JP5173195B2 - 表面の形状を測定する装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、広くは表面形状測定装置に関し、特には、床などの硬質または半硬質基板上で用いるための二次元非接触マッピング装置に関する。

表面形状（ｓｕｒｆａｃｅ ｐｒｏｆｉｌｅ）を定量化可能な記録に変換することは、表面に平行な線形位置を測定する一つの部品、および表面に対して垂直な相対距離を測定する他の部品を有するディジタルまたはアナログ装置を用いて一般的に行われている。最も単純化された方法では、ルーラーなどのストレートエッジの線形測定装置が表面上に置かれ、かつ第２線形測定装置がストレートエッジから表面までの垂直距離を定量化するために用いられる。たいていの場合、表面は、表面の一般的な平面に垂直に位置決めされる線形測定装置の先端部と接触される。水平表面の場合、測定装置は、該面に沿ったその水平位置に対する先端部の垂直位置を示す。先端部の垂直位置は、ペンなどの先端部をグラフ用紙上に接触することによって記録されるが、その記録は、コンピュータのデータ収集ソフトウェアなどによって電子的に行われてもよいし、装置のオペレーターによって手動で行われてもよい。記録されたデータの分解能は、通常の線形測定装置が、表面に対して垂直な姿勢を維持しつつ表面との接触を維持する能力と、表面上のいかなる割れ目にも先端部が嵌合できる能力に左右される。

米国特許第５７１５０６２号明細書 米国特許第５８１８０６１号明細書 米国特許第６１６１４５１号明細書 米国特許第６７６８３２１号明細書

その面から表面までの垂直距離を決定するための非接触技術を用いる測定装置では、相対水平配置は、レート・ジャイロスコープなどの精巧な部品を用いて一般に達成される。これらの装置は、典型的には事実上ロボットであり、かつ表面に沿って自走する自走式のものである。この種類の装置については、表面に平行な分解能は輸送装置の精度に依存する。この種類の装置の機能性は水平面に限定される。さらに、この種類の装置はその複雑さにより高コストとなる。

本発明は、表面の形状を測定する装置を特徴とする。装置は、（ａ）ビームと、（ｂ）ビームに装着される少なくとも１つのビームサポートと、（ｃ）ビームに摺動可能に接続され、かつ表面までの距離を測定するように構成されるセンサアセンブリと、（ｄ）ビームに沿ってセンサアセンブリの位置を測定するように構成される変換器アセンブリとを含む。

本発明のさまざまな実施形態では、センサアセンブリは、レーザ三角測量センサを備え、かつ変換器アセンブリは、センサアレイに取り付けられるバネ荷重ケーブルなどのケーブルを備える。

他の実施形態では、装置は、測定されている表面に対するビームの位置決めを助けるためのレベリング装置およびレベリング手段をさらに含んでもよい。装置はまた、モータ、またはセンサアセンブリをビーム上に横方向に位置決めするためのキャリッジつまみを含んでもよい。

またさらに他の実施形態では、センサアセンブリおよび変換器アセンブリの一方または双方は、情報を記憶しかつ処理する、ポータブルコンピュータなどのデータ収集装置に接続されてもよい。

他の態様では、本発明は、床などの表面の形状を測定する方法を提供し、該方法は以下のステップを含む。（ａ）ビームに沿った第１の位置にセンサアセンブリを位置決めするステップと、（ｂ）センサアセンブリから表面までの距離を第１位置で測定するステップと、（ｃ）ビーム上のセンサアセンブリの横方向位置を第１位置で測定するステップと、（ｄ）ビームに沿った第２位置にセンサアセンブリを位置決めするステップと、（ｅ）センサアセンブリから表面までの距離を第２位置で測定するステップと、（ｆ）ビーム上のセンサアセンブリの横方向位置を第２位置で測定するステップとを含む。収集された測定結果の対は、次に、記憶および処理の一方または双方のためのデータ収集装置に送信されることがある。これらの測定結果を用いて、表面の二次元プロファイルを作製することができる。

