特許 7372545 内面形状測定機、及び内面形状測定機のアライメント方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-10-24

(45)【発行日】2023-11-01

(54)【発明の名称】内面形状測定機、及び内面形状測定機のアライメント方法

(51)【国際特許分類】

   G01B 21/20 20060101AFI20231025BHJP

   G01B 21/00 20060101ALI20231025BHJP

【ＦＩ】

G01B21/20 D

G01B21/00 L

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2020046502

(22)【出願日】2020-03-17

(65)【公開番号】P2021148497

(43)【公開日】2021-09-27

【審査請求日】2023-02-10

(73)【特許権者】

【識別番号】000151494

【氏名又は名称】株式会社東京精密

(74)【代理人】

【識別番号】100083116

【弁理士】

【氏名又は名称】松浦 憲三

(74)【代理人】

【識別番号】100170069

【弁理士】

【氏名又は名称】大原 一樹

(74)【代理人】

【識別番号】100128635

【弁理士】

【氏名又は名称】松村 潔

(74)【代理人】

【識別番号】100140992

【弁理士】

【氏名又は名称】松浦 憲政

(72)【発明者】

【氏名】森井 秀樹

(72)【発明者】

【氏名】森山 克文

【審査官】續山 浩二

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－１７４７７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１６４３３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－０５７０２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１５４６３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－０９９６３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１６３０９３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｂ ２１／２０

Ｇ０１Ｂ ２１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ワークに形成された細穴の内面形状を測定する内面形状測定機であって、
前記ワークを回転軸周りに回転させるための回転機構と、
前記ワークを載置する直動傾斜ステージであって、前記回転機構により前記回転軸周りに回転可能であり、かつ前記回転軸に直交する第１方向及び第２方向に直動及び傾斜が可能な直動傾斜ステージと、
前記細穴に挿入可能な細長形状を有し、前記細穴の内面形状を検出するプローブと、
前記プローブの姿勢を調整可能な調整手段と、
前記直動傾斜ステージに連結部材を介して連結され、前記回転軸を中心とする回転軌道上の少なくとも３つの周方向位置からプローブ姿勢情報を取得する取得手段と、
前記取得手段が取得した前記プローブ姿勢情報に基づき、前記調整手段により前記プローブの姿勢を調整する制御手段と、
を備える内面形状測定機。

【請求項2】

前記調整手段は、前記プローブを前記第１方向及び前記第２方向に直動及び傾斜が可能なプローブ直動傾斜機構である、
請求項１に記載の内面形状測定機。

【請求項3】

前記制御手段は、前記プローブと前記回転軸との相対ずれがなくなるように、前記調整手段により前記プローブの姿勢を調整する、
請求項１又は２に記載の内面形状測定機。

【請求項4】

前記取得手段は、前記回転軌道上において互いに９０度ずつずれた４つの周方向位置から前記プローブ姿勢情報を取得する、
請求項１から３のいずれか１項に記載の内面形状測定機。

【請求項5】

前記取得手段は、前記プローブを撮影するカメラを含む、
請求項１から４のいずれか１項に記載の内面形状測定機。

【請求項6】

前記直動傾斜ステージと一体となって回転可能に構成され、前記カメラに対向する位置から前記プローブに向けて面発光可能な面発光照明手段を更に備える、
請求項５に記載の内面形状測定機。

【請求項7】

ワークに形成された細穴の内面形状を測定する内面形状測定機のアライメント方法であって、
前記内面形状測定機は、前記ワークを回転軸周りに回転させるための回転機構と、前記ワークを載置する直動傾斜ステージであって、前記回転機構により前記回転軸周りに回転可能であり、かつ前記回転軸に直交する第１方向及び第２方向に直動及び傾斜が可能な直動傾斜ステージと、前記細穴に挿入可能な細長形状を有し、前記細穴の内面形状を検出するプローブと、前記直動傾斜ステージに連結部材を介して連結された取得手段と、を備えるものであり、
前記直動傾斜ステージと一体となって前記取得手段を前記回転軸周りに回転させつつ、前記回転軸を中心とする回転軌道上の少なくとも３つの周方向位置から前記取得手段がプローブ姿勢情報を取得する取得ステップと、
前記取得ステップで取得した前記プローブ姿勢情報に基づき、前記プローブと前記回転軸との相対ずれがなくなるように、前記プローブの姿勢を調整する調整ステップと、
を備える内面形状測定機のアライメント方法。

【請求項8】

前記取得ステップは、前記回転軌道上において互いに９０度ずつずれた４つの周方向位置から前記取得手段が前記プローブ姿勢情報を取得する、
請求項７に記載の内面形状測定機のアライメント方法。

【請求項9】

前記取得手段は、前記プローブを撮影するカメラであり、
前記直動傾斜ステージを直動又は傾斜させることにより、前記カメラの焦点を前記回転軸に合わせる焦点合わせステップを更に備える、
請求項７又は８に記載の内面形状測定機のアライメント方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ワークに形成された細穴の内面形状を測定するための技術に関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、検出器のプローブとワークとを回転軸を中心に相対的に回転させることにより、円筒状のワークの内面形状（真円度等）を測定する形状測定機が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような形状測定機を用いてワークの内面形状を測定するためには、回転軸とワークの中心軸とを一致させる必要がある。

【0003】

特許文献１には、回転テーブル上に載置された円筒状のワークの内周面に検出器のプローブ（接触子）を当接させてワークの内周面の内面形状を測定する技術が開示されている。特許文献１に記載の技術では、回転軸とワークの中心軸とを一致させるために、事前に検出器のプローブをワークの外周面に当接させ、回転テーブルを回転させながら低倍率でワークの振れを見て、振れが小さくなるようにワークの載置位置を調整している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００６－１４５３４４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記のような形状測定機を用いてワークの細穴の内面形状を測定する場合、プローブと回転軸との相対的な位置合わせ（プローブアライメント）が重要となる。すなわち、上述した特許文献１のようにして回転軸とワークの中心軸とを一致させたとしても、プローブと回転軸との間に相対的な位置ずれが存在していると、プローブをワークの細穴に挿入する際にプローブがワークの細穴以外の部分に衝突してしまうという問題がある。

【0006】

このような問題は、作業者が観察顕微鏡で確認しながらプローブをワークの細穴に挿入すれば解消できるが、作業者の熟練が必要となる。この場合、自動化が困難であり、操作ミスによってプローブがワークの細穴以外の部分に衝突してしまうおそれがある。

【0007】

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、プローブのアライメントを精度よく簡単に行うことができる内面形状測定機、及び内面形状測定機のアライメント方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するために、以下の発明を提供する。

【0009】

本発明の第１態様に係る内面形状測定機は、ワークに形成された細穴の内面形状を測定する内面形状測定機であって、ワークを回転軸周りに回転させるための回転機構と、ワークを載置する直動傾斜ステージであって、回転機構により回転軸周りに回転可能であり、かつ回転軸に直交する第１方向及び第２方向に直動及び傾斜が可能な直動傾斜ステージと、細穴に挿入可能な細長形状を有し、細穴の内面形状を検出するプローブと、プローブの姿勢を調整可能な調整手段と、直動傾斜ステージに連結部材を介して連結され、回転軸を中心とする回転軌道上の少なくとも３つの周方向位置からプローブ姿勢情報を取得する取得手段と、取得手段が取得したプローブ姿勢情報に基づき、調整手段によりプローブの姿勢を調整する制御手段と、を備える。

【0010】

本発明の第２態様に係る内面形状測定機は、第１態様において、調整手段は、プローブを第１方向及び第２方向に直動及び傾斜が可能なプローブ直動傾斜機構である。

【0011】

本発明の第３態様に係る内面形状測定機は、第１態様又は第２態様において、制御手段は、プローブと回転軸との相対ずれがなくなるように、調整手段によりプローブの姿勢を調整する。

【0012】

本発明の第４態様に係る内面形状測定機は、第１態様から第３態様のいずれか１つの態様において、取得手段は、回転軌道上において互いに９０度ずつずれた４つの周方向位置からプローブ姿勢情報を取得する。

【0013】

本発明の第５態様に係る内面形状測定機は、第１態様から第４態様のいずれか１つの態様において、取得手段は、プローブを撮影するカメラを含む。

【0014】

本発明の第６態様に係る内面形状測定機は、第５態様において、直動傾斜ステージと一体となって回転可能に構成され、カメラに対向する位置からプローブに向けて面発光可能な面発光照明手段を更に備える。

