JP2012088149A - 表面性状測定機の直角度誤差算出方法および校正用治具 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易でかつ安価な校正用治具を用いて直角度誤差を簡易にかつ高精度に算出可能な表面性状測定機の直角度誤差算出方法および校正用治具を提供する。
【解決手段】３つの基準球６２Ａ〜６２Ｃを校正プレート６１に直角に配置した校正用治具６０を、テーブル１６上に配置し、接触式検出器２０によって３つの基準球の中心座標を求め（第１測定工程）たのち、これら中心座標を結ぶ２つの直線の交差角度θ１を算出する（第１角度算出工程）。次に、校正用治具を、同一面内で９０度回転させてテーブル上に配置し、接触式検出器によって３つの基準球の中心座標を求め（第２測定工程）たのち、これら中心座標を結ぶ２つの直線の交差角度θ２を算出する（第２角度算出工程）。最後に、交差角度θ１，θ２とからＹ軸駆動機構１７の移動方向とＸ軸駆動機構４８の移動方向との直角度誤差を算出する（直角度誤差算出工程）。
【選択図】図１

Description

本発明は、被測定物の表面形状や表面粗さ等を測定する表面性状測定機の直角度誤差算出方法およびこれに用いる校正用治具に関する。

被測定物の表面にスタイラスを接触させた状態において、スタイラスを被測定物の表面に沿って移動させ、このとき、被測定物の表面形状や表面粗さによって生じるスタイラスの変位を検出し、このスタイラスの変位から被測定物の表面形状や表面粗さ等の表面性状を測定する表面性状測定機が知られている（例えば、特許文献１参照）。

従来、この種の表面性状測定機のなかには、被測定物を複数並べて自動測定したり、あるいは、１つの測定面を何箇所か測定するために、被測定物を載置したテーブルをスタイラスの移動方向（Ｘ軸方向）に対して直交する方向（Ｙ軸方向）へ移動させる駆動機構を内蔵したテーブルユニットを、表面性状測定機のベースに対して着脱可能かつ固定可能に取り付けられるようにした表面性状測定機も知られている。
このような表面性状測定機では、Ｘ軸方向位置およびＹ軸方向位置を変えて水平面内の測定点を取り込めば、この取り込んだ測定点に対して、２次元の寸法や形状の評価を行うことができる。

特開平５−８７５６２号公報

上述したテーブルユニットを着脱可能に構成した表面性状測定機では、ベースに位置決めレールを配置し、この位置決めレールにテーブルユニットの基準面を突き当てて、Ｘ軸（スタイラスの移動方向）とＹ軸（テーブルの移動方向）との直角位置決めを行っている。
しかし、この方法では、突き当て方法や作業者によってばらつきが大きい。そのため、一旦、テーブルユニットを表面性状測定機から外し、再度取り付けたときの直角度は、それ以前の状態から大きく変化してしまう。

そこで、テーブルユニットを取り外し、取り付ける度に、ＸＹ軸間の直角度測定作業が余儀なくされることになるが、例えば、直角スコヤと電気マイクロメータを使用して直角度測定作業を行う方法では、直角スコヤや電気マイクロメータなどの高価な設備が必要で、しかも、直角スコヤの平行出しや電気マイクロメータのセッティングに時間がかかる。

本発明の目的は、簡易でかつ安価な校正用治具を用いて直角度誤差を簡易にかつ高精度に算出することができる表面性状測定機の直角度誤差算出方法および校正用治具を提供することにある。

