JP2006064512A - 表面性状測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 本発明の目的は固定側と回転側間の信号伝達を非接触で行うことのできる検出器回転型の表面性状測定装置を提供することにある。
【解決手段】 固定側（１２）に対して非接触で回転運動する回転側（１４，１６）に設置され、被測定物の表面の凹凸による変位情報を検知する変位検知手段（１８）と、
固定側（１２）に設置され、光源（２２）からの光を測定光と参照光とに分割し、測定光を変位検知手段へと送り、光路長変化として変位情報を取得した変位測定光と参照光とを干渉させて光路長情報を取得する光波干渉手段（２０）と、
回転側（１４，１６）に設置され、変位検知手段と光波干渉手段とを結ぶ光の通路となる導光路と、を備え、
光波干渉手段からの測定光は導光路を通り変位検知手段へと至り、変位検知手段にて前記変位情報を取得した変位測定光とされ、変位測定光は再び導光路を通り光波干渉手段へと戻り、そこで検知した干渉縞情報から変位情報を得ることを特徴とする表面性状測定装置（１０）。
【選択図】 図１
【解決手段】 固定側（１２）に対して非接触で回転運動する回転側（１４，１６）に設置され、被測定物の表面の凹凸による変位情報を検知する変位検知手段（１８）と、
固定側（１２）に設置され、光源（２２）からの光を測定光と参照光とに分割し、測定光を変位検知手段へと送り、光路長変化として変位情報を取得した変位測定光と参照光とを干渉させて光路長情報を取得する光波干渉手段（２０）と、
回転側（１４，１６）に設置され、変位検知手段と光波干渉手段とを結ぶ光の通路となる導光路と、を備え、
光波干渉手段からの測定光は導光路を通り変位検知手段へと至り、変位検知手段にて前記変位情報を取得した変位測定光とされ、変位測定光は再び導光路を通り光波干渉手段へと戻り、そこで検知した干渉縞情報から変位情報を得ることを特徴とする表面性状測定装置（１０）。
【選択図】 図１
Description
本発明は、固定側に対して検出器側が回転運動する検出器回転型の表面性状測定装置、特にその検出器側から固定側への信号伝達機構の改良に関する。
従来の表面性状測定装置、例えば真円度測定機には、ワーク（被測定物）を回転テーブルに載置してワークを回転させて真円度測定を行うワーク回転型のもの（例えば、特許文献１参照）と、ワークを定盤などに固定して載置し、検出器部分を回転させて真円度測定をおこなう検出器回転型のものの２種類がある。
検出器回転型のものは、主にワークが大きく重量があって、ワーク自身を回転させるのが難しい場合に用いられている。
特開平７−０８３６５２号公報
検出器回転型のものは、主にワークが大きく重量があって、ワーク自身を回転させるのが難しい場合に用いられている。
検出器回転型の表面性状測定装置は、被測定物表面の表面性状による変位情報を、回転側に搭載した検出器から電気信号として固定側に送る必要がある。また、検出器として差動トランス等の電力を必要とするものを使用したり、検出器の回転半径を調整するための半径方向への移動を行うモータを使用している。このように、固定側と回転側間で電気信号、および電力伝送を行う必要があり、このためスリップリングを使用していた。そのため、回転側と固定側を非接触で回転させたい場合でも、上記の情報伝達のための接触部がどうしても必要となり、それが回転精度の低下、検出情報の低下をもたらしていた。また、電力を消費するため、発熱による熱膨張の問題もあった。
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、その目的は固定側と回転側間の信号伝達を非接触で行うことのできる検出器回転型の表面性状測定装置を提供することにある。また、本発明の第２の目的は、検出器の半径方向移動時の制御機構を改良することである。さらに、本発明の第３の目的は、熱膨張の影響が少ない表面性状測定装置を提供することにある。
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、その目的は固定側と回転側間の信号伝達を非接触で行うことのできる検出器回転型の表面性状測定装置を提供することにある。また、本発明の第２の目的は、検出器の半径方向移動時の制御機構を改良することである。さらに、本発明の第３の目的は、熱膨張の影響が少ない表面性状測定装置を提供することにある。
上記課題を達成するため、本発明の表面性状測定装置は、固定側に対し非接触で回転運動する回転側に、被測定物の表面の凹凸による変位を検知する変位検知手段を設け、該変位検知手段を被測定物に対して回転させ、該変位検知手段にて検知される前記変位情報を基に被測定物の表面性状を測定する表面性状測定装置において、前記固定側に設置され、光源からの光を測定光と参照光とに分割し、該測定光を前記変位検知手段へと送り、変位情報を取得した変位測定光と参照光とを干渉させて、変位測定光の光路長情報を取得する光波干渉手段と、前記回転側に設置され、前記回転側の変位検知手段と前記固定側の光波干渉手段とを結ぶ光の通路となる導光路と、を備える。
そして、前記光波干渉手段から出射した測定光は、前記導光路を通り前記変位検知手段へと至り、該変位検知手段にて前記変位情報を測定光の光路長変化として取得して変位測定光とされ、該変位測定光は再び前記導光路を通り前記光波干渉手段へと戻り、該光波干渉手段にて前記参照光と前記変位測定光とを干渉させることで前記変位測定光の光路長情報を干渉縞情報として検出し、該干渉縞情報から前記変位情報を得ることを特徴とする。
そして、前記光波干渉手段から出射した測定光は、前記導光路を通り前記変位検知手段へと至り、該変位検知手段にて前記変位情報を測定光の光路長変化として取得して変位測定光とされ、該変位測定光は再び前記導光路を通り前記光波干渉手段へと戻り、該光波干渉手段にて前記参照光と前記変位測定光とを干渉させることで前記変位測定光の光路長情報を干渉縞情報として検出し、該干渉縞情報から前記変位情報を得ることを特徴とする。
上記の表面性状測定装置において、前記固定側に設けられた固定部ユニットと、該固定部ユニットに非接触で保持されて回転する回転部ユニットと、該回転部ユニットに取り付けられ、前記回転軸に対して半径方向のＲ軸を持つＲ軸ユニットと、を備え、前記変位検知手段は前記Ｒ軸ユニットに設けられており、前記回転軸を中心に所定の回転半径で回転可能なように構成され、前記回転部ユニットおよび／または固定部ユニットに、回転軸と同軸の中空部が設けられ、前記導光路は、前記中空部およびＲ軸ユニットに沿って形成されていることが好適である。
上記の表面性状装置において、前記中空部を通る光の軸は、該回転部ユニットの回転軸と同軸であることが好適である。
上記の表面性状装置において、前記中空部を通る光の軸は、該回転部ユニットの回転軸と同軸であることが好適である。
上記の表面性状装置において、前記変位検知手段をＲ軸に沿って移動するためのＲ軸駆動手段を、前記Ｒ軸ユニットに備えることが好適である。
上記の表面性状測定装置において、前記固定部ユニットから前記Ｒ軸駆動手段への動力の伝達を、電磁石の吸引力を用いて非接触で行うことが好適である。
上記の表面性状測定装置において、前記変位検知手段のＲ軸方向に沿った運動軸が、前記Ｒ軸ユニットを通る光軸と同一軸であることが好適である。
上記の表面性状測定装置において、前記変位検知手段をＲ軸に沿って移動するとき、前記光波干渉手段により測定光の光路長を測定することによって、前記変位検知手段のＲ軸方向の移動距離が算出可能であることが好適である。
上記の表面性状測定装置において、前記変位検知手段は、被測定物に接触する測定子と、該測定子に取り付けられた反射ミラーとを含み、前記光波干渉手段からの測定光は前記反射ミラーによって反射されることで、測定子の変位情報を測定光の光路長変化として取得することが好適である。
上記の表面性状測定装置において、前記固定部ユニットから前記Ｒ軸駆動手段への動力の伝達を、電磁石の吸引力を用いて非接触で行うことが好適である。
上記の表面性状測定装置において、前記変位検知手段のＲ軸方向に沿った運動軸が、前記Ｒ軸ユニットを通る光軸と同一軸であることが好適である。
上記の表面性状測定装置において、前記変位検知手段をＲ軸に沿って移動するとき、前記光波干渉手段により測定光の光路長を測定することによって、前記変位検知手段のＲ軸方向の移動距離が算出可能であることが好適である。
上記の表面性状測定装置において、前記変位検知手段は、被測定物に接触する測定子と、該測定子に取り付けられた反射ミラーとを含み、前記光波干渉手段からの測定光は前記反射ミラーによって反射されることで、測定子の変位情報を測定光の光路長変化として取得することが好適である。
上記の表面性状測定装置において、前記変位検知手段は、被測定物に前記測定光を照射し、該被測定物表面からの反射光を集光する照射／集光部を備えることが好適である。
上記の表面性状測定装置において、前記変位検知手段が前記被測定物を測定する方向は、少なくとも、内径方向、外径方向、あるいは前記回転軸方向のいずれか一以上に設定可能とされることが好適である。
上記の表面性状測定装置において、前記変位検知手段の前記測定子もしくは照射／集光部が、回転軸方向と同方向に移動可能に構成されていることが好適である。
上記の表面性状測定装置において、前記変位検知手段と略同等の質量を、回転軸に対して対称な位置に設けたことが好適である。
上記の表面性状測定装置において、前記変位検知手段が前記被測定物を測定する方向は、少なくとも、内径方向、外径方向、あるいは前記回転軸方向のいずれか一以上に設定可能とされることが好適である。
上記の表面性状測定装置において、前記変位検知手段の前記測定子もしくは照射／集光部が、回転軸方向と同方向に移動可能に構成されていることが好適である。
上記の表面性状測定装置において、前記変位検知手段と略同等の質量を、回転軸に対して対称な位置に設けたことが好適である。
上記の表面性状測定装置において、前記変位検知手段のＲ軸上の移動時に、前記光波干渉手段からの干渉縞信号を基に変位検知手段が被測定物、もしくはＲ軸上に設けられたストッパに接触したかどうかを検知する着座判定手段を備えることが好適である。
上記の表面性状測定装置において、前記変位検知手段に参照ミラーを備え、前記光波干渉手段からの参照光は、前記導光路を通って該参照ミラーへと至り、該参照ミラーによって反射されて前記光波干渉手段へと戻るという光路をとることが好適である。
上記の表面性状測定装置において、前記変位検知手段と回転軸に対して対称な位置に設置された参照ミラーを備え、前記光波干渉手段からの参照光は該参照ミラーへと至り、該参照ミラーによって反射されて前記光波干渉手段へと戻るという光路を経ることが好適である。
上記の表面性状測定装置において、前記変位検知手段に参照ミラーを備え、前記光波干渉手段からの参照光は、前記導光路を通って該参照ミラーへと至り、該参照ミラーによって反射されて前記光波干渉手段へと戻るという光路をとることが好適である。
上記の表面性状測定装置において、前記変位検知手段と回転軸に対して対称な位置に設置された参照ミラーを備え、前記光波干渉手段からの参照光は該参照ミラーへと至り、該参照ミラーによって反射されて前記光波干渉手段へと戻るという光路を経ることが好適である。
本発明の表面性状測定装置によれば、固定側に光波干渉手段を、回転側に変位検知手段を設け、光波干渉手段から測定光を変位検知手段に送り、該変位検知手段にて被測定物の変位情報を測定光の光路長情報として取得して変位測定光とし、前記光波干渉手段で変位測定光と参照光と干渉させて、変位測定光の光路長情報を測定するという構成としたため、固定側と回転側間の情報伝達のための接触部分の必要がなく、回転精度、測定精度を非常に高精度とすることができる。
また、前記光波干渉手段からの干渉縞信号を利用することで、変位検知手段の半径方向への移動時の制御を容易に行うことができる。
