JP2010204094A - 非接触形状測定機および測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動機構の発熱、プローブの重量増や大型化などの問題を解消できるとともに、能率的な測定を実現できる非接触形状測定機および測定方法を提供する。
【解決手段】非接触プローブ１０と、被測定物Ｗ１，Ｗ２を載置するＸＹステージ２と、非接触プローブ１０とＸＹステージ２とを相対移動させる相対移動機構とを備え、非接触プローブ１０は、同軸上でかつ互いに離れる方向に測長光Ｌ２を出射し、その測長光Ｌ２が被測定物Ｗ１，Ｗ２によって反射した反射光を用いて、被測定物Ｗ１，Ｗ２までの距離を求める干渉計からなる一組の測長手段１１Ａ，１１Ｂを含んで構成されている。
【選択図】図６

Description

本発明は、非接触形状測定機および測定方法に関する。例えば、一対の金型の成形面を同時に測定することが可能な非接触形状測定機および測定方法に関する。

本出願人は、先に、１つのプローブで被測定物の表裏面を高精度に測定できる表裏面測定プローブ、表裏面測定装置および表裏面測定方法を提案している（特許文献１参照）。
この表裏面測定装置は、プローブ本体と、両端に接触子を有する検出軸と、この検出軸をプローブ本体に対して検出軸の軸方向へ移動可能に支持するガイド機構と、検出軸を軸方向へ移動させる駆動機構と、検出軸と同軸上において、検出軸の移動位置を検出する位置検出器とを有する表裏面測定プローブを備え、この表裏面測定プローブと被測定物を載置したテーブルとが、表裏面測定プローブの検出軸方向およびこれに直交する少なくとも１軸方向へ相対移動するように構成されている。

この構成によれば、検出軸の一方の接触子が被測定物の表面に対向した状態において、駆動機構の作動により検出軸を軸方向へ進退させながら、検出軸の一方の接触子を被測定物の表面に接触させ、被測定物の表面形状を測定する。こののち、表裏面測定プローブと被測定物とを、その姿勢のまま相対移動させて、検出軸の他方の接触子を被測定物の裏面に対向させる。この状態において、駆動機構の作動により検出軸を軸方向へ進退させながら、検出軸の他方の接触子を被測定物の裏面に接触させ、被測定物の裏面形状を測定する。
従って、被測定物を反転させることなく、１本のプローブを用いて被測定物の表裏面を測定することができる。しかも、検出軸が被測定物の表裏面に対向した状態（例えば、略直交した状態）で、軸方向へ進退しながら測定が行われるため、被測定物の表裏面の形状にかかわらず、高精度な測定が期待できる。

特願２００８−２９７７１６号

しかしながら、特許文献１に記載された表裏面測定装置においては、検出軸の接触子を被測定物の表裏面に接触させながら測定を行うため、次のような課題が挙げられる。
つまり、検出軸の接触子を被測定物の表裏面に接触させるために、駆動機構を駆動させて検出軸を被測定物の表裏面形状に合わせて軸方向へ移動させなければならないため、測定速度に制限が生じるうえ、駆動機構からの発熱の問題が考えられる。
さらに、プローブの剛性を確保するためには、ガイド機構などが大掛かりになり、プローブの重量増や大型化が懸念される。

本発明の目的は、駆動機構の発熱、プローブの重量増や大型化などの問題を解消できるとともに、能率的な測定を実現できる非接触形状測定機および測定方法を提供することにある。

本発明の非接触形状測定機は、非接触プローブと、被測定物を載置するテーブルと、 前記非接触プローブと前記テーブルとを相対移動させる相対移動機構とを備え、前記非接触プローブは、同軸上でかつ互いに離れる方向にレーザ光を出射し、そのレーザ光が被測定物によって反射した反射光を用いて、被測定物までの距離を求める一組の測長手段を含
んで構成されている、ことを特徴とする。

このような構成によれば、同軸上でかつ互いに離れる方向にレーザ光を出射し、そのレーザ光が被測定物によって反射した反射光を用いて、被測定物までの距離を求める一組の測長手段を有しているから、この一組の測長手段からのレーザ光を利用して被測定物の表裏面の形状などを測定できる。つまり、一方の測長手段からのレーザ光が被測定物の表面に向けて出射した状態において、相対移動機構により、非接触プローブとテーブルとを相対移動させながら、被測定物の表面形状を測定する。こののち、非接触プローブと被測定物とを、その姿勢のまま相対移動させて、他方の測長手段からのレーザ光を被測定物の裏面に向けて出射し、この状態において、相対移動機構により、非接触プローブとテーブルとを相対移動させながら、被測定物の裏面形状を測定する。
本発明は、一組の測長手段を有する非接触プローブを用いているから、接触式プローブに比べ能率的な測定を実現できる。しかも、駆動機構やガイド機構などを不要にできるため、駆動機構の発熱、プローブの重量増や大型化の問題も全て解消できる。

本発明の非接触形状測定機において、前記非接触プローブは、前記測長手段を複数組備え、こられ複数組の測長手段が仮想点を中心として放射状に配置されている、ことが好ましい。
このような構成によれば、複数組の測長手段が仮想点を中心として放射状に配置されているから、例えば、被測定物の孔の内周面形状を短時間で測定できる。

