JP2015152381A - 表面形状測定装置およびそれを備えた工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも簡単かつ短時間に測定対象物の表面段差の位置を検出する表面形状測定装置およびそれを備えた工作機械を提供する。【解決手段】表面形状測定装置１４０の第１の測定ステップにおいて、測定制御部１５６は、レーザ変位計１００と測定対象物１３０とを相対的に移動させることによってレーザビーム１１６を測定対象物１３０の段差と交差する方向に走査しながら、測定対象物１３０をレーザ変位計１００によって連続的に測定する。第２の測定ステップにおいて、測定制御部１５６は、レーザビーム１１６を回転対称軸にして変位計１００の向きを第１の測定ステップの場合に対して１８０度回転させた状態で、第１の測定ステップと同一箇所をレーザ変位計１００によって連続的に測定する。段差特定部１６０は、第１および第２の測定ステップによる測定値が分離し始める分離開始点に基づいて段差の位置を特定する。【選択図】図４

Description

この発明は、光ビームを用いた非接触方式の変位センサによって表面形状を測定する表面形状測定装置、および表面形状測定装置を備えた工作機械に関する。

従来から、工作機械で加工を行う際、加工対象物の形状を非接触式センサによって測定することが一般的となっている。この場合、工作機械の加工プログラムは、測定した形状に基づいて、対話システムまたは外部コンピュータ等を用いて作成される。

加工対象物の形状を非接触式センサによって測定する際、加工対象物の表面段差（「エッジ」とも称する）は、加工開始点を設定する上で重要な部位である。なぜなら、当該エッジをいかに正確にかつ素早く検出するかが、加工精度、加工時間に影響を及ぼすからである。

非接触式センサを用いてエッジを正確に検出する方法は、従来いくつか提案されている。たとえば、特開２０１２−１９４０８５号公報（特許文献１）に記載の技術では、半導体レーザからのレーザビームが被測定面に集光照射され、その反射光が複数分割光検出器に集光される。測定面上でレーザ光を合焦させるために、光検出器からの複数の出力信号が最大振幅を有するよう、レーザ光と測定面との距離が調整される。測定面のエッジは、複数分割光検出器を構成する各検出部の出力強度差から検出される。

特開２０１２−１９４０８５号公報

上記の従来技術では、レーザビームの反射光を複数分割光検出器に集光させる必要があるので装置構成が複雑になる。さらに、エッジの位置を検出するために、レーザビームが測定面上でフォーカスするようにレーザ光源および光学系の調整を行う必要があるので、測定に時間がかかる。

この発明は、上記の問題点を考慮してなされたものであり、その目的は、従来よりも簡単かつ短時間に測定対象物の表面段差の位置を検出することが可能な表面形状測定装置を提供することである。

この発明は一局面において、段差を含む測定対象物の表面形状を測定する表面形状測定装置であって、変位計と、移動機構と、測定制御部と、段差特定部とを備える。変位計は、測定対象物に向けて光ビームを出射する発光部、測定対象物からの光ビームの散乱光を集光する光学系、および光学系による集光位置を検出する受光部を含む。変位計は、受光部での集光位置に基づいて測定対象物の表面の変位を測定する。移動機構は、変位計と測定対象物とを相対的に移動させることによって、光ビームを走査する。測定制御部は、第１の測定ステップと、第２の測定ステップとを実行するように構成される。第１の測定ステップにおいて、測定制御部は、段差と交差する方向に移動機構によって光ビームを走査しながら、測定対象物の表面の変位を変位計によって連続的に測定する。第２の測定ステップにおいて、測定制御部は、光ビームを回転対称軸にして光学系および受光部の配置を第１の測定ステップの場合に対して１８０度回転させた状態で、第１の測定ステップと同一箇所を変位計によって連続的に測定する。段差特定部は、第１の測定ステップによる測定値と第２の測定ステップによる測定値とが分離し始める分離開始点に基づいて段差の位置を特定する。

上記の構成によれば、第１の測定ステップでの段差部の測定値と第２の測定ステップでの段差部の測定値とに差が生じる。したがって、測定値に差が生じ始めた測定点（分離開始点）の位置に基づいて段差の位置を特定することができる。

好ましくは、段差特定部は、第１の測定ステップによる測定値と第２の測定ステップによる測定値とが分離している区間内で、分離開始点から光ビームのスポットサイズの１／２だけ離れた点を段差の位置として特定する。

好ましくは、表面形状測定装置はデータ補正部をさらに備える。データ補正部は、分離開始点から特定された段差の位置までの各測定点における表面の変位の値を、第１の測定ステップによる測定値と第２の測定ステップによる測定値との平均値に設定する。

好ましくは、光ビームに沿った方向から平面視したとき、光ビームの走査方向は、光ビームと受光部の集光位置とを含む光路面に対して垂直方向でない。

好ましくは、第１の測定ステップでは、光ビームに対して受光部は光ビームの走査方向の前方および後方のうちのいずれか一方に配置される。第２の測定ステップでは、光ビームに対して受光部は走査方向の前方および後方のうちの他方に配置される。

