JP2009085833A

JP2009085833A - 測定装置

Info

Publication number: JP2009085833A
Application number: JP2007257708A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Kiyono; 慧清野
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-10-01
Filing date: 2007-10-01
Publication date: 2009-04-23

Abstract

【課題】長尺の基準定規や大型の平面基準を分割して、必要な長さを構成し、個々の分割部を被測定面の姿勢表示物体として使用することで、基準の変形を少なくし、センサとその対象面の組み合わせを最適化することのできる技術を提供する。
【解決手段】姿勢表示物体ＯＢＪは、同一の面に設置した時の表示傾斜角度および表示高さの違いが校正されているため、それらを被測定面ＰＬ上に配置すると、姿勢表示物体ＯＢＪが置かれた被測定面ＰＬの極所的な傾斜と高さが読み取れる。そのとき、表示物体表面ＯＢＪに付与されるセンサ用のターゲットＴＧは使用するセンサＡ，Ｂに最適な表面性状を持たせることが出来る。
【選択図】図６

Description

本発明は、測定技術に関し、特に真直形状、面形状および直線運動誤差の測定を簡易に高精度に行う方法に関する。

面形状や断面直線形状および、直線運動誤差の測定をするためには、基準となる直定規との比較測定を実施することが多い。また、基準定規が使えないときには多点法により運動誤差と形状を分離することで所要の測定量を得る方法が採られる。

測定対象が大型化するのにともない、基準定規が長尺化し、基準直定規の作成が困難になるだけでなく、高精度の定規の運搬にも困難が生じ、また、大型の基準定規は使用時の弾性変形、熱変形が基準精度を低下させるなどの問題がある。

このことは、市販されている高級ストレートエッジ(直定規)JISＡ級のもので１ｍ長で６μｍ、４ｍ長で１８μｍまでしか真直度が保証されず、高精度の工作機械の測定基準には一桁以上の精度不足となっている現状にも表れている。（例えば、新潟理研測範カタログ参照）

これに対して、複数のセンサにより多点で被測定面の角度や形状高さを測定する、いわゆる多点法を用いることもできるが、かかる多点法では、複数のセンサ間のゼロ点の違いが問題になり、又、例えゼロ点を予め校正したとしても、時間経過とともにドリフトが生じることが問題になる。また、被測定面の材質、表面性状によって利用できるセンサが変わり、多くの種類のセンサを用意する必要が生じる。さらに、多点法においては、測定点位置決めの正確さが求められ、位置決め用のエンコーダを備えない工作機械などでは理論どおりの精度が期待できないことがある。

本発明は、かかる問題点に鑑み、長尺の基準定規や大型の平面基準を分割して、必要な長さを構成し、個々の分割部を被測定面の姿勢表示物体として使用することで、基準の変形を少なくし、センサとその対象面の組み合わせを最適化することのできる技術を提供する。また、この姿勢表示物体と多点法を組み合わせて、多点法におけるゼロ点誤差のドリフトの問題を解決する測定装置を提供することを目的とする。

本発明は、被測定面に対してそれぞれ当接する、間隔が既知の３つの凸部、あるいは間隔が既知の平行な直線状の２つの凸部を有する少なくとも１つの姿勢表示物体と、空間に固定された基準に設けられ、前記姿勢表示物体の姿勢（傾き、高さ等）を検出する少なくとも１つの姿勢読取部とを備え、前記被測定面の局所的な高さと、傾斜あるいは局所的な傾斜の差分の少なくとも１つを測定することを特徴とする。

本発明は、長尺の直定規や、大型の基準面を小型の姿勢表示物体群に分割し、それらの相互の姿勢表示値の違いを予め校正した上で被測定面上に置くことで、被測定面の真直形状や面形状を局所的な傾斜と高さの集まりとして表示することを特徴とする。

本発明はまた、被測定面と姿勢表示物体の姿勢読取部を相対的に走査移動する際の運動誤差を分離するために多点法が適用できる。また、そのとき個々の姿勢表示物体に、多点法における複数のセンサの測定ターゲットを設けて、測定ターゲット間の姿勢表示値の違いを予め校正しておいて、多点法プローブにおけるゼロ点誤差の変動を被測定物の測定中にその場で検証することを特徴とする。

本発明の姿勢表示物体群は、同一の面に設置した時の表示傾斜角度および表示高さの違いが校正されているため、それらを被測定面上に配置すると、姿勢表示物体が置かれた被測定面の極所的な傾斜と高さが読み取れる。そのとき、表示物体表面に付与されるセンサ用のターゲット面は使用するセンサに最適な表面性状を持たせることが出来る。

