特許 7553816 形状測定機及び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】2024-09-10

(45)【発行日】2024-09-19

(54)【発明の名称】形状測定機及び形状測定機のアライメント方法

(51)【国際特許分類】

   G01B 5/20 20060101AFI20240911BHJP

   G01B 11/24 20060101ALI20240911BHJP

【ＦＩ】

G01B5/20 C

G01B11/24 A

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2021028748

(22)【出願日】2021-02-25

(65)【公開番号】P2022129887

(43)【公開日】2022-09-06

【審査請求日】2023-12-28

(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】森山 克文

(72)【発明者】

【氏名】森井 秀樹

【審査官】國田 正久

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０２１／１８７１９１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１８－１６３０９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１７４７７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－８３７２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－７０１８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－３００１５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－５０４５１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｂ ５／００ － ５／３０

Ｇ０１Ｂ １１／００ － １１／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ワークが載置されたステージを回転軸周りに回転させるステージ回転機構と、
検出方向に沿って前記ワークの表面形状を検出するプローブと、
前記プローブをプローブ回転軸周りに回転させるプローブ回転機構と、
前記プローブを直動移動方向に沿って移動させる直動機構と、
前記直動移動方向に沿って、少なくとも２つのプローブ位置の間で前記プローブを移動させ、前記プローブ位置ごとに、前記プローブの検出方向と、前記直動移動方向に垂直な平面との交点の位置を検出する検出手段と、
前記プローブ回転機構を制御して、前記交点の位置が略一致するように、前記プローブを回転させる駆動制御手段と、
を備える形状測定機。

【請求項2】

回転角度算出手段を備え、
前記検出手段は、前記２つのプローブ位置ごとに、前記プローブの検出方向と、前記直動移動方向に垂直な平面との交点の位置を検出し、
前記回転角度算出手段は、２つの交点の間の距離と、２つのプローブ位置の間の距離に基づいて、前記直動移動方向に対する前記プローブの検出方向の傾きを算出し、
前記駆動制御手段は、前記プローブ回転機構を制御して、前記傾きだけ前記プローブを回転させる、請求項１に記載の形状測定機。

【請求項3】

前記プローブは、前記ワークに接触して前記ワークの形状を検出する接触子であって、前記検出方向に沿って移動可能な接触子を備え、
前記検出手段は、前記接触子を移動させたときに、前記直動移動方向と交差する同一平面上と前記接触子が接触する位置を前記交点として検出する、請求項１又は２に記載の形状測定機。

【請求項4】

前記プローブは、前記ワークに測定光を照射して前記ワークの形状を検出し、
前記検出手段は、前記測定光を受光する撮像面を備え、前記撮像面における前記測定光の像の位置を前記交点として検出する、請求項１又は２に記載の形状測定機。

【請求項5】

検出方向に沿ってワークの表面形状を検出するプローブを、直動移動方向に沿って、少なくとも２つのプローブ位置の間で移動させ、前記プローブ位置ごとに、前記プローブの検出方向と、前記直動移動方向に垂直な平面との交点の位置を検出する工程と、
プローブ回転機構を制御して、前記交点の位置が略一致するように、前記プローブを回転させる工程と、
を含む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】

本発明は形状測定機及び形状測定機のアライメント方法に係り、特にワークの外面、又はワークに形成された穴の内面の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、ワークの形状（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外面および内面の形状を精度よく測定するためには、回転軸とワークの中心軸とを一致させる必要がある。回転軸とワークの中心軸とが一致していない場合、測定ワークの直径が小さいほど測定の誤差は大きくなる。

【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。このプローブアライメントでは、ワークの形状と、プローブのワーキングディスタンスとの関係によっては、回転軸及びワークの中心軸からプローブの位置をずらして配置する場合がある。

【0006】

ここで、プローブのワーキングディスタンスとは、プローブによって測定可能な距離の範囲である。接触式のプローブの場合、ワーキングディスタンスは、プローブの先端部の可動範囲に依存する。一方、非接触式（例えば、ＴｏＦ（Time-of-Flight）方式）のプローブの場合、ワーキングディスタンスは、測定光の到達距離、反射光の検出精度及び外乱光の影響等に依存する。

