JP2006292527A

JP2006292527A - ３次元形状計測装置

Info

Publication number: JP2006292527A
Application number: JP2005112976A
Authority: JP
Inventors: Yasunobu Murofushi; 康信室伏; Shiyouki Kono; 将希河野; Sachiko Watanabe; 幸子渡邉
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2005-04-11
Filing date: 2005-04-11
Publication date: 2006-10-26

Abstract

【課題】非接触計測プローブユニットの重力補償機構を改善することで、３次元形状計測装置の計測精度を向上させる。
【解決手段】ベースＢ上に立設された筐体１０にボイスコイルモータ１と空気バネ２を支持させ、ＸＹステージ７上の被測定物Ｗの高さを計測する非接触計測プローブユニット４を、ボイスコイルモータ１によって重力方向であるＺ軸方向に駆動する。非接触計測プローブユニット４を搭載するＺステージ３の重力補償を空気バネ２によって行い、ボイスコイルモータ１とエアースライダ６と空気バネ２とを組み合わせることで、小型でしかも信頼性と安全性の高い重力補償機構を実現する。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｚ軸方向に走査するプローブによって被測定物の３次元形状を高精度に計測する３次元形状計測装置に関するものである。

形状計測用のプローブユニット等の移動体を重力方向であるＺ軸方向に走査させる３次元形状計測装置や加工機等においては、プローブユニットの重力を補償する機構が無いと、移動に必要な推力が重力方向と反重力方向とで異なり、また大きな推力が必要となるため、アクチュエータの容量が大きくなり、その結果、大型化によるコストアップや、アクチュエータのゲイン調整が難しく、発振による計測精度の低下等の問題が発生する。このために、何らかの重力補償機構を付加して、アクチュエータの大型化の問題やゲイン調整の問題を解決することが必須である。

特許文献１には、バネ定数が既知のバネを用いて、バネの張力と、Ｚ軸方向（重力方向）に移動する移動体の重力とを相殺させる方法が開示されている。これは、移動体の移動量によってバネの張力が変化するため、張力補償機構を付加することによってバネの張力を一定に保つようにしている。

また、特許文献２に開示されたものは、移動体の重力補償機構としてリニアモータ（電磁アクチュエータ）やエアーシリンダを用い、エアーシリンダへの供給圧力をコントロールして、推力を補償しており、特許文献３においては、移動体の重量と同等レベルのカウンタウエイトを用いる重力補償機構が提案されている。

さらに、特許文献４においては、特許文献３に開示されたものに対して、移動体とカウンタウエイトを連結する連結部材と、その連結部材を巻回支持する滑車と、カウンタウエイトの重力方向のみを移動自在とする案内を付加した機構が提案されている。

市販されている３次元計測器においては、大型の移動体を、まず粗動アクチュエータによってＺ軸方向へ移動させて位置決めし、その位置で計測に使用する対物レンズだけを圧電素子等の微動アクチュエータで動かす構成のＺ軸走査機構が知られている。
特開平７−１１５０５６号公報特開２０００−１６３１３０号公報特開平５−０５７６０６号公報特開２００３−０８４０８７号公報

しかしながら上記従来技術による重力補償機構は、以下のような未解決の課題があった。まず、特許文献１に開示されたものは、張力を補償する機構が複雑であるためにコスト高で、また、必要スペースが大きくなる。さらに、バネは経時的にバネ定数が変化するため、バネ長のメンテナンスを定期的に実施するという手間も発生する。

特許文献２においては、リニアモータが常に推力を出し続けなくてはならず、ドライバに対する負荷が過大で、ドライバの故障や発熱による各部材の膨張による精度低下、ストール状態でリニアモータが発生するトルクが不安定であることによる発振等のデメリットがある。また、エアーシリンダによる重力補償では、シリンダ内部とロッド／ハウジング間の摩擦抵抗があり、この摩擦抵抗が移動体を移動させるアクチュエータの速度変動や推力変動を引き起こし、精度低下を招くおそれがある。

