JP2008101991A

JP2008101991A - 形状測定機

Info

Publication number: JP2008101991A
Application number: JP2006283946A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Irie; 昌幸入江
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2006-10-18
Filing date: 2006-10-18
Publication date: 2008-05-01

Abstract

【課題】プローブユニットの小型化、簡素化を図ることができる形状測定機を提供すること。
【解決手段】ルビー球（先端部）２を有するプローブ軸部３と、被測定物Ｏの測定面ＯＳとプローブ軸部３のルビー球２との接触点の空間位置座標を検出する変位計（検出部）５とが設けられたプローブユニット６を備えた形状測定機であって、被測定物Ｏの測定面ＯＳにルビー球２を押付けたときにプローブ軸部３に作用される力、及び、このときに測定された空間位置座標とをパラメータとして記憶する記憶部７と、パラメータに基づいて、測定時におけるプローブ軸部３の傾きに起因する被測定物Ｏの真の空間位置座標からの誤差を補正する補正値を算出する演算部８と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、形状測定機に関する。

自由曲面を有する非球面レンズ等の被測定物の形状を測定する測定機として、軸方向に移動可能に支持した触針プローブを被測定物方向に付勢しながら被測定物に接触させ、この状態でプローブと被測定物とを相対的に移動させるものが知られている。

このような形状測定機は、被測定物に所定の押圧力にてブローブ先端を接触させ、その状態のままプローブと被測定物とを相対的に移動することによって、プローブの変位及びその位置を検出して被測定物の形状を求めるようになっている。そこで、形状測定機の精度を向上するためには、プローブの検出精度の向上が必要であり、これが開発の課題の１つとなっている。

形状測定機の一例を図９に示す。この形状測定機１００のプローブユニット１０１は、プローブ軸部１０２と、プローブ軸部１０２を支持するハウジング１０３とを備えている。プローブ軸部１０２の先端には、ルビー球１０４が取り付けられている。ハウジング１０３には、プローブ保持部１０５が設けられている。プローブ保持部１０５には、圧縮空気が供給されるようになっており、この圧力によってプローブ軸部１０２の側面を支持することによって、プローブ軸１０２が軸方向に移動可能となっている。

プローブ軸部１０２の後端とハウジング１０３との間には、板ばね１０６が取付けられており、プローブ軸部１０２が、ハウジング１０３に対して弾性的に支持されている。このプローブ軸部１０２の変位は、ハウジング１０３に配された変位計１０７によって検出されるようになっている。

このプローブユニット１０１にて被測定物Ｏの測定面ＯＳの形状を測定するときには、ルビー球１０４を被測定物Ｏに押圧した状態でプローブユニット１０１を走査して、接触部分の空間位置座標を算出する。ここで、被測定物Ｏの形状が、自由曲面や非球面、球面等の場合には、プローブ軸部１０２の中心軸線Ｃ方向と被測定物Ｏの測定面ＯＳとがなす角度は、プローブ軸部１０２の走査によって変化する。

プローブ軸部１０２の中心軸線Ｃ方向が、被測定物Ｏの測定面ＯＳの法線方向に対して傾いている場合には、ルビー球１０４が測定面ＯＳからの反力により、プローブ軸部１０２の中心軸線Ｃ方向と直交する方向にその分力を受ける。その際、プローブ保持部１０５の剛性不足によってプローブ軸部１０２がプローブ保持部１０５に対して傾くため、測定誤差が生じる。

このような測定誤差を抑えて測定物の真の表面形状を測定するために、プローブ軸部の傾きを正確に検出する機構が設けられ、得られた変位に基づいて空間位置座標を補正することができる形状測定機が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２０００−３０４５２９号公報

しかしながら、上記従来の形状測定機は、プローブ軸部の傾きを検出する機構が、プローブユニットのハウジング内に配されているので、プローブユニットが大型化及び複雑化して、高コストとなってしまう。
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、プローブユニットの小型化、簡素化を図ることができる形状測定機を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係る形状測定機は、先端部を有するプローブ軸部と、被測定物の測定面と前記プローブ軸部の前記先端部との接触点の空間位置座標を検出する検出部とが設けられたプローブユニットを備えた形状測定機であって、前記被測定物の測定面に前記先端部を押付けたときに前記プローブ軸部に作用される力、及び、このときに測定された前記空間位置座標をパラメータとして記憶する記憶部と、前記パラメータに基づいて、測定時における前記プローブ軸部の傾きに起因する前記被測定物の真の空間位置座標からの誤差を補正する補正値を算出する演算部と、を備えていることを特徴とする。

