JP2008268000A - 変位測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な構成で、真直度（ｚ方向変位）と、ピッチングとローリング（ｘ、ｙ軸周りの回転傾き）のうち少なくとも一方とを、同時に測定する装置を提供すること。
【解決手段】光源から導かれた光を測定対象５０上の互いに異なる２以上の方向に出射する光出射手段１０と、該光出射手段１０により出射された光が前記測定対象５０に照射され、反射された光を受光して受光位置の変化を計測可能な２以上の受光手段３０、４０と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、変位測定方法および装置に係り、特に、移動機構の再現性のある幾何的な運動誤差である真直誤差、回転誤差などの計測に用いるのに好適な、測定対象のｚ方向変位およびｘ軸、ｙ軸の少なくとも一方の軸回りの回転角度を同時に測定可能な変位測定方法および装置に関する。

近年、「３次元」測定機として、測定対象のｚ軸方向（高さ方向）の分解能や精度が、測定対象のｘ、ｙ軸方向（水平２軸方向）の分解能、精度と比べて高い測定機が市場に多く投入されている。なお、これらは測定対象のｚ軸方向（高さ方向）の測定レンジが狭いため、「２．５次元測定機」と呼ばれることがある。また、このような測定機に対しては移動機構を設置し、測定対象のｘ、ｙ軸方向に測定範囲を拡大する装置も販売されている。このような移動機構にとって重要なことは、移動機構のｘ、ｙ軸方向に移動したときのｚ軸方向の真直誤差（ｚ方向変位ともいう）及びピッチング、ローリング（ｘ、ｙ軸回りの回転傾き、あるいは角度誤差ともいう）が前記測定機の測定分解能より小さいか、あるいはそれらの誤差が補正可能であることである。

これに対し、一般に、移動機構は意図しない運動誤差を持っている。その運動誤差には、真直誤差、回転（傾き）誤差（ピッチング、ローリング、ヨーイング）、リニアリティ誤差、複数軸間の角度誤差（直角度誤差など）が含まれる。そして、これらの誤差は再現性のある幾何的な運動誤差であるため、これらを効率よく測定することで補正は可能である。

上記運動誤差を測定する方式としては、接触式と非接触式の２つがある。接触式は、信頼性が高い反面、測定対象に傷をつけることになる。特に、高精度な基準器を移動機構に設置して測定を行なうのであれば、繰り返し測定することは避けることが必要となる。一方、非接触式は、測定対象に傷をつけず、高精度な基準面を用いて十分に制御された環境で測定する場合には信頼性の高い測定結果が得られるので、接触式より望ましい場合も多い。

そこで、非接触式で変位あるいは回転傾きを測定するセンサを、移動機構の誤差補正をするために使用することができる。例えば、静電容量式変位センサや光ファイバセンサ、干渉計、オートコリメータなどである。特に、特許文献１、２では、非接触式で、走査機構の案内面の精度に影響されることがなく、精度の高い真直度測定を行うことができる簡単な真直度測定法が示されている。また、特許文献３では、非接触式で、変位計測系の回転傾きを、計測に適した傾斜にする機能を備えた変位計測装置が記載されている。そして、特許文献４においても、非接触式で、測定対象が変位したときの変位量と回転傾きが求められる光学式変位測定装置について記載がなされている。

特開２００３−２３２６２５号公報 特開２００３−２５４７４７号公報 特開平１１−２１１４１６号公報 特開平７−６３５１０号公報

しかしながら、一般には静電容量式変位センサや光ファイバセンサ、干渉計などは、変位のみが対象となる。そのため測定対象の回転傾きを測定するには、複数の変位センサを用い、変位の差から求めることが必要となり、装置や計測制御が複雑となる。なお、干渉計については面形状を測定することにより回転傾き評価も可能なものが存在するが、機械的な位相シフトが必要で複雑となることや、ＣＣＤカメラのビデオレートなどの制限により高速な測定には適していない。

