JPH10318728A

JPH10318728A - 三次元形状測定装置および三次元形状測定装置におけるｚ軸ステージ

Info

Publication number: JPH10318728A
Application number: JP19343897A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yoshikawa; 浩史吉川
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1997-03-18
Filing date: 1997-07-18
Publication date: 1998-12-04
Anticipated expiration: 2017-07-18
Also published as: JP3678887B2

Abstract

(57)【要約】【課題】測定用プローブと各軸移動量の測定用レーザ
干渉器をＺ軸テーブルに搭載し、形状測定機の三軸機構
がいかに動いても、レーザ干渉器の各光軸の交点に測定
点がくるようにし、姿勢不良に伴って発生するアッベの
測定誤差をキャンセルする。【解決手段】定盤１上の水平面内を移動するＸＹ二軸
ステージ３，４と、その上に立設されたＺ軸ステージ６
と、ステージ重量を補償する重力補償ばね１９とを有す
る。Ｚ軸イケール５に、単軸のエアスライド７をガイド
軸として取り付け、該ガイド軸を動かす駆動力としてボ
イスコイルモータ８を用い、プローブ１０と各軸移動量
の測定用レーザ干渉器１３を搭載したＺ軸テーブルをＺ
軸方向に移動可能とする。これを精度良く動かすため
に、Ｚ軸イケール５にリニアスケール検出ヘッドを、エ
アスライド側面にリニアスケール格子部を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被測定物を非接触
で高精度に三次元の形状を測定する三次元形状測定装置
およびＺ軸ステージに関するものであるが、該Ｚ軸ステ
ージは、各種自動生産機器や精密加工機などにも応用可
能である。

【０００２】

【従来の技術】

（１）特開平４−２９９２０６号公報（超高精度三次元
測定機）に記載の発明は、定盤上に、Ｘ軸方向又はＸ−
Ｙ軸方向に水平移動する架台を設け、この架台に、Ｘ軸
方向又はＸ−Ｙ軸方向に垂直なＺ軸方向に上下移動する
Ｚ軸移動台を設け、前記定盤上に固定された被測定物の
被測定面とその上方に位置するＺ軸移動台上の特定点と
の距離Ｚ１を測定する測定手段を設け、前記定盤上に固
定された支持体に、Ｚ軸に垂直なＸ−Ｙ軸基準面を前記
Ｚ軸移動台の上方に設け、前記Ｘ−Ｙ軸基準面とその下
方に位置するＺ軸移動台上の特定点との距離Ｚ２を測定
する測定手段を設け、前記被測定物のＸＹ軸方向の各測
定点に対する前記距離Ｚ１と前記距離Ｚ２の各データに
基づいて前記被測定物の形状を測定するようにしたもの
で、定盤上に固定された支持体を介して、前記Ｚ軸移動
台の上方に、Ｚ軸に垂直なＸ−Ｙ基準面を設けることに
より、スペース的に、大型の被測定物を固定し、測定手
段Ｚ１を設けたＺ軸移動台を、Ｘ−Ｙ−Ｚ軸方向に大き
く移動できる余地を確保しながら、架台及び架台上の測
定用スケール設定手段及び測定手段と、各種ミラー、プ
リズム、偏光板等の光学システムの配置をコンパクトに
して、架台及び光学システムを撓みや振動がなく、か
つ、Ｘ−Ｙ軸基準平面ミラー上に光を垂直に当てるよう
にしている。（２）特開平２−１３４５０６号公報（形状測定装置）
に記載の発明は、ばねによって吊るされ、上下方向へ駆
動手段を備えたＺ移動部と、前記ばねの張力と前記Ｚ移
動部の重力がつりあう平衡位置からの前記Ｚ移動部の位
置の変位を検出し位置信号を発生する位置検出手段と、
前記位置信号を前記駆動手段に伝達し、前記平衡位置か
らの変位に比例して発生するばね力に大きさがほぼ等し
く方向が逆の駆動力を前記駆動手段によって発生させる
ばね力補償手段を備えており、面の形状を測定する３次
元測定機において、レーザ光を測定面上に集光し、この
反射面からフォーカスサーボをかけ、測定面の形状を
０．０１μｍ台の超高精度で測定する光学プローブ等
で、Ｚ移動部をばねで吊るしリニアモータで駆動する方
式で、ばねの復元力の影響を実質的になくし、フォーカ
ス誤差等をなくし、高い測定精度と良好な操作性を達成
できるようにしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記特開平４
−２９９２０６号公報（超高精度三次元測定機）に記載
の発明は、測定系の各軸移動量の測定用レーザ干渉器の直交三軸
の光軸の交点に測定点を持たないため、測定データの中
に、測定光学レイアウトに起因するアッベの誤差が入り
込むという欠点がある。重力補償機構がついていないため、駆動モータは大き
な推力を必要とし、装置が大きくなるという欠点があ
る。Ｚ軸ステージの移動量の測定をレーザ干渉器のみで行
っているため、レーザパワーが瞬時に落ちてしまうよう
な事態では、位置の情報を全て失い、制御上大変危険で
あるという欠点がある。光学レイアウトの占めるスペースが大きく、可動テー
ブルと測定ヘッドの間に、参照ミラーが配置されてお
り、対象物の大きなワークを測定する場合、測定ストロ
ークが制限されてしまうという欠点がある。記載のリニアスケールを用いていないので、この技
術課題が生じていない。落下防止機構を持っていない。のような重力補償機能を用いていないので、この技
術課題が生じていない。ダンパ機能を備えていない。このため、急激な移動が
避けられない。

