JP2016075635A - 形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 門型の形状測定装置において、ケーブル案内部の移動変形による抵抗力により、測定におけるＺ方向の誤差が大きくなってしまうという課題があった。
【解決手段】 水平な一方向に懸架されたガイド（１０５）と、ガイドに沿って移動可能に、かつ前記ガイドの周囲を覆うように設けられたプローブ支持手段と、前記プローブ支持手段における前記一方向に沿った前記ガイドの第一の側面に支持されたプローブと、前記プローブ支持手段における前記第一の側面と対向する第二の側面に対して、前記水平な一方向を含む平面にそって弧状に湾曲して収めた帯状のケーブル案内部（１３０）と、
を備えた三次元測定機を提供する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、レンズに代表される精密な形状測定を要する被測定物の三次元形状を測定する形状測定装置に関する。

一般に光学素子、とくに非球面レンズの表面形状を測定するときには、接触又は非接触のプローブをレンズ表面に倣い移動させ、その移動軌跡を計測することによって表面形状を測定する形状測定装置が知られている。また、一般的に形状測定装置は、プローブを被測定物であるワーク表面に対して移動させる第一の軸と、プローブをワーク表面に対して接触あるいは離脱させる第二の軸、という少なくとも２軸を備えた門型のステージを備えている。

図６に特許文献１に開示されている形状測定装置を示す。定盤７０１の上にはＹ軸ガイド７０２が載置され、Ｙ軸ガイド７０２とフレーム７０４が隣接している。Ｙ軸ガイド７０２とフレーム７０４ａの間に設けられた不図示のエアベアリングによってエアギャップが形成されることで、Ｙ軸ガイド７０２とフレーム７０４ａがスライド可能に構成されている。さらにフレーム７０４ｂに設けられたエアベアリング７０３も同じく定盤７０１とのあいだにエアギャップを形成しており、Ｙ軸方向にフレーム７０４ｂがスライド可能に構成されている。このフレーム７０４ａとフレーム７０４ｂにてＸ軸ガイド７０５の両端を保持している。Ｙ軸ガイド７０２へ電力供給するためにケーブル案内部７０６が用いられている。Ｘ軸ガイド７０５にはＸ軸スライダー７０７が設けられている。Ｘ軸ガイド７０５の内部にはＸ軸ガイド内部空間７０８が設けられ、このＸ軸ガイド内部空間７０８にＸ軸スライダー７０７に電力供給するためのケーブル案内部７０９が載置されている。Ｘ軸スライダー７０７、Ｚ軸スライダー７１０は、それぞれ設けられた軸にそって駆動可能に構成されている。このような構成のもと、Ｘ軸スライダーを走査することで、プローブ７１１をワークに倣い移動させて、ワークの形状を測定する。ケーブル案内部７０９は帯状の薄いプラスチックやスチール等で形成されていて、ケーブル案内部７０９の一端はＸ軸スライダーに固着され、他端は内部空間に架け渡されたＸ軸ガイドに固着され、Ｘ軸スライダーの動きに応じて弾性変形する。一般には、ケーブル案内部７０９自身が有する弾性によって、Ｘ軸スライダーの移動時に抵抗となり、偏心荷重となってしまうことがある。この偏心荷重はＸ軸スライダーに対してこじれ（モーメント力）をおよぼし、Ｘ軸スライダーの安定的な移動に悪影響を与え、計測誤差を生じさせる原因となる。高い測定精度が求められる形状測定装置ほどその影響が大きくなる。

特開平７−１５９１５１

しかしながら、帯状のケーブル案内部は変形に伴って抵抗（弾性による力学的抵抗）が大きく変動する。また、湾曲したケーブルは、湾曲の程度に応じて自身の湾曲を解消する方向に反力が生じる。そのため、特許文献１記載の形状測定装置においては、例えばＸ軸スライダー７０７がＸ軸ガイドの端部に居る場合とＸ軸ガイドの中央部に居る場合とで、反力によるＸ軸スライダーのＺ方向の変形の程度に差異が生じる。結果的に形状測定データの信頼性が低下するという問題があった。

