技術 傾斜面境界位置同定方法、傾斜面境界位置同定装置、傾斜面境界位置同定プログラム

0001

本発明は、傾斜面境界位置同定方法、傾斜面境界位置同定装置、傾斜面境界位置プログラムに関する。

0002

ある点から測定点までの絶対距離を高精度で測定する装置としてレーザ距離計が知られている。たとえば、特許文献１には、測定光の干渉信号と基準光の干渉信号の時間差から距離を測定する距離計が記載されている。

0003

特開２０１０−１４５４９号公報

0004

レーザ距離計の応用例として、傾斜の異なる二つの面の境界位置の同定を挙げることができる。これは、たとえば、機械部品の加工精度の検証のため有用である。図１１（Ａ）、（Ｂ）に境界位置の同定の例を示す。図１１（Ａ）は、測定対象物１００の一部の断面図であり、測定対象物１００は、傾斜の異なる二つの傾斜面１０１、１０２を有している。傾斜面１０１と傾斜面１０２の境界１０３は、図１１（Ｂ）に示すように円形であり、一つの平面１０５に含まれているものとする。

0005

測定対象物１００を図１１（Ｂ）のＸ方向及びＹ方向にスキャンし各測定点１０４の基準面１１１からの距離ｙを求めることができれば、境界１０３の位置を同定すること、すなわち、境界１０３を含む平面１０５の基準面からの距離ｈを求めることが可能である。たとえば、測定結果に基づいて各測定点に対応するピクセルの色を距離ｙに応じて定めた２次元画像を生成し、その画像から輪郭を抽出することにより同定することができる。

0006

レーザ距離計では、測定光１１０が測定対象物１００で反射・散乱した光を検出器１１３で検出する必要があるが、図１１（Ａ）の傾斜面１０２のように測定光１１０の入射角θが小さい場合には、反射・散乱光のうち測定器１１３の方向に向かう光１１２の強度は小さいため、距離ｙの測長精度が低下して境界１０３を正確に同定できないという問題があった。また、切削加工された金属材料のように測定対象物の表面が金属光沢を持つ場合も同様の問題があった。

0007

そこで、本発明は、測定対象物で反射・散乱し検出器で検出される光の強度が小さい場合でも正確に傾斜面の境界位置を同定することができる傾斜面境界位置同定方法等を提供することを目的する。

0008

本発明の傾斜面位置同定方法は、互いに傾斜の異なる第１の面と第２の面を備える測定対象物の第１の面と第２の面の境界を含む平面である境界面と平行な仮想面を設定し、仮想面と基準面との距離である仮想面高さを変化させながら、境界を含む測定領域内の各測定点のうち光学的に測定された基準面からの距離である測定点高さが仮想面高さより小さいものを抽出する抽出工程と、抽出工程で抽出した測定点について測定点高さの測定に利用した測定光の第１の面または第２の面からの反射光の輝度である測定点輝度を対数変換して合計し積算輝度を算出する積算輝度算出工程と、積算輝度と仮想面高さとの関係を示す曲線の変曲点を特定することにより境界面の位置を同定する同定工程を含む。

0009

本発明の傾斜面位置同定装置は、互いに傾斜の異なる第１の面と第２の面を備える測定対象物の第１の面と第２の面の境界を含む平面である境界面と平行な仮想面を設定し、仮想面と基準面との距離である仮想面高さを変化させながら、境界を含む測定領域内の各測定点のうち光学的に測定された基準面からの距離である測定点高さが仮想面高さより小さいものを抽出する抽出手段と、抽出工程で抽出した測定点について測定点高さの測定に利用した測定光の第１の面または第２の面からの反射光の輝度である測定点輝度を対数変換して合計し積算輝度を算出する積算輝度算出手段と、積算輝度と仮想面高さとの関係を示す曲線の変曲点を特定することにより境界面の位置を同定する同定手段を含む。

