センサホルダ及びセンサ支持装置
【課題】棒状のセンサホルダに取り付けた３つのセンサにおける鉛直方向の位置ズレを抑制する。
【解決手段】予め決められた孔ＨＬ１〜ＨＬ３にセンサＳＳ１〜ＳＳ３を固定して検出軸方向を鉛直方向に向けた時の、センサホルダＳＨのたわみ量は、２点支持の梁の集中質量と分布質量を考慮して計算できるので、３つのセンサＳＳ１〜ＳＳ３の固定位置の重力によるたわみが等しくなる位置が定まるため、孔ＨＬ１〜ＨＬ３にセンサＳＳ１〜ＳＳ３を配置するのみで、センサＳＳ１〜ＳＳ３の鉛直方向のズレがゼロとなる。これにより精度の良い測定が可能となる。
【解決手段】予め決められた孔ＨＬ１〜ＨＬ３にセンサＳＳ１〜ＳＳ３を固定して検出軸方向を鉛直方向に向けた時の、センサホルダＳＨのたわみ量は、２点支持の梁の集中質量と分布質量を考慮して計算できるので、３つのセンサＳＳ１〜ＳＳ３の固定位置の重力によるたわみが等しくなる位置が定まるため、孔ＨＬ１〜ＨＬ３にセンサＳＳ１〜ＳＳ３を配置するのみで、センサＳＳ１〜ＳＳ３の鉛直方向のズレがゼロとなる。これにより精度の良い測定が可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大型の被測定物の真直形状、面形状および移動真直運動誤差の測定を高精度に行う測定装置に用いられると好適なセンサホルダ及びセンサ支持装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
面形状や断面直線形状の測定をするためには、基準となる直定規との比較測定を実施することが多い。あるいは、光軸の直線性を基準にして、走査方向に被測定面と２点で当接する台上の鏡の傾斜をオートコリメータで測定して、直線形状を算出する方法が用いられる。また、基準を使用できないときには、多点法プローブを用いた多点法により、運動誤差と形状誤差を分離する方法がとられる（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００８−８８７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、３点法に代表される真直形状測定に用いる多点法では、面形状測定用の３つのセンサ相互間のゼロ点誤差が測定精度に大きな影響を与えている。最近では、ゼロ点を検出し補正する技術が進展しているが、それらのゼロ点調整法の多くは、センサ感度軸が重力方向を向いているか、水平方向を向いているかということを前提としている。
【０００４】
多点法の利点の一つは、ゼロ点が決まればセンサ感度軸方向を任意の方向に向ける形で走査測定ができることにある。しかるに、重力の影響の有無や大小でゼロ点誤差が変わると言うことが、多点法を自在に利用する際の障害になっている。
【０００５】
そこで、多点法プローブのゼロ点が重力によるたわみの影響を極力排除できるセンサホルダが必要となっている。そのような特徴を備えるセンサホルダとして、たわみが生じにくい断面形状の棒や板にセンサを取り付けることが考えられる。しかし、センサ取り付け部の拘束条件が曖昧であれば、その点の受ける重力の影響が曖昧になり、センサ間の相互変位がナノメートルの精度を要求される場合には不確かさが大きすぎて、実用上、支障をもたらすという問題がある。又、いくらセンサホルダの剛性を高めても、ナノメートルの精度の測定では、重力の影響を回避できないということもある。
【０００６】
本発明は、重力によるたわみ形状が既知となる２点支持の棒状物体を選び、センサや付加質量を集中質量とする分布、集中質量系として２点支持の棒のたわみ形状を理論的に正しく求め、棒のたわみによる相互変位がゼロとなる位置にセンサ取り付け部を設けることで、従来の課題を解決することができるセンサホルダを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の本発明のセンサホルダは、鉛直方向に配置された測定対象物の表面の形状を測定するセンサを取り付けるための３つの基準センサ取り付け部を有し、２点で基台に支持される棒状のセンサホルダであって、
前記３つの基準センサ取り付け部にセンサを取り付けた状態で、重力により前記センサホルダにたわみが生じたときに、前記３つの基準センサ取り付け部の位置が鉛直方向において等しくなることを特徴とする。
【０００８】
第２の本発明のセンサホルダは、鉛直方向に配置された測定対象物の表面の形状を測定するセンサを取り付けるための４つのセンサ取り付け部を有し、中央の２つのセンサ取り付け部を挟む２点で基台に支持される棒状のセンサホルダであって、
前記４つのセンサ取り付け部にセンサを取り付けた状態で、重力により前記センサホルダにたわみが生じたときに、前記４つのセンサ取り付け部の位置が鉛直方向において等しくなることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明の原理を説明する。図１は、本発明にかかるセンサホルダの一例である棒状物体ＲＯのたわみを示す図であるが、理解を容易とすべく実際よりもたわみを誇張して描いている。ここで、棒状物体ＲＯが一様な断面を有するものと仮定し、その両端を除く位置を２つの支点Ｓ１，Ｓ２で支持すると、その中央と両端が、支点Ｓ１，Ｓ２より鉛直方向下方に位置することが知られている。よって、棒状物体ＲＯをセンサホルダとした場合、中央と両端（もしくはその近傍）をセンサ取り付け部とすれば、即ち、第１基準センサ取り付け部ＳＡ１と第２基準センサ取り付け部ＳＡ２との間に支点Ｓ１が存在し、第２基準センサ取り付け部ＳＡ２と第３基準センサ取り付け部ＳＡ３との間に支点Ｓ２が存在するようにすれば、重力により棒状物体ＲＯにたわみが生じたときに、点線に示すように、３箇所の基準センサ取り付け部（ＳＡ１〜ＳＡ３）の位置が鉛直方向において等しくなるようにすることができる。
【００１０】
ここで、３箇所の基準センサ取り付け部（ＳＡ１〜ＳＡ３）に取り付けるセンサの質量（互いに等しいものとする）が、棒状物体ＲＯの長手方向（即ち３つのセンサの配列線方向）の分布質量に比べて無視できるほど小さいときは、一様断面の棒状物体ＲＯの全長Ｌと、対称な２支点Ｓ１，Ｓ２の間隔Ａの比率が０．５５３７であれば、鉛直方向の位置が等しくなる点は棒状物体ＲＯの中央と両端になる。
【００１１】
これに対し、センサ質量が十分に大きく、棒状物体ＲＯの分布質量が無視できる場合には、３つのセンサの質量が互いに等しく、且つ中央のセンサは支点間中央（センサホルダ中央）Ｂに置くとして、曲げモーメントがバランスする条件から、第１基準センサ取り付け部Ａと第３基準センサ取り付け部Ｃの間隔Ｄ１（この例ではＤ１＝Ｌ／２）と、支点Ｓ１，Ｄ２の間隔Ｄ２との比率Ｄ１／Ｄ２は２／３になる。あるいは、中央の第２基準センサ取り付け部Ｂにセンサと同量の付加質量を加えると、この比率Ａ／Ｄは１／２となる。棒状物体ＲＯ及びセンサのいずれの質量も無視できない場合には、分布荷重＋集中荷重を受けた梁のたわみの計算により、鉛直方向の位置ズレがゼロとなる３点を求めることができる。
【００１２】
一般には、測定対象物に応じてセンサ（即ち基準センサ取り付け部）の間隔が決まり、棒状物体ＲＯの長さＬよりは小さくなることが多い。場合によっては、同じ棒状物体ＲＯに不等間隔でセンサ取り付け位置を設ける必要が生じることもある。また、センサの質量と棒状物体ＲＯの分布質量の一方を無視できる場合も少ない。従って、通常は基準センサ取り付け部（ＳＡ１〜ＳＡ３）の間隔が決まっても、支点間隔Ｄ２を一義に決めることはできないといえる。
【００１３】
また、技術的に制御しきれない、実際の支点位置の理論値からの僅かなずれや環境変化による熱変形などの影響を考慮すると、基準センサ取り付け部の位置３点間の鉛直方向のズレがゼロとなる点を選ぶにしても、３点の重力による変位そのものが極力小さくなる条件を満たすことが望ましい。
【００１４】
本発明では理論計算によって、センサホルダの材質、全長、基準センサ取り付け部の間隔、センサ質量を定めてから、重力たわみによる基準センサ取り付け部間の鉛直方向が等しくなる条件を満たす支点間隔を予め求めて、センサホルダを作成する。その際、センサ間隔の変更が予定される場合には、変更後のセンサ間隔においてセンサ固定点相互変位をゼロとするのに必要な付加質量とその取り付け予定部も計算しておくことが望ましい。