また被測定面と姿勢表示物体の姿勢読取部を相対的に走査移動する際の運動誤差を分離するための多点法に対して、複数のセンサのゼロ点の違いは予め校正しておくことが出来るが、一つの姿勢表示物体に多点法の全センサのターゲット面を持たせると、それらのターゲット面相互の姿勢表示値の校正値から、多点法プローブのゼロ点の変動を確認することも出来る。

以下、図と式を使って本発明について説明する。図１（ａ）は、本発明の一例である姿勢表示物体ＯＢＪの裏側（被測定面に対向する側）の模式的構造を示すもので、凸部としての球（被測定面接触用球）ＳＰが３個配置され、各球ＳＰの頂点を結ぶ三角形の各辺の長さが既知となっている。ここでは、ｘ方向（図１（ａ）で左右方向）の接点間隔がLx、ｙ方向（図１（ａ）で上下方向）の接点間隔がLyと定義される。また図１（ｂ）は、本発明の別例である姿勢表示物体ＯＢＪの斜視図であり、２本の平行な直線状の凸部としての円筒（被測定面接触用円筒）ＣＹがｘ方向に間隔Lxで配置されている。この構造では、接触点のｘ方向の間隔Lxのみが決められる。また、2個の姿勢表示物体ＯＢＪを接近させうる最小の間隔はLsとなり、Lxよりは大きくならざるを得ない。

図2は、角度センサ用の読み取りターゲット（角度センサ用ターゲット）ＴＧを１つ、上面の支柱の上端に取り付けて有する姿勢表示物体ＯＢＪを示す側面図である。その裏面の構成は、図1（ａ）と図１（ｂ）に示されたいずれの形でもよいが、後述する図4のように、2個以上の姿勢表示物体ＯＢＪを間隔Ｌｘで連結して用いる場合には、図1（ａ）の例が好ましい。尚、角度センサ用ターゲットＴＧは、後述する角度センサからの出射光を反射できる平面鏡であると好ましい。

図３（ａ）は、角度センサ用の読み取りターゲットＴＧを3つ有する、ゼロ点確認用姿勢表示物体ＣＯＢＪを上面から見た図であり、図３（ｂ）は、それを側面から見た図である。間隔Ｌｘにある両側のターゲットＴＧの表示値が予め校正されていて、角度2点法のゼロ点誤差の確認に使える。なお、図２、図３で示した、角度センサ用ターゲットＴＧは、２次元の傾斜について校正されていれば、２次元の傾斜測定に用いることが出来る。

図４は、複数の図１（ａ）の姿勢表示物体ＯＢＪと、図３に示す姿勢表示物体ＣＯＢＪを連結した状態を示す側面図である。姿勢表示物体ＯＢＪは、一端が三角形状に尖っており、他端がそれに応じてへこんでいて、２つの姿勢表示物体ＯＢＪを連結する場合は、一端と他端とを係合させる。このとき、他端側に形成された２つの球ＳＰ間の中央に、一端側に形成された球ＳＰが配置され、各球ＳＰの頂点が一直線上になると好ましい。これを言い換えると、連結された２つの姿勢表示物体ＯＢＪの一端に設けられた球のｘ方向の間隔はＬｘとなる。尚、姿勢表示物体ＣＯＢＪは、ターゲットをのぞき同様な形状であると望ましい。

図６は、姿勢表示物体ＯＢＪを被測定面ＰＬにｘ方向に間隔Lxで置いた状態で、ステージの表面である被測定面ＰＬを図で左方に移動させて、２つの姿勢表示物体ＯＢＪのｘ方向の傾斜を二つの角度センサＡ，Ｂで同時に読み取る際のステップを示す図である。尚、図６（ｃ）に示す、ゼロ点誤差確認用の姿勢表示物体ＣＯＢＪには、角度センサＡ，Ｂの読取ターゲットＴＧが間隔Lxで両端に２箇所に付与されている。姿勢表示物体ＣＯＢＪを水平面に置いたときのこの２箇所の傾斜表示値は、予め校正されているものとする。また、間隔Lxにある２箇所のターゲットＴＧの校正値は、幅ｂでの平均値でも、間隔Lxでの２箇所のターゲット上の所定の位置で与えてもよい。なお、２箇所の傾斜表示値の校正は、二つの角度センサのゼロ点調整と同時に行うことも、また、ゼロ点調整後の二つの角度センサを使って行うことも出来る。

