JP3457918B2 - 対向平面平行度測定方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばマイクロメ
ータのアンビルとスピンドルのように、少なくとも一方
が回転する一対の対向平面の平行度、特に最大角度及び
最小角度を高精度に測定するのに好適の対向平面平行度
測定方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】マイクロメータは、寸法測定を行う物体
を、アンビル先端面（固定側平面）と回転しながら線形
移動するスピンドル先端面（回転側平面）との間に挟持
して両平面間の距離を測定することで物体の寸法を測定
するものである。従来、このような一対の対向平面の平
面度や平行度を高精度に測定する検査方法として、オプ
チカルパラレルを用いた方法が知られている。この方法
は、検査すべきマイクロメータの被測定面に、両面が平
行且つ平面となるように光学的な研磨が施されたガラス
製のオプチカルパラレルを、通常の測定と同様に挟み込
んで、オプチカルパラレルの測定面とマイクロメータの
固定被測定面及び回転被測定面との接触面に発生する干
渉縞（いわゆるニュートン縞又はニュートンリング）を
目視で観察して被測定面の平面度や平行度を評価する方
法である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来
のオプチカルパラレル法では、回転側平面の回転軸（ス
ピンドル軸）に対する傾きが求められておらず、固定側
平面と回転側平面との間の最大傾斜角並びに最小傾斜角
を決定して、両平面の差異の最大値及び最小値を求める
ことができなかった。

【０００４】本発明は、このような点に鑑み、少なくと
も一方が回転する対向平面間の最大傾斜角並びに最小傾
斜角を求めることができる対向平面平行度測定方法及び
装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る第１の対向
平面平行度測定方法は、対向配置されて一方が固定側、
他方が前記固定側に対して対向方向にほぼ沿った回転軸
を中心として回転する一対の被測定面に、基準平面を介
してそれぞれ平行光を照射し、各被測定面及び基準平面
からの反射光が干渉することによって得られた干渉像を
それぞれ個別に観測することにより、前記一対の被測定
面の平行度を測定する対向平面平行度測定方法であっ
て、前記固定側である一方の被測定面の干渉像から当該
被測定面の傾きを測定すると共に、得られた傾きから前
記一方の被測定面の法面ベクトルを求めるステップと、
前記回転する他方の被測定面の干渉像から当該被測定面
の傾きを、第１の位置と、この第１の位置から前記回転
軸を中心として所定角度回転させた第２の位置とでそれ
ぞれ測定するステップと、前記回転する他方の被測定面
の第１及び第２の位置での傾きから、当該被測定面の法
面ベクトルが描く円錐を推定するステップと、前記一方
の被測定面の法面ベクトルと前記他方の被測定面の法線
ベクトルが描く円錐の軸及び頂角とから前記一対の被測
定面のなす最大角度及び最小角度の少なくとも一方を求
めるステップとを有することを特徴とする。

【０００６】本発明に係る第２の対向平面平行度測定方
法は、対向配置されてそれぞれが対向方向にほぼ沿った
回転軸を中心として回転する一対の被測定面に、基準平
面を介してそれぞれ平行光を照射し、各被測定面及び基
準平面からの反射光が干渉することによって得られた干
渉像をそれぞれ個別に観測することにより、前記一対の
被測定面の平行度を測定する対向平面平行度測定方法で
あって、前記各被測定面の干渉像から各被測定面の傾き
を、第１の位置と、この第１の位置から前記回転軸を中
心として所定角度回転させた第２の位置とでそれぞれ測
定するステップと、前記各被測定面の第１及び第２の位
置での傾きから、前記各被測定面の法面ベクトルが描く
円錐を推定するステップと、このステップで推定された
前記各被測定面の法線ベクトルが描く円錐の軸及び頂角
から前記一対の被測定面のなす最大角度及び最小角度の
少なくとも一方を求めるステップとを有することを特徴
とする。

【０００７】本発明の第１の対向平面平行度測定方法に
よれば、固定側の被測定面の傾きをその干渉像から測定
し、この傾きから固定側の被測定面の法面ベクトルを求
め、回転する被測定面の傾きをその干渉像から第１の位
置と、この位置から所定角度回転した第２の位置とでそ
れぞれ測定し、各位置において求められた被測定面の傾
きから、被測定面の法面ベクトルが描く円錐を推定する
ようにしているので、この推定された円錐の軸と固定側
の被測定面の法面ベクトルとのなす角度と、前記円錐の
頂角とから最大角度及び最小角度を求めることが可能に
なる。このため、測定精度及び評価精度が向上する。ま
た、本発明の第２の対向平面平行度測定方法によれば、
回転する各被測定面の干渉像から各被測定面の傾きを第
１の位置と、この位置から所定角度回転した第２の位置
とでそれぞれ測定し、各位置において求められた各被測
定面の傾きから、各被測定面の法面ベクトルが描く円錐
をそれぞれ推定するようにしているので、この推定され
た各被測定面の円錐の軸のなす角度と、前記円錐の頂角
とから最大角度及び最小角度を求めることが可能にな
る。このため、測定精度及び評価精度が向上する。

