JPH08226814A - 形状測定方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高速な測定を実現しながら、複数の被測定面
形状がより正確に相対比較でき、また装置全体を安価に
することができるようにする。 【構成】 変位プロープ６を多軸ステージ５で走査し、
被測定面８と変位プロープ６間の変位の測定値とそのと
きの多軸ステージ５の座標値を用いて自由曲面形状を測
定する形状測定装置において、被測定面８毎の実際の形
状に関わらず、それらの被測定面の設計形状通りに変位
プロープ６を走査させることによって同一の設計値を持
つ複数の被測定面の形状を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】現在プラスチックを用いた成形等
により、比較的大型な、例えば長さが１００ｍｍ程度の
精密光学部品が大量生産されているが、本発明は、この
ように成形で大量生産されるプラスチック製の精密光学
部品の光学面を測定する形状測定方法及びその装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から変位プロープを多軸ステージで
走査して、被測定面と変位プロープ間の変位の測定値
と、そのときの多軸ステージの座標値を用いて自由曲面
形状を測定する形状測定装置が用いられている。

【０００３】この場合、変位プロープは、ある限定され
た測定範囲（距離と傾き）に被測定面がないと測定でき
ない。そこで、例えば、特開平３−２６４８０４号公報
に示されるように、過去の変位データから現在走査中の
被測定面の接線方向を算出し、変位プロープが被測定面
の形状に倣うように多軸ステージを走査する方法があっ
た。なお、ここで用いることのできる変位プロープは、
例えば、分解能０．０１μｍ、測定精度０．１μｍ（３
σ）程度のものが市販されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】成形により大量生産さ
れる精密光学部品の光学面を対象とする形状測定装置に
は、（１）多数の被測定面間の正確な比較、及び（２）
多数の被測定物を処理するための高い測定速度、が要求
される。

【０００５】変位プロープを多軸ステージで走査する形
状測定装置では、変位プロープの測定精度と、多軸ステ
ージの走査精度が装置全体としての測定精度に影響す
る。ここで、被測定面が自由曲面形状の場合、多軸ステ
ージは複雑な走査が必要になるが、多軸ステージを開ル
ープで走査する場合の走査精度は±０．２μｍ程度とな
る。そのため、例えば、走査光学系に用いられるような
精密な光学部品に要求される形状精度である±０．１μ
ｍを測定できない。

【０００６】また従来からの走査方式を用いたまま走査
精度を向上させるためには、全てのステージに精密な位
置読み取り装置を設置し、閉ループでステージ制御を行
う等の方法があるが、これでは、極めて装置が高価にな
り、また測定速度が遅くなる懸念があった。従ってこれ
らの従来の方法では、冒頭で述べた要求を満たすことは
できない。

【０００７】本発明は上記のことにかんがみみなされた
もので、高速な測定を実現しながら、複数の被測定面形
状がより正確に相対比較でき、また装置全体を安価にす
ることができるようにした形状測定方法及びその装置を
提供することを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る形状測定方法は、変位プロープ６を多
軸ステージ５で走査し、被測定面８と変位プロープ６間
の変位の測定値とそのときの多軸ステージ５の座標値を
用いて自由曲面形状を測定する形状測定装置において、
被測定面８毎の実際の形状に関わらず、それらの被測定
面の設計形状通りに変位プロープ６を走査させることに
よって同一の設計値を持つ複数の被測定面の形状を測定
するようにしている。

【０００９】そして上記形状測定方法を用いる形状測定
装置において、変位プロープと同等の高精度の位置読み
取り装置を持たない構成となっている。さらに上記形状
測定装置において、形状が既知であり、かつ被測定面の
設計形状との差が変位プロープの測定範囲内である面を
持つ基準原器を、変位プロープを上記被測定面の設計形
状通りに走査させて測定することによって、走査軌跡の
誤差を算出する構成となっている。

【００１０】

【作 用】設計値が同一の複数の被測定物を測定する
場合、複数回の測定時において多軸ステージに全く同一
の走査を行なわせるため、たとえ、開ループで多軸ステ
ージを制御したとしても、毎回の測定時における変位プ
ロープが描く走査軌跡のばらつきが極めて小さくなる。
そのため、高速な測定を実現しながら複数の被測定面形
状が、より正確に相対比較できる。またステージに高価
な精密位置読み取り装置が不要になるため、装置全体が
安価になる。