本発明の非接触形状測定機において、前記相対移動機構には、前記テーブルに対して略直交する軸を回転中心軸として、前記非接触プローブと前記被測定物とを相対回転させる回転機構が設けられる、ことが好ましい。
このような構成によれば、非接触プローブを用いて、例えば、被測定物の孔の内周に接触することなく、孔の内径などを測定できるため、測定の際に被測定物を損傷することを防止できる。また、非接触プローブと被測定物とを相対的に回転させるため、効率のいい測定を行うことができる。回転機構の構造も複雑、大型にする必要がなく、非接触形状測定機自体も小型化することができ、内径の小さな被測定物の測定にも利用できる。

本発明の非接触形状測定機において、前記相対移動機構は、前記非接触プローブを前記テーブルに対して昇降させる昇降軸を有し、前記昇降軸の先端には、前記昇降軸を回転中心軸として回転する回転機構が設けられ、前記回転機構には、先端に前記非接触プローブを支持したオフセット部材の基端が支持されている、ことが好ましい。
このような構成によれば、非接触プローブが、オフセット部材とともに回転可能にオフセット部材に支持固定され、非接触プローブを被測定物の外形から外側に離れたところに配置可能となるため、非接触プローブを用いて、被測定物の外径などを非接触で測定できる。

本発明の非接触形状測定機において、前記測長手段は、レーザ光を発生するレーザ光発生手段と、このレーザ光発生手段からのレーザ光を参照光と測長光とに分割するレーザ光分割手段と、前記参照光を反射する反射ミラーと、前記測長光が被測定物によって反射した反射光と前記参照光が前記反射ミラーによって反射された反射光とを合成して干渉させるレーザ光合成手段と、このレーザ光合成手段によって合成されたレーザ光の干渉光を検出する検出器とを有する干渉計によって構成されている、ことが好ましい。このような構成とすれば、高精度な測定を実現できる。
なお、相対移動機構については、非接触プローブから出射されたレーザ光の光軸に対して直交する少なくとも２軸方向へ非接触プローブとテーブルとが相対移動する構成が好ましい。

本発明の測定方法は、前記一組の側長手段を有する非接触プローブ、テーブルおよび相対移動機構を備えた非接触形状測定機を用いて、被測定物の表裏面を測定する測定方法であって、前記テーブル上に前記被測定物を載置する被測定物載置工程と、前記非接触プローブの一方の測長手段から前記被測定物の表面に向けてレーザ光を出射し、前記非接触プローブと前記テーブルとを前記レーザ光の光軸に対して直交する少なくとも１軸方向へ相対移動させながら前記被測定物の表面形状を測定する表面形状測定工程と、前記非接触プローブと前記テーブルとをその姿勢のまま前記レーザ光の光軸方向およびこれに直交する１軸方向へ相対移動させたのち、前記非接触プローブの他方の測長手段から前記被測定物の裏面に向けてレーザ光を出射し、前記非接触プローブと前記テーブルとを前記レーザ光の光軸方向に対して直交する少なくとも１軸方向へ相対移動させながら前記被測定物の裏面形状を測定する裏面形状測定工程と、を備えることを特徴とする。

このような構成によれば、テーブル上に被測定物を載置したのち、非接触プローブの一方の測長手段から被測定物の表面に向けてレーザ光を出射し、非接触プローブと被測定物とをレーザ光の光軸に対して直交する少なくとも１軸方向へ相対移動させながら、被測定物の表面形状を測定する。こののち、非接触プローブと被測定物とをその姿勢のままレーザ光の光軸方向およびこれに直交する１軸方向へ相対移動させたのち、非接触プローブの他方の測長手段から被測定物の裏面に向けてレーザ光を出射し、非接触プローブと被測定物とをレーザ光の光軸方向に対して直交する少なくとも１軸方向へ相対移動させながら、
被測定物の裏面形状を測定する。
従って、本発明は、非接触プローブと被測定物とをその姿勢のまま相対移動させることにより、被測定物の表裏面を非接触で測定できるから、被測定物の表裏面を能率的にかつ高精度に測定することができる。

本発明の測定方法は、前記一組の側長手段を有する非接触プローブ、テーブルおよび相対移動機構を備えた非接触形状測定機を用いて、一対の被測定物の形状を同時に測定する測定方法であって、前記テーブル上に前記一対の被測定物を対向して載置する被測定物載置工程と、前記非接触プローブを前記一対の被測定物間に位置させる非接触プローブ設置工程と、前記非接触プローブの一対の測長手段から前記一対の被測定物に向けてレーザ光を出射し、前記非接触プローブと前記テーブルとを前記レーザ光の光軸に対して直交する少なくとも１軸方向へ相対移動させながら前記一対の被測定物の形状を同時に測定する測定工程と、を備えることを特徴とする。

このような構成によれば、テーブル上に一対の被測定物を対向して載置したのち、非接触プローブを一対の被測定物間に位置させる。ついで、非接触プローブの一対の測長手段から一対の被測定物に向けてレーザ光を出射し、非接触プローブとテーブルとをレーザ光の光軸に対して直交する少なくとも１軸方向へ相対移動させると、一対の被測定物の形状が同時に測定される。
従って、一対の被測定物を同時に測定できるから、効率的な測定が可能であるとともに、同一条件下での形状評価を行うことができ、測定精度の更なる向上が期待できる。

本発明の測定方法は、前記側長手段を複数組有する非接触プローブを備えた非接触形状測定機を用いて、被測定物の孔形状を測定する測定方法であって、前記テーブル上に前記被測定物を載置する被測定物載置工程と、前記非接触プローブを前記被測定物の前記孔内に位置させる非接触プローブ設置工程と、前記非接触プローブの複数組の測長手段から前記被測定物の孔内面に向けてレーザ光を出射し、前記非接触プローブと前記テーブルとを前記レーザ光の光軸に対して直交しかつ前記孔の軸方向へ相対移動させながら前記被測定物の孔形状を測定する測定工程と、を備えることを特徴とする。

