JP2006162266A

JP2006162266A - 機上形状測定方法

Info

Publication number: JP2006162266A
Application number: JP2004349614A
Authority: JP
Inventors: Harutaka Kondo; 晴崇近藤; Yasunari Nagaike; 康成長池
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2004-12-02
Filing date: 2004-12-02
Publication date: 2006-06-22

Abstract

【課題】原器を被測定物の形状の種類分用意することなく、また、形状が異なる度に補正のための測定を行うことなく、衝となる測定機と機上形状測定機の機差を補償する。
【解決手段】任意の設計式にて面形状を定義できる被測定物である被測定原器１７を、衝となる外部形状測定機１２にて測定して形状を明らかにする工程と、超精密加工用旋盤１に設置された形状測定機３にて被測定原器１７を測定して形状を明らかにする工程と、外部形状測定機１２により明らかにされた形状と形状測定機３により明らかにされた形状との誤差を求める工程と、誤差に基づいて加工機上に設置された形状測定機３の測定結果に補正を与える工程とを行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学素子の光学面や前記光学素子を成形する金型の成形面の形状を測定する方法に関するものである。

光学素子の光学面や前記光学素子を成形する金型の成形面を機械加工する際には、超精密加工機が用いられている。前述のような高精度な面形状が必要とされる被加工物は、加工後に加工機上に設置された機上形状測定機にて形状測定が行われ、この形状測定で被加工物の面形状が所望形状を得られていないと判断された場合には、前述の測定結果を用いて補正加工が行われる。そして、被加工物の面形状が所望形状を得られたと判断された場合には、加工機外にある衝となる外部形状測定機にて形状測定が行なわれ、規格を満足しているかの可否判断が行われる。この時、機上形状測定機による形状測定結果と衝となる外部形状測定機の測定結果では、接触子の真球度の異なり、移動軸の固有差、測定動作の異なり、その他の測定機間の機差により、形状が一致しないことがある。

この両形状測定機間の機差を補正する方法として、図７に示すようなフローチャートで形状測定する方法が提案されている（特許文献１参照）。この発明によると、被測定物に近似な形状を有し、設計上の形状データが明らかな原器を測定し（Ｓ１）、第１の測定値を求める。次に、原器の形状データを用いて第１の測定値を補正し、装置誤差量を求める（Ｓ２）。次に、被測定物の形状を測定して第２の測定値を求め（Ｓ３）、前記装置誤差量を用いて第２の測定値を補正し（Ｓ４）、被測定物の真の座標情報を求めている。
特開２０００−８１３２９号公報

しかし、前記従来技術の形状測定方法及び装置においては以下のような欠点がある。
例えば、被測定物に近似な形状を原器として使用するため、被測定物が複数種類に異なる形状になった場合には、その種類分の数の原器を用意する必要があった。また、形状測定作業が異なる形状になる度に、近似形状の原器を測定する作業を必要とし、原器を測定するための時間が大きく掛かり、また測定のための工数が掛かるといった問題があった。

本発明の目的は、原器を形状の種類分用意することなく、また、形状が異なる度に補正のための測定を行うことなく、衝となる測定機と機上形状測定機の機差を補償する機上形状測定方法を提案する。

上記目的を達成するために、本発明の機上形状測定方法は、加工後に加工機上に設置された形状測定機を用いて被加工物面形状を測定する機上形状測定方法において、
任意の設計式にて面形状を定義できる被測定物を衝となる測定機にて測定し前記被測定物の形状を明らかにする工程と、前記加工機上に設置された形状測定機にて前記被測定物を測定し前記被測定物の形状を明らかにする工程と、前記衝となる測定機により明らかにされた形状と前記加工機上に設置された形状測定機により明らかにされた形状との誤差を求める工程と、前記誤差に基づいて前記加工機上に設置された形状測定機の測定結果に補正を与える工程と、を有することを特徴とする。
これにより、前記衝となる測定機により明らかにされた形状と前記加工機上に設置された形状測定機により明らかにされた形状との誤差を求め、この誤差に基づいて加工機上に設置された形状測定機の測定結果に補正を与えるため、衝となる測定機と機上形状測定機の機差を補償することができる。

また、本発明は、前記誤差に基づいて形状測定機の測定結果に補正を与えるに際し、前記加工機上に設置された形状測定機の接触子の形状に対する補正として与えるのが好ましい。
形状測定に際し、誤差の発生する要因として、接触子の影響は大きいことは従前から分かっている。このため、接触子の形状に合わせて補正を与えることにより、より高い精度の形状測定が行える。

