JP2007024571A - 形状測定機 - Google Patents

Abstract

【課題】 被測定物の頂点位置を高精度かつ容易に検出することができる形状測定機を提供すること。
【解決手段】 被測定物Ｗの表面に触針センサ１３を接触させた状態で、前記被測定物Ｗと前記触針センサ１３とを相対的に走査させ、この走査の間の前記被測定物Ｗの測定したい高さ方向における前記触針センサ１３の変位量により前記被測定物Ｗの表面形状を測定する形状測定機１であって、前記触針センサ１３の前記高さ方向の変位量を測定する変位量測定手段と、この変位量測定手段からの出力信号に基づいてリサージュ波形を生成するリサージュ波形生成手段と、を備えることを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、接触式センサを有する形状測定機に関する。

近年、作動軸の先端に設けられた接触式プローブを用いて、レンズなどの光学素子（被測定物）の形状を測定する形状測定機が多く知られている。これら形状測定機の中には、軸方向に往復移動可能に支持された作動軸と、この作動軸の先端に設けられたプローブとを備えたものが紹介されている（特許文献１参照。）。

この形状測定機において、作動軸を先端に向けて付勢した状態で、被測定物に対してプローブを接触させる。この状態から、作動軸の軸方向に直交する方向に被測定物を移動させると、被測定物とプローブとの接触点が順次移動していくとともに、プローブが被測定物の表面にならって、前記軸方向に移動する。このときのプローブの前記軸方向の変位量と、前記直交する方向の変位量とを変位量検出手段により検出し、これらの検出結果に基づいて所定の演算を行うことにより、被測定物の表面形状の測定が行われる。そして、変位量検出手段の分解能を向上させることにより、被測定物の表面形状を高精度に測定することができる。

ここで、被測定物の表面の前記軸方向における最大高さまたは最小高さにある頂点位置を検出するためには、プローブの変位量を数値としてアプリケーション画面上に表示し、被測定物とプローブとを相対的に走査させながら、それら数値の最大値または最小値を探し出すのが一般的である。
特開平０７−２６０４７１号公報

しかしながら、上記のような形状測定機では、変位量検出手段の分解能を上げれば上げるほど、被測定物とプローブとの走査に応じて、アプリケーション画面上の前記数値が瞬時にして切り換わるため、これら数値を目視観察することによって最大値または最小値を探し出すのが困難になるという問題がある。そこで、アプリケーション画面の表示分解能を低下させたり、フィルタによって高周波成分を除去したりする場合もあるが、表示分解能を低下させたりすると、走査させても数値が変化しなくなる不感帯領域が拡がってしまい、その領域内で頂点検出の誤差が生じてしまう。

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、被測定物の頂点位置を高精度かつ容易に検出することができる形状測定機を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明に係る形状測定機は、被測定物の表面に触針センサを接触させた状態で、前記被測定物と前記触針センサとを相対的に走査させ、この走査の間の前記被測定物の測定したい高さ方向における前記触針センサの変位量により前記被測定物の表面形状を測定する形状測定機であって、前記触針センサの前記測定したい高さ方向の変位量を測定する変位量測定手段と、この変位量測定手段からの出力信号に基づいてリサージュ波形を生成するリサージュ波形生成手段と、を備えることを特徴とする。

この形状測定機においては、被測定物の表面に触針センサを接触させた状態で、被測定物と触針センサとを相対的に走査させると、触針センサが、被測定物の表面にならって、その高さ方向に変位する。例えば、凸レンズなどのように最大高さにある頂点位置を検出する場合、被測定物の表面と触針センサとの接触点が、走査開始地点から頂点位置に向かって移動する間においては、触針センサが被測定物に対して離隔する方向に変位する。一方、接触点が頂点位置に到達して、走査終了地点に向かおうとすると、触針センサの変位方向が反対方向、すなわち被測定物に対して接近する方向に切り換わる。また、凹レンズなどのように最小高さにある頂点位置を検出する場合には、上記と反対の方向に変位することになる。そして、これら走査時の変位量が、変位量測定手段によって測定され、測定結果が順次出力される。この出力信号に基づいて、リサージュ波形生成手段によって、リサージュ波形が順次生成されていく。リサージュ波形は、触針センサが一方向に変位しているときには、一方向に円弧状に描かれていくが、触針センサの変位が他方向に切り換わると、リサージュ波形の描かれる方向も切り換わる。
そこで、リサージュ波形の変化を見ることによって、触針センサの変位の方向が反対方向に切り替わるタイミングを容易に把握することができる。
なお、ここで、高さ方向とは、被測定面の形状から一義的に決まるものではなく、あくまで形状を測定したい方向を言うものである。具体的には、触針センサを支持する軸方向、被測定物が光学素子やその成形型であれば光軸方向を言うことが多い。

