JP2003185429A

JP2003185429A - 測定評価方法

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Publication number: JP2003185429A
Application number: JP2001386327A
Authority: JP
Inventors: Masao Yajima; 正男矢島; Hirokazu Watanabe; 洋和渡邊
Original assignee: Sankyo Seiki Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Nidec Instruments Corp
Priority date: 2001-12-19
Filing date: 2001-12-19
Publication date: 2003-07-03

Abstract

(57)【要約】【課題】測定結果の評価を行う。【解決手段】円形被測定物の輪郭をプローブを用いて
測定する測定評価方法であって、プローブ又は円形被測
定物を相対移動させ、プローブを円形被測定物の測定面
に複数点で接触させ、プローブが測定面と接触したとき
の接触位置を記憶し（ステップ５２）、各接触位置に基
づき円を同定することによりプローブと円形被測定物と
のクリアランスを測定し（ステップ５３）、これに基づ
き円形被測定物の測定面の円情報を算出するとともに、
同定した円の中心から各測定点までの距離と同定円半径
の残差を計算し、その計算値の特徴値を求めて予め記憶
したレベル値と比較し（ステップ５４）、その比較結果
により測定エラーを表示する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、測定評価方法に関
する。さらに詳述すると、本発明は、プローブを用いて
測定した円形被測定物に関するデータの測定評価方法に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、被測定物に穿たれた概ね内径３ｍ
ｍあるいはそれ以下の微小孔の内径を正確に測定する場
合、光学式内径測定装置を利用したり、割プローブ
と静電容量センサとを組み合わせて測定したり、あるい
は特開2000-97691号公報に記載されているように振動
式接触プローブと高精度ステージとを組み合わせて測定
する等の手法が用いられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、の手
法は測定に個人差が出やすいという問題があり、この個
人差を無くそうと画像処理を導入すれば装置が高価にな
ってしまう。

【０００４】また、の手法では、測定対象たる孔径が
微小になるとプローブの作成ができなくなるし、測定時
の接触圧が高く被測定物に打痕がつくおそれがあり、さ
らには１方向の直径しか測れないといった弊害がある。

【０００５】さらに、の手法を採用した場合、形状測
定装置としては優れるが、精度が高くかつダイナミック
レンジの広い多自由度（ＸＹＺθ等）の精密ステージが
必要となり、高価になってしまうという問題がある。

【０００６】また、測定の精度を上げるためには測定箇
所を増やしてデータをより多く集めることが有効である
が、その際、データ数が多くなることから測定結果の評
価が重要になる。

【０００７】そこで、本発明は、円形被測定物の輪郭を
プローブを用いて測定するに際し、その測定の評価に適
した測定評価方法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めに請求項１記載の発明は、円形被測定物の輪郭をプロ
ーブを用いて測定する測定評価方法において、プローブ
又は円形被測定物を相対移動させ、プローブを円形被測
定物の測定面に複数点で接触させ、プローブが測定面と
接触したときの接触位置を記憶し、各接触位置に基づき
円を同定することによりプローブと円形被測定物とのク
リアランスを測定し、これに基づき円形被測定物の測定
面の円情報を算出するとともに、同定した円の中心から
各測定点までの距離と同定円半径の残差を計算し、その
計算値の特徴値を求めて予め記憶したレベル値と比較
し、その比較結果により測定エラーを表示するものであ
る。

【０００９】各測定値の中に大きな誤差が含まれている
測定値が存在すると、特徴値が予め設定したレベル値
（しきい値）よりも大きくなる。したがって、特徴値が
レベル値を越えた場合にエラー表示を行うことで、測定
結果の信頼性を判断できる。判断の結果、例えば大きな
誤差を含むと考えられる測定値を除いた他の各測定値に
基づいて円を同定し直しても良いし、あるいは測定をし
直して円同定し直しても良い。レベル値は要求される測
定精度に応じて設定する。

【００１０】また、請求項２記載の発明は、請求項１記
載の測定評価方法において、プローブをその共振周波数
又はその近傍で微小振動させ、振動変化に基づいてプロ
ーブが円形被測定物の測定面と接触したことを検出し接
触位置を記憶するものである。この場合、プローブの振
動変化を捉えることにより、測定面に接触したことを低
い接触圧で精度よく検出することが可能である。

【００１１】また、請求項３記載の発明は、請求項１ま
たは２記載の測定評価方法において、円形被測定物の測
定面の仮中心を求め、この仮中心を中心とする円周上の
点を測定するものである。この場合、測定対象たる円形
被測定物の測定面の微視的な形状の影響を一定にし、た
とえ測定面に凸凹があったとしても安定した測定を得る
ことが可能となる。

【００１２】また、請求項４記載の発明は、請求項１ま
たは２記載の測定評価方法において、円形被測定物の測
定面の凹凸箇所よりも多いか又は少ない箇所でプローブ
を測定面に接触させるものである。例えば、軸方向に延
びる複数のグルーブ（溝）が測定面に周方向等間隔に刻
まれているような場合、プローブがこれらグルーブの底
にのみ接触すると正確な内径と異なる径が検出される場
合があるが、請求項４記載の発明のように凹凸箇所と異
なる数の点で接触させることにより、少なくとも１点の
接触位置が凹凸箇所からずれて検出誤差が少なくなる。

【００１３】また、請求項５記載の発明は、請求項１ま
たは２記載の測定評価方法において、測定中に温度、音
圧、振動等の周辺環境を同時に測定し、環境の悪化が認
められた場合に警告を発し、測定値の信頼性が低下した
ことを通知するものである。この場合、信頼性の高い測
定結果が得られなかったとみなし、その結果を不採用と
することができる。

【００１４】また、請求項６記載の発明は、請求項１か
ら５のいずれかに記載の測定評価方法において、円形被
測定物が微小孔の内径である場合に、プローブの外径を
微小孔の内径に比較して僅かに小さくしている。この場
合、プローブが微小孔の内壁に接触するまでの相対移動
量が少なくて済む。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の構成を図面に示す
最良の形態に基づいて詳細に説明する。

【００１６】図３６及び図３７に本発明を適用した測定
評価方法の実施形態の一例を、図５に評価するデータを
測定する微小内径測定装置１０の実施形態の一例を示
す。なお、微小内径測定装置１０については後述する。

【００１７】この測定評価方法は、円形被測定物９の輪
郭をプローブ１１を用いて測定するもので、プローブ１
１又は円形被測定物９を相対移動させ、プローブ１１を
円形被測定物９の測定面９ａに複数点で接触させ、プロ
ーブ１１が測定面９ａと接触したときの接触位置を記憶
し、各接触位置に基づき円を同定することによりプロー
ブ１１と円形被測定物９とのクリアランスを測定し、こ
れに基づき円形被測定物９の測定面９ａの円情報を算出
するとともに、同定した円の中心から各測定点までの距
離と同定円半径の残差を計算し、その計算値の特徴値、
例えばＰＶ値、ＲＭＳ値を求めて予め記憶したレベル値
と比較し、その比較結果により測定エラーを表示するも
のである。本実施形態では、円形被測定物９として例え
ば微小孔の内径を測定する場合、即ち円形被測定物９の
測定面９ａが微小孔の内壁である場合を例に説明する。
ただし、微小孔９の内径を測定する場合に限るものでは
ないことは勿論である。

【００１８】図３６は上位ソフトウエアの処理例であ
り、図３７は円同定の処理例である。図３７の処理の結
果を図３６の上位ソフトウエアにより判定や再計測の必
要性を判断する。

【００１９】具体的に説明すると、まず最初に、図３６
のステップ５１を実行し、リトライ数（リトライを行っ
た回数を示す変数）に０を設定する。即ち、現段階では
リトライを行っていないので、リトライ数をクリアす
る。この後、微小内径測定装置１０を使用して円形被測
定物９である微小孔の内径の測定を行う（ステップ５
２）。本実施形態では、例えば７箇所の測定を行って７
つの測定データを採取する。なお、微小内径測定装置１
０のように微小孔９の内壁９ａを移動させることでプロ
ーブ１１に接触させても良いし、逆に、プローブ１１を
移動させることで微小孔９の内壁９ａに接触させるよう
にしても良い。

【００２０】ステップ５３では、図３７に示すサブルー
チンを行って各測定データからＰＶ値とＲＭＳ値を評価
する。即ち、図３７のステップ７１では、７つの測定デ
ータに基づいてクリアランス円（図４）を同定する。な
お、円を同定する方法については後述する。

【００２１】図３８に７つの測定データと同定した円の
概念を示す。等角度測定で７つの測定点を設定し、得ら
れたデータから同定した円を重ねて表示している。ステ
ップ７２では、各測定データ毎に残差（内壁９ａの推定
中心、即ち、同定した円の中心から測定データまでの距
離と同定した円の半径との差）を求め、ＰＶ（Peak to
Valley）値とＲＭＳ（Root Mean Square）値を求める。
ＰＶ値とＲＭＳ値の例を表１に示す。

