(57)【要約】【目的】被測定物の重量変化が測定精度に影響を与えないようにした３次元形状計測装置を提供すること。【構成】測定台に固定された被測定物の表面に触針を接触させ、触針を前記被測定物の表面に沿って移動させながら、前記触針の位置をＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に垂直面を成す各基準ミラーと前記触針間距離を計測することにより、前記被測定物の表面形状を測定する３次元形状測定装置において、前記基準ミラーを支持するフレームと被測定物を支持する測定台とが構造的に連結されておらず、それぞれ独立して設置建物床面から支持されていることを特徴とする。【選択図】      図１
2005017020.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定台に固定された被測定物の表面に触針を接触させ、触針を前記被測定物の表面に沿って移動させながら、前記触針の位置をＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に垂直面を成す各基準ミラーと前記触針間距離を計測することにより、前記被測定物の表面形状を測定する３次元形状測定装置において、
前記基準ミラーを支持するフレームと被測定物を支持する測定台とが構造的に連結されておらず、それぞれ独立して設置建物床面から支持されていることを特徴とする３次元形状測定装置。
【請求項２】
建物の床面から支持されている基準ミラーを支持するフレームがベース部とミラーボックス部の上下に分離され、ベース部は床面に固定し、ミラーボックス部をベース部上に、ベース部の変形をミラーボックス部に伝達しにくい支持手段にて支持されていることを特徴とする請求項１記載の３次元形状測定装置。
【請求項３】
前記支持手段の第１の支持機構は、ベース部とミラーボックス部それぞれに設けられた円錐状の凹部と、円錐状の凹部に挿入される球体から構成され、Ｘ，Ｙ，Ｚの３方向に移動不能に固定し、第２の支持機構は、ベース部とミラーボックス部それぞれに設けられたＶ型溝とＶ型溝に挿入される球体から構成され、第１の位置からＹ方向にのみ移動可能に支持し、第３の支持機構は、ベース部上面とミラーボックス部下面に挿入される球体から構成され、Ｘ方向及びＹ方向に移動可能に支持することを特徴とする請求項２記載の３次元形状測定装置。
【請求項４】
前記支持機構の存在するＺ方向の位置は、ミラーボックス部のＺ方向重心位置であることを特徴とする請求項２記載の３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、例えばレンズや鏡等の曲面形状を、精密に、例えば１μｍ以下の誤差で測定するための３次元形状測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
３次元形状測定機において、１００ｎｍ以下の測定精度を達成する測定システムとして、レーザーを用いた干渉計での位置計測システムが広く用いられている。Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に基準となるミラーを設け、被測定物表面上を走査した、触針や非接触変位計の位置を、その基準ミラーに対して干渉計を用いて測定することにより、被測定物形状を正確に測定することが可能となる。
【０００３】
以下に、３次元形状測定機の従来例として特許文献１を挙げる。
【０００４】
その構造は図４に示すように、定盤１０１上にＸ方向又はＸ，Ｙ方向に水平移動するステージ（図示せず）を設け、そのステージ上に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軸ステージ１０３を設け、前記定盤１０１上に固定された被測定物１０６の被測定面とその上方に位置するＺステージ１０３上の特定点との距離Ｚ１を測定する手段を設け、前記定盤１０１上に固定された支持体１０２に、Ｚ軸に垂直なＸ−Ｙ軸基準面１０５を前記Ｚステージ１０３上方に設け、前記Ｘ−Ｙ基準面１０５とその下方に位置するＺ軸ステージ１０３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Ｚ１とＺ２のデータに基づいて被測定物１０６の形状を測定する。
【０００５】
