JP6923097B1 - ワーク形状計測装置、ワーク形状計測システム、ワーク形状計測方法およびワーク形状計測プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】凹部または凸部が設けられたワークの表面の変位を計測する際に、ワークの形状を精度よく計測する。【解決手段】ワーク形状計測装置において、変位取得部が、移動方向に移動している変位センサから、ワーク９０の表面９１の変位の計測結果を逐次取得する。補正区間抽出部は、変位の計測結果が移動方向の位置の変化に応じて連続的に増加または減少している区間を、凹部９２または凸部９３と表面９１との境界９５が含まれている補正区間αとして抽出する。補正部は、補正区間抽出部で抽出された補正区間αの内側で、境界９５の位置を導出し、境界９５で変位が急峻に変化するように計測結果を補正する。【選択図】図３

Description

本発明は、ワークの表面の変位を計測し、ワークの形状を計測するワーク形状計測装置、およびこれを備えるワーク形状計測システム、ワーク形状計測方法、並びにワーク形状計測プログラムに関する。

ワークの形状を計測するため、ワークの表面の変位を計測する変位センサを用いる場合がある。
例えば、特許文献１では、二次元レーザ変位計が用いられている。二次元レーザ変位計は、ワークを搬送するベルトコンベヤの走行方向と直交する線上にレーザを照射して、線上におけるワークのスライスデータを取得する。

特開２０１８−２０２５１２号公報

ワークの中には、その表面に孔、溝、突起あるいはリブのような凹凸が設けられているものがある。凹凸と表面との境界では、凹部の深さや凸部の高さに応じた変位がある。
そして、例えば、この境界がレーザの照射範囲（レーザスポット径）内を通過するとき、照射範囲内には表面と凹凸とが両方含まれた状態となる。変位センサの計測結果が、表面の高さを示す値でも凹凸の高さを示す値でもない、曖昧な数値になるおそれがある。よって、境界の位置を精度よく抽出し、凹凸の位置および形状を精度よく計測することが困難であった。

そこで、本発明は、凹凸が設けられたワークの表面の変位を計測する際に、凹凸の形状を精度よく計測することを目的としている。

本発明の一形態に係るワーク形状計測装置は、変位センサ制御部、移動制御部、変位取得部、補正区間抽出部、および補正部を備え、変位センサおよび移動機構と協働する。変位センサは、凹部または凸部が設けられたワークの表面と対向配置される。移動機構は、変位センサをワークに対して対向方向に直交する移動方向に相対移動させる。変位センサ制御部は、変位センサを制御し、変位センサに、ワークの表面に点状の光を照射させ、対向方向におけるワークの表面の変位を計測させる。移動制御部は、移動機構を駆動させる。変位取得部は、移動方向に移動している変位センサから、変位の計測結果を逐次取得する。補正区間抽出部は、計測結果が移動方向の位置の変化に応じて連続的に増加または減少している区間を、凹部または凸部と表面との境界が含まれている補正区間として抽出する。補正部は、補正区間抽出部で抽出された補正区間の内側で、境界の位置を導出し、境界で変位が急峻に変化するように計測結果を補正する。

ここで、変位センサの計測結果が連続的に増加または減少する区間、すなわち、計測結果が曖昧な数値を示し続ける区間では、凹部または凸部と表面との境界が点状の光の照射範囲を通過していた蓋然性が高い。上記構成では、当該区間が補正区間として抽出される。そして、補正区間の内側で、境界の位置が導出され、導出された位置で変位がより急峻に変化するように計測結果が補正される。

これにより、境界付近での変位の変化が鮮明化され、凹部または凸部の形状を精度よく計測することができる。
なお、計測結果の増加と減少とが短周期で入れ換わる場合には、単に、微視的には非平坦の表面の変位が精度よく計測されているものと考えられる。連続的に増加または減少する区間であるか否かを判定することで、境界の有無を判別することができる。

ここで、凹部または凸部の周面がワークの表面に対して垂直である場合には、変位センサがスポット径に相当する距離だけ移動する間、境界が光の照射範囲内を通過する。凹部または凸部の周面がワークの表面に垂直な方向に対して傾斜するテーパ面を成している場合には、変位センサがスポット径に相当する距離に傾斜に応じた距離を加算した距離だけ移動する間、境界が光の照射範囲内を通過する。変位センサがスポット径に相当する距離を移動する前に、変位の連続的な変化が終わる場合には、凹部または凸部の境界のような特徴的な形状が、当該移動区間内には含まれていないと考えられる。

そこで、補正区間抽出部は、計測結果が移動方向において所定距離以上連続的に増加または減少している場合に、その連続的に変化している区間を前記補正区間として抽出してもよい。この場合において、所定距離が、ワークに照射される光のスポット径に基づいて予め定められていてもよい。
これにより、補正区間は、計測結果が所定距離以上連続的に増加または減少している区間となり、このような補正区間内には、境界が含まれている蓋然性が高い。凹部または凸部の境界のような特徴的な形状を、看過することなく、精度よく計測することができる。

補正部は、補正区間の中央を境界の位置として導出してもよい。
これにより、境界の位置の導出が容易である。
ここで、凹部または凸部の周面がワークの表面に垂直な方向に対して傾斜する場合には、境界が光の照射範囲内を通過し終えるために必要な変位センサの移動距離が、長くなる。

そこで、補正部は、補正区間の移動方向の寸法に応じて、境界の移動方向の寸法を導出してもよい。
これにより、境界の傾斜を考慮に入れて、凹部または凸部の形状を精度よく計測することができる。
補正部は、境界で、補正区間の第１端での計測結果である第１端変位値から、補正区間の第２端での計測結果である第２端変位値まで、変位が変化するように計測結果を補正してもよい。

上記構成において、第１端変位値および第２端変位値は、補正区間内で連続的に増加または減少する計測結果の最大値および最小値に相当する。これら２つの変位値を、補正区間の内側に導出された境界の位置で繋ぐことで、計測結果が急峻に変化するように補正される。
この補正により、計測結果を境界付近の実際の形状により近づけることができ、凹部または凸部の形状を精度よく計測することができる。

補正部は、補正区間のうち第１端から境界までの第１区間において、変位が第１端変位値で推移するように計測結果を補正してもよい。補正部は、補正区間のうち境界から第２端までの第２区間において、変位が第２端変位値で推移するように計測結果を補正してもよい。
補正前において、計測結果は、補正区間の全体をかけて、第１端変位値から第２端変位値へと変化する。これに対し、補正後においては、計測結果が、補正区間の第１端から境界までは第１端変位値に補正され、境界で第１端変位値から第２端変位値へとより急峻に変化するよう補正され、境界から補正区間の第２端までは第２端変位値に補正される。

この補正により、補正区間内の計測結果を、境界およびその周辺領域の実際の形状により近づけることができ、ワークの形状を精度よく計測することができる。
ワーク形状計測装置は、補正部によって導出された境界の位置に基づいて、対向方向に見たときの凹部または凸部の中心位置を計測する中心位置計測部を更に有してもよい。
上記構成によれば、境界付近の形状が精度よく計測されているので、その計測結果に基づいて、凹部または凸部の中心位置も精度よく計測することができる。

ワーク形状計測装置は、補正部によって導出された境界の位置に基づいて、ワークを対向方向に見たときの凹部または凸部の形状を計測する形状計測部を更に有してもよい。
上記構成によれば、境界付近の形状が精度よく計測されているので、その計測結果に基づいて、凹部または凸部の全体の形状も精度よく計測することができる。
本発明の一形態に係るワーク形状システムは、上記ワーク形状計測装置、変位センサおよび移動機構を備える。変位センサは、凹部または凸部が設けられたワークの表面と対向配置され、ワークの表面に点状の光を照射し、対向方向におけるワークの表面の変位を計測する。移動機構は、変位センサをワークに対して対向方向に直交する移動方向に相対移動させる。

上記システムは、上記ワーク形状計測装置の技術的特徴と対応する技術的特徴を具備している。したがって、境界付近での変位の変化を鮮明化して、凹部または凸部の形状を精度よく計測することができる。
変位センサは、ワークの表面上に照射された光の照射範囲内における複数個所の変位の平均値を単一の計測結果として出力してもよい。

この変位センサでは、境界が光の照射範囲内を通過すると、計測結果が、表面の変位を示す値でもなく凹部の底面または凸部の頂面の変位を示す値でもない、曖昧な数値を示すおそれがある。このような場合にも、ワーク形状計測が、境界の位置を導出して計測結果を補正するので、ワークの形状を精度よく計測することができる。
ここで、二次元レーザ変位計における計測原理は一般的に三角測量に従っており、光の射出方向に対して傾斜する方向に戻る反射光を検知することで、光が照射された部位の変位を計測する。このため、光が凹部内に照射された場合、この傾斜方向の反射光が凹部の内周面に遮られて二次元レーザ変位計に戻ることができないおそれがある。

そこで、変位センサが、光を対向方向に射出し、ワークの表面から光の射出方向と同じ方向に戻る反射光を検知し、光が照射された部位の変位を計測してもよい。
この変位センサは、いわゆる「同軸型」である。このため、ワークの表面に凹部があっても、変位センサは反射光を検知することができる。このような変位センサがワークに対して相対移動するため、凹部の形状を精度よく計測することができる。

