JP7296279B2 - 形状計測装置、及び検出器の校正方法 - Google Patents

Description

本発明は、形状計測装置、及び形状計測装置に搭載される検出器の校正方法に関する。

研削対象物であるワークの上面の真直度を計測する方法として、研削装置のワーク送り機能を利用し、砥石ヘッドに変位計を取り付けて加工表面を走査する機上計測方法が知られている。機上計測方法では、一般的に、３個の変位計を含む検出器を用いた逐次三点法が用いられる（例えば、特許文献１）。逐次三点法においては、ワークの上面の一直線上に位置する三点の高さ方向の位置を同時に計測し、計測結果から、平面の局所的な曲がりの度合い（曲率）を求める。その曲率を２階積分してワークの上面の真直度を計算により求める。真直度とは、対象とする形状の、幾何学的に正しい直線からの狂いの程度を意味する。ワークの上面の真直度を計測することは、ワークの上面の高さ方向に関する凹凸の形状を計測することと等価である。

計測対象物の表面の真直度を精度よく計測するために、３個の変位計のゼロ点が幾何学的に正しい平面上に位置するように検出器のゼロ点校正を行う必要がある。検出器のゼロ点校正を行うために、真直度が高い基準面を持つ基準器が使用される。研削装置によって研削されたワークの上面の真直度を計測する際には、例えば、研削後のワークの上に基準器を載せて、３個の変位計のゼロ点が基準面上に位置するように、検出器のゼロ点校正を行う。

特開２０１６－１６６８７３号公報

検出器のゼロ点校正を行った後、基準器をワーク上の他の位置に設置して基準面の真直度を計測すると、理想的には真直度の幾何公差はゼロになる。ところが、基準器を設置する位置を変えて基準面の真直度を計測すると、基準面の真直度の幾何公差がゼロではなくなってしまう場合があることが判明した。これは、基準器を載せる位置によって、ゼロ点校正後のゼロ点の位置にばらつきが生じてしまうことを意味する。高精度のゼロ点校正が行われないと、ワークの上面の真直度の計測精度が低下してしまう。

本発明の目的は、検出器のゼロ点校正において、ゼロ点の位置のばらつきが生じにくい形状計測装置及び検出器の校正方法を提供することである。

本発明の一観点によると、
一列に配列した少なくとも３個の変位計を含み、計測対象物に対向して配置されることにより、前記少なくとも３個の変位計から前記計測対象物までの距離の変位を検出する検出器と、
支持部材の上に支持されることによって、前記検出器の校正用の基準面を提供する基準器と、
前記検出器の校正を行う制御装置と
を有し、
前記基準器は、前記少なくとも３個の変位計が配列する方向に関して２箇所で前記支持部材の上に支持される支持構造を有し、
前記制御装置は、前記少なくとも３個の変位計に前記基準面を対向させた状態で前記検出器の校正を行う形状計測装置が提供される。

本発明の他の観点によると、
一列に配列した少なくとも３個の変位計を含み、計測対象物に対向して配置されることにより、前記少なくとも３個の変位計の各々から計測対象物までの距離の変位を検出する検出器と、
支持部材の上に支持されることによって、前記検出器の校正を行うための基準面を提供する基準器と、
前記検出器の校正を行う制御装置と
を有し、
前記基準器を前記支持部材の上に支持した状態で、自重によって撓みが生じ、撓みが生じた状態の前記基準面の形状が、前記支持部材の上面の凹凸の影響を受けない構造を有し、
前記制御装置は、前記少なくとも３個の変位計を前記基準面に対向させた状態で前記検出器の校正を行う形状計測装置が提供される。

本発明のさらに他の観点によると、
一列に配列した少なくとも３個の変位計を、計測対象物に対向して配置させることにより、前記少なくとも３個の変位計の各々から前記計測対象物までの距離の変位を検出する検出器の校正方法であって、
前記少なくとも３個の変位計に基準器の基準面を対向させた姿勢で、前記基準器を前記少なくとも３個の変位計は配列する方向に関して２箇所で支持部材の上に支持させ、
前記少なくとも３個の変位計を前記基準面に対向させた状態で前記検出器の校正を行う校正方法が提供される。

基準器の撓み形状が、支持部材の上面の凹凸の影響を受けない。このため、検出器の校正時に形状のばらつきが小さい基準面が提供され、その結果、検出器の少なくとも３個の変位計のゼロ点の位置の、設置場所によるばらつきを抑制することができる。

図１Ａは、実施例による形状計測装置が組み込まれた研削装置の斜視図であり、図１Ｂは、砥石ヘッドに検出器を取り付けた状態における検出器の側面図である。 図２は、計測対象であるワークの上面、及び検出器を示す模式図である。 図３は、検出器の第１変位計、第２変位計、第３変位計と基準器との位置関係を示す模式図である。 図４Ａ及び図４Ｂは、比較例による検出器の校正方法で用いられる基準器をワークの上に載せた状態の断面図である。 図５は、実施例による形状計測装置で用いられる基準器を斜め下方から見た斜視図である。 図６Ａ及び図６Ｂは、実施例による形状計測装置で用いられる基準器をワークの上面に載せた状態の断面図である。 図７Ａは、両端支持等分布荷重の梁構造を有する基準器の模式図であり、図７Ｂは、実施例による形状計測装置で用いられる基準器と検出器との位置関係を示す模式図である。 図８Ａ～図８Ｃは、評価実験中におけるワーク、基準器、及び検出器の位置関係を示す図である。 図９Ａは、脚部を持たない直方体状の基準器を用いて計測したオフセット量ｇの分布を示すグラフであり、図９Ｂは、実施例による形状計測装置で使用される基準器（図５）、即ち脚部を持つ基準器を用いて計測したオフセット量ｇの分布を示すグラフである。 図１０は、実施例による形状計測方法のフローチャートである。 図１１Ａは、制御装置が入出力装置のディスプレイに表示させたコントロールウィンドウの画像を示す図であり、図１１Ｂは、入出力装置のディスプレイに表示された計測結果の画像の一例を示す図である。 図１２は、他の実施例による形状計測方法のフローチャートである。 図１３は、図１２に示した実施例の制御装置が入出力装置（図１Ａ）のディスプレイに表示させたコントロールウィンドウの画像を示す図である。 図１４は、ワークの上面の真直度の幾何公差の計測結果、及び温度センサ（図１Ｂ）で測定された温度の測定値の時間変化を示すグラフである。 図１５Ａは、さらに他の実施例による形状計測装置の制御装置が入出力装置（図１Ａ）のディスプレイに表示させたコントロールウィンドウの画像を示す図であり、図１５Ｂは、入出力装置（図１Ａ）のディスプレイに表示された画像の一例を示す図である。 図１６Ａ～図１６Ｄは、図５に示した実施例の変形例による基準器を斜め下から見た斜視図である。 図１７Ａは、図５に示した実施例の他の変形例による基準器の無重力状態における側面図であり、図１７Ｂは、ワークの上面に設置した状態での基準器の側面図である。

