JP2006242795A - 三次元形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 測定精度の良い三次元形状測定装置を提供する。
【解決手段】 ガイドレールと台座部材とからなる滑動機構１３３，１３４を有するＸＹ−テーブル１３０を石定盤１０５上に設置することで、上記ＸＹ−テーブルの内側に空間１５１を形成する。上記ＸＹ−テーブルに設けた基準板へレーザ光１１１ｄを導くための基準板用光学系１２２を上記空間に配置することで、被測定物の形状測定精度の向上を図ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学部品や金型等の被測定物における測定面の、例えば基準位置からの高さ情報等の位置情報を、例えばナノメートルのオーダーの超高精度にて測定可能な三次元形状測定装置に関する。

例えばレンズ等の光学部品や、金型などの非球面物体の表面形状を、ナノメートルのオーダーの高精度にて測定するものとして、三次元形状測定装置の利用が広く知られている。
被測定物用測定器を有する三次元形状測定装置は、一般的に、上記被測定物用測定器を被測定物に接触させ、該接触力がほぼ一定になるように上記被測定物用測定器のＺ方向位置を制御しつつ、上記被測定物用測定器を上記被測定物の測定面に沿って移動させて、上記被測定物用測定器と基準面との位置関係に基づき、上記測定面の表面形状を測定、演算するものである。このような測定装置の一つとして、レーザ測長器と基準平面ミラーとを利用した三次元形状測装置が知られており、測定を行うときの被測定物用測定器及び被測定物の動作方法として、大別して以下の２つの方法がある。

第１の方法は、被測定物を固定して、被測定物用測定器をＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の全方向に移動させる方法である。その代表例について図８を参照して説明する。（例えば、特許文献１参照。）

図８は、従来の三次元形状測定装置の構造を示しており、従来の三次元形状測定装置５０は、被測定物１を固定し、被測定物１の形状測定をする被測定物用測定器２をＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の全方向に移動させて被測定物１の測定面１ａの形状測定を行う装置であり、装置を覆うカバー３と、本体前面に設けられ開閉自在のドア４と、各種機構部材を載置する石定盤５と、石定盤５を載置する架台３４とを備えている。石定盤５上には、石定盤５に固定された台板１９が設置され、該台板１９上にはＸＹ−テーブル３５が設置され、該ＸＹ−テーブル３５上には取付パネル３７が設置される。ここで、ＸＹ−テーブル３５は、台板１９上に設置されＹ軸方向に摺動して移動可能なＹ−テーブル２１と、Ｙ−テーブル２１上に設置されＹ軸方向に直交するＸ軸方向に摺動して移動可能なＸ−テーブル２４とを有する。取付パネル３７には、レーザ光発生装置１０と、該レーザ光発生装置１０から発生したレーザ光１４を誘導、分岐、検出する光学部品を有する測定機構１２と、Ｚ方向へ移動可能なＺテーブル１８が設置されたブラケット３６とが設置されている。尚、図示を省略しているが、測定機構１２は、測定面１ａにおける測定点のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の各座標値を求めるため、レーザ光発生装置１０から発生したレーザ光１４を４つに分岐してそれぞれを誘導する光学系と、該光学系にて導かれたレーザ光に基づき上記各座標値を求める検出部とを有する。又、Ｚテーブル１８の下部には、測定面１ａに接触するスタイラスを有し測定面１ａにおける測定点のＺ軸方向における位置座標を求めるための上記被測定物用測定器２が設置されている。Ｚテーブル１８の上方には、分岐された４つの内の一つのレーザ光１４が照射される基準面７ａを形成した基準板７が、石定盤５に設置されたブリッジ状の部材（不図示）に取り付けられている。上記基準板７へのレーザ光１４の照射は、被測定物１の形状測定時に移動するＸＹ−テーブル３５自体のＺ軸方向への変位量を補償する情報を得るためものである。

このように構成される従来の三次元形状測定装置５０による被測定物１の測定動作は、以下のように行われる。
被測定物用測定器２に備わる上記スタイラスが被測定物１の測定面１ａに接触し、ＸＹ−テーブル３５がＸ−Ｙ平面上で任意の方向に移動する。このとき、上記スタイラスと測定面１ａとの接触力がほぼ一定になるように、Ｚテーブル１８はＺ方向に位置制御される。さらに、ＸＹ−テーブル３５の移動により上記スタイラスが測定面１ａに沿って移動し、レーザ光発生装置１０から発射されたレーザ光１４を測定機構１２により検出することで、被測定物用測定器２と基準面７ａとのＸ、Ｙ、及びＺ軸方向における位置関係が求まり、該位置関係から測定面１ａの表面形状が演算測定される。

次に、第２の方法として、被測定物をＸ軸及びＹ軸方向に移動させ、被測定物用測定器をＺ軸方向に移動させる方法がある。その代表例について、図９〜図１３を参照して説明する（例えば、特許文献２参照。）。尚、図９〜図１３において、図８に示す構成部分と同様の機能を有する構成部分については同じ符号を付し、その説明を省略する。

図９は、別タイプの従来の三次元形状測定装置６０の正面図であり、図１０は、図９に示すＥ−Ｅ部における断面図である。尚、図１０でＹ軸方向摺動部の図示は省略している。三次元形状測定装置６０は、被測定物１がＸ軸及びＹ軸方向に移動し、被測定物用測定器２がＺ軸方向に移動する装置であり、装置を覆うカバー３と、本体前面に開閉自在のドア４と、各種機構部材を載置する石定盤５と、石定盤５を載置する架台３４で構成されている。

