(57)【要約】 【課題】  ワークやプローブを傷付けることなく、簡易な構成により迅速にワークを測定することができる形状測定機を提供すること。【解決手段】  プローブ１４をワークに接触させた状態で、前記プローブ１４と前記ワークとを相対的に走査させることによって前記ワークの表面形状を測定する形状測定機であって、前記ワークの表面に対する前記プローブ１４の接触荷重を調整する荷重調整機構２６を有し、前記プローブの先端に曲率半径Ｒが０．０１μｍ以上１μｍ以下に設定された探針３０が設けられていることを特徴とする。【選択図】    図２
2006090946.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プローブをワークに接触させた状態で、前記プローブと前記ワークとを相対的に走査させることによって前記ワークの表面形状を測定する形状測定機であって、
前記ワークの表面に対する前記プローブの接触荷重を調整する荷重調整機構を有し、前記プローブの先端に曲率半径が０．０１μｍ以上１μｍ以下に設定された探針が設けられていることを特徴とする形状測定機。
【請求項２】
前記荷重調整機構は、測定時における前記接触荷重を０．５ｍｇｆ以上５０ｍｇｆ以下に設定することを特徴とする請求項１に記載の形状測定機。
【請求項３】
前記荷重調整機構は、前記プローブを有する可動軸と、この可動軸を軸線方向に往復移動可能に支持する軸受と、前記可動軸を傾斜させる傾斜手段とを備え、前記傾斜により生じる前記可動軸の自重の傾斜方向成分が前記可動軸の推進力とされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の形状測定機。
【請求項４】
前記探針の曲率半径は、０．２μｍ以上１μｍ以下に設定されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の形状測定機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接触式プローブを有する形状測定機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ルビー球やスタイラスなどのように、プローブの先端に設けられた、ある曲率半径を有する探針をワークに接触させてその表面形状を測定する接触式の形状測定機が知られている。これら形状測定機の中には、前記プローブが取り付けられた移動体と、この移動体のＸＹＺ座標の位置を検出する位置検出手段とを備え、プローブをワークに追従させて、その間に移動する移動体の位置を検出することにより、ワークの表面形状を算出するものが周知となっている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００２−３５７４１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記のような構成の形状測定機では、プローブ探針の真球からのずれが大きい場合には一般にワークを精度よく測定するのが困難となる。そのため、ワークを高精度に測定するためには、測定結果について、プローブ探針の真球からのずれを考慮して補正する処理を施さなければならず、手間や時間がかかってしまうという問題がある。
【０００４】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、簡易な構成により迅速にワークを測定することができる形状測定機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】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提供する。
請求項１に係る発明は、プローブをワークに接触させた状態で、前記プローブと前記ワークとを相対的に走査させることによって前記ワークの表面形状を測定する形状測定機であって、前記ワークの表面に対する前記プローブの接触荷重を調整する荷重調整機構を有し、前記プローブの先端に曲率半径が０．０１μｍ以上１μｍ以下に設定された探針が設けられていることを特徴とする。
【０００６】
この発明に係る形状測定機においては、プローブの先端に曲率半径が０．０１μｍ以上１μｍ以下に設定された探針が設けられる。