また、本発明に係る形状測定機は、請求項１に記載の形状測定機において、前記リサージュ波形生成手段が、前記変位量測定手段からの出力信号に基づいて、正弦波信号及び余弦波信号を生成する信号生成手段と、この信号生成手段からの出力信号をディジタル信号に変換するＡ−Ｄ変換手段と、このＡ−Ｄ変換手段からの出力信号をリサージュ波形として二次元表示処理する処理手段と、を備えることを特徴とする。

この形状測定機においては、変位量測定手段によって測定結果としての出力信号が出力されると、信号生成手段により、その出力信号に基づいて正弦波信号及び余弦波信号が生成される。そして、これら正弦波信号及び余弦波信号が出力されると、Ａ−Ｄ変換手段により、それら信号がディジタル信号に変換される。さらに、そのディジタル信号が、処理手段により、リサージュ波形として二次元表示処理される。
これにより、リサージュ波形を迅速かつ確実に生成することができる。

また、本発明に係る形状測定機は、請求項１または請求項２に記載の形状測定機において、前記リサージュ波形生成手段によって生成されたリサージュ波形を表示する表示手段を備えることを特徴とする。

この形状測定機においては、表示手段により、リサージュ波形生成手段によって生成されたリサージュ波形が表示される。
これにより、リサージュ波形の様子を容易に目視することができ、精度良く頂点位置を検出することができる。

本発明によれば、リサージュ波形の変化を見ることによって、触針センサの変位の方向が反対方向に切り替わるタイミングを容易に把握することができることから、被測定物の頂点位置を高精度かつ容易に検出することができる。

（実施形態）
以下、本発明の実施形態に係る形状測定機について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態としての形状測定機に、例えば凸レンズからなるワーク（被測定物）を取り付けた様子を示したものである。
図１において、符号１は形状測定機、符号Wはワークを示している。
形状測定機１は、ワークＷの測定を行う測定部２と、ワークＷを保持する保持部３とを備えており、これら測定部２と保持部３とが基台６の上に対向して配置されている。

保持部３は、不図示の取付部を備えており、この取付部にワークＷを取り付けると、ワークＷと測定部２とが対向して配されるようになっている。
測定部２は、基台６上に設置された駆動ステージ７と、ワークＷを測定するための測定ユニット８とを備えている。
測定ユニット８は、柱状に形成された作動軸１１と、この作動軸１１を、保持部３に向けて基台６と平行な状態で支持する静圧軸受１２とを備えている。静圧軸受１２は、エアーを噴出することにより、作動軸１１を非接触で支持するようになっており、エアーの噴出方向を調整することにより、作動軸１１をその先端側に向けて付勢するようになっている。

作動軸１１は、上記のように静圧軸受１２によって支持されることにより、保持部３に対して接近・離隔する方向（前後方向）に、すなわち軸線Ｌ方向に往復移動するようになっている。作動軸１１の先端には、精密ルビー球からなるプローブ（触針センサ）１３が設けられている。
このような測定ユニット８が、駆動ステージ７の上に設置されている。駆動ステージ７は、測定ユニット８をＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させるようになっている。なお、Ｘ軸方向とは、軸線Ｌ方向と直交する方向であって、基台６に沿って延びる方向をいう。また、Ｙ軸方向とは、基台６の延在方向に直交する方向、すなわち軸線ＬとＸ軸とに直交する方向をいう。また、軸線Ｌ方向はＺ軸方向となる。