上記目的を達成するために
水平な一方向に懸架されたガイドと、前記ガイドに沿って移動可能に設けられたスライダーと、前記スライダーに設けられたプローブ支持手段と、前記プローブ支持手段を介して支持されたプローブと、前記プローブの位置を測定する計測部とを備え、
前記プローブ支持手段に支持されたプローブの長手方向と交差する方向であって、前記水平な一方向を含む水平面にそって弧状に湾曲して収めた帯状のケーブル案内部を有することを特徴とする形状測定装置を提供する。

本発明を実施した形状測定装置は以下のような効果を有する。ケーブル案内部が第一の側面と対向する第二の側面に対して、前記水平な一方向を含む水平面にそって弧状に湾曲して収められているので、ケーブルの抵抗力によるこじれ（モーメント力）を抑制し、測定駆動におけるＺ方向の誤差が小さくすることが可能である。

本発明を実施した形状測定装置の構成を占める斜視図である。 本発明を実施した図１の形状測定装置の後方からの斜視図である。 本発明を実施した図１の形状測定装置の側面図である。 本発明を実施した形状測定装置における表面形状を求めるプログラムのシーケンスを示す図である。 本発明のケーブル案内部の変形に伴う抵抗力の変化を示す図である。 特許文献１に記載の従来例の三次元測定装置を示した図である。

まず、ケーブル案内部の移動に伴う変形によって生じる抵抗力の変化について図５を参照して以下説明する。図５（ａ）は帯状のケーブル案内部を用いて、電気ケーブル１１本、エアチューブ５本を案内して、一定速度にて一定の距離を駆動した際のケーブル案内部の抵抗力の変化を示したグラフである。使用したケーブルは、動力用およびスケールヘッド用に動力用ケーブル（ＮＡＲＶＣＴＦ−０．５−４Φ７．２ ミスミ３本）、スケールヘッド用ケーブル（ＣＥ２０−１２Ｔ０１ マグネスケール４本）を利用した。また、センサ用に、センサ用ケーブル（ＲＭＦＥＶ−ＳＢ０．２／５ＰΦ６．９大電１本）センサ用ケーブル（ＳＳ３００ＲＳＢ−２４−５ＰΦ７．４ ミスミ３本）、を利用した。使用したエアチューブはエア配管（Ｕ６−Ｂ−１００Φ６ コガネイ２本）、エア配管（Ｕ４−Ｂ−１００ Φ４ コガネイ３本）である。

ケーブル案内部は、電気ケーブルとエアチューブを同方向でかつ横一列に帯状の湾曲可能なステンレス製のスチールベルトであるケーブル案内手段５０１に対して並置し、不図示の帯どめで固定して帯状に形成されている。スチールベルトは８０ｍｍ×５２８．５ｍの寸法で、厚み０．３ｍｍであり、材質はＳＵＳ３０４−ＣＰ（ＪＩＳ規格）を使用した。

また固定ベース５０６に対してシャフト５０５が固定されており、スライダー５０４がＸ軸方向に可動である。スライダー５０４には２軸力センサー５０３が固定されており、２軸力センサー５０３が帯状のケーブル案内手段５０１の一端に固定され、ケーブル案内手段の一端からスライダーに加わる力のＹ方向成分とＺ方向成分とをそれぞれ検出可能に構成されている。帯状のケーブル案内手段５０１はケーブル類５０２を案内しており、スライダー５０４が移動するのに伴ってケーブル類５０２と一緒に変形する。帯状のケーブル案内手段５０１の他端は固定ベース５０６上に固定されている。

図５（ａ）に示したグラフの横軸は経過時間（ｓｅｃ）、縦軸は力（Ｎ）である。図５（ｂ）は抵抗力測定時の実験系を示している。時刻ｔ＝０のときスライダー５０４はシャフトのＸ方向の図５（ｂ）における図中の右端部に位置し、時間の経過とともに一定の速度で図中左へと動く。スライダー５０４の移動にともなってステンレス製の帯状のケーブル案内手段５０１とケーブル類５０２からなるケーブル案内部は湾曲し、湾曲に伴って２軸力センサー５０３に力が加わる。

