JP2003279345A - 非球面形状測定機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 基準となる参照球とプローブ先端球の両方の
誤差を分離測定することができる非球面形状測定機を提
供する。 【解決手段】 非球面形状測定機１は、中心軸周り回転
保持機構５、プローブ先端球８、その位置検出手段等を
備えて構成され、また、上記中心軸周り回転保持機構５
の中心軸線４と直交して回転保持する直交軸周り回転保
持機構７と、この直交軸周り回転保持機構７による回転
前後の位置検出手段による球面形状データをその位相差
で積分して測定対象球の表面の座標を算出する形状算出
手段とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、非球面形状測定機
に関し、特に、基準となる参照球とプローブ先端球の両
方の形状誤差を分離測定することができる非球面形状測
定機に関する。

【０００２】

【従来の技術】非球面を含む複雑な３次元形状を測定す
る装置として３次元座標測定機が知られている。球面形
状精度を測定するための３次元座標測定機は、測定対象
球を１軸回りに回転保持する回転保持機構と、進退可能
に構成したプローブ先端球の位置を検出する位置検出手
段と、各回転位置の測定対象球にプローブ先端球が触れ
た位置の座標により測定対象球の真球からのずれを表す
球面形状データを取得する手段とを備える。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記３
次元座標測定機は、接触を検知するプローブ先端球の形
状の不確かさと、接触によってプローブがたわむことに
よる座標読みとり誤差の二つの重要なファクターによ
り、その測定精度には限界がある。

【０００４】そのプローブ先端球の形状測定値の補正に
は、基準とする高精度の球を測定して、その結果から先
端球の形状誤差を評価することが行われるが、基準とな
る球の形状精度も５０nm程度しか保証されないので、高
精度の非球面形状などの測定に対しては無視できない不
確かさが残ってしまう。

【０００５】また、真円度を半径法で測定するときに、
円の回転運動誤差と形状誤差を分離して精度を向上する
ために、３点法や反転法が知られているが、３次元測定
機の参照球にそれを適用することは次の理由から困難で
ある。これは、形状を測定しても、そのデータの位置情
報を３次元測定機上に取り付けた参照球に正しく付ける
ことが難しかったこと、先端プローブ球の形状測定に適
用しても、使用中の摩耗で形状が変化するためあまり高
精度の補正値を求めることが無意味になることがあげら
れる。

【０００６】本発明の目的は、基準となる参照球とプロ
ーブ先端球の両方の誤差を分離測定することができる非
球面形状測定機を提供することにあり、また、接触の反
力によるプローブのたわみについてナノメートルレベル
の測定精度が要求されるときの最適な補正手段を備えた
非球面形状測定機を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１に係る発明は、測定対象球をその中心を通
る中心軸線周りに回転可能に保持する中心軸周り回転保
持機構と、この中心軸周り回転保持機構の中心軸線と直
交する直交軸線上を一定姿勢で進退しうるプローブ先端
球と、このプローブ先端球の進退位置を検出する位置検
出手段とを備える非球面形状測定機において、上記直交
軸線の周りに中心軸周り回転保持機構を回転可能に保持
する直交軸周り回転保持機構と、この直交軸周り回転保
持機構による回転前後の位置検出手段による球面形状デ
ータの位相差を積分して測定対象球の表面の座標を算出
する形状算出手段とを備えることにより非球面形状測定
機を構成したものである。

【０００８】上記中心軸周り回転保持機構により、直交
軸周り回転保持機構による回転前後において、球面形状
データが取得され、形状算出手段によって測定対象球と
接触プローブの先端球の形状誤差とが分離される。詳細
に説明すると、測定対象球の測定結果には、測定対象球
の形状誤差とプローブ先端球の形状誤差とが和の形で加
わることから、プローブ先端球の形状誤差は、測定対象
球の同一円上の形状誤差に関して位相を変えて測定した
２回の測定結果の差を採ることによって測定対象球と接
触プローブの先端球の形状誤差が分離され、プローブ先
端球の形状誤差の影響が取り除かれた測定対象球の形状
の差動出力が得られる。また、逆に、プローブ先端球の
真円形状を、測定対象球の形状誤差を受けない形で求め
ることができる。

