(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検物の表面形状を測定するための形状測定センサであって、
自身の軸方向に摺動可能に支持され、前記軸方向に自重により摺動することにより前記被検物の表面形状に追従するプローブと、
前記プローブを前記軸方向に摺動可能に支持する軸受部と、
前記プローブを、その摺動範囲内における中間部の所望の位置に位置決めして保持する第一の状態と、前記プローブの自重による摺動に干渉しない第二の状態とに切り替え可能なプローブ保持機構と、
を備えることを特徴とする形状測定センサ。
【請求項２】
前記プローブ保持機構は、前記プローブに設けられた係止部が係止される被係止部を有し、前記軸方向と平行に移動することにより前記第一の状態と前記第二の状態とを切り替えることを特徴とする請求項１に記載の形状測定センサ。
【請求項３】
前記軸受部と前記プローブとの間には流体が供給されており、
前記プローブ保持機構は、前記流体の供給を制御することにより前記第一の状態と前記第二の状態とを切り替えることを特徴とする請求項１に記載の形状測定センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接触式表面形状測定に用いる形状測定センサ、より詳しくは、より短時間で表面形状測定を行うことができる形状測定センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、レンズや金型等の光学関連素子の表面形状測定を行う装置として、プローブ（触針子）を光学関連素子等の被検物の面上に接触させて追従させる接触走査式の測定方法を採用した接触式形状測定センサ（以下、単に「形状測定センサ」と称することがある。）が用いられている。
【０００３】
特許文献１には、プローブを水平方向に対して傾斜させることにより被検物と所定の接触力で接触させる、いわゆる自重傾斜式の形状測定センサが記載されている。
この形状測定センサでは、被検物表面上の各点における接触力が一定となり、かつ極めて微小な接触力で表面形状の測定が行えるという優れた利点がある。
【０００４】
特許文献１に記載の形状測定センサでは、プローブを支持する案内手段として、リニアガイドやエアスライダ等の、プローブとの間に発生する摩擦が極めて小さい手段を用いると、高精度の測定を行うことができ、好ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３９２６７９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の形状測定センサでは、プローブを傾斜させると、プローブが移動可能範囲の限界まで前進し、移動可能範囲の中間位置でプローブを止めることはできない。このため、通常特許文献１の形状測定センサの使用時は、まずプローブを限界まで前進させてから、被検物を毎分数ミリメートル程度の超低速で移動させてプローブに接触させることにより、被検物の表面がプローブによって傷められることを防止している。その後、当該被検物の測定に必要なストローク量だけ被検物でプローブを押して超低速で後退させてから測定を開始するため、前準備を含めた総測定時間が長くなりがちであるという課題が残されている。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、被検物を傷めることなくより短時間で表面形状測定を行うことができる形状測定センサ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】
【０００８】
本発明は、被検物の表面形状を測定するための形状測定センサであって、自身の軸方向に摺動可能に支持され、前記軸方向に自重により摺動することにより前記被検物の表面形状に追従するプローブと、前記プローブを前記軸方向に摺動可能に支持する軸受部と、  前記プローブを、その摺動範囲内における中間部の所望の位置に位置決めして保持する第一の状態と、前記プローブの自重による摺動に干渉しない第二の状態とに切り替え可能なプローブ保持機構とを備えることを特徴とする。
【０００９】
前記プローブ保持機構は、前記プローブに設けられた係止部が係止される被係止部を有し、前記軸方向と平行に移動することにより前記第一の状態と前記第二の状態とを切り替えてもよい。
また、前記軸受部と前記プローブとの間に流体が供給され、前記プローブ保持機構は前記流体の供給を制御することにより前記第一の状態と前記第二の状態とを切り替えてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の形状測定センサによれば、被検物を傷めることなくより短時間で表面形状測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態の形状測定センサの概略構成を示す図である。
