JP2009041982A - 多点プローブの零点誤差関連値記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多点プローブにおいて、複数のセンサのドリフトが生じた後の零点誤差の補償を容易に行うことができる多点プローブの零点誤差関連値記録装置を提供する。
【解決手段】
零点誤差関連値記録装置は試料を回転させるスピンドルと、複数の変位センサＡ，Ｂ，Ｃを含む真直形状測定用のセンサユニット２２０を試料の測定面に相対するように支持するセンサキャリッジ２３０を備える。試料が所定回転角度回転する毎に変位センサＡ，Ｂ，Ｃから、試料の測定面における同心円に沿う形状値ｆ（ｒ_F，θ），ｆ（r₀，θ），ｆ（r_R，θ）及び零点誤差を含む測定値をＣＰＵ３１０が読取り、読取りした形状値及び零点誤差を含む測定値を記憶装置３４０に記憶する。
【選択図】図１

Description

本発明は、多点プローブの零点誤差関連値記録装置に関する。

３つの変位センサを用いて、逐次３点法で測定対象の表面形状を測定する表面形状測定装置では、各変位センサ間に生じる測定誤差要因として零点誤差がある。零点誤差は、図１に示すように複数の変位センサＡ〜Ｃのうち、いずれかを基準とした場合、基準の変位センサ（図１では変位センサＢ）の零点と他の変位センサＡ，Ｃの零点のずれのことである。通常、複数の変位センサの零点を合わせるためには、何かの基準となる直線状の基準面となる平面に当ててみることにより、その読みがゼロになるように調整する。

或いは、反転法等を使用して、零点誤差を算出して、その零点誤差を補償するようにしている。
しかし、一旦、零点誤差を解消したり、或いは、反転法等を使用して零点誤差を補償しても、時間が経過した場合、変位センサの取付け位置がドリフトなどによって、３つの変位センサ間の零点誤差が変動していることがある。

従来は、このように時間が経過したことによって多点プローブのセンサ間の零点誤差が変動した場合、改めて、零点誤差を調整したり、或いは、反転法等を行って零点誤差の補償を行うようにしているため、零点誤差を解消するための作業が繁雑である問題があった。

本発明の目的は、上記課題を解決して、多点プローブにおいて、複数のセンサのドリフトが生じた後の零点誤差の補償を容易に行うことができる多点プローブの零点誤差関連値記録装置を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１の発明は、測定面を有する測定対象物と、前記測定対象物を回転させる回転手段と、複数のセンサを含む真直形状測定用の多点プローブを前記測定対象物の測定面に相対するように支持する多点プローブ支持手段と、少なくとも前記測定対象物が１回転する間において、前記測定対象物が所定回転角度回転する毎に前記複数のセンサから、前記測定対象物の測定面における同心円に沿う形状値及びプローブの零点誤差に基づく誤差を含む測定値を読取る読取り手段と、前記読取り手段が読取りした前記測定値を読出し可能に記憶する記憶手段とを備えたことを特徴とする多点プローブの零点誤差関連値記録装置を要旨とするものである。ここで零点誤差関連値とは、零点誤差を算出するための値や、零点誤差変動量や零点誤差を含む趣旨である。

請求項１の発明によれば、記憶手段に測定対象物の測定面における同心円に沿う形状値及び零点誤差を含む測定値が記憶される。このため、同一の測定対象物に関して記憶した古い測定値と新しい測定値とを読み出しすれば、両測定値に基づいて多点プローブにおける零点誤差の変動量を算出することができる。

請求項２の発明は、請求項１において、前記測定値には、前記測定対象物を前記回転手段にて少なくとも１回転以上回転させた際に得られた値の平均値であることを特徴とする。

請求項２の発明によれば、測定値がそれぞれ平均値としているため、円周方向の測定開始位置がずれても、測定面の形状値が不変となる。これは、例えば、３点プローブや２点プローブにより測定される変位であっても、同じ位置で再度その変位が測定できるのであれば、零点誤差の記憶、補償は可能である。しかし、例えば、１回目と２回目の円周方向の測定開始位置を同じ位置で測定できなければ、それは記憶・補償の誤差となる。しかし、請求項２の発明では、円周方向の測定開始位置がずれても、測定値が平均値であるため、測定面の形状値が不変となる。この結果、零点誤差の記憶・補償ができ、古い測定値（平均値）と新しい測定値（平均値）に基づいて零点誤差の変動量を算出することができる。

請求項３の発明は、請求項２において、前記記憶手段には、同一の前記測定対象物に関して測定されて記憶された新しい測定値（以下、第１測定値という）と、第１測定値の取得時期よりも取得時期が古い測定値（以下、第２測定値という）とが記憶され、さらに、第１測定値と第２測定値に基づいて、零点誤差の変動量を算出する算出手段を備えること特徴とする。

請求項３の発明によれば、算出手段により、第１測定値と第２測定値とに基づいて零点誤差の変動量が算出されるため、容易に零点誤差の変動が検出される。
請求項４の発明は、請求項２又は請求項３において、前記多点プローブ支持手段が、前記回転手段の径方向に移動可能に設けられ、前記測定値には、多点プローブ支持手段が前記径方向において複数の位置に移動されて、それぞれの位置において、前記測定対象物を前記回転手段にて少なくとも１回転以上回転させた際に得られた値の平均値を含むことを特徴とする。