変位センサは、共焦点光学系を有してもよい。
この変位センサは、いわゆる「同軸共焦点型」である。このため、表面の変位ひいてはワークの形状を、例えば三角測量を測定原理とするセンサと比べ、一層精度よく計測することができる。
移動機構が、対向方向と直交する第１移動方向に変位センサを移動させる第１移動機構と、対向方向および第１移動方向に直交する第２移動方向にワークを移動させる第２移動機構と、を有してもよい。

これにより、変位センサのワークに対する位置を第１移動方向と第２移動方向とで独立して制御することができる。第１移動方向の位置ごとに変位を計測することができ、第２移動方向の位置ごとに変位を計測することができる。
本発明の一形態に係るワーク形状計測方法は、変位センサ制御工程、移動制御工程、変位取得工程、補正区間抽出工程および補正工程を備える。変位センサ制御工程では、凹部または凸部が設けられたワークの表面と対向配置された変位センサを制御し、変位センサに、ワークの表面に点状の光を照射させて、対向方向におけるワークの表面の変位を計測させる。移動制御工程では、変位センサをワークに対して対向方向に直交する移動方向に相対移動させる移動機構を駆動させる。変位取得工程では、移動方向に移動している変位センサから、変位の計測結果を逐次取得する。補正区間抽出工程では、計測結果が移動方向の位置の変化に応じて連続的に増加または減少している区間を、凹部または凸部と表面との境界が含まれている補正区間として抽出する。補正工程では、補正区間の内側で、境界の位置を導出し、境界で変位が急峻に変化するように計測結果を補正する。

本発明の一形態に係るワーク形状計測プログラムは、上記のワーク形状計測方法をコンピュータに実行させる。
上記方法およびプログラムは、上記ワーク形状計測装置の技術的特徴と対応する技術的特徴を具備している。したがって、境界付近での変位を鮮明化して、凹部または凸部の形状を精度よく計測することができる。

本発明によれば、凹凸が設けられたワークの表面の変位を計測する際に、凹凸の形状を精度よく計測することができる。

本発明の実施形態に係るワーク形状計測装置およびこれを備えるワーク形状計測システムを示すブロック図である。 ワーク形状計測システムを示す斜視図である。 （Ａ）は、ワークの一例を示す平面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）のＢ−Ｂ矢視図である。（Ｃ）は、変形例に係る境界を示す図である。 変位センサの構成を示す模式図である。 変位センサの動作を示す正面図である。 （Ａ）は、境界が表面に垂直な方向（光の射出方向）に対して傾斜していない場合における、変位センサの計測結果を示す図である。（Ｂ）は、（Ａ）のＢ−Ｂ矢視図である。 （Ａ）は、境界が傾斜している場合における、変位センサの計測結果を示す図である。（Ｂ）は、（Ａ）のＢ−Ｂ矢視図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、境界が傾斜していない場合における、補正区間内での計測結果の補正処理を示す図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、境界が傾斜している場合における、補正区間内での計測結果の補正処理を示す図である。 本発明の実施形態に係るワーク形状計測方法を示すフローチャートである。 変位センサの移動経路を示す図である。 中心位置の計測処理を示す図である。 形状の計測処理を示す図である。 （Ａ）および（Ｂ）が正方形の凹部、（Ｃ）が長方形の凹部、（Ｄ）が正多角形の凹部を示す図である。 （Ａ）が、正方形の凹部の形状を実施形態に係る移動経路を適用して計測する処理を示す図である。（Ｂ）が、正方形の凹部の形状を変形例に係る移動経路を適用して計測する処理を示す図である。 変形例に係る境界の位置の導出処理を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。全図を通じて同一のまたは対応する要素には同一の符号を付して詳細説明の重複を省略する。
（ワーク形状計測システム）
図１および図２は、本発明の第１実施形態に係るワーク形状計測システム１００を示す。ワーク形状計測システム１００は、ワーク形状計測装置１、変位センサ２、ワーク支持装置３、センサ支持フレーム４、移動機構５、および位置センサ８を備えている。移動機構５は、第１移動機構６および第２移動機構７を有する。位置センサ８は、第１位置センサ９および第２位置センサ１０を有する。

ワーク形状計測装置１は、ＣＰＵ、メモリおよび入出力インタフェースを有するコンピュータである。ワーク形状計測装置１は、例えば、１台以上のＰＬＣ（Programmable Logic Controller）、サーバ装置あるいはこれらの複合によって実現される。なお、ワーク形状計測装置１は、変位センサ２の筐体２１（図４を参照）に内蔵されるコンピュータを含んでもよい。

ワーク形状計測装置１は、変位センサ２、第１移動機構６、第２移動機構７、第１位置センサ９および第２位置センサ１０と通信可能に接続される。
更に、ワーク形状計測装置１は、ワーク形状計測システム１００が導入された生産現場の作業員により操作される端末装置８０と通信可能に接続される。端末装置８０は、例えばパーソナルコンピュータであり、ワーク形状計測システム１００の動作条件を入力するキーボード等の入力装置や、計測結果などを表示するディスプレイも有する。

ワーク形状計測装置１のメモリは、コンピュータの一例であるワーク形状計測装置１に本実施形態に係るワーク形状計測方法（図１０を参照）を実行させるワーク形状計測プログラムを格納している。ＣＰＵは、メモリに格納されるワーク形状計測プログラムを読み出し、ワーク形状計測プログラムによって指示される手順に従って情報処理を実行する。これにより、ワーク形状計測方法が実行される。

ワーク形状計測システム１００は、変位センサ２を用いてワーク９０の表面９１の変位を計測し、それによりワーク９０の形状を計測する。ワーク形状計測システム１００は、表面９１上に凹部９２または凸部９３が設けられているワーク９０、特に、その凹部９２および凸部９３が微細であるワーク９０の形状の計測に好適に用いられる。ワーク９０の種類、全体形状および材質は、特に限定されない。

図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示すように、本実施形態では、ワーク９０が、全体として薄板状である。ワーク９０は、例えば、半導体製造の後工程の一つであるシンギュレーションで用いられるカッティングプレートである。ワーク９０は、矩形状のフレーム部材９０ａと、その内側に嵌め込まれた吸着部材９０ｂとを有する。吸着部材９０ｂの上面は、ワーク９０の表面９１を成している。

フレーム部材９０ａには、両側縁から突出する一対のフランジが設けられ、取付孔９２ａが、各フランジに形成されている。吸着部材９０ｂには、マトリクス状に配列された多数の吸着孔９２ｂが形成されている。取付孔９２ａおよび吸着孔９２ｂは、表面９１から下方へ窪んだ凹部９２の一例である。フレーム部材９０ａのうち吸着部材９０ｂを取り囲んでいる部分は、表面９１から上方へ突出した凸部９３の一例である。

凹部９２は、例えば非貫通の円孔である。取付孔９２ａは吸着孔９２ｂよりも大きい径を有する。参照符号「φ９２」は凹部９２の直径、参照符号「Ｄ９２」は凹部９２の深さ（表面９１から凹部９２の底面までの高さ）である。
ワーク９０には、凹部９２と表面９１との間に境界９５が形成される。境界９５とは、凹部９２の表面９１上の開口縁、あるいは、表面９１と凹部９２の底面との間の段差面である。なお、ワーク９０には、凸部９３と表面９１との間にも、同様の境界９５が形成される。

図３（Ｂ）に示す例では、境界９５が、表面９１と垂直な方向（板厚方向）に対して傾斜していない。図３（Ｃ）に示す例では、取付孔９２ａが板厚方向に対して傾斜している。参照符号「Ｗ９５」は、境界９５の寸法（幅）である。図３（Ｂ）に示す例では、境界９５の寸法はゼロ値である。図３（Ｃ）に示す例では、境界９５が傾斜に応じた寸法Ｗ９５を有する。取付孔９２ａは円孔である。この場合、寸法Ｗ９５は、取付孔９２ａの表面９１側の半径と、取付孔９２ａの底側の半径との差である。
このようなワーク９０を生産する現場では、作業員が、出荷前に凹部９２（特に、より微細な吸着孔９２ｂ）の位置および形状が公差に収まっているか否かを確かめる検品作業を行う。ワーク形状計測システム１００は、この検品作業の省力化を支援し、出荷されるワーク９０の品質向上を支援することができる。

（変位センサ）
図４は、変位センサ２を示す。変位センサ２は、複数の波長の光を含む白色光を射出し、射出される光Ｌおよびその反射光を共焦点光学系１２で調整する。変位センサ２で検知される反射光は、射出される光と同軸状である。すなわち、本実施形態に係る変位センサ２は、いわゆる「白色同軸共焦点型」である。

変位センサ２は、ヘッド１１および筐体２１を有する。ヘッド１１は、共焦点光学系１２を内蔵し、光Ｌを射出する。筐体２１は、光源２２、分光器２３、受光部２４および制御回路２５を内蔵する。ヘッド１１は、筐体２１から物理的に離され、可撓性を有する光ファイバ２０を介して筐体２１と機械的に接続される。光ファイバ２０は、共焦点光学系１２を光源２２および分光器２３と光学的に接続する。

