JP4391966B2

JP4391966B2 - 被測定物表面の形状測定方法及び被測定物表面の形状測定装置

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Publication number: JP4391966B2
Application number: JP2005123507A
Authority: JP
Inventors: 功吉田; 亮西水; 哲也松井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-04-21
Filing date: 2005-04-21
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2025-04-21
Also published as: JP2006300757A

Description

本発明は被測定物表面の形状測定方法及び被測定物表面の形状測定装置に係り、特に、曲面を有する被測定物に好適な被測定物表面の形状測定方法及び被測定物表面の形状測定装置に関する。

一般に、曲面を有する被測定物の表面形状を測定する形状測定装置としては、例えば特許文献１に開示のような形状測定装置が既に提案されている。この特許文献１に開示の形状測定装置は、レーザ光線を被測定物表面に照射し、反射光を捕らえて距離を測定し、これらを連続して行うことで、被測定物の表面形状を測定するものである。

特開平５−３２２５３４号公報

上記特許文献１に記載の形状測定装置は、レーザ光線を照射する照射部が被測定物から離れた位置にあるために、照射部を被測定物に対して完全に静止させた状態で測定しなければ、照射部の僅かな変位や振れによりレーザ光線の焦点が被測定物表面上を拡大して変位されてしまうので、測定誤差が生じ易い問題がある。

本発明の目的は、測定誤差が生じにくい被測定物表面の形状測定方法及び被測定物表面の形状測定装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、被測定物の表面に追従して変形する可撓性基板上に複数のコイルを所定間隔で配列したプローブを用いて被測定物の表面形状を測定するに際し、蓄積データとして各種曲率半径と誘起電圧との関係を準備し、その後、前記プローブを前記被測定物の表面に密着させた状態で前記コイルの一つを励磁して別のコイルで誘起電圧を検出するように順次切換えて行くと共に、検出した誘起電圧を前記蓄積データの誘起電圧と対応させて励磁したコイルと誘起電圧を検出したコイル間の曲率半径を算出し、その算出結果に基づいて順次各コイルの座標を求めて被測定物の表面形状を測定するようにしたのである。

以上説明したように本発明によれば、複数のコイルを備えたプローブを被測定物表面に密着させて被測定物の表面形状を測定しているので、被測定物上でプローブが変位したり振れたりする機会は少なくなり、離れた位置から測定用のレーザ光線を照射する従来の測定方法に比べて、誤差の発生を少なくすることができる。

以下本発明による一実施の形態を図１〜図３に示す被測定物表面の形状測定装置に基づいて説明する。

本実施の形態による被測定物表面の形状測定装置１は、大きくは、測定用プローブ２を備えた測定部３と信号処理部４と表示部５とより構成されている。

前記測定用プローブ２は、同一仕様（例えば、巻数が５４０回で、コイル外径が２．５mm）の複数のコイル６を一方向に所定間隔（例えば、７mm）をもって複数（例えば、１８個）固定した例えばポリイミドフィルムを複数積層して構成した可撓性基板７と、この可撓性基板７のコイル取付け側に当接された例えばポリウレタンスポンジより構成された弾性体８と、この弾性体８を介して前記可撓性基板７を被測定物（図示せず）の表面に押圧して密着させる押圧手段９とで構成されている。押圧手段９は、前記弾性体８に当接する複数の伸縮腕９Ａ〜９Ｃを有し、各腕は夫々押圧ばね（図示せず）を内蔵している。ところで、本実施の形態による測定用プローブ２は、ポリイミドフィルムの積層間に前記コイル６のリード線（図示せず）を配線している。また、前記弾性体８は、押圧手段９による押圧力からコイル６を保護すると共に、可撓性基板７を被測定物の表面に馴染ませる機能を有する。

前記測定部３は、前記測定用プローブ２の各コイル６に接続され、この接続を電気的に切換えるマルチプレクサ１０と、このマルチプレクサ１０によって選択された前記コイル（励磁コイル）６を励磁する発振器１１と、前記マルチプレクサ１０によって選択された前記コイル（検出コイル）６によって検出された誘起電圧を増幅する増幅器１２と、この増幅器１２からの信号を変換するＡ／Ｄ変換器１３とを備えている。

ここで、本実施の形態による各コイル６の励磁と誘起電圧の検出パターンを図４に基づいて説明する。前記マルチプレクサ１０によりコイル６Ａを選択して交流電流を供給することで交流磁束を発生させ、その交流磁束は周辺の空間や被測定物を磁路として再びコイル６Ａに戻る閉磁路を構成する。一方、同時に、前記マルチプレクサ１０によりコイル６Ｃが選択され、前記被測定物を流れる磁束によって誘起される電圧を検出する。次に、コイル６Ｂとコイル６Ｄとが選択され、同様に励磁と誘起電圧の検出が行われる。このような励磁と誘起電圧の検出を、前記マルチプレクサ１０によって各コイルを高速で順次切換えることで行うのである。

