JP2006337076A - 形状測定器 - Google Patents

Abstract

【課題】 測定プローブを傾斜させて支持しながら被測定物の表面形状を高精度に測定できる形状測定器を提供する。
【解決手段】 形状測定器３０により既知形状の被測定物（真球）の形状を測定する（Ｓ１２）。次に、測定プローブの設計傾斜角度の値から±０．５度間を５等分し、それぞれの形状誤差を算出し、誤差が最小となる角度値を決定する（Ｓ１６）。更に同様な計算を繰り返すことで、誤差が最小となる傾斜角度に収束させる（Ｓ１８、Ｓ２０）。被加工部材を測定する際には、測定した形状を傾斜角度による誤差分で補正することで、測定精度を高める。
【選択図】 図６

Description

本発明は、接触式の測定プローブを備える形状測定器に関し、好適には、加工機に搭載される機上形状測定器に関するものである。

従来より、光学レンズ等の表面形状を測定する形状測定器は、被測定物に傷を付けないように接触圧を極力小さくしている。係る接触圧を小さくした形状測定器として、例えば、重力方向に測定プローブを保持し、バネ等で重力を釣り合わせて接触圧を調整する形状測定器が特許文献１に示されている。また、測定プローブを傾斜させて保持することにより、被測定物への接触圧を小さくした形状測定器が特許文献２に示されている。
特開平７−２６０４７１号公報 特表２００５−５０２８７６号公報

本出願人は、測定プローブを傾斜させて保持することで生じる自重傾斜成分と、シリンダ給気圧制御機器からの供給気圧との差分により測定圧を発生させる低接触圧の形状測定器を案出した。

しかしながら、測定プローブを傾斜させて支持すると、形状測定器の製造誤差、形状測定器の加工機への搭載誤差等により、測定プローブの傾斜角度が設計値通りにならず、傾斜角度誤差による測定誤差が発生する。また、測定プローブは傾斜方向で動作するので、原理的に測定プローブ（又はリニアスケール）の移動量のみで、ワーク形状を判断することができなかった。この測定誤差は、傾斜角度が大きくなる程に顕著になる。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、測定プローブを傾斜させて支持しながら被測定物の表面形状を高精度に測定できる形状測定器を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の形状測定器３０は、被測定物Ｗの表面に接触する測定プローブ３２と、
前記測定プローブ３２を軸方向へ移動可能に支持する支持手段４２と、
前記測定プローブ３２の軸方向移動量を測定する位置検出器４４とを備える形状測定器において、既知の被測定物Ｗを測定することで（Ｓ１２）、前記支持手段４２により支持された前記測定プローブの軸方向の水平面に対する傾斜角度αを推定する傾斜推測手段（Ｓ２０）と、推定した傾斜角度αにより前記位置検出器４４の出力を補正する補正手段（Ｓ５８）とを備えることを技術的特徴とする。

請求項１の形状測定器３０は、既知の被測定物を測定することで、測定プローブ３２の軸方向の水平面に対する傾斜角度αを推定する。そして、推定した傾斜により位置検出器の出力を補正する。このため、支持手段４２で測定プローブ３２を水平面に対して傾斜角度αを持たせて支持しても、傾斜角度αに起因する測定誤差を補正することで、被測定物の表面形状を高精度に測定できる。

請求項２の形状測定器３０は、支持手段４２で、測定プローブ３２を自重で後退するように傾斜角度αを持たせて支持する。一方、付勢手段４０で、測定プローブ３２を被測定物Ｗ側へ突出させるように付勢する。このため、被測定物Ｗへの測定プローブ３２の接触力は、傾斜を持たせて測定プローブ３２の自重による後退力と、付勢手段４０の付勢力との差分になるので、接触力を非常に小さくなるように調整することが可能であり、同時に、傾斜角度に起因する測定誤差を補正することで高精度な測定が実現できる。