【０００９】また、請求項２に係る発明は、前記プロー
ブ先端球に向けてこのプローブ先端球を保持するプロー
ブ基部から投射した光ビームによりプローブ保持部に対
するプローブ先端球の相対変位を検出する相対変位検出
手段を備えることにより非球面形状測定機を構成したも
のである。この非球面形状測定機は、測定用プローブの
保持部に取り付けた相対変位検出手段の光学式角度セン
サ或いは変位センサの検出用光ビームを測定プローブ先
端球に向けて投射し、プローブ保持部に対するプローブ
先端球の相対変位を計測することにより、接触圧による
プローブ接触位置補正が可能となるので、３次元座標測
定の測定精度を高めることができる。

【００１０】また、請求項３に係る発明は、前記プロー
ブ先端球が相対変位検出手段の検出用光ビームを受ける
に適する粗面を備えることにより非球面形状測定機を構
成することにより、相対変位検出手段として対象面に粗
面を必要とする接触式プローブに光学式センサを使用す
る場合に対応することができる。

【００１１】また、請求項４に係る発明は、測定対象球
をその中心を通る中心軸線周りに回転可能に保持する中
心軸周り回転保持機構と、この中心軸周り回転保持機構
の中心軸線と平行する平行軸線上を一定姿勢で進退しう
るプローブ先端球と、このプローブ先端球の進退位置を
検出する位置検出手段とを備える非球面形状測定機にお
いて、上記平行軸線の周りに中心軸周り回転保持機構を
回転保持する平行軸周り回転保持機構と、この平行軸周
り回転保持機構による１８０度回転前後の位置検出手段
による球面形状データの位相差を揃えて平均値を算出す
る形状算出手段とを備えることにより非球面形状測定機
を構成したものである。

【００１２】上記測定対象球は平行軸周り回転保持機構
によってプローブ先端球の周りに周回保持されることか
ら、プローブ先端球の測定円周について測定対象球上の
同一点の当接により測定対象球の形状誤差を含まない円
周形状データを得ることができ、このプローブ先端球の
測定円周について、中心軸周り回転保持機構による回転
前後の円周形状データを取ることにより、平行軸周り回
転保持機構の回転位置に関する位相がずれたデータが得
られるので、測定対象球の回転運動誤差の影響が取り除
かれたプローブ先端球の形状の差動出力が得られる。

【００１３】また、請求項５に係る発明は、前記中心軸
周り回転保持機構は、その中心軸線について測定対象球
を複数の角度位置に嵌合可能に保持する凹凸状の嵌合構
造として非球面形状測定機を構成したことから、凹凸状
の嵌合構造は、測定対象球と一体に形成することによ
り、或いは測定対象球と別体の補助具として構成するこ
とにより、高精度の回転保持機構を簡易に構成すること
ができる。

【００１４】また、請求項６に係る発明は、測定対象球
をその中心を通る中心軸線周りに回転可能に保持する中
心軸周り回転保持機構と、この中心軸周り回転保持機構
の中心軸線と平行する進退軸線上を一定姿勢で進退しう
る探触用のプローブと、このプローブの先端に形成した
プローブ先端球の進退位置を検出する位置検出手段とを
備える非球面形状測定機において、上記プローブの進退
軸線の位置を中心軸周り回転保持機構の中心軸線に関す
る直交平面内で位置決めする位置決め手段と、この位置
決め手段により定められた各位置につき中心軸周り回転
保持機構による少なくとも１回転の範囲で測定対象球の
測定値を取得し、この測定値の平均値に対応するプロー
ブ先端球の接触点形状を算出する形状算出手段とを備え
ることにより非球面形状測定機を構成したものである。