また、オートコリメータも、回転傾きのみが対象であり、測定速度は遅く、変位を同時に測定する用途には向かないものが多い。

特許文献１、２に記載の発明は、真直度（変位）のみが対象であり、回転傾きを測定するには更に複数の変位センサを用いるため、装置や計測制御が複雑となる。特許文献３に記載の発明は、回転傾きを変位測定に適した傾斜とするものであり、回転傾きを同時測定することはできない。特許文献４に記載の発明は、変位と回転傾きを同時に測定可能であるが、測定対象への光照射を切替えるための液晶シャッタなどの構造と複雑な制御が必要となるなどの問題点を有していた。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、簡便な構成で、真直度（ｚ方向変位）と、ピッチングとローリング（ｘ、ｙ軸周りの回転傾き）のうち少なくとも一方とを、同時に測定する装置を提供することを課題とする。

本発明は、光源から導かれた光を測定対象上の互いに異なる２以上の方向に出射し、前記測定対象に照射され、反射された複数の光の受光位置の変化を計測することで、該測定対象の変位を求めることにより、前記課題を解決したものである。

測定対象上に基準平面を設け、光源から導かれた光を該基準平面の互いに異なる２以上の方向に出射し、該基準平面で反射された複数の光の受光位置の変化を計測することで、該測定対象の変位を求めることができる。

又、前記光を反射する面について予め校正値を収集し、その校正値を用いて測定対象の変位測定結果を補正することができる。

又、移動機構における、移動方向と垂直な方向の、真直誤差と少なくとも１軸角度誤差とを、測定可能とすることができる。

本発明は、又、光源から導かれた光を測定対象上の互いに異なる２以上の方向に出射する光出射手段と、該光出射手段により出射された光が前記測定対象に照射され、反射された光を受光して受光位置の変化を計測可能な２以上の受光手段と、を有することを特徴とする変位測定装置を提供するものである。

又、前記光源から導かれた光が、１つに想定可能な出射口から前記光出射手段に導かれており、該光源から導かれた光が、前記測定対象の法線に対して所定の角度を有して該測定対象に照射されることができる。

又、前記光出射手段から出射される光が、測定対象の３方向以上に照射されることで、真直誤差と２軸角度誤差とを測定可能とすることができる。

又、前記光出射手段が、先端が錐形状とされた光ファイバを有することができる。

本発明によれば、簡便な構成で、変位及び、少なくとも１軸の回転傾きを同時に測定することが可能となる。このため、移動機構の補正のために用いた場合には、運度誤差を効率よく測定することができる。また、基準平面を測定対象に設けた場合には、高精度な測定が可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

まず、本発明の第１実施形態について図１から図５を用いて説明する。図１は本実施形態に係るｚ方向変位とｙ軸回りでの回転傾きを計測可能な変位測定装置の概略構成図、図２は本実施形態の光出射手段の断面図、図３はｚ方向変位の測定原理図、図４はｙ軸回りでの回転傾きの測定原理図、図５は本実施形態により移動機構を校正する際の概略図を、それぞれ示している。

最初に、本実施形態の構成について、図１、２を用いて詳細に説明する。

本実施形態は、図１に示す如く、光出射手段１０と、受光手段の１つである第１の受光素子３０と、受光手段のもう１つである第２の受光素子４０と、図示しない信号処理部と、を有する。

