(57)【要約】【課題】スタイラスに測定時に加わるＸ軸方向分力及びＹ軸方向分力を小さくして高精度で測定するとともに、スタイラスの傾きを小さくし被測定物の測定可能な傾斜角度を大きくすることを目的とする。【解決手段】プローブ５が下り方向に移動していることを認識した場合の測定値を選択し、出力したこの測定値から被測定物２の表面形状を測定することにより、高精度な測定を行い、被測定物の測定可能な傾斜角度を大きくすることが可能となる。【選択図】図１０
2005156235.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に傾斜面を有し、水平面に固定された被測定物の表面にプローブを接触させながら、前記プローブを鉛直方向を含む３次元方向に移動させるとともに、前記プローブ位置を測定することにより前記被測定物の形状を測定する形状測定方法であって、前記プローブ位置の測定値の中から、鉛直方向の移動が下り方向を示す測定値を選択することにより前記被測定物の表面形状を測定する形状測定方法。
【請求項２】
表面に傾斜面を有し、水平面に固定された被測定物の表面にプローブを接触させながら、前記プローブを鉛直方向を含む３次元方向に移動させるとともに、前記プローブ位置を測定することにより前記被測定物の形状を測定する形状測定方法であって、前記被測定物の表面形状に関する情報を入力し、前記入力情報より前記被測定物の表面が下り傾斜面となる方向を判定し、この下り傾斜面となる方向に前記プローブを走査することにより前記被測定物の表面形状を測定する形状測定方法。
【請求項３】
表面に傾斜面を有し、水平面に固定された被測定物の表面にプローブを接触させながら、前記プローブを鉛直方向を含む３次元方向に移動させるとともに、前記プローブ位置を測定することにより前記被測定物の形状を測定する形状測定方法であって、前記プローブを前記被測定物の中心部から外周部へ走査して測定する測定手順Ａと、前記プローブを前記被測定物の外周部から中心部へ走査して測定する測定手順Ｂとを記憶部に記憶し、前記被測定物の形状に基づき、記憶された前記測定手順Ａ或いは測定手順Ｂを選択することにより前記被測定物の表面形状を測定する形状測定方法。
【請求項４】
水平線に対する傾斜角がα１、α２の二つの傾斜面から構成される先尖状突起部を表面に有し、水平面に固定された被測定物の表面にプローブを接触させながら、前記プローブを鉛直方向を含む３次元方向に移動させるとともに、前記プローブ位置を測定することにより前記被測定物の形状を測定する形状測定方法であって、前記プローブを前記傾斜角α１、α２のうちの小さい傾斜角を有する傾斜面を上り、大きい傾斜角を有する傾斜面を下る方向に走査させることにより前記被測定物の表面形状を測定する形状測定方法。
【請求項５】
水平面に固定された表面形状に水平線に対する傾斜角がθ１、θ２の二つの傾斜面から構成される略Ｖ字形状の溝部を有する被測定物の表面にプローブを接触させながら、前記プローブを鉛直方向を含む３次元方向に移動させるとともに、前記プローブ位置を測定することにより前記被測定物の形状を測定する形状測定方法であって、前記プローブを前記傾斜角θ１、θ２のうちの小さい傾斜角を有する傾斜面を上り、大きい傾斜角を有する傾斜面を下る方向に走査させることにより前記被測定物の表面形状を測定する形状測定方法。
【請求項６】
被測定状態におけるプローブの移動は、前記プローブと前記被測定物とを非接触の状態で行う請求項２または３または４または５記載の形状測定方法。
【請求項７】
傾斜面を有する被測定物の表面に接触し走査するプローブと、前記プローブを鉛直方向を含む３次元方向に移動させる移動体と、前記プローブ位置を測定する測定手段と、前記プローブの鉛直方向の位置が下り方向に移動していることを判定する判定手段とを備え、前記判定手段で下り方向であると判定した前記プローブ位置の測定値を選択して出力する構成とした形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定面の位置情報を接触式のプローブで得ることにより、その形状を測定する形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
