JP6617039B2 - 測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定装置に関し、被測定物の真直形状や面形状を高精度に測定できる測定装置に関する。

長尺物などの被測定物の面形状や断面直線形状を精度良く測定をするために、基準となる直定規との比較測定を実施することがある。あるいは、光軸の直線性を基準にして、走査方向に被測定面と２点で当接する台上の鏡の傾斜をオートコリメータで測定して、直線形状を算出する方法も用いられている。また、基準が使えないときには、多点法プローブを用いた多点法により、運動誤差と形状誤差を分離する方法がとられる。更には、2点で当接する水準器あるいはタリベルなどで直線形状を求める方法もある。

真直形状や平面形状の測定対象が大型化するのに伴い、基準定規が長尺化し、その作成が困難になってきている。また、空中での光線の揺らぎの影響で光軸の基準も十分な精度を保てない場合もある。このような背景から、多点法を用いた測定の必要性が高まっているが、多点法ではゼロ点調整誤差による放物線誤差の問題があり、しかも長尺になり逐次数が増えるほど放物線誤差が大きくなるという問題がある。一方で、形状測定の効率化や自動化の要請もある。

特許文献１には、例えばステージの傾斜を、形状測定における移動開始点と終了点の静止時に計測し、多点法プローブで測定評価した真直形状における両端の傾斜の差に含まれる、多点法プローブのゼロ点調整誤差による放物線誤差の影響を抽出できることを利用して、目的の形状測定データそのものから多点法プローブのゼロ点の校正が出来る、いわゆるその場校正を実現できる技術が開示されている。

特開２００９−２８１７６８号公報

ところで、多点法プローブをロボット等で保持しつつ、被測定物の自動測定を行いたいという要請がある。しかるに、多点法プローブを用いて行う逐次三点法による測定では、走査変位時に多点法プローブに生じるピッチング動作等をキャンセルして高精度な測定を行えるという特徴があるが、その場合でも、多点法プローブの検出可能レンジには限界があることから、走査変位時に測定面との距離をある程度保持する必要がある。ここで、高精度仕様のロボットを用いれば、数値制御により多点法プローブと測定面との距離を精度良く維持することができるが、ロボット自体が高価であるという難点がある。そこで、より安価な一般汎用ロボットを用いて、多点法プローブを被測定物の測定面に対して走査変位させようとする試みがある。しかしながら一般汎用ロボットは多種多様な性能を有するため、使用したロボットによっては直進時に例えば最大で０．１ｍｍを超える振れが生じる恐れがあり、これでは多点法プローブを走査変位する際に必要な直進精度を確保できるとは言いがたい。

本発明は、かかる問題点に鑑み、低コストで測定の自動化を図ることができるにもかかわらず、測定面を精度良く測定できる測定装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の測定装置は、搬送機構により、前記測定面に沿って走査変位方向に相対的に走査変位されるようになっている測定装置において、
前記測定面までの距離を検出する３つのセンサを、前記走査変位方向に並べて配置した測定部と、
前記測定面に対して前記測定部を相対的に走査変位させる際に前記被測定物に当接することにより、前記測定部と前記測定面との間隔を所定値に維持するガイド部材と、を有し、
前記３つのセンサからの出力に基づいて、逐次三点法により前記測定面の形状を測定し、
前記搬送機構に連結された第１の角筒と、前記測定部に連結され前記第１の角筒と同形状を持つ第２の角筒と、前記第１の角筒に配置された第１のガイドレールと、前記第２の角筒に前記第１のガイドレールとは異なる方向に沿って配置された第２のガイドレールと、前記第１の角筒及び前記第２の角筒内に収容され前記第１のガイドレールと前記第２のガイドレールとに沿って移動可能なスライダと、前記第１の角筒及び前記第２の角筒の内壁に対して前記スライダをセンタ位置へと付勢するバネとを備え、前記センタ位置で前記第１の角筒と前記第２の角筒の外周面が整合する変位機構を有することを特徴とする。

本発明によれば、前記ガイド部材が、前記測定面に対して前記測定部を相対的に走査変位させる際に、前記測定部と前記測定面との間隔を所定値に維持するので、前記搬送機構の直進精度が比較的低い場合でも、精度良く前記測定部を走査変位させることができるから、前記３つのセンサから適切な出力が得られ、これに基づいて逐次三点法により前記測定面の形状を高精度に測定することができる。ここで、「所定値」とはセンサの種類によって異なり、例えば前記センサが前記測定面に対して光束を出射し、その反射光を検出する光検出タイプである場合、基準値に対して±１ｍｍの値であり、前記センサが前記測定面までの距離を静電容量により検出する静電容量タイプである場合、基準値に対して±０．１ｍｍの値であるが、これに限られない。

請求項２に記載の測定装置は、請求項１に記載の発明において、前記ガイド部材は、前記測定面を転動する１つもしくは複数のローラを有することを特徴とする。

前記ローラを、前記測定面上を転動させることで、前記測定面に対して前記測定部を安定的に且つスムーズに走査変位させることができる。前記ローラが複数個あれば、前記測定部の走査変位を安定して行うことができるが、例えば直線運動ができる直動レールなどを用いて前記測定部を走査変位させれば、そのピッチング動作が抑えられるので、前記ローラが１つであっても有効である。更に、ローラを複数個設ける場合、走査変位方向に沿って隣接する前記センサ間に配置されるとより好ましい。但し、ローラに限らず、滑りパッドなどを前記測定面に当接させるようにしても良い。

