JP6181935B2 - 座標測定機 - Google Patents

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Description

本発明は、座標測定機に関するものである。
精密な塗布工具の長尺化,ウエハの大型化,液晶画面の大面積化等により,長尺の真直形状,大面積の平面形状を高精度に測定する必要が高まっているが,物理的に与えられる測定基準の確からしさはもはや限界が来ている。そこで,物理的基準に頼らない,数学的に与えられる基準での測定法が求められている。また、測定対象が、2次元、3次元物体となると、構造上アッベの原理が満たせなくなり、その高精度化には大きな壁となっている。そのため、ステージの運動誤差についても,高精度な測定においては、前記ピッチング誤差や前記ローリング誤差の測定と補正の必要性が顕著になっている。これらの直線運動に関連した必要は、回転テーブルについても同様に生じている.なお,回転運動では,回転軸の傾斜運動誤差を円の母線に沿って観察すると,直線運動における前記ピッチング誤差とローリング誤差に相当している。
従来,真直運動誤差の測定では、断面直線の真直度が保証された直定規を基準として用い、直定規の長手方向と変位計の相対的な運動における変位計の出力から、真直運動の誤差を検出することが行われていた。ピッチングは理論上,長手方向の局所的な傾斜角を基準にすれば測定できることは知られているが,直定規を基準にするときは一定間隔で長手方向に配置した2点の変位の差から得る方法が用いられる。移動体上に二つのコーナキューブを置きその相対変位をレーザ干渉測長機でよみとりピッチングかヨーイングを計る方法も知られているが,空気の揺らぎの影響などで,あまり長い距離の移動真直度の安定した測定は難しい。そのため,工作機械の移動ステージ,回転ステージ,3次元測定機のx,y,z軸移動機構,r,z,θ軸移動機構にはそれぞれ移動方向に沿う位置決めのエンコーダが取り付けられるのみで,それぞれの軸における直線運動誤差(直線からの並進誤差,ピッチング誤差,ヨーイング誤差,ローリング誤差を含む)や回転運動誤差(ピッチング誤差,ローリング誤差に相当する回転軸の2方向の傾斜運動誤差と回転軸の軸方向の出入りの誤差,2方向の半径方向並進誤差を含む)は検出され制御されることはなかった。しかし,機械に要求される精度の向上に伴い,直線運動の高精度で簡便な計測法の確立が課題となっている。特許文献1には、逐次2点法における変位センサの姿勢変化によるピッチング誤差を除去し、センサのデータに取り込んで表面形状計測の精度を向上させる技術が開示されている。回転運動誤差についても、リング状の定規の端面や側面の真円度が校正された円定規が基準として用いられているが、傾斜運動については良い基準定規は知られていなかった。
これに対し、発明者は、特許文献1に示すように、ピッチング誤差やローリング誤差を抽出でき高精度な測定を行える運動誤差測定基準、測定装置を開発した。
特開2008−89541号公報
ところで、一般的な3次元測定機において、アッベの原理を満たせない部分があるため、その精度に限界があるとされる。また、近年の3次元測定対象の大型化に伴い、その保証精度が十分に必要を満たせなくなっているという実情がある。
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、アッベの原理を満たせない構造においても、十分な測定精度を確保できる座標測定機を提供することを目的とする。
請求項1に記載の座標測定機は、
目盛りが形成された定規と、
前記定規に対して相対移動し、前記定規の目盛りを読み出す位置センサと、
前記定規及び位置センサのうち一方に連結され、前記定規及び位置センサのうち他方が取り付けられた基盤に対して移動可能となっている移動体と、
前記移動体に取り付けられてなり、被測定物の表面に接触するかあるいは前記被測定物にたいして一定の隙間まで近づいたことを検知することで接触と同様の働きをなすようになっているタッチプローブと、
