JP6980558B2 - 評価装置及び評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、螺旋状の溝が表面に形成された測定対象物において、その溝の断面形状を評価する技術に関する。

例えば、長さ１ｍ、直径３０ｃｍ以上の高重量且つ長大な金属丸棒の表面を切削加工機で加工して、金属丸棒の表面に螺旋状の溝を形成し、スクリュー、プロペラ、ドリル等の加工物を製造することが行われている。このような加工物は、不良品の製造を未然に防ぐために、溝の形状が評価される。例えば、加工物が受側の加工物に嵌合されるオスメス構造を持つ加工物であれば、加工物を切削加工機からクレーンで持ち上げて、受側の加工物に嵌合させ、隙間ゲージで数十箇所の隙間を手作業で測定し、加工物の形状が評価される。そして、形状を評価した結果、問題があれば、加工物は、再度、クレーンで持ち上げられて、切削加工機に設置され、問題箇所が加工される。以上のことが繰り返されて、最終的に基準を満たす溝形状を有する加工物が製造される。このように、従来の評価手法では、切削加工機からクレーンを用いて加工物を載せ替える作業が必要となるため、作業日数がかかるという問題があった。そこで、この問題を解消するための新たな評価手法が望まれる。

かかる背景のもと、特許文献１では、螺旋状の溝が表面に形成された測定対象物の形状を高分解能且つ短時間で計測する技術が開示されている。詳細には、特許文献１では、測定対象物の中心軸を中心に回転しながら中心軸と平行に移動する測定対象物の溝の断面形状をセンサ部により非接触で計測させて、溝の全域の形状の測定データを取得する技術が開示されている。

また、特許文献２には、球面レンズのような凹凸面を有する測定対象物において設計値に対する修正部分を精度良く特定する三次元測定方法が開示されている。

特開２０１５−１４８５９２号公報 特開２００２−１２２４２３号公報

しかし、特許文献１、２の手法では、周囲温度等の設置環境に応じて生じるセンサの誤差、及び、センサが原理的に持つ測定誤差が何ら考慮されていないので、このような誤差の影響により測定対象物の形状の加工精度を正しく評価することができないという課題がある。

また、特許文献１、２の手法では、熱膨張又は熱収縮による測定対象物の形状変化が何ら考慮されていないので、測定対象物の測定値がこの形状変化の影響を受けている場合、測定値と設計値とを単に比較しただけでは、測定対象物の加工精度を正しく評価できないという課題がある。

本発明の目的は、螺旋状の溝が表面に形成された測定対象物に対して、センサの誤差、測定対象物の形状変化にかかわらず、溝の断面形状を正確に評価できる技術を提供することである。

本発明の一態様に係る評価装置は、測定対象物の中心軸に対して螺旋状に前記測定対象物の表面に形成された第１溝を有する前記測定対象物に対して、第１位置で測定される、前記第１溝の幅方向に沿った前記第１溝の第１断面の形状を評価する評価装置であって、前記第１断面の設計値と同じ設計値である第２断面を有する第２溝が形成された基準物と、前記中心軸に沿って移動し、非接触で断面形状を測定するセンサを備え、第２位置で前記センサに前記第２断面の形状を測定させる処理、及び、複数の測定位置で前記センサに前記第１溝の幅方向に沿った前記第１溝の断面の形状を測定させる処理をする測定部と、複数の前記測定位置で前記第１溝の断面の形状が測定されて得られた複数の断面の形状データのそれぞれと、前記第２位置で前記第２断面の形状が測定されて得られた前記第２断面の形状データとの差分を示す複数の差分データを算出する第１算出部と、前記差分データの近似直線の傾き値を算出する処理を、複数の前記差分データのそれぞれに対して実行することにより、複数の前記傾き値を算出する第２算出部と、複数の前記測定位置と複数の前記傾き値との関係を示す傾きデータの近似直線において、前記傾き値がゼロの位置を前記第１位置と決定する決定部と、前記第２断面の形状データと、前記決定部が決定した前記第１位置で、前記測定部が前記センサに前記第１断面の形状を測定させて得られた前記第１断面の形状データとの差分に基づいて、前記第１断面の形状を評価する評価部と、を備える。

本発明の一態様の第１効果について説明する。測定対象物に形成された第１溝の全体において断面形状の測定をするのでは、測定時間が長くなる。本発明の一態様では、第１溝の断面のうち、第１位置でセンサによって測定される第１断面の形状を評価の対象とする。基準物には、第２断面を有する第２溝が形成されている。第２断面は、第１断面の形状を評価するときに、基準となる断面である。このため、第２断面の設計値（設計形状及び設計寸法）は、第１断面の設計値と同じにされている。

本発明の一態様は、第１断面の形状データと第２断面の形状データとの差分を基にして、第１断面の形状を評価する。周囲環境によるセンサの測定誤差、センサが原理的に持つ測定誤差があったとしても、これらの測定誤差は、第１断面の形状データ、第２断面の形状データの両方に含まれる。上記差分を求めることで、これらの測定誤差がなくなる。また、熱膨張、熱収縮により測定対象物に形状変化があった場合、基準物も測定対象物と同様に形状変化している。上記差分を求めることで、この形状変化の成分がなくなる。本発明の一態様によれば、上記差分を基にして、第１断面の形状を評価するので、第１断面の形状を正確に評価することができる。

本発明の一態様の第２効果について説明する。本発明の一態様は、第１位置で測定される第１断面の形状を評価の対象とする。第１位置から中心軸に沿って僅かにずれるだけで、第１溝の断面の形状及び寸法が異なることがある（例えば、第１溝が捻れながら、螺旋状に延びている）。このような第１溝の断面形状の測定に、本発明の一態様が適用される場合、第１位置にセンサを正確に位置決めして、第１溝の断面（すなわち、第１断面）の形状を測定する必要がある。第１位置は、測定対象物及び基準物が配置された状態の評価装置の設計図面等で特定できる。しかしながら、設計図面上の第１位置と実際の第１位置との誤差は不可避的に発生し、この誤差が大きければ、第１断面の形状を正確に測定することができない。