請求項３に記載の測定装置は、請求項１又は２に記載の発明において、前記被測定物に対して前記ガイド部材を、制御された力で付勢する連結装置を有することを特徴とする。

前記連結装置により測定条件を一定に維持することで、高精度な測定を行うことができる。

請求項４に記載の測定装置は、請求項３に記載の発明において、前記連結装置は、前記測定面に対して前記ガイド部材に倣って相対的に走査変位する前記測定部が、前記３つのセンサの検出軸に平行な変位動作と、前記走査変位方向に対するピッチング動作を行えるように、前記測定部と前記搬送装置とを連結することを特徴とする。

前記連結装置は、前記測定面に対して前記ガイド部材に倣って相対的に走査変位する前記測定部が、前記３つのセンサの検出軸に平行な前記測定部における変位動作と、前記走査変位方向に対するピッチング動作を行えるように、前記測定部と前記搬送装置とを連結するので、逐次三点法による測定に悪影響を与える恐れがあるローリング動作やヨーイング動作等を抑えて、高精度な測定を行うことができる。

請求項５に記載の測定装置は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、前記搬送機構はロボットであることを特徴とする。

例えば前記搬送機構としてロボットを用いることで、前記被対象物の測定の効率化や自動化を図ることができる。

本発明によれば、低コストで測定の自動化を図ることができるにもかかわらず、測定面を精度良く測定できる測定装置を提供することができる。

本実施の形態にかかる測定装置により測定可能な被測定物ＯＢＪの斜視図である。 被測定物ＯＢＪの上面図である。 本実施の形態にかかる測定装置を、ロボットにより把持した状態で示す図である。 本実施の形態にかかる測定装置１００の斜視図であり、正面側から見た図である。 本実施の形態にかかる測定装置１００の斜視図であり、背面側から見た図である。 本実施の形態にかかる測定装置１００の正面図である。 図６の構成をVII-VII線で切断して矢印方向に見た図である。 変形例にかかる図７と同様な断面図である。 別な変形例にかかる図７と同様な断面図である。 更に別な変形例にかかるサブプレート１０３周辺を示す斜視図である。 別の実施の形態にかかる図５と同様な斜視図である。 更に別な実施の形態にかかる図５と同様な斜視図である。 図１２の測定装置をXIII-XIII線で切断して矢印方向に見た図である。 本実施の形態にかかる連結装置のＹＺ変位機構を分解して示す図である。 変形例にかかる連結軸とベースブロックの断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本実施の形態にかかる測定装置により測定可能な被測定物ＯＢＪの斜視図である。図２は、被測定物ＯＢＪの上面図である。図に示すように、被測定物ＯＢＪの両側には、鉛直方向上方及び前方に突出してなる一対の板状部ＰＴが設けられている。各板状部ＰＴの前縁の一部は、直線ブレード状に突出したブレード部ＵＬとなっており、ブレード部ＵＬの内側を向いた面ＰＬ１と、面ＰＬ１と直交して交差する板状部ＰＴの面ＰＬ２が形成されているが、ここでは面ＰＬ２を測定面とし、面ＰＬ１は直線ガイドとして使用する。

図３は、本実施の形態にかかる測定装置を、ロボットにより把持した状態で示す図である。搬送機構であるロボットＲＢＴは、定盤に設置された基台ＢＳに対して回転可能な回転テーブルＴＢを備えており、更に回転テーブルＴＢに対して揺動可能な揺動アームＰＡが設けられている。揺動アームＰＡの先端には、伸縮アームＥＡが揺動可能且つ伸縮可能に連結され、伸縮アームＥＡの先端には、ハンドＨＤが揺動可能に連結されている。ハンドＨＤは、チャック機構により測定装置１００を把持可能である。ロボットＲＢＴの構成は以上に限られず、任意の形態が可能である。

ロボットＲＢＴの各部は、制御装置ＣＯＮＴにより数値制御され、不図示のモータ等を介して、所定の精度でハンドＨＤを任意の３次元位置に置くことが出来、従って被測定物ＯＢＪの測定面に沿って図１における鉛直方向に変位させることもできる。尚，図示していないが、天井面などを形状測定するような場合、ロボットＲＢＴにより測定装置１００を点線で示す姿勢で把持するようにし、更に水平方向に移動させたりすることも出来る。このように、ロボットＲＢＴで把持することにより、測定装置１００を被測定物ＯＢＪの測定面に合わせて、任意の方向に変位させることができるようになっている。

図４，５は、本実施の形態にかかる測定装置１００の斜視図であり、図６は、本実施の形態にかかる測定装置１００の正面図であるが、図４，６では連結装置は取り外して示している。測定装置１００において、板状のベースプレート１０１は、正面側に向かって延在する第１円筒軸１０２を植設している。

図５において、Ｌ字状の連接部材１５１は、垂直部１５１ａと水平部１５１ｂとを接合してなる。垂直部１５１ａの自由端（下端）には、円筒状の開口を持つ軸受部１５１ｃが形成され、水平部１５１ｂの自由端（右端）には、円筒状の開口を持つ軸受部１５１ｄが形成されている。軸受部１５１ｃは、ベースプレート１０１の第１円筒軸１０２に嵌合しており、両者は相対的に回転可能となっている。

一方、軸受部１５１ｄは、矩形状のブラケット１５２の中央から正面側に向かって延在する第２円筒軸１５３に嵌合しており、両者は相対的に回転可能となっている。図示していないが、ブラケット１５２は、ハンドＨＤによりチャック可能な凹凸部を有しており、ロボットＲＢＴのハンドＨＤがかかる凹凸部に係合することで、ブラケット１５２を把持可能となっている。

