(57)【要約】      （修正有）【課題】センサヘッドにおけるセンサの設置ずれ量及びセンサヘッドと計測対象との間の相対傾斜に起因する誤差を無くすことのできる幾何学量計測方法を提供する。【解決手段】少なくとも３個のセンサを配置したセンサヘッドを計測対象に沿って相対移動させ、各センサから得られる検出信号を用いて計測対象表面の幾何学量を計測する。予め、基準平面３０に対して真直度の計測を行い、両側のセンサの基準点を結ぶ線分からの中央のセンサの基準点の計測方向に関するずれ量を算出すると共に、基準平面とセンサヘッドとの間の相対傾斜とずれ量との間の関係を対のデータとして補正テーブルを作成する。幾何学量の計測に際しては、計測対象とセンサヘッドとの間の相対傾斜を算出し、かつ前記補正テーブルを参照して前記算出されたずれ量を取り出し、該取り出したずれ量と３個のセンサから得られた検出信号を用いて計測対象表面の幾何学量を演算する。【選択図】図２
2009063541.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測対象表面までの距離を検出する少なくとも３個のセンサを進行方向に沿ってオフセットを有して配置してなるセンサヘッドを前記計測対象表面に相対移動させることで前記少なくとも３個のセンサから得られる検出信号を用いて前記計測対象表面の幾何学量を計測する方法において、
あらかじめ、平坦面を持つ基準平面に対して計測を行い、前記少なくとも３個のセンサのうち両側のセンサの基準点を結ぶ線分からの中央のセンサの基準点のずれ量であって計測方向に関するずれ量を前記３個のセンサの検出値から算出すると共に、前記基準平面と前記センサヘッドとの間の相対傾斜と、これを変化させることにより変化する前記算出されたずれ量との間の関係を対のデータとして収集することにより補正テーブルを作成し、
計測対象に対する幾何学量の計測に際しては、計測の都度、前記計測対象表面と前記センサヘッドとの間の相対傾斜を前記両側のセンサの検出値とこれらの間隔とから算出し、かつ前記算出した相対傾斜に基づいて前記補正テーブルを参照して前記算出されたずれ量を取り出し、該取り出したずれ量と前記少なくとも３個のセンサから得られた検出信号を用いて前記計測対象表面の幾何学量を演算することを特徴とする幾何学量計測方法。
【請求項２】
前記補正テーブルの作成に際し、前記基準平面と前記センサヘッドとの間の相対傾斜を、前記少なくとも３個のセンサの並び方向に直交する軸を中心軸として前記基準平面又は前記センサヘッドを傾斜させることで変化させることを特徴とする請求項１に記載の幾何学量計測方法。
【請求項３】
計測対象表面までの距離を検出する少なくとも３個のセンサを進行方向に沿ってオフセットを有して配置してなるセンサヘッドと、該センサヘッドを前記計測対象表面に相対移動させる移動手段と、前記少なくとも３個のセンサから得られる検出信号を用いて前記計測対象表面の幾何学量を演算する演算手段とを備えた幾何学量計測装置において、
前記演算手段は、前記少なくとも３個のセンサのうち両側のセンサの基準点を結ぶ線分からの中央のセンサの基準点のずれ量であって計測方向に関するずれ量を前記３個のセンサの検出値から算出すると共に、平坦面による基準平面と前記センサヘッドとの間の相対傾斜と、これを変化させることにより変化する前記算出されたずれ量との間の関係を対のデータとして収集して作成された補正テーブルを有し、
前記演算手段はまた、計測対象に対する幾何学量の計測の都度、前記計測対象表面と前記センサヘッドとの間の相対傾斜を前記両側のセンサの検出値とこれらの間隔とから算出し、かつ前記算出した相対傾斜に基づいて前記補正テーブルを参照して前記算出されたずれ量を取り出し、該取り出したずれ量と前記少なくとも３個のセンサから得られた検出信号を用いて前記計測対象表面の幾何学量を演算することを特徴とする幾何学量計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真直度、平面度等の幾何学量を計測する方法及び装置に関し、特に測定対象物の表面の幾何学量を３個以上のセンサを用いて計測する幾何学量計測に際しての校正方法及びこの校正機能を有する幾何学量計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５を参照して、幾何学量計測の一例として、真直度の計測方法の一例を説明する。