JP2021081198A

JP2021081198A - 測定方法

Info

Publication number: JP2021081198A
Application number: JP2019206179A
Authority: JP
Inventors: 伸彦安達; Nobuhiko Adachi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-11-14
Filing date: 2019-11-14
Publication date: 2021-05-27

Abstract

【課題】表面形状測定装置を用いて、測定面に対するレーザ光の入射角度を測定する。【解決手段】本発明にかかる測定方法は、測定面に対して垂直方向に移動可能な光源１０３を有する、表面形状測定装置１００により実行される測定方法である。本発明にかかる測定方法は、第１の測定点に設置された光源１０３から、測定面にレーザ光を入射し、測定面で反射されたレーザ光に基づいて測定面の表面形状を第１の表面形状として測定する工程と、第１の測定点とは異なる第２の測定点に移動させた光源１０３から、測定面にレーザ光を入射し、測定面で反射されたレーザ光に基づいて測定面の表面形状を第２の表面形状として測定する工程と、第１の表面形状と前記第２の表面形状とのずれに基づいて、前記測定面に対するレーザ光の入射角度を測定する工程と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、測定面に対するレーザ光の入射角度の測定方法に関する。

レーザ光を用いて、測定物の形状を測定する技術が提案されている。特許文献１は、測定物の所定の面と第１の角度をなすよう設置された第１の光源と、当該測定物の所定の面と第２の角度をなすよう設置された第２の光源とを用いて、測定物である形鋼の形状を測定する技術を開示している。測定物の形状を正確に測定するためには、測定面に対するレーザ光の入射角度を高精度に調整する必要がある。

特開２０１５−１９７４３１号公報

上記のように、レーザ光を用いて測定物の形状を測定するためには、測定面に対するレーザ光の入射角度を高精度に調整する必要がある。しかし、測定面に対するレーザ光の入射角度を正確に測定することは出来ないため、測定面に対するレーザ光の入射角度を高精度に調整することができないという問題があった。

本発明は、表面形状測定装置を用いて、測定面に対するレーザ光の入射角度を測定する測定方法を提供するものである。

本発明にかかる測定方法は、測定面に対して垂直方向に移動可能な光源、を有する表面形状測定装置により実行される測定方法であって、第１の測定点に設置された前記光源から、前記測定面にレーザ光を入射し、前記測定面で反射された前記レーザ光に基づいて前記測定面の表面形状を第１の表面形状として測定する工程と、前記第１の測定点とは異なる第２の測定点に移動させた前記光源から、前記測定面に前記レーザ光を入射し、前記測定面で反射された前記レーザ光に基づいて前記測定面の表面形状を第２の表面形状として測定する工程と、前記第１の表面形状と前記第２の表面形状とのずれに基づいて、前記測定面に対する前記レーザ光の入射角度を測定する工程と、を備える。
これにより、表面形状測定装置を用いて、測定面に対するレーザ光の入射角度を正確に測定することが可能となる。

これにより、表面形状測定装置を用いて、測定面に対するレーザ光の入射角度を正確に測定することが可能となる。

表面形状測定装置１００の構成例を示す構成図である。光源１０３を設置する第１の測定点と第２の測定点の概要を示す概略図である。ずれ量ΔＺを算出する方法の概要を示す概略図である。第１の測定形状と第２の測定形状のピーク位置に基づいて、ずれ量を算出する方法を示す概略図である。第１の測定形状と第２の測定形状を示すグラフに囲まれる面積に基づいて、ずれ量ΔＺを算出する方法を示す概略図である。ずれ量ΔＺに基づいて、測定物１０の測定面に対するレーザ光の入射角度θを算出する方法の概要を示す概略図である。表面形状測定装置１００の動作を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態にかかる測定方法を使用する表面形状測定装置１００の構成例を示す構成図である。図１に示す表面形状測定装置１００は、測定物１０を回転させつつ、測定物１０の表面形状を測定し、測定物１０の真円度を測定する。測定物１０は、例えば、クランクシャフトのピン、ジャーナル部等である。

表面形状測定装置１００は、回転テーブル１０１、移動機構１０２、光源１０３、角度調整機構１０４、信号処理・光源ユニット１０５、およびＰＣ（ＰｅｒｓｏｎａｌＣｏｍｐｕｔｅｒ）１０６を備える。表面形状測定装置１００は、光源１０３から出射され測定面で反射されたレーザ光に基づいて測定面の表面形状を測定する。

回転テーブル１０１は、測定物１０を載せて回転する。回転テーブル１０１は、一定速度で回転可能であってもよい。図１の回転テーブル１０１を含む装置は、真円度測定装置ともいう。移動機構１０２は、光源１０３を、測定物１０の測定面に対して略垂直方向に移動させる機構である。