図５（ａ）のグラフに示した抵抗力おけるＹ方向、Ｚ方向は、図５（ｂ）のＹ方向、Ｚ方向と対応している。初期位置に対応する時刻ｔ＝０（ｓｅｃ）には２軸力センサー５０３はＹ方向Ｚ方向ともにフリーに近い状態であり抵抗力の検出値はほぼ０（Ｎ）であった。時間の経過とともにスライダー５０４が移動するとケーブル案内部は湾曲が生じ、スライダー５０４の変位に対して抵抗力が発生した。抵抗力は経過時間とともに上昇し、すなわちスライダーが図中の左手へ位置するほど増大した。

一方で、スライダー５０４をある時刻からＵターンさせたところ、徐々に抵抗力は減少し、スライダー５０４が右端に到着すると２軸力センサー５０３に加わった力は再びほぼ０（Ｎ）となった。

このような、２軸力センサー５０３に加わった抵抗力の検出を図５（ｂ）で示したようなＹ方向、Ｚ方向に対して行った。

図５（ａ）のグラフによれば、ケーブル案内部の抵抗力の変動が大きい方向は図５（ｂ）におけるＹ方向である。

このことから示唆されることは、上述の特許文献１記載の構成では、ケーブル案内部からＸ軸スライダーに加わった力によってＸ軸スライダーが変形し、結局Ｚ軸スライダーに支持されたプローブのＺ方向の位置が変化してしまうおそれがあることである。プローブのＺ方向の位置は、形状計測データの信頼性に大きな影響を与える。

一方でＺ方向に対する抵抗力はＹ軸方向と比べて小さかった。また、上述の力計測を繰り返したところ、Ｚ方向に対する抵抗力の再現性に比べ、Ｙ方向に対する抵抗力の再現性は良かった。

以上の点を踏まえて、本発明における一実施例を以下に説明する。

本発明による形状測定装置のひとつの実施例について、図を参照して説明する。

図１は本実施例の形状測定装置の構成を示す斜視図であり、図２はその形状測定装置の背面からの斜視図、図３は本発明を実施した三次元測定装置の側面図である。

図１、図２及び図３において、１００は形状測定装置、１０１は定盤、１０３は形状測定装置の本体に振動を伝えない役割を持つ除振台、１０２は本体の全体を支える架台である。１０４はフレームで図中では左右に１柱ずつあり、１０５は２つのフレーム１０４に端部をそれぞれ支持され、懸架されたＸ軸ステージガイドである。１０４のフレームは一対あり、定盤１０１の上に設置されＸ軸ステージガイド１０５を支持している。１０６はＺ軸ステージガイド、１０７はＺ軸ステージスライダ、１０８は接触式プローブである。１２１はＸ軸ステージスライダである。Ｘ軸ステージスライダ１２１はＺ軸ステージガイド１０６を搭載し、Ｘ軸ステージガイド１０５に搭載されていてＸ軸方向に電気制御によって移動が可能である。Ｚ軸ステージスライダ１０７はＺ軸ステージガイド１０６に搭載されていてＺ軸方向に移動が可能である。

すなわち水平な一方向に沿ったガイド（Ｘ軸ステージガイド）の第一の側面にスライダーが設けられ、そのスライダーに対して前記プローブ支持手段を介して支持されたプローブが設けられている。

Ｘ軸ステージガイド１０５には図示していない駆動モータ、たとえばシャフトモーターなどにてＸ軸ステージスライダ１２１をＸ軸方向に移動させる機構が搭載されている。Ｚ軸ステージガイド１０６には図中の上下方向、すなわちＺ軸方向にＺ軸ステージスライダ１０７を駆動する図示していない駆動モータ、たとえばリニアモーターなどが搭載されている。Ｚ軸ステージスライダ１０７のＺ軸方向位置を計測する図示していないスケールが組み込まれている。また以下に示すように更に、プローブの位置を測定する計測部が設けられている。１１４は第一のＸ軸スケール、１１３は第一のＸ軸スケールを支えるスケールフレームである。１１３のＸ軸スケールフレームは、装置定盤１０１の上に設置され第一のＸ軸スケール１１４を支持している。