【００１１】

【実 施 例】本発明の実施例を図面に基づいて説明す
る。図１は本発明方法に用いる形状測定装置の一例を示
すもので、この形状測定装置１は複雑な走査を実現する
ために、複数の走査ステージ、すなわち横軸走査ステー
ジ２、縦軸走査ステージ３、旋回走査ステージ４を積み
重ねた構成の多軸走査ステージ５と、この多軸走査ステ
ージ５の最上段の旋回走査ステージ４に搭載した変位プ
ロープ６とからなっている。

【００１２】そしてこの変位プロープ６は任意形状の被
測定物７の被測定面８に接近させる必要があるため、必
然的に、多軸走査ステージ５から被測定物７側へオーバ
ハングした構成となっている。９は被測定物７を載置す
る固定治具である。

【００１３】このような構成の形状測定装置１の測定精
度は、変位プロープ６の測定精度と、多軸ステージ５の
走査位置精度で決まる。被測定面８が自由曲面形状の場
合、多軸ステージ５は複雑な走査を行なうため、各ステ
ージ２，３，４及び変位プロープ６の相対位置は常に変
化している。そのため、多軸ステージ５の最下層に位置
するステージ（横軸走査ステージ２）にとっては、これ
にかかる荷重の重心位置が刻一刻と変化することにな
り、これが多軸ステージ５全体の走査位置精度に影響を
及ぼす。

【００１４】例えば、空気軸受を使用した直動走査ステ
ージ（横軸走査ステージ２縦軸走査ステージ３）は、単
独では長さ１００ｍｍ当たり±０．１μｍ程度の運動精
度を持っているが、これらを組合わせた多軸走査ステー
ジ５全体として考えると、±０．２μｍ程度の運動精度
しか達成できない。またこの精度は荷重の重心移動が一
定でないため、補正できない。しかし、多軸走査ステー
ジ５上にかかる荷重位置が変化しなければ、ステージを
繰り返し走査した場合の運動軌跡のばらつきは０．０５
μｍ以内にすることができる。

【００１５】図２及び図３（ａ），（ｂ）は本発明によ
る形状測定装置における走査方法の一例を示すもので、
まず変位プロープ６にて被測定面８のある点ＸＯを測定
して、その測定値ｆ（ｘｏ）を記録する（ステップ１及
び図３（ａ））。ついで被測定面８の全測定面を測定し
たかを判断し（ステップ２）、ＮＯの場合、変位プロー
プ６を単位長さＸ０−Ｘ１離れた被測定面の設計形状上
の点ｘ１を測定できるように移動する（ステップ３及び
図３（ｂ））。ついでステップ１に戻り、このときの点
ｘ１を測定してその測定値ｆ（ｘ１）を記録し、以下ス
テップ２による判断がＹＥＳになるまで上記ステップ
１，２，３の動作が繰り返し行なわれる。

【００１６】そしてステップ２においてＹｅｓが出力さ
れると、変位プロープ６の各測定位置の各測定値ｆ（ｘ
０），ｆ（ｘ１）と設計形状から被測定面の形状を算出
する（ステップ４）。

【００１７】この測定方法では、複数の被測定物７を測
定数ときでも多軸ステージ５は常に同じ動きをする。そ
のため、複数回の測定時のある瞬間における荷重位置が
常に等しいため、複数の測定時における変位プロープ６
の運動軌跡のばらつき０．０５μｍ以内になり、これに
より複数の被測定面間の形状の比較を０．０５μｍ以内
の精度で達成できる。

【００１８】また測定を開始してから任意の時間におけ
る変位プロープ６の絶対位置精度、すなわち、本来いる
べき位置と実際の位置との差は±０．２μｍ程度しかな
らないが、連続測定時における同時間における位置の再
現性は、やはり０．０５μｍ以内である。

【００１９】よって、もし絶対測定精度を求めたい場合
には、図４に示すように、形状が既知であり、かつ被測
定面８の設計形状１０との差が変位プロープ６の測定範
囲１１内である面をもつ基準原器１２を、変位プロープ
６を被測定面８の設計形状１０通りに走査させて測定す
ることによって、走査軌跡の誤差を算出し、そのデータ
を用いて実際の測定データを校正すればよい。なおこの
基準原器１２は既存の技術で測定しやすい形状を選ぶこ
とも可能である。

【００２０】その連続測定時における任意の時間におけ
る位置の再現性は、仮に開ループによるステージ制御を
行なったとしても維持できる。よって多軸ステージ５に
は変位プロープ６と同等の精度の精密な位置読み取り装
置が必要なくなる。また高速走査、高速測定が可能にな
る。

【００２１】図５及び図６（ａ），（ｂ），（ｃ）は図
１に示す形状測定装置１を用いて行なう従来の走査方法
を示すもので、この従来の走査方法では任意の時間にお
ける変位プロープ６の位置が測定毎に異なっている。

