(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の変位計を有する検出器で計測対象物を走査し、前記計測対象物の表面形状を計測する形状計測装置であって、
前記検出器に設けられ、前記変位計を覆い、前記複数の変位計の受発光部に対向する部分に開口が設けられた被覆手段と、
前記複数の変位計が存在する領域を通り、前記開口を通り、且つ、前記計測対象物が存在する領域まで到達する空気の流れを形成するように、送風を行う送風手段と、を備えることを特徴とする形状計測装置。
【請求項２】
前記変位計は、レーザ変位計であり、
前記被覆手段は、前記開口が、前記レーザ変位計の受発光部に対向する位置に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の形状計測装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の形状計測装置を備えることを特徴とする加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、形状計測装置及び加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
３つの変位計を用いて逐次３点法により計測対象物の表面形状を求め、真直度の測定を行う真直度測定法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２５４７４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した真直度測定法において、例えばレーザ変位計を用いて繰り返し測定を行うと、レーザ光源の熱により光学系が変位し、レーザ変位計の測定値が時間の経過と共に変動する場合がある。また、レーザ変位計と計測対象物との間に介在する空気層の揺らぎの影響を受けて、レーザ変位計の測定値がばらつく場合がある。
【０００５】
このように変位計の測定値が時間によって変動したり、空気層の揺らぎの影響を受けてばらつくと、表面形状の計測精度が低下し、例えば数十ｎｍレベルの高分解能での計測を高精度に行うことが困難になる可能性がある。
【０００６】
本発明は上記に鑑みてなされたものであって、計測対象物の表面形状を高精度に計測可能な形状計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によれば、変位計を有する検出器で計測対象物を走査し、前記計測対象物の表面形状を計測する形状計測装置であって、前記変位計と前記計測対象物との間に送風する送風手段と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の実施形態によれば、計測対象物の表面形状を高精度に計測可能な形状計測装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態における加工装置を例示する図である。
【図２】実施形態における形状計測装置の構成を例示する図である。
【図３】実施形態におけるセンサヘッドの構成を例示する図である。
【図４】実施形態におけるカバー及び送風ファンの構成を例示する図である。
【図５】実施形態におけるカバー内部の空気の流れについて説明するための図である。
【図６】実施形態における形状計測を説明するための図である。
【図７】実施形態における形状計測処理のフローチャートを例示する図である。
【図８】実施形態におけるギャップデータを例示する図である。
【図９】送風ファンによる送風が無い状態でのギャップデータを例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
【００１１】
（加工装置の構成）
図１は、本実施形態に係る形状計測装置が搭載された加工装置２００の構成を例示する図である。
【００１２】
加工装置２００は、図１に示されるように、可動テーブル１０、テーブル案内機構１１、砥石ヘッド１５、砥石１６、案内レール１８、制御装置２０、表示装置４０を有する。なお、以下の図面において、Ｘ方向は可動テーブル１０の移動方向、Ｙ方向はＸ方向に直交する砥石ヘッド１５の移動方向、Ｚ方向はＸ方向及びＹ方向に直交する高さ方向である。
【００１３】
可動テーブル１０は、テーブル案内機構１１によってＸ方向に移動可能に設けられており、加工対象及び計測対象となる物体１２が載置される。テーブル案内機構１１は、可動テーブル１０をＸ方向に移動させる。
【００１４】
砥石ヘッド１５は、下端部に砥石１６が設けられており、Ｘ方向に移動可能且つＺ方向に昇降可能に案内レール１８に設けられている。案内レール１８は、砥石ヘッド１５をＸ方向及びＺ方向に移動させる。砥石１６は、円柱形状を有し、その中心軸がＹ方向に平行になるように砥石ヘッド１５の下端部に回転可能に設けられている。砥石１６は、砥石ヘッド１５と共にＸ方向及びＺ方向に移動し、回転して物体１２の表面を研削する。
【００１５】
制御装置２０は、可動テーブル１０及び砥石ヘッド１５の位置を制御し、砥石１６を回転させることで、物体１２の表面を研削するように加工装置２００の各部を制御する。
【００１６】