【００１５】
図２は、本発明にかかるセンサホルダの別例である棒状物体ＲＯのたわみを示す図であるが、理解を容易とすべく実際よりもたわみを誇張して描いている。棒状物体ＲＯが一様な断面を有するものと仮定し、２つの支点Ｓ１，Ｓ２で支持する点は図１の例と同じであるが、第１基準センサ取り付け部ＳＡ１と第２基準センサ取り付け部ＳＡ２とを挟むようにして、支点Ｓ１、Ｓ２を位置させている点が異なる。かかる例でも、重力により棒状物体ＲＯにたわみが生じたときに、点線に示すように、３箇所の基準センサ取り付け部（ＳＡ１〜ＳＡ３）の位置が鉛直方向において等しくなるようにすることができる。ここで、支点Ｓ１、Ｓ２に対する基準センサ取り付け部ＳＡ１〜ＳＡ３の関係を適切に設定することで、基準センサ取り付け部ＳＡ１〜ＳＡ３の隣接するもの同士の間隔Ｄ１を等しくおくことができる。
【００１６】
前記センサホルダは、中央の基準センサ取り付け部と、その両側の各基準センサ取り付け部との間における２点で基台に支持されると好ましい。
【００１７】
前記センサホルダは、２つの基準センサ取り付け部を挟む２点で基台に支持されると好ましい。
【００１８】
補助センサを取り付けるための補助センサ取り付け部と、１つもしくは複数の付加質量取り付け部とを有し、前記補助センサ取り付け部にセンサを取り付けたときは、センサを取り付けた３つのセンサ取り付け部の位置が鉛直方向において等しくなるように、前記付加質量取り付け部に付加質量を取り付けると好ましい。
【００１９】
前記補助センサ取り付け部にセンサを取り付けたときは、センサを取り付けたセンサ取り付け部の位置が鉛直方向において等しくなるように、付加質量を取り付けるべき付加質量取り付け部と、取り付けるべき付加質量の情報を記録していると好ましい。
【００２０】
図３は、本発明にかかるセンサホルダの更に別例である棒状物体ＲＯのたわみを示す図であるが、理解を容易とすべく実際よりもたわみを誇張して描いている。棒状物体ＲＯが一様な断面を有するものと仮定し、２つの支点Ｓ１，Ｓ２で支持する点は図１の例と同じであるが、本例では４つのセンサ取り付け部ＳＡ１〜ＳＡ４を設けており、第１基準センサ取り付け部ＳＡ１と第２基準センサ取り付け部ＳＡ２との間に支点Ｓ１が存在し、第３基準センサ取り付け部ＳＡ３と第４基準センサ取り付け部ＳＡ４との間に支点Ｓ２が存在するようにし、且つ支点Ｓ１，Ｓ２が、棒状物体ＲＯの中央を挟んで対称的に位置している。この例では、重力により棒状物体ＲＯにたわみが生じたときに、点線に示すように、４箇所のセンサ取り付け部（ＳＡ１〜ＳＡ４）の位置が鉛直方向において等しくなるようにすることができる。また、支点Ｓ１、Ｓ２に対するセンサ取り付け部ＳＡ１〜ＳＡ４の位置を適切に設定することで、センサ取り付け部ＳＡ１〜ＳＡ４の隣接するもの同士の間隔Ｄ１を等しくおくことができる。
【００２１】
かかるセンサホルダは、付加質量を取り付けるための付加質量取り付け部を有すると好ましい。
【００２２】
本発明のセンサ支持装置は、基台と、前記基台に対して軸受を介して支持された支持軸と、上述したセンサホルダとを有し、前記センサホルダは中空円筒状であって、前記センサホルダの内周に、前記支持軸に連結するための保持部を、前記センサホルダの中心を挟んで対称な位置に形成し、前記センサホルダの外周に前記センサ取り付け部を有すると好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明にかかる実施の形態を説明する前に、測定における３点法について説明する。３点法とは、３つの並列したセンサ（３点法プローブという）からの信号に基づき表面形状等を測定する方法であるが、ゼロ点誤差が重要な意味を持つ。ここで言う３点法のゼロ点誤差というのは、図４に示すように、測定対象物の表面形状を測定する３本のセンサＳＳ１〜ＳＳ３を、検出軸方向を鉛直方向下向きとして走査方向に一列に並べたとき、その３つのセンサＳＳ１〜ＳＳ３の検出変位ゼロの点が水平方向に一直線上に無いことを言う。ゼロ点誤差の結果として、この３本のセンサＳＳ１〜ＳＳ３を用いて真直度を測定すると、放物線誤差Ｅzeroを生じることとなり、これが測定精度を低下させる要因となる。尚、センサとしては、光等を投射して測定対象物の表面の形状（高さ等）を測定し、それに応じた電気信号を出力するものをいうが、その種類には限定されない。
【００２４】
そこで、図５に示すように、センサの感度方向を水平面に置いた３点法では、改良型反転法と呼ばれる、真直度測定法と組み合わせてゼロ点誤差を検出して計算上で調整する方法が用いられている。この改良型反転法では、直定規ＳＣ１、ＳＣ２を２本用いて、直定規ＳＣ１、ＳＣ２に対して走査方向に相対移動する走査ステージＳＴ上に３つのセンサＳＳ１〜ＳＳ３（プローブ）を固定し、２つのセンサＳＳ１，ＳＳ２で直定規ＳＣ１の表裏を測定し、残りのセンサＳＳ３で直定規ＳＣ２の表面を測定するものとする。ここで、一方の直定規ＳＣ１を走査軸周りに回転して反転法で測定すると同時に、他方の直定規ＳＣ２を固定したまま測定する。これにより反転前後での走査運動誤差を取り除くことができるので、図の２本の直定規ＳＣ１、ＳＣ２の走査ライン断面で理論上正しい直線形状が得られることとなり、３点法で同時に測定した直定規ＳＣ２の真直形状の差から、３点法の放物線誤差とゼロ点誤差を検出できる。この反転法は、反転の際の直定規の形状が変化すると誤差を生じるので、重力のたわみの影響を受ける方向（水平面内）の直定規に対しては使えないというデメリットがある。
【００２５】
そこで、鉛直方向を向けた３点法プローブに対しては、オートコリメータや水準器を基準にした方法が用いられる。図６に示すように、基台ＢＳに対して直進する移動ステージＳＴに直定規ＳＣを設置し、直定規ＳＣの端面に固定した反射鏡ＭＲを移動ステージＳＴ外に置かれたオートコリメータＡＣを使って監視し、即ち反射鏡ＭＲに向かって測定光を射出し、その反射光を受光することで、移動ステージＳＴの移動の際における姿勢変化（ピッチング）を測定する。同時に、この直定規ＳＣの水平面内にある面に、３点法プローブ（３本の並列したセンサＳＳ１〜ＳＳ３）を対向させて直定規ＳＣの表面形状と共に、移動ステージＳＴの移動の際のピッチングを測定する。かかる場合、３点法プローブで測定したステージ移動に伴うピッチング形状と、オートコリメータＡＣで測定したステージ移動に伴うピッチング形状の間には、３点法プローブのゼロ点誤差分だけ違いが出る。この違いからゼロ点誤差を知り、計算上で調整することができる。
【００２６】
このように、何らかの方法で３点法プローブのゼロ点誤差を求めることができたとしても、センサの検出軸方向を変えることで重力の影響方向が変わると、ゼロ点誤差も変化する恐れがある。本発明は、このゼロ点のずれを防ぐために有効である。
【００２７】
また、このゼロ点は時間を置くとドリフト等で狂ってしまうことが多い。そこで、推奨されるのは、以下に述べる方法である。まず、ゼロ点を調整した直後に、安定した平面を有する回転円板面に３点法プローブを対向させて回転走査測定をして、そのときのセンサのゼロ点を記録し、出力の平均値を記憶しておく。そして、３点法プローブを測定に使う前、先にゼロ点記録に用いた円板の同じ位置を回転走査して、ゼロ点調整直後の記録結果との違いを元に、ゼロ点の狂いを補正するというものである。尚、かかる方法については、特開２００８−８８７９号公報に述べられている。
【００２８】
図７に、３点法プローブにおけるゼロ点誤差の検出と記録とセンサ感度方向の変更手順の一例を示す。３点法プローブとしてのセンサＳＳ１〜ＳＳ３を取り付けたセンサホルダＳＨは、不図示の基台に対して枢動可能に固定されているものとする。まず、図７（ａ）に示すように、センサホルダＳＨに並べて固定したセンサＳＳ１〜ＳＳ３の検出軸方向を水平方向に向け、測定基準ＳＴＤに対してゼロ点を調整する。その後、図７（ｂ）に示すように、センサＳＳ１〜ＳＳ３の検出軸方向を鉛直方向に変えて、回転円板ＣＣの表面でゼロ点誤差の記録をし、更に図７（ｃ）に示すように、センサＳＳ１〜ＳＳ３の検出軸方向を鉛直方向に向け、水平面内にある測定対象物ＯＢＪの表面を３点法にて測定する。もちろん、センサＳＳ１〜ＳＳ３の検出軸方向を鉛直方向においてゼロ点誤差の測定を実施してから、水平方向にセンサＳＳ１〜ＳＳ３の検出軸方向を回転する場合も同様の手順が推奨される。ここで、重要な点は、センサＳＳ１〜ＳＳ３の検出軸方向を鉛直方向に向けたときの放物線誤差（図１参照）をどのようにして抑制するかということである。本実施の形態によれば、かかる放物線誤差を有効に抑制できる。