第一のＸ軸スケール１１４及び第一のＸ軸スケールを支えるスケールフレーム１１３はＸ軸ステージガイド１０５の下方に配置されている。

１１６は第二のＸ軸スケール、１１５は第二のＸ軸スケールを支えるスケールフレームである。１１５のＸ軸スケールフレームは、装置定盤１０１の上に設置され第二のＸ軸スケール１１６を支持している。

第二のＸ軸スケール１１６及び第二のＸ軸スケールを支えるスケールフレーム１１５はＸ軸ステージガイド１０５の下方に配置されている。

１１７は第一のＸ軸スケールの位置を計測するための第一のスケールヘッド、１１８は第一のＸ軸スケールヘッド１１７を支える第一のＸ軸スケールヘッドフレームである。１１８の第一のＸ軸スケールヘッドフレームは、Ｘ軸ステージスライダ１２１の下部に設置され、第一のＸ軸スケールヘッド１１７を支持している。

１１９は第二のＸ軸スケールの位置を計測するための第二のスケールヘッド、１２０は第二のＸ軸スケールヘッド１１９を支える第二のＸ軸スケールヘッドフレームである。１２０の第二のＸ軸スケールヘッドフレームは、Ｘ軸ステージスライダ１２１の下部に設置され、第二のＸ軸スケールヘッド１１９を支持している。

なお、本実施例ではスケールとスケールヘッドを２対設けた構成を示したが、もちろん１対でも良く使用者の所望の構成を採用することができる。

図３に、プローブを含む位置におけるＹ−Ｚ平面での形状測定装置の断面図を示した。

このとき、Ｘ軸ステージガイド１０５、第一のＸ軸スケール１１４並びに第二のＸ軸スケール１１６及び装置定盤１０１は、正面から見た図３に示す様な位置に配置する。すなわち、Ｘ軸ステージガイド１０５、第一のＸ軸スケール１１４並びに第二のＸ軸スケール１１６及び装置定盤１０１の中心線を概略そろえた位置に配置する。

また、第一のＸ軸スケール１１４はＸ軸ステージガイド１０５に対してＹ方向における概略中心直下に設置する。

Ｘ軸ステージガイド１０５とＸ軸ステージスライダ１２１、及びＺ軸ステージガイド１０６とＺ軸ステージスライダ１０７のガイドはリニアタイプのエアベアリングで構成されている。Ｘ軸ステージスライダ１２１には多孔質パットが配置され、Ｘ軸ステージガイド１０５とＸ軸ステージスライダ１２１は全拘束タイプのエアベアリングとして構成されている。この場合の全拘束タイプとは、ガイドに沿って移動可能に、かつガイドの周囲を覆う構成を指している。

本実施例のＸ軸スライダー１２１は、駆動方向の２面が抜けた箱型形状をとっている。

さらに、以下に示すようにプローブ支持手段としてのＺ軸ステージスライダにおける一方向（Ｘ軸ステージガイド１０５の長手方向）に沿ったガイドとしてＸ軸ステージガイド１０５の第一の側面に支持されたプローブが設けられている。

また、プローブ支持手段における第一の側面と対向する第二の側面に対して、水平かつ前述の一方向を含む平面にそって弧状に湾曲して収めた帯状のケーブル案内部を備えている点が本実施例の特徴である。

図１、図２、図３に示した１０８が接触式プローブ、１０９が被測定物である。

接触式プローブ１０８は接触子が板バネで接触式プローブ１０８に連結されており、被測定物１０９の表面に接触したときに板バネのたわみ量で被接触物１０９に対する接触子の接触圧を調節することができる。使用者の希望により光学式の非接触プローブを採用してもかまわない。

このとき、Ｚ軸ステージスライダ１０７がストロークの中心位置に来たとき、接触式プローブ１０８の先端部と第一のＸ軸スケール１１４並びに第二のＸ軸スケール１１６のＺ方向の位置を概略同じに設置されている。

接触式プローブは先端部と一体的に形成されたシャフト状の接触子と、筐体を備えており筐体に対して接触子は板バネで支持されている。加えて、接触式プローブ１０８の筐体に対する接触子位置を計測する図示していない変位センサーが搭載されている。

