変位計測装置
【課題】回転によって変位する被測定物の初期位置から計測方向への変位を正確に計測することができる変位計測装置を提供する。
【解決手段】被測定物に設けられ、初期位置において基準面と平行な延在方向に延びるように形成されたターゲット２と、センサ本体を備えかつターゲット２とセンサ本体との計測方向の距離を計測するセンサ部と、センサ部からの出力に基づいて被測定物の計測方向の変位を算出する演算部と、を有し、ターゲット２のセンサ本体に対向する計測面２ａには、ターゲット２の回転による計測方向の変位誤差δを補償する補償面２ｃが形成されていることを特徴とする。
【解決手段】被測定物に設けられ、初期位置において基準面と平行な延在方向に延びるように形成されたターゲット２と、センサ本体を備えかつターゲット２とセンサ本体との計測方向の距離を計測するセンサ部と、センサ部からの出力に基づいて被測定物の計測方向の変位を算出する演算部と、を有し、ターゲット２のセンサ本体に対向する計測面２ａには、ターゲット２の回転による計測方向の変位誤差δを補償する補償面２ｃが形成されていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、変位計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、被測定物の変位を検出する計測装置が知られている。このような計測装置として、センサから被測定物に検出光を照射し、その反射光を受光して被測定物の振動を計測するものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−１６７６０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の計測装置では、回転状態で変位する被測定物の変位をセンサによって計測する際に、センサの計測方向への被測定物の変位を正確に計測することができないという課題がある。
例えば、架台等の支持構造体の台座に駆動装置等の振動発生源を固定すると、台座は振動発生源によって水平方向に加振される。すると、台座の加振方向の両端に配置され、鉛直方向下方に延びる脚部の先端部が、交互に鉛直方向上方に浮き上がるような振動が発生する。このとき、浮き上がった脚部の先端部は、反対側の接地した脚部の先端部を回転中心とする回転状態で浮上する。
【０００５】
このような脚部の先端部の鉛直方向の浮き上がりの変位を計測するためには、次のような方法が考えられる。例えば、脚部の側面に水平方向に延びる板状のターゲットを取り付けて、ターゲットの計測面の鉛直方向上方にセンサを配置する。そして、変位を計測する計測方向を鉛直方向とするセンサにより、ターゲットの鉛直方向の変位を計測する。センサは、初期位置におけるターゲットまでの距離と、脚部が浮上した後のターゲットまでの距離とを計測し、これらの差を鉛直方向の浮き上がりの変位として計測する。
【０００６】
しかし、脚部に固定されたターゲットは、支持構造体の加振方向の反対側の脚部の先端部を中心とする回転により浮上している。また、センサは鉛直方向を計測方向として、ターゲットの鉛直方向上方に配置されている。
そのため、脚部が浮上したときのターゲットの計測点は、初期位置におけるターゲットの計測点から、回転の半径方向に回転中心から遠ざかるようにずれてしまう。これにより、実際のターゲットの鉛直方向上方への変位よりも、計測されるターゲットの鉛直方向上方への変位の方が大きくなってしまう。
したがって、このような場合には、ターゲットの初期位置からセンサの計測方向である鉛直方向への変位を正確に計測することができず、被測定物である脚部の計測方向の変位の測定も不正確になる。
【０００７】
そこで、この発明は、回転によって変位する被測定物の変位の計測において、被測定物の初期位置から計測方向への変位を正確に計測することができる変位計測装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明の変位計測装置は、基準面上に回転中心を有する回転により前記基準面上の初期位置から浮上する被測定物の前記基準面に垂直な計測方向の変位を計測する変位計測装置であって、前記被測定物に設けられ、前記初期位置において前記基準面と平行な延在方向に延びるように形成されたターゲットと、センサ本体を備えかつ前記ターゲットと前記センサ本体との前記計測方向の距離を計測するセンサ部と、前記センサ部からの出力に基づいて前記被測定物の前記計測方向の変位を算出する演算部と、を有し、前記ターゲットの前記センサ本体に対向する計測面には、前記回転による前記計測方向の変位誤差を補償する形状の補償面が形成されていることを特徴とする。
【０００９】
このように構成することで、被測定物が回転により基準面から浮上すると、ターゲットの計測面上のセンサ部による計測点が、回転中心から相対的に遠ざかるようにずれていく。このため、センサ部は、初期位置におけるターゲットの計測面の初期計測点よりも回転中心から遠い計測点とセンサ本体との距離を計測することになる。しかし、本発明では計測面に補償面が形成されている。そのため、被測定物の回転により計測点が初期計測点からずれた場合でも、センサ部により補償面上の計測点とセンサ本体との距離を計測することで、計測点の計測方向の変位の誤差（変位誤差）を補償することができる。これにより、初期計測点の計測方向の変位を正確に計測することができる。したがって、回転により基準面から浮上する被測定物の計測方向の変位を正確に測定することができる。
【００１０】
また、本発明の変位計測装置は、前記変位誤差δと、前記被測定物の前記初期位置における前記計測面上の前記センサ部による計測点である初期計測点と前記回転中心とを結ぶ半径Ｒと、前記基準面から前記初期計測点までの高さＨと、前記初期計測点から前記回転により前記計測点が前記延在方向にずれる変位Ｌとが、式（Ａ）の関係を満たすことを特徴とする。
【００１１】
【数１】
【００１２】
このように構成することで、センサ部による計測面上の計測点が、被測定物の回転により初期計測点からターゲットの延在方向に変位Ｌだけずれると、補償面上の計測点は変位誤差δ分だけセンサ本体から計測方向に遠ざかる。これにより、計測点とセンサ本体との計測方向の距離が、初期計測点とセンサ本体との計測方向の距離と略等しくなる。そのため、計測点が計測面上を回転中心から相対的に遠ざかるようにずれても、センサ部によってセンサ本体と補償面上の計測点との計測方向の距離を計測し、初期計測点の計測方向への変位を正確に測定することができる。したがって、補償面により、回転によるターゲットの計測方向の変位誤差δを補償することができる。
【００１３】
また、本発明の変位計測装置は、前記変位誤差δと、前記被測定物の前記初期位置における前記計測面上の前記センサ部による計測点である初期計測点から、前記回転により前記計測点が前記ターゲットの前記延在方向にずれる変位Ｌとが、式（Ｂ）の関係を満たすことを特徴とする。
【００１４】
【数２】
【００１５】
このように構成することで、センサ部による計測面上の計測点が、被測定物の回転により初期計測点からターゲットの延在方向に変位Ｌだけずれると、補償面上の計測点は変位誤差δ分だけセンサ本体から計測方向に遠ざかる。これにより、計測点とセンサ本体との計測方向の距離が、初期計測点とセンサ本体との計測方向の距離と略等しくなる。そのため、計測点が計測面上を回転中心から相対的に遠ざかるようにずれても、センサ部によってセンサ本体と補償面上の計測点との計測方向の距離を計測し、初期計測点の計測方向への変位を正確に測定することができる。したがって、補償面により、回転によるターゲットの計測方向の変位誤差δを補償することができる。
また、式（Ｂ）は式（Ａ）の二次近似式であり、式（Ａ）を用いる場合よりも補償面の形状をより簡略化し、ターゲットの製造を容易にすることができる。
【００１６】
また、本発明の変位計測装置は、前記変位誤差δと、前記被測定物の前記初期位置における前記計測面上の前記センサ部による計測点である初期計測点から、前記回転により前記計測点が前記ターゲットの前記延在方向にずれる変位Ｌとが、式（Ｃ）の関係を満たすことを特徴とする。
【００１７】
【数３】
【００１８】
