JP3075981B2 - 形状測定装置 - Google Patents
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- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B5/00—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques
- G01B5/004—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques for measuring coordinates of points
- G01B5/008—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques for measuring coordinates of points using coordinate measuring machines
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/002—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates
- G01B11/005—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates coordinate measuring machines
- G01B11/007—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates coordinate measuring machines feeler heads therefor
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- Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- A Measuring Device Byusing Mechanical Method (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は接触式表面粗さ計、
形状測定機、三次元測定機等のプローブの構造と測定装
置の構成に関する。エアコン用スクロールコンプレッサ
の断面形状や、ビデオシリンダの外径、円筒度、中心穴
との同心度、穴径、中心穴断面形状、リード直線性（テ
ープ走行時のガイドでＶＴＲのテープ互換性確保の為、
１μｍ以内の直線性が必要）等を低測定圧でキズを付け
ず、高速、高精度に測定する形状測定装置に関するもの
である。特に、０．１〜０．０１μｍといった超高精度
形状測定に関するものである。
形状測定機、三次元測定機等のプローブの構造と測定装
置の構成に関する。エアコン用スクロールコンプレッサ
の断面形状や、ビデオシリンダの外径、円筒度、中心穴
との同心度、穴径、中心穴断面形状、リード直線性（テ
ープ走行時のガイドでＶＴＲのテープ互換性確保の為、
１μｍ以内の直線性が必要）等を低測定圧でキズを付け
ず、高速、高精度に測定する形状測定装置に関するもの
である。特に、０．１〜０．０１μｍといった超高精度
形状測定に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】表面粗さ計、形状測定機、三次元測定機
等のプローブには接触式プローブ、原子間力プローブ、
光学式、静電容量センサ等がある。光学式と静電容量セ
ンサは細い穴の側面測定やリードのような０．１ｍｍ以
下の段差の側面等は全く測定できないし、形状や粗さを
１μｍ以下の精度で測定するのも不適である。
等のプローブには接触式プローブ、原子間力プローブ、
光学式、静電容量センサ等がある。光学式と静電容量セ
ンサは細い穴の側面測定やリードのような０．１ｍｍ以
下の段差の側面等は全く測定できないし、形状や粗さを
１μｍ以下の精度で測定するのも不適である。
【０００３】接触式プローブは測定圧が高く、測定面に
キズを付けることがある。従来の接触式プローブには作
動トランスが付いており、作動トランスには磁石または
磁性体が必要なので、可動部質量が重い為、応答速度を
上げる為には測定圧を増すしか方法がない。それでも従
来の接触式プローブでは１０Ｈｚ程度と応答速度が遅
い。
キズを付けることがある。従来の接触式プローブには作
動トランスが付いており、作動トランスには磁石または
磁性体が必要なので、可動部質量が重い為、応答速度を
上げる為には測定圧を増すしか方法がない。それでも従
来の接触式プローブでは１０Ｈｚ程度と応答速度が遅
い。
【０００４】原子間力プローブは特開平 6-265340 号公
報に記載されている。接触式プローブとの違いは測定圧
が低く、測定面にキズを付けない事である。スタイラス
を半径０．５ｍｍのルビー球とした時、測定圧を０．２
ｇ以下にすると、測定面とスタイラスとの間にはエネル
ギーギャップがあり、トンネル電子の行き来で測定圧
（斥力）が発生する。この領域で測定するのを原子間力
プローブと命名している。
報に記載されている。接触式プローブとの違いは測定圧
が低く、測定面にキズを付けない事である。スタイラス
を半径０．５ｍｍのルビー球とした時、測定圧を０．２
ｇ以下にすると、測定面とスタイラスとの間にはエネル
ギーギャップがあり、トンネル電子の行き来で測定圧
（斥力）が発生する。この領域で測定するのを原子間力
プローブと命名している。
【０００５】しかし、特開平 6-265340 号公報に記載さ
れている原子間力プローブは平面かレンズ面の形状を上
から測定するものであり、用途が限定される。
れている原子間力プローブは平面かレンズ面の形状を上
から測定するものであり、用途が限定される。
【０００６】特開平 6-160075 号公報記載のスクロール
羽根の形状測定装置はその用途が広い。しかし、この発
明はスタイラスを板バネに取付け、裏面に光を当てる構
造となっており、スタイラスの近くにミラーとミラー保
持部が必要で、構造が複雑であり、直径２ｍｍの穴の中
にこのスタイラスを入れることなどは、ほとんど不可能
と言える。
羽根の形状測定装置はその用途が広い。しかし、この発
明はスタイラスを板バネに取付け、裏面に光を当てる構
造となっており、スタイラスの近くにミラーとミラー保
持部が必要で、構造が複雑であり、直径２ｍｍの穴の中
にこのスタイラスを入れることなどは、ほとんど不可能
と言える。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、測定面の形
状、大きさにかかわず、広い範囲にわたって、応答性良
く高精度の測定ができる形状測定装置を提供することを
主たる目的とし、最終的には以下の項目を満足するプロ
ーブを備えた形状測定装置の実現を図ることにある。 １．細い穴の断面形状の測定や、ビデオシリンダーのリ
ードのように円筒の側面の０．１ｍｍ以下の段差の側面
の測定といった上記の上から測定する形の原子間力プロ
ーブでも測定できない側面を早く高精度に測定でき、測
定面の傾きやスタイラスを走査する時の摩擦で測定誤差
を生じにくいプローブの実現。
状、大きさにかかわず、広い範囲にわたって、応答性良
く高精度の測定ができる形状測定装置を提供することを
主たる目的とし、最終的には以下の項目を満足するプロ
ーブを備えた形状測定装置の実現を図ることにある。 １．細い穴の断面形状の測定や、ビデオシリンダーのリ
ードのように円筒の側面の０．１ｍｍ以下の段差の側面
の測定といった上記の上から測定する形の原子間力プロ
ーブでも測定できない側面を早く高精度に測定でき、測
定面の傾きやスタイラスを走査する時の摩擦で測定誤差
を生じにくいプローブの実現。
【０００８】２．先端にスタイラスが、基端にバネの付
いたアームの傾きを比較的広い範囲で精度良く、応答性
良く測定することができる装置の実現。
いたアームの傾きを比較的広い範囲で精度良く、応答性
良く測定することができる装置の実現。
【０００９】３．先端にスタイラスが、基端にバネの付
いたアームの傾きを精度良く測定する為の小さなミラー
にレーザ光がずれないように照射できる構造の実現。
いたアームの傾きを精度良く測定する為の小さなミラー
にレーザ光がずれないように照射できる構造の実現。
【００１０】４．測定面にキズを付けたり、スタイラス
の磨耗、スタイラスアームの曲がりによる測定誤差を無
くするため、測定圧を極力小さくし、同時にアームの質
量も極力減らすことができる形状測定装置の実現。なぜ
なら、プローブの応答加速度ａ＝測定圧÷可動部質量だ
から、可動部質量を減らさないと、プローブの応答加速
度が小さくなり、測定速度が遅くなるからである。
の磨耗、スタイラスアームの曲がりによる測定誤差を無
くするため、測定圧を極力小さくし、同時にアームの質
量も極力減らすことができる形状測定装置の実現。なぜ
なら、プローブの応答加速度ａ＝測定圧÷可動部質量だ
から、可動部質量を減らさないと、プローブの応答加速
度が小さくなり、測定速度が遅くなるからである。