図１Ａ～図１１Ｂを参照して、実施例による形状計測装置について説明する。
図１Ａは、本実施例による形状計測装置が組み込まれた研削装置の斜視図である。研削装置は、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、入出力装置２１、基準器３０、及び検出器４０を含む。可動テーブル１０はテーブル案内機構１１によって水平面内の一方向に往復移動する。可動テーブル１０の上に被研削物であるワーク１２が支持される。このワーク１２が、形状計測装置によって真直度を計測される計測対象物に相当する。

砥石ヘッド１５が案内レール１８によって可動テーブル１０上のワーク１２の上方に、昇降可能に支持されている。砥石ヘッド１５は、水平面内で可動テーブル１０の移動方向と直交する方向に移動可能である。可動テーブル１０の移動方向をｘ軸方向とし、砥石ヘッド１５の移動方向をｙ軸方向とし、鉛直下向きをｚ軸の正の向きとするｘｙｚ直交座標系を定義する。

砥石ヘッド１５の下端部に砥石１６が取り付けられている。砥石１６は円柱状の形状を有し、その中心軸がｙ軸方向と平行である。砥石１６がワーク１２に接触する程度まで砥石ヘッド１５を下降させ、砥石１６を回転させながらワーク１２をｘ軸方向に移動させることにより、ワーク１２の研削が行われる。砥石ヘッド１５をｙ軸方向に移動させて同様の処理を繰り返すことにより、ワーク１２の上面の全域を研削することができる。

制御装置２０が、可動テーブル１０のｘ軸方向への移動、砥石ヘッド１５のｙ軸方向への移動及び昇降、砥石１６の回転の制御を行う。入出力装置２１から制御装置２０への各種指令が入力され、制御装置２０による処理結果等が入出力装置２１に出力される。入出力装置２１は、例えばディスプレイ、ポインティングデバイス、キーボード等を含む。

検出器４０は、砥石ヘッド１５の側面に着脱可能に取り付けられる。研削時には、検出器４０は砥石ヘッド１５から取り外される。ワーク１２の上面の真直度を計測する際に、検出器４０が砥石ヘッド１５に取り付けられる。検出器４０は、例えば磁石の吸引力、ネジ止め等によって砥石ヘッド１５に取り付けられる。検出器４０の構成については、後に図１Ｂを参照して詳述する。検出器４０の校正を行う際に、ワーク１２の上に基準器３０を配置する。基準器３０は、ワーク１２の上に支持されることによって、検出器４０の校正用の基準面を提供する。ワーク１２は、ゼロ点校正時に基準器３０を支持するための支持部材として機能する。

図１Ｂは、砥石ヘッド１５に検出器４０を取り付けた状態における検出器４０の側面図である。

検出器４０は、支持ベース４１に取り付けられてｘ軸方向に一列に配列した第１変位計４２ａ、第２変位計４２ｂ、第３変位計４２ｃを含む。これらの変位計として、例えば非接触型のレーザ変位計を用いることができる。第１変位計４２ａ、第２変位計４２ｂ、及び第３変位計４２ｃの各々は、ワーク１２に対向して配置されることにより、各々の変位計からワーク１２までの距離の変位を検出する。より具体的には、各変位計のゼロ点からワーク１２の上面の被測定点までのｚ軸方向の距離を測定する。検出器４０が対向する位置に基準器３０（図１Ａ）を配置した状態では、各変位計は、基準器３０の基準面のｚ軸方向の変位を検出する。

支持ベース４１に、さらに温度センサ４５が取り付けられている。温度センサ４５は、検出器４０の温度を測定する。第１変位計４２ａ、第２変位計４２ｂ、及び第３変位計４２ｃの測定値、及び温度センサ４５の測定値が制御装置２０（図１Ａ）に入力される。

次に、図２を参照してワーク１２の上面の真直度を計測する方法について説明する。
図２は、計測対象であるワーク１２の上面、及び検出器４０を示す模式図である。ワーク１２の上面がｘｙ面にほぼ平行に配置されている。なお、図２では、ワーク１２の上面の微小な凹凸を誇張して示している。検出器４０の第１変位計４２ａ、第２変位計４２ｂ、及び第３変位計４２ｃがｘ軸方向にピッチＰで一列に配列している。

