触針式形状測定装置及び方法とこれに適した回転規制エアシリンダ
【課題】 測定面の傾斜角が大きい場合でも、安定した測定が可能であり、測定誤差の増加を抑制して、安定かつ高精度に形状測定することができる触針式形状測定装置とその方法を提供する。
【解決手段】 軸方向が被測定物の設置面の垂直方向に対して一定角度傾斜して設置された斜軸測定プローブ１と、軸方向が被測定物の設置面の垂直方向に平行に設置された直軸測定プローブ２とを備え、これらの複数の測定データをつなぎ合わせることで全体形状を求める。
【解決手段】 軸方向が被測定物の設置面の垂直方向に対して一定角度傾斜して設置された斜軸測定プローブ１と、軸方向が被測定物の設置面の垂直方向に平行に設置された直軸測定プローブ２とを備え、これらの複数の測定データをつなぎ合わせることで全体形状を求める。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物の形状を測定するための触針式形状測定装置及び方法とこれに適した回転規制エアシリンダに関する。
【背景技術】
【０００２】
触針式形状測定装置は、測定プローブの先端を被測定物の表面に接触させてその形状を測定する装置である。この装置の測定プローブは、例えばリニアボールベアリング又はエアースライドで軸方向に移動可能に支持され、かつバネや空気圧でプローブを被測定物に向けて与圧を与え、この状態で測定プローブの変位量を、光学式スケール、磁気スケール、干渉測長光学系等によって測定するものである。
【０００３】
近年、携帯電話のＣＣＤカメラ用レンズやＤＶＤ用のピックアップレンズなどの小型非球面光学素子は、設計上の要請から急勾配をもつ形状が増加している。なかには、７０°以上という急勾配をもった光学素子もあり、表面は極めて滑らかな鏡面であり、かつ０．１μｍ以下の高い計測精度が要求される。
【０００４】
しかし、このような光学素子の形状測定において、触針式形状測定装置は、測定面の傾斜角が大きくなる（例えば６０°を超える）と測定が不安定になったり、測定誤差が増加したりするため、安定して高精度に形状測定することが困難になることが知られている。
【０００５】
そこでこの問題点を解決するために、特許文献１〜５が既に提案されている。
【０００６】
特許文献１の「プローブ走査型形状測定装置及び方法」は、図２６に示すように、回転台５７、角度測定手段５８、移動台５９、変位測定手段５４、５５、５６を設け、被測定面５１ａの一測定断面を回転台５７を回転して測定し、次に、移動台５９でｘ，ｚ方向に若干変位させ、同じ測定断面を２回以上Ｎ回測定するものである。
【０００７】
特許文献２の「触針式形状測定センサとこれを用いたＮＣ加工装置および形状測定方法」は、図２７に示すように、被測定物に向けて付勢するプローブヘッド６０と、接触子の変位を計測するレーザ干渉変位計（図示せず）とを備え、プローブヘッド６０の中間部に段差６１ａ，６１ｂとを有するプローブシャフト６２と、段差の前後を支持する気体軸受６４ａ，６４ｂとを備え、段差部に供給する別の圧縮空気により段差部の面積差で被測定物へ向かう付勢力を所定範囲の微小荷重に一定に保持するものである。
【０００８】
特許文献３の「接触式表面形状測定装置及び測定方法」は、図２８に示すように、プローブの接触によって被測定物体表面に生じる水平方向接触力を推定する手段と、その鉛直方向接触力を検出する手段と、各測定位置における傾斜角度情報を検出する手段と、倣い動作時に発生する垂直抗力が一定となるように鉛直方向接触力を制御する手段とを備えるものである。
【０００９】
特許文献４の「形状測定方法及び装置」は、プローブが下がり方向に移動していることを認識した場合の測定値を選択し、この測定値から被測定物の表面形状を測定するものである。
【００１０】
特許文献５の「エアベアリングシリンダ」は、プローブヘッドに適用可能な高精度と高い応答性を得ることを目的とし、図２９に示すように、第１及び第２の圧力作用部７１、７２をロッド７３の長手方向に沿って段違いに配置するとともに、両圧力作用室間にロッドに対して加圧エアを噴出する流体圧シール機構を配設したものである。
【００１１】
【特許文献１】特開平７−１８１０３７号公報、「プローブ走査型形状測定装置及び方法」
【特許文献２】ＷＯ００／５２４１９号公報、「触針式形状測定センサとこれを用いたＮＣ加工装置および形状測定方法」
【特許文献３】特開２００５−３７１９７号公報、「接触式表面形状測定装置及び測定方法」
【特許文献４】特開２００５−１５６２３５号公報、「形状測定方法及び装置」
【特許文献５】特開２００１−２７１８０８号公報、「エアベアリングシリンダ」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
一般的に触針式プローブを用いて傾斜面を測定する場合、特許文献２に記載されているように、プローブを被測定物へ押し付ける測定力、斜面からの垂直抗力、および測定時の摩擦力によって、プローブ軸はすべり誤差と傾き誤差をもち、これが高さ方向の誤差となって表れる。
【００１３】
傾斜角が増加すればするほど、この誤差も急激に大きくなるため、この誤差を小さく抑えるためには測定力を小さくする以外に手段は無かった。しかしながら、測定力を小さく制御するためには、微小な測定力を発生させる機構が必要となるばかりでなく、測定の安定性を増すために応答速度を上げる必要があり、そのためにはプローブ軸の質量を小さくする必要があった。
【００１４】
プローブ軸の質量を小さくするためにはプローブ軸を細く短くする必要があるが、アキシャル方向の軸受剛性は高く保たなければいけないので、構造的に限界がある。
このように、従来の手段で急勾配の斜面を高精度に測定するには限界があるため、（１）特許文献４のようにスキャン方向を下り方向に限定する手段、（２）特許文献３のように垂直抗力が一定となるように測定力を制御させる手段、（３）特許文献１のように回転軸を用いてプローブの角度を変化させる手段、等が提案されているが、測定精度の面で根本的な解決には至っていない。
【００１５】
また、汎用の三次元測定器などで多く用いられているタッチプローブは、測定力を極めて小さく制御することが困難であるため、測定精度の面から超精密形状測定装置に利用することはできない。
【００１６】
一方、触針式形状測定装置の測定プローブや半導体チップマウント装置のように、超精密加工・超精密測定のアプリケーションでは、エアシリンダの摺動抵抗を小さくし高い位置決め精度を実現することが要求され、かつ、エアシリンダ軸に不安定動作を引き起こす要因があってはならない。
【００１７】
一般的なエアシリンダは加工の容易さから断面が円形である円筒形状をしているが、円筒形状ではエアシリンダ軸が回転してしまい、精密位置決めを行う上で問題となる。
そのため、従来は滑りキーのような回転止め機構を付加したり、特許文献５のように、エアシリンダ軸の断面を多角形（三角形や四角形など）の回転しない形状にする手段がとられていた。しかしながら、回転止め機構を付加するとエアシリンダ軸の重量が重くなるため、高速動作が要求されるアプリケーションでは応答速度が落ちてしまい不都合が生じる。また、断面を回転しない多角形にすると加工や組立作業が複雑になるため、職人による手作業が必要で、大量生産は困難であり、コスト高になってしまう。
【００１８】
本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の第１の目的は、測定面の傾斜角が大きい場合でも、安定した測定が可能であり、測定誤差の増加を抑制して、安定かつ高精度に形状測定することができる触針式形状測定装置とその方法を提供することにある。
また、本発明の第２の目的は、触針式形状測定装置に適しており、軸回りに回転せず、摺動抵抗を小さくし高い位置決め精度を実現することができ、加工及び組立が容易であり、職人による手作業が不要であり、大量生産が可能であり、コストを低減できる回転規制エアシリンダを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記第１の目的を達成するために、本発明によれば、測定プローブのプローブ軸の先端を被測定物の表面に接触させ、被測定物の形状を測定する触針式形状測定装置において、
軸方向が被測定物の設置面の垂直方向に対して一定角度傾斜して設置された斜軸測定プローブを備える、ことを特徴とする触針式形状測定装置が提供される。
【００２０】
本発明の好ましい実施形態によれば、さらに、軸方向が被測定物の設置面の垂直方向に平行に設置された直軸測定プローブを備える。
【００２１】
また、被測定物を加工する加工機上に設ける、ことが好ましい。
【００２２】
前記斜軸測定プローブの傾斜角度は、被測定物の設置面の垂直方向に対して３０°以上、９０°以下である、ことが好ましい。
【００２３】
空気圧によって測定プローブの測定力を制御する測定力制御装置を備える、ことが好ましい。
【００２４】
被測定物の設置面の垂直方向に対して、測定プローブの軸が傾斜する角度を調節する角度調整機構を備える、ことが好ましい。
【００２５】
また、本発明によれば、測定プローブのプローブ軸の先端を被測定物の表面に接触させ、被測定物の形状を測定する触針式形状測定装置において、
測定プローブのプローブ軸を被測定物の設置面の垂直方向に対して一定角度傾斜して設置し、測定プローブで測定する範囲がプローブ軸に対して±６０°以内である、ことを特徴とする触針式形状測定方法が提供される。
【００２６】
また、本発明によれば、測定プローブのプローブ軸の先端を被測定物の表面に接触させ、被測定物の形状を測定する触針式形状測定装置において、
２以上の測定プローブのプローブ軸を被測定物の設置面の垂直方向に対して異なる角度で設置し、それぞれの測定プローブで測定する範囲がプローブ軸に対して±６０°以内であり、これらの複数の測定データをつなぎ合わせることで全体形状を求める、ことを特徴とする触針式形状測定方法が提供される。
【００２７】
本発明の好ましい実施形態によれば、測定プローブのプローブ軸を被測定物の設置面に沿って移動する位置移動手段と、被測定物をその設置面の垂直方向軸を中心に回転する回転手段とを備え、
位置移動手段と回転手段を交互にあるいは同時に制御して、被測定物の形状を同心円状あるいは放射線状あるいは螺旋状に測定する。
【００２８】
また、本発明によれば、供給される圧縮空気により測定プローブを被測定物に接触させる測定プローブ付勢機構を備え、
この測定プローブ付勢機構に供給される圧縮空気の圧力を制御しながら形状を測定する。
【００２９】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記圧縮空気の圧力を、鉛直方向に対する測定プローブの設置角度、又は、被測定物と測定プローブとの接触及び非接触に応じて変化させる。
【００３０】
被測定物と測定プローブとを離れた位置から測定点へ接触させ、プローブ軸の変位が一定値となる位置の三次元座標値を検出し、再び測定プローブを被測定物から離し次の測定点へ移動させる、というプロセスを繰り返し行うことで三次元的な形状を測定する、ことが好ましい。
【００３１】
また上記第２の目的を達成するために、本発明によれば、軸方向に移動可能な円筒形ピストンと、該円筒形ピストンを軸方向に移動可能に支持しかつ円筒形ピストンの両端部に圧縮空気を供給可能な中空円筒形のシリンダと、円筒形ピストンの端面に偏心して連結され円筒形ピストンと同一方向に移動可能な円筒形ロッドと、該円筒形ロッドを軸方向に移動可能に支持し前記シリンダに連結されたロッド案内部とを備える、ことを特徴とする回転規制エアシリンダが提供される。
【００３２】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記円筒形ピストンは、円筒形ロッドより直径が大きく、その偏心量は、直径の和の１／２以下に規定されている。
【００３３】
また、本発明によれば、軸方向に移動可能な円筒形ピストンと、該円筒形ピストンを軸方向に移動可能に支持しかつ円筒形ピストンの端部に圧縮空気を供給可能な中空円筒形のシリンダと、円筒形ピストンの端面に連結され円筒形ピストンと同一方向に移動可能な円筒形ロッドと、該円筒形ロッドを軸方向に移動可能に支持し前記シリンダに連結されたロッド案内部とからなるエアシリンダを、これらの円筒形ロッドの軸方向が平行となるように複数備え、
少なくとも一つのエアシリンダの、圧縮空気の供給による動作方向と、その他のエアシリンダの、圧縮空気の供給による動作方向とが、逆向きになるように、前記複数のエアシリンダは配置されており、
それぞれの円筒形ピストンおよび円筒形ロッドは連動するように連結されている、ことを特徴とする回転規制エアシリンダが提供される。
【００３４】
前記シリンダとロッド案内部は、ピストンおよび円筒形ロッドをそれぞれ支持する非接触式の円筒空気軸受又は接触式の円筒すべり構造を備える。ことが好ましい。
【００３５】
前記円筒形ピストンの軸方向変位を測定する変位測定手段と、円筒形ロッドに連結され被測定物の表面に接触するスタイラスとを備える、ことが好ましい。
【発明の効果】
【００３６】
上記本発明の装置及び方法によれば、軸方向が被測定物の設置面の垂直方向に対して一定角度傾斜して設置された斜軸測定プローブと、軸方向が被測定物の設置面の垂直方向に平行に設置された直軸測定プローブとを備え、これらの複数の測定データをつなぎ合わせることで全体形状を求めるので、傾斜角が６０°を超える急勾配を持った光学素子の形状測定においても、安定して高精度に形状測定することが可能となる。
【００３７】
また、上記本発明のエアシリンダは、円筒形ピストンと円筒形ロッドが偏心して連結されているので、軸の回転止め機構を付加させること無く、軸の断面形状を三角形や四角形などの回転しない形状にすることなく、回転を規制することができる。