そこで、本発明の一態様は、測定対象物の中心軸に沿った所定範囲を設定し（この範囲に第１位置が含まれていてもよいし、含まれていなくてもよい）、所定範囲に含まれる複数の測定位置を基にして、第１位置を決定する。複数の測定位置が、４つの測定位置Ｐ１〜Ｐ４を例にして詳しく説明する。第１算出部は、測定位置Ｐ１で第１溝の断面の形状が測定されて得られたその断面の形状データと第２断面の形状データとの差分を示す差分データＤ１、測定位置Ｐ２で第１溝の断面の形状が測定されて得られたその断面の形状データと第２断面の形状データとの差分を示す差分データＤ２、測定位置Ｐ３で第１溝の断面の形状が測定されて得られたその断面の形状データと第２断面の形状データとの差分を示す差分データＤ３、測定位置Ｐ４で第１溝の断面の形状が測定されて得られたその断面の形状データと第２断面の形状データとの差分を示す差分データＤ４を算出する。

第２算出部は、差分データＤ１の近似直線の傾き値Ｖ１、差分データＤ２の近似直線の傾き値Ｖ２、差分データＤ３の近似直線の傾き値Ｖ３、差分データＤ４の近似直線の傾き値Ｖ４を算出する。測定位置Ｐ１〜Ｐ４と傾き値Ｖ１〜Ｖ４との関係を示す傾きデータの近似直線において、傾き値がゼロとなる測定位置が、第１位置となる。なぜならば、第１断面と第２断面とは、設計値が同じなので、第１断面の形状データと第２断面の形状データとの差分データの近似直線の傾き値は、理想的には、ゼロとなるからである（実際には、第１溝の加工誤差等が原因でゼロとはならず、上述したように、評価部は、第１断面の形状データと第２断面の形状データとの差分に基づいて、第１断面の形状を評価する）。以上説明したように、本発明の一態様によれば、第１位置を正確に特定することができるので、第１断面の形状を正確に測定することができる。

傾き値がゼロとは、傾き値を丸めることにより（例えば、端数の切り上げ、切り捨て）、ゼロにした場合も含む（傾き値は、例えば、測定対象物および基準物が載置されたステージの移動精度等に応じて、丸められることがある）。また、センサが第１断面の形状を正確に測定できる位置であれば、傾き値が厳密にゼロを示す位置でなくてもよく、傾き値がほぼゼロの位置も、傾き値がゼロの位置に含まれる。

上記構成において、前記決定部は、複数の前記傾き値のうち、外れ値があるか否かを判断し、前記外れ値があると判断したとき、前記外れ値を除いて前記傾きデータの近似直線を算出する。

本発明の一態様は、傾きデータの近似直線を基にして第１位置を決定するので、複数の測定位置の数（言い換えれば、複数の傾き値の数）が少なくても、第１位置を決定することができる。傾き値の中に外れ値が含まれている場合、複数の測定位置の数が少ないと、傾きデータの近似直線に及ぼす外れ値の影響が大きくなる。これにより、第１位置を正確に決定することができなくなる。この構成によれば、外れ値を除外するので、第１位置を正確に決定することができる。

上記構成において、前記第２算出部は、前記差分データの近似直線を算出するのに用いるサンプリング数を、複数の前記測定位置の数より多くし、サンプリングされた複数の差分値のうちで外れ値があるか否かを判断せずに、前記差分データの近似直線を算出する処理を、複数の前記差分データのそれぞれに対して実行する。

差分データの近似直線を算出するのに用いるサンプリング数（差分値の数）が多ければ、サンプリングされた複数の差分値の中に外れ値が含まれていても、外れ値が差分データの近似直線に与える影響は小さい。よって、外れ値を考慮することなく、差分データの近似直線の算出が可能となる。この構成は、差分データの近似直線を算出するのに用いるサンプリング数を、傾きデータの近似直線の算出に用いる複数の測定位置の数より多くすることにより、差分データの近似直線を算出するのに用いるサンプリング数が多くなるようにしている。

上記構成において、前記第２溝の深さ方向及び幅方向の両方と直交する方向において、前記第２溝の幅方向に沿った前記第２溝の断面は、同じ形状及び同じ寸法を有しており、前記第２断面は、前記第２溝の幅方向に沿った前記第２溝の断面である。

この構成によれば、第２溝の幅方向に沿った第２溝の断面であれば、第２断面として用いることができる。このため、センサを第２位置に位置決めする精度が高くなくても、第２断面の形状を正確に測定することができる。

本発明の他の態様に係る評価方法は、測定対象物の中心軸に対して螺旋状に前記測定対象物の表面に形成された第１溝を有する前記測定対象物に対して、第１位置で測定される、前記第１溝の幅方向に沿った前記第１溝の第１断面の形状を評価する評価方法であって、前記第１断面の設計値と同じ設計値である第２断面を有する第２溝が形成された基準物が予め用意されており、前記中心軸に沿って移動し、非接触で断面形状を測定するセンサに第２位置で前記第２断面の形状を測定させる第１測定ステップと、複数の測定位置で前記センサに前記第１溝の幅方向に沿った前記第１溝の断面の形状を測定させる第２測定ステップと、複数の前記測定位置で前記第１溝の断面の形状が測定されて得られた複数の断面の形状データのそれぞれと、前記第２位置で前記第２断面の形状が測定されて得られた前記第２断面の形状データとの差分を示す複数の差分データを算出する第１算出ステップと、前記差分データの近似直線の傾き値を算出する処理を、複数の前記差分データのそれぞれに対して実行することにより、複数の前記傾き値を算出する第２算出ステップと、複数の前記測定位置と複数の前記傾き値との関係を示す傾きデータの近似直線において、前記傾き値がゼロの位置を前記第１位置と決定する決定ステップと、前記決定ステップが決定した前記第１位置で前記センサに前記第１断面の形状を測定させる第３測定ステップと、前記第２断面の形状データと、前記第３測定ステップで前記センサに前記第１断面の形状を測定させて得られた前記第１断面の形状データとの差分に基づいて、前記第１断面の形状を評価する評価ステップと、を備える。