光源１０３は、測定物１０の測定面に対してレーザ光を入射させる。光源１０３は、レーザセンサにおいて使用されるレーザ光の光源である。真円度測定の際にはレーザセンサとして、ラインセンサが用いられる。ラインセンサとは、一次元的な画像の撮影を行うセンサであり、測定物１０を回転させることによって測定物１０の一周分の画像を撮影することが可能となる。なお、光源１０３は、レーザ光を水平・鉛直方向に走査可能なものであってもよい。

図２は、本実施の形態にかかる測定方法における光源１０３の移動の概要を示す概略図である。本実施の形態では、まず、測定物１０から距離Ｔだけ離れた第１の測定点に光源１０３を設置し、測定物１０の測定面にレーザ光を入射し、測定物１０の表面形状を第１の表面形状として測定する。そして、次に、第１の測定位置からΔＴだけ移動した第２の測定点に光源１０３を設置し、測定物１０の表面形状を第２の表面形状として測定する。

上述したように、本実施の形態は、光源１０３と測定物１０の測定面との間の距離を変化させ、測定物１０の測定面の表面形状を測定する。したがって、光源１０３は、測定物１０の測定面との間の距離が変化しても表面形状を十分に測定可能なものである必要がある。つまり、光源１０３は、当該距離変化分のＷＤ（ワーキングディスタンス）の変化を許容可能なものである必要がある。ここで、ＷＤとは、測定面に焦点を合わせた状態での光源１０３の先端から測定面までの距離を表す。表面形状測定装置１００は、ＷＤの許容範囲内（公差範囲内）で測定面に対して略垂直に光源１０３を移動させ、測定面の表面形状を第１の表面形状および第２の表面形状として測定する。

なお、光源１０３は、複数の波長のレーザ光を出射可能であってもよい。本実施の形態では、光波干渉によって測定物１０の表面形状を測定する。ここで、複数の波長を用いた測定を行うことにより、測定物１０の表面形状をより詳細に測定することが可能となる。

角度調整機構１０４は、光源１０３の設置角度を調整可能な機構である。角度調整機構１０４は、光源１０３の設置角度を、水平方向と鉛直方向の両方向に対して微小に変更することができる。つまり、角度調整機構１０４は、測定物１０の測定面に対するレーザ光の入射角度を水平方向と鉛直方向の両方向に対して、微調整することが可能である。

信号処理・光源ユニット１０５は、測定物１０の測定面の表面形状を測定する表面形状測定機能を有する。信号処理・光源ユニット１０５は、レーザ光の光波干渉によって、光源１０３と測定物１０の測定面との間の距離を測定する。なお、光波干渉とは、レーザ光を２つに分割し、光源１０３から出射し測定面で反射されたレーザ光と、参照用のレーザ光と、を再合成することにより干渉パターンを得ることである。信号処理・光源ユニット１０５は、当該測定距離に基づいて測定物１０の表面形状を算出する。つまり、信号処理・光源ユニット１０５は、測定面の各位置における測定距離の分布から、測定物１０の表面形状を算出する。

ＰＣ１０６は、光源１０３から出射されたレーザ光が、測定物１０の測定面に入射する角度を算出する。ＰＣ１０６は、第１の表面形状と第２の表面形状とのずれを算出し、当該ずれに基づいて測定物１０の測定面に対するレーザ光の入射角度を算出する。

図３は、本実施の形態にかかる測定方法において、ずれ量を算出する方法の概要を示す概略図である。
ＰＣ１０６は、第１の測定点からレーザ光を入射することにより測定された測定物１０の第１の表面形状と、第２の測定点からレーザ光を入射することにより測定された測定物１０の第２の表面形状と、を比較してずれを算出する。ここで、上述したように第２の測定点は、第１の測定点から測定物１０の測定面に対して略垂直に移動した位置である。なお、上述したように第１の測定点および第２の測定点は、光源１０３のＷＤの許容範囲内に存在する。

図４、図５は、ＰＣ１０６がずれ量を算出する方法の具体例を示す。図４に示す方法は、まず、第１の表面形状の最大ピークと、第２の表面形状の最大ピークとを検出する。次に、ＰＣ１０６は、上述した最大ピークとなる位置の差分に基づいて、ずれ量ΔＺを算出する。

図５は、第１の表面形状と第２の表面形状のずれを、２つのグラフで囲まれる領域の面積を用いて評価する方法である。例えば、ＰＣ１０６は、第２の表面形状をΔｚだけ移動し、２つのグラフで囲まれる面積を算出する。２つのグラフで囲まれる面積とは、図５のｓ１〜ｓ８を合計した面積である。ＰＣ１０６は、当該面積が最小となるΔｚを算出する。当該面積が最小となるΔｚが、ずれ量ΔＺである。

図６は、上述したずれΔＺに基づいて、ＰＣ１０６が、測定物１０の測定面に対するレーザ光の入射角度を算出する方法の概要を示す概略図である。
ＰＣ１０６は、上述したずれに基づいて、測定物１０の測定面に対するレーザ光の入射角度θを算出する。入射角度θは、第１の測定点と第２の測定点との間の距離ΔＴと、ずれΔＺとの逆正接を計算することにより算出される。つまり、ＰＣ１０６は、第１の測定点と第２の測定点との間の距離と、表面形状のずれ量ΔＺと、を辺とする三角形から測定面に対するレーザ光の入射角度を算出する。レーザ光の測定面に対する入射角度とは、光源１０３の傾斜角度ともいえる。