【図２】同形状測定センサの触針子部およびストッパ部を一部断面で示す図である。
【図３】同形状測定センサの使用時の動作を示す図である。
【図４】同形状測定センサの使用時の動作を示す図である。
【図５】同形状測定センサの使用時の動作を示す図である。
【図６】同形状測定センサの使用時の動作を示す図である。
【図７】同形状測定センサの使用時の動作を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の一実施形態について、図１から図７を参照して説明する。なお、特に説明のない限り、「前方」および「後方」とは、それぞれ図１に示すｚ軸の負方向及び正方向を指すものとする。
【００１３】
図１は、本実施形態の形状測定センサ１を示す図である。形状測定センサ１は、被検物の表面形状を測定するものであり、プローブ１１が取り付けられた触針子部１０と、被検物１００が支持される被検物保持部２０と、触針子部１０を移動させるためのｙ軸駆動機構３０と、被検物保持部２０を移動させるためのｘ軸ｚ軸駆動機構４０と、形状測定センサ１全体の動作制御及び取得された表面形状データの処理を行うパソコン５０と、プローブ１１を位置決めするストッパ部（プローブ保持機構）６０とを備えている。
【００１４】
触針子部１０は、自身の軸方法に摺動することにより被検物１００の表面形状に追従するプローブ１１と、プローブ１１が自身の軸方向に摺動可能に挿通された静圧軸受（軸受部）１２と、プローブ１１の水平方向に対する傾斜角を調整する傾斜角調整部１３とを備えている。
プローブ１１は、被検物１００に接触追従する先端部１１Ａと、先端側に先端部１１Ａが取り付けられた略円柱状の軸部１１Ｂとを有する公知の構成のものを適宜選択して採用可能である。図１では、プローブの一例として、先端部１１Ａが尖ったダイヤモンドスタイラスが示されている。プローブ１１は、静圧軸受１２内を滑らかに摺動可能となるように静圧軸受１２に挿通されている。静圧軸受１２は、挿通されたプローブ１１の先端部１１Ａが被検物１００の配置された前方に向くようにベース平板１４上に固定される。軸部１１Ｂの後方側には、プローブ１１の変位量を検出するための変位計１５が取り付けられている。
【００１５】
図２は、触針子部１０およびストッパ部６０の構造を示す図であり、プローブ１１を形状測定センサ１の上方（図１に示すｙ軸正側）から見た状態かつ一部断面で示している。静圧軸受１２は、外形が略直方体状であり、径方向の断面が円形の貫通孔１２Ａを有する。プローブ１１の軸部１１Ｂは、貫通孔１２Ａに挿通されている。貫通孔１２Ａの内面と、軸部１１Ｂの外周面との間には、貫通孔１２Ａの径方向両側において、数マイクロメートル（μｍ）程度のクリアランスが確保されている。
【００１６】
また、静圧軸受１２には、エア供給ライン１２Ｂが接続されており、図示しない供給源から空気等の気体（流体）が供給される。供給された気体は、静圧軸受１２内に形成された図示しない管路を通って貫通孔１２Ａの内面に形成された図示しない多数の送気穴から貫通孔１２Ａと軸部１１Ｂとの間の空間に気流として供給される。この気流により、プローブ１１と静圧軸受１２との間に生じる摩擦力が低減され、プローブ１１が静圧軸受１２の貫通孔１２Ａ内を滑らかに摺動可能に支持される。
【００１７】
傾斜角調整部１３は、図１に示すように、前方の支点１３Ａと、ｙ軸方向に伸縮可能な伸縮部１３Ｂとを備えており、プローブ１１の傾斜角を変化させてプローブ１１を前方に摺動させる。伸縮部１３Ｂとしては、例えば圧電アクチュエータや、ねじと角度調整部材とからなる機構等を採用することができる。
【００１８】
被検物保持部２０は、基台２上に取り付けられたベース２１と、ベース２１に取り付けられた揺動部２２とを備えている。被検物１００は、揺動部２２に固定されてプローブ１１に対向配置される。揺動部２２は、ベース２１に対して揺動可能であり、揺動部２２とベース２１との位置関係を変化させることによって、揺動部２２に取り付けられた被検物１００とプローブ１１とがなす角度を変化させることができる。
なお、本実施形態では、測定される表面が球面状の被検物を示しているが、測定される表面の形状には特に制限はない。
【００１９】
ｙ軸駆動機構３０は、触針子部１０と基台２との間に設けられており、ｙ軸方向に移動することによって、傾斜角調整部１３が設定したプローブ１１の傾斜角を保持したまま、触針子部１０およびストッパ部６０を上下に移動させることができる。ｙ軸駆動機構３０の後方には、ｙ軸駆動機構の移動量を検出するための変位計３１が設けられている。
【００２０】
ｘ軸ｚ軸駆動機構４０は、被検物保持部２０のベース２１と基台２との間に設けられており、ｘ軸方向およびｚ軸方向に移動することによって、被検物保持部２０全体をｘ軸方向およびｚ軸方向に移動させることができる。ｘ軸ｚ軸駆動機構４０の前方には、被検物保持部２０のｘ軸方向の変位を検出する変位計４１が設けられる。