【表１】なお、表１には明記していないが、同定した円の中心位
置等も同時に記憶し、上位ソフトウエアに提示する。

【００２２】いま、表１の第１段目に示すように、７つ
の測定データに基づいて求めたＰＶ値が１．２８，ＲＭ
Ｓ値が０．５２であったとする。また、予め記憶してお
いたレベル値（許容値）がＰＶ値については１．０μ
ｍ、ＲＭＳ値については０．４μｍであったとする。７
つの測定データに基づいて求めたＰＶ値とＲＭＳ値はい
ずれもレベル値以下ではないため判定結果はＮＧ（不合
格）となり、もう一度円を同定し直す。即ち、ステップ
７３の比較の結果、ステップ７４の判定が否定（Ｎｏ）
となるのでステップ７５に進む。

【００２３】ステップ７５では、７つの測定データのう
ち最も残差が大きなデータを間引く。例えば、データ番
号２の測定データの残差が最大であったとすると、デー
タ番号２の測定データを間引く。そして、ステップ７１
に戻り、残りの６つの測定データに基づいてクリアラン
ス円を同定した後、各測定データの残差を求めＰＶ値と
ＲＭＳ値を求める（ステップ７２）。

【００２４】求めたＰＶ値とＲＭＳ値が表１の第２段目
に示すように０．９８、０．４４であったとする。この
場合には、ＰＶ値はレベル値以下であるが、ＲＭＳ値が
レベル値よりも大きい。したがって、判定結果はＮＧと
なり、ステップ７３→ステップ７４→ステップ７５へと
進み、６つの測定データのうち最も残差が大きなデー
タ、例えばデータ番号４の測定データを間引く。そし
て、ステップ７１に戻り、残りの５つの測定データに基
づいてクリアランス円を同定した後、各測定データの残
差を求めＰＶ値とＲＭＳ値を求める（ステップ７２）。

【００２５】いま、求めたＰＶ値とＲＭＳ値が表１の第
３段目に示すように０．８８、０．３８であったとす
る。この場合には、ＰＶ値とＲＭＳ値のいずれもレベル
値以下である。したがって、円同定を終了する条件が満
たされたので、ステップ７４からステップ７６に進み、
円同定に用いたデータ数と測定したデータ数とを比較す
る。いま、円同定に用いたデータ数は５個であり、測定
したデータ数は７個であるので、図３７のサブルーチン
を異常終了し、測定エラーを表示する。即ち、表１のデ
ータを表示し、表１では３度目の測定で判定結果がＯＫ
となっているので、このことから異常終了したことを知
ることが出来る。

【００２６】図３７のサブルーチンを異常終了した後、
図３６のステップ５３に戻る。このとき、表１のデータ
が上位ソフトウエアである図３６のプログラム・ルーチ
ンに供給される。なお、表１には明記していないが、内
壁９ａの推定中心位置等も同時に記憶され、上位ソフト
ウエアである図３６のプログラム・ルーチンに供給され
る。ここでは図３７のサブルーチンを異常終了している
ので、ステップ５４からステップ５５に進み、リトライ
数が所定値Ｒ以下であるか否かを判別する。

【００２７】いま、リトライ数はステップ５１で設定し
た０となっている。したがって、ステップ５６に進み、
間引いたデータ数が所定値Ｗ以下であるか否かを判断す
る。本実施形態では、間引いたデータ数が所定値Ｗ以下
の場合はステップ５７に進んで間引いたデータの測定点
（データ番号２，４のデータに対応する測定点）を再測
定し、所定値Ｗよりも大きな場合にはステップ５８に進
んで全測定点（データ番号１〜７のデータに対応する測
定点）を再測定する。この後、リトライ数を１だけ増加
（ステップ５９）させた後、ステップ５３に戻って図３
７のサブルーチンを実行する。

【００２８】そして、最初の円の同定によってＰＶ値と
ＲＭＳ値がレベル値以下になった場合には、ステップ７
４からステップ７６に進み、このサブルーチンを正常終
了する。例えば、表２に示すように、１度目の同定でＰ
Ｖ値が０．６６、ＲＭＳ値が０．３５になると、判定結
果がＯＫとなるので、ステップ７４からステップ７６に
進み、更には円同定に用いたデータ数は７つであること
からサブルーチンを正常終了し、例えば正常終了した旨
を表示する。なお、本実施形態では、表２のデータを表
示し、表２では１度目の測定で判定結果がＯＫとなって
いるので、このことから正常終了したことを知ることが
出来る。

【表２】なお、図３９に表２のデータの表示例を示す。７つの測
定データと同定した円を表示する領域６１と、７つの測
定データの残差をデータ番号順に並べたグラフを表示す
る領域６２と、種々の計算値を表示する領域６３を有し
ている。領域６３の表示内容は、判定結果セレクトボタ
ン６４ａ、円計測結果セレクトボタン６４ｂ、計測履歴
セレクトボタン６４ｃの操作によって変えることが出来
る。図３９の状態では、円計測結果セレクトボタン６４
ｂが選択されており、内壁９ａの推定中心座標６５、推
定直径６６、真円度６７、ＰＶ値６８が表示されてい
る。

【００２９】この後、図３６のステップ５４に進む。ス
テップ５４では図３７のサブルーチンを正常終了したか
異常終了したかを判断する。いま、図３７のサブルーチ
ンを正常終了したので、図３６のプログラム・ルーチン
を正常終了する。この場合、微小孔９の内径の測定結果
は３０００．２３３μｍ（表２）となる。

【００３０】一方、図３７のサブルーチンを繰り返し行
ってもこのサブルーチンを正常終了しない場合には、即
ち、ステップ５３からステップ５９を繰り返し行ってリ
トライ数が所定値Ｒよりも大きくなると、ステップ５５
の条件が満たされなくなるので図３６のプログラム・ル
ーチンを異常終了する。

【００３１】このように、図３７のサブルーチンによる
円同定の結果を基に、図３６のプログラム・ルーチンで
は円同定の妥当性の判定と再測定を行う。即ち、円同定
結果に基づき、異常終了の場合のリトライ数とデータの
間引き数に応じて、残差の大きい測定点の再測定や全測
定のやり直しを行う。リトライする回数を決定する所定
値Ｒや全点再測定を行うか否かを決定する所定値Ｗ等は
測定対象ワークの特性や工程の都合等に応じて適宜値に
設定可能である。また、リトライ等のアルゴリズムは測
定対象ワークの特性や工程の都合等に応じて、図３６の
方法に限らず種々の方法で行うことが出来る。

【００３２】なお、図３７のサブルーチンでは、ＰＶ値
とＲＭＳ値のいずれもがレベル値以下にならなければ測
定データを１つずつ間引いて円同定し直すが、これを繰
り返し行うと最後には３つの測定データで円同定を行う
ことになり（表３）、この場合は残差は０になるので図
３７の処理は終了する。

【表３】このように、本発明の測定評価方法では、得られた測定
データから残差のＰＶ値やＲＭＳ値が一定の値以下とな
るまで円同定を繰り返すとともに、その経過を保存し、
さらに経過を分析して再測定方法を決めることにより、
測定対象ワークの性質や工程の都合による不要な再測定
の防止（たとえば７点測定するが６点で円同定した結果
が既定値以内なら再測定は行わずに良品とするといった
工程規格に対応できる）が期待でき、測定時間を短縮す
ることができる。

【００３３】また、表１〜表３のような履歴を残すこと
により、測定対象ワーク毎の不良位置を把握することが
できる。これにより不良原因の解析が可能となる。

【００３４】なお、上述の説明では、図３７のサブルー
チンにおいて、ＰＶ値とＲＭＳ値がレベル値以下になる
まで処理を繰り返し行うようにしていたが、必ずしもこ
れに限るものではない。例えば、測定点のごみの付着や
騒音によるプローブ１１の接触検出エラーが発生する
と、内径値（測定値）は必ず小さい方向に変動するの
で、内径値が一定値（例えば３ｍｍの微小孔に対して
２．９ｍｍ）以下となったら、直ちに円同定を異常終了
させるようにしても良い。

【００３５】また、図３６のプログラム・ルーチンにお
いて、間引かれた測定点を再測定した測定データが以前
の値と一定量以上変わらない場合には、直ちに異常終了
させるようにしても良い。

【００３６】次に、微小孔９の内径を測定するのに適し
た微小内径測定方法について説明する。図１〜図６に、
微小内径測定方法の好適な例を示す。この微小内径測定
方法は、被測定物８の微小孔９の内径をプローブ１１を
用いて測定する微小内径測定方法において、プローブ１
１が被測定物８の微小孔９に挿入された状態でプローブ
１１又は被測定物８を移動させ、プローブ１１が微小孔
９の内壁９ａに接触したときの接触位置を記憶し、プロ
ーブ１１を微小孔９の内壁９ａに複数点で接触させ、各
接触位置に基づき円を同定することによりプローブ１１
と微小孔９の内壁９ａとのクリアランスを測定し、これ
に基づき微小孔９（以下、被測定物８の微小孔９を単に
「被測定物８」ともいう）の内径を算出するものであ
る。本実施形態ではプローブ１１を振動させ、振動変化
を読み取ってプローブ１１が内壁９ａに接触したことを
検出している。

