JPH07146125A - 真直度測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 対象面の物性値の影響を無くし、厳密な測定
を可能とした真直度測定装置を提供する。 【構成】 水平方向に移動自在な移動体５’に、測定面
までの距離を測定する３台の光学式センサ４’を等間隔
で同じ高さ位置で配置し、３台のセンサ４’と測定面間
の距離を変動するために移動体５’に水平溝６を設けて
ピエゾ素子７を配設し、初期状態において、ピエゾ素子
７を駆動して３台のセンサ４’の距離検出信号を入力
し、以後移動体５’のセンサ間隔移動毎に距離検出信号
を入力し、この間隔毎に逐次多点法により測定面と移動
体の基準水平面との距離を演算して記憶し、真直度を測
定・評価する演算装置を設けて構成する。 【効果】 光学式センサ４’が受ける対象面の反射率の
影響を受けずに、真直度を測定・評価することができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、工作機械や形状測定機
における直線案内面の真直度評価や直線運動機構の直線
性評価に使用される真直度測定装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の真直度測定装置の一例を図３に示
す。図示するように、左右一対の第１ガイド体１と、こ
れら両ガイド体１に案内される第２ガイド体２と、この
第２ガイド体２に案内されて第１ガイド体１と直交する
方向（Ｘ方向）に移動自在にされるとともに両第１ガイ
ド体１間に載置された被測定物３の測定対象面Ｌまでの
距離（ギャップ）を測定する変位センサ４を有する移動
体５と、移動体５を移動させ、変位センサ４の距離測定
信号を入力して順次記憶し、真直度を評価する演算装置
（図示せず）とから構成されている。また、要求される
測定精度としては、変位センサ４の移動体５の走査機構
の誤差が被測定物３の測定対象面Ｌの形状精度（真直
度）と同じオーダーとなっていることが多く、このよう
な場合、図示するように変位センサ４を移動体５の進行
方向Ｘに同じ高さ位置で２台並べて配置し、演算装置
に、アルゴリズムとして逐次２点法が適用される。

【０００３】この遂次２点法について図４により説明す
る。この方法は、２台の変位センサ４間隔毎に被測定物
３の遂次対象面Ｌとの距離を測っていくことにより、移
動体５の基準水平面と対象面Ｌとの距離（対象面の形
状、すなわち真直度に相当する）と、移動体５の上下方
向の移動時のずれ（変位センサ４の走査誤差）がその都
度得られるものである。

【０００４】今、時間の進行をｉ、空間の配列をｊで表
わし、基準水平面から対象面Ｌまでの距離をＸ_j 、変位
センサ４の固定基準面の基準水平面からのずれ（変位セ
ンサ４の走査誤差）をＹ_i 、各時刻での各変位センサ４
からの信号をそれぞれＳ_a ^{(i )} ，Ｓ_b ⁽ⁱ⁾ とすると、 Ｓ_a ⁽ⁱ⁾ ＝Ｘ_j ＋Ｙ_i Ｓ_b ⁽ⁱ⁾ ＝Ｘ_j+1 ＋Ｙ_i の関係がある。初期状態、すなわち Ｓ_a ⁽⁰⁾ ＝Ｘ₀ ＋Ｙ₀ Ｓ_b ⁽⁰⁾ ＝Ｘ₁ ＋Ｙ₀ において、Ｙ₀ を基点としてその後の変化量だけがわか
ればよいから、Ｙ₀ ＝０とすれば、Ｘ₀ ，Ｘ₁ はただち
に求められる。そこで、次のステップ、時間ｉ＝１では
移動体５をＸ方向に△Ｘだけ進めて、 Ｓ_a ⁽¹⁾ ＝Ｘ₁ ＋Ｙ₁ Ｓ_b ⁽¹⁾ ＝Ｘ₂ ＋Ｙ₁ の信号が得られる。この時、 Ｘ₂ ＝Ｘ₁ ＋（Ｓ_b ⁽¹⁾ −Ｓ_a ⁽¹⁾ ） Ｙ₁ ＝Ｓ_a ⁽¹⁾ −Ｘ₁ ＝Ｙ₀ ＋（Ｓ_a ⁽¹⁾ −Ｓ_b ⁽⁰⁾ ） が得られる。一般には、 Ｘ_j+1 ＝Ｘ_j ＋（Ｓ_b ⁽ⁱ⁾ −Ｓ_a ⁽ⁱ⁾ ） Ｙ_i ＝Ｙ_i-1 ＋（Ｓ_a ⁽ⁱ⁾ −Ｓ_b ^(i-1) ） に従ってＸ_j ，Ｙ_i が遂次求められ、順次Ｘ_j を記憶
し、△Ｘ毎にＸ_j をプロットすることにより測定対象面
Ｌの凹凸形状が求められ、真直度が評価される。