本発明の他の特徴および利点は、次の詳細な説明から、図面から、および特許請求の範囲から明らかとなろう。

本発明は、一般に、非接触方法によって非移動面の形状を測定する、本明細書ではポータブルプロファイルメータ（表面形状測定装置）と呼ぶ装置に関する。一実施形態では、プロファイルメータは、測定されるべき表面上の１つ以上のビームサポートによって支持されるビームを備える。ビーム上に設けられるセンサアセンブリは、ビーム上の軸受トラックに沿って横移動することができる。ビームサポートを用いれば、ビームおよびセンサアセンブリを、表面からある距離離れてかつ一般に該表面に平行に設けることができる。センサアセンブリのビームに沿った横移動中、センサアセンブリは、表面のセンサアセンブリからの距離に関する情報を、データ収集装置に与える。同時に、位置変換器は、軸受トラックに沿うセンサアセンブリの横方向距離に関する情報を、データ収集装置に与える。センサがビームに沿って横移動するにつれて、データ収集システム内で実行されるアルゴリズムは、位置変換器によって測定された横方向距離についてユーザが定義したインクリメントで、センサからの信号を記録する。いったん横移動が完了すると、収集されたデータ点の対は、アルゴリズムによって記憶され、かつ選択された配向に沿う表面プロファイルの二次元描写を画定するために用いられる。

本発明のプロファイルメータを、ミクロ規模およびマクロ規模の両方で、表面の形状を決定するために用いることができる。装置を用いて測定されうる表面には、カウンタートップ、壁、床、および天井がある。表面材料には、木材、コンクリート、プラスチック、ガラス、金属、および他の硬質または半硬質材料が挙げられる。本発明のプロファイルメータを、表面の平面性からの一般的な偏差、すなわち表面の輪郭形状または表面の起伏を決定するために用いることができる。プロファイルメータを、例えば、現場打コンクリート壁の多孔性または研磨材の粗さなどの表面のマクロ構造を決定するためにも用いることができる。さらに、本発明のプロファイルメータは、ミクロ構造の表面のトポロジーを決定するために用いられてもよい。

図１は、本発明による表面プロファイルメータの一実施形態を示す。プロファイルメータ１００（図２では２００として示す）は、一端部近くの左ビームサポート１２０および反対側の端部近くの右ビームサポート１２５を有するビーム１１０を備える。センサアセンブリ１３０は、光学センササポート１５０Ａおよび１５０Ｂを用いて軸受１６０に取り付けられる。軸受け１６０は、軸受トラック１７０と摺動接触し、かつキャリッジつまみ１９０を用いて、ビーム１１０に平行に加えられる手動力によって軸受トラックに沿って横移動されうる。ビーム１１０に沿ったセンサアセンブリ１３０の横方向位置は、一端部で位置変換器アセンブリ１４０に、かつ他端部でセンササポート１５０Ｂに取り付けられるケーブル１３５を用いて、位置変換器アセンブリ１４０によって検出される。図１に示される実施形態では、位置変換器アセンブリ１４０は、左ビームサポート１２０の一方側に装着され、かつケーブル１３５は、左ビームサポート１２０に設けられるケーブル開口部１４５を通過する。プロファイルメータが使用されるとき、表面１０５（図２では２０５として示す）のセンサ１３０からの距離に関する情報は、センサ１３０からセンサ出力ポート１８５を経てデータ収集装置（図示せず）に中継される。同時に、ビーム１１０に沿ったセンサアセンブリ１３０の横方向距離に関する情報は、変換器出力ポート１８０を用いて、位置変換器アセンブリ１４０からデータ収集装置に中継される。

ビーム１１０は、任意の材料、およびビームに沿ったセンサアセンブリ１３０の横移動中耐屈曲性を与える断面幾何学的形状で構成されてもよい。ビーム１１０の構成に好適な材料は、所望の測定精度に影響する大きさの撓みが生じない程度に十分な剛性を持つ任意の材料を含む。好適な材料には、金属、プラスチック、木材、およびそれと同様のものがある。金属は、アルミニウム、鋼、鉄、銅、黄銅、およびニッケルを含むことができるが、それらに限定されない。アルミニウムは、その大きな強度対重量比のために、特に好適な金属である。好適なプラスチックには、ナイロン、ポリオレフィン、およびポリエステルなどの工業材料がある。ビーム１１０（図３では３１０として示す）の断面は、長方形、円形、楕円形、および三角形を含むがそれらに限定されない任意の幾何学的形状でありうる。

ビーム１１０は、典型的には機械加工され、または一部材に形成される。一部材のビーム構成は、軸受トラック１７０およびセンサアセンブリ１３０に、最大安定性および支持を与えると考えられる。応用例の中には、ビーム１１０および軸受トラック１７０を、ヒンジで取り付けることができ、またはその他保管または取扱における便利さのために折り畳まれるように構成することができるものもあると考えられる。