また、変位検知手段と略同位置、もしくは回転軸に対して変位検知手段と対称な位置に、参照光を反射する参照ミラーを設け、参照光の光路長と測定光の光路長とを略同一となるような構成とすることで、温度変化による測定誤差を補償することが可能となる。
また、前記光波干渉手段からの干渉縞信号を利用することで、変位検知手段の半径方向への移動時の制御を容易に行うことができる。
また、変位検知手段と略同位置、もしくは回転軸に対して変位検知手段と対称な位置に、参照光を反射する参照ミラーを設け、参照光の光路長と測定光の光路長とを略同一となるような構成とすることで、温度変化による測定誤差を補償することが可能となる。
以下に図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明を行う。
第１の実施形態
図１は本発明の本発明の第１の実施形態にかかる表面性状測定装置の概略構成図である。図１の表面性状測定装置１０は、測定装置筐体に固定される固定部ユニット１２（固定側）と、固定部ユニット１２に非接触で保持されて回転運動を行う回転部ユニット１４（回転側）と、回転部ユニットに固定されたＲ軸ユニット１６と、Ｒ軸ユニット１６に取り付けられた変位検知手段１８と、を備える。回転部ユニット１４は、固定部ユニット１２の内部に設置され、空気軸受により非接触で固定部ユニット１２に保持されている。Ｒ軸ユニット１６は回転部ユニット１４の回転軸（図中の二点鎖線）に対し、半径方向の軸（Ｒ軸）を有している。変位検知手段１８はそのＲ軸方向に移動可能に構成され、Ｒ軸上の位置によりその回転半径が決められる。
第１の実施形態
図１は本発明の本発明の第１の実施形態にかかる表面性状測定装置の概略構成図である。図１の表面性状測定装置１０は、測定装置筐体に固定される固定部ユニット１２（固定側）と、固定部ユニット１２に非接触で保持されて回転運動を行う回転部ユニット１４（回転側）と、回転部ユニットに固定されたＲ軸ユニット１６と、Ｒ軸ユニット１６に取り付けられた変位検知手段１８と、を備える。回転部ユニット１４は、固定部ユニット１２の内部に設置され、空気軸受により非接触で固定部ユニット１２に保持されている。Ｒ軸ユニット１６は回転部ユニット１４の回転軸（図中の二点鎖線）に対し、半径方向の軸（Ｒ軸）を有している。変位検知手段１８はそのＲ軸方向に移動可能に構成され、Ｒ軸上の位置によりその回転半径が決められる。
固定部ユニット１２には、光波干渉手段（干渉計２０）が設けられている。干渉計２０はレーザー光源２２からのレーザー光を参照光と測定光とに分割する分割部を備え、測定光を干渉計２０の外部へ出射する。また、干渉計２０は、被測定物の表面凹凸による変位情報を取得して帰還した変位測定光を、参照光と干渉させ、その干渉光を検出する光検出部を備え、その干渉縞情報から変位測定光の光路長情報を得る。
回転部ユニット１４はその回転軸と同軸の中空軸構造を有しており、干渉計２０から出射される測定光は、まずこの中空軸に沿って進む。さらに、測定光は反射ミラー２４にて反射され、Ｒ軸方向への進路をとり、変位検知手段１８へと至る。このように、回転部ユニット１４の中空軸、およびＲ軸に沿って導光路が形成されている。
回転部ユニット１４はその回転軸と同軸の中空軸構造を有しており、干渉計２０から出射される測定光は、まずこの中空軸に沿って進む。さらに、測定光は反射ミラー２４にて反射され、Ｒ軸方向への進路をとり、変位検知手段１８へと至る。このように、回転部ユニット１４の中空軸、およびＲ軸に沿って導光路が形成されている。
干渉計２０から出射された測定光は、変位検知手段１８にて、被測定物の表面の凹凸による変位情報を、その光路長変化として取得して変位測定光とされ、行きと同じ経路を辿り干渉計２０へと戻る。本実施形態の変位検知手段１８は、被測定物に接触する測定子２６と、該測定子２６に取り付けられた反射ミラー２８とを含み、該反射ミラー２８にて測定光を反射する。測定子２６は被測定物の表面の凹凸により変位を受け、反射ミラー２８もそれに合わせて変位を受ける。その結果、反射ミラー２８で反射を受ける測定光自身の光路長も変化を受け、それが被測定物の形状情報となる。また、測定光を被測定物に直接照射、およびその反射光を集光する照射／集光部を用いて、被測定物の凹凸情報を取得してもよい。
また、被測定物の設定時、つまり変位検知手段１８のＲ軸方向移動時にも、干渉計２０にて測定光の光路長を測定することにより、変位検知手段１８のＲ軸上の位置を正確に求めることができる。つまり、Ｒ軸方向のリニアスケール（測長手段）として用いることができる。
また、被測定物の設定時、つまり変位検知手段１８のＲ軸方向移動時にも、干渉計２０にて測定光の光路長を測定することにより、変位検知手段１８のＲ軸上の位置を正確に求めることができる。つまり、Ｒ軸方向のリニアスケール（測長手段）として用いることができる。
ここで、干渉計２０から出射される測定光の軸、および干渉計２０へ戻る測定光の軸は、回転部ユニット１４の回転軸と同一軸であることが好適である。このように、回転部ユニット１４の中空部を通る光の光路を軸の中心に配置することにより、変位検知手段１８の回転運動時の運動誤差を最小限に抑えることが可能となる。
さらに、Ｒ軸方向に進む測定光の軸と、変位検知手段１８のＲ軸方向への運動軸とが同一軸であることが好適である。このように配置することにより、アッベ誤差が発生し難い構成とすることができる。
さらに、Ｒ軸上に、変位検知手段１８と略同等の質量（ダミーウエイト６８）を、回転軸に対して対称な位置に設けることが好適である。こうすることで、回転軸に対するＲ軸の回転モーメントのアンバランスを打ち消すことができ、安定した回転が可能となる。
以上が本実施形態の概略構成であり、以下にその作用を説明する。
さらに、Ｒ軸方向に進む測定光の軸と、変位検知手段１８のＲ軸方向への運動軸とが同一軸であることが好適である。このように配置することにより、アッベ誤差が発生し難い構成とすることができる。
さらに、Ｒ軸上に、変位検知手段１８と略同等の質量（ダミーウエイト６８）を、回転軸に対して対称な位置に設けることが好適である。こうすることで、回転軸に対するＲ軸の回転モーメントのアンバランスを打ち消すことができ、安定した回転が可能となる。
以上が本実施形態の概略構成であり、以下にその作用を説明する。
ここでは、被測定物の真円度測定を行うことを想定して説明を行う。まず、被測定物の大きさに合わせ、変位検知手段１８をＲ軸上で移動させ、変位検知手段１８の回転半径を調節する。ここで、変位検知手段１８のＲ軸上での移動距離は、干渉計２０によって、反射ミラー２８から帰還した測定光の光路長変化として計測することができる。
図２に示すように、変位検知手段１８の回転半径を調節し、測定子２６が被測定物の表面に接触するようにする。ここで、図２（ａ）は柱状の被測定物の外側表面の真円度測定を行う場合、図２（ｂ）は筒状の被測定物の内側表面の真円度測定を行う場合を示している。その後、回転部ユニット１４を回転させて変位検知手段１８を被測定物に対して回転させる。すると、測定子２６の被測定物への接触位置が回転に伴って回転方向にそって移動するため、被測定物の表面の凹凸によって測定子２６が半径方向の変位を受ける。この半径方向の変位を変位測定光の光路長変化として測定する。この半径方向の変位情報の取得を、変位検知手段１８の回転運動と同期させて行い、必要なデータ処理を施すことで被測定物の真円度を求めることができる。
図２に示すように、変位検知手段１８の回転半径を調節し、測定子２６が被測定物の表面に接触するようにする。ここで、図２（ａ）は柱状の被測定物の外側表面の真円度測定を行う場合、図２（ｂ）は筒状の被測定物の内側表面の真円度測定を行う場合を示している。その後、回転部ユニット１４を回転させて変位検知手段１８を被測定物に対して回転させる。すると、測定子２６の被測定物への接触位置が回転に伴って回転方向にそって移動するため、被測定物の表面の凹凸によって測定子２６が半径方向の変位を受ける。この半径方向の変位を変位測定光の光路長変化として測定する。この半径方向の変位情報の取得を、変位検知手段１８の回転運動と同期させて行い、必要なデータ処理を施すことで被測定物の真円度を求めることができる。
また、変位検知手段１８として、図３に示すように集光レンズ８４（照射／集光部）を備えたものを用いてもよい。ここで、図３（ａ）は外側測定、図３（ｂ）は内側測定の場合を示している。図３に示す例では、集光レンズにより、測定光を被測定物に直接照射して、その反射光を集光することで、被測定物の表面の凹凸を測定している。この場合も、回転に伴う被測定物の表面の凹凸の変化によって、測定光の反射位置が半径方向の変位を受け、その結果、測定光の光路長が変化する。図３の場合、被測定物に非接触で真円度測定を行うことが可能となる。
このように、本実施形態の表面性状測定装置では、光を用いて回転側と固定側の情報伝達を行っているため、スリップリング等の接触部分は必要ない。その結果、高精度の回転精度、測定精度が実現できる。また、従来の電気信号の伝達に比べ、信号劣化の影響が少ない。
また、検知手段のＲ軸方向移動時には、測定光の光路長を計測することにより検知手段の半径方向の位置を求めることができるため、従来のように、別途Ｒ軸方向のリニアスケール（測長手段）を設ける必要がない。
次に各構成のより詳細な説明を行う。
また、検知手段のＲ軸方向移動時には、測定光の光路長を計測することにより検知手段の半径方向の位置を求めることができるため、従来のように、別途Ｒ軸方向のリニアスケール（測長手段）を設ける必要がない。
次に各構成のより詳細な説明を行う。
回転機構
再び図１を参照し回転機構の説明を行う。固定部ユニット１２と回転部ユニット１４との間には僅かの隙間が設けられており、その間に高圧のエアーを通すことにより空気軸受３４を形成する。空気軸受３４に必要なエアーはエアー源からエアーホースを通じて固定部ユニット１２に供給される。
空気軸受３４の隙間に空気を流すため、スラスト方向ノズル３６、ラジアル方向ノズル３８が複数設けられている。形成された空気軸受３４により、回転部ユニット１４のラジアル、およびスラスト荷重を支えている。この構造により、回転部ユニット１４は非接触で、固定部ユニット１２内を回転することができる。
再び図１を参照し回転機構の説明を行う。固定部ユニット１２と回転部ユニット１４との間には僅かの隙間が設けられており、その間に高圧のエアーを通すことにより空気軸受３４を形成する。空気軸受３４に必要なエアーはエアー源からエアーホースを通じて固定部ユニット１２に供給される。
空気軸受３４の隙間に空気を流すため、スラスト方向ノズル３６、ラジアル方向ノズル３８が複数設けられている。形成された空気軸受３４により、回転部ユニット１４のラジアル、およびスラスト荷重を支えている。この構造により、回転部ユニット１４は非接触で、固定部ユニット１２内を回転することができる。
空気軸受３４は上部空気軸受３４−１と下部空気軸受３４−２に分かれている。回転部ユニット１４を回転させるため、上部空気軸受３４−１と下部空気軸受３４−２との間にスピンドルモータ回転子４０−１とスピンドルモータ固定子４０−２で構成されるスピンドルモータ４０が設けられている。スピンドルモータ固定子４０−２は固定部ユニット１２側に固定され、回転部ユニット１４を駆動する。このように、空気軸受３４の配置をスピンドルモータ４０に対して対称になる構造にしたのは、より高精度の回転を得るための措置である。
スピンドルモータ４０の回転を検出するエンコーダ４２は回転部ユニット１４の上部に配置されている。エンコーダ４２は二つの部分から構成されており、エンコーダ符号板４２−１は回転部ユニット１４に取り付けられ、信号を検出するエンコーダー検出器４２−２は固定部ユニット１２側に取り付けられている。
エンコーダ４２は９０°位相差信号を出力し、その信号はコントローラ、およびスピンドルモータドライバに入力される。スピンドルモータドライバの出力はスピンドルモータ固定子４０−２に接続され、スピンドルモータ４０を駆動する。
