JPH1019504A - ３次元形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】測定装置の各構成部材の重量、位置変化及び温
度変化などによる変形が測定精度に影響を与えにくいよ
うにした３次元形状測定装置を提供する。 【解決手段】測定台１に固定された被測定物６の表面に
触針２８を接触させ、触針２８を被測定物６の表面に沿
って移動させながら、触針２８の位置を計測することに
より、被測定物６の表面形状を測定するための３次元形
状測定装置において、測定台１を支持するためのベース
１６と、ベース１６と測定台１の間に配置され、ベース
１６の変形を測定台１に伝達しにくい状態で測定台１を
支持する支持機構４５,４６,４７ａ,４７ｂ,４７ｃと、
ベース１６上に配置され、触針２８を３次元的に移動さ
せるためのステージ４と、ステージ４の３次元的な位置
を測定する測定装置７,８,９とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は例えばレンズや鏡な
どの曲面形状を、精密に、例えば１マイクロメートル以
下の誤差で測定するための３次元形状測定装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】接触式の３次元形状測定装置は、従来、
例えば文献ＳＰＩＥ，Ｖｏｌ７３３（１９８６），ｐａ
ｇｅ１４９〜１５５に記載されているように構成されて
いる。その構造を、図２０に示す。図２０において、３
次元形状測定装置は、除振台１０８と、除振台１０８上
に載置されたベッド１０７と、ベッド１０７上にＸＹ方
向に移動可能に配置されたＸＹスライド１０４と、ＸＹ
スライド１０４上に固定されたコラム１０３と、コラム
１０３にＺ方向に移動可能に配置されたＺスライド１０
２と、Ｚスライド１０２に固定されたアーム１１４と、
アーム１１４の先端に支持され、プローブ（触針）が横
方向（Ｘ軸方向）を向いたプローブヘッド１１２と、ベ
ッド１０７上に固定されたベース定盤１１０と、ベース
定盤１１０上に配置された３つの基準鏡とから概略構成
されている。ＸＹスライド１０４は、ベッド１０７上に
配置されたキャプスタンドライブ１０５,１０６により
ＸＹ方向に駆動される。Ｚスライド１０２は、テープド
ライブ１０１によりコラム１０３に沿ってＺ方向に駆動
される。ベース定盤１１０上の３つの基準鏡のうち２枚
は垂直に立てて配置されるとともに、残りの１枚は、ベ
ース定盤１１０上に上を鏡面にして固定されており、プ
ローブヘッド１１２に設けられた５軸の光干渉計によ
り、３枚の基準鏡とプローブヘッド上の５ヶ所の位置と
の距離を測定することにより、プローブヘッド１１２の
位置を算出する。

【０００３】このように構成される３次元形状測定装置
においては、被測定物をベース定盤１１０上に固定し、
その表面にプローブヘッド１１２を押し当て、その座標
を５軸の干渉計で測定することにより、プローブヘッド
１１２の移動にともなう位置及び姿勢の誤差に影響され
ない、言い換えればアッベ誤差に影響されないプローブ
位置の測定を行うことができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来例では、以下に挙げる要因により、ベース定盤１１
０やベッド１０７が変形し、それに支えられている３つ
の基準鏡１１３の相対位置が変化する。そして、その基
準鏡を位置の基準として測定するプローブの座標位置も
変化し、結局その位置の変化が測定誤差になるという問
題点があった。 （１）被測定物の自重によりベース１１０やベッド１０
７が変形する。

【０００５】この変形により３つの基準鏡１１３の相対
位置が変化する。さらに、この相対位置のズレは被測定
物の重量によって変化するため、被測定物によって異な
る測定誤差を与える。 （２）ＸＹスライド１０４あるいはＺスライド１０２の
移動に伴ってベース定盤１１０やベッド１０７の変形状
態が変化する。

【０００６】この変形により３つの基準鏡１１３の相対
位置が変化する。この相対位置はＸＹスライド１０４及
びＺスライド１０２の位置によって変化するため、被測
定物の形状によって異なる測定誤差を与える。 （３）基準鏡の自重により基準鏡自身が変形する。

【０００７】この変形による測定誤差は、スライドの位
置や被測定物の重量によらず一定なので、変形を予め求
めて記憶しておくことにより補正することができる。例
えばＺ方向の補正量はＸ方向及びＹ方向の位置で変化す
るため、補正量δＺ＝ｆ（ｘ，ｙ）の関数を適当な分割
点において測定して求め、補間する。しかし、この方法
はｆ（ｘ，ｙ）を測定するときに、誤差が入りやすい。
例えば、干渉計を用いて校正する場合、被測定物の取り
付け条件が自由ではなく、被測定物が実際の測定とは異
なった条件で取り付けられた状態で補正量を測定せざる
を得ない。従って、取り付け条件の違いによる測定誤差
が生じる。それに加えて補間するときの誤差も上乗せさ
れる。 （４）環境温度の変化によりベース定盤１１０やベッド
１０７が変形する。

【０００８】この変形により３つの基準鏡１１３の相対
位置が変化する。さらに、この相対位置のズレは環境温
度に応じて変化するため、測定日時で変化する再現性の
ない測定誤差を与える。

【０００９】また、上記のような各部材の変形による測
定誤差の発生以外にも以下のような問題点がある。 （５）Ｚ軸がプローブの変位の方向を向いていないた
め、プローブの被測定物表面への追従性が悪い。

【００１０】プローブの接触状態を保ちながら、連続的
に被測定物の表面をなぞる（走査する）場合、プローブ
は、被測定物の表面形状に応じて速やかに移動する必要
があり、特に被測定物への押し付け力の働く軸方向（図
２０ではＸ軸方向）には特に敏速な移動が要求される。
しかし、上記の従来例ではＸ方向の移動を行うＸＹスラ
イド１０４は、コラム１０３、Ｚスライド１０２、測定
アーム１１４等の構造物を上に載せているため、体積も
重量も大きくなり、それにともなって固有振動数（共振
点）が低く、高速な位置制御が難しい。そのため、プロ
ーブを走査する速度を遅くしなければならず、測定に時
間がかかる。

【００１１】また、Ｚスライド１０２がテープという剛
性の低い部材を介して駆動されるためＺ軸方向の応答性
も悪い。このことは、やはりプローブの走査速度を遅く
する要因となり、測定時間が長くなる原因となる。測定
に時間がかかると、測定中の温度変化によって被測定物
や装置の構成部材の形状が変化し、測定精度が悪化す
る。逆に、プローブの走査速度を速くすると、プローブ
の被測定物表面への追従性が悪くなり、プローブの位置
をもって被測定物表面の形状とする装置では、測定精度
の悪化を招く。 （６）プローブの被測定物への押し付け力が変化する。

【００１２】上記の（５）で述べた様に、プローブのＸ
軸方向の応答性が悪いため、バネを用いた接触式プロー
ブの場合、押し付け力が変化する。押し付け力が変化す
ると、その変化にともなって被測定物の形状やプローブ
自身の形状も変化するため、測定精度が悪化する。 （７）Ｚ方向の基準鏡の鏡面が上を向いているため、埃
等が付着しやすい。

【００１３】基準鏡が上を向いていると、微小な塵がそ
の上に積もりやすく、基準鏡の品質を急速に劣化させて
しまう。従って、基準鏡を位置測定の基準としている装
置では測定精度が悪化する。また、物品の落下等により
鏡面が傷つけられる虞がある。

【００１４】また、従来の触針式の形状測定装置とし
て、図２１に示すようなものも知られている。

【００１５】図２１に示す装置は、前述した装置とは異
なり、触針子のＺ軸方向の位置を測定することにより被
測定物表面のＺ方向の高さを測定するものである。図２
１において、触針子２０３を支持するホルダー２０５
は、直動ガイド２０９,２１０によってＺ軸方向のみに
移動可能に支持されている。真球２０２が先端部に取り
付けられた触針子２０３は、平行板バネ２０４ａ〜２０
４ｄを介してホルダー２０５に対してＺ方向にのみ移動
可能に支持されている。リニアモータ２０８,２１０は
ホルダー２０５にＺ軸方向の推力を与える様に配置され
ている。シリンダ５０１とブレーキパッド５０３から構
成されるブレーキ機構は、ブレーキパッド５０３をシリ
ンダ５０１の発生する力でホルダー２０５に押し付ける
ことにより、ホルダー２０５のＺ軸方向の移動を停止さ
せる。

【００１６】非接触変位計２０６はホルダー２０５と触
針子２０３との相対位置を測定することにより平行板バ
ネ２０４ａ〜２０４ｄの変位量を検出する検出機構であ
る。圧力制御演算部２１７は、既知の平行板バネ２０４
ａ〜２０４ｄのバネ係数と変位量とから被測定物２０１
に対する触針子２０３の押し付け圧力（接触圧）を計算
する。そして、この値が設定値となる様にリニアモータ
２０８,２１１を駆動してホルダー２０５をＺ軸上で上
下動させ、平行板バネ２０４ａ〜２０４ｄの変形量を制
御する。触針子２０３の先端を被測定物２０１に接触さ
せた状態で平行板バネ２０４ａ〜２０４ｄの変形量を制
御することにより、触針子２０３の被測定物２０１に対
する接触圧の制御を行う。

【００１７】このような計測部をＺ軸に有する図２１に
示すような形状測定装置において、被測定物２０１の表
面形状を高速に測定するには、被測定物２０１の表面上
の異なる点に触針子２０３を速く移動させることが必要
である。この場合、触針子２０３を被測定物２０１から
一旦離し、移動後の測定点で再び接触させようとする
と、再接触させるときに触針子２０３をショック無く被
測定物２０１に接触させるには、その制御に時間がかか
り、高速な測定を行うには不向きである。そのため、通
常は、触針子２０３を被測定物２０１に一定圧力で接触
させた状態で、触針子２０３と被測定物２０１をＸＹ方
向に相対的に移動させ、測定を行う。

【００１８】このように、触針子２０３を被測定物２０
１に接触させた状態で形状測定を行う場合、触針子２０
３が被測定物２０１の範囲からはみ出して落下すること
がある。触針子２０３が被測定物２０１からはみ出して
落下すると、触針子２０３あるいはその移動機構を破損
する場合があり問題である。この落下を防ぐためには、
予め被測定物２０１のＸＹ方向の測定範囲を制御装置に
入力しておけばよいのであるが、この入力を忘れた場合
や、何等かの理由で被測定物２０１の測定装置への設置
位置がずれた場合などには対応できないという問題点が
残されている。

【００１９】また、上記の装置では、被測定物２０１の
Ｚ方向の高さがＸＹ方向の位置により大きく変動するよ
うな場合、被測定物２０１の表面形状を高速で測定しよ
うとすれば、前述した平行板バネ２０４ａ〜２０４ｄの
変位量の制御は高い応答性が要求される。

【００２０】ところが、被測定物２０１に対する接触圧
を小さい状態で制御し、なお且つ高速で走査した場合、
被測定物２０１の表面が粗いときには、触針子２０３が
被測定物２０１の表面から跳ね上がる場合がある。特に
被測定物２０１上にゴミが付着し、触針子２０３と被測
定物２０１との間に入り込んだ場合には、触針子２０３
がジャンプし、触針子２０３の動きと被測定物２０１の
形状との関連性が失われることにより、圧力制御によっ
て制御されていたホルダー２０５が暴走するなどの制御
の破綻が発生する可能性がある。