非球面レンズや歯車などの形状測定において、サブミクロン（ナノメートル）程度の高精度で測定する超高精度三次元測定機について、後述の文献で開示している。
その超高精度三次元測定機の構成例を図１を参照して説明する。図１において、石定盤１上の水平面に固定されたレンズ等の被測定物２の被測定面２ａに、移動体３に取付けられた原子間力プローブ５の先端を接触し追従させて、被測定面２ａの表面形状を測定するように構成されている。
【０００３】
詳細には、被測定物２が搭載されている石定盤１に、１軸が鉛直（Ｚ軸）方向で、それに直交する二次元座標軸（Ｘ・Ｙ軸）からなる三次元方向に、支持部を介してＸ参照ミラー６、Ｙ参照ミラー７、Ｚ参照ミラー８が配置されている。また、原子間力プローブ５が設けられた移動体３は、石定盤１上にＸステージ９及びＹステージ１０を介して配設されており、被測定物２の被測定面２ａの表面形状に追従してＸ軸方向、Ｙ軸方向に移動体３と原子間力プローブ５を走査できる構成となっている。
【０００４】
移動体３には、レーザ測長光学系４が設けられており、既知の光干渉法によりＸ参照ミラー６を基準とした原子間力プローブ５のＸ座標、Ｙ参照ミラー７を基準とした原子間力プローブ５のＹ座標、Ｚ参照ミラー８を基準とした原子間力プローブ５のＺ座標をそれぞれ測長できる構成となっている。
【０００５】
次に、上記原子間力プローブ５とこの原子間力プローブ５をオートフォーカス制御する構成例を、図２を参照して説明する。
【０００６】
原子間力プローブ５は、ガイド部１５にてエア軸受３１を介してＺ座標方向に移動可能に支持されたスライド部１１と、このスライド部１１の−Ｚ方向端部に付けられたスタイラス１２と、このスライド部１１のＺ座標を測定する位置測定手段を備えている。この位置測定手段は、スライド部１１の他端をミラー面１３とし、このミラー面１３にレーザ光Ｆｚを照射し、反射光からミラー面１３の位置を測定するように構成されている。
【０００７】
スライド部１１とスタイラス１２及びミラー面１３から成る可動部の重量は、Ｚ方向の移動を弾性的に規制する弾性材、具体的には板ばね１４によって支えられ、スライド部１１とスタイラス１２は板ばね１４に吊るされた状態で被測定面２ａに追従して上下する。また、スライド部１１はエア軸受３１によりＸＹ方向には動きにくく、Ｚ方向には自由に動く構成となっている。
【０００８】
さらに、スライド部１１とガイド部１５の相対位置を測定する相対位置測定手段２７と、相対位置測定手段２７から得られたスライド部１１とガイド部１５の相対位置がほぼ一定になるように、ガイド部１５をＺ方向に駆動するオートフォーカス制御手段が設けられている。このオートフォーカス制御手段にてスライド部１１のガイド部１５に対するＺ方向の相対位置が所定位置に規制されることで、被測定面２ａに対して常に一定の測定押圧で測定が行われる。
【０００９】
上記相対位置測定手段及びオートフォーカス制御手段は、ガイド部１５が連結されかつＺ方向に移動可能なプローブ本体１６に配設されている。その構成を説明すると、半導体レーザ１７から発したレーザ光Ｇが、コリメートレンズ１８、偏光ビームスプリッタ１９、λ／４波長板２０を通過した後、ダイクロックミラー２１で反射し、対物レンズ２２によってスライド部１１のミラー面１３上に集光する。
【００１０】
対物レンズ２２に戻ったレーザ光Ｇの反射光は、ダイクロックミラー２１及び偏光ビームスプリッタ１９で全反射し、レンズ２３で集光されるとともにハーフミラー２４で２つに分離され、それぞれピンホール２５ａ、２５ｂを通過して２つの光検出器２６ａ、２６ｂで受光される。
【００１１】
２つの光検出器２６ａ、２６ｂによる検出出力は誤差信号発生部２７に入力されている。誤差信号発生部２７からはフォーカス誤差信号がサーボ回路２８に出力され、サーボ回路２８にてリニアモータ２９が駆動制御され、プローブ本体１６の位置が所定の測定力が得られる位置にフォーカシングされる。なお、プローブ本体１６を含むＺ移動部の自重分はばね３０により支持されている。
【００１２】