この発明は他の局面において、段差を含む測定対象物の表面形状を測定する表面形状測定装置であって、測定対象物の表面の変位を連続的に測定する変位計と、移動機構と、測定制御部と、段差特定部とを備える。変位計は、測定対象物に向けて光ビームを出射する発光部と、測定対象物からの光ビームの散乱光を集光する第１および第２の光学系と、第１および第２の光学系による集光位置をそれぞれ検出する第１および第２の受光部とを含む。第２の光学系および第２の受光部は、光ビームを回転対称軸にして第１の光学系および第１の受光部をそれぞれ１８０度回転させた位置に配置される。変位計は、第１および第２の受光部の各々の集光位置に基づいて測定対象物の表面の変位を測定する。移動機構は、変位計と測定対象物とを相対的に移動させることによって、光ビームを走査する。測定制御部は、段差と交差する方向に移動機構によって光ビームを走査しながら、測定対象物の表面の変位を変位計によって連続的に測定するように構成される。段差特定部は、第１の受光部による測定値と第２の測定ステップによる測定値とが分離し始める分離開始点に基づいて段差の位置を特定する。

上記の構成によれば、第１の受光部による段差部の測定値と第２の受光部による段差部の測定値とに差が生じる。したがって、測定値に差が生じ始めた測定点（分離開始点）の位置に基づいて段差の位置を特定することができる。

この発明はさらに他の局面において、上記の表面形状測定装置を備えた工作機械である。

したがって、この発明によれば、従来よりも簡単かつ短時間で測定対象物の表面段差の位置を検出することができる。

レーザ変位計の構成を模式的に示す図である。 図１のリニアイメージセンサの構成を模式的に示す斜視図である。 図１のリニアイメージセンサによって検出されるデータの一例を示す図である。 実施の形態１による表面形状測定装置の構成例を概略的に示すブロック図である。 段差部の測定時に生じる誤差について説明するための図である。 図５に示すレーザ変位計の配置を１８０度回転させた場合において、段差部の測定時に生じる誤差について説明するための図である。 図５および図６の場合においてリニアイメージセンサ上の集光スポットの輝度分布の一例を模式的に示す図である。 図５および図６の場合において、表面形状の測定データの一例を示す図である。 表面形状の測定手順および測定したデータの処理手順を示すフローチャートである。 実施の形態２による表面形状測定装置で用いられるレーザ変位計の構成を模式的に示す図である。 実施の形態２の装置において表面形状の測定手順および測定したデータの処理手順を示すフローチャートである。 実施の形態３による工作機械の構成を模式的に示す斜視図である。 図１２の工作機械のうち表面形状測定装置に関する部分の機能的構成を示すブロック図である。

以下、各実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。以下の各実施の形態では、レーザ変位計を用いた表面形状測定装置を例に挙げて説明するが、レーザ光に代えて非コヒーレントな光ビームを用いた非接触式の変位計の場合にもこの発明を適用することができる。なお、以下の説明において、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰り返さない場合がある。

＜実施の形態１＞
［レーザ変位計の概要］
図１は、レーザ変位計の構成を模式的に示す図である。図１を参照して、レーザ変位計１００は、発光部１１０と、光学系としての集光レンズ１１８と、受光部としてのリニアイメージセンサ（Linear Image Sensor）１２０とを含む。発光部１１０は、レーザダイオード１１２と、レンズ１１４とを含む。

レーザダイオード１１２から発せられたレーザビーム１１６はレンズ１１４によって略平行光に整形され、測定対象物１３０へ照射される。測定対象物上でのレーザビーム１１６のスポットサイズｗ（スポット径とも称する）は、たとえば、直径５０μｍである。

測定対象物１３０上で拡散反射された光は、レーザビーム１１６とγの角度方向に配置されたリニアイメージセンサ１２０上に、集光レンズ１１８によって集光される。図１では、集光レンズ１１８の焦点距離をｆ₀とし、測定対象物１３０の表面上におけるレーザビーム１１６の照射位置（レーザスポット１３２）から集光レンズ１１８までの距離をｌとしている。

リニアイメージセンサ１２０はシャインプルーフ条件（Scheimpflug Condition）に基付いた角度で配置される。すなわち、リニアイメージセンサ１２０の検出面と集光レンズ１１８の主面とは１直線で交わり、これらの面のなす角度をβとする。レーザビーム１１６を含む面が被写体面となる。この配置により、測定対象物１３０とレーザ変位計１００の距離が変化しても、レーザスポット１３２はリニアイメージセンサ１２０上にボケることなく結像される。

図１において、レーザビーム１１６の方向をＺ軸方向とする。レーザビーム１１６の中心軸と集光レンズ１１８の光軸とを含む面を光路面と称する。この光路面に平行でありかつＺ軸方向に垂直な方向をＸ軸方向とする。Ｘ軸方向およびＺ軸方向の両方に垂直な方向をＹ軸方向とする。図１の場合、Ｙ軸方向は紙面に垂直な方向であり、ＸＺ平面は紙面（光路面）と平行である。

ここで、レーザ光のビームサイズ（測定対象物上でのスポットサイズ）について説明する。レーザ光のビームサイズには種々の定義がある。たとえば、ＴＥＭ００モードのように対称なビームプロファイルのレーザ光の場合には、光軸に直交する面において、ピーク値に対してｅの２乗分の１（ただし、ｅは自然対数の底）（１３．５％）の強度分布の幅でビームサイズが定義される。ビームプロファイルが崩れている場合には、たとえば、ビームの全パワーのうち、ピークパワーを基準として８６．５％が含まれる円を算出し、この円の直径がビームサイズとして定義される。この明細書では、種々の定義を含めるために、全パワーの５０％が含まれる円の直径以上、全パワーの９５％が含まれる円の直径以下の範囲を実質的にビームサイズ（測定対象物上でのスポットサイズ）に等しいとする。

図２は、図１のリニアイメージセンサの構成を模式的に示す斜視図である。図２を参照して、リニアイメージセンサ１２０は、直線状に配列された１０２４個の画素（ピクセル）１２２を含む。各画素１２２は、受光量に応じて０から最大２５５までの輝度レベルの信号を出力する。