【0007】

図１８及び図１９は、ワークの形状とプローブの位置との関係を説明するための図である。図１８及び図１９では、円筒状のワークＷ１及びＷ２の中心軸（穴Ｈ１及びＨ２の中心軸）と回転軸Ｃとが一致しており、ワークＷ１及びＷ２に形成された穴Ｈ１及びＨ２の直径をそれぞれＲ_Ｈ１及びＲ_Ｈ２とし、プローブの接触子Ｐの直径をＲ_Ｐとする。

【0008】

なお、図中の矢印Ａ１及びＡ２は、接触子Ｐの変位の検出方向を示している。接触子Ｐの変位の検出方向は、接触式のプローブの場合には、プローブの先端部の可動方向であり、非接触式のプローブの場合には、測定光の出射方向である。

【0009】

図１８は、接触子Ｐによって測定可能な距離の最小値（以下、最小ワーキングディスタンス（最小ＷＤ）という。）が（Ｒ_Ｈ１－Ｒ_Ｐ）／２よりも大きい場合を示している。この場合、ワークＷ１に形成された穴Ｈ１の内面の形状を測定するためには、接触子Ｐと穴Ｈ１の内面との間の距離ＷＤを最小ＷＤよりも大きくする必要がある。したがって、この場合、図１８に示すように、接触子Ｐの位置を回転軸Ｃからずらす必要がある。

【0010】

図１９は、接触子Ｐによって測定可能な距離の最大値（以下、最大ワーキングディスタンス（最大ＷＤ）という。）が（Ｒ_Ｈ２－Ｒ_Ｐ）／２よりも小さい場合を示している。この場合、ワークＷ２に形成された穴Ｈ２の内面の形状を測定するためには、接触子Ｐと穴Ｈ２の内面との間の距離ＷＤを最大ＷＤ未満にする必要がある。したがって、この場合も、図１９に示すように、接触子Ｐの位置を回転軸Ｃからずらす必要がある。

【0011】

上記のように、接触子Ｐの位置を回転軸Ｃからずらして配置した場合、形状（真円度等）の測定精度を確保するため、接触子Ｐの検出方向（検出ストローク）と、接触子Ｐの移動方向とを平行にする必要がある。

【0012】

図２０は、接触子Ｐの移動方向と検出方向との傾きがワークの形状の測定値に与える影響について説明するための図である。なお、図２０では、図示の便宜上、移動前後のワークＷ１０及びＷ１２の表面の変位を誇張して示している。

【0013】

図２０に示す例では、接触子Ｐの移動方向Ａ_ＨがＸ軸に平行であるのに対して、接触子Ｐによる変位の検出方向Ａ_Ｐは、接触子Ｐの移動方向Ａ_Ｈに対して角度θ傾斜している。ワークＷを回転軸Ｃの周りに回転させて、位置Ｗ１０から位置Ｗ１２に移動した場合、接触子Ｐによって検出されるワークＷの表面の変位は、接触子Ｐの検出方向Ａ_Ｐに沿う表面位置の変位（測定値）Ｄ_Ｆとなる。

【0014】

Ｘ方向に沿う表面の変位（真値）をＤ_Ｔとすると、Ｄ_Ｆ＝Ｄ_Ｔ／ｃｏｓθとなる。一例としてθ＝５°とすると、測定値Ｄ_Ｆは、真値Ｄ_Ｔに対して約０．４％大きな値になる。

【0015】

上記のように、接触子Ｐの検出方向Ａ_Ｐが接触子Ｐの移動方向Ａ_Ｈに対して傾いている場合には、ワークＷの表面の変位を正確に検出することが困難である。この接触子Ｐの検出方向Ａ_Ｐと接触子Ｐの移動方向Ａ_Ｈとを平行にする必要がある。

【0016】

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、プローブの検出方向と移動方向とを調整して変位の測定精度を向上させることが可能な形状測定機及び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】

【0017】

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様に係る形状測定機は、ワークが載置されたステージを回転軸周りに回転させるステージ回転機構と、検出方向に沿ってワークの表面形状を検出するプローブと、プローブをプローブ回転軸周りに回転させるプローブ回転機構と、プローブを直動移動方向に沿って移動させる直動機構と、直動移動方向に沿って、少なくとも２つのプローブ位置の間でプローブを移動させ、プローブ位置ごとに、プローブの検出方向と、直動移動方向に垂直な平面との交点の位置を検出する検出手段と、プローブ回転機構を制御して、交点の位置が略一致するように、プローブを回転させる駆動制御手段とを備える。