【００３７】ここで、この微小内径測定方法の原理等を
説明する。この微小内径測定方法では、プローブ１１を
微小孔９の内壁９ａに複数点で接触させ、各接触点での
位置データを得る。円を決定するには３点以上の測定点
が必要であることから、プローブ１１を接触させる点は
少なくとも３点とする。以下では、説明を簡単にする為
に３点測定の場合の基本原理を述べる。

【００３８】被測定物８の微小孔９にプローブ１１を挿
入した状態を測定平面断面で示すと図１のようになり、
一般に、この状態ではプローブ１１と被測定物８（の微
小孔９）の中心がずれている。この状態でプローブ１１
を図中右方向へ動かし、被測定物８に接触した瞬間のプ
ローブ１１の位置を測定する（図２）。図示するよう
に、プローブ１１の移動ベクトル方向に接触点があると
は限らないが、プローブ１１と被測定物８は内接してい
るため共通の法線を持っており、これはすなわち、接触
点、プローブ中心そして内径中心の３点は必ず同一直線
上に並ぶと言う事を意味している。

【００３９】また、同様にして、図３に示すようにプロ
ーブ原位置から１２０度毎に移動方向を変えながら残り
の２点を測定する。

【００４０】続いて、３点の接触位置を用いて円を同定
する。プローブ１１を微小孔９の内壁９ａに接触させ、
各接触する位置でのプローブ１１から測定データを得
る。そして、ｎ点（ここでは３点）の座標値から、円を
同定する数式１（円の方程式）

【数１】に２点の測定データ(x_i, y_i),(x_i+1, y_i+1)を代入し、
引き算の後にC_x, C_y について整理すると、

【数２】を得る。ｎ点（ここでは３点）の測定結果(x₁, y₁)...
(x_n, y_n)から数式２を(ｎ−１)個得る。

【００４１】ここで、数式２において以下の数式３のよ
うにおくと、

【数３】数式２は、数式４のように表せ、

【数４】ｎ点（ここでは３点）の測定データより(ｎ−１)個の数
式４を得ることができる。これより、最小二乗法を用い
てC_x, C_y を求めると

【数５】

【数６】となる。但し、Σの範囲は１≦ｉ≦ｎ−１である。C_x,
C_y の決定後、各測定点に対応したＲ_iを求め、その平均
値を半径の測定値Ｒとする。

【数７】但し、Σの範囲は１≦ｉ≦ｎである。

【００４２】以上の円同定法および図２で示した理由に
より、被測定物８の内径中心と同心で、半径が（被測定
物８の内径半径）―（プローブ１１の半径）の円が得ら
れる（図４）。この値は被測定物８とプローブ１１を同
心で置いた場合のプローブ１１と被測定物８のクリアラ
ンスに相当するので、以降この円をクリアランス円と呼
称する。クリアランス円の半径にプローブ１１の半径を
加えたものが、被測定物８の内径半径となる。なお、以
上においては測定点が３点の場合で説明したが、上述の
円同定法を用いる事により、ｎ点測定点があった場合で
も同様に取り扱う事ができる。

【００４３】続いて、上述の微小内径測定に好適な微小
内径測定装置１０について説明する。図５に示すよう
に、本実施形態の微小内径測定装置１０は、プローブ１
１と、プローブ１１を微小振動させる励振手段３１と、
プローブ１１又は被測定物８を移動させる移動手段３２
と、これら励振手段３１および移動手段３２を制御する
制御手段３３とを有している。

【００４４】プローブ１１は、被測定物８の微小孔９に
挿入される測定部材であり、本実施形態では球形先端を
備えるが、微小孔９の内壁９ａに接する最大周の部分が
円形でありさえすれば特に球形先端でなくても構わな
い。ただ、精密な球は比較的容易に作成することが可能
であるため、球形先端とした場合は測定精度が劣化する
のを防ぎやすい。また、プローブ１１は微小孔９の内径
に比較して僅かに小さい程度に形成されていることが好
ましい。具体的数値例を挙げると、例えば微小孔９の内
径が２ｍｍ程度である場合、プローブ１１を径1.9 ｍｍ
とすることで片側50μｍずつのクリアランスを得る。こ
のように微小孔９の内径に対しプローブ径を僅かに小さ
くした場合、クリアランスが微小孔内径に比較して十分
に小さくなることから、プローブ１１が内壁９ａに接触
するまでの相対移動量が少なくて済む。プローブ１１
は、微小孔９のサイズに対応して取り替えることができ
るよう着脱可能であり、プローブ径を変更することで同
一のシステムで多様な内径を測定することを可能として
いる。本実施形態のプローブ１１は所定位置に固定配置
され、加振信号を受けて共振振動のみできるようになっ
ている。

【００４５】励振手段３１は、プローブ１１の自由振動
の共振周波数（共振点）又はこの近傍で励振させること
で最大振幅を得るようにしながら微小孔９の中で微小振
動させる装置であり、図５に示すように制御手段３３と
接続され、加振信号を受けてプローブ１１を振動させる
とともに、共振信号を読み取って制御手段３３に送信し
ている。この場合、例えば、内径測定中断中にプローブ
１１の共振周波数を再計測し、加振する周波数を微調整
する事により常に感度良く接触検出を行うことが可能と
なる。

【００４６】移動手段３２は、プローブ１１が被測定物
８の微小孔９に挿入された状態でプローブ１１と被測定
物８のいずれか一方を移動させる手段で、本実施形態で
はプローブ１１側を固定配置し被測定物８側を移動させ
て相対位置を変えるようにしているが、これとは逆にプ
ローブ１１側を移動可能に設けてもよいし、プローブ１
１を例えば２軸ステージで動かして相対移動させ、被測
定物８を１軸で動かしてプローブ１１を差し入れ又は抜
き出すようにしてもよい。移動手段３２は例えばＸＹＺ
の各軸が直交する３軸ステージであり、ＸＹＺステージ
制御装置３４を通じて制御手段３３により制御されてい
る。

【００４７】制御手段３３は、上述の励振手段３１およ
び移動手段３２を制御するとともに、プローブ１１から
の接触検出信号に基づき接触位置を記録し、内径を算出
する装置であり、ＸＹＺステージ制御装置３４に対して
は図５に示すように位置指令信号を送信し、位置読み出
し信号を受け取る。また、図５に示すように制御手段３
３はユーザインターフェイス３５と接続されている。

【００４８】そして、以上説明したように本実施形態の
微小内径測定を行うと、たとえプローブ位置とプローブ
球の中心がオフセットしていた場合でも、そのオフセッ
ト量（ベクトル値）が一定ならば、得られる接触点（例
えば本実施形態の場合は３点）の相対位置関係は変化し
ないため正しい内径を算出する事ができる。

【００４９】さらに、本実施形態の測定においてはプロ
ーブ１１の球形先端の真球度（または真円度）が重要と
なるが、真球度の良い球は比較的容易に入手できるし、
たとえオフセットがあっても内径測定結果に影響が無い
ため、プローブ１１の作成が容易になる。また、図６に
示すように、被測定物８を変更した場合でも、クリアラ
ンスが等しくなるような径を持つプローブ１１を選ぶだ
けで対応する事が可能である。

【００５０】しかも、被測定物８とプローブ１１のうち
少なくとも一方を移動させる移動手段３２は、（クリア
ランス×２＋α）の範囲で相対移動させることができれ
ば足りるため（ただし、αは正の微小量）、コストと性
能の両面で実現が容易である。特に、分解能を上げたい
場合、測定レンジが内径ではなく（クリアランス×２＋
α）になるため、ダイナミックレンジが小さくてすみ、
高分解能化が容易に実現できる。

【００５１】なお、上述の実施形態は実施の一例ではあ
るがこれに限定されるものではない。例えば、本実施形
態では移動手段３２としてＸＹＺの各軸が直交する３軸
ステージを用いたが、この代わりに、プローブ１１を２
自由度ピボットテーブルに固定し、ピボットテーブルを
傾かせたときの傾角を検出することによりプローブ１１
の位置や移動量を検出するようにしてもよい。そこで、
以下では、ピボットテーブルを利用した第２の実施形態
について説明する。

【００５２】第２の実施形態では、図７に示すように、
移動手段１２を２軸ステージであるピボットテーブル２
と、直線機構であるフィーダ３６とから構成している。
ピボットテーブル２は、テーブルを微小量傾かせること
によってプローブ１１の先端を平面内で近似的に移動さ
せることができる。一方、フィーダ３６は、固定された
被測定物８をプローブ１１の軸方向にのみ移動させ、微
小孔９に対しプローブ１１を抜き差しさせる。

