(57)【要約】【課題】簡易な構成で高精度に回転体からなる被測定物に特有の測定が可能な形状測定装置、その方法、及びプログラムを提供する。【解決手段】形状測定装置は、回転体からなる被測定物４を所定の回転軸を中心として回転させながら、被測定物４の各回転角における表面の変位を測定する。形状測定装置の制御部４１は、被測定物４の各回転角における表面の変位を予備測定する（Ｓ１１）。制御部４１は、予備測定によって取得された被測定物４の表面形状を示す測定値と予め記憶されている被測定物４の設計値とから測定値の設計値に対するずれ量を算出する（Ｓ１２）。制御部４１は、算出されたずれ量に基づいて被測定物４の姿勢を調整する（Ｓ１３）。制御部４１は、姿勢調整後の被測定物４を回転軸を中心として回転させながら、被測定物４の各回転角における表面の変位を本測定する（Ｓ１４）。【選択図】図３
2010185804.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体からなる被測定物を所定の回転軸を中心として回転させながら、前記被測定物の各回転角における表面の変位を測定する形状測定装置において、
前記被測定物の各回転角における表面の変位を予備測定するための制御を行う手段と、
前記予備測定によって取得された前記被測定物の表面形状を示す測定値と予め記憶されている前記被測定物の設計値とから前記測定値の前記設計値に対するずれ量を算出する手段と、
前記算出されたずれ量に基づいて前記被測定物の姿勢を調整する手段と、
前記姿勢調整後の前記被測定物を前記回転軸を中心として回転させながら、前記被測定物の各回転角における表面の変位を本測定するための制御を行う手段と
を備えたことを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
回転体からなる被測定物を所定の回転軸を中心として回転させながら、前記被測定物の各回転角における表面の変位を測定する形状測定方法において、
前記被測定物の各回転角における表面の変位を予備測定するステップと、
前記予備測定によって取得された前記被測定物の表面形状を示す測定値と予め記憶されている前記被測定物の設計値とから前記測定値の前記設計値に対するずれ量を算出するステップと、
前記算出されたずれ量に基づいて前記被測定物の姿勢を調整するステップと、
前記姿勢調整後の前記被測定物を前記回転軸を中心として回転させながら、前記被測定物の各回転角における表面の変位を本測定するステップと
を備えたことを特徴とする形状測定方法。
【請求項３】
回転体からなる被測定物を所定の回転軸を中心として回転させながら、前記被測定物の各回転角における表面の変位を測定する形状測定プログラムであって、
コンピュータに、
前記被測定物の各回転角における表面の変位を予備測定するステップと、
前記予備測定によって取得された前記被測定物の表面形状を示す測定値と予め記憶されている前記被測定物の設計値とから前記測定値の前記設計値に対するずれ量を算出するステップと、
前記算出されたずれ量に基づいて前記被測定物の姿勢を調整するステップと、
前記姿勢調整後の前記被測定物を前記回転軸を中心として回転させながら、前記被測定物の各回転角における表面の変位を本測定するステップと
を実行させる
ことを特徴とする形状測定プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の回転軸を中心として相対的に回転する被測定物の回転角に同期して変位測定する、いわゆる真円度測定機などの形状測定装置、形状測定方法、及び形状測定プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、非球面レンズ等の非球面形状を有する被測定物の測定においては、互いに直交するＸ軸及びＹ軸に沿って接触式の測定プローブを移動させながら被測定物の表面を倣い測定する方法（特許文献１、２）及び光学プローブを使用する方法（特許文献３，４）等が知られている。
【０００３】
このうち、Ｘ軸及びＹ軸に沿って接触式測定プローブを移動させる方法は、いずれか一方の真直精度が悪い場合、面データとして精度の良い測定データを取得することが困難で、非球面体のような回転体に特有の同軸度、回転振れといった測定項目を求めるには精度が不足するという問題がある。