【００２９】
図８〜図１４は、本実施の形態のセンサホルダの概略を示す図である。図８に示すセンサホルダＳＨは、図１の例に対応し、３つの基準センサ取り付け部として孔ＨＬ１〜ＨＬ３を有する一様断面の棒状体となっている。孔ＨＬ１〜ＨＬ３には、質量が互いに等しく全長も等しいセンサＳＳ１〜ＳＳ３の上端が取り付けられている。センサホルダＳＨは、孔ＨＬ１、ＨＬ２間の支点Ｓ１と、孔ＨＬ２，ＨＬ３間の支点Ｓ２とにより、基台ＢＳに対して支持されている。図１を参照して説明したように、予め決められた孔ＨＬ１〜ＨＬ３にセンサＳＳ１〜ＳＳ３を固定して検出軸方向を鉛直方向に向けた時の、センサホルダＳＨのたわみ量は、２点支持の梁の集中質量と分布質量を考慮して計算できるので、３つのセンサＳＳ１〜ＳＳ３の固定位置の重力によるたわみが等しくなる位置が定まるため、孔ＨＬ１〜ＨＬ３にセンサＳＳ１〜ＳＳ３を配置するのみで、センサＳＳ１〜ＳＳ３の鉛直方向のズレがゼロとなる。これにより精度の良い測定が可能となる。特に、センサＳＳ２を支点Ｓ１，Ｓ２の中央におけば、３箇所のセンサの固定位置のたわみが等しくなるための支点位置が唯一定まるというメリットがある。
【００３０】
図９に示すセンサホルダＳＨは、図８の実施の形態に対し、孔ＨＬ１〜ＨＬ３のそれぞれに対して、センサホルダＳＨの長手方向両側に、付加質量取り付け部としての補助孔ＳＰを２個ずつ合計６個形成し、その補助孔ＳＰに付加質量ＳＷを取り付けている点が異なる。この際、センサの質量と付加質量とを等しくするのが簡便で使いやすいが、センサＳＳ１〜ＳＳ３毎に質量が若干異なる場合、それによりセンサＳＳ１〜ＳＳ３の鉛直方向のズレがゼロとならない恐れがあるが、微調整用の付加質量を取り付けることで、センサホルダＳＨのたわみを微調整して、鉛直方向のズレをゼロとできる。尚、付加質量ＳＷは全ての補助孔ＳＰに取り付ける必要はない。
【００３１】
図１０に示すセンサホルダＳＨは、図９の実施の形態に対し、補助センサ取り付け部を兼用する補助孔ＳＰの１つに、補助センサとして別なセンサＳＳ４を取り付けたものである。センサＳＳ４の質量と付加質量ＳＷとを等しくすると、付加質量ＳＷの一つをセンサＳＳ４に置換えても、センサホルダＳＨのたわみ形状に変化は無いので、センサＳＳ１ないしセンサＳＳ３による３点法プローブとしてのゼロ点誤差には変化が無い。本実施の形態によれば、３点法プローブのゼロ点誤差を変化させることなく、４番目のセンサＳＳ４を追加することで必要な追加情報を得ることができるようになる。例えば４番目のセンサＳＳ４からの信号は、等間隔Ｄ／２で配置されたセンサＳＳ１〜ＳＳ３から得られた逐次３点法による形状データ点間の内挿値を得るのに有効に使えるので、更に高精度な測定を行うことができる。但し、センサＳＳ４の質量が付加質量の質量と異なるときは、いずれかの位置の付加質量の質量を変える必要が生じる。かかる場合には、センサＳＳ４を取り付けた場合、どの補助孔ＳＰに、いくらの質量の付加質量を取り付けたら、センサＳＳ１〜ＳＳ３の鉛直方向の位置ズレがゼロとなるかを予め実験やシミュレーション等で求めておき、その情報をセンサホルダＳＨに記録しておくと好ましい。
【００３２】
図１１に示すセンサホルダＳＨは、図９の実施の形態に対し、孔ＨＬ１、ＨＬ３に付加質量ＳＷを取り付け、それに隣接する補助孔ＳＰに、センサＳＳ１，ＳＳ３を取り付けている。測定対象物によっては、センサＳＳ１〜ＳＳ３の間隔を変えなくてはならない場合もある。そこで本実施の形態においては、いずれかの補助孔ＳＰにセンサＳＳ１，ＳＳ３を取り付けることにより、センサＳＳ１〜ＳＳ３の間隔を変えることができるようにしている。勿論、間隔を変える際にセンサＳＳ１、ＳＳ３を移動するので、３つのセンサＳＳ１〜ＳＳ３のゼロ点を再調整する必要があるのは言うまでも無い。
【００３３】
ここで、センサＳＳ１，ＳＳ３の質量と、付加質量ＳＷの質量とが等しい場合、図９に示す状態で、センサＳＳ１〜ＳＳ３の鉛直方向の位置ズレがゼロとなるようにすると、図１１に示す状態では、センサＳＳ１〜ＳＳ３の鉛直方向の位置ズレはゼロとはならない。そこで、かかる場合には、センサＳＳ１、ＳＳ３の近傍の補助孔ＳＰに取り付ける付加質量ＳＷ’の質量を大きくすることで、センサホルダＳＨの両端側のたわみ量を増大させ、これによりセンサＳＳ１〜ＳＳ３の鉛直方向の位置ズレがゼロとなるようにすることができる。このとき、付加質量ＳＷ’の取り付け位置及び質量が問題となり、試行錯誤で調整するのは時間がかかる。そこで、センサＳＳ１、ＳＳ３の位置を変更した場合、どの補助孔ＳＰに、いくらの質量の付加質量ＳＷ’を取り付けたら、センサＳＳ１〜ＳＳ３の鉛直方向の位置ズレがゼロとなるかを予め実験やシミュレーション等で求めておき、その情報をセンサホルダＳＨに記録しておくことが望ましい。これにより、センサの変更を容易に行うことができる。尚、記録方法は文字や符号に関わらず、バーコードや磁気記録でも良い。
【００３４】
図１２に示すセンサホルダＳＨは、図２の例の変形例であり、３つの基準センサ取り付け部として孔ＨＬ１〜ＨＬ３と、付加質量取り付け部としての補助孔ＳＰを有する一様断面の棒状体となっている。孔ＨＬ１〜ＨＬ３には、質量が互いに等しく全長も等しいセンサＳＳ１〜ＳＳ３の上端が取り付けられ、補助孔ＳＰには、センサと等しい質量の付加質量ＳＷが取り付けられている。センサホルダＳＨは、補助孔ＳＰと孔ＨＬ１間の支点Ｓ１と、孔ＨＬ２，ＨＬ４間の支点Ｓ２とにより、基台ＢＳに対して支持されている。補助孔ＳＰに付加質量ＳＷを固定し、孔ＨＬ１〜ＨＬ３にセンサＳＳ１〜ＳＳ３を固定して検出軸方向を鉛直方向に向けた時のセンサホルダＳＨのたわみ量は、２点支持の梁の集中質量と分布質量を考慮して計算できるので、３つのセンサＳＳ１〜ＳＳ３の固定位置の重力によるたわみが等しくなる位置が定まるため、孔ＨＬ１〜ＨＬ３にセンサＳＳ１〜ＳＳ３を配置するのみで、センサＳＳ１〜ＳＳ３の鉛直方向のズレがゼロとなる。これにより精度の良い測定が可能となる。尚、センサホルダＳＨのたわみが対称でなくて良いなら、付加質量ＳＷは不要である。
【００３５】
図１３に示すセンサホルダＳＨは、図３の例に対応するが、４つの基準センサ取り付け部として孔ＨＬ１〜ＨＬ４を等間隔で有する一様断面の棒状体となっている。孔ＨＬ１，ＨＬ２の間に支点Ｓ１が形成され、孔ＨＬ３，ＨＬ４の間に支点Ｓ２が形成されている。センサホルダＳＨの全体としてのたわみが大きくなることに注意を払うならば、この形態も有効であることは勿論である。図３を参照して説明したように、予め決められた孔ＨＬ１〜ＨＬ４にセンサＳＳ１〜ＳＳ４を固定して検出軸方向を鉛直方向に向けた時の、センサホルダＳＨのたわみ量は、２点支持の梁の集中質量と分布質量を考慮して計算できるので、４つのセンサＳＳ１〜ＳＳ４の固定位置の重力によるたわみが等しくなる位置が定まるため、孔ＨＬ１〜ＨＬ４にセンサＳＳ１〜ＳＳ４を配置するのみで、センサＳＳ１〜ＳＳ４の鉛直方向のズレがゼロとなる。これにより精度の良い測定が可能となる。本例では、センサＳＳ１ないしセンサＳＳ４のうち３つのセンサの信号を用いて３点法の測定を行い、残りの一つのセンサの信号を用いて較正を行うことができる。
【００３６】
図１４に示すセンサホルダＳＨは、図１３の実施の形態に対し、孔ＨＬ１〜ＨＬ４のそれぞれに対して、センサホルダＳＨの長手方向両側に、付加質量取り付け部としての補助孔ＳＰを２個ずつ合計８個形成し、その補助孔ＳＰに付加質量ＳＷを取り付けている点が異なる。この際、センサの質量と付加質量とを等しくするのが簡便で使いやすいが、センサＳＳ１〜ＳＳ４毎に質量が若干異なる場合、微調整用の付加質量を取り付けることで、センサホルダＳＨのたわみを微調整して、鉛直方向のズレをゼロとできる。尚、付加質量ＳＷは全ての補助孔ＳＰに取り付ける必要はない。
【００３７】