この種の計測には、計測対象ＯＢまでの距離を検出する３個のセンサＩ、Ｊ、Ｋを一直線に並ぶように配置した構成を持つセンサヘッドＳＨが用いられる。センサヘッドＳＨは計測対象に沿って移動され、定間隔のタイミング（あるいは定間隔の移動距離）で計測を行う。センサＩ、Ｊ、Ｋで得られる距離の検出値をそれぞれｉ、ｊ、ｋとする。検出値ｉ、ｊ、ｋはそれぞれ、センサＩ、Ｊ、Ｋの基準点（黒丸で示す）から計測対象までの距離である。図５のように、計測対象表面に凹凸があれば、検出値ｉ、ｊ、ｋには差が生じることから、これらの差から真直度を計測することができる。このような３点式の計測によれば、センサヘッドＳＨの移動中にセンサヘッドＳＨと計測対象ＯＢとの相対位置関係が変化、つまり接近したり、離反したりしてもその影響を受けることは無い。
【０００３】
上記の説明は、３個のセンサＩ、Ｊ、Ｋが一直線上に配置されていることを前提としている。しかしながら、３個のセンサＩ、Ｊ、Ｋの設置には、微小なずれを生じることが避けられない。
【０００４】
図６は、３個のセンサＩ、Ｊ、Ｋのうち、センサＪに設置ずれがある場合の例を誇張して示している。３つのセンサのうちの両側のセンサＩ、Ｋの基準点を結ぶ線分からの中央のセンサＪの基準点のずれ量（オフセット）をδとし、以後、これを設置ずれ量と呼ぶ。この設置ずれ量δは機械的なずれ量であるので変化しない。そこで、何らかの方法で設置ずれ量δを知ることができれば、検出値ｉ、ｊ、ｋとあわせて、計測対象ＯＢの局所形状を表す量である値ｗを知ることができる。そして、センサヘッドＳＨを移動させながら、センサ間ピッチＰと等間隔に値ｗを求めて積算し、計測点を格子状の各交点に設定することで計測対象ＯＢの表面形状を知ることができる。
【０００５】
図６の場合、設置ずれ量δは、以下の式（１）で算出することができる。
【０００６】
δ＝ｊ−（ｉ＋ｋ）／２                                  （１）
しかしながら、上記のような非接触式のセンサヘッドＳＨは、センサヘッドＳＨと計測対象ＯＢの相対的な傾斜の影響を受ける。つまり、センサヘッドＳＨの移動中にセンサヘッドＳＨと計測対象ＯＢの間に相対的な傾斜が生じると、相対的な傾斜が無い場合に比べて検出値が微小に変動するため、上記の式（１）によって一意に決定した設置ずれ量δをそのまま利用することができない。これは、センサヘッドＳＨと計測対象ＯＢとの間に相対的な傾斜がある場合には、取得した設置ずれ量は相対的な傾斜に起因する変動分を含んでしまい、誤差要因となるので高精度での計測を維持できなくなることを意味している。
【０００７】
なお、真直度を測定する際の検出器校正方法の一例が特許文献１に開示されている。この校正方法では、校正ターゲットとして、センサピッチに対して十分に大きい径の円盤を、再現性良く回転させる必要があり、大掛かりで精密な装置が必要となる。また、センサの設置ずれ量（オフセット誤差）は、円盤が一回転する間の変動を平均化し、一意に決定するものであり、真直度計測時の高精度が期待できない。
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−３０８７０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、センサヘッドにおけるセンサが設置ずれ量を有し、しかも計測中にセンサヘッドと計測対象の間に相対傾斜が生じるような場合があっても、設置ずれ量及び相対傾斜に起因する誤差を無くすことのできる幾何学量計測方法及び幾何学量計測装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、センサヘッドに設置された少なくとも３個のセンサのうち両側の２つのセンサにより、計測時のセンサヘッドと計測対象との間の相対傾斜を簡易に取得し、取得した相対傾斜に応じて、計測（演算）に使用するセンサの設置ずれ量の値を動的に変化、つまり取得した相対傾斜に応じて、計測（演算）に使用する設置ずれ量の変動分を補正することで、計測精度を向上させるようにしている。
