角度測定で何がわかる？
オートコリメータによる平面度測定への
活用方法を解説

レーザオートコリメータは高精度な角度測定器として広く利用されています。一方で、「角度しか測定できないため用途が限られる」と考えられることがあります。しかし実際には、取得した角度データを活用することで、平面度や平行度などの幾何公差評価にも応用できます。まずは、オートコリメータで取得できるデータと、その活用範囲について解説します。

レーザオートコリメータは、測定対象面からの反射光を利用して微小な傾きを測定する光学式測定器です。取得できるデータは基本的に角度情報のみであり、レーザ変位計のように高さや変位を直接測定することはできません。
そのため、「角度測定以外には使えない測定器」と考えられることもあります。しかし実際には、取得した角度データと位置情報を組み合わせることで、さまざまな幾何公差の評価に活用できます。

高精度な角度測定データは、傾きの確認だけでなく以下のような幾何公差の評価にも利用できます。
・平面度
・平行度
・直角度
例えば平面度では、測定面の角度変化から面のうねりを評価できます。また、基準面との角度差を利用することで平行度や直角度の測定も可能です。

平面度測定というと、高さや変位を直接測定するイメージが一般的です。そのため、「角度しか測れないオートコリメータでなぜ平面度が評価できるのか」と疑問に思う方も多いでしょう。ここでは、平面度の考え方と、角度分布から平面形状を評価できる理由について解説します。

平面度とは、対象面がどの程度平らであるかを表す幾何公差です。
JISでは、対象面を2つの平行平面で挟んだとき、その間隔が最小となる場合の2平面間の距離として定義されています。一般的には高さの最大値と最小値の差によって評価されます。

一般的な平面度測定では、高さの変化を測定して面のうねりを評価します。一方、オートコリメータは高さではなく面の傾き、つまり角度変化を測定します。
一見すると異なる測定方法に見えますが、高さ分布と角度分布はどちらも同じ面形状を別の視点から表現したものです。
例えば、うねりのある面では高さが変化するだけでなく、その位置ごとに傾きも変化しています。そのため、角度分布を取得することで面の形状を把握することができ、平面度評価へ応用できます。

レーザオートコリメータは角度測定器であり、高さや変位を直接測定することはできません。しかし、取得した角度データと測定位置情報を組み合わせることで、平面度測定に必要な高さ情報を算出できます。
平面度測定の考え方や測定方法については、以下の記事でも詳しく解説しています。
内部リンク：平面度測定とは？測定方法・測定器の種類とオートコリメータによる高精度測定を解説

JISでは、平面度を「対象面を2つの平行平面で挟んだとき、その間隔が最小となる場合の2平面間の距離」と定義しています。一般的な平面度測定では変位計などを用いて高さ分布を取得しますが、角度測定データからも同様の評価を行うことが可能です。
ここでは、角度測定データから平面度を求める方法をご紹介します。

角度測定によって平面度を評価する場合は、測定面上を連続的に測定し、角度分布を取得する必要があります。例えば、下記のようなうねりのある測定対象物の表面形状を測る際、0度に近いAとBの2点だけを離散的に測定すると平面形状と誤認します。しかし、A-B間の角度を連続的に角度測定すると、その間に存在するうねりや傾きの変化を把握できます。つまり、測定面の正確な形状を評価するためには、離散的な測定ではなく連続的な角度測定が重要になります。

取得した角度データは、測定位置情報と組み合わせることで高さ情報へ変換できます。例えば下記のような円弧上の測定対象物の表面をCからDまでレーザオートコリメータで連続して角度測定した場合、下記のような測定分布図が作れます。

この時、振れ幅の最大がC、最小がDになるので、C-D間の角度差と位置差を用いて、下記のように公式で計算を行うとC-D間の高さ情報を得ることができます。

X = (Dの測定位置-Cの角度) * tan(Cの角度-Dの角度)
= 30 * tan(0.003)
=  0.00157・・・[mm]

算出した高さ分布から最大値と最小値の差を求めることで、JISで定義される平面度として評価できます。
つまり、レーザオートコリメータは高さを直接測定する装置ではありませんが、高精度な角度測定データを活用することで平面度測定にも応用できます。
特に、大型ワークや光学部品など、接触式測定が難しい対象では、角度測定を活用した平面度評価が有効な手法の一つです

連続的に角度測定を行うことで、測定対象面の角度分布を取得できます。
例えば、円弧状の測定対象物をレーザオートコリメータで走査すると、位置ごとの角度変化をグラフ化できます。この角度分布から、どの位置で傾きが大きく変化しているかを把握できるため、測定対象面のうねりや形状変化を可視化できます。