【0018】

本発明の第２の態様に係る形状測定機は、第１の態様において、回転角度算出手段を備え、検出手段は、２つのプローブ位置ごとに、プローブの検出方向と、直動移動方向に垂直な平面との交点の位置を検出し、回転角度算出手段は、２つの交点の間の距離と、２つのプローブ位置の間の距離に基づいて、直動移動方向に対するプローブの検出方向の傾きを算出し、駆動制御手段は、プローブ回転機構を制御して、傾きだけプローブを回転させる。

【0019】

本発明の第３の態様に係る形状測定機は、第１又は第２の態様において、プローブは、ワークに接触してワークの形状を検出する接触子であって、検出方向に沿って移動可能な接触子を備え、検出手段は、接触子を移動させたときに、直動移動方向と交差する同一平面上と接触子が接触する位置を交点として検出する。

【0020】

本発明の第４の態様に係る形状測定機は、第１又は第２の態様において、プローブは、ワークに測定光を照射してワークの形状を検出し、検出手段は、測定光を受光する撮像面を備え、撮像面における測定光の像の位置を交点として検出する。

【0021】

本発明の第５の態様に係る形状測定機のアライメント方法は、検出方向に沿ってワークの表面形状を検出するプローブを、直動移動方向に沿って、少なくとも２つのプローブ位置の間で移動させ、プローブ位置ごとに、プローブの検出方向と、直動移動方向に垂直な平面との交点の位置を検出する工程と、プローブ回転機構を制御して、交点の位置が略一致するように、プローブを回転させる工程とを含む。

【発明の効果】

【0022】

本発明によれば、プローブの検出方向とプローブの直動移動方向とを平行にすることができる。これにより、プローブの移動方向に対する検出方向の傾きが変位検出に与える影響を防止することができ、ワークの形状の測定精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】図１は、本発明の第１の実施形態に係る形状測定機を示す正面図である。

【図2】図２は、本発明の第１の実施形態に係る形状測定機の制御系を示すブロック図である。

【図3】図３は、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4】図４は、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5】図５は、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6】図６は、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7】図７は、本発明の一実施形態に係る形状測定機のアライメント方法を示すフローチャートである（接触式）。

【図8】図８は、プローブアライメント工程及びスクリーン設置工程を説明するための図である。

【図9】図９は、プローブ位置検出工程を説明するための図である。

【図10】図１０は、プローブを回転角度θ回転させた状態を説明するための図である。

【図11】図１１は、本発明の一実施形態に係る形状測定機のアライメント方法を示すフローチャートである（非接触式）。

【図12】図１２は、プローブ位置検出工程を説明するための図である。

【図13】図１３は、プローブを回転角度θ回転させた状態を説明するための図である。

【図14】図１４は、プローブがステージの回転軸に対して傾いている状態を示す図である。

【図15】図１５は、プローブの検出方向を直動移動方向と平行にした状態を直動移動方向に沿って見た場合を示す図である。

【図16】図１６は、カメラの撮像面が直動移動方向に対して傾いている例を示す図である。

【図17】図１７は、カメラの撮像面が直動移動方向に対して傾いている例を示す図である。

【図18】図１８は、ワークの形状とプローブ（接触子）の位置との関係を説明するための図である。

【図19】図１９は、ワークの形状とプローブ（接触子）の位置との関係を説明するための図である。

【図20】図２０は、プローブ（接触子）の移動方向と検出方向との傾きがワークの形状の測定値に与える影響について説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、添付図面に従って本発明に係る形状測定機及び形状測定機のアライメント方法の実施の形態について説明する。

【0025】

［形状測定機］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る形状測定機を示す正面図である。

【0026】

図１に示す形状測定機１０は、ワークＷの外形及び円筒状のワークＷに形成された細穴Ｈの内面形状（真円度等）を測定可能な装置である。図１に示す例では、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）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。

【0027】

図１に示すように、形状測定機１０は、本体ベース１２、ステージ回転機構１４、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、検出器駆動機構２８、カメラ３２、カメラ用ブラケット３４及び制御装置５０を備える。

