JP2010096722A

JP2010096722A - 姿勢測定方法及び研削装置

Info

Publication number: JP2010096722A
Application number: JP2008270042A
Authority: JP
Inventors: Yoshinaga Kiyota; 芳永清田; Hirokazu Komatsu; 広和小松; Koichi Ichihara; 浩一市原
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2008-10-20
Filing date: 2008-10-20
Publication date: 2010-04-30
Anticipated expiration: 2028-10-20
Also published as: JP5030917B2

Abstract

【課題】複数のセンサの計測位置を結ぶ直線とスキャン方向との相対位置関係を高精度に計測する。
【解決手段】（ａ）評価対象物の表面上で計測位置を移動させることによって、表面の高さ方向の、面内における変化を計測する第１及び第２のセンサの計測位置を、１つの円周の少なくとも一部を構成する段差パターンと２箇所で交差する直線に沿って並進移動させ、第１及び第２のセンサの計測位置が、段差パターンと交差する面内位置の情報を取得する。（ｂ）取得された情報に基づいて、第１のセンサの計測位置と第２のセンサの計測位置とを結ぶ直線と、並進移動の方向との相対位置関係を求める。
【選択図】図２

Description

本発明は、センサの姿勢を測定する方法に関する。また、研削対象物を研削する研削装置に関する。

図５は、超精密門型平面研削盤１０を示す概略図である。超精密門型平面研削盤１０は、門型部材１１、砥石頭１２、砥石１３、センサヘッド１４、及びテーブル１５を含んで構成される。説明のために、図示するようにＸＹＺ直交座標系を画定する。

テーブル１５上に、加工（研削）対象物２０が載置される。テーブル１５は、加工対象物２０をＸ軸方向と平行な方向に移動させることができる。砥石頭１２が、門型部材１１に、Ｙ軸に平行な方向、及びＺ軸に平行な方向に移動可能に保持される。砥石頭１２には、砥石１３及びセンサヘッド１４が取り付けられる。

テーブル１５による加工対象物２０のＸ軸方向に沿う移動、及び砥石頭１２のＹ軸及びＺ軸方向への動作によって、砥石１３を加工対象物２０上のすべての位置に移動させ、被研削面の研削加工を行うことができる。

センサヘッド１４に取り付けられたセンサ、たとえば一列に配置された複数のレーザ変位計を用いて、研削加工された加工対象物２０の表面形状が測定される。レーザ変位計は、加工対象物２０の表面上で計測位置を移動させることにより、加工対象物２０表面の高さ方向の、面内における変化を計測する。

センサヘッド１４は、砥石頭１２下面の、砥石１３に近い位置に設置される。センサヘッド１４に取り付けられたレーザ変位計で加工対象物２０上を格子状にスキャンし、各計測ライン上のプロファイルデータを得る。そしてそれらのデータを重ね合わせて加工対象物２０の表面形状を導く。

各スキャンにおいては、すべてのレーザ変位計の通るライン（計測ライン）が一致することが望ましい。

あらかじめ診断するための複数の基準データを準備し、それらのデータとの比較からセンサヘッドの取付け状態を診断し、指示ランプにより、少なくとも３段階の表示を行う、位置検出装置の取付け状態診断表示方法の発明が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００５−１２７７２８号公報

本発明の目的は、複数のセンサの計測位置を結ぶ直線とスキャン方向との相対位置関係を高精度に計測することのできる、センサの姿勢測定方法を提供することである。

また、上記姿勢測定方法を実施することのできる研削装置を提供することである。

本発明の一観点によれば、（ａ）評価対象物の表面上で計測位置を移動させることによって、該表面の高さ方向の、面内における変化を計測する第１及び第２のセンサの該計測位置を、１つの円周の少なくとも一部を構成する段差パターンと２箇所で交差する直線に沿って並進移動させ、該第１及び第２のセンサの該計測位置が、該段差パターンと交差する面内位置の情報を取得する工程と、（ｂ）取得された前記情報に基づいて、前記第１のセンサの前記計測位置と前記第２のセンサの前記計測位置とを結ぶ直線と、前記並進移動の方向との相対位置関係を求める工程とを有するセンサの姿勢測定方法が提供される。

