JP2005181023A - 平面間の高低差と傾斜角度の測定装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の平面を有するひとつの物体の任意の２平面のうち、一方の平面に対する他方の平面の高低差と傾斜角度を精度良く、かつ短時間にて容易に測定する平面間の高低差と傾斜角度の測定装置及び方法を提供する。
【解決手段】 相対的に不動な複数の平面を有する測定対象物体１において何れか一つの平面を比較基準面６とし、他の任意の平面を測定面７として、比較基準面６に対する測定面７の高低差と傾斜角度を測定する装置であって、検査基準となる定盤面１７を有する定盤固定部１０と、測定対象物体１を比較基準面６で定盤固定部１０の定盤面１７に当接させて保持するリフター部１６と、定盤固定部１０の定盤面１７の垂線方向と平行な方向において測定対象物体１の測定面７までの距離を複数の測定点で測長する複数の距離センサ１４とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は平面間の高低差と角度の測定装置及び方法に関し、相対的に不動な複数の平面を有する測定対象物体おいて何れか一つの面を比較基準面として、同基準面に対する測定対象物体の他の任意の平面の高低差と傾斜角度を容易に、かつ短時間に測定するための技術に係るものである。

従来、この種の技術では、測定対象の２平面間の高低差さ及び傾斜角度は、レーザ測定装置と同装置の測長ヘッドを移動させるための直交する２軸もしくは３軸の移動テーブルとを組み合わせた３次元測定装置等を用いている。

その測定手法は以下の手順で行っている。
１．装置の測定基準位置から測定対象物に設定した基準面上の３測定点との距離を側長する。
２．装置の測定基準位置から測定対象物の測定面上の３測定点との距離を側長する。
３．基準面と測定面の２面についてそれぞれの平面の方程式を決定する。
４．決定した各平面の方程式から演算によって基準面に対する測定面の傾斜角度と高低差を求める。

この種の技術の先行技術文献としては特許文献１がある。
特開平４−２９７８０９号公報

しかしながら、上記従来の方法による測定では、測定対象物の表面粗さに起因する測長値の微妙な差が平面の方程式に傾きの誤差として直接影響を与える。この誤差は測定する２平面間の距離に比例して拡大するので、特に両平面の高低差の演算結果において同一測定対象物体の繰り返し測定精度が要求精度を満たせなくなる場合がある。

また、同様の装置を用いて各種製品の検査を工程にて行う場合に、測定装置の測長ヘッドが６個所の測定点間を物理的に移動するために要する時間は１製品の検査に要する時間の大きな要素であり、この測長ヘッドの移動時間が長くなると生産ライン上に配置する検査装置数を増大させ、ひいては製品コストを引き上げる要因となる。

本発明は上記問題を解決するもので、複数の平面を有するひとつの物体の任意の２平面のうち、一方の平面に対する他方の平面の高低差と傾斜角度を精度良く、かつ短時間にて容易に測定する平面間の高低差と傾斜角度の測定装置及び方法を提供する。

上記問題を解決するために、本発明の請求項１に記載の平面間の高低差と傾斜角度の測定装置は、相対的に不動な複数の平面を有する測定対象物体において何れか一つの平面を比較基準面とし、他の任意の平面を測定面として、比較基準面に対する測定面の高低差と傾斜角度を測定する装置であって、
検査基準となる定盤面を有する定盤手段と、測定対象物体を比較基準面で定盤手段の定盤面に当接させて保持する測定対象物体保持手段と、定盤手段の定盤面の垂線方向と平行な方向において測定対象物体の測定面までの距離を複数の測定点で測長する測定手段とを有するものである。

上記した構成により、測定対象物体を比較基準面で定盤手段の定盤面に当接させて位置決めすることで、定盤面と比較基準面が相互間に高低差および傾斜角度の無い同等の位置関係となるので、測定対象物体の比較基準面と測定面との高低差および傾斜角度の測定に際して、測定対象物体の比較基準面を測定する必要がなくなり、定盤手段の定盤面に対する測定対象物体の測定面の高低差および傾斜角度を測定することで、測定対象物体の比較基準面と測定面との間の高低差および傾斜角度を得ることができる。