【０００８】被測定面の傾きを測定するステップは、例
えば、平行光の波長を変えて複数回の測定を行うことに
より１つの位置及び被測定面について位相の異なる複数
の干渉像を取得するステップと、このステップで取得さ
れた複数の干渉像を解析して各被測定面の高さを求める
ステップと、このステップで求められた各被測定面の高
さから前記各被測定面の代表面の傾きを求めるステップ
とを含むように構成することができる。

【０００９】被測定面の代表面は、各被測定面の高さデ
ータから最小二乗法によって求めることができる他、各
被測定面の高さデータの頂上部分に外接する平面や、谷
底部分に内接する平面で代表させても良い。更に被測定
面を回転させて測定を行うに当たって、干渉計装置の取
り外し、再配置を行う過程が必要になる場合には、基準
とする被検出面（固定被検面）の測定位置が相違すると
いう問題があるが、これに対しては、前記回転側の被測
定面の傾きを測定するステップにおいて、前記固定側の
被測定面の干渉像群Ｓ１と、前記回転側の被測定面の前
記第１の位置の干渉像群Ｒ１を得るステップと、前記固
定側の被測定面の再配置後の干渉像群Ｓ１′と、前記回
転側の測定面の再配置後の前記第２の位置の干渉像群Ｒ
２を得るステップと、前記干渉像群Ｓ１′から求めた代
表平面Ｍ１′を前記干渉像群Ｓ１から求めた代表平面Ｍ
１に一致させるに必要な補正量を求めるステップと、前
記干渉像群Ｒ２から求めた代表平面に対して前記補正量
を補正するステップとを備えることによって、基準とす
る被検面（固定被検面）の測定位置が相違しても補正す
ることが可能となる。また、この補正量は、前記代表平
面Ｍ１′の法面ベクトルを、前記代表平面Ｍ１の法面ベ
クトルに一致させるための回転軸位置と回転角度を含ん
でも良く、これらを補正データとすることによって確実
な補正が可能になる。

【００１０】本発明に係る第１の対向平面平行度測定装
置は、対向配置されて一方が固定側、他方が前記固定側
に対して対向方向にほぼ沿った回転軸を中心として回転
する一対の被測定面にそれぞれ平行光を導くと共に前記
被測定面への平行光の照射によって形成された干渉像を
各被測定面方向からそれぞれ異なる光学経路を介して導
く干渉光学系と、前記各光学経路を介して導かれた干渉
像をそれぞれ撮像する撮像手段と、前記撮像手段によっ
て撮像された干渉像から前記被測定面の平行度を算出す
る演算手段とを備え、前記演算手段が、前記固定側であ
る一方の被測定面の干渉像から当該被測定面の傾きを測
定すると共に、得られた傾きから前記一方の被測定面の
法面ベクトルを求め、前記回転する他方の被測定面の干
渉像から当該被測定面の傾きを、第１の位置と、この第
１の位置から前記回転軸を中心として所定角度回転させ
た第２の位置とでそれぞれ測定し、前記回転する他方の
被測定面の第１及び第２の位置での傾きから、当該被測
定面の法面ベクトルが描く円錐を推定すると共に、前記
一方の被測定面の法面ベクトルと前記他方の被測定面の
法線ベクトルが描く円錐の軸及び頂角から前記一対の被
測定面のなす最大角度及び最小角度の少なくとも一方を
求めるものであることを特徴とする。

【００１１】また、本発明に係る第２の対向平面平行度
測定装置は、対向配置されてそれぞれが対向方向にほぼ
沿った回転軸を中心として回転する一対の被測定面にそ
れぞれ平行光を導くと共に前記被測定面への平行光の照
射によって形成された干渉像を各被測定面方向からそれ
ぞれ異なる光学経路を介して導く干渉光学系と、前記各
光学経路を介して導かれた干渉像をそれぞれ撮像する撮
像手段と、前記撮像手段によって撮像された干渉像から
前記被測定面の平行度を算出する演算手段とを備え、前
記演算手段が、前記各被測定面の干渉像から当該被測定
面の傾きを、第１の位置と、この第１の位置から前記回
転軸を中心として所定角度回転させた第２の位置とでそ
れぞれ測定し、前記各被測定面の第１及び第２の位置で
の傾きから、前記各被測定面の法面ベクトルが描く円錐
を推定すると共に、この推定された前記各被測定面の法
線ベクトルが描く円錐の軸及び頂角から前記一対の被測
定面のなす最大角度及び最小角度の少なくとも一方を求
めるものであることを特徴とする。