【００１１】５．誤操作等でスタイラスに過度の測定圧
がかかった時、プローブが壊れず逃げる構造を得る。
がかかった時、プローブが壊れず逃げる構造を得る。
【００１２】６．誤操作等でスタイラスに衝撃力がかか
ったときにもプローブが壊れず逃げる構造を得る。
ったときにもプローブが壊れず逃げる構造を得る。
【００１３】７．上記プローブから得られる測定データ
はプローブの概略の可動範囲である１ｍｍ以下と狭い。
そこでより広い測定範囲で、測定点の座標を得られる形
状測定装置の実現。
はプローブの概略の可動範囲である１ｍｍ以下と狭い。
そこでより広い測定範囲で、測定点の座標を得られる形
状測定装置の実現。
【００１４】８．上記プローブを使用して、ほぼ一定の
測定圧で広い測定範囲にわたって連続的に、２次元、又
は、３次元的に走査して形状を測定できる形状測定装置
の実現。
測定圧で広い測定範囲にわたって連続的に、２次元、又
は、３次元的に走査して形状を測定できる形状測定装置
の実現。
【００１５】９．上記プローブを使用して、真円度等の
測定データを直交座標系だけでなく、極座標系で測定で
きる形状測定装置の実現。
測定データを直交座標系だけでなく、極座標系で測定で
きる形状測定装置の実現。
【００１６】１０．測定物の厚さの測定や、測定面の細
かい粗さとおおまかな形状を測定することができる形状
測定装置の実現。
かい粗さとおおまかな形状を測定することができる形状
測定装置の実現。
【００１７】１１．測定点の座標を移動台の真直度不
足、ピッチング、ヨーイング、ローリングの影響を排除
した０．０１μｍのオーダーの超高精度な形状測定装置
の実現。
足、ピッチング、ヨーイング、ローリングの影響を排除
した０．０１μｍのオーダーの超高精度な形状測定装置
の実現。
【００１８】１２．例えば、ビデオシリンダのような円
筒状の部品の上面、底面、外側面、穴の内側面等を個別
に測定しても、底面と穴との直角度の測定等ができな
い。一旦、測定物を取り外し、別の測定機に取付ける
と、測定物の姿勢が変わり、サブミクロン精度の測定は
できなくなる。そこで、測定物の一回の取付けで上、底
面と側面との直角度を０．１μｍオーダーの精度で測定
できる形状測定装置の実現。
筒状の部品の上面、底面、外側面、穴の内側面等を個別
に測定しても、底面と穴との直角度の測定等ができな
い。一旦、測定物を取り外し、別の測定機に取付ける
と、測定物の姿勢が変わり、サブミクロン精度の測定は
できなくなる。そこで、測定物の一回の取付けで上、底
面と側面との直角度を０．１μｍオーダーの精度で測定
できる形状測定装置の実現。
【００１９】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本願第１の発明の形状測定装置は、先端にスタイラ
スが固定されたアーム部と、このアーム部が測定圧によ
って一方向にのみ傾斜可能な状態にアーム部の基端近く
を装置固定部に連結する板バネより成るアーム保持部材
と、前記スタイラスの測定面からの測定圧に基づく前記
板バネの弾性変形による前記アーム部の変位を検知する
手段を有するプローブを備えたものであり、細く軽いプ
ローブの可動部であるアーム部を板バネで支持し、測定
圧によって１方向にのみ軽く動くようにした。これによ
り、プローブの先端が微小に構成でき、狭い空間内の表
面の形状測定ができるとともに、一方向にのみ傾斜可能
な板バネで支持することにより、測定面の傾きや摩擦力
により、スタイラスが横ずれを起こす誤差を無くし、軸
受け支持のようにガタツキによりスタイラス位置がずれ
る誤差をなくした。
め、本願第１の発明の形状測定装置は、先端にスタイラ
スが固定されたアーム部と、このアーム部が測定圧によ
って一方向にのみ傾斜可能な状態にアーム部の基端近く
を装置固定部に連結する板バネより成るアーム保持部材
と、前記スタイラスの測定面からの測定圧に基づく前記
板バネの弾性変形による前記アーム部の変位を検知する
手段を有するプローブを備えたものであり、細く軽いプ
ローブの可動部であるアーム部を板バネで支持し、測定
圧によって１方向にのみ軽く動くようにした。これによ
り、プローブの先端が微小に構成でき、狭い空間内の表
面の形状測定ができるとともに、一方向にのみ傾斜可能
な板バネで支持することにより、測定面の傾きや摩擦力
により、スタイラスが横ずれを起こす誤差を無くし、軸
受け支持のようにガタツキによりスタイラス位置がずれ
る誤差をなくした。
【００２０】さらに、本願第１の発明の形状測定装置
は、上記構成に加えて、前記アーム部の変位を検知する
手段が、アーム部の基端に固定されたミラーと、ミラー
の反射面側に固定配置された投光部と、この投光部から
放射された光に基づく前記ミラーからの反射光を受光
し、この反射光の位置を検知する光位置検知手段とを備
えたものである。
は、上記構成に加えて、前記アーム部の変位を検知する
手段が、アーム部の基端に固定されたミラーと、ミラー
の反射面側に固定配置された投光部と、この投光部から
放射された光に基づく前記ミラーからの反射光を受光
し、この反射光の位置を検知する光位置検知手段とを備
えたものである。
【００２１】アームの基端にミラーを設けてアーム部の
傾斜角度を測定できるようにすることにより、アーム部
にトランス等の重量物が連結されないので、アーム部及
び板バネ部等の可動部質量は１グラム以下にでき、応答
周波数は２００Ｈｚと早く、測定圧も０．２グラム以下
を達成できる。従って測定面を走査して形状測定を行う
際に、測定面の形状変化に速応して追従でき、測定効率
および精度をより向上することができる。
傾斜角度を測定できるようにすることにより、アーム部
にトランス等の重量物が連結されないので、アーム部及
び板バネ部等の可動部質量は１グラム以下にでき、応答
周波数は２００Ｈｚと早く、測定圧も０．２グラム以下
を達成できる。従って測定面を走査して形状測定を行う
際に、測定面の形状変化に速応して追従でき、測定効率
および精度をより向上することができる。
【００２２】上記課題を解決するため、本願第２の発明
の形状測定装置は、第１の発明において、前記アーム保
持部材はほぼＶ字形であって、Ｖ字の両端で前記固定部
側に連結されるとともに、Ｖ字形の下端と前記アーム部
の基端付近とが固定結合されたものであり、これによ
り、線型性良くアームの傾斜角度を反射光束の受光位置
変化に変換でき、精度の良い測定ができる。
の形状測定装置は、第１の発明において、前記アーム保
持部材はほぼＶ字形であって、Ｖ字の両端で前記固定部
側に連結されるとともに、Ｖ字形の下端と前記アーム部
の基端付近とが固定結合されたものであり、これによ
り、線型性良くアームの傾斜角度を反射光束の受光位置
変化に変換でき、精度の良い測定ができる。
【００２３】上記課題を解決するため、本願第３、第４
の発明の形状測定装置は、前記板バネが、円柱部材に固
定され、円柱部材はバネ性を有する押さえ板で固定部に
保持され、過度の測定圧がかかったときは前記円柱部材
が回転し、通常の測定圧がかかったときは摩擦力で保持
され円柱部材は回転しないように構成されたものであ
り、これにより、測定圧の方向に垂直な方向に過度の力
がかかったとき、円柱部材の回転によってアーム部を逃
がすことが可能となり、プローブの破損が防止される。
なお、円柱部材とは断面外形状が円形（一部切欠部があ
ってもよい。）のものを指称し中実部材のみならず円筒
状の部材をも含む。
の発明の形状測定装置は、前記板バネが、円柱部材に固
定され、円柱部材はバネ性を有する押さえ板で固定部に
保持され、過度の測定圧がかかったときは前記円柱部材
が回転し、通常の測定圧がかかったときは摩擦力で保持
され円柱部材は回転しないように構成されたものであ
り、これにより、測定圧の方向に垂直な方向に過度の力
がかかったとき、円柱部材の回転によってアーム部を逃
がすことが可能となり、プローブの破損が防止される。
なお、円柱部材とは断面外形状が円形（一部切欠部があ
ってもよい。）のものを指称し中実部材のみならず円筒
状の部材をも含む。
【００２４】上記課題を解決するため、本願第５の発明
の形状測定装置は、第４の発明において、前記押さえ板
は、前記スタイラスに過度な力が作用したとき、円柱部
材が押さえ板からスリップし、アーム部がはずれるよう
に構成されたものであり、これにより、衝撃力などの過
度な力がかかったとき、アーム部を逃がすことが可能と
なり、さらにプローブの破損が防止される。
の形状測定装置は、第４の発明において、前記押さえ板
は、前記スタイラスに過度な力が作用したとき、円柱部
材が押さえ板からスリップし、アーム部がはずれるよう
に構成されたものであり、これにより、衝撃力などの過
度な力がかかったとき、アーム部を逃がすことが可能と
なり、さらにプローブの破損が防止される。
【００２５】上記課題を解決するため、本願第６の発明
の形状測定装置は、第１〜５のいずれかの発明におい
て、前記プローブまたは測定面を、プローブと測定面と
の間隔が変化する方向に移動させる移動台とこの移動台
の移動距離を測定するスケールと、測定面からの測定圧
