JP2003148932A - 非接触２次元形状計測方法およびウェブ皺形状計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】巻解かれて高速で移送されるウェブにも適用す
ることができる非接触２次元形状計測方法およびウェブ
皺形状計測装置を提供する。 【解決手段】長距離焦点型レーザセンサが出力するレー
ザ光線をスキャニングミラによって反射することで計測
部位においてレーザスポットを走査するレーザ光線走査
過程と、前記計測部位において反射する前記レーザ光線
を前記スキャニングミラーによって反射して前記長距離
焦点型レーザセンサに戻すレーザ光線回帰過程と、前記
スキャニングミラーによる前記レーザスポットの走査に
同期して前記長距離焦点型レーザセンサが出力する変位
データをデータ処理手段に入力する変位データ入力過程
とを有するようにした非接触２次元形状計測方法。およ
びその方法を適用したウェブ皺形状計測装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は物品の形状を計測す
る技術分野に属する。特に、プラスチックフィルム、金
属薄膜、複合フィルム、印刷用紙、等のウェブに生じる
皺の形状を計測する方法と装置に関する。

【０００２】

【従来技術】印刷機、塗工機、等の被加工物品がウェブ
である機械においては、ウェブの状態の善し悪しによっ
て加工が困難であったり、不可能となることがある。特
に、ウェブが極めて薄い、たとえば、厚さが数μｍのプ
ラスチックフィルムであるときには、巻取体を成すウェ
ブまたは巻解かれ移送されるウェブにおいて皺が発生し
易い。そのため、このような皺の発生するメカニズムを
解明する手がかりとして、ウェブに生じる皺の形状を定
量的に把握することが求められている。

【０００３】そのため、巻取体を成すウェブにおける皺
を計測する装置の提案がある。たとえば、図５に示すよ
うに、直線移動機構の移動テーブルに設けられた非接触
変位センサを巻取体の軸と平行方向に移動し、その位置
（Ｘ）と、巻取体の表面における凹凸（Ｚ）とを組とす
るデータ、すなわち２次元形状を計測する装置の提案が
ある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
装置においては、ウェブの加工速度（移送速度）に比較
して計測の所要時間がかかり過ぎるため、巻取体を成す
ウェブには適用できても、巻解かれて高速で移送される
ウェブには適用することができない。図５に示すような
直線移動機構はモータ、ボールネジ、リニアガイド、等
から構成され、その走査速度は、たとえば、数秒〜数十
秒と遅く、その走査速度によって計測速度が制限され
る。

【０００５】本発明は上記の課題を解決するためになさ
れたものである。その目的は、巻解かれて高速で移送さ
れるウェブにも適用することができる非接触２次元形状
計測方法およびウェブ皺形状計測装置を提供することに
ある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
非接触２次元形状計測方法は、長距離焦点型レーザセン
サが出力するレーザ光線をスキャニングミラによって反
射することで計測部位においてレーザスポットを走査す
るレーザ光線走査過程と、前記計測部位において反射す
る前記レーザ光線を前記スキャニングミラーによって再
び反射して前記長距離焦点型レーザセンサに戻すレーザ
光線回帰過程と、前記スキャニングミラーによる前記レ
ーザスポットの走査に同期して前記長距離焦点型レーザ
センサが出力する変位データをデータ処理手段に入力す
る変位データ入力過程とを有するようにしたものであ
る。

【０００７】本発明によれば、レーザ光線走査過程にお
いて長距離焦点型レーザセンサによって出力されるレー
ザ光線がスキャニングミラによって反射されることで計
測部位においてレーザスポットが走査され、レーザ光線
回帰過程において計測部位において反射されるレーザ光
線が前記スキャニングミラーによって再び反射されて長
距離焦点型レーザセンサに戻され、変位データ入力過程
においてスキャニングミラーによるレーザスポットの走
査に同期して長距離焦点型レーザセンサによって出力さ
れる変位データがデータ処理手段に入力される。すなわ
ち、長距離焦点型レーザセンサが出力するレーザ光線の
走査にスキャニングミラーを使用することで走査が高速
化される。したがって、巻解かれて高速で移送されるウ
ェブにも適用することができる非接触２次元形状計測方
法が提供される。