この発明は、実際に測定した空間位置座標に対する補正値を演算部にて算出して補正するので、複雑な機構を用いなくても被測定物の表面形状の測定精度を向上することができる。

また、本発明に係る形状測定機は、前記形状測定機であって、前記記憶部が、前記先端部の摩擦力を前記パラメータとしてさらに記憶することを特徴とする。
この発明は、先端部の摩擦力もパラメータに取り込むので、プローブ軸部の傾きをより正確に算出することができる。

また、本発明に係る形状測定機は、前記形状測定機であって、前記記憶部が、前記プローブ軸部の前記被測定物の測定面における走査速度と、前記プローブ軸部の質量とを前記パラメータとしてさらに記憶することを特徴とする。
この発明は、プローブ軸部の慣性力もパラメータに取り込むので、プローブ軸部の傾きをより正確に算出することができる。

本発明によれば、プローブユニットの小型化、簡素化を図ることができる。

本発明に係る第１の実施形態について、図１から図５を参照して説明する。
本実施形態に係る形状測定機１は、図１に示すように、ルビー球（先端部）２を先端に有するプローブ軸部３と、被測定物Ｏの測定面ＯＳとプローブ軸部３のルビー球２との接触点の空間位置座標を検出する変位計（検出部）５とが設けられたプローブユニット６と、被測定物Ｏの測定面ＯＳにルビー球２を押付けたときにプローブ軸部３に作用される力、及び、このときに測定された空間位置座標とをパラメータとして記憶する記憶部７と、パラメータに基づいて、測定時におけるプローブ軸部３の傾きに起因する被測定物Ｏの真の空間位置座標からの誤差を補正する補正値を算出する演算部８と、を備えている。

プローブ保持部１０は、ハウジング１１に取り付けられており、図示しない供給源から圧縮空気が供給されるようになっている。そして、この圧力によって、プローブ軸部３の側面が支持され、プローブ軸部３が軸方向に移動可能となっている。即ち、プローブ軸部３とプローブ保持部１０との間で空圧軸受が構成されている。

プローブ軸部３の後端とハウジング１１との間には、板ばね１２が取付けられており、プローブ軸部３が、ハウジング１１に対して弾性的に支持されている。このプローブ軸部３の変位は、ハウジング１１に配された変位計５によって検出されるようになっている。

記憶部７及び演算部８は、制御装置１５内に設けられている。この制御装置は、変位計５によって検出されたデータに基づき、空間位置座標の算出を行ったり、表示部１６に測定結果を表示させたりする。記憶部７は、ルビー球２と被測定物Ｏの測定面ＯＳとの間の摩擦力もパラメータとして記憶する。

次に、本実施形態に係る形状測定機１の作用について説明する。
まず、ルビー球２を被測定物Ｏの測定面ＯＳに押付けた状態で、プローブユニット６を走査する。このとき、図２に示すように、被測定物Ｏに中心軸線Ｃ方向の測定力Ｆが加わるので、ルビー球２は、被測定物Ｏとの測定面ＯＳの法線方向に反力Ｎを受ける。この測定力Ｆは、補正値のためのパラメータとして記憶部７に記憶されている。

ここで、被測定物Ｏの測定面ＯＳの法線方向と、プローブ軸部３の中心軸線Ｃ方向とのなす角度をθとすると、反力Ｎのプローブ軸部３の中心軸線方向Ｃと直交する方向成分Ｎｘは、Ｎｘ＝Ｆ・ｔａｎθとなる。この反力Ｎによって、プローブ軸部３が変位する。
そして、既知の方法に基づいて測定された測定面ＯＳの空間位置座標が、制御装置１５によって算出される。この空間位置座標も、補正値のためのパラメータとして記憶部７に記憶される。

一方、図３に示すように、ルビー球２と被測定物Ｏの測定面ＯＳとの間の摩擦係数をμとしたとき、プローブユニット６を走査している間、ルビー球２が被測定物Ｏから摩擦力Ｒを受ける。この摩擦力Ｒの大きさはＲ＝μＮとなる。そして、この摩擦力Ｒのプローブ軸部３の中心軸線Ｃ方向に直交する方向成分をＲｘとしたとき、Ｒｘ＝μ・Ｎ・ｃｏｓθとなる（図３は、プローブユニット６が、紙面左方から右方に向けて被測定物Ｏを走査している状態における力関係を示している。）。この摩擦係数μは、パラメータとして記憶部７に記憶されている。