【0028】

ステージ回転機構（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。ステージ回転機構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の上面にステージ１８が支持されている。ステージ回転機構１４は、回転軸Ｃを中心に回転体１６を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。

【0029】

ステージ１８は、ワークＷを載置するものである。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。

【0030】

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、ステージ１８に支持固定されたワークＷは、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。なお、ステージ１８及び回転体１６は「ステージ回転機構」の一例である。

【0031】

ステージ１８は、直動機構と、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平面に対するステージ１８の傾きを調整する。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

アーム２４は、ＸＹ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、直動機構７０及び母線出し機構７２（図２参照）によりそれぞれ水平方向（ＸＹ方向）に移動可能に構成される。直動機構７０及び母線出し機構７２は、それぞれアーム２４を水平方向に移動させるための駆動源（モータ等）を備えている。

【0035】

アーム２４及びコラム２０の側面には、それぞれＸ方向及びＺ方向に沿ってスケールが設けられている。制御装置５０は、このスケールの目盛を不図示のセンサを用いて読み取ることにより、プローブ３０のＸＺ方向の位置を検出可能となっている。

【0036】

変位検出器２６は、検出器駆動機構２８を介してアーム２４に支持される。変位検出器２６はプローブ３０を有する。プローブ３０は、ワークＷの表面（外表面又はワークＷに形成された穴Ｈの内面）の形状を検出するものである。プローブ３０は、その先端部をワークＷの表面に接触させてワークＷの表面形状を検出可能な接触式のプローブであってもよいし、ワークＷの表面に接触することなく、ワークＷの表面形状を検出可能な非接触式のプローブであってもよい。

【0037】

接触式のプローブは、ワークＷの表面に接触可能な接触子を有し、ワークＷの表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表面形状を検出するものである。接触式のプローブとしては、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、接触式のプローブとしては、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。

【0038】

非接触式のプローブは、ワークＷの表面に接触することなく、その表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ない。非接触式のプローブとしては、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。

【0039】

検出器駆動機構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。検出器駆動機構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、検出器駆動機構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。

【0040】

また、検出器駆動機構２８は、回転軸（プローブ回転軸）ＡＸの周りに回転させるための駆動源（例えば、モータ等）を備えている。検出器駆動機構２８は、「プローブ回転機構」の一例である。

【0041】

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。カメラ３２は、カメラ用ブラケット３４を介して回転体１６に連結（支持）されている。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、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、カメラ３２は、回転体１６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）においてカメラ３２によるプローブ３０の撮影が可能となっている。カメラ３２は、「検出手段」の一例である。

【0042】

なお、本実施形態では、カメラ３２をステージ１８の外側に配置したが、カメラ３２はステージ１８上に配置してもよい。

【0043】

図２は、本発明の第１の実施形態に係る形状測定機の制御系を示すブロック図である。

【0044】

制御装置５０は、形状測定機１０の各部の動作（ワークＷの表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。制御装置５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ストレージデバイス（ＨＤＤ（Hard Disk Drive）又はＳＳＤ（Solid State Drive）等）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、ストレージデバイス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、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「駆動制御手段」及び「回転角度算出手段」の一例である。

【0045】

制御装置５０には、ユーザからの操作入力を受け付ける操作部５２（例えば、キーボード及びマウス等）と、操作ＵＩ（User Interface）及び検出結果を表示するための表示部５４とが設けられている。

【0046】

図２に示すように、制御装置５０は、変位演算部５６及び駆動制御部５８を備えている。

【0047】

変位演算部５６は、変位検出器２６が検出したワークＷの表面の変位の検出結果に基づいてワークＷの変位を算出し、ワークＷの表面の形状（例えば、ワークＷの外形又は穴Ｈの真円度等）を測定する。

【0048】

駆動制御部５８は、直動機構７０、母線出し機構７２、検出器駆動機構２８及びステージ回転機構１４を制御して、ワークＷとプローブ３０の相対位置を調整する。

【0049】

撮影制御部６０は、カメラ３２により撮影した画像を処理して、プローブ３０の位置を検出する。撮影制御部６０は、ステージ回転機構１４を制御して、回転体１６と一体となって回転軸Ｃ周りにカメラ３２を回転させることにより、プローブ３０に対するカメラ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を中心とするカメラ３２の回転軌道Ｋ（図１０参照）上の任意の撮影位置からカメラ３２によるプローブ３０の撮影が可能になる。