このような構成によれば、テーブル上に被測定物を載置したのち、非接触プローブを被測定物の孔内に位置させる。ついで、非接触プローブの複数組の測長手段から被測定物の孔内面に向けてレーザ光を出射し、非接触プローブと被測定物とをレーザ光の光軸に対して直交する１軸方向へ相対移動させると、被測定物の孔形状が測定される。
従って、被測定物の孔形状を能率的に測定することができる。しかも、例えば、一組の測長手段を備えた非接触プローブでは孔内面形状を測定しようとする場合、孔内で非接触プローブを回転させる必要があるが、本発明では、非接触プローブと被測定物とをレーザ光の光軸に対して直交する１軸方向へ相対移動させるだけでよいから、高精度な測定を実現できる。

本発明の測定方法は、前記回転機構を有する相対移動機構を備えた非接触形状測定機を用いて、被測定物の孔形状を測定する測定方法であって、前記テーブル上に前記被測定物を載置する工程と、前記非接触プローブを前記被測定物の前記孔内に位置させる非接触プローブ設置工程と、前記非接触プローブの測長手段から前記被測定物の孔内面に向けてレーザ光を出射し、その状態で、前記非接触プローブと前記被測定物とを前記回転中心軸回りに相対的に回転させながら前記被測定物の孔形状を測定する測定工程と、を備えることを特徴とする。
このような構成によれば、非接触プローブと被測定物とを相対的に回転させながら被測定物の孔形状を測定するため、効率がよく且つ高精度な測定を実現できる。

本発明の測定方法は、前記昇降軸の先端にオフセット部材を介して非接触プローブを支持した非接触形状測定機を用いて、被測定物の外形形状を測定する測定方法であって、前記テーブル上に前記被測定物を載置する被測定物載置工程と、前記非接触プローブを前記被測定物の外形から外側に離れた位置に位置させる非接触プローブ設置工程と、前記非接触プローブの測長手段から前記被測定物の外表面に向けてレーザ光を出射し、その状態で、前記回転機構からの回転力によって、前記オフセット部材を介して前記非接触プローブを前記回転中心軸回りに回転させながら前記被測定物の外形形状を測定する測定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、非接触プローブを用いて被測定物の外周に接触することなく、被測定物の外径などを効率よく測定できる。

本発明に係る非接触形状測定機の第１実施形態を示す正面図。 同上実施形態の側面図。 同上実施形態の非接触プローブを示す図。 同上実施形態において、被測定物の表面を測定している状態を示す図。 同上実施形態において、被測定物の裏面を測定している状態を示す図。 同上実施形態において、一対の被測定物を同時測定している状態を示す図。 非接触プローブの第１変形例を示す図。 非接触プローブの第２変形例を示す図。 第２変形例の非接触プローブを用いて、孔の内面形状を測定している状態を示す断面図および平面図。 本発明に係る非接触形状測定機の第２実施形態を示す正面図。 同上実施形態において、被測定物の孔形状を測定している状態を示す断面図。 同上実施形態の変形例の非接触形状測定機を示す部分正面図。 同上実施形態の変形例の非接触形状測定機を示す正面図。 図１３の非接触形状測定機を用いて、被測定物の孔形状を測定している状態を示す断面図。 図１３の非接触形状測定機を用いて、被測定物の外形形状を測定している状態を示す図。 本発明に係る非接触形状測定機の第３実施形態、及びこれを用いて被測定物の外形形状を測定している状態を示す図。

＜全体構成の説明（図１および図２参照）＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る非接触形状測定機を示す正面図、図２は、同非接触形状測定機の側面図である。
本実施形態に係る非接触形状測定機は、基台１と、被測定物を載置するテーブルとしてのＸＹステージ２と、このＸＹステージ２を水平面内の互いに直交するＸおよびＹ軸方向へ変位させるＸ軸駆動機構３およびＹ軸駆動機構４と、基台１の上面にＸＹステージ２を跨いで設けられた門形フレーム５と、この門形フレーム５のクロスレール５Ａに設けられたＺ軸スライダ６と、このＺ軸スライダ６をＸおよびＹ軸方向に対して直交するＺ軸方向へ変位させるＺ軸駆動機構７と、Ｚ軸スライダ６の下端に取り付けられた非接触プローブ１０とを含んで構成されている。

ＸＹステージ２は、上面に被測定物を載置する平坦な載置面２Ａを有し、その載置面２Ａと平行な面内において互いに直交するＸおよびＹ軸方向へ移動可能に設けられている。
Ｘ軸駆動機構３およびＹ軸駆動機構４は、例えば、ボールねじ軸と、このボールねじ軸に螺合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。
Ｚ軸駆動機構７も、Ｘ軸駆動機構３やＹ軸駆動機構４と同様に、例えば、ボールねじ軸と、このボールねじ軸に螺合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。
なお、これらＸ軸駆動機構３およびＹ軸駆動機構４、門形フレーム５、Ｚ軸スライダ６、Ｚ軸駆動機構７などは、非接触プローブ１０とテーブルとしてのＸＹステージ２とを、非接触プローブ１０の光軸方向（X軸方向）およびこれに直交する方向（Y軸方向、Ｚ軸方向）、つまり、三次元方向へ相対移動させる相対移動機構を構成している。