0010

本発明の傾斜面位置同定プログラムは、コンピュータに、互いに傾斜の異なる第１の面と第２の面を備える測定対象物の第１の面と第２の面の境界を含む平面である境界面と平行な仮想面を設定し、仮想面と基準面との距離である仮想面高さを変化させながら、境界を含む測定領域内の各測定点のうち光学的に測定された基準面からの距離である測定点高さが仮想面高さより小さいものを抽出する抽出処理と、抽出処理で抽出した測定点について測定点高さの測定に利用した測定光の第１の面または第２の面からの反射光の輝度である測定点輝度を対数変換して合計し積算輝度を算出する積算輝度算出処理と、積算輝度と仮想面高さとの関係を示す曲線の変曲点を特定することにより境界面の位置を同定する同定処理を実行させることを特徴とする。

0011

本発明によれば、測定対象物で反射・散乱し検出器で検出される光の強度が小さい場合でも正確に傾斜面の境界位置を同定することができる。

0012

測定対象物の一例であるエンジンのバルブシート部の形状を示す図で、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は平面図である。
境界位置同定方法の原理を説明する図である。
境界位置同定方法の手順を説明するフローチャートである。
仮想面の高さと積算輝度の関係を示すグラフである。
図４の微分値を示すグラフである。
境界が長方形の測定対象物の例を示す図で、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は平面図である。
凸部を有する測定対象物の例を示す図で、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は平面図である。
開いた境界を有する測定対象物の例を示す図で、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は平面図である。
境界位置同定装置の構造図である。
光源の出力を模式的に示す図である。
従来の傾斜面境界位置同定方法を説明する図である。

0013

以下、図面を参照しながら本発明の一実施形態である傾斜面境界位置同定方法について詳細に説明する。測定対象物としてエンジンのバルブシート部を例に説明するが、本発明は他の測定対象物にも適用することができる。

0014

図１は、測定対象物の一例であるエンジンのバルブシート部の形状を示す図で、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は平面図である。バルブシート１０はシリンダヘッド１のシリンダ２と吸気または排気ポート３との連接部分に設けられ、バルブ４と当接する円錐面状のバルブ当たり面１１（第１の面の一例）と、バルブ当たり面１１の外側に設けられバルブ当たり面１１より傾斜の緩い円錐面状の外周面１２（第２の面の一例）により構成されている。本方法では、レーザ距離計により図１（Ｂ）に示したバルブシート１０を含む測定領域２３をＸ方向及びＹ方向にスキャンして各測定点の基準面からの距離及び反射光の強度を測定し、これらのデータに基づいてのバルブ当たり面１１と外周面１２との境界１３を同定する。

0015

図２は傾斜面境界位置同定方法の原理を説明する図、図３は傾斜面境界位置同定方法の手順を説明するフローチャートである。これらの図を参照して、本方法の詳細な手順を説明する。
同定の前提として、バルブシート１０の設計寸法は既知であり、加工精度を検証するために境界１３の位置（図２の上下方向の位置）を同定するものとする。また、境界１３はバルブ４の摺動軸１６に垂直な平面である境界面１５に含まれているものとする。

0016

測定領域２３（図１参照）を、たとえばレーザ距離計６０（距離計の一例）によりスキャンして各測定点１７の高さｙと測定光の反射強度を測定する（ＳＴ１、測定工程の一例）。高さｙは図２に示すように測定点１７の測定光２０に対して垂直な基準面２１からの距離である。なお、本実施形態では、測定光２０をテレセントリック（どの測定点１７を測定する際も測定光２０の向きが一定）とするが、これは必須ではなく、測定光２０がバルブ当たり面１１と外周面１２を照射することができればテレセントリックでなくてもよい。測定領域２３は、１辺の長さがバルブシート１０の設計上の直径よりもやや大きい正方形の領域とする。測定点１７のＸ方向及びＹ方向の間隔は、所望の同定精度や測定時間を考慮して適宜定める。