表示装置４０は、例えば液晶ディスプレイ等である。表示装置４０は、制御装置２０によって制御され、例えば物体１２の加工条件等が表示される。
【００１７】
（形状計測装置の構成）
図２は、加工装置２００に搭載されている形状計測装置１００の構成を例示する図である。図２に示されるように、形状計測装置１００は、制御装置２０、センサヘッド３０、表示装置４０を含む。
【００１８】
制御装置２０は、上記したように、物体１２の表面を研削するように加工装置２００の各部を制御すると共に、センサヘッド３０の各変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃから出力される測定値に基づいて、物体１２の表面形状を求める。
【００１９】
制御装置２０は、センサデータ取得部２１、ギャップデータ算出部２３、形状算出部２５を有する。制御装置２０は、例えばＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を含み、ＣＰＵがＲＡＭと協働してＲＯＭに記憶されている制御プログラムを実行することで各部の機能が実現される。
【００２０】
センサデータ取得部２１は、センサヘッド３０に設けられている各変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃからセンサデータを取得する。ギャップデータ算出部２３は、センサデータ取得部２１が取得したセンサデータからギャップデータを算出する。形状算出部２５は、ギャップデータ算出部２３によって算出されたギャップデータに基づいて、物体１２の表面形状を算出する。形状算出部２５によって求められた物体１２の表面形状は、表示装置４０に表示される。制御装置２０の各部において実行される処理については後述する。
【００２１】
センサヘッド３０は、検出器の一例であり、第１変位センサ３１ａ、第２変位センサ３１ｂ、第３変位センサ３１ｃ等を備え、加工装置２００の砥石ヘッド１５の下端に設けられている。図３は、実施形態に係るセンサヘッド３０の構成を例示する側面図である。
【００２２】
センサヘッド３０は、図３に示されるように、第１変位センサ３１ａ、第２変位センサ３１ｂ、第３変位センサ３１ｃがＸ方向に一列に配設されている。また、センサヘッド３０には、第１変位センサ３１ａ、第２変位センサ３１ｂ、第３変位センサ３１ｃを覆うカバー５０、カバー５０の内部に送風する送風ファン６０が設けられている。
【００２３】
第１変位センサ３１ａ、第２変位センサ３１ｂ、第３変位センサ３１ｃは、変位計の一例であり、例えばレーザ変位計である。第１変位センサ３１ａ、第２変位センサ３１ｂ、第３変位センサ３１ｃは、測定点が物体１２の表面上においてＸ方向に平行な直線状に等間隔で並ぶように配設されている。
【００２４】
物体１２が可動テーブル１０に載せられてＸ方向に移動すると、センサヘッド３０が物体１２に対して相対移動し、各変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃが物体１２の表面を走査して測定値を出力する。
【００２５】
図４は、実施形態におけるカバー５０及び送風ファン６０の構成を例示する図である。
【００２６】
カバー５０は、被覆手段の一例であり、図４に示されるように、変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃを覆うようにセンサヘッド３０に設けられている。なお、本実施形態におけるカバー５０は箱型であるが、変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃを覆うことが可能であれば異なる形状であってもよい。
【００２７】
カバー５０は、変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃと計測対象物である物体１２との間であって、変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃの下面に設けられている受発光部に対向する部分に、開口５１が形成されている。変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃは、カバー５０の開口５１から物体１２にレーザ光を照射し、物体１２からの反射光を受光することで、物体１２表面の測定点との間の距離を測定する。なお、カバー５０には、それぞれ変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃの受発光部に対向するように複数の開口が設けられてもよく、開口の形状は矩形に限られるものではない。
【００２８】
送風ファン６０は、送風手段の一例であり、カバー５０の側面に設けられている。送風ファン６０は、例えばカバー５０の上面等、本実施形態とは異なる位置に設けられてもよく、カバー５０の異なる位置に複数設けられてもよい。
【００２９】
送風ファン６０は、外部からカバー５０の内部に送風し、変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃを冷却する。変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃは、送風ファン６０により冷却されることで、熱で光学系が変位することによる測定値の経時変動が低減される。