さらに、上記の駆動ステージ７の上には、作動軸１１のＺ軸方向の位置座標を検出するＺ軸方向検出部（変位量測定手段）１６が設けられている。Ｚ軸方向検出部１６は、作動軸１１の位置を検出した結果を、レーザ測長信号として出力するようになっている。
なお、駆動ステージ７のＸ軸方向及びＹ軸方向の位置座標は、駆動ステージ７の近傍に設けられたＸＹ軸方向検出部１７によって検出されるようになっている。

さらに、本実施形態における形状測定機１は、Ｚ軸方向検出部１６に接続された変位計アンプ（リサージュ波形生成手段、信号生成手段）１８を備えている。変位計アンプ１８には、Ｚ軸方向検出部１６からのレーザ測長信号が入力されるようになっている。そして、変位計アンプ１８は、入力されたレーザ測長信号を、アナログ電圧の正弦波信号及び余弦波信号として変換し、アナログ波信号としてそれぞれ出力するようになっている。このときのアナログ波信号を、それぞれ、Ｖｓｉｎθ及びＶｃｏｓθとする。ここで、Ｖは振幅電圧［Ｖ］を示し、θは両波形の位相を示している。θは、Ｚ軸方向検出部１６によって検出される作動軸１１の位置座標をｈとすると、θ＝４πｈ／λで表わされる。これらアナログ波信号は、Ａ−Ｄ変換回路（アナログ・ディジタル変換回路）２１に入力されるようになっている。Ａ−Ｄ変換回路２１は、入力されたアナログ波信号を、ディジタル信号に変換し、ディジタル波信号として出力するようになっている。すなわち、Ａ−Ｄ変換回路２１は、リサージュ波形生成手段及びＡ−Ｄ変換手段として機能するものである。

さらに、Ａ−Ｄ変換回路２１は、各種制御を行う制御部（リサージュ波形生成手段、処理手段）２３と、波形等を表示するモニタ（表示手段）２６とを有するコンピュータ２２に接続されている。そして、Ａ−Ｄ変換回路２１からのディジタル波信号は、制御部２３に入力されるようになっている。制御部２３は、入力されたディジタル波信号をリサージュ波形として二次元表示処理するようになっており、画像信号としてモニタ２６に入力するようになっている。モニタ２６は、その画像信号を受けて、横軸座標Ｘ＝Ｖ・ｓｉｎθ及び縦軸座標Ｙ＝Ｖ・ｃｏｓθとして、プローブ１３の変位量に相当するリサージュ波形（図４に示す）を表示するようになっている。

次に、このように構成された本実施形態における形状測定機１の作用について説明する。
まず、測定しようとするワークＷを、取付部を介して保持部３に取り付ける。そして、後述するように、プローブ１３をＹ軸方向に走査させて、Ｙ軸方向から見た場合にワークＷが測定部２に向けてＺ軸方向に最も突出する位置、すなわち、Ｙ軸方向から見た場合のＺ軸方向における最大高さにある頂点位置Ｐを検出する。それから、頂点位置Ｐを通るようにして、プローブ１３をＸ軸方向に走査させる。この走査の間の作動軸１１のＺ軸方向の座標位置、すなわちプローブ１３のＺ軸方向の変位量が測定される。それと同時に、プローブ１３のＸ軸方向の変位量が、ＸＹ軸方向検出部１７によって測定される。これにより、ワークＷの表面形状が測定される。

