JP5327003B2 - 表面形状測定装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、物体表面上の凹凸形状を測定する表面形状測定装置および方法に係り、特に、走行する薄鋼板表面上に加工される微小溝の形状を高精度で測定することが可能な、表面形状測定装置および方法に関するものである。

物体表面に凹凸パターンの加工を施し、その物体が持つ機能を向上する試みが多数存在する。例えば、電磁鋼板では表面に微小な溝加工を行うことにより、低鉄損化を図っている。このような鋼板では、表面に加工される微小溝の形状が品質上重要である。このため、微小溝の形状をオンラインで連続測定し、操業状態の管理及び製品品質の保証を常時行うことが強く要求されている。

物体表面の凹凸形状をオンラインで連続測定する方法として、例えば、特許文献１に変位計を用いる技術が開示されている。この技術は、物体と相対的に移動するように配置した変位計と物体間の変位量を測定して凹凸の断面形状を取得し、取得した断面形状より凹凸部を検出してその深さ（または高さ）および幅を算出するものである。

特開平１０−８９９３９号公報

しかしながら、上記特許文献１の変位計としてレーザ変位計を用いる場合には、レーザ変位計の測定軸に対して傾斜した面(溝部の両側面)からの反射光が弱く受光量不足により、変位計としてのＳ／Ｎ比が低下する。そして、上記傾斜した面で測定される変位量は、異常値を含むことが多くなる。このため、特許文献１でレーザ変位計を用いた場合には、凹部（凸部）の深さ（高さ）や幅の計測時に大きなエラーを生ずるという問題がある。

図１は、溝加工された鋼板の溝部を鋼板を移動させながらレーザ変位計で測定して得られた断面形状データの一例を示す図である。測定された変位信号には、溝部の両側面にＡおよびＢ部に示すような異常値が含まれていることが分る。このため、本来溝の深さとして、図中のＣで示す深さが測定されるべきところが、Ｂ部の異常値のために図中のＤのようにより深く誤計測されてしまっている。同様に、溝幅として、図中のＥで示す幅が測定されるべきところが、Ａ部の異常値のために図中のＦのようにより短い幅として誤計測されてしまっている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、走行する薄鋼板表面上に加工される微小凹凸形状を高精度で測定することを可能とする表面形状測定装置および方法を提供することを課題とする。

本発明の請求項１に係る発明は、物体表面の凹凸形状を測定する表面形状測定装置であって、スポット光もしくはスリット光を照射して行う三角測距を、相対的に移動する物体の表面を走査して行い、前記物体の表面との変位を測定する光学式変位計と、該光学式変位計で測定した変位信号から物体表面の凹凸形状を取得する、凹凸形状取得部と、前記変位信号と同期して、前記光学式変位計が受光する反射光強度を反射光強度信号として取得する、反射光強度取得部と、前記凹凸形状からうねりを取除いて補正凹凸形状を算出する、凹凸形状補正部と、前記補正凹凸形状の物体表面からの変化の絶対値が所定の閾値以上かつ対応する前記反射光強度信号が所定強度以上である範囲を、凹部の底部範囲または凸部の山部範囲として特定する、溝底部検出部と、前記底部範囲または山部範囲内にある前記補正凹凸形状から凹部の深さまたは凸部の高さを算出する、溝深さ算出部と、前記補正凹凸形状の物体表面からの変化の絶対値が前記所定の閾値より小さくかつ対応する前記反射光強度信号が所定強度以上である点のうち前記底部範囲または山部範囲の両端より外側で最も近い点を凹凸部のエッジとしてそれぞれ検出する、溝エッジ検出部と、検出したそれぞれのエッジ間の距離から凹部または凸部の幅を算出する、溝幅算出部と、を備えたことを特徴とする表面形状測定装置である。

また、本発明の請求項２に係る発明は、物体表面の凹凸形状を測定する表面形状測定方法であって、スポット光もしくはスリット光を照射して三角測距を行う光学式変位計で、相対的に移動する物体の表面を走査して、前記光学式変位計と前記物体の表面との変位を測定し、測定した変位信号から物体表面の凹凸形状を取得し、前記変位信号と同期して、前記光学式変位計が受光する反射光強度を反射光強度信号として取得し、前記凹凸形状からうねりを取除いて補正凹凸形状を算出し、前記補正凹凸形状の物体表面からの変化の絶対値が所定の閾値以上かつ対応する前記反射光強度信号が所定強度以上である範囲を、凹部の底部範囲または凸部の山部範囲として特定し、前記底部範囲または山部範囲内にある前記補正凹凸形状から凹部の深さまたは凸部の高さを算出し、前記補正凹凸形状の物体表面からの変化の絶対値が前記所定の閾値より小さくかつ対応する前記反射光強度信号が所定強度以上である点のうち前記底部範囲または山部範囲の両端より外側で最も近い点を凹凸部のエッジとしてそれぞれ検出し、検出したエッジ間の距離から凹部または凸部の幅を算出することを特徴とする表面形状測定方法である。