前記移動体のピッチング、ヨーイング、ローリングのいずれか2つにおける傾き角を検出する姿勢センサとを有し、
前記タッチプローブの変位を前記位置センサの出力から読み取ることが出来、前記姿勢センサからの出力に基づいて、前記目盛りを読み取るべき位置と実際に読み取られる位置との差を加味して前記位置センサの出力を補正することにより被測定物の形状を求めることを特徴とする。
アッベの原理を満たせない構造において発生する誤差は、基本的には、目盛りを読み取るべき位置と実際に読み取られる位置が異なる視差が起因している。より具体的には、前記タッチプローブを、被測定物の表面に接触させた際に、前記タッチプローブを含む前記移動体の姿勢が変化することで、前記定規における目盛りを読み取るべき位置と実際に読み取られる位置が異なり、これにより測定誤差が発生してしまうのである。そこで、本発明においては、前記移動体の姿勢を検出する姿勢センサを設けて、前記姿勢センサからの出力に基づいて、目盛りを読み取るべき位置と実際に読み取られる位置との差を加味して、前記位置センサの出力を補正することで、被測定物の形状に対応する適切な測定値を得ることができる。
請求項に記載の座標測定機は、請求項1に記載の発明において、前記定規が、直定規又は円定規であることを特徴とする。
請求項に記載の座標測定機は、請求項に記載の発明において、前記直定規又は円定規の少なくとも一部が,前記移動体とは独立の基盤に保持され、前記直定規または円定規が低熱膨張材で構成されているメトロロジーフレームの役割を果たせるようになっていることを特徴とする。
本発明によって、今までの直定規や円定規ではできなかった高度な運動誤差測定が可能になる。本発明の運動誤差測定基準と一体化して,センサを取り付ける測定装置を採用すると,空気の揺らぎの影響が入りにくい計測システムで真直運動又は円運動の誤差成分を測定できることになり,真直運動又は円運動の高精度化に役立つ。とくに,レーザ干渉測長器よりはリニヤエンコーダが選ばれているような環境で使われる機械においては,リニヤエンコーダと本発明の運動誤差測定基準との一体化が高度利用と整合性が良く,ほとんど基本構造を変えなくても真直運動や円運動の誤差の全成分が計測できるシステムになる。真直移動や円運動において,今まで計ることの出来なかったローリング運動を含めた5自由度の運動誤差を一つの柱状物体や円板状物体による基準で測定できることは,機械の高精度化に大いに役立つ。
第1の実施形態にかかる運動誤差測定基準の柱状物体POの斜視図(a)と、母線BSの校正値(b),(c),(d)に関する説明図である。 運動誤差測定基準の校正を説明する図である。 第2の実施形態にかかる運動誤差測定基準の円板状物体COの斜視図(a)と、正面図(b)と、母線の校正値に関する説明図(c),(d),(e)である。 図3に示した、円板面上の母線BS1について、3種の校正値の曲線カーブを得るための校正方法の例を示す図である。 第2の物体として母線BSの形状情報の読み取りヘッドEHを有している実施形態の例を示す図である。 運動誤差測定基準である柱状物体POを用いた運動誤差測定装置の概略斜視図である。 別の実施の形態の斜視図である。 別の実施の形態の斜視図である。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図1は第1の実施形態にかかる運動誤差測定基準(目盛りを有する直定規)の柱状物体POの斜視図(a)と、母線BSの校正値(b),(c),(d)に関する説明図である。図中に示す直交座標軸において、X軸方向を母線BSに沿う方向、Y軸方向を,母線BSが構成する面に載り,母線に直交する方向、Z軸方向を,母線BSが構成する面に垂直で,母線BSに直交する方向に採っている。この実施例では、数学的理想面MPは正しい平面であり、その面法線方向はZ軸と一致している。