0017

境界面１５と平行な仮想面２２を初期位置に設定する（ＳＴ２）。初期位置は、仮想面２２が境界面１５よりも下になるように高さｈを設定する。ここでは、ｈを摺動軸１６と仮想面２２の交点と基準面２１との間の測定光２０に平行な方向の距離とする。

0018

ステップＳＴ１で取得した高さｙの情報を用いて、仮想面１７よりも上に位置する（ｙ＜ｈである）測定点１７を抽出する（ＳＴ３、抽出工程）。

0019

ステップＳＴ３で抽出された各測定点の反射強度を対数変換し、各測定点の対数変換された反射強度を合計することにより積算輝度を算出する（ＳＴ４、積算輝度算出工程）。

0020

仮想面２２の位置を上方に移動しながら、上記のＳＴ３、ＳＴ４を仮想面の位置が所定の終了位置になるまで繰り返す（ＳＴ５、ＳＴ６）。終了位置は、境界面１５の設計上の位置よりも上になるように予め設定しておく。

0021

積算輝度と仮想面の高さｈの関係を示す積算輝度−仮想面グラフを作成する（ＳＴ７）。図４は積算輝度−仮想面グラフの一例である。図４では高さｈを初期位置からの相対的な高さで示している。積算輝度−仮想面グラフは理想的には図４のように、仮想面２２がバルブ当たり面１１内に位置する区間の勾配の小さい直線２５と仮想面２２が外周面２２内に位置する区間の勾配の大きい直線２６とから成る折れ線となり、曲線の勾配が急変する点である変曲点２７に対応する高さｙ１が境界面１５の位置となる。しかし、実際には測定ノイズが多く含まれるため、図４のような理想的な形にはならず、このグラフから直接明確な変曲点を求めることは困難である場合が多い。言い換えると、図４のような理想的なグラフが得られる場合には、積算輝度を求めるまでもなく、高さ情報だけから境界を同定できる可能性が高い。

0022

積算輝度−仮想面グラフの変曲点を求める方法は任意であるが、たとえば本実施形態では、積算輝度−仮想面グラフを微分することにより変曲点を求める（ＳＴ８、ＳＴ９、ＳＴ７〜ＳＴ９は同定工程の一例）。図５は、図４の積算輝度−仮想面グラフを微分したグラフである。図４のような理想的な積算輝度−仮想面グラフを微分すると、図５のように段差２８が明りょうな階段状のグラフとなり、段差２８の位置を境界の位置とすることができる。しかし、前述のように積算輝度−仮想面グラフは理想的な形状とはならないことが多いため、実際には、その微分値に図５のような明りょうな段差は表れない。

0023

そこで、微分値の閾値Ｔを設定し、閾値Ｔに対応する高さｙ１を境界面１５の高さとして同定する。このようにすることで、たとえば、図５に破線２９で示したように段差が明りょうに表れなかった場合でも、境界の高さを同定することができる。

0024

以上、バルブシートを例に境界が円形である場合について説明したが、本方法は境界の形状が円形以外の閉じた図形の場合にも適用することができる。図６（Ａ）に断面図、図６（Ｂ）に平面図を示す測定対象物３０は、上面３３に底面３１と側面３２により形成された凹部を備えている。底面３１と側面３２の境界３４および側面３２と上面３３の境界３５の平面形状は長方形となっている。このように、境界の形状が円形以外であっても図６（Ａ）のように測定光２０を境界を同定しようとする二つの面に照射することができれば、本方法を適用して境界３４、３５の上下方向の位置を同定することができる。

0025

図７（Ａ）に断面図、図７（Ｂ）に平面図を示す測定対象物４０は、上面４３に頂面４１と側面４２により形成された凸部を備えている。頂面４１と側面４２の境界４４および側面４２と上面４３の境界４５の平面形状は円形となっている。このように、境界が凸部の隅角部や立ち上がり部となる場合であっても図７（Ａ）のように測定光２０を境界を同定しようとする二つの面に照射することができれば、本方法により境界４４、４５の上下方向の位置を同定することができる。

