JP5143931B2 - 三次元形状測定装置 - Google Patents
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Description
この第1可動部を前記Z方向に移動させる前記エアスライドのガイド部と、前記バネ力発生部を支えることにより前記第1可動部を吊り支持するバネ力支持部とを少なくとも有する第2可動部と、
前記第2可動部が前記Z方向に移動可能な状態で前記第2可動部を連結支持する支持部と、
前記第2可動部を前記支持部に対してZ方向に駆動するZ駆動部と、
前記第1可動部と前記第2可動部との相対位置を測定する相対位置測定部と、
安定化レーザ光源からの安定化レーザ光を前記第1のミラーに向けて照射し、この前記第1のミラーからの反射光から前記上面スタイラスのZ方向移動量を測定するZ2座標検出部と、
前記支持部、又は測定物を前記Z方向に垂直なX方向及びY方向に駆動するXY駆動部と、
前記XY駆動部による前記支持部又は前記測定物のXY方向移動量を測定してX座標とY座標とを検出するXY座標検出部と、
前記上面スタイラスが前記第2可動部に配置された位置から前記X方向又は前記Y方向に離れた位置に前記第2可動部に配置され、一端に側面スタイラスを有し、前記側面スタイラスを前記Z方向に対して傾斜可能に連結機構により前記第2可動部に連結された可動傾斜部と、
前記可動傾斜部の傾斜角度を測定する傾斜角度測定部と、
前記傾斜角度測定部から得られた前記傾斜角度から前記側面スタイラスの前記第2可動部に対するX変位とY変位とを算出する側面スタイラス変位検出部と、
前記XY座標検出部で検出された前記X座標及びY座標に、前記側面スタイラス変位検出部で算出された前記側面スタイラスのX変位とY変位とを加算して、前記側面スタイラスによる前記測定物の測定点のX座標及びY座標を算出する測定点位置演算手段とを備える三次元形状測定装置を提供する。
前記第1可動部動作停止装置により前記第2可動部に対する前記第1可動部の前記Z方向の動きを止めた状態で前記第1可動部の前記第2可動部に対するZ方向位置を検出する相対位置測定部とをさらに備える、第1の態様に記載の三次元形状測定装置を提供する。
前記側面スタイラスを前記測定物の表面の前記Z方向に走査するため前記第2可動部を前記Z方向に駆動するための信号を発生するZ軸移動指示部と、
前記フォーカス制御部からの信号と前記Z軸移動指示部からの信号のいずれかに切換えて前記Z駆動部に伝えるZ軸信号切換え部とを備える、第1の態様に記載の三次元形状測定装置を提供する。
前記第1可動部動作停止装置により前記第2可動部に対する前記第1可動部の前記Z方向の動きを止めた状態で前記第1可動部の前記第2可動部に対するZ方向位置を検出する相対位置測定部とをさらに備える、第4の態様に記載の三次元形状測定装置を提供する。
前記側面スタイラスを前記測定物の表面に沿って前記XY方向に移動させるように前記XY駆動部を駆動制御するとともに、前記測定物の表面の前記XY方向の変化に伴って前記可動傾斜部が傾斜するとき、前記傾斜角度測定部から得られた傾斜角度の絶対値が概略一定になるように前記XY駆動部を駆動制御するXY制御部と、
前記XY軸移動指示部からの信号と前記XY制御部からの信号のいずれかに切換えて前記XY駆動部に伝えるXY軸信号切換え部とを備える、第1〜8のいずれか1つの態様に記載の三次元形状測定装置を提供する。
この測定物設置部と、測定中は相対位置がそれぞれ変わらずに互いにそれぞれのミラー面が互いに直交するよう配置されたX基準ミラーとY基準ミラーとZ基準ミラーと、
前記XY座標検出部を構成し、かつ、発振周波数のずれが一定値以下になるように制御された前記安定化レーザ光源からの前記安定化レーザ光を前記X基準ミラーと前記Y基準ミラーとに照射し、これらの前記X基準ミラーと前記Y基準ミラーとからの反射光から前記支持部に対する前記測定物の移動量のX座標とY座標とをそれぞれ検出するX座標検出部とY座標検出部と、
前記発振周波数のずれが一定値以下になるように制御された前記安定化レーザ光源からの前記安定化レーザ光を前記Z基準ミラーに照射し、前記Z基準ミラーからの反射光から前記支持部に対する前記測定物の移動量のZ1座標を検出するZ1座標検出部と、
前記Z2座標検出部により検出されたZ2座標と前記Z1座標検出部により検出された前記Z1座標の加算によって前記測定物の表面上の測定点のZ座標を算出するZ座標算出部とを備える、第1〜8のいずれか1つの態様に記載の三次元形状測定装置を提供する。