前記信号処理部４は、前記マルチプレクサ１０に前記コイル６の切換え信号を送信する制御装置１４と、前記Ａ／Ｄ変換器１３からの信号を記憶する主記憶装置１５と、主記憶装置１５からの信号や蓄積されたデータに基づいて被測定物の表面形状を導き出す演算装置１６とを備えている。

さらに、表示部５は、前記演算装置１６で導き出された表面形状信号を表示する表示装置１７を備えている。

上記構成の被測定物表面の形状測定装置１によって、曲面を有する被測定物の表面形状を測定する場合、まず、測定前に初期設定を行う。

初期設定の一つは、被測定物の平坦面上における誘起電圧を基準電圧とし、例えば「ゼロ」と設定する。この設定は、形状を測定した誘起電圧（検出信号）をそのまま用いるようにしたものであるので、必ずしも「ゼロ」にする必要はない。ただし、平坦面上における誘起電圧を「ゼロ」に設定しない場合には、曲面上における誘起電圧（検出信号）と平面状における誘起電圧（検出信号）との差が、本来必要とする誘起電圧（検出信号）の値となる。

初期設定の二つは、被検査物の表面の曲率半径と誘起電圧の関係を設定することである。具体的には、上述のように、被検査物の平坦面上における誘起電圧を基準電圧とした上で、曲率半径の異なる校正試験体を複数用意し、これら校正試験体に夫々測定用プローブ２を追従させてコイル６に誘起される電圧を測定する。尚、曲率半径の異なる校正試験体を多数用意することで、各曲率半径における誘起電圧を木目細かに測定できるので、実際に被測定物の表面形状を測定する場合、精度よく測定することができる。このようにして得られたいくつかの曲率半径における誘起電圧のデータに基づいて、図５に示すような近似式を導いた。

このような被検査物の表面の曲率半径と誘起電圧との関係を、図６に示すモデルを用いて説明する。

測定用プローブ２を校正試験体の平坦面上に押付けたときの励磁用のコイル６Ａと距離Ｌを隔てた誘起電圧検出用のコイル６Ｃの位置を夫々点Ｏと点Ｐとし、校正試験体の曲面上に押付けたときの励磁用のコイル６Ａと誘起電圧検出用のコイル６Ｃの位置を夫々点Ｏと点Ｑとする。そして、断面積Ａの励磁用のコイル６Ａを励磁することで発生する磁束をΦ_Ｏとし、この磁束Φ_Ｏが平坦面上において点Ｐにおける断面積Ａのコイル６Ｃを垂直に貫く磁束Φ_Ｐを求める。ここで、点Ｏを点磁極と仮定すると、この周りの磁場は距離の２乗に反比例する。そこで、点Ｐにおける磁束密度をＢ_Ｐとすると、

となる。

そこで、点Ｏと点Ｐを結ぶＸ軸と平行な線上の磁場は、Ｙ軸方向成分のみとなる。点Ｐは点Ｏと距離を隔てているので、点Ｐ近傍の磁場は、Ｙ軸と平行と仮定する。同様に、曲面上において点Ｏの磁束Φ_Ｏが点Ｑのコイル６Ｃを垂直に貫く磁束Φ_Ｑを求めると、点Ｑにおける磁束密度をＢ_Ｑ、変数をＸとすると、

となる。

ここで、電磁誘導におけるレンツの法則及びファラデーの法則を適用し、夫々の位置におけるコイル６Ｃを貫く磁束から誘起された電圧Ｖ_Ｐ，Ｖ_Ｑを求める。ここで、コイル６Ｃの巻数をＮとすると、

となる。

磁束変化は、誘起された電圧Ｖ_Ｐ，Ｖ_Ｑの差として表すことができるので、点Ｐと点Ｑにおける誘起電圧の差は、

となる。

また、変数Ｘと角度θは、点Ｏと点Ｑを通る円弧の曲率半径Ｒと、点Ｏと点Ｐとの距離Ｌを用いて表すと、

となる。

そして、式（９）と式（１０）を式（８）に代入して整理すると、

となる。

式（１１）より、コイルの巻数、面積、点Ｏの磁束Φ_Ｏの変化量を決定することにより、誘起電圧の差は、曲率半径Ｒの関数となる。

ただし、実際には外乱やノイズが侵入するので、上述した多数の校正試験体を用いて導き出した近似式を採用することが望ましい。

上述のように、初期設定された形状測定装置１によって、図７に示すような曲面を有する被測定物１８の表面形状を測定する測定手順を図１及び図８に基づいて説明する。

図８において、ステップＳ１〜Ｓ３は、平坦面上での基準を採るための工程であり、ステップＳ１，Ｓ２で図４に示すコイル６Ａ〜６Ｐを順次励磁し、コイル６Ｂ〜６Ｑにより順次誘起電圧の測定を行う。図１では、発振器１１からマルチプレクサ１０へ励磁電流が送信され、同時に制御装置１４からコイル６Ａ〜６Ｑを高速で切換えるための切換え信号がマルチプレクサ１０へ送信される。

