JP6198701B2 - 形状計測装置及び形状計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、溝が螺旋状に延設された測定対象物の表面形状を計測する技術に関するものである。

例えば、長さ１ｍ、直径３０ｃｍ以上の高重量且つ長大な棒状の被加工物を切削加工機で加工して、被加工物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、表面形状を評価することが行われている。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ている。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形状を持つ加工物が製造される。

このように、従来の評価手法では、切削加工機から加工物をクレーンを用いて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ている。

特許文献１は、タッチセンサ方式によりスクリュー圧縮機のロータの歯底径を測定する技術を開示する。具体的には、被測定物を旋回させ、測定子及び差動トランスからなる測定ユニットを前進させて被測定物に当接させる。そして、差動トランスの出力信号が測定範囲の中央位置に相当する値に一致した時、測定ユニットの移動が停止され、測定ユニットの位置が高精度スケールで読み取られ、読み値Ｓｉとして記憶される。そして、測定子を介して差動トランスにより旋回中の被測定物の被測定面の接触量の増減が計測され、最小値Ｔｉが記憶される。そして、読み値Ｓｉと最小値Ｔｉとを用いて歯底径が求められる。

特許文献２は、プローブの中心軸が垂直になるように、プローブの先端に設けられた球型接触子を計測対象物の表面に接触させて計測対象物の形状を計測する技術を開示する。

特開平１１−１０８６５３号公報 特開２０１０−３２３７３号公報

ここで、切削加工機に取り付けた状態で加工物の表面形状を高分解能で計測できれば、上記のような加工物をクレーンを用いて載せ替えて数十箇所の位置の隙間を隙間ゲージで計測する必要がなくなり、加工物の形状評価を短時間で行うことができる。

しかしながら、特許文献１、２は、いずれも、接触子を測定対象物に接触させることで、測定対象物の表面形状が計測されているため、測定対象物の表面形状を高分解能で計測するには多大な時間を要してしまう。したがって、特許文献１、２の技術を上記の形状評価に適用したとしても、作業日数がかかるという問題は解消されない。

本発明の目的は、溝が螺旋状に延設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を提供することである。

本発明の一態様による形状計測装置は、溝が螺旋状に延設された測定対象物の表面形状を計測する形状計測装置であって、前記溝の延設方向に対する断面である溝断面の形状を非接触で計測するセンサ部と、長手方向を中心軸として前記測定対象物を回転させながら前記長手方向に移動させる移動部と、前記移動部により回転されながら移動される測定対象物の前記溝断面の形状を、前記センサ部に連続的に計測させて前記溝の全体形状を計測させる制御部とを備える。

この場合、測定対象物を長手方向に対して回転させながら移動させることで、溝断面の形状が連続的に計測されているため、溝の全体形状を示す高さデータを高分解能且つ短時間で計測できる。

また、上記態様において、前記センサ部は、前記溝に光切断線を照射し、前記溝からの反射光を受光することで、前記溝断面の形状を計測するものであり、前記センサ部は、前記光切断線と前記光の照射口とを含む面である照射側面が、前記溝断面と一致するように配置されていてもよい。

この場合、溝断面上に光切断線が照射されるため、長手方向に回転されなが移動される測定対象物を連続的に計測することで、任意の位置の溝断面の形状を計測できる。

また、上記態様において、前記センサ部は、複数あり、前記複数のセンサ部は、前記照射側面が一致し、且つ、前記照射側面の中心線が前記溝断面の中心位置を通るようにように配置されていてもよい。

この場合、センサ部が複数であるため、１つのセンサ部では計測が困難な深い溝の形状を計測できる。また、各センサ部は照射側面が一致し、且つ照射側面の中心線が溝断面の中心位置を通るように配置されているため、あたかも１つのセンサ部を用いたかのようにして溝を計測できる。

また、上記の態様において、前記測定対象物は、円筒状の加工対象物に加工刃を当接させ、前記長手方向を中心軸として前記加工対象物を回転させながら前記長手方向に移動させることで加工されたものであり、前記移動部は、前記加工対象物の加工時と同じ回転速度及び移動速度で前記測定対象物を回転及び移動させてもよい。

この場合、切削加工機において、加工刃をセンサ部に取り替えるだけで形状計測装置を構成できる。そのため、測定対象物をクレーンでつり上げて検査用ジグに載せ替えてオスメス構造の加工物に嵌合させなくても、測定対象物の形状を評価することができる。その結果、測定対象物の形状評価を短時間で行うことができる。

また、上記態様において、前記測定対象物は複数の溝を備え、前記制御部は、前記センサ部により任意の１の溝の全体形状の計測が終了されると、前記測定対象物を歯割出角度分回転させ、次の溝の計測を前記センサ部に開始させてもよい。

この場合、測定対象物が複数の溝を持っていても、各溝の全体形状を高速且つ高分解能に計測できる。

また、上記態様において、前記測定対象物は複数の溝を備え、前記制御部は、前記センサ部により任意の１の溝の全体形状の計測が終了されると、前記測定対象物を歯割出角度の１／２回転させ、前記１の溝と前記１の溝に隣接する溝との間の凸部の計測を前記センサ部に開始させてもよい。

この場合、溝と溝との間にある凸部を計測できる。

また、上記態様において、前記測定対象物の設置領域から前記設置領域外の位置に移動可能に設けられ、加工刃及び前記センサ部が着脱可能に取り付けられる取付部と、前記設置領域外の位置に移動された前記取付部に前記加工刃又は前記センサ部を取り付けるツールチェンジャーとを更に備えてもよい。

この場合、加工刃及びセンサ部の交換が容易にでき、測定対象物の形状の評価結果を加工条件にフィードバックさせることが容易になる。

また、上記態様において、前記測定対象物は両端に円筒状の軸部が形成され、前記制御部は、前記測定対象物の両端の前記軸部の形状を前記センサ部に計測させ、前記両端の軸部の形状を示す高さデータを用いて前記測定対象物の中心軸の各位置の高さデータを算出し、算出した中心軸の各位置の高さデータを基準として、前記溝断面の形状を示す高さデータを算出してもよい。

この場合、溝断面の形状を示す高さデータが測定対象物の中心軸を基準として算出されるため、溝の全体形状の評価が容易になる。

また、上記態様において、前記センサ部は、前記溝に光切断線を照射し、前記溝からの反射光を受光することで、前記溝断面の形状を計測するものであり、前記制御部は、前記センサ部を前記溝の延設方向に向けて所定ピッチで相対的に移動させて、前記センサ部に前記溝断面の形状を複数回計測させ、前記計測された複数の計測値を用いて１の溝断面の形状を算出してもよい。

この場合、１の溝断面の形状を計測する際に、センサ部は溝の延設方向に向けて所定ピッチずつ移動され、溝断面の形状が複数回計測され、計測された複数の計測値を用いて１の溝断面の形状が算出される。そのため、光切断線の光源の干渉パターンや光切断線の投影面の微小な凹凸によるノイズを計測値から除去することができ、１の溝断面の形状を正確に求めることができる。

また、上記態様において、前記センサ部は、前記溝の延設方向に対して前記所定ピッチ相対的に移動する都度、前記光切断線を撮像することで、前記光切断線の画像データを複数取得し、前記制御部は、前記取得された複数の画像データの各画素の輝度を平均化して平均化画像データを生成し、前記平均化画像データを用いて前記１の溝断面の形状を算出してもよい。

この場合、複数の画像データの各画素の輝度が平均化され、平均化画像データが生成されている。そのため、平均化画像データに含まれる光切断線は輝度ムラが除去された光切断線となる。その結果、１の溝断面の形状を正確に求めることができる。