３個の変位計のゼロ点校正を行うと、理想的には第１変位計４２ａ、第２変位計４２ｂ、及び第３変位計４２ｃのそれぞれのゼロ点Ａ_０、Ｂ_０、Ｃ_０は、ｘ軸にほぼ平行な一直線上にピッチＰで配列する。なお、本実施例においては、後に図７Ａ及び図７Ｂを参照して説明するように、３個のゼロ点Ａ_０、Ｂ_０、Ｃ_０は厳密には一直線上に配置されないが、ここでは、３個のゼロ点Ａ_０、Ｂ_０、Ｃ_０が一直線上に配置されていると仮定する。

第１変位計４２ａは、ゼロ点Ａ_０から、ワーク１２の上面の被測定点Ａまでの距離Ｄ_ａを測定する。同様に、第２変位計４２ｂ及び第３変位計４２ｃは、それぞれゼロ点Ｂ_０から被測定点Ｂまでの距離Ｄ_ｂ、及びゼロ点Ｃ_０から被測定点Ｃまでの距離Ｄ_ｃを測定する。

被測定点ＡとＣとを結ぶ線分と、被測定点Ｂとのｚ軸方向の距離をオフセット量ｇということとする。オフセット量ｇは、以下の式で表される。

第２変位計４２ｂの被測定点Ｂにおけるワーク１２の上面の曲率ｄ^２ｚ／ｄｘ^２（ｘ＝Ｂ）は、以下の式で表すことができる。

検出器４０とワーク１２との一方を他方に対してｘ軸方向に移動させながら、式（１）によりオフセット量ｇを計測する。式（１）及び（２）を用いて求められたワーク１２の上面の曲率の分布を２階積分することにより、上面の真直度（すなわち、ｘｚ断面における表面の形状）を求めることができる。

次に、図３を参照して検出器４０のゼロ点校正の原理について説明する。
図３は、検出器４０の第１変位計４２ａ、第２変位計４２ｂ、第３変位計４２ｃと基準器３０との位置関係を示す模式図である。

ワーク１２の上面に基準器３０を載せて、基準面３１を検出器４０に対向させる。この状態で、第１変位計４２ａ、第２変位計４２ｂ、及び第３変位計４２ｃの各々の基準面３１上の被測定点を、それぞれ第１変位計４２ａ、第２変位計４２ｂ、及び第３変位計４２ｃのゼロ点Ａ_０、Ｂ_０、Ｃ_０として設定する。

なお、検出器４０に対して基準器３０をｘ軸方向に移動させながら複数回の測定を行い、測定値の平均値に基づいてゼロ点Ａ_０、Ｂ_０、Ｃ_０を設定してもよい。基準器３０をｘ軸方向に移動させながら複数回の測定を行う処理を、走査ということとする。基準器３０の移動は、テーブル案内機構１１によってワーク１２をｘ軸方向に移動させることにより実現される。この方法を採用することにより、基準面３１の表面粗さによるゼロ点のばらつきを少なくすることができる。さらに、基準面３１上の被測定点のｙ軸方向の位置を変えて複数回の走査を行い、複数回の走査によって得られた測定値の平均値に基づいてゼロ点Ａ_０、Ｂ_０、Ｃ_０を設定してもよい。なお、第１変位計４２ａ、第２変位計４２ｂ、及び第３変位計４２ｃの支持ベース４１への取り付け位置がｚ軸方向にばらついていたとしても、基準面３１が幾何学的に正しい平面であれば、ゼロ点校正によってゼロ点Ａ_０、Ｂ_０、Ｃ_０は一直線上に位置することになる。

次に、図４Ａ及び図４Ｂを参照して、比較例による基準器３０を用いて検出器４０を校正する方法について説明する。

図４Ａ及び図４Ｂは、比較例による基準器３０をワーク１２の上に載せた状態の断面図である。検出器４０の校正時には、ワーク１２の上面に直方体状の基準器３０が、その長さ方向がｘ軸と平行になるように設置される。研削後のワーク１２の上面はほぼ平坦であるが、実際には微小な凹凸が残存している。このため、基準器３０は、その長さ方向に関してほぼ２点でワーク１２に支持される。基準器３０は例えばヤング率約１３０ＧＰａ程度の変形しにくいセラミックス材料で形成されるが、ワーク１２に接触している箇所を支点として、自重によってわずかに撓みが発生する。

図４Ａに示した例では、基準器３０が長さ方向の両端の近傍においてワーク１２に接触して支持されている。この場合には、基準器３０に、下方に向かって凸形状になるような撓みが発生する。図４Ｂに示した例では、基準器３０が長さ方向の中央の近傍においてワーク１２に接触して支持されている。この場合には、基準器３０に、上方に向かって凸形状になるような撓みが発生する。基準面３１に撓みが発生した状態で検出器４０のゼロ点校正を行うと、３つのゼロ点Ａ_０、Ｂ_０、Ｃ_０は一直線上に位置しないことになる。また、基準器３０を設置する位置によって、３つのゼロ点Ａ_０、Ｂ_０、Ｃ_０の相対的な位置関係にばらつきが生じてしまう。

基準器３０に発生する撓みは、その支持表面（すなわち、ワーク１２の上面）の凹凸の形状の影響を受ける。このため、撓みが発生した状態における基準面３１の形状を正確に推定することはできない。従って、３個のゼロ点Ａ_０、Ｂ_０、Ｃ_０を補正して一直線上に配置させることは困難である。

次に、図５～図７Ｂを参照して、本実施例による形状計測装置で使用される基準器３０を用いて検出器４０のゼロ点校正を行う方法について説明する。

図５は、実施例による形状計測装置で用いられる基準器３０を斜め下方から見た斜視図である。基準器３０は、一方向に長い直方体状の形状を持つ主部材３２を含む。主部材３２の上面が基準面３１とされている。主部材３２の基準面３１とは反対側の底面に、３個の脚部３３が取り付けられている。１つの脚部３３は、基準器３０の底面の長さ方向の一方の端部に取り付けられており、他の２つの脚部３３は、他方の端部に取り付けられている。また、この２つの脚部３３は、長さ方向と直交する幅方向に間隔をおいて取り付けられている。すなわち、この２つの脚部３３は、長さ方向に関して同じ位置で、かつ幅方向に関して異なる位置に取り付けられている。

