JP2013246126A - 表面形状測定方法および表面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】変位計で測定した物体表面の変位データのみを用いて、この変位データ中の外乱を排除し、物体表面に加工された溝の寸法を精度良く測定すること。
【解決手段】本発明の表面形状測定方法は、物体の表面を走査して取得した変位データからうねりを除去して補正変位データを取得するうねり除去ステップ（ステップＳＴＰ２）と、補正変位データから溝の溝始点および溝終点を算出する溝幅算出ステップ（ステップＳＴＰ３）と、溝始点と溝終点との中央位置から溝幅の所定割合の幅の範囲に限定した補正変位データの最小値と補正変位データの変位０との差を物体表面に加工された溝の深さとして算出する溝深さ算出ステップ（ステップＳＴＰ４）とを含むことを特徴とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、物体の表面に加工された溝の寸法を測定する表面形状測定方法および表面形状測定装置に関する。

物体の表面に凹凸パターンの加工を施し、この凹凸パターンにより物体が持つ機能を向上させる技法が数多く存在する。例えば、電磁鋼板では、表面に微小な溝加工を行うことにより、その電磁鋼板を低鉄損化する技法が知られている。このような物体が持つ機能を向上させるために行う物体の表面加工では、表面に加工される凹凸パターンの形状がその物体の品質に直接的に影響する。このため、表面に加工される凹凸パターンの形状を精度よく測定することは、製造工程の管理および製品品質の保証を行う際に非常に重要となっている。

例えば特許文献１には、製造ライン上で物体表面の凹凸形状を連続的に測定する表面形状測定方法が記載されている。この表面形状測定方法は、物体に対して相対的に移動するように配置された変位計により、変位計と物体との間の変位量を測定して断面形状を取得し、このように取得した断面形状から凹凸の深さ（または高さ）および幅を算出するものである。

また、特許文献２には、光学式変位計（レーザ変位計）を用いる表面形状測定方法において、変位信号に加えて反射光強度信号に基いて溝の深さおよび幅の測定を行う技術が記載されている。特許文献２に記載の技術は、溝の傾斜部にて検出される変位信号の異常値を反射光強度信号に基いて排除し、溝の深さおよび幅の測定を行う技術である。

特開平１０−８９９３９号公報 特開２０１１−９９７２９号公報

しかしながら、特許文献２に記載の表面形状測定方法は、光学式変位計から得る情報として変位信号の他に反射光強度信号をも必要とする。そのため、特許文献２に記載の表面形状測定方法は、反射光強度信号の出力がない光学式変位計や、照射光の強度や受光ゲインを調整して十分な反射光強度を得るようにした機能を持つタイプの光学式変位計には適用され得ない。

また、微小な溝の形状を三角測距式の光学式変位計で測定する場合、溝の傾斜部では受光量が不足して測定値が不安定になりやすいという問題に加え、照射光や受光ゲインの調整を行うタイプの変位計では、受光量不足にはなり難い代わりに、溝の傾斜部への照射光が溝の内部で多重反射した２次的な反射光も受光することにより、溝傾斜部の形状が誤認識される現象が発生する。このような誤認識が発生した場合、実際の溝の深さよりも深い異常な変位が観測されることが多く、特許文献１に記載の表面形状測定方法では、直接的に溝の深さの誤測定となってしまう問題があった。

また、特許文献２に記載の表面形状測定方法のように、変位信号上のうねりを除去するために移動平均を用いる場合、移動平均の値に溝部分の変位量の影響が残るために、溝幅や溝深さを算出する際に誤差が生じる問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、変位計で測定した物体表面の変位データのみを用いて、この変位データ中の外乱を排除し、物体表面に加工された溝の寸法を精度良く測定することができる表面形状測定方法および表面形状測定装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の表面形状測定方法は、物体表面に光線を照射して測定を行う光学式変位計により前記物体表面を走査して、前記光学式変位計に対する前記物体表面の変位データを取得する変位データ取得ステップと、前記変位データからうねりを除去して補正変位データを取得するうねり除去ステップと、前記補正変位データを探索して、前記補正変位データが所定の第１閾値よりも低くなる最初の位置を、前記物体表面に加工された溝の溝概略位置として検出する溝概略位置検出ステップと、前記溝概略位置を含む前記溝の溝始点および溝終点を算出する溝幅算出ステップと、前記溝始点と前記溝終点との中央位置から前記溝幅の所定割合の幅の範囲に限定した前記補正変位データの最小値を算出する最深位置検出ステップと、前記最深位置検出ステップで算出された前記補正変位データの最小値と前記補正変位データの変位０との差を前記物体表面に加工された溝の深さとして算出する溝深さ算出ステップとを含むことを特徴とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の表面形状測定装置は、物体表面に光線を照射して測定を行う光学式変位計により前記物体表面を走査して、前記光学式変位計に対する前記物体表面の変位データを取得する変位データ取得部と、前記変位データからうねりを除去して補正変位データを取得する変位データ補正部と、前記補正変位データを探索して、前記補正変位データが所定の第１閾値よりも低くなる最初の位置を、前記物体表面に加工された溝の溝概略位置として検出する溝概略位置検出部と、前記溝概略位置を含む前記溝の溝始点および溝終点を算出する溝始点・終点検出部と、前記溝始点と前記溝終点との中央位置から前記溝幅の所定割合の幅の範囲に限定した前記補正変位データの最小値を算出し、前記補正変位データの最小値と前記補正変位データの変位０との差を前記物体表面に加工された溝の深さとして算出する溝深さ算出部とを備えることを特徴とする。