ここで、例えば、曲率半径が１ｍｍで、９９．９％の精度で探針が加工されると、真球度は1μｍとなる。それに対して、曲率半径が1μｍのときに、９０％の精度で加工されても、真球度は０．１μｍとなる。また、曲率半径が０．０１μｍ、加工精度８０％のときは、真球度が０．００２μｍとなる。すなわち、曲率半径が小さくなるほど、加工精度は低下していくため、プローブの真球度は、曲率半径に対して相対的に大きくなる傾向にある。しかし、その真球度の絶対値は曲率半径が微小になるほど小さくなるため、測定結果に及ぼす影響は少なくなっていく。そしてその一方で、曲率半径が微小になると、ワークの表面に対するプローブの接触荷重によりワークやプローブが損傷し易くなる。本発明では、プローブ探針の曲率半径が上記のように微小に設定されるとともに、荷重調整機構により、前記接触荷重が調整される。
これにより、ワークやプローブの損傷を防止しつつ、プローブの真球度誤差の補正処理を省略し、迅速な測定を行うことができる。
【０００７】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の形状測定機において、前記荷重調整機構は、測定時における前記接触荷重を０．５ｍｇｆ以上５０ｍｇｆ以下に設定することを特徴とする。
この発明に係る形状測定機においては、荷重調整機構により、測定時における前記接触荷重が０．５ｍｇｆ以上５０ｍｇｆ以下に設定される。曲率半径１μｍのプローブで、プラスチック等のワークＷの軟らかい表面を測定した場合、接触荷重が５０ｍｇｆ程度まではワークＷ表面の損傷が発生しないことがわかっている。プローブの曲率半径と、ワークＷ表面の損傷が発生しない接触荷重の上限値は比例するため、曲率半径０．０１μｍのプローブを用いた場合は、接触荷重を０．５ｍｇｆ以下に設定すればよい。
これにより、ワーク表面に対するプローブの接触荷重を微小にし、それらワークやプローブの損傷を確実に防止することができる。
【０００８】
請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の形状測定機において、前記荷重調整機構は、前記プローブを有する可動軸と、この可動軸を軸線方向に往復移動可能に支持する軸受と、前記可動軸を傾斜させる傾斜手段とを備え、前記傾斜により生じる前記可動軸の自重の傾斜方向成分が前記可動軸の推進力とされていることを特徴とする。
この発明に係る形状測定機においては、傾斜手段により、可動軸が傾斜させられることにより、前記可動軸にその自重の傾斜方向成分の推進力が働く。
これにより、可動軸に設けられたプローブは、可動軸の自重の傾斜方向成分という微小な接触荷重でワークに接触するので、ワークやプローブの損傷をさらに確実に防止することができる。
【０００９】
請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の形状測定機において、前記探針の曲率半径は、０．２μｍ以上１μｍ以下に設定されていることを特徴とする。
この発明に係る形状測定機においては、探針の曲率半径が、０．２μｍ以上１μｍ以下に設定される。
曲率半径は微小になればなるほど加工が難しくなるが、本発明においては、探針の加工のし易さと測定精度とのバランスを取りながら、最適な測定を行うことができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ワークやプローブの損傷を防止しつつも、プローブ探針の真球からのずれを補正する処理を施すことなく、簡易な構成で迅速に測定を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
（実施例）
以下、本発明の実施例に係る形状測定機について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施例としての形状測定機に、被測定物である例えば凸レンズからなるワークを取り付けた様子を示したものである。
図１において、符号１は形状測定機、符号Wはワークを示している。
形状測定機１は、被測定物の測定を行う測定部２と、ワークＷを支持する支持部３とを備えており、両者が測定機ベース４の上に対向して配置されている。なお、支持部３が設置されている側を前とし、測定部２が設置されている側を後とする。
【００１２】
支持部３は、支持部本体としての支持ベース５を備えており、この支持ベース５は、測定機ベース４の一端部に固定されている。そして支持ベース５の上には、直方体形状の保持壁部８が設けられており、保持壁部８の外面のうち、後方に向けられる面には、ワークＷを保持するワークホルダ９が設けられている。ワークホルダ９は、ワークＷの被測定面を測定部２に向けてワークＷを保持するようになっており、またこのように保持した状態で光軸Ｌを中心にワークＷを回転させるようになっている。