【００２１】通常は、触針子２０３が被測定物２０１か
ら離れること等によってホルダー２０５が暴走した場合
などには、圧力制御を中断する。しかし、接触圧の制御
を中断しただけでは、制御を中断した時点の速度でＺ軸
ホルダー２０５が移動し続ける。このときの移動方向が
接触圧を大きくする方向である場合には、ホルダー２０
５が触針子２０３を被測定物２０１に過大な力で押し付
け、被測定物に傷を付けたり、平行板バネ２０４ａ〜２
０４ｄが塑性変形したりするなどの事故が発生する。こ
のような事故を防ぐために、従来では制御の中断ととも
にブレーキによりその位置でホルダー２０５を停止させ
る方法を採っていた。

【００２２】しかしながら、このように制御の停止とと
もに機械的なブレーキでホルダー２０５を停止させる方
法には以下のような問題点があった。 （１）機械的にホルダー２０５を停止させるためにブレ
ーキ機構を設ける必要があるが、移動しているホルダー
をその場で停止できるほど強力な力を発生できるブレー
キ機構は大型化するため、このブレーキ機構のためのス
ペースが必要となるとともに、重量も大きくなるため、
Ｚ軸の小型化及び軽量化が難しくなる。 （２）強力な力を発生させるために、ブレーキ機構に
は、電磁弁と空気圧シリンダを組み合わせたものを使用
する場合が多いが、このような機構は応答が遅く、ホル
ダーが完全に停止する前に触針子が被測定物に衝突した
り、圧力の増大によって破損が発生したりする虞があ
る。 （３）Ｚ軸の圧力制御がエラーを発生した場合は、Ｘ軸
及びＹ軸も同時に停止する必要があるが、Ｘ軸及びＹ軸
が高速で移動している場合には、これらの停止までに時
間がかかる。そのため、触針子が被測定物の低い部分
（谷の部分）に位置しているときにエラーが発生した場
合には、Ｚ軸のみが即座に停止してもＸＹ軸の動きによ
り触針子が被測定物の山の部分に押し上げられ、やはり
破損が発生する虞がある。

【００２３】従って、本発明は上述した課題に鑑みてな
されたものであり、その第１の目的は、測定装置の各構
成部材の重量、位置変化及び温度変化などによる変形が
測定精度に影響を与えにくいようにした３次元形状測定
装置を提供することである。

【００２４】また、本発明の第２の目的は、ステージ
（触針子）の追従性を向上させ、より精度の高い測定を
行うことができる３次元形状測定装置を提供することで
ある。

【００２５】また、本発明の第３の目的は、ステージの
位置の非線形な測定誤差を排除し、より精度の高い測定
を行うことができる３次元形状測定装置を提供すること
である。

【００２６】また、本発明の第４の目的は、基準鏡の寿
命が短くなることを防止できる３次元形状測定装置を提
供することである。

【００２７】また、本発明の第５の目的は、触針子が被
測定物の範囲からはみ出して落下してしまうことを防止
できる３次元形状測定装置を提供することである。

【００２８】また、本発明の第６の目的は、触針子を移
動させるステージが暴走することを防止できる３次元形
状測定装置を提供することである。

【００２９】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決し目
的を達成するために、本発明に係わる３次元形状測定装
置は、測定台に固定された被測定物の表面に触針を接触
させ、該触針を前記被測定物の表面に沿って移動させな
がら、前記触針の位置を計測することにより、前記被測
定物の表面形状を測定するための３次元形状測定装置に
おいて、前記測定台を支持するためのベースと、該ベー
スと前記測定台の間に配置され、前記ベースの変形を前
記測定台に伝達しにくい状態で前記測定台を支持する支
持手段と、前記ベース上に配置され、前記触針を３次元
的に移動させるためのステージと、前記ステージの３次
元的な位置を測定する測定手段とを具備することを特徴
としている。

【００３０】また、この発明に係わる３次元形状測定装
置において、前記支持手段は、前記ベース上の第１の位
置において前記ベースに対して前記測定台を互いに直交
するＸＹＺの３方向に移動不能に固定する第１の支持機
構と、前記第１の位置からＹ方向に所定距離だけ離間し
た前記ベース上の第２の位置において前記ベースに対し
て前記測定台をＹ方向のみに移動可能に支持する第２の
支持機構と、前記第１の位置からＸＹ方向に夫々所定距
離だけ離間した前記ベース上の第３の位置において、前
記ベースに対して前記測定台をＸ方向及びＹ方向に移動
可能に支持する第３の支持機構とを具備することを特徴
としている。

【００３１】また、この発明に係わる３次元形状測定装
置において、前記第１の支持機構は、前記ベースと前記
測定台の夫々に設けられた略円錐状の凹部と、該略円錐
状の凹部に挿入される第１の球体とから構成され、前記
第２の支持機構は、前記ベースと前記測定台の夫々に設
けられＹ方向に延出する略三角柱状の凹部と、該略三角
柱状の凹部に挿入される第２の球体とから構成され、前
記第３の支持機構は、前記ベースの上面と前記測定台の
下面との間に挿入される第３の球体から構成されること
を特徴としている。

【００３２】また、この発明に係わる３次元形状測定装
置において、前記ベースと前記測定台とを熱膨張係数の
小さい材料から形成したことを特徴としている。

【００３３】また、本発明に係わる３次元形状測定装置
は、測定台に固定された被測定物の表面に触針を接触さ
せ、該触針を前記被測定物の表面に沿って移動させなが
ら、前記触針の位置を計測することにより、前記被測定
物の表面形状を測定するための３次元形状測定装置にお
いて、前記触針を３次元的に移動させるためのステージ
と、前記測定台上に配置され、前記ステージの３次元的
な位置を測定する光学系の一部を構成するミラーを支持
するためのフレームと、前記測定台と前記フレームの間
に配置され、前記測定台の変形を前記フレームに伝達し
にくい状態で前記フレームを支持する第１の支持手段と
を具備することを特徴としている。

【００３４】また、この発明に係わる３次元形状測定装
置において、前記第１の支持手段は、前記測定台上の第
１の位置において前記測定台に対して前記フレームを互
いに直交するＸＹＺの３方向に移動不能に固定する第１
の支持機構と、前記第１の位置からＹ方向に所定距離だ
け離間した前記測定台上の第２の位置において前記測定
台に対して前記フレームをＹ方向のみに移動可能に支持
する第２の支持機構と、前記第１の位置からＸＹ方向に
夫々所定距離だけ離間した前記測定台上の第３の位置に
おいて、前記測定台に対して前記フレームをＸ方向及び
Ｙ方向に移動可能に支持する第３の支持機構とを具備す
ることを特徴としている。

【００３５】また、この発明に係わる３次元形状測定装
置において、前記第１の支持機構は、前記測定台と前記
フレームとをＸＹＺ方向に強固に固定する第１の支柱か
ら構成され、前記第２の支持機構は、Ｘ方向に延出する
細長い断面を有し前記測定台と前記フレームとを連結す
るＹ方向に変形しやすい第２の支柱から構成され、前記
第３の支持機構は、細い断面を有し前記測定台と前記フ
レームとを連結するＸＹ方向に変形しやすい第３の支柱
から構成されることを特徴としている。

【００３６】また、この発明に係わる３次元形状測定装
置において、前記第１の支持機構は、前記測定台と前記
フレームの夫々に設けられた略円錐状の凹部と、該略円
錐状の凹部に挿入される第１の球体とから構成され、前
記第２の支持機構は、前記測定台と前記フレームの夫々
に設けられＹ方向に延出する略三角柱状の凹部と、該略
三角柱状の凹部に挿入される第２の球体とから構成さ
れ、前記第３の支持機構は、前記測定台の上面と前記フ
レームの下面との間に挿入される第３の球体から構成さ
れることを特徴としている。

【００３７】また、この発明に係わる３次元形状測定装
置において、前記測定台と前記フレームとを熱膨張係数
の小さい材料から形成したことを特徴としている。

【００３８】また、この発明に係わる３次元形状測定装
置において、前記フレームは、前記ミラーをその自重に
よる変形を修正した状態で保持する第２の支持手段を有
することを特徴としている。

【００３９】また、この発明に係わる３次元形状測定装
置において、前記第２の支持手段は、前記フレームの３
ヶ所に配置され前記ミラーに当接する３つの当接部材
と、前記フレームの少なくとも３ヶ所に配置され前記ミ
ラーを前記当接部材に当接する様に引き寄せるための引
っ張りバネとを備えることを特徴としている。

【００４０】また、この発明に係わる３次元形状測定装
置において、前記３つの当接部材は前記フレームに対し
て突出量を調整可能に取り付けられていることを特徴と
している。

【００４１】また、この発明に係わる３次元形状測定装
置において、前記３つの当接部材は、第１の当接部材
と、該第１の当接部材から前記ミラーの長手方向に離れ
て配置され、前記ミラーの長手方向に略直交する方向に
並ぶ第２及び第３の当接部材とから構成され、前記第１
の当接部材と前記第２及び第３の当接部材との前記ミラ
ーの長手方向に沿う位置は、前記ミラーの梁としての変
形量が最も少なくなるベッセル位置であることを特徴と
している。

【００４２】また、この発明に係わる３次元形状測定装
置において、前記フレームと前記ミラーとを熱膨張係数
の小さい材料から形成したことを特徴としている。

【００４３】また、本発明に係わる３次元形状測定装置
は、測定台に固定された被測定物の表面に触針を接触さ
せ、該触針を前記被測定物の表面に沿って移動させなが
ら、前記触針の位置を計測することにより、前記被測定
物の表面形状を測定するための３次元形状測定装置にお
いて、前記触針が支持された移動部材を互いに直交する
ＸＹＺ方向に３次元的に移動させる移動手段と、Ｚ軸に
直交するように設けられたＺ軸方向基準面から前記移動
部材上のＺ軸方向基準点までのＺ軸方向距離Ｚ１を測定
する第１の測定手段と、Ｘ軸に直交するように設けられ
たＸ軸方向基準面から前記移動部材上の第１のＸ軸方向
基準点までのＸ軸方向距離Ｘ１を測定する第２の測定手
段と、前記Ｘ軸方向基準面から、前記第１のＸ軸方向基
準点とは所定距離だけＺ軸方向に沿って離間した前記移
動部材上の第２のＸ軸方向基準点までのＸ軸方向距離Ｘ
２を測定する第３の測定手段と、Ｙ軸に直交するように
設けられたＹ軸方向基準面から前記移動部材上の第１の
Ｙ軸方向基準点までのＹ軸方向距離Ｙ１を測定する第４
の測定手段と、前記Ｙ軸方向基準面から、前記第１のＹ
軸方向基準点とは前記所定距離だけＺ軸方向に沿って離
間した前記移動部材上の第２のＹ軸方向基準点までのＹ
軸方向距離Ｙ２を測定する第５の測定手段と、前記第１
乃至第５の測定手段から出力される前記Ｚ軸方向距離Ｚ
１とＸ軸方向距離Ｘ１,Ｘ２とＹ軸方向距離Ｙ１,Ｙ２と
から前記触針のＸＹＺ座標を演算する演算手段とを具備
することを特徴としている。

【００４４】また、この発明に係わる３次元形状測定装
置において、前記Ｚ軸方向基準点を通るＺ軸に平行な直
線と、前記第１のＸ軸方向基準点を通るＸ軸に平行な直
線と、前記第１のＹ軸方向基準点を通るＹ軸に平行な直
線とは１点で交わり、前記Ｚ軸方向基準点を通るＺ軸に
平行な直線と、前記第２のＸ軸方向基準点を通るＸ軸に
平行な直線と、前記第２のＹ軸方向基準点を通るＹ軸に
平行な直線も別の１点で交わることを特徴としている。

【００４５】また、この発明に係わる３次元形状測定装
置において、前記触針は、前記移動部材に対してバネを
介して弾性的に支持されており、前記触針の前記移動部
材に対する相対位置を検出するための第６の測定手段を
さらに具備することを特徴としている。