また、軸の回転止め機構がなく、エアシリンダ全体を小型・軽量化することができ、円筒形ロッドの重量も軽量化できるため、高速動作させることができる。さらに、軸の回転止め機構が無く、軸の断面形状も円形であるため、構造を簡単にでき、組立作業も容易で、職人を必要とせず、コストを下げることができる。
さらに、複数のエアシリンダを、これらの円筒形ロッドの軸方向が平行となるように配置し、それぞれの円筒形ピストンおよび円筒形ロッドを連動するように連結することでも、軸の回転止め機構を付加させること無く、軸の断面形状を三角形や四角形などの回転しない形状にすることなく、軸の回転を規制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００３９】
図１は、本発明の触針式形状測定装置の第１実施形態図である。本発明の触針式形状測定装置は、測定プローブのプローブ軸の先端を被測定物３の表面に接触させ、被測定物３の形状を測定する装置である。
なお、測定プローブを用いた測定方式には、（１）測定プローブがその軸方向に移動し、その移動量（変位）と位置の座標値から形状を求める方式と、（２）プローブ軸がその軸方向に移動しない（変位が０となる）ように位置移動手段を制御し、その座標値から形状を求める方式とがある。さらにそれぞれにおいて、（Ａ）測定プローブと被測定物とが接触した状態で、測定プローブが被測定物表面に倣って移動し、連続して複数の座標値を取得する方式と、（Ｂ）測定点一点ごとに測定プローブと被測定物の接触／非接触動作を繰り返し、離散的に複数の座標値を取得する方式とがある。本発明の触針式形状測定装置は、このすべての方式に適用可能である。
【００４０】
この図に示すように、本発明の触針式形状測定装置は、軸方向が被測定物３の設置面の垂直方向（図１上下方向）に対して一定角度傾斜して設置された斜軸測定プローブ１を備える。なお、本発明において「設置面の垂直方向」とは、被測定物を設置する際の基準面に対して垂直（法線）方向を意味し、被測定物が回転軸対称形状の場合は回転軸方向を意味する。
【００４１】
斜軸測定プローブ１は、位置移動手段４および回転手段６を用いて被測定物３との相対距離と姿勢を変えることができる。位置移動手段４および回転手段６はコンピュータ８によって制御され、位置決めが行われる。また、現在の位置情報は位置検出手段５および回転角検出手段７によって検出され、コンピュータ８に送信される。コンピュータ８では、位置移動手段４および回転手段６を位置指令値に移動させる制御と、位置検出手段５および回転角検出手段７から得られる現在位置データの取り込み、および斜軸測定プローブ１の変位データの取り込みを同時に行うことにより、形状の測定を行う。
【００４２】
なお、回転手段６および回転角検出手段７は、斜軸測定プローブの数や設置角度、そして要求精度によって必要な場合と不要な場合が考えられる。また形状を測定する際には、位置移動手段４は２軸を制御することにより、被測定物３の形状に倣って移動させる手段と、触針式プローブの変位軸を利用することにより、位置移動手段４は１軸のみ利用する手段がある。
【００４３】
図２は、本発明の触針式形状測定装置の第２実施形態図である。この例では、斜軸測定プローブ１の他に被測定物３の設置面の垂直方向に平行に設置した直軸測定プローブ２を備える。斜軸測定プロ−ブ１および直軸測定プローブ２は、位置移動手段４および回転手段６を用いて被測定物３との相対距離や姿勢を変えることができる。直軸測定プローブ２を利用すると斜軸測定プローブ１のみの場合と比べて、被測定物３の中心部分での測定データの精度を向上させることができる。
【００４４】
図３は、本発明の触針式形状測定装置の第３実施形態図である。この例では、被測定物を加工する加工機上に本発明の触針式形状測定装置を設ける。加工機上で形状測定を行う場合、加工機の位置決め制御は専用のＮＣコントローラ９で行う場合が多い。そのためコンピュータ８では、ＮＣコントローラ９への位置指令値の出力、位置検出手段５および回転角検出手段７から得られる現在位置データの取り込み、および斜軸測定プローブ１あるいは直軸測定プローブ２の変位データの取り込みを同時に行う。位置検出手段５および回転角検出手段７から得られる現在位置データは、コンピュータ８とＮＣコントローラ９へ並列に出力することで、位置決め制御と現在位置データの取得が同時にできるため、高速測定を実現することができる。
【００４５】
図４は、本発明の触針式形状測定装置の第４実施形態図である。この例では、空気圧によって測定プローブの測定力を制御できる測定力制御装置３１を備える。測定力制御機構３１は、圧縮空気供給源３３と、圧縮空気の圧力の指令値を出力するコンピュータ８と、コンピュータ８からの前記指令値に基づいて、圧縮空気供給源３３からの圧縮空気の圧力を調節する電空レギュレータ３２と、圧縮空気供給源３３から電空レギュレータ３２を介して供給される圧縮空気により測定プローブ１を被測定物へ付勢して被測定物に接触させる測定プローブ付勢機構３７と、から構成される。なお、測定プローブ付勢機構３７は、例えば、後述する回転規制シリンダ、図２７や図２９に記載した機構、又は、他の適切な機構であってもよい。なお、図４において、斜軸測定プローブ１、位置移動手段４、位置検出手段５とコンピュータ８との間のデータ配線は図１と同様であるため省略している。
この構成により、圧縮空気供給源３３から供給される圧縮空気の圧力を、コンピュータ８からの指令値に基づき電空レギュレータ３２で制御して測定プローブ付勢機構３７へと供給する。また、測定プローブ付勢機構３７への供給空気圧力の実測値を電空レギュレータ３２からコンピュータ８へ取り込むこともできる。つまり、コンピュータ８では位置移動手段４を位置指令値に移動させる制御と、位置検出手段５から得られる現在位置データの取り込み、および斜軸測定プローブ１の変位データの取り込み、そして電空レギュレータ３２を介して測定力の制御と監視を同時に行うことにより、形状の測定を行う。これにより、極めて小さな一定の測定力を与えることができる。
また、測定プローブの設置角度によって重力の影響により測定力が変化してしまう問題があるが、測定プローブの設置角度に応じて、測定プローブ付勢機構３７へ供給する圧縮空気の圧力を変化させることで、この問題を回避できる。
さらに、測定プローブ１が上述の位置移動手段４又は回転手段６により移動させられている非測定時においては、測定プローブ付勢機構３７へ供給する圧縮空気の圧力を、測定時よりも高くする。これにより、高速移動によるプローブスケールの飛びや破損といった問題からプローブを保護することができる。
このような測定力制御装置３１は図１〜３の触針式形状測定装置に適用することができる。
【００４６】
図５は、本発明の触針式形状測定装置の第４実施形態におけるプローブ部の第１実施形態図である。この例では、触針式形状測定装置は、測定プローブ１の角度を調節して所望の角度に保持する２軸の角度調整機構３５を備える。
この角度調整機構３５は、例えば、測定プローブ１の支持体を回転軸Ａの周りに回転可能に支持する支持部材３５ａと、測定プローブ１を回転軸Ａの周りに回転させる第１駆動モータ３５ｂと、測定プローブ１の支持体、支持部材３５ａ及び第１駆動モータ３５ｂを一体的に回転軸Ｂの周りに回転させる第２駆動モータ３５ｃと、から構成される。
角度調整機構３５を用いることで少ない数のプローブで様々な形状の測定に対応できる。
【００４７】
図６は、本発明の触針式形状測定装置の第４実施形態におけるプローブ部の第２実施形態図である。この例では、１つの直軸測定プローブと１つの斜軸プローブの角度を調節して所望の角度に保持する１軸の角度調整機構３５’を備える。
この角度調整機構３５’は、例えば、直軸測定プローブ２の支持体と斜軸プローブ１の支持体が固定されている支持部材３５ａ’と、支持部材３５ａ’を回転軸Ｂの周りに回転させる駆動モータ３５ｂ’を備える。
【００４８】
図７は、本発明の触針式形状測定装置の第４実施形態におけるプローブ部の第３実施形態図である。この例では、触針式形状測定装置は、１つの直軸プローブと４つの斜軸プローブを備える。例えば、図７に示すように、１つの直軸プローブの支持体と４つの斜軸プローブの支持体が支持部材３６に固定されている。
【００４９】
図８（Ａ）（Ｂ）は、本発明の触針式形状測定方法の概念図である。従来例（図８Ａ）のように１つの直軸測定プローブのみによる測定では、±９０°の斜面の測定を想定した場合、測定が良好にできる範囲（およそ±６０°の範囲）、測定はできるが測定精度が悪い範囲（およそ±６０°〜±７５°の範囲）、測定が不能な範囲（およそ±７５°〜±９０°の範囲）のように分類される。
本発明の方法（図８Ｂ）では、１つのプローブで測定する範囲を例えば±６０°以内、つまり測定が良好にできる範囲内に限定し、角度を変えて設置した複数のプローブ１、２を用いて測定データを取得し、測定データをつなぎ合わせることで全体形状を求めるため、広い角度範囲において高精度な測定精度を維持することが可能である。
【００５０】
図９は、本発明の触針式形状測定方法の第１実施形態を示すフローチャートである。この図に示すように、本発明の方法では、２以上の測定プローブ１、２のプローブ軸を被測定物３の設置面の垂直方向に対して異なる角度で設置し、それぞれの測定プローブ１、２で測定する範囲がプローブ軸に対して±６０°以内であり、これらの複数の測定データをつなぎ合わせることで全体形状を求める。
【００５１】
すなわち、例えば軸対称非球面光学素子（被測定物３）の形状測定を想定した場合、中心を通る断面形状を測定したいので、ステップＳ１において、まず直軸測定プローブ２を用いてセンタリングを行い、プローブ中心が被測定物３の中心位置にくるように位置移動手段４を制御する。制御方法は、プローブを用いて被測定物３の表面の何点かを測定し、それらの点を被測定物３の設計形状にフィッティングさせ、中心位置のずれを計算し、その分位置移動手段４を移動させる。この作業を何度か繰り返し、中心位置のずれがある値以下になったら、センタリングを終了させる。
【００５２】
次に、ステップＳ２において、直軸測定プローブ２を用いて形状の測定を行う。例えば、±４５°の範囲の測定を行う。
同様にステップＳ３、Ｓ４において、斜軸測定プローブ１を用いて、センタリング、形状測定を行う。例えば、斜軸測定プローブ１は４５°傾斜させて設置し、そこから±４５°の範囲、つまり０°〜９０°の範囲の測定を行う。
【００５３】
次に、ステップＳ５、Ｓ６、Ｓ７において、回転手段６を用いて被測定物を１８０°回転させた後、同様に斜軸測定プローブ１を用いて、センタリング、形状測定を行う。この作業により、−９０°〜０°の範囲の測定ができ、３つの測定データを用いると±９０°の範囲の形状の評価ができる。±４５°の範囲はデータが重複するため、ステップＳ８において、この部分においてフィッティングを行うことで、被測定物３を移動させた際の姿勢変化による誤差成分を取り除くことができる。
【００５４】
図１０は、図９に示されるフローチャートの一部を利用して測定した測定結果である。本測定では、図９中のＳ３、Ｓ４のプロセスを用いて球形状をしたサンプルの形状測定データを示している。測定プローブは４５°に傾斜させて設置し、その角度から±５０°、つまり−５°〜＋９５°の範囲の測定を行った。従来手法では測定が困難、あるいは不可能であった傾斜角をもつ領域の測定が、本手法では良好に行うことができた。
【００５５】
図１１は、図１０で得られた測定データを球面フィッティングして形状誤差を求めた評価データである。従来手法のように直交座標軸方向に偏差量を計算する方法では、＋９０°近傍で偏差量の計算ができなくなるため、測定プローブ軸方向に偏差量の計算を行った。
【００５６】
図１２は、本発明の触針式形状測定方法の第２実施形態を示すフローチャートである。この例では、測定プローブのプローブ軸を被測定物の設置面に沿って移動する位置移動手段と、被測定物をその設置面の垂直方向軸を中心に回転する回転手段とを備え、位置移動手段と回転手段を交互にあるいは同時に制御して、被測定物の形状を同心円状あるいは放射線状あるいは螺旋状に測定する。
【００５７】
すなわち、本発明の触針式形状測定装置を被測定物を加工する加工機上に設け、軸対称非球面形状を機上計測する場合は、被測定物３が加工機上で回転手段６を回転させながら加工されたものであることから、被測定物３の回転中心軸と、回転手段６の回転中心軸が一致するため、位置移動手段４と回転手段６を用いて位置決めを行い、位置検出手段５と回転角検出手段７からのデータ、そしてプローブ変位データを用いて、被測定物の三次元的な面形状を測定できる。
【００５８】
この図において、ステップＳ１１、Ｓ１２において、回転手段６を動作させながら測定データを収集し、位置移動手段４と回転手段６を交互に動作させると、図１３のように、同心円状の形状測定ができる（Ｓ１３）。また、ステップＳ２１、Ｓ２２において、位置移動手段４を動作させながら測定データを収集し、位置移動手段４と回転手段６を交互に動作させると、図１４のように、放射線状の形状測定ができる（Ｓ２３）。さらに、ステップＳ３１において、位置移動手段４と回転手段６を同期させて動作させながら測定データを収集すると、図１５のように、螺旋状の形状測定ができる（Ｓ３２）。全ての手段において、初めにセンタリング（Ｓ１０）を行っておけば、被測定物３の回転に応じてセンタリングをやり直す必要がないので、短時間に三次元形状を測定できる。
【００５９】