ビーム１１０は、左ビームサポート１２０によって一端部に隣接して、かつ右ビームサポート１２５によって他端部に隣接して支持される。２つのビームサポートは、任意の剛性材料で作られ、かつ任意の好適な幾何学的形状でありうる。２つのビームサポートの機能は、測定されるべき表面全体にわたってビームを宙に浮かせることである。ビーム１１０が水平位置に維持されることは必須ではなく、よって左ビームサポート１２０および右ビームサポート１２５が調整可能である必要はないが、ユーザの要望に応じて調整可能としてもよい。ある実施形態では、レベリング装置１９５およびレベリング手段を、測定されている表面に一般に平行なビームを位置決めするのに役立つように、プロファイルメータ１００に取り付けるあるいは組み込むことができると想定される。そのようなレベリング手段は、測定されたトポロジーが水平位置に関するものである場合には特に有用である。例示的なレベリング手段としては、気泡水準器が可能である。例示的なレベリング手段は、各ビームサポート１２０および１２５に取り付けられる一つ以上の調整可能なネジ穴を備えることができる。

床などの測定されるべき表面が水平である場合、プロファイルメータは、一般に、重力によって適所に保持される。表面が壁または他の垂直面である場合には、ビームサポートに、吸引装置、または測定されている表面上にプロファイルメータを保持する類似の手段が装備されてもよい。

センサアセンブリ１３０は、２つのビームサポート間で横移動するので、左ビームサポート１２０と右ビームサポート１２５との間の距離は、プロファイルメータによって測定されるべき表面の最大長さを決定する。より大きな面積の表面、例えば、３メートル（１０フィート）以上のスパンの測定としては、左ビームサポート１２０と右ビームサポート１２５との間にビーム１１０に沿って等間隔に設けられる１つ以上のオプションの調整可能なビームサポートを配置することが有利である。調整可能なビームサポートは、一端部でビーム１１０に取り付けられ、かつセンサアセンブリ１３０の横移動中、ビーム１１０に高められた耐屈曲性を与えるために、表面１０５とちょうど接触するように調整可能である。

また図３において３７０として断面図示される軸受トラック１７０は、ビーム１１０（図３では３１０として示す）によって支持されかつ好ましくはビーム１１０に取り付けられる。センサアセンブリ１３０（図３では３３０として示す）は、軸受１６０（図３では３６０として示す）を用いて軸受トラック１７０に摺動可能に取り付けられ、それによりセンサアセンブリ１３０を、ビーム１１０の長さに沿って任意の位置に移動することができる。軸受１６０の断面幾何学的形状は、軸受トラック１７０の断面幾何学的形状の逆である。軸受の幾何学的形状が、軸受トラックの幾何学的形状に正確に一致すればするほど、軸受の軸受トラックに対する移動がそれだけランダムでなくなり、よってプロファイルメータによって得られる測定結果がそれだけ正確になる。

軸受１６０および軸受トラック１７０は同じ材料で構成されることが望ましい。軸受トラック１７０および軸受１６０の構成に好適な材料には、金属、プラスチック、およびそれと同様のものがある。金属は、アルミニウム、鋼、鉄、銅、黄銅、およびニッケルを含むことができるが、それらに限定されない。典型的に、軸受および軸受トラックがアルミニウムで構成される。好適なプラスチックには、ナイロン、ポリオレフィン、およびポリエステルなどの工業材料が挙げられる。ビーム１１０については、軸受トラック１７０は、典型的には機械加工され、またはその長さに沿って一部材として形成される。軸受トラックを一部材として構成することにより、センサアセンブリ１３０は軸受トラックに沿って円滑に横移動することができ、それによってセンサ１３０によるデータ出力の精度は最大となる。

図１および図１Ａに１５０Ａおよび１５０Ｂ（また図３では３５０Ａおよび３５０Ｂ）として示される一つ以上のオプションのセンササポートが用いられてもよく、センサアセンブリ１３０を、有利な位置で軸受１６０に装着することができる。例えば、センササポート１５０Ａおよび１５０Ｂを用いて、ビーム１１０に垂直に位置決めされるセンサアセンブリ１３０が、図１に示される。この位置では、ケーブル１３５（図２では２３５として示す）は、図２では２４７として示されるケーブル付属品を用いて、センササポート１５０Ｂに便宜上取り付け可能である。他の実施形態では、センサアセンブリ１３０を、該センサアセンブリ１３０をセンサマウント１５０Ａ上に直接に装着することによって、ビーム１１０に平行に位置決めすることができる。センサアセンブリ１３０を、軸受１６０に直接装着することもできる。