脚部３３の各々は半球状の形状を有し、平坦な面において主部材３２の底面に接着されている。脚部３３の接着には、接着剤や両面テープ等を用いることができる。脚部３３には、例えばジルコニア等の硬い材料が用いられる。脚部３３の高さは、例えば２ｍｍ以上１５ｍｍ以下であり、典型的には７ｍｍである。ただし、脚部３３の高さはこの範囲に限定されない。脚部３３の高さは、基準器３０をワーク１２の上面に載せた状態で、基準器３０の主部材３２の底面がワーク１２の上面に接触しない程度の高さであればよい。

図６Ａ及び図６Ｂは、実施例による形状計測装置で用いられる基準器３０をワーク１２の上面に載せた状態の断面図である。図６Ａ及び図６Ｂに示したワーク１２の上面の凹凸形状は、それぞれ図４Ａ及び図４Ｂに示したワーク１２の上面の凹凸形状と等しい。図６Ａ及び図６Ｂのいずれの場合でも、基準器３０は３個の脚部３３がワーク１２の上面に接触することにより、ワーク１２の上に支持される。基準器３０は、３個の脚部３３以外の箇所ではワーク１２に接触しない。

３個の脚部３３のうち２個の脚部は、長さ方向に関して同じ位置に配置されているため、基準器３０は、長さ方向に関して２箇所でワーク１２の上に支持される。このため、基準器３０は、両端支持等分布荷重の梁構造を有することとなる。基準器３０は、支持表面の凹凸の形状に依らず、常に長さ方向に関して２箇所で支持表面に支持されるため、基準器３０の撓みの形状及び大きさは、支持表面の凹凸の形状に影響を受けない。

図７Ａは、両端支持等分布荷重の梁構造を有する基準器３０の模式図である。基準器３０の長さをＬ、単位長さ当たりの荷重をｗ、ヤング率をＥ、弾性２次モーメントをＩで表すと、一方の端部からの距離がｘの点の撓み量δ（ｘ）は、以下の式で表される。

ワーク１２の上面に基準器３０を載せたときに基準面３１に生じる撓みの形状及び大きさは、式（３）を用いて予め求めておくことができる。この撓みの形状を定義する情報が、制御装置２０（図１Ａ）に記憶されている。

図７Ｂは、実施例による形状計測装置で用いられる基準器３０と検出器４０との位置関係を示す模式図である。基準面３１が、図７Ａに示したように撓んでいる。図７Ｂにおいて、撓み量は実際の撓み量より誇張して示されている。この基準面３１の高さを、検出器４０の第１変位計４２ａ、第２変位計４２ｂ、及び第３変位計４２ｃで検出し、ゼロ点校正を行う。これにより、基準面３１上にゼロ点Ａ_０、ゼロ点Ｂ_０、及びゼロ点Ｃ_０が設定される。

ゼロ点Ｂ_０を通りｚ軸に平行な直線と、ゼロ点Ａ_０とゼロ点Ｃ_０とを結ぶ線分との交点を第２変位計４２ｂの真のゼロ点Ｂ_０１ということとする。ゼロ点Ｂ_０と真のゼロ点Ｂ_０１との距離をゼロ点オフセット量ｇ_０ということとする。基準面３１の撓み形状は式（３）から計算によって求めることができ、その形状を定義する情報が制御装置２０（図１Ａ）に予め記憶されているため、ゼロ点オフセット量ｇ_０を計算によって求めることができる。制御装置２０は、計算によって求められたゼロ点オフセット量ｇ_０を記憶する。真のゼロ点Ｂ_０１のワーク１２の上面の真直度を厳密に計算するためには、第２変位計４２ｂのゼロ点として真のゼロ点Ｂ_０１を用いることが好ましい。すなわち、オフセット量ｇ（図２）に対して、ゼロ点オフセット量ｇ_０に相当する補正を行うことが好ましい。具体的には、式（１）に代えて、以下の式によりオフセット量ｇを算出することが好ましい。

次に図８Ａ～図９Ｂを参照して、基準器３０の撓みの形状がワーク１２の上面の凹凸の影響を受けないことを確認するために行った評価実験及びその結果について説明する。

図８Ａ～図８Ｃは、評価実験を行うときのワーク１２、基準器３０、及び検出器４０の位置関係を示す図である。まず、図８Ａに示すように、基準器３０をワーク１２の領域Ｒ１の上に載せて、ゼロ点校正が行われている検出器４０により式（１）を用いてオフセット量ｇ（図２）を計測する。領域Ｒ１内で基準器３０を移動させて式（１）を用いてオフセット量ｇを複数回計測する。

次に、図８Ｂに示すように、基準器３０をワーク１２の領域Ｒ２の上に移動させて、同様にオフセット量ｇを複数回計測する。さらに、図８Ｃに示すように、基準器３０をワーク１２の領域Ｒ３の上に移動させて、同様にオフセット量ｇを複数回計測する。

図９Ａは、脚部３３を持たない直方体状の基準器３０を用いて計測したオフセット量ｇの分布を示すグラフである。図９Ｂは、実施例による形状計測装置で使用される基準器３０（図５）、即ち脚部３３を持つ基準器３０を用いて計測したオフセット量ｇの分布を示すグラフである。図９Ａ及び図９Ｂのグラフの横軸は、領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３に対応し、縦軸はオフセット量ｇを表している。グラフ中の１つの黒丸記号が、１回の計測によって算出されたオフセット量ｇを示している。１つの領域内に複数の黒丸記号が表示されているのは、領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の各々において、領域内で基準器３０を移動させて複数回の計測を行ったためである。