前記光出射手段１０は１つの出射口２０を有しており、そこから、２方向に分岐した光を出射させる機能を有している。詳しくは、図２に示す如く、例えば、光出射手段１０は、光源から光が導かれる光ファイバ１１と、第１および第２のファイバフォルダ１２、１３と、第１および第２のレンズホルダ１４、１５と、第１および第２のレンズ１６、１７と、筐体１８とを有する。図２で示す如く、前記光ファイバ１１の先端は所定の角度で研磨された錐形状をしており、出射口２０において、導かれた光を２つの光に分けることができる。そして、筐体１８に、第１および第２のファイバフォルダ１２、１３により光ファイバ１１を固定し、第１のレンズホルダ１４により第１のレンズ１６を固定し、第２のレンズホルダ１５により第２のレンズ１７を固定する機能を有する。そして、光ファイバ１１の出射口２０から出射された２つの光を、第１のレンズ１６と第２のレンズ１７は２つの平行光とする機能を有している。このとき、平行光の光束の直径は、小さいことが望ましい。小さければ、受光される光の直径も小さくなるので、受光手段３０、４０はもちろん、変位計測装置自体も小型にできるという利点を有する。なお、前記２つの平行光はｘｚ平面と一致するように調整されている。また、前記２つの光の２等分線をｚ軸とし、測定対象５０はｚ軸と直交するｘ軸と一致させる（θ_１＝θ_２でｚ軸は測定対象５０の法線）ことで、容易に変位および回転傾きが求められる。

前記第１および第２の受光素子３０、４０は、ｚ軸に対して対象位置に配置されており、例えば、２分割以上のフォトダイオードを用いることができる。

前記信号処理部は、内部に記憶部を有し、前記第１および第２の受光素子３０、４０に接続されている。そして、記憶部の初期値を利用して、該第１および第２の受光素子３０、４０で検出された信号を処理して、ｚ方向変位とｙ軸回りでの回転傾きを求め、求められた各値を記憶部に記憶する機能を有する。該信号処理部は、例えば、光出射手段１０と前記受光手段とを同一の筐体に固定する場合には、その筐体内部に光出射手段へ光を供給する光源や、該両手段の制御手段と共に設けることにより小型化が可能である。

このように、本実施形態では、変位計測装置を簡便で、小型化が容易な構成とすることが可能である。

次に、本実施形態の作用について説明する。

図１に示す如く、光出射手段１０から２方向に分岐した光は、測定対象５０の異なる表面で反射され、第１および第２の受光素子３０、４０に入射する。第１および第２の受光素子３０、４０では、ｘ軸方向の光の位置の変化を測定し、前記信号処理部において、後述する測定原理に従って、測定対象５０のｚ方向変位とｙ軸回りでの回転傾きを同時に求めることが可能である。

なお、本実施形態の製造時には、平面度が必要な精度に対して十分良い基準器を測定対象５０とし、図１に示す所定の位置（ｘ５、ｚ５）、（ｘ１、ｚ１）、それぞれに反射光がくるように、第１および第２の受光素子３０、４０を設置する。以下、この状態を「基準状態」と称する。この「基準状態」においては、図１において、ｚ２＝ｘ３＝ｚ４＝０であるので、ｚ３＝Ｌ、ｘ４＝Ｒ１、ｚ５＝Ｆ１とすると、ｘ５は式（１）のように求められる。

ｘ５=Ｌ*tanθ₁+Ｆ１*tanθ_１ ・・・・（１）

次に、ｚ方向変位とｙ軸回りでの回転傾きを同時に求めるための測定原理について、詳細に説明する。

最初に、測定対象５０がｚ方向にＨだけ変位したときの変位Ｄ１を、図３を用いて求める。すると、式（２）のように表すことができる。

Ｈ=-Ｄ１/２/tanθ_１
Ｄ１=-２*Ｈ*tanθ_１ ・・・・（２）

次に、原点を中心に測定対象５０が角度αだけ回転して傾いたときの変位Ｄ２を、図４を用いて求めていく。まずは、第１の受光素子３０に入る光を考えるため、測定対象５０上の反射位置の座標を（ｘ４１、ｚ４１）とする。すると各値は回転傾きαの関数として以下の式（３）、（４）のように表すことができる。

ｘ４１=Ｌ*Ｒ１/(Ｌ+Ｒ１*tanα)=Ｌ*tanθ_１/(１+tanα*tanθ_１・・・・（３）
ｚ４１=Ｌ*Ｒ１*tanα/(Ｌ+Ｒ１*tanα)
=Ｌ*tanθ_１*tanα/(1+tanα*tanθ_１）・・・・（４）

