(57)【要約】【課題】変位測定で開口数を高めつつ、色分散も確保する。【解決手段】第一測定信号に基づいて、第一ヘッド部１１を基準とした測定対象物ＷＫの第一変位を決定する第一変位決定部３３と、第一ヘッド部１１を装着したベース部ＢＳと、第一ヘッド部１１を、ベース部ＢＳに対して第一光軸ＬＡ１に沿って相対的に移動させる第一ヘッド駆動部１２と、ベース部ＢＳに装着され、該ベース部ＢＳを基準とした第一ヘッド部１１の変位を示す第二変位を測定すると共に、第二変位を測定可能な第二測定領域を、第一測定領域よりも長くした第二測定部２０と、測定対象物ＷＫが第一測定領域内となるように、第一測定信号又は第一変位に基づいて第一ヘッド駆動部１２を制御する駆動制御部５１と、第一変位決定部３３で決定された第一変位、及び第二測定部２０で測定された第二変位に基づいて、載置面ＳＳを基準とした測定対象物ＷＫの変位を算出する変位算出部７１とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
載置面に載置された測定対象物の変位を計測する変位計測システムであって、
連続的に分布する複数の波長を含む第一測定光を生成する第一光源部と、
前記第一光源部からの第一測定光が測定対象物に向けて第一光軸に沿って出射された状態で、前記第一測定光の波長に応じて、前記第一光軸上で測定可能な第一測定領域における、該第一光軸上の異なる位置に集光する第一共焦点光学系を有する第一ヘッド部と、
前記第一測定領域からの第一測定光を、波長毎の第一測定光に分光し、分光された第一測定光に応じた第一測定信号を生成する第一分光受光部と、
前記第一測定信号に基づいて、前記第一ヘッド部を基準とした測定対象物の第一変位を決定する第一変位決定部と、
前記第一ヘッド部を装着したベース部と、
前記第一ヘッド部を、前記ベース部に対して前記第一光軸に沿って相対的に移動させる第一ヘッド駆動部と、
前記ベース部に装着され、該ベース部を基準とした前記第一ヘッド部の変位を示す第二変位を測定すると共に、前記第二変位を測定可能な第二測定領域を、前記第一測定領域よりも長くしてなる第二測定部と、
測定対象物が第一測定領域内となるように、前記第一測定信号又は前記第一変位に基づいて前記第一ヘッド駆動部を制御する駆動制御部と、
前記第一変位決定部で決定された第一変位、及び前記第二測定部で測定された第二変位に基づいて、載置面を基準とした測定対象物の変位を算出する変位算出部と、
を備える変位測定システム。
【請求項２】
請求項１に記載の変位計測システムであって、さらに、
前記第一変位を取得するタイミングと、前記第二変位を取得するタイミングとを同期させる同期部を備え、
前記第二測定部が、非接触変位計又はリニアエンコーダである変位測定システム。
【請求項３】
請求項１または２のいずれか一項に記載の変位計測システムであって、
前記第一ヘッド部が、前記第一ヘッド駆動部で前記ベース部に対して移動されると、これに追従して移動する基準体を備えており、
前記第二測定部は、前記基準体を介して、前記ベース部を基準とした前記第一ヘッド部の第二変位を測定してなる変位測定システム。
【請求項４】
請求項３に記載の変位計測システムであって、
前記基準体が、前記第一ヘッド部に固定された、鏡面加工された基準平面を有し、
前記第二測定部は、光学式の非接触変位計であり、
前記第二変位は、前記基準平面での正反射光に基づいて決定される変位測定システム。
【請求項５】
請求項４に記載の変位計測システムであって、
前記第二測定部が、
連続的に分布する複数の波長を含む第二測定光を生成する第二光源部と、
前記第二光源部からの第二測定光が測定対象物に向けて第二光軸に沿って出射された状態で、前記第二測定光の波長に応じて、前記第二光軸上で測定可能な前記第二測定領域における、該第二光軸上の異なる位置に集光する第二共焦点光学系を有する第二ヘッド部と、
前記基準体を基準とした第一ヘッド部の第二変位を決定する第二位置決定部と、
を備え、
前記第二光軸上で、前記基準体が前記第一ヘッド部の移動につれて移動する位置に、前記第二ヘッド部が、前記ベース部に固定されてなる変位測定システム。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の変位計測システムであって、
前記第一ヘッド部で測定可能な角度範囲を示す第一角度特性を、前記第二測定部で測定可能な角度範囲を示す第二角度特性よりも広くしてなる変位測定システム。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の変位計測システムであって、
前記駆動制御部は、前記第一測定信号を、前記第一分光受光部から受け取る、又は外部のＰＬＣを介して受け取るよう構成してなる変位測定システム。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の変位計測システムであって、
前記駆動制御部が、探索モードと追従モードとを有しており、
前記探索モード中に前記第一ヘッド部が予め定められた位置、又は予め定められたシーケンス動作となるよう前記第一ヘッド駆動部を制御し、追従モード中に前記第一測定信号に基づいて測定対象物が測定領域内となるように前記第一ヘッド駆動部を制御するよう構成してなる変位計測システム。
【請求項９】
請求項８に記載の変位計測システムであって、
前記駆動制御部は、前記探索モードにおいて、前記第二測定部が前記第二変位を測定可能な第二測定領域の範囲内で、前記第一ヘッド部を移動させてなる変位測定システム。
【請求項１０】
請求項８又は９に記載の変位計測システムであって、
前記駆動制御部が、前記探索モードと追従モードの切り替えを、前記第一測定信号又は外部入力に基づいて行うよう構成してなる変位測定システム。
【請求項１１】
請求項８〜１０のいずれか一項に記載の変位計測システムであって、
前記第一ヘッド駆動部の動作中に、前記第一変位決定部及び前記第二測定部が、それぞれ前記第一変位と第二変位を取得するよう構成してなる変位測定システム。
【請求項１２】
請求項８〜１１のいずれか一項に記載の変位計測システムであって、
前記駆動制御部が、前記探索モードにおいて、設定された位置で待機し、所定の探索範囲を繰り返し探索し、追従できた最後の位置で待機するよう構成してなる変位測定システム。
【請求項１３】
請求項８〜１２のいずれか一項に記載の変位計測システムであって、
前記駆動制御部が、前記追従モードにおいて、前記第一ヘッド部を、前記第一測定領域の中心領域に保持させるように、前記第一ヘッド駆動部を制御してなる変位測定システム。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載の変位計測システムであって、
前記第一ヘッド部と、前記第二測定部が、共通の筐体内に収納されてなる変位測定システム。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか一項に記載の変位計測システムであって、
前記第一ヘッド駆動部が、前記ベース部と分離して設けられてなる変位測定システム。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか一項に記載の変位計測システムであって、
前記駆動制御部が、測定対象物の変位に基づいて、測定対象物が第一測定領域内となるように前記第一ヘッド駆動部を制御するよう構成してなる変位測定システム。
【請求項１７】
載置面に載置された測定対象物の変位を計測する変位計測装置であって、
連続的に分布する複数の波長を含む第一測定光を生成する第一光源部からの第一測定光が測定対象物に向けて第一光軸に沿って出射された状態で、前記第一測定光の波長に応じて、前記第一光軸上で測定可能な第一測定領域における、該第一光軸上の異なる位置に集光する第一共焦点光学系を有する第一ヘッド部と、
前記第一ヘッド部を、前記載置面に載置された測定対象物に対して前記第一光軸に沿って相対的に移動させる第一ヘッド駆動部と、
前記載置面に載置された測定対象物を基準とした前記第一ヘッド部の変位を示す第二変位を測定する第二ヘッド部と、
前記第一測定領域からの第一測定光を、波長毎の第一測定光に分光し、分光された第一測定光に応じた第一測定信号に基づいて決定される、前記第一ヘッド部を基準とした測定対象物の変位を示す第一変位及び前記第二変位に基づいて、載置面を基準とした載置面に載置された測定対象物の変位を算出する変位算出部と、
測定対象物が前記第一測定領域内となるよう、前記第一測定信号又は第一変位に基づいて前記第一ヘッド駆動部を制御する駆動制御部と、
を備え、
前記第二ヘッド部で前記第二変位を測定可能な第二測定領域を、前記第一測定領域よりも長くしてなる変位測定装置。
【請求項１８】
載置面に載置された測定対象物の変位を計測する変位計測方法であって、
連続的に分布する複数の波長を含む第一測定光を第一光源部で生成し、該第一光源部の第一測定光を、第一ヘッド部から測定対象物に向けて第一光軸に沿って出射し、前記第一測定光の波長に応じて、前記第一光軸上で測定可能な第一測定領域における、該第一光軸上の異なる位置に第一共焦点光学系で集光させ、前記第一測定領域からの第一測定光を、波長毎の第一測定光に分光し、分光された第一測定光に応じた第一測定信号を第一分光受光部で生成する工程と、
前記第一測定信号に基づいて、前記第一ヘッド部を基準とした測定対象物の第一変位を第一変位決定部で決定すると共に、前記第一測定信号又は第一変位に基づいて、測定対象物が第一測定領域内となるように、前記第一ヘッド部を、該第一ヘッド部を装着したベース部に対して前記第一光軸に沿って相対的に移動させる第一ヘッド駆動部を、駆動制御部で制御する一方、
前記ベース部に装着され、該ベース部を基準とした前記第一ヘッド部の変位を示す第二変位を、前記第一測定領域よりも長い第二測定領域内で測定可能な第二測定部でもって測定し、
前記第一変位決定部で決定された第一変位、及び前記第二測定部で測定された第二変位に基づいて、載置面を基準とした測定対象物の変位を変位算出部で算出する工程と
を含む変位測定方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の変位計測方法であって、
探索モードと追従モードとを有する前記駆動制御部が、前記探索モード中に、前記第一ヘッド部が予め定められた位置、又は予め定められたシーケンス動作となるよう前記第一ヘッド駆動部を制御し、
連続的に分布する複数の波長を含む第一測定光を生成する第一光源部からの第一測定光が測定対象物に向けて第一光軸に沿って出射された状態で、前記第一測定光の波長に応じて、前記第一光軸上で測定可能な第一測定領域における、該第一光軸上の異なる位置に集光する第一共焦点光学系を有する第一ヘッド部が取り付けられたベース部に対して、前記第一ヘッド部を前記第一光軸に沿って第一ヘッド駆動部で移動可能とし、前記ベース部を基準とした前記第一ヘッド部の第二変位を第二測定部で測定し、
前記探索モードにおいて、測定対象物が発見されると、前記駆動制御部が、前記探索モードから前記追従モードに切り替えられ、前記第一測定信号に基づいて測定対象物が測定領域内となるように前記第一ヘッド駆動部を制御してなる変位測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変位測定システム、変位測定装置、変位測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
測定対象物（ワーク）の高さを測定する変位計が利用されている。このような変位計は、非接触式又は接触式のものがあり、非接触の光学式の変位計では、測定原理として、共焦点方式や分光干渉方式など、様々の方式が提案されている。例えば白色共焦点変位計では、光源の像が結像する結像面からの反射光に受光する光を絞り込むという共焦点原理と、光源の像に光軸方向の色ずれが生じるという軸上色収差の現象とを利用している。