【００１３】
測定部２は、基台としてのＸ軸ステージ１１と、ワークＷを実際に測定する測定ユニット１２とを備えている。
Ｘ軸ステージ１１は、測定機ベース４の他端に設けられており、前後方向（図に示すＹ軸方向）に直交する方向、すなわち図に示すＸ軸方向に延びるＸ駆動軸１５に嵌合されている。Ｘ駆動軸１５は、Ｘ軸ステージ１１を移動させるためのＸ軸駆動部１６を備えている。これにより、Ｘ軸ステージ１１は、Ｘ軸駆動部１６を駆動することにより、Ｘ駆動軸１５を介して、Ｘ軸方向に往復移動可能になっている。このＸ軸ステージ１１のＸ軸上の位置を、Ｘ軸ステージ１１の近傍に設けられたＸ軸検出部１７が検出し、その検出信号を演算部１９に向けて逐一出力するようになっている。
【００１４】
本実施例における形状測定機１は、Ｘ軸ステージ１１の上に水平に測定機板２２が設けられており、これらＸ軸ステージ１１と測定機板２２との間には、Ｙ軸方向に沿ってＺ駆動軸（荷重調整機構、傾斜手段）２１ａ，２１ｂが設けられている。これらＺ駆動軸２１ａ，２１ｂは、Ｚ軸駆動部（荷重調整機構、傾斜手段）２３に接続されており、このＺ軸駆動部２３を駆動すると、測定機板２２はＸ軸ステージ１１に対して昇降するようになっている。
このような構成のもと、Ｚ軸駆動部２３を駆動し、後方側に配置されたＺ駆動軸２１ｂのみを上昇させると、測定機板２２は、Ｙ軸を通る水平方向に対して支持部３側に向けて傾斜するようになっている。そして、その測定機板２２のＺ軸上の位置を、Ｚ軸検出部２４が検出し、その検出信号を演算部１９に向けて出力するようになっている。さらに、測定機板２２の上には、前記測定ユニット１２が固定されている。
【００１５】
測定ユニット１２は、柱状のエアスライド軸（荷重調整機構、可動軸）２６を有するプローブ１４と、略直方体形状のエアスライド軸受（荷重調整機構、軸受）２７とを備えている。
エアスライド軸受２７は、その長さ方向に貫通する貫通孔（不図示）が形成されており、その貫通孔が支持部３に向けられた状態で、測定機板２２の上に固定されている。そして、この貫通孔の中をエアスライド軸２６が通された状態になっている。貫通孔内の内壁面には、複数の吹出孔（不図示）が形成され、エアスライド軸２６と上記内壁面との間には、圧縮したクリーンでドライな圧縮空気を吹出孔から噴出させることにより、数μｍの微小な隙間を生じさせるようになっている。
【００１６】
クリーンでドライな圧縮空気としては、例えば、冷凍式のエアドライアにより、空気露点１０℃、油分０．１ＰＰＭ以下、ダストの粒径１．０μｍ未満、０．３μｍ以上の粒子が１００個／立方フィート以下のものを使用している。
これら空気の噴出により、エアスライド軸２６は、エアスライド軸受２７の内壁面とは接触していない、浮いた状態になっている。これにより、エアスライド軸２６は、極めて小さな摩擦力により支持部３に対して接近離間する方向に、すなわち軸線Ｍ方向に往復移動可能に支持されている。
【００１７】
エアスライド軸２６の先端には、図２に示すように、スタイラス３１が設けられており、このスタイラス３１の先端部（先端）２９にはワークＷに接触させる探針３０が設けられている。本実施例において、この探針３０の曲率半径Ｒは０．２μｍという微小な大きさに設定されている。
このような構成のもと、Ｚ駆動軸２１ｂを上昇させて、上記のように測定機板２２を支持部３側に向けて傾斜させると、エアスライド軸２６が、Ｙ軸を通る水平方向に対して、先端部２９が下げられるように傾斜するようになっている。そして、このときエアスライド軸２６は、その自重の傾斜方向成分のみによって軸線Ｍ方向前方に向けて付勢されるようになっている。
【００１８】
一方、エアスライド軸２６の後端には、図１に示すように、段差部３３が形成され、この段差部３３を介して、プローブ軸測長器３４が取り付けられている。
プローブ軸測長器３４は、板状部材からなるガラススケール３５と、ガラススケールヘッド３６とを備えている。ガラススケール３５は、その一端が段差部３３にネジ止めされることにより、軸線Ｍ方向に向けられて取り付けられている。ガラススケールヘッド３６には、ガラススケール３５が往復移動可能に挿通され、ガラススケール３５のＹ軸方向の位置がガラススケールヘッド３６により逐次検出されるようになっている。そしてこの検出結果が演算部１９に出力されるようになっている。
【００１９】
