかい素材や薄い形状の場合でも、第２の治具２の改造を加える必要がない。一例を挙げると、試料の長さが、図５Ａに示す第１の治具１のＸ方向の長さを超える場合、第１の治具１の高さ（Ｃ）を、第２の治具２の切り込み部分の深さ（Ｄ）よりも高くしておく。そして、第１の治具１の開口部２１から試料を挿入し、試料が開口部２１から飛び出した状態のまま、第１の治具１を第２の治具２上に設置し、レーザ変位計により試料の計測を行えばよい。また、レーザ変位計用の治具を第１の治具１および第２の治具２の２つの治具に分けることで、第１の治具１のみを動かせば、試料を容易に裏返すことができるというメリットもある。
【００２９】
（コンピュータ）
コンピュータ１００は、レーザ変位計の制御装置４から計測結果を受け取る。コンピュータ１００は、例えば、図８に示すような、試料の表面および第１の治具１の上面（例えば、平面１０ａ）のＸＹ座標ごとに、当該ＸＹ座標の部分におけるＺ座標の値（計測結果）を示したデータを受け取る。なお、図８において、第１の治具１の開口部１１のエッジの内側の領域の各数値は、試料の表面の計測結果を示し、第１の治具１の開口部１１のエッジの外側の領域の各数値は、第１の治具１の上面（例えば、平面１０ａ）の計測結果を示す。なお、上記の計測結果は、例えば、ＣＳＶ（Comma  Separated  Values）形式でコンピュータ１００に出力される。
【００３０】
そして、コンピュータ１００は、上記の計測結果に基づき、試料の各部分の厚さを算出する。例えば、試料の各部分の表面の高さは、第１の治具１の上面（例えば、平面１０ａ）を基準面としたとき、第１の治具１の上面（例えば、平面１０ａ）の計測結果と、試料の各部分の表面の計測結果との差である（図９参照）。したがって、コンピュータ１００は、第１の治具１の上面（例えば、平面１０ａ）の計測結果と、試料の各部分の表面の計測結果との差を求めることにより、試料の各部分の表面の高さを算出する。
【００３１】
なお、前記したとおり、試料の裏面の計測時には第１の治具１を裏返すので、図１０に示すイメージ図のように、試料の各部分の位置は裏返したときの回転軸（例えば、Ｙ軸）に対し対照の位置となる。したがって、コンピュータ１００は、まず試料の各部分の裏面の計測結果について、裏返したときの軸（例えば、図１０のＹ軸）に対し対照の位置の部分の計測結果同士を互いに入れ替える。次に、コンピュータ１００は、第１の治具１の上面（例えば、平面１０ａ）の計測結果と、試料の裏面の各部分の計測結果との差を求めることにより、試料の各部分の裏面の高さを算出する。
【００３２】
コンピュータ１００は、上記のようにして算出した試料の各部分の表面および裏面の高さを用いて、試料の各部分の厚さを求める。例えば、図１１に示すイメージ図のように試料の各部分の厚さは、第１の治具１の高さから、試料の各部分の表面の高さおよび裏面の高さを引いた値となる。したがって、コンピュータ１００は、第１の治具１の高さから、試料の各部分について、当該部分の表面の高さおよび裏面の高さを引いた値を、当該部分の厚さとして算出する。このようにすることで、レーザ変位計がセンサヘッド３を１つしか備えない場合であっても、試料の形状（各部分の厚さ）を精度よく算出することができる。
【００３３】
（計測手順）
次に、図１２を用いて、試料の計測手順を説明する。まず、計測者は、試料を第１の治具１に固定し（Ｓ１）、その後、第１の治具１を第２の治具２に固定する（Ｓ２）。そして、計測者は、レーザ変位計によって試料の各部分の表面のＺ軸方向の位置（高さ）を計測する（Ｓ３）。その後、計測者は、第１の治具１を裏返して、第２の治具２に固定する（Ｓ４）。そして、計測者は、レーザ変位計によって試料の各部分の裏面のＺ軸方向の位置（高さ）を計測する（Ｓ５）。
【００３４】
コンピュータ１００が、Ｓ３およびＳ５における計測結果を得ると、試料の各部分の裏面の計測結果を反転させる（Ｓ６）。つまり、コンピュータ１００は、試料の各部分の裏面の計測結果における、第１の治具１を裏返したときの軸に対し対照に位置する部分の計測結果の値同士を入れ替える。そして、コンピュータ１００は、試料の各部分の表面および裏面のＺ軸方向の位置（高さ）の計測結果から、試料の各部分の高さを算出する（Ｓ７）。次に、コンピュータ１００は、試料の各部分の表面および裏面の高さを、第１の治具１の高さから引くことによって、試料の各部分の厚さを算出する（Ｓ８）。
【００３５】
このようにすることで、レーザ変位計がセンサヘッド３を１つしか備えない場合であっても、試料の形状（各部分の厚さ）を安価に、かつ、精度よく算出することができる。
【００３６】
（その他の実施形態）
なお、試料の各部分の表面および裏面の計測結果が、架台や架台が設置される床の傾きにより誤差が生じているおそれがある場合、制御装置４においてこれを補正してから、コンピュータ１００へ出力してもよい。このようにすることで、試料の所望部分の厚さをさらに精度よく算出することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１      第１の治具
２      第２の治具
３      センサヘッド
４      制御装置
１０（１０ａ，１０ｂ），２２  平面
１１（１１ａ，１１ｂ），２１  開口部
３０    板
４０    ネジ穴
４１    ネジ
１００  コンピュータ
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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