測定対象５０上での反射位置が異なるため、第１の受光素子３０上での受光位置は「基準状態」からずれた位置となる。このずれ量を計測することで回転傾きαを求めることができる。

反射光の直線の方程式は式（５）で表すことができる。

ｚ-ｚ４１=tan(π/２-θ_１+２*α)*(ｘ-ｘ４１) ・・・・（５）

第１の受光素子３０のｚ５の値はＦ１であるので、ｘ方向における「基準状態」からの変位をＤ２とすると、式（５）は式（６）のように表される。

Ｆ１-ｚ４１=tan(π/２-θ_１+２*α)*( ｘ５+ Ｄ２-ｘ４１) ・・・・（６）

従って、Ｄ２は式（７）のように求められる。

Ｄ２=(Ｆ１-ｚ４１)/tan(π/２-θ_１+２*α)-ｘ５+ｘ４１ ・・・・（７）

従って、式（７）に式（１）のｘ５の値を代入し、式（３）、（４）とから、回転傾きαを求めることができる。このとき、αが小さいときは式（８）、（９）、（１０）のように、

近似できるため、式（７）は式（１１）のような近似式で表すことができる。

この場合には、αは小さいことが前提であることから式（１１）は式（１２）と近似して、Ｄ２を求めることができる。

上述してきたＤ１、Ｄ２の値を用いて、測定対象５０のｚ方向変位とｙ軸回りでの回転傾きが同時に生じたときの変位を求める。その際に第１の受光素子３０で求められる受光位置の変位Ｍ１は、Ｄ１とＤ２との和であるので、Ｍ１については式（２）、式（７）より式（１３）が求められる。

Ｍ１=(Ｆ１-ｚ４１)/tan(π/２-θ_１+２*α)-ｘ５+ｘ４１-２*Ｈ* tanθ_１
・・・・（１３）

式（７）の近似後の式（１２）を用いると式（１４）が求められる。

このとき、上述してきた第１の受光素子３０上の光の入射位置の変位を求めた方法を、第２の受光素子４０に入る光についても適用すると、第２の受光素子４０上の光の入射位置の変位Ｍ２は式（１５）で表すことができる。

よって、式（１４）、式（１５）を式（１６）に示す如く、連立させることで、Ｍ１、Ｍ２の計測された変位から、ｙ軸回りにおける回転傾きαとｚ方向変位Ｈを求めることができる。

このように、２つの受光手段から得られた受光位置の変化量を用いることにより、ｚ方向変位とｙ軸回りでの回転傾きを同時に求めることが可能である。

次に、本実施形態により、移動機構のｚ方向変位とｙ軸回りの回転傾き（ピッチング）のみを測定して校正を行なう場合を、図５を用いて詳細に説明する。図５に示す如く、本実施形態の変位計測装置１は、移動機構のガイド５に固定された装置支持構造物２に固定される。一方、測定対象である移動機構のテーブル４上には、変位計測装置１から照射される光を反射するための基準平面３（例えばオプティカルフラット）が備えられている。

このような構成により、移動機構のテーブル４を移動機構のガイド５に沿って所定の移動量で移動させ、基準平面３からの反射光を本実施形態である変位計測装置１で測定することで、上述した原理に基づいて、所定の移動量に対応したｚ方向変位およびｙ軸回りでの回転傾きを求めることが可能である。

このようにして、移動機構の所定移動量に対応してその運動誤差である、ｚ方向変位およびｙ軸回りでの回転傾きを、同時に効率よく高精度に求めることが可能となる。また、これらの運動誤差を補正データとしてこの移動機構に適用することで、大掛かりで、高価である高精度な移動機構を使用しなくても、極めて簡易的且つ安価に、高精度な移動機構を利用したことと同等の移動を実現することができる。