【００４６】また、この発明に係わる３次元形状測定装
置において、前記移動部材の位置が目標位置となる様に
前記移動手段を制御する第１の制御手段と、前記第６の
測定手段の出力に基づいて前記バネによる前記触針の前
記被測定物への押し付け圧力が目標値となる様に前記移
動手段を制御する第２の制御手段をさらに具備すること
を特徴としている。

【００４７】また、この発明に係わる３次元形状測定装
置において、前記第１の制御手段による制御状態と前記
第２の制御手段による制御状態とを切り替えるための切
り替え手段をさらに具備することを特徴としている。ま
た、この発明に係わる３次元形状測定装置において、前
記切り替え手段は、前記触針が前記被測定物から離れて
いる場合には第１の制御回路を選択し、前記触針が前記
被測定物に接触している場合には第２の制御回路を選択
することを特徴としている。

【００４８】また、本発明に係わる３次元形状測定装置
は、被測定物の表面に触針を接触させ、該触針を前記被
測定物の表面に沿って移動させながら、前記触針の位置
を計測することにより、前記被測定物の表面形状を測定
するための３次元形状測定装置において、前記触針を支
持するためのホルダーと、前記被測定物と前記ホルダー
とを相対的に３次元的に移動させるためのステージと、
前記被測定物に対する前記触針の相対的な位置を計測す
るための位置計測手段と、前記触針の前記被測定物の表
面への接触圧力を検出する圧力検出手段と、該圧力検出
手段の出力に基づいて、前記触針の前記被測定物の表面
への接触圧力が所定値となる様に前記ステージの移動を
制御する制御手段と、前記位置計測手段からの出力に基
づいて、前記触針の前記被測定物の表面に略平行な方向
への第１の移動速度と、前記触針の前記被測定物の表面
に略垂直な方向への第２の移動速度とを演算する移動速
度演算手段と、前記第１の移動速度と前記第２の移動速
度に基づいて前記被測定物の表面の傾斜角を演算する傾
斜角演算手段とを具備することを特徴としている。

【００４９】また、この発明に係わる３次元形状測定装
置において、前記傾斜角演算手段により算出された前記
被測定物の表面の傾斜角が所定値以上となったときに、
前記触針が前記被測定物の端部に到達したと判定する判
定手段をさらに具備することを特徴としている。

【００５０】また、この発明に係わる３次元形状測定装
置において、前記判定手段により前記触針が前記被測定
物の端部に到達したと判定されたとき、前記制御手段は
前記ステージの移動を停止させることを特徴としてい
る。

【００５１】また、この発明に係わる３次元形状測定装
置において、前記触針は、前記ホルダーに対してバネに
より相対移動可能に支持されており、前記圧力検出手段
は、前記触診の前記ホルダーに対する相対的な移動量を
検出し、該移動量と前記バネのバネ定数とに基づいて前
記触針の前記被測定物に対する接触圧力を演算すること
を特徴としている。

【００５２】また、本発明に係わる３次元形状測定装置
は、被測定物の表面に触針を接触させ、該触針を前記被
測定物の表面に沿って移動させながら、前記触針の位置
を計測することにより、前記被測定物の表面形状を測定
するための３次元形状測定装置において、前記触針を支
持するためのホルダーと、前記被測定物と前記ホルダー
とを相対的に３次元的に移動させるためのステージと、
前記被測定物に対する前記触針の相対的な位置を計測す
るための位置計測手段と、前記触針の前記被測定物の表
面への接触圧力を検出する圧力検出手段と、該圧力検出
手段の出力に基づいて、前記触針の前記被測定物の表面
への接触圧力が所定値となる様に前記ステージの移動を
制御する第１の制御手段と、前記位置計測手段からの出
力に基づいて、前記触針の前記被測定物に対する相対速
度を制御する第２の制御手段と、前記圧力検出手段によ
り検出された接触圧力が所定の範囲外となったときに、
前記第１の制御手段による制御状態から、前記第２の制
御手段による制御状態に切り替える第３の制御手段とを
具備することを特徴としている。

【００５３】また、この発明に係わる３次元形状測定装
置において、前記第３の制御手段は、前記第２の制御手
段による制御状態に切り替えたときに、前記触針を所定
の速度で前記被測定物から退避させることを特徴として
いる。

【００５４】また、この発明に係わる３次元形状測定装
置において、前記所定の速度とは、前記ステージの最大
推力により発生される速度であることを特徴としてい
る。

【００５５】また、この発明に係わる３次元形状測定装
置において、前記所定の速度とは、前記ステージが耐え
うる最大加速度により発生される速度であることを特徴
としている。

【００５６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態に
ついて、添付図面を参照して詳細に説明する。

【００５７】（第１の実施形態）図１は、本発明の第１
の実施形態の３次元形状測定装置の構成を示す斜視図で
あり、図２は、図１の側断面図である。

【００５８】図１及び図２において、３次元形状測定装
置の基部を構成する除振台１５ａ,１５ｂ,１５ｃ上に
は、装置全体の基台となるベッド１６が配置され、これ
らの除振台により３ヶ所で支持されている。この構造に
より床面の微小振動は減衰し、ベッド１６までは伝わら
ない。

【００５９】ベッド１６はベース定盤１を支持するため
の支持面４４を有し、この支持面上の３ヵ所においてベ
ース定盤１を支持する。第１の支持点はベース定盤１の
底面と支持面４４の両方に略円錐形状の窪み４５を設
け、球４７ａを挟む。第２の支持点は、第１の支持点を
通るＹ軸に平行な直線上に位置し、ベース定盤１の底面
と支持面４４の両方に、Ｙ軸の方向に稜線の方向を一致
させた略３角柱形状の窪み４６を設け、球４７ｂを挟
む。第３の支持点は、第１及び第２の支持点からＸ軸方
向に所定距離だけ離間した位置にあり、ベース定盤１の
底面と支持面４４の両方の平面の間に球４７ｃを挟む。

【００６０】この構成により、第１の支持点においては
ＸＹＺ方向を拘束し、第２の支持点においてはＸＺ方向
を拘束し、第３の支持点においてはＺ方向を拘束する。
ここで、ベッド１６が変形し、３つの支持点間距離が変
化した場合を考える。第１の支持点と第２の支持点間の
距離の変化に対しては、第２の支持点に配置された球４
７ｂが３角柱形状の窪み４６に沿って移動するため、ベ
ース定盤１には、ベッド１６の変形によって引き起こさ
れる不要な力が伝達されない。また、ベッド１６の第２
の支持点と第３の支持点間の距離、及び第１の支持点と
第３の支持点間の距離が変化しても、ベース定盤１の第
３の支持点はベッド１６に対してＸＹ平面内で自由に移
動可能であるため、ベース定盤１にベッド１６の変形に
よって引き起こされる不要な力が伝達されない。従っ
て、ベッド１６が変形しても、ベース定盤１が変形する
ことが防止できる。

【００６１】ベース定盤１上には、ワーク（被測定物）
６を固定し、また３本の支柱５ａ、５ｂ、５ｃを固定
し、この支柱上の３ヵ所において基準鏡保持フレーム３
２を支持する。第１の支柱５ａ上の第１の支持点２９で
は、基準鏡保持フレーム３２を堅固に固定する。第２の
支柱５ｂ上の第２の支持点３１は、第１の支持点２９を
通るＹ軸に平行な直線上にあり、断面がＸ軸方向に長く
Ｙ軸方向に薄い四角柱状（薄板状）に形成されている。
また、第３の支持点３０は、第１の支持点２９からＸ軸
方向に所定距離だけ離間した位置にあり、直径の小さい
円柱状に形成されている。

【００６２】この構成により、第１の支持点２９におい
ては、ベース定盤１に対して基準鏡保持フレーム３２を
ＸＹＺ方向に拘束し、第２の支持点３１においては、支
持点３１を構成する薄板状の柱がＹ方向に容易に曲げ変
形するのでＸＺ方向を拘束する。さらに、第３の支持点
３０においては、支持点３０を構成する細い円柱状の柱
がＸ方向及びＹ方向に容易に曲げ変形するためＺ方向の
みを拘束する。ここで、ベース定盤１がワーク６の自重
などの影響により変形し、３ヵ所の支持点間の距離が変
化した場合を考える。第１の支持点と第２の支持点間の
距離の変化に対しては、第２の支持点がＹ方向に移動可
能であるため、基準鏡保持フレーム３２には、ベース定
盤１の変形によって引き起こされる不要な力が伝達され
ない。また、第２の支持点と第３の支持点間の距離、及
び第１の支持点と第３の支持点間の距離が変化しても、
第３の支持点はベース定盤１に対してＸＹ平面内で容易
に移動可能であるため、基準鏡保持フレーム３２にベー
ス定盤１の変形によって引き起こされる不要な力が伝達
されない。従って、ベース定盤１が変形しても、基準鏡
保持フレーム３２が変形することが防止できる。

【００６３】基準鏡保持フレーム３２には、３つのＸ基
準鏡７、Ｙ基準鏡８、Ｚ基準鏡９が取り付けられる。こ
の取付けは、それぞれの基準鏡に対し、基準鏡保持フレ
ームの３ヵ所に押し当てピン３３を設け、この３本の押
し当てピン３３の下端に基準鏡を押し当てることにより
行われる。押し当てピン３３は、図２に示すように基準
鏡保持フレーム３２からの突出長さを調節したあとナッ
ト３４で固定される。また、基準鏡をこれらの押し当て
ピン３３に押し当てる手段としては、基準鏡の３ヵ所以
上の複数点に係止駒３５を固定し、引っ張りばね３６の
一端をこの係止駒３５に係止し、もう一端を取り付けピ
ン３８とスペーサ３７を介して基準鏡保持フレーム３２
に係止する方式が用いられている。この場合の押し当て
ピン３３の押し当て位置と引っ張りバネ３６による引っ
張り位置の例を図３に示す。押し当て位置は３種類の基
準鏡のいずれの場合でも３ヵ所であり、基準鏡の長手方
向でみるとベッセル点位置、すなわち、２点で支持する
梁の変形が最も小さくなる点で支える。この場合の支持
点間距離は全長の０．５５９４である。また、各引っ張
り位置での引っ張り力はスペーサ３７の厚さ、引っ張り
ばね３６を変更することによって調節する。この引っ張
り点はＦＥＭ（有限要素法）を用い、基準鏡の最大変形
が小さくなるような位置と、力を計算する。なお、この
とき、引っ張り力の総和は少なくとも懸架する基準鏡の
重量よりも大きく設定する。

【００６４】図４は、この原理を説明するための図であ
り、図４（ａ）に示すように梁をベッセル点で支持する
ことにより、２点支持の場合の梁の変形を最小にするこ
とができる。さらに、図４（ｂ）に示すように支持点の
間を圧縮バネで支持することにより、梁の変形をさらに
小さくすることができる。これは、図４（ｃ）に示すよ
うに梁を釣り下げる場合でも同様である。

【００６５】なお、ベース定盤１及び基準鏡７,８,９を
形成する材料に、熱膨張係数の小さい材料を使用するこ
とにより、環境温度の変化による形状測定誤差をさらに
小さくすることができる。

【００６６】次に、ワーク６に接触してワーク６の表面
形状を測定するための測定子の構成について説明する。

【００６７】図１及び図２において、ベッド１６上には
Ｘ軸スライドガイド１７が固定されており、Ｘ軸スライ
ドガイド１７上には、Ｘスライド３がＸ軸方向にスライ
ド自在に支持されている。Ｘスライドは、Ｘスライド駆
動用モータ１８とボールネジ１９によりスライド駆動さ
れる。