エンコーダ４２は９０°位相差信号を出力し、その信号はコントローラ、およびスピンドルモータドライバに入力される。スピンドルモータドライバの出力はスピンドルモータ固定子４０−２に接続され、スピンドルモータ４０を駆動する。
干渉光学系
固定部ユニット１２の内部に搭載された干渉計２０にレーザー光源２２からレーザー光を光ファイバーを介して入射する。レーザー光は干渉計２０内部の光学系で参照光と測定光とに分けられ、測定光は干渉計２０の外部に導かれる。
図１に示すように、干渉計から出射した測定光は回転軸方向に進み、回転部ユニット１４の中空部を通って、Ｒ軸ユニット１６に入射される。Ｒ軸ユニット１６に入射した測定光はミラー２４で図中右方向に直角に曲げられ、Ｒ軸方向に進路が変更される。Ｒ軸方向を進む測定光は変位検知手段１８に入射する。
固定部ユニット１２の内部に搭載された干渉計２０にレーザー光源２２からレーザー光を光ファイバーを介して入射する。レーザー光は干渉計２０内部の光学系で参照光と測定光とに分けられ、測定光は干渉計２０の外部に導かれる。
図１に示すように、干渉計から出射した測定光は回転軸方向に進み、回転部ユニット１４の中空部を通って、Ｒ軸ユニット１６に入射される。Ｒ軸ユニット１６に入射した測定光はミラー２４で図中右方向に直角に曲げられ、Ｒ軸方向に進路が変更される。Ｒ軸方向を進む測定光は変位検知手段１８に入射する。
変位検知手段１８に入射した測定光は反射ミラー３２で図中下向きに直角に曲げられ、再び回転軸方向に進路をとる。さらに反射ミラー３０で図中左方向に曲げられ、再び半径方向へ進路を変える。この測定光は、測定子２６に取り付けられたミラー２８に反射されて変位測定光とされる。該変位測定光は、上記と逆の経路をたどり干渉計２０に戻る。ミラー２８は測定子２６と接続されているので、測定子２６の変位は測定光の光路長の変化として干渉計２０に伝えられる。
変位測定光は干渉計２０の内部で参照光と干渉し、変位測定光の有する変位情報は干渉縞の強度変化として検出される。干渉縞の強度変化は４相の９０°位相差の電気信号として検出され、該９０°位相差電気信号は信号処理回路と分割回路で所望の検出分解能を得るため信号分割される。分割された検出信号はコントローラーに入力され、回転部ユニット１４の回転に合わせて同期信号処理された後、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）でデータ処理が行われる。
変位測定光は干渉計２０の内部で参照光と干渉し、変位測定光の有する変位情報は干渉縞の強度変化として検出される。干渉縞の強度変化は４相の９０°位相差の電気信号として検出され、該９０°位相差電気信号は信号処理回路と分割回路で所望の検出分解能を得るため信号分割される。分割された検出信号はコントローラーに入力され、回転部ユニット１４の回転に合わせて同期信号処理された後、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）でデータ処理が行われる。
干渉計内部
次に干渉計の部分について図４を参照して説明する。レーザー光源２２からの直線偏光された光線は光ファイバーを介して干渉計２０に入射する。入射された光線はコリメートレンズ４４で平行光にされ、一連の光学系に導かれる。
コリメートレンズ４４を通った直線偏光は１／２λ板４６を通り、偏光面が回転する。この１／２波長板は、後段のＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）４８にて、参照光と測定光との分割の比率が最適になるように偏光面の角度を調整する役目を持っている。
光線はＰＢＳ４８（光分割部）で実線で示す測定光と点線で示す参照光とに分割される。参照光はそのまま直進し、１／２λ板５０へと進む。一方、測定光はＰＢＳ４８で反射され、１／４λ板５２に入射する。入射した測定光は、該１／４λ板５２を通過した後、反射ミラー５４で反射し、同じ経路を通ってＰＢＳ４８に戻る。今度は偏光面が９０°回転しているため、反射せずに通過して１／４λ板５６を通って、干渉計２０の外部へ出射される。
干渉計２０外部へ出射した測定光は、上記で述べたように、変位情報を獲得して変位測定光とされ、再び干渉計２０へと戻ってくる。干渉計２０内部へ入射した変位測定光は、再び１／４λ板５６を通過し、ＰＢＳ４８へと進む。今度は変位測定光の偏光面が９０°変化しているのでＰＢＳ４８で反射して、点線で示す参照光と同じ方向に進む。
次に干渉計の部分について図４を参照して説明する。レーザー光源２２からの直線偏光された光線は光ファイバーを介して干渉計２０に入射する。入射された光線はコリメートレンズ４４で平行光にされ、一連の光学系に導かれる。
コリメートレンズ４４を通った直線偏光は１／２λ板４６を通り、偏光面が回転する。この１／２波長板は、後段のＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）４８にて、参照光と測定光との分割の比率が最適になるように偏光面の角度を調整する役目を持っている。
光線はＰＢＳ４８（光分割部）で実線で示す測定光と点線で示す参照光とに分割される。参照光はそのまま直進し、１／２λ板５０へと進む。一方、測定光はＰＢＳ４８で反射され、１／４λ板５２に入射する。入射した測定光は、該１／４λ板５２を通過した後、反射ミラー５４で反射し、同じ経路を通ってＰＢＳ４８に戻る。今度は偏光面が９０°回転しているため、反射せずに通過して１／４λ板５６を通って、干渉計２０の外部へ出射される。
干渉計２０外部へ出射した測定光は、上記で述べたように、変位情報を獲得して変位測定光とされ、再び干渉計２０へと戻ってくる。干渉計２０内部へ入射した変位測定光は、再び１／４λ板５６を通過し、ＰＢＳ４８へと進む。今度は変位測定光の偏光面が９０°変化しているのでＰＢＳ４８で反射して、点線で示す参照光と同じ方向に進む。
実線で示された変位測定光と点線で示された参照光は共に１／２λ板５０を通過してＮＰＢＳ（無偏光ビームスプリッタ）５８に入射する。ＮＰＢＳ５８はＰＢＳ６０、およびＰＢＳ６２に入射する光量を等分に分割する。ここで、１／２λ板５０は４個の光検出器６６−１〜６６−４（ＰＤ１〜ＰＤ４）で干渉光が同じ強さで検出できるように偏光面の角度を調整する役目をもつ。ＮＰＢＳ５８で反射した測定光および参照光はＰＢＳ６０へ入射する。ＰＢＳ６０を透過した光、反射した光はそれぞれ光検出器６６−１、６６−２で検出される。また、ＮＰＢＳ５８を透過した参照光および測定光は、１／４λ板６４を通り、ＰＢＳ６２へ入射し、ＰＥＢ６０の反射光、透過光はそれぞれ光検出器６６−３、６６−４で検出される。なお、１／４λ板６４は９０°位相差の信号を作り出すために挿入している。そして、光検出器６６−１〜６６−４からそれぞれ９０°位相差を有する電気信号が信号処理手段へと送られる。
変位検知手段移動機構
次に変位検知手段をＲ軸方向に移動させるＲ軸移動手段について、図５、および図６を参照して説明を行う。図５（ａ）は、図１のＲ軸ユニット１６部分のＡ−Ａ’方向の断面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）示したＲ軸ユニットのＢ−Ｂ’方向の断面図である。図６は駆動部分の斜視図である。
Ｒ軸ユニット１６の底部に配置された操作ツマミ７０を回転させると、該ツマミ７０と軸で接続された歯車７２も一緒に回転する。その回転は歯車７４−１、および歯車７４−２に伝えられる。歯車７４−１は軸で歯車７６−１に接続されている。同様に、歯車７４−２は軸で歯車７６−２に接続されている。歯車７６−１の回転は歯車７８−１と歯車７８−２と噛み合っているので回転力をそれぞれの歯車に伝達する。歯車７８−１はスクリュー軸８０−１と、歯車７８−２はスクリュー軸８０−２とそれぞれ接続されているので回転力は各軸に伝達される。同様に歯車７６−２の回転も、歯車７８−３、歯車７８−４を介してスクリュー軸８０−３、およびスクリュー軸８０−４に伝達される。
次に変位検知手段をＲ軸方向に移動させるＲ軸移動手段について、図５、および図６を参照して説明を行う。図５（ａ）は、図１のＲ軸ユニット１６部分のＡ−Ａ’方向の断面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）示したＲ軸ユニットのＢ−Ｂ’方向の断面図である。図６は駆動部分の斜視図である。
Ｒ軸ユニット１６の底部に配置された操作ツマミ７０を回転させると、該ツマミ７０と軸で接続された歯車７２も一緒に回転する。その回転は歯車７４−１、および歯車７４−２に伝えられる。歯車７４−１は軸で歯車７６−１に接続されている。同様に、歯車７４−２は軸で歯車７６−２に接続されている。歯車７６−１の回転は歯車７８−１と歯車７８−２と噛み合っているので回転力をそれぞれの歯車に伝達する。歯車７８−１はスクリュー軸８０−１と、歯車７８−２はスクリュー軸８０−２とそれぞれ接続されているので回転力は各軸に伝達される。同様に歯車７６−２の回転も、歯車７８−３、歯車７８−４を介してスクリュー軸８０−３、およびスクリュー軸８０−４に伝達される。
スクリュー軸８０−２、およびスクリュー軸８０−４は、変位検知手段１８を挟みこむように取り付けられたスクリュー軸受８２−２、およびスクリュー軸受８２−４と噛み合っているので、変位検知手段１８は半径方向（図１の左右方向）に移動する。ここでスクリュー軸８０−２、８０−４は、Ｒ軸ユニットを通る光の軸と同一平面上になるよう配置されている。また、上記のように変位検知手段１８を両側から支えているため、変位検知手段１８のＲ軸方向の移動時の振動を抑えることができる。
同様にスクリュー軸８０−１、およびスクリュー軸８０−３は、ダミーウェイト６８を挟むように取り付けられたスクリュー軸受８２−１、およびスクリュー軸受８２−３と噛み合っているのでダミーウェイト６８を半径方向（図１の左右方向）に移動する。このとき、ダミーウエイト６８は、回転部ユニットの回転軸に対して変位検知手段１８と対称な位置になるように移動する。
ダミーウェイト６８は回転軸を中心として、変位検知手段１８と対称の位置に常に配置され、その質量も略同等であるので、Ｒ軸に回転モーメントのアンバランスは発生しない。従って、回転部ユニットの回転精度に与える悪影響を最小限に抑えることができる。なお、図中に軸受が８個図示されているが、それは前記４本のスクリュー軸をＲ軸ユニット本体に支持する為の軸受であることは言うまでもない。
同様にスクリュー軸８０−１、およびスクリュー軸８０−３は、ダミーウェイト６８を挟むように取り付けられたスクリュー軸受８２−１、およびスクリュー軸受８２−３と噛み合っているのでダミーウェイト６８を半径方向（図１の左右方向）に移動する。このとき、ダミーウエイト６８は、回転部ユニットの回転軸に対して変位検知手段１８と対称な位置になるように移動する。
ダミーウェイト６８は回転軸を中心として、変位検知手段１８と対称の位置に常に配置され、その質量も略同等であるので、Ｒ軸に回転モーメントのアンバランスは発生しない。従って、回転部ユニットの回転精度に与える悪影響を最小限に抑えることができる。なお、図中に軸受が８個図示されているが、それは前記４本のスクリュー軸をＲ軸ユニット本体に支持する為の軸受であることは言うまでもない。
変位検知手段部分の説明
変位検知手段は本体部分となる検知部Ａ１８−１と、測定子等が取り付けられる検知部Ｂ１８−２の二つの部分に分割可能な構成とすることが好適である。この構成をとることにより測定の自由度を容易に増すことができる。つまり、検知部Ｂ（４−２）の部分を変更すれば、色々な測定が可能となる。以下に、その例を説明する。
図２（ａ）に示すように、測定子２６の向きが半径方向内側になるように検知部Ｂ１８−２を検知部Ａ１８−１に取り付けると、被検体の外形を測定できる。一方、図５（ｂ）のように、検知部Ｂ１８−２を１８０°回転させて、測定子の方向を半径方向外側になるように検知部Ａ１８−１に取り付ければ内形測定が可能となる。