【００３０】
また、図５に示されるように、送風ファン６０によってカバー５０の内部に送り込まれた空気は、カバー５０下面の開口５１から排出される。このように、送風ファン６０がカバー５０の内部に送風することで、カバー５０の内部から開口５１を通って物体１２の表面に向かう空気の流れが形成される。
【００３１】
カバー５０及び送風ファン６０によって、変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃと物体１２表面との間に一定の空気の流れが形成されることで、変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃと物体１２表面との間の空気層の揺らぎが低減される。したがって、形状計測装置１００は、変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃによる測定値のばらつきが低減され、物体１２の表面形状を高精度に計測することが可能になる。
【００３２】
なお、本実施形態では、形状計測装置１００と加工装置２００とが、制御装置２０及び表示装置４０を共用する構成になっているが、形状計測装置１００及び加工装置２００のそれぞれに制御装置と表示装置とが設けられてもよい。また、可動テーブル１０が物体１２と共にＸ方向に移動する構成になっているが、センサヘッド３０が物体１２に対してＸ方向に移動する構成であってもよい。
【００３３】
（形状計測方法）
次に、形状計測装置１００において物体１２の表面形状を計測する方法について説明する。図６は、表面形状の計測方法について説明するための図である。
【００３４】
変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃは、図６に示されるように、間隔ＰでＸ方向に一列に配設され、それぞれ物体１２表面のａ点、ｂ点、ｃ点との距離を測定する。変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃによって求められる各変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃと物体１２の表面との距離をそれぞれＡ，Ｂ，Ｃとすると、図６（Ａ）に示されるＺ方向におけるｂ点からａ点とｃ点とを結ぶ直線との距離ｇ（ギャップ）は、以下の式（１）により求められる。
【００３５】
【数１】
0006611177.tif 000002
次に、物体１２表面のｂ点における変位ｚの２階微分（ｄ２ｚ／ｄｘ２）は、ｂ点の曲率（１／ｒ）であり、図６（Ｂ）に示されるように、ａ点とｂ点とを結ぶ直線の傾き（ｄｚａｂ／ｄｘ）と、ｂ点とｃ点とを結ぶ直線の傾き（ｄｚｂｃ／ｄｘ）とを用いて、以下の式（２）により表される。
【００３６】
【数２】
0006611177.tif 000003
式（２）に、以下の式（３），（４）を代入し、さらに式（１）を用いると、式（５）で表されるように、変位ｚの２階微分である曲率をギャップｇ及びセンサ間の距離Ｐから求められることが分かる。
【００３７】
【数３】
0006611177.tif 000004
【００３８】
【数４】
0006611177.tif 000005
【００３９】
【数５】
0006611177.tif 000006
センサ間の距離Ｐは予め定められているため、各変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃによるセンサデータから式（１）に基づいてギャップｇを求め、式（５）により求められる曲率を積分ピッチで２階積分することで、任意のｘ点における変位ｚを求めることができる。積分ピッチは、例えば走査時におけるＸ方向の各変位センサ３１ａ,３１ｂ，３１ｃのデータ取得間隔等である。
【００４０】
図７は、実施形態における形状計測処理のフローチャートを例示する図である。
【００４１】
図７に示されるように、物体１２の表面形状を計測する場合には、まずステップＳ１０１にて、送風ファン６０がカバー５０内部への送風を開始する。次にステップＳ１０２にて、計測対象物である物体１２が可動テーブル１０に載置されている状態で、センサヘッド３０が物体１２の表面を走査する。
【００４２】
ステップＳ１０３では、センサデータ取得部２１が、センサヘッド３０と共に物体１２の表面を走査する各変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃから、設定されているサンプリング周期でセンサデータを取得する。ステップＳ１０４では、ギャップデータ算出部２３が、センサデータ取得部２１によって取得されたセンサデータから、式（１）に基づいてギャップｇを算出し、走査範囲の複数の測定点におけるギャップｇを含むギャップデータを得る。
【００４３】
ステップＳ１０５では、形状算出部２９が、ギャップデータ算出部２３によって求められギャップデータから、式（５）に基づいて物体１２の表面形状を算出する。また、形状算出部２９によって算出された物体１２の表面形状が、表示装置４０に表示される。
【００４４】