【０００３】
具体的に共焦点変位計は、光源からの光を点光源として出射するピンホールと、ピンホールを介して出射された検出光に軸上色収差を発生させ、検出光を測定対象物に向かって収束させる光学部材と、測定対象物からの反射光に基づいて、測定対象物の変位を求める測定制御部とにより構成される。検出光には、複数の波長を有する光、例えば白色光が用いられる。ピンホールは、光学部材を介して測定対象物に照射された検出光のうち、測定対象物上で合焦しつつ反射された波長の検出光を通過させる。
【０００４】
結像面の位置は、軸上色収差により波長ごとに異なるため、ピンホールを通過した検出光の波長を特定することにより、測定対象物の変位が求められる。変位は、予め定められた基準位置から測定対象物までの光軸方向の距離であり、変位を求めることにより、表面の凹凸の深さ又は高さや透明体の厚さ等を測定することができる（例えば特許文献１〜４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許４５８５３４９号明細書
【特許文献２】特開２０１２−０２１８５６号公報
【特許文献３】特開２０１０−１２１９７７号公報
【特許文献４】特開平２−０９５２２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
共焦点変位計で、測定対象物として鏡面体のような、正反射の大きい物に対して傾斜をつけた状態で測定しようとする場合、投受光の開口角が大きいことが求められる。また、測定対象物の形状を測定する場合には、測定時間短縮のため、高速な測定が求められる。
【０００７】
このような要件を満たす方式の一つとして、白色共焦点方式が挙げられる。白色共焦点方式は、図２２に示すように、ヘッド部９０から出力された広帯域の光を用い、軸上色収差を持たせたレンズ部９１を通すことで焦点位置ＦＰ１、ＦＰ２、ＦＰ３、・・・を変え、その焦点位置からの反射光の波長を検出することで、高さ情報を得る。このため、白色共焦点変位計で広い測定範囲を確保するには、色分散が大きいことが求められる。
【０００８】
一方で、上述の通り光沢面でも角度特性を確保しようとすれば、開口数が高いことが求められる。特に図２３に示すように、測定対象物ＷＫ２が曲面の場合は、反射光ＲＬが投光された方向とは異なってしまうため、より広い開口数が求められる。
【０００９】
しかしながら、このような開口数や色分散は一般に光学レンズの特性であるところ、光学レンズの開口角が大きくなると、軸上色収差量が低下してしまう。色分散の大きい光学系を実現するためには、例えばアッベ数の小さい硝材を使ってレンズを構成したり、あるいは図２４に示すような回折型レンズ９３を使用することが挙げられる。しかしながら、色分散を確保できても、高い開口数を達成することはできなかった。例えば、４５°程度の角度特性を持った光学レンズは、測定範囲が０．６ｍｍ程度しか得られない。このように「高い開口数」と「大きい色分散」とは相反するパラメータであるため、両者を両立させることは困難であった。
【００１０】
本発明の目的の一は、開口数を高めつつ、色分散も確保した変位測定システム、変位測定装置、変位測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【００１１】
本発明の第１の側面に係る変位計測システムによれば、載置面に載置された測定対象物の変位を計測する変位計測システムであって、連続的に分布する複数の波長を含む第一測定光を生成する第一光源部と、前記第一光源部からの第一測定光が測定対象物に向けて第一光軸に沿って出射された状態で、前記第一測定光の波長に応じて、前記第一光軸上で測定可能な第一測定領域における、該第一光軸上の異なる位置に集光する第一共焦点光学系を有する第一ヘッド部と、前記第一測定領域からの第一測定光を、波長毎の第一測定光に分光し、分光された第一測定光に応じた第一測定信号を生成する第一分光受光部と、前記第一測定信号に基づいて、前記第一ヘッド部を基準とした測定対象物の第一変位を決定する第一変位決定部と、前記第一ヘッド部を装着したベース部と、前記第一ヘッド部を、前記ベース部に対して前記第一光軸に沿って相対的に移動させる第一ヘッド駆動部と、前記ベース部に装着され、該ベース部を基準とした前記第一ヘッド部の変位を示す第二変位を測定すると共に、前記第二変位を測定可能な第二測定領域を、前記第一測定領域よりも長くしてなる第二測定部と、測定対象物が第一測定領域内となるように、前記第一測定信号又は前記第一変位に基づいて前記第一ヘッド駆動部を制御する駆動制御部と、前記第一変位決定部で決定された第一変位、及び前記第二測定部で測定された第二変位に基づいて、載置面を基準とした測定対象物の変位を算出する変位算出部とを備えることができる。上記構成により、測定対象物の変位を、第一ヘッド部を基準とした測定対象物の変位である第一変位と、ベース部を基準とした第一ヘッド部の変位である第二変位の２つから求めることで、より広い測定範囲を持つ変位測定が実現される。
【００１２】
また、第２の側面に係る変位計測システムによれば、上記構成に加えて、さらに前記第一変位を取得するタイミングと、前記第二変位を取得するタイミングとを同期させる同期部を備え、前記第二測定部を、非接触変位計又はリニアエンコーダとすることができる。
【００１３】
さらに、第３の側面に係る変位計測システムによれば、上記何れかの構成に加えて、前記第一ヘッド部が、前記第一ヘッド駆動部で前記ベース部に対して移動されると、これに追従して移動する基準体を備えており、前記第二測定部は、前記基準体を介して、前記ベース部を基準とした前記第一ヘッド部の第二変位を測定することができる。
【００１４】
さらにまた、第４の側面に係る変位計測システムによれば、上記何れかの構成に加えて、前記基準体が、前記第一ヘッド部に固定された、鏡面加工された基準平面を有し、前記第二測定部は、光学式の非接触変位計であり、前記第二変位は、前記基準平面での正反射光に基づいて決定することができる。このように第二測定部を光学式の非接触変位計としたことで、高速応答性が得られる。
【００１５】
さらにまた、第５の側面に係る変位計測システムによれば、上記何れかの構成に加えて、前記第二測定部が、連続的に分布する複数の波長を含む第二測定光を生成する第二光源部と、前記第二光源部からの第二測定光が測定対象物に向けて第二光軸に沿って出射された状態で、前記第二測定光の波長に応じて、前記第二光軸上で測定可能な前記第二測定領域における、該第二光軸上の異なる位置に集光する第二共焦点光学系を有する第二ヘッド部と、前記基準体を基準とした第一ヘッド部の第二変位を決定する第二位置決定部とを備え、前記第二光軸上で、前記基準体が前記第一ヘッド部の移動につれて移動する位置に、前記第二ヘッド部を前記ベース部に固定させることができる。上記構成により、第二ヘッド部による第二変位の決定に際して第一ヘッド部と同期を取り易くなる利点が得られる。また変位の決定も短時間で行える。
【００１６】
さらにまた、第６の側面に係る変位計測システムによれば、上記何れかの構成に加えて、前記第一ヘッド部で測定可能な角度範囲を示す第一角度特性を、前記第二測定部で測定可能な角度範囲を示す第二角度特性よりも広くすることができる。
【００１７】
さらにまた、第７の側面に係る変位計測システムによれば、上記何れかの構成に加えて、前記駆動制御部は、前記第一測定信号を、前記第一分光受光部から受け取る、又は外部のＰＬＣを介して受け取るよう構成できる。
【００１８】
さらにまた、第８の側面に係る変位計測システムによれば、上記何れかの構成に加えて、前記駆動制御部が、探索モードと追従モードとを有しており、前記探索モード中に前記第一ヘッド部が予め定められた位置、又は予め定められたシーケンス動作となるよう前記第一ヘッド駆動部を制御し、追従モード中に前記第一測定信号に基づいて測定対象物が測定領域内となるように前記第一ヘッド駆動部を制御するよう構成できる。
【００１９】
さらにまた、第９の側面に係る変位計測システムによれば、上記何れかの構成に加えて、前記駆動制御部は、前記探索モードにおいて、前記第二測定部が前記第二変位を測定可能な第二測定領域の範囲内で、前記第一ヘッド部を移動させることができる。
【００２０】
さらにまた、第１０の側面に係る変位計測システムによれば、上記何れかの構成に加えて、前記駆動制御部が、前記探索モードと追従モードの切り替えを、前記第一測定信号又は外部入力に基づいて行うよう構成できる。
【００２１】
さらにまた、第１１の側面に係る変位計測システムによれば、上記何れかの構成に加えて、前記第一ヘッド駆動部の動作中に、前記第一変位決定部及び前記第二測定部が、それぞれ前記第一変位と第二変位を取得するよう構成できる。
【００２２】
さらにまた、第１２の側面に係る変位計測システムによれば、上記何れかの構成に加えて、前記駆動制御部が、前記探索モードにおいて、設定された位置で待機し、所定の探索範囲を繰り返し探索し、追従できた最後の位置で待機するよう構成できる。
【００２３】
さらにまた、第１３の側面に係る変位計測システムによれば、上記何れかの構成に加えて、前記駆動制御部が、前記追従モードにおいて、前記第一ヘッド部を、前記第一測定領域の中心領域に保持させるように、前記第一ヘッド駆動部を制御することができる。
【００２４】
さらにまた、第１４の側面に係る変位計測システムによれば、上記何れかの構成に加えて、前記第一ヘッド部と、前記第二測定部を、共通の筐体内に収納させることができる。
【００２５】
さらにまた、第１５の側面に係る変位計測システムによれば、上記何れかの構成に加えて、前記第一ヘッド駆動部を、前記ベース部と分離して設けることができる。
【００２６】
さらにまた、第１６の側面に係る変位計測システムによれば、上記何れかの構成に加えて、前記駆動制御部が、測定対象物の変位に基づいて、測定対象物が第一測定領域内となるように前記第一ヘッド駆動部を制御することができる。
【００２７】
さらにまた、他の側面に係る変位計測システムによれば、上記いずれかの構成に加えて、前記第二測定部が、前記第二変位を測定可能な第二測定領域を、前記第一測定領域よりも長くすることができる。上記構成により、本来の測定領域である第一測定領域よりも広い測定領域で測定できるようになり、利便性が向上される。
【００２８】
さらにまた、他の側面に係る変位計測システムによれば、上記何れかの構成に加えて、前記第一角度特性が２０°以上であり、前記第二角度特性を２０°以下にできる。
【００２９】
さらにまた、他の側面に係る変位計測システムによれば、上記何れかの構成に加えて、前記第一測定領域が２ｍｍ以下であり、前記第二測定領域を２ｍｍ以上にできる。
【００３０】
さらにまた、他の側面に係る変位計測システムによれば、上記何れかの構成に加えて、前記変位算出部を、ＰＬＣで構成することができる。上記構成により、外部のＰＬＣを用いて載置面を基準とした測定対象物の変位を算出することができる。
【００３１】
さらにまた、他の側面に係る変位計測システムによれば、上記何れかの構成に加えて、さらに、前記第一変位を取得するタイミングと、前記第二変位を取得するタイミングとを同期させる同期部を備えることができる。
【００３２】
さらにまた、他の側面に係る変位計測システムによれば、上記何れかの構成に加えて、前記同期部を、前記第一変位決定部及び前記第二測定部と、それぞれ同期線でもって接続することができる。
【００３３】
さらにまた、他の側面に係る変位計測システムによれば、上記何れかの構成に加えて、前記同期部が、前記第一変位決定部及び前記第二測定部と、それぞれ無線接続することができる。
