JP2006017617A - Standard plate support structure of three-dimensional profile measuring system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光学部品や金型等の被測定物の位置情報を超高精度に得る三次元形状測定装置における基準板支持構造に関するものである。 The present invention relates to a reference plate support structure in a three-dimensional shape measuring apparatus that obtains position information of an object to be measured such as an optical component or a mold with extremely high accuracy.
光学部品や金型などの非球面物体の表面形状を高精度に測定する方法として、3次元形状測定装置の利用が広く知られている。 As a method for measuring the surface shape of an aspherical object such as an optical component or a mold with high accuracy, the use of a three-dimensional shape measuring apparatus is widely known.
一般に接触式のプローブを有する三次元形状測定装置は、プローブを被測定物に接触させ、両者間にほぼ一定の力が作用するようにプローブ位置を制御した状態で、プローブを被測定物の表面に沿って移動させ、プローブと基準面の位置関係から被測定物の表面形状を測定するものである。このような測定装置のひとつとして、レーザ測長器と基準平面ミラーを利用した三次元形状測定装置が知られている(例えば、特許文献1参照。)。 In general, a three-dimensional shape measuring apparatus having a contact type probe has a probe placed on the surface of the object to be measured while the probe is in contact with the object to be measured and the probe position is controlled so that a substantially constant force acts between them. And the surface shape of the object to be measured is measured from the positional relationship between the probe and the reference surface. As one of such measuring devices, a three-dimensional shape measuring device using a laser length measuring device and a reference plane mirror is known (for example, see Patent Document 1).
従来の三次元形状測定装置について、図5〜図8を参照して説明する。図5は、従来の三次元形状測定装置の概略構成図である。図5において、石定盤12上に設置されたレンズ等の被測定物13の測定面13a に、移動体14の前面に取り付けられたZ軸移動体15に装着されたプローブ16の先端を追従させ、被測定物13の表面形状を測定するように構成されている。
A conventional three-dimensional shape measuring apparatus will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a conventional three-dimensional shape measuring apparatus. In FIG. 5, the tip of the
詳細には、被測定物13が搭載されている石定盤12には、支持部を介してX参照ミラー17、Y参照ミラー18、及び本発明における基準板であるZ参照ミラー1が配置されている。なお、Z参照ミラー1は図6のごとく石定盤12上に建てられた2本の石柱21上に架設された鋳鉄製の梁22の中央部に設置されている。以下、このZ参照ミラー1を基準板と称することがある。
In detail, the
基準板1の梁22による支持構造の詳細を、図7、図8に示す。基準板1は、図8に示すように、ガラス材質等で形成される本体1aと、アルミの真空蒸着で形成された反射面1bと、反射面を保護する保護膜1cとで構成されている。梁22の中央部には、図7(a)、(b)に示すように、基準板1を保持する円筒形の保持台4が設けられている。保持台4には、中心回りに周方向に略3等分する120°間隔の位置に円錐形状の切欠部5が設けられ、各切欠部5に金属球3が配置され、これら金属球3の上に基準板1を載置することで支持されている。
Details of the support structure of the
なお、Z軸移動体15およびプローブ16を装着した移動体14は、XYテーブル19上に固定されており、被測定物13の測定面13a の表面形状に追従してX軸方向、Y軸方向に移動体14とZ軸移動体15およびプローブ16を走査する構成となっている。
The Z-
さらに、移動体14にはレーザ測長光学系20が設けられており、光干渉法によりX参照ミラー17を基準としたプローブ16のX座標、Y参照ミラー18を基準としたプローブ16のY座標、基準板1の反射面1b を基準としたプローブ16のZ座標をそれぞれ測長することができるように構成されており、被測定物13の表面形状を測定し、位置情報を得ていた。
Further, the
また、基準板1を支持する別の方法として、正三角形の各頂点に配置されるように、互いに等間隔に設定された3ヶ所にボールを配置し、また基準面及び支持部材には、ボールが接触する部分にボールの球面と点接触するように溝を形成し、支持部材と基準板とを3点で支持することで、支持部材に対して基準板がガタつくことを防止したものも知られている(例えば、特許文献2参照。)。
As another method for supporting the
