JPWO2006030664A1 - 歯車の歯やねじのピッチの非接触測定法 - Google Patents

Abstract

簡易な装置を用いて非接触で短時間に高精度な測定が可能であるピッチ測定方法等を提供する。ピッチ測定方法は、略同一形状の複数の注目形状部４を有する対象物２について、注目形状部４が同一の経路８上を移動するように対象物２を運動させる第１のステップと、固定位置から、経路８上の所定位置６を通過する注目形状部４について、所定位置６に焦点を合わせて連続的に光学データを取得して記憶する第２のステップと、記憶した光学データと対象物２の注目形状部４の移動距離との対応関係に基づき、移動距離を変数として、取得した光学データの所定位置６に対応する部分について合焦の程度を数値化した合焦評価値を算出し、移動距離と合焦評価値の組み合わせの点群を求める第３のステップと、点群に基準曲線を当てはめ、基準曲線の当てはめ位置に基づいてピッチを決定する第４のステップとを含む。

Description

本発明は、歯車の歯やねじなどのピッチを非接触で測定するためのピッチ測定方法に関する。

歯車などの機械部品は、そのミクロン単位のピッチ誤差が機械の振動、騒音に影響するため、品質管理上、ピッチの測定が必要となる。

歯車のピッチ測定には、触針を用いる接触式測定法が主に用いられている（例えば、特許文献１参照）。非接触の測定方法としては、光学的な測距方法がある。
特開２００２−１０７１４２号公報

接触式の場合、測定時間の短縮や測定精度の向上に限界がある。非接触式測定法は、必要な作動距離を確保すると測定精度が不十分になること、測定対象の表面性状が限定されること、使用可能な測定環境が限定されることなどの問題があり、ピッチ測定に関しては、ほとんど実用に至っていない。

本発明は、かかる実情に鑑み、簡易な装置を用いて非接触で短時間に高精度な測定が可能であるピッチ測定方法を提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、以下のように構成したピッチ測定方法を提供する。

ピッチ測定方法は、略同一形状の複数の注目形状部を有する対象物について、隣り合う前記注目形状部の着目点間の隔たり、すなわち前記注目形状部のピッチを非接触で測定するタイプのピッチ測定方法である。ピッチ測定方法は、第１〜第４のステップを含む。前記第１のステップにおいて、前記注目形状部が同一の経路上を移動するように前記対象物を運動させる。前記第２のステップにおいて、固定位置から、前記経路上の所定位置を通過する前記注目形状部について、該所定位置に焦点を合わせて連続的に光学データを取得して記憶する。前記第３のステップにおいて、記憶した前記光学データと前記対象物の前記注目形状部の移動距離との対応関係に基づき、前記移動距離を変数として、取得した前記光学データの前記所定位置に対応する部分について合焦の程度を数値化した合焦評価値を算出し、前記移動距離と前記合焦評価値の組み合わせの点群を求める。前記第４のステップにおいて、前記点群に基準曲線を当てはめ、該基準曲線の当てはめ位置に基づいて前記ピッチを決定する。

上記方法において、第４のステップで注目形状部ごとに決定した基準曲線の当てはめ位置から、例えば隣接する注目形状部間のピッチを算出することができる。あるいは、ピッチの測定値と正規の値との差（ピッチ誤差）を算出する。

上記方法は、非接触式であるので、接触式よりも短時間で測定を行うことができる。また、対象物の運動や撮影、データの記憶、処理などには、簡易な装置を用いて行うことができる。

一般に、注目形状部について合焦評価値が極大となるピーク位置近傍では、合焦評価値の変化量が相対的に小さく、合焦評価値の測定誤差の方が相対的に大きくなり、ピーク位置を精度よく決定することは難しい。基準曲線を当てはめるようにすれば、ピーク位置前後の測定誤差の影響を小さくし、合焦評価値の曲線全体の形状を考慮して、精度よくピーク位置を決定することができる。

また、基準曲線の当てはめを移動距離の測定間隔より小さい単位で行えば、ピーク位置を移動距離の測定間隔よりも小さい単位で決定することが可能である。

好ましくは、前記第３ステップにおいて、前記対象物の少なくとも１つの前記注目形状部が前記経路の前記所定位置を通過する前後における前記合焦評価値に基づいて、前記基準曲線を決定する。

この場合、基準曲線は、測定した少なくとも１つの注目形状部についての合焦評価値に基づいて決める。これにより、個々の対象物のばらつきがあっても、適正に基準曲線を決めることができ、注目形状部のピッチを精度よく決定することができる。

例えば、最初に測定した注目形状部の合焦評価値の曲線を基準曲線として用いる。あるいは、対象物の注目形状部ごとに合焦評価値の曲線を求め、それを平均化して基準曲線として用いる。