図３は前記図２の検知部Ｂ１８−２の部分の反射ミラー２８と測定子２６を集光レンズ８４（照射／集光部）に置き換えた非接触式の検知部Ｂ１８−２に変更したものである。図３（ａ）が外側測定の場合を、図３（ｂ）が内側測定の場合をそれぞれ示している。このように、検知部Ｂの部分を置き換えるだけで非接触式の表面性状測定が実現できる。
変位検知手段は本体部分となる検知部Ａ１８−１と、測定子等が取り付けられる検知部Ｂ１８−２の二つの部分に分割可能な構成とすることが好適である。この構成をとることにより測定の自由度を容易に増すことができる。つまり、検知部Ｂ（４−２）の部分を変更すれば、色々な測定が可能となる。以下に、その例を説明する。
図２（ａ）に示すように、測定子２６の向きが半径方向内側になるように検知部Ｂ１８−２を検知部Ａ１８−１に取り付けると、被検体の外形を測定できる。一方、図５（ｂ）のように、検知部Ｂ１８−２を１８０°回転させて、測定子の方向を半径方向外側になるように検知部Ａ１８−１に取り付ければ内形測定が可能となる。
図３は前記図２の検知部Ｂ１８−２の部分の反射ミラー２８と測定子２６を集光レンズ８４（照射／集光部）に置き換えた非接触式の検知部Ｂ１８−２に変更したものである。図３（ａ）が外側測定の場合を、図３（ｂ）が内側測定の場合をそれぞれ示している。このように、検知部Ｂの部分を置き換えるだけで非接触式の表面性状測定が実現できる。
図７は前記図２，３の検出器Ｂの部分を粗さ測定ユニットに変更した例である。図２，３の測定子の方向、集光レンズによる照射の方向を鉛直方向（回転軸の方向）に変更したものである。図７（ａ）は反射ミラー２８と接触子２６と含む検知部Ｂ１８−２を取り付けた例である。この測定方法は接触式となる。図７（ｂ）は集光レンズ８４を用いた場合である。この測定方法は非接触式となる。このように検知部Ｂ１８−２を変更したり、取り付け方向を変更したりするだけで色々な測定をすることが可能となる。
また、図８は検知部Ａ１８−１にＺ軸方向にスライドできる構造の検知部Ｂ１８−２を取り付けた例である。このような構成をとることで、測定子２６の回転軸方向の位置の移動が可能となる。また、この測定子２６のＺ軸方向の位置の変化も、干渉計２０によって測定光の光路長変化として検出することができる。そのため、変位検知手段の移動をシーケンシャル管理することにより、Ｚ軸方向のスケール（測長手段）として使用可能である。
また、図８は検知部Ａ１８−１にＺ軸方向にスライドできる構造の検知部Ｂ１８−２を取り付けた例である。このような構成をとることで、測定子２６の回転軸方向の位置の移動が可能となる。また、この測定子２６のＺ軸方向の位置の変化も、干渉計２０によって測定光の光路長変化として検出することができる。そのため、変位検知手段の移動をシーケンシャル管理することにより、Ｚ軸方向のスケール（測長手段）として使用可能である。
以上説明したように、本実施形態の表面性状測定装置は、固定部と回転部間の信号伝達を光を用いて行うことができるよう構成したため、固定部と回転部間の信号伝送の非接触化、高精度の回転精度、測定精度が実現できる。
従来の真円度測定機は検出器のアナログ信号を処理を行うコントローラまで長距離伝送する必要があったため、途中の伝送経路での信号劣化は避けられなかった。しかし本発明では、干渉計を使用しているので干渉信号を検出するごく一部を除けば、デジタル信号処理なので、信号の伝送距離が長くなっても信号劣化の影響はほとんどない。さらに、干渉計を利用していることから、測定精度も光の波長の安定性で測定できるので、従来の検出方法にくらべれば測定精度は格段に向上する。
従来の真円度測定機は検出器のアナログ信号を処理を行うコントローラまで長距離伝送する必要があったため、途中の伝送経路での信号劣化は避けられなかった。しかし本発明では、干渉計を使用しているので干渉信号を検出するごく一部を除けば、デジタル信号処理なので、信号の伝送距離が長くなっても信号劣化の影響はほとんどない。さらに、干渉計を利用していることから、測定精度も光の波長の安定性で測定できるので、従来の検出方法にくらべれば測定精度は格段に向上する。
また、検知部は変位を検出するためのミラーのついた測定子、もしくは測定光を被測定物に照射するための集光レンズ、を搭載するだけでの簡単な構造でよい。そのため、従来のように検出器を搭載するＲ軸部に検出器の信号処理を行う電子回路を搭載する必要がなく、そのための電源を必要としない。つまり、非常に軽く作ることが可能である。
また、変位検知手段は、その回転半径を調整するときにＲ軸上を移動するが、そのときの移動距離を計測するリニアスケールとして、干渉計を使用することができる。つまり、レーザー干渉測長器の機能も合わせ持つため、検出器の移動距離を検出するスケールを必要としない。そのため、構成部品の点数、重量を大幅に減らすことが可能である。よって、検出器回転機構の小型、計量化が図れる。従来は検出器に差動トランス等のアナログタイプの検出器を使用していたので、被検体の大きさに合わせて検出器の動作点の中心をヌル付近に調整する必要があった。しかし、本発明では、機能はレーザー干渉測長機と同等なので、おおよその位置をあわせればよく、被検体の位置合わせが非常に簡単である。
また、変位検知手段を測定子と反射ミラーで構成する代わりに集光レンズを持ったものにすれば被検体を非接触測定するが可能となる。
また、変位検知手段は、その回転半径を調整するときにＲ軸上を移動するが、そのときの移動距離を計測するリニアスケールとして、干渉計を使用することができる。つまり、レーザー干渉測長器の機能も合わせ持つため、検出器の移動距離を検出するスケールを必要としない。そのため、構成部品の点数、重量を大幅に減らすことが可能である。よって、検出器回転機構の小型、計量化が図れる。従来は検出器に差動トランス等のアナログタイプの検出器を使用していたので、被検体の大きさに合わせて検出器の動作点の中心をヌル付近に調整する必要があった。しかし、本発明では、機能はレーザー干渉測長機と同等なので、おおよその位置をあわせればよく、被検体の位置合わせが非常に簡単である。
また、変位検知手段を測定子と反射ミラーで構成する代わりに集光レンズを持ったものにすれば被検体を非接触測定するが可能となる。
第２実施形態
図９は本発明の第２の実施形態にかかる表面性状測定装置の概略構成図である。図１と同様の構成要素には符号１００を加え、説明を省略する。
図９の表面性状測定装置１１０においては、変位検知手段１１８のＲ軸方向への移動を行うＲ軸駆動手段へ動力を伝達するＲ軸駆動軸１８６を備えている。Ｒ軸駆動軸１８６は回転部ユニット１１４の中空部のさらに内側に設置され、Ｒ軸駆動軸１８６自体も中空軸構造をとっている。図１に示したものと同様に、干渉計１２０から出射される測定光は、この中空部を通りＲ軸ユニット１１６へ入射し、さらにＲ軸に沿って変位検知手段１１８へと進む。また、変位検知手段１１８から戻ってきた測定光の光路長を干渉計１２０にて測定することで、被測定物の表面性状測定を行う。
回転部ユニット１１４の内部に設置されたＲ軸駆動軸１８６は、固定部ユニット１１２に配置された軸受１８８によって支えられている。また、Ｒ軸駆動軸１８６を回転させるために、Ｒ軸モータ１９０が軸の上部に配置されている。Ｒ軸モータは、回転子１９０−１と固定子１９０−２とで構成され、回転子１９０−１はＲ軸駆動軸に、固定子１９０−２は固定部ユニット１１２に取り付けられている。Ｒ軸駆動軸１８６の回転力は、電磁カップリングによってＲ軸ユニット１１６側にその動力が非接触で伝達される。
図９は本発明の第２の実施形態にかかる表面性状測定装置の概略構成図である。図１と同様の構成要素には符号１００を加え、説明を省略する。
図９の表面性状測定装置１１０においては、変位検知手段１１８のＲ軸方向への移動を行うＲ軸駆動手段へ動力を伝達するＲ軸駆動軸１８６を備えている。Ｒ軸駆動軸１８６は回転部ユニット１１４の中空部のさらに内側に設置され、Ｒ軸駆動軸１８６自体も中空軸構造をとっている。図１に示したものと同様に、干渉計１２０から出射される測定光は、この中空部を通りＲ軸ユニット１１６へ入射し、さらにＲ軸に沿って変位検知手段１１８へと進む。また、変位検知手段１１８から戻ってきた測定光の光路長を干渉計１２０にて測定することで、被測定物の表面性状測定を行う。
回転部ユニット１１４の内部に設置されたＲ軸駆動軸１８６は、固定部ユニット１１２に配置された軸受１８８によって支えられている。また、Ｒ軸駆動軸１８６を回転させるために、Ｒ軸モータ１９０が軸の上部に配置されている。Ｒ軸モータは、回転子１９０−１と固定子１９０−２とで構成され、回転子１９０−１はＲ軸駆動軸に、固定子１９０−２は固定部ユニット１１２に取り付けられている。Ｒ軸駆動軸１８６の回転力は、電磁カップリングによってＲ軸ユニット１１６側にその動力が非接触で伝達される。
次にこのＲ軸駆動軸の回転力をＲ軸ユニット１１６側に非接触で伝達する方法について説明する。本実施形態ではＲ軸駆動軸１８６の下端に、電磁石１９２が取り付けられており、この電磁石１９２を磁化する電流はＲ軸モータドライバからブラシ１９４、スリップリング１９６、ケーブル１９８を経由して印加される。変位検知手段１１８の位置を調整するときなどの、Ｒ軸上での移動が必要なときだけ電磁石１９２に電流を流して磁化する。この電磁石に対向する位置に、僅かな隙間を隔てて磁性体で作られた歯車１７２が、Ｒ軸ユニット１１６側に配置されている。電磁石１９２が磁化されると、電磁石１９２と歯車１７２との間に強力な磁気吸引力が働く。この力によって、Ｒ軸駆動軸１８６の回転力がＲ軸ユニット１１６に伝達される。
図１０は、歯車１７２を電磁石１９２に対向して保持する機構部分を示した図である。磁性体で形成された歯車１７２の下部には歯車ストッパーＡが取り付けられている。さらに歯車ストッパーＡは、テフロン（登録商標）樹脂製の歯車ストッパーＢで支えられている。歯車ストッパーＡと歯車ストッパーＢの間は自由に滑ることができる。さらに、歯車ストッパーＢは、ストッパーＡとストッパーＢにより支えられている。ここでストッパーＡは軸Ａに、ストッパーＢは軸Ｂにそれぞれ固定されている。これらの構造により磁性体で形成された歯車１７２は、電磁石に対向する位置で、所定の隙間を保って常に支持されている。
図１０は、歯車１７２を電磁石１９２に対向して保持する機構部分を示した図である。磁性体で形成された歯車１７２の下部には歯車ストッパーＡが取り付けられている。さらに歯車ストッパーＡは、テフロン（登録商標）樹脂製の歯車ストッパーＢで支えられている。歯車ストッパーＡと歯車ストッパーＢの間は自由に滑ることができる。さらに、歯車ストッパーＢは、ストッパーＡとストッパーＢにより支えられている。ここでストッパーＡは軸Ａに、ストッパーＢは軸Ｂにそれぞれ固定されている。これらの構造により磁性体で形成された歯車１７２は、電磁石に対向する位置で、所定の隙間を保って常に支持されている。
変位検知手段１１８のＲ軸方向への移動機構は第１の実施形態とほぼ同様である。図１１は、その主要部分の斜視図である。まず、電磁石を磁化することでＲ軸駆動軸の回転力を、Ｒ軸ユニットに配置された歯車１７２に伝達する。歯車１７２が回転すると、その回転力は噛み合っている歯車１７４−１、および歯車１７４−２に伝達される。
歯車１７４−１、および歯車１７４−２は、それぞれ軸Ａ、軸Ｂで歯車１７６−１、歯車１７６−２に接続されているので、回転力はそれらの歯車に伝達されることになる。更に歯車１７６−１は噛み合っている歯車１７８−１と歯車１７８−２に回転力を伝達する。歯車１７８−１はスクリュー軸１８０−１に、歯車１７８−２はスクリュー軸１８０−２にそれぞれ結合されているので、回転力は各軸に伝達されることになる。
同様に歯車１７６−２の回転力も歯車１７８−３、１７８−４を介してスクリュー軸１８０−３、およびスクリュー軸１８０−４に伝達される。