図１１は、図９に示すＥ−Ｅ部におけるＸＹ−テーブル３８の断面詳細図であり、図１２は図１０に示すＦ−Ｆ部におけるＸＹ−テーブル３８の断面詳細図である。尚、図１１では、Ｙ軸方向摺動部の図示は省略し、図１２では、Ｘ軸方向摺動部の図示は省略している。図１１及び図１２において、ＸＹ−テーブル３８は、石定盤５上に設置され、石定盤５に固定された台板１９と、Ｙ−テーブル２１と、Ｘ−テーブル２４と、保持台８とを有する。Ｙ−テーブル２１は、台板１９の上にコロ軸受け３９を介しＹ軸方向に摺動して移動可能であり、Ｘ−テーブル２４は、Ｙ−テーブル２１上にコロ軸受け４０を介してＹ軸方向に直交するＸ軸方向に摺動して移動可能であり、保持台８は、裏面側に基準面７ａを形成している基準板７が取り付けられ、表面側に被測定物１を載置する板材にてなり、Ｘ−テーブル２４上に載置される。

又、三次元形状測定装置６０では、コロ軸受け４０を用いていることから、各テーブル２１，２４の剛性を確保するため、各テーブル２１，２４の肉厚を厚くする必要がある。よって、ＸＹ−テーブル３８の内側に空間を形成するのは困難であり、ＸＹ−テーブル３８の内側に各テーブル２１，２４の駆動機構を設置することはできない。よって、Ｙ−テーブル２１及びＸ−テーブル２４のＹ軸方向及びＸ軸方向への移動は、図１３に示すように、ＸＹ−テーブル３８の外側に設置したステッピングモータ４５を有するボールネジ機構４６にて行われている。尚、ボールネジ機構４６を構成するボールネジ４６ａの振動が直接にテーブル２１，２４に伝わらないように、ボールネジ４６ａに係合するナット部４６ｂは、振動吸収部材として機能する板バネ４７を介して各テーブル２１，２４と接続されている。

尚、図８に示す三次元形状測定装置５０では、レーザ光発生装置１０、測定機構１２、及び被測定物用測定器２を有するＺテーブル１８の全てが移動に際しうねりを生じるＸＹ−テーブル３５に設置されていることから、上記うねりの測定に供される基準板７は、固定され測定に関して変位しない装置本体に設置している。一方、図９等の三次元形状測定装置６０では、レーザ光発生装置１０、測定機構１２、及びＺテーブル１８は、測定に関し変位しない石定盤５に設置していることから、移動に際しうねりを生じるＸＹ−テーブル３８に基準板７が設置される。

図１０に示すように、石定盤５上には、Ｚ軸方向へ移動可能なＺ−テーブル１８が設置された門型部材４１と、レーザ光発生装置１０及びレーザ光１４を誘導、分岐、検出する測定機構１２を装着した取付パネル４２とが載置されている。又、Ｚ−テーブル１８の下部には、被測定物用測定器２が設置されている。

以上のように構成される従来の三次元形状測定装置６０による被測定物１の測定動作は、以下のように行われる。
被測定物用測定器２のスタイラスを被測定物１の測定面１ａに接触させ、ＸＹ−テーブル３８をＸ−Ｙ平面上で任意の方向に移動させる。このとき、ＸＹ−テーブル３８上の保持台８の裏面に設けられ基準面７ａを形成している基準板７も同時に移動する。又、被測定物用測定器２のスタイラスと測定面１ａとの接触力がほぼ一定になるように、Ｚ−テーブル１８がＺ方向に位置制御される。該位置制御に基づいて測定面１ａのＺ軸方向における変位量が測定され、さらに、レーザ光発生装置１０から発射されたレーザ光１４の、被測定物１のＸ−Ｙ軸方向における移動に伴い測定機構１２による検出結果に基づいて、被測定物１の表面形状が演算測定される。
特開平５−８７５４０号公報 特開平１０−１７０２４３号公報

しかしながら、上述した従来の三次元形状測定装置５０では、図８からも明らかなように、被測定物用測定器２をＺ軸方向に駆動させるＺ−テーブル１８がＸＹ−テーブル３５から前部の測定空間側へ大きく突出している。よって、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の全方向に超高精度にて移動させるためには、ＸＹ−テーブル３５の剛性を向上させる必要があり、ＸＹ−テーブル３５を大きくせざるを得ない。結果的に、装置全体が大きくなってしまう。又、レーザ光発生装置１０からの発熱による上昇気流による空気の揺らぎに起因して、レーザ光に揺らぎが生じる可能性があり、より高精度な測定を妨げかねない。

又、上述した従来の三次元形状測定装置６０では、被測定物１をＸＹ−テーブル３８上の保持台８に保持させたことで、被測定物用測定器２及びＺ−テーブル１８を、ＸＹ−テーブル３８から切り離すことができ、三次元形状測定装置５０における課題は解決され装置全体の小型化を図ることはできた。しかしながら、基準板７へレーザ光１４を導くため、石定盤５の下方に反射ミラー１５，１６を設けたことから、反射ミラー設置用の空間を石定盤５との間に確保するための架台３４が必要となり、装置全体の、特に下部のサイズの小型化を妨げている。又、石定盤５に設けたレーザ光１４を通す孔５ａを通して上昇気流が生じ、レーザ光１４に揺らぎが生じ、三次元形状測定装置５０の場合と同様に、より高精度な測定を妨げかねない。

さらに又、石定盤５の下方に設置した反射ミラー１５，１６は、ＸＹ−テーブル３８の保持台８の裏面に設けた基準板７にレーザ光１４を照射し、基準板７にて反射したレーザ光を検出部が備わる測定機構１２へ正確に戻す必要がある。よって、反射ミラー１５，１６の角度調整は、精度良く行う必要があるが、図からも明らかなように調整作業場所が狭く、調整作業性には改善の余地があった。

尚、三次元形状測定装置６０において、反射ミラー１５，１６を石定盤５上に設置して装置の小型化を実現する構成も考えられる。該構成を採るには、台板１９上で基準板７の下方に、角度調整機構を付属した反射ミラー１６用の設置用スペース４４をＹ−テーブル２１の内側部分に確保する必要がある。しかしながら、ＸＹ−テーブル３８は、水平方向つまりＸ軸及びＹ軸方向へ与圧を付与することで摺動部となる軸受け部分のガタツキを抑えるコロ軸受け４０を用いている。よって、台板１９及びＹ−テーブル２１では、内側への圧力によって保持台８における高平面度を劣化させない程度の剛性が要求され、台板１９及びＹ−テーブル２１における水平方向への肉厚は厚くせざるを得ない。したがって、測定精度の理由から設置用スペース４４を確保するのは困難である。