図１６は、本発明の触針式形状測定方法の第３実施形態を示すフローチャートである。測定開始とともに、測定プローブを測定開始点まで移動させる接近動作に入るが、測定時間短縮のためにはこの接近動作はなるべく速い速度で行うのが望ましい。しかしながら、大きな速度変化によってプローブ軸の動きが許容速度範囲を超えてエラーが出てしまったり、プローブ軸がストッパーに激しく衝突して破損したりするのを防ぐために、測定開始点の近傍まではエアシリンダの空気圧を高く設定してプローブ軸が外力によって不安定動作しないよう強く保持する。その後、被測定物形状に倣って連続多点測定を行っている間は、エアシリンダへの空気圧は小さく設定して測定力を極めて小さくすることで高精度測定を実現する。測定データの収集が終了したら、エアシリンダへの空気圧を再び大きく設定し、測定終了点からの退避動作を迅速に行う。これらの動作は斜軸プローブ１および直軸プローブ２のそれぞれの測定において行う。
【００６０】
図１７は、本発明の触針式形状測定方法の第４実施形態を示すフローチャートである。測定開始とともに、測定プローブを第１測定点まで移動させる接近動作に入るが、第１測定点の近傍まではエアシリンダの空気圧を高く設定してプローブ軸が外力によって不安定動作しないよう強く保持する。その後、第１測定点の測定においては、測定プローブ先端と被測定物表面を接触させ、エアシリンダへの空気圧は小さく設定して測定力を極めて小さくした状態で、測定プローブと被測定物との相対距離を近付け、エアシリンダ軸の変位がある一定値となる位置座標値を取り込む。この際、エアシリンダ軸の動きが行きと帰りの逆方向の動きにおいて得られた点の座標値を平均化したり、エアシリンダ軸の変位が一定となる位置でしばらく静止して数点の座標を取り込み平均化してもよい。あるいは、測定プローブ先端と被測定物表面を接触させた状態で、測定プローブと被測定物との相対距離を近付けている間の三次元座標値とプローブ変位を連続で取り込み、これらのデータから接触点の座標値を求めてもよい。第１測定点の測定が終了したら、エアシリンダへの空気圧を再び大きく設定し、測定終了点からの退避動作を迅速に行う。このプロセスをｎ個の測定点において繰り返し行うことで形状測定を行う。本方法は、被測定物のサイズが大きい場合や、形状が複雑な場合など、被測定物形状に倣って測定することが困難な場合に適している。ｎ個の測定点においていずれの斜軸プローブ１および直軸プローブ２を用いるかは、被測定物の形状によって適したものを利用するのがよい。
【００６１】
また、測定中の測定力はプローブ軸に掛かる重力の影響を受けるため、測定プローブの設置角度によって次の式（１）に従って変化させるのが望ましい。ここで、プローブ軸質量ｍ、プローブ軸の鉛直方向とのなす角θ、エアシリンダ軸の前進方向への推力ｆ１、エアシリンダの後退方向への推力ｆ２、測定力Ｆ、重力加速度ｇとしている。
【００６２】
Ｆ＝ｍｇｃｏｓθ＋ｆ１−ｆ２ （１）
【００６３】
電空レギュレータ３２へ印加する電圧ｖ１、ｖ２とそれに伴って発生する推力ｆ１、ｆ２とはほぼ比例関係にあるので、それぞれの比例係数をｋ１、ｋ２とすると、以下の関係式（２）が成り立つ。
【００６４】
Ｆ＝ｍｇｃｏｓθ＋ｋ１ｖ１−ｋ２ｖ２ （２）
【００６５】
ｋ１、ｋ２はエアシリンダの構造によって決定されるため、予め電圧ｖ１、ｖ２と推力ｆ１、ｆ２との関係からｋ１、ｋ２を求めておくことで、任意のプローブ角度θにおいて、測定力Ｆを満たす電圧ｖ１、ｖ２の組を見出すことができる。
【００６６】
特許文献２の［数１］に本出願人等が開示しているように、傾斜面測定時における測定プローブの変位方向の測定誤差δは、プローブのすべりによる誤差が支配的となり、下記の式（３）で示される。
【００６７】
【数１】
【００６８】
φ＝４５°における測定誤差をδ４５°とおくと、δ４５°＝ｋ１ｔａｎ４５°＝ｋ１となるから、上式は下記の式（４）のように表すことができる。
【００６９】
【数２】
【００７０】
つまり、傾斜角φの位置における測定誤差δは、φ＝４５°における測定誤差δ４５°のｔａｎφ・（ｓｉｎφ＋μｃｏｓφ）／（ｃｏｓφ−μｓｉｎφ）倍になっていることが分かる。例えば、摩擦係数μ≒０の極めて滑らかな面を測定した場合を想定すると、δ＝δ４５°・（ｔａｎφ）２となるから、表１に示されるように、 φ＝４５°における測定誤差δ４５°を基準にしたときの傾斜角φの位置における測定誤差δは、例えばφ＝６０°では３．０倍、φ＝７０°では７．５倍、φ＝８０°では３２倍と傾斜角の増加とともに増大し、そしてφ＝９０°では∞となり測定不能になる。これをグラフに図示すると図１８のようになる。
【００７１】
【表１】
【００７２】
また、本出願人等による特許文献２の［数２］から、測定力Ｆｙと傾斜角φは下記の関係式（５）が成り立つ。
【００７３】
【数３】
【００７４】
φ＝４５°における測定力をＦｙ４５°とおくと、Ｆｙ４５°＝ｋ２δであるから、上式は下記の式（６）のように表すことができる。
【００７５】
【数４】
【００７６】
測定誤差δを一定にした場合、つまり測定精度を測定誤差δ以下にするために必要とされる要求測定力Ｆｙは、φ＝４５°における要求測定力Ｆｙ４５°の（ｃｏｓφ−μｓｉｎφ）／（ｔａｎφ（ｓｉｎφ−μｃｏｓφ））倍になっていることが分かる。例えば、摩擦係数μ≒０の極めて滑らかな面を測定した場合を想定すると、Ｆｙ＝Ｆｙ４５°・（ｔａｎφ）−２となるから、表２に示されるように、φ＝４５°における要求測定力Ｆｙ４５°を基準にしたときの傾斜角φの位置における要求測定力Ｆｙは、例えばφ＝６０°では０．３３倍、φ＝７０°では０．１３倍、φ＝８０°では０．０３倍と傾斜角の増加とともに小さくしていく必要があり、そしてφ＝９０°では０となり測定不能になる。これをグラフに図示すると図１９のようになる。
【００７７】
【表２】
【００７８】
つまり、本発明の形状測定装置やその方法を用いることで、従来方法では高い測定精度を満たすことが困難であった傾斜角が大きな斜面（例えば、６０°〜９０°）や、測定が不可能であった９０°を超える斜面において、高い測定精度を満たしながら測定することが可能である。また、従来方法では高い測定精度を満たすために、傾斜角の増加とともに測定力を小さく制御する必要があったが、本発明の形状測定装置やその方法を用いることで、傾斜角が大きな斜面においても高い測定精度を満たすために測定力を小さくする必要がなくなる。
【００７９】
また、本出願人等による特許文献２の［数３］に開示しているように、最大スキャンスピードｖｍａｘは下記の式（７）で与えられる。
【００８０】
【数５】
【００８１】
最大スキャンスピードｖｍａｘを向上させるためには、測定力Ｆｙを大きくするか、プローブシャフトの質量ｍを小さくする必要がある。従来例では、傾斜角が大きな斜面において高い測定精度を維持するために測定力Ｆｙを大きくすることはできなかったため、プローブシャフトの質量ｍを小さくする、つまりプローブを小型軽量に設計することが要求された。そのため、特殊な微細加工手段を用いたり、特殊な軽い材料を用いてプローブを設計したり、小さな測定力を制御できる高精度制御系を構成しなくてはいけないため、性能的に限界があり、またコスト高の原因となっていた。
【００８２】
これに対して本発明の装置および方法を用いると、最大スキャンスピードｖｍａｘを向上させるために、測定力Ｆｙを大きくすることも可能となるため、敢えて小型軽量の測定プローブを用いたり、小さな測定力を制御できる高精度制御系を用いる必要が無くなり、コスト削減へも寄与できる。
また、測定プローブとして同一性能のものを利用し、測定精度が一定となるように測定力Ｆｙを選んだ場合、本発明の装置および方法において４５°傾斜させた形状測定プローブを利用することで従来手段に対して傾斜角φ＝８０°では（２．０／０．０３１）１／２＝８．０倍の最大スキャンスピードが見込めることになる。
【００８３】
ここまで理論式をもとに議論を進めてきたが、実際の測定においては、傾斜角が大きな斜面の測定や測定力Ｆｙを小さくした場合は、静電気の影響などによってプローブ先端が跳ねる現象が起きたり、測定プローブの変位が一定値になるようにステージの位置決め制御を行うような測定システムの場合は位置決め動作が不安定になったりする場合があり、本発明の装置および方法を用いることで、測定の安定性が向上し、従来手段では測定精度が悪かったり測定不能であった急斜面の高精度測定を実現することが可能となった。
【００８４】
次に、上述した本発明の触針式形状測定装置に適した回転規制エアシリンダを説明する。
【００８５】
図２０は、本発明の回転規制エアシリンダの第１実施形態図である。この図に示すように、本発明の回転規制エアシリンダは、円筒形ピストン２２、中空円筒形のシリンダ２４、円筒形ロッド２６およびロッド案内部２８を備える。
円筒形ピストン２２は、軸方向に移動可能に構成されている。また、シリンダ２４は、円筒形ピストン２２を軸方向に移動可能に支持しかつ円筒形ピストン２２の両端部に圧縮空気を供給可能に構成されている。さらに、円筒形ロッド２６は、円筒形ピストン２２の一端面に偏心して連結され円筒形ピストン２２と同一方向に移動可能に構成されている。また、ロッド案内部２８は、円筒形ロッド２６を軸方向に移動可能に支持しシリンダ２４に連結されている。
円筒形ピストン２２は、円筒形ロッド２６より直径が大きく、その偏心量は、直径の和の１／２以下に規定されている。
またシリンダ２４とロッド案内部２８は、ピストン２２および円筒形ロッド２６をそれぞれ支持する非接触式の円筒空気軸受を備える。
【００８６】
すなわち、図２０において、軸１２は、一体に形成された上部の軸、中央部の円筒形ピストン２２及び下方の円筒形ロッド２６からなる。また、シリンダ２４とロッド案内部２８は、ハウジング２１、軸支持部１１及び空気軸受１５からなる。
【００８７】
この図において、内径の異なる２つ以上の摺動部の中心軸を上部中心軸１３と下部中心軸１４のようにずらした構造からなる軸支持部１１と、これに相応する外径の異なる中心軸をずらした構造からなる軸１２を備え、軸の回転が規制される。
軸支持部１１は空気軸受１５で構成され、低摩擦の軸１２の移動ができる。空気軸受１５へは空気軸受用空気供給ポート１８を介して空気を供給し、軸受の剛性を高く保つ。また、２つの摺動部の間にできる上部空気室１６と下部空気室１７へは、それぞれ上部空気室用空気供給ポート１９と下部空気室用空気供給ポート２０を介して空気を供給させることにより軸１２を上下に移動させることができる。
上部空気室１６および下部空気室１７へ供給した空気は空気軸受の隙間から排出されるが、それぞれに空気排出ポートを取り付けて空気の排出量の調整をすることもできる。上部空気室用空気供給ポート１９および下部空気室用空気供給ポート２０へ供給する空気圧を電空レギュレータで電気的に精密に調整させることにより、軸１２へ加わる力を精密に制御することができる。図２０において軸１２は上下へ移動する構造となっているが、左右あるいは斜めでも動作可能である。
また、３つある軸支持部１１および空気軸受１５のうち中央部は、円筒形ピストン２２とハウジング２１を極めて小さな隙間にすることにより省略することもできる。
【００８８】
図２１は、本発明の回転規制エアシリンダの第２実施形態図である。この例では、一般的なエアシリンダの構造となっており、軸支持部１１が接触式のすべり構造となっている。この軸支持部１１の構造および材質は低摩擦でありながら、空気のシール効果が高いものがよい。
【００８９】
図２２は、本発明の回転規制エアシリンダの第３実施形態図である。この図に示すように、本発明の回転規制エアシリンダは、円筒形ピストン２２、中空円筒形のシリンダ２４、円筒形ロッド２６およびロッド案内部２８をそれぞれ２以上備える。
円筒形ピストン２２は、軸方向に移動可能に構成されている。また、シリンダ２４は、円筒形ピストン２２を軸方向に移動可能に支持しかつ円筒形ピストン２２の一端面に圧縮空気を供給可能に構成されている。好ましくは、円筒形ロッド２６は、円筒形ピストン２２の一端面に同心で連結されている。さらに、円筒形ロッド２６は、円筒形ピストン２２の一端面に連結され円筒形ピストン２２と同一方向に移動可能に構成されている。また、ロッド案内部２８は、円筒形ロッド２６を軸方向に移動可能に支持しシリンダ２４に連結されている。円筒形ピストン２２は、円筒形ロッド２６より直径が大きい。またシリンダ２４とロッド案内部２８は、ピストン２２および円筒形ロッド２６をそれぞれ支持する非接触式の円筒空気軸受を備える。
これらの円筒形ピストン２２、中空円筒形のシリンダ２４、円筒形ロッド２６およびロッド案内部２８からなる構造体を２以上、それぞれの軸方向が平行となるように設置し、少なくとも１つが逆向きに動作するように、すなわち円筒形ピストン２２と円筒形ロッド２６が逆に取り付けられている。そして、これらの２以上の円筒形ピストン２２と円筒形ロッド２６は連結され連動して動作する。
【００９０】
この図の例では、内径の異なる２つ以上の摺動部の中心軸が一致する軸支持部１１とこれに相応する軸１２を、２以上軸が平行になるように設置し、それぞれの軸を連結した構造からなる軸連結体４１を備え、軸の回転が規制される。
軸支持部１１は空気軸受１５で構成され、低摩擦の軸１２の移動ができる。空気軸受１５へは空気軸受用空気供給ポート１８を介して空気を供給し、軸受の剛性を高く保つ。また、２つの摺動部の間にできる左部空気室４２と右部空気室４３へは、それぞれ左部空気室用空気供給ポート４４と右部空気室用空気供給ポート４５を介して空気を供給させることにより軸連結体４１を上下に移動させることができる。
左部空気室４２および右部空気室４３へ供給した空気は空気軸受の隙間から排出されるが、それぞれに空気排出ポートを取り付けて空気の排出量の調整をすることもできる。左部空気室用空気供給ポート４４および右部空気室用空気供給ポート４５へ供給する空気圧を電空レギュレータで電気的に精密に調整させることにより、軸連結体４１へ加わる力を精密に制御することができる。図２２において軸連結体４１は上下へ移動する構造となっているが、左右あるいは斜めでも動作可能である。
【００９１】
