JP5457908B2 - 形状測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、被測定物の形状や寸法などを測定する形状測定方法に関する。

被測定物を載置したテーブルとプローブとを相対移動させながら、プローブを被測定物に接触させ、このときの座標から被測定物の形状や寸法などを測定する形状測定機が知られている。
形状測定機のなかには、被測定物にあけられた斜め孔や横孔などを測定できるように、プローブの姿勢（向き）を変更できるようにした構造のもの（例えば、特許文献１等）や、プローブが極微細などの理由から、プローブの姿勢（向き）を変更できない構造のものも知られている。

プローブの姿勢（向き）を変更できない構造の測定機において、斜め方向や横方向の測定箇所を測定しようとする場合、従来、被測定物の姿勢を変更するための回転テーブルなどの姿勢変更機構が必要となる。つまり、回転テーブルなどの姿勢変更機構によって、被測定物の測定箇所がプローブの方向に向くように、被測定物の姿勢を変更させる必要がある。

特開２００９−２０１１８号公報

ところが、従来の回転テーブルなどの姿勢変更機構を備えた測定機において、高精度な測定を行うには、回転テーブルの回転精度（例えば、角度の絶対精度、回転面の振れなど）が高精度なものが要求される。
しかし、市販されているものは非常に高価で、しかも、微細形状の被測定物に適する大きさのものは見当たらない。また、専用に製作する場合でも、技術的課題や開発工数は小さくなく、結局、高価となってしまう。

本発明の目的は、高精度でなく安価な姿勢変更機構でも、被測定物を高精度に測定することができる形状測定方法を提供することにある。

本発明の形状測定方法は、被測定物を載置したテーブルの姿勢を傾ける姿勢変更機構を備え、前記テーブルとプローブとを相対移動させながら、前記被測定物の形状を測定する形状測定方法において、前記テーブルの被測定物載置面に３つの基準球を互いに離間して配置する工程と、前記３つの基準球を前記プローブによって測定して各基準球の中心座標を求め、これら中心座標を含む面を座標面とする第１基準球座標系を作成する第１基準球座標系作成工程と、前記被測定物を前記プローブによって測定して被測定物の特定面を座標面とし、前記被測定物の特定面に隣接する２つの側面を２点線測定し、測定した２線を前記座標面に投影し、前記２線の交点を原点として算出し、前記２線のうちの任意の１線を座標軸とするワーク座標系を作成するワーク座標系作成工程と、前記姿勢変更機構を動作させて前記テーブルの姿勢を傾ける姿勢変更工程と、前記テーブルの姿勢変更後において、前記３つの基準球を前記プローブによって測定して各基準球の中心座標を求め、これら中心座標を含む面を座標面とする第２基準球座標系を作成する第２基準球座標系作成工程と、前記テーブルの姿勢変更後において、前記被測定物を前記プローブによって測定する測定工程と、この測定工程で得られた結果を前記第２基準球座標系上に算出するとともに、この第２基準球座標系上に前記ワーク座標系を再現し、このワーク座標系において、測定結果を算出する測定結果算出工程と、を備えることを特徴とする。

このような構成によれば、まず、テーブルの被測定物載置面に３つの基準球を互いに離間して配置したのち、３つの基準球をプローブによって測定して各基準球の中心座標を求め、これら中心座標を含む面を座標面とする第１基準球座標系を作成する（第１基準球座標系作成工程）。また、被測定物をプローブによって測定して被測定物の特定面を座標面とするワーク座標系を作成する（ワーク座標系作成工程）。
次に、姿勢変更機構を動作させてテーブルの姿勢を傾けたのち（姿勢変更工程）、３つの基準球をプローブによって測定して各基準球の中心座標を求め、これら中心座標を含む面を座標面とする第２基準球座標系を作成する（第２基準球座標系作成工程）。また、テーブルの姿勢変更後において、被測定物をプローブによって測定する（測定工程）。
最後に、測定工程で得られた結果を第２基準球座標系上に算出するとともに、この第２基準球座標系上にワーク座標系を再現すると、このワーク座標系において、測定結果を求めることができる（測定結果算出工程）。
従って、第１基準球座標系作成工程と第２基準球座標系作成工程とからテーブルの傾き量を求めることができるから、高精度でなく安価な姿勢変更機構を用いても、被測定物の形状などを高精度に測定することができる。

