JP2012063229A - 表面性状測定装置および表面性状測定用コンピュータプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】曲面を有した物品における曲面の表面の粗さまたはうねりを簡単かつ短時間に精度良く測定することができる表面性状測定装置および同表面性状測定装置に適用される表面性状測定用コンピュータプログラムを提供する。
【解決手段】表面性状測定装置１００は、ワーク支持体１０１、撮像装置１０２、バックライト照明装置１０３およびコンピュータ装置１１０を備えている。ワーク支持台１０１は、被測定物であるボールスタッド９０を支持する。撮像装置１０２は、ボールスタッド９０におけるボール部９２の輪郭を撮像する。バックライト照明装置１０３は、ワーク支持台１０１にセットされるボールスタッド９０におけるボール部９２の輪郭を介して撮像装置１０２に向けて光を照射する。コンピュータ装置１１０は、表面性状測定プログラムを実行することにより撮像装置１０２およびバックライト照明装置１０３の作動を制御してボール部９２の表面粗さを測定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、曲面を有する被測定物の表面の粗さまたはうねりを測定する表面性状測定装置および同表面性状測定装置に適用される表面性状測定用コンピュータプログラムに関する。

従来から、滑らかな回転や摺動が求められる曲面を有した物品、例えば、ベアリングの鋼球やボースタッドにおけるボール部などにおいては、物品の製造過程において曲面の表面粗さの測定が行なわれている。一般に、表面粗さの測定は、被測定物における被測定曲面との関係で接触式または非接触式の表面粗さ測定機を用いて行なわれている。

例えば、下記特許文献１には、被測定物における被測定曲面に触針を接触させて変位させることにより被測定曲面の凹凸を検出する所謂接触式の表面粗さ測定機が開示されている。また、下記特許文献２には、被測定物における被測定曲面に照射したレーザ光の反射光の強度変化を利用して被測定曲面の凹凸を検出する所謂非接触式の表面粗さ測定機が開示されている。また、下記特許文献３には、被測定物における被測定曲面に円環状に光を照射した状態で同測定面を撮像した撮像画像を基準画像情報（判定データファイル）と比較することにより被測定曲面の凹凸を検出する非接触式の表面粗さ測定機が開示されている。

特開平０５−１６４５０６号公報 特開平１０−１７０２４７号公報 特開平０２−２０８５０４号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された接触式の表面粗さ測定装置においては、表面粗さ測定装置に伝わる外部からの振動によって表面粗さの測定精度が低下し易いという問題がある。特に、被測定物を製造する製造現場においては各種機械装置などから生じる振動によって被測定曲面に接触する触針が振動して表面粗さの測定精度が低下し易い。また、上記特許文献２に記載されたレーザ光を用いた非接触式の表面粗さ測定装置においては、被測定物の材質、曲率およびＣＡＤデータなどの被測定物に関する各種情報が必要であるとともに、照射するレーザ光の照射角度および反射光を受光する受光素子の位置をそれぞれ厳密に調整する必要がある。すなわち、上記特許文献２に記載された非接触式の表面粗さ測定装置においては、表面粗さの測定の測定作業が極めて煩雑で時間が掛かるという問題がある。また、上記特許文献３に記載された非接触式の表面粗さ測定装置においては、被測定物に対する光の照射位置および撮像位置を厳密に位置決めしなければならないとともに、比較対象となる基準画像情報（判定データファイル）を予め準備しなければならず、表面粗さの測定の測定作業が極めて煩雑であるという問題がある。

本発明は上記問題に対処するためなされたもので、その目的は、曲面を有した物品における曲面の表面の粗さまたはうねりを簡単かつ短時間に精度良く測定することができる表面性状測定装置および同表面性状測定装置に適用される表面性状測定用コンピュータプログラムを提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に係る本発明の特徴は、曲面を有する被測定物の表面の粗さまたはうねりを測定する表面性状測定装置において、被測定物を支持するワーク支持手段と、ワーク支持手段に支持された被測定物における曲面の輪郭を撮像した輪郭撮像画像情報を出力するワーク撮像手段と、輪郭撮像画像情報に含まれる曲面の輪郭部分を表わす画像情報を用いて同輪郭の表面の粗さまたはうねりを計算する画像処理手段とを備えたことにある。

この場合、例えば、請求項２に示すように、画像処理手段は、輪郭撮像画像情報から被測定物のエッジを検出して測定表面曲線を得るエッジ検出手段と、測定表面曲線を用いて被測定物における輪郭の表面の粗さまたはうねりを計算する表面性状計算手段とを備えるとよい。

このように構成した請求項１に係る本発明の特徴によれば、表面性状測定装置は、被測定物における曲面の輪郭を撮像して輪郭撮像画像情報を取得するとともに、同取得した輪郭撮像画像情報に含まれる前記曲面の輪郭部分を表わす情報を用いて同輪郭の表面の粗さまたはうねりを計算している。これにより、表面性状測定装置に伝達される外部からの振動の影響を抑えつつ簡単かつ短時間に精度良く被測定物における曲面の表面の粗さまたはうねりを測定することができる。