【００１５】プローブは位置決め手段により任意の位置
に位置決めされ、その位置において測定される中心軸周
り回転保持機構による少なくとも１回転の範囲に及ぶ測
定により測定対象球の環形線上の測定値が取得され、こ
の測定値を平均することにより仮想的な真円が求めら
れ、この仮想的な真円と対応してプローブ先端球の接触
点形状を算出することにより、測定対象球の形状誤差お
よび中心軸周り回転保持機構の回転運動誤差を排除した
プローブ先端球の接触点形状データが取得できるので、
位置決め手段によりローブ先端球上の必要な範囲につい
て形状を把握することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】上記技術思想に基づき具体的に構
成された実施の形態について以下に図面を参照しつつ説
明する。

【００１７】直交二軸について参照球を回転させてその
形状を求める場合の原理説明のための要部斜視図を図１
に示す。図１（ａ）において、非球面形状測定機１は、
測定対象としての参照球２を支持し、その球心を通る中
心軸線４の周りに回転できる支持台５と、またその中心
軸線４と交差する形で、中心軸線４と直角な直交軸線６
の周りに支持台５を回転保持しうるテーブル７とを備え
て構成する。その直交軸線６に沿ってプローブ先端球８
を進退可能に設ける。このプローブ先端球８は、参照球
２と接触したときの位置を検出する位置検出手段であ
る。また、図示せぬ演算手段を備えて後述の演算処理を
する。

【００１８】測定の具体的な手順は次のとおりである。 １） 参照球２の一つの円２ａを測定円として選び、そ
の測定円形状を測定線９に沿って測定する。参照球半径
をＲ、参照球形状をＩ（θ）、プローブ先端球形状をｓ
（θ）、プローブ先端球半径をｒ、測定円形状をｍ１と
すれば、ｍ１は下記の式１を満たす。 ｍ１＝（Ｒ＋ｒ＋Ｉ（θ）＋ｓ（θ））ｃｏｓθ…（式１） ２） 参照球２を上の測定円の軸４回りに一定角Δθだ
け回転する。 ３） 回転後の測定円の円形状を１）と同じ条件でもう
一度測定する。この測定円形状をｍ２とすれば、ｍ２は
下記の式２を満たす。 ｍ２＝（Ｒ＋ｒ＋Ｉ（θ＋Δθ）＋ｓ（θ））ｃｏｓθ…（式２） ４） 式１と式２は、相互の関係を線図によって図示し
た図２において、線図１１と線図１２の関係にあるの
で、式１と式２の差からＩ（θ＋Δθ）−Ｉ（θ）を得
る。 ５） （Ｉ（θ＋Δθ）−Ｉ（θ））／ΔθがＩ（θ）
の微分の近似値を与えるので、これを積分すれば、Ｉ
（θ）が求まる。

【００１９】この１）〜３）の手順を参照球２上の別の
測定円３ａに変えて、すなわち、接触プローブ先端球８
の接触位置を支持台などとの物理的干渉を避けるため
に、図１（ｂ）のように変え、別の測定線１０に沿って
繰り返すことにより、接触可能なプローブ先端球の全範
囲について参照球２の形状を求めることができる。

【００２０】このように、本発明では、参照球２を回転
する前後の位置で、先端が球形状のプローブ先端球８の
１つの断面線を用いて接触を検知しながら座標測定を
し、その回転前後の１つの断面線（大部分が重なり、Δ
θのずれのある２本の線）の測定データの差から、プロ
ーブ先端球８の形状の影響を受けない参照球２の形状を
求めることができる。また、逆に、プローブ先端球８の
真円形状を、参照球２の形状誤差を受けない形で求める
ことができる。

【００２１】次に、プローブ先端球の形状を測定する別
の方法について説明する。以下において、前記同様の部
材はその符号を付すことによって説明を省略する。平行
２軸について参照球を回転させてプローブ先端球の１断
面円上での形状誤差を求める場合の原理説明のための要
部斜視図を図３に示す。図３（ａ）において、非球面形
状測定機２１は、参照球２の球心を通る中心軸線２２の
周りに参照球２を回転保持しうる支持台２３と、この支
持台２３を中心軸線２２と平行する平行軸線２４から偏
心させた状態でプローブ先端球８の周りに公転させるテ
ーブル２５とを備え、同一回転角でプローブ先端球８の
１８０度反対側が接触する位置に参照球２の偏心位置を
移動するように構成する。

