JP2017116452A - Jig for laser displacement meter and measurement method - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to a laser displacement meter jig and a measurement method.
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。 One method for measuring the shape of a sample is to use a laser displacement meter. A laser displacement meter is a type of displacement meter that can measure the sample displacement, height, width, thickness, and the like. This laser displacement meter is applicable to any shape of a sample, has a feature that a measurement spot is small, it can be measured with high accuracy and high speed.
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。 The laser displacement meter is equipped with a laser light emitting element and a laser light receiving element (sensor head). For example, when measuring the thickness of a certain part of a sample (solid sample) using a laser displacement meter, a method suitable for the property of the sample is selected.
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。 For example, when a sample is sandwiched between two sensor heads, two sensor heads are arranged opposite to each other on the upper and lower surfaces of the sample, and the upper and lower surfaces of the portion where the thickness of the sample is desired to be obtained simultaneously with the two sensor heads. By measuring the position, the thickness of the part is obtained.
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。 However, there is a case where only one laser displacement meter is mounted with a sensor head. In such a case, first, the height position of the upper surface of the portion where the thickness of the sample is desired to be measured is measured. Thereafter, an operation such as rotating the sensor head or moving the sample is performed to place the portion corresponding to the lower surface of the portion in a measurable range, and the height position of the lower surface is measured. And the thickness of the said part is calculated | required by the difference of the position of an upper surface and a lower surface.
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。 However, when the thickness of the sample is to be obtained by the above method, there is a concern that a new frame for rotating the sensor head may be expensive. Also, if the sample has irregularities or curvatures, the surface that serves as the reference for the height position of the upper surface (the surface that has no height) and the surface that serves as the reference for the height position of the lower surface are the same when the sample is turned over. Or parallel surfaces. Therefore, the thickness of the desired part of the sample may not be accurately obtained. Although it is conceivable to use an inexpensive 3D scanner, the measurement accuracy is lower than that of a laser displacement meter. In view of the above, an object of the present invention is to solve the above-described problems and to measure the thickness of a desired portion of a sample at low cost and with high accuracy using a laser displacement meter having a single sensor head.
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。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a jig for a laser displacement meter that measures the thickness of a sample by laser light from a sensor head, and includes two openings through which the laser light can pass. A first jig for fixing the sample between the two planes, one of the two planes facing the sensor head, and the plane being the plane And a second jig for fixing the first jig in a state of being opposed to the sensor head.
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。 According to the present invention, the thickness of a desired portion of a sample can be measured inexpensively and accurately with a laser displacement meter having a single sensor head.
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。 Hereinafter, embodiments (embodiments) for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. First, an outline of a sample measuring method using the laser displacement meter jig of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2. In the following description, it is assumed that the sample to be measured is a solid sample.
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。
As shown in FIG. 1, a sample to be measured by a laser displacement meter is fixed in a
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。
For example, as shown in FIG. 2, when the measurer fixes the sample in the
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。
Thereafter, the measurer turns over the
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。
In this way, when the
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。
Thus, in measuring the thickness (shape) of each part of the sample by the laser displacement meter, the sample is fixed using the
(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。
(First jig)
Next, an example of the
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)。
The
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。
For example, as shown in FIG. 4, the measurer inserts the sample into the
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。
When the sample is turned upside down for measurement by fixing the sample with the
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。
In addition, although the raw material of the 1st jig |
(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。
(Second jig)
Next, an example of the
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。
For example, as shown in FIG. 5A, the
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。
For example, as shown in FIG. 5A, when the size in the X-axis direction × the size in the Y-axis direction of the plane 10 (10a, 10b) of the
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。
In addition, although the raw material of the 2nd jig |
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。
As shown in FIG. 1, the
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。
The measurer installs the
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。
Furthermore, by dividing the laser displacement meter jig into two jigs, a
(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。
(Computer)
The
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。
And the
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。
As described above, since the
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。
The
(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)。
(Measurement procedure)
Next, a sample measurement procedure will be described with reference to FIG. First, the measurer fixes the sample to the first jig 1 (S1), and then fixes the
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)。
When the
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。
By doing so, even when the laser displacement meter has only one
(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。
(Other embodiments)
If there is a possibility that the measurement results of the front and back surfaces of each part of the sample may have an error due to the gantry or the inclination of the floor on which the gantry is installed, the controller 4 corrects this and then sends the
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
DESCRIPTION OF
Claims (3)
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。 A jig for a laser displacement meter that measures the thickness of a sample with a laser beam from a sensor head,
A first jig that has two parallel planes each having an opening through which the laser beam can pass, and fixes the sample between the two planes;
A second jig for fixing either of the two planes to the sensor head and fixing the first jig in a state where the plane is opposed to the sensor head;
A jig for a laser displacement meter, comprising:
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。 The second jig is
2. The first jig is fixed in a state where one of the two planes of the first jig is in contact with a plane of the second jig. Jig for laser displacement meter.
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。 A measurement method using a laser displacement meter that measures the thickness of a sample with a laser beam from a sensor head,
A sample fixing step of fixing the sample to a first jig having two parallel planes each having an opening through which the laser beam can be transmitted;
Either of the two planes can be opposed to the sensor head, and the first jig in a state where the plane is opposed to the sensor head is fixed to a second jig. A jig fixing step;
A first measurement step of measuring the height of each part of the surface of the sample from a predetermined reference plane by making the first plane of the first jig face the sensor head;
The first jig is turned upside down, and the second plane of the first jig is opposed to the sensor head, thereby measuring the height of each portion of the back surface of the sample from the predetermined reference plane. A second measuring step,
A conversion step in which the height values of the portions on the back surface of the sample from the predetermined reference surface are interchanged with the height values of the portions positioned in contrast to the axis when the first jig is turned over. When,
Based on the height of each part on the surface of the sample from the predetermined reference surface and the height of each part on the back surface of the sample from the predetermined reference surface after the replacement, And a thickness calculating step for calculating the thickness.
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