また、上記態様において、前記センサ部を前記溝の延設方向に向けて移動させるセンサ移動部を更に備え、前記制御部は、前記１の溝断面を計測する際、前記移動部を制御して、前記測定対象物を停止状態にし、前記センサ移動部を制御して、前記センサ部を移動させてもよい。

この場合、１の溝断面の形状を計測するに際し、測定対象物が停止状態にされてセンサ部が溝の延設方向に向けて移動されるため、光切断線は溝に対してずれることなく照射され、１の溝断面の形状を正確に求めることができる。

本発明によれば、溝の全体形状を示す高さデータを高分解能且つ短時間で計測できる。

本発明の実施の形態における形状計測装置の一例を示す全体構成図である。 センサユニットの詳細な構成の一例を示す模式図である。 測定対象物の一例を示した図である。 ２つの溝が形成された測定対象物の外観図を示している。 ２つの溝が形成された測定対象物が計測される様子の説明図である。 凸部の形状が計測される様子を示した図である。 本発明の実施の形態における形状計測装置の電気的な構成の一例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態による形状計測装置の処理の流れの一例を示すフローチャートである。 測定対象物の溝の全体形状を示す高さデータを視覚的に示した図であり、上図は測定対象物を示し、下図は溝の高さデータを示している。 光切断線の画像データを示す図であり、左図はノイズが除去される前の画像データを示し、右図はノイズが除去された後の画像データを示す。 実施の形態２における形状計測装置の主要部を示した図である。 １の溝断面の形状を計測するに際して所定ピッチずつ移動されるセンサユニットが照射する光切断線を示した図である。 実施の形態２における形状計測装置の動作を示すフローチャートであり、Ｓ８０８のサブルーチンを示すフローチャートである。 実施の形態２において、一定区間を計測することで得られた複数の画像データに対する処理を示すフローチャートである。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態における形状計測装置の一例を示す全体構成図である。本形状計測装置は、溝３０２が螺旋状に形成された測定対象物３００の表面形状を計測する装置である。そして、本形状計測装置は、台座部１００、ステージ１１０（移動部の一例）、支持部１２０（移動部の一例）、センサユニット１３０、取付部１４０、天井部１５０、ツールチェンジャー１６０を備える。なお、図１において、Ｘ方向は測定対象物３００の長手方向を指し、＋Ｘ方向は長手方向の右側を指し、−Ｘ方向は長手方向の左側を指す。また、Ｙ方向は上下方向を指し、＋Ｙ方向は上方向を指し、−Ｙ方向は下方向を指す。また、Ｚ方向は、Ｘ方向及びＹ方向のそれぞれと直行する方向を指す。

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＋Ｘ方向、−Ｘ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にはＸ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上をＸ方向に沿って移動できる。

ステージ１１０のＸ方向の両端には一対の支持部１２０、１２０が立設されている。−Ｘ方向側の支持部１２０は測定対象物３００の−Ｘ方向側の軸部３０４を支持し、＋Ｘ方向側の支持部１２０は測定対象物３００の＋Ｘ方向側の軸部３０４を支持する。ここで、支持部１２０、１２０は、測定対象物３００の長手方向がＸ方向と平行になるように測定対象物３００を支持する。

測定対象物３００は、長手方向の中心軸Ｚ１を回転軸として回転可能に一対の支持部１２０、１２０により支持されている。具体的には、支持部１２０、１２０はそれぞれ、測定対象物３００が接続される円盤状の接続部（図略）を備えている。接続部は、支持部１２０の本体部に対して中心軸Ｚ１を回転軸として回転可能に取り付けられている。よって、測定対象物３００はこの接続部が回転することにより中心軸Ｚ１を回転軸として回転する。

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Ｘ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Ｘ方向に沿って案内溝（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。これにより、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Ｘ方向に移動できる。

取付部１４０の下面にはセンサユニット１３０が着脱可能に取り付けられている。センサユニット１３０は、取付部１４０によって測定対象物３００の上側の所定の計測位置Ｘ１に位置決めされて、測定対象物３００の形状を計測する。また、取付部１４０は、Ｙ方向にも移動可能に天井部１５０に取り付けられている。

具体的には、測定対象物３００は、支持部１２０により中心軸Ｚ１を回転軸として時計回り又は反時計回りに回転されながら、ステージ１１０により＋Ｘ方向に移動され、静止状態のセンサユニット１３０により計測される。

ツールチェンジャー１６０は、例えば、ステージ１１０に対して−Ｘ方向側に設けられている。ツールチェンジャー１６０の上面には、１以上の加工刃１６１がＸ方向に沿って配置されている。

取付部１４０は、測定対象物３００の計測が終了すると、計測位置Ｘ１に対して−Ｘ方向側の所定の位置であるホームポジションＸ２に戻される。ホームポジションＸ２にはツールチェンジャー１６０が設けられている。

取付部１４０は−Ｙ方向に移動してセンサユニット１３０をツールチェンジャー１６０に取り外させた後、所望する１の加工刃１６１がツールチェンジャー１６０により取り付けられる。これにより、センサユニット１３０が加工刃１６１に交換される。

本形状計測装置は、切削加工機の加工刃１６１をセンサユニット１３０に交換することで構成される。切削加工する際には、ステージ１１０上には測定対象物３００に代えて円筒状の加工対象物が取り付けられる。そして、加工刃１６１が取り付けられた取付部１４０は、計測位置Ｘ１に位置決めされた後、−Ｙ方向に移動して加工刃１６１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Ｚ１を回転軸として回転されながら、ステージ１１０により＋Ｘ方向に移動されることで、螺旋状の溝３０２が形成され、測定対象物３００が製造される。

図２は、センサユニット１３０の詳細な構成の一例を示す模式図である。センサユニット１３０は、２つのセンサ部１３１、１３１を備えている。センサ部１３１は、カメラ１３１１及び光源１３１２が設けられている。

光源１３１２は、例えばやレーザーダイオードやＬＥＤ等の発光素子と、発光素子から出力された光を照射口１３１ａに導く光学系とを備えている。光源１３１２の前方には、照射口１３１ａが設けられている。光源１３１２から出力された光は照射口１３１ａから扇状に拡がって溝３０２を照射する。これにより、光源１３１２には光切断線２０１が照射される。光切断線２０１と照射口１３１ａとを含む面を照射側面２０２と呼ぶ。また、光切断線２０１で切った溝３０２の断面であって、図３に示す延設方向３１０に対する溝３０２の断面を溝断面３０１と呼ぶ。

なお、図２、図３等の例では、溝断面３０１の形状は円形状であるが、これに限定されず楕円形状が採用されてもよいし、任意の曲線形状が採用されてもよい。

図２の例では、光源１３１２はカメラ１３１１よりも手前に配置されている。ここで、Ｚ方向視において、カメラ１３１１及び光源１３１２は、それぞれ、光軸が一定の角度を持つように配置されている。これにより、カメラ１３１１は、光切断線２０１を斜め方向から撮像できる。そのため、カメラ１３１１が撮像した光切断線２０１には、溝断面３０１の形状が表れる。例えば、紙面と直行する方向にカメラ１３１１の垂直方向が設定されていたとすると、光切断線２０１は溝断面３０１の各位置の高さに応じて垂直方向の座標が変化する。したがって、この座標の変化とカメラ１３１１及び光源１３１２の光軸同士の角度とを三角測量の原理に適用することで、溝断面３０１の各位置の高さを算出できる。

