(57)【要約】【課題】プローブ振動に伴う、プローブの被測定物からの浮き上がりの影響を低減し高精度の形状測定を行うことのできる接触式プローブ及び接触式形状測定装置を提供する。【解決手段】接触式プローブを被測定物に接触させつつ、被測定物の表面を走査させると共に接触式プローブの位置を計測することで、被測定物の形状を測定する形状測定装置に用いる接触式プローブであって、接触式プローブ内に空間が設けられ、空間内に重錘を移動可能に配置した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接触式プローブを被測定物に接触させつつ、前記被測定物の表面を走査させると共に前記接触式プローブの位置を計測することで、前記被測定物の形状を測定する形状測定装置に用いる接触式プローブであって、
前記接触式プローブ内に空間が設けられ、前記空間内に重錘を移動可能に配置したことを特徴とする接触式プローブ。
【請求項２】
前記重錘が複数個配置されていることを特徴とする請求項１に記載の接触式プローブ。
【請求項３】
前記重錘が球体であることを特徴とする請求項１または２に記載の接触式プローブ。
【請求項４】
前記重錘が楕円体であることを特徴とする請求項１または２に記載の接触式プローブ。
【請求項５】
前記重錘に表面コーティングを施してあることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の接触式プローブ。
【請求項６】
前記重錘の長径が前記空間の内径の半分よりも大きいことを特徴とする請求項４に記載の接触式プローブ。
【請求項７】
前記重錘の径が上記空間の内径の半分よりも小さいことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の接触式プローブ。
【請求項８】
前記重錘はDLCまたはフッ素化合物により前記表面コーティングを施されていることを特徴とする請求項５に記載の接触式プローブ。
【請求項９】
１軸方向に摺動する接触式プローブを一定の力で被測定物に接触させながら表面形状を倣い走査し、前記接触式プローブの摺動方向の変位を検出することによって被測定物面の表面形状を測定する接触式形状測定装置において、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の接触式プローブを備えたことを特徴とする接触式形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レンズやミラーなど光学素子、及び光学素子を製作するための型の表面形状などを測定する接触式プローブを有する形状測定装置に関する。また、接触式プローブの変位を、光を用いる変位センサで検出して被測定物面の形状を測定する接触式プローブに関する。
【背景技術】
【０００２】
レンズやミラーもしくは金型の表面など３次元的な構造を有する被測定物の形状や特定部位の座標を測定する形状測定方法として、プローブと呼ばれるシャフト状の触針を用いる形状測定方法がある。この測定方法はプローブを被測定物の表面に所定の接触力で押圧しながら被測定物の表面に倣って移動させ、定められた原点からのプローブの位置やプローブの姿勢を計測することで、その計測値に基づき被測定物の形状を測定するものである。
【０００３】
しかしながら、プローブに発生した振動などにより、形状測定中においてプローブが被測定物に対して接触を保てなくなる場合、その被測定物に対する浮き上がり量はそのまま測定誤差に現れる。従って、形状測定中にプローブと被測定物の間の接触を如何に保ちつつ形状計測を行うかが重要な技術課題となっていた。
【０００４】
従来、このような３次元形状計測方法においては、特許文献１に開示されているようなプローブが知られている。特許文献１に記載のプローブでは、プローブはハウジングに配置された空気軸受けによってプローブのラジアル方向に懸架され、スラスト方向には板バネにより懸架されている。このことにより、プローブはスラスト方向に変位可能に支持され、板バネによりその変位に比例した反力が発生する。また、プローブの被測定物と接触する側には先端球、先端球とは逆側の端部の変位を測定するように、変位計をハウジングに配してあり、ハウジングは移動ステージに搭載されている。
【０００５】
一方、中空円筒としたプローブ内部に、球形の重錘とそれを上下に引っ張る上下のコイルバネ、重錘に対して摩擦力を与える高分子材料を備えている。これら、重錘、コイルバネと高分子材料によって、プローブ本体に対する動吸振器を構成している。被測定物の形状を測定する際には、変位計によるプローブとハウジングの変位と、被測定物を倣い走査させたときのハウジングの位置を計測することによって、被測定物の形状を測定するものである。
【０００６】