３次元形状測定機において、例えば、１０ｎｍ以下のような、特に高い計測精度を得るためには、Ｘ，Ｙ，Ｚ基準ミラー間の相対距離や被測定物とＸ，Ｙ，Ｚ各基準ミラー間の相対距離を変化させないことが非常に重要となる。被測定物とＸ，Ｙ，Ｚ各基準ミラー間にある構造体の剛性を上げ、固有振動数を高くすることは、床振動等の外乱から、被測定物とＸ，Ｙ，Ｚ各基準ミラー間の相対距離変動を防ぐためには有効な手段である。そのために、従来のＸ，Ｙ，Ｚ基準ミラーの支持体は、被測定物を固定した測定台に直接連結されることにより一体化することで剛性を高くし、構造体の持つ固有振動数を上げる手法が多く用いられていた。
【０００６】
【特許文献１】
特許第３０４６６３５号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図４に示す上記従来例では、定盤１０１上に、基準ミラー１０５の支持体１０２と被測定物１０６があるため、被測定物１０６の自重により定盤１０１が変形し、その変形が支持体１０２を変形させ、基準ミラー１０５の変形及びＸ，Ｙ，Ｚ基準ミラーの相対距離の変動を引き起こす。その基準ミラーの変化は、プローブの位置計測にダイレクトに影響するために被測定物表面形状の計測誤差となるという問題があった。
【０００７】
比較的軽量な被測定物を計測する場合は、その基準ミラーの変化は少なく、大きな誤差要因にならないが、特に、複数の被測定物を測定し、且つ、被測定物の重量が例えば数１０ｋｇ〜数１００ｋｇと大きなばらつきがある場合、基準ミラーの支持体が、被測定物を固定した測定台に連結した構造では、被測定物を測定台に搭載する毎に各基準ミラーの形状、相対距離が大きく変化し、大きな形状測定誤差を生じてしまう原因となる。
【０００８】
本発明は上記問題に鑑みてされたもので、その目的とする処は、被測定物の重量変化が測定精度に影響を与えないようにした３次元形状計測装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、測定台に固定された被測定物の表面に触針を接触させ、触針を前記被測定物の表面に沿って移動させながら、前記触針の位置をＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に垂直面を成す各基準ミラーと前記触針間距離を計測することにより、前記被測定物の表面形状を測定するための３次元形状測定装置において、前記基準ミラーを支持するフレームと被測定物を支持する測定台とが構造的に連結されておらず、それぞれ独立して設置建物床面から支持されていることを特徴としている。
【００１０】
又、本発明に係る３次元形状測定装置において、建物の床面から支持されている基準ミラーを支持するフレームをベース部とミラーボックス部の上下に分離した２段構造とし、ベース部は床面に固定し、ミラーボックス部をベース部上に、ベース部の変形をミラーボックス部に伝達しにくい支持手段にて支持されていることを特徴としている。
【００１１】
又、前記支持手段の第１の支持機構は、ベース部とミラーボックス部それぞれに設けられた円錐状の凹部と、円錐状の凹部に挿入される球体から構成され、Ｘ，Ｙ，Ｚ３方向に移動不能に固定し、第２の支持機構は、ベース部とミラーボックス部それぞれに設けられたＶ型溝とＶ型溝に挿入される球体から構成され、第１の位置からＹ方向にのみ移動可能に支持し、第３の支持機構は、ベース部上面とミラーボックス部下面に挿入される球体から構成され、Ｘ方向及びＹ方向に移動可能に支持することを特徴としている。又、前記支持機構の存在するＺ方向の位置は、ミラーボックス部のＺ方向重心位置であることを特徴としている。
【００１２】
従って、本発明によれば、図３に示すように、基準ミラー２０５を支持するフレーム２０４と、被測定物２０３を支持する測定台２０２とが構造的に連結されておらず、それぞれ独立して剛性の高い設置建物床２０１から支持されているので、被測定物２０３の自重が、Ｘ，Ｙ，Ｚ基準ミラー２０６，２０５（Ｙ基準ミラーは不図示）の変形及びＸ，Ｙ，Ｚ基準ミラー２０６，２０５（Ｙ基準ミラーは不図示）間の相対距離変動を引き起こすことがない。
【００１３】
又、基準ミラーを支持するフレーム２０４と、被測定物２０３を固定する測定台２０２の固有振動数をプローブ位置計測データの取得時間の逆数、つまり平均化処理の周波数よりも数倍大きくなるような構造を採ることにより、基準ミラーと被測定物のそれぞれの支持体が有する固有振動数原因の相対距離の変動ノイズが位置計測データの平均化処理によりキャンセルすることが可能となる。故に、被測定物毎の重量の違いに関係ない正確な３次元形状計測が可能となる。