また、本発明の他の観点によれば、加工対象物を保持する保持面であって、１つの円周の少なくとも一部を構成する段差パターンが形成された保持面を備え、前記保持面に保持された加工対象物を第１の方向に移動させるステージと、前記保持面に保持された加工対象物の表面を研削する砥石と、前記砥石で研削された加工対象物の表面上で計測位置を移動させることによって、該表面の高さ方向の、面内における変化を計測する第１及び第２のセンサと、前記砥石を前記第１の方向と交差する第２の方向、及び前記第１及び第２の方向と交差し、前記ステージの前記保持面に向かう第３の方向に移動可能に支持するとともに、前記第１及び第２のセンサを前記第２の方向に並進移動可能に支持する支持部材と、前記第１及び第２のセンサの計測位置を、前記段差パターンと２箇所で交差する直線に沿って並進移動させ、前記第１及び第２のセンサの計測位置が、前記段差パターンと交差する面内位置の情報を取得し、取得された前記情報に基づいて、前記第１のセンサの前記計測位置と前記第２のセンサの前記計測位置とを結ぶ直線と、前記並進移動の方向との相対位置関係を求める制御装置とを有する研削装置が提供される。

本発明によれば、複数のセンサの計測位置を結ぶ直線とスキャン方向との相対位置関係を高精度に計測することが可能な、センサの姿勢測定方法を提供することができる。

また、上記姿勢測定方法を実施することが可能な研削装置を提供することができる。

先に、門型平面研削盤で研削された加工対象物の表面形状を得るためのスキャンにおいては、センサヘッドに取り付けられた各レーザ変位計の通るライン（計測ライン）が一致することが望ましいと述べた。後に詳述する実施例によるセンサの姿勢測定方法は、たとえばセンサヘッドに配設される複数のレーザ変位計の並び方向とスキャン方向とのなす角度を正確に計測して、これを可能にする方法である。

図１を参照して、実施例によるセンサの姿勢測定方法の原理とアルゴリズムについて説明する。

図５に示す超精密門型平面研削盤１０のセンサヘッド１４に、たとえばレーザ変位計である変位計１及び変位計２が、間隔ｐで固定的に配設されていると仮定する。レーザ変位計１及び２は、それぞれたとえば直下の位置における計測対象物の高さを計測することができる。図１中の「変位計１」、「変位計２」は、各変位計それ自身の位置を示すとともに、各変位計で計測される計測位置を示す。

変位計１の計測位置と変位計２の計測位置とを結ぶ直線ののびる方向、すなわちこの場合は、変位計１及び２の並び方向は、Ｙ軸と角度θをなしているとする。図１に示すＹ軸は、たとえば図５におけるＹ軸に等しい。また、図５に示す超精密門型平面研削盤１０のテーブル１５上に、本図に示すような半径ｒの仮想的な円が画定されていると考える。

センサヘッド１４の取り付けられた砥石頭１２がＹ軸と平行な方向（Ｙ軸方向）に移動することによって、センサヘッド１４に配設された変位計１及び変位計２が、仮想的な円の画定されたテーブル１５上をＹ軸方向にスキャンする。

変位計１の計測位置の移動軌跡と仮想的な円の円周との交点を結んでできる弦１の長さをＬ１とし、変位計２の計測位置の移動軌跡と仮想的な円の円周との交点を結んでできる弦２の長さをＬ２とする。また、仮想的な円の中心と、弦１及び弦２との距離を、それぞれｈ１、ｈ２とする。

このとき、ｈ１とＬ１との関係は、下の式（１）で表される。

・・（１）

また、ｈ２とＬ２との関係は、下の式（２）で表される。

・・（２）

更に、ｈ１、ｈ２の差ｄを、下の式（３）で定義する。

・・（３）

このとき角度θは、下の式（４）で得ることができる。

・・（４）

ｈ１＞ｈ２の場合、ｄ＞０であるから、角度θ＞０となる。また、ｈ１＜ｈ２の場合、ｄ＜０より、角度θ＜０となる。よって、角度θの正負より、変位計１及び２の並び方向がＹ軸と角度をなす向きがわかる。

正負の符号を含めた角θの値が得られたら、角θを０に近づけるようにセンサヘッドの回転ステージを回転させる。変位計１及び２は、回転ステージに固定的に配置されており、回転ステージを回転させることによって、変位計１及び２の並び方向を変化させることができる。角θを０に近づけること、望ましくは角θを０とし、変位計１及び２の並び方向とスキャン方向とを一致させることで、加工対象物の表面形状を高精度に測定することができる。

以上のように考えると、加工対象物の表面形状を高精度に測定するためには、弦１及び２の長さＬ１及びＬ２がわかればよいことになる。

なお、上述の説明においては、スキャン方向をＹ軸方向としたが、Ｘ軸方向にスキャンし、変位計１及び２の並び方向と、Ｘ軸とのなす角度を正負の符号つきで求めてもよい。

図２（Ａ）〜（Ｈ）を参照して、実施例によるセンサの姿勢測定方法について説明する。

図２（Ａ）は、実施例によるセンサの姿勢測定方法に使用する校正ターゲット３０の概略的な平面図、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＰ−Ｑ線に沿う断面図である。