【００１２】この発明によれば、異なる光学経路を介し
て一対の干渉像を撮像手段に導いて、演算手段で解析す
ることができるので、自動化に適した測定が可能にな
る。

【００１３】前記干渉光学系は、例えば平行度及び距離
が高精度に規定された一対の対向する基準平面が形成さ
れこれら基準平面が前記各被測定面と対向するように前
記被測定面間に挟持される測定ヘッド部と、光源から出
射された光を平行光に整形するレンズ系と、このレンズ
系からの平行光を２つの光学経路に分割し前記各基準平
面を介して前記各被測定面に導くと共に前記各被測定面
とこれと対向する基準平面とでそれぞれ反射した光が干
渉することによって生成される前記干渉像を前記撮像手
段までそれぞれ導く分割光学系とを備えて構成すること
ができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照してこの
発明の好ましい実施の形態について説明する。 図１
は、この発明の一実施例に係る対向平面平行度測定装置
を用いたマイクロメータの自動計測システムの構成を示
す図である。測定対象であるマイクロメータ２は、製造
最終工程又は検査工程において、マイクロ搬送・プロー
ブ支持機構３によって搬送される。本実施例の対向平面
平行測定装置１は、マイクロメータ２と一緒にマイクロ
搬送・プローブ支持機構３によって搬送されるプローブ
本体１１と、このプローブ本体１１に光を供給するＬＤ
（レーザ・ダイオード）光源回路１２と、マイクロメー
タ２の被測定面に適度な測定圧を加えるための測定圧付
加機構１３と、マイクロメータ２のスピンドル４２を１
８０度回転させるための回転駆動機構１０と、これら各
部やマイクロ搬送・プローブ支持機構３を制御すると共
に測定に必要な演算処理を実行するコントローラ１４と
を備えて構成されている。ＬＤ光源回路１２とプローブ
本体１１とは、偏波面保持光ファイバ１５を介して光学
的に接続されている。測定圧付加機構１３とプローブ本
体１１とはワイヤ１６を介して機械的に接続されてい
る。

【００１５】プローブ本体１１は、ＬＤ光源回路１２か
ら延びる偏波面保持光ファイバ１５を光ファイバコネク
タ１７を介して接続し、内部に各被測定面を計測するた
めの別々の光学経路を形成する干渉光学系１８を形成す
ると共に、この干渉光学系１８を介して抽出された干渉
像をそれぞれ撮像する撮像手段であるＣＣＤカメラ１
９，２０を設けたものである。プローブ本体１１の図中
下端部に後述する測定ヘッド部２７が形成され、この測
定ヘッド部２７の両側端に被測定面であるマイクロメー
タ２のアンビル４１の先端面とスピンドル４２の先端面
とを挟み込んで測定が行われる。

【００１６】図２は、干渉光学系１８の一例を示す図で
ある。ここでは干渉光学系１８としてフィゾー型干渉計
を用いた例を示している。ＬＤ光源回路１２から出射さ
れた光は、偏波面保持光ファイバ１５を介して筐体２１
の内部に導入される。導入された光は、まずコリメータ
レンズ２２で約φ７ｍｍ程度の光束にコリメートされ
る。コリメータレンズ２２からの平行光は、偏光ビーム
スプリッタ２３に入射され、ここで一部が透過し、残り
が反射して進行方向を９０度曲げられる。９０度進行方
向を曲げられた光は、直角プリズム２４にて再度９０度
進行方向を曲げられる。これにより、平行光は、平行な
２つの光学経路Ｃ１、Ｃ２に分割される。各光学経路Ｃ
１，Ｃ２を進行する平行光は、偏光ビームスプリッタ２
５，２６をそれぞれ透過して、筐体２１の下端部に形成
された測定ヘッド部２７に導入される。測定ヘッド部２
７には直角プリズム２８が装着されており、測定ヘッド
部２７に導入された光は、この直角プリズム２８でそれ
ぞれ進行方向を９０度曲げられて互いに逆方向で外向き
に進行する。

【００１７】筐体２１の測定ヘッド部２７の両側壁は、
光が透過できるように開口されている。この開口を塞ぐ
ように透明の平面基準板３１，３２が側壁外面にそれぞ
れ添接されている。平面基準板３１，３２は、例えばガ
ラスで形成されており、その測定ヘッド部２７に密着す
る面には、被測定面Ｍ１，Ｍ２の反射率に応じた反射コ
ーディングが施され、この面が基準平面Ｓ１，Ｓ２とな
る。例えば、測定対象がマイクロメータ２のアンビル４
１とスピンドル４２の挟持面である場合、基準平面Ｓ
１，Ｓ２には被測定面Ｍ１，Ｍ２を形成する超硬合金の
反射率に適合させた、金属膜によるハーフミラーコーテ
ィングが施される。フィゾー型干渉計は、この基準平面
Ｓ１，Ｓ２と被測定面Ｍ１，Ｍ２とで反射された２つの
光を干渉させる干渉計である。