センサ部１３１は、照射側面２０２の中心角が小さいと溝断面３０１の全域に光切断線２０１を形成することができない。図２の例では、１つのセンサ部１３１は、溝断面３０１の半分の領域にしか光切断線２０１を照射できない。そこで、図２の例では、２つのセンサ部１３１が設けられている。具体的には、左側のセンサ部１３１は、照射側面２０２の中心線２０２ａ（光軸）が溝断面３０１の右半分の領域の中央の位置と交差するように配置されている。また、右側のセンサ部１３１は、照射側面２０２の中心線２０２ａ（光軸）が溝断面３０１の左半分の領域の中央と交差するように配置されている。そして、左側のセンサ部１３１及び右側のセンサ部１３１は、それぞれ、照射側面２０２、２０２が一致し、且つ、中心線２０２ａ、２０２ａが溝断面３０１の中心位置２０３を通過するように配置されている。

これにより、左右のセンサ部１３１、１３１は、溝断面３０１に対して同じ角度で光切断線２０１を照射できる。なお、左右のセンサ部１３１、１３１において、カメラ１３１１及び光源１３１２の光軸同士の角度は同じである。そのため、左右のセンサ部１３１のカメラ１３１１には、同じ角度で光切断線２０１が入射する。以上により、２つのセンサ部１３１を用いた場合であっても、あたかも１つのセンサ部１３１を用いたかのように溝断面３０１の全域の形状を計測できる。

図３は、測定対象物３００の一例を示した図である。測定対象物３００には溝３０２が螺旋状に延設されている。測定対象物３００の両端には、円筒状の軸部３０４が設けられている。軸部３０４の直径は溝３０２が形成された領域よりも少し小さくされており、図１に示す支持部１２０が測定対象物３００を容易に支持できる形状にされている。延設方向３１０から見ると溝３０２の両側には凸部３０３が形成されている。

延設方向３１０は、溝３０２の長手方向であり、螺旋状である。図３に示す溝断面３０１は延設方向３１０上の位置Ｐ１における溝断面３０１が示されている。溝断面３０１は、位置Ｐ１における延設方向３１０の接線方向に対して直交する。

溝３０２は円筒状の加工対象物に加工刃１６１を当接させ、加工刃１６１を静止状態にして、加工対象物を長手方向（図１のＸ方向）を回転軸として回転させながら、加工対象物を長手方向（Ｘ方向）に移動させることで形成される。よって、加工時において、加工対象物から加工刃１６１を見ると、加工刃１６１は加工対象物の側面を螺旋状に進行する。この加工刃１６１の進行方向が延設方向３１０である。なお、溝断面３０１は、加工時において加工対象物に当接される加工刃１６１の主面と一致する。

測定対象物３００をＸ方向に移動させることなく、Ｘ方向を回転軸として回転させると、溝断面３０１はＸ方向に移動するように見える。図３の例では、測定対象物３００は位置Ｐ１における延設方向３１０が右斜め下方向を向いているため、時計回りに回転させると、溝断面３０１は−Ｘ方向に移動するように見える。また、測定対象物３００を反時計回りに回転させると、溝断面３０１は＋Ｘ方向に移動するように見える。

そこで、この溝断面３０１の移動を打ち消すように、測定対象物３００をＸ方向に移動させると、溝断面３０１は静止して見える。例えば、測定対象物３００を時計回りに回転させた場合、溝断面３０１は−Ｘ方向にある移動速度Ｖで移動するため、測定対象物３００を＋Ｘ方向に移動速度Ｖで移動させると、溝断面３０１は静止して見える。一方、測定対象物３００を反時計回りに回転させた場合、溝断面３０１は＋Ｘ方向にある移動速度Ｖで移動するため、測定対象物３００を−Ｘ方向に移動速度Ｖで移動させると、溝断面３０１は静止して見える。

したがって、測定対象物３００をＸ方向を回転軸として回転させながら、溝断面３０１の移動が打ち消されるように測定対象物３００をＸ方向に移動させる。これにより、静止状態のセンサ部１３１は、常に溝３０２に光切断線２０１を照射でき、光切断線２０１を連続的に撮像することで、任意の位置の溝断面３０１の形状を計測できる。

なお、本実施の形態では、測定対象物３００のＸ方向に対する角速度及び移動速度としては、測定対象物３００の加工時における角速度及び移動速度と同じ値が採用される。

図４は、２つの溝３０２ａ、３０２ｂが形成された測定対象物３００の外観図を示している。図４において左から１ピッチ目の溝３０２ａは、右隣に位置する左から１ピッチ目の溝３０２ｂを跨いで２ピッチ目の溝３０２ａと連なっている。また、１ピッチ目の溝３０２ｂは２ピッチ目の溝３０２ａを跨いで２ピッチ目の溝３０２ｂと連なっている。このように、本形状計測装置は、１つの溝３０２が形成された測定対象物３００のみならず、複数の溝３０２が形成された測定対象物３００も計測対象とする。

図５は、２つの溝３０２ａ、３０２ｂが形成された測定対象物３００が計測される様子の説明図であり、測定対象物３００をＺ方向で切ったときの断面図が示されている。

図５の左図では、溝３０２ａが計測されている。溝３０２ａの測定開始に当たって、測定対象物３００は、まず、溝３０２ａの一方端の溝断面３０１ａが計測位置Ｘ１に位置決めされ、且つ、溝断面３０１ａの底点５０１ａと中心５００とを繋ぐ線がＹ方向と平行になるように位置決めされる。これにより、一方端の溝断面３０１ａがセンサ部１３１と対向する。

そして、測定対象物３００は、Ｘ方向を回転軸として回転されながらＸ方向に移動される。これにより、２つのセンサ部１３１は、溝３０２ａの延設方向３１０上の各位置の溝断面３０１ａに光切断線を照射して、各位置の溝断面３０１ａの形状を計測する。測定対象物３００が他方端まで移動されると、溝３０２ａの全体形状の計測が終了される。

溝３０２ａの計測が終了されると、測定対象物３００は一方端が計測位置Ｘ１に戻され、且つ、溝３０２ａがセンサ部１３１と対向する位置に戻される。そして、図５の右図に示されるように、測定対象物３００はＸ方向に対して時計回りに歯割出角度θ回転される。これにより、測定対象物３００は、一方端の溝断面３０１ｂの底点５０１ｂと中心５００とを繋ぐ線がＹ方向と平行になるように位置決めされる。これにより、一方端の溝断面３０１ｂがセンサ部１３１と対向する。そして、溝３０２ａと同様にして、測定対象物３００がＸ方向に回転されながら移動され、溝３０２ｂの全体形状が計測される。

ここで、歯割出角度θとは、中心５００を基準としたときの隣接する溝３０２ａ、３０２ｂ同士のなす角度を指す。具体的には、歯割出角度θは、溝３０２ａの底点５０１ａ及び中心５００間を繋ぐ線と、溝３０２ｂの底点５０１ｂ及び中心５００間を繋ぐ線とがなす角度によって規定される。

本形状計測装置は、溝３０２の形状のみならず、溝３０２の縁を示す凸部３０３の形状も計測できる。図６は、凸部３０３の形状が計測される様子を示した図である。

図６の左図は、図５の左図と同じである。ここでは、溝３０２ａ、３０２ｂの全体形状の計測が終了されたため、測定対象物３００は一方端が計測位置Ｘ１に戻され、且つ、溝３０２ａがセンサ部１３１と対向する位置に戻されている。

そして、図６の右図に示されるように、測定対象物３００は、時計回りに歯割出角度θの１／２回転される。これにより、測定対象物３００の一方端の凸部断面６０２の頂点６０１と中心５００とを繋ぐ線がＹ方向と平行になり、凸部断面６０２が最上位置に位置決めされる。ここで、凸部断面６０２は、延設方向３１０に対する凸部３０３の断面である。このとき、頂点６０１で２本の中心線２０２ａが交差するように２つのセンサ部１３１は＋Ｙ方向に移動される。