【００３４】
さらにまた、他の側面に係る変位計測システムによれば、上記何れかの構成に加えて、さらに、前記探索範囲の設定を受け付けるための探索範囲設定部を備えることができる。
【００３５】
さらにまた、他の側面に係る変位計測システムによれば、上記何れかの構成に加えて、測定対象物を載置する載置面を、測定対象物をＸ方向に移動させるＸステージ又はコンベアとすることができる。
【００３６】
さらにまた、他の側面に係る変位計測システムによれば、上記何れかの構成に加えて、測定対象物を載置する載置面を、測定対象物をＸＹ平面内に移動可能なＸＹステージとすることができる。
【００３７】
さらにまた、他の側面に係る変位計測システムによれば、上記何れかの構成に加えて、測定対象物が、曲面でかつ前記第一測定光を正反射する材質を有することができる。
【００３８】
さらにまた、第１７の側面に係る変位計測装置によれば、載置面に載置された測定対象物の変位を計測する変位計測装置であって、連続的に分布する複数の波長を含む第一測定光を生成する第一光源部からの第一測定光が測定対象物に向けて第一光軸に沿って出射された状態で、前記第一測定光の波長に応じて、前記第一光軸上で測定可能な第一測定領域における、該第一光軸上の異なる位置に集光する第一共焦点光学系を有する第一ヘッド部と、前記第一ヘッド部を、前記載置面に載置された測定対象物対して前記第一光軸に沿って相対的に移動させる第一ヘッド駆動部と、前記載置面に載置された測定対象物を基準とした前記第一ヘッド部の変位を示す第二変位を測定する第二ヘッド部と、前記第一測定領域からの第一測定光を、波長毎の第一測定光に分光し、分光された第一測定光に応じた第一測定信号に基づいて決定される、前記第一ヘッド部を基準とした測定対象物の変位を示す第一変位及び前記第二変位に基づいて、載置面を基準とした載置面に載置された測定対象物の変位を算出する変位算出部と、測定対象物が前記第一測定領域内となるよう、前記第一測定信号又は前記第一変位に基づいて前記第一ヘッド駆動部を制御する駆動制御部とを備え、前記第二ヘッド部で前記第二変位を測定可能な第二測定領域を、前記第一測定領域よりも長くすることができる。上記構成により、測定対象物の変位を、第一ヘッド部を基準とした測定対象物の変位である第一変位と、第一ヘッド部の変位である第二変位の２つから求めることで、より広い測定範囲を持つ変位測定が実現される。
【００３９】
さらにまた、第１８の側面に係る変位計測方法によれば、載置面に載置された測定対象物の変位を計測する変位計測方法であって、連続的に分布する複数の波長を含む第一測定光を第一光源部で生成し、該第一光源部の第一測定光を、第一ヘッド部から測定対象物に向けて第一光軸に沿って出射し、前記第一測定光の波長に応じて、前記第一光軸上で測定可能な第一測定領域における、該第一光軸上の異なる位置に第一共焦点光学系で集光させ、前記第一測定領域からの第一測定光を、波長毎の第一測定光に分光し、分光された第一測定光に応じた第一測定信号を第一分光受光部で生成する工程と、前記第一測定信号に基づいて、前記第一ヘッド部を基準とした測定対象物の第一変位を第一変位決定部で決定すると共に、前記第一測定信号又は第一変位に基づいて、測定対象物が第一測定領域内となるように、前記第一ヘッド部を、該第一ヘッド部を装着したベース部に対して前記第一光軸に沿って相対的に移動させる第一ヘッド駆動部を、駆動制御部で制御する一方、前記ベース部に装着され、該ベース部を基準とした前記第一ヘッド部の変位を示す第二変位を、前記第一測定領域よりも長い第二測定領域内で測定可能な第二測定部でもって測定し、前記第一変位決定部で決定された第一変位、及び前記第二測定部で測定された第二変位に基づいて、載置面を基準とした測定対象物の変位を変位算出部で算出する工程とを含むことができる。これにより、測定対象物の変位を、第一ヘッド部を基準とした測定対象物の変位である第一変位と、ベース部を基準とした第一ヘッド部の変位である第二変位の２つから求めることで、より広い測定範囲を持つ変位測定が実現される。
【００４０】
さらにまた、第１９の側面に係る変位計測方法によれば、上記に加えて、探索モードと追従モードとを有する前記駆動制御部が、前記探索モード中に、前記第一ヘッド部が予め定められた位置、又は予め定められたシーケンス動作となるよう前記第一ヘッド駆動部を制御し、連続的に分布する複数の波長を含む第一測定光を生成する第一光源部からの第一測定光が測定対象物に向けて第一光軸に沿って出射された状態で、前記第一測定光の波長に応じて、前記第一光軸上で測定可能な第一測定領域における、該第一光軸上の異なる位置に集光する第一共焦点光学系を有する第一ヘッド部が取り付けられたベース部に対して、前記第一ヘッド部を前記第一光軸に沿って第一ヘッド駆動部で移動可能とし、前記ベース部を基準とした前記第一ヘッド部の第二変位を第二測定部で測定し、前記探索モードにおいて、測定対象物が発見されると、前記駆動制御部が、前記探索モードから前記追従モードに切り替えられ、前記第一測定信号に基づいて測定対象物が測定領域内となるように前記第一ヘッド駆動部を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】実施形態１に係る変位測定装置のブロック図である。
【図２】第一ヘッド部が測定する第一変位と第二ヘッド部が測定する第二変位を示す模式図である。
【図３】実施形態２に係る変位測定装置のブロック図である。
【図４】図４Ａ〜図４Ｄは探索モードにおけるヘッド部の移動の様子を示す模式側面図である。
【図５】図５Ａ〜図５Ｅは追従モードにおけるヘッド部の移動の様子を示す模式側面図、図５Ｆは測定対象物のプロファイルを示すイメージ図である。
【図６】ベース部の構成を示すブロック図である。
【図７】図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線における第一ヘッド部が上昇位置にある状態を示す端面図である。
【図８】図６のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線における第一ヘッド部が上昇位置にある状態を示す端面図である。
【図９】図７から第一ヘッド部を降下させた状態を示す端面図である。
【図１０】図８から第一ヘッド部を降下させた状態を示す端面図である。
【図１１】共焦点光学系の第一ヘッド部及び第一測定ユニットを示す模式図である。
【図１２】実施形態３に係る変位測定システムを示す概略図である。
【図１３】実施形態４に係る変位測定システムのブロック図である。
【図１４】変形例に係る変位測定システムのブロック図である。
【図１５】変形例に係る変位測定システムのブロック図である。
【図１６】実施形態５に係る変位測定システムのブロック図である。
【図１７】実施形態６に係る変位測定システムのブロック図である。
【図１８】実施形態７に係る変位測定システムのブロック図である。
【図１９】ヘッド部にカウンターウェイトを設けた状態を示す模式図である。
【図２０】変形例に係るベース部を備える変位測定システムの模式正面図である。
【図２１】変形例に係る変位測定システムの模式側面図である。
【図２２】白色共焦点変位計のレンズ部で変位を測定する様子を示す模式図である。
【図２３】測定対象物の曲面の変位を測定する様子を示す模式図である。
【図２４】回折型レンズを用いて色分散の大きい光学系を実現する例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための変位測定システム、変位測定装置、変位測定方法を例示するものであって、本発明は変位測定システム、変位測定装置、変位測定方法を以下のものに特定しない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。
【００４３】
本明細書において、便宜上、ヘッド部の光軸の方向を上下方向として説明するが、ヘッド部の使用時における姿勢や向きを限定するものではない。
［実施形態１］
【００４４】
本発明の実施形態１に係る変位測定装置１００の構成を示す構成図を、図１に示す。この図に示す変位測定装置１００は、第一ヘッド部１１と、第一ヘッド駆動部１２と、駆動制御部５１と、第二測定部２０と、ベース部ＢＳと、第一測定ユニット３０と、変位算出部７１とを備える。この変位測定装置１００は、載置面ＳＳに置かれた測定対象物ＷＫの高さ、すなわち変位を測定する。
【００４５】
測定対象物ＷＫを載置する載置面ＳＳは、静止面とする他、測定対象物ＷＫを移動させる移動面としてもよい。移動面は、Ｘ方向（典型的には水平方向）に測定対象物ＷＫを搬送させるコンベアやＸステージとできる。あるいは移動面を、ＸＹ平面内（典型的には水平面内）に移動可能なＸＹステージとしてもよい。ベース部ＢＳは、載置面ＳＳに対して一定の距離で保持されている。好ましくは、ベース部ＢＳを移動しない固定面とする。
（第一光源部３１）
【００４６】
図１に示す第一測定ユニット３０は、第一光源部３１と、第一分光受光部３２と、第一変位決定部３３を備えている。第一光源部３１は、連続的に分布する複数の波長を含む第一測定光を生成する。連続的に分布するとは、光の波長が離散的でないことを意味する。離散的な波長光の場合は、該波長に対応する特定の変位しか測定できなくなるため、連続的な変位が測定できるように、波長が連続したスペクトルを示す光源を用いる。好適には、波長がブロードに分布しているスペクトルを示す光源を用いる。典型的には、白色光のように多くの波長域を含む光源が該当する。このような光源として、例えば半導体レーザで複数の蛍光体を励起させて、異なる波長の蛍光を発光させる光源や、ハロゲンランプ等が利用できる。
（第一ヘッド部１１）
【００４７】
第一ヘッド部１１は、第一共焦点光学系を有する。第一ヘッド部１１は、まず第一光源部３１からの第一測定光を、測定対象物ＷＫに向けて第一光軸ＬＡ１に沿って出射し、測定対象物ＷＫで反射された第一測定光を受光する。第一共焦点光学系は、受光した第一測定光の波長に応じて、この第一光軸ＬＡ１上の異なる位置に集光する。ここで第一共焦点光学系は、第一光軸ＬＡ１上に集光可能な位置の範囲として、第一測定領域を有している。第一共焦点光学系を構成する光学レンズの開口数は、例えば０．３４〜０．８７とする。
【００４８】
一方、第一分光受光部３２は、第一測定領域からの第一測定光を、波長毎の第一測定光に分光し、分光された第一測定光に応じた第一測定信号を生成する。また第一変位決定部３３は、この第一測定信号に基づいて、第一ヘッド部１１を基準とした測定対象物ＷＫの第一変位を決定する。決定された第一変位は、変位算出部７１に送出される。
【００４９】
第一ヘッド部１１と第二測定部２０は、ベース部ＢＳに装着されている。ベース部ＢＳは、第一ヘッド部１１や第二測定部２０を保持するための部材であり、測定対象物ＷＫを載置する載置面ＳＳに対して固定されている。このベース部ＢＳ上を、第一ヘッド部１１は、第一光軸ＬＡ１に沿って、第一ヘッド駆動部１２により相対的に移動可能としている。ここでは第一ヘッド部１１を第一光軸ＬＡ１に沿って移動させるためのガイド部１３を設けている。一方で第二測定部２０は、ベース部ＢＳに固定されている。ベース部ＢＳは、例えば壁状に構成されて第一ヘッド部１１と第二測定部２０を干渉しないように離間して装着している。
（第二測定部２０）
【００５０】
第二測定部２０は、ベース部ＢＳを基準とした第一ヘッド部１１の変位を示す第二変位を測定する。この第二測定部２０も、第一ヘッド部１１がベース部ＢＳに対して移動する移動方向に沿って、第二変位を測定可能な第二測定領域を有する。ここで、第二測定領域は、第一測定領域よりも長いことが好ましい。これにより、第一ヘッド部１１の測定領域である第一測定領域よりも広い第二測定領域で測定できるようになり、第一ヘッド部１１の測定領域に限定されない広範囲の測定が可能な変位測定装置１００が実現され、利便性が向上される。