このとき、基準平面３について、移動機構のテーブル４に備える前に、事前に校正値を収集して、例えば、信号処理部内の記憶部に記憶しておけば、所定の移動量に対してｚ方向変位およびｙ軸回りでの回転傾きを求めた後、基準平面３の校正値で校正することにより、移動機構のテーブル４について、更に高精度にｚ方向変位およびｙ軸回りでの回転傾きを求めることができ、より高精度な移動制御が可能となる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、図１に示す第１実施形態の概略構成とは同一である。しかし、光出射手段１０が、図６に示される構成となる。

例えば、光出射手段１０は、光源から光が導かれる第１および第２の光ファイバ１１ａ、１１ｂと、第１および第２の光ファイバ１１ａ、１１ｂを筐体１８ｃにそれぞれ固定する第１および第２のファイバフォルダ１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂと、第１および第２のレンズホルダ１４、１５と、第１および第２のレンズ１６、１７と、筐体１８ｃとを有する。すなわち、２本の光ファイバ１１ａ、１１ｂから構成され、それぞれが第１および第２のファイバフォルダ１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂにより、筐体１８ｃに固定されることが第１実施形態とは異なる点である。なお、本実施形態では、図６で示す如く、第１および第２の光ファイバ１１ａ、１１ｂの先端が通常の端面研磨加工で実現できるものであり、第１実施形態の光ファイバ１１で必要とされる形状加工研磨を必要としないので、より製作が容易という利点を有している。本実施形態では、光の出射口２０は、図６に示す２つの光軸が交差する位置となる。他の構成要素については、第１実施形態で述べた機能と同一なので説明を省略する。

また、動作原理や移動機構への適用も同一となるので、説明を省略する。

次に、本発明の第３実施形態について図７を用いて説明する。図７は、本実施形態に係るｚ方向変位とｙ軸回りとｘ軸回りの両方の回転角度を計測可能な変位測定装置の概略構成図である。

本実施形態の構成は、図７に示す如く、光出射手段１０ｄと、受光手段を構成するｘ軸上における第１の受光素子３０ｘ、第２の受光素子４０ｘと、ｙ軸上における第１の受光素子３０ｙ、第２の受光素子４０ｙと、を有する。すなわち、ｙ軸上に２つの受光素子３０ｙ、４０ｙを配置したことが第１実施形態とは異なる。また、光出射手段１０ｄもｘ軸方向のみならず、ｙ軸方向にも平行光を出射することが、第１実施形態とは異なる点である。他の構成要素と機能は同一なので、説明は省略する。

このような構成をとることで、第１実施形態にない、ｚ方向変位とｘ軸およびｙ軸回りの回転角度を同時に高精度に求めることが可能となる。

なお、動作原理は同一となるので、説明を省略する。移動機構に本実施例を適用した場合については、ｙ軸回りの回転傾きについても同時に求めることが可能となることで、移動機構の所定移動量に対応してその運動誤差である、ｚ方向変位と、ｘ軸およびｙ軸回りでの回転傾きを、同時に効率よく高精度に求めることが可能となる。

なお、本実施形態では、ｚ方向変位とｘ軸およびｙ軸回りの回転角度を同時に測定するために、Ｘ，Ｙ軸上に４つの受光素子３０ｘ、３０ｙ、４０ｘ、４０ｙを光出射手段１０ｃの出射口２０を中心として９０度ごとに配置し、その方向に向けて４つの平行光を光出射手段１０ｄから出射したが、ｘｙ平面上に３つの受光素子を、例えば、出射口２０を中心として１２０度間隔で配置し、その方向に向けて３つの平行光を光出射手段から出射しすることでも、第３実施形態よりも簡便で小型になるという利点を有して、同一の作用効果を得ることが可能である。このような構成も本発明に含まれることはいうまでもない。また、５つ以上の平行光を光出射手段から出射して、出射された光に対応する受光手段を設けた場合でも、本実施形態と同様の作用効果を得られるので、そのような構成であっても本発明に含まれることはいうまでもない。

以上、第１から第３実施形態について述べてきたが、受光手段を構成する受光素子はフォトダイオードに限られるものではなく、例えば、光スポット位置検出素子（ＰＳＤ）やＣＣＤやＣＭＯＳカメラ（特に高速なライン型）であっても本発明に含まれる。又、光出射手段から出射される光の角度θ１とθ２とが同一でない場合でも本発明に含まれる。