請求項４の発明によれば、径方向に移動して複数の位置で多点プローブにより測定面が測定され、その測定値の平均が取られると、測定値に含まれる偶然誤差が少なくなる。
請求項５の発明は、請求項３又は請求項４において、前記多点プローブ支持手段が支持する複数のセンサが前記多点プローブ支持手段の移動方向に離れて設置した３つの変位センサであることを特徴とする。

請求項５の発明によれば、多点プローブが３つの変位センサにおける零点誤差の変動量が容易に求められる。
請求項６の発明は、請求項３又は請求項４において、前記多点プローブ支持手段が支持する複数のセンサが前記多点プローブ支持手段の移動方向に離れて設置した２つの２次元角度センサであることを特徴とする。

請求項６の発明によれば、多点プローブが２つの２次元角度センサにおける零点誤差の変動量が容易に求められる。

請求項１の発明によれば、多点プローブの零点誤差の変動量を容易に求めることができ、その結果、その変動量に基づいて複数のセンサのドリフトが生じた後の零点誤差の補償を容易に行うことができる。

請求項２の発明によれば、測定値が平均値であるため、測定面の形状値を不変とすることができる。すなわち、円周方向の測定開始位置がずれても、測定値が平均値であるため、測定面の形状値が不変となる。この結果、零点誤差の記憶・補償ができ、古い測定値（平均値）と新しい測定値（平均値）に基づいて零点誤差の変動量を算出することができる。

請求項３の発明によれば、算出手段によって、第１測定値と第２測定値とに基づいて零点誤差の変動量が算出されるため、容易に零点誤差の変動を検出できる。
請求項４の発明によれば、半径の異なる複数の位置で多点プローブが測定面を測定する行い、その測定値の平均が取られると、測定値に含まれる偶然誤差が少なくなるため、その結果、零点誤差の変動量の算出において、該変動量に含まれる偶然誤差を少なくすることができる。

請求項５の発明によれば、多点プローブが３つの変位センサにおける零点誤差の変動量を容易に求めることができる。
請求項６の発明によれば、多点プローブが２つの２次元角度センサにおける零点誤差の変動量を容易に求めることができる。

（第１実施形態）
以下、本発明の多点プローブの零点誤差関連値記録装置（以下、単に零点誤差関連値記録装置という）を具体化した第１実施形態を図１及び図２を参照して説明する。

図２に示すように、測定対象物としての試料２００は、スピンドル２１０上に搭載されて、スピンドル２１０の回転軸（すなわち、ｚ軸）の周りで回転自在となっている。本実施形態では試料２００の上面が測定面２０２となっている。試料２００は測定面２０２の形状が変化しないような十分な厚さを有していることが好ましく、測定面２０２は、平面であることが好ましい。又、試料２００は、本実施形態では、円板状に形成されているが、四角板状であってもよく、形状は限定されるものではない。要は、試料２００がスピンドル２１０により回転された際に、真直形状測定用の多点プローブで測定できる領域を備えていればよい。

真直形状測定用の多点プローブとしてのセンサユニット２２０は、リニアセンサキャリッジ（以下、センサキャリッジ２３０という）によりｘ方向、すなわち、スピンドル２１０の径方向に移動可能にされ、試料２００が回転手段としてのスピンドル２１０により回転しているときに、試料表面を走査する。センサキャリッジ２３０は多点プローブ支持手段に相当する。

センサユニット２２０中には３つの変位センサＡ，Ｂ，Ｃが、ｘ方向に沿うように、すなわち、センサキャリッジ２３０の移動方向に沿うように間隔ｄ_１，ｄ_２を介して設置されている。

なお、ｄ_１＝r_F−ｒ₀、ｄ_２＝r₀−ｒ_Rである（図２参照）。
本実施形態では、前記変位センサＡ，Ｂ，Ｃは、非接触式のセンサであって、静電容量型センサからなる。なお、変位センサは、非接触式の静電容量型センサに限定されるものではなく、接触式でもよく、或いは、非接触式の場合、静電容量型センサに代えて、例えば、光学センサとしてもよい。

零点誤差関連値記録装置においては、各変位センサＡ，Ｂ，Ｃからの出力は図示しないＡ／Ｄ変換等でデジタル値に変換され、パソコン等のコンピュータシステム３００に入力される。又、コンピュータシステム３００は、ＣＰＵ３１０、ＲＡＭ３２０、ＲＯＭ３３０を備えている。ＣＰＵ３１０は、読取り手段及び算出手段に相当する。コンピュータシステム３００には、ハードディスク等からなる記憶装置３４０が接続され、前記変位センサＡ，Ｂ，Ｃからの測定値が読出し可能に記憶される。