【０００４】また、上記特開平２−１３４５０６号公報
（形状測定装置）に記載の発明は、重力補償機構として、コイルばねを用いているが、こ
れでは駆動モータは（上下方向に可動体を駆動する力）
＋（ばねの復元力）の合わせた推力が必要となり、ばね
定数が大きいとばねの復元力が大きくなりサイズの大き
なモータが必要となるし、ばね定数が小さいばねではあ
る程度ばね長さが必要となるため、いずれにしろ装置ス
ペースの増大化を招くという欠点がある。落下防止機能を持っていない、ばねの交換に関する記載はないが、ただ単にばねを可
動体にフックのようなもので引っかけるだけだとする
と、結合部に遊びが出て、これにより微少な振動が生じ
るし、また、ユニット化していないと交換に要する作業
時間がかかり、交換のあいだに重量物を支えるための力
が必要となる。

【０００５】請求項１の発明は、被測定物の形状を測定
するためのレーザ光の光軸の交点を被測定物の測定点と
することで、アッベの測定誤差をなくし前記従来技術
（１）の技術課題を解決できるようにしたものである。
請求項２の発明は、プローブが重力方向を向き、重力方
向に測定を行うようにして、測定時に重力による傾きを
生じさせず、プローブの傾きを制御する必要がなく、装
置の制御を簡略化できるようにしたものである。

【０００６】請求項３の発明は、移動軸のうちの二軸を
水平面上に設けて、それぞれの軸上を移動させる上で、
重力の変化をうけずにすみ、制御を簡略化できるように
したものである。請求項４の発明は、移動軸とレーザ光
の軸とが同一直線上にのらないようにし、参照ミラーと
の干渉がストローク内で制限をうけることがなくなるよ
うにして、装置全体を小型化できるようにしたものであ
る。

【０００７】請求項５の発明は、移動二軸が作る平面と
変位測定方向の移動軸とを直交させて、移動軸の制御を
簡単にできるようにしたものである。請求項６の発明
は、移動二軸が作る平面と平行な平面を作るレーザ光の
二軸を、それぞれ直交させて、被測定物の測定および移
動軸の制御を簡単にできるようにしたものである。

【０００８】請求項７の発明は、移動三軸およびレーザ
光の三軸を、それぞれ直交させて、被測定物の測定およ
び移動軸の制御を簡単にできるようにしたものである。
請求項８の発明は、測定用のプローブと各軸移動量の測
定用レーザ干渉器をＺ軸テーブルに搭載することによ
り、形状測定機の三軸機構がいかに動いても、レーザ干
渉器の各光軸の交点に測定点がくるように配置でき、機
構系の真直度や姿勢不良に伴って発生するアッベの測定
誤差をキャンセルできるようにし、前記従来技術（１）
の技術課題を解決できるようにしたものである。

【０００９】請求項９の発明は、重力補償手段で使われ
る渦巻ばねを、設定されたストローク内では、伸縮させ
ても発生する復元力の大きさがほとんど変化しないよう
にし、Ｚ軸ステージを保持するのに要する駆動力を大し
て使わずに済むようにし、モータを大きくする必要がな
く、従来技術（１）の技術課題を解決できるようにした
ものである。また、負荷を直接吊り上げるようにして、
保持力を伝達する要素を必要とせず、伝達要素に起因す
る剛性の低下を招かなくて済み、高剛性化を可能とした
ものである。

【００１０】Ｚ軸ステージを制御する際に、そのフィー
ドバック値として、移動量測定用のレーザ干渉器の値を
用いると、そのデータ変換時間のための高速制御できな
いという課題があった。そこで、制御をかける場合、位
置の情報としてレーザ干渉器の値を用いずに、請求項１
０の発明は、リニアスケールの値を使うことにより、高
速に安定した制御を行うことができるようにしたもので
ある。