前記XY座標検出部は、前記上面スタイラスの中心の前記Z方向の可動範囲の中心付近から前記X方向に延ばした直線上で前記X座標を検出し、前記上面スタイラスの中心の前記Z方向の可動範囲の中心付近から前記Y方向に延ばした直線上で前記Y座標を検出する、第11の態様に記載の三次元形状測定装置を提供する。
前記側面スタイラスの位置が前記上面スタイラスの位置からY方向に離れているとき、前記側面スタイラスのZ方向の可動範囲の中心付近からX軸方向に延ばした直線上でX座標を測定する側面X座標検出部を備える、第1〜8のいずれか1つの態様に記載の三次元形状測定装置を提供する。
前記側面スタイラスでこの球の表面の複数点を測定し、この球の測定データから求めたこの球の第2中心座標(xd,yd,zd)を算出する第2演算部と、
これらの第1及び第2中心座標の差を求めるとともに、どちらか一方の測定データに加算する第3演算部とを備えて、
前記第3演算部で、前記第1及び第2中心座標の差を前記どちらか一方の測定データに加算することにより、前記2つのスタイラスによる測定データを被測定面に対する同一座標系における測定データとする、第1〜8のいずれか1つの態様に記載の三次元形状測定装置を提供する。
図1は、本発明の第1実施形態にかかる三次元形状測定装置における第1可動部1と可動傾斜部2iを含む第2可動部2を拡大した正面図である。図2は、本発明の第1実施形態における形状測定装置の正面図、図3は、本発明の第1実施形態における形状測定装置の右側面図である。図4は、本発明の第1実施形態における形状測定装置の上面スタイラス1aで測定物7の上面7aを測定するときの制御構成の一例を示す説明図である。図5は、本発明の第1実施形態における形状測定装置の側面スタイラス2iaで測定物7の側面7bを測定するときの制御構成の一例を示す説明図である。
図8A及び図8Bは、本発明の第2実施形態のXYZ座標の測定に使用されるレーザの光路を示す。
第1実施形態で、説明したように、側面スタイラス2iaによる測定時に、Z2位置として上面スタイラス1aのZ座標を利用しているが、上面スタイラス1a、及び、エアスライド1cはZ軸方向には剛性が弱く、第2可動部2の動作時の加速度等により、例えば200ナノメートル程度の振動が発生することがある(図9A)。
1a 上面スタイラス
1b 第1のミラー
1c エアスライド
1d バネ力発生部(可動ヨーク)
2 第2可動部
2a エア軸受け
2b 磁石
2c バネ力支持部(固定ヨーク)
2d 相対位置測定部
2da 半導体レーザフォーカス検出器
2db 回折格子
2dc ダイクロイックミラー
2dd レンズ
2de レンズ
2e 上面プローブ枠
2f 側面プローブ枠
2g 横柱
2h 磁気回路
2i 可動傾斜部
2ia 側面スタイラス
2ib 支点部材
2ic 第2のミラー
2id 可動側磁石
2j 傾斜角度測定部
2ja 光源
2jb レンズ
2jc 光位置検出器
2k 固定側磁石
2m Z駆動部
2n 大エアスライド
2z 第2可動部の本体
3 定荷重ばね
4 支持部
4a 大エア軸受け
4b 磁気回路
5 安定化レーザ光源
6 Z2座標測定用安定化レーザ光
7 測定物
7a 表面(上面)
7b 側面
8 XY駆動部
8a X軸ガイド
8b Y軸ガイド
8c X軸リニアモータ
8d Y軸リニアモータ
9 エアチューブ
10 石定盤
11 石門柱
12 X基準ミラー
13 Y基準ミラー
14 X座標測定用安定化レーザ光
15 Y座標測定用安定化レーザ光
16 Z1座標測定用安定化レーザ光
17 座標検出部
17a X座標検出部
17b Y座標検出部
17c Z1座標検出部
17d Z2座標検出部
17e Z座標算出部
18 測定物設置部
19 Z基準ミラー
20 リニアスケール
21 基準球
22 長Y基準ミラー
23 側面Y座標測定用安定化レーザ光
27 XY軸信号切換え部
28 制御部
29 フォーカス制御部
30 測定点位置演算部
31 誤差演算出力部
32 Z軸信号切換え部
33 側面スタイラス変位検出部
33a X成分検出部
33b Y成分検出部
34 XY制御部
35 XY軸移動指示部
36 Z軸移動指示部
37 動摩擦係数記憶部
38 サーボ情報記憶部
39 走査情報記憶部
40 X軸駆動制御部
41 Y軸駆動制御部
42 Z軸駆動制御部
43 切り替え弁
44 圧縮空気供給管
45 真空配管
80 圧縮空気供給装置
81 真空装置
82 エアスライド振動停止装置
83 配管101 側面プローブ
102 上面プローブ
104 連結機構
Claims (17)