また、特許文献2と同様に、基準鏡フレームの支持方法として、3本の柱を設けてこれらの柱にて基準鏡フレームの3ヶ所の支持点を支持するように構成し、第1の支持点は第1の柱と基準鏡フレームの両方に略円錐形状の窪みを設けて球を挟み、第2の支持点は第2の柱と基準鏡フレームの両方に、Y軸に沿う方向に稜線の方向を一致させた略三角柱形状の窪みを設けて球を挟み、第3の支持点は第3の柱と基準鏡フレームの平面間に球を挟んだものも知られている(例えば、特許文献3参照。)。
しかし、上記従来の基準板の支持構造では、基準板あるいは基準鏡フレームに溝や略円錐形状の窪みや略三角柱形状の窪みを形成しなければならず、表面形状を高精度に測定するには平面度精度を高くすることと相反する結果になるという問題があった。例えば、測定面を50ナノメートルの精度まで測定しようとすれば、基準板の平面度精度を50ナノメートル以下にする必要があり、溝や窪みを形成すると平面度精度はきわめて悪くなるという問題がある。 However, in the conventional reference plate support structure described above, a groove, a substantially conical recess, or a substantially triangular prism recess must be formed on the reference plate or the reference mirror frame, and the surface shape can be measured with high accuracy. There has been a problem that the result is contrary to increasing the flatness accuracy. For example, if the measurement surface is to be measured to an accuracy of 50 nanometers, the flatness accuracy of the reference plate needs to be 50 nanometers or less, and if a groove or a recess is formed, the flatness accuracy becomes extremely poor. is there.
また、基準板と金属球間の点接触部では、基準板と基準板を保持する保持台の熱膨張係数が異なるため、温度変化による磨耗が生じ、基準板の保護膜が削れ、ステージとの平行度精度を維持することができないという問題があった。 In addition, at the point contact portion between the reference plate and the metal sphere, the thermal expansion coefficients of the reference plate and the holding base that holds the reference plate are different, so that wear due to temperature change occurs, the protective film of the reference plate is scraped off, There was a problem that the parallelism accuracy could not be maintained.
被測定物の直径が、X−Y軸方向に±200mmまで測定できる三次元形状測定装置を例にとって説明する。このような装置では、基準板の直径がφ635mmで、基準板を3点で支持している保持台の直径がφ540mmの構成をもつ、基準板と金属球が点接触している状態で、室内温度が2℃上昇すると、鋳物でできている保持台は直径がφ540mmなので熱膨張により一方向へ最大11.3μm延びる。一方、基準板は熱膨張係数がほぼ0に近いガラス材質のものを使用していることが多く、±1℃の温調している空間に設置しているだけで最大11.3μm、金属球で基準板を削っていることになる。頻度の面で考えると約10畳の室内で温調の1サイクルの回数が1時間3回とすると、1日で72回、年間では休暇中の温調停止日数(20日)を考慮しても24840回も磨耗を起こしていることになる。また、基準板は高平面度精度を必要とするため歪を生じさせないだけの厚みが必要となるので、基準板はきわめて重くなり、このような装置の基準板では37kgの重量になる。この基準板を3点支持により保持しているので、各3点への重量は3等分された約12kgの荷重が集中して加わることになる。さらに基準板は、ガラス材質等で形成される本体、アルミの真空蒸着で形成される反射面、反射面を保護する保護膜で形成されているので、基準板表面の硬度、もろさは金属球と比較し、きわめて劣っている。この状態で3点支持への圧力が均等に掛かることは考えにくく、3点支持の各点で荷重のバラツキや、熱膨張による延びのバラツキから、磨耗量のバラツクも発生し基準板は任意の方向へ傾き、ステージとの平行度精度を維持することができなくなる。この傾きにより、ステージ移動範囲内において、基準板、Z軸移動体との絶対量の変化、またレーザ光軸往復光路に角度が発生ることで光軸がずれてしまい、結果として測定値の誤差になってしまうという問題がある。 A three-dimensional shape measuring apparatus capable of measuring the diameter of the object to be measured up to ± 200 mm in the XY axis direction will be described as an example. In such an apparatus, the diameter of the reference plate is φ635 mm, the diameter of the holding base supporting the reference plate at three points is φ540 mm, the reference plate and the metal ball are in point contact, When the temperature rises by 2 ° C., the holding base made of a casting has a diameter of φ540 mm, so that it extends a maximum of 11.3 μm in one direction due to thermal expansion. On the other hand, the reference plate is often made of a glass material having a coefficient of thermal expansion close to 0, and it is a metal ball with