また、ＰＣ１０６は、入射角度θから角度補正値を決定する。例えば、入射角度θに対して補正値は（−θ）であってもよい。補正値は、入射角度が許容値として定められた範囲内に収められるように定められてもよい。ＰＣ１０６は、角度調整機構１０４が当該角度補正値分の補正を自動で行うような制御を行ってもよい。

図７を用いて、本実施形態の動作について説明する。まず、測定物１０との距離がＷＤとなるように、光源１０３が第１の測定点に設置される（ステップＳ１０１）。次に、測定物１０の第１の表面形状が、測定される（ステップＳ１０２）。つまり、表面形状測定装置１００は、第１の測定点に設置された光源１０３から、測定面にレーザ光を入射し、測定面で反射されたレーザ光に基づいて測定面の表面形状を第１の表面形状として測定する。

次に、光源１０３の位置を、ＷＤの許容値の範囲内で移動させる（ステップＳ１０３）。つまり、光源１０３が、第２の測定位置に設置される。次に、測定物１０の第２の表面形状が測定される（ステップＳ１０４）。つまり、表面形状測定装置１００は、第１の測定点とは異なる第２の測定点に移動させた光源１０３から、測定面にレーザ光を入射し、測定面で反射されたレーザ光に基づいて測定面の表面形状を第２の表面形状として測定する。

次に、第１の表面形状と第２の表面形状を比較し、測定物１０の測定面に対するレーザ光の入射角度を算出する（ステップＳ１０５）。つまり、表面形状測定装置１００は、第１の表面形状と第２の表面形状とのずれに基づいて、測定面に対するレーザ光の入射角度を測定する。ここで、入射角度は、水平方向（Ｘ方向）と鉛直方向（Ｙ方向）のそれぞれに対して算出されてもよい。

次に、ステップＳ１０５で算出された入射角度に基づいて、補正量が計算される（ステップＳ１０６）。補正量は、水平方向の入射角度および鉛直方向の入射角度の両方が、目標となる範囲内に収まるように定められる。最後に、上述した補正量に基づいて、角度調整機構１０４を用いて光源１０３の傾斜角度が微調整される（ステップＳ１０７）。

以下、本実施の形態の効果について説明する。
研磨過程で砥石に不具合が発生し、エンジン部品のクランクシャフトのピンあるいはジャーナル部にキズが生じる場合がある。当該キズは、最小で横幅１０μｍ、深さ５μｍ程度と大変微小であることから、目視ではなく機械による検査が望ましい。ここで、キズの深さ方向の精度を確保するためには、測定面に対して垂直にレーザ光を入射させる必要がある。表面形状測定装置と真円度測定装置が別装置である場合、レーザ光の入射角度を測定するために大規模なゲージが必要となるという問題があった。

本実施の形態は、測定面に対して光源を略垂直に移動させ、移動前と移動後の測定面の表面形状を比較する。もし、レーザ光が測定面に対して垂直に入射していれば移動前後の表面形状は一致するはずである。レーザ光が測定面に対して垂直に入射していなければ、垂直方向とレーザ光の入射方向とのずれの大きさにしたがって、表面形状にもずれ量が生じる。本実施の形態では、表面形状のずれの度合いを評価して、レーザ光の測定面に対する入射角度を算出する。本実施の形態によると、水平・鉛直の両方向における入射角度の補正量を算出することが可能であり、当該補正量に基づいて光源の傾斜角度を調整することが可能となる。なお、光源１０３ではなく測定物１０を移動させ、表面形状を測定した場合も同様の効果を得られる。

本実施の形態は、自動車の製造に対して応用できる。レーザ光を用いて、自動車部品のキズを検出する場合、精度を確保するためには測定面に対して垂直にレーザ光を入射する必要があるからである。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１００表面形状測定装置
１０測定物
１０１回転テーブル
１０２移動機構
１０３光源
１０４角度調整機構
１０５信号処理・光源ユニット
１０６ＰＣ

Claims

測定面に対して垂直方向に移動可能な光源、を有する表面形状測定装置により実行される測定方法であって、
第１の測定点に設置された前記光源から、前記測定面にレーザ光を入射し、前記測定面で反射された前記レーザ光に基づいて前記測定面の表面形状を第１の表面形状として測定する工程と、
前記第１の測定点とは異なる第２の測定点に移動させた前記光源から、前記測定面に前記レーザ光を入射し、前記測定面で反射された前記レーザ光に基づいて前記測定面の表面形状を第２の表面形状として測定する工程と、
前記第１の表面形状と前記第２の表面形状とのずれに基づいて、前記測定面に対する前記レーザ光の入射角度を測定する工程と、を備える測定方法。