本発明の形状測定方法において、前記姿勢変更機構は、前記プローブの軸線に対して直交する軸を中心に前記テーブルを回転させる第１回転テーブルと、この第１回転テーブルに設けられ前記第１回転テーブルの回転軸に対して直交する軸を中心に前記テーブルを回転させる第２回転テーブルとを備えている、を備えることが好ましい。
このような構成によれば、第１回転テーブルと第２回転テーブルとを備えているから、これら第１、第２回転テーブルを回転させることにより、被測定物の測定部位をプローブの向きに合わせることができる。従って、プローブによって測定できる向きに被測定物の姿勢を傾かせることができるから、被測定物をテーブルに載置固定したまま、被測定物の異なる測定部位を高精度に測定することができる。

本発明の実施形態に係る形状測定機を示す正面図。 同上実施形態のＸＹステージおよび姿勢変更機構を示す斜視図。 同上実施形態の姿勢変更機構の部分拡大斜視図。 同上実施形態の第１基準球座標系作成手順を示すフローチャート。 同上実施形態の第１基準球座標系を説明するための図。 同上実施形態のワーク座標系作成手順を示すフローチャート。 同上実施形態のワーク球座標系を説明するための図。 同上実施形態において、被測定物の姿勢変更動作を示すフローチャート。 同上実施形態において、被測定物の姿勢を変更したときの斜視図。 同上実施形態の第２基準球座標系作成手順を示すフローチャート。 同上実施形態の第２基準球座標系を説明するための図。 同上実施形態における測定及び測定結果出力手順を示すフローチャート。 同上実施形態の測定時の状態を示す図。 同上実施形態のワーク座標系を再現するための図。 同上実施形態の測定結果を算出するための図。

＜形状測定機の説明（図１〜図３参照）＞
形状測定機は、図１に示すように、基台１と、ＸＹステージ２と、このＸＹステージ２を水平面内の互いに直交するＸおよびＹ軸方向へ変位させるＸ軸駆動機構３ＸおよびＹ軸駆動機構３Ｙと、ＸＹステージ２上に設けられ被測定物を載置するとともに被測定物の姿勢を調整する姿勢変更機構４と、基台１の上面に跨って設けられた門形フレーム５と、この門形フレーム５のクロスレール５Ａに設けられたＺ軸スライダ６と、このＺ軸スライダ６をＸおよびＹ軸方向に対して直交するＺ軸方向へ変位させるＺ軸駆動機構７と、Ｚ軸スライダ６にプローブホルダ８を介して取り付けられたプローブ９とを含んで構成されている。

Ｘ軸駆動機構３ＸおよびＹ軸駆動機構３Ｙは、例えば、ボールねじ軸と、このボールねじ軸に螺合されたナット部材とを有する送りねじ機構によって構成されている。
Ｚ軸駆動機構７も、Ｘ軸駆動機構３ＸやＹ軸駆動機構３Ｙと同様に、例えば、ボールねじ軸と、このボールねじ軸に螺合されたナット部材とを有する送りねじ機構によって構成されている。
つまり、ＸＹステージ２とプローブ９とは、Ｘ軸駆動機構３Ｘ、Ｙ軸駆動機構３ＹおよびＺ軸駆動機構７を含む相対移動機構によって、三次元方向へ相対移動可能に構成されている。

姿勢変更機構４は、図２に示すように、ＸＹステージ２上に固定された固定プレート１１と、この固定プレート１１にＸＹステージ２と平行な軸Ｊ１を中心に回転可能に設けられた第１回転テーブル１２と、この第１回転テーブル１２に固定されたＬ字状の連結ブラケット１３と、この連結ブラケット１３に軸Ｊ１に対して直交する軸Ｊ２を中心に回転可能に設けられた第２回転テーブル１４とを含んで構成されている。
なお、第１回転テーブル１２および第２回転テーブル１４は、共に、内部にステッピングモータが内蔵され、このステッピングモータによって回転駆動される構造である。