接触式プローブ１０８の先端部を被測定物１０９に接触させて変位センサーの変位量が一定値を指示するようにＺ軸ステージ１０７のＺ軸位置を制御することで板バネのたわみ量を一定にすることが可能となる。これによって、被測定物１０９に対する接触子の接触圧を一定に制御することができる。

被測定物１０９を傾けることができる２軸のティルトステージ１１０で、互いに概略直交方向にティルトできる。ＸＹステージ１１１は被測定物１０９及びティルトステージ１１０を互いに概略直交方向に平行移動させることができる。θ回転ステージ１１２はＸＹステージ１１１及びティルトステージ１１０及び被測定物１０９を、割り出し又は回転移動させることができる。

電装ラック１２２は、本体の駆動系、すなわちＸ軸ステージガイド１０５に搭載されたＸ軸ステージスライダ１２１及びＺ軸ステージガイド１０６に搭載されたＺ軸ステージスライダ１０７を駆動させるためのドライバーを搭載している。さらに電装ラック１２２には２軸のティルトステージ１１０、ＸＹステージ１１１及びθ回転ステージ１１２を駆動させるためのドライバーも搭載している。

さらに電装ラック１２２は第一のＸ軸スケール位置を読みとる第一のＸ軸スケールヘッド１１７からのデータ及び、第二のＸスケール位置を読みとる第二のスケールヘッド１１９からのデータを取り込むボードを搭載している。また、Ｚ軸ステージガイド１０６に組み込まれた図示していないスケールからのデータを取り込むボードも搭載している。また電装ラック１２２は接触子に搭載している図示していない変位センサーからのデータを取り込むボードも搭載している。

１３１はケーブルとエアチューブの束である。ケーブルはＸ軸スライダー上から図示しない経路にて、さらに、Ｘ軸スケールヘッド１１７、１１９、図示しないＸＺ軸の駆動手段、図示しないＺ軸スケールヘッド、図示しない変位センサーに接続されている。ケーブルの反対側の接続先は電装ラック１２２内のドライバーやボードである。エアチューブはＸ軸スライダー上から、Ｘ軸Ｚ軸の多孔質エアパッドに接続されている。エアチューブの反対側の図示しないコンプレッサー等に接続されている。

ケーブル案内部１３０は、帯状の金属薄板（例えばステンレス製）ないしは樹脂薄板でできており、ケーブルとエアチューブの束１３１が不図示の保持具で固定されており、Ｘ軸ステージスライダの変位に伴ってケーブルとエアチューブの束を案内している。１３２はケーブル案内部フレームであり、ケーブル案内部１３０はケーブル案内部フレーム１３２により支持され、Ｘ軸スライダー１２１においてＺ軸ステージガイド１０６が載置されている面と反対側の面に接続されている。またケーブル案内部フレーム１３２のケーブル案内部１３０が接続されている面はＸ軸スライダー１２１のケーブル案内部１３０が接続されている面と概略平行である。

ケーブルはフレキケーブルであってももちろんよい。上述の構成のもと、水平な一方向に懸架されたガイド、ガイドに沿って移動可能に設けられたスライダー、プローブ支持手段、プローブ支持手段を介して支持されたプローブ、プローブの位置を測定する計測部とを備えた形状測定装置が構成されている。この形状測定装置は、プローブ支持手段に支持されたプローブの長手方向と交差する方向であって、水平な一方向を含む平面にそって弧状に湾曲して収めた帯状のケーブル案内部を備えている。制御用コンピュータ１２３はＸ軸ステージガイド１０５に搭載されたＸ軸ステージスライダ１２１及びＺ軸ステージスライダ１０７の移動位置等を電装ラック１２２に搭載の各ドライバーに指令するプログラムを搭載している。また、ティルトステージ１１０、ＸＹステージ１１１及びθ回転ステージ１１２の移動位置等を電装ラック１２２に搭載の各ドライバーに指令するプログラムも搭載している。図１では制御用コンピュータは独立して示しているが電装ラック１２２に組み込むことも可能である。また、制御用コンピュータ１２３は電装ラック１２２のデータ取り込みボードから各スケールや変位センサーのデータを取り込むプログラムも搭載している。