ヘッド１１は、筒状に形成され、その軸方向両端に対物面およびその反対面を有する。対物面は、ワーク９０の表面９１と対向される。反対面には、光ファイバ２０ａのヘッド側開口端が設けられる。光ファイバ２０ａの筐体側端部は、筐体２１内で光ファイバ２０ｄの一端に接続される。光ファイバ２０ｄの他端は、二股に分かれており、光ファイバ２０ｂを介して光源２２に接続され、また、光ファイバ２０ｃを介して分光器２３に接続される。

光源２２は、複数の波長の光（例えば、白色光）を出射する。白色発光ダイオード（ＬＥＤ）は、光源２２の好適例である。光源２２から出射された光は、光ファイバ２０ｂ，２０ｄ，２０ａを介してヘッド１１内へ導かれ、共焦点光学系１２により調整され、ヘッド１１の対物面よりワーク９０に向けて射出される。光軸は、ヘッド１１の中心軸上に位置付けられている。

共焦点光学系１２は、回折レンズ１３、対物レンズ１４および集光レンズ１５を有する。回折レンズ１３は、光源２２から出射された光に、光軸方向に沿って色収差を生じさせる。対物レンズ１４は、回折レンズ１３に対して対物面側に配置され、回折レンズ１３で色収差を生じさせた光をワーク９０の表面９１上に集光する。集光レンズ１５は、回折レンズ１３に対して反対面側に配置され、光ファイバ２０の開口数（ＮＡ）と回折レンズ１３の開口数とを一致させるように調整する。

対物レンズ１４で集光された光は、ワーク９０の表面９１上に点状に照射され、表面９１上で反射する。反射光は、射出方向と同じ方向に戻る。共焦点光学系１２は、ワーク９０の表面９１上で合焦した光を、光ファイバ２０ａのヘッド側開口端で合焦させる。ヘッド側開口端は、対物レンズ１４で集光された光のうち、ワーク９０の表面９１上で合焦した光を通過させ、ワーク９０の表面９１上で合焦しない波長の光を遮光する。すなわち、ヘッド側開口端は、ピンホールとして機能する。ヘッド側開口端を通過した光は、光ファイバ２０ａ，２０ｄ，２０ｃを介し、分光器２３に導かれる。

分光器２３は、ヘッド１１から戻る光を波長ごとに分ける回折格子２３ｂを有する。凹面ミラー２３ａは、ヘッド１１から戻る光を反射して回折格子２３ｂに入射させる。集光レンズ２３ｃは、回折格子２３ｂから出射された光を受光部２４上で集光する。
受光部２４は、分光器２３から出射される光の強度を波長ごとに計測する。受光部２４は、例えば、光電変換素子で構成される。電荷結合素子（ＣＣＤ）または相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）を用いたイメージセンサは、受光部２４の好適例である。
制御回路２５は、光源２２および受光部２４の動作を制御する。また、制御回路２５は、受光部２４で得られた波長ごとの光の強度に基づき、ヘッド１１の軸方向（光軸方向）におけるワーク９０の表面９１の変位を計測する計測部２６（図１を参照）として機能する。

（変位計測）
図５に示すように、変位センサ２は、対物面がワーク９０の表面９１から光軸方向に間隔をあけた状態で表面９１と光軸方向に対向するように、配置される。

以下、この対向する方向を「対向方向Ｚ」という。また、対向方向Ｚに直交する平面内の方向を「移動方向」という。対向方向Ｚに直交する平面内において、或る一つの直線的な方向を「第１移動方向Ｘ」とし、第１移動方向Ｘに垂直な方向を「第２移動方向Ｙ」とする。対向方向Ｚは、光Ｌの光軸方向（射出方向）に相当し、ワーク９０の表面９１に垂直な方向（板厚方向）に相当する。また、本実施形態では、好適例として、対向方向Ｚが鉛直であり、移動方向Ｘ、Ｙが水平である。そのため、対向方向Ｚを上下、移動方向Ｘ、Ｙを前後左右で表す場合がある。

変位センサ２は、対物面から光Ｌを対向方向Ｚに射出する。光Ｌは、ワーク９０の表面９１上に点状に照射される。以下、表面９１上の点状の光を「スポット光ｓ」という。スポット光ｓは、スポット径φｓを直径とする円形状である。共焦点光学系１２の作用で、光Ｌは先細りの円錐状である。
受光部２４は、反射光を検知し、計測部２６は、対向方向Ｚにおいて或る基準位置に対する表面９１の変位を計測する。「基準位置」は、どこに設定されていてもよい。本実施形態では、単なる一例として、基準位置が対物面上に設定されている。変位センサ２は、対物面からの対向方向Ｚにおける距離を、変位の計測結果として出力する。

右位置にある変位センサ２を参照して、スポット光ｓが表面９１上に照射された場合には、変位の計測結果が、対物面から表面９１までの距離Ｚ９１を示す値となる。左位置にある変位センサ２を参照して、スポット光ｓが凹部９２の底面上で照射された場合には、変位の計測結果が、対物面から底面までの距離Ｚ９２を示す値となる。２つの計測結果に基づいて、凹部９２の深さＤ９２を検知することができる。

一般的なレーザ変位計のように変位の計測原理が三角測量に従う場合、センサは、射出方向に対して傾斜する方向に戻る反射光（破線を参照）を検知する。そのため、反射光が凹部９２の内周面に遮られ、変位を計測できないおそれがある。これに対し、本実施形態では、変位センサ２が、同軸型であり、凹部９２の底面から射出方向と同じ方向に戻る反射光を検知する。このため、反射光がワーク９０で遮られるおそれがなく、変位を安定して計測することができる。よって、ワーク９０の凹凸形状をより精緻に計測することができる。

変位センサ２の対向方向Ｚにおける位置を固定し、ヘッド１１の姿勢を固定して、ヘッド１１を移動方向に移動させることで、当該移動方向および対向方向Ｚによって定義される二次元形状を示すデータ（いわゆる「スライスデータ」）が得られる。
二次元レーザ変位計を用いずに、変位センサ２のワーク９０に対する第１移動方向Ｘの位置ごとに変位を測定することができる。
ヘッド１１は、共焦点光学系１２を内蔵するが、光源２２および受光部２４を含まない。ヘッド１１が小型軽量化されているため、小さいエネルギーでヘッド１１を高速で移動させることができる。ヘッド１１を筐体２１に接続する光ファイバ２０は、可撓性を有する。このため、ヘッド１１の移動が阻害されない。

（支持機構）
図２に戻り、ワーク支持装置３およびセンサ支持フレーム４は、ワーク９０の生産現場の床面上に定置される。ワーク支持装置３は、ワーク９０を支持する。センサ支持フレーム４は、変位センサ２を支持する。

センサ支持フレーム４は、一例として、門形状あるいは橋形状に形成されている。センサ支持フレーム４は、一対の柱と、柱の上端部同士を繋ぐ梁とを有する。梁は、第１移動方向Ｘに延びている。ワーク支持装置３は、第１移動方向Ｘにおいて一対の柱の間に配置され、対向方向Ｚにおいて梁の下方に配置される。
移動機構５は、変位センサ２をワーク９０に対して移動方向Ｘ、Ｙに相対移動させる。第１移動機構６は、センサ支持フレーム４に設けられている。第１移動機構６は、変位センサ２を床面に対して第１移動方向Ｘに移動させる。第２移動機構７は、ワーク支持装置３に設けられている。第２移動機構７は、ワーク９０を床面に対して第２移動方向Ｙに移動させる。

図１および図２に示すように、第１移動機構６は、案内部材６ａ、保持部材６ｂ、第１移動アクチュエータ６ｃ、第１動力伝達機構６ｄおよび第１エンコーダ６ｅを有する。案内部材６ａは、梁の正面に取り付けられ、第１移動方向Ｘに延びている。保持部材６ｂは、第１移動方向Ｘに往復移動可能に案内部材６ａに支持されている。保持部材６ｂは、対向方向Ｚにおいて床面に対するヘッド１１の位置が固定されるように、また、光軸に直交する軸周りのヘッド１１の姿勢が固定されるように、変位センサ２のヘッド１１を保持する。ヘッド１１は、保持部材６ｂおよび案内部材６ａを介してセンサ支持フレーム４に支持され、対向方向Ｚに光Ｌを射出する。

第１移動アクチュエータ６ｃは、保持部材６ｂおよびこれに保持されたヘッド１１を移動させるための動力を発生する。第１動力伝達機構６ｄは、第１移動アクチュエータ６ｃで発生された動力を保持部材６ｂに伝達する。第１移動アクチュエータ６ｃは、例えばサーボモータであり、回転動力を発生する。第１動力伝達機構６ｄは、例えばボールねじ機構、ラック・ピニオン機構あるいはベルト・プーリ機構のように、回転を第１移動方向Ｘへの直線運動に変換する。第１エンコーダ６ｅは、第１移動アクチュエータ６ｃの動作量あるいは位置を検出する。