スクリュー軸１８０−２、およびスクリュー軸１８０−４は変位検知手段の前後に取り付けられた二つのスクリュー軸受と噛み合っているので、変位検知手段は回転軸の半径方向（図９の左右方向）へ移動する。同様にスクリュー軸１８０−１、およびスクリュー軸１８０−３はダミーウェイト１６８の前後に取り付けられた二つのスクリュー軸受と噛み合っているのでダミーウェイト１６８も回転軸の半径方向（図９の左右方向）に移動する。
歯車１７４−１、および歯車１７４−２は、それぞれ軸Ａ、軸Ｂで歯車１７６−１、歯車１７６−２に接続されているので、回転力はそれらの歯車に伝達されることになる。更に歯車１７６−１は噛み合っている歯車１７８−１と歯車１７８−２に回転力を伝達する。歯車１７８−１はスクリュー軸１８０−１に、歯車１７８−２はスクリュー軸１８０−２にそれぞれ結合されているので、回転力は各軸に伝達されることになる。
同様に歯車１７６−２の回転力も歯車１７８−３、１７８−４を介してスクリュー軸１８０−３、およびスクリュー軸１８０−４に伝達される。
スクリュー軸１８０−２、およびスクリュー軸１８０−４は変位検知手段の前後に取り付けられた二つのスクリュー軸受と噛み合っているので、変位検知手段は回転軸の半径方向（図９の左右方向）へ移動する。同様にスクリュー軸１８０−１、およびスクリュー軸１８０−３はダミーウェイト１６８の前後に取り付けられた二つのスクリュー軸受と噛み合っているのでダミーウェイト１６８も回転軸の半径方向（図９の左右方向）に移動する。
このように、第２実施形態の表面性状測定装置では、Ｒ軸ユニットに搭載された変位検知手段のＲ軸に沿っての移動のための動力を、電磁石の吸引力によってＲ軸ユニットに伝達している。このため、従来のように動力を得るためのモータ等をＲ軸ユニットに設ける必要がない。
また、第２実施形態の表面性状測定装置では、Ｒ軸方向の変位検知手段の移動制御を、干渉計からの出力信号を基に行うことができる。図９に示す表面性状測定装置１１０は、変位検知手段１１８が被測定物、もしくはＲ軸に設けたリミッタに接触したかどうかを判定する着座判定手段を備えている。この着座判定手段は、干渉計１２０からの干渉縞信号の変化を基に上記の判定を行う。以下にこの制御方法について説明する。
また、第２実施形態の表面性状測定装置では、Ｒ軸方向の変位検知手段の移動制御を、干渉計からの出力信号を基に行うことができる。図９に示す表面性状測定装置１１０は、変位検知手段１１８が被測定物、もしくはＲ軸に設けたリミッタに接触したかどうかを判定する着座判定手段を備えている。この着座判定手段は、干渉計１２０からの干渉縞信号の変化を基に上記の判定を行う。以下にこの制御方法について説明する。
図１２はＲ軸ユニット１１６に従来機のリミットスイッチに相当する外側リミットおよび内側リミットを取り付けた状態を示す。干渉計１２０がリミットスイッチとして動作するときの様子を説明する。図１３（ａ）は変位検知手段１１８がＲ軸ユニット１１６を拘束なしに移動するときの信号処理回路の出力を、図１３（ｂ）はそのときの分割回路の出力信号の状態を示す。これらの図は、変位検知手段１１８がＲ軸モータドライバの指令信号に忠実にＲ軸上を一定速度で移動し、それに対応した信号が出力していることを示している。
一方、図１３（ｃ）、（ｄ）は変位検知手段１１８がＲ軸の外側方向に移動し、動作領域限界を示す外側リミットに突き当たって停止するときの信号処理回路、分割回路の出力を示している。図から分かるように、外側リミットに当たった瞬間に出力信号の変化も停止していることが分かる。また、検出器が左方向に移動して、内側リミットで停止するときも同様である。ただし、出力信号の位相は右方向移動時とは逆になる。このように、出力信号が一定となった瞬間を捉えることで、変位検知手段がリミットに接触したかどうかを判定することができる。
一方、図１３（ｃ）、（ｄ）は変位検知手段１１８がＲ軸の外側方向に移動し、動作領域限界を示す外側リミットに突き当たって停止するときの信号処理回路、分割回路の出力を示している。図から分かるように、外側リミットに当たった瞬間に出力信号の変化も停止していることが分かる。また、検出器が左方向に移動して、内側リミットで停止するときも同様である。ただし、出力信号の位相は右方向移動時とは逆になる。このように、出力信号が一定となった瞬間を捉えることで、変位検知手段がリミットに接触したかどうかを判定することができる。
次に変位検知手段の回転半径を設定するときの干渉計の出力信号について説明する。図１４は外側測定時の設定時の様子を示す図である。図１５は、変位検知手段の測定子１２６が被測定物に着座（接触）するときの信号変化の様子を説明する図である。
変位検知手段１１８の測定子１２６が被測定物に接触するまでは、信号処理回路および分割回路は図１５（ａ），（ｂ）に示すような信号を出力している。つまり、変位検知手段１１８が半径内側方向に移動しているので、測定光の光路長は一定の速度で短くなっており、一定の周期の干渉縞信号が観測される。つまり、光路長の変化はＲ軸の長さに比例して変化している。
変位検知手段１１８の測定子１２６が被測定物に接触するまでは、信号処理回路および分割回路は図１５（ａ），（ｂ）に示すような信号を出力している。つまり、変位検知手段１１８が半径内側方向に移動しているので、測定光の光路長は一定の速度で短くなっており、一定の周期の干渉縞信号が観測される。つまり、光路長の変化はＲ軸の長さに比例して変化している。
ところが、図１５（ｃ），（ｄ）に示すように、測定子１２６が被測定物に接触すると、着座した瞬間に出力信号の周波数が２倍に変化する。これは、変位検知手段の測定１２６子が被検体に接触した瞬間、測定子１２６に取り付けられた反射ミラー１２８が変位検知手段１１８の移動方向とは逆の半径外側方向に移動するためである。つまり、外側方向に移動するということは、変位検知手段１１８が内側方向に移動するときに光路長が短くなるのと同様に、光路長が短くなる方向である。その移動速度は変位検知手段１１８の移動速度と同じと仮定すれば、光路長の変化は２倍になる。したがって、測定子１２６が着座した瞬間、検出信号の周波数は２倍となる計算である。この変化を捉えれば、変位検知手段１１８の測定子１２６が被測定物に接触したことを検出することができる。
図１６は、内形を測定するときの設定時の様子を説明する図である。このとき、変位検知手段１１８は被測定物に接触するまでＲ軸の外側方向に移動する。つまり、測定光の光路長が長くなる方向である。そのとき、検出器は何の拘束を受けないので図１７（ａ），（ｂ）で示す出力信号を出力する。
変位検知手段１１８の測定子１２６が被測定物に接触すると、測定子１２６は被測定物からの反力を受けて、測定子１２６に取り付けられた反射ミラー１２８は半径方向内側に押し込まれる。そのため、測定光の光路長がその分短くなる。その距離は変位検知手段１１８が半径外側方向へ移動することによって伸びる光路長と等価で、方向が反対である。したがって、図１７（ｃ），（ｄ）に示すように、変位検知手段１１８が移動しているにも関わらず、測定光の光路長の変化がゼロとなって信号の変化がなくなる。この瞬間を捉えて着座と判定すれば、検出器の位置合わせに利用できる。
このように、第２の実施形態における表面性状測定装置では、干渉計からの出力信号を利用することで、変位検知手段の半径方向への移動制御を容易に行うことができる。
変位検知手段１１８の測定子１２６が被測定物に接触すると、測定子１２６は被測定物からの反力を受けて、測定子１２６に取り付けられた反射ミラー１２８は半径方向内側に押し込まれる。そのため、測定光の光路長がその分短くなる。その距離は変位検知手段１１８が半径外側方向へ移動することによって伸びる光路長と等価で、方向が反対である。したがって、図１７（ｃ），（ｄ）に示すように、変位検知手段１１８が移動しているにも関わらず、測定光の光路長の変化がゼロとなって信号の変化がなくなる。この瞬間を捉えて着座と判定すれば、検出器の位置合わせに利用できる。
このように、第２の実施形態における表面性状測定装置では、干渉計からの出力信号を利用することで、変位検知手段の半径方向への移動制御を容易に行うことができる。
第３実施形態
本発明の第３の実施形態にかかる表面性状測定装置は、温度変化によるＲ軸の熱膨張による影響を補償する機構を備えている。
図１８に第３実施形態にかかる表面性状測定装置２１０の概略構成図を示す。固定部ユニット、回転部ユニット等の構成は第２実施形態と同様であるので説明を省略する。また、図１９は表面性状測定装置の干渉光学系の部分のみ抜き出して示したものである。
本実施形態の表面性状測定装置２１０においては、Ｒ軸ユニット２１６上に温度補償ユニット２３４を設けている。この温度補償ユニット２３４は、回転軸に対し、変位検知手段２１８と対称な位置になるよう設けられている。また、Ｒ軸方向移動時にも変位検知手段２１８と対称に移動するよう構成されている。本実施形態では、測定光と干渉させる参照光も、干渉計２２０の外部に出射されて温度補償ユニット２３４に導かれる。温度補償ユニット２３４には、導かれた参照光を反射する参照ミラー２３６が設けられており、参照光を再び干渉計２２０へと戻すよう構成されている。
本発明の第３の実施形態にかかる表面性状測定装置は、温度変化によるＲ軸の熱膨張による影響を補償する機構を備えている。
図１８に第３実施形態にかかる表面性状測定装置２１０の概略構成図を示す。固定部ユニット、回転部ユニット等の構成は第２実施形態と同様であるので説明を省略する。また、図１９は表面性状測定装置の干渉光学系の部分のみ抜き出して示したものである。
本実施形態の表面性状測定装置２１０においては、Ｒ軸ユニット２１６上に温度補償ユニット２３４を設けている。この温度補償ユニット２３４は、回転軸に対し、変位検知手段２１８と対称な位置になるよう設けられている。また、Ｒ軸方向移動時にも変位検知手段２１８と対称に移動するよう構成されている。本実施形態では、測定光と干渉させる参照光も、干渉計２２０の外部に出射されて温度補償ユニット２３４に導かれる。温度補償ユニット２３４には、導かれた参照光を反射する参照ミラー２３６が設けられており、参照光を再び干渉計２２０へと戻すよう構成されている。
レーザー光源からの光は干渉計２２０内部の光学系で参照光（図１８中の実線）と測定光（図１９中の点線）に分けられる。本実施形態では、参照光も測定光と同様に干渉計２２０の外部に出射され、Ｒ軸駆動軸２８６の中空部を通って、Ｒ軸ユニット２１６に入射される。
Ｒ軸ユニット２１６に入射した測定光は１／４λ板２４４を通ってＰＢＳ２４６で反射されてＲ軸方向外側に曲げられて、変位検知手段２１８に入射する。変位検知手段２１８に入射した測定光は反射ミラー２３２で回転軸方向に曲げられる。更にミラー２３０で半径方向内側に曲げられ、測定子２２６に取り付けられた反射ミラー２２８に照射される。反射ミラー２２８に照射された測定光はこの反射ミラー２２８で反射され変位測定光とされ、逆の経路をたどって干渉計２２０に戻る。測定子２２６と反射ミラー２２８は接続されているので、測定子２２６の変位は変位測定光の光路長の変化として干渉計２２０に伝えられる。
Ｒ軸ユニット２１６に入射した測定光は１／４λ板２４４を通ってＰＢＳ２４６で反射されてＲ軸方向外側に曲げられて、変位検知手段２１８に入射する。変位検知手段２１８に入射した測定光は反射ミラー２３２で回転軸方向に曲げられる。更にミラー２３０で半径方向内側に曲げられ、測定子２２６に取り付けられた反射ミラー２２８に照射される。反射ミラー２２８に照射された測定光はこの反射ミラー２２８で反射され変位測定光とされ、逆の経路をたどって干渉計２２０に戻る。測定子２２６と反射ミラー２２８は接続されているので、測定子２２６の変位は変位測定光の光路長の変化として干渉計２２０に伝えられる。