データ処理用コンピュータ１２４はマンマシンインターフェイスの機能も備えている。データ処理用コンピュータ１２４は測定条件パラメータなどを管理する。管理する測定条件として、測定範囲、測定回数、測定速度、測定種類、被測定物の設計値形状などがある。これらのパラメータを処理して測定手順データとし、測定パラメータと共に制御用コンピュータ１２３に送る測定プログラムを搭載している。また、データ処理用コンピュータ１２４は各スケールのデータ及び変位センサーのデータを制御用コンピュータ１２３から取り込むデータ取り込みプログラムを搭載している。

データ処理用コンピュータ１２４は取り込んだ各スケールデータ及び変位センサーデータから被測定物１０９の表面形状を算出する形状データ算出プログラムを搭載している。また、データ処理用コンピュータ１２４は算出した被測定物１０９の形状データと被測定物１０９の設計値形状から被測定物１０９の設計値からの誤差を算出する誤差算出プログラムを搭載している。また、データ処理用コンピュータ１２４は算出した被測定物１０９の形状データから、被測定物１０９が装置の原点及び座標、或いは任意原点及び座標に対して置かれている三次元位置を算出する形状位置算出プログラムを搭載している。

図１ではデータ処理用コンピュータ１２４は制御コンピュータ１２３と別に図示しているがデータ処理用コンピュータ１２４と制御用コンピュータ１２３は共用することも可能である。さらに電装ラック１２２に搭載することも可能である。

図４は本発明の形状測定装置を用いてワークの表面の形状測定を実現するシーケンスである。図４のシーケンスは図１に描かれているデータ処理用コンピュータ１２４において、プログラムとして組み込まれている。図４を参照して、以下三次元形状を測定する手順について説明する。

まず工程４０１にて、被測定物１０９の設計ファイルや装置本体のパラメータファイルなどの設定データを読み込むデータ読込処理がデータ処理用コンピュータ１２４において行われる。この時、被測定物１０９の設計データや測定範囲、プローブの移動速度などのデータを読込む。続く工程４０２は移動データ出力処理である。工程４０２ではＸ軸ステージガイド１０５に搭載したＸ軸ステージスライダ１２１と、Ｚ軸ステージガイド１０６に搭載したＺ軸ステージスライダ１０７の移動データをデータ処理用コンピュータ１２４から制御コンピュータ１２３へ出力する。次の工程４０３では制御コンピュータ１２３は電装ラック１２２のＺ軸ドライバーに指令し、Ｚ軸ステージスライダ１０７を原点に移動させるＺ軸原点出し駆動処理が行われる。工程４０４では、制御コンピュータ１２３から電装ラック１２２のＸ軸ドライバーへと伝達される指令に基づき、Ｘ軸ステージスライダ１２１をＸ軸方向の測定開始位置に移動させる測定開始位置へＸ軸移動処理が行われる。ここまでの準備が行われた後に実際の測定工程が開始される。工程４０５では、制御用コンピュータ１２３はＺ軸ステージスライダ１０７を駆動するＺ軸ドライバーに下降を指令することで被測定物タッチダウンが実行される。この工程にて、Ｚ軸ステージスライダ１０７をＺ軸方向に駆動し、プローブを被測定物１０９の表面に接触するまで移動させる。接触の際には被測定物１０９の表面に接触式プローブ１０８を一定の圧力となるように接触させる。

そして工程４０６では、制御コンピュータ１２３からの指令に基づいて、Ｘ軸ステージスライダ１２１は、指定された測定条件（圧力やプローブの移動速度など）で、測定終了位置に向けてＸ軸方向に移動する。この工程が上述した倣い走査に相当する。倣い走査が行われている最中は被測定物１０９に対する接触子の圧力が略一定となるようにＺ軸ステージガイドに対するＺ軸ステージ１０７の位置が制御される。

同時に、Ｘ軸スケールヘッドからＸ軸スケールの位置のデータを、Ｚ軸スケールヘッドからＺ軸スケールの位置のデータを、所望のサンプリングレートで取得される。

このとき、第二のＸ軸スケール１１６に対するＸ軸ステージスライダ１２１の位置データを第二のＸ軸スケールヘッド１１９から読み込んでもよい。

先に示した様に、第一のＸ軸スケール１１４並びに第二のＸ軸スケール１１６と接触式プローブ１０８とのＺ方向高さがほぼ同じ揃えてあるとよい。そのような構成をとることによって、Ｘ軸ステージガイド１０５を移動するＸ軸ステージスライダ１２１の走りに誤差が有ってもアッベ誤差の少ない位置計測が可能となる。