センサ部１３１は凸部断面６０２に光切断線を照射する。そして、Ｘ方向に回転されながら移動される測定対象物３００に対して、センサ部１３１は、光切断線を照射して光切断線を連続撮像することで、延設方向３１０の各位置の凸部断面６０２の形状を計測する。

そして、１の凸部３０３の全体形状の計測が終了されると、図６の右図に示すように、測定対象物３００の一方端が計測位置Ｘ１に戻され、且つ、一方端の凸部断面６０２が最上位置に位置決めされる。そして、測定対象物３００が時計回りに歯割出角度θ回転され、１の凸部３０３に隣接する次の凸部３０３の全体形状の計測が開始される。

図７は、本発明の実施の形態における形状計測装置の電気的な構成の一例を示すブロック図である。形状計測装置は、取付部１４０、センサユニット１３０、操作部７０１、ステージ１１０、ツールチェンジャー１６０、表示部７０３、支持部１２０、及び制御部７１０を備える。

取付部１４０は、例えばモータを備え、モータの駆動力によってＸ方向に移動される。

センサユニット１３０は溝断面３０１又は凸部断面６０２の形状を計測し、計測値を演算部７１２に出力する。ここで、計測値としては、例えば、センサユニット１３０により連続撮像された光切断線の画像データが採用される。

操作部７０１は、例えば、キーボードやマウス等で構成され、オペレータからの入力を受け付ける。

ステージ１１０は、例えば、モータを備え、モータの駆動力によってＸ方向に移動される。支持部１２０は、測定対象物３００をＸ方向を回転軸として回転させるモータを備える。

表示部７０３は、例えば、液晶パネルにより構成され、演算部７１２により算出された測定対象物３００の全体形状の高さデータを表示する。

制御部７１０は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えるマイクロコントローラにより構成され、形状計測装置の全体制御を司る。本実施の形態では、制御部７１０は、移動制御部７１１及び演算部７１２を備える。

移動制御部７１１は、取付部１４０のモータに駆動指令を出力し、取付部１４０をＸ方向に移動させる。また、移動制御部７１１は、支持部１２０のモータに駆動指令を出力し、測定対象物３００をＸ方向を回転軸として回転させる。また、移動制御部７１１は、ステージ１１０のモータに駆動指令を出力し、ステージ１１０をＸ方向に移動させる。また、移動制御部７１１は、ツールチェンジャー１６０に制御指令を送り、加工刃１６１及びセンサユニット１３０を取付部１４０に取り付ける。

演算部７１２は、センサユニット１３０から出力される測定値を三角測量の原理に適用して、測定対象物３００の表面形状を示す形状データを算出する。例えば、演算部７１２は、センサユニット１３０からある１の光切断線が撮像された画像データが計測値として入力されると、その画像データから光切断線の座標を抽出し、抽出した座標と、カメラ１３１１及び光源１３１２の角度とを用いて三角測量の原理により、光切断線が照射された溝断面３０１の各位置の高さデータを求める。例えば、センサユニット１３０から出力される画像データにおいて、水平方向を長手方向として光切断線が表れていたとする。この場合、演算部７１２は、画像データの垂直方向の各ラインのそれぞれにおいて輝度のピークを探索することで、光切断線の座標を求めればよい。これにより、例えば、垂直方向の各ラインを表すインデックスをｉ（但し、ｉ＝１、２、・・・、Ｍ）、垂直方向の座標をｖとすると、光切断線は、ｖ（１）、ｖ（２）、・・・、ｖ（Ｍ）のＭ個のデータ群により表される。そして、演算部７１２は、ｖ（１）、ｖ（２）、・・・、ｖ（Ｍ）のそれぞれについて三角測量の原理を適用して、光切断線の各位置に対応する高さデータｈ（１）、ｈ（２）、・・・、ｈ（Ｍ）を求める。そして、演算部７１２は、センサユニット１３０から出力される各画像データに対して上記の処理を行い、溝３０２の全体形状を求める。例えば、センサユニット１３０が溝３０２をＮ回撮像し、Ｎ枚の画像データが演算部７１２に入力されたとすると、溝３０２の全体形状は、Ｍ行×Ｎ列でマトリックス状に配列された高さデータｈにより表される。

図８は、本発明の実施の形態による形状計測装置の処理の流れの一例を示すフローチャートである。以下、図１を適宜参照し、図８のフローチャートを説明する。以下のフローチャートでは、溝３０２は２つであるとする。まず、形状計測装置による加工物への切削加工が終了される（Ｓ８０１）。これにより、測定対象物３００が製造される。次に、加工刃１６１が取り付けられた取付部１４０は、計測位置Ｘ１からホームポジションＸ２に戻され、ツールチェンジャー１６０によりセンサユニット１３０が取り付けられ（Ｓ８０２）、再度、計測位置Ｘ１に位置決めされる。

次に、ステージ１１０は、一方端の軸部３０４ａが計測位置Ｘ１に対向するように測定対象物３００を位置決めし、センサユニット１３０は、軸部３０４ａの表面形状を計測する（Ｓ８０３）。ここで、センサユニット１３０は、軸部３０４ａに光切断線を照射し、光切断線の画像データを取得し、取得した画像データを計測値として演算部７１２に出力する。演算部７１２は、この画像データから光切断線を抽出し、光切断線の各位置の高さデータを求める。そして、演算部７１２は、算出した高さデータを補間することで軸部３０４ａの円周を求め、軸部３０４ａの中心座標Ｚａを求める。ここで、中心座標Ｚａは例えばＹ方向のみの値を持つデータで表される。

次に、ステージ１１０は他方端の軸部３０４ｂが計測位置Ｘ１に対向するように測定対象物３００を位置決めし、センサユニット１３０は軸部３０４ｂの表面形状を計測する（Ｓ８０４）。そして、演算部７１２は、軸部３０４ｂに照射された光切断線の画像データから、軸部３０４ａの場合と同様にして、軸部３０４ｂの中心座標Ｚｂを求める。

次に、演算部７１２は、軸部３０４ａの中心座標Ｚａと軸部３０４ｂの中心座標Ｚｂとを線形補間し、測定対象物３００の中心軸Ｚ１を求める（Ｓ８０５）。ここで、中心軸Ｚ１は、例えば、Ｘ方向の各位置における中心軸Ｚ１のＹ方向の値が示されたデータである。

次に、センサユニット１３０は、測定対象物３００の１の溝３０２である溝３０２ａの全体形状を計測する（Ｓ８０６）。具体的には、まず、ステージ１１０及び支持部１２０は、＋Ｘ方向側の溝３０２ａの端部が計測位置Ｘ１と対向するように測定対象物３００を位置決めする。次に、ステージ１１０及び支持部１２０は、測定対象物３００をＸ方向に対して回転しながら＋Ｘ方向に移動させ、センサユニット１３０は、回転しながら移動する測定対象物３００を連続撮像し、溝３０２ａの全体形状の計測する。そして、センサユニット１３０は、計測位置Ｘ１に対向する位置に溝３０２ａの−Ｘ方向側の端部が位置決めされると、溝３０２ａの全体形状の計測を終了する。