ブラケット１５２の下縁から正面側に向かって板状のステー１５２ａが突出しており、ステー１５２ａと連接部材１５１の水平部１５１ｂとは、引っ張りバネ１５４で連結されている。ここで、第１円筒軸１０２，連接部材１５１，第２円筒軸１５３，ブラケット１５２、引っ張りバネ１５４が連結装置を構成する。

ベースプレート１０１の正面側には、これに接合されたサブプレート１０３を介して、３つの光センサ１０５Ａ，１０５Ｂ，１０５Ｃが等間隔に並べられて取り付けられている。サブプレート１０３は、インバー等の熱膨張係数が低い素材から形成されており、温度変化による光センサ１０５Ａ，１０５Ｂ，１０５Ｃの相対位置変化などの影響を極力抑制して安定した保持に貢献する。直方体状の光センサ１０５Ａ，１０５Ｂ，１０５Ｃは、下方に略Ｖ字状の切欠部１０５ａを有しており、図６に示すように、その一方の側面に発光部１０５ｂを設け、他方の側面に受光部１０５ｃを設けている。外部から光センサ１０５Ａ，１０５Ｂ，１０５Ｃへの給電及び外部への出力転送は、それぞれ連結されたケーブル１０５ｄを介して行われる。サブプレート１０３と、３つの光センサ１０５Ａ，１０５Ｂ，１０５Ｃとで測定部を構成する。

隣接する光センサ１０５Ａ，１０５Ｂ，１０５Ｃの間において、ベースプレート１０１に一端を接合された略Ｌ字状のリブ１０６が、サブプレート１０３との干渉を回避しつつ上下方向に延在している。

図７は、図６の構成をVII-VII線で切断して矢印方向に見た図であり、光センサ及び被測定物ＯＢＪと共に示している。リブ１０６の自由端である下端には、軸線が斜めに延在するようにして固定軸１０６ａが形成されている。固定軸１０６ａの周囲には、軸受１０７を介してローラ１０８が組み付けられており、固定軸１０６ａに対して回転自在となっている。ローラ１０８の材質は金属又は樹脂製である。ローラ１０８を樹脂製とする場合、例えばロックウェル硬さで８０以上であるポリプラスチック株式会社製のジュラコン（登録商標）などを用いることが好ましい。

測定面ＰＬ２の測定時には、図３に示すロボットＲＢＴにより測定装置１００を把持したまま、測定面ＰＬ２に沿って走査変位させる。このとき図７に示すように、ガイド部材としてのローラ１０８を直線基準である面ＰＬ１及び測定面である面ＰＬ２の双方に当接させて転動させることで、ベースプレート１０１すなわち光センサ１０５Ａ，１０５Ｂ，１０５Ｃの発光部１０５ｂ（受光部１０５ｃ）と、面ＰＬ１との距離ΔＹ、及び発光部１０５ｂ（受光部１０５ｃ）と、面ＰＬ２との距離ΔＺを一定に維持し、これによりロボットＲＢＴのハンドＨＤの直進精度が比較的低い場合でも、後述する逐次三点法による測定を可能としている。明らかであるが、上記のガイド部材は、光センサ１０５Ａ，１０５Ｂ，１０５Ｃの検出方向を変えて、測定面ＰＬ１を形状測定する際にも有効である。

図６で面ＰＬ２に直交する方向をｚ方向、測定装置１００を走査変位する方向をｘ方向（被測定物を示す図１における鉛直方向すなわち走査方向）、ｚ方向とｘ方向に直交する方向をｙ方向とする。図６に示すように、光センサ１０５Ａ，１０５Ｂ，１０５Ｃの発光部１０５ｂから出射された光束ＢＭは、面ＰＬ２で反射して、同じ光センサ１０５Ａ，１０５Ｂ，１０５Ｃの受光部１０５ｃに入射し、その入射位置に基づいて光センサから面ＰＬ２の入射点の位置までの距離（後述する出力ｍ₁（ｘ）、ｍ₂（ｘ）、ｍ₃（ｘ）に相当）を求めることができる。この値を用いて、逐次三点法により面ＰＬ２の形状測定を行える。光束ＢＭの入射点（図７に示す点ＩＰ）は、ローラ１０８の面ＰＬ２に対する当接ライン上であっても良いし、これからずれていても良い。ここで、光センサ１０５Ａ，１０５Ｂ，１０５Ｃの検出軸とは、発光部１０５ｂから出射された光束ＢＭの光軸、及び受光部１０５ｃに入射する光束ＢＭの光軸をいう。

ここで、ロボットＲＢＴのハンドＨＤでブラケット１５２を把持した状態で、測定装置１００の２つのローラ１０８を面ＰＬ２に押し当てたときには、引っ張りバネ１５４に所定の外力が付与されているものとする。かかる場合、ハンドＨＤによりｚ方向に測定装置１００が強く押されると、被測定物ＯＢＪに測定装置１００やロボットＲＢＴのハンドＨＤ等が接触して、各部の損傷等を招く恐れがある。特に、無人で自動測定を行う場合など、作業者の監視が行き届かないことが多い。これに対し本実施の形態では、ハンドＨＤによりブラケット１５２がｚ方向に強く（外力Ｆ１で）押されても、第２円筒軸１５３と連接部材１５１の軸受部１５１ｃとの間で相対回動を生じるため、ベースプレート１０１にハンドＨＤの力は直接付与されず、引っ張りバネ１５４により付勢力に基づく略一定のモーメント力（制御された力Ｆ２＜Ｆ１）が、連接部材１５１を介してベースプレート１０１に伝達されるから、各部への影響を抑制でき，特に位置ずれによるハンドＨＤの押しつけ力の変動が生じても測定条件を一定に維持できる。