また、本発明は、前記接触子の形状に対する補正として与えるに際し、前記被測定物に接触している前記接触子の接触角度に対応する、前記衝となる測定機により明らかにされた形状と前記加工機上に設置された形状測定機により明らかにされた形状との誤差量を求め、この誤差量を前記接触子の接触角度と共に前記接触子の形状に対する補正として与えるのが好ましい。
このように、衝となる測定機により明らかにされた形状と加工機上に設置された形状測定機により明らかにされた形状との誤差量を、接触子の接触角度に応じ、接触子の形状に対する補正として与えることから、前記誤差量を、接触子の真球度誤差データとしてみなして処理することとなり、形状測定に際し、接触子の真球度誤差を取り除くことができる。

また、本発明は、前記接触角度を、前記設計式を１回微分することで得ることが好ましい。
これにより、接触角度を容易に求めることができる。
また、本発明は、前記接触角度を、前記接触子の移動量をその時の前記測定機の走査量で除算して求めるのが好ましい。
これによっても、接触角度を容易に求めることができる。
また、本発明は、前記衝となる測定機により明らかにされた形状と前記加工機上に設置された形状測定機により明らかにされた形状の差を、移動平均または近似多項式によって平準化することが好ましい。
これにより、機差データからノイズを除去することができ、その後データ処理が容易になる。

本発明の機上形状測定方法によれば、機上形状測定機と、衝となる例えば外部の測定機の間に機差が生じても、これを接触子の真球度誤差データとしてみなし、補正を与えることで、前記の機差を補正することができ、また原器を形状の種類分用意することなく、また、形状が異なる度に補正のための測定を行うことなく、衝となる例えば外部の測定機と機上形状測定機の機差を補償することが可能となる。

以下、本発明に係る機上形状測定方法の実施形態を、図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
まず、本発明の第１実施形態を、図１〜図５によって説明する。
図１は、第１実施形態に係る機上形状測定方法を適用する超精密加工用旋盤及び外部形状測定機の概略構成図、図２は、機上形状測定方法を実行するソフトウェアを説明するブロック図、図３は、機上形状測定方法の流れを説明するフローチャート、図４は、真球度誤差データを説明するグラフ図、図５は、接触子による真球度の測定動作を示す説明図である。

図１において、符号１は、光学素子の光学面や前記光学素子を成形するための型を加工する工作機である超精密加工用旋盤を示す。前記超精密加工用旋盤１には、加工機から被測定物２を取り外すことなくＸ軸方向及びＺ軸方向の２軸の動作をし、加工面の断面形状を接触子８で接触し、走査測定できる機上形状測定機３が設置されている。また、機上形状測定機３の測定結果を形状解析できるソフトウェア４が備え付いたコンピュータ５が前記超精密加工用旋盤１とケーブル５ａを介して接続されている。

図２に示すように、前記ソフトウェア４には、所望形状を示す設計式７、前記機上形状測定機３に取り付けられている接触子８の曲率半径９、そして形状解析をするための解析幅１０を入力できるようになっている。また、前記ソフトウェア４には、前記記載の設計式７、曲率半径９、解析幅１０、そして被測定物２を前記機上形状測定機３にて測定されたＸ軸方向とＺ軸方向の２軸の座標データ群を持った測定データ１１より、所望形状を示す設計式７からの誤差を解析する形状解析機能が備え付いている。また、外部形状測定機１２の形状解析結果から出力される、Ｘ軸方向とＺ軸方向の２軸の座標データ群を持った誤差データ６を読み取ることができる機能が備え付いている。

ソフトウェア４は、図４に示すように、前記外部形状測定機１２の誤差データ６から機上形状測定機３の形状解析データ１６を、Ｘ軸方向の座標毎に差分を行うことで機々間の機差データ１３を求めることができる機能を有している。また、ソフトウェア４は、上記機差データ１３を、移動平均法若しくは近似多項式によって平準化する機能も有している。更に、ソフトウェア４は、被測定物２がＸ軸方向の変位に伴い接触子８との接触角度Ａが漸次変化する関係上、誤差データ６と形状解析データ１６のＸ軸方向の位置座標より接触子８と被測定物２の接触角度Ａ（図５参照）を求めることができる機能を有している。前記接触角度Ａの求め方は、前記設計式７を微分することで得られる微分式にＸ軸方向の位置座標を代入することで求めることができる。