a maximum of 11.3 μm even if it is installed in a temperature-controlled space of ± 1 ° C. In this case, the reference plate is cut. In terms of frequency, if the number of cycles of temperature control in an approximately 10 tatami room is 3 times an hour, 72 times a day, taking into account the number of days of temperature control during holidays (20 days) That is, 24840 times have been worn. Further, since the reference plate requires high flatness accuracy and needs to be thick enough not to cause distortion, the reference plate becomes very heavy, and the reference plate of such an apparatus has a weight of 37 kg. Since this reference plate is supported by three-point support, a load of about 12 kg divided into three equal parts is concentrated on each three points. Furthermore, since the reference plate is formed of a main body formed of a glass material, a reflective surface formed by vacuum deposition of aluminum, and a protective film that protects the reflective surface, the hardness and brittleness of the reference plate surface are Compared and very inferior. In this state, it is unlikely that the pressure applied to the three-point support will be evenly applied, and the amount of wear at each point of the three-point support and the variation due to thermal expansion will also occur. It becomes impossible to maintain the accuracy of parallelism with the stage. This tilt causes the optical axis to deviate due to changes in the absolute amount with respect to the reference plate and the Z-axis moving body within the stage movement range, and an angle in the reciprocating optical path of the laser optical axis, resulting in measurement error. There is a problem of becoming.
また、基準板を測定装置に装着した後に、測定台上のステージとの平行度を精度良く調整する必要があるが、従来の方法では、基準板を保持台から一度取外し、直径の異なった金属球と交換し、再び基準板を金属球を介した保持台上に装着するなどの方法で調整を行う必要があり、調整に手間がかかるという問題がある。 In addition, it is necessary to accurately adjust the parallelism with the stage on the measurement table after mounting the reference plate on the measuring device. However, in the conventional method, the reference plate is once removed from the holding table, and the metal with different diameters is removed. There is a problem that it is necessary to perform adjustment by a method such as replacement with a sphere and mounting the reference plate on a holding table via a metal sphere again.
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、基準板に溝や窪みを形成することなく基準板を測定装置に装着することができ、また温度変化による磨耗の欠点を無くすことができ、また基準板を測定装置に装着した後に、容易に平行度を調整できる三次元形状測定装置の基準板支持構造を提供することを目的とする。 In view of the above-mentioned conventional problems, the present invention can attach the reference plate to the measuring device without forming a groove or a depression in the reference plate, can eliminate the disadvantage of wear due to temperature change, It is an object of the present invention to provide a reference plate support structure for a three-dimensional shape measuring apparatus that can easily adjust the parallelism after the plate is mounted on the measuring apparatus.