【００１８】ところで、基準平面Ｓ１の法面ベクトルと
基準平面Ｓ２の法面ベクトルとは、一致しているとは限
らない。しかし、この装置では、２枚の平面基準板３
１，３２を密着固定する測定ヘッド部２７の平面基準板
固定面をゲージブロック並の良好な平行平面にラッピン
グ加工し、その上で平面基準板３１，３２の基準平面を
リンギングによって固定している。このため、基準平面
Ｓ１，Ｓ２は、極めて高精度な干渉計の平行基準面とし
て用いることができる。また、適当なるキャリブレーシ
ョン法を併用すれば、更に一致度は高まる。

【００１９】測定ヘッド部２７の左側の平面基準板３１
には、中央部に測定用の開口部を有する固定保護板３３
がリンギングによって添接されている。固定保護板３３
は、焼き入れされた鋼又は超硬合金を用い、平面基準板
３１の基準平面Ｓ１と平行になるように高精度にラッピ
ング加工されている。一方、測定ヘッド部２７の右側の
平面基準板３２には、中央部に測定用の開口部を有する
可動加圧板３４が設けられている。この可動加圧板３４
は、測定圧付加機構１３により図中矢印方向に移動して
被測定面Ｍ１，Ｍ２に適当な測定圧を付与する。

【００２０】平面基準板３１，３２の各基準平面Ｓ１，
Ｓ２とアンビル４１及びスピンドル４２の被測定面Ｍ
１，Ｍ２とで反射されることによって生じた干渉像は、
直角プリズム２８の方へ逆方向に進み、直角プリズム２
８で反射して進行方向を９０度曲げられ、偏光ビームス
プリッタ２５，２６で反射され、ＣＣＤカメラ１９，２
０の各撮像素子１９ａ，２０ａに撮像される。ＣＣＤカ
メラ１９，２０でそれぞれ撮像された干渉像は、コント
ローラ１４に入力されて解析処理に供せられる。

【００２１】コントローラ１４は、例えばＬＤ光源回路
１２をコントロールして、ＬＤ光源回路１２からの光の
波長を微小に変化させる。光波長を微小変化させると、
干渉縞に光学的な位相シフトが生じ、観測される干渉縞
が移動する。そこで、光波長を変化させて、異なる既知
の３つの波長による測定を行って、３画像以上の位相シ
フト画像を用いて高精度に平面形状を求める。以下、本
実施例の測定方法について図３のフローチャートに基づ
き説明する。

【００２２】（１）被検面の各位置における高さの算出 固定側の被測定面（以下、「固定被検面」と呼ぶ）Ｍ１
と、回転側の被測定面（以下、「回転被検面」と呼ぶ）
Ｍ２とは、それぞれ中央部の所定の領域を測定領域と仮
定した。位相シフト法では、異なる既知の３つの波長に
よる測定が必要となる。そこで、ＬＤの波長を既知の微
小量ほど変化させて、それぞれ３度の測定を行う。ま
た、回転駆動機構１０を制御して同じ測定を第１の位置
と、回転被検面Ｍ２を１８０度回転させた第２の位置と
で繰り返す（Ｓ１）。

【００２３】いま、３種類の波長をλ_k=λ−α，λ，λ
＋βとおく。被検面Ｍ１，Ｍ２と基準平面Ｓ１，Ｓ２と
の距離を(x,y)∈Ｓに対してz(x,y)とすれば、位相のず
れは、（2z*2π）／λ_k＝4πz／λ_kとなる。よって、３
つの干渉縞の光強度分布I_k(x,y)は、任意の位置(x,y)∈
Ｓに対して、次の関係式で表される。

【００２４】

【数１】

【００２５】但し、I_k(x,y)は光強度分布の測定値、I
_B(x,y)は干渉縞のバイアス値、I_A(x,y)は振幅値であ
る。上記関係式より、

【００２６】

【数２】

【００２７】とおくと、数１は下記数３のように表すこ
とができる。

【００２８】

【数３】

【００２９】ここで、α′、β′では、高さ情報z(x,y)
=z₀(x,y)は平均的なものを与えておくこととする。

【００３０】

【数４】

【００３１】を解いて、高さz₁(x,y)=θλ／(4π)を求
める。ここで、初期値として与えた高さ情報z₀(x,y)と
の差z₁(x,y)−z₀(x,y)が与えられた許容値内にあれば、
この高さ情報z₁(x,y)を採用する。そうでなければ、求
められたz(x,y)＝z₁(x,y)を前述の初期高さ情報として
同様に求めていく（Ｓ２）。