また、請求項３に係る本発明の他の特徴は、前記表面性状測定装置において、画像処理手段は、さらに、測定表面曲線を用いて被測定物における輪郭を特定する輪郭形状特定手段と、測定表面曲線から前記特定した輪郭の成分を除去することにより測定表面曲線を補正する測定表面曲線補正手段とを備え、表面性状計算手段は、測定表面曲線補正手段によって補正された測定表面曲線を用いて被測定物における輪郭の表面の粗さまたはうねりを計算することにある。

このように構成した請求項３に係る本発明の他の特徴によれば、表面性状測定装置は、被測定物のエッジを検出して得た測定表面曲線を用いて被測定物の輪郭を特定するとともに、測定表面曲線から前記特定した輪郭の形状成分を除去することにより測定表面曲線を補正している。これにより、表面性状測定装置は、測定表面曲線の変化に含まれる被測定物の表面形状成分の影響を除外して表面の粗さまたはうねり表面性状を測定することができる。例えば、被測定物における曲面の輪郭形状が円弧状である場合には、測定表面曲線の変化から円弧状の輪郭形状成分の影響を除外することにより粗さ成分またはうねり成分の占有率が向上した測定表面曲線により被測定物の曲面の表面の粗さあらさまたはうねりを測定することができる。これにより、表面性状の測定精度を向上させることができる。

また、請求項４に係る本発明の他の特徴は、前記表面性状測定装置において、画像処理手段は、さらに、測定表面曲線補正手段によって補正された測定表面曲線から粗さ曲線を抽出する粗さ曲線抽出手段を備え、表面性状計算手段は、前記粗さ曲線を用いて被測定物における輪郭の表面の粗さを計算することにある。

このように構成した請求項４に係る本発明の他の特徴によれば、表面性状測定装置は、前記補正された測定表面曲線から粗さ曲線を抽出して被測定物における輪郭の表面粗さを計算している。すなわち、被測定物における輪郭の表面粗さを表す測定表面曲線に粗さ成分に加えて輪郭撮像時のノイズや輪郭のうねりの各成分が含まれている場合、これらが含まれた測定表面曲線から被測定物における輪郭の表面粗さを表す粗さ成分だけを抽出して表面粗さを計算する。この場合、例えば、輪郭撮像時のノイズ成分を除去する低域通過フィルタ（ＬＰＦ）や輪郭のうねり成分を除去する高域通過フィルタ（ＨＰＦ）を用いることにより測定表面曲線から輪郭の表面粗さを表す粗さ成分を抽出することができる。これにより、表面粗さの測定精度を向上させることができる。

また、請求項５に係る本発明の他の特徴は、前記表面性状測定装置において、さらに、被測定物における輪郭を介して撮像手段に向けて光を照射する照明手段を備えることにある。

このように構成した請求項５に係る本発明の他の特徴によれば、表面性状測定装置は、被測定物における輪郭を介して撮像手段に向けて光を照射する照明手段を備えている。これにより、被測定物の輪郭を撮像した輪郭撮像画像情報における輪郭部分を表わす情報と他の部分を表わす情報との輝度の差が明確になるため、輪郭撮像画像情報に含まれる輪郭部分を表わす情報を精度良く抽出して被測定物における輪郭の表面の粗さまたはうねりを計算することができる。これにより、表面性状の測定精度を向上させることができる。

また、請求項６に係る本発明の他の特徴は、前記表面性状測定装置において、さらに、画像処理手段により計算された被測定物における輪郭の表面の粗さまたはうねりの結果を表示する表示手段を備えることにある。

このように構成した請求項６に係る本発明の他の特徴によれば、表面性状測定装置は、画像処理手段により計算された被測定物における輪郭の表面の粗さの結果を表示する表示手段を備えている。これにより、被測定物の曲面の表面性状を測定する作業者は、表面性状の測定結果を視覚的に早期に認識することができる。

また、本発明は、表面性状測定装置の発明として実施できるだけでなく、同表面粗さ測定装置に適用される表面粗さ測定用コンピュータプログラムの発明としても実施できるものである。

具体的には、例えば、請求項７に示すように、曲面を有する被測定物における前記曲面の輪郭を撮像して得た輪郭撮像画像情報を用いて前記曲面の表面の粗さまたはうねりを計算するコンピュータ装置に実行させる表面性状測定用コンピュータプログラムであって、コンピュータ装置に、輪郭撮像画像情報から被測定物のエッジを検出して測定表面曲線を得るエッジ検出ステップと、測定表面曲線を用いて被測定物における輪郭の表面の粗さまたはうねりを計算する表面性状計算ステップとを実行させるとよい。

この場合、請求項８に示すように、前記表面性状測定用コンピュータプログラムにおいて、さらに、測定表面曲線を用いて被測定物における輪郭を特定する輪郭形状特定ステップと、測定表面曲線から前記特定した輪郭の成分を除去することにより測定表面曲線を補正する測定表面曲線補正ステップとを有し、表面性状計算ステップは、測定表面曲線補正ステップによって補正された測定表面曲線を用いて被測定物における輪郭の表面の粗さまたはうねりを計算させるものであるとよい。

この場合、請求項９に示すように、前記表面性状測定用コンピュータプログラムにおいて、さらに、測定表面曲線補正ステップによって補正された測定表面曲線から粗さ曲線を抽出する粗さ曲線抽出ステップを有し、表面性状計算ステップは、前記粗さ曲線を用いて被測定物における輪郭の表面の粗さを計算させるものであるとよい。これらによっても、上記表面性状測定装置と同様の作用効果が期待できる。