【０００４】
また、光学プローブを使用する方法は、レーザ発光装置が必要であり、装置が大がかりで高価なものになるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−１２０２３９号公報
【特許文献２】特開２００２−３５７４１５公報
【特許文献３】特開平４−３４０４０６号公報
【特許文献４】特開平７−４９２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、簡易な構成で高精度に回転体からなる被測定物に特有の測定が可能な形状測定装置、その方法、及びプログラムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る形状測定装置は、回転体からなる被測定物を所定の回転軸を中心として回転させながら、前記被測定物の各回転角における表面の変位を測定する形状測定装置において、前記被測定物の各回転角における表面の変位を予備測定するための制御を行う手段と、前記予備測定によって取得された前記被測定物の表面形状を示す測定値と予め記憶されている前記被測定物の設計値とから前記測定値の前記設計値に対するずれ量を算出する手段と、前記算出されたずれ量に基づいて前記被測定物の姿勢を調整する手段と、前記姿勢調整後の前記被測定物を前記回転軸を中心として回転させながら、前記被測定物の各回転角における表面の変位を本測定するための制御を行う手段とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る形状測定方法は、回転体からなる被測定物を所定の回転軸を中心として回転させながら、前記被測定物の各回転角における表面の変位を測定する形状測定方法において、前記被測定物の各回転角における表面の変位を予備測定するステップと、前記予備測定によって取得された前記被測定物の表面形状を示す測定値と予め記憶されている前記被測定物の設計値とから前記測定値の前記設計値に対するずれ量を算出するステップと、前記算出されたずれ量に基づいて前記被測定物の姿勢を調整するステップと、前記姿勢調整後の前記被測定物を前記回転軸を中心として回転させながら、前記被測定物の各回転角における表面の変位を本測定するステップとを備えたことを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る形状測定プログラムは、回転体からなる被測定物を所定の回転軸を中心として回転させながら、前記被測定物の各回転角における表面の変位を測定する形状測定プログラムであって、コンピュータに、前記被測定物の各回転角における表面の変位を予備測定するステップと、前記予備測定によって取得された前記被測定物の表面形状を示す測定値と予め記憶されている前記被測定物の設計値とから前記測定値の前記設計値に対するずれ量を算出するステップと、前記算出されたずれ量に基づいて前記被測定物の姿勢を調整するステップと、前記姿勢調整後の前記被測定物を前記回転軸を中心として回転させながら、前記被測定物の各回転角における表面の変位を本測定するステップとを実行させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、簡易な構成で高精度に回転体からなる被測定物に特有の測定が可能な形状測定装置、その方法、及びプログラムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る形状測定装置の概略構成を示す外観斜視図である。
【図２】実施形態に係る形状測定装置の演算処理装置本体３１の構成を示すブロック図である。
【図３】実施形態に係る形状測定装置の動作を示すフローチャートである。
【図４】ステップＳ１１２の動作を説明するための図である。
【図５】擬似測定点Ｐｉを示す図である。
【図６】ステップＳ１１３の動作を説明するための図である。
【図７】ステップＳ１１（ステップＳ１１４）の後に得られる擬似測定点Ｐｉの分布を示す図である。