＜非接触プローブの説明（図３参照）＞
非接触プローブ１０は、図３に示すように、同軸上でかつ互いに離れる方向にレーザ光を出射し、そのレーザ光が被測定物によって反射した反射光を用いて、被測定物までの距離を求める一組の測長手段１１Ａ，１１Ｂを含んで構成されている。
各測長手段１１Ａ，１１Ｂは、干渉計によって構成されている。干渉計は、レーザ光を発生するレーザ光発生手段１２と、このレーザ光発生手段１２からのレーザ光Ｌを参照光Ｌ１と測長光Ｌ２とに分割するレーザ光分割手段１３と、参照光Ｌ１を反射する反射ミラー１４と、測長光Ｌ２が被測定物によって反射した反射光と参照光Ｌ１が反射ミラー１４によって反射された反射光とを合成して干渉させるレーザ光合成手段１５と、このレーザ光合成手段１５によって合成されたレーザ光の干渉光を検出する検出器１６とを有する。レーザ光分割手段１３およびレーザ光合成手段１５は、ビームスプリッタ１７によって構成されている。

＜表裏面形状測定の説明（図４および図５参照）＞
最初に、被測定物Ｗの表面Ｗａの測定を行う。
図４に示すように、非接触プローブ１０において、一方の測長手段１１Ａのレーザ光発生手段１２からレーザ光Ｌを被測定物Ｗの表面Ｗａに向けて出射すると、そのレーザ光Ｌは、ビームスプリッタ１７によって参照光Ｌ１と測長光Ｌ２とに分割される。参照光Ｌ１は、反射ミラー１４で反射されたのち、ビームスプリッタ１７へ戻る。測長光Ｌ２は、被測定物Ｗの表面Ｗａに向かって進み、表面Ｗａで反射されたのち、ビームスプリッタ１７へ戻り、参照光Ｌ１と干渉される。この干渉光Ｌ３が検出器１６で検出されることにより、被測定物Ｗの表面Ｗａまでの距離が測定される。つまり、被測定物Ｗの表面形状（測長光Ｌ２が照射された位置の座標）を求めることができる。
また、必要に応じて、Ｚ軸駆動機構７を駆動させたり、更に、Ｘ軸駆動機構３およびＹ軸駆動機構４を駆動させれば、被測定物Ｗの表面Ｗａを面領域で測定することができる。

次に、被測定物Ｗの裏面Ｗｂの測定を行う。
図５に示すように、非接触プローブ１０と被測定物Ｗとを、その姿勢のまま測長光Ｌ２の光軸方向およびこれに直交する１軸方向（ここでは、Ｘ軸駆動機構３およびＺ軸駆動機構７の駆動によりＸ軸方向およびＺ軸方向）へ相対移動させたのち、他方の測長手段１１Ｂのレーザ光発生手段１２からレーザ光Ｌを被測定物Ｗの裏面Ｗｂに向けて出射する。すると、レーザ光Ｌは、ビームスプリッタ１７によって参照光Ｌ１と測長光Ｌ２とに分割される。参照光Ｌ１は、反射ミラー１４で反射されたのち、ビームスプリッタ１７へ戻る。測長光Ｌ２は、被測定物Ｗの裏面Ｗｂに向かって進み、裏面Ｗｂで反射されたのち、ビームスプリッタ１７へ戻り、参照光Ｌ１と干渉される。この干渉光Ｌ３が検出器１６で検出されることにより、被測定物Ｗの裏面Ｗｂまでの距離が測定される。つまり、被測定物Ｗの裏面形状（測長光Ｌ２が照射された位置の座標）を求めることができる。
また、同様にして、Ｚ軸駆動機構７を駆動させたり、更に、Ｘ軸駆動機構３およびＹ軸駆動機構４を駆動させれば、被測定物Ｗの裏面Ｗｂを面領域で測定することができる。

＜一対の被測定物同時測定の説明（図６参照）＞
まず、ＸＹステージ２上に一対の被測定物Ｗ１，Ｗ２を対向して載置したのち（被測定物載置工程）、非接触プローブ１０を一対の被測定物Ｗ１，Ｗ２間に位置させる（非接触プローブ設置工程）。
ついで、非接触プローブ１０の一対の測長手段１１Ａ，１１Ｂから一対の被測定物Ｗ１，Ｗ２に向けて測長光Ｌ２を出射しながら、非接触プローブ１０とＸＹステージ２（被測定物）を測長光Ｌ２の光軸に対して直交する少なくとも１軸方向へ相対移動させる。すると、一対の被測定物Ｗ１，Ｗ２の形状が同時に測定される（測定工程）。

従って、一対の被測定物Ｗ１，Ｗ２、例えば、金型の雄型と雌型、あるいは、上型と下型を同時に測定することができるから、効率的な測定が可能である。しかも、これらを同時測定できるから、同一条件下（例えば、温度や湿度などが同一環境条件下）での形状評価を行うことができ、測定精度の向上が期待できる。
ちなみに、これらの金型を組み合わせる位置に固定して１回の測定でお互いの評価を行うことは難しい。そこで、金型の一部にマーキング、もしくは、特異点を付けておけば、後からソフトウエアでの形状の照合（補正など）も行うことができる。

＜第１実施形態の効果＞
本実施形態の非接触形状測定機によれば、同軸上でかつ互いに離れる方向に測長光Ｌ２を出射し、その測長光Ｌ２が被測定物Ｗ、Ｗ１，Ｗ２によって反射した反射光を用いて、被測定物Ｗ、Ｗ１，Ｗ２までの距離を求める一組の測長手段１１Ａ，１１Ｂを有しているから、この一組の測長手段１１Ａ，１１Ｂからの測長光Ｌ２を利用して被測定物Ｗ、Ｗ１，Ｗ２の表裏面の形状などを測定できる。