【００５１】
駆動制御部５１は、測定対象物ＷＫが範囲内のある基準高さとなるように第一ヘッド駆動部１２を制御する。基準高さは、設定値とすることができる。駆動制御部５１による第一ヘッド駆動部１２の制御は、第一測定信号又は第一変位に基づいて行うことができる。例えば、第一測定信号、つまり波長ごとの受光強度からなる受光波形のピーク形状の位置に基づいて制御したり、第一測定信号に基づいて決定された第一変位に基づいて制御することができる。そして変位算出部７１は、第一変位決定部３３で決定された第一変位、及び第二測定部２０で測定された第二変位に基づいて、載置面ＳＳを基準とした測定対象物ＷＫの変位を算出する。これにより、測定対象物ＷＫの変位を、第一ヘッド部１１を基準とした測定対象物ＷＫの変位である第一変位と、ベース部ＢＳを基準とした第一ヘッド部１１の変位である第二変位の２つから求めることで、より広い測定範囲を持つ変位測定が実現される。
【００５２】
駆動制御部は、測定対象物を第一測定領域内とするように、第一測定信号又は第一変位に基づいて第一ヘッド駆動部を制御する。第一ヘッド部の移動は、制御の目標値に到達する前に行われる。言い換えると、目標値に向けて第一ヘッド部を移動させながら、第一変位の演算や測定対象物の変位算出も並行して行われる。
【００５３】
変位算出部７１は、必要に応じて測定された測定対象物ＷＫの変位すなわち高さ情報を、外部に出力する。変位算出部７１は、ＰＬＣやコンピュータなど、演算処理が可能な外部機器で実現できる。また、複数の測定箇所について変位の計測を同期させ、得られた複数の測定値から厚さや平坦度などの物理量を算出することもできる。なお、図１の例では、変位算出部７１を別部材としているが、他の部材に組み込んでもよい。例えば、第一測定ユニット３０や第二測定部２０に変位算出部７１を組み込んでもよい。また駆動制御部５１は、第一測定信号を、第一分光受光部３２から受け取るように構成してもよいし、又は外部のＰＬＣを介して受け取るように構成してもよい。
（白色共焦点方式）
【００５４】
非接触の変位計測装置として、連続した波長の光を利用して、焦点を結ぶ位置が波長によって異なることを利用して距離を測定する白色共焦点方式が知られている。白色共焦点変位計は、高い測定精度で変位を測定できるが、その反面、測定範囲が劣る。一方で広い測定範囲を確保しようとすれば、測定精度が低下する。そこで本実施形態においては、高い測定精度を維持したまま、広い測定範囲を確保させ、凹凸の大きい形状の測定対象物ＷＫの測定を可能としている。
【００５５】
一般に測定対象物ＷＫの形状を測定する場合、形状の死角をなくすために、同軸型変位計を選択することが多い。同軸型変位計の測定方式は、共焦点方式や分光干渉方式などが知られている。例えば鏡面体のような、正反射の大きい測定対象物ＷＫを非接触の光学式変位計で測定する場合、投受光の開口角が大きいことが求められる。また、形状を測定する際には測定時間を短縮するため、高速な測定が求められる。これらの要件を満たす測定方式として、白色共焦点方式が知られている。
【００５６】
白色共焦点方式は、図２２に示すように、ヘッド部９０から出力された広帯域の光を用い、軸上色収差量ＣＡを持たせたレンズ部を通すことで焦点位置を変え、その焦点位置からの反射光の波長を検出することで、高さ情報を得る検出方式である。このため、測定対象物ＷＫの形状を測定する場合には、白色共焦点方式のヘッド部の光学系は、高い開口数と大きい色分散の２つを満たすようなレンズの設計が求められている。これによって、光沢面の曲面を有する測定対象物でも、測定が可能となる。白色共焦点方式の場合、測定可能範囲は軸上色収差量ＣＡに応じて決まる。
【００５７】
従来は、図２４に示すような回折型レンズ９３を使用することで、大きい色分散を構成するようにレンズを設計をしていた。しかしながら、高い開口数を維持したまま、必要な
【００５８】
これに対して本実施形態に係る変位計測システムでは、高い開口数を確保したまま、測定領域を拡大し、凹凸の大きい鏡面体のような測定対象物ＷＫの形状でも測定することが可能となる。その動作原理を、図２に示す。この図に示す変位計測装置は、載置面ＳＳに置かれた測定対象物ＷＫの高さ、すなわち第一変位Ｄ１を測定する第一ヘッド部１１と、第一ヘッド部１１が移動する第一光軸ＬＡ１上における第一ヘッド部１１の位置、すなわち第二変位Ｄ２を測定する第二測定部２０を、ベース部ＢＳ上に備えている。第一ヘッド部１１は、ベース部ＢＳにおいて第一光軸ＬＡ１上を移動可能としている。一方で第二測定部２０は、ベース部ＢＳに固定されている。第一ヘッド部１１は、基準体１４を備えており、第二測定部２０は、この基準体１４の変位を測定する。
【００５９】
このように第一ヘッド部１１で測定対象物ＷＫの表面すなわち測定対象面の変位を測定し、一方第二測定部２０で、第一ヘッド部１１に固定された基準体１４の基準面の変位を測定する。ここで図２に示すように、基準面と第一ヘッド部１１の先端面との距離ＤＲ、第二測定部２０の先端面と載置面ＳＳとの距離ＤＢは、いずれも固定値であり既知である。したがって測定対象物ＷＫの変位ＤＷは、第一ヘッド部１１で測定された第一変位Ｄ１と、第二測定部２０で測定された第二変位の和（Ｄ１＋Ｄ２）から計算により求めることができる。
【００６０】
さらに変位測定装置１００は、図１に示すように、第一ヘッド部１１をガイド部１３に沿って上下に駆動させる第一ヘッド駆動部１２を設けている。ここで、測定対象面の高さに応じて、測定対象面が第一ヘッド部１１の第一測定領域内に入ることができるように、第一ヘッド部１１の上下位置を駆動制御部５１でもって制御する。駆動制御部５１は、第二測定部２０で測定された基準体１４の高さ、すなわち第一ヘッド部１１の変位を用いて、第一ヘッド部１１を上下動させる。すなわち、第一ヘッド部１１の移動範囲は、第一ヘッド部１１の本来の測定領域である第一測定領域でなく、これよりも広い第二測定領域とできるので、第一ヘッド部１１の光学特性で限られた測定領域よりも広い範囲で測定対象物ＷＫの変位を測定できる利点が得られる。
［実施形態２］
【００６１】
第二測定部２０は、非接触式の変位計や接触式の変位計など、第一測定領域よりも測定領域の広い任意の変位計を利用できる。以下では、第二測定部２０も白色共焦点変位計とした実施形態２に係る変位測定装置２００について、図３に基づいて説明する。この図に示す変位測定装置２００は、第一ヘッド部１１と、第二ヘッド部２１と、ベース部ＢＳと、第一測定ユニット３０と、第二測定ユニット４０とを備える。なお上述した部材と同様の機能を果たす部材については、同じ名称及び符号を付して詳細説明を適宜省略する。
【００６２】
第一測定ユニット３０は、第一光源部３１と、第一分光受光部３２と、第一変位決定部３３を備えている。第一光源部３１は、連続的に分布する複数の波長を含む第一測定光を生成する。また第二測定ユニット４０は、第二光源部４１と、第二分光受光部４２と、第二変位決定部４３を備えている。第二光源部４１も、連続的に分布する複数の波長を含む第二測定光を生成する。
【００６３】
第一ヘッド部１１は、図１と同様、第一共焦点光学系を有する。第一ヘッド部１１は、第一光源部３１からの第一測定光を、測定対象物ＷＫに向けて第一光軸ＬＡ１に沿って出射し、測定対象物ＷＫで反射された第一測定光を受光する。第一共焦点光学系は、受光した第一測定光の波長に応じて、この第一光軸ＬＡ１上の異なる位置に集光する。ここで第一共焦点光学系は、第一光軸ＬＡ１上に集光可能な位置の範囲として、第一測定領域を有している。また第一分光受光部３２は、第一測定領域からの第一測定光を、波長毎の第一測定光に分光し、分光された第一測定光に応じた第一測定信号を生成する。また第一変位決定部３３は、この第一測定信号に基づいて、第一ヘッド部１１を基準とした測定対象物ＷＫの第一変位を決定する。決定された第一変位は、変位算出部７１に送出される。
【００６４】
第一ヘッド部１１と第二ヘッド部２１は、ベース部ＢＳに装着されている。ここで第一ヘッド部１１は、ベース部ＢＳに対して第一光軸ＬＡ１に沿って、第一ヘッド駆動部１２により相対的に移動可能としている。一方で第二ヘッド部２１は、ベース部ＢＳに固定されている。また第一ヘッド部１１は、基準体１４を備えており、第二ヘッド部２１は、この基準体１４の変位を測定する。基準体１４には、反射率の高い基準面１５を設けている。
（第二ヘッド部２１）
【００６５】
第二ヘッド部２１は、第一ヘッド部１１と同様に第二共焦点光学系を有する。第二ヘッド部２１は、第二光源部４１からの第二測定光を、基準面１５に向けて第二光軸ＬＡ２に沿って出射し、基準面１５で反射された第二測定光を受光する。第二共焦点光学系は、受光した第二測定光の波長に応じて、この第二光軸ＬＡ２上の異なる位置に集光する。ここで第二共焦点光学系は、第二光軸ＬＡ２上に集光可能な位置の範囲として、第一測定領域よりも広い第二測定領域を有している。第二共焦点光学系を構成する光学レンズの開口数は、例えば０．０８〜０．５とする。
【００６６】
第一ヘッド部１１は、開口角の広い、角度特性に優れた測定器である。ただし第一ヘッド部１１の第一測定領域は、０ではない範囲で狭い。一方の第二ヘッド部２１は、測定領域の広い測定器である。ただしその角度特性は広くない。このように、第一ヘッド部１１で測定可能な角度範囲を示す第一角度特性を、第二測定部２０で測定可能な角度範囲を示す第二角度特性よりも広くしている。
【００６７】
この方法であれば、第一ヘッド部１１の第一角度特性を広く確保しながら、第一測定領域が狭くなる分を、第二ヘッド部２１の第二測定領域でもって補うことができる。そして第二ヘッド部２１の第二角度特性が低下する分は、基準体１４の基準面１５を平面状とし、さらに反射率の高い鏡面などを配置することで補うことができる。好ましくは、第一角度特性を２０°以上、第二角度特性を２０°以下とする。あるいは、第一角度特性を３０°以上、第二角度特性を３０°以下としてもよい。また第一測定領域を２ｍｍ以下、第二測定領域を２ｍｍ以上とする。例えば、第一ヘッド部１１の角度特性を２０°以上とし、第一測定領域を２ｍｍ以下とする一方で、第二ヘッド部２１の角度特性は２０°以下に抑えつつ、第二測定領域は２ｍｍ以上を確保する。このように、測定領域と角度特性の異なる２つのヘッド部を組み合わせることで、広い測定領域と広い角度特性を両立させた変位測定システムを構築できる。
【００６８】
この変位測定装置２００は、載置面ＳＳに載置された測定対象物ＷＫの高さ方向の変位を、第一変位及び第二変位に基づいて計測する。上述の通り、第一ヘッド部１１の第一測定領域が狭いため、測定対象物ＷＫの特定の部位の高さを測定できたとしても、高さの異なる他の部位については、同じ条件、すなわち第一ヘッド部１１が同じ位置のままでは、変位を測定可能な範囲が極めて限定される。いいかえると、同じ測定対象物ＷＫの異なる部位の変位を連続的に測定することが困難となる。例えばコンベアで水平方向に搬送される測定対象物ＷＫの高さを上方から測定する場合、測定位置が時間と共に変化し、高さも変化する。そこで、第一ヘッド部１１をベース部ＢＳに対して相対的に移動させることで、変位測定装置２００として測定可能な範囲を拡大している。特に、第一ヘッド部１１の光学部材などのハードウェアによって決定される第一測定領域よりも広い、第二ヘッド部２１の第二測定領域まで、測定可能な範囲を拡大することができる。
【００６９】
これを実現するため、駆動制御部５１は、測定対象面の高さに応じて、測定対象面が第一ヘッド部１１の第一測定領域内に入ることができるように、第一ヘッド駆動部１２を駆動して第一ヘッド部１１の上下位置を制御する。
