JP2728331B2

JP2728331B2 - 平面度測定装置

Info

Publication number: JP2728331B2
Application number: JP1348592A
Authority: JP
Inventors: 藤田　　勉; 俊夫滝谷; 繁男高松; 明夫小村
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 1992-01-29
Filing date: 1992-01-29
Publication date: 1998-03-18
Anticipated expiration: 2013-03-18
Also published as: JPH05203433A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属板、ガラス板など
の大きい平板状の物体の平面度を高精度に測定する平面
度測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、金属板、ガラス板などの大きい平
板状の物体の平面度を高精度に測定する平面度測定装置
としては、例えば図４に示すように、左右一対の第１ガ
イド体１０１と、これら両第１ガイド体１０１に案内さ
れる第２ガイド体１０２と、この第２ガイド体１０２に
案内されて第１ガイド体１０１と直交する方向で移動自
在にされるとともに両第１ガイド体１０１間に載置され
た被測定物１０３の平面度を検出する変位センサ１０４
を有する第３移動体１０５とから構成されていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の平
面度測定装置によると、機器の精度上、両第１ガイド体
１０１間の距離を、広くすることはできず、例えば実用
的には、４０cm四方の平板状の物体の平面度程度までし
か測定ができないという問題があった。

【０００４】なお、大きい平板状の物体の平面度を測定
する方法として、例えば予め決められた直線に沿って表
面の傾きを、例えばオートコリメータなどを使用して測
定し、この傾きの値を累算して平面度を求める方法もあ
るが、測定に時間を要するとともに細かく測定するのに
不向きである。

【０００５】そこで、本発明は上記問題を解消し得る平
面度測定装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の平面度測定装置は、ガイド部材に沿って水
平直線方向で高精度に移動案内される移動体に、その移
動方向と水平面内で直交する方向に沿って３つの第１，
第２および第３変位センサを取り付けるとともに、上記
移動体の下方位置に配置される被測定物を支持する支持
台を、移動体の移動方向と水平面内で直交する方向に沿
って、上記各変位センサの取付間隔と等しい間隔でもっ
て順次第３変位センサ側から第１変位センサ側に向かっ
て移動させるようになし、かつ移動体の所定方向への移
動および上記支持台の移動に伴って３個の変位センサに
より得られるデータの内、第３変位センサによる変位デ
ータを求める際に、今回の第１および第２変位センサに
より測定された測定データと、前回の走査における第２
および第３変位センサによって得られた変位データとを
使用してデータの修正係数を求めるとともに、この修正
係数に基づき第３変位センサの測定データから誤差を除
去して変位データを得るようにしたものである。

【０００７】

【作用】上記の構成によると、移動体の所定方向への移
動および上記支持台の移動に伴って３個の変位センサに
より得られるデータの内、第３変位センサによる変位デ
ータを求める際に、今回の第１および第２変位センサに
より測定された測定データと、前回の走査における第２
および第３変位センサによって得られた変位データとを
使用してデータの修正係数を求めるとともに、この修正
係数に基づき第３変位センサの測定データから誤差を除
去して変位データを得るようにしたので、支持台の移動
精度が良好でなくても、平面度の測定精度を高く維持す
ることができる。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１〜図３に基づ
き説明する。図１において、１は比較的面積の大きい平
板状物体（以下、被測定物という）２の平面度を測定す
るための平面度測定装置で、測定器本体３と、この測定
器本体３の一端部から突設された一対のガイドレール
（ガイド部材）４と、これら両ガイドレール４に案内さ
れて直線方向（以下、Ｘ軸方向という）で移動自在にさ
れた移動体５と、この移動体５に、その移動方向と水平
面内で直交する方向（以下、Ｙ軸方向という）に沿って
所定間隔置きに設けられた３つの変位センサ６と、これ
ら変位センサ６の下方位置、すなわち移動体５の下方位
置にＹ軸方向に沿って所定間隔置きに移動自在に配置さ
れるとともに被測定物２を載置支持する支持台７と、上
記移動体５に設けられた各変位センサ６の姿勢を高精度
に制御する姿勢制御装置８と、上記変位センサ６からの
検出信号を入力するとともに所定の演算を施して被測定
物２の平面度を演算する演算装置（図示せず）と、上記
支持台７の移動を行う駆動装置（図示せず）とから構成
されている。なお、図中、９はガイドレール４の端部支
持材である。

【０００９】上記移動体５に取り付けられた各変位セン
サ６のＸ軸方向の移動は、上記姿勢制御装置８により高
精度に行われるが、被測定物２のＹ軸方向の移動の精度
については、後述する測定方法により測定精度が維持さ
れるため、機構的にはそれ程高く維持されていない。