測定に際しては、事前に測定手段の初期値として定盤手段の定盤面までの距離を測定する。このため、マスターワーク（基準器）を基準面で定盤手段の定盤面に押し当て測定対象物体保持手段で保持し、測定手段に対向するマスターワークの基準面を定盤面と同等であるとして基準面までの距離を測定手段で測長する。

マスターワークは基準面が単一の平面であるものが標準であるが、基準面を定盤手段の定盤面に押し当る領域（第１基準面）と測定手段に対向する領域（第２基準面）とを異なる平面として有し、双方の領域間に補正値として既知の高低差および傾斜角度を有するものでも良い。この場合には測定値を補正値で補正する。

本測定時には、測定対象物体を比較基準面で定盤手段の定盤面に当接させて測定対象物体保持手段で保持し、測定手段に対向する測定対象物体の測定面までの距離を測長し、測長した実測値と初期値との差を測定値とする。

以下に詳しく説明する。定盤面と平行な仮想平面をマスターワークの基準面上および測定対象物体の測定面上に重ねて想定し、仮想平面に直交するＸ軸とＹ軸を設定し、Ｘ軸とＹ軸の交点を基準点としてＸ軸とＹ軸の軸上に所定距離だけ離間して存在するＹ軸上の第１測定点、Ｘ軸とＹ軸の交点上の第２測定点、Ｘ軸上の第３測定点を設定し、第１測定点と第２測定点との距離および第２測定点と第３測定点との距離を既知の所定値とする。

初期値の測定に際しては、測定手段に対向するマスターワークの基準面上に投影するＹ軸上の第１測定点、Ｘ軸とＹ軸の交点上の第２測定点、Ｘ軸上の第３測定点の各測定点において測長する。

そして、各測定点における実測値をそれぞれ、Ｙ軸上の第１測定点の初期値、Ｘ軸とＹ軸の交点上の第２測定点の初期値、Ｘ軸上の第３測定点の初期値とする。
本測定時には、測定対象物体を比較基準面で定盤手段の定盤面に当接させて測定対象物体保持手段で保持し、マスターワークに対する測定点と同じ測定点において測定手段に対向する測定対象物体の測定面までの距離を測長する。

そして、各測定点において測長した実測値と初期値との差を各測定点の測定値とし、第１測定点の測定値と、第２測定点の測定値と、第３測定点の測定値を算出する。
この算出した測定値のうち基準点である第２測定点の測定値を測定対象物体の比較基準面と測定面との高低差（Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ）とする。

次に、測定対象物体の比較基準面に対する測定面の傾斜角度を算出する。Ｘ軸回りの傾斜角度（Ｐｉｔｃｈ）は、既知の所定値である第１測定点と第２測定点間の距離と、基準点である第２測定点における測定値と第１測定点における測定値の差値との関係から逆三角関数で算出する。Ｙ軸回りの傾斜角度（Ｒｏｌｌ）は、既知の所定値である第２測定点と第３測定点間の距離と、基準点である第２測定点における測定値と第３測定点における測定値の差値との関係から逆三角関数で算出する。

この装置を用いれば、従来のように、測定対象物体の比較基準面上で測長を行う必要がなく、また測定手段を測定対象物体の比較基準面と測定面との二面間において移動させる必要も発生しないため、短時間にて両面間の高低差と傾斜角度を求めることができる。

本発明の請求項２に記載の平面間の高低差と傾斜角度の測定装置は、測定対象物体保持手段が、測定対象物体に当接する可動部材と、可動部材を定盤面に向けて付勢する弾性体と、可動部材と弾性体とを連結する自在継手とからなるものである。

この構成によれば、定盤手段の定盤面に対する測定対象物体の比較基準面の位置決めを極めて簡易に行うことができる。
本発明の請求項３に記載の平面間の高低差と傾斜角度の測定装置は、測定手段が測定対象物体の測定面上に配する測定点の数と等しい数の距離センサを有するものである。