図1の(b)は母線BSを含むxz断面での実際の物体面の数学的理想平面MPからの偏差(校正値)を示している。図(b)のX軸は、数学的理想面MPの母線BSでもある。図1の(c)、(d)はそれぞれ、実際の物体面の法線とZ軸との偏差(校正値)をX軸方向の成分fx‘(x)(以下ピッチング角度形状と呼ぶ)と、Y軸方向の成分fy‘(x)(以下ローリング角度形状と呼ぶ)とに分けて表示したものであり、これらの図の縦軸の単位は角度になっている。ただし、(b)、(c)、(d)はそれぞれイメージ図であり、定められた原点からの距離xの点での校正値として表現されているが、例えば、(b)の形と(c)の形が互いに微分と積分の関係にあるといった数学的な厳密さは無視して表示している。また、図では,校正値は連続的な曲線で示されているが,実際には,コンピュータで使うために,離散的なxの位置で,有限の桁の数値が校正値として記憶されるのは言うまでもない。これらの一つの母線BSに沿う真直形状と角度形状2成分、あわせて3成分の校正結果を校正値として記憶して、コンピュータ(演算手段)で利用できる形で提供するのが、運動誤差測定基準となる。
一般に、物体の運動誤差は直交3軸方向の並進運動と、3軸方向への傾斜運動の6自由度を有している。X軸方向にある直線母線に沿う運動では、Y軸、Z軸方向の並進運動と3軸方向の傾斜が運動誤差の5成分であり、X軸方向に生じるずれは運動誤差とは呼ばず、位置決め誤差と呼ぶ。この運動誤差を考慮して、図1に示した3種の校正値のカーブを得るための校正方法の例を図2に示す。X軸方向に移動可能な直動ステージLSを用意し、ステージLSの移動方向に校正すべき母線BS方向を合わせる形で柱状物体POを載せる。このステージLSにローリングを検出する電子式水準器RLを置き、さらに、ピッチングを検出するためのオートコリメータACを載せる。ステージLS外のベース(不図示)にはこのオートコリメータACによる角度検出のための反射鏡AMを固定する。また、ステージLS外のベースに置かれた角度センサ保持具SJを介して、母線BS上の一点の法線方向を検出するように2次元角度センサASを配置する。
式(1)、(2)に示したように、前記2次元角度センサASの出力のうち、X軸方向の傾斜角度の出力には、運動のピッチング成分ep(x)と、形状のピッチング角度成分fx‘(x)が含まれ、y方向の傾斜成分には、運動のローリング成分er(x)と形状のローリング角度成分成分fy‘(x)が含まれる。これらの出力から、オートコリメータACと水準器RLで測定したステージLSの走査運動中のピッチングep(x)とローリングer(x)を取り除けば、目的の母線BS1に沿った、法線方向の角度形状2成分が校正できる。なお、母線BS1の形状の検出に角度センサASを用いているので、並進誤差の影響は直接には出力に現れない。校正された角度形状のうち、ピッチング角度形状を積分すれば、図1の(b)の校正値である、図2の母線1に沿う面外への凹凸形状(真直形状)も求めることが出来る。
なお、オートコリメータACがヨーイングを検出できるものであれば、2次元角度センサASを図の第2の母線BS2(母線BS1のある面とは直交する面にある)の法線方向検出に使えば、第2の母線BS2に沿う角度形状2成分も校正することが出来る。この第2の母線BS2に沿うX軸方向の傾斜は、ステージLSの運動で言えばヨーイングであるので、以下では、ヨーイング角度形状と呼ぶ。この、ヨーイング角度形状を用いて積分すれば、図の第2の母線BS2に沿う真直形状が求められ、Y軸方向の並進誤差の測定基準となる。また、図の母線BS1,BS2についての校正値を同時に付与すれば、運動誤差測定基準となる。