本発明の他の態様に係る評価方法は、本発明の一態様に係る評価装置を方法の観点から規定しており、本発明の一態様に係る評価装置と同様の作用効果を有する。

本発明によれば、螺旋状の溝が表面に形成された測定対象物に対して、センサの誤差、測定対象物の形状変化にかかわらず、溝の断面形状を正確に評価できる。

実施形態に係る評価装置を示す全体構成図である。 評価装置にセットされた測定対象物及び基準物を上方から見た平面図である。 前方から後方に見た場合の評価装置を示す図である。 実施形態に係る評価装置の構成を示すブロック図である。 測定対象物の一部及び基準物を拡大した拡大図である。 差分データを説明する説明図である。 傾きデータの近似直線の一例を示すグラフである。 実施形態に係る評価装置の動作を説明するフローチャートである。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳細に説明する。各図において、同一符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その構成について、既に説明している内容については、その説明を省略する。

図１は、実施形態に係る評価装置１を示す全体構成図である。図２は、評価装置１にセットされた測定対象物３００及び基準物４００を上方から見た平面図である。評価装置１は、溝３０２（第１溝）が螺旋状に形成された測定対象物３００に対して、溝３０２の断面形状を評価する装置である。評価装置１は、機械部ＭＥと、コンピュータ部ＣＰと、を備える。機械部ＭＥは、溝３０２の断面形状の評価に必要となる画像を取得するために必要な各種の作業をする。コンピュータ部ＣＰは、機械部ＭＥを制御すると共に、機械部ＭＥで取得された画像を基にして、溝３０２の断面形状を評価する。

図１及び図２において、Ｚ方向は、測定対象物３００の長手方向を指し、＋Ｚ方向は、長手方向の前方を指し、−Ｚ方向は、長手方向の後方を指す。Ｙ方向は、上下方向を指し、＋Ｙ方向は、上方を指し、−Ｙ方向は、下方を指す。Ｘ方向は、Ｙ方向及びＺ方向のそれぞれと直行する左右方向を指し、＋Ｘ方向は、後方から前方を見て右方を指し、−Ｘ方向は、後方から前方を見て左方を指す。

図１を参照して、機械部ＭＥは、台座部１００と、ステージ１１０と、支持部１２０と、センサ１３０と、取付部１４０と、天井部１５０と、を備える。

測定対象物３００の表面には、測定対象物３００の中心軸ＣＺに対して螺旋状に溝３０２（第１溝）が形成されている。本明細書の図面では示されていないが、溝３０２は、捻れながら螺旋状に延びている。測定対象物３００としては、例えば、スクリュー、プロペラ、ドリル等が採用される。

台座部１００は、例えば、平板状であり、地上に対して固定されている。ステージ１１０は、台座部１００に対して＋Ｚ方向、−Ｚ方向に移動可能、つまり、測定対象物３００の長手方向に対して移動可能に取り付けられている。

例えば、台座部１００の上面にはＺ方向に沿って案内溝（図略）が設けられ、ステージ１１０の底面にはこの案内溝に勘合するローラ（図略）が設けられている。これにより、ステージ１１０はこの案内溝に沿ってローラが案内されることで、台座部１００の上をＺ方向に沿って移動できる。

ステージ１１０のＺ方向の両端には一対の支持部１２０が立設されている。−Ｚ方向側の支持部１２０は測定対象物３００の−Ｚ方向側の端部３２０を支持し、＋Ｚ方向側の支持部１２０は測定対象物３００の＋Ｚ方向側の端部３２０を支持する。ここで、一対の支持部１２０は、測定対象物３００の長手方向がＺ方向と平行になるように測定対象物３００を支持する。

図２を参照して、測定対象物３００は、螺旋状に溝３０２が形成された測定対象領域３１０と、一対の端部３２０と、を備える。一対の端部３２０は、それぞれ、測定対象領域３１０のＺ方向側の端部から中心軸ＣＺに沿って延びる円柱形状の部材である。

図１を参照して、測定対象物３００は、長手方向の中心軸ＣＺを回転軸として回転可能に一対の支持部１２０により支持されている。具体的には、一対の支持部１２０は、それぞれ、端部３２０が挿入される軸受（図略）を備え、軸受を介して、測定対象物３００を回転可能に支持する。

天井部１５０は、例えば平板状であり、台座部１００の上側に設けられている。天井部１５０には、取付部１４０がＺ方向に移動可能に取り付けられている。例えば、天井部１５０には、Ｚ方向と平行に案内溝（図略）が設けられ、取付部１４０の上面には、この案内溝に嵌合するローラ（図略）が設けられている。取付部１４０は、この案内溝にローラが案内され、天井部１５０に対してＺ方向に移動できる。

取付部１４０の下面には、センサ１３０が着脱可能に取り付けられている。

センサ１３０は、物体の３次元形状を非接触で測定する３次元画像センサで構成される。詳細には、センサ１３０は、測定光を溝３０２に照射する光源と、溝３０２からの反射光を受光するカメラとを備える。実施形態では、測定光として、光切断線が採用される。但し、これは一例であり、測定光としては、光切断線に代えてスポット光が採用されてもよい。

カメラと光源とは、カメラの光軸と光源の光軸とが所定の頂角を持つように配置されている。そのため、カメラが撮影した画像内に表れる測定光の座標と頂角とを用いて三角測量の原理を適用することで、溝３０２の形状を測定できる。

図２を参照して、センサ１３０で測定される溝断面の１つとして、溝３０２の断面Ｃ１（第１断面）がある。断面Ｃ１は、交点Ｐ２１において、溝３０２の延設方向Ｌ２１と直交する面（言い換えれば、溝３０２の幅方向に沿った面）で溝３０２を切断したときの溝３０２の形状を示す面である。交点Ｐ２１は、中心軸ＣＺの上方に位置する。交点Ｐ２１は、溝３０２の底部を通る溝底線Ｌ２３と中心軸ＣＺとが立体交差する箇所において、溝３０２の溝底が位置する点を示す。交点Ｐ２１の真上にある位置Ｚ１（第１位置）において、センサ１３０は、断面Ｃ１の形状を非接触で測定する。この測定において、センサ１３０の光源は、延設方向Ｌ２１と直交する方向（溝３０２の幅方向）に光切断線を照射する。

基準物４００には、断面Ｃ２（第２断面）を有する溝４０２（第２溝）が形成されている。基準物４００の材料は、測定対象物３００の材料と同じである。断面Ｃ２の設計値は、断面Ｃ１の設計値と同じである。設計値とは、言い換えれば、設計形状及び設計寸法である。