図３は、図１のリニアイメージセンサによって検出されるデータの一例を示す図である。図３の横軸がピクセル位置を示し、縦軸が輝度レベルを示す。図２および図３を参照して、測定対象物１３０上で拡散反射された光が集光レンズ１１８によってリニアイメージセンサ１２０上のスポット１２４に集光されることによって、図３に示すようなガウス分布状のデータが得られる。図３のデータの重心位置から三角測量により対象物までの距離が計算される。図３の場合には、輝度分布の中心線１８０と重心とが一致している。

［表面形状測定装置の構成］
図４は、実施の形態１による表面形状測定装置の構成例を概略的に示すブロック図である。図４を参照して、表面形状測定装置１４０は、測定対象物１３０が載置されるテーブル１４４と、サドル１４２と、レーザ変位計１００と、Ｘ軸駆動機構１４６Ｘと、Ｙ軸駆動機構１４６Ｙと、Ｚ軸駆動機構１４６Ｚと、Ｃ軸駆動機構１４６Ｃと、コンピュータ１５０とを含む。

テーブル１４４はサドル１４２上に配置され、Ｘ軸方向に移動可能である。サドル１４２はＹ軸方向に移動可能である。Ｘ軸駆動機構１４６Ｘは、テーブル１４４をＸ軸方向に移動させる。Ｙ軸駆動機構１４６Ｙは、サドル１４２をＹ軸方向に移動させる。Ｚ軸駆動機構１４６Ｚは、レーザ変位計１００をＺ軸方向に移動させる。Ｃ軸駆動機構１４６Ｃは、レーザ変位計１００をＺ軸と平行な回転軸（Ｃ軸回転中心）の回りに回転させる。Ｃ軸駆動機構１４６Ｃは、基準位置に対して任意の回転角度に設定可能である。

Ｘ軸駆動機構１４６Ｘ、Ｙ軸駆動機構１４６Ｙ、Ｚ軸駆動機構１４６Ｚ、およびＣ軸駆動機構１４６Ｃは、レーザ変位計１００と測定対象物１３０とを相対的に移動させるための移動機構１４６として機能する。したがって、移動機構１４６によってレーザビーム１１６は、測定対象物１３０の表面上を走査する。

なお、移動機構１４６の構成は図４の例には限られない。たとえば、測定対象物１３０が固定され、レーザ変位計１００がＸ、Ｙ、Ｚの３方向に移動可能な構成であってもよい。レーザ変位計１００が固定され、測定対象物１３０を支持するテーブル１４４がＣ軸回転中心の回りに回転可能なように構成されていてもよい。

コンピュータ１５０は、プロセッサ１５２、メモリ１５４、ならびに図示しない表示装置および入出力装置等を含む。プロセッサ１５２は、メモリ１５４に格納されたプログラムを実行することによって、測定制御部１５６およびデータ処理部１５８として機能する。

測定制御部１５６は、レーザ変位計１００および移動機構１４６を制御することによって、レーザビーム１１６を走査させる。このレーザビーム１１６の走査中に、測定制御部１５６は、レーザ変位計１００を用いて測定対象物１３０の表面形状データ１６６を連続的に測定する。測定された表面形状データ１６６はメモリ１５４に格納される。表面形状データ１６６は、測定対象物１３０上の走査位置（レーザビームが照射される位置）と、当該走査位置における測定対象物１３０の表面のＺ軸方向の変位とが対応付けられたデータ系列である。

測定制御部１５６は、さらに、Ｃ軸駆動機構１４６Ｃを制御することによって、レーザ変位計１００をＺ軸方向と平行な回転軸（Ｃ軸回転中心）の回りに１８０度回転させる。これにより、Ｃ軸回転中心とレーザビーム１１６の中心軸とが一致している場合には、レーザ変位計１００はレーザビーム１１６の中心軸の回りに１８０度回転する。すなわち、図１の集光レンズ１１８（光学系）およびリニアイメージセンサ１２０（受光部）は、レーザビーム１１６の中心軸について線対称な位置に移動する。レーザビーム１１６の中心軸とＣ軸回転中心とが一致していない場合には、Ｃ軸回転中心の回りの回転とともにＸ軸方向およびＹ軸方向にレーザ変位計１００を移動させることによって、レーザビーム１１６の位置を保ったままレーザ変位計１００をレーザビーム１１６の中心軸の回りに１８０度回転させることができる。

後述するように、測定制御部１５６は、レーザ変位計１００をレーザビーム１１６の中心軸の回りに１８０度回転させた後に、回転させる前と同一箇所をレーザ変位計１００によって測定する。回転の前後で測定した同一箇所の表面形状データを比較することによって、測定対象物１３０の段差部のエッジ位置を簡単かつ正確かつ短時間に検出することができる。

データ処理部１５８は、段差位置を特定するために、レーザ変位計１００によって測定されたデータ（表面形状データ１６６）に対してデータ処理を行う。データ処理の内容については図９を参照して後述する。

次に、具体的な段差位置の検出方法について説明する。本実施の形態の装置では、三角測量方式のレーザ変位計で段差部を測定する際に生じる誤差を利用することによって、段差位置を検出する。以下では、まず、段差部の測定時に生じる誤差について説明し、次に、段差位置を検出するためのデータ処理手順について説明する。