図3は第2の実施形態にかかる運動誤差測定基準(円定規)の円板状物体COの斜視図(a)と、正面図(b)と、母線の校正値に関する説明図(c),(d),(e)である。図3は、円板面の母線に沿う相対運動の運動誤差測定基準の概要を示すもので、(b)のように、円板面の半径Rの円を母線BS1とし、原点Oから母線BS1に沿う距離xをRθとして位置を規定する。(c)、(d)、はそれぞれ、母線BS1上の位置xでの面外への凹凸形状(真直形状)f(x)と、そのx方向の微分に相当するピッチング角度形状fx‘(x)が、不図示であるが、母線BS1上の点での法線の半径方向への傾斜角、すなわち、ローリング角度形状fy‘(x)、が校正され、その結果がディジタル量として記憶される。なお、図(c)、(d)を展開して、直線に沿う形状として表せば、これらは、図1の(b)、(c)と同じ形になり、基準としての数学的な意味が同等であることも示される。円板側面、すなわち円筒部分の円母線BS2を測定基準として用いるときは、図(e)のように半径方向の凹凸形状(真円形状)が校正値として記憶される。この円母線BS2に沿うピッチング運動誤差(前記定義により、母線に沿う方向で面外への傾斜運動誤差)は、前記回転軸から見た回転運動誤差に含まれる回転軸に直交する2方向の並進誤差の一つに相当し、所定の点で円(円板側面の半径rの母線)に接する方向の並進誤差成分を半径rで除して角度に変換したものと等しい。
図3に示した、円板面上の母線BS1について、3種の校正値の曲線を得るための校正方法の例を図4に示す。円板状物体COの円板面が鏡であるとし、これを回転テーブルRTに設置する。円板の一つの直径に沿う線上で、円板の中心と半径Rの母線BS上の点の面法線方向に対向して、オートコリメータなどの2次元角度センサSA,SBを回転テーブル外のベース(不図示)に置かれたセンサ保持具(不図示)で保持して配置する。
このとき、2次元角度センサSA,SBの2成分のうち、前記直径に沿う方向の傾斜角度成分をμ、それと直交する方向の傾斜角度成分をνとする。ただし、添え字A,BはセンサSA,SBに対応している。円板状物体COの中心におかれた角度センサSAの出力は、一回転を一周期とする成分を除けば、テーブルRTの回転軸の傾斜成分のみが残るので、式(3)、(4)のように表される。また、半径Rの母線BS1上の角度センサSAの出力には、回転軸の傾斜成分と、母線の各点での法線方向の傾斜角が加わり、式(5)、(6)のように表される。なお、母線BS1に沿う方向の傾斜角成分がピッチング角度形状、これと直交する成分がローリング角度形状になる。これらの式(3)ないし(6)より、母線BS1に沿う方向の法線の傾斜角度形状成分(ピッチング角度形状成分)とそれに直交する方向の傾斜角度形状成分(ローリング角度形状成分)は容易に求めることが出来る。また、ピッチング角度形状は、母線BS1に沿う面外凹凸形状(真直形状)の微分に相当するので、これをxについて積分すれば、真直形状f(x)が求まる。なお、図の母線BS1の原点における面法線方向と2次元角度センサの光軸方向は一般には一致しないので,一定値だけ角度センサ出力にオフセット量が加わることになる。このオフセット量は、たとえば、原点での法線方向の角度変化がゼロとなるように決めることで取り除いて問題はない。式(1)ないし(6)ではこの定数項は省略している。
図3に示した第2の母線BS2の真円形状については、反転法や3点法など種々の測定法がある。図4に示した校正システムと整合性の良い方法に、例えば直交型混合法(文献:高偉,清野慧: 真円度測定のための直交型混合法に関する研究 (直交型混合法の提案および測定システムの設計),日本機論集(C),61−589,(1995),3775−3780.)があり、これを用いれば真円形状とピッチング角度形状が測定できる。この方法は、母線BS2の円周上90度隔てた2箇所に、それぞれ、変位センサ(面外変位の検出用)と角度センサ(ピッチング角検出用)を配置するものである。この方法で同時に得られる、母線BS2に沿う真円形状とピッチング角度形状とを校正値として記憶することで、所定の運動誤差測定基準となる。