好ましくは、前記基準曲線は、少なくとも１つの極値とその両側に存在する変曲点の間の区間を含む曲線である。

この場合、注目形状部の合焦評価値の全体的な曲線形状に基づいて注目形状部の位置を決定することができ、各種ノイズの影響を少なくし、ピッチ測定の精度を高めることができる。

好ましくは、前記第１のステップにおいて、前記対象物を略等速で運動させる。前記第２のステップにおいて、略一定時間間隔で前記光学データを取得して記憶する。

対象物の注目形状部が略一定距離移動するごとに光学データを取得し、その光学データを記憶することになるので、光学データを対象物の移動距離と対応付けることが簡単になり、データ処理が容易となる。また、ピッチ測定の精度を略一定に保つことができる。例えば、歯車について歯形のピッチを精度よく測定することができる。

また、本発明は、以下のように構成したピッチ算出方法を提供する。

ピッチ算出方法は、略同一形状の複数の注目形状部を有する対象物について、隣り合う前記注目形状部の着目点間の隔たり、すなわち前記注目形状部のピッチを算出する方法でる。ピッチ算出方法は、前記注目形状部が同一の経路上を移動するように前記対象物を運動させ、固定位置から、前記経路上の所定位置を通過する前記注目形状部について、該所定位置に焦点を合わせて連続的に取得した光学データの入力を受け付ける第１のステップと、前記第１のステップで入力を受け付けた光学データと前記対象物の前記注目形状部の移動距離との対応関係に基づき、前記移動距離を変数として、取得した前記光学データの前記所定位置に対応する部分について合焦の程度を数値化した合焦評価値を算出し、前記移動距離と前記合焦評価値の組み合わせの点群を求める第２のステップと、前記点群に基準曲線を当てはめ、該基準曲線の当てはめ位置に基づいて前記ピッチを決定する第３のステップとを含む。

また、本発明は、上記ピッチ算出方法をコンピュータに実行させるためのプログラムを提供する。

すなわち、略同一形状の複数の注目形状部を有する対象物について、隣り合う前記注目形状部の着目点間の隔たり、すなわち前記注目形状部のピッチを、コンピュータに算出させるためのプログラムであって、前記注目形状部が同一の経路上を移動するように前記対象物を運動させ、固定位置から、前記経路上の所定位置を通過する前記注目形状部について、該所定位置に焦点を合わせて連続的に取得した光学データの入力を受け付ける第１のステップと、前記第１のステップで入力を受け付けた光学データと前記対象物の前記注目形状部の移動距離との対応関係に基づき、前記移動距離を変数として、取得した前記光学データの前記所定位置に対応する部分について合焦の程度を数値化した合焦評価値を算出し、前記移動距離と前記合焦評価値の組み合わせの点群を求める第２のステップと、前記点群に基準曲線を当てはめ、該基準曲線の当てはめ位置に基づいて前記ピッチを決定する第３のステップとを、コンピュータに実行させるためのプログラムを提供する。

また、本発明は、以下のように構成したピッチ測定装置を提供する。

ピッチ測定装置は、略同一形状の複数の注目形状部を有する対象物について、隣り合う前記注目形状部の着目点間の隔たり、すなわち前記注目形状部のピッチを非接触で測定するタイプのものである。ピッチ測定装置は、前記注目形状部が同一の経路上を移動するように前記対象物が運動するとき、固定位置から、前記経路上の所定位置を通過する前記注目形状部について、該所定位置に焦点を合わせて連続的に光学データを取得して記憶するデータ取得部と、前記データ取得部が記憶した前記光学データと、前記対象物の前記注目形状部の移動距離との対応関係に基づき、前記移動距離を変数として、取得した前記光学データの前記所定位置に対応する部分について合焦の程度を数値化した合焦評価値を算出し、前記移動距離と前記合焦評価値の組み合わせの点群を求め、該点群に基準曲線を当てはめ、該基準曲線の当てはめ位置に基づいて前記ピッチを決定するピッチ演算部とを備える。

上記構成において、対象物を強制的に駆動しながら光学データを取得しても、対象物が自由運動する状態で光学データを取得してもよい。注目形状部の移動距離は、対象物の基準点の移動距離を直接測る場合のみならず、例えば、対象物の回転角度の計測結果より算出される場合や、対象物の基準点の移動時間の計測結果により算出される場合などがある。

上記構成によれば、データ取得部により光学データを取得した後、ピッチ演算部により注目形状部の合焦位置を決定することができる。

好ましくは、前記データ取得部は、前記対象物が自由運動する状態で取得した前記光学データを、その光学データを取得した時刻と対応付けて記憶する。前記ピッチ演算部は、前記データ取得部が記憶した前記光学データと該光学データと対応付けられた前記時刻とに基づき、前記合焦位置を決定する。