又、従来の三次元形状測定装置５０，６０では、レーザ光発生装置１０、及びレーザ光を誘導、分岐、検出する測定機構１２が同一の取付けパネル上に設置されていたため、レーザ光発生装置１０からの発熱により、上記取付けパネル自体が熱変形したり、上記取付けパネル上の上記測定機構１２が熱変形する可能性もあり、レーザ光の光軸ズレを生じ、より高精度な測定を妨げる可能性もあった。
本発明は、上述したような問題点を改善するためになされたもので、測定精度が良く小型化された三次元形状測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の第１態様の三次元形状測定装置は、レーザ光を発生させるレーザ光発生部と、
上記レーザ光を複数に分岐する光学系と、
定盤上に設置され互いに直交する第１方向及び第２方向に移動する測定テーブルと、
上記測定テーブルに載置された被測定物の測定面の形状を上記分岐されたレーザ光の一部を用いて測定する検出部と、
上記測定テーブルの前記被測定物が載置される面と反対側の面に配置された基準板と、
上記光学系に備わり上記分岐されたレーザ光の他の一部を上記基準板に導く基準板用光学系とを備え、
上記基準板用光学系の上記基準板と対向する反射ミラーが、上記定盤と上記測定テーブルとの間の内側空間に配置されていることを特徴とする。

又、上記測定テーブルは、当該測定テーブルを上記第１方向に滑動させる第１滑動機構と、上記第２方向に滑動させる第２滑動機構とを備え、
上記第１滑動機構は、上記基準板への上記レーザ光が通過する隙間を形成する２本の平行に敷設された第１ガイドレールと、各第１ガイドレール上にそれぞれ係合して上記第１ガイドレールに沿って滑動する第１台座部材とを有し、
上記第２滑動機構は、上記第１ガイドレールと直交して平行に敷設される２本の第２ガイドレールと、各第２ガイドレール上にそれぞれ係合して上記第２ガイドレールに沿って滑動する第２台座部材とを有するように構成してもよい。

又、２本の平行に敷設された上記第１ガイドレール間を上記測定テーブルの外側から上記内側空間まで延在し、上記反射ミラーの傾斜角度を上記測定テーブルの外側から調整する傾斜角度調整機構をさらに備えるようにしてもよい。

又、上記定盤上に、上記測定テーブルを有する第１領域と上記レーザ光発生部を有する第２領域とに分割する分割部材をさらに備えるように構成してもよい。

又、上記三次元形状測定装置は、以下のように構成することもできる。
定盤上に設置され平面上で互いに直交するＸ軸方向及びＹ軸方向に移動するＸＹ−テーブルと、該ＸＹ−テーブルに載置された被測定物の測定面の形状を測定する測定機構部とを備えた三次元形状測定装置であって、
上記ＸＹ−テーブルは、当該ＸＹ−テーブルの内側で上記定盤に対向して配置される基準板で、当該ＸＹ−テーブルの移動時における当該ＸＹ−テーブル自体のうねりを測定するための基準板を有し、
上記定盤上に設置されレーザ光を発生するレーザ光発生部と、
上記定盤上に設置され、上記レーザ光を上記基準板に導く基準板用光学系であって、上記定盤上で上記ＸＹ−テーブルの内側の空間にて上記基準板に対応して配置されて上記レーザ光を上記基準板に導く反射ミラーを有する基準板用光学系と、
を備えたことを特徴とする。

上記ＸＹ−テーブルは、上記定盤と当該ＸＹ−テーブルとの間に設置され上記定盤に対して当該ＸＹ−テーブルを上記Ｘ軸方向又は上記Ｙ軸方向に滑動させ、かつ上記内側空間を形成する第１滑動機構を有し、該第１滑動機構は、上記基準板への上記レーザ光が通過する隙間を形成する２本の平行に敷設された第１ガイドレールと、各第１ガイドレール上にそれぞれ係合して上記ＸＹ−テーブルを支持しながら各第１ガイドレールに沿って滑動する第１台座部材とを有するように構成してもよい。

上記ＸＹ−テーブルは、さらに、Ｙ−テーブルと、Ｘ−テーブルと、Ｙ駆動機構と、Ｘ駆動機構と、第２滑動機構とを有し、
上記Ｙ−テーブルは、上記定盤上に上記第１滑動機構を介して設置され、上記ＸＹ−テーブルの上記内側空間に位置して当該Ｙ−テーブルを上記Ｙ軸方向に移動させる上記Ｙ駆動機構を有し、
上記Ｘ−テーブルは、上記Ｙ−テーブル上に上記第２滑動機構を介して設置され、当該Ｘ−テーブルを上記Ｘ軸方向に移動させる上記Ｘ駆動機構を有し、
上記第２滑動機構は、上記Ｙ−テーブル上に平行に敷設される２本の第２ガイドレールと、各第２ガイドレール上にそれぞれ係合して上記Ｘ−テーブルを支持しながら各第２ガイドレールに沿って滑動する第２台座部材とを有し、上記Ｘ−テーブルと上記Ｙ−テーブルとの間に上記Ｘ駆動機構を配置させるための空間を形成する機構であるように構成してもよい。

２本の平行に敷設された上記第１ガイドレール間を上記ＸＹ−テーブルの外側から上記内側空間まで延在し、上記内側空間に配置されている上記反射ミラーの傾斜角度を上記ＸＹ−テーブルの外側から調整する傾斜角度調整機構をさらに備えることもできる。

上記定盤上に立設され、当該三次元形状測定装置内を、上記ＸＹ−テーブルを有する第１領域と上記レーザ光発生部を有する第２領域とに分割し上記レーザ光発生部から生じる熱による上記測定面の形状測定への影響を低減する分割部材をさらに備えることもできる。