【００６８】Ｘスライド３には、Ｙ軸方向に沿ってＹ軸
スライドガイド２０が固定されており、Ｙ軸スライドガ
イドには、Ｙスライド２がＹ軸方向にスライド自在に支
持されている。Ｙスライド２は、Ｙスライド駆動用モー
タ２１とボールネジ２２によりスライド駆動される。

【００６９】さらに、Ｙスライド２には、Ｚ軸方向に沿
ってＺ軸スライドガイド２３が固定されており、Ｚ軸ス
ライドガイドには、Ｚスライド４がＺ軸方向にスライド
自在に支持されている。Ｚスライド４は、Ｚスライド駆
動用モータ２４とボールネジ２５によりスライド駆動さ
れる。Ｚスライド駆動用モータ２４には、このモータの
回転角を検出するエンコーダ４５が設けられている。さ
らにＺスライド４には、接触式のプローブ２８が支持さ
れたハウジング２６が固定されている。

【００７０】この構成により、接触式プローブ２８を、
ベッド１６に対してＸＹＺ方向に３次元的に動かすこと
ができる。

【００７１】接触式プローブ２８は、ワーク６の表面に
接触してワーク表面のＺ軸方向の高さを測定するための
ものであり、ハウジング２６に対して平行板バネ２７ａ
〜２７ｄを介してＺ軸方向にのみ移動可能に支持されて
いる。接触式プローブの下端には形状精度が高いことが
補償されている球であるマスターボール３０が取り付け
られており、上部には鏡２９が設けられている。Ｚスラ
イド４の接触式プローブ２８の直上方の位置には光干渉
計１４が設けられており、Ｚ基準鏡８とプローブ２８の
上部の鏡２９との間の距離Ｚ１を測定する。

【００７２】ハウジング２６には、鏡２９の位置を検出
する変位センサー３１が設けられており、ハウジング２
６に対する接触式プローブ２８の相対変位を検出する。
変位センサー３１の出力信号は、接触圧制御回路３９に
入力され、接触圧制御回路３９は、変位センサー３１が
検出するプローブ２８の相対変位量に基づいて平行板バ
ネ２７ａ〜２７ｄの変形量を検出し、プローブ２８のワ
ーク６への押し付け圧が一定になる様にＺスライド４の
位置を制御する信号を出力する。この制御信号は、モー
タ用アンプ４６に入力され、このアンプを介してＺスラ
イド駆動モータ２４が駆動される。

【００７３】また、エンコーダ４５の出力信号は、Ｚス
ライド４のＺ軸方向の位置を制御する位置制御回路４７
に入力され、位置制御回路４７は、エンコーダ４５が検
出するＺスライド駆動モータの回転角に基づいて、Ｚス
ライド４の位置を制御する信号を出力する。この制御信
号は、モータ用アンプ４６に入力され、このアンプを介
してＺスライド駆動モータ２４が駆動される。

【００７４】上記のプローブ２８の接触圧を制御する状
態と、Ｚスライド４の位置を制御する状態とは、スイッ
チ４０により切り替えられる。そして、スイッチ４０の
動作は、さらに装置全体の制御を行う総合制御装置９０
により制御される。

【００７５】Ｚスライド４の先端部には、Ｚスライド４
のＸ方向の距離を測定するための光干渉計１０,１１が
設けられており、Ｚスライド４の上下の２ヶ所の点とＸ
基準鏡７との間の距離Ｘ１,Ｘ２を測定する。Ｙ方向に
ついても同様な光干渉計１２,１３（図７参照）が設け
られており、Ｚスライド４の上下の２ヶ所の点とＹ基準
鏡８との間の距離を測定する。

【００７６】次に、図５を参照して、光干渉計１４によ
るＺ基準鏡８と鏡２９との距離Ｚ１を測定する原理につ
いて説明する。

【００７７】発振周波数を安定化し、さらに、垂直偏光
と水平偏光とで周波数の異なるレーザ光を発生する不図
示のレーザ光源からのレーザ光５０を偏光ビームスプリ
ッタ（ＰＢＳ）５１に導き、垂直偏光と水平偏光を分離
すると、その一方はＰＢＳをまっすぐ通過し、コーナー
キューブ５２により反射されて再びＰＢＳに入射し、こ
れを通過して、光ファイバ入射装置５３に導かれる。

【００７８】もう一方は、ＰＢＳで反射され、４分の１
波長板５５ａに入射し、直線偏光が円偏光に変換され、
光ビーム５４ａを形成する。これを第１の反射鏡５６ａ
で反射させ、再び４分の１波長板５５ａに入射させ、円
偏光を直線偏光に戻す。すると、４分の１波長板を２回
通過しているため、この直線偏光の偏光方向は先程と９
０度回転しており、今度はＰＢＳを通過する。

【００７９】さらにこの光ビームを４分の１波長板５５
ｂに入射させ、直線偏光を円偏光に変換し、光ビーム５
４ｂを形成する。これを第２の反射鏡５６ｂで反射さ
せ、再び４分の１波長板５５ｂに入射させ、円偏光を直
線偏光に戻す。すると、４分の１波長板を２回通過して
いるため、この直線偏光の偏光方向は先程と９０度回転
しているので、今度はＰＢＳで反射し、コーナーキュー
ブ５２で反射され、再びＰＢＳに入射し、ここで反射さ
れる。

【００８０】さらにこの光ビームを４分の１波長板５５
ｂに入射させ、直線偏光を円偏光に変換し、光ビーム５
４ｃを形成する。これを第２の反射鏡５６ｂで反射さ
せ、再び４分の１波長板５５ｂに入射させ、円偏光を直
線偏光に戻す。すると、４分の１波長板を２回通過して
いるため、この直線偏光の偏光方向は先程と９０度回転
しているので、今度はＰＢＳを通過する。

【００８１】さらにこの光ビームを、４分の１波長板５
５ａに入射させ、直線偏光を円偏光に変換し、光ビーム
５４ｄを形成する。これを第１の反射鏡５６ａで反射さ
せ、再び４分の１波長板５５ａに入射させ、円偏光を直
線偏光に戻す。すると、４分の１波長板を２回通過して
いるため、この直線偏光の偏光方向は先程と９０度回転
しているので、今度はＰＢＳで反射し、光ファイバ入射
装置５３に導かれる。こうして、垂直、水平偏光した光
ビームの一方を、２枚の反射鏡５６ａ,５６ｂの間を２
回往復させ、再びもう一方と合成することにより、両者
の光路長さの差に応じた干渉信号が得られ、光ファイバ
５３を図示しない光電気回路に導き、この信号を処理
し、上記の光路長さの差を測定する。

【００８２】次に、図６を参照して、光干渉計１０,１
１によるＸ基準鏡７とＺスライド４との距離Ｘ１,Ｘ２
を測定する原理について説明する。

【００８３】発振周波数を安定化し、さらに垂直偏光と
水平偏光とで周波数の異なるレーザ光を発生する不図示
のレーザ光源からのレーザ光６０を偏光ビームスプリッ
タ（ＰＢＳ）６１に導き、垂直偏光と水平偏光を分離す
ると、その一方はＰＢＳをまっすぐ通過し、コーナーキ
ューブ６２ａにより反射されて再びＰＢＳに入射し、こ
れを通過して、光ファイバ入射装置６３に導かれる。

【００８４】もう一方はＰＢＳで反射され、４分の１波
長板６５に入射し、直線偏光が円偏光に変換され、光ビ
ーム６４ａを形成する。これを反射鏡６６で反射させ、
再び４分の１波長板６５に入射させ、円偏光を直線偏光
にもどす。すると、４分の１波長板を２回通過している
ため、この直線偏光の偏光方向は先程と９０度回転して
いるので、今度はＰＢＳを通過し、コーナーキューブ６
２ｂで反射され、再びＰＢＳに入射し、ＰＢＳを通過す
る。

【００８５】さらに、この光ビームを４分の１波長板６
５に入射させ、直線偏光を円偏光に変換し、光ビーム６
４ｂを形成する。これを反射鏡６６で反射させ、再び４
分の１波長板６５に入射させ、円偏光を直線偏光にもど
す。すると、４分の１波長板を２回通過しているため、
この直線偏光の偏光方向は先程と９０度回転しているの
で、今度はＰＢＳで反射し、光ファイバ入射装置６３に
導かれる。

【００８６】こうして、垂直、水平偏光した光ビームの
一方を、反射鏡６６とＰＢＳ６１の間で２回往復させ、
再びもう一方と合成することにより、両者の光路長さの
差に応じた干渉信号が得られ、光ファイバ６３を図示し
ない光電気回路に接続し、この信号を処理し、上記の光
路長さの差を測定する。

【００８７】同様の原理により、前述したＺスライド４
の上下の２点とＹ基準鏡８との間の距離Ｙ１,Ｙ２を測
定する。

【００８８】ここで、図７に示すようにＸ１の測定軸と
Ｙ１の測定軸はＺ１の測定軸上の点Ｃ１で交わり、Ｘ２
の測定軸とＹ２の測定軸はＺ１の測定軸上の点Ｃ２で交
わる様に各測定軸を設定する。Ｃ１とＣ２の間の距離を
Ｌ１とし、Ｃ２とプローブ２８の上端に固定した鏡２９
の間の距離をＬ２とし、そこからプローブ先端のマスタ
ーボール３０の中心Ｃ３までの距離をＬ３とする。

【００８９】この条件のもとにおいて、プローブ２８の
先端のマスターボール３０の中心位置座標（Ｘp,Ｙp,Ｚ
ｐ）は、次の式によりもとめられる。

【００９０】 Ｘp＝Ｘ１＋（Ｘ２−Ｘ１）×（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）÷Ｌ１＋δｘ （１） Ｙp＝−Ｙ１−（Ｙ２−Ｙ１）×（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）÷Ｌ１＋δｙ（２） Ｚp＝−Ｚ１＋δｚ （３） ただし、δｘ,δｙ,δｚは定数である。

【００９１】ここで、上記の式の意味について説明して
おく。既に説明したような、Ｘスライド、Ｙスライド、
Ｚスライドを用いた３次元移動機構においては、プロー
ブ２８を移動させるとき、各スライドの移動誤差によ
り、Ｚスライドには図８に示すような誤差が生ずる。一
般に移動誤差とは軸の移動によって定義される次の６つ
の誤差である。 （１）位置誤差 ３次元位置の誤差で、Ｘ,Ｙ,Ｚ方向の３種類があり、Δ
ｘ,Δｙ,Δｚと記述する。 （２）姿勢誤差 姿勢誤差とは、回転に関する誤差でＸ,Ｙ,Ｚ軸回りの３
種類があり、Δθx,Δθy,Δθzと記述する。

【００９２】以上の６種類の移動誤差成分が、Ｘ,Ｙ,Ｚ
スライドのそれぞれに関して生じるため、その先端に配
置されているプローブの位置及び姿勢は、それらの移動
誤差の積み重ねに影響され、Ｘ,Ｙ,Ｚ軸の移動にともな
って変化する。