本発明の請求項1記載の三次元形状測定装置の基準板支持構造は、被測定物を固定する測定台と、測定台上にX軸方向又はX−Y軸方向に水平移動するステージと、ステージにX軸方向又はX−Y軸方向に垂直なZ軸方向に上下移動するZ軸移動体と、Z軸移動体に被測定物の表面に沿って接触させながら移動する接触子と、ステージに平行な反射面を有する基準板と、基準板を保持する保持台とを備え、基準板と接触子の位置を測定することにより被測定物の表面形状を測定する三次元形状測定装置において、保持台の略3等分する位置に円錐形状の切欠部を設け、切欠部に金属球を介して基準板を載置し、金属球と基準板間に球側に逆円錐形状の切欠部と基準板側に平面で接する中間支持部材を介存させたものである。
The reference plate support structure of the three-dimensional shape measuring apparatus according to
この構成によると、金属球と基準板の間に、球側では逆円錐形状の切欠部に接し、基準板側では平面で接する中間支持部材を介存させたことで、高平面度精度のある基準板に溝や窪みを形成することなく装置へ装着することができる。また、基準板側では平面で接触しているため、保護膜への圧力が分散し磨耗が低減するので、ステージとの平行度精度を維持することができる。また、磨耗の低減により保護膜の硬度が低硬度のものでも使用可能となり、平面度精度に対して歪からの影響が少ない基準板を使用することができる。 According to this configuration, a reference plate with high flatness accuracy is provided between the metal sphere and the reference plate by interposing an intermediate support member that is in contact with the inverted conical cutout on the sphere side and in contact with the flat surface on the reference plate side. It can be attached to the apparatus without forming grooves or depressions. Further, since the contact is made in a plane on the reference plate side, the pressure on the protective film is dispersed and wear is reduced, so that the accuracy of parallelism with the stage can be maintained. In addition, it is possible to use a protective film having a low hardness due to reduced wear, and it is possible to use a reference plate that is less affected by strain on flatness accuracy.
また、本発明の請求項2及び4記載の三次元形状測定装置の基準板支持構造は、保持台の中心回りの周方向に略3等分する位置に円錐形状の切欠部を設け、切欠部に金属球を介して基準板を載置するとともに、保持台の切欠部の内少なくとも2箇所の切欠部は保持台に対して着脱可能な基準板支持部材にて構成したものである。
Further, in the reference plate support structure of the three-dimensional shape measuring apparatus according to
この構成によると、基準板支持部材を調整することで基準板を取外すことなく測定台上のステージと容易に平行度を調整することができる。 According to this configuration, by adjusting the reference plate support member, the parallelism with the stage on the measurement table can be easily adjusted without removing the reference plate.
また、本発明の請求項3及び5記載の三次元形状測定装置の基準板支持構造は、保持台の中心回りの周方向に略3等分する位置に円錐形状の切欠部を設け、切欠部に金属球を介して基準板を載置するとともに、保持台の切欠部の内少なくとも2箇所の切欠部は保持台に対して上下移動可能な基準板支持部材にて構成したものである。
Further, in the reference plate support structure of the three-dimensional shape measuring apparatus according to
この構成によると、基準板を取外すことなく測定台上のステージと容易に平行度を調整することができる。 According to this configuration, the parallelism with the stage on the measurement table can be easily adjusted without removing the reference plate.
請求項1記載の発明によれば、基準板側に平面で接する中間支持部材を介存させる構成としたことで、高平面度精度のある基準板に溝や窪みを形成することなく装置へ装着することができ、また基準板側では平面で接触しているため、保護膜への圧力が分散し磨耗が低減するので、ステージとの平行度精度を維持することができ、また磨耗の低減により保護膜の硬度が低硬度のものでも使用可能となり、平面度精度に対して歪からの影響が少ない基準板を使用することができる。 According to the first aspect of the present invention, the intermediate support member that is in flat contact with the reference plate side is interposed, so that the reference plate with high flatness accuracy can be mounted on the apparatus without forming a groove or a recess. In addition, since the reference plate side is in contact with a flat surface, the pressure on the protective film is dispersed and wear is reduced, so that the accuracy of parallelism with the stage can be maintained and the wear can be reduced. Even if the hardness of the protective film is low, it can be used, and it is possible to use a reference plate that is less affected by strain on the flatness accuracy.
請求項2及び4記載の発明によれば、保持台の切欠部の内少なくとも2箇所の切欠部は保持台に対して着脱可能な基準板支持部材にて構成したことで、基準板を取外すことなく、金属球の交換か部材の研磨をし再び基準板支持部を基準板の下側へ取付けることで基準板とステージとの平行度精度調整が容易になる。 According to the second and fourth aspects of the present invention, at least two of the cutout portions of the holding table are configured by the reference plate support member that can be attached to and detached from the holding table, thereby removing the reference plate. The parallelism accuracy adjustment between the reference plate and the stage is facilitated by replacing the metal ball or polishing the member and attaching the reference plate support portion to the lower side of the reference plate again.