【０００８】また本発明の請求項２に係るウェブ皺形状
計測装置は、長距離焦点型レーザセンサと、スキャニン
グミラーと、データ処理手段とを具備するウェブ皺形状
計測装置であって、前記長距離焦点型レーザセンサは、
レーザ光線を出力してウェブの計測部位にレーザスポッ
トを形成するとともに、前記計測部位において反射し戻
ってきたレーザ光線を入力して変位データを出力し、前
記スキャニングミラーは、前記長距離焦点型レーザセン
サが出力するレーザ光線を反射し前記ウェブの計測部位
において前記レーザスポットを走査するとともに、前記
計測部位において反射する前記レーザ光線を再び反射し
て前記長距離焦点型レーザセンサに戻し、前記データ処
理手段は、前記スキャニングミラーによる前記レーザス
ポットの走査に同期して前記長距離焦点型レーザセンサ
が出力する変位データを入力するようにしたものであ
る。

【０００９】本発明によれば、長距離焦点型レーザセン
サにより、レーザ光線が出力されてウェブの計測部位に
レーザスポットが形成するとともに、計測部位において
反射し戻ってきたレーザ光線が入力されて変位データが
出力され、スキャニングミラーにより、長距離焦点型レ
ーザセンサによって出力されるレーザ光線が反射されウ
ェブの計測部位においてレーザスポットが走査されると
ともに、計測部位において反射されるレーザ光線が再び
反射され長距離焦点型レーザセンサに戻され、データ処
理手段により、スキャニングミラーによるレーザスポッ
トの走査に同期して長距離焦点型レーザセンサが出力す
る変位データが入力される。すなわち、長距離焦点型レ
ーザセンサが出力するレーザ光線の走査にスキャニング
ミラーを使用することで走査が高速化される。したがっ
て、巻解かれて高速で移送されるウェブにも適用するこ
とができるウェブ皺形状計測装置が提供される。

【００１０】また本発明の請求項３に係るウェブ皺形状
計測装置は、請求項２に係るウェブ皺形状計測装置にお
いて、前記データ処理手段は、前記入力した変位データ
に基づいて前記ウェブの計測部位における前記走査方向
の位置（Ｘ）と、その位置に対応する前記ウェブの表面
に対して垂線方向の変位（Ｚ）とを組とするウェブ皺形
状データを演算するようにしたものである。

【００１１】本発明によれば、ウェブの計測部位におけ
る走査方向の位置（Ｘ）と、その位置に対応するウェブ
の表面に対して垂線方向の変位（Ｚ）とを組とするウェ
ブ皺形状データが演算される。すなわち、より客観的、
定量的なウェブ皺形状データが得られる。

【００１２】また本発明の請求項４に係るウェブ皺形状
計測装置は、請求項２または３に係るウェブ皺形状計測
装置において、少なくとも前記長距離焦点型レーザセン
サと前記スキャニングミラーとは複数組から成り、その
複数組の各々を、前記ウェブの幅方向を走査方向とする
ようにウェブの移送方向に所定の間隔で配置すること
で、前記ウェブの表面における位置（Ｘ，Ｙ）と、その
位置に対応する前記ウェブの表面に対して垂線方向の変
位（Ｚ）とを組とするウェブ皺形状データを演算するよ
うにしたものである。

【００１３】本発明によれば、ウェブの表面における位
置（Ｘ，Ｙ）と、その位置に対応する前記ウェブの表面
に対して垂線方向の変位（Ｚ）とを組とするウェブ皺形
状データが演算される。すなわち、より客観的、定量的
な３次元のウェブ皺形状データが得られる。

【００１４】

【発明の実施の形態】次に、本発明について実施の形態
を説明する。本発明の非接触２次元計測方法、およびそ
の方法を適用した装置であるウェブ皺形状計測装置にお
ける構成の一例を図１に示す。図１において、１は長距
離焦点型レーザセンサ、２はスキャニングミラー、３は
データ処理部、１００は計測対象物品（たとえばウェ
ブ）である。

