JP6599266B2 - 形状計測装置、加工装置及び形状計測装置の校正方法 - Google Patents

Description

本発明は、形状計測装置、加工装置及び形状計測装置の校正方法に関する。

３つの変位計を用いて逐次３点法により計測対象物の真直形状を求める方法が知られている。このような方法により真直形状を高精度に求めるためには、３つの変位計の取り付け位置のばらつきを校正する必要がある。

そこで、３つの変位計と３つの円板とを対向配置し、円板の所定回転位置における変位計の測定値と、円板の所定回転位置から１８０度回転した位置における変位計の測定値とに基づいて、変位計の相互位置を校正する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−２８６４３０号公報

しかしながら、特許文献１に係る方法では、円板の設置位置、回転角度等が高精度に校正されている必要がある。また、求められた位置ずれ量に基づいて変位計の位置調整を行うには、非常に煩雑な作業が必要になる可能性がある。特に、形状計測の分解能を上げて高精度な計測を行う場合には、より厳密に校正する必要があり、さらに煩雑な作業が必要になる可能性がある。

本発明は上記に鑑みてなされたものであって、変位計の取り付け位置の校正を容易に実行可能であり、計測対象物の表面形状を高精度に計測可能な形状計測装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、３つの変位計が一列に配設された検出器で計測対象物を走査し、前記計測対象物の表面形状を計測する形状計測装置であって、前記検出器が校正用試料を走査して得られるデータから前記３つの変位計の取り付け位置のオフセット量を算出するオフセット量算出手段と、前記検出器が前記計測対象物を走査して得られるデータを前記オフセット量により補正し、前記変位計の位置ずれを校正する校正手段と、を備える。

本発明の実施形態によれば、変位計の取り付け位置の校正を容易に実行可能であり、計測対象物の表面形状を高精度に計測可能な形状計測装置が提供される。

実施形態における加工装置を例示する図である。 実施形態における形状計測装置の構成を例示する図である。 実施形態におけるセンサヘッドの構成を例示する図である。 実施形態における形状計測を説明するための図である。 変位センサの取り付け位置ばらつき及び校正用試料表面の凹凸について説明するための図である。 実施形態におけるオフセット量算出処理のフローチャートを例示する図である。 実施形態における校正用試料のギャップデータを例示する図である。 実施形態における形状計測処理のフローチャートを例示する図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

（加工装置の構成）
図１は、本実施形態に係る形状計測装置が搭載された加工装置２００の構成を例示する図である。

加工装置２００は、図１に示されるように、可動テーブル１０、テーブル案内機構１１、砥石ヘッド１５、砥石１６、案内レール１８、制御装置２０、表示装置４０を有する。なお、以下の図面において、Ｘ方向は可動テーブル１０の移動方向、Ｙ方向はＸ方向に直交する砥石ヘッド１５の移動方向、Ｚ方向はＸ方向及びＹ方向に直交する高さ方向である。

可動テーブル１０は、テーブル案内機構１１によってＸ方向に移動可能に設けられており、加工対象及び計測対象となる物体１２が載置される。テーブル案内機構１１は、可動テーブル１０をＸ方向に移動させる。

砥石ヘッド１５は、下端部に砥石１６が設けられており、Ｘ方向に移動可能且つＺ方向に昇降可能に案内レール１８に設けられている。案内レール１８は、砥石ヘッド１５をＸ方向及びＺ方向に移動させる。砥石１６は、円柱形状を有し、その中心軸がＹ方向に平行になるように砥石ヘッド１５の下端部に回転可能に設けられている。砥石１６は、砥石ヘッド１５と共にＸ方向及びＺ方向に移動し、回転して物体１２の表面を研削する。