［段差部の測定時に生じる誤差について］
図５は、段差部の測定時に生じる誤差について説明するための図である。図５では、レーザビームの走査方向を＋Ｘ方向とする。測定対象物１３０の表面上の直線１３６に沿ってレーザビームが照射される。直線１３６の方向（レーザビームの走査方向）は、段差部のエッジ１３４と交差している（直交している必要はない）。なお、図５では図解を容易にするために、レーザスポット１３２のサイズを拡大して示している。

図５に示す例では、レーザ変位計を構成する集光レンズ（光学系）１１８およびリニアイメージセンサ（受光部）１２０は、レーザビームに対して走査方向前方に位置するように、レーザ変位計の向きが決められている。この場合、レーザスポット１３２がエッジ部に差し掛かると、レーザスポット１３２のうちリニアイメージセンサ１２０に近接する側の一部が欠けるようになる。この結果、リニアイメージセンサ１２０の集光スポット１２４の重心位置が移動するため、測定対象物１３０の表面平坦部１３８は、実際よりもε＋だけ上方に（発光部１１０のより近くに）位置するように観測される。

図６は、図５に示すレーザ変位計の配置を１８０度回転させた場合において、段差部の測定時に生じる誤差について説明するための図である。図５の場合と同様に、レーザビームの走査方向を＋Ｘ方向とし、測定対象物１３０の表面の同一箇所である直線１３６に沿ってレーザビームが照射される。図解を容易にするために、レーザスポット１３２のサイズを拡大して示している。

図６の場合における集光レンズ１１８およびリニアイメージセンサ１２０の配置は、図５の場合の配置をレーザビームの中心軸１１６Ｃの回りに１８０度回転させたものである。すなわち、集光レンズ１１８およびリニアイメージセンサ１２０は、レーザビームに対して走査方向後方に位置するように、レーザ変位計の向きが定められている。この場合、レーザスポット１３２がエッジ部に差し掛かると、レーザスポット１３２のうちリニアイメージセンサ１２０から遠い側の一部が欠けるようになる。この結果、リニアイメージセンサ１２０の集光スポット１２４の重心位置が移動する。ただし、集光スポット１２４の重心位置の移動方向は図５の場合とは反対方向である。したがって、測定対象物１３０の表面は、実際よりもε−だけ下方に（発光部１１０から遠方に）位置するように観測される。

図７は、図５および図６の場合においてリニアイメージセンサ上の集光スポットの輝度分布の一例を模式的に示す図である。図７（Ａ）が図５に対応する場合の輝度分布を表し、図７（Ｂ）が図６に対応する場合の輝度分布を表す。レーザビームが平坦な表面上に照射されている場合には輝度分布はガウス分布に近い形状を示し、この場合の輝度分布の中心線１８０を一点鎖線で示している。図示されるように、図５に対応する図７（Ａ）の場合の輝度分布の重心位置１８２と、図６に対応する図７（Ｂ）の場合の輝度分布の重心位置１８４とは、中心線１８０に対して互いに反対方向にずれる。この結果、レーザ変位計の測定値は、図５の場合と図６の場合とで互いに反対方向の誤差を有するようになる。

図８は、図５および図６の場合において、表面形状の測定データの一例を示す図である。図８（Ａ）において、図５の場合の測定データ１８６は実線で示され、図６の場合の測定データ１８８は破線で示される。図８（Ｂ）において、図５の場合の測定データ１８６と図６の場合の測定データ１８８との平均値１９０が示されている。

図８（Ａ）を参照して、点Ｐ０より左側の領域では、図５の場合の測定データ１８６と図６の場合の測定データ１８８とは一致している。点Ｐ０より右側の領域では、図５の場合の測定データ１８６と図６の場合の測定データ１８８とは異なっている。しかも、レーザビームの走査位置が点Ｐ０から離れるにつれて両測定値の隔たりが大きくなる。この明細書では、図５の場合の測定値と図６の場合の測定値とが分離し始める測定点Ｐ０を分離開始点とも称する。

上記の測定結果は、測定対象物上のレーザスポットの位置と段差部のエッジの位置との相対関係によって説明することができる。具体的に、図５および図６においてレーザスポット１３２が測定対象物１３０の上部平坦面１３８の上にありエッジ１３４に掛かっていない場合は、図８（Ａ）において走査位置が点Ｐ０よりも左側の場合に相当する。レーザスポット１３２の右端がエッジ１３４に一致する場合（レーザスポット１３２がエッジ１３４に掛かり始めたとき）は、図８（Ａ）の点Ｐ０に相当する。レーザスポット１３２の中央点がエッジ１３４に一致する場合は、図８（Ａ）の点Ｐ０からスポットサイズの半分（ｗ／２）だけ移動した点Ｐ１に相当する。レーザスポット１３２の左端がエッジ１３４に一致する場合（レーザスポット１３２が上部平坦面１３８から外れた瞬間）は、図８（Ａ）の点Ｐ０からスポットサイズ（ｗ）だけ移動した点Ｐ３に相当する。ただし、走査位置が点Ｐ３に達する前の点Ｐ２においてリニアイメージセンサ１２０の受光量が検出限界に達するためにレーザ変位計によって測定ができなくなる。

［データ処理手順］
以上に説明したように、三角測量方式のレーザ変位計を用いて段差部を測定する際には測定誤差が生じる。この測定誤差を利用すれば、段差部のエッジの位置を簡単かつ正確に検出することができる。具体的手順を図９に示す。

図９は、表面形状の測定手順および測定したデータの処理手順を示すフローチャートである。図４および図９を参照して、まず第１の測定ステップにおいて、測定制御部１５６は、移動機構１４６を駆動することによって、段差を含む測定範囲に対してレーザビーム１１６を走査させながら、測定対象物の表面形状を、レーザ変位計１００を用いて連続的に測定する（ステップＳ１００）。