【００３２】（２）平均的な傾斜を持つ近似平面の算出 固定被検面Ｍ１、回転被検面Ｍ２の代表平面は前述の位
相シフト干渉法により各位置の高さが求められているの
で、次のようにして決定する。即ち、平面の高さをz=f
(x,y)(x,y∈S)で表し、代表平面をz=ax+by+c(x,y∈S)
を、最小二乗法で求められる平均的な傾斜平面に選ぶ
（Ｓ３）。

【００３３】

【数５】 （但し、z_kは位置(x_k,y_k)における位相シフト法で求め
られた高さである。）

【００３４】上記式より、パラメータa,b,cを求め、平
均的な傾斜を持つ平面z=ax+by+c(x,y∈S)を決定する。
但し、パラメータa,b,cは、次の式で求められる。

【００３５】

【数６】

【００３６】なお、代表平面をz=ax+by+c(x,y∈S)を、
上述したように最小二乗法で求められる平均的な傾斜平
面に選ぶ代わりに、代表平面の頂上部分が最低３箇所で
接する外接平面又は代表平面の谷底部分が最低３箇所で
接する内接平面を選んでも良い。この場合、計算処理が
容易になる利点がある。

【００３７】（３）固定被検面Ｍ１の法面ベクトルUと
回転被検面Ｍ２の２箇所の位置における法面ベクトルV
1,V2の算出 固定被検面Ｍ１の平均傾斜面は、（２）の方法によって
求められている。よって、法面ベクトルUは、次のよう
に表される。なお、法面ベクトルUは、長さ１に正規化
されている（Ｓ４）。

【００３８】

【数７】

【００３９】回転被検面Ｍ２の１８０度異なる２箇所の
位置における法面ベクトルV1,V2も同様に求められる
（Ｓ４）。この法面ベクトルにより、平面の向きと傾き
が規定される。図４に示すように、固定被検面Ｍ１の法
面ベクトルUとスピンドル軸ＳＰは一定の角度εをな
す。回転被検面Ｍ２の法面ベクトルVは、回転により円
錐面を描く。回転被検面Ｍ２の回転は、その軸がぶれな
いので、法面ベクトルの描く円錐は、その断面が円とな
る円錐である。勿論、回転被検面Ｍ２が回転軸に対して
垂直であれば、円錐面の頂角δはゼロになる。

【００４０】図６のように固定被検面１と固定被検面２
の両法面ベクトルが一致しない場合、図７で示すように
固定被検面２の法面ベクトルU2を固定被検面１の法面ベ
クトルU1に一致させるように回転させればよい。補正の
要点は、図８のように、回転軸ez=(U2×U1)／｜U2×U1
｜（×は外積作用素）を中心に、U1とU2とのなす角度δ
=arcsin(｜U2×U1｜)だけV2を回転させる点にあり、回
転後のV2が補正された回転被検面２の法面ベクトルとな
る。以下、補正方法を示す。

【００４１】（ａ）図８で示す回転軸ezに直交する平面
Sにおける回転被検面２の法面ベクトルV2の成分ベクト
ルを、V2−(V2,ez)ezによって求める。 （ｂ）上記成分ベクトルの単位ベクトルexは、

【００４２】

【数８】

【００４３】で示される。ここで、単位ベクトルexと回
転軸ezの両方に直交するベクトルは、ezとexの外積作用
素を施すことにより、

【００４４】

【数９】

【００４５】を求め、新たな座標系(ex,ey,ez)を構成す
る。 （ｃ）回転被検面２の法面ベクトルV2の補正されたベク
トルV2hを次のように求める。即ち、ezとeyとで張られ
る平面S上で、exをU1とU2のなす角度δだけ回転したベ
クトルνは、

【００４６】

【数１０】

【００４７】で表されるので、回転検出面２の補正後の
法面ベクトルV2hは、上記ベクトルνと回転被検面２の
法面ベクトルV2の回転軸ez方向の成分ベクトル(V2,ez)e
zとの合成として、正規化を行って、次のように決定さ
れる。

【００４８】

【数１１】

【００４９】固定被検面１と固定被検面２の両法面ベク
トルが一致しない場合、図３のステップＳ４におけるV2
は、このV2hを使用する。

【００５０】（４）固定被検面と回転被検面の平行度検
査の幾何学的なモデル構築 前述のようにして固定被検面Ｍ１の法面ベクトルUと回
転被検面Ｍ２の１８０度異なる２箇所の位置における法
面ベクトルV1,V2は、回転軸を中心とする円錐円の１８
０度異なるベクトルである。固定被検面Ｍ１と回転被検
面Ｍ２の平行度は、例えば回転被検面Ｍ２の法面ベクト
ルがV1の場合、下記のように固定被検面Ｍ１の法面ベク
トルUとのなす角θで表される。