本発明の一実施形態に係る表面性状測定装置の全体構成を模式的に示したブロック図である。 図１に示すワーク支持台の全体構成を概略的に示した上面図である。 図１に示すコンピュータ装置が実行する表面性状測定プログラムのフローチャートである。 図１に示す撮像装置が撮像したボール部の輪郭の撮像画像の例を示す説明図である。 （Ａ），（Ｂ）は撮像装置が出力する輪郭撮像画像情報から測定表面曲線を得る過程を説明するための図であり、（Ａ）はボール部の輪郭の撮像画像からエッジの検出過程を模式的に示す説明図であり、（Ｂ）は測定表面曲線に対してボール部の輪郭形状に関する成分を除去して補正する過程を模式的に示す説明図である。 測定表面曲線に対してボール部の輪郭形状に関する成分を除去して補正する過程を模式的に示す説明図である。 （Ａ）は断面曲線Ｐの例を模式的に示す説明図であり、（Ｂ）は粗さ曲線Ｒの例を模式的に示す説明図であり、（Ｃ）ろ波うねり曲線Ｗの例を模式的に示す説明図である。

以下、本発明に係る表面性状測定装置の一実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る表面性状測定装置１００の全体構成を模式的に示すブロック図である。なお、本明細書において参照する各図は、本発明の理解を容易にするために一部の構成要素を誇張して表わすなど模式的に表している。このため、各構成要素間の寸法や比率などは異なっていることがある。この表面性状測定装置１００は、曲面を有した物品、具体的には、図示しないボールジョイントを構成するボールスタッド９０のボール部９２の表面の粗さを測定するための測定装置である。

ここで、本発明に係る表面性状測定装置１００における表面粗さの測定対象であるボールスタッド９０について簡単に説明しておく。ボールスタッド９０は、自動車などの車両におけるサスペンション機構（懸架装置）やステアリング機構(操舵装置)において軸状の各構成要素を互いに可動的に連結するためのボールジョイント（図示せず）を構成する機械部品である。このボールジョイント９０は、主として、軸状のボールスタッド９１の先端部に形成された略球状のボール部９２が、有底円筒状のハウジング（図示せず）内に保持された筒状のベアリングシート（図示せず）内に摺動可能な状態で収容されて構成されている。

（表面性状測定装置１００の構成）
表面性状測定装置１００は、ワーク支持台１０１を備えている。ワーク支持台１０１は、ボールスタッド９０における表面粗さの測定対象となる球面部分の接線方向に後述する撮像装置１０２が位置するように支持するための治具である。本実施形態においては、ワーク支持台１０１は、ボールスタッド９０を略水平な状態で支持する。このワーク支持台１０１は、鋼材を直方体状に形成した台部１０１ａの上面にボールスタッド９０の軸線方向に沿った片側半分の形状に対応した形状の凹部１０１ｂおよび同凹部１０１ｂ内にボールスタッド９０を嵌め込む際に作業者の手を挿し入れるための逃げ部１０１ｃがそれぞれ形成されて構成されている。すなわち、このワーク支持台１０１が、本発明に係るワーク支持手段に相当する。

このワーク支持台１０１にセットされるボールスタッド９０のボール部９２の上方には、撮像装置１０２が設けられている。撮像装置１０２は、ワーク支持台１０１にセットされたボールスタッド９０におけるボール部９２の輪郭の一部を撮像するための光学機械装置である。この撮像装置１０２は、後述するコンピュータ装置１１０に制御されてボールスタッド９０におけるボール部９２の輪郭を同輪郭の接線方向から撮像するとともに、撮像したボール部９２の輪郭の撮像画像を表す輪郭撮像画像情報をコンピュータ装置１１０に出力する。本実施形態においては、撮像装置１０２は、受光素子として画素数が１２８０×１０２４画素、視野３.２ｍｍ（２倍レンズ使用時）のＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサを用いて構成されている。すなわち、この撮像装置１０２が、本発明に係るワーク撮像手段に相当する。

撮像装置１０２の下方には、バックライト照明装置１０３が設けられている。バックライト照明装置１０３は、ワーク支持台１０１にセットされるボールスタッド９０におけるボール部９２の輪郭を介して撮像装置１０２に向けて光を照射する照明器具である。このバックライト照明装置１０３は、コンピュータ装置１１０によって点灯・消灯の作動が制御される。本実施形態においては、バックライト照明装置１０３は、赤色の可視光を発するＬＥＤを光源として構成されている。すなわち、このバックライト照明装置１０３が、本発明に係る照明手段に相当する。なお、バックライト照明装置１０３は、撮像装置１０２によるボール部９２の輪郭の撮像を精度良く行なうことができる光源であれば、発光させる色や光源そのものの種類は限定されるものではない。