また、ソフトウェア４は、前記機差データ１３と前記接触角度Ａとの関係の真球度誤差データ１５を作成する機能を有している。また、ソフトウェア４は、機上形状測定機３による被測定物２の形状測定及び形状解析された形状解析データ１６を、接触角度Ａに対応させたＸ軸方向の座標の誤差量に真球度誤差データ１５を加算できる機能を有している。

次に、第１実施形態の機上形状測定方法の流れを、図３のフローチャートを用いて説明する。
なお、以下に本発明の第１実施形態の作用を具体的に説明するが、これらは本発明を限定するものではない。
任意の設計式形状に極めて近似させた被測定原器１７を、外部形状測定機１２にて形状測定を行い（Ｓ１０１）形状解析を行う（Ｓ１０２）。上記解析結果から出力される誤差データ６をソフトウェア４に取り込むことができるように、外部記録媒体にデータ保存する（Ｓ１０３）。

次に、上記被測定原器１７を超精密加工用旋盤１に取り付け（Ｓ１０４）、機上形状測定機３にて形状測定を行い（Ｓ１０５）、測定データ１１を作成させる。上記測定データ１１を用い、ソフトウェア４上で上記被測定原器１７の設計式に対し形状解析を行い（Ｓ１０６）、機上形状測定機３による形状解析データ１６を出力させ、コンピュータ５内部の記憶装置に一時保存させる。

ソフトウェア４に、外部形状測定機１２による誤差データ６を外部記録媒体より取り込む（Ｓ１０７）。上記外部形状測定機１２による誤差データ６と機上形状測定機３による形状解析データ１６のＸ軸方向の座標が一致するように座標の合わせ込みを行う。次に、外部形状測定機１２による誤差データ６の誤差量から機上形状測定機３による形状解析データ１６の誤差量の差分を求め、Ｘ軸方向の座標と関連付ける。これを形状解析の必要区間内全ての測定点で行うことで、機差データ１３を作成する（Ｓ１０８）。Ｘ軸方向の座標の合わせ込み誤差、形状測定時の振動あるいは外乱で、上記機差データ１３の誤差量はノイズを持ったデータになる。ここで、機差データ１３の誤差量を任意に設定した数の平均を求め、それを誤差量として平均化処理することで、上記ノイズを消去し、上記機差データ１３を平準化する（Ｓ１０９）。

上記被測定原器１７の設計式７の微分式を算出し、Ｘ軸方向の座標を入力し接触子８の接触角度Ａを算出する。これを形状解析の必要区間内全ての測定点で行う。上記平準化された機差データ１３のＸ軸方向の座標を接触角度Ａに変換し、上記接触角度Ａと誤差量の差分の相関データとする。これを形状解析の必要区間内全ての測定点で行い、このデータを真球度誤差データ１５とし、コンピュータ５内の記憶装置にデータ保存する（Ｓ１１０）。すなわち上記真球度誤差データ１５は、図１に示す外部形状測定機１２と機上形状測定機３の機差を接触子８の真球度誤差データ１５とみなすこととなる。

上記被測定原器１７とは異なる、例えば実際に超精密加工用旋盤１で加工された被測定物２を機上形状測定機３にて形状測定し（Ｓ１１１）、ソフトウェア４上で形状解析を行い（Ｓ１１２）、誤差データ６の出力を行う。次にソフトウェア４で上記被測定物２の設計式７の微分式を算出し、Ｘ軸方向の座標を入力し、接触子８の接触角度Ａを算出する。これを形状解析の必要区間内全ての測定点で行う（Ｓ１１３）。

次に真球度誤差データ１５を呼び出し、ソフトウェア４内に真球度誤差データ１５の読み込みを行う。真球度誤差データ１５の接触角度Ａと上記被測定物２の接触角度Ａを一致させ、その時の機差データ１３を求め、上記機差データ１３を対応する形状解析データ１６へ加算させる。これを形状解析の必要区間内全ての測定点で行うことで、機上形状測定機３の真球度誤差データ１５をデータ補正する（Ｓ１１４）。これより真の形状解析データ１６を算出することができる。よって上記被測定物２を上記外部形状測定機１２にて形状測定、形状解析すれば得られたであろう誤差データ６を求めることができる。