脚部３３を持たない基準器３０を用いた場合には図９Ａに示すように、基準器３０を領域Ｒ１の上に載せて計測した場合と、領域Ｒ２またはＲ３の上に載せて計測した場合とで、オフセット量ｇに大きさ差が生じている。全体として、オフセット量ｇに約０．０７５μｍ程度のばらつきが生じている。これは、基準器３０の撓み後の基準面３１の形状が、基準器３０を設置する場所に応じて異なることを意味している。

これに対して脚部３３を持つ基準器３０を用いた場合には図９Ｂに示すように、領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３のどの領域の上に基準器３０を載せてもオフセット量ｇに大きな差はない。オフセット量ｇのばらつきは０．０２μｍ以下の範囲に収まっている。これは、基準器３０の撓み後の基準面３１の形状が、基準器３０を設置する場所に依らずほぼ一定であることを意味する。また、オフセット量ｇの計算値は、ゼロ点オフセット量ｇ_０（図７Ｂ）とほぼ等しい。

図８Ａ～図９Ｂに示した評価実験により、脚部３３を持つ基準器３０を用いることによって、基準器３０の撓み形状が、基準器３０を支持する支持表面の凹凸形状にほとんど依存しなくなることが確認された。

次に、図１０～図１１Ｂを参照して、実施例による形状計測装置でワーク１２（図１Ａ）の上面の真直度を計測する方法について説明する。

図１０は、実施例による形状計測方法のフローチャートである。
ワーク１２の研削が終了すると、オペレータが砥石ヘッド１５に検出器４０を取り付け（ステップＳＡ０１）、ワーク１２の上に基準器３０を設置する（ステップＳＡ０２）。その後、基準器３０の基準面３１を利用して検出器４０のゼロ点校正を行う。検出器４０のゼロ点校正が終了すると、基準器３０をワーク１２の上から撤去する。

砥石ヘッド１５（図１Ａ）を、ワーク１２の計測箇所までｙ軸方向に移動させる（ステップＳＡ０５）。その後、ワーク１２の上面の、ｘ軸方向に平行な１本のラインに沿う真直度を計測する（ステップＳＡ０６）。具体的には、制御装置２０（図１Ａ）が、ワーク１２をｘ軸方向に移動させながら、検出器４０の第１変位計４２ａ、第２変位計４２ｂ、及び第３変位計４２ｃから一定の時間間隔で測定値を取得する。取得された測定値に基づいて、図２を参照して説明した逐次三点法によりワーク１２の上面の形状を求める。このとき、オフセット量ｇは式（４）を用いて計算する。

ワーク１２の上面の、１本のラインに沿う真直度を計測した後、計測結果を入出力装置２１（図１Ａ）に出力する（ステップＳＡ０７）。他のラインに沿う真直度の計測を行う場合には、ワーク１２の上に基準器３０を設置する工程（ステップＳＡ０２）から計測結果を出力する工程（ステップＳＡ０７）までを繰り返す（ステップＳＡ０８）。ワーク１２の上面の、計測すべきすべてのラインに沿う真直度を計測したら、計測を終了する。

図１１Ａは、制御装置２０が入出力装置２１のディスプレイに表示したコントロールウィンドウの画像を示す図である。コントロールウィンドウは、測定値表示のペイン２２、基本設定のペイン２３、及び校正のペイン２４を含む。さらに、コントロ－ルウィンドウに測定開始ボタン２６が表示される。

測定値表示のペイン２２には、第１変位計４２ａ、第２変位計４２ｂ、及び第３変位計４２ｃの測定値を表示する出力フィールドが含まれる。基本設定のペイン２３には、ワーク１２の長さ（ｘ軸方向の寸法）、計測時における可動テーブル１０の移動速度、測定往復数を入力させるデータ入力フィールドが表示される。測定往復数は、例えばプルダウンメニュー形式で入力される。校正のペイン２４には、ゼロ点の値を表示する出力フィールド、及び校正開始ボタン２５が表示される。

オペレータが校正開始ボタン２５を選択すると、制御装置２０（図１Ａ）は、検出器４０のゼロ点校正（ステップＳＡ０３）を行う。ボタンの選択は、例えばマウスのカーソルをボタンに合わせてマウスをクリックする操作、ボタンをタップする操作等で行われる。ゼロ点の出力フィールドには、式（１）を用いて計算したオフセット量ｇの値が表示される。ゼロ点校正を行った時点では、距離Ｄ_ａ、Ｄ_ｂ、Ｄ_ｃ（図２）がすべてゼロにリセットされるため、ゼロ点の出力フィールドに表示される数値は０になる。

オペレータが測定開始ボタン２６を選択すると、制御装置２０はワーク１２の上面の、１本のラインに沿う真直度の計測を実行する（ステップＳＡ０６）。

図１１Ｂは、入出力装置２１のディスプレイに表示された計測結果の画像の一例を示す図である。ディスプレイに、ワーク１２の上面の高さ方向の位置がグラフ形式で表示される。横軸はワーク１２の長さ方向（ｘ軸方向）の位置を表し、縦軸は表面変位量（ｚ軸方向の位置）を表す。なお、高さの変動の線形成分は除去されており、ワーク１２の両端における高さが共に０になるように表面変位量が補正されている。図１１Ｂには、両端に比べて中央部分が低い形状を持つ例が示されている。ワーク１２の上面の０からの変位量が最も大きい位置（図１１Ｂにおいて曲線の最下点）の値の絶対値が真直度の幾何公差に相当する。図１１Ｂに示した例では、真直度の幾何公差が約２２μｍである。