図5は、母線BSの形状情報の読み取りヘッドEHを有している実施形態の例を示す図である。第2の物体(移動体)20は、柱状物体POに対して相対運動用軸受BGにより相対移動可能となっており、変位計と2次元角度センサとを兼ねる混合センサDASと、エンコーダ用読み取りヘッドEHを含んでいる。運動誤差測定基準としては、柱状物体POを取り上げ、エンコーダ用目盛りESCを付与したものを使用している例である。図5において、読み取りヘッドEHを有し、エンコーダ用目盛りESCを有する柱状の物体POによる運動誤差測定基準を使用している。図には示していないが、校正値はエンコーダ目盛りESCの位置と関連付けて可搬式のメモリー(不図示)に記憶されている。
ところで、第2の物体20の姿勢が、エンコーダ用読み取りヘッドEHの読み取り誤差を招く恐れがある。以下の実施の形態は、かかる不具合を解消するものである。尚、以下に述べる実施の形態は、上述した実施の形態の直定規を用いるものとする。より具体的には、直定規に目盛がつき、直定規の2面の真直の形状(凹凸)が校正されているだけでなく、同じ2面について、法線方向の角度が校正されていて、それら凹凸を読み取る変位センサと3つの法線方向を読み取る角度センサが目盛の読み取りヘッドと一体となって直定規と相対移動する構造を用いるものとする。この読み取りヘッドを、請求項にいう目盛りを読み出す位置センサとする。つまり、直定規が目盛りの方向とそれに直交する3軸回りの一つまたはすべての角度変化に関して校正されていて、姿勢センサが校正された角度変化をもとに移動体の姿勢を検出するものである。円定規についても同様である、但し、これに限られることはない。
図7において、不図示の定盤(移動体とは独立の基盤)にX軸方向に沿って配置されたX軸方向直定規XSCは、X方向エンコーダ用目盛りXAを取り付けた面と直交する方向にX軸方向基準面XSPを有する。不図示のX軸方向ガイドにより支持されたX軸方向移動体20Xは、X軸方向直定規XSCに対してX軸方向に相対移動可能となっている。X軸方向移動体20Xは、X軸方向直定規XSCに正対して設けられ、目盛りXAを読み取り可能なX軸方向ヘッドXEと、X軸方向基準XSPに対向して設けられた姿勢センサXSとを有する。
更に、X軸方向移動体20Xと連結され、Y軸方向に沿って配置されたY軸方向直定規YSCは、Y方向エンコーダ用目盛りYAを取り付けた面と直交する方向にY軸方向基準面YSPを有する。不図示のY軸方向ガイドにより支持されたY軸方向移動体20Yは、Y軸方向直定規YSCに対してY軸方向に相対移動可能となっている。Y軸方向移動体20Yは、Y軸方向直定規YSCに正対して設けられ、目盛りYAを読み取り可能なY軸方向ヘッドYEと、Y軸方向基準YSPに対向して設けられた姿勢センサYSとを有する。
更に、Y軸方向移動体20Yに対して、Z軸方向に沿って可動に支持されたZ軸方向直定規(Z軸方向移動体)ZSCは、Z方向エンコーダ用目盛りZAを取り付けた面と直交する方向にZ軸方向基準面ZSPを有する。Y軸方向移動体20Yに対して一体的に移動可能なように固定されたヘッド部20Zは、Z軸方向直定規ZSCに対してZ軸方向に相対移動可能となっている。ヘッド部20Zは、Z軸方向直定規ZSCに正対して設けられ、目盛りZAを読み取り可能なZ軸方向ヘッドZEと、Z軸方向基準ZSPに対向して設けられた姿勢センサZSとを有する。又、Z軸方向直定規ZSCは、下端にタッチプローブTPを有する。タッチプローブTPを被測定物に接触させたとき、各ヘッドの読み値から3次元座標を求めることができる。かかる3次元座標値に基づき、被測定物の表面形状を得ることができる。但し、タッチプローブは、これに限られず、例えば被測定物に対して一定の隙間まで近づいたことを検知することで接触と同様の働きをなすものであっても良い。