ここで、頂点位置Ｐは以下のようにして検出される。
すなわち、ワークＷを保持部３に取り付けた後、駆動ステージ７を駆動し、図３に示すように、測定ユニット８を、頂点位置Ｐを通る光軸Ｃよりも下（基台６側）の所定の位置に移動させる。このとき、プローブ１３も光軸Ｃより下に配される。なお、光軸Ｃの向く方向は、保持部３に保持されたときのワークＷの測定したい高さ方向となる。それから、静圧軸受１２から所定の方向にエアーを噴出させて、作動軸１１を先端方向に付勢する。これにより、作動軸１１が前方向に移動し、あるタイミングでプローブ１３がワークＷの表面に接触する。このプローブ１３とワークＷとの最初の接触点を初期接触点という。このように接触した状態で、駆動ステージ７により、測定ユニット８をＹ軸方向上方に向けて移動させる。すると、プローブ１３とワークＷとの接触点が、頂点位置Ｐに向けて順次移動するとともに、プローブ１３がワークＷの表面にならって移動する。

このとき、プローブ１３を介して作動軸１１がワークＷに離隔する方向（後方向）に移動する。そして、その作動軸１１の座標位置が、Ｚ軸方向検出部１６により順次検出され、レーザ測長信号が変位計アンプ１８に順次入力される。そして、変位計アンプ１８により、上述のように、アナログ波信号がＡ−Ｄ変換回路２１に順次入力されて、Ａ−Ｄ変換回路２１により、ディジタル波信号が制御部２３に順次入力される。さらに、制御部２３からの画像信号がモニタ２６に入力されて、図４に示すように、モニタ２６にリサージュ波形２７が表示される。

リサージュ波形２７は、プローブ１３のＺ軸方向の移動に応じて、原点２８を中心として点像が回転移動することよる円弧状の軌跡として描かれていくが、プローブ１３の移動の前後方向に応じて回転方向が変わるようになる。また、リサージュ波形２７を形成する点像の回転速度は、プローブ１３の変位量増加速度に比例するものであり、プローブ１３がワークＷ表面の変化の緩やかな斜面上を動いている場合には、点像の回転速度は低速であり、一方、急峻な斜面上を動いている場合には、上記回転速度は高速となる。このことは、以下のような事情による。先に、アナログ波信号の位相θは、θ＝４πｈ／λで表わされると述べたが、初期接触点における作動軸１１の位置座標をｈ_０、そこからの変位をΔｈ（ｔ）とすると、θ＝４π（ｈ_０＋Δｈ（ｔ））／λとなる。このとき、点（Ｘ，Ｙ）すなわち、点（Ｖ・ｓｉｎθ，Ｖ・ｃｏｓθ）の軌跡は、初期位相を４πｈ_０／λとした半径Ｖの円を描く。そして、Δｈ（ｔ）の微分係数の正負によって回転方向が、その絶対値によって回転速度が決まることになる。

さて、プローブ１３とワークＷとの接触点が、初期接触点から頂点位置Ｐまでを移動している間においては、プローブ１３が後方向に移動することになるため、点像は図４に示すように原点２８を中心として時計回りに回転移動する。
さらに測定ユニット８をＹ軸方向上方に移動させると、図５に示すように、接触点が頂点位置Ｐに配される。頂点位置Ｐの近傍は、ワークＷ表面の傾斜が緩やかであるため、点像の回転速度も緩やかになり、頂点位置Ｐに配されたときにその回転移動は停止する。それから、さらに測定ユニット８を同方向に移動させると、図７に示すように、接触点が、頂点位置Ｐから、光軸Ｃよりも上側に位置する測定終了位置まで移動する。これら頂点位置Ｐから測定終了位置までを接触点が移動している間においては、プローブ１３が前方向に移動することになるため、点像は図８に示すように反時計回りに回転移動する。すなわち、プローブ１３が頂点位置Ｐを越えると、その瞬間に点像が逆回転する。
このように、モニタ２６上における点像の回転方向や速度を見ながら、駆動ステージ７を駆動してプローブ１３の走査を調整する。そして、点像の時計回りの回転から、停止して逆回転へと切り換わる状態を見出すことにより、ワークＷの頂点位置が検出される。