図２３は、本発明の回転規制エアシリンダの原理説明図であり、本発明の回転規制エアシリンダにおいて、軸ずらし量ｘ０と摺動部の径方向のクリアランスδｒと回転角φの関係を示している軸ずらしモデル図である。
エアシリンダ軸において円筒形ピストン２２の中心軸３０に対して円筒形ロッド２６が回転するモデルを考える。軸方向に断面は等しいので二次元断面モデルで考える。円筒形ピストン２２と円筒形ロッド２６の中心軸同士の距離、つまり軸ずらし量をｘ０、円筒形ロッド２６の半径をｒ、径方向の移動可能量をδｒとして、円筒形ピストン２２が中心軸３０に対して回転誤差を生じた場合の回転角をφとする。円筒形ロッド２６の軸表面上の任意の点Ｐ（ｘ，ｙ）、径方向の移動可能領域の境界線上の任意の点Ｑ（ｘ'，ｙ'）では下記の式（８）（９）が成り立つ。
【００９２】
【数６】
【００９３】
また、点Ｐを中心軸３０（図では原点Ｏ）に対して角度φ回転させた点Ｒ（Ｘ，Ｙ）では下記の式（１０）が成り立つ。
【００９４】
【数７】
【００９５】
点Ｑと点Ｒを同時に満たし、一点で交わるとき、下記の関係式（１１）が成り立つ。
【００９６】
【数８】
【００９７】
つまり、回転角φは下記の式（１２）ように示される。
【００９８】
【数９】
【００９９】
｜φ｜＜＜１、｜δｒ／ｘ０｜＜＜１の条件下では下記の式（１３）ように近似できる。
【０１００】
【数１０】
【０１０１】
例えば、δｒ＝１０μｍと固定してｘ０を変化させたとき、ｘ０＝１０μｍではφ＝６０°、ｘ０＝０．１ｍｍではφ＝５．７°、ｘ０＝１ｍｍではφ＝０．５７°となり、ｘ０の増加とともに回転規制効果が顕著に現れ、軸ずらし量ｘ０＝１ｍｍ程度でもかなりの回転規制効果があることが分かる。
【０１０２】
図２４は、本発明の回転規制エアシリンダの第４実施形態図である。この例では、円筒形ピストン２２の軸方向変位を測定する変位測定手段２３と、円筒形ロッド２６に連結され被測定物の表面に接触するスタイラス２７とを備え、全体として触針式形状測定装置の測定プローブを構成している。
すなわち、本発明の回転規制エアシリンダの軸１２の両端にスタイラス２７と変位測定手段２３を接続した構造となっている。スタイラス２７の先端を被測定物表面に接触させたとき、軸１２の変位を変位測定手段２３によって検出することで、被測定物表面の凹凸を測定する。
【０１０３】
図２５は、本発明の回転規制エアシリンダの第５実施形態図である。本発明の回転規制エアシリンダの軸連結体４１にスタイラス２７と変位測定手段２３を接続した構造となっている。軸連結体４１は２以上の軸１２を連結した構造からなるため、重量が重くなり、測定プローブとして使用した場合に、応答性が落ちることが懸念される。しかしながら、軸１２と変位測定手段２３を平行に並べて配置することが可能なため、測定プローブの長さを小さく設計でき、微小な光学素子用の加工機上に設置する場合など、加工機の移動可能範囲が狭く限定される場合には有効である。
【０１０４】
変位測定手段としては図２４や図２５で示されているようにリニアスケールを用いる他、軸１２の端面や軸連結体４１に鏡を貼り付け、レーザ変位計やレーザ測長器を用いて非接触で軸１２や軸連結体４１の変位を測定する方法がある。こうすることにより、軸１２や軸連結体４１の重量を軽量化でき、応答性を高めることができる。スタイラス２７の中心軸と変位測定手段２３の測定軸を一致させることにより、Ａｂｂｅの原理に基づく高精度な測定が実現できる。
【０１０５】
図２４や図２５において軸１２や軸連結体４１は上下へ移動する構造となっているため、軸１２および軸連結体４１に加わる重力よりも小さな測定力が要求される場合は、下部空気室用空気供給ポート２０あるいは左部空気室用空気供給ポート４４を介して空気を下部空気室１７あるいは左部空気室４２へ供給させ軸１２あるいは軸連結体４１を上方向へ持ち上げることにより、重力をキャンセルさせることができる。これだけでも重力の影響を取り除いた低測定力による測定が実現できるため、上部空気室１６および上部空気室用空気供給ポート１９、右部空気室４３、右部空気室用空気供給ポート４５は省略することも可能である。
【０１０６】
しかしながら、一般的に電空レギュレータの分解能はフルスケールの１／１０００程度であるため、例えば質量が５０ｇの軸１２に加わる重力をキャンセルさせて０ｇとする場合は、フルスケールが５０ｇとなり、分解能はおよそ５０ｍｇとなるため、測定力として５０ｍｇｆ以下を制御することは困難となる。このような場合に、上部空気室１６あるいは左部空気室４２へ供給する空気圧を、例えばフルスケール５ｇとなるように調整することで、分解能を５ｍｇまで向上させることができる。つまり、下部空気室１７あるいは右部空気室４３へ供給する空気圧によって測定力の粗調整を行い、上部空気室１６あるいは左部空気室４２へ供給する空気圧によって測定力の微調整を行うといった方法である。こういった方法を利用することで、プローブの取付方向は上下のみならず左右あるいは斜めでも動作可能となる。
【０１０７】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】本発明の触針式形状測定装置の第１実施形態図である。
【図２】本発明の触針式形状測定装置の第２実施形態図である。
【図３】本発明の触針式形状測定装置の第３実施形態図である。
【図４】本発明の触針式形状測定装置の第４実施形態図である。
【図５】本発明の触針式形状測定装置の第４実施形態におけるプローブ部の第１実施形態図である。
【図６】本発明の触針式形状測定装置の第４実施形態におけるプローブ部の第２実施形態図である。
【図７】本発明の触針式形状測定装置の第４実施形態におけるプローブ部の第３実施形態図である。
【図８】本発明の触針式形状測定方法の概念図である。
【図９】本発明の触針式形状測定方法の第１実施形態を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の触針式形状測定方法による測定結果である。
【図１１】従来の手法による測定結果である。
【図１２】本発明の触針式形状測定方法の第２実施形態を示すフローチャートである。
【図１３】同心円状の形状測定の軌跡を示す図である。
【図１４】放射線状の形状測定の軌跡を示す図である。
【図１５】螺旋状の形状測定の軌跡を示す図である。
【図１６】本発明の触針式形状測定方法の第３実施形態を示すフローチャートである。
【図１７】本発明の触針式形状測定方法の第４実施形態を示すフローチャートである。
【図１８】傾斜角φと測定誤差δとの関係図である。
【図１９】傾斜角φと測定力Ｆｙとの関係図である。
【図２０】本発明の回転規制エアシリンダの第１実施形態図である。
【図２１】本発明の回転規制エアシリンダの第２実施形態図である。
【図２２】本発明の回転規制エアシリンダの第３実施形態図である。
【図２３】本発明の回転規制エアシリンダの原理説明図である。
【図２４】本発明の回転規制エアシリンダの第４実施形態図である。
【図２５】本発明の回転規制エアシリンダの第５実施形態図である。
【図２６】特許文献１の装置の構成図である。
【図２７】特許文献２の装置の構成図である。
【図２８】特許文献３の装置の構成図である。
【図２９】特許文献５の装置の構成図である。
【符号の説明】
【０１０９】
１ 斜軸測定プローブ、２ 直軸測定プローブ、３ 被測定物
４ 位置移動手段、５ 位置検出手段、６ 回転手段、７ 回転角検出手段
８ コンピュータ、９ ＮＣ制御装置、１０ 固定具
１１ 軸支持部、１２ 軸、１３ 上部中心軸、１４ 下部中心軸
１５ 空気軸受、１６ 上部空気室、１７ 下部空気室
１８ 空気軸受用空気供給ポート
１９ 上部空気室用空気供給ポート、２０ 下部空気室用空気供給ポート
２１ ハウジング、２２ 円筒形ピストン
２３ 変位測定手段、２４ シリンダ
２６ 円筒形ロッド、２７ スタイラス
２８ ロッド案内部
３１ 測定力制御装置、３２ 電空レギュレータ
３３ 圧縮空気供給源、３４ 空気流路
３５ 角度調整機構
４１ 軸連結体、４２ 左部空気室、４３ 右部空気室
４４ 左部空気室用空気供給ポート、４５ 右部空気室用空気供給ポート
４６ 左部中心軸、４７ 右部中心軸
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物の形状を測定するための触針式形状測定装置及び方法とこれに適した回転規制エアシリンダに関する。
【背景技術】
【０００２】
触針式形状測定装置は、測定プローブの先端を被測定物の表面に接触させてその形状を測定する装置である。この装置の測定プローブは、例えばリニアボールベアリング又はエアースライドで軸方向に移動可能に支持され、かつバネや空気圧でプローブを被測定物に向けて与圧を与え、この状態で測定プローブの変位量を、光学式スケール、磁気スケール、干渉測長光学系等によって測定するものである。
【０００３】
近年、携帯電話のＣＣＤカメラ用レンズやＤＶＤ用のピックアップレンズなどの小型非球面光学素子は、設計上の要請から急勾配をもつ形状が増加している。なかには、７０°以上という急勾配をもった光学素子もあり、表面は極めて滑らかな鏡面であり、かつ０．１μｍ以下の高い計測精度が要求される。
【０００４】
しかし、このような光学素子の形状測定において、触針式形状測定装置は、測定面の傾斜角が大きくなる（例えば６０°を超える）と測定が不安定になったり、測定誤差が増加したりするため、安定して高精度に形状測定することが困難になることが知られている。
【０００５】
そこでこの問題点を解決するために、特許文献１〜５が既に提案されている。
【０００６】
特許文献１の「プローブ走査型形状測定装置及び方法」は、図２６に示すように、回転台５７、角度測定手段５８、移動台５９、変位測定手段５４、５５、５６を設け、被測定面５１ａの一測定断面を回転台５７を回転して測定し、次に、移動台５９でｘ，ｚ方向に若干変位させ、同じ測定断面を２回以上Ｎ回測定するものである。
【０００７】
特許文献２の「触針式形状測定センサとこれを用いたＮＣ加工装置および形状測定方法」は、図２７に示すように、被測定物に向けて付勢するプローブヘッド６０と、接触子の変位を計測するレーザ干渉変位計（図示せず）とを備え、プローブヘッド６０の中間部に段差６１ａ，６１ｂとを有するプローブシャフト６２と、段差の前後を支持する気体軸受６４ａ，６４ｂとを備え、段差部に供給する別の圧縮空気により段差部の面積差で被測定物へ向かう付勢力を所定範囲の微小荷重に一定に保持するものである。
【０００８】
特許文献３の「接触式表面形状測定装置及び測定方法」は、図２８に示すように、プローブの接触によって被測定物体表面に生じる水平方向接触力を推定する手段と、その鉛直方向接触力を検出する手段と、各測定位置における傾斜角度情報を検出する手段と、倣い動作時に発生する垂直抗力が一定となるように鉛直方向接触力を制御する手段とを備えるものである。
【０００９】
特許文献４の「形状測定方法及び装置」は、プローブが下がり方向に移動していることを認識した場合の測定値を選択し、この測定値から被測定物の表面形状を測定するものである。
【００１０】
特許文献５の「エアベアリングシリンダ」は、プローブヘッドに適用可能な高精度と高い応答性を得ることを目的とし、図２９に示すように、第１及び第２の圧力作用部７１、７２をロッド７３の長手方向に沿って段違いに配置するとともに、両圧力作用室間にロッドに対して加圧エアを噴出する流体圧シール機構を配設したものである。
【００１１】
【特許文献１】特開平７−１８１０３７号公報、「プローブ走査型形状測定装置及び方法」
【特許文献２】ＷＯ００／５２４１９号公報、「触針式形状測定センサとこれを用いたＮＣ加工装置および形状測定方法」
【特許文献３】特開２００５−３７１９７号公報、「接触式表面形状測定装置及び測定方法」
【特許文献４】特開２００５−１５６２３５号公報、「形状測定方法及び装置」
【特許文献５】特開２００１−２７１８０８号公報、「エアベアリングシリンダ」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
一般的に触針式プローブを用いて傾斜面を測定する場合、特許文献２に記載されているように、プローブを被測定物へ押し付ける測定力、斜面からの垂直抗力、および測定時の摩擦力によって、プローブ軸はすべり誤差と傾き誤差をもち、これが高さ方向の誤差となって表れる。
【００１３】
傾斜角が増加すればするほど、この誤差も急激に大きくなるため、この誤差を小さく抑えるためには測定力を小さくする以外に手段は無かった。しかしながら、測定力を小さく制御するためには、微小な測定力を発生させる機構が必要となるばかりでなく、測定の安定性を増すために応答速度を上げる必要があり、そのためにはプローブ軸の質量を小さくする必要があった。
【００１４】
プローブ軸の質量を小さくするためにはプローブ軸を細く短くする必要があるが、アキシャル方向の軸受剛性は高く保たなければいけないので、構造的に限界がある。
このように、従来の手段で急勾配の斜面を高精度に測定するには限界があるため、（１）特許文献４のようにスキャン方向を下り方向に限定する手段、（２）特許文献３のように垂直抗力が一定となるように測定力を制御させる手段、（３）特許文献１のように回転軸を用いてプローブの角度を変化させる手段、等が提案されているが、測定精度の面で根本的な解決には至っていない。
【００１５】
また、汎用の三次元測定器などで多く用いられているタッチプローブは、測定力を極めて小さく制御することが困難であるため、測定精度の面から超精密形状測定装置に利用することはできない。
【００１６】
一方、触針式形状測定装置の測定プローブや半導体チップマウント装置のように、超精密加工・超精密測定のアプリケーションでは、エアシリンダの摺動抵抗を小さくし高い位置決め精度を実現することが要求され、かつ、エアシリンダ軸に不安定動作を引き起こす要因があってはならない。