【００１５】長距離焦点型レーザセンサ１は、レーザ光
線を出力して計測対象物品１００の計測部位にレーザス
ポットを形成する。また、計測部位において反射し戻っ
てきたレーザ光線を入力して変位データを出力する。長
距離焦点型レーザセンサ１としては、レーザ変位センサ
を使用することができる。本発明で使用するレーザ変位
センサとしては、透明または透明に近い物品の表面位置
を検出することができるものが好ましい。また、長距離
焦点型レーザセンサ１と計測対象物品１００との光路に
スキャニングミラー２を配置し、かつ、図１に示すＸ軸
方向の計測部位において広い計測範囲を確保するため、
レーザ変位センサとしては、焦点距離が数１００ｍｍ程
度の長焦点型のものが好ましい。

【００１６】レーザ変位センサは、たとえば、レーザダ
イオードとレンズとを有する発光部およびレンズとポジ
ションセンサとを有する受光部とから成る。発光部は、
レーザダイオードが出力するレーザ光線をレンズで集光
して計測部位にレーザスポットを形成する。受光部は、
計測部位において反射したレーザ光線をレンズでポジシ
ョンセンサに結像しレーザスポットの位置を検出し、三
角測量の原理で計測部位に形成したレーザスポットの変
位を出力する。

【００１７】スキャニングミラー２は、長距離焦点型レ
ーザセンサ１が出力するレーザ光線を反射し計測対象物
品１００の計測部位においてレーザスポットを走査す
る。また、スキャニングミラー２は、その計測部位にお
いて反射するレーザ光線を再び反射して長距離焦点型レ
ーザセンサに戻す。すなわち、スキャニングミラーは、
レーザ光線を所定の方向に変化させ、計測部位における
所定の範囲（Ｘ軸方向の直線範囲）を走査するようにし
た駆動制御機構を有する反射鏡である。

【００１８】スキャニングミラー２としては、ポリゴン
ミラーをモータで回転する方式のレーザスキャナーを使
用することができる。また、スキャニングミラー２とし
ては、往復回転するモータ（アクチュエータ）の回転軸
に平面鏡を取り付けた方式のレーザスキャナーを使用す
ることができる。スキャニングミラー２の走査周期は
は、遅いものでも数十〜数百ｍｓｅｃであって、直線移
動機構（図５参照）と比較して計測速度を著しく高速化
することができる。

【００１９】データ処理部３は、前記スキャニングミラ
ーによる前記レーザスポットの走査に同期して前記長距
離焦点型レーザセンサが出力する変位データを入力す
る。そして、データ処理部３は、入力した変位データに
基づいて検査対象物品の計測部位における走査方向の位
置（Ｘ）と、その位置に対応する前記ウェブの表面に対
して垂線方向の変位（Ｚ）とを組とするウェブ皺形状デ
ータを演算する。

【００２０】また、本発明が、少なくとも長距離焦点型
レーザセンサ１とスキャニングミラー２とが複数組存在
し、その複数組の各々を、ウェブの幅方向を走査方向と
するようにウェブの移送方向に所定の間隔で配置する構
成のウェブ皺形状計測装置である場合には（図３参
照）、データ処理部３は、ウェブの表面における位置
（Ｘ，Ｙ）と、その位置に対応するウェブの表面に対し
て垂線方向の変位（Ｚ）とを組とするウェブ皺形状デー
タを演算する。データ処理部３は、その複数組の各々に
対して１つづつを設けることができる。または、データ
処理部３は、データ処理を並行して行なうその複数組の
各々に共通するものとして１つだけを設けることができ
る。

【００２１】データ処理部３は、マイクロコンピュー
タ、パーソナルコンピュータ、等のデータ処理装置のハ
ードウェアとソフトウェアによって構成することができ
る。勿論、本発明で使用するデータ処理装置は、長距離
焦点型レーザセンサ１とスキャニングミラー２とのイン
ターフェースを有しており、長距離焦点型レーザセンサ
１からは変位データを、またスキャニングミラー２から
はレーザスポットの位置を演算できる反射鏡の角度、等
のデータを入力することができる。

【００２２】以上の構成において、次に、本発明の非接
触２次元計測方法、およびその方法を適用した装置であ
るウェブ皺形状計測装置における動作について説明す
る。本発明のウェブ皺形状計測装置は、計測対象物品を
ウェブとし、ウェブにおける皺の形状を定量化するため
の装置である。