又、信号処理部は、光出射手段と受光手段と同一の筐体に設けられた場合のみならず、別体として設けられていても、例えば、汎用のパーソナルコンピュータに設けられていても、本発明に含まれる。

又、本発明の原理において、近似式（８）、（９）、（１０）を用いずに、コンピュータを用いた数値計算により回転傾きと変位を求めることも本発明に含まれる。

又、移動機構の校正において、移動機構のテーブル表面からの反射光が受光手段に十分な光を入射させることができるなら、基準平面を使わないことも本発明に含まれ、前記テーブルの表面形状について予め校正値が収集され、その校正値を用いてｚ方向変位とｘ軸とｙ軸回りの回転傾きを補正することも本発明に含まれる。基準平面が移動機構以外の測定対象に設けられる場合も本発明に含まれるのはいうまでもない。

又、本発明は、移動機構の校正についてのみ用いたが、本発明の変位測定装置と、測定対象との間を概略固定し、測定対象の動きを測定するためのセンサとすることも本発明に含まれる。例えば、本発明を３次元測定機のプローブに用いることにより、タッチプローブや倣いプローブとすることである。

本発明の第１実施形態に係るｚ方向変位とｙ軸回りでの回転傾きを計測可能な変位測定装置の概略構成図 同じく光出射手段の断面図 同じくｚ方向変位の測定 同じくｙ軸回りでの回転傾きの測定原理図 同じく移動機構を校正する際の概略図 本発明の第２実施形態本実施形態に係る光出射手段の断面図 本発明の第３実施形態本実施形態に係るｚ方向変位とｙ軸回りとｘ軸回りの両方の回転角度を計測可能な変位測定装置の概略構成図

符号の説明

１…変位測定装置
２…装置支持構造物
３…基準平面
４…移動機構のテーブル
５…移動機構のガイド
１０、１０ｃ、１０ｄ…光出射手段
２０…出射口
３０、３０ｘ、３０ｙ、４０、４０ｘ、４０ｙ…受光素子
５０…測定対象

Claims (8)

1. 光源から導かれた光を測定対象上の互いに異なる２以上の方向に出射し、
   前記測定対象に照射され、反射された複数の光の受光位置の変化を計測することで、
   該測定対象の変位を求めることを特徴とする変位測定方法。
2. 測定対象上に基準平面を設け、
   光源から導かれた光を該基準平面の互いに異なる２以上の方向に出射し、
   該基準平面で反射された複数の光の受光位置の変化を計測することで、
   該測定対象の変位を求めることを特徴とする変位測定方法。
3. 前記光を反射する面について予め校正値を収集し、その校正値を用いて測定対象の変位測定結果を補正することを特徴とする請求項１又は２に記載の変位測定方法。
4. 移動機構における、移動方向と垂直な方向の、真直誤差と少なくとも１軸角度誤差とを、測定可能なことを特徴とする請求項１至３のいずれかに記載の変位測定方法。
5. 光源から導かれた光を測定対象上の互いに異なる２以上の方向に出射する光出射手段と、
   該光出射手段により出射された光が前記測定対象に照射され、反射された光を受光して受光位置の変化を計測可能な２以上の受光手段と、
   を有することを特徴とする変位測定装置。
6. 前記光源から導かれた光が、１つに想定可能な出射口から前記光出射手段に導かれており、
   該光源から導かれた光が、前記測定対象の法線に対して所定の角度を有して該測定対象に照射されることを特徴とする請求項５に記載の変位測定装置。
7. 前記光出射手段から出射される光が、測定対象の３方向以上に照射されることで、真直誤差と２軸角度誤差とを測定可能とすることを特徴とする請求項５又は６に記載の変位測定装置。
8. 前記光出射手段が、先端が錐形状とされた光ファイバを有することを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の変位測定装置。

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