ｙ軸駆動機構３０およびｘ軸ｚ軸駆動機構４０により、プローブ１１と被検物保持部２０に保持された被検物１００とは、ｘ軸方向、ｙ軸方向、およびｚ軸方向に相対移動することができる。
【００２１】
パソコン５０は、使用者の入力や指示等を受け付ける入力部５１と、各種情報を表示する表示部５２とを備えている。パソコン５０は、傾斜角調整部１３、揺動部２２、ｙ軸駆動機構３０、ｘ軸ｚ軸駆動機構４０、およびストッパ部６０に接続されており、これらの各機構の動作を制御可能である。また、パソコン５０は、各変位計１５、３１、および４１とも接続されており、これらの検出値を受信して被検物１００の複数の部分表面形状データに再構成するとともに、各部分表面形状データをつなぎ合わせて被検物１００全体の表面形状データを取得する処理を行う。
さらに、図示を省略するが、パソコン５０はエア供給ライン１２Ｂとも接続されており、静圧軸受１２への気体供給はパソコン５０によって制御される。
【００２２】
ストッパ部６０は、図１および図２に示すように、ベース平板１４上に設けられており、プローブ１１が係止される被係止部６１と、被係止部６１をプローブ１１の軸方向と平行に移動させるためのレール６２とを有する。
被係止部６１は、ベース平板１４上に突出しており、図示しないモータ等の移動機構によりレール６２上を移動し、所望の位置に停止させることができる。レール６２は、ベース平板１４上において静圧軸受１２の長手方向（貫通孔１２Ａの軸線方向）と平行に延びており、静圧軸受１２に挿通されたプローブ１１の軸方向と略平行である。被係止部６１は、静圧軸受１２の後端よりも後方にあるときは、プローブ１１の軸部１１Ｂに取り付けられた係止部１６が係止されることにより、プローブ１１を、摺動範囲において前端と後端を除く中間部の所望の位置に位置決めすることができる（第一の状態）。一方、被係止部６１が静圧軸受１２の後端よりも前方にあるときは、被係止部６１と係止部１６とが干渉せず、被係止部６１はプローブ１１の摺動に干渉しない（第二の状態）。
【００２３】
上記の構成を備えた形状測定センサ１の使用時の動作について、以下に説明する。
まず使用者は、被検物１００を、形状測定を行う面が触針子部１０に対向するように、被検物保持部２０の揺動部２２に支持固定する。
【００２４】
次に、使用者は、被検物１００の厚み等の各部寸法や、形状測定を行う面の大まかな形状等に基づき、被検物１００の形状測定に必要なプローブ１１のストロークを決定し、入力部５１を介してパソコン５０に入力する。
【００２５】
パソコン５０は、入力されたストロークの量が確保されるようにストッパ部６０の被係止部６１を停止させる所定位置を決定し、移動機構を駆動して被係止部６１をレール６２に沿って移動させる。被係止部６１は、図３に示すように、プローブ１１の軸方向と略平行に移動して所定位置に停止する。図３における破線Ｌ１は、当該ストローク量を確保するためにプローブ１１の先端を移動させる位置を示している。
【００２６】
次に、使用者は静圧軸受１２へ気体を供給しつつ、入力部５１を介して傾斜角調整部１３を操作して、ベース平板１４の後部を上方に移動させる。すると、ベース平板１４は支点１３Ａを支点として傾斜し、静圧軸受１２で保持されたプローブ１１は、自身の重力によって、静圧軸受１２内を滑らかに摺動する。摺動によってプローブ１１は被検物１００に向かって前進し、図４に示すように、係止部１６が被係止部６１に係止されることで、プローブ１１の先端が破線Ｌ１の位置に移動した状態で位置決めされて停止する。
入力されたストロークの量を確保するためには、例えば、予めプローブ１１を摺動可能範囲の後端に位置させる、すなわち限界まで後退させてから、当該ストローク量だけ前進させればよく、安全を見込んで当該ストローク量に所定量を加算した長さだけ前進させるとより好ましい。
【００２７】
プローブ１１が位置決めされて停止された後、使用者はパソコン５０を介してｘ軸ｚ軸駆動機構４０を動作させ、図５に示すように、被検物保持部２０に保持された被検物１００をプローブ１１に向かって接近するように移動させる。このとき、プローブ１１は停止しており、前進する恐れもないため、被検物１００を上述の超低速で移動させる必要はない。使用者は、被検物１００を、プローブ１１の先端部１１Ａのごく近くであって、先端部１１Ａに接触しない位置までより高速（例えば、毎秒数ｍｍ程度）で移動させる。
【００２８】
被検物１００が先端部１１Ａのごく近くまで移動したところで、使用者は被検物１００の移動速度を落とし、図６に示すように、プローブ１１の先端と接触しても被検物１００の表面を傷めない程度の超低速でプローブ１１に接近させ、先端部１１Ａと被検物１００の表面とを接触させる。
【００２９】
プローブ１１と被検物１００の表面とが接触したら、使用者は、図７に示すように、被係止部６１を静圧軸受１２の後端よりも前方に移動させ、プローブ１１の摺動に干渉しない位置に退避させてストッパ部６０を第二の状態に切り替える。