つまり、一方の測長手段１１Ａからの測長光Ｌ２が被測定物Ｗの表面Ｗａに向けて出射した状態において、相対移動機構により、非接触プローブ１０とＸＹステージ２とを相対移動させながら、被測定物Ｗの表面Ｗａの形状を測定する。こののち、非接触プローブ１０と被測定物Ｗとを、その姿勢のまま相対移動させて、他方の測長手段１１Ｂからの測長光Ｌ２を被測定物Ｗの裏面Ｗｂに向けて出射し、この状態において、相対移動機構により、非接触プローブ１０とＸＹステージ２とを相対移動させながら、被測定物Ｗの裏面Ｗｂの形状を測定する。

また、一組の測長手段１１Ａ，１１Ｂを有する非接触プローブ１０を用いているから、接触式に比べ、高速測定ができる。しかも、駆動機構やガイド機構などを不要にできるため、駆動機構の発熱、プローブの重量増や大型化などの問題もすべて解消できる。
また、測長手段１１Ａ，１１Ｂに干渉計を用いたので、高精度な測定が実現できる。

また、一組の測長手段１１Ａ，１１Ｂを用いているから、これら測長手段１１Ａ，１１Ｂからの測長光Ｌ２の光軸上で測定が行われるから、アッベ誤差の影響が軽減される。
また、測定例としては、被測定物Ｗの表面Ｗａおよび裏面Ｗｂの形状を測定することができるとともに、一対の被測定物Ｗ１，Ｗ２を同時に測定することもできる。従って、効率的な測定が可能である。

＜第１実施形態の変形例＞
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、一組の測長手段１１Ａ，１１Ｂによって非接触プローブ１０が構成
されていたが、これに限られない。例えば、図７に示すように、２組の測長手段２１Ａ，２１Ｂを十字状に配置してもよい。
このようにすれば、４つの被測定物を同時に測定することができる。例えば、２組の金型を同時に測定することができ、より効率的な測定を行える。

更に、図８（平面図）に示すように、３以上の複数組、例えば、６組の測長手段１１Ａ，１１Ｂ、２１Ａ，２１Ｂ〜２５Ａ，２５Ｂを仮想点を中心として放射状に配置してもよい。このようにすれば、被測定物の孔の内周面形状を短時間で測定できる。
例えば、図９（Ａ）（Ｂ）に示すように、ＸＹステージ２上に被測定物Ｗを配置したのち、この被測定物Ｗの孔Ｗｃ内に非接触プローブ１０を位置させる。ついで、非接触プローブ１０の複数組の測長手段１１Ａ，１１Ｂ、２１Ａ，２１Ｂ〜２５Ａ，２５Ｂから被測定物Ｗの孔Ｗｃ内面に向けて測長光Ｌ２を出射し、非接触プローブ１０と被測定物Ｗとを測長光Ｌ２の光軸に対して直交する１軸方向、つまり、孔Ｗｃの軸方向へ相対移動させると、被測定物Ｗの孔Ｗｃ形状が測定される。

従って、このような構成にすれば、被測定物Ｗの孔Ｗｃの内面形状を能率的に測定することができる。しかも、例えば、一組の測長手段１１Ａ，１１Ｂを備えた非接触プローブ１０では孔Ｗｃの内面形状を測定しようとする場合、孔Ｗｃ内で非接触プローブ１０を回転させる必要があるが、図８に示す構造では、非接触プローブ１０と被測定物Ｗとを測長光Ｌ２の光軸に対して直交する１軸方向へ相対移動させるだけでよいから、高精度な測定を実現できる。

次に、本発明の第２実施形態および第３実施形態について説明するが、上記第１実施形態と同一の構成部分には、第１実施形態の構成部分と同じ符合を付すとともに、それらの説明を省略または簡略化する。

＜第２実施形態（図１０および図１１参照）＞
以下、本発明の第２実施形態について説明する。
図１０と図１１に示すように、本実施形態では、上記第１実施形態と異なり、Ｚ軸スライダ６と非接触プローブ１０との間に回転機構３０が設けられている。

回転機構３０はＺ軸スライダ６の先端に設けられ、内部に駆動モータ３１と駆動軸３２を有し、先端部に支持板３３が設けられている。非接触プローブ１０は支持板３３を介して、回転機構３０に回転可能に支持される。
回転機構３０の内部には、駆動モータ３１による支持板３３及び非接触プローブ１０の回転量を検出するロータリエンコーダ等の図示しない回転検出器が設けられている。
駆動モータ３１が駆動されると、その駆動力によって駆動軸３２と支持板３３がＺ軸回りに回転され、支持板３３の回転とともに非接触プローブ１０が、回転中心軸であるＺ軸回りに回転される。非接触プローブ１０のＺ軸回りの回転量は前記回転検出器によって検出される。

Ｚ軸スライダ６の外周には図示しない光学式などのスケールが設けられ、Ｚ軸駆動機構７の内部で前記スケールに対向する部分には、前記スケールのＺ軸方向の位置を検出する検出部が設けられている。
Ｚ軸スライダ６がＺ軸駆動機構７によってＺ方向に移動されると、前記スケール及び検出部からなる変位検出器によって、Ｚ軸スライダ６のＺ軸方向の位置が検出される。