ここで、タッチプローブTPが微小角度θ傾いたとすると、Z軸方向ヘッドZEがよみとるZ座標値は、タッチプローブTPのスパンをLとすると、L(1−cosθ)だけ少なく検出されることとなり、これが測定誤差になる。そこで、Z軸方向基準面ZSPの相対角度を検出する姿勢センサZSによって、角度θを検出することで、Z軸方向ヘッドZEの読み値を補正することができ、これにより精度の良いZ座標値を得ることができる。尚、Z軸方向移動体20Zのピッチング、ヨーイングがタッチプローブTPの傾き変化に相当するので、姿勢センサZSは、これを検出することでタッチプローブTPの傾き角を検出できる。
同様に、Y軸方向基準面YSPの相対角度を検出する姿勢センサYSによって、Y軸方向移動体20Yの傾き角を検出することで、Y軸方向ヘッドYEの読み値を補正することができ、これにより精度の良いY座標値を得ることができる。尚、Y軸方向移動体20Yのローリング、ヨーイングがタッチプローブTPの傾き変化に相当するので、姿勢センサYSは、これを検出することでタッチプローブTPの傾き角を検出できる
同様に、X軸方向基準面XSPの相対角度を検出する姿勢センサXSによって、X軸方向移動体20Xの傾き角を検出することで、X軸方向ヘッドXEの読み値を補正することができ、これにより精度の良いX座標値を得ることができる。尚、X軸方向移動体20Xのローリング、ピッチングがタッチプローブTPの傾き変化に相当するので、姿勢センサXSは、これを検出することでタッチプローブTPの傾き角を検出できる。姿勢センサについては、よく知られており,例えば光学式のものを用いることができるが、それに限られない。又、直定規の少なくとも一部が,移動体とは独立の基盤に保持され、直定規が低熱膨張材で構成されているメトロロジーフレームの役割を果たせるようになっていると好ましい。更に、移動体の傾きに起因する誤差を補正できると測定精度が上がるので、X、Y、Z軸方向の移動時の並進誤差も問題になる可能性が生じる。そこで、直定規を目盛りと直交する方向の凹凸も校正されている構造とし、移動体に変位センサを追加することで相対移動の際の並進誤差を検出して補正するようにすると好ましい。
図8は、別な例にかかる装置を模式的に示す斜視図である。回転体20Rは、その周囲が回転基準面RSPとなっており、円定規であるリングゲージRGと一体的に回転するようになっている。リングゲージRGの周囲には目盛りが形成されており、これを角度センサASで読み取ることができる。又、回転体20Rの回転基準面は、姿勢センサRSに対向しており、姿勢センサRSによって回転体20Rの傾きを読み取り可能である。
回転体20Rから延在する支柱PLに対し、径方向に沿って配置された径方向直定規DSCは、径方向エンコーダ用目盛りDAを取り付けた面と直交する方向に径方向基準面DSPを有する。不図示の径方向ガイドにより支持された径方向移動体20Dは、径方向直定規DSCに対して径方向に相対移動可能となっている。径方向移動体20Dは、径方向直定規DSCに正対して設けられ、目盛りDAを読み取り可能な径方向ヘッドDEと、径方向基準DSPに対向して設けられた姿勢センサDSとを有する。
更に、径方向移動体20Dに対して、Z軸方向に沿って可動に支持されたZ軸方向直定規(Z軸方向移動体)ZSCは、Z方向エンコーダ用目盛りZAを取り付けた面と直交する方向にZ軸方向基準面ZSPを有する。径方向移動体20Dに対して一体的に移動可能なように固定されたヘッド部20Zは、Z軸方向直定規ZSCに対してZ軸方向に相対移動可能となっている。ヘッド部20Zは、Z軸方向直定規ZSCに正対して設けられ、目盛りZAを読み取り可能なZ軸方向ヘッドZEと、Z軸方向基準ZSPに対向して設けられた姿勢センサZSとを有する。又、Z軸方向直定規ZSCは、下端にタッチプローブTPを有する。タッチプローブTPを被測定物に接触させたとき、各ヘッドの読み値から極座標を含む3次元座標を求めることができる。かかる3次元座標値に基づき、被測定物の表面形状を得ることができる。
本例では、回転体20Rの回転方向基準面RSPの相対角度を検出する姿勢センサRSによって、回転体20Rの傾き角を検出し、また角度センサASによって径方向直定規DSCの延在方向(角度)を検出することで、これらによりタッチプローブTPの傾き角を求めて、リングゲージRGの読み値を補正することができ、これにより精度の良い回転角度を得ることができる。