【００１１】請求項１１の発明は、各軸移動量測定用の
レーザ干渉器を、Ｚ軸ステージのガイドであるエアスラ
イドの前面と両側面にユニット化して取り付けること
で、複雑な光学系を構成しないで済み、非常にコンパク
トな構成をとることができ、しかも他の定盤上に固定さ
れている参照ミラーとの干渉が、ストローク内で制限を
うけることがないようにしたものである。

【００１２】ボイスコイルモータのボビン構造材の剛性
が低いと、Ｚ軸ステージを含めた機構系の中で、この部
分の剛性が最も低くなり、制御帯域を上げられなくなる
という問題が残る。そこで、請求項１２の発明は、ボビ
ン構造材を従来のアルミニウムと絶縁体（例えば、ガラ
スエポキシ材）の各２枚からなる４枚の組立て構成でで
きたものから、ステンレスの一体構造とすることで剛性
を上げて上記の問題を解決するようにしたものである。

【００１３】請求項１３の発明の落下防止手段は、Ｚ軸
イケール裏面に固着されたエアシリンダによって動作す
るはさみ板と制止しているパッドの間を、前記エアスラ
イドの側面に取り付けられたステンレス製の摺動板が、
パッドとの極わずかなクリアランスを保って摺動し、ブ
レーキ差動時に前記はさみ板で該摺動板をパッドに押し
付ける形ではさみこみ、全体をストップさせるもので、
この時、パッド面の摺動板をはさむ側には、ステンレス
との摩擦係数が非常に高いゴム材が貼られており、これ
により、Ｚ軸テーブル及びそれをガイドするエアスライ
ドに取り付けられている各種高額な光学系の不測の事態
における破損を未然に防ぐことができるようにしたもの
である。

【００１４】請求項１４の発明は、寿命に伴う交換が必
要な重力補償機構のユニット化を図ることで、作業に要
する時間や力を省くことができ、また、それぞれをねじ
止めすることで剛性的にも高めることができるようにし
たものである。請求項１５の発明は、重力補償手段で使
われている渦巻ばねによって発生するわずかな復元力に
よって上下方向に、他のＺ軸ステージを含めた機構系の
最小の固有振動数（例えば２００Ｈｚ）よりもはるかに
低い固有振動数（例えば１Ｈｚ）が生じる。このため、
この機構だけでは、粘性減衰比が小さいため、制御上ゲ
インを上げられないという問題がある。

【００１５】そこで、流体等の粘性抵抗を利用したダン
パを用いることにより、この粘性減衰比を高くすること
ができ、Ｚ軸ステージの重力補償機構に起因する固有振
動数において、振動的になることを抑えることができ、
制御上ゲインも上げることができるようにしたものであ
る。

【００１６】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
上記目的達成のため、定盤上に固着された被測定物の形
状測定用変位測定プローブを搭載し、該プローブを前記
被測定物に対して、三次元方向に移動させる移動手段
と、該移動手段の移動量を測定する測定手段と、前記変
位測定プローブ内から前記被測定物にレーザ光を照射す
るレーザ光照射手段とを備え、前記レーザ光照射手段か
ら前記被測定物にレーザ光が照射され、該被測定物から
反射されるレーザ光に基づいて、前記移動手段が被測定
物と前記プローブとの距離を一定に保つように移動さ
せ、前記測定手段が前記移動手段の移動量を測定するこ
とにより前記被測定物の形状を測定する三次元形状測定
装置において、前記測定手段が、同一平面上にない三軸
のレーザ測長器を用いて、前記移動手段による移動量を
測定し、該レーザ測長器のレーザ光の光軸の交点を被測
定物の測定点とすることを特徴としたものである。

【００１７】請求項２記載の発明は、上記目的達成のた
め、請求項１記載の発明において、前記プローブを、前
記被測定物に対して重力の方向に設置し、重力方向に移
動して被測定物の形状を測定することを特徴としたもの
である。請求項３記載の発明は、上記目的達成のため、
請求項１記載の発明において、前記移動手段が、それぞ
れ同一平面上にない三軸を移動軸とし、該移動軸のうち
の二軸が作る面が水平面であることを特徴としたもので
ある。

【００１８】請求項４記載の発明は、上記目的達成のた
め、請求項１記載の発明において、前記移動手段が、そ
れぞれ同一平面上にない三軸を移動軸とし、該移動軸の
うち変位測定方向を除く二軸が作る平面が、前記レーザ
光の二軸が作る平面と平行であり、該それぞれの平面を
作る移動二軸とレーザ光の二軸のそれぞれが、互いに一
定の角度を持つことを特徴としたものである。