（第１実施形態の作用）
さて、試料２００における測定面２０２の半径ｒ_F，r₀，r_Rの円周上の形状をｆ（ｒ_F，θ），ｆ（r₀，θ），ｆ（r_R，θ）、各変位センサＡ，Ｂ，Ｃの出力（すなわち、測定値）をＳ_F，Ｓ₀，Ｓ_Rとする。又、ｅ_z（θ），Φ_y（θ）をそれぞれ試料２００のｚ軸方向の運動誤差、スピンドル２１０の回転軸のｙ軸周りの傾きによって生ずる運動誤差とすると、変位センサＡ，Ｂ，Ｃの出力（すなわち、測定値）はＳ_F，Ｓ₀，Ｓ_Rは、式（１）〜式（３）で表わすことができる。ここで、式（１）中のα_Ｆは、変位センサＢを基準とした、変位センサＡの零点誤差である。又、式（３）中のα_Ｒは、変位センサＢを基準とした、変位センサＣの零点誤差である。又、式（１）〜式（３）中のｆ（ｒ_F，θ），ｆ（r₀，θ），ｆ（r_R，θ）は測定対象物の測定面における同心円に沿う形状値に相当する。

変位センサＡ，Ｂ，Ｃがｙ軸上において、半径ｒ_F，r₀，r_Rにそれぞれ位置するときに、スピンドル２１０により試料２００を回転中心（すなわち、ｚ軸）の周りで１回転させた場合、この１回転中において、零点誤差関連値記録装置は所定回転角度経過する毎に、変位センサＡ，Ｂ，Ｃの出力Ｓ_F，Ｓ₀，Ｓ_R（すなわちデータ）を入力する。そして、ＣＰＵ３１０はこの測定値を記憶装置３４０に格納する。なお、所定回転角度は、例えば１度であってよく、０．５度でもよく、限定されるものではない。θは、原点位置からの回転角度である。

なお、これらの回転角度θや、センサキャリッジ２３０のｘ軸上の位置は、図示しないリニアエンコーダやロータリエンコーダ等の位置センサで検出可能である。
例えば、変位センサＢのｘ軸上の位置は前記リニアエンコーダで検出され、変位センサＡ，Ｃの位置は、変位センサＢの検出された位置とｄ_１，ｄ_２に基づいてＣＰＵ３１０により算出される。

（１回目の測定及び記録）
１回目の記録では、試料２００を１回転させ、各変位センサＡ，Ｂ，Ｃからの変位出力に添字「１」を付して、変位センサＡ，Ｂ，Ｃの出力（すなわち、測定値）を表わすと、Ｓ_F，Ｓ₀，Ｓ_Rは、式（４）〜式（６）で表わすことができる。

なお、ここでは、最初に１回目の零点誤差が公知の方法で求められていて補償されており、試料２００の表面形状が測定できる変位センサＡ〜Ｃの零点誤差は、α_Ｆ１，α_Ｒ１は既知とする。

試料２００が１回転された後、コンピュータシステム３００のＣＰＵ３１０は、１回転している際に入力された変位センサＡ，Ｂ，Ｃから得られた各測定値の平均値を算出する。

すなわち、所定回転角度が１度であれば、変位センサＡの各データを合計して３６０で割ることにより、変位センサＡで得られた表面形状の平均値が得られる。変位センサＢについても同様に変位センサＢで得られた表面形状の平均値が得られる。

ｆ（ｒ_F，θ），ｆ（r₀，θ），ｆ（r_R，θ）の平均値ＦＦ１，Ｆ０１，ＦＲ１は、試料２００の形状が変わらない限り、それぞれ不変である。運動誤差ｅ_z（θ），Φ_y（θ）の平均値をそれぞれＥＺ１，ΦＹ１とし、Ｓ_F１（θ），Ｓ_0１（θ），Ｓ_R１（θ）の平均値をそれぞれＳＦ１，Ｓ０１，ＳＲ１とすると、式（４）〜（６）は、式（７）〜（９）となる。

次に、ＣＰＵ３１０は式（７）−式（８）を演算すると、ｚ方向の運動誤差が消去されて式（１０）となる。

次に、ＣＰＵ３１０は式（８）−式（９）を演算すると、同じくｚ方向の運動誤差が消去されて式（１１）となる。

又、ＣＰＵ３１０は、式（１０）×（r₀−r_R）/( r_F−r0)を演算すると、式（１２）が得られる。

次に、ＣＰＵ３１０は式（１２）−式（１１）を演算すると、運動誤差解消値を表わす式（１３）を得る。

ここで、式（１３）では、回転軸のｙ軸周りの傾きによる運動誤差も消去されている。又、式（１３）において、左辺は表面形状の２回差分に関するものであり、右辺は「測定して得られた値＋零点誤差」に関するものとなる。

このようにして、ＣＰＵ３１０は、１回目の測定値を記憶装置３４０に行うとともに、前述した測定のための演算を行い、この演算結果を記憶装置３４０に記憶する。
この１回目の測定値は第２測定値に相当する。