次に、上記実施例の優れた効果について説明する。
上記実施例では、ゼロ点校正時に基準器３０を設置するワーク１２上の位置に依らず、基準器３０の撓み形状が一定になる。このため、３つのゼロ点Ａ_０、Ｂ_０、Ｃ_０の相対的な位置関係を一定にすることができる。さらに、上記実施例では、第１変位計４２ａのゼロ点Ａ_０、第２変位計４２ｂの真のゼロ点Ｂ_０１、及び第３変位計４２ｃのゼロ点Ｃ_０が一直線上に位置する。一直線上に位置する３個のゼロ点Ａ_０、Ｂ_０１、Ｃ_０を基準としてワーク１２の上面の真直度を計測することにより、真直度の計測精度を高めることができる。

次に、図１２～図１４を参照して他の実施例による形状計測装置及び形状計測方法について説明する。以下、図１Ａ～図１１Ｂに示した実施例と共通の構成については説明を省略する。

図１２は、本実施例による形状計測方法のフローチャートである。
図１０に示した実施例では、ワーク１２の上面の、１本のラインに沿う真直度の計測を行う（ステップＳＡ０６）ごとに、計測前に検出器４０のゼロ点校正（ステップＳＡ０３）を行う。これに対して図１２に示した実施例では、温度センサ４５（図１Ｂ）による現時点の温度の測定値と、直前にゼロ点校正を行ったときの温度の測定値との差が閾値以下である場合、ゼロ点校正の処理（ステップＳＡ０２～ＳＡ０４）省略する（ステップＳＡ１０）。温度センサ４５（図１Ｂ）による現時点の温度の測定値と、直前にゼロ点校正を行ったときの温度の測定値との差が閾値を超えている場合のみ、ゼロ点校正の処理（ステップＳＡ０２～ＳＡ０４）を再度実行する。

図１３は、制御装置２０が入出力装置２１（図１Ａ）のディスプレイに表示したコントロールウィンドウの画像を示す図である。本実施例では、校正のペイン２４内に、ゼロ点の出力フィールド及び校正開始ボタン２５の他に、校正時温度、校正時刻、及び現在温度をそれぞれ表示する出力フィールドが表示される。さらに、温度測定ボタン２７が表示される。

校正時温度の出力フィールドには、制御装置２０が、直近のゼロ点校正時に温度センサ４５で測定された温度の測定値を表示する。校正時刻の出力フィールドには、制御装置２０が、直近のゼロ点校正時の時刻を表示する。現在温度の出力フィールドには、制御装置２０が、温度センサ４５で測定された現時点の温度の測定値を表示する。オペレータが温度測定ボタン２７を選択すると、制御装置２０は温度センサ４５から現時点の温度の測定値を取得し、現在温度の出力フィールドに表示される測定値を更新する。

直近のゼロ点校正時の温度と現在の温度との差が閾値を超えている場合には、制御装置２０は校正のペイン２４内にゼロ点校正を再度実行するように促すメッセージ２８を表示する。なお、メッセージ２８に代えて、その他の注意喚起情報、例えばゼロ点校正の実効を促す音声、警報音等を出力してもよい。

図１４は、ワーク１２の上面の真直度の幾何公差の計測結果、及び温度センサ４５（図１Ｂ）で測定された温度の測定値の時間変化を示すグラフである。ワーク１２の上面の、ｘ軸に平行な６本のラインＬ１～Ｌ６のそれぞれに沿う真直度を計測する処理を１０回行い、計測処理ごとに真直度の幾何公差を求めた。図１４に示した複数の黒丸記号の各々は、１回の計測処理で得られた真直度の幾何公差の算出結果を示す。

ラインＬ１に沿う真直度の計測前に、検出器４０のゼロ点校正を行った。その後、ラインＬ１に沿う真直度の計測から、ラインＬ５に沿う真直度の計測まで検出器４０のゼロ点校正を行わなかった。ラインＬ５に沿う真直度を計測した後、ラインＬ６に沿う真直度の計測を行う前に、検出器４０のゼロ点校正を行った。

ラインＬ１に沿う真直度の計測を開始した時から、ラインＬ４に沿う真直度の計測が終了するまでの期間、温度センサ４５による温度の測定値はほとんど変化しなかった。温度がほぼ一定の期間に計測されたラインＬ１からラインＬ４までのそれぞれのラインに沿う真直度の幾何公差の計測値はほぼ一定であった。

ラインＬ４に沿う真直度を計測した後に、外的要因によって温度が上昇し始めた。温度が上昇した状態でラインＬ５に沿う真直度を計測すると、真直度の幾何公差の計測値は、温度上昇前に計測された真直度の幾何公差から大きく変化していた。

ゼロ点校正を再度実行してラインＬ６に沿う真直度の幾何公差を計測したところ、温度上昇前に計測したラインＬ１～Ｌ４のそれぞれに沿う真直度の幾何公差の計測値とほぼ等しい計測値が得られた。なお、ラインＬ５に沿う真直度の計測後に外的要因によって温度がやや低下しているが、ラインＬ１～Ｌ４のそれぞれのラインに沿う真直度を計測した時の温度より高い状態が維持されている。

図１４に示した計測結果から、以下の２つの知見が得られる。
第１に、検出器４０の周囲の温度に変動がなければ、ゼロ点校正を行わなくて真直度を高精度に計測することができる。第２に、検出器４０の周囲の温度がある程度変化した場合、真直度の計測精度が低下するが、ゼロ点校正を再度実行することにより、真直度の計測精度を元の高い精度に戻すことができる。

次に、図１２～図１４に示した実施例の優れた効果について説明する。
本実施例では図１３に示したように、入出力装置２１（図１Ａ）のディスプレイに、直近のゼロ点校正時の温度、及び現時点の温度が表示される。オペレータは、この温度表示を見て、ゼロ点校正を再度行うか否かを容易に判断することができる。具体的には、温度変化が閾値を超えたら、ゼロ点校正を再度実行するようにするとよい。この閾値は、真直度の計測に要求される精度に応じて、予め決定しておくとよい。例えば、閾値として０．５℃を設定しておくとよい。また、ゼロ点校正を行うように促すメッセージ２８が表示されることにより、オペレータがゼロ点校正を実行し忘れてしまう事態の発生を予防することができる。