上記第２領域において、上記分割部材は、鉛直方向における上部にて上記レーザ光発生部を取り付ける第１取付用部材と、上記第１取付用部材とは分離され上記第１取付用部材の下方にて上記測定機構部を取り付ける第２取付用部材とを有するように構成してもよい。

本発明の第１態様における三次元形状測定装置によれば、基準板用光学系を定盤上に配置し、測定テーブルに設置されている基準板へ定盤上にてレーザ光を照射するように構成した。したがって、従来の装置における、上昇気流を生じる部分にレーザ光を通すという構成は不要となり、レーザ光に揺らぎが生じることはなくなり、測定面の形状測定精度を従来に比べて向上させることができる。又、基準板用光学系を定盤上に配置したことから、従来装置で必要であった架台が不要となる。よって、従来に比べて装置全体を小型化することが可能となる。

又、第１ガイドレールと第１台座部材とを有する第１滑動機構を用いたことから、従来、ＸＹ−テーブルの摺動部分に用いていたコロ軸受けを用いる必要がなくなる。よって、コロ軸受けを用いるが故に必要であった水平方向への与圧が不要となることから、測定テーブルの剛性を従来のように高める必要が無く、測定テーブルの肉厚を従来に比べて薄くすることができる。したがって、測定テーブルの内側に、上記基準板用光学系に備わる反射ミラーを設置可能な空間を形成することが可能となり、上述したように、基準板用光学系を定盤上に配置することができることから、測定精度の向上、及び装置の小型化を図ることができる。

又、上記第１滑動機構は、２本の第１ガイドレールを平行に配置した構成を有することから、各第１ガイドレール間には、隙間が形成される。よって、該隙間を利用して、測定テーブルの上記内側空間に配置された反射ミラーへレーザ光を導くことが可能となる。

又、上記第１滑動機構を設けることで、測定テーブルを構成するＹ−テーブルと定盤との間に隙間を形成でき、さらに、上記第１滑動機構と同様に、２本の第２ガイドレールと第２台座部材を有する第２滑動機構を用いることで、測定テーブルを構成するＹ−テーブルとＸ−テーブルとの間にも隙間を形成することができる。よって、Ｙ−テーブルと定盤との間の隙間を利用して、Ｙ−テーブルを駆動するＹ駆動機構を測定テーブルの内側に設置することが可能となり、同様に、Ｙ−テーブルとＸ−テーブルとの間の隙間を利用して、Ｘ−テーブルを駆動するＸ駆動機構を測定テーブルの内側に設置することが可能となる。よって、従来、測定テーブルの外側に駆動機構を設けていたのに比べて、装置全体の小型化を図ることができる。

又、上述のように第１滑動機構を設けることで、各第１ガイドレール間には隙間が形成されることから、上記内側空間に配置されている上記反射ミラーの傾斜角度を調整する傾斜角度調整機構を、上記隙間を利用して設置することができる。よって、測定テーブルの外側から、つまり作業性の良好な状態で反射ミラーの傾斜角度調整を行うことができ、測定精度の向上、装置の小型化を図ることができる。

又、分割部材を定盤上に設置したことから、熱源となるレーザ光発生部を測定テーブルから分離でき、レーザ光発生部から生じた熱が測定面の形状測定に悪影響を与えるのを防止することができる。よって、従来に比べて測定精度の向上を図ることが可能となる。

又、分割部材には、レーザ光発生部及び測定機構部が取り付けられるが、それぞれを取り付けるための取付用部材を別々の部材とした。これにより、レーザ光発生部から生じた熱が測定機構部へ伝導するのを防止することができる。よって、測定機構部において長さ変動や歪を起こすことがなく、従来に比べて測定精度の向上を図ることが可能となる。

本発明の実施形態である三次元形状測定装置について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同じ構成部分については同じ符号を付している。
図１に示すように、本実施形態の三次元形状測定装置１０１は、図９に示す測定装置と同様に、平面上で互いに直交するＸ軸方向及びＹ軸方向に移動するＸＹ−テーブル１３０に載置された被測定物１の測定面１ａの形状を、測定面１ａに探触子を接触させながら測定を行う測定装置である。尚、上記Ｘ軸方向は例えば第２方向に相当し、上記Ｙ軸方向は例えば第１方向に相当する。第１方向及び第２方向は、相互に変更可能である。又、ＸＹ−テーブル１３０は、測定テーブルとしての機能を果たす一例である。又、本実施形態において、被測定物１としては例えばデジタルスチルカメラ用のレンズ等が該当し、三次元形状測定装置１０１は、測定面１ａが最大約２００ｍｍ四方までの大きさにてなる被測定物１を測定対象とし、又、測定面１ａにおける接線方向と水平方向との交差角度θにて最大で約６０度までの曲面を有する測定面１ａをナノメートルオーダーの精度にて測定可能な装置である。

図１及び図２に示すように、三次元形状測定装置１０１は、大きく分けて、測定面１ａの形状測定に関係し以下に説明する、例えばＸＹ−テーブル１３０等の各種構成部分と、上記各種構成部分の一部を載置する石定盤１０５とを備え、より詳しくは、当該測定装置１０１を覆うカバー１０３と、装置本体の操作面に相当する前面にてカバー１０３に設けられ開閉自在のドア１０４と、石定盤１０５とカバー１０３とで囲まれた空間１０６を、装置本体の操作側に相当する前部領域１０６ａと、非操作側に相当する後部領域１０６ｂとに２分する、門型形状でなく一枚板状で、例えば石等の低熱膨張材料にてなる分割部材１６０とを備える。

前部領域１０６ａには、主に、ＸＹ−テーブル１３０と、該ＸＹ−テーブル１３０の上方に配置され測定面１ａのＺ軸座表値を測定するための機構であるＺ−テーブル１４０とが備わる。一方、後部領域１０６ｂには、形状測定用のレーザ光１１１を発生するレーザ光発生部１１０と、測定機構部１２０とが備わる。これらの各構成部分について以下に説明する。