【００２２】図５、図６（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す
従来の走査方法は、まず変位プロープ６の測定値と座標
値から被測定面８の座標ｆ（ｘ０）を算出する（ステッ
プ１、図６（ａ））。ついで被測定面８の全測定面を測
定したかを判断し（ステップ２）、ＮＯの場合、変位プ
ロープ６を単位長さだけ平行移動する（ステップ３、図
６（ｂ））。そして再びステップ１と同じ動作、すなわ
ち、変位プロープ６の測定値と座標値から複測定面８の
座標ｆ（ｘ１）を算出する（ステップ４、図６
（ｂ））。

【００２３】ついで、ステップ１とステップ４にて算出
した両座標ｆ（ｘ０），ｆｘ１）から被測定面の変位プ
ロープ６に対する傾きθをθ＝（ｆ_(x1)−ｆ_(x0)／（Ｘ
₁ −Ｘ₂ ）で計算し（ステップ５）、その後変位プロー
プ６をθだけ傾けて、この変位プロープ６の姿勢が図５
（ｃ）に示すように、被測定面８に倣うように移動する
（ステップ６、図６（ｃ））。

【００２４】このようにした従来の走査方法を図１に示
す形状測定装置に適用した場合、任意の時間における変
位プロープ６の位置が測定毎に異なる。そのため、被測
定面８の座標を精度よく求めるためには、変位プロープ
６の他に、多軸ステージ５に変位プロープ６と同等の精
度を持つ位置読み取り装置を備えて、その測定値と変位
プロープ６の測定値を総合しなければ精密な測定値は得
られない。そのため測定装置が高価になる。

【００２５】また図５に示す従来の走査方法を図１に示
す形状測定装置に適用した場合、任意の時間における変
位プロープ６の位置を決定するためには、その走査時点
より過去の時点における測定値から計算する必要があ
り、その結果をもとにしてフィードバックをかける必要
があるため、本発明の走査方法より測定時間が余計にか
かる。

【００２６】なお、本発明による形状測定装置１には、
多数の被測定物７を効率よく測定するために被測定物の
位置決めが容易な治具９が付属することが望ましい。こ
れによって測定時における被測定面のアライメント調整
の手間を最小にすることができる。また本発明に係る形
状測定装置を用いれば、成形品とそれをつくるための金
型の偏差が正確に測定できる。そのため、より精密な成
形品を作るため、この測定値を製造工程にフィードバッ
クをかけることが可能である。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、設計値が同一な複数の
被測定物を測定する場合、複数回の測定時において多軸
ステージに全く同一の走査を行なわせるため、仮に開ル
ープで多軸ステージを制御したとしても、毎回の測定時
における変位プロープが描く走査軌跡のばらつきが極め
て小さくなる。そのため、高速な測定を実現しながら複
数の被測定面の形状をより正確に相対比較できる。また
ステージに高価な位置読み取り装置が不要となって装置
全体を安価にできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】形状測定装置の一例を示す概略的な構成説明図
である。

【図２】本発明に係るプロープ走査方法を示すフローチ
ャートである。

【図３】（ａ），（ｂ）は変位プロープの走査説明図で
ある。

【図４】絶対走査精度を求める走査方法の説明図であ
る。

【図５】従来のプロープ走査方法を示すフローチャート
である。

【図６】（ａ），（ｂ），（ｃ）は従来の変位プロープ
の走査説明図である。

【符号の説明】

１…形状測定装置、２…横軸走査ステージ、３…縦軸走
査ステージ、４…旋回走査ステージ、５…多軸走査ステ
ージ、６…変位プロープ、７…被測定物、８…被測定
面、９…固定治具。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 変位プロープ６を多軸ステージ５で走査
   し、被測定面８と変位プロープ６間の変位の測定値とそ
   のときの多軸ステージ５の座標値を用いて自由曲面形状
   を測定する形状測定装置において、被測定面８毎の実際
   の形状に関わらず、それらの被測定面の設計形状通りに
   変位プロープ６を走査させることによって同一の設計値
   を持つ複数の被測定面の形状を測定することを特徴とす
   る形状測定方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の形状測定方法を用いる形
   状測定装置において、変位プロープと同等の高精度の位
   置読み取り装置を持たないことを特徴とする形状測定装
   置。
3. 【請求項３】 請求項２記載の形状測定装置において、
   形状が既知であり、かつ被測定面の設計形状との差が変
   位プロープの測定範囲内である面を持つ基準原器を、変
   位プロープを上記被測定面の設計形状通りに走査させて
   測定することによって、走査軌跡の誤差を算出すること
   を特徴とする形状測定装置。