同様に、径方向基準面DSPの相対角度を検出する姿勢センサDSによって、径方向移動体20Dの傾き角を検出することで、径方向ヘッドDEの読み値を補正することができ、これにより精度の良い極座標値を得ることができる。尚、径方向移動体20Dのローリング、ピッチングがタッチプローブTPの傾き変化に相当するので、姿勢センサDSは、これを検出することでタッチプローブTPの傾き角を検出できる。
同様に、Z軸方向基準面ZSPの相対角度を検出する姿勢センサZSによって、Z軸方向移動体20Zの傾き角を検出することで、Z軸方向ヘッドZEの読み値を補正することができ、これにより精度の良いZ座標値を得ることができる。尚、Z軸方向移動体20Zのピッチング、ヨーイングがタッチプローブTPの傾き変化に相当するので、姿勢センサZSは、これを検出することでタッチプローブTPの傾き角を検出できる。又、円定規の少なくとも一部が,移動体とは独立の基盤に保持され、円定規が低熱膨張材で構成されているメトロロジーフレームの役割を果たせるようになっていると好ましい。更に、円定規が目盛りと直交する方向の凹凸も校正されている構造であり、変位センサを追加することで相対移動の際の並進誤差を検出して補正するようにすると好ましい。
図6は、運動誤差測定基準である柱状物体POを用いた運動誤差測定装置の概略斜視図である。直交座標のY,Z軸は図のように取る。ここでは第2の物体であるベース(不図示)に対してX方向に移動するステージST(たとえば平面研削盤のステージ)があり、ステージSTの上面には測定対象の平面を有する試料OBJが配置され、ステージSTの側面には柱状物体POが固定され、ベース側にはその読み取りヘッドとして混合センサDASとEHが固定されている。読み取りヘッドEHは、柱状物体PO上に形成されたエンコーダ目盛りESCを読み取り、ステージSTの現在の位置を測定できるようになっている。
また、ベースに固定された支柱PTから伸びた腕AMによって変位センサDSBが、試料OBJの測定面の一つの走査ラインに沿った面外凹凸(真直形状)を計れるように支持されている。この変位センサDSBと、読み取りヘッドEHと共にベースに併設され母線BSの形状を測定する混合センサDASは、母線BSに沿った所定点での原点Oに対する並進誤差と法線角度とを測定できるようになっている。読み取りヘッドEH、変位センサDSB、混合センサDASからの出力は、上述の校正値を記憶したメモリー(不図示)にアクセス可能な演算手段CTUに入力される。
ここで、形状測定用混合センサDASは、アッべの原理を満たす配置として、X軸方向には同じ位置に置くことができるが、Y軸方向には構造上アッベの配置が取れず、距離Hyのずれが生じる。その結果、変位センサDSBの出力mB(x)には、目的の真直形状g(x)にステージSTのZ軸方向の並進誤差ez(x)だけでなく、ローリング誤差の影響による変位、er(x)Hyが加わり、式(7)のように表される。なおCBは、変位センサDSBのゼロ点が必ずしも測定面のx=0の点と一致しないことにより生じる定数である。
B(x)=g(x)+ez(x)+er(x)Hy+CB (7)
一方、運動誤差測定装置の母線BSに対向している読み取りヘッドEH及び混合センサDASの出力から、既知の校正値と、x=0の位置での出力によって決まる定数を 差し引くと、運動誤差の並進変位ez(x)成分とローリング角度成分er(x)が求まり、演算手段CTUは、これを用いて式(7)より目的のg(x)を算出できる。この運動誤差測定装置では、ローリング測定が可能になることが測定精度の向上に不可欠である。尚、「アッベの原理(配置)」とは、長さ測定の際に被測定物と定規とを一直線に並べて、傾斜の誤差を2次の誤差として取り扱う原理をいう。本発明に関して言えば、2本の変位計の感度方向と2つの被測定面上の測定点とが一直線上に並ぶため、X軸方向にアッベの条件が満たされてピッチング誤差がでないことを意味する。