【００７０】
第一変位決定部３３は、第一ヘッド部１１より得られた第一測定信号を、第一ヘッド部１１の測定高さ情報、すなわち第一変位に演算し、出力する部材である。第二変位決定部４３は、第二ヘッド部２１より得られた第二測定信号を、第二ヘッド部２１の測定高さ情報、すなわち第二変位に演算し、出力する部材である。第一変位決定部３３から出力される第一変位と、第二変位決定部４３から出力される第二変位は、駆動制御部５１及び変位算出部７１へ送出される。駆動制御部５１は、第一ヘッド部１１の第一変位が、第一測定領域の範囲の中心値、又は所定の値の近傍となるように、第一ヘッド駆動部１２を動作させる。このとき、第一ヘッド駆動部１２の制御遅れなどが生じていたとしても、第一ヘッド部１１の測定領域が０ではなく、有限の値を持っているので、多少、測定中心からずれていても測定が継続される。
【００７１】
また、測定対象物ＷＫの測定位置が変化する場合は、測定位置と最終測定値とを関連付けることが好ましい。例えば測定対象物ＷＫが水平方向に搬送される場合は、測定対象物ＷＫの移動速度を、エンコーダ信号として取得し、水平方向の測定点位置として、最終測定値に紐づける。これによって、測定対象物ＷＫの水平方向の位置と垂直方向の位置が得られ、測定対象物ＷＫの断面形状を取得できる。例えば、コンベア上を移動する測定対象物ＷＫの位置を検出するセンサを配置し、さらに最終測定値の測定タイミングと同期を取って、測定対象物ＷＫの位置情報を変位算出部７１側に送出する。また載置面ＳＳをＸＹステージのようにＸＹ方向（水平面内）に移動させる場合は、測定対象面のＸＹ座標と、測定された変位のＺ座標とで、測定対象物ＷＫの立体形状や三次元形状を取得できる。
【００７２】
なお図３の例では、第一変位決定部３３と第二変位決定部４３で測定された第一変位、第二変位などの測定データは、変位算出部７１と駆動制御部５１にそれぞれ送出されているが、本発明はこの構成に限らず、例えば第一変位決定部３３と第二変位決定部４３の測定データを、変位算出部７１を経由して駆動制御部５１へ送出してもよい。
【００７３】
また各測定値やデータの流れは、ＵＳＢやイーサネットなどの通信形態でも良い。また、各機器の内部を流れるようなバス通信でも構わない。
（制御モード）
【００７４】
変位の測定に際して、駆動制御部５１が第一ヘッド部１１の動作を制御する制御モードとして、探索モードと追従モードとを有している。探索モードにおいては、第一ヘッド部１１が予め定められた位置、例えば測定領域の中心付近や、所定の設定位置を中心として、高さ方向に上下動させるように、第一ヘッド駆動部１２を制御する。一方、追従モードにおいては、第一測定信号に基づいて測定対象物ＷＫが所定の設定値となるように、第一ヘッド駆動部１２を制御する。
【００７５】
ここで、駆動制御部５１が第一ヘッド駆動部１２を制御する方法を説明する。まず前処理として、基準体１４が、第二ヘッド部２１の第二測定領域に入るように、第一ヘッド部１１を第一ヘッド駆動部１２で移動させておく。この状態で、第一ヘッド部１１の測定値すなわち第一変位が第一測定領域内に無い場合は、測定対象物ＷＫを探す探索モードになる。一方、第一ヘッド部１１の第一変位が第一測定領域内にある場合は、測定対象物ＷＫを追従する追従モードになる。
（探索モード）
【００７６】
探索モードの場合、第二ヘッド部２１が測定可能な第二測定領域内で、第一ヘッド部１１を上下方向に繰り返し駆動する。この動作を、第一ヘッド部１１の測定値が第一測定領域内に入るまで、継続する。なお第一ヘッド部１１の位置は、基準体１４を介して第二ヘッド部２１で管理できる。いいかえると、常に基準体１４を第二測定領域内に位置させた状態で第一ヘッド部１１を上下動させることで、探索モードにおける第一ヘッド部１１の移動は管理される。
【００７７】
ここで探索モードにおいて第一ヘッド部１１を移動させる様子を、図４Ａ〜図４Ｄに基づいて説明する。例えば図４Ａの状態においては測定対象物ＷＫが第一測定領域内にないため、第一ヘッド部１１を第二測定領域内で上下動させる。図４Ａの例では第一ヘッド部１１が測定対象物ＷＫに近すぎる状態であるが、第一ヘッド部１１は機械的に上下動させる結果、必ずしも第一ヘッド部１１を遠ざけるような制御になるとは限らず、図４Ｂに示すように第一ヘッド部１１を測定対象物ＷＫに一層近付ける制御も起こり得る。なお、第一ヘッド部１１が測定対象物ＷＫと接触することを避けるため、第一ヘッド部１１を降下させて載置面ＳＳと最も近接させた位置での第一ヘッド部１１と載置面ＳＳとの距離を、想定される測定対象物ＷＫの最大高さよりも大きくするように予め設定することが好ましい。
【００７８】
第一ヘッド部１１は第二測定領域内で上下動されるため、最下位置に達すると上昇に反転する。この結果、図４Ｃに示すように徐々に第一ヘッド部１１と測定対象物ＷＫとの距離が大きくなり、ある時点で図４Ｄに示すように第一測定領域内に測定対象物ＷＫが入る状態となる。
（追従モード）
【００７９】
そして第一ヘッド部１１の測定値が第一測定領域内に入った時点で、第一ヘッド部１１の動作を探索モードから追従モードに切り替える。追従モードでは、第一測定領域のほぼ中心に測定対象物ＷＫの高さが位置するように、第一ヘッド部１１を駆動する。ここでは、第一ヘッド部１１の測定値によって、第一ヘッド部１１の高さにフィードバック制御をかける。また第一ヘッド部１１の測定値が測定範囲外になると、探索モードに戻り、第一ヘッド部１１の上下動を繰り返す。
【００８０】
ここで、追従モードにおいて第一ヘッド部１１を移動させる様子を、図５Ａ〜図５Ｆに基づいて説明する。この例では、図５Ｆに示すようなプロファイルを有する測定対象物ＷＫを、コンベア等で変位測定装置に対して相対的に移動させた場合の、測定対象面の各位置における第一ヘッド部１１の動作を、図５Ａ〜図５Ｅに示している。すなわち、時間と共に測定対象面の高さが変化する状態を示している。
【００８１】
仮に第一ヘッド部が固定式であれば、上述の通り第一測定領域で規定される範囲内である限りは測定を継続できるが、ひとたびこの範囲を外れると変位を測定できなくなる。これに対して本実施形態に係る変位測定装置においては、測定対象面の高さに応じて第一ヘッド部１１を追従させるように昇降させることで、第一測定範囲よりも広い範囲での変位測定を可能としている。すなわち従来、広い測定領域と広い角度特性という本質的に相反する特性を両立させることができなかったのに対して、本実施形態においては広い角度特性を備える第一ヘッド部１１と、広い測定領域を備える第二ヘッド部２１とを組み合わせることで、広い測定領域と広い角度特性を両立させることに成功したものである。これにより、例えば測定対象物ＷＫが曲面を有し、かつ第一測定光を正反射する素材、例えば金属などの光沢面を有する場合でも、変位の測定を行える利点が得られる。
【００８２】
例えば図５Ａにおいて、測定対象面が第一測定領域内にある場合、第一測定領域のほぼ中心に測定対象物ＷＫの高さが位置するように、いいかえると第一ヘッド部１１の測定値が０となるように、第一ヘッド部１１の高さを制御する。この状態では第一ヘッド部１１の測定値に応じて、第一ヘッド部１１の高さを調整するように駆動制御部５１がフィードバック制御をかける。これにより、図５Ｂ、図５Ｃに示すように、測定対象面が大きく変化しない区間では、第一ヘッド部１１の移動もほぼ生じない。一方、図５Ｄに示すように測定対象面の高さが変動すると、これに応じて第一ヘッド部１１を移動させて、測定対象面と第一ヘッド部１１の距離が一定となるように、すなわち第一ヘッド部１１の測定値が０となるように、第一ヘッド部１１の高さを測定対象面の高さに従って追従させる。図５Ｄの例では、測定対象面が下り勾配となっているため、これに応じて第一ヘッド部１１を降下させるように駆動制御部５１が第一ヘッド駆動部１２を制御する。そして図５Ｅに示すように、測定対象面の高さに応じて第一ヘッド部１１の追従を継続し、第一測定領域の中心に第一ヘッド部１１を維持することができない範囲に至った状態では、第一ヘッド部１１の移動を終了しつつて、第一ヘッド部１１で測定対象面の変位測定を継続する。さらに、第一測定領域から測定対象面が外れ、第一ヘッド部１１の測定値が測定範囲外になると、変位測定が継続できなくなるため、追従モードを終了し、上述した探索モードに戻る。すなわち、第一ヘッド部１１の上下動を繰り返して、第一測定領域内に測定対象物ＷＫが位置するように探索を行う。駆動制御部５１は、探索モードと追従モードの切り替えを、第一測定信号に基づいて行ってもよいし、又は外部入力に基づいて行うよう構成してもよい。
【００８３】
なお探索モードにおいて第一ヘッド部１１を上下動させる範囲は、固定値とする他、可変値とすることもできる。例えば外部から信号や、時間、タイミングなどに応じて増減させてもよい。例えば、測定対象物ＷＫの初期位置が一定と予期される場合は、上下動範囲を狭める。これによって測定対象物ＷＫの探索に要する時間が短くなり、測定のタクトを向上させることができる。
【００８４】
また第一ヘッド部１１の測定値の目標値は、０、すなわち第一測定領域の中心値である必要はなく、中心値から所定量オフセットされた値を目標値としてもよい。この場合、目標値設定部を測定機側もしくはＰＬＣ側に有しており、あらかじめ定められた目標値を有している。目標値は、ある一定の値でなくとも、中心とその上下で幅を持った値でもよい。また、上限と下限をもつ目標値でもよい。また目標値は、常時一定とする他、特定のタイミングで決定される値としてもよく、探索モード、追従モードにおける時間の遷移に従って目標値が変わるようなものであってもよい。さらに目標値は、ユーザの入力などによる設定によって外部から設定できてもよく、目標値設定受付部を測定機側もしくはＰＬＣ側に有していてもよい。さらに目標値を、時間によって変化させても良い。さらにまた、外部からの信号によって目標値を変更可能としてもよい。
【００８５】
また第一ヘッド駆動部１２を上下動させる範囲を、第二ヘッド部２１の第二測定領域を超えないように制御することで、基準体１４が第二測定領域に入るように第一ヘッド駆動部１２を制御する前処理を不要とできる。
【００８６】
さらに第一ヘッド部１１を第一ヘッド駆動部１２で動作させながら、第一変位と第二変位を取得するように動的測定を行ってもよい。
【００８７】
第一ヘッド駆動部１２は、第一測定信号又は第一変位に基づいて、リアルタイムに制御される。そのため、測定対象物と第一ヘッド部との相対的な移動速度が速い場合であっても、測定対象物の傾斜角に応じて第一ヘッドは追従でき、第一変位と第二変位の値は同期される。また第一ヘッド部が測定対象物との相対的な移動中であっても、移動完了前に同期がなされる。
【００８８】
さらにまた探索モードにおいて、第一ヘッド部１１を設定された位置で待機させて、所定の探索範囲を繰り返し探索し、追従できた最後の位置で待機するように駆動制御部５１で制御してもよい。またこの探索範囲は、ユーザが設定可能とすることもできる。この場合は、探索範囲の設定を受け付けるための探索範囲設定部を備える。例えばコンピュータＰＣ上で設定ブログラムを実行させて、ユーザが操作部から探索範囲を入力する。
【００８９】
あるいは追従モードにおいて、第一ヘッド部１１を、第一測定領域の中心領域に保持させるように、駆動制御部５１で第一ヘッド駆動部１２を制御してもよい。
【００９０】
なお、図３においては第一変位決定部３３、第二変位決定部４３は、第一ヘッド部１１や第二ヘッド部２１と別部材で構成されているが、本発明はこの構成に限定せず、例えば第一変位決定部３３や第二変位決定部４３を、第一ヘッド部１１や第二ヘッド部２１と一体に構成してもよい。
（ベース部ＢＳ）
【００９１】