【００１１】
本発明による幾何学量計測方法においては、計測対象表面までの距離を検出する少なくとも３個のセンサを進行方向に沿ってオフセットを有して配置してなるセンサヘッドを前記計測対象表面に相対移動させることで前記少なくとも３個のセンサから得られる検出信号を用いて前記計測対象表面の幾何学量を計測する。
【００１２】
本発明の好ましい態様による幾何学量計測方法においては、あらかじめ、平坦面を持つ基準平面に対して計測を行い、前記少なくとも３個のセンサのうち両側のセンサの基準点を結ぶ線分からの中央のセンサの基準点のずれ量であって計測方向に関するずれ量を前記３個のセンサの検出値から算出すると共に、前記基準平面と前記センサヘッドとの間の相対傾斜と、これを変化させることにより変化する前記算出されたずれ量との間の関係を対のデータとして収集することにより補正テーブルを作成し、計測対象に対する幾何学量の計測に際しては、計測の都度、前記計測対象表面と前記センサヘッドとの間の相対傾斜を前記両側のセンサの検出値とこれらの間隔とから算出し、かつ前記算出した相対傾斜に基づいて前記補正テーブルを参照して前記算出されたずれ量を取り出し、該取り出したずれ量と前記少なくとも３個のセンサから得られた検出信号を用いて前記計測対象表面の幾何学量を演算する。
【００１３】
本発明による幾何学量計測方法においては、前記補正テーブルの作成に際し、前記基準平面と前記センサヘッドとの間の相対傾斜を、前記少なくとも３個のセンサの並び方向に直交する軸を中心軸として前記基準平面又は前記センサヘッドを傾斜させることで変化させることが好ましい。
【００１４】
本発明によればまた、計測対象表面までの距離を検出する少なくとも３個のセンサを進行方向に沿ってオフセットを有して配置してなるセンサヘッドと、該センサヘッドを前記計測対象表面に相対移動させる移動手段と、前記少なくとも３個のセンサから得られる検出信号を用いて前記計測対象表面の幾何学量を演算する演算手段とを備えた幾何学量計測装置が提供される。
【００１５】
本発明による幾何学量計測装置においては、前記演算手段は、前記少なくとも３個のセンサのうち両側のセンサの基準点を結ぶ線分からの中央のセンサの基準点のずれ量であって計測方向に関するずれ量を前記３個のセンサの検出値から算出すると共に、平坦面による基準平面と前記センサヘッドとの間の相対傾斜と、これを変化させることにより変化する前記算出されたずれ量との間の関係を対のデータとして収集して作成された補正テーブルを有し、前記演算手段はまた、計測対象に対する幾何学量の計測の都度、前記計測対象表面と前記センサヘッドとの間の相対傾斜を前記両側のセンサの検出値とこれらの間隔とから算出し、かつ前記算出した相対傾斜に基づいて前記補正テーブルを参照して前記算出されたずれ量を取り出し、該取り出したずれ量と前記少なくとも３個のセンサから得られた検出信号を用いて前記計測対象表面の幾何学量を演算することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、計測時のセンサヘッドと計測対象との間の相対傾斜に応じて、算出される設置ずれ量を動的に変化させることで、センサの設置ずれ量及び相対傾斜の影響を受けることの無い高精度な幾何学量計測を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１〜図４を参照して、本発明の実施形態について説明する。
【００１８】
図１は、本発明による幾何学量計測装置におけるセンサヘッドと計測対象との関係のみを拡大して示す。特に、センサが設置ずれ量（オフセット）を有し、しかも計測時にセンサヘッドと計測対象との間に相対傾斜が生じていることを誇張して示している。ここでは、図５と同様、センサヘッドＳＨに３個のセンサＩ、Ｊ、Ｋが設置され、両側のセンサＩ、Ｋの基準点を結ぶ線分からの中央のセンサＪの基準点のずれ量、特に計測方向に関するずれ量がδであることを示している。また、センサＩ、Ｋの基準点を結ぶ線分と計測対象ＯＢとの間の相対傾斜がθであることを示している。センサＩ、Ｊ、Ｋの検出値はｉ、ｊ、ｋとする。
