(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
定盤上に固着された被測定物の形状測定用変位測定プローブを搭載し、該プローブを前記被測定物に対して、三次元方向に移動させる移動手段と、該移動手段の移動量を測定する測定手段と、前記変位測定プローブ内から前記被測定物にレーザ光を照射するレーザ光照射手段とを備え、
前記レーザ光照射手段から前記被測定物にレーザ光が照射され、該被測定物から反射されるレーザ光に基づいて、前記移動手段が被測定物と前記プローブとの距離を一定に保つように移動させ、前記測定手段が前記移動手段の移動量を測定することにより前記被測定物の形状を測定する三次元形状測定装置において、
前記測定手段が、同一平面上にない三軸のレーザ測長器を用いて、前記移動手段による移動量を測定し、該レーザ測長器のレーザ光の光軸の交点を被測定物の測定点とし、
前記移動手段が、それぞれ同一平面上にない三軸を移動軸とし、該移動軸のうち変位測定方向を除く二軸が作る平面が、前記レーザ光の二軸が作る平面と平行であり、
該それぞれの平面を作る移動二軸とレーザ光の二軸のそれぞれが、互いに一定の角度を持つことを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項２】
前記変位測定方向を除く移動二軸が作る平面と変位測定方向の移動軸とが直交することを特徴とする請求項１記載の三次元形状測定装置。
【請求項３】
前記移動二軸が作る平面と平行な平面を作るレーザ光の二軸が、それぞれ直交することを特徴とする請求項１記載の三次元形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定物を非接触で高精度に三次元の形状を測定する三次元形状測定装置およびＺ軸ステージに関するものであるが、該Ｚ軸ステージは、各種自動生産機器や精密加工機などにも応用可能である。
【０００２】
【従来の技術】
（１）特開平４−２９９２０６号公報（超高精度三次元測定機）に記載の発明は、定盤上に、Ｘ軸方向又はＸ−Ｙ軸方向に水平移動する架台を設け、この架台に、Ｘ軸方向又はＸ−Ｙ軸方向に垂直なＺ軸方向に上下移動するＺ軸移動台を設け、前記定盤上に固定された被測定物の被測定面とその上方に位置するＺ軸移動台上の特定点との距離Ｚ１を測定する測定手段を設け、前記定盤上に固定された支持体に、Ｚ軸に垂直なＸ−Ｙ軸基準面を前記Ｚ軸移動台の上方に設け、前記Ｘ−Ｙ軸基準面とその下方に位置するＺ軸移動台上の特定点との距離Ｚ２を測定する測定手段を設け、前記被測定物のＸＹ軸方向の各測定点に対する前記距離Ｚ１と前記距離Ｚ２の各データに基づいて前記被測定物の形状を測定するようにしたもので、定盤上に固定された支持体を介して、前記Ｚ軸移動台の上方に、Ｚ軸に垂直なＸ−Ｙ基準面を設けることにより、スペース的に、大型の被測定物を固定し、測定手段Ｚ１を設けたＺ軸移動台を、Ｘ−Ｙ−Ｚ軸方向に大きく移動できる余地を確保しながら、架台及び架台上の測定用スケール設定手段及び測定手段と、各種ミラー、プリズム、偏光板等の光学システムの配置をコンパクトにして、架台及び光学システムを撓みや振動がなく、かつ、Ｘ−Ｙ軸基準平面ミラー上に光を垂直に当てるようにしている。
（２）特開平２−１３４５０６号公報（形状測定装置）に記載の発明は、ばねによって吊るされ、上下方向へ駆動手段を備えたＺ移動部と、前記ばねの張力と前記Ｚ移動部の重力がつりあう平衡位置からの前記Ｚ移動部の位置の変位を検出し位置信号を発生する位置検出手段と、前記位置信号を前記駆動手段に伝達し、前記平衡位置からの変位に比例して発生するばね力に大きさがほぼ等しく方向が逆の駆動力を前記駆動手段によって発生させるばね力補償手段を備えており、面の形状を測定する３次元測定機において、レーザ光を測定面上に集光し、この反射面からフォーカスサーボをかけ、測定面の形状を０．０１μｍ台の超高精度で測定する光学プローブ等で、Ｚ移動部をばねで吊るしリニアモータで駆動する方式で、ばねの復元力の影響を実質的になくし、フォーカス誤差等をなくし、高い測定精度と良好な操作性を達成できるようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記特開平４−２９９２０６号公報（超高精度三次元測定機）に記載の発明は、