- Z方向沿いに配置されるエアスライドと、前記エアスライドの一端に配置された上面スタイラスと、前記エアスライドの他端にそれぞれ配置された第1のミラーとバネ力発生部とを有する第1可動部と、
この第1可動部を前記Z方向に移動させる前記エアスライドのガイド部と、前記バネ力発生部を支えることにより前記第1可動部を吊り支持するバネ力支持部とを少なくとも有する第2可動部と、
前記第2可動部が前記Z方向に移動可能な状態で前記第2可動部を連結支持する支持部と、
前記第2可動部を前記支持部に対して前記Z方向に駆動するZ駆動部と、
前記第1可動部と前記第2可動部との相対位置を測定する相対位置測定部と、
安定化レーザ光源からの安定化レーザ光を前記第1のミラーに向けて照射し、この前記第1のミラーからの反射光から前記上面スタイラスのZ方向移動量を測定するZ2座標検出部と、
前記支持部、又は測定物を前記Z方向に垂直なX方向及びY方向に駆動するXY駆動部と、
前記XY駆動部による前記支持部又は前記測定物のXY方向移動量を測定してX座標とY座標とを検出するXY座標検出部と、
前記上面スタイラスが前記第2可動部に配置された位置から前記X方向又は前記Y方向に離れた位置に前記第2可動部に配置され、一端に側面スタイラスを有し、前記側面スタイラスを前記Z方向に対して傾斜可能に連結機構により前記第2可動部に連結された可動傾斜部と、
前記可動傾斜部の傾斜角度を測定する傾斜角度測定部と、
前記傾斜角度測定部から得られた前記傾斜角度から前記側面スタイラスの前記第2可動部に対するX変位とY変位とを算出する側面スタイラス変位検出部と、
前記XY座標検出部で検出された前記X座標及びY座標に、前記側面スタイラス変位検出部で算出された前記側面スタイラスのX変位とY変位とを加算して、前記側面スタイラスによる前記測定物の測定点のX座標及びY座標を算出する測定点位置演算手段とを備える三次元形状測定装置。 - 前記側面スタイラスによる測定時に、前記第2可動部に対する前記第1可動部の前記Z方向の動きを止める第1可動部動作停止装置と、
前記第1可動部動作停止装置により前記第2可動部に対する前記第1可動部の前記Z方向の動きを止めた状態で前記第1可動部の前記第2可動部に対するZ方向位置を検出する相対位置測定部とをさらに備える、請求項1に記載の三次元形状測定装置。 - 前記第1可動部動作停止装置は、前記第1可動部を前記Z方向に移動させる前記エアスライドに供給する圧縮空気を真空吸引に切り替える切り替え弁である、請求項2に記載の三次元形状測定装置。
- 前記上面スタイラスが前記測定物の表面を前記XY方向に走査するとき、前記測定物の表面の高さ変化に沿って前記第1可動部が前記Z方向に動くとき、前記相対位置測定部から得られた前記第1可動部と前記第2可動部との相対位置が一定になるように前記第2可動部を前記Z方向に駆動する信号を発生するフォーカス制御部と、
前記側面スタイラスを前記測定物の表面の前記Z方向に走査するため前記第2可動部を前記Z方向に駆動するための信号を発生するZ軸移動指示部と、
前記フォーカス制御部からの信号と前記Z軸移動指示部からの信号のいずれかに切換えて前記Z駆動部に伝えるZ軸信号切換え部とを備える、請求項1に記載の三次元形状測定装置。 - 前記側面スタイラスによる測定時に、前記第2可動部に対する前記第1可動部の前記Z方向の動きを止める第1可動部動作停止装置と、
前記第1可動部動作停止装置により前記第2可動部に対する前記第1可動部の前記Z方向の動きを止めた状態で前記第1可動部の前記第2可動部に対するZ方向位置を検出する相対位置測定部とをさらに備える、請求項4に記載の三次元形状測定装置。 - 前記第1可動部動作停止装置は、前記第1可動部を前記Z方向に移動させる前記エアスライドに供給する圧縮空気を真空吸引に切り替える切り替え弁である、請求項5に記載の三次元形状測定装置。
- 前記第1可動部動作停止装置は、前記上面スタイラスが前記測定物に接触した状態で、前記フォーカス制御部により、前記第2可動部に対する前記第1可動部の位置が一定位置になるように制御された状態のタイミングで、前記第2可動部に対する前記第1可動部の前記Z方向の動きを止める、請求項5に記載の三次元形状測定装置。
- 前記第1可動部動作停止装置は、前記上面スタイラスが前記測定物に接触した状態で、前記フォーカス制御部により、前記第2可動部に対する前記第1可動部の位置が一定位置になるように制御された状態のタイミングで、前記第2可動部に対する前記第1可動部の前記Z方向の動きを止める、請求項6に記載の三次元形状測定装置。
- 前記上面スタイラスが前記測定物の表面を前記XY方向に走査するための信号を発生するXY軸移動指示部と、