請求項３の形状測定器３０は、測定プローブ３２の軸方向の水平面に対する傾斜角度を推定するために測定する既知の被測定物として、真球を用いるため、任意形状の既知の被測定物を測定するのと比較して容易に傾斜角度を推定することができる。

請求項４では、Ｅ＝ｄＺ（１−cosθ／cos（θ＋α））の式に傾斜角度αとして種々の値を入れて誤差Ｅを求め、誤差Ｅが最小となる傾斜角度の値を傾斜角度と推定する。即ち、設計値に対してプラス側とマイナス側に振った種々の角度値を用いて収束計算を行うことで、微少誤差の範囲で傾斜角度を推定することができる。

以下、本発明の実施形態について、図を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る形状測定器を搭載する超精密加工機の構成を示している。
超精密加工機１０は、ワークＷを固定するワーク固定台１２と、工具１６を保持する砥石軸１４と、砥石軸１４をＸ方向へ送るサーボモータ２２と、Ｙ軸方向へ送るサーボモータ２４と、Ｚ軸方向へ送るサーボモータ２６とを備える。ワークＷの形状を測定プローブ３２により測定する形状測定器３０が、砥石軸１４と併設されている。

形状測定器３０の構成について、図２の平面図を参照して説明する。
形状測定器３０は、エアシリンダ４０により付勢される主動シリンダ３４と、該主動シリンダ３４にブラケット３８により連結された従動シリンダ３６とを備える。従動シリンダ３６には、測定プローブ３２が取り付けられている。主動シリンダ３４及び従動シリンダ３６は、エアベアリング４２により傾斜状態で支持されている。即ち、エアベアリング４２で、主動シリンダ３４及び従動シリンダ３６の自重で後退する（図中左方向に向かう）ように微少の傾斜を持たせて支持している。従動シリンダ３６には位置検出器としてリニアスケール４４が設けられている。形状測定器３０は、従動シリンダ３６のストロークが１０mmに設定され、後述するように測定圧を、数１０mgf〜数１００mgfの範囲で調整可能に構成されている。なお、この実施形態では、主動シリンダ３４と従動シリンダ３６とを設けることで、円柱状のシリンダの回り止めがなされる。

形状測定器３０の制御構成について図３を参照して説明する。
形状測定器３０には、空気圧を発生する空圧機器５０と、形状測定器３０のエアシリンダ４０への供給気圧を調整するシリンダ給気圧制御機器５２とが接続されている。空圧機器５０からの気圧は、エアベアリング４２へ直接供給されるように構成されている。リニアスケール４４からの出力は、位置検出部５４へ入力され、検出された位置は、演算部５６側へ出力され、後述するように傾斜角度誤差分が補正される。なお、傾斜角度αは図３中では理解のために大きく傾けてあるが、実際には肉眼では水平と区別できない程微少角度である。

図４（Ａ）を参照して実施形態の形状測定器３０での測定プローブ３２の接触力（測定圧）Ｆについて説明する。
本実施形態の形状測定器３０では、エアベアリング４２で、測定プローブ３２を備える従動シリンダ３６及び主動シリンダ３４の自重で後退するように傾斜角度αを持たせて支持する。エアシリンダ４０の摩擦力は非常に小さい。ここで、従動シリンダ３６及び主動シリンダ３４の後退する力は、エアベアリングでの傾斜角度αによって生じ、自重ｍに比べて遙かに小さいｍｇsigαとなる。一方、エアシリンダ４０で、測定プローブ３２をワークＷ側へ突出させるように押出力Ｆcで付勢する。このため、ワークＷへの測定プローブ３２の接触力Ｆは、エアベアリング４２で傾斜を持たせて支持された従動シリンダ３６及び主動シリンダ３４の自重による後退力（測定子自重傾斜成分）ｍｇsigαと、エアシリンダ４０の押出力Ｆcとの差分（Ｆ＝Ｆc−ｍｇsigα）になるので、接触力Ｆを非常に小さくするように、数１０mgfまで調整することが可能である。このため、アルミニューム製品、樹脂製品等の甦生変形し易い被測定物の表面を変形させることなく測定できる。