【００２３】このウェブ皺形状計測装置が計測するウェ
ブと、ウェブにおける皺の形状についての説明図を図４
に示す。ウェブ皺形状計測装置においては、巻取体の形
態となっているウェブと、巻解かれた形態のウェブの両
方を計測対象とすることができる。巻取体の形態のウェ
ブでは巻取体の表面形状が計測される。巻解かれた形態
のウェブでは搬送過程で生じるウェブの皺、すなわちウ
ェブの断面形状が計測される。

【００２４】通常、ウェブは移送方向にテンションが加
えられるが、幅方向（移送方向に対して直角方向）には
テンションが加わらない。そのため、図４に示すよう
に、ウェブの皺は移送方向に延びる筋のような形状で発
生する。すなわち、ウェブの皺は移送方向に対しては変
化が小さく、幅方向に対しては変化が大きい。したがっ
て、図４に示すように、ウェブの皺は幅方向の２次元形
状として計測することができる。

【００２５】図１に戻ってウェブ皺形状計測装置の動作
について説明する。長距離焦点型レーザセンサ１の発光
部からレーザ光線がスキャニングミラー２に向かって出
力される。スキャニングミラー２は、そのレーザ光線を
反射し、計測対象物品１００（ウェブ）の計測部位に到
達するようにレーザ光線の方向を変化させる。そのレー
ザ光線は、計測部位においてレーザスポットを形成す
る。

【００２６】計測部位において反射するレーザ光線は、
スキャニングミラー２に到達する。スキャニングミラー
２は、そのレーザ光線を反射し、長距離焦点型レーザセ
ンサ１の受光部に到達するようにレーザ光線の方向を変
化させる。長距離焦点型レーザセンサ１の受光部は、そ
のレーザ光線を受光し、三角測量の原理でレーザスポッ
トの変位を演算し変位データを出力する。

【００２７】図１に示す一例においては、スキャニング
ミラー２は、往復回転するモータ（アクチュエータ）の
回転軸に平面鏡を取り付けた方式のレーザスキャナーで
ある。この平面鏡の角度によってレーザ光線の反射角度
が変化する。所定の周期で平面鏡の角度を変化させる
と、レーザスポットは、計測対象物品１００における計
測部位をその周期で走査する。したがって、長距離焦点
型レーザセンサ１が出力する変位データは、レーザスポ
ットの位置（走査位置）に応じて時系列で変化するデー
タである。

【００２８】図１に示すように、計測対象物品１００
は、そこに到達するレーザ光線の光軸に対して、その表
面がほぼ直交するような向きとなっている。言い換える
と、レーザ光線の方向は、計測対象物品１００の表面に
対してほぼ垂直となるように設定される。図１におい
て、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は互いに直交する軸であり、計測
対象物品１００の表面はＸ−Ｙ平面に存在し、レーザ光
線の方向はＺ軸方向となっている。

【００２９】図１において、計測対象物品１００がウェ
ブであると、前述したように、ウェブの皺は移送方向に
延びる筋のような形状で発生するから、ウェブの移送方
向をＹ軸方向とし、レーザスポットの走査方向をＸ軸方
向とし、ウェブの皺すなわちウェブの２次元形状は、Ｚ
軸方向のレーザスポットの変位として検出するように、
ウェブ皺形状計測装置を配置する。そのように配置する
ことにより、最も適正な計測を行なうことができる。

【００３０】データ処理部３は、スキャニングミラー２
によるレーザスポットの走査に同期して長距離焦点型レ
ーザセンサ１が出力する変位データを入力する。図１に
示す一例においては、データ処理部３は、長距離焦点型
レーザセンサ１が出力する変位データと、スキャニング
ミラー２が出力する回転角度データを入力する。データ
処理部３は、このデータ入力によって、変位データと回
転角度データを組とする時系列のデータをメモリに保存
する。

