JP2008224322A - 平面度測定装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の平面度測定装置は、被測定面に沿って移動自在な平面度測定装置本体と、該平面度測定装置本体から独立して準理想平面となる基準液面を形成する液槽とを設け、前記平面度測定装置本体に、被測定面を機械的に倣う倣い手段および基準液面に対する上下動を計測する光式変位センサを上下動自在に装着し、基準液面と被測定面の差を測定することにより被測定面の平面度を測定することを特徴としている。
【選択図】 図1
Description
また、一般的ではないが、液面を基準とする平面度測定装置として、光波干渉計測方式のものがある。
(1)基準が人工物の場合、高精度で大きなもの製作は、極めて高価であるか、場合によっては製造不能である。
(2)光波干渉計測方式の液面基準平面度測定装置では、被測定物を液中に沈めなければならないこと、被測定面がある程度精度のよい鏡面に限られること、測定レーザビーム径により測定領域が制限されることなど、実用面での問題がある。
本発明は、静止した液面を基準とする平面度測定装置である。静止液面は理想的な平面(正確にはジオイド面)を形成するが、力を加えることはできないので、液面計測は非接触で力が加わらない変位計測法、すなわち光計測法しか利用することができない。光を用いた精密変位計測法として、光波干渉がある。
光波干渉計測は、基準面と被測定面を光の波長のみを介して比較するという、最も精度の高い計測法であるが、被測定平面も鏡面であることが求められる。
本発明は、種々の仕上げ面に対応することが条件であり、光波干渉法は利用することができない。本発明は、液面は光式変位センサで、被測定平面は種々の仕上げ面に対応できる機械的接触による計測を採用する。
図1は本発明に係る平面度測定装置の基本原理を示す正面図、第2図は同側面図である。
測定に際しては、被測定面上を、光式変位センサを取り付けた測定輪で走査する。
光式変位センサは、被測定平面の形状に沿って上下するが、絶対平面と見なせる液面からの距離を測定すると、この上下動、すなわち被測定面の凹凸が計測できる。高精度を実現するためには、液面上の測定点と、測定輪の接触点の位置を、垂直軸に対して一致させ、測定装置の傾きの影響を最少にすることが重要である(Abbeの原理)。
(1)上記目的を達成するため本発明の平面度測定装置は、被測定面に沿って移動自在な平面度測定装置本体と、該平面度測定装置本体から独立して準理想平面となる基準液面を形成する液槽を設け、前記平面度測定装置本体に、被測定面を機械的に倣う倣い手段および基準液面に対する上下動を計測する光式変位センサを上下動自在に装着し、基準液面と被測定面の差を測定することにより被測定面の平面度を測定することを特徴としている。
(2)また、本発明の平面度測定装置は、上記(1)において、光式変位センサを倣い手段と垂直同軸上に配置することを特徴としている。
(3)また、本発明の平面度測定装置は、上記(1)または(2)において、平面度測定装置本体の垂直方向にクロスローラガイドを設け、倣い手段および光式変位センサをステージに装着し、前記クロスローラガイドに沿って前記ステージを移動自在に構成することを特徴としている。
(4)また、本発明の平面度測定装置は、上記(1)ないし(3)のいずれかにおいて、倣い手段として測定輪を用いることを特徴としている。
(5)また、本発明の平面度測定装置は、上記(1)ないし(4)のいずれかにおいて、光式変位センサがレーザー式変位センサであることを特徴としている。
(6)また、本発明の平面度測定装置は、上記(1)ないし(5)のいずれかにおいて、 平面度測定装置本体の移動をガイドする水平方向ガイドレールを被測定面に沿って設けることを特徴としている。
(7)また、本発明の平面度測定装置は、上記(1)ないし(6)のいずれかにおいて、基準液面を形成する液槽が光式変位センサの移動経路に沿って所定長さを有して設けられることを特徴としている。
(8)また、本発明の平面度測定装置は、上記(1)ないし(7)のいずれかにおいて、液槽内にマルトース水溶液を収容して基準液面を形成することを特徴としている。
(1)特に、大きな平面の測定に用いた場合、従来のものと比較して高精度な測定を実現できる。