前記側面スタイラスを前記測定物の表面に沿って前記XY方向に移動させるように前記XY駆動部を駆動制御するとともに、前記測定物の表面の前記XY方向の変化に伴って前記可動傾斜部が傾斜するとき、前記傾斜角度測定部から得られた傾斜角度の絶対値が概略一定になるように前記XY駆動部を駆動制御するXY制御部と、
前記XY軸移動指示部からの信号と前記XY制御部からの信号のいずれかに切換えて前記XY駆動部に伝えるXY軸信号切換え部とを備える、請求項1〜8のいずれか1つに記載の三次元形状測定装置。 - 前記傾斜角度測定部は、前記可動傾斜部に取り付けられた第2のミラーと、光源からの光を前記第2のミラーに向けて照射し、前記第2のミラーからの反射光の方向を検出することにより前記傾斜角度を測定する光位置検出器とを備える、請求項1〜8のいずれか1つに記載の三次元形状測定装置。
- 前記測定物を設置する測定物設置部と、
この測定物設置部と、測定中は相対位置がそれぞれ変わらずに互いにそれぞれのミラー面が互いに直交するよう配置されたX基準ミラーとY基準ミラーとZ基準ミラーと、
前記XY座標検出部を構成し、かつ、発振周波数のずれが一定値以下になるように制御された前記安定化レーザ光源からの前記安定化レーザ光を前記X基準ミラーと前記Y基準ミラーとに照射し、これらの前記X基準ミラーと前記Y基準ミラーとからの反射光から前記支持部に対する前記測定物の移動量のX座標とY座標とをそれぞれ検出するX座標検出部とY座標検出部と、
前記発振周波数のずれが一定値以下になるように制御された前記安定化レーザ光源からの前記安定化レーザ光を前記Z基準ミラーに照射し、前記Z基準ミラーからの反射光から前記支持部に対する前記測定物の移動量のZ1座標を検出するZ1座標検出部と、
前記Z2座標検出部により検出されたZ2座標と前記Z1座標検出部により検出された前記Z1座標の加算によって前記測定物の表面上の測定点のZ座標を算出するZ座標算出部とを備える、
請求項1〜8のいずれか1つに記載の三次元形状測定装置。 - 前記第2可動部が前記Z方向に移動するガイド部がエアスライドで構成されて、前記第2可動部が前記支持部に対して第2可動部駆動装置で駆動されるよう構成される、請求項1〜8のいずれか1つに記載の三次元形状測定装置。
- 前記XY駆動部は、X軸リニアモーターとY軸リニアモーターとにより、前記第2可動部又は前記測定物を前記XY方向に駆動するように構成される、請求項1〜8のいずれか1つに記載の三次元形状測定装置。
- 前記Z1座標検出部は、前記上面スタイラスの中心からZ方向に延ばした直線上で前記測定物の移動量のZ1座標を検出し、
前記XY座標検出部は、前記上面スタイラスの中心の前記Z方向の可動範囲の中心付近から前記X方向に延ばした直線上で前記X座標を検出し、前記上面スタイラスの中心の前記Z方向の可動範囲の中心付近から前記Y方向に延ばした直線上で前記Y座標を検出する、請求項11に記載の三次元形状測定装置。 - 前記支持部に対する前記第2可動部の移動量をZ2座標として検出するZ2座標検出部をさらに備える、請求項1〜8のいずれか1つに記載の三次元形状測定装置。
- 前記側面スタイラスの位置が前記上面スタイラスの位置からX方向に離れているとき、前記側面スタイラスのZ方向の可動範囲の中心付近からY軸方向に延ばした直線上でY座標を測定する側面Y座標検出部を備え、
前記側面スタイラスの位置が前記上面スタイラスの位置からY方向に離れているとき、前記側面スタイラスのZ方向の可動範囲の中心付近からX軸方向に延ばした直線上でX座標を測定する側面X座標検出部を備える、請求項1〜8のいずれか1つに記載の三次元形状測定装置。 - 前記測定物として球を置くとき、前記上面スタイラスでこの球の表面の複数点を測定したのち、この測定点の点列からこの球の第1中心座標(xc,yc,zc)を算出する第1演算部と、
前記側面スタイラスでこの球の表面の複数点を測定し、この球の測定データから求めたこの球の第2中心座標(xd,yd,zd)を算出する第2演算部と、
これらの第1及び第2中心座標の差を求めるとともに、どちらか一方の測定データに加算する第3演算部とを備えて、
前記第3演算部で、前記第1及び第2中心座標の差を前記どちらか一方の測定データに加算することにより、前記2つのスタイラスによる測定データを被測定面に対する同一座標系における測定データとする、請求項1〜8のいずれか1つに記載の三次元形状測定装置。
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