【００１９】請求項５記載の発明は、上記目的達成のた
め、請求項４記載の発明において、前記変位測定方向を
除く移動二軸が作る平面と変位測定方向の移動軸とが直
交すること特徴としたものである。請求項６記載の発明
は、上記目的達成のため、請求項４記載の発明におい
て、前記移動二軸が作る平面と平行な平面を作るレーザ
光の二軸が、それぞれ直交すること特徴としたものであ
る。

【００２０】請求項７記載の発明は、上記目的達成のた
め、請求項１記載の発明において、前記移動手段が、そ
れぞれ同一平面上にない三軸を移動軸とし、該三軸がそ
れぞれ直交し、前記レーザ光の三軸が、それぞれ直交す
ることを特徴としたものである。請求項８記載の発明
（Ｚ軸ステージ）は、上記目的達成のため、定盤上に固
着させた被測定物の形状測定用変位測定用プローブを具
備し、前記被測定物に対して前記プローブを三次元方向
に移動させる移動手段と、該移動手段の移動量を測定す
る測定手段と、該測定手段の出力に基づいて前記移動手
段の移動量を解析する解析手段とを備え、前記移動手段
が、定盤上に設けられた水平面内を移動するＸＹ二軸ス
テージと、その上に搭載するように立設されたステージ
重量を補償する重力補償手段と、前記各ステージの移動
量を測定する測長手段と、前記重力補償手段をユニット
化したＺ軸ステージと、で構成され、前記プローブの出
力を略一定に保つようにして前記被測定物の形状を測定
する三次元形状測定装置において、Ｚ軸イケールに、単
軸のエアスライドをガイド軸として取り付け、該ガイド
軸を動かす駆動力としてボイスコイルモータを用い、前
記プローブと各軸移動量の測定用レーザ干渉器を搭載し
たＺ軸テーブルをＺ方向に移動可能とし、これを精度良
く動かすために、前記Ｚ軸イケールにリニアスケール検
出ヘッドを持ち、前記エアスライド側面にリニアスケー
ル格子部を持つことを特徴としたものである。

【００２１】請求項９記載の発明（重力補償手段）は、
上記目的達成のため、請求項８記載の発明において、前
記重力補償手段が、前記Ｚ軸イケール上方に渦巻ばねを
用いた巻取ドラムを有し、該巻取ドラムから伸ばした渦
巻ばねを直接前記Ｚ軸テーブルのガイドであるエアスラ
イドの側面の取付金具と連結して吊り上げることで、前
記Ｚ軸テーブルにかかる重量とバランスさせることを特
徴としたものである。

【００２２】請求項１０記載の発明（高速高精度な測定
用リニアスケール）は、上記目的達成のため、請求項８
記載の発明において、前記Ｚ軸を駆動するボイスコイル
モータの制御用にＺ軸テーブルの移動量を測定するリニ
アスケールを前記レーザ干渉器と独立して備えることを
特徴としたものである。請求項１１記載の発明（測長系
のレイアウト）は、上記目的達成のため、請求項８記載
の発明において、前記定盤上に固定されたＸ、Ｙ、Ｚの
三軸方向の測定基準としての三つの平面ミラーと、Ｚ軸
テーブル上に配置されたＸ、Ｙ、Ｚの三軸方向にレーザ
光を照射する三つのレーザ光源と、該レーザ光源からの
光を平面ミラーに反射する三つの反射ミラーと、前記平
面ミラーから前記反射ミラーを介して入射したレーザ光
の干渉縞を検出する三つのレーザ干渉器を用い、測定系
の配置として、前記三つのレーザ干渉器をＺ軸ステージ
のガイドである前記エアスライドの前面と両側面に、前
記三つのレーザ光の光軸の交わる位置が測定点となるよ
うに配置したことを特徴としたものである。

【００２３】請求項１２記載の発明（ボイスコイルモー
タのボビン高剛性化）は、上記目的達成のため、請求項
８記載の発明において、前記ボイスコイルモータのボビ
ン構造をステンレスのブロックからくり抜いた形の一体
構造として、ボビン剛性を上げたことを特徴としたもの
である。請求項１３記載の発明（落下防止手段）は、上
記目的達成のため、請求項８記載の発明において、前記
Ｚ軸ステージの駆動系の制御不良等の異常時に、エアシ
リンダを使ったブレーキを効かせる落下防止手段を備え
ることを特徴としたものである。