被測定物に一定押圧で接触しつつ走査されるプローブは、被測定物表面と先端球との間に生じるスティックスリップ等により発生した衝撃により、プローブは懸架剛性の弱いスラスト方向に振動させられることがある。図４は、プローブにて球体上を倣い走査したときに得られたプローブ押圧の時間変化を表す。図４によると、球体の面傾斜が大きくなるに従って振動が大きくなっていることがわかる。このとき、特許文献１の方式に依れば、プローブのスラスト方向の振動は、適切な動吸振器を構成することで、低減させることが可能であり、形状測定中に被測定物に対するプローブの浮き上がりを発生させにくいという特徴を持っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開2004-61462号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に開示された方法は、プローブ倣い走査時に発生するプローブの振動を低減させ、プローブの浮き上がりに伴う測定誤差の低減には有力な手段ではある。しかしながら、特許文献１に開示された方法では、プローブ内に動吸振器を構成するために、重錘、コイルバネと摩擦要素からなる機構を内蔵しなくてはならない。また、プローブ内部においてプローブと重錘をコイルバネで接続しなくてはならず、プローブに同機構を内蔵させるには、著しい困難を伴う。更には、狭小な箇所においても形状測定が可能となるようにプローブを小型化させた場合には、上記のような動吸振機構をプローブに搭載することは非常に困難となる。
【０００９】
本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものである。即ち、形状測定において、プローブ振動による浮き上がりに起因した測定誤差の低減を、たとえ小型化されたプローブであっても簡易に可能にする、接触式プローブ、及びそれを備えた形状測定装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本出願に係る発明は、接触式プローブを被測定物に接触させつつ、前記被測定物の表面を走査させると共に前記接触式プローブの位置を計測することで、前記被測定物の形状を測定する形状測定装置に用いる接触式プローブであって、前記接触式プローブ内に空間が設けられ、前記空間内に重錘を移動可能に配置したことを特徴とする接触式プローブである。
【００１１】
また上記接触式プローブを備えた接触式形状測定装置である。
【００１２】
上記構成においては、プローブが被測定物の形状を走査測定する時、プローブに振動が発生した際に、重錘に衝撃が伝わることで、重錘がプローブとは分離して、上記空間内を移動できる。このとき、重錘は、プローブの運動量を奪って運動するため、結果としてプローブの、振動に伴う運動は抑制される。従って、プローブの振動に伴う浮き上がりによる測定誤差を低減させることができる。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明するように、本出願にかかる発明によれば、プローブ内にプローブから分離して可動な重錘を封入してあることにより、スティックスリップ等によって生じた振動に伴うプローブ浮き上がりによる測定誤差を低減することができる。また、プローブに内蔵しなければならないものは重錘のみであるため、簡易であり小型化の上で有利である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態の接触式プローブの構成図である。
【図２】本発明の一実施形態の接触式プローブを備えた接触式形状測定装置の構成図である。
【図３】本発明のプローブで球体上を走査したときのZp変化の周波数分布である。
【図４】本発明によらないプローブで球体上を走査したときのプローブ押し込み量の時間変化である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。
【００１６】
図１は本発明の一実施形態の接触式プローブの構成図であり、本発明の特徴をもっとも良く表している。図１において１は被測定物４に接触して形状を計測する接触式プローブ（以下、単に「プローブ」と称する）であり、プローブ支持ベース１８に対し、複数枚の薄い金属製の板バネ１７によって懸架されている。プローブ１は、複数枚の板バネ１７によって支持されることにより、Z軸方向のみに可動となるように構成されている。
【００１７】
このプローブ１は、例えばアルミナのような高剛性の部材からなる中空円筒状のプローブシャフト２と、ルビー球からなる先端球１６、プローブ１の変位を測定するためのターゲットとなるターゲットミラー８、超硬合金製の重錘３、等によって構成される。先端球１６はプローブシャフト２の下端に設けられ、被測定物４と接触する。他方、ターゲットミラー８はプローブシャフト２の上端に設けられ、ターゲットミラー８のZ軸方向の変位を測定することで、先端球１６のZ軸方向の変位を得ることができる。プローブ１の内部に画成される空間内（接触式プローブ内の空間内）に重錘を移動可能に配置している。