【０００５】そして、第２ガイド体２を第１ガイド体１
に案内されて方向Ｙに移動させて、次の測定対象面Ｌの
真直度を評価する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記真直度測
定装置では、被測定物３が液晶ガラスやシリコンウェハ
など表面損傷が起こりやすく非接触測定が必要条件とさ
れる場合には、変位センサ４として、非接触の光学式
（光反射式）センサが多く使用されている。

【０００７】このように変位センサ４に光学式センサを
用いるものとすると、得られる信号は対象面Ｌの表面反
射率α_i の分布を含んで次のように書きかえられる。 Ｓ_a ⁽ⁱ⁾ ＝α_j （Ｘ_j ＋Ｙ_i ） Ｓ_b ⁽ⁱ⁾ ＝α_j+1 （Ｘ_j+1 ＋Ｙ_i ） このように、対象面Ｌからの距離信号には表面反射率α
_i が比例定数としてかかった形となり、これらの信号か
ら表面反射率α_i を分離できないため、距離Ｘ _j だけの
情報は得られないという問題があった。

【０００８】本発明は上記問題を解決するものであり、
光学式センサに対する測定面の反射率の如く、比例的に
受ける対象面の物性値の影響を無くし、厳密な測定を可
能とした真直度測定装置を提供することを目的とするも
のである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の真直度測定装置は、被測定物の測定面に対
向して水平方向に移動自在な移動体を設け、この移動体
に、前記測定面までの距離を測定する３台の非接触式セ
ンサを前記水平方向に等間隔で同じ高さ位置で配置し、
前記移動体の３台のセンサと前記測定面間の距離を変動
する変動手段を設け、初期状態において、前記変動手段
を駆動して前記３台のセンサの距離検出信号を入力し、
以後前記移動体のセンサ間隔移動毎に３台のセンサの距
離検出信号を入力し、この間隔毎に逐次多点法により前
記測定面と前記移動体の基準水平面との距離を演算して
記憶し、その距離の推移により真直度を評価する演算装
置を設けたことを特徴とするものである。

【００１０】

【作用】上記構成によると、３台のセンサの距離検出信
号による逐次多点法により、対象面の物性値の影響を受
けずに、測定面と移動体の基準水平面との距離、および
移動体の走査機構の誤差（直線性）が遂次算出され、測
定面の凹凸形状が求められ、真直度の評価が行われる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。なお、従来例の図３の構成と同一の構成には同
一の符号を付して説明を省略する。

【００１２】図１は本発明の一実施例における真直度測
定装置の要部斜視図である。移動体５’の先端にＸ方向
に水平溝６を設け、この水平溝６にピエゾ素子７を嵌合
し、また移動体５’の先端下部に等間隔で同じ高さ位置
でＸ方向に、対象面Ｌまでの距離を測定する光学式セン
サ４’を３台設けている。なお、ピエゾ素子７に交番電
圧を印加することにより、後述する初期状態（ｉ＝０）
での基準変位△Ｙが発生される。

【００１３】本発明では、３台の光学式センサ４’の距
離検出信号を入力する演算装置に下記の遂次多点方式の
アルゴリズムを使用することにより、表面反射率を分離
測定することができる。図２により説明する。