【００２４】請求項１４記載の発明（重力補償ユニット
化）は、上記目的達成のため、請求項８記載の発明にお
いて、前記渦巻ばねからなる重力補償手段は、ユニット
化され、かつ、着脱自在に交換可能であることを特徴と
したものである。請求項１５記載の発明（ダンパ機構）
は、請求項９記載の発明において、前記渦巻ばねからな
る重力補償手段にダンパを備えることで、渦巻ばねに起
因する固有振動に対し、粘性減衰させることを特徴とし
たものである。

【００２５】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に係わる高精度三
次元形状測定装置におけるＺ軸ステージの右側面図、図
２は、本発明に係わるボイスコイルモータのボビン構造
を示した図、図３は、本発明に係わる重力補償機構をユ
ニット化した図、図４は、本発明に係わるＺ軸ステージ
を用いて構成した三次元形状測定装置の平面レイアウト
図である。

【００２６】空気ばね式防振台（図示せず）に載せられ
た石定盤１の上に全体ベース２を取り付け、その上にＸ
ステージ３とＹステージ４からなるＸＹ二軸ステージを
設け、その上に立設されたＺ軸イケール（アングルプレ
ート）５を基板としてＺ軸ステージ６を設ける。このＺ
軸ステージ６は、Ｚ軸イケール５にガイド軸として単軸
のエアスライド７を取り付け、これを動かす駆動力とし
て、ボイスコイルモータ８を使う。これによって、Ｚ軸
テーブル９をＺ軸方向に移動可能とし、そこに取り付け
られている測定プロ−ブ１０により、石定盤１上に固着
させた被測定物１１を測定する。Ｚ軸テーブル９とエア
スライド７の両側面には、ＸＹＺ三軸方向にレーザを照
射するレーザ光源を備えて、各々の測定基準となる平面
ミラー（１２Ｘ、１２Ｙ、１２Ｚ）で反射されて戻って
きた光との間で起こる干渉縞を検出できるレーザ干渉器
（１３Ｘ、１３Ｙ、１３Ｚ）と、前述のレーザ光源から
各平面ミラー（１２Ｘ、１２Ｙ、１２Ｚ）に折り返すの
に用いる各々の反射ミラー（１４Ｘ、１４Ｙ、１４Ｚ）
が取り付けられている。この時、各レーザの光軸の交点
が被測定物１１の測定点になるように配置する。

【００２７】また、Ｚ軸イケール５に、リニアスケール
用の検出ヘッド１５を固着して取り付け、そしてエアス
ライド７の側面に、リニアスケール１７を保持部材１８
を介して取り付けることにより、可動するＺ軸テーブル
９の移動量を測定できる。図２に示すように、ボイスコ
イルモータ８のボビン部材１６は、ステンレスの一体構
造からくり抜いたものに、コイルを巻き付けている。

【００２８】また、Ｚ軸イケール５上部には、渦巻ばね
１９を用いて巻取ドラム２０を設け、この巻取ドラム２
０は、両端をベアリング２１によって、軸支されており
回転自在となっている。渦巻ばね１９は、そこから伸ば
して直接Ｚ軸テーブル９のガイド軸であるエアスライド
７の可動側の両側面にある取り付け金具と連結して、吊
り上げるようになっており、重力補償機構を構成してい
る。

【００２９】この重力補償機構は、図３に示すように、
ユニット化されており、Ｚ軸イケール５より、はり出す
ベース板２４上に箱形をしたユニット２３をねじ止めす
るだけで交換できるようになっている。また、Ｚ軸ステ
ージ６は、落下防止手段として、Ｚ軸イケール５の裏側
に固着されたエアシリンダ２５によって作動するはさみ
板２６と静止しているパッド２７の間を、エアスライド
７により延設された摺動板２８が摺動するようになって
いる。また、パッド２７には、ゴム材２９が貼られてい
る。

【００３０】また、図３に示すように、巻き取りドラム
２０Ａ、Ｂの回転運動に対してＺ軸イケール５上部に固
定されているロータリーダンパ３０Ａ、Ｂによって、制
動力が作用するようになっている。次に、図１，図４を
用いて、本実施例で用いた三次元形状測定装置における
測定動作について説明する。あらかじめ、被測定物１１
用にティーチングされているポジションに動き、測定プ
ローブ１０が測定可能な位置まで接近し測定を開始す
る。具体的には、主走査方向であるＸ軸方向に動作させ
ながら、測定プローブ１０を搭載したＺ軸テーブル９の
移動量を測定することで精密な測定を可能とする。これ
は、測定プローブ１０と被測定物１１との間隔を略一定
に保つように変位計の値（プローブの読み）を使って、
Ｚ軸方向に制御をかけ、この時のＺ軸テーブル９の軌跡
である移動量δ１と、変位計が測定した被測定物１１と
の正確な距離δ２をたし合わせた値によって、被測定物
１１の形状の測定を行うものである。