によって生じるスタイラスの変位に前記スケールの測定
値を加算する事により、測定面の座標を検出するように
構成したものであり、プローブ自体の可動範囲（例えば
１ｍｍ程度）に対して、より広い範囲で、測定点の座標
を得ることができる。
の形状測定装置は、第１〜５のいずれかの発明におい
て、前記プローブまたは測定面を、プローブと測定面と
の間隔が変化する方向に移動させる移動台とこの移動台
の移動距離を測定するスケールと、測定面からの測定圧
によって生じるスタイラスの変位に前記スケールの測定
値を加算する事により、測定面の座標を検出するように
構成したものであり、プローブ自体の可動範囲（例えば
１ｍｍ程度）に対して、より広い範囲で、測定点の座標
を得ることができる。
【００２６】上記課題を解決するため、本願第７の発明
の形状測定装置は、第１〜６のいずれかの発明におい
て、測定面からの測定圧によって生ずるスタイラスの変
位が、略一定になるように、光位置検出手段からの信号
を前記移動台の駆動手段にフィードバックする制御装置
を備え、前記プローブと前記測定面との間隔が変化する
方向と略垂直な方向に前記光学ヘッド部を含むプロー
ブ、または、前記測定面を移動させる移動台と、この移
動台により、前記スタイラスを前記測定面に一定測定圧
で走査させ、前記測定面の形状を測定できるようにした
ものであり、前記スタイラスを前記測定面に一定測定圧
で走査させ、広い測定範囲にわたって連続的に形状を測
定することが可能となる。
の形状測定装置は、第１〜６のいずれかの発明におい
て、測定面からの測定圧によって生ずるスタイラスの変
位が、略一定になるように、光位置検出手段からの信号
を前記移動台の駆動手段にフィードバックする制御装置
を備え、前記プローブと前記測定面との間隔が変化する
方向と略垂直な方向に前記光学ヘッド部を含むプロー
ブ、または、前記測定面を移動させる移動台と、この移
動台により、前記スタイラスを前記測定面に一定測定圧
で走査させ、前記測定面の形状を測定できるようにした
ものであり、前記スタイラスを前記測定面に一定測定圧
で走査させ、広い測定範囲にわたって連続的に形状を測
定することが可能となる。
【００２７】上記課題を解決するため、本願第８の発明
の形状測定装置は、第１〜７のいずれかの発明におい
て、前記プローブ部をＸＹＺ方向に移動させる移動台
と、測定物を回転させるθステージを備えたものであ
り、これにより、直交座標系だけでなく、極座標系でも
測定が容易となり、真円度、円筒度等の測定も可能とな
り、スクロール形状等に対しより的確な測定を行なうこ
とができる。
の形状測定装置は、第１〜７のいずれかの発明におい
て、前記プローブ部をＸＹＺ方向に移動させる移動台
と、測定物を回転させるθステージを備えたものであ
り、これにより、直交座標系だけでなく、極座標系でも
測定が容易となり、真円度、円筒度等の測定も可能とな
り、スクロール形状等に対しより的確な測定を行なうこ
とができる。
【００２８】上記課題を解決するため、本願第９の発明
の形状測定装置は、第１〜８のいずれかの発明におい
て、スタイラスがアーム部の先端の複数方向に取り付け
られたものであり、これにより、前記スタイラスを前記
アーム先端の２方向に付けることにより、測定物の両サ
イドから測定できるので、測定物の厚さ測定が可能とな
る。又、２方向に付けたスタイラスの形状を変えること
で異なる種類の測定、例えば、粗さ測定と包絡線の測定
の両方ができる。
の形状測定装置は、第１〜８のいずれかの発明におい
て、スタイラスがアーム部の先端の複数方向に取り付け
られたものであり、これにより、前記スタイラスを前記
アーム先端の２方向に付けることにより、測定物の両サ
イドから測定できるので、測定物の厚さ測定が可能とな
る。又、２方向に付けたスタイラスの形状を変えること
で異なる種類の測定、例えば、粗さ測定と包絡線の測定
の両方ができる。
【００２９】上記課題を解決するため、本願第１０の発
明の形状測定装置は、第６〜９のいずれかの発明におい
て、移動台がＸステージ、Ｙステージを有し、Ｘステー
ジ移動量測定用スケールとして、レーザ光投受光手段又
はＹＺ方向に平面をもつミラーのいずれか一方を固定部
に、他方をＸステージに夫々配置して、レーザ光の反射
光の光波の位相変化からＸ座標を読む構成のものを用
い、Ｙステージ移動量測定用スケールとして、レーザ光
投受光手段又はＸＺ方向に平面をもつミラーのいずれか
一方を固定部に、他方をＹステージに夫々配置してレー
ザ光の反射光の光波の位相変化からＹ座標を読む構成の
ものを用いたものであり、Ｘ、Ｙ座標を測定するスケー
ルとしてレーザを使用し、ＸステージやＹステージのピ
ッチング、ヨーイング、ローリングによる測定誤差を排
除し、例えばＸ座標測定にはＹＺ平面をミラー面とした
０．０５μｍ以下の平面度を持つミラーを反射面とする
ことにより、Ｙステージの移動真直度不足は測定誤差に
ならなくなるので、０．１μｍ以下のオーダの超高精度
の形状測定装置を実現することができる。
明の形状測定装置は、第６〜９のいずれかの発明におい
て、移動台がＸステージ、Ｙステージを有し、Ｘステー
ジ移動量測定用スケールとして、レーザ光投受光手段又
はＹＺ方向に平面をもつミラーのいずれか一方を固定部
に、他方をＸステージに夫々配置して、レーザ光の反射
光の光波の位相変化からＸ座標を読む構成のものを用
い、Ｙステージ移動量測定用スケールとして、レーザ光
投受光手段又はＸＺ方向に平面をもつミラーのいずれか
一方を固定部に、他方をＹステージに夫々配置してレー
ザ光の反射光の光波の位相変化からＹ座標を読む構成の
ものを用いたものであり、Ｘ、Ｙ座標を測定するスケー
ルとしてレーザを使用し、ＸステージやＹステージのピ
ッチング、ヨーイング、ローリングによる測定誤差を排
除し、例えばＸ座標測定にはＹＺ平面をミラー面とした
０．０５μｍ以下の平面度を持つミラーを反射面とする
ことにより、Ｙステージの移動真直度不足は測定誤差に
ならなくなるので、０．１μｍ以下のオーダの超高精度
の形状測定装置を実現することができる。
【００３０】上記課題を解決するため、本願第１１の発
明の形状測定装置は、第１〜１０のいずれかの発明にお
いて、Ｘ軸方向の変位を検出するプローブと、Ｚ軸、又
は、Ｙ軸方向の変位を検出するプローブの少なくとも２
本のプローブを備えたものであり、上、底面と側面の直
角度等を0.1 μｍの程度の精度で測定できる。
明の形状測定装置は、第１〜１０のいずれかの発明にお
いて、Ｘ軸方向の変位を検出するプローブと、Ｚ軸、又
は、Ｙ軸方向の変位を検出するプローブの少なくとも２
本のプローブを備えたものであり、上、底面と側面の直
角度等を0.1 μｍの程度の精度で測定できる。
【００３１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図１〜図６を用いて説明する。
て、図１〜図６を用いて説明する。
【００３２】図１は本発明の一実施形態の形状測定装置
におけるプローブ（測定ヘッド）１０の概略構成図であ
り、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＰ−Ｐ断面図で
ある。図１において１は被測定物Ｓの形状測定部位に所
定の圧力（測定圧）で接触し表面形状に追従するための
スタイラスであり、細い穴の側面等の形状測定に使用す
ることができる。スタイラス１は、ルビー等の耐磨耗性
の硬質材料で構成され、測定対象面の大きさと形状等に
より異なるが、例えば直径１ｍｍ程度の微小な球状、突
起状、針状等に構成され、棒状のアーム３の先端に取付
けられている。
におけるプローブ（測定ヘッド）１０の概略構成図であ
り、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＰ−Ｐ断面図で
ある。図１において１は被測定物Ｓの形状測定部位に所
定の圧力（測定圧）で接触し表面形状に追従するための
スタイラスであり、細い穴の側面等の形状測定に使用す
ることができる。スタイラス１は、ルビー等の耐磨耗性
の硬質材料で構成され、測定対象面の大きさと形状等に
より異なるが、例えば直径１ｍｍ程度の微小な球状、突
起状、針状等に構成され、棒状のアーム３の先端に取付
けられている。
【００３３】アーム３は、軽くかつ剛性の材料で先端が
細く基端側が次第に太く形成されている。アーム３の基
端には、例えば円板状の小さく薄いミラー２が、図では
反射面を上に向けて、アーム３の中心軸に垂直に接着等
により固定され、反射面のさらに斜め上方には、ミラー
２に光束を投射する投光部６（光源および収束レンズ）
と、ミラー２からの反射光を受光してミラー２の向きの
変化または位置の変化に基づく受光光束の位置の変化を
表す光位置信号を発生する光位置検出手段７が、ミラー
２の軸に対して対称的に固定配置されている。以上のミ
ラー２、投光部６及び光位置検出手段７は、不透明材よ
り成り下端が一部解放されたハウジングケース４内に収
容されている。
細く基端側が次第に太く形成されている。アーム３の基
端には、例えば円板状の小さく薄いミラー２が、図では