【００１７】
一般的なエアシリンダは加工の容易さから断面が円形である円筒形状をしているが、円筒形状ではエアシリンダ軸が回転してしまい、精密位置決めを行う上で問題となる。
そのため、従来は滑りキーのような回転止め機構を付加したり、特許文献５のように、エアシリンダ軸の断面を多角形（三角形や四角形など）の回転しない形状にする手段がとられていた。しかしながら、回転止め機構を付加するとエアシリンダ軸の重量が重くなるため、高速動作が要求されるアプリケーションでは応答速度が落ちてしまい不都合が生じる。また、断面を回転しない多角形にすると加工や組立作業が複雑になるため、職人による手作業が必要で、大量生産は困難であり、コスト高になってしまう。
【００１８】
本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の第１の目的は、測定面の傾斜角が大きい場合でも、安定した測定が可能であり、測定誤差の増加を抑制して、安定かつ高精度に形状測定することができる触針式形状測定装置とその方法を提供することにある。
また、本発明の第２の目的は、触針式形状測定装置に適しており、軸回りに回転せず、摺動抵抗を小さくし高い位置決め精度を実現することができ、加工及び組立が容易であり、職人による手作業が不要であり、大量生産が可能であり、コストを低減できる回転規制エアシリンダを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記第１の目的を達成するために、本発明によれば、測定プローブのプローブ軸の先端を被測定物の表面に接触させ、被測定物の形状を測定する触針式形状測定装置において、
軸方向が被測定物の設置面の垂直方向に対して一定角度傾斜して設置された斜軸測定プローブを備える、ことを特徴とする触針式形状測定装置が提供される。
【００２０】
本発明の好ましい実施形態によれば、さらに、軸方向が被測定物の設置面の垂直方向に平行に設置された直軸測定プローブを備える。
【００２１】
また、被測定物を加工する加工機上に設ける、ことが好ましい。
【００２２】
前記斜軸測定プローブの傾斜角度は、被測定物の設置面の垂直方向に対して３０°以上、９０°以下である、ことが好ましい。
【００２３】
空気圧によって測定プローブの測定力を制御する測定力制御装置を備える、ことが好ましい。
【００２４】
被測定物の設置面の垂直方向に対して、測定プローブの軸が傾斜する角度を調節する角度調整機構を備える、ことが好ましい。
【００２５】
また、本発明によれば、測定プローブのプローブ軸の先端を被測定物の表面に接触させ、被測定物の形状を測定する触針式形状測定装置において、
測定プローブのプローブ軸を被測定物の設置面の垂直方向に対して一定角度傾斜して設置し、測定プローブで測定する範囲がプローブ軸に対して±６０°以内である、ことを特徴とする触針式形状測定方法が提供される。
【００２６】
また、本発明によれば、測定プローブのプローブ軸の先端を被測定物の表面に接触させ、被測定物の形状を測定する触針式形状測定装置において、
２以上の測定プローブのプローブ軸を被測定物の設置面の垂直方向に対して異なる角度で設置し、それぞれの測定プローブで測定する範囲がプローブ軸に対して±６０°以内であり、これらの複数の測定データをつなぎ合わせることで全体形状を求める、ことを特徴とする触針式形状測定方法が提供される。
【００２７】
本発明の好ましい実施形態によれば、測定プローブのプローブ軸を被測定物の設置面に沿って移動する位置移動手段と、被測定物をその設置面の垂直方向軸を中心に回転する回転手段とを備え、
位置移動手段と回転手段を交互にあるいは同時に制御して、被測定物の形状を同心円状あるいは放射線状あるいは螺旋状に測定する。
【００２８】
また、本発明によれば、供給される圧縮空気により測定プローブを被測定物に接触させる測定プローブ付勢機構を備え、
この測定プローブ付勢機構に供給される圧縮空気の圧力を制御しながら形状を測定する。
【００２９】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記圧縮空気の圧力を、鉛直方向に対する測定プローブの設置角度、又は、被測定物と測定プローブとの接触及び非接触に応じて変化させる。
【００３０】
被測定物と測定プローブとを離れた位置から測定点へ接触させ、プローブ軸の変位が一定値となる位置の三次元座標値を検出し、再び測定プローブを被測定物から離し次の測定点へ移動させる、というプロセスを繰り返し行うことで三次元的な形状を測定する、ことが好ましい。
【００３１】
また上記第２の目的を達成するために、本発明によれば、軸方向に移動可能な円筒形ピストンと、該円筒形ピストンを軸方向に移動可能に支持しかつ円筒形ピストンの両端部に圧縮空気を供給可能な中空円筒形のシリンダと、円筒形ピストンの端面に偏心して連結され円筒形ピストンと同一方向に移動可能な円筒形ロッドと、該円筒形ロッドを軸方向に移動可能に支持し前記シリンダに連結されたロッド案内部とを備える、ことを特徴とする回転規制エアシリンダが提供される。
【００３２】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記円筒形ピストンは、円筒形ロッドより直径が大きく、その偏心量は、直径の和の１／２以下に規定されている。
【００３３】
また、本発明によれば、軸方向に移動可能な円筒形ピストンと、該円筒形ピストンを軸方向に移動可能に支持しかつ円筒形ピストンの端部に圧縮空気を供給可能な中空円筒形のシリンダと、円筒形ピストンの端面に連結され円筒形ピストンと同一方向に移動可能な円筒形ロッドと、該円筒形ロッドを軸方向に移動可能に支持し前記シリンダに連結されたロッド案内部とからなるエアシリンダを、これらの円筒形ロッドの軸方向が平行となるように複数備え、
少なくとも一つのエアシリンダの、圧縮空気の供給による動作方向と、その他のエアシリンダの、圧縮空気の供給による動作方向とが、逆向きになるように、前記複数のエアシリンダは配置されており、
それぞれの円筒形ピストンおよび円筒形ロッドは連動するように連結されている、ことを特徴とする回転規制エアシリンダが提供される。
【００３４】
前記シリンダとロッド案内部は、ピストンおよび円筒形ロッドをそれぞれ支持する非接触式の円筒空気軸受又は接触式の円筒すべり構造を備える。ことが好ましい。
【００３５】
前記円筒形ピストンの軸方向変位を測定する変位測定手段と、円筒形ロッドに連結され被測定物の表面に接触するスタイラスとを備える、ことが好ましい。
【発明の効果】
【００３６】
上記本発明の装置及び方法によれば、軸方向が被測定物の設置面の垂直方向に対して一定角度傾斜して設置された斜軸測定プローブと、軸方向が被測定物の設置面の垂直方向に平行に設置された直軸測定プローブとを備え、これらの複数の測定データをつなぎ合わせることで全体形状を求めるので、傾斜角が６０°を超える急勾配を持った光学素子の形状測定においても、安定して高精度に形状測定することが可能となる。
【００３７】
また、上記本発明のエアシリンダは、円筒形ピストンと円筒形ロッドが偏心して連結されているので、軸の回転止め機構を付加させること無く、軸の断面形状を三角形や四角形などの回転しない形状にすることなく、回転を規制することができる。
また、軸の回転止め機構がなく、エアシリンダ全体を小型・軽量化することができ、円筒形ロッドの重量も軽量化できるため、高速動作させることができる。さらに、軸の回転止め機構が無く、軸の断面形状も円形であるため、構造を簡単にでき、組立作業も容易で、職人を必要とせず、コストを下げることができる。
さらに、複数のエアシリンダを、これらの円筒形ロッドの軸方向が平行となるように配置し、それぞれの円筒形ピストンおよび円筒形ロッドを連動するように連結することでも、軸の回転止め機構を付加させること無く、軸の断面形状を三角形や四角形などの回転しない形状にすることなく、軸の回転を規制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００３９】
図１は、本発明の触針式形状測定装置の第１実施形態図である。本発明の触針式形状測定装置は、測定プローブのプローブ軸の先端を被測定物３の表面に接触させ、被測定物３の形状を測定する装置である。
なお、測定プローブを用いた測定方式には、（１）測定プローブがその軸方向に移動し、その移動量（変位）と位置の座標値から形状を求める方式と、（２）プローブ軸がその軸方向に移動しない（変位が０となる）ように位置移動手段を制御し、その座標値から形状を求める方式とがある。さらにそれぞれにおいて、（Ａ）測定プローブと被測定物とが接触した状態で、測定プローブが被測定物表面に倣って移動し、連続して複数の座標値を取得する方式と、（Ｂ）測定点一点ごとに測定プローブと被測定物の接触／非接触動作を繰り返し、離散的に複数の座標値を取得する方式とがある。本発明の触針式形状測定装置は、このすべての方式に適用可能である。
【００４０】
この図に示すように、本発明の触針式形状測定装置は、軸方向が被測定物３の設置面の垂直方向（図１上下方向）に対して一定角度傾斜して設置された斜軸測定プローブ１を備える。なお、本発明において「設置面の垂直方向」とは、被測定物を設置する際の基準面に対して垂直（法線）方向を意味し、被測定物が回転軸対称形状の場合は回転軸方向を意味する。
【００４１】
斜軸測定プローブ１は、位置移動手段４および回転手段６を用いて被測定物３との相対距離と姿勢を変えることができる。位置移動手段４および回転手段６はコンピュータ８によって制御され、位置決めが行われる。また、現在の位置情報は位置検出手段５および回転角検出手段７によって検出され、コンピュータ８に送信される。コンピュータ８では、位置移動手段４および回転手段６を位置指令値に移動させる制御と、位置検出手段５および回転角検出手段７から得られる現在位置データの取り込み、および斜軸測定プローブ１の変位データの取り込みを同時に行うことにより、形状の測定を行う。
【００４２】
なお、回転手段６および回転角検出手段７は、斜軸測定プローブの数や設置角度、そして要求精度によって必要な場合と不要な場合が考えられる。また形状を測定する際には、位置移動手段４は２軸を制御することにより、被測定物３の形状に倣って移動させる手段と、触針式プローブの変位軸を利用することにより、位置移動手段４は１軸のみ利用する手段がある。
【００４３】
図２は、本発明の触針式形状測定装置の第２実施形態図である。この例では、斜軸測定プローブ１の他に被測定物３の設置面の垂直方向に平行に設置した直軸測定プローブ２を備える。斜軸測定プロ−ブ１および直軸測定プローブ２は、位置移動手段４および回転手段６を用いて被測定物３との相対距離や姿勢を変えることができる。直軸測定プローブ２を利用すると斜軸測定プローブ１のみの場合と比べて、被測定物３の中心部分での測定データの精度を向上させることができる。
【００４４】
図３は、本発明の触針式形状測定装置の第３実施形態図である。この例では、被測定物を加工する加工機上に本発明の触針式形状測定装置を設ける。加工機上で形状測定を行う場合、加工機の位置決め制御は専用のＮＣコントローラ９で行う場合が多い。そのためコンピュータ８では、ＮＣコントローラ９への位置指令値の出力、位置検出手段５および回転角検出手段７から得られる現在位置データの取り込み、および斜軸測定プローブ１あるいは直軸測定プローブ２の変位データの取り込みを同時に行う。位置検出手段５および回転角検出手段７から得られる現在位置データは、コンピュータ８とＮＣコントローラ９へ並列に出力することで、位置決め制御と現在位置データの取得が同時にできるため、高速測定を実現することができる。
【００４５】
図４は、本発明の触針式形状測定装置の第４実施形態図である。この例では、空気圧によって測定プローブの測定力を制御できる測定力制御装置３１を備える。測定力制御機構３１は、圧縮空気供給源３３と、圧縮空気の圧力の指令値を出力するコンピュータ８と、コンピュータ８からの前記指令値に基づいて、圧縮空気供給源３３からの圧縮空気の圧力を調節する電空レギュレータ３２と、圧縮空気供給源３３から電空レギュレータ３２を介して供給される圧縮空気により測定プローブ１を被測定物へ付勢して被測定物に接触させる測定プローブ付勢機構３７と、から構成される。なお、測定プローブ付勢機構３７は、例えば、後述する回転規制シリンダ、図２７や図２９に記載した機構、又は、他の適切な機構であってもよい。なお、図４において、斜軸測定プローブ１、位置移動手段４、位置検出手段５とコンピュータ８との間のデータ配線は図１と同様であるため省略している。
この構成により、圧縮空気供給源３３から供給される圧縮空気の圧力を、コンピュータ８からの指令値に基づき電空レギュレータ３２で制御して測定プローブ付勢機構３７へと供給する。また、測定プローブ付勢機構３７への供給空気圧力の実測値を電空レギュレータ３２からコンピュータ８へ取り込むこともできる。つまり、コンピュータ８では位置移動手段４を位置指令値に移動させる制御と、位置検出手段５から得られる現在位置データの取り込み、および斜軸測定プローブ１の変位データの取り込み、そして電空レギュレータ３２を介して測定力の制御と監視を同時に行うことにより、形状の測定を行う。これにより、極めて小さな一定の測定力を与えることができる。
また、測定プローブの設置角度によって重力の影響により測定力が変化してしまう問題があるが、測定プローブの設置角度に応じて、測定プローブ付勢機構３７へ供給する圧縮空気の圧力を変化させることで、この問題を回避できる。
さらに、測定プローブ１が上述の位置移動手段４又は回転手段６により移動させられている非測定時においては、測定プローブ付勢機構３７へ供給する圧縮空気の圧力を、測定時よりも高くする。これにより、高速移動によるプローブスケールの飛びや破損といった問題からプローブを保護することができる。