制御装置２０は、可動テーブル１０及び砥石ヘッド１５の位置を制御し、砥石１６を回転させることで、物体１２の表面を研削するように加工装置２００の各部を制御する。

表示装置４０は、例えば液晶ディスプレイ等である。表示装置４０は、制御装置２０によって制御され、例えば物体１２の加工条件等が表示される。

（形状計測装置の構成）
図２は、加工装置２００に搭載されている形状計測装置１００の構成を例示する図である。図２に示されるように、形状計測装置１００は、制御装置２０、センサヘッド３０、表示装置４０を含む。

制御装置２０は、上記したように、物体１２の表面を研削するように加工装置２００の各部を制御すると共に、センサヘッド３０の各変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃから出力される測定値に基づいて、物体１２の表面形状を求める。

制御装置２０は、センサデータ取得部２１、ギャップデータ算出部２３、オフセット量算出部２５、校正部２７、形状算出部２９を有する。制御装置２０は、例えばＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を含み、ＣＰＵがＲＡＭと協働してＲＯＭに記憶されている制御プログラムを実行することで各部の機能が実現される。

センサデータ取得部２１は、取得手段の一例であり、センサヘッド３０に設けられている各変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃからセンサデータを取得する。ギャップデータ算出部２３は、ギャップ算出手段の一例であり、センサデータ取得部２１が取得したセンサデータからギャップデータを算出する。オフセット量算出部２５は、オフセット量算出手段の一例であり、校正用試料を用いて得られるギャップデータの平均値を求め、求めた平均値を変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃの取り付け位置のオフセット量とする。校正部２７は、算出されたオフセット量を用いてギャップデータを補正することで、変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃの位置ずれを校正する。形状算出部２９は、形状算出手段の一例であり、校正部２７によって校正されたギャップデータに基づいて物体１２の表面形状を算出する。制御装置２０の各部において実行される処理については後述する。

センサヘッド３０は、検出器の一例であり、第１変位センサ３１ａ、第２変位センサ３１ｂ、第３変位センサ３１ｃを備え、加工装置２００の砥石ヘッド１５の下端に設けられている。図３は、実施形態に係るセンサヘッド３０の構成を例示する図である。

センサヘッド３０は、図３に示されるように、第１変位センサ３１ａ、第２変位センサ３１ｂ、第３変位センサ３１ｃがＸ方向に一列に配設されている。

第１変位センサ３１ａ、第２変位センサ３１ｂ、第３変位センサ３１ｃは、変位計の一例であり、例えばレーザ変位計である。第１変位センサ３１ａ、第２変位センサ３１ｂ、第３変位センサ３１ｃは、測定点が物体１２の表面上においてＸ方向に平行な直線状に等間隔で並ぶように配設され、それぞれ物体１２の表面上の測定点との間の距離を測定する。物体１２が可動テーブル１０に載せられてＸ方向に移動すると、センサヘッド３０が物体１２に対して相対移動し、各変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃが物体１２の表面を走査して測定値を出力する。

表示装置４０は、制御装置２０により制御され、例えば形状算出部２９によって求められた表面形状の計測結果等が表示される。

なお、本実施形態では、形状計測装置１００と加工装置２００とが、制御装置２０及び表示装置４０を共用する構成になっているが、形状計測装置１００及び加工装置２００のそれぞれに制御装置と表示装置とが設けられてもよい。また、可動テーブル１０が物体１２と共にＸ方向に移動する構成になっているが、センサヘッド３０が物体１２に対してＸ方向に移動する構成であってもよい。

（形状計測の基本原理）
次に、形状計測装置１００において物体１２の表面形状を求める方法について説明する。図４は、表面形状の計測方法について説明するための図である。

変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃは、図４に示されるように、間隔ＰでＸ方向に一列に配設され、それぞれ物体１２表面のａ点、ｂ点、ｃ点との距離を測定する。変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃによって求められる各変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃと物体１２の表面との距離をそれぞれＡ，Ｂ，Ｃとすると、図４（Ａ）に示されるＺ方向におけるｂ点からａ点とｃ点とを結ぶ直線との距離ｇ（ギャップ）は、以下の式（１）により求められる。