特許文献３においては、カウンタウエイトを付加することによって大型化するうえに、全体荷重にさらに増大し、装置全体に剛性強化が必要となり、筐体や軸受等の主要パーツのコスト高にもつながる。また、カウンタウエイトに案内がないと、Ｚ軸方向（重力方向）に動作させた際に、カウンタウエイト自体がいろいろな方向に振れてしまい、移動体の位置決めを精度よく行うことができない。そこで、特許文献４においては、カウンタウエイトのＺ軸方向（重力方向）に案内を付加した構成を提案しているが、結局のところ、カウンタ方式であるため大型化、コスト高の問題は解決できない。

市販の３Ｄ形状計測器でみられる粗微動システムでは、アクチュエータが複数存在するため制御が複雑であり、精度面でも課題がある。また、部品点数が多くコスト高でもある。

本発明は、上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、Ｚ軸方向に走査する計測プローブユニットの重力補償機構を小型化し、位置決めの際に加わる外乱を押さえて、高精度な３次元計測を可能にする３次元形状計測装置を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するため、本発明の３次元形状測定装置は、被測定物を保持する被測定物保持手段と、前記被測定物の高さを計測する計測プローブユニットと、前記計測プローブユニットに対して、前記被測定物保持手段をＸ、Ｙ軸方向に相対移動させるＸＹステージと、前記計測プローブユニットをＺ軸方向に案内するエアースライダと、前記計測プローブユニットをＺ軸方向に往復駆動するボイスコイルモータと、前記計測プローブユニットの重力を補償するための空気バネを介して、前記計測プローブユニットを支持する支持手段と、前記計測プローブユニットのＺ軸方向の移動量を計測するリニアスケールと、前記空気バネの供給圧力を制御する圧力制御手段と、を有することを特徴とする。

重力方向であるＺ軸方向に走査する計測プローブユニットの重力補償をするために用いる空気バネは、固有振動数が低く、従って防振効果が高く、内圧を変えるだけで広い荷重範囲に対応可能である。また、固有振動数が一定であり、しかも、エアーシリンダのようにロッド等を必要とせず、従って、摩擦抵抗もないために、コンパクトにレイアウト可能である。また、メンテナンスフリーで、重力方向のメカニカルストッパにも併用できるという特性を有するため、外乱を押さえて、計測プローブユニットの高精度な位置制御を可能とし、３次元形状計測装置の小型化、高精度化を大幅に促進することができる。加えて、安全面でもメカニカルなダンパ等の付帯機構を付加する必要がないという利点がある。

図１に示す３次元形状計測装置において、重力方向であるＺ軸方向のアクチュエータとしてボイスコイルモータ１、重力補償手段として空気バネ２を用いたＺステージ３に非接触計測プローブユニット（計測プローブユニット）４を搭載し、被測定物Ｗから反射される光を非接触計測プローブユニット４のフォトダイオードで受光し、Ｚステージ３のＺ軸方向の位置をリニアスケール５によって検出する。Ｚステージ３のＺ軸方向のガイドには非接触案内手段であるエアースライダ６を用いる。このように、ボイスコイルモータ１と、防振性が高く小型で、摩擦によるロスのない空気バネ２による重力補償と、エアースライダ６による案内とを組み合わせたＺ軸走査機構を用いることで、３次元形状計測装置の計測精度を大幅に改善し、装置の小型化も促進できる。

図１に示す３次元形状計測装置において、アクチュエータであるボイスコイルモータ１の仕様は、定格ＤＣ４８Ｖ１Ａ、ストローク５０ｍｍ、分解能０．１μｍのものを選定した。

空気バネ２は、φ４０ｍｍ、ストローク５０ｍｍ、耐圧８８２ｋＰａであり、一端をＺステージ３に固定し、他端を、筐体１０に支持された支持手段である固定プレート１１に固定する。空気バネ２にはエアーチューブ２ａを配管し、その経路に圧力計付きレギュレータ２ｂと、精密圧空制御弁２ｃ等を有する圧力制御手段を配設した。非接触計測プローブユニット４を載せた移動体であるＺステージ３の重さが１８Ｋｇであるため、前記圧力制御手段によって、重力補償用の空気バネ２への供給圧力を１４７ｋＰａとして重力バランスを保った。