更に、２つのローラ１０８が面ＰＬ２に沿って転動する際に、測定装置１００すなわち光センサ１０５Ａ，１０５Ｂ，１０５Ｃを保持するサブプレート１０３は、面ＰＬ２の形状に倣って、ｘ方向（走査変位方向）に対するピッチング動作或いはｚ方向への変位動作（検出軸に平行な移動）を生じることとなり、これにより後述する逐次三点法による測定が可能となるが、測定装置１００はロボットＲＢＴにより保持されているので、その動作を拘束してしまう恐れがある。

そこで本実施の形態においては、サブプレート１０３におけるピッチング動作或いはｚ方向への変位動作をロボットＲＢＴが抑制しようとする場合、第１円筒軸１０２と連接部材１５１の軸受部１５１ｃとの間で相対回動を生じさせ、且つ第２円筒軸１５３と連接部材１５１の軸受部１５１ｃとの間で相対回動を生じさせることで，ブラケット１５２とベースプレート１０１との相対変位を許容し、これによりサブプレート１０３のピッチング動作或いはｚ方向への変位動作を許容するようになっている。尚、ハンドＨＤで測定装置１００を図５で上方に持ち上げるときは、ステー１５２ａが連接部材１５１の水平部１５１ｂに当接する（間に引っ張りバネ１５４を介在させる場合を含む）ことで、測定装置１００が垂れ下がらないようにできるから、ロボットの姿勢変化を行うときなどに取り扱いが容易になる。

図８は、変形例にかかる図７と同様な断面図である。リブ１０６の自由端である下端には、軸線がｙ方向に延在するようにして固定軸１０６ａが形成されている。固定軸１０６ａの周囲には、軸受１０７を介してローラ１０８が組み付けられており、固定軸１０６ａに対して回転自在となっている。ローラ１０８の材質は金属又は樹脂製である。本変形例においては、ローラ１０８は面ＰＬ２に当接しているため、上述した実施の形態と同様に発光部（又は受光部）と面ＰＬ２との距離を一定に維持できるが、面ＰＬ２以外の面に当接しておらず、直進ガイド機能を持たない。よって、本変形例はロボットＲＢＴの直進精度が比較的高い場合に有効である。

図９は、別な変形例にかかる図７と同様な断面図である。本変形例では、ローラ１０８を３個設けている。より具体的には、リブ１０６からｘ方向(図９で紙面垂直方向)に離間して２本の固定軸１０６ａがｙ方向に突出しており、且つ光センサ(図９で不図示)と干渉しない位置でｚ方向に１本の固定軸１０６ａが突出している。各固定軸１０６ａの周囲には、軸受１０７を介してローラ１０８が組み付けられており、固定軸１０６ａに対して回転自在となっている。本変形例では、測定装置が紙面垂直方向に走査変位される際に、２つのローラ１０８が測定面である面ＰＬ２上を転動し、残りのローラ１０８がガイド面である面ＰＬ１を転動するようになっている。これにより、測定装置のピッチング動作、ローリング動作、ヨーイング動作を有効に抑制でき，安定した走査変位を確保できる。４つ以上のローラを設けることもできる。

図１０は、更に別な変形例にかかるサブプレート１０３周辺を示す斜視図である。本変形例では、図９の変形例と同様にローラ１０８を３個設けているが、その配置が異なる。より具体的には、リブ１０６の表面（光センサが設けられている側）からｘ方向に離間して２本の固定軸１０６ａがｙ方向に突出しており、且つリブ１０６の裏面から１本の固定軸１０６ａがｙ方向逆側に突出している。各固定軸１０６ａの周囲には、軸受（不図示）を介してローラ１０８が組み付けられており、固定軸１０６ａに対して回転自在となっている。本変形例では、測定装置が紙面垂直方向に走査変位される際に、３つのローラ１０８が測定面である面ＰＬ２に対して３点で設置しつつその上を転動するので、測定装置のローリング動作を抑制できる。この場合、ローリング動作のロール方向を許容する回転軸などが必要になる。尚、使用する測定装置からしてみれば、一般的なロボットにおけるハンドのローリング動作すなわちロールの変化はコサインエラーとして表せるものの、極小として無視しても良いレベルであれば，本変形例のように３つのローラ１０８を用いなくても特に問題はない。一方、一般的なロボットにおけるハンドのヨーイング動作についても、センサ（レーザ変位計）のスポット径が大きいことから平均化により無視できるレベルに留まる限り、特に対策を設けなくても問題はない。

図１１は、別の実施の形態にかかる図５と同様な斜視図である。本実施の形態においては、上述した第１円筒軸１０２，連接部材１５１，第２円筒軸１５３，ブラケット１５２は設けられていない。代わりに、以下の連結装置が設けられている。

ベースプレート１０１の上方に配置された板状のホルダ１６１は、水平板１６１ａと垂直板１６１ｂとを接合して形成されており、水平板１６１ａには２つの貫通孔１６１ｃが形成されている。

一方、ベースプレート１０１の上縁には２つの開口１０１ａが形成されている。ホルダ１６１の貫通孔１６１ｃに、２本の頭部付きピン１６２が挿通され、その先端が開口１０１ａにそれぞれ圧入されて係合固定されている。各頭部付きピン１６２の周囲には、コイルバネ１６３が配置され、その下端をベースプレート１０１の上縁に当接させ、その上端を水平板１６１ａに当接させて、両者を離間させる方向に付勢している。