第２移動機構７は、可動支持体７ａ、第２移動アクチュエータ７ｂ、第２動力伝達機構７ｃおよび第２エンコーダ７ｄを有する。可動支持体７ａは、平板状に形成され、ワーク支持装置３のフレーム３ａ上に第２移動方向Ｙに移動可能に支持される。ワーク９０は、可動支持体７ａの上面上に載置され、ワーク９０の表面９１は上方のヘッド１１と対向される。

第２移動アクチュエータ７ｂは、可動支持体７ａおよびこれに支持されたワーク９０を移動させるための動力を発生する。第２動力伝達機構７ｃは、第２移動アクチュエータ７ｂで発生された動力を可動支持体７ａに伝達する。第２移動アクチュエータ７ｂは、例えばサーボモータであり、回転動力を発生する。第２動力伝達機構７ｃは、例えばボールねじ機構のように、回転を第２移動方向Ｙへの直線運動に変換する。第２エンコーダ７ｄは、第２移動アクチュエータ７ｂの動作量あるいは位置を検出する。

ヘッド１１は、ワーク９０の表面９１の全域と対向可能なように、ワーク９０に対して第１移動方向Ｘおよび第２移動方向Ｙに相対移動することができる。また、変位センサ２のワーク９０に対する位置が、第１移動方向Ｘと第２移動方向Ｙとで独立して制御される。第１移動方向Ｘの位置ごとに変位が計測され、第２移動方向Ｙの位置ごとに変位が計測される。
変位センサ２の対向方向Ｚの位置が固定されるため、変位の計測結果が安定する。ワーク９０が可動支持体７ａに支持されて対向方向Ｚの位置が固定されるため、変位の計測結果が安定する。

（位置検出）
第１位置センサ９は、変位センサ２のヘッド１１のワーク９０に対する第１移動方向Ｘの位置を検出する。本実施形態では、第１位置センサ９が、第１リニアスケール９Ａによって構成されている。第１リニアスケール９Ａは、第１移動機構６によるセンサ可動範囲に隣接して設置される。具体的には、センサ支持フレーム４の梁に取り付けられ、案内部材６ａと平行に設けられている。第１リニアスケール９Ａは、センサ可動範囲内の変位センサ２の第１移動方向Ｘの位置を監視する。

第２位置センサ１０は、変位センサ２のヘッド１１のワーク９０に対する第２移動方向Ｙの位置を検出する。本実施形態では、第２位置センサ１０が、第２リニアスケール１０Ａによって構成されている。第２リニアスケール１０Ａは、第２移動機構７によるワーク可動範囲に隣接して設置される。具体的には、床面あるいはフレーム３ａに設けられている。第２リニアスケール１０Ａは、当該ワーク可動範囲内のワーク９０の第２移動方向Ｙの位置を監視する。

第１エンコーダ６ｅは、第１位置センサ９として機能し得る。第２エンコーダ７ｄは、第２位置センサ１０として機能し得る。しかし、これらの検出結果には、第１動力伝達機構６ｄあるいは第２動力伝達機構７ｃのバックラッシが含まれる。本実施形態では、変位センサ２およびワーク９０の位置を直接的に監視するため、変位センサ２のワーク９０に対する相対位置を精度よく検出することができる。

（ワーク形状計測装置）
図１に示すように、ワーク形状計測装置１は、ワーク形状計測プログラムを実行することで、記憶部３０、入力部３１、出力部３２、変位センサ制御部３３、移動制御部３４、変位取得部３５、位置取得部３６、位置同期部３７、補正区間抽出部３８、補正部３９、中心位置計測部４１、形状計測部４２および判定部４３を有する。移動制御部３４は、第１移動制御部３４ａおよび第２移動制御部３４ｂを有する。位置取得部３６は、第１位置取得部３６ａおよび第２位置取得部３６ｂを有する。

記憶部３０は、ワーク形状計測プログラムの実行に必要な情報あるいはデータを記憶する。
入力部３１は、端末装置８０からワーク形状計測システム１００の動作条件を入力する。動作条件には、中心位置計測部４１で中心位置を計測するモードや、形状計測部４２で形状を計測するモードなど、複数の動作モードが含まれる。移動制御部３４は、入力された動作条件（動作モード）に従って、動作モードごとに予め決められた移動経路に沿って変位センサ２をワーク９０に対して移動方向Ｘ、Ｙに相対移動させる。

出力部３２は、端末装置８０に形状の計測結果を出力する。端末装置８０は、そのディスプレイに、出力部３２からの出力結果を表示する。
変位センサ制御部３３は、変位センサ２の動作を制御する。変位センサ制御部３３は、変位センサ２の制御回路２５によって実現されていてもよい。
移動制御部３４は、移動機構５の動作を制御し、変位センサ２のワーク９０に対する移動方向の位置を制御する。移動制御部３４は、第１移動機構６の動作を制御する第１移動制御部３４ａと、第２移動機構７の動作を制御する第２移動制御部３４ｂとを有する。

第１移動制御部３４ａは、第１エンコーダ６ｅの検出結果を参照し、入力された動作条件に従って第１移動アクチュエータ６ｃの動作を制御する。それにより、第１移動制御部３４ａは、変位センサ２のワーク９０に対する第１移動方向Ｘの位置を制御する。
第２移動制御部３４ｂは、第２エンコーダ７ｄの検出結果を参照し、入力された動作条件に従って第２移動アクチュエータ７ｂの動作を制御する。それにより、第２移動制御部３４ｂは、変位センサ２のワーク９０に対する第２移動方向Ｙの位置を制御する。

変位取得部３５は、計測部２６によって導出される計測結果を、変位センサ２から逐次取得する。位置取得部３６は、変位センサ２のワーク９０に対する移動方向の位置の検出結果を、位置センサ８から逐次取得する。位置取得部３６は、第１位置センサ９（第１リニアスケール９Ａ）から検出結果を取得する第１位置取得部３６ａと、第２位置センサ１０（第２リニアスケール１０Ａ）から検出結果を取得する第２位置取得部３６ｂとを有する。

変位センサ２は、移動制御部３４によりワーク９０に対して移動方向Ｘ、Ｙに移動する。変位取得部３５および位置取得部３６は、変位センサ２のワーク９０に対する移動方向Ｘ、Ｙの位置が刻々と変化していく状態で、計測結果あるいは検出結果を逐次取得する。サンプリング周期は特に限定されず、例えば、５ミリ秒である。
位置同期部３７は、変位取得部３５で逐次取得される計測結果を、位置取得部３６で逐次取得される検出結果と対応付ける。これにより、あるタイミングで導出された一つの計測結果が、同じタイミングで検出された検出結果と紐付けされる。変位の計測結果が、変位センサ２が移動方向においてワーク９０に対してどこに位置していたときに導出されたものであるのかを、特定することができる。

この対応付け、紐付けあるいは同期の具体的手法は、特に限定されない。計測結果または検出結果が、計測時期または検出時期を示すタイムスタンプを付与された状態でワーク形状計測装置１に出力されてもよい。計測結果または検出結果が、ワーク形状計測装置１で取得される際に、取得時期を示すタイムスタンプを付与されてもよい。位置同期部３７は、タイムスタンプを参照して、同じ時期を示すタイムスタンプが付与されている計測結果と検出結果とを対応付けてもよい。

補正区間抽出部３８は、位置同期部３７で互いに対応付けられた計測結果および検出結果を参照して、計測結果が移動方向Ｘ、Ｙの位置の変化に応じて連続的に増加または減少している区間を、ワーク９０の表面９１に設けられた凹部９２または凸部９３と表面９１との境界９５が含まれている補正区間αとして抽出する。
補正部３９は、補正区間抽出部３８で抽出された補正区間αの内側で、境界９５の位置を導出する。補正部３９は、境界９５で変位が急峻に変化するように計測結果を補正する。

中心位置計測部４１は、補正部３９によって導出された境界９５の位置に基づいて、対向方向Ｚに見たときの凹部９２または凸部９３の中心位置を計測する。形状計測部４２は、補正部３９によって導出された境界９５の位置に基づいて、ワーク９０を対向方向Ｚに見たときの凹部９２または凸部９３の形状を計測する。判定部４３は、中心位置計測部４１および／または形状計測部４２の計測結果に基づいて、ワーク９０の品質の良否を判定する。

（補正）
「計測結果が連続的に増加または減少している区間（連続変化区間）」に関し、図５の右位置では、スポット光ｓが表面９１上に照射され、計測部２６は、距離Ｚ９１に対応する安定した計測結果を導出することができる。図５の左位置では、スポット光ｓが凹部９２の底面上に照射され、計測部２６は、距離Ｚ９２に対応する安定した計測結果を導出することができる。変位センサ２が右位置から左位置へ移動する過程で、スポット光ｓが境界９５を通過する。

図６（Ａ）は、平面図およびグラフの複合である。図６（Ａ）の平面図は、ワーク９０の凹部９２周辺を示しており、凹部９２が黒く塗り潰されている。なお、スポット径φｓは、凹部９２の直径φ９２よりも小さい。
図６（Ａ）の平面図上部に図示されたスポット光ｓ１を参照する。境界９５がスポット光ｓ１内に（すなわち、光Ｌの照射範囲内に）含まれていると、スポット光ｓ１が、表面９１上に照射された領域Ａ９１（白抜きの領域）と、凹部９２内へ照射された領域Ａ９２（黒塗潰しの領域）とに分かれる。この場合において、計測部２６は、単一の値を計測結果として導出し、変位センサ２は、導出された単一の値を計測結果としてワーク形状計測装置１に出力する。