また、本実施例では、直近にゼロ点校正を行った時刻が表示される。検出器４０が、何らかの要因で時間経過とともに測定値にドリフトが生じる特性を持つ場合、オペレータは、直近にゼロ点校正を行った時刻からの経過時間に基づいて、ゼロ点校正を再度実行すべきか否かを判断することができる。

さらに、本実施例では図１２に示したように、温度変化が閾値以下の場合にはゼロ点校正を行うことなくワーク１２の上面の次ラインに沿う真直度の計測を行うため、１枚のワーク１２の上面の真直度の計測に必要な合計の時間を短縮することができる。

次に、図１５Ａ及び図１５Ｂを参照して、さらに他の実施例による形状計測装置について説明する。以下、図１Ａ～図１１Ｂに示した実施例と共通の構成については説明を省略する。

図１５Ａは、制御装置２０が入出力装置２１（図１Ａ）のディスプレイに表示したコントロールウィンドウの画像を示す図である。本実施例では、コントロールウィンドウ内に、過去の計測結果のペイン２９が表示される。過去の計測結果のペイン２９内に、「過去の計測結果の選択」ボタンが表示される。

オペレータが「過去の計測結果の選択」ボタンを選択すると、制御装置２０（図１Ａ）は、過去に計測されて蓄積されている真直度の計測データの格納場所の一覧をディスプレイに表示する。オペレータは、この一覧から少なくとも１つの真直度の計測データを選択することができる。

図１５Ｂは、入出力装置２１（図１Ａ）のディスプレイに表示された画像の一例を示す図である。図１１Ｂに示した実施例では、現時点に計測された真直度に相当する表面形状がグラフ形式でディスプレイに表示される。これに対して本実施例では、現時点に計測された真直度と、オペレータが選択した過去に計測された真直度とが、表面変位量の分布として１つのグラフ上に重ねて表示される。図１５Ｂにおいて、太い実線及び細い実線が、それぞれ現時点に計測された真直度、及び過去に計測された真直度を示す。

次に、本実施例の優れた効果について説明する。
本実施例では、オペレータは、現時点に計測したワーク１２の上面の真直度と、過去に計測したワーク１２の上面の真直度とを容易に比較することができる。例えば、１つのワーク１２に対して１回目の研削加工を行い、その後砥石１６の切込深さを深くして２回目の研削加工を行った場合、１回目の研削加工後の真直度と、２回目の研削加工後の真直度とを容易に比較することができる。この比較結果は、追加の研削加工の必要性や、追加の研削加工を行う場合の加工条件、例えば砥石１６の追加の切込深さを推定する基礎となる情報として有益である。

次に、図１６Ａ～図１６Ｄを参照して、図５に示した実施例の変形例による基準器３０について説明する。

図１６Ａ～図１６Ｄは、図５に示した実施例の変形例による基準器３０を斜め下から見た斜視図である。図５に示した実施例においては、半球状の３個の脚部３３が主部材３２の底面の長さ方向の両端に取り付けられている。これに対して図１６Ａに示した変形例では、３個の脚部３３が、主部材３２の底面の長さ方向の両端よりやや内側に取り付けられている。３個の脚部３３のうち２個の脚部３３は、図５に示した実施例と同様に、長さ方向に関して同じ位置に取り付けられている。このため、基準器３０は、長さ方向に関して２箇所でワーク１２の上面に支持される。

図１６Ｂに示した変形例では、脚部３３が主部材３２の幅方向に長い直方体形状を有する。２つの脚部３３が、それぞれ主部材３２の底面の長さ方向の両端に取り付けられている。図１６Ｂに示した変形例においても、基準器３０は、長さ方向に関して２箇所でワーク１２の上面に支持される。

図１６Ｃに示した変形例では、脚部３３が主部材３２の幅方向に長い半円柱形状を有する。２つの脚部３３が、それぞれ主部材３２の底面の長さ方向の両端に、円柱面が下を向く姿勢で取り付けられている。図１６Ｃに示した変形例においても、基準器３０は、長さ方向に関して２箇所でワーク１２の上面に支持される。なお、図１６Ｂに示した変形例では、脚部３３がワーク１２に面接触するが、図１６Ｃに示した変形例では、脚部３３がワーク１２に線接触する。このため、図１６Ｃに示した変形例では図１６Ｂに示した変形例と比べて、基準器３０をワーク１２の上面により安定して支持することが可能になる。なお、脚部３３の形状は必ずしも半円柱状である必要はなく、平面に対して、主部材３２の幅方向に平行な直線において線接触する形状であればよい。

図１６Ｄに示した変形例では、半球状の４個の脚部３３が主部材３２の底面の四隅に取り付けられている。図１６Ｄに示した変形例においても、基準器３０は、長さ方向に関して２箇所でワーク１２の上面に支持される。

上述のように、図１６Ａ～図１６Ｄに示した変形例においても、基準器３０は、長さ方向に関して２箇所で支持する支持構造を有する。このため、図５に示した実施例の場合と同様に、ワーク１２の上面に設置した状態で基準面３１の撓みの形状がワーク１２の上面の凹凸形状に依存しない。このため、基準器３０を用いて、図７Ｂを参照して説明した方法で検出器４０のゼロ点校正を行うことにより、３個の第１変位計４２ａのゼロ点Ａ_０、第２変位計４２ｂの真のゼロ点Ｂ_０１、及び第３変位計４２ｃのゼロ点Ｃ_０が一直線上に位置するように、ゼロ点オフセット量ｇ_０を決定することができる。