【0015】

本発明の第７態様に係る内面形状測定機のアライメント方法は、ワークに形成された細穴の内面形状を測定する内面形状測定機のアライメント方法であって、内面形状測定機は、ワークを回転軸周りに回転させるための回転機構と、ワークを載置する直動傾斜ステージであって、回転機構により回転軸周りに回転可能であり、かつ回転軸に直交する第１方向及び第２方向に直動及び傾斜が可能な直動傾斜ステージと、細穴に挿入可能な細長形状を有し、細穴の内面形状を検出するプローブと、直動傾斜ステージに連結部材を介して連結された取得手段と、を備えるものであり、直動傾斜ステージと一体となって取得手段を回転軸周りに回転させつつ、回転軸を中心とする回転軌道上の少なくとも３つの周方向位置から取得手段がプローブ姿勢情報を取得する取得ステップと、取得ステップで取得したプローブ姿勢情報に基づき、プローブと回転軸との相対ずれがなくなるように、プローブの姿勢を調整する調整ステップと、を備える。

【0016】

本発明の第８態様に係る内面形状測定機のアライメント方法は、第７態様において、前取得ステップは、回転軌道上において互いに９０度ずつずれた４つの周方向位置から取得手段がプローブ姿勢情報を取得する。

【0017】

本発明の第８態様に係る内面形状測定機のアライメント方法は、第７態様において、取得手段は、プローブを撮影するカメラであり、直動傾斜ステージを直動又は傾斜させることにより、カメラの焦点を回転軸に合わせる焦点合わせステップを更に備える。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、プローブのアライメントを精度よく簡単に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】第１実施形態の内面形状測定機の全体構成を示した概略図である。

【図2】制御装置の構成を示したブロック図である。

【図3】プローブアライメントの流れの一例を示したフローチャートである。

【図4】カメラの焦点合わせを説明するための図である。

【図5】カメラによるプローブの撮影位置の一例を示した図である。

【図6】各撮影位置におけるカメラの撮影画像の一例を示した説明図である。

【図7】第１撮影画像と第３撮影画像との合成画像を示した図である。

【図8】第２撮影画像と第４撮影画像との合成画像を示した図である。

【図9】ワークアライメントを説明するための図である。

【図10】ワークアライメントを説明するための図である。

【図11】プローブ直動傾斜機構の直動移動量の校正方法を説明するための図である。

【図12】プローブ直動傾斜機構の傾斜移動量の校正方法を説明するための図である。

【図13】カメラによるプローブの撮影位置の他の例を示した図である。

【図14】カメラによるプローブの撮影位置の更に他の例を示した図である。

【図15】第２実施形態の内面形状測定機の全体構成を示した概略図である。

【図16】第３実施形態の内面形状測定機の全体構成を示した概略図である。

【図17】第４実施形態の内面形状測定機の要部構成を示した概略図である。

【図18】第５実施形態の内面形状測定機の要部構成を示した概略図である。

【図19】本発明の応用例を説明するための図である。

【図20】本発明の応用例を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、添付図面に従って本発明の好ましい実施形態について詳説する。

【0021】

［第１実施形態］
＜内面形状測定機の構成＞
図１は、第１実施形態の内面形状測定機１０の全体構成を示す概略図である。内面形状測定機１０は、ワークＷに形成された細穴Ｈの内面形状（真円度等）を測定する装置である。本例において、細穴Ｈは、ワークＷの中心軸に沿って形成された貫通穴である。細穴Ｈの内径は極小径（例えば内径が５００μｍ以下）のものである。図１において、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向は互いに直交する方向であり、Ｘ方向は水平方向、Ｙ方向はＸ方向に直交する水平方向、Ｚ方向は鉛直方向である。

【0022】

図１に示すように、内面形状測定機１０は、本体ベース１２、高精度回転機構１４、直動傾斜ステージ１８、コラム２０、キャリッジ２２、アーム２４、変位検出器２６、プローブ直動傾斜機構２８、プローブ観察用カメラ３２、ワーク観察用カメラ３４、及び制御装置５０を備える。

【0023】

高精度回転機構１４は、ワークＷを回転軸Ｃ周りに回転させるための回転機構であり、後述する直動傾斜ステージ１８をＺ方向に平行な回転軸Ｃを中心に高精度に回転させるものである。高精度回転機構１４は、本体ベース１２上に回転可能に設けられた回転体１６を備えており、回転体１６の上面に直動傾斜ステージ１８が支持されている。高精度回転機構１４は、回転体１６を回転軸Ｃを中心に高精度に回転させるモータ（不図示）と、回転体１６の回転角度を検出するエンコーダ（不図示）とを備える。なお、高精度回転機構１４は「回転機構」に相当する。

【0024】

直動傾斜ステージ１８は、ワークＷを載置するものである。直動傾斜ステージ１８は、ワークＷを直接支持固定するものであってもよいし、ワーク設置治具（不図示）を介してワークＷを支持固定するものであってもよい。

【0025】

直動傾斜ステージ１８は、回転体１６の支持面（上面）に支持されており、回転体１６と一体となって回転軸Ｃを中心に回転可能に構成される。これにより、直動傾斜ステージ１８に支持固定されたワークＷは、直動傾斜ステージ１８と一体となって回転軸Ｃを中心に回転可能である。

【0026】

直動傾斜ステージ１８は、直動機構（センタリング機構）と、傾斜機構（チルチング機構）とを備えている（いずれも不図示）。直動機構は、不図示のモータの駆動により直動傾斜ステージ１８をＸ方向及びＹ方向に移動させて、回転軸Ｃに直交するＸＹ平面（水平面）における直動傾斜ステージ１８の位置を調整させる。傾斜機構は、不図示のモータの駆動により直動傾斜ステージ１８をＸ方向及びＹ方向の周りに回転させて、ＸＹ平面に対する直動傾斜ステージ１８の傾きを調整する。したがって、直動機構及び傾斜機構によって直動傾斜ステージ１８の水平方向（Ｘ方向及びＹ方向）の位置及び傾斜を調整することにより、回転軸Ｃに対するワークＷの中心軸の偏心補正（センタリング調整）及び傾斜補正（チルチング調整）を行うことが可能となる。

【0027】

本体ベース１２上には、Ｚ方向に平行に延びるコラム（支柱）２０が立設される。コラム２０は、下端部が本体ベース１２の上面に固定される。

【0028】

キャリッジ２２は、Ｚ方向に移動可能にコラム２０に支持される。キャリッジ２２は、不図示のモータの駆動によりＺ方向に移動可能に構成される。

【0029】

アーム２４は、Ｘ方向に移動可能にキャリッジ２２に支持される。アーム２４は、不図示のモータの駆動によりＸ方向に移動可能に構成される。

【0030】

変位検出器２６は、プローブ直動傾斜機構２８を介してアーム２４に支持される。変位検出器２６は、ワークＷの細穴Ｈに挿入可能な細長形状のプローブ３０を有する。プローブ３０は、ワークＷの細穴Ｈに挿入された状態でワークＷの細穴Ｈの内面（被測定面）の形状を検出するものである。プローブ３０は、ワークＷの細穴Ｈの内面に接触せずに内面形状を検出する非接触式のプローブが好ましく採用される。

【0031】

非接触式プローブとしては、ワークＷの細穴Ｈの内面に接触せずに内面形状を検出することができるものであれば特に限定されず、例えば、レーザー干渉計、白色干渉計、ＳＤ－ＯＣＴ（Spectral Domain-Optical Coherence Tomography）、ＳＳ－ＯＣＴ（Swept Source-Optical Coherence Tomography）等の各種手法が適用されたプローブを用いることができる。

【0032】

なお、プローブ３０は、非接触式プローブに限らず、接触式プローブでもよい。接触式プローブは、ワークＷの細穴Ｈの内面に接触可能な接触子を有し、ワークＷの細穴Ｈの内面に接触させたときの接触子の変位を検出することにより内面形状を検出するものである。接触式プローブとしては、例えば、ＬＶＤＴ（Linear Variable Differential Transformer）、干渉計、光三角測量方式、薄膜歪み測定等の各種手法が適用されたプローブを用いることができる。また、共振周波数で接触式プローブの接触子を加振しておき、接触によって共振点が変化することを利用する方式を適用してもよい。

【0033】

一般に非接触式プローブは接触式プローブに比べて細径化に適しており、本実施形態のように極小径の細穴Ｈの内面形状の測定には非接触式プローブが好適である。

【0034】

プローブ直動傾斜機構２８は、アーム２４と変位検出器２６との間に介在して設けられている。プローブ直動傾斜機構２８は、直動機構と、傾斜機構とを備えている（いずれも不図示）。直動機構は、不図示のモータの駆動により変位検出器２６をＸ方向及びＹ方向に移動させて、回転軸Ｃに直交するＸＹ平面（水平面）におけるプローブ３０の位置を調整させる。傾斜機構は、不図示のモータの駆動により変位検出器２６をＸ方向及びＹ方向の周りに回転させて、ＸＹ平面に対するプローブ３０の傾きを調整する。したがって、プローブ直動傾斜機構２８（直動機構及び傾斜機構）によってプローブ３０の水平方向（Ｘ方向及びＹ方向）の位置及び傾斜を調整することにより、プローブ３０と回転軸Ｃとの相対的な位置合わせ（プローブアライメント）を行うことが可能となる。プローブ直動傾斜機構２８は「調整手段」の一例である。なお、本発明の特徴であるプローブアライメントについては後述する。