請求項3及び5記載の発明によれば、保持台の切欠部の内少なくとも2箇所の切欠部は保持台に対して上下移動可能な基準板支持部材にて構成したことで、基準板の取外し、金属球の交換、部材の研磨をすること無く、基準板とステージとの平行度精度調整が容易にでき、かつ調整精度が向上する。
According to the invention described in
以下、本発明の三次元形状測定装置の基準板支持構造の各実施形態について、図1〜図4を参照して説明する。なお、三次元形状測定装置の全体構成は、図5〜図7を参照して説明した従来例と同一であり、同一の構成要素については同一参照符号を付して説明を省略し、主として相違点についてのみ説明する。 Hereinafter, each embodiment of the reference plate support structure of the three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention will be described with reference to FIGS. Note that the overall configuration of the three-dimensional shape measuring apparatus is the same as that of the conventional example described with reference to FIGS. 5 to 7, and the same components are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted, and is mainly different. Only the point will be described.
(第1の実施形態)
まず、本発明の第1の実施形態について、図1を参照して説明する。図1は、本実施形態における基準板支持構造を示す。図1において、従来例と異なる点は、基準板1と金属球3の間に球側では逆円錐形状の切欠部で接し、基準板1側では平面で接する中間支持部材2を介在させた点にある。
(First embodiment)
First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 shows a reference plate support structure in the present embodiment. In FIG. 1, the difference from the conventional example is that an
本実施形態では、中間支持部材2を介在させたことにより、高精度の平面度に仕上げられた基準板1の本体1aと反射面1bまたは保護膜1cに溝や窪みを形成することなく装置へ装着することができる。また、保護膜1cに対して中間支持部材2が平面で接触しているため、保護膜1cへの圧力が分散し磨耗が低減するので、高精度の平面度を維持することができる。また磨耗が低減することから、保護膜1cで高硬度の保護膜(SiO2 )を蒸着せずに低硬度の保護膜(SiO)でも磨耗に対して十分な耐磨耗を得ることができる。SiO2 とSiOでは、膜形成時の真空蒸着温度において大きな異なる点があり、SiO2 での真空蒸着高温が300℃に対し、SiOでの真空蒸着高温が80℃である。この結果、高温度蒸着のSiO2 から、低温度蒸着のSiOにすることで歪による平面精度への影響が低減し、基準板1の平面精度を向上することができる。
In the present embodiment, the
なお、本実施形態においては、中間支持部材2に形成する切欠部として、鋭角な先端を持つ逆円錐形状の切欠部でなく、先端が球面を帯びた鈍角状態の逆円錐形状の切欠部でも同じ効果を得ることができる。
In the present embodiment, the notch portion formed in the
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態について、図2を参照して説明する。図2は、本実施形態における基準板支持機構を示す。なお、以下の実施形態の説明では、先行する実施形態と同一の構成要素については、同一参照符号を付して説明を省略する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2 shows a reference plate support mechanism in the present embodiment. In the following description of the embodiment, the same components as those in the preceding embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
図2において、第1の実施形態と異なる点は、円錐形状の切欠部5を有する基準板支持部材6の内の少なくとも2つについては、金属球3と中間支持部材2を基準板支持部材6とともに同時に保持台4に対して着脱可能とした点にある。
In FIG. 2, the difference from the first embodiment is that at least two of the reference
この支持構造により、基準板1と石定盤(測定台)12上の移動体(ステージ)14との平行度の精度調整の際は、基準板1を保持台4から取外すことなく、基準板1と保持台4の間に隙間ゲージを挿入し、基準板1の傾き防止を行った状態で、円錐形状の切欠部5を有する基準板支持部材6と金属球3と中間支持部材2を同時に保持台4から着脱し、直径の異なった金属球3の交換か、あるいは中間支持部材2の研磨といった上下調整に関する項目選択と作業を行い、再び中間支持部材2と、金属球3と、円錐形状の切欠部5を有する基準板支持部材6を保持台4の下側へ取付ボルト7により取付け、隙間ゲージを取外す、といった基準板1と石定盤(測定台)12上の移動体(ステージ)14との平行度精度調整作業を容易に行うことができる。なお、本実施形態では、中間支持部材2がなくとも同じ効果を得ることができる。
With this support structure, when adjusting the accuracy of the parallelism between the
(第3の実施形態)
次に、本発明の第3の実施形態について、図3を参照して説明する。図3は、本実施形態における基準板支持構造を示す。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 shows a reference plate support structure in the present embodiment.