なお、運動誤差測定装置は説明を分かりやすくするため、図のようにステージSTの外に置いているが、工作機械などにおける実際の利用では、加工液などの害を防ぐためステージSTの裏面に配置するのが望ましい。また、被測定対象の試料の加工後に、測定基準である柱状物体POをステージST上に並べて置き、母線BSに向けて、角度センサと変位センサを別途配置することも可能である。
また、図2に示した校正用ステージで原理的に同じ測定が出来るが、あくまで、校正のために特別に環境を整える必要があり、また、測定点ごとにステージを静止させて水準器の読みを取らねばならないので測定所要時間が膨大になるなど、現実的ではない。
尚、以上の実施の形態において、変位センサと角度センサをベースに取り付け、直定規又は円定規をステージに取り付けても、同様の効果が期待できる。又、図6の測定装置に、図3に示す円盤状物体を運動誤差測定基準として取り付けても良い。この場合、母線BSは円になるので、母線BSの中心を通る回転軸線回りにベースに対してステージを回転運動させることとなる。
20 移動体
20D 径方向移動体
20R 回転体
20X X軸方向移動体
20Y Y軸方向移動体
20Z ヘッド部
AC オートコリメータ
AM 反射鏡
AM 腕
AS 角度センサ
AS 2次元角度センサ
BG 相対運動用軸受
BS 母線
BS1 母線
BS1,BS2 母線
BS2 円母線
BS2 母線
CO 円板状物体
CTU 演算手段
DAS 形状測定用混合センサ
DE 径方向ヘッド
DS 姿勢センサ
DSB 変位センサ
DSC 径方向直定規
DSP 径方向基準面
EH ヘッド
LS 直動ステージ
MP 数学的理想平面
O 原点
OBJ 試料
PL 支柱
PO 柱状物体
PT 支柱
RG リングゲージ
RL 電子式水準器
RS 姿勢センサ
RSP 回転基準面
RT 回転テーブル
SA 角度センサ
SA,SB センサ
SA,SB 2次元角度センサ
SJ 角度センサ保持具
ST ステージ
TP タッチプローブ
XE X軸方向ヘッド
XS 姿勢センサ
XSC X軸方向直定規
XSP X軸方向基準面
YE Y軸方向ヘッド
YS 姿勢センサ
YSC Y軸方向直定規
YSP Y軸方向基準面
ZE Z軸方向ヘッド
ZS 姿勢センサ
ZSC Z軸方向直定規
ZSP Z軸方向基準面

Claims (3)

  1. 目盛りが形成された定規と、
    前記定規に対して相対移動し、前記定規の目盛りを読み出す位置センサと、
    前記定規及び位置センサのうち一方に連結され、前記定規及び位置センサのうち他方が取り付けられた基盤に対して移動可能となっている移動体と、
    前記移動体に取り付けられてなり、被測定物の表面に接触するかあるいは前記被測定物にたいして一定の隙間まで近づいたことを検知することで接触と同様の働きをなすようになっているタッチプローブと、
    前記移動体のピッチング、ヨーイング、ローリングのいずれか2つにおける傾き角を検出する姿勢センサとを有し、
    前記タッチプローブの変位を前記位置センサの出力から読み取ることが出来、前記姿勢センサからの出力に基づいて、前記目盛りを読み取るべき位置と実際に読み取られる位置との差を加味して前記位置センサの出力を補正することにより被測定物の形状を求めることを特徴とする座標測定機。
  2. 前記定規が、直定規又は円定規であることを特徴とする請求項1に記載の座標測定機。
  3. 前記直定規又は円定規の少なくとも一部が,前記移動体とは独立の基盤に保持され、前記直定規または円定規が低熱膨張材で構成されているメトロロジーフレームの役割を果たせるようになっていることを特徴とする請求項に記載の座標測定機。
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