このように、上記第１実施形態によれば、機上形状測定機３と外部形状測定機１２の間に機差が生じても、これを接触子８の真球度誤差データ１５としてみなし、補正を与えることで前記機差を補正することができ、また、原器を形状の種類分用意することなく、しかも形状が異なる度に補正のための測定を行うことなく、衝となる外部形状測定機１２と機上形状測定機３の機差を補償することが可能となる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
なお、上記第１実施形態と同一構造部分には、同一符号を付して説明を省略する。
本発明の第２実施形態は、図６に示すように、ソフトウェア４にて形状解析を行う前の測定データ１１を各々微小区間に分け、その時の２軸方向の移動量より接触角度Ａを求めることが第１実施形態と異なる。
機上形状測定機３にて測定された測定データ１１をＸ軸方向で、微小区間ｄＸに分ける。その時のＺ軸方向の移動量ｄＺを上記測定データ１１より算出し、以下の算出式Ｃより接触角度Ａを算出する。
ここで、接触子８の移動量はＺ軸方向の移動量であり、機上形状測定機３の走査量はＸ軸方向の移動量であり、このため、接触子８の移動量をその時の機上形状測定機３の走査量で除算することで、前記接触角度Ａを求めることができる。

接触角度Ａ＝ｔａｎ^―１（ｄＺ／ｄＸ）…（Ｃ）

つまり、第２実施形態では、上記算出式Ｃで求められた接触角度ＡにＸ軸方向の座標を変換し、真球度誤差データ１５を算出する。
そして、上記第２実施形態によれば、第１実施形態と同様に、機上形状測定機３と外部形状測定機１２の間に機差が生じても、これを接触子８の真球度誤差データ１５としてみなし、補正を与えることで前記機差を補正することができ、また、原器を形状の種類分用意することなく、しかも形状が異なる度に補正のための測定を行うことなく、衝となる外部形状測定機１２と機上形状測定機３の機差を補償することが可能となる。

第１実施形態に係る機上形状測定方法を適用する超精密加工用旋盤及び外部形状測定機の概略構成図である。機上形状測定方法を実行するソフトウェアを説明するブロック図である。機上形状測定方法の流れを説明するフローチャートである。真球度誤差データを説明するグラフ図である。接触子による真球度の測定動作を示す説明図である。第２実施形態に係る機上形状測定方法における形状データによる接触角度の求め方の説明図である。従来技術における測定方法の流れを説明するフローチャートである。

符号の説明

１超精密加工用旋盤（加工機）
２被測定物（被加工物加工面）
３機上形状測定機（形状測定機）
７設計式
８接触子
１２外部形状測定機（形状測定機）
１７被測定原器（被測定物）
Ａ接触角度

Claims

加工後に加工機上に設置された形状測定機を用いて被加工物面形状を測定する機上形状測定方法において、
任意の設計式にて面形状を定義できる被測定物を衝となる測定機にて測定し前記被測定物の形状を明らかにする工程と、前記加工機上に設置された形状測定機にて前記被測定物を測定し前記被測定物の形状を明らかにする工程と、前記衝となる測定機により明らかにされた形状と前記加工機上に設置された形状測定機により明らかにされた形状との誤差を求める工程と、前記誤差に基づいて前記加工機上に設置された形状測定機の測定結果に補正を与える工程と、を有することを特徴とする機上形状測定方法。
前記誤差に基づいて形状測定機の測定結果に補正を与えるに際し、前記加工機上に設置された形状測定機の接触子の形状に対する補正として与えることを特徴する請求項１に記載の機上形状測定方法。
前記接触子の形状に対する補正として与えるに際し、前記被測定物に接触している前記接触子の接触角度に対応する、前記衝となる測定機により明らかにされた形状と前記加工機上に設置された形状測定機により明らかにされた形状との誤差量を求め、この誤差量を前記接触子の接触角度と共に前記接触子の形状に対する補正として与えることを特徴とする請求項２に記載の機上形状測定方法。
前記接触角度を、前記設計式を１回微分することで得ることを特徴する請求項３に記載の機上形状測定方法。
前記接触角度を、前記接触子の移動量をその時の前記測定機の走査量で除算して求めることを特徴する請求項３に記載の機上形状測定方法。
前記衝となる測定機により明らかにされた形状と前記加工機上に設置された形状測定機により明らかにされた形状の差を、移動平均または近似多項式によって平準化することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の機上形状測定方法。