【００５３】ここで、図８〜図１８を用いてピボットテ
ーブル２について説明する。このピボットテーブル２は
２自由度リンク機構４１を構成するもので、ベース４２
に対し動き得るように取り付けられ、ベース４２に対す
る角度を２方向に変化させ得るようになっている。本実
施形態では、この２自由度リンク機構４１のベース４２
とピボットテーブル２を主ピボット１２ａで直接接続
し、さらにベース４２とピボットテーブル２を伸縮自在
な第１のアーム１３ａおよび第２のアーム１３ｂで接続
し、かつ第１のアーム１３ａおよび第２のアーム１３ｂ
とピボットテーブル２との間にアームピボット１２ｂ，
１２ｃを介在させ、第１のアーム１３ａおよび第２のア
ーム１３ｂとベース４２との間にアーム下部ピボット４
３，４４を介在させている。そして、第１のアーム１３
ａおよび第２のアーム１３ｂを伸縮させることで、ピボ
ットテーブル２を主ピボット１２ａを中心として回転
（傾動）させる。

【００５４】ベース４２は、例えば図９、図１０に示す
ように、ピボットテーブル２やプローブ１１のベースと
なる固定物であり、図示するように、底部となる平坦状
部４２ａと、この上に固定された柱状部４２ｂとによっ
て構成されている。

【００５５】ピボットテーブル２は、ベース４２上に可
動に設けた平板部材である。ここで、本実施形態でいう
可動は主に回転運動をいい、図８〜図１０に示すピボッ
トテーブル２は、ピボットテーブル２とベース４２とを
接続する主ピボット１２ａを中心として回転（傾動）可
能である。ピボットテーブル２は、その上面にプローブ
１１を保持している。プローブ１１は固定的に設けら
れ、それ自身のみで変位することができないがピボット
テーブル２が回転することによって先端位置をいずれの
方向へも変位させることができる。

【００５６】主ピボット１２ａは、上述のベース４２と
ピボットテーブル２とを直接接続し、ピボットテーブル
２をこのピボット１２ａを中心として回転可能状態で保
持するものである。この主ピボット１２ａは、ピボット
テーブル２を単純に傾かせ得るボールピボットのような
ものでも構わないが、本実施形態ではこれを弾性変形す
る部材で構成し、ピボットテーブル２が水平状態からい
ずれかの方向に傾いたとき復帰力を与えるようにしてい
る。このように、主ピボット１２ａとして弾性変形する
素材を利用した場合、高い再現性を実現できることに加
え、物性から定まる弾性を利用できることから高い精度
を達成できる利点がある。なお、本実施形態では主ピボ
ット１２ａを伸縮させず、ベース４２に固定的に取り付
けているため精度を獲得しやすく、主ピボット１２ａの
位置精度が劣るのを回避することもできる。また、本実
施形態では弾性変形する主ピボット１２ａを図１２に示
すように中間細り状に形成している。このような形状と
した場合、図１２（Ａ）と（Ｂ）に示すように、中立状
態と弾性変形状態とで真の中心位置に大きな差が生じな
いため、ピボットテーブル２の回転中心がほぼ一定し、
回転駆動の精度が向上する。ただし、この主ピボット１
２ａの形状は回転中心を安定させた一例に過ぎず、この
ような形状に特に限定されることはない。また、主ピボ
ット１２ａは傾斜させて設けてもよく、空間上でプロー
ブ１１の位置を一義的に定めることができればよい。

【００５７】第１のアーム１３ａおよび第２のアーム１
３ｂは、それぞれ伸縮自在な部材で、ベース４２とピボ
ットテーブル２の間に設けられる。また、ピボットテー
ブル２と第１のアーム１３ａとの間には２方向への角度
変位を許容する第１のアームピボット１２ｂが介在し、
同様に、ピボットテーブル２と第２のアーム１３ｂとの
間には２方向への角度変位を許容する第２のアームピボ
ット１２ｃが介在する。さらに、第１のアーム１３ａと
ベース４２の間には第１のアーム下部ピボット４３、第
２のアーム１３ｂとベース４２の間には第２のアーム下
部ピボット４４がぞれぞれ介在し、各アーム１３ａ，１
３ｂを回転可能に支持している。そして、図８に示すよ
うに、主ピボット１２ａと第１のアーム１３ａを結ぶｋ
軸（図中右側を軸の＋方向とする）と、主ピボット１２
ａと第２のアーム１３ｂを結ぶｊ軸とがピボットテーブ
ル２の回転軸となる。したがって、第１のアーム１３
ａ、第２のアーム１３ｂのいずれかを伸縮させた場合、
ピボットテーブル２はｋ軸あるいはｊ軸のいずれかを軸
として回転する。したがって、アーム１３ａ，１３ｂな
らびにアームピボット１２ｂ，１２ｃ、アーム下部ピボ
ット４３，４４によってベース４２に接続されたピボッ
トテーブル２は、２方向の角度変位が許容される。

【００５８】ここで、第１および第２のアーム１３ａ，
１３ｂの伸縮機能については特に限定されることはない
が、本実施形態では各アーム１３ａ，１３ｂの伸縮部分
を圧電素子（例えば積層ピエゾ素子）または磁歪素子を
利用したアクチュエータによって構成し、電歪あるいは
磁歪によって伸縮部分自体に伸び縮みさせている。これ
らを利用した場合、伸縮調整の精度を高めることが可能
となる。

【００５９】また、主ピボット１２ａ、第１のアームピ
ボット１２ｂ、第２のアームピボット１２ｃは、これら
３つの点によってピボットテーブル２の傾きが一義的に
決定されるよう配置する。すなわち、これら３点は少な
くとも一直線上に並ばないよう配置されていれば足り、
この場合、第１のアーム１３ａおよび第２のアーム１３
ｂの長さを決めることによってピボットテーブル２の傾
きを一義的に決定することができる。このように、３つ
のピボット１２ａ，１２ｂ，１２ｃは一直線上に配置し
ないことが条件だが、好ましくは、図８や図１１に示す
ように、主ピボット１２ａを中心として第１のアームピ
ボット１２ｂおよび第２のアームピボット１２ｃを直角
方向に配置することである。この場合、図８に示すよう
に、主ピボット１２ａと第１のアーム１３ａを結ぶｋ軸
と、主ピボット１２ａと第２のアーム１３ｂを結ぶｊ軸
という両回転軸が直交するので、第１のアーム１３ａを
伸縮させてｋ軸回りに傾き調整するときはｊ軸回りの傾
度に影響を与えず、第２のアーム１３ｂを伸縮させてｊ
軸回りに傾き調整するときはｋ軸回りの傾度に影響を与
えない。したがって、両アーム１３ａ，１３ｂの伸縮に
よる傾き調整を直交座標上で独立して行うことが可能と
なり、調整が複雑とはならない上、高い調整精度が実現
される。

【００６０】さらに、上述の２自由度リンク機構４１で
は、ピボットテーブル２の不要な旋回を防止する回り止
め４５を設けておくことが好ましく、これにより、ピボ
ットテーブル２が主ピボット１２ａを中心に周方向へ旋
回してしまうのを阻止することができる。回り止め４５
は、例えば図１８に示すようにベース４２とピボットテ
ーブル２の間に設けたＵ字型の板ばねで、これにより、
ピボットテーブル２の回転（傾動）は許容しながらもｉ
軸回りの旋回を阻止することが可能となる。ただし、本
実施形態のように主ピボット１２ａとして弾性変形する
部材を採用している場合は、この部材の弾性力によって
もピボットテーブル２の不要な旋回を阻止し得る。

【００６１】また、ピボットテーブル２の不要な旋回を
防止する他の手段として、各ピボットのうちの少なくと
も１つをヒンジとすることもできる。ここで、「ピボッ
ト」とは２方向に角度変化可能なジョイントであり、
「ヒンジ」とは１方向にのみ角度変化可能なジョイント
を示しているものとする。例えば本実施形態では、図９
に示すように第１のアーム下部ピボット４３をヒンジと
することで回転の態様に拘束を加え、第１のアーム１３
ａがベース４２に対しあらゆる方向に動くのを制限する
ことでピボットテーブル２の旋回を防止するようにして
いる。

【００６２】以上のように構成された２自由度リンク機
構４１では、以下のようにしてピボットテーブル２を回
転させ、プローブ１１の先端の変位を調整できる。

【００６３】まず、第１のアーム１３ａの伸縮は、図１
３に示すようにピボットテーブル２およびプローブ１１
に対しｋ軸回りの回転を与える。このときｋ軸の＋方向
から２自由度リンク機構４１をみると、図１４に示すよ
うに、主ビポット１２ａ及び第１のアーム下部ピボット
４３の位置、主ピボット１２ａ−第１のアームピボット
１２ｂ間の距離、第１のアーム１３ａの長さにより太線
の三角形が決定される。そして、主ピボット１２ａを通
る鉛直軸（またはピボットテーブル２の上面に垂直な
軸）をｉ軸とおくと、この三角形は、第１のアーム１３
ａが第１のアーム下部ピボット４３により支えられてい
ることによってｉｊ面上に構成されることとなる。ここ
で、この三角形において、主ピボット１２ａと第１のア
ームピボット１２ｂの辺方向をＵ軸として定義してお
く。