第２回転テーブル１４の上面（被測定物載置面１４Ａ）には、図３にも示すように、被測定物Ｗが載置されているとともに、３つの基準球２１，２２，２３が互いに離間して配置されている。つまり、３つの基準球２１，２２，２３は、第２回転テーブル１４の外周１２０度間隔位置に立設された支柱２４の上端にそれぞれ一体的に形成されている。ここでは、被測定物Ｗの外周に３つの基準球２１，２２，２３が配置されているが、基準球２１，２２，２３は必ずしも被測定物Ｗの外周に配置する場合に限られない。

＜測定方法の説明（図４〜図１４参照）＞
ここでは、図３に示すように、略直方体形状の被測定物Ｗの上面にあけられた斜め穴Ｈの角度、つまり、被測定物Ｗの上面Ｗ１からの垂直軸線Ｊwと斜め穴Ｈの中心軸線Ｊhとのなす角度θを測定する例について説明する。

（第１基準球座標系作成工程）
この工程では、図４に示す手順に従って、第１基準球座標系（図５参照）を作成する。
ステップ（以下、ＳＴと略す）１１において、３つの基準球２１，２２，２３をそれぞれ５点球測定し、この測定結果から各基準球２１，２２，２３の中心座標Ｑ１１，Ｑ２１，Ｑ３１を算出する。
ＳＴ１２において、３つの中心座標Ｑ１１，Ｑ２１，Ｑ３１から、座標面（XY）を算出する。つまり、３つの中心座標Ｑ１１，Ｑ２１，Ｑ３１を含む姿勢変更前基準面（座標面）を算出する。
ＳＴ１３において、３つの中心座標Ｑ１１，Ｑ２１，Ｑ３１のうち任意の１つ、例えば、中心座標Ｑ１１を第１基準球座標系の原点Ｏs1として算出する。
ＳＴ１４において、原点Ｏs1として算出した中心座標Ｑ１１と残るいずれかの中心座標、例えば、中心座標Ｑ２１とから第１基準球座標系の座標軸Ｘs1を算出する。
ＳＴ１５において、姿勢変更前基準面（座標面）において座標軸Ｘs1に対して直交する座標軸Ｙs1と、これら座標軸Ｘs1，Ｙs1に対して直交する座標軸Ｚs1とを算出して、第１基準球座標系（Ｘs1，Ｙs1，Ｚs1）を作成する（図５参照）。

（ワーク座標系作成工程）
この工程では、図６に示す手順に従って、ワーク座標系（図７参照）を作成する。
ＳＴ２１において、被測定物Ｗの上面Ｗ１を３点面測定し、これをワーク座標系の座標面（XY面）とする。
ＳＴ２２において、被測定物Ｗの上面Ｗ１に隣接する２つの側面Ｗ２，Ｗ３を各々２点線測定する。
ＳＴ２３において、測定した２線Ｌ２，Ｌ３を座標面（ワーク上面のXY面）に投影する。
ＳＴ２４において、２線Ｌ２，Ｌ３の交点をワーク座標系の原点Ｏwとして算出する。
ＳＴ２５において、２線Ｌ２，Ｌ３のうち任意の１線、例えば、線Ｌ２をワーク座標系の座標軸Ｘwとして算出する。
ＳＴ２６において、XY面および座標軸Ｘwに対して直交する座標軸Ｙwと、座標軸Ｘw，Ｙwに対して直交する座標軸Ｚwとを算出して、第１基準球座標系（Ｘs1，Ｙs1，Ｚs1）上にワーク座標系（Ｘw，Ｙw，Ｚw）を作成する（図７参照）。

（姿勢変更工程）
この工程では、図８に示す手順に従って、被測定物Ｗの姿勢を傾ける（図９参照）。
ＳＴ３１において、斜め穴Ｈが測定できる位置（プローブ９が挿入できる測定機Ｚ軸と平行な位置）に第１回転テーブル１２および第２回転テーブル１４を回転させる（図９参照）。