なお、前述したエッジ部分での誤差はレーザスポットサイズよりも小さい範囲で現れるので、レーザ変位計によるサンプリング間隔は、レーザスポットサイズの１／２以下にする必要がある。この場合、測定値の上下の変化を正確に捉えるためには、レーザ変位計のサンプリング間隔はスポットサイズの１／１０以下が望ましい。さらに望ましくは、レーザ変位計のサンプリング間隔をスポットサイズの１／２０以下とする。

次に、測定制御部１５６は、Ｃ軸駆動機構１４６Ｃを駆動することによって、レーザビーム１１６の中心軸の回りにレーザ変位計１００を１８０度回転させる（ステップＳ１０５）。なお、Ｃ軸駆動機構１４６ＣのＣ軸回転中心とレーザビーム１１６の中心軸とが一致していない場合には、Ｃ軸駆動機構１４６Ｃを用いた１８０度の回転駆動とともに、Ｘ軸駆動機構１４６ＸおよびＹ軸駆動機構１４６Ｙの少なくとも一方によって、レーザビーム１１６の中心軸の位置を保つようにレーザ変位計１００を移動させる。

次に、測定制御部１５６は、第２の測定ステップにおいて、第１の測定ステップの場合と同一箇所をレーザ変位計１００によって連続的に測定する（ステップＳ１１０）。第１および第２の測定ステップによって測定されたデータ（表面形状データ１６６）は、メモリ１５４に格納される。

次に、データ処理部１５８によって表面形状データ１６６のデータ処理を行う。データ処理部１５８は、段差特定部１６０とデータ補正部１６２とを含む。まず、段差特定部１６０は、表面形状データ１６６の測定範囲のうちで、第１の測定ステップの測定値（Ｍ１と称する）と第２の測定ステップの測定値（Ｍ２と称する）とが分離し始める分離開始点（図８（Ａ）の点Ｐ０）を特定する（ステップＳ１１５）。

なお、具体的に測定値Ｍ１と測定値Ｍ２との分離開始点を特定する方法として種々の方法が考えられる。たとえば、測定値の差Ｍ１−Ｍ２が予め定める閾値を超えた点を分離開始点としてもよい。あるいは、測定値の差Ｍ１−Ｍ２と走査位置との関係を表す近似曲線を求め、当該近似曲線の値が予め定める閾値を超えた点を分離開始点としてもよい。

次に、段差特定部１６０は、特定した分離開始点Ｐ０に基づいて段差位置を特定する（ステップＳ１２０）。具体的に、段差特定部１６０は、第１の測定ステップによる測定値Ｍ１と第２の測定ステップによる測定値Ｍ２とが分離している分離区間内（図８（Ａ）の点Ｐ０よりも右側）で、分離開始点Ｐ０からレーザビームのスポットサイズｗの１／２だけ離れた点Ｐ１を段差位置として特定する。

次に、データ補正部１６２は、分離開始点Ｐ０から段差位置Ｐ１までの測定値を補正する（ステップＳ１２５）。具体的に、データ補正部１６２は、第１の測定ステップによる測定値Ｍ１と第２の測定ステップによる測定値Ｍ２との平均値（図８（Ｂ）の１９０）を、当該区間における高さ方向の変位とする。その後、例えば、移動平均などのフィルタリング処理を行うことによって、さらに表面形状データを補正してもよい。

上記において、レーザビームの走査方向は、図５および図６に示すように、レーザビームの中心軸１１６Ｃとリニアイメージセンサ（受光部）１２０の集光スポット１２４とを含む光路面（ＸＺ平面）と平行な方向であることが望ましい。走査方向と光路面とが平行のとき、第１の測定ステップによるエッジ部の測定値Ｍ１と第２の測定ステップによるエッジ部の測定値Ｍ２との差が最も大きくなるからである。一般的には、レーザビームに沿った方向（Ｚ軸方向）から平面視したとき、レーザビームの走査方向が光路面と垂直でなければ（ＹＺ平面と平行でなければ）どのような角度であっても構わない（ただし、段差部は走査方向と交差している必要がある）。図５および図６においてレーザビームの走査方向がＹＺ平面と平行でなければ、第１の測定ステップによる段差部の測定値Ｍ１と第２の測定ステップによる段差部の測定値Ｍ２とに差が生じるので、段差位置を特定することができる。

［実施の形態１の効果］
以上のとおり、実施の形態１による表面形状測定装置１４０によれば、段差部を含む測定対象物１３０の表面形状をレーザ変位計１００によって測定した後、レーザ変位計１００をレーザビーム１１６の中心軸の回りに１８０度回転させてから、回転させる前と同一箇所を再度レーザ変位計１００によって測定する。そして、回転の前後で測定した同一箇所の表面形状データを比較し、両データに違いが生じ始める測定点の位置（分離開始点）に基づいてエッジの位置を特定する。これによって、測定対象物１３０の段差（エッジ）の位置を簡単かつ正確かつ短時間に検出することができる。

＜実施の形態２＞
実施の形態２による表面形状測定装置では、レーザ変位計の構成が実施の形態１の場合と異なる。図１０は、実施の形態２による表面形状測定装置で用いられるレーザ変位計の構成を模式的に示す図である。