ステップＳ３は、コイルの誘起電圧の変化分だけを検出するように、平坦面上の出力をゼロとなるようバランスをとる。

ステップＳ４〜Ｓ６は、被測定物の表面形状を測定する工程であり、ステップＳ４において、図３に示す測定用プローブ２を図７に示す凹曲面を有する被測定物１８の表面に押付けて可撓性基板７を被測定物１８の表面に密着させる。その後、ステップＳ５において、マルチプレクサ１０と発振器１１と制御装置１４により、順次コイルを切換えて励磁と誘起電圧の測定を行う。その後、ステップＳ６で、検出された誘起電圧をマルチプレクサ１０から増幅器１２を経由して増幅し、Ａ／Ｄ変換器１３を経由して主記憶装置１５に記録する。

ステップＳ７は、測定の終了または継続を選択する工程で、継続する必要があれば、再びステップＳ４〜Ｓ６で測定を行う。測定が終了している場合には、ステップＳ８の工程に進み、記録した誘起電圧値から各コイルの相対位置の計算を行う。

次に、ステップＳ８において誘起電圧値から各コイルの相対位置を求める方法について説明する。図４に示す励磁と誘起電圧の検出パターンと同じように、最所はコイル６Ａとコイル６Ｃ、次は、コイル６Ｂとコイル６Ｄ、その後、コイル６Ｃとコイル６Ｅの順でコイル６Ａ〜６Ｑについて座標を求める。

コイル６Ａとコイル６Ｃの座標の求め方を説明すると、まず、図４の励磁と誘起電圧の検出パターンにより、コイル６Ａが励磁用のコイルでコイル６Ｃが誘起電圧検出用のコイルであることが判る。そこで、コイル６Ａを座標の原点に固定し、順次全てのコイルの座標を求めることにした。コイル６Ｃに誘起される電圧は、前記主記憶装置１５に記憶されていることにより、その電圧値を測定前に設定した曲率半径と誘起電圧の近似式に入れて演算することで、コイル間の曲率半径が算出される。実際には、コイル間には２つ以上の曲率が含まれるが、便宜上、コイル間の曲率半径を１つとする。次に、平坦面上で並べられたコイルの間隔が、演算した曲率半径の円に対する円弧に相当するので、曲率半径と円弧の長さと励磁用コイルの座標との３つの条件から誘起電圧検出用のコイルの座標が必ず１つ決まる。続いて、コイル６Ｂとコイル６Ｄは、コイル６Ｂの座標をコイル６Ａとコイル６Ｃの中間として決めることで、同様な方法でコイル６Ｄの座標が決まる。このような手順を繰り返すことで、全てのコイル６Ａ〜６Ｑの座標を求めることができる。

ステップＳ９は、演算装置１６で求められた各コイルの座標を２次元平面にプロットして被測定物１８の形状を描画し表示する。そして、測定を終了させる。

尚、本実施の形態において、マルチプレクサ１０と制御装置１４と発振器１１とが、本発明によるコイルを励磁用のコイルと誘起電圧検出用のコイルとに順次切換える切換え手段に相当し、主記憶装置１５が、本発明による被測定物の曲率半径と誘起電圧との関係データを蓄積するデータ蓄積手段に相当し、演算装置１６が、本発明による誘起電圧検出用のコイルで検出された誘起電圧をデータ蓄積手段の蓄積データと比較してコイルの座標を演算する演算手段に相当する。

ところで前記被測定物表面の形状測定装置１における測定用プローブ２は、図３及び図７に示すように、角度が９０度前後の曲面を有する被測定物１８の表面形状を測定するのに好適なように、隣接する伸縮腕９Ａ〜９Ｃが角度をもって固定されているので、角度が１８０度前後の緩やかな曲面を有する被測定物の形状測定には不向きである。

そこで、緩やかな曲面を有する被測定物の形状測定には、図９及び図１０に示すような測定用プローブ２０を用いるとよい。

即ち、図９及び図１０に示す測定用プローブ２０は、複数のコイル６を配列した可撓性基板７に当接する例えばシリコンゴムからなる弾性体２１と、この弾性体２１に当接する複数の支持体２２と、この支持体２２に自在継手２３を介して一端を連結された複数の伸縮腕と２４、これら伸縮腕２４の他端に夫々設けられた回動軸２５と、これら回動軸２５を同方向に回動支持する基材２６とを有している。