このように構成することで、センサ部による計測面上の計測点が、被測定物の回転により初期計測点からターゲットの延在方向に変位Ｌだけずれると、補償面上の計測点は変位誤差δ分だけセンサ本体から計測方向に遠ざかる。これにより、計測点とセンサ本体との計測方向の距離が、初期計測点とセンサ本体との計測方向の距離と略等しくなる。そのため、計測点が計測面上を回転中心から相対的に遠ざかるようにずれても、センサ部によってセンサ本体と補償面上の計測点との計測方向の距離を計測し、初期計測点の計測方向への変位を正確に測定することができる。したがって、補償面により、回転によるターゲットの計測方向の変位誤差δを補償することができる。
また、式（Ｃ）は式（Ａ）の線形近似式であり、式（Ａ）及び式（Ｂ）を用いる場合よりも補償面の形状をより簡略化し、ターゲットの製造を容易にすることができる。
【００１９】
また、本発明の変位計測装置は、前記演算部は、前記被測定物の前記初期位置における前記計測面上の前記センサ部による計測点である初期計測点と前記回転中心とを結ぶ半径Ｒと、前記被測定物と前記回転中心とを結ぶ半径ＲＢと、前記被測定物の前記計測方向の変位ＬＢと、前記センサ部からの出力に基づく前記初期計測点の前記計測方向への変位ＬＭと、が満たす式（Ｄ）の関係により、前記変位ＬＢを算出することを特徴とする。
【００２０】
【数４】
【００２１】
このように構成することで、ターゲットの計測面の初期計測点の計測方向への変位から被測定物の計測方向の変位を算出することができる。
【００２２】
また、本発明の変位計測装置は、前記補償面は、前記ターゲットの前記計測面を機械加工することにより形成されていることを特徴とする。
また、本発明の変位計測装置は、前記補償面は、前記ターゲットの前記計測面を塑性変形させることにより形成されていることを特徴とする。
【００２３】
このように構成することで、ターゲットの計測面に所望の形状の補償面を形成することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の変位計測装置によれば、回転状態で浮上する被測定物の初期位置から計測方向への浮き上がりの変位を正確に計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第一実施形態における変位計測装置を示す断面図である。
【図２】図１の部分拡大図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第一実施形態におけるターゲットの側面図である。
【図４】本発明の第一実施形態における支持構造体とターゲットとの位置関係を示す模式図である。
【図５】本発明の第一実施形態におけるターゲットであり、（ａ）は初期状態、（Ｂ）は回転状態を示す側面図である。
【図６】本発明の第一実施形態における計測誤差を縦軸、初期計測点から計測点までの変位を横軸として、計測誤差と変位との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の第二実施形態における計測誤差を縦軸、初期計測点から計測点までの変位を横軸として、計測誤差と変位との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
＜第一実施形態＞
以下、本発明の第一実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各図面では、各部材の関係を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各部材ごとに縮尺を適宜変更している。
図１は、本実施形態の変位計測装置の概略構成を示す断面図である。図２は、図１の部分拡大図である。
【００２７】
図１に示す変位計測装置１は、基準面ＢＬ上の初期位置に配置された支持構造体Ｓの脚部Ｓ１の、基準面ＢＬに垂直な計測方向への変位を計測する装置である。変位計測装置１は、主に、支持構造体Ｓに設けられたターゲット２と、ターゲット２とセンサ本体３との距離を計測するセンサ部４と、センサ部４から出力された信号から支持構造体Ｓの脚部Ｓ１変位を算出する演算部５（図２参照）と、により構成されている。
【００２８】
支持構造体Ｓには基準面ＢＬと略平行に台座部Ｓ２が設けられている。台座部Ｓ２上には、例えば駆動装置等の振動発生源（図示省略）が配置されている。台座部Ｓ２の両側には、台座部Ｓ２を支持する脚部Ｓ１，Ｓ３が基準面と略垂直に設けられている。支持構造体Ｓの脚部Ｓ１には、センサ部４の測定対象物である板状のターゲット２が固定されている。ターゲット２は、変位計測装置１の被測定物である脚部Ｓ１の側面に固定されている。また、ターゲット２は、支持構造体Ｓが基準面ＢＬ上の初期位置に静止状態で配置された初期状態において、基準面ＢＬと略平行な延在方向に、支持構造体Ｓの外側に向けて延びるように形成されている。
【００２９】
支持構造体Ｓの外側には、脚部Ｓ１に隣接してセンサ部４が設けられている。
図２に示すように、センサ部４はセンサ本体３を備え、センサ本体３には演算部５が接続されている。センサ本体３としては、例えば光学式変位センサや渦電流センサ等、センサ本体３とターゲット２との距離を計測して、電気的な信号として演算部５に出力可能なものが用いられる。センサ本体３は、支持部材６によりターゲット２の計測面２ａに対向する位置に固定されている。
【００３０】
支持構造体Ｓの初期状態において、センサ本体３は、ターゲット２の計測面２ａの初期計測点Ｐ０から基準面ＢＬに略垂直な方向に離間した位置に配置されている。本実施形態では、この基準面ＢＬに垂直な方向がセンサ部４の計測方向となっている。ここで、支持構造体Ｓのセンサ本体３と計測面２ａとの距離は、脚部Ｓ１の浮き上がりの変位ＬＢとセンサ本体３の測定範囲を考慮して決定する。
演算部５は、ＣＰＵ等のＩＣチップやメモリ等（図示省略）を備えている。演算部５のメモリには、センサ部４が出力した信号に基づくターゲット２の計測面２ａの変位ＬＭから、脚部Ｓ１の変位ＬＢを算出可能な計算式等が記憶されている。
【００３１】
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、ターゲット２の計測面２ａの形状を示す側面図である。
図３（ａ）に示すように、本実施形態のターゲット２は、初期状態で基準面ＢＬに略平行な延在方向に延びるように形成されている。ターゲット２は、例えば金属や樹脂等の材料をマシニングセンター等により機械加工することにより形成されている。
ターゲット２は、図３（ｂ）に示すように、金属板等を塑性変形させることにより形成してもよい。また、ターゲット２は、ターゲット２の形状に対応する形状の型に材料を流し込んで形成してもよい。
【００３２】
図３（ａ）に示すように、ターゲット２の計測面２ａは、初期状態において基準面ＢＬと略平行に設けられた平坦面２ｂを備えている。平坦面２ｂは、支持構造体Ｓの脚部Ｓ１の側面の固定部からセンサ部４による初期計測点Ｐ０まで形成されている。計測面２ａの初期計測点Ｐ０から支持構造体Ｓの外側方向には、センサ本体３から計測方向に遠ざかるように傾斜する補償面２ｃが形成されている。
【００３３】
図４は、支持構造体Ｓとターゲット２との位置関係を示す模式図である。図４に示す模式図では、説明を分かりやすくするため、補償面２ｃの図示を省略してターゲット２の平坦面２ｂを補償面２ｃの形成領域まで延長して表している。実際には、ターゲット２の計測面２ａの初期計測点Ｐ０よりも支持構造体Ｓの外側方向に、図３に示すような補償面２ｃが形成されている。
【００３４】
ここで、支持構造体Ｓは、図１に示すように、台座部Ｓ２が矢印Ｆ方向に加振されると、一方の脚部Ｓ１が基準面から回転状態で浮き上がる。このときの支持構造体Ｓの回転中心ＲＣは浮き上がった脚部Ｓ１の反対側の脚部Ｓ３の先端部となる。このとき、図４に示すように、初期状態におけるターゲット２の計測面２ａ上の初期計測点Ｐ０は、支持構造体Ｓの回転によって、脚部Ｓ３の先端部（回転中心ＲＣ）を中心とする円弧ＣＡに沿って変位する。そのため、初期計測点Ｐ０は、基準面ＢＬに垂直な計測方向にセンサ本体３に近づくように変位すると共に、基準面ＢＬに平行な方向に回転中心ＲＣに近づくように変位する。
【００３５】