反射面を上に向けて、アーム３の中心軸に垂直に接着等
により固定され、反射面のさらに斜め上方には、ミラー
２に光束を投射する投光部６（光源および収束レンズ）
と、ミラー２からの反射光を受光してミラー２の向きの
変化または位置の変化に基づく受光光束の位置の変化を
表す光位置信号を発生する光位置検出手段７が、ミラー
２の軸に対して対称的に固定配置されている。以上のミ
ラー２、投光部６及び光位置検出手段７は、不透明材よ
り成り下端が一部解放されたハウジングケース４内に収
容されている。
【００３４】なお、アーム３の変位検出手段としては、
光学的検出手段に限らず、静電容量センサー、磁気的セ
ンサーその他を用いることも可能である。
光学的検出手段に限らず、静電容量センサー、磁気的セ
ンサーその他を用いることも可能である。
【００３５】５は薄い板バネで形成されたアーム保持部
材であり、図１の（ｂ）に示すように、左右対称にほぼ
Ｖ字形状（Ｕ字形状または凹形状等を含む）に形成され
ている。アーム３は、その中心軸が上記Ｖ字形の対称軸
と一致する状態に、アーム３の基端近くが板バネ５のＶ
字形の下端に固定結合され、アーム３の基端に配置した
ミラー２がアーム保持部材のＶ字形のほぼ中央に位置す
るように構成されている。
材であり、図１の（ｂ）に示すように、左右対称にほぼ
Ｖ字形状（Ｕ字形状または凹形状等を含む）に形成され
ている。アーム３は、その中心軸が上記Ｖ字形の対称軸
と一致する状態に、アーム３の基端近くが板バネ５のＶ
字形の下端に固定結合され、アーム３の基端に配置した
ミラー２がアーム保持部材のＶ字形のほぼ中央に位置す
るように構成されている。
【００３６】以上のアーム３、スタイラス１、ミラー
２、板バネ（アーム保持部材）５より成る可動部は、で
きるだけ軽量であることが望ましく、全体で例えば質量
１グラム以下に構成され、これにより測定圧を０．２グ
ラム以下に留めることができる。
２、板バネ（アーム保持部材）５より成る可動部は、で
きるだけ軽量であることが望ましく、全体で例えば質量
１グラム以下に構成され、これにより測定圧を０．２グ
ラム以下に留めることができる。
【００３７】アーム保持部材５のＶ字形の両上端部は水
平方向に配した円柱部材８に固定され、円柱部材８は、
ケース４の下端部両側から突出したブロック状の１対の
受け部材１１、１１と板バネからなる１対の押さえ板９
とにより挟持されている。なお、円柱部材８は、滑らか
な表面を持ち、一部が欠けても押圧された部分のみでも
円周面を有するものであれば良く、中空部を有している
ものでも良い。
平方向に配した円柱部材８に固定され、円柱部材８は、
ケース４の下端部両側から突出したブロック状の１対の
受け部材１１、１１と板バネからなる１対の押さえ板９
とにより挟持されている。なお、円柱部材８は、滑らか
な表面を持ち、一部が欠けても押圧された部分のみでも
円周面を有するものであれば良く、中空部を有している
ものでも良い。
【００３８】図２は、図１の（ａ）の保持機構部分の詳
細を示し、上記受け部材１１には、その左上隅部に階段
状受け部１１Ａが形成されるとともに、さらに階段状受
け部１１Ａとの間に円柱部材８を挟持するため、階段状
受け部１１Ａと対向してバネ性を有する押さえ板９が設
けられ、押さえ板９は円柱部材８を階段状受け部１１Ａ
の隅方向に押圧して受け部１１Ａに接触させている。こ
れにより、円柱部材８は所定の軸位置を保って摩擦力に
より保持されている。
細を示し、上記受け部材１１には、その左上隅部に階段
状受け部１１Ａが形成されるとともに、さらに階段状受
け部１１Ａとの間に円柱部材８を挟持するため、階段状
受け部１１Ａと対向してバネ性を有する押さえ板９が設
けられ、押さえ板９は円柱部材８を階段状受け部１１Ａ
の隅方向に押圧して受け部１１Ａに接触させている。こ
れにより、円柱部材８は所定の軸位置を保って摩擦力に
より保持されている。
【００３９】押さえ板９は、例えば鋼または燐青銅等の
金属または樹脂の靱性のある弾性材料で構成され、止め
ネジ１１Ｂにより受け部材１１の下面に固定されてい
る。上記構成において、押さえ板９による押圧力の強さ
は、通常の測定圧範囲では円筒部８は回転せず板バネ５
のみが撓み、過度の測定圧がかかった時には板バネ５は
塑性変形せずに円筒部８が回転するような大きさの摩擦
力を生じるような強さに設定されている。
金属または樹脂の靱性のある弾性材料で構成され、止め
ネジ１１Ｂにより受け部材１１の下面に固定されてい
る。上記構成において、押さえ板９による押圧力の強さ
は、通常の測定圧範囲では円筒部８は回転せず板バネ５
のみが撓み、過度の測定圧がかかった時には板バネ５は
塑性変形せずに円筒部８が回転するような大きさの摩擦
力を生じるような強さに設定されている。
【００４０】図１の構成においては、測定プローブ１０
の先端が微小であるので、狭い空間でも測定可能であ
り、またプローブ１０の可動部を軽量に構成できるの
で、測定面を走査する際に測定面の形状変化に忠実に速
応追従できる。またスタイラス１を固定したアーム３が
板バネ５により保持され、測定圧により一方向にのみ動
くので、横ずれを起こしたり、軸受け支持のようにガタ
ツキを生じたりすることが無い。
の先端が微小であるので、狭い空間でも測定可能であ
り、またプローブ１０の可動部を軽量に構成できるの
で、測定面を走査する際に測定面の形状変化に忠実に速
応追従できる。またスタイラス１を固定したアーム３が
板バネ５により保持され、測定圧により一方向にのみ動
くので、横ずれを起こしたり、軸受け支持のようにガタ
ツキを生じたりすることが無い。
【００４１】また、形状測定の際に測定物Ｓとの接触に
よりスタイラス１が受ける圧力（測定圧）により、板バ
ネ５が傾いても、板バネ５が傾斜して変位する方向と、
板バネ５によるアーム支持点に対してミラー２が変位す
る方向とが互いに逆向きになるので、ミラー２の位置は
殆ど不変であってその傾きのみ変化するので、スタイラ
ス１の位置変化をリニアーに光の位置変化に変換でき
る。
よりスタイラス１が受ける圧力（測定圧）により、板バ
ネ５が傾いても、板バネ５が傾斜して変位する方向と、
板バネ５によるアーム支持点に対してミラー２が変位す
る方向とが互いに逆向きになるので、ミラー２の位置は
殆ど不変であってその傾きのみ変化するので、スタイラ
ス１の位置変化をリニアーに光の位置変化に変換でき
る。
【００４２】また図２の構成により、スタイラス１に過
大な測定圧が作用しても、円柱部材８がスリップして回
転し、プローブ１０を壊すことがないという効果が得ら
れる。さらに図２において、押さえ板９は下から、又は
紙面に垂直な方向に過度の力が掛かっても押さえ板９が
少し上に開いて円柱部材８が押さえ板９からスリップ
し、プローブ１０の可動部が上に逃げるので、プローブ
１０が壊れる危険性が解消される。さらに、押さえ板９
は上に開くので、プローブ１０の可動部が上に外れても
容易に元通り差し込むことができる。
大な測定圧が作用しても、円柱部材８がスリップして回
転し、プローブ１０を壊すことがないという効果が得ら
れる。さらに図２において、押さえ板９は下から、又は
紙面に垂直な方向に過度の力が掛かっても押さえ板９が
少し上に開いて円柱部材８が押さえ板９からスリップ
し、プローブ１０の可動部が上に逃げるので、プローブ
１０が壊れる危険性が解消される。さらに、押さえ板９
は上に開くので、プローブ１０の可動部が上に外れても
容易に元通り差し込むことができる。
【００４３】図３及び図４は、本発明の第１の実施形態
の形状測定装置の全体構成を示し、図３は機械的構成例
図、図４は信号処理系のブロック図を示す。本実施形態
は、エアコン用スクロールコンプレッサの羽根形状の測
定に適したものである。
の形状測定装置の全体構成を示し、図３は機械的構成例
図、図４は信号処理系のブロック図を示す。本実施形態
は、エアコン用スクロールコンプレッサの羽根形状の測
定に適したものである。
【００４４】図３においては、プローブ１０は測定物Ｓ
の直交座標測定と極座標測定ができる機能を有し、プロ
ーブ１０をＸＹＺ方向に移動させるＸステージ１７、Ｙ
ステージ１８、Ｚステージ１９を備えた移動台と、測定
物Ｓをθ方向に回転させる回転ステージであるエアスピ
ンドル１２を備えている。回転ステージ１２はモータ１
４により駆動され、ロータリエンコーダ１３により回転
ステージ１２、従ってスクロール羽根Ｓの回転角度位置
が測定されるように構成されている。
の直交座標測定と極座標測定ができる機能を有し、プロ
ーブ１０をＸＹＺ方向に移動させるＸステージ１７、Ｙ
ステージ１８、Ｚステージ１９を備えた移動台と、測定
物Ｓをθ方向に回転させる回転ステージであるエアスピ
ンドル１２を備えている。回転ステージ１２はモータ１
４により駆動され、ロータリエンコーダ１３により回転
ステージ１２、従ってスクロール羽根Ｓの回転角度位置
が測定されるように構成されている。
【００４５】Ｘステージ１７はＺステージ１９に保持さ
れ、Ｚステージ１９はＹステージ１８に保持されて、３
次元ステージを構成している。Ｘステージ１７には、プ
ローブ１０が装着され、そのアーム３がスクロール羽根
