JP6181935B2 - 座標測定機 - Google Patents

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２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３に記載の座標測定機は、請求項２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ｆ_x‘（ｘ）（以下ピッチング角度形状と呼ぶ）と、Ｙ軸方向の成分ｆ_y‘（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ｅ_p（ｘ）と、形状のピッチング角度成分ｆ_x‘（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ｅ_r（ｘ）と形状のローリング角度成分成分ｆ_y‘（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ｅ_p（ｘ）とローリングｅ_r（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ｆ_x‘（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ｆ_y‘（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ｍ_B（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ｅ_z（ｘ）だけでなく、ローリング誤差の影響による変位、ｅ_r（ｘ）Ｈｙが加わり、式（7）のように表される。なおＣ_B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。
ｍ_B（ｘ）＝ｇ（ｘ）＋ｅ_z（ｘ）＋ｅ_r（ｘ）Ｈｙ＋Ｃ_B （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ｅ_z（ｘ）成分とローリング角度成分ｅ_r（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２に記載の座標測定機。