基準物４００は、＋Ｚ方向側の支持部１２０の上面に設置されている。溝４０２の延設方向Ｌ１１は、溝３０２の延設方向Ｌ２１と平行である。センサ１３０は、取付部１４０によって基準物４００の上方の所定の位置Ｚ２（第２位置）に位置決めされて、基準物４００の溝４０２の断面Ｃ２の形状を非接触で計測する。

断面Ｃ２は、交点Ｐ１１において、溝４０２の延設方向Ｌ１１と直交する面（言い換えれば、溝４０２の幅方向に沿った面）で溝４０２を切断したときの溝４０２の形状を示す面である。交点Ｐ１１は、中心軸ＣＺの上方に位置する。交点Ｐ１１は、溝４０２の底部を通る溝底線Ｌ１３と中心軸ＣＺとが立体交差する箇所において、溝４０２の溝底が位置する点を示す。交点Ｐ１１の真上にある位置Ｚ２（第２位置）において、センサ１３０は、断面Ｃ２の形状を非接触で測定する。この測定において、センサ１３０の光源は、延設方向Ｌ１１と直交する方向（溝４０２の幅方向）に光切断線を照射する。

溝４０２は、螺旋状でなく、溝４０２の深さ方向ｄ２及び幅方向ｄ１（図５）の両方と直交する方向において、短い直線形状を有する。この直交する方向において、溝４０２の幅方向に沿った溝４０２の断面は、同じ形状及び同じ寸法を有する。従って、センサ１３０が位置Ｚ２に正確に位置決めされておらず、中心軸ＣＺ上で多少ずれて位置決めされていても、測定される断面の形状及び寸法は同じである。よって、断面Ｃ２の形状の測定では、位置Ｚ２と多少ずれた位置であっても問題はない。

位置Ｚ１（図１）は、測定対象物３００を上方から下方に見た場合、中心軸ＣＺ上にある。そのため、センサ１３０を位置Ｚ２に位置決めして断面Ｃ２の形状を測定した後、センサ１３０を−Ｚ方向に移動させて位置Ｚ１に位置決めするだけで、断面Ｃ２と平行な断面Ｃ１を測定できる。

実施形態では、測定対象物３００がＺ方向へのみ移動され、中心軸ＣＺ回りに回転されないものとする。そのため、評価装置１は、測定対象物３００の溝３０２の全域の形状を測定できない。そこで、評価装置１は、溝３０２の１カ所又は数カ所の断面の形状を測定する。ここでは、１カ所の断面（断面Ｃ１）を例に説明する。

評価装置１は、切削加工機で構成されてもよい。この場合、評価装置１は、センサ１３０が加工刃に交換されることで、切削加工機になる。切削加工する際には、ステージ１１０上には円筒状の加工対象物が取り付けられる。そして、加工刃が取り付けられた取付部１４０は、位置Ｚ１に位置決めされた後、−Ｙ方向に移動して加工刃を加工対象物に当接させる。そして、加工対象物は、支持部１２０により中心軸ＣＺを回転軸として回転されながら、ステージ１１０により−Ｚ方向又は＋Ｚ方向に移動されることで、螺旋状の溝３０２が形成される。これにより、測定対象物３００が加工される。

図３は、前方から後方に見た場合の評価装置１を示す図である。支持部１２０は、ステージ１１０に立設された柱部１２０２と、柱部１２０２の上側に設けられた治具１２０１とを備える。治具１２０１は、上面に基準物４００が載置される。そのため、治具１２０１のＸ方向の幅は柱部１２０２の幅よりも多少広くなっている。

治具１２０１は、端部３２０の上半分と当接する半円筒状の孔１２０３を備えている。また、治具１２０１は、端部の３２０の下半分と当接する孔１２０４を備えている。孔１２０３と孔１２０４とは、端部３２０を挟持することで軸受を構成する。

図４は、実施形態に係る評価装置１の構成を示すブロック図である。機械部ＭＥについては、既に説明した通りである。コンピュータ部ＣＰについて説明する。コンピュータ部ＣＰは、本体部７１０と、操作部７２０と、表示部７３０と、を備える。

本体部７１０は、機能ブロックとして、制御処理部７１１と、記憶部７１２と、移動制御部７１３と、測定処理部７１４と、第１算出部７１５と、第２算出部７１６と、決定部７１７と、評価部７１８と、を備える。本体部７１０は、これらの機能を実現するめのハードウェア（ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＨＤＤ等）、ソフトウェア、プログラム、データ等により構成される。

制御処理部７１１は、本体部７１０の各部（記憶部７１２、移動制御部７１３、測定処理部７１４、第１算出部７１５、第２算出部７１６、決定部７１７、評価部７１８）を当該各部の機能に応じてそれぞれ制御するための装置である。

記憶部７１２は、上記ソフトウェア、プログラム、データ等を記憶する。

移動制御部７１３は、ステージ１１０、支持部１２０及び取付部１４０を制御する。詳細には、移動制御部７１３は、ステージ１１０をＺ方向に移動させるモータ（図略）に駆動信号を出力することで、ステージ１１０をＺ方向に移動させる。

また、移動制御部７１３は、測定対象物３００を中心軸ＣＺ回りに回転させるモータ（図略）に駆動信号を出力することで、支持部１２０に、測定対象物３００を中心軸ＣＺ回りに回転させる。但し、実施形態では、測定対象物３００は、中心軸ＣＺ回りに回転されないものとする。また、移動制御部７１３は、取付部１４０をＺ方向に移動させるモータ（図略）に駆動信号を出力することで、取付部１４０をＺ方向に移動させる。これにより、センサ１３０が中心軸ＣＺに沿って移動し、位置Ｚ１又は位置Ｚ２に位置決めされる。

測定処理部７１４は、測定部（図略）の構成要素の１つである。測定部は、測定処理部７１４、移動制御部７１３、センサ１３０及び取付部１４０によって構成される。図４及び図５を参照して、測定部について詳しく説明する。図５は、図２において、測定対象物３００の一部及び基準物４００を拡大した拡大図である。図５では、測定対象物３００及び基準物４００を上方から見ているので、Ｚ方向を示す軸は中心軸ＣＺと重なることになる。Ｚ方向を示す軸と中心軸ＣＺとを分けて示すために、中心軸ＣＺより上にＺ方向を示す軸が描かれている。方向ｄ１は、溝３０２及び溝４０２の幅方向を示す。図面に垂直な方向ｄ２は、溝３０２及び溝４０２の深さ方向ｄ２を示す