図６において、被測定面のx方向の局所的傾斜を表示するために、姿勢表示物体ＯＢＪをN個配置し、N個の姿勢表示物体ＯＢＪの内１番目、２番目、3番目を中心に図示している。それぞれの姿勢表示物体ＯＢＪは、間隔Lxで１個の角度センサ用ターゲットＴＧを有し、それぞれが局所的傾斜を表示することとなる。校正が済んでいるので両ターゲットＴＧは、2箇所の局所的傾斜を表示することになる。姿勢読取部として、不図示の剛体（空間に固定された基準）に、間隔Lxでｘ方向の傾斜を読み取る角度センサＡと角度センサＢを配置している。角度センサＡ、Ｂは、例えば半導体レーザとＣＣＤとを有し、半導体レーザから姿勢表示物体ＯＢＪに向かって出射した光束がターゲットＴＧで反射され、それをＣＣＤで受光したときに、受光位置に応じて信号を出力するので、これに基づきターゲットＴＧ即ち姿勢表示物体ＯＢＪの傾きを検出できるようになっている。

図６（ａ）、図６（ｂ）では、２個の角度センサＡ、Ｂが、連続する２つの姿勢表示物体ＯＢＪのそれぞれのターゲットＴＧの傾斜を検出している状態を示し、図６（ｃ）では、二つの角度センサＡ，Ｂが、一つの傾斜表示物体ＣＯＢＪにおける２つのターゲットＴＧの傾斜を検出している状態を示している。なお、被測定面ＰＬはｘ軸方向に移動可能なステージの表面となっている。

被測定面ＰＬの一つの断面に沿う間隔Lxでのｘ方向の傾斜角をα₁、α₂、、、α_K-1、α_K、α_K+1、、、α_Nとすると、N個の姿勢表示物体はそれぞれの傾斜角に、傾斜読取部の基準軸に対するステージの全体としての傾斜角φ_K（K=1〜N）を加えたものになる。

図６（ａ）において、角度センサAの出力μ_A1と角度センサBの出力μ_B1はそれぞれ、次式で与えられる。
μ_A1＝α₁＋φ₁ （１）
μ_B1＝α₂＋φ₁ （２）
更に、走査運動誤差の影響を受けない、被測定面ＰＬの傾斜角の差分が次式で求められる。
α₂−α₁＝μ_A1−μ_B1 （３）

次に、被測定面ＰＬをｘ方向左方に距離Ｌｘだけ移動させ、図６（ｂ）において、角度センサAの出力μ_A2と角度センサBの出力μ_B2はそれぞれ、次式で与えられる。
μ_A2＝α₂＋φ₂ （４）
μ_B2＝α₃＋φ₂ （５）
これらの式より、図６（ａ）の場合と同様に、傾斜角の差分α₃−α₂が求められる。以下同様に、Ｋ番目の測定位置で、傾斜角の差分α_K+1−α_Kが求められる。

また、式（２）と式（４）から、被測定面ＰＬの姿勢変化φ₂−φ₁が、次式のように求められる。以上より、ｘ方向における被測定面ＰＬの形状を精度良く求めることができる。
φ₂−φ₁＝μ_A2−μ_B1 （６）

ここでは、N番目（最後）の姿勢表示物体ＣＯＢＪは、３つのターゲットを有しているものとするので、中央のターゲットＴＧを測定した後に、さらにLx／２だけｘ方向に相対移動して、N+1番目の位置で、センサA、Bで同じN番目の姿勢表示物体ＣＯＢＪの姿勢を読み取る。そのときのセンサの出力は、次式で与えられる。
μ_AN＝α_N＋φ_N+1 （７）
μ_BN＝α_N＋φ_N+1 （８）

ここで、両センサＡ、Ｂの出力は同じでなければならないが、仮に違いが生じたときには、センサのドリフトによるゼロ点の変動とみなして、角度2点法のゼロ点誤差を修正し、測定における出力を補正することにする。かかる補正値によって、上述のように求めた傾斜角の差分と姿勢変化のデータを補正することができる。また、図6ではN番目の姿勢表示物体ＣＯＢＪだけがゼロ点確認のためのターゲットＴＧを有しているが、必要に応じてこの数を増やすことは自由に行える。

このように、α₁の初期値から順に、α_K、（K=1〜N）が、φ₁の初期値から順に、φ_K（K=1〜N）が求まる。なお、真直形状誤差について図６より密度の高いデータを求めるためには、姿勢表示物体を被測定面上に所要距離だけ移動してから上と同様の測定を繰り返す方法がある。