【0050】

［基本アライメント］
ここで、本実施形態の前提となるプローブ３０の基本アライメントの概要について説明する。この基本アライメントは、カメラ３２を用いてプローブ３０と回転軸Ｃとの相対的な位置合わせを行うものである。図３は、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３に示す例では、回転軸Ｃを中心とするカメラ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、カメラ３２によるプローブ３０の撮影が行われる。

【0051】

本実施形態において、４つの撮影位置Ｐ１～Ｐ４からカメラ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、検出器駆動機構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。すなわち、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。

【0052】

図４は、各撮影位置Ｐ１～Ｐ４においてカメラ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４において、第１撮影画像１００Ａ～第４撮影画像１００Ｄは第１撮影位置Ｐ１～第４撮影位置Ｐ４でそれぞれ撮影された撮影画像である。

【0053】

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４に示すように、各撮影位置Ｐ１～Ｐ４でカメラ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、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。

【0054】

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向かってずれている。

【0055】

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。

【0056】

図５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。

【0057】

図５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。

【0058】

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Ｄｘ及び傾きα）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。

【0059】

図６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。

【0060】

図６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。

【0061】

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Ｄｙ及び傾きβ）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。

【0062】

したがって、回転軸Ｃを中心とするカメラ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。

【0063】

本実施形態におけるプローブ３０の基本アライメントでは、撮影制御部６０は、図５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αとして検出する。また、撮影制御部６０は、基準プローブのプローブ中心軸を傾斜移動量α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、検出器駆動機構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５参照）。

【0064】

また、撮影制御部６０は、図６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βとして検出する。また、撮影制御部６０は、基準プローブのプローブ中心軸を傾斜移動量β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、検出器駆動機構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６参照）。

【0065】

なお、撮影制御部６０は、エッジ抽出等の公知の画像処理により、各合成画像１０２Ａ１０Ｂ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α、βを算出することが可能である。

【0066】

このようにして、撮影制御部６０が、各撮影位置でカメラ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、駆動制御部５８が、撮影制御部６０が検出した結果に基づき、検出器駆動機構２８を制御する。具体的には、駆動制御部５８は、検出器駆動機構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βだけ傾斜させると共にＹ方向を中心に傾斜移動量αだけ傾斜させる。なお、検出器駆動機構２８を移動又は傾斜させる方向（向き）は、図５及び図６に示した合成画像１０２Ａ１０Ｂ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。

【0067】

以上のようにして、駆動制御部５８が、撮影制御部６０が検出した結果に基づき、検出器駆動機構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、プローブ３０の基本アライメントが完了する。

【0068】

なお、カメラ３２の撮影位置は、必ずしも上記の態様に限定されるものではない。例えば、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。また、カメラ３２の撮影方向が検出器駆動機構２８の制御方向（Ｘ方向及びＹ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ず、例えば、カメラ３２の撮影方向が検出器駆動機構２８の制御方向とは異なる方向であってもよい。

【0069】

［実施例１（接触式のプローブの場合）］
次に、接触式のプローブを用いる場合のアライメント方法（実施例１）について説明する。図７は、実施例１に係る形状測定機のアライメント方法を示すフローチャートである（接触式）。

【0070】

（ステップＳ１０）
まず、カメラ３２によりプローブ３０を撮影して接触子Ｐ１の位置を検出しながら、プローブ３０のアライメントを行う。

【0071】

接触式のプローブ３０は、ワークＷに接触するときの測定力をコントロールするための測定力コントロール機能（リトラクト機構）を有している（図８参照）。接触子Ｐ１は、リトラクト機構により、接触子Ｐ１が検出ストロークＡ_Ｐのストローク端に位置する通常状態、ワークＷの表面に接触して押し込まれているリトラクト状態、及び検出ストロークＡ_Ｐの中心Ｐｃに位置するストローク中心状態（中立位置、測定力がゼロとなる位置）に設定可能となっている。