溝３０２ａの計測が終了すると、全ての溝３０２の計測が終了していなければ（Ｓ８０７でＮＯ）、ステージ１１０及び支持部１２０は、次の溝３０２である溝３０２ｂの＋Ｘ方向側の端部が計測位置Ｘ１に対向するように測定対象物３００を位置決めした後、支持部１２０は、測定対象物３００を歯割出角度θ回転させる（Ｓ８０８）。次に、センサユニット１３０は、溝３０２ａと同様にして、溝３０２ｂの全体形状を計測する（Ｓ８０６）。全ての溝３０２ａ、３０２ｂの計測が終了されると（Ｓ８０７でＹＥＳ）、ステージ１１０及び支持部１２０は、溝３０２ａの＋Ｘ方向側の端部が計測位置Ｘ１に対向するように測定対象物３００を位置決めし、支持部１２０は、測定対象物３００を歯割出角度θの１／２回転させる（Ｓ８０９）。このとき、取付部１４０は、図６の右図で説明したように、頂点６０１で２本の中心線２０２ａが交差するように、センサユニット１３０を構成する２つのセンサ部１３１を＋Ｙ方向に移動させる。これにより、凸部３０３の＋Ｘ方向側の端部がセンサユニット１３０と対向する。

次に、センサユニット１３０は、１の凸部３０３の全体形状を計測する（Ｓ８１０）。具体的には、まず、ステージ１１０及び支持部１２０は、測定対象物３００をＸ方向に対して回転しながら＋Ｘ方向に移動させ、センサユニット１３０は、回転しながら移動する測定対象物３００を連続撮像し、１の凸部３０３の全体形状の計測する。そして、センサユニット１３０は、計測位置Ｘ１に対向する位置に１の凸部３０３の−Ｘ方向側の端部が位置決めされると、１の凸部３０３の全体形状の計測を終了する。

１の凸部３０３の全体形状の計測が終了すると、全ての凸部３０３の全体形状の計測が終了していなければ（Ｓ８１１でＮＯ）、ステージ１１０及び支持部１２０は、全体形状の計測が終了された１の凸部３０３の＋Ｘ方向側の端部が計測位置Ｘ１に対向するように測定対象物３００を位置決めし、支持部１２０は、歯割出角度θ、測定対象物３００を回転する（Ｓ８１２）。これにより、次の１の凸部３０３がセンサユニット１３０に対向する。次に、センサユニット１３０は、次の１の凸部３０３の全体形状を計測する（Ｓ８１０）。本フローチャートの例では、溝３０２は２つであるため、例えば３つの凸部３０３が計測される。

全ての凸部３０３の全体形状の計測が終了すると（Ｓ８１１でＹＥＳ）、取付部１４０は、センサユニット１３０をホームポジションＸ２に戻す（Ｓ８１３）。

次に、演算部７１２は、センサユニット１３０により計測された各溝３０２及び各凸部３０３の全体形状の計測値を用いて、Ｓ８０５で求めた中心軸Ｚ１を基準とする溝３０２及び凸部３０３の全体形状を示す高さデータを求める（Ｓ８１４）。

例えば、図４に示すようにある１の溝断面３０１のある位置Ｐｋにおいて光切断線を用いて得られた高さデータがｈ（ｋ）であったとする。ここで、得られた高さデータｈ（ｋ）は例えば、ある高さ基準Ｈ０を基準に算出されていたとする。また、中心軸Ｚ１の高さデータも高さ基準Ｈ０を基準に算出されていたとする。

この場合、演算部７１２は、位置ＰｋのＸ方向の位置Ｘｋを求める。ここで、演算部７１２は、例えば、位置Ｐｋが属する溝断面３０１が計測されたときの、測定対象物３００のＸ方向に対する回転角度及び移動距離からその溝断面３０１の底点ＰｂのＸ方向の位置を求める。そして、演算部７１２は、その底点ＰｂのＸ方向の位置に、その底点Ｐｂから位置ＰｋまでのＸ方向の距離を加えることで、位置Ｘｋを求めればよい。そして、演算部７１２は、高さデータｈ（ｋ）から中心軸Ｚ１の高さデータｈ１（Ｘｋ）を減じることで、位置Ｐｋの高さデータＨ（ｋ）（＝ｈ（ｋ）−ｈ１（Ｘｋ））を求めればよい。

演算部７１２は、この処理を全ての高さデータｈ（ｋ）に対して行い、中心軸Ｚ１を基準としたときの全ての溝３０２の全体形状を示す高さデータを求めればよい。また、演算部７１２は、凸部３０３に対しても、溝３０２と同様にして、全ての凸部３０３の全体形状を示す高さデータを求めればよい。

次に、制御部７１０は、Ｓ８１４で求めた高さデータを用いて測定対象物３００の形状を評価する（Ｓ８１５）。図９は、測定対象物３００の溝３０２の全体形状を示す高さデータを視覚的に示した図であり、上図は測定対象物３００を示し、下図は溝３０２の高さデータを示している。

図９の下図において、縦軸αは溝断面３０１の幅方向を示し、横軸βは溝断面３０１の延設方向３１０上での位置を示している。例えば、図９の下図においてβ＝βｋにおける１本のラインＬ９は、図９の上図に示すある溝断面３０１ｋの高さデータを示す。なお、図９の下図では、薄くなるにつれて高さデータの値が大きく、濃くなるにつれて高さデータの値が小さくなっている。

例えば、ラインＬ９に示される溝断面３０１ｋでは、中心に向かうにつれて濃くなり、外側に向かうにつれて薄くなり、溝の形状が測定されていることが分かる。

このように、本実施の形態における形状計測装置は、切削加工機の加工刃１６１をセンサユニット１３０に取り替えることで、測定対象物３００の形状が計測されている。そのため、測定対象物３００をクレーンでつり上げて検査用ジグに載せ替えてオスメス構造の加工物に嵌合させなくても、測定対象物３００の形状を評価することができる。その結果、測定対象物３００の形状評価を短時間で行うことができる。また、本形状計測装置では、個々の測定対象物３００の形状評価ができるため、測定対象物３００ごとに加工精度の管理ができる。

また、本形状計測装置では、測定対象物３００をＸ方向に対して回転させながら移動させることで、溝断面３０１及び凸部３０３の形状を連続的に計測しているため、測定対象物３００の表面形状を示す高さデータを高分解能で計測できる。その結果、測定対象物３００の任意の位置の形状を知ることができる。

また、本形状計測装置では、長大且つ重量のある測定対象物３００を検査用ジグに載せ替える作業が不要となり、測定対象物３００の形状評価の作業負担を大幅に削減できる。

また、本形状計測装置では、測定対象物３００を検査用ジグに載せ替える作業が不要となり、切削加工機に測定対象物３００を載せたまま測定対象物３００の加工と形状の計測とを行うことができる。その結果、測定対象物３００の形状の評価結果を加工条件へフィードバックすることが容易になり、形状評価と加工とを繰り返すことでより高精度な加工条件を検出することができる。

なお、上記の開示では、センサユニット１３０は、光切断法により形状計測を行ったが、これは一例にすぎず、ステレオカメラによる三次元形状計測法、ＴＯＦ（Times Of Flight）による形状計測法を採用してもよい。

また、図２では、センサユニット１３０は２つのセンサ部１３１を備えていたが、測定対象物３００の溝断面３０１の形状が比較的浅い場合、１つのセンサ部１３１を備えればよい。ここで、溝断面３０１の形状が比較的浅い場合としては、例えば、表面の光沢度合いによるが、溝断面３０１の中心角が概ね２５度以内の場合が該当する。また、図２において、センサユニット１３０が備えるセンサ部１３１の個数を３つ以上にしてもよい。この場合も、図２で説明した場合と同様、各センサ部１３１の照射側面２０２を一致させ、且つ、各センサ部１３１の中心線２０２ａが中心位置２０３を通るように、各センサ部１３１が設置されればよい。

（実施の形態２）
実施の形態２における形状計測装置は、１の溝断面３０１の形状を計測するにあたり、センサユニット１３０を延設方向３１０に向けて所定ピッチで移動させ、複数の溝断面３０１の形状を計測させ、計測結果を用いて１の溝断面の形状を算出することを特徴とする。なお、実施の形態２では、実施の形態１との差分を説明し、同一部分は説明を省く。