【００１４】３本の光学式センサ４’を進行方向Ｘに並
べると、 Ｓ_a ⁽ⁱ⁾ ＝α_j （Ｘ_j ＋Ｙ_i ） Ｓ_b ⁽ⁱ⁾ ＝α_j+1 （Ｘ_j+1 ＋Ｙ_i ） Ｓ_c ⁽ⁱ⁾ ＝α_j+2 （Ｘ_j+2 ＋Ｙ_i ） …（１） という信号が得られる。初期状態、ｉ＝０ではＹ₀ ＝０
としてよいから Ｓ_a ⁽⁰⁾ ＝α₀ Ｘ₀ Ｓ_b ⁽⁰⁾ ＝α₁ Ｘ₁ Ｓ_c ⁽⁰⁾ ＝α₂ Ｘ₂ …（２） この時、ピエゾ素子７に交番電圧を印加することによっ
て、光学式センサ４’を上方に△Ｙだけ動かして、信号
の増分△Ｓ_a ，△Ｓ_b および△Ｓ_c が得られたとする。
このとき、 Ｓ_a ⁽⁰⁾ ＋△Ｓ_a ＝α₀ （Ｘ₀ ＋△Ｙ） Ｓ_b ⁽⁰⁾ ＋△Ｓ_b ＝α₁ （Ｘ₁ ＋△Ｙ） Ｓ_c ⁽⁰⁾ ＋△Ｓ_c ＝α₂ （Ｘ₂ ＋△Ｙ） …（３） となる。これより、直ちに、 α₀ ＝△Ｓ_a ／△Ｙ α₁ ＝△Ｓ_b ／△Ｙ α₂ ＝△Ｓ_c ／△Ｙ …（４） が得られる。（４）を（２）に代入すると、Ｘ₀ ，
Ｘ₁ ，Ｘ₂ が得られる。すなわち、 Ｘ₀ ＝（Ｓ_a ⁽⁰⁾ ／△Ｓ_a ）△Ｙ Ｘ₁ ＝（Ｓ_b ⁽⁰⁾ ／△Ｓ_b ）△Ｙ Ｘ₂ ＝（Ｓ_c ⁽⁰⁾ ／△Ｓ_c ）△Ｙ …（５） となる。次に、１ステップ進んでｉ＝１となった時、 Ｓ_a ⁽¹⁾ ＝α₁ （Ｘ₁ ＋Ｙ₁ ） Ｓ_b ⁽¹⁾ ＝α₂ （Ｘ₂ ＋Ｙ₁ ） Ｓ_c ⁽¹⁾ ＝α₃ （Ｘ₃ ＋Ｙ₁ ） …（６） これより、 Ｙ₁ ＝Ｓ_a ⁽¹⁾ ／α₁ −Ｘ₁ あるいは、 Ｙ₁ ＝Ｓ_b ⁽¹⁾ ／α₂ −Ｘ₂ …（７） によりＹ₁ が求まる。さらに１ステップ進んでｉ＝２と
なった時、 Ｓ_a ⁽²⁾ ＝α₂ （Ｘ₂ ＋Ｙ₂ ） Ｓ_b ⁽²⁾ ＝α₃ （Ｘ₃ ＋Ｙ₂ ） Ｓ_c ⁽²⁾ ＝α₄ （Ｘ₄ ＋Ｙ₂ ） …（８） が得られ、（８）の第１式より、 Ｙ₂ ＝Ｓ_a ⁽²⁾ ／α₂ −Ｘ₂ …（９） が求まる。また、（６）の第３式と（８）の第２式よ
り、 α₃ ＝（Ｓ_b ⁽²⁾ −Ｓ_c ⁽¹⁾ ）／（Ｙ₂ −Ｙ₁ ） …（10） Ｘ₃ ＝Ｓ_b ⁽²⁾ ／α₃ −Ｙ₂ …（11） が得られる。これを一般的に書くと、（１）の Ｓ_a ⁽ⁱ⁾ ＝α_j （Ｘ_j ＋Ｙ_i ） Ｓ_b ⁽ⁱ⁾ ＝α_j+1 （Ｘ_j+1 ＋Ｙ_i ） Ｓ_c ⁽ⁱ⁾ ＝α_j+2 （Ｘ_j+2 ＋Ｙ_i ） およびｉ＋１において Ｓ_a ⁽ⁱ⁺¹⁾ ＝α_j+1 （Ｘ_j+1 ＋Ｙ_i+1 ） Ｓ_b ⁽ⁱ⁺¹⁾ ＝α_j+2 （Ｘ_j+2 ＋Ｙ_i+1 ） Ｓ_c ⁽ⁱ⁺¹⁾ ＝α_j+3 （Ｘ_j+3 ＋Ｙ_i+1 ） …（12） （１）において一般に、α_j ，Ｘ_j ，α_j+1 ，Ｘ_j+1 ，
Ｙ_i は既知であって、（12）より、 Ｙ_i+1 ＝Ｓ_a ⁽ⁱ⁺¹⁾ ／α_j+1 −Ｘ_j+1 …（13） （１）の第３式と（12）の第２式より、 α_j+2 ＝（Ｓ_b ⁽ⁱ⁺¹⁾ −Ｓ_c ⁽ⁱ⁾ ）／（Ｙ_i+1 −Ｙ_i ） …（14） Ｘ_j+2 ＝Ｓ_b ⁽ⁱ⁺¹⁾ ／α_j+2 −Ｙ_i+1 …（15） が得られる。（13），（14），（15）によりα_j ，
Ｘ_j ，Ｙ_i が遂次に得られる。