【0072】

図８に示すように、ステップＳ１０では、プローブ３０のリトラクト機構により接触子Ｐ１を検出ストロークＡ_Ｐの中心Ｐｃに移動させる。そして、上記基本アライメントを行って、回転軸Ｃを中心とするカメラ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して、検出器駆動機構２８によりプローブ３０と回転軸Ｃとの相対的な位置合わせを行う。ステップＳ１０では、上記基本アライメントにより、プローブ３０の軸芯（回転軸ＡＸ）とステージ１８の回転軸Ｃとが一致するように位置合わせを行う。これにより、プローブ３０の接触子Ｐ１の中心がステージ１８の回転軸Ｃが一致する。

【0073】

（ステップＳ１２）
次に、プローブ３０とカメラ３２との間にスクリーン８０を設置する。ここで、スクリーン８０は、例えば、透明なガラス板、樹脂板等であり、直動移動方向に対して垂直になるように設置される。なお、カメラ３２は、透明なスクリーン８０を通して接触子Ｐ１の位置を検出可能に配置されていればよく、カメラ３２の光軸方向がスクリーン８０に対して垂直になるように配置されていてもよいし、やや傾いていてもよい。これにより、図８に示すように、カメラ３２は、透明なスクリーン８０を通して接触子Ｐ１の位置を検出可能となる。

【0074】

（ステップＳ１４）
次に、ｉ＝１として、下記のループ（ステップＳ１６からＳ２２）を実行する。

【0075】

（ステップＳ１６からＳ２２）
まず、図９に示すように、直動機構７０により変位検出器２６を直動移動させて、プローブ３０をプローブ位置３０（ｉ＝１）に移動させる（ステップＳ１６）。そして、プローブ３０のリトラクト機構により、プローブ３０の接触子Ｐ１をスクリーン８０の位置まで移動させ、撮影制御部６０によりスクリーン上における接触子Ｐ１の位置Ｐｏ１を検出する（ステップＳ１８）。ステップＳ１８では、接触子Ｐ１をスクリーン８０に接触させてもよい。

【0076】

次に、プローブ３０を中立位置に戻し、ｉ＝２として（ステップＳ２０のＹｅｓ。ステップＳ２２）、直動機構７０により変位検出器２６を位置３０（ｉ＝１）から距離ΔＲ直動移動させて、プローブ３０をプローブ位置３０（ｉ＝２）に移動させる（ステップＳ１６）。そして、上記と同様に、プローブ３０のリトラクト機構により、プローブ３０の接触子Ｐ１をスクリーン８０の位置まで移動させ、撮影制御部６０によりスクリーン上における接触子Ｐ１の位置Ｐｏ２を検出する（ステップＳ１８）。

【0077】

上記のように、ステップＳ１６からＳ２２のループを２回繰り返した後に（ステップＳ２０のＮｏ）、ステップＳ２４に進む。

【0078】

（ステップＳ２４）
次に、撮影制御部６０は、位置（ｉ＝１、２）ごとに検出したスクリーン上における接触子Ｐ１の位置Ｐｏ１とＰｏ２との間の距離Ｄ（母線調整方向に沿う距離）を検出する。

【0079】

ここで、変位検出器２６の検出ストロークＡ_Ｐの直動移動方向に対する傾き（回転角度）をθとすると、距離Ｄは、下記の式（１）により表される。

【0080】

Ｄ＝ΔＲtanθ …（１）
式（１）から下記の式（２）が得られる。

【0081】

θ＝arctan（Ｄ／ΔＲ） …（２）
撮影制御部６０は、上記のループにより得られた位置Ｐｏ１とＰｏ２との間の距離Ｄと、２回目のステップＳ１６における直動移動方向の移動距離ΔＲを式（２）に代入して回転角度θを算出する。

【0082】

なお、上記のループでは、ｎ＝２としたが、ｎ＞２としてもよい。この場合、複数の位置について求めた距離Ｄの最大値からθを求めてもよい。

【0083】

（ステップＳ２６）
検出器駆動機構２８により変位検出器２６を回転角度θ回転させる。これにより、図１０に示すように、変位検出器２６の検出ストロークＡ_Ｐと直動移動方向（Ｘ方向）とが略平行になる。なお、ステップＳ２６の後に、ステップＳ１６からＳ２２のループを繰り返して、変位検出器２６の検出ストロークＡ_Ｐの直動移動方向に対する傾きθが十分に小さい値（≒０）になっていることを確認するようにしてもよい。