【図８】最小自乗法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、本発明に係る実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１３】
［実施形態に係る形状測定装置の構成］
先ず、図１を参照して、実施形態に係る形状測定装置の構成を説明する。図１は、実施形態に係る形状測定装置（真円度測定装置）の外観斜視図である。
【００１４】
形状測定装置は、回転体からなる被測定物４（例えば、非球面レンズ）を所定の回転軸を中心として回転させながら、被測定物４の各回転角における表面の変位を測定する。形状測定装置は、図１に示すように、測定機本体１と、駆動制御装置１ａを介して測定機本体１に接続された演算処理装置２とから構成される。
【００１５】
測定機本体１は、基台３と、この基台３上に設けられて半球状の被測定物４を載置すると共に回転させるテーブル５と、このテーブル５に載置された被測定物４の変位を検出する変位検出装置６と、これらを操作するための操作部７とを備えて構成されている。
【００１６】
テーブル５は、円板状の載物台１１を、その下側に配置された回転駆動装置１２により回転駆動して、載物台１１の上に載置された被測定物４を回転させるものである。回転駆動装置１２の側面には、調整用つまみ１３が、周方向にほぼ９０度の間隔で配置されている。これら調整用つまみ１３を操作することにより、手動操作で載物台１１の心出し及び水平出しが行えるようになっている。すなわち、載物台１１は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に調整可能に構成されている。また、載物台１１は、後述する制御部４１により、心出し及び水平出しが行われるように構成されている。
【００１７】
変位検出装置６は、次のように構成されている。即ち、基台３には上方に延びるコラム２１が立設されており、このコラム２１にスライダ２２が上下動可能に装着されている。スライダ２２にはスタイラス２３が装着されている。スタイラス２３は、水平（Ｘ軸、Ｙ軸）、垂直（Ｚ軸）方向に駆動可能に構成されており、その先端には接触子２４が設けられている。接触子２４は、その先端が被測定物に接触可能に構成されている。コラム２１、スライダ２２、及びスタイラス２３は、接触子駆動手段を構成している。
【００１８】
上記スライダ２２、スタイラス２３を移動させ、接触子２４を被測定物４の表面を走査（トレース）することによって、Ｘ軸方向の各位置における表面の高さＺが測定データ（擬似測定点Ｐｉ）として得られるようになっている。
【００１９】
演算処理装置２は、変位検出装置６で得られた擬似測定点Ｐｉを取り込む。演算処理装置２は、演算処理を実行する演算処理装置本体３１、及び操作部３２、表示画面３３を有する。また、演算処理装置２は、操作部７と同様に測定機本体１の動作を制御可能に構成されている。
【００２０】
次に、図２を参照して、演算処理装置本体３１の構成について説明する。図２は、本発明の実施形態に係る演算処理装置本体３１の構成を示すブロック図である。
【００２１】
演算処理装置本体３１は、図２に示すように、主に、制御部（ＣＰＵ：Central Processing Unit）４１、ＲＡＭ（Random Access Memory）４２、ＲＯＭ（Read Only Memory）４３、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）４４、表示制御部４５を有する。演算処理装置本体３１において、操作部３２から入力されるコード情報及び位置情報は、Ｉ／Ｆ４６ａを介して制御部４１に入力される。制御部４１は、ＲＯＭ４３に格納されたマクロプログラム及びＨＤＤ４４からＩ／Ｆ４６ｂを介してＲＡＭ４２に格納された各種プログラムに従って、各種の処理を実行する。
【００２２】
制御部４１は、測定実行処理に従って、Ｉ／Ｆ４６ｃを介して測定機本体１を制御する。ＨＤＤ４４は、各種制御プログラムを格納する記録媒体である。ＲＡＭ４２は、各種プログラムを格納する他、各種処理のワーク領域を提供する。また、制御部４１は、表示制御部４５を介して表示画面３３に測定結果等を表示する。
【００２３】