一方、Ｒ軸ユニット２１６に入射した参照光は１／４λ板２４４、ＰＢＳ２４６を通過して反射ミラー２４８に入射する。そこで参照光は反射され、図中左方向に曲げられて、Ｒ軸に沿って半径方向外側に向かい、温度補償ユニット２３４に入射する。温度補償ユニット２３４に入射した参照光は反射ミラー２３８、および反射ミラー２４０で反射して、変位検知手段２１８内の反射ミラー２２８に対応する参照面ミラー２３６に照射される。参照面ミラー２３６に照射された参照光は、そこで反射され、逆の経路を通って干渉計２２０に戻る。
干渉計に戻った参照光と変位測定光は干渉計の内部で干渉し、該干渉縞の強度変化は４相の９０°位相差の電気信号として検出される。前記９０°位相差電気信号は信号処理回路と分割回路で所望の検出分解能を得るため信号分割される。分割された検出信号はコントローラーに入力され、回転部ユニット２１４の回転に合わせて同期信号処理された後、パソコン（ＰＣ）でデータ処理が行われる。
以上が本発明の第３実施形態の概略構成であり、以下にその作用を説明する。
本実施形態では、参照光が反射する参照ミラー２３６と、測定光が反射する反射ミラー２２８とが、回転軸に対し対称な位置に設置されている。つまり、参照光の光路と、測定光（変位測定光）の光路がほぼ同じで、一方は温度補償ユニット２３４を通って干渉計２２０に戻り、他方は変位検知手段２１８を通って干渉計２２０に戻り、そこで干渉を起こす。
以上が本発明の第３実施形態の概略構成であり、以下にその作用を説明する。
本実施形態では、参照光が反射する参照ミラー２３６と、測定光が反射する反射ミラー２２８とが、回転軸に対し対称な位置に設置されている。つまり、参照光の光路と、測定光（変位測定光）の光路がほぼ同じで、一方は温度補償ユニット２３４を通って干渉計２２０に戻り、他方は変位検知手段２１８を通って干渉計２２０に戻り、そこで干渉を起こす。
ここで熱膨張によってＲ軸が半径方向に伸びてしまった状態を考える。このとき、光路を構成する機構部品の熱膨張により当然光路長も変化する。しかしながら、温度補償ユニット２３４と変位検知手段２１８の光学系は互いに対称に作られているため、参照光と測定光の光路長は、同じように変化する。つまり、Ｒ軸の伸びによって測定光の光路長がその分だけ長くなると、参照光の光路長も同じ量だけ長くなる。このため、熱膨張による参照光と測定光との光路長の差は生まれず、温度変化によって発生する誤差は吸収される。これが熱膨張補償の原理である。
ここで、変位検知手段２１８の反射ミラー２２８には測定子２２６がついている。測定時には測定子２２６が被測定物の表面をなぞることによって、反射ミラー２２８と反射ミラー２３０と間の距離が変化し、測定光の光路長が変化する。一方、対称に作られた温度補償ユニット２３８には測定子がないので、反射ミラー２４０と参照ミラー２３６との間の距離には変化がなく、参照光の光路長には変化が生じない。つまり、参照光と測定光との光路長差の変化は、変位検知手段２１８の測定子２３６の変位に由来するもののみが生じる。よって、干渉計２２０は測定子２１６によって発生する光路長の変化のみを検出することができる。
ここで、変位検知手段２１８の反射ミラー２２８には測定子２２６がついている。測定時には測定子２２６が被測定物の表面をなぞることによって、反射ミラー２２８と反射ミラー２３０と間の距離が変化し、測定光の光路長が変化する。一方、対称に作られた温度補償ユニット２３８には測定子がないので、反射ミラー２４０と参照ミラー２３６との間の距離には変化がなく、参照光の光路長には変化が生じない。つまり、参照光と測定光との光路長差の変化は、変位検知手段２１８の測定子２３６の変位に由来するもののみが生じる。よって、干渉計２２０は測定子２１６によって発生する光路長の変化のみを検出することができる。
このように、本発明の第３実施形態にかかる表面性状測定装置は、熱膨張による光路長の変化を補償するが、測定子による光路長の変化を妨げることはないので、熱膨張の悪影響を取り除いた測定が可能である。
従来は熱膨張による測定誤差を生じないように、低膨張材を用いて装置を構成する必要があった。しかし、本発明の温度補償方式を採用すれば温度変化の影響を受けることがなく、特殊な材料を使用せずに装置を設計することができる。そのため、より軽量、安価な材料で製作することが可能となる。
従来は熱膨張による測定誤差を生じないように、低膨張材を用いて装置を構成する必要があった。しかし、本発明の温度補償方式を採用すれば温度変化の影響を受けることがなく、特殊な材料を使用せずに装置を設計することができる。そのため、より軽量、安価な材料で製作することが可能となる。
ただし、変位検知手段２１８の回転半径を設定するため、変位検知手段２１８をＲ軸方向へ移動させる場合にも熱膨張補償と同様の動作をしてしまうため、変位検知手段２１８の移動距離が分からなくなってしまう。そのため、移動時は参照光が温度補償ユニットに照射されないように、参照光の光路の途中、例えば図１９の点線で示すように、Ｒ軸ユニット２１６のＰＢＳ２４６の左側に反射ミラー２４２を挿入する。そうすると参照光は挿入された反射ミラーで反射されるのでＲ軸を動かしても光路長の変化がなくなり、変位検知手段２１８の移動による光路長の変化だけが検出されることになる。こうすることで、Ｒ軸ユニット用のリニアスケール（測長手段）として働かせることができる。
このときには温度補償機能は当然失われるが、変位検知手段２１８のＲ軸方向移動時には被測定物を測定する訳ではないので不要である。移動が完了したら、反射ミラーを抜きされば、温度補償機能が復活する。変位検知手段の位置も、被測定物の測定も絶対値測定をしている訳ではないので、切り替え時に連続性が損なわれても問題ない。
次に図１９を参照して、光学系のさらに詳しい説明を行う。レーザ光源からの直線偏光された光線は光ファイバーで導かれて干渉計２２０に入射する。入射された光線はコリメートレンズ２５０で平行光にされ、一連の光学系に導かれる。
このときには温度補償機能は当然失われるが、変位検知手段２１８のＲ軸方向移動時には被測定物を測定する訳ではないので不要である。移動が完了したら、反射ミラーを抜きされば、温度補償機能が復活する。変位検知手段の位置も、被測定物の測定も絶対値測定をしている訳ではないので、切り替え時に連続性が損なわれても問題ない。
次に図１９を参照して、光学系のさらに詳しい説明を行う。レーザ光源からの直線偏光された光線は光ファイバーで導かれて干渉計２２０に入射する。入射された光線はコリメートレンズ２５０で平行光にされ、一連の光学系に導かれる。
コリメートレンズを通った平行光は１／２λ板２５２を通る。該１／２λ板２５２は、その後段に設置されたＰＢＳ２５４で分割される参照光と測定光の比率が１／２になるように偏光面の角度を調整するためのものである。１／２λ板２５２を通過した光線はＰＢＳ２５４で測定光と参照光とに分割される。
参照光はそのまま直進し、１／４λ板２５６を通り、反射ミラー２５８で反射されてＰＢＳ２５４に戻る。今度は、偏光面が９０°回転しているのでＰＢＳ２５４で反射されて、１／４λ板２６０に入射する。１／４λ板２６０を通過した参照光は円偏光になってＮＰＢＳ２６２を通過して干渉計２２０から出射する。このとき、一部の光は反射される。
参照光はそのまま直進し、１／４λ板２５６を通り、反射ミラー２５８で反射されてＰＢＳ２５４に戻る。今度は、偏光面が９０°回転しているのでＰＢＳ２５４で反射されて、１／４λ板２６０に入射する。１／４λ板２６０を通過した参照光は円偏光になってＮＰＢＳ２６２を通過して干渉計２２０から出射する。このとき、一部の光は反射される。
一方、測定光はＰＢＳ２５４で反射され、１／４λ板２６４を通過して、反射ミラー２６６で反射した後、再び１／４λ板２６４を通過してＰＢＳ２５４に戻る。今度は偏光面が９０°回転しているので、ＰＢＳ２５４を通過する。通過した測定光は参照光と同様に１／４λ板２６０を通って円偏光となり、ＮＰＢＳ２６２を通過して干渉計２２０から出射される。
干渉計２２０から出射した参照光は、Ｒ軸ユニットに入射し、そこに設置された１／４λ板２４４で直線偏光に変換される。直線偏光とされた参照光はＰＢＳ２４６を通過して反射ミラー２４８に入射する。反射ミラー２４８で反射された参照光は、Ｒ軸に沿って進み、温度補償ユニット２３４に入射する。入射した参照光は反射ミラー２３８、反射ミラー２４０、および参照面ミラー２３６で反射し、再び同じ光路を通って干渉計２２０に戻る。
干渉計２２０から出射した参照光は、Ｒ軸ユニットに入射し、そこに設置された１／４λ板２４４で直線偏光に変換される。直線偏光とされた参照光はＰＢＳ２４６を通過して反射ミラー２４８に入射する。反射ミラー２４８で反射された参照光は、Ｒ軸に沿って進み、温度補償ユニット２３４に入射する。入射した参照光は反射ミラー２３８、反射ミラー２４０、および参照面ミラー２３６で反射し、再び同じ光路を通って干渉計２２０に戻る。
一方、干渉計２２０から出射した測定光は、１／４λ板２４４で直線偏光に変換され、ＰＢＳ２４６で反射されてＲ軸方向に進み、変位検知手段２１８に入射する。入射した測定光は反射ミラー２３２、反射ミラー２３０、および測定子２２６がついた反射ミラー２２８で反射して変位測定光とされ、再び同じ光路を通って干渉計２２０に戻る。
干渉計２２０に戻った参照光と変位測定光はＮＰＢＳ２６２で反射されて、干渉縞信号を取り出すための干渉光学系に入射する。ＮＰＢＳ２６２で反射した参照光と変位測定光は、１／４λ板２６８で互いに９０°偏光面の異なった直線偏光に変換される。さらに、これらの光線は１／２λ板２７０を通過してＮＰＢＳ２７２に入射する。
ＮＰＢＳ２７２は入射した光をＰＢＳ２７４、およびＰＢＳ２７６に等分割して出射する。そして各ＰＢＳで干渉し、その強度を４個の光検出器（ＰＤ２７８−１〜２７８−４）で検出する。ここで１／２λ板２７０は４個のＰＤが等感度で干渉強度を検出できるように偏光面の角度を調整するために挿入されている。また、ＰＢＳ２７６の前段の１／４λ板２８０は９０°位相差の信号を作り出すために挿入している。ここで、その挿入角度は一方の光線の偏光面の角度に一致させる配慮が必要なのはいうまでもない。
干渉計２２０に戻った参照光と変位測定光はＮＰＢＳ２６２で反射されて、干渉縞信号を取り出すための干渉光学系に入射する。ＮＰＢＳ２６２で反射した参照光と変位測定光は、１／４λ板２６８で互いに９０°偏光面の異なった直線偏光に変換される。さらに、これらの光線は１／２λ板２７０を通過してＮＰＢＳ２７２に入射する。
ＮＰＢＳ２７２は入射した光をＰＢＳ２７４、およびＰＢＳ２７６に等分割して出射する。そして各ＰＢＳで干渉し、その強度を４個の光検出器（ＰＤ２７８−１〜２７８−４）で検出する。ここで１／２λ板２７０は４個のＰＤが等感度で干渉強度を検出できるように偏光面の角度を調整するために挿入されている。また、ＰＢＳ２７６の前段の１／４λ板２８０は９０°位相差の信号を作り出すために挿入している。ここで、その挿入角度は一方の光線の偏光面の角度に一致させる配慮が必要なのはいうまでもない。
変形例
次に本発明の第３実施形態の変形例を説明する。上記、図１８の熱膨張補償方法は、変位検知手段と対称の位置に温度補償ユニットを必要とする。しかし、図２０に示すような干渉光学系にすれば、温度補償ユニットと検出器を一体化することが可能である。ただし、図１８の方式に比べて制約は増えるので、それなりの配慮は必要となる。
図２０の表面性状測定装置３１０では、変位検知手段３１８内に、参照光を反射するための参照ミラー３３６を備えている。ここで、参照光（図中の点線）と、測定光（図中の実線）の光路は一部を除けば同一光路を通って変位検知手段３１８に入射する。つまり、干渉計３２０から出射した参照光および測定光は、Ｒ軸駆動軸３８６の中空軸を通りＲ軸ユニット３１６に入射する。Ｒ軸ユニットに入射した参照光及び測定光は、半径方向外側に進路を変更され、変位検知手段３１８に入射する。
次に本発明の第３実施形態の変形例を説明する。上記、図１８の熱膨張補償方法は、変位検知手段と対称の位置に温度補償ユニットを必要とする。しかし、図２０に示すような干渉光学系にすれば、温度補償ユニットと検出器を一体化することが可能である。ただし、図１８の方式に比べて制約は増えるので、それなりの配慮は必要となる。