【００１９】
図１に示すようなセンサヘッドＳＨに対して、実際の計測の前に、図２に示す傾斜ステージ及び基準平面を用いて以下のような真直度計測による校正作業を行う。傾斜ステージ及び基準平面は、計測対象物の側に設置しセンサを校正するのが好適である。センサの位置誤差は気温、湿度等の様々な条件で変化するので定期的に校正を行うことが望ましい。図２において、傾斜ステージ２０は、上面に平坦面を持つ基準平面３０を搭載したテーブル２１を、一軸を中心軸にして傾斜させることができる。ここでは、上記一軸を、センサヘッドＳＨにおける３個のセンサＩ、Ｊ、Ｋの並び方向に直交する軸となるようにしている。なお、３個のセンサＩ、Ｊ、ＫはセンサＩ、Ｋの基準点を結ぶ線分に関し等ピッチＰで設置されているものとする。
【００２０】
図２の場合、計測対象が基準平面３０であるので、図１に示すような計測対象ＯＢの局所形状ｗは常にゼロである。計測対象（基準平面３０）とセンサヘッドＳＨの相対傾斜をθとすると、相対傾斜θは、両側のセンサＩ、Ｋの検出値ｉ、ｋとセンサ間のピッチＰを用いて、以下の式（２）で算出することができる。
【００２１】
ｔａｎθ＝（ｋ−ｉ）／２Ｐ                          （２）
また、センサＪの設置ずれ量δは、センサＩ、Ｊ、Ｋの検出値ｉ、ｊ、ｋを用いて、前に述べた式（１）、つまり、δ＝ｊ−（ｉ＋ｋ）／２にて算出することができる。
【００２２】
校正作業においては、傾斜ステージ２０で相対傾斜θを逐次変化させ、その都度、相対傾斜θを計測すると共に設置ずれ量δを算出する。そして、これをｎ回（但し、ｎは正の整数）繰り返すことで、相対傾斜と算出された設置ずれ量との関係をｎ対の校正データ（θ１，δ１）、・・・（θｉ，δｉ）（ｉはｉ番目を示す）・・・、（θｎ，δｎ）として収集し、補正テーブルを作成する。なお、図２は基準平面３０を時計回りに傾斜させた時の相対傾斜θを正として示している。
【００２３】
このようにして取得された相対傾斜と算出された設置ずれ量との関係は、計測対象が基準平面であるので、他の要因の影響を受けておらず、算出された設置ずれ量は相対傾斜の影響を織り込み済みの値である。言い換えれば、センサヘッドと計測対象との間の相対傾斜に応じて、設置ずれ量の校正量を動的に変化させるようにしていると言える。
【００２４】
上記の校正作業において作成された補正テーブルは、幾何学量計測装置において演算手段としても機能する制御装置に備えられた記憶装置に保存される。
【００２５】
図３（ａ）は、幾何学量計測装置による真直度計測の一形態を示す。計測対象ＯＢは、図面の表裏方向（以後、長さ方向と呼ぶ）に搬送可能なテーブル４１に搭載される。計測対象ＯＢの上方には、ガイド４２に沿って図面の左右方向、つまり計測対象ＯＢの上を横切る方向（以後、幅方向と呼ぶ）に移動可能であると共に図面の上下方向、つまり計測対象ＯＢに垂直な方向に移動可能な走行部（移動手段）４３が配置され、この走行部４３にセンサヘッドＳＨが取り付けられている。
【００２６】
以下の動作は、制御装置の制御下で実行される。
【００２７】
真直度計測に際しては、センサヘッドＳＨを計測対象ＯＢの一端側から他端側に向けて幅方向に移動させる。そして、移動している間に、一定間隔で３個のセンサＩ、Ｊ、Ｋによる計測を行い、検出値ｉ、ｊ、ｋを得る。ここで、図１で説明したように、中央のセンサＪは設置ずれ量δを有しており、センサヘッドＳＨと計測対象ＯＢとの間に相対傾斜θがあるとその影響を受けることは前述した通りである。このため、上記式（２）により相対傾斜θｉを算出し、センサＪからの検出値ｊについては、算出された相対傾斜θｉに基づいて補正テーブルを参照して読み出した設置ずれ量δｉを用いて計測対象ＯＢまでの距離を（ｊ−δｉ）として算出する。このようにして得られた値ｉ、（ｊ−δｉ）、ｋを用いて値ｗを求める。