【００６４】一方、第２のアーム１３ｂが伸縮した場
合、図１５に示すようにＵ軸回りの回転が与えられる。
図１５では第１のアーム１３ａの伸縮がない状態を示し
ており、Ｕ軸はｊ軸と一致した状態となっている。これ
により、任意方向への角度制御をｋ軸回りの回転と、回
転後のｊ軸回り、つまりＵ軸回りの回転として表現でき
る。そして、第１のアーム１３ａ、第２のアーム１３ｂ
を動作させた場合は図１６に示すようになる。

【００６５】また、与えたい角度に対してのアームの伸
縮は、図１７に示すように、三角形のΦ（ピボットテー
ブル２と水平面とがなす角度）を制御することにより行
うことができる。例えば三角形の各辺をＬ，Ｌ_１，Ｌ_２
とおき（Ｌは伸縮制御可能とする）、Ｌ_１が水平面とな
す角度をθとする。そして、τ＝Φ＋θとすれば、τを
求めることでΦは求まる。余弦定理によれば、

【数８】Ｌ^２＝Ｌ_１ ^２＋Ｌ_２ ^２−２・Ｌ_１・Ｌ_２・cosτ よって、

【数９】cosτ＝（Ｌ_１ ^２＋Ｌ_２ ^２−Ｌ^２）／（２・Ｌ
_１・Ｌ_２）

【数１０】Φ＝cos^-1｛（Ｌ_１ ^２＋Ｌ_２ ^２−Ｌ^２）／
（２・Ｌ_１・Ｌ_２）｝−θ よって、可動部であるピボットテーブル２を水平移動さ
せるのではなく、その傾きを調整することができる。こ
の場合、ピボットテーブル２上に設けたプローブ１１も
傾きを変え、ピボットテーブル２の傾きに応じて先端位
置を一義的に定める。したがって、２自由度リンク機構
４１を駆動することでプローブ１１を水平方向に移動さ
せ、空間内における座標を決定することができる。

【００６６】以上、ピボットテーブル２について説明し
たが、続いてピボットテーブル２の傾き（位置）を検出
する手段について説明する。本実施形態では、ピボット
テーブルの傾き角度を角度増倍光てこにより検出する事
でプローブ１１の位置を検出する。図１９〜図２７に、
微小内径測定装置１０に適用した微小偏角検出装置１に
ついて示す。この微小偏角検出装置１は、ピボットテー
ブル２の微小偏角θに起因して生じるビーム光４の偏角
をミラー部５および拡大光学系６における光てこの作用
で拡大増幅し、この偏角を精度よく測定することによっ
てピボットテーブル２の微小偏角θを検出する。この場
合、プローブ端変位がピボットテーブル２の偏角θに比
例することから、プローブ端の変位を知り、微小孔９の
内径を算出することができる。特に詳しく図示していな
いが、プローブ１１を励振するには励振用ユニモルフや
振動板を用いている。なお、図１９〜図２３では、ケー
スを外した状態の微小内径測定装置を図示している。

【００６７】ピボットテーブル２は３点のピボット１２
によって支持された円筒形の部材で、振動するプローブ
１１を上部に備え、裏面には例えばミラーからなるビー
ム光反射部２ａが設けられている。

【００６８】ビーム光源３はビーム光４を照射する光源
で、ピボットテーブル２の一部（具体的にはビーム光反
射部２ａ）にビーム光４を入射角ηで照射する。ビーム
光源３としては例えばコリメート光を出射するＬＤ（レ
ーザ・ダイオード）光源が好ましい。この場合、光源先
端には例えば径1.5ｍｍ程度の絞り２７を設け、細くて
丸いビームが得られるようにして検出精度を高めること
が好ましい。また、ビーム光源３の出射角度と位置は調
整可能である。

【００６９】ミラー部５はピボットテーブル２で反射さ
れた反射ビーム光４の反射部材で、図１９に示すように
ピボットテーブル２の裏側に取り付けられてこのピボッ
トテーブル２と等量傾く偏角発生側ミラー５ａと、この
ミラー５ａに対向するように装置本体に固定された固定
側ミラー５ｂとからなる。本実施形態では、ピボットテ
ーブル２のビーム光反射部２ａ（具体的には偏角発生側
ミラー５ａの一部）で反射したビーム光４を固定側ミラ
ー５ｂで反射し、続いて偏角発生側ミラー５ａで反射し
た後に拡大光学系６に入射させるようにしている。各ミ
ラー５ａ，５ｂは、角度調節できるように設けられてい
る。この場合、直交する２つの角度方向に各々が傾き調
整できれば十分である。

【００７０】ここで、両ミラー５ａ，５ｂの反射面は通
常時は平行となるように配置されている。したがって、
ピボットテーブル２の偏角が０である場合はいずれのミ
ラー５ａ，５ｂとも入射角ηのビーム光４を反射角ηで
反射するが、ピボットテーブル２に偏角が生じた場合に
は偏角を増幅させるように作用する。すなわち、ピボッ
トテーブル２が例えばθの偏角が生じた場合、角度の基
準を図１９の上下方向とすると、第１の反射ポイントで
あるビーム光反射部２ａからの反射光は（η＋２θ）の
角度で固定側ミラー５ｂに入反射し、再びビーム光反射
部２ａに入反射されて（η＋４θ）の角度で光学系に入
射する。すなわち、拡大光学系６に入射する時点におい
ては偏角θが４倍されている。

【００７１】拡大光学系６は、ピボットテーブル２の微
小偏角θをミラー部５で４倍に増幅したビーム光が入射
し、さらに偏角を拡大する部材で、本実施形態ではビー
ムエキスパンダを逆向きに使用して本来の出射側からビ
ーム光を入射させる。ここで、ビームエキスパンダは本
来はビーム光４の口径を大きくするように作用する光学
系であるが、本実施形態で逆向きに使用されるビームエ
キスパンダは、ビーム径を収束させて細くするととも
に、偏角をさらに増幅するように作用して検出精度を高
めるように作用する。ビームエキスパンダは大きく分け
てケプラー型とガリレオ型とがあり、微小偏角検出装置
１の小型化の観点からは無焦点光学系であるガリレオ型
が好ましいがケプラー型であってももちろん構わない。
なお、ビームエキスパンダを用いた場合、焦点距離の比
が倍率になり、増幅度を上げようとすればビームエキス
パンダの大型化を招くので、微小偏角検出装置１のサイ
ズと倍率の両者を比較考量して焦点距離等を適宜決定す
る。拡大光学系６を通過したビーム光４は全反射ミラー
１４で反射した後に受光部７に入射する。

【００７２】全反射ミラー１４は、ビーム光４を受光部
７側に反射させる機能と、微小偏角検出装置１の光軸付
近を光軸と平行に出射するビーム光４が受光部７の中心
に当たるように調節する機能とを併せ持つ。例えば、ミ
ラー部５による反射で偏角θが４倍に拡大され、拡大光
学系により５倍に拡大されている場合、拡大光学系６の
出射側主点で２０倍の偏角が得られ、この主点から受光
部７の距離を仮に５０ｍｍに設定すれば、一回反射で拡
大光学系６がない場合の２０倍すなわち1000ｍｍの光路
長と同等の効果が得られる。なお、受光部７を光軸上に
配置することによってこの全反射ミラー１４は省略する
ことが可能である。

【００７３】受光部７は、拡大光学系６から出射され全
反射ミラー１４によって反射されたビーム光４を受光す
る。受光部７は、受光したビーム光４の座標位置を測定
可能な位置検出センサとすることができる。位置検出セ
ンサとしては、例えばＰＳＤ（Position Sensing Devic
e）等のようにビーム光４の入射した位置を電圧によっ
て１次元的または２次元的に検出する装置の採用が好適
である。また、受光部（位置検出センサ）７は入射位置
と総光量を出力できる構成を有する。この場合、適正な
光量か否かを出力し、光量があらかじめ定めた範囲を逸
脱して位置検出精度が得られないと判断した場合は警報
を発生し、上位コントローラや操作担当者に知らせるよ
うにしていることが好ましい。光量を知ることにより、
ビーム光４が受光部７に入射していないなどの事故（例
えばＬＤなどの破損や障害物による光路の遮断）を知る
ことができる。

【００７４】また、符号１５で示すビームスプリッタ
（ＰＢＳ）は、ミラー部５と拡大光学系６との間でビー
ム光４を光軸方向（拡大光学系６の向き）および光軸と
垂直な方向に分岐し、一方を装置外部に取り出すように
作用する。光軸に垂直な方向は、例えば図２７に示すよ
うに紙面に沿った向きとしてもよいし、紙面に垂直な向
きとしてもよい。分岐の際は、ビーム光源３とビームス
プリッタ１５の偏光方向によって決まる割合で受光部７
へ入射する光量を連続的に変えることができる。

