JP2003279306A - 形状計測センサ及び形状計測装置 - Google Patents

形状計測センサ及び形状計測装置

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JP2003279306A
JP2003279306A JP2002087091A JP2002087091A JP2003279306A JP 2003279306 A JP2003279306 A JP 2003279306A JP 2002087091 A JP2002087091 A JP 2002087091A JP 2002087091 A JP2002087091 A JP 2002087091A JP 2003279306 A JP2003279306 A JP 2003279306A
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sensor
measuring
shape
measured
electrodes
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Katsuji Komaki
克次 小牧
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Panasonic Electric Works Co Ltd
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Matsushita Electric Works Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 計測対象物表面の光沢変化の影響を受けるこ
とがないものとする。 【解決手段】 電歪ポリマ1とこの電歪ポリマ1の両面
に夫々配した電極2,3とからなるセンサ素子を平面状
に多数配列しているとともに各センサ素子の両電極間に
発生する起電圧の測定部を備えて、計測対象物表面に倣
う柔軟性を有している。計測対象物表面にセンサを倣わ
せた際の各センサ素子の位置情報と各センサ素子の起電
圧から得られる高さ情報とによって形状計測を行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は物体の形状の計測を
行うための形状計測センサ及び形状計測装置に関するも
のである。
【0002】
【従来の技術】光学的手法による物体の形状の計測は良
く知られており、例えば計測対象物の表面にスポット状
ないしスリット状の投光ビームを照射し、投光ビームに
より計測対象物の表面に形成された光パターンの像を1
次元ないし2次元の検出器により検出することによっ
て、投光ビームの照射方向および検出器の上での光パタ
ーンの像の位置の関係から計測対象物の凹凸形状を計測
することがなされている。
【0003】また、特開平7−318325号公報に
は、スポット状の投光ビームを計測対象物の表面に照射
して走査を行うともに、投射方向とは異なる方向に光軸
を有している受光レンズを通して結像させた投光スポッ
トの像(結像スポット)の位置を多数の光検出部を列設
した検出器により検出し、光検出部の列設方向における
幅寸法を同方向における結像スポットの幅以下に設定
し、計測対象物に対する結像スポットがいずれかの光検
出部を通過する時刻と、既定の基準平面について同じ光
検出部に結像スポットを通過させる位置を投光ビームが
通過する時刻との時間差を求め、この時間差を基準平面
に対する計測対象物の表面の変位に換算することによっ
て、基準平面に対する計測対象物の表面の変位を検出す
る分解能が検出器の画素ピッチではなく時間の測定精度
により決定されるようにしたものが示されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
光学的な手法による形状計測は、計測対象物全体に対し
て投光ビームのスキャンを行い、そのビームを受光レン
ズにより結像して計測を行うため、計測対象物の表面の
光沢変化が大きい場合、計測そのものができなくなるこ
とがあった。
【0005】本発明はこのような点に鑑みなされたもの
であって、その目的とするところは計測対象物表面の光
沢変化の影響を受けることがない形状計測センサ及び形
状計測装置を提供するにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】しかして本発明に係る形
状計測センサは、電歪ポリマとこの電歪ポリマの両面に
夫々配した電極とからなるセンサ素子が平面状に多数配
列されているとともに各センサ素子の両電極間に発生す
る起電圧の測定部を備えて、計測対象物表面に倣う柔軟
性を有していることに特徴を有している。
【0007】この場合、センサ素子を格子状に配列した
もののほか、センサ素子が平行並列に並んでいるととも
に並び方向が直交している2種のセンサを積層したもの
としてもよく、さらにはセンサ素子が平行並列に並んで
いるとともに並び方向が同一の複数のセンサをずらして