本発明にかかる表面形状測定方法および表面形状測定装置は、変位計で測定した物体表面の変位データのみを用いて、この変位データ中の外乱を排除し、物体表面に加工された溝の寸法を精度良く測定することができるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定装置の構成例を示す概略図である。 図２は、鋼板上に加工された溝の傾斜部へ照射されたレーザ光の反射の様子を表現した模式図である。 図３は、本発明の実施形態にかかる信号処理装置の内部処理を示す機能ブロック図である。 図４は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法の全体の流れを示すフローチャートである。 図５は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法におけるうねり除去の方法を示すフローチャートである。 図６は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法におけるうねり除去の様子を示す変位データを示すグラフである。 図７は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝幅算出の方法を示すフローチャートである。 図８は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝深さ算出の方法を示すフローチャートである。 図９は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝幅算出および溝深さ算出の様子を示す変位データを示すグラフである。

以下に、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法および表面形状測定装置について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態により本発明が限定されるものではない。

［表面形状測定装置］
図１は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定装置の構成例を示す概略図である。本発明の実施形態にかかる表面形状測定装置１は、製造ライン上を搬送される鋼板Ｓの表面に加工された溝の形状を測定する装置である。図１に示されるように、本発明の実施形態にかかる表面形状測定装置１は、変位計ヘッド２と、変位計コントローラ３と、信号処理装置４と、ローラエンコーダ５と、表示装置６とを備える。

変位計ヘッド２は、内部にレーザ光源２１と、集光レンズ２２と、光ポジションセンサ２３と、結像レンズ２４とを備えた三角測距式の変位計である。レーザ光源２１から射出されたレーザ光２５は、集光レンズ２２を介してスポット光もしくはスリット光として鋼板Ｓの表面に照射され、鋼板Ｓからの反射光２６は、結像レンズ２４を介して光ポジションセンサ２３の受光面に結像される。

図１に示されるように、変位計ヘッド２は、レーザ光源２１から射出されたレーザ光２５を鋼板Ｓに対して垂直に照射し、光ポジションセンサ２３にて反射光２６を一定の角度をなして検出する構成である。この構成の場合、鋼板Ｓの表面と変位計ヘッド２との間の距離が変化すると、光ポジションセンサ２３に結像される反射光２６の受光位置が変化する。すなわち、図１に示される表面形状測定装置１は、光ポジションセンサ２３における反射光２６の受光位置を読み取ることにより、鋼板Ｓの表面と変位計ヘッド２との間の距離を測定する構成である。

変位計コントローラ３は、変位計ヘッド２への電源供給とヘッド内部の構成部品への制御信号出力とを行いながら、光ポジションセンサ２３の出力信号を読み取り、鋼板Ｓの表面と変位計ヘッド２との間の距離を算出する。その後、変位計コントローラ３は、算出された鋼板Ｓの表面と変位計ヘッド２との間の距離を変位信号として信号処理装置４へ出力する。

光ポジションセンサ２３には、例えばＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）、ＣＣＤ、ＣＭＯＳなどの受光素子が用いられる。光ポジションセンサ２３としてＰＳＤを用いた場合、反射光２６を受光した受光素子の両端から２つの電流Ｉ_１およびＩ_２が出力される。変位計コントローラ３は、この２つの電流Ｉ_１およびＩ_２を用いて（Ｉ_１−Ｉ_２）／（Ｉ_１＋Ｉ_２）を算出し、この値から反射光２６を受光した重心位置を求める。また、光ポジションセンサ２３としてＣＣＤまたはＣＭＯＳを用いた場合、これらの受光素子は小さなフォトダイオードのアレイであるので、受光素子上の受光強度分布が得られる。その場合、変位計コントローラ３は、受光強度分布の重心位置またはピーク位置等により鋼板Ｓの表面と変位計ヘッド２との間の距離を算出する。