本発明の表面性状測定機の直角度誤差算出方法は、ベースと、被測定物を載置したテーブルおよびこのテーブルを水平面内の一方向へ往復移動させる第１駆動機構を有し、前記ベースの上面に着脱可能かつ固定可能に取り付けられたテーブルユニットと、前記被測定物の表面に接触されるスタイラスを有しこのスタイラスの変位を検出する検出器と、この検出器を前記テーブルの移動方向に対して直交する方向へ移動させる第２駆動機構とを備え、前記被測定物の形状または表面粗さを測定する表面性状測定機の直角度誤差算出方法において、外形形状から中心が求まる３つの基準要素を校正プレートに直角に配置した校正用治具を、前記テーブル上に配置し、前記検出器によって前記３つの基準要素を測定して３つの基準要素の中心座標を求める第１測定工程と、この第１測定工程で求められた中心座標のうち、前記直角配置の角部に位置する基準要素の中心座標と他の２つの基準要素の中心座標とを結ぶ２つの直線を求め、この２つの直線の交差角度θ１を算出する第１角度算出工程と、前記校正用治具を、同一面内で９０度回転させて前記テーブル上に配置し、前記検出器によって前記３つの基準要素を測定して３つの基準要素の中心座標を求める第２測定工程と、この第２測定工程で求められた中心座標のうち、前記直角配置の角部に位置する基準要素の中心座標と他の２つの基準要素の中心座標とを結ぶ２つの直線を求め、この２つの直線の交差角度θ２を算出する第２角度算出工程と、前記第１角度算出工程で算出された交差角度θ１と、前記第２角度算出工程で算出された交差角度θ２とから前記第１駆動機構の移動方向と前記第２駆動機構の移動方向との直角度誤差を算出する直角度誤差算出工程と、を備えることを特徴とする。

このような構成によれば、まず、外形形状から中心が求まる３つの基準要素を校正プレートに直角に配置した校正用治具を、テーブル上に配置し、検出器によって３つの基準要素を測定して３つの基準要素の中心座標を求める（第１測定工程）。続いて、これによって求められた中心座標のうち、直角配置の角部に位置する基準要素の中心座標と他の２つの基準要素の中心座標とを結ぶ２つの直線を求め、この２つの直線の交差角度θ１を算出する（第１角度算出工程）。
次に、校正用治具を、同一面内で９０度回転させてテーブル上に配置し、検出器によって３つの基準要素を測定して３つの基準要素の中心座標を求める（第２測定工程）。続いて、これによって求められた中心座標のうち、直角配置の角部に位置する基準要素の中心座標と他の２つの基準要素の中心座標とを結ぶ２つの直線を求め、この２つの直線の交差角度θ２を算出する（第２角度算出工程）。
最後に、第１角度算出工程で算出された交差角度θ１と、第２角度算出工程で算出された交差角度θ２とから第１駆動機構の移動方向と第２駆動機構の移動方向との直角度誤差を算出する（直角度誤差算出工程）。
従って、外形形状から中心が求まる３つの基準要素を校正プレートに直角に配置した簡易でかつ安価な校正用治具を用いて、第１駆動機構の移動方向と第２駆動機構の移動方向との直角度誤差を求めることができるから、直角度の校正を簡易にかつ高精度に行うことができる。

本発明の校正用治具は、ベースと、被測定物を載置したテーブルおよびこのテーブルを水平面内の一方向へ往復移動させる第１駆動機構を有し、前記ベースの上面に着脱可能かつ固定可能に取り付けられたテーブルユニットと、前記被測定物の表面に接触されるスタイラスを有しこのスタイラスの変位を検出する検出器と、この検出器を前記テーブルの移動方向に対して直交する方向へ移動させる第２駆動機構とを備え、前記被測定物の形状または表面粗さを測定する表面性状測定機の直角度誤差算出方法に用いられる校正用治具であって、校正プレートと、この校正プレートに直角に配置され、外形形状から中心が求まる３つの基準要素とを含んで構成されている、ことを特徴とする。

このような構成の校正用治具によれば、校正プレートと、この校正プレートに直角に配置され、外形形状から中心が求まる３つの基準要素とを含んで構成されているから、簡易でかつ安価に構成できる。

本発明の校正用治具において、前記基準要素は、基準球によって構成されている、ことが好ましい。
このような構成によれば、校正プレートに３つの球体を直角に配置すればよいから、校正用治具を簡単に製造できる。