【００１８】
１軸方向に摺動するプローブ１が一定の力で被測定物４に接触しながら表面形状をなぞり、被測定物４の形状を走査測定する時、被測定物４の形状によってはプローブ１には図４に示すように振動が発生する。これに対して、本発明においては中空円筒状のプローブシャフト２内の重錘３がプローブ１の振動に伴って移動し、プローブ１の運動量を奪うことで、プローブ１の振動を低減する。
【００１９】
単一の重錘３では一度プローブ１から運動量を奪って分離すると、落下して再びプローブ１に接触するまでは、運動量を奪う効果を期待できない。そのため、重錘３をプローブシャフト２内に数十個封入しており、連続的な振動に対しても運動量を奪う効果を発揮させている。また、複数個封入されている重錘３の形状は、相互の摩擦の影響を抑え、重錘３の可動性を確保するため、接触面積の小さい、球体としている。
【００２０】
また、重錘を複数個配置することにより、重錘一つ当りの質量を小さくすることができ、微小な振動にも対応できる。また、一度分離した重錘は落下してプローブ１に力を伝えるが、力の方向がプローブ１を被測定物４に押し付ける方向となる。このため、重錘の動きはプローブ１が被測定物４から浮き上がる力を奪い、またプローブ１と被測定物４を押し付ける力となる。一般的な移動体の位置決め動作と異なり、プローブ１の動きは片側に存在する被測定物に対して、常に押し付けようとする力を生じさせることで、本発明の効果を得ることができる。
【００２１】
一方で、重錘３の可動性確保のため、重錘３が最密充填の形態をとることを防ぐために楕円体形状としても良い。この場合、重錘３の長径を空間の内径の半分よりも大きくすることができる。また、重錘３を球状とした場合、重錘３の径が空間の内径の半分よりも小さくすることもできる。また更に、重錘３の可動性確保のために、重錘３の表面に、例えばDLC（ダイヤモンドライクカーボン）またはフッ素化合物のような摩擦係数を低減させる効果のある表面コーティングを施しても良い。
【００２２】
プローブシャフト２内に充填する重錘３の個数として、プローブシャフト２内に重錘３が可動である空間を残すような個数を選択してある。またこのとき、重錘３の可動性を確保するために重錘３の直径と、プローブシャフト２の内径の関係は、重錘３が最密充填状態でプローブシャフト２の内径に内接しないように選択することが望ましい。
【００２３】
重錘３はプローブ１に対して、重錘３に働く重力のみで接触しているため、重錘３に働く重力を低減させることができれば、プローブ１に対する接触力を低減でき、より微小な振動に対しても抑制効果を持たせることができる。従って、プローブシャフト２内を液体で満たすことにより、重錘３に浮力を発生させ、プローブ１に対する接触力を低減させても良い。
【００２４】
図２は本発明の一実施形態の接触式プローブを備えた接触式形状測定装置の構成図である。図２において、床２３に接触式形状測定装置５０を設置する。まず、床２３上に除振台２４を設け、その上に計測ベース２６を設ける。除振台２４により、床２３から計測ベース２６へ伝わる振動を減衰させることができ、測定誤差を低減させることができる。なお、この計測ベース２６は被測定物４と、位置の基準となる３つの基準ミラー、X基準ミラー２７，Y基準ミラー（不図示）、Z基準ミラー２９とを固定するものであり、接触式形状測定装置５０は、これら３つの基準ミラー２７，２９に対する被測定物４の表面上の点の位置を測定する。
【００２５】
接触式形状測定装置５０は、１軸方向に摺動するプローブ１を一定の力で被測定物４に接触させながら表面形状を倣い走査し、プローブ１の摺動方向の変位を基準ミラー２７，２８、２９により検出することによって被測定物面の表面形状を測定する。
【００２６】
計測ベース２６は箱状の構造物であり、これに被測定物４を固定し、水平方向の位置基準であるX基準ミラー２７、及び図示しないY基準ミラーと鉛直方向の位置基準であるZ基準ミラー２９を備えている。これらの計測ベース及び基準ミラーは、測定の基準となるものであるので、線膨張係数の小さな材料、例えば低熱膨張セラミック、或いは低熱膨張鋳鉄や低熱膨張ガラスなどの材料を用いて製作する。これらの基準ミラーは前述の干渉計でプローブ位置を測定するときの位置基準となるものである。
【００２７】
プローブ支持ベース１８状に設けられたＺ距離測定用小型ミラー３７とターゲットミラー８との変位がZp、Ｚ距離測定用小型ミラー３７とZ基準ミラー２９との変位がZ1となる。これらのZpとZ1とを用い、
Z = Zp + Z1
とすることで、プローブ１のZ方向の変位Zを求めることができる。二つのX距離測定用小型ミラー４２ａと４２ｂとの間距離をL1、下のX距離測定用小型ミラー４２bから先端球１６までの距離をL2とする。X及びY方向については、これらL1、L2とX基準ミラー２７とX距離測定用小型ミラー４２ａと４２ｂの変位X1及びX2を用いて、