図１５に示すセンサホルダＳＨは、図１４の実施の形態に対し、補助孔ＳＰの１つに、別なセンサＳＳ５を取り付けたものである。センサＳＳ５の質量と付加質量ＳＷとを等しくすると、付加質量ＳＷの一つをセンサＳＳ５に置換えても、センサホルダＳＨのたわみ形状に変化は無いので、センサＳＳ１ないしセンサＳＳ４のうち３つのセンサを用いた３点法プローブとしてのゼロ点誤差には変化が無い。この実施の形態によれば、３点法プローブのゼロ点誤差を変化させることなく、５番目のセンサＳＳ５を追加することで必要な追加情報を得ることができるようになる。例えば５番目のセンサＳＳ５からの信号は、等間隔で配置された３つのセンサから得られた逐次３点法による形状データ点間の内挿値を得るのに有効に使えるので、更に高精度な測定を行うことができる。尚、センサホルダＳＨは必ずしも一様断面である必要はない。
【００３８】
図１６は、本実施の形態にかかるセンサホルダを支持するセンサ支持装置の断面図である。図１７は、図１６の構成をXVII-XVII線で切断して矢印方向に見た図である。図１６において、基台ＢＳの下面に取り付けられたブラケット１０の対向する側壁１０ａ、１０ｂに、ベアリングホルダ１１，１２が取り付けられている。図１６で左方のベアリングホルダ１１は、玉軸受１３を介して、支持軸１４の左端外周を回転自在に支持している。一方、図１６で右方のベアリングホルダ１２は、アンギュラコンタクト玉軸受１５ａ、１５ｂを介して、支持軸１４を軸線方向に位置決めすると共に、その右端近傍外周を回転自在に支持している。支持軸１４の右端は、ベアリングホルダ１２の外方に突出している。
【００３９】
図１６に示すように、支持軸１４は、一様断面の棒状である中空円筒状のセンサホルダＳＨの内側に挿通されている。支持軸１４の外周に間隔をあけて固定された薄板１７，１８は、センサホルダＳＨの内周に固定され且つ中央開口１９ａ、２０ａを有する円盤１９，２０に対して、ボルトＢを用いて連結されている。従って、センサホルダＳＨは、支持軸１４と一体で、ブラケット１０に対して回転可能となっている。尚、保持部である円盤１９，２０の取り付け位置が、センサホルダＳＨの中心を挟んで対称的に配置された支点Ｓ１，Ｓ２となっている。
【００４０】
センサホルダＳＨの外周円筒面は、軸線方向に沿って削いだような平面ＦＰを有しており、平面ＦＰには、３つのセンサ取り付け部ＳＡ１〜ＳＡ３が設けられている。支点Ｓ１，Ｓ２とセンサ取り付け部ＳＡ１〜ＳＡ３との位置関係は、図１，８に示す例と同様である。センサ取り付け部ＳＡ１〜ＳＡ３には、それぞれ薄形のセンサＳＳ１〜ＳＳ３が、平面ＦＰに形成されたボルト孔に挿通された小ボルトＳＢを用いて固定されている。センサＳＳ１〜ＳＳ３をセンサホルダＳＨに取り付けた状態で、その検出軸方向は互いに平行であって、センサホルダＳＨの半径方向外方を向いている。
【００４１】
本実施の形態のセンサ支持装置によれば、図１７に示すように、センサＳＳ１〜ＳＳ３の検出軸方向を下方に向け、測定対象物ＯＢＪに対向させるようにした状態では、センサ取り付け部ＳＡ１〜ＳＡ３即ちセンサＳＳ１〜ＳＳ３の鉛直方向の位置ズレがゼロとなるので、精度良く測定対象物ＯＢＪの表面の形状測定を行うことができる。又、支持軸１４を９０度回転させることで、図１７に二点鎖線で示すように、センサＳＳ１〜ＳＳ３の検出軸方向を水平方向に向けることが出来、これにより必要な較正などを行うことができる。尚、センサホルダＳＨには、３つのセンサ取り付け部ＳＡ１〜ＳＡ３のみを形成したが、図９等に示す例のように付加質量取り付け部や、図１３等に示す例のように４つ以上のセンサ取り付け部を設けることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明にかかるセンサホルダの一例である棒状物体ＲＯのたわみを示す図である。
【図２】本発明にかかるセンサホルダの別例である棒状物体ＲＯのたわみを示す図である。
【図３】本発明にかかるセンサホルダの更に別例である棒状物体ＲＯのたわみを示す図である。
【図４】ゼロ点誤差と放物線誤差との関係を説明する図である。
【図５】３点法プローブのゼロ点調整のための反転法を説明するための図である。
【図６】オートコリメータを用いて行う３点法プローブのゼロ点調整を説明するための図である。
【図７】３点法プローブにおけるゼロ点誤差の検出と記録とセンサ感度方向の変更手順の一例を示す図である。
【図８】本実施の形態のセンサホルダの概略を示す図である。
【図９】本実施の形態のセンサホルダの概略を示す図である。
【図１０】本実施の形態のセンサホルダの概略を示す図である。
【図１１】本実施の形態のセンサホルダの概略を示す図である。
【図１２】本実施の形態のセンサホルダの概略を示す図である。
【図１３】本実施の形態のセンサホルダの概略を示す図である。
【図１４】本実施の形態のセンサホルダの概略を示す図である。
【図１５】本実施の形態のセンサホルダの概略を示す図である。
【図１６】本実施の形態にかかるセンサホルダを支持するセンサ支持装置の断面図である。
【図１７】図１６の構成をXVII-XVII線で切断して矢印方向に見た図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０ ブラケット
１０ａ、１０ｂ 側壁
１１ ベアリングホルダ
１２ ベアリングホルダ
１３ 玉軸受
１４ 支持軸
１５ａ、１５ｂ 玉軸受
１７，１８ 薄板
１９，２０ 円盤
１９ａ、２０ａ 中央開口
Ｂ ボルト
ＢＳ 基台
ＦＰ 平面
ＯＢＪ 測定対象物
Ｓ１，Ｓ２ 支点
ＳＡ１〜ＳＡ３ センサ取り付け部
ＳＢ 小ボルト
ＳＨ センサホルダ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大型の被測定物の真直形状、面形状および移動真直運動誤差の測定を高精度に行う測定装置に用いられると好適なセンサホルダ及びセンサ支持装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
面形状や断面直線形状の測定をするためには、基準となる直定規との比較測定を実施することが多い。あるいは、光軸の直線性を基準にして、走査方向に被測定面と２点で当接する台上の鏡の傾斜をオートコリメータで測定して、直線形状を算出する方法が用いられる。また、基準を使用できないときには、多点法プローブを用いた多点法により、運動誤差と形状誤差を分離する方法がとられる（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００８−８８７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、３点法に代表される真直形状測定に用いる多点法では、面形状測定用の３つのセンサ相互間のゼロ点誤差が測定精度に大きな影響を与えている。最近では、ゼロ点を検出し補正する技術が進展しているが、それらのゼロ点調整法の多くは、センサ感度軸が重力方向を向いているか、水平方向を向いているかということを前提としている。
【０００４】
多点法の利点の一つは、ゼロ点が決まればセンサ感度軸方向を任意の方向に向ける形で走査測定ができることにある。しかるに、重力の影響の有無や大小でゼロ点誤差が変わると言うことが、多点法を自在に利用する際の障害になっている。
【０００５】
そこで、多点法プローブのゼロ点が重力によるたわみの影響を極力排除できるセンサホルダが必要となっている。そのような特徴を備えるセンサホルダとして、たわみが生じにくい断面形状の棒や板にセンサを取り付けることが考えられる。しかし、センサ取り付け部の拘束条件が曖昧であれば、その点の受ける重力の影響が曖昧になり、センサ間の相互変位がナノメートルの精度を要求される場合には不確かさが大きすぎて、実用上、支障をもたらすという問題がある。又、いくらセンサホルダの剛性を高めても、ナノメートルの精度の測定では、重力の影響を回避できないということもある。
【０００６】