上記構成によれば、自由運動するときの対象物の運動方程式、あるいは実測データに基づいて、光学データを取得した時刻における注目形状部の移動距離を算出することができるので、対象物を駆動せずにピッチを測定することができる。対象物を略等速回転させる駆動機構等が不要であり、ピッチ測定装置の構成を簡単にすることができる。

本発明のピッチ測定方法、プログラム及びピッチ測定装置は、簡易な装置を用いて非接触で短時間に高精度な測定が可能である。

ピッチ測定システムの構成図である。（実施例１） 測定装置本体のブロック図である。（実施例１） 合焦評価値のグラフである。（実施例１） 基準曲線の当てはめの説明図である。（実施例１） 基礎実験の説明図である。（実施例２） 合焦評価値のグラフである。（実施例２） 合焦評価値のグラフである。（実施例２） 基礎実験結果のグラフである。（実施例２） ピッチ測定システムの構成図である。（実施例３） トリガー信号の説明図である。（実施例３） 基準曲線の当てはめの説明図である。（実施例３） 歯車のピッチ測定の説明図である。（実施例４） 合焦評価値のグラフである。（実施例４） 累積ピッチ誤差のグラフである。（実施例４） ピッチ推定誤差のグラフである。（実施例４） ラプラシアンフィルタの説明図である。（実施例４） プレヴィットのフィルタの説明図である。（実施例４） ピッチ測定システムの構成図である。（実施例５）

符号の説明

２ 歯車（対象物）
４ 歯形（注目形状部）
６ 所定位置
１０，１１ ピッチ測定システム
１２ 回転駆動部
１３ 保持装置
１４ カメラ（データ取得部）
１５ レンズ（データ取得部）
１６，１８ 測定装置本体（データ取得部、ピッチ演算部）
３２ 試験部材（対象物）
３４ 測定面（注目形状部）
３６ カメラ
Ｓ 基準曲線
Ｔ 基準軸
Ｘ ピーク位置（当てはめ位置）

以下、本発明の実施の形態として実施例について、図１〜図８を参照しながら説明する。

まず、第１実施例について、図１〜図４を参照しながら説明する。

図１は、ピッチ測定を行うピッチ測定システム１０の全体構成図である。対象物である歯車２は、不図示の回転ステージに載せ、回転駆動部１２により略等速で回転駆動する。回転駆動部１２は、歯車２の回転角度を検出するロータリーエンコーダを含む。なお、後述するように、歯車２は、完全な等速回転でなくても、滑らかに回転すればよい。また、強制的に回転駆動する代わりに、自然回転させるようにしてもよい。この場合、歯車の回転角度は、時間計測から算出することも可能である。

注目形状部は歯車２の歯形４であり、歯車２の歯形４が回転移動する経路上の所定点６、例えばピッチ円８上の点を、カメラ１４で撮影する。カメラ１４の撮影レンズ１５は、所定点６にピントが合うよう設定する。カメラ１４は、撮影レンズ１５が所定点６から作動距離Ｌだけ離れた位置に固定する。

測定装置本体１６は、所定のプログラムを実行し、歯車２を回転駆動する回転駆動部１２やカメラ１４の動作を制御する。測定装置本体１６は、図２のブロック図に示すように、制御を統括する制御部２０に、表示パネル等を含む表示部２２と、測定条件の設定や測定の開始・終了などの操作を行うための操作パネル等を含む操作部２４と、カメラ１４や回転駆動部１２との間で通信するためのインターフェース部２６と、カメラ１４で撮影した画像のデータ等を記憶する記憶部２８とが接続されている。制御部２０は、ＣＰＵ等を含み、演算機能を有する。測定装置本体１６は、汎用のパソコンで構成することも可能である。

次に、測定システム１０の動作について説明する。

回転駆動部１２は、測定装置本体１６からの指令信号に基づき、指定された略一定速度で歯車２を回転駆動する。カメラ１４は、測定装置本体１６からの指令信号に基づき、指定された略一定時間間隔で撮影を行う。各々の撮影ごとに、あるいは、ある程度撮影データが集積された状態で、撮影した画像のデータを測定装置本体１６に送信する。測定装置本体１６は、カメラ１４からのデータを受信し、受信したデータを記憶部２８に格納する。所定数のデータが記憶部２８に格納されると、測定装置本体１６は指令信号を送信し、回転駆動部１２及びカメラ１４の動作を停止させ、測定動作を終了する。