本発明の一実施形態に係る表面性状測定機を示す斜視図。 同上実施形態において、ベースとテーブルユニットとの取付構造を示す図。 同上実施形態において、制御装置とその周辺機構を示すブロック図。 同上実施形態において、校正用治具を示す斜視図。 同上実施形態において、第１測定工程を示す図。 同上実施形態において、第２測定工程を示す図。 同上実施形態において、直角度誤差の算出原理を示す図。

＜表面性状測定機の説明（図１〜図３参照）＞
本実施形態に係る表面性状測定機は、図１〜図３に示すように、ベース１と、このベース１の上面一側に着脱可能かつ固定可能に取り付けられ被測定物を水平面内の一方向（ここでは、Ｙ軸方向）へ移動させるテーブルユニットとしてのＹ軸テーブルユニット１０と、被測定物の表面に接触されるスタイラス２４を有する接触式検出器２０と、被測定物の表面画像を撮像する画像プローブ３０と、これら接触式検出器２０および画像プローブ３０をＹ軸方向に対して直交するＺ軸方向およびＸ軸方向に移動させるＺ軸駆動手段４０およびＸ軸駆動手段４６と、これらを制御する制御装置５０（図３参照）とを備える。

ベース１には、前後方向中央位置に断面が逆Ｔ字形状の取付溝２がＸ軸方向に沿って形成されているとともに、この取付溝２より後方位置に断面矩形状の位置決めレール３がＸ軸方向と平行に取り付けられている。

Ｙ軸テーブルユニット１０は、矩形枠状の本体ケース１１と、この本体ケース１１内にＹ軸方向へ移動可能に支持され上面に被測定物を載置するテーブル１６と、このテーブル１６をＹ軸方向へ移動させる第１駆動機構としてのＹ軸駆動機構１７とを含んで構成されている。
本体ケース１１には、底面にベース１の位置決めレール３に突き当てられる基準面１２が形成されているとともに、側面に取付溝２に挿入されたボルト４およびこれに螺合されるナット５を利用して本体ケース１１をベース１に固定するフランジ部１３が形成されている。また、本体ケース１１の上面には、テーブル１６の移動範囲に渡って開口１４が形成されているとともに、この開口１４とテーブル１６との隙間に蛇腹状カバー１５が取り付けられている。
Ｙ軸駆動機構１７は、例えば、モータ１８と、このモータ１８によって回転駆動されテーブル１６をＹ軸方向へ進退移動させる送りねじ１９などによって構成されている。

Ｚ軸駆動手段４０は、ベース１の上面に立設されたコラム４１と、このコラム４１に上下方向（Ｚ軸方向）へ移動可能に設けられたＺスライダ４２と、このＺスライダ４２を上下方向へ昇降させるＺ軸駆動機構４３とを含んで構成されている。
Ｘ軸駆動手段４６は、Ｚスライダ４２にＹ軸方向およびＺ軸方向に対して直交する方向（Ｘ軸方向）へ移動可能に設けられたＸスライダ４７と、このＸスライダ４７をＸ軸方向へ移動させる第２駆動機構としてのＸ軸駆動機構４８とを含んで構成されている。
なお、これらＹ軸駆動機構４３およびＺ軸駆動機構４８は、図示省略されているが、例えば、ボールねじ軸と、このボールねじ軸に螺合され可動側部材に固定されたナット部材とを有する送りねじ機構によって構成されている。

接触式検出器２０は、Ｘスライダ４７に吊り下げ支持された検出器本体２１と、この検出器本体２１に揺動可能に支持され先端にスタイラス２４を有するアーム２５と、このアーム２５の揺動量を検出する検出部（図示省略）とから構成されている。

画像プローブ３０は、Ｘスライダ４７に接触式検出器２０とともに一体的に連結された筒状のプローブ本体３２と、このプローブ本体３２の先端に下向きに支持されたプローブヘッド３３とを備える。プローブヘッド３３は、図示省略したが、対物レンズと、この対物レンズの外周に配置された光源としてのＬＥＤと、対物レンズを透過した被測定物からの反射光を受光し被測定物の画像を撮像するＣＣＤセンサとを含んで構成されている、