このような測定力制御装置３１は図１〜３の触針式形状測定装置に適用することができる。
【００４６】
図５は、本発明の触針式形状測定装置の第４実施形態におけるプローブ部の第１実施形態図である。この例では、触針式形状測定装置は、測定プローブ１の角度を調節して所望の角度に保持する２軸の角度調整機構３５を備える。
この角度調整機構３５は、例えば、測定プローブ１の支持体を回転軸Ａの周りに回転可能に支持する支持部材３５ａと、測定プローブ１を回転軸Ａの周りに回転させる第１駆動モータ３５ｂと、測定プローブ１の支持体、支持部材３５ａ及び第１駆動モータ３５ｂを一体的に回転軸Ｂの周りに回転させる第２駆動モータ３５ｃと、から構成される。
角度調整機構３５を用いることで少ない数のプローブで様々な形状の測定に対応できる。
【００４７】
図６は、本発明の触針式形状測定装置の第４実施形態におけるプローブ部の第２実施形態図である。この例では、１つの直軸測定プローブと１つの斜軸プローブの角度を調節して所望の角度に保持する１軸の角度調整機構３５’を備える。
この角度調整機構３５’は、例えば、直軸測定プローブ２の支持体と斜軸プローブ１の支持体が固定されている支持部材３５ａ’と、支持部材３５ａ’を回転軸Ｂの周りに回転させる駆動モータ３５ｂ’を備える。
【００４８】
図７は、本発明の触針式形状測定装置の第４実施形態におけるプローブ部の第３実施形態図である。この例では、触針式形状測定装置は、１つの直軸プローブと４つの斜軸プローブを備える。例えば、図７に示すように、１つの直軸プローブの支持体と４つの斜軸プローブの支持体が支持部材３６に固定されている。
【００４９】
図８（Ａ）（Ｂ）は、本発明の触針式形状測定方法の概念図である。従来例（図８Ａ）のように１つの直軸測定プローブのみによる測定では、±９０°の斜面の測定を想定した場合、測定が良好にできる範囲（およそ±６０°の範囲）、測定はできるが測定精度が悪い範囲（およそ±６０°〜±７５°の範囲）、測定が不能な範囲（およそ±７５°〜±９０°の範囲）のように分類される。
本発明の方法（図８Ｂ）では、１つのプローブで測定する範囲を例えば±６０°以内、つまり測定が良好にできる範囲内に限定し、角度を変えて設置した複数のプローブ１、２を用いて測定データを取得し、測定データをつなぎ合わせることで全体形状を求めるため、広い角度範囲において高精度な測定精度を維持することが可能である。
【００５０】
図９は、本発明の触針式形状測定方法の第１実施形態を示すフローチャートである。この図に示すように、本発明の方法では、２以上の測定プローブ１、２のプローブ軸を被測定物３の設置面の垂直方向に対して異なる角度で設置し、それぞれの測定プローブ１、２で測定する範囲がプローブ軸に対して±６０°以内であり、これらの複数の測定データをつなぎ合わせることで全体形状を求める。
【００５１】
すなわち、例えば軸対称非球面光学素子（被測定物３）の形状測定を想定した場合、中心を通る断面形状を測定したいので、ステップＳ１において、まず直軸測定プローブ２を用いてセンタリングを行い、プローブ中心が被測定物３の中心位置にくるように位置移動手段４を制御する。制御方法は、プローブを用いて被測定物３の表面の何点かを測定し、それらの点を被測定物３の設計形状にフィッティングさせ、中心位置のずれを計算し、その分位置移動手段４を移動させる。この作業を何度か繰り返し、中心位置のずれがある値以下になったら、センタリングを終了させる。
【００５２】
次に、ステップＳ２において、直軸測定プローブ２を用いて形状の測定を行う。例えば、±４５°の範囲の測定を行う。
同様にステップＳ３、Ｓ４において、斜軸測定プローブ１を用いて、センタリング、形状測定を行う。例えば、斜軸測定プローブ１は４５°傾斜させて設置し、そこから±４５°の範囲、つまり０°〜９０°の範囲の測定を行う。
【００５３】
次に、ステップＳ５、Ｓ６、Ｓ７において、回転手段６を用いて被測定物を１８０°回転させた後、同様に斜軸測定プローブ１を用いて、センタリング、形状測定を行う。この作業により、−９０°〜０°の範囲の測定ができ、３つの測定データを用いると±９０°の範囲の形状の評価ができる。±４５°の範囲はデータが重複するため、ステップＳ８において、この部分においてフィッティングを行うことで、被測定物３を移動させた際の姿勢変化による誤差成分を取り除くことができる。
【００５４】
図１０は、図９に示されるフローチャートの一部を利用して測定した測定結果である。本測定では、図９中のＳ３、Ｓ４のプロセスを用いて球形状をしたサンプルの形状測定データを示している。測定プローブは４５°に傾斜させて設置し、その角度から±５０°、つまり−５°〜＋９５°の範囲の測定を行った。従来手法では測定が困難、あるいは不可能であった傾斜角をもつ領域の測定が、本手法では良好に行うことができた。
【００５５】
図１１は、図１０で得られた測定データを球面フィッティングして形状誤差を求めた評価データである。従来手法のように直交座標軸方向に偏差量を計算する方法では、＋９０°近傍で偏差量の計算ができなくなるため、測定プローブ軸方向に偏差量の計算を行った。
【００５６】
図１２は、本発明の触針式形状測定方法の第２実施形態を示すフローチャートである。この例では、測定プローブのプローブ軸を被測定物の設置面に沿って移動する位置移動手段と、被測定物をその設置面の垂直方向軸を中心に回転する回転手段とを備え、位置移動手段と回転手段を交互にあるいは同時に制御して、被測定物の形状を同心円状あるいは放射線状あるいは螺旋状に測定する。
【００５７】
すなわち、本発明の触針式形状測定装置を被測定物を加工する加工機上に設け、軸対称非球面形状を機上計測する場合は、被測定物３が加工機上で回転手段６を回転させながら加工されたものであることから、被測定物３の回転中心軸と、回転手段６の回転中心軸が一致するため、位置移動手段４と回転手段６を用いて位置決めを行い、位置検出手段５と回転角検出手段７からのデータ、そしてプローブ変位データを用いて、被測定物の三次元的な面形状を測定できる。
【００５８】
この図において、ステップＳ１１、Ｓ１２において、回転手段６を動作させながら測定データを収集し、位置移動手段４と回転手段６を交互に動作させると、図１３のように、同心円状の形状測定ができる（Ｓ１３）。また、ステップＳ２１、Ｓ２２において、位置移動手段４を動作させながら測定データを収集し、位置移動手段４と回転手段６を交互に動作させると、図１４のように、放射線状の形状測定ができる（Ｓ２３）。さらに、ステップＳ３１において、位置移動手段４と回転手段６を同期させて動作させながら測定データを収集すると、図１５のように、螺旋状の形状測定ができる（Ｓ３２）。全ての手段において、初めにセンタリング（Ｓ１０）を行っておけば、被測定物３の回転に応じてセンタリングをやり直す必要がないので、短時間に三次元形状を測定できる。
【００５９】
図１６は、本発明の触針式形状測定方法の第３実施形態を示すフローチャートである。測定開始とともに、測定プローブを測定開始点まで移動させる接近動作に入るが、測定時間短縮のためにはこの接近動作はなるべく速い速度で行うのが望ましい。しかしながら、大きな速度変化によってプローブ軸の動きが許容速度範囲を超えてエラーが出てしまったり、プローブ軸がストッパーに激しく衝突して破損したりするのを防ぐために、測定開始点の近傍まではエアシリンダの空気圧を高く設定してプローブ軸が外力によって不安定動作しないよう強く保持する。その後、被測定物形状に倣って連続多点測定を行っている間は、エアシリンダへの空気圧は小さく設定して測定力を極めて小さくすることで高精度測定を実現する。測定データの収集が終了したら、エアシリンダへの空気圧を再び大きく設定し、測定終了点からの退避動作を迅速に行う。これらの動作は斜軸プローブ１および直軸プローブ２のそれぞれの測定において行う。
【００６０】
図１７は、本発明の触針式形状測定方法の第４実施形態を示すフローチャートである。測定開始とともに、測定プローブを第１測定点まで移動させる接近動作に入るが、第１測定点の近傍まではエアシリンダの空気圧を高く設定してプローブ軸が外力によって不安定動作しないよう強く保持する。その後、第１測定点の測定においては、測定プローブ先端と被測定物表面を接触させ、エアシリンダへの空気圧は小さく設定して測定力を極めて小さくした状態で、測定プローブと被測定物との相対距離を近付け、エアシリンダ軸の変位がある一定値となる位置座標値を取り込む。この際、エアシリンダ軸の動きが行きと帰りの逆方向の動きにおいて得られた点の座標値を平均化したり、エアシリンダ軸の変位が一定となる位置でしばらく静止して数点の座標を取り込み平均化してもよい。あるいは、測定プローブ先端と被測定物表面を接触させた状態で、測定プローブと被測定物との相対距離を近付けている間の三次元座標値とプローブ変位を連続で取り込み、これらのデータから接触点の座標値を求めてもよい。第１測定点の測定が終了したら、エアシリンダへの空気圧を再び大きく設定し、測定終了点からの退避動作を迅速に行う。このプロセスをｎ個の測定点において繰り返し行うことで形状測定を行う。本方法は、被測定物のサイズが大きい場合や、形状が複雑な場合など、被測定物形状に倣って測定することが困難な場合に適している。ｎ個の測定点においていずれの斜軸プローブ１および直軸プローブ２を用いるかは、被測定物の形状によって適したものを利用するのがよい。
【００６１】
また、測定中の測定力はプローブ軸に掛かる重力の影響を受けるため、測定プローブの設置角度によって次の式（１）に従って変化させるのが望ましい。ここで、プローブ軸質量ｍ、プローブ軸の鉛直方向とのなす角θ、エアシリンダ軸の前進方向への推力ｆ１、エアシリンダの後退方向への推力ｆ２、測定力Ｆ、重力加速度ｇとしている。
【００６２】
Ｆ＝ｍｇｃｏｓθ＋ｆ１−ｆ２ （１）
【００６３】
電空レギュレータ３２へ印加する電圧ｖ１、ｖ２とそれに伴って発生する推力ｆ１、ｆ２とはほぼ比例関係にあるので、それぞれの比例係数をｋ１、ｋ２とすると、以下の関係式（２）が成り立つ。
【００６４】
Ｆ＝ｍｇｃｏｓθ＋ｋ１ｖ１−ｋ２ｖ２ （２）
【００６５】
ｋ１、ｋ２はエアシリンダの構造によって決定されるため、予め電圧ｖ１、ｖ２と推力ｆ１、ｆ２との関係からｋ１、ｋ２を求めておくことで、任意のプローブ角度θにおいて、測定力Ｆを満たす電圧ｖ１、ｖ２の組を見出すことができる。
【００６６】
特許文献２の［数１］に本出願人等が開示しているように、傾斜面測定時における測定プローブの変位方向の測定誤差δは、プローブのすべりによる誤差が支配的となり、下記の式（３）で示される。
【００６７】
【数１】
【００６８】
φ＝４５°における測定誤差をδ４５°とおくと、δ４５°＝ｋ１ｔａｎ４５°＝ｋ１となるから、上式は下記の式（４）のように表すことができる。
【００６９】
【数２】
【００７０】
つまり、傾斜角φの位置における測定誤差δは、φ＝４５°における測定誤差δ４５°のｔａｎφ・（ｓｉｎφ＋μｃｏｓφ）／（ｃｏｓφ−μｓｉｎφ）倍になっていることが分かる。例えば、摩擦係数μ≒０の極めて滑らかな面を測定した場合を想定すると、δ＝δ４５°・（ｔａｎφ）２となるから、表１に示されるように、 φ＝４５°における測定誤差δ４５°を基準にしたときの傾斜角φの位置における測定誤差δは、例えばφ＝６０°では３．０倍、φ＝７０°では７．５倍、φ＝８０°では３２倍と傾斜角の増加とともに増大し、そしてφ＝９０°では∞となり測定不能になる。これをグラフに図示すると図１８のようになる。
【００７１】
【表１】
【００７２】
また、本出願人等による特許文献２の［数２］から、測定力Ｆｙと傾斜角φは下記の関係式（５）が成り立つ。
【００７３】
【数３】
【００７４】
φ＝４５°における測定力をＦｙ４５°とおくと、Ｆｙ４５°＝ｋ２δであるから、上式は下記の式（６）のように表すことができる。
【００７５】
【数４】
【００７６】
測定誤差δを一定にした場合、つまり測定精度を測定誤差δ以下にするために必要とされる要求測定力Ｆｙは、φ＝４５°における要求測定力Ｆｙ４５°の（ｃｏｓφ−μｓｉｎφ）／（ｔａｎφ（ｓｉｎφ−μｃｏｓφ））倍になっていることが分かる。例えば、摩擦係数μ≒０の極めて滑らかな面を測定した場合を想定すると、Ｆｙ＝Ｆｙ４５°・（ｔａｎφ）−２となるから、表２に示されるように、φ＝４５°における要求測定力Ｆｙ４５°を基準にしたときの傾斜角φの位置における要求測定力Ｆｙは、例えばφ＝６０°では０．３３倍、φ＝７０°では０．１３倍、φ＝８０°では０．０３倍と傾斜角の増加とともに小さくしていく必要があり、そしてφ＝９０°では０となり測定不能になる。これをグラフに図示すると図１９のようになる。
【００７７】
【表２】
【００７８】
つまり、本発明の形状測定装置やその方法を用いることで、従来方法では高い測定精度を満たすことが困難であった傾斜角が大きな斜面（例えば、６０°〜９０°）や、測定が不可能であった９０°を超える斜面において、高い測定精度を満たしながら測定することが可能である。また、従来方法では高い測定精度を満たすために、傾斜角の増加とともに測定力を小さく制御する必要があったが、本発明の形状測定装置やその方法を用いることで、傾斜角が大きな斜面においても高い測定精度を満たすために測定力を小さくする必要がなくなる。
【００７９】
また、本出願人等による特許文献２の［数３］に開示しているように、最大スキャンスピードｖｍａｘは下記の式（７）で与えられる。
【００８０】
【数５】
【００８１】