次に、物体１２表面のｂ点における変位ｚの２階微分（ｄ^２ｚ／ｄｘ^２）は、ｂ点の曲率（１／ｒ）であり、図４（Ｂ）に示されるように、ａ点とｂ点とを結ぶ直線の傾き（ｄｚ_ａｂ／ｄｘ）と、ｂ点とｃ点とを結ぶ直線の傾き（ｄｚ_ｂｃ／ｄｘ）とを用いて、以下の式（２）により表される。

式（２）に、以下の式（３），（４）を代入し、さらに式（１）を用いると、式（５）で表されるように、変位ｚの２階微分である曲率をギャップｇ及びセンサ間の距離Ｐから求められることが分かる。

センサ間の距離Ｐは予め定められているため、各変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃによるセンサデータから式（１）に基づいてギャップｇを求め、式（５）により求められる曲率を積分ピッチで２階積分することで、任意のｘ点における変位ｚを求めることができる。積分ピッチは、例えば走査時におけるＸ方向の各変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃのデータ取得間隔等である。

ここで、３つの変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃを、例えば数十ｎｍレベルの範囲内で厳密に一直線上に並ぶように高さを調整してセンサヘッド３０に取り付けるのは非常に難しい。したがって、変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃは、図５に示されるように、センサヘッド３０への取り付け位置にＺ方向における僅かなばらつきを有する。なお、図５では、説明のために取り付け位置のばらつきが拡大して示されている。

図５に示される例では、第２変位センサ３１ｂの取り付け位置と、第１変位センサ３１ａの取り付け位置と第３変位センサ３１ｃの取り付け位置とを結ぶ直線とが、Ｚ方向においてｇ_０だけオフセットしている。

このように変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃの取り付け位置にばらつきがあると、測定値に基づいて式（１）により求められるギャップｇがオフセット量ｇ_０を含む値となり、物体１２の表面形状にいわゆる放物線形状誤差が生じる。

そこで、本実施形態に係る形状計測装置１００では、以下で説明するオフセット量算出処理により、変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃのオフセット量ｇ_０を求め、表面形状の計測時にオフセット量ｇ_０を用いた校正を行う。

（オフセット量算出処理）
図６は、実施形態におけるオフセット量算出処理のフローチャートを例示する図である。

図６に示されるように、オフセット量算出処理を行う場合には、まずステップＳ１０１にて、可動テーブル１０に校正用試料１３を載置し、センサヘッド３０に校正用試料１３の表面を走査させる。校正用試料１３としては、例えばオプチカルフラットのように、平面度がゼロに近く、面粗さが小さい試料を好ましく用いることができる。また、曲率が一定で形状データが既知の試料を用いることもできる。センサヘッド３０による走査距離は、例えば１０ｍｍから１００ｍｍの間に設定されるが、これに限られるものではない。

次にステップＳ１０２にて、センサデータ取得部２１が、各変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃからセンサデータを取得する。ここで、センサデータ取得部２１がセンサデータを取得する間隔は、図５に示される校正用試料１３の表面の走査方向（Ｘ方向）における表面粗さの波形に含まれる最大空間周波数の周期の１／２以下であることが好ましい。

センサデータ取得部２１は、例えば、センサヘッド３０の走査速度に基づいてセンサデータの取得時間間隔を適宜設定することで、センサデータ取得間隔を適宜調整できる。センサデータ取得部２１は、例えばセンサヘッド３０の走査方向において１０μｍ間隔でセンサデータを取得するように設定されるが、センサデータ取得間隔は計測条件等に応じて適宜設定される。

センサデータ取得部２１のセンサデータ取得間隔を、校正用試料１３表面の（Ｘ方向）における表面粗さの波形に含まれる最大空間周波数の周期の１／２以下にすることで、後述するオフセット量ｇ_０を精度良く求めることが可能になる。

次にステップＳ１０３にて、ギャップデータ算出部２３が、センサデータ取得部２１によって取得されたセンサデータから、式（１）に基づいてギャップデータを算出する。図７は、校正用試料１３から得られたギャップデータを例示する図である。