＜被測定物の孔形状測定の説明（図１１参照）＞
次に、本実施形態の非接触形状測定機を用いて、円筒などの被測定物Ｗの孔形状を測定する方法について説明する。

図１１に示すように、ＸＹステージ２上に被測定物Ｗを配置したのち、被測定物Ｗの孔Ｗｃ内の所定のＺ軸方向の位置に非接触プローブ１０を位置させる。ついで、非接触プローブ１０の測長手段１１Ａ，１１Ｂから孔Ｗｃ内面に向けて測長光Ｌ２を出射し、その状態で、駆動モータ３１を駆動して非接触プローブ１０をＺ軸回りに回転させる。これにより、所定位置での孔Ｗｃの内径と真円度が測定される。このとき、被測定物ＷはＸＹステージ２上に載置されて位置固定された状態である。
その後、Ｚ軸駆動機構７によって非接触プローブ１０をＺ軸方向へ移動させ、上記と同様の動作により、別の位置での孔Ｗｃの内径と真円度が測定される。この測定を複数のＺ軸方向の位置で行うことにより、孔Ｗｃの内径と真円度の複数のデータ（プロファイル）が得られる。この複数のデータに基づいて孔Ｗｃの形状、すなわち被測定物Ｗの円筒度が算出される。
なお、本実施形態における回転機構３０は前記相対移動機構を構成する。

＜第２実施形態の効果＞
本実施形態の非接触形状測定機と上記測定方法によれば、非接触プローブ１０を用いて、孔Ｗｃの内径と真円度、被測定物Ｗの円筒度を非接触で測定できるため、測定の際に被測定物Ｗを損傷することを防止できる。また、複数位置での高精度な内径と真円度のデータに基づいて、被測定物Ｗの円筒度が算出されるため、円筒度についても高精度な測定ができる。さらに、非接触プローブ１０が、回転機構３０によってＺ軸回りに回転させられ、Ｚ軸駆動機構７によってＺ軸方向へ移動させられるため、複数位置での測定において、効率のいい測定を行うことができる。回転機構３０の構造も複雑、大型にする必要がなく、非接触形状測定機自体も小型化することができ、内径の小さな被測定物Ｗの孔Ｗｃの測定にも利用できる。

＜第２実施形態の変形例（図１２ないし図１５参照）＞
図１２に示す変形例では、図１１に示す構造とは異なり、駆動モータ３１と駆動軸３２とがＺ軸スライダ６の先端部分の内部に収納配置されている。このため、図１１に示す構造と比べて、Ｚ軸スライダ６の長さを短くでき、孔Ｗｃの内径などの測定において、非接触プローブ１０をＺ軸方向に移動させるときの移動誤差の影響を軽減することができる。

図１３と図１４に示す変形例では、図１１や図１２に示す構造とは異なり、ＸＹステージ２の上に、Ｚ軸回りに回転可能な回転機構として機能する回転台４０が設けられている。回転台４０は被測定物ＷをＺ軸回りに回転させるもので、図示しない駆動部によって回転駆動される。

本変形例の非接触形状測定機を用いた場合には、図１４に示すように、被測定物Ｗの孔Ｗｃ内の所定のＺ軸方向の位置に非接触プローブ１０を位置させ、非接触プローブ１０の測長手段１１Ａ，１１Ｂから孔Ｗｃ内面に向けて測長光Ｌ２を出射する。その後、その状態で、前記駆動部によって回転台４０をＺ軸回りに回転し、回転台４０とともに被測定物ＷをＺ軸回りに回転させて、所定位置での孔Ｗｃの内径と真円度が測定される。このとき、非接触プローブ１０は位置固定された状態である。
その後、Ｚ軸駆動機構７によって非接触プローブ１０をＺ軸方向へ移動させ、上記と同様の動作により、複数位置での孔Ｗｃの内径と真円度が測定され、複数のデータに基づいて孔Ｗｃの形状、すなわち被測定物Ｗの円筒度が算出される。
本変形例の非接触形状測定機と上記測定方法によれば、図１０や図１１に示したものと同様の効果を得ることができる。また、回転台４０の構造も複雑、大型にする必要がなく、非接触形状測定機自体も小型化することができる。なお、本変形例における回転台４０は前記相対移動機構を構成する。

図１０ないし図１４に示すものにおいては、１組の測長手段１１Ａ，１１Ｂを有する非接触プローブ１０を用いたが、これには限られず、図７に示すような、２組の測長手段１１Ａ，１１Ｂ，２１Ａ，２１Ｂを十字状に配置した非接触プローブ１０を用いてもよい。
このような非接触プローブ１０を用いれば、より多くの箇所から複数の測長光Ｌ２を出射でき、非接触プローブ１０又は回転台４０を回転させる角度が少なくてすみ、回転による測定誤差を低減できる。また、非接触プローブ１０又は回転台４０を回転させる角度が少なくてすむため、レーザ光発生手段１２などに接続されるケーブルの取り回しを考慮する必要が無く、ケーブル配置の自由度を高めることができる。

次に、図１３に示す変形例の非接触形状測定機を用いて、被測定物Ｗの外径を測定する方法を図１５に基づいて説明する。
図１５に示すように、非接触プローブ１０を、被測定物Ｗの外形から外側に離れたところであって、所定のＺ軸方向の位置に位置させ、非接触プローブ１０において、一方の測長手段１１Ａのレーザ光発生手段１２から側長光Ｌ２を被測定物Ｗの外表面Ｗｄに向けて出射する。その状態で、回転台４０を回転させて被測定物Ｗを回転させる。これにより、所定位置での被測定物Ｗの外径が測定される。

その後、Ｚ軸駆動機構７によって非接触プローブ１０をＺ軸方向へ移動させ、上記と同様の動作により、別の位置での被測定物Ｗの外径が測定される。この測定を、前記スケールに基づいて複数のＺ軸方向の位置で行うことにより、被測定物Ｗの外径を高精度に得られる。