コンピュータ装置１１０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスクなどからなるマイクロコンピュータによって構成されており、キーボードおよびマウスからなる入力装置１１１からの指示に従って、図３に示す表面性状測定プログラムを実行することにより撮像装置１０２およびバックライト照明装置１０３の作動をそれぞれ制御する。また、コンピュータ装置１１０は、液晶ディスプレイからなる表示装置１１２を備えており、コンピュータ装置１１０の作動状態、前記表面性状測定プログラムの実行状態、実行結果および撮像装置１０２による撮像画像などを適宜表示させる。すなわち、本実施形態においてコンピュータ装置１１０は、個人向けパーソナルコンピュータ（所謂パソコン）を想定している。

（表面性状測定装置１００の作動）
上記のように構成した表面性状測定装置１００の作動について説明する。まず、ボールスタッド９０におけるボール部９２の表面粗さを測定する作業者は、コンピュータ装置１１０の入力装置１１１を操作することにより、コンピュータ装置１１０にボールスタッド９０のボール部９２に対する表面粗さ測定処理を実行させる。この指示に応答して、コンピュータ装置１１０は、図３に示す表面性状測定プログラムの実行をステップＳ１００にて開始して、ステップＳ１０２に測定準備処理を実行する。具体的には、コンピュータ装置１１０は、撮像装置１０２およびバックライト照明装置１０３の作動をそれぞれ開始させて撮像および照明の点灯を直ちに行なえる待機状態に制御する。

次に、コンピュータ装置１１０は、ステップＳ１０４にて、作業者から入力装置１０１を介して表面粗さ測定処理の終了の指示が入力されたか否かを判定する。この場合、コンピュータ装置１１０は、作業者から表面粗さ測定処理の終了の指示がなされるまでの間、この判定処理にて「Ｎｏ」と判定し続けてステップＳ１０６に進む。一方、コンピュータ装置１１０は、作業者から表面粗さ測定処理の終了の指示がなされた場合には、この判定処理にて「Ｙｅｓ」と判定してステップＳ１２２に進む。

次に、コンピュータ装置１１０は、ステップＳ１０６にて、作業者から入力装置１０１を介して表面粗さ測定処理の開始の指示が入力されたか否かを判定する。この場合、コンピュータ装置１１０は、作業者から表面粗さ測定処理の開始の指示がなされるまでの間、この判定処理にて「Ｎｏ」と判定し続けてステップＳ１０４に戻る。一方、コンピュータ装置１１０は、作業者から表面粗さ測定処理の開始の指示が入力された場合には、この判定処理にて「Ｙｅｓ」と判定してステップＳ１０８に進む。

すなわち、作業者は、機械加工されて表面粗さの測定が必要なボールスタッド９０が存在する場合には、このボールスタッド９０をワーク支持台１０１にセットした後、入力装置１１１を操作してコンピュータ装置１１０に対して表面粗さ測定処理の開始を指示する。この場合、作業者は、ボールスタッド９０におけるスタッド部９１をワーク支持台１０１の凹部１０１ａ内に嵌め込む。これにより、ワーク支持台１０１の長手方向図示左側側面部からボール部９２が突出して撮像装置１０２の視野内にボール部９２の端部が位置した状態でボールスタッド９０がワーク支持台１０１に支持される。

次に、コンピュータ装置１１０は、ステップＳ１０８にて、撮像処理を実行する。具体的には、コンピュータ装置１１０は、撮像装置１０２およびバックライト照明装置１０３の作動をそれぞれ制御することにより、バックライト照明装置１０３の発光に同期させて撮像装置１０２にボール部９２の輪郭部分の画像の撮像を実行させる。これにより、図４に示すように、ボールスタッド９０におけるボール部９２の輪郭が撮像されて、同撮像画像を表す輪郭撮像画像情報がコンピュータ装置１１０に出力される。なお、図４および図５においては、ボール部９２の撮像画像にボール部９２と同一の符号を付すとともに、ボール部９２の輪郭の撮像画像に「ＯＬ」を付している。

この場合、輪郭撮像画像情報によって表されるボール部９２の撮像画像は、グレー処理によって表されている。すなわち、輪郭撮像画像情報によって表されるボール部９２の撮像画像は、０（白色）〜２５５（黒色）のグレースケールにおけるグレー値で表わされており、具体的には、ボール部９２の撮像時のバックライト照明装置１０３による照明により、ボール部９２の外側の部分が白色に近い薄いグレー値で表わされているとともに、ボール部９２が黒色に近い濃いグレー値で表わされる。

次に、コンピュータ装置１１０は、ステップＳ１１０にて、エッジ検出処理を実行する。このステップＳ１１０におけるエッジ検出処理は、輪郭撮像画像情報によって表わされるボール部９２の輪郭を表す部分を検出して特定する処理である。このエッジ検出処理は、従来技術におけるエッジ検出処理、すなわち、輪郭撮像画像情報における輝度（画像の明るさ）が鋭敏に変化する画素（「ピクセル」ともいう）を特定するものである。より具体的には、コンピュータ装置１１０は、図５（Ａ）の破線矢印で示すように、輪郭撮像画像情報における図示横方向の１２８０画素ごとにグレー値が高いボール部９２を表わす輪郭撮像画像情報の最端の画素からグレー値が低いボール部９２の外側を表わす輪郭撮像画像情報の最端の画素に向って輝度が不連続に変化する画素を検出して特定する。これにより、図５（Ｂ）に示すように、ボール部９２の輪郭を表す１２８０個の画素群からなる測定表面曲線ＳＬが得られる。すなわち、このステップＳ１１０におけるエッジ検出処理が、本発明に係るエッジ検出手段に相当する。なお、図５（Ｂ）においては、測定表面曲線ＳＬを構成する画素群を粗く（少なく）示している。