【００１０】まず、移動体２の姿勢制御装置８について
説明する。図１および図２に示すように、この姿勢制御
装置８は、移動体５の直線移動方向に沿ってかつ移動体
５に向かって基準直線用のレーザビーム１１を照射する
レーザ照射装置（Ｈｅ−Ｎｅレーザを用いて直線偏光ビ
ームを発振するもの）１２と、レーザ照射装置１２から
照射されたレーザビーム１１の方向を安定させるビーム
方向安定化装置１３と、このビーム方向安定化装置１３
と移動体５との間に配置されて、上記レーザビーム１１
を互いに平行な３本の第１，第２，第３レーザビーム１
１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃに分割する光学系１４と、上記３
個の変位センサ６が直接取り付けられる移動体５の上方
部である基準部５ａにそれぞれ取り付けられて、分割さ
れたレーザビームをそれぞれ受光する第１四分割フォト
ダイオード１５、二分割フォトダイオード１６および反
射鏡（具体的には平面鏡）１７と、上記移動体５の外部
に配置されるとともに上記反射鏡１７で反射されたレー
ザビームを受光する第２四分割フォトダイオード１８
と、上記移動体５に設けられて、基準部５ａの鉛直方向
変位、水平方向変位、基準直線に対するローリング角、
基準直線に対するピッチング角、および基準直線に対す
るヨーイング角をそれぞれ制御する５個の弾性ヒンジ機
構部３１〜３５とから構成されている。

【００１１】そして、上記光学系１４は、ビーム方向安
定化装置１３と移動体５との間にかつ移動体５側に向か
って順番に配置された、偏光ビームスプリッタ２１と、
第１ビームスプリッタ２２と、第２ビームスプリッタ２
３と、１／４λ波長器２４と、第１ビームスプリッタ２
２から分割されたレーザビームを第１四分割フォトダイ
オード１５に導く第１ミラー２５と、第２ビームスプリ
ッタ２３から分割されたレーザビームを二分割フォトダ
イオード１６に導く第２ミラー２６と、上記偏光ビーム
スプリッタ２１と第２四分割フォトダイオード１８との
間に配置されたレンズ２７とから構成されている。

【００１２】上記レーザ照射装置１２から照射されたレ
ーザビーム１１はビーム方向安定化装置１３および偏光
ビームスプリッタ２１を通過した後、第１および第２ビ
ームスプリッタ２２，２３でそれぞれレーザビームが分
割される。

【００１３】第１ビームスプリッタ２２で分割された第
１レーザビーム１１Ａは第１ミラー２５を介して第１四
分割フォトダイオード１５に入射される。一方、両ビー
ムスプリッタ２２，２３を通過した第２レーザビーム１
１Ｂは１／４λ波長器２４を経て反射鏡１７で反射さ
れ、再度１／４λ波長器２４を通過して円偏光となり、
両ビームスプリッタ２２，２３を通過した後、偏光ビー
ムスプリッタ２１で分割され、レンズ２７を経て第２四
分割フォトダイオード１８に入射される。

【００１４】さらに、第２ビームスプリッタ２３で分割
された第３レーザビーム１１Ｃは第２ミラー２６を介し
て二分割フォトダイオード１６に入射される。次に、上
記各レーザビームの各フォトダイオード１５，１６，１
８への入射位置に基づき、移動体５の基準部５ａに変位
を与えてその姿勢を制御するための上記５つの弾性ヒン
ジ機構部３１〜３５について説明する。

【００１５】第１弾性ヒンジ機構部３１は鉛直方向で変
位させるもので、第２弾性ヒンジ機構部３２は移動方向
に対して直交する水平方向で変位させるもので、第３弾
性ヒンジ機構部３３は移動方向に沿う基準直線に対する
ローリング角を変化させるもので、第４弾性ヒンジ機構
部３４は移動方向に沿う基準直線に対するピッチング角
を変化させるもので、第５弾性ヒンジ機構部３５は移動
方向に沿う基準直線に対するヨーイング角を変化させる
ものである。

【００１６】すなわち、各弾性ヒンジ機構部３１〜３５
は、移動体５の所定位置にかつ所定方向（鉛直方向およ
び水平方向）で形成されたスリット４１〜４５と、これ
ら各スリット４１〜４５内に挿入されたピエゾアクチュ
エータ（圧電効果を利用したもので、アクチュエータの
一例である）５１〜５５とから構成されている。このピ
エゾアクチュエータ５１〜５５を駆動することにより、
各スリット４１〜４５の溝幅を変化させて、基準部５ａ
に所定の変位を与えるものである。