この構成により、測定点の設定は距離センサの配置位置によって決まり、定盤面および定盤面と同等のマスタプレートの基準面と平行な平面において直交するＸ軸とＹ軸の二軸を設定し、各距離センサを相互に所定距離だけ離してＸ軸上、Ｙ軸上、Ｘ軸とＹ軸の交点に配置する。

このため、測定面上の複数の測定点を測長するに際して測定手段の距離センサを移動させる必要がなくなるので、測定時間を短縮でき、かつ測定手段から距離センサを移動させるための機構を除去できるので装置を簡素化できる。

本発明の請求項４に記載の平面間の高低差と傾斜角度の測定方法は、相対的に不動な複数の平面を有する測定対象物体において何れか一つの平面を比較基準面とし、他の任意の平面を測定面として、比較基準面に対する測定面の高低差と傾斜角度を測定する方法であって、
マスターワークを基準面で定盤手段の定盤面に押し当て、測定手段に対向するマスターワークの基準面上の複数の測定点までの距離を定盤面の垂線方向と平行な方向において測長し、各測定点における実測値をそれぞれ各測定点の初期値とし、各測定点間の距離を既知の所定値と設定し、
測定対象物体を比較基準面で定盤手段の定盤面に押し当て、測定手段に対向する測定対象物体の測定面までの距離を、マスターワークに対する測定点と同じ測定点において測長し、各測定点において測長した実測値と初期値との差を各測定点の測定値とし、
測定点のうちで基準点とする測定点の測定値を測定対象物体の比較基準面と測定面との高低差とし、基準点とする測定点における測定値と任意の測定点における測定値との差値、および既知の所定値である当該測定点と基準点とする測定点間の距離との関係において、比較基準面に対する測定面の傾斜角度を算出するものである。

この構成によれば、測定対象物体の比較基準面と測定面との二面間における距離の影響を受けずに、その高低差について繰り返し精度の良い測定を行うことができる。

以上のように本発明によれば、測定対象物体を比較基準面で定盤手段の定盤面に当接させて位置決めすることで、測定対象物体の比較基準面を測定する必要がなくなり、定盤手段の定盤面に対する測定対象物体の測定面の高低差および傾斜角度を測定することで、測定対象物体の比較基準面と測定面との間の高低差および傾斜角度を得ることができる。

つまり、事前にマスターワークにおいて測長した基準面までの距離を定盤面および比較基準面までの初期値とし、測定対象物体において測長した測定面までの距離の実測値と初期値との差を測定値として複数の測定点における測定値を求め、基準点とする測定点の測定値を測定対象物体の比較基準面と測定面との高低差となし、基準点とする測定点における測定値と任意の測定点における測定値との差値、および既知の所定値である当該測定点と基準点とする測定点間の距離との関係において、比較基準面に対する測定面の傾斜角度を算出できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の実施の形態にかかる平面間の高低差と傾斜角度の測定装置の模式図、図２は本装置において測定する測定対象物体において、相対的に不動な複数の平面のうちのいずれか一つの面を基準とした場合の同基準面（以下において比較基準面と称す）に対する前記物体内の任意の一平面（以下において測定面と称す）の高低差と傾斜角度の定義図、図３は測定対象物体の一例を示す斜視図、図４は本装置の斜視図である。

図１〜図４において、測定対象物体１は、その一例としての情報記録媒体を取り扱う機器であり、ベース２に磁気テープの繰り出しおよび巻き取りを行うＳリール３およびＴリール４を設け、さらに磁気テープを案内する複数のガイドポスト５を設けたものであり、測定に際してはＳリール３およびＴリール４の上面を相対的に不動な複数の平面としてベース２との一体物として扱い、Ｓリール３の上面を比較基準面６とし、Ｔリール４の上面を測定面７とする。