本実施形態の形状測定器３０では、空気圧により測定プローブ３２を付勢するエアシリンダ４０を用いるため、容易に測定プローブ３２へ加える付勢力を調整することができる。即ち、本実施形態の形状測定器３０では、エアシリンダ４０の付勢力（押出力Ｆc）を変えることで、測定プローブ３２の測定圧を連続的に変えることができ、これにより複雑な形状のワークの表面形状を測定プローブ３２の測定圧を変えながら測定することで、高精度に測定を実現できる。また、接触力（測定圧）Ｆを変えても測定プローブが被測定物Ｗに当たっている位置が変わることがない。

また、エアシリンダ４０への供給気圧を発生させる空圧機器５０によって、エアベアリング４２を動作させることができ、駆動源を共用できる。更に、本実施形態の形状測定器では、位置検出器がリニアスケール４４からなるため、高精度に測定プローブ３２の位置を測定することができる。

測定プローブ３２を傾斜させることによって生じる測定誤差について図５を参照して説明する。
ここでは、図５（Ａ）に示すように、ワークＷに対して、Ｙ軸を移動して測定プローブ３２の先端がＰ１からＰ２に変化した場合を考える。

図５（Ｂ）は、測定プローブに傾きを持たせていない場合を示している。
Ｙ軸方向への移動量ｄＹに対して、測定プローブの変化（リニアスケール４４での測定値）はｄＰ（＝ｄＺ）となり、誤差を含まない。ここで、θは、測定面と垂線とのなす角度（傾き）、測定角である。ｄＺは、測定面の傾きθによる形状変化量である。

図５（Ｃ）は、測定プローブに傾きαを持たせた場合を示している。
Ｙ軸方向への移動量ｄＹに対して、測定プローブの変化（リニアスケール４４での測定値）はｄＰ（≠ｄＺ）となり、正確な測定ができない。

図５（Ｄ）は、誤差Ｅ＝ｄＺ−ｄＰの求め方を示す説明図である。
ここでは、ｄＰを斜辺とする直角三角形（ｄＰ、Ｌ、α＋β）を考える。ｄＰは次式で表せる（ｄＺ：２点間のＺ軸方向の距離 θ：測定面が垂線となす角度（測定角））。
ｄＰ＝Ｌ／cos（α＋β）
また、ｄＺ、Ｌ、βから
ｄＺ＝Ｌ／cosβ
ここで、β＝θとなるため、
ｄＰ／ｄＺ＝cosθ／cos（θ＋α）
従って、ｄＰは次式で表せる
ｄＰ＝ｄＺcosθ／cos（θ＋α）

上式から誤差Ｅは次数１式から求めることができる。

引き続き、図４（Ｂ）、（Ｃ）、図６及び図７を参照して傾斜角度推定処理について説明する。ここでは、既知の被測定物として、真球を測定して測定プローブの傾斜角度を推定する。図６は、傾斜角度推定処理を示すフローチャートである。
まず、形状測定器３０により真球の形状を測定する（Ｓ１２）。即ち、ワーク固定台１２に傾斜角度誤差測定用の真球を固定し、測定プローブ３２を真球側に押し付ける。この状態で、走査用の移動ステージ（加工機制御軸）を駆動して測定面をＹ軸方向へ走査し、被測定物（真球）におけるＹ軸方向へ走査した時のＺ軸方向の誤差Ｅの総和を求める。測定プローブ３２は、被測定物（真球）の形状に倣って移動するため、そのときの測定プローブ３２の軌跡が、被測定物（真球）の形状となる。