図３及び図４に示すように、ＸＹ−テーブル１３０は、Ｙ−テーブル１３１と、第１滑動機構１３３と、Ｘ−テーブル１３２と、第２滑動機構１３４と、Ｙ駆動機構１３５と、Ｘ駆動機構１３６と、測定物載置板１３８とを有する。

石定盤１０５上には、台板１０７が取り付けられ、該台板１０７上には、平板状にてなるＹ−テーブル１３１をＹ軸方向に滑動可能とする第１滑動機構１３３が設置されている。尚、台板１０７は、無くても良い。第１滑動機構１３３は、下記の第２滑動機構１３４と同一の機構にてなり、図４に示すように、Ｙ軸方向に沿って平行に敷設された２本の第１ガイドレール１３３１と、それぞれの第１ガイドレール１３３１上に係合しＹ−テーブル１３１を支持する第１台座部材１３３２とを有す。第１台座部材１３３２は、第１ガイドレール１３３１を抱き抱えるような凹状にてなり、１本の第１ガイドレール１３３１上に所定間隔にて２つ取り付けられ、第１ガイドレール１３３１に沿って滑動する。よって合計４つの第１台座部材１３３２にてＹ−テーブル１３１は支持され、第１ガイドレール１３３１に沿ってＹ軸方向に滑動自在となる。

このような構造にてなる第１滑動機構１３３は、従来のように水平方向に与圧を必要とするコロ軸受けではない。よって、従来に比べてＹ−テーブル１３１の剛性を考慮する必要がなくなり、Ｙ−テーブル１３１の肉厚を薄くすることができる。又、上述のように第１滑動機構１３３は、第１ガイドレール１３３１上を第１台座部材１３３２が滑動するという構造にてなる。これらのことから、石定盤１０５、つまり台板１０７と、Ｙ−テーブル１３１との間に第１滑動機構１３３を設置することで、台板１０７とＹ−テーブル１３１との間に、Ｚ軸方向に空間１５１が形成可能となる。該空間１５１の形成により、Ｙ駆動機構１３５及び後述の反射ミラー１２２１をＸＹ−テーブル１３０の内側に配置することが可能となり、又、２本の第１ガイドレール１３３１の間の隙間１５１１には、上記反射ミラー１２２１へレーザ光１１１ｄを導く光路が形成可能である。又、詳細後述するが、反射ミラー１２２１には、反射ミラー１２２１の傾斜角度を調整するための傾斜角度調整機構１７０が取り付けられており、上記空間１５１は、傾斜角度調整機構１７０をもＸＹ−テーブル１３０の内側に配置可能とする。
尚、Ｙ−テーブル１３１の中央部分には、上記反射ミラー１２２１と入、反射されるレーザ光１１１ｄを通過可能とする開口１３１ａが形成されている。

上記Ｙ駆動機構１３５は、図７に示すように、Ｙ軸方向に延在し固定されたシャフト１３５１と、該シャフト１３５１に非接触にてシャフト１３５１に沿って滑動するモータ部１３５２とを有するリニアモータにて構成される。モータ部１３５２はＹ−テーブル１３１と固定され、シャフト１３５１は台板１０７に固定される。よって、シャフト１３５１に対してモータ部１３５２が移動することで、Ｙ−テーブル１３１がＹ軸方向に移動する。

上述のように構成されるＹ−テーブル１３１上には、上述の第１滑動機構１３３と同一の構成にてなる第２滑動機構１３４が設置される。つまり、第２滑動機構１３４は、図３に示すように、Ｘ軸方向に沿って平行に敷設された２本の第２ガイドレール１３４１と、それぞれの第２ガイドレール１３４１上に係合しＸ−テーブル１３２を支持する第２台座部材１３４２とを有す。
よって合計４つの第２台座部材１３４２にて、板状のＸ−テーブル１３２は支持され、第２ガイドレール１３４１に沿ってＸ軸方向に滑動自在となる。尚、Ｘ−テーブル１３２の中央部分には、上記反射ミラー１２２１にて反射されるレーザ光１１１ｄを通過可能とする開口１３２ａが形成されている。

このようにＹ−テーブル１３１とＸ−テーブル１３２との間に第２滑動機構１３４を設けたことで、第１滑動機構１３３を設けたことによる効果と同一の効果、即ち、Ｘ−テーブル１３２の肉厚を薄くすることができ、Ｙ−テーブル１３１とＸ−テーブル１３２との間にＺ軸方向に空間１５１２を形成でき、Ｘ駆動機構１３６をＸＹ−テーブル１３０の内側に設置することができる。尚、Ｘ駆動機構１３６は、上述のＹ駆動機構１３５と同一の構成にてなり、Ｘ軸方向に延在し固定されたシャフト１３６１と、該シャフト１３６１に非接触にてシャフト１３６１に沿って滑動するモータ部１３６２とを有するリニアモータにて構成される。よって、シャフト１３６１に対してモータ部１３６２が移動することで、Ｘ−テーブル１３２がＸ軸方向に移動する。

上記測定物載置板１３８は、Ｘ−テーブル１３２の上面１３２ｂに、円周上に等間隔にて例えば３箇所に配置された支持球１３８１を介して支持され、その上面１３８ａの中央部に被測定物１が載置され保持される。又、上面１３８ａには、ＸＹ−テーブル１３０のＸ軸方向及びＹ軸方向における移動量、つまり測定面１ａのＸ軸方向及びＹ軸方向における移動量を検出するため、Ｘ軸方向に直交し鏡面にてなる基準面１３７Ｘａを有するＸ軸基準板１３７Ｘ、及びＹ軸方向に直交し鏡面にてなる基準面１３７Ｙａを有するＹ軸基準板１３７Ｙが取り付けられている。さらに、ＸＹ−テーブル１３０の移動時にＸＹ−テーブル１３０に生じるＺ軸方向におけるＸＹ−テーブル１３０の、いわゆるうねり成分を検出するための基準板１３７Ｚが、被測定物１に対向するように、測定物載置板１３８の裏面１３８ｂの中央部に設けられている。基準板１３７Ｚは、レーザ光１１１ｄが照射され鏡面にてなる基準面１３７Ｚａを鉛直方向に直交するようにして、かつ基準面１３７ａの向きを調整可能にして、上記裏面１３８ｂに突設した断面Ｌ字状のアーム材１３８２にて支持される。よって、ＸＹ−テーブル１３０がＸ，Ｙ軸方向に移動することで、基準板１３７ＺもＸ，Ｙ軸方向に移動する。
各基準板１３７Ｘ、１３７Ｙ、１３７Ｚの基準面１３７Ｘａ、１３７Ｙａ、１３７Ｚａは、平坦度が０．０１ミクロンオーダーにてなる。