スクリューなどから構成される測定対象物３００は、加工サイズに対して非常に微細な加工精度（例えばマイクロメートルオーダーの加工精度）が要求されるため、測定対象物３００の形状の評価もマイクロメートルオーダーで行う必要がある。

実施の形態１で示したように、本形状計測装置は光切断法による断面形状計測を基本原理とするため、光切断線の投影像の線幅程度が測定分解能の限界となる。光切断線の投影像の線幅としては、通常数百ミクロン以上である。これは光切断線の投影像は理想的な直線とならないため、画像中に含まれる光切断線の輝度分布にノイズが生じるためである。そこで、実施の形態２では、画像中に含まれる光切断線のノイズ成分を除去する。以下、詳細に説明する。

図１０は光切断線を撮像した画像データを示す図であり、左図はノイズが除去される前の画像データを示し、右図はノイズが除去された後の画像データを示す。具体的には、左図及び右図の各々において、上断に示した図は光切断線１３０１を含む画像データ１１０２であり、下段に示す図は光切断線１３０１を用いて算出された光切断線１３０１の一部の領域における測定対象物３００の高さデータを拡大して示したグラフ１１１１である。グラフ１１１１において、縦軸は高さを示し、横軸は画像データ１１０２の水平方向の位置を示す。

左図の画像データ１１０２に示されるように、光切断線１３０１は途切れた箇所が複数観察され、輝度分布が均一ではなく、ムラが生じていることが分かる。そのため、左図のグラフ１１１１は低周波成分を示す曲線上に小刻みに変動する高周波成分が重畳された形状を持っている。なお、低周波成分を示す曲線は測定対象物３００の実際の高さデータを表している。そのため、小刻みに変動する高周波成分がノイズとなる。

このような輝度分布のムラが生じるのは、スペックルと呼ばれるレーザー光の干渉パターンや、光切断線の投影面の微小な凹凸により受光素子での結像にムラのパターンが生じるためである。一方、画像データ１１０２から光切断線１３０１の位置を抽出するに際し、各垂直ラインＬ１１０における輝度の重心座標をサブピクセルレベルで算出することが行われる。この場合、光切断線１３０１は、長手方向（水平方向）の輝度分布が均一であり、且つ、線幅方向（垂直方向）において中央の輝度が高く周辺部に向かうにつれて輝度が低くなる正規分布を持つことが望ましい。

そこで、実施の形態２では、１の溝断面３０１の形状を計測するに際し、複数の光切断線の画像データを連続的に取得し、これらの画像データの輝度を平均化することでノイズを除去する。但し、このようなノイズのパターンは短時間で変動するものではないため、単純に連続的に取得した画像データを複数枚使用するだけでは平均化効果は得られない。反面、光切断線の投影面の状態が僅かに変化するとムラの状態が変化する。そこで、実施の形態２では、これらのこととを利用して下記の方法を採用する。

実施の形態２では、複数枚の画像データを取得する際に、測定対象物３００とセンサユニット１３０との相対位置を所定ピッチずつ移動させ、センサユニット１３０を微動させる。これにより、取得した画像データ毎に輝度分布のムラのパターンが異なるため、これらの画像データを平均化することで、輝度分布のムラのパターンが相殺され、平均化効果が得られる。

図１１は、実施の形態２における形状計測装置の主要部を示した図である。実施の形態１では、取付部１４０は、Ｘ方向及びＹ方向に移動可能に天井部１５０に取り付けられていた。実施の形態２では、取付部１４０は、Ｚ’方向にも移動可能に天井部１５０に取り付けられている。つまり、実施の形態２では、取付部１４０は、Ｘ、Ｙ、Ｚ’方向の各々に移動可能な３軸ステージで構成されている。これにより、センサユニット１３０は、取付部１４０がＺ’方向に移動することで、Ｚ’方向に移動することができる。

ここで、Ｚ’方向は、溝３０２の延設方向３１０に沿った方向である。具体的には、Ｚ’方向は、延設方向３１０をＸ−Ｚ平面へ投影した方向であり、Ｚ方向に対して角度γ傾斜した方向である。なお、図１１では、Ｚ方向は、手前側が＋Ｚ’方向、奥側が−Ｚ’方向に規定されている。これにより、上面視（−Ｙ方向視）において、センサユニット１３０は溝３０２に沿って移動されることになる。

移動制御部７１１は、１の溝断面３０１の形状を計測するに際し、ステージ１１０（図１参照）を制御して、測定対象物３００のＸ方向を回転軸とする回転及びＸ方向への移動を停止させ、測定対象物３００を停止状態にする。そして、移動制御部７１１は、取付部１４０を制御して、センサユニット１３０を＋Ｚ’方向に所定ピッチずつ移動させる。センサユニット１３０は、まず、＋Ｚ’方向への移動が開始される直前の初期位置での溝３０２に投影された光切断線を撮像し、以後、所定ピッチずつ移動する都度、溝３０２に投影された光切断線を撮像する。これにより、光切断線の画像データが複数得られる。

図１２は、１の溝断面３０１の形状を計測するに際して所定ピッチずつ移動されるセンサユニット１３０が照射する光切断線１３０１を示した図である。

まず、初期位置１３０２＿Ｓにおいてセンサユニット１３０は、溝３０２に投影された光切断線１３０１＿１を撮像する。次に、センサユニット１３０は、＋Ｚ’方向に所定ピッチ移動して、光切断線１３０１＿２を撮像する。以後、センサユニット１３０は、所定ピッチ移動する都度、光切断線１３０１の撮像を繰り返す。そして、センサユニット１３０は一定区間１３０２移動し、光切断線１３０１＿５の撮像が終了すると、初期位置１３０２＿Ｓに戻る。そして、測定対象物３００は、Ｘ方向を回転軸として所定角度回転され、且つ、Ｘ方向に所定距離移動され、初期位置１３０２＿Ｓには次の１の溝断面３０１が位置決めされる。以上により、光切断線の画像データが５つ得られる。ここでは、説明の便宜上、一定区間１３０２における光切断線の本数は５本として説明するが、実際には５本よりも遙かに多い本数が一定区間１３０２には含まれる。

一定区間１３０２における所定ピッチとしては、センサユニット１３０を微動させずに測定対象物３００の形状を計測する場合の光切断線のピッチである通常ピッチ以下の値が採用できる。なお、所定ピッチを通常ピッチと同じ値に設定した場合、一定区間１３０２における光切断線１３０１は通常ピッチで配列されるが、各溝断面３０１は、原則、同じ形状を持っているため、平均化することでノイズを除去できる。

また、一定区間１３０２としては、例えば、＋Ｚ’方向に移動するセンサユニット１３０と溝３０２との距離が離れることで、センサユニット１３０が溝３０２に対して光切断線１３０１を精度よく照射することができなくなるまでの距離が採用できる。また、センサユニット１３０は、＋Ｚ’方向に移動するとして説明したが、−Ｚ’方向に移動してもよいし、初期位置１３０２＿Ｓを中心に一定区間１３０２を設定し、＋Ｚ’方向及び−Ｚ’方向に移動してもよい。

演算部７１２は、５つの画像データの輝度を平均化し、１つの平均化画像データを生成する。具体的には、演算部７１２は、５つの画像データに対して、画素毎に輝度の平均値を求めることで、１つの平均化画像データを生成する。ここでは、平均化画像データには、水平方向を長手方向として光切断線が表れているものとする。演算部７１２は、平均化画像データにおいて、垂直ラインＬ１１０のそれぞれについてサブピクセルレベルで輝度の重心座標を求めることで光切断線を抽出する。そして、演算部７１２は、抽出した光切断線に対して、実施の形態１と同様、三角測量の原理を用いて、１の溝断面３０１の高さデータを求める。ここで、サブピクセルとは、平均化画像データにおいて、実際の画素ピッチよりも短い画素ピッチで画素が配列されていると仮定した場合の画素を指す。