次に、測定プローブの設計傾斜値に対して、図７（Ａ）に示すように設計傾斜値から±０．５度間を５等分し、各傾斜角度の値について、数１を用いて測定角（測定面が垂線となす角度）θは既知であるので、それぞれ誤差Ｅの総和（又は積分）を求める（Ｓ１４）。ここで、例えば、図４（Ｂ）は、図７（Ａ）中で参照番号３２−１で示す傾斜角度で算出した測定プローブの誤差Ｅを表している。また、図４（Ｃ）は、図７（Ａ）中で参照番号３２−２で示す傾斜角度で算出した測定プローブの誤差Ｅを表している。そして、それぞれの傾斜角度における誤差Ｅの総和と、前記被測定物（真球）における誤差Ｅの総和とを比較し、被測定物（真球）に最も近い傾斜角度を求める（Ｓ１６）。

引き続き、上記Ｓ１６にて求めた傾斜角度の値に対して、図７（Ｂ）に示すように±０．１度間を５等分し、各傾斜角度の値について、それぞれ誤差Ｅの総和を求める（Ｓ１８）。そして、誤差Ｅが真球における誤差Ｅに最も近い傾斜角度の値を求める（Ｓ２０）。この演算を３回繰り返すことで（Ｓ２２）、より実際の傾斜角度に近い傾斜角度の値を推定することができる。即ち、うねり量を解析することで、傾斜角度が推定できる。

次に、推定した傾斜角度を用いて誤差Ｅを補正しながら行う形状測定器による形状測定について図８〜図１０を参照して説明する。
図８は、形状測定器による形状測定処理を示すフローチャートである。
形状測定器３０により、図１に示す工具１６により加工の完了したワーク固定台１２上のワークＷを形状測定する（Ｓ５２）。即ち、測定プローブ３２をワークＷに押し付けた状態で、走査用の移動ステージ（加工機制御軸）を駆動して測定面をＹ軸方向へ走査する。測定プローブ３２は、ワークＷの形状に倣って移動するため、そのときの測定プローブ３２の軌跡が、ワークＷの形状となる。この測定した形状の１例を図９（Ａ）に示す。次に、測定した形状を座標変換して、図９（Ｂ）に示すように形状の頂点が座標の原点と合うようにする（Ｓ５４）。

ここで、図９（Ｃ）は、ワークＷの設計値（設計形状、例えば、非球面多項式）を示している。このワークの設計値と、図９（Ｂ）に示す座標変換後の測定形状とを比較することで、加工形状誤差を計算する（Ｓ５６）。図１０（Ａ）は、算出した加工形状誤差を示している。

図１０（Ｂ）は、図６のフローチャートにおいて推定された傾斜角度の誤差Ｅを示している。図１０（Ａ）に示す加工形状誤差を、図１０（Ｂ）に示す傾斜角度による誤差Ｅで補正、即ち、図１０（Ａ）より誤差Ｅ分を減算することで、図１０（Ｃ）に示す補正後の加工形状誤差を求める（Ｓ５８）。

本実施形態の形状測定器３０は、例えば、真球等の既知の被測定物を測定することで、測定プローブ３２の軸方向の水平面に対する傾斜角度を推定する。そして、推定した傾斜角度により位置検出器の出力を補正する。このため、測定プローブを水平面に対して傾斜角度を持たせて支持する形状測定器を用い、当該形状測定器を据え付けの際に測定プローブの傾斜角度を精密に調整しなくても、被測定物の表面形状を高精度に測定できる。なお、ここでは、形状測定器の初期設定について説明したが、傾斜角度の測定を周期的に行うことで、経年変化に対応させることも可能である。

本実施形態では、数１の誤差計算式に傾斜角度αとして種々の値を入れて誤差Ｅを求め、既知の被測定物（真球）における誤差Ｅに最も近い傾斜角度の値を傾斜角度と推定する。即ち、設計値に対してプラス側とマイナス側に振った種々の傾斜角度の値を用いて収束計算を行うことで、微少誤差の範囲で傾斜角度を推定することができる。