被係止部６１の退避後、使用者は、パソコン５０によってｘ軸ｚ軸駆動機構４０とｙ軸駆動機構３０とを駆動し、被検物１００とプローブ１１とを相対移動させることにより、被検物１００の表面をプローブ１１によって走査させる。プローブ１１の走査方向はｘ軸に平行な方向であり、ｙ軸駆動機構３０により先端部１１Ａの高さを変化させながら被検物１００の表面全体が走査される。各変位計１５、３１及び４１の検出値はパソコン５０に入力され、被検物１００の表面形状が順次測定、記録される。
【００３０】
本実施形態の形状測定センサ１によれば、ストッパ部６０を備えているため、プローブ１１を傾斜させた状態で、摺動範囲の中間部における所望の位置で位置決めして保持することができる。
従来の自重傾斜式形状測定センサでは、摺動するプローブには自重により発生する重力以外にほとんど外力が作用しないため、摺動範囲の中間において停止させることはできなかった。このため、被検物を接近させた状態でプローブを傾斜させると、摺動したプローブの先端により被検物の表面が傷められる恐れがあり、これを確実に防ぐには、上述のようにプローブを摺動範囲の前端まで前進させ、それ以上前進しない状態にしてから被検物を接近させる必要があった。
これに対し、形状測定センサ１では、ストローク量を確保できる最低限の量だけプローブ１１を前進させた状態でストッパ部６０によりプローブ１１を位置決めすれば、それ以上プローブ１１は前進しない。したがって、被検物保持部２０に保持された被検物１００をより高速でプローブ１１の近傍まで移動させても、被検物１００の表面を傷める恐れがなく、被検物１００を超低速で移動させる距離は、プローブ１１の近傍からプローブ１１と接触するまでのごく短距離とすることができる。その結果、測定の前準備を含めた被検物１００の形状測定に要する総時間を著しく短縮させて効率よく測定を行うことができる。
【００３１】
また、従来の自重傾斜式形状測定センサでは、確保しようとするストローク量が多くなるほど被検物を超低速で移動させる距離が長くなり、測定の前準備に要する時間が長くなるが、形状測定センサ１では、高速でプローブ先端の近傍まで被検物を移動させることができるため、確保しようとするストローク量が変化しても、被検物を超低速で移動させる距離は基本的に変化しない。したがって、確保しようとするストローク量に関係なく、常に効率よく測定を行うことができる。また、形状測定センサ１が発揮する測定時間短縮効果は、確保しようとするストローク量が大きくなるほど顕著になる。
【００３２】
また、ストッパ部６０の被係止部６１は、プローブ１１の摺動方向前方においてプローブ１１に取り付けられた係止部１６と当接することによりプローブ１１を位置決めするため、位置決め時にプローブ１１に対してその摺動方向と交差する方向に力を加えない。したがって、プローブ１１の摺動に与える影響はほとんどなく、高精度に形状測定を行うことができる。
【００３３】
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明の技術範囲は上記実施形態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。
例えば、本発明の形状測定センサにおけるプローブ保持機構は、上記のストッパ部６０のような構成のものには限られない。一例として、静圧軸受１２へのエア供給経路に電磁弁を設け、エア供給を停止するあるいは摺動が停止する程度にエア供給量を減少させるよう制御することにより、プローブ１１が滑らかに摺動する第二の状態から、第一の状態に当該電磁弁を切り替えて、プローブ１１の位置決めを行ってもよい。
【００３４】
また、被検物保持部に被検物を取り付けてからプローブと被検物とを接触させるまでの一連の動作を、予め作成したプログラムをパソコンに実行させる等により、形状測定センサに自動で行わせてもよい。
【００３５】
さらに、本発明の形状測定センサの構成は、実施形態のような自重傾斜式以外の形状測定センサにも適用可能である。したがって、例えばプローブを垂直方向に進退させるような形状測定センサであっても、ストッパ部を設けることにより、同様に測定に要する総時間を短縮することができる。
【符号の説明】
【００３６】
１  形状測定センサ
１１  プローブ
１２  静圧軸受（軸受部）
１６  係止部
６０  ストッパ部（プローブ保持機構）
６１  被係止部
１００  被検物
【図１】
0005663274.tif 000002
【図２】
0005663274.tif 000003
【図３】
0005663274.tif 000004
【図４】
0005663274.tif 000005
【図５】
0005663274.tif 000006
【図６】
0005663274.tif 000007
【図７】
0005663274.tif 000008