【0035】

プローブ観察用カメラ３２は、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラなどのエリアセンサカメラ（２次元センサカメラ）である。プローブ観察用カメラ３２は、カメラ用ブラケット３６を介して直動傾斜ステージ１８に連結（支持）されている。プローブ観察用カメラ３２は、その撮影方向が回転軸Ｃに直交し且つ回転軸Ｃ側（回転中心側）を向くように配置されている。また、後述する焦点合わせにより、プローブ観察用カメラ３２の焦点が回転軸Ｃに合うように調整されている。これにより、プローブ観察用カメラ３２は、直動傾斜ステージ１８と一体となって回転軸Ｃ周りに回転可能であると共に、その回転軸Ｃを中心とした回転軌道Ｋ上の任意の撮影位置（周方向位置）においてプローブ観察用カメラ３２によるプローブ３０の撮影が可能となっている（図５参照）。なお、プローブ観察用カメラ３２への給電は、スリップリングや無線給電などの公知の方法を適用可能である。プローブ観察用カメラ３２は「取得手段」の一例であり、プローブ観察用カメラ３２が撮影した撮影画像は「プローブ姿勢情報」の一例である。また、カメラ用ブラケット３６は「連結部材」の一例である。

【0036】

ワーク観察用カメラ３４は、上述したプローブ観察用カメラ３２と同様に、例えばＣＣＤカメラなどのエリアセンサカメラ（２次元センサカメラ）である。ワーク観察用カメラ３４の上端部はアーム２４に支持されており、その撮影方向が回転軸Ｃに平行な鉛直方向下側（Ｚ方向の下側）を向くように配置されている。これにより、ワーク観察用カメラ３４は、直動傾斜ステージ１８に支持固定されたワークＷを一定の位置（固定位置）から撮影することが可能となっている。

【0037】

＜制御装置＞
制御装置５０は、内面形状測定機１０の各部の動作（ワークＷの内面形状の測定動作や後述するプローブアライメント動作などを含む）を制御する。制御装置５０は、例えばパーソナルコンピュータ又はマイクロコンピュータ等の汎用のコンピュータによって実現されるものである。制御装置５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）及び入出力インターフェース等を備えている。制御装置５０では、ＲＯＭに記憶されている制御プログラム等の各種プログラムがＲＡＭに展開され、ＲＡＭに展開されたプログラムがＣＰＵによって実行されることにより、内面形状測定機１０内の各部の機能が実現され、入出力インターフェースを介して各種の演算処理又は制御処理が実行される。なお、制御装置５０は「制御手段」の一例である。

【0038】

図２は、制御装置５０の構成を示したブロック図である。なお、図２においては、内面形状測定機１０で実行されるプローブアライメントの動作に関する構成のみを図示している。なお、制御装置５０は、ワークＷの内面形状の測定動作等に関する構成なども備えているが、本発明の要部ではないので説明を省略する。

【0039】

図２に示すように、制御装置５０は、プローブアライメント制御部５２を備えている。プローブアライメント制御部５２は、プローブ３０と回転軸Ｃとの相対位置な位置合わせ（プローブアライメント）を行うための動作を制御する機能部である。

【0040】

ここで、プローブアライメント制御部５２の構成について詳しく説明すると、プローブアライメント制御部５２は、撮影制御部５４と、相対ずれ検出部５６と、プローブ姿勢制御部５８と、を備えている。

【0041】

撮影制御部５４は、高精度回転機構１４を制御して、回転体１６及び直動傾斜ステージ１８と一体となって回転軸Ｃ周りにプローブ観察用カメラ３２を回転させることにより、プローブ３０に対するプローブ観察用カメラ３２の撮影位置（周方向位置）を回転軸Ｃを中心とした周方向に変化させる。これにより、回転軸Ｃを中心とするプローブ観察用カメラ３２の回転軌道Ｋ上の少なくとも３つの撮影位置からプローブ観察用カメラ３２によるプローブ３０の撮影が可能になる。なお、後述するように本実施形態では、プローブ観察用カメラ３２の回転軌道Ｋ上において互いに９０度ずつずれた４つの撮影位置からプローブ３０の撮影が好適に行われる（図５参照）。また、撮影制御部５４は、上記撮影の動作が行われる前に、直動傾斜ステージ１８を制御して、直動傾斜ステージ１８の水平方向（Ｘ方向及びＹ方向）の位置及び傾斜を調整することにより、プローブ観察用カメラ３２の焦点が回転軸Ｃに合うように焦点合わせを行う。

【0042】

さらに、撮影制御部５４は、各撮影位置に移動したプローブ観察用カメラ３２にプローブ３０を撮影させる制御を行う。撮影制御部５４は、プローブ観察用カメラ３２が撮影した撮影画像を相対ずれ検出部５６に対して送信させる。

【0043】

相対ずれ検出部５６は、各撮影位置でプローブ観察用カメラ３２が取得した撮影画像に基づいて、回転軸Ｃとプローブ３０との相対ずれを検出する。具体的な検出方法については、後述するプローブアライメントにおいて説明する。

【0044】

プローブ姿勢制御部５８は、相対ずれ検出部５６が検出した相対ずれに基づき、プローブ直動傾斜機構２８を制御する。具体的には、プローブ姿勢制御部５８は、相対ずれ検出部５６が検出した相対ずれがなくなるように、プローブ直動傾斜機構２８を制御してプローブ３０の位置及び傾きを調整して、プローブ３０と回転軸Ｃとの相対的な位置合わせを行う。

【0045】

＜プローブアライメント＞
次に、本発明の特徴であるプローブアライメントについて説明する。

【0046】

内面形状測定機１０を用いてワークＷの細穴Ｈの内面形状（真円度等）を測定する場合には、まず、プローブ３０がキャリッジ２２により変位検出器２６とともにＺ方向に移動され、ワークＷの細穴Ｈにプローブ３０が挿入される。そして、ワークＷの細穴Ｈにプローブ３０が挿入された状態で、ワークＷを回転軸Ｃ周りに回転させつつ、プローブ３０により細穴Ｈの内面形状が検出される。このようにしてワークＷの細穴Ｈの内面形状の測定が行われる。

【0047】

ここで、上記測定が開始される前にプローブ３０を細穴Ｈに挿入するためには、プローブ３０が回転軸Ｃに対して同軸上に位置するようにプローブ３０の姿勢（位置及び傾斜）が調整されていることが必要となる。仮にプローブ３０と回転軸Ｃとの間に相対ずれが存在すると、プローブ３０を細穴Ｈに挿入しようした場合、プローブ３０がワークＷの細穴Ｈ以外の部分と衝突してしまい、細穴Ｈの内面形状を測定することが困難となる。

【0048】

そこで本実施形態では、ワークＷの細穴Ｈの内面形状の測定が開始される前に、プローブ３０と回転軸Ｃとの相対ずれがなくなるように、プローブ３０と回転軸Ｃとの相対的な位置合わせ（プローブアライメント）が行われる。

【0049】

図３は、プローブアライメントの流れの一例を示したフローチャートである。

【0050】

図３に示すように、プローブアライメントが開始されると、まず、撮影制御部５４が、プローブ観察用カメラ３２の焦点が回転軸Ｃに合うように焦点合わせを行う（ステップＳ１０、「焦点合わせステップ」の一例）。ここで、本実施形態では、プローブ観察用カメラ３２がカメラ用ブラケット３６を介して直動傾斜ステージ１８に支持されているので、図４に示すように、撮影制御部５４が、直動傾斜ステージ１８を制御して、直動傾斜ステージ１８の水平方向（Ｘ方向及びＹ方向）の位置及び傾斜を調整することにより、上記のようにプローブ観察用カメラ３２の焦点合わせを行うことが可能である。なお、プローブ観察用カメラ３２が、被写体（プローブ３０）までの距離を測定して焦点合わせを行う自動焦点合わせ機能（オートフォーカス機能）を有するものであってもよい。

【0051】

次に、撮影制御部５４が、高精度回転機構１４を制御して、直動傾斜ステージ１８と一体となってプローブ観察用カメラ３２を回転軸Ｃ周りに回転移動させる（ステップＳ１２）。そして、回転軸Ｃを中心とするプローブ観察用カメラ３２の回転軌道Ｋ上においてプローブ観察用カメラ３２が所定の撮影位置に移動したら、その撮影位置でプローブ観察用カメラ３２によるプローブ３０の撮影が行われる（ステップＳ１４、「取得ステップ」の一例）。

【0052】

次に、全ての撮影位置での撮影が終了したか否かが判断される（ステップＳ１６）。全ての撮影位置での撮影が終了していないと判断された場合（ステップＳ１６においてＮｏ）、全ての撮影位置での撮影が終了したと判断されるまで、プローブ観察用カメラ３２の回転移動（ステップＳ１２）と、プローブ観察用カメラ３２によるプローブ３０の撮影（ステップＳ１４）とが繰り返し行われる。なお、プローブ観察用カメラ３２が各撮影位置に移動したか否かの判別は、高精度回転機構１４に設けられるエンコーダの出力に基づいて行うことができる。なお、プローブ観察用カメラ３２が各撮影位置に移動したか否かを判別できるものであれば、エンコーダに限らず、他の任意の構成のものを適用可能である。