（第２基準球座標系作成工程）
この工程では、図１０に示す手順に従って、第２基準球座標系（図１１参照）を作成する。
ＳＴ４１において、３つの基準球２１，２２，２３をそれぞれ５点球測定し、この測定結果から各基準球２１，２２，２３の中心座標Ｑ１２，Ｑ２２，Ｑ３２を算出する。
ＳＴ４２において、３つの中心座標Ｑ１２，Ｑ２２，Ｑ３２から、座標面（XY）を算出する。つまり、３つの中心座標Ｑ１２，Ｑ２２，Ｑ３２を含む姿勢変更後基準面（座標面XY）を算出する。
ＳＴ４３において、３つの中心座標Ｑ１２，Ｑ２２，Ｑ３２のうち任意の１つ、例えば、中心座標Ｑ１２を基準球座標系の原点Ｏs2として算出する。
ＳＴ４４において、原点Ｏs2として算出した中心座標Ｑ１２と残るいずれかの中心座標、例えば、中心座標Ｑ２２とから第２基準球座標系の座標軸Ｘs2を算出する。
ＳＴ４５において、姿勢変更後基準面（座標面XY）および座標軸Ｘs2に対して直交する座標軸Ｙs2、座標軸Ｘs2，Ｙs2に対して直交する座標軸Ｚs2とを算出して、第２基準球座標系（Ｘs2，Ｙs2，Ｚs2）を作成する（図１１参照）。

（測定および測定結果出力）
ここでは、図１２に示す手順に従って、測定工程および測定結果算出工程を行う。
ＳＴ５１において、斜め穴Ｈを１断面３点、２断面（計６点）円測定し、斜め穴Ｈの中心軸線Ｊhを算出する（測定工程）。
ＳＴ５２において、中心軸線Ｊhを第２基準球座標系（Ｘs2，Ｙs2，Ｚs2）上に算出する(図１３参照)。
ＳＴ５３において、予め算出しておいた第１基準球座標系（Ｘs1，Ｙs1，Ｚs1）上のワク座標系（Ｘw，Ｙw，Ｚw）を、第２基準球座標系（Ｘs2，Ｙs2，Ｚs2）上に再現する（図１４参照）。
ＳＴ５４において、ワーク座標系（Ｘw，Ｙw，Ｚw）のＺw軸と中心軸線Ｊhとの角度θを算出する（図１５参照：測定結果演算工程）。

＜実施形態の効果＞
本実施形態によれば、３つの基準球２１，２２，２３をプローブ９によって測定して各基準球２１，２２，２３の中心座標を求め、これら中心座標を含む面を座標面とする第１基準球座標系を作成する（第１基準球座標系作成工程）。また、被測定物Ｗをプローブ９によって測定して被測定物Ｗの上面Ｗ１を座標面とするワーク座標系を作成する（ワーク座標系作成工程）。
次に、姿勢変更機構４を動作させてテーブル（第２回転テーブル１４の被測定物載置面１４Ａ）の姿勢を傾けたのち（姿勢変更工程）、３つの基準球２１，２２，２３をプローブ９によって測定して各基準球２１，２２，２３の中心座標を求め、これら中心座標を含む面を座標面とする第２基準球座標系を作成する（第２基準球座標系作成工程）。また、テーブルの姿勢変更後において、被測定物Ｗをプローブ９によって測定する（測定工程）。
最後に、測定工程で得られた結果を第２基準球座標系上に算出するとともに、この第２基準球座標系上にワーク座標系を再現すると、このワーク座標系において、測定結果を算出することができる（測定結果算出工程）。
従って、第１基準球座標系作成工程と第２基準球座標系作成工程とからテーブルの傾き量を求めることができるから、高精度でなく安価な姿勢変更機構を用いても、被測定物Ｗの形状などを高精度に測定することができる。