センサ本体３は、初期状態においてターゲット２の初期計測点Ｐ０との距離を計測した位置に固定されている。そのため、ターゲット２の計測面２ａ上の計測点Ｐ１は、支持構造体Ｓの回転により、ターゲット２の初期計測点Ｐ０から見て回転中心ＲＣから遠ざかる方向に相対的に移動する。そのため、ターゲット２の平坦面２ｂが初期計測点Ｐ０よりも支持構造体Ｓの外側に延長して形成されていた場合には、初期状態における初期計測点Ｐ０から計測方向への計測点Ｐ１の変位ＬＰは、初期計測点Ｐ０の計測方向への変位ＬＭよりも大きくなる。したがって、計測面２ａ上の初期計測点Ｐ０と実際の計測点Ｐ１との間には計測方向の変位誤差δが発生する。ここで、変位誤差δは、下記の式（Ａ）の関係を満たしている。
【００３６】
【数５】
【００３７】
式（Ａ）において、変位Ｌは、支持構造体Ｓの回転により計測点Ｐ１が初期計測点Ｐ０からターゲット２の延在方向へずれる変位である。半径Ｒは、センサ部４によるターゲット２の初期計測点Ｐ０と支持構造体Ｓの回転中心ＲＣとを結ぶ半径である。高さＨは、初期状態におけるターゲット２の初期計測点Ｐ０の基準面ＢＬからの高さである。
【００３８】
変位誤差δは、以下の手順により求めることができる。
図４に示すように、初期状態において半径Ｒと基準面ＢＬとがなす鋭角を角度θ０とし、支持構造体Ｓの回転角度を角度θＡとする。また、支持構造体Ｓが角度θＡ回転したときの、初期計測点Ｐ０と計測点Ｐ１との基準面ＢＬに平行な方向の距離を距離ａとする。
このとき、下記の式（１）、式（２）及び式（３）の関係が成立する。
【００３９】
【数６】
【数７】
【数８】
【００４０】
式（１）〜式（３）から角度θＡ、角度θ０を消去すると、以下の式（４）の関係が得られる。
【００４１】
【数９】
【００４２】
また、式（１）及び式（２）から、計測誤差δ、変位Ｌ及び変位ａは、以下の式（５）の関係を満たす。
【００４３】
【数１０】
【００４４】
式（４）を式（５）に代入することで、計測誤差δ、変位Ｌ、半径Ｒ及び高さＨが満たす上記の式（Ａ）の関係が得られる。
【００４５】
本実施形態では、図３に示すように、ターゲット２の計測面２ａに、計測誤差δを補償する補償面２ｃが形成されている。すなわち、図４に示すように支持構造体Ｓが角度θＡ回転すると、図５（ａ）に示すように初期状態で基準面ＢＬと略平行だったターゲット２の平坦面２ｂ（ターゲット２の延在方向）が、図５（ｂ）に示すように基準面ＢＬに対して角度θＡだけ傾く。また、センサ部４による計測面２ａ上の計測点Ｐ１が、初期計測点Ｐ０から支持構造体Ｓの外側方向に、ターゲット２の延在方向と平行に変位Ｌだけ移動する。このとき、補償面２ｃは、平坦面２ｂから平行に伸ばした補助線と、センサ本体３と計測点Ｐ１とを結ぶ線と、の交点Ｘよりも、変位誤差δ分だけ、センサ本体３から遠ざかるように形成されている。
【００４６】
すなわち、補償面２ｃは、平坦面２ｂの法線方向については、図３（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、計測面２ａ上の初期計測点Ｐ０から平坦面２ｂ（ターゲット２の延在方向）と平行に変位Ｌだけ変位したときに、補償変位δ´だけセンサ本体３から遠ざかるように形成されている。
ここで、補償変位δ´と、計測誤差δと、角度θＡとは、下記の式（Ｅ）の関係を満たしている。
【００４７】
δ´＝δ／ｃｏｓθＡ ・・・（Ｅ）
【００４８】
また、式（Ｅ）と、式（２）及び式（４）から下記の式（Ａ´）の関係が得られる。
【００４９】
【数１１】
【００５０】
したがって、図３（ａ）に示すように、ターゲット２の計測面２ａの補償面２ｃを機械加工により形成する際には、次のように形成することができる。例えばマシニングセンター等により、式（Ａ´）に基づいて、初期計測点Ｐ０から平坦面２ｂに平行に変位Ｌだけ変位したときに、平坦面２ｂと垂直な方向に補償変位δ´だけ変位するように加工する。
また、図３（ｂ）に示すように、板状のターゲット２を塑性変形させて計測面２ａの補償面２ｃを形成する場合には、例えば式（Ａ´）に基づいて型を製作して、板材をプレス加工することにより形成することができる。
また、補償面２ｃに対応する形状の型を形成し、型に材料を流し込んで補償面２ｃを有するターゲット２を形成してもよい。
【００５１】
一方、図２に示す演算部５のメモリには、支持構造体Ｓの脚部Ｓ１の浮き上がり変位ＬＢと、図４に示す回転中心ＲＣと初期計測点Ｐ０とを結ぶ半径Ｒと、回転中心ＲＣと脚部Ｓ１の先端部Ｓ１Ｂとを結ぶ回転半径である半径ＲＢと、センサ部４によって計測したターゲット２の初期計測点Ｐ０の計測方向への浮き上がりの変位ＬＭとが満たす下記の式（Ｄ）の関係が保存されている。
【００５２】
【数１２】
【００５３】
式（Ｄ）の関係は、以下の手順により求めることができる。
図４に示すように、脚部Ｓ１の計測方向の変位ＬＢと、脚部Ｓ１の先端部Ｓ１Ｂの回転の半径ＲＢと、支持構造体Ｓの回転の角度θＡとは、下記の式（６）の関係を満たす。
【００５４】
【数１３】
【００５５】
また、初期計測点Ｐ０の計測方向の変位ＬＭと、初期計測点Ｐ０の回転の半径Ｒと、初期計測点Ｐ０の高さＨと、初期状態での半径Ｒの角度θ０及び支持構造体Ｓの回転の角度θＡは、下記の式（７）の関係を満たす。
【００５６】
【数１４】
【００５７】
ここで、角度θ０は、初期状態においてターゲット２の初期計測点Ｐ０と支持構造体Ｓの回転中心ＲＣとを結ぶ直線が基準面ＢＬとなす鋭角であるので、角度θ０と、半径Ｒと、高さＨとは、下記の式（８）の関係を満たす。
【００５８】
【数１５】
【００５９】
式（８）と式（７）により、変位ＬＭ、半径Ｒ、高さＨ、角度θＡは、下記の式（９）の関係を満たす。
【００６０】
【数１６】
【００６１】
ここで、支持構造体Ｓの回転の角度θＡが十分に小さい範囲であれば、下記の近似式（１０）の関係が成立する。
【００６２】
【数１７】
【００６３】
近似式（１０）を式（９）に適用し、式（６）に代入することで、上記の式（Ｄ）の関係を導くことができる。
【００６４】
次に、本実施形態の作用について説明する。
図１に示す支持構造体Ｓの台座部Ｓ２上に配置された振動発生源に振動が発生すると、台座部Ｓ２は矢印Ｆの方向に加振される。台座部Ｓ２が加振されると、加振方向に配置された一方の脚部Ｓ１の先端部Ｓ１Ｂが、基準面ＢＬ上の他方の脚部Ｓ３の先端部を回転中心ＲＣとする回転により、基準面ＢＬから浮き上がる。
【００６５】
このとき、図４に示すように、ターゲット２のセンサ部４による計測点Ｐ１は、支持構造体Ｓの回転によって、計測面２ａ上を初期計測点Ｐ０からみて支持構造体Ｓの外側方向（回転中心ＲＣから遠ざかる方向）に平坦面２ｂと平行に変位Ｌだけ相対的に変位する。また、支持構造体Ｓが角度θＡ回転すると、図５（ｂ）に示すように、ターゲットの計測面２の平坦面２ｂ（ターゲット２の延在方向）が基準面ＢＬに対して角度θＡだけ傾いた状態となる。
【００６６】
ここで、図６は、横軸を変位Ｌ、縦軸を変位誤差δとし、変位Ｌと変位誤差δとの関係を示すグラフである。例えば、半径Ｒが５００ｍｍ、高さＨが２０ｍｍ、角度θＡが７．５度である場合には、図６に示すように、変位Ｌが最大で約７ｍｍ程度となる。このとき、図４に示すように、ターゲット２の計測面２ａに補償面２ｃが形成されず、平坦面２ｂのみで形成されていた場合には、初期計測点Ｐ０の変位ＬＭと計測点Ｐ１の変位ＬＰとの間に約４．５ｍｍの変位誤差δが生じる。この際の初期計測点Ｐ０の浮き上がりの変位ＬＭは、約６５．３ｍｍであり、約６．９％の計測誤差δが生じてしまう。
【００６７】
ここで、本実施形態では、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、ターゲット２の計測面２ａの初期計測点Ｐ０から支持構造体Ｓの外側方向に、ターゲット２の回転による計測方向の変位誤差δを補償する補償面２ｃが形成されている。
すなわち、図５（ｂ）に示すように、ターゲット２の計測面２ａに、補償面２ｃが、計測点Ｐ１が初期計測点Ｐ０から平坦面２ｂ（ターゲット２の延在方向）と平行に変位Ｌだけ変位したときに、平坦面２ｂと垂直な方向に補償変位δ´だけセンサ本体３から遠ざかるように形成されている。そのため、補償面２ｃは、初期計測点Ｐ０からみて基準面ＢＬと平行に変位ａだけ変位した計測点Ｐ１において、センサ部４の計測方向に、変位誤差δだけセンサ本体３から遠ざかる。これにより、支持構造体Ｓが角度θＡ回転したときに、初期計測点Ｐ０の基準面ＢＬからの高さＨと、計測点Ｐ１の基準面ＢＬからの高さＨ´を略等しくすることができる。