図１０を参照して、レーザ変位計１００Ａは、発光部１１０と、第１および第２の光学系としての集光レンズ１１８Ａ，１１８Ｂと、第１および第２の受光部としてのリニアイメージセンサ１２０Ａ，１２０Ｂとを含む。集光レンズ１１８Ｂおよびリニアイメージセンサ１２０Ｂは、レーザビーム１１６の中心軸の回りに集光レンズ１１８Ａおよびリニアイメージセンサ１２０Ａをそれぞれ１８０度回転させた位置に配置される。発光部１１０は、レーザダイオード１１２と、レンズ１１４とを含む。

レーザダイオード１１２から発せられたレーザビーム１１６はレンズ１１４によって略平行光に整形され、測定対象物１３０へ照射される。測定対象物１３０上で拡散反射された光は、レーザビーム１１６に対して＋γの角度方向に配置されたリニアイメージセンサ１２０Ａ上に集光レンズ１１８Ａによって集光されるとともに、レーザビーム１１６に対して−γの角度方向（＋γと反対方向）に配置されたリニアイメージセンサ１２０Ｂ上に集光レンズ１１８Ｂによって集光される。

図１０のレーザ変位計１００Ａは、図４に示す表面形状測定装置１４０に図１のレーザ変位計１００に代えて取付けられる。測定対象物１３０の表面の変位は、リニアイメージセンサ１２０Ａ上の集光スポット１２４Ａの位置およびリニアイメージセンサ１２０Ｂ上の集光スポット１２４Ｂの位置に基づいて決定される。図１０のその他の点は、図１の場合と同じであるので同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。

図１１は、実施の形態２の装置において表面形状の測定手順および測定したデータの処理手順を示すフローチャートである。図４、図１０および図１１を参照して、まず、測定制御部１５６は、移動機構１４６を駆動することによって、段差を含む測定範囲に対してレーザビーム１１６を走査させながら、測定対象物１３０の表面形状を、レーザ変位計１００を用いて連続的に測定する（ステップＳ２００）。

実施の形態２の場合、レーザビーム１１６の中心軸に関して互いに線対称な位置に、集光レンズ１１８Ａ，１１８Ｂが予め設けられ、リニアイメージセンサ１２０Ａ，１２０Ｂが予め設けられている。したがって、実施の形態１のように同一箇所を２回測定する必要はない。なお、実施の形態１の場合と同様に、レーザビーム１１６の方向（Ｚ軸方向）から平面視したとき、レーザビームの走査方向は光路面（ＸＺ平面）に対して垂直にならないようにする（ＹＺ平面と平行にならないようにする）。望ましくは、レーザビームの走査方向は光路面（ＸＺ平面）と平行にする。

次に、データ処理部１５８の段差特定部１６０は、表面形状データ１６６の測定範囲のうちで、第１のリニアイメージセンサ１２０Ａによる測定値（Ｍ１と称する）と第２のリニアイメージセンサ１２０Ｂによる測定値（Ｍ２と称する）とが分離し始める分離開始点を特定する（ステップＳ２０５）。

次に、段差特定部１６０は、特定した分離開始点に基づいて段差位置を特定する（ステップＳ２１０）。具体的に、段差特定部１６０は、第１のリニアイメージセンサ１２０Ａによる測定値Ｍ１と第２のリニアイメージセンサ１２０Ｂによる測定値Ｍ２とが分離している分離区間内で、分離開始点からレーザビームのスポットサイズｗの１／２だけ離れた点を段差位置として特定する（ステップＳ２１０）。

次に、データ補正部１６２は、分離開始点から段差位置までの測定値を補正する（ステップＳ２１５）。具体的に、データ補正部１６２は、第１のリニアイメージセンサ１２０Ａによる測定値Ｍ１と第２のリニアイメージセンサ１２０Ｂによる測定値Ｍ２との平均値を、当該区間における高さ方向の変位とする。

以上のとおり、実施の形態２による表面形状測定装置によれば、レーザビームの中心軸に関して互いに線対称の位置に配置された第１および第２の集光レンズ（光学系）ならびに第１および第２のリニアイメージセンサ（受光部）を含むレーザ変位計を用いて、段差部を含む測定対象物の表面形状が測定される。そして、第１および第２のリニアイメージセンサによる測定値に違いが生じ始める測定点（分離開始点）の位置に基づいてエッジの位置が特定される。この結果測定対象物の段差（エッジ）の位置を簡単かつ正確かつ短時間に検出することができる。

＜実施の形態３＞
実施の形態３は、実施の形態１または２の表面形状測定装置を備えた工作機械を開示する。以下では、工作機械が立形マシンニングセンタである場合について説明しているが、工作機械は、横形マシニングセンタまたは旋盤など、他の種類のものであっても構わない。

図１２は、実施の形態３による工作機械の構成を模式的に示す斜視図である。図１２を参照して、工作機械２００は、加工装置１０と、ＮＣ（Numerical Control）装置２４と、ＡＴＣ（自動工具交換装置：Automatic Tool Changer）２８と、コンピュータ１５０とを含む。

加工装置１０は、ベッド１２と、ベッド１２上に設置されたコラム１４と、主軸２２を有する主軸頭２０と、テーブル１８を有するサドル１６とを含む。

主軸頭２０は、コラム１４の前面に支持されて、上下方向（Ｚ軸方向）に移動可能である。主軸２２の先端には、工具（図示せず）または測定ヘッド４２が着脱可能に装着される。主軸２２は、その中心軸線（図２のＣＬ）がＺ軸と平行なＣ軸回転中心のまわりに回転可能に、主軸頭２０に支持されている。主軸頭２０は、工作物２の加工のために主軸２２を高速回転させる回転駆動部３６と、主軸２２の回転を低速送り制御可能な回転駆動部３８とを内蔵する。後者の回転駆動部３８は、図４のＣ軸駆動機構１４６Ｃに対応する。