（２回目の測定及び記録）
１回目の測定後においては、温度ドリフト等によって変位センサＡ，Ｂ，Ｃの零点誤差が変動する。そこで、１回目の測定及び記録がされた後、新たにワークの表面形状を測定する場合、２回目の測定においては、コンピュータシステム３００のＣＰＵ３１０は、試料２００が１回転中に入力された変位センサＡ，Ｂ，Ｃから得られた各測定値の平均値等を「１回目の測定及び記録」と同様に算出する。そして、ＣＰＵ３１０はその算出結果等を記憶装置３４０に記憶する。この２回目の測定値は第１測定値に相当する。

ここでは、説明の便宜上、詳細な説明を省略するが、式（７）〜式（１２）中、１回目の測定で説明した各変数に添字「１」の代わりに添字「２」を付けて表わせば、「２回目の測定」の結果が同様に得られる。又、「１回目の測定」の欄で得られた式（１３）は、２回目の測定での運動誤差解消値は、式（１４）で表わされる。

１回目の運動誤差解消値を表わす式（１３）と２回目の運動誤差解消値を表わす式（１４）を比較すると、同一の試料２００を測定しているため、その表面形状は変化しないとしてもよいから、ＦＦ２＝ＦＦ１，Ｆ０２＝Ｆ０１，ＦＲ２＝ＦＲ１であり、右辺第１項は同じになる。従って、ＣＰＵ３１０は、式（１４）−式（１３）をＣＰＵ３１０は演算することにより、零点誤差の変動量を算出する。式（１５）は式（１４）−式（１３）で演算された零点誤差の変動量を求めるための式である。

なお、ｄ_１＝ｒ_Ｆ−ｒ_０、ｄ_２＝ｒ_０−ｒ_Rである。

ここで、式（１５）中、ｒ_F，r₀，r_Rは、前述したように図示しないリニアエンコーダの検出値及び、ｄ_１，ｄ_２に基づいて得られる既知の値であり、演算結果として記憶装置３４０に格納されている。又、ＳＦ１，ＳＦ２，Ｓ０１，Ｓ０２，ＳＲ１，ＳＲ２は第１回目と第２回目の算出値であり、演算結果として記憶装置３４０に格納されている。

このようにして零点誤差の変動量が求められると、１回目の零点誤差が既知となっているため、この零点誤差の変動量を既知の値である１回目の零点誤差に加算又は減算するだけで、センサのドリフトが生じた後における新たな零点誤差の補償量が得られる。このようにして、この零点誤差の変動量に基づいて、零点誤差の補償することが可能となる。

なお、間隔ｄ_１，ｄ_２が同じ、すなわち、変位センサＡ，Ｂ，Ｃが等距離に離間している場合は、式（１５）は、簡単になって式（１６）で表わされる。

このように、変位センサＡ，Ｂ，Ｃが等距離に離間している場合は、零点誤差の変動量を容易に求めることができる。

以上のようにして、ドリフトによって変位センサの零点誤差の変動があった場合、上記の零点誤差関連値記録装置によって、零点誤差の変動量が求められ、精度の高い零点補償を行うことができる。

従って、例えば、形状測定装置に隣接して零点誤差関連値記録装置を設けておいて、形状測定装置によりワークの形状測定ができる領域と、スピンドル２１０上の試料２００の測定面２０２の形状測定ができる領域をセンサキャリッジ２３０によって、センサユニット２２０を移動できるようにするしておくことが好ましい。

第１実施形態では、下記の特徴を有する。
（１） 零点誤差関連値記録装置は、測定面２０２を有する試料２００（測定対象物）と、試料２００を回転させるスピンドル２１０（回転手段）と、複数の変位センサＡ，Ｂ，Ｃを含む真直形状測定用のセンサユニット２２０（多点プローブ）を試料２００の測定面２０２に相対するように支持するセンサキャリッジ２３０（多点プローブ支持手段）を備える。又、零点誤差関連値記録装置は、試料２００が１回転する間において、試料２００が所定回転角度回転する毎に変位センサＡ，Ｂ，Ｃから、試料２００の測定面２０２における同心円に沿う形状値ｆ（ｒ_F，θ），ｆ（r₀，θ），ｆ（r_R，θ）及び零点誤差を含む測定値を読取るＣＰＵ３１０（読取り手段）を備えるようにした。そして、零点誤差関連値記録装置は、読取りした形状値及び零点誤差を含む測定値を読出し可能に記憶する記憶装置３４０（記憶手段）を備えるようにした。

この零点誤差関連値記録装置によれば、記憶装置３４０に試料２００の測定面２０２における同心円に沿う形状値及び零点誤差を含む測定値が記憶される。このため、同一の試料２００に関して記憶した古い測定値と新しい測定値とを読み出しすれば、両測定値に基づいてセンサユニット２２０（多点プローブ）における変位センサＡ，Ｂ，Ｃの零点誤差の変動量を算出することができる。この結果、センサユニット２２０（多点プローブ）の変位センサＡ，Ｂ，Ｃの零点誤差の変動量を容易に求めることができ、その変動量に基づいて複数のセンサのドリフトが生じた後の零点誤差の補償を容易に行うことができる。

（２） 本実施形態の零点誤差関連値記録装置では、記憶装置３４０には、同一の試料２００に関して測定されて記憶された新しい測定値と、第１測定値の取得時期よりも取得時期が古い測定値とが記憶され、さらに、第１測定値と第２測定値に基づいて、零点誤差の変動量を算出するＣＰＵ３１０を備えるようにした。