【００１７】そして、さらにこれら各ピエゾアクチュエ
ータ５１〜５５は、各フォトダイオード１５，１６，１
８からのレーザビームの入射位置に基づき、その入射位
置が正しい位置、すなわち中心位置となるように、各ピ
エゾアクチュエータ５１〜５５を駆動するようにされて
いる。

【００１８】上記構成において、反射鏡１７を介して第
２四分割フォトダイオード１８に入射された第１レーザ
ビーム１１Ａの位置により、その方向偏差が検出され
る。そして、方向偏差が検出されると、その方向偏差が
なくなるように、弾性ヒンジ機構部３４，３５のピエゾ
アクチュエータ５４，５５が駆動される。これにより、
基準部５ａの基準直線に対するピッチング角およびヨー
イング角の姿勢制御が行われる。

【００１９】また、第１四分割フォトダイオード１５に
入射された第２レーザビーム１１Ｂの位置がずれた場合
には、その入射位置が中心にくるように、鉛直方向およ
び水平方向の弾性ヒンジ機構部３１，３２の各ピエゾア
クチュエータ５１，５２が駆動される。これにより、基
準部５ａの鉛直方向および水平方向の姿勢制御が行われ
る。

【００２０】さらに、二分割フォトダイオード１６に入
射された第３レーザビーム１１Ｃの位置が上下方向でず
れた場合には、やはりその入射位置が上下の中心位置に
くるように、弾性ヒンジ機構部３３のピエゾアクチュエ
ータ５３が駆動される。これにより、基準部５ａの基準
直線に対するローリング角の姿勢制御が行われる。

【００２１】このように、３本のレーザビームの入射位
置を検出するとともに、この入射位置のずれに基づき、
５つの弾性ヒンジ機構部のピエゾアクチュエータを駆動
して、それぞれのずれをなくすようにしているので、従
来のように、５軸成分の変位をそれぞれ分離することな
く、５軸の姿勢制御を迅速に行うことができる。

【００２２】次に、被測定物の平面度の測定方法を、図
３に基づき説明する。まず、測定方法を概略的に説明す
る。移動体５をＸ軸方向にΔＸごとに一側部側から他側
部側に向かって移動さるとともに、ΔＸごとの位置で第
１〜第３変位センサ６Ａ〜６Ｃ（被測定物２の測定が新
しく行われる方を第３変位センサ側とする）により、変
位を測定して各センサごとに３個の測定データを得、そ
の後、再度、元の一端部側に復帰移動させるとともに、
被測定物２をＹ軸方向にΔＹだけ移動させ、この位置で
再度移動体５をΔＸごとに移動させて各変位センサ６に
より、測定データを得る。

【００２３】ところで、３個の変位センサ６Ａ，６Ｂ，
６Ｃの取付間隔は、上記支持台７の移動間隔ΔＹに等し
くされており、したがって１回目の測定により走査した
２箇所分（２行分）については、次の測定においても走
査されることになる。

【００２４】このようにして、順次、ΔＹごとにおける
位置で、Ｘ軸方向に移動体５を移動させて測定すること
により、被測定物２全体における測定データを得る。そ
して、この測定時において、Ｙ軸方向に配置された第１
〜第３変位センサ６Ａ〜６Ｃにより得られたデータの
内、第３変位センサ６Ｃによる変位データを求める際
に、今回の第１および第２変位センサ６Ａ，６Ｂにより
測定された測定データと、前回の走査における第２およ
び第３変位センサによって得られた変位データとを使用
してデータの修正係数を求めるとともに、この修正係数
に基づき第３変位センサの測定データから誤差を除去し
て変位データを得るようにしている。

【００２５】次に、その測定方法を具体的に説明する。
以下に示される測定データｄの添え字は下記のことを示
している。上添え字は、移動体５に取り付けられた変位
センサ６の番号を示している。また、括弧内の記号は、
各変位センサ６の移動位置のＸ−Ｙ座標を示しており、
具体的には、ΔＸとΔＹごとの倍数で示している。

【００２６】例えば、図３の中央位置にて示すように、
ｄ¹ (i,j) は、第１変位センサ６Ａにより得られる測定
データを示し、しかもその測定箇所のＹ座標である走査
する位置はｊ行目（ｊ×ΔＹ），測定箇所のＸ座標はｉ
列目（ｉ×ΔＸ）を示している。但し、ｉ＝０，・・
・，Ｍ；Ｊ＝０，・・・，Ｎとする（以下同じ）。