【００６８】
すなわち、支持構造体Ｓが角度θＡ回転したときに、センサ本体３と計測点Ｐ１との計測方向の距離が、センサ本体３と初期計測点Ｐ０との計測方向の距離と略等しくなる。そのため、計測面２ａ上の計測点Ｐ０が、支持構造体Ｓの回転によって回転中心ＲＣから相対的に遠ざかるように移動しても、補償面２ｃにより、ターゲット２の計測方向の変位誤差δを補償することができる。したがって、センサ部４によってセンサ本体３と補償面２ｃ上の計測点Ｐ１との距離を計測することで、初期計測点Ｐ０の計測方向への変位ＬＭを正確に計測することができる。これにより、変位ＬＭの計測誤差を０％に近い値とすることができる。
【００６９】
センサ部４によって計測されたターゲット２の計測面２ａとセンサ本体３との距離は、図２に示す演算部５に電気的な信号として出力される。そして、演算部５のＣＰＵは、センサ部４からの出力に基づく初期計測点Ｐ０の計測方向への変位ＬＭと、メモリに保存された上記の式（Ｄ）の関係とを用いて、支持構造体Ｓの脚部Ｓ１の先端部Ｓ１Ｂの浮き上がりの変位ＬＢを算出する。このとき、変位ＬＭが変位誤差δを含まない正確な変位であるため、脚部Ｓ１の先端部Ｓ１Ｂの基準面ＢＬに垂直な計測方向の変位を正確に算出することができる。
【００７０】
なお、角度θＡが約７．５度である場合には、近似式（１０）による誤差は、補償面２ｃを形成しない場合の約０．３％である。したがって、近似式（１０）を用いたとしても、十分に正確な変位ＬＢを算出することができる。
【００７１】
また、ターゲット２の計測面２ａの補償面２ｃを機械加工により形成したり、板状のターゲット２を塑性変形させたり、あるいは材料を型に流し込んでターゲット２を形成することで、ターゲット２の計測面２ａに所望の形状の補償面２ｃを形成することができる。
特に、マシニングセンター等を用いて機械加工することで、より精密な形状の補償面２ｃを形成することができる。
【００７２】
以上説明したように、本実施形態の変位計測装置１によれば、基準面ＢＬ上に回転中心ＲＣを有する回転によって浮上する支持構造体Ｓの脚部Ｓ１の変位ＬＢの計測において、計測方向の変位誤差δを補償し、脚部Ｓ１の先端部Ｓ１Ｂの初期位置から基準面ＢＬに垂直な計測方向への変位ＬＢを正確に計測することができる。
【００７３】
＜第二実施形態＞
次に、本発明の第二実施形態について、図１〜図５を援用し、図７を用いて説明する。本実施形態では補償面２ｃの形状が上述の第一実施形態で説明した変位計測装置１と異なっている。その他の点は第一実施形態と同様であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明は省略する。
【００７４】
本実施形態では、第一実施形態で説明した式（Ａ）に既知のパラメータである半径Ｒと高さＨの数値を代入して二次近似することで、下記の式（Ｂ）を満たす変位誤差δを求める。
【００７５】
【数１８】
【００７６】
あるいは、式（Ａ）に既知のパラメータである半径Ｒと高さＨの数値を代入して線形近似することで、下記の式（Ｃ）を満たす変位誤差δを求める。
【００７７】
【数１９】
【００７８】
そして、第一実施形態度と同様に補償変位δ´を求める。次いで、補償面２ｃの形状を、図３（ａ）または図３（ｂ）に示すように、初期計測点Ｐ０から平坦面２ｂに平行に変位Ｌだけ変位したときに、平坦面２ｂと垂直な方向に補償変位δ´だけ変位するように形成する。
【００７９】
図７は、横軸を変位Ｌ、縦軸を変位誤差δとし、変位Ｌと変位誤差δとの関係を示すグラフである。図中、実線は二次近似による変位誤差δと変位Ｌとの関係を表し、破線は線形近似による変位誤差δと変位Ｌとの関係を表している。
第一実施形態と同様に、例えば、半径Ｒが５００ｍｍ、高さＨが２０ｍｍ、角度θＡが７．５度である場合には、上記の式（Ｂ）及び式（Ｃ）は、それぞれ下記の式（Ｂ´）及び式（Ｃ´）で表される。
【００８０】
δ＝−０．００７７９２・Ｌ２＋０．７０５２・Ｌ−０．００２０５７ …（Ｂ´）
δ＝０．６５５７・Ｌ＋０．０４２９６ …（Ｃ´）
【００８１】
すなわち、本実施形態では、支持構造体Ｓが角度θＡ回転したときに、ターゲット２の計測面２ａのセンサ部４による計測点Ｐ１が、式（Ｂ´）及び式（Ｃ´）を満たす変位誤差δだけ、センサ本体３から遠ざかるように、補償面２ｃが形成されている。
したがって、本実施形態で発生する計測方向の計測誤差は、図６に示す変位Ｌにおける第一実施形態の変位誤差δと、図７に変位Ｌにおける本実施形態の変位誤差δとの差分である。
【００８２】
したがって、図６及び図７から、二次近似の場合における計測誤差の最大値は、約０．０８ｍｍとなる。また、線形近似の場合における計測誤差の最大値は、約０．０００４ｍｍとなる。
すなわち、ターゲット２の計測面２ａに補償面２ｃを形成せず、平坦面２ｂのみで形成した場合に、約４．５ｍｍの計測誤差が発生するのに対し、式（Ｂ）の二次近似による変位誤差δを補償するように補償面２ｃを形成することで、第一実施形態と同様に、計測誤差を０％に近づけることができる。また、式（Ｃ）の線形近似による変位誤差δを補償するように補償面２ｃを形成することで、計測誤差を約４５分の１の約０．１ｍｍ以下に低減することができる。
【００８３】
また、式（Ｂ）または式（Ｃ）の近似式を用いることで、第一実施形態と比較して補償面２ｃの形状を簡略化し、ターゲット２の製造を容易にすることができる。
【００８４】
以上説明したように、本実施形態によれば、第一実施形態と同様に、回転状態で浮上する脚部Ｓ１の初期位置から計測方向への浮き上がりの変位ＬＢを正確に計測することができる。加えて、ターゲット２の製造を容易にすることができる。
【００８５】
尚、この発明は上述した実施の形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、上述の実施形態では、センサ部を構造体の外側に配置したが、センサ部は構造体の内側に配置してもよい。この場合には、脚部の内側の側面から構造体の内側に向けてターゲットを延在させ、ターゲットの計測面に上述の実施形態と同様の補償面を形成すればよい。
また、ターゲットの計測面の初期計測点の基準面からの高さは０であってもよい。この場合には、式（Ａ）から高さＨを消去することができる。
また、本発明の変位計測装置の被測定物は上述の支持構造体の脚部に限られず、回転状態で移動する様々な被測定物に適用可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００８６】
１ 変位計測装置、２ ターゲット、２ａ 計測面、２ｃ 補償面、３ センサ本体、４ センサ部、５ 演算部、ＢＬ 基準面、Ｈ 高さ、Ｌ，ＬＢ，ＬＭ 変位、Ｐ０ 初期計測点、Ｐ１ 計測点、Ｒ，ＲＢ 半径、ＲＣ 回転中心、Ｓ１ 脚部（被測定物）、δ 変位誤差
【技術分野】
【０００１】
この発明は、変位計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、被測定物の変位を検出する計測装置が知られている。このような計測装置として、センサから被測定物に検出光を照射し、その反射光を受光して被測定物の振動を計測するものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−１６７６０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の計測装置では、回転状態で変位する被測定物の変位をセンサによって計測する際に、センサの計測方向への被測定物の変位を正確に計測することができないという課題がある。
例えば、架台等の支持構造体の台座に駆動装置等の振動発生源を固定すると、台座は振動発生源によって水平方向に加振される。すると、台座の加振方向の両端に配置され、鉛直方向下方に延びる脚部の先端部が、交互に鉛直方向上方に浮き上がるような振動が発生する。このとき、浮き上がった脚部の先端部は、反対側の接地した脚部の先端部を回転中心とする回転状態で浮上する。
【０００５】