【0084】

実施例１によれば、プローブ３０の検出ストロークＡ_Ｐとプローブ３０の直動移動方向とを平行にすることができる。これにより、プローブ３０の移動方向に対する検出ストロークＡ_Ｐの傾きが変位検出に与える影響を防止することができ、ワークＷの形状の測定精度を向上させることができる。

【0085】

なお、実施例１では、接触子Ｐ１の位置を検出するためにスクリーン８０を用いたが、リトラクト機能により各位置ｉから接触子Ｐ１を直動移動方向の所定の座標に移動させたときの位置を検出することができれば、スクリーン８０を用いなくてもよい。したがって、実施例１では、直動移動方向と交差する平面（仮想的なスクリーン）と接触子Ｐ１の検出方向との交点を検出すればよい。

【0086】

［実施例２（非接触式のプローブの場合）］
次に、非接触式のプローブを用いる場合のアライメント方法（実施例２）について説明する。図１１は、実施例２に係る形状測定機のアライメント方法を示すフローチャートである（非接触式）。

【0087】

（ステップＳ３０）
次に、ｉ＝１として、下記のループ（ステップＳ３２からＳ３８）を実行する。

【0088】

（ステップＳ３２からＳ３８）
まず、図１２に示すように、直動機構７０により変位検出器２６を直動移動させて、プローブ３０を位置３０（ｉ＝１）に移動させる（ステップＳ３２）。そして、プローブ３０の先端部Ｐ２から測定光Ｌを出射させて、撮影制御部６０によりカメラ３２の撮像面Ｐ_ＩＭＧ上における測定光Ｌの像（測定光Ｌを受光する画素位置）の位置ＩＭＧ１を検出する（ステップＳ３４）。

【0089】

次に、ｉ＝２として（ステップＳ３６のＹｅｓ。ステップＳ３８）、直動機構７０により変位検出器２６を位置３０（ｉ＝１）から距離ΔＲ直動移動させて、プローブ３０を位置３０（ｉ＝２）に移動させる（ステップＳ３２）。そして、上記と同様に、プローブ３０の先端部Ｐ２から測定光Ｌを出射させて、撮影制御部６０によりカメラ３２の撮像面Ｐ_ＩＭＧ上における測定光Ｌの像の位置ＩＭＧ２を検出する（ステップＳ３４）。

【0090】

上記のように、ステップＳ３２からＳ３８のループを２回繰り返した後に（ステップＳ３６のＮｏ）、ステップＳ４０に進む。

【0091】

（ステップＳ４０）
次に、撮影制御部６０は、位置（ｉ＝１、２）ごとに検出した測定光Ｌの像の位置ＩＭＧ１とＩＭＧ２との間の距離Ｄ（母線調整方向に沿う距離）を検出する。

【0092】

ここで、変位検出器２６の検出方向の直動移動方向に対する傾き（回転角度）をθとすると、距離Ｄは、下記の式（３）により表される。

【0093】

Ｄ＝ΔＲtanθ …（３）
式（３）から下記の式（４）が得られる。

【0094】

θ＝arctan（Ｄ／ΔＲ） …（４）
撮影制御部６０は、上記のループにより得られた位置ＩＭＧ１とＩＭＧ２との間の距離Ｄと、２回目のステップＳ３２における直動移動方向の移動距離ΔＲを式（４）に代入して回転角度θを算出する。

【0095】

なお、上記のループでは、ｎ＝２としたが、ｎ＞２としてもよい。この場合、複数の位置について求めた距離Ｄの最大値からθを求めてもよい。

【0096】

（ステップＳ４２）
検出器駆動機構２８により変位検出器２６を回転角度θ回転させる。これにより、図１３に示すように、変位検出器２６の検出方向と直動移動方向（Ｘ方向）とが略平行になる。なお、ステップＳ４２の後に、ステップＳ３２からＳ３８のループを繰り返して、変位検出器２６の検出方向の直動移動方向に対する傾きθが十分に小さい値（≒０）になっていることを確認するようにしてもよい。

【0097】

図１１に示す例（非接触センサの例）によれば、プローブ３０の検出方向とプローブ３０の直動移動方向とを平行にすることができる。これにより、プローブ３０の移動方向に対する検出方向の傾きが変位検出に与える影響を防止することができ、ワークＷの形状の測定精度を向上させることができる。