測定装置本体１６は、測定動作の終了後、又は測定動作と並行して、解析動作を行う。すなわち、記憶部２８に格納されたカメラ１４からのデータを読み出し、所定点６について合焦評価値を算出する。例えば、所定点６の近傍領域に対応する画素について、Ｒ，Ｇ，Ｂの輝度レベルのラプラシアンをそれぞれ求め、それらに適宜な係数を乗じて足し合わせた値を、合焦評価値として算出する。この場合、合焦評価値は、画像のシャープさを数値化したものである。

図３に模式的に示すように、合焦評価値は、歯車２の回転に伴い、歯形４が所定位置を通過するごとに変動を繰り返す。合焦評価値のピーク位置Ｑ_０，Ｑ_１，Ｑ_２，・・・を求め、隣接するピーク位置間の回転角の差、すなわちピッチθ_１，θ_２，θ_３，・・・を算出する。

合焦評価値のピーク位置（合焦位置）は、例えば次のように算出する。

まず、図４に示すように、基準曲線Ｓと、基準曲線Ｓのピーク位置Ｘに対応する基準軸Ｔとを決める。

例えば、歯車の各歯形に対応する合焦評価値のそれぞれの点群を平均化した基準曲線Ｓを用いる。この場合、適宜な方法で平均化することができる。一例を挙げると、横軸を回転角、縦軸を合焦評価値とし、ある特定の歯形の点群について補間曲線を求め、他の歯形の点群を横軸方向に移動しながら、その点群の各点について、特定の歯形の点群の補間曲線に対する縦軸方向の偏差の二乗和を求め、その二乗和が最小となる位置に点群を移動する。このようにして移動した特定の歯形以外の歯形のそれぞれの点群と特定の歯形の点群とについて、対応する点同士を平均化し、それらの平均化した点を補間又は近似する補間曲線又は近似曲線を、基準曲線Ｓとする。

あるいは、基準となる１つの歯形についての点群のみから、補間曲線あるいは近似曲線を求め、それを基準曲線Ｓとし、ピーク位置Ｘ、基準軸Ｔを定めてもよい。

次に、任意の歯形に対応する一群の合焦評価値のデータＤ_ｎに、基準曲線Ｓを当てはめ、基準曲線Ｓが最もよく当てはまるときの基準軸Ｔ_ｎに対応する歯車の回転角度（例えば、基準となる歯形の合焦評価値の点群Ｄ_０について求めた基準軸Ｔからの角度Ｋ_ｎ）を算出する。

例えば、基準曲線Ｓを少しずつ動かし、それぞれの基準曲線Ｓの位置において合焦評価値の点群Ｄ_ｎの各点と基準曲線Ｓとの合焦評価値のずれ量（図４において矢印９０，９２などで示す上下方向のずれ量）の二乗和を算出する。そして、このずれ量の二乗和が最も小さくなるときの基準曲線Ｓの位置における基準軸Ｔ_ｎに対応する歯車の回転角度を求める。

基準曲線Ｓの当てはめは、少なくとも合焦評価値の曲線の変曲点Ｐ_ｉ，Ｐ_ｊの間の幅Ｗの区間を含み、好ましくは、その２倍（２Ｗ）程度の区間に含まれる各点のデータについて行う。これにより、合焦評価値の全体的な曲線形状から基準軸の位置を決定することができ、各種ノイズの影響を少なくし、ピッチ測定の精度を高めることができる。

ピッチ測定システム１０は、歯形測定装置のような同期制御駆動が不要であり、簡易な装置を用いることができる。また、非接触方式であるので、短時間に測定を行うことが可能である。さらに、測定システム１０は、カメラ１４の作動距離Ｌを実用的な範囲（５０ｍｍ程度）に設定して、１μｍ以下の測定精度で歯形ピッチを測定することが可能である。

次に、上記の測定精度を達成できることを検証するための基礎実験（実施例２）について、図５〜図８を参照しながら説明する。

図５に示すようにリニアテーブル３０上に、垂直な測定面３４を有する試験部材３２を固定し、測定面３４に対して垂直方向からカメラ３６で撮影を行う。カメラ３６の撮影レンズ３８は、測定面３４が基準位置にあるときにピントが合うように焦点を固定する。撮影レンズ３８の焦点距離は５５ｍｍである。

リニアテーブル３０を駆動し、測定面３４を移動しながら、カメラ３６で撮影を行い、測定面３４の位置と撮影した画像のデータとを対応付けて記憶する。同一の測定面３４を１０回繰り返し測定する。測定後、１回目のデータから合焦評価値を算出し、基準曲線を決める。次に、２回目以降のデータについて合焦評価値を算出し、基準曲線を当てはめ、合焦評価値の曲線のピーク位置（合焦位置）を算出する。このとき、合焦評価値の曲線の変曲点の幅の２倍の範囲について、基準曲線を当てはめる。その結果、図８に示すように、合焦位置の測定値のばらつき幅は、±０．３μｍであった。