【0053】

図５は、プローブ観察用カメラ３２によるプローブ３０の撮影位置の一例を示した図である。図５に示すように、本実施形態におけるプローブアライメントでは、直動傾斜ステージ１８の回転移動によりプローブ観察用カメラ３２を回転軸Ｃを中心に回転移動させつつ、回転軸Ｃを中心とするプローブ観察用カメラ３２の回転軌道Ｋ上における所定の撮影位置（周方向位置）においてプローブ観察用カメラ３２によるプローブ３０の撮影が行われる。具体的には、回転軸Ｃを中心とするプローブ観察用カメラ３２の回転軌道Ｋ上において互いに９０度ずつずれた４つの撮影位置Ｐ１～Ｐ４で、プローブ観察用カメラ３２によるプローブ３０の撮影が行われる。

【0054】

４つの撮影位置Ｐ１～Ｐ４の平面的（ＸＹ平面）な位置関係としては、互いに直交する２つの方向のうち、第１撮影位置Ｐ１と第３撮影位置Ｐ３は第１方向（Ｙ方向）において互いに対向する位置同士である。また、第２撮影位置Ｐ２と第４撮影位置Ｐ４は第２方向（Ｘ方向）において互いに対向する位置同士である。

【0055】

本実施形態において、４つの撮影位置Ｐ１～Ｐ４からプローブ観察用カメラ３２によりプローブ３０を撮影する方向はＸ方向またはＹ方向であり、プローブ直動傾斜機構２８においてプローブ３０を直動又は傾斜させる制御方向（移動軸方向）と同一方向となっている。

【0056】

なお、本実施形態では、好ましい態様の１つとして、第１撮影位置Ｐ１と第３撮影位置Ｐ３とが対向する第１方向（Ｙ方向）と、第２撮影位置Ｐ２と第４撮影位置Ｐ４が対向する第２方向（Ｘ方向）が、プローブ直動傾斜機構２８の制御方向と一致している態様を示したが、必ずしもこの態様に限定されるものではない。例えば、プローブ直動傾斜機構２８の制御方向とは異なる方向であってもよいし、第１方向と第２方向とが互いに直交していなくてもよい。但し、本実施形態によれば、プローブ３０と回転軸Ｃとの相対ずれを各方向独立して簡単かつ容易に検出することができるので好ましい。

【0057】

図３に戻って、全ての撮影位置でプローブ観察用カメラ３２によるプローブ３０の撮影が終了したと判断されると（ステップＳ１６においてＹｅｓ）、相対ずれ検出部５６は、各撮影位置でプローブ観察用カメラ３２が撮影した撮影画像に基づき、プローブ３０と回転軸Ｃとの相対ずれを検出する（ステップＳ１８）。

【0058】

ここで、プローブ３０と回転軸Ｃとの相対ずれの検出について詳しく説明する。

【0059】

図６は、各撮影位置Ｐ１～Ｐ４においてプローブ観察用カメラ３２により撮影された撮影画像の一例を示した図である。なお、図６において、第１撮影画像１００Ａは第１撮影位置Ｐ１で撮影された撮影画像であり、以下同様に、第２撮影画像１００Ｂは第２撮影位置Ｐ２、第３撮影画像１００Ｃは第３撮影位置Ｐ３、第４撮影画像１００Ｄは第４撮影位置Ｐ４でそれぞれ撮影された撮影画像である。

【0060】

プローブ３０と回転軸Ｃとの相対ずれが存在する場合、例えば図６に示すように、各撮影位置Ｐ１～Ｐ４でプローブ観察用カメラ３２により撮影された撮影画像１００Ａ～１００Ｄにおいて、撮影位置（すなわち、プローブ観察用カメラ３２によるプローブ３０の撮影方向）の違いに応じて、プローブ３０の姿勢（位置及び傾き）が異なる。

【0061】

例えば、第１方向（Ｙ方向）において互いに対向する２つの撮影位置（第１撮影位置Ｐ１及び第３撮影位置Ｐ３）のうち、一方の撮影位置（第１撮影位置Ｐ１）から撮影した第１撮影画像１００Ａでは、プローブ３０Ａは第２方向（Ｘ方向）の一方側に傾いているのに対して、他方の撮影位置（第３撮影位置Ｐ３）から撮影した第３撮影画像１００Ｃでは、プローブ３０Ｃは第２方向（Ｘ方向）の他方側に傾いている。また、第２方向（Ｘ方向）の位置についても互いに反対側にむかってずれている。

【0062】

第２方向（Ｘ方向）において互いに対向する２つの撮影位置（第２撮影位置Ｐ２及び第４撮影位置Ｐ４）においてそれぞれ第２撮影画像１００Ｂと第４撮影画像１００Ｄについても同様であり、プローブ３０Ｂ、３０Ｄの位置及び傾きが互いに反対側にずれている。

【0063】

図７は、第１方向（Ｙ方向）において互いに対向する２つの撮影位置（第１撮影位置Ｐ１及び第３撮影位置Ｐ３）から撮影した第１撮影画像１００Ａと第３撮影画像１００Ｃとを合成した第１合成画像１０２Ａを示した図である。

【0064】

図７に示すように、第１撮影画像１００Ａと第３撮影画像１００Ｃとを合成した第１合成画像１０２Ａにおいて、第１撮影画像１００Ａにおけるプローブ３０Ａの中心軸（第１プローブ中心軸）Ｌ１と、第３撮影画像１００Ｃにおけるプローブ３０Ｃの中心軸（第３プローブ中心軸）Ｌ３との間の第１中線ＭＬ１が、ＸＺ平面内における回転軸Ｃの位置（すなわち、第１方向（Ｙ方向）からプローブ３０を見た場合の回転軸Ｃの位置）を示している。なお、第１中線ＭＬ１とは、第１合成画像１０２Ａにおいて、第１プローブ中心軸Ｌ１及び第３プローブ中心軸Ｌ３の横方向（Ｘ方向）の中央を縦方向（Ｚ方向）に通る直線をいう。換言すれば、第１合成画像１０２Ａにおいて、第１プローブ中心軸Ｌ１と第３プローブ中心軸Ｌ３との間を左右（Ｘ方向）に２等分する直線を第１中線ＭＬ１という。

【0065】

第１合成画像１０２Ａにおける第１中線ＭＬ１は、回転軸Ｃの位置を示している。すなわち、第１中線ＭＬ１は、第１合成画像１０２Ａ（ＸＺ平面内）においてプローブ３０の移動目標となる線を示しており、プローブ３０が第１中線ＭＬ１に一致するようにプローブ３０の姿勢（位置及び傾き）を調整することで、ＸＺ平面内における回転軸Ｃとプローブ３０との相対ずれをなくすことが可能となる。

【0066】

図８は、第２方向（Ｘ方向）において互いに対向する２つの撮影位置（第２撮影位置Ｐ２及び第４撮影位置Ｐ４）から撮影した第２撮影画像１００Ｂと第４撮影画像１００Ｄとを合成した合成画像１０２Ｂを示した図である。

【0067】

図７に示すように、第２撮影画像１００Ｂと第４撮影画像１００Ｄとを合成した第２合成画像１０２Ｂにおいて、第２撮影画像１００Ｂにおけるプローブ３０Ｂの中心軸（第２プローブ中心軸）Ｌ２と、第４撮影画像１００Ｄにおけるプローブ３０Ｄの中心軸（第４プローブ中心軸）Ｌ４との間の第２中線ＭＬ２が、ＹＺ平面内における回転軸Ｃの位置（すなわち、第２方向（Ｘ方向）からプローブ３０を見た場合の回転軸Ｃの位置）を示している。なお、第２中線ＭＬ２とは、第２合成画像１０２Ｂにおいて、第２プローブ中心軸Ｌ２及び第４プローブ中心軸Ｌ４の横方向（Ｘ方向）の中央を縦方向（Ｚ方向）に通る直線をいう。換言すれば、第２合成画像１０２Ｂにおいて、第２プローブ中心軸Ｌ２と第４プローブ中心軸Ｌ４との間を左右（Ｘ方向）に２等分する直線を第２中線ＭＬ２という。

【0068】

第２合成画像１０２Ｂにおける第２中線ＭＬ２は、回転軸Ｃの位置を示している。すなわち、第２中線ＭＬ２は、第２合成画像１０２Ｂ（ＹＺ平面内）においてプローブ３０の移動目標となる線を示しており、プローブ３０が第２中線ＭＬ２に一致するようにプローブ３０の姿勢（位置及び傾き）を調整することで、ＹＺ平面内における回転軸Ｃとプローブ３０との相対ずれをなくすことが可能となる。