測定装置８は、基盤部材９に立設した定盤手段をなす定盤固定部１０と、基盤部材９に設置したＸテーブル１１およびＹテーブル１２を介して配設した測定可動部１３と、測定可動部１３に設けた測定手段をなすレーザ距離センサ等からなる複数の距離センサ１４と、測定対象物体１を定盤固定部１０に押圧する測定対象物体保持手段をなすリフター部１６を備えている。

定盤固定部１０は基盤部材９に対向する部位が定盤面１７をなし、測定可動部１３は基盤部材９に対向する部位が測定基準面１８をなして測定基準面１８に複数の距離センサ１４を配設している。定盤面１７および測定基準面１８は測定時にそれぞれ互いの位置関係が固定され、本実施の形態では両面は平行となるよう組み付けられている。

リフター部１６は測定対象物体１に当接する可動部材をなすプレート１９と、プレート１９を基盤部材９に対して昇降自在に保持するガイドロッド２０と、ガイドロッド２０を所定角度範囲内で鉛直方向に対して揺動自在に保持する基盤部材９に設けたロッド保持孔２１と、プレート１９を定盤面１７に向けて付勢する弾性体としてのバネ２２と、バネ２２２とプレート１９を連結する自在継手としてのフローティングユニバーサルジョイント２３からなる。

ここで、本実施の形態における測定対象物体１での高低差と傾斜角度の定義を図２を参照して説明する。本装置は測定可動部１３の測定基準面１８において直交する２軸上の３箇所にそれぞれ第一の距離センサ１５ａ、第二の距離センサ１５ｂ、第三の距離センサ１５ｃを配置しており、この位置関係を以下に述べる。

図２において、定盤面１７および後述するマスターワークの基準面と平行である測定可動部１３の測定基準面１８に対して平行な仮想平面Ｓを測定対象物体１の測定面７の上に重ねて想定し、仮想平面Ｓにおいて直交するＸ軸、Ｙ軸を設定し、Ｘ軸とＹ軸の交点を基準点としてＸ軸とＹ軸の軸上に所定距離だけ離間して存在するＹ軸上の第１測定点３１、Ｘ軸とＹ軸の交点上の第２測定点３２、Ｘ軸上の第３測定点３３を設定し、第１測定点と第２測定点との距離ｙｌおよび第２測定点と第３測定点との距離ｘｌを既知の所定値とする。

第一の距離センサ１５ａ、第二の距離センサ１５ｂ、第三の距離センサ１５ｃは、それぞれが第１測定点３１、第２測定点３２、第３測定点３３を通過し、測定対象物体１の測定面７の上に投影する各測定点において測長先端で測定対象物体１の測定面７に接しており、定盤面１７の垂線方向と平行な方向において測定対象物体の測定面７までの距離を第１測定点３１、第２測定点３２、第３測定点３３において測長する。本実施の形態では複数の距離センサで測長するが、単一の距離センサを第１測定点３１、第２測定点３２、第３測定点３３に移動させる構成とすることも可能である。

測定対象物体１の比較基準面６に対する測定面７の高低差は第２測定点３２で測長する値をPenetrationとして、またＸ軸周りの傾斜角度をPitch、Ｙ軸周りの傾斜角度をRollとして、図中に示す方向に対してそれぞれ符号を定義する。

Ｘテーブル１１は、図２に示すＸ軸方向に測定可動部１３を移動させ、Ｙテーブル１２は、図２に示すＹ軸方向に測定可動部１３を移動させるものである。
以上のように構成された装置を用いた測定手順を以下に説明する。測定に際しては、事前に第一の距離センサ１５ａ、第二の距離センサ１５ｂ、第三の距離センサ１５ｃによる測定の初期値として定盤固定部１０の定盤面１７までの距離を測定する。

このため、このマスターワークは定盤面１７に対して高低差と傾斜角度のない基準面を切削加工等により作成したものであり、基準面が単一の平面であるものが標準である。しかし、後述するように、マスターワークは基準面を定盤面１７に押し当る領域（第１基準面）と、第一の距離センサ１５ａ、第二の距離センサ１５ｂ、第三の距離センサ１５ｃに対向する領域（第２基準面）とを異なる平面として有し、双方の領域間に補正値として既知の高低差および傾斜角度を有するものでも良い。この場合には後述する測定値を補正値で補正する。