【0098】

（プローブアライメント）
実施例２（非接触式のプローブの例）では、実施例１とは異なり、検出方向の傾きの調整の前にプローブアライメントを行っていない。これは以下に説明する理由によるものである。

【0099】

図１４は、プローブ３０がＺ方向（ステージ１８の回転軸Ｃ）に対して傾いている状態を示す図である。

【0100】

図１４に示すように、プローブ３０がＺ方向（ステージ１８の回転軸Ｃ）に対して傾いている場合でも、実施例２と同様の工程により、測定光Ｌの像ＩＭＧ１及びＩＭＧ２の撮像面Ｐ_ＩＭＧ上における位置を略一致させることができる。これにより、プローブ３０の検出方向を直動移動方向と平行にすることが可能である。

【0101】

図１５は、プローブ３０の検出方向を直動移動方向と平行にした状態（プローブ３０を直動移動方向に沿って見た場合）を示す図である。

【0102】

図１５では、直動移動方向（Ｘ方向、図１４（ａ）のΔＲに沿うＲ方向）と、プローブ３０の先端部Ｐ２から測定光Ｌを出射するときの検出方向とが平行となっている。また、回転軸Ｃに対する検出方向のずれ（母線調整方向に沿うずれ）は、母線調整により解消することができる。したがって、プローブ３０が回転軸Ｃに対して傾いていたとしても、この傾きは、ワークＷの形状の測定精度に影響を与えないので、実施例２では、プローブアライメント工程を省略することができる。

【0103】

［カメラ３２（撮像面Ｐ_ＩＭＧ）の設置角度］
なお、実施例２において、カメラ３２の撮像面Ｐ_ＩＭＧは、直動移動方向に対して垂直である必要はなく、傾いていてもよい。

【0104】

図１６及び図１７は、カメラ３２の撮像面Ｐ_ＩＭＧが直動移動方向に対して傾いている例を示す図である。

【0105】

図１６に示すように、撮像面Ｐ_ＩＭＧが直動移動方向に垂直な方向（母線移動方向）に対して角度φ傾いていた場合、撮像面Ｐ_ＩＭＧにおける測定光Ｌの像の距離Ｄは、Ｄ＝ΔＲtanθcosφとなる。この場合でも、図１７に示すように、プローブ３０を直動移動方向に移動させたときに、測定光Ｌの像ＩＭＧ１及びＩＭＧ２の撮像面Ｐ_ＩＭＧ上における位置が略一致するようにするという調整原理は変わらない。したがって、回転角度θを式（４）から直接算出せずに、例えば、Ｄ≒０となるまで、プローブ３０を所定の角度ずつ回転させながら、図１１のステップＳ３２からＳ３８のループを繰り返す。これにより、プローブ３０の検出方向と直動移動方向とを平行にすることができる。

【0106】

また、φが十分に小さい場合（φ≒０）には、cosφ≒１－φ^２／２≒１と近似できるため、図１１のフローチャートの工程により、プローブ３０の検出方向と直動移動方向とを平行にすることができる。

【0107】

したがって、カメラ３２の撮像面Ｐ_ＩＭＧの設置角度については、高い精度は要求されない。

【0108】

また、実施例１のスクリーン８０が直動移動方向に対して傾いている場合にも、同様にＤ≒０となるまで、プローブ３０を所定の角度ずつ回転させながら、図７のステップＳ１６からＳ２２を繰り返すことにより、プローブ３０の検出方向と直動移動方向とを平行にすることができる。

【0109】

したがって、実施例１及び２のいずれの例でも、直動移動方向と交差する平面（仮想的なスクリーン）とプローブ０の検出方向との交点の検出を繰り返すことにより、プローブ３０の検出方向と直動移動方向とを平行にすることができる。

【符号の説明】

【0110】

１０…形状測定機、１２…本体ベース、１４…ステージ回転機構、１６…回転体、１８…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…検出器駆動機構、３０…プローブ、３２…カメラ、３４…カメラ用ブラケット、５０…制御装置、５２…操作部、５４…表示部、５６…変位演算部、５８…駆動制御部、６０…撮影制御部、７０…直動機構、７２…母線出し機構

【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】