本実施形態では、変位センサ２が、ワーク９０の表面９１上に照射された光Ｌの照射範囲内の複数個所の変位の平均値を計測結果として出力する。計測部２６は、２つの領域Ａ９１，Ａ９２の面積比に応じて単一の計測結果を導出してもよい。計測部２６は、領域Ａ９１内での変位の計測結果（距離Ｚ９１に相当）に領域Ａ９１の面積比を乗算した値と、領域Ａ９２内での変位の計測結果（距離Ｚ９２に相当）に領域Ａ９２の面積比を乗算した値との平均値を、計測結果として導出してもよい。

次に、図６（Ａ）の平面図の中央部に示された複数のスポット光ｓ（ｘ１）〜ｓ（ｘ５）および図６（Ａ）のグラフを参照する。ここでは、変位センサ２の光軸が、第２移動方向Ｙにおいて凹部９２の中心と同じ位置に保たれた状態で、変位センサ２が第１移動方向Ｘに移動していると仮想する。
参照符号「ｘ１」〜「ｘ５」は、第１移動方向Ｘにおける、変位センサ２の光軸の位置である。参照符号「ｓ（ｘ１）」は、光軸が第１移動方向Ｘにおいて位置ｘ１に位置付けられている場合における、スポット光である。なお、光軸は、スポット光ｓの中心と一致する。参照符号「ｚ（ｘ１）」は、光軸が第１移動方向Ｘにおいて位置ｘ１に位置付けられている場合に、計測部２６によって導出される単一の計測結果である。ｓ（ｘ１）およびｚ（ｘ１）は、「ｘ１」を他の位置を表す記号と置き換えることで、その位置のスポット光および計測結果を表す参照符号に準用される。

スポット光ｓ（ｘ１）は、境界９５と外接する。スポット光ｓ（ｘ３）は、スポット光ｓ（ｘ１）と同じ接点で境界９５と内接する。位置ｘ２は、位置ｘ１と位置ｘ３の中点であり、境界９５がスポット光ｓ（ｘ２）の中心を通過する。スポット光ｓ（ｘ４）は、スポット光ｓ（ｘ３）とは反対側の接点で境界９５と内接する。スポット光ｓ（ｘ５）は、スポット光ｓ（ｘ４）と同じ接点で境界９５と外接する。

変位センサ２の光軸が位置ｘ１に位置する場合、スポット光ｓ（ｘ１）の全域が表面９１上に照射される（Ａ９１：１００％）。このため、計測部２６は、距離Ｚ９１に相当する値を計測結果ｚ（ｘ１）として導出する。光軸が位置ｘ１よりも左方に位置する場合および光軸が位置ｘ５およびそれよりも右方に位置する場合も、これと同様である。
変位センサ２の光軸が位置ｘ３または位置ｘ４に位置する場合には、スポット光ｓ（ｘ３）の全域が凹部９２の底面上に照射される（Ａ９２：１００％）。このため、計測部２６は、距離Ｚ９２に相当する値を計測結果ｚ（ｘ３）として導出する。光軸が位置ｘ３と位置ｘ４との間に位置する場合も、これと同様である。

変位センサ２が位置ｘ１から位置ｘ３まで移動する間、境界９５がスポット光ｓ内に含まれ続ける。領域Ａ９１の面積比が１００％から０％まで連続的に減っていき、逆に領域Ａ９２の面積比が連続的に増える。これに応じて、計測結果は、距離Ｚ９１に相当する値から距離Ｚ９２に相当する値へと連続的に増加していく。変位センサ２が位置ｘ４から位置ｘ５まで移動する間についても同様である。計測結果は、距離Ｚ９２に相当する値から距離Ｚ９１に相当する値へと連続的に減少していく。

この連続的に増加または減少する区間（連続変化区間）は、変位センサ２が第１移動方向Ｘにおいて位置ｘ１から位置ｘ３まで移動する距離に相当する。また、変位センサ２が第１移動方向Ｘにおいて位置ｘ４から位置ｘ５まで移動する距離にも相当する。
図６（Ｂ）に示すように、本例では、境界９５が、対向方向Ｚに対して傾斜していない。よって、連続変化区間の寸法が、スポット径φｓと等しい。

図６（Ｂ）は、ワーク９０の断面と併せて、計測結果に基づき得られたスライスデータを二点鎖線で示している。二点鎖線が出現している箇所は、実際の形状に対する計測結果の誤差を意味する。実際の断面形状では、位置ｘ２において、表面９１と凹部９２の底面とが、凹部９２の内周面を介して対向方向Ｚに繋がる。これに対し、計測結果に基づくスライスデータでは、表面９１と凹部９２の底面とが、位置ｘ１から位置ｘ３にかけて、なだらかに繋がる。

図７（Ａ）および図７（Ｂ）に示す例では、境界９５が、対向方向Ｚに対して傾斜している。スポット光ｓ（ｘ１１）は、凹部９２の表面９１上の開口縁と外接し、スポット光ｓ（ｘ１３）は、凹部９２の底面の周縁と内接する。なお、位置ｘ１２は、位置ｘ１１と位置ｘ１３との中点であり、幅を有した境界９５がスポット光ｓ（ｘ１２）内に含まれている。

連続変化区間は、位置ｘ１１から位置ｘ１３までの区間である。連続変化区間は、スポット径φｓよりも長い。すなわち、本例の連続変化区間は、傾斜がない場合（図６（Ａ）を参照）よりも長い。計測結果は、連続変化区間において、傾斜がない場合（図６（Ｂ）を参照）と比べて、より緩やかに変化する。
スポット径φｓが小さければ、連続変化区間を極力縮小することができ、スライスデータの実際の形状に対する誤差を極力抑制することができる。ただし、スポット径φｓが小さい場合でも、凹部９２の公差が小さい場合には、検品作業において高い計測精度が要求される場合もある。

本実施形態に係るワーク形状計測装置１は、このような要求に応えるため、補正部３９が連続変化区間内の計測結果を補正し、それにより、ワーク９０の形状、特に凹部９２または凸部９３と表面９１との境界の形状が精度よく計測される。
図８（Ａ）および図８（Ｂ）、並びに図９（Ａ）および図９（Ｂ）は、補正区間抽出部３８および補正部３９において実行される処理の説明図である。ここでは、変位センサ２のワーク９０に対する第２移動方向Ｙの位置を固定して、変位センサ２がワーク９０に対して第１移動方向Ｘに等速で移動している。

図８（Ａ）では、位置ｘ２１から位置ｘ３４まで移動する間に所定間隔δｘで逐次取得された１４個の計測結果が、位置同期部３７の作用で、第１移動方向Ｘの位置と対応付けられている。この所定間隔δｘは、計測周期および検出周期を変位センサ２の移動速度と乗算した値である。所定間隔δｘは、要求される計測精度などを考慮して予め定められ、例えば、１〜２０μｍである。

補正区間抽出部３８は、連続変化区間を抽出する。例えば、補正区間抽出部３８は、ある位置ｘｋと対応する計測結果ｚ（ｘｋ）から、その１つ前の位置ｘｋ−１と対応する計測結果ｚ（ｘｋ−１）を減算して計測結果の変化量を算出する。補正区間抽出部３８は、正の変化量が連続するか否か、または、負の変化量が連続するか否かに基づいて、連続変化区間の有無を判定する。

補正区間抽出部３８は、所定距離以上の連続変化区間を補正区間αとして抽出する。所定距離は、ワーク９０に照射される光のスポット径φｓに基づき予め定められている。逆に言えば、補正区間抽出部３８は、スポット径φｓ未満の連続変化区間を補正区間αとして抽出しない。このような連続変化区間は、単に、微視的に見て非平坦であったワーク９０の表面９１の変位が計測されているだけと考えられるからである。なお、本実施形態では、所定間隔δｘの９倍が、所定距離に相当する。

図８（Ａ）に示す例では、位置ｘ２１〜ｘ２３の区間および位置ｘ３２〜ｘ３４の区間では変化量がゼロ値で推移するため、補正区間抽出部３８は、これら２つの区間を連続変化区間ではないと判定する。位置ｘ２３〜ｘ３２の区間では変化量が正値であり続けるため、補正区間抽出部３８は、当該区間を連続変化区間であると判定する。当該区間の第１移動方向Ｘにおける寸法は、所定距離と等しい。したがって、補正区間抽出部３８は、この連続変化区間を補正区間αとして抽出する。

補正部３９は、補正区間αの中央を境界９５の位置ｘｃとして導出する。このとき、補正部３９は、補正区間αの寸法に応じて、境界９５の移動方向の寸法を導出する。
補正部３９は、補正区間αの寸法から、上記の所定距離（スポット径φｓに相当）を減算することで、境界９５の移動方向の寸法を導出する。図８（Ａ）および図８（Ｂ）に示す例では、図６（Ａ）と同様、境界９５の寸法Ｗ９５がゼロ値であるが、この減算により境界９５の寸法Ｗ９５が精度よく計測される。