初期値の測定時には、マスターワークを基準面で定盤面１７に押し当てた状態にリフター部１６で保持する。この操作により定盤面１７とマスターワークの基準面が相互間に高低差および傾斜角度の無い同等の位置関係となる。この状態で、第一の距離センサ１５ａ、第二の距離センサ１５ｂ、第三の距離センサ１５ｃに対向するマスターワークの基準面を定盤面と同等であるとして基準面までの距離を第一の距離センサ１５ａ、第二の距離センサ１５ｂ、第三の距離センサ１５ｃの出力値として読み取り、これらをそれぞれ第１測定点３１、第２測定点３２、第３測定点３３における初期値Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３とする。この初期値の測定は毎回の測定時に行う必要はなく、適宜の時期に行えばよい。

次に、測定物対象物体１を上記と同様にして比較基準面６で定盤面１７に当接させて位置決めする。この操作で、定盤面１７と比較基準面６が相互間に高低差および傾斜角度の無い同等の位置関係となる。このため、測定対象物体１の比較基準面６と測定面７との高低差および傾斜角度の測定に際して、測定対象物体１の比較基準面６を測定する必要がなくなり、定盤面１７に対する測定対象物体１の測定面７の高低差および傾斜角度を測定することで、測定対象物体１の比較基準面６と測定面７との間の高低差および傾斜角度を得ることができる。

この状態で、第一の距離センサ１５ａ、第二の距離センサ１５ｂ、第三の距離センサ１５ｃに対向する測定対象物体１の測定面７までの距離を第一の距離センサ１５ａ、第二の距離センサ１５ｂ、第三の距離センサ１５ｃの出力値として読み取り、これらをそれぞれ第１測定点３１、第２測定点３２、第３測定点３３における実測値Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３とする。

そして、第１測定点３１、第２測定点３２、第３測定点３３の各測定点において測長した実測値Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３と初期値Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３との差を各測定点の測定値とし、第１測定点の測定値（Ｍ１−Ｗ１）と、第２測定点の測定値（Ｍ２−Ｗ２）と、第３測定点（Ｍ３−Ｗ３）の測定値を算出する。

この算出した測定値のうち基準点である第２測定点の測定値（Ｍ２−Ｗ２）を次式において測定対象物体１の比較基準面６と測定面７との高低差（Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ）とする。

次に、測定対象物体１の比較基準面６に対する測定面７の傾斜角度を算出する。Ｘ軸回りの傾斜角度（Ｐｉｔｃｈ）は、既知の所定値である第１測定点３１と第２測定点３２との距離ｙｌと、基準点である第２測定点３２における測定値（Ｍ２−Ｗ２）と第１測定点３１における測定値（Ｍ１−Ｗ１）の差値との関係から次式の逆三角関数で算出する。

次に、Ｙ軸回りの傾斜角度（Ｒｏｌｌ）は、既知の所定値である第２測定点３２と第３測定点３３との距離ｘｌと、基準点である第２測定点３２における測定値（Ｍ２−Ｗ２）と第３測定点３３における測定値（Ｍ３−Ｗ３）の差値との関係から次式の逆三角関数で算出する。

尚、上述した構成では、マスターワークとして基準面が単一の平面で定盤面１７に対してPenetration、Pitch、Rollの各値が全て零である物体をもちいたが、マスターワークは基準面を定盤面１７に押し当る領域（第１基準面）と、第一の距離センサ１５ａ、第二の距離センサ１５ｂ、第三の距離センサ１５ｃに対向する領域（第２基準面）とを異なる平面として有し、双方の領域間の高低差および傾斜角度を既知の補正値として与えられたものを使用することも可能である。この場合に、各補正値がPe、Pi、Roとして与えられたマスターワークとすると、上記（数１）から（数３）は以下のように置き換えることができることは明らかである。