制御部４１は、ＨＤＤ４４から各種プログラムを読み出し、そのプログラムを実行することにより、後述する図３に示す動作を実行する。制御部４１は、被測定物４の各回転角における表面の変位を予備測定するための制御を行う。制御部４１は、予備測定によって取得された被測定物４の表面形状を示す測定値と予め記憶されている被測定物４の設計値とから測定値の設計値に対するずれ量を算出する。制御部４１は、算出されたずれ量に基づいて被測定物４の姿勢を調整する。制御部４１は、姿勢調整後の被測定物４を回転軸を中心として回転させながら、被測定物４の各回転角における表面の変位を本測定するための制御を行う。
【００２４】
[実施形態に係る形状測定装置の動作]
次に、図３を参照して実施形態に係る形状測定装置の動作について説明する。図３は、実施形態に係る形状測定装置の動作を示すフローチャートである。
【００２５】
先ず、制御部４１は、被測定物４の各回転角における表面の変位を予備測定する（ステップＳ１１）。
【００２６】
ここで、ステップＳ１１のより具体的な説明を行う。ステップＳ１１において、制御部４１は、接触子２４をＸ軸方向の開始位置Ｐｓに移動させる（ステップＳ１１１）。次に、制御部４１は、図４に示すように、テーブル５をＺ軸方向を中心に３６０°回転させるに伴い、接触子２４を走査することで擬似測定点Ｐｉを取得する（ステップＳ１１２）。擬似測定点Ｐｉは、図５に示すように、被測定物４への接触時における接触子２４の所定位置を示す点である。複数の擬似測定点Ｐｉを結ぶ線分は、ワーク面Ｓ０から所定距離をもつ。続いて、制御部４１は、図６に示すように、接触子２４をＸ軸方向に所定距離Ｌ移動させる（ステップＳ１１３）。次に、制御部４１は、接触子２４がＸ軸方向の終了位置Ｐｅに位置するか否かを判断する（ステップＳ１１４）。ここで、制御部４１は、接触子２４がＸ軸方向の終了位置Ｐｅに位置しないと判断すると（ステップＳ１１４、Ｎ）、ステップＳ１１２からの処理を再び実行する。一方、制御部４１は、接触子２４がＸ軸方向の終了位置Ｐｅに位置すると判断すると（ステップＳ１１４、Ｙ）、続いて、ステップＳ１２の処理に移行する。
【００２７】
ステップＳ１２において、制御部４１は、予備測定によって取得された被測定物４の表面形状を示す測定値と予め記憶されている被測定物４の設計値とから測定値の設計値に対するずれ量を算出する（ステップＳ１２）。具体的に、制御部４１は、最小自乗法（ベストフィット）により擬似測定点Ｐｉ（測定値）と被測定物４の表面を規定する設計面ｆ（ａ、ｘ）（ｆ（ａ、ｘ）＝０）（設計値）とを照合させ、その照合により被測定物４の配置状態（ずれ量）を推定する。ここで、被測定物４の配置状態とは、被測定物４の中心軸の向いている方向を含む。
【００２８】
ここで、例えば、被測定物４のＺ軸方向の中心がテーブル５の回転軸（Ｚ軸）の中心と揃っている場合、ステップＳ１２にて用いられる擬似測定点Ｐｉは、図７に示すように、Ｘ−Ｙ平面にて、測定経路に沿って同心円状の複数の円を描くように分布する。
【００２９】
次に、制御部４１は、算出されたずれ量に基づいて被測定物４の姿勢を調整する（ステップＳ１３）。具体的に、制御部４１は、推定した被測定物４の配置状態に基づき、被測定物４の中心軸を載物台１１の回転軸に一致するように、載物台１１を調整し、被測定物４の姿勢を調整する。
【００３０】
続いて、制御部４１は、姿勢調整後の被測定物４を回転軸を中心として回転させながら、被測定物４の各回転角における表面の変位を本測定する（ステップＳ１４）。
【００３１】
ここで、ステップＳ１４のより具体的な説明を行う。ステップＳ１４において、制御部４１は、接触子２４をＸ軸方向の開始位置Ｐｓ’に移動させる（ステップＳ１４１）。次に、制御部４１は、テーブル５をＺ軸方向を中心に３６０°回転させるに伴い、接触子２４を走査することで擬似測定点Ｐｉ’を取得する（ステップＳ１４２）。続いて、制御部４１は、接触子２４をＸ軸方向に所定距離Ｌ移動させる（ステップＳ１４３）。次に、制御部４１は、接触子２４がＸ軸方向の終了位置Ｐｅ’に位置するか否かを判断する（ステップＳ１４４）。ここで、制御部４１は、接触子２４がＸ軸方向の終了位置Ｐｅ’に位置しないと判断すると（ステップＳ１４４、Ｎ）、ステップＳ１４２からの処理を再び実行する。一方、制御部４１は、接触子２４がＸ軸方向の終了位置Ｐｅ’に位置すると判断すると（ステップＳ１４４、Ｙ）、その処理を終了させる。