次に、コンピュータ装置１１０は、ステップＳ１１２にて、輪郭形状特定処理を実行する。このステップＳ１１２における輪郭形状特定処理は、測定表面曲線ＳＬからボール部９２の輪郭形状に関する成分を除去するためにボール部９２の輪郭形状を特定する処理である。具体的には、コンピュータ装置１１０は、測定表面曲線ＳＬを用いて最小二乗法によりボール部９２の輪郭を構成する円弧を算出して同円弧の中心位置ＣＰを算出する。すなわち、このステップＳ１１２における輪郭形状特定処理が、本発明に係る輪郭形状特定手段に相当する。

次に、コンピュータ装置１１０は、ステップＳ１１４にて、測定表面曲線ＳＬの補正処理を実行する。このステップＳ１１４における輪郭形状特定処理は、測定表面曲線ＳＬからボール部９２の輪郭形状に関する成分を除去する処理である。具体的には、コンピュータ装置１１０は、前記ステップＳ１１２にて算出したボール部９２の輪郭を構成する円弧の中心位置ＣＰに対する測定表面曲線ＳＬを構成する各画素の距離を計算する。そして、コンピュータ装置１１０は、測定表面曲線ＳＬを構成する各画素を共通の基線ＢＬ上から前記計算した中心位置ＣＰからの距離だけ離れた位置に基準ＢＬ線に沿ってそれぞれ配列する。これにより、図６に示すように、測定表面曲線ＳＬからボール部９２の輪郭形状に関する成分が除去される。すなわち、このステップＳ１１４における測定表面曲線ＳＬの補正処理が、本発明に係る測定表面曲線補正手段に相当する。

次に、コンピュータ装置１１０は、ステップＳ１１６にて、粗さ曲線抽出処理を実行する。このステップＳ１１６における粗さ曲線抽出処理は、測定表面曲線ＳＬからボール部９２の輪郭表面の粗さに関する成分を抽出する処理である。すなわち、ボール部９２の輪郭部分を表わす測定表面曲線ＳＬには、ボール部９２の円弧状の輪郭を表す成分の他に、ボール部９２の輪郭の表面粗さに関する成分およびボール部９２の輪郭表面のうねりに関する成分がそれぞれ含まれている。また、ボール部９２の輪郭部分を表わす測定表面曲線ＳＬには、これらのボール部９２の輪郭形状に関する成分の他に、撮像装置１０２による撮像処理に起因する成分、具体的には、各種ノイズ成分が含まれている。したがって、このステップＳ１１６における粗さ曲線抽出処理においては、表面粗さに関する成分、うねりに関する成分およびノイズに関する成分が含まれた測定表面曲線ＳＬからボール部９２の輪郭の表面粗さに関する成分のみを抽出するものである。

具体的には、コンピュータ装置１１０は、測定表面曲線ＳＬに対して特定の周波数成分のみを通過させるフィルタ処理を実行する。より具体的には、コンピュータ装置１１０は、カットオフ値λｓ（２.５〜２５μｍ）より短い短波長成分をカット（遮断）する低域通過フィルタ（ローパスフィルタ）であるλｓ輪郭曲線フィルタを用いて測定表面曲線ＳＬからノイズ成分を除去するとともに、カットオフ値λｃ（０.０８〜８ｍｍ）より長い長波長成分をカット（遮断）する高域通過フィルタ（ハイパスフィルタ）であるλｃ輪郭曲線フィルタを用いて測定表面曲線ＳＬからうねり成分を除去する。

すなわち、コンピュータ装置１１０は、カットオフ値λｓ〜λｃを通過域とする帯域通過フィルタによって測定表面曲線ＳＬからボール部９２の輪郭の表面粗さに関する成分のみを抽出する。この測定表面曲線ＳＬからノイズ成分を除去する処理によって、図７（Ａ）に示すように、断面曲線Ｐが得られ、この断面曲線Ｐからうねり成分を除去する処理によって、図７（Ｂ）に示すように、粗さ曲線Ｒが得られる。すなわち、このステップＳ１１６における粗さ曲線抽出処理が、本発明に係る粗さ曲線抽出手段に相当する。

次に、コンピュータ装置１１０は、ステップＳ１１８にて、ボール部９２の輪郭表面の粗さを計算する。具体的には、コンピュータ装置１１０は、前記ステップＳ１１６にて算出した粗さ曲線Ｒにおいて、粗さ曲線Ｒの評価長さ内において基準長さごとの山高さと谷深さとの和の平均をボール部９２の輪郭表面の粗さとして算出する。すなわち、本実施形態においては、撮像装置１０２によって撮像される粗さ曲線Ｒの長さ（つまり撮像装置１０２の視野）が３.２ｍｍであるため、同粗さ曲線Ｒの評価長さを３.２ｍｍとする。一方、基準長さは、ボール部９２を切削加工により削り出す際の刃物の送り量（切削ピッチ）が０.８ｍｍ／ｒｅｖであるため、基準長さを０.８ｍｍとする。すなわち、この基準長さの０.８ｍｍの範囲内に山と谷とが一つずつ存在することになる。