【0069】

したがって、回転軸Ｃを中心とするプローブ観察用カメラ３２の回転軌道Ｋ上において互いに９０度ずつずれた４つの撮影位置Ｐ１～Ｐ４においてプローブ観察用カメラ３２が撮影した撮影画像に基づき、上述した２つの中線ＭＬ１、ＭＬ２を算出することで、プローブ３０の移動目標となる回転軸Ｃ（回転中心）を検出することができ、回転軸Ｃとプローブ３０との相対ずれを各方向（Ｘ方向及びＹ方向）独立して調整することが可能となる。

【0070】

そこで、本実施形態のプローブアライメントでは、相対ずれ検出部５６は、図７に示した第１合成画像１０２Ａにおいて、２つのプローブ３０のうちいずれか一方のプローブを基準プローブ（本例では第１撮影画像１００Ａにおけるプローブ３０Ａ）とした場合、第１中線ＭＬ１に対して基準プローブのプローブ中心軸を平行とするための傾斜角（Ｙ方向を中心とする回転角）を傾斜移動量θとして検出すると共に、基準プローブのプローブ中心軸を傾斜移動量θだけ傾斜させて第１中線ＭＬ１と平行にした場合に、基準プローブのプローブ中心軸を第１中線ＭＬ１に一致させるために必要なＸ方向の移動距離を直動移動量Ｄｘとして検出する。なお、直動移動量Ｄｘは、プローブ直動傾斜機構２８におけるＸ方向の移動軸に沿った方向の距離に相当する（図７参照）。

【0071】

また、相対ずれ検出部５６は、図８に示した第２合成画像１０２Ｂにおいて、２つのプローブ３０のうちいずれか一方のプローブを基準プローブ（本例では第２撮影画像１００Ｂにおけるプローブ３０Ｂ）とした場合、第２中線ＭＬ２に対して基準プローブのプローブ中心軸を平行とするための傾斜角（Ｘ方向を中心とする回転角）を傾斜移動量φとして検出すると共に、基準プローブのプローブ中心軸を傾斜移動量φだけ傾斜させて第２中線ＭＬ２と平行にした場合に、基準プローブのプローブ中心軸を第２中線ＭＬ２に一致させるために必要なＹ方向の移動距離を直動移動量Ｄｙとして検出する。なお、直動移動量Ｄｙは、プローブ直動傾斜機構２８におけるＹ方向の移動軸に沿った方向の距離に相当する（図８参照）。

【0072】

なお、相対ずれ検出部５６は、エッジ抽出等の公知の画像処理により、各合成画像１０２Ａ、１０２Ｂから、プローブ中心軸Ｃ１～Ｃ４、中線ＭＬ１、ＭＬ２、直動移動量Ｄｘ、Ｄｙ、傾斜移動量θ、φを算出することが可能である。

【0073】

このようにして相対ずれ検出部５６が、各撮影位置でプローブ観察用カメラ３２が撮影した撮影画像に基づき、プローブ３０と回転軸Ｃとの相対ずれを各方向独立して検出すると（ステップＳ１８）、プローブ姿勢制御部５８が、相対ずれ検出部５６が検出した結果に基づき、プローブ直動傾斜機構２８を制御する。具体的には、プローブ姿勢制御部５８は、プローブ直動傾斜機構２８を制御して、プローブ３０を、Ｘ方向に直動移動量Ｄｘだけ移動させると共にＹ方向に直動移動量Ｄｙだけ移動させ、かつ、Ｘ方向を中心に傾斜移動量φだけ傾斜させると共にＹ方向を中心に傾斜移動量θだけ傾斜させる（ステップＳ２０、「調整ステップ」の一例）。なお、プローブ直動傾斜機構２８を移動又は傾斜させる方向（向き）は、図７又は図８に示した合成画像１０２Ａ、１０２Ｂにおいて、どのプローブを基準プローブとするかに応じて定められる。

【0074】

以上にようにして、プローブ姿勢制御部５８が、相対ずれ検出部５６が検出した結果に基づき、プローブ直動傾斜機構２８を制御してプローブ３０の姿勢を変化させると、三次元空間内においてプローブ３０と回転軸Ｃとの相対ずれがなくなる。以上により、本フローチャートは終了となる。

【0075】

＜ワークアライメント＞
上述したプローブアライメントでは、プローブ観察用カメラ３２の焦点合わせが、直動傾斜ステージ１８の水平方向（Ｘ方向及びＹ方向）の位置及び傾斜を調整することにより行われる。そのため、プローブアライメントが行われる前に、回転軸Ｃに対するワークＷの中心軸の位置合わせ（ワークアライメント）が行われていると、プローブ観察用カメラ３２の焦点合わせに伴う直動傾斜ステージ１８の移動により、回転軸ＣとワークＷの中心との間に相対ずれが生じる場合がある。そこで、本実施形態においては、プローブアライメントが行われた後に、後述するワークアライメントが行われることが好ましい。

【0076】

本実施形態におけるワークアライメントでは、回転体１６の回転移動により直動傾斜ステージ１８に支持固定されたワークＷを回転軸Ｃを中心に回転移動させつつ、ワーク観察用カメラ３４によりワークＷの撮影を行う。このとき、ワーク観察用カメラ３４は、回転軸Ｃを中心とする周方向（ワークＷの回転方向）において互いに１８０度ずれた２つの位置（すなわち、回転軸Ｃを中心に互いに対向する２つの位置）にそれぞれ移動したときのワークＷを撮影する。

【0077】

図９及び図１０は、ワークアライメントを説明するための図である。なお、図９は、回転軸Ｃを中心に互いに対向する２つの位置においてワーク観察用カメラ３４により撮影された撮影画像の一例を示した図である。図９において、第１撮影画像１０４Ａは第１回転位置（例えば０度位置）で撮影された撮影画像であり、第２撮影画像１０４Ｂは第２回転位置（例えば１８０度位置）で撮影された撮影画像である。また、図１０は、回転軸Ｃを中心に互いに対向する２つの回転位置で撮影した第１撮影画像１０４Ａと第２撮影画像１０４Ｂとを合成した合成画像１０６を示した図である。

【0078】

ワークＷの中心と回転軸Ｃとが一致していない場合（偏心ずれが存在する場合）、回転軸Ｃに対するワークＷの位置が周方向（回転軸Ｃを中心とするワークＷの回転方向）に変化する。このとき、例えば図９に示すように、第１回転位置で撮影した第１撮影画像１０４Ａでは、ワークＷ１は、回転軸Ｃに対してＸ方向及びＹ方向の一方側にそれぞれ偏心した位置に配置されるのに対して、第１回転位置から１８０度ずれた位置である第２回転位置で撮影した第２撮影画像１０４Ｂでは、ワークＷ２は、第１撮影画像１０４ＡにおけるワークＷ１とはＸ方向及びＹ方向の他方側（上記一方側とは反対側）に偏心した位置に配置される。すなわち、第１撮影画像１０４ＡのワークＷ１と、第２撮影画像１０４ＢのワークＷ２とは、回転軸Ｃを中心とする点対称の位置関係にある。

【0079】

図１０に示すように、第１撮影画像１０４Ａと第２撮影画像１０４Ｂとを合成した合成画像１０６において、第１撮影画像１０４ＡにおけるワークＷ１の中心Ｏ１と、第２撮影画像１０４ＢにおけるワークＷ２の中心Ｏ２との間を結ぶ線分の中点が、ＸＹ平面内における回転軸Ｃの位置を示している。すなわち、上記中点（回転軸Ｃ）は、合成画像１０６（ＸＹ平面内）においてワークＷの中心の移動目標となる位置を示しており、ワークＷの中心（Ｏ１又はＯ２）が上記中点に一致するように直動傾斜ステージ１８を水平方向（Ｘ方向及びＹ方向）に移動させることで、ＸＹ平面内における回転軸ＣとワークＷの中心との偏心ずれをなくすことが可能となる。なお、ワークＷの中心を回転軸Ｃに一致させるために必要なＸ方向及びＹ方向の移動距離（直動移動量）Ｅｘ、Ｅｙは、図１０に示すように、ワークＷの中心と回転軸Ｃとの各方向の距離として求めることが可能である。

【0080】

このように本実施形態のワークアライメントでは、ワーク観察用カメラ３４が各回転位置でワークＷを撮影した撮影画像（ワーク画像）から、ワークＷの移動目標となる回転軸Ｃ（回転中心）の位置を検出することができる。換言すれば、ワーク観察用カメラ３４が撮影した２つの撮影画像に基づき、回転軸Ｃに対するワークＷの中心の偏心ずれを検出することができる。

【0081】

そして、このようにして検出した偏心ずれに基づき、直動傾斜ステージ１８を水平方向（Ｘ方向及びＹ方向）に移動させることで、ワークＷの中心を回転軸Ｃに一致させることができる。なお、ワークアライメントに関する各部の制御は、制御装置５０のワークアライメント制御部（不図示）により行われる。また、ワーク観察用カメラ３４は、各回転位置で複数の静止画を撮影するものでもよいし、ワークＷの回転移動中の動画を撮影するものであってもよい。