このような脚部の先端部の鉛直方向の浮き上がりの変位を計測するためには、次のような方法が考えられる。例えば、脚部の側面に水平方向に延びる板状のターゲットを取り付けて、ターゲットの計測面の鉛直方向上方にセンサを配置する。そして、変位を計測する計測方向を鉛直方向とするセンサにより、ターゲットの鉛直方向の変位を計測する。センサは、初期位置におけるターゲットまでの距離と、脚部が浮上した後のターゲットまでの距離とを計測し、これらの差を鉛直方向の浮き上がりの変位として計測する。
【０００６】
しかし、脚部に固定されたターゲットは、支持構造体の加振方向の反対側の脚部の先端部を中心とする回転により浮上している。また、センサは鉛直方向を計測方向として、ターゲットの鉛直方向上方に配置されている。
そのため、脚部が浮上したときのターゲットの計測点は、初期位置におけるターゲットの計測点から、回転の半径方向に回転中心から遠ざかるようにずれてしまう。これにより、実際のターゲットの鉛直方向上方への変位よりも、計測されるターゲットの鉛直方向上方への変位の方が大きくなってしまう。
したがって、このような場合には、ターゲットの初期位置からセンサの計測方向である鉛直方向への変位を正確に計測することができず、被測定物である脚部の計測方向の変位の測定も不正確になる。
【０００７】
そこで、この発明は、回転によって変位する被測定物の変位の計測において、被測定物の初期位置から計測方向への変位を正確に計測することができる変位計測装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明の変位計測装置は、基準面上に回転中心を有する回転により前記基準面上の初期位置から浮上する被測定物の前記基準面に垂直な計測方向の変位を計測する変位計測装置であって、前記被測定物に設けられ、前記初期位置において前記基準面と平行な延在方向に延びるように形成されたターゲットと、センサ本体を備えかつ前記ターゲットと前記センサ本体との前記計測方向の距離を計測するセンサ部と、前記センサ部からの出力に基づいて前記被測定物の前記計測方向の変位を算出する演算部と、を有し、前記ターゲットの前記センサ本体に対向する計測面には、前記回転による前記計測方向の変位誤差を補償する形状の補償面が形成されていることを特徴とする。
【０００９】
このように構成することで、被測定物が回転により基準面から浮上すると、ターゲットの計測面上のセンサ部による計測点が、回転中心から相対的に遠ざかるようにずれていく。このため、センサ部は、初期位置におけるターゲットの計測面の初期計測点よりも回転中心から遠い計測点とセンサ本体との距離を計測することになる。しかし、本発明では計測面に補償面が形成されている。そのため、被測定物の回転により計測点が初期計測点からずれた場合でも、センサ部により補償面上の計測点とセンサ本体との距離を計測することで、計測点の計測方向の変位の誤差（変位誤差）を補償することができる。これにより、初期計測点の計測方向の変位を正確に計測することができる。したがって、回転により基準面から浮上する被測定物の計測方向の変位を正確に測定することができる。
【００１０】
また、本発明の変位計測装置は、前記変位誤差δと、前記被測定物の前記初期位置における前記計測面上の前記センサ部による計測点である初期計測点と前記回転中心とを結ぶ半径Ｒと、前記基準面から前記初期計測点までの高さＨと、前記初期計測点から前記回転により前記計測点が前記延在方向にずれる変位Ｌとが、式（Ａ）の関係を満たすことを特徴とする。
【００１１】
【数１】
【００１２】
このように構成することで、センサ部による計測面上の計測点が、被測定物の回転により初期計測点からターゲットの延在方向に変位Ｌだけずれると、補償面上の計測点は変位誤差δ分だけセンサ本体から計測方向に遠ざかる。これにより、計測点とセンサ本体との計測方向の距離が、初期計測点とセンサ本体との計測方向の距離と略等しくなる。そのため、計測点が計測面上を回転中心から相対的に遠ざかるようにずれても、センサ部によってセンサ本体と補償面上の計測点との計測方向の距離を計測し、初期計測点の計測方向への変位を正確に測定することができる。したがって、補償面により、回転によるターゲットの計測方向の変位誤差δを補償することができる。
【００１３】
また、本発明の変位計測装置は、前記変位誤差δと、前記被測定物の前記初期位置における前記計測面上の前記センサ部による計測点である初期計測点から、前記回転により前記計測点が前記ターゲットの前記延在方向にずれる変位Ｌとが、式（Ｂ）の関係を満たすことを特徴とする。
【００１４】
【数２】
【００１５】
このように構成することで、センサ部による計測面上の計測点が、被測定物の回転により初期計測点からターゲットの延在方向に変位Ｌだけずれると、補償面上の計測点は変位誤差δ分だけセンサ本体から計測方向に遠ざかる。これにより、計測点とセンサ本体との計測方向の距離が、初期計測点とセンサ本体との計測方向の距離と略等しくなる。そのため、計測点が計測面上を回転中心から相対的に遠ざかるようにずれても、センサ部によってセンサ本体と補償面上の計測点との計測方向の距離を計測し、初期計測点の計測方向への変位を正確に測定することができる。したがって、補償面により、回転によるターゲットの計測方向の変位誤差δを補償することができる。
また、式（Ｂ）は式（Ａ）の二次近似式であり、式（Ａ）を用いる場合よりも補償面の形状をより簡略化し、ターゲットの製造を容易にすることができる。
【００１６】
また、本発明の変位計測装置は、前記変位誤差δと、前記被測定物の前記初期位置における前記計測面上の前記センサ部による計測点である初期計測点から、前記回転により前記計測点が前記ターゲットの前記延在方向にずれる変位Ｌとが、式（Ｃ）の関係を満たすことを特徴とする。
【００１７】
【数３】
【００１８】
このように構成することで、センサ部による計測面上の計測点が、被測定物の回転により初期計測点からターゲットの延在方向に変位Ｌだけずれると、補償面上の計測点は変位誤差δ分だけセンサ本体から計測方向に遠ざかる。これにより、計測点とセンサ本体との計測方向の距離が、初期計測点とセンサ本体との計測方向の距離と略等しくなる。そのため、計測点が計測面上を回転中心から相対的に遠ざかるようにずれても、センサ部によってセンサ本体と補償面上の計測点との計測方向の距離を計測し、初期計測点の計測方向への変位を正確に測定することができる。したがって、補償面により、回転によるターゲットの計測方向の変位誤差δを補償することができる。
また、式（Ｃ）は式（Ａ）の線形近似式であり、式（Ａ）及び式（Ｂ）を用いる場合よりも補償面の形状をより簡略化し、ターゲットの製造を容易にすることができる。
【００１９】
また、本発明の変位計測装置は、前記演算部は、前記被測定物の前記初期位置における前記計測面上の前記センサ部による計測点である初期計測点と前記回転中心とを結ぶ半径Ｒと、前記被測定物と前記回転中心とを結ぶ半径ＲＢと、前記被測定物の前記計測方向の変位ＬＢと、前記センサ部からの出力に基づく前記初期計測点の前記計測方向への変位ＬＭと、が満たす式（Ｄ）の関係により、前記変位ＬＢを算出することを特徴とする。
【００２０】
【数４】
【００２１】
このように構成することで、ターゲットの計測面の初期計測点の計測方向への変位から被測定物の計測方向の変位を算出することができる。
【００２２】
また、本発明の変位計測装置は、前記補償面は、前記ターゲットの前記計測面を機械加工することにより形成されていることを特徴とする。
また、本発明の変位計測装置は、前記補償面は、前記ターゲットの前記計測面を塑性変形させることにより形成されていることを特徴とする。
【００２３】
このように構成することで、ターゲットの計測面に所望の形状の補償面を形成することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の変位計測装置によれば、回転状態で浮上する被測定物の初期位置から計測方向への浮き上がりの変位を正確に計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第一実施形態における変位計測装置を示す断面図である。
【図２】図１の部分拡大図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第一実施形態におけるターゲットの側面図である。