【００３１】また、図４でも示されているが、レーザ測
長器の平面レイアウト図を図５に示す。図５に示される
ように、移動軸をそれぞれＸ、Ｙ、Ｚ軸とし、紙面上に
Ｘ軸、Ｙ軸があり、紙面上方に被測定物の形状を測定す
るＺ軸を持つとする。この時、紙面上のＸ軸、Ｙ軸とそ
れぞれ一定角傾けてレーザ測長器を配置する。このこと
により、レーザ光と移動方向が同一直線上にのることが
なく、ミラーがじゃまになることもないので、装置を小
型化できる。また、測定方向がＸ軸であるならば、Ｙ軸
Ｚ軸に対して一定角傾け、測定方向がＹ軸であるなら
ば、Ｘ軸Ｚ軸に対して一定角傾けた位置にレーザ測長器
を配置する。

【００３２】さらに、渦巻ばね１９からなる重力補償手
段に、動作方向に対して、流体等の粘性抵抗を利用した
ダンパを備えることにより、粘性抵抗比を高くすること
ができ、Ｚ軸ステージの重力補償機構に起因する固有振
動数において、振動的になることを抑えることができ、
制御上ゲインも上げることができる。このダンパ機構を
使用したときの効果を示すために、粘性減衰比ζをパラ
メータとした振動数と振幅の関係を図６に示す。図６に
示すように、ダンパ機構を用いることにより、粘性減衰
比ζを大きくとることができ、起振振動数ωが系の固有
振動数ωｎに等しくなる共振状態での振幅を抑えること
ができる。例えば、本実施例では、系の固有振動数は１
Ｈｚあたりに存在し、ダンパ機構を用いない場合粘性減
衰比ζが０．４であったが、ダンパを用いることで、粘
性減衰比ζを０．７に改善することができた。

【００３３】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、被測定物
の形状に沿って移動するプローブの移動量をレーザ測長
器を用い、同一平面上にない三軸のレーザ光の光軸の交
点を測定点とするので、アッベの誤差が測定結果に入り
込まないようにでき、正確な測定を行うことができる。

【００３４】請求項２記載の発明によれば、プローブが
重力方向を向き、重力方向に測定を行うので、測定時に
重力による傾きが生じないので、プローブの傾きを制御
する必要がなく、装置の制御を簡略化できる。請求項３
記載の発明によれば、移動軸のうちの二軸が水平面上に
あるので、それぞれの軸上を移動させる上で、重力の変
化をうけることがなく、制御を簡略化できる。

【００３５】請求項４記載の発明によれば、移動軸とレ
ーザ光の軸とが同一直線上にのらないので、参照ミラー
との干渉がストローク内で制限をうけることがなく、装
置全体を小型化できる。請求項５記載の発明によれば、
移動二軸が作る平面と変位測定方向の移動軸とが直交す
るので、移動軸の制御を簡単にできる。

【００３６】請求項６記載の発明によれば、移動二軸が
作る平面と平行な平面を作るレーザ光の二軸が、それぞ
れ直交するので、被測定物の測定および移動軸の制御を
簡単にできる。請求項７記載の発明によれば、移動三軸
およびレーザ光の三軸が、それぞれ直交するので、被測
定物の測定および移動軸の制御を簡単にできる。

【００３７】請求項８記載の発明によれば、三軸構成の
Ｚ軸ステージを使うことで、精密部品をサブミクロン
（測長分解能、例えば、面粗度０．０１μｍ、面精度
０．１μｍ）の精度での測定を可能とするとともに、こ
のＺ軸ステージに、測定プローブと各軸移動量の測定用
レーザ干渉器を載せることで、各軸の機構系の真直度や
姿勢の不良に伴って生じるアッベの誤差を測定誤差に入
れないようにでき、正確な測定を可能とすることができ
る。

【００３８】請求項９記載の発明によれば、渦巻ばねを
用いた重力補償機構を設けることで、そのステージ位置
に対する復元力の変化の小ささから、Ｚ軸ステージを保
持するために制御上発生させる力は、ほとんど必要でな
くなるため、必要な推力を小さくでき、高速動作できる
とともに、モータを小型化することができ、このため、
装置全体の軽量化、コンパクト化ができる。また、直接
ステージを吊り上げる構成なので、ワイヤ等を用いたと
きに生じる伝達系での剛性の低下の心配がない。