合焦評価値は、測定面３４の移動に伴い、図６に示すように変化する。ピーク近傍部分Ａでは、図７に示すように、細かい振動的なばらつきが生じ、全体的になだらかなピーク位置近傍部分において、合焦評価値の最大値からピーク位置を正確に求めることは困難である。ピーク位置近傍部分よりも広い範囲を含む基準曲線を当てはめることにより、合焦位置を１μｍ以下の精度で求めることができる。

次に、第３実施例のピッチ測定システム１１について、図９〜図１１を参照しながら説明する。第３実施例では、第１実施例と略同様の方法でピッチを測定する。以下では、第１実施例と相違する点を中心に説明し、同じ構成部分には同じ符号を用いる。

図９に示すように、歯車２を保持装置１３により回転自在に保持する。歯車２に適宜な方法で外力を加え回転させた後、外力を加えるのを止める。そして、歯車２が自然回転する状態で、実施例１と同様に、カメラ１４で撮影を行う。

測定装置本体１８は、カメラ１４から受信したデータを、内部クロックの時刻と対応付けて記憶する。測定装置本体１８は、内部クロックの時刻から歯車２の回転角度を算出し、実施例１と同様に合焦評価値と回転角度の組み合わせの点群に基準曲線を当てはめ、合焦位置からピッチを求める。

歯車２の回転角度θは、自然回転する歯車２の運動方程式に基づいて、時刻から求めることができる。すなわち、自然回転するときの歯車２の運動方程式は、次のように表すことができる。

ここで、Ｉ，Ｄは定数である。

上記の式（１）は２階微分方程式であるので、図１０に示すように、例えば歯数Ｚの歯車の１回転ごとの時刻ｔ_０，ｔ_Ｚ，ｔ_２Ｚから関数θ（ｔ）を決めることができる。例えば、静圧気体軸受により歯車２の回転軸３を軸支すると、歯車２は非常に滑らかに自然回転するので、精度よく関数θ（ｔ）を決めることができる。

関数θ（ｔ）は運動方程式を解く方法だけでなく、回転角度と時刻の関係を曲線で近似することにより、例えば１回転ごとの時刻から、任意の時刻における回転角度を求めることができる。

時刻ｔ_０，ｔ_Ｚ，ｔ_２Ｚは、例えば歯車２に検出マークを設け、光学センサにより検出マークを非接触で検出することにより測定することができる。

カメラ１４で撮影したデータを利用し、時刻ｔ_０，ｔ_Ｚ，ｔ_２Ｚを測定することも可能である。例えば、図１１に示すように、歯車の回転角θの代わりに内部クロックの時刻ｔを用い、ある基準歯の時刻ｔと合焦評価値ｆの組み合わせの点群Ｄ_０'と、１回転後のその歯についての点群Ｄ_Ｚ'に、実施例１と同様に基準曲線Ｓ'を当てはめ、基準軸Ｔ'に対応する時刻ｔ_０'，ｔ_Ｚ'を求める。

ピッチ測定システム１１は、歯車２を等速回転させる駆動機構が不要であり、構成を簡単にすることができる。

次に、歯車の歯のピッチの測定例（実施例４）について、図１２〜図１７を参照しながら説明する。

図１２に示したように、被測定歯車４０が取り付けられた軸４２を、歯車測定装置（不図示）のセンター主軸に取り付け、カメラ４４で歯面を測定する。基準となる歯４１の歯面中央に焦点が合うように焦点位置を調節し、カメラ４４を設置する。また、ライトガイド４６，４７を用いて、基準となる歯４１の歯面を、略半径方向と略歯筋方向から照明する。

被測定歯車４０の諸元は次のとおりである。
・モジュール ２
・圧力角 ２０°
・ねじれ角度 Ｌ３０°
・歯数 ４０
・歯幅 ２０ｍｍ
・ピッチ円直径 ９２．３７６ｍｍ
なお、被測定歯車４０の歯のうち１つは、意図的にピッチをずらして製作した。

測定時には、矢印４９で示すように歯車測定装置によって被測定歯車４０を回転させ、０．０１°毎にカメラ４４で撮影を行い、画像データから合焦評価値を算出してピッチを求める。

具体的には、カラービットマップ形式の画像データのうち、焦点を合わせた歯面中央領域に対応する６４×６４ピクセルについて、Ｒ（赤)、Ｇ（緑)、Ｂ（青）のそれぞれの明るさを０から２５５までの数値に置き換える。画像のピントがあっているときは、画像内の明暗の差が大きく現れると考えられるので、これを数値化したものを合焦評価値とする。