信号処理装置４は、変位計コントローラ３から出力された変位信号と、鋼板Ｓを搬送するローラに設けられたローラエンコーダ５から出力されたパルス信号とから、鋼板Ｓ全体における鋼板Ｓの変位データを復元し、鋼板Ｓの表面に加工された溝の形状を変位データから算出する装置である。ここで言う鋼板Ｓの変位データとは、鋼板Ｓの表面における垂直方向の変位量に関するデータである。つまり、鋼板Ｓの変位データは、鋼板Ｓの表面と変位計ヘッド２との間の距離を、ある基準となる距離からの差を算出することにより求められるデータである。

なお、図１に示される表面形状測定装置１は、紙面の都合上、単一の変位計ヘッド２のみを備えるものとして図示されているが、複数の変位計ヘッド２を鋼板Ｓの幅方向（図中Ｚ方向）に配列すれば、信号処理装置４は、鋼板Ｓ全体における変位データを復元することができる。また、単一の変位計ヘッド２を鋼板Ｓの幅方向（図中Ｚ方向）に走査可能に構成することによっても、信号処理装置４は、鋼板Ｓ全体における変位データを復元することができる。

表示装置６は、信号処理装置４が算出した鋼板Ｓの表面に加工された溝の形状（特に溝幅および溝深さ）を表示する装置である。例えば、表示装置６は、ＣＲＴ画面表示装置であり、オペレータが鋼板Ｓの上に加工された溝の形状が規定どおりであるか否かを判別するのに用いられる。

ここで、図２を参照しながら、鋼板Ｓ上に加工された溝１１に照射されたレーザ光２５が反射する際の様子を説明する。

図２は、鋼板Ｓ上に加工された溝１１の傾斜部へ照射されたレーザ光２５の反射の様子を表現した模式図である。図２（ａ）は、鋼板Ｓ上に加工された溝１１の傾斜部へ照射されたレーザ光２５の多重反射による反射光２６の軌跡を表現した模式図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の矢印Ｖの方向から見た図であり、多重反射による反射光２６が、光ポジションセンサ２３に溝１１の深さを誤認識させる仕組みを示した模式図である。

図２（ａ）に示されるように、鋼板Ｓ上に加工された溝１１の傾斜部へ照射されたレーザ光２５は、溝１１の傾斜部（図中位置Ｐ_１）でのみ反射して光ポジションセンサ２３へ入射する反射光２６ａと、溝１１の傾斜部（図中位置Ｐ_１）で反射した後に底部（図中位置Ｐ_３）でさらに反射して光ポジションセンサ２３へ入射する反射光２６ｂとがある。そして、図２（ａ）に示されるように、傾斜部（図中位置Ｐ_１）で反射した反射光２６ａの光ポジションセンサ２３における受光位置（図中位置Ｐ_２）と、底部（図中位置Ｐ_３）で反射した反射光２６ｂの光ポジションセンサ２３における受光位置（図中位置Ｐ_４）とでは、光ポジションセンサ２３上の位置が異なっている。

その結果、図２（ｂ）に示されるように、従来の表面形状測定装置では、鋼板Ｓ上に加工された溝１１の深さを誤認識することがある。図２（ｂ）に示されるように、三角測距法では、光ポジションセンサ２３における受光位置が図中位置Ｐ_２である場合、鋼板Ｓの高さ（または深さ）の位置が図中位置Ｐ_１であると認識し、光ポジションセンサ２３における受光位置が図中位置Ｐ_４である場合、鋼板Ｓの高さ（または深さ）の位置が図中位置Ｐ_５であると認識される。その結果、三角測距法では、多重反射が発生してしまうと、本来の鋼板Ｓの高さ（または深さ）の位置が図中位置Ｐ_１であるにも拘らず、鋼板Ｓの高さ（または深さ）の位置が図中位置Ｐ_５であると誤認識してしまうのである。

そこで、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法および表面形状測定装置では、信号処理装置４における信号処理方法に工夫をすることにより、多重反射による誤認識を排除する。
［信号処理装置］

図３は、本発明の実施形態にかかる信号処理装置４の内部処理を示す機能ブロック図である。図３に示されるように、本発明の実施形態にかかる信号処理装置４は、変位データ取得部４１と、変位データ補正部４２と、溝概略位置検出部４３と、溝始点・終点検出部４４と、溝幅算出部４５と、溝深さ算出部４６とを備える。