(2)測定基準を液面とするため、従来の基準を人工物としたものと比べて、安価な平面度測定装置を提供できる。
(3)従来の光波干渉計測方式と比べて、測定操作の向上および測定対象の制限が少ない、実用的な平面度測定装置を提供できる。
平面度測定装置本体1は被測定物50の上面に沿って移動可能な構造であるが、液槽2および水平方向ガイドレール3は本体1の移動方向(図1では紙面に直交する方向)に沿って所定の長さを有し、被測定物50の表面に固定的に設置されている。
3輪ガイド台11には、3個のガイド車輪13が二等辺三角形のそれぞれの頂点の位置に移動方向に直交する車軸を介して設けられており、該ガイド車輪の回転により一定方向に移動可能である。この場合、3個のガイド輪のうち、2個は前記した光式変位センサ4の取付けられる側(以下「測定側」という。)にほぼ軌を一にして設けられる。また、3輪ガイド台11の測定側には、図3に示す水平方向ガイドレール3に接触しながら転動する2個の転動輪14が前記ガイド輪13に近接して装着されるとともに、該転動輪14に隣接して水平方向ガイドレール3に対して吸着性を呈する吸着マグネット15が装着されている。
さらに、3輪ガイド台11の測定側のガイド輪13の1つに接触して転動するロータリエンコーダ16が装着されており、該ロータリエンコーダ16と前記の表示一体型コントローラ5とは信号線17で接続されている。
本発明の測定装置の測定対象は、精度の高い平面である。したがって、この平面をガイド面とすると、高い精度で測定軸の垂直性が維持できる。
クロスローラガイド12は、3輪ガイド台11の移動方向の略中央に位置して3輪ガイド台11上に垂直に固定された固定ガイド25を備え、該固定ガイド25は金属材料等から形成され剛性の大きい断面形状をしている。該クロスローラガイド12の固定ガイド25には、光式変位センサ4を装着した上側ステージ20および測定輪18が装着された下側ステージ21が上下動自在に保持されている。測定輪18の動きにしたがって下側ステージ21が上下動すると上側ステージ20も一体的に上下動するように形成する。
上下のステージ20、21の間隔は、図5に示すように、マイクロメーター22による調整が可能であり、光式変位センサ4の高さ設定が行えるようになっている。
下側ステージ21に装着された測定輪18は、図4および図5に示すように、被測定物50の上面に沿って転動可能なように下側ステージ21から片持ち式に測定側に突出したブラケット23の軸24に取付けられている。図4ないし図6に示すように、光式変位センサ4と測定輪18とは、平面視で、光式変位センサ4の中心と測定輪18の中心とが一致するようにして設けられる。
クロスローラガイド12の固定ガイド25は、断面コ字状をしており、内側面両側にそれぞれ、レール26がボルト27によりを固定されている。
一方、ステージ20、21は、その断面が固定ガイド25のコ字状凹部に嵌合する凸部30を有し、該凸部30の両側には、それぞれ、レール28がボルト29によりレール26に対向して設けられている。レール26とレール28との間には、ローラユニット31が介在して設けられ、ステージ20、21が固定ガイド25に沿ってスムースに上下動できるようになっている。
レーザー式変位センサ4は、三角測量を応用した方式で、発光素子である半導体レーザ31と光位置検出素子32の組み合わせで構成されている。半導体レーザー31の光33は投光レンズ34を通し集光され、測定対象物である液槽の液面35に照射される。液面35で拡散反射された光線の一部は、受光レンズ36を通して光位置検出素子32上にスポットを結ぶ。液面35が上下方向に移動すると、スポットも移動するので、そのスポットの位置を検出することにより該液面35の上下方向の変位量を検知することができる。
本体1に設けられた2個の転動輪14および吸着マグネット15により、本体1はガイド面37に倣って移動する。
基準液面用の液体に求められる条件は次のとおりである。
(1)均一で適度な粘性を持つこと。基準液面には振動等の影響は避けつつ、可能な限り短時間で定常状態に到達することが求められる。粘度を実験的に決めることを考えると、粘度の調整を容易に行えることが望ましい。