▲１▼測定系の各軸移動量の測定用レーザ干渉器の直交三軸の光軸の交点に測定点を持たないため、測定データの中に、測定光学レイアウトに起因するアッベの誤差が入り込むという欠点がある。
▲２▼重力補償機構がついていないため、駆動モータは大きな推力を必要とし、装置が大きくなるという欠点がある。
▲３▼Ｚ軸ステージの移動量の測定をレーザ干渉器のみで行っているため、レーザパワーが瞬時に落ちてしまうような事態では、位置の情報を全て失い、制御上大変危険であるという欠点がある。
▲４▼光学レイアウトの占めるスペースが大きく、可動テーブルと測定ヘッドの間に、参照ミラーが配置されており、対象物の大きなワークを測定する場合、測定ストロークが制限されてしまうという欠点がある。
▲５▼▲３▼記載のリニアスケールを用いていないので、この技術課題が生じていない。
▲６▼落下防止機構を持っていない。
▲７▼▲２▼のような重力補償機能を用いていないので、この技術課題が生じていない。
▲８▼ダンパ機能を備えていない。このため、急激な移動が避けられない。
【０００４】
また、上記特開平２−１３４５０６号公報（形状測定装置）に記載の発明は、
▲１▼重力補償機構として、コイルばねを用いているが、これでは駆動モータは（上下方向に可動体を駆動する力）＋（ばねの復元力）の合わせた推力が必要となり、ばね定数が大きいとばねの復元力が大きくなりサイズの大きなモータが必要となるし、ばね定数が小さいばねではある程度ばね長さが必要となるため、いずれにしろ装置スペースの増大化を招くという欠点がある。
▲２▼落下防止機能を持っていない、
▲３▼ばねの交換に関する記載はないが、ただ単にばねを可動体にフックのようなもので引っかけるだけだとすると、結合部に遊びが出て、これにより微少な振動が生じるし、また、ユニット化していないと交換に要する作業時間がかかり、交換のあいだに重量物を支えるための力が必要となる。
【０００５】
請求項１の発明は、被測定物の形状を測定するためのレーザ光の光軸の交点を被測定物の測定点とすることで、アッベの測定誤差をなくし前記従来技術（１）の技術課題を解決できるようにしたものである。
請求項２の発明は、プローブが重力方向を向き、重力方向に測定を行うようにして、測定時に重力による傾きを生じさせず、プローブの傾きを制御する必要がなく、装置の制御を簡略化できるようにしたものである。
さらに、移動軸とレーザ光の軸とが同一直線上にのらないようにし、参照ミラーとの干渉がストローク内で制限をうけることがなくなるようにして、装置全体を小型化できるようにしたものである。
【０００７】
請求項２の発明は、移動二軸が作る平面と変位測定方向の移動軸とを直交させて、移動軸の制御を簡単にできるようにしたものである。
請求項３の発明は、移動二軸が作る平面と平行な平面を作るレーザ光の二軸を、それぞれ直交させて、被測定物の測定および移動軸の制御を簡単にできるようにしたものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記目的達成のため、定盤上に固着された被測定物の形状測定用変位測定プローブを搭載し、該プローブを前記被測定物に対して、三次元方向に移動させる移動手段と、該移動手段の移動量を測定する測定手段と、前記変位測定プローブ内から前記被測定物にレーザ光を照射するレーザ光照射手段とを備え、前記レーザ光照射手段から前記被測定物にレーザ光が照射され、該被測定物から反射されるレーザ光に基づいて、前記移動手段が被測定物と前記プローブとの距離を一定に保つように移動させ、前記測定手段が前記移動手段の移動量を測定することにより前記被測定物の形状を測定する三次元形状測定装置において、前記測定手段が、同一平面上にない三軸のレーザ測長器を用いて、前記移動手段による移動量を測定し、該レーザ測長器のレーザ光の光軸の交点を被測定物の測定点とし、前記移動手段が、それぞれ同一平面上にない三軸を移動軸とし、該移動軸のうち変位測定方向を除く二軸が作る平面が、前記レーザ光の二軸が作る平面と平行であり、該それぞれの平面を作る移動二軸とレーザ光の二軸のそれぞれが、互いに一定の角度を持つことを特徴としたものである。