前記弾性体２１は、押圧力による圧力がコイル６に作用しないように、コイル６を収納できる中空室２１Ｒを有し、押圧力が可撓性基板７にのみ伝わるようにしている。また、前記支持体２２は、板状体をなし、前記弾性体２１に接着剤等によって接着されている。そして前記伸縮腕２４は、図３に示す伸縮腕９Ａ〜９Ｃと同じように、互いに摺動する２つの腕部材を有し、これら腕部材間に押圧ばねを装着している。一方、前記基材２６は、前記回動軸２５を回動させる軸回動部２６Ｈと、前記回動軸２５と連結された伸縮腕２４を貫通する貫通溝２６Ｇを有している。

上記構成の測定用プローブ２０によれば、各伸縮腕２４の支持体２２側が回動軸２５を支点として揺動でき、また、各伸縮腕２４と支持体２２とは自在継手２３を介して揺動できる。その結果、緩やかな曲面を有する被測定物の表面形状に追従して可撓性基板７を、云い代えればコイル６を馴染ませることができ、被測定物の表面形状を正確に測定することができるのである。

本発明による被測定物表面の形状測定装置の一実施の形態を示すブロック図。図１に示す測定用プローブの一部を示す拡大斜視図。図１に示す測定用プローブの全体を示す側面図。図１に示す測定用プローブの各コイルでの励磁及び誘起電圧検出パターンを示す模式図。被検査物表面の曲率半径と誘起電圧との関係を示す線図。曲率半径と誘起電圧との関係を示すモデル図。被測定物表面形状と測定用プローブの一部との関係を示す斜視図。本発明による被測定物表面の形状測定方法の手順を説明するフローチャート。測定用プローブの変形例を示す斜視図。図９の測定用プローブの縦断面図。

符号の説明

１…形状測定装置、２，２０…測定用プローブ、３…測定部、４…信号処理部、５…表示部、６，６Ａ〜６Ｑ…コイル、７…可撓性基板、８…弾性体、９Ａ〜９Ｃ，２４…伸縮腕、１０…マルチプレクサ、１１…発振器、１２…増幅器、１３…Ａ／Ｄ変換器、１４…制御装置、１５…主記憶装置、１６…演算装置、１７…表示装置、１８…被測定物、２３…自在継手、２５…回動軸、２６…基材。

Claims

曲面を有する被測定物の表面形状を測定するに際し、一方向に所定間隔をもって配列された同一仕様の複数のコイルを各種曲率半径を有する校正試験体に密着させて励磁と誘起電圧の測定を行い、これら測定された誘起電圧に基づいて各種曲率半径と誘起電圧との関係データを前もって蓄積しておき、その後、被測定物に前記一方向に所定間隔をもって配列された同一仕様の複数のコイルを押圧手段によって密着させた状態で複数のコイルを順次切換えて励磁と誘起電圧の検出を行い、検出した誘起電圧と前もって蓄積された誘起電圧とから各コイル間の曲率半径を求めると共に、これら各コイル間の曲率半径と前記各コイルの間隔によって各コイルの座標を求め、この座標に基づいて前記被測定物の表面形状を測定することを特徴とする被測定物表面の形状測定方法。
被測定物の表面に追従して変形する可撓性基板上に一方向に所定間隔をもって配列された同一仕様の複数のコイルを備えた測定用プローブと、この測定用プローブのコイルを励磁コイルと誘起電圧検出コイルとに順次切換える切換え手段と、曲率半径の異なる複数の校正試験体と、これら校正試験体に夫々測定用プローブを追従させてコイルに誘起される電圧を測定して得られたいくつかの曲率半径における誘起電圧のデータを蓄積するデータ蓄積手段と、前記検出コイルで検出された誘起電圧を前記データ蓄積手段の蓄積データと比較して前記コイルの座標を演算する演算手段と、この演算手段での演算結果を表示する表示手段とを備えたことを特徴とする被測定物表面の形状測定装置。
前記測定用プローブは、複数のコイルを配列した可撓性基板に当接する弾性体と、この弾性体に当接する複数の伸縮腕を有する押圧手段とを有していることを特徴とする請求項２記載の被測定物表面の形状測定装置。
前記押圧手段は、前記弾性体に当接して支持する支持体と、この支持体に自在継手を介して一端を連結された前記複数の伸縮腕と、これら伸縮腕の他端に夫々設けられた回動軸と、これら回動軸を同方向に回動支持する基材とを有していることを特徴とする請求項３記載の被測定物表面の形状測定装置。