変位データ取得部４１は、変位計コントローラ３から変位信号を受信してＡ／Ｄ変換などを行うと同時に、ローラエンコーダ５からは鋼板Ｓが一定距離進む毎に発生するパルス信号を受信して鋼板Ｓの走行速度あるいは走行位置を解析する。その結果、変位データ取得部４１は、変位計コントローラ３から受信した変位信号から鋼板Ｓ上の変位データＹ_０（Ｘ）を復元する。ここで、Ｘは鋼板Ｓ上の搬送方向の位置座標を意味し、Ｙは鋼板Ｓの高さ方向の位置座標を意味する（図１参照）。なお、鋼板Ｓには、幅方向の位置座標Ｚも存在するが、以下の説明では、幅方向の位置座標Ｚを一点に固定して説明を行う。

変位データＹ_０（Ｘ）における鋼板Ｓ上のサンプル点間隔ΔＸは、Ａ／Ｄ変換の一定の時間間隔とローラエンコーダ５が発生するパルス信号の時間間隔とにより定まる。ローラエンコーダ５が発生するパルス信号の間隔は、その時間間隔中に鋼板Ｓが進む距離を意味し、Ａ／Ｄ変換の時間間隔は、変位データＹ_０（Ｘ）のサンプル点が生成される間隔を意味する。よって、Ａ／Ｄ変換の時間間隔の間に含まれるパルス信号の頻度により、鋼板Ｓ上のサンプル点間隔ΔＸが定まる。なお、ローラエンコーダ５からのパルス信号の時間間隔が十分に短い間隔であれば、変位データ取得部４１は、このパルス信号に同期してＡ／Ｄ変換を行うことにより、鋼板Ｓ上のサンプル点間隔ΔＸを定めることもできる。

変位データ補正部４２は、変位データ取得部で取得した変位データＹ_０（Ｘ）から、鋼板Ｓや変位計ヘッド２の振動、または鋼板Ｓの撓みなどで生じる変位データＹ_０（Ｘ）上のうねりを除去して、補正変位データＹ_１（Ｘ）を生成する。この変位データ補正部４２における変位データＹ_０（Ｘ）上のうねりを除去する方法は、後に図５および図６を参照して詳述するものとする。

変位データ補正部４２は、必要に応じてうねりを除去した補正変位データＹ_１（Ｘ）に対して更なるフィルタ処理を行うことが好ましい。補正変位データＹ_１（Ｘ）には、鋼板Ｓ表面の粗さ等に起因する測定ノイズが含まれるので、こういったノイズ除去の意味で、移動平均フィルタなどの線形ローパスフィルタ、あるいはメディアンフィルタを適用することが考えられる。なお、フィルタ次数（移動平均フィルタでは平均値を計算する範囲、メディアンフィルタでは中央値を計算する範囲）は、鋼板Ｓ上での影響範囲が一定となるように決定される（つまり、サンプリング間隔ΔＸに反比例させる）。このようにフィルタ次数を決定することにより、サンプリング間隔ΔＸが異なる場合でもフィルタの効果を同じに保つことが可能となる。

溝概略位置検出部４３は、変位データ補正部４２にてうねりを除去した補正変位データＹ_１（Ｘ）より溝概略位置を検出する手段である。溝概略位置とは、変位データ補正部４２で補正した補正変位データＹ_１（Ｘ）を一方（例えば鋼板Ｓの搬送方法）から探索して、補正変位データＹ_１（Ｘ）が所定の閾値Ｌ_１（＞０）より小さくなる最初の位置のこととして定義する。以下、この位置のことを溝概略位置Ｘ_ａと記載する。すなわち、溝概略位置検出部４３は、補正変位データＹ_１（Ｘ）の一方から探索して、所定の閾値Ｌ_１（＞０）に対し、Ｙ_１（Ｘ）＜−Ｌ_１となる最初の位置を溝概略位置Ｘ_ａとして検出する。

溝始点・終点検出部４４は、溝概略位置検出部４３で検出した溝概略位置Ｘ_ａに対応する溝始点および溝終点を検出する検出手段である。溝始点および溝終点とは、溝概略位置Ｘ_ａを開始点として両側に補正変位データＹ_１（Ｘ）を探索して、補正変位データＹ_１（Ｘ）が所定の閾値Ｌ_２（＞０）より大きくなる最初の位置のこととして定義する。以下、後方に探索した場合のこの位置を溝始点Ｘ_ｓと記載し、前方に探索した場合のこの位置を溝終点Ｘ_ｅと記載する。すなわち、溝始点・終点検出部４４は、溝概略位置Ｘ_ａを開始点として補正変位データＹ_１（Ｘ）を両側に探索して、所定の閾値Ｌ_２（＞０）に対し、Ｙ_１（Ｘ）＞−Ｌ_２となる最初の位置を溝始点Ｘ_ｓおよび溝終点Ｘ_ｅとして検出する。