さらに、エアスライド軸２６の段差部３３の近傍には、図３に示すように、Ｘ軸方向に延びる棒状のストッパハネ３８が固定されている。ストッパハネ３８は、その長さ寸法がエアスライド軸２６の幅寸法より長くなるように形成され、エアスライド軸２６に固定された状態では、ストッパハネ３８の両端がエアスライド軸２６からその幅方向に沿って突出するようになっている。
【００２０】
また、ストッパハネ３８の近傍には、図１に示すコの字状のストッパ３９が、エアスライド軸２６に隣接されて配置されている。ストッパ３９は、図３に示すように、底面部が軸線Ｍに平行になるように、かつ突出したストッパハネ３８の一端が、コの字状のストッパ３９の両内側壁４０の間に位置するように、測定機板２２に取り付けられている。これにより、エアスライド軸２６の往復移動に伴って、ストッパハネ３８はストッパ３９の両内側壁４０の間を往復移動するようになっており、エアスライド軸２６が所定範囲の距離以上移動しようとしても、ストッパハネ３８が一方の内側壁４０に接触することになり、これによりエアスライド軸２６の軸線Ｍ方向の移動を制限するようになっている。また、エアスライド軸２６の移動が制限されることにより、エアスライド軸２６がエアスライド軸受２７から抜け出すのを防止するようになっている。
【００２１】
次に、このように構成された本実施例における形状測定機１の作用について説明する。
初期状態において、Ｘ軸ステージ１１はワークホルダ９に対向する中央位置に配され、測定機板２２は水平に置かれているものとする。
最初に、ワークＷをワークホルダ９に取り付ける。するとワークＷと測定部２とは、両者が対向した状態になる。
この状態で、不図示の測定ボタンを押圧する。するとＸ軸駆動部１６が駆動させられて、Ｘ軸ステージ１１が中央位置からＸ駆動軸１５に沿って移動を開始する。そして、ワークＷと対向しない所定の位置で停止する。
【００２２】
この状態で、後述するように、エアスライド軸２６が傾斜させられ、その結果、エアスライド軸２６は、その自重の傾斜方向成分のみによって軸線Ｍ方向前方に向けて付勢される。エアスライド軸２６は、低摩擦力でエアスライド軸受２７に支持されているため、ワークＷに向けて移動を開始する。そして、ストッパハネ３８がストッパ３９の内側壁４０に接触することにより、エアスライド軸２６が停止する。
【００２３】
そしてこの状態で、図４に示すように、Ｘ軸ステージ１１がワークＷ側に向けて移動を開始する。すると、探針３０がワークＷのサイドからワークＷに近づくように移動する。そして、あるタイミングで探針３０がワークＷに接触する。探針３０は、ワークＷ側に向けて付勢されていることから、Ｘ軸ステージ１１の移動により、ワークＷの表面にならってＹ軸方向に移動する。そして、探針３０は光軸Ｌを超えて反対側のワークＷの縁部まで到達し、それからはワークＷから離され、所定の地点で移動を停止する。
【００２４】
そして、この間の探針３０のＸＹＺ軸方向の位置が、Ｘ軸検出部１７、プローブ軸測長器３４およびＺ軸検出部２４によって検出され、この検出結果に基づいて、演算部１９が所定の演算を行う。なお、実際の測定においては、図５に示すように、探針３０のワークＷへの接触点Ｐから、探針３０の先端ＴまでのＹ軸方向の距離ｄだけ誤差が生じる。そこで、前記演算において、距離ｄの分の補正をかけ、これにより、ワークＷの形状が高精度に算出され、測定が終了する。
【００２５】
ここで、探針３０の曲率半径Ｒを小さくすると、真球からのずれが大きくなるため、改めて真球からのずれに基づく補正が必要になるものと一般に考えられるが、本実施例における形状測定機１においては、その補正を省略することが可能となる。
【００２６】
その理由は、次のとおりである。例えば従来の探針３０の曲率半径として一般的な値である１ｍｍを設定したときに、加工精度が９９．９％であると、真球度は１μｍとなる。それに対して、本実施例のように曲率半径Ｒを０．２μｍとすると、加工精度が９０％であっても、真球度は０．０２μｍとなり、真球度の絶対値は小さくなる。そのため、測定に及ぼす影響は極めて小さくなり、探針３０の真球からのずれに基づく補正を要することなく高精度な測定が行われる。
【００２７】
その一方で、探針３０の曲率半径Ｒが微小になればなるほど、探針３０やワークＷを損傷し易くなるが、以下のようにして、それら損傷が防止される。
上記のように、ワークＷを設置して測定ボタンを押圧すると、Ｘ軸ステージ１１がワークＷと対向しない所定の位置で停止する。この状態で、Ｚ軸駆動部２３が駆動させられる。するとＺ駆動軸２１ｂが上昇し、測定機板２２が支持部３側に傾斜させられる。そのため、エアスライド軸２６もＹ軸を通る水平方向に対して、先端部２９が下げられるように傾斜させられる。その結果、エアスライド軸２６は、その自重の傾斜方向成分のみによって軸線Ｍ方向前方に向けて付勢される。