この結果、ＣＰＵ３１０により、第１測定値と第２測定値とに基づいて零点誤差の変動量が算出されるため、容易に零点誤差の変動が検出できる。
（３） 本実施形態の零点誤差関連値記録装置は、第１測定値、及び第２測定値には、試料２００をスピンドル２１０（回転手段）にて１回転回転させた際に得られた値の平均値を含むようにした。この結果、本実施形態の零点誤差関連値記録装置は、同一の試料２００を測定して得られた第１測定値と第２測定値がそれぞれ平均値であるため、測定面２０２の形状値を不変となる。これは、測定面２０２は、円周方向の測定開始位置（すなわち、測定開始点）がずれても、その測定開始点から１周分したときに得られた測定値の平均値である測定面の形状値が不変となることを利用している。この結果、零点誤差の変動量の算出の際に形状値の影響を受けることがない。

（４） 本実施形態の零点誤差関連値記録装置は、センサキャリッジ２３０（多点プローブ支持手段）が支持する複数の変位センサＡ，Ｂ，Ｃがセンサキャリッジ２３０の移動方向に離れて設置されている。この結果、センサユニット２２０（多点プローブ）が３つの変位センサにおける零点誤差の変動量を容易に求めることができ、既知のドリフトが生ずる前の零点誤差に対する変動量が求まるため、容易に複数のセンサのドリフトが生じた後の零点誤差を算出できるとともに零点誤差の補償を容易に行うことができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態の零点誤差関連値記録装置を図３〜７を参照して説明する。なお、第１実施形態と同一又は相当する構成については同一符号を付す。第２実施形態は多点プローブであるセンサユニット２２０に２つの角度センサＰ，Ｑを備えていることが第１実施形態と異なっている。

図４に示すように、試料２００は、スピンドル２１０上に搭載されて、回転中心（すなわち、ｚ軸）の周りで回転自在となっている。センサユニット２２０は、センサキャリッジ２３０によりｘ方向に移動可能にされ、試料２００がスピンドル２１０により回転しているときに、試料２００の測定面２０２を走査する。

センサユニット２２０中には２つの２次元角度センサ（以下、角度センサという）Ｐ，Ｑが、ｘ方向に沿うように、すなわち、センサキャリッジ２３０の移動方向に沿うように間隔ｄを介して設置されている。このセンサユニット２２０の構成等については、後で詳しく説明する。なお、図３においては円形の試料２００を例としているが、試料２００の形状は、円形に限定されるものではなく、他の形状であってもよい。

零点誤差関連値記録装置においては、各角度センサＰ，Ｑからの出力は図示しないＡ／Ｄ変換等でデジタル値に変換され、パソコン等のコンピュータシステム３００に入力される。

角度センサＰ，Ｑは同一構成のため、角度センサＱについて説明する。角度センサＱは、レーザ光源２３１と、ビームスプリッタ２３２と、ＰＳＤ（２次元半導体位置検出素子）２３３とを有する。ＰＳＤ２３３の出力は、コンピュータシステム３００のＣＰＵ３１０に出力され処理される。角度センサＱにおいて、レーザ光源２３１から射出されたレーザ光束は、ビームスプリッタ２３２で反射され、対物レンズ２３４を介して試料２００のサンプリング点に向かう。サンプリング点で反射したレーザ光は、対物レンズ２３４、ビームスプリッタ２３２を通過して、ＰＳＤ２３３に至る。

ここで、サンプリング点が入射レーザ光に直交している場合には、その反射光は、ＰＳＤ２３３の中心に入射する。ところが、サンプリング点に傾斜があると、サンプリング点で反射したレーザ光は、ＰＳＤ２３３の中心からずれた位置に入射するので、その差に応じた電気信号を測定値としてＣＰＵ３１０に出力することにより、サンプリング点における傾斜角度、すなわち局所２次元傾斜角度の測定ができる。

さらに、２次元角度センサの測定原理の詳細について説明する。図６には、２次元角度センサの原理図が図示されている。
２次元角度センサは基本的に試料２００や図示しないワークの面の２次元傾斜を検出するためのものである。入射ビームを細くすることにより、表面の２次元局部スロープの検出に用いることができる。２次元傾斜を検出するには、図６に示す光てこと呼ばれる方法が一番簡便な方法として知られている。

図６において、Ｚ軸方向に沿ってレーザービーム２５０を試料２００の面に入射する。試料２００の面が傾斜している場合には、ＰＳＤ２３３上の反射光線の光点の位置が傾斜角に応じて変化する。光点の座標変化量Δｘ，Δｙを検出することにより、次式よりｘ，ｙ軸回りの傾斜角変化Δα，Δβを求めることができる。