校正ターゲット３０は、１つの円周の少なくとも一部を構成する段差パターンを有する。校正ターゲット３０は、たとえば深さ０．２ｍｍの２本の溝Ｄ_１、Ｄ_２が形成された、厚さ５ｍｍの鉄板であり、その平面形状はたとえば縦５０ｍｍ、横３００ｍｍの長方形である。

溝Ｄ_１、Ｄ_２はそれぞれＣ_１、Ｃ_２を中心とする半径５００ｍｍの円の円周（円弧）に沿って形成されている。中心Ｃ_１、Ｃ_２間の距離は２ｍｍで、両者は長方形の縦方向（短い辺に平行な方向）に沿って離れている。図２（Ｂ）において「Ｒ５００」と示した、溝Ｄ_１、Ｄ_２の外側のエッジ（Ｒ５００エッジ）は、正確にＣ_１、Ｃ_２からの距離が５００ｍｍのラインを示す。これらのエッジは高精度に加工がなされている。

図２（Ｃ）を参照する。図５に示す超精密門型平面研削盤１０のテーブル１５上に、校正ターゲット３０を載置する。本図にはその載置例を示す。図示するように、校正ターゲット３０は、たとえば縦方向とＸ軸方向とが平行となるように、また、横方向とＹ軸方向とが平行となるように位置合わせを行って載置される。

図２（Ｄ）を参照する。超精密門型平面研削盤１０のセンサヘッド１４には、変位計１、変位計２、及び変位計３が、一列に、隣り合う変位計間の間隔をｐとして、固定的に配設されている。

図２（Ｅ）を参照する。変位計１〜３の計測位置の移動軌跡が、テーブル１５上に載置された校正ターゲット３０の溝Ｄ_１、Ｄ_２を、それぞれ２箇所通るように、すなわち全変位計１〜３のスキャンラインが校正ターゲット３０上の弧（溝）に対して弦を描くように、センサヘッド１４の取り付けられた砥石頭１２を、Ｙ軸方向に、たとえば等速で移動させる。

変位計１〜３は、たとえばレーザ変位計である。変位計１〜３は、校正ターゲット３０上をＹ軸方向に並進的にスキャンして、それぞれの計測ラインにおける、校正ターゲット３０の表面高さを計測し、変位計１〜３の計測位置が、段差パターンと交差する面内位置の情報を取得する。

図２（Ｅ）には、ある一つの変位計、たとえば変位計１による、校正ターゲット３０の表面位置の測定データを示す。図の横軸は、校正ターゲット３０の面内方向の位置を単位「ｍｍ」で表し、縦軸は、厚さ方向の位置を単位「μｍ」で表す。

スキャンにより、深さ２００μｍ（０．２ｍｍ）の溝Ｄ_１、Ｄ_２の形成位置が測定されることがわかる。この測定データを処理して、両溝Ｄ_１、Ｄ_２のＲ５００エッジの位置を検出し、Ｒ５００エッジ間の距離（半径５００ｍｍの円弧に対する弦の長さ）を算出する。本図には、変位計１で測定された溝Ｄ_１のＲ５００エッジ間の距離をＬ１−１、溝Ｄ_２のＲ５００エッジ間の距離をＬ１−２と表示した。これらのエッジ間距離は、変位計１のＹ軸方向への移動速度から計算される。

変位計１による溝Ｄ_１、Ｄ_２のＲ５００エッジ間の距離Ｌ１−１、Ｌ１−２の測定と並行して、変位計２による溝Ｄ_１、Ｄ_２のＲ５００エッジ間の距離Ｌ２−１、Ｌ２−２の測定、及び、変位計３による溝Ｄ_１、Ｄ_２のＲ５００エッジ間の距離Ｌ３−１、Ｌ３−２の測定が行われる。

距離Ｌ１−１、Ｌ１−２、Ｌ２−１、Ｌ２−２、Ｌ３−１、及びＬ３−２の値が得られたら、式（１）〜（４）を用いて、たとえば隣接する変位計の並び方向とＹ軸方向とのなす角を求め、これを基に、変位計１〜３の並び方向とＹ軸方向とのなす角度θを算出する。