本発明は、重力によるたわみ形状が既知となる２点支持の棒状物体を選び、センサや付加質量を集中質量とする分布、集中質量系として２点支持の棒のたわみ形状を理論的に正しく求め、棒のたわみによる相互変位がゼロとなる位置にセンサ取り付け部を設けることで、従来の課題を解決することができるセンサホルダを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の本発明のセンサホルダは、鉛直方向に配置された測定対象物の表面の形状を測定するセンサを取り付けるための３つの基準センサ取り付け部を有し、２点で基台に支持される棒状のセンサホルダであって、
前記３つの基準センサ取り付け部にセンサを取り付けた状態で、重力により前記センサホルダにたわみが生じたときに、前記３つの基準センサ取り付け部の位置が鉛直方向において等しくなることを特徴とする。
【０００８】
第２の本発明のセンサホルダは、鉛直方向に配置された測定対象物の表面の形状を測定するセンサを取り付けるための４つのセンサ取り付け部を有し、中央の２つのセンサ取り付け部を挟む２点で基台に支持される棒状のセンサホルダであって、
前記４つのセンサ取り付け部にセンサを取り付けた状態で、重力により前記センサホルダにたわみが生じたときに、前記４つのセンサ取り付け部の位置が鉛直方向において等しくなることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明の原理を説明する。図１は、本発明にかかるセンサホルダの一例である棒状物体ＲＯのたわみを示す図であるが、理解を容易とすべく実際よりもたわみを誇張して描いている。ここで、棒状物体ＲＯが一様な断面を有するものと仮定し、その両端を除く位置を２つの支点Ｓ１，Ｓ２で支持すると、その中央と両端が、支点Ｓ１，Ｓ２より鉛直方向下方に位置することが知られている。よって、棒状物体ＲＯをセンサホルダとした場合、中央と両端（もしくはその近傍）をセンサ取り付け部とすれば、即ち、第１基準センサ取り付け部ＳＡ１と第２基準センサ取り付け部ＳＡ２との間に支点Ｓ１が存在し、第２基準センサ取り付け部ＳＡ２と第３基準センサ取り付け部ＳＡ３との間に支点Ｓ２が存在するようにすれば、重力により棒状物体ＲＯにたわみが生じたときに、点線に示すように、３箇所の基準センサ取り付け部（ＳＡ１〜ＳＡ３）の位置が鉛直方向において等しくなるようにすることができる。
【００１０】
ここで、３箇所の基準センサ取り付け部（ＳＡ１〜ＳＡ３）に取り付けるセンサの質量（互いに等しいものとする）が、棒状物体ＲＯの長手方向（即ち３つのセンサの配列線方向）の分布質量に比べて無視できるほど小さいときは、一様断面の棒状物体ＲＯの全長Ｌと、対称な２支点Ｓ１，Ｓ２の間隔Ａの比率が０．５５３７であれば、鉛直方向の位置が等しくなる点は棒状物体ＲＯの中央と両端になる。
【００１１】
これに対し、センサ質量が十分に大きく、棒状物体ＲＯの分布質量が無視できる場合には、３つのセンサの質量が互いに等しく、且つ中央のセンサは支点間中央（センサホルダ中央）Ｂに置くとして、曲げモーメントがバランスする条件から、第１基準センサ取り付け部Ａと第３基準センサ取り付け部Ｃの間隔Ｄ１（この例ではＤ１＝Ｌ／２）と、支点Ｓ１，Ｄ２の間隔Ｄ２との比率Ｄ１／Ｄ２は２／３になる。あるいは、中央の第２基準センサ取り付け部Ｂにセンサと同量の付加質量を加えると、この比率Ａ／Ｄは１／２となる。棒状物体ＲＯ及びセンサのいずれの質量も無視できない場合には、分布荷重＋集中荷重を受けた梁のたわみの計算により、鉛直方向の位置ズレがゼロとなる３点を求めることができる。
【００１２】
一般には、測定対象物に応じてセンサ（即ち基準センサ取り付け部）の間隔が決まり、棒状物体ＲＯの長さＬよりは小さくなることが多い。場合によっては、同じ棒状物体ＲＯに不等間隔でセンサ取り付け位置を設ける必要が生じることもある。また、センサの質量と棒状物体ＲＯの分布質量の一方を無視できる場合も少ない。従って、通常は基準センサ取り付け部（ＳＡ１〜ＳＡ３）の間隔が決まっても、支点間隔Ｄ２を一義に決めることはできないといえる。
【００１３】
また、技術的に制御しきれない、実際の支点位置の理論値からの僅かなずれや環境変化による熱変形などの影響を考慮すると、基準センサ取り付け部の位置３点間の鉛直方向のズレがゼロとなる点を選ぶにしても、３点の重力による変位そのものが極力小さくなる条件を満たすことが望ましい。
【００１４】
本発明では理論計算によって、センサホルダの材質、全長、基準センサ取り付け部の間隔、センサ質量を定めてから、重力たわみによる基準センサ取り付け部間の鉛直方向が等しくなる条件を満たす支点間隔を予め求めて、センサホルダを作成する。その際、センサ間隔の変更が予定される場合には、変更後のセンサ間隔においてセンサ固定点相互変位をゼロとするのに必要な付加質量とその取り付け予定部も計算しておくことが望ましい。
【００１５】
図２は、本発明にかかるセンサホルダの別例である棒状物体ＲＯのたわみを示す図であるが、理解を容易とすべく実際よりもたわみを誇張して描いている。棒状物体ＲＯが一様な断面を有するものと仮定し、２つの支点Ｓ１，Ｓ２で支持する点は図１の例と同じであるが、第１基準センサ取り付け部ＳＡ１と第２基準センサ取り付け部ＳＡ２とを挟むようにして、支点Ｓ１、Ｓ２を位置させている点が異なる。かかる例でも、重力により棒状物体ＲＯにたわみが生じたときに、点線に示すように、３箇所の基準センサ取り付け部（ＳＡ１〜ＳＡ３）の位置が鉛直方向において等しくなるようにすることができる。ここで、支点Ｓ１、Ｓ２に対する基準センサ取り付け部ＳＡ１〜ＳＡ３の関係を適切に設定することで、基準センサ取り付け部ＳＡ１〜ＳＡ３の隣接するもの同士の間隔Ｄ１を等しくおくことができる。
【００１６】
前記センサホルダは、中央の基準センサ取り付け部と、その両側の各基準センサ取り付け部との間における２点で基台に支持されると好ましい。
【００１７】
前記センサホルダは、２つの基準センサ取り付け部を挟む２点で基台に支持されると好ましい。
【００１８】
補助センサを取り付けるための補助センサ取り付け部と、１つもしくは複数の付加質量取り付け部とを有し、前記補助センサ取り付け部にセンサを取り付けたときは、センサを取り付けた３つのセンサ取り付け部の位置が鉛直方向において等しくなるように、前記付加質量取り付け部に付加質量を取り付けると好ましい。
【００１９】
前記補助センサ取り付け部にセンサを取り付けたときは、センサを取り付けたセンサ取り付け部の位置が鉛直方向において等しくなるように、付加質量を取り付けるべき付加質量取り付け部と、取り付けるべき付加質量の情報を記録していると好ましい。
【００２０】
図３は、本発明にかかるセンサホルダの更に別例である棒状物体ＲＯのたわみを示す図であるが、理解を容易とすべく実際よりもたわみを誇張して描いている。棒状物体ＲＯが一様な断面を有するものと仮定し、２つの支点Ｓ１，Ｓ２で支持する点は図１の例と同じであるが、本例では４つのセンサ取り付け部ＳＡ１〜ＳＡ４を設けており、第１基準センサ取り付け部ＳＡ１と第２基準センサ取り付け部ＳＡ２との間に支点Ｓ１が存在し、第３基準センサ取り付け部ＳＡ３と第４基準センサ取り付け部ＳＡ４との間に支点Ｓ２が存在するようにし、且つ支点Ｓ１，Ｓ２が、棒状物体ＲＯの中央を挟んで対称的に位置している。この例では、重力により棒状物体ＲＯにたわみが生じたときに、点線に示すように、４箇所のセンサ取り付け部（ＳＡ１〜ＳＡ４）の位置が鉛直方向において等しくなるようにすることができる。また、支点Ｓ１、Ｓ２に対するセンサ取り付け部ＳＡ１〜ＳＡ４の位置を適切に設定することで、センサ取り付け部ＳＡ１〜ＳＡ４の隣接するもの同士の間隔Ｄ１を等しくおくことができる。
【００２１】
かかるセンサホルダは、付加質量を取り付けるための付加質量取り付け部を有すると好ましい。
【００２２】
本発明のセンサ支持装置は、基台と、前記基台に対して軸受を介して支持された支持軸と、上述したセンサホルダとを有し、前記センサホルダは中空円筒状であって、前記センサホルダの内周に、前記支持軸に連結するための保持部を、前記センサホルダの中心を挟んで対称な位置に形成し、前記センサホルダの外周に前記センサ取り付け部を有すると好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明にかかる実施の形態を説明する前に、測定における３点法について説明する。３点法とは、３つの並列したセンサ（３点法プローブという）からの信号に基づき表面形状等を測定する方法であるが、ゼロ点誤差が重要な意味を持つ。ここで言う３点法のゼロ点誤差というのは、図４に示すように、測定対象物の表面形状を測定する３本のセンサＳＳ１〜ＳＳ３を、検出軸方向を鉛直方向下向きとして走査方向に一列に並べたとき、その３つのセンサＳＳ１〜ＳＳ３の検出変位ゼロの点が水平方向に一直線上に無いことを言う。ゼロ点誤差の結果として、この３本のセンサＳＳ１〜ＳＳ３を用いて真直度を測定すると、放物線誤差Ｅzeroを生じることとなり、これが測定精度を低下させる要因となる。尚、センサとしては、光等を投射して測定対象物の表面の形状（高さ等）を測定し、それに応じた電気信号を出力するものをいうが、その種類には限定されない。