【0082】

なお、本実施形態のワークアライメントでは、回転軸Ｃを中心とする周方向において互いに対向する２つの回転位置でそれぞれ撮影した撮影画像を用いているが、ワークＷの移動目標となる回転軸Ｃ（回転中心）の位置を検出することができるものであれば、これに限らず、回転軸Ｃを中心とする周方向において少なくとも３つの回転位置でそれぞれ撮影した撮影画像を用いるものであってもよい。この場合、ワーク観察用カメラ３４が回転移動する範囲を一部範囲に限定することが可能となるため、より短時間で効率的にワークアライメントを実行することが可能となる。

【0083】

以上のようにして、プローブアライメントとワークアライメントが行われることにより、回転軸Ｃと、プローブ３０と、ワークＷの中心との間の相対ずれをなくすことができる。これにより、ワークＷの細穴Ｈの内面形状を測定する際に、プローブ３０がワークＷの細穴Ｈ以外の部分と衝突することなく、細穴Ｈの内面形状を安定かつ確実に測定することが可能となる。

【0084】

＜プローブ直動傾斜機構の校正＞
次に、プローブ直動傾斜機構２８における直動移動量及び傾斜移動量の校正について説明する。

【0085】

本実施形態の内面形状測定機１０において、ワークＷの中心と回転軸Ｃとの相対位置や測定動作毎にワークＷの回転位置が変わると、測定精度に影響を与える。そのため、直動傾斜ステージ１８や高精度回転機構１４には精度の高いものが要求される。

【0086】

また、上述したプローブアライメントを精度よく行うためには、プローブ直動傾斜機構２８にも精度の高いものが用いられることが望ましい。しかしながら、プローブ直動傾斜機構２８に高精度なスケールや高分解能なエンコーダを搭載した場合、プローブ直動傾斜機構２８内の運動部分への配線追加によるコストアップや、配線による駆動部精度に悪影響を与える可能性がある。また、プローブ直動傾斜機構２８内の測定部（スケール）付近に発熱体が追加されるため、温度変化による精度悪化を引き起こす要因となる。

【0087】

そこで、本実施形態においては、プローブ直動傾斜機構２８の精度に左右されることなく、プローブアライメントを精度よく行えるようにするために、以下のようにしてプローブ直動傾斜機構２８の校正が行われることが好ましい。

【0088】

図１１は、プローブ直動傾斜機構２８の直動移動量の校正方法を説明するための図である。なお、図１１は、内面形状測定機１０をＸ方向から見た場合の要部構成を示した側面図である。図１１において、２０４Ａは、直動傾斜ステージ１８が初期位置にあるときの状態を示した図であり、２０４Ｂは、直動傾斜ステージ１８を初期位置からＹ方向に規定量移動させたシフト位置にあるときの状態を示した図である。符号Ｓは、プローブ観察用カメラ３２の視野範囲を示している（図１２も同様）。

【0089】

プローブ直動傾斜機構２８の直動移動量の校正を行うにあたって、まず、高精度回転機構１４を動作させることにより、直動傾斜ステージ１８を回転軸Ｃ周りに回転させて、直動傾斜ステージ１８の移動軸方向をプローブ直動傾斜機構２８の移動軸方向（Ｘ方向及びＹ方向）に合わせておく。

【0090】

次に、図１１の２０４Ａに示すように、直動傾斜ステージ１８が初期位置にある状態において、プローブ観察用カメラ３２でプローブ３０を撮影する。

【0091】

その後、図１１の２０４Ｂに示すように、直動傾斜ステージ１８を初期位置からＹ方向に規定量離れたシフト位置へ移動させる。このとき、プローブ観察用カメラ３２はカメラ用ブラケット３６を介して直動傾斜ステージ１８に支持されているので、直動傾斜ステージ１８と一体となってプローブ観察用カメラ３２もＹ方向に規定量移動する。これにより、プローブ観察用カメラ３２の視野範囲Ｓは、二点鎖線で示した位置から実線で示した位置に移動する。

【0092】

次に、直動傾斜ステージ１８がシフト位置にある状態において、プローブ観察用カメラ３２でプローブ３０を撮影する。このとき、プローブ観察用カメラ３２でプローブ３０を撮影した撮影画像（シフト画像）が、直動傾斜ステージ１８が初期位置にある場合にプローブ観察用カメラ３２が撮影した撮影画像（基準画像）とプローブ３０の位置が同じ位置となるように、プローブ直動傾斜機構２８によりプローブ３０をＹ方向に移動させる。

【0093】

基準画像とシフト画像とにおいてプローブ３０の位置が同じ位置となる場合、直動傾斜ステージ１８が初期位置からシフト位置に移動した直動移動量分だけプローブ直動傾斜機構２８が移動したことになる。なお、Ｘ方向の直動移動量についても同様である。

【0094】

したがって、直動傾斜ステージ１８の直動移動量とプローブ直動傾斜機構２８の直動移動量との対応関係を各方向（Ｘ方向及びＹ方向）についてそれぞれ求めておくことで、その対応関係に基づき、プローブ直動傾斜機構２８の直動移動量を校正することが可能となる。これにより、プローブ直動傾斜機構２８においても、直動傾斜ステージ１８と同等の精度を確保することが可能となる。

【0095】

図１２は、プローブ直動傾斜機構２８の傾斜移動量の校正方法を説明するための図である。なお、図１２は、内面形状測定機１０をＸ方向から見た場合の要部構成を示した側面図である。図１２において、２０６Ａは、直動傾斜ステージ１８が初期位置にあるときの状態を示した図であり、２０６Ｂは、直動傾斜ステージ１８を初期位置からＸ方向周りに規定量傾斜させたときの状態を示した図であり、２０６Ｃは、さらにプローブ直動傾斜機構２８によりプローブ３０をＸ方向周りに傾斜させたときの状態を示した図である。

【0096】

プローブ直動傾斜機構２８の傾斜移動量の校正を行うにあたって、図１２の２０６Ａに示すように、直動傾斜ステージ１８の回転中心とプローブ直動傾斜機構２８の回転中心とを一致させておく。なお、図１２においては、符号Ｍで示した位置が直動傾斜ステージ１８及びプローブ直動傾斜機構２８の回転中心となっている。

【0097】

次に、図１２の２０６Ａに示すように、直動傾斜ステージ１８が初期位置にある状態において、プローブ観察用カメラ３２でプローブ３０を撮影する。

【0098】

その後、図１２の２０６Ｂに示すように、直動傾斜ステージ１８をＸ方向周りに規定量傾斜したシフト位置へ移動させる。このとき、プローブ観察用カメラ３２はカメラ用ブラケット３６を介して直動傾斜ステージ１８に支持されているので、直動傾斜ステージ１８と一体となってプローブ観察用カメラ３２もＸ方向周りに規定量傾斜する。これにより、プローブ観察用カメラ３２の視野範囲Ｓは、二点鎖線で示した位置から実線で示した位置に移動する。

【0099】

次に、直動傾斜ステージ１８がシフト位置にある状態において、プローブ観察用カメラ３２でプローブ３０を撮影する。このとき、プローブ観察用カメラ３２でプローブ３０を撮影した撮影画像（シフト画像）が、直動傾斜ステージ１８が初期位置にある場合にプローブ観察用カメラ３２が撮影した撮影画像（基準画像）とプローブ３０の位置が同じ位置となるように、プローブ直動傾斜機構２８によりプローブ３０をＸ方向周りに傾斜させる。

【0100】

基準画像とシフト画像とにおいてプローブ３０の位置が同じ位置となる場合、直動傾斜ステージ１８が初期位置からシフト位置に傾斜した傾斜移動量分だけプローブ直動傾斜機構２８が傾斜したことになる。なお、Ｙ方向周りの傾斜移動量についても同様である。

【0101】

したがって、直動傾斜ステージ１８の傾斜移動量とプローブ直動傾斜機構２８の傾斜移動量との対応関係を各方向（Ｘ方向及びＹ方向）についてそれぞれ求めておくことで、その対応関係に基づき、プローブ直動傾斜機構２８の傾斜移動量を校正することが可能となる。これにより、プローブ直動傾斜機構２８においても、直動傾斜ステージ１８と同等の精度を確保することが可能となる。

【0102】

このように本実施形態によれば、プローブ直動傾斜機構２８の精度に左右されることなく、直動傾斜ステージ１８と同等の精度を確保することができるので、スケールやエンコーダ等の高精度位置検出器が不要となり、プローブ直動傾斜機構２８の低コスト化及び省スペース化を図ることができる。また、プローブ直動傾斜機構２８から発生する熱に起因するアライメントの精度低下を防止することが可能となる。