【００２８】
上記の計測を、センサヘッドＳＨが計測対象ＯＢの一端側から他端側に到達するまでの間に一定間隔で繰り返し、値ｗを積算することで、計測対象ＯＢの幅方向に関する真直度を計測することができる。続いて、計測対象ＯＢをテーブル４１により長さ方向に一定距離だけ移動させた後、上記の計測を行う。
【００２９】
以上のような計測を繰り返すことにより、計測対象ＯＢに対し、図３（ｂ）に黒のドットで示すような格子状の交点での計測を行うことができ、これらの計測結果を用いて計測対象ＯＢの平面度の計測を行うことができる。なお、図３（ｂ）は理解しやすくするために、ドットの間隔を大きくしているが、実際にはこの間隔は小さい。
【００３０】
図１では中央のセンサＪが設置ずれ量δを持つものとしているが、仮に、センサＪ、Ｋが共に同一直線上にあってセンサＩがこの直線から計測方向に関してずれて設置されたような場合であっても、両側のセンサＩ、Ｋの基準点を結ぶ線分からの中央のセンサＪの基準点のずれ量が設置ずれ量δとして定義される。
【００３１】
図４は、上記の計測により実際に収集した校正データの例を示す。センサＩ、Ｊ、Ｋには三角測量型のレーザー変位計を用い、基準平面３０にはオプチカルフラットを利用した。傾斜ステージ２０の代表例としてはゴニオメータと呼ばれるものがある。センサヘッドと計測対象の相対傾斜により、収集された設置ずれ量の値に明らかな変動傾向が見て取れる。このことにより、真直度計測を実施する場合について言えば、一定間隔での計測時にその都度、センサヘッドと計測対象の間の相対傾斜を計算し、それに応じた設置ずれ量の値を補正テーブルを参照して決定し、補正を行うことにより、前述の式（１）から一意に決定した設置ずれ量を用いる方法と比べて高精度な計測を実現できる。そして、これは、センサヘッドがその移動中に、うねったり、傾いたりしてどのように姿勢や計測対象に対する間隔が変化しようとも実現できる。
【００３２】
上記説明では、基準平面を傾斜させる場合について説明したが、センサヘッドを傾斜させるようにしても良い。また、センサが３個の場合について説明したが、４個以上でも適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、例えば超精密仕上げを要求される石材や鉄材等のテーブルのための超精密平面研削盤に組み合わされて被研削物の真直度や平面度等の幾何学量を計測するのに適している。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は、本発明による幾何学量計測装置におけるセンサヘッドと計測対象との関係のみを拡大して示す。
【図２】図２は、本発明により幾何学量計測を行う前に実施される校正作業を説明するための図であり、校正作業において使用される傾斜ステージ及び基準平面とセンサヘッドとの関係を示した図である。
【図３】図３（ａ）は幾何学量計測装置による真直度計測の一形態を示し、図３（ｂ）は図３（ａ）の真直度の計測結果を用いて行われる平面度の計測について説明するための平面図である。
【図４】図４は、本発明による幾何学量計測により実際に収集した校正データの例を示す。
【図５】図５は、幾何学量計測の一例として、真直度の計測方法の一例を説明するための図である。
【図６】図６は、図５に示されたセンサヘッドにおける３個のセンサのうちの１つに設置ずれがある場合の例を誇張して示している。
【符号の説明】
【００３５】
Ｉ、Ｊ、Ｋ    センサ
ＳＨ    センサヘッド
ＯＢ    計測対象
２０    傾斜ステージ
２１    テーブル
３０    基準平面
４１    テーブル
４２    ガイド
４３    走行部
【図１】
2009063541.tif 000003
【図２】
2009063541.tif 000004
【図３】
2009063541.tif 000005
【図４】
2009063541.tif 000006
【図５】
2009063541.tif 000007
【図６】
2009063541.tif 000008