【００２７】まず、第１回目の測定を行う。すなわち、
図３に示すように、移動体５をＸ軸方向にΔＸごとに、
順次移動させて、３個の変位センサ６Ａ〜６Ｃにより、
Ｙ軸方向において、ΔＹ置きに３箇所で被測定物２の平
面度の測定を同時に行う。

【００２８】被測定物の平面度の偏差量、すなわち変位
データをｓとすると、３個の変位センサ６Ａ，６Ｂ，６
Ｃにより得られる測定データｄは下記のように表され
る。ｄ¹ (i,0) ＝ｓ (i,0)＋ｎ・・・・(1) ｄ² (i,1) ＝ｓ (i,1)＋ｎ・・・・(2) ｄ³ (i,2) ＝ｓ (i,2)＋ｎ・・・・(3) 上記、式中、ｎは測定ノイズであり、平均値が０である
正規分布とする。

【００２９】なお、ｓに付けられた括弧内の記号は、ｄ
の場合と同様に、測定箇所を示す。そして、第２回目の
測定により新しく走査した箇所の変位データｓを得る際
に、上記第１回目で得られた各変位データｓが使用され
るが、この場合、ｎが０であるため、下記のように第１
回目の測定データｄの値がそのまま変位データｓの値と
なる。

【００３０】ｄ¹ (i,0) ＝ｓ (i,0)・・・・(4) ｄ² (i,1) ＝ｓ (i,1)・・・・(5) ｄ³ (i,2) ＝ｓ (i,2)・・・・(6) 次に、第２回目の測定について説明する。

【００３１】第１回目の測定が終了すると、被測定物２
は移動体５に対してＹ軸方向でΔＹだけ移動される。こ
の移動時に、移動体５は元の一端側に復帰移動される
（なお、場合によっては、他端部側から一端部側に移動
させて、測定するようにしてもよい）。

【００３２】被測定物２をΔＹだけ移動させると、第１
変位センサ６Ａは前回測定時の第２変位センサの位置と
なり、第２変位センサ６Ｂは前回測定時の第３変位セン
サの位置となり、第３変位センサ６Ｃだけが新しい箇所
を走査することになる。そして、この測定時において
は、第１回目の測定で得られた変位データｓと、第３変
位センサ６Ｃにより得られた測定データｄとに基づき、
新しく走査した箇所の変位データｓが求められる。すな
わち、前回の第２および第３変位センサ６Ｂ，６Ｃによ
り得られた測定データと、今回得られた第１および第２
変位センサ６Ａ，６Ｂにより得られた測定データとが一
致するように、第３変位センサ６Ｃにより今回得られた
測定データに修正が加えられる。

【００３３】ここで、上記修正方法について説明する。
すなわち、第２回目の各変位センサ６Ａ，６Ｂ，６Ｃに
よる測定データｄは下記のように表される。

【００３４】ｄ¹ (i,1) ＝ｓ (i,1)＋ａ×ｉ＋ｃ＋ｎ・・・・・(7) ｄ² (i,2) ＝ｓ (i,2)＋ａ×ｉ＋ｂ＋ｎ・・・・・(8) ｄ³ (i,3) ＝ｓ (i,3)＋ａ×ｉ＋２ｂ＋ｎ・・・・(9) 上記式中、ａ，ｂ，ｃは第１回目の測定時における被測
定物２の表面を基準面とした時の、基準面からの移動量
を表すパラメータである。

【００３５】すなわち、ａ：Ｘ軸方向の傾きを示すパラ
メータｂ：Ｙ軸方向の傾きを示すパラメータｃ：Ｚ軸方向（Ｘ−Ｙ軸方向に直交する方向）の偏差量
を示すパラメータ上記式中、ｓ (i,1)，ｓ (i,2)は、第１回目の測定によ
りすでにその値が分かっている。

【００３６】そこで、上記(7) および(8) 式に対し、そ
の誤差の二乗和が最小となるように、最小二乗法によ
り、ａ，ｂ，ｃを決定し、そしてこれらの値に基づき、
(9) 式からｓ (i,3)を得ることができる。すなわち、こ
の値は誤差が除去された変位データである。

【００３７】ここで、ａ，ｂ，ｃを最小二乗法により求
めると、下記のようになる。(7) 式から、ｎ＝ｄ¹ (i,1) −ｓ (i,1)−ａ×ｉ−ｃ＝Ｓ (i,1)−ａ×ｉ−ｃ・・・・・(10) 但し、Ｓ (i,1)＝ｄ¹ (i,1) −ｓ (i,1) Ｊ＝Σｎ² とすると、Ｊを最小にするａ，ｃが求めるパ
ラメータの値である。