制御装置５０には、図３に示すように、Ｘ軸駆動機構４８、Ｙ軸駆動機構１７、Ｚ軸駆動機構４３、接触式検出器２０、画像プローブ３０のほかに、入力装置５１、表示装置５２、記憶装置５３が接続されている。
入力装置５１は、例えば、携帯型のキーボードやジョイスティックなどによって構成され、各種動作指令やデータ入力を行う。
表示装置５２には、画像プローブ３０で取得した画像が表示されるとともに、接触式検出器２０によって得られた形状や粗さデータが表示される。
記憶装置５３には、測定プログラム等を記憶したプログラム記憶部５４、後述する直角度誤差などの補正データを記憶する補正データ記憶部５５、および、測定時に取り込んだ画像データや測定データなどを記憶する測定データ記憶部５６などが設けられている。

制御装置５０は、測定プログラムの実行によって得られた測定データを測定データ記憶部５６に記憶し、この測定データを補正データ記憶部５５に記憶された補正データで補正して測定値として出力する機能のほかに、画像プローブ３０によって取り込まれた被測定物の画像から被測定物のエッジを検出するエッジ検出機能や、被測定物の高さ方向（Ｚ軸方向）の面に対物レンズの焦点位置が一致するように、対物レンズを高さ方向へ変位させて、この変位量から被測定物の高さ方向の位置を検出するオートフォーカス機能を備える。

＜校正用治具の説明（図４参照）＞
校正用治具６０は、上述した表面性状測定機において、Ｙ軸駆動機構１７の移動方向とＸ軸駆動機構４８の移動方向との直角度誤差を算出する際に用いられる校正用治具であって、校正プレート６１と、この校正プレート６１に直角に配置された基準要素としての３つの基準球６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃとを含んで構成されている。
校正プレート６１は、所定の厚みを有する略正方形の板材によって構成されている。
３つの基準球６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃは、円盤状の基準球取付部材６３を介して、校正プレート６１の３つの角部に埋設されている。つまり、基準球６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃが基準球取付部材６３の中心に一部露出するように埋設され、３つの基準球６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃが直角になるように、基準球取付部材６３が校正プレート６１の角部に位置調整されて接着固定されている。
これにより、基準球６２Ａの中心と基準球６２Ｂの中心とを結ぶ直線と、基準球６２Ａ，の中心と基準球６２Ｃの中心とを結ぶ直線とのなす角度（交差角度）が直角になるように構成されている。

＜直角度誤差算出方法の説明（図５〜図７参照）＞
表面性状測定機において、Ｙ軸駆動機構１７の移動方向とＸ軸駆動機構４８の移動方向との直角度誤差を算出するには、次のようにして行う。
（ａ）まず、校正用治具６０をテーブル１６上に配置したのち、接触式検出器２０によって３つの基準球６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃの中心座標を求める（第１測定工程）。
これには、図５に示すように、各基準球６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃ毎に、接触式検出器２０のスタイラス２４が基準球６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃの円形輪郭線を交差するようにＹ軸駆動機構１７およびＸ軸駆動機構４８を移動させ、基準球６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃの円形輪郭線のうち少なくとも３点以上の位置データを取得し、この取得された位置データに円を当てはめて円の中心座標、つまり、基準球６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃの中心座標Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を求める。

（ｂ）続いて、第１測定工程で測定された中心座標Ｐ１〜Ｐ３のうち、直角配置の角部に位置する基準球６２Ａの中心座標Ｐ１と他の２つの基準球６２Ｂ，６２Ｃの中心座標Ｐ２，Ｐ３とを結ぶ２つの直線を求め、この２つの直線の交差角度を算出する（第１角度算出工程）。
具体的には、基準球６２Ａの中心座標Ｐ１と基準球６２Ｂの中心座標Ｐ２を結ぶ直線Ｌ１と、基準球６２Ａの中心座標Ｐ１と基準球６２Ｃの中心座標Ｐ３とを結ぶ直線Ｌ２とを求め、この２つの直線Ｌ１，Ｌ２の交差角度θ１を算出する。