【００３１】ここでデータ処理部３がメモリに保存した
データ（生データ）そのものでも２次元形状を定量的に
把握することができる。しかし、レーザスポットの走査
にともなってレーザ光線の角度は変化し計測対象物品の
表面に対して垂直方向から外れる。そのため、その生デ
ータは斜め方向に計測した変位データとなっている。し
たがって、その生データを実際の皺形状として再現する
ためには、生データに対する補正演算を必要とする。

【００３２】図２は、レーザ光線の角度θとＸ座標値、
Ｚ座標値との関係を示す説明図である。前述したよう
に、計測対象物品１００はＸ−Ｙ平面に存在する。ここ
で、図２に示すように、Ｘ−Ｙ平面に垂直となるレーザ
光線Ｌ１をＺ軸とし、スキャニングミラー２におけるレ
ーザ光線Ｌ１と計測対象物品１００との交点を原点とす
る。このとき、下記の数１に示す数式の関係が角度θ、
Ｘ座標値、Ｚ座標値との間には存在する。

【数１】（Ｘ座標値）＝Ｌ１×ｔａｎθ （Ｚ座標値）＝Ｌ２×ｃｏｓθ ただし、Ｌ１はレーザ光線Ｌ１の経路長（スキャニング
ミラー２と計測対象物品１００との距離）、Ｌ２は角度
θのレーザ光線Ｌ１の経路長である。

【００３３】Ｌ１はウェブ皺形状計測装置の配置によっ
て決まる定数である。また、Ｌ２は長距離焦点型レーザ
センサ１が出力する変位データから演算することができ
る。原点にレーザスポットが存在するときの変位データ
を０とすれば、Ｌ２＝Ｌ１＋（変位データ）である。ま
た、レーザ光線の角度θは、スキャニングミラー２が出
力する回転角度データから演算することができる。レー
ザ光線の角度θと回転角度データとの角度の基準線を一
致させれば、レーザ光線の角度θは回転角度の２倍であ
る。

【００３４】したがって、データ処理部３は、前述のメ
モリに保存したデータ（生データ）から、計測対象物品
１００の計測部位における走査方向の位置（Ｘ）と、そ
の位置に対応する計測対象物品１００の表面に対して垂
線方向の変位（Ｚ）とを組とする２次元形状データを演
算することができる。データ処理部３は、この２次元形
状データをメモリに保存する。

【００３５】以上、本発明の非接触２次元計測方法、お
よびその方法を適用したウェブ皺形状計測装置について
説明を行なった。次に、この方法と装置を適用して非接
触３次元計測を行なう方法と装置について図３を参照し
て説明する。図３において、１ａ，１ｂ，１ｃは長距離
レーザセンサ、２ａ，２ｂ，２ｃはスキャニングミラ
ー、１００は検査対象物品である。前述と同様、計測対
象物品１００をウェブとして説明する。

【００３６】図３に示すように、長距離焦点型レーザセ
ンサ１ａとスキャニングミラー２ａ、長距離焦点型レー
ザセンサ１ｂとスキャニングミラー２ｂ、長距離焦点型
レーザセンサ１ｃとスキャニングミラー２ｃとは組とな
っており、各々の組が非接触２次元計測を行なう装置
（前述のウェブ皺形状計測装置）の１つとなっている。

【００３７】この非接触３次元計測を行なうウェブ皺形
状計測装置は、上述の組の各々を、ウェブ（計測対象物
品１００）の幅方向を走査方向とするようにウェブの移
送方向に所定の間隔で配置される。すなわち、上述の組
の各々によるレーザポイントの走査位置のＹ座標値をＹ
ａ，Ｙｂ，Ｙｃとする。これにより、ウェブの表面にお
ける位置（Ｘ，Ｙ）と、その位置に対応する計測対象物
品１００の表面に対して垂線方向の変位（Ｚ）とを組と
するウェブ皺形状データ（３次元形状データ）を演算す
ることができる。

【００３８】なお、図３に示す一例においては、Ｙは、
Ｙａ，Ｙｂ，Ｙｃのいずれかの値であるが、このＹは、
個数、値ともに任意とすることができる。また、ウェブ
に移送量を検出し、所定のタイミングで走査を行なう
と、Ｙａ，Ｙｂ，Ｙｃの間隔よりも密な間隔でウェブ皺
形状データ（３次元形状データ）を得ることができる。