ベース部ＢＳの構成を、図６のブロック図に示す。また図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線における端面図を図７に、図６のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線における端面図を図８に、さらに図７から第一ヘッド部１１を降下させた状態を図９に、図８から第一ヘッド部１１を降下させた状態を図１０に、それぞれ示す。これらの図に示すベース部ＢＳは、第一ヘッド部１１と、第二ヘッド部２１を装着している。第一ヘッド部１１と第二ヘッド部２１は、共通のベース部ＢＳ上に離間して配置されている。特に、第一ヘッド部１１の第一光軸ＬＡ１と第二光軸ＬＡ２が干渉しないように配置される。好ましくは、図６に示すように第一光軸ＬＡ１と第二光軸ＬＡ２が平行になるように設計される。これによって第一光軸ＬＡ１に沿って測定される第一変位と、第二光軸ＬＡ２に沿って測定される第二変位との和で計算を行うことができ、処理が容易となる。
【００９２】
第一ヘッド部１１は、ベース部ＢＳ上をガイド部１３に沿って移動可能に装着されている。一方で第二ヘッド部２１は、ベース部ＢＳ上に固定されている。このベース部ＢＳは、垂直方向に直立した壁状に形成されている。なおベース部ＢＳは、必ずしも変位測定装置側に含まれる必要はなく、例えば第一ヘッド部を固定する治具や、測定対象物を囲む門構え状のゲートやポール等、既存の資材をベース部として利用することができる。
（ガイド部１３）
【００９３】
ガイド部１３は、例えばねじ溝を切ったロッドに第一ヘッド部１１を挿入し、第一ヘッド駆動部１２を構成するモータでロッドを回転させて第一ヘッド部１１をロッドに沿って昇降させる。あるいは、ガイド部１３をラックとピニオンの組み合わせで構成し、ラックに沿って第一ヘッド部１１を昇降させてもよい。
【００９４】
第一ヘッド駆動部１２を構成するモータは、第一ヘッド部１１と離間させることが好ましい。モータは駆動時の通電によって発熱するため、発熱体を離間させることで、熱による膨張で変形して測定精度が低下することを避けることができる。図６の例では、ロッドの上部にモータを配置している。このようにモータを表出させることで、放熱性にも優れ、熱の影響を一層緩和できる。加えて、ノイズ発生源となりうるモータを離間させることで、ノイズ耐性も向上できる利点が得られる。例えば第一ヘッド部と第一測定ユニットの間を光ファイバで接続することで、熱源となる第一光源部、第一分光受光部等を有する第一測定ユニットから第一ヘッド部を離間して設置できる。第二測定部を白色共焦点変位計とした場合も、同様である。
（基準体１４）
【００９５】
また第一ヘッド部１１は、基準体１４を設けている。基準体１４は第一ヘッド部１１と一体となって、第一ヘッド部１１の昇降と共に基準体１４も移動する。この基準体１４は、第二光軸ＬＡ２上を移動するように、第二ヘッド部２１がベース部ＢＳ上に固定される。いいかえると、第一ヘッド部１１の移動につれて移動する基準体１４の変位を第二ヘッド部２１で測定できるよう、第二ヘッド部２１はベース部ＢＳに固定されている。好ましくは、基準体１４が第二光軸ＬＡ２と直交するように配置される。
【００９６】
また基準体１４は、反射率の高い部材で構成することが好ましい。これによって、第二光源部４１からの第二測定光を、基準体１４で確実に反射して補足することができる。例えば基準体１４の上面に、反射率の高い鏡面体を基準面１５として付加する。第二ヘッド部２１は、第一ヘッド部１１の移動と共に移動する鏡面体の変位を測定することで、広い測定範囲を持つ変位測定が可能となる。また基準面は、平坦な面を持つものであってもよい。必ずしも反射率の高い面でなくとも、平坦な面であれば第二測定光が照射される場所が多少ずれたとしても同じような変位が得られるからである。また、基準面は、第二ヘッド部の光軸に対して略垂直である。
【００９７】
なお図６等の例では、第一ヘッド部１１から基準体１４を突出させているが、本発明はこのような構成に限らず、例えば第一ヘッド部１１の背面を基準体として利用してもよい。ただ、第一ヘッド部１１の背面側に第二ヘッド部２１を配置すると、第一光軸ＬＡ１と第二光軸ＬＡ２が近接して第二ヘッド部２１がモータと干渉するなど、レイアウト上の制約を受けることがある。このため、第二光軸ＬＡ２を第一光軸ＬＡ１からある程度離間させることで、第二ヘッド部２１を配置し易くできる。
【００９８】
ここで、共焦点変位計測方式を実現する具体的構成を、第一ヘッド部１１に接続された第一測定ユニット３０を示す図１１に基づいて説明する。この図に示す共焦点変位測定装置１００ａは、第一測定ユニット３０、第一ヘッド部１１、ファイバケーブル８４により構成される。この共焦点変位測定装置１００ａは、第一ヘッド部１１から検出光ＤＬを出射した際の測定対象物ＷＫからの反射光を受光して、測定対象物ＷＫの変位を計測する。
【００９９】
第一ヘッド部１１及び第一測定ユニット３０は、ファイバケーブル８４を介して互いに接続されている。ファイバケーブル８４は、投光用の光を伝送する光ファイバ８４ａと、表示用の光を伝送する光ファイバ８４ｂで構成される。ファイバケーブル８４の一端には、コネクタ８１ａが設けられ、第一測定ユニット３０のコネクタ８１ｂと着脱可能に接続される。
【０１００】
第一ヘッド部１１は、検出光ＤＬを測定対象物ＷＫに向けて出射し、測定対象物ＷＫからの反射光が入射する光学ユニットであり、屈折レンズ３１２、回折レンズ３１３等の光学部材３１１と、表示窓３１４とを備える。光学部材３１１は、光ファイバ８４ａの端面を介して出射された検出光ＤＬに軸上色収差を発生させるとともに、検出光ＤＬを測定対象物ＷＫに向かって収束させる。軸上色収差は、分散による光軸方向の像の色ずれである。
【０１０１】
屈折レンズ３１２は、光の屈折現象を利用して入射光を集光又は拡散させる光学レンズであり、光ファイバ８４ａの出射端面を介して出射された検出光ＤＬを屈折させる。回折レンズ３１３は、光の回折現象を利用して入射光を集光又は拡散させる光学素子であり、光ファイバ８４ａの出射端面を介して出射された検出光ＤＬを回折させる。この回折レンズ３１３は、レリーフ型の回折レンズであり、上側のレンズ面に微細なレリーフ（起伏）が形成されている。レリーフは、光軸方向の深さが光の波長程度であり、第一光軸ＬＡ１を中心とする複数の円環状のパターンが配置される。
【０１０２】
光ファイバ８４ａは、コア及びクラッドにより構成され、コアの端面がピンホールとして機能する。つまり、光ファイバ８４ａのコアの端面は、光ファイバ８４ａの出射端が配置される空間に比べて径が十分に小さく、光学部材３１１を介して入射する光を選択的に通過させることができる。屈折レンズ３１２は、光ファイバ８４ａの出射端と回折レンズ３１３との間に配置されている。光ファイバ８４ａの出射端面と光学部材３１１とは、共焦点光学系を構成している。
【０１０３】
この共焦点光学系は、共焦点原理を利用して受光する光を絞り込むとともに、検出光ＤＬに軸上色収差を生じさせる。このため、光ファイバ８４ａの出射端面から出射し、光学部材３１１を透過した検出光ＤＬは、波長に応じて上下方向の異なる位置に結像する。検出光ＤＬに含まれる波長成分のうち、測定対象物ＷＫ上に結像した特定の波長成分は、測定対象物ＷＫにより反射され、その反射光が光学部材３１１を透過して光ファイバ８４ａの出射端面上に結像する。一方、特定の波長成分以外の波長成分に対応する反射光は、光ファイバ８４ａの出射端面上に結像せず、遮断される。
【０１０４】
第一ヘッド部１１から測定対象物ＷＫまでの距離は、例えば、１０ｍｍ〜７０ｍｍ程度であり、測定範囲ＭＲは、１ｍｍ〜２０ｍｍ程度である。この測定範囲ＭＲは、検出光ＤＬの帯域幅に対応し、広い測定範囲ＭＲを確保するために、広帯域の検出光ＤＬが用いられる。検出光ＤＬは、例えば、５００ｎｍ〜７００ｎｍの波長成分を含む。
【０１０５】
第一測定ユニット３０では、光ファイバ８４ａを介して投光用の光が第一ヘッド部１１に伝送され、第一ヘッド部１１から出射された検出光ＤＬによって測定対象物ＷＫ上に照射スポットが形成される。光ファイバ８４ａの出射端面は、検出光ＤＬを出射する点光源となるように、第一光源部３１からの光を通過させるピンホールとして機能するとともに、光学部材３１１を介して測定対象物ＷＫに照射された検出光ＤＬのうち、測定対象物ＷＫ上で合焦しつつ反射された波長の検出光を通過させるピンホールとして機能する。
【０１０６】
表示窓３１４は、第一ヘッド部１１とファイバケーブル８４との接続部付近に設けられ、光ファイバ８４ｂを介して表示用光源３０４から伝送された表示用の光を利用して各種情報の表示を行う。ヘッド筐体３１０は、内部に光学部材３１１及び表示窓３１４を収容する鏡筒部材である。ヘッド筐体３１０は、例えば、中心軸を第一光軸ＬＡ１とする円筒形状からなる。
【０１０７】
第一測定ユニット３０は、投受光を制御し、照射スポットに対応する反射光に基づいて、測定対象物ＷＫの変位を求める処理ユニットであり、第一光源部３１、カプラ３０２、コネクタ８１ｂ、表示用光源３０４、分光器３０５、測定制御部３０６及び内部電源部３０７により構成される。例えば、受光信号に基づいて、投光用の光の強度、反射光を受光する際の露光時間、受光信号を増幅する際のゲインが制御される。第一光源部３１は、複数の波長を有する光、例えば、白色光を投光用の光として生成する光源装置である。このような第一光源部３１は、例えば半導体レーザや発光ダイオードに、これらの波長で励起されて、異なる波長の蛍光を発する蛍光体を一種類以上組み合わせたものが利用できる。このようにして、高輝度発光できる波長帯域が広い光源を用いることで、変位方向に分散して、どの位置でも十分な受光量が得られる。また、測定対象物上の光源のスポット径は、例えばΦ３．５μｍとする。これにより、角度特性±４５°を実現でき、角度が付いた測定対象物や光沢面でも、変位測定が可能となる。
【０１０８】
カプラ３０２は、第一光源部３１から入力された光を第一ヘッド部１１に向けて出力する一方、第一ヘッド部１１から入力された検出光ＤＬを分光器３０５に向けて出力する方向性結合器である。このカプラ３０２は、一端から２本の光ファイバが延び、他端から１本の光ファイバが延びるＹカプラである。
【０１０９】
第一光源部３１からの光は、カプラ３０２、コネクタ８１ｂ及び３２３を介して光ファイバ８４ａへ出力される。一方、測定対象物ＷＫによって反射された検出光ＤＬは、光ファイバ８４ａ、コネクタ８１ａ、３０３及びカプラ３０２を介して分光器４３に向けて出射される。
【０１１０】
分光器３０５は、回折格子３０５ａや撮像素子３０５ｂにより構成され、光ファイバ８４ａの出射端面を通過した検出光ＤＬを分光し、受光信号を生成する。測定制御部３０６は、上位ユニットから内部バス８３を介して受信した測定条件や測定タイミングに基づいて動作し、内部バス８３を介して測定条件や測定タイミングを下位ユニットへ送信する。また、測定制御部３０６は、下位ユニットから内部バス８３を介して受信した測定値と、自ユニットで取得した測定値とを内部バス８３を介して上位ユニットへ送信する。測定条件には、測定方法、測定周期、露光条件などがある。また、測定制御部３０６は、露光状態などの測定状況を示す測定ステータス情報を内部バス８３を介して上位ユニットへ送信する。
【０１１１】
この測定制御部３０６は、分光器３０５の受光信号に基づいて、撮像素子３０５ｂを制御し、反射光を受光する際のシャッタースピード、露光時間、受光信号を増幅する際のゲインなどを調整する。
【０１１２】