精密圧空制御弁２ｃは１００ｍｓｅｃごとに圧力をサンプリングし、重力バランスが崩れないように監視制御するためのものである。さらにＮＣタイプであり、通電ＯＦＦで供給口がクローズされ、精密圧空制御弁２ｃと空気バネ２間のエアーがエアーチューブ２ａ内に閉じ込められ、Ｚステージ３が重力方向に落ちても空気バネ２自体がエアーダンパ的な役割を果たし、安全装置として機能する。

停電や非常停止等で電気が切断されると、ボイスコイルモータの直動シャフトはフリーの状態となり重力方向に落下してしまう。さらに案内がエアースライダであるため、無抵抗でＺステージが重力方向に落下することになってしまい、計測器の破壊等を招くため、安全装置が必要である。

３次元計測のための非接触計測プローブユニット４は、光源としてＨｅ−Ｎｅレーザの１ｍＷ、光電変換器に高感度なアバランシェフォトダイオード、ピンホールに５０μｍを用いた共焦点光学系を組み込んだプローブユニットとなっている。プローブから射出されたレーザ光は作動距離２４ｍｍの位置で焦点を結ぶように設計されている。

この焦点位置で、最も光強度の高い光が、ＸＹステージ７上の被測定物保持手段によって保持された被測定物Ｗから反射され、アバランシェフォトダイオードに検知され、プローブから射出されたレーザの被測定物Ｗ上での焦点位置（最も光強度の高いＺ位置）に対応するプローブの位置をＺステージ３と筐体１０に固定されたリニアスケール５で計測することにより、被測定物Ｗの形状を計測する。

Ｚステージ３のＺ軸方向の案内であるエアースライダ６は、供給圧力４９０ｋＰａ、供給流量１５Ｎｌ／ｍｉｎで、真直度０．１μｍ以下であり、エアーチューブ６ａの配管経路には精密レギュレータ６ｂを配設した。

ベースＢに立設された筐体１０の本体はアルミとして軽量化を図った。被測定物Ｗは、面精度λ／１０のアルミ蒸着ミラー（アルミミラー）を使用した。表面からの反射率は９０％以上であり、共焦点光学系を用いた３次元形状計測装置においては、被測定物からの反射光が多く、アバランシェフォトダイオードへの入射電圧が高く高精度が期待できるため、アルミミラーを用いた。

被測定物ＷをＸ、Ｙ軸方向に走査するＸＹステージ７は、リニアモータとエアースライダを組み合わせて、ＸＹ位置情報はステージとベース面の位置を計測する分解能０．５μｍのガラススケールを使用した。ＸＹステージ７の供給圧力４９０ｋＰａ、供給流量１５Ｎｌ／ｍｉｎで、真直度０．１μｍ以下であり、最小横方向分解能０．５μｍピッチでＸ、Ｙ軸方向に走査し、０．５μｍピッチの形状を表す点群データの取得が可能である。

図２は、図１の３次元形状計測装置におけるボイスコイルモータ１の応答性を示すもので、ボイスコイルモータ１に対しての位置指令値に対して、実際の変位をリニアスケール５で読み取った値を比較したグラフである。移動ストローク２００ｍｍで移動速度１ｍｍ／ｓｅｃ、加減速時間８ｍｓｅｃの条件でボイスコイルモータ１を動作させた。

このグラフからわかるように、応答性／追従性に関しては、指令値と実際の実測値との差が２μｍ以下で良好であった。さらにモータ発振による速度／位置偏差もみられず、また外乱の影響も受けていないことが証明された。これは空気バネ２による重力バランスが良好であるため、重力方向、反重力方向で同じモータゲインで問題がなく、外乱の影響も受けない重力補償がなされていることを示す。また、モータ容量も定格ＤＣ４８Ｖ１Ａで問題ないことを証明した。

図３は、図１の３次元形状計測装置によってアルミミラーの水平面を計測した結果である。計測条件は１０００×１０００μｍのエリアをＸ、Ｙ軸方向とも１μｍピッチで計測した。また一点あたりの非接触計測プローブの計測用ストロークは２００μｍである。このグラフから、２μｍの高精度で面形状が計測できたことがわかる。つまりボイスコイルモータ１を１００μｍオーダーで動作させた形状計測において、外乱等の影響なく計測できたことを示す。