X = X1 + ( X2 - X1 ) * ( L1 +L2 ) / L1
と求めることができる。Y方向についても同様である。またY方向においてもY距離測定用小型ミラー（不図示）を設けることができる。
【００２８】
プローブを移動させるスライドについて説明する。架台２５上に設けられた走査軸ベース３０を固定子として、図中のX方向に相対的に移動可能なＸ軸スライド３１と、Ｘ軸モータ３２とが走査軸ベース３０に設けられている。更に、Ｘ軸スライド３１に対してY方向に相対的に移動可能なＹ軸スライド３３とＹ軸モータ３４とがＸ軸スライド３１に設けられている。同様にＹ軸スライド３３に対してZ方向に相対的に移動可能なＺ軸スライド３５とＺ軸モータ３６とがＹ軸スライド３３に設けられている。
【００２９】
このような構成をとることで、Z軸スライド１４はXYZ方向の３次元的に移動可能となる。Ｚ軸スライド３５には、プローブ支持ベース１８が固定されており、プローブ支持ベース１８に固定された板バネ１７によって、プローブシャフト２が弾性支持されている。また板バネ１７は、１枚或いは複数枚の薄い金属製の板によって構成されている。これによりプローブ１は、プローブ支持ベース１８に対しZ軸方向に移動可能に支持される。
【００３０】
プローブを走査する場合はXY平面上に、例えばラスター軌道のような走査軌道を上位コントローラ４０から与え、Ｘ軸スライド３１及びＹ軸スライド３３を移動させる。このときのX軸及びY軸の動きは、位置制御器３８によってモータを駆動し、各スライドを所望の位置へ動かす位置制御となっている。一方でＺ軸スライド３５に関しては、Zpによって求めることができる接触力Fを、接触力制御器３９により一定に制御する接触力制御による動作によってのみ動かされることとなる。
【００３１】
Z軸について、被測定物４に対するプローブ１の接触力制御を行いながら、XY軸の位置制御によってプローブ１を移動させることによって、プローブ１が被測定物４上を倣う走査が可能となる。この状態で、干渉計によって得られたXYZの位置基準に対するプローブ位置の変位X、Y、Zを記録することで被測定物４の形状を測定することができる。
【００３２】
図３は、本発明のプローブで球体上を走査したときのZp変化の周波数分布を示している。図３(b)はプローブ１によって、実際に球形の被測定物を倣い走査した際のZpの変化を表すグラフである。縦軸はZp、横軸は周波数に変換してある。走査は球の傾斜が60°の箇所から0°を通過し、反対側の60°に達するまで行われている。比較対照として図３(a)に重錘３を有さないプローブを用いた結果も示してある。
【００３３】
図３によると、本発明のプローブの場合でのZpの振幅のピーク値が、比較対照のプローブを用いた場合に比して、抑制されていることがわかる。一方で、図４では走査される被測定物の傾斜の違いにより振動の大きさが変わるだけでなく、その振動周波数も変化する。特に300Hz以下の周波数の振動が大きくなっている。特許文献１に示されているような動吸振器では、内蔵するバネ剛性と重錘の質量で減衰できる周波数が決まってしまうが、本発明においてはプローブ１と重錘３の衝突によって運動量を奪うため、より広域の周波数域に対して振動抑制効果を期待できる。従ってスティックスリップのような、衝撃による広範囲の周波数域に振動をもたらすような振動源からの振動を抑制するには、有利であると考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は上記構成、作用を有するもので、プローブ浮き上がりにより生じる測定誤差を低減し、高精度の測定を行うことが可能になり、産業上、科学技術上の効果は大きい。
【符号の説明】
【００３５】
１        プローブ
２        プローブシャフト
３        重錘
４        被測定物
８        ターゲットミラー
１６      先端球
１７      板バネ
１８      プローブ支持ベース
２３      床
２４      除振台
２５      架台
２６      計測ベース
２７      X基準ミラー
２９      Z基準ミラー
３０      走査軸ベース
３１      X軸スライド
３２      X軸モータ
３３      Y軸スライド
３４      Y軸モータ
３５      Z軸スライド
３６      Z軸モータ
３７      Z距離測定用小型ミラー
３８      位置制御器
３９      接触力制御器
４０      上位コントローラ
４２ａ、４２ｂ      X距離測定用小型ミラー
５０      接触式形状測定装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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