測定ヘッド４２は、図１または図１０に示すレーザ変位計１００，１００Ａと、このレーザ変位計の制御回路および駆動用バッテリと、無線通信を行うための通信装置とを内蔵する。低速送り制御可能な回転駆動部３８によって、測定ヘッド４２（すなわち、レーザ変位計１００，１００Ａ）の向きが制御される。

サドル１６は、ベッド１２上に配置されて前後の水平方向（Ｙ軸方向）に移動可能である。サドル１６上にはテーブル１８が配置されている。テーブル１８は、左右の水平方向（Ｘ軸方向）に移動可能である。テーブル１８上には工作物２が載置されている。サドル１６は図４のサドル１４２に対応し、テーブル１８は図４のテーブル１４４に対応する。工作物２は図４の測定対象物１３０に対応する。

加工装置１０は、測定ヘッド４２と工作物２とを相対的にＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の直交３軸方向に直線移動させるともに、少なくともＺ軸と平行なＣ軸回転中心の回りに測定ヘッド４２を回転駆動可能なマシニングセンタである。なお、図１の構成と異なり、加工装置１０は、測定ヘッド４２を支持する主軸頭２０を、工作物２に対してＸ軸、Ｙ軸方向にそれぞれ移動させる構成であってもよいし、工作物２を支持するテーブル１８をＣ軸回転中心の回りに回転可能な構成であってもよい。

ＮＣ装置２４は、上記の直交３軸およびＣ軸制御を含めて加工装置１０全体の動作を制御する。ＡＴＣ（自動工具交換装置）２８は、主軸２２に対して工具と測定ヘッド４２をそれぞれ自動的に交換する。ＡＴＣ２８は、ＮＣ装置２４によって制御される。

図１３は、図１２の工作機械のうち表面形状測定装置に関する部分の機能的構成を示すブロック図である。図１３には、加工装置１０に備えられているＺ軸送り機構３４、Ｙ軸送り機構３２およびＸ軸送り機構３０が示されている。

図１２、図１３を参照して、Ｚ軸送り機構３４は、コラム１４に支持されている主軸頭２０を駆動してＺ軸方向に移動させる。Ｙ軸送り機構３２は、ベッド１２上に配置されているサドル１６を駆動してＹ軸方向に移動させる。Ｘ軸送り機構３０は、サドル１６上に載置されて工作物２を支持するテーブル１８を駆動してＸ軸方向に移動させる。ＮＣ装置２４は、Ｚ軸送り機構３４、Ｙ軸送り機構３２およびＸ軸送り機構３０をそれぞれ制御する。Ｘ軸送り機構３０、Ｙ軸送り機構３２、および、Ｚ軸送り機構３４は、図４のＸ軸駆動機構１４６Ｘ、Ｙ軸駆動機構１４６Ｙ、およびＺ軸駆動機構１４６Ｚにそれぞれ対応する。

コンピュータ１５０は、プロセッサ１５２、メモリ１５４、および測定ヘッド４２との間で無線通信を行うための通信装置１６８等を含む。プロセッサ１５２は、メモリ１５４に格納されたプログラムを実行することによって、図４で説明した測定制御部１５６およびデータ処理部１５８として機能する。

測定制御部１５６は、ＮＣ装置２４と連携することによって、測定ヘッド４２と工作物２との相対的位置関係を連続的に変化させ、これによってレーザビーム１１６が工作物２の表面に沿って走査する。測定制御部１５６は、レーザビーム１１６の走査中に、レーザビーム１１６の走査方向の複数の測定点における高さ方向（Ｚ軸方向）の変位データを工作物２の表面形状データとして測定ヘッド４２から取得する。具体的な手順は以下のとおりである。

まず、測定制御部１５６からの制御に基づいて、ＮＣ装置２４は、Ｘ軸送り機構３０およびＹ軸送り機構３２のいずれか一方、もしくはＸ軸送り機構３０、Ｙ軸送り機構３２、およびＺ軸送り機構３４のうちの少なくとも２軸を駆動することによって、測定ヘッド４２と工作物２との相対的位置関係を連続的に変化させる。

ＮＣ装置２４に内蔵されたＰＬＣ（プログラマブル・ロジック・コントローラ：Programmable Logic Controller）２６は、上記の送り機構の駆動に同期して、所定周期でトリガ信号を通信装置１６８に出力する。通信装置１６８はトリガ信号を受信すると測定指令ｆを測定ヘッド４２に送信し、測定ヘッド４２は測定指令ｆに従って測定ヘッド４２から工作物２までの距離Ｄ（すなわち、工作物２の表面の変位）を測定する。測定された距離ＤのデータＦは、測定ヘッド４２から通信装置１６８を介して測定制御部１５６に送信される。

ＰＬＣ２６は、さらに、上記の測定ヘッド４２による距離測定のタイミングに合わせて、Ｘ軸送り機構３０、Ｙ軸送り機構３２、およびＺ軸送り機構３４の位置情報を取得することによって、測定ヘッド４２の位置のデータを検出する。ＰＬＣ２６は、検出した測定ヘッド４２の位置のデータを測定制御部１５６に送信する。