Ｓの測定部位に挿入されている。
れ、Ｚステージ１９はＹステージ１８に保持されて、３
次元ステージを構成している。Ｘステージ１７には、プ
ローブ１０が装着され、そのアーム３がスクロール羽根
Ｓの測定部位に挿入されている。
【００４６】１５ｘ、１５ｙ、１５ｚは各ステージ１
７、１８、１９の駆動モータである。
７、１８、１９の駆動モータである。
【００４７】又１６ｘ、１６ｙ、１６ｚ（図４参照）は
各ステージ１７、１８、１９の位置計測用のリニアスケ
ールであり、スクロール羽根Ｓの形状に追随してアーム
３の先端のスタイラス１を移動させたとき、その３次元
座標位置を精度１μｍ程度で計測することができる。
各ステージ１７、１８、１９の位置計測用のリニアスケ
ールであり、スクロール羽根Ｓの形状に追随してアーム
３の先端のスタイラス１を移動させたとき、その３次元
座標位置を精度１μｍ程度で計測することができる。
【００４８】図３において、スクロール羽根Ｓは渦巻き
状になっており、形状の一部は円筒座標の数式で表現さ
れ、中心部等では直交座標の数式で表現される。また、
エアコンの用途（家庭用、大型産業用、自動車用）によ
り、形状は異なる数式で表現される。従って、測定機と
しては、直交座標であるＸＹＺ軸と極座標であるθ軸が
必要である。また、測定結果を設計式と比較できるよう
に座標変換し、測定物の取付け誤差を補正し、設計値か
らのずれを出力するソフトウエアが、データ処理及び制
御を行うコンピュータ４０（図４参照）に内蔵されてい
る。
状になっており、形状の一部は円筒座標の数式で表現さ
れ、中心部等では直交座標の数式で表現される。また、
エアコンの用途（家庭用、大型産業用、自動車用）によ
り、形状は異なる数式で表現される。従って、測定機と
しては、直交座標であるＸＹＺ軸と極座標であるθ軸が
必要である。また、測定結果を設計式と比較できるよう
に座標変換し、測定物の取付け誤差を補正し、設計値か
らのずれを出力するソフトウエアが、データ処理及び制
御を行うコンピュータ４０（図４参照）に内蔵されてい
る。
【００４９】羽根形状を測定する際には、プローブ１０
を羽根側面にアーム３の傾斜角度が略一定になるように
Ｘ軸モータ１５ｘにフィードバックを掛けながら、測定
物Ｓをθ方向に回転させると、測定点の半径は変化して
ゆく。回転ステージ１２に直結したロータリーエンコー
ダ１３からの回転角度を入力し、得られたスタイラス位
置のＸ座標と、Ｘ位置計測用スケール１６ｘ及びＹ位置
計測用スケール１６ｙの読みからコンピュータにて回転
角をＸ−Ｙ座標に変換する演算を行ない、スクロール羽
根の設計値と測定値を比較し、誤差を出力する。つま
り、Ｘ軸とθ軸だけ動かせば良いのではなく、中心部で
はＹ軸方向も動かさないと、測定できない。また、プロ
ーブ１０のＺ方向に走査を加えると、羽根部のすべての
部分の形状測定ができる。
を羽根側面にアーム３の傾斜角度が略一定になるように
Ｘ軸モータ１５ｘにフィードバックを掛けながら、測定
物Ｓをθ方向に回転させると、測定点の半径は変化して
ゆく。回転ステージ１２に直結したロータリーエンコー
ダ１３からの回転角度を入力し、得られたスタイラス位
置のＸ座標と、Ｘ位置計測用スケール１６ｘ及びＹ位置
計測用スケール１６ｙの読みからコンピュータにて回転
角をＸ−Ｙ座標に変換する演算を行ない、スクロール羽
根の設計値と測定値を比較し、誤差を出力する。つま
り、Ｘ軸とθ軸だけ動かせば良いのではなく、中心部で
はＹ軸方向も動かさないと、測定できない。また、プロ
ーブ１０のＺ方向に走査を加えると、羽根部のすべての
部分の形状測定ができる。
【００５０】図４においては、図３の機械的構成に対応
した信号処理系が示され、コンピュータ４０にＸ、Ｙ、
Ｚステージ１７、１８、１９、回転ステージ１２及びプ
ローブ１０からの検出信号が入力されるとともに、コン
ピュータ４０からの制御信号によりそれぞれが制御され
るように構成されている。
した信号処理系が示され、コンピュータ４０にＸ、Ｙ、
Ｚステージ１７、１８、１９、回転ステージ１２及びプ
ローブ１０からの検出信号が入力されるとともに、コン
ピュータ４０からの制御信号によりそれぞれが制御され
るように構成されている。
【００５１】即ち、光位置検出手段７は、アーム３の傾
斜を表す光位置信号を発生する。この光位置信号は、増
幅器４１により増幅されたのちＸモータドライバー４４
に入力され、Ｘモータドライバー４４によりＸモータ１
５ｘが駆動され、アーム３の傾斜角度が略一定になり、
測定圧が略一定になるように動き、広い測定範囲にわた
って連続的に２次元的または３次元的に走査して形状を
測定できるという作用を有し、光位置信号をＸ軸モータ
にフィードバックを掛けるように構成されている。
斜を表す光位置信号を発生する。この光位置信号は、増
幅器４１により増幅されたのちＸモータドライバー４４
に入力され、Ｘモータドライバー４４によりＸモータ１
５ｘが駆動され、アーム３の傾斜角度が略一定になり、
測定圧が略一定になるように動き、広い測定範囲にわた
って連続的に２次元的または３次元的に走査して形状を
測定できるという作用を有し、光位置信号をＸ軸モータ
にフィードバックを掛けるように構成されている。
【００５２】更にＸスケール１６ｘからの検出信号は、
増幅器４１により増幅された光位置信号と加算器４２に
より加算され、この加算値がＸ座標の絶対値となるので
広い測定範囲におけるＸ座標の絶対値が得られる。この
Ｘ座標の絶対値出力は、コンピュータ４０に入力され
る。なお、加算器４２はコンピュータに内蔵させても良
い。４３は、形状測定の結果を、図形、表等により表示
・記録する表示装置及びプリンタである。
増幅器４１により増幅された光位置信号と加算器４２に
より加算され、この加算値がＸ座標の絶対値となるので
広い測定範囲におけるＸ座標の絶対値が得られる。この
Ｘ座標の絶対値出力は、コンピュータ４０に入力され
る。なお、加算器４２はコンピュータに内蔵させても良
い。４３は、形状測定の結果を、図形、表等により表示
・記録する表示装置及びプリンタである。
【００５３】Ｙスケール１６ｙ、Ｚスケール１６ｚから
の検出信号は、それぞれコンピュータ４０に入力され、
処理された後、Ｙ、Ｚモータドライバー４５、４６に入
力され、Ｙ、Ｚモータドライバー４５により、Ｙモータ
１５ｙ、Ｚモータ１５ｚが駆動される。
の検出信号は、それぞれコンピュータ４０に入力され、
処理された後、Ｙ、Ｚモータドライバー４５、４６に入
力され、Ｙ、Ｚモータドライバー４５により、Ｙモータ
１５ｙ、Ｚモータ１５ｚが駆動される。
【００５４】ロータリエンコーダ１３の検出出力は、コ
ンピュータ４０に入力され、所定の制御プログラムのデ
ータと参照して、コンピュータ４０から制御信号がθモ
ータドライバー４７に入力され、これに基づいてθモー
タ１４が駆動される。
ンピュータ４０に入力され、所定の制御プログラムのデ
ータと参照して、コンピュータ４０から制御信号がθモ
ータドライバー４７に入力され、これに基づいてθモー
タ１４が駆動される。
【００５５】図４において、光位置検出手段７からはア
ーム３の傾斜を表す光位置信号が出力される。この信号
はＸモータドライバー４４にフィードバックされる。モ
ータドライバー４４は、アーム３の傾斜角度が略一定に
なり、測定圧が略一定になるような駆動出力を発生し、
これに基づいてＸモータ１５ｘが作動する。これによ
り、測定面の広い範囲にわたって連続的に２次元、又
は、３次元的に走査して形状を測定することができる。
なお、フィードバックは＋Ｘ方向と−Ｘ方向の両方に選
択的にかけるようにもでき、両面測定が可能となる。
ーム３の傾斜を表す光位置信号が出力される。この信号
はＸモータドライバー４４にフィードバックされる。モ
ータドライバー４４は、アーム３の傾斜角度が略一定に
なり、測定圧が略一定になるような駆動出力を発生し、
これに基づいてＸモータ１５ｘが作動する。これによ
り、測定面の広い範囲にわたって連続的に２次元、又
は、３次元的に走査して形状を測定することができる。
なお、フィードバックは＋Ｘ方向と−Ｘ方向の両方に選
択的にかけるようにもでき、両面測定が可能となる。
【００５６】スタイラス１を測定対象物Ｓの測定部位の
表面に追従させて、２次元、又は、３次元的に走査した
ときのＸＹＺ各ステージ１７、１８、１９の移動量は、
各軸毎に設けられているリニアスケール１６ｘ、１６
ｙ、１６ｚにより、精度１μｍ程度の測定を行うことが
できる。スクロール羽根の必要精度は３μｍ程度なの
で、充分に目的を達成することができる。また、スクロ
ール羽根の回転角度位置は、ロータリエンコーダ１３に
より、充分な精度で測定することができる。
表面に追従させて、２次元、又は、３次元的に走査した
ときのＸＹＺ各ステージ１７、１８、１９の移動量は、
各軸毎に設けられているリニアスケール１６ｘ、１６
ｙ、１６ｚにより、精度１μｍ程度の測定を行うことが
できる。スクロール羽根の必要精度は３μｍ程度なの
で、充分に目的を達成することができる。また、スクロ
ール羽根の回転角度位置は、ロータリエンコーダ１３に
より、充分な精度で測定することができる。