本発明は、鋼板表面に加工された微小凹凸形状の断面形状、特に溝深さおよび溝幅を光学式変位計で測定するにあたり、変位信号に加えて反射光強度信号に基いて溝深さ検出、エッジ検出そして溝幅検出を行うようにしたので、溝の傾斜部からの変位信号の異常値に影響されない正確な溝深さ・溝幅の測定が可能となった。

溝加工された鋼板の溝部を鋼板を移動させながらレーザ変位計で測定して得られた断面形状データの一例を示す図である。 本発明に係わる表面形状測定装置の構成例を示す図である。 凹凸形状補正部における具体的な処理方法を説明する図である。 溝深さと溝幅の具体的な処理方法を説明する図である。

以下、本発明に係わる表面形状測定装置および方法について図面を参照しながら説明する。

図２は、本発明に係わる表面形状測定装置の構成例を示す図である。図中の符号はそれぞれ、１は鋼板、２は変位計ヘッド、３は変位計コントローラ、４は溝形状測定装置、５は表示装置、２１はレーザ光源、２２は集光レンズ、２３は光ポジションセンサ、２４は対物レンズ、２５はレーザ光、２６は反射光、４１は凹凸形状取得部、４２は反射光強度取得部、４３は凹凸形状補正部、４４は溝底部検出部、４５は溝深さ算出部、４６は溝エッジ検出部、および４７は溝幅算出部を表す。

なお、なお、上記４４〜４７については、凹形状すなわち溝形状測定を念頭にした名称を付けているが、凸形状測定に当たっては、山頂部、山高さ、山エッジ、および山幅をそれぞれ、検出または算出するものとする。

本発明に係わる表面形状測定装置は、走行する鋼板１の表面に加工された溝形状を測定するために、変位計ヘッド２、変位計コントローラ３、溝形状測定装置４、および表示装置５の各装置で主に構成される。

そして、変位計ヘッド２は、内部にレーザ光源２１、集光レンズ２２、光ポジションセンサ２３、および対物レンズ２４を備えた三角測距方式の光学式変位計を構成する。レーザ光源２１から発せられたレーザ光２５は、集光レンズ２２を通ってスポット光もしくはスリット光として鋼板１の表面に照射され、その反射光２６が対物レンズ２４によって光ポジションセンサ２３の受光面に結像される。

鋼板１表面と変位計ヘッド２間の距離が変化すると、光ポジションセンサ２３に結像される反射光２６の受光位置が変化するため、光ポジションセンサ２３で受光位置を読み取れば鋼板１表面と変位計ヘッド２間の距離が測定できる（三角測距）。今回対象とした微小溝では、溝の傾斜部からの反射光が弱く受光量不足により、光ポジションセンサでの受光位置読み取り精度が悪くなり、結果として測定変位に異常値が生じやすい。

変位計コントローラ３は、変位計ヘッド２への電源供給とヘッド内各部へのコントロール信号出力を行いながら、光ポジションセンサ２３の出力を読み取り、鋼板１表面の変位ならびに反射光２６の強度を算出する。ここで、変位と反射光強度の算出方法は、光ポジションセンサ２３の種類によって異なる。一般的に、光ポジションセンサ２３には、ＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）、ＣＣＤ、ＣＭＯＳのいずれかの素子が用いられる。

ＰＳＤの場合には、素子が受光したとき素子の両端から２つの光電流Ｉ１とＩ２が得られる。このとき（Ｉ１−Ｉ２）／（Ｉ１＋Ｉ２）の値が、受光重心位置に比例することを利用して変位を算出する。そして、受光強度は、（Ｉ１＋Ｉ２）に比例する値として算出する。

また、ＣＣＤやＣＭＯＳは、小さなフォトダイオードのアレイであり、素子上の受光強度分布が得られるので、変位は受光強度分布の重心位置やピーク位置等により、受光強度は受光強度分布の積分値やピーク値等により算出する。

溝形状測定装置４は、凹凸形状取得部４１、反射光強度取得部４２、凹凸形状補正部４３、溝底部検出部４４、溝深さ算出部４５、溝エッジ検出部４６、および溝幅算出部４７の各部で構成され、変位計コントローラ３より鋼板１表面の変位と同表面からの反射光強度を取得し、各部で処理・演算して鋼板１表面に加工された溝深さと溝幅を算出する。そして、算出した結果は、表示装置５に送られ表示される。次に、上記各部での処理内容を説明する。