次に、図１７Ａ及び図１７Ｂを参照して、図５に示した実施例の他の変形例による基準器３０について説明する。

図１７Ａは、無重力状態における基準器３０の側面図であり、図１７Ｂは、ワーク１２の上面に設置した状態での基準器３０の側面図である。図５に示した実施例では、基準器３０をワーク１２の上面に設置した状態で基準面３１に、下方に向かって凸となる撓みが生じる。これに対して本変形例では、無重力状態において、基準面３１（図１７Ａ）が上方に向かって凸になるように湾曲している。基準器３０をワーク１２の上面に設置すると、自重によって基準器３０に撓みが発生する。撓み後の基準面３１（図１７Ｂ）の形状が、幾何学的に正しい平面になる。

図１７Ａ及び図１７Ｂに示した変形例では、基準器３０をワーク１２の上面に設置した状態で基準面３１が平面になるため、検出器４０のゼロ点オフセット量ｇ_０が０になる。このため、式（４）ではなく式（１）を用いてオフセット量ｇを計算することができる。

上記実施例では、検出器４０が第１変位計４２ａ、第２変位計４２ｂ、及び第３変位計４２ｃの合計３個の変位計を有しているが、４個以上の変位計を有する構成としてもよい。

上述の各実施例及び変形例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０ 可動テーブル
１１ テーブル案内機構
１２ ワーク
１５ 砥石ヘッド
１６ 砥石
１８ 案内レール
２０ 制御装置
２１ 入出力装置
２２ 測定表示のペイン
２３ 基本設定のペイン
２４ 校正のペイン
２５ 校正開始ボタン
２６ 測定開始ボタン
２７ 温度測定ボタン
２８ ゼロ点校正を促すメッセージ
２９ 過去の計測結果のペイン
３０ 基準器
３１ 基準面
３２ 主部材
３３ 脚部
４０ 検出器
４１ 支持ベース
４２ａ 第１変位計
４２ｂ 第２変位計
４２ｃ 第３変位計
４５ 温度センサ

Claims (9)

1. 一列に配列した少なくとも３個の変位計を含み、計測対象物に対向して配置されることにより、前記少なくとも３個の変位計から前記計測対象物までの距離の変位を検出する検出器と、
   支持部材の上に支持されることによって、前記検出器の校正用の基準面を提供する基準器と、
   前記検出器の校正を行う制御装置と
   を有し、
   前記基準器は、前記少なくとも３個の変位計が配列する方向に関して２箇所で前記支持部材の上に支持される支持構造を有し、
   前記制御装置は、前記少なくとも３個の変位計に前記基準面を対向させた状態で前記検出器の校正を行う形状計測装置。
2. 前記基準器は一方向に長い形状を有し、
   前記支持構造は、前記基準面とは反対側の底面から突出する３個の脚部を含み、前記３個の脚部のうち２個の脚部は、前記基準器の長さ方向に関して同じ位置に配置されている請求項１に記載の形状計測装置。
3. 一列に配列した少なくとも３個の変位計を含み、計測対象物に対向して配置されることにより、前記少なくとも３個の変位計の各々から計測対象物までの距離の変位を検出する検出器と、
   支持部材の上に支持されることによって、前記検出器の校正を行うための基準面を提供する基準器と、
   前記検出器の校正を行う制御装置と
   を有し、
   前記基準器を前記支持部材の上に支持した状態で、自重によって撓みが生じ、撓みが生じた状態の前記基準面の形状が、前記支持部材の上面の凹凸の影響を受けない構造を有し、
   前記制御装置は、前記少なくとも３個の変位計を前記基準面に対向させた状態で前記検出器の校正を行う形状計測装置。
4. 前記制御装置は、前記基準器を支持部材の上に置いたときに前記基準面に生じる撓みの形状を記憶しており、記憶されている撓みの形状に基づいて前記検出器の校正を行う請求項１乃至３のいずれか１項に記載の形状計測装置。
5. さらに、
   前記制御装置への指令の入力、及び前記制御装置による計測結果の出力が行われる入出力装置と、
   前記検出器の温度が反映される箇所の温度を測定する温度センサと
   を有し、
   前記制御装置は、直近の校正時における前記温度センサによる測定値、及び現時点の前記温度センサによる測定値を前記入出力装置に出力する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の形状計測装置。
6. 前記制御装置は、直近の校正時における前記温度センサによる測定値、及び現時点の前記温度センサによる測定値との差が閾値を超えたら、前記入出力装置から前記検出器の校正を促す注意喚起情報を出力させる請求項５に記載の形状計測装置。
7. 前記制御装置は、
   計測対象物及び前記検出器の一方を他方に対して前記少なくとも３個の変位計が配列する方向に移動させながら、計測対象物の表面の真直度を計測して記憶し、
   計測対象物の表面の真直度の複数の計測結果を比較可能な態様で、前記入出力装置に出力する請求項５または６に記載の形状計測装置。
8. 前記制御装置は、前記検出器の校正を行う際に、前記支持部材を前記検出器に対して移動させることにより、前記支持部材の上に支持されている前記基準器を前記検出器に対して移動させる請求項１乃至７のいずれか１項に記載の形状計測装置。
9. 一列に配列した少なくとも３個の変位計を、計測対象物に対向して配置させることにより、前記少なくとも３個の変位計の各々から前記計測対象物までの距離の変位を検出する検出器の校正方法であって、
   前記少なくとも３個の変位計に基準器の基準面を対向させた姿勢で、前記基準器を前記少なくとも３個の変位計が配列する方向に関して２箇所で支持部材の上に支持させ、
   前記少なくとも３個の変位計を前記基準面に対向させた状態で前記検出器の校正を行う校正方法。
   

Images