0026

図８（Ａ）に断面図、図８（Ｂ）に平面図を示す測定対象物５０は、帯状の部材で左側上面５１と右側上面５３の間に段差があり、左側上面５１と右側上面５３との間の部分は傾斜面５２となっている。左側上面５１と傾斜面５２の境界５４および傾斜面５２と右側上面５３の境界線５５は測定対象物５０の幅方向に伸びる直線となっている。このように、境界が直線、曲線、折れ線等の開いた図形である場合であっても図８（Ａ）のように測定光２０を境界を同定しようとする二つの面に照射することができれば、本方法により境界５４、５５の上下方向の位置を同定することができる。境界が直線の場合は、境界面を境界を含み測定光２０の照射方向に略垂直な平面とし、仮想面は境界面に平行な平面とする。

0027

図９は、図２のレーザ距離計６０の概略構造図である。レーザ距離計６０は、基準光Ｓ１を出射する第１の光源６１と、測定光Ｓ２を出射する第２の光源６２と、基準光Ｓ１と測定光Ｓ２との干渉光Ｓ３を検出する基準光検出器６３と、基準光Ｓ１が照射される基準面６４と、測定光が照射される測定面６５（たとえば、図２のバルブ当たり面１１、外周面１２）と、基準面６４により反射された基準光Ｓ１’と測定面６５により反射された測定光Ｓ２’との干渉光Ｓ４を検出する測定光検出器６６と、基準光検出器６３により干渉光Ｓ３を検出して得られる干渉信号と測定光検出器６６により干渉光Ｓ４を検出して得られる干渉信号が供給される信号処理部６７を備える。

0028

第１及び第２の光源６１、６２は、それぞれ周期的に強度又は位相が変調され、互いに変調周期が異なる干渉性のある基準光Ｓ１と測定光Ｓ２を出射するものであって、それぞれ周期的に強度又は位相を変調され、互いに変調周期が異なる干渉性のある基準光Ｓ１と測定光Ｓ２を出射するための光変調器を備える２台の光源、光周波数コムモード間隔が異なる２台の光周波数コム発生器、或いは、光パルス繰り返し周波数が異なる２台のパルス光源からなる。

0029

第１及び第２の光源６１，６２から出射された基準光Ｓ１と測定光Ｓ２は、半透鏡又は偏光ビームスプリッタからなる光混合素子７１により混合されて重ね合わされ、半透鏡からなる光分離素子７２により、基準光検出器６３に向かう光と測定対象に向かう光に分離される。

0030

ここでは、第１及び第２の光源６１，６２から出射された基準光Ｓ１と測定光Ｓ２は、互いに偏光面が直交しているものとし、半透鏡からなる光混合素子７１により混合され、その混合光が光分離素子７２により反射されて偏光子７３を介して基準光検出器６３に入射されるとともに、光分離素子７２を通過した混合光が偏光ビームスプリッタ７４により偏光に応じて基準光Ｓ１と測定光Ｓ２に分離されて、基準光Ｓ１が基準面６４に入射され、また、測定光Ｓ２が測定面６５に入射されるようになっている。

0031

さらに、基準面６４により反射された基準光Ｓ１’と、測定面６５により反射された測定光Ｓ２’は、偏光ビームスプリッタ７４により混合され、その混合光が光分離素子７２により反射されて偏光子７５を介して測定光検出器６６に入射されるようになっている。

0032

そして、基準光検出器６３は、偏光子７３を介して入射される基準光Ｓ１と測定光Ｓ２との混合光を受光することより、第１及び第２の光源６１，６２から出射された基準光Ｓ１と測定光Ｓ２の干渉光Ｓ３を検出するようになっている。

0033

また、測定光検出器６６は、偏光子７５を介して入射される基準光Ｓ１’と測定光Ｓ２’の混合光を受光することにより、基準面６４により反射された基準光Ｓ１’と測定面５により反射された測定光Ｓ２’の干渉光Ｓ４を検出するようになっている。