【0103】

＜効果＞
本実施形態におけるプローブアライメントによれば、回転軸Ｃを中心とするプローブ観察用カメラ３２の回転軌道Ｋ上において互いに９０度ずつずれた４つの撮影位置Ｐ１～Ｐ４においてプローブ観察用カメラ３２がプローブ３０を撮影した４つの撮影画像１００Ａ～１００Ｄに基づき、プローブ３０と回転軸Ｃとの相対ずれを各方向（Ｘ方向及びＹ方向）独立して検出することができる。これにより、プローブ直動傾斜機構２８によりプローブ３０の姿勢（位置及び傾き）を各方向においてそれぞれ独立して制御することが可能となり、より高精度にプローブ３０と回転軸Ｃとの相対ずれをなくすことが可能となる。そのため、例えばワークＷの細穴Ｈが内径１４０μｍ程度の極小径穴であり、プローブ３０が外径８０μｍ程度の極小径プローブである場合でも、プローブアライメントを精度よく簡単に行うことが可能となる。したがって、プローブ３０がワークＷの細穴Ｈ以外の部分と衝突することなく、細穴Ｈの内面形状を安定かつ確実に測定することが可能となる。

【0104】

特に本実施形態においては、プローブ観察用カメラ３２がカメラ用ブラケット３６を介して直動傾斜ステージ１８に連結されているので、上述したプローブ観察用カメラ３２の焦点合わせにおいて、直動傾斜ステージ１８を利用してプローブ観察用カメラ３２の焦点を回転軸Ｃに一致させることが可能である。そのため、プローブ観察用カメラ３２の焦点合わせのための焦点調整機構を別途設ける必要がないので、低コスト化及び省スペース化を両立できると共に、荷重低減による回転精度の向上を実現可能である。

【0105】

また、本実施形態のプローブアライメントによれば、直動傾斜ステージ１８と一体となって回転移動するプローブ観察用カメラ３２を利用して、互いに異なる複数の方向から撮影した撮影画像を相対的に比較することによって、プローブ３０の移動目標となる回転軸Ｃ（回転中心）の位置を検出している。そのため、例えば、プローブ観察用カメラ３２がカメラ用ブラケット３６に対して所定の方向に位置ずれした状態で取り付けられ、プローブ観察用カメラ３２と回転軸Ｃとの間の相対的な位置関係にずれが生じているような場合であっても、プローブ３０と回転軸Ｃとの相対的な位置合わせを精度よく行うことが可能であり、プローブ観察用カメラ３２の取付精度が不要となる。

【0106】

また、本実施形態のプローブアライメントでは、プローブ観察用カメラ３２とプローブ３０との相対位置を回転軸Ｃを中心とする周方向に変化させて撮影を行っているので、回転軸Ｃの位置が不明確な場合や回転軸Ｃに傾きが生じている場合でも、各撮影位置Ｐ１～Ｐ４におけるプローブ観察用カメラ３２による撮影画像から、プローブ３０と回転軸Ｃとの相対的な位置合わせを精度よく行うことが可能である。

【0107】

また、本実施形態におけるプローブ直動傾斜機構２８の校正方法によれば、直動傾斜ステージ１８の移動量（直動移動量及び傾斜移動量）に基づき、プローブ直動傾斜機構２８の（直動移動量及び傾斜移動量）を校正することができるので、プローブ直動傾斜機構２８の精度に左右されることなく、直動傾斜ステージ１８と同等の精度を確保することができる。そのため、プローブ直動傾斜機構２８においてスケールやエンコーダ等の高精度位置検出器が不要となり、プローブ直動傾斜機構２８の低コスト化及び省スペース化を図ることができる。また、プローブ直動傾斜機構２８から発生する熱に起因するアライメントの精度低下を防止することが可能となる。

【0108】

＜変形例＞
本実施形態のプローブアライメントでは、回転軸Ｃを中心とするプローブ観察用カメラ３２の回転軌道Ｋ上において互いに９０度ずつずれた４つの撮影位置Ｐ１～Ｐ４においてプローブ観察用カメラ３２がプローブ３０を撮影した４つの撮影画像１００Ａ～１００Ｄに基づき、プローブ３０と回転軸Ｃとの相対ずれを各方向独立して検出しているが、これに限らず、例えば図１３に示すように、回転軸Ｃを中心とするプローブ観察用カメラ３２の回転軌道Ｋ上の少なくとも３つの撮影位置からプローブ観察用カメラ３２によりプローブ３０を撮影するものであってもよい。

【0109】

すなわち、プローブ３０と回転軸Ｃとの相対ずれを各方向独立して検出可能であれば、回転軸Ｃを中心として少なくとも３方向からプローブ観察用カメラ３２でプローブ３０を撮像するものであればよい。この場合、各撮影位置に関する位置情報（回転角度や回転半径等）との関係から、各撮影位置でプローブ観察用カメラ３２が撮影した撮影画像を相対的に比較することにより、プローブ３０と回転軸Ｃとの相対ずれを各方向独立して検出することが可能である。そして、検出した相対ずれに基づき、プローブ直動傾斜機構２８によりプローブ３０の姿勢を各方向においてそれぞれ独立して制御することが可能となる。これにより、プローブ３０と回転軸Ｃとの相対ずれをなくすことができる。

【0110】

また、図１４に示すように、直動傾斜ステージ１８の回転移動によりプローブ観察用カメラ３２を回転させながら、一定の撮影間隔でプローブ観察用カメラ３２がプローブ３０を連続的に撮影してもよい。この場合、多数の撮影画像を利用することが可能になるため、高精度にプローブアライメントを行うことができる。また、プローブ観察用カメラ３２が回転移動しながらプローブ３０を連続的に撮影することにより、プローブ観察用カメラ３２が回転移動する範囲を一部範囲に限定することが可能となるため、より短時間で効率的にプローブアライメントを実行することも可能となる。

【0111】

［第２実施形態］
図１５は、第２実施形態の内面形状測定機１０Ｂの構成を示した概略図である。図１３に示すように、第２実施形態の内面形状測定機１０Ｂは、第１実施形態の内面形状測定機１０の構成に加え、さらに、回転軸Ｃを挟んでプローブ観察用カメラ３２に対向する位置に照明装置３８を備えたものである。

【0112】

照明装置３８は、照明装置用ブラケット４０を介して直動傾斜ステージ１８に取り付けられており、直動傾斜ステージ１８と一体となって回転軸Ｃ周りに回転可能である。この照明装置３８は、面発光可能な面発光照明装置である。なお、照明装置３８は「面発光照明手段」の一例である。

【0113】

第２実施形態によれば、直動傾斜ステージ１８と一体となってプローブ観察用カメラ３２を回転軸Ｃ周りに回転させながらプローブ観察用カメラ３２でプローブ３０を撮影する際、照明装置３８がプローブ観察用カメラ３２に対向する位置で直動傾斜ステージ１８と一体となって回転軸Ｃ周りに回転する。したがって、プローブ観察用カメラ３２と照明装置３８との相対位置関係が保たれた状態でプローブ観察用カメラ３２によるプローブ３０の撮影が行われるため、プローブ観察用カメラ３２の撮影位置によらず同一の照明条件でプローブ３０を撮影することが可能になる。これにより、照明状態の違いによる検出精度の低下を防ぐことができ、より高精度にプローブアライメントを行うことが可能となる。なお、照明装置３８は、面発光照明が好ましいが、必ずしも面発光に限定されるものではない。

【0114】

［第３実施形態］
図１６は、第３実施形態の内面形状測定機の要部構成を示した概略図である。なお、図１６において、２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃは、それぞれプローブ３０と２つのラインセンサカメラ７０、７２とをＹ方向から見た正面図、Ｘ方向から見た側面図、Ｚ方向から見た下面図である。

【0115】

上述した各実施形態では、プローブ観察用カメラ３２としてエリアセンサカメラを用いていたが、第３実施形態では、２つのラインセンサカメラ（一次元センサカメラ）７０、７２を用いている点が異なっている。

【0116】

図１６に示すように、２つのラインセンサカメラ７０、７２は、それぞれ、Ｚ方向に垂直な水平方向（図１６においてＹ方向）に延びた直線状（ライン状）の領域を撮影するカメラである。２つのラインセンサカメラ７０、７２は、互いに平行であり、かつ、Ｚ方向に所定の間隔を空けて配置されている。また、２つのラインセンサカメラ７０、７２は、第１実施形態のプローブ観察用カメラ３２と同様に、ラインセンサカメラ用ブラケット（不図示）を介して直動傾斜ステージ１８（図１参照）に取り付けられている。

【0117】

また、２つのラインセンサカメラ７０、７２に対向する位置には、照明装置７４が設けられている。プローブ３０は、２つのラインセンサカメラ７０、７２と照明装置７４との間に配置される。照明装置７４は、第２実施形態と同様に、照明装置用ブラケット（不図示）を介して直動傾斜ステージ１８（図１参照）に取り付けられている。また、照明装置７４としては、面発光可能な照明装置が好ましく用いられるが、必ずしも面発光に限定されるものではない。