次に、原子間力プローブ５に付けられたスタイラス１２が、測定時に受ける力を説明する。以下、説明を簡単にするため、被測定物２は球とし、図３に示すように、被測定面２ａ上の任意点の傾きΦは、その被測定面２ａの任意点における法線とＺ軸がなす鋭角とする。また、今はＸ−Ｚ面の二次元面で働く力を考える。Ｙ−Ｚ面にも同様な力が働くと考えられる。
【００１３】
図４は、被測定物２からスタイラス１２が受ける抗力を説明する図である。測定時には、スタイラス１２は、−Ｚ方向に一定の力Ｆで被測定面２ａに対して測定押圧を負荷する。そして、スタイラス１２は被測定面２ａからその面に対して法線方向に抗力ＦｃｏｓΦを受ける。よって、被測定面２ａの傾きが大きくなるほど（傾きΦが大きくなるほど）スタイラス１２に働く抗力は小さくなる。
【００１４】
図５（ａ）は、測定方向上り時の被測定物２とスタイラス１２との間に働く摩擦力を説明する図であり、図５（ｂ）は、測定方向下り時の被測定物２とスタイラス１２との間に働く摩擦力を説明する図である。スタイラス１２は、常に、被測定面２ａからその面に対して接線方向に摩擦力μＦｃｏｓΦを受ける。ここで、μはスタイラス１２の先端部に対する被測定面２ａの動摩擦係数を表す。よって、被測定面２ａの傾きが大きくなるほど（傾きΦが大きくなるほど）、被測定面２ａとスタイラス１２との間に働く摩擦力は小さくなる。また、この摩擦力は、常に測定方向に逆向きにスタイラス１２に働く。
【００１５】
図６（ａ）は、測定方向上りで被測定面２ａを測定するときに、スタイラス１２が受けるトータルの力を説明する図であり、図６（ｂ）は、測定方向下りで被測定面２ａを測定するときに、スタイラス１２が受けるトータルの力を説明する図である。スタイラス１２は、被測定面２ａの法線方向＋Ｚφの方向に、抗力ＦｃｏｓΦ、被測定面２ａの接線方向Ｘφに、被測定面２ａとの間に働く摩擦力μＦｃｏｓΦを受ける。また、この摩擦力は常に測定方向と逆方向にスタイラス１２に働く。
【００１６】
図７（ａ）は、測定方向上り時にスタイラス１２に働く力の、Ｘ軸方向の分力を考えた図であり、図７（ｂ）は、測定方向下り時にスタイラス１２に働く力の、Ｘ軸方向の分力を考えた図である。
【００１７】
被測定面２ａを上りながら測定する時、スタイラス１２には被測定面２ａから抗力のＸ軸方向分力ＦｃｏｓΦ・ｓｉｎΦと、摩擦力のＸ軸方向分力μＦｃｏｓΦ・ｃｏｓΦがそれぞれ同じ方向に働く。従って合成分力Ａは、
Ａ＝ＦｃｏｓΦ・ｓｉｎΦ＋μＦｃｏｓΦ・ｃｏｓΦ
被測定面２ａを下りながら測定する時、スタイラス１２には被測定面２ａから抗力のＸ軸方向分力ＦｃｏｓΦ・ｓｉｎΦと、摩擦力のＸ軸方向分力がそれぞれ反対の方向に働く。従って、被測定面２ａを下りながら測定する時の合成分力Ｂは
Ｂ＝ＦｃｏｓΦ・ｓｉｎΦ−μＦｃｏｓΦ・ｃｏｓΦ
となり、その差は、
Ａ−Ｂ＝２μＦｃｏｓΦ・ｃｏｓΦ
となる。
【００１８】
これらのことから、スタイラス１２の先端部に対する被測定面２ａの動摩擦係数μが大きいほど、被測定面２ａを上りながら測定する時の合成分力Ａが大きくなり、被測定面２ａを下りながら測定する時の合成分力Ｂは小さくなる。
【００１９】
図８はスタイラス１２が動き始めてからオートフォーカス制御手段が作動し、被測定面２ａに対して正規の測定押圧Ｆに一致させようとする測定押圧Ｆの時間的経過を説明している。図８（ａ）に示す上り方向の測定時には、スタイラス１２に加わる力として測定押圧以外にスタイラス１２を押し上げる力が必要である。スタイラス１２が押し上げられると、誤差信号発生部２７で検知してサーボ回路２８に信号を送り、リニアモータ２９で正規の測定押圧になるようにスタイラス１２を移動させる。従って、測定方向上り時には正規の測定押圧Ｆよりも大きいところで前記の動作が繰り返され、波状に測定押圧Ｆが移り変わって行く。
【００２０】
図８（ｂ）に示す被測定面２ａを下りながら測定する場合には、スタイラス１２が下がるので正規の測定押圧Ｆよりも小さくなり、これを誤差信号発生部２７で検知してサーボ回路２８に信号を送り、リニアモータ２９で正規の測定押圧になるようにスタイラス１２を移動させる。従って、常に正規の測定押圧Ｆよりも小さい所で前記の動作が繰り返され、波状に測定押圧Ｆが移り変わって行く。これらの点を考慮すると、被測定面２ａを上りながら測定する時の合成分力Ａが更に大きくなり、被測定面２ａを下りながら測定する時の合成分力Ｂは更に小さくなる。