積層したものとしてもよい。
【0008】そして本発明に係る形状計測装置は、電歪
ポリマとこの電歪ポリマの両面に夫々配した電極とから
なるセンサ素子が平面状に多数配列されているとともに
各センサ素子の両電極間に発生する起電圧の測定部を備
えた形状計測センサと、計測対象物表面に倣う柔軟性を
有して気密空間内の圧力を制御して気密空間内に配され
た上記形状計測センサを計測対象物表面に密着させる圧
力制御手段とからなることに特徴を有している。
【0009】
【発明の実施の形態】以下本発明を実施の形態の一例に
基づいて詳述すると、図1は本発明に係る形状計測セン
サSを示しており、電歪ポリマを利用した該センサS
は、周縁が固定枠4に固定されている絶縁シート5上に
短い線状の電極2を格子状に配列し、さらに各電極2と
対となる電極3を電極2上に電歪ポリマ1を介して設け
たもので、電歪ポリマ1の両面に対の電極2,3を配し
たセンサ素子が電歪ポリマ1自体によって格子状に多数
連結された構成となっている。また、上記絶縁シート5
にはゴムシートのような伸縮性のあるものを用いてお
り、電極2,3も導電性ゴム等の導電性に加えて伸縮性
を有している材質のもので形成してある。
【0010】また、格子状に並んでいるセンサ素子の各
電極2,3には夫々図2に示すように電歪ポリマ1によ
るところの起電圧を抵抗Rの両端電圧として測定する測
定回路を接続している。図中Bは電歪ポリマを予め分極
させることで電歪ポリマ1が延びた時に発生する起電圧
の方向を規定するためのバイアス電圧の印加用の電源、
Iは積分回路、Cは演算器である。
【0011】このセンサSを用いて計測対象物の表面形
状を計測するにあたっては、図3に示すように、基準台
6上に計測対象物7を配置し、その後、固定枠4を押し
下げることで上記シート5を計測対象物7の表面に密着
させる。この時、電歪ポリマ1は計測対象物7の表面形
状に添って延びることになる。
【0012】今、電歪ポリマ1が平面である時の上記格
子の交点間の間隔をL、電歪ポリマ1が延びた時の格子
状の交点間の間隔をL+ΔLとすると、バイアス電圧V
1が加えられた測定電圧Vは、電歪ポリマ1が延びる時
に発生する起電圧により図4に示すように変化するが、
この時の測定電圧Vを積分回路Sで積分することにより
図4中の面積S1を求める。この面積S1は電歪ポリマ
1の延び量に比例することから、予め実験等で求めた定
数との積により、演算器Cにおいて上記距離L+ΔLを
算出する。
【0013】次に既知である距離Lと上記演算で求めた
交点距離L+ΔLとから、高さ(Z方向座標)を演算器
Cにおいて算出する方法について図5(a)(b)に基づいて
説明すると、まず各交点間における傾きθを求める。固
定枠4と交点Aとにおける傾きは、測定前の距離及び測
定時の距離が共にLで同じであるために、交点Aと固定
枠4との間の傾きは0度と考えられる。また、同様に交
点AB間の傾きも0度である。そして、交点間距離が長
くなっていても、その交点におけるXY座標が測定前と
測定時において同じと考えれば、図中の交点BC間の距
離がL+ΔL1、交点CD間の距離がL+ΔL2である
と、図6に示すように、傾きΔθBCは ΔθBC=cos-1(L/(L+ΔL1)) で求めることができ、同様に傾きΔθCDは ΔθCD=cos-1(L/(L+ΔL2)) で求めることができる。このようにして求めた傾きから
各交点における高さを算出して各交点でのXYZ座標を
特定することで、測定対象物の形状を測定するのであ
る。
【0014】光ビームのスキャンを行う場合に比して、
センサSを測定対象物7の表面に密着させるだけで測定
対象物の表面形状の測定を行うことができるものであ
り、また許容歪量が300%に達するような電歪ポリマ
1を用いることにより、測定対象物7の表面の凹凸が大
きい場合にも対応することができる。
【0015】ここにおいて、センサSを測定対象物7の
表面に密着させることが形状測定に必要となっている
が、測定対象物7の表面に凹部があるような場合におい
てもセンサSを密着させることができるようにするため
に、図7に示すように、密閉ケース10内に電歪ポリマ
1を主体とするセンサSを配置するとともにその上方側
の密閉空間を圧力ポンプ11から供給される圧力流体が
満たされる空間とし、更にはセンサS下方の計測対象物
7を配置する部分も密閉空間として真空ポンプ12を接
続することで負圧にできるようにしておくとよい。セン
サSを測定対象物7の表面に確実に密着させることがで
きるものであり、特にセンサS上面から圧力を加えるこ
とから、測定対象物7表面に凹部があっても、センサS
をこの凹部に添わせることができ、形状測定の精度を高
くすることができる。
【0016】図8に他例を示す。これは一平面内で格子
状にしていたセンサSを、横列のセンサS1と縦列のセ
ンサS2の2層に分けて積層することで、1層目のセン
サS1からX方向の傾斜変化を、2層目のセンサS2か
らY方向の傾斜変化を検出するようにしたものであり、