補正部３９は、境界９５の位置ｘｃを、補正区間αの第１端ｘａ（位置ｘ２３）と第２端ｘｂ（位置ｘ３２）との中間に設定する。図８（Ａ）に示す例では、幅を持たない境界９５の位置ｘｃが、位置ｘ２７と位置ｘ２８との中間の一点に設定される。
別の方法では、補正部３９は、第１端ｘａでの変位の計測結果である第１端変位値ｚ（ｘａ）と、第２端ｘｂでの変位の計測結果である第２端変位値ｚ（ｘｂ）との平均値を算出する。本例では、第１端変位値ｚ（ｘａ）が、距離Ｚ９１に相当する値（例えば、１０ｍｍ）であり、第２端変位値ｚ（ｘｂ）が、距離Ｚ９２に相当する値（例えば、２０ｍｍ）であり、これらの平均値が１５ｍｍとなる。補正部３９は、位置と対応付けられた計測結果を参照して、この平均値と対応する位置を導出する。本例では、位置ｘ２７での計測結果ｚ（ｘ２７）が１４ｍｍであり、位置ｘ２８での計測結果ｚ（ｘ２８）が１６ｍｍであるので、補正部３９は、幅を持たない境界９５の位置ｘｃを、位置ｘ２７と位置ｘ２８との中間の一点に設定する。

補正部３９は、この境界９５の位置ｘｃで変位が急峻に変化するように計測結果を補正する。より具体的には、補正部３９は、境界の位置ｘｃで第１端変位値ｚ（ｘａ）から第２端変位値ｚ（ｘｂ）まで変位が変化するように計測結果を補正する。そして、補正部３９は、補正区間αのうち第１端ｘａから境界９５の位置ｘｃまでの第１区間α１において、変位が第１端変位値ｚ（ｘａ）で推移するように計測結果を補正する。補正部３９は、補正区間αのうち境界の位置ｘｃから第２端ｘｂまでの第２区間α２において、変位が第２端変位値ｚ（ｘｂ）で推移するように計測結果を補正する。

なお、第１区間α１の寸法と第２区間α２の寸法との和は、上記の所定距離（スポット径φｓに相当）に相当する。
図８（Ａ）では、補正後の計測結果が太線で示されている。補正区間α内でなだらかに変化していた計測結果が、境界９５の位置ｘｃで急峻に変化するように補正されている。補正後の計測結果に基づくスライスデータは、補正前と比べ、実際の形状により近似する。

次に、図９（Ａ）および図９（Ｂ）に示す例では、図７（Ａ）と同様、境界９５が、傾斜しており幅を持っている。図９（Ａ）では、位置ｘ４１から位置ｘ５６まで移動する間に逐次取得された１６個の計測結果が、位置同期部３７の作用で、第１移動方向Ｘの位置と対応付けられている。
補正区間抽出部３８は、上記同様にして、所定距離以上の連続変化区間を補正区間αとして抽出する。図９（Ａ）に示す例では、位置ｘ４１〜ｘ４３の区間および位置ｘ５４〜ｘ５６の区間では変化量がゼロ値で推移するため、補正区間抽出部３８は、これら２つの区間を連続変化区間ではないと判定する。位置ｘ４３〜ｘ５４の区間では変化量が正値であり続けるため、補正区間抽出部３８は、当該区間を連続変化区間であると判定する。当該区間の第１移動方向Ｘにおける寸法は、所定距離よりも長い。したがって、補正区間抽出部３８は、この連続変化区間を補正区間αとして抽出する。

補正部３９は、上記同様にして、補正区間αの中央を境界９５の位置ｘｃとして導出する。補正部３９は、補正区間αの寸法から、上記の所定距離（スポット径φｓに相当）を減算することで、境界９５の移動方向の寸法Ｗ９５を導出する。この減算により境界９５の寸法Ｗ９５が精度よく計測される。
補正部３９は、境界９５の位置ｘｃを、補正区間αの第１端ｘａ（位置ｘ２３）と第２端ｘｂ（位置ｘ３２）との中間に設定する。図９（Ａ）に示す例では、幅を持つ境界９５の中央が、位置ｘ４８と位置ｘ４９との中間の一点に設定される。境界９５の第１境界端が、寸法Ｗ９５の半分値だけ、当該中央から第１端ｘａへ離れた一点に設定される。境界９５の第２境界端が、寸法Ｗ９５の半分値だけ、当該中央から第２端ｘｂへ離れた一点に設定される。本例では、境界９５の位置ｘｃは、第１境界端から第２境界端までの範囲を有している。

補正部３９は、境界９５の位置ｘｃで、第１端変位値ｚ（ｘａ）から第２端変位値ｚ（ｘｂ）まで変位が変化するように、計測結果を補正する。例えば、補正部３９は、境界９５の第１境界端での変位を第１端変位値ｚ（ｘａ）に設定し、境界９５の第２境界端での変位を第２端変位値ｚ（ｘｂ）に設定し、境界９５の位置ｘｃ内で第１端変位値ｚ（ｘａ）から第２端変位値ｚ（ｘｂ）まで変位が線形に変化するように計測結果を補正する。

更に、補正部３９は、第１端から境界９５の第１境界端までを第１区間α１とし、境界９５の第２境界端から第２端ｘｂまでを第２区間α２とする。第１区間α１では、計測結果が第１端変位値ｚ（ｘａ）に補正され、第２区間α２では、計測結果が第２端変位値ｚ（ｘｂ）に補正される。
図９（Ａ）では、補正後の計測結果が太線で示されている。補正区間α内でなだらかに変化していた計測結果が、境界９５の位置ｘｃで急峻に変化するように補正されている。補正後の計測結果に基づくスライスデータは、補正前と比べ、実際の形状により近似する。
以上は、変位センサ２が第１移動方向Ｘに相対移動するとした。変位センサ２が第２移動方向Ｙに相対移動する場合、第１移動方向Ｘおよび第２移動方向Ｙの両方の成分を有する移動方向に相対移動する場合も、同様にして境界９５の位置およびその周辺の形状を精度よく計測することができる。

（中心位置・形状計測）
以下、以上のように境界９５付近での形状計測精度が向上したワーク形状計測システム１００の動作について、図１０に示すワーク形状計測方法の手順に沿って説明する。

まず、ワーク９０がワーク支持装置３に位置決めされて支持される（Ｓ１）。ワーク９０の設置は、人手で行われてもよいし、ワーク搬送ロボット（図示せず）で自動的に行われてもよい。これにより、ワーク９０の吸着孔９２ｂが、第１移動方向Ｘを行方向とし、第２移動方向Ｙを列方向とするマトリクスを形成する姿勢で、ワーク支持装置３に支持される。

そして、入力部３１が端末装置８０から動作条件を入力する（Ｓ２）。動作条件は、何を計測の対象とするか、計測の対象の何を計測するのか等の選択肢の組み合わせによって構成される。
ここでは、一例として、入力部３１が、ワーク９０に形成された多数の吸着孔９２ｂのうちの四隅の吸着孔９２ｂ１〜９２ｂ４の中心位置と、２つの取付孔９２ａの形状を計測するという動作条件を入力したとする（図１１〜図１３を参照）。

次に、移動制御部３４が、変位センサ２を動作条件に従って、記憶部３０に保存されている所定の移動経路に沿ってワーク９０に対して相対移動させる（Ｓ３）。この相対移動中に、変位センサ制御部３３が、変位センサ２に表面９１の変位を計測させる（Ｓ４）。なお、記憶部３０は、入力される動作条件と対応して、変位センサ２のワーク９０に対する移動経路６０、７０（図１１を参照）の複数のパターンを予め記憶している。

図１１および図１２に示すように、移動経路６０は、中心位置の計測のために用いられる。移動経路６０は、計測対象の凹部９２（吸着孔９２ｂ）で十字を成すように形成される。移動経路６０は、第１移動方向Ｘに直線的に延びる横経路６１と、第２移動方向Ｙに直線的に延びる縦経路６２とで構成され、２つの経路６１、６２が計測対象内で直交する。２つの経路６１、６２の交点は、理想状態において計測対象の中心を通過するように設定されるが、ワーク９０のワーク支持装置３への設置誤差や計測対象の成形誤差により、実際の中心位置からずれる。ただし、設置誤差や成形誤差は微小のため、２つの経路６１、６２の交点は、対向方向Ｚに見たときに計測対象内に収まる。

移動制御部３４は、横経路６１の始点Ｐ６１Ｓから横経路６１の終点Ｐ６１Ｅへと、変位センサ２をワーク９０に対して第１移動方向Ｘに移動させる。次に、変位センサ２を横経路６１の終点Ｐ６１Ｅから縦経路６２の始点Ｐ６２Ｓへと相対移動させる。次に、縦経路６２の始点Ｐ６２Ｓから縦経路６２の終点Ｐ６２Ｅへと、変位センサ２をワーク９０に対して第２移動方向Ｙに相対移動させる。