【００２１】
図９はスライド部１１とスタイラス１２及びミラー面１３から成る可動部とエア軸受３１の詳細図である。エア軸受３１は円筒状でありガイド部１５に固定されている。エア軸受３１には軸方向に貫通する断面円形の挿通孔３２が設けられている。この挿通孔３２にスライド部１１が挿通されている。挿通孔３２の孔壁とスライド部１１の周面との間には隙間３３が形成されている。エア軸受３１には、孔壁で開口する複数の送風口３４及び複数の排気口３５が形成されている。空気供給源３６から送風口３４を介して所定圧力の空気が隙間３３に供給されると共に、排気口３５を介して隙間３３から空気が排出される。この空気流によりスライド部１１を隙間３３に支持してエア軸受として機能している。送風口３４は上下ともに４方向に開けられているので、４方向からの空気流によりスライド部１１を隙間３３の中心部に支持している。
【００２２】
スタイラス１２ａは、スタイラス１２に対して抗力及び摩擦力が働いていない理想的な状態を表す。１２ｂは、抗力及び摩擦力のＸ軸方向分力Ｆｘが働く時の図で、エア軸受３１の空気流によりスライド部１１を隙間３３の中心部に支持しょうとする力に抗してスライド部１１がΔθだけ傾くが、この時の被測定面２ａの測定点Ａ（ＸＡ 、ＺＡ ）を通過するときのスタイラス１２の傾きを模式的に示す。スタイラス１２ａと被測定面２ａとの接点Ａ（ＸＡ、ＺＡ）と、スタイラス１２ｂと被測定面２ａとの接点Ｂ（ＸＢ、ＺＢ）とのＸ軸方向の差をΔＸとするとＺ軸方向の差ΔＺが測定誤差として表れる。
【００２３】
また、この傾きΔθは測定できる傾斜角度に影響する。オートフォーカス制御は被測定面２ａに対して常に一定の測定押圧にしようとするものである。従って、被測定物の傾斜角が９０°では測定押圧が得られず、オートフォーカス制御することが出来ない。また傾斜角が９０°に近づくと、オートフォーカス制御しにくくなることも明らかである。この事から、スタイラス１２の傾きΔθが大きければ大きいほど早く被測定物の傾斜角が９０°に近い状態に近づき、オートフォーカス制御が不安定となる範囲が広くなる。
【特許文献１】特開平４−２９９２０６号公報
【特許文献２】特開平６−２６５３４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
本発明は、傾斜面を有する被測定面の位置情報を接触式のプローブで得る形状測定装置において、プローブの先端部に装着したスタイラスに、測定時に加わるＸ軸方向及びＹ軸方向分力を小さくして高精度で測定できるようにするとともに、スタイラスの傾きを小さくし傾斜角度が急峻な測定物においても測定可能とすることを主な課題としている。また、プローブに無理な力がかかり破損することが無いようにすることも課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
上記課題を解決するために、本発明の第１の発明の形状測定方法は、表面に傾斜面を有し、水平面に固定された被測定物の表面にプローブを接触させながら、前記プローブを鉛直方向を含む３次元方向に移動させるとともに、前記プローブ位置を測定することにより前記被測定物の形状を測定する形状測定方法であって、前記プローブ位置の測定値の中から、鉛直方向の移動が下り方向を示す測定値を選択することにより前記被測定物の表面形状を測定するものである。
【００２６】
本発明の第２の発明の形状測定方法は、表面に傾斜面を有し、水平面に固定された被測定物の表面にプローブを接触させながら、前記プローブを鉛直方向を含む３次元方向に移動させるとともに、前記プローブ位置を測定することにより前記被測定物の形状を測定する形状測定方法であって、前記被測定物の表面形状に関する情報を入力し、前記入力情報より前記被測定物の表面が下り傾斜面となる方向を判定し、この下り傾斜面となる方向に前記プローブを走査することにより前記被測定物の表面形状を測定するものである。
【００２７】