溝幅算出部４５は、溝始点・終点検出部４４が検出した溝始点Ｘ_ｓと溝終点Ｘ_ｅとの差を計算して、鋼板Ｓの上に加工された溝の溝幅Ｗを算出する。すなわち、溝幅算出部４５は、Ｗ＝Ｘ_ｅ−Ｘ_ｓを計算することにより、鋼板Ｓの上に加工された溝の溝幅Ｗを算出する。

一方、溝深さ算出部４６は、変位データ補正部４２にてうねりを除去した補正変位データＹ_１（Ｘ）から、溝概略位置Ｘ_ａに対応した溝の溝深さＤを算出する算出部である。溝概略位置Ｘ_ａに対応した溝の溝深さＤを算出するために、溝深さ算出部４６は、溝始点・終点検出部４４で検出した溝部始点Ｘ_ｓと溝部終点Ｘ_ｅとの中央であって、溝幅Ｗの所定割合Ｒ（０＜Ｒ＜１）の幅（すなわちＷ×Ｒの長さ）の区間を溝深さ探索範囲に設定し、この範囲において補正変位データＹ_１（Ｘ）の最小値を探索する。そして、溝深さ算出部４６は、この補正変位データＹ_１（Ｘ）の最小値と変位０との差（つまり絶対値）を、鋼板Ｓの上に加工された溝の溝深さＤとして算出する。なお、溝深さ算出部４６は、同範囲においてＹ_１（Ｘ）の平均値を算出して、変位０からの差（絶対値）を溝深さＤとして算出しても良く、変位計の特性などによって適切な算出方法が選択され得る。

溝幅算出部４５および溝深さ算出部４６によって鋼板Ｓの溝の溝幅Ｗおよび溝深さＤが算出された後、この溝幅Ｗおよび溝深さＤは、表示装置６によって表示される。

［表面形状測定方法］
次に、図４から図９を参照しながら、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法について説明する。

図４は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法の全体の流れを示すフローチャートである。図４に示されるように、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法は、大きく分けて、変位データ取得ステップ（ステップＳＴＰ１）と、うねり除去ステップ（ステップＳＴＰ２）と、溝幅算出ステップ（ステップＳＴＰ３）と、溝深さ算出ステップ（ステップＳＴＰ４）とを有する。変位データ取得ステップ（ステップＳＴＰ１）は表面形状測定方法の前提となる通常の処理であるので、以下では、うねり除去ステップ（ステップＳＴＰ２）と、溝幅算出ステップ（ステップＳＴＰ３）と、溝深さ算出ステップ（ステップＳＴＰ４）とに分けて、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法について説明する。

図５は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法におけるうねり除去の方法を示すフローチャートであり、図６は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法におけるうねり除去の様子を示す変位データを示すグラフである。図７は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝幅算出の方法を示すフローチャートであり、図８は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝深さ算出の方法を示すフローチャートである。図９は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝幅算出および溝深さ算出の様子を示す変位データを示すグラフである。

以下、うねり除去ステップ（ステップＳＴＰ２）についての説明を行う。図５に示されるように、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法におけるうねり除去の方法では、変位データ補正部４２が、変位データＹ_０（Ｘ）の平滑化処理を行うことにより始まる（ステップＳ１）。

図６（ａ）に示されるように、変位データ取得部４１により取得された変位データＹ_０（Ｘ）には、鋼板Ｓや変位計ヘッド２の振動、鋼板Ｓのたわみの影響で全体として大きく波打った、いわゆるうねりの成分が含まれている。そして、うねりの成分を伴った変位データＹ_０（Ｘ）の中に図中記号ａ_１〜ａ_４で示す溝の形状を示す変位が確認される。そして、このうねりの成分は、溝の形状を正確に測定することに対する阻害要因となっている。

そこで、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法におけるうねり除去の方法では、変位データ補正部４２が、変位データＹ_０（Ｘ）の平滑化処理として、変位データＹ_０（Ｘ）に対して移動平均処理（あるいは他のローパスフィルタ処理をして）を行う（ステップＳ１）。図６（ｂ）に示されるグラフは、変位データ補正部４２が、変位データＹ_０（Ｘ）の移動平均処理を行って得られた平滑化データＹ_ｍ（Ｘ）を示している。なお、この移動平均処理にあっては、溝の形状が見えなくなる程度の平均幅をオペレータが設定し得る。