ホルダ１６１の垂直板１６１ｂの中央には、正面側に向かって延在する円筒軸１６４が植設されている。垂直板１６１ｂに隣接して、矩形板状のブラケット１６５が設けられている。ブラケット１６５は、円筒軸１６４が嵌合する開口１６５ａを形成しており、ホルダ１６１とブラケット１６５は，円筒軸１６４の軸線回りの相対回動可能となっている。図示していないが、ブラケット１６５は、ハンドＨＤによりチャック可能な凹凸部を有している。頭部付きピン１６２、コイルバネ１６３、ホルダ１６１により連結装置を構成する。それ以外の構成は、上述した実施の形態と同様であるため説明を省略する。

ロボットＲＢＴのハンドＨＤでブラケット１６５を把持した状態で、測定装置１００の２つのローラ１０８を面ＰＬ２に押し当てたときには、コイルバネ１６３に所定の圧縮力が付与されているものとする。かかる場合、ｚ方向におけるハンドＨＤにより測定装置１００が強く押されると、被測定物ＯＢＪに測定装置１００やロボットＲＢＴのハンドＨＤ等が接触して、各部の損傷等を招く恐れがあるが、本実施の形態では、ハンドＨＤによりブラケット１６５がｚ方向に強く押されても、コイルバネ１６３が撓むのみであり、ベースプレート１０１にハンドＨＤの力は直接付与されず、コイルバネ１６３の付勢力（制御された力）のみがベースプレート１０１に伝達されるから、ローラ１０８の変形など各部への影響を抑制でき，特に位置ずれによるハンドＨＤの押しつけ力の変動が生じても測定条件を一定に維持できる。

更に、２つのローラ１０８が面ＰＬ２に沿って転動する際に、測定装置１００すなわち光センサ１０５Ａ，１０５Ｂ，１０５Ｃを保持するサブプレート１０３は、面ＰＬ２の形状に倣って、ｘ方向（走査変位方向）に対するピッチング動作（ｚｘ面での回動）或いはｚ方向への変位動作（検出軸に平行な移動）を生じ、これにより後述する逐次三点法による測定が可能となるから、これを許容する必要がある。

そこで本実施の形態においては、走査変位時におけるサブプレート１０３のピッチング動作をロボットＲＢＴが抑制しようとする場合、ホルダ１６１とブラケット１６５とを相対回動させることで、そのピッチング動作を許容するようにし、またサブプレート１０３のｚ方向への変位動作をロボットＲＢＴが抑制しようとする場合、コイルバネ１６３が撓むことで、そのｚ方向への変位動作を許容するようになっている。

尚、ハンドＨＤで測定装置１００を図１１で上方に持ち上げるときは、水平板１６１ａが頭部付きピン１６２の頭部に引っかかることで、測定装置１００が垂れ下がらないようにできるから、ロボットの姿勢変化を行うときなどに取り扱いが容易になる。

図１２は、更に別な実施の形態にかかる図５と同様な斜視図である。図１３は、図１２の測定装置をXIII-XIII線で切断して矢印方向に見た図である。図１４は、本実施の形態にかかる連結装置のＹＺ変位機構を分解して示す図である。本実施の形態においては、図５の実施の形態に対して、第１円筒軸１０２，連接部材１５１，第２円筒軸１５３，ブラケット１５２は設けられていない。代わりに、以下の連結装置が設けられている。

ベースプレート１０１の上端にベースブロック１７１が接合されている。ベースブロック１７１の上面には凹部１７１ａが形成され、その内部に半球状の座面１７１ｂが形成されている。座面１７１ｂに着座したボール１７２ａを下端に形成した連結軸１７２は、その上端を、上部ブロック１７３の下面に接合している。座面１７１ｂとボール１７２ａとは、相対回動可能となっており、これによりボールジョイントを構成する。

上部ブロック１７３は、ＹＺ変位機構１７４を介して、ブラケット１７５に連結されている。ベースブロック１７１，連結軸１７２，上部ブロック１７３，ＹＺ変位機構１７４により連結装置を構成する。

図１４に示すように奥側面を開放した第１ボックス１７４ａは、上部ブロック１７３に接合固定されている。又、図１４に示すように手前側面を開放した第２ボックス１７４ｂは、ブラケット１７５に接合固定されている。図示していないが、ブラケット１７５は、ハンドＨＤによりチャック可能な凹凸部を有している。

図１４においては分解した状態で示しているが、第１ボックス１７４ａの内側底面に、ｙ方向に沿って延在するｙ方向ガイドレール１７４ｃが固定されている。一方、これに対向するようにして、第２ボックス１７４ｂの内側底面に、ｚ方向に沿って延在するｚ方向ガイドレール１７４ｄが固定されている。

ブロック状のスライダ１７４ｅは、手前側の面をｙ方向ガイドレール１７４ｃに相対移動可能に係合させ、奥側の面をｚ方向ガイドレール１７４ｄに相対移動可能に係合させている。スライダ１７４ｅのｙ方向両面には、滑りパッド１７４ｉを介して一対のｙ方向コイルバネ１７４ｆの内端が摺動可能に当接しており、組み付けた状態では第１ボックス１７４ａの内壁にｙ方向コイルバネ１７４ｆの外端が固定され、スライダ１７４ｅをｙ方向に沿ってセンタ位置（図１４の図示位置）へと付勢している。又、スライダ１７４ｅのｚ方向両面には、滑りパッド１７４ｊを介して一対のｚ方向コイルバネ１７４ｇの内端が摺動可能に当接しており、組み付けた状態では第２ボックス１７４ｂの内壁にｚ方向コイルバネ１７４ｇの外端が固定され、スライダ１７４ｅをｚ方向に沿ってセンタ位置（図１４の図示位置）へと付勢している。