倣い走査の工程が終了すると、制御コンピュータ１２３の指令に基づき工程４０７にてＺ軸ステージスライダ１０７を上昇させるＺ軸上昇処理がおこなわれる。

工程４０８は取得したデータを転送するデータ転送処理である。第一のＸ軸スケール１１４に対するＸ軸ステージスライダ１２１の位置を読みとり第一のＸ軸スケールヘッド１１７からのデータを制御コンピュータ１２３を通してデータ処理用コンピュータ１２４に取り込む。またこの工程では、第二のＸ軸スケール１１６に対するＸ軸ステージスライダ１２１の位置を読みとり第二のＸ軸スケールヘッド１１９からのデータを制御コンピュータ１２３を通してデータ処理用コンピュータ１２４に取り込む。また、図示していないＺ軸スケールからのデータ、及び変位センサー等から取り込んだデータを制御コンピュータ１２３を通してデータ処理用コンピュータ１２４に取り込む処理を行う。もちろんこのデータ転送工程は、倣い走査の工程と並列に行われても良い。

続く工程４０９では、データ転送処理４０８の工程で取り込んだ被測定物１０９の表面形状測定データに対して、あらかじめ測定したシステムエラーを補正する処理である。

ここでシステムエラーとは測定中に生じた計測誤差ではなく、使用した形状測定装置に起因する固有の誤差のことである。

システムエラーとして、たとえばＸ軸ステージガイド１０５に対するＸ軸ステージスライダ１２１の走りとＺ軸ステージガイド１０６に対するＺ軸ステージスライダ１０７の直交度誤差がある。また、Ｘ軸ステージガイド１０５に対するＸ軸ステージスライダ１２１のＺ方向走り誤差、同様にＺ軸ステージガイド１０６に対するＺ軸ステージスライダ１０７のＸ方向走り誤差などがある。また、接触式プローブ１０８の先端球の真円度誤差などがある。これらの誤差は工程４０１からの一連の形状測定を実施する前に、あらかじめ測定しデータ処理用コンピュータ１２４に記憶しておく。ただし、補正の必要の無いと判断されたデータはシステムエラー補正処理を行わなくても良い。

続く工程４１０は、取得した被測定物１０９の表面形状測定データから被測定物１０９の正確な形状を求めるためのフィッティング計算処理である。

被測定物１０９の表面形状測定データと設計形状データを比較し、その差が最小になる被測定物の表面形状データを計算する。フィッティングの際のデータの移動値（フィッティング誤差）もあわせて計算する。この方法として一般的に最小二乗法がある。これは表面形状データを並行移動及び回転移動に関する座標変換式から最小二乗法を用いて表面形状測定データと表面形状設計データとの差の二乗和が最小となる表面形状データの平行移動位置及び回転移動位置を求める方法である。

工程４１１はフィッティング処理された被測定物１０９の表面形状測定データＦ´と被測定物１０９の設計形状データＦから被測定物１０９の形状誤差を算出する形状誤差を算出する工程である。形状誤差とはΔＦ＝Ｆ−Ｆ´で表現されるΔＦのことである。ΔＦの値がゼロに近いほど、被測定物１０９の形状は設計形状と近い。

工程４１２では結果表示処理が行われ、形状誤差算出処理である工程４１１で求めた被測定物１０９の形状Ｆ´あるいは形状誤差ΔＦをモニタ等に表示する。また被測定物１０９の形状誤差ΔＦから予め設定されている誤差の規格ΔＦ_０と比較して、良品か不良品かを表示してもよい。

図４に記載したシーケンスでは被測定物１０９の１方向における断面形状測定を実施した例であるが、このシーケンスをθ回転ステージ１１２を回転させて別の方位で計測を繰り返すことで複数の断面形状を測定することもできる。これによって被測定物１０９の面形状を測定及び評価することも可能である。