したがって、コントローラ装置１１０は、３.２ｍｍの評価長さの粗さ曲線Ｒに対して０.８ｍｍの基準長さごとに山高さと谷深さとの和を算出して、この和の平均値を算出（本実施形態においては、和の合計値を４で除す）する。すなわち、このステップＳ１１８における輪郭表面の粗さを計算処理が、本発明に係る表面粗さ計算手段に相当する。なお、このような、表面粗さの計算方法は、現状のＪＩＳ規格（日本工業規格）における表面粗さの算出方法とは異なるものである。しかし、本発明者らによる実験によれば、本実施形態における前記表面粗さの計算方法により算出された表面粗さの値と、ＪＩＳ規格に従った接触式の表面粗さ測定機（図示せず）によるボールスタッド９０におけるボール部９２の表面粗さ測定結果との相関係数は約０.９６である。

なお、このステップＳ１１８における輪郭表面の粗さを計算処理においては、前記したように、現状のＪＩＳ規格（日本工業規格）における表面粗さの計算方法とは異なるものである。しかし、このステップＳ１１８における輪郭表面の粗さを計算処理においては、ＪＩＳ規格（日本工業規格）における表面粗さの計算方法を排除するものではない。すなわち、このステップＳ１１８における輪郭表面の粗さを計算処理は、ボール部９２の輪郭の表面粗さを評価可能なパラメータを計算すれば良く、例えば、十点平均粗さＲｚ_ｊｉｓ、算術平均粗さＲａ、二乗平方根粗さＲｑ、中心線平均粗さＲａ75および最大高さ粗さＲｚなどであってもよいことは当然である。

次に、コンピュータ装置１１０は、ステップＳ１２０にて、ボール部９２の輪郭表面の粗さの合否判定結果を表示する。具体的には、コンピュータ装置１１０は、前記ステップＳ１１８にて計算した十点平均粗さＲｚ_ｊｉｓを表面粗さ測定プログラムに予め設定されている評価十点平均粗さＲｚ_ｊｉｓと比較して、算出した十点平均粗さＲｚ_ｊｉｓが評価十点平均粗さＲｚ_ｊｉｓ未満である場合には、表示装置１１２にボール部９２の表面粗さが基準値以内であるとして「合格」の文字を表示させる。一方、コンピュータ装置１１０は、算出した十点平均粗さＲｚ_ｊｉｓが評価十点平均粗さＲｚ_ｊｉｓ以上である場合には、表示装置１１２にボール部９２の表面粗さが基準値外であるとして「不合格」の文字を表示させる。

したがって、作業者は、表示装置１１２の表示画面に表示される表示内容に従って測定対象であるボールスタッド９０の「良」または「不良」を判定する。なお、本発明者らによる実験によれば、前記ステップＳ１０６における作業者による表面粗さ測定処理の開始の指示から本ステップＳ１２０における合否判定表示までの時間は約１秒である。これは、従来技術に係る接触式の表面粗さ測定機による応答時間である約５５秒に比べて格段に速いものである。また、現状のＪＩＳ規格（日本工業規格）においては、表面粗さ測定機は接触式であることが定められている。しかし、本発明に係る表面性状測定装置１００によるボールスタッド９０におけるボール部９２の表面粗さ測定結果と、ＪＩＳ規格に従った接触式の表面粗さ測定機（図示せず）によるボールスタッド９０におけるボール部９２の表面粗さ測定結果との相関係数は前記したように約０.９６である。すなわち、本発明に係る表面性状測定装置１００は、ＪＩＳ規格に従った接触式の表面粗さ測定機と略同程度の測定精度を有するものである。

このステップＳ１２０によるボール部９２の輪郭表面の粗さの合否判定結果の表示処理を実行した後、コンピュータ装置１１０は、ステップＳ１０４に戻る。これにより、コンピュータ装置１１０は、再度、表面粗さの測定作業の終了の指示、および表面粗さ測定処理の開始の指示を待つ。そして、作業者は、ボールスタッド９０の表面粗さの測定作業を終了する場合には、入力装置１１１を操作することにより、コンピュータ装置１１０に対して表面粗さ測定処理の終了の指示を行なう。この指示に応答して、コンピュータ装置１１０は、前記ステップＳ１０４の判定処理にて「Ｙｅｓ」と判定してステップＳ１２２に進む。次いで、コンピュータ装置１１０は、ステップＳ１２２にて、測定終了処理、具体的には、撮像装置１０２およびバックライト照明装置１０３の作動をそれぞれ停止させる。そして、コンピュータ装置１１０は、ステップＳ１２４にて、この表面性状測定プログラムの実行を終了する。

上記作動からも理解できるように、上記実施形態によれば、表面性状測定装置１００は、被測定物であるボールスタッド９０におけるボール部９２の輪郭を撮像して輪郭撮像画像情報を取得するとともに、同取得した輪郭撮像画像情報に含まれる前記ボール部９２の輪郭部分を表わす情報を用いて同輪郭の表面粗さを計算している。これにより、表面性状測定装置１００に伝達される外部からの振動の影響を抑えつつ簡単かつ短時間に精度良くボールスタッド９０におけるボール部９２の表面粗さを測定することができる。