【００３２】
次に、図８を参照して、最小自乗法（ステップＳ１０５）の処理について説明する。図８に示すように、最小自乗法においては、擬似測定点Ｐｉ（ｉ＝１、２、…、ｎ）と、設計面ｆ（ａ，ｘ）を用いる。設計面ｆ（ａ，ｘ）の「ａ」は、設計面を表現するパラメータを意味し、設計面ｆ（ａ，ｘ）の「ｘ」は、設計面を構成する座標を意味する。
【００３３】
最小自乗法は、擬似測定点Ｐｉを平行移動Ｔ、及び回転Ｒによって剛体移動させ、設計面ｆ（ａ，ｘ）と最も良く一致する姿勢を求めるものである。この姿勢は、平行移動Ｔ、及び回転Ｒによって与えられる。「最も良く一致する姿勢を求める」とは、数学的に上記剛体移動後の擬似測定点Ｐｉの値と設計面ｆ（ａ，ｘ）との最短距離の２乗和を最小とすることを意味する。
【００３４】
図８においては、平行移動Ｔ、及び回転Ｒによって剛体移動した擬似測定点Ｐｉを、点「ｘｉ」として表している。また、点ｘｉと設計面ｆ（ａ，ｘ）との間の最小距離を与える設計面上の点を「ｘｉ”」として表している。また、擬似測定点Ｐｉは、上述したように接触子２４の所定位置として得られる。点「ｘｉ’」を、その接触子２４の形状によるオフセットを考慮した真の測定点とすると、最小自乗法により最小化する量は、「Σ｜ｘｉ’−ｘｉ”｜２」となる。以上、最小自乗法により求めた平行移動Ｔ、及び回転Ｒによって、被測定物４の配置状態を推定することができる。
【００３５】
[実施形態に係る形状測定装置の効果]
次に、実施形態に係る形状測定装置の効果について説明する。実施形態に係る形状測定装置において、制御部４１は、被測定物４の各回転角における表面の変位を予備測定し、予備測定によって取得された測定値と予め記憶されている被測定物４の設計値とから測定値の設計値に対するずれ量を算出する。上記構成により、実施形態に係る形状測定装置は、簡易な構成で高精度に被測定物４の回転軸からのずれ量を求めることができる。
【００３６】
さらに、制御部４１は、算出されたずれ量に基づいて被測定物４の姿勢を調整し、姿勢調整後の被測定物４を回転軸を中心として回転させながら、被測定物４の各回転角における表面の変位を本測定する。上記構成により、実施形態に係る形状測定装置は、簡易な構成で迅速にその測定の精度を保証することができる。
【００３７】
上記精度の保証により、実施形態に係る形状測定装置は、様々な幾何公差を測定可能となる。例えば、レンズの光軸（上面の表面基準）とレンズの外周との関係（同軸度／直角度／振れ／平面度）を求めることができる。例えば、レンズの上面の軸とその下面との軸との関係を求めることができる。例えば、レンズの上面で心水平出しを行い、そのレンズの下面の軸の評価を行うことができる。
【００３８】
また、実施形態に係る形状測定装置は、ＸＹＺ軸を移動させて測定を行う三次元測定機ではなく、θ軸の回転精度（テーブル面が上下／左右に動く挙動）が保証されている真円度測定機を使用しているので、上述の回転体特有の測定を高精度で行うことができる。
【００３９】
［その他の実施形態］
以上、形状測定装置の実施形態を説明してきたが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更、追加、置換等が可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１…測定機本体、２…演算処理装置、３…基台、４…被測定物、５…テーブル、６…変位検出装置、７…操作部、２１…コラム、２２…スライダ、２３…スタイラス、２４…接触子、３１…演算処理装置本体、３２…操作部、３３…表示画面。
【図１】
2010185804.tif 000003
【図２】
2010185804.tif 000004
【図３】
2010185804.tif 000005
【図４】
2010185804.tif 000006
【図５】
2010185804.tif 000007
【図６】
2010185804.tif 000008
【図７】
2010185804.tif 000009
【図８】
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