【００１４】
更に、建物の床面から支持されている基準ミラーを支持するフレームをベース部とミラーボックス部の上下に分離した２段構造とし、ベース部は床面に固定し、ミラーボックス部をベース部上にて、ベース部の変形をミラーボックス部に伝達しにくい支持手段にて支持することにより、設置建物床が経時的に変形し、床に固定されたベース部が変形しても、ミラーボックス部の変形を軽減することができ、正確な３次元形状計測が可能となる。
【００１５】
その支持手段は、上述のような球体を用いて、第１の支持機構でＸ，Ｙ，Ｚ方向の拘束を行い、第２の支持機構でＸ，Ｚ方向の拘束を行い、第３の支持機構でＺ方向の拘束を行うことにより、床面の変形によりベース部が変形しても、第１の支持機構はベース部の変形に追従するが、第２の支持機構はＹ方向に球体が転動し、第３の支持機構はＸ，Ｙ方向に球体が転動するため、ミラーボックス部への力の伝達を小さくすることができる。その結果、ミラーボックス部の変形を軽減することが可能となる。
【００１６】
又、上記ベース部上面のミラーボックス部の支持機構のＺ方向位置をミラーボックス部の重心位置に合わせることにより、ミラーボックス支持機構位置でのＸ軸及びＹ軸周りの慣性モーメントを小さくすることができ、同時に、ミラーボックス部自体の質量の軽減も図ることができるため、結果として、ミラーボックス部の支持部の剛性に起因した剛体モードを含めた固有振動数の向上が可能となる。その結果、プローブ位置の計測データの平均化処理周波数を向上させることができ、計測時間の短縮が可能になる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１は本発明の特徴を表す図面である。先ず、本実施の形態に係る３次元形状計測装置における被測定物形状の計測原理について説明する。
【００１９】
図１において、定盤１６上にＹスライド１４が転動ガイド１５と回転モーター（不図示）に連結された送りねじ２７から構成されている。Ｙスライド１４上には、Ｘスライド９が、転動ガイド１０と送りねじ１３及び回転モーター１１から構成されている。更に、Ｘスライド９には、Ｚ方向に向かってＺスライドガイド７と送りねじ１２と回転モーター８が設けられており、Ｚスライド６を構成している。更に、Ｚスライド６の先端には、接触式のプローブ４が支持されるハウジング３０が固定されている。
【００２０】
接触式プローブ４は、被測定物３の表面のＺ方向高さを測定するためのものであり、ハウジング３０に対して平行板バネ３１ａ〜３１ｄを介してＺ方向のみ移動可能に支持されている。接触式プローブ４の下端には、形状精度が高いことが保証されている球であるマスターボール２１が取り付けられており、その上部にはミラー５が設けられている。Ｚスライド６の接触式プローブ４の直上方の位置にはレーザー干渉計２４が設けられており、Ｚ基準ミラー２２とプローブ４の上部のミラー５との距離Ｚ１を計測する。
【００２１】
ハウジング３０には、ミラー５の位置を検出する変位センサー３２が取り付けられており、ハウジング３０に対する接触式プローブ４の相対変位を検出する。接触式プローブ４を被測定物３の表面上に接触させた状態にて、Ｘ，Ｙスライド９，１４を駆動し、被測定物３の表面上を走査する際、この相対変位を常に一定になるように、Ｚスライド６の位置を制御することで、プローブ４の被測定物３への押し付け圧を一定にすることが可能となる。
【００２２】
又、Ｚスライド６の先端部には、Ｚスライド６のＸ方向の距離を測定するためのレーザー干渉計２５，２６が設けられており、Ｚスライド６の上下の２箇所の点とＸ基準ミラー２３との距離Ｘ１，Ｘ２を測定する。Ｙ方向においても同様なレーザー干渉計（不図示）が設けられており、Ｚスライド６の上下の点とＹ基準ミラー２８との間の距離Ｙ１，Ｙ２を測定する。
【００２３】
以上の構成を用いて、被測定物３表面を接触式プローブ４が被測定物３への押し付け圧を一定に保ちながら走査したときの前記距離Ｚ１と前記距離Ｘ１，Ｘ２，Ｙ１，Ｙ２を同時に測定することで、被測定物３に接触しているマスターボール２１のＸ，Ｙ，Ｚ方向基準ミラー２３，２８，２２からの相対距離を正確に知ることができる。この位置情報には、被測定物３の表面の３次元形状の他に、例えば、ミラーボックス部１７や、測定台１、Ｚスライド６等の様々な周波数成分を持った構造体固有振動数原因のノイズが混入している。