【００５１】

【数１２】

【００５２】ここでθが小さいほど平行度が良いことに
なる。ところで、回転被検面Ｍ２が回転軸に対して垂直
でなければ上記のなす角θは法面ベクトルの位置によっ
て異なる。故に、固定被検面の法面ベクトルUとスピン
ドル面の法面ベクトルの最大角を求め、これによって平
行度を規定する必要がある。即ち、

【００５３】

【数１３】 （但し、Vは、回転被検面Ｍ２の法面ベクトル）

【００５４】となる角度θを求める。

【００５５】（５）固定被検面と回転被検面の平行度決
定のためのアルゴリズム 図５に基づいて、本発明による平行度決定のためのアル
ゴリズムを示す。いま、回転被検面Ｍ２の法面ベクトル
V1,V2をV1=P→P₁,V2=P→P₂、固定被検面Ｍ１の法面ベク
トルUをU=P→P₃とする（但し、Uは図４の向きとは逆向
き）。なお、（３）で述べたように、測定された３つの
ベクトルU,V1,V2は長さ１に正規化されているものとす
る。

【００５６】まず、点P₁,P₂は円錐断面に関して最遠点
となっており、その頂角、即ちV1とV2のなす角度∠P₁PP
₂は、

【００５７】

【数１４】

【００５８】で求められる。P₁とP₂との中点P₀は、V1と
V2とが丁度180度の関係となっているために、円錐の軸
上に存在する。よって、V0=P→P₀は、

【００５９】

【数１５】

【００６０】で求められる。従って、∠P₁PP₀=∠P₂PP₀=
δ/2である（Ｓ５）。次に、UとV0とにより、その頂角
εは同様に、

【００６１】

【数１６】

【００６２】により求められる（Ｓ６）。ところで、点
P₀は、点P₁,P₂の中点であるから、点P₁,P₂,P₀は同一直
線上に存在する。また、P₃からP₀を通り、円錐面と交わ
る点をP₄とすると、点P₃,P₄,P₀も同一直線上に存在する
ので、点P₁,P₂,P₀,P₃,P₄は、点P₁,P₀,P₂で作る直線と、
点P₃,P₀,P₄で作る直線とにより規定される平面上に共通
に存在する。この平面と円錐とが交わる断面が、図５の
Ｍ３で示されている。この断面Ｍ３は、円錐の軸と必ず
しも直交していないので、楕円形となる。しかしなが
ら、点Pから断面Ｍ３の輪郭である楕円上の任意の点に
延びる円錐面上の任意のベクトルVと、円錐の軸上に存
在するベクトルV0とのなす角度は、常にδ/2である。故
に、固定被検面の法面ベクトルUに対して最大角を持つ
円錐面上のベクトルVは、点P₀に対してP₃とは反対側に
位置する円錐面上の点P₄に延びるベクトルである。この
場合、最大角度γ=(δ/2)+εとなる。このようにして、
固定被検面Ｍ１と回転被検面Ｍ２との最大のずれ角度γ
を決定し、この角度値により、平行度の差異の評価をす
ることができる（Ｓ７）。また、同様に最小角度は、γ
＝−(δ/2)+εにより決定される。

【００６３】なお、以上の説明では、二つの被測定面の
うち一方が固定で、他方が回転する場合について説明し
たが、双方が回転する場合にも本発明は適用可能であ
る。この場合、固定面の法面ベクトルUとスピンドル軸
とのなす角度εの代わりに、固定被検面を回転させる0
度と180度の位置における第２スピンドル軸と被検面Ｍ
１の法面ベクトルとのなす角δ′よりδ′/2を求め、α
＝(δ/2)＋(δ′/2)とする。また、（５）で回転被検面
Ｍ２の円錐軸に沿った中心ベクトルV0と同様に、回転被
検面Ｍ１側の円錐軸に沿う中心ベクトルV0′も求める。
このとき、ベクトルV0,V0′のなす角度は、

【００６４】

【数１７】

【００６５】であるので、結局、両被検面Ｍ１，Ｍ２の
最大のずれ角度は、γ＝α＋ε′で表される。また、両
被検面の最小のずれ角度はγ＝−α＋ε′で表される。

【００６６】なお、本発明は上述した実施形態に限定さ
れない。即ち、位相の異なる複数の干渉像を得るステッ
プにおいて、本出願人による特願平10-164291号又は特
願平11-136831号に開示された光学的位相シフトを使用
することにより、同時に位相の異なる複数の干渉像を取
得することができるので、特定の高速化や測定の信頼性
向上を図ることができる。その外、干渉計の基準面を移
動させる公知の技術を使用しても良い。また、代表面の
傾きを求めるステップにおいて、代表面は、外接平面と
内接平面の２つの平面の高さを平均した平均平面として
も良い。