【００９３】上記の式（１）乃至（３）を用いてプロー
ブの位置を算出することにより、この移動誤差に影響さ
れずにプローブ先端のマスターボールの中心位置を測定
できることを以下に示す。 （１）位置誤差について Ｘ,Ｙ,Ｚ方向の位置誤差Δｘ,Δｙは、そのまま干渉計
で測定する長さＸ１,Ｘ２に反映されるので、プローブ
位置の測定誤差にはならない。また、干渉計の測定する
長さＺ１は、プローブとＺ基準鏡との間の距離であるた
め、ΔＺはＺ方向の測定値に影響しない。 （２）姿勢誤差について 例えば、Ｙ軸回りの姿勢誤差Δθyが生じると、点Ｃ１
の位置からみてマスターボール３０の中心位置（点Ｃ
３）はΔθy×（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）だけＸ方向にずれ
る。従って、マスターボール中心（点Ｃ３）のＸ方向の
正しい位置Ｘpは、点Ｃ１のＸ方向位置がＸ１なので、 Ｘp＝Ｘ１＋Δθy×（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）＋δｘ （４） と表わされる。ここで、δｘは、ワーク６の取り付け位
置誤差等に起因する誤差であり、変化するものではなく
定数である。

【００９４】一方、点Ｃ１の位置から見ると、姿勢誤差
Δθyにより点Ｃ２もΔθy×Ｌ１だけＸ方向にずれるこ
とになる。ここで、点Ｃ２のＸ方向位置は、干渉計によ
りＸ２として測定されるので、点Ｃ２のＸ方向のズレ量
Δθy×Ｌ１は、 Δθy×Ｌ１＝（Ｘ２−Ｘ１） と表わされる。この式からΔθyを求めると、 Δθy＝（Ｘ２−Ｘ１）÷Ｌ１ となる。これを、上記の式（４）に代入すれば、Ｘp
は、 Ｘp＝Ｘ１＋（Ｘ２−Ｘ１）×（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）÷
Ｌ１＋δｘ となり、上記の式（１）が求められることとなる。

【００９５】Ｘ軸回りの姿勢誤差Δθxについても、同
様に考えれば、マスターボール中心のＹ方向の正しい位
置は、式（２）の様に求められる。

【００９６】さらに、Ｚ軸回りの姿勢誤差Δθzについ
ては、プローブの先端が球であるので、測定誤差にはな
らない。

【００９７】なお、式（１）,（２）,（３）において、
δｘ,δｙ,δｚは、ワーク６の取り付け位置誤差等に起
因する定数誤差であり、未知であるが、ワークの形状を
測定する目的のためには相対的な位置が分かれば十分な
ので問題はない。言い換えれば、ワークが、測定基準で
ある３つの基準鏡に対してどこに固定されているかは正
確に知る必要はない。

【００９８】このように、上記の式（１）乃至（３）を
用いれば、移動軸の移動誤差に影響されないで、プロー
ブの３次元位置を測定することができる。

【００９９】次に、上記の構成において、ワーク６の形
状を測定する手順について図９に示すフローチャートを
参照して説明する。

【０１００】まず、ワーク６をベース定盤１に取り付け
る。この際、ベース定盤１はワークの重量により変形す
る。しかし、前述した様に３ヶ所の支持点２９,３０,３
１の作用により、基準鏡保持フレーム３２は変形せず、
従って、３次元形状測定装置の位置の基準である３つの
基準鏡７,８,９の相対的な位置は変化しない。また、環
境温度の変化によるベース定盤１の変形に対しても同様
の作用により、基準鏡保持フレーム３２は変形しない。

【０１０１】次に、スイッチ４０により、位置制御回路
４７を選択し、プローブ２８のＺ軸方向の位置をワーク
６から離れた所定の位置に制御する（ステップＳ１）。
次に、Ｘスライド３及びＹスライド２を駆動して、ワー
ク６の最初の測定ポイントの上空にプローブ２８を移動
させる（ステップＳ２）。このとき、Ｘ及びＹスライド
の移動にともなって、スライドの重量がベッド１６に作
用する位置が変化するため、ベッド１６が変形する。し
かし、前述した様に３ヶ所の支持点４５,４６,４７の作
用により、ベース定盤１は変形しない。これはＺスライ
ドが移動した場合も同様であり、Ｚスライドの移動にと
もなってベッド１６が変形しても、ベース定盤１は変形
しない。さらに、環境温度の変化によるベッド１６の変
形に対しても、同様の作用によりベース定盤１は変形し
ない。

【０１０２】次に、Ｚスライド４を駆動してワーク６の
表面にプローブ２８の先端が接触するまで、下降させる
（ステップＳ３）。このとき、変位センサー３１の出力
をモニターし、平行板バネ２７ａ〜２７ｄの変位量、言
い換えればプローブ２８のワーク６への接触圧が所定の
値になるまでＺスライド４を下降させる（ステップＳ
４）。平行板バネ２７ａ〜２７ｄの変位量が所定値にな
ったところで、スイッチ４０を切り替えて接触圧制御回
路３９を選択し、変位センサー３１の出力が一定になる
様に、言い換えればプローブ２８の接触圧が一定になる
様にＺスライド４の位置を制御する（ステップＳ５）。

【０１０３】次に、干渉計１０,１１,１２,１３,１４の
出力から、式（１）乃至（３）を用いてプローブ先端の
マスターボール３０の位置を算出する（ステップＳ
６）。そして、この算出した座標位置を総合制御装置９
０内のメモリに保存する（ステップＳ７）。

【０１０４】次に、Ｘスライド３及びＹスライド２を駆
動して、プローブ２８をワーク６の表面に接触した状態
で走査しながら、プローブ２８の位置を順次測定し、総
合制御装置９０内のメモリに記憶していく（ステップＳ
８）。そして、全部の測定領域を走査し終えたかを判定
し（ステップＳ９）、走査が終了していなければステッ
プＳ６に戻り、走査が終了していればステップＳ１０に
進む。ステップＳ１０では、スイッチ４０を切り替え
て、プローブ２８を位置制御の状態とし、さらにプロー
ブ２８をワーク６から退避させて測定を終了する（ステ
ップＳ１１）。

【０１０５】以上説明した様に、上記の実施形態によれ
ば、ベッド１６に対して、ベース定盤１を３点で支持
し、そのうちの１点では、ベース定盤１を強固に固定
し、他の１点ではＹ軸方向のみに可動に支持し、残りの
１点ではＸＹ方向に可動に支持することにより、ベッド
１６の変形がベース定盤１に伝達されず、高精度な測定
が可能となる。

【０１０６】また、ベース定盤１に対して、基準鏡保持
フレーム３２を３点で支持し、そのうちの１点では、基
準鏡保持フレーム３２を強固に固定し、他の１点ではＹ
軸方向のみに可動に支持し、残りの１点ではＸＹ方向に
可動に支持することにより、ベース定盤１の変形が基準
鏡保持フレーム３２に伝達されず、高精度な測定が可能
となる。

【０１０７】また、基準鏡７,８,９を３ヶ所の押し当て
点と、３ヶ所以上の引っ張り点で基準鏡保持フレーム３
２に保持しているので、基準鏡の自重による変形を小さ
くすることができ、高精度な測定が可能となる。

【０１０８】また、ベース、基準鏡保持フレーム、及び
基準鏡を熱膨張係数の小さい材料を用いて形成すること
により、環境温度が変化した場合でも、これらの部材の
変形量を小さく抑えることができ、高精度な測定が可能
となる。

【０１０９】また、Ｚスライドの位置を５ヶ所の干渉計
で測定しているので、これらの測定値を用いることによ
り、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の移動誤差に影響されない高精
度な位置測定が可能となる。

【０１１０】また、Ｚ軸の基準鏡９の鏡面が下向きに配
置されているので、空気中の塵等の堆積により基準鏡の
性能が劣化することを防止できる。

【０１１１】また、ＸＹＺ移動機構の末端部に設けられ
た最も重量の軽いＺスライド４が、プローブ２８をワー
ク６の高さ方向に追従させるため、ワーク６の高さ方向
へのプローブの追従性能が高く、高速で精度の高い測定
が可能となる。

【０１１２】なお、上記の実施形態においては、第３の
支持点３０を細い円柱状に形成する様に説明したが、断
面積が小さければ、正方形などの正多角形の断面の柱で
も同じことである。また、第２の支持点３１を薄板状に
形成する様に説明したが、これに限らず、Ｙ方向に変形
しやすい断面形状であればよく、楕円形の断面の柱など
でもよい。

【０１１３】また、上記の実施形態では５つの干渉計を
用いて測定した５つの長さを位置測定のよりどころとし
ているが、干渉計で測定する長さの精度は、使用する光
源の波長に依存している。そこで、市販されている波長
補正用の干渉計を加えて６つの干渉計のシステムとすれ
ば、形状測定中の気温、気圧の変動による波長の変化に
も影響されない形状測定が可能となる。

【０１１４】また、変位センサー３１の出力をフィード
バック回路３９及びスイッチ４０を介してＺ軸駆動用モ
ータ２４に導く回路は、プローブの押し付け力を一定に
保つために必要なものであり、前述した様に高い応答性
が必要である。そこで、Ｚ軸の応答性能を高めるため
に、例えば、ガイド２３をエアーベアリングとして摩擦
を低減したり、回転するモータとボールネジによる駆動
方式をリニアモータに置き換え、バックラッシュなど非
線形な要素を排除する構成としてもよい。

【０１１５】また、本実施形態では、プローブの移動に
Ｘ,Ｙ,Ｚ軸の３軸を用い、ワークの表面を２次元的に走
査する様にしているが、Ｘ軸を省略し、Ｙ,Ｚ軸のみを
用いて被測定物表面の１断面のみ走査する構成でもよ
い。

【０１１６】（第２の実施形態）図１０は、基準鏡保持
フレーム３２の支持方法の第２の実施形態を示した図で
ある。

【０１１７】図１０において、ベース定盤１には、ワー
ク６を固定し、また、３本の柱５ａ、５ｂ、５ｃを設
け、これら３ヵ所において基準鏡保持フレーム３２を支
持する。第１の支持点は柱５ａと基準鏡フレーム３２の
両方に略円錐形状の窪み４１を設け、球４３ａを挟む。
第２の支持点は、柱５ｂと基準鏡フレーム３２の両方
に、Ｙ軸に沿う方向に稜線の方向を一致させるようにし
た略３角柱形状の窪みを設け、球４３ｂを挟む。第３の
支持点は柱５ｃと基準鏡保持フレーム３２の平面間に球
４３ｃを挟む。

【０１１８】この構成により、第１の支持点においては
ＸＹＺ方向を拘束し、第２の支持点においてはＸＺ方向
を拘束し、第３の支持点においてはＺ方向を拘束する。
ここで、ベース定盤１が変形し、３つの支持点間距離が
変化した場合を考える。第１の支持点と第２の支持点間
の距離の変化に対しては第２の支持点の球４３ｂが三角
柱形状の窪みに沿って移動するため、基準鏡保持フレー
ム３２に不要な力を伝達しない。また、第２と第３、第
１と第３の支持点間の距離が変化しても、第３の支持点
はＸＹ平面内で自由に移動可能であるため、基準鏡保持
フレーム３２に不要な力を伝達しない。結局、ベース定
盤１が変形しても、基準鏡保持フレーム３２が変形する
ことが防止される。

【０１１９】この第２の実施形態では、断面形状の異な
る柱を用いて基準鏡保持フレームを支持する第１の実施
形態に比較してより大きなベース定盤の変形に対応でき
る。

【０１２０】（第３の実施形態）この第３の実施形態
は、第１の実施形態に比較して、Ｚ軸を横方向に向けた
ものである。図１１は、第３の実施形態の装置の構成を
示している。

【０１２１】この実施形態においては、図１１に示すよ
うにワーク６を立てた状態で測定を行うことができる。
例えば、立てた状態で使用する光学素子などの場合、使
用する姿勢と同じ状態で形状測定ができるため、自重に
よる変形も使用状態と同じになり、精度のよい測定が可
能となる。

