機上測定用3×3センサアレイの開発と冗長データを活用する平面形状測定法の提案

开发用于车载测量的3×3传感器阵列并提出利用冗余数据的平面形状测量方法

• 批准号: 21K03791
• 负责人: 清水 浩貴
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Kyushu Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K03791/
• 关键词: 走査形状測定; 平面形状測定; 機上計測; 多点法; 多点法形状計測; 誤差分離; MEMS; 機械加工面; 平面計測; ソフトウェアデータム

本研究は変位計を3×3に配置した計測ユニットを加工機のステージで走査し，それにより得られた冗長度の高いデータを接続して高精度な機上平面測定を実現しようとするものである．2022年度にはセンサユニットを1ステップ走査した際にオーバーラップする2×3ないし3×2点の６点のデータの接続法に関して，偶然誤差の累積のモンテカルロシミュレーションを進めた．センサの偶然誤差による精度低下を軽減するため，従前は並進運動誤差については4つ，ピッチング誤差については3つ，ローリング誤差については3つの推定値を求めて平均する方法をとっていたが，最小二乗法による運動誤差推定を新たに取り入れた結果，11点×11点の平面測定シミュレーションで誤差が最大となる点において約20％誤差を低減できることを示した．さらに，3×3配置では測定開始点から終点に至るデータ経路が多数あることを利用し，それらを平均して偶然誤差の影響を低減する手法についてのシミュレーションを実施した．その結果，最終点において約17%誤差を低減できることを明らかにした一方，測定開始点付近では逆に精度が低下することを確認した．この原因について検討したところ，接続回数の多い経路も平均をとる対象とした場合にばらつきが増加し，その影響が測定始点付近で大きいことを確認した．この結果から，接続数の少ない経路のみの平均をとるシミュレーションを行い，平均する経路数は16通りと少ないにも関わらずさらに約18%誤差が低減できることを示した．デバイスの製作については長さの異なる探針を組みあわせ，片持ち梁式の変位センサで3×3配置を実現できる斜め9点法レイアウトを検討した．また，多点同時計測デバイス製作上のポイントとなる深堀RIEの条件出しを行った．

本研究试图通过在加工机的工作台上扫描排列成 3 x 3 图案的位移计的测量单元并连接所获得的高度冗余的数据来实现高精度的机上平面测量。 2022年度，我们针对传感器单元扫描一步时重叠的6个2×3或3×2点的数据连接方法，对随机误差的累积进行了蒙特卡洛模拟。为了减少由于传感器中的随机误差而导致的精度下降，传统的方法是获得并平均四个平移运动误差估计值、三个俯仰误差估计值和三个滚动误差估计值。结合使用平方方法的运动误差估计，结果表明，在 11 点 x 11 点平面测量模拟中，在误差最大的点处，误差可以减少约 20%。此外，我们还模拟了一种减少随机误差影响的方法，该方法利用从测量起点到终点以 3 × 3 排列的多个数据路径并对其进行平均的事实。结果表明，在最终点，误差可减少约17%，但也证实，在测量开始点附近，精度会下降。当我们调查其原因时，我们确认，当对具有许多连接的路线进行平均时，变化会增加，并且在测量起点附近影响很大。基于此结果，我们进行了模拟，仅对连接数较少的路由进行平均，结果表明，即使要平均的路由数只有 16 条，误差仍可进一步减少约 18% 。关于器件的制造，我们考虑了对角 9 点布局，通过组合不同长度的探针，可以使用悬臂位移传感器实现 3x3 排列。我们还确定了深度 RIE 的条件，这是生产多点同时测​​量装置的关键点。

项目成果

3×3正方形配置センサユニットを用いた平面形状測定－測定データ接続法の比較－

使用3×3方形传感器单元进行平面形状测量 - 测量数据连接方法的比较 -

• 发表时间: 2023
• 作者: Fujiwara Ryotaro;Shimizu Hiroki;謝 恵君，鄒 艶華;村山 凌太郎，小武内清貴，大窪 和也;時實 拓紀，野田 樹生，田丸 雄摩，清水 浩貴
• 通讯作者: 時實 拓紀，野田 樹生，田丸 雄摩，清水 浩貴

A MEMS Device Integrating Multiple Cantilever Displacement Sensors to Evaluate Flat Machined Surfaces

集成多个悬臂位移传感器以评估平面加工表面的 MEMS 器件

• DOI: 10.20965/ijat.2022.p0582
• 发表时间: 2022
• 期刊: International Journal of Automation Technology
• 影响因子: 1.1
• 作者: Shimizu Hiroki、Graduate School of Engineering;Kyushu Institute of Technology 1-1 Sensui-cho;Tobata-ku;Kitakyushu-shi;Fukuoka 804-8550;Japan、Tamiya Koichi、Mizukami Shoichiro、Tamaru Yuuma
• 通讯作者: Japan、Tamiya Koichi、Mizukami Shoichiro、Tamaru Yuuma

Feasibility study of multi-point two-dimensional profile measurement by 3-2-1 and 3×3 sensor layout

3-2-1和3×3传感器布局多点二维轮廓测量可行性研究

• DOI: 10.1016/j.measen.2021.100358
• 发表时间: 2021
• 期刊: Measurement: Sensors
• 作者: Fujiwara Ryotaro;Shimizu Hiroki
• 通讯作者: Shimizu Hiroki