このように、ルビー球２には、Ｎｘ、Ｒｘという力が作用する。これらの力は、プローブ軸部３に回転モ一メントとして作用するので、プローブ軸部３に傾きが生じる。その傾きの回転中心ＣＬは、図４に示すように、プローブ保持部１０の中央部に位置する。
ここで、プローブ軸部３の長さとルビー球２の大きさとは既知の値である。また、プローブ軸部３の中心軸線Ｃ方向の変位量は、変位計５により検出されている。よって、ルビー球２から回転中心ＣＬまでの距離Ｌが算出される。

そして、プローブ軸部３の中心軸線Ｃに直交する力Ｓがルビー球２に対して加わったときのモーメントＭ＝Ｓ・Ｌが、記憶部７に記憶されたパラメータに基づいて演算部８にて算出される。ここで、力Ｓは、力Ｎｘと力Ｒｘとの合力である。圧縮空気が充填されたプローブ保持部１０の剛性は、予め実際に測定する等により求めることができる。よって、このモーメントＭから、プローブ軸３の傾きが算出される。

こうして、測定結果の解析時には、得られた補正値に基づく補正を行って、真の空間位置座標を算出する。

この形状測定機１によれば、実際に測定した空間位置座標に対する補正値を演算部８にて算出して補正するので、従来のように複雑な機構を用いなくても被測定物Ｏの表面形状の測定精度を向上することができる。従って、プローブユニット６の小型化、簡素化を図ることができる。

また、ルビー球２と被測定物Ｏの測定面ＯＳとの摩擦力も記憶部７のパラメータに取り込むので、演算部８にてプローブ軸部３の傾きをより正確に算出することができる。

次に、第２の実施形態について図５から図８を参照しながら説明する。
なお、上述した第１の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付すとともに説明を省略する。
第２の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、本実施形態に係る形状測定機２０の制御装置２１内の記憶部２２が、プローブ軸部２３の被測定物Ｏの測定面ＯＳにおける走査速度と、後述するプローブ可動部２６の質量とをパラメータとしてさらに記憶するとした点である。

プローブユニット２４のプローブ軸部２３は、その中心軸線Ｃが水平線Ｈに対して角度α傾斜した状態で配されている。検出部２５は、プローブ軸部２３の基端に接続されて、中心軸線Ｃ方向に延びるガラススケール２５Ａと、ガラススケール２５Ａの変位を測定するスケールヘッド２５Ｂとを備えている。これによりルビー球２、プローブ軸部２３、及びガラススケール２５Ａがプローブ可動部２６として構成され、プローブ可動部２６が一体となって移動する。
スケールヘッド２５Ｂは、ハウジング２７に配されている。

ここで、プローブ可動部２６の質量をｍとしたとき、プローブ可動部２６には、図５に示すように、重力により鉛直下方に力Ｗが働く。この大きさは、質量ｍに重力加速度ｇをかけた値、つまり、Ｗ＝ｍ・ｇで表される。このとき、プローブ軸部２３の中心軸線Ｃ方向の力は、Ｆ=Ｗ・ｓｉｎαとなり、この力が、測定の際にルビー球２を被測定物Ｏの測定面ＯＳに押圧する測定力となる。

次に、本実施形態に係る形状測定機２０の作用について説明する。
まず、ルビー球２を被測定物Ｏの測定面ＯＳに押付けた状態で、図示しない駆動装置により、図６にＸ座標で示す方向に、プローブユニット２４を走査する。このとき、第１の実施形態と同様に、中心軸線Ｃ方向の測定力Ｆ、及び、ルビー球２と測定面ＯＳとの間に摩擦力が発生する。さらに、プローブユニット２４がＸ軸方向に移動するのに伴い、プローブ可動部２６が被測定物Ｏの測定面ＯＳ形状に倣って動く際に慣性力が発生する。そのため、ルビー球２が被測定物Ｏを押圧する力は、実際には測定力Ｆに慣性力の影響を加えたものとなる。

この慣性力をＵ、プローブユニット２４のＸ軸方向の走査に伴って、プローブ可動部２６が中心軸線Ｃ方向に移動する移動速度をＶとすると、プローブ可動部２６の中心軸線Ｃ方向の慣性力Ｕは、Ｕ＝ｍ・Ｖ’（ＶはＺ座標方向の正の値、Ｖ’はＶの時間微分を示す。）で表される。この慣性力Ｕと測定力Ｆとの合力をＱとしたとき、Ｑ＝Ｆ−Ｕとなる。このＱが、ルビー球２が被測定物Ｏに及ぼすプローブ軸部２３の軸方向の力となる。

この合力Ｑの反力Ｎは、ルビー球２に対して、ルビー球２と被測定物Ｏの測定面ＯＳとの接触面の法線方向に働く。そして、図７に示すように、その反力Ｎのプローブ軸部２３の中心軸線Ｃ方向に直交する方向成分Ｎｘは、被測定物Ｏの測定面ＯＳの法線方向と、プローブ軸部２３の中心軸線Ｃ方向とのなす角度をθとすると、Ｑ・ｔａｎθとなる。