図２０の表面性状測定装置３１０では、変位検知手段３１８内に、参照光を反射するための参照ミラー３３６を備えている。ここで、参照光（図中の点線）と、測定光（図中の実線）の光路は一部を除けば同一光路を通って変位検知手段３１８に入射する。つまり、干渉計３２０から出射した参照光および測定光は、Ｒ軸駆動軸３８６の中空軸を通りＲ軸ユニット３１６に入射する。Ｒ軸ユニットに入射した参照光及び測定光は、半径方向外側に進路を変更され、変位検知手段３１８に入射する。
変位検知手段３１８には、参照光を反射するための参照面ミラー３３６と、測定光を反射するための反射ミラー３２８がほぼ同位置に設置されている。変位検知手段３１８に入射した参照光は参照面ミラー３３６で反射し干渉計３２０に戻り、一方測定光は反射ミラー３２８で反射して変位測定光とされ、干渉計３２０に戻り、そこで参照光と変位測定光とを干渉させる。温度補償を必要とする部分には参照光、および測定光（変位測定光）どちらも通過し、温度変化による熱膨張による光路長の変化も同じなので熱膨張の影響を打ち消すことができる。測定子３２６のついた反射ミラー３２８の動きは温度補償で打ち消されることはなく、被測定物に接触する測定子３２６の動きのみを検出できるのは図１８の実施形態と同様である。
さらに、図１８に示したものと異なる部分は変位検知手段と対称の位置に配置された温度補償ユニットの代わりに同じ重さのダミーウエイトに変わったことである。図１８の方式では温度補償するために検出器と対称の位置に温度補償ユニットが配置されていたのでバランスが取れていた。一方、図２０ではそれらが一体化されたために左右の重量配置にアンバランスが生じる。そのアンバランスを調整するためにダミーウエイトを設けている。
さらに、図１８に示したものと異なる部分は変位検知手段と対称の位置に配置された温度補償ユニットの代わりに同じ重さのダミーウエイトに変わったことである。図１８の方式では温度補償するために検出器と対称の位置に温度補償ユニットが配置されていたのでバランスが取れていた。一方、図２０ではそれらが一体化されたために左右の重量配置にアンバランスが生じる。そのアンバランスを調整するためにダミーウエイトを設けている。
次に図２０の表面性状測定装置３１０における干渉光学系の詳細を図２１を参照して説明する。レーザ光源からの直線偏光された光線は光ファイバーで導かれて干渉計３２０に入射する。入射された光線はコリメートレンズ３４０で平行光にされ、一連の光学系に導かれる。コリメートレンズ３４０を通った光線は１／２λ板３４２で偏光面の角度が調整され、その後段に設置されたＰＢＳ３４４での参照光と測定光との分割の比率が１／２になるようにする。
光線はＰＢＳ３４４で図中実線で示された測定光と、点線で示された参照光とに分割される。参照光はそのまま直進し、１／４λ板３４６を通過し、反射ミラー３４８で反射された後、再び１／４λ板３４６を通ってＰＢＳ３４４に戻る。今度は偏光面が９０°回転しているのでＰＢＳ３４４で反射されて、１／４λ板３５０へ入射する。１／４λ板３５０を通過した参照光は円偏光になってＮＰＢＳ３５２を通過して、干渉計３２０から出射する。
光線はＰＢＳ３４４で図中実線で示された測定光と、点線で示された参照光とに分割される。参照光はそのまま直進し、１／４λ板３４６を通過し、反射ミラー３４８で反射された後、再び１／４λ板３４６を通ってＰＢＳ３４４に戻る。今度は偏光面が９０°回転しているのでＰＢＳ３４４で反射されて、１／４λ板３５０へ入射する。１／４λ板３５０を通過した参照光は円偏光になってＮＰＢＳ３５２を通過して、干渉計３２０から出射する。
一方、測定光はＰＢＳ３４４で反射されて１／４λ板３５４を通過して、反射ミラー３５６で反射した後、再び１／４λ板３５４を通過してＰＢＳ３４４に戻る。今度は偏光面が９０°回転しているので、ＰＢＳ３４４を通過する。通過した測定光は参照光と同様に１／４λ板３５０を通過して円偏光となりＮＰＢＳ３５２を通過して干渉計３２０から出射する。
干渉計３２０から出射した参照光は、Ｒ軸ユニットに入射し、そこに設置された１／４λ板３５８で直線偏光に変換され、ＰＢＳ３６０を通過する。さらに１／４λ板３６２を通過して反射ミラー３６４に入射する。参照光はそこで反射してＰＢＳ３６０に戻り、偏光面が９０°回転しているので、反射して図中左方向に曲げられる。曲げられた参照光は１／４λ板３６６を通過して反射ミラー３６８に入射する。入射した参照光は反射して、再び１／４λ板３６６を通過してＰＢＳ３６０に戻る。戻った参照光は偏光面が９０°回転しているので、そのままＰＢＳ３６０を通過して、変位検知手段３１８に向かって進む。Ｒ軸方向に沿って進む参照光は、図中右側の変位検知手段３１８に入射する。変位検知手段３１８に入射した参照光は反射ミラー３３２、反射ミラー３３０、および参照面ミラー３３６で反射して、同じ光路を逆に通って干渉計３２０に戻る。
干渉計３２０から出射した参照光は、Ｒ軸ユニットに入射し、そこに設置された１／４λ板３５８で直線偏光に変換され、ＰＢＳ３６０を通過する。さらに１／４λ板３６２を通過して反射ミラー３６４に入射する。参照光はそこで反射してＰＢＳ３６０に戻り、偏光面が９０°回転しているので、反射して図中左方向に曲げられる。曲げられた参照光は１／４λ板３６６を通過して反射ミラー３６８に入射する。入射した参照光は反射して、再び１／４λ板３６６を通過してＰＢＳ３６０に戻る。戻った参照光は偏光面が９０°回転しているので、そのままＰＢＳ３６０を通過して、変位検知手段３１８に向かって進む。Ｒ軸方向に沿って進む参照光は、図中右側の変位検知手段３１８に入射する。変位検知手段３１８に入射した参照光は反射ミラー３３２、反射ミラー３３０、および参照面ミラー３３６で反射して、同じ光路を逆に通って干渉計３２０に戻る。
一方、干渉計３２０から出射し、Ｒ軸ユニットに入射した測定光は１／４λ板３５８で直線偏光に変換され、ＰＢＳ３６０で反射されて、参照光と同様に変位検知手段３１８に入射する。変位検知手段３１８に入射した測定光は反射ミラー３３２、反射ミラー３３０、および測定子３２６がついた反射ミラー３２８で反射し変位測定光とされ、再び同じ光路を逆に通って干渉計３２０に戻る。
干渉計３２０に戻った参照光と変位測定光はＮＰＢＳ３５２で反射されて干渉光学系に入射する。ＮＰＢＳ３５２で反射した参照光と変位測定光は１／４λ板３７０で互いに９０°偏光面の異なった直線偏光に変換される。さらに、これらの光線は１／２λ板３７２を通過してＮＰＢＳ３７４に入射する。ＮＰＢＳ３７４は、参照光および変位測定光をＰＢＳ３７６、およびＰＢＳ３７８へ向けて等分割して出射する。参照光および変位測定光は各ＰＢＳで干渉し、その強度を４個のＰＤ（３８０−１〜３８０−４）で検出される。１／２λ板３７２は４個のＰＤが等感度で干渉強度を検出できるように偏光面の角度を調整するために挿入されている。また、１／４λ板３８２は９０°位相差の信号を作り出すために挿入している。ここで、挿入角度は一方の光線の偏光面の角度に一致させる配慮が必要なのは言うまでもない。
干渉計３２０に戻った参照光と変位測定光はＮＰＢＳ３５２で反射されて干渉光学系に入射する。ＮＰＢＳ３５２で反射した参照光と変位測定光は１／４λ板３７０で互いに９０°偏光面の異なった直線偏光に変換される。さらに、これらの光線は１／２λ板３７２を通過してＮＰＢＳ３７４に入射する。ＮＰＢＳ３７４は、参照光および変位測定光をＰＢＳ３７６、およびＰＢＳ３７８へ向けて等分割して出射する。参照光および変位測定光は各ＰＢＳで干渉し、その強度を４個のＰＤ（３８０−１〜３８０−４）で検出される。１／２λ板３７２は４個のＰＤが等感度で干渉強度を検出できるように偏光面の角度を調整するために挿入されている。また、１／４λ板３８２は９０°位相差の信号を作り出すために挿入している。ここで、挿入角度は一方の光線の偏光面の角度に一致させる配慮が必要なのは言うまでもない。
また、変位検知手段のＲ軸移動時には熱膨張の補償機能が働いてＲ軸ユニットのリニアスケールの機能が失われるので、その機能を必要とする場合には参照光の光路の途中に反射ミラーを挿入するか（例えば、図２１の点線で示した反射ミラー３８４）、Ｒ軸ユニットの１／４λ板３６２を抜けば図１８の実施形態の場合と同様に熱膨張補償機能が停止できるのでＲ軸ユニットのリニアスケール機能を回復することができる。
以上の実施形態では、主に真円度測定を行う例を示したが、これに限らず、粗さ、うねり、輪郭形状、円筒度、平面度、真直度などの各種表面性状の測定を行っても良い。
たとえば、図２（ａ）は回転軸に直交する外径方向の変位を測定し、外形測定として外形（外径）真円度測定装置を行う例であるが、必ずしも外径全周の測定を行わず、一部分のみを測定し、例えば、モータ軸のキー溝の幅あるいは輪郭形状を測定するものであっても良い。
また、測定子２６を適切なものに交換して外径粗さや外径うねりの測定を行っても良い。
図２（ｂ）は回転軸に直交する内径方向の変位を測定し、内形測定として内径真円度測定を行う例であるが、同様に各種の表面性状測定が可能である。
さらに、図７（ａ）は回転軸方向の変位を測定して被測定物上面の粗さ測定を行う例であるが、被測定物上面のうねりや平面度の測定を行っても良い。
たとえば、図２（ａ）は回転軸に直交する外径方向の変位を測定し、外形測定として外形（外径）真円度測定装置を行う例であるが、必ずしも外径全周の測定を行わず、一部分のみを測定し、例えば、モータ軸のキー溝の幅あるいは輪郭形状を測定するものであっても良い。
また、測定子２６を適切なものに交換して外径粗さや外径うねりの測定を行っても良い。
図２（ｂ）は回転軸に直交する内径方向の変位を測定し、内形測定として内径真円度測定を行う例であるが、同様に各種の表面性状測定が可能である。
さらに、図７（ａ）は回転軸方向の変位を測定して被測定物上面の粗さ測定を行う例であるが、被測定物上面のうねりや平面度の測定を行っても良い。
なお、本発明は以上の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨内で様々な変形が可能である。
例えば、図１に示した実施形態において、固定部ユニット１２が測定装置筐体に固定されるとしたが、相対移動可能に構成されていても良い。例えば、固定部ユニット１２が測定装置筐体に対して前後、左右、上下に移動あるいは微動可能な構成としても良い。このようにすれば、被測定物の中心に対して回転軸を容易に一致させることができて、測定段取り能率が格段に向上する。
また、固定部ユニット１２が測定装置筐体に対して傾斜可能に構成されても良い。このようにすれば、被測定物の中心軸が傾斜している場合でも、回転軸を容易に一致させることができて、測定段取り能率が格段に向上する。
また、レーザー光源２２から出射されたレーザー光は光ファイバを介して干渉計２０に入射される構成としたが、光ファイバを介することなく、直接入射する構造でも良い。このようにすれば、構成が簡素化される。
レーザー光源としては、各種ガスレーザー光源の他、半導体レーザ光源であっても良い。 さらに、回転部ユニット１４は固定部ユニット１２の内部に空気軸受によって保持されるとしたが、空気に限定されるものではなく、流体であれば油などでも良い。これによって、さらに軸受剛性を強化できる。
また、回転部ユニット１４は必ずしも固定部ユニット１２の内部に保持される構造に限定されず、回転部ユニット１４が固定部ユニット１２の外側に保持される構造であっても良い。
例えば、図１に示した実施形態において、固定部ユニット１２が測定装置筐体に固定されるとしたが、相対移動可能に構成されていても良い。例えば、固定部ユニット１２が測定装置筐体に対して前後、左右、上下に移動あるいは微動可能な構成としても良い。このようにすれば、被測定物の中心に対して回転軸を容易に一致させることができて、測定段取り能率が格段に向上する。