まず、式（１）のＬ１にＬ１−１、式（２）のＬ２にＬ２−１を代入して、変位計１、２の並び方向とＹ軸方向とのなす角θ_１２−１を計算する。次に、式（１）のＬ１にＬ１−２、式（２）のＬ２にＬ２−２を代入して、変位計１、２の並び方向とＹ軸方向とのなす角θ_１２−２を算出する。続いて、式（１）のＬ１にＬ２−１、式（２）のＬ２にＬ３−１を代入して、変位計２、３の並び方向とＹ軸方向とのなす角θ_２３−１を計算する。更に、式（１）のＬ１にＬ２−２、式（２）のＬ２にＬ３−２を代入して、変位計２、３の並び方向とＹ軸方向とのなす角θ_２３−２を導出する。最後に、角θ_１２−１、θ_１２−２、θ_２３−１、及びθ_２３−２の平均をとって、変位計１〜３の並び方向とＹ軸方向とのなす角θとする。

このようにして、変位計１〜３の計測位置を結ぶ直線ののびる方向、この場合は、変位計１〜３の並び方向と、スキャン方向、この場合は、Ｙ軸方向との相対位置関係を求めることができる。

変位計の並び方向が、Ｙ軸に対して角度をなす向きは、得られた角θの符号によって判断される。角θの符号が負の場合は、変位計の並び方向とＹ軸とは、図２（Ｆ）に示すように、変位計１が変位計３よりＸ軸正方向に傾く関係となり、正の場合は、両者は、図２（Ｇ）に示すように、変位計３が変位計１よりＸ軸正方向に傾く関係となる。

図２（Ｈ）中の矢印は、センサヘッド１４の回転ステージの正方向を示す。角θの値が得られたら、センサヘッド１４の回転ステージを回転させ、変位計１〜３の並び方向とＹ軸方向とを一致させ、加工対象物の表面形状を正確に測定することができる。

本願発明者らは、実施例によるセンサの姿勢測定方法を用いて、変位計の並び方向とスキャン方向とのなす角θを求めた後、センサヘッド１４の回転ステージを回転させることにより、両方向のなす角を小さくした。その結果、両方向のなす角を１４０μｒａｄとして、高精度に加工対象物の表面形状を測定するスキャンを行うことができた。

実施例によるセンサの姿勢測定方法によれば、複数の変位計を直線上に設置した冶具（センサヘッド）をステージ上方に配設したときに、変位計の並び方向と、センサヘッド及びステージの動作方向とのなす角度の絶対量を、非接触で高精度に得ることが可能である。

なお、実施例によるセンサの姿勢測定方法において変位計をスキャンするに当たっては、校正ターゲット３０に形成された、円弧状の溝Ｄ_１、Ｄ_２の中心Ｃ_１、Ｃ_２から離れた位置を、すなわち切り取られる弦の長さが短くなるようにスキャンすることで、角度θを高精度に検出することができる。

また、校正ターゲット３０の溝Ｄ_１、Ｄ_２の円弧半径ｒが大きいほど、校正ターゲット３０の設置精度は要求されない。

更に、校正ターゲット３０の溝Ｄ_１、Ｄ_２が円弧状に形成されているため、校正ターゲットの設置の仕方の自由度が大きい。

以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。

たとえば、実施例においては、２本の溝Ｄ_１、Ｄ_２が形成された校正ターゲット３０を用いたが、校正ターゲット３０に形成される溝は１本でもよい。ただし、実施例のように、２本の溝を形成したほうが、角度検出の誤差を低減することができる。

また、実施例においては、隣接する変位計の並び方向とＹ軸方向とのなす角を求め、これを基に、変位計１〜３の並び方向とＹ軸方向とのなす角度θを算出したが、隣接しない変位計１及び３の並び方向とＹ軸方向とのなす角度を求め、これを使って角度θを算出することもできる。

図３（Ａ）及び（Ｂ）に校正ターゲット３０の他の例を示した。

実施例で用いた校正ターゲット３０には、Ｒ５００エッジを備える溝が形成されていたが、図３（Ａ）に示すように、Ｒ５００エッジを備える凸部が形成された校正ターゲット３０を用いることもできる。

また、図３（Ｂ）に示すように、Ｒ５００エッジを備える円盤を校正ターゲット３０として、テーブル１５上に載置してもよい。

更に、図４に示すように、従来技術の超精密門型平面研削盤１０のテーブル１５上に、円弧状のエッジを有する溝１５ａ等、１つの円周の少なくとも一部を構成する段差パターンを形成することも可能である。この場合、制御装置１６は、テーブル１５上に形成された段差パターンを用いて、たとえば上述した実施例によるセンサの姿勢測定方法を実施する制御を行う。また、センサヘッド１４の回転ステージを回転させることにより、変位計の計測位置の並び方向とスキャン方向とのなす角を０に近づけ、その後、加工対象物の表面形状を得るためのスキャンを実行してもよい。