さらに、本発明の実施にあたっては、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。なお、下記に示す各変形例においては、上記各実施形態と同様の構成部分には対応する符号を付して、その説明は省略する。

例えば、上記実施形態においては、表面性状測定装置１００は、ボールスタッド９０におけるボール部９２の輪郭を撮像した輪郭撮像画像情報をグレー処理することにより２５６階調のグレー値で表した。しかし、輪郭撮像画像情報は、ボール部９２の輪郭を撮像した画像データであってエッジ処理において同輪郭を特定できる形式のデータであれば、必ずしも上記実施形態に限定されるものではない。例えば、輪郭撮像画像情報を白色および黒色の２値情報からなるモノクロ画像情報で構成してもよいし、ＲＧＢからなるカラー画像情報で構成してもよい。

また、上記実施形態においては、表面性状測定装置１００は、撮像装置１０２をＣＣＤイメージセンサで構成した。しかし、撮像装置１０２は、受光面に結像した像に応じた電気信号をコンピュータ装置１４０に出力する光学素子であれば広く採用することができる。例えば、撮像装置１０２は、ＣＣＤイメージセンサの他に、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサなどの各種撮像素子を用いて構成することもできる。

また、上記実施形態においては、表面性状測定装置１００は、撮像装置１０２に向けて光を照射するバックライト照明装置１０３を備えて構成した。しかし、バックライト照明装置１０３は、表面性状測定プログラムにおけるステップＳ１１０によるエッジ検出処理において輝度の差を大きくすることによりエッジを検出し易くして測定表面曲線ＳＬを精度良く得るためである。すなわち、バックライト照明装置１０３（照明手段）は、精度良く測定表面曲線ＳＬが得られれば、必ずしも必要ではない。例えば、バックライト照明装置１０３に変えて、ボールスタッド９０の金属色との間で明暗の差が明確となる色（例えば、黒色）で構成されたプレート体を配置するようにしてもよいし、撮像装置１０２にフラッシュなどの閃光装置を設けるようにしてもよい。また、バックライト照明装置１０３を設ける場合、赤外線以外の光を発光する光源、例えば、蛍光灯、白熱電球、ＬＥＤ照明、ハロゲンランプなどであってもよい。

また、上記実施形態においては、ボールスタッド９０の表面粗さ測定結果を表示させるために表示装置１１２を液晶ディスプレイで構成した。しかし、表示装置１１２は、ボールスタッド９０の表面粗さ測定結果を作業者が認識できるものであれば、必ずしも上記実施形態に限定されるものではない。例えば、表示装置１１２は、液晶ディスプレイに変えてまたは加えて、回転灯や測定結果情報を印刷する印刷装置などで構成することもできる。また、表示装置１１２などの視覚による表示手段以外に、ブザーなどの音で測定結果を表示させるようにしてもよい。

また、上記実施形態においては、表面性状測定プログラムにおいては、ステップＳ１１２およびステップＳ１１４の各処理を実行することにより、測定表面曲線ＳＬからボール部９２の輪郭形状に関する成分を除去した。しかし、測定表面曲線ＳＬからボール部９２の輪郭形状に関する成分を除去する処理は、被測定物における表面粗さの測定方向に沿った形状が直線形状である場合、例えば、円筒や円柱形状の外周面の表面粗さを軸線方向に沿って測定する場合には省略することもできる。

また、上記実施形態においては、表面性状測定プログラムにおいては、ステップＳ１１８にて粗さ曲線Ｒの抽出処理を実行した。しかし、粗さ曲線Ｒの抽出処理は、測定表面曲線ＳＬおよび断面曲線Ｐから、ノイズに関する成分およびうねりに関する成分が無視できる場合には、必ずしも必要ではない。すなわち、測定表面曲線ＳＬおよび断面曲線Ｐを粗さ曲線Ｒとしてボール部９２の輪郭の表面粗さを計算するようにしてもよい。

また、上記実施形態においては、表面性状測定プログラムにおいては、ステップＳ１１８にて粗さ曲線Ｒの抽出処理を実行した。しかし、表面性状測定プログラムは、ステップＳ１１８における粗さ曲線Ｒの抽出処理に代えてまたは加えて、ボール部９２の輪郭形状のうねりの状態を測定するようにしてもよい。具体的には、コンピュータ装置１１０は、カットオフ値λｃ（０.０８〜８μｍ）より短い短波長成分をカット（遮断）する低域通過フィルタ（ローパスフィルタ）であるλｓ輪郭曲線フィルタを用いて測定表面曲線ＳＬからノイズ成分および粗さ成分をそれぞれ除去するとともに、カットオフ値λｆ（ｎ×λｆ（ｎ＝基準長さの数））より長い長波長成分をカット（遮断）する高域通過フィルタ（ハイパスフィルタ）であるλｆ輪郭曲線フィルタを用いて測定表面曲線ＳＬからうねり成分より長い周波数成分を除去する。