前記第２実施形態の変形例では、ＸＹステージ２上に回転台４０を設け、その回転台４０上に被測定物Ｗを載置し、回転台４０を回転させることで被測定物Ｗを回転させている。しかし、回転台４０を設けずに、ＸＹステージ２内部に回転機構を設けてＸＹステージ２を回転可能とし、この回転可能なＸＹステージ２上に被測定物Ｗを載置して、ＸＹステージ２を回転させることで被測定物Ｗを回転させてもよい。

＜第３実施形態（図１６参照）＞
次に、本発明の第３実施形態について説明する。
図１６に示すように、本実施形態では、図１０ないし図１４に示す上記第２実施形態と異なり、回転機構３０の支持板３３に板状のオフセット治具５０が支持されている。また、図１３に示すような回転台４０も設けられていない。ここで、Ｚ軸スライダ６は、非接触プローブ１０をＸＹステージ２に対して昇降させる昇降軸として機能する。

オフセット治具５０は、基端部５１が支持板３３にほぼ水平に支持され、先端部５２が、被測定物Ｗの外形から外側に離れたところに位置している。
非接触プローブ１０は、オフセット治具５０の先端部５２に支持固定されている。駆動モータ３１が駆動されると、支持板３３と、支持板３３に支持されたオフセット治具５０とが、Ｚ軸スライダ６を回転中心軸としてその回りを回転する。オフセット治具５０の回転により、非接触プローブ１０もオフセット治具５０とともにＺ軸スライダ６を回転中心軸としてその回りを回転する。

＜被測定物の外形形状測定の説明（図１６参照）＞
次に、本実施形態の非接触形状測定機を用いて、被測定物Ｗの外形形状、例えば被測定物Ｗの外径を測定する方法について説明する。
図１６に示すように、所定のＺ軸方向の位置に非接触プローブ１０を位置させ、非接触プローブ１０において、一方の測長手段１１Ａのレーザ光発生手段１２から側長光Ｌ２を被測定物Ｗの外表面Ｗｄに向けて出射する。なお、一方の測長手段１１Ａのみのレーザ光発生手段１２から側長光Ｌ２を出射するのではなく、双方の測長手段１１Ａ，１１Ｂから側長光Ｌ２を出射してもよい。
この状態で、駆動モータ３１を駆動し、オフセット治具５０を介して非接触プローブ１０をＺ軸回りに回転させる。これにより、所定位置での被測定物Ｗの外径が測定される。
その後、Ｚ軸駆動機構７によって非接触プローブ１０をＺ軸方向へ移動させ、上記と同様の動作により、別の位置での被測定物Ｗの外径が測定される。

＜第３実施形態の効果＞
本実施形態の非接触形状測定機では、回転機構３０と、回転機構３０によって回転されるオフセット治具５０とが設けられ、非接触プローブ１０が、オフセット治具５０とともに回転可能にオフセット治具５０に支持固定され、被測定物Ｗの外形から外側に離れたところに位置する。このため、非接触プローブ１０を用いて被測定物Ｗの外周に接触することなく、被測定物Ｗの外径を測定できる。また、本実施形態の非接触形状測定機を用いた被測定物Ｗの外径を測定する方法は、スペースなどの都合で、図１５に示した場合のように回転台４０を設けることができないときに有効である。

前記各実施形態では、非接触プローブ１０を干渉計によって構成された一対の測長手段１１Ａ，１１Ｂによって構成したが、これに限られない。
例えば、対物レンズおよび結像レンズを通過した被測定物からの反射光を分割するビームスプリッタと、このビームスプリッタにより分割された各反射光の合焦位置よりも前および後にそれぞれ配置された２つのピンホールと、各ピンホールを通過した反射光の光量をそれぞれ検出する受光素子と、この各受光素子の出力が等しくなるように対物レンズを被測定物に対して接近離反させる機構を備え、対物レンズの位置から被測定物の形状を求める、いわゆるピンホール方式の測長手段であってもよい。要は、非接触式で被測定物までの距離を測定できる構造であれば、どのような方式であってもよい。

前記実施形態では、ＸＹステージ２と非接触プローブ１０とが、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向へ相対移動する三次元の測定機を対象としたが、例えば、非接触プローブ１０がＺ軸方向へ移動可能で、ＸＹステージ２がＸ，Ｙ軸方向のいずれか一軸方向へ移動可能な構成、つまり、二次元の測定装置であってもよい。
また、前記実施形態では、門型の三次元測定機について説明したが、横型の測定機、及びロボットアーム等の多関節ロボットであってもよい。

本発明は、例えば、金型などの被測定物を測定する測定機に利用できる。

２…ＸＹステージ（テーブル）、
３…Ｘ軸駆動機構（相対移動機構）、
４…Ｙ軸駆動機構（相対移動機構）、
５…門形フレーム（相対移動機構）、
６…Ｚ軸スライダ（相対移動機構）、
７…Ｚ軸駆動機構（相対移動機構）、
１０…非接触プローブ
１１Ａ，１１Ｂ、２１Ａ，２１Ｂ〜２５Ａ，２５Ｂ…測長手段、
１２…レーザ光発生手段、
１３…レーザ光分割手段、
１４…反射ミラー、
１５…レーザ光合成手段、
１６…検出器、
１７…ビームスプリッタ、
３０…回転機構
４０…回転台（回転機構）
５０…オフセット治具
５１…基端部
５２…先端部
Ｌ…レーザ光、
Ｌ１…参照光、
Ｌ２…測長光、
Ｌ３…干渉光、
Ｗ，Ｗ１，Ｗ２…被測定物、
Ｗａ…表面、
Ｗｂ…裏面、
Ｗｃ…孔、
Ｗｄ…外表面