なお、Ｌは試料２００の面からＰＳＤ２３３までの距離である。

この方法は、試料２００の面からＰＳＤ２３３までの距離Ｌが変化した場合に測定結果に誤差が生ずる問題がある。
このため、図７に示すように試料２００とＰＳＤ２３３の間にコリメートレンズ（すなわち、対物レンズ２３４）を入れ、オートコリメーションの原理によって角度検出を行う。図７に示すように、対物レンズ２３４を試料２００とＰＳＤ２３３の間に置くと、試料面傾斜とＰＳＤ２３３上の光点座標との関係は対物レンズ２３４の焦点距離Ｆのみに依存することになり、傾斜検出精度は向上できる。この場合の傾斜角は次式のように表される。

本実施形態の零点誤差関連値記録装置に使用する２次元角度センサでは、このオートコリメーション方式が採用されている。

ここで、前記角度センサＰ，Ｑを使用してワークの表面の高さ形状の測定の仕方を以下に説明する。なお、ここでの説明は、説明の便宜上、試料２００をワークとして扱う。
図４に示すように試料２００は、スピンドル２１０上に搭載されて回転可能にされている。センサユニット２２０は、図５に示すようにセンサキャリッジ２３０によりｘ方向に移動可能であり、試料２００がスピンドル２１０により回転しているときに、試料２００の表面を走査する。センサユニット２２０中には２つの角度センサＰ，Ｑという）がｘ方向に沿うように間隔ｄを介して設置されている。

表面形状を測定する場合、各角度センサＰ，Ｑからの出力はコンピュータ・システムに入力されて、以下に説明する演算が行われる。
図５は、センサユニット２２０で測定する試料面のデータのサンプリング点を示す図である。図５に示すように、ｘ方向の走査は、試料２００の回転中心から始まっており、各サンプリング点（すなわち、サンプリング位置）はｘ_ｉ（ｉ＝１，２，…，Ｍ）とする。２つの角度センサＰ，Ｑの間隔ｄとサンプリング間隔ｓは径方向において同じとする。サンプリング点ｘ_ｉにおいて、試料２００上の二つの同心円がセンサユニット２２０内の２つの角度センサＰ，Ｑによって走査される。円周上のサンプリング位置をθ_ｊ（ｊ＝１，２，…，Ｎ）とする。センサユニット２２０のｘ方向出力（ｙ軸回りの局部スロープに対応）μ_Ｐｙ（ｘ_ｉ，θ_ｊ），μ_Ｑｙ（ｘ_ｉ，θ_ｊ）はそれぞれ次のように表される。なお、サンプリング位置（ｘ_ｉ，θ_ｊ）は、図示しないリニアエンコーダやロータリエンコーダ等の位置センサで検出可能である。

なお、ｉ＝１，２，…，Ｍ−１，ｊ＝１，２，…，Ｎである。又、ｅ_cＸ（ｘ_ｉ）は、センサキャリッジ２３０のロール誤差、ｅ_ＳＸ（ｘ_ｉ，θ_ｊ）はスピンドル２１０のｘ軸回りのアンギュラ誤差であり、ともに運動誤差である。α_Ｐとα_Ｑは角度センサＰ，Ｑのオフセットであり、真平らな平面を測定したときに角度センサＰ，Ｑに現れる出力である。ｆ'ｙ（ｘ，θ）は試料表面のｙ軸局部スロープであり、次のように定義される。

そして、センサキャリッジ２３０及びスピンドル２１０の運動誤差を取り除いた差動出力Δμｙ（ｘ_ｉ，θ_ｊ）は式（２２）から式（２１）を引くことにより次のようになる。

ここで、ｉ＝２，３，…，Ｍ−１，ｊ＝１，２，…，Ｎである。

そして、固定したθｊ（ｊ＝１，２，…，Ｎ）において、ｆ'_ｙ（ｘ_ｉ，θ_ｊ）はΔμ_ｙ（ｘ_ｉ，θ_ｊ）の積分から次のように求められる。

ただし、ｉ＝２，３，…，Ｍ−１，ｊ＝１である。

固定したｘ_ｉ（ｉ＝２，３，…，Ｍ）において、試料２００のｉ番目の同心円上の高さ形状ｆ（ｘ_ｉ，θ_ｊ）は、ｆ'_ｙ（ｘ_ｉ，θ_ｊ）の積分から求めることができる。なお、ｆ'_ｙ（ｘ_ｉ，θ_ｊ）の積分の求め方は公知であるので、ここでは説明を省略する。

（第２実施形態の作用）
さて、上記のように構成された零点誤差関連値記録装置の作用を説明する。
（１回目の測定及び記録）
まず、センサユニット２２０の角度センサＰ，Ｑがサンプリング点ｘ_ｉ，ｘ_ｉ＋１にそれぞれ位置するときにおいて、スピンドル２１０により試料２００を回転中心（すなわち、ｚ軸）の周りで１回転させる。この１回転中において、露点記録装置は所定回転角度経過する毎に、角度センサＰ，Ｑの測定値を入力し、記憶手段としての記憶装置３４０に格納する。なお、所定回転角度は、例えば１度であってよく、０．５度でもよく、限定されるものではない。

これらの角度や、サンプリング位置は、第１実施例と同様に、図示しないリニア・エンコーダやロータリエンコーダ等の位置センサで検出可能である。
１回転された後、コンピュータシステム３００のＣＰＵ３１０は、１回転している際に入力された角度センサＰ、Ｑから得られた各測定値の平均値を算出する。