【００５７】しかし、上記実施形態の構成では、更に精
度は上げることは、困難である。図５に示す第２の実施
形態の形状測定装置では、さらに高精度の形状測定装置
を実現できるものである。以下にこれについて述べる。
度は上げることは、困難である。図５に示す第２の実施
形態の形状測定装置では、さらに高精度の形状測定装置
を実現できるものである。以下にこれについて述べる。
【００５８】図５は本発明の第２の実施形態の形状測定
装置の全体構成を示し、デジタルビデオ用シリンダーの
形状測定に好適である。図６は図５の装置におけるスタ
イラスと測定物の拡大図を示す。図６のプローブ２７、
２８、２９は、厚さ、穴径、外径、表面粗さを測定でき
るという作用を有し、プローブ２８はアームの先端の２
方向に一方は丸いスタイラス、他方は尖ったスタイラス
で構成されている。図５においては、ＸＹ２軸の位置測
定にリニアスケールの代わりに、レーザ測長器と高精度
ミラーによる位置測定手段を使用している。
装置の全体構成を示し、デジタルビデオ用シリンダーの
形状測定に好適である。図６は図５の装置におけるスタ
イラスと測定物の拡大図を示す。図６のプローブ２７、
２８、２９は、厚さ、穴径、外径、表面粗さを測定でき
るという作用を有し、プローブ２８はアームの先端の２
方向に一方は丸いスタイラス、他方は尖ったスタイラス
で構成されている。図５においては、ＸＹ２軸の位置測
定にリニアスケールの代わりに、レーザ測長器と高精度
ミラーによる位置測定手段を使用している。
【００５９】図５に示すように、Ｘ方向移動可能なＸス
テージ２５ａ上にＹ方向に移動可能にＹステージ２５ｂ
が配設され、このＹステージ２５ｂ上に支柱ブロック３
３が垂直に固定され、支柱ブロック３３にはＺステージ
２６が、静圧軸受けを介して、Ｚ軸方向に移動可能に装
着されている。Ｓは形状測定対象であるデジタルビデオ
テープレコーダ用Ｆシリンダーであり、回転ステージ３
１上に装着されている。
テージ２５ａ上にＹ方向に移動可能にＹステージ２５ｂ
が配設され、このＹステージ２５ｂ上に支柱ブロック３
３が垂直に固定され、支柱ブロック３３にはＺステージ
２６が、静圧軸受けを介して、Ｚ軸方向に移動可能に装
着されている。Ｓは形状測定対象であるデジタルビデオ
テープレコーダ用Ｆシリンダーであり、回転ステージ３
１上に装着されている。
【００６０】ＸＹ軸方向の移動量測定については、Ｘ軸
方向に走らせたレーザ光を、ＹＺ方向に平面を持つＸ軸
用ミラー２１で反射し、反射光の光波の位相変化からＸ
座標を読み、Ｙ軸方向に走らせたレーザ光を、ＸＺ方向
に平面を持つＹ軸用ミラー２２で反射し、反射光の光波
の位相変化からＹ座標を読むように構成している。
方向に走らせたレーザ光を、ＹＺ方向に平面を持つＸ軸
用ミラー２１で反射し、反射光の光波の位相変化からＸ
座標を読み、Ｙ軸方向に走らせたレーザ光を、ＸＺ方向
に平面を持つＹ軸用ミラー２２で反射し、反射光の光波
の位相変化からＹ座標を読むように構成している。
【００６１】即ち、２１、２２はＸ軸方向、Ｙ軸方向に
それぞれ垂直にステージ外の固定部に固定配置された平
面度０．０１μｍのＸ軸用ミラー、Ｙ軸用ミラーであ
る。Ｙ軸方向の位置測定を例にとって説明すると、２４
は干渉縞カウンター、Ｍ１、Ｍ２は直角に光路を変換す
る反対鏡であり、いずれもＹステージ２５ｂ上に配置さ
れ、同様にＹステージ２５ｂ上に配置された図示されな
いレーザ光源からレーザ光２３を投射するように構成さ
れている。Ｙ軸位置測定において、レーザ光源からミラ
ーＭ１に４５度に、Ｘ軸に平行に図の矢印の方向からレ
ーザ光２３を入射させ、ミラーＭ１でＹ軸方向に反射さ
れてＹ軸用ミラー２２に垂直に入射し、Ｙ軸用ミラー２
２でＹ軸方向に反射され、第２のミラーＭ２で４５度反
射されて、干渉縞カウンター２４に入射するように構成
されている。この構成により、Ｙステージ２５ｂがＹ軸
方向に移動すると、レーザ光源から干渉縞カウンター２
４迄のレーザ光２３の光路長の変化が生じ、Ｙステージ
２５ｂのＹ軸方向移動量を、干渉縞カウンター２４によ
り、０．１μｍの精度で計測することができる。なおレ
ーザ光源としては、発振周波数を安定化したＨｅ−Ｎｅ
レーザが好適である。
それぞれ垂直にステージ外の固定部に固定配置された平
面度０．０１μｍのＸ軸用ミラー、Ｙ軸用ミラーであ
る。Ｙ軸方向の位置測定を例にとって説明すると、２４
は干渉縞カウンター、Ｍ１、Ｍ２は直角に光路を変換す
る反対鏡であり、いずれもＹステージ２５ｂ上に配置さ
れ、同様にＹステージ２５ｂ上に配置された図示されな
いレーザ光源からレーザ光２３を投射するように構成さ
れている。Ｙ軸位置測定において、レーザ光源からミラ
ーＭ１に４５度に、Ｘ軸に平行に図の矢印の方向からレ
ーザ光２３を入射させ、ミラーＭ１でＹ軸方向に反射さ
れてＹ軸用ミラー２２に垂直に入射し、Ｙ軸用ミラー２
２でＹ軸方向に反射され、第２のミラーＭ２で４５度反
射されて、干渉縞カウンター２４に入射するように構成
されている。この構成により、Ｙステージ２５ｂがＹ軸
方向に移動すると、レーザ光源から干渉縞カウンター２
４迄のレーザ光２３の光路長の変化が生じ、Ｙステージ
２５ｂのＹ軸方向移動量を、干渉縞カウンター２４によ
り、０．１μｍの精度で計測することができる。なおレ
ーザ光源としては、発振周波数を安定化したＨｅ−Ｎｅ
レーザが好適である。
【００６２】Ｘステージ２５ａのＸ軸方向移動量計測用
にも、基本的にＹ軸方向移動量計測用と同様の光学系が
設けられている。
にも、基本的にＹ軸方向移動量計測用と同様の光学系が
設けられている。
【００６３】さらに、図６に示すように、上面とリード
形状測定用プローブ２７、側面測定用プローブ２８、底
面測定用プローブ２９の３種のプローブが、１台の測定
装置に組み込まれている。
形状測定用プローブ２７、側面測定用プローブ２８、底
面測定用プローブ２９の３種のプローブが、１台の測定
装置に組み込まれている。
【００６４】すなわち、ビデオシリンダーの上面または
ビデオ下シリンダーのリード（テープガイド）面を計測
するリード（上面）プローブ２７が、Ｚステージ２６に
固定した支持部３５に装着されている。プローブ２７
は、図６に示すように、水平方向の部材の先端付近を下
方に曲げ、その先端を尖らせた形状に構成されたもので
ある。
ビデオ下シリンダーのリード（テープガイド）面を計測
するリード（上面）プローブ２７が、Ｚステージ２６に
固定した支持部３５に装着されている。プローブ２７
は、図６に示すように、水平方向の部材の先端付近を下
方に曲げ、その先端を尖らせた形状に構成されたもので
ある。
【００６５】２８は穴の内径の測定等に用いる側面測定
用プローブであり、Ｚステージ２６に固定した支持部３
６に装着されており、図６に示すように、Ｚ軸方向のア
ームの下端にＸ軸の正負２方向にそれぞれ向いた２個の
スタイラスを設けたものであり、その一方のスタイラス
は先端が細く尖った形状を有し、例えば１０μｍ程度の
曲率半径を有し、他方のスタイラスは先端が丸く、例え
ば２５０μ程度の曲率半径に形成されている。
用プローブであり、Ｚステージ２６に固定した支持部３
６に装着されており、図６に示すように、Ｚ軸方向のア
ームの下端にＸ軸の正負２方向にそれぞれ向いた２個の
スタイラスを設けたものであり、その一方のスタイラス
は先端が細く尖った形状を有し、例えば１０μｍ程度の
曲率半径を有し、他方のスタイラスは先端が丸く、例え
ば２５０μ程度の曲率半径に形成されている。
【００６６】２９はビデオシリンダーの下面の形状等を
計測する底面測定用プローブであり、Ｚステージ２６に
取り付けられた底面プローブ支持部３０の先端に装着さ
れ、図６に示すように、水平方向の部材の先端付近を上
方に曲げ、その先端を尖らせた形状に構成されたもので
ある。
計測する底面測定用プローブであり、Ｚステージ２６に
取り付けられた底面プローブ支持部３０の先端に装着さ
れ、図６に示すように、水平方向の部材の先端付近を上
方に曲げ、その先端を尖らせた形状に構成されたもので
ある。
【００６７】図５において、レーザ光２３とＸ軸用ミラ
ー２１、Ｙ軸用ミラー２２を使用した座標測定系は、Ｘ
Ｙステージ２５ａ、２５ｂの移動真直度が１μｍ以上と
悪くても、０．１μｍの超高精度に移動量を測定できる
という作用を有している。
ー２１、Ｙ軸用ミラー２２を使用した座標測定系は、Ｘ
Ｙステージ２５ａ、２５ｂの移動真直度が１μｍ以上と
悪くても、０．１μｍの超高精度に移動量を測定できる
という作用を有している。
【００６８】なお、以上の説明はスクロール羽根形状測
定機とビデオシリンダー形状測定機をそれぞれ構成した
例で説明したが、一般部品の測定においては、プローブ
の形状や数、座標系を変える事により、最適な形状測定
機を構成することが可能である。
定機とビデオシリンダー形状測定機をそれぞれ構成した
例で説明したが、一般部品の測定においては、プローブ
の形状や数、座標系を変える事により、最適な形状測定
機を構成することが可能である。
【００６９】図５に示す第２の実施形態の構成によれ
ば、以下の効果が得られる。
ば、以下の効果が得られる。