このように、１の溝断面３０１の形状を計測するに際し、複数の光切断線の画像データを平均化して１つの平均化画像データを生成することで、平均化画像データには、図１０の右図の上段に示すような光切断線１３０１が表れる。図１０の右図の上段に示す光切断線１３０１は、図１０の左図の上段に示す光切断線１３０１に比べて、途切れた箇所の個数が大幅に減少しており、輝度分布のムラが改善していることが分かる。また、図１０の右図の上段に示す光切断線１３０１は、左図に比べて、均一化されていることも分かる。

その結果、図１０の右図の下段に示すグラフ１１１１では、左図下段に示すグラフ１１１に対して、高周波成分の振幅が大幅に減少しており、ギザつきのない曲線になっていることが分かる。

なお、図１２に示すように、１の溝断面３０１を計測するに際して、一定区間１３０２内で撮像される複数の光切断線１３０１＿１〜１３０１＿５は、それぞれ位置が異なっているため、光切断線１３０１＿１以外は、１の溝断面３０１とは位置が異なる溝断面３０１の形状を表している。

しかしながら、測定対象物３００は、スクリューのようなものを想定しており、同一形状の溝断面３０１が連なるように溝３０２が加工されたものである。そのため、原則的に、各溝断面３０１の形状は同一であり、光切断線は同一形状になるはずである。よって、本形状計測装置は、位置の異なる光切断線１３０１を撮像した複数の画像データを平均化することで、溝断面３０１が本来持つ形状に関する情報を損なうことなくノイズが除去された光切断線１３０１を得ることができる。

次に、実施の形態２における形状計測装置の動作について説明する。実施の形態２において全体的な動作は、図８のフローチャートと同じであるが、１の溝を計測する処理（Ｓ８０６）と、高さデータを算出する処理（Ｓ８１４）とが異なる。そこで、以下では、相違点を中心に説明する。

図１３は、実施の形態２における形状計測装置の動作を示すフローチャートであり、Ｓ８０６のサブルーチンを示すフローチャートである。このフローチャートは、図１２で示す一定区間１３０２においてセンサユニット１３０が複数の溝断面３０１の形状を計測する処理を示す。

このフローチャートを開始する前に、初期位置１３０２＿Ｓに光切断線１３０１＿１が照射されるように、測定対象物３００は位置決めされて停止状態にされているものとする。

まず、センサユニット１３０は、光切断線１３０１を撮像する（Ｓ１５０１）。次に、センサユニット１３０は、取付部１４０によって＋Ｚ’方向に所定ピッチ移動される（Ｓ１５０２）。次に、一定区間１３０２の計測が終了していなければ（Ｓ１５０３でＮＯ）、処理がＳ１５０１に戻され、センサユニット１３０は、次の光切断線１３０１を撮像する。つまり、Ｓ１５０１〜Ｓ１５０３の処理が繰り返されることで、センサユニット１３０が＋Ｚ’方向に所定ピッチずつ移動されながら、光切断線１３０１＿１〜１３０１＿５が撮像される。

そして、センサユニット１３０は、光切断線１３０１＿５を撮像し、一定区間１３０２における溝断面３０１の形状の計測が終了すると（Ｓ１５０３でＹＥＳ）、取付部１４０によって初期位置１３０２＿Ｓに戻される（Ｓ１５０４）。

そして、次の１の溝断面３０１の形状を計測するために、移動制御部７１１は、ステージ１１０を制御して、測定対象物３００をＸ方向を中心軸として所定角度回転させ、且つＸ方向に所定距離移動させ、測定対象物３００を位置決めする（Ｓ１５０５）。

次に、１の溝３０２の計測が終了したのであれば（Ｓ１５０６でＹＥＳ）、処理が図８に戻る。一方、１の溝３０２の計測が終了していなければ（Ｓ１５０６でＮＯ）、処理がＳ１５０１に戻され、次の１の溝断面３０１の形状が計測される。

図１４は、実施の形態２において、一定区間１３０２を計測することで得られた複数の画像データに対する処理を示すフローチャートである。なお、図１４の処理は、図１３において、Ｓ１５０３でＹＥＳと判定される都度、すなわち、一定区間１３０２における光切断線１３０１の画像データが取得される都度、実施され、図１３の処理と並行して実施される。但し、これは、一例であり、図１４の処理は、図１３においてＳ１５０３〜Ｓ１５０４の間で実施されてもよい。

まず、演算部７１２は、一定区間１３０２において、光切断線１３０１が撮像された複数の画像データを取得すると、これらの画像データの輝度を平均化して１つの平均化画像データを生成する（Ｓ１６０１）。

次に、演算部７１２は、平均化画像データにおいて、垂直ライン毎にサブピクセルレベルで輝度の重心座標を求め、光切断線を抽出する（Ｓ１６０２）。この場合、図１０の右図の上段に示すように、垂直ラインＬ１１０において、輝度のピークをサブピクセルレベルで検出する処理が実行され、輝度の重心座標が算出される。そして、この処理が他の垂直ラインに対しても実行され、水平方向の各位置における輝度の重心座標が算出される。これにより平均化画像データから１本の光切断線が抽出される。

なお、実施の形態２において、図８に示すＳ８１４では、演算部７１２は、平均化画像データから抽出した各光切断線から、各溝断面３０１の高さデータを求めることで、各溝３０２の全体形状を求める。このとき、演算部７１２は、実施の形態１と同様、中心軸Ｚ１を基準としたときの高さデータを求めればよい。なお、実施の形態２において凸部３０３の高さデータを求める処理は、実施の形態１と同じである。

このように、実施の形態２では、１の溝断面３０１の形状を計測する際に、センサユニット１３０を所定ピッチずつ移動させながら、光切断線の画像データを複数撮像し、得られた複数の画像データを平均化することで、１の溝断面３０１の高さデータが算出されている。そのため、レーザー光の干渉パターンや光切断線の投影面の微小な凹凸による輝度分布のムラが相殺され、画像データに含まれる光切断線のノイズを除去できる。その結果、測定対象物３００の形状を正確に求めることができる。

なお、実施の形態２において、センサユニット１３０を測定対象物３００に対して所定ピッチで移動させる例を示したが、これに限定されず、停止状態にあるセンサユニット１３０に対して、測定対象物３００を所定ピッチずつ移動させることで、１の溝断面３０１の形状が計測されてもよい。この場合、移動制御部７１１は、光切断線が溝３０２からずれないように、ステージ１１０を制御して、測定対象物３００をＸ方向を回転軸として回転させると共に、測定対象物３００をＸ方向に移動させればよい。

また、停止状態にあるセンサユニット１３０に対して測定対象物３００を移動させる態様を採用する場合、測定対象物３００は、所定ピッチずつ移動される都度、停止されなくてもよい。この場合、図３で説明したように、測定対象物３００を加工時と同じ角速度及び移動速度で移動させ、センサユニット１３０に光切断線を所定ピッチで連続撮像させる。そして、演算部７１２は、得られた画像データを一定区間１３０２ずつ取り出し、一定区間１３０２毎に平均化画像データを算出すればよい。

また、実施の形態２において、センサユニット１３０を所定ピッチずつ移動させる手法は、溝３０２の形状計測に対して適用されたが、これに限定されず、凸部３０３に対して適用されてもよい。