（ｃ）次に、図６に示すように、校正用治具６０を、同一面内で９０度回転させた状態でテーブル１６上に配置し、接触式検出器２０によって３つの基準球６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃの中心座標Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６を求める（第２測定工程）。なお、基準球６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃの中心座標Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６を求めるには、第１測定工程と同じようにして行う。

（ｄ）続いて、第２測定工程で測定された中心座標Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６のうち、直角配置の角部に位置する基準球６２Ａの中心座標Ｐ４と他の２つの基準球６２Ｂ，６２Ｃの中心座標Ｐ５，Ｐ６とを結ぶ２つの直線を求め、この２つの直線の交差角度θ２を算出する（第２角度算出工程）
具体的には、基準球６２Ａの中心座標Ｐ４と基準球６２Ａの中心座標Ｐ５を結ぶ直線Ｌ３と、基準球６２Ａの中心座標Ｐ４と基準球６２Ｃの中心座標Ｐ６とを結ぶ直線Ｌ４とを求め、この２つの直線Ｌ３，Ｌ４の交差角度θ２を算出する。

（ｅ）最後に、第１角度算出工程で算出された交差角度θ１と、第２角度算出工程で算出された交差角度θ２とから、Ｙ軸駆動機構１７の移動方向とＸ軸駆動機構４８の移動方向との直角度誤差を算出する（直角度誤差算出工程）。
つまり、第１角度算出工程で算出された交差角度θ１と、第２角度算出工程で算出された交差角度θ２は、図７に示すように、校正用治具６０に配置された基準球６２Ａ、６２Ｂ，６２Ｃの位置により不変のθに対して、直角度誤差δを持っているから、次の式から直角度誤差δを算出できる。

θ１＝θ−δ ……（１）
θ２＝θ＋δ ……（２）
δ＝（θ２−θ１）／２ ……（３）

このようにして算出した直角度誤差δを補正データ記憶部５５に記憶しておくと、制御装置５０は、測定プログラムの実行によって得られた測定データを測定データ記憶部５６に記憶し、この測定データを補正データ記憶部５５に記憶された補正データで補正して測定値として出力することができるから、Ｙ軸駆動機構１７の移動方向とＸ軸駆動機構４８の移動方向との直角度誤差を補正することができる。

＜実施形態の効果＞
本実施形態によれば、３つの基準球６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃを校正プレート６１に直角に配置した校正用治具６０を用いて、Ｙ軸駆動機構１７の移動方向とＸ軸駆動機構４８の移動方向との直角度誤差を算出することができるから、この直角度誤差を補正値として測定値を補正すれば、直角度の校正を簡易にかつ高精度に行うことができる。

従って、使用者自身がＹ軸テーブルユニット１０を取り外し、取り付けた場合でも、Ｙ軸駆動機構１７の移動方向とＸ軸駆動機構４８の移動方向との直角度精度を簡易に校正できるから、高精度で使用できる。とくに、Ｙ軸およびＸ軸の複合精度の信頼性が向上するため、斜め測定などでも高精度な測定が期待できる。
また、校正用治具６０は、校正プレート６１と、この校正プレート６１の角部に配置された３つの基準球６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃとから構成されているから、簡易でかつ安価に製造できる。

また、画像プローブ３０を備えているので、画像プローブ３０の単独使用による測定も可能である。例えば、画像プローブ３０によって取得した画像から、線幅や孔径などを測定することができるほか、画像プローブ３０のオートフォーカス機能を用いて、対物レンズの光軸方向の寸法（段差寸法）なども測定できる。

＜変形例＞
本発明は、前述の実施形態に限定されるものでなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に含まれる。

前記実施形態では、校正用治具６０の３つの基準球６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃを接触式検出器２０で測定して、これら基準球６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃの中心座標を算出するようにしたが、画像プローブ３０によって基準球６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃの円形輪郭線のうち少なくとも３箇所の位置をエッジ検出し、この３つの位置から円を当てはめて円の中心座標、つまり、基準球６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃの中心座標を求めるようにしてもよい。