【００２４】
そこで、図５に示すように、センサの感度方向を水平面に置いた３点法では、改良型反転法と呼ばれる、真直度測定法と組み合わせてゼロ点誤差を検出して計算上で調整する方法が用いられている。この改良型反転法では、直定規ＳＣ１、ＳＣ２を２本用いて、直定規ＳＣ１、ＳＣ２に対して走査方向に相対移動する走査ステージＳＴ上に３つのセンサＳＳ１〜ＳＳ３（プローブ）を固定し、２つのセンサＳＳ１，ＳＳ２で直定規ＳＣ１の表裏を測定し、残りのセンサＳＳ３で直定規ＳＣ２の表面を測定するものとする。ここで、一方の直定規ＳＣ１を走査軸周りに回転して反転法で測定すると同時に、他方の直定規ＳＣ２を固定したまま測定する。これにより反転前後での走査運動誤差を取り除くことができるので、図の２本の直定規ＳＣ１、ＳＣ２の走査ライン断面で理論上正しい直線形状が得られることとなり、３点法で同時に測定した直定規ＳＣ２の真直形状の差から、３点法の放物線誤差とゼロ点誤差を検出できる。この反転法は、反転の際の直定規の形状が変化すると誤差を生じるので、重力のたわみの影響を受ける方向（水平面内）の直定規に対しては使えないというデメリットがある。
【００２５】
そこで、鉛直方向を向けた３点法プローブに対しては、オートコリメータや水準器を基準にした方法が用いられる。図６に示すように、基台ＢＳに対して直進する移動ステージＳＴに直定規ＳＣを設置し、直定規ＳＣの端面に固定した反射鏡ＭＲを移動ステージＳＴ外に置かれたオートコリメータＡＣを使って監視し、即ち反射鏡ＭＲに向かって測定光を射出し、その反射光を受光することで、移動ステージＳＴの移動の際における姿勢変化（ピッチング）を測定する。同時に、この直定規ＳＣの水平面内にある面に、３点法プローブ（３本の並列したセンサＳＳ１〜ＳＳ３）を対向させて直定規ＳＣの表面形状と共に、移動ステージＳＴの移動の際のピッチングを測定する。かかる場合、３点法プローブで測定したステージ移動に伴うピッチング形状と、オートコリメータＡＣで測定したステージ移動に伴うピッチング形状の間には、３点法プローブのゼロ点誤差分だけ違いが出る。この違いからゼロ点誤差を知り、計算上で調整することができる。
【００２６】
このように、何らかの方法で３点法プローブのゼロ点誤差を求めることができたとしても、センサの検出軸方向を変えることで重力の影響方向が変わると、ゼロ点誤差も変化する恐れがある。本発明は、このゼロ点のずれを防ぐために有効である。
【００２７】
また、このゼロ点は時間を置くとドリフト等で狂ってしまうことが多い。そこで、推奨されるのは、以下に述べる方法である。まず、ゼロ点を調整した直後に、安定した平面を有する回転円板面に３点法プローブを対向させて回転走査測定をして、そのときのセンサのゼロ点を記録し、出力の平均値を記憶しておく。そして、３点法プローブを測定に使う前、先にゼロ点記録に用いた円板の同じ位置を回転走査して、ゼロ点調整直後の記録結果との違いを元に、ゼロ点の狂いを補正するというものである。尚、かかる方法については、特開２００８−８８７９号公報に述べられている。
【００２８】
図７に、３点法プローブにおけるゼロ点誤差の検出と記録とセンサ感度方向の変更手順の一例を示す。３点法プローブとしてのセンサＳＳ１〜ＳＳ３を取り付けたセンサホルダＳＨは、不図示の基台に対して枢動可能に固定されているものとする。まず、図７（ａ）に示すように、センサホルダＳＨに並べて固定したセンサＳＳ１〜ＳＳ３の検出軸方向を水平方向に向け、測定基準ＳＴＤに対してゼロ点を調整する。その後、図７（ｂ）に示すように、センサＳＳ１〜ＳＳ３の検出軸方向を鉛直方向に変えて、回転円板ＣＣの表面でゼロ点誤差の記録をし、更に図７（ｃ）に示すように、センサＳＳ１〜ＳＳ３の検出軸方向を鉛直方向に向け、水平面内にある測定対象物ＯＢＪの表面を３点法にて測定する。もちろん、センサＳＳ１〜ＳＳ３の検出軸方向を鉛直方向においてゼロ点誤差の測定を実施してから、水平方向にセンサＳＳ１〜ＳＳ３の検出軸方向を回転する場合も同様の手順が推奨される。ここで、重要な点は、センサＳＳ１〜ＳＳ３の検出軸方向を鉛直方向に向けたときの放物線誤差（図１参照）をどのようにして抑制するかということである。本実施の形態によれば、かかる放物線誤差を有効に抑制できる。
【００２９】
図８〜図１４は、本実施の形態のセンサホルダの概略を示す図である。図８に示すセンサホルダＳＨは、図１の例に対応し、３つの基準センサ取り付け部として孔ＨＬ１〜ＨＬ３を有する一様断面の棒状体となっている。孔ＨＬ１〜ＨＬ３には、質量が互いに等しく全長も等しいセンサＳＳ１〜ＳＳ３の上端が取り付けられている。センサホルダＳＨは、孔ＨＬ１、ＨＬ２間の支点Ｓ１と、孔ＨＬ２，ＨＬ３間の支点Ｓ２とにより、基台ＢＳに対して支持されている。図１を参照して説明したように、予め決められた孔ＨＬ１〜ＨＬ３にセンサＳＳ１〜ＳＳ３を固定して検出軸方向を鉛直方向に向けた時の、センサホルダＳＨのたわみ量は、２点支持の梁の集中質量と分布質量を考慮して計算できるので、３つのセンサＳＳ１〜ＳＳ３の固定位置の重力によるたわみが等しくなる位置が定まるため、孔ＨＬ１〜ＨＬ３にセンサＳＳ１〜ＳＳ３を配置するのみで、センサＳＳ１〜ＳＳ３の鉛直方向のズレがゼロとなる。これにより精度の良い測定が可能となる。特に、センサＳＳ２を支点Ｓ１，Ｓ２の中央におけば、３箇所のセンサの固定位置のたわみが等しくなるための支点位置が唯一定まるというメリットがある。
【００３０】
図９に示すセンサホルダＳＨは、図８の実施の形態に対し、孔ＨＬ１〜ＨＬ３のそれぞれに対して、センサホルダＳＨの長手方向両側に、付加質量取り付け部としての補助孔ＳＰを２個ずつ合計６個形成し、その補助孔ＳＰに付加質量ＳＷを取り付けている点が異なる。この際、センサの質量と付加質量とを等しくするのが簡便で使いやすいが、センサＳＳ１〜ＳＳ３毎に質量が若干異なる場合、それによりセンサＳＳ１〜ＳＳ３の鉛直方向のズレがゼロとならない恐れがあるが、微調整用の付加質量を取り付けることで、センサホルダＳＨのたわみを微調整して、鉛直方向のズレをゼロとできる。尚、付加質量ＳＷは全ての補助孔ＳＰに取り付ける必要はない。
【００３１】
図１０に示すセンサホルダＳＨは、図９の実施の形態に対し、補助センサ取り付け部を兼用する補助孔ＳＰの１つに、補助センサとして別なセンサＳＳ４を取り付けたものである。センサＳＳ４の質量と付加質量ＳＷとを等しくすると、付加質量ＳＷの一つをセンサＳＳ４に置換えても、センサホルダＳＨのたわみ形状に変化は無いので、センサＳＳ１ないしセンサＳＳ３による３点法プローブとしてのゼロ点誤差には変化が無い。本実施の形態によれば、３点法プローブのゼロ点誤差を変化させることなく、４番目のセンサＳＳ４を追加することで必要な追加情報を得ることができるようになる。例えば４番目のセンサＳＳ４からの信号は、等間隔Ｄ／２で配置されたセンサＳＳ１〜ＳＳ３から得られた逐次３点法による形状データ点間の内挿値を得るのに有効に使えるので、更に高精度な測定を行うことができる。但し、センサＳＳ４の質量が付加質量の質量と異なるときは、いずれかの位置の付加質量の質量を変える必要が生じる。かかる場合には、センサＳＳ４を取り付けた場合、どの補助孔ＳＰに、いくらの質量の付加質量を取り付けたら、センサＳＳ１〜ＳＳ３の鉛直方向の位置ズレがゼロとなるかを予め実験やシミュレーション等で求めておき、その情報をセンサホルダＳＨに記録しておくと好ましい。
【００３２】