また、実施の形態１、２では、図８に示すＳ８１４で高さデータが算出されているが、１の溝断面３０１の光切断線の画像データが取得される都度、高さデータは算出されてもよいし、１の溝３０２及び１の凸部３０３の計測が終了する都度、高さデータは算出されてもよい。

１００ 台座部
１１０ ステージ
１２０ 支持部
１３０ センサユニット
１３１ センサ部
１４０ 取付部
１５０ 天井部
１６０ ツールチェンジャー
２０１ 光切断線
２０２ 照射側面
２０２ａ 中心線
２０３ 中心位置
３００ 測定対象物
３０１ 溝断面
３０２ 溝
３０３ 凸部
３０４ 軸部
７１０ 制御部

Claims (11)

1. 溝が螺旋状に延設された測定対象物の表面形状を計測する形状計測装置であって、
   前記溝の延設方向に対する断面である溝断面の形状を非接触で計測するセンサ部と、
   長手方向を中心軸として前記測定対象物を回転させながら前記長手方向に移動させる移動部と、
   前記移動部により回転されながら移動される測定対象物の前記溝断面の形状を、前記センサ部に連続的に計測させて前記溝の全体形状を計測させる制御部とを備え、
   前記センサ部は、前記溝に光切断線を照射し、前記溝からの反射光を受光することで、前記溝断面の形状を計測するものであり、
   前記センサ部は、前記光切断線と前記光の照射口とを含む面である照射側面が、前記溝断面と一致するように配置されている形状計測装置。
2. 前記センサ部は、複数あり、
   前記複数のセンサ部は、前記照射側面が一致し、且つ、前記照射側面の中心線が前記溝断面の中心位置を通るように配置されている請求項１記載の形状計測装置。
3. 溝が螺旋状に延設された測定対象物の表面形状を計測する形状計測装置であって、
   前記溝の延設方向に対する断面である溝断面の形状を非接触で計測するセンサ部と、
   長手方向を中心軸として前記測定対象物を回転させながら前記長手方向に移動させる移動部と、
   前記移動部により回転されながら移動される測定対象物の前記溝断面の形状を、前記センサ部に連続的に計測させて前記溝の全体形状を計測させる制御部とを備え、
   前記測定対象物は、円筒状の加工対象物に加工刃を当接させ、前記長手方向を中心軸として前記加工対象物を回転させながら前記長手方向に移動させることで加工されたものであり、
   前記移動部は、前記加工対象物の加工時と同じ回転速度及び移動速度で前記測定対象物を回転及び移動させる形状計測装置。
4. 溝が螺旋状に延設された測定対象物の表面形状を計測する形状計測装置であって、
   前記溝の延設方向に対する断面である溝断面の形状を非接触で計測するセンサ部と、
   長手方向を中心軸として前記測定対象物を回転させながら前記長手方向に移動させる移動部と、
   前記移動部により回転されながら移動される測定対象物の前記溝断面の形状を、前記センサ部に連続的に計測させて前記溝の全体形状を計測させる制御部とを備え、
   前記測定対象物は複数の溝を備え、
   前記制御部は、前記センサ部により任意の１の溝の全体形状の計測が終了されると、前記測定対象物を歯割出角度分回転させ、次の溝の計測を前記センサ部に開始させる形状計測装置。
5. 溝が螺旋状に延設された測定対象物の表面形状を計測する形状計測装置であって、
   前記溝の延設方向に対する断面である溝断面の形状を非接触で計測するセンサ部と、
   長手方向を中心軸として前記測定対象物を回転させながら前記長手方向に移動させる移動部と、
   前記移動部により回転されながら移動される測定対象物の前記溝断面の形状を、前記センサ部に連続的に計測させて前記溝の全体形状を計測させる制御部とを備え、
   前記測定対象物は複数の溝を備え、
   前記制御部は、前記センサ部により任意の１の溝の全体形状の計測が終了されると、前記測定対象物を歯割出角度の１／２回転させ、前記１の溝と前記１の溝に隣接する溝との間の凸部の計測を前記センサ部に開始させる形状計測装置。
6. 前記測定対象物の設置領域から前記設置領域外の位置に移動可能に設けられ、加工刃及び前記センサ部が着脱可能に取り付けられる取付部と、
   前記設置領域外の位置に移動された前記取付部に前記加工刃又は前記センサ部を取り付けるツールチェンジャーとを更に備える請求項１〜５のいずれかに記載の形状計測装置。
7. 溝が螺旋状に延設された測定対象物の表面形状を計測する形状計測装置であって、
   前記溝の延設方向に対する断面である溝断面の形状を非接触で計測するセンサ部と、
   長手方向を中心軸として前記測定対象物を回転させながら前記長手方向に移動させる移動部と、
   前記移動部により回転されながら移動される測定対象物の前記溝断面の形状を、前記センサ部に連続的に計測させて前記溝の全体形状を計測させる制御部とを備え、
   前記測定対象物は両端に円筒状の軸部が形成され、
   前記制御部は、前記測定対象物の両端の前記軸部の形状を前記センサ部に計測させ、前記両端の軸部の形状を示す高さデータを用いて前記測定対象物の中心軸の各位置の高さデータを算出し、算出した中心軸の各位置の高さデータを基準として、前記溝断面の形状を示す高さデータを算出する形状計測装置。
8. 溝が螺旋状に延設された測定対象物の表面形状を計測する形状計測装置であって、
   前記溝の延設方向に対する断面である溝断面の形状を非接触で計測するセンサ部と、
   長手方向を中心軸として前記測定対象物を回転させながら前記長手方向に移動させる移動部と、
   前記移動部により所定角度回転され、且つ、所定距離移動される都度、前記測定対象物の前記溝断面の形状を、前記センサ部に計測させて前記溝の全体形状を計測させる制御部とを備え、
   前記センサ部は、前記溝に光切断線を照射し、前記溝からの反射光を受光することで、前記溝断面の形状を計測するものであり、
   前記制御部は、前記センサ部を前記溝の延設方向に向けて所定ピッチで相対的に移動させて、前記センサ部に前記溝断面の形状を複数回計測させ、前記計測された複数の計測値を用いて１の溝断面の形状を算出する形状計測装置。
9. 前記センサ部は、前記溝の延設方向に対して前記所定ピッチ相対的に移動する都度、前記光切断線を撮像することで、前記光切断線の画像データを複数取得し、
   前記制御部は、前記取得された複数の画像データの各画素の輝度を平均値化して平均化画像データを生成し、前記平均化画像データを用いて前記１の溝断面の形状を算出する請求項８記載の形状計測装置。
10. 前記センサ部を前記溝の延設方向に向けて移動させるセンサ移動部を更に備え、
    前記制御部は、前記１の溝断面を計測する際、前記移動部を制御して、前記測定対象物を停止状態にし、前記センサ移動部を制御して、前記センサ部を移動させる請求項８又は９記載の形状計測装置。
11. 溝が螺旋状に延設された測定対象物の表面形状を計測する形状計測装置における形状計測方法であって、
    前記形状計測装置は、
    前記溝の延設方向に対する断面である溝断面の形状を非接触で計測するセンサ部と、
    長手方向を中心軸として前記測定対象物を回転させながら前記長手方向に移動させる移動部とを備え、
    前記センサ部は、前記溝に光切断線を照射し、前記溝からの反射光を受光することで、前記溝断面の形状を計測するものであり、
    前記センサ部は、前記光切断線と前記光の照射口とを含む面である照射側面が、前記溝断面と一致するように配置されており、
    前記移動部により回転されながら移動される測定対象物の前記溝断面の形状を、前記センサ部が計測する第１ステップと、
    前記センサ部に前記溝断面の形状を連続的に計測させて前記溝の全体形状を計測する第２ステップとを備える形状計測方法。