【０１２２】（第４の実施形態）図１２は、第４の実施
形態の３次元形状測定装置の概略構成を示す斜視図であ
る。

【０１２３】図１２において、形状測定装置は、装置の
ベースとなり、かつ被測定物であるワーク４０１を載置
するための測定台３０３と、測定台３０３上にＹ軸方向
に沿って配置されたＹ軸方向ガイド３０５と、Ｙ軸方向
ガイド３０５に沿って移動するＹスライド３０２と、Ｙ
スライド３０２をＹ軸方向に移動させるための駆動機構
４２９（図１３参照）と、Ｙスライド３０２上にＸ軸方
向に沿ってスライド可能に配置されたＸスライド３０１
と、Ｘスライド３０１をＸ軸方向に移動させるための駆
動機構４２８（図１３参照）と、Ｘスライド３０１にＺ
軸方向に沿って延出した状態で固定された支柱３０６
と、支柱３０６に対してＺ軸方向にスライド可能に配置
されたＺスライド４０５と、Ｚスライド４０５にＺ軸方
向に弾性的に移動可能に支持されたプローブ４０３と、
プローブ４０３の先端に取り付けられ形状精度が高いこ
とが補償されたボール４０２とから概略構成されてい
る。Ｙスライド３０２の駆動機構４２９及びＸスライド
３０１の駆動機構４２８としては、例えばボールネジと
モータを用いた送り機構やリニアモータを用いた送り機
構が用いられる。

【０１２４】このように構成される３次元形状測定装置
においては、Ｘ、Ｙ及びＺスライドにより、プローブ４
０３を、その先端がワーク４０１に接触した状態でワー
ク４０１の表面上を走査させ、プローブ４０３の位置を
後述する位置センサで検出して、ワーク４０１の表面形
状を測定する。

【０１２５】図１３は、図１２におけるＺスライド４０
５の部分を拡大して示した断面図である。

【０１２６】図１３において、４０１は被測定物である
ワークであり、その表面は測定時においてはボール４０
２に接触している。ボール４０２はプローブ（触針子）
４０３の先端に固定されており、プローブ４０３は、平
行板バネ４０４ａ〜４０４ｄを介してＺスライド４０５
に支持され、Ｚスライド４０５に対してＺ軸方向にのみ
相対移動可能に構成されている。この平行板バネ４０４
ａ〜４０４ｄの変形により、プローブ４０３とワーク４
０１との接触圧力を与える。非接触変位計４０６はＺス
ライド４０５に固定されており、プローブ４０３とＺス
ライド４０５の相対位置を測定することで平行板バネ４
０４ａ〜４０４ｄのＺ軸方向の変形量を測定することが
可能である。また、Ｚスライド４０５はガイド可動部４
０９ａ,４１０ａとガイド４０９ｂ,４１０ｂにより支柱
３０６に対してＺ軸方向に移動可能に支持されている。

【０１２７】また、リニアモータ可動部４０８ａ,４１
１ａとリニアモータ固定部４０８ｂ,４１１ｂが発生す
る推力により、Ｚスライド４０５はＺ軸方向に推力を与
えられる。Ｚスライド４０５には反射鏡４０７が固定さ
れており、レーザ測長装置４１７は、レーザ光４１２を
反射鏡４０７に当てることによりＺスライド４０５のＺ
軸方向の位置を測定する。

【０１２８】制御装置４２４は指令切り替え部４２０、
位置制御演算部４１６、圧力制御演算部４１７を有する
演算装置であり、必要に応じてこれらの制御演算部の出
力するリニアモータに対する推力指令を、指令切り替え
部４２０により切り替え、Ｚスライド４０５の制御方法
を切り替える。指令切り替え部４２０は位置制御演算部
４１６と圧力制御演算部４１７のどちらの指令出力をリ
ニアモータ指令４２１としてリニアモータ４０８,４１
１に出力するかを切り替える。

【０１２９】圧力制御部４１７は、非接触変位計４０６
の検出信号４１５をフィードバック信号として、リニア
モータの推力指令４２１を出力する。

【０１３０】速度変換部４２２は、レーザ測長装置４１
３で検出されたＺスライド４０５の位置信号４１４をＺ
方向速度信号４２３に変換し、傾斜角演算部４２５は、
このＺ方向速度信号４２３を、Ｘ軸の移動速度信号４３
１およびＹ軸の移動速度信号４３０と比較し、ワーク４
０１の表面の傾斜角を演算する。

【０１３１】エッジ判定部４２６は、傾斜角演算部４２
５で算出されたワーク表面の傾斜角と予め設定された最
大傾斜角とを比較し、現在の傾斜角が最大傾斜角以上で
あった場合に、Ｘ軸及びＹ軸の停止信号４２７をＸスラ
イド３０１の駆動機構及びＹスライド３０２の駆動機構
に指令する。Ｘスライド及びＹスライドの駆動機構は、
この信号を受け取って停止することにより、プローブ４
０３がワーク４０１の端部からはみ出すことを防止す
る。

【０１３２】図１４は、ワーク４０１の端部を検出する
方法を具体的に示した図である。

【０１３３】図１４（ａ）は、プローブ４０３がワーク
４０１の端面５０３に達していない状態を示す図であ
り、図１４（ｂ）は、プローブ４０３がワーク４０１の
端面５０３に達した状態を示す図である。図１４
（ａ）,（ｂ）において、５０６ａ,５０６ｂは、プロー
ブ４０３とワーク４０１の接触点であり、５０４ａ,５
０４ｂはプローブ４０３の移動速度の大きさを表わし、
５０５ａ,５０５ｂはＺ方向の速度の大きさを表わす。
また、５０２ａ,５０２ｂは接触点５０６ａ,５０６ｂに
おけるワーク表面の傾斜角であり、この傾斜角θはＸス
ライドの速度及びＺスライドの速度の比較から、θ＝ｔ
ａｎ^-1｛（Ｚ軸方向の速度５０５／Ｘ軸方向の速度５０
４）｝のように簡単な式によって求めることができる。

【０１３４】図１４（ｂ）ではプローブ４０３の先端で
あるボール４０２がワーク４０１の端面５０３から外れ
かけているが、この状態の傾斜角５０２ｂの大きさが規
定値を越えた時点で接触点５０６ｂが測定面の端である
ことを検出し、Ｘスライドの駆動機構が停止される。

【０１３５】このように、本実施形態においては、ワー
ク表面の傾斜角を検出する機構を有しているので、初め
て測定するワークを形状測定装置に搭載した場合でも、
ワークのＸＹ方向の位置を予め計測しなくとも、形状測
定を開始し、ワークのＸＹ方向の端を検出することがで
きる。

【０１３６】また、プローブがワークのＸＹ方向の端の
位置を越えそうになった場合にも、完全にプローブがワ
ークの端から外れることがないので、Ｚスライドの圧力
制御の発振を防止することができる。

【０１３７】（第５の実施形態）図１５は、第５の実施
形態の３次元形状測定装置の構成を示した図である。こ
の第５の実施形態の装置は、第４の実施形態の装置のＺ
スライドの部分を変更しただけのものであるので、第４
の実施形態と同一機能部分には同一符号を付してその説
明を省略する。

【０１３８】反射鏡６０１は、プローブ４０３の上端部
に取り付けられ、レーザ測長装置６０３はレーザ測定光
６０２を反射鏡６０１に当てることによりプローブ４０
３の位置を測定する。圧力制御演算部４２０はレーザ測
長装置４１３で検出されるＺスライド４０５の位置とプ
ローブ４０３の位置を比較演算することによりＺスライ
ド４０５とプローブ４０３の相対位置を検出し、平行板
バネ４０４ａ〜４０４ｄの変形量を検出することにより
圧力制御を行う。

【０１３９】（第６の実施形態）図１６は、第６の実施
形態の３次元形状測定装置の構成を示した図であり、第
４の実施形態と同一機能部分には同一符号を付してその
説明を省略する。なお、この実施例では、Ｚスライドの
部分しか示さないが、装置全体としては、図１２に示し
た第４の実施形態と同様に構成されている。

【０１４０】図１６において、制御装置７２８は、指令
切り替え部７２６、位置制御演算部７１８、速度制御演
算部７１９、圧力制御演算部７２０を有する演算装置で
あり、必要に応じてこれらの制御演算部の出力するリニ
アモータに対する推力指令を、指令切り替え部７２６に
より切り替え、Ｚスライド４０５の制御方法を切り替え
る。指令切り替え部７２６は、位置制御演算部７１８と
速度制御演算部７１９と圧力制御演算部７２０のうちの
どの指令出力をリニアモータ指令７２７として、リニア
モータ４０８,４１１に出力するかを切り替える。

【０１４１】位置速度変換部７１６は、レーザ測長装置
４１３で検出されたＺスライド位置信号４１４をＺスラ
イド速度信号７１７に変換し、速度制御演算部７１９
は、Ｚスライド速度信号７１７をフィードバック信号と
して、ＰＩＤ制御の演算を行いリニアモータの推力指令
７２４を出力する。速度制御時には、この推力指令７２
４が指令切り替え部７２６によりリニアモータ４０８,
４１１に対して指令されＺスライドは速度制御される。
この速度演算部の速度指令値７２１とＩ成分初期値７２
２は制御開始時に速度制御演算部７１９に転送され、演
算データとして使用される。

【０１４２】圧力制御演算部７２０は、非接触変位計４
０６の検出信号４１５をフィードバック信号として、リ
ニアモータ４０８,４１１の推力指令７２３を出力す
る。

【０１４３】位置制御演算部７１８は、レーザ測長装置
４１３で検出されたＺスライド位置信号４１４をフィー
ドバック信号としてＰＩＤ制御の演算を行い、リニアモ
ータ４０８,４１１の推力指令７２５を出力し、リニア
モータ４０８,４１１の推力を調整することによりＺス
ライド４０５の位置を制御する。

【０１４４】図１７及び図１８は、上記の様に構成され
る装置の動作を説明するためのフローチャートである。

【０１４５】まず、位置制御を開始（ステップＳ２０
２）により、Ｚスライド４０５は、プローブ４０３がワ
ーク４０１に接触していない上方の位置で、位置制御に
よって停止される。

【０１４６】ステップＳ２０３では、位置制御の目標位
置を下方の位置に書き換え、Ｚスライド４０５をワーク
４０１に近づける。

【０１４７】ステップＳ２０４では、非接触変位計４０
６の検出値をモニターし、Ｚスライド４０５の移動によ
りプローブ４０３がワーク４０１に接触し、平行板バネ
４０４ａ〜４０４ｄの変形量が所定の値まで変わるかを
モニターすることによりプローブ４０３とワーク４０１
の間の接触圧を検出する。ここで検出された圧力が所定
の値に達していない場合には、再度ステップＳ２０３の
プロセスを実行し、圧力が規定値に達した時点で次のス
テップに移行する。

【０１４８】ステップＳ２０５では、圧力が規定値に達
しているので、Ｚスライド４０５の位置を変更せず、そ
の場において位置制御から圧力制御に切り替える。

【０１４９】ステップＳ２０６では、Ｚスライド４０５
を圧力制御で制御した状態で、Ｘスライド３０１又はＹ
スライド３０２（図１２参照）によって、プローブ４０
３の接触点をワーク４０１上で移動させ、形状を測定す
る。

【０１５０】ステップＳ２０７では、圧力制御のフィー
ドバック信号をモニタし、この値が何等かの理由により
規定値を外れていないかを検出する。ここで規定値を外
れている場合にはステップＳ２１０の緊急退避動作にプ
ロセスを変更する。規定値内であればステップＳ２０８
に進む。

【０１５１】ステップＳ２０８では、Ｘスライド又はＹ
スライドの動きによりワーク４０１上の全ての測定点を
走査し終えたかを判定し、測定が終了していなければ引
き続きステップＳ２０６、ステップＳ２０７のプロセス
を続ける。