また、Ｚ軸アクチュエータがボイスコイルモータ１のみであるため、制御的な負荷が軽く、計測値の補正や複雑なシステムがなく、容易なロジックで計測システムが構築できるメリットもあった。加えて、シンプルな機構で部品点数が少なく小型でコンパクトな３次元形状計測装置を実現することができた。さらに安全試験として、非常停止ボタンを押し、ボイスコイルモータ１を移動方向フリーにし、移動体を重力方向に落下させたが、空気バネ２がエアーダンパの役割を果たし、装置を破壊することも、人的に危険もないことを証明した。ちなみに、一点あたりの計測に所要した時間は約０．７ｓｅｃであった。

本実施例では、計測時間よりもＺ軸走査機構の評価がメインであったため、０．７ｓｅｃ／点と時間がかかっているが、ボイスコイルモータの選定や調整、移動体の軽量化等々で１００Ｈｚは期待できると推測される。

図１の３次元形状計測装置を用いて、被測定物であるアルミの平面ミラーを６度傾斜させ、ボイスコイルモータの走査ストロークをｍｍオーダーに設定した。

図４は、アルミミラーの水平面を６度傾けて計測した結果である。計測条件は１０×１０μｍのエリアをＸ、Ｙ軸方向とも１μｍピッチで計測した。また一点あたりの非接触計測プローブの計測用ストロークは１ｍｍであった。このグラフから、２μｍ以下の高精度で面形状が計測できたことがわかる。つまりボイスコイルモータをｍｍオーダーで動作させた形状計測において、外乱等の影響なく計測できたことを示す。

図１の３次元形状計測装置を用いて、被測定物であるアルミの平面ミラーに５ｍｍの段差がある段差基準片を用い、段差の計測精度確認とボイスコイルモータの走査ストロークを１０ｍｍと設定して計測した。

図５は、５ｍｍの段差を持つ面精度λ／１０のアルミミラーの計測結果である。計測条件は３ｍｍ×３ｍｍのエリアをＸ、Ｙ軸方向とも２００μｍピッチで計測した。また一点あたりの非接触計測プローブの計測用ストロークは前述したように１０ｍｍである。このグラフから、２μｍ以下の高精度で段差寸法を計測し、やはり２μｍ以下の精度で面形状が計測できたことを示している。つまりボイスコイルモータを１０ｍｍオーダーで動作させた形状計測において、外乱等の影響なく計測できたことを示す。

本発明のＺ軸走査機構は、３次元形状計測装置に限らず、重力補償を必要とする加工機、ＦＡハンドリングマシン等に幅広く適用できる。

実施例１による３次元形状計測装置を示す模式図である。実施例１によるボイスコイルモータの特性を示すグラフである。アルミミラー水平面の計測結果を示すグラフである。アルミミラーを６度傾斜させて計測した結果を示すグラフである。アルミミラーが５ｍｍ段差を有する場合の計測結果を示すグラフである。

符号の説明

１ボイスコイルモータ
２空気バネ
３Ｚステージ
４非接触計測プローブユニット
５リニアスケール
６エアースライダ
７ＸＹステージ
１０筐体
１１固定プレート

Claims

被測定物を保持する被測定物保持手段と、前記被測定物の高さを計測する計測プローブユニットと、前記計測プローブユニットに対して、前記被測定物保持手段をＸ、Ｙ軸方向に相対移動させるＸＹステージと、前記計測プローブユニットをＺ軸方向に案内するエアースライダと、前記計測プローブユニットをＺ軸方向に往復駆動するボイスコイルモータと、前記計測プローブユニットの重力を補償するための空気バネを介して、前記計測プローブユニットを支持する支持手段と、前記計測プローブユニットのＺ軸方向の移動量を計測するリニアスケールと、前記空気バネの供給圧力を制御する圧力制御手段と、を有する３次元形状計測装置。
前記支持手段が、前記ボイスコイルモータを支持することを特徴とする請求項１記載の３次元形状計測装置。