その後、変位データ補正部４２が、平滑化処理を行った平滑化データＹ_ｍ（Ｘ）を変位データＹ_０（Ｘ）から減算処理を行うことにより、変位データＹ_０（Ｘ）からうねりを除去する（ステップＳ２）。図６（ｃ）は、上述のように変位データ補正部４２が、変位データＹ_０（Ｘ）からうねりを除去した補正変位データＹ_１（Ｘ）を示すグラフである。なお、補正変位データＹ_１（Ｘ）は、変位データＹ_０（Ｘ）からうねり成分を減算したので、鋼板Ｓの表面を変位（高さ）が０に正規化されている。

ところで、図６（ｂ）中のｂ_１〜ｂ_４で示される部分に注目すると、平滑化データＹ_ｍ（Ｘ）には広く浅く窪んだ形状が見受けられている。このｂ_１〜ｂ_４における広く浅く窪んだ形状は、変位データＹ_０（Ｘ）における溝ａ_１〜ａ_４が移動平均処理に影響したことによる。その結果、図６（ｃ）に示される補正後の変位データＹ_１（Ｘ）の形状においても、ｃ_１〜ｃ_４に示される位置の前後において変位が０より少し大きい状態（少し浮き上がった形状）になっており、溝深さや溝幅の評価において誤差を発生させてしまっている。

そこで、このような影響を除去するために、以下に説明する加重平滑化処理を変位データＹ_０（Ｘ）に行い（ステップＳ３）、この加重平滑化処理を行った平滑化データＹ_ｍ’（Ｘ）を変位データＹ_０（Ｘ）から減算する（ステップＳ４）。

ステップＳ３の加重平滑化処理のために、変位データ補正部４２は、まず、図６（ｃ）に示されるように補正変位データＹ_１（Ｘ）における溝部分を判別ための所定の閾値Ｌ_ｍ（＞０）を設定する。そして、この閾値Ｌ_ｍに従い、以下のように重み関数が定義される。
Ｂ（Ｘ）＝１ （｜Ｙ_１（Ｘ）｜≦Ｌ_ｍのとき）
Ｂ（Ｘ）＝０ （｜Ｙ_１（Ｘ）｜＞Ｌ_ｍのとき）

そして、変位データ補正部４２は、上記重み関数Ｂ（Ｘ）を用いて、変位データＹ_０（Ｘ）の加重平滑化処理を行う（ステップＳ３）。以下に掲げる数式は、この示す加重移動平均の関数である。算出される変形平滑化データＹ_ｍ’（Ｘ）は、Ｂ（Ｘ）＝０となる位置Ｘについては移動平均に算入しないようにした移動平均となっている。ただし、ｈ（＞０）は移動平均幅の半値である。

図６（ｄ）は、上記加重平均化処理を変位データＹ_０（Ｘ）に対して行った場合の変形平滑化データＹ_ｍ’（Ｘ）のグラフを示している。図６（ｄ）中のｄ_１〜ｄ_４に示される位置に注目すると、図６（ｄ）中のｂ_１〜ｂ_４に見られたような広く浅い窪み形状はなくなっていることが分かる。

うねり除去の最終処理として、この変形平滑化データＹ_ｍ’（Ｘ）を変位データＹ_０（Ｘ）から減算することにより、追加補正変位データＹ_１’（Ｘ）を算出する（ステップＳ４）。

図６（ｅ）は、上記のようにうねり除去が施された補正変位データＹ_１’（Ｘ）を示すグラフである。図６（ｅ）に示されるように、図中ｅ_１〜ｅ_４で示される溝の位置において、変位が０より少し大きい状態（少し浮き上がった形状）が解消されている。なお、以降の説明においては、補正変位データＹ_１（Ｘ）と追加補正変位データＹ_１’（Ｘ）とを区別せず、補正変位データＹ_１（Ｘ）として説明を行うが、このことは上記追加補正の適用を除外するものではない。

以下、溝幅算出ステップ（ステップＳＴＰ３）についての説明を行う。図７に示されるように、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝幅算出の方法では、初めに溝概略位置検出部４３が、鋼板Ｓの表面に加工された溝の溝概略位置Ｘ_ａを検出する（ステップＳ５）。溝概略位置検出部４３は、変位データ補正部４２で補正した補正変位データＹ_１（Ｘ）の一方（例えば鋼板Ｓの搬送方向）から探索して、所定の閾値Ｌ_１（＞０）に対し、補正変位データＹ_１（Ｘ）がＹ_１（Ｘ）＜−Ｌ_１となる最初の位置を溝概略位置Ｘ_ａとして検出する（図９参照）。