例えば、図１６に示すように、２階微分（差分）系フィルタである８方向ラプラシアン（Ｌａｐｌａｃｉａｎ）フィルタを用いる。すなわち、注目画素を中心とした上下左右の９つの画素値に対し、それぞれ係数を乗算した後それらの和を求め、その絶対値をとる。解析する範囲（６４×６４ピクセル）内の全ての画素に対して、同様に絶対値を求め、絶対値を合計した後、解析する範囲の面積で除し、絶対値の平均値Δｆを算出する。Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）それぞれについて、絶対値の平均値Δｆ^Ｒ，Δｆ^Ｇ，Δｆ^Ｂを算出し、それぞれに輝度寄与率（赤、緑、青の三原色の輝度が全体の輝度値に寄与する割合）ｃ^Ｒ，ｃ^Ｇ，ｃ^Ｂをかけて合計したもの、すなわち、
ｆ＝ｃ^Ｒ・Δｆ^Ｒ＋ｃ^Ｇ・Δｆ^Ｇ＋ｃ^Ｂ・Δｆ^Ｂ
を画像の合焦評価値とする。

あるいは、１階微分（差分）系フィルタであるプレヴィット（Ｐｒｅｗｉｔｔ）フィルタを用いてもよい。この場合、８方向ラプラシアンフィルタと同様に、注目画素を中心とした上下左右の９つの画素値に対し、図１７（ａ）に示す係数を横方向に、図１７（ｂ）に示す係数を縦方向に、それぞれ乗算し、横方向の差分値ｆ_ｘと縦方向の差分値ｆ_ｙを求め、絶対値の２乗和（ｆ_ｘ ^２＋ｆ_ｙ ^２）^１／２を求める。解析する範囲（６４×６４ピクセル）内の全ての画素に対して、同様に絶対値の２乗和を求め、絶対値の２乗和を合計した後、解析する範囲の面積で除し、絶対値の２乗和の平均値Δｆを算出する。Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）について、絶対値の２乗和の平均値Δｆ^Ｒ，Δｆ^Ｇ，Δｆ^Ｂを算出し、それぞれに輝度寄与率ｃ^Ｒ，ｃ^Ｇ，ｃ^Ｂをかけて合計したもの、すなわち、
ｆ＝ｃ^Ｒ・Δｆ^Ｒ＋ｃ^Ｇ・Δｆ^Ｇ＋ｃ^Ｂ・Δｆ^Ｂ
を画像の合焦評価値とする。

図１３に、歯車の回転角と、合焦評価値との関係を示す。被測定歯車４０の歯を撮影する順に、１番歯、２番歯、３番歯・・・とし、連続する７枚の歯について合焦評価値を算出した。各歯の合焦評価値の曲線の回転角（横軸）は、対象歯と１番歯の間の理論上の角度を差し引いた回転角で示している。すなわち、ｎ番歯の回転角は、理論ピッチ（この例では、９°）×（ｎ−１）の角度を差し引いた回転角で示す。合焦評価値は、図１６の８方向ラプラシアンフィルタを用い、輝度寄与率は、ｃ^Ｒ＝０．２９９，ｃ^Ｇ＝０．５８７，ｃ^Ｂ＝０．１１４とした。図１３より、各歯とも歯車の回転に伴い合焦評価値が増加し、極大値を取ったのち減少する変化の曲線が得られた。各歯ごとに合焦評価値の曲線の高さや形が異なっている。特に４番歯のみ、大きなピッチ誤差があることが分かる。

１番歯の合焦評価値の補間曲線を基準曲線とし、２〜７番歯に基準曲線を当てはめ、基準曲線の当てはめ位置から、累積ピッチを求めた。これから理論ピッチを差し引いたものを累積ピッチ誤差とした。比較例として、被測定歯車４０の歯の撮影箇所近傍を、接触式測定機でピッチ測定した。図１４に、累積ピッチ誤差の推定値と接触式での測定値を示す。

測定した各歯について、非接触式による累積ピッチ誤差の推定値から接触式による測定値を差し引き、これをピッチ推定誤差とした。これを図１５に示す。１番歯から７番歯についてピッチ推定誤差の標準偏差を求めると、１．０μｍとなった。カメラ４４を用いた非接触式測定によって、接触式と同程度の精度でピッチ測定できることが分かる。

次に、直線運動させてピッチ測定を行う場合（実施例５）について、図１８を参照しながら説明する。

図１８（ａ）は、光ファイバアレイのＶ溝基板５０のＶ溝５１のピッチを測定する場合の説明図である。図１８（ｂ）は、図１８（ａ）の線Ｂ−Ｂに沿って切断した断面図である。