上記Ｚ−テーブル１４０は、上述のＸＹ−テーブル１３０の上方で、Ｚ軸方向に沿って移動可能にして上記分割部材１６０に取り付けられ、又、Ｚ−テーブル１４０の下部には、測定面１ａに接触するスタイラスを有する探触子の鉛直方向における微動を検出する、即ち、測定面１ａのＺ軸方向における形状を検出する被測定物用測定器１０２が設けられている。このようなＺ−テーブル１４０は、被測定物用測定器１０２のスタイラスが測定面１ａにほぼ一定の接触力にて接触するように、Ｚ軸方向に位置制御される。

次に上記傾斜角度調整機構１７０について説明する。図５に示すように、傾斜角度調整機構１７０は、可動なミラー取付ブロック１７１と、上記台板１０７に固定される延長用ブロック１７２と、調整部１７３とを有する。ミラー取付ブロック１７１は、Ｚ軸方向に対して約４５度の角度にて傾斜したテーパ部１７１１に上記反射ミラー１２２１を取り付けた部材であり、上述のようにＸＹ−テーブル１３０の内側空間１５１に位置する。延長用ブロック１７２は、内側空間１５１に配置されているミラー取付ブロック１７１のテーパ部１７１１の傾斜角度、即ち反射ミラー１２２１の傾斜角度をＸＹ−テーブル１３０の外側から変更可能とするための部材であり、図１及び図４に示すように、敷設される２本の第１ガイドレール１３３１の間に、第１ガイドレール１３３１に沿って配置されて台板１０７に固定される。又、延長用ブロック１７２には、調整部１７３が取り付けられる。調整部１７３は、一つの支持球１７３１と、１本の引張部材１７３２と、２本の調整用ネジ１７３３，１７３４とを有する。引張部材１７３２は、固定されている延長用ブロック１７２に対して、支持球１７３１を支点及び中心として首振り可能にしてミラー取付ブロック１７１を保持する部材であり、バネ１７３２ａを有しミラー取付ブロック１７１を延長用ブロック１７２側へバネ１７３２ａの復元力にて引っ張る。又、引張部材１７３２は、支持球１７３１、調整用ネジ１７３３，１７３４にてなる三角形の重心位置に配置されている。調整用ネジ１７３３，１７３４は、延長用ブロック１７２に螺合し、引張部材１７３２にて延長用ブロック１７２側へ引っ張られているミラー取付ブロック１７１に先端を当接させ、そのねじ込み量を調整することで上記首振りを行わせ反射ミラー１２２１の角度を調整するためのネジである。

このように構成される傾斜角度調整機構１７０について、反射ミラー１２２１の角度調整は、調整用ネジ１７３３，１７３４の少なくとも一方を、ＸＹ−テーブル１３０の外側から回転させてＹ軸方向に前後させることで、ミラー取付ブロック１７１を支持球１７３１を支点にし、首振り動作、つまり、Ｚ軸を回転中心したあおり、又はＸ軸を回転中心したあおりの動作をさせることで行う。尚、ミラー取付ブロック１７１つまり反射ミラー１２２１は、調整用ネジ１７３３，１７３４に設けた固定用ナット１７３５による固定、及びバネ１７３２ａの復元力により、調整位置を保持することができる。

尚、本実施形態の三次元形状測定装置１０１では、台板１０７上には第１滑動機構１３３を介してＹ−テーブル１３１を配置したが、該構成に限定されず、台板１０７上に第２滑動機構１３４を介してＸ−テーブル１３２を配置し、該Ｘ−テーブル１３２上に第１滑動機構１３３を介してＹ−テーブル１３１を配置してもよい。

次に、分割部材１６０は、前部領域１０６ａと後部領域１０６ｂとを分割し、該分割により、後部領域１０６ｂにて生じる熱が前部領域１０６ａに影響を与えるのを抑制する部材である。このように分割部材１６０は、測定面１ａの測定精度の向上に寄与することができる。又、分割部材１６０には、以下に説明する各レーザ光１１１ａ〜１１１ｄを、後部領域１０６ｂと前部領域１０６ａとの間で往復させるための４つの貫通穴１６２ａ〜１６２ｄが設けられている。

後部領域１０６ｂに備わる上記レーザ光発生部１１０は、形状測定用のレーザ光１１１として、本実施形態では一つの周波数にて発振するＨｅ−Ｎｅ周波数安定化レーザを発生する。尚、使用されるレーザ光は、二つの周波数を有するものであってもよい。該レーザ光発生部１１０は、分割部材１６０に取り付けられた第１取付用部材１６１に設置される。

後部領域１０６ｂに備わる上記測定機構部１２０は、上記レーザ光１１１を４つに分岐してそれぞれを誘導する光学系１２０１ａ〜１２０１ｄと、該光学系１２０１ａ〜１２０１ｄにて導かれたレーザ光１１１ａ〜１１１ｄに基づいて、測定面１ａの測定点におけるＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸方向における各座標値を求めるための検出部１２１ａ〜１２１ｄとを有する。測定機構部１２０は、分割部材１６０に取り付けられた第１取付用部材１６１とは分離され、かつＺ軸方向においてレーザ光発生部１１０よりも下方にて分割部材１６０に取り付けられた第２取付用部材１６３に設置される。