【００３９】請求項１０記載の発明によれば、リニアス
ケールを用いた位置測定によって、Ｚ軸ステージの制御
を行うことで高速な制御を容易にすることができ、さら
に、Ｚ軸レーザ干渉器を用いた場合に発生するレーザの
遮断やレーザパワーの減少等による測定不能の状態が起
こらないため、Ｚ軸ステージを安定してコントロールす
ることができる。

【００４０】請求項１１記載の発明によれば、各軸の移
動量の測長用レーザ干渉器をコンパクトにまとめること
で、各軸の移動に伴う装置干渉領域を小さくでき、各々
の干渉器と対となる参照ミラーの定盤上の配置を確保し
つつも装置全体をコンパクトにすることができる。例え
ば、Ｘ軸にかなり広い可動範囲（例えば、３００ｍｍ）
を持つことも可能で、中型の部品の測定も行えるという
効果がある。

【００４１】請求項１２記載の発明によれば、ボイスコ
イルモータのボビン構造材の剛性が低いとＺ軸ステージ
の固有振動数が低下するという問題に対して、ボビン構
造材の剛性を上げることで解決でき、結果として、Ｚ軸
ステージの良好な制御を実現することができる。請求項
１３記載の発明によれば、落下防止機能を用いること
で、Ｚ軸テーブル及びそれをガイドするエアスライドに
取り付けられている各種高額な光学系の不測の事態にお
ける破損を未然に防ぐことができる。

【００４２】請求項１４記載の発明によれば、寿命に伴
う交換が必要な重力補償機構をユニット化することで、
作業に関する時間や力を省くことができる。また、剛性
的にもそれぞれをねじ止めすることで高めることができ
る。請求項１５記載の発明によれば、流体等の粘性抵抗
を利用したダンパを用いることにより、重力補償機構の
粘性減衰比を高くすることができ、Ｚ軸ステージの持つ
重力補償機構に起因する固有振動数においても、振動的
になることを抑えることができ、制御上ゲインも上げる
ことができ、結果として良好な制御を実現することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる高精度三次元形状測定装置にお
けるＺ軸ステージの右側面図である。