【０１５２】次に、ステップＳ２１０の緊急退避動作を
ステップＳ２１１からステップＳ２１９までのプロセス
で説明する。

【０１５３】ステップＳ２１２では緊急退避のために、
ステージの制御を圧力制御から速度制御に切り替えるた
めの速度指令値を設定する。

【０１５４】ステップＳ２１３では、緊急退避のために
速度制御演算部７１９のＰＩＤ制御に対してＩ成分の初
期値を設定する。設定する初期値はリニアモータの推力
がＺスライド４０５がワーク４０１から離れる方向に最
大推力を発生する値である。

【０１５５】ステップＳ２１４では、緊急退避動作のた
めに、Ｚスライド４０５の制御を圧力制御から速度制御
に切り替える。この切り替えにより、Ｚスライド４０５
はワーク４０１から退避を開始する。

【０１５６】ステップＳ２１５では、速度制御によって
Ｚスライド４０５がワーク４０１から退避し、退避の移
動速度が所定の速度に制御される。

【０１５７】ステップＳ２１６では、Ｚスライド４０５
の位置が速度制御により上端まで移動しているかを判断
し、上端まで移動していなければステップＳ２１５のプ
ロセスを続け、Ｚスライド４０５はワーク４０１から離
れ続ける。

【０１５８】ステップＳ２１７では、Ｚスライド４０５
が上端に達した位置で減速停止する様に、速度制御の指
令値を変更する。

【０１５９】ステップＳ２１８では、Ｚスライド４０５
が上端で減速停止した時点でＺスライド４０５の制御を
位置制御に切り替え、その場で停止し、緊急退避動作を
終了する。

【０１６０】以上説明した様に、上記の実施形態によれ
ば、プローブを退避させる機構を有しているので、プロ
ーブによってワークの形状を測定する場合の圧力制御時
に、何等かの原因によって圧力制御が破綻した場合にお
いても、プローブを安定かつ高速にワークから退避させ
ることができ、プローブの押し込みすぎによるワークの
破損、プローブや予圧機構の破損を防ぐことができる。

【０１６１】また、従来Ｚスライドの非常停止用に必要
であった強力なブレーキ機構を必要としないので装置を
小型化することができる。

【０１６２】（第７の実施形態）図１９は、第７の実施
形態の３次元形状測定装置の構成を示す図である。この
第７の実施形態の装置は、第６の実施形態の装置のＺス
ライドの部分を変更しただけのものであるので、第６の
実施形態と同一部分には同一符号を付してその説明を省
略する。

【０１６３】反射鏡８０１は、プローブ４０３の上端部
に取り付けられ、レーザ測長装置８０３はレーザ測長光
８０２を反射鏡８０１に当てることによりプローブ４０
３の位置を測定する。圧力制御演算部７２０はレーザ測
長装置４１３で検出されるＺスライド４０５の位置とプ
ローブ４０３の位置を比較演算することによりＺスライ
ド４０５とプローブ４０３の相対位置を検出し、平行板
バネ４０４ａ〜４０４ｄの変形量を検出することにより
圧力制御を行う。

【０１６４】なお、本発明は、その主旨を逸脱しない範
囲で、上記実施形態を修正又は変形したものに適用可能
である。

【０１６５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ベッドに対して、ベースを３点で支持し、そのうちの１
点では、ベースを強固に固定し、他の１点ではＹ軸方向
のみに可動に支持し、残りの１点ではＸＹ方向に可動に
支持することにより、ベッドの変形がベースに伝達され
ず、高精度な測定が可能となる。

【０１６６】また、ベースに対して、基準鏡保持フレー
ムを３点で支持し、そのうちの１点では、基準鏡保持フ
レームを強固に固定し、他の１点ではＹ軸方向のみに可
動に支持し、残りの１点ではＸＹ方向に可動に支持する
ことにより、ベースの変形が基準鏡保持フレームに伝達
されず、高精度な測定が可能となる。

【０１６７】また、基準鏡を３ヶ所の押し当て点と、３
ヶ所以上の引っ張り点で基準鏡保持フレームに保持して
いるので、基準鏡の自重による変形を小さくすることが
でき、高精度な測定が可能となる。

【０１６８】また、ベース、基準鏡保持フレーム、及び
基準鏡を熱膨張係数の小さい材料を用いて形成すること
により、環境温度が変化した場合でも、これらの部材の
変形量を小さく抑えることができ、高精度な測定が可能
となる。

【０１６９】また、Ｚスライドの位置を５ヶ所の干渉計
で測定しているので、これらの測定値を用いることによ
り、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の移動誤差に影響されない高精
度な位置測定が可能となる。

【０１７０】また、Ｚ軸の基準鏡の鏡面が下向きに配置
されているので、空気中の塵等の堆積により基準鏡の性
能が劣化することを防止できる。

【０１７１】また、ＸＹＺ移動機構の末端部に設けられ
た最も重量の軽いＺスライドが、プローブをワークの高
さ方向に追従させるため、ワークの高さ方向へのプロー
ブの追従性能が高く、高速で精度の高い測定が可能とな
る。

【０１７２】また、ワーク表面の傾斜角を検出する機構
を有しているので、初めて測定するワークを形状測定装
置に搭載した場合でも、ワークのＸＹ方向の位置を予め
計測しなくとも、形状測定を開始し、ワークのＸＹ方向
の端を検出することができる。

【０１７３】また、プローブがワークのＸＹ方向の端の
位置を越えそうになった場合にも、完全にプローブがワ
ークの端から外れることがないので、Ｚスライドの圧力
制御の発振を防止することができる。

【０１７４】また、プローブを退避させる機構を有して
いるので、プローブによってワークの形状を測定する場
合の圧力制御時に、何等かの原因によって圧力制御が破
綻した場合においても、プローブを安定かつ高速にワー
クから退避させることができ、プローブの押し込みすぎ
によるワークの破損、プローブや予圧機構の破損を防ぐ
ことができる。

【０１７５】また、従来Ｚスライドの非常停止用に必要
であった強力なブレーキ機構を必要としないので装置を
小型化することができる。

【０１７６】

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態の３次元形状測定装置の構成を
示す斜視図である。

【図２】図１の側断面図である。

【図３】基準鏡を支持するときの押し当て点と引っ張り
点を示す図である。

【図４】梁の支持状態による変形を様子を示す図であ
る。

【図５】基準鏡と光干渉計による距離測定の原理を示す
図である。

【図６】基準鏡と光干渉計による距離測定の原理を示す
図である。

【図７】Ｚスライドに設けられた干渉計とＸＹＺ基準鏡
の位置関係を示す図である。

【図８】Ｚスライドの移動誤差を示す図である。

【図９】第１の実施形態の装置の動作を示すフローチャ
ートである。

【図１０】第２の実施形態を示す図である。

【図１１】第３の実施形態を示す図である。

【図１２】第４の実施形態の３次元形状測定装置の構成
を示す斜視図である。

【図１３】Ｚスライドとその制御装置を示す図である。

【図１４】プローブのワークに対する接触状態を示す図
である。

【図１５】Ｚスライドとその制御装置を示す図である。

【図１６】Ｚスライドとその制御装置を示す図である。

【図１７】第６の実施形態の装置の動作を示すフローチ
ャートである。

【図１８】第６の実施形態の装置の動作を示すフローチ
ャートである。

【図１９】第７の実施形態を示す図である。

【図２０】従来の３次元形状測定装置を示す図である。

【図２１】従来の３次元形状測定装置を示す図である。

【符号の説明】

１ ベース定盤 ２ Ｙスライド ３ Ｘスライド ４ Ｚスライド ５ 支柱 ６ ワーク（被測定物） ７ Ｘ基準鏡 ８ Ｙ基準鏡 ９ Ｚ基準鏡 １０ Ｘ１測定用干渉計 １１ Ｘ２測定用干渉計 １２ Ｙ１測定用干渉計 １３ Ｙ２測定用干渉計 １４ Ｚ１測定用干渉計 １５ 除振台 １６ ベッド １７ Ｘ軸用ガイド １８ Ｘ軸駆動モータ １９ ボールネジ ２０ Ｙ軸用ガイド ２１ Ｙ軸駆動モータ ２２ ボールネジ ２３ Ｚ軸用ガイド ２４ Ｚ軸駆動モータ ２５ ボールネジ ２６ ハウジング ２８ 接触式プローブ ２９ 第１の支持点 ３０ 第３の支持点 ３１ 第２の支持点 ３２ 基準鏡保持フレーム ３３ 押し当てピン ３４ ナット ３５ 係止駒 ３６ 引っ張りばね ３７ スペーサー ３８ 取り付けピン ４１ 円錐形状の窪み ４２ ３角柱形状の窪み ４３ 球 ４４ 支持面 ４５ 円錐形状の窪み ４６ 三角柱形状の窪み ４７ 球 １０１ Ｚ駆動用モータ（キャプスタンドライブ） １０２ Ｚスライド １０３ グラナイト製コラム １０４ ＸＹスライド １０５ Ｙ駆動用モータ（キャプスタンドライブ） １０６ Ｘ駆動用モータ（キャプスタンドライブ） １０７ グラナイト製ベッド １０８ 除振台 １０９ ＸＹガイド １１０ ベース定盤 １１１ カバー １１２ プローブヘッド １１３ 基準鏡 １１４ 測定アーム