【００１９】
請求項２記載の発明は、上記目的達成のため、請求項１記載の発明において、前記変位測定方向を除く移動二軸が作る平面と変位測定方向の移動軸とが直交することを特徴としたものである。
請求項３記載の発明は、上記目的達成のため、請求項１記載の発明において、前記移動二軸が作る平面と平行な平面を作るレーザ光の二軸が、それぞれ直交することを特徴としたものである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係わる高精度三次元形状測定装置におけるＺ軸ステージの右側面図、図２は、本発明に係わるボイスコイルモータのボビン構造を示した図、図３は、本発明に係わる重力補償機構をユニット化した図、図４は、本発明に係わるＺ軸ステージを用いて構成した三次元形状測定装置の平面レイアウト図である。
【００２６】
空気ばね式防振台（図示せず）に載せられた石定盤１の上に全体ベース２を取り付け、その上にＸステージ３とＹステージ４からなるＸＹ二軸ステージを設け、その上に立設されたＺ軸イケール（アングルプレート）５を基板としてＺ軸ステージ６を設ける。このＺ軸ステージ６は、Ｚ軸イケール５にガイド軸として単軸のエアスライド７を取り付け、これを動かす駆動力として、ボイスコイルモータ８を使う。これによって、Ｚ軸テーブル９をＺ軸方向に移動可能とし、そこに取り付けられている測定プロ−ブ１０により、石定盤１上に固着させた被測定物１１を測定する。Ｚ軸テーブル９とエアスライド７の両側面には、ＸＹＺ三軸方向にレーザを照射するレーザ光源を備えて、各々の測定基準となる平面ミラー（１２Ｘ、１２Ｙ、１２Ｚ）で反射されて戻ってきた光との間で起こる干渉縞を検出できるレーザ干渉器（１３Ｘ、１３Ｙ、１３Ｚ）と、前述のレーザ光源から各平面ミラー（１２Ｘ、１２Ｙ、１２Ｚ）に折り返すのに用いる各々の反射ミラー（１４Ｘ、１４Ｙ、１４Ｚ）が取り付けられている。この時、各レーザの光軸の交点が被測定物１１の測定点になるように配置する。
【００２７】
また、Ｚ軸イケール５に、リニアスケール用の検出ヘッド１５を固着して取り付け、そしてエアスライド７の側面に、リニアスケール１７を保持部材１８を介して取り付けることにより、可動するＺ軸テーブル９の移動量を測定できる。
図２に示すように、ボイスコイルモータ８のボビン部材１６は、ステンレスの一体構造からくり抜いたものに、コイルを巻き付けている。
【００２８】
また、Ｚ軸イケール５上部には、渦巻ばね１９を用いて巻取ドラム２０を設け、この巻取ドラム２０は、両端をベアリング２１によって、軸支されており回転自在となっている。渦巻ばね１９は、そこから伸ばして直接Ｚ軸テーブル９のガイド軸であるエアスライド７の可動側の両側面にある取り付け金具と連結して、吊り上げるようになっており、重力補償機構を構成している。
【００２９】
この重力補償機構は、図３に示すように、ユニット化されており、Ｚ軸イケール５より、はり出すベース板２４上に箱形をしたユニット２３をねじ止めするだけで交換できるようになっている。
また、Ｚ軸ステージ６は、落下防止手段として、Ｚ軸イケール５の裏側に固着されたエアシリンダ２５によって作動するはさみ板２６と静止しているパッド２７の間を、エアスライド７により延設された摺動板２８が摺動するようになっている。また、パッド２７には、ゴム材２９が貼られている。
【００３０】
また、図３に示すように、巻き取りドラム２０Ａ、Ｂの回転運動に対してＺ軸イケール５上部に固定されているロータリーダンパ３０Ａ、Ｂによって、制動力が作用するようになっている。
次に、図１，図４を用いて、本実施例で用いた三次元形状測定装置における測定動作について説明する。あらかじめ、被測定物１１用にティーチングされているポジションに動き、測定プローブ１０が測定可能な位置まで接近し測定を開始する。具体的には、主走査方向であるＸ軸方向に動作させながら、測定プローブ１０を搭載したＺ軸テーブル９の移動量を測定することで精密な測定を可能とする。これは、測定プローブ１０と被測定物１１との間隔を略一定に保つように変位計の値（プローブの読み）を使って、Ｚ軸方向に制御をかけ、この時のＺ軸テーブル９の軌跡である移動量δ１と、変位計が測定した被測定物１１との正確な距離δ２をたし合わせた値によって、被測定物１１の形状の測定を行うものである。