以上より明らかであるが、スライダ１７４ｅは、ｚ方向ガイドレール１７４ｄに沿って変位することで、第２ボックス１７４ｂに対してｚ方向に相対変位できる。またスライダ１７４ｅは、ｙ方向ガイドレール１７４ｃに沿って変位することで、第１ボックス１７４ａに対してｙ方向に相対変位できる。従って、第１ボックス１７４ａと第２ボックス１７４ｂとは、ｙ方向とｚ方向に相対変位可能となっている。更に外力が付与されない自由状態では、ｙ方向コイルバネ１７４ｆ及びｚ方向コイルバネ１７４ｇの付勢力で、第１ボックス１７４ａと第２ボックス１７４ｂとは、センタ位置へと戻されるようになっている。

図１３において、ベースプレート１０１から延在する表側の２つのリブ１０６（１つのみ図示）には、面ＰＬ１，ＰＬ２に対して軸線が傾くようにして固定軸１０６ａが形成されている。２つの固定軸１０６ａの周囲には、それぞれ軸受１０７を介してローラ１０８が組み付けられており、固定軸１０６ａに対して回転自在となっている。一方、ベースプレート１０１に連結された裏側のリブ１７６には、面ＰＬ２に対して軸線が平行するようにして固定軸１７６ａが形成されている。固定軸１７６ａの周囲には、軸受１０７を介してローラ１０８が組み付けられており、固定軸１７６ａに対して回転自在となっている。３つのローラ１０８がガイド部材を構成する。それ以外の構成は、上述した実施の形態と同様である。

ロボットＲＢＴのハンドＨＤでブラケット１７５を把持した状態で、測定装置１００の表側の２つのローラ１０８を面ＰＬ１，ＰＬ２に押し当て、且つ裏側のローラ１０８を面ＰＬ２に同時に押し当てたとき、ｚ方向コイルバネ１７４ｇの付勢力による予圧がローラ１０８から面ＰＬ１，ＰＬ２に付与される。かかる状態で、ロボットＲＢＴが測定装置１００をｘ方向に走査変位させると、３つのローラ１０８が面ＰＬ１，ＰＬ２上を転動することで、測定装置１００のヨーイング動作やローリング動作を阻止すると共に、ｘ方向の直進性を確保しながらも、面ＰＬ２の形状に応じた測定装置１００のピッチング動作やｚ方向変位を生じさせるようになっている。又、測定装置１００にピッチング動作やｚ方向変位を生じても、ボールジョイント及びｙｚ変位機構１７４が、それを拘束することなく、ロボットＲＢＴのハンドＨＤに保持された状態を維持することができる。リブ１７６のローラ１０８は取り外しても良いが、特に測定装置１００のローリング動作を阻止したい場合には、設けることが望ましい。

図１５は、変形例にかかる連結軸とベースブロックの断面図である。本変形例においては、連結軸１７２のボール１７２ａにｚ方向に延在する長孔１７２ｃを形成し、ベースブロック１７１の凹部１７１ａ内に植設したピン１７１ｃを、長孔１７２ｃ内に配置している。ピン１７１ｃは、長孔１７２ｃ内でｚ方向及びｙ方向に所定量だけ相対変位可能となっている。それ以外の構成は、上述した実施の形態と同様である。

本変形例によれば、ロボットＲＢＴのハンドＨＤで測定装置１００を図１２で上方に持ち上げるとき、ピン１７１ｃが長孔１７２ｃ内に当接することで、連結軸１７２に対するベースブロック１７１の動きが規制され、ボールジョイント回りに回動しすぎないようになっているので、取り扱い性に優れる。尚、これ以外にも、測定装置１００の過度なピッチング動作、ヨーイング動作、ローリング動作を制限する制限部材を設けることは任意である。

次に、逐次三点法により、本実施の形態にかかる測定装置１００を用いた被測定物の測定方法について説明する。ここでは、ロボットＲＢＴにより把持した測定装置１００を被測定物ＯＢＪに対して相対変位させながらＰＬ２を測定する。

測定装置１００を走査変位する際に微小な変形や傾きが生じると、測定装置１００全体がｚ方向に移動したり傾斜したりすることによる運動誤差成分が生じる。ここで、面ＰＬ２の表面形状をｆ（ｘ）、測定装置１００のｚ方向への偏心誤差をｅ_z（ｘ）とし、走査方向への傾斜誤差をＥ_p（ｘ）とし、各光センサ１０５Ａ，１０５Ｂ，１０５Ｃの出力ｍ₁（ｘ）、ｍ₂（ｘ）、ｍ₃（ｘ）は、以下の式で表せる。
ｍ₁（ｘ）＝ｆ（ｘ−ｄ）＋ｅ_z（ｘ）−ｄ・Ｅ_p（ｘ） （１）
ｍ₂（ｘ）＝ｆ（ｘ）＋ｅ_z（ｘ） （２）
ｍ₃（ｘ）＝ｆ（ｘ＋ｄ）＋ｅ_z（ｘ）＋ｄ・Ｅ_p（ｘ） （３）

更に隣り合う光センサ１０５Ａ，１０５Ｂ，１０５Ｃの出力から偏心誤差成分を消去して、次式の差動出力を得る。
μ₁（ｘ）＝ｍ₃（ｘ）−ｍ₂（ｘ）＝ｆ（ｘ＋ｄ）−ｆ（ｘ）＋ｄ・Ｅ_p（ｘ） （４）
μ₂（ｘ）＝ｍ₂（ｘ）−ｍ₁（ｘ）＝ｆ（ｘ）−ｆ（ｘ−ｄ）＋ｄ・Ｅ_p（ｘ） （５）