本発明の第３の発明の形状測定方法は、表面に傾斜面を有し、水平面に固定された被測定物の表面にプローブを接触させながら、前記プローブを鉛直方向を含む３次元方向に移動させるとともに、前記プローブ位置を測定することにより前記被測定物の形状を測定する形状測定方法であって、前記プローブを前記被測定物の中心部から外周部へ走査して測定する測定手順Ａと、前記プローブを前記被測定物の外周部から中心部へ走査して測定する測定手順Ｂとを記憶部に記憶し、前記被測定物の形状に基づき、記憶された前記測定手順Ａ或いは測定手順Ｂを選択することにより前記被測定物の表面形状を測定するものである。
【００２８】
本発明の第４の発明の形状測定方法は、水平線に対する傾斜角がα１、α２の二つの傾斜面から構成される先尖状突起部を表面に有し、水平面に固定された被測定物の表面にプローブを接触させながら、前記プローブを鉛直方向を含む３次元方向に移動させるとともに、前記プローブ位置を測定することにより前記被測定物の形状を測定する形状測定方法であって、前記プローブを前記傾斜角α１、α２のうちの小さい傾斜角を有する傾斜面を上り、大きい傾斜角を有する傾斜面を下る方向に走査させることにより前記被測定物の表面形状を測定するものである。
【００２９】
本発明の第５の発明の形状測定方法は、水平面に固定された表面形状に水平線に対する傾斜角がθ１、θ２の二つの傾斜面から構成される略Ｖ字形状の溝部を有する被測定物の表面にプローブを接触させながら、前記プローブを鉛直方向を含む３次元方向に移動させるとともに、前記プローブ位置を測定することにより前記被測定物の形状を測定する形状測定方法であって、前記プローブを前記傾斜角θ１、θ２のうちの小さい傾斜角を有する傾斜面を上り、大きい傾斜角を有する傾斜面を下る方向に走査させることにより前記被測定物の表面形状を測定するものである。
【００３０】
本発明の第６の発明の形状測定方法は、上記本発明の第２、又は第３、又は第４、又は第５の発明の構成において、被測定状態におけるプローブの移動を、前記プローブと前記被測定物とを非接触の状態で行うものである。
【００３１】
本発明の第７の発明の形状測定装置は、傾斜面を有する被測定物の表面に接触し走査するプローブと、前記プローブを鉛直方向を含む３次元方向に移動させる移動体と、前記プローブ位置を測定する測定手段と、前記プローブの鉛直方向の位置が下り方向に移動していることを判定する判定手段とを備え、前記判定手段で下り方向であると判定した前記プローブ位置の測定値を選択して出力する構成としたものである。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の第１の発明によれば、プローブの鉛直方向の位置が下り方向に移動していることを判定し、下り方向であると判定した場合の測定値を選択し出力することにより被測定物の表面形状を測定しているので、測定精度が良くなるとともに、急角度の傾斜面まで測定することができる。
【００３３】
本発明の第２の発明によれば、被測定物に関する情報を入力し、この入力により被測定物の下り傾斜面を判定し、下り傾斜面と判定した方向にプローブを走査することにより前記被測定物の表面形状を測定しているので、プローブに無理な力がかからず測定精度が良くなるとともに、急角度の傾斜面まで測定することができる。
【００３４】
本発明の第３の発明によれば、測定を制御する記憶部に、前記プローブを前記被測定物の中心部から外周部へ走査し、測定する測定手順Ａと、前記プローブを前記被測定物の外周部から中心部へ走査し、測定する測定手順Ｂとを記憶し、被測定物の形状により前記測定手順Ａ或は測定手順Ｂを選択することにより被測定物の表面形状を測定するので、凸レンズとか凹レンズの様な単純な形状のものでは、前記測定手順Ａ或は測定手順Ｂを選択するだけで、傾斜面での測定は下り方向に走査できるので、プローブに無理な力がかからず測定精度が良くなるとともに、急角度の傾斜面まで測定することができる。
【００３５】
本発明の第４の発明によれば、例えばフレネルレンズの様に、傾斜角がα１、α２の二つの傾斜面から構成される先尖状突起部を有する被測定物の場合に、前記プローブを前記傾斜角α１、α２のうちの小さい傾斜角を有する傾斜面を上り、大きい傾斜角を有する傾斜面を下る方向に走査させる方法としているので、プローブに無理な力がかからないため破損することが無く、かつ測定精度が良くなるとともに急角度の傾斜面まで測定することができる。