また、固定部ユニット１２が測定装置筐体に対して傾斜可能に構成されても良い。このようにすれば、被測定物の中心軸が傾斜している場合でも、回転軸を容易に一致させることができて、測定段取り能率が格段に向上する。
また、レーザー光源２２から出射されたレーザー光は光ファイバを介して干渉計２０に入射される構成としたが、光ファイバを介することなく、直接入射する構造でも良い。このようにすれば、構成が簡素化される。
レーザー光源としては、各種ガスレーザー光源の他、半導体レーザ光源であっても良い。 さらに、回転部ユニット１４は固定部ユニット１２の内部に空気軸受によって保持されるとしたが、空気に限定されるものではなく、流体であれば油などでも良い。これによって、さらに軸受剛性を強化できる。
また、回転部ユニット１４は必ずしも固定部ユニット１２の内部に保持される構造に限定されず、回転部ユニット１４が固定部ユニット１２の外側に保持される構造であっても良い。
また、回転部ユニット１４の回転はスピンドルモータ４０によって駆動されるとしたが、これに限らず、例えば、固定側から流体を噴出（例：エアジェット）して回転部ユニットを回転させるものでも良い。このような構成とすれば、発熱をさらに低減できる。
さらに、導光路中の温度を一定に保つために、導光路を断熱構造や恒温構造としても良い。
また、導光路は必ずしも空気である必要はなく、流体が充填されていても良い。
さらに検知部Ｂの測定子２６の保持構造は、公知のばねによる支持構造であっても良い。
さらに、導光路中の温度を一定に保つために、導光路を断熱構造や恒温構造としても良い。
また、導光路は必ずしも空気である必要はなく、流体が充填されていても良い。
さらに検知部Ｂの測定子２６の保持構造は、公知のばねによる支持構造であっても良い。
また、変位検知手段のＲ軸方向位置を固定して、測定子２６の変位を検出して表面性状測定を行う例を示したが、測定子２６の変位を検出することにより、測定子２６の変位が所定範囲内に保たれるように、変位検知手段のＲ軸方向位置を調整しながら表面性状測定を行っても良い。これによって測定子２６の測定可能範囲を超えた大変位が可能となる。
さらに、図９に示した実施形態において、電磁石１９２へ供給する電流は、スリップリング１９６を用いる構成を示したが、これに限らず、固定部ユニット１１２に固定側コイルを、Ｒ軸駆動軸１８６に回転側コイルを設け、固定側コイルと回転側コイルとの間の電磁結合（つまり、変成器を形成すること）によって非接触で電流を供給するものであっても良い。
さらに、図９に示した実施形態において、電磁石１９２へ供給する電流は、スリップリング１９６を用いる構成を示したが、これに限らず、固定部ユニット１１２に固定側コイルを、Ｒ軸駆動軸１８６に回転側コイルを設け、固定側コイルと回転側コイルとの間の電磁結合（つまり、変成器を形成すること）によって非接触で電流を供給するものであっても良い。
また、Ｒ軸駆動軸１８６の下部に電磁石１９２を設けて、その磁気吸引力で歯車１７２を回転させる構成を示したが、これに限定されず、固定部ユニット１１２の下部に、歯車１７２に近接して固定コイルを設け、この固定コイルに電流を流して生じる電磁力によって歯車１７２をＲ軸駆動軸１８６に磁気吸引する構造にしても良い。この構成によればＲ軸駆動軸１８６の下部に電磁石１９２を設けずに済み、Ｒ軸駆動軸側１８６への電力供給機構が必要ない。
本発明は、検出器回転型の表面性状測定装置に利用して、表面粗さ、うねり、輪郭形状、真円度、円筒度、平面度、真直度などの各種表面性状測定を高精度に行うことができる。
１０ 表面性状測定装置
１２ 固定部ユニット
１４ 回転部ユニット
１６ Ｒ軸ユニット
１８ 変位検知手段
２０ 干渉計（光波干渉手段）
２２ 光源
１２ 固定部ユニット
１４ 回転部ユニット
１６ Ｒ軸ユニット
１８ 変位検知手段
２０ 干渉計（光波干渉手段）
２２ 光源
Claims (15)
- 固定側に対し非接触で回転運動する回転側に、被測定物の表面の凹凸による変位を検知する変位検知手段を設け、該変位検知手段を被測定物に対して回転させ、該変位検知手段にて検知される前記変位情報を基に被測定物の表面性状を測定する表面性状測定装置において、
前記固定側に設置され、光源からの光を測定光と参照光とに分割し、該測定光を前記変位検知手段へと送り、変位情報を取得した変位測定光と参照光とを干渉させて、変位測定光の光路長情報を取得する光波干渉手段と、
前記回転側に設置され、前記回転側の変位検知手段と前記固定側の光波干渉手段とを結ぶ光の通路となる導光路と、
を備え、
前記光波干渉手段から出射した測定光は、前記導光路を通り前記変位検知手段へと至り、該変位検知手段にて前記変位情報を測定光の光路長変化として取得して変位測定光とされ、該変位測定光は再び前記導光路を通り前記光波干渉手段へと戻り、該光波干渉手段にて前記参照光と前記変位測定光とを干渉させることで前記変位測定光の光路長情報を干渉縞情報として検出し、該干渉縞情報から前記変位情報を得ることを特徴とする表面性状測定装置。 - 請求項１に記載の表面性状測定装置において、
前記固定側に設けられた固定部ユニットと、
該固定部ユニットに非接触で保持されて回転する回転部ユニットと、
該回転部ユニットに取り付けられ、前記回転軸に対して半径方向のＲ軸を持つＲ軸ユニットと、を備え、
前記変位検知手段は前記Ｒ軸ユニットに設けられており、前記回転軸を中心に所定の回転半径で回転可能なように構成され、
前記回転部ユニットおよび／または固定部ユニットに、回転軸と同軸の中空部が設けられ、前記導光路は、前記中空部およびＲ軸ユニットに沿って形成されていることを特徴とする表面性状測定装置。 - 請求項２に記載の表面性状装置において、
前記中空部を通る光の軸は、該回転部ユニットの回転軸と同軸であることを特徴とする表面性状測定装置。 - 請求項２に記載の表面性状装置において、
前記変位検知手段をＲ軸に沿って移動するためのＲ軸駆動手段を、前記Ｒ軸ユニットに備えることを特徴とする表面性状測定装置。 - 請求項４に記載の表面性状測定装置において、
前記固定部ユニットから前記Ｒ軸駆動手段への動力の伝達を、電磁石の吸引力を用いて非接触で行うことを特徴とする表面性状測定装置。 - 請求項４または５に記載の表面性状測定装置において、
前記変位検知手段のＲ軸方向に沿った運動軸が、前記Ｒ軸ユニットを通る光軸と同一軸であることを特徴とする表面性状測定装置。 - 請求項４から６のいずれかに記載の表面性状測定装置において、
前記変位検知手段をＲ軸に沿って移動するとき、前記光波干渉手段により測定光の光路長を測定することによって、前記変位検知手段のＲ軸方向の移動距離が算出可能であることを特徴とする表面性状測定装置。 - 請求項１から７のいずれかに記載の表面性状測定装置において、
前記変位検知手段は、被測定物に接触する測定子と、該測定子に取り付けられた反射ミラーとを含み、前記光波干渉手段からの測定光は前記反射ミラーによって反射されることで、測定子の変位情報を測定光の光路長変化として取得することを特徴とする表面性状測定装置。 - 請求項１から７のいずれかに記載の表面性状測定装置において、
前記変位検知手段は、被測定物に前記測定光を照射し、該被測定物表面からの反射光を集光する照射／集光部を備えたことを特徴とする表面性状測定装置。 - 請求項８または９のいずれかに記載の表面性状測定装置において、
前記変位検知手段が前記被測定物を測定する方向は、少なくとも、内径方向、外径方向、あるいは前記回転軸方向のいずれか一以上に設定可能とされたことを特徴とする表面性状測定装置。 - 請求項８から１０のいずれかに記載の表面性状測定装置において、
前記変位検知手段の前記測定子もしくは照射／集光部が、回転軸方向と同方向に移動可能に構成されていることを特徴とする表面性状測定装置。 - 請求項１から１１のいずれかに記載の表面性状測定装置において、
前記変位検知手段と略同等の質量を、回転軸に対して対称な位置に設けたことを特徴とする表面性状測定装置。 - 請求項７に記載の表面性状測定装置において、
前記変位検知手段のＲ軸上の移動時に、前記光波干渉手段からの干渉縞信号を基に変位検知手段が被測定物、もしくはＲ軸上に設けられたストッパに接触したかどうかを検知する着座判定手段を備えることを特徴とする表面性状測定装置。 - 請求項１から１３のいずれかに記載の表面性状測定装置において、
前記変位検知手段に参照ミラーを備え、前記光波干渉手段からの参照光は、前記導光路を通って該参照ミラーへと至り、該参照ミラーによって反射されて前記光波干渉手段へと戻るという光路をとることを特徴とする表面性状測定装置。 - 請求項１から１３のいずれかに記載の表面性状測定装置において、
前記変位検知手段と回転軸に対して対称な位置に設置された参照ミラーを備え、前記光波干渉手段からの参照光は該参照ミラーへと至り、該参照ミラーによって反射されて前記光波干渉手段へと戻るという光路を経ることを特徴とする表面性状測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2004246876A JP2006064512A (ja) | 2004-08-26 | 2004-08-26 | 表面性状測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2004246876A JP2006064512A (ja) | 2004-08-26 | 2004-08-26 | 表面性状測定装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2006064512A true JP2006064512A (ja) | 2006-03-09 |
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ID=36111128
Family Applications (1)
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008008816A (ja) * | 2006-06-30 | 2008-01-17 | Mitsutoyo Corp | 干渉測長機 |
| JP2009139176A (ja) * | 2007-12-05 | 2009-06-25 | Nikon Corp | 測定装置およびその方法 |
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| JP2016159809A (ja) * | 2015-03-03 | 2016-09-05 | 株式会社総合車両製作所 | 鉄道車両用台車の空気ばね高さ調整装置 |
| DE102017001737A1 (de) | 2016-02-25 | 2017-08-31 | Mitutoyo Corporation | Oberflächentexturmessvorrichtung und entsprechendes Verfahren |
| DE102017001392A1 (de) | 2016-02-25 | 2017-08-31 | Mitutoyo Corporation | Oberflächenbeschaffenheitsmesseinrichtung, Verfahren und Computerprogrammprodukt |
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| US11040443B2 (en) | 2017-12-22 | 2021-06-22 | Mitutoyo Corporation | Rotational angle limiting mechanism |
-
2004
- 2004-08-26 JP JP2004246876A patent/JP2006064512A/ja active Pending
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