測定制御部１５６は、ＰＬＣ２６から取得した測定ヘッド４２の位置データと、測定ヘッド４２から取得した距離ＤのデータＦとに基づいて、レーザビーム１１６の走査方向に沿った各測定点における高さ方向（Ｚ軸方向）の変位データを表面形状データ１６６として、メモリ１５４に格納する。なお、図１に示す構成のレーザ変位計１００を用いて工作物２の段差の位置を検出する場合には、工作物２の同一箇所についてレーザ変位計１００の向きを１８０度回転させる前と後の合計２回の測定が行われる。

プロセッサ１５２は、さらに、上記の表面形状データ１６６のデータ処理を行うためのデータ処理部１５８として機能する。データ処理部１５８の動作は、実施の形態１および２で説明したとおりである。データ処理部１５８によるデータ処理の結果、工作物２の段差（エッジ）の位置を簡単かつ短時間で検出することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

２ 工作物、１０ 加工装置、１６，１４２ サドル、１８，１４４ テーブル、２０ 主軸頭、２２ 主軸、２４ ＮＣ装置、３０ Ｘ軸送り機構、３２ Ｙ軸送り機構、３４ Ｚ軸送り機構、３６，３８ 回転駆動部、４２ 測定ヘッド、１００，１００Ａ レーザ変位計、１１０ 発光部、１１２ レーザダイオード、１１４ レンズ、１１６ レーザビーム、１１８，１１８Ａ，１１８Ｂ 集光レンズ（光学系）、１２０，１２０Ａ，１２０Ｂ リニアイメージセンサ（受光部）、１３０ 測定対象物、１３２ レーザスポット、１３４ エッジ、１４０ 表面形状測定装置、１４６ 移動機構、１４６Ｘ Ｘ軸駆動機構、１４６Ｙ Ｙ軸駆動機構、１４６Ｚ Ｚ軸駆動機構、１４６Ｃ Ｃ軸駆動機構、１５０ コンピュータ、１５２ プロセッサ、１５４ メモリ、１５６ 測定制御部、１５８ データ処理部、１６０ 段差特定部、１６２ データ補正部、１６６ 表面形状データ、２００ 工作機械、Ｐ０ 分離開始点、Ｐ１ 段差位置。

Claims (7)

1. 段差を含む測定対象物の表面形状を測定する表面形状測定装置であって、
   前記測定対象物に向けて光ビームを出射する発光部、前記測定対象物からの前記光ビームの散乱光を集光する光学系、および前記光学系による集光位置を検出する受光部を含み、前記受光部での集光位置に基づいて前記測定対象物の表面の変位を測定する変位計と、
   前記変位計と前記測定対象物とを相対的に移動させることによって、前記光ビームを走査する移動機構と、
   前記段差と交差する方向に前記移動機構によって前記光ビームを走査しながら、前記測定対象物の表面の変位を前記変位計によって連続的に測定する第１の測定ステップと、前記光ビームを回転対称軸にして前記光学系および前記受光部の配置を前記第１の測定ステップの場合に対して１８０度回転させた状態で、前記第１の測定ステップと同一箇所を前記変位計によって連続的に測定する第２の測定ステップとを実行するように構成された測定制御部と、
   前記第１の測定ステップによる測定値と前記第２の測定ステップによる測定値とが分離し始める分離開始点に基づいて前記段差の位置を特定する段差特定部とを備える、表面形状測定装置。
2. 前記段差特定部は、前記第１の測定ステップによる測定値と前記第２の測定ステップによる測定値とが分離している区間内で、前記分離開始点から前記光ビームのスポットサイズの１／２だけ離れた点を段差の位置として特定する、請求項１に記載の表面形状測定装置。
3. 前記分離開始点から特定された前記段差の位置までの各測定点における表面の変位の値を、前記第１の測定ステップによる測定値と前記第２の測定ステップによる測定値との平均値に設定するデータ補正部をさらに備える、請求項２に記載の表面形状測定装置。
4. 前記光ビームに沿った方向から平面視したとき、前記光ビームの走査方向は、前記光ビームと前記受光部の集光位置とを含む光路面に対して垂直方向でない、請求項１〜３のいずれか１項に記載の表面形状測定装置。
5. 前記第１の測定ステップでは、前記光ビームに対して前記受光部は前記光ビームの走査方向の前方および後方のうちのいずれか一方に配置され、
   前記第２の測定ステップでは、前記光ビームに対して前記受光部は前記走査方向の前方および後方のうちの他方に配置される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の表面形状測定装置。
6. 段差を含む測定対象物の表面形状を測定する表面形状測定装置であって、
   前記測定対象物の表面の変位を連続的に測定する変位計を備え、
   前記変位計は、
   前記測定対象物に向けて光ビームを出射する発光部と、
   前記測定対象物からの前記光ビームの散乱光を集光する第１および第２の光学系と、
   前記第１および第２の光学系による集光位置をそれぞれ検出する第１および第２の受光部とを含み、
   前記第２の光学系および前記第２の受光部は、前記光ビームを回転対称軸にして前記第１の光学系および前記第１の受光部をそれぞれ１８０度回転させた位置に配置され、
   前記変位計は、前記第１および第２の受光部の各々の集光位置に基づいて前記測定対象物の表面の変位を測定し、
   前記表面形状測定装置は、さらに、
   前記変位計と前記測定対象物とを相対的に移動させることによって、前記光ビームを走査する移動機構と、
   前記段差と交差する方向に前記移動機構によって前記光ビームを走査しながら、前記測定対象物の表面の変位を前記変位計によって連続的に測定するように構成された測定制御部と、
   前記第１の受光部による測定値と前記第２の受光部による測定値とが分離し始める分離開始点に基づいて前記段差の位置を特定する段差特定部とを備える、表面形状測定装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の表面形状測定装置を備える、工作機械。

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