【００３６】
本発明の第５の発明によれば、例えば歯車の溝部の様に、傾斜角がθ１、θ２の二つの傾斜面から構成される略Ｖ字形状の溝部を有する被測定物の場合に、前記プローブを前記傾斜角θ１、θ２のうちの小さい傾斜角を有する傾斜面を上り、大きい傾斜角を有する傾斜面を下る方向に走査させることにより前記被測定物の表面形状を測定する方法としているので、プローブに無理な力がかからず測定精度が良くなるとともに、急角度の傾斜面まで測定することができる。
【００３７】
本発明の第６の発明によれば、上記本発明の第２、又は第３、又は第４、又は第５の発明の構成において、被測定状態におけるプローブの移動を、前記プローブと前記被測定物とを非接触の状態で行うため、プローブに無理な力がかからず、破損することが無くなる。
【００３８】
本発明の第７の発明によれば、プローブが下り方向に移動していることを判定する判定手段を備え、前記判定手段で下り方向であると判定した前記プローブ位置の測定値を選択して出力する構成としているので、第１の発明と同じ効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
次に、本発明の一実施形態の形状測定方法及び装置について、図面を参照しながら説明する。本実施形態における形状測定装置全体構成の外観は、背景技術の説明において引用した図１の全体概略斜視図に示す外観と同一である。また本実施形態におけるオートフォーカス制御部の構成において、背景技術の説明において引用した図２に示したものと同一の部材には同一の参照番号を付して相違点のみ詳細に説明する。
【００４０】
図１０は本発明の第１の実施形態における制御部の構成図で、被測定物に関する情報を入力する入力部５０と、測定した結果を表示したり印刷したりする出力部５１と、測定装置の動作を決めるソフト等を記憶する記憶部５２などがある。また、記憶部で記憶されたソフトにより、プローブ５を被測定物２の鉛直方向に移動させるサーボ回路２８及びリニアモータ２９などのＺ軸方向の駆動手段や、プローブ５を被測定物２の鉛直方向と直交する二次元座標軸方向に移動させるＸ・Ｙ軸駆動手段５３を制御する制御部５４などがある。
【００４１】
ここで、プローブ５を被測定物２の表面に沿って走査させ、位置測定手段５５で測定したデータで、プローブ５が下り方向に移動していることを判定手段Ａ５６により判定し、下り方向であると判定した場合は、その測定値を選択して出力する構成としている。その結果、下り方向に走査した時のみのデータが得られるので、測定時に、スタイラス１２に加わるＸ軸方向及びＹ軸方向分力を小さくして高精度で測定できるとともに、スタイラス１２の傾きを小さくし傾斜角度が急峻な測定物においても測定可能な傾斜角度を大きくすることができる。
【００４２】
なお、位置測定手段５５による測定は図１のレーザ測長光学系４によるＺ座標の測長に相当し、移動体３に装着されているプローブ５の二次元座標（Ｘ軸・Ｙ軸）方向の位置の測定は、図１のレーザ測長光学系４でのＸ座標及びＹ座標の測長に相当する。
【００４３】
図１１はスタイラスがルビーでセラミックの標準球を測定した時の測定結果を示すグラフであり、横軸に被測定面の傾斜角度、縦軸に設計式Ｚ＝ｆ（Ｘ）と測定値との差Ｚｄ（μｍ）を表している。図１１（ａ）はプローブ５が下り方向に移動していることを認識し、下り方向であると認識した測定値を選択して表示するようにしたグラフであり、図１１（ｂ）では上り方向と下り方向の両方を表示したグラフである。このグラフにより、特に傾斜角度の大きい所で上り方向の誤差が大きいことが分かる。
【００４４】
図１２は本発明の第２の実施形態における制御部の構成図で、図１０に示す構成と相違しているところは、下り方向に移動していることを判定する判定手段Ａ５６の代わりに、入力部５０で入力した被測定物２に関する設計式などの情報から被測定物２の下り傾斜面を判定する判定手段Ｂ５７を備えている点で、判定手段Ｂ５７で下り傾斜面と判定した方向に走査し測定する方法としたものである。
【００４５】