熱源となるレーザ光発生部１１０を、上述のように測定機構部１２０より上方に配置し、かつ第１取付用部材１６１と第２取付用部材１６３とを分離したことにより、レーザ光発生部１１０にて生じた熱の測定機構部１２０への影響を低減することができる。したがって、測定面１ａの形状測定精度を従来に比べて向上させることができる。

上記検出部１２１ａは、レーザ光１１１ａに関し、被測定物用測定器１０２へ照射されたレーザ光及び反射した反射レーザ光に基づき測定面１ａの測定点におけるＺ軸座標値を検出するための部分である。上記検出部１２１ｂは、レーザ光１１１ｂに関し、Ｘ軸基準板１３７Ｘへ照射されたレーザ光及び反射した反射レーザ光に基づき測定面１ａの測定点におけるＸ軸座標値を検出するための部分である。上記検出部１２１ｃは、レーザ光１１１ｃに関し、Ｙ軸基準板１３７Ｙへ照射されたレーザ光及び反射した反射レーザ光に基づき測定面１ａの測定点におけるＹ軸座標値を検出するための部分である。上記検出部１２１ｄは、レーザ光１１１ｄに関し、基準板１３７Ｚへ照射されたレーザ光及び反射した反射レーザ光に基づき測定面１ａの測定点におけるＺ軸方向における上記うねり成分を検出するための部分である。

尚、基準板１３７Ｚと測定機構部１２０との間における上記レーザ光１１１ｄに関する光学系１２０１ｄを基準板用光学系１２２とする。該基準板用光学系１２２には、上述した反射ミラー１２２１が備わる。又、基準板１３７Ｚに関するレーザ光１１１ｄは、上記貫通穴１６２ｄ、及び第１滑動機構１３３にて形成される隙間１５１１及び空間１５１を通り、反射ミラー１２２１へ導かれる。このように、本実施形態では、基準板用光学系１２２は、石定盤１０５上に設置され、従来のように石定盤を貫通してレーザ光が通過する構成を採っていない。したがって、従来発生したようなレーザ光の揺らぎ等の問題は生じないことから、従来に比べて高い精度にて測定面１ａの形状測定を行うことができる。
又、本実施形態では、石定盤の下方に光学系を配置する必要がないことから、従来存在した、石定盤を載置する架台を除去することができる。これにより、装置全体の小型化も可能となる。但し、必要に応じて架台を追加することも自由である。

尚、各基準面１３７Ｘａ、１３７Ｙａ、１３７Ｚａと、レーザ光１１１とを用いた測定機構部１２０による測定面１ａの形状測定方法は、上記特許文献２に記載されるように、上記各基準面に反射した反射レーザ光の位相の変化を、上記各基準面へ照射するレーザ光と、上記反射レーザ光との干渉信号を計数することで検出するという、公知のレーザ測長方法を用いる。このようなレーザ測長方法は、例えば特開平４−１５０３号公報に開示されるように、上記基準面へ照射されるレーザ光をプリズム等の分岐部材にて参照光と測定光とに分け、かつ上記参照光と測定光との位相を９０度ずらす。そして測定光を上記基準面へ照射し反射させ、戻って来た反射光と上記参照光とにおける上記位相のずれによる干渉光を電気的に検出して、得られた干渉縞信号から作成するリサージュ図形に基づき基準点と上記基準面との距離が測定される。このような測長方法が、上記検出部１２１ａ〜１２１ｄのそれぞれにて行われ、検出結果に基づき測定面１ａの形状が測長演算装置にて演算される。

以上説明したように構成される本実施形態の三次元形状測定装置１０１は、以下のように動作する。
測定面１ａの形状測定のときには、被測定物用測定器１０２が測定面１ａに接触し、ＸＹ−テーブル１３０がＸ軸方向及びＹ軸方向で任意の方向に移動する。よって、Ｘ−テーブル１３２上に載置されている測定物載置板１３８に保持される基準板１３７Ｚも同時に移動する。又、被測定物用測定器１０２と測定面１ａとの接触力がほぼ一定になるようにＺ−テーブル１４０をＺ軸方向に位置制御しながら、被測定物用測定器１０２は測定面１ａに沿って移動する。
又、ＸＹ−テーブル１３０の移動とともに、上述したように、各レーザ光１１１ａ〜１１１ｄが測定機構部１２０と各基準板１３７Ｘ、１３７Ｙ、１３７Ｚとの間で往復して、測定面１ａの表面形状が演算測定される。

以上説明したように本実施形態の三次元形状測定装置１０１によれば、以下のような効果が得られる。
即ち、ＸＹ−テーブルについて、従来のコロ軸受けを排除し第１滑動機構１３３及び第２滑動機構１３４を採用したことから、上記コロ軸受けにおけるガタツキを防止するための、Ｘ軸方向及びＹ軸方向への与圧が不要となり、Ｙ−テーブル１３１及びＸ−テーブル１３２においてＸ軸方向及びＹ軸方向への肉厚を薄くすることができる。よって、ＸＹ−テーブル１３０の内側に空間１５１を形成することが可能となり、該空間１５１に反射ミラー１２２１を配置することが可能となる。したがって、石定盤１０５上に反射ミラー１２２１を含む基準板用光学系１２２を配置することが可能となり、従来のような石定盤の貫通穴にレーザ光を通すという構成を排除することができる。したがって、石定盤下部からの上昇気流が無くなり、レーザ光の揺らぎを防ぐことができ、高精度な測定を実現することができる。

又、第１滑動機構１３３及び第２滑動機構１３４を採用したことから、石定盤１０５とＹ−テーブル１３１との間、及びＹ−テーブル１３１とＸ−テーブル１３２との間に空間１５１を形成可能であり、ＸＹ−テーブル１３０の内側にＹ−テーブル１３１及びＸ−テーブル１３２の駆動源を設置することができる。したがって、装置全体の小型化を図ることができる。