測定部は、位置Ｚ２（第２位置）でセンサ１３０に溝４０２（第２溝）の断面Ｃ２（第２断面）の形状を測定させる処理をする。これにより、断面Ｃ２の形状データが得られる。

測定部は、中心軸ＣＺに沿って所定範囲Ｒを設定し、所定範囲Ｒに含まれる複数の測定位置でセンサ１３０に溝３０２（第１溝）の幅方向ｄ１に沿った溝３０２の断面の形状を測定させる処理をする。これにより、複数の断面の形状データが得られる。複数の測定位置には、位置Ｚ３、位置Ｚ４及び位置Ｚ５が含まれる。位置Ｚ３でセンサ１３０に測定される溝３０２の断面が断面Ｃ３である。位置Ｚ４でセンサ１３０に測定される溝３０２の断面が断面Ｃ４である。位置Ｚ５でセンサ１３０に測定される溝３０２の断面が断面Ｃ５である。

測定部は、位置Ｚ１（第１位置）でセンサ１３０に溝３０２の断面Ｃ１（第１断面）の形状を測定させる処理をする。これにより、断面Ｃ１の形状データが得られる。

測定処理部７１４は、これらの３つの処理において、位置Ｚ２、複数の測定位置（位置Ｚ３〜Ｚ５を含む）、位置Ｚ１に、センサ１３０を移動させる命令を移動制御部７１３にしたり、これらの位置でセンサ１３０に画像を撮像する命令（断面を測定する命令）をしたり、センサ１３０が撮像した画像に対して、所定の画像処理をして、断面の形状データを生成したりする。

断面の形状データについて、断面Ｃ１の形状データを例にして詳しく説明する。断面Ｃ１の形状データは、Ｙ方向のある位置を基準高さとしたとき、断面Ｃ１の複数のサンプリング点のそれぞれの高さ（深さ）を示すデータである。

測定処理部７１４は、センサ１３０のカメラが撮影した画像を取得し、その画像に表れる光切断線の座標と、カメラの頂角と、光源の頂角と、に対して三角測量の原理を適用して各サンプリング点の高さデータを算出し、断面Ｃ１の形状データを生成する。光切断線の座標としては、例えば、光切断線が画像の水平方向に延びるのであれば、垂直方向の座標が採用される。この場合、測定処理部７１４は、光切断線が表れた画像に対して垂直方向と平行に注目ラインを設定し、注目ラインにおいて輝度ピークが表れる座標を探索する処理を、注目ラインを水平方向にずらしながら繰り返すことで、各サンプリング点の光切断線の座標を特定する。

測定対象物３００に形成された溝３０２の全体において断面形状の測定をするのでは、測定時間が長くなる。評価装置１は、溝３０２の断面のうち、センサ１３０の位置が位置Ｚ１の状態でセンサ１３０によって測定される断面Ｃ１（第１断面）の形状を評価の対象とする。位置Ｚ１は、交点Ｐ２１の真上にある。

評価装置１は、断面Ｃ１の形状を比較測定することにより、断面Ｃ１の形状を評価する。比較測定は、相対測定、間接測定とも称される。比較測定のために、センサ１３０の位置が位置Ｚ２の状態でセンサ１３０によって断面Ｃ２（第２断面）の形状が測定される。位置Ｚ２は、交点Ｐ１１の真上にある。

所定範囲Ｒに含まれる複数の測定位置でセンサ１３０に溝３０２の断面の形状を測定させる理由を説明する。溝３０２は、中心軸ＣＺを中心にして、捻れながら螺旋状に延びている。このため、位置Ｚ１から中心軸ＣＺに沿って僅かにずれるだけで、溝３０２の断面の形状及び寸法が異なる。このような溝３０２の断面形状の測定に、実施形態が適用される場合、位置Ｚ１にセンサ１３０を正確に位置決めして、溝３０２の断面（すなわち、断面Ｃ１）の形状を測定する必要がある。位置Ｚ１は、測定対象物３００及び基準物４００が配置された状態の評価装置１の設計図面等で特定できる。しかしながら、設計図面上の位置Ｚ１と実際の位置Ｚ１との誤差は不可避的に発生するので、センサ１３０の位置が位置Ｚ１でなく、位置Ｚ１からずれた位置Ｚ３の状態で、センサ１３０によって溝３０２の断面（すなわち断面Ｃ３）の形状が測定されることがある。上記誤差が大きければ、断面Ｃ１の形状を正確に測定することができない。

そこで、測定部は、センサ１３０を評価装置１の設計図面で特定される位置Ｚ１に移動させ（この位置が位置Ｚ３とする）、位置Ｚ３を中心に中心軸ＣＺに沿った所定範囲Ｒを設定する。所定範囲Ｒは、位置Ｚ１が含まれる範囲である。オペレータは、上記誤差が考慮して、所定範囲Ｒを予め決めて、所定範囲Ｒの大きさを測定部に記憶させる。図５では、位置Ｚ３を中心にして、−δｍｍ離れた位置Ｚ４と＋δｍｍ離れた位置Ｚ５とで規定される範囲が所定範囲Ｒにされている。測定部は、所定範囲Ｒに含まれる複数の測定位置を基にして、位置Ｚ１を決定する。この詳細は後で説明する。

図４及び図５を参照して、第１算出部７１５は、測定処理部７１４によって生成された複数の断面の形状データ（言い換えれば、所定範囲Ｒに含まれる複数の測定位置で、溝３０２の断面の形状が測定されて得られた複数の断面の形状データ）のそれぞれと、測定処理部７１４によって生成された断面Ｃ２の形状データ（言い換えれば、位置Ｚ２で断面Ｃ２の形状が測定されて得られた断面Ｃ２の形状データ）との差分を示す複数の差分データを算出する。

第１算出部７１５について詳しく説明する。複数の測定位置の数が整数ｎとする。複数の測定位置には、位置Ｚ４、位置Ｚ３、位置Ｚ５が含まれる。位置Ｚ４で測定される溝３０２の断面が断面Ｃ４である。位置Ｚ３で測定される溝３０２の断面が断面Ｃ３である。位置Ｚ５で測定される溝３０２の断面が断面Ｃ５である。