ここで、本実施形態において同じ測定点を１０秒間測定した場合のギャップデータを図８に示す。また、送風ファン６０による送風が無い状態で、同様に同じ測定点を１０秒間測定した場合のギャップデータを図９に示す。
【００４５】
本実施形態に係る形状計測装置１００では、上記したように、送風ファン６０がカバー５０内部に送風し、変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃを冷却すると共に、変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃと物体１２との間に空気の流れを形成する。したがって、変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃは、熱や空気層の揺らぎによる測定値の変動が低減され、図８に示されるようにほぼ一定のギャップデータを得ることが可能になっている。
【００４６】
これに対して、送風ファン６０による送風が無い状態では、変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃの測定値が、熱や空気層の揺らぎによる影響を受けて変化することにより、図９に示されるようにギャップデータが大きく変動していることが分かる。
【００４７】
以上で説明したように、本実施形態に係る形状計測装置１００によれば、送風ファン６０によって変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃが冷却されることで、熱の影響による変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃの測定値変動が低減される。また、カバー５０及び送風ファン６０によって変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃと物体１２との間に形成される空気の流れで空気層の揺らぎが低減され、変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃの測定値が安定する。
【００４８】
したがって、形状計測装置１００は、変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃの測定値が安定するため、物体１２の表面形状を高精度に計測できる。また、計測精度が低下することなく、物体１２の表面形状を繰り返し高精度に計測できる。
【００４９】
また、本実施形態に係る形状計測装置１００が搭載された加工装置２００は、物体１２の表面を研削した後、物体１２を可動テーブル１０に載せたまま形状計測装置１００によって実行される表面形状計測結果に基づいて、補正加工等を行うことができる。したがって、物体１２の加工を効率良く、高精度に行うことができる。
【００５０】
以上、実施形態に係る形状計測装置及び加工装置について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。
【００５１】
例えば、形状計測装置１００は、本実施形態とは異なる構成で物体１２の研削等の加工を行う加工装置に搭載されてもよい。
【００５２】
また、形状計測装置１００のセンサヘッド３０に設けられる変位センサの数や配置等の構成は、変位センサの測定値に基づいて物体１２の表面形状を計測可能であれば、本実施形態において例示した構成に限られるものではない。また、センサヘッド３０に設けられる変位センサの測定値に基づいて物体１２の表面形状を計測可能であれば、表面形状の計測方法は本実施形態において例示した方法に限られない。
【００５３】
また、形状計測装置１００において、センサヘッド３０の変位センサを覆うカバー５０は設けられなくてもよい。この場合、送風ファン６０は、センサヘッド３０の変位センサと物体１２の表面との間に送風するように、例えば砥石ヘッド１５やセンサヘッド３０等に設けられる。送風ファン６０により変位センサと物体１２の表面との間の空気層の揺らぎが低減し、物体１２の表面形状を高精度に計測可能になる。カバー５０を設けない場合には、送風ファン６０からの送風量を少なくすることができる。また、変位センサと物体１２の表面との間により確実に安定して送風することが可能になる。
【符号の説明】
【００５４】
１２  物体（計測対象物）
２０  制御装置
２１  センサデータ取得部
２３  ギャップデータ算出部
２５  形状算出部
３０  センサヘッド（検出器）
３１ａ  第１変位センサ（変位計）
３１ｂ  第２変位センサ（変位計）
３１ｃ  第３変位センサ（変位計）
５０  カバー（被覆手段）
５１  開口
６０  送風ファン（送風手段）
１００  形状計測装置
２００  加工装置
【図１】
0006611177.tif 000007
【図２】
0006611177.tif 000008
【図３】
0006611177.tif 000009
【図４】
0006611177.tif 000010
【図５】
0006611177.tif 000011
【図６】
0006611177.tif 000012
【図７】
0006611177.tif 000013
【図８】
0006611177.tif 000014
【図９】
0006611177.tif 000015