更に、（４）,（５）式の差をΔμ（ｘ）とすると、傾斜誤差成分を除去した以下の式が得られる。
Δμ（ｘ）＝μ₁（ｘ）−μ₂（ｘ）＝ｆ（ｘ＋ｄ）−２ｆ（ｘ）＋ｆ（ｘ−ｄ） （６）

一方、式（１）〜（３）より、ｆ（ｘ）の二階差分を求めると、以下の式（７）となる。
Δ²ｆ（ｘ）
＝｛ｆ（ｘ＋ｄ）−２・ｆ（ｘ）＋ｆ（ｘ−ｄ）｝／ｄ²
＝［｛ｆ（ｘ＋ｄ）−ｆ（ｘ）｝−｛ｆ（ｘ）−ｆ（ｘ−ｄ）｝］／ｄ²
＝｛ｍ₃（ｘ）−２・ｍ₂（ｘ）−ｍ₁（ｘ）｝／ｄ² （７）

よって、Δ²ｆ（ｘ）は、光センサ１０５Ａ，１０５Ｂ，１０５Ｃを取り付けたサブプレート１０３の並進誤差ｅ_z（ｘ）、傾斜誤差Ｅ_p（ｘ）の影響を受けることなく、光センサの出力ｍ₁（ｘ），ｍ₂（ｘ），ｍ₃（ｘ）及び間隔ｄで表されることとなる。

つまり、測定値ｍ₁（ｘ）〜ｍ₃（ｘ）等により得られたΔ²ｆ（ｘ）を二階積分することにより、面ＰＬ２の表面形状ｆ（ｘ）を知ることができる。なお、ｆ（ｘ）の一次以下の項は、面ＰＬ２の測定部分の平均的な距離、傾きを表すことになるので、形状測定においては無視することができる。

しかし、実際には、サブプレート１０３に支持された各光センサ１０５Ａ，１０５Ｂ，１０５Ｃには、測定時の基準点のずれ、いわゆるゼロ点ずれが存在する。例えば、各光センサ１０５Ａ，１０５Ｂ，１０５Ｃのｚ方向の基準点からのずれを、それぞれ、ｋ₁，ｋ₂，ｋ₃とおいて、式（１）〜（３）を再計算すると、以下の式（１）′〜（３）′となる。
ｍ₁（ｘ）＝ｆ（ｘ−ｄ）＋ｅ_z（ｘ）−ｄ・Ｅ_p（ｘ）＋ｋ₁ （１）′
ｍ₂（ｘ）＝ｆ（ｘ）＋ｅ_z（ｘ）＋ｋ₂ （２）′
ｍ₃（ｘ）＝ｆ（ｘ＋ｄ）＋ｅ_z（ｘ）＋ｄ・Ｅ_p（ｘ）＋ｋ₃ （３）′

更に、ｆ（ｘ）の二階差分を取ると、以下の式（７）′となる。
Δ²ｆ（ｘ）
＝｛ｆ（ｘ＋ｄ）−２・ｆ（ｘ）＋ｆ（ｘ−ｄ）｝／ｄ²
＝｛ｍ₃（ｘ）−２・ｍ₂（ｘ）−ｍ₁（ｘ）｝／ｄ²−｛ｋ₃−２・ｋ₂＋ｋ₁｝／ｄ²
＝｛ｍ₃（ｘ）−２・ｍ₂（ｘ）−ｍ₁（ｘ）｝−ｋ₁₂₃／ｄ² （７）′
ただし、式（７）′において、ｋ₃−２・ｋ₂＋ｋ₁＝ｋ₁₂₃とした。

さらに、式（７）′に基づいて、Δ²ｆ（ｘ）を二階積分すると、測定値ｍ₁（ｘ）〜ｍ₃（ｘ）等の項の他に、ｋ₁₂₃／２ｄ²を係数としたｘ²に比例する項が生じる。したがって、測定値ｍ₁（ｘ）〜ｍ₃（ｘ）から得られる値は、表面形状ｆ（ｘ）からｋ₁₂₃・ｘ²／２ｄ²の分ずれたものであり、これは、いわゆる放物線誤差として知られるゼロ点ずれに起因する誤差である。かかる放物線誤差をｇ（ｘ）とする。つまり、光センサ１０５Ａ，１０５Ｂ，１０５Ｃの出力値からは、面ＰＬ２の真の面形状ｆ（ｘ）に、放物線誤差ｇ（ｘ）が重畳された、誤差内在形状ｈ（ｘ）＝ｆ（ｘ）＋ｇ（ｘ）が求められることとなり、よって放物線誤差ｇ（ｘ）を求めない限り、真の被測定物ＯＢＪの上面形状ｆ（ｘ）を得ることができないといえる。

そこで、水準器を利用して放物線誤差を排除することを考える。（４）、（５）式の差動出力に対して、（５）式にゼロ点誤差の項αを加え、（４）式の差動出力をｄだけシフトして、以下の式を得る。
μ₁（ｘ＋ｄ）＝ｆ（ｘ＋２ｄ）−ｆ（ｘ＋ｄ）＋ｄ・Ｅ_p（ｘ＋ｄ） （４）′
μ₂（ｘ）＝ｆ（ｘ）−ｆ（ｘ−ｄ）＋ｄ・Ｅ_p（ｘ）＋α （５）′