【図４】本発明の第一実施形態における支持構造体とターゲットとの位置関係を示す模式図である。
【図５】本発明の第一実施形態におけるターゲットであり、（ａ）は初期状態、（Ｂ）は回転状態を示す側面図である。
【図６】本発明の第一実施形態における計測誤差を縦軸、初期計測点から計測点までの変位を横軸として、計測誤差と変位との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の第二実施形態における計測誤差を縦軸、初期計測点から計測点までの変位を横軸として、計測誤差と変位との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
＜第一実施形態＞
以下、本発明の第一実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各図面では、各部材の関係を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各部材ごとに縮尺を適宜変更している。
図１は、本実施形態の変位計測装置の概略構成を示す断面図である。図２は、図１の部分拡大図である。
【００２７】
図１に示す変位計測装置１は、基準面ＢＬ上の初期位置に配置された支持構造体Ｓの脚部Ｓ１の、基準面ＢＬに垂直な計測方向への変位を計測する装置である。変位計測装置１は、主に、支持構造体Ｓに設けられたターゲット２と、ターゲット２とセンサ本体３との距離を計測するセンサ部４と、センサ部４から出力された信号から支持構造体Ｓの脚部Ｓ１変位を算出する演算部５（図２参照）と、により構成されている。
【００２８】
支持構造体Ｓには基準面ＢＬと略平行に台座部Ｓ２が設けられている。台座部Ｓ２上には、例えば駆動装置等の振動発生源（図示省略）が配置されている。台座部Ｓ２の両側には、台座部Ｓ２を支持する脚部Ｓ１，Ｓ３が基準面と略垂直に設けられている。支持構造体Ｓの脚部Ｓ１には、センサ部４の測定対象物である板状のターゲット２が固定されている。ターゲット２は、変位計測装置１の被測定物である脚部Ｓ１の側面に固定されている。また、ターゲット２は、支持構造体Ｓが基準面ＢＬ上の初期位置に静止状態で配置された初期状態において、基準面ＢＬと略平行な延在方向に、支持構造体Ｓの外側に向けて延びるように形成されている。
【００２９】
支持構造体Ｓの外側には、脚部Ｓ１に隣接してセンサ部４が設けられている。
図２に示すように、センサ部４はセンサ本体３を備え、センサ本体３には演算部５が接続されている。センサ本体３としては、例えば光学式変位センサや渦電流センサ等、センサ本体３とターゲット２との距離を計測して、電気的な信号として演算部５に出力可能なものが用いられる。センサ本体３は、支持部材６によりターゲット２の計測面２ａに対向する位置に固定されている。
【００３０】
支持構造体Ｓの初期状態において、センサ本体３は、ターゲット２の計測面２ａの初期計測点Ｐ０から基準面ＢＬに略垂直な方向に離間した位置に配置されている。本実施形態では、この基準面ＢＬに垂直な方向がセンサ部４の計測方向となっている。ここで、支持構造体Ｓのセンサ本体３と計測面２ａとの距離は、脚部Ｓ１の浮き上がりの変位ＬＢとセンサ本体３の測定範囲を考慮して決定する。
演算部５は、ＣＰＵ等のＩＣチップやメモリ等（図示省略）を備えている。演算部５のメモリには、センサ部４が出力した信号に基づくターゲット２の計測面２ａの変位ＬＭから、脚部Ｓ１の変位ＬＢを算出可能な計算式等が記憶されている。
【００３１】
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、ターゲット２の計測面２ａの形状を示す側面図である。
図３（ａ）に示すように、本実施形態のターゲット２は、初期状態で基準面ＢＬに略平行な延在方向に延びるように形成されている。ターゲット２は、例えば金属や樹脂等の材料をマシニングセンター等により機械加工することにより形成されている。
ターゲット２は、図３（ｂ）に示すように、金属板等を塑性変形させることにより形成してもよい。また、ターゲット２は、ターゲット２の形状に対応する形状の型に材料を流し込んで形成してもよい。
【００３２】
図３（ａ）に示すように、ターゲット２の計測面２ａは、初期状態において基準面ＢＬと略平行に設けられた平坦面２ｂを備えている。平坦面２ｂは、支持構造体Ｓの脚部Ｓ１の側面の固定部からセンサ部４による初期計測点Ｐ０まで形成されている。計測面２ａの初期計測点Ｐ０から支持構造体Ｓの外側方向には、センサ本体３から計測方向に遠ざかるように傾斜する補償面２ｃが形成されている。
【００３３】
図４は、支持構造体Ｓとターゲット２との位置関係を示す模式図である。図４に示す模式図では、説明を分かりやすくするため、補償面２ｃの図示を省略してターゲット２の平坦面２ｂを補償面２ｃの形成領域まで延長して表している。実際には、ターゲット２の計測面２ａの初期計測点Ｐ０よりも支持構造体Ｓの外側方向に、図３に示すような補償面２ｃが形成されている。
【００３４】
ここで、支持構造体Ｓは、図１に示すように、台座部Ｓ２が矢印Ｆ方向に加振されると、一方の脚部Ｓ１が基準面から回転状態で浮き上がる。このときの支持構造体Ｓの回転中心ＲＣは浮き上がった脚部Ｓ１の反対側の脚部Ｓ３の先端部となる。このとき、図４に示すように、初期状態におけるターゲット２の計測面２ａ上の初期計測点Ｐ０は、支持構造体Ｓの回転によって、脚部Ｓ３の先端部（回転中心ＲＣ）を中心とする円弧ＣＡに沿って変位する。そのため、初期計測点Ｐ０は、基準面ＢＬに垂直な計測方向にセンサ本体３に近づくように変位すると共に、基準面ＢＬに平行な方向に回転中心ＲＣに近づくように変位する。
【００３５】
センサ本体３は、初期状態においてターゲット２の初期計測点Ｐ０との距離を計測した位置に固定されている。そのため、ターゲット２の計測面２ａ上の計測点Ｐ１は、支持構造体Ｓの回転により、ターゲット２の初期計測点Ｐ０から見て回転中心ＲＣから遠ざかる方向に相対的に移動する。そのため、ターゲット２の平坦面２ｂが初期計測点Ｐ０よりも支持構造体Ｓの外側に延長して形成されていた場合には、初期状態における初期計測点Ｐ０から計測方向への計測点Ｐ１の変位ＬＰは、初期計測点Ｐ０の計測方向への変位ＬＭよりも大きくなる。したがって、計測面２ａ上の初期計測点Ｐ０と実際の計測点Ｐ１との間には計測方向の変位誤差δが発生する。ここで、変位誤差δは、下記の式（Ａ）の関係を満たしている。
【００３６】
【数５】
【００３７】
式（Ａ）において、変位Ｌは、支持構造体Ｓの回転により計測点Ｐ１が初期計測点Ｐ０からターゲット２の延在方向へずれる変位である。半径Ｒは、センサ部４によるターゲット２の初期計測点Ｐ０と支持構造体Ｓの回転中心ＲＣとを結ぶ半径である。高さＨは、初期状態におけるターゲット２の初期計測点Ｐ０の基準面ＢＬからの高さである。
【００３８】
変位誤差δは、以下の手順により求めることができる。
図４に示すように、初期状態において半径Ｒと基準面ＢＬとがなす鋭角を角度θ０とし、支持構造体Ｓの回転角度を角度θＡとする。また、支持構造体Ｓが角度θＡ回転したときの、初期計測点Ｐ０と計測点Ｐ１との基準面ＢＬに平行な方向の距離を距離ａとする。
このとき、下記の式（１）、式（２）及び式（３）の関係が成立する。
【００３９】
【数６】
【数７】
【数８】
【００４０】
式（１）〜式（３）から角度θＡ、角度θ０を消去すると、以下の式（４）の関係が得られる。
【００４１】
【数９】
【００４２】
また、式（１）及び式（２）から、計測誤差δ、変位Ｌ及び変位ａは、以下の式（５）の関係を満たす。
【００４３】
【数１０】
【００４４】
式（４）を式（５）に代入することで、計測誤差δ、変位Ｌ、半径Ｒ及び高さＨが満たす上記の式（Ａ）の関係が得られる。
【００４５】
本実施形態では、図３に示すように、ターゲット２の計測面２ａに、計測誤差δを補償する補償面２ｃが形成されている。すなわち、図４に示すように支持構造体Ｓが角度θＡ回転すると、図５（ａ）に示すように初期状態で基準面ＢＬと略平行だったターゲット２の平坦面２ｂ（ターゲット２の延在方向）が、図５（ｂ）に示すように基準面ＢＬに対して角度θＡだけ傾く。また、センサ部４による計測面２ａ上の計測点Ｐ１が、初期計測点Ｐ０から支持構造体Ｓの外側方向に、ターゲット２の延在方向と平行に変位Ｌだけ移動する。このとき、補償面２ｃは、平坦面２ｂから平行に伸ばした補助線と、センサ本体３と計測点Ｐ１とを結ぶ線と、の交点Ｘよりも、変位誤差δ分だけ、センサ本体３から遠ざかるように形成されている。