以上より、リサージュ波形２７の点像の変化を見ることによって、ワークＷの頂点位置Ｐをグラフィカルに探し出すことができる。そのため、アプリケーション画面の表示分解能を低下させたりすることなく、頂点位置Ｐを高精度かつ容易に検出することができる。
また、形状測定機１が振動などの誤差要因を有する場合には、リサージュ波形２７の点像は、ある振幅幅を持って表示されるが、その点像は、ほぼ一定の振幅幅を持ったまま全体として円弧状に描かれるため、巨視的に回転方向の逆転を見出すことができる。そのため、振動下においても頂点検出を容易に行うことができる。

なお、本実施形態においては、コンピュータ２２を備えるとしたが、これに代えて、図９に示すように、制御部２３及び表示部（表示手段）３１ａを有するオシロスコープ３１を備えるとしてもよい。
また、本実施形態においては、プローブ１３をＹ軸方向に移動させることにより頂点検出を行ったが、ワークＷ、またはプローブ１３とワークＷの双方を移動させてもよく、かつ移動方向がＸ軸方向であってもよい。
さらに、本実施形態においては、変位量測定手段からの出力信号をレーザ測長信号としているが、これに限るものではない。

また、本実施形態においては、凸レンズを測定するとしたが、これに限ることはなく、凹レンズであってもよい。この場合、頂点位置は、Ｙ軸方向から見た場合にワークＷが前方向に最も没する位置、すなわち、Ｙ軸方向から見た場合のＺ軸方向における最小高さにある位置となる。また、この場合、プローブ１３移動方向や点像の回転方向は上記と反対になるのは言うまでもない。
さらに、測定対象はレンズ以外のものであってもよく、例えば、光学素子成形用の金型などでも構わない。
また、プローブ１３の材質をルビーとしたが、これに限らず、ダイヤモンド、ガラス、サファイヤ、セラミクス等であってもよい。
なお、本発明の技術範囲は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。

本発明に係る形状測定機の一実施形態を示す図であって、測定部と保持部とが基台に設置された様子を示す側面図である。 本実施形態における変位計アンプ、Ａ−Ｄ変換回路及びコンピュータが接続された様子を示す説明図である。 プローブとワークとの接触点が頂点位置よりも下にあるときの様子を示す説明図である。 図３におけるリサージュ波形を示す説明図である。 プローブとワークとの接触点が頂点位置にあるときの様子を示す説明図である。 図５におけるリサージュ波形を示す説明図である。 プローブとワークとの接触点が頂点位置よりも上にあるときの様子を示す説明図である。 図７におけるリサージュ波形を示す説明図である。 図２のコンピュータの代わりにオシロスコープを接続した様子を示す説明図である。

符号の説明

１ 形状測定機
１３ プローブ（触針センサ）
１６ Ｚ軸方向検出部（変位量測定手段）
１８ 変位計アンプ（リサージュ波形生成手段、信号生成手段）
２１ Ａ−Ｄ変換回路（リサージュ波形生成手段、Ａ−Ｄ変換手段）
２３ 制御部（リサージュ波形生成手段、処理手段）
２６ モニタ（表示手段）
２７ リサージュ波形
３１ａ 表示部（表示手段）
Ｗ ワーク（被測定物）

Claims (3)

1. 被測定物の表面に触針センサを接触させた状態で、前記被測定物と前記触針センサとを相対的に走査させ、この走査の間の前記被測定物の測定したい高さ方向における前記触針センサの変位量により前記被測定物の表面形状を測定する形状測定機であって、
   前記触針センサの前記測定したい高さ方向の変位量を測定する変位量測定手段と、
   この変位量測定手段からの出力信号に基づいてリサージュ波形を生成するリサージュ波形生成手段と、を備えることを特徴とする形状測定機。
2. 前記リサージュ波形生成手段が、
   前記変位量測定手段からの出力信号に基づいて、正弦波信号及び余弦波信号を生成する信号生成手段と、
   この信号生成手段からの出力信号をディジタル信号に変換するＡ−Ｄ変換手段と、
   このＡ−Ｄ変換手段からの出力信号をリサージュ波形として二次元表示処理する処理手段と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の形状測定機。
3. 前記リサージュ波形生成手段によって生成されたリサージュ波形を表示する表示手段を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の形状測定機。
   

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