Claims (10)

1. 非接触プローブと、
   被測定物を載置するテーブルと、
   前記非接触プローブと前記テーブルとを相対移動させる相対移動機構とを備え、
   前記非接触プローブは、同軸上でかつ互いに離れる方向にレーザ光を出射し、そのレーザ光が被測定物によって反射した反射光を用いて、被測定物までの距離を求める一組の測長手段を含んで構成されている、ことを特徴とする非接触形状測定機。
2. 請求項１に記載の非接触形状測定機において、
   前記非接触プローブは、前記測長手段を複数組備え、こられ複数組の測長手段が仮想点を中心として放射状に配置されている、ことを特徴とする非接触形状測定機。
3. 請求項１に記載の非接触形状測定機において、
   前記相対移動機構には、前記テーブルに対して略直交する軸を回転中心軸として、前記非接触プローブと前記被測定物とを相対回転させる回転機構が設けられる、ことを特徴とする非接触形状測定機。
4. 請求項１に記載の非接触形状測定機において、
   前記相対移動機構は、前記非接触プローブを前記テーブルに対して昇降させる昇降軸を有し、
   前記昇降軸の先端には、前記昇降軸を回転中心軸として回転する回転機構が設けられ、
   前記回転機構には、先端に前記非接触プローブを支持したオフセット部材の基端が支持されている、ことを特徴とする非接触形状測定機。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の非接触形状測定機において、
   前記測長手段は、レーザ光を発生するレーザ光発生手段と、このレーザ光発生手段からのレーザ光を参照光と測長光とに分割するレーザ光分割手段と、前記参照光を反射する反射ミラーと、前記測長光が被測定物によって反射した反射光と前記参照光が前記反射ミラーによって反射された反射光とを合成して干渉させるレーザ光合成手段と、このレーザ光合成手段によって合成されたレーザ光の干渉光を検出する検出器とを有する干渉計によって構成されている、ことを特徴とする非接触形状測定機。
6. 請求項１に記載の非接触形状測定機を用いて、被測定物の表裏面を測定する測定方法であって、
   前記テーブル上に前記被測定物を載置する被測定物載置工程と、
   前記非接触プローブの一方の測長手段から前記被測定物の表面に向けてレーザ光を出射し、前記非接触プローブと前記テーブルとを前記レーザ光の光軸に対して直交する少なくとも１軸方向へ相対移動させながら前記被測定物の表面形状を測定する表面形状測定工程と、
   前記非接触プローブと前記テーブルとをその姿勢のまま前記レーザ光の光軸方向およびこれに直交する１軸方向へ相対移動させたのち、前記非接触プローブの他方の測長手段から前記被測定物の裏面に向けてレーザ光を出射し、前記非接触プローブと前記テーブルとを前記レーザ光の光軸方向に対して直交する少なくとも１軸方向へ相対移動させながら前記被測定物の裏面形状を測定する裏面形状測定工程と、を備えることを特徴とする測定方法。
7. 請求項１に記載の非接触形状測定機を用いて、一対の被測定物の形状を同時に測定する測定方法であって、
   前記テーブル上に前記一対の被測定物を対向して載置する被測定物載置工程と、
   前記非接触プローブを前記一対の被測定物間に位置させる非接触プローブ設置工程と、
   前記非接触プローブの一対の測長手段から前記一対の被測定物に向けてレーザ光を出射し、前記非接触プローブと前記テーブルとを前記レーザ光の光軸に対して直交する少なくとも１軸方向へ相対移動させながら前記一対の被測定物の形状を同時に測定する測定工程と、を備えることを特徴とする測定方法。
8. 請求項２に記載の非接触形状測定機を用いて、被測定物の孔形状を測定する測定方法であって、
   前記テーブル上に前記被測定物を載置する被測定物載置工程と、
   前記非接触プローブを前記被測定物の前記孔内に位置させる非接触プローブ設置工程と、
   前記非接触プローブの複数組の測長手段から前記被測定物の孔内面に向けてレーザ光を
   出射し、前記非接触プローブと前記テーブルとを前記レーザ光の光軸に対して直交しかつ前記孔の軸方向へ相対移動させながら前記被測定物の孔形状を測定する測定工程と、を備えることを特徴とする測定方法。
9. 請求項３に記載の非接触形状測定機を用いて、被測定物の孔形状を測定する測定方法であって、
   前記テーブル上に前記被測定物を載置する工程と、
   前記非接触プローブを前記被測定物の前記孔内に位置させる非接触プローブ設置工程と、
   前記非接触プローブの測長手段から前記被測定物の孔内面に向けてレーザ光を出射し、
   その状態で、前記非接触プローブと前記被測定物とを前記回転中心軸回りに相対的に回転させながら前記被測定物の孔形状を測定する測定工程と、を備えることを特徴とする測定方法。
10. 請求項４に記載の非接触形状測定機を用いて、被測定物の外形形状を測定する測定方法であって、
    前記テーブル上に前記被測定物を載置する被測定物載置工程と、
    前記非接触プローブを前記被測定物の外形から外側に離れた位置に位置させる非接触プローブ設置工程と、
    前記非接触プローブの測長手段から前記被測定物の外表面に向けてレーザ光を出射し、その状態で、前記回転機構からの回転力によって、前記オフセット部材を介して前記非接触プローブを前記回転中心軸回りに回転させながら前記被測定物の外形形状を測定する測定工程と、を備えることを特徴とする測定方法。

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