すなわち、コンピュータ装置１１０は、カットオフ値λｃ〜λｆを通過域とする帯域通過フィルタによって測定表面曲線ＳＬからボール部９２の輪郭のうねりに関する成分のみを抽出する。この測定表面曲線ＳＬからうねり成分を抽出する処理によって、コンピュータ装置１１０は、図７（Ｃ）に示すように、ろ波うねり曲線Ｗが得られる。これにより、作業者、ボール部９２の輪郭形状のうねりの状態を計測することができる。

また、上記実施形態においては、表面性状測定装置１００は、ボールスタッド９０を被測定物とした。しかし、本発明に係る表面性状測定装置１００は、曲面を有する被測定物であれば広く測定することができる。例えば、曲面を有する円筒体や円柱体、および球面を有する球体などの表面の粗さやうねりを測定することができる。

ＳＬ…測定表面曲線、Ｐ…断面曲線、Ｒ…粗さ曲線、Ｗ…ろ波うねり曲線、
９０…ボールスタッド、９１…スタッド部、９２…ボール部、
１００…表面性状測定装置、１０１…ワーク支持台、１０２…撮像装置、１０３…バックライト照明装置、１１０…コンピュータ装置、１１１…入力装置、１１２…表示装置。

Claims (9)

1. 曲面を有する被測定物の表面の粗さまたはうねりを測定する表面性状測定装置において、
   前記被測定物を支持するワーク支持手段と、
   前記ワーク支持手段に支持された前記被測定物における前記曲面の輪郭を撮像した輪郭撮像画像情報を出力するワーク撮像手段と、
   前記輪郭撮像画像情報に含まれる前記曲面の輪郭部分を表わす画像情報を用いて同輪郭の表面の粗さまたはうねりを計算する画像処理手段とを備えることを特徴とする表面性状測定装置。
2. 請求項１に記載した表面性状測定装置において、
   前記画像処理手段は、
   前記輪郭撮像画像情報から前記被測定物のエッジを検出して測定表面曲線を得るエッジ検出手段と、
   前記測定表面曲線を用いて前記被測定物における前記輪郭の表面の粗さまたはうねりを計算する表面性状計算手段とを備えることを特徴とする表面性状測定装置。
3. 請求項２に記載した表面性状測定装置において、
   前記画像処理手段は、さらに、
   前記測定表面曲線を用いて前記被測定物における前記輪郭を特定する輪郭形状特定手段と、
   前記測定表面曲線から前記特定した前記輪郭の成分を除去することにより前記測定表面曲線を補正する測定表面曲線補正手段とを備え、
   前記表面性状計算手段は、前記測定表面曲線補正手段によって補正された前記測定表面曲線を用いて前記被測定物における前記輪郭の表面の粗さまたはうねりを計算することを特徴とする表面性状測定装置。
4. 請求項３に記載した表面性状測定装置において、
   前記画像処理手段は、さらに、
   前記測定表面曲線補正手段によって補正された前記測定表面曲線から粗さ曲線を抽出する粗さ曲線抽出手段を備え、
   前記表面性状計算手段は、前記粗さ曲線を用いて前記被測定物における前記輪郭の表面の粗さを計算することを特徴とする表面性状測定装置。
5. 請求項１ないし請求項４のうちのいずれか１つに記載した表面性状測定装置において、さらに、
   前記被測定物における前記輪郭を介して前記撮像手段に向けて光を照射する照明手段を備えることを特徴とする表面性状測定装置。
6. 請求項１ないし請求項５のうちのいずれか１つに記載した表面性状測定装置において、さらに、
   前記画像処理手段により計算された前記被測定物における前記輪郭の表面の粗さまたはうねりの結果を表示する表示手段を備えることを特徴とする表面性状測定装置。
7. 曲面を有する被測定物における前記曲面の輪郭を撮像して得た輪郭撮像画像情報を用いて前記曲面の表面の粗さまたはうねりを計算するコンピュータ装置に実行させる表面性状測定用コンピュータプログラムであって、
   前記コンピュータ装置に、
   前記輪郭撮像画像情報から前記被測定物のエッジを検出して測定表面曲線を得るエッジ検出ステップと、
   前記測定表面曲線を用いて前記被測定物における前記輪郭の表面の粗さまたはうねりを計算する表面性状計算ステップとを実行させることを特徴とする表面性状測定用コンピュータプログラム。
8. 請求項７に記載した表面性状測定用コンピュータプログラムにおいて、さらに、
   前記測定表面曲線を用いて前記被測定物における前記輪郭を特定する輪郭形状特定ステップと、
   前記測定表面曲線から前記特定した前記輪郭の成分を除去することにより前記測定表面曲線を補正する測定表面曲線補正ステップとを有し、
   前記表面性状計算ステップは、前記測定表面曲線補正ステップによって補正された前記測定表面曲線を用いて前記被測定物における前記輪郭の表面の粗さまたはうねりを計算させるものであることを特徴とする表面性状測定用コンピュータプログラム。
9. 請求項８に記載した表面性状測定用コンピュータプログラムにおいて、さらに、
   前記測定表面曲線補正ステップによって補正された前記測定表面曲線から粗さ曲線を抽出する粗さ曲線抽出ステップを有し、
   前記表面性状計算ステップは、前記粗さ曲線を用いて前記被測定物における前記輪郭の表面の粗さを計算させるものであることを特徴とする表面性状測定用コンピュータプログラム。

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