【００７０】ビデオ用シリンダーは回転する上シリンダ
ーと固定の下シリンダーがある。下シリンダーは図６の
Ｓに示すような形状で、必要測定項目は穴径、外径、表
面粗さ、リード部の直線度と高さ、底面と上面の平行
度、底面と穴や外側面との直角度、外壁と穴の同心度と
それぞれの円筒度、さらに、穴は流体軸受けになってい
るので、油をためる溝形状、テープ走行音を消す為のバ
ルジ形状等がある。上、下シリンダー合計で２６項目も
の必要測定項目がある。
ーと固定の下シリンダーがある。下シリンダーは図６の
Ｓに示すような形状で、必要測定項目は穴径、外径、表
面粗さ、リード部の直線度と高さ、底面と上面の平行
度、底面と穴や外側面との直角度、外壁と穴の同心度と
それぞれの円筒度、さらに、穴は流体軸受けになってい
るので、油をためる溝形状、テープ走行音を消す為のバ
ルジ形状等がある。上、下シリンダー合計で２６項目も
の必要測定項目がある。
【００７１】これらの測定を従来は５〜６台の別々の測
定装置で行なってきた。しかし、アナログビデオでは１
μｍ程度の測定精度で良かったが、デジタルビデオとな
ると１桁低い０．１μｍ程度の測定精度が必要となる。
本実施形態では、より高精度に、１台で全測定が自動的
にできる測定装置を実現したものである。
定装置で行なってきた。しかし、アナログビデオでは１
μｍ程度の測定精度で良かったが、デジタルビデオとな
ると１桁低い０．１μｍ程度の測定精度が必要となる。
本実施形態では、より高精度に、１台で全測定が自動的
にできる測定装置を実現したものである。
【００７２】なお、第１の実施形態の測定装置はＸＹＺ
各軸にリニアスケールが付いており、精度１μｍ程度の
測定機である。スクロール羽根の必要精度は３μｍ程度
なので、こういう構成にしたが、この構成では更に精度
はあげられない。理由は、３つある。１点目はＸＹステ
ージの移動真直度が１μｍ程度なので、Ｘ軸の移動量が
精度良く計れても、ＹＺ方向に移動するとＹＺ軸の真直
度不足は計れないので、Ｘ座標が誤差を持つこと、２点
目はＸＹ軸の測定点の延長線上にリニアスケールが付け
られないので、ＸＹステージがピッチング、ヨーイン
グ、ローリングにより傾くと、スケールの読みから測定
点の座標がずれること、３点目はリニアスケール自体が
０．２μｍ程度の誤差を持つことが挙げられる。
各軸にリニアスケールが付いており、精度１μｍ程度の
測定機である。スクロール羽根の必要精度は３μｍ程度
なので、こういう構成にしたが、この構成では更に精度
はあげられない。理由は、３つある。１点目はＸＹステ
ージの移動真直度が１μｍ程度なので、Ｘ軸の移動量が
精度良く計れても、ＹＺ方向に移動するとＹＺ軸の真直
度不足は計れないので、Ｘ座標が誤差を持つこと、２点
目はＸＹ軸の測定点の延長線上にリニアスケールが付け
られないので、ＸＹステージがピッチング、ヨーイン
グ、ローリングにより傾くと、スケールの読みから測定
点の座標がずれること、３点目はリニアスケール自体が
０．２μｍ程度の誤差を持つことが挙げられる。
【００７３】これに対し、第２の実施形態の形状測定装
置は、精度０．１μｍを達成するために、ＸＹ軸共、ス
ケールはレーザ測長を採用した。発振周波数安定化ヘリ
ウムネオンレーザ光２３を平面度０．０１μｍのＸ軸用
ミラー２１，Ｙ軸用ミラー２２に照射し、反射光を干渉
縞カウンター２４で読む。
置は、精度０．１μｍを達成するために、ＸＹ軸共、ス
ケールはレーザ測長を採用した。発振周波数安定化ヘリ
ウムネオンレーザ光２３を平面度０．０１μｍのＸ軸用
ミラー２１，Ｙ軸用ミラー２２に照射し、反射光を干渉
縞カウンター２４で読む。
【００７４】図５に示した構成は上記３点の誤差発生要
因をすべて無くしたものである。
因をすべて無くしたものである。
【００７５】第一点目はＸＹステージ２５ａ、２５ｂの
移動真直度は１μｍ程度だが、ＸＹ座標軸はＸＹステー
ジ２５ａ、２５ｂの移動真直度で決まるのではなく、Ｘ
Ｙ軸用ミラー２１，２２の平面度できまる。つまり、真
直度０．０１μｍのＸＹ座標軸が得られる。Ｚステージ
２６は真直度０．０５μｍ以下の静圧軸受けを使用した
ので、リニアスケールを用いることである程度対処可能
であるが、レーザ測長を採用すると好適である。
移動真直度は１μｍ程度だが、ＸＹ座標軸はＸＹステー
ジ２５ａ、２５ｂの移動真直度で決まるのではなく、Ｘ
Ｙ軸用ミラー２１，２２の平面度できまる。つまり、真
直度０．０１μｍのＸＹ座標軸が得られる。Ｚステージ
２６は真直度０．０５μｍ以下の静圧軸受けを使用した
ので、リニアスケールを用いることである程度対処可能
であるが、レーザ測長を採用すると好適である。
【００７６】第二点目はＸＹ軸の測定点の延長線上でレ
ーザ測長する構成とした為、ＸＹステージ２５ａ、２５
ｂのピッチング、ヨーイング、ローリングによる誤差が
測定に影響しない。Ｚ軸は、静圧軸受けなのでピッチン
グ、ヨーイング、ローリング自体が十分小さい。
ーザ測長する構成とした為、ＸＹステージ２５ａ、２５
ｂのピッチング、ヨーイング、ローリングによる誤差が
測定に影響しない。Ｚ軸は、静圧軸受けなのでピッチン
グ、ヨーイング、ローリング自体が十分小さい。
【００７７】第三点目はレーザ測長自体の精度が０．１
μｍ以下であることである。
μｍ以下であることである。
【００７８】この構成により、測定点の座標を移動台の
真直度不足やピッチング、ヨーイング、ローリングの影
響を排除した０．１μｍ以下の超高精度な形状測定装置
を得ることができる。
真直度不足やピッチング、ヨーイング、ローリングの影
響を排除した０．１μｍ以下の超高精度な形状測定装置
を得ることができる。
【００７９】また、デジタルビデオシリンダーは、上面
と底面との平行度、底面と穴との直角度、穴と外径との
同軸度等、いずれも０．１μｍのオーダーで測定する必
要がある。従来、これらの測定は別々の測定機で行なっ
てきたが、測定物の姿勢が取付け毎に変わる為、高精度
な測定はできなかった。本実施形態では、上面とリード
形状測定用プローブ２７，側面測定用プローブ２８，底
面測定用プローブ２９が１台の測定機に組込まれてお
り、上面や底面と側面との直角度等の測定を０．１μｍ
オーダーの精度で測定できる。
と底面との平行度、底面と穴との直角度、穴と外径との
同軸度等、いずれも０．１μｍのオーダーで測定する必
要がある。従来、これらの測定は別々の測定機で行なっ
てきたが、測定物の姿勢が取付け毎に変わる為、高精度
な測定はできなかった。本実施形態では、上面とリード
形状測定用プローブ２７，側面測定用プローブ２８，底
面測定用プローブ２９が１台の測定機に組込まれてお
り、上面や底面と側面との直角度等の測定を０．１μｍ
オーダーの精度で測定できる。
【００８０】また、図６の２８に示すようにアーム部の
先端の２方向にスタイラスが取付けられている。２方向
のスタイラス先端間の距離を前もって正確に計っておけ
ば、穴の両側の壁の位置を測定することにより、穴径の
測定ができる。
先端の２方向にスタイラスが取付けられている。２方向
のスタイラス先端間の距離を前もって正確に計っておけ
ば、穴の両側の壁の位置を測定することにより、穴径の
測定ができる。
【００８１】また、２方向のスタイラスの一方を丸く
し、他方を尖らせたものとした。尖ったスタイラスによ
り測定面の細かい粗さ測定や流体軸受溝の形状測定、丸
いスタイラスにより施盤加工の凹凸を拾わずに、外接面
だけの形状測定を行うことができる。
し、他方を尖らせたものとした。尖ったスタイラスによ
り測定面の細かい粗さ測定や流体軸受溝の形状測定、丸
いスタイラスにより施盤加工の凹凸を拾わずに、外接面
だけの形状測定を行うことができる。
【００８２】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、各種の測
定面に対して、応答性良く高精度に形状測定を行うこと
が可能となるとともに、細い穴の側面形状測定等を０．
１μｍのオーダーで超高精度測定が測定面にキズを付け
ず、迅速に測定でき、さらに１台の測定機でデジタルビ
デオシリンダーのリード等多項目の測定を測定物の取り
外し、再取付け無しで、自動測定プログラムを組むこと
により、全自動で効率良く測定できるという効果が得ら
れる。
定面に対して、応答性良く高精度に形状測定を行うこと
が可能となるとともに、細い穴の側面形状測定等を０．
１μｍのオーダーで超高精度測定が測定面にキズを付け
ず、迅速に測定でき、さらに１台の測定機でデジタルビ
デオシリンダーのリード等多項目の測定を測定物の取り
外し、再取付け無しで、自動測定プログラムを組むこと
により、全自動で効率良く測定できるという効果が得ら
れる。
【図１】本発明の一実施形態による形状測定装置用プロ
ーブ部を示し（ａ）はその正面図、（ｂ）は（ａ）のＰ
−Ｐ断面図。
ーブ部を示し（ａ）はその正面図、（ｂ）は（ａ）のＰ
−Ｐ断面図。
【図２】図１の（ａ）のプローブの要部拡大図。
【図３】本発明の実施形態における形状測定装置の斜視
図。
図。
【図４】その信号系のブロック図。
【図５】本発明の他の実施形態の形状測定装置の斜視
図。
図。