【0118】

第３実施形態においては、直動傾斜ステージ１８と一体となってプローブ観察用カメラ３２を回転軸Ｃ周りに回転させつつ、少なくとも３つの撮影位置（好ましくは回転方向に９０度ずつずれた４つの撮影位置）において２つのラインセンサカメラ７０、７２でプローブ３０を撮影する。そして、各撮影位置において２つのラインセンサカメラ７０、７２が撮影した撮影画像を解析することで、各ラインセンサカメラ７０、７２の撮影領域におけるプローブ３０の位置を算出することが可能である。したがって、各撮影位置において２つのラインセンサカメラ７０、７２が撮影した撮影画像を組み合わせることにより、第１実施形態のプローブ観察用カメラ３２が撮影した画像と同等の情報（プローブ姿勢情報）が得られ、プローブ３０と回転軸Ｃとの相対ずれを検出することが可能である。よって、第１実施形態と同様に、精度よくプローブアライメントを行うことが可能となる。

【0119】

また、第３実施形態においては、第２実施形態と同様に、２つのラインセンサカメラ７０、７２に対向する位置には照明装置７４が設けられており、２つのラインセンサカメラ７０、７２と照明装置７４との間にプローブ３０が配置された状態で、直動傾斜ステージ１８と一体となって２つのラインセンサカメラ７０、７２と照明装置７４とが回転軸Ｃ周りに回転可能に構成される。したがって、２つのラインセンサカメラ７０、７２と照明装置７４との相対位置関係が保たれた状態で２つのラインセンサカメラ７０、７２によるプローブ３０の撮影が行われるため、２つのラインセンサカメラ７０、７２の撮影位置によらず同一の照明条件でプローブ３０を撮影することが可能になる。これにより、照明状態の違いによる検出精度の低下を防ぐことができ、プローブアライメントを精度よく簡単に行うことが可能となる。

【0120】

［第４実施形態］
図１７は、第４実施形態の内面形状測定機の要部構成を示した概略図である。なお、図１７において、３００Ａ、３００Ｂ、３００Ｃは、それぞれプローブ３０と２つのラインセンサカメラ７０、７２とをＹ方向から見た正面図、Ｘ方向から見た側面図、Ｚ方向から見た下面図である。

【0121】

上記第３実施形態では、２つのラインセンサカメラ７０、７２に対向する位置に照明装置７４（図１６参照）が設けられていたの対し、第４実施形態では、ラインレーザ光源７６、７８が、それぞれ、ラインセンサカメラ７０、７２の上方位置に設けられている点が異なっている。

【0122】

ラインレーザ光源７６、７８は、それぞれ対応する各ラインセンサカメラ７０、７２のライン状の撮像領域に対し、ラインレーザ（ライン状のレーザ光線）Ｒ１、Ｒ２を照射する。ラインレーザ光源７６、７８は、ラインセンサカメラ７０、７２と共にラインセンサカメラ用ブラケット（不図示）を介して直動傾斜ステージ１８（図１参照）に取り付けられており、直動傾斜ステージ１８と一体となって回転軸Ｃ周りに回転可能である。

【0123】

第４実施形態では、第３実施形態と同様に、各撮影位置において２つのラインセンサカメラ７０、７２が撮影した撮影画像を組み合わせることにより、第１実施形態のプローブ観察用カメラ３２が撮影した画像と同等の情報（プローブ姿勢情報）が得られ、プローブ３０と回転軸Ｃとの相対ずれを検出することが可能である。よって、第１実施形態と同様に、プローブアライメントを精度よく簡単に行うことが可能となる。

【0124】

また、第４実施形態では、２つのラインセンサカメラ７０、７２と２つのラインレーザ光源７６、７８との相対位置関係が保たれた状態で２つのラインセンサカメラ７０、７２によるプローブ３０の撮影が行われるため、２つのラインセンサカメラ７０、７２の撮影位置によらず同一の照明条件でプローブ３０を撮影することが可能になる。

【0125】

なお、図１７では、２つのラインレーザ光源７６、７８をそれぞれ各ラインセンサカメラ７０、７２の上方に配置した構成を一例として示したが、各ラインセンサカメラ７０、７２の撮影領域にそれぞれラインレーザを照射することができるものであれば、２つのラインレーザ光源７６、７８が配置される位置は特に限定されるものではない。

【0126】

［第５実施形態］
図１８は、第５実施形態の内面形状測定機の要部構成を示した概略図である。なお、図１８は、プローブ３０と２つの光測距センサ８０、８２とをＹ方向から見た正面図である。

【0127】

上記各実施形態では、プローブ３０と回転軸Ｃとの相対ずれを検出するためのプローブ姿勢情報を取得するための取得手段として、各撮影位置からプローブ３０を撮影する撮影装置（エリアセンサカメラ又はラインセンサカメラ）を用いているのに対し、第５実施形態では、光を用いて距離を測定する２つの光測距センサ８０、８２を用いている。

【0128】

図１８に示すように、２つの光測距センサ８０、８２は、Ｚ方向に所定の間隔を空けて配置されており、図示しないブラケットを介して直動傾斜ステージ１８に取り付けられている。２つの光測距センサ８０、８２は、光を射出し、その反射光を検知することで距離を測定する。２つの光測距センサ８０、８２は、三角測距を検出原理としたセンサであり、例えばＰＳＤ（Position Sensitive Detector）方式やＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）方式、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）方式のものを適用可能である。なお、三角測距方式の検出原理については公知であるので、ここでは説明を省略する。

【0129】

第５実施形態によれば、直動傾斜ステージ１８と一体となって２つの光測距センサ８０、８２を回転軸Ｃ周りに回転させつつ、少なくとも３つの測定位置（好ましくは回転方向に９０度ずつずれた４つの測定位置）において２つの光測距センサ８０、８２でプローブ３０までの距離を測定する。そして、各測定位置において２つの光測距センサ８０、８２が測定した距離と各測定位置との関係を解析することで、第１実施形態のプローブ観察用カメラ３２が撮影した画像と同等の情報（プローブ姿勢情報）が得られ、プローブ３０と回転軸Ｃとの相対ずれを検出することが可能である。よって、第１実施形態と同様に、プローブアライメントを精度よく簡単に行うことが可能となる。

【0130】

なお、第５実施形態では、プローブ３０と回転軸Ｃとの相対ずれを検出するためのプローブ姿勢情報を取得するための取得手段について、撮影装置（エリアセンサカメラ又はラインセンサカメラ）以外の例として、２つの光測距センサ８０、８２を用いた場合を一例として示したが、プローブ３０と回転軸Ｃとの相対ずれを検出するためのプローブ姿勢情報を取得することができるものであればよく、例えば、レーザー式、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）式、超音波式又は渦電流式の測長センサ等を適用してもよい。

【0131】

［応用例］
上記各実施形態によれば、プローブ３０の回転軸Ｃに対する姿勢（位置及び傾き）を検知することができる。そのため、プローブ３０を回転軸Ｃに一致させるだけでなく、必要角度分だけプローブ３０を傾けた位置への調整も可能となる。例えば図１９に示すように、細穴Ｈの内面が回転軸Ｃに対して傾斜したテーパ面を測定する際に、テーパ面の傾斜角（テーパ角）に倣ったプローブ角（プローブ３０の傾斜角）への設定が可能となる。これにより、例えば非接触プローブが用いられる場合には、プローブ３０から出射される測定光がテーパ面（被測定面）に直交する法線方向から照射されるので、より高感度かつ高精度な測定が可能となる。また、図２０に示すように、プローブ３０の姿勢による測定対象位置の差異を正確に計算することも可能となる。

【0132】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、以上の例には限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはもちろんである。

【符号の説明】

【0133】

１０…内面形状測定機、１２…本体ベース、１４…高精度回転機構、１６…回転体、１８…直動傾斜ステージ、２０…コラム、２２…キャリッジ、２４…アーム、２６…変位検出器、２８…プローブ直動傾斜機構、３０…プローブ、３２…プローブ観察用カメラ、３４…ワーク観察用カメラ、３６…カメラ用ブラケット、３８…照明装置、４０…照明装置用ブラケット、５０…制御装置、５２…プローブアライメント制御部、５４…撮影制御部、５６…相対ずれ検出部、５８…プローブ姿勢制御部、７０、７２…ラインセンサカメラ、７４…照明装置、７６、７８…ラインレーザ光源、８０、８２…光測距センサ、１００Ａ…第１撮影画像、１００Ｂ…第２撮影画像、１００Ｃ…第３撮影画像、１００Ｄ…第４撮影画像、１０２Ａ…第１合成画像、１０２Ｂ…第２合成画像、Ｗ…ワーク、Ｐ１…第１撮影位置、Ｐ２…第２撮影位置、Ｐ３…第３撮影位置、Ｐ４…第４撮影位置、Ｃ…回転軸、Ｋ…回転軌道

【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】