【００６７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、回
転する被測定面の傾きを第１の位置と、この位置から所
定角度回転した第２の位置とでそれぞれ測定し、各位置
において求められた被測定面の傾きから、被測定面の法
面ベクトルが描く円錐を推定するようにしているので、
この推定された円錐の軸と他方の被測定面の法面ベクト
ルとのなす角度と、前記円錐の頂角とから最大角度及び
最小角度を求めることが可能になり、測定精度及び評価
精度が向上するという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に係る対向平面平行度測定
装置を適用したマイクロメータの自動測定システムを示
す図である。

【図２】 同測定装置における干渉光学系の詳細を示す
図である。

【図３】 同測定装置の測定処理を示すフローチャート
である。

【図４】 同測定装置の測定原理を説明するための図で
ある。

【図５】 同測定装置の測定原理を説明するための図で
ある。

【図６】 同測定装置の測定原理を説明するための図で
ある。

【図７】 同測定装置の測定原理を説明するための図で
ある。

【図８】 同測定装置の測定原理を説明するための図で
ある。

【符号の説明】

１…対向平面平行度測定装置、２…マイクロメータ、３
…マイクロ搬送・プローブ支持機構、１０…回転駆動機
構、１１…プローブ本体、１２…ＬＤ光源回路、１３…
測定圧付加機構、１４…コントローラ、１５…偏波面保
持光ファイバ、１６…ワイヤ、１８…干渉光学系、１
９，２０…ＣＣＤカメラ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 光谷 直樹 茨城県つくば市上横場430番地の１ 株 式会社ミツトヨ内 (56)参考文献 特開2000−136918（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−246618（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−5054（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−52661（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−67507（ＪＰ，Ｕ) 実公 昭17−10703（ＪＰ，Ｙ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 9/00 - 11/30 102 G01B 21/00 - 21/32