ここで図１および図１Ａを参照すると、センサアセンブリ１３０におけるエミッタ（図示せず）は、経路１３４に沿ってセンサアセンブリ１３０における受信機（図示せず）の方へ表面１０５から反射するエネルギービーム１３２を発する。センサアセンブリ１３０は、受信した情報を、センサ出力ポート１８５を経て、例えばラップトップコンピュータなどのデータ収集装置に送信する。信号処理は、受信された情報を、例えば垂直位置情報に変換する。同時に、位置変換器１４０は、軸受トラック１７０に沿ったセンサアセンブリ１３０の横方向位置に関する情報を、変換器出力ポート１８０（図３では３８０として示す）を経て送信する。いずれかの出力ポートからのデータの送信は、ポートとデータ収集装置との間の配線接続によるものでありうる。データの送信は、無線周波数、赤外線周波数通信、または他の形態の無線通信などの他の手段によってもなされうる。

典型的なセンサアセンブリ１３０は、「ｏｐｔｏＮＣＤＴ １４００」モデル番号ＩＬＤ １４００−５０という商品名で、ノースカロライナ州ローリーのマイクローエプシロン（Ｍｉｃｒｏ‐Ｅｐｓｉｌｏｎ（Ｒａｌｅｉｇｈ，ＮＣ））によって販売されているようなレーザ三角測量センサである。センサの選択は、当業者が決定することができ、かつ一つには、測定の所望の分解能およびセンサアセンブリの測定されるべき表面からの距離に左右されるだろう。一般に、非接触センサのある形態が用いられる。好適なセンサのオプションには、飛行の超音波時間、飛行のレーザ時間、および小電荷のクローズアップ測定については、容量性または誘導性（渦電流を含む）転位センサがあるが、それらに限定されない。

図１を再度参照すると、センサアセンブリ１３０が軸受トラック１７０に沿って横移動するにつれて、その横方向位置は、位置変換器アセンブリ１４０によって決定される。図示した実施形態では、位置変換器アセンブリ１４０は、位置変換器アセンブリ１４０内に収納されるバネ荷重ケーブルを備える。ケーブル１３５は、一端部では位置変換器アセンブリ内に取り付けられ、左ビームサポート１２０のケーブル開口部１４５を通過し、かつケーブル付属品２４７（図２参照）を用いて、他端部でセンササポート１５０Ｂに取り付けられる。一実施形態では、位置変換器アセンブリ１４０としては、「ＰＴ５ＤＣケーブル・エクステンション・ポジション・トランスデューサー（ＰＴ５ＤＣ Ｃａｂｌｅ Ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）」という商品名で、カリフォルニア州チャッツワースのセレッソ・トランスデューサー・プロダクツ（Ｃｅｌｅｓｃｏ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ（Ｃｈａｔｓｗｏｒｔｈ，ＣＡ））によって販売されているようなケーブル装置が可能である。ケーブル１３５は、位置変換器アセンブリ１４０内に張力下で維持される。また、ビームに沿ったセンサアセンブリの横方向位置を決定することができる任意の測定システムは、位置変換器としての使用に好適であるとも考えられる。他の好適な測定システムの例には、レーザーセンサ、超音波センサ、線形抵抗装置、および光学または磁気符号器が挙げられる。

図１のキャリッジつまみ１９０（および図３では３９０）を用いれば、プロファイルメータ１００のユーザは、軸受トラック１７０に沿って横方向にセンサアセンブリ１３０を手動で並進させることができる。本発明のプロファイルメータの一実施形態では、図１の位置変換器アセンブリ１４０（図３では３４０として示す）は、取り付けられたセンサアセンブリ１３０を、左ビームサポート１２０（図３では３２０として示す）に隣接するホームまたは開始位置の方へ付勢するために、ケーブル１３５に対する張力を維持するための手段を備える。

軸受トラック１７０に対して横方向に沿ったセンサアセンブリ１３０の並進はまた、機械的に実行可能である。一例として、一端部でモータ付きの巻付け／巻戻し手段にかつ他端部でセンサアセンブリに接続される第２ケーブルは、右ビームサポート１２５の方へセンサアセンブリを引っ張ることができる。代替的に、センサアセンブリにインタフェース接続されかつサーボモータによって駆動される親ネジにより、センサアセンブリ１３０は軸受トラック１７０に沿って並進することができるようになる。