図１１に示すセンサホルダＳＨは、図９の実施の形態に対し、孔ＨＬ１、ＨＬ３に付加質量ＳＷを取り付け、それに隣接する補助孔ＳＰに、センサＳＳ１，ＳＳ３を取り付けている。測定対象物によっては、センサＳＳ１〜ＳＳ３の間隔を変えなくてはならない場合もある。そこで本実施の形態においては、いずれかの補助孔ＳＰにセンサＳＳ１，ＳＳ３を取り付けることにより、センサＳＳ１〜ＳＳ３の間隔を変えることができるようにしている。勿論、間隔を変える際にセンサＳＳ１、ＳＳ３を移動するので、３つのセンサＳＳ１〜ＳＳ３のゼロ点を再調整する必要があるのは言うまでも無い。
【００３３】
ここで、センサＳＳ１，ＳＳ３の質量と、付加質量ＳＷの質量とが等しい場合、図９に示す状態で、センサＳＳ１〜ＳＳ３の鉛直方向の位置ズレがゼロとなるようにすると、図１１に示す状態では、センサＳＳ１〜ＳＳ３の鉛直方向の位置ズレはゼロとはならない。そこで、かかる場合には、センサＳＳ１、ＳＳ３の近傍の補助孔ＳＰに取り付ける付加質量ＳＷ’の質量を大きくすることで、センサホルダＳＨの両端側のたわみ量を増大させ、これによりセンサＳＳ１〜ＳＳ３の鉛直方向の位置ズレがゼロとなるようにすることができる。このとき、付加質量ＳＷ’の取り付け位置及び質量が問題となり、試行錯誤で調整するのは時間がかかる。そこで、センサＳＳ１、ＳＳ３の位置を変更した場合、どの補助孔ＳＰに、いくらの質量の付加質量ＳＷ’を取り付けたら、センサＳＳ１〜ＳＳ３の鉛直方向の位置ズレがゼロとなるかを予め実験やシミュレーション等で求めておき、その情報をセンサホルダＳＨに記録しておくことが望ましい。これにより、センサの変更を容易に行うことができる。尚、記録方法は文字や符号に関わらず、バーコードや磁気記録でも良い。
【００３４】
図１２に示すセンサホルダＳＨは、図２の例の変形例であり、３つの基準センサ取り付け部として孔ＨＬ１〜ＨＬ３と、付加質量取り付け部としての補助孔ＳＰを有する一様断面の棒状体となっている。孔ＨＬ１〜ＨＬ３には、質量が互いに等しく全長も等しいセンサＳＳ１〜ＳＳ３の上端が取り付けられ、補助孔ＳＰには、センサと等しい質量の付加質量ＳＷが取り付けられている。センサホルダＳＨは、補助孔ＳＰと孔ＨＬ１間の支点Ｓ１と、孔ＨＬ２，ＨＬ４間の支点Ｓ２とにより、基台ＢＳに対して支持されている。補助孔ＳＰに付加質量ＳＷを固定し、孔ＨＬ１〜ＨＬ３にセンサＳＳ１〜ＳＳ３を固定して検出軸方向を鉛直方向に向けた時のセンサホルダＳＨのたわみ量は、２点支持の梁の集中質量と分布質量を考慮して計算できるので、３つのセンサＳＳ１〜ＳＳ３の固定位置の重力によるたわみが等しくなる位置が定まるため、孔ＨＬ１〜ＨＬ３にセンサＳＳ１〜ＳＳ３を配置するのみで、センサＳＳ１〜ＳＳ３の鉛直方向のズレがゼロとなる。これにより精度の良い測定が可能となる。尚、センサホルダＳＨのたわみが対称でなくて良いなら、付加質量ＳＷは不要である。
【００３５】
図１３に示すセンサホルダＳＨは、図３の例に対応するが、４つの基準センサ取り付け部として孔ＨＬ１〜ＨＬ４を等間隔で有する一様断面の棒状体となっている。孔ＨＬ１，ＨＬ２の間に支点Ｓ１が形成され、孔ＨＬ３，ＨＬ４の間に支点Ｓ２が形成されている。センサホルダＳＨの全体としてのたわみが大きくなることに注意を払うならば、この形態も有効であることは勿論である。図３を参照して説明したように、予め決められた孔ＨＬ１〜ＨＬ４にセンサＳＳ１〜ＳＳ４を固定して検出軸方向を鉛直方向に向けた時の、センサホルダＳＨのたわみ量は、２点支持の梁の集中質量と分布質量を考慮して計算できるので、４つのセンサＳＳ１〜ＳＳ４の固定位置の重力によるたわみが等しくなる位置が定まるため、孔ＨＬ１〜ＨＬ４にセンサＳＳ１〜ＳＳ４を配置するのみで、センサＳＳ１〜ＳＳ４の鉛直方向のズレがゼロとなる。これにより精度の良い測定が可能となる。本例では、センサＳＳ１ないしセンサＳＳ４のうち３つのセンサの信号を用いて３点法の測定を行い、残りの一つのセンサの信号を用いて較正を行うことができる。
【００３６】
図１４に示すセンサホルダＳＨは、図１３の実施の形態に対し、孔ＨＬ１〜ＨＬ４のそれぞれに対して、センサホルダＳＨの長手方向両側に、付加質量取り付け部としての補助孔ＳＰを２個ずつ合計８個形成し、その補助孔ＳＰに付加質量ＳＷを取り付けている点が異なる。この際、センサの質量と付加質量とを等しくするのが簡便で使いやすいが、センサＳＳ１〜ＳＳ４毎に質量が若干異なる場合、微調整用の付加質量を取り付けることで、センサホルダＳＨのたわみを微調整して、鉛直方向のズレをゼロとできる。尚、付加質量ＳＷは全ての補助孔ＳＰに取り付ける必要はない。
【００３７】
図１５に示すセンサホルダＳＨは、図１４の実施の形態に対し、補助孔ＳＰの１つに、別なセンサＳＳ５を取り付けたものである。センサＳＳ５の質量と付加質量ＳＷとを等しくすると、付加質量ＳＷの一つをセンサＳＳ５に置換えても、センサホルダＳＨのたわみ形状に変化は無いので、センサＳＳ１ないしセンサＳＳ４のうち３つのセンサを用いた３点法プローブとしてのゼロ点誤差には変化が無い。この実施の形態によれば、３点法プローブのゼロ点誤差を変化させることなく、５番目のセンサＳＳ５を追加することで必要な追加情報を得ることができるようになる。例えば５番目のセンサＳＳ５からの信号は、等間隔で配置された３つのセンサから得られた逐次３点法による形状データ点間の内挿値を得るのに有効に使えるので、更に高精度な測定を行うことができる。尚、センサホルダＳＨは必ずしも一様断面である必要はない。
【００３８】
図１６は、本実施の形態にかかるセンサホルダを支持するセンサ支持装置の断面図である。図１７は、図１６の構成をXVII-XVII線で切断して矢印方向に見た図である。図１６において、基台ＢＳの下面に取り付けられたブラケット１０の対向する側壁１０ａ、１０ｂに、ベアリングホルダ１１，１２が取り付けられている。図１６で左方のベアリングホルダ１１は、玉軸受１３を介して、支持軸１４の左端外周を回転自在に支持している。一方、図１６で右方のベアリングホルダ１２は、アンギュラコンタクト玉軸受１５ａ、１５ｂを介して、支持軸１４を軸線方向に位置決めすると共に、その右端近傍外周を回転自在に支持している。支持軸１４の右端は、ベアリングホルダ１２の外方に突出している。
【００３９】
図１６に示すように、支持軸１４は、一様断面の棒状である中空円筒状のセンサホルダＳＨの内側に挿通されている。支持軸１４の外周に間隔をあけて固定された薄板１７，１８は、センサホルダＳＨの内周に固定され且つ中央開口１９ａ、２０ａを有する円盤１９，２０に対して、ボルトＢを用いて連結されている。従って、センサホルダＳＨは、支持軸１４と一体で、ブラケット１０に対して回転可能となっている。尚、保持部である円盤１９，２０の取り付け位置が、センサホルダＳＨの中心を挟んで対称的に配置された支点Ｓ１，Ｓ２となっている。
【００４０】
センサホルダＳＨの外周円筒面は、軸線方向に沿って削いだような平面ＦＰを有しており、平面ＦＰには、３つのセンサ取り付け部ＳＡ１〜ＳＡ３が設けられている。支点Ｓ１，Ｓ２とセンサ取り付け部ＳＡ１〜ＳＡ３との位置関係は、図１，８に示す例と同様である。センサ取り付け部ＳＡ１〜ＳＡ３には、それぞれ薄形のセンサＳＳ１〜ＳＳ３が、平面ＦＰに形成されたボルト孔に挿通された小ボルトＳＢを用いて固定されている。センサＳＳ１〜ＳＳ３をセンサホルダＳＨに取り付けた状態で、その検出軸方向は互いに平行であって、センサホルダＳＨの半径方向外方を向いている。
【００４１】
本実施の形態のセンサ支持装置によれば、図１７に示すように、センサＳＳ１〜ＳＳ３の検出軸方向を下方に向け、測定対象物ＯＢＪに対向させるようにした状態では、センサ取り付け部ＳＡ１〜ＳＡ３即ちセンサＳＳ１〜ＳＳ３の鉛直方向の位置ズレがゼロとなるので、精度良く測定対象物ＯＢＪの表面の形状測定を行うことができる。又、支持軸１４を９０度回転させることで、図１７に二点鎖線で示すように、センサＳＳ１〜ＳＳ３の検出軸方向を水平方向に向けることが出来、これにより必要な較正などを行うことができる。尚、センサホルダＳＨには、３つのセンサ取り付け部ＳＡ１〜ＳＡ３のみを形成したが、図９等に示す例のように付加質量取り付け部や、図１３等に示す例のように４つ以上のセンサ取り付け部を設けることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明にかかるセンサホルダの一例である棒状物体ＲＯのたわみを示す図である。