第１算出部７１５は、ｎ個の差分データＤＤ（ＤＤ１−１〜ＤＤ１−ｎ）を算出する。図６は、差分データＤＤを説明する説明図である。差分データＤＤは、黒色で示す線であり、灰色で示す線は、差分データＤＤの近似直線である。図５及び図６を参照して、断面Ｃ４の形状データＳＤ−１、断面Ｃ３の形状データＳＤ−ｍ、断面Ｃ５の形状データＳＤ−ｎ、断面Ｃ２の形状データＳＤ２のそれぞれを示すグラフにおいて、横軸は、溝の幅方向ｄ１に沿った断面上の位置を示し、縦軸は、断面形状の高さ（言い換えれば、溝の深さ）を示す。

断面Ｃ４の形状データＳＤ−１と断面Ｃ２の形状データＳＤ２との差分が、差分データＤＤ−１である。断面Ｃ３の形状データＳＤ−ｍと断面Ｃ２の形状データＳＤ２との差分が、差分データＤＤ−ｍである。断面Ｃ５の形状データＳＤ−ｎと断面Ｃ２の形状データＳＤ２との差分が、差分データＤＤ−ｎである。差分データＤＤのそれぞれを示すグラフにおいて、横軸は、溝の幅方向ｄ１に沿った断面上の位置を示し、縦軸は、差分値を示す。

断面Ｃ１の設計値と断面Ｃ２の設計値とは同じである。このため、断面Ｃ１の形状及び寸法は、理想的には断面Ｃ２の形状及び寸法と一致し、これらの断面の差分データＤＤ（図略）の近似直線の傾き値は、ゼロとなる。実際には、溝３０２の加工誤差等が原因でゼロとはならず、断面Ｃ１の形状データと断面Ｃ２の形状データとの差分に基づいて、断面Ｃ１の形状が評価される。

断面Ｃ４が測定された位置Ｚ４、断面Ｃ３が測定された位置Ｚ３、断面Ｃ５が測定された位置Ｚ５は、それぞれ、断面Ｃ１が測定された位置Ｚ１と異なる。このため、断面Ｃ４、断面Ｃ３、断面Ｃ５のそれぞれの形状及び寸法は 断面Ｃ２の形状及び寸法と一致しない。よって、差分データＤＤ−１、差分データＤＤ−ｍ、差分データＤＤ−ｎのそれぞれの近似直線の傾き値は、ゼロにならない。

図４及び図６を参照して、第２算出部７１６は、差分データＤＤの近似直線を算出する処理を、ｎ個の差分データＤＤのそれぞれに対して実行する。そして、第２算出部７１６は、差分データＤＤの近似直線の傾き値を算出する処理を、ｎ個の差分データＤＤのそれぞれに対して実行することにより、ｎ個の傾き値を算出する。

図４を参照して、決定部７１７は、ｎ個の測定位置（複数の測定位置）と第２算出部７１６が算出したｎ個の傾き値（複数の傾き値）との関係を示す傾きデータの近似直線を算出する。図７は、傾きデータの近似直線の一例を示すグラフである。グラフの横軸は、Ｚ方向を示す軸での位置を示し、縦軸は、傾き値を示す。グラフ中の複数の点（１１個の点）は、傾きデータであり、ｎ個の測定位置のそれぞれに対応する傾き値を示す。ｎ個の数は、傾きデータの近似直線を算出できる数である。オペレータは、ｎの値を測定部に記憶させる

図４及び図７を参照して、決定部７１７は、傾きデータの近似直線において、傾き値がゼロを示す位置を位置Ｚ１（第１位置）と決定する。傾き値がゼロとは、傾き値を丸めることにより（例えば、端数の切り上げ、切り捨て）、ゼロにした場合も含む（傾き値は、例えば、測定対象物３００および基準物４００が載置されたステージ１１０の移動精度等に応じて、丸められることがある）。また、センサ１３０が断面Ｃ１（第１断面）の形状を正確に測定できる位置であれば、傾き値が厳密にゼロを示す位置でなくてもよく、傾き値がほぼゼロの位置も、傾き値がゼロの位置に含まれる。

図４及び図５を参照して、測定部（図略）は、決定部７１７が決定した位置Ｚ１（第１位置）にセンサ１３０を移動させ、この位置でセンサ１３０に溝３０２の断面Ｃ１の形状を測定させる。評価部７１８は、この測定で得られた断面Ｃ１の形状データと、測定部が既に測定した断面Ｃ２の形状データとの差分に基づいて、断面Ｃ１の形状を評価する。

詳しく説明すると、評価部７１８は、断面Ｃ１の形状データと断面Ｃ２の形状データＳＤ２とにおいて、サンプリング点が対応する高さデータ同士の差分を求め、その差分の統計値（例えば、平均値）を算出することで、断面Ｃ１の形状データと断面Ｃ２の形状データとの差分の評価値を算出する。そして、評価部７１８は、評価値が所定の評価基準値以下であれば、断面Ｃ１は正常と判定し、評価値が評価基準値を超えていれば、断面Ｃ１は異常と判定する。なお、評価対象となる断面Ｃ１の位置が複数あれば、評価部７１８は、複数の位置のそれぞれに対する評価値を求める。そして、評価部７１８は、例えば、全ての評価値が評価基準値以下であれば、測定対象物３００の溝３０２の形状は正常と判定する。

操作部７２０は、例えば、キーボードやマウス等の入力装置で構成され、オペレータから種々の操作を受け付ける。種々の操作としては、測定開始の指示等が含まれる。

表示部７３０は、例えば、液晶ディスプレイ等の表示装置で構成され、評価部７１８の評価結果等を表示する。また、表示部７３０は、図６に示す各種グラフ、図７に示すグラフを表示してもよい。

実施形態に係る評価装置１の動作を説明する。図８は、この動作を説明するフローチャートである。図４、図５及び図８を参照して、測定処理部７１４は、移動制御部７１３に対して、センサ１３０の位置を位置Ｚ２に移動させる命令をする。移動制御部７１３は、取付部１４０を移動させて、取付部１４０に取り付けられたセンサ１３０を位置Ｚ２に位置決めする（ステップＳ１）。溝４０２の深さ方向ｄ２及び幅方向ｄ１の両方と直交する方向において、溝４０２の幅方向ｄ１に沿った溝４０２の断面は、同じ形状及び同じ寸法を有する。このため、センサ１３０が、位置Ｚ２に正確に位置決めされず、中心軸ＣＺに沿って位置Ｚ２から多少ずれた位置に位置決めされても、センサ１３０は、断面Ｃ２の形状を正確に測定することができる。