前記実施形態では、校正プレート６１に３つの基準球６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃを直角に配置した校正用治具６０を用いたが、これに限られない。例えば、半球状の基準要素を配置した構成でもよい。あるいは、校正プレート６１の３つの角部に凹球面形状の窪みを形成した構成でもよい。要するに、外形形状から中心座標を特定できる形状であれば、前記実施形態に限られない。

前記実施形態では、画像プローブ３０を備える構成であったが、画像プローブ３０は特に備えていなくてもよい。

本発明は、例えば、表面粗さ測定機や形状測定機などに利用できる。

１…ベース、
１０…Ｙ軸テーブルユニット、
１６…テーブル、
１７…Ｙ軸駆動機構（第１駆動機構）、
２０…接触式検出器、
４８…Ｘ軸駆動機構（第２駆動機構）、
６０…校正用治具、
６１…校正プレート、
６２Ａ〜６２Ｃ…基準球（基準要素）、
Ｐ１〜Ｐ３、Ｐ４〜Ｐ６…中心座標、
Ｌ１〜Ｌ４…直線、
θ１，θ２…交差角度、
δ…直角度誤差。

Claims (3)

1. ベースと、被測定物を載置したテーブルおよびこのテーブルを水平面内の一方向へ往復移動させる第１駆動機構を有し、前記ベースの上面に着脱可能かつ固定可能に取り付けられたテーブルユニットと、前記被測定物の表面に接触されるスタイラスを有しこのスタイラスの変位を検出する検出器と、この検出器を前記テーブルの移動方向に対して直交する方向へ移動させる第２駆動機構とを備え、前記被測定物の形状または表面粗さを測定する表面性状測定機の直角度誤差算出方法において、
   外形形状から中心が求まる３つの基準要素を校正プレートに直角に配置した校正用治具を、前記テーブル上に配置し、前記検出器によって前記３つの基準要素を測定して３つの基準要素の中心座標を求める第１測定工程と、
   この第１測定工程で求められた中心座標のうち、前記直角配置の角部に位置する基準要素の中心座標と他の２つの基準要素の中心座標とを結ぶ２つの直線を求め、この２つの直線の交差角度θ１を算出する第１角度算出工程と、
   前記校正用治具を、同一面内で９０度回転させて前記テーブル上に配置し、前記検出器によって前記３つの基準要素を測定して３つの基準要素の中心座標を求める第２測定工程と、
   この第２測定工程で求められた中心座標のうち、前記直角配置の角部に位置する基準要素の中心座標と他の２つの基準要素の中心座標とを結ぶ２つの直線を求め、この２つの直線の交差角度θ２を算出する第２角度算出工程と、
   前記第１角度算出工程で算出された交差角度θ１と、前記第２角度算出工程で算出された交差角度θ２とから前記第１駆動機構の移動方向と前記第２駆動機構の移動方向との直角度誤差を算出する直角度誤差算出工程と、
   を備えることを特徴とする表面性状測定機の直角度誤差算出方法。
2. ベースと、被測定物を載置したテーブルおよびこのテーブルを水平面内の一方向へ往復移動させる第１駆動機構を有し、前記ベースの上面に着脱可能かつ固定可能に取り付けられたテーブルユニットと、前記被測定物の表面に接触されるスタイラスを有しこのスタイラスの変位を検出する検出器と、この検出器を前記テーブルの移動方向に対して直交する方向へ移動させる第２駆動機構とを備え、前記被測定物の形状または表面粗さを測定する表面性状測定機の直角度誤差算出方法に用いられる校正用治具であって、
   校正プレートと、
   この校正プレートに直角に配置され、外形形状から中心が求まる３つの基準要素とを含んで構成されている、
   ことを特徴とする校正用治具。
3. 請求項２に記載の校正用治具において、
   前記基準要素は、基準球によって構成されている、ことを特徴とする校正用治具。

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