図１８（ａ）に示すように、Ｖ溝基板５０を、Ｖ溝５１が形成された面を上にしてスライドテーブル５２の上に置き、矢印５３で示すように、Ｖ溝５１の延在方向に対して直角方向にＶ溝基板５０を直線運動させながら、上方の固定位置からカメラ５４でＶ溝基板５０のＶ溝５１を撮影する。Ｖ溝５１の延在方向に対して斜め方向にＶ溝基板５０を直線運動させてもよいが、その場合には、その直線運動方向のピッチが測定できる。このとき、カメラ５４は矢印５４ａで示すように、Ｖ溝基板５０の主面の法線方向から撮影しても、矢印５４ｘで示すように斜め方向から、すなわちＶ溝５１の斜面の略法線方向から撮影してもよい。

撮影は、Ｖ溝基板５０のＶ溝５１の斜面中央５５に焦点を合わせた状態で行う。また、図１８（ｂ）に示すように、ライトガイド５７，５８を用いて、撮影方向５４ａと略同じ方向５７ａ，５８ａから、焦点を合わせたＶ溝基板５０のＶ溝５１の斜面中央５５近傍部分を照明する。

測定時には、測定装置本体５６からの制御によって、スライドテーブル５２が駆動してＶ溝基板５０を直線移動させ、その直線移動距離を測定しつつ、これと同期してカメラ５４が撮影を行う。測定装置本体５６は、実施例１〜４と同様に、カメラ５４からの画像データのうち、焦点を合わせた所定範囲のデータを抽出して合焦評価値を算出し、合焦評価値と直線移動距離の関係を示す点群に基準曲線を当てはめることによって、Ｖ溝５１のピッチを算出する。

図１８と同様の構成を用いて、液晶パネルのバックライト用の導光板や反射板の溝のピッチやマイクロレンズアレイのピッチ、ねじのピッチ、ラックのピッチなどの測定を行うことができる。また、これらを製作する金型のピッチを測定することも可能である。

以上に説明したように、簡易な装置を用いて非接触で短時間に高精度なピッチ測定が可能である。

なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、種々変更を加えて実施可能である。

例えば、歯車について説明したが、歯車のピッチ測定に限定されるものではない。ねじなどのピッチの測定にも適用できる。また、異なるピッチで注目形状部（例えば、切り欠き部）が形成された対象物や、直線状に注目形状部（例えば、ラック）が形成された対象物などにも適用可能である。

また、データの取得や記憶と、データの解析（ピッチの算出）とを別々の装置で行うようにしてもよい。その場合、後者のデータの解析を行う装置（例えば、コンピュータ）は、所定のプログラムに従って、略同一形状の複数の注目形状部を有する対象物を、注目形状部が同一の経路上を移動するように運動させ、固定位置から、経路上の所定位置を通過する注目形状部について、該所定位置に焦点を合わせて連続的に取得した光学データ（例えば、所定位置を撮影した画像のデータ）の入力を受け付ける第１のステップと、第１のステップで入力を受け付けた光学データと対象物の注目形状部の移動距離との対応関係に基づき、移動距離を変数として、取得した光学データの所定位置に対応する部分について合焦の程度を数値化した合焦評価値を算出し、移動距離と合焦評価値の組み合わせの点群を求める第２のステップと、点群に基準曲線を当てはめ、該基準曲線の当てはめ位置に基づいて前記ピッチを決定する第３のステップとを実行する。

また、対象物の移動距離と撮影した画像のデータを対応付けることができれば、合焦評価値の点群に基準曲線を当てはめることができるので、対象物を等速で回転したり、撮影間隔を一定にしたりすることは、必ずしも要しない。

撮影方法や合焦評価値は、対象物の表面性状等に応じて適切なものを選択すればよい。例えば、カメラやセンサで用いられているアクティブ方式やパッシブ方式の測距手法に準じて、撮影した画像のデータから合焦評価値を算出することができる。単純に、１つの光学系で撮影し、輝度変化を合焦評価値としてもよい。あるいは、光軸が平行な２つの光学系で撮影し、それぞれの光学系における結像の輝度ピーク位置の差（視差）から、合焦評価値を算出してもよい。

また、基準曲線の当てはめ位置を定義するため、ピーク位置以外の所定位置、例えば基準曲線の幅を２等分する中間点、基準曲線の変曲点、基準曲線の始点や終点などを用いても、基準曲線の当てはめ位置としてピーク位置を用いるのと実質的に同じである。また、合焦評価値は、極小点が合焦位置に対応するように定義することもできる。この場合、基準曲線の凹凸が逆になるが、極大点が合焦位置に対応する場合と同様に、合焦評価値の点群に基準曲線を当てはめることによってピッチを求めることができる。

Claims (8)