【００２８】
そして、このようにエアスライド軸２６が傾斜したまま、探針３０がワークＷに接触するが、このときの探針３０とワークＷとの接触荷重Ｆは、例えば、スタイラス３１、エアスライド軸２６およびガラススケール３５の合計重量が５２ｇｆ、傾斜角が２分である場合、
Ｆ＝５２［ｇｆ］×ｓｉｎ（２／６０）＝０．０３［ｇｆ］
となり、３０ｍｇｆという極めて微小な接触荷重を得ることができる。
そのため、探針３０やワークＷに損傷を与えるのが防止される。
【００２９】
以上より、本実施例における形状測定機１によれば、探針３０の曲率半径Ｒが微小に設定され、真球度の絶対値が極めて小さくなっていることから、探針３０の真球からのずれに基づく補正を省略しつつ、高精度に測定することができる。そして、真球からのずれに基づく補正が不要となることから、簡易な構成で迅速に測定を行うことができる。
また、探針３０のワークＷへの接触荷重を、エアスライド軸２６を含む自重の傾斜方向成分のみという極めて微小な大きさに設定することができることから、曲率半径Ｒを小さくしつつも、探針３０やワークＷの損傷を防止することができる。
さらに、探針３０はその曲率半径Ｒが微小になればなるほど加工が難しくなり、時間もかかるようになるが、本実施例においては曲率半径Ｒが０．２μｍに設定されていることから、探針３０の加工のし易さと測定精度とのバランスを取りながら、最適な測定を行うことができる。
【００３０】
なお、上記実施例においては、探針３０のワークＷへの接触点Ｐから探針３０の先端ＴまでのＹ軸方向の距離ｄだけ補正するとしたが、この補正は省略してもよい。なぜなら、曲率半径Ｒを微小としたために、距離ｄも微小となり、測定への影響が極めて小さくなるからである。これにより、さらに簡易かつ迅速な測定を行うことができる。但し、これら補正を施した方が測定精度をより向上させることができるので、要請される測定精度のレベルに応じて使い分けることができる。
また、曲率半径Ｒを０．２μｍとしたが、これに限ることはなく、０．０１μｍ以上１μｍ以下の範囲に設定されていればよい。
【００３１】
さらに、接触荷重を３０ｍｇｆとしたが、これに限ることはなく、０．５ｍｇｆ以上５０ｍｇｆ以下の範囲に設定されていればよい。
また、ワークＷの形状を測定するためにＸ軸ステージ１１を移動させるとしたが、これに限ることはなく、保持壁部８を移動させたり、または保持壁部８とＸ軸ステージ１１との双方を移動させるようにしてもよい。
さらに、スタイラス３１としたが、これに限ることはなく、エアスライド軸２６の先端に、ルビーやダイヤモンド、ガラス、サファイヤ、セラミクス等の材質からなる球状のものを設けるようにしてもよい。
【００３２】
また、エアスライド軸受２７内壁面に複数の吹出孔を形成するとしたが、これに代えて、多孔材質のものを用いてもよい。
さらに、プローブ軸測長器３４は、ガラススケール３５とガラススケールヘッド３６とを有するとしたが、これに限らず、レーザ測長器を用いたものであってもよい。
なお、本発明の技術範囲は上記の実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る形状測定機の実施例を示す図であって、支持部にプローブを取り付けた状態を示す概略構成図である。
【図２】同実施例における探針の様子を示す拡大図である。
【図３】同実施例における形状測定機の概略上面図である。
【図４】同実施例における形状測定機の測定の様子を示す説明図である。
【図５】同実施例における探針がワークに接触している様子を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３４】
１    形状測定機        
１４  プローブ
２１ａ，２１ｂ  Ｚ駆動軸（荷重調整機構、傾斜手段）
２３  Ｚ軸駆動部（荷重調整機構、傾斜手段）
２６  エアスライド軸（荷重調整機構、可動軸）
２７  エアスライド軸受（荷重調整機構、軸受）
２９  先端部（先端）
３０  探針
Ｒ    曲率半径
Ｗ    ワーク
【図１】
2006090946.tif 000003
【図２】
2006090946.tif 000004
【図３】
2006090946.tif 000005
【図４】
2006090946.tif 000006
【図５】
2006090946.tif 000007