一般的な平面度測定では、ダイヤルゲージや三次元測定機などを用いて高さ情報を取得します。一方、角度測定を利用した平面度測定には、非接触で測定できることや大型ワークに対応しやすいことなどの特長があります。ここでは、オートコリメータを活用することで得られる主なメリットを解説します。

オートコリメータは光を利用して測定するため、測定対象に接触することなく評価できます。光学部品や高精度加工面など、接触による損傷を避けたい対象に適しています。

大型定盤や装置ベースなど、三次元測定機への持ち込みが難しい対象でも現場で測定できます。

ミラーやレンズなどの光学部品は、高い平面精度が求められます。オートコリメータは微小な角度変化を高精度に検出できるため、光学部品の品質評価にも活用されています。

オートコリメータによる角度測定は、単純な傾き評価だけでなく、さまざまな幾何公差の測定に活用されています。特に精密機械や光学部品の分野では、高精度な角度測定を応用した品質評価が行われています。ここでは代表的な活用例をご紹介します。

取得した角度分布から高さ分布を算出することで、平面度を評価できます。
オートコリメータを用いた平面度測定の原理や、角度データから平面度を算出する方法については、以下の記事で詳しく解説しています。
内部リンク：オートコリメータで平面度を測定するには？測定方法を徹底解説

基準面と測定面の角度差を測定することで、平行度を評価できます。平行度の定義や測定方法については、以下の記事をご覧ください。
内部リンク：ラップ盤の上下平行度を測るには？Smart LACを用いた測定方法を解説

2面間の角度を高精度に測定することで、直角度の評価が可能です。
直角度の定義やオートコリメータを用いた測定方法については、以下の記事で詳しく解説しています。
内部リンク：直角度とは？定義や測定方法など基礎知識を解説

ここまで解説したように、角度測定データは傾きの評価だけでなく、平面度や平行度、直角度などの評価にも活用できます。
駿河精機がご提供するレーザオートコリメータ Smart LACは、高精度な角度測定を実現し、取得したデータを活用したさまざまな評価に対応します。
Smart LACにはさまざまなモデルや機能があり、測定ニーズに合ったオートコリメータを選択することが可能です。注文から1週間で納品が可能ですので、お急ぎの場合もご相談ください。
Smart LACについて詳しくは、以下資料をご覧ください。
内部リンク：傾き角度に関する困りごとを解決します！レーザオートコリメータ Smart LAC

Q. 角度測定とは何ですか？
角度測定とは、対象物の傾きや面同士の角度を測定することです。製造業では、部品や装置の組立精度を評価するために行われており、平行度や直角度、平面度などの幾何公差の評価にも活用されています。測定方法にはプロトラクターや水準器、電子角度計、オートコリメータなどがあります。

Q. オートコリメータは角度以外も測定できますか？
オートコリメータが直接測定できるのは角度データです。しかし、取得した角度データと測定位置情報を組み合わせることで、平面度や平行度、直角度などの評価を行うことができます。そのため、角度測定だけでなく、さまざまな精密測定へ応用されています。

Q. 角度測定から平面度測定はできますか？
はい、可能です。オートコリメータで取得した角度分布データから高さ分布を算出することで、平面度を評価できます。高さを直接測定する方法とは異なりますが、測定面の角度変化を連続的に取得することで、平面形状を把握することができます。

Q. なぜ平面度測定には連続的な角度測定が必要なのですか？
測定面にうねりや局所的な凹凸がある場合、数点だけの測定では正しい形状を把握できないためです。例えば、離れた2点の角度が同じでも、その間に大きなうねりが存在する可能性があります。そのため、測定面上を連続的に測定し、角度分布を取得することで正確な平面度評価が可能になります。

Q. オートコリメータによる角度測定のメリットは何ですか？
主なメリットは「非接触」「高精度」「長距離測定」の3つです。測定対象に触れずに微小な角度変化を測定できるため、光学部品や精密加工部品の評価に適しています。また、大型ワークや装置に組み込まれた状態でも高精度な測定を行うことができます。

Q. 角度測定で平行度や直角度も評価できますか？
はい、評価できます。平行度は基準面と測定面の角度差を測定することで評価できます。また、直角度は2つの面がなす角度を高精度に測定することで評価できます。このように、角度測定は傾きの確認だけでなく、さまざまな幾何公差の評価に活用されています。