0034

基準光検出器６３によって得られる干渉信号は、キャリア周波数が第１及び第２の光源６１，６２から出射された基準光Ｓ１と測定光Ｓ２のキャリア光周波数の差であり、基準光Ｓ１と測定光Ｓ２の光パルス繰り返し周波数の差の周波数で同じ干渉波形が繰り返される。

0035

このレーザ距離計６０において、基準光検出器６３の役割は、遅延時間計測の基準を生成することである。第１及び第２の光源６１，６２から出射された基準光Ｓ１と測定光Ｓ２は、繰り返し周波数が等しくないので、光源が動作を開始した時にタイミングがずれていても、少しずつタイミングがずれていき、必ずどこかで基準光Ｓ１の光パルスと測定光Ｓ２の光パルスが重なる瞬間が現れる。また、その重なる瞬間は基準光Ｓ１と測定光Ｓ２の繰り返し周波数の差の繰り返し周波数で周期的に現れる。この光パルスと光パルスの重なる瞬間が、遅延時間計測の基準となる。

0036

また、測定光検出器６６によって得られる干渉信号は、基準光検出器３によって得られる干渉信号と同じくキャリア周波数が基準光Ｓ１’と測定光Ｓ２’のキャリア光周波数の差であり、基準光Ｓ１と測定光Ｓ２の光パルス繰り返し周波数の差と同じ繰り返し周波数を持つ。しかし、測定光検出器６６に入力される光パルスは、基準反射鏡６４までの距離Ｌ１と測定反射鏡６５までの距離Ｌ２の距離差の絶対値（Ｌ２−Ｌ１）の分だけ、光パルスのタイミングが遅れるため、光パルスと光パルスの重なる瞬間が基準光検出器６３によって得られる干渉信号と比較して遅れる。この遅れ時間が距離差の絶対値（Ｌ２−Ｌ１）の２倍の距離を光パルスが伝搬することによる遅延時間であり、真空中の光速Ｃをかけて屈折率ｎｇで割ることにより距離が得られる。

0037

このように、周期の異なる２台のパルス光源の干渉によって距離計測を行う場合、時間基準を与える干渉信号の基準光検出器６３が不可欠であり、基準光検出器６３と測定光検出器６６により得られる各干渉信号の時間差を比較することによって初めて距離測定が可能となる。

0038

そこで、レーザ距離計６０において、信号処理部６７は、基準光検出器６３により干渉光Ｓ３を検出して得られる干渉信号と測定光検出器６６により干渉光Ｓ３を検出して得られる干渉信号の時間差から、光速と測定波長における屈折率から基準面までの距離Ｌ１と測定面までの距離Ｌ２の距離差の絶対値（Ｌ２−Ｌ１）を求める処理を行う。

0039

すなわち、このレーザ距離計６０では、第１及び第２の光源６１，６２から出射されるそれぞれ周期的に強度又は位相が変調され、互いに変調周期が異なる干渉性のある基準光Ｓ１と測定光Ｓ２を基準面６４と測定面６５に照射し、基準面６４と測定面６５に照射する基準光Ｓ１と測定光Ｓ２との干渉光Ｓ３を基準光検出器６３により検出するとともに、基準面６４により反射された基準光Ｓ１’と測定面６５により反射された測定光Ｓ２’との干渉光Ｓ４を測定光検出器６６により検出し、信号処理部６７により、基準光検出器６３により干渉光Ｓ３を検出した干渉信号と測定光検出器６６により干渉光Ｓ４を検出した干渉信号の時間差から、光速と測定波長における屈折率から基準面までの距離と測定面までの距離の差を求める（図３のＳＴ１のうち高さの測定）。