【００３８】なお、以下の式中におけるΣについては、
ｉ＝０〜Ｍまでの総和を示すものとする。

【００３９】

【数１】

【００４０】

【数２】

【００４１】ここで、Ｉ＝Σｉ＝Ｍ×（Ｍ＋１）／２Ｑ＝Σｉ² ＝Ｍ² ×（２Ｍ＋３）／６とすると、上記
(11)，(12)式は下記のようになる。

【００４２】ａ×Ｑ＋ｃ×Ｉ＝ΣＳ (i,1)×ｉ・・・・・(13) ａ×Ｉ＋ｃ×（＋１）＝ΣＳ (i,1)・・・・(14) 上記(13)および(14)式から、ａおよびｃが求められる。

【００４３】また、ｂについては、(8) 式において、上
記と同様の計算を行うことにより、求められる。このよ
うに、最小二乗法により、ａ，ｂ，ｃが求められると、
平面度の偏差量、すなわち変位データであるｓ³ (i,3)
が求まる。

【００４４】そして、ｓ (i,3)が得られると、再度、被
測定物２をΔＹだけ移動させて、第３回目の測定を行
い、この場合においても、第２回目の測定で得られた変
位データｓ (i,2)およびｓ (i,3)を使用して、上述と同
様に最小二乗法により、ｓ (i,4)を求める。

【００４５】このような測定を順次繰り返して、被測定
物２の全体表面の測定を行う。このように、被測定物が
大きい場合であっても、支持台の移動方向における測定
誤差が除去された、精度の高い平面度のデータが得ら
れ、すなわち精度の高い測定を行うことができる。

【００４６】

【発明の効果】以上のように本発明の構成によると、水
平直線方向で高精度に移動案内される移動体に、その移
動方向と直交する方向において、３個の変位センサを設
け、かつ移動体の所定方向への移動および上記支持台の
移動に伴って３個の変位センサにより得られるデータの
内、第３変位センサによる変位データを求める際に、今
回の第１および第２変位センサにより測定された測定デ
ータと、前回の走査における第２および第３変位センサ
によって得られた変位データとを使用してデータの修正
係数を求めるとともに、この修正係数に基づき第３変位
センサの測定データから誤差を除去して変位データを得
るようにしたので、支持台の移動精度が高くなくても、
平面度の測定精度を高く維持することができる。すなわ
ち、被測定物が大きい場合でも、安価な装置でかつ高精
度でもって平面度を測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における平面度測定装置の概
略構成を示すブロック図である。

【図２】同平面度測定装置の移動体の斜視図である。

【図３】同平面度測定装置における測定方法を説明する
平面図である。

【図４】従来例の平面度測定装置の概略斜視図である。

【符号の説明】

１平面度測定装置２被測定物４ガイドレール５移動体５ａ基準部６変位センサ６Ａ第１変位センサ６Ｂ第２変位センサ６Ｃ第３変位センサ７支持台８姿勢制御装置１１レーザビーム１２レーザ照射装置１３光学系

フロントページの続き (72)発明者小村明夫大阪府大阪市此花区西九条５丁目３番28 号日立造船株式会社内 (56)参考文献特開昭59−57112（ＪＰ，Ａ) 特開昭53−109660（ＪＰ，Ａ) 特開昭51−12154（ＪＰ，Ａ) 特公昭49−42709（ＪＰ，Ｂ１)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ガイド部材に沿って水平直線方向で高精度
に移動案内される移動体に、その移動方向と水平面内で
直交する方向に沿って３つの第１，第２および第３変位
センサを取り付けるとともに、上記移動体の下方位置に
配置される被測定物を支持する支持台を、移動体の移動
方向と水平面内で直交する方向に沿って、上記各変位セ
ンサの取付間隔と等しい間隔でもって順次第３変位セン
サ側から第１変位センサ側に向かって移動させるように
なし、かつ移動体の所定方向への移動および上記支持台
の移動に伴って３個の変位センサにより得られるデータ
の内、第３変位センサによる変位データを求める際に、
今回の第１および第２変位センサにより測定された測定
データと、前回の走査における第２および第３変位セン
サによって得られた変位データとを使用してデータの修
正係数を求めるとともに、この修正係数に基づき第３変
位センサの測定データから誤差を除去して変位データを
得るようにしたことを特徴とする平面度測定装置。