【００３１】
また、図４でも示されているが、レーザ測長器の平面レイアウト図を図５に示す。図５に示されるように、移動軸をそれぞれＸ、Ｙ、Ｚ軸とし、紙面上にＸ軸、Ｙ軸があり、紙面上方に被測定物の形状を測定するＺ軸を持つとする。この時、紙面上のＸ軸、Ｙ軸とそれぞれ一定角傾けてレーザ測長器を配置する。このことにより、レーザ光と移動方向が同一直線上にのることがなく、ミラーがじゃまになることもないので、装置を小型化できる。また、測定方向がＸ軸であるならば、Ｙ軸Ｚ軸に対して一定角傾け、測定方向がＹ軸であるならば、Ｘ軸Ｚ軸に対して一定角傾けた位置にレーザ測長器を配置する。
【００３２】
さらに、渦巻ばね１９からなる重力補償手段に、動作方向に対して、流体等の粘性抵抗を利用したダンパを備えることにより、粘性抵抗比を高くすることができ、Ｚ軸ステージの重力補償機構に起因する固有振動数において、振動的になることを抑えることができ、制御上ゲインも上げることができる。
このダンパ機構を使用したときの効果を示すために、粘性減衰比ζをパラメータとした振動数と振幅の関係を図６に示す。図６に示すように、ダンパ機構を用いることにより、粘性減衰比ζを大きくとることができ、起振振動数ωが系の固有振動数ωｎに等しくなる共振状態での振幅を抑えることができる。例えば、本実施例では、系の固有振動数は１Ｈｚあたりに存在し、ダンパ機構を用いない場合粘性減衰比ζが０．４であったが、ダンパを用いることで、粘性減衰比ζを０．７に改善することができた。
【００３３】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、被測定物の形状に沿って移動するプローブの移動量をレーザ測長器を用い、同一平面上にない三軸のレーザ光の光軸の交点を測定点とするので、アッベの誤差が測定結果に入り込まないようにでき、正確な測定を行うことができる。
さらに、移動軸とレーザ光の軸とが同一直線上にのらないので、参照ミラーとの干渉がストローク内で制限をうけることがなく、装置全体を小型化できる。
【００３５】
請求項２記載の発明によれば、移動二軸が作る平面と変位測定方向の移動軸とが直交するので、移動軸の制御を簡単にできる。
【００３６】
請求項３記載の発明によれば、移動二軸が作る平面と平行な平面を作るレーザ光の二軸が、それぞれ直交するので、被測定物の測定および移動軸の制御を簡単にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる高精度三次元形状測定装置におけるＺ軸ステージの右側面図である。
【図２】本発明に係わるボイスコイルモータのボビン構造を示した図である。
【図３】本発明に係わる重力補償機構をユニット化した図である。
【図４】本発明に係わるＺ軸ステージを用いて構成した三次元形状測定装置の平面レイアウト図である。
【図５】本発明に係わるレーザ測長器の平面レイアウト図である。
【図６】粘性減衰比ζをパラメータとした振動数と振幅の関係を示す図である。
【符号の説明】
１  定盤
２  全体ベース
３  Ｘステージ
４  Ｙステージ
５  Ｚ軸イケール
６  Ｚ軸ステージ
７  エアスライド
８  ボイスコイルモータ
９  Ｚ軸テーブル
１０  測定プローブ
１１  被測定物
１２Ｘ、１２Ｙ、１２Ｚ  平面ミラー
１３Ｘ、１３Ｙ、１３Ｚ  レーザ干渉器
１４Ｘ、１４Ｙ、１４Ｚ  反射ミラー
１５  検出ヘッド
１６  ボビン部材
１７  リニアスケール
１８  保持部材
１９  渦巻ばね
２０Ａ、Ｂ  巻取ドラム
２１  ベアリング
２３  ユニット
２４  ベース板
２５  エアシリンダ
２６  はさみ板
２７  パッド
２８  摺動板
２９  ゴム材
３０Ａ、Ｂ  ロータリーダンパ
【図１】
0003678887.tif 000002
【図２】
0003678887.tif 000003
【図３】
0003678887.tif 000004
【図４】
0003678887.tif 000005
【図５】
0003678887.tif 000006
【図６】
0003678887.tif 000007