校正用試料１３から得られるギャップｇは、センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃのオフセット量ｇ_０に略等しい値となる。しかし、校正用試料１３から得られるギャップデータは、表面粗さの影響により図７に示されるように平均値を中心にばらついている。このため、任意の一点の測定結果をオフセット量ｇ_０として採用すると、オフセット量ｇ_０がばらつき幅の中でばらつくため、その値を使用して求めた物体１２の真直度測定結果もばらつき信頼性が低い結果となる可能性がある。

そこで、ステップＳ１０４にて、オフセット量算出部２５が、ギャップデータ算出部２３によって算出されたギャップデータの平均値を算出する。ギャップデータの平均値をオフセット量ｇ_０とすることで、校正用試料１３の表面粗さの影響を低減し、変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃのオフセット量ｇ_０を高精度に求めることが可能になる。但し、求められたオフセット量ｇ_０には校正試料１３の曲率成分ｇ_０ｒも含まれるので、予め校正試料１３の曲率を別手段で測定し減算する必要がある。

このようにオフセット量算出部２５によって求められたオフセット量ｇ_０を用いてギャップデータを補正することで、センサ位置ずれを校正して計測対象物である物体１２の表面形状を高精度に計測することが可能になる。

なお、上記したオフセット量算出処理は、例えば形状計測装置１００が物体１２の表面形状の計測を実行する度に実行されてもよく、形状計測装置１００の起動時や、オフセット量算出処理後に設定された時間の経過後等に適宜実行されてもよい。

オフセット量算出部２５は、上記したように、センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃが校正用試料１３を走査して得られるデータから、センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃの取り付け位置のオフセット量を算出する。なお、オフセット量算出部２５がオフセット量を算出する方法は、本実施形態において例示した方法に限定されるものではない。

（形状計測処理）
図８は、実施形態における形状計測処理のフローチャートを例示する図である。

図８に示されるように、物体１２の表面形状を計測する場合には、まずステップＳ２０１にて、計測対象物である物体１２が可動テーブル１０に載置されている状態で、センサヘッド３０が物体１２の表面を走査する。次にステップＳ２０２にて、センサデータ取得部２１が、センサヘッド３０と共に物体１２の表面を走査する各変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃから、設定されているサンプリング周期でセンサデータを取得する。続いてステップＳ２０３にて、ギャップデータ算出部２３が、センサデータ取得部２１によって取得されたセンサデータから、式（１）に基づいてギャップｇを算出し、走査範囲の複数の測定点におけるギャップｇを含むギャップデータを得る。

ステップＳ２０４では、校正部２７が、オフセット量算出処理において求められたオフセット量ｇ_０を用いてギャップデータを補正する。具体的には、ギャップデータに含まれるギャップｇの各値からオフセット量ｇ_０を減算する。

次にステップＳ２０５では、形状算出部２９が、校正部２７によってオフセット量ｇ_０で校正されたギャップデータから式（５）によって２階微分値を算出し、この値を積分ピッチで２階積分することでＺ変位を求め、Ｚ，Ｘの散布図から物体１２の真直形状を算出する。オフセット量ｇ_０でギャップデータを補正することで、変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃの取り付け位置ばらつきを校正し、物体１２の表面形状を高精度に計測することが可能になる。また、形状算出部２９によって算出された物体１２の表面形状が、表示装置４０に表示される。

校正部２７は、上記したように、センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃが物体１２を走査して得られるデータをオフセット量により補正し、センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃの位置ずれを校正する。なお、校正部２７がオフセット量を用いてセンサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃのデータを補正する方法は、本実施形態において例示した方法に限られるものではない。