その後、溝始点・終点検出部４４が、溝概略位置Ｘ_ａから両側に補正変位データＹ_１（Ｘ）を探索して（ステップＳ６）、溝始点Ｘ_ｓおよび溝終点Ｘ_ｅを検出する（ステップＳ７）。溝始点・終点検出部４４は、後方に補正変位データＹ_１（Ｘ）を探索し、補正変位データＹ_１（Ｘ）が所定の閾値Ｌ_２（＞０）に対し、Ｙ_１（Ｘ）＞−Ｌ_２となる最初の位置を溝始点Ｘ_ｓとして検出する。同様に、溝始点・終点検出部４４は、後方に補正変位データＹ_１（Ｘ）を探索し、Ｙ_１（Ｘ）＞−Ｌ_２となる最初の位置を溝終点Ｘ_ｅとして検出する（図９参照）。

上記のように検出された溝始点Ｘ_ｓおよび溝終点Ｘ_ｅを用いて、溝幅算出部４５が、鋼板Ｓの表面に加工された溝の溝幅Ｗを算出する。すなわち、溝幅算出部４５は、溝始点Ｘ_ｓと溝終点Ｘ_ｅとの間隔を溝幅Ｗとして算出する（ステップＳ８）。つまり、Ｗ＝Ｘ_ｅ−Ｘ_ｓが計算される。

次に、溝深さ算出ステップ（ステップＳＴＰ４）についての説明を行う。図８に示されるように、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝深さ算出の方法では、溝深さ算出部４６が、溝始点Ｘ_ｓと溝終点Ｘ_ｅとから溝の中央部Ｗ_Ｒを算出する（ステップＳ９）ことから始まる。具体的には、溝深さ算出部４６は、溝始点Ｘ_ｓと溝終点Ｘ_ｅとの中央位置を算出し、この中央位置から溝幅Ｗに対する所定割合Ｒの幅の範囲（Ｗ×Ｒ）を溝の中央部Ｗ_Ｒとして算出する（図９参照）。

その後、溝深さ算出部４６は、補正変位データＹ_１（Ｘ）を上述の溝の中央部Ｗ_Ｒの範囲に限定する（ステップＳ１０）。そして、溝深さ算出部４６は、この限定された範囲内における補正変位データＹ_１（Ｘ）の最小値を算出する（ステップＳ１１）。

最終的に、溝深さ算出部４６は、補正変位データＹ_１（Ｘ）の変位０から、ステップＳ１１で算出した溝の中央部Ｗ_Ｒに限定された範囲内における補正変位データＹ_１（Ｘ）の最小値までの距離を算出することにより、溝の深さＤを算出する（ステップＳ１２）。

上述のように、溝深さ算出部４６が溝の深さＤを算出することにより、図９中の位置Ｐ_６のように変位データに異常値が発生している場合においても、その影響を受けず溝深さを正確に測定することが可能となっている。なお、探索区間幅の溝幅Ｗに対する割合Ｒは、溝傾斜部での異常値を回避可能な大きさに設定すればよい。例えば、溝幅Ｗに対し、３０％から１０％程度とすることが好ましい。

電磁鋼鈑に溝加工をするような例では、一定間隔で溝が連続的に加工されるので、変位データには通常複数の溝断面形状が含まれる。このような例に本発明の実施形態に係る表面形状測定方法を適用する場合、検出した溝の終点Ｘ_ｅ以降の位置から、さらに次の溝形状部を検出・測定する一連のステップを繰り返し適用することで、変位データ中に含まれる多数の溝形状を連続的に測定することが可能である。

以上より、本発明の実施形態に係る表面形状測定方法は、鋼板Ｓに光線を照射して三角測距を行う変位計ヘッド２により鋼板Ｓの表面を走査して、変位計ヘッド２に対する鋼板Ｓの表面の変位データを取得する変位データ取得ステップと、変位データからうねりを除去して補正変位データを取得するうねり除去ステップと、補正変位データを探索して、補正変位データが所定の第１閾値よりも低くなる最初の位置を、鋼板Ｓの表面に加工された溝の溝概略位置として検出する溝概略位置検出ステップと、溝概略位置を含む溝の溝始点および溝終点を算出する溝幅算出ステップと、溝始点と溝終点との中央位置から溝幅の所定割合の幅の範囲に限定した補正変位データの最小値を算出する最深位置検出ステップと、最深位置検出ステップで算出された補正変位データの最小値と補正変位データの変位０との差を鋼板Ｓの表面に加工された溝の深さとして算出する溝深さ算出ステップとを含むので、変位計ヘッド２で測定した鋼板Ｓの表面の変位データのみを用いて、この変位データ中の外乱を排除し、鋼板Ｓの表面に加工された溝の寸法を精度良く測定することができる。