1. 略同一形状の複数の注目形状部を有する対象物について、隣り合う前記注目形状部の着目点間の隔たり、すなわち前記注目形状部のピッチを非接触で測定するピッチ測定方法であって、
   前記注目形状部が同一の経路上を移動するように前記対象物を運動させる第１のステップと、
   固定位置から、前記経路上の所定位置を通過する前記注目形状部について、該所定位置に焦点を合わせて連続的に光学データを取得して記憶する第２のステップと、
   記憶した前記光学データと前記対象物の前記注目形状部の移動距離との対応関係に基づき、前記移動距離を変数として、取得した前記光学データの前記所定位置に対応する部分について合焦の程度を数値化した合焦評価値を算出し、前記移動距離と前記合焦評価値の組み合わせの点群を求める第３のステップと、
   前記点群に基準曲線を当てはめ、該基準曲線の当てはめ位置に基づいて前記ピッチを決定する第４のステップとを含むことを特徴とする、ピッチ測定方法。
2. 前記第３ステップにおいて、前記対象物の少なくとも１つの前記注目形状部が前記経路の前記所定位置を通過する前後における前記合焦評価値に基づいて、前記基準曲線を決定することを特徴とする、請求項１に記載のピッチ測定方法。
3. 前記基準曲線は、少なくとも１つの極値とその両側に存在する変曲点の間の区間を含む曲線であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のピッチ測定方法。
4. 前記第１のステップにおいて、前記対象物を略等速で運動させ、
   前記第２のステップにおいて、略一定時間間隔で前記光学データを取得して記憶することを特徴とする、請求項１、２又は３に記載のピッチ測定方法。
5. 略同一形状の複数の注目形状部を有する対象物について、隣り合う前記注目形状部の着目点間の隔たり、すなわち前記注目形状部のピッチを算出するピッチ算出方法であって、
   前記注目形状部が同一の経路上を移動するように前記対象物を運動させ、固定位置から、前記経路上の所定位置を通過する前記注目形状部について、該所定位置に焦点を合わせて連続的に取得した光学データの入力を受け付ける第１のステップと、
   前記第１のステップで入力を受け付けた光学データと前記対象物の前記注目形状部の移動距離との対応関係に基づき、前記移動距離を変数として、取得した前記光学データの前記所定位置に対応する部分について合焦の程度を数値化した合焦評価値を算出し、前記移動距離と前記合焦評価値の組み合わせの点群を求める第２のステップと、
   前記点群に基準曲線を当てはめ、該基準曲線の当てはめ位置に基づいて前記ピッチを決定する第３のステップとを含むことを特徴とする、ピッチ算出方法。
6. 略同一形状の複数の注目形状部を有する対象物について、隣り合う前記注目形状部の着目点間の隔たり、すなわち前記注目形状部のピッチを、コンピュータに算出させるためのプログラムであって、
   前記注目形状部が同一の経路上を移動するように前記対象物を運動させ、固定位置から、前記経路上の所定位置を通過する前記注目形状部について、該所定位置に焦点を合わせて連続的に取得した光学データの入力を受け付ける第１のステップと、
   前記第１のステップで入力を受け付けた光学データと前記対象物の前記注目形状部の移動距離との対応関係に基づき、前記移動距離を変数として、取得した前記光学データの前記所定位置に対応する部分について合焦の程度を数値化した合焦評価値を算出し、前記移動距離と前記合焦評価値の組み合わせの点群を求める第２のステップと、
   前記点群に基準曲線を当てはめ、該基準曲線の当てはめ位置に基づいて前記ピッチを決定する第３のステップとを、コンピュータに実行させるためのプログラム。
7. 略同一形状の複数の注目形状部を有する対象物について、隣り合う前記注目形状部の着目点間の隔たり、すなわち前記注目形状部のピッチを非接触で測定するピッチ測定装置であって、
   前記注目形状部が同一の経路上を移動するように前記対象物が運動するとき、固定位置から、前記経路上の所定位置を通過する前記注目形状部について、該所定位置に焦点を合わせて連続的に光学データを取得して記憶するデータ取得部と、
   前記データ取得部が記憶した前記光学データと、前記対象物の前記注目形状部の移動距離との対応関係に基づき、前記移動距離を変数として、取得した前記光学データの前記所定位置に対応する部分について合焦の程度を数値化した合焦評価値を算出し、前記移動距離と前記合焦評価値の組み合わせの点群を求め、該点群に基準曲線を当てはめ、該基準曲線の当てはめ位置に基づいて前記ピッチを決定するピッチ演算部とを備えたことを特徴とする、ピッチ測定装置。
8. 前記データ取得部は、前記対象物が自由運動する状態で取得した前記光学データを、該光学データを取得した時刻と対応付けて記憶し、
   前記ピッチ演算部は、前記データ取得部が記憶した前記光学データと該光学データと対応付けられた前記時刻とに基づき、前記合焦位置を決定することを特徴とする、請求項７に記載のピッチ測定装置。

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