図3において、第1の実施形態及び第2の実施形態と異なる点は、3箇所の基準板支持部材6の内、少なくとも箇所については、六角穴付き細目ボルトの上端に円錐形状の切欠部5を形成した上下調整ボルト8が基準板支持部材6内に螺合して取付けられており、金属球3と中間支持部材2を同時に上下調整可能とした点にある。
In FIG. 3, the difference from the first embodiment and the second embodiment is that the
この支持構造により、基準板1の取外し、隙間ゲージの挿入、基準板支持部材6を含む金属球3と中間支持部材2の保持台4からの同時着脱を行わなくとも、上下調整ボルト8の締め付け又は緩め操作で、金属球3と中間支持部材2を同時に上下調整でき、調整後は細目ナット9の締め付けで基準板1の上下位置を維持することができ、基準板1と石定盤(測定台)12上の移動体(ステージ)14との平行度精度調整作業を容易に行うことができる。
With this support structure, the
なお、本実施形態では、中間支持部材2、円錐形状の切欠部5を有する基準板支持部材6、取付ボルト7が無くとも同じ効果を得ることができる。
In the present embodiment, the same effect can be obtained without the
また、本実施形態における基準板支持構造は、図4に示すような位置関係で三次元形状測定装置に取付けられている。図4において、本実施形態における基準板支持構造が適用されているA部は保持台4の中心回りに周方向の略3等分した位置の中で、開閉ウィンドウ10と調整者11に近い2箇所に配設されている。この位置関係により、基準板1と測定台(石定盤)12上のステージ(移動体)14との平行度精度調整の際は、調整者11は開閉ウィンドウ10を開し、調整者側近くに取付けられているA部の2箇所の上下調整ボルト8を上下させて調整を行うことができる。このように開閉ウィンドウ10と調整者11に近い2箇所にA部を配設していることで、A部の調整代を目視確認しつつ、基準板1の上下位置を三次元形状測定装置のレーザ測長光学系を通してモニタリングしながら調整することができるので、第1の実施形態、第2の実施形態での上下調整と比較し、よりシビアな調整が可能となる。
Further, the reference plate support structure in the present embodiment is attached to the three-dimensional shape measuring apparatus in a positional relationship as shown in FIG. In FIG. 4, the portion A to which the reference plate support structure in the present embodiment is applied is close to the opening / closing
本発明の三次元形状測定装置の基準板支持構造は、基準面への接触圧力が分散し磨耗を低減させる効果を有し、光学分野でのメジャーミラー、リファレンスミラー等の基準面の取付け、調整の用途にも利用できる。 The reference plate support structure of the three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention has the effect of reducing the wear by reducing the contact pressure to the reference surface, and mounting and adjusting the reference surface such as a major mirror and reference mirror in the optical field. It can also be used for other applications.
1 Z参照ミラー(基準板)
1a 本体
1b 反射面
1c 保護膜
2 中間支持部材
3 金属球
4 保持台
5 円錐形状の切欠部
6 基準板支持部材
8 上下調整ボルト(上下移動可能な基準板支持部材)
12 石定盤(測定台)
13 被測定物
14 移動体(ステージ)
15 Z軸移動体
16 プローブ(接触子)
1 Z reference mirror (reference plate)
DESCRIPTION OF
12 Stone surface plate (measurement stand)
13
15 Z-
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DE102007050399A1 (en) * | 2007-10-18 | 2009-04-23 | Volkswagen Ag | Measurement adapter for measuring e.g. undercarriage in vehicle, has arbor adapted to retention holes at component and fastened to hemisphere, where center point of cut surface of hemisphere defines measuring point |
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JP4593987B2 (en) | 2010-12-08 |
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