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対向配置されて一方が固定側、他方が前
   記固定側に対して対向方向にほぼ沿った回転軸を中心と
   して回転する一対の被測定面に、基準平面を介してそれ
   ぞれ平行光を照射し、各被測定面及び基準平面からの反
   射光が干渉することによって得られた干渉像をそれぞれ
   個別に観測することにより、前記一対の被測定面の平行
   度を測定する対向平面平行度測定方法であって、前記固定側である一方の被測定面の干渉像から当該被測
   定面の傾きを測定すると共に、得られた傾きから前記一
   方の被測定面の法面ベクトルを求めるステップと、 前記回転する他方の被測定面の干渉像から当該被測定面
   の傾きを、第１の位置と、この第１の位置から前記回転
   軸を中心として所定角度回転させた第２の位置とでそれ
   ぞれ測定するステップと、 前記回転する他方の被測定面の第１及び第２の位置での
   傾きから、当該被測定面の法面ベクトルが描く円錐を推
   定するステップと、前記一方の被測定面の法面ベクトルと前記他方の被測定
   面の法線ベクトルが描く 円錐の軸及び頂角とから前記一
   対の被測定面のなす最大角度及び最小角度の少なくとも
   一方を求めるステップとを有することを特徴とする対向
   平面平行度測定方法。
2. 【請求項２】 対向配置されてそれぞれが対向方向にほ
   ぼ沿った回転軸を中心として回転する一対の被測定面
   に、基準平面を介してそれぞれ平行光を照射し、各被測
   定面及び基準平面からの反射光が干渉することによって
   得られた干渉像をそれぞれ個別に観測することにより、
   前記一対の被測定面の平行度を測定する対向平面平行度
   測定方法であって、 前記各被測定面の干渉像から各被測定面の傾きを、第１
   の位置と、この第１の位置から前記回転軸を中心として
   所定角度回転させた第２の位置とでそれぞれ測定するス
   テップと、 前記各被測定面の第１及び第２の位置での傾きから、前
   記各被測定面の法面ベクトルが描く円錐を推定するステ
   ップと、 このステップで推定された前記各被測定面の法線ベクト
   ルが描く円錐の軸及び頂角から前記一対の被測定面のな
   す最大角度及び最小角度の少なくとも一方を求めるステ
   ップとを有することを特徴とする対向平面平行度測定方
   法。
3. 【請求項３】 前記被測定面の傾きを測定するステップ
   は、 複数回の測定を行うことにより１つの位置及び被測定面
   について、位相の異なる複数の前記干渉像を得るステッ
   プと、 このステップで取得された複数の干渉像を解析して各被
   測定面の高さを求めるステップと、 このステップで求められた各被測定面の高さから前記各
   被測定面の代表面の傾きを求めるステップとを含むもの
   であることを特徴とする請求項１又は２記載の対向平面
   平行度測定方法。
4. 【請求項４】 前記各被測定面の高さから前記各被測定
   面の代表面の傾きを求めるステップは、最小二乗法によ
   り前記各被測定面の代表面の傾きを求めるステップであ
   ることを特徴とする請求項３記載の対向平面平行度測定
   方法。
5. 【請求項５】 前記各被測定面の高さから前記各被測定
   面の代表面の傾きを求めるステップは、外接又は内接す
   る傾斜平面によって前記各被測定面の代表面の傾きを求
   めるステップであることを特徴とする請求項３記載の対
   向平面平行度測定方法。
6. 【請求項６】 前記回転側の被測定面の傾きを測定する
   ステップは、 前記固定側の被測定面の干渉像群Ｓ１と、前記回転側の
   被測定面の前記第１の位置の干渉像群Ｒ１を得るステッ
   プと、 前記固定側の被測定面の再配置後の干渉像群Ｓ１′と、
   前記回転側の測定面の再配置後の前記第２の位置の干渉
   像群Ｒ２を得るステップと、 前記干渉像群Ｓ１′から求めた代表平面Ｍ１′を前記干
   渉像群Ｓ１から求めた代表平面Ｍ１に一致させるに必要
   な補正量を求めるステップと、 前記干渉像群Ｒ２から求めた代表平面に対して前記補正
   量を補正するステップとを備えたことを特徴とする請求
   項１記載の対向平面平行度測定方法。
7. 【請求項７】 前記補正量は、前記代表平面Ｍ１′の法
   面ベクトルを、前記代表平面Ｍ１の法面ベクトルに一致
   させるための回転軸位置と回転角度を含むことを特徴と
   する請求項６記載の対向平面平行度測定方法。
8. 【請求項８】 対向配置されて一方が固定側、他方が前
   記固定側に対して対向方向にほぼ沿った回転軸を中心と
   して回転する一対の被測定面にそれぞれ平行光を導くと
   共に前記被測定面への平行光の照射によって形成された
   干渉像を各被測定面方向からそれぞれ異なる光学経路を
   介して導く干渉光学系と、 前記各光学経路を介して導かれた干渉像をそれぞれ撮像
   する撮像手段と、 前記撮像手段によって撮像された干渉像から前記被測定
   面の平行度を算出する演算手段とを備え、 前記演算手段は、前記固定側である一方の被測定面の干渉像から当該被測
   定面の傾きを測定すると共に、得られた傾きから前記一
   方の被測定面の法面ベクトルを求め、前記回転する他方
   の被測定面の干渉像から当該 被測定面の傾きを、第１の
   位置と、この第１の位置から前記回転軸を中心として所
   定角度回転させた第２の位置とでそれぞれ測定し、前記
   回転する他方の被測定面の第１及び第２の位置での傾き
   から、当該被測定面の法面ベクトルが描く円錐を推定す
   ると共に、前記一方の被測定面の法面ベクトルと前記他
   方の被測定面の法線ベクトルが描く円錐の軸及び頂角か
   ら前記一対の被測定面のなす最大角度及び最小角度の少
   なくとも一方を求めるものであることを特徴とする対向
   平面平行度測定装置。
9. 【請求項９】 対向配置されてそれぞれが対向方向にほ
   ぼ沿った回転軸を中心として回転する一対の被測定面に
   それぞれ平行光を導くと共に前記被測定面への平行光の
   照射によって形成された干渉像を各被測定面方向からそ
   れぞれ異なる光学経路を介して導く干渉光学系と、 前記各光学経路を介して導かれた干渉像をそれぞれ撮像
   する撮像手段と、 前記撮像手段によって撮像された干渉像から前記被測定
   面の平行度を算出する演算手段とを備え、 前記演算手段は、 前記各被測定面の干渉像から各被測定面の傾きを、第１
   の位置と、この第１の位置から前記回転軸を中心として
   所定角度回転させた第２の位置とでそれぞれ測定し、前
   記各被測定面の第１及び第２の位置での傾きから、前記
   各被測定面の法面ベクトルが描く円錐を推定すると共
   に、この推定された前記各被測定面の法線ベクトルが描
   く円錐の軸及び頂角から前記一対の被測定面のなす最大
   角度及び最小角度の少なくとも一方を求めるものである
   ことを特徴とする対向平面平行度測定装置。
10. 【請求項１０】 前記干渉光学系は、 平行度及び距離が高精度に規定された一対の対向する基
    準平面が形成されこれら基準平面が前記各被測定面と対
    向するように前記被測定面間に挟持される測定ヘッド部
    と、 光源から出射された光を平行光に整形するレンズ系と、 このレンズ系からの平行光を２つの光学経路に分割し前
    記各基準平面を介して前記各被測定面に導くと共に前記
    各被測定面とこれと対向する基準平面とでそれぞれ反射
    した光が干渉することによって生成される前記干渉像を
    前記撮像手段までそれぞれ導く分割光学系とを備えたも
    のであることを特徴とする請求項８又は９記載の対向平
    面平行度測定装置。