【００２２】測定の具体的な手順は次のとおりである。 １） 参照球２をプローブ先端球８の周りに公転できる
ようにし、各公転位置での参照球の最近点を３次元測定
機の接触プローブで測定する。この場合、公転角０の
時、参照球２の中心がＸ０の位置にあるものとする。プ
ローブ先端球形状をｓ（θ）、測定円形状をｍ１とすれ
ば、ｍ１は下記の式１を満たす。 ｍ１＝ｓ（θ）＋ｅ（θ）…（式３） この場合、参照球２の同一点２ｂが接触するので、参照
球の形状は影響しない。 ２） 図３（ｂ）において、参照球２の公転角が０のと
き、その中心が（−Ｘ０）の位置に来るように配置し、
１）と同じ測定を繰り返す。この測定円形状をｍ２とす
れば、ｍ２は下記の式２を満たす。 ｍ２＝ｓ（θ）−ｅ（θ）…（式４） ３） ２回の測定結果について、プローブ先端球８の接
触位置が揃うように測定結果の位相を揃えて１）、２）
２回の測定結果を平均する。 （式３＋式４）／２ この平均処理により、参照球２の回転に伴う半径方向回
転運動誤差の影響を取り除くことができる。接触点を変
え、１）ないし３）の手順を繰り返し行うことで、プロ
ーブ先端球の各断面円上の形状誤差を求めることができ
る。なお、回転中のｚ方向（高さ方向）の運動誤差が無
視できない場合は、偏心の位置（０，０）に参照球２を
置いて、回転中の参照球２の頂点の上下運動をプローブ
で計測すれば、それを補正に使うことができる。

【００２３】このように、測定対象としての参照球２の
中心を通る中心軸線周りに回転でき、またその中心軸線
を偏心回転する形で、中心軸線と平行な平行軸線周りに
参照球２を回転可能に構成し、参照球２上の１点２ｂを
用いてプローブ先端球８の１断面円上での形状誤差を求
めることにより、回転運動誤差の影響を除くことができ
る。

【００２４】次に、プローブの接触による弾性変形に伴
う先端球中心の移動量の測定方法について説明する。先
端球中心の移動量の測定方法を図４に示す。図４におい
て、非球面形状測定機３１のプローブ３２は、その保持
部３３に固定した２次元角度センサ３４の光ビームを光
源３５からビームスプリッタ３６を介してプローブ先端
球８に向かって投射し、集光レンズ３７により受光素子
３８に反射光を受けることにより、その球の光軸に直角
な２方向への移動量を角度変位として検出することがで
きる。

【００２５】このようにして、先端球８に向かってプロ
ーブ保持部３３に固定された光源３５から光を投射する
と、プローブ保持部３３と先端球８の相対移動分だけプ
ローブ先端球８からの反射光が振れる。この反射光の振
れをプローブ保持部３３に固定された受光素子３８によ
る角度センサで読み取ることができる。

【００２６】したがって、プローブ先端球８が参照球２
に接触するとき、先端球８を保持しているプローブ軸等
の弾性変形により、プローブ保持部３３に対して先端球
８の中心が相対的に移動しても、特に影響が大きいプロ
ーブ軸直角方向の移動による誤差を取り除くことができ
る。

【００２７】次に、プローブ先端球の形状を測定する更
に別の方法について説明する。参照球をその中心で回転
させて得られる仮想上の真円に基づいてプローブ先端球
の形状誤差を求める場合の原理説明のための要部斜視図
を図５に示す。

【００２８】図５（ａ）において、非球面形状測定機４
１は、参照球２の球心を通る中心軸線２２の周りに参照
球２を回転保持しうる中心軸周り回転保持機構としての
支持台４３と、中心軸線２２と平行する平行軸線２４を
進退軸線として一定姿勢で進退動作するプローブ８と、
このプローブ８を中心軸線２２と直交する直交平面内で
任意の位置に位置決めする位置決め手段４６と、この位
置決め手段４６により定められた各位置につき中心軸周
り回転保持機構による少なくとも１回転４５の範囲で測
定対象の参照球２の測定値を取得し、この測定値の平均
値に対応するプローブ先端球８の接触点形状を算出する
形状算出手段とを備えて構成する。