先ず、凹凸形状取得部４１は、鋼板１の走行中に変位計コントローラ３が出力する変位信号を連続して読み込み、鋼板１表面の凹凸形状データＹ０（Ｘ）（Ｘは鋼板１上の位置）を取得する。また、反射光強度取得部４２は、凹凸形状取得部４１に同期して反射光強度信号を連続的に読み込み、鋼板１表面からの反射光強度データＬ（Ｘ）を取得する。

次に、凹凸形状補正部４３は、凹凸形状取得部４１で取得した鋼板１表面の凹凸形状から、鋼板１および変位計ヘッド２の振動による影響や鋼板１のたわみなどによる形状変化の影響を除去して、凹凸形状を補正する。

図３は、凹凸形状補正部における具体的な処理方法を説明する図である。図３中（ａ）は、凹凸形状取得部４１で取得した鋼板１表面の凹凸形状Ｙ０（Ｘ）の一例である。凹凸形状Ｙ０（Ｘ）は、ヘッドの振動や鋼板のたわみの影響で全体として大きく波打った、うねりを伴った形状となり、その中に図中に記号ａ１〜ａ４で示す微小溝の形状を確認することができる。

次に、このようなうねりを伴った凹凸形状Ｙ０（Ｘ）からうねりを取除いて、補正した凹凸形状Ｙ（Ｘ）を得る。図３は、処理方法の一例を説明しており、元の凹凸形状Ｙ０（Ｘ）に対して移動平均をとって図中（ｂ）に示すような平滑化した形状Ｙｍ（Ｘ）を算出し、ヘッド振動や鋼板のたわみの成分を抽出する。ここで、移動平均に当たっては、（ｂ）のように微小溝部の形状が見えなくなる程度の平均幅を設定すると良い。

さらに、元の凹凸形状Ｙ０（Ｘ）から平滑化した形状Ｙｍ（Ｘ）を減算することで、図中（ｃ）のようにヘッドの振動や鋼板のたわみが除去され、鋼板表面を変位（高さ）０に補正した凹凸形状Ｙ（Ｘ）を最終的に得る。

なお、平滑化処理には、上記の移動平均の他、適当なローパスフィルタ処理で行っても良い。さらに、上で説明した一連の補正処理(元の信号から平滑化した信号を減算する)は、結局はハイパスフィルタ処理を行っていることになるので、等価なハイパスフィルタ処理で１段階で済ませるようにしても良い。

溝底部検出部４４は、凹凸形状補正部４３で補正した補正凹凸形状データＹ（Ｘ）および反射光輝度取得部４２で取得した対応する反射光輝度データＬ（Ｘ）の両方を用いて、微小溝の底部を検出する。

図４は、溝深さと溝幅の具体的な処理方法を説明する図である。図４（ａ）は変位データ、（ｂ）は反射光輝度データを同期させて示している。なお、図１で示した同じ実測データを用いている。

変位データおよび反射光輝度データそれぞれに対して、所定の閾値ＹｔおよびＬｔを設定する。そして、｜Ｙ（Ｘ）｜≧ＹｔかつＬ（Ｘ）≧Ｌｔなる位置Ｘの範囲を検出する。

図４の例では、上記条件を満たす位置Ｘの範囲として、Ｘ２≦Ｘ≦Ｘ３の範囲が検出され、変位Ｙ（Ｘ）の形状より、溝の底部（もしくは凸部の頂部）にあたる部分が検出されることが判る。なお、この例のように溝部（凹部）の検出に限れば、Ｙ（Ｘ）≦−ＹｔかつＬ（Ｘ）≧Ｌｔなる位置Ｘの範囲を検出するとしてもよい。

続けて溝深さ算出部４５は、前記溝底部検出部４４が検出した溝底部の範囲（図４の例ではＸ２≦Ｘ≦Ｘ３）より｜Ｙ（Ｘ）｜の最大値を探索することにより、溝（凹部）の深さ（もしくは凸部の高さ）ΔＹを算出する。このとき、図１でも説明したように、変位信号のみに頼った従来技術では図４中の記号Ｇで示すような測定に異常値があると溝深さ算出値に大きなエラーを生じるが、本発明ではそのような測定時の異常値に影響されることなく、正しく溝深さを検出できる。