【００７５】さらに、微小偏角検出装置１は偏角発生側
ミラー５ａが中点付近となるように予め調整する調整機
構２０，２１を備えている。図２３に示す調整機構２０
は偏角発生側ミラー５ａの中点角度を設定し、図１９に
示すように光路を調整する。一方、図２０に示す調整機
構２１は固定側ミラー５ｂの角度を設定し、図２１に示
すように光路を調整する。

【００７６】続いて、微小偏角検出装置１の光学系（光
てこ）の調整方法について述べる。ここでは、図２７に
示すように空気中の無収差光学系側に収差補正用の参照
用位置検出センサ（例えば外部ＰＳＤ）１６を設け、内
部の位置検出センサ（受光部７）と外部の位置検出セン
サ１６で同時に偏角θによるスポット変位を測定し、拡
大光学系６の歪みを補正するためのデータを得るように
している。

【００７７】ここで、拡大光学系６の調整においては、
中心にそれぞれ小孔１７ａ，１８ａを穿った第１の光軸
調整部材１７および第２の光軸調整部材１８を図２７の
ように拡大光学系６の入射端、出射端に設けるととも
に、受光部７の位置にコーナーキューブ１９を受光部７
の中心とコーナーキューブ１９の中心がほぼ一致するよ
うに設け、Ａで示す位置からオートコリメータでコリメ
ート光を入射させる。この状態でオートコリメータにコ
ーナーキューブ１９で反射した光束が戻るように全反射
ミラー１４の角度を調整する。そうしたらコーナーキュ
ーブ１９を取り外し、受光部７のＰＳＤカバーガラスか
らの反射光が第２の光軸調整部材１８の小孔１８ａに戻
るように図示しないＰＳＤ傾き調整機構で調整する。

【００７８】拡大光学系６の調整が出来たら、上述のよ
うに設定した光軸に平行で小孔１８ａを透過する光束が
得られるようにビーム光源３、偏角発生側ミラー５ａ、
固定側ミラー５ｂを調整する。このとき、固定側ミラー
５ｂは傾きθｘ、偏角発生側ミラー５ａは傾きθｙ、ビ
ーム光源３はＸＹ水平位置の調整が出来れば十分である
が、各々の素子にθ２軸、ＸＹ２軸の計４軸の調整機構
を備えさせればより細かな調整が可能となる。このよう
な調整機構により、上述のように調整した光軸に平行で
拡大光学系６の中心を通るビーム光４を得ることが可能
となる。

【００７９】また、ピボットテーブル２の可動範囲の中
心をワーク設置基準としている。つまり、レーザ光学系
の光軸を精度良く調整しても、２自由度ピボットテーブ
ル２の可動範囲中心と光学系の光軸中心を完全に一致さ
せることは出来ない。そこで、図４０に示すように、ピ
エゾアクチュエータ２８（図２３）の可動範囲を調べる
ように指令値をコントローラから出力し、その時の受光
部（ＰＳＤ）７上のビーム軌跡からピボットテーブル２
の可動範囲の中心を求める。この可動範囲中心がワーク
中心と一致するように治具を調整するとともに、光学系
中心と可動範囲中心を作業者に提示する。なお、図４０
はピエゾの駆動電圧が０−１５０Ｖとした場合の一例で
ある。

【００８０】具体的に説明すると、まず最初にｊ軸駆動
電圧（一方のピエゾアクチュエータ２８の駆動電圧）を
１５０Ｖの半分の７５Ｖとし（ステップ８１）、ｋ軸駆
動電圧（他方のピエゾアクチュエータ２８の駆動電圧）
を０Ｖにした状態（ステップ８２）で、受光部（ＰＳ
Ｄ）７上の光軸の位置を読み取る（ステップ８３，図４
１の（７５，０）点）。この後、ｋ軸駆動電圧を１０Ｖ
高くし（ステップ８４）、その電圧が１５０Ｖに満たな
ければステップ８５からステップ８３に戻って受光部７
上の光軸の位置を読み取る。そして、ｋ軸駆動電圧が１
５０Ｖ（図４１の（７５，１５０）点）に達するまでス
テップ８３，８４を繰り返し実行し、ｋ軸駆動電圧が１
０Ｖずつ変化したときの受光部７上の光軸の位置を読み
取る。つまり、ｊ軸を中点にした状態のｋ軸の軌跡を求
める。そして、この軌跡の中点を求め、その位置をｋ軸
の中点とする（ステップ８６）。

【００８１】次に、ｋ軸駆動電圧を１５０Ｖの半分の７
５Ｖとし（ステップ８７）、ｊ軸駆動電圧を０Ｖにした
状態（ステップ８８）で、受光部７上の光軸の位置を読
み取る（ステップ８９，図４１の（０，７５）点）。こ
の後、ｊ軸駆動電圧を１０Ｖ高くし（ステップ９０）、
その電圧が１５０Ｖに満たなければステップ９１からス
テップ８９に戻って受光部７上の光軸の位置を読み取
る。そして、ｊ軸駆動電圧が１５０Ｖ（図４１の（１５
０，７５）点）に達するまでステップ８９，９０を繰り
返し実行し、ｊ軸駆動電圧が１０Ｖずつ変化したときの
受光部７上の光軸の位置を読み取る。つまり、ｋ軸を中
点にした状態のｊ軸の軌跡を求める。そして、この軌跡
の中点を求め、その位置をｊ軸の中点とする（ステップ
９２）。即ち、ｊ軸の中点とｋ軸の中点より中点（７
５，７５）が求まる。なお、図４１に、この方法によっ
て中点を求める概念を示す。

【００８２】このように実際にピボットテーブル２を動
かしてその可動範囲に対応する受光部７上の光軸の軌跡
を求め、その軌跡からワーク設置基準となる座標中点
（７５，７５）を求めている。このため、ピボットテー
ブル２の可動範囲の中点を受光部７上に正確に求めるこ
とができる。つまり、微小内径測定装置１０を組み立て
てから中点を求めるので、ピボットテーブル２の可動範
囲の中点を受光部７上の中点に一致させるように微小内
径測定装置１０を組み立てる場合に比べて、組み立てに
要する精度を緩和することが出来るとともに、ピボット
テーブル２の可動範囲の中点を受光部７上に正確に求め
ることができる。

【００８３】なお、図４０及び図４１の方法では、ピボ
ットテーブル２を十字状に移動させて中点を求めていた
が、この方法に限るものではなく、例えばピボットテー
ブル２を碁盤の目状に動かしながら中点を求めるように
しても良い。即ち、図４２に示すように、ｊ軸駆動電圧
を０Ｖにした状態でｋ軸駆動電圧を０〜１５０Ｖに例え
ば１０Ｖずつ変化させて測定（（０，０）点〜（０，１
５０）点）した後、ｊ軸駆動電圧を例えば１０Ｖにした
状態でｋ軸駆動電圧を０〜１５０Ｖに例えば１０Ｖずつ
変化させて測定を行う（（１０，０）点〜（１０，１５
０）点）。以後、ｊ軸駆動電圧を例えば１０Ｖずつ増や
して同様の測定を繰り返し行う。このようにしてピボッ
トテーブル２の可動範囲を受光部７上に求め、その可動
範囲の対角線の交点を中点（７５，７５）としても良
い。

【００８４】また、本実施形態のようにミラー部５に対
しビーム光４を斜めに入射させ、２次元の偏角を検出す
る場合には、その検出結果に歪みが発生する。例えば、
図２７に示す光学系において受光部７で２次元の偏角を
検出する場合、紙面に平行な方向の偏角に対応した受光
部７上のビーム変位は紙面に垂直な方向の変位に対して
ｃｏｓη（ηはビーム光４と偏角発生側ミラー５ａのな
す角）だけ小さくなる。この歪みをコンピュータで補正
するようにする。

【００８５】また、拡大光学系６の収差を補正する場合
にあっては、収差補正用の係数を予め求めて記憶してお
き、受光部７の出力を補正して位置データを得ることに
より、正確な偏角検出が行える。さらに、この場合は、
拡大光学系６の２次元位置検出出力の対応関係を表に備
え、この２次元位置検出出力から補正された位置データ
を演算により得るようにすることにより、非線形な収差
の補正を容易に実現できる。

【００８６】なお、本実施形態では拡大光学系６の好適
例として逆向き配置したビームエキスパンダを例示した
が、代わりにコリメートレンズを用いることも可能であ
る。コリメートレンズにより焦点をＰＳＤに結ばせれば
偏角に応じて焦点がＰＳＤ上を移動するので偏角を知る
ことができる。また、特に図示しないが、拡大光学系６
の前にくさび型プリズムを挿入し、多重反射を得るため
に設定した傾きηを補正することもできる。また、本実
施形態ではビーム光源３としてＬＤを例示したが、例え
ばファイバ光学系を用いた光源を利用することも好まし
い。この場合、ビーム光源３を装置本体から遠ざけて設
置することが可能となるため、発熱による装置変形に起
因する精度低下を避けやすくなる。また、ビーム光源３
としては、図２８に示すようにＬＤ２２とコリメータ２
３を組み合わせたもの（符号２４はＬＤ駆動回路）、図
２９に示すように光ファイバ２５とコリメータ２３を組
み合わせたもの、図３０に示すようにファイバコリメー
タ（商品名「グリーンレンズ／セルフォックレンズ」）
２６を用いたものなどを採用することができる。特に、
ファイバコリメータ２６を利用すればビーム光源３の小
型化と安定性の向上が図れる。