また、実施例においては、直下の位置における計測対象物の高さを計測する変位計を用いたが、直下でない位置の計測対象物の高さを計測する変位計を使用することもできる。

更に、実施例においては、センサヘッド１４に３つの変位計１〜３が配設されているが、たとえば５つの変位計をセンサヘッド１４に配設し、そのうちの２つ以上の変位計を任意に選択して姿勢測定を行ってもよい。

その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。

種々の加工、たとえば研削加工に好適に利用することができる。

実施例によるセンサの姿勢測定方法の原理とアルゴリズムについて説明するための図である。（Ａ）〜（Ｈ）は、実施例によるセンサの姿勢測定方法について説明するための図である。（Ａ）及び（Ｂ）は、校正ターゲット３０の他の例を示す概略図である。実施例による超精密門型平面研削盤を示す概略図である。従来例による超精密門型平面研削盤１０を示す概略図である。

符号の説明

１０超精密門型平面研削盤
１１門型部材
１２砥石頭
１３砥石
１４センサヘッド
１５テーブル
１５ａ溝
１６制御装置
２０加工対象物
３０校正ターゲット

Claims

（ａ）評価対象物の表面上で計測位置を移動させることによって、該表面の高さ方向の、面内における変化を計測する第１及び第２のセンサの該計測位置を、１つの円周の少なくとも一部を構成する段差パターンと２箇所で交差する直線に沿って並進移動させ、該第１及び第２のセンサの該計測位置が、該段差パターンと交差する面内位置の情報を取得する工程と、
（ｂ）取得された前記情報に基づいて、前記第１のセンサの前記計測位置と前記第２のセンサの前記計測位置とを結ぶ直線と、前記並進移動の方向との相対位置関係を求める工程と
を有するセンサの姿勢測定方法。
前記工程（ｂ）において、
前記第１のセンサの計測位置が前記段差パターンと交差した２箇所の間の距離、及び、前記第２のセンサの計測位置が前記段差パターンと交差した２箇所の間の距離に基づいて、前記第１のセンサの前記計測位置と前記第２のセンサの前記計測位置とを結ぶ直線と、前記並進移動の方向との相対位置関係を求める請求項１に記載のセンサの姿勢測定方法。
前記工程（ａ）において、前記第１及び第２のセンサの計測位置を、等速で並進移動させる請求項１または２に記載のセンサの姿勢測定方法。
更に、
前記工程（ａ）において、評価対象物の表面上で計測位置を移動させることによって、該表面の高さ方向の、面内における変化を計測する第３のセンサの該計測位置を、前記段差パターンと２箇所で交差する直線に沿って並進移動させ、前記第３のセンサの計測位置が、前記段差パターンと交差する面内位置の情報を取得し、
前記工程（ｂ）において、前記工程（ａ）で取得された情報に基づいて、前記第１〜第３のセンサの計測位置の並び方向と、前記並進移動の方向との相対位置関係を求める請求項１に記載のセンサの姿勢測定方法。
加工対象物を保持する保持面であって、１つの円周の少なくとも一部を構成する段差パターンが形成された保持面を備え、前記保持面に保持された加工対象物を第１の方向に移動させるステージと、
前記保持面に保持された加工対象物の表面を研削する砥石と、
前記砥石で研削された加工対象物の表面上で計測位置を移動させることによって、該表面の高さ方向の、面内における変化を計測する第１及び第２のセンサと、
前記砥石を前記第１の方向と交差する第２の方向、及び前記第１及び第２の方向と交差し、前記ステージの前記保持面に向かう第３の方向に移動可能に支持するとともに、前記第１及び第２のセンサを前記第２の方向に並進移動可能に支持する支持部材と、
前記第１及び第２のセンサの計測位置を、前記段差パターンと２箇所で交差する直線に沿って並進移動させ、前記第１及び第２のセンサの計測位置が、前記段差パターンと交差する面内位置の情報を取得し、取得された前記情報に基づいて、前記第１のセンサの前記計測位置と前記第２のセンサの前記計測位置とを結ぶ直線と、前記並進移動の方向との相対位置関係を求める制御装置と
を有する研削装置。
前記第１及び第２のセンサは、並び方向を回転可能に支持されており、
前記制御装置は、前記直線と前記並進移動の方向とのなす角が０に近づくように、前記第１及び第２のセンサの並び方向を回転させる請求項５に記載の研削装置。