一方、溝エッジ検出部４６は、溝底部検出部４４が検出した溝底部の範囲の外側へ向かって探索して、溝の左右のエッジ位置を検出する。溝エッジ位置は、｜Ｙ（Ｘ）｜＜ＹｔかつＬ（Ｘ）≧Ｌｔを満たす位置Ｘであり、かつ溝底部の左右それぞれで溝底部に最も近い位置として検出される。図４の例では、左側のエッジとしてＸ１、右側のエッジとしてＸ４がそれぞれ検出される。

続けて溝幅算出部４７は、溝エッジ検出部４６が検出した２点の溝エッジ間の距離ΔＸ（＝｜Ｘ４−Ｘ１｜）を算出し、算出したΔＸを溝幅として出力する。ここで、図１で説明したように、従来技術では反射光輝度が急激に低下するために測定不安定となる溝エッジ付近の形状から溝エッジ位置を算出するのに比べて、本発明では反射光輝度が急激に低下する位置を溝エッジとして検出するので、溝幅測定精度が大幅に向上可能である。

なお、溝形状測定装置４の実現に当たっては、電気回路や、それと等価な演算を行うプログラムおよびコンピュータ装置および、それらの組合せによって実現するようにすればよい。

これまで凹形状の形状測定について説明を行ってきたが、凸形状の形状測定についても同様な処理方法が適用可能である。また、薄鋼板の表面に加工された微小溝の形状測定を例に説明を行ってきたが、本発明はこの実施の形態に限定されるべきものではなく、物体表面の凹凸形状を測定する表面形状測定すべてに適用可能である。

１ 鋼板
２ 変位計ヘッド
３ 変位計コントローラ
４ 溝形状測定装置
５ 表示装置
２１ レーザ光源
２２ 集光レンズ
２３ 光ポジションセンサ
２４ 対物レンズ
２５ レーザ光
２６ 反射光
４１ 凹凸形状取得部
４２ 反射光強度取得部
４３ 凹凸形状補正部
４４ 溝底部検出部
４５ 溝深さ算出部
４６ 溝エッジ検出部
４７ 溝幅算出部

Claims (2)

1. 物体表面の凹凸形状を測定する表面形状測定装置であって、
   スポット光もしくはスリット光を照射して行う三角測距を、相対的に移動する物体の表面を走査して行い、前記物体の表面との変位を測定する光学式変位計と、
   該光学式変位計で測定した変位信号から物体表面の凹凸形状を取得する、凹凸形状取得部と、
   前記変位信号と同期して、前記光学式変位計が受光する反射光強度を反射光強度信号として取得する、反射光強度取得部と、
   前記凹凸形状からうねりを取除いて補正凹凸形状を算出する、凹凸形状補正部と、
   前記補正凹凸形状の物体表面からの変化の絶対値が所定の閾値以上かつ対応する前記反射光強度信号が所定強度以上である範囲を、凹部の底部範囲または凸部の山部範囲として特定する、溝底部検出部と、
   前記底部範囲または山部範囲内にある前記補正凹凸形状から凹部の深さまたは凸部の高さを算出する、溝深さ算出部と、
   前記補正凹凸形状の物体表面からの変化の絶対値が前記所定の閾値より小さくかつ対応する前記反射光強度信号が所定強度以上である点のうち前記底部範囲または山部範囲の両端より外側で最も近い点を凹凸部のエッジとしてそれぞれ検出する、溝エッジ検出部と、
   検出したそれぞれのエッジ間の距離から凹部または凸部の幅を算出する、溝幅算出部と、
   を備えたことを特徴とする表面形状測定装置。
2. 物体表面の凹凸形状を測定する表面形状測定方法であって、
   スポット光もしくはスリット光を照射して三角測距を行う光学式変位計で、相対的に移動する物体の表面を走査して、前記光学式変位計と前記物体の表面との変位を測定し、測定した変位信号から物体表面の凹凸形状を取得し、
   前記変位信号と同期して、前記光学式変位計が受光する反射光強度を反射光強度信号として取得し、
   前記凹凸形状からうねりを取除いて補正凹凸形状を算出し、
   前記補正凹凸形状の物体表面からの変化の絶対値が所定の閾値以上かつ対応する前記反射光強度信号が所定強度以上である範囲を、凹部の底部範囲または凸部の山部範囲として特定し、
   前記底部範囲または山部範囲内にある前記補正凹凸形状から凹部の深さまたは凸部の高さを算出し、
   前記補正凹凸形状の物体表面からの変化の絶対値が前記所定の閾値より小さくかつ対応する前記反射光強度信号が所定強度以上である点のうち前記底部範囲または山部範囲の両端より外側で最も近い点を凹凸部のエッジとしてそれぞれ検出し、
   検出したエッジ間の距離から凹部または凸部の幅を算出することを特徴とする表面形状測定方法。

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