図５（ａ）は、２つの変位センサ用のターゲットＤＴを搭載した姿勢表示物体ＯＢＪを示す側面図である。図５（ａ）の姿勢表示物体ＯＢＪは、変位センサによる３点法のために使われる。図５（ｂ）は、３点法のゼロ点誤差の確認をするために用いる姿勢表示物体ＣＯＢＪの一例を示す側面図である。図５（ｂ）において、３個のターゲットＤＴの示す相対高さは予め校正されているものとする。この姿勢表示物体ＯＢＪは、３点法プローブのゼロ点確認の為に用いられる。尚、変位センサは、ターゲットＤＴまでの距離を測定できるものであり、光学式、触針を用いた機械式など種々の方式がある。

図５（ｃ）は、変位センサ用ターゲットＤＴを２次元的に配置して、面形状測定のための変位３点法に用いることの出来る姿勢表示部物体ＯＢＪの一形態を示す図である。この場合、被測定面への接点は変位センサ用ターゲットＤＴの直下に置くとセンサの読みと被測定面上の３点の高さの関連付けが容易になり好ましい。

図７は、変位センサを３本使った３点法による真直形状測定に本発明を適用する場合のステップを示す図である。図では剛体により連結され一体化された姿勢読取部としての３つのセンサＤＡ、ＤＢ、ＤＣがｘ方向に移動して、被測定面ＰＬを走査測定をする形式を示している。ここで、姿勢表示物体ＯＢＪの被測定面ＰＬに対する接点を、１，２，３、Ｋ，、、、２Ｎと番号をつけると、Ｋ番目の姿勢表示物体ＯＢＪＫは、（２Ｋ−１）番目と２Ｋ番目の接点での被測定面ＰＬの高さｆ_Kとｆ_K+1を表示することになる。K番目の測定位置でのセンサ全体の傾斜をφ_K、高さ方向の並進変位をｚ_Kとして、変位センサＤＡ、ＤB、ＤCそれぞれの出力をm_AK、m_BK、m_CKとすると、変位センサＤＡ、ＤＢで先行する姿勢表示物体ＯＢＪの２つの変位用ターゲットＤＴを測定し、変位センサＤＣで後行する姿勢表示物体ＯＢＪの変位用ターゲットＤＴを測定する図７（a）の場合は、次式を得る。
m_A1＝ｆ₁＋ｚ₁＋Lxφ₁ （９）
m_B1＝ｆ₂＋ｚ₁ （１０）
m_C1＝ｆ₃＋ｚ₁−Lxφ₁ （１１）

一方、変位センサＤＡで先行する姿勢表示物体ＯＢＪの変位用ターゲットＤＴを測定し、変位センサＤＢ、ＤＣで後行する姿勢表示物体ＯＢＪの２つの変位用ターゲットＤＴを測定する図７（ｂ）の場合は、次式を得る。
m_A2＝ｆ₂＋ｚ₂＋Lxφ₂ （１２）
m_B2＝ｆ₃＋ｚ₂ （１３）
m_C2＝ｆ₄＋ｚ₂−Lxφ₂ （１４）

式（９）乃至（１１）を整理して、
ｆ₁−２ｆ₂＋ｆ₃＝ m_A1−２m_B1＋m_C1 （１５）
を得る。又、式（１２）乃至（１４）を整理して、
ｆ₂−２ｆ₃＋ｆ₄＝m_A2−２m_B2＋m_C2 （１６）
を得る。これに初期値、ｆ₁、ｆ₂を与えて、ｆ₃、ｆ₄、、、ｆ_K、ｆ_2Nを得る。ｚ_K、φ_K（K=1〜N）も同様に求まる。以上より、ｘ方向における被測定面ＰＬの形状を精度良く求めることができる。

図には示さないが、姿勢表示物体ＯＢＪが2次元の傾斜について校正されていれば、図６の角度センサＤＡ，ＤＢ、ＤＣを2次元のものにすることで、面形状の効率的な測定にとって有効な道具となる。

図6に示したシステムでは、姿勢表示物体ＯＢＪをN個用いたが、図６（ｂ）の測定が終わった後、第1の姿勢表示物体ＯＢＪを第3の姿勢表示物体ＯＢＪのあるべき位置におくという手順を追加することで、姿勢表示物体ＯＢＪを2個だけ用意して図６の装置を利用して同様の測定を行うことも出来る。このとき、測定には時間がかかるので、2個の内少なくとも一個は図６（ｃ）のN番目の位置にある姿勢表示物体ＯＢＪと同じ、ゼロ点誤差確認機能を備えた姿勢表示物体ＯＢＪを用いるのが好ましい。