例えば設計式を入力すると、どの部分が下り傾斜面であるかを判定手段Ｂ５７で判定し、下り方向に走査した時のみのデータを得ることができ、スタイラス１２に加わるＸ軸方向及びＹ軸方向分力を小さくして高精度で測定できるとともに、スタイラス１２の傾きを小さくし傾斜角度が急峻な測定物においても測定可能な傾斜角度を大きくすることができるので、図１１に示す場合と同じ効果を得ることができる。
【００４６】
図１３は本発明の第３の実施形態における制御部の構成図で、図１２に示す構成と相違しているところは、入力部５０で入力した被測定物２に関する情報で被測定物２の下り傾斜面を判定する判定手段Ｂ５７を設ける代わりに、プローブ５を被測定物２の中心部から外周部へ接触し走査して測定するようにプログラムされたソフトＡと、プローブ５を被測定物２の外周部から中心部へ接触し走査して測定するようにプログラムされたソフトＢとを記憶している記憶部５８と、これらのソフトＡ或はソフトＢを選択する選択手段５９とを設けた点である。
【００４７】
例えば凸レンズの様な単純な形状の被測定物では、中心部から周辺部に走査して測定し、凹面の被測定物では周辺部から中心部に走査して測定する。この様に形状から判断してソフトＡかソフトＢを選択することにより、下り方向に走査した時のみのデータが得られ、スタイラス１２に加わるＸ軸方向及びＹ軸方向分力を小さくして高精度で測定できるとともに、スタイラス１２の傾きを小さくし傾斜角度が急峻な測定物においても測定可能な傾斜角度を大きくでき、図１１に示す場合と同じ効果を得ることができる。
【００４８】
図１４（ａ）は被測定物２の凸面の測定順序を説明する斜視図、図１４（ｂ）は側面図である。被測定物２の端部に近い凸面の頂点イからＺＹ面に沿って下ってくる。被測定物の外周部に達すると距離△ｌだけＸ方向に移動し、ＺＹ面で凸面の頂点に上がり、更に移
動して下って行く。被測定物の外周部に達すると又距離△ｌだけＸ方向に移動し、同じ動
作を繰り返す。
【００４９】
この例では、被測定物の鉛直方向の断面と直交する軸方向に距離△ｌ離れた断面列を想
定し、この断面列毎に外周部及び中心部と見なして順次測定をして行く。図１０の制御部の構成図では、下り方向に移動していることを判定する判定手段Ａ５６で自動的に下り方向のみ測定しているが、図１２や図１３に示す制御部の構成では、被測定物に関する設計式や形状などの情報で、凸面の被測定物２の場合には中心部から外周部までの下り方向に走査し測定し、凹面の被測定物では外周部から中心部までの下り方向に走査し測定した時のデータを得ている。
【００５０】
図１４（ａ）示す測定ではまた、距離△ｌを小さくすれば、被測定物２の全面にわたっ
て高密度に測定することが出来る。この様に、被測定物２の鉛直方向と直交する二次元（Ｘ軸・Ｙ軸）面上を走査し測定しているので、被測定物の全面にわたって高密度に測定することができる。
【００５１】
図１４（ａ）に示す測定では、スタイラス１２が被測定物２に上り、下りの両方とも接触していても測定データは下り方向に接触して測定したもののみとしているが、図１４（ｂ）に示す場合には、下り方向の時だけスタイラス１２が被測定物２に接触して測定しているので、スタイラス１２に無理な力がかからない。図中、１）から８）まではスタイラスの移動順序を示すもので、スタイラス１２が外周部に達すると、スタイラス１２は持ち上がり被測定物２とは非接触でＺＹ面で凸面の頂点に達する。頂点では、持ち上がっていたスタイラス１２が降りてきて被測定物に接触し、測定をしながら下って行く。次に距離△ｌだけＸ方向に移動し、同じ動作を繰り返す。この時には、スタイラス１２に無理な力がかからず、測定精度が良くなるとともに、急角度の傾斜面まで測定することができる。
【００５２】
図１５はフレネルレンズの様に、測定装置に装着時の水平線に対する傾斜角がα１、α２の二つの傾斜面から構成される先尖状突起部を有する被測定物の測定に関する実施形態を示す断面図で、傾斜角α１、α２のうちの小さい傾斜角を有する傾斜面を上り、大きい傾斜角を有する傾斜面を下る方向に移動し測定する。図では傾斜角α１は９０°・傾斜角α２は９０°より小さいので、プローブ５が被測定物２の外周部から中心部へ傾斜面を上るように接触し、走査して測定するようにプログラムされたソフトＢを選択する。
【００５３】