測定処理部７１４は、位置Ｚ２で、センサ１３０に備えられるカメラに断面Ｃ２の光切断線を含む画像を撮像させて、この画像から断面Ｃ２の形状データＳＤ２を生成する（ステップＳ２、図６）。

測定処理部７１４は、移動制御部７１３に対して、センサ１３０の位置を位置Ｚ１に移動させる命令をする。移動制御部７１３は、取付部１４０を移動させて、取付部１４０に取り付けられたセンサ１３０を位置Ｚ１に位置決めする。ここでは、センサ１３０が位置Ｚ１に正確に位置決めされず、位置Ｚ３に位置決めされたとする（ステップＳ３）。

測定処理部７１４は、位置Ｚ３を中心にして所定範囲Ｒを設定し、移動制御部７１３に対して、取付部１４０を位置Ｚ４から位置Ｚ５に一定速度で移動させる命令をする（位置Ｚ５から位置Ｚ４に一定速度で移動させる命令でもよい）。移動制御部７１３は、取付部１４０を位置Ｚ４から位置Ｚ５に一定速度で移動させる。この期間中、測定処理部７１４は、取付部１４０に取り付けられたセンサ１３０に備えられるカメラに、所定のフレームレートで、溝３０２の断面の光切断線を含む画像（動画）を撮像させて、これらの画像（フレーム）から複数の断面のそれぞれの形状データＳＤを生成する（ステップＳ４、図６）。なお、評価装置１は、ステップＳ３及びステップＳ４を、ステップＳ１及びステップＳ２より先に実行してもよい。

測定処理部７１４は、センサ１３０に備えられるカメラのフレームレートと、取付部１４０の移動速度と、所定範囲Ｒの長さと、に基づいて、溝３０２の複数の断面のそれぞれの形状が測定された測定位置を算出する（ステップＳ５）。これら複数の測定位置は、Ｚ方向を示す軸の座標上の位置である。

第１算出部７１５は、ステップＳ４で生成された複数の断面の形状データＳＤのそれぞれと、ステップＳ２で生成された断面Ｃ２の形状データＳＤ２との差分を示す複数の差分データＤＤを算出する（ステップＳ６、図６）。

第２算出部７１６は、ステップＳ６で算出された複数の差分データＤＤのそれぞれに対して、回帰分析をし、複数の差分データＤＤのそれぞれの近似直線を算出する（ステップＳ７）。そして、第２算出部７１６は、ステップＳ７で算出された複数の近似直線のそれぞれの傾き値を算出する（ステップＳ８）。

決定部７１７は、ステップＳ８で算出された複数の傾き値と、ステップＳ５で算出された複数の測定位置との関係を示す傾きデータに対して、回帰分析をし、傾きデータの近似直線を算出する（ステップＳ９、図７）。

決定部７１７は、ステップＳ８で算出された複数の傾き値のうち、ステップＳ９で算出した傾きデータの近似直線に対して、外れ値があるか否かを判断する（ステップＳ１０）。外れ値の判断手法としては、例えば、残差、スチューデント化（標準化）があるが、これらに限定されず、統計的に外れ値を判断する手法であれば適用することができる。

決定部７１７は、外れ値があると判断したとき（ステップＳ１０でＹｅｓ）、外れ値が除かれた傾きデータに対して、回帰分析をし、傾きデータの近似直線を算出する（ステップＳ９）。

決定部７１７は、外れ値がないと判断したとき（ステップＳ１０でＮｏ）、傾きデータの近似直線において、傾き値がゼロとなる位置を位置Ｚ１と決定する（ステップＳ１１、図７）。

測定処理部７１４は、移動制御部７１３に対して、センサ１３０の位置を、ステップＳ１１で決定された位置Ｚ１に移動させる命令をする。移動制御部７１３は、取付部１４０を移動させて、取付部１４０に取り付けられたセンサ１３０を位置Ｚ１に位置決めする（ステップＳ１２）。

測定処理部７１４は、位置Ｚ１で、センサ１３０に備えられるカメラに断面Ｃ１の光切断線を含む画像を撮像させて、この画像から断面Ｃ１の形状データを生成する（ステップＳ１３）。

評価部７１８は、ステップＳ１３で生成された断面Ｃ１の形状データと、ステップＳ２で生成された断面Ｃ２の形状データＳＤ２（図６）との差分を基にして、断面Ｃ１の形状を評価する（ステップＳ１４）。

実施形態の主な効果を説明する。実施形態は、断面Ｃ１の形状データと断面Ｃ２の形状データＳＤ２との差分を基にして、断面Ｃ１の形状を評価する（ステップＳ１４）。周囲環境によるセンサ１３０の測定誤差、センサ１３０が原理的に持つ測定誤差があったとしても、これらの測定誤差は、断面Ｃ１の形状データ、断面Ｃ２の形状データの両方に含まれる。上記差分を求めることで、これらの測定誤差がなくなる。また、熱膨張、熱収縮により測定対象物３００に形状変化があった場合、基準物４００も測定対象物３００と同様に形状変化している。上記差分を求めることで、この形状変化の成分がなくなる。実施形態によれば、上記差分を基にして、断面Ｃ１の形状を評価するので、断面Ｃ１の形状を正確に評価することができる。

図７を参照して、複数の測定位置と複数の傾き値との関係を示す傾きデータの近似直線において、傾き値がゼロとなる測定位置が、位置Ｚ１となる。なぜならば、断面Ｃ１と断面Ｃ２とは、設計値が同じなので、断面Ｃ１の形状データと断面Ｃ２の形状データＳＤ２との差分データの近似直線の傾き値は、理想的には、ゼロとなるからである。実施形態によれば、位置Ｚ１を正確に特定することができるので、断面Ｃ１の形状を正確に測定することができる。

図７に示す複数の測定位置のピッチを限りなく小さくすれば、いずれかの測定位置での傾き値がゼロとなるので、位置Ｚ１を決定することができる。この場合、測定位置の数が多くなるので、位置Ｚ１を決定するための計算量が膨大となり、この結果、位置Ｚ１の決定に長時間を要することになる。これに対して、実施形態によれば、傾きデータの直線近似を用いて、傾き値がゼロとなる位置を位置Ｚ１と決定する。これにより、測定位置の数が少なくても、位置Ｚ１を決定できるので、位置Ｚ１の決定に長時間を要することはない。