以上のように本発明によれば、測定対象物体を比較基準面で定盤手段の定盤面に当接させて位置決めすることで、測定対象物体の比較基準面を測定する必要がなくなり、定盤手段の定盤面に対する測定対象物体の測定面の高低差および傾斜角度を測定することで、測定対象物体の比較基準面と測定面との間の高低差および傾斜角度を得ることができるので、相対的に不動な複数の平面を有する測定対象物体において何れか一つの面を比較基準面として、同基準面に対する測定対象物体の他の任意の平面の高低差と傾斜角度を測定する平面間の高低差と角度の測定装置及び方法に利用できる。

本発明の実施の形態にかかる平面間の高低差と傾斜角度の測定装置のモデル図 同実施の形態にかかる測定面の高低差と傾斜角度の定義図 測定対象物体の一例を示す斜視図 同実施の形態にかかる平面間の高低差と傾斜角度の測定装置の斜視図

符号の説明

１ 測定対象物体
２ ベース
３ Ｓリール
４ Ｔリール
５ ガイドポスト
６ 比較基準面
７ 測定面
８ 測定装置
９ 基盤部材
１０ 定盤固定部
１１ Ｘテーブル
１２ Ｙテーブル
１３ 測定可動部
１４ 距離センサ
１５ａ 第一の距離センサ
１５ｂ 第二の距離センサ
１５ｃ 第三の距離センサ
１６ リフター部
１７ 定盤面
１８ 測定基準面
１９ プレート
２０ ガイドロッド
２１ ロッド保持孔
２２ バネ
２３ フローティングユニバーサルジョイント
３１ 第１測定点
３２ 第２測定点
３３ 第３測定点

Claims (4)

1. 相対的に不動な複数の平面を有する測定対象物体において何れか一つの平面を比較基準面とし、他の任意の平面を測定面として、比較基準面に対する測定面の高低差と傾斜角度を測定する装置であって、
   検査基準となる定盤面を有する定盤手段と、測定対象物体を比較基準面で定盤手段の定盤面に当接させて保持する測定対象物体保持手段と、定盤手段の定盤面の垂線方向と平行な方向において測定対象物体の測定面までの距離を複数の測定点で測長する測定手段とを有することを特徴とする平面間の高低差と傾斜角度の測定装置。
2. 測定対象物体保持手段が、測定対象物体に当接する可動部材と、可動部材を定盤面に向けて付勢する弾性体と、可動部材と弾性体とを連結する自在継手とからなることを特徴とする請求項１に記載の平面間の高低差と傾斜角度の測定装置。
3. 測定手段が測定対象物体の測定面上に配する測定点の数と等しい数の距離センサを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の平面間の高低差と傾斜角度の測定装置。
4. 相対的に不動な複数の平面を有する測定対象物体において何れか一つの平面を比較基準面とし、他の任意の平面を測定面として、比較基準面に対する測定面の高低差と傾斜角度を測定する方法であって、
   マスターワークを基準面で定盤手段の定盤面に押し当て、測定手段に対向するマスターワークの基準面上の複数の測定点までの距離を定盤面の垂線方向と平行な方向において測長し、各測定点における実測値をそれぞれ各測定点の初期値とし、各測定点間の距離を既知の所定値と設定し、
   測定対象物体を比較基準面で定盤手段の定盤面に押し当て、測定手段に対向する測定対象物体の測定面までの距離を、マスターワークに対する測定点と同じ測定点において測長し、各測定点において測長した実測値と初期値との差を各測定点の測定値とし、
   測定点のうちで基準点とする測定点の測定値を測定対象物体の比較基準面と測定面との高低差とし、基準点とする測定点における測定値と任意の測定点における測定値との差値、および既知の所定値である当該測定点と基準点とする測定点間の距離との関係において、比較基準面に対する測定面の傾斜角度を算出することを特徴とする平面間の高低差と傾斜角度の測定方法。

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