【００１５】したがって、この方法によれば、基準水平
面から対象面Ｌまでの距離Ｘ_j （ｊ＝０…ｎ＋１）、対
象面Ｌの反射率分布α_j （ｊ＝０…ｎ＋１），センサ
４’の走査軌跡Ｙ_i （ｉ＝０…ｎ）が求められる。

【００１６】このように、光学式センサ４’が受ける対
象面Ｌの反射率α_j の影響を受けずに、基準水平面から
対象面Ｌまでの距離Ｘ_j を測定でき、距離Ｘ_j を順次記
憶し、△Ｘ毎にプロットすることにより、対象面Ｌの凹
凸形状を検出でき、真直度を測定・評価することができ
る。また、同時に対象面Ｌの反射率分布α_j と，センサ
４’の走査軌跡（移動体５’の移動ずれ）Ｙ_i を測定で
きる。

【００１７】なお、本発明は、光学式センサ４’の表面
反射率α_j の依存性に限らず、他のセンサが比例的に対
象面Ｌの物性値の影響を受ける場合に同様に適用でき
る。また、本実施例では、初期状態（ｉ＝０）での基準
変位△Ｙの発生に、ピエゾ素子７に交番電圧を印加して
いるが、何らかのアクチュエータによって、センサと対
象面Ｌ間の距離を上下に△Ｙだけ変動することができれ
ばよい。

【００１８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、対象面の
物性値の影響を受けることなく、基準水平面から対象面
までの距離およびセンサの走査軌跡（移動体の誤差）を
遂次多点方式により遂次算出でき、より厳密な真直度の
測定・評価を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における真直度測定装置の要
部斜視図である。

【図２】同真直度測定装置における真直度測定方法の説
明図である。

【図３】従来の真直度測定装置の概略斜視図である。

【図４】従来の真直度測定装置における真直度測定方法
の説明図である。

【符号の説明】

１ 第１ガイド体 ２ 第２ガイド体 ３ 測定対象物 ４’ 光学式センサ（非接触センサ） ５’ 移動体 ６ 水平溝 ７ ピエゾ素子 Ｌ 対象面

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定物の測定面に対向して水平方向に
   移動自在な移動体を設け、この移動体に、前記測定面ま
   での距離を測定する３台の非接触式センサを前記水平方
   向に等間隔で同じ高さ位置で配置し、前記移動体の３台
   のセンサと前記測定面間の距離を変動する変動手段を設
   け、初期状態において、前記変動手段を駆動して前記３
   台のセンサの距離検出信号を入力し、以後前記移動体の
   センサ間隔移動毎に３台のセンサの距離検出信号を入力
   し、この間隔毎に逐次多点法により前記測定面と前記移
   動体の基準水平面との距離を演算して記憶し、その距離
   の推移により真直度を評価する演算装置を設けたことを
   特徴とする真直度測定装置。