上述したように、実施形態によれば、複数の測定位置の数（言い換えれば、複数の傾き値の数）が少なくても、位置Ｚ１を決定することができる。傾き値の中に外れ値が含まれている場合、複数の測定位置の数が少ないと、傾きデータの近似直線に及ぼす外れ値の影響が大きくなる。これにより、位置Ｚ１を正確に決定することができなくなる。実施形態によれば、外れ値を除外するので（ステップＳ１０でＹｅｓ）、位置Ｚ１を正確に決定することができる。

ステップＳ７において、図６に示す差分データＤＤの近似直線を算出するのに用いるサンプリング数（差分値の数）が多ければ、サンプリングされた複数の差分値の中に外れ値が含まれていても、外れ値が差分データＤＤの近似直線に与える影響は小さい。よって、外れ値を考慮することなく、差分データＤＤの近似直線の算出が可能となる。実施形態は、複数の差分データＤＤのそれぞれの近似直線を算出するのに用いるサンプリング数を、図７に示す傾きデータの近似直線の算出に用いる複数の測定位置の数より多くすることにより、複数の差分データＤＤのそれぞれの近似直線を算出するのに用いるサンプリング数が多くなるようにしている。

１ 評価装置
３００ 測定対象物
３０２ 溝（第１溝）
４００ 基準物
４０２ 溝（第２溝）
ＣＰ コンピュータ部
ＣＺ 中心軸
Ｃ１ 断面（第１断面）
Ｃ２ 断面（第２断面）
Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５ 断面
ＤＤ（ＤＤ−１、ＤＤ−ｍ、ＤＤ−ｎ） 差分データ
ｄ１ 幅方向
ｄ２ 深さ方向
ＭＥ 機械部
Ｒ 所定範囲
ＳＤ（ＳＤ−１〜ＳＤ−ｎ） 形状データ
ＳＤ２ 断面Ｃ２の形状データ
Ｚ１ 位置（第１位置）
Ｚ２ 位置（第２位置）
Ｚ３，Ｚ４，Ｚ５ 測定位置

Claims (5)

1. 測定対象物の中心軸に対して螺旋状に前記測定対象物の表面に形成された第１溝を有する前記測定対象物に対して、第１位置で測定される、前記第１溝の幅方向に沿った前記第１溝の第１断面の形状を評価する評価装置であって、
   前記第１断面の設計値と同じ設計値である第２断面を有する第２溝が形成された基準物と、
   前記中心軸に沿って移動し、非接触で断面形状を測定するセンサを備え、第２位置で前記センサに前記第２断面の形状を測定させる処理、及び、複数の測定位置で前記センサに前記第１溝の幅方向に沿った前記第１溝の断面の形状を測定させる処理をする測定部と、
   複数の前記測定位置で前記第１溝の断面の形状が測定されて得られた複数の断面の形状データのそれぞれと、前記第２位置で前記第２断面の形状が測定されて得られた前記第２断面の形状データとの差分を示す複数の差分データを算出する第１算出部と、
   前記差分データの近似直線の傾き値を算出する処理を、複数の前記差分データのそれぞれに対して実行することにより、複数の前記傾き値を算出する第２算出部と、
   複数の前記測定位置と複数の前記傾き値との関係を示す傾きデータの近似直線において、前記傾き値がゼロの位置を前記第１位置と決定する決定部と、
   前記第２断面の形状データと、前記決定部が決定した前記第１位置で、前記測定部が前記センサに前記第１断面の形状を測定させて得られた前記第１断面の形状データとの差分に基づいて、前記第１断面の形状を評価する評価部と、を備える評価装置。
2. 前記決定部は、複数の前記傾き値のうち、外れ値があるか否かを判断し、前記外れ値があると判断したとき、前記外れ値を除いて前記傾きデータの近似直線を算出する、請求項１に記載の評価装置。
3. 前記第２算出部は、前記差分データの近似直線を算出するのに用いるサンプリング数を、複数の前記測定位置の数より多くし、サンプリングされた複数の差分値のうちで外れ値があるか否かを判断せずに、前記差分データの近似直線を算出する処理を、複数の前記差分データのそれぞれに対して実行する、請求項２に記載の評価装置。
4. 前記第２溝の深さ方向及び幅方向の両方と直交する方向において、前記第２溝の幅方向に沿った前記第２溝の断面は、同じ形状及び同じ寸法を有しており、
   前記第２断面は、前記第２溝の幅方向に沿った前記第２溝の断面である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の評価装置。
5. 測定対象物の中心軸に対して螺旋状に前記測定対象物の表面に形成された第１溝を有する前記測定対象物に対して、第１位置で測定される、前記第１溝の幅方向に沿った前記第１溝の第１断面の形状を評価する評価方法であって、
   前記第１断面の設計値と同じ設計値である第２断面を有する第２溝が形成された基準物が予め用意されており、前記中心軸に沿って移動し、非接触で断面形状を測定するセンサに第２位置で前記第２断面の形状を測定させる第１測定ステップと、
   複数の測定位置で前記センサに前記第１溝の幅方向に沿った前記第１溝の断面の形状を測定させる第２測定ステップと、
   複数の前記測定位置で前記第１溝の断面の形状が測定されて得られた複数の断面の形状データのそれぞれと、前記第２位置で前記第２断面の形状が測定されて得られた前記第２断面の形状データとの差分を示す複数の差分データを算出する第１算出ステップと、
   前記差分データの近似直線の傾き値を算出する処理を、複数の前記差分データのそれぞれに対して実行することにより、複数の前記傾き値を算出する第２算出ステップと、
   複数の前記測定位置と複数の前記傾き値との関係を示す傾きデータの近似直線において、前記傾き値がゼロの位置を前記第１位置と決定する決定ステップと、
   前記決定ステップが決定した前記第１位置で前記センサに前記第１断面の形状を測定させる第３測定ステップと、
   前記第２断面の形状データと、前記第３測定ステップで前記センサに前記第１断面の形状を測定させて得られた前記第１断面の形状データとの差分に基づいて、前記第１断面の形状を評価する評価ステップと、を備える評価方法。

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