【００８７】また、本実施形態ではミラー部５でビーム
光４を２回（ビーム光反射部材２ａにおける反射を含め
て合計３回）反射させるようにしたが、これは好適な一
例に過ぎず、これより多く反射させることももちろん可
能である。また、微小偏角検出装置１の光学系の調整を
する場合、ビーム光源３の偏光方向をビーム光源３を回
転させて変化させ、偏光ビームスプリッタ１５の偏光特
性を利用して受光部７への光量を調節するようにしても
よい。この場合、受光部７における光量を適正とするた
めの光量調整をビーム光源３を回転するだけで出来るよ
うになる。ただし、ビーム光源３としてＬＤでなくファ
イバを利用している場合は、偏光が失われるので、出射
位置に偏光板を挿入してこれを回転させれば良い。

【００８８】ここまで微小内径測定装置１０におけるピ
ボットテーブル２および微小偏角検出装置１について説
明したが、ここで図７に戻り第２の実施形態における微
小内径測定装置１０の制御手段３３の構成についても説
明する。制御手段３３は、ＣＰＵ３３ａ等を備えてい
る。ＣＰＵ３３ａは位置フィードバック信号によりピボ
ットテーブル２のステージ位置をモニタし、位置指令信
号をピボットテーブル２に送る事でピボットテーブル２
をサーボ駆動し、さらに、パラレル３３ｂを通じてフィ
ーダ制御装置３７に指令を出し被測定物８を直線移動さ
せる。そして、ＣＰＵ３３ａによりｓｉｎ波形を発生
し、Ｄ／Ａ変換後にプローブ加振信号としてプローブ１
１に供給する。一方、プローブ１１からの共振信号をＡ
／Ｄ変換後にＣＰＵ３３ａに取り込み、振幅検出を行
う。また、サーボ移動中も共振振幅をモニタし、振幅が
設定した閾値を下回ったときに接触したと判断し、移動
を中止し、その時の位置を接触位置として記憶する。な
お、ＣＰＵ３３ａは上述した円同定も行い、ユーザイン
ターフェイス３５を通して結果を提示する。

【００８９】続いて、微小内径測定装置１０の第３の実
施形態を説明する。上述した第１または第２の実施形態
では少なくとも３点の接触点の座標から内接円を同定し
微小孔９の内径を求めるようにしたが、微小孔９やプロ
ーブ１１は常に真円だとは限らないので、まず微小孔９
の内周の仮中心を求め、この仮中心を中心とする円周上
の点を測定することが好ましい。すなわち、プローブ１
１の初期位置が異なる場合、同じ方向へ動かした場合で
も図３１に示すように被測定物８とプローブ１１の接触
位置が変化することがあり、そうするとそこから算出さ
れる内径値は同じ物を測定しているにもかかわらず異な
った値が出てくる場合があるので、図３２のようにワー
ク挿入後（ステップ１）、一度初期位置で内径測定を行
って仮中心を求め（ステップ２）、プローブ１１を仮中
心へ移動してから改めて内径を測定し直すことで接触点
をほぼ一定の位置に保ち（ステップ３，４）、同一姿勢
の同一被測定物８に関して安定した測定値を得ることが
可能となる。この場合、微小孔９の内壁にたとえ微小の
凹凸が存在しても安定した測定結果を得ることが可能と
なる。

【００９０】続いて、微小内径測定装置１０の第４の実
施形態を説明する。本実施形態では、図３３に示すよう
に、ここまで説明した微小内径測定装置１０のプローブ
１１の近傍に温度センサ３８と音センサ３９を設置し、
制御手段３３に接続して、微小孔９の内径測定中に温度
変化あるいは音圧変化等の所定の変動が生じたかどうか
を検出している。この場合、内径測定中に温度、音圧等
の周辺環境を同時に測定し、環境の悪化が認められた場
合にユーザインターフェイス３５を介して警告を発し、
測定値の信頼性が低下したことを通知することが可能で
ある。なお、モニタ対象は音圧、温度に限定されること
はなく、例えば風量、振動等、内径測定に影響する他の
要因をモニタすることもできる。また、特に図示してい
ないが、これら外因の影響を排除するため、プローブ１
１と励振手段３１とを防音、遮光構造とし、プローブ１
１のみを被測定物８側に突出させた構造とした上で全体
を防振構造とさせることも好ましい。

【００９１】続いて、微小内径測定装置１０の第５の実
施形態を図３４に示す。プローブ１１の共振周波数は、
外部からの衝撃、温度変化、経年変化等の様々な要因で
一定値とはならず、共振周波数からずれた周波数でプロ
ーブ１１を加振すると共振振幅が減少し、感度が鈍くな
ってプローブ接触の際の誤検出の原因となる場合がある
ので、装置起動中に一定の間隔で共振周波数を調べ（共
振周波数スイープ）、常に共振周波数でプローブ１１を
加振できるようにしておくことが好ましい。そこで本実
施形態では、図３４に示すようにまず共振振幅をクリア
し（ステップ１１）、加振周波数を変更した後に一定時
間待ち（ステップ１２，１３）、共振振幅を検出してか
ら（ステップ１４）共振振幅がそれまでで最大かどうか
調べる（ステップ１５）。最大であれば加振周波数を記
憶した後（ステップ１６）に、最大でなければ加振周波
数を記憶せずにループを終了するかどうかのステップに
移る（ステップ１７）。ループを終了する場合はそのま
ま記憶した加振周波数を設定するが（ステップ１８）、
ループを終了しない場合には再びステップ１２に戻る。
この場合、測定中断中にプローブ１１の共振周波数を再
計測し、加振する周波数を微調整する事により常に感度
良く接触検出を行うことを可能としている。

【００９２】続いて、微小内径測定装置１０の第６の実
施形態を図３５に示す。本実施形態では、被測定物８と
校正用ゲージ４０とを並置し、これらを交互に測定して
測定中断中に校正を行う事により精度良く内径計測を行
い得るようにしている。校正用ゲージ４０は、内径が基
準値となるよう精度よく作製された微小孔４０ａを有し
ている。図３５では、２軸のピボットテーブル２に被測
定物８と校正用ゲージ４０とを別々に配置し、プローブ
１１を軸方向に移動させて微小孔９，４０ａに抜き差し
するようにした微小内径測定装置１０を例示している。

【００９３】続いて、微小内径測定装置１０の第７の実
施形態について説明する。本実施形態では、特に図示し
ていないが、微小孔９の凹凸箇所よりも多いか又は少な
い箇所でプローブ１１を内壁９ａに接触させるようにし
ている。例えば、軸方向に延びる複数のグルーブ（溝）
が微小孔９内に周方向等間隔に刻まれているような場
合、プローブ１１がこれらグルーブの底にのみ接触する
と正確な内径と異なる径が検出されてしまうので、凹凸
箇所と異なる数の点で接触させることにより、少なくと
も１点の接触位置が凹凸箇所からずれるようにしてい
る。

【００９４】上述した各実施形態では、プローブ１１を
振動させ、プローブ１１が内壁９ａに接触したことを振
動変化から検出するようにしたが、接触を検出する手段
は特にこれに限られるものではない。例えば、被測定物
８が金属からなる場合、プローブ１１と被測定物８に電
圧を印加し、プローブ１１の球形先端と内壁９ａとの間
の電気的導通の有無から接触したかどうかを検出するこ
とができる。また、電気的導通を利用する以外には、プ
ローブシャンク部分に歪みゲージを設置し、接触発生後
の反力によって発生するシャンクの歪みを検知する事で
接触を検出する事も可能である。

【００９５】上述した実施形態では、特徴値として、Ｐ
Ｖ値やＲＭＳ値を用いたがこれに限定されるものではな
く、これ以外の評価値（特徴値）を用いて円形測定物に
関するデータの測定評価方法を求めてもよい。

【００９６】また、上述したとおりＰＶ値やＲＭＳ値を
用いることで、ＰＶ値は最大値と最小値の差なので、ゴ
ミの付着などで測定点一ヶ所のみ大きく値が変動したと
きに敏感に値が変化する。また、その計算方法も簡単で
ある。さらに、ＲＭＳ値は電気で言う実効値のようなも
ので、得られたデータの、推定円からのばらつき具合を
評価できる。例えば、ＲＭＳ値が大きい場合、推定円か
らのずれが大きい（突発的ではなく、全体的に）と考え
られる。以上のことより、これらＰＶ値、ＲＭＳ値を組
み合わせることで、形状が悪いのか、それとも、ゴミの
影響なのかと言うことをある程度推定できる。