以上のシーケンスによって接触式プローブ１０８を被測定物１０９の表面に沿って適切に倣い走査させるとともに、接触式プローブ１０８の移動軌跡における座標データを取得することができる。この座標データは被測定物１０９の表面の形状に対応するデータとなっている。

以上のように、ケーブル案内部１３０はＺ軸ステージガイド１０６の載置されている面と反対側の面（第二の側面）に接続され、前記水平な一方向を含む水平面にそって弧状に湾曲して収められている。そのため、Ｘ軸ステージスライダのＺ方向への変形が抑制され、測定精度が向上する。図５（ａ）に示したグラフからもあきらかなように、ケーブル案内部は湾曲を解消する方向に強い抵抗力がはたらきそれと交差する方向には比較的抵抗力が低い。

したがって、Ｘ軸ステージのＺ軸方向の誤差を小さくすることができる。さらに、抵抗力が大きい方向がＸ軸ガイドの中心に向かっているため、Ｘ軸ステージへのこじれ（モーメント力）の発生を抑えることも可能である。また、Ｘ軸ステージガイド１０５が熱や荷重等によって変形してもＸ軸ステージスライダ１２１のＸ軸方向位置を計測する第一のＸ軸スケール１１４並びに第二のＸ軸スケール１１６は変形を抑制した位置計測が可能となる。また、Ｘ軸ステージガイド１０５の走りにピッチング等の誤差があっても第一のＸ軸スケール１１４並びに第二のＸ軸スケール１１６によって、接触又は非接触プローブ１０８の位置をアッベ誤差無く、正しく測定することが可能となる。また、第一のＸ軸スケール１１４をＸ軸ステージガイド１０５の直下に配置することができるので第一のＸ軸スケールヘッド１１７を第一のＸ軸ステージスライダ１２１のもっとも近くに配置することができる。これによって第一のＸ軸スケールヘッド１１７の取り付け剛性が高まり、より正しい測定が可能となる。

従って、本発明を実施した図１〜図３に示す形状測定装置及び図４に示す三次元形状測定シーケンスによって、被測定物の非球面、球面等からなるレンズに代表される光学素子、またはそれに類する構造物の表面形状を正確に求めることが可能となる。

１００ 測定装置
１０１ 定盤
１０２ 除振台
１０４ フレーム
１０５ Ｘ軸ステージガイド
１０６ Ｚ軸ステージガイド
１０７ Ｚ軸ステージスライダ
１０８ 接触式プローブ
１０９ 被測定物
１１０ ティルトステージ
１１１ ＸＹステージ
１１２ θ回転ステージ
１１３ 第一のＸ軸スケールフレーム
１１４ 第一のＸ軸スケール
１１７ 第一のＸ軸スケールヘッド
１１８ 第一のＸ軸スケールヘッドフレーム
１２１ Ｘ軸ステージスライダ
１３０ ケーブル案内部
１３１ ケーブル・エアチューブ
１３２ ケーブル案内部フレーム

Claims (5)

1. 水平な一方向に懸架されたガイドと、前記ガイドに沿って移動可能に設けられたスライダーと、前記スライダーに設けられたプローブ支持手段と、前記プローブ支持手段を介して支持されたプローブと、前記プローブの位置を測定する計測部とを備え、
   前記プローブ支持手段に支持されたプローブの長手方向と交差する方向であって、前記水平な一方向を含む水平面にそって弧状に湾曲して収めた帯状のケーブル案内部を有することを特徴とする形状測定装置。
2. 前記帯状のケーブル案内部は、電気ケーブルとエアチューブを同方向にスチールベルトに対して並置して帯状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の形状測定装置。
3. 前記計測部は、スケールとスケールヘッドの対からなることを特徴とする請求項１または２記載の形状測定装置。
4. 前記スライダーは前記ガイドに沿ってかつ前記ガイドの周囲を覆うように構成されており、
   前記プローブ支持手段は前記ガイドにおける前記水平な一方向に沿った第一の側面に設けられたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項記載の形状測定装置。
5. 前記プローブ支持手段における前記第一の側面と対向する第二の側面に対して、前記ケーブル案内部が連結されていることを特徴とする請求項４に記載の形状測定装置。

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