また、姿勢変更機構４は、プローブ９の軸線に対して直交する軸を中心にテーブルを回転させる第１回転テーブル１２と、この第１回転テーブル１２に設けられ第１回転テーブル１２の軸Ｊ１に対して直交する軸Ｊ２を中心にテーブルを回転させる第２回転テーブル１４とを備えているから、こられ第１、第２回転テーブル１２，１４を回転させることにより、被測定物Ｗの測定部位をプローブ９の向きに合わせることができる。従って、プローブ９によって測定できる向きに被測定物Ｗの姿勢を傾かせることができるから、被測定物Ｗを被測定物載置面１４Ａに載置固定したまま、被測定物Ｗの異なる測定部位を高精度に測定することができる。

＜変形例＞
本発明は、前述の実施形態に限定されるものでなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本考案に含まれる。
前記実施形態において、姿勢変更機構４は、ＸＹステージ２と平行な軸Ｊ１を中心に回転可能に設けられた第１回転テーブル１２と、軸Ｊ１に対して直交する軸Ｊ２を中心に転可能に設けられた第２回転テーブル１４とを含んで構成されていたが、第２回転テーブル１４を省略し、第１回転テーブル１２のみでもよい。
また、姿勢を変更する構成としては、回転テーブルに限らず、テーブルの一端を支点として他端が起伏可能に構成された構造であってもよい。

前記実施形態では、接触式のプローブ９を用いたが、接触式のプローブに限らず、非接触式のプローブであってもよい。例えば、画像プローブなどであってもよい。

前記実施形態では、被測定物Ｗの上面Ｗ１にあけられた斜め穴Ｈを測定する例を示したが、これに限られない。例えば、被測定物の側面形状や、棒状部材の一部にくびれ部を有する被測定物において、くびれ部の形状を測定する場合などにも適用できる。

本発明は、プローブの姿勢（向き）を変更できない構造の形状測定機などに利用できる。

４…姿勢変更機構、
９…プローブ、
１２…第１回転テーブル、
１４…第２回転テーブル、
１４Ａ…被測定物載置面（テーブル）、
２１，２２，２３…基準球、
Ｗ…被測定物。

Claims (2)

1. 被測定物を載置したテーブルの姿勢を傾ける姿勢変更機構を備え、前記テーブルとプローブとを相対移動させながら、前記被測定物の形状を測定する形状測定方法において、
   前記テーブルの被測定物載置面に３つの基準球を互いに離間して配置する工程と、
   前記３つの基準球を前記プローブによって測定して各基準球の中心座標を求め、これら中心座標を含む面を座標面とする第１基準球座標系を作成する第１基準球座標系作成工程と、
   前記被測定物を前記プローブによって測定して被測定物の特定面を座標面とし、前記被測定物の特定面に隣接する２つの側面を２点線測定し、測定した２線を前記座標面に投影し、前記２線の交点を原点として算出し、前記２線のうちの任意の１線を座標軸とするワーク座標系を作成するワーク座標系作成工程と、
   前記姿勢変更機構を動作させて前記テーブルの姿勢を傾ける姿勢変更工程と、
   前記テーブルの姿勢変更後において、前記３つの基準球を前記プローブによって測定して各基準球の中心座標を求め、これら中心座標を含む面を座標面とする第２基準球座標系を作成する第２基準球座標系作成工程と、
   前記テーブルの姿勢変更後において、前記被測定物を前記プローブによって測定する測定工程と、
   この測定工程で得られた結果を前記第２基準球座標系上に算出するとともに、この第２基準球座標系上に前記ワーク座標系を再現し、このワーク座標系において、測定結果を算出する測定結果算出工程と、を備えることを特徴とする形状測定方法。
2. 請求項１に記載の形状測定方法において、
   前記姿勢変更機構は、前記プローブの軸線に対して直交する軸を中心に前記テーブルを回転させる第１回転テーブルと、この第１回転テーブルに設けられ前記第１回転テーブルの回転軸に対して直交する軸を中心に前記テーブルを回転させる第２回転テーブルとを備えている、ことを特徴とする形状測定方法。

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