また測定制御部３０６は、分光器３０５の受光信号に基づいて、測定対象物ＷＫの変位を求め、データ線８３ｂを介して測定値をＰＬＣや制御ユニットへ送信する。具体的には、分光器３０５から波長ごとの受光強度からなる受光波形を取得し、受光波形のピーク位置を特定することにより、測定対象物ＷＫの変位が算出される。ピーク位置は、受光強度が最大の画素位置であり、特定の波長に対応する。変位の測定値は、信号線８３ａを介して受信した測定タイミング信号に基づいて取得され、データ線８３ｂを介してＰＬＣや制御ユニットへ送信される。
【０１１３】
また測定制御部３０６は、コンピュータＰＣにおいて受光状態を確認するために、波長ごとの受光強度からなる受光波形を測定値の送信と並行してＰＬＣや制御ユニットへ送信する。受光波形は、データ線８３ｂのトラフィックが混雑するのを抑制するために、複数の波形データに分割して送信される。また、受光波形は、測定値の取得間隔よりも長い周期で送信される。ＰＬＣや制御ユニットの外部通信部では、第一測定ユニット３０から受信した複数の波形データからなる受光波形が外部ＩＦ部を介して外部機器へ送信される。ＰＬＣや制御ユニットに接続されたコンピュータＰＣや表示装置では、各第一測定ユニット３０の受光波形を確認することができる。
【０１１４】
表示用光源３０４は、表示光を生成する光源装置である。表示光は、例えば、投光用の光とは異なる色の可視光であり、コネクタ８１ｂ及び３２３を介して光ファイバ８４ｂへ出力される。内部電源部３０７は、電源ライン８５を介して入力された交流電力を直流電力に変換し、第一光源部３１、表示用光源３０４、分光器３０５及び測定制御部３０６へ供給する。
【０１１５】
第一測定ユニット３０では、変位の測定値や受光波形が求められ、ＰＬＣや制御ユニットへ出力される。ＰＬＣや制御ユニットでは、測定タイミング信号が各第一測定ユニット３０へ出力され、各第一測定ユニット３０から取得した測定値を利用して平坦度などの物理量が算出される。第一測定ユニット３０は、例えば、ＰＬＣや制御ユニットから測定タイミング信号によるトリガ入力を受けて内部トリガを補正し、変位の測定値を取得する。
【０１１６】
なお、カプラ３０２には、Ｘカプラを用いてもよい。Ｘカプラは、Ｙカプラと比較して端面の反射を抑制し易い。この様な光ファイバカプラは、複数の光ファイバを融着した融着型カプラであるが、ビームスプリッタを用いて光を分割するタイプのカプラであってもよい。
［実施形態３］
【０１１７】
変位測定装置は、複数の部材を組み合わせた変位計測システムとして構成することができる。このような例として、実施形態３に係る変位測定システムを図１２に示す。この図に示す変位測定システム３００は、第一ヘッド部１１と、第二ヘッド部２１と、ベース部ＢＳと、第一ヘッド駆動部１２と、制御ユニット６０と、第一測定ユニット３０と、第二測定ユニット４０と、モータ接続ユニット５２、モータ制御ユニット５０、電源ユニット５３、コンピュータＰＣ及びＰＬＣを備える。
【０１１８】
ベース部ＢＳに接続された第一ヘッド部１１と第二ヘッド部２１、第一測定ユニット３０と第二測定ユニット４０は、上述の通りであり、同じ符号を付して詳細説明を省略する。
【０１１９】
電源ユニット５３は、モータ制御ユニット５０と接続され、第一ヘッド駆動部１２を構成するモータを駆動する電力を供給する。
（制御ユニット６０）
【０１２０】
制御ユニット６０は、第一測定ユニット３０や第二測定ユニット４０などの各部材と接続されてデータを収集すると共に、外部のＰＬＣと通信を行いデータを送出する。また制御ユニット６０は、第一ヘッド部１１と第二ヘッド部２１でそれぞれ第一変位、第二変位を決定するタイミングの同期を取る。第一ヘッド部１１と第二ヘッド部２１が共に白色共焦点変位計の場合は、同期を取り易い。一方で第一ヘッド部１１と第二ヘッド部２１が異なる測定原理に基づく変位計の場合は、両者の同期を取るように、第一測定ユニット３０と第二測定ユニット４０を同期線で結ぶなどの対応を行う。このように同期を取ることで、変位の決定が短時間で行える。
（ＰＬＣ）
【０１２１】
ＰＬＣは、変位測定部として機能する。ＰＬＣは制御ユニット６０と接続されてデータ通信を行い、第一測定ユニット３０で決定された第一変位や第二測定ユニット４０で決定された第二変位から、測定対象物ＷＫの変位を測定する。また必要に応じてＨＭＩなどの表示器に測定結果を表示させたり、外部の機器に対して測定結果を出力する。
【０１２２】
コンピュータＰＣは、制御ユニット６０やＰＬＣと接続され、測定された測定対象物ＷＫのプロファイルを表示させたり、波形観察を行う等の必要な解析を行う。
（モータ制御ユニット５０）
【０１２３】
モータ制御ユニット５０は、第一ヘッド駆動部１２と接続され、駆動制御部５１として機能する。またモータ制御ユニット５０や駆動制御部５１に、第一ヘッド部１１の動作状態を表示させたり必要な調整を行うための駆動表示部５４を付加してもよい。このような例を実施形態４として図１３のシステム図に示す。この図に示す変位測定システム４００は、第一ヘッド部１１と、第二ヘッド部２１と、ベース部ＢＳと、第一ヘッド駆動部１２と、制御ユニット６０と、第一測定ユニット３０と、第二測定ユニット４０と、駆動制御部５１と、駆動表示部５４と、変位算出部７１を備える。なお上述した部材と同様の機能を果たす部材については、同じ名称及び符号を付して詳細説明を適宜省略する。
（モータ接続ユニット５２）
【０１２４】
モータ接続ユニット５２は、ＰＬＣ及びモータ制御ユニット５０と接続されて、第一ヘッド部１１の高さを制御するようモータ制御ユニット５０を制御する。特に追従モードにおいて、ＰＬＣで測定された測定対象物ＷＫの変位に基づいて、第一ヘッド部１１の高さを制御する。
【０１２５】
この例では、第一ヘッド部１１は白色共焦点測定器のヘッド部である。第一ヘッド部１１は、例えば角度特性４５°、第一測定領域±０．３ｍｍとしている。また第二ヘッド部２１は白色共焦点測定器のヘッド部である。第二ヘッド部２１は角度特性１５°、第二測定領域は±３．７ｍｍである。これにより、４５°までの鏡面の斜面の高さを±４．０ｍｍの範囲で測定が可能となる。
【０１２６】
第一測定ユニット３０は、白色共焦点測定器の第一光源、第一分光受光部３２、及び第一変位決定部３３を収納している。また第二測定ユニット４０は、白色共焦点測定器の第二光源、第二分光受光部４２、及び第二変位決定部４３を収納している。これらは、制御ユニット６０へ接続されており、第一ヘッド部１１及び第二ヘッド部２１の高さ情報は、制御ユニット６０を通じて駆動制御部５１へ送られる。
【０１２７】
駆動制御部５１は、第一ヘッド部１１の高さが基準距離となるように第一ヘッド駆動部１２を制御する。駆動制御部５１は、ＰＬＣやコンピュータＰＣで構成できる。また駆動制御部５１は、駆動表示部５４を備えていてもよい。駆動表示部５４は、駆動制御部５１に設けた液晶ディスプレイや有機ＥＬなどのモニタとしたり、駆動制御部５１に外付けで接続したＨＭＩ等の表示器である。これにより、駆動表示部５４を通じて駆動制御部５１の動作をモニタできる。また駆動表示部５４に加えて操作部を設けたり、あるいは駆動表示部５４をタッチパネルとする等、表示部と操作部を一体とすることで、駆動制御部５１に対して各種の設定を行うことが可能となる。設定内容には、例えば基準距離や駆動スピードなどが挙げられる。
【０１２８】
第一ヘッド駆動部１２は、サーボモータ、ステッピングモータ、ボイスコイルモータなどの電磁駆動をする部材を駆動して、第一ヘッド部１１を所定の位置に移動させる。また移動させる方式は電磁駆動に限らず、例えば空気圧、油圧などの各種アクチュエータを利用してもよい。
【０１２９】
制御ユニット６０は、第一ヘッド部１１で測定された第一変位、及び第二ヘッド部２１で測定された第二変位を、変位算出部７１に送出する。変位算出部７１はこれに基づいて最終の測定値を算出し、外部機器に出力する。外部機器は、表示部やコンピュータＰＣ、ＰＬＣ等である。例えば最終測定値を、外部機器である表示部に表示させる。また表示部は、独立した表示器を利用する他、コンピュータＰＣやＰＬＣが備えるモニタや、駆動表示部５４、あるいは制御ユニット６０に付属させてもよい。また最終測定値を、外部機器であるコンピュータＰＣやＰＬＣに取り込み、取得された時系列のデータを並べて波形形状としてコンピュータＰＣのモニタ上に表示させることができる。また、測定対象物ＷＫの形状の特徴を演算出力してもよい。これにより、例えば測定対象物ＷＫの指定された部位の高さ（Ｐ−Ｐ高さ）や、曲面形状などを把握できる。
【０１３０】
図１３のように、第一ヘッド部１１と第二ヘッド部２１を共に白色共焦点変位計として、同じ測定方式で変位を測定する構成としたことで、第一変位と第二変位の測定タイミングを一致させることができる。すなわち第一変位と第二変位を同期がとれた状態で測定できるため、測定精度を高くすることができる。
【０１３１】
各ユニット同士の接続は、ケーブルを介した接続の他、スタッキング接続させてもよい。スタッキング接続は、２つのユニットの筐体にそれぞれ設けられた連結部によって筐体同士を直接に連結し、連結部を介して両ユニットを電気的に接続する接続方法である。この場合はユニット同士の接続に通信ケーブルを用いることなく、ユニット同士を直接電気的に接続することができる。
【０１３２】
なお各部材は、図１３で示したユニットの構成に限られず、別個のユニットを設けたり、他のユニットに統合することもできる。例えば図１４に示す変位測定システム１００’のように、第一変位決定部３３、第二変位決定部４３、変位算出部７１等の演算を行う部材は、ＰＬＣやコンピュータＰＣ等の外部機器のプロセッサＰＲに担わせてもよいし、制御ユニット６０等に含めてもよい。制御ユニット６０が備えるプロセッサＰＲに、第一変位決定部３３、第二変位決定部４３、変位算出部７１等の演算機能の一部又は全部を実行させることができる。あるいは、このような演算を行うＣＰＵユニットなどの演算ユニットを別途用意してもよい。さらに、ＦＡシステムを構築する各種センサやカメラ等を接続するため、他のユニットを接続したり、増設ユニットや拡張ユニットを付加するなど、任意のシステム構成を採用できる。増設ユニット４は、通信ケーブル９を用いて第一測定ユニット３０を増設するための中継装置であり、制御ユニット６０に直接に連結される。拡張ユニットは他のユニットを接続するためのインターフェースを構築する。このようなシステムにおいても、第一変位決定部３３、第二変位決定部４３、変位算出部７１等の各種の演算を行う部材は、柔軟に一又は複数のユニット、あるいは外部機器等に割り当てることが可能となる。一方で図１５に示す変位測定システム１００”のように、複数のユニットの機能を統合した統合制御部を設けてもよい。
【０１３３】
このように第二測定部に白色共焦点変位計を含む光学式変位計を用いた場合、高速応答性があるため、測定対象物の変位をリアルタイムに測定でき、測定対象物が比較的高速で移動した場合であっても、測定対象物の傾斜に応じて追従することができる。すなわち、測定対象物の表面に沿って合焦位置をスムーズに追従させた制御が可能となる。
［実施形態５］
【０１３４】
以上の例では、第二測定部２０として白色共焦点変位計を用いる例を説明した。ただ本発明は、第二測定部２０で変位を測定する測定方式を、白色共焦点方式に限定するものでなく、他の既知の測定方式が利用できる。例えば、非接触で変位を測定する非接触変位計に限らず、接触式の変位測定方式を用いてもよい。一例として、第二ヘッド部２１を接触式測定値に変更した構成を、実施形態５に係る変位測定システムとして図１６のブロック図に示す。この図に示す変位測定システム５００は、第一ヘッド部１１と、第二ヘッド部２１と、ベース部ＢＳと、第一ヘッド駆動部１２と、第一制御ユニット６１と、第一測定ユニット３０と、第二制御ユニット６２と、第二測定ユニット４０と、駆動制御部５１と、ＰＬＣを備える。なお上述した部材と同様の機能を果たす部材については、同じ名称及び符号を付して詳細説明を適宜省略する。