ここで、αは２つの隣り合う光センサの測定基準を結ぶ線が平行にならないことによるｚ方向のシフト誤差を、角度に対応させたゼロ点誤差である。（４）′、（５）′式の差をとると、以下の式が得られる。
ΔＥｐ（ｘ）≡ｄ（Ｅ_p（ｘ＋ｄ）−Ｅ_p（ｘ））＝μ₁（ｘ＋ｄ）−μ₂（ｘ）＋α （８）

（８）式は，隣り合う光センサの傾斜誤差の差分を表しているから、逐次Ｎ点加えていくことで、以下の（９）式を得る。

（９）式の左辺におけるＥｐ（０）は、測定開始点（ｘ＝０）の傾斜誤差であり、Ｅｐ（Ｎｄ）は、測定終了点（ｘ＝Ｎｄ＝Ｌ）の傾斜誤差である。つまり、測定開始点と測定終了点での測定装置１００の傾き、すなわち面ＰＬ２の測定開始点と測定終了点の傾きを、図２に点線で示すように水準器ＬＶを面ＰＬ２に当てて測定すれば、右辺の値、すなわちゼロ点誤差αを理論上求めることができるのである。

本発明は、明細書に記載の実施例に限定されるものではなく、他の実施例・変形例を含むことは、本明細書に記載された実施例や思想から本分野の当業者にとって明らかである。明細書の記載及び実施例は、あくまでも例証を目的としており、本発明の範囲は後述するクレームによって示されている。例えば搬送機構としては、ロボットに限られず、リニアガイドとアクチュエータとを組み合わせたものであっても良い。更に、以上の実施の形態では、ロボットにより測定装置を保持しているが、被測定物が小型軽量である場合など，ロボットにより保持した被測定物を，固定した測定装置に対して走査変位させることもできる。又、測定面までの距離を検出するセンサの発光部及び受光部は、異なる場所に設置されているものに限らず、同一場所に配置されてなり、発光部から測定面へ向かう光束と測定面から反射されて受光部へ向かう光束とが略同一光路を通過するものも含む。更に、センサは光検出タイプに限らず、静電容量型であっても良い。

１００ 測定装置
１０１ ベースプレート
１０１ａ 開口
１０２ 第１円筒軸
１０３ サブプレート
１０５Ａ，１０５Ｂ，１０５Ｃ 光センサ
１０５ａ 切欠部
１０５ｂ 発光部
１０５ｃ 受光部
１０５ｄ ケーブル
１０６ リブ
１０６ａ 固定軸
１０７ 軸受
１０８ ローラ
１５１ 連接部材
１５１ａ 垂直部
１５１ｂ 水平部
１５１ｃ 軸受部
１５１ｄ 軸受部
１５２ ブラケット
１５２ａ ステー
１５３ 第２円筒軸
１５４ 引っ張りバネ
１６１ ホルダ
１６１ａ 水平板
１６１ｂ 垂直板
１６１ｃ 貫通孔
１６２ 頭部付きピン
１６３ コイルバネ
１６４ 円筒軸
１６５ ブラケット
１６５ａ 開口
１７１ ベースブロック
１７１ａ 凹部
１７１ｂ 座面
１７１ｃ ピン
１７２ 連結軸
１７２ａ ボール
１７２ｃ 長孔
１７３ 上部ブロック
１７４ 変位機構
１７４ａ 第１ボックス
１７４ｂ 第２ボックス
１７４ｃ ｙ方向ガイドレール
１７４ｄ ｚ方向ガイドレール
１７４ｅ スライダ
１７４ｆ ｙ方向コイルバネ
１７４ｇ ｚ方向コイルバネ
１７４ｉ 滑りパッド
１７４ｊ 滑りパッド
１７５ ブラケット
１７６ リブ
１７６ａ 固定軸
ＯＢＪ 被測定物
ＰＬ１ 面
ＰＬ２ 面

Claims (5)

1. 搬送機構により、前記測定面に沿って走査変位方向に相対的に走査変位されるようになっている測定装置において、
   前記測定面までの距離を検出する３つのセンサを、前記走査変位方向に並べて配置した測定部と、
   前記測定面に対して前記測定部を相対的に走査変位させる際に前記被測定物に当接することにより、前記測定部と前記測定面との間隔を所定値に維持するガイド部材と、を有し、
   前記３つのセンサからの出力に基づいて、逐次三点法により前記測定面の形状を測定し、
   前記搬送機構に連結された第１の角筒と、前記測定部に連結され前記第１の角筒と同形状を持つ第２の角筒と、前記第１の角筒に配置された第１のガイドレールと、前記第２の角筒に前記第１のガイドレールとは異なる方向に沿って配置された第２のガイドレールと、前記第１の角筒及び前記第２の角筒内に収容され前記第１のガイドレールと前記第２のガイドレールとに沿って移動可能なスライダと、前記第１の角筒及び前記第２の角筒の内壁に対して前記スライダをセンタ位置へと付勢するバネとを備え、前記センタ位置で前記第１の角筒と前記第２の角筒の外周面が整合する変位機構を有することを特徴とする測定装置。
2. 前記ガイド部材は、前記測定面を転動する１つもしくは複数のローラを有することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
3. 前記被測定物に対して前記ガイド部材を、制御された力で付勢する連結装置を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の測定装置。
4. 前記連結装置は、前記測定面に対して前記ガイド部材に倣って相対的に走査変位する前記測定部が、前記３つのセンサの検出軸に平行な変位動作と、前記走査変位方向に対するピッチング動作を行えるように、前記測定部と前記搬送機構とを連結することを特徴とする請求項３に記載の測定装置。
5. 前記搬送機構はロボットであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の測定装置。

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