Claims (28)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定台に固定された被測定物の表面に触
   針を接触させ、該触針を前記被測定物の表面に沿って移
   動させながら、前記触針の位置を計測することにより、
   前記被測定物の表面形状を測定するための３次元形状測
   定装置において、 前記測定台を支持するためのベースと、 該ベースと前記測定台の間に配置され、前記ベースの変
   形を前記測定台に伝達しにくい状態で前記測定台を支持
   する支持手段と、 前記ベース上に配置され、前記触針を３次元的に移動さ
   せるためのステージと、 前記ステージの３次元的な位置を測定する測定手段とを
   具備することを特徴とする３次元形状測定装置。
2. 【請求項２】 前記支持手段は、前記ベース上の第１の
   位置において前記ベースに対して前記測定台を互いに直
   交するＸＹＺの３方向に移動不能に固定する第１の支持
   機構と、前記第１の位置からＹ方向に所定距離だけ離間
   した前記ベース上の第２の位置において前記ベースに対
   して前記測定台をＹ方向のみに移動可能に支持する第２
   の支持機構と、前記第１の位置からＸＹ方向に夫々所定
   距離だけ離間した前記ベース上の第３の位置において、
   前記ベースに対して前記測定台をＸ方向及びＹ方向に移
   動可能に支持する第３の支持機構とを具備することを特
   徴とする請求項１に記載の３次元形状測定装置。
3. 【請求項３】 前記第１の支持機構は、前記ベースと前
   記測定台の夫々に設けられた略円錐状の凹部と、該略円
   錐状の凹部に挿入される第１の球体とから構成され、前
   記第２の支持機構は、前記ベースと前記測定台の夫々に
   設けられＹ方向に延出する略三角柱状の凹部と、該略三
   角柱状の凹部に挿入される第２の球体とから構成され、
   前記第３の支持機構は、前記ベースの上面と前記測定台
   の下面との間に挿入される第３の球体から構成されるこ
   とを特徴とする請求項２に記載の３次元形状測定装置。
4. 【請求項４】 前記ベースと前記測定台とを熱膨張係数
   の小さい材料から形成したことを特徴とする請求項１に
   記載の３次元形状測定装置。
5. 【請求項５】 測定台に固定された被測定物の表面に触
   針を接触させ、該触針を前記被測定物の表面に沿って移
   動させながら、前記触針の位置を計測することにより、
   前記被測定物の表面形状を測定するための３次元形状測
   定装置において、 前記触針を３次元的に移動させるためのステージと、 前記測定台上に配置され、前記ステージの３次元的な位
   置を測定する光学系の一部を構成するミラーを支持する
   ためのフレームと、 前記測定台と前記フレームの間に配置され、前記測定台
   の変形を前記フレームに伝達しにくい状態で前記フレー
   ムを支持する第１の支持手段とを具備することを特徴と
   する３次元形状測定装置。
6. 【請求項６】 前記第１の支持手段は、前記測定台上の
   第１の位置において前記測定台に対して前記フレームを
   互いに直交するＸＹＺの３方向に移動不能に固定する第
   １の支持機構と、前記第１の位置からＹ方向に所定距離
   だけ離間した前記測定台上の第２の位置において前記測
   定台に対して前記フレームをＹ方向のみに移動可能に支
   持する第２の支持機構と、前記第１の位置からＸＹ方向
   に夫々所定距離だけ離間した前記測定台上の第３の位置
   において、前記測定台に対して前記フレームをＸ方向及
   びＹ方向に移動可能に支持する第３の支持機構とを具備
   することを特徴とする請求項５に記載の３次元形状測定
   装置。
7. 【請求項７】 前記第１の支持機構は、前記測定台と前
   記フレームとをＸＹＺ方向に強固に固定する第１の支柱
   から構成され、前記第２の支持機構は、Ｘ方向に延出す
   る細長い断面を有し前記測定台と前記フレームとを連結
   するＹ方向に変形しやすい第２の支柱から構成され、前
   記第３の支持機構は、細い断面を有し前記測定台と前記
   フレームとを連結するＸＹ方向に変形しやすい第３の支
   柱から構成されることを特徴とする請求項６に記載の３
   次元形状測定装置。
8. 【請求項８】 前記第１の支持機構は、前記測定台と前
   記フレームの夫々に設けられた略円錐状の凹部と、該略
   円錐状の凹部に挿入される第１の球体とから構成され、
   前記第２の支持機構は、前記測定台と前記フレームの夫
   々に設けられＹ方向に延出する略三角柱状の凹部と、該
   略三角柱状の凹部に挿入される第２の球体とから構成さ
   れ、前記第３の支持機構は、前記測定台の上面と前記フ
   レームの下面との間に挿入される第３の球体から構成さ
   れることを特徴とする請求項６に記載の３次元形状測定
   装置。
9. 【請求項９】 前記測定台と前記フレームとを熱膨張係
   数の小さい材料から形成したことを特徴とする請求項５
   に記載の３次元形状測定装置。
10. 【請求項１０】 前記フレームは、前記ミラーをその自
    重による変形を修正した状態で保持する第２の支持手段
    を有することを特徴とする請求項５に記載の３次元形状
    測定装置。
11. 【請求項１１】 前記第２の支持手段は、前記フレーム
    の３ヶ所に配置され前記ミラーに当接する３つの当接部
    材と、前記フレームの少なくとも３ヶ所に配置され前記
    ミラーを前記当接部材に当接する様に引き寄せるための
    引っ張りバネとを備えることを特徴とする請求項１０に
    記載の３次元形状測定装置。
12. 【請求項１２】 前記３つの当接部材は前記フレームに
    対して突出量を調整可能に取り付けられていることを特
    徴とする請求項１１に記載の３次元形状測定装置。
13. 【請求項１３】 前記３つの当接部材は、第１の当接部
    材と、該第１の当接部材から前記ミラーの長手方向に離
    れて配置され、前記ミラーの長手方向に略直交する方向
    に並ぶ第２及び第３の当接部材とから構成され、前記第
    １の当接部材と前記第２及び第３の当接部材との前記ミ
    ラーの長手方向に沿う位置は、前記ミラーの梁としての
    変形量が最も少なくなるベッセル位置であることを特徴
    とする請求項１１に記載の３次元形状測定装置。
14. 【請求項１４】 前記フレームと前記ミラーとを熱膨張
    係数の小さい材料から形成したことを特徴とする請求項
    １０に記載の３次元形状測定装置。
15. 【請求項１５】 測定台に固定された被測定物の表面に
    触針を接触させ、該触針を前記被測定物の表面に沿って
    移動させながら、前記触針の位置を計測することによ
    り、前記被測定物の表面形状を測定するための３次元形
    状測定装置において、 前記触針が支持された移動部材を互いに直交するＸＹＺ
    方向に３次元的に移動させる移動手段と、 Ｚ軸に直交するように設けられたＺ軸方向基準面から前
    記移動部材上のＺ軸方向基準点までのＺ軸方向距離Ｚ１
    を測定する第１の測定手段と、 Ｘ軸に直交するように設けられたＸ軸方向基準面から前
    記移動部材上の第１のＸ軸方向基準点までのＸ軸方向距
    離Ｘ１を測定する第２の測定手段と、 前記Ｘ軸方向基準面から、前記第１のＸ軸方向基準点と
    は所定距離だけＺ軸方向に沿って離間した前記移動部材
    上の第２のＸ軸方向基準点までのＸ軸方向距離Ｘ２を測
    定する第３の測定手段と、 Ｙ軸に直交するように設けられたＹ軸方向基準面から前
    記移動部材上の第１のＹ軸方向基準点までのＹ軸方向距
    離Ｙ１を測定する第４の測定手段と、 前記Ｙ軸方向基準面から、前記第１のＹ軸方向基準点と
    は前記所定距離だけＺ軸方向に沿って離間した前記移動
    部材上の第２のＹ軸方向基準点までのＹ軸方向距離Ｙ２
    を測定する第５の測定手段と、 前記第１乃至第５の測定手段から出力される前記Ｚ軸方
    向距離Ｚ１とＸ軸方向距離Ｘ１,Ｘ２とＹ軸方向距離Ｙ
    １,Ｙ２とから前記触針のＸＹＺ座標を演算する演算手
    段とを具備することを特徴とする３次元形状測定装置。
16. 【請求項１６】 前記Ｚ軸方向基準点を通るＺ軸に平行
    な直線と、前記第１のＸ軸方向基準点を通るＸ軸に平行
    な直線と、前記第１のＹ軸方向基準点を通るＹ軸に平行
    な直線とは１点で交わり、前記Ｚ軸方向基準点を通るＺ
    軸に平行な直線と、前記第２のＸ軸方向基準点を通るＸ
    軸に平行な直線と、前記第２のＹ軸方向基準点を通るＹ
    軸に平行な直線も別の１点で交わることを特徴とする請
    求項１５に記載の３次元形状測定装置。
17. 【請求項１７】 前記触針は、前記移動部材に対してバ
    ネを介して弾性的に支持されており、前記触針の前記移
    動部材に対する相対位置を検出するための第６の測定手
    段をさらに具備することを特徴とする請求項１５に記載
    の３次元形状測定装置。
18. 【請求項１８】 前記移動部材の位置が目標位置となる
    様に前記移動手段を制御する第１の制御手段と、前記第
    ６の測定手段の出力に基づいて前記バネによる前記触針
    の前記被測定物への押し付け圧力が目標値となる様に前
    記移動手段を制御する第２の制御手段をさらに具備する
    ことを特徴とする請求項１７に記載の３次元形状測定装
    置。
19. 【請求項１９】 前記第１の制御手段による制御状態と
    前記第２の制御手段による制御状態とを切り替えるため
    の切り替え手段をさらに具備することを特徴とする請求
    項１８に記載の３次元形状測定装置。
20. 【請求項２０】 前記切り替え手段は、前記触針が前記
    被測定物から離れている場合には第１の制御回路を選択
    し、前記触針が前記被測定物に接触している場合には第
    ２の制御回路を選択することを特徴とする請求項１９に
    記載の３次元形状測定装置。
21. 【請求項２１】 被測定物の表面に触針を接触させ、該
    触針を前記被測定物の表面に沿って移動させながら、前
    記触針の位置を計測することにより、前記被測定物の表
    面形状を測定するための３次元形状測定装置において、 前記触針を支持するためのホルダーと、 前記被測定物と前記ホルダーとを相対的に３次元的に移
    動させるためのステージと、 前記被測定物に対する前記触針の相対的な位置を計測す
    るための位置計測手段と、 前記触針の前記被測定物の表面への接触圧力を検出する
    圧力検出手段と、 該圧力検出手段の出力に基づいて、前記触針の前記被測
    定物の表面への接触圧力が所定値となる様に前記ステー
    ジの移動を制御する制御手段と、 前記位置計測手段からの出力に基づいて、前記触針の前
    記被測定物の表面に略平行な方向への第１の移動速度
    と、前記触針の前記被測定物の表面に略垂直な方向への
    第２の移動速度とを演算する移動速度演算手段と、 前記第１の移動速度と前記第２の移動速度に基づいて前
    記被測定物の表面の傾斜角を演算する傾斜角演算手段と
    を具備することを特徴とする３次元形状測定装置。
22. 【請求項２２】 前記傾斜角演算手段により算出された
    前記被測定物の表面の傾斜角が所定値以上となったとき
    に、前記触針が前記被測定物の端部に到達したと判定す
    る判定手段をさらに具備することを特徴とする請求項２
    １に記載の３次元形状測定装置。
23. 【請求項２３】 前記判定手段により前記触針が前記被
    測定物の端部に到達したと判定されたとき、前記制御手
    段は前記ステージの移動を停止させることを特徴とする
    請求項２１に記載の３次元形状測定装置。
24. 【請求項２４】 前記触針は、前記ホルダーに対してバ
    ネにより相対移動可能に支持されており、前記圧力検出
    手段は、前記触診の前記ホルダーに対する相対的な移動
    量を検出し、該移動量と前記バネのバネ定数とに基づい
    て前記触針の前記被測定物に対する接触圧力を演算する
    ことを特徴とする請求項２１に記載の３次元形状測定装
    置。
25. 【請求項２５】 被測定物の表面に触針を接触させ、該
    触針を前記被測定物の表面に沿って移動させながら、前
    記触針の位置を計測することにより、前記被測定物の表
    面形状を測定するための３次元形状測定装置において、 前記触針を支持するためのホルダーと、 前記被測定物と前記ホルダーとを相対的に３次元的に移
    動させるためのステージと、 前記被測定物に対する前記触針の相対的な位置を計測す
    るための位置計測手段と、 前記触針の前記被測定物の表面への接触圧力を検出する
    圧力検出手段と、 該圧力検出手段の出力に基づいて、前記触針の前記被測
    定物の表面への接触圧力が所定値となる様に前記ステー
    ジの移動を制御する第１の制御手段と、 前記位置計測手段からの出力に基づいて、前記触針の前
    記被測定物に対する相対速度を制御する第２の制御手段
    と、 前記圧力検出手段により検出された接触圧力が所定の範
    囲外となったときに、前記第１の制御手段による制御状
    態から、前記第２の制御手段による制御状態に切り替え
    る第３の制御手段とを具備することを特徴とする３次元
    形状測定装置。
26. 【請求項２６】 前記第３の制御手段は、前記第２の制
    御手段による制御状態に切り替えたときに、前記触針を
    所定の速度で前記被測定物から退避させることを特徴と
    する請求項２５に記載の３次元形状測定装置。
27. 【請求項２７】 前記所定の速度とは、前記ステージの
    最大推力により発生される速度であることを特徴とする
    請求項２６に記載の３次元形状測定装置。
28. 【請求項２８】 前記所定の速度とは、前記ステージが
    耐えうる最大加速度により発生される速度であることを
    特徴とする請求項２６に記載の３次元形状測定装置。