【図６】その測定対象物と各種プローブ部を示す斜視
図。
図。
Ｓ 測定対象物 １ スタイラス ２ ミラー ３ アーム部 ５ 板バネ（アーム保持部材） ６ 光源 ７ 光位置検出手段 ８ 円柱部材 ９ 押さえ板 １０ プローブ（測定ヘッド） ２１ Ｘ軸用ミラー ２２ Ｙ軸用ミラー ２３ レーザ光 ２４ 干渉縞カウンター ２７ リード（上面）測定用プローブ ２８ 側面測定用プローブ ２９ 底面測定用プローブ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 内村 清一 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 金島 敬之介 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−161008（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−131016（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−160075（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−102037（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−259728（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−265520（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−71203（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01B 21/00 - 21/32 G01B 11/00 - 11/30
Claims (11)
- 【請求項１】 先端にスタイラスが固定されたアーム部
と、このアーム部が測定圧によって一方向にのみ傾斜可
能な状態にアーム部の基端近くを装置固定部に連結する
板ばねより成るアーム保持部材と、前記スタイラスの測
定面からの測定圧に基づく前記板バネの弾性変形による
前記アーム部の変位を検知する手段を備えたプローブを
有し、かつアーム部の変位を検知する手段が、アーム部
の基端に固定されたミラーと、ミラーの反射面側に固定
配置された投光部と、この投光部から放射された光に基
づく前記ミラーからの反射光を受光し、この反射光の位
置を検知する光位置検知手段とを備えたことを特徴とす
る形状測定装置。 - 【請求項２】 アーム保持部材はほぼＶ字形であって、
Ｖ字形の両端で固定部側に連結されるとともに、Ｖ字形
の下端とアーム部の基端付近とが固定結合された請求項
１記載の形状測定装置。 - 【請求項３】 板バネが、円柱部材に固定され、円柱部
材はバネ性を有する押さえ板で固定部に保持され、過度
の測定圧がかかったときは前記円柱部材が回転し、通常
の測定圧がかかったときは摩擦力で保持され円柱部材は
回転しないように構成された請求項１または２に記載の
形状測定装置。 - 【請求項４】 先端にスタイラスが固定されたアーム部
と、このアーム部が測定圧によって一方向にのみ傾斜可
能な状態にアーム部の基端近くを装置固定部に連結する
板ばねより成るアーム保持部材と、前記スタイラスの測
定面からの測定圧に基づく前記板バネの弾性変形による
前記アーム部の変位を検知する手段を備えたプローブを
有し、かつ板バネが、円柱部材に固定され、円柱部材は
バネ性を有する押さえ板で固定部に保持され、過度の測
定圧がかかったときは前記円柱部材が回転し、通常の測
定圧がかかったときは摩擦力で保持され円柱部材は回転
しないように構成されたことを特徴とする形状測定装
置。 - 【請求項５】 押さえ板は、スタイラスに過度な力が作
用したとき、円柱部材が押さえ板からスリップし、アー
ム部がはずれるように構成された請求項３または４記載
の形状測定装置。 - 【請求項６】 プローブまたは測定面を、プローブと測
定面との間隔が変化する方向に移動させる移動台とこの
移動台の移動距離を測定するスケールと、測定面からの
測定圧によって生じるスタイラスの変位に前記スケール
の測定値を加算する事により、測定面の座標を検出する
ように構成した請求項１〜５のいずれかに記載の形状測
定装置。 - 【請求項７】 測定面からの測定圧によって生ずるスタ
イラスの変位が、略一定になるように、光位置検出手段
からの信号を移動台の駆動手段にフィードバックする制
御装置を備え、プローブと測定面との間隔が変化する方
向と略垂直な方向に光学ヘッド部を含むプローブ、また
は、前記測定面を移動させる移動台と、この移動台によ
り、前記スタイラスを前記測定面に一定測定圧で走査さ
せ、前記測定面の形状を測定するように構成した請求項
１〜６のいずれかに記載の形状測定装置。 - 【請求項８】 プローブ部をＸＹＺ方向に移動させる移
動台と、測定物を回転させるθステージを備えた請求項
１〜７のいずれかに記載の形状測定装置。 - 【請求項９】 スタイラスがアーム部の先端の複数方向
に取り付けられた請求項１〜８のいずれかに記載の形状
測定装置。 - 【請求項１０】 移動台がＸステージ、Ｙステージを有
し、Ｘステージ移動量測定用スケールとして、レーザ光
投受光手段又はＹＺ方向に平面をもつミラーのいずれか
一方を固定部に、他方をＸステージに夫々配置して、レ
ーザ光の反射光の光波の位相変化からＸ座標を読む構成
のものを用い、Ｙステージ移動量測定用スケールとし
て、レーザ光投受光手段又はＸＺ方向に平面をもつミラ
ーのいずれか一方を固定部に、他方をＹステージに夫々
配置してレーザ光の反射光の光波の位相変化からＹ座標
を読む構成のものを用いた請求項６〜９のいずれかに記
載の形状測定装置。 - 【請求項１１】 Ｘ軸方向の変位を検出するプローブ
と、Ｚ軸、又は、Ｙ軸方向の変位を検出するプローブの
少なくとも２本のプローブを備えた請求項１〜１０記載
の形状測定装置。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP08084206A JP3075981B2 (ja) | 1996-04-05 | 1996-04-05 | 形状測定装置 |
| US08/831,080 US5917181A (en) | 1996-04-05 | 1997-04-01 | Profile measuring apparatus |
| GB9706665A GB2311862B (en) | 1996-04-05 | 1997-04-02 | Profile measuring apparatus |
| MYPI97001422A MY115668A (en) | 1996-04-05 | 1997-04-02 | Profile measuring apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP08084206A JP3075981B2 (ja) | 1996-04-05 | 1996-04-05 | 形状測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09273926A JPH09273926A (ja) | 1997-10-21 |
| JP3075981B2 true JP3075981B2 (ja) | 2000-08-14 |
Family
ID=13824019
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP08084206A Expired - Fee Related JP3075981B2 (ja) | 1996-04-05 | 1996-04-05 | 形状測定装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5917181A (ja) |
| JP (1) | JP3075981B2 (ja) |
| GB (1) | GB2311862B (ja) |
| MY (1) | MY115668A (ja) |
Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| US7797851B2 (en) | 2006-05-18 | 2010-09-21 | Panasonic Corporation | Shape measurement device probe and shape measurement device |
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| GB9907644D0 (en) * | 1999-04-06 | 1999-05-26 | Renishaw Plc | Surface sensing device with optical sensor |
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