【００３９】

【発明の効果】以上のとおりであるから、本発明の請求
項１に係る非接触２次元形状計測方法によれば、巻解か
れて高速で移送されるウェブにも適用することができる
非接触２次元形状計測方法が提供される。また本発明の
請求項２に係るウェブ皺形状計測装置によれば、巻解か
れて高速で移送されるウェブにも適用することができる
ウェブ皺形状計測装置が提供される。また本発明の請求
項３に係るウェブ皺形状計測装置によれば、より客観
的、定量的なウェブ皺形状データが得られる。また本発
明の請求項４に係るウェブ皺形状計測装置によれば、よ
り客観的、定量的な３次元のウェブ皺形状データが得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の非接触２次元計測方法、およびその方
法を適用した装置であるウェブ皺形状計測装置における
構成の一例を示す図である。

【図２】レーザ光線の角度θとＸ座標値、Ｚ座標値との
関係を示す説明図である。

【図３】非接触２次元計測方法を適用した非接触３次元
計測を行なうようにした本発明のウェブ皺形状計測装置
における構成の一例を示す図である。

【図４】本発明のウェブ皺形状計測装置が計測するウェ
ブと、ウェブにおける皺の形状についての説明図であ
る。

【図５】巻取体を成すウェブにおける皺を計測する従来
の計測装置の説明図である。

【符号の説明】

１，１ａ，１ｂ，１ｃ 長距離焦点型レーザセンサ ２，２ａ，２ｂ，２ｃ スキャニングミラー ３ データ処理部 １００ 計測対象物品

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】長距離焦点型レーザセンサが出力するレー
   ザ光線をスキャニングミラによって反射することで計測
   部位においてレーザスポットを走査するレーザ光線走査
   過程と、 前記計測部位において反射する前記レーザ光線を前記ス
   キャニングミラーによって再び反射して前記長距離焦点
   型レーザセンサに戻すレーザ光線回帰過程と、 前記スキャニングミラーによる前記レーザスポットの走
   査に同期して前記長距離焦点型レーザセンサが出力する
   変位データをデータ処理手段に入力する変位データ入力
   過程と、 を有することを特徴とする非接触２次元形状計測方法。
2. 【請求項２】長距離焦点型レーザセンサと、スキャニン
   グミラーと、データ処理手段とを具備するウェブ皺形状
   計測装置であって、 前記長距離焦点型レーザセンサは、レーザ光線を出力し
   てウェブの計測部位にレーザスポットを形成するととも
   に、前記計測部位において反射し戻ってきたレーザ光線
   を入力して変位データを出力し、 前記スキャニングミラーは、前記長距離焦点型レーザセ
   ンサが出力するレーザ光線を反射し前記ウェブの計測部
   位において前記レーザスポットを走査するとともに、前
   記計測部位において反射する前記レーザ光線を再び反射
   して前記長距離焦点型レーザセンサに戻し、 前記データ処理手段は、前記スキャニングミラーによる
   前記レーザスポットの走査に同期して前記長距離焦点型
   レーザセンサが出力する変位データを入力する、 ことを特徴とするウェブ皺形状計測装置。
3. 【請求項３】請求項２記載のウェブ皺形状計測装置にお
   いて、前記データ処理手段は、前記入力した変位データ
   に基づいて前記ウェブの計測部位における前記走査方向
   の位置（Ｘ）と、その位置に対応する前記ウェブの表面
   に対して垂線方向の変位（Ｚ）とを組とするウェブ皺形
   状データを演算することを特徴とするウェブ皺形状計測
   装置。
4. 【請求項４】請求項２または３記載のウェブ皺形状計測
   装置において、少なくとも前記長距離焦点型レーザセン
   サと前記スキャニングミラーとは複数組から成り、その
   複数組の各々を、前記ウェブの幅方向を走査方向とする
   ようにウェブの移送方向に所定の間隔で配置すること
   で、前記ウェブの表面における位置（Ｘ，Ｙ）と、その
   位置に対応する前記ウェブの表面に対して垂線方向の変
   位（Ｚ）とを組とするウェブ皺形状データを演算するこ
   とを特徴とするウェブ皺形状計測装置。