【００４６】
すなわち、補償面２ｃは、平坦面２ｂの法線方向については、図３（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、計測面２ａ上の初期計測点Ｐ０から平坦面２ｂ（ターゲット２の延在方向）と平行に変位Ｌだけ変位したときに、補償変位δ´だけセンサ本体３から遠ざかるように形成されている。
ここで、補償変位δ´と、計測誤差δと、角度θＡとは、下記の式（Ｅ）の関係を満たしている。
【００４７】
δ´＝δ／ｃｏｓθＡ ・・・（Ｅ）
【００４８】
また、式（Ｅ）と、式（２）及び式（４）から下記の式（Ａ´）の関係が得られる。
【００４９】
【数１１】
【００５０】
したがって、図３（ａ）に示すように、ターゲット２の計測面２ａの補償面２ｃを機械加工により形成する際には、次のように形成することができる。例えばマシニングセンター等により、式（Ａ´）に基づいて、初期計測点Ｐ０から平坦面２ｂに平行に変位Ｌだけ変位したときに、平坦面２ｂと垂直な方向に補償変位δ´だけ変位するように加工する。
また、図３（ｂ）に示すように、板状のターゲット２を塑性変形させて計測面２ａの補償面２ｃを形成する場合には、例えば式（Ａ´）に基づいて型を製作して、板材をプレス加工することにより形成することができる。
また、補償面２ｃに対応する形状の型を形成し、型に材料を流し込んで補償面２ｃを有するターゲット２を形成してもよい。
【００５１】
一方、図２に示す演算部５のメモリには、支持構造体Ｓの脚部Ｓ１の浮き上がり変位ＬＢと、図４に示す回転中心ＲＣと初期計測点Ｐ０とを結ぶ半径Ｒと、回転中心ＲＣと脚部Ｓ１の先端部Ｓ１Ｂとを結ぶ回転半径である半径ＲＢと、センサ部４によって計測したターゲット２の初期計測点Ｐ０の計測方向への浮き上がりの変位ＬＭとが満たす下記の式（Ｄ）の関係が保存されている。
【００５２】
【数１２】
【００５３】
式（Ｄ）の関係は、以下の手順により求めることができる。
図４に示すように、脚部Ｓ１の計測方向の変位ＬＢと、脚部Ｓ１の先端部Ｓ１Ｂの回転の半径ＲＢと、支持構造体Ｓの回転の角度θＡとは、下記の式（６）の関係を満たす。
【００５４】
【数１３】
【００５５】
また、初期計測点Ｐ０の計測方向の変位ＬＭと、初期計測点Ｐ０の回転の半径Ｒと、初期計測点Ｐ０の高さＨと、初期状態での半径Ｒの角度θ０及び支持構造体Ｓの回転の角度θＡは、下記の式（７）の関係を満たす。
【００５６】
【数１４】
【００５７】
ここで、角度θ０は、初期状態においてターゲット２の初期計測点Ｐ０と支持構造体Ｓの回転中心ＲＣとを結ぶ直線が基準面ＢＬとなす鋭角であるので、角度θ０と、半径Ｒと、高さＨとは、下記の式（８）の関係を満たす。
【００５８】
【数１５】
【００５９】
式（８）と式（７）により、変位ＬＭ、半径Ｒ、高さＨ、角度θＡは、下記の式（９）の関係を満たす。
【００６０】
【数１６】
【００６１】
ここで、支持構造体Ｓの回転の角度θＡが十分に小さい範囲であれば、下記の近似式（１０）の関係が成立する。
【００６２】
【数１７】
【００６３】
近似式（１０）を式（９）に適用し、式（６）に代入することで、上記の式（Ｄ）の関係を導くことができる。
【００６４】
次に、本実施形態の作用について説明する。
図１に示す支持構造体Ｓの台座部Ｓ２上に配置された振動発生源に振動が発生すると、台座部Ｓ２は矢印Ｆの方向に加振される。台座部Ｓ２が加振されると、加振方向に配置された一方の脚部Ｓ１の先端部Ｓ１Ｂが、基準面ＢＬ上の他方の脚部Ｓ３の先端部を回転中心ＲＣとする回転により、基準面ＢＬから浮き上がる。
【００６５】
このとき、図４に示すように、ターゲット２のセンサ部４による計測点Ｐ１は、支持構造体Ｓの回転によって、計測面２ａ上を初期計測点Ｐ０からみて支持構造体Ｓの外側方向（回転中心ＲＣから遠ざかる方向）に平坦面２ｂと平行に変位Ｌだけ相対的に変位する。また、支持構造体Ｓが角度θＡ回転すると、図５（ｂ）に示すように、ターゲットの計測面２の平坦面２ｂ（ターゲット２の延在方向）が基準面ＢＬに対して角度θＡだけ傾いた状態となる。
【００６６】
ここで、図６は、横軸を変位Ｌ、縦軸を変位誤差δとし、変位Ｌと変位誤差δとの関係を示すグラフである。例えば、半径Ｒが５００ｍｍ、高さＨが２０ｍｍ、角度θＡが７．５度である場合には、図６に示すように、変位Ｌが最大で約７ｍｍ程度となる。このとき、図４に示すように、ターゲット２の計測面２ａに補償面２ｃが形成されず、平坦面２ｂのみで形成されていた場合には、初期計測点Ｐ０の変位ＬＭと計測点Ｐ１の変位ＬＰとの間に約４．５ｍｍの変位誤差δが生じる。この際の初期計測点Ｐ０の浮き上がりの変位ＬＭは、約６５．３ｍｍであり、約６．９％の計測誤差δが生じてしまう。
【００６７】
ここで、本実施形態では、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、ターゲット２の計測面２ａの初期計測点Ｐ０から支持構造体Ｓの外側方向に、ターゲット２の回転による計測方向の変位誤差δを補償する補償面２ｃが形成されている。
すなわち、図５（ｂ）に示すように、ターゲット２の計測面２ａに、補償面２ｃが、計測点Ｐ１が初期計測点Ｐ０から平坦面２ｂ（ターゲット２の延在方向）と平行に変位Ｌだけ変位したときに、平坦面２ｂと垂直な方向に補償変位δ´だけセンサ本体３から遠ざかるように形成されている。そのため、補償面２ｃは、初期計測点Ｐ０からみて基準面ＢＬと平行に変位ａだけ変位した計測点Ｐ１において、センサ部４の計測方向に、変位誤差δだけセンサ本体３から遠ざかる。これにより、支持構造体Ｓが角度θＡ回転したときに、初期計測点Ｐ０の基準面ＢＬからの高さＨと、計測点Ｐ１の基準面ＢＬからの高さＨ´を略等しくすることができる。
【００６８】
すなわち、支持構造体Ｓが角度θＡ回転したときに、センサ本体３と計測点Ｐ１との計測方向の距離が、センサ本体３と初期計測点Ｐ０との計測方向の距離と略等しくなる。そのため、計測面２ａ上の計測点Ｐ０が、支持構造体Ｓの回転によって回転中心ＲＣから相対的に遠ざかるように移動しても、補償面２ｃにより、ターゲット２の計測方向の変位誤差δを補償することができる。したがって、センサ部４によってセンサ本体３と補償面２ｃ上の計測点Ｐ１との距離を計測することで、初期計測点Ｐ０の計測方向への変位ＬＭを正確に計測することができる。これにより、変位ＬＭの計測誤差を０％に近い値とすることができる。
【００６９】
センサ部４によって計測されたターゲット２の計測面２ａとセンサ本体３との距離は、図２に示す演算部５に電気的な信号として出力される。そして、演算部５のＣＰＵは、センサ部４からの出力に基づく初期計測点Ｐ０の計測方向への変位ＬＭと、メモリに保存された上記の式（Ｄ）の関係とを用いて、支持構造体Ｓの脚部Ｓ１の先端部Ｓ１Ｂの浮き上がりの変位ＬＢを算出する。このとき、変位ＬＭが変位誤差δを含まない正確な変位であるため、脚部Ｓ１の先端部Ｓ１Ｂの基準面ＢＬに垂直な計測方向の変位を正確に算出することができる。
【００７０】
なお、角度θＡが約７．５度である場合には、近似式（１０）による誤差は、補償面２ｃを形成しない場合の約０．３％である。したがって、近似式（１０）を用いたとしても、十分に正確な変位ＬＢを算出することができる。
【００７１】
また、ターゲット２の計測面２ａの補償面２ｃを機械加工により形成したり、板状のターゲット２を塑性変形させたり、あるいは材料を型に流し込んでターゲット２を形成することで、ターゲット２の計測面２ａに所望の形状の補償面２ｃを形成することができる。
特に、マシニングセンター等を用いて機械加工することで、より精密な形状の補償面２ｃを形成することができる。
【００７２】
以上説明したように、本実施形態の変位計測装置１によれば、基準面ＢＬ上に回転中心ＲＣを有する回転によって浮上する支持構造体Ｓの脚部Ｓ１の変位ＬＢの計測において、計測方向の変位誤差δを補償し、脚部Ｓ１の先端部Ｓ１Ｂの初期位置から基準面ＢＬに垂直な計測方向への変位ＬＢを正確に計測することができる。
【００７３】
＜第二実施形態＞