【００２９】測定の具体的な手順は次のとおりである。 １） 図５（ａ）において、参照球２上のある１点４４
を測定点として選び、この測定点４４から回転台４３を
１回転以上ｎ回転させて同測定点４４を通る円周４５に
ついてのｎ回転分の形状データを得る。この場合、プロ
ーブ先端球８側の接触点は変化しない。 ２） ｎ回転分の形状データを平均することにより仮想
的な真円を求め、この仮想的な真円により、参照球２の
形状誤差の影響を受けずに上記測定点４４におけるプロ
ーブ先端球８の形状を得ることができる。 ３） プローブを図５（ｂ）のように、測定点４４ａま
で二次元的に移動させる間の各測定点において、１）〜
２）の手順を繰り返すことにより、プローブ先端球８の
全面に渡る形状を得ることができる。

【００３０】このように、参照球２の中心を通る中心軸
線２２の周りに回転する回転台４３と、その中心軸線２
２に対する直交平面内の位置決め手段４６によって平行
移動できるプローブ先端球８とにより、プローブ先端球
のある１点である接触点４４において回転台４３を回転
させることによって得られた参照球２の１回転分の環形
線４５についてのデータを平均することにより仮想的な
真円を得ることができるので、参照球２の形状、およ
び、回転台４３の回転運動誤差の影響を受けずに、その
接触点４４におけるプローブ先端球８の形状を測定する
ことができる。

【００３１】

【発明の効果】本発明の非球面形状測定機は以下の効果
を奏する。上記構成の非球面形状測定機は、直交２軸の
周りに回転可能に保持して得られる形状データの位相差
により測定対象球と接触プローブの先端球の形状誤差と
が分離されるので、３次元座標測定の測定精度を高める
ことができる。上記プローブ先端球について光ビームに
より相対変位を検出することにより、接触圧によるプロ
ーブ接触位置補正が可能となる。上記プローブ先端球が
相対変位検出手段の検出用光ビームを受けるに適する粗
面を備える場合は、接触式プローブに光学式センサを使
用する場合に対応することができる。

【００３２】また、平行２軸の周りの測定対象球の形状
誤差を含まない形状データについて位相差処理すること
により、接触プローブの先端球と回転運動の誤差とが分
離されるので、３次元座標測定の測定精度を高めること
ができる。上記測定対象球を複数の角度位置に嵌合可能
に保持する凹凸状の嵌合構造によって高精度の回転保持
機構を簡易に構成することができる。

【００３３】また、プローブの位置決め手段と、中心軸
周り回転保持機構による測定値の平均値からプローブ先
端球の接触点形状を算出する形状算出手段とを備えるこ
とにより仮想的な真円が求められ、この仮想的な真円と
対応してプローブ先端球の接触点形状を算出することに
より、測定対象球の形状誤差および中心軸周り回転保持
機構の回転運動誤差を排除してプローブ先端球の接触点
形状データおよび測定対象球の形状データが取得でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の直交二軸について参照球を回転させ
てその形状を求める場合の原理説明のための要部斜視図