１ 表面形状測定装置
２ 変位計ヘッド
３ 変位計コントローラ
４ 信号処理装置
５ ローラエンコーダ
６ 表示装置
１１ 溝
２１ レーザ光源
２２ 集光レンズ
２３ 光ポジションセンサ
２４ 結像レンズ
２５ レーザ光
２６ 反射光
４１ 変位データ取得部
４２ 変位データ補正部
４３ 溝概略位置検出部
４４ 溝始点・終点検出部
４５ 溝幅算出部
４６ 溝深さ算出部

Claims (6)

1. 物体表面に光線を照射して測定を行う光学式変位計により前記物体表面を走査して、前記光学式変位計に対する前記物体表面の変位データを取得する変位データ取得ステップと、
   前記変位データからうねりを除去して補正変位データを取得するうねり除去ステップと、
   前記補正変位データを探索して、前記補正変位データが所定の第１閾値よりも低くなる最初の位置を、前記物体表面に加工された溝の溝概略位置として検出する溝概略位置検出ステップと、
   前記溝概略位置を含む前記溝の溝始点および溝終点を算出する溝幅算出ステップと、
   前記溝始点と前記溝終点との中央位置から前記溝幅の所定割合の幅の範囲に限定した前記補正変位データの最小値を算出する最深位置検出ステップと、
   前記最深位置検出ステップで算出された前記補正変位データの最小値と前記補正変位データの変位０との差を前記物体表面に加工された溝の深さとして算出する溝深さ算出ステップと、
   を含むことを特徴とする表面形状測定方法。
2. 前記溝幅算出ステップは、
   前記溝概略位置から後方に前記補正変位データを探索し、前記補正変位データが所定の第２閾値より大きくなる最初の位置を前記溝の溝始点として検出する溝始点検出ステップと、
   前記溝概略位置から前方に前記補正変位データを探索し、前記補正変位データが所定の第２閾値より大きくなる最初の位置を前記溝の溝終点として検出する溝終点検出ステップと、
   前記溝の溝始点および溝終点の間の距離を前記物体表面に加工された溝の幅として算出する差算出ステップと、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の表面形状測定方法。
3. 前記うねり除去ステップは、
   前記変位データを平滑化して仮平滑化データを得る平滑化ステップと、
   前記変位データから前記仮平滑化データを減算して仮補正変位データを得る第１減算ステップと、
   前記仮補正変位データの絶対値が所定の第３閾値以下であるか否かで場合分けを行う重み関数を用いて、前記変位データを加重移動平均処理をして平滑化データを得る加重平滑化ステップと、
   前記変位データから前記平滑化データを減算して前記補正変位データを得る第２減算ステップと、
   を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の表面形状測定方法。
4. 物体表面に光線を照射して測定を行う光学式変位計により前記物体表面を走査して、前記光学式変位計に対する前記物体表面の変位データを取得する変位データ取得部と、
   前記変位データからうねりを除去して補正変位データを取得する変位データ補正部と、
   前記補正変位データを探索して、前記補正変位データが所定の第１閾値よりも低くなる最初の位置を、前記物体表面に加工された溝の溝概略位置として検出する溝概略位置検出部と、
   前記溝概略位置を含む前記溝の溝始点および溝終点を算出する溝始点・終点検出部と、
   前記溝始点と前記溝終点との中央位置から前記溝幅の所定割合の幅の範囲に限定した前記補正変位データの最小値を算出し、前記補正変位データの最小値と前記補正変位データの変位０との差を前記物体表面に加工された溝の深さとして算出する溝深さ算出部と、
   を備えることを特徴とする表面形状測定装置。
5. 溝始点・終点検出部は、
   前記溝概略位置から後方に前記補正変位データを探索し、前記補正変位データが所定の第２閾値より大きくなる最初の位置を前記溝の溝始点として検出する溝始点検出手段と、
   前記溝概略位置から前方に前記補正変位データを探索し、前記補正変位データが所定の第２閾値より大きくなる最初の位置を前記溝の溝終点として検出する溝終点検出手段と、
   前記溝の溝始点および溝終点の間の距離を前記物体表面に加工された溝の幅として算出する差算出手段と、
   を含むことを特徴とする請求項４に記載の表面形状測定装置。
6. 前記変位データ補正部は、
   前記変位データを平滑化して仮平滑化データを得る平滑化手段と、
   前記変位データから前記仮平滑化データを減算して仮補正変位データを得る第１減算手段と、
   前記仮補正データの絶対値が所定の第３閾値以下であるか否かで場合分けを行う重み関数を用いて、前記変位データを加重移動平均処理をして平滑化データを得る加重平滑化手段と、
   前記変位データから前記平滑化データを減算して前記補正変位データを得る第２減算手段と、
   を含むことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の表面形状測定装置。

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