【０１３５】
第一制御ユニット６１は、上述した制御ユニット６０と同様、第一測定ユニット３０と接続されて第一測定ユニット３０で得られた第一変位を、駆動制御部５１や、変位算出部７１の機能を果たすＰＬＣに対してデータ通信を行い送出する。
【０１３６】
第二ヘッド部２１は、伸縮式のプローブ２６を基準体１４に押し当てて、基準体１４の位置すなわち第一ヘッド部１１の高さを測定している。第二測定ユニット４０は、第二ヘッド部２１で検出した第二変位を演算する。また第二制御ユニット６２は、第二測定ユニット４０で演算された第二変位を、駆動制御部５１やＰＬＣ（変位算出部７１）に対して、データ通信を行い送出する。
【０１３７】
ここで、第二ヘッド部２１の測定と、第一ヘッド部１１の測定の同期をとる必要がある。例えば図１６に示すように、第一変位を取得するタイミングと、第二変位を取得するタイミングとを同期させる同期部を備えてもよい。同期部は、第一制御ユニット６１と第二制御ユニット６２を、同期線で接続する。またこのようなハードウェア的な同期をとる方式に限らず、同期が保証された産業用通信を用いてもよい。例えばＥｔｈｅｒＣＡＴやＰＲＯＦＩＮＥＴ（共に商品名）等の規格化された通信方式を用いる。通信で同期を取る方法として、駆動制御部５１を第一制御ユニット６１と第二制御ユニット６２をそれぞれ接続し、駆動制御部５１から測定のタイミングを指示するタイミング信号を送出する。
【０１３８】
変位算出部７１は、外部機器に対して最終測定値を出力する。外部機器は、出力された最終測定値を受けて表示や処理を行うＰＬＣやコンピュータＰＣである。なお駆動制御部５１と最終測定値出力部は、共通の外部機器（例えばＰＬＣやコンピュータＰＣ）としてもよい。
【０１３９】
以上の例では、第二ヘッド部２１を接触式測定器としているが、本発明は第二変位すなわち第一ヘッド部１１の変位を測定する方式を接触式に限定するものでなく、他の測定方式を利用できる。例えば、第一ヘッド部１１に第二測定部２０を組み込んでもよい。このような例を、実施形態６に係る変位測定システム６００として図１７に示す。
［実施形態６］
【０１４０】
図１７に示す実施形態６に変位測定システム６００は、第一ヘッド部１１と、第一ヘッド駆動部１２と、制御ユニット６０と、第一測定ユニット３０と、第二測定部２０と、駆動制御部５１と、変位算出部７１を備える。なお上述した部材と同様の機能を果たす部材については、同じ名称及び符号を付して詳細説明を適宜省略する。
【０１４１】
図１７に示す実施形態６に変位測定システム６００は、第二測定部２０を、第一ヘッド部１１の移動部分に設けたエンコーダとしている。例えば第一ヘッド駆動部１２にリニアステージを使用する場合は、リニアエンコーダ２０ａでもってエンコーダ情報を取得できる。エンコーダ情報は、第一ヘッド部１１の高さ情報に相当する。このエンコーダ情報と、第一測定ユニット３０で得られた第一変位の情報を取得し、制御ユニット６０を介して変位算出部７１に送出し、変位算出部７１で最終測定値を演算することができる。また第一ヘッド駆動部１２と、第一測定ユニット３０の測定も同期されていることが望ましい。駆動制御部５１は、第一ヘッド駆動部１２も第一測定ユニット３０等と同期させることができる。
【０１４２】
さらに、以上の例では測定対象物ＷＫの変位を測定する第一ヘッド部１１を位置のみ設けた例を示したが、測定対象物ＷＫの複数の箇所を同時に測定するよう、あるいは複数の測定対象物ＷＫの変位を同時に測定するように、ヘッド部を複数台設けてもよい。この場合において、各ヘッド部の測定タイミングを同期させる必要は必ずしもないが、処理の必要に応じて同期させてもよい。また、特に測定対象物ＷＫをＸ方向やＸＹ方向に移動させる場合は、各ヘッド部で変位を測定したタイミングを記録して、測定対象物ＷＫのＸ方向、ＸＹ方向への移動速度や移動位置、タイミングとリンクさせることにより、測定対象物ＷＫの断面や立体形状等のプロファイルを構築することが可能となる。
【０１４３】
以上のように、第二ヘッド部２１に用いる変位測定方式は、共焦点変位計に限定するものでなく、第一ヘッド部１１の変位を測定可能な他の変位計を適宜利用できる。例えば、透過型レーザセンサ、渦電流式センサ等を第二ヘッド部２１として用いてもよい。あるいは、白色共焦点方式に代えて、光源の波長を限定しつつ、対物レンズを音叉により上下に移動させて測定対象物ＷＫ上で光源からの特定波長の光の焦点を結ばせる方式や、分光干渉方式、三角測距方式を利用してもよい。
［実施形態７］
【０１４４】
以上の例では、第一ヘッド部１１と第二測定部２０を個別に構成する例を説明した。ただ本発明は、これらを統合することもできる。このような例を実施形態７に係る変位測定システム７００として、図１８のブロック図に示す。この図に示す変位測定システム７００は、共通ヘッド部１０Ｃと、ヘッド駆動部１２Ａと、共通制御部３０Ｃと、変位算出部７１を備える。なお上述した部材と同様の機能を果たす部材については、同じ名称及び符号を付して詳細説明を適宜省略する。
【０１４５】
共通ヘッド部１０Ｃは、基準体１４を備える第一ヘッド部１１と、第二ヘッド部２１を、共通の筐体内に収納してパッケージ化した部材である。
【０１４６】
ヘッド駆動部１２Ａは、第一ヘッド部１１を移動させるガイド部１３に沿って、第一ヘッド部１１を移動させるように共通ヘッド部１０Ｃと連結される。例えばベルトやワイヤ、ねじなどのリンク機構１６を介して、ヘッド駆動部１２Ａをガイド部１３や第一ヘッド部１１と連結する。
【０１４７】
このヘッド駆動部１２Ａは、共通ヘッド部１０Ｃに含めてもよいが、好ましくは図１８に示すように、共通ヘッド部１０Ｃと分離する。ヘッド駆動部１２Ａは、モータ等の通電により発熱する発熱体を含むため、このような発熱源となり得る部材を共通ヘッド部１０Ｃと分離することによって、熱膨張によりガイド部１３が変形して測定精度が低下する事態を回避できる。
【０１４８】
共通制御部３０Ｃは、第一測定回路３０Ａと、第二測定回路４０Ａと、駆動制御部５１をパッケージ化した部材である。第一測定回路３０Ａと第二測定回路４０Ａは、駆動制御部５１とダイレクトに接続されている。この構成であれば、共通制御部３０Ｃからダイレクトにヘッド駆動部１２Ａを制御するため、高速な応答が実現され、第一ヘッド部１１を追従させることが可能となる。
【０１４９】
また第一測定回路３０Ａ、第二測定回路４０Ａ及び駆動制御部５１と、ヘッド駆動部１２Ａを接続するケーブルは、個別のハーネスとする他、纏められていることが好ましい。例えば一本に纏められた接続ケーブルを接続コネクタ８２でもって接続する。また接続コネクタ８２も、配線ごとに個別に用意する他、共通のコネクタとして一体化していることが好ましい。これによって、配線をすっきりさせて部材同士の接続や分離を容易に行えるようになる。例えば共通ヘッド部１０Ｃと共通測定部を、接続コネクタ８２によって任意に接続と分離を行えるようにする。
［変形例］
【０１５０】
また、第一ヘッド部１１をガイド部１３に沿って昇降させる構成において、図１９に示す変位測定システム８００のようにカウンターウェイト８０を設けてもよい。カウンターウェイト８０は、第一ヘッド部１１と同定の重量を有する重りであり、ワイヤー等で第一ヘッド部１１と接続されている。またワイヤーは滑車等を通じて、第一ヘッド部１１とカウンターウェイト８０とを、ほぼ釣り合う姿勢に吊り下げている。これによって、比較的重量の重い第一ヘッド部１１であっても、第一ヘッド駆動部１２で全重量を受けるのでなく、カウンターウェイト８０によって相殺された重量でもって支持、駆動できるため、安定的に昇降させることができ、重量の印加による変形や経年劣化等を低減して信頼性の高い変位測定を実現できる。
【０１５１】
さらに、以上の例では第一ヘッド部１１や第二測定部２０を装着するベース部ＢＳを、直立した壁状とする例を説明したが、本発明はベース部をこの態様に限定するものでなく、これらを安定的に保持できる部材を適宜利用できる。例えば図２０に示す変位測定システム９００のように、門構え状やゲート状のベース部ＢＳ’を利用してもよい。また上述の通り、ベース部は変位測定装置に必ずしも含める必要はなく、工場内の設備や支柱、壁など、既存の部材をベース部として利用することもできる。
【０１５２】
さらにまた、以上の例では測定対象物ＷＫを載置する載置面ＳＳを固定し、第一ヘッド部１１側を移動させる構成について説明した。いいかえると、ベース部及び第二ヘッド部を固定し、第一ヘッド部をベース部上で移動させる構成を説明した。ただ本発明は、測定対象物ＷＫの変位を測定することが目的であって、測定対象物ＷＫや第一ヘッド部１１のいずれを移動させるかを限定するものでない。すなわち、ベース部と第一ヘッド部を相対移動させることでも実現できる。例えばベース部と測定対象物の載置面との距離を一定に保持したまま、第一ヘッド部側を固定し、ベース部や第二ヘッド部を第一ヘッド部に対して高さ方向移動させることでも、同様に測定対象物の変位を測定できる。あるいは第一ヘッド部とベース部を共に移動させる構成としながら、第一測定領域とベース部との高さ方向の相対移動でもって測定対象物の変位を測定するように構成してもよい。一例として、図２１に示す変位測定システム１０００のように、測定対象物ＷＫを載置する載置面ＳＳ側を高さ方向（図において上下）に移動させる態様においても、本発明を適用できる。
【産業上の利用可能性】
【０１５３】
本発明の変位測定システム、変位測定装置、変位測定方法は、工場などの製造ラインにおいて測定対象物の高さをリアルタイムに測定する場面で好適に利用できる。
【符号の説明】
【０１５４】
１００、２００…変位測定装置
１００ａ…共焦点変位測定装置
１００’、１００”、３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００、１０００…変位測定装置
１０…第一測定部
１０Ｃ…共通ヘッド部
１１…第一ヘッド部
１２…第一ヘッド駆動部
１２Ａ…ヘッド駆動部
１３…ガイド部
１４…基準体
１５…基準面
１６…リンク機構
２０…第二測定部
２０ａ…リニアエンコーダ
２１…第二ヘッド部
２６…プローブ
３０…第一測定ユニット
３０Ａ…第一測定回路
３０Ｃ…共通制御部
３１…第一光源部
３２…第一分光受光部
３３…第一変位決定部
４０…第二測定ユニット
４０Ａ…第二測定回路
４１…第二光源部
４２…第二分光受光部
４３…第二変位決定部
５０…モータ制御ユニット
５１…駆動制御部
５２…モータ接続ユニット
５３…電源ユニット
５４…駆動表示部
６０…制御ユニット
６１…第一制御ユニット
６２…第二制御ユニット
７１…変位算出部
８０…カウンターウェイト
８１ａ、８１ｂ…コネクタ
８２…接続コネクタ
８３…内部バス；８３ａ…信号線；８３ｂ…データ線
８４…ファイバケーブル；８４ａ…光ファイバ；８４ｂ…光ファイバ
８５…電源ライン
９０…ヘッド部
９１…レンズ部
９３…回折型レンズ
３０２…カプラ
３０４…表示用光源
３０５…分光器；３０５ａ…回折格子；３０５ｂ…撮像素子
３０６…測定制御部
３０７…内部電源部
３１０…ヘッド筐体
３１１…光学部材
３１２…屈折レンズ
３１３…回折レンズ
３１４…表示窓
ＷＫ、ＷＫ２…測定対象物
ＳＳ…載置面
ＢＳ、ＢＳ’…ベース部
ＬＡ１…第一光軸
ＬＡ２…第二光軸
ＰＣ…コンピュータ
ＤＬ…検出光
ＰＲ…プロセッサ
ＦＰ１、ＦＰ２、ＦＰ３…焦点位置
ＲＬ…反射光
ＣＡ…軸上色収差量
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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