この場合、平面マトリックス状のセンサSに比して、少
ない信号線で同等の精度の計測を行うことができる。
【0017】また、図9に示すように同方向の傾斜変化
を検出できる複数のセンサS1,S1をピッチをずらし
て積層すれば、位置分解能を容易に高めることができ
る。
【0018】
【発明の効果】以上のように本発明に係る形状計測セン
サは、電歪ポリマとこの電歪ポリマの両面に夫々配した
電極とからなるセンサ素子が平面状に多数配列されてい
るとともに各センサ素子の両電極間に発生する起電圧の
測定部を備えて、計測対象物表面に倣う柔軟性を有して
いることから、計測対象物表面にセンサを倣わせれば、
各センサ素子の位置情報と各センサ素子の起電圧から得
られる高さ情報とによって形状計測を行うことができる
ものであり、光ビームのスキャンを行う場合のような時
間を必要とせず、短時間で形状計測を行うことができる
ものである。
【0019】この場合、センサ素子を格子状に配列して
おくことで、形状測定にあたってのセンサ素子の位置情
報が得やすくなる。
【0020】また、センサ素子が平行並列に並んでいる
とともに並び方向が直交している2種のセンサを積層し
たものとすると、少ない信号線で形状計測が可能とな
る。
【0021】さらにセンサ素子が平行並列に並んでいる
とともに並び方向が同一の複数のセンサをずらして積層
したものとすると、計測分解能の向上を容易に図ること
ができる。
【0022】そして本発明に係る形状計測装置は、電歪
ポリマとこの電歪ポリマの両面に夫々配した電極とから
なるセンサ素子が平面状に多数配列されているとともに
各センサ素子の両電極間に発生する起電圧の測定部を備
えた形状計測センサと、計測対象物表面に倣う柔軟性を
有して気密空間内の圧力を制御して気密空間内に配され
た上記形状計測センサを計測対象物表面に密着させる圧
力制御手段とからなるために、センサを計測対象物表面
に確実に密着させることができるものであり、このため
に高い精度で形状計測を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る形状計測センサの一例を示すもの
で、(a)は平面図、(b)はA−A線断面図、(c)はB−B
線断面図である。
【図2】同上の回路図である。
【図3】同上の形状計測時の状態を示す断面図である。
【図4】同上のセンサから得られる出力信号についての
説明図である。
【図5】(a)(b)は同上の形状計測に関する説明図であ
る。
【図6】(a)(b)は同上の形状計測に関する傾きについて
の説明図である。
【図7】(a)(b)は本発明に係る形状計測装置の断面図で
ある。
【図8】本発明に係る形状計測センサの他例を示すもの
で、(a)は1層目のセンサの平面図、(b)は2層目のセン
サの平面図、(c)はC−C線断面図、(d)はD−D線断面
図である。
【図9】本発明に係る形状計測センサの更に他例を示す
もので、(a)は1層目のセンサの平面図、(b)は2層目の
センサの平面図である。
【符号の説明】
S 形状計測センサ 1 電歪ポリマ 2 電極 3 電極 4 固定枠 5 絶縁シート 6 基準台 7 被計測物 10 密閉ケース 11 圧力ポンプ 12 真空ポンプ

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電歪ポリマとこの電歪ポリマの両面に夫
    々配した電極とからなるセンサ素子が平面状に多数配列
    されているとともに各センサ素子の両電極間に発生する
    起電圧の測定部を備えて、計測対象物表面に倣う柔軟性
    を有していることを特徴とする形状計測センサ。
  2. 【請求項2】 センサ素子が格子状に配列されているこ
    とを特徴とする請求項1記載の形状計測センサ。
  3. 【請求項3】 センサ素子が平行並列に並んでいるとと
    もに並び方向が直交している2種のセンサが積層されて
    いることを特徴とする請求項1記載の形状計測センサ。
  4. 【請求項4】 センサ素子が平行並列に並んでいるとと
    もに並び方向が同一の複数のセンサがずらして積層され
    ていることを特徴とする請求項1または3記載の形状計
    測センサ。
  5. 【請求項5】 電歪ポリマとこの電歪ポリマの両面に夫
    々配した電極とからなるセンサ素子が平面状に多数配列
    されているとともに各センサ素子の両電極間に発生する
    起電圧の測定部を備えた形状計測センサと、計測対象物
    表面に倣う柔軟性を有して気密空間内の圧力を制御して
    気密空間内に配された上記形状計測センサを計測対象物
    表面に密着させる圧力制御手段とからなることを特徴と
    する形状計測装置。
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Cited By (3)

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Effective date: 20050607