【００２４】
しかし、それらのノイズは周波数を持った成分であり、被測定物３の表面の３次元形状は周波数を持っていない成分であるため、所定の時間に平均化を行うことによって、周波数成分のみのキャンセルが可能であり、被測定物３の表面の３次元形状のみを抽出することが可能となる。
【００２５】
上記３次元形状測定機におけるＸ，Ｙ，Ｚ方向基準ミラー２３，２８，２２支持機構及び被測定物３の支持機構について図１を用いて説明する。
【００２６】
Ｘ，Ｙ，Ｚ方向基準ミラー２３，２８，２２の支持機構は大別して、ベース部２０ａ，２０ｂ，２０ｃとミラーボックス部１７から構成される。ベース部２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、設置建物の剛性の高い床２９に固定され、その上部には、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向基準ミラー２３，２８，２２を保持しているミラーボックス部１７が支持されている。
【００２７】
又、被測定物３は、雇い２を介して測定台１に固定される。その測定台１は、設置建物の剛性の高い床２９に固定されている。
【００２８】
このように、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向基準ミラー２３，２８，２２の支持機構及び被測定物３の支持機構をそれぞれ単独に設置建物の剛性の高い床２９に固定する。被測定物３の重量は床２９の剛性から考慮すると比較的軽量であり、被測定物３の重量による床２９の変形が無視できるレベルであるため、ベース部２０の床２９への接触状態は変化せず、その結果、ミラーボックス部１７の変形を防ぐことが可能となる。故に、重量の異なる被測定物３を測定台１に載せ変えても、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向基準ミラー２３，２８，２２の変形や相対距離の変動は発生しない。その結果、被測定物３重量に関係なくＸ，Ｙ，Ｚ方向基準ミラー２３，２８，２２の各形状およびＸ，Ｙ，Ｚ方向基準ミラー２３，２８，２２間の相対距離の維持が可能となり、重量の大きく異なる被測定物でも精密な３次元形状測定による形状比較が可能となる。
【００２９】
又、上記Ｘ，Ｙ，Ｚ方向基準ミラー２３，２８，２２の支持構造及び被測定物３の支持構造は、建物床１９に固定した状態の固有振動数をＦＥＭを用いて計算し、接触プローブ４のマスターボール２１とＸ，Ｙ，Ｚ方向基準ミラー２３，２８，２２との相対距離測定値内に含まれる、構造体固有振動数原因のノイズ周波数を所定の周波数の例えば５倍以上といった、数倍以上になるように管理してある。その所定の周波数とは、取得される相対距離測定値の平均化を行う時間の逆数であり、固有振動数をその所定の周波数の数倍以上に高くすることで、測定時間内での平均化により、構造体固有振動数原因のノイズはキャンセル可能となり、被測定物３の３次元形状のみの抽出が可能になる。
【００３０】
次に、ミラーボックス部１７のベース部２０ａ，２０ｂ，２０ｃへの支持機構のみを図２を用いて説明する。
【００３１】
第１の支持機構は、ベース部２０ａ上面とミラーボックス部１７下面の支持点両方に、略円錐形状の窪み３３ａ，３３ｂを設け、球１８を挟む。第２の支持点は、ベース部２０ｃ上面とミラーボックス部１７下面の支持点両方に、Ｙ軸に沿う方向に稜線の方向を一致させるようにした略三角柱形状の窪み３４ａ，３４ｂを設け、球１８ｃを挟む。第３の支持点は、ベース部２０ｂ上面とミラーボックス部１７下面の平面間に球１８ｂを挟む。
【００３２】
この構成により、第１の支持点では、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向を拘束し、第２の支持点ではＸ，Ｚ方向方向を拘束し、第３の支持点ではＺ方向を拘束する。ここで、建物床２９が変形し、３つの支持点間距離が変化した場合を考える。第１の支持点と第２の支持点間の距離変化に対しては、第２の支持点の球１８ｃが窪み３４ａ，３４ｂに沿って移動するため、ミラーボックス部１７に不要な力を伝達しづらい。
【００３３】