(2)測定光を散乱しないこと。液面での反射のみを検出するためには、液中での散乱が無いことが必要である。
(3)蒸発成分が光テコ式位置センサの光学系を汚染しないこと。
(4)錆を発生させにくいこと。
(5)廃棄に際して環境負荷が少ないこと。
上記の条件を満足させる液体として、油溶性のものと水溶性のものについて検討を行った。当初、防錆の観点から高粘度潤滑油を検討したが、蒸気が光学系に影響を与えそうであること等の理由で採用を断念し、最終的には入手性、粘度の調整の容易性、廃棄・洗浄の容易性、水溶性としては錆を発生させにくいことからマルトース(麦芽糖)の水溶液を選択した。マルトース水溶液の原液は水分量が少なく、高粘度で表面が固化しやすいが、水を加えることにより適度な粘度を実現しつつ、表面の固化も防ぐことができる。
測定は、定盤面上の15cmのラインに沿って行った。途中2カ所、10cmの間隔を置いて5mm幅に切断したセロテープが、マーカーとして定盤に貼り付けてある。
図10は、デジタルストレージオシロスコープを低速掃引させた状態で、手動により平面度測定装置を1往復させ、その時の光式変位センサからのアナログ出力を記録したものである。位置センサの感度は、100μm/Vであるので、オシロスコープの1目盛(200mV)は20μmに相当する。手動のため往と復で速度が異なり、横軸(時間軸)は倍率が一定ではないが、縦軸の対応する位置の高さ(液面に対する変動)は、マーカーのセロテープを含め、1/1000のオーダーで一致している。
2 液槽
3 水平方向ガイドレール
4 光式変位センサ
5 表示一体型コントローラ
6 ケーブル
7 パソコン
11 3輪ガイド台
12 クロスローラガイド
13 ガイド車輪
14 転動輪
15 吸着マグネット
16 ロータリエンコーダ
17 信号線
18 測定輪
20 上側ステージ
21 下側ステージ
22 マイクロメーター
23 ブラケット
24 軸
25 固定ガイド
26 レール
27 ボルト
28 レール
29 ボルト
30 凸部
31 半導体レーザ
32 光位置検出素子
33 半導体レーザーの光
34 投光レンズ
35 液槽の液面
36 受光レンズ
37 ガイド面
38 スリット
39 足
40 バランスウエイト
50 被測定物
Claims (8)
- 被測定面に沿って移動自在な平面度測定装置本体と、該平面度測定装置本体から独立して準理想平面となる基準液面を形成する液槽とを設け、前記平面度測定装置本体に、被測定面を機械的に倣う倣い手段および基準液面に対する上下動を計測する光式変位センサを上下動自在に装着し、基準液面と被測定面の差を測定することにより被測定面の平面度を測定することを特徴とする平面度測定装置。
- 光式変位センサを倣い手段と垂直同軸上に配置することを特徴とする請求項1記載の平面度測定装置。
- 平面度測定装置本体の垂直方向にクロスローラガイドを設け、倣い手段および光式変位センサをステージに装着し、前記クロスローラガイドに沿って前記ステージを移動自在に構成することを特徴とする請求項1または請求項2記載の平面度測定装置。
- 倣い手段として測定輪を用いることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の平面度測定装置。
- 光式変位センサがレーザー式変位センサであることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の平面度測定装置。
- 平面度測定装置本体の移動をガイドする水平方向ガイドレールを被測定面に沿って設けることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の平面度測定装置。
- 基準液面を形成する液槽が光式変位センサの移動経路に沿って所定長さを有して設けられることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の平面度測定装置。
- 液槽内にマルトース水溶液を収容して基準液面を形成することを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載の平面度測定装置。
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