図１１および図１３に示すように、移動経路７０は、形状の計測のために用いられる。本例では、移動経路７０が、第１移動方向Ｘに延びる複数の横経路７１で構成されており、複数の横経路７１は、互いに微小な間欠移動量δｙをあけて、第２移動方向Ｙに並べられている。移動経路７０は、対向方向Ｚに見て計測対象の全体を覆うように、第１移動方向Ｘのサイズ（横経路７１の長さ）および第２移動方向Ｙのサイズ（横経路７１の本数）が決められる。

移動制御部３４は、ある横経路７１に沿って第１移動方向Ｘの第１側（例えば、左側）に向け、変位センサ２をワーク９０に対して相対移動させる。次に、移動制御部３４は、変位センサ２をワーク９０に対して第２移動方向Ｙへ間欠移動量δｙだけ相対移動させる。次に、移動制御部３４は、次の横経路７１に沿って第１移動方向Ｘの第２側（例えば、右側）に向け、変位センサ２をワーク９０に対して相対移動させる。次に、移動制御部３４は、変位センサ２をワーク９０に対して第２移動方向Ｙへ間欠移動量δｙだけ相対移動させる。変位センサ２が移動経路７０に沿って移動し終えるまで、この一連の操作が繰り返される。

位置取得部３６は、変位センサ２のワーク９０に対する相対位置の検出結果を逐次取得し（Ｓ５）、変位取得部３５は、表面９１の変位の計測結果を逐次取得する（Ｓ６）。位置同期部３７は、変位取得部３５で逐次取得される計測結果を、位置取得部３６で逐次取得される検出結果と対応付ける（Ｓ７）。
次に、補正区間抽出部３８が補正区間を抽出し（Ｓ８）、補正部３９が補正区間内で境界９５の位置を導出する（Ｓ９）。本例では、図１２および図１３において、移動経路６０、７０上で補正区間として抽出される箇所が、白抜き丸印（○）で示されている。補正区間として抽出される箇所は、対向方向Ｚに見たときに移動経路６０、７０が境界９５と交差する箇所である。

図１２に示すように、横経路６１は、第２移動方向Ｙの位置ｙ６１が一定である。横経路６１は、２点Ｐ９５ｘ１、Ｐ９５ｘ２で境界９５と交差する。変位の計測結果は、この２点Ｐ９５ｙ１、Ｐ９５ｙ２の周辺でなだらかに変化するものの、補正部３９は、前述した手法で、２点Ｐ９５ｘ１、Ｐ９５ｘ２の第１移動方向Ｘの位置ｘｃ１、ｘｃ２を精度よく計測する。

縦経路６２は、第１移動方向Ｘの位置ｘ６２が一定である。縦経路６２は、２点Ｐ９５ｙ１、Ｐ９５ｙ２で境界９５と交差する。変位の計測結果は、この２点Ｐ９５ｙ１、Ｐ９５ｙ２の周辺でなだらかに変化するものの、補正部３９は、前述した手法で、２点Ｐ９５ｙ１、Ｐ９５ｙ２の第２移動方向Ｙの位置ｙｃ１、ｙｃ２を精度よく計測する。
図１３に示すように、各横経路７１が、２点Ｐ９５で境界９５と交差する。補正部３９は、各点Ｐ９５で第１移動方向Ｘの位置を精度よく計測する。

次に、中心位置計測部４１が、補正部３９によって導出された境界の位置ｘｃ１、ｘｃ２、ｙｃ１、ｙｃ２に基づいて、計測対象の吸着孔９２ｂの中心位置Ｃ９２を導出する（Ｓ１０）。
図１２に示すように、まず、中心位置計測部４１は、横経路６１上の２点Ｐ９５ｘ１、Ｐ９５ｘ２の中点Ｐ６１Ｃの第１移動方向Ｘの位置ｘ６１Ｃと、縦経路６２上の２点Ｐ９５ｙ１、Ｐ９５ｙ２の中点Ｐ６２Ｃの第２移動方向Ｙの位置ｙ６２Ｃとを計測する。中点Ｐ６１Ｃは、第１移動方向Ｘに延びる弦の中点であるため、その第１移動方向Ｘの位置ｘ６１Ｃは、中心位置の第１移動方向Ｘの位置と同等である。中点Ｐ６２Ｃは、第２移動方向Ｙに延びる弦の中点であるため、その第２移動方向Ｙの位置ｙ６２Ｃは、中心位置Ｃ９２の第２移動方向Ｙの位置と同等である。中心位置計測部４１は、計測された位置ｘ６１Ｃを中心位置Ｃ９２の第１移動方向の位置に設定し、計測された位置ｙ６２Ｃを中心位置Ｃ９２の第２移動方向Ｙの位置に設定する。

次に、形状計測部４２が、補正部３９によって導出された境界の位置に基づいて、計測対象の取付孔９２ａの形状を計測する（Ｓ１１）。
図１３に示すように、形状計測部４２は、導出された境界の位置を順次に繋ぐことで、対向方向Ｚに見たときの境界９５の輪郭線を導出する。形状計測部４２は、境界同士を曲線で繋いでもよいし直線で繋いでもよい。

形状計測部４２は、輪郭線の総距離、すなわち、境界９５の周長を計測してもよい。形状計測部４２は、計測対象の全体形状の面積を導出してもよい。境界同士を直線で繋いだ場合には、計測対象の全体形状が、間欠移動量δｙの高さを有した複数の台形を第２移動方向Ｙに並べた形状となり、その面積を簡単に導出することができる。
次に、判定部４３が、中心位置あるいは形状の計測結果から、ワーク９０の品質の良否を判定する（Ｓ１２）。判定部４３は、例えば、計測された中心位置の理想値からのずれ量を導出し、そのずれ量が所定の許容値未満であるか否かを判定する。判定部４３は、例えば、計測された形状の面積の理想値に対する差分を導出し、その差分が所定の許容値未満であるか否かを判定する。この判定のため、記憶部３０は、理想値および許容値を予め記憶していてもよい。

次に、出力部３２が、動作条件と対応する結果を端末装置に出力する（Ｓ１３）。本例では、出力部３２は、四隅の吸着孔９２ｂの中心位置Ｃ９２の計測結果、２つの取付孔９２ａの形状の計測結果、およびこれら計測結果に基づく品質良否の判定結果を端末装置８０に出力する。作業員は、端末装置のディスプレイに出力結果を表示して閲覧することができる。
本実施形態では、境界９５の位置が精度よく計測されており、その計測結果に基づいて中心位置および形状が計測されている。このため、中心位置および形状の計測精度も高く、そのため品質良否も精度よく判定することができる。作業員の検品作業の省力化を支援することができる。

（変形例）
これまで本発明の実施形態について説明したが、上記構成は本発明の範囲内で適宜変更、追加および／または削除可能である。

上記実施形態では、中心位置および形状の計測対象の境界９５の輪郭線が、対向方向Ｚに見たときに円形であったが、計測対象が他の形状であっても同様にその中心位置および形状を計測することができる。
例えば、図１４（Ａ）および図１４（Ｂ）に示すように、凹部９２Ａ、９２Ｂが正方形であっても、移動経路６０を適用して中心位置Ｃ９２Ａ、Ｃ９２Ｂを計測することができる。図１４（Ｃ）に示すように凹部９２Ｃが長方形であっても、図１４（Ｄ）に示すように凹部９２Ｄが正多角形（例えば、五角形）であっても、移動経路６０を適用して中心位置Ｃ９２Ｃ、Ｃ９２Ｄを計測することができる。例えば、図１５（Ａ）に示すように、凹部９２Ａが正方形であっても、移動経路７０を適用して形状を計測することができる。

上記実施形態では、形状を計測する際に、第１移動方向Ｘに平行に延びる複数の横経路で構成される移動経路を適用したが、形状計測時の移動経路はこれに限定されない。
図１５（Ｂ）に示すように、計測対象の中心位置から放射状に延びる複数の放射経路７１Ａで構成される移動経路７０Ａが適用されてもよい。図１５（Ｂ）では放射経路７１Ａが１２本であるが、要求される計測精度に応じて、放射経路７１Ａの本数は適宜変更可能である。移動経路７０Ａを適用する前に、中心位置が上記実施形態の手法で予め計測されてもよい。

上記実施形態では、補正区間が抽出され、補正区間の第１端と第２端との中点付近で境界９５の位置を導出したが、境界９５の位置の導出方法はこれに限定されない。
図１６に示す変形例では、例えば正方形や半円のように、凹部９２の輪郭線が直線を含む。直線の境界９５が、スポット光ｓ内で変位センサ２の移動方向に直交する方向に延び、円形のスポット光ｓの弦を成している。この場合、スポット径φｓと、スポット光ｓの光軸の位置ｘ１００と、当該位置ｘ１００と対応する単一の計測結果ｚ（１００）とから、境界９５の位置ｘｃを幾何学的に導出することができる。なお、表面９１の変位を示す値（Ｚ９１）と、凹部９２の底面の変位を示す値（Ｚ９２）は、ワーク形状計測装置１において既知とする。