上記の、姿勢表示物体の数の節約法は、図7に示した変位センサによる3点法のシステムにも同様に適用できることは言うまでもない。

図8は、角度2点法用の角度センサＡ，Ｂを姿勢表示物体ＯＢＪを兼ねる角度センサ支持台ＨＤに固定して、被測定面ＰＬを図6と同様の断面真直形状測定を行う状態を模式的に示す図である。角度センサ支持台ＨＤの傾斜が、図6の場合の走査運動誤差に相当する傾斜、すなわち、式（１）、（４）などのφとして求められる。従って、複数の姿勢表示物体ＯＢＪを並べて表示した断面直線と、角度センサ支持台ＨＤを滑らせた線に沿って表示される断面直線とが同時に求められ、しかも両断面直線の全体としての傾斜(剛体項としての傾斜)が相互に関連付けられた形で求められる。

また、図７の変位センサにおける3点法用プローブを、姿勢表示物体で支持して図8と同様の測定ができることは言うまでもない。

また、以上の説明では被測定面形状と走査運動誤差を分離する必要がある場合を中心に述べたが、一方が既知であったり、その誤差が無視できるほど小さい場合には、姿勢表示物体とその測定用ターゲットに適した検出部を一体化して、被測定物体と相対走査をさせる形の測定が可能で、この場合には姿勢表示物体は一個だけであればよい。

また、前記姿勢表示物体のセンサターゲットに関して、傾斜角と高さの両方について校正して、角度センサと変位センサの両方のターゲットを兼ねるようにすると、混合法センサを用いるなどして、混合法として知られている多点法を適用することも可能になり、求めうる情報量の増加という点で好ましい。

図１は、本発明の一例である姿勢表示物体ＯＢＪを示す図である。角度センサ用の読み取りターゲット（角度センサ用ターゲット）ＴＧを１つ有する姿勢表示物体ＯＢＪを示す側面図である。角度センサ用の読み取りターゲットＴＧを3つ有する、ゼロ点確認用姿勢表示物体ＣＯＢＪを示す図である。複数の図１（ａ）の姿勢表示物体ＯＢＪと、図３に示す姿勢表示物体ＣＯＢＪを連結した状態を示す側面図である。図５（ａ）は、２つの変位センサ用のターゲットＤＴを搭載した姿勢表示物体ＯＢＪを示す側面図である。図５（ｂ）は、３点法のゼロ点誤差の確認をするために用いる姿勢表示物体ＣＯＢＪの一例を示す側面図である。図５（ｃ）は、変位センサ用ターゲットを２次元的に配置して、面形状測定のための変位３点法に用いることの出来る姿勢表示部物体の一形態を示す図である。姿勢表示物体ＯＢＪを被測定面ＰＬにｘ方向に間隔Lxで置いた状態で、ステージの表面である被測定面ＰＬを図で左方に移動させて、２つの姿勢表示物体ＯＢＪのｘ方向の傾斜を二つの角度センサＡ，Ｂで同時に読み取る際のステップを示す図である。変位センサを３本使った３点法による真直形状測定に本発明を適用する場合のステップを示す図である。角度2点法用の角度センサＡ，Ｂを姿勢表示物体ＯＢＪを兼ねる角度センサ支持台ＨＤに固定して、被測定面ＰＬを図6と同様の断面真直形状測定を行う状態を模式的に示す図である。

符号の説明

A 角度センサ
B 角度センサ
ＣＯＢＪゼロ点確認用姿勢表示物体
ＤＡ変位センサ
ＤＢ変位センサ
ＤＣ変位センサ
ＤＴターゲット
ＤＴ変位用ターゲット
ＨＤ角度センサ支持台
ＯＢＪ姿勢表示物体
ＰＬ被測定面
ＳＰ球
ＴＧ角度センサ用ターゲット

Claims

被測定面に対してそれぞれ当接する、間隔が既知の３つの凸部、あるいは間隔が既知の平行な直線状の２つの凸部を有する少なくとも１つの姿勢表示物体と、前記姿勢表示物体の姿勢を空間に固定された基準に関して検出する少なくとも１つの姿勢読取部とを備え、前記被測定面の局所的な高さと、傾斜あるいは局所的な傾斜の差分の少なくとも１つを測定することを特徴とする測定装置。
前記姿勢読取部は、ターゲットの角度を検出できるようになっており、前記姿勢表示物体は、既知の間隔で前記ターゲットを２個以上有すことを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
前記姿勢読取部は、ターゲットの変位を検出できるようになっており、前記姿勢表示物体は、既知の間隔で前記ターゲットを３個以上有すことを特徴とする請求項１又は２に記載の測定装置。