【図２】本発明にかかるセンサホルダの別例である棒状物体ＲＯのたわみを示す図である。
【図３】本発明にかかるセンサホルダの更に別例である棒状物体ＲＯのたわみを示す図である。
【図４】ゼロ点誤差と放物線誤差との関係を説明する図である。
【図５】３点法プローブのゼロ点調整のための反転法を説明するための図である。
【図６】オートコリメータを用いて行う３点法プローブのゼロ点調整を説明するための図である。
【図７】３点法プローブにおけるゼロ点誤差の検出と記録とセンサ感度方向の変更手順の一例を示す図である。
【図８】本実施の形態のセンサホルダの概略を示す図である。
【図９】本実施の形態のセンサホルダの概略を示す図である。
【図１０】本実施の形態のセンサホルダの概略を示す図である。
【図１１】本実施の形態のセンサホルダの概略を示す図である。
【図１２】本実施の形態のセンサホルダの概略を示す図である。
【図１３】本実施の形態のセンサホルダの概略を示す図である。
【図１４】本実施の形態のセンサホルダの概略を示す図である。
【図１５】本実施の形態のセンサホルダの概略を示す図である。
【図１６】本実施の形態にかかるセンサホルダを支持するセンサ支持装置の断面図である。
【図１７】図１６の構成をXVII-XVII線で切断して矢印方向に見た図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０ ブラケット
１０ａ、１０ｂ 側壁
１１ ベアリングホルダ
１２ ベアリングホルダ
１３ 玉軸受
１４ 支持軸
１５ａ、１５ｂ 玉軸受
１７，１８ 薄板
１９，２０ 円盤
１９ａ、２０ａ 中央開口
Ｂ ボルト
ＢＳ 基台
ＦＰ 平面
ＯＢＪ 測定対象物
Ｓ１，Ｓ２ 支点
ＳＡ１〜ＳＡ３ センサ取り付け部
ＳＢ 小ボルト
ＳＨ センサホルダ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛直方向に配置された測定対象物の表面の形状を測定するセンサを取り付けるための３つの基準センサ取り付け部を有し、２点で基台に支持される棒状のセンサホルダであって、
前記３つの基準センサ取り付け部にセンサを取り付けた状態で、重力により前記センサホルダにたわみが生じたときに、前記３つの基準センサ取り付け部の位置が鉛直方向において等しくなることを特徴とするセンサホルダ。
【請求項２】
前記センサホルダは、中央の基準センサ取り付け部と、その両側の各基準センサ取り付け部との間における２点で基台に支持されることを特徴とする請求項１に記載のセンサホルダ。
【請求項３】
前記センサホルダは、２つの基準センサ取り付け部を挟む２点で基台に支持されることを特徴とする請求項１に記載のセンサホルダ。
【請求項４】
補助センサを取り付けるための補助センサ取り付け部と、１つもしくは複数の付加質量取り付け部とを有し、前記補助センサ取り付け部にセンサを取り付けたときは、センサを取り付けた３つのセンサ取り付け部の位置が鉛直方向において等しくなるように、前記付加質量取り付け部に付加質量を取り付けることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のセンサホルダ。
【請求項５】
前記補助センサ取り付け部にセンサを取り付けたときは、センサを取り付けたセンサ取り付け部の位置が鉛直方向において等しくなるように、付加質量を取り付けるべき付加質量取り付け部と、取り付けるべき付加質量の情報を記録していることを特徴とする請求項４に記載のセンサホルダ。
【請求項６】
鉛直方向に配置された測定対象物の表面の形状を測定するセンサを取り付けるための４つのセンサ取り付け部を有し、中央の２つのセンサ取り付け部を挟む２点で基台に支持される棒状のセンサホルダであって、
前記４つのセンサ取り付け部にセンサを取り付けた状態で、重力により前記センサホルダにたわみが生じたときに、前記４つのセンサ取り付け部の位置が鉛直方向において等しくなることを特徴とするセンサホルダ。
【請求項７】
付加質量を取り付けるための付加質量取り付け部を有することを特徴とする請求項５に記載のセンサホルダ。
【請求項８】
基台と、
前記基台に対して軸受を介して支持された支持軸と、
請求項１〜６に記載のセンサホルダとを有し、
前記センサホルダは中空円筒状であって、前記センサホルダの内周に、前記支持軸に連結するための保持部を、前記センサホルダの中心を挟んで対称な位置に形成し、前記センサホルダの外周に前記センサ取り付け部を有することを特徴とするセンサ支持装置。
【請求項１】
鉛直方向に配置された測定対象物の表面の形状を測定するセンサを取り付けるための３つの基準センサ取り付け部を有し、２点で基台に支持される棒状のセンサホルダであって、
前記３つの基準センサ取り付け部にセンサを取り付けた状態で、重力により前記センサホルダにたわみが生じたときに、前記３つの基準センサ取り付け部の位置が鉛直方向において等しくなることを特徴とするセンサホルダ。
【請求項２】
前記センサホルダは、中央の基準センサ取り付け部と、その両側の各基準センサ取り付け部との間における２点で基台に支持されることを特徴とする請求項１に記載のセンサホルダ。
【請求項３】
前記センサホルダは、２つの基準センサ取り付け部を挟む２点で基台に支持されることを特徴とする請求項１に記載のセンサホルダ。
【請求項４】
補助センサを取り付けるための補助センサ取り付け部と、１つもしくは複数の付加質量取り付け部とを有し、前記補助センサ取り付け部にセンサを取り付けたときは、センサを取り付けた３つのセンサ取り付け部の位置が鉛直方向において等しくなるように、前記付加質量取り付け部に付加質量を取り付けることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のセンサホルダ。
【請求項５】
前記補助センサ取り付け部にセンサを取り付けたときは、センサを取り付けたセンサ取り付け部の位置が鉛直方向において等しくなるように、付加質量を取り付けるべき付加質量取り付け部と、取り付けるべき付加質量の情報を記録していることを特徴とする請求項４に記載のセンサホルダ。
【請求項６】
鉛直方向に配置された測定対象物の表面の形状を測定するセンサを取り付けるための４つのセンサ取り付け部を有し、中央の２つのセンサ取り付け部を挟む２点で基台に支持される棒状のセンサホルダであって、
前記４つのセンサ取り付け部にセンサを取り付けた状態で、重力により前記センサホルダにたわみが生じたときに、前記４つのセンサ取り付け部の位置が鉛直方向において等しくなることを特徴とするセンサホルダ。
【請求項７】
付加質量を取り付けるための付加質量取り付け部を有することを特徴とする請求項５に記載のセンサホルダ。
【請求項８】
基台と、
前記基台に対して軸受を介して支持された支持軸と、
請求項１〜６に記載のセンサホルダとを有し、
前記センサホルダは中空円筒状であって、前記センサホルダの内周に、前記支持軸に連結するための保持部を、前記センサホルダの中心を挟んで対称な位置に形成し、前記センサホルダの外周に前記センサ取り付け部を有することを特徴とするセンサ支持装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１０−１９７３５０（Ｐ２０１０−１９７３５０Ａ）
【公開日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−４５７８８（Ｐ２００９−４５７８８）
【出願日】平成２１年２月２７日（２００９．２．２７）
【出願人】（０００１５０６０４）株式会社ナガセインテグレックス (35)
【出願人】（５９７１２２５１８）
【出願人】（５０８３６４３６９）
【出願人】（５９１２３８９８１）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月２７日（２００９．２．２７）
【出願人】（０００１５０６０４）株式会社ナガセインテグレックス (35)
【出願人】（５９７１２２５１８）
【出願人】（５０８３６４３６９）
【出願人】（５９１２３８９８１）
【Ｆターム（参考）】
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