最大スキャンスピードｖｍａｘを向上させるためには、測定力Ｆｙを大きくするか、プローブシャフトの質量ｍを小さくする必要がある。従来例では、傾斜角が大きな斜面において高い測定精度を維持するために測定力Ｆｙを大きくすることはできなかったため、プローブシャフトの質量ｍを小さくする、つまりプローブを小型軽量に設計することが要求された。そのため、特殊な微細加工手段を用いたり、特殊な軽い材料を用いてプローブを設計したり、小さな測定力を制御できる高精度制御系を構成しなくてはいけないため、性能的に限界があり、またコスト高の原因となっていた。
【００８２】
これに対して本発明の装置および方法を用いると、最大スキャンスピードｖｍａｘを向上させるために、測定力Ｆｙを大きくすることも可能となるため、敢えて小型軽量の測定プローブを用いたり、小さな測定力を制御できる高精度制御系を用いる必要が無くなり、コスト削減へも寄与できる。
また、測定プローブとして同一性能のものを利用し、測定精度が一定となるように測定力Ｆｙを選んだ場合、本発明の装置および方法において４５°傾斜させた形状測定プローブを利用することで従来手段に対して傾斜角φ＝８０°では（２．０／０．０３１）１／２＝８．０倍の最大スキャンスピードが見込めることになる。
【００８３】
ここまで理論式をもとに議論を進めてきたが、実際の測定においては、傾斜角が大きな斜面の測定や測定力Ｆｙを小さくした場合は、静電気の影響などによってプローブ先端が跳ねる現象が起きたり、測定プローブの変位が一定値になるようにステージの位置決め制御を行うような測定システムの場合は位置決め動作が不安定になったりする場合があり、本発明の装置および方法を用いることで、測定の安定性が向上し、従来手段では測定精度が悪かったり測定不能であった急斜面の高精度測定を実現することが可能となった。
【００８４】
次に、上述した本発明の触針式形状測定装置に適した回転規制エアシリンダを説明する。
【００８５】
図２０は、本発明の回転規制エアシリンダの第１実施形態図である。この図に示すように、本発明の回転規制エアシリンダは、円筒形ピストン２２、中空円筒形のシリンダ２４、円筒形ロッド２６およびロッド案内部２８を備える。
円筒形ピストン２２は、軸方向に移動可能に構成されている。また、シリンダ２４は、円筒形ピストン２２を軸方向に移動可能に支持しかつ円筒形ピストン２２の両端部に圧縮空気を供給可能に構成されている。さらに、円筒形ロッド２６は、円筒形ピストン２２の一端面に偏心して連結され円筒形ピストン２２と同一方向に移動可能に構成されている。また、ロッド案内部２８は、円筒形ロッド２６を軸方向に移動可能に支持しシリンダ２４に連結されている。
円筒形ピストン２２は、円筒形ロッド２６より直径が大きく、その偏心量は、直径の和の１／２以下に規定されている。
またシリンダ２４とロッド案内部２８は、ピストン２２および円筒形ロッド２６をそれぞれ支持する非接触式の円筒空気軸受を備える。
【００８６】
すなわち、図２０において、軸１２は、一体に形成された上部の軸、中央部の円筒形ピストン２２及び下方の円筒形ロッド２６からなる。また、シリンダ２４とロッド案内部２８は、ハウジング２１、軸支持部１１及び空気軸受１５からなる。
【００８７】
この図において、内径の異なる２つ以上の摺動部の中心軸を上部中心軸１３と下部中心軸１４のようにずらした構造からなる軸支持部１１と、これに相応する外径の異なる中心軸をずらした構造からなる軸１２を備え、軸の回転が規制される。
軸支持部１１は空気軸受１５で構成され、低摩擦の軸１２の移動ができる。空気軸受１５へは空気軸受用空気供給ポート１８を介して空気を供給し、軸受の剛性を高く保つ。また、２つの摺動部の間にできる上部空気室１６と下部空気室１７へは、それぞれ上部空気室用空気供給ポート１９と下部空気室用空気供給ポート２０を介して空気を供給させることにより軸１２を上下に移動させることができる。
上部空気室１６および下部空気室１７へ供給した空気は空気軸受の隙間から排出されるが、それぞれに空気排出ポートを取り付けて空気の排出量の調整をすることもできる。上部空気室用空気供給ポート１９および下部空気室用空気供給ポート２０へ供給する空気圧を電空レギュレータで電気的に精密に調整させることにより、軸１２へ加わる力を精密に制御することができる。図２０において軸１２は上下へ移動する構造となっているが、左右あるいは斜めでも動作可能である。
また、３つある軸支持部１１および空気軸受１５のうち中央部は、円筒形ピストン２２とハウジング２１を極めて小さな隙間にすることにより省略することもできる。
【００８８】
図２１は、本発明の回転規制エアシリンダの第２実施形態図である。この例では、一般的なエアシリンダの構造となっており、軸支持部１１が接触式のすべり構造となっている。この軸支持部１１の構造および材質は低摩擦でありながら、空気のシール効果が高いものがよい。
【００８９】
図２２は、本発明の回転規制エアシリンダの第３実施形態図である。この図に示すように、本発明の回転規制エアシリンダは、円筒形ピストン２２、中空円筒形のシリンダ２４、円筒形ロッド２６およびロッド案内部２８をそれぞれ２以上備える。
円筒形ピストン２２は、軸方向に移動可能に構成されている。また、シリンダ２４は、円筒形ピストン２２を軸方向に移動可能に支持しかつ円筒形ピストン２２の一端面に圧縮空気を供給可能に構成されている。好ましくは、円筒形ロッド２６は、円筒形ピストン２２の一端面に同心で連結されている。さらに、円筒形ロッド２６は、円筒形ピストン２２の一端面に連結され円筒形ピストン２２と同一方向に移動可能に構成されている。また、ロッド案内部２８は、円筒形ロッド２６を軸方向に移動可能に支持しシリンダ２４に連結されている。円筒形ピストン２２は、円筒形ロッド２６より直径が大きい。またシリンダ２４とロッド案内部２８は、ピストン２２および円筒形ロッド２６をそれぞれ支持する非接触式の円筒空気軸受を備える。
これらの円筒形ピストン２２、中空円筒形のシリンダ２４、円筒形ロッド２６およびロッド案内部２８からなる構造体を２以上、それぞれの軸方向が平行となるように設置し、少なくとも１つが逆向きに動作するように、すなわち円筒形ピストン２２と円筒形ロッド２６が逆に取り付けられている。そして、これらの２以上の円筒形ピストン２２と円筒形ロッド２６は連結され連動して動作する。
【００９０】
この図の例では、内径の異なる２つ以上の摺動部の中心軸が一致する軸支持部１１とこれに相応する軸１２を、２以上軸が平行になるように設置し、それぞれの軸を連結した構造からなる軸連結体４１を備え、軸の回転が規制される。
軸支持部１１は空気軸受１５で構成され、低摩擦の軸１２の移動ができる。空気軸受１５へは空気軸受用空気供給ポート１８を介して空気を供給し、軸受の剛性を高く保つ。また、２つの摺動部の間にできる左部空気室４２と右部空気室４３へは、それぞれ左部空気室用空気供給ポート４４と右部空気室用空気供給ポート４５を介して空気を供給させることにより軸連結体４１を上下に移動させることができる。
左部空気室４２および右部空気室４３へ供給した空気は空気軸受の隙間から排出されるが、それぞれに空気排出ポートを取り付けて空気の排出量の調整をすることもできる。左部空気室用空気供給ポート４４および右部空気室用空気供給ポート４５へ供給する空気圧を電空レギュレータで電気的に精密に調整させることにより、軸連結体４１へ加わる力を精密に制御することができる。図２２において軸連結体４１は上下へ移動する構造となっているが、左右あるいは斜めでも動作可能である。
【００９１】
図２３は、本発明の回転規制エアシリンダの原理説明図であり、本発明の回転規制エアシリンダにおいて、軸ずらし量ｘ０と摺動部の径方向のクリアランスδｒと回転角φの関係を示している軸ずらしモデル図である。
エアシリンダ軸において円筒形ピストン２２の中心軸３０に対して円筒形ロッド２６が回転するモデルを考える。軸方向に断面は等しいので二次元断面モデルで考える。円筒形ピストン２２と円筒形ロッド２６の中心軸同士の距離、つまり軸ずらし量をｘ０、円筒形ロッド２６の半径をｒ、径方向の移動可能量をδｒとして、円筒形ピストン２２が中心軸３０に対して回転誤差を生じた場合の回転角をφとする。円筒形ロッド２６の軸表面上の任意の点Ｐ（ｘ，ｙ）、径方向の移動可能領域の境界線上の任意の点Ｑ（ｘ'，ｙ'）では下記の式（８）（９）が成り立つ。
【００９２】
【数６】
【００９３】
また、点Ｐを中心軸３０（図では原点Ｏ）に対して角度φ回転させた点Ｒ（Ｘ，Ｙ）では下記の式（１０）が成り立つ。
【００９４】
【数７】
【００９５】
点Ｑと点Ｒを同時に満たし、一点で交わるとき、下記の関係式（１１）が成り立つ。
【００９６】
【数８】
【００９７】
つまり、回転角φは下記の式（１２）ように示される。
【００９８】
【数９】
【００９９】
｜φ｜＜＜１、｜δｒ／ｘ０｜＜＜１の条件下では下記の式（１３）ように近似できる。
【０１００】
【数１０】
【０１０１】
例えば、δｒ＝１０μｍと固定してｘ０を変化させたとき、ｘ０＝１０μｍではφ＝６０°、ｘ０＝０．１ｍｍではφ＝５．７°、ｘ０＝１ｍｍではφ＝０．５７°となり、ｘ０の増加とともに回転規制効果が顕著に現れ、軸ずらし量ｘ０＝１ｍｍ程度でもかなりの回転規制効果があることが分かる。
【０１０２】
図２４は、本発明の回転規制エアシリンダの第４実施形態図である。この例では、円筒形ピストン２２の軸方向変位を測定する変位測定手段２３と、円筒形ロッド２６に連結され被測定物の表面に接触するスタイラス２７とを備え、全体として触針式形状測定装置の測定プローブを構成している。
すなわち、本発明の回転規制エアシリンダの軸１２の両端にスタイラス２７と変位測定手段２３を接続した構造となっている。スタイラス２７の先端を被測定物表面に接触させたとき、軸１２の変位を変位測定手段２３によって検出することで、被測定物表面の凹凸を測定する。
【０１０３】
図２５は、本発明の回転規制エアシリンダの第５実施形態図である。本発明の回転規制エアシリンダの軸連結体４１にスタイラス２７と変位測定手段２３を接続した構造となっている。軸連結体４１は２以上の軸１２を連結した構造からなるため、重量が重くなり、測定プローブとして使用した場合に、応答性が落ちることが懸念される。しかしながら、軸１２と変位測定手段２３を平行に並べて配置することが可能なため、測定プローブの長さを小さく設計でき、微小な光学素子用の加工機上に設置する場合など、加工機の移動可能範囲が狭く限定される場合には有効である。
【０１０４】
変位測定手段としては図２４や図２５で示されているようにリニアスケールを用いる他、軸１２の端面や軸連結体４１に鏡を貼り付け、レーザ変位計やレーザ測長器を用いて非接触で軸１２や軸連結体４１の変位を測定する方法がある。こうすることにより、軸１２や軸連結体４１の重量を軽量化でき、応答性を高めることができる。スタイラス２７の中心軸と変位測定手段２３の測定軸を一致させることにより、Ａｂｂｅの原理に基づく高精度な測定が実現できる。
【０１０５】
図２４や図２５において軸１２や軸連結体４１は上下へ移動する構造となっているため、軸１２および軸連結体４１に加わる重力よりも小さな測定力が要求される場合は、下部空気室用空気供給ポート２０あるいは左部空気室用空気供給ポート４４を介して空気を下部空気室１７あるいは左部空気室４２へ供給させ軸１２あるいは軸連結体４１を上方向へ持ち上げることにより、重力をキャンセルさせることができる。これだけでも重力の影響を取り除いた低測定力による測定が実現できるため、上部空気室１６および上部空気室用空気供給ポート１９、右部空気室４３、右部空気室用空気供給ポート４５は省略することも可能である。
【０１０６】
しかしながら、一般的に電空レギュレータの分解能はフルスケールの１／１０００程度であるため、例えば質量が５０ｇの軸１２に加わる重力をキャンセルさせて０ｇとする場合は、フルスケールが５０ｇとなり、分解能はおよそ５０ｍｇとなるため、測定力として５０ｍｇｆ以下を制御することは困難となる。このような場合に、上部空気室１６あるいは左部空気室４２へ供給する空気圧を、例えばフルスケール５ｇとなるように調整することで、分解能を５ｍｇまで向上させることができる。つまり、下部空気室１７あるいは右部空気室４３へ供給する空気圧によって測定力の粗調整を行い、上部空気室１６あるいは左部空気室４２へ供給する空気圧によって測定力の微調整を行うといった方法である。こういった方法を利用することで、プローブの取付方向は上下のみならず左右あるいは斜めでも動作可能となる。
【０１０７】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】本発明の触針式形状測定装置の第１実施形態図である。
【図２】本発明の触針式形状測定装置の第２実施形態図である。
【図３】本発明の触針式形状測定装置の第３実施形態図である。
【図４】本発明の触針式形状測定装置の第４実施形態図である。
【図５】本発明の触針式形状測定装置の第４実施形態におけるプローブ部の第１実施形態図である。
【図６】本発明の触針式形状測定装置の第４実施形態におけるプローブ部の第２実施形態図である。
【図７】本発明の触針式形状測定装置の第４実施形態におけるプローブ部の第３実施形態図である。
【図８】本発明の触針式形状測定方法の概念図である。
【図９】本発明の触針式形状測定方法の第１実施形態を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の触針式形状測定方法による測定結果である。
【図１１】従来の手法による測定結果である。
【図１２】本発明の触針式形状測定方法の第２実施形態を示すフローチャートである。
【図１３】同心円状の形状測定の軌跡を示す図である。
【図１４】放射線状の形状測定の軌跡を示す図である。
【図１５】螺旋状の形状測定の軌跡を示す図である。
【図１６】本発明の触針式形状測定方法の第３実施形態を示すフローチャートである。
【図１７】本発明の触針式形状測定方法の第４実施形態を示すフローチャートである。
【図１８】傾斜角φと測定誤差δとの関係図である。
【図１９】傾斜角φと測定力Ｆｙとの関係図である。