【図２】本発明に係わるボイスコイルモータのボビン構
造を示した図である。

【図３】本発明に係わる重力補償機構をユニット化した
図である。

【図４】本発明に係わるＺ軸ステージを用いて構成した
三次元形状測定装置の平面レイアウト図である。

【図５】本発明に係わるレーザ測長器の平面レイアウト
図である。

【図６】粘性減衰比ζをパラメータとした振動数と振幅
の関係を示す図である。

【符号の説明】

１定盤２全体ベース３Ｘステージ４Ｙステージ５Ｚ軸イケール６Ｚ軸ステージ７エアスライド８ボイスコイルモータ９Ｚ軸テーブル１０測定プローブ１１被測定物１２Ｘ、１２Ｙ、１２Ｚ平面ミラー１３Ｘ、１３Ｙ、１３Ｚレーザ干渉器１４Ｘ、１４Ｙ、１４Ｚ反射ミラー１５検出ヘッド１６ボビン部材１７リニアスケール１８保持部材１９渦巻ばね２０Ａ、Ｂ巻取ドラム２１ベアリング２３ユニット２４ベース板２５エアシリンダ２６はさみ板２７パッド２８摺動板２９ゴム材３０Ａ、Ｂロータリーダンパ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】定盤上に固着された被測定物の形状測定用
変位測定プローブを搭載し、該プローブを前記被測定物
に対して、三次元方向に移動させる移動手段と、該移動
手段の移動量を測定する測定手段と、前記変位測定プロ
ーブ内から前記被測定物にレーザ光を照射するレーザ光
照射手段とを備え、前記レーザ光照射手段から前記被測定物にレーザ光が照
射され、該被測定物から反射されるレーザ光に基づい
て、前記移動手段が被測定物と前記プローブとの距離を
一定に保つように移動させ、前記測定手段が前記移動手
段の移動量を測定することにより前記被測定物の形状を
測定する三次元形状測定装置において、前記測定手段が、同一平面上にない三軸のレーザ測長器
を用いて、前記移動手段による移動量を測定し、該レー
ザ測長器のレーザ光の光軸の交点を被測定物の測定点と
することを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項２】前記プローブを、前記被測定物に対して重
力の方向に設置し、重力方向に移動して被測定物の形状
を測定することを特徴とする請求項１記載の三次元形状
測定装置。
【請求項３】前記移動手段が、それぞれ同一平面上にな
い三軸を移動軸とし、該移動軸のうちの二軸が作る面が
水平面であることを特徴とする請求項１記載の三次元形
状測定装置。
【請求項４】前記移動手段が、それぞれ同一平面上にな
い三軸を移動軸とし、該移動軸のうち変位測定方向を除
く二軸が作る平面が、前記レーザ光の二軸が作る平面と
平行であり、該それぞれの平面を作る移動二軸とレーザ光の二軸のそ
れぞれが、互いに一定の角度を持つことを特徴とする請
求項１記載の三次元形状測定装置。
【請求項５】前記変位測定方向を除く移動二軸が作る平
面と変位測定方向の移動軸とが直交すること特徴とする
請求項４記載の三次元形状測定装置。
【請求項６】前記移動二軸が作る平面と平行な平面を作
るレーザ光の二軸が、それぞれ直交すること特徴とする
請求項４記載の三次元形状測定装置。
【請求項７】前記移動手段が、それぞれ同一平面上にな
い三軸を移動軸とし、該三軸がそれぞれ直交し、前記レーザ光の三軸が、それぞれ直交することを特徴と
する請求項１記載の三次元形状測定装置。
【請求項８】定盤上に固着させた被測定物の形状測定用
変位測定プローブを搭載し、該プローブを前記被測定物
に対して三次元方向に移動させる移動手段と、該移動手
段の移動量を測定する測定手段と、該測定手段の出力に
基づいて前記移動手段の移動量を解析する解析手段と、
を備え、前記移動手段が、前記定盤上に設けられた水平
面内を移動するＸＹ二軸ステージと、該ＸＹ二軸ステー
ジの上に搭載するように立設されたステージ重量を補償
する重力補償手段と、前記各ステージの移動量を測定す
る測長手段と、前記重力補償手段をユニット化したＺ軸
ステージと、で構成され、前記プローブの出力を略一定
に保つようにして前記被測定物の形状を測定する三次元
形状測定装置において、Ｚ軸イケールに、単軸のエアスライドをガイド軸として
取り付け、該ガイド軸を動かす駆動力としてボイスコイルモータを
用い、前記プローブと各軸移動量の測定用レーザ干渉器を搭載
したＺ軸テーブルをＺ方向に移動可能とし、前記Ｚ軸イケールにリニアスケール検出ヘッドを有し、前記エアスライド側面にリニアスケール格子部を有する
ことを特徴とするＺ軸ステージ。
【請求項９】前記重力補償手段は、前記Ｚ軸イケール上
方に渦巻ばねを用いた巻取ドラムを有し、該巻取ドラム
から伸ばした渦巻ばねを前記Ｚ軸テーブルのガイドであ
るエアスライドの側面の取付金具と連結して吊り上げる
ことで、前記Ｚ軸テーブルにかかる重量とバランスさせ
ることを特徴とする請求項８記載のＺ軸ステージ。
【請求項１０】前記Ｚ軸を駆動するボイスコイルモータ
の制御用にＺ軸テーブルの移動量を測定するリニアスケ
ールを前記レーザ干渉器と独立して備えることを特徴と
する請求項８記載のＺ軸ステージ。
【請求項１１】前記定盤上に固定されたＸ、Ｙ、Ｚの三
軸方向の測定基準としての三つの平面ミラーと、Ｚ軸テ
ーブル上に配置されたＸ、Ｙ、Ｚの三軸方向にレーザ光
を照射する三つのレーザ光源と、該レーザ光源からの光
を平面ミラーに反射する三つの反射ミラーと、前記平面
ミラーから前記反射ミラーを介して入射したレーザ光の
干渉縞を検出する三つのレーザ干渉器を具備し、前記三
つのレーザ干渉器をＺ軸ステージのガイドである前記エ
アスライドの前面と両側面に、前記三つのレーザ光の光
軸の交わる位置が測定点となるように配置したことを特
徴とする請求項８記載のＺ軸ステージ。
【請求項１２】前記ボイスコイルモータのボビン構造を
ステンレスのブロックからくり抜いた形の一体構造とし
てボビン剛性を上げたことを特徴とする請求項８記載の
Ｚ軸ステージ。
【請求項１３】前記Ｚ軸ステージの駆動系の制御不良等
の異常時に、エアシリンダを使ったブレーキを効かせる
落下防止手段を備えることを特徴とする請求項８記載の
Ｚ軸ステージ。
【請求項１４】前記渦巻ばねからなる重力補償手段は、
ユニット化され、かつ、着脱自在に交換可能であること
を特徴とする請求項８記載のＺ軸ステージ。
【請求項１５】前記渦巻ばねからなる重力補償手段にお
いて、動作方向に対して、流体等の粘性抵抗を利用した
ダンパを備えたことを特徴とする請求項９記載のＺ軸ス
テージ。