測定順序は１）から８）までの順で、実線の４）と８）を接触して測定し、送り時には非接触状態で移動させる方法としている。従って、プローブが先尖状突起部に当たり破損することが無く、かつ測定精度が良くなるとともに急角度の傾斜面まで測定することができる。
【００５４】
図１６は歯車等の測定に関する実施形態を示すもので、図１６（ｂ）は図１６（ａ）のＡ部を拡大したものである。この歯車の溝部を、測定装置に装着時の水平線に対する傾斜角がθ１、θ２の二つの傾斜面から構成されるＶ字形状の溝部とし、これを２個有するものと見なして、プローブ５が傾斜角θ１、θ２のうちの大きい傾斜角を有する傾斜面を下り、小さい傾斜角を有する傾斜面を上る方向に移動して測定する。
【００５５】
この場合、傾斜角θ１は傾斜角θ２よりも大きいので、プローブ５を被測定物２の中心部から外周部へ接触し走査して測定するようにプログラムされたソフトＡを選択する。測定順序は１）から８）までの順で、実線の２）と６）で示す区間を接触して測定し、戻り時には非接触状態で移動させている。この測定を前後方向に繰り返す。従って、プローブに無理な力がかからないので破損することが無く、かつ測定精度が良くなるとともに急角度の傾斜面まで測定することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明の形状測定方法及び装置によれば、プローブの先端部に装着しているスタイラスに、測定時に加わるＸ軸方向及びＹ軸方向分力を小さくして精度良く測定できるとともに、スタイラスの傾きを小さくし測定可能な傾斜角度を大きくすることができる。また、プローブに無理な力がかかり破損することが無く、長期にわたって安定した測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の一実施形態及び従来例の形状測定装置の全体構成を示す概略斜視図
【図２】従来の形状測定装置におけるオートフォーカス制御部の構成図
【図３】被測定物の表面上任意の点における傾きの説明図
【図４】被測定物からスタイラスが受ける抗力の説明図
【図５】（ａ）は測定方向が上り時に被測定物とスタイラスとの間に働く摩擦力の説明図（ｂ）は測定方向が下り時に被測定物とスタイラスとの間に働く摩擦力の説明図
【図６】（ａ）は測定方向が上り時にスタイラスが受けるトータルの力の説明図（ｂ）は測定方向が下り時にスタイラスが受けるトータルの力の説明図
【図７】（ａ）は測定方向が上り時にスタイラスに働くＸ方向の分力の説明図（ｂ）は測定方向が下り時にスタイラスに働くＸ方向の分力の説明図
【図８】（ａ）は測定方向が上り時にスタイラスに働くオートフォーカス制御による力の説明図  （ｂ）は測定方向が下り時にスタイラスに働くオートフォーカス制御による力の説明図
【図９】スタイラスの傾きを表す模式図
【図１０】本発明の第１の制御部の構成図
【図１１】（ａ）は球の表面を下り方向に測定した時の測定結果を示すグラフ（ｂ）は球の表面を上り方向に測定した時の測定結果を示すグラフ
【図１２】本発明の第２の制御部の構成図
【図１３】本発明の第３の制御部の構成図
【図１４】（ａ）は被測定物の凸面の測定順序を説明する斜視図（ｂ）は本図（ａ）に示す測定順序を説明する側面図
【図１５】異なる傾斜角を有する二つの傾斜面から構成される先尖状突起部の測定順序を示す側面断面図
【図１６】（ａ）は歯車の側面図（ｂ）は本図（ａ）のＡ部における測定順序を示す拡大図
【符号の説明】
【００５８】
２  被測定物
２ａ  被測定面
３  移動体
４  レーザ測長光学系
５  プローブ
１１  スライド部
１２  スタイラス
１３  ミラー面
１４  板ばね（弾性材）
１５  ガイド部
２７  誤差信号発生部（相対位置測定手段）
２８  サーボ回路（位置調整手段）
２９  リニアモータ（位置調整手段）
３１  エア軸受
５０  入力部
５１  出力部
５２  記憶部
５５  位置測定手段（Ｚ軸方向）
５６  判定手段Ａ
５７  判定手段Ｂ
５８  ソフトＡ・ソフトＢを有する記憶部
５９  選択手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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