本発明の装置を、カウンタートップ、壁、床、天井、接着剤などの構造化材料、鋼板、ミクロ構造面、およびそれと同等なものを含む、多くの異なる種類の表面の形状を測定するために用いることができる。例えば、プロファイルメータを、最終被覆を表面に張り合わせる前に、カウンタートップの相対的な平面性を決定するために用いることができる。プロファイルメータを、いつ接着剤がもはや効力がなくなるかをユーザが知ることができるように、摩耗面の摩耗特性を決定するためにも用いることができる。他の例では、伸張されたビームを有する本発明のプロファイルメータを、倉庫、ガレージ、およびそれと同等なもので見られるような大面積の床の形状全体を決定するために用いることができる。

本発明を、そのいくつかの実施形態に関して説明してきた。特定の実施形態および例の以上の説明を、本発明を説明するために提供してきたが、本発明の範囲を限定することは意図していない。本発明の精神および範囲を逸脱することなく、上述の実施形態について多くの変更がなされうることが、当業者に明らかとなろう。

本発明による例示的な装置の斜めの画像を示す概略図である。 センサアセンブリと測定されている表面との間の相互作用を示す拡大図である。 測定されるべき表面上において位置決めされる例示的な表面プロファイル装置の概略図である。 図１に示される例示的な装置の断面を示す概略図である。

Claims (11)

1. 表面の形状を測定する装置であって、
   （ａ）ビームと、
   （ｂ）前記ビームに装着される少なくとも１つのビームサポートと、
   （ｃ）前記ビームに摺動可能に接続され、かつ前記表面までの距離を測定するように構成されるセンサアセンブリと、
   （ｄ）前記ビームに沿った前記センサアセンブリの横方向位置を測定するように構成される変換器アセンブリとを備え、
   前記変換器アセンブリは、前記変換器アセンブリから延びるバネ荷重ケーブルの長さについての情報を生成するように構成され、
   前記センサアセンブリの前記位置が前記情報により求められるようにすべく、前記バネ荷重ケーブルがその一方の端部において前記センサアセンブリに固定されるとともに前記変換器アセンブリによって張力をかけられる、装置。
2. 前記センサアセンブリは、レーザ三角測量センサを備える、請求項１に記載の装置。
3. レベリング装置をさらに備える、請求項１に記載の装置。
4. 前記ビームに沿って前記センサアセンブリを移動させるモータをさらに備える、請求項１に記載の装置。
5. 前記センサアセンブリを前記ビーム上に手動で位置決めするためのキャリッジつまみをさらに備える、請求項１に記載の装置。
6. 前記センサアセンブリおよび前記変換器アセンブリに接続されるデータ収集装置をさらに備える、請求項１に記載の装置。
7. 前記ビームサポートの長さは調整可能である、請求項１に記載の装置。
8. 前記表面は床である、請求項１に記載の装置。
9. 表面の形状を測定する方法であって、
   （ａ）ビームに沿った第１位置にセンサアセンブリを位置決めするステップと、
   （ｂ）前記センサアセンブリから前記表面までの距離を前記第１位置で測定するステップと、
   （ｃ）前記ビーム上の前記センサアセンブリの横方向位置を前記第１位置で測定するステップと、
   （ｄ）ビームに沿った第２位置に前記センサアセンブリを位置決めするステップと、
   （ｅ）前記センサアセンブリから前記表面までの距離を前記第２位置で測定するステップと、
   （ｆ）前記ビーム上の前記センサアセンブリの横方向位置を前記第２位置で測定するステップとを含み、
   前記ステップ（ｃ）および（ｆ）は変換器アセンブリを用いて実行され、
   前記変換器アセンブリは、前記変換器アセンブリから延びるバネ荷重ケーブルの長さについての情報を生成するように構成され、
   前記センサアセンブリの前記位置が前記情報により求められるようにすべく、前記バネ荷重ケーブルがその一方の端部において前記センサアセンブリに固定されるとともに前記変換器アセンブリによって張力をかけられる、方法。
10. （ｇ）測定情報をデータ収集装置に送信するステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
11. （ｈ）前記表面の二次元プロファイルを作製するステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。

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