以上で説明したように、本実施形態に係る形状計測装置１００によれば、校正用試料１３のギャップデータの平均値を算出することで、変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃのオフセット量ｇ_０を精度良く求めることができる。また、このように高精度に求められたオフセット量ｇ_０を用いて計測対象物である物体１２のギャップデータを補正することで、変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃの取り付け位置ばらつきを容易且つ高精度に校正し、物体１２の表面形状を精度良く計測することが可能になる。

また、本実施形態に係る形状計測装置１００が搭載された加工装置２００は、物体１２の表面を研削した後、物体１２を可動テーブル１０に載せたまま形状計測装置１００によって実行される表面形状計測結果に基づいて、補正加工等を行うことができる。したがって、物体１２の加工を効率良く、高精度に行うことができる。

以上、実施形態に係る形状計測装置、加工装置及び形状計測装置の校正方法について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。

例えば、形状計測装置１００は、本実施形態とは異なる構成で物体１２の研削等の加工を行う加工装置に搭載されてもよい。

１２ 物体（計測対象物）
１３ 校正用試料
２０ 制御装置
２１ センサデータ取得部（取得手段）
２３ ギャップデータ算出部（ギャップ算出手段）
２５ オフセット量算出部（オフセット量算出手段）
２７ 校正部（校正手段）
２９ 形状算出部（形状算出手段）
３０ センサヘッド（検出器）
３１ａ 第１変位センサ（変位計）
３１ｂ 第２変位センサ（変位計）
３１ｃ 第３変位センサ（変位計）
１００ 形状計測装置
２００ 加工装置

Claims (4)

1. ３つの変位計が一列に配設された検出器で計測対象物を走査し、前記計測対象物の表面形状を計測する形状計測装置であって、
   前記検出器が校正用試料を走査して得られるデータから前記３つの変位計の取り付け位置のオフセット量を算出するオフセット量算出手段と、
   前記検出器が前記計測対象物を走査して得られるデータを前記オフセット量により補正し、前記変位計の位置ずれを校正する校正手段と、
   前記３つの変位計からそれぞれの測定値を取得する取得手段と、
   前記３つの変位計のうち中央の変位計による測定値と他の変位計による測定値との差異に基づいてギャップデータを求めるギャップ算出手段と、を備え、
   前記オフセット量算出手段は、前記検出器が校正用試料を走査して得られる前記ギャップデータの平均値を、前記オフセット量として算出し、
   前記校正手段は、前記検出器が前記計測対象物を走査して得られる前記ギャップデータを前記オフセット量により補正し、前記変位計の位置ずれを校正する
   ことを特徴とする形状計測装置。
2. 前記取得手段は、前記検出器が前記校正用試料を走査する場合、前記３つの変位計からそれぞれの測定値を取得する間隔が、前記校正用試料表面の走査方向における表面粗さの波形に含まれる最大空間周波数の周期の１／２以下である
   ことを特徴とする請求項１に記載の形状計測装置。
3. 請求項１または２に記載の形状計測装置を備えることを特徴とする加工装置。
4. ３つの変位計が一列に配設された検出器で計測対象物を走査し、前記計測対象物の表面形状を計測する形状計測装置の校正方法であって、
   前記検出器が校正用試料を走査して得られるデータから前記３つの変位計の取り付け位置のオフセット量を算出するオフセット量算出ステップと、
   前記検出器が前記計測対象物を走査して得られるデータを前記オフセット量により補正し、前記変位計の位置ずれを校正する校正ステップと、
   前記３つの変位計からそれぞれの測定値を取得する取得ステップと、
   前記３つの変位計のうち中央の変位計による測定値と他の変位計による測定値との差異に基づいてギャップデータを求めるギャップ算出ステップと、を備え、
   前記オフセット量算出ステップでは、前記検出器が校正用試料を走査して得られる前記ギャップデータの平均値を、前記オフセット量として算出し、
   前記校正ステップでは、前記検出器が前記計測対象物を走査して得られる前記ギャップデータを前記オフセット量により補正し、前記変位計の位置ずれを校正する
   ことを特徴とする形状計測装置の校正方法。

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