すなわち、所定回転角度が１度であれば、角度センサＰの各データを合計して３６０で割ることにより、角度センサＰで得られた表面形状の平均値が得られる。角度センサＱについても同様に角度センサＱで得られた表面形状に関する測定値の平均値が得られる。このときの測定値は第２測定値としてＣＰＵ３１０は記憶装置３４０に記憶する。

この平均値の算出によって、式（２１）、式（２２）については、下記のように変形することができる。

なお、式（２６）、式（２７）は、下記のように、式（２１）、式（２２）中で記載されたものを平均化することにより得られたものである。「数１８」で示されている各式の右辺は平均化された値である。

そして、ＣＰＵ３１０は式（２７）−式（２６）の算出を行うことにより、零点誤差αの算出ができる。

そして、このようにして得られた零点誤差αは、他のワークの表面形状を測定して算出する際、零点誤差補償に使用される。又、このときの零点誤差αはＣＰＵ３１０により記憶装置３４０に記憶される。

（２回目の測定及び記録）
１回目の測定後においては、温度ドリフト等によって角度センサＰ，Ｑの零点誤差が変動する。そこで、１回目の測定及び記録がされた後、新たにワークの表面形状を測定する場合、２回目の測定においては、コンピュータシステム３００のＣＰＵ３１０は、試料２００が１回転中に入力された角度センサＰ，Ｑから得られた各測定値の平均値等を「１回目の測定及び記録」と同様に算出する。そして、ＣＰＵ３１０はその算出結果等を記憶装置３４０に記憶する。この２回目の測定値は第１測定値に相当する。

又、ＣＰＵ３１０は、「１回目の測定及び記録」の欄で説明した内容と同様に零点誤差α１を算出する。そして、α１−αを算出することにより、零点誤差の変動量を得る。
以上のようにして、温度ドリフト等によって角度センサＰ，Ｑの零点誤差の変動があった場合、上記の零点誤差関連値記録装置によって、零点誤差の変動量が求められ、精度の高い零点補償を行うことができる。

第２実施形態においても、例えば、ＮＣ加工装置に隣接して零点誤差関連値記録装置を設けておいて、ＮＣ加工装置の加工ワークの形状測定ができる領域と、スピンドル２１０上の試料２００の測定面２０２の形状測定ができる領域をセンサキャリッジ２３０によって、センサユニット２２０を移動できるようにするしておくことが好ましい。

第２実施形態では、第１実施形態の作用効果（１）〜（３）と同様の作用効果を奏する他、下記の特徴を有する。
（１） 本実施形態の零点誤差関連値記録装置は、センサキャリッジ２３０（多点プローブ支持手段）が支持する複数の角度センサＰ，Ｑがセンサキャリッジ２３０の移動方向に離れて設置されている。この結果、センサユニット２２０（多点プローブ）が２つの角度センサＰ，Ｑにおける零点誤差の変動量を容易に求めることができ、この変動量に基づいて、容易に複数のセンサのドリフトが生じた後の零点誤差の補償を容易に行うことができる。

なお、本発明の実施形態は前記各実施形態に限定されるものではなく、下記のように変更してもよい。
○ 第１実施形態では、試料２００を１回転したときの、各変位センサＡ，Ｂ，Ｃの出力の平均値を算出したが、２回転、或いは３回転以上を回転させてその各変位センサの出力の平均値を算出するようにしてもよい。なお、本明細書において、１回転以上とは整数回転させることを意味している。

○ 第１実施形態では、ｘ方向（すなわち、径方向）の位置において変位センサＡ，Ｂ，Ｃを特定の位置に固定した状態で試料２００の１回転の回転をインターバルをおいて、２回行い、各回の変位センサＡ，Ｂ，Ｃの出力に基づいて、各変位センサの測定値の平均値を算出した。そして、各回における各変位センサＡ〜Ｃの平均値に基づいて、測定時の運動誤差を消去して、各回における運動誤差解消値を演算し、両運動誤差解消値の差分を演算して、前記インターバル間の零点誤差の変動量を得るようにした。

変位センサＡ，Ｂ，Ｃを特定の位置に固定する代わりに、センサキャリッジ２３０を径方向において複数の位置に移動させて、それぞれの位置で、試料２００をスピンドル２１０にて１回転、或いは２回転以上させた際に得られた変位センサＡ，Ｂ，Ｃの各出力に基づき各変位センサＡ，Ｂ，Ｃの測定値の平均値を演算するようにしてもよい。この場合、各測定値は、記憶装置３４０に記憶されるものとする。

このようにすると、各変位センサＡ〜Ｃの総ての測定位置における測定値が得られて、その平均値が算出されるため、偶然誤差が少なくなり、精度の高い零点誤差の変動量を算出でき、その結果、精度の高い零点誤差の補償を行うことができる。

○ 第２実施形態では、ｘ方向（すなわち、径方向）の位置において角度センサＰ，Ｑを特定のサンプリング点ｘｉ，ｘｉ＋１に固定した状態で試料２００を１回転させ、角度センサＰ，Ｑの測定値を得て、零点誤差を算出するようにした。