次に、本発明の第二実施形態について、図１〜図５を援用し、図７を用いて説明する。本実施形態では補償面２ｃの形状が上述の第一実施形態で説明した変位計測装置１と異なっている。その他の点は第一実施形態と同様であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明は省略する。
【００７４】
本実施形態では、第一実施形態で説明した式（Ａ）に既知のパラメータである半径Ｒと高さＨの数値を代入して二次近似することで、下記の式（Ｂ）を満たす変位誤差δを求める。
【００７５】
【数１８】
【００７６】
あるいは、式（Ａ）に既知のパラメータである半径Ｒと高さＨの数値を代入して線形近似することで、下記の式（Ｃ）を満たす変位誤差δを求める。
【００７７】
【数１９】
【００７８】
そして、第一実施形態度と同様に補償変位δ´を求める。次いで、補償面２ｃの形状を、図３（ａ）または図３（ｂ）に示すように、初期計測点Ｐ０から平坦面２ｂに平行に変位Ｌだけ変位したときに、平坦面２ｂと垂直な方向に補償変位δ´だけ変位するように形成する。
【００７９】
図７は、横軸を変位Ｌ、縦軸を変位誤差δとし、変位Ｌと変位誤差δとの関係を示すグラフである。図中、実線は二次近似による変位誤差δと変位Ｌとの関係を表し、破線は線形近似による変位誤差δと変位Ｌとの関係を表している。
第一実施形態と同様に、例えば、半径Ｒが５００ｍｍ、高さＨが２０ｍｍ、角度θＡが７．５度である場合には、上記の式（Ｂ）及び式（Ｃ）は、それぞれ下記の式（Ｂ´）及び式（Ｃ´）で表される。
【００８０】
δ＝−０．００７７９２・Ｌ２＋０．７０５２・Ｌ−０．００２０５７ …（Ｂ´）
δ＝０．６５５７・Ｌ＋０．０４２９６ …（Ｃ´）
【００８１】
すなわち、本実施形態では、支持構造体Ｓが角度θＡ回転したときに、ターゲット２の計測面２ａのセンサ部４による計測点Ｐ１が、式（Ｂ´）及び式（Ｃ´）を満たす変位誤差δだけ、センサ本体３から遠ざかるように、補償面２ｃが形成されている。
したがって、本実施形態で発生する計測方向の計測誤差は、図６に示す変位Ｌにおける第一実施形態の変位誤差δと、図７に変位Ｌにおける本実施形態の変位誤差δとの差分である。
【００８２】
したがって、図６及び図７から、二次近似の場合における計測誤差の最大値は、約０．０８ｍｍとなる。また、線形近似の場合における計測誤差の最大値は、約０．０００４ｍｍとなる。
すなわち、ターゲット２の計測面２ａに補償面２ｃを形成せず、平坦面２ｂのみで形成した場合に、約４．５ｍｍの計測誤差が発生するのに対し、式（Ｂ）の二次近似による変位誤差δを補償するように補償面２ｃを形成することで、第一実施形態と同様に、計測誤差を０％に近づけることができる。また、式（Ｃ）の線形近似による変位誤差δを補償するように補償面２ｃを形成することで、計測誤差を約４５分の１の約０．１ｍｍ以下に低減することができる。
【００８３】
また、式（Ｂ）または式（Ｃ）の近似式を用いることで、第一実施形態と比較して補償面２ｃの形状を簡略化し、ターゲット２の製造を容易にすることができる。
【００８４】
以上説明したように、本実施形態によれば、第一実施形態と同様に、回転状態で浮上する脚部Ｓ１の初期位置から計測方向への浮き上がりの変位ＬＢを正確に計測することができる。加えて、ターゲット２の製造を容易にすることができる。
【００８５】
尚、この発明は上述した実施の形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、上述の実施形態では、センサ部を構造体の外側に配置したが、センサ部は構造体の内側に配置してもよい。この場合には、脚部の内側の側面から構造体の内側に向けてターゲットを延在させ、ターゲットの計測面に上述の実施形態と同様の補償面を形成すればよい。
また、ターゲットの計測面の初期計測点の基準面からの高さは０であってもよい。この場合には、式（Ａ）から高さＨを消去することができる。
また、本発明の変位計測装置の被測定物は上述の支持構造体の脚部に限られず、回転状態で移動する様々な被測定物に適用可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００８６】
１ 変位計測装置、２ ターゲット、２ａ 計測面、２ｃ 補償面、３ センサ本体、４ センサ部、５ 演算部、ＢＬ 基準面、Ｈ 高さ、Ｌ，ＬＢ，ＬＭ 変位、Ｐ０ 初期計測点、Ｐ１ 計測点、Ｒ，ＲＢ 半径、ＲＣ 回転中心、Ｓ１ 脚部（被測定物）、δ 変位誤差
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準面上に回転中心を有する回転により前記基準面上の初期位置から浮上する被測定物の前記基準面に垂直な計測方向の変位を計測する変位計測装置であって、
前記被測定物に設けられ、前記初期位置において前記基準面と平行な延在方向に延びるように形成されたターゲットと、
センサ本体を備えかつ前記ターゲットと前記センサ本体との前記計測方向の距離を計測するセンサ部と、
前記センサ部からの出力に基づいて前記被測定物の前記計測方向の変位を算出する演算部と、を有し、
前記ターゲットの前記センサ本体に対向する計測面には、前記回転による前記計測方向の変位誤差を補償する形状の補償面が形成されていることを特徴とする変位計測装置。
【請求項２】
前記変位誤差δと、
前記被測定物の前記初期位置における前記計測面上の前記センサ部による計測点である初期計測点と前記回転中心とを結ぶ半径Ｒと、
前記基準面から前記初期計測点までの高さＨと、
前記初期計測点から前記回転により前記計測点が前記延在方向にずれる変位Ｌとが、
式（Ａ）の関係を満たすことを特徴とする請求項１記載の変位計測装置。
【数１】
【請求項３】
前記変位誤差δと、
前記被測定物の前記初期位置における前記計測面上の前記センサ部による計測点である初期計測点から、前記回転により前記計測点が前記ターゲットの前記延在方向にずれる変位Ｌとが、
式（Ｂ）または式（Ｃ）の関係を満たすことを特徴とする請求項１記載の変位計測装置。
【数２】
【数３】
【請求項１】
基準面上に回転中心を有する回転により前記基準面上の初期位置から浮上する被測定物の前記基準面に垂直な計測方向の変位を計測する変位計測装置であって、
前記被測定物に設けられ、前記初期位置において前記基準面と平行な延在方向に延びるように形成されたターゲットと、
センサ本体を備えかつ前記ターゲットと前記センサ本体との前記計測方向の距離を計測するセンサ部と、
前記センサ部からの出力に基づいて前記被測定物の前記計測方向の変位を算出する演算部と、を有し、
前記ターゲットの前記センサ本体に対向する計測面には、前記回転による前記計測方向の変位誤差を補償する形状の補償面が形成されていることを特徴とする変位計測装置。
【請求項２】
前記変位誤差δと、
前記被測定物の前記初期位置における前記計測面上の前記センサ部による計測点である初期計測点と前記回転中心とを結ぶ半径Ｒと、
前記基準面から前記初期計測点までの高さＨと、
前記初期計測点から前記回転により前記計測点が前記延在方向にずれる変位Ｌとが、
式（Ａ）の関係を満たすことを特徴とする請求項１記載の変位計測装置。
【数１】
【請求項３】
前記変位誤差δと、
前記被測定物の前記初期位置における前記計測面上の前記センサ部による計測点である初期計測点から、前記回転により前記計測点が前記ターゲットの前記延在方向にずれる変位Ｌとが、
式（Ｂ）または式（Ｃ）の関係を満たすことを特徴とする請求項１記載の変位計測装置。
【数２】
【数３】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−２１０３９８（Ｐ２０１０−２１０３９８Ａ）
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５６５９１（Ｐ２００９−５６５９１）
【出願日】平成２１年３月１０日（２００９．３．１０）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１０日（２００９．３．１０）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
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