0040

距離測定の原理は、光パルスの時間遅延から距離を求める距離計に準ずる。すなわち、距離（Ｌ２−Ｌ１）を往復する際の時間遅延ΔＴ＝２×ｎｇ×（Ｌ２−Ｌ１）／ｃを計測して、光路の群屈折率ｎｇ、真空中の光速ｃから（Ｌ２−Ｌ１）を計算する。

0041

信号処理部６７は、たとえばマイクロコンピュータで構成され、上記の距離計算処理に加えて、反射光の強度を計算する（図３のＳＴ１のうち反射光強度の測定）。信号処理部６７は、さらに、図３のＳＴ２〜ＳＴ９の処理を行うコンピュータプログラムを実行し境界線の位置の同定を行う。

0042

ここで、レーザ距離計６０における第１、第２の光源６１，６２として２台の光周波数コム発生器を使用する場合、例えば、図１０に示すような構成の光源８０とされる。

0043

すなわち、この光源８０では、１台の単一周波数発振のレーザ光源８１から出射されるレーザ光がビームスプリッタ８２により分割されて２台の光周波数コム発生器（ＯＦＣＧ１、ＯＦＣＧ２）８６Ａ，８６Ｂに入力されるようになっている。

0044

２台の光周波数コム発生器８６Ａ，８６Ｂは、互いに異なる周波数ｆｍ＋Δｆｍと周波数ｆｍで発振する発振器８３Ａ，８３Ｂにより駆動される。それぞれの発振器８３Ａ，８３Ｂは、共通の基準発振器８４により位相同期されることにより、ｆｍ+Δｆｍとｆｍの相対周波数が安定になる。光周波数コム発生器（ＯＦＣＧ１）８６Ａの前には、音響光学周波数シフタ（ＡＯＦＳ）のような周波数シフタ８５を設けて、入力されたレーザ光にこの周波数シフタ８５により周波数ｆａの光周波数シフトを与えるようになっている。これにより、キャリア周波数間のビート周波数が直流信号ではなく周波数ｆａの交流信号になる。その結果、キャリア周波数の高周波側サイドバンドのビート信号と低周波側サイドバンドのビート信号がビート信号のキャリア周波数間のビート周波数ｆａを挟んで相対する周波数領域に発生するため位相比較に都合が良い。

0045

本実施形態では、レーザ距離計６０の信号処理部６７が傾斜面境界位置同定プログラムを実行するものとしたが、レーザ距離計６０では高さと反射光強度の測定（図３のステップＳ１）のみを行い、境界の同定は他の装置、たとえばパーソナルコンピュータで、図３のステップＳＴ２〜ＳＴ９の処理を行う傾斜面境界位置同定プログラムを実行しレーザ距離計６０による測定結果を解析することにより行うこともできる。すなわち、本発明は、傾斜面境界位置同定方法としてのほか、境界位置同定方法の各処理を実行する手段を備えた装置、境界位置同定方法の各処理をコンピュータに実行させるコンピュータプログラム、そのようなコンピュータプログラムを格納したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体としても実施することができる。

0046

また、レーザ距離計６０は、距離計の一例であり、光を用いて測定点の高さと測定光の反射強度を測定することができるのもであれば、他の方式の距離計を用いることもできる。

0047

本方法では、積算輝度−仮想面位置グラフを作成し、このグラフの変曲点を求めることにより境界面の位置を同定する。そのため、測定光の反射強度が弱く測定点高さの測定精度が悪い場合でも、高精度で境界面位置を同定することができる。距離計の一例として示したレーザ距離計６０のように測定光の照射と反射光の検出を同軸上で行う形式のものでは、一方の傾斜面に対する測定光の入射角が小さくなる場合が多く、特に、本発明が有用である。

0048

１０バルブシート、１１バルブ当たり面、１２外周面、１３境界、１５ 境界面、１６ バルブの摺動軸、１７測定点、２０測定光、２１ 基準面、２２仮想面、６０レーザ距離計、６１ 第１の光源、６２ 第２の光源、６３基準光検出器、６６測定光検出器、６７信号処理部