計測結果ｚ（ｘ１００）と表面９１の変位を示す値Ｚ９１との差分と、計測結果ｚ（ｘ１００）と凹部９２の底面の変位を示す値Ｚ９２との差分との比は、表面９１を照射している領域Ａ９１の面積ＳＡ９１と、凹部９２を照射している領域Ａ９２の面積ＳＡ９２との比に等しい。したがって、既知の距離Ｚ９１、Ｚ９２を用いて、単一の計測結果ｚ（ｘ１００）から、領域Ａ９１、Ａ９２の面積比を導出可能である。ここから更に、領域Ａ９２の、面積ＳＡ９２のスポット光ｓ全体の面積に対する、面積割合を導出可能である。

ここで、中心ｘ１００を弦（境界９５）の第１端点と結ぶ線分と、中心ｘ１００を弦（境界９５）の第２端点と結ぶ線分とで成す角を、「中心角θ」とする。スポット光ｓ全体の面積と、領域Ａ９２の面積ＳＡ９２との比は、１：（θ−sinθ）／２πである。したがって、計測結果ｚ（ｘ１００）から導出された上記面積割合を用いて、中心角θを導出可能である。

ここで、中心角θを二等分して中心ｘ１００を通過する直線を仮想する。当該直線は弦（境界９５）と直交する。当該直線と領域Ａ９１側でのスポット光ｓの外縁との交点をＰ、当該直線と領域Ａ９２側でのスポット光ｓの外縁との交点をＱとする。点Ｐから境界９５までの距離ｄと、境界９５から点Ｑまでの距離ｅとの比は、１＋cos(θ／２)：１−cos(θ／２)である。距離ｄと距離ｅとの和はスポット径φｓであるので、計測結果ｚ（ｘ１００）から導出された中心角θを用いて、境界９５の位置ｘｃを導出可能である。

この場合、連続変化区間内で計測された各計測結果で、境界９５の位置ｘｃを導出可能である。補正部３９は、境界９５の位置ｘｃに関する複数の導出結果の平均値を境界９５の位置ｘｃとして特定してもよい。
上記実施形態では、形状が既知の取付孔９２ａの形状を計測したが、形状計測部４２は、形状が未知の凹部または凸部の形状の計測にも好適に適用される。

上記実施形態では、変位センサ２が床面に対して第１移動方向Ｘに移動し、ワーク９０が床面に対して第２移動方向Ｙに移動する。変位センサ２が床面に対して第２移動方向Ｙに移動してもよく、ワーク９０が床面に対して第１移動方向Ｘに移動してもよい。
上記実施形態では、変位センサ２が白色同軸共焦点型であるが、変位センサ２は、この形式のものに限定されない。

上記実施形態では、境界、中心位置および形状の計測対象が凹部９２であったが、凸部９３の計測にも同様に適用可能である。

１００ ワーク形状計測システム
１ ワーク形状計測装置
２ 変位センサ
３ ワーク支持装置
５ 移動機構
６ 第１移動機構
７ 第２移動機構
８ 位置センサ
９ 第１位置センサ
９Ａ 第１リニアスケール
１０ 第２位置センサ
１０Ａ 第２リニアスケール
３３ 変位センサ制御部
３４ 移動制御部
３４ａ 第１移動制御部
３４ｂ 第２移動制御部
３５ 変位取得部
３６ 位置取得部
３６ａ 第１位置取得部
３６ｂ 第２位置取得部
３７ 位置同期部
３８ 補正区間抽出部
３９ 補正部
４１ 中心位置計測部
４２ 形状計測部
６０，７０ 移動経路
９０ ワーク
９１ 表面
９２ 凹部
９３ 凸部
９５ 境界
Ｗ９５ （境界の）寸法
Ｌ 光
ｓ スポット光
φｓ スポット径
ｘａ 第１端
ｘｂ 第２端
ｘｃ （境界の）位置
ｚ（ｘａ） 第１端変位値
ｚ（ｘｂ） 第２端変位値
α 補正区間
α１ 第１区間
α２ 第２区間
Ｃ９２ 中心位置
δｙ 間欠移動量
Ｘ 第１移動方向
Ｙ 第２移動方向
Ｚ 対向方向

Claims (16)

1. 凹部または凸部が設けられたワークの表面と対向配置された変位センサを制御し、前記変位センサに、前記ワークの前記表面に点状の光を照射させ、対向方向における前記ワークの前記表面の変位を計測させる変位センサ制御部と、
   前記変位センサを前記ワークに対して前記対向方向に直交する移動方向に相対移動させる移動機構を駆動させる移動制御部と、
   前記移動方向に移動している前記変位センサから、前記変位の計測結果を逐次取得する変位取得部と、
   前記計測結果が前記移動方向の位置の変化に応じて連続的に増加または減少している区間を、前記凹部または前記凸部と前記表面との境界が含まれている補正区間として抽出する補正区間抽出部と、
   前記補正区間抽出部で抽出された前記補正区間の内側で、前記境界の位置を導出し、前記境界で前記変位が急峻に変化するように前記計測結果を補正する補正部と、
   を備える、ワーク形状計測装置。
2. 前記補正区間抽出部は、前記計測結果が前記移動方向において所定距離以上連続的に増加または減少している場合に、その連続的に変化している区間を前記補正区間として抽出する、
   請求項１に記載のワーク形状計測装置。
3. 前記所定距離が、前記ワークに照射される光のスポット径に基づいて予め定められている、
   請求項２に記載のワーク形状計測装置。
4. 前記補正部は、前記補正区間の中央を前記境界の位置として導出する、
   請求項１から３のいずれか１項に記載のワーク形状計測装置。
5. 前記補正部は、前記補正区間の前記移動方向の寸法に応じて、前記境界の前記移動方向の寸法を導出する、
   請求項１から４のいずれか１項に記載のワーク形状計測装置。
6. 前記補正部は、前記境界で、前記補正区間の第１端での前記計測結果である第１端変位値から、前記補正区間の第２端での前記計測結果である第２端変位値まで、前記変位が変化するように前記計測結果を補正する、
   請求項１から５のいずれか１項に記載のワーク形状計測装置。
7. 前記補正部は、
   前記補正区間のうち前記第１端から前記境界までの第１区間において、前記変位が前記第１端変位値で推移するように前記計測結果を補正し、
   前記補正区間のうち前記境界から前記第２端までの第２区間において、前記変位が前記第２端変位値で推移するように前記計測結果を補正する、
   請求項６に記載のワーク形状計測装置。
8. 前記補正部によって導出された前記境界の位置に基づいて、前記対向方向に見たときの前記凹部または前記凸部の中心位置を計測する中心位置計測部を更に有する、
   請求項１から７のいずれか１項に記載のワーク形状計測装置。
9. 前記補正部によって導出された前記境界の位置に基づいて、前記ワークを前記対向方向に見たときの前記凹部または前記凸部の形状を計測する形状計測部を更に有する、
   請求項１から８のいずれか１項に記載のワーク形状計測装置。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載のワーク形状計測装置と、
    前記凹部または前記凸部が設けられた前記ワークの前記表面と対向配置され、前記ワークの前記表面に点状の光を照射し、前記対向方向における前記ワークの前記表面の変位を計測する変位センサと、
    前記変位センサを前記ワークに対して前記対向方向に直交する移動方向に相対移動させる移動機構と、
    を備える、ワーク形状計測システム。
11. 前記変位センサは、前記ワークの前記表面上に照射された前記光の照射範囲内の複数個所の前記変位の平均値を計測結果として出力する、
    請求項１０に記載のワーク形状計測システム。
12. 前記変位センサが、光を前記対向方向に射出し、前記ワークの前記表面から前記光の射出方向と同じ方向に戻る反射光を検知し、光が照射された部位の前記変位を計測する、
    請求項１０または１１に記載のワーク形状計測システム。
13. 前記変位センサが、共焦点光学系を有する、
    請求項１２に記載のワーク形状計測システム。
14. 前記移動機構が、
    前記対向方向と直交する第１移動方向に前記変位センサを移動させる第１移動機構と、
    前記対向方向および前記第１移動方向に直交する第２移動方向に前記ワークを移動させる第２移動機構と、を有する、
    請求項１０から１３のいずれか１項に記載のワーク形状計測システム。
15. 凹部または凸部が設けられたワークの表面と対向配置された変位センサを制御し、前記変位センサに、前記ワークの前記表面に点状の光を照射させて、対向方向における前記ワークの前記表面の変位を計測させる変位センサ制御工程と、
    前記変位センサを前記ワークに対して前記対向方向に直交する移動方向に相対移動させる移動機構を駆動させる移動制御工程と、
    前記移動方向に移動している前記変位センサから、前記変位の計測結果を逐次取得する変位取得工程と、
    前記計測結果が前記移動方向の位置の変化に応じて連続的に増加または減少している区間を、前記凹部または前記凸部と前記表面との境界が含まれている補正区間として抽出する補正区間抽出工程と、
    前記補正区間の内側で、前記境界の位置を導出し、前記境界で前記変位が急峻に変化するように前記計測結果を補正する補正工程と、
    を備える、ワーク形状計測方法。
16. 請求項１５に記載のワーク形状計測方法をコンピュータに実行させる、
    ワーク形状計測プログラム。

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