【図２】 図１による計測値の相互の関係を図示した線
図

【図３】 本発明の平行二軸について参照球を回転させ
てプローブ先端球の１断面円上での形状誤差を求める場
合の原理説明のための要部斜視図

【図４】 先端球中心の移動量を測定する測定部の構成
図

【図５】 参照球をその中心で回転させて得られる仮想
上の真円に基づいてプローブ先端球の形状誤差を求める
場合の原理説明のための要部斜視図

【符号の説明】

１ 非球面形状測定機 ２ 参照球（測定対象球） ２ａ，３ａ 測定円 ２ｂ 測定点 ４ 中心軸線 ５ 支持台（中心軸周り回転保持機構） ６ 直交軸線 ７ テーブル（直交軸周り回転保持機構） ８ プローブ先端球 ９，１０ 測定線 １１、１２ 線図 ２１ 非球面形状測定機 ２２ 中心軸線 ２３ 支持台 ２４ 平行軸線 ２５ テーブル（平行軸周り回転保持機構） ３１ 非球面形状測定機 ３２ プローブ ３３ 保持部 ３４ ２次元角度センサ ４１ 非球面形状測定機 ４３ 支持台 ４５ 環形線（測定線） ４６ 位置決め手段 ｅ（θ） 回転運動誤差 Ｉ（θ） 参照球形状（測定対象球形状） ｓ（θ） プローブ先端球形状

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 清水 浩貴 宮城県仙台市太白区八木山南６−７−16− １ (72)発明者 荒井 義和 宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉01 機械電 子工学専攻 清野研究室 内 (72)発明者 林 亮 東京都大田区久が原５−12−５ 株式会社 ナノ内 Ｆターム(参考） 2F069 AA66 CC08 GG01 GG07 JJ17 LL02 MM02 NN06 NN26

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定対象球をその中心を通る中心軸線周
   りに回転可能に保持する中心軸周り回転保持機構と、 この中心軸周り回転保持機構の中心軸線と直交する直交
   軸線上を一定姿勢で進退しうるプローブ先端球と、 このプローブ先端球の進退位置を検出する位置検出手段
   とを備える非球面形状測定機において、 上記直交軸線の周りに中心軸周り回転保持機構を回転可
   能に保持する直交軸周り回転保持機構と、 この直交軸周り回転保持機構による回転前後の位置検出
   手段による球面形状データの位相差を積分して測定対象
   球の表面の座標を算出する形状算出手段とを備えること
   を特徴とする非球面形状測定機。
2. 【請求項２】 前記プローブ先端球に向けてこのプロー
   ブ先端球を保持するプローブ基部から投射した光ビーム
   によりプローブ保持部に対するプローブ先端球の相対変
   位を検出する相対変位検出手段を備えることを特徴とす
   る請求項１記載の非球面形状測定機。
3. 【請求項３】 前記プローブ先端球が相対変位検出手段
   の検出用光ビームを受けるに適する粗面を備えることを
   特徴とする請求項２記載の非球面形状測定機。
4. 【請求項４】 測定対象球をその中心を通る中心軸線周
   りに回転可能に保持する中心軸周り回転保持機構と、 この中心軸周り回転保持機構の中心軸線と平行する平行
   軸線上を一定姿勢で進退しうるプローブ先端球と、 このプローブ先端球の進退位置を検出する位置検出手段
   とを備える非球面形状測定機において、 上記平行軸線の周りに中心軸周り回転保持機構を回転保
   持する平行軸周り回転保持機構と、 この平行軸周り回転保持機構による１８０度回転前後の
   位置検出手段による球面形状データの位相差を揃えて平
   均値を算出する形状算出手段とを備えることを特徴とす
   る非球面形状測定機。
5. 【請求項５】 前記中心軸周り回転保持機構は、その中
   心軸線について測定対象球を複数の角度位置に嵌合可能
   に保持する凹凸状の嵌合構造からなることを特徴とする
   請求項４記載の非球面形状測定機。
6. 【請求項６】 測定対象球をその中心を通る中心軸線周
   りに回転可能に保持する中心軸周り回転保持機構と、 この中心軸周り回転保持機構の中心軸線と平行する進退
   軸線上を一定姿勢で進退しうる探触用のプローブと、 このプローブの先端に形成したプローブ先端球の進退位
   置を検出する位置検出手段とを備える非球面形状測定機
   において、 上記プローブの進退軸線の位置を中心軸周り回転保持機
   構の中心軸線に関する直交平面内で位置決めする位置決
   め手段と、 この位置決め手段により定められた各位置につき中心軸
   周り回転保持機構による少なくとも１回転の範囲で測定
   対象球の測定値を取得し、この測定値の平均値に対応す
   るプローブ先端球の接触点形状を算出する形状算出手段
   とを備えることを特徴とする非球面形状測定機。