又、第１第３、第２第３の支持点間の距離が変動しても、第３の支持点はＸ，Ｙ方向に移動可能であるため、ミラーボックス部１７に不要な力を伝達しづらい。故に、ミラーボックス部１７には、設置床２９の温度変動等による変形は伝達されにくい。又、上記ミラーボックス部１７のベース部２０ａ，２０ｂ，２０ｃへの支持機構のＺ方向位置は、ミラーボックス部１７の重心位置１９に合わせてある。
【００３４】
従って、上記ミラーボックス部１７の支持機構位置におけるＸ軸及びＹ軸周りの慣性モーメントを小さくすることができ、同時に、ミラーボックス部１７自体も小型化し質量の軽減も図れるため、結果として、ミラーボックス部１７の支持機構の剛性に起因した剛体モードを含めた固有振動数の向上が可能となる。その結果、構造体固有振動数原因のノイズ周波数が向上し、接触プローブ４のマスターボール２１の位置の計測データの平均化処理周波数を向上させることができ、結果として計測時間の短縮が可能になる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、基準ミラーを支持するフレームと、被測定物を支持する測定台とを構造的に連結せず、それぞれ独立して設置建物床面から支持することにより、被測定物の重量による測定台の変形が基準ミラーを支持するフレームに伝達しないため、基準ミラーの変形や基準ミラー同士の相対位置の変化を防ぐことができ、被測定物毎の重量の違いに関係ない、高精度な測定が可能となる。
【００３６】
又、建物の床面から支持されている基準ミラーを支持するフレームを、ベース部とミラーボックス部の上下に分離し、ベース部は床面に固定し、ミラーボックス部をベース部上に、ベース部の変形をミラーボックス部に伝達しにくい支持手段にて支持されているので、床の変形がミラーボックス部に伝達しづらく、高精度な測定が可能となる。
【００３７】
更に、前記ミラーボックス部の支持機構の存在するＺ方向の位置をミラーボックス部のＺ方向重心位置に合わせることで、ミラーボックス部の支持部の剛性に起因した剛体モードを含めた固有振動数の向上させているので、計測データの平均化処理周波数を向上させることができ、計測時間の短縮が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る３次元形状測定装置の構成を示す図である。
【図２】本発明に係る３次元形状測定装置におけるＸＹＺ基準ミラー支持構造を示す図である。
【図３】本発明に係る３次元形状測定装置におけるＸＹＺ基準ミラー支持構造と被測定物支持構造を示す図である。
【図４】従来の３次元形状測定装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１，２０２  測定台
２          被測定物固定雇い
３，１０６，２０３  被測定物
４，２０８      プローブ
５          プローブＺ方向位置検出ミラー
６，２０７  Ｚスライド
７          Ｚ転動ガイド
８          Ｚ回転モーター
９          Ｘスライド
１０        Ｘ転動ガイド
１１        Ｘ回転モーター
１２        Ｚ送りねじ
１３        Ｘ送りねじ
１４        Ｙスライド
１５        Ｘ転動ガイド
１６，１０１    定盤
１７        ＸＹＺ基準ミラー保持フレーム（ミラーボックス部）
１８ａ〜１８ｃ  球体
１９        ミラーボックス部重心
２０ａ〜２０ｃ  ミラーボックス部支持ベース
２１        マスターボール
２２，１０５，２０５  Ｚ基準ミラー
２３，２０６    Ｘ基準ミラー
２４        Ｚ１測定用干渉測長器
２５        Ｘ１測定用干渉測長器
２６        Ｘ２測定用干渉測長器
２７        Ｙ送りねじ
２８        Ｙ基準ミラー
２９，２０１    建物床
３０        ハウジング
３１ａ〜３１ｄ    板バネ
３２        変位センサー
３３ａ，３３ｂ    円錐形状の窪み
３４ａ，３４ｂ    三角柱形状の窪み
１０２      支持体
１０３      Ｚステージ
１０４      変位計
２０４      基準ミラー支持体
【図１】
2005017020.tif 000003
【図２】
2005017020.tif 000004
【図３】
2005017020.tif 000005
【図４】
2005017020.tif 000006