プローブ可動部２６の移動量は、ガラススケール２５Ａを介してスケールヘッド２５Ｂにより検出され、記憶部２２に取り込まれる。尚、この記憶部２２には、第１の実施の形態における記憶部２２と同様に、被測定物Ｏの空間位置座標、測定力、被測定物Ｏの測定面ＯＳとルビー球２との摩擦係数が記憶されると共に、プローブ可動部２６の質量及びＸ座標方向の走査速度も記憶される。

プローブ軸部２３の中心軸線Ｃ方向におけるプローブ可動部２６の速度Ｖは、記憶部２２に記憶されている被測定物Ｏの空間位置座標とＸ軸方向の走査速度とから演算により求めることができる。なお、スケールヘッド２５Ｂにより検出されたプローブ可動部２６の変位を時間で微分して求めてもよい。ここで、本実施形態における形状測定機２０においても、第１の実施形態と同様の方法によって、摩擦力によるプローブ軸部２３の中心軸線Ｃ方向に直交する力が求められる。

こうして、測定力、慣性力、摩擦力によって、ルビー球２に作用されるプローブ軸部２３の中心軸線Ｃ方向に直交する力の合力Ｓが算出される。この合力Ｓによってプローブ軸部２３がハウジング２７に対して傾くことになる。この傾き量は、図８に示すように、第１の実施形態と同様に、プローブ軸部２３の傾きにおける回転中心ＣＬ、ルビー球２から回転中心ＣＬまでの距離Ｌ、合力Ｓ、及び、プローブ保持部１０の剛性から、演算部２８にて算出される。

この形状測定機２０によれば、測定力、摩擦力に加え、プローブ可動部２６の慣性力の影響を補正することができ、プローブ軸部２３の傾きをより正確に算出して測定精度の高い形状測定機を安価に実現することが可能となる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の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。
例えば、上記実施形態では、プローブ軸部の自重でルビー球が被測定物Ｏの測定面ＯＳを押圧するものとしているが、これに限らず、板ばねの弾性力や、その他に、磁力、空圧等といった種々の方法によって押圧させてもよい。また、上記実施形態では、被測定物Ｏの測定面ＯＳの法線方向と、プローブ軸部３の中心軸線Ｃ方向とのなす角度θを求めるために、測定された空間位置座標を用いたが、予め記憶部２２に記憶させた被測定物Ｏの形状を用いても同様の効果を奏することができる。

本発明の第１の実施形態に係る形状測定機のプローブユニットを示す構成図である。本発明の第１の実施形態に係る形状測定機のプローブユニットの作用を示す説明図である。本発明の第１の実施形態に係る形状測定機のプローブユニットの作用を示す説明図である。本発明の第１の実施形態に係る形状測定機のプローブユニットの作用を示す説明図である。本発明の第２の実施形態に係る形状測定機のプローブユニットを示す構成図である。本発明の第２の実施形態に係る形状測定機のプローブユニットの作用を示す説明図である。本発明の第２の実施形態に係る形状測定機のプローブユニットの作用を示す説明図である。本発明の第２の実施形態に係る形状測定機のプローブユニットの作用を示す説明図である。従来の形状測定機のプローブユニットを示す構成図である。

符号の説明

１，２０形状測定機
２ルビー球（先端部）
３，２３プローブ軸部
５変位計（検出部）
６，２４プローブユニット
７，２２記憶部
８，２８演算部
２５検出部

Claims

先端部を有するプローブ軸部と、被測定物の測定面と前記プローブ軸部の前記先端部との接触点の空間位置座標を検出する検出部とが設けられたプローブユニットを備えた形状測定機であって、
前記被測定物の測定面に前記先端部を押付けたときに前記プローブ軸部に作用される力、及び、このときに測定された前記空間位置座標をパラメータとして記憶する記憶部と、
前記パラメータに基づいて、測定時における前記プローブ軸部の傾きに起因する前記被測定物の真の空間位置座標からの誤差を補正する補正値を算出する演算部と、
を備えていることを特徴とする形状測定機。
前記記憶部が、前記先端部の摩擦力を前記パラメータとしてさらに記憶することを特徴とする請求項１に記載の形状測定機。
前記記憶部が、前記プローブ軸部の前記被測定物の測定面における走査速度と、前記プローブ軸部の質量とを前記パラメータとしてさらに記憶することを特徴とする請求項１又は２に記載の形状測定機。