この代わりに、センサキャリッジ２３０を径方向（すなわち、ｘ方向）において複数の位置に移動させて、それぞれの位置において、試料２００をスピンドル２１０にて１回転させた際に得られた角度センサＰ，Ｑの各出力の平均値を演算するようにしてもよい。この演算は、前記第２実施形態と同様に行われる。

そして、それぞれの位置における角度センサＰ，Ｑの各出力の平均値をそれぞれ各出力毎に全部加算した後、その加算値を、加算した個数で割って各角度センサＰ，Ｑの出力の総平均値を演算し、両者の総平均値の差を零点誤差として得るようにしてもよい。

この場合、センサユニット２２０を角度センサＰ，Ｑの間隔ｄとサンプリング間隔ｓを径方向（すなわち、ｘ方向）において同じにして移動させることが好ましいが、限定されるものではない。

このようにすると、それぞれの位置における各出力の平均値に基づいて各出力の総平均値を演算し、両者の総平均値の差を零点誤差として得るため、偶然誤差を少なくすることができる。そして、精度が高い零点誤差を得ることができることから、算出される零点誤差の変動量も高い精度となり、その結果、高精度の零点誤差の補償を行うことができる。

○ 又、第１実施形態及び第２実施形態では説明はしていないが、スピンドルを回転自在に支持する軸受を静圧軸受とすれば、試料２００の形状に含まれる偶然誤差を小さくしてもよい。このようにすれば、零点誤差の変動量の算出も高精度のものとなり、補償精度も高めることができる。

○ さらに、試料２００の円周上の形状を測定する際に、スピンドルを最初駆動した後、惰性で回転させるようにすれば、偶然誤差をさらに減少させることができる。
○ 第２実施形態においては、２次元角度センサを使用したが、２次元である必要はない。２つのセンサを結ぶ線を図４のＸ軸としたとき、Ｙ軸周りの角度を測定できるものであればよい。又、角度センサの方式、構造も第２実施形態で説明した２次元角度センサに限定されるものではなく、他の構造に変更してもよい。

本発明を具体化した第１実施形態の零点誤差関連値記録装置の概略図。 試料、スピンドル、センサユニットの配置関係を示す説明図。 本発明を具体化した第２実施形態の零点誤差関連値記録装置における零点誤差演算装置の概略図。 試料、スピンドル、センサユニットの配置関係を示す説明図。 センサユニットの走査におけるサンプリング位置を示す説明図。 角度センサの原理を示す説明図。 角度センサの原理の改良を示す説明図。

符号の説明

２００…試料（測定対象物）、
２１０…スピンドル（回転手段）、
２２０…センサユニット（多点プローブ）、
２３０…センサキャリッジ（多点プローブ支持手段）、
３００…コンピュータシステム、
３１０…ＣＰＵ（読取り手段、算出手段）、
３４０…記憶装置（記憶手段）、
Ａ，Ｂ，Ｃ…変位センサ、
Ｐ，Ｑ…角度センサ。

Claims (6)

1. 測定面を有する測定対象物と、
   前記測定対象物を回転させる回転手段と、
   複数のセンサを含む真直形状測定用の多点プローブを前記測定対象物の測定面に相対するように支持する多点プローブ支持手段と、
   少なくとも前記測定対象物が１回転する間において、前記測定対象物が所定回転角度回転する毎に前記複数のセンサから、前記測定対象物の測定面における同心円に沿う形状値及びプローブの零点誤差に基づく誤差を含む測定値を読取る読取り手段と、
   前記読取り手段が読取りした測定値を読出し可能に記憶する記憶手段とを備えたことを特徴とする多点プローブの零点誤差関連値記録装置。
2. 前記測定値は、前記測定対象物を前記回転手段にて少なくとも１回転以上回転させた際に得られた値の平均値であることを特徴とする請求項１に記載の多点プローブの零点誤差関連値記録装置。
3. 前記記憶手段には、同一の前記測定対象物に関して測定されて記憶された新しい測定値（以下、第１測定値という）と、第１測定値の取得時期よりも取得時期が古い測定値（以下、第２測定値という）とが記憶され、
   さらに、第１測定値と第２測定値に基づいて、零点誤差の変動量を算出する算出手段を備えたことを特徴とする請求項２に記載の多点プローブの零点誤差関連値記録装置。
4. 前記多点プローブ支持手段が、前記回転手段の径方向に移動可能に設けられ、
   前記測定値には、多点プローブ支持手段が前記径方向において複数の位置に移動されて、それぞれの位置において、前記測定対象物を前記回転手段にて少なくとも１回転以上回転させた際に得られた値を含むことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の多点プローブの零点誤差関連値記録装置。
5. 前記多点プローブ支持手段が支持する複数のセンサが前記多点プローブ支持手段の移動方向に離れて設置した３つの変位センサであることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の多点プローブの零点誤差関連値記録装置。
6. 前記多点プローブ支持手段が支持する複数のセンサが前記多点プローブ支持手段の移動方向に離れて設置した２つの２次元角度センサであることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の多点プローブの零点誤差関連値記録装置。

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