又、三次元形状測定装置１０１では、（１）Ｚ−テーブル１４０とＸＹ−テーブル１３０とを別設した構造を採った点、（２）分割部材１６０の上方にレーザ光発生部１１０を第１取付用部材１６１を介して取り付け、さらに、レーザ光発生部１１０の下方に測定機構部１２０を配置しかつ第１取付用部材１６１とは分離した第２取付用部材１６３を介して分割部材１６０に取り付けた点、及び（３）石定盤１０５上に基準板用光学系１２２を設けた点、の３点から、装置全体の小型化を図ることができる。

又、一枚状の分割部材１６０にて、三次元形状測定装置１０１内の空間１０６を前部領域１０６ａと後部領域１０６ｂとに２分したことで、レーザ光発生部１１０からの発熱による上昇気流の空気の揺らぎの発生を後部領域１０６ｂ側のみとすることができ、空気の揺らぎから生じるレーザ光の揺らぎを防ぐことができる。よって、より高精度な測定を実現することができる。

又、Ｚ軸方向において測定機構部１２０の上方にレーザ光発生部１１０を配置し、かつ第１取付用部材１６１と第２取付用部材１６３とを分離したことで、第１取付用部材１６１から第２取付用部材１６３への熱伝導を低減できる。よって、測定機構部１２０を取り付ける第２取付用部材１６３における熱膨張による長さ変動や歪をなくすことができ、レーザ光軸ズレ等をなくすことができる。このように、測定機構部１２０の熱変形を極力小さく抑えることができ、より高精度な測定を実現することができる。

又、石定盤１０５上に基準板用光学系１２２を設けたことから、石定盤１０５上の明るく広い場所に反射ミラー１２２１を配置することができ、よって、反射ミラー１２２１の角度調整作業が容易となり、正確な角度調整が可能となった。

本発明は、光学部品や金型等の被測定物における被測定面を例えばナノメートルのオーダーの超高精度にて測定可能な三次元形状測定装置に適用可能である。

本発明の実施形態における三次元形状測定装置の構造を示す断面図である。 図１に示す三次元形状測定装置の正面図である。 図１に示す三次元形状測定装置のＢ−Ｂ部における断面図である。 図１に示すＸＹ−テーブル辺りのＸ軸方向における断面図である。 図１に示す傾斜角度調整機構の断面図である。 図５に示す傾斜角度調整機構のＤ−Ｄ部における断面図である。 図１に示すＹ駆動機構、及びＸ駆動機構の詳細図である。 従来の三次元形状測定装置の構造を示す図である。 図８とは別のタイプの三次元形状測定装置の正面図である。 図９に示す従来の三次元形状測定装置の構造を示し、図９のＥ−Ｅ部における断面図である。 図９に示す従来の三次元形状測定装置に備わるＸＹ−テーブルのＹ軸方向における断面図である。 図９に示す従来の三次元形状測定装置に備わるＸＹ−テーブルのＸ軸方向における断面図である。 図９に示す従来の三次元形状測定装置に備わるＸＹ−テーブルの駆動部を示す斜視図である。

符号の説明

１…被測定物、１ａ…測定面、
１０１…三次元形状測定装置、１０５…石定盤、
１０６ａ…第１領域、１０６ｂ…第２領域、
１１０…レーザ光発生部、１１１…レーザ光、１２２…基準板用光学系、
１３０…ＸＹ−テーブル、１３１…Ｙ−テーブル、１３２…Ｘ−テーブル、
１３３…第１滑動機構、１３４…第２滑動機構、１３５…Ｙ駆動機構、
１３６…Ｘ駆動機構、１３７Ｚ…基準板、１３８…測定物載置板、
１５１…内側空間、１６０…分割部材、１６１…第１取付用部材、
１６３…第２取付用部材、１７０…傾斜角度調整機構、
１２２１…反射ミラー、１３３１…第１ガイドレール、１３３２…第１台座部材、
１３４１…第２ガイドレール、１３４２…第２台座部材、１５１１…隙間、
１５１２…空間。

Claims (4)

1. レーザ光を発生させるレーザ光発生部と、
   上記レーザ光を複数に分岐する光学系と、
   定盤上に設置され互いに直交する第１方向及び第２方向に移動する測定テーブルと、
   上記測定テーブルに載置された被測定物の測定面の形状を上記分岐されたレーザ光の一部を用いて測定する検出部と、
   上記測定テーブルの前記被測定物が載置される面と反対側の面に配置された基準板と、
   上記光学系に備わり上記分岐されたレーザ光の他の一部を上記基準板に導く基準板用光学系とを備え、
   上記基準板用光学系の上記基準板と対向する反射ミラーが、上記定盤と上記測定テーブルとの間の内側空間に配置されていることを特徴とする三次元形状測定装置。
2. 上記測定テーブルは、当該測定テーブルを上記第１方向に滑動させる第１滑動機構と、上記第２方向に滑動させる第２滑動機構とを備え、
   上記第１滑動機構は、上記基準板への上記レーザ光が通過する隙間を形成する２本の平行に敷設された第１ガイドレールと、各第１ガイドレール上にそれぞれ係合して上記第１ガイドレールに沿って滑動する第１台座部材とを有し、
   上記第２滑動機構は、上記第１ガイドレールと直交して平行に敷設される２本の第２ガイドレールと、各第２ガイドレール上にそれぞれ係合して上記第２ガイドレールに沿って滑動する第２台座部材とを有する、請求項１記載の三次元形状測定装置。
3. ２本の平行に敷設された上記第１ガイドレール間を上記測定テーブルの外側から上記内側空間まで延在し、上記反射ミラーの傾斜角度を上記測定テーブルの外側から調整する傾斜角度調整機構をさらに備えた、請求項２記載の三次元形状測定装置。
4. 上記定盤上に、上記測定テーブルを有する第１領域と上記レーザ光発生部を有する第２領域とに分割する分割部材をさらに備えた、請求項１から３のいずれかに記載の三次元形状測定装置。
   
   
   

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