本実施形態の形状測定器３０は、測定プローブ３２の軸方向の水平面に対する傾斜角度を推定するため測定する既知の被測定物として真球を用いるため、任意形状の既知の被測定物を測定するのと比較して容易に傾斜角度を推定することができる。なお、既知の被測定物として真球を用いて傾斜角度を求めたが、形状が既知であれば任意形状の被測定物を用いて傾斜角度を求めることも可能である。

上述した実施形態では、Ｙ軸上の測定につて記述したが、Ｘ軸上の測定に対しても上記角度推定は適用可能である。また、上記実施形態では、測定プローブを自重で後退する方向に傾斜を持たせて支持する形状測定器に適用する例を挙げたが、測定プローブが自重で被測定物に当接する方向に傾斜を持たせて支持する形状測定器にも適用可能であることは言うまでもない。また更に、上述した実施形態では、積極的に傾斜を持たせて測定プローブを支持する形状測定器を例に挙げたが、測定プローブを水平に保持する場合における、組み付け誤差等による傾斜分の補正に上記構成は適用可能である。

上述した実施形態では、測定プローブをワークＷの形状に倣うように動作させたが、測定プローブ位置を一定に保ち、機械制御軸を加工プログラムに応じて倣わせるように動作させることも可能である。このときは、測定プローブ位置の変動が、加工誤差に相当することになる。

本発明の一実施形態に係る形状測定器を搭載する超精密加工機の構成を示す構成図である。 形状測定器の平面図である。 形状測定器の制御構成を示すブロック図である。 （Ａ）は形状測定器で接触圧を実現する説明図であり、（Ｂ）、（Ｃ）は、角度誤差による誤差分を示すグラフである。 測定プローブの傾斜により発生する測定誤差の説明図である。 形状測定器による傾斜角度推定処理を示すフローチャートである。 （Ａ）は、測定プローブの設計傾斜値から±０．５度間を５等分した際の説明図であり、（Ｂ）は、測定プローブの±０．１度間を５等分した際の説明図である。 形状測定器による形状測定処理を示すフローチャートである。 （Ａ）は測定したワーク形状を示すグラフであり、（Ｂ）はワーク形状を座標変換したグラフであり、（Ｃ）はワークの設計値を示すグラフである。 （Ａ）はワークの加工形状誤差を示すグラフであり、（Ｂ）は測定プローブの傾斜による誤差分を示すグラフであり、（Ｃ）は、傾斜誤差の補正後の加工形状誤差を示すグラフである。

符号の説明

１０ 超精密加工機
３０ 形状測定器
３２ 測定プローブ
３４ 主動シリンダ
３６ 従動シリンダ
４０ エアシリンダ
４２ エアベアリング
４４ リニアスケール
Ｗ ワーク（被測定物）

Claims (4)

1. 被測定物の表面に接触する測定プローブと、
   前記測定プローブを軸方向へ移動可能に支持する支持手段と、
   前記測定プローブの軸方向移動量を測定する位置検出器とを備える形状測定器において、既知の被測定物を測定することで、前記支持手段により支持された前記測定プローブの軸方向の水平面に対する傾斜角度を推定する傾斜推測手段と、
   推定した傾斜により前記位置検出器の出力を補正する補正手段とを備えることを特徴とする形状測定器。
2. 前記支持手段は、前記測定プローブを自重で後退するように水平面に対して傾斜角度を持たせて支持し、
   前記測定プローブを前記被測定物側へ付勢する付勢手段を備えることを特徴とする請求項１の形状測定器。
3. 前記既知の被測定物は、真球であることを特徴とする請求項１又は請求項２の形状測定器。
4. 前記推定手段は、次式に傾斜角度αとして種々の値を入れて誤差Ｅを求め、誤差Ｅが最小となる傾斜角度の値を前記傾斜角度と推定することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１の形状測定器。
   Ｅ＝ｄＺ（１−cosθ／cos（θ＋α））
   ｄＺ：２点間のＺ軸方向の距離 θ：測定面が垂線となす角度

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