【図２０】本発明の回転規制エアシリンダの第１実施形態図である。
【図２１】本発明の回転規制エアシリンダの第２実施形態図である。
【図２２】本発明の回転規制エアシリンダの第３実施形態図である。
【図２３】本発明の回転規制エアシリンダの原理説明図である。
【図２４】本発明の回転規制エアシリンダの第４実施形態図である。
【図２５】本発明の回転規制エアシリンダの第５実施形態図である。
【図２６】特許文献１の装置の構成図である。
【図２７】特許文献２の装置の構成図である。
【図２８】特許文献３の装置の構成図である。
【図２９】特許文献５の装置の構成図である。
【符号の説明】
【０１０９】
１ 斜軸測定プローブ、２ 直軸測定プローブ、３ 被測定物
４ 位置移動手段、５ 位置検出手段、６ 回転手段、７ 回転角検出手段
８ コンピュータ、９ ＮＣ制御装置、１０ 固定具
１１ 軸支持部、１２ 軸、１３ 上部中心軸、１４ 下部中心軸
１５ 空気軸受、１６ 上部空気室、１７ 下部空気室
１８ 空気軸受用空気供給ポート
１９ 上部空気室用空気供給ポート、２０ 下部空気室用空気供給ポート
２１ ハウジング、２２ 円筒形ピストン
２３ 変位測定手段、２４ シリンダ
２６ 円筒形ロッド、２７ スタイラス
２８ ロッド案内部
３１ 測定力制御装置、３２ 電空レギュレータ
３３ 圧縮空気供給源、３４ 空気流路
３５ 角度調整機構
４１ 軸連結体、４２ 左部空気室、４３ 右部空気室
４４ 左部空気室用空気供給ポート、４５ 右部空気室用空気供給ポート
４６ 左部中心軸、４７ 右部中心軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定プローブのプローブ軸の先端を被測定物の表面に接触させ、被測定物の形状を測定する触針式形状測定装置において、
軸方向が被測定物の設置面の垂直方向に対して一定角度傾斜して設置された斜軸測定プローブを備える、ことを特徴とする触針式形状測定装置。
【請求項２】
さらに、軸方向が被測定物の設置面の垂直方向に平行に設置された直軸測定プローブを備える、ことを特徴とする請求項１記載の触針式形状測定装置。
【請求項３】
被測定物を加工する加工機上に設ける、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の触針式形状測定装置。
【請求項４】
前記斜軸測定プローブの傾斜角度は、被測定物の設置面の垂直方向に対して３０°以上、９０°以下である、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の触針式形状測定装置。
【請求項５】
空気圧によって測定プローブの測定力を制御する測定力制御装置を備える、ことを特徴とする請求項１乃至３に記載の触針式形状測定装置。
【請求項６】
被測定物の設置面の垂直方向に対して、測定プローブの軸が傾斜する角度を調節する角度調整機構を備える、ことを特徴とする請求項５に記載の触針式形状測定装置。
【請求項７】
測定プローブのプローブ軸の先端を被測定物の表面に接触させ、被測定物の形状を測定する触針式形状測定装置において、
測定プローブのプローブ軸を被測定物の設置面の垂直方向に対して一定角度傾斜して設置し、測定プローブで測定する範囲がプローブ軸に対して±６０°以内である、ことを特徴とする触針式形状測定方法。
【請求項８】
測定プローブのプローブ軸の先端を被測定物の表面に接触させ、被測定物の形状を測定する触針式形状測定装置において、
２以上の測定プローブのプローブ軸を被測定物の設置面の垂直方向に対して異なる角度で設置し、それぞれの測定プローブで測定する範囲がプローブ軸に対して±６０°以内であり、これらの複数の測定データをつなぎ合わせることで全体形状を求める、ことを特徴とする触針式形状測定方法。
【請求項９】
測定プローブのプローブ軸を被測定物の設置面に沿って移動する位置移動手段と、被測定物をその設置面の垂直方向軸を中心に回転する回転手段とを備え、
位置移動手段と回転手段を交互にあるいは同時に制御して、被測定物の形状を同心円状あるいは放射線状あるいは螺旋状に測定する、ことを特徴とする請求項７又は８に記載の触針式形状測定方法。
【請求項１０】
供給される圧縮空気により測定プローブを被測定物に接触させる測定プローブ付勢機構を備え、
この測定プローブ付勢機構に供給される圧縮空気の圧力を制御しながら形状を測定する、ことを特徴とする触針式形状測定方法。
【請求項１１】
前記圧縮空気の圧力を、鉛直方向に対する測定プローブの設置角度、又は、被測定物と測定プローブとの接触及び非接触に応じて変化させる、ことを特徴とする請求項１０に記載の触針式形状測定方法。
【請求項１２】
被測定物と測定プローブとを離れた位置から測定点へ接触させ、プローブ軸の変位が一定値となる位置の三次元座標値を検出し、再び測定プローブを被測定物から離し次の測定点へ移動させる、というプロセスを繰り返し行うことで三次元的な形状を測定する、ことを特徴とする請求項７乃至１０のいずれかに記載の触針式形状測定方法。
【請求項１３】
軸方向に移動可能な円筒形ピストンと、該円筒形ピストンを軸方向に移動可能に支持しかつ円筒形ピストンの両端部に圧縮空気を供給可能な中空円筒形のシリンダと、円筒形ピストンの端面に偏心して連結され円筒形ピストンと同一方向に移動可能な円筒形ロッドと、該円筒形ロッドを軸方向に移動可能に支持し前記シリンダに連結されたロッド案内部とを備える、ことを特徴とする回転規制エアシリンダ。
【請求項１４】
前記円筒形ピストンは、円筒形ロッドより直径が大きく、その偏心量は、直径の和の１／２以下に規定されている、ことを特徴とする請求項１３記載の回転規制エアシリンダ。
【請求項１５】
軸方向に移動可能な円筒形ピストンと、該円筒形ピストンを軸方向に移動可能に支持しかつ円筒形ピストンの端部に圧縮空気を供給可能な中空円筒形のシリンダと、円筒形ピストンの端面に連結され円筒形ピストンと同一方向に移動可能な円筒形ロッドと、該円筒形ロッドを軸方向に移動可能に支持し前記シリンダに連結されたロッド案内部とからなるエアシリンダを、これらの円筒形ロッドの軸方向が平行となるように複数備え、
少なくとも一つのエアシリンダの、圧縮空気の供給による動作方向と、その他のエアシリンダの、圧縮空気の供給による動作方向とが、逆向きになるように、前記複数のエアシリンダは配置されており、
それぞれの円筒形ピストンおよび円筒形ロッドは連動するように連結されている、ことを特徴とする回転規制エアシリンダ。
【請求項１６】
前記シリンダとロッド案内部は、ピストンおよび円筒形ロッドをそれぞれ支持する非接触式の円筒空気軸受又は接触式の円筒すべり構造を備える、ことを特徴とする請求項１３乃至１５記載の回転規制エアシリンダ。
【請求項１７】
前記円筒形ピストンの軸方向変位を測定する変位測定手段と、円筒形ロッドに連結され被測定物の表面に接触するスタイラスとを備える、ことを特徴とする請求項１３乃至１５記載の回転規制エアシリンダ。
【請求項１】
測定プローブのプローブ軸の先端を被測定物の表面に接触させ、被測定物の形状を測定する触針式形状測定装置において、
軸方向が被測定物の設置面の垂直方向に対して一定角度傾斜して設置された斜軸測定プローブを備える、ことを特徴とする触針式形状測定装置。
【請求項２】
さらに、軸方向が被測定物の設置面の垂直方向に平行に設置された直軸測定プローブを備える、ことを特徴とする請求項１記載の触針式形状測定装置。
【請求項３】
被測定物を加工する加工機上に設ける、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の触針式形状測定装置。
【請求項４】
前記斜軸測定プローブの傾斜角度は、被測定物の設置面の垂直方向に対して３０°以上、９０°以下である、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の触針式形状測定装置。
【請求項５】
空気圧によって測定プローブの測定力を制御する測定力制御装置を備える、ことを特徴とする請求項１乃至３に記載の触針式形状測定装置。
【請求項６】
被測定物の設置面の垂直方向に対して、測定プローブの軸が傾斜する角度を調節する角度調整機構を備える、ことを特徴とする請求項５に記載の触針式形状測定装置。
【請求項７】
測定プローブのプローブ軸の先端を被測定物の表面に接触させ、被測定物の形状を測定する触針式形状測定装置において、
測定プローブのプローブ軸を被測定物の設置面の垂直方向に対して一定角度傾斜して設置し、測定プローブで測定する範囲がプローブ軸に対して±６０°以内である、ことを特徴とする触針式形状測定方法。
【請求項８】
測定プローブのプローブ軸の先端を被測定物の表面に接触させ、被測定物の形状を測定する触針式形状測定装置において、
２以上の測定プローブのプローブ軸を被測定物の設置面の垂直方向に対して異なる角度で設置し、それぞれの測定プローブで測定する範囲がプローブ軸に対して±６０°以内であり、これらの複数の測定データをつなぎ合わせることで全体形状を求める、ことを特徴とする触針式形状測定方法。
【請求項９】
測定プローブのプローブ軸を被測定物の設置面に沿って移動する位置移動手段と、被測定物をその設置面の垂直方向軸を中心に回転する回転手段とを備え、
位置移動手段と回転手段を交互にあるいは同時に制御して、被測定物の形状を同心円状あるいは放射線状あるいは螺旋状に測定する、ことを特徴とする請求項７又は８に記載の触針式形状測定方法。
【請求項１０】
供給される圧縮空気により測定プローブを被測定物に接触させる測定プローブ付勢機構を備え、
この測定プローブ付勢機構に供給される圧縮空気の圧力を制御しながら形状を測定する、ことを特徴とする触針式形状測定方法。
【請求項１１】
前記圧縮空気の圧力を、鉛直方向に対する測定プローブの設置角度、又は、被測定物と測定プローブとの接触及び非接触に応じて変化させる、ことを特徴とする請求項１０に記載の触針式形状測定方法。
【請求項１２】
被測定物と測定プローブとを離れた位置から測定点へ接触させ、プローブ軸の変位が一定値となる位置の三次元座標値を検出し、再び測定プローブを被測定物から離し次の測定点へ移動させる、というプロセスを繰り返し行うことで三次元的な形状を測定する、ことを特徴とする請求項７乃至１０のいずれかに記載の触針式形状測定方法。
【請求項１３】
軸方向に移動可能な円筒形ピストンと、該円筒形ピストンを軸方向に移動可能に支持しかつ円筒形ピストンの両端部に圧縮空気を供給可能な中空円筒形のシリンダと、円筒形ピストンの端面に偏心して連結され円筒形ピストンと同一方向に移動可能な円筒形ロッドと、該円筒形ロッドを軸方向に移動可能に支持し前記シリンダに連結されたロッド案内部とを備える、ことを特徴とする回転規制エアシリンダ。
【請求項１４】
前記円筒形ピストンは、円筒形ロッドより直径が大きく、その偏心量は、直径の和の１／２以下に規定されている、ことを特徴とする請求項１３記載の回転規制エアシリンダ。
【請求項１５】
軸方向に移動可能な円筒形ピストンと、該円筒形ピストンを軸方向に移動可能に支持しかつ円筒形ピストンの端部に圧縮空気を供給可能な中空円筒形のシリンダと、円筒形ピストンの端面に連結され円筒形ピストンと同一方向に移動可能な円筒形ロッドと、該円筒形ロッドを軸方向に移動可能に支持し前記シリンダに連結されたロッド案内部とからなるエアシリンダを、これらの円筒形ロッドの軸方向が平行となるように複数備え、
少なくとも一つのエアシリンダの、圧縮空気の供給による動作方向と、その他のエアシリンダの、圧縮空気の供給による動作方向とが、逆向きになるように、前記複数のエアシリンダは配置されており、
それぞれの円筒形ピストンおよび円筒形ロッドは連動するように連結されている、ことを特徴とする回転規制エアシリンダ。
【請求項１６】
前記シリンダとロッド案内部は、ピストンおよび円筒形ロッドをそれぞれ支持する非接触式の円筒空気軸受又は接触式の円筒すべり構造を備える、ことを特徴とする請求項１３乃至１５記載の回転規制エアシリンダ。
【請求項１７】
前記円筒形ピストンの軸方向変位を測定する変位測定手段と、円筒形ロッドに連結され被測定物の表面に接触するスタイラスとを備える、ことを特徴とする請求項１３乃至１５記載の回転規制エアシリンダ。
【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１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
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【図１０】
【図１１】
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【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【公開番号】特開２００７−１２１２６０（Ｐ２００７−１２１２６０Ａ）
【公開日】平成１９年５月１７日（２００７．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５１７９１（Ｐ２００６−５１７９１）
【出願日】平成１８年２月２８日（２００６．２．２８）
【出願人】（５０３３５９８２１）独立行政法人理化学研究所 (1,056)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年５月１７日（２００７．５．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月２８日（２００６．２．２８）
【出願人】（５０３３５９８２１）独立行政法人理化学研究所 (1,056)
【Ｆターム（参考）】
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