【００９７】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載の測
定評価方法では、プローブ又は円形被測定物を相対移動
させ、プローブを円形被測定物の測定面に複数点で接触
させ、プローブが測定面と接触したときの接触位置を記
憶し、各接触位置に基づき円を同定することによりプロ
ーブと円形被測定物とのクリアランスを測定し、これに
基づき円形被測定物の測定面の円情報を算出するととも
に、同定した円の中心から各測定点までの距離と同定円
半径の残差を計算し、その計算値の特徴値を求めて予め
記憶したレベル値と比較し、その比較結果により測定エ
ラーを表示するようにしているので、エラー表示に基づ
いて測定結果の信頼性を判断することが出来る。信頼性
の判断の結果、大きな誤差を含むと考えられる測定値を
除いた他の各測定値に基づいて円を同定し直しても良い
し、あるいは測定をし直しても良い。このようにするこ
とで、測定結果の評価が可能になる。また、レベル値の
設定を変えることで、要求される測定精度に応じた評価
を行うことが出来る。

【００９８】また、請求項２記載の測定評価方法では、
プローブをその共振周波数又はその近傍で微小振動さ
せ、振動変化に基づいてプローブが円形被測定物の測定
面と接触したことを検出し接触位置を記憶するようにし
ているので、プローブが内壁に接触したことを精度よく
検出することが可能である。

【００９９】また、請求項３記載の測定評価方法では、
円形被測定物の測定面の仮中心を求め、この仮中心を中
心とする円周上の点を測定するようにしているので、測
定対象たる微小孔の微視的な形状の影響を一定にし、た
とえ内壁に凸凹があったとしても安定した測定を得るこ
とが可能となる。

【０１００】また、請求項４記載の測定評価方法では、
円形被測定物の測定面の凹凸箇所よりも多いか又は少な
い箇所でプローブを測定面に接触させるようにしている
ので、軸方向に延びる複数のグルーブ（溝）が微小孔内
に周方向等間隔に刻まれているような場合であっても、
少なくとも１点の接触位置が凹凸箇所からずれて測定誤
差が少なくなる。

【０１０１】また、請求項５記載の測定評価方法では、
測定中に温度、音圧、振動等の周辺環境を同時に測定
し、環境の悪化が認められた場合に警告を発し、測定値
の信頼性が低下したことを通知するようにしているの
で、信頼性の高い測定結果が得られなかったとみなせる
とき、その結果を不採用とすることができる。

【０１０２】さらに、請求項６記載の測定評価方法で
は、円形被測定物が微小孔の内径である場合に、プロー
ブの外径を微小孔の内径に比較して僅かに小さくしてい
るので、プローブが微小孔内壁に接触するまでの相対移
動量が少なくて済む。

【図面の簡単な説明】

【図１】被測定物の微小孔にプローブを挿入した状態を
示す図である。

【図２】図１の状態からプローブを動かして被測定物に
接触した瞬間の状態を示す図である。

【図３】プローブ原位置から１２０度毎に移動方向を変
えながら残りの２点を測定する様子を示す図である。

【図４】被測定物の内径中心と同心で所定半径の円が得
られる様子を示す図である。

【図５】微小内径測定装置の第１の実施形態を示す構成
図である。

【図６】被測定物を変更した場合でもクリアランスが等
しくなるような径を持つプローブを選んだ場合の様子を
示す図である。

【図７】微小内径測定装置の第２の実施形態を示す構成
図である。

【図８】ピボットテーブルについて説明するための２自
由度リンク機構の平面図である。

【図９】図８に示す２自由度リンク機構の正面図であ
る。

【図１０】図８に示す２自由度リンク機構の右側面図で
ある。

【図１１】図８に示す２自由度リンク機構をｋ軸＋方向
からみた図である。

【図１２】弾性変形する主ピボットを中間細り状に形成
した一例を示す図であり、（Ａ）は変形していない状
態、（Ｂ）は変形した状態である。

【図１３】第１のアーム伸縮時の２自由度リンク機構を
示す正面図である。

【図１４】図１３に示す２自由度リンク機構をｋ軸＋方
向からみた図である。

【図１５】第２のアーム伸縮時の２自由度リンク機構を
ｋ軸＋方向からみた図である。

【図１６】第１および第２のアーム伸縮時の２自由度リ
ンク機構を示す正面図である。

【図１７】駆動時にアームなどが形成する三角形を示す
図である。

【図１８】板ばねで構成した回り止めを示す２自由度リ
ンク機構の部分図である。

【図１９】微小偏角検出装置を適用した微小内径測定装
置の内部構造を示す正面図である。

【図２０】ピボットテーブルを外した微小内径測定装置
の構造を示す平面図である。

【図２１】微小内径測定装置の内部構造を示す左側面図
である。

【図２２】微小内径測定装置の内部構造を示す右側面図
である。

【図２３】微小内径測定装置の内部構造を示す背面図で
ある。

【図２４】微小内径測定装置のピボットテーブルの平面
図である。

【図２５】ピボットおよびアーム周辺の構造を示す部分
平面図である。

【図２６】光てこの構成を示す概略図である。

【図２７】光てこの調整を示す概略図である。

【図２８】ＬＤとコリメータを組み合わせたビーム光源
の概略構成を示す図である。

【図２９】光ファイバとコリメータを組み合わせたビー
ム光源の概略構成を示す図である。

【図３０】ファイバコリメータを用いたビーム光源の概
略構成を示す図である。

【図３１】微小内径測定の第３の実施形態を示すもの
で、プローブを同じ方向へ動かした場合でも被測定物と
の接触位置が変化する場合があることを示す図である。

【図３２】一度初期位置で内径測定を行って仮中心を求
め、プローブを仮中心へ移動してから改めて内径を測定
し直す場合のフローチャートである。

【図３３】微小内径測定装置の第４の実施形態を示し、
プローブの近傍に温度センサと音センサを設置した状態
の構成図である。

【図３４】微小内径測定の第５の実施形態を示し、装置
起動中に一定の間隔で共振周波数を調べ（共振周波数ス
イープ）、常に共振周波数でプローブを加振できるよう
にするためのフローチャートである。

【図３５】微小内径測定装置の第６の実施形態を説明す
るためのもので、被測定物およびこれと並置した校正用
ゲージとを示す図である。

【図３６】本発明を適用した測定評価方法の実施形態の
一例を示し、その全体のフローチャートである。

【図３７】本発明を適用した測定評価方法の実施形態の
一例を示し、その円同定を行うサブルーチンのフローチ
ャートである。

【図３８】測定データと同定した円との概念図である。

【図３９】計算結果の表示例を示す図である。

【図４０】ピボットテーブルの可動範囲中心を求める動
作を示すフローチャートである。

【図４１】ピボットテーブルの可動範囲中心を求める動
作の概念図である。

【図４２】ピボットテーブルの可動範囲中心を求める動
作の他の実施形態を示す概念図である。

【符号の説明】

９微小孔（円形被測定物）９ａ内壁（円形被測定物の測定面）１０微小内径測定装置１１プローブ３１励振手段３２移動手段３３制御手段３８温度センサ３９音センサ４０校正用ゲージ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】円形被測定物の輪郭をプローブを用いて
測定する測定評価方法において、上記プローブ又は上記
円形被測定物を相対移動させ、上記プローブを上記円形
被測定物の測定面に複数点で接触させ、上記プローブが
上記測定面と接触したときの接触位置を記憶し、各接触
位置に基づき円を同定することにより上記プローブと上
記円形被測定物とのクリアランスを測定し、これに基づ
き上記円形被測定物の測定面の円情報を算出するととも
に、上記同定した円の中心から上記各測定点までの距離
と同定円半径の残差を計算し、その計算値の特徴値を求
めて予め記憶したレベル値と比較し、その比較結果によ
り測定エラーを表示することを特徴とする測定評価方
法。
【請求項２】上記プローブをその共振周波数又はその
近傍で微小振動させ、振動変化に基づいて上記プローブ
が上記円形被測定物の測定面と接触したことを検出し接
触位置を記憶することを特徴とする請求項１記載の測定
評価方法。
【請求項３】上記円形被測定物の測定面の仮中心を求
め、この仮中心を中心とする円周上の点を測定すること
を特徴とする請求項１または２記載の測定評価方法。
【請求項４】上記円形被測定物の測定面の凹凸箇所よ
りも多いか又は少ない箇所で上記プローブを上記測定面
に接触させることを特徴とする請求項１または２記載の
測定評価方法。
【請求項５】測定中に温度、音圧、振動等の周辺環境
を同時に測定し、環境の悪化が認められた場合に警告を
発し、測定値の信頼性が低下したことを通知することを
特徴とする請求項１または２記載の測定評価方法。
【請求項６】上記円形被測定物が微小孔の内径である
場